第五章 物质的跨膜运输

目前在人类细胞中已发现至少11种此类蛋白，被命名为水孔蛋
白（Aquaporin，AQP）或水通道蛋白。形成对水分子高度特
异的亲水通道，只容许水而不容许离子或其他小分子溶质通过。

水孔蛋白是由四个亚基组成，每个亚基有六个跨膜α 螺旋。
（三）协助扩散
特征
顺梯度跨膜转运；不需要细胞提供能量； 存在膜转运蛋白使转运速率增加，转运特异性增强； 存在最大转运速率； 不同物质有特异Km值；
构成：
由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，也叫Na+-K+ATP酶，分布于 动物细胞的质膜。
工作原理：
每个周期转出３个钠离子，２个钾离子。
钠钾泵的作用：

①维持细胞的渗透性，保持细胞体积；

②维持低Na+高K+的细胞内环境；
③维持细胞的静息电位。 地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少
作用：完成大分子与颗粒性物质的跨膜 运输，又称膜泡运输或批量运输
（bulk transport）。属于主动运输。
●胞吞作用（胞饮作用、吞噬作用）
●胞吐作用
●膜流与囊泡的识别
吞噬作用

细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞 碎片等。
胞饮作用 细胞吞入液体或极小的颗粒物质。

胞吞作用
●胞饮作用（pinocytosis）与吞噬作用（phagocytosis）。
位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。
Ca++ ATPase
Maintains low cytosolic [Ca++] Present In Plasma and ER membranes
Model for mode of action for Ca++ ATPase Conformation change
一是取决于一套特殊的膜转运蛋白的活性；二是取决于质膜 本身的脂双层所具有的疏水性特征。

估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的
15~30%，细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能
量的2/3。

两类主要转运蛋白：

载体蛋白：又称做载体、通透酶和转运器。介导被动运 输与主动运输 通道蛋白：能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过。 只介导被动运输
特点：
运输方向：顺浓度梯度
能量消耗：不需要提供能量 类型： 简单扩散（simple diffusion） 协助扩散（facilitated diffusion）
-------需要特异膜蛋白协助
通透性P=KD/t ， K为分配系数， D为扩散系数，t为膜的厚度。
水孔蛋白：水分子的跨膜通道

1991年Agre发现第一个水孔蛋白CHIP28（28 KD）， CHIP28的mRNA能引起非洲爪蟾卵母细胞吸水破裂，已知这种 吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。
Na+-K+ATP pump can catalyze the formation of ATP under laboratory condition
钙离子泵

作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（胞内钙浓度10-7M， 胞外10-3M）。

位置：质膜、内质网膜。

类型：P型离子泵，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。
（四）主动运输（active transport）
●特点：逆浓度梯度运输；需要能量供给；由载体蛋白介导
被动与主动运输的比较
●类型：三种基本类型
ATP驱动泵（ATP-driven pump)是ATP酶，由ATP直接提供能量的主动运输。 例如：钠钾泵、钙泵、氢泵
钠钾泵 （结构与机制） 钙泵
耦联转运蛋白（coupled transporter）进行协同运输

最早发现于细菌，是一庞大的蛋白家族，都有两 个 高 度 保 守 的 ATP 结 合 区 （ ATP binding cassette），故名。

一种ABC转运器只转运一种或一类底物，不同成 员可转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、 蛋白质；可催化脂双层的脂类在两层之间翻转。
Mammalian MDR1 protein
能源
无
Na+梯度 Na+梯度 ATP水解 ATP水解 ATP水解 ATP水解
功能
被动输入葡萄糖
主动输入葡萄糖 主动输出H+，调节PH 主动输出Na+ 输入K+ 主动输出Ca2+ 从细胞主动输出H+ 主动输出胞质内H+进 入溶酶体或液泡
（二）通道蛋白及其功能

通道蛋白形成跨膜亲水性通道，允许特定离子顺浓度梯度 通过，又称离子通道。介导被动运输。转运速率极高；没 有饱和值；并非连续开放而是门控的。
第五章 物质的跨膜运输与信号传递
第五章 物质的跨膜运输与信号传递
第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输 第二节 离子泵和协同运输 第三节 胞吞作用与胞吐作用
一 脂双层的不透性和膜转运蛋白
活细胞内外的离子浓度明显不同，钠离子是胞外最丰富 的阳离子，钾离子是胞内最丰富的阳离子（细胞是低钠高钾 的环境）。细胞内外这种离子差异对于细胞的存活的功能至 关重要。 细胞内外的离子差别分布主要由两种机制所调控：
Four types of ATP-powered pumps
一 P-型离子泵
P-型离子泵有2个独立的α 催化亚基，具有ATP结合位
点。由于在泵周期中利用ATP水解能，形成磷酸化中间
体，故名P-型离子泵。
主要代表：钠钾泵、钙泵
植物细胞、真菌和细菌细胞其质膜上没有钠钾泵，而是 具有质子泵。
钠钾泵：

两者区别：以不同方式辨别溶质。通道蛋白主要根据溶质大小和电荷和进 行辨别，假如通道处于开放状态，则足够小和带有适当电荷的分子或离子 就能通过；而载体蛋白只允许与其结合部位相适应的溶质分子通过，并且 每次转运都发生自身构象的变化。
Membrane Transport Proteins
（一）载体蛋白及其功能
在几乎所有类型的生物膜上，载体蛋白是普遍存在、多次跨 膜的蛋白质分子。
载体蛋白举例
载体蛋白
葡萄糖载体
Na+驱动的葡萄糖泵 Na+-H+ 交换器 Na+-K+泵 Ca2+泵 H+泵 H+泵
典型定位
多数动物细胞的质膜
肾和肠细胞的顶部质膜 动物细胞的质膜 多数动物细胞的质膜 真核细胞的质膜 植物细胞、真菌和一些 细菌细胞的质膜 动物细胞溶酶体膜、植 物和真菌细胞的液泡膜


2、反向协同（antiport） 如Na+ 驱动的Cl--HCO3- 交换，即Na+ 与HCO3- 的进

入伴随着Cl-和H+的外流，如存在于红细胞膜上的
带3蛋白。
五 离子跨膜转运与膜电位
细胞质膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和即膜电位。 静息电位 内负外正 极化
动作电位
第三节 胞吞作用（endocytosis） 与胞吐作用（exocytosis）
特化的分泌细胞 储存——刺激——释放 产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）具有共同的分选机制， 分选信号存在于蛋白本身，分选主要由高尔基体TGN上的受体类蛋白
来决定
膜流与囊泡识别
● 膜流：动态过程对质膜更新和维持细胞的生存与生长
是必要的
● 囊泡与靶膜的识别与融合
物质跨膜运输：
被动运输 主动运输
胞吞与胞吐作用
胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别
特 征 内 吞 泡 的 转运方式 大小 小于 150nm 连续发生的过程 大于 250nm。 需受体介导的 信号触发过程 内吞泡形成机制 需要笼形蛋白形成包被 及接合素蛋白连接 需要微丝及其结合蛋白的参与
胞饮作用 吞噬作用
●胞吞作用的类型 非特异性胞吞作用 受体介导的内吞作用及包被的组装 ● 胞内体（endosome）及其分选作用
两侧离子的浓度梯度。

动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。 植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。


分 为 ： 同 向 协 同 （ symport ） 和 反 向 协 同 （antiport）。

1、同向协同（symport）
如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+ 的进入。 某些细菌对乳糖的吸收伴随着H+的进入。
（一）简单扩散，自由扩散
（free diffusion） 特点 ①沿浓度梯度（或电化学梯度） 扩散； ②不需要提供能量； ③没有膜蛋白的协助。
某种物质对人工膜的通透性（P） 可以根据它在油和水中的分 配系数（K）及其扩散系数 （D）来计算： P=KD/t t为膜的厚度。
人工膜对各类物质的通透率：
由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，也叫Na+-K+ATP 酶，分布于动物细胞的质膜。
工作原理：
每个周期转出３个钠离子，２个钾离子。
钠钾泵的作用：

①维持细胞的渗透性，保持细胞体积；

②维持低Na+高K+的细胞内环境；
③维持细胞的静息电位。 地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少


量膜脂有助提高于其活性。

极个别通道长期开放，如钾泄漏通道；多数通道平时处于 关闭状态，仅在特定刺激下才打开，称为门通道（分为电 压门通道、配体门通道、应力激活通道）。
Ion Channels
----or----
二 被动运输与主动运输
物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的 基础之一

1 被动运输（passive transport） 2 主动运输（active transport）