第五章 物质的跨膜运输

第五章物质的跨膜运输质膜的通透特征和膜转运蛋白2.小分子物质的胯膜运输3.胞吞作用和胞吐作用：细胞摄取大分子物质及颗粒物1质膜的通透特征和膜转运蛋白1.1质膜是一种选择性通透屏障，负责物质隔离及跨膜物质交换。使细胞内外物质浓度、种类存在差异。无蛋白人工膜对不同分子（离子）的通透性。Glycerol甘油，urea尿素，tryptophan色氨酸。1.2

生物膜对不同分子（离子）的通透性：小的非极性分子容易透过。少部分小的极性分子如水、甘油、尿素等可通过。大部分极性分子只有通过膜转运蛋白才能透过。离子也只有通过转运蛋白才能透过。物质跨膜运输通过被动运输（不耗能）和主动运输（耗能）完成。典型动物细胞内外离子浓度比较1.3膜转运蛋白大多数极性分子、离子是不能透过质膜或透过能力很低，只有通过膜转运蛋白才能完成高效跨膜运输。膜转运蛋白有两类：载体蛋白（通透酶）和通道蛋白（孔蛋白，水孔蛋白和离子通道）。载体蛋白通过构象改变完成小分子物质跨膜转运。载体通过构象变化协助扩散三种载体介导的跨膜转运。

uniport单向转运,symport同向共转运,antiport反向共转运（如调控细胞pH值的Na+/H+交换载体）。真核生物质膜上的葡萄糖转运蛋白(GluT1)通过构象改变介导葡萄糖向胞内转运。大多数通道蛋白为离子通道蛋白。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。门通道根据开闭方式分为电压门控离子通道，受体门控离子通道，应力门控离子通道，光敏感通道蛋白等。配体门通道(ligandgatedchannel)

特点：膜上受体与细胞内或外的配体结合，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；IP3-门控Ca2+通道和阴离子通道，如γ-氨基丁酸受体。乙酰胆碱受体由4种亚单位（α2βγδ）组成。乙酰胆碱受体门控离子通道：5个同源亚基(α2βγδ)跨膜螺旋形成跨膜亲水通道.关闭时通道被侧链的5个疏水的亮氨酸封闭，通道两端的含负电荷的侧链确保只有正离子才能通过。两个亚基有结合乙酰胆碱的部位。乙酰胆碱结合后亚基构象改变，亮氨酸残疾移出通道，通道既被打开。环核苷酸配体门控离子通道环核苷酸配体门控离子通道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。嗅觉信息传递(A)及嗅觉受体(B)：动作电位（去极化）产生：cAMP门控阳离子通道，Ca2+配体门控Cl-通道。静息电位（极化）：Na+/Ca2+交换器，Na+/K+泵。电位门通道(voltagegatedchannel)特点：膜电位变化可引起构象变化，“门”打开。Na+、K+、Ca2+电压门通道结构相似，由同一个远祖基因演化而来。K+电位门控离子通道：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。4thsubunitnotshown电压门控离子通道：铰链细胞失水应力门控离子通道感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。目前比较明确的有两类应力门控离子通道，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。应力激活的离子通道：auditoryhaircell听觉毛细胞，tectorialmembrane耳蜗盖膜，stereocillia静纤毛，basilarmembrane基底膜，bundletilted毛束倾斜。Allchannelrhodopsinsarenonspecificcationchannels,conductingH+,Na+,K+,andCa2+ions.(左图）

光遗传操作使采用光调控神经元冲动成为可能：通过遗传操作在神经元中异体表达光敏感离子通道蛋白（ChR2，来自海藻，左上图下方的蛋白为其变异蛋白和相应的激发波长）和光驱动离子泵（NpHR和Arch分别是光驱动的Cl-和H+泵，来自古细菌，下方分别为其变异蛋白和激活波长）可用光调控神经冲动产生。ChR2,光敏阳感离子通道，在蓝光照射下瞬时打开，Na+、Ca2+等进入神经细胞引起去极化，产生动作电位。NpHR嗜盐菌视紫红质，Arch其实就是一种菌视紫红质，两者在光驱动下分别可以向胞内泵Cl-和H+，都可引起细胞超极化，使细胞难以产生动作电位，即抑制神经冲动产生。在两者都表达于神经细胞时，用脉冲蓝光可引起神经冲动产生，但如同时照射黄光（NpHR的激活光）神经冲动被抑制。以上所有光敏感蛋白均为视紫红质蛋白家族成员。光敏感通道蛋白Channelrhodopsin是单细胞绿藻（如衣藻Chlamydomonasreinhardtii）的光感受器，为光门控非特异性阳离子通道，引起单细胞绿藻的驱光反应。水通道水通道由水孔蛋白(aquaporin)形成的一种水的分子通道。在动物细胞中已经发现有几种不同的水通道蛋白。在植物中发现了具有类似功能的蛋白质。膜的水通道蛋白AQP1是1988年发现的,开始将这种蛋白称为通道形成整合蛋白(CHIP),是人的红细胞膜的一种主要蛋白。它可以使红细胞快速膨胀和收缩以适应细胞间渗透性的变化。AQP1蛋白也存在于其他组织的细胞中。AQP1及它的同系物能够让水自由通过(不必结合),但是不允许离子或是其他的小分子通过。1991年Agre发现水通道蛋白CHIP28（28KD），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，被命名为水孔蛋白（Aquaporin，AQP）。AQP1是由四个相同的亚基构成，每个亚基有六个跨膜结构域，在跨膜结构域2与3、5与6之间有一个环状结构，是水通过的通道。该蛋白的氨基端与羧基端是完全对称，即1、4；2、5；3、6；完全对称。Aquaporin-0是哺乳动物晶状体中的纤维细胞膜中最丰富的蛋白2小分子物质胯膜运输类型2.1简单扩散、被动运输和主动运输2.2简单扩散也叫自由扩散（freediffusion）：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。2.3被动运输（协助扩散）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：载体蛋白（符合酶促动力学特征）、通道蛋白（没有饱和值）。简单扩散和载体协助扩散动力学特征比较

2.4主动运输:载体介导的逆梯度转运主动运输的三种主要方式和能量来源直接消耗ATP的离子和小分子逆浓度梯度转运。利用离子电化学势的离子和小分子物质逆浓度梯度的协同运输。利用光能或电子传递的H+、Cl-等离子逆浓度梯度的跨膜转运。协同转运中一种物质逆梯度跨膜转运伴随着一种物质（常为离子）顺电化学梯度跨膜转运，分为同向和反向。一种物质逆梯度跨膜转运伴随着ATP水解。光能驱动的物质跨膜转运。2.4.1直接主动运输依赖四种类型的转运ATP酶（ATP驱动泵）四种类型的ATP驱动的转运蛋白:P型泵，“P”型代表磷酸化，通过磷酸化去磷酸化改变构想完成跨膜转运;F型、V型质子泵结构相似，在转运质子过程中不形成磷酸化中间体；ABC(ATP-bindingCassette)超家族成员众多广泛分布于从细菌到人的细胞质膜上.有两个跨膜区(T)和两个ATP结合区(A)。P型离子泵P型泵均有两个独立的α亚基（催化亚基），绝大多数还有两个β亚基（帮助组装），在转运时形成磷酸化中间体。Na+-K+ATP酶（Na+-K+泵）Na+-K+ATP酶存在于动物质膜上。Na+-K+ATP酶需要K+在细胞外，Na+和ATP在细胞内，可被乌本苷（箭毒苷）抑制。每个ATP水解Na+:K+运输比例为3:2。Na+-K+ATP酶是P型离子泵。需要依次磷酸化和去磷酸化自身完成泵的循环，因此形成磷酸化的中间体。维持细胞膜电位：Na+-K+ATP酶的主动运输使细胞外Na+浓度高，细胞内K+浓度高。维持膜两侧的电化学梯度，没两侧离子浓度不同形成细胞外正内负（静息态）的膜电位。这对维持细胞的活性，特别是可兴奋细胞神经冲动传播也起重要作用。Na+-K+泵的生物学功能Na+-K+ATP酶转运机制模型实验室条件下Na+-K+ATP酶可催化产生ATP动物细胞营养吸收：Na+-K+形成的Na+电化学梯度是一种可用于物质运输的电化学势能。Na+-K+泵在维持动物细胞渗透平衡、稳定细胞体积方面起重要作用。其他P型离子泵：H+-ATP酶（H+泵）、Ca2+-ATP酶（Ca+泵）和H+/K+-ATP酶（H+-K+泵）植物细胞、真菌、细菌细胞质膜存在H+泵。类似动物细胞中的Na+-K+泵，H+泵建立起来的膜两侧H+电化学梯度差是这些细胞协同运输中的能量来源。H+泵在控制细胞质pH值并可能在酸化植物细胞壁、控制植物细胞生长中扮演重要角色。Ca2+泵:Ca2+-ATP酶存在于质膜、内质网膜、叶绿体膜、液泡膜上。与Na+-K+泵亚基同源。Ca2+泵功能为主动运输Ca2+至细胞外或至内质网腔中，维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内Ca2+是一种信号分子，在信号传递和肌细胞收缩中起重要作用）。每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网（肌细胞中内质网）上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。H+-K+

ATPases(存在于哺乳动物胃表面上皮泌酸细胞膜上):向细胞外泵H+（分泌胃酸）及向细胞内泵K+。Ca2+泵V和F型质子泵:是一类分子马达，ATP水解或合成伴随H+跨膜运输，不产生磷酸化中间体。V型质子泵（Vacuolar液泡pump）主动运输H+跨膜至液泡、胞内体、溶酶体等中，V型质子泵还存在于多种细胞如破骨细胞和某些肾小管细胞的质膜上。V型质子泵维持细胞质的中性及部分细胞器的酸性。F型质子泵存在于线粒体内膜、叶绿体类囊体、细菌质膜上，结构类似于V型质子泵，与P型质子泵差别很大。F型质子泵利用H+电化学梯度合成ATP。V型质子泵F型质子泵ABC转运器（ABCtransporter）最早发现于细菌，是一庞大的蛋白家族，由单个或多个肽链组成4个结构域的蛋白。都有两个高度保守的ATP结合区（ATPbindingcassette），故名。另两个跨膜结构域负责转运。一种ABC转运器只转运一种或一类底物，不同成员可转运离子、氨基酸、核苷酸、磷脂、多糖、核酸、多肽、蛋白质等；可催化脂双层的脂类在两层之间翻转。哺乳动物MDR1蛋白：ABC转运器与细胞对药物的抗性有关。多药抗性蛋白MDR（multidrugresistanceprotein）是第一个被发现的真核细胞ABC转运器，约40%患者的癌细胞内该基因过度表达。可以把进入细胞的亲脂性药物运出细胞，是细胞得以存活，减弱癌症化疗药物的疗效。2.4.2协同运输——离子电化学梯度驱动的间接主动运输动物细胞——Na+(Na+-K+

ATPase)植物真菌细菌中——H+(H+

ATPase)以离子泵形成的电化学梯度中储存的能量运输其他小分子物质。糖、氨基酸及其他有机分子进入细胞:这些分子逆浓度梯度进入细胞常被共转运离子驱动并伴随着共转运离子顺电化学梯度进出细胞。动物细胞和植物细胞营养物质跨膜转运直接主动运输和间接主动运输（协同运输）的关系Na+-驱动的同向转运器向动物细胞（小肠、肾）输入氨基酸、葡萄糖等。Lumenofgut肠腔，microvillus微绒毛，apical顶端，intestinalepithelium肠上皮，lateral侧面。Na+-驱动的反向转运器从心肌细胞向外输出Ca+。药物抑制乌本苷及地高辛（异羟洋地黄毒苷）通过抑制Na+－K+ATP酶，减少Ca+输出来增加心肌收缩强度。协同转运（协同运输）的两种方式:同向转运和反向转运。某些细菌对乳糖的吸收伴随着H+的进入。小肠上皮细胞对葡萄糖等的吸收伴随Na+进入细胞。Na+/H+

交换器调节细胞pH值。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+；二硝基苯酚（DNP）和羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼(FCCP)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。离子通道型抗生素短杆菌肽A：formyl甲酰，ethanolamine乙醇胺缬氨霉素菌视紫红质和嗜盐菌紫红质分别利用光能转运H+和Cl-（左）/主要存在于嗜盐古细菌Halobacterium等中，光驱动的质子泵（菌紫红质，Bacteriorhodopsin，BR）利用光能向细胞外泵H+形成跨膜质子动势，用于合成ATP、鞭毛运动，排Na+等。光驱动的Cl-驱动泵（嗜盐菌视紫红质，Halorhodopsin，HR）向细胞内泵Cl-，使细胞内富集KCl，以抵御外部高盐环境，同时产生与质子泵作用相似的膜电位差。2.4.3光驱动的离子转运嗜盐光合古细菌的能量转换

（中）。PMF，质子动势。/利用菌视紫红质和脂质体检验线粒体ATP合成的化学渗透理论

（右）/Certainhaloarchaealspecieshavetheretinalpigmentsbacteriorhodopsin(BR)andhalorhodopsin(HR)intheirctyoplasmicmembrane,whichenablethemicroorganismtocapturelightenergyandgenerate,respectively,protonandchloridegradients.Althoughbothpigmentsarelocatedinthecytoplasmicmembrane,halorhodopsinisdispersedthroughoutthemembrane,whilstbacteriorhodopsinisconcentratedinregionsorpatches.Wehave,thus,twokindsofmembrane.Thepurplemembraneisamembranethattransduceslightenergy.Itispartofthectyoplasmicmembrane(takingtheformofpatches)incertainextremehalophilicmicroorganismsbelongingtoDomainArchaea.Thismembranecontainsjustonekindofprotein,bacteriorhodopsin,whichisachromoproteinthatuseslightenergytopumpH+totheexteriorofthecell,thusgeneratingaH+electrochemicalgradient,orproton-motiveforce.Thecellsusethisproton-motiveforcetosynthesiseATPandtoperformothervitalfunctionsrequiringenergyexpenditure.2.4.4离子跨膜转运与膜电位离子通道在动物细胞膜电位形成中起重要作用，在动物感觉、神经信息传递和肌肉收缩中起重要作用。Na+-K+ATP酶和K+渗漏通道形成膜静息电位。动作电位：门控离子通道开关造成膜电位的快速改变。动作电位延神经细胞传递即为神经冲动。静息状态：所有Na+及K+通道关闭。去极化阶段：Na+通道打开启动动作电位。再极化阶段：Na+通道失活，K+通道打开。超极化阶段：K+通道保持开放，Na+通道失活。脊索神经细胞信号传递过程与离子跨膜运输密切相关：(A)脊索神经细胞与成千上万的其他神经细胞突触相连。(B)免疫荧光显示神经元及突触。荧光抗体分别结合神经元一种细胞骨架蛋白（绿色）和一种突触小泡蛋白（红色）。Axonhillock轴突，myelinsheath髓鞘，dendrite树突。神经细胞动作电位的启动和传递神经冲动在突触传递的过程：膜兴奋显示为有或无，不存在中间状态。动作电位以电脉冲的方式传递。synapticcleft突触间隙。神经冲动传递与肌细胞收缩过程中的各种离子通道：神经肌肉接点由乙酰胆碱门控通道开放而出现阈电位时，可使肌细胞膜中的电位门控Na+通道和K+通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网Ca2+通道打开，Ca2+进入细胞质，引发肌肉收缩。Sarcoplasmicreticulum肌质网3.1胞吞作用的类型3胞吞和胞吐作用：大分子和颗粒物质进出细胞的方式胞吞和胞吐涉及膜泡运输和膜泡融合，又称膜泡运输。胞吞和胞吐可同时转运多种小分子、大分子甚至颗粒物质，又称批量运输。胞吞和胞吐作用是耗能运输。胞饮：发生在所有细胞中，胞吞泡直径小于150nm，胞吞泡多样，由网格蛋白、窖蛋白、微丝等多种蛋白形成，吞入可溶性大小分子、胶体微粒等。吞噬：仅发生于巨噬细胞、中性粒细胞以及原生动物等细胞中，胞吞泡大于250nm，由微丝及其结合蛋白形成伪足包裹被吞噬物（通常为病原体，衰老细胞，食物颗粒等颗粒物质）。吞噬作用:摄取大颗粒物质。吞噬对象包括：大分子,细胞碎屑,微生物甚至其他细胞。通常只有一些特殊的细胞（如巨噬细胞，中性粒细胞）才具有吞噬功能。吞噬作用通过被吞噬物与吞噬细胞接触诱发。可能被调理素（血浆中的可溶性分子，如抗体和补体等，与某些颗粒结合可促进吞噬细胞对该颗粒的吞噬作用。）所激发。如抗体尾部的Fc区即可被免疫吞噬细胞表面受体识别，诱发吞噬。吞噬作用由微丝及其结合蛋白驱动。活化的小G蛋白Rho家族成员可促进肌动蛋白单体组装成微丝，促进形成伪足。吞噬作用：Onset攻击，polymerization聚合，pseudopod伪足，engulf吞没。网格蛋白依赖的胞吞：由网格蛋白、衔接蛋白（结合素蛋白）、发动蛋白和受体等介导的选择性运输。膜泡窖依赖的胞吞：窖蛋白、受体、发动蛋白介导的内吞，可能是一种选择性运输。大型胞饮作用：类似吞噬，由微丝形成伪足，大多细胞中通过大型胞饮非特异性转运物质，但有些细胞中大型胞饮由生长因子激发。非网格蛋白/膜泡窖依赖的胞吞：在淋巴细胞中，IL-2在网格蛋白依赖的胞吞受抑制的情况下诱导其受体内吞。特异性内吞，依赖发动蛋白和Rho。受体介导的胞饮是一种选择浓缩机制，膜表面的受体识别结合胞吞物质。胞吞作用。Invaginate反折凹入，pinch收缩。胞饮作用：

发生于各种真核细胞中。细胞摄取营养物质、信号传递等。网格蛋白依赖的胞吞作用是受体介导的胞饮网格蛋白依赖的胞饮作用：通过结合素蛋白(adaptin)，网格蛋白(clathrin)及GTP结合蛋白dynamin作用形成胞吞泡。Ligand配体，invagination内陷，exocytosis胞吐作用，transcytosis转胞吞作用。网格蛋白－有被小泡结构。Triskelion三角蛋白复合体网格蛋白的胞吞作用：Yolkprotain卵黄蛋白有被小泡形成及膜整合蛋白的选择性结合模型：膜整合蛋白受体胞质端识别结合素蛋白。受体介导的胞吞受体及配体在胞吞后的三种去向胞吞后的胞吞泡与早胞内体融合，早胞内体负责物质分选运输，而运输方向信号可能存在于受体上。胞内体膜上存在质子泵（V型），胞内体内部酸化后受体与运输物质分离，大部分受体与胞内体分离后被运送回质膜。穿胞运输（转胞吞作用）：有些受体连同胞吞物质转运至细胞另一侧通过胞吐输出。如：母鼠血液中的抗体经穿胞运输进入乳汁。另一些受体随胞吞物质进入晚期胞内体，最终进入溶酶体分解。胞内体形成：胞饮泡脱去外被同性或异性融合既成为早胞内体，通过早胞内体完成分选运输。早胞内体酸化可能使受体与运输物分离并通过出芽回到质膜表面。早胞内体pH继续下降并与高尔基体运输小泡融合形成晚胞内体，晚胞内体最终与溶酶体融合。。细胞对低密度脂蛋白的吸收。膜泡窖依赖的胞吞Caveoalevesiculartrafficking:Caveolaeappeartomediatetheselectiveuptakeandtransportofseveralmoleculesviadifferentprocesses(transcytosis,endocytosis,andpotocytosis).Intranscytosis,caveolaetransportproteinsfromtheluminal腔sideoftheendothelial内皮celltotheinterstitialcompartmentforsubsequentuptakebyunderlyingtissues.Incaveolae-mediatedendocytosis,caveolaebudofffromtheplasmamembraneandfusewithvariousintracellularcompartments.Possibletransportroutesincludetherecentlycharacterizedcaveolae-caveosome-ERpathway.Inpotocytosis,caveolaemediatetheuptakeofsmallsolutes(<1kDa)bypinchingoffbutremainingassociatedwiththeplasmamembrane.Themolecularmachineryinvolvedinthiscaveolarfission/fusionisthesameasthatusedfornumerousothervesiculartransportprocesseswithrequirementsfordynamin,VAMP,SNAP-25,theSNAREcomplex,andGTPhydrolysis./Thesequenceofthecaveolin-scaffoldingdomainandthecaveolinbindingsequencemotifswithinseveralcaveolae-localizedsignalingmoleculesareshown.TheseincludeG-proteinαsubunits(Gi2α),eNOS,Srcfamilytyrosinekinases,receptortyrosinekinases(EGF-R),andPKCisoforms(PKCα).Inmostcases,thiscaveolininteractionisinhibitory,leadingtoinactivationofthesignalingmoleculesandmodulationofdownstreamsignaltransduction./左上图，.au/大型胞饮作用Roleofparticle.Althoughmacropinocytosiscanpromoteparticleuptake,theparticleisnotessential.Incontrast,phagocytosisisstrictlyparticle-driven,anditdependsonreceptorinteractionsovertheentiresurfaceoftheingestedparticle.Fluiduptake.Macropinocytosisinvolvestheuptakeoflargeamountsoffluidandsolutes.Phagocytosisdoesnot,becausetheappositionofthephagosomalmembranewiththeparticlesurfaceissotightitlimitstheunoccupiedvolumeintheformingphagosome.Cargospecificity.Fluiduptakethroughmacropinocytosisisnon-specific,whereasparticleuptakebyphagocytosisisspecific.Cell-typespecificity.Almostallcelltypesarecapableofmacropinocytosis.Phagocytosisisapropertyofafewspecializedcelltypes.Cellularmachinery.

Thereceptorsthattriggerphagocytosisareusuallyspecializedforinteractionwiththesurfacecomponentsofrelevantcargoparticles.Thereceptorsthattriggermacropinocytosishaveotherphysiologicalrolesandarepresentonmanycelltypes.Theseincludegrowthfactorreceptorsthatactivatecommonsignallingpathways.Globalversuslocalmembraneactivation.Duringphagocytosis,actinmodificationsarelocalizedtothephagocyticcupthatformsaroundtheparticle.Macropinocytosisinvolvesglobalactivationoftheactincytoskeletonresultinginplasmamembranerufflingandtheformationoflamellipodiaorblebsovertheentiresurfaceofthecell./Theprocessbywhichavirusisinternalizedintothehostcellviamacropinocytosis.Formationofthistypeofendocyticvesiclesisgrowthfactor-induced,butdynamin-independentandoccursasaresponsetocellstimulation,resultingintheclosureoflamellip