细胞生物学(翟中和)物质的跨膜运输

第五章物质的跨膜运输

物质跨膜转运主要有3种途径：被动运输、主动运输、胞吞与胞吐作用（膜泡运输）。

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

细胞膜上存在2类主要的转运蛋白，即：载体蛋白（carrier protein）和通道蛋白（channel protein）。

载体蛋白和通道蛋白识别转运物质的方式不同：载体蛋白只允许与其结合部位相适合的溶质分子通过，而且每次转运都发生自身构象的改变；通道蛋白主要根据溶质大小和电荷进行辨别，通道开放时，足够小和带适当电荷的溶质就能通过。

（一）载体蛋白及其功能

载体蛋白为多次跨膜蛋白，又称做载体（carrier）、通透酶和转运器（transporter），能够与特定溶质结合，通过自身构象的变化，将与它结合的溶质转移到膜的另一侧。

载体蛋白既可以执行被动运输、也可执行主动运输的功能。

（二）通道蛋白及其功能

通道蛋白有3种类型：离子通道、孔蛋白、水孔蛋白（AQP）。

?只介导被动运输。

1. 选择性离子通道，具有如下显著特征：

?离子选择性（相对的）

?转运离子速率高没有饱和值

?大多数具门控性

分为：电压门通道、配体门通道、应力激活通道

电位门通道举例：

电位门通道（voltage gated channel）是对细胞内或细胞外特异离子浓度发生变化时，或对其他刺激引起膜电位变化时，致使其构象变化，“门”打开。

如：神经肌肉接点由Ach门控通道开放而出现终板电位时，这个电位改变可使相邻的肌细胞膜中存在的电位门Na+通道和K+通道相继激活（即通道开放），引起肌细胞动作电位；动作电位传至肌质网，Ca2+通道打开引起Ca2+外流，引发肌肉收缩。

配体门通道举例——乙酰胆碱门通道

N型乙酰胆碱受体是目前了解较多的一类配体门通道。它是由4种不同的亚单位组成的5聚体，总分子量约为290kd。亚单位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。

Ach（乙酰胆碱）门通道具有具有3种状态：开启、关闭和失活。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，然后引起肌细胞动作电位，肌肉收缩。

即使在结合Ach时，Ach门通道也处于开启和关闭交替进行的状态，只不过开启的概率大一些（90%）。Ach释放后，瞬间即被乙酰胆碱酯酶水解，通道在约1毫秒内关闭。如果Ach存在的时间过长（约20毫秒后），则通道会处于失活状态。

应力激活通道（机械门通道）

细胞可以接受各种各样的机械力刺激，如摩擦力、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最终引起细胞反应的过程称为机械信号转导（mechanotransduction）。

内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力敏感的感受装置，听毛弯曲时，毛细胞会出现暂短的感受器电位。

2. 孔蛋白

存在于革兰氏阴性细菌的外膜、线粒体和叶绿体的外膜上，跨膜区域由β折叠片层形成柱状亲水性通道，选择性较低，能通过较大分子（如线粒体外膜孔蛋白允许分子量为5×103的分子通过。）。

3. 水孔蛋白：水分子的跨膜通道（水通道）

水通道和水孔蛋白的发现

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。

水分子的简单扩散速度缓慢。

对于某些特殊的组织和特殊功能来说，水分子通过水孔的快速跨膜转运是非常重要的。如肾小管对水的重吸收、从脑中排除额外的水、唾液和眼泪的形成等。

水孔蛋白（Aquaporin，AQP）是内在膜蛋白的一个家族，具有选择性让水分子通过的特性。

水通道特异性容许水通过，不容许离子或其他小分子溶质通过，机制尚不完全清楚，已知：（1）与通道内2个半跨膜区的Asn-Pro-Ala模式有关，其中的Asn残基所带的正电荷排除了质子的通过；

（2）通道内有高度保守的氨基酸残基（Arg、His、Asp）侧链与通过的水分子形成氢键；

（3）水通道非常狭窄。

二、小分子物质的跨膜运输类型

根据是否需要膜转运蛋白参与以及细胞是否提供能量，跨膜运输分为3种类型：简单扩散、被动运输（协助扩散）、主动运输。

（一）简单扩散

疏水小分子或不带电荷的极性小分子的一种跨膜转运方式，也叫自由扩散（free diffusing），特点是：①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；②不需要细胞提供能量；③没有膜蛋白的协助。

脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；非极性分子比极性容易透过，小分子比大分子容易透过。

具有极性的水分子容易穿膜可能是因为水分子非常小，可以通过由于膜脂运动而产生的间隙。（二）被动运输

也称协助扩散（faciliatied diffusion），是各种极性小分子和无机离子（如糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等）在膜转运蛋白的“协助”下，顺浓度梯度或电化学梯度、不需要细胞提供能量的一种物质跨膜转运方式。

这类膜转运蛋白主要有：载体蛋白、通道蛋白2种类型。

(三) 主动运输

主动运输是由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由低浓度一侧向高浓度一侧进行跨膜转运的方式，需要与某种释放能量的过程相耦联。

由载体蛋白介导

?逆浓度梯度或电化学梯度

?需要与某种释放能量过程相偶联

根据所需能量来源，将主动运输归为3种基本类型：

1.ATP驱动泵（为转运ATP酶，直接水解ATP提供能量，与小分子或离子逆电化学梯度跨膜

转运相偶联，因此称起其介导的主动运输为初级主动运输）

2.协同转运蛋白或耦联转运蛋白（使一种离子或分子的逆浓度梯度转运与一种或多种离子的顺

浓度梯度耦联；同向协同转运蛋白、反向协同转运蛋白；所需能量来自协同转运的溶质的电化学梯度，因此称起其介导的主动运输为次级主动运输）

3.光驱动泵（利用光能运输物质，见于细菌，如菌紫红质利用光能驱动H+的转运）。

协同转运

协同转运（cotransport）是一类靠A TP间接提供能量，通过A TP泵与载体蛋白协同完成的主动运输方式。

物质跨膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵（需要消耗A TP）。

动物细胞中常常利用质膜两侧Na+浓度梯度和细胞器膜两侧的H+浓度梯度来驱动；

植物细胞、酵母和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。

根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：

同向协同转运（symport）与反向协同（antiport）转运。

1．同向协同转运

物质运输方向与离子转移方向相同。

如动物小肠细胞对对葡萄糖、氨基酸等的吸收就是伴随着Na+的进入，细胞内的Na+离子又被钠钾泵泵出细胞外，细胞内始终保持较低的钠离子浓度，形成电化学梯度。

在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入，每转移1个H+吸收1个乳糖分子。

2、反向协同转运

物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反。

如动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的方式来转运H+以调节细胞内的PH值，即Na+的进入胞内伴随者H+的排出。（此外质子泵可直接利用ATP运输H+来调节细胞PH值。）

第二节ATP驱动泵与主动运输

ATP驱动泵将ATP水解释放能量，与小分子物质或离子逆电化学浓度跨膜运输偶联，因此称为转运ATPase。

ATP驱动泵可分为4类:

P型泵、V型质子泵、F型质子泵、ABC超家族。

前3种只转运离子，后1种主要转运小分子。

一、P型泵

“P” type stands for phosphorylation

所有的P型泵都有2个独立的α催化亚基，具有ATP结合位点；绝大多数还有2个起调节作用的小的β亚基。

在转运离子过程中至少有1个α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。

由于转运转运泵水解ATP使使自身形成磷酸化中间体，因此称作P型泵。

（一）Na+-K+泵

只在动物细胞膜发现。

1. 钠钾泵的结构和转运机制

图5-8 Na+-K+泵的结构（A）与工作模式（B）示意图

A Model Mechanism for the Na+/K+ ATPase

又称Na+-K+ATPase，由2个α亚基、2个β亚基组成的4聚体。β亚基是糖基化的多肽，不直接参与离子跨膜转运，但帮助在内质网新合成的α亚基进行折叠。

Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化（去磷酸化时与Na+亲和性高，磷酸化时与K+亲和性高），从而实现离子跨膜转运。

在膜内侧Na+与α亚基结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，α亚基上的一个天冬氨酸残基被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+、而与K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。

其总的结果是每一磷酸化和去磷酸化循环消耗1个ATP；转运出3个Na+，转进2个K+。2. Na+-K+泵主要生理功能

（1）维持细胞膜电位

细胞质膜两侧均具有电位差，称为膜电位。膜电位是膜两侧的离子浓度不同形成的。细胞静息膜电位为外正内负。Na+-K+泵对于膜电位的形成有重要作用。这对神经冲动的传播有重要作用。（2）维持动物细胞渗透平衡

Na+-K+泵维持低Na+、高K+的细胞内环境，不断将Na+泵出细胞外，维持了细胞的渗透平衡，对于保持细胞的体积，维持细胞正常的生命活动非常必要。

动物细胞靠Na+-K+泵维持渗透平衡；

植物细胞依靠细胞壁防止膨胀和破裂，耐受较大的跨膜渗透差异，并具有相应的生理功能，如保持茎坚挺和调节气孔的气体交换等。

一些原生动物（如草履虫）通过收缩泡收集和排除过量的水。

（3）吸收营养

动物细胞对葡萄糖、氨基酸等有机物的跨膜吸收的能量来自蕴藏在膜两侧的Na+的电化学梯度中的势能。如在Na+驱动下，葡萄糖跨膜转运入小肠上皮细胞，然后再经GLUT2协助扩散进入血液，完成葡萄糖的吸收。

动物细胞利用膜两侧的Na+电化学梯度协同转运吸收营养物；而植物、真菌和细菌细胞通常利用质膜上的H+-ATPase形成的H+电化学梯度来吸收营养物，如某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+从细胞质膜外进入细胞，酶每转移1个H+，吸收1个乳糖分子。

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）Ca2+泵和其他P型泵

1．Ca2+泵的结构和功能

细胞内Ca2+泵有2类：

一是P型Ca2+泵，其作用原理与钠钾泵相似，每分解1个ATP分子，泵出2个Ca2+。

另一类叫做钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同运输体系（antiporter），通过钠钙交换来转运钙离子。（耦联转运蛋白泵）

Ca2+泵对调节肌细胞的收缩运动至关重要：

位于肌质网（sarcoplasmic reticulum，肌肉细胞内质网）上的Ca2+泵是了解最多的一类P型离子泵，占肌质网膜蛋白质的90%以上。肌质网是一类特化的内质网，形成网管状结构位于细胞质中，具有贮存钙离子的功能。

肌细胞膜去极化后引起肌质网上的Ca2+通道打开，大量Ca2+进入细胞质，引起肌肉收缩之后由Ca2+泵将Ca2+泵回肌质网。

2．P型H+ 泵

H+ -ATPase:分布在植物、真菌、细菌质膜，将H+泵出细胞，建立和维持H+电化学梯度（类似于动物细胞的Na+-K+泵建立和维持的Na+的电化学梯度），在溶质次级运输、胞质pH的

控制、细胞生长控制（通过植物细胞壁的酸化）等方面有重要作用。

二、V-型质子泵和F-型质子泵（H+ 泵）

除了P-型质子泵外，还有V-型质子泵和F-型质子泵。

1．V-型质子泵（膜泡质子泵）

多位于小泡（v acuole）的膜上，故称V型质子泵。由多亚基构成，水解A TP产生能量，但不发生自磷酸化，将质子逆电化学梯度从胞质泵进细胞器，以维持细胞质基质pH中性和细胞器内的酸性。

位于溶酶体膜、动物细胞的胞内体膜、植物液泡膜和某些细胞质膜上。

2．F-型质子泵（H+—A TP合酶，H+—ATP synthase）

F是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子（factor）的缩写。

F型质子泵位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上，是由多亚基构成的管状结构，H ＋顺电化学梯度运动，所释放的能量与A TP合成耦联起来（如光合磷酸化、氧化磷酸化），所以也叫

H+—A TP合酶（即F1F0—ATP synthase）。

F—型质子泵不仅可以利用质子动力势将ADP转化成A TP，也可以利用水解ATP释放的能量转移质子。

三、ABC 超家族

（一）ABC转运蛋白的结构与工作模式

ABC转运器（ABC transporter）最早发现于细菌，是细菌质膜上的一种转运ATP酶（transport ATPase）。

ABC转运器广泛分布在细菌、植物、动物和人类等各种生物中，属于一个庞大而多样的蛋白家族，每个成员都含有2个高度保守的A TP结合区（A TP b inding c assette），故名ABC转运器。

作用：

1）转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、蛋白质、磷脂、亲脂性药物、胆固醇和其他小分子物质，维持细胞正常生理活动，将天然毒物和代谢废物排除体外。

2）ABC转运器还可催化脂双层的脂类在两层之间翻转，这在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。

（二）ABC转运蛋白与疾病

多药抗性蛋白（multidrug resistance protein, MDR）：

癌细胞中过表达，将药物泵出细胞外，降低了化学治疗的疗效。

第一个被发现的真核细胞的ABC转运器是多药抗性蛋白（multidrug resistance protein, MDR），该基因通常在肝癌患者的癌细胞中过表达，将通过简单扩散进入到细胞中的治疗药物（秋水仙碱、长春花碱等——阻断微管组装）泵出细胞外，降低了化学治疗的疗效，需要增加剂量。约40%的患者的癌细胞内该基因过度表达。

ABC转运器还与病原体对药物的抗性有关。

一些人类遗传病的发生与ABC转运蛋白功能改变有关：

如囊性纤维化。

四、离子跨膜转运与膜电位

1．膜电位：细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差。

2．静息电位：细胞在静息状态下的膜电位。

3．动作电位：在刺激条件下产生行使通讯功能的快速变化的膜电位。

4．极化：静息电位是细胞膜内外相对稳定的电位差，膜内为负，膜外为正，这种现象称为极化。

静息膜电位的外正内负极化现象，在动物细胞主要是通过Na+-K+泵使Na+外高内低、K+外低内高，以及静息状态下门控的K+渗漏通道（通常是开放的，而其他离子如Na+、Cl-、Ca2+通道通常是关闭的）使K+顺化学梯度流出胞外（其他离子如Cl-甚至净电荷为负的蛋白质分子对静息膜电位的大小也有一定影响）；

在植物和真菌细胞，静息膜电位的外正内负极化现象的维持主要是通过A TP驱动的质子泵将大量H+从细胞内转运到细胞外。

5．电压感受器：电压门离子通道的特殊的带电荷的蛋白结构域，对膜电位的变化极端敏感，从而控制通道蛋白转换其关—开构象。

6．去极化、反极化、再极化和超极化：细胞接受阈值刺激时（刺激信号为电信号或化学信号，只有达到一定刺激阈时，动作电位才会出现，是一种“全”或“无”的正反馈阈值），Na+通道打开，瞬时大量Na+流入细胞内，静息膜电位减小乃至消失，称为去极化；当细胞内Na+进一步增加达到Na+平衡电位，形成瞬间内正外负的动作电位，称为质膜的反极化；随着Na+大量进入细胞时，Na+通道从失活到关闭，电压门K+通道打开，K+流出细胞从而使质膜再度极化，以至于超过原来的静息电位，

此时称为超极化。超极化时膜电位使K+通道关闭，膜电位又恢复至静息状态。

细胞质膜膜电位具有重要的生物学意义，特别是在神经、肌肉等可兴奋细胞中，是化学信号或电信号引起的兴奋传递的重要方式。

第三节胞吞作用与胞吐作用

大分子与颗粒性物质（如蛋白质、多核苷酸、多糖、代谢废物等）的跨膜运输在真核细胞通过胞吞作用（endocytosis）和胞吐作用（exocytosis）来完成。

在转运过程中，转运物质包裹在脂双层膜包被的囊泡中，因此又称膜泡运输。

膜泡运输涉及膜的融合与膜泡分离，需要能量，属于主动运输。

膜泡运输常常可同时转运1种以上数量不等的大分子和颗粒性物质，因此有人称之为批量运输。

胞吞作用: 通过质膜内陷形成囊泡(胞吞泡),将转运物质摄取到细胞内的过程。

胞吐作用：细胞内合成的生物分子（蛋白质和脂质等）和代谢物以分泌泡的形式与质膜融合而将内含物分泌到细胞表面或细胞外的过程。

一、胞吞作用的类型

根据胞吞泡形成的分子机制和大小，胞吞作用分为2种类型：吞噬作用、胞饮作用。

（一）吞噬作用

吞噬作用：胞吞物为较大的颗粒物质（如细菌、细胞碎片等），为一信号触发过程，吞噬泡较大（直径大于250 mm）、形成需要微丝及其结合蛋白的帮助（如用降解微丝的药物如细胞松弛素B处理细胞，可阻断吞噬泡的形成，但胞饮作用仍继续进行）。

吞噬作用是原生动物获取食物的主要方式（将胞外的营养物摄取到吞噬体最后在溶酶体中消化成小分子物质供细胞利用。）。

在高等多细胞生物中，吞噬作用往往发生在特化的吞噬细胞（如巨噬细胞和中性粒细胞），除摄取营养外，主要是清除侵染机体的病原体以及衰老或凋亡的细胞。

（二）胞饮作用

胞饮作用：胞吞物为液体或极小的颗粒物质，胞饮泡较小（直径小于150mm），为连续发生的组成型过程，几乎发生在所有类型的真核细胞。

分为4种类型：网格蛋白依赖的胞吞作用、胞膜窖依赖的胞吞作用、大型胞饮作用、非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用。

其中，了解最多的胞饮作用是网格蛋白依赖的胞吞作用。

受体介导的胞吞作用：

?根据胞吞的物质是否有专一性，胞吞作用分为非特异性胞吞作用和受体介导的胞吞作用

?受体介导的胞吞作用是一种选择性浓缩机制，既可保证细胞大量地摄入特定的大分子，同时

又避免了吸入细胞外大量的液体。

胆固醇、运铁蛋白、生长因子、胰岛素等蛋白类激素、糖蛋白、维生素B12等，都是通过受体介导的内吞作用进行的。

受体介导的胞吞作用也被某些病毒利用，流感病毒和AIDS病病毒（HIV）就是通过受体介导的胞吞途径侵染细胞的。

受体介导的胞吞作用举例——胆固醇的摄取

胆固醇主要在肝细胞中合成，在血液中是与磷脂和蛋白质形成低密脂蛋白（low-density lipoproteins，LDL）的形式运输。LDL颗粒的质量为3X106Da，直径20~30nm，芯部含有大约1500个胆固醇分子，这些胆固醇分子被酯化成长链脂肪酸。芯部周围由一脂单层包围，脂单层包含磷脂

分子和未酯化的胆固醇以及一个非常大的单链糖蛋白质(apolipoprotein B-100)，这个蛋白质分子可以和靶膜上的受体结合。

图LDL的结构

当细胞进行膜合成需要胆固醇时，细胞即合成LDL跨膜受体蛋白，并将其嵌插到质膜中。受体与LDL颗粒结合后，形成衣被小泡；进入细胞质的衣被小泡随即脱掉笼形蛋白衣被，成为平滑小泡，同早期内体融合，内体中PH值低，使受体与LDL颗粒分离；再经晚期内体将LDL送人溶酶体。

在溶酶体中，LDL颗粒中的胆固醇酯被水解成游离的胆固醇而被利用。

细胞对胆固醇的利用具有调节能力，当细胞中的胆固醇积累过多时，细胞即停止合成自身的胆固醇，同时也关闭了LDL受体蛋白的合成途径，暂停吸收外来的胆固醇。有的人因为LDL受体蛋白编码的基因有遗传缺陷，造成血液中胆固醇含量过高，因而会过早地患动脉粥样硬化症

（atherosclerosis），这种人往往因易患冠心病而英年早逝。

图5-16 LDL通过受体介导的胞吞作用进入细胞

在胞吞过程中，胞内体是膜泡运输的主要分选站之一，其中的酸性环境在分选过程中起关键作用。

在受体介导的胞吞作用过程中，不同类型的受体具有不同的胞内体分选途径：

①大部分受体返回它们原来的质膜结构域，如LDL受体又循环到质膜再利用；

②有些受体不能再循环而是最后进入溶酶体，在那里被消化，如与表皮生长因子（epidermal

growth factor，EGF）结合的细胞表面受体，大部分在溶酶体被降解，从而导致细胞表面EGF受体浓度降低，称为受体下行调节（receptor down-regulation）；

③有些受体被运至细胞另一侧的质膜，该过程称作跨细胞转运（穿胞运输，transcytosis）。在

具有极性的上皮细胞，这是一种将内吞作用与外排作用相结合的物质跨膜转运方式，即转运的物质通过内吞作用从上皮细胞的一侧被摄人细胞，再通过外排作用从细胞的另一侧输出。如母鼠的抗体从血液通过上皮细胞进入母乳中，乳鼠肠上皮细胞将抗体摄人体内，都是通过跨细胞的转运完成的。

胞吞作用的意义：

是真核细胞调节营养物内化、信号转导、质膜更新的重要方式。

二、胞吞作用与细胞信号转导

三、胞吐作用

胞内物质由膜泡包围运送到质膜下方，与质膜融合，将物质排到细胞外的过程。

?排出物质通常有：

（1）分泌产物；

（2）残渣

?膜融合需要：

（1）能量

（2）某种融合蛋白参与催化

胞吐作用分为２类途径：

１．组成型胞吐途径：所有真核细胞都有从高尔基体TGN区分泌囊泡向质膜运输的过程。其作用在于更新膜蛋白和膜脂、形成质膜外周蛋白、细胞外基质、或作为营养成分和信号分子。

２．调节型胞吐途径：特化细胞，如脑垂体细胞分泌促肾上腺皮质激素、胰岛β细胞分泌胰岛素、胰腺腺泡细胞分泌胰蛋白酶原。分泌细胞产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。