第三章 细胞质膜与跨膜运输

1第三章细胞质膜与跨膜运输

PlasmaMembraneandTransportAcrossMembranes2TypicalplasmaMembrane3概述红细胞膜结构膜的化学组成膜的分子结构及特点物质的跨膜运输43.1.1细胞的膜结构3.1.2细胞膜的功能§3.1概述56细胞内主要的胞质膜7

细胞质膜

(PlasmaMembrane)

内膜系统（EndomembraneSystem)

生物膜(Biomembrane)请比较质膜、内膜和生物膜在概念上的异同。3.1.1细胞的膜结构8细胞质膜（plasmamembrane）：是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。细胞的内膜系统：广义来讲指除细胞膜外的所有胞内膜结构。但狭义来讲指细胞核膜、内质网膜、高尔基体膜、溶酶体膜等具有结构连续、功能相关的膜系统。真核细胞的生物膜（biomembrane）:细胞的内膜系统和细胞质膜（cellmembrane）的总称。细胞膜一般指生物膜，有时也特指细胞质膜。9细胞的生物膜结构10细胞质膜模式图113.1.2细胞膜的功能界膜和区室化功能定位与组织化物质的调节运输信号的检测与传递参与细胞间的相互作用能量转换1.界膜和区室化12有人说红细胞是研究膜结构的最好材料，为什么?1、首先是红细胞数量大，取材容易(体内的血库)，极少有其它类型的细胞污染;2、其次成熟的哺乳动物的红细胞中没有细胞核和线粒体等膜相细胞器，细胞膜是它的惟一膜结构，所以分离后不存在其它膜污染的问题。133.2红细胞膜结构（ErythrocyteMembrane）◆RedBloodCells是结构最简单的细胞；■成熟的红细胞没有细胞器；■质膜是红细胞惟一的膜结构；■红细胞质膜易于提纯和分离；143.2.1ErythrocyteBiology（红细胞的生物学）红细胞的基本性质◆红细胞的主要功能是携带O2和运输CO2，红细胞的寿命约为120天，一生中要行走500000米。◆成熟的红细胞呈双面凹或单面凹陷的盘状，直径约为7μm，厚度1.7μm，表面积为145μm2,体积为8.3μm3153.2.3红细胞质膜

（ErythrocyteMembrane）

？问题提出的依据∶

◆行程∶500,000米

◆要多次穿过小于自身直径一半的微小通道;

◆要在脾脏内经受少氧、低pH值的不利条件;

◆又要经过心脏内瓣膜涡流冲击，但始终保持结构的完整。

？

16

红细胞血影

将红细胞放入低渗溶液中，细胞吸水胀破，释放血红蛋白，红细胞膜可以重新合起来形成血影。是分离红细胞膜蛋白最好的材料。17人红细胞膜蛋白SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分部

红细胞膜蛋白的组成几种主要的红细胞膜蛋白是●血影蛋白(spectrin)●血型糖蛋白A(glycophorinA)●带3蛋白(band3protein)●肌动蛋白(actin)●锚定蛋白(ankyrin)●带4.1蛋白(band4.1protein)●内收蛋白(adducin)(其中血影蛋白、血型糖蛋白、带3蛋白约占膜蛋白的60%以上)18

红细胞膜骨架（ErythrocyteMembraneSkeleton）在内侧有一种特殊的结构，是由膜蛋白和纤维蛋白构成的网架，它参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成各种生理功能。193.3膜的化学组成细胞膜主要由脂质和蛋白质组成,还含少量的糖类203.3.1MembraneLipids（膜脂）膜脂主要包括磷脂、鞘脂和胆固醇三种类型。21磷脂(phospholipids)■动、植物细胞膜上磷脂约占膜脂的50%以上；■磷脂分子的亲水端是磷酸基团，称为头部；■磷脂分子的疏水端是两条长短不一的烃链,称为尾部,一般含有14～24个偶数碳原子；■其中一烃链常含有一个或数个双键,双键的存在造成这条不饱和链有一定角度的扭转。■类型：分为甘油磷脂和鞘磷脂。22Phospholipids23胆固醇(Cholesterol)■胆固醇一般存在于真核细胞膜中：●动物细胞膜胆固醇的含量较高●大多数植物细胞质膜中没有胆固醇■胆固醇分子包括三部分:

●极性的头部：羟基●非极性的类固醇环结构●一个非极性的碳氢尾部。24TypicalCholesterol25胆固醇在脂双层中的位置26鞘脂(Sphingolipid)●是鞘氨醇的衍生物,在鞘氨醇的羟基上连接糖类，称为糖脂。●最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂,它仅有一个半乳糖作为极性头部;

●变化最多、最复杂的是神经节苷脂,它是神经元质膜具有的特征性成分。27膜脂的功能◆构成膜的基本骨架，去除膜脂，则使膜解体;◆是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执行特殊的功能;◆膜脂为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活性提供环境,一般膜脂本身不参与反应(细菌的膜脂参与反应);

◆膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存在时才有功能。28膜脂具有自我装配的能力29◆脂质体(Liposome)●磷脂分子自我装配形成脂双层的球形颗粒结构，称为脂质体●脂质体可用作生物膜的研究模型，并可作为生物大分子与药物的运载体，因此脂质体不仅是研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的极好材料，同时在基因转移药物治疗方面有着诱人的应用前景。30脂双层结构和脂质体的形成31进行靶向治疗323.3.2MEMBRANEPROTEINS

（膜蛋白）◆生物膜的特定功能主要是由蛋白质完成的;◆膜蛋白约占膜的40%～50%,有50余种膜蛋白;

◆在不同细胞中膜蛋白的种类及含量有很大差异。有的含量不到25%,有的达到75%;◆一般来说,功能越复杂的膜,其上的蛋白质含量越多。33干重的百分比(%)膜蛋白质脂碳水化合物质膜红细胞49438神经鞘18793肝细胞543610核膜66322高尔基体642610内质网622710线粒体外膜5545痕迹量内膜7822-叶绿体7030-不同生物膜中的蛋白、脂和碳水化合物的量

34膜蛋白是膜功能的主要体现者。根据与膜脂的结合方式以及在膜中的位置的不同，膜蛋白分为：整合蛋白（integralprotein）外周蛋白（peripheralprotein）脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）膜蛋白的分类35蛋白与膜的结合方式①、②整合蛋白；③、④脂锚定蛋白；⑤、⑥外周蛋白36◆整合蛋白(IntegralProteins)

：又称内在蛋白●部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧的蛋白质；●根据跨膜次数将跨膜蛋白分为单次跨膜、多次跨膜、多亚基跨膜等；●整合蛋白约占膜蛋白的70-80%37IntegralProteins整合蛋白与膜结合非常紧密，只有用去垢剂（detergent）才能从膜上洗涤下来，常用SDS和Triton-X100。38

十二烷基磺酸钠(SDS)和TritonX-100都是去垢剂，哪一种可用于分离有生物功能的膜蛋白?

去垢剂可分为离子型和非离子型两种。十二烷基磺酸钠(SDS)是常用的离子型去垢剂，它不仅可使细胞膜崩溃，并与膜蛋白的疏水部分结合使其分离，而且还破坏膜蛋白内部的非共价键，使蛋白变性，所以不宜用于分离有功能的膜蛋白。TritonX-100是温和性去垢剂，它可以使膜脂溶解，又不使蛋白变性，可分离到有生物功能的膜蛋白。

39◆膜周边蛋白质(peripheralproteins)

●又称为外周蛋白、外在蛋白（extrinsicprotein），为水溶性;分布在细胞膜的表面。●占膜蛋白总量的20%～30%,在红细胞中占50%,如红细胞的血影蛋白和锚定蛋白都是膜周边蛋白质。

●靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来。40◆脂锚定蛋白(Lipid-anchoredproteins)■又称脂连接蛋白(lipid-linkedproteins),以共价结合的方式锚定在脂上。◆有两种方式：●一种方式是通过一个糖分子糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C处理能释放出结合的蛋白。间接同脂双层中的脂结合；●一种是蛋白质直接与脂双层中的脂结合。41膜蛋白的功能◆运输蛋白：膜蛋白中有些是运输蛋白，转运特殊的分子和离子进出细胞;◆酶：催化相关的代谢反应;◆连接蛋白:起连接作用；◆受体：起信号接收和传递作用。42功能蛋白示例作用方式运输蛋白Na＋泵主动将Na+泵出细胞，K+泵入细胞连接蛋白整合素将细胞内肌动蛋白与细胞外基质蛋白相连受体蛋白血小板生长因子(PDGF)受体同细胞外的PDGF结合、在细胞质内产生信号，引起细胞的生长与分裂酶腺苷酸环化酶在细胞外信号作用下，导致细胞内cAMP产生举例某些膜蛋白及其功能433.3.3MembraneCarbohydrates（膜糖）

◆根据细胞类型的不同，膜糖约占膜成分的2～10%；◆细胞质膜上的膜糖都位于细胞质膜的外表面，内膜系统中的膜糖则面向膜的腔面。44◆自然界存在的单糖及其衍生物有200多种,但存在于膜的糖类只有其中的9种,而在动物细胞膜上的主要是7种：●D-葡萄糖（D-Glucose)●D-半乳糖(D-galactose)

●D-甘露糖(D-mannose)●L-岩藻糖(L-fucose)●N-乙酰半乳糖胺(N-acetyl-D-galactosamine)●N-乙酰基葡萄糖胺(N-acetyl-glucosamine)●唾液酸(sialicacid)。45膜糖的存在方式◆糖同氨基酸的连接主要有两种形式：●N-连接：即糖链与肽链中天冬酰胺残基相连

●O-连接：则是糖链与肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基相连46糖与多肽连接的两种方式47糖脂是如何决定血型的?ABO血型是由ABO血型抗原决定的，称为ABO血型决定子(determinant)，它是一种糖脂，其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用。ABO血型决定子是短的、分支寡糖链，如A血型的人具有一种酶，这种酶能够将N-乙酰半乳糖胺添加到糖链的末端；B血型的人具有在糖链末端添加半乳糖的酶，AB血型的人具有上述两种酶；O血型的人则缺少上述两种酶，在抗原的末端既无N-乙酰氨基半乳糖，又无半乳糖。48糖脂如何决定血型的？

ABO血型抗原膜糖的功能◆提高膜的稳定性：溶酶体膜上的糖蛋白◆帮助蛋白质进行正确的折叠和维持正确的结构◆参与细胞识别、细胞黏着503.4质膜的分子结构3.4.1STRUCTUREMODELS（结构模型）◆1890s,E.Overton发现了脂溶性物质容易透过细胞,提出了脂肪栅的膜结构设想。◆IrvingLangmuir将红细胞的脂提取后铺展在Langmuir水盘(LangmuirTrough)的水面上(图3-8)，提出脂单层(lipidmonolayer)的设想。◆1925年,荷兰的两位科学家E.Gorter和F.Grendel根据对红细胞的研究，提出质膜的脂双层(lipidbilayer)结构52实验结果证明∶红细胞膜脂与表面积之比约为1.8～2.2∶1。53■片层结构模型(Lamellastructuremodel)◆1935年JamesDaniellie和HughDavson提出“双分子片层”结构模型（图3-24），该模型是第一次用分子术语描述的结构，用甘油三酯加蛋白来降低表明张力。◆称为蛋白质-脂-蛋白子的三明治结构，对后来的研究有很大的启发。不足：非折叠的完全伸展的蛋白质限制了脂的流动性54◆1959年，J.D.Robertson利用电子显微镜技术对各种膜结构进行了详细研究，在电子显微镜下显示暗——明——暗的三层，总厚度为7.5nm，中间层为3.5nm，内外两层各为2nm。◆并推测:暗层是蛋白质，透明层是脂，并建议将这种结构称为单位膜。■单位膜模型(unitmembranemodel)不足：1、静止不动；2、膜的厚度为5-10nm;3、单层伸展的β折叠蛋白质无法解释酶构象改变；4、无法解释蛋白有的容易分离，有的很难。

55◆流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel)1972年，由Singer和Nicolson所提出。球形膜蛋白分子以各种镶嵌形式与脂双分子层相结合，有的附在内外表面，有的全部或部分嵌入膜中，有的贯穿膜的全层，这些大多是功能蛋白。膜具有一定的流动性和不对称性，不再是封闭的板块，以适应细胞各种功能的需求。糖类附在膜的外表面，与膜层的脂质、蛋白质的亲水端结合，构成糖脂和糖蛋白。56流动镶嵌模型57膜不对称性的表现◆TheAsymmetryofMembraneLipids◆脂双层两小叶（leaflet）中分布的各类脂的含量不同。例如在红细胞膜中：●外层含鞘磷脂、磷脂酰胆碱较多；●内层含磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰丝氨酸较多(PS)。3.4.2膜不对称性(Membraneasymmetry)

58膜脂的不对称分布59磷脂与糖脂分布的不对称性60红细胞血型糖蛋白A在质膜中不对称分布61膜糖分布的不对称性62不对称性的意义◆膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性。保证了生命活动的高度有序性。

●膜不仅内外两侧的功能不同，分布的区域对功能也有影响。造成这种功能上的差异，主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。●细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持就是靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。63◆冰冻断裂技术◆同位素标记法◆酶水解法

不对称性的研究方法64

冰冻断裂技术显示的脂双层及膜蛋白分布的不对称性65膜的流动性■流动性的表现形式●膜脂的运动方式

①侧向扩散(lateraldiffusion)；②旋转运动(rotation)；③伸缩运动（flex）；④翻转扩散(transversediffusion)

66膜脂的几种主要流动方式67①随机移动②定向移动

③局部扩散

膜蛋白运动的几种形式:

68

膜流动性的意义

◆酶活性

酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。

◆物质运输

如果没有膜的流动性，细胞外的营养物质无法进入，细胞内合成的胞外物质及细胞废物也不能运到细胞外，这样细胞就要停止新陈代谢而死亡。

◆信号转导蛋白受体传递信号

◆细胞周期

在M期,膜的流动性最大,而在G1期和S期,膜流性动性最低；

◆能量转换线粒体和叶绿特进行能量转换69膜流动性的研究方法◆Mouseandhumancellsfusion

（人、鼠细胞融合）

1970年，LarryFrye和MichaelEdidin进行了鼠、人细胞融合实验，令人信服地证明膜的流动性。●细胞融合（cellfusion）

利用促溶剂（灭火的仙台病毒、聚乙二醇）将两种不同类型的细胞融合成为一个杂种细胞的过程70人鼠细胞融合实验?7172

淋巴细胞的成斑和成帽反应73

成帽反应

?74◆光脱色荧光恢复技术影响膜流动性的因素温度对膜流动性的影响相变温度：物质从一个相转变成另一个相的温度。温度是影响膜流动性最主要的因素76脂对膜流动性的影响◆脂肪酸链的影响●不饱和程度：不饱和程度越高流动性越大●链的长短：链越短流动性越大。◆卵磷脂和鞘磷脂的比例●卵磷脂多，流动性大；●鞘磷脂多，流动性小。77◆胆固醇的影响●在相变温度以上,它可使磷脂分子的脂酰链末端的运动减小,即限制膜的流动性。●在相变温度以下,可增加脂类分子脂酰链的运动,这样可以增强膜的流动性。膜蛋白对膜流动性的影响◆影响膜蛋白移动的因素■整合蛋白相互间的影响■膜骨架的影响■细胞外基质的影响■相邻细胞的影响■细胞外配体、抗体、及药物大分子的影响793.5物质的跨膜运输3.5.1质膜物质运输概述

■物质运输的范畴

●细胞运输(cellulartransport)这种运输主要是细胞与环境间的物质交换;●胞内运输(intracellulartransport)是真核生物细胞内膜结合细胞器与细胞内环境进行的物质交换;●转细胞运输(transcellulartransport)这种运输是物质穿越细胞的运输。80物质的跨膜运输81■膜运输机制:被动运输与主动运输●被动运输与主动运输的差异82

被动运输主动运输起始条件细胞外被运输的物质浓度大大高于细胞内的浓度细胞外被运输的物质的浓度可能高于、也可能低于细胞内的浓度运输方式通过扩散或运输蛋白形成的通道进入细胞通过具有酶活性的运输蛋白(泵)，在能量的驱动下进出细胞产生的结果最后使细胞内外的浓度达到平衡最后细胞内外的浓度处于稳定，建立了浓度梯度被动运输与主动运输在起始条件、运输方式和产生的结果的比较

83

物质跨膜运输的四种基本机制84853.5.2被动运输概念：被动运输（passivetransport）是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运转。特点：运输方向(高到低）；能量消耗（不消耗化学能）；膜转运蛋白（通道蛋白和载体蛋白）。类型：简单扩散（simplediffusion）协助扩散（facilitateddiffusion）863.5.2.1扩散与渗透87如何根据细胞的渗透现象解释植物细胞的质壁分离(plasmolysis)?

由于细胞的渗透现象，使得细胞在不同浓度的溶液中，会发生膨胀(swell)或收缩(shrink)。实际上这种现象取决于溶液中的溶质和细胞中该物质的浓度。若将动物细胞置于高渗溶液中，水则会从细胞中渗出，细胞发生收缩。细胞在低渗溶液中会吸水膨胀和破裂。若将植物细胞置于高渗溶液中，细胞脱水发生质壁分离(plasmolysis)。若是在低渗溶液中，植物的细胞壁保护细胞防止过度膨胀而破裂，此时由于水的进入，细胞内的压力升高，使细胞变得坚硬.88概念：又称为自由扩散（freediffusion），是疏水小分子或小的不带电荷的极性分子，不需要能量也不需要膜蛋白参与的跨膜运输方式。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。3.5.2.2简单扩散及限制因素89溶质的脂溶性与通过细胞膜能力的关系（油：水分配系数）90不同分子对人工磷脂双层的通透性91◆限制因素●脂溶性∶脂溶性越大的分子越容易穿膜●大小：小分子比大分子更容易穿膜

质膜的通透性孔径不会大于0.5-1.0nm，能够扩散的最大生活物质是水分子。●带电性∶带电分子不容易直接过膜

带电物质通常同水结合形成一个水合的外壳，这不仅增加了它们的分子体积，同时也大大降低了脂溶性。923.5.2.3促进扩散及特点促进扩散（faciliateddiffusion)

又称:易化扩散(Facilitateddiffusion)

协助扩散、帮助扩散（？？？）概念：是非脂溶性物质或亲水性物质在膜转运蛋白协助下顺浓度梯度（或电化学梯度）的跨膜运输。93促进扩散的特点◆速度快，要比简单扩散快几个数量级；◆简单扩散的速率与溶质的浓度成正比，而膜蛋白促进的运输可以达到最大值；◆具有特异性;◆运输作用受抑制剂的抑制。膜转运蛋白是指镶嵌在膜上和物质运输有关的跨膜蛋白,分为通道蛋白（channelprotein）和载体蛋白（carrierprotein）94953.5.2.4通道蛋白（channelprotein）与促进扩散概念：通道蛋白（channelprotein）是横跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的分子和带电荷的离子顺梯度通过，又称为离子通道。目前发现的通道蛋白已有100多种，主要是离子通道(ionchannels)。特征：一是离子通道具有选择性；二是离子通道是门控的。类型：电位闸门通道（voltage-gatedchannel）配体闸门通道（ligand-gatedchannel）压力激活通道（stress-activatedchannel）：又称牵张闸门通道96

极性(带电性)通道的形成97物质的跨膜运输和膜电位膜电位：细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和。静息电位（restingpotential）：细胞在静息状态下的膜电位,内为负值，外为正值，之和为负值，一般为-20mv到-100mv。动作电位（activepotential）：当细胞在受到超过一定阈值刺激时产生的电兴奋波。极化：在静息电位状态下，质膜内为负值，外为正值的现象。去极化：由于阳离子的跨膜运输使膜的静息电位减小或者消失。反极化：离子的跨膜运输导致瞬间内正外负的动作电位的现象。超极化：离子的跨膜运输导致静息电位超过原来的值。98991003.5.2.5载体蛋白（carrierprotein）与促进扩散载体蛋白（carrierprotein）：是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。可以和特定的溶质分子结合，通过构型改变介导溶质的主动和被动跨膜运输。101102红细胞质膜载体蛋白促进葡萄糖扩散示意图103相同点：①特异性，有特异的结合位点；②有饱和动力曲线；③受抑制剂的影响。不同点：不对溶质分子作任何共价修饰。和酶的异同点：1043.5.3主动运输概念：主动运输（activetransport）是指由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度（或电化学梯度）的由浓度低的一侧向浓度高的一侧的跨膜运输方式。特点：①逆梯度运输;②依赖于膜运输蛋白;③需要消耗能量ATP④具有选择性和特异性主动运输所需能量的来源主要有：

1.ATP直接提供能量

2.ATP间接提供能量

3.光能驱动105106成份细胞内浓度(mM)细胞外浓度(mM)阳离子

Na+5-15145K+1405Mg2+0.51-2Ca2+10-71-2阴离子

Cl-5-15110固定的阴离子**高0典型动物细胞内外离子浓度的比较107载体蛋白功能能量来源直接能源

Na+-K+泵Na+的输出和K+的输入ATP细菌视紫红质H+从细胞中主动输出光能磷酸化运输蛋白细菌对葡萄糖的运输磷酸烯醇式丙酮酸间接能源

Na+、葡萄糖泵协同运输蛋白Na+、葡萄糖同时进入细胞Na+离子梯度F1-F0ATPaseH+质子运输，H+质子梯度驱动主动运输中能量来源108■参与主动运输的运输ATPase(transportATPase)运输ATPase(transportATPase)又称泵

能够水解ATP，并利用ATP水解释放出的能量驱动物质跨膜运输的运输蛋白称为运输ATPase，由于它们能够进行逆浓度梯度运输，所以有称为泵。共有四种类型的运输ATPase:①P型离子泵(P-typeionpump)，或称P型ATPase。此类运输泵运输时需要将自身磷酸化，包括Na+-K+泵、Ca2+离子泵。109②V型泵(V-typepump)，或称V型ATPase，主要位于小泡的膜上，如溶酶体膜中的H+泵，运输时需要ATP供能，但不需要磷酸化。③F型泵(F-typepump)，或称F型ATPase。这种泵主要存在于细菌质膜、线粒体膜和叶绿体的膜中，它们在能量转换中起重要作用。F型泵工作时不会消耗ATP，而是将ADP转化成ATP，但是它们在一定的条件下也会具有ATPase的活性。④ABC运输蛋白(ATP-bindingcassettletransportor)，这是一大类以ATP供能的运输蛋白，已发现了100多种，存在范围很广，包括细菌和人。110P型、V型和F型运输泵的结构111单向、同向和逆向运输的比较■主动运输的方向112

P-型离子运输泵的作用机理P型泵的主要特点:都是跨膜蛋白，并且是由一条多肽完成所有与运输有关的功能，包括ATP的水解、磷酸化和离子的跨膜运输。●Na+/K+泵(Na+/K+pump，Na+/K+ATPase)：Na+/K+泵是动物细胞质膜上由ATP驱动的将Na+

输出到细胞外，同时将K+输入细胞内的运输泵，又称Na+泵或Na+/K+交换泵。实际上是一种Na+/K+ATPase。ATP直接提供能量驱动的主动运输113Na+/K+ATPase的结构114115钠钾泵工作原理116①在静息状态，Na+/K+泵的构型使得Na+

结合位点暴露在膜内侧。当细胞内Na+浓度升高时，3个Na+

与该位点结合；②由于Na+的结合，激活了ATP酶的活性，使ATP分解，释放ADP，α亚基被磷酸化;③由于α亚基被磷酸化，引起酶发生构型变化，于是与Na+

结合的部位转向膜外侧，并向胞外释放3个Na+

；④膜外的两个K+同α亚基结合;⑤K+

与磷酸化的Na+/K+ATPase结合后，促使酶去磷酸化;⑥去磷酸化后的酶恢复原构型，于是将结合的K+

释放到细胞内。每水解一个ATP，运出3个Na+

，输入2个K+

。Na+/K+泵工作的结果，使细胞内的Na+浓度比细胞外低10～30倍，而细胞内的K+浓度比细胞外高10～30倍。由于细胞外的Na+浓度高，且Na+是带正电的，所以Na+/K+泵使细胞外带上正电荷。

Na+/K+泵作用原理:Na+/K+ATPase运输分为六个过程:117意义:

Na+/K+

泵具有三个重要作用，1、维持了细胞Na+离子的平衡，抵消了Na+离子的扩散作用;2、在建立细胞质膜两侧Na+离子浓度梯度的同时，为葡萄糖协同运输泵提供了驱动力;3、Na+泵建立的细胞外电位，为神经和肌肉电脉冲传导提供了基础。Na+/K+

泵临床上的应用1、正常细胞中，毛地黄苷或乌本苷通过抑制细胞质膜上Na+/K+

泵的酶活性，改变细胞的渗透压，从而引起细胞膨胀，甚至破裂。2、临床上用少量的乌本苷治疗心力衰竭，通过抑制Na+/K+

泵的酶活性而降低Na+的浓度差，从而限制了Na+/Ca2+

对Ca2+

的运输。119Ca2+

泵(Ca2+pump，Ca2+ATPase)▲结构：有10个跨膜区;3个功能位点。▲激活:两种激活机制，Ca2+/钙调蛋白(CaM)复合物的激活;蛋白激酶C激活。▲运输机制:

类似于Na+/K+ATPase。每水解一个ATP将2个Ca2+离子从胞质溶胶输出到细胞外。120Ca2+-ATPase的结构和功能位点121Ca2+-ATPase有两种激活机制：▲一种是受激活的Ca2+/钙调蛋白(CaM)复合物的激活；当细胞内Ca2+浓度升高时，Ca2+同钙调蛋白结合，形成激活的Ca2+/钙调蛋白复合物，该复合物同抑制区结合，释放激活位点，泵开始工作。当细胞内Ca2+浓度下降时，CaM同抑制区脱离，抑制区又同激活位点结合，使泵处于静息状态。▲另一种是被蛋白激酶C激活。蛋白激酶C使抑制区磷酸化，从而失去抑制作用；当磷酸酶使抑制区去磷酸化，抑制区又同激活位点结合，起抑制作用。122Ca2+

泵的工作原理：①在细胞质膜的一侧同两个Ca2+结合；②Ca2+结合后使酶激活，并结合上一分子ATP；③伴随ATP的水解和酶被磷酸化，Ca2+泵构型发生改变；④结合Ca2+的一面转到细胞外侧，由于结合亲和力低Ca2+离子被释放；⑤同时酶发生去磷酸化，构型恢复到原始的静息状态。结果：Ca2+-ATPase每水解一个ATP将两个Ca2+离子从胞质溶胶输出到细胞外。123Ca2+-ATPase的作用少量Ca2+一旦进入细胞即刻引起胞质中钙离子浓度的大量增加，引起肌肉收缩，信号传导等钙泵促使细胞中钙离子维持低浓度，是为进行许多的生理活动的必要戒备状态125ABC转换器126127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）。

概念：协同运输（cotransport）是指一种物质的运输伴随另一种物质的运输。它是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。又称偶联主动运输。能量：钠钾泵或质子泵通过消耗ATP产生膜两侧的电化学浓度梯度，驱动协同运输的进行。