5第五章 物质的跨膜运输与信号传递1

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+。
2. Passive transport and active transport;
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.
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）
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。
CNG通道中，细胞内的C末端较长，含环 核苷酸的结合位点。
环核苷酸门通道分布于化学感受器和光感受 器中，与膜外信号的转换有关。
气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体 结合，激活腺苷酸环化酶产生cAMP，开启cAMP门 控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产 生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。
4、机械门通道


研究表明，当内皮细胞被牵拉 时，由于通道开放引起Ca2+内流， Ca2+可作胞内信使，使以Ca2+介导 的血管活性物质分泌增多，导致进 一步的反应。

内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉 力敏感的感受装臵，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。
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。
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。
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。
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 NucleotideGated Ion Channels)
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： （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

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； 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；
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。

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。
2、电位门通道 （voltage-gated channel）


纯化的CHIP28臵入脂质体，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。 在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中已发现35种这类水通道。

河豚毒素（Tetrodotoxin，TTX）能阻滞 钠通道，毒素带正电荷的胍基伸人钠通道的 离子选择性过滤器，和通道内壁上的游离羧 基结合，毒素其余部分堵塞通道外侧端，妨 碍钠离子进入，导致肌肉麻痹。
3、环核苷酸门通道
CNG通道与电压门通道家族关系密切， 从蛋白质序列看，与电压门钾通道结构相似， 通道为四聚体结构，每个亚基也有6个跨膜 片段，P区构成孔道内侧。

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。
(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。
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。 该过程需顺着浓度梯度，不需要额外的 能量。
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。

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。 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）

二、 主动运输
一）、特点： 1、依赖载体蛋白。 2、逆浓度或电化学梯度运输； 3、需要能量(由ATP直接供能)或与释放 能量的过程偶联(协同运输)； 4、具选择性和特异性。
主动运输所需的能量来源主要有： 1、水解ATP提供能量：Na/K泵 2、离子浓度梯度动力：协同运输 3、光能驱动，如细菌
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。
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。
S4段被认为是电压感受器， 它高度保守， 属疏水片段，但每隔两个疏水残基有一个带 正电的Arg或Lys。S4段上的正电荷可能是门 控电荷，膜去极化时(膜外-，膜内+)，引起 带正电的氨基酸转向胞外侧面，通道蛋白构 象改变，“门”打开。 K+电位门和Ach配体门一样，只是瞬间 (几毫秒)开放，然后失活，此时N端的球形 结构，堵塞在通道中央，通道失活，稍后球 体释放，“门”处于关闭状态。