備課素材：ATP的跨膜運輸 高一上學期生物人教版必修1

ATP的跨膜運輸細胞內產生ATP的場所有線粒體、葉綠體等，但消耗ATP的生化反應則發(fā)生在很多細胞器內。

那么，ATP是如何跨膜運輸到相應位置發(fā)揮作用的?1、ATP如何跨線粒體膜

線粒體是產生ATP的主要場所，是細胞的“動力車間”。這樣一定存在著一種機制保證線粒體內的ATP能及時運輸到線粒體外。20廿紀60年代研究發(fā)現,線粒體內膜上有核基因編碼的專門運輸ATP和ADP的轉運體蛋白(ADP/ATPcarriers，AAC)。該轉運體以前被稱之為腺苷酸轉運體(adenine

nucleotide

transporter,

ANT),現在被認為是一種錯誤的稱呼，因為該轉運體并不轉運AMP或其他核苷酸"。AAC在線粒體內膜上分布非常豐富，有c-態(tài)(胞質面構象)和m-態(tài)(基質面構象)2種構象狀態(tài)。當

AAC處于c-態(tài)和m-態(tài)交換狀態(tài)，其結合ATP和

ADP的位點分別暴露于線粒體基質側和細胞質基質側時，ATP或ADP才能結合上去，從而實現

ATP出線粒體和ADP進線粒體。其轉運過程如圖1所示。由于線粒體外膜含有孔蛋白，該蛋白打開時可以通過最大相對分子質量為5000的大分子。這種蛋白的存在使線粒體外膜的通透性非常高。通常膜間隙的環(huán)境幾乎和細胞質基質相似。轉運到膜間隙中的ATP相對分子質量<1000，能自由通過外膜到達細胞質基質。通過3H標記內源性核苷酸和14C標記外源性核苷酸的研究顯示，AAC只能1:1的交換ADP和

ATP1。由于ATP攜帶4個負電荷，ADP攜帶3個負電荷,故這種不等電荷的物質交換,使線粒體內膜兩側形成了膜電位差(膜細胞質基質側多了1個負電荷)。這種膜電位差可能是驅動轉運體運轉的動力。在ATP和ADP交換的同時，膜上的電子轉運體泵出(n+1)個H+，其中n個H通過ATP合成酶用于驅動內膜上ATP的形成，1個H用于中和膜細胞質基質側的負電荷，以保證膜兩側正常的電位差,如圖2所示。研究顯示，當膜電位>-1001mV時，轉運體運輸ATP和ADP的速度會隨著膜電位的增加而增加。當膜電位<-100mV時，轉運體運輸ATP和

ADP的方向將發(fā)生逆轉，即將胞質里ATP運往線粒體內,將線粒體內ADP運往細胞質基質。由此可見，ATP的跨線粒體膜轉運是一種蛋白質載體介導的耗能的主動運輸過程。此外，以酵母為研究對象發(fā)現，在無氧情況下，酵母線粒體上的AAC也能將細胞質基質中的ATP運輸到線粒體內。推測這可能是為線粒體內耗能代謝過程如自身DNA的復制、部分蛋白質的合成等有關。AAC每分鐘能轉運1000~1500個分子，每天該轉運體轉運的

ATP總量大致相當于人體的身體質量。AAC可以被特異性化合物抑制。JonathanJ.

Ruprecht研究顯示，一種被稱之為米酵菌酸的不飽和脂肪酸毒素，可以競爭性的方式結合在AAC的ATP結合位點上，從而阻止了ATP與之的結合，進而抑制ADP和ATP的交換。線粒體內

ATP無法跨線粒體膜到細胞質基質，而細胞質基質中的ADP也無法進入線粒體參與ATP合成，從而造成細胞嚴重缺少能量而中毒死亡。泡發(fā)過久的黑木耳、變質的銀耳會被椰毒假單胞桿菌污染，從而產生米酵菌酸。所以生活中一定要小心此類食品，以免誤食造成嚴重食物中毒。另外，關于AAC如何發(fā)揮其具體功能的分子機制依然還不太清楚。不過JonathanJRuprecht等通過研究已經比較清晰地解析了AAC在轉運

ATP和ADP時的動態(tài)構象變化過程。隨后，

YuriyKirichok等深入研究了AAC在不同組織中轉運ATP和ADP與H運輸的關系，為進一步在生理條件下了解AAC功能打下基礎。2、

ATP如何跨越葉綠體(質體)膜葉綠體在光合作用過程中能產生大量ATP，用于暗反應或者葉綠體內其他耗能的代謝過程。然而,在無光或光合作用產生ATP不足的條件下,葉綠體卻依賴于外部能量供應用于蛋白質等物質合成。葉綠體內膜上所有轉運蛋白的運輸作用都是靠濃度梯度轉運的，這一點與線粒體有很大不同。核苷酸轉運體(nucleotidetranslocatorNTT)是存在于所有類型質體上的一種轉運體。NTT負責將ATP轉運進質體，同時將ADP和Pi轉出到細胞質基質。馬鈴薯轉基因實驗證實，通過減少質體上NTT載體，限制造粉體內的ATP供應，可以顯著降低塊莖內的淀粉含量。雖然都是催化腺嘌呤核苷酸的交換，但位于質體上的NTT在結構、功能和系統(tǒng)發(fā)育上同線粒體內膜上的AAC卻有顯著差異。對線粒體AAC蛋白有抑制作用的米酵菌酸不能抑制質體NTT對ATP的轉運。NTT將ATP運進質體而將ADP運出質體,AAC則是將線粒體產生的ATP運出線粒體，將ADP運進線粒體再生為ATP。AAC對

ATP和ADP的轉運是生電的，且受到膜外正電荷的刺激。同時AAC要與線粒體膜上另一種磷酸鹽轉運蛋白相互作用。該蛋白為ATP合成提供

Pi,從而避免了ATP/ADP的交換引起的磷酸鹽失衡。相比之下，NTT對ATP轉運卻是電中性的。因為在每轉運1個ATP的同時，另2個含磷底物(即帶1個負電荷的HPO，和帶3個負電荷的ADP一起)也被同時轉運(圖3)。此外，已有實驗證明質體內部的ADP和磷酸鹽可以刺激NTT攝取

ATP,同時其活性也受到質體內ATP/(ADP+Pi)比值的影響。蛋白質序列分析表明，AAC和NTT在氨基酸序列上沒有明顯的相似性。人們根據現有研究提出一個假說，即NTT只有1個單一底物結合中心，從膜的一側結合底物后通過構象轉變將結合位點切換到另一側。通過對擬南芥NTT的無效突變體的研究發(fā)現,葉綠體夜間需要輸入ATP還可能是用于修復光氧化所造成的損傷。葉綠體的內囊體膜上，一種被稱為類囊體ADPIATP載體(thylakoid

ADP/

ATPcarrierTAAC)的膜蛋白承擔著將ATP運進內囊體腔和ADP運出到葉綠體基質中的功能。

TAAC缺乏會影響內囊體膜上因光抑制所產生的光系統(tǒng)Ⅱ損傷的修復過程。該修復過程需要

GTP參與，而TAAC對底物ATP又具有較嚴格的專一性，故推測輸入的ATP必須轉變成GTP才能實現這一功能。3、ATP如何跨內質網膜和高爾基體膜及過氧化物酶體膜人們從擬南芥中鑒定出了第一個內質網腺苷酸轉運蛋白(endoplasmic

reticulum-adenine

nucleotidetransporter1,ER-ANT1)。該蛋白同樣催化ATP/ADP的交換，從而向內質網腔提供ATP。ER-ANT1在快速生長的組織和代謝旺盛的細胞中，諸如根尖分生組織、花粉細胞，有大量表達的特征。由于發(fā)現了酵母細胞和哺乳動物細胞的高爾基體能大量攝取ATP和核苷酸糖的有力證據，故人們推測在植物高爾基體膜上也一定存在著類似的ATP跨膜機制。在過氧化物酶體膜上有一種名為過氧化物酶體腺嘌呤核苷酸載體(peroxisomal

adenine

nucleo-

tide

carrierPNC)的蛋白載體負責將ATP運輸進過氧化物酶體內，以交換ADP或AMP。該蛋白載體基因在油料作物種子萌發(fā)及生長過程中表達。PNC活性降低的擬南芥突變體植株表現出細胞內脂肪酸降解受阻。這說明PNC輸人ATP參與的過氧化物酶體內的脂肪酸降解階段，對過氧化物酶體的能量供應有重要作用。4、ATP如何跨細胞膜細胞外ATP能發(fā)揮信號傳導功能，還能作為一種特殊的神經遞質發(fā)揮作用。在動物體內，病理條件下,胞外ATP來源于炎癥部位的受損細胞、巨噬細胞或淋巴細胞。而在生理條件下，ATP可以通過幾種不同的嘌呤能信號外排途徑出細胞。已發(fā)現動植物都能通過陰離子通道、晌葉作用以及ABO轉運體等幾種跨膜運輸方式出細胞膜(圖4)以動物細胞胞吐釋放ATP作為神經遞質為例。位于神經細胞內的囊泡上，有一種囊泡核苷酸轉運體(vesicular

nucleotidetransporterVNUT)負責將細胞內ATP運輸進囊泡中儲存起來。囊泡中積累的ATP在細胞受刺激時通過胞吐作用排出,并與靶細胞表面的嘌呤受體結合，然后觸發(fā)細胞內信號傳遞(圖5)。ATP的能量貨幣功能及細胞內各種物質代謝之間錯綜復雜的聯(lián)系，使得ATP能在眾多細胞器之間進行跨膜運輸。由于細胞生命現象的復雜性，人們尚天能完全揭示ATP的各種跨膜運輸方式的具體機制，眾多與之相關問題都有待進一步研究。ATP如何到線粒體外去發(fā)揮作用?在有氧呼吸教學中，這是深度思考和課后探究的一個良好的契合點。線粒體內產生大量的AT