跨膜运输

据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的15~30%，细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的2/3。

细胞膜上存在两类主要的转运蛋白，即：载体蛋白（carrier protein）和通道蛋白（channel protein）。

载体蛋白又称做载体（carrier）、通透酶（permease）和转运器（transporter），有的需要能量驱动，如：各类APT驱动的离子泵；有的则不需要能量，如：缬氨酶素。

通道蛋白能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过，所有通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质。

第一节 被动运输

一、简单扩散

也叫自由扩散（free diffusion）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没有膜蛋白的协助。

某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数（D）来计算：

P=KD/t

t为膜的厚度。

人工膜对各类物质的通透率：

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，极性不带电荷小分子，如H2O、O2等可以透过人工脂双层，但速度较慢；

小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过；

人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。

二、协助扩散

也称促进扩散（facilitated diffusion）。

特点： ①比自由扩散转运速率高； ②运输速率同物质浓度成非线性关系；③特异性；饱和性。

载体：离子载体和通道蛋白两种类型。

（一）离子载体（ionophore）

是疏水性的小分子，可溶于双脂层，多为微生物合成，是微生物防御或与其它物种竞争的武器。

分为两类：

可动离子载体（ mobile ion carrier ） ： 如缬氨霉素（valinomycin）是一种由三个重复部分构成的环形分子，能顺浓度梯度转运K+。DNP和FCCP可转运H+。

通道离子载体（ channel former ） ： 如短杆菌肽A（granmicidin），是由15个疏水氨基酸构成的短肽，2分子形成一个跨膜通道，有选择的使单价阳离子如H+、Na+、K+按化学梯度通过膜。

（二）通道蛋白（channel protein）

是跨膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。

有些通道蛋白长期开放，如钾泄漏通道；

有些通道蛋白平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，又称为门通道（gated channel）。主要有4类：电位门通道、配体门通道、环核苷酸门通道、机械门通道。

1、配体门通道(ligand gated channel)

特点：受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生构象变化， “门”打开。又称离子通道型受体。

可分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受体，和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸受体。

Ach受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，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。

2、电位门通道(voltage gated channel)

特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时，致使其构象变化，“门”打开。

K+电位门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜α螺旋(S1-S6) ，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样β折叠(P区或H5区)，构成通道的内衬，大小可允许K+通过。

K+通道具有三种状态：开启、关闭和失活。目前认为S4段是电压感受器。

Na+、K+、Ca2+三种电压门通道结构相似，在进化上是由同一个远祖基因演化而来。

3、环核苷酸门通道

CNG通道与电压门钾通道结构相似，也有6个跨膜片段。细胞内的C末端较长，上面有环核苷酸的结合位点。

CNG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。

如气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道（cAMPgatedcation channel），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

感受摩擦力、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，引起细胞反应的过程称为机械信号转导（mechanotransduction ）。

目前比较明确的有两类机械门通道，其一是牵拉活化或失活的离子通道，另一类是剪切力敏感的离子通道，前者几乎存在于所有的细胞膜（如：血管内皮细胞、心肌细胞、内耳毛细胞），后者仅发现于内皮细胞和心肌细胞。

牵拉敏感的离子通道的特点：对离子的无选择性、无方向性、非线性以及无潜伏期。为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主。

5、水通道

水扩散通过人工膜的速率很低，人们推测膜上有水通道。

1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 （28 KD ），他将CHIP28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，5 分钟内破裂。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。

2003年Agre与离子通道的研究者MacKinnon同获诺贝尔化学奖。

目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。

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。

第二节、主动运输

主动运输的特点是：

①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；

②需要能量；

③都有载体蛋白。

主动运输所需的能量来源主要有：

①协同运输中的离子梯度动力；

②ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量；

③光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。

一、钠钾泵

构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，实际上就是Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。

工作原理：

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。在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，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。其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。

钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程（ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象变化），所以这类离子泵叫做P-type。

Na+-K+泵的作用：

①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；

②维持低Na+高K+的细胞内环境；

③维持细胞的静息电位。

地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。

二、钙离子泵

作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子浓度10-7M，细胞外10-3M）。

位置：质膜和内质网膜。

类型：

P型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。

钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。

三、质子泵

1、P-type：利用ATP自磷酸化发生构象的改变来转移质子，如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。

2、V-type：存在于各类小泡(vacuole) 膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上。

3、F-type：是由许多亚基构成的管状结构，利用质子动力势合成ATP，也叫ATP合酶，位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上。

四、ABC 转运器

ABC转运器（ABC transporter）最早发现于细菌，属于一个庞大的蛋白家族，每个成员都有两个高度保守的ATP结合区（ATP binding cassette），故名ABC转运器。

每一种ABC转运器只转运一种或一类底物，不同的转运器可转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质。ABC转运器还可催化脂双层的脂类在两层之间翻转，在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。

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），约40%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。

五、协同运输cotransport

是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。

物质跨膜运动所需要的能量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。

动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。

植物细胞和细菌常利用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（ symport ） 与反向协同（antiport）。

1、同向协同（symport）

物质运输方向与离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入。

2、反向协同（antiport）

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。还有一种机制是Na+驱动的Cl--HCO3-交换，即Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流，如存在于红细胞膜上的带3蛋白。

第三节、膜泡运输的基本概念

真核细胞通过内吞作用（ endocytosis）和外排作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。在转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输。细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用（cytosis）。

一、吞噬作用

细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。

二、胞饮作用

细胞吞入液体或极小的颗粒物质。

三、外排作用exocytosis

包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融，将物质排出细胞之外。

四、穿胞运输

在细胞的一侧形成胞饮小泡穿越细胞质，另一侧使小泡中的物质释放出去。如：

肝细胞从血窦中吸收免疫球蛋白A（IgA），通过穿胞运输输送到胆微管；

大鼠中，母鼠血液中的抗体经穿胞运输进入乳汁。

五、胞内膜泡运输

细胞内膜系统各个部分之间的物质传递也通过膜泡运输方式进行。如从内质网到高尔基体；高尔基体到溶酶体等。