第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸離子泵和協(xié)同運(yùn)輸胞吞作用與胞吐作用物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸是細(xì)胞維持正常生命活動的基礎(chǔ)之一。第一節(jié)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

典型哺乳類細(xì)胞胞內(nèi)外離子濃度的比較組分胞內(nèi)/（mmol.L-1）胞外/（mmol.L-1）陽離子Na+5-15145K+1405Mg+0.51-2Ca+10-41-2H+7×10-8（Ph7.2)4×10-8（Ph7.4)陰離子Cl-5-15110固定的陰離子高0膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可分為兩類：載體蛋白（carrierproteins）通道蛋白（channelproteins）具有通透酶（permease）性質(zhì)；介導(dǎo)被動運(yùn)輸(如:纈氨酶素)與主動運(yùn)輸(如:各類APT驅(qū)動的離子泵)。載體蛋白（carrierproteins）：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)被動運(yùn)輸,所有通道蛋白均以自由擴(kuò)散的方式運(yùn)輸溶質(zhì)。通道蛋白（channelproteins）：通道蛋白的類型：電壓門通道（voltage-gatedchannel），配體門通道（ligand-gatedchannel），壓力激活通道（stress-activatedchannel）,環(huán)核苷酸門通道水通道K+通道具有三種狀態(tài)：開啟、關(guān)閉和失活。目前認(rèn)為S4段是電壓感受器。Na+、K+、Ca2+三種電壓門通道結(jié)構(gòu)相似，在進(jìn)化上是由同一個遠(yuǎn)祖基因演化而來。VoltagegatedK+channelK+channel2、配體門通道(ligandgatedchannel)特點(diǎn)：受體與細(xì)胞外的配體結(jié)合，引起門通道蛋白發(fā)生構(gòu)象變化，“門”打開。又稱離子通道型受體?？煞譃殛栯x子通道，如乙酰膽堿、谷氨酸和五羥色胺受體，和陰離子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸受體。乙酰膽堿(acetylcholineACh)受體是由4種不同的亞單位組成的5聚體蛋白質(zhì)，形成一個結(jié)構(gòu)為α2βγδ的梅花狀通道樣結(jié)構(gòu)，其中的兩個α亞單位是同兩分子Ach相結(jié)合的部位。Nicotinicacetylcholinereceptor3、機(jī)械門通道1).感受摩擦力、壓力、牽拉力、重力、剪切力等。細(xì)胞將機(jī)械刺激的信號轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號，引起細(xì)胞反應(yīng)的過程稱為機(jī)械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（mechanotransduction）。2).目前比較明確的有兩類機(jī)械門通道，其一是牽拉活化或失活的離子通道，另一類是剪切力敏感的離子通道，前者幾乎存在于所有的細(xì)胞膜（如：血管內(nèi)皮細(xì)胞、心肌細(xì)胞、內(nèi)耳毛細(xì)胞），后者僅發(fā)現(xiàn)于內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞。3).

牽拉敏感的離子通道的特點(diǎn)：

對離子的無選擇性、無方向性、非線性以及無潛伏期。為2價或1價的陽離子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+為主。如氣味分子與化學(xué)感受器中的G蛋白偶聯(lián)型受體結(jié)合，可激活腺苷酸環(huán)化酶，產(chǎn)生cAMP，開啟cAMP門控陽離子通道（cAMP-gatedcationchannel），引起鈉離子內(nèi)流，膜去極化，產(chǎn)生神經(jīng)沖動，最終形成嗅覺或味覺。5、水通道1).水?dāng)U散通過人工膜的速率很低，人們推測膜上有水通道。2).1991年彼得·阿格雷發(fā)現(xiàn)第一個水通道蛋白CHIP2（28KD）,他將CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母細(xì)胞中，在低滲溶液中，卵母細(xì)胞迅速膨脹，5分鐘內(nèi)破裂。細(xì)胞的這種吸水膨脹現(xiàn)象會被Hg2+抑制。6.壓力激活通道

壓力激活通道

（stress-activatedchannel）支持細(xì)胞聽毛細(xì)胞耳蝸覆膜或蓋膜靜纖毛纖毛束不傾斜纖毛束傾斜載體蛋白與通道蛋白的比較載體蛋白是幾乎所有類型的生物膜上普遍存在的多次跨膜的的蛋白質(zhì)分子，每種載體蛋白能與特定的溶質(zhì)分子結(jié)合，通過一系列構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。1）具有極高的轉(zhuǎn)運(yùn)速率，2）沒有飽和值，3）非連續(xù)性開放、而是門控的。離子通道無需與溶質(zhì)分子結(jié)合。它的開或關(guān)兩種構(gòu)象的調(diào)節(jié)，應(yīng)答于適當(dāng)?shù)男盘?。根?jù)應(yīng)答信號的不同，離子通道又分為電壓門通道、配體門通道和壓力激活通道。通道蛋白形成跨膜親水性離子通道，離子通道具有3個顯著特點(diǎn)：二、主動運(yùn)輸與被動運(yùn)輸（一）被動運(yùn)輸（passivetransport）特點(diǎn)：運(yùn)輸方向、跨膜動力、能量消耗、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白類型：簡單擴(kuò)散（simplediffusion）協(xié)助擴(kuò)散（facilitateddiffusion）小的疏水分子,如苯等小的不帶電荷的極性分子,如甘油,乙醇,尿素等.大的不帶電荷的極性分子,如氨基酸,葡萄糖,核苷酸等.離子簡單擴(kuò)散也叫自由擴(kuò)散（freediffusion）特點(diǎn)：①沿濃度梯度（或電化學(xué)梯度）擴(kuò)散；②不需要提供能量；③沒有膜蛋白的協(xié)助。某種物質(zhì)對膜的通透性（P）可以根據(jù)它在油和水中的分配系數(shù)（K）及其擴(kuò)散系數(shù)（D）來計算：P=KD/tt為膜的厚度。人工膜對各類物質(zhì)的通透率1、脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越?。?、非極性分子比極性分子容易透過，極性不帶電荷小分子，如H2O、O2等可以透過人工脂雙層，但速度慢；3、小分子比大分子容易透過；分子量略大一點(diǎn)的葡萄糖、蔗糖則很難透過；4、人工膜對帶電荷的物質(zhì)，如各類離子是高度不通透的。協(xié)助擴(kuò)散（facilitateddiffusion）簡單擴(kuò)散與協(xié)助擴(kuò)散的比較協(xié)助擴(kuò)散也稱促進(jìn)擴(kuò)散（facilitateddiffusion）特點(diǎn)：

①比自由擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)速率高；②運(yùn)輸速率與物質(zhì)濃度成非線性關(guān)系；③特異性；飽和性。

載體：離子載體和通道蛋白兩種類型。離子載體（ionophore）是疏水性的小分子，可溶于雙脂層，多為微生物合成，是微生物防御或與其它物種競爭的武器。分為兩類：可動離子載體（mobileioncarrier）：如纈氨霉素（valinomycin）是一種由三個重復(fù)部分構(gòu)成的環(huán)形分子，能順濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)K+。DNP(2,4-dinitrophenol,2,4–二硝基苯酚)和FCCP(羰基-氰-對-三氟甲氧基苯肼

)可轉(zhuǎn)運(yùn)H+。通道離子載體（channelformer）：

如短桿菌肽A（granmicidin），是由15個疏水氨基酸構(gòu)成的短肽，2分子形成一個跨膜通道，有選擇的使單價陽離子如H+、Na+、K+按化學(xué)梯度通過膜。Valinomycin

（纈氨霉素）如短桿菌肽A（granmicidin），是由15個疏水氨基酸構(gòu)成的短肽，2分子形成一個跨膜通道，有選擇的使單價陽離子如H+、Na+、K+按化學(xué)梯度通過膜。通道蛋白（channelprotein）是跨膜的親水性通道，允許適當(dāng)大小的離子順濃度梯度通過，故又稱離子通道。有些通道蛋白長期開放，如鉀泄漏通道；有些通道蛋白平時處于關(guān)閉狀態(tài)，僅在特定刺激下才打開，又稱為門通道（gatedchannel）。主要有4類：電壓門通道、配體門通道、環(huán)核苷酸門通道、機(jī)械門通道。IonChannels（二）主動運(yùn)輸（activetransport）特點(diǎn)：運(yùn)輸方向、能量消耗、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

被動與主動運(yùn)輸?shù)谋容^運(yùn)輸方式運(yùn)輸方向(電化學(xué)梯度)載體耗能方式簡單擴(kuò)散(被動)順-電化學(xué)梯度勢能協(xié)助擴(kuò)散(被動)順+(載體蛋白或通道蛋白)電化學(xué)梯度勢能主動運(yùn)輸逆+(載體蛋白)細(xì)胞代謝能生物學(xué)意義：被動運(yùn)輸：在不需要能量的情況下，借助濃度梯度，保證了物質(zhì)的運(yùn)輸。主動運(yùn)輸：保證細(xì)胞和細(xì)胞器必須物質(zhì)通過膜的運(yùn)輸，即使是從低濃度到高濃度，維持一些離子濃度梯度?！耦愋停候?qū)動主動運(yùn)輸?shù)娜N不同類型偶聯(lián)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ATP驅(qū)動泵光驅(qū)動泵由ATP直接提供能量的主動運(yùn)輸P-型離子泵：鈉鉀泵、鈣泵質(zhì)子泵：F-型質(zhì)子泵、V-型質(zhì)子泵

ABC超家族逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)離子（P-型離子泵、質(zhì)子泵）和各種小分子（ABC超家族）。鈉鉀泵的結(jié)構(gòu)構(gòu)成：由2個α亞基(具有ATP酶活性)、2個β亞基(為糖蛋白亞基,作用尚不清楚,可能與維持酶的活性有關(guān))組成的4聚體，實際上就是Na+-K+ATP酶，分布于動物細(xì)胞的質(zhì)膜。鈉鉀泵的工作原理工作原理:1.Na+-K+ATP酶通過磷酸化和去磷酸化過程發(fā)生構(gòu)象的變化，導(dǎo)致與Na+、K+的親和力發(fā)生變化。2.在膜內(nèi)側(cè)Na+與酶結(jié)合，激活A(yù)TP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，構(gòu)象發(fā)生變化，于是與Na+結(jié)合的部位轉(zhuǎn)向膜外側(cè)；這種磷酸化的酶對Na+的親和力低，對K+的親和力高，因而在膜外側(cè)釋放Na+、而與K+結(jié)合。3.K+與磷酸化酶結(jié)合后促使酶去磷酸化，酶的構(gòu)象恢復(fù)原狀，于是與K+結(jié)合的部位轉(zhuǎn)向膜內(nèi)側(cè)，K+與酶的親和力降低，使K+在膜內(nèi)被釋放，而又與Na+結(jié)合。其總的結(jié)果是每一循環(huán)消耗一個ATP；轉(zhuǎn)運(yùn)出三個Na+，轉(zhuǎn)進(jìn)兩個K+。鈉鉀泵對離子的轉(zhuǎn)運(yùn)循環(huán)依賴自磷酸化過程（ATP上的一個磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到鈉鉀泵的一個天冬氨酸殘基上，導(dǎo)致構(gòu)象變化），所以這類離子泵叫做P-type。Na+-K+泵的作用：①維持細(xì)胞的滲透性，保持細(xì)胞的體積；②維持低Na+高K+的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境；③維持細(xì)胞的靜息電位。地高辛、烏本苷等強(qiáng)心劑抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。二、鈣離子泵作用：維持細(xì)胞內(nèi)較低的鈣離子濃度（細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度10-7M，細(xì)胞外10-3M）。位置：質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。類型：P型離子泵，其原理與鈉鉀泵相似，每分解一個ATP分子，泵出2個Ca2+。位于肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣離子泵占肌質(zhì)網(wǎng)膜蛋白質(zhì)的90%。鈉鈣交換器（Na+-Ca2+exchanger），屬于反向協(xié)同運(yùn)輸體系，通過鈉鈣交換來轉(zhuǎn)運(yùn)鈣離子。Ca++ATPase

Maintainslowcytosolic[Ca++]

PresentInPlasmaandERmembranesModelformodeofactionforCa++ATPaseConformationchange三、質(zhì)子泵1、P-type：通常有大小兩個亞基，大亞基被磷酸化，小亞基調(diào)節(jié)運(yùn)輸。利用ATP自磷酸化發(fā)生構(gòu)象的改變來轉(zhuǎn)移質(zhì)子或其離子，如植物、真菌和細(xì)菌的質(zhì)膜（H+泵）；動物細(xì)胞的質(zhì)膜（Na+-K+泵）；哺乳動物胃細(xì)胞表層質(zhì)膜（H+-K+泵）；所有真核生物的質(zhì)膜、肌細(xì)胞的肌質(zhì)網(wǎng)（Ca+泵）。

運(yùn)輸物質(zhì)：H+，Na+，K+，Ca+2、V-typepump,或稱V型ATPase（V代表vacuole或vesicle）多個跨膜亞基，亞基的細(xì)胞質(zhì)部分可將ATP水解，產(chǎn)生能量，但不發(fā)生自磷酸化，并利用釋放的能量將H+運(yùn)輸?shù)侥遗葜?，使之成為酸性環(huán)境。存在于各類小泡(vacuole)膜上，如溶酶體膜、內(nèi)體、植物液泡膜、某些分泌酸性物質(zhì)的動物細(xì)胞質(zhì)膜（如破骨細(xì)胞和腎管狀細(xì)胞）。運(yùn)輸物質(zhì)：只是H+是由多個跨膜亞基構(gòu)成的管狀結(jié)構(gòu)，利用質(zhì)子動力勢（H+的電化學(xué)梯度）合成ATP，也叫ATP合酶，位于細(xì)菌質(zhì)膜，線粒體內(nèi)膜和葉綠體的類囊體膜上。運(yùn)輸物質(zhì)：只是H+3、F-typepump,或稱F型ATPase(F即fector的縮寫）FourtypesofATP-poweredpumps四、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器（ABCtransporter）最早發(fā)現(xiàn)于細(xì)菌，屬于一個龐大的蛋白家族，每個成員都有兩個高度保守的ATP結(jié)合區(qū)（ATPbindingcassette），故名ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器。ABC超家族的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)：2個跨膜結(jié)構(gòu)域（T）形成運(yùn)輸分子的跨膜通道，2個細(xì)胞質(zhì)側(cè)ATP結(jié)合結(jié)構(gòu)域（A）與ATP水解及物質(zhì)運(yùn)輸相偶聯(lián)，不同結(jié)構(gòu)域可以位于同一個亞基，也可位于不同的亞基。ABC蛋白的每個T結(jié)構(gòu)域由6個跨膜的α螺旋組成，形成跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)通道并決定每個ABC蛋白的底物特異性。每一種ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器只轉(zhuǎn)運(yùn)一種或一類底物，不同的轉(zhuǎn)運(yùn)器可轉(zhuǎn)運(yùn)離子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白質(zhì)。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器還可催化脂雙層的脂類在兩層之間翻轉(zhuǎn)，在膜的發(fā)生和功能維護(hù)上具有重要的意義。MammalianMDR1protein第一個被發(fā)現(xiàn)的真核細(xì)胞的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器是多藥抗性蛋白（multidrugresistanceprotein,MDR），約40%患者的癌細(xì)胞內(nèi)該基因過度表達(dá)。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器還與病原體對藥物的抗性有關(guān)。協(xié)同運(yùn)輸（cotransport）是一類靠間接提供能量完成的主動運(yùn)輸方式。由Na+-K+泵（或H+-泵）與載體蛋白協(xié)同作用，靠間接消耗ATP所完成的主動運(yùn)輸方式。

物質(zhì)跨膜運(yùn)動所需要的能量來自膜兩側(cè)離子的電化學(xué)濃度梯度，而維持這種電化學(xué)勢的是鈉鉀泵或質(zhì)子泵。動物細(xì)胞中常常利用膜兩側(cè)Na+濃度梯度來驅(qū)動。植物細(xì)胞和細(xì)菌常利用H+濃度梯度來驅(qū)動。根據(jù)物質(zhì)運(yùn)輸方向與離子沿濃度梯度的轉(zhuǎn)移方向，協(xié)同運(yùn)輸又可分為：同向協(xié)同（symport）與反向協(xié)同（antiport）。1、同向協(xié)同（symport）物質(zhì)運(yùn)輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相同。如小腸細(xì)胞對葡萄糖的吸收伴隨著Na+的進(jìn)入。在某些細(xì)菌中，乳糖的吸收伴隨著H+的進(jìn)入。2、反向協(xié)同（antiport）物質(zhì)跨膜運(yùn)動的方向與離子轉(zhuǎn)移的方向相反，如動物細(xì)胞常通過Na+/H+反向協(xié)同運(yùn)輸?shù)姆绞絹磙D(zhuǎn)運(yùn)H+，以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的PH值。還有一種機(jī)制是Na+驅(qū)動的Cl--HCO3-交換，即Na+與HCO3-的進(jìn)入伴隨著Cl-和H+的外流，如存在于紅細(xì)胞膜上的帶3蛋白。Glucoseisabsorbedbysymport在動物、植物細(xì)胞由載體蛋白介導(dǎo)的協(xié)同運(yùn)輸異同點(diǎn)的比較物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與膜電位第三節(jié)胞吞作用與胞吐作用作用：完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸，屬于主動運(yùn)輸。真核細(xì)胞通過胞吞(內(nèi)吞)作用（endocytosis）和胞吐(外排)作用（exocytosis）完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸。在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，質(zhì)膜內(nèi)陷，形成包圍細(xì)胞外物質(zhì)的囊泡，因此又稱膜泡運(yùn)輸或批量運(yùn)輸（bulktransport）。一、胞吞作用：又分為胞飲作用（pinocytosis）與吞噬作用（phagocytosis）。特征內(nèi)吞泡的大小轉(zhuǎn)運(yùn)方式內(nèi)吞泡形成機(jī)制胞飲作用小于150nm連續(xù)發(fā)生過需要網(wǎng)格