第 章 物质的跨膜运输

§4.1物质的跨膜运输概述一、细胞内外离子浓度差异1.现象：细胞内外离子浓度的差异性离子类型细胞内浓度（mmol/L）细胞外浓度（mmol/L）Na＋低高K＋高低Ca2＋低高Cl－低高2.原因（1）脂双层的不透性除脂溶性分子与不带电的小分子外，脂双层对离子和绝大多数分子而言都是高度不透的，这些物质的跨膜运输需要膜转运蛋白参与。

（2）膜转运蛋白的活性膜转运蛋白包括：载体蛋白、通道蛋白二、载体蛋白1.载体蛋白的概念载体蛋白是指一类普遍存在的多次跨膜蛋白，又称通透酶。

通过与底物的特异性结合而改变构象，从而介导该物质跨膜运输。

2.载体蛋白的特点载体蛋白既可以参与被动运输，又可以参与主动运输。

其作用特点与酶类似，具有特异性与饱和性，不同之处在于载体蛋白不对底物进行共价修饰。

三、通道蛋白1.通道蛋白的概念通道蛋白是指一类普遍存在的多次跨膜蛋白。

其多次跨膜结构域可以构成亲水性通道，从而介导大小适合的分子或离子以被动运输的方式跨膜运输。

2.通道蛋白的特点通道蛋白只参与被动运输，其能量来源于膜内外物质的浓度梯度或电化学梯度。

3.通道蛋白的分类：离子通道、孔蛋白、水孔蛋白（1）离子通道离子通道是指，能够对离子进行选择性跨膜运输的跨膜蛋白，其能量源于膜内外离子的浓度梯度或电化学梯度。

离子通道决定生物膜对离子的通透性，并与离子泵一起，调节膜内外的离子浓度。

离子通道的特点：高效性、选择性（门控系统）、无饱和性①电压门控通道：通过膜电位的改变而激活或关闭，从而调控离子的跨膜运输。

如：含羞草叶子的闭合。

外界应力刺激含羞草感觉细胞，从而引起感觉细胞表面应力激活通道开启，导致膜电位发生改变。

进而导致电压门控通道开启，产生电信号。

电信号作用于叶片基部的特化细胞令其失水，导致叶片闭合。

②配体门控通道：通过与细胞内或细胞外的配体特异性结合改变构象而激活或关闭，从而调控离子的跨膜运输。

如：神经突触中的乙酰胆碱的释放与接收。

③应力激活通道：通过感受应力来改变构象而激活或关闭，从而调控离子的跨膜运输。

如：听觉毛状细胞的响应。

声音引起内耳基膜震动，从而引起听觉毛状细胞表面纤毛倾斜，使得应力改变，从而打开离子通道。

（2）孔蛋白孔蛋白是指一类非特异性跨膜通道蛋白，多存在于细菌质膜、线粒体与叶绿体外膜。

其跨膜结构域多由10～12个氨基酸残基形成的β折叠反向平行排列构成，允许相对分子质量小于10000D的分子通过。

（3）水孔蛋白（AQP）（2003年，化学奖）水孔蛋白是指一类广泛存在的特异性跨膜通道蛋白，介导水分子快速跨膜运输。

水孔蛋白是由4个相同亚基构成的四聚体，每个亚基都由6个跨膜α螺旋构成，其中心有一个稍大于水分子直径的中央孔，供水分子通过。

通道内含有高度保守的氨基酸残基（Asp、His、Cys等），通过与水分子形成氢键而特异性介导水分子跨膜运输。

氯化汞、硝酸银等化合物能够通过与保守氨基酸残基结合，从而抑制水孔蛋白活性。

水孔蛋白的发现1991年，美国生物学家阿格雷发现28kD的跨膜蛋白，称为形成通道蛋白28（CHIP28），由此展开CHIP28君的上位之路。

A.蛙卵细胞溶胀实验：将蛋白CHIP28的mRNA导入蛙卵细胞并使之表达，向蛙卵细胞表面引入CHIP28蛋白。

随后将该蛙卵细胞置于低渗溶液中，发现蛙卵细胞体积迅速胀大。

说明：CHIP28是水孔蛋白or能够激活水孔蛋白B.脂质体溶胀实验：将CHIP28蛋白整合到脂质体上，将整合后的脂质体置于低渗溶液中，发现脂质体迅速溶胀。

说明：CHIP28是水孔蛋白。

三、物质的跨膜转运概述1.被动运输（1）简单扩散通过简单扩散运输的物质：气体分子、小的极性分子（如：尿素、乙醇）、脂溶性分子（如：苯）。

（2）协助扩散通过协助扩散运输的物质：氨基酸、甘油、脂肪酸、葡萄糖等。

2.主动运输（1）一级主动运输：ATP驱动泵P离子泵：钠钾泵、钙泵、P质子泵（氢泵）V质子泵F质子泵前三者转运离子ABC超家族后者转运离子与小分子（2）二级主动运输：同向转运、反向转运（3）光驱动主动运输3.膜泡运输（1）胞吞作用：吞噬作用、胞饮作用受体介导型胞吞作用、非受体介导型胞吞作用（2）胞吐作用：组成型胞吐作用、分泌型胞吞作用一、被动运输的概念被动运输是指，物质顺浓度梯度或电化学梯度的跨膜运输，不消耗能量，其强度取决于物质分子本身的大小或极性。

依据是否需要膜转运蛋白协助，被动运输分为：简单扩散与协助扩散两类。

二、简单扩散1.简单扩散的概念简单扩散是指，物质顺浓度梯度或电化学梯度的跨膜运输，不消耗能量，无需膜转运蛋白协助。

2.简单扩散的影响因素：分子脂溶性、分子大小、分子极性3.通过简单扩散运输的物质：气体分子、小的极性分子（如：尿素、乙醇）、脂溶性分子。

三、协助扩散1.协助扩散的概念协助扩散是指，物质在膜转运蛋白的协助下，顺浓度梯度或电化学梯度进行的跨膜运输，不消耗能量。

2.通过协助扩散运输的物质：氨基酸、甘油、脂肪酸、葡萄糖等。

如：葡萄糖的跨膜运输需要葡萄糖转运蛋白（GLUT）的协助。

GLUT家族是一类多次跨膜蛋白，用以介导葡萄糖的跨膜运输，具有高度同源的氨基酸序列，分子中均含有12次跨膜的α螺旋结构域。

血浆中，葡萄糖在葡萄糖转运蛋白1（GLUT1）的作用下，通过协助扩散进入红细胞或血脑屏障。

葡萄糖转运蛋白的结晶：①构建突变体：N45T，45位的天冬酰胺替换为苏氨酸，防止GLUT1糖基化。

E329Q，329位的谷氨酸替换为谷氨酰胺，从而初步稳定GLUT1构象。

②低温结晶：进一步稳定GLUT1构象并结晶。

一、主动运输概述1.主动运输的概念主动运输是指，由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度跨膜运输的方式。

该过程自由能变为正值，必须与某个消耗能量的过程相偶联。

2.主动运输的分类（1）一级主动运输一级主动运输是指，利用ATP驱动泵（ATP酶），使运输过程与ATP水解反应相偶联，利用ATP水解提供的能量实现物质逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运输。

能量来源：ATP水解ATP驱动泵主要包括：P离子泵、V质子泵、F质子泵、ABC超家族（2）二级主动运输（协同运输）二级主动运输是指，利用偶联转运蛋白，使一种物质的逆浓度梯度或电化学梯度运输同另一种物质的顺浓度梯度或电化学梯度运输相偶联，利用偶联物质的浓度梯度或电化学梯度提供的能量实现底物逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运输。

能量来源：浓度梯度、电化学梯度二级主动运输包括：同向转运、反向转运①同向转运：底物运输方向与偶联物质运输方向相同。

②反向转运：底物运输方向与偶联物质运输方向相反。

（3）光驱动主动运输光驱动主动运输是指，运输过程与光能相偶联，利用光能实现物质逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运输。

能量来源：光能二、P离子泵1.P离子泵概述P离子泵均含有2个独立的α催化亚基，具有ATP结合位点。

大多数还含有2个β调节亚基。

运输过程中至少有一个α催化亚基与ATP结合，发生磷酸化与去磷酸化反应，从而改变构象，实现离子的跨膜运输。

P离子泵包括：钠钾泵、钙泵、P质子泵2.钠钾泵（1）钠钾泵概述钠钾泵是由2个胞质侧α催化亚基与2个β调节亚基构成的四聚体，具有ATP离子泵活性，广泛存在于动物细胞质膜上，用于介导钠离子出细胞、钾离子入细胞。

对细胞内外离子浓度分布、渗透压平衡、神经细胞冲动传导以及细胞体积的稳定至关重要。

（2）钠钾泵的工作原理磷酸化位点：α亚基Asp269钠钾泵去磷酸化构象对钠离子亲和性高；磷酸化构象对钾离子亲和性高。

在胞内，α亚基与钠离子结合促进ATP水解，从而使α亚基上的一个Asp残基磷酸化，导致α亚基构象改变，将钠离子泵出细胞。

与此同时，在胞外，钾离子与α亚基结合，促使其去磷酸化，α亚基构象恢复，将钾离子泵入细胞。

每消耗1分子ATP，可介导3个钠离子泵出，2个钾离子泵入。

（3）钠钾泵的影响因素：乌本苷（抑制剂）3.钙泵（1）钙泵概述钙泵广泛存在于真核细胞质膜或内膜中，尤其是肌细胞内质网中，具有ATP离子泵活性，用于介导钙离子出细胞或入内质网的跨膜运输。

对维持细胞内低钙离子浓度以及肌细胞的收缩与舒张至关重要。

（2）钙泵的工作原理磷酸化位点：大亚基Asp351（与钠钾泵α亚基同源）钙泵去磷酸化构象与钙离子亲和性高。

钙泵处于去磷酸化构象时与钙离子促进ATP水解，从而使大亚基上的一个Asp残基磷酸化，导致大亚基构象改变，将钙离子泵出细胞或泵入内质网。

每消耗1分子ATP，可介导2个钙离子泵出细胞或泵入内质网。

（3）钙泵的影响因素：钙调蛋白（CaM）质膜钙泵：C端有钙调蛋白结合位点，当细胞内钙离子浓度升高时，钙离子与钙调蛋白结合，形成Ca2＋-CaM复合物，并与钙泵结合，激活钙泵的活性。

内质网膜钙泵：无钙调蛋白结合位点。

4.P质子泵P质子泵又称氢泵，主要位于植物细胞、真菌与细菌的质膜中，具有ATP离子泵活性，代替钠钾泵的功能。

用于介导氢离子出细胞，以建立和维持膜内外氢离子电化学梯度。

三、V质子泵与F质子泵1.V质子泵V质子泵广泛存在于动物细胞溶酶体、胞内体，植物细胞、真菌液泡膜中，利用ATP 水解，将细胞质基质中的氢离子逆电化学梯度泵入膜泡中，以维持细胞质基质的中性环境与该类膜泡中的酸性环境。

该过程不形成磷酸化中间体。

2.F质子泵F质子泵存在于细菌质膜、线粒体内膜及叶绿体类囊体膜中，一方面能利用ATP水解实现氢离子逆电化学梯度运输；一方面，能利用氢离子顺电化学梯度运输与ATP合成偶联，如线粒体内膜的氧化磷酸化、叶绿体类囊体膜的光合磷酸化。

该过程不形成磷酸化中间体。

四、ABC超家族1.ABC超家族概述ABC超家族是最大的一类膜转运蛋白，用于介导离子、单糖、氨基酸、磷脂、多肽等物质跨膜运输，从而将代谢废物与细胞毒物排除胞外。

细菌ABC超家族：转运单糖、氨基酸、磷脂、多肽。

动物质膜ABC超家族：转运磷脂、胆固醇、脂溶性药物（因此对于这类细胞必须保持胞外药物的高浓度）。

2.ABC超家族的工作原理所有的ABC超家族都拥有2个跨膜结构域（T，每个T由6个跨膜α螺旋形成）和2个胞质侧ATP结合位点（A）。

质膜内两个A位点与ATP结合，通过ATP的二聚化反应，介导两个A位点相结合，从而导致其构象改变，实现物质的跨膜运输。

§4.4膜泡运输一、胞吞作用1.胞吞作用的概念胞吞作用是指，通过质膜内陷形成囊泡，从而将细胞外大分子物质甚至细胞包裹并运输至细胞内的过程。

又称胞吞途径。

2.胞吞作用的分类（1）依据所吞物质大小：吞噬作用、胞饮作用（2）依据所吞物质有无特异性结合：受体介导的胞吞作用、非受体介导的胞吞作用3.吞噬作用与胞饮作用（1）吞噬作用与胞饮作用的概念吞噬作用是指，胞吞物为较大的颗粒。

通过质膜内陷而形成较大的囊泡，将外源颗粒包裹并运输至细胞内部。

胞饮作用是指，胞吞物为较小的颗粒或液体。