5第五章 物质的跨膜运输

与糖转运相关的12种载体蛋白GLUT1-GLUT12；
具有高度同源的氨基酸序列，都含有12次跨膜的a
螺旋。
（三）协助扩散

GLUT1协助葡萄糖摄取的构象变化模型
由GLUT蛋白所介导的细胞对葡萄糖的摄取表现出的 酶动力学特征：

协助扩散比简单扩散快速； 存在最大转运速率； 不同的载体蛋白对 溶质的亲和性不同。
合成相耦联，如线粒体的
氧化磷酸化和叶绿体的
光合磷酸化。故称
H+ － ATP合成酶。 与V－型质子泵相反！
三、ABC超家族

也是一类ATP驱动泵，含有几百种不同的转运蛋
白，广泛分布在从细菌到人类的各种生物体中。

每个成员都含有两个高度保守的ATP结合区，故 名ABC（ATP－binding cassette）超家族。每 种ABC蛋白只转运一种或一类底物，但整个蛋白 家族能转运离子、单糖、氨基酸、磷脂、肽、多 糖、甚至蛋白质。

分布在植物细胞、细菌（包括酵母）和细菌细胞
的质膜上。

H+泵把H+泵出细胞，建立和维持跨膜的H+电化学
的梯度，并用于驱动转运溶质摄入细胞。

如：细菌摄取糖和
氨基酸。
二、V－型质子泵和F－型质子泵

都含有几种不同的跨膜和胞质侧亚基。 功能：只转运质子（ H+），并在转运H+过程中

泵蛋白不形成磷酸化的中间体。
（一）简单扩散

膜对于分子的通透 性主要取决于分子
大小和极性。

小分子比大分子易 穿膜，非极性分子
比极性分子易穿膜。
（二）水孔蛋白：水分子的跨膜通道

水分子可通过简单扩散缓慢进入细胞；


水分子也可经水孔蛋白快速跨膜。
水孔蛋白——由4个亚基组成的四聚体，每个亚基
都由6个跨膜a螺旋组成。

水孔蛋白对水分子高度特异：
5
1~2 1~2 4×10-8 (pH7.4) 110

细胞内外离子差的调控机理：

1. 取决于一套特殊的膜转运蛋白活性； 2. 取决于质膜脂双层的疏水性特征。

疏水性分子和离子不能直接透过脂双层，怎么办？ 膜转运蛋白：载体蛋白、通道蛋白
（一）载体蛋白及其功能

载体蛋白 —— 是存在于细胞膜上的多次跨膜的蛋白分子， 可介导被动与主动运输，具有通透酶性质。 每种载体蛋白能与特定的溶质分子结合，通过一系列构 象的改变介导溶质分子的跨膜转运。
第五章 物质的跨膜运输
本章内容提要

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 二、被动运输与主动运输


第二节 离子泵和协同转运

第三节 胞吞作用与 胞吐作用

一、P-型离子泵 二、V-型质子泵和F-型质子泵 三、ABC超家族 四、协同转运 五、离子跨膜转运与膜电位
一、胞饮作用与吞噬作用 二、受体介导的胞吞作用
三、胞吐作用
物质通过细胞质膜的转运途径

物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础 之一。
被动运输：简单扩散、协助扩散 穿膜运输
主动运输：Na+-K+泵、Ca2+泵、协同运输
胞吞作用：胞饮作用、吞噬作用
膜泡运输
胞吐作用
第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输
simple diffusion
（四）主动运输

主动运输——是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯 度或电化学梯度进行跨膜转运的方式。 根据所需能量来源不同，分为：


由ATP直接提供能量（ATP驱动泵） 间接提供能量（耦联转运蛋白）
光能驱动
（四）主动运输

1、ATP驱动泵——ATP酶


离子或分子的逆电化学梯度的跨膜运输与ATP水解相耦联。
运输方向 被转运分子是否 具特异性 运输的分子高浓 度时的饱和性
顺浓度梯度 无
无
顺浓度梯度 有
有
逆浓度梯度 有
有
第二节 离子泵和协同转运

ATP驱动泵功能是逆浓度梯度转运离子和小分子， 都是跨膜蛋白。根据泵蛋白的结构和功能，分为：

P-型离子泵 V-型离子泵 F-型离子泵 ABC超家族——转运小分子 转运离子
如MDR1。 利用水解ATP的能量将各种药物从细胞质内转运到细胞外。 由表达MDR细胞衍生来的肿瘤（如肝癌）难以治疗，正是 由于它们对各种化学治疗药物都具有抗性。

三、ABC超家族

生理功能：

是细菌质膜上糖、氨基酸、磷脂和肽的转运蛋白；
是哺乳类细胞质膜上磷脂、亲脂性药物、胆固醇 和其他小分子的转运蛋白；

由2个a亚基和2个b亚基组成的四聚体，b亚基是糖
基化的多肽，帮助a亚基折叠。
钠钾泵工作原理：
Asp
（一）钠钾泵——Na+-K+ ATPase

存在于动物细胞的细胞质膜上。

维持细胞内低Na+高K+的离子环境，这对维持细胞
正常生命活动，对神经冲动的传播以及对维持细胞
的渗透平衡，恒定细胞的体积都是非常必要的。
一、P－型离子泵

都有2个独立的a催化亚基，具有ATP结合位点。


绝大多数还具有2个b亚基，起调节作用。
在转运离子过程中，至少有一个a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。

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。
（一）钠钾泵——Na+-K+ ATPase

分布在肝、小肠和肾等器官的细胞质膜上的ABC 蛋白能将天然毒物和代谢废物排除体外。
四类ATP驱动的离子和小分子运输泵的比较
类型 P型 运输物质 结构与功能特点 存在的部位 H+泵：存在于植物、真菌和细 菌的质膜；Na+/K+泵；Ca2+泵； H+/K+泵：存在于哺乳动物胃细 胞表层质膜。 细菌的质膜、线粒体内膜、叶 绿体的类囊体膜。 H+、Na+、 通常有大小两个亚基，大 K+、Ca2+ 亚基被磷酸化，小亚基调 节运输。 H+ H+ 多个跨膜亚基，建立H+的 电化学梯度，合成ATP。
F型 V型
多个跨膜亚基，亚基的细 植物、酵母和其他真菌的液泡 胞质部分可将ATP水解， 膜；动物细胞的溶酶体和内体 并利用释放的能量将H+运 的膜；破骨细胞和肾管状细胞 输到囊泡中形成酸性环境。 等分泌酸性物质的质膜。 两个膜结构域形成水性通 道，两个细胞质ATP结合 结构域与ATP水解及物质 运输相偶联。 细菌质膜（氨基酸、糖和肽）、 哺乳动物内质网膜（MHC相关 的抗原肽）；哺乳动物细胞质 膜。
初级主动运输

2、耦联转运蛋白

包括同向转运蛋白和反向转运蛋白，又称协同转运蛋白。 介导热力学上不利的反应与热力学上有利的反应相耦联。

次级主动运输

3、光驱动泵

溶质的主动运输与光能的输入相耦联。
性质
参与运输的 膜成分
能量来源
简单扩散
脂类 不需能量
协助扩散
通道蛋白 载体蛋白
浓度梯度
主动运输
载体蛋白 ATP水解或 浓度梯度
钙泵工作原理：
Conformational change


Ca2+泵在肌细胞的肌质网内储存Ca2+ ，对调节肌细胞的收缩 运动至关重要。 在动物细胞质膜上分布的Ca2+泵具有钙调蛋白（CaM）的结 合域，可调节Ca2+泵活性，但内质网型的Ca2+泵没有CaM的 结合域。
H+- 泵—— H+- ATPase
同向转运——物质运输方向与离子转移方向相同， 如小肠上皮细胞和肾小管上皮细胞吸收葡萄糖或 氨基酸等有机物。 反相转运——是指物质跨膜转运的方向与离子转移 的方向相反，如动物细胞通过Na+驱动的Na+/ H+ 反相转运方式来转运H+ 以调节细胞内的pH。

葡萄糖分子通过Na+驱动的同向转运方式进入小肠上皮细胞； 再经载体介导的协助扩散方式进入血液； Na+－K+泵消耗ATP 维持Na+在质膜两侧的电化学梯度。
（二）通道蛋白及其功能
离子通道：具有离子选择性的、门控的跨膜通道。

离子通道特点：

极高的转运速率； 没有饱和值；

是门控的。 电压门通道、配体门通道、压力激活通道

离子通道类型：


离子通道类型：

电压门通道、配体门通道（B,C）和压力激活通道
压力激活通道举例：
物质运输的船与桥
载体蛋白
船
通道蛋白
桥
二、被动运输与主动运输
被动运输 —— 是指通过简单扩散或协助扩散实现物 质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。转运动力 来自物质的浓度梯度，无需能量。 （一）简单扩散

简单扩散 —— 疏水的小分子和小的不带电荷的极性分子
在以简单扩散方式跨膜转运中，不需要细胞提供能量， 也不需要膜蛋白的协助。
三、ABC超家族

由4个“核心”结构域组成的结构模式：

2个跨膜结构域（T）——形成运输分子的跨膜通道， 并决定每个ABC蛋白的底物特异性。 2个胞质侧ATP结合域（A）


“核心”结构域是以4个分开的 多肽存在； “核心”结构域是融合成1个 或2个多结构域多肽。


真核细胞中第一个被鉴定的ABC蛋白——多药抗性转运蛋白，

K+和Na+逆浓度与电化学梯度输入和输出的跨膜转
运是一种基本的、典型的
主动运输方wenku.baidu.com。
（二）钙泵与其他P-型离子泵
钙泵—— Ca2+- ATPase。

分布在所有真核细胞质膜
和某些细胞器膜上。

肌细胞肌质网膜上的Ca2+泵

作用：引发刺激-反应耦联 结构：1000个氨基酸残基组成的多肽构成的跨膜 蛋白，含10个跨膜a螺旋，其中3个与中央通道相 连。

通道内高度保守的氨基酸残基（Arg、His和Asp）
侧链与水分子形成氢键； 非常狭窄的孔径。

（三）协助扩散

协助扩散——是各种极性分子和无机离子顺其浓度梯
度或电化学梯度减小的方向的跨膜转运。该过程无需
能量，需要特异的膜转运蛋白协助物质进行转运，因
此转运速度加快，转运特异性增强。

葡萄糖载体（GLUT）蛋白家族
V－型质子泵

广泛存在于动物细胞的胞内体和溶酶体膜，破骨 细胞和某些肾小管细胞的质膜以及植物、酵母和
其他真菌细胞的液泡膜上，故又称膜泡质子泵。

原理：利用ATP水解供能从细胞质
基质中逆H+电化学梯度泵出H+进入
细胞器，以维持细胞质基质pH中性
和细胞器内的pH酸性。
F－型质子泵

位于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体类囊体膜上。 原理：H+顺浓度梯度运动，将所释放的能量与ATP
致使静息膜电位减小甚至消失，此即称之。

反极化——当细胞内Na＋进一步增加Na＋平衡电位，
形成瞬间的内正外负的动作电位，称之。

超极化——在Na＋大量进入细胞时间， K＋通透性 液逐渐增加，随着动作电位出现，Na＋通道从失活 到关闭，电压门K＋通道完全打开， K＋流出细胞从 而使质膜再度极化，以至于超过原来的静息电位，

非选择性通道，如孔蛋白； 离子选择性的、门控的跨膜通道，如K＋通道。
Structure of one subunit of a bacterial porin (A: side view, in plane of membrane; B: view from periplasmic space (from inside, looking out through pore in outer membrane)
在动物、植物细胞由载体蛋白介导的协同转运
五、离子跨膜转运与膜电位

膜电位—— 细胞质膜两侧各种带电物质形成的电
位差的总和。

静息电位——细胞在静息状态下的膜电位。
动作电位——在刺激
作用下产生行使通讯
功能的快速变化的
膜电位。
五、离子跨膜转运与膜电位

除极化——细胞接受阈值刺激，Na＋通道打开，引 起Na＋通透性大大增加，瞬间大量Na＋流入细胞内，
ABC型
离子和各 种小分子
四、协同转运

协同转运是一类由Na+-K+泵（或H+泵）与载体蛋白
协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。

物质跨膜运动所需要的直接动力来自于膜两侧的离
子电化学浓度梯度，而维持这种离子电化学浓度梯度
则是通过Na+-K+泵（或H+泵）
消耗ATP来完成的。
四、协同转运
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：Na＋，K＋
表 典型哺乳类动物细胞内外离子浓度的比较
细胞内浓度（mmol/L） Na＋ 5~15 细胞外浓度（mmol/L） 145
组分
K＋
阳离子 Mg2＋ Ca2＋ H阴离子 Cl-
140
0.5 10-4 7×10-8 (pH7.2) 5~15

细胞对葡萄糖的协助扩散
（一）载体蛋白及其功能

载体蛋白特点：

有特异性的结合位点； 转运过程具有饱和动力学特征； 可被竞争性抑制和非竞争性抑制。
（二）通道蛋白及其功能

通道蛋白 —— 通道蛋白所介导的被动运输不需 要与溶质分子结合，它横跨膜形成亲水通道，允 许适宜大小的分子和带电荷的离子通过。