第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

第一節(jié)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸一、脂雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白細(xì)胞內(nèi)外的離子濃度明顯不同，這種差異對(duì)于細(xì)胞的存活和功能至關(guān)重要。目前一頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)典型動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)外離子濃度的比較

成份細(xì)胞內(nèi)濃度(mM)細(xì)胞外濃度(mM)陽(yáng)離子

Na+5-15145K+1405Mg2+*0.51-2Ca2+*10-41-2陰離子

Cl-5-15110固定的陰離子**高0目前二頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)估計(jì)細(xì)胞膜上與物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)的蛋白占核基因編碼蛋白的15~30%，細(xì)胞用在物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)方面的能量達(dá)細(xì)胞總消耗能量的2/3。細(xì)胞內(nèi)外離子差別分布主要由兩種機(jī)制所調(diào)控：（1）特殊膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。（2）質(zhì)膜本身的脂雙層所具有的疏水性特征目前三頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)載體蛋白膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通道蛋白兩類(lèi)主要膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：載體蛋白：又稱(chēng)做載體、通透酶和轉(zhuǎn)運(yùn)器。通道蛋白：能形成親水的通道，允許特定的溶質(zhì)通過(guò)。目前四頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)（一）載體蛋白及其功能載體蛋白（carrierproteins）：存在于細(xì)胞膜上的一種具有特異性傳導(dǎo)功能的蛋白質(zhì)，它能與特定的溶質(zhì)分子結(jié)合，通過(guò)一系列構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。

特點(diǎn)：載體蛋白既參與被動(dòng)的物質(zhì)運(yùn)輸，也參與主動(dòng)的物質(zhì)運(yùn)輸。需要與被運(yùn)輸?shù)碾x子或分子結(jié)合。目前五頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)

葡萄糖是載體蛋白進(jìn)行促進(jìn)擴(kuò)散的典型例子，運(yùn)輸葡萄糖的載體蛋白主要是通過(guò)構(gòu)型的變化將葡萄糖運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)，肝細(xì)胞、紅細(xì)胞質(zhì)膜上有很多載體蛋白。目前六頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)（二）通道蛋白及其功能通道蛋白（channelproteins）：存在于細(xì)胞膜上的一種跨膜親水性通道，允許特定離子順濃度梯度通過(guò)，又稱(chēng)離子通道。有些通道長(zhǎng)期開(kāi)放，如鉀泄漏通道；有些通道平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，僅在特定刺激下才打開(kāi)，稱(chēng)為門(mén)通道目前七頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)

通道蛋白在運(yùn)輸過(guò)程中并不與被運(yùn)輸?shù)姆肿咏Y(jié)合，也不會(huì)移動(dòng)，只參與被動(dòng)運(yùn)輸，其運(yùn)輸作用具有選擇性。離子通道蛋白在膜中有開(kāi)和關(guān)兩種構(gòu)型，相當(dāng)于門(mén)，所以稱(chēng)為門(mén)控通道。特點(diǎn)目前八頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)通道蛋白的門(mén)控電壓門(mén)控通道(voltage-gatedchannel)配體門(mén)控通道(ligand-gatedchannel)應(yīng)力激活通道(stress-activatedchannel)離子通道三種類(lèi)型的門(mén)控離子通道示意圖目前九頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)

這類(lèi)通道的構(gòu)型變化依據(jù)細(xì)胞內(nèi)外帶電離子的狀態(tài)，主要是通過(guò)膜電位的變化使其構(gòu)型發(fā)生改變，從而將“門(mén)”打開(kāi)。電壓門(mén)控通道：目前十頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)配體門(mén)控通道：

這類(lèi)通道在其細(xì)胞內(nèi)外的特定配體與膜受體結(jié)合時(shí)發(fā)生反應(yīng)，引起通道蛋白的一種成分發(fā)生構(gòu)型變化，使“門(mén)”打開(kāi)。可分為細(xì)胞內(nèi)配體和細(xì)胞外配體兩種類(lèi)型。

目前十一頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)基底膜聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)纖維不傾斜的束連接絲聽(tīng)覺(jué)毛細(xì)胞應(yīng)力門(mén)控通道：這類(lèi)通道的打開(kāi)受一種力的作用。如聽(tīng)覺(jué)毛狀細(xì)胞的離子通道。聲音的振動(dòng)推開(kāi)應(yīng)力門(mén)控通道，允許離子進(jìn)入毛狀細(xì)胞，形成電信號(hào)傳遞到聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)再傳到腦。目前十二頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)被動(dòng)運(yùn)輸定義：是指通過(guò)簡(jiǎn)單擴(kuò)散或協(xié)助擴(kuò)散將物質(zhì)從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(lái)自物質(zhì)的濃度梯度，不需要細(xì)胞提供代謝能量。二、被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸：類(lèi)型：簡(jiǎn)單擴(kuò)散、協(xié)助擴(kuò)散

目前十三頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)不需要膜蛋白的幫助，也不需要細(xì)胞提供能量，只靠膜兩側(cè)保持一定的濃度差，通過(guò)擴(kuò)散發(fā)生的物質(zhì)運(yùn)輸。（一）簡(jiǎn)單擴(kuò)散：目前十四頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)小的疏水分子小的不帶電荷的極性分子大的不帶電荷的極性分子離子氨基酸核苷酸葡萄糖甘油乙醇人工脂雙層膜對(duì)不同分子的相對(duì)透性

乙醇目前十五頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)結(jié)論：人工膜對(duì)各類(lèi)物質(zhì)的通透率：脂溶性越高通透性越大；小分子比大分子易透過(guò)；非極性分子比極性容易透過(guò)；極性不帶電荷的小分子可透過(guò)人工脂雙層;人工膜對(duì)帶電荷的物質(zhì)，如離子是高度不通透的。目前十六頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)（二）水孔蛋白：水分子的跨膜通道1991年Agre發(fā)現(xiàn)第一個(gè)水孔蛋白CHIP28（28KD），CHIP28的mRNA能引起非洲爪蟾卵母細(xì)胞吸水破裂，已知這種吸水膨脹現(xiàn)象會(huì)被Hg2+抑制。目前在人類(lèi)細(xì)胞中已發(fā)現(xiàn)至少10種此類(lèi)蛋白，被命名為水孔蛋白（Aquaporin，AQP）。目前十七頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)2003年，美國(guó)科學(xué)家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)，分別因?qū)?xì)胞膜水通道，離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。PeterAgreRoderickMacKinnon

目前十八頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)

指非脂溶性物質(zhì)或親水性物質(zhì)，如氨基酸、糖和金屬離子等借助細(xì)胞膜上的膜蛋白的幫助順濃度梯度或順化學(xué)濃度梯度，不需要細(xì)胞提供能量進(jìn)入膜內(nèi)的一種運(yùn)輸方式。（三）協(xié)助擴(kuò)散：目前十九頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)特點(diǎn)：：

①轉(zhuǎn)運(yùn)速率高；②運(yùn)輸速率同物質(zhì)濃度成非線性關(guān)系；③特異性；④飽和性。目前二十頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)（四）

主動(dòng)運(yùn)輸

被動(dòng)運(yùn)輸只能將物質(zhì)從高濃度向低濃度方向運(yùn)輸，趨向于細(xì)胞內(nèi)外的濃度達(dá)到平衡。實(shí)際上，細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)濃度差別很大，濃度的差異是維持細(xì)胞生命活動(dòng)所必須的。目前二十一頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)③能夠維持一些無(wú)機(jī)離子在細(xì)胞內(nèi)恒定和最適的濃度，特別K+、Ca+

和H+的濃度。作用：①保證了細(xì)胞或細(xì)胞器從周?chē)h(huán)境或表面攝取必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。②能夠?qū)⒓?xì)胞內(nèi)的各種物質(zhì)，如分泌物、代謝廢物以及一些離子排到細(xì)胞外。主動(dòng)運(yùn)輸是由運(yùn)輸?shù)鞍捉閷?dǎo)的物質(zhì)逆濃度梯度或電化學(xué)梯度進(jìn)行的運(yùn)輸方式。目前二十二頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)主動(dòng)運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)1、逆梯度運(yùn)輸2、依賴(lài)于膜運(yùn)輸?shù)鞍?、需要代謝能。4、具有選擇性和特異性。參與主動(dòng)運(yùn)輸?shù)妮d體蛋白被稱(chēng)為泵，因?yàn)樗麄兡芾媚芰縼?lái)做功。由于它們消耗的代謝能多數(shù)為ATP，所以又稱(chēng)它們?yōu)槟衬矨TPase。有下列類(lèi)型：目前二十三頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)類(lèi)型（根據(jù)能量來(lái)源）：

①ATP驅(qū)動(dòng)泵、②ATP間接提供能量（耦聯(lián)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）、③光驅(qū)動(dòng)泵（見(jiàn)于細(xì)菌）

主動(dòng)運(yùn)輸?shù)娜N類(lèi)型目前二十四頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)ATP驅(qū)動(dòng)泵種類(lèi)（1）P-型離子泵：結(jié)構(gòu)類(lèi)型包括Na+-K+泵和Ca2+泵，在轉(zhuǎn)運(yùn)H＋的過(guò)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。（2）V-型質(zhì)子泵：存在于各類(lèi)小泡膜上，水解ATP產(chǎn)生能量，但不發(fā)生自磷酸化，位于溶酶體膜、內(nèi)體、植物液泡膜上。其功能是維持細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中性pH和細(xì)胞器內(nèi)的酸性。（3）F-型質(zhì)子泵

:存在于線粒體膜、植物類(lèi)囊體膜及多數(shù)細(xì)菌質(zhì)膜上，以相反的方式發(fā)揮生理作用——H+順濃度梯度運(yùn)動(dòng)，釋放能量與合成ATP偶聯(lián)起來(lái)。（4）ABC超家族：轉(zhuǎn)運(yùn)小分子目前二十五頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)目前二十六頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)（4）ABC超家族（ABCtransporter）最早發(fā)現(xiàn)于細(xì)菌，是一龐大的蛋白家族，都有兩個(gè)高度保守的ATP結(jié)合區(qū)（ATPbindingcassette），故名。一種ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白只轉(zhuǎn)運(yùn)一種或一類(lèi)底物，不同成員可轉(zhuǎn)運(yùn)離子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、蛋白質(zhì)；可催化脂雙層的脂類(lèi)在兩層之間翻轉(zhuǎn)。目前二十七頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)MammalianMDR1proteinABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與病原體對(duì)藥物的抗性有關(guān)。MDR（multidrugresistanceprotein）是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的真核細(xì)胞ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，是多藥抗性蛋白，約40%患者的癌細(xì)胞內(nèi)該基因過(guò)度表達(dá)。目前二十八頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)Fig.Na+-K+泵的結(jié)構(gòu)與工作模式示意圖一、P-型離子泵ATP催化位點(diǎn)βα結(jié)構(gòu)：α（MW=120,000Da）+β（MW=50000Da）（一）Na+-K+泵功能：維持細(xì)胞內(nèi)低Na+高K+的離子環(huán)境存在：一切動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞膜上，植物細(xì)胞、真菌、細(xì)菌上沒(méi)有目前二十九頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)目前三十頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)維持了細(xì)胞Na+離子的平衡，抵消了Na+離子的擴(kuò)散作用。作用在建立細(xì)胞質(zhì)膜兩側(cè)Na+離子濃度梯度的同時(shí)，為葡萄糖協(xié)同運(yùn)輸提供了驅(qū)動(dòng)力。是Na+泵建立的細(xì)胞外電位，為神經(jīng)和肌肉電脈沖傳導(dǎo)提供了基礎(chǔ)。幫助維持動(dòng)物細(xì)胞的滲透壓平衡目前三十一頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)■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)胞或泵入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中儲(chǔ)存起來(lái)，以維持細(xì)胞內(nèi)低濃度的游離Ca2+。（二）鈣泵和其他P-型離子泵目前三十二頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)Fig.Ca2+泵的結(jié)構(gòu)與工作模式示意圖結(jié)構(gòu)：與Na+-K+泵的α亞基同源，MW=100,000Da，

10個(gè)α螺旋Ca2+泵功能：維持細(xì)胞質(zhì)內(nèi)低濃度的游離Ca2+,

在肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)存Ca2+調(diào)節(jié)肌細(xì)胞的收縮與舒張工作原理：目前三十三頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)存在于植物細(xì)胞、真菌和細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)膜上，將質(zhì)子泵出細(xì)胞，建立跨膜的質(zhì)子電化學(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。質(zhì)子泵目前三十四頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)四、協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)又稱(chēng)偶聯(lián)運(yùn)輸，它不直接消耗ATP，但要依賴(lài)離子泵建立的電化學(xué)梯度。在動(dòng)物細(xì)胞靠鈉泵建立Na+離子梯度，在植物細(xì)胞則是由H+泵建立H+質(zhì)子梯度。類(lèi)型（根據(jù)運(yùn)輸方向與離子順電化學(xué)梯度的轉(zhuǎn)移方向）：同向轉(zhuǎn)運(yùn)：物質(zhì)運(yùn)輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相同。反向轉(zhuǎn)運(yùn)：物質(zhì)運(yùn)輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相反。目前三十五頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)在動(dòng)物、植物細(xì)胞由載體蛋白介導(dǎo)的協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)異同點(diǎn)的比較目前三十六頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)目前三十七頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)動(dòng)物細(xì)胞中，質(zhì)膜上的鈉泵和載體協(xié)作完成葡萄糖、氨基酸等的逆濃度梯度的協(xié)同運(yùn)輸（同向轉(zhuǎn)運(yùn)）。目前三十八頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)

植物細(xì)胞的協(xié)同運(yùn)輸

——間接消耗ATP目前三十九頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)第三節(jié)胞吞作用與胞吐作用對(duì)于大分子和顆粒性物質(zhì)，真核細(xì)胞是通過(guò)胞吞作用與胞吐作用完成跨膜運(yùn)輸?shù)?，如蛋白質(zhì)、多核苷酸、多糖等。在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，物質(zhì)包裹在脂雙層膜圍繞的囊泡中，因此又稱(chēng)膜泡運(yùn)輸，需要消耗能量，所以屬于主動(dòng)運(yùn)輸。目前四十頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)（一）胞飲作用與吞噬作用

胞飲作用與吞噬作用主要有三點(diǎn)區(qū)別目前四十一頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)細(xì)胞吞入液體或極小的顆粒物質(zhì)。胞飲作用吞噬作用細(xì)胞內(nèi)吞較大的固體顆粒物質(zhì)，如細(xì)菌、細(xì)胞碎片等。目前四十二頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)Fig.

通過(guò)網(wǎng)格蛋白有被小泡介導(dǎo)的選擇性運(yùn)輸示意圖胞吞泡形成的機(jī)制：需要網(wǎng)格蛋白的幫助目前四十三頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)（二）受體介導(dǎo)的胞吞作用主要用于攝取特殊的生物大分子，如激素、生長(zhǎng)因子、淋巴因子和一些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如低密度脂蛋白（LDL）的吞入過(guò)程低密度脂蛋白（LDL）：是膽固醇在血液中與磷脂、蛋白質(zhì)結(jié)合成的復(fù)合物，細(xì)胞表面有LDL受體目前四十四頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)LDL胞吞過(guò)程血液中的LDL與血管細(xì)胞表面的LDL受體結(jié)合形成包被小窩包被小泡內(nèi)體：LDL與受體分離細(xì)胞質(zhì)脫去外被溶酶體細(xì)胞膜LDL受體游離膽固醇酸性環(huán)境目前四十五頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于十八點(diǎn)LDL的受體介導(dǎo)胞吞作用目前四十六頁(yè)\總數(shù)五十一