细胞生物学 物质的跨膜运输

物质的跨膜运输
现象：cell 内外离子浓度差原因
取决于膜转运蛋白活性脂双层的疏水特征
膜转运蛋白
载体蛋白(通透酶)特性①
1、多次跨膜蛋白；
2、载体蛋白与特异的溶质结合后，通过自身构象的改变以实现物质的跨膜转运；
3、对底物具有高度选择性，通常只转运一种类型的分子；
4、转运过程具有类似于酶与底物作用的饱和动力学特征，可被底物类似物竞争性抑制，也可被抑制剂非竞争性抑制；
5、对pH 有依赖性
通道蛋白特性②通道蛋白通过形成亲水性通道实现对特异溶质的跨膜转运
类型
离子通道(ion channel)特性③
1、对离子的选择取决于通道的直径，形状
及通道内带电氨基酸的分布；
2、具有极高的转运速率；
3、与载体蛋白不同，离子通道没有饱和性；
4、非连续性开放，而是门控的
孔蛋白(porin)
分布④存在于革兰氏阴性细菌的外膜以及线粒体和叶绿体的外膜上特性⑤
孔蛋白选择性很低，能通过较大的分子
水孔蛋白(AQP)研究模型-血红细胞
结构特征⑥转运特点⑦
对水分子特异通透性，同时能有效阻止质子的通过，这可能与Asn-Pro-Ala 肽段有关
小分子物质跨膜转运类型
简单扩散
以热自由运动能方式顺着电化学梯度或浓度梯度直接穿过脂双层
影响简单扩散溶质的通透性因素
分子大小极性与非极性电荷量
被动运输/协助扩散
在膜转运蛋白协助下，顺着电化学梯度或浓度梯度的扩散方式
例子
葡萄糖转运蛋白(GLUT)水孔蛋白
主动运输
由载体蛋白所介导的物质逆化学梯度或浓度梯度进行跨膜转运的方式
根据能量来源分
ATP 驱动泵⑧
协同转运/偶联转运蛋白同向协同
小肠上皮细胞肾小管上皮细胞反向协同Na +/H +交换载体
光驱动泵
菌紫红质
载体蛋白
通道蛋白
参与运输的类型 协助扩散、主动运输 被动运输 在膜上状态 可移动，转运底物
固定
类型 多，根据不同底物有不同的类型 离子通道、孔蛋白、水孔通道
运输方式 通过自身构象改变实现物质跨膜运输 通过形成亲水通道实现对特异溶质的跨膜运输
运输方向 逆化学梯度或者度梯度运输 顺化学梯度或浓度梯度运输 耗能 消耗ATP
不消耗能量 饱和性 具有饱和动力学特性 没有饱和性
选择性 对底物高度选择性
离子通道有选择性；孔蛋白选择性较低；水孔蛋白只允许水分子通过
相同点
化学本质均为蛋白质、分布均在细胞的膜结构中、都有控制特定物质跨膜运输的功能
①载体蛋白特性(通透酶)：
1、多次跨膜蛋白；
2、载体蛋白与特异的溶质结合后，通过自身构象的改变以实现物质的跨膜转运；
3、对底物具有高度选择性，通常只转运一种类型的分子；
4、转运过程具有类似于酶与底物作用的饱和动力学特征，可被底物类似物竞争性抑制，也可被抑制剂非竞争性抑制；
5、对pH 有依赖性
通道蛋白通过形成亲水性通道实现对特异溶质的跨膜转运。

1、对离子的选择取决于通道的直径，形状及通道内带电氨基酸的分布；
2、具有极高的转运速率；
3、与载体蛋白不同，离子通道没有饱和性；
4、非连续性开放，而是门控的。

存在于革兰氏阴性细菌的外膜以及线粒体和叶绿体的外膜上。

孔蛋白选择性很低，能通过较大的分子。

1、四个亚基组成，每个亚基由6个跨膜α螺旋组成；
2、每个亚基单独形成一个供水分子运动的中央孔，孔的直径稍大于水分子；
对水分子特异通透性，同时能有效阻止质子的通过，这可能与Asn-Pro-Ala 肽段有关。

⑧ATP 驱动泵与主动运输：
A T P 驱动泵与主动运输
分类(离子泵)P 型泵
共性⑨
分类
Na +-K +泵(图⑩)
功能维持细胞膜电位
维持动物细胞渗透平衡吸收营养
Ca 2+泵
结构特征⑾
作用机制⑿
P 型H +泵
将H +泵出细胞，建立和维持跨膜的H +电化学梯度
存在于植物细胞、真菌和细菌细胞质膜（没有Na +-K +泵）
V 型质子泵和F 型质子泵
与P 型泵的区别⒀
V 型泵与F 型泵的比较⒁
ABC 超家族
结构共性
都共享由4个“核心”结构域组成的结构模式
2个跨膜结构域(T)决定底物特异性2个胞质侧ATP 结合域(A)
具有ATPase 活性
作用机制(图⒂)相关疾病⒃
膜电位
典型构型α2β2/ α3β3γεδ四个核心结构域(T2A2)
共性维持细胞内的离子分布，pH值，ABC超家族还与营养物质/代谢废物的转运有关
⑨P型泵的共性：
1、结构上：所有P型泵都具有2个独立的α催化亚基，具有ATP结合位点，绝大多数还具有2个起调节作用的小的β亚基；
2、功能上：在转运例子过程中，至少有一个α催化亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，从而改变转运泵的构象，实现离子的跨膜转运。

图⑩：作用机制：细胞内侧α亚基与
Na+相结合促进ATP水解，α亚基上的一
个天冬氨酸(Asp)残基磷酸化引起α亚
基构象发生变化，将Na+泵出细胞，同时
细胞外的K+与α亚基的另一个位点结合，
使其去磷酸化，α亚基再度发生变化，
将K+泵入细胞，完成整个循环。

每个循
环消耗1个ATP，细胞每秒可发生1000
次循环。

由此可知α磷酸化发生在Na+
结合后，去磷酸化发生在K+结合后。

⑾Ca2+泵的结构特征：
由1000个氨基酸残基组成的跨膜蛋白，含10个跨膜α螺旋，其中3个螺旋形成跨越脂双层的中央通道。

⑿Ca2+泵的作用机制：
Ca2+泵处于非磷酸化状态时，2个通道螺旋中断形成胞质侧结合2个Ca2+的空穴，ATP在胞质侧与其结合位点结合，伴随ATP水解使相邻结构域天冬氨酸(Asp)残基磷酸化，从而导致跨膜螺旋的重排，破坏了Ca2+结合位点并释放Ca2+进入膜的一侧。

Ca2+泵的C端是细胞内钙调蛋白(CaM)的结合位点，当胞内Ca2+浓度升高时，Ca2+与钙调蛋白结合形成Ca2+-CaM复合物并于Ca2+泵结合，从而调节Ca2+泵活性（内质网的Ca2+泵没有钙调蛋白的结合域）。

⒀V型泵和F型泵与P型泵的比较：
与P型泵不同，二者在功能上只能转运质子，并且在转运H+过程中不形成磷酸化的中间体
⒁V型泵与F型泵的比较：
V型泵利用ATP水解供能从细胞质基质中逆H+电化学梯度将H+泵入细胞器，以维持细胞质基质中性和细胞器内酸性；
F型泵则利用质子动力势合成ATP，即当H+顺着电化学梯度通过质子泵时，所释放的能量驱动F型质子泵合成ATP(氧化磷酸化及光合磷酸化有讲)。

图⒂ABC超家族作用机制：
ABC转运蛋白的底物结合位点暴露在胞外一侧(原核细胞)或胞内一侧
(真核细胞)，一旦ATP分子与ABC转运蛋白结合，将诱导ABC转运蛋白2
个ATP结合域二聚化，引起转运蛋白构象改变，使底物结合部位暴露于质
膜另一侧，而ATP水解以及ADP的解离将导致ATP结合域解离，引起转运
蛋白构象恢复原有状态。

⒃与ABC超家族有关的疾病：
肿瘤细胞的抗药性：在多种肿瘤细胞中高度表达多抗药性转运蛋白，
从而降低细胞内药物浓度，导致肿瘤细胞抗药性增强而降低患者化疗效果。

图①
胞吞作用
根据胞吞泡形成的分子机制分
吞噬作用
相关细胞
吞噬细胞中性粒细胞
信号转导靶细胞Fc 区域与吞噬细胞Fc 受体表面结合
参与吞噬的蛋白
微丝→形成伪足
胞饮作用
相关细胞
真核细胞
分类网格蛋白依赖的~(代表)过程：网格蛋白包被小窝→网格蛋白包被膜泡→胞内体流程图①
细胞窖依赖的~大型胞饮作用
非网格蛋白/胞膜窖依赖的~
根据胞吞物质是否具有专一性
受体介导的胞吞作用
胆固醇摄取肝脏合成→与磷脂、蛋白质复合成低密度脂蛋白(LDL)→胞吞LDL →胞内体→溶酶体
胞内体
动物细胞内由膜包裹的细胞器，负责传输胞吞物质到溶酶体详细介绍p82
图解①
非特异性的胞吞作用
与细胞信号转导关系
对信号转导下调通过胞吞，把细胞膜表面受体降解，使信号转导活性下调
对信号转导激活
Notch 信号通路，内吞Notch 受体，降解成有活性的片段，与DNA 结合。