小分子物质跨膜转运和离子通道的基础
精讲04第4章物质的跨膜运输全国高中生物竞赛之《细胞生物学》名师精讲课件
4/16.物质的跨膜运输
（2）膜转运蛋白可分为两类： ①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 • 载体蛋白与酶类似：具有与溶质（底物）特异性结合的位点，所以每种载体蛋白对溶质具有高度
4/16.物质的跨膜运输 4.1.膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输 4.1.2 小分子物质的跨膜运输类型
2.被动运输 (passive transport) • 顺着电化学梯度或浓度梯度
• 协助扩散 (facilitated diffusion)
载体蛋白介导
• 膜转运蛋白协助 通道蛋白介导
4/16.物质的跨膜运输
4/16.物质的跨膜运输
4.1.膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输
4.1.2 小分子物质的跨膜运输类型 2.被动运输 (passive transport) （2）水孔蛋白：水分子的跨膜通道
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。
1. P 型泵 (P-type pump) （1）Na+-K+ 泵
（Na+-K+ ATPase）
电化学梯度
乌苯苷结合位点
细胞溶胶
Figure 11-14 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
4/16.物质的跨膜运输 4.2.2 ATP驱动泵与主动运输
4/16.物质的跨膜运输 4.1.膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输 4.1.2 小分子物质的跨膜运输类型
高中生物物质跨膜运输知识点4篇(精选)
高中生物物质跨膜运输知识点4篇（精选）（经典版）编制人：__________________审核人：__________________审批人：__________________编制单位：__________________编制时间：____年____月____日序言下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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物质跨膜运输的方式说课稿-说课稿
物质跨膜运输的方式说课稿-说课稿引言概述：物质跨膜运输是细胞内重要的生物学过程，它涉及到各种物质在细胞膜上的运输和转运。
本文将从不同的角度探讨物质跨膜运输的方式，包括主动运输和被动运输等。
一、主动运输1.1 利用离子泵进行跨膜运输：离子泵是一种蛋白质通道，能够将离子从低浓度区域转运到高浓度区域。
这种方式需要消耗能量，通常是通过ATP酶的水解来提供能量。
1.2 利用载体蛋白进行跨膜运输：载体蛋白是一种膜蛋白，能够在细胞膜上形成通道，将特定的物质从一个区域转运到另一个区域。
这种方式也需要能量的消耗。
1.3 利用囊泡运输进行跨膜运输：囊泡是一种细胞器，能够将物质包裹在内部，然后通过融合或分裂的方式将物质从一个区域转运到另一个区域。
二、被动运输2.1 扩散运输：扩散是一种 passively 的运输方式，物质会从高浓度区域向低浓度区域自发移动，直到达到平衡状态。
这种运输方式不需要能量的消耗。
2.2 水通道蛋白介导的运输：水通道蛋白是一种特殊的膜蛋白，能够形成通道，促进水分子的跨膜运输。
这种方式也是 passively 的运输方式。
2.3 离子通道介导的运输：离子通道是一种膜蛋白，能够形成通道，促进离子的跨膜运输。
这种方式也是 passively 的运输方式。
三、细胞内物质运输的调控3.1 调控蛋白的表达水平：细胞可以通过调控特定蛋白的表达水平来控制物质跨膜运输的速率和方向。
3.2 细胞内信号传导通路的调节：细胞内的信号传导通路可以影响细胞膜上的蛋白通道的活性，从而调节物质的跨膜运输。
3.3 环境因素的影响：环境因素如温度、pH值等也可以影响细胞膜上蛋白通道的活性，进而影响物质的跨膜运输。
四、物质跨膜运输在生物体内的重要性4.1 营养物质的吸收：通过物质跨膜运输，生物体可以吸收到必需的营养物质，维持生命活动的正常进行。
4.2 毒物的排出：物质跨膜运输也可以帮助生物体将代谢产物和毒物排出体外，维持内环境的稳定。
02生理学-细胞
跳跃式传导
局部电流发生在相邻的郎飞氏结之间 传导速度快
第三节 肌细胞的收缩功能
一、神经—肌接头处的兴奋传递
（一）神经—肌接头处的结构
囊泡内含乙酰胆碱（ACh） 电压依从式钙通道 2、接头间隙： 细胞外液，50-60nm 3、接头后膜（终板膜）：
1、接头前膜（轴突末梢膜）：
皱褶
N2型ACh受体阳离子通道 胆碱酯酶
（三）动作电位的特征
1.“全或无”现象（all or none） 2.不衰减性传导 3.脉冲式
（四）动作电位的传导
在一般可兴奋细胞和无髓神经纤维：
—
局部电流
在有髓神经纤维：
—
跳跃式传导
局部电流
静息部位膜内 负外正，兴奋 部位膜极性反 转，兴奋区与 未兴奋区之间 存在电位差， 形成局部电流， 使邻近未兴奋 膜去极化达阈 电位而产生动 作电位。
概念 : 水溶性或脂溶性很小的小分子物质或离子，借助细胞 膜上特殊蛋白质的帮助，从细胞膜的高浓度一侧向低 浓度一侧转运的过程。
特点 : ⑴ 转运非脂溶性或脂溶性很小的物质 ⑵ 不耗能，顺浓度差转运，属被动转运 ⑶ 需要膜蛋白的帮助 分类 : ⑴ 载体转运 转运对象：葡萄糖（Glu） 氨基酸（AA） 特点：特异性 饱和性现象 竞争性抑制
eg.氧气（O2）、二氧化碳（CO2）、氮气（N2）等 脂溶性小分子 水、乙醇、尿素、甘油等分子量小的极性分子
影响因素：⑴ 细胞膜两侧浓度差（正比） ⑵ 细胞膜对该物质的通透性（正比）
一、细胞膜的物质转运功能
常见的物质跨膜物质转运形式：
单纯扩散 易化扩散
主动转运
入胞和出胞
（二）易化扩散
物质跨膜运输的方式及特点
物质跨膜运输的方式及特点全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：物质跨膜运输是细胞内外物质交换的重要过程，它通过不同的方式将物质穿过细胞膜，实现细胞内外环境的稳定。
目前已经发现了多种物质跨膜运输的方式，每种方式都有其独特的特点和机制。
一、主动运输主动运输是细胞内外物质运输的一种方式，它需要消耗能量以克服浓度梯度，使物质从低浓度区域向高浓度区域移动。
主动运输主要包括原子运输和小分子运输。
原子运输是通过特定的载体蛋白质，如离子泵和Na+/K+泵，将原子从低浓度区域转移到高浓度区域。
小分子运输是指通过载体蛋白将小分子物质进行跨膜运输，如葡萄糖转运蛋白和脂质转运蛋白。
主动运输的特点是能够实现对细胞内外环境的精确调控，使细胞内外物质浓度始终保持在理想的水平，从而维持细胞的正常功能。
主动运输还能够应对外界环境的变化，以保持细胞内外的稳态。
被动运输是通过跨膜通道进行物质运输的一种方式，不需要额外的能量消耗，只是依靠浓度梯度推动物质从高浓度区域向低浓度区域移动。
被动运输主要包括扩散和渗透。
扩散是通过脂质双层之间的小孔或蛋白通道，使分子从高浓度区域向低浓度区域自发扩散。
渗透是指水分子通过膜上的水通道蛋白，使水分子从高浓度区域向低浓度区域流动。
被动运输的特点是高效、快速，能够满足细胞对物质的迅速需求。
被动运输还能够避免能量浪费，提高细胞对物质的利用效率。
三、运动蛋白介导的跨膜运输除了上述两种跨膜运输方式外，还存在一种通过运动蛋白介导的跨膜运输方式。
运动蛋白如细胞骨架和激动蛋白能够通过与细胞骨架的结合，将物质从一个细胞膜一侧转移到另一侧。
运动蛋白介导的跨膜运输是一种高效的物质运输方式，能够满足细胞对物质的快速需求。
物质跨膜运输是细胞内外物质交换的重要过程，通过不同的方式实现细胞内外环境的稳定。
主动运输能够精确调控细胞内外物质浓度，适应外界环境的变化；被动运输高效、快速，提高细胞对物质的利用效率；运动蛋白介导的跨膜运输通过运动蛋白的介导，实现物质在细胞膜之间的转移，为细胞提供了快速的物质运输通道。
物质跨膜运输的方式说课稿-说课稿
物质跨膜运输的方式说课稿-说课稿物质跨膜运输的方式说课稿引言概述：物质跨膜运输是细胞内外物质交换的重要过程，它涉及到细胞膜的通透性和特定的运输机制。
本文将从五个方面详细介绍物质跨膜运输的方式。
一、被动扩散1.1 浓度梯度驱动：物质自高浓度区向低浓度区扩散，不需要外部能量。
1.2 简单扩散：小分子物质通过细胞膜的脂双层直接扩散，如氧气、二氧化碳等。
1.3 依赖通道蛋白：通过细胞膜上的通道蛋白，如离子通道，实现特定物质的跨膜运输。
二、主动运输2.1 能量耗费：物质从低浓度区向高浓度区运输，需要外部能量。
2.2 载体蛋白介导：通过细胞膜上的载体蛋白，如载体蛋白和泵蛋白，实现特定物质的跨膜运输。
2.3 背逆转运：通过转运蛋白，在物质跨膜运输的过程中，同时运输其他物质。
三、囊泡运输3.1 胞吞作用：细胞通过细胞膜的膜囊将外部物质包裹进来，形成胞吞体，再将其运输到细胞内部。
3.2 胞吐作用：细胞通过融合胞吐体与细胞膜，将内部物质释放到细胞外。
3.3 胞吞作用与胞吐作用的调控：通过细胞信号传导和调节机制，控制胞吞作用和胞吐作用的发生。
四、细胞膜运输蛋白4.1 载体蛋白：通过与物质结合，实现物质的跨膜运输。
4.2 通道蛋白：形成通道，使特定物质能够通过细胞膜。
4.3 泵蛋白：耗费能量，将物质从低浓度区向高浓度区运输。
五、细胞外液环境调节5.1 渗透调节：细胞通过调节细胞内外液的渗透压，维持细胞内外液的平衡。
5.2 pH调节：细胞通过调节细胞内外液的pH值，维持细胞内外液的酸碱平衡。
5.3 离子浓度调节：细胞通过调节细胞内外液中的离子浓度，维持细胞内外液的离子平衡。
结论：物质跨膜运输的方式多种多样，根据物质的性质和细胞的需求，细胞可以选择不同的运输机制。
这些运输方式的正常进行对于维持细胞的正常功能和生存至关重要。
通过研究物质跨膜运输的方式，我们可以更好地理解细胞的生理功能和疾病的发生机制。
细胞生物学 第四章物质的跨膜运输
一、膜转运蛋白
• 载体蛋白的特点：4个 s 每种载体蛋白对底物都具
有高度选择性，通常只转 运一种类型的分子； s 转运过程具有饱和动力学 特征； s 可被溶质类似物竞争性地 抑制，并可被某种抑制剂 非竞争性抑制； s 对pH有依赖性。
一、膜转运蛋白
（二）通道蛋白及其功能 • 通道蛋白（channel protein）：
§3 胞吞作用与胞吐作用
（二、胞吞作用与细胞信号转导） 三、胞吐作用 • 胞吐作用（exocytosis）：细胞内合
成的生物大分子（蛋白质、脂质等） 和代谢物，先由膜包围成膜泡，膜 泡与质膜融合，而将内含物分泌到 细胞表面或细胞外的过程。 s 组成型胞吐途径：所有真核细胞都 存在的从高尔基体反面管网结构分 泌的膜泡向质膜流动并与之融合的 稳定过程。 s 调节型胞吐途径：分泌细胞产生的 分泌物（如激素、酶等）储存在分 泌泡内，当受到细胞外信号刺激时， 分泌泡与质膜融合并将内含物释放 出去的过程。
1、葡萄糖转运蛋白：是一种载体蛋白，通过构象改变 完成葡萄糖的协助扩散；由高至低跨膜转运。
协助扩散
二、小分子物质的跨膜运输类型
2、水孔蛋白：水分子的跨膜通道 • 水分子：不带电荷但具有极性。
可以通过简单扩散——缓慢跨 膜转运； • 还可以通过水孔蛋白（为一种 通道蛋白）——快速跨膜转运。 • 如唾液和眼泪的形成、肾小管 对水的重吸收等，水分子必须 借助质膜上大量的水孔蛋白实 现快速跨膜转运。
二、小分子物质的跨膜运输类型
• 水孔蛋白（aquaporin，AQP）：为内在膜蛋白，分子 量为28KD。由4个亚基组成，每个亚基又都由6个跨 膜α螺旋组成。每个亚基单独形成一个供水分子运动 的中央孔，孔的直径约0.28nm（稍大于水分子的直 径），孔长2nm。
2019统编人教版高中生物必修1分子与细胞第四章《细胞的物质输入和输出》全单元教案设计含单元测试卷及答案
【2019统编版】统编人教版高中生物必修1第四章《细胞的物质输入和输出》全章节教案4.1《被动运输》教学设计教材分析：“被动运输”是生物必修一第4章“细胞的物质输入和输出”的第一节内容。
本节课的教学内容是在学习了细胞结构的基础上进行的，主要包括动物细胞的吸水和失水、植物细胞的吸水和失水、质壁分离及其复原实验、自由扩散和协助扩散等内容，这有利于学生巩固前面所学的知识，又能为学生学习后面的主动运输作好铺垫，在教材中起着承上启下的桥梁作用。
教学目标与核心素养：生命观念：说出动、植物细胞失水与吸水的相应细胞结构。
科学思维：理解渗透现象的原理及其发生的条件，并能用此现象解释动植物细胞的失水与吸水。
科学探究：通过探究实验，探究植物的原生质是否为一层半透膜。
社会责任：将植物细胞的失水与吸水的原理应用于农业生产方面，做到合理施肥，提高农作物的产量。
教学重难点：1．理解动植物细胞的失水与吸水；2．说明自由扩散和协助扩散的异同；3．尝试提出问题，作出假设，并设计相关实验。
课前准备：PPT课件教学过程：PPT展示相关图片，引出渗透现象：玻璃纸（半透膜）水分子可以通过，而蔗糖分子不可以。
PPT播放渗透装置的动画，思考下列问题：问题1：漏斗管内的液面为什么会升高？单位时间内进入漏斗的水分子数多于进入烧杯的水分子数。
问题2：如果用一层纱布代替玻璃纸，漏斗管内的液面还会升高吗？不会，因为纱布的孔隙很大，蔗糖分子也可以自由透过。
问题3：如果烧杯中不是清水，而是同样浓度的蔗糖溶液，结果会怎样？不会，单位时间内透过玻璃纸的水分子数等于渗出玻璃纸的水分子数量。
问题4：为什么漏斗管内的液面不会无限升高？玻璃纸（半透膜）的两侧由于存在浓度差，水分子就有从浓度高的一侧向低的一侧渗透的趋势。
而漏斗内的液面不断升高，与清水的液面会产生一个压力，会使水分子从蔗糖溶液压向清水侧，这个压力随着液面不断升高而不断增大。
压向清水侧的水分子会越来越多，会逐渐与因为浓度差而渗透到漏斗的水分子的量保持平衡。
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・基础医学・小分子物质跨膜转运和离子通道的基础吴 燕 刘志红 关键词 跨膜转运 膜蛋白 小分子物质 离子通道 中图法分类号 Q73 细胞膜脂质双层结构中的疏水中心对大多数极性分子具有屏障作用,这种屏障作用可维持细胞内外液溶质浓度差,从而保持细胞内液溶质浓度和内环境的稳定。
此外,细胞在摄取营养物质分泌代谢性产物以及调节细胞内多种离子特异性跨膜转运时,需要有特异性膜蛋白来辅助完成。
现已知道介导上述物质转运的膜蛋白可分为两大类:载体蛋白和通道蛋白,载体蛋白具有可携带特异性分子穿越细胞膜的移动成分;通道蛋白可形成一狭窄亲水孔,使无机离子被动转运,这两类膜蛋白在小分子物质跨膜转运中起着非常重要的作用。
1 膜转运的基本原理〔1〕1.1 细胞膜脂质双层结构对离子具有高度不通透性 如有足够长时间,任何分子均可顺浓度梯度穿透无蛋白成分脂质双层,其速度取决于脂溶性程度与分子大小。
脂溶性越大(即疏水性或非极性强),则扩散速度越快,小的非极性分子,如O2(分子量32)和CO2 (分子量44)易溶于脂质双层,所以能很快扩散穿过脂质双层。
不带电荷的极性分子如果分子足够小也很易穿透脂质双层,水(分子量18),乙烷(分子量46)和尿素(分子量60)穿透速度很快,甘油(分子量92)次之,而葡萄糖几乎不能穿越。
相比而言,脂质双层对带电分子(离子)无论大小均高度不通透,电荷及该分子高度亲水性阻止其进入脂质双层的疏水相,所以合成的脂质双层对水的穿透性可比Na+或K+强109倍。
1.2 两类主要的膜转运蛋白——载体蛋白和通道蛋白 和合成的脂质双层一样,非极性分子可通过简单的扩散方式穿透细胞膜,但细胞膜还必须能对多种极性分子通透,如离子、糖、氨基酸、核酸和细胞代谢产物,这些物质通过合成脂质双层速度很慢,特殊膜蛋白成分负责转运这些溶质,这些膜蛋白即膜转运蛋白,它们以不同形式出现于多种生物膜上,特异性转运一种分子或一类分子(图1)。
膜转运蛋白有两种主要类型:载体蛋白和通道蛋白,载体蛋白可与特异性溶质结合,再经过一系列变化转运结合溶质穿过细胞膜;而通道蛋白无须结合溶质,它们集聚成贯穿脂质双层的亲水孔,当这些孔打开时,特异性溶质分子便通过孔穿过细胞膜,所以通道蛋白介导的转运速度远大于载体蛋白。
1.3 主动转运是由载体蛋白介导的一个需能过程 所有通道蛋白和许多载体蛋白可使溶质被动穿膜转运(顺浓度递度),这一过程称为被动转运(或易化扩散),如果被转运分子不带电荷,那么仅由膜两侧的浓度差(其浓度梯度)驱动和决定转运方向;如果溶质带电荷,则由其浓度梯度和膜两侧的电压差影响其转运(电化学梯度),实际上几乎所有的胞浆膜两侧均存在电压差(电压梯度),细胞内相对于细胞外为负值,这种电压差有利于带正电荷离子进入细胞,排斥带负电荷离子进入细胞。
南京军区南京总医院解放军肾脏病研究所 (南京,210002)图1 顺电化学梯度被动转运与逆电化学递度主动转运的比较 细胞也需转运蛋白将某些分子逆电化学梯度主动泵入(出)细胞,这种主动转运过程一般均由载体蛋白介导,在主动转运中,载体蛋白的泵活性是有方向性的,因为它必须耦联一种代谢能,如ATP水解或由一种离子浓度梯度驱动,所以由载体蛋白介导的转运既可为主动也可为被动,而通道蛋白转运通常为被动的。
1.4 离子载体在增加膜对特异性离子通透性中的作用〔2〕 离子载体是小的疏水分子,可溶于脂质双层增加对特异性无机离子的通透性,大部分由微生物合成,目前已广泛用于增加膜对离子的通透性,有两类离子载体——可活动离子载体和通道形式离子载体,这两种形式均通过屏蔽转运离子电荷使其穿过脂质双层的疏水中心,因为离子载体毋需耦联能量,所以它可使离子顺其电化学梯度穿膜运动。
Valinomycin即为一可移动离子载体,它是转运K+的环状多聚体,能顺K+的电化学梯度在膜的一侧携带K+,穿过脂质双层在膜的另一侧释放K+,离子载体A23187是另一可移动离子载体,但它转运二价阳离子,如Ca2+,Mg2+,在正常情况下起携带离子穿梭作用,即在每转运一次二价阳离子同时携带两个H+出细胞,当细胞接触到A23187,Ca2+便顺陡峭的电化学梯度进入胞浆,这种离子载体已广泛用于增加胞浆内游离Ca2+浓度,从而可以模拟某种特定细胞信号机理。
Gramicidin A是一可形成通道的离子载体,作为一种只有15个氨基酸含有疏水侧链的线性多肽,它是一最简单同时也是了解最清楚的离子通道,两个gramicidin分子尾尾相接贯穿脂质双层形成跨膜通道,该通道选择性对单价阳离子顺其电化学梯度通透,这些二聚体不稳定,不断结合、解聚,所以对一个通道而言,平均开放时间大约只有1s,但如果电化学梯度很大,gramicidin A可在每开放通道每毫秒内转运20000个阳离子,是相同时间单个可移动载体分子转运离子数的1000倍。
2 载体蛋白和主动膜转运〔3,4〕载体蛋白转运溶质分子通过脂质双层的过程类似于酶-底物反应,载体蛋白相当于特异性膜结合酶,每种转运蛋白都有一个或一个以上特异性溶质(底物)结合位点,当载体蛋白饱和时其转运速率最大,最大速率(Vmax)因不同载体各不相同,另外每种载体都有其特征性溶质结合常数(Km),其值等于当转运速率为Vmax一半时溶质的浓度。
和酶一样,溶质的结合可特异地被竞争性抑制剂和非竞争性抑制剂抑制,但与通常酶-底物反应相比,被转运的溶质通常不被载体蛋白共价修饰。
虽然载体蛋白分子结构不是很清楚,但目前仍认为载体蛋白转运溶质穿过脂质双层时,其构型发生可逆性变化,即其溶质结合点开始在膜的一侧后变为膜的另一侧,它必须耦联一种能量才能逆电化学梯度泵出溶质,所以介导主动转运和被动转运载体蛋白之间的分子结构上存在细微的差别。
2.1 细胞膜上Na+-K+泵和Ca2+泵〔5,6〕 细胞内K+浓度是细胞外的10～20倍,而Na+的情况刚好相反,这种浓度差别是由存在于所有动物细胞浆膜上的Na+-K+泵所维持,该泵充当一反向转运体,主动将Na+逆其陡峭电化学梯度泵出细胞外,而将K+泵入细胞内。
Na+-K+ATP酶现已被纯化,它是由多个跨膜催化亚单位和一相连的小单跨膜(singlepass)糖蛋白组成,前者在其胞浆面上有Na+和ATP的结合位点,在其膜外侧有K+的结合位点,并且在泵运循环中不断地磷酸化和去磷酸化,糖蛋白的功能尚不清楚。
因为在Na+-K+ATP酶作用下每三个阳离子泵出细胞时会有二个阳离子进入细胞,即它可驱动净电荷通过胞膜,从而产生电势,细胞内相对细胞外带负电荷,但该泵对膜电位的作用最多只占10%,而大部分由K+的平衡电位决定的。
另一方面,Na+-K+ATP酶对细胞体积有直接调节作用,它可控制细胞内的溶质浓度,继而调节渗透压使细胞肿胀或皱缩。
细胞内溶质浓度很高形成很大的渗透压梯度使水渗入细胞,而动物细胞的细胞外液含有高浓度的Na+、C l-等无机离子,具有对抗渗透压作用。
Na+-K+ATP酶通过不断泵出顺电化学梯度漏出的Na+维持渗透压的平衡,C l-通过膜电位驱出细胞外。
真核细胞的胞浆内只有很低浓度的游离Ca2+,而细胞外浓度却很高,即使只有少量的Ca2+内流,也可造成胞浆内C a2+浓度急剧升高,Ca2+可对细胞外信号反应顺其浓度梯度内流入细胞,这种内流是快速传递跨膜信号的一种方式,维持这种陡峭的Ca2+浓度梯度对于细胞来说非常重要,Ca2+浓度梯度部分由胞膜的C a2+泵主动转运C a2+出细胞来维持,C a2+泵实际上是分布在细胞膜上的Ca2+-ATP酶。
Ca2+-ATP酶可通过研究Na+-K+ATP 酶同样方法进行生化分析,结果发现其功能基本相似,DNA序列分析表明,Na+-K+ATP 酶和C a2+-ATP酶是同源蛋白,据认为这两种酶均有许多异构型的大催化亚单位,都含有几种跨膜A-螺旋结构,在泵运循环中反复被磷酸化和去磷酸化。
2.2 离子浓度梯度可驱动主动转运 有许多主动转运的驱动力不是来源于ATP水解所释能量而是贮存于离子浓度梯度的能量,在一个无机离子顺电化学梯度运动时,自由能便释放出驱动泵运其它溶质逆其电化学梯度转运,这样所有这些蛋白都起双转运子功能——一些是同向转运而另一些是反向转运,在动物细胞膜上Na+是一很常见的协同转运离子,即其电化学梯度可提供对另一分子主动转运的驱动力,在转运过程中Na+首先进入细胞,随后被Na+-K+ATP酶泵出细胞外,这一过程通过维持Na+浓度间接驱动转运。
大多数大分子的结构和功能受pH值很大影响,许多蛋白质在特定的pH值工作状态最佳,所以在多数细胞的胞膜上有一种或多种调节细胞内(胞浆)pH的Na+驱动反向转运子,保持pH值在7.2左右,这些蛋白质通过利用贮存在Na+梯度中的能量去除过剩的H+而降低酸性,去除过剩的H+有两个作用机理:H+直接转运出细胞或HCO-3进入胞内中和胞浆。
3 膜的离子通道及其电化学特性〔7,8〕与载体蛋白不同,通道蛋白可形成跨膜的亲水孔,将胞浆与细胞外间隙连接起来形成一狭窄高度选择性通透小孔,这些蛋白只特异性转运无机离子,所以被称为离子通道,其转运效率极快,每一通道1s可转运100万以上的离子,比目前所知任何一种载体的转运效率快1000倍以上。
另一方面,通道不能耦联能量进行主动转运,所以它们介导的转运总是被动的(顺浓度梯度),这样离子通道的功能即是允许特异的无机离子,主要是Na+,K+,C a2+或Cl-快速地顺其电化学梯度跨膜扩散。
3.1 离子通道是一个能够开启和关闭的具有离子选择性的通道 离子通道有别于简单的透水孔主要有以下两种重要特性:第一,它们具有离子选择性,只允许特定离子通透,这表示它们的孔径很小,只允许通透的离子贴紧通道壁进行转运,所以只有大小、电荷合适的离子才能通透,据认为,被转运的离子必须去除所携带的水分子才能穿透通道的狭窄部位,因为所携带的水分子会影响转运速率,这样当离子浓度上升时,通过通道的离子流动速率就会成比例地增加,但最终会达到最大速率。
第二,离子通道并不是连续开放的,它是可短暂开放,随即又关闭的闸门,闸门在特定的刺激下开放,目前所知可使离子通道开放的主要刺激为跨膜的电压变化(电压闸门通道,voltage-gated channels),机械力(机械闸门通道,mechanically gated channels)或配体结合(配体闸门通道,ligand gated channels),配体可为细胞外介质,如特异的神经递质(递质闸门通道,transmitter-gated channels),也可为细胞内介质,如一种离子(离子闸门通道,ion-gated channels)或一种核苷酸(核苷酸闸门通道,nucleotide-gated channels),许多离子通道的活性除蛋白的磷酸化和去磷酸化,还受其它因素调控(图2)。