物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸教程

1、物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸教程第五章 物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸 在污水處理時(shí)，人們?cè)O(shè)計(jì)了一種膜結(jié)構(gòu)，將有毒重金屬離子阻擋在膜的一側(cè)，以降低有毒重金屬對(duì)水的污染，請(qǐng)問這是為什么？討論： 細(xì)胞膜是細(xì)胞與細(xì)胞外環(huán)境之間的一種選擇性通透屏障，它既能保障細(xì)胞對(duì)基本營養(yǎng)物質(zhì)的攝取、代謝廢物的排除和細(xì)胞內(nèi)離子濃度的調(diào)節(jié)，又能使細(xì)胞維持相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。因此，物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸對(duì)細(xì)胞的生存和生長至關(guān)重要。第一節(jié) 物質(zhì)跨膜運(yùn)輸 物質(zhì)通過細(xì)胞膜的運(yùn)轉(zhuǎn)主要有三種形式： 被動(dòng)運(yùn)輸（passive transport） 主動(dòng)運(yùn)輸（active transport） 胞吞（endocytosis）與胞吐作用（exocytosis）一、被動(dòng)運(yùn)輸（p

2、assive transport）概念：通過簡單擴(kuò)散或協(xié)助擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)物質(zhì)由高濃度向低濃度方向的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)力來自物質(zhì)的濃度梯度，不需要細(xì)胞提供代謝能量。 類型：膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：簡單擴(kuò)散（simple diffusion）協(xié)助擴(kuò)散（facilitated diffusion）載體蛋白（carrier proteins）通透酶（permease）性質(zhì)；介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸。 通道蛋白（channel proteins）具有離子選擇性，轉(zhuǎn)運(yùn)速率高；離子通道是門控的；只介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸。電壓門通道（voltage-gated channel）配體門通道（ligand-gated channel）壓力激活

3、通道（stress-activated channel）類 型 物質(zhì)（如疏水的小分子或小的不帶電荷的極性分子）順濃度梯度跨膜轉(zhuǎn)運(yùn) 不需要能量不需要膜蛋白1、簡單擴(kuò)散（simple diffusion） 不同的小分子物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的速率差異極大，即不同分子的通透系數(shù)不同。如O2 、N2和苯等極易通過細(xì)胞膜，水分子也比較容易通過，尿素的通透性比水分子低100倍。通透性主要取決于分子大小和分子的極性 小分子比大分子容易穿膜， 非極性分子比極性分子容易穿膜， 無蛋白的人工脂雙層對(duì)帶電荷的離子是高度不透的。 具有極性的水分子容易穿膜可能是因水分子非常小，可以通過自由膜脂運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的間隙。 物質(zhì)（各種極性分

4、子和無機(jī)離子，如糖、氨基酸、核苷酸以及細(xì)胞代謝等）順濃度梯度或電化學(xué)梯度跨膜轉(zhuǎn)運(yùn) 不需要能量 需膜蛋白協(xié)助 2、協(xié)助擴(kuò)散（facilitated diffusion）（1）概念 葡萄糖分子當(dāng)以簡單擴(kuò)散方式穿越細(xì)胞膜時(shí)，其通透系數(shù)為10-7 cm/s。當(dāng)以協(xié)助擴(kuò)散方式穿越紅細(xì)胞膜時(shí)其通透系數(shù)為10-2 cm/s，增加了5倍。 1）轉(zhuǎn)運(yùn)速率高。 2）存在最大轉(zhuǎn)運(yùn)速率（Vmax），因此，可用達(dá)到最大轉(zhuǎn)運(yùn)速率一半時(shí)的濃度作為Km值，用以衡量某種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)速率。 3）比較不同分子的Km值，可以看出轉(zhuǎn)運(yùn)的特異性，如紅細(xì)胞質(zhì)膜，D構(gòu)型的葡萄糖Km為1.5mmol/L，而L構(gòu)型的葡萄糖Km值3000mmol/

5、L。 4）細(xì)胞膜上存在膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，負(fù)責(zé)無機(jī)離子和水溶性有機(jī)小分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。（2）協(xié)助擴(kuò)散特征簡單擴(kuò)散與協(xié)助擴(kuò)散的比較圖示載體蛋白通過構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)（葡萄糖）被動(dòng)運(yùn)輸?shù)募傧肽Ｊ?膜上的載體蛋白以兩種構(gòu)象狀態(tài)存在：狀態(tài)A時(shí)，溶質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)在膜外側(cè)暴露。狀態(tài)B時(shí)，同樣的溶質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)在膜內(nèi)側(cè)暴露。該模型認(rèn)為，兩種構(gòu)象狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是隨機(jī)發(fā)生而不依賴于是否有溶質(zhì)結(jié)合和是否完全可逆，假如溶質(zhì)濃度在膜外側(cè)高，則狀態(tài)A狀態(tài)B的轉(zhuǎn)換比狀態(tài)B 狀態(tài)A的轉(zhuǎn)換更常發(fā)生，因此溶質(zhì)順濃度梯度進(jìn)入細(xì)胞。（3）膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 載體蛋白 通道蛋白形成跨膜親水通道，介導(dǎo)的被動(dòng)運(yùn)輸不需要與溶質(zhì)分子結(jié)合，允許適宜大小的分子和帶電荷的離子通

6、過。 已發(fā)現(xiàn)100多種通道蛋白。 絕大多數(shù)通道蛋白形成有選擇性開關(guān)的多次跨膜通道。 通道蛋白幾乎都與離子的轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)，故又稱離子通道。 通道蛋白 離子通道對(duì)被轉(zhuǎn)運(yùn)的離子的大小與電荷都有高度的選擇性，而且轉(zhuǎn)運(yùn)速率高?？蛇_(dá)106個(gè)離子，其速率是已知任何一種載體蛋白的最快速率的1000倍以上。驅(qū)動(dòng)帶電荷的溶質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的凈驅(qū)動(dòng)力來自兩種力的合力，一種是溶質(zhì)的濃度梯度，另一種是跨膜電位差，這種凈驅(qū)動(dòng)力構(gòu)成溶質(zhì)跨膜的電化學(xué)梯度，這種梯度決定溶質(zhì)跨膜的被動(dòng)運(yùn)輸方向。A. 離子選擇性：通道蛋白特征 即離子通道的活性由通道開或關(guān)兩種構(gòu)象所調(diào)節(jié)，并通過通道開關(guān)應(yīng)答于適當(dāng)?shù)男盘?hào)。 多數(shù)情況下，離子通道呈關(guān)閉狀態(tài)，只有

7、在膜電位變化、化學(xué)信號(hào)或壓力刺激后才開啟形成跨膜的離子通道。因此離子通道又可區(qū)分為電壓門通道、配體門通道、壓力門激活通道。B. 離子通道是門控的離子通道典型定位功 能K+ 滲漏通道大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞的質(zhì)膜維持靜息電位電壓門Na+通道神經(jīng)細(xì)胞軸突的質(zhì)膜介導(dǎo)產(chǎn)生動(dòng)作電位電壓門K+通道神經(jīng)細(xì)胞軸突的質(zhì)膜起始動(dòng)作電位后使膜恢復(fù)靜息電位電壓門Ca2+通道神經(jīng)終末的質(zhì)膜刺激神經(jīng)遞質(zhì)釋放，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為化學(xué)信號(hào)乙酰膽堿受體（乙酰膽堿門Na+和Ca2+通道）肌肉細(xì)胞的質(zhì)膜（神經(jīng)-肌肉接頭處）興奮性突軸信號(hào)傳遞（在靶細(xì)胞將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)）GABA受體（GABA門Cl-通道）許多神經(jīng)元的質(zhì)膜抑制性突觸信號(hào)傳遞壓

8、力激活的陽離子通道內(nèi)耳聽覺毛細(xì)胞檢測聲音震動(dòng) 離子通道舉例三種基本類型 ATP直接供能的主動(dòng)運(yùn)輸 間接提供能量的主動(dòng)運(yùn)輸 光能驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)運(yùn)輸二、主動(dòng)運(yùn)輸（active transport） 1、概念： 2、類型： 由載體蛋白所介導(dǎo)的物質(zhì)逆濃度梯度或電化學(xué)梯度由濃度低的一側(cè)向高濃度的一側(cè)進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的方式。轉(zhuǎn)運(yùn)分子的自由能變化為正值，因此需要與某種釋放能量的過程相偶聯(lián)。 鈉鉀泵 （結(jié)構(gòu)與機(jī)制） 鈣泵（Ca2+-ATP酶） 質(zhì)子泵：P-型質(zhì)子泵、V-型質(zhì)子泵、H+-ATP酶 Na+-K+ 泵由和二個(gè)亞基組成， 亞基的Mr為120 x103，是一個(gè)跨膜多次的整合膜蛋白，具ATP酶活性。 亞基Mr為5

9、0 x103，是具組織特異性的糖蛋白。（1）由ATP直接提供能量的主動(dòng)運(yùn)輸1）鈉鉀泵（又稱Na+-K+ ATP酶）（結(jié)構(gòu)與機(jī)制） 結(jié)構(gòu)： 在細(xì)胞內(nèi)側(cè)， Na+與亞基相結(jié)合促進(jìn)ATP水解， 亞基上的一個(gè)天門冬氨酸殘基磷酸化引起亞基構(gòu)象發(fā)生變化，將Na+泵出細(xì)胞，同時(shí)細(xì)胞外的K+與亞基的另一位點(diǎn)結(jié)合，使其去磷酸化，亞基構(gòu)象再度發(fā)生變化將K+泵進(jìn)細(xì)胞，完成整個(gè)循環(huán)。 Na+ 依賴的磷酸化和K+依賴的去磷酸化引起構(gòu)象變化有序交替發(fā)生，每秒鐘可發(fā)生1000次左右構(gòu)象變化。每個(gè)循環(huán)消耗一個(gè)ATP分子，泵出3個(gè)Na+ 和泵進(jìn)2個(gè)K+ 。 極少量的烏本苷可抑制Na+-K+ 泵活性，而Mg2+和少量的膜脂有助于

10、Na+-K+ 泵活性的提高。生物氧化抑制劑如氰化物使ATP供應(yīng)中斷，可使Na+-K+ 泵因失去能源而停止工作。 工作機(jī)制： Na+-K+泵存在于一切動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞膜上。紅細(xì)胞表面約有250個(gè)Na+-K+泵單位，密度為1-2個(gè)/um2，其他細(xì)胞中，Na+-K+泵為103個(gè)/um2左右，動(dòng)物細(xì)胞靠ATP水解供能驅(qū)動(dòng)Na+-K+泵工作，結(jié)果造成質(zhì)膜兩側(cè)的Na+、K+不均勻分布，有助于維持動(dòng)物細(xì)胞的滲透平衡（胞外水分可向細(xì)胞滲透而使細(xì)胞膨脹甚至破裂，動(dòng)物細(xì)胞借助于Na+-K+ 泵維持滲透平衡）。 植物細(xì)胞以其堅(jiān)韌的細(xì)胞壁防止膨脹和破裂。 Na+-K+泵工作意義：動(dòng)物細(xì)胞通過泵出離子維持細(xì)胞內(nèi)低濃度溶質(zhì)

11、。植物細(xì)胞依靠細(xì)胞壁避免膨脹和破裂。C. 原生動(dòng)物通過收縮胞定時(shí)排出進(jìn)入細(xì)胞過量的水而避免膨脹。細(xì)胞以三種不同的機(jī)制避免滲透膨脹 Ca2+泵是由1000個(gè)氨基酸殘基組成的多肽構(gòu)成的跨膜蛋白。Mr100 x103,與Na+-K+泵的亞基同源，每一泵單位中有約10個(gè)跨膜螺旋。 細(xì)胞內(nèi)鈣調(diào)蛋白與Ca2+泵結(jié)合調(diào)節(jié)Ca2+泵活性。 Ca2+泵工作與ATP水解相偶聯(lián)，每消耗一個(gè)ATP分子轉(zhuǎn)運(yùn)出2個(gè)Ca2+。2）鈣泵（Ca2+-ATP酶） Ca2+泵主要存在于細(xì)胞膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，它將Ca2+輸出細(xì)胞或泵進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中儲(chǔ)存起來，以維持細(xì)胞內(nèi)低濃度的游離Ca2+（一般細(xì)胞內(nèi)約10-7mmol/L，細(xì)胞外為10-

12、3mol/L ）。 Ca2+泵在肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)存Ca2+，對(duì)調(diào)節(jié)肌細(xì)胞的收縮與舒張至關(guān)重要。分類： P-型質(zhì)子泵、V-型質(zhì)子泵、H+-ATP酶。3）質(zhì)子泵 P-型質(zhì)子泵結(jié)構(gòu)與Na+-K+泵和Ca2+泵類似，在轉(zhuǎn)運(yùn)H+的過程中涉及磷酸化和去磷酸化，存在于真核細(xì)胞的細(xì)胞膜上。存在于線粒體內(nèi)膜、植物類囊體膜和多數(shù)細(xì)菌質(zhì)膜上，以相反方式發(fā)揮其生理作用，即H+順濃度梯度運(yùn)動(dòng)，將所釋放的能量與ATP合成偶聯(lián)起來，如線粒體氧化磷酸化和葉綠體的光和磷酸化作用，稱H+ -ATP酶更為合適。V-型質(zhì)子泵H+泵存在于動(dòng)物細(xì)胞溶酶體膜和植物細(xì)胞液泡膜上，轉(zhuǎn)運(yùn)H+過程中不形成磷酸化的中間體，其功能是從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中泵出H+進(jìn)

13、入細(xì)胞器，有助于保持細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中性pH和細(xì)胞器內(nèi)的酸性pH 。 植物細(xì)胞、真菌（包括酵母）和細(xì)菌的細(xì)胞膜上沒有Na+-K+泵，而為H+泵，將H+泵出細(xì)胞，建立跨膜的H+電化學(xué)梯度（取代動(dòng)物細(xì)胞Na+的電化學(xué)梯度），驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)溶質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞。例如，細(xì)菌細(xì)胞對(duì)糖和氨基酸的攝入主要是由H+驅(qū)動(dòng)的同向運(yùn)輸完成的。在這一過程中，H+泵產(chǎn)生細(xì)胞周圍基質(zhì)中的酸性pH。在一些光合細(xì)菌中，H+電化學(xué)梯度由光驅(qū)動(dòng)的H+泵（如細(xì)菌視紫紅質(zhì)）活性建立。 它是一個(gè)跨膜7次的膜蛋白，其中兩個(gè)極性的氨基酸側(cè)鏈（球狀體）可能與質(zhì)子的轉(zhuǎn)移有關(guān)細(xì)菌紫膜質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)由Na+-K+泵（或H+-泵）與載體蛋白協(xié)同作用，靠間接消耗ATP

14、所完成的主動(dòng)運(yùn)輸方式。（2）間接提供能量的主動(dòng)運(yùn)輸 協(xié)同運(yùn)輸1）協(xié)同運(yùn)輸（cotransport）概念：2）類型：共運(yùn)輸對(duì)向運(yùn)輸小腸上皮細(xì)胞和腎小管上皮細(xì)胞吸收葡萄糖或轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸等有機(jī)物伴隨Na+從細(xì)胞外流入細(xì)胞內(nèi)，完成共運(yùn)輸?shù)妮d體蛋白有兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，必須同時(shí)與Na+和特異的氨基酸或葡萄糖分子結(jié)合才能進(jìn)行共運(yùn)輸。 共運(yùn)輸：物質(zhì)運(yùn)輸方向與離子轉(zhuǎn)運(yùn)方向相同。例如：對(duì)向運(yùn)輸：動(dòng)物細(xì)胞常通過Na+驅(qū)動(dòng)的Na+-H+對(duì)向運(yùn)輸?shù)姆绞絹磙D(zhuǎn)運(yùn)H+以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的pH 。物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆较蚺c離子轉(zhuǎn)運(yùn)方向相反。例如：不分裂的細(xì)胞： pH 分裂細(xì)胞： pH =細(xì)胞中H+的減少主要由細(xì)胞膜上的Na+-H+交換載體完成，

15、即H+輸出伴隨Na+進(jìn)入細(xì)胞。 線粒體中， Na+-H+對(duì)向運(yùn)輸是由H+電化學(xué)梯度驅(qū)動(dòng)的，將Na+由線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)到出來。完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸，又稱膜泡運(yùn)輸或批量運(yùn)輸（bulk transport），涉及膜的斷裂與融合，需要消耗能量，屬于主動(dòng)運(yùn)輸。三、胞吞與胞吐作用 1、特點(diǎn)通過細(xì)胞膜內(nèi)陷形成胞吞泡，將外界物質(zhì)裹進(jìn)并輸入細(xì)胞的過程。分為胞飲作用和吞噬作用兩類。 2、胞吞作用（endocytosis）特征 胞吞泡大小不同 轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的方式不同 胞吞泡形成機(jī)制不同 胞飲作用 小于150nm 連續(xù)攝入溶液和分子，攝入是一個(gè)連續(xù)發(fā)生的過程 胞飲泡的形成需網(wǎng)格蛋白，形成有被小泡及與接

16、合素連接吞噬作用 大于250nm 需受體介導(dǎo)的信號(hào)觸發(fā)過程 需要微絲及其結(jié)合蛋白參與 主要有三點(diǎn)區(qū)別：（1）胞飲與吞噬的主要區(qū)別 網(wǎng)格蛋白是由一重鏈和一輕鏈組成的二聚體，三個(gè)二聚體形成組成包被的結(jié)構(gòu)單位三腳蛋白復(fù)合物。當(dāng)配體與膜上的受體結(jié)合后，網(wǎng)格蛋白聚集在膜下的一側(cè)，逐漸形成直徑為50-100nm的質(zhì)膜內(nèi)陷，稱為網(wǎng)格蛋白有被小窩。一種小分子GTP結(jié)合蛋白（ dynamin ）在深陷有被小窩的頸部裝配成環(huán)，dynamin蛋白水解與其結(jié)合的GTP引起頸部縊縮，最終脫離質(zhì)膜形成網(wǎng)格蛋白有被小泡。幾秒鐘后，網(wǎng)格蛋白便脫離包被小泡返回質(zhì)膜附近重復(fù)使用，去被的囊泡與早期胞內(nèi)體（early endosom

17、e）融合，將轉(zhuǎn)運(yùn)分子與部分胞外液體攝入細(xì)胞。 在大分子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)中，網(wǎng)格蛋白本身并不起捕獲特異轉(zhuǎn)運(yùn)分子作用，有特異性選擇作用的是接合素蛋白（adaptin），它既能結(jié)合網(wǎng)格蛋白，又能識(shí)別跨膜受體胞質(zhì)面的尾部肽信號(hào)（peptide signal），通過網(wǎng)格蛋白包被小泡介導(dǎo)跨膜受體及其結(jié)合配體的選擇性運(yùn)輸。 接合素蛋白也至少有兩類：一類與網(wǎng)格蛋白結(jié)合，負(fù)責(zé)受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用；另一類也與網(wǎng)格蛋白結(jié)合，但負(fù)責(zé)高爾基體向溶酶體的膜泡運(yùn)輸。 在膜泡運(yùn)輸中，包被蛋白除網(wǎng)格蛋白外，還有一類包被蛋白稱為COP蛋白，形成的包被小泡稱為COP蛋白包被小泡（COP-coated vesicle），后者介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基

18、體之間非選擇性的膜泡運(yùn)輸。如果用降解微絲的藥物（細(xì)胞松弛素B）處理細(xì)胞，則可阻斷吞噬泡的形成，但胞飲作用仍繼續(xù)進(jìn)行。 吞噬泡的形成則需要微絲+結(jié)合蛋白（2）受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用及包被的組裝 根據(jù)內(nèi)吞的物質(zhì)是否有專一性，可將內(nèi)吞作用分為受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用和非特異性的內(nèi)吞作用。 受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用是大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞通過網(wǎng)格蛋白包被小泡從細(xì)胞外液攝取特定大分子的有效途徑。 受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用是一種選擇濃縮機(jī)制，既可保證細(xì)胞大量地?cái)z入特定的大分子，同時(shí)又避免了吸入細(xì)胞外大量的液體，與非特異性的內(nèi)吞作用相比，可使特殊大分子的內(nèi)化效率增加1000多倍。LDL的受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用 LDL通過與細(xì)胞表面的低密度脂蛋白受體特異地結(jié)合形成受體-LDL復(fù)合物，幾分鐘內(nèi)便通過網(wǎng)格蛋白包被小泡的內(nèi)化作用進(jìn)入細(xì)胞，經(jīng)脫被作用并與胞內(nèi)體（endosome）融合。 膽固醇主要在肝細(xì)胞中合成，隨后與磷脂和蛋白質(zhì)形成復(fù)合物，即低密度脂蛋白（low-de