第五章物质跨膜运输

二、 被动运输与主动运输：
被动运输定义：是指通过简单扩散或协 助扩散将物质从高浓度向低浓度方向的 跨膜转运，转运的动力来自物质的浓度 梯度，不需要细胞提供代谢能量。
类型：简单扩散、协助扩散
（一）简单扩散：
不需要膜蛋白的 帮助，也不需要 细胞提供能量 ， 只靠膜两侧保持 一定的浓度差， 通过扩散发生的 物质运输。
类型（根据能量来源）： ① ATP驱动泵、 ② ATP间接提供能量（耦联
转运蛋白）、 ③光驱动泵（见于细菌）
主动运输的三种类型
第二节 ATP 驱动泵与主动运输 三种主动运输方式中， ATP 驱动泵最常见 ATP 驱动泵分类：
P-型离子泵 转运离子泵 V-型质子泵
F-型质子泵 转运小分子泵：ABC超家族
②能够将细胞内的各种物质，如分泌物、 代谢废物以及一些离子排到细胞外。
③能够维持一些无机离子在细胞内恒定和 最适的浓度，特别K+、Ca + 和H +的浓度。
主动运输的特点
1.逆梯度运输
2.依赖于膜运输蛋白 3.需要代谢能。
4.具有选择性和特异性。
参与主动运输的载体蛋白被称为泵，因为他们 能利用能量来做功。由于它们消耗的代谢能多 数为ATP，所以又称它们为某某ATPase。有下 列类型：
• 产生的机制： ①取决于一套特殊的膜转运蛋白的活性。 如：钠泵、钾泵、钙泵等 ②取决于质膜本身脂双层所具有的疏水性特征。 脂双层形成疏水性分子和离子的渗透屏障，对绝大多数溶质分子和离子是高 度不透的。
• 作用：保障细胞对基本营养物质的摄取、代谢废物的排除和细胞内离子浓度的调节 （细胞内外的离子差异对于细胞的存活和功能至关重要 ），使细胞维持相对稳定的内 环境。
● 转细胞运输(transcellular transport) 这种运输是物质穿越细胞的运输。
细胞运输 物质跨膜运输主要有三种途径：
1.被动运输 2.主动运输 3.胞吞与胞吐作用
第一节膜转运蛋白与物质的跨膜运输
• 一、脂双层的不透性和膜转运蛋白
• 细胞膜是细胞与细胞外环境之间的一种选择性通透性屏障，细胞质膜内外离子分布 不均匀。
应力门控通道：这类通道的打开受一种力的作用。
如听觉毛状细胞的离子通道。声音的振动推开应力 门控通道，允பைடு நூலகம்离子进入毛状细胞，形成电信号传 递到听觉神经再传到脑。
听觉毛细胞
连接丝
基底膜
听觉神经纤维
不倾斜的束
溶质分子输入细胞的四种方式
• 大写字母表示溶液的高浓度 • (1) 简单扩散； • (2) 膜整合蛋白离子通道进行的被动运输; • (3) 协助扩散，也同(a)和(b)一样，被 动运输; • (4) 通过载体介导的主动运输，主动运输。
ATP驱动泵种类
• （1）P-型离子泵：结构类型包括Na+-K+泵和 Ca2+泵，在转运H＋的过程中涉及磷酸化和去磷酸 化，存在于真核细胞的细胞膜上。
• （2）V-型质子泵：存在于各类小泡膜上，水解 ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶 体膜、胞内体、植物液泡膜上。其功能是维持
细胞质基质中性pH和细胞器内的酸性。
载体蛋白举例
（二）通道蛋白及其功能
♥最早离子通道是在神经元膜上发现的。
♥通道蛋白形成跨膜的离子选择性通道，介导无机离子的跨膜运输，又称 离子通道。
♥对离子的选择依赖于离子通道的直径和形状，以及通道内衬带电氨基酸 的分布。
通道蛋白类型
非选择性通道——革兰氏阴性菌的外膜、线粒体及叶绿体膜，如 孔蛋白。 选择性通道——绝大多数真核细胞膜，为门控通道，如离子通道、 水孔蛋白。离子通道并非连续性开放，而是门控的，其活性由开 或关两种构象所调节，受控于适当的细胞信号。
• 目前在人类细胞中已发现至少10种此类蛋白， 被命名为水孔蛋白（Aquaporin，AQP）。
水孔蛋白结构
由4个亚基组成的四聚 体；每亚基由3对同源 的跨膜α螺旋（1-4、 2-5、3-6）组成
水分子通过水孔蛋白
2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦 金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和 机理研究而获诺贝尔化学奖。
Peter Agre
Roderick MacKinnon
（三）协助扩散：
指非脂溶性物质或亲水性物质， 如氨基酸、糖和金属离子等借助细胞 膜上的膜蛋白的帮助顺浓度梯度或顺 化学浓度梯度，不需要细胞提供能量 进入膜内的一种运输方式。
特点： ： ①转运速率高； ②运输速率同物质浓度成非线性关系； ③特异性； ④饱和性。
离子通道蛋白在膜中有开和关两种构 型，相当于门，所以称为门控通道。
电压门控通道：
这类通道的构型变化依据细胞内外 带电离子的状态，主要是通过膜电位 的变化使其构型发生改变，从而将 “门”打开。
配体门控通道 ：
这类通道在其细胞内外的特定配体与膜受 体结合时发生反应，引起通道蛋白的一种成分 发生构型变化，使“门”打开。可分为细胞内 配体和细胞外配体两种类型。
去磷酸化:膜与外侧的K+结合后促使泵去磷酸 化，泵的构象恢复原状，K+则转向膜内侧，K+ 与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，并又可 以与Na+结合，开始下一次循环。
Na+-K+泵工作步骤
• 1.从细胞内摄取3个Na+ ，并激活ATP酶的活 性；
• 2.促使ATP水解，磷酸化泵的α亚基； • 3.磷酸化后泵改变构象，导致3个Na+向外释
4.由ATP水解直接提供能量。
5.构象变化有序而迅速，每秒可发生1000 次左右。
Na+-K+泵的生理作用： ①维持细胞的渗透性，保
持细胞的体积； ②维持高K+低Na+的细胞
内环境，维持细胞的静息电 位。
③吸收营养
乌本苷抑制其活性；氰化物可抑制ATP 供应中断，阻止泵的运转。
Mg 2+和少量膜脂有助提高于其活性。
（二）Ca2+ pump
P型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。 两类： ①肌质网膜上的Ca 2+泵： 1000个AA；与Na-K泵 的α亚基同源；10个跨
膜α螺旋；胞质侧有2个Ca2+结合位点和ATP结合位点,但无钙调蛋白（CaM） 结合位点。
P型钙泵作用模式
②质膜上的Ca 2+泵，其C端是钙调蛋白的结 合位点，当胞内钙离子浓度升高时，钙离子 与钙调蛋白结合，形成激活的Ca 2+-CaM复合 物。与Ca 2+泵结合，进而调节Ca 2+泵的活性。
（四） 主动运输
被动运输只能将物质从高浓度向低浓度 方向运输，趋向于细胞内外的浓度达到平衡。 实际上，细胞内外的物质浓度差别很大，浓 度的差异是维持细胞生命活动所必须的。
主动运输是由运输蛋白介导的物质逆浓度 梯度或电化学梯度进行的运输方式。
作用：
①保证了细胞或细胞器从周围环境或表面 摄取必需的营养物质。
放； • 4.从胞外摄取2个K+，促使去磷酸化； • 5.去磷酸化后的泵改变构象，在胞内侧释放2
个K+ ； • 6.泵恢复原始状态， Na+结合位点恢复功能，
开始下一次循环。
钠钾泵的作用特点：
1.每个循环构象变化两次，磷酸化和去磷 酸化；
2.每一个循环消耗一个ATP；
3.一个循环运出3个Na+，输入2个K+；
• 物质的跨膜运输对细胞的生存和生长至关重要，与诸多生物学过程（细胞摄取营养、 信号转导、维持渗透压、生成ATP、神经元的可兴奋性等）密切相关。
细胞质膜转运蛋白的种类
脂双层的不透性使得多数物质的跨膜转运需要特定的膜转运蛋白。细 胞膜上存在两类主要的转运蛋白，即：
载体蛋白（carrier protein）：又称做载体（carrier）、通透酶 （permease）和转运器（transporter），有的需要能量驱动，如： 各类ATP驱动的离子泵；有的则不需要能量，如：缬氨酶素。
第五章 物质的跨膜运输
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
MEMBRANE TRANSPORT
细胞进行物质运输的三种不同范畴:
● 细胞运输(cellular transport) 这种运输 主要是细胞与环境间的物质交换;
● 胞内运输(intracellular transport) 是真 核生物细胞内膜结合细胞器与细胞内环 境进行的物质交换;
ATPase
Na+-K+泵工作原理：
通过磷酸化和去磷酸化发生构象的变化，导 致与Na+、K+的亲和力发生变化完成离子的转运。
磷酸化:膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活 性，分解ATP，泵被磷酸化，构象发生变化，于 是结合的Na+转移至膜外侧；这种磷酸化的泵对 Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外 侧释放Na+、结合K+。
通道蛋白的门控：离子选择性、门控的跨膜通道
离子通道
电压门控通道(voltage-gated channel) 配体门控通道(ligand-gated channel) 应力激活通道(stress-activated channel)
三种类型的门控离子通道示意图
特点
通道蛋白在运输过程中并不与被运 输的分子结合，也不会移动，只参与被 动运输，其运输作用具有选择性。
通道蛋白（channel protein）：能形成亲水的通道，允许特定的溶 质通过，所有通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质。
膜转运蛋白
载体蛋白
通道蛋白
（一）载体蛋白及其功能 有多个跨膜结构域的膜蛋白质分子。
• 状态A与状态B这两种构象的转变是随机发 生的，不依赖于是否有溶质与之结合或是 否完全可逆。
• （3） F-型质子泵 :存在于线粒体膜、植物类囊 体膜及多数细菌质膜上，以相反的方式发挥生理 作用——H+顺浓度梯度运动，释放能量与合成 ATP偶联起来。
（4）ABC超家族：转运小分子
一、P-型离子泵 2个独立的α亚基（绝大多数还有2个β
亚基——通常只起调节作用，而不直接参与 转运）。
α亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，从 而改变泵蛋白构象，实现离子的跨膜转运。
载体蛋白的特点：
1.具有高度选择性 特异性结合位点只能与特异性底物（溶质）结合， 需要与被运输的离子或分子结合。
2.具有饱和动力学特征 能被底物类似物竞争性抑制、或被某种
抑制剂非竞争性抑制——类似酶的特征，故 有人称载体蛋白为通透酶（permease）。 3.对转运的溶质分子不作任何共价修饰 4.既参与被动的物质运输，也参与主动的物质运输。
是由许多亚基构成的管状结构，H＋顺浓 度梯度运动，所释放的能量与ATP合成耦联 起来, F是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子
（factor）的缩写。位于线粒体、叶绿体相 关膜上。
F型质子泵不仅可以利用质子动力势将ADP转化成ATP，也可以利 用水解ATP释放的能量转移质子。
存在于哺乳动物胃壁泌酸细胞膜上，能将H+ 泵出，将K+泵入细胞。
二、V-型质子泵和F-型质子泵 1.V-type质子泵（膜泡质子泵）：
位于小泡（vacuole）的膜上，由许多亚基 构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸 化，位于溶酶体膜、动物细胞的内吞体、高 尔基体的囊泡膜、植物液泡膜上。
二、V-型质子泵和F-型质子泵 2.F-type （ H＋ -ATP合酶，ATP synthase ）：
（二）其它 P-type pumps:
包括H+ 和 H+/K+ ATPases
（1）H+ pump（ H+ -ATPase）
存在于植物细胞、真菌和细菌质膜上，将H+ 泵出细胞，建立和维持跨膜的H+ 电化学梯度 （类似于动物细胞Na + 的电化学梯度）
在控制细胞内pH值 过程起关键作用。
（2）H+/K+ ATPases
种类：
Na+-K+ pump 、Ca2+ pump 、H+ pump 、H+-K+ pump
一、P-型离子泵 （一）Na+-K+ pump
2个α亚基与2个β亚基组成的四聚体； α亚基在膜内外各有与Na+结合位点和与 K+结合的位点。
A Model Mechanism for the Na+/K+
人工脂双层膜对不同分子的相对透性
• 结论：人工膜对各类物质的通透率： • 脂溶性越高通透性越大； • 小分子比大分子易透过； • 非极性分子比极性容易透过； • 极性不带电荷的小分子可透过人工脂双层; • 人工膜对带电荷的物质，如离子是高度不通
透的。
（二）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。