第五章跨膜运输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（carrierprotein）和通道蛋白（channelprotein）。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（freediffusing），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+、Nat、K+、CI、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
第五章 跨膜运输 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
NaGlucoseHydrocarbonSmallunchargedlonsHydrophobicLargeunchargedmoleculespolarmoleculespolarmolecules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（faciliatieddiffusion），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 ioncarrier）和通道离子载体（channelformer）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-三氟甲氧基苯耕（FCCP）可转运Ht，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+
ValinomycinHCHHHL-valineD-hydroxy-D-valineL-lacticacidisovalenicacid图5-2缬氨霉素的分子结构通道离子载体：如短杆菌肽A（granmicidin）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）。OUTSIDEHydrophilleOFCELLporeHvdroohobwCYTOSOL图5-3短杆菌肽构成的通道（二）通道蛋白通道蛋白（channelprotein）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
图 5-2 缬氨霉素的分子结构 通道离子载体：如短杆菌肽 A（granmicidin）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（gatedchannel）。门通道可以分为四类（图5-4）：配体门通道（ligandgatedchannel）、电位门通道（voltagegated channel）、环核苷酸门通道（CyclicNucleotide-Gated IonChannels）和机械门通道(mechanosensitivechannel)。不同通道对不同离子的通透性不同，即离子选择性(ionicselectivity)。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。K*Na'Na'NaExterior++++RestingEEmembranepotentialCytosolVNaNa'Na*K'RestingVoltage-gatedLigand-gatedSignal-gatedchannel-channel--openschannel-openschannel-(transiently)alwaysopeninresponseopensorinresponsetotoaspecificclosesinchange in theextracellularresponsetomembranesignalaspecificpotentialintracellularmolecule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，如甘氨酸和一氨基丁酸的受体。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α2βy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门通道也
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 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。筒箭毒和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。QQAcetylcholinebinding sitePore9nrExteriorM2ahelixPlesmpranenmCytosolO2nm2图5-5乙酰胆碱受体2、电位门通道电位门通道（voltagegatedchannel）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。根据对Na+、K+、Ca2+通道蛋白质的结构分析，发现它们一级结构中的氨基酸排列有相当大的同源性，属于同一蛋白质家族，是由同一个远祖基因演化而来。K+电位门通道由四个α亚单位（I-IV）构成（图5-6），每个亚单位均有6个(S1-S6)跨膜α螺旋节段，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，S4高度保守，属于疏水片段，但每隔两个疏水残基即有一个带正电荷的精氨酸或赖氨酸残基。S4段上的正电荷可能是门控电荷，当膜去极化时（膜外为负，膜内为正），引起带正电荷的氨基酸残基转向细胞外侧面，通道蛋白构象改变，“门”打开，大量K+外流，此时相当于K+的自由扩散。K+电位门它和Ach配体门一样只是瞬间（约几毫秒）开放，然后失活。此时N端的球形结构，堵塞在
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。 筒箭毒和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。 图 5-5 乙酰胆碱受体 2、电位门通道 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。 根据对 Na+、K+、Ca2+通道蛋白质的结构分析，发现它们一级结构中的氨基酸排列有相当 大的同源性，属于同一蛋白质家族，是由同一个远祖基因演化而来。K+电位门通道由四个 α 亚 单位（I-IV）构成（图 5-6），每个亚单位均有 6 个(S1-S6)跨膜 α 螺旋节段，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， S4 高度保守， 属于疏水片段，但每隔两个疏水残基即有一个带正电荷的精氨酸或赖氨酸残基。S4 段上的正电 荷可能是门控电荷，当膜去极化时（膜外为负，膜内为正），引起带正电荷的氨基酸残基转向细 胞外侧面，通道蛋白构象改变，“门”打开，大量 K+外流，此时相当于 K+的自由扩散。K+电位 门它和 Ach 配体门一样只是瞬间（约几毫秒）开放，然后失活。此时 N 端的球形结构，堵塞在