第五章跨膜运输 MEMBRANE TRANSPORT
细胞膜是防止细胞外物质自由进入细胞的屏障，它保证了细胞内环境的相对稳定，使各 种生化反应能够有序运行。但是细胞必须与周围环境发生信息、物质与能量的交换，才能完成 特定的生理功能。因此细胞必须具备一套物质转运体系，用来获得所需物质和排出代谢废物， 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三分之二。 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）,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，以 自由扩散的方式运输物质，如：缬氨酶素。通道蛋白与所转运物质的结合较弱，它能形成亲水 的通道，当通道打开时能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 diffusing),特点是：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=KDt,t为膜的厚度。 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可以很快透过脂双层，不带电荷的极性小分子，如水、 尿素、甘油等也可以透过人工脂双层，尽管速度较慢，分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难 透过，而膜对带电荷的物质如：H、Na、K+、C、HCO3是高度不通透的（图5-1）。 事实上细胞的物质转运过程中，透过脂双层的简单扩散现象很少，绝大多数情况下，物 质是通过载体或者通道来转运的。离子、葡萄糖、核苷酸等物质有的是通过质膜上的运输蛋白 的协助，按浓度梯度扩散进入质膜的，有的则是通过主动运输的方式进行转运
细胞膜是防止细胞外物质自由进入细胞的屏障，它保证了细胞内环境的相对稳定，使各 种生化反应能够有序运行。但是细胞必须与周围环境发生信息、物质与能量的交换，才能完成 特定的生理功能。因此细胞必须具备一套物质转运体系，用来获得所需物质和排出代谢废物， 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三分之二。 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），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，以 自由扩散的方式运输物质，如：缬氨酶素。通道蛋白与所转运物质的结合较弱，它能形成亲水 的通道，当通道打开时能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 diffusing），特点是：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。 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可以很快透过脂双层，不带电荷的极性小分子，如水、 尿素、甘油等也可以透过人工脂双层，尽管速度较慢，分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难 透过，而膜对带电荷的物质如：H+、Na+、K+、Cl—、HCO3—是高度不通透的（图 5-1）。 事实上细胞的物质转运过程中，透过脂双层的简单扩散现象很少，绝大多数情况下，物 质是通过载体或者通道来转运的。离子、葡萄糖、核苷酸等物质有的是通过质膜上的运输蛋白 的协助，按浓度梯度扩散进入质膜的，有的则是通过主动运输的方式进行转运
Na Hydrocarbon Glucose Ca Small uncharged lons Hydrophobic Large uncharged polar molecules molecules polar molecules 图5-1不同物质透过人工脂双层的能力 二、协助扩散 也称促进扩散(faciliatied diffusion),其运输特点是：①比自由扩散转运速率高；②存 在最大转运速率；在一定限度内运输速率同物质浓度成正比。如超过一定限度，浓度再增 加，运输也不再增加。因膜上载体蛋白的结合位点已达饱和；③有特异性，即与特定溶质结 合。这类特殊的载体蛋白主要有离子载体和通道蛋白两种类型。 (一)离子载体 离子载体(ionophore),是疏水性的小分子，可溶于双脂层，提高所转运离子的通透 率，多为微生物合成，是微生物防御被捕食或与其它物种竞争的武器， 离子载体也是以被动的运输方式运输离子，可分成可动离子载体(mobile ion carrier)和通道 离子载体(channel former)两类： 可动离子载体：如缬氨霉素(valinomycin)能在膜的一侧结合K,顺着电化学梯度通过 脂双层，在膜的另一侧释放K+,且能往返进行（图5-2）。其作用机理就像虹吸管可以使玻璃 杯中的水跨越杯壁屏障，向低处流动一样。此外，2,4-二硝基酚(DNP)、羰基-氰-对-三氟甲 氧基苯肼(FCCP)可转运H艹，离子霉素(ionomycin)、A23187可转运Ca2+
图 5-1 不同物质透过人工脂双层的能力 二、协助扩散 也称促进扩散（faciliatied diffusion），其运输特点是： ①比自由扩散转运速率高； ②存 在最大转运速率； 在一定限度内运输速率同物质浓度成正比。如超过一定限度，浓度再增 加，运输也不再增加。因膜上载体蛋白的结合位点已达饱和； ③有特异性，即与特定溶质结 合。这类特殊的载体蛋白主要有离子载体和通道蛋白两种类型。 （一）离子载体 离子载体（ionophore），是疏水性的小分子，可溶于双脂层，提高所转运离子的通透 率，多为微生物合成，是微生物防御被捕食或与其它物种竞争的武器， 离子载体也是以被动的运输方式运输离子，可分成可动离子载体（mobile ion carrier）和通道 离子载体（channel former）两类： 可动离子载体：如缬氨霉素（valinomycin）能在膜的一侧结合 K+，顺着电化学梯度通过 脂双层，在膜的另一侧释放 K+，且能往返进行（图 5-2）。其作用机理就像虹吸管可以使玻璃 杯中的水跨越杯壁屏障，向低处流动一样。此外，2,4-二硝基酚（DNP）、羰基-氰-对-三氟甲 氧基苯肼（FCCP）可转运 H+，离子霉素（ionomycin）、A23187 可转运 Ca2+
Valinomycin CH, H CH为HC Lvaline D-hydroxy.D-valine L-lactic isovalerc acid acid 图5-2缬氨霉素的分子结构 通道离子载体：如短杆菌肽A(gramicidin)是由15个疏水氨基酸构成的短肽，2分子的 短杆菌肽形成一个跨膜通道，有选择的使单价阳离子如H、N、K+按化学梯度通过膜，这种 通道并不稳定，不断形成和解体，其运输效率远高于可动离子载体（图5-3）。 OUTSIDE Hydrophilic OF CELL pore dech3￥n6 CYTOSOL 图5-3短杆菌肽构成的通道 (二)通道蛋白 通道蛋白(channel protein)是衡跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度 通过，故又称离子通道。有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态，如钾泄漏通道，允许钾 离子不断外流。有些通道蛋白平时处于关闭状态，即“门”不是连续开放的，仅在特定刺激下才
图 5-2 缬氨霉素的分子结构 通道离子载体：如短杆菌肽 A（gramicidin）是由 15 个疏水氨基酸构成的短肽，2 分子的 短杆菌肽形成一个跨膜通道，有选择的使单价阳离子如 H+、Na+、K+按化学梯度通过膜，这种 通道并不稳定，不断形成和解体，其运输效率远高于可动离子载体（图 5-3）。 图 5-3 短杆菌肽构成的通道 （二）通道蛋白 通道蛋白（channel protein）是衡跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度 通过，故又称离子通道。有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态，如钾泄漏通道，允许钾 离子不断外流。有些通道蛋白平时处于关闭状态，即“门”不是连续开放的，仅在特定刺激下才
打开，而且是瞬时开放瞬时关闭，在几毫秒的时间里，一些离子、代谢物或其他溶质顺着浓度 梯度自由扩散通过细胞膜，这类通道蛋白又称为门通道(gated channel))。 门通道可以分为四类（图5-4）：配体门通道((ligand gated channel)、电位门通道 (voltage gated channel)、环核苷酸门通道(Cyclic Nucleotide-Gated lon Channels)和机 械门通道(mechanosensitive channel)。 不同通道对不同离子的通透性不同，即离子选择性(ionic selectivity)。这是由通道的结构 所决定的，只允许具有特定离子半径和电荷的离子通过。根据离子选择性的不同，通道可分为 钠通道、钙通道、钾通道、氯通道等。但通道的离子选择性只是相对的而不是绝对的，比如， 钠通道除主要对Na通透外，对NH4*也通透，甚至于对K也稍有通透。 Exterior Na Na Resting membrane potential 1 Cytosol K Resting Voltage-gated Ligand-gated Signal-gated channel- channel-opens channel-opens channel- always open (transiently) in response opensor in response to to a specific closes in change in the extracellular response to membrane signal a specific potential intracellular molecule 图5-4各类离子通道 1、配体门通道 表面受体与细胞外的特定物质（配体ligand)结合，引起门通道蛋白发生构象变化，结 果使“门”打开，又称离子通道型受体。分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受 体，和阴离子通道，如甘氨酸和Y-氨基丁酸的受体。 N型乙酰胆碱受体[1]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α2Byδ的梅 花状通道样结构，其中的两个a亚单位是同两分子Ach相结合的部位（图5-5）。 Ach门通道具有具有三种状态：开启、关闭和失活。当受体的两个a亚单位结合Ach 时，引起通道构象改变，通道瞬间开启，膜外N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。即是在结合Ach时，Ach
打开，而且是瞬时开放瞬时关闭，在几毫秒的时间里，一些离子、代谢物或其他溶质顺着浓度 梯度自由扩散通过细胞膜，这类通道蛋白又称为门通道（gated channel）。 门通道可以分为四类（图 5-4）：配体门通道（ligand gated channel）、电位门通道 （voltage gated channel）、环核苷酸门通道（Cyclic Nucleotide-Gated Ion Channels）和机 械门通道（mechanosensitive channel）。 不同通道对不同离子的通透性不同，即离子选择性(ionic selectivity)。这是由通道的结构 所决定的，只允许具有特定离子半径和电荷的离子通过。根据离子选择性的不同，通道可分为 钠通道、钙通道、钾通道、氯通道等。但通道的离子选择性只是相对的而不是绝对的，比如， 钠通道除主要对 Na+通透外，对 NH4 +也通透，甚至于对 K+也稍有通透。 图 5-4 各类离子通道 1、配体门通道 表面受体与细胞外的特定物质（配体 ligand）结合，引起门通道蛋白发生构象变化，结 果使“门”打开，又称离子通道型受体。分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受 体，和阴离子通道，如甘氨酸和 γ－氨基丁酸的受体。 N 型乙酰胆碱受体[1]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（图 5-5）。 Ach 门通道具有具有三种状态：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。即是在结合 Ach 时，Ach