名师讲义【华中师范大学】细胞生物学第五章 物质的跨膜运输

2、Na+-K+泵作用
（1）维持细胞内渗透压，保持细胞的体积； （2）维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细 胞的静息电位。
乌本苷(ouabain)、地高辛(digoxin)等强 心剂能抑制心肌细胞Na+/K+泵的活性；从而 降低钠钙交换器效率，使内流钙离子增多， 加强心肌收缩，因而具有强心作用。
二）、参与主动运输的泵
参与主动运输的载体蛋白称泵，本质上是 ATPase。类型： 1、P型泵：运输时需磷酸化，Na+ /K+ ，Ca++ 2、V型泵：存在于小泡的膜上，需ATP，但不 磷酸化 3、F型泵：细菌、线粒体和叶绿体，在能量转 换中起作用； 4、ABC型泵：存在于所有细胞，以ATP供能。
膜内侧Na+与泵结合→ATP酶活性→ATP 水解→酶（泵）磷酸化→构象变化→与Na+ 结合部位转向膜外侧→对Na+亲和力低，对 K+亲和力高→释放Na+、与K+结合→酶（泵） 去磷酸化，构象恢复→转向膜内侧，K+与酶 （泵）亲和力降低，K+释放。
总结果：每一循环消耗1个ATP，转运出3 个Na+，转进2个K+。
(二)钙离子泵： P型泵
钙离子是细胞内的重要信使物质，细胞内 通常需要保持较低的钙离子浓度（10-7M）， 比细胞外钙离子浓度（10-3M）低几个数量 级。维持这样大的浓度梯度主要靠质膜和内 质网膜上存在钙泵。
钙泵的原理与钠钾泵相似，每分解一个 ATP分子，泵出2个Ca2+。
钙离子泵
(三)质子泵（H+泵）
纯化的CHIP28置入脂质体，也得到同样 结果。
细胞的这种吸水膨胀现象能被Hg2+抑制， 而Hg2+是已知的唯一能抑制水通透的物质。
这些研究揭示了细胞膜上存在水通道， Agre因此与离子通道研究者MacKinnon共 享2003年诺贝尔化学奖。
在人类细胞中至少已发现11种此类蛋白， 称水通道蛋白（Aquaporin，AQP），均具 选择性的让水分子通过的特性。
亚基通过氢键等非共价键，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。
α银环蛇毒素可与乙酰胆碱受体结合，但 不能开启通道，导致肌肉麻痹。
Ach门通道作用机制：当受体的两个α亚单 位结合Ach时，引起通道构象改变，通道瞬 间开启，膜外Na+内流，膜内K+外流。使该 处膜内外电位差接近于0值，形成终板电位， 引起肌细胞动作电位，肌肉收缩。
对Na+、K+、Ca2+通道蛋白质结构分析，它 们一级结构中的氨基酸有较大的同源性，属同 一蛋白质家族，由同一个远祖基因演化来。
K+电位门通道由四个α亚基(I-IV )构成，每个 亚基均有6个(S1-S6)跨膜α螺旋段，N和C端均 位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样β折叠 (H5 区)，构成通道的内衬，大小可允许K+通过。
P=KD/t，t为膜的厚度。
简单扩散的限制因素是物质的脂溶性、分子 大小和带电性 脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性 越小；小分子比大分子容易透过，非极性分 子比极性容易透过。
具有极性的水分子容易透过是因水分子小， 可通过由膜脂运动而产生的间隙。
非极性的小分子如O2、CO2、N2可很快透过 脂双层；
研究表明，当内皮细胞被牵拉时， 由于通道开放引起Ca2+内流，使 以Ca2+介导的血管活性物质分泌 增多，Ca2+还可作胞内信使，导 致进一步的反应。
内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力 敏感的感受装置，声音的振动推开牵拉 门通道，使离子进入听觉毛细胞，建立 起一种电信号，从毛细胞传递至听觉神 经和大脑。
2、电位门通道 （voltage-gated channel）
受膜内外电压变化控制的一类门通道。细 胞内外离子浓度发生变化时，引起膜电位变 化，使其构象变化，“门”打开。
神经肌肉接点，Ach配体门通道开放引起 终板电位→相邻肌细胞膜中Na+和K+电位门 通道开放→肌细胞动作电位→肌质网→ Ca2+ 通道打开，Ca2+外流→肌肉收缩。
（１）需要膜蛋白帮助：通道蛋白和载体蛋白； （２）比自由扩散转运速率高； （３）存在最大转运速率； （４）有特异性，即与特定溶质结合。 （５）受各种抑制：竞争性抑制、变性剂抑制
１、载体蛋白（carrier proteins）
是多次跨膜蛋白，与被运输的离子和分子结合， 通过自身构型的变化或移动完成物质运输。
不与被运输物结合，运输速度快，无饱和性。
具有高度选择性。
具有开关两种构型，所形成的通道是门控性
离子选择性(ionic selectivity)：不同通道 对不同离子的通透性不同。是由通道的结构所 决定，只允许具特定离子半径和电荷的离子通 过。
依离子选择性的不同，通道可分为钠离子通 道、钙离子通道、钾离子通道、氯离子通道等。
有3类：P-type、V-type、F-type。 1、P-type：存在于真核细胞的细胞膜上。载 体蛋白利用ATP使自身磷酸化，通过构象改变 来转移质子。植物细胞膜上的H+泵功能类似于 动物细胞上的钠钾泵。 2、V-type：位于动物溶酶体及植物液泡膜上， 把细胞质中H+泵进细胞器。载体蛋白水解ATP 获得能量，但不进行磷酸化。
具有特异性结合位点，只能与某种物质进行暂 时性、可逆性结合和分离。
具有酶的特性：转运过程有类似酶与底物的作 用曲线。
典型例子：葡萄糖促进扩散
2、通道蛋白（channel protein）
形成跨膜的亲水性通道，允许适当大小的离子 顺浓度梯度通过，又称离子通道。
单体蛋白或多亚基蛋白形成亲水性通道。
5、水通道
细胞内外的水分子被认为是以简单扩散 的方式透过脂双层膜。
某些细胞在低渗溶液中对水的通透性极 高, 难以简单扩散来解释，如红细胞在低渗 溶液中的溶血。而蛙类卵母细胞在低渗溶 液不膨胀。
1988年，Agre发现红细胞膜上有一个 28 KD 的疏水性跨膜蛋白，称为CHIP28；
1991年， Agree得到CHIP28的cDNA 序列，并将它的mRNA注入非洲爪蟾的卵 母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速 膨胀破裂。
不带电荷的极性小分子，如水、尿素、甘油 等也可透过人工脂双层，速度慢；
分子量略大的葡萄糖、蔗糖则难透过；
带电荷的离子：H+、Na+、K+、Cl－、 HCO3－高度不通透的
不同物质透过人工脂双层的能力
（二）协助扩散 （faciliatied diffusion）
是指极性物质及带电离子在膜蛋白帮助下，顺 着离子梯度，不消耗ATP进入细胞的一种运输方 式。特点：
channel)。
1、配体门通道
表面受体与细胞外特定配体(ligand)结合， 引起门通道蛋白发生构象变化，使“门”打 开。又称离子通道型受体。
阳离子通道：乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺 的受体；
阴离子通道：甘氨酸和γ－氨基丁酸受体。
N-乙酰胆碱受体是了解较多的配体门通道。 由4种不同亚基组成的5聚体。
细胞膜是防止细胞内外物质自由流动的屏障， 保证了细胞内环境的稳定，使各种生化反应能 有序运行。但细胞必须与环境发生信息、物质 与能量的交换，才能完成特定生理功能。
物质通过细胞膜的运输方式：
（1）被动运输；
（2）主动运输；
（3）胞吞与胞吐作用。
一、被动运输（passive transport）
物质依靠自身浓度梯度驱动以简单扩散 或协助扩散的方式透过细胞膜进入细胞 的运输方式。
3. Two main classes of membrane transport proteins: Carriers and Channels;
4. The ion transport systems;
5. Endocytosis and Exocytosis : cellular uptake of macromolecules and particles.
受机械力控制的一类通道。比较明确的两 类机械门通道：
（1）牵拉活化或失活的离子通道，存在 于所有的细胞膜。
（2）剪切力敏感的离子通道，仅发现于 内皮细胞和心肌细胞。
牵拉敏感的离子通道是指能直接被细胞膜 牵拉所开放或关闭的离子通道。特点：
（1）对离子的无选择性、无方向性、非线性 及无潜伏期。
（2）多为2价或1价的阳离子通道，有Na+、 K+、Ca2+，以Ca2+为主。
但通道的离子选择性只是相对的，如钠通道 主要对Na+通透，对NH4+也通透。
门通道的类型：
（1）配体门通道(ligand gated channel)； （2）电位门通道(voltage gated channel)； （3）环核苷酸门通道(Cyclic Nucleotide-
Gated Ion Channels) （4）机械门通道(mechanosensitive
该过程需顺着浓度梯度，不需要额外的 能量。
（一）简单扩散（simple diffusion）
也称自由扩散（free diffusing），特点： （１）沿浓度梯度(或电化学梯度)扩散； （２）不需要提供能量； （３）没有膜蛋白协助。
某种物质对膜的通透性（P）可根据它在 油和水中的分配系数（K）及其扩散系数 （D）来计算：
第五章 物质的跨膜运输
Chapter Five Movement of substance
across membrane
Learning Objectives:
1. Principles of membrane transport;
2. Passive transport and active transport;