第五章物质的跨膜运输

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。
Peter Agre
Roderick MacKinnon
2. 水孔蛋白：水分子的跨膜通道 (2003诺奖)
• 调节细胞渗透压以及生理与病理作用
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Fig . Passage of water molecules through the aquaporin AQP1. Because of the positive charge at the center of the channel, positively charged ions such as H3O+, are deflected. This prevents proton leakage through the channel.
• 至少有一个α 催化亚基发生 磷酸化和去磷酸化反应，改 变转运泵的构象，实现离子 的跨膜转运
• 转运泵水解ATP 使自身形 成磷酸化的中间体
■ P-型离子运输泵的作用机理
P型泵的主要特点:都是跨膜蛋白，并且是由一条多肽完成 所有与运输有关的功能，包括ATP的水解、磷酸化和离子 的跨膜运输。
Na+-K+ATP酶的分子结构：
• 膜转运蛋白可分为两类：
– 载体蛋白（carrier protein，
transporter）
– 通道蛋白（channel protein）
（一）载体蛋白及其功能
• 多次跨膜；通过构象改变介导溶质分子跨膜转运 • 与底物（溶质）特异性结合；具有高度选择性；具有类似
于酶与底物作用的饱和动力学特征；但对溶质不做任何共 价修饰
两者区别：以不同方式辨别溶质。通道蛋白主要根据溶质大小和电荷和进 行辨别，假如通道处于开放状态，则足够小和带有适当电荷的分子或离子 就能通过；而载体蛋白只允许与其结合部位相适应的溶质分子通过，并且 每次转运都发生自身构象的变化。
二、小分子物质的跨膜运输类型
• 3 种类型：简单扩散、被动运输和主动运输
• 载体蛋白所介导、逆着电化学梯度或浓度梯度 • 3种类型
– ATP 驱动泵（ATP直接供能） – 协同转运或偶联转运（ATP间接提供能量） – 光驱动泵
协同转运蛋白
概念
由Na+-K+泵（或H+-泵）与载体蛋白协同作用，靠 间接消耗ATP所完成的主动运输方式。
类型与机制
根据物质运输方向与离子顺电化学梯度的转移方向的关系，协同 转运又可分为： • 同向转运:物质运输方向与离子转移方向相同（如：小肠细胞吸收葡 糖糖和氨基酸） • 反向转运:物质跨膜转运的方向与离子转移的方向相反
地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助 提高于其活性。
（二）Ca2+ 泵及其他 P 型泵
• 细胞质基质中低 Ca2+ 浓度的维持 主要得益于质膜 或细胞器膜上的 钙泵
• 每消耗1 分子 ATP 从细胞质基 质泵出 2 个Ca2+
1. Ca2+ 泵的结构与功能
Asp磷酸化
钙离子泵
（一）载体蛋白及其功能
• 不同部位的生物膜往往含有各自功能相关的不同 载体蛋白
（二）通道蛋白及其功能
• 3 种类型：离子通道、孔蛋白以及水孔蛋白 • 大多数通道蛋白都是离子通道 • 转运底物时，通道蛋白形成选择性和门控性跨膜通道
水孔蛋白
离子通道
孔蛋白
Main Porin From Mycobacterium smegmatis (MSPA)
Asn-Pro-Ala
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/chempub3high.jpg
被动运输特点
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； ③特异性；饱和性。
（三）主动运输(active transport)
如：动物细胞常通过Na+驱动的Na+/H+反向转运的方式来转运H+以 调节细胞内的pH。
同向转运 反向转运
第二节 ATP驱动泵与主动运输
• ATP 驱动泵通常又称为转运ATPase，分为4类
– P型泵、V型质子泵、F型质子泵和ABC超家族
一、P 型泵 (P-type pump)
• 2 个α 催化亚基，具有ATP 结合位点；2 个β 调节亚基
革兰氏阴性细胞膜、 线粒体和叶绿体外膜 β折叠片 选择性较低， 可以允许大分子
http://bragi.gbf.de/bilder/1UUN.gif
离子通道的类型及其 3 个显著特征
• 具有极高的转运速率（驱动力：浓度差和电位差） • 没有饱和值 • 离子通道非连续性开放而是门控的（电位、化学
信号或者压力刺激）
烟碱型乙酰胆碱受体 Nicotinic
acetylcholine receptor
Three conformation of the acetylcholine receptor
3.应力激活通道
感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。细胞将机 械刺激的信号转化为电化学信号，引起细胞反应的过程称 为机械信号转导（mechanotransduction ）。
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编
细胞生物学（第4版）
第5章 物质的跨膜运输
本章主要内容
• 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输 • ATP驱动泵与主动运输 • 胞吞作用与胞吐作用
第一节 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输
一、脂双层的不透性和膜转运蛋白
• 脂双层疏水对绝大多数极 性分子、离子以及细胞代 谢产物的通透性极低，形 成了细胞的渗透屏障
Fig. Xenopus oocytes microinjected with AQP1 mRNA swell rapidly when placed in a hypo-osmotic medium, in contrast to noninjected oocytes.
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/popular.html
• 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）（泵入胞外或者内质网内）。
• 位置：质膜（胞内C端与钙调蛋白结合）、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%。
2. P 型 H+ 泵
• 植物细胞、真菌(包括酵母)和细菌细胞质膜上虽然没有Na+K+ 泵， 但有P 型H+ 泵(H+-ATPase)
特点：受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生构 象变化， “门”打开。又称离子通道型受体。 可分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受体， 和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸受体。 Ach受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成 一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构，其中的两个α亚单 位是同两分子Ach相结合的部位。
K+通道具有三种状态：开启、关闭和失活。目前认为S4 段是电压感受器。
Na+、K+、Ca2+三种电压门通道结构相似，在进化上是由 同一个远祖基因演化而来。
Voltage gated K+ channel
K+ channel
4th subunit not shown
2、配体门通道(ligand gated channel)
C. 吸收营养
动物细胞对葡萄糖或氨基酸等 有机物吸收的能量由蕴藏在 Na+ 电化学梯度中的势能提供 植物细胞、真菌和细菌通常利 用质膜上的H+-ATPase 形成 的H+ 电化学梯度来吸收营养 物
Na+/K+ 泵具有三个重要作用: 一是维持了细胞Na+离子的平衡，抵消了Na+离子的 渗透作用; 二是在建立细胞质膜两侧Na+离子浓度梯度的同时， 为葡萄糖协同运输泵提供了驱动力; 三是Na+泵建立的细胞外电位，为神经和肌肉电脉冲 传导提供了基础。
A. 电压门通道 B. 配体门通道（胞外配体） C. 配体门通道（胞内配体） D. 应力激活通道
1、电压门通道(voltage gated channel)
特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时， 致使其构象变化，“门”打开。
K+电位门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜α螺旋(S1S6) ，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)，构成通道的内衬，大小可允许K+通过。
α β 两种亚基组成的二聚体。 α 亚基具有ATP酶的活性； β 亚基是具有组织特异性的糖蛋白。
（一）Na+-K+ 泵（Na+-K+ ATPase）
Figure 11-14 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
1. Na+-K+ 泵结构与转运机制 • 由2 个α 和2 个β 亚基组成四聚体
• P 型H+ 泵将 H+ 泵出细胞，建立和维持跨膜 H+ 电化学梯度
H+/K+ ATPase Control of acid secretion in the
stomach
二、V 型质子泵和 F 型质子泵
• V 型质子泵广泛存在 于动物细胞的胞内体 膜、溶酶体膜，破骨 细胞和某些肾小管细 胞的质膜，以及植物、 酵母及其他真菌细胞 的液泡膜上 （V 为 vesicle）
总结一下载体蛋白与通道蛋白区别
• 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。
• 两类主要转运蛋白：
– 载体蛋白：又称做载体、通透酶和转运器。介导被动运输与主动运 输
– 通道蛋白：能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过。只介导被动 运输
（一）简单扩散 (simple diffusion)
• 顺电化学梯度或浓度梯度 • 不需要细胞提供能量， • 无需膜转运蛋白协助 • 脂双层对溶质的通透性大
小主要取决于分子大小和 分子的极性
决定通透性的因素
其通透性主要取决于分子的大小和分子的极性： 小分子比大分子容易穿膜 非极性分子比极性分子容易穿膜 带电荷的离子跨膜需要更高的自由能——无膜蛋白 的人工脂双层对带电荷的离子是高度不透的。
目前比较明确的有两类机械门通道，其一是牵拉活化或失 活的离子通道，另一类是剪切力敏感的离子通道，前者几 乎存在于所有的细胞膜（如：血管内皮细胞、心肌细胞、 内耳毛细胞），后者仅发现于内皮细胞和心肌细胞。
牵拉敏感的离子通道的特点：对离子的无选择性、无方向 性、非线性以及无潜伏期。为2价或1价的阳离子通道，有 Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主。
（二）被动运输 (passive transport)
• 顺着电化学梯度或浓度梯度 • 协助扩散 (facilitated diffusion) • 膜转运蛋白协助
– 载体蛋白介导 – 通道蛋白介导
1. 葡萄糖转运蛋白
• 12 次跨膜α 螺旋 • 通过构象改变完成葡萄糖的
协助扩散
• 转运方向取决于葡萄糖浓度 梯度
例如，将红细胞移入低渗溶液后，很快吸水膨胀 而溶血，而水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀。
因此，人们推测水的跨膜转运除了简单扩散外, 还存在某种特殊的机制, 并提出了水通道的概念。
2. 水孔蛋白（aquaporin）：水分子的跨膜通道 (2003诺奖 • 水分子借助质膜上的水孔蛋白实现快速跨膜转运
乌苯苷（ouabain）用作强心剂的原理？
1. Na+-K+ 泵结构与转运机制
结合3Na+ 磷酸化
泵出3Na+
泵入2K+
去磷酸化
结合2K+
钠钾泵工作的特性： P-type：依赖自磷酸化来转运离子的离子泵。
2. Na+-K+ 泵主要生理功能
A. 维持细胞膜电位 B. 维持动物细胞渗透
平衡
2. Na+-K+ 泵主要生理功能
• 转运 H+ 过程中不形成 磷酸化的中间体
Ser Thr Asp Glu
为什么具有极性的水分子容易穿膜？ 可能是因为水分子非常小，可以通过由于膜质运
动而产生的间隙的缘故。 但是，速度缓慢。
水分子快速跨膜运动是以何种方式实现的？ 水孔蛋白
水孔蛋白的发现
长期以来, 普遍认为细胞内外的水分子是以简单 扩散的方式透过脂双层膜。后来发现某些细胞在低渗 溶液中对水的通透性很高, 很难以简单扩散来解释。