第五章 跨膜运输

内容提要 第一节、小分子物质的跨膜运输 一、简单扩散 二、协助扩散 三、主动运输 第二节 主动运输 一、钠钾泵 二、钙离子泵 三、质子泵 四、ABC 转运器 五、协同运输 第三节、膜泡运输的基本概念 一、吞噬作用 二、胞饮作用 三、外排作用 四、穿胞运输 五、胞内膜泡运输

估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的15~30%，细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的2/3。 两类主要转运蛋白： 载体蛋白：又称做载体、通透酶和转运器。 通道蛋白：能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过。

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。 4

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。 5

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

物质运输的船与桥 载体蛋白 船 通道蛋白 桥

第一节 小分子物质的跨膜运输

一、简单扩散 也叫自由扩散（free diffusion）： 通透性P=KD/t ， K为分配系数， D为扩散系数，t为膜的厚度。 ①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散； ②不需要提供能量； ③没有膜蛋白协助。 通透性P=KD/t ， K为分配系数， D为扩散系数，t为膜的厚度。

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、被动运输（协助扩散） 也称易化扩散，促进扩散（facilitated diffusion）。 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。 载体：离子载体、通道蛋白。

（一）离子载体（ionophore） 疏水性小分子，可溶于双脂层。分为：可动离子载体和通道离子载体。 缬氨霉素能转运K+； DNP可转运H+；离子霉素、A23187可转运钙离子。

短杆菌肽A，15个疏水氨基酸构成，2分子形成一跨膜通道，有选择的使单价阳离子如H+、Na+、K+按化学梯度通过。 Gramicidin A　an antibiotic that acts as an ion pore.

（二）通道蛋白（channel protein） 跨膜亲水性通道，允许特定离子顺浓度梯度通过。 有些通道长期开放，如钾泄漏通道； 有些通道平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，称为门通道（电位门通道、配体门通道、环核苷酸门通道、机械门通道）。

Ion Channels ----or----

1、配体门通道(ligand gated channel) 特点：受体与细胞外的配体结合，引起通道构象改变， “门”打开，又称离子通道型受体。 分为阳离子通道，如乙酰胆碱受体；和阴离子通道，如γ－氨基丁酸受体。 Ach受体由4种亚单位（α2βγδ）组成。

Nicotinic acetylcholine receptor

Three conformation of the acetylcholine receptor AchE

2、电位门通道(voltage gated channel) 特点：膜电位变化可引起构象变化，“门”打开。 结构：四聚体，每个单体跨膜6次。 Na+、K+、Ca2+电压门通道结构相似，由同一个远祖基因演化而来。

Voltage gated K+ channel K+电位门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜α螺旋(S1-S6) ，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样β折叠 (P区或H5区)，构成通道内衬，大小允许K+通过。目前认为S4段是电压感受器

K+ channel 4th subunit not shown

3、环核苷酸门通道 CNG结构与钠电位门通道相似。细胞内的C末端较长，有环核苷酸的结合位点。 分布于化学和光感受器中。 如气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。

4、机械门通道 感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。 目前比较明确的有两类机械门通道，一类对牵拉敏感，为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主，几乎存在于所有的细胞膜。另一类对剪切力敏感 ，仅发现于内皮细胞和心肌细胞。

5、水通道 1991年Agre发现第一个水通道蛋白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。 目前在人类细胞中已发现至少11种此类蛋白，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。

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

二 主动运输 特点： 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。 能量来源： 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。

二、主动运输 （一）ATP驱动泵：ATP直接提供能量的主动运输。 （二）光驱动泵：溶质的主动运输与光能输入有关。 钠钾泵 钙泵 质子泵 （二）光驱动泵：溶质的主动运输与光能输入有关。 （三）协同运输：靠间接提供能量完成主动运输。

(三)、协同运输 cotransport 靠间接提供能量完成主动运输。所需能量来自膜两侧离子的浓度梯度。 动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。 植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。 分为：同向协同（symport）和反向协同（antiport）。

在动物、植物细胞由载体蛋白介导的协同转运

1、同向协同（symport） 如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。某些细菌对乳糖的吸收伴随着H+的进入。 2、反向协同（antiport） 如Na+驱动的Cl--HCO3-交换，即Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流，如存在于红细胞膜上的带3蛋白。

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。

第二节 ATP驱动泵与主动运输 ATP驱动泵： I、P型泵： 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。 II、V型泵：植物、酵母和其他真菌的液泡膜；动物细胞的溶酶体和内体的膜；破骨细胞和肾管状细胞等分泌酸性物质的质膜。 III、F型泵：细菌的质膜、线粒体内膜、叶绿体的类囊体膜。 IV 、ABC超家族：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。

一、钠钾泵 构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，也叫Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。 工作原理： 对离子的转运循环依赖自磷酸化过程，所以叫做P-type离子泵。每个周期转出３个钠离子，２个钾离子。

Na+-K+ATP PUMP

钠钾泵的作用： ①维持细胞的渗透性，保持细胞体积； ②维持低Na+高K+的细胞内环境； ③维持细胞的静息电位。 乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。

二、钙离子泵 作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（胞内钙浓度10-7M，胞外10-3M）。并引发刺激-反应耦联 位置：质膜、内质网膜。 类型： P型离子泵，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。 钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。

Ca++ ATPase Ca++ ATPase构象改变模型 Maintains low cytosolic [Ca++] Present In Plasma and ER membranes Ca++ ATPase构象改变模型

植物细胞中Ca2+的运输系统 质膜与细胞器上的Ca2+泵和Ca2+通道，控制细胞内Ca2+的分布和浓度；胞内外信号可调节这些Ca2+的运输系统，引起Ca2+浓度变化。

三、质子泵 1、P-type：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：存在于各类小泡膜上，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：利用质子动力势合成ATP，即ATP合酶，位于细菌质膜、线粒体内膜、类囊体膜上。

Four types of ATP-powered pumps

四、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。

四、ABC超家族 由4个“核心”结构域组成的结构模式： “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 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。

Mammalian MDR1 protein ABC转运器与病原体对药物的抗性有关。MDR （multidrug resistance protein ）是第一个被发现的真核细胞ABC转运器，是多药抗性蛋白，约40%患者的癌细胞内该基因过度表达。

四类ATP驱动的离子和小分子运输泵的比较 类型 运输物质 结构与功能特点 存在的部位 P型 H+、Na+、 K+、Ca2+ 通常有大小两个亚基，大亚基被磷酸化，小亚基调节运输。 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。 F型 H+ 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。 V型 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+运输到囊泡中形成酸性环境。 植物、酵母和其他真菌的液泡膜；动物细胞的溶酶体和内体的膜；破骨细胞和肾管状细胞等分泌酸性物质的质膜。 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。 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。

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，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，称之。

第三节 膜泡运输的基本概念 真核细胞通过胞吞作用（endocytosis）和胞吐作用 （exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。 因货物包被在囊泡中，又称膜泡运输或批量运输（bulk transport），

一、吞噬作用（胞吞作用） 细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等。大于250nm。

二、胞饮作用（胞吞作用） 细胞吞入液体或极小的颗粒物质。小于150nm

二、胞饮作用（胞吞作用）

三、受体介导的胞吞作用 胞内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是传输由胞吞作用摄入的物质到溶酶体中被降解。 胞吞泡 的形成：配体和受体结合 网格蛋白聚集 有被小窝 有被小泡 去被的囊泡和胞内体融合 溶酶体

受体介导的胞吞作用 网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到内体、 溶酶体、植物液泡的运输，以及质膜到内膜区隔的膜泡运输。

胆固醇在血液中的运输是通过与磷脂和蛋白质结合形成低密度脂蛋白（LDL）颗粒形式。 极性的 表面 未酯化的胆固醇 无极性的核 胆固醇酯 脱脂脂蛋白

PH较低5-6 胞内体 LDL通过受体介导的胞吞作用进入细胞

三、胞吐作用 包含内容物的囊泡移至细胞表面，与质膜融，将物质排出细胞之外。

三、胞吐作用 组成型的胞吐途径——所有真核细胞都有从高尔基体反面管网区（TGN）分泌的囊泡向质膜流动并与之融合的稳定过程。 是连续分泌过程 运输蛋白质、脂质、营养或信号分子等用于质膜更新。 调节型胞吐途径 特化的分泌细胞产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。

组成型的胞吐途径 囊泡 分泌泡 调节型胞吐途径