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第五章物质的跨膜运输与信号传递物质的跨膜运输部分•第一节、被动运输•一、简单扩散•二、协助扩散•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•据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。•细胞膜上存在两类主要的转运蛋白，即：载体蛋白（carrierprotein）和通道蛋白（channelprotein）。–载体蛋白又称做载体（carrier）、通透酶（permease）和转运器（transporter），有的需要能量驱动，如：各类APT驱动的离子泵；有的则不需要能量，如：缬氨酶素。–通道蛋白能形成亲水的通道，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。第一节被动运输一、简单扩散•也叫自由扩散（freediffusion）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。•某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数（D）来计算：•P=KD/t•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，水溶性越高通透性越小；•非极性分子比极性容易透过，极性不带电荷小分子，如H2O、O2等可以透过人工脂双层，但速度较慢；•小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过；•人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。二、协助扩散•也称促进扩散（facilitateddiffusion）。•特点：①比自由扩散转运速率高；②运输速率同物质浓度成非线性关系；③特异性；饱和性。•载体：离子载体和通道蛋白两种类型。（一）离子载体（ionophore）•是疏水性的小分子，可溶于双脂层，多为微生物合成，是微生物防御或与其它物种竞争的武器。•分为两类：–可动离子载体（mobileioncarrier）：如缬氨霉素（valinomycin）是一种由三个重复部分构成的环形分子，能顺浓度梯度转运K+。DNP和FCCP可转运H+。–通道离子载体（channelformer）：如短杆菌肽A（granmicidin），是由15个疏水氨基酸构成的短肽，2分子形成一个跨膜通道，有选择的使单价阳离子如H+、Na+、K+按化学梯度通过膜。（二）通道蛋白（channelprotein）•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。•有些通道蛋白长期开放，如钾泄漏通道；•有些通道蛋白平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，又称为门通道（gatedchannel）。主要有4类：电位门通道、配体门通道、环核苷酸门通道、机械门通道。1、配体门通道(ligandgatedchannel)•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。又称离子通道型受体。•可分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受体，和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸受体。•Ach受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构，其中的两个α亚单位是同两分子Ach相结合的部位。2、电位门通道(voltagegatedchannel)•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。•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)，构成通道的内衬，大小可允许K+通过。•K+通道具有三种状态：开启、关闭和失活。目前认为S4段是电压感受器。•Na+、K+、Ca2+三种电压门通道结构相似，在进化上是由同一个远祖基因演化而来。3、环核苷酸门通道•CNG通道与电压门钾通道结构相似，也有6个跨膜片段。细胞内的C末端较长，上面有环核苷酸的结合位点。•CNG通道分布于化学感受器和光感受器中，与膜外信号的转换有关。–如气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道（cAMP-gatedcationchannel），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。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）。•目前比较明确的有两类机械门通道，其一是牵拉活化或失活的离子通道，另一类是剪切力敏感的离子通道，前者几乎存在于所有的细胞膜（如：血管内皮细胞、心肌细胞、内耳毛细胞），后者仅发现于内皮细胞和心肌细胞。•牵拉敏感的离子通道的特点：对离子的无选择性、无方向性、非线性以及无潜伏期。为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主。5、水通道•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（28KD），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。•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）。第二节、主动运输•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。•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；–②ATP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。一、钠钾泵•构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，实际上就是Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。•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+。•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。•地高辛、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（细胞内钙离子浓度10-7M，细胞外10-3M）。•位置：质膜和内质网膜。•类型：–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+并逆向运输一个Mg2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。•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。三、质子泵四、ABC转运器•ABC转运器（ABCtransporter）最早发现于细菌，属于一个庞大的蛋白家族，每个成员都有两个高度保守的ATP结合区（ATPbindingcassette），故名ABC转运器。•每一种ABC转运器只转运一种或一类底物，不同的转运器可转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质。ABC转运器还可催化脂双层的脂类在两层之间翻转，在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。五、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。–植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。•根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向协同（symport）与反向协同（antiport）。•1、同向协同（symport）•物质运输方向与离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入。•2、反向协同（antiport）•物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的方式来转运H+，以调节细胞内的PH值。还有一种机制是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。第三节、膜泡运输的基本概念•真核细胞通过内吞作用（endocytosis）和外排作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。在转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输。细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用（cytosis）。•细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。一、吞噬作用•细胞吞入液体或极小的颗粒物质。•二、胞饮作用三、外排作用exocytosis•包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融，将物质排出细胞之外。•四、穿胞运输•在细胞的一侧形成胞饮小泡穿越细胞质，另一侧使小泡中的物质释放出去。如：–肝细胞从血窦中吸收免疫球蛋白A（IgA），通过穿胞运输输送到胆微管；–大鼠中，母鼠血液中的抗体经穿胞运输进入乳汁。•五、胞内膜泡运输•细胞内膜系统各个部分之间的物质传递也通过膜泡运输方式进行。如从内质网到高尔基体；高尔基体到溶酶体等。