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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、脂双层的不透性和膜转运蛋白（一）脂双层的不透性（二）载体蛋白及其功能（三）通道蛋白及其功能二、被动运输与主动运输（一）简单扩散（二）水孔蛋白（三）协助扩散（四）主动运输1、ATP驱动泵2、偶联转运蛋白3、光驱动泵第二节离子泵和协同运输一、P-型离子泵二、V-型质子泵、三、F-型质子泵和ABC超家族四、协同运输五、离子跨膜转运与膜电位第三节胞吞作用与胞吐作用一、胞饮作用与吞噬作用二、受体介导的胞吞作用三、胞吐作用作业（一）脂双层的不透性细胞膜是细胞与细胞外环境之间的一种选择性通透屏障，物质的跨膜运输对细胞的生存和生长至关重要。Na+是胞外最丰富的阳离子，K＋是胞内最丰富的阳离子。物质通过细胞膜的转运主要有三种途径：被动转运、主动转运、胞吞与胞吐。细胞内外的离子差别分布主要由两种机制调控：1、特殊的膜转运蛋白活性(载体蛋白和通道蛋白）2、质膜的脂双层的疏水性细胞必须有等量的正负电荷以维持其中性。细胞内的阴离子即Cl-、HCO3-、PO43-、蛋白质、核酸和荷载磷酸及羧基基团的代谢物等被有机分子固定的阴离子，被捕获在细胞内，不能透过质膜。脂溶性分子和小的不带电荷的分子以简单扩散方式直接通过脂双层。脂双层是疏水分子和离子的渗透屏障，对绝大多数溶质分子和离子具高度不透性。所有的有机分子和带电荷的无机离子的跨膜转运都需要特殊的膜转运蛋白。膜转运蛋白分为两类：载体蛋白—载体蛋白通过构象改变介导溶质被动运输；通道蛋白—在开启状态下，根据溶质的大小和电荷辨别透过与否。（二）载体蛋白（carrierproteins）及其功能特征：1、载体蛋白是多次跨膜蛋白分子2、载体蛋白具有高度选择性、饱和动力学、底物竞争性等特征3、载体蛋白是葡萄糖、Na＋－K＋泵、Ca2＋抑制泵、H＋泵等载体载体蛋白通过构象改变介导溶质被动运输的模型图示：膜上的载体蛋白以两种构象状态存在：A溶质结合位点在膜外侧暴露B溶质结合位点在膜内侧暴露两种构象状态的转变是随机发生的，不依赖于是否有溶质结合和是否完全可逆，顺浓度梯度进入细胞载体蛋白的功能：1、类似于细胞质膜上结合的酶，有特异的结合位点，同特异底物（溶质）结合，具有高度选择性；2、转运过程具有类似于酶与底物作用的饱和动力学特征；3、既可被底物类似物竞争性抑制，又可被某种抑制剂非竞争性抑制以及对pH有依赖性；4、对转运的溶质分子不作任何共价修饰。（三）通道蛋白（channelprotein）及其功能通道蛋白是跨膜的亲水性通道，允许适当大小、电荷适宜的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。特征：1、极高的转运速率2、无饱和值3、具有门控性平时关闭，在特定刺激下打开，又称为门通道（gatedchannel）。主要有3类：电压门通道、配体门通道、应力激活通道。3种类型的离子通道示意图（一）简单扩散（simplediffusion）被动运输（passivetransport）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。简单扩散：也叫自由扩散（freediffusion），疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子进行跨膜转运时，不需要细胞提供能量，也无需转运蛋白的协助。通透性大小主要取决于分子大小和分子的极性人工膜对各类物质的通透率：1、脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；2、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；3、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；4、人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的；5、质膜的通透性：P=KD/d疏水分子（二）水孔蛋白(AQP)水孔蛋白即水分子的跨膜通道，是内在膜蛋白的一个家族，在各种特异性组织(肾小管、脑、唾腺、泪腺等)细胞中，提供了快速跨膜运动的通道。水孔蛋白结构及其亚基示意图A.水孔蛋白由4个亚基组成的四聚体；B.每个亚基由3对同源的跨膜α螺旋组成；C.水孔亚基三维结构，中间球形分子为水分子水孔蛋白形成对水分子高度特异的亲水通道，只容许水而不容许离子或其他小分子溶质通过。（三）协助扩散（facilitateddiffusion）协助扩散：也称促进扩散，是各种极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸及细胞代谢物等顺其浓度梯度或电化学梯度的跨膜转运，不需要细胞提供能量，但需膜转运蛋白的协助。肠道葡萄糖载体紧密连接运输蛋白促使葡萄糖的扩散葡萄糖载体介导的协助扩散比简单扩散转运速率高得多。与酶催化反应相似，存在最大转运速率。不同载体蛋白对溶质的亲活性不同，载体蛋白具有转运特异性溶质的偏好性。（四）主动转运（activetransport）主动转运是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜转运方式，需要消耗能量。根据主动转运过程所需能量来源的不同可归纳为由ATP直接提供能量（ATP驱动泵）、间接提供能量（耦联转运蛋白）以及光能驱动的主动运输三种基本类型。偶联转运ATP驱动泵光驱动泵电化学梯度1、ATP驱动泵：又称初级主动运输，是ATP酶，直接利用水解ATP提供能量，实现离子或小分子逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运动。2、耦联转运蛋白：又称次级主动运输、协同转运，由耦联转运蛋白介导使一种离子或分子逆浓度梯度的运输与一种或多种不同离子顺浓度梯度的运输耦联起来。3、光驱动泵：对溶质的主动运输与光能的输入相偶联。第二节离子泵和协同运输根据泵蛋白的结构与功能特性，ATP驱动泵可分为4类：P－型质子泵、V－型质子泵、F－型质子泵和ABC超家族一、P--型离子泵（一）Na+－K+泵又称Na+－K+ATP酶，存在与动物细胞质膜上细胞内侧α亚基与Na+离子结合促进ATP酶水解，α亚基上的一个氨基酸残基磷酸化引起α亚基构象发生变化，将Na+泵出细胞，同时细胞外的K+与α亚基的另一位点结合，使其去磷酸化，α亚基构象再度发生变化将K+泵进细胞，完成整个循环。每个循环消耗一个ATP分子，泵出3个Na+，和泵进2个K+。低聚糖Na+/K+ATPasepump细胞外膜环境细胞内膜环境钾和乌本苷粘合位点钠粘合位点ATP催化位点等渗液状态低渗液状态高渗液状态血细胞膨胀血细胞邹缩血细胞原状抑制与促进剂：极少量可乌本苷抑制Na+－K+泵的活性，氰化物可使ATP供应中断。Mg2+和少量的膜脂有助于Na+－K+泵活性的提高。动物细胞靠ATP水解供能驱动Na+－K+泵工作，结果造成膜两侧的Na+、K+分布不均匀，有助于维持细胞内低浓度溶质和维持动物细胞的渗透平衡。（二）Ca2+泵和其它P－型离子泵（1）Ca2+泵作用机理：Ca2+泵（Ca2+pump）又称Ca2+—ATP酶，有约10个跨膜α螺旋，细胞内钙调节蛋白与之结合以调节Ca2+泵的活性，每消耗一个ATP分子转运出两个Ca2+。存在位置：Ca2+泵主要存在于所有真核细胞的细胞膜和某些细胞器（如内质网、叶绿体核液泡）膜上，它将Ca2+输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离Ca2+。Ca2+泵在肌质网储存Ca2+，对调节肌细胞的收缩与舒张至关重要。神经递质激素神经递质激素磷脂肌醇/环ADP核糖（Ca2+动员信使分子）钙储存内库代谢分泌收缩神经元兴奋增殖钙通道受体钙通道钙泵低亲合性钙结合位点高亲合性钙结合位点（2）H+泵作用机理：植物细胞、真菌（包括酵母）和细菌细胞其质膜上无Na+－K+pump，而是具有H+泵（H+—ATPase），将H+泵出细胞，建立跨膜的H+电化学梯度，驱动转运物质进入细胞。二、V-型质子泵和F-型质子泵（1）V-型质子泵：又称膜泡质子泵，存在于动物细胞胞内体、溶酶体膜、破骨细胞和某些肾小管的质膜以及植物、酵母和其他真菌细胞液泡膜上，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pH酸性。（2）F-型质子泵：又称H＋－ATP合成酶（F1F0－ATPase），存在于线粒体内膜、植物细胞类囊体膜和细菌质膜上，H＋顺浓度梯度运动，所释放的能量耦联ATP合成。三、ABC超家族：特异性地运输小分子物质在正常生理条件下，ABC蛋白是细菌质膜上糖、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。ABC蛋白在肝、小肠和肾等器官的细胞质膜上分布丰富，它们能将天然毒物和代谢废物排出体外。四、协同运输（cotransport）协同运输是一类由Na+-K+泵（或H+泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动转运方式。物质跨膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子电化学浓度梯度，而维持这种离子电化学梯度则是通过Na+－K+泵（或H+泵）消耗ATP实现的。根据物质运输方向与离子顺电化学梯度的转移方向的关系，协同运输又分为：同向运输（symport）和反向运输（antiport）。（1）同向运输（symport）：物质跨膜转运方向与离子转移的方向相同。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。（2）反向运输（antiport）：物质跨膜转运方向与离子转移的方向相反。肾小管上皮细胞中的Na+-K+交换和Na+-H+交换。葡萄糖顶端基底端小肠上皮细胞葡萄糖载体蛋白1动物细胞的协同运输是利用膜两侧的Na+电化学梯度来驱动的，而植物细胞和细菌常利用H+电化学梯度来驱动。动物细胞植物细胞纳离子驱动同向运输溶质溶酶体液泡氢离子驱动同向运输Na+-K+泵（或H+泵）与载体蛋白协同转运的示意图A.动物细胞Na+驱动的同向转运：B.植物细胞H+驱动的同向转运。五、离子跨膜转运与膜电位基本概念（1)膜电位：在安静状态下细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和，称跨膜静息电位或称静息电位或膜电位。一般为-20～-200mv之间。离子流与动作电位的关系图电压门Na+通道的开放导致质膜除极化A.动作电位的产生和膜电位改变；B.动作电位产生的过程中，膜通透性改变与离子通道的开闭（①～④）（2）极化状态：安静时，细胞膜两侧的电位呈外“+”内“-”状态，称膜的极化状态（polarization）。（3）除极化：如果膜电位向内负值减小的方向变化，称作去极化（depolarization）；（4）复极化：细胞先发生去极化，然后再向正常安静时膜内所处的负值恢复，则称复极化。（5）超极化：当静息电位的数值向内负值方向增大变化时，称作膜的超极化（hyperpolarization）；第三节胞吞作用与胞吐作用真核细胞通过胞吞与胞吐作用完成大分子与颗粒物质的跨膜运输，如：蛋白质、多核苷酸、多糖等。需要消耗能量，使膜融合与断裂，完成吞、吐大分子或颗粒物质的任务，又称膜泡运输、批量运输。胞吐作用胞吞作用细胞外液环境细胞质（一）胞饮作用与吞噬作用胞吞作用是通过细胞膜内陷形成囊泡（称为胞吞泡endocyticvesicle），将外界物质裹进并输入细胞的过程。胞吞作用可分为两种类型：胞饮作用（pinocytosis）：胞吞物为溶液，形成的囊泡较小。吞噬作用（phagocytosis）胞吞物为颗粒物质，形成的囊泡较大。胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别特征内吞泡的大小转运方式内吞泡形成机制胞饮作用吞噬作用小于150nm大于250nm。连续发生的过程需受体介导的信号触发过程需要笼形蛋白形成包被及接合素蛋白连接需要微丝及其结合蛋白的参与细菌伪足形成后的内涵体成熟溶酶体由溶酶体融解由高尔基体复合体形成囊泡携带溶酶体吞噬细胞的液泡吞饮泡是通过网格蛋白有被小泡（clathrincoatedvesicle）介导配体与细胞之间的选择性运输，其中接合素蛋白（adaptin）负责受体介导的胞饮作用；吞噬泡的形成则需要有微丝及其结合蛋白的帮助。动物组织中的巨噬细胞和血液中的中性粒细胞具有吞噬功能，在防御微生物的浸染和清除衰老细胞或细胞碎片起重要作用。二、受体介导的胞吞作用（receptermediatedendocytosis）被转运的大分子物质（配体）与细胞表面的受体结合→形