第五章 物质的跨膜运输

• （三） 间接利用ATP的主动运输——协同运 输（cotransport）
• 是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。物质 跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓 度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。 • 动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。
性，所以在细胞膜中有各种不同的通道蛋白。通
道蛋白参与的只是被动运输， 并且是从高浓度向
低浓度运输，所以不消耗能量。是跨膜的亲水性
通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故 又称离子通道。
• 其运输特点是：
• ①蛋白不与溶质分子结合，形成跨膜通道介导
离子顺浓度梯度通过；
• ②有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态，
就是Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。
Na+/K+ ATPase的结构
• 工作原理：
• Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化， 导致与Na+、K+的亲和力发生变化。在膜内侧Na+与酶结合， 激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化， 于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的
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
• 一、 被动运输（Passive transport）
指通过简单扩散或协助扩散实现物质从浓度高
处经质膜向浓度低处运输的方式。运输速率依赖于
膜两侧被运送物质的浓度差及其分子大小、电荷性
质等。不需要细胞代谢供应能量。
（一）简单扩散（simple diffusion）
• • 目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被
命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。
大多数水是直接通过脂双层进入细胞的，也有些水是通过水通道蛋白 进行扩散的。动物和植物细胞中已经发现几种不同的水通道蛋白。水 通道蛋白 AQP1是人的红细胞膜的一种主要蛋白。它能够让水自由通 过(不必结合)，但是不允许离子或是其他的小分子(包括蛋白质)通过
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。
Agre
Roderick MacKinnon
• 二、主动运输（active transport）
• 又称代谢关联运输（metabolically linked
tramsport），是物质运输的主要方式。
F型
只是 H+
有多个跨膜亚基，建立 H+的 电化学梯度，合成 ATP。
细菌的质膜、线粒体内膜、 叶绿体的类囊体膜。 ①植物、酵母和其它真菌的 液泡膜;②动物细胞的溶酶 体和内体的膜;③某些分泌 (如破骨细胞和肾管状细 胞) 。
V型
只是 H+
多个跨膜亚基， 亚基的细胞 质部分可将 ATP 水解， 并利 用释放的能量将 H+运输到
蛋白，是一种横穿脂双层的跨膜分子，包括通道蛋 白和载体蛋白两类。 • 载体蛋白（carrier Proteins），如前面提到的转 运葡萄糖分子的膜蛋白， • 通道蛋白（channelProteins），它可形成亲水的 通道，允许一定大小和一定电荷的离子通过。
Carrier proteins
1.1载体蛋白(carrier protein)与促进扩散
指物质顺浓度梯度的扩散，不需要消耗细胞本 身的代谢能，也不需专一的载体（膜蛋白），只要 物质在膜两侧保持一定的浓度差，物质便扩散穿膜， 又称自由扩散（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。
• 为什么所有带电荷的分子(离子)，不管它多小， 都不能自由扩散? • 答: 带电的物质通常同水结合形成一个水合的 外壳，这不仅增加了它们的分子体积，同时也 大大降低了脂溶性。因此说，所有带电荷的分 子(离子)，不管它多小，都不能自由扩散。
（二）协助扩散
• 也称促进扩散（facilitated diffusion）。
• 特点： ①比自由扩散转运速率高； ②存在最大转 运速率； 在一定限度内运输速率同物质浓度成正比。 ③特异性。
• 1载体
• 膜运输蛋白（memberan transport pr. ）: 镶嵌在
质膜上的、与物质运输有关的跨膜蛋白质称膜运输
类型 P型
运输物质 H+，Na+， K+，Ca2+
结构与功能特点 通常有大小两个亚基，大亚 基被磷酸化，小亚基调节运 输。
存在的部位 H+泵:存在于植物、 真菌和细 菌的质 膜;Na+/K+: 动物细 胞的质膜;H+/K+ 泵:哺乳动 物胃细胞表层质膜;Ca2+泵: 所有真核生物的质膜; 肌细 胞的肌质网膜。
• （一）ATP直接提供能量的主动运输—钠钾泵
• 参与主动运输的载体蛋白常被称为泵(pump)，离子 泵是一种位于细胞膜上的ATP酶，是一（穿膜）内在蛋 白，能将ATP水解成ADP+pi，同时释放能量，ATP酶构象 发生变化，带来离子的转位，将物质逆浓度梯度运输。 • 在质膜上，作为“泵”的ATP酶很多，它们都具有专 一性，不同的ATP酶运输不同的物质或离子。 • 构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，实际上
Ca2+ -ATPase的结构和功能位点
Ca++ ATPase
Maintains low cytosolic [Ca++] Present In Plasma and ER membranes
Model for mode of action for Ca++ ATPase Conformation change
• 配体门通道 Ligand-gated channel：特点：受 体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生 构象变化， “门”打开。 • 应力激活门通道 Stress-activated channel： 感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。 细胞将机械刺激的信号转化为电化学信号，引 起细胞反应的过程称为机械信号转导 （mechanotransduction ）
如钾泄漏通道，允许钾离子不断外流； • ③有些通道蛋白具有选择性和门控性平时处于 关闭状态，仅在特定刺激下才打开，又称为门 通道（gated channel）。主要有：电压门通道、
配体门通道、机械门通道。
极性(带电性)通道的形成 (a) 由单亚基膜蛋白形成的通道;(b)由多亚基蛋白形成的通道。
• 电压门通道 Voltage-gated channel：特点： 细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化 时，致使其构象变化，“门”打开。
• 主动运输（active transPort）是物质由浓度低的一
侧向浓度高的一侧跨膜运动的方式，或物质逆浓度梯
度或电化学梯度运输的跨膜运动方式。转运分子的自 由能变化为正值，因此需要与某种释放能量的过程相 耦联。
单向、同向和逆向运输的比较
• • • • • • • • •
源自文库
主动运输的特点是： – ①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； – ②需要能量； – ③都有载体蛋白。 – ④具有选择性和特异性。 主动运输所需的能量来源主要有： – ①协同运输中的离子梯度动力； – ② ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量； – ③光驱动的泵利用光能运输物质，见于细 菌。 • 根据主动运输过程所需能量来源的不同可归 纳为由ATP直接提供能量和间接提供能量两 种基本类型。
囊泡中， 使之成为酸性环境。 酸性物质的动物细胞质膜
ABC 型
离子和各 种小分子
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。不同结构域可以位 于同一个亚基，也可位于不 同的亚基。
①细菌质膜(运输氨基酸、 糖 和肽);②哺乳动物内质网膜 (运输与 MHC 蛋白相关的抗 原肽);③哺乳动物细胞质膜 (运输小分子、 磷脂、小的 类脂分子)
制等酶的特性。但与酶不同的是: 载体蛋白不
对转运分子作任何共价修饰。
红细胞质膜载体蛋白促进葡萄糖扩散示意图
1.2通道蛋白（channel pr.）与促进扩散
• 通道蛋白(channel protein)是一类横跨质膜，它
们都是通过疏水的氨基酸链进行重排，形成水性 通道， 允许适宜的分子通过。通道蛋白具有选择
• 钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程
（ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天
冬氨酸残基上，导致构象变化），所以这类离子
泵叫做P-type。
• Na+-K+泵的作用：
• • ①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积； • • ②维持低Na+高K+的细胞内环境； • • ③维持细胞的静息电位。
• 简述Na+/K+泵(Na+/K+ pump， Na+/K+ ATPase)的结构和作用原理
第二节 离子泵和协同运输
离子泵
• 1、P-type：利用ATP自磷酸化发生构象的改变来转移质子，如植 物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。
• 2、V-type：存在于各类小泡(vacuole) 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、内体、 植物液泡膜上。 • 3、F-type：是由许多亚基构成的管状结构，利用质子动力势合 成ATP，也叫ATP合酶，位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类 囊体膜上。 • 4、ABC超家族：ABC运输蛋白(ATP-binding cassettle transportor)， 这是一大类以ATP供能的运输蛋白， 已发现了 100多种， 存在范围很广，包括细菌和人。
Three conformation of the acetylcholine receptor
听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理
几种不同的门控离子通道
• 水通道water channel :
• • 水扩散通过人工膜的速率很低，人们推测膜上有水通
道。 • • 1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 （28 KD ）， 他将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗 溶液中，卵母细胞迅速膨胀，5 分钟内破裂。细胞的这 种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。 • • 2003年Agre与离子通道的研究者MacKinnon同获诺贝尔 化学奖。
• Na+/K+ ATPase运输分为六个过程: ①在静息状态，Na+/K+ 泵的构型使得Na+ 结合位点暴露在膜内侧。当细胞内Na+浓 度升高时，3个 Na+ 与该位点结合；② 由于Na+的结合， 激活了ATP酶的活性，使ATP分解， 释放ADP，α亚基被磷 酸化; ③由于α亚基被磷酸化， 引起酶发生构型变化， 于是与Na+ 结合的部位转向膜外侧，并向胞外释放3个Na+ ； ④膜外的两个K+同α亚基结合; ⑤ K+ 与磷酸化的Na+/K+ ATPase结合后， 促使酶去磷酸化;⑥ 去磷酸化后的酶恢复 原构型， 于是将结合的K+ 释放到细胞内。每水解一个ATP， 运出3个Na+ ， 输入2个K+ 。Na+ /K+泵工作的结果，使细 胞内的Na+浓度比细胞外低10～30倍，而细胞内的K+浓度比 细胞外高10～30倍。由于细胞外的Na+浓度高，且Na+是带 正电的，所以Na+ /K+泵使细胞外带上正电荷。
载体蛋白 Carrier Protein 其运输特点是： • ①与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改
变介导溶质的跨膜转运；
• ②对所转运的物质具有高度选择性； • ③载体蛋白又称为通透酶(Permease): 对物质 的转运过程具有类似于酶与底物作用的动力学 曲线、可被类似物竞争性抑制、具有竞争性抑
• （二）ATP直接提供能量的主动运输—钙泵和质子泵
• 1 钙泵 • ▲作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子浓度 10-7M，细胞外10-3M）。 • ▲位置：质膜和内质网膜。
• ▲ 结构：有10个跨膜α螺旋区(图);
• ▲ 激活:两种激活机制，Ca2+/钙调蛋白(CaM)复合物的激活; 蛋白激酶C激活。 • ▲ 运输机制: 类似于Na+/K+ ATPase。每水解一个ATP将两个 Ca2+离子从胞质溶胶输出到细胞外。
亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+、而与
K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢 复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力 降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。其总的结果是 每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。
Na+-K+ATP PUMP