细胞生物学课件：第五章 跨膜运输

第四章物质的跨膜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。物质运输的范畴细胞运输：细胞与环境间的物质交换胞内运输：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：穿越细胞的运输

生物膜能选择性地允许多种物质通过葡萄糖：细胞的能量来源、多糖的原料氨基酸：细胞的能量来源、蛋白质的原料离子：渗透压、酸碱度、膜的电性质、酶这些物质由特殊的膜蛋白运输，称为膜运输蛋白。核苷酸：细胞的能量来源、核酸的原料主动运输协助扩散自由扩散生物小分子的跨膜运输类型第一节被动运输

（自由扩散、协助扩散）

如果膜是单纯的脂双层……可以经膜运输的只是很少几种物质,这些物质的性质是?

非电解质通过扩散跨过细胞膜进行运输必须具备2个条件：（1）该物质的浓度很高；（2）细胞质膜必须对这种物质具有通透性：该穿过脂质双层，或质膜中有可允许该物质通过的跨膜通道。一、简单扩散也叫自由扩散（freediffusion）：是指物质从浓度高的一侧通过细胞膜向浓度低的一侧转运。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为油水分配系数，D为扩散系数，t为膜的厚度。油水分配系数：一种溶质在油（脂）相与水相中的摩尔数比能进行单纯扩散的物质:疏水的小分子不带电的极性小分子不需要膜蛋白的作用自由透过生物膜的脂双层疏水分子不带电极性小分子不带电极性较大分子离子膜外膜内自由扩散动画模拟

物质的自由扩散速度，与物质的脂溶性程度、膜两侧溶质浓度差、溶质分子大小和电荷性质等有关。

溶质的脂溶性与通过细胞膜能力的关系人工膜及细胞质膜对各类物质的通透率：脂溶性越高通透性越大；小分子比大分子易透过；非极性分子比极性容易透过；极性不带电荷的小分子可透过人工脂双层;人工膜对带电荷的物质，如离子是高度不通透的。人工脂双层真正细胞膜对于生物膜来说，

各种极性分子、带电离子都可以跨越脂双层。葡萄糖、氨基酸、核苷酸、离子都能实现跨膜运输（顺着或逆着其浓度梯度）。这些运输由膜蛋白介导，这些膜蛋白被称为膜运输蛋白。二、协助扩散也称促进扩散（facilitateddiffusion）：是指非脂溶性物质或亲水性物质,如氨基酸、糖和金属离子等借助细胞膜上的膜蛋白的帮助顺浓度梯度或顺电化学浓度梯度,不消耗ATP进入膜内的一种运输方式。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，存在最大转运速率；③特异性；④饱和性。载体：离子载体、通道蛋白。简单扩散与协助扩散的比较

两类主要转运蛋白：（膜转运蛋白负责无机离子和水溶性有机小分子的跨膜转运）通道蛋白：能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过。载体蛋白：又称做载体、通透酶和转运器。什么样的膜蛋白能执行运输蛋白的功能？14567－－多次穿膜的跨膜蛋白2

3载体蛋白通道蛋白

ProtéinesporteusesProtéinescanalaires各种离子、水离子、氨基酸、单糖、核苷酸等与所运物质结合,然后自身构象改变将物质在膜另一侧释放。形成跨膜的充水通道让所运物质通过。运输原理运输特点所运物质主动或被动运输，与所运物质互相作用较强，运输速度较慢。被动运输，与所运物质互相作用较弱，运输速度较快。膜运输蛋白的分类电化学梯度(浓度差和电位差)与运输方向1、被动运输所运物质若不带电,

顺其化学梯度运输。所运物质若带电,

顺其电化学梯度运输。gradientélectrochimique2、主动运输逆着所运物质浓度或电化学梯度－－(“泵”)（一）通道蛋白在蛋白质中心形成一个亲水性的通道，使特定的物质穿越；被动运输的通道蛋白大多都与无机离子的转动相关，又称为离子通道。通道蛋白介导的被动运输不需要与溶质分子结合，只有大小和电荷适宜的离子才能通过。通道蛋白对离子的选择性依赖于离子通道的直径、形状和通道内侧带电荷氨基酸的分布。

离子通道的特征：（1）具有极高的转运效率；（2）没有饱和值；（3）并非连续开放，而是门控的。大多数情况下，离子通道呈关闭状态，只在受到刺激后，跨膜的离子通道才会开启（称为门通道，如电位门通道、配体门通道、环核苷酸门通道、机械门通道））IonChannels----or----电位门通道配体门通道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）和阴离子通道（如γ－氨基丁酸受体）；以及细胞内配体和细胞外配体两种类型。ThreeconformationoftheacetylcholinereceptorNicotinicacetylcholinereceptor

烟碱受体Ach门通道具有具有三种状态：开启、关闭和失活。当受体的两个α亚单位结合Ach时，引起通道构象改变，通道瞬间开启，膜外Na+内流，膜内K+外流。如果Ach存在的时间过长（约20毫秒后），则通道会处于失活状态。

筒箭毒和α银环蛇毒素可与乙酰胆碱受体结合，但不能开启通道，导致肌肉麻痹。2、电位门通道(voltagegatedchannel)细胞内或细胞外特异离子浓度发生变化时，或对其他刺激引起膜电位变化时，致使其构象变化，“门”打开。特点：膜电位变化可引起构象变化，“门”打开。带电荷的蛋白结构会随跨膜电位梯度的改变发生相应的位移，从而使离子通道打开或关闭。

Na+、K+、Ca2+电压门通道结构相似，由同一个远祖基因演化而来。VoltagegatedK+channelK+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)，构成通道内衬，大小允许K+通过。目前认为S4段是电压感受器。当膜去极化时（膜外为负，膜内为正），引起带正电荷的氨基酸残基转向细胞外侧面，通道蛋白构象改变，“门”打开，大量K+外流，此时相当于K+的自由扩散。K+电位门和Ach配体门一样只是瞬间（约几毫秒）开放，然后失活。此时N端的球形结构，堵塞在通道中央，通道失活，稍后球体释放，“门”处于关闭状态。K+channel

4thsubunitnotshownIon-channellinkedreceptorsinneurotransmission神经肌肉接点由Ach门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门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。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。动作电位（activepotential）：细胞在刺激作用下的膜电位。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。3、环核苷酸门通道CNG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。4、机械门通道感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。目前比较明确的有两类机械门通道：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。

听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理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。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）。P.Agre的实验2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。PeterAgreRoderickMacKinnon

水通道（AQP1)的三维结构

(Suietal,Nature414,872,2001)水通道的结构

水孔蛋白的跨膜结构域水通道蛋白AQP1是人的红细胞膜的一种主要蛋白。它能够让水自由通过(不必结合)，但是不允许离子或是其他的小分子(包括蛋白质)通过AQP1水通道蛋白AQP1是由四个相同的亚基构成，每个亚基的相对分子质量为28kDa，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完全对称水通道的选择性通道的最狭窄处（constrictionarea)的直径为2.8AH2O与周围基团形成氢键可通过通道离子不能形成等效配位复合物不能通过通道水通道的选择性为什么质子（H3O+)不能通过？通道的中央有带正电的氨基酸静电排斥作用将带正电荷H3O+阻挡通道还含有带负电的氨基酸静电排斥作用将带负电的离子阻挡水的跨膜输运与医学原初尿经过肾小管70%的水经水通道AQP1重新吸收在肾小管的末端，又有10%的水经水通道AQP2重新吸收尿分泌抑制剂

(vasopressin)刺激AQP2向肾小管壁细胞膜的转运，从而促进水从尿的吸收缺失该激素时，患有尿崩症的病人一天的排尿量多达10-15升.(二）载体蛋白定义：需要同被运输的离子和分子结合，然后通过自身的构型变化或移动完成物质运输的膜蛋白。原理：载体蛋白经历一次构象变化，先后交替地把所运物质与之结合的位点暴露于膜的两侧，从而完成运输。被动运输载体蛋白特点：（1）具有高度的特异性,其上有结合点,只能与某一种物质进行暂时性、可逆的结合和分离；（2）个特定的载体只运输一种类型的化学物质,甚至一种分子或离子；（3）不需要ATP提供能量。载体蛋白对物质的转运过程具有类似于酶与底物作用的动力学曲线、可被类似物竞争性抑制、具有竞争性抑制等酶的特性。但与酶不同的是:载体蛋白不对转运分子作任何共价修饰。特点：1.与酶-底物反应类似与所运输物质有特异的结合位点，但不改变其性质。例：葡萄糖的运输图5-5（P107）

特点：2.多种运输方式单一运输同向运输反向运输偶联运输载体蛋白运输的几种形式第二节主动运输为了能维持生命活动的正常进行，生物体主要靠主动运输来获取营养物质。主动运输具有重要的意义：

细胞膜的主动运输是活细胞的特性，它保证了活细胞能够按照生命活动的需要，主动选择吸收所需的营养物质，主动排出代谢废物和对细胞有害的物质。特点：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；④具有选择性和特异性。典型动物细胞内外离子浓度的比较*表中给出的Ca2+和Mg2+的浓度是游离存在于胞质溶胶中的浓度;Mg2+在细胞中的总浓度为2mM，Ca2+则是1-2mM。但它们大多是与蛋白质结合在一起的，Ca2+则存在于细胞器中。**指细胞内存在的带负电的有机分子，它们不能通过细胞质膜。能量来源：①光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。②协同运输中的离子梯度动力－间接提供能量。③ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量；根据所需能量来源不同，分为：光驱动蛋白；耦联转运蛋白；ATP泵ATP驱动泵依靠ATP消解提供能量，逆浓度梯度转运离子和各种小分子。所有的ATP驱动泵都是跨膜蛋白，在膜的原生质表面具有一个或多个ATP结合位点。根据泵蛋白的结构和功能，可将ATP驱动泵分为：

P－型离子泵、V－型质子泵、F－型质子泵（转运离子）ABC超家族（转运小分子）P型离子泵(P-typeionpump)，或称P型ATPase。此类运输泵运输时需要磷酸化(P是phosphorylation的缩写)，包括Na+-K+泵、Ca2+离子泵。V型泵(V-typepump)，或称V型ATPase，主要位于小泡的膜上(V代表vacuole或vesicle)，如溶酶体膜中的H+泵，运输时需要ATP供能，但不需要磷酸化。F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，是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子(F即factor的缩写)。ABC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。思考题：四种运输ATPase在结构、存在部位和功能上有什么不同?

参与主动运输的载体蛋白常被称为泵(pump)，这是因为它们能利用能量做功。由于它们消耗的代谢能多数来自ATP，所以又称它们为某某ATPase。共有四种类型的运输ATPase，或称运输泵一、钠钾泵构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，也叫Na+-K+ATP酶，分布于动植物细胞的质膜。工作原理：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。每个周期转出３个钠离子，２个钾离子。Na+-K+泵存在于几乎所有动物细胞膜上,利用ATP水解供应能量,建立和维持细胞内外的Na+梯度。Na+ATP给我力量K+泵细胞能量1/3~2/3耗费于此!问题：为什么Na+-K+泵又叫Na+-K+ATP酶？钠-钾离子泵吸钾排钠细胞能量1/3~2/3耗费于此!分布于所有动物细胞膜上。逆电化学梯度运输!3个Na+出细胞2个K+入细胞Na+电化学梯度K+电化学梯度钠钾泵的结构2个α亚基，具有ATP结合位点，在细胞内侧与Na＋结合促进ATP水解；外侧为乌本苷的结合位点2个β亚基，起调节作用，以及帮助内质网新合成的α亚基折叠Na+-K+ATPPUMP

运输机制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+。Na+/K+ATPase工作原理示意图工作效率：每秒可发生1000次左右构象变化；每循环消耗1分子ATP，可泵出3个Na+，同时泵入2个K＋Na+-K+泵作用的直接效应建立和维持细胞外高钠、细胞内高钾的特殊离子梯度Na+-K+泵作用的间接效应通过维持Na+梯度维持渗透压平衡,调节细胞容积使细胞内外离子的数量平衡2.保证一些物质的主动运输所需能量

离子梯度驱动力—偶联载体3.参与形成内负外正的膜电位

3个Na+出、2个K+入

Na+-K+泵与疾病经科学研究，发现Na+-K+泵在人体的正常代谢中具有非常重要的作用，与一些疾病的发生也有着密切的关系。如肝水肿、白内障、囊纤维化、癫痫、偏头痛、高血压等。另外，最近的研究表明，Na+-K+泵还与屡减仍肥有着千丝万缕的关系。

屡减仍肥与Na+-K+泵新近发现，有些肥胖者虽然坚持节食，活动量也不小，但依然“体壮膘肥”，即使使尽各种减肥手段，体重也有增无减，煞是令人苦恼。其实，这种肥胖的根本原因是因为人体中褐色脂肪组织的产热功能发生了故障，无法正常产热，不能消耗能源脂肪。这主要是镶嵌在竭色脂肪细胞膜上的一种被称为钠钾三磷酸腺苷酶的“转移泵”运转慢了，由于“泵机”转运减速，以燃烧脂肪为主的产热机器便无法正常运行，使人的基础体温降低，机体耗能也减少。这种人好像处于一种亚冬眠的低能耗状态，能量消耗少，人也就瘦不了。

高血压与Na+-K+泵据报道，高血压患者及有高血压家族史而血压正常者有跨膜电解质转运紊乱，其血清中有一种激素样物质，可抑制Na+/K+－ATP酶活性，以致钠钾泵功能降低，导致细胞内Na+、Ca2+浓度增加，动脉壁SMC收缩加强，肾上腺素能受体（adrenergicreceptor）密度增加，血管反应性加强。这些都有助于动脉血压升高。二、钙离子泵作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（胞内钙浓度10-7M，胞外10-3M）。位置：质膜、内质网膜。类型：P型离子泵，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。钠钙交换器（Na+-Ca2+exchanger），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。肌质网：心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网,其功能是参与肌肉收缩活动。肌质网膜上的Ca2+-ATP泵将细胞基质中的Ca2+泵入肌质网中储存起来,使肌质网Ca2+的浓度比胞质溶胶高出几千倍。受到神经冲动刺激后,Ca2+释放出来,参与肌肉收缩的调节。Ion-channellinkedreceptorsinneurotransmission神经肌肉接点由Ach门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门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。Ca++ATPaseMaintainslowcytosolic[Ca++]PresentInPlasmaandERmembranesModelformodeofactionforCa++ATPase Conformationchange三、质子泵指能逆浓度梯度转运氢离子通过膜的膜整合糖蛋白。质子泵在泵出氢离子时造成膜两侧的pH梯度和电位梯度。1、V-type：存在于各类小泡膜上，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。（逆H＋电化学梯度泵出H＋）2、F-type：顺H＋电化学梯度泵出H＋，利用质子动力势合成ATP，即ATP合酶，位于细菌质膜、线粒体内膜、类囊体膜上。F型质子泵不仅可以利用质子动力势将ADP转化成ATP，也可以利用水解ATP释放的能量转移质子。四、ABC转运器（ABCtransporter）最早发现于细菌，是一庞大的蛋白家族，都有两个高度保守的ATP结合区（ATPbindingcassette），故名。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、多糖、多肽、蛋白质；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。MammalianMDR1proteinABC转运器与病原体对药物的抗性有关。MDR（multidrugresistanceprotein）是第一个被发现的真核细胞ABC转运器，是多药抗性蛋白，约40%患者的癌细胞内该基因过度表达。ABC蛋白在肝、小肠和肾等器官的质膜上分布较多，能将天然毒物和代谢废物排出体外。FourtypesofATP-poweredpumps五、协同运输cotransport协同运输又称偶联运输，它不直接消耗ATP，但要依赖离子泵建立的电化学梯度，所以又将离子泵称为初级主动运输(primaryactivetransport)，将协同运输称为次级主动运输(secondaryactivetransport)。靠间接提供能量完成主动运输。所需能量来自膜两侧离子的浓度梯度。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。分为：同向协同（symport）和反向协同（antiport）。1、同向协同（symport）如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。某些细菌对乳糖的吸收伴随着H+的进入。载体在stateAandstateB之间随机转换对Na+

和glucose协同结合(结合其中一个引起构像变化，促进对另一个的结合）由于Na+在胞外浓度高，使Glucose易于与Astate结合

Na+和glucose进入细胞的机会(通过AB转换)远大于它们离开细胞的机会

结果是Na+和glucose进入细胞Na+梯度驱动糖的主动输运Na+由ATP驱动泵出细胞，形成梯度IncreasesPMarea1、同向协同（symport）2、反向协同（antiport）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，即Na+的进入胞内伴随者H+的排出。此外质子泵可直接利用ATP运输H+来调节细胞pH值.小结

图中用较大号字母表示溶液的高浓度。(a)通过脂双层的简单扩散；(b)通过膜整合蛋