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。