第六章物質的跨膜運輸據估計細胞膜上與物質轉運有關的蛋白占核基因編碼蛋白的15~30%，細胞用在物質轉運方面的能量達細胞總消耗能量的2/3。物質運輸的范疇細胞運輸：細胞與環境間的物質交換胞內運輸：真核生物細胞內膜結合細胞器與細胞內環境進行的物質交換小分子

離子：陰離子Cl-

陽離子Na+,K+,Mg+,Ca2+,H+

非極性小分子：O2

極性小分子：CO2,乙醇，尿素，類固醇激素其他：甘油，葡萄糖，氨基酸主動運輸被動運輸簡單擴散生物小分子的跨膜運輸類型生物小分子的跨膜運輸類型膜轉運蛋白

（一）載體蛋白定義：需要同被運輸的離子和分子結合，然后通過自身的構型變化或移動完成物質運輸的膜蛋白。載體蛋白特點：（1）具有高度的特異性,其上有結合點,只能與某一種物質進行暫時性、可逆的結合和分離；（2）一個特定的載體只運輸一種類型的化學物質,甚至一種分子或離子；載體蛋白對物質的轉運過程具有類似于酶與底物作用的動力學曲線、可被類似物競爭性抑制、具有競爭性抑制等酶的特性。但與酶不同的是:載體蛋白不對轉運分子作任何共價修飾。載體蛋白舉例顏寧例：葡萄糖的運輸（二）通道蛋白在蛋白質中心形成一個親水性的通道，使特定的物質穿越；被動運輸的通道蛋白大多都與無機離子的轉動相關，又稱為離子通道。通道蛋白介導的被動運輸不需要與溶質分子結合，只有大小和電荷適宜的離子才能通過。通道蛋白對離子的選擇性依賴于離子通道的直徑、形狀和通道內側帶電荷氨基酸的分布。三種類型：離子通道***孔蛋白水孔蛋白離子通道的特征：（1）具有極高的轉運效率（比載體蛋白高1000倍）；（2）沒有飽和值；（3）并非連續開放，而是門控的。大多數情況下，離子通道呈關閉狀態，只在受到刺激后，跨膜的離子通道才會開啟（稱為門通道）。電壓門通道胞外配體門通道胞內配體門通道應力激活通道1、配體門通道(ligandgatedchannel)特點：受體與細胞外的配體結合，引起通道構象改變，“門”打開，又稱離子通道型受體。分為陽離子通道（如乙酰膽堿受體）和陰離子通道（如γ－氨基丁酸受體）；以及細胞內配體和細胞外配體兩種類型。ThreeconformationoftheacetylcholinereceptorNicotinicacetylcholinereceptor

煙堿受體Ach門通道具有具有三種狀態：開啟、關閉和失活。當受體的兩個α亞單位結合Ach時，引起通道構象改變，通道瞬間開啟，膜外Na+內流，膜內K+外流。如果Ach存在的時間過長（約20毫秒后），則通道會處于失活狀態。

筒箭毒和α銀環蛇毒素可與乙酰膽堿受體結合，但不能開啟通道，導致肌肉麻痹。2、電壓門通道(voltagegatedchannel)細胞內或細胞外特異離子濃度發生變化時，或對其他刺激引起膜電位變化時，致使其構象變化，“門”打開。特點：膜電位變化可引起構象變化，“門”打開。帶電荷的蛋白結構會隨跨膜電位梯度的改變發生相應的位移，從而使離子通道打開或關閉。Na+、K+、Ca2+電壓門通道結構相似，由同一個遠祖基因演化而來。VoltagegatedK+channelK+電位門有四個亞單位，每個亞基有6個跨膜α螺旋(S1-S6)，N和C端均位于胞質面。連接S5-S6段的發夾樣β折疊(P區或H5區)，構成通道內襯，大小允許K+通過。目前認為S4段是電壓感受器。當膜去極化時（膜外為負，膜內為正），引起帶正電荷的氨基酸殘基轉向細胞外側面，通道蛋白構象改變，“門”打開，大量K+外流，此時相當于K+的自由擴散。K+電位門和Ach配體門一樣只是瞬間（約幾毫秒）開放，然后失活。此時N端的球形結構，堵塞在通道中央，通道失活，稍后球體釋放，“門”處于關閉狀態。K+channel

4thsubunitnotshownIon-channellinkedreceptorsinneurotransmission神經肌肉接點由Ach門控通道開放而出現終板電位時，可使肌細胞膜中的電位門Na+通道和K+通道相繼激活，出現動作電位；引起肌質網Ca2+通道打開，Ca2+進入細胞質，引發肌肉收縮。3、環核苷酸門通道CNG結構與鈉電位門通道相似。細胞內的C末端較長，有環核苷酸的結合位點。分布于化學和光感受器中。如氣味分子與化學感受器中的G蛋白偶聯型受體結合，激活腺苷酸環化酶，產生cAMP，開啟cAMP門控陽離子通道，引起鈉離子內流，膜去極化，產生神經沖動，最終形成嗅覺或味覺。4、機械門通道感受摩擦力、壓力、牽拉力、重力、剪切力等。目前比較明確的有兩類機械門通道：一類對牽拉敏感，為2價或1價的陽離子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+為主，幾乎存在于所有的細胞膜；另一類對剪切力敏感，僅發現于內皮細胞和心肌細胞。

聽覺毛狀細胞的機械敏感門通道作用原理5、水通道水擴散通過人工膜的速率很低，人們推測膜上有水通道。1991年Agre發現第一個水通道蛋白CHIP28（28KD），他將CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母細胞中，在低滲溶液中，卵母細胞迅速膨脹，5分鐘內破裂。細胞的這種吸水膨脹現象會被Hg2+抑制。2003年Agre與離子通道的研究者MacKinnon同獲諾貝爾化學獎。目前在人類細胞中已發現的此類蛋白至少有11種，被命名為水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。2003年，美國科學家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農，分別因對細胞膜水通道，離子通道結構和機理研究而獲諾貝爾化學獎。PeterAgreRoderickMacKinnon

水孔蛋白的跨膜結構域水通道蛋白AQP1是人的紅細胞膜的一種主要蛋白。它能夠讓水自由通過(不必結合)，但是不允許離子或是其他的小分子(包括蛋白質)通過AQP1水通道蛋白AQP1是由四個相同的亞基構成，每個亞基的相對分子質量為28kDa，每個亞基有六個跨膜結構域，在跨膜結構域2與3、5與6之間有一個環狀結構，是水通過的通道。該蛋白的氨基端與羧基端是完全對稱，即1，4、2，5、3，6完全對稱跨膜運輸類型簡單擴散被動運輸主動運輸一、簡單擴散也叫自由擴散（freediffusion）：小分子物質順著電化學梯度或濃度梯度通過質膜進入細胞。①沿濃度梯度（或電化學梯度）擴散；②不需要提供能量；③沒有膜蛋白協助。通透性P=KD/t，K為油水分配系數，D為擴散系數，t為膜的厚度。膜外膜內自由擴散動畫模擬物質的自由擴散速度，與物質的脂溶性程度、膜兩側溶質濃度差、溶質分子大小和電荷性質等有關。影響因素：分子量越小脂溶性越強非極性比極性分子過脂雙層膜速率越快特點：①沿濃度梯度擴散高-低②不需要提供能量③不需要膜蛋白協助

溶質的脂溶性與通過細胞膜能力的關系人工膜對各類物質的通透率：脂溶性越高通透性越大；小分子比大分子易透過；非極性分子比極性容易透過；極性不帶電荷的小分子可透過人工脂雙層;人工膜對帶電荷的物質，如離子是高度不通透的。非電解質通過擴散跨過細胞膜進行細胞必須具備2個條件：（1）該物質的濃度很高；（2）細胞質膜必須對這種物質具有通透性：該穿過脂質雙層，或質膜中有可允許該物質通過的跨膜通道。二、被動運輸（協助擴散）也稱協助擴散（facilitateddiffusion）：是指非脂溶性物質或親水性物質,如氨基酸、糖和金屬離子等借助細胞膜上的膜轉運蛋白的幫助順濃度梯度或順電化學濃度梯度,不消耗ATP進入膜內的一種運輸方式。特點：①比自由擴散轉運速率高；②運輸速率同物質濃度成非線性關系，存在最大轉運速率；③特異性；④飽和性。載體：離子載體、通道蛋白。簡單擴散與協助擴散的比較

估計細胞膜上與物質轉運有關的蛋白占核基因編碼蛋白的15~30%，細胞用在物質轉運方面的能量達細胞總消耗能量的2/3。兩類主要轉運蛋白：（膜轉運蛋白負責無機離子和水溶性有機小分子的跨膜轉運）載體蛋白：又稱做載體、通透酶和轉運器。通道蛋白：能形成親水的通道，允許特定的溶質通過。水孔蛋白三、主動運輸為了能維持生命活動的正常進行，生物體主要靠主動運輸來獲取營養物質。主動運輸具有重要的意義：

細胞膜的主動運輸是活細胞的特性，它保證了活細胞能夠按照生命活動的需要，主動選擇吸收所需的營養物質，主動排出代謝廢物和對細胞有害的物質。特點：①逆濃度梯度（逆化學梯度）運輸；②需要能量；③都有載體蛋白；④具有選擇性和特異性。能量來源：①光驅動的泵利用光能運輸物質，見于細菌。②協同運輸中的離子梯度動力－間接提供能量。③ATP驅動的泵通過水解ATP獲得能量；根據所需能量來源不同，分為：光驅動蛋白；耦聯轉運蛋白；ATP泵根據所需能量來源不同分為：光驅動泵；協同轉運蛋白；ATP驅動泵典型動物細胞內外離子濃度的比較*表中給出的Ca2+和Mg2+的濃度是游離存在于胞質溶膠中的濃度;Mg2+在細胞中的總濃度為2mM，Ca2+則是1-2mM。但它們大多是與蛋白質結合在一起的，Ca2+則存在于細胞器中。**指細胞內存在的帶負電的有機分子，它們不能通過細胞質膜。ATP驅動泵

參與主動運輸的載體蛋白常被稱為泵(pump)，這是因為它們能利用能量做功。由于它們消耗的代謝能多數來自ATP，所以又稱它們為某某ATPase。共有四種類型的運輸ATPase，或稱運輸泵ATP驅動泵依靠ATP消解提供能量，逆濃度梯度轉運離子和各種小分子。所有的ATP驅動泵都是跨膜蛋白，在膜的原生質表面具有一個或多個ATP結合位點。根據泵蛋白的結構和功能，可將ATP驅動泵分為：P型離子泵、V型質子泵、F型質子泵（轉運離子）、ABC超家族（轉運小分子）P型離子泵(P-typeionpump)，或稱P型ATPase。此類運輸泵運輸時需要磷酸化(P是phosphorylation的縮寫)，包括Na+-K+泵、Ca2+離子泵。V型泵(V-typepump)，或稱V型ATPase，主要位于小泡的膜上(V代表vacuole或vesicle)，如溶酶體膜中的H+泵，運輸時需要ATP供能，但不需要磷酸化。F型泵(F-typepump)，或稱F型ATPase。這種泵主要存在于細菌質膜、線粒體膜和葉綠體的膜中，它們在能量轉換中起重要作用，是氧化磷酸化或光合磷酸化偶聯因子(F即fector的縮寫)。ABC運輸蛋白(ATP-bindingcassettletransportor)，這是一大類以ATP供能的運輸蛋白，已發現了100多種，存在范圍很廣，包括細菌和人。思考題：四種運輸ATPase在結構、存在部位和功能上有什么不同?一、鈉鉀泵構成：由2個大亞基、2個小亞基組成的4聚體，也叫Na+-K+ATP酶，分布于動物細胞的質膜。工作原理：鈉鉀泵對離子的轉運循環依賴自磷酸化過程（ATP上的一個磷酸基團轉移到鈉鉀泵的一個天冬氨酸殘基上，導致構象變化），所以這類離子泵叫做P-type。每個周期轉出３個鈉離子，２個鉀離子。鈉鉀泵的結構2個α亞基，具有ATP結合位點，在細胞內側與Na＋結合促進ATP水解；外側為烏本苷的結合位點2個β亞基，起調節作用，以及幫助內質網新合成的α亞基折疊Na+-K+泵的結構Na+-K+泵的工作模式

運輸機制

Na+-K+ATP酶通過磷酸化和去磷酸化過程發生構象的變化，導致與Na+、K+的親和力發生變化。在膜內側Na+與酶結合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，構象發生變化，于是與Na+結合的部位轉向膜外側；這種磷酸化的酶對Na+的親和力低，對K+的親和力高，因而在膜外側釋放Na+、而與K+結合。K+與磷酸化酶結合后促使酶去磷酸化，酶的構象恢復原狀，于是與K+結合的部位轉向膜內側，K+與酶的親和力降低，使K+在膜內被釋放，而又與Na+結合。其總的結果是每一循環消耗一個ATP；轉運出三個Na+，轉進兩個K+。Na+/K+ATPase工作原理示意圖/v_show/id_XMjA0OTkyOTIw.html工作效率：每秒可發生1000次左右構象變化；每循環消耗1分子ATP，可泵出3個Na+，同時泵入2個K＋鈉鉀泵的作用維持細胞的靜息電位（外正內負）維持細胞的滲透性，保持細胞體積；（質膜對水的可透性）吸收營養維持低Na+高K+的細胞內環境小腸上皮細胞吸收葡萄糖示意圖二、鈣離子泵作用：維持細胞內較低的鈣離子濃度（胞內鈣濃度10-7M，胞外10-3M）。位置：質膜、內質網膜。類型：P型離子泵，每分解一個ATP分子，泵出2個Ca2+。位于肌質網上的鈣離子泵占肌質網膜蛋白質的90%。鈉鈣交換器（Na+-Ca2+exchanger），屬于反向協同運輸體系，通過鈉鈣交換來轉運鈣離子。Ca++ATPaseMaintainslowcytosolic[Ca++]PresentInPlasmaandERmembranesModelformodeofactionforCa++ATPase Conformationchange類型：P型離子泵，每分解一個ATP分子，泵出2個Ca2+。位于肌質網上的鈣離子泵占肌質網膜蛋白質的90%。鈉鈣交換器（Na+-Ca2+exchanger），屬于反向協同運輸體系，通過鈉鈣交換來轉運鈣離子。三、質子泵指能逆濃度梯度轉運氫離子通過膜的膜整合糖蛋白。質子泵在泵出氫離子時造成膜兩側的pH梯度和電位梯度。1、V-type：存在于各類小泡膜上，水解ATP產生能量，但不發生自磷酸化，位于溶酶體膜、內體、植物液泡膜上。（逆H＋電化學梯度泵出H＋）2、F-type：順H＋電化學梯度泵出H＋，利用質子動力勢合成ATP，即ATP合酶，位于細菌質膜、線粒體內膜、類囊體膜上。FourtypesofATP-poweredpumps四、ABC轉運器（ABCtransporter）最早發現于細菌，是一龐大的蛋白家族，都有兩個高度保守的ATP結合區（ATPbindingcassette），故名。一種ABC轉運器只轉運一種或一類底物，不同成員可轉運離子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、蛋白質；可催化脂雙層的脂類在兩層之間翻轉，在膜的發生和功能維護上具有重要的意義。MammalianMDR1proteinABC轉運器與病原體對藥物的抗性有關。MDR（multidrugresistanceprotein）是第一個被發現的真核細胞ABC轉運器，是多藥抗性蛋白，約40%患者的癌細胞內該基因過度表達。ABC蛋白在肝、小腸和腎等器官的質膜上分布較多，能將天然毒物和代謝廢物排出體外。五、協同運輸cotransport協同運輸又稱偶聯運輸，它不直接消耗ATP，但要依賴離子泵建立的電化學梯度，所以又將離子泵稱為初級主動運輸(primaryactivetransport)，將協同運輸稱為次級主動運輸(secondaryactivetransport)?？块g接提供能量完成主動運輸。所需能量來自膜兩側離子的濃度梯度。動物細胞中常常利用膜兩側Na+濃度梯度來驅動。植物細胞和細菌常利用H+濃度梯度來驅動。分為：同向協同（symport）和反向協同（antiport）。1、同向協同（symport）如小腸細胞對葡萄糖的吸收伴隨著Na+的進入。某些細菌對乳糖的吸收伴隨著H+的進入。載體在stateAandstateB之間隨機轉換對Na+

和glucose協同結合(結合其中一個引起構像變化，促進對另一個的結合）由于

Na+在胞外濃度高，使Glucose易于與

Astate結合

Na+和glucose進入細胞的機會

(通過AB轉換)遠大于它們離開細胞的機會

結果是

Na+和

glucose進入細胞Na+梯度驅動糖的主動輸運Na+由ATP驅動泵出細胞，形成梯度1、同向協同（symport）2、反向協同（antiport）如鈉鈣交換器（Na+-Ca2+exchanger），屬于反向協同運輸體系，通過鈉鈣交換來轉運鈣離子。主動與被動運輸的比較

動植物細胞載體介導的物質運輸的相似與差異思考題：請比較動物細胞和植物細胞主動運輸的差異第三節胞吞和胞吐作用"fortheirdiscoveriesofmachineryregulatingvesicletraffic,amajortransportsysteminourcells"JamesE.RothmanRandyW.SchekmanThomasC.Südhof“發現細胞內的主要運輸系統——囊泡運輸的調節機制”vesicletrafficJamesE.RothmanRandyW.SchekmanThomasC.Südhof發現基因控制下的蛋白質在這種囊泡運輸機制中起到重要作用發現一種蛋白質化合物可以讓囊泡實現與目標細胞膜的融合研究了大腦中神經細胞之間是如何互相傳遞信號的，以及鈣離子在這一過程中所起的作用耶魯大學加州大學伯克利分校斯坦福大學囊泡以出芽方式從細胞的一種內膜細胞器脫離后又與另一內膜細胞器發生融合，這一轉運過程稱為囊泡運輸。根據物質的運輸方向：胞吞作用（endocytosis）胞吐作用（exocytosis）共同特點：雙向、特異、有序、化學修飾㈠細胞胞吞作用的兩種形式：胞吞作用消耗能量,屬于細胞膜的主動運輸吞噬作用（phagocytosis）由專門的吞噬細胞完成,大的顆粒,直徑>250nm，最終到達溶酶體被降解。胞飲作用（pinocytosis）攝入液體和小溶質分子進行消化，直徑<150nm。胞吞作用吞噬過程胞飲過程/u74/v_MTA2NTYzODM5.html胞吞作用的類型HIV胞吞作用吞噬作用和胞飲作用的區別（1）胞吞泡的大小不同，胞飲泡直徑150nm，而吞噬泡直徑多大于250nm；（2）真核細胞通過胞飲作用連續攝入溶液及可溶性分子（組成型）；而吞噬作用是由特殊的吞噬細胞完成（信號觸發過程）；（3）胞吞泡形成機制不同(吞噬泡的形成需要有微絲及其結合蛋白的幫助；胞飲泡的形成需要網格蛋白）。（4）細胞類型不同。吞噬作用一般為巨噬細胞、中性粒細胞。胞飲作用為所有類型真核細胞。受體介導的內吞作用

——受體-配體結合而引發的吞飲作用⑴特點①所攝入的大分子在質膜上有特異受體②內吞由大分子配體與其受體的識別、結合而激發③受體配體復合物聚集于質膜的有被小窩內，由有被小泡送至內體。胞吞泡的形成：

配體和受體結合網格蛋白聚集有被小窩去被的囊泡和胞內體融合有被小泡胞內體是動物細胞內由膜包圍的細胞器，其作用是傳輸由胞吞作用攝