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细胞膜与物质的穿模运输
医学细胞生物学细胞膜部分，知识点有细胞膜的化学组成与生物特性、小分子物质和离子的穿模运输、大分子和颗粒物质的穿模运输。
编辑于2022-04-08 17:45:41- 细胞膜
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细胞膜与物质的穿模运输
第一节细胞膜的化学组成与生物特性z
细胞膜的化学组成
（一）膜脂（membrane lipid）构成细胞骨架
膜脂约占膜成分的50%
膜脂都是双亲性分子，极性头部能与水分子形成氢键或静电作用而溶于水，非极性头部不能与水分子相互作用而疏水。这些脂质分子被水包围时，它们就自发聚集起来
1.形成球状的分子团，把尾部包藏在里面
2.形成脂双层（lipid bilayer），其游离端往往能自动闭合，形成充满液体的球状小泡称为脂质体（liposome，根据磷脂分子在水相中形成稳定的脂双层的现象制备的人工膜）
可以作为运载体，把药物或DNA包含在其中；如果将相应的抗体构建到脂质体膜上，可以选择性结合到靶细胞膜表面，使药物定向作用于靶细胞
脂双层的优点
构成分隔两个水溶性环境的屏障
脂双层是连续的，具有自相融合形成封闭性空间的倾向（在细胞内未发现有游离边界
具有柔性可变形
1.磷脂（phospholipid）是膜脂的主要成分
甘油磷脂（phosphoglycerides）
类型
磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine，PC，卵磷脂）
磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE，脑磷脂）
磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS）
磷脂酰肌醇（phosphatidylinosital，PI）
位于质膜内层，含量少，在细胞信号转导中起重要作用
ma.在ER合成，以甘油为骨架，第1，2位羟基与脂肪酸结合形成酯键，3位羟基与磷酸形成酯键，磷酸再与胆碱/乙醇胺/肌醇/丝氨酸结合
一条烃链不含双键（饱和链），另一烃链含有1~2顺势双键（此处有30°弯曲，不饱和链），脂肪酸链 疏水/无极性 ，磷脂有亲水头与疏水尾，被称为两亲性分子（amphipathic molecule）
鞘磷脂（sphingomyelin，SM）
在膜中含量少，但是神经元细胞膜中含量较多，ma.在Gc.合成。神经鞘磷脂是丰度最高的一种鞘磷脂。鞘磷脂及其代谢产物 神经酰胺/鞘氨醇/1-磷酸鞘氨醇 参与细胞活动fe. 细胞增殖/分化/凋亡 等
2.胆固醇（cholesterol，CHOL）能够稳定细胞膜和调节膜流动性
动物细胞中CHOL含量较高，有时与磷脂之比可达1：1，植物细胞膜中含量少，约占膜脂的2%
结构：双亲性分子，极性头部为羟基，非极性疏水结构为固醇环和烃链
定位：分布在膜中的磷脂分子之间。极性羟基紧靠磷脂的极性头部，固醇环固定在磷脂分子邻近头部的烃链上，疏水的烃链尾部埋在脂双层的中央。
功能：调节膜的流动性，加强膜的稳定性
哺乳动物c.m.上富含CHOL和糖脂，而线粒体膜富含心磷脂；大肠杆菌质膜不含胆固醇
3.糖脂（membrane suger）主要位于质膜的非胞质面
组成：由脂类和寡糖构成
细菌&植物细胞：甘油磷脂衍生物
动物细胞：鞘氨醇衍生物（又叫鞘糖脂）
结构：双亲性分子，极性头部由1~15或更多糖残基构成，疏水尾部为脂肪酸链或鞘氨醇衍生的烃链。
子主题
占膜脂总量5%以下，最简单的糖脂是脑苷脂，极性头部只有一个半乳糖或葡萄糖残基，是髓鞘中的主要糖脂。神经节苷脂在神经元之膜中最丰富，占总脂类5%~10%，人红细胞膜中含有ABO血型糖脂
糖脂均位于非胞质面单层，可能作为细胞表面受体，参与细胞的识别，黏附及信号转导
膜蛋白（执行膜功能）以多种方式与脂双分子层结合
内在膜蛋白 intrinsic membrane protein
又：穿膜蛋白transmembrane protein 整合膜蛋白integral membrane protein
占膜蛋白总量70%-80%，与膜结合紧密需用去垢剂才能清除
穿膜区：一般有20-30个疏水性氨基酸残基，以α-螺旋穿越 （α-螺旋构象允许在肽链的相邻氨基酸残基中形成最大数量的氢键，稳定）
胞质区与胞外区由极性氨基酸残基构成，可与水溶性物质相互作用
一般N端在胞外侧（转铁蛋白R相反），穿膜序列可多达14个
部分穿模蛋白以β-折叠片层穿模，称为β-筒，部分起运输蛋白的作用， 被称为孔蛋白，主要存在于线粒体，叶绿体和一些细菌的外膜，β链 最少八条，多则22条，之间由氢键连接
需使用能干扰疏水作用并能破坏脂双层的试剂，常使用去垢剂
十二烷基磺酸钠SDS（离子型去垢剂）：与膜蛋白形成去垢剂-蛋白质C进入水溶液，得到成品后可确定其相对分子量，氨基酸组成，氨基酸序列等 对蛋白质作用强烈，会使蛋白质解折叠引起变性（不利于对功能进行研究）
Trinton X-100(非离子型）,极性端不带电荷，作用方式类似SDS，会使membrane崩解，但对pr温和，可用于膜蛋白的分离纯化，也可去除细胞内膜系统，以便于对细胞骨架和其他pr进行研究
外在膜蛋白 extrinsic membrane protein
又：周边蛋白peripheral membrane protein
占膜总量20%-30%，不插入脂双层，分布于胞质侧与胞外侧，不接触质膜
通过非共价键（如离子键or弱的静电作用）附着在脂类分子头部极性区or穿膜蛋白 亲水区一侧间接与膜结合 胞质侧可通过暴露于蛋白质表面的α螺旋的疏水面与脂双层的胞质面单层相互作用而与膜结合
水溶性蛋白，与膜结合弱，改变溶液离子浓度orPH干扰pr间的相互作用即可分离
功能
胞质面：的外周蛋白如红细胞的血影蛋白与锚蛋白维持红细胞的外形（在膜内表面形成一个纤维网络，增强红细胞的抗压性,除此之外可作为酶或传递细胞外信号的因子
胞外面：通常是细胞外基质的主要成分
脂锚定蛋白 lipid anchored
又：脂连接蛋白lipid-linked protein
共价键与脂双层内的脂分子结合
连接方式
以N端共价结合与脂肪酸链：胞质一侧，多为细胞信号转导蛋白，fe.src，Ras，G蛋白等
Src激酶通过N端的甘氨酸残基与胞质面脂单层中的豆蔻酸和棕榈酸形成共价键
Ras通过C端附近的一/二个半胱氨酸残基分别于异戊二烯基和棕榈酸共价连接
大部分Gα蛋白具有棕榈化修饰，且修饰点在N端
以C端共价结合于PI的寡糖链（GPI-linked）：外表面，括多种水解酶，免疫球蛋白，黏附分子，膜受体等 质膜外一些蛋白质，通过与PI结合的寡糖链共价键结合而锚定到质膜上，PI分子的两个脂肪酸链插入膜脂，故这些pr分子又被称为糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI）；肌醇与长度不等的寡糖链结合，寡糖链末端的磷酸乙醇胺与蛋白质的C端共价结合
运动性大，可侧向运动，利于与其他保外信号分子更快的结合反应
膜糖类（保护与识别）覆盖细胞膜表面
细胞膜上所有糖链都朝向西胞外侧
分类
糖类（低聚糖）+膜脂→（共价键）→糖脂（约7%）
大多数脂蛋白带有多个寡糖侧链，但糖脂只带有一个寡糖侧链
糖类（低聚糖或高聚糖）+膜蛋白→（共价键）→糖蛋白（约93%）
糖基化主要发生在天冬酰胺（N-），其次是丝氨酸和苏氨酸（O-）， 常几个位点同时糖基化
细胞外被（cell coat）
又：糖萼glycocalyx 真核细胞表面富含糖类的周缘区
可用金属燃料钉红染色
与糖蛋白和糖脂相连的低聚糖侧链，被分泌出来又吸附于细胞表面的糖蛋白与蛋白聚糖的多糖侧链。这些吸附的大分子是细胞外基质的成分，但仍是细胞外被
作用
保护细胞抵御各种物理，化学性损伤
使细胞周围建立起水盐平衡的微环境
参与细胞间及细胞与周围环境的相互作用 fe.细胞的识别，黏附，迁移等功能
细胞膜的生物特性
（一）膜的不对称性（asymmetry）决定膜功能的方向性
1.膜脂的不对称性
磷脂和胆固醇分布为相对不对称，仅为数量上的差异
子主题
糖脂的分布为绝对不对称，糖脂仅分布于脂双层的非胞质面
不同膜性细胞器中脂类组成成分不同，因此具有不同的特性与功能。
鞘氨醇分子中自由羟基间广泛形成的氢键有利于增加膜的稳定性
PI等脂类分子可以为特定蛋白质提供结合位点，对保持膜蛋白在脂双层中的正确定位和极性有重要作用
膜脂的不对称性使脂双层内外两层流动性有所不同
2.膜蛋白的不对称性
膜蛋白分布是绝对不对称，各种膜蛋白在质膜中都有一定的位置
穿膜蛋白穿越脂双层有一定的方向性，两个亲水端的长度、氨基酸的种类和排列顺序不同
膜蛋白在脂双层内、外两层中分布的数量不同
3.膜糖的不对称性
糖脂、糖蛋白的寡糖链只分布于膜的非胞质面，即质膜的外表面和内膜系统膜腔的内侧面
膜结构上的不对称性保证了膜功能的方向性和生命活动的有序性
（二）膜的流动性（fluidity）是膜功能活动的保证
1.脂双层为液晶态二维流体
生理条件下，膜脂分子长轴基本平行排列保持一定方向，又在脂单层平面内可以前后左右运动和彼此交换位置，故膜可以看作二维流体。它的组分既有固体分子排列的有序性，又有液体分子的流动性，为液晶态（liquid-crystal state）
温度的改变使膜可以在液晶态和晶态之间转换，这种膜脂状态的改变称为相变，发生相变的临界温度称为膜的相变温度
膜的流动性是膜功能活动的保证
mpr.在m特定位点聚集形成特定结构或功能单位，以完成 细胞连接建立，信号转导等功能活动
2.膜脂分子的运动方式
侧向扩散
脂双层的单分子层内，脂分子沿着膜平面侧向与相邻分子快速交换位置
翻转运动
膜脂分子从脂双层的一单层翻转至另一单层
翻转时，亲水头部基团需克服疏水层阻力，在热力学上不利，但ER膜上有一种翻转酶，能促某新合成的磷脂分子从脂双层胞质面翻转到非胞质面。在维持膜脂的不对称性分布中起作用
旋转运动
膜脂分子围绕与膜平面相垂直的轴的自旋运动
弯曲运动
膜脂分子的烃链有韧性和可弯曲，尾部弯曲摆动幅度大，靠近极性头部幅度小
伸缩，振荡运动
沿着双分子层平面相垂直的轴可进行伸缩震荡
3.影响膜脂流动性的因素
不饱和脂肪酸链越多流动性越强
磷脂分子的疏水尾部间的范德华力和疏水性相互作用使他们相互聚集 1.长的饱和脂肪酸链呈直线型，具有聚集倾向 2.不饱和脂肪酸链在双键处曲折，干扰脂分子之间的范德华力的相互作用，排列疏松
脂肪酸链的长短
链短则相变温度低，流动性大。faa.链越短则尾端越不易相互作用；长链可以同时和同分子层和另一分子层中的长链尾端相互作用
胆固醇的双重调节作用
相变温度以上，限制膜的流动性；相变温度以下，干扰晶态形成，防止膜流动性突然降低 相变温度上：CHOL的固醇环与磷脂分子靠近极性头部的烃链部分结合限制了这几个CH2的运动，起到了稳定质膜，增加有序性的作用 相变温度下：CHOL位于磷脂分子之间隔开磷脂分子，防止脂肪酸链相互凝聚，干扰晶态形成
卵磷脂和鞘磷脂的比值
PC的脂肪酸链不饱和度高，相变温度低，SM相反（细胞衰老时PC/SM逐渐下降，流动性随之降低）
膜蛋白的影响
脂双层中嵌入的蛋白质越多，膜脂流动性越小 膜蛋白嵌入膜脂疏水区后是周围的脂类分子不能单独活动而形成界面脂 膜中存在由内在蛋白分割包围的富脂区（lipid-rich region），磷脂分子只能在其中自由扩散
膜脂的极性基团、环境温度、pH值、离子强度及金属离子等均可对膜脂的流动性产生一定影响
4.膜蛋白的运动性
运动方式
侧向扩散：膜蛋白在膜脂中可以自由漂浮和在膜表面扩散
旋转运动（rotational diffusion）：膜蛋白能围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动
影响因素
整合蛋白与周边蛋白相互作用
膜蛋白聚集形成复合物，使其运动减慢
膜蛋白与细胞骨架连接→用细胞松弛素B处理细胞，阻断微丝形成可使膜蛋白流动性增强
晶态脂质区域的膜蛋白不易运动
二维流体中的运动是自发的热运动，不需要能量，用药物抑制细胞能量转换，膜蛋白的运动不会收到影响
生理意义
物质运输，细胞识别，信号转导等
cell membrane 的分子结构模型
片层结构模型具有三层夹板式结构特点
细胞膜的表面张力显著低于油-水界面的表面张力，已知脂滴表面如吸附有蛋白成分则表面张力降低，故推测质膜中有pr成分 形式：蛋白质-磷脂-蛋白质（磷脂分子在膜内部彼此相对，表面覆盖球形pr分子）质膜上有穿过脂双层的孔，小孔由蛋白质分子围成，内表面有亲水基团，允许水分子通过
单位膜模型体现模形态结构的共同特点
脂双分子层外侧非球形pr，而是单条肽链以β-片层形式的pr，by静电作用与磷脂极性端相结合。 无法解释膜的动态变化和各种重要生理功能，无法解释为何不同生物膜的厚度不同
流动镶嵌模型是被普遍接受的模型
脂双层构成膜的连贯主体，它具有晶体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。膜蛋白镶嵌或附在脂质双分子层中，糖分子分布于膜外表面。强调了膜的流动性和膜蛋白的不对称性。 不能说明具有流动性的质膜在变化过程中怎样保持膜的相对完整性和稳定性。（由晶格镶嵌模型说明）
脂筏（lipid rafts）模型深化了对膜结构和功能的认识
定义：脂质双分子层不是一个完全均匀的二维流体，内部存在富含胆固醇和鞘磷脂以及特定种类膜蛋白组成的微区称为脂筏。
特点：脂筏区域比膜的其他部分厚（鞘磷脂的faa.尾比较长），更有秩序且较少流动，其周围是流动性较高的液态区。脂筏提供一个有利于蛋白质相互作用、形成有效构象的环境
功能：参与信号转导、受体介导的内吞作用以及胆固醇代谢运输等，脂筏功能紊乱涉及多种疾病（fe.HIV，肿瘤，动脉粥样硬化，Alzheimer病，疯牛病，肌营养不良）发生
嘟嘟吧
外层：主要含有鞘脂，CHOL及GPI-锚定蛋白，SM含长饱和脂肪酸链,而邻近的磷脂区多不饱和，会出现相分离
内层：与外层不完全相同，有许多的酰化锚定蛋白，特别是信号转导蛋白fe.Src，G蛋白的Gα亚基，内皮型一氧化氮合酶（eNOS）等
作用：在膜内形成一个有效平台，许多蛋白聚集在脂筏内，便于相互作用；lipid rafts 提供一个有利于蛋白质变构的环境，形成有效的构象
第二节小分子物质和离子的穿模运输
穿模运输（transmembrane transport）：物质从膜的一侧向另一侧的运输
一.membrane的选择性通透和简单扩散
膜的选择透过性
易于过膜的物质：脂溶性，不带电小分子物质，fe.如：醇、苯、甾类激素以及O2、CO2、N2等
能通过但速率慢的物质：不带电的小极性分子，fe.水乙醇水、乙醇、尿素等
完全不能通过的物质：带电离子、分子量较大的极性分子，fe.葡萄糖、氨基酸等（单糖，氨基酸，磷酸化中间产物）
极性分子所带的电荷及高度水合的状态妨碍它们进入脂双层的疏水区
简单扩散（simple diffusion）
又：被动扩散（passive diffusion）
特点
顺浓度梯度
不需要能量
没有膜蛋白协助
条件
膜两侧浓度差
溶质必须能透过膜
温度越高，膜的有效面积越大，转运速度越高
二.膜运输蛋白介导的穿模运输
膜运输蛋白（membrane transport protein）
占膜蛋白总数的15%-30%，都是多次穿模蛋白，只转运某一特定类别的溶质
种类
载体蛋白carrier protein 又：转运体transporter
通道蛋白channel protein
形成水溶性通道贯穿脂双层，受调控开放使允许特定溶质穿越cell membrane
决定能力的因素
活性
对活性的调节本质上是对蛋白构象改变的调控：
carrier protein的构象改变影响它们与所转运物质的结合
化学修饰（fe.钠钾泵经过磷酸化修饰改变构象）
细胞外因素：激素，神经递质，被运物质的电化学梯度。 一些人工小分子化合物可以激活或拮抗MTP.的活性
细胞内：酶，G蛋白，信号蛋白
channel protein的构象改变决定其开放或关闭状态
膜电位的变化是其最重要的调控因素之一
数目
入膜（inserting into the membrane）：MTP.都是整合于来自高尔基复合体成熟面的膜泡的膜上。基础状态下膜泡停留在胞质中，收到某信号分子作用时，膜泡与质膜融合将 MTP.转运至质膜上
下膜（又：内化internalization）：位于质膜上的运输蛋白可以通过胞吞被回收，送到内体——溶酶体途径被降解
fe.抗利尿激素与肾脏集合管主细胞膜上的R结合后促进水通道蛋白的表达和上膜
（一）易化扩散（facilitated diffusion）是carrier protein介导的被动运输
在特异性的载体蛋白介导下，一些非脂溶性or亲水性的物质（fe.葡萄糖，氨基酸，核苷酸，细胞代谢物）顺物质浓度或电化学梯度的跨膜转运，不消耗细胞的代谢能 fe.血液中的葡萄糖以facilitated diffusion进入cell，载体为葡萄糖转运体（GLUT）目前已知GLUT1-14，均为12次穿膜蛋白
载体蛋白一侧的特异性结合位点与溶质分子结合形成复合体后，即可引起c.p.构象变化，通过一定的易位机制使溶质分子从膜的一侧移至膜的另一侧。 而构象的变化也使载体对该物质的亲和力下降，于是物质与c.p.分离
可以在两个方向上同等介导物质的穿膜运输，净通量方向取决于物质在膜两侧的相对浓度。转运特异性强，速率快
特点
与被转运溶质分子有特异性结合位点
与溶质分子的结合是暂时的、可逆的
通过构象变化将溶质分子转运至膜另一侧,完成转运后恢复原有构象
有最大转运速率（饱和现象）
米氏常数（Km，扩散速度为最大速度一半时的底物浓度），可反应carrier protein对底物分子的亲和性，Km越小亲和力和转运效率越高
易化扩散与转运分子浓度非线性关系
可被竞争性抑制剂阻断
案例
葡萄糖转运体（glucose transporter，GLUT）蛋白家族
特征： 共14种，具有高度同源的氨基酸序列，都含有 12次穿模的α螺旋
种类
子主题
子主题
子主题
（二）主动运输是carrier protein逆浓度梯度的耗能运输
1.ATP驱动泵
又ATP驱动蛋白or运输ATP酶（transport ATPase），能够水解ATP使自己磷酸化，在膜的胞质侧有一个或多个ATP结合位点
（1）P-型离子泵（P-class ion pump）
所有有机体都依靠P-穿模转移阳离子。 P都有两个独立的α大亚基，具ATP-B；绝大多数还有两个β亚基，通常起调节作用。
转运过程中，至少有一个α催化亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，从而改变泵蛋白构象，实现离子的穿膜转运。工作中形成磷酸化中间体（天门冬氨酸残基作为磷酸化位点）
种类
Na+-K+泵
α： 一个，120kd，多次穿模膜整合蛋白，ATP酶
3Na+ B.，2K+ B. ，1ATP B. K结合位点可被鸟本苷高亲和结合
β： 一个，50kd，具组织特异性的糖蛋白，不直接参与离子的穿膜转运，能帮助在ER新合成的α亚基进行折叠，当把α和β分开时，α的酶活性丧失
ATP：Na（磷酸化）：K（去磷酸化）=1：3：2 在细胞内侧，α亚基和3个钠离子结合，ATP水解生成ADP和磷酸，磷酸使α亚基上的天冬氨酸残基磷酸化，酶蛋白构象改变，将钠离子释放到细胞膜外，同时捕获两个钾离子，钾离子使其去磷酸化，酶蛋白构象恢复，将钾离子释放到细胞内。
抑制生物氧化作用的氰化物使ATP供应中断时，pump失去能量来源而停止工作
大多数动物细胞要消耗ATP总量20%-30%（神经细胞要占70%）
生理意义：调节渗透压维持恒定的细胞体积，保持膜电位，为某些物质得吸收提供驱动力，为蛋白质合成及代谢活动提供必要的离子浓度
Ca2+泵
位于质膜及肌浆网膜上 10次穿膜α-螺旋多肽链，大约1000个aa.残基，与钠钾泵的α同源。
肌浆网 ATP：Ca=1：2 质膜 ATP：Ca=1：1
胞质对Ca浓度的升高非常敏感，有胞外信号时Ca经钙通道顺其浓度梯度快速进入胞质，骤升的Ca浓度成为促发和激活许多生理活动的关键因素
肌肉收缩，腺上皮细胞分泌，神经递质释放，某些酶蛋白和通道蛋白的激活
活性受钙调蛋白（calmodulin，CaM）调控
位于胞质基质，质膜和内质网膜
Ca浓度升高时，CaM与钙离子结合，然后作用于钙离子泵使其变构性激活，钙离子迅速被泵出细胞或泵回肌质网
哺乳类胃腺壁细胞上的H-K泵
（2）V-型质子泵（V-class proton pump）
存在于真核细胞的膜性酸性区室； 网格蛋白有被小泡，内体，溶酶体，Gc.，分泌泡（包括突触小泡），以及植物细胞液泡膜上的氢离子泵
还存在于分泌proton的c.m.上fe.破骨细胞（骨基质的酸化与吸收），巨噬细胞（吞噬细胞内部pH的稳定），中心粒细胞，肾小管上皮细胞(肾小管中尿液酸化）
肿瘤细胞质膜上高表达V-class proton pump多种蛋白亚基的变异体，使肿瘤细胞更多的泌酸，造成细胞外微环境进一步酸化。酸化与增值，浸润，耐药等多种恶性表型相关
由一个穿膜组分（V0，⑧亚基）和亲水的胞质组分（V1，多个脂蛋白亚基）构成
ATP结合到V1的b亚基（V1-Bps.)并发生水解（运输过程中不形成磷酸化-去磷酸化中间产物）时，产生的E.将氢离子经过V1-Cps.和V0某个ps.形成的孔道将胞质基质中的氢离子逆电化学梯度转运到上述细胞器or囊泡中
（3）F-型质子泵（F-class proton pump）
主要存在于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体膜
使氢离子顺浓度梯度运动，释放E.使ADP转化成ATP，偶联质子转运和ATP合成，故又被称为H+-ATP合成酶
（4）ABC转运体（ATP binding cassette transport，ABC transport）
广泛分布在从细菌到人类各种生物体中，已发现100多种
都含有两个高度保守的ATP结合匣（ATP binding cassette，ABC），即ATP结合域
专一运输一种或一类底物
包含单糖，氨基酸，脂肪酸，磷脂，CHOL，胆汁酸，外源性毒素，药物，一些肽和蛋白质
在肝，小肠和肾细胞等质膜中表达丰富，可将毒素，生物异源物质（包括药物，抗药性）和代谢物排至尿，胆汁和肠腔中
原理：通过水解ATP供能，使蛋白构象改变将与之结合的底物逆浓度梯度转移至膜的另一侧
哺乳动物免疫监视：ER膜上的ABCtransport可将来自bac.vir.或其他病原微生物的pr降解产物转运至ER腔，接着递呈在cell membrane表面作为抗原被细胞毒性T淋巴cell识别
2.协同运输
trait
由Na+-K+泵（或H+泵）与载体蛋白协同作用，间接消耗ATP所完成的主动运输方式，是储存自由能的一种方式
物质穿膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子的电化学梯度
通过Na+-K+泵（或H+泵）维持这种离子电化学梯度
动物细胞：Na+电化学梯度
植物细胞和细菌：H+电化学梯度
（1）共运输（symport）
载体蛋白介导的两种溶质分子相同方向的联合运输
fe.葡萄糖在小肠粘膜上皮的吸收和在近端肾小管上皮的重吸收都是通过Na+-葡萄糖转运体（Na+-glucose cotransporter）
小肠中酶把多糖水解成单糖，在小肠粘膜上皮细胞游离面上的转运体与钠离子与葡萄糖结合，Na+：葡萄糖=2：1，进入细胞后，钠离子通过钠钾泵被泵出胞外
同一种转运体将两种不同的离子或分子分别向膜的相反方向的运输过程
其他例子：小肠上皮细胞的Na+-葡萄糖转运体、 Na+-氨基酸转运体，肾小管上皮细胞的Na+- Cl－、Na+-HCO3－转运体，甲状腺上皮细胞的Na+-I－同向转运体等
（2）对向运输（antiport）
离子浓度梯度驱动
Na+-Ca2+交换体
Na（入）：Ca（出）=3：1
功能
心肌细胞在兴奋-收缩偶联过程中流入的钙离子主要通过F将其排出细胞
小肠粘膜上皮细胞和肾近端小管细胞底侧膜F转运钙离子进入组织液然后入血，是钙离子吸收的重要载体蛋白
Na+-H+交换体
Na（入）：H（出）=1：1
功能
清除细胞代谢产生的过多的氢离子以调节胞内pH（≈7.2）
肾近端小管的F向小管液中排除氢离子以利于HCO3-被重新收，在排出固定酸和维持机体酸碱平衡中起im作用
Cl--HCO3-交换体
HCO3-浓度升高时，将碳酸氢根运出同时将氯离子运入，从而介导碳酸氢根和CO2的输出，
在破骨细胞和胃泌酸中发挥作用，红细胞中CO2排至血液
（三）离子通道高效运转各种离子
1.离子通道的特点
介导被动运输，通道是双向的
对转运离子的大小和电荷有高度选择性
转运速率快
不持续开放，受“闸门”控制
2.离子通道的类型
（1）配体门控通道（ligand-gated channel）
离子通道型受体，与配体结合后，构象改变
乙酰胆碱受体（acetylcholine receptor，AChR）
大量分布在骨骼肌神经肌接头处，每个亚基均由一个大的穿膜N端（约210aa），4段穿膜序列及一个短的胞外C端组成。可通过钠离子，钾离子，钙离子。肌细胞外为高浓度的Na+，所以开放时会导致大量钠离子内流
影响因素
d-筒箭毒碱（提取自箭毒植物马钱子）能与ACh竞争性结合AChR，阻断神经传导，因呼吸麻痹导致死亡。 人工合成的箭毒类似物作为肌肉松弛剂应用于外科手术麻醉
肉毒杆菌毒素通过抑制突触前部ACh释放，阻断了神经肌接头传导，可用于美容除皱和治疗肌肉痉挛，惊厥，多汗症等
（2）电压门控通道（voltage-gated channel）
跨膜电位的改变诱发通道蛋白构象变化使通道开放(蛋白的分子结构中存在一些对膜电位改变敏感的基团或亚单位），离子顺浓度梯度快速扩散通过细胞膜
通道开放时间只有几毫秒，随即迅速自发关闭
电压门控通道主要存在于可兴奋细胞，如神经元、肌细胞及腺上皮细胞等
（3）应力激活通道（stress-activated channel）
通道蛋白感受应力作用而改变构象开启“闸门”，离子通过进入细胞引起膜电位变化，产生电信号
内耳听觉毛细胞
（四）水通道介导水的快速转运
水孔蛋白（aquaporin，AQP）
1.水通道的分类
共11个成员（AQP0~AQP10）
选择性水通道：AQP1，2，4，5，6，0；只能通透水
水-甘油通道：AQP3，7，9，10；对水和甘油，尿素等中性小分子具通透性
AQP8位于两种之间
2.水通道蛋白的结构
a.水通道4个亚基的中心分别存在水孔
b.每个亚基含6条穿膜α-螺旋，两个短α-螺旋嵌入但不贯穿膜顶对顶位于脂双分子层中间
c.质膜中4个亚基组成水通道四聚体
3.水通道对水分子的筛选机制
1）AQP1中央孔通道得直径（0.28nm）限制了比水分子大得小分子通过
2）AQP1中央孔道内溶质结合位点的控制
一个水分子要通过水通道时，需剥除周围与之水合的水分子，通道管窄口周围的几种极性氨基酸残基上的羰基（-C=O-）氧可与通过的水分子形成氢键，替代水分子之间的氢键，使去水合的过程中需要的能量得到补偿
离子与水分子之间的水合作用较强，能替代水和分子的羰基氧数量不足，离子只能脱去部分水分子，不足以通过水通道
分布：水通道大量存在于与体液分泌和吸收密切相关的上皮和内皮细胞膜上
AQP1：红细胞膜上的主要水通道，也分布于肾，脉络丛，毛细血管等多种组织细胞中
AQP2：肾集合管上皮主细胞顶端质膜，分布数量受抗利尿激素调控。原尿中大量水通过AQP2重新收，AQP2基因的突变导致先天性肾性尿崩症
AQP0：分布于眼晶状体，参与晶状体的水代谢，维持其透明性，AQP0基因突变导致先天性白内障
AQP4：脑内胶质细胞和脑室管膜细胞
AQP5：分布于腺体，肺和角膜
AQP参与多种重要生理功能：尿浓缩，保持水盐代谢平衡，各种消化液的分泌及胃肠道各段的体液吸收，调节脑室内液体平衡，促进房水分泌调节眼压等
第三节大分子和颗粒物质的穿模运输
一.胞吞作用（endocytosis）
（一）吞噬作用（phagocytosis）是吞噬细胞摄入颗粒物质的过程
吞噬作用包括吸附和吞入两个相对独立的过程
细胞膜凹陷or形成伪足包裹大分子或颗粒物质（无机颗粒，细菌，细胞碎片...）进入细胞.对颗粒物质的吞入是由质膜下肌动蛋白丝所驱动
形成的小囊泡（vesicle）称
吞噬体（phagosome）
吞噬泡（phagocytic vesicle）
细胞类型
中性粒细胞
单核细胞
巨噬细胞
功能
吞噬入侵的微生物，清除损伤，衰老和凋亡的细胞（机体防御，内环境维稳）
（二）胞饮作用（pinocytosis）是细胞吞入液体和可溶性物质的过程
细胞质膜内陷，非特异性摄入溶质或液体的过程
形成的囊泡称： 胞饮体（pinosome） 胞饮泡（pinocytic vesicle）
胞饮泡进入细胞后与内体（endosome）融合或与溶酶体融合后被降解
type
液相内吞（fluid-phase endocytosis）
非特异性的固有内吞作用。细胞用于吧细胞外液及其中的可溶性物质摄入细胞内
吸附内吞（absorption endocytosis）
细胞外大分子及/或小颗粒物质吸附在细胞表面（与糖蛋白的静电作用或与受体结合，具一定特异性)
转胞吞作用（transcytosis）
pinocytic vesicle不与溶酶体结合而是穿过细胞质与另一侧的质膜融合胞吐 fe.母鼠将抗体通过乳汁传递给崽鼠
细胞类型
所有类型的真核细胞（ep.能伸出伪足、转运功能活跃的细胞，如：巨噬细胞、中性粒细胞、毛细血管内皮细胞、肾小管上皮细胞、小肠上皮细胞等
（三）受体介导的胞吞（R-mediated endocytosis）提高摄取特定物质的效率
细胞通过受体的介导选择性高效摄取细胞外特定大分子物质的过程
具有选择性和高效性（与非特异的胞吞相比效率增加1000倍）
1.有被小窝（coated pits）和有被小泡（coated vesicle）的形成
有被小窝（coated pit）：质膜上受体集中(R浓度是质膜其他部分20倍）的特定区域，此区域质膜向内凹陷，内表面覆盖一层由网格蛋白和衔接蛋白组成的毛刺状电子致密物
网格蛋白（clathrin）： 牵拉质膜向内凹陷，参与捕获特定的膜受体使其聚集于有被小窝内 无特异性
衔接蛋白（adaptin）： 结合网格蛋白，并特异性结合跨膜受体胞质面的尾部肽信号（pepride signal）
有被小泡（coated vesicle）：细胞外溶质（配体）同有被小窝处的受体结合形成配体-受体复合物，网格蛋白聚集在有被小窝的胞质侧，通过变构牵动质膜内陷，与质膜断离后形成有被小泡进入细胞。外部包被由网格蛋白组装成的笼状篮网结构
2.无被小泡形成并依次与内体和溶酶体结合
配体与R结合后，六边形转变成五边形的网格，促进网格蛋白外被被弯曲变成笼形结构
发动蛋白（dynamin），水解与其结合的GTP后发生构象改变引起颈部溢缩，将coated vesicle从质膜上切离下来形成网格蛋白有被小泡（clathrin coated vesicle）
低密度脂蛋白（low denisty lipoprotein，LDL
LDL受体介导内吞：LDL受体向有被小窝集中与LDL结合形成配体-受体复合物，有被小窝向内凹陷形成有被小泡进入细胞→有被小泡去被形成无被小泡（网格蛋白脱落回到质膜处）→无被小泡和内体融合，在酸性环境下（内体膜上有ATP驱动的质子泵将氢离子泵入内体），受体与LDL解离（低pH改变了受体和配体分子的亲和状态）→受体通过内体出芽方式回到质膜重新利用→含有LDL的内体与溶酶体结合，LDL被分解释放出胆固醇供细胞利用
子主题
若细胞对LDL摄入受阻，血液中CHOL含量过高易形成动脉粥样硬化，是家族性高胆固醇血症发病的ma.原因
（≈>50）的不同蛋白纸，激素，生长因子，铁，VB12等，以及流感病毒，AIDS病毒（HIV），动物细胞通过此方式摄入所需的大部分胆固醇
二.胞吐作用（exocytosis）
又称外排作用或出胞作用，指细胞内合成的物质通过膜泡转运至cell membrane，与质膜融合后将物质排出细胞外的过程
（一）连续性分泌（constitutive secretion）是不受调节持续不断的细胞分泌
又：固有分泌，分泌蛋白在rER合成之后，经高尔基复合体修饰，浓缩，分选，形成分泌泡被送至细胞膜
细胞外基质各组分，质膜外周蛋白等参与细胞各种生命活动
普遍存在于动物细胞当中
（二）受调分泌（regulated secretion）是指细胞外信号调控的选择性分泌
分泌性蛋白合成后先储存于分泌囊泡中，当cell接受到细胞外信号（如激素）的刺激，引起细胞内C(Ca2+)瞬时升高才能启动胞吐过程
只存在于分泌激素，酶，神经递质的细胞内
细胞膜异常与疾病
载体蛋白异常与疾病
胱氨酸尿症是carrier protein异常性疾病
肾性糖尿（renal glycosuria）是葡萄糖carrier protein异常性疾病
ABC转运体蛋白异常与疾病
膜受体异常与疾病
浮动主题
胞吞作用图示
网格蛋白也叫笼蛋白，是一种蛋白复合物，由三条重链三条轻链。重链是一种纤维蛋白，分子量180kD，轻链分子量为35kD，二者聚成二聚体，三个二聚体又形成三腿蛋白复合体聚合成六角形或五角形的篮网状结构。三退蛋白复合体具有自我装配的能力，它们在试管中能自动装配成封闭的篮网结构。
示例
共运输：小肠上皮细胞定向转运葡萄糖入血
对向运输：胃底腺壁细胞分泌盐酸时其质膜上多种转运蛋白的协同作用
哺乳动物胃液中的盐酸又叫胃酸。盐酸由胃腺中的壁细胞（parietal cells）分泌，壁细胞邻近胃腔的顶部质膜含有H+-K+泵，水解ATP将氢离子逆浓度梯度主动转运到胃腔中，同时驱动钾离子进入细胞。细胞内[H+]×[OH-]是一个常数（氢离子和氢氧根离子和水分子的动态平衡），所以“多余的”氢氧根离子与血液中扩散进入的CO2在碳酸酐酶的催化下形成碳酸氢根。碳酸氢根通过壁细胞底部质膜上的Cl-HCO3转换体运出细胞而氯离子进入细胞。壁细胞顶部质膜上的钾通道和氯通道开放，氯离子和钾离子进入胃腔。胃腔中氯离子和氢离子结合形成HCl
Ras
小型GTP結合蛋白，結合GTP時处于活性状态；结合GDP时处于无活性状态
Ras-GEF（鸟苷交换因子）促使Ras将GDP换成GTP Ras-GAP（GTP酶激活蛋白）促使Ras换回来
处于活性状态时可以催化一系列激酶并引起磷酸化级联反应
属于原癌基因，若发生突变，无法进行后续的级联反应，会导致细胞癌变
Ras蛋白的活性状态对细胞的生长、分化、细胞骨架、蛋白质运输和分泌等都具有影响
CHOL作用
组成细胞膜
合成类固醇激素
合成胆汁酸
扩散方式
小分子&离子
简单扩散
被动运输
由膜运输蛋白介导的顺浓度/电化学梯度的小分子物质的穿膜运输。转运对象为各种离子、单糖、氨基酸、核苷酸及各种代谢产物等。
类型（根据膜运输蛋白）
易化扩散（载体蛋白carrier protein）
离子通道扩散（通道蛋白channel protein）
主动运输
大分子&颗粒物质
胞吞
胞吐