物质的跨膜运输

细胞生物学第五版第四章物质的跨膜运输，整理了膜转运蛋白、小分子物质的跨膜运输、ATP驱动泵、包胞吞作用与胞吐作用 的内容，快来学习。

膜转运蛋白与小分子及离子的跨膜运输

• 膜转运蛋白
  • 载体蛋白
    • 发现
      • 20世纪50年代中期
      • 细菌质膜
      • 单基因突变→半乳糖跨膜运输被阻断
    • 性质：
      • 几乎存在于所有生物膜上，多次跨膜
      • 能与特定的溶质分子结合、改变构象
      • 不同的膜含有各自功能相关的载体蛋白
    • 特征
      • 特异性、高度选择性
      • 转运过程具有类似于酶与底物作用的饱和动力学特征
        • 竞争性抑制
        • 非竞争性抑制
        • 对pH有依赖性等
      • 对转运分子不作任何共价修饰
  • 通道蛋白
    • 发现
      • 发现于神经细胞，多数通道蛋白都是离子通道
      • 形成选择性、门控性通道
        • 依赖离子通道的直径和形状、带电荷氨基酸的分布
        • 不需要与溶质分子结合，只需离子大小、电荷适宜
    • 类型
      • 离子通道
        • 特征
          • 转运速率极高
            • 10∧7～10∧8个离子/秒/通道
            • 比扔一载体蛋白最快转运速率高1000倍以上
          • 无饱和值
          • 非连续性开放，是门控的
      • 孔蛋白
      • 水孔蛋白
• 小分子物质的跨膜运输
  • 简单扩散
    • 小分子物质以热自由运动的方式顺电化学梯度或浓度梯度直接通过脂双层进出细胞，不需要细胞提供能量，也无需膜转运蛋白的协助
    • 特点
      • 顺浓度梯度（或电化学梯度）扩散
      • 不需要提供能量
      • 无需膜转运蛋白的协助
      • 脂双层对溶质的通透性大小主要取决于分子大小和分子的极性
        • 通透性：P＝KD/t.
  • 被动运输（协助运输）
    • 溶质顺着电化学梯度或浓度梯度，在膜转运蛋白协助下的跨膜转运方式，又叫协助扩散
    • 特点
      • 顺电机学梯度或浓度梯度运输
      • 不需要消耗能量
      • 膜转运蛋白协助
        • 通道蛋白
        • 载体蛋白
      • 转运速率快
    • 被动运输中的膜转运蛋白
      • 葡萄糖转运蛋白
        • 12次跨膜α螺旋
        • 具有葡萄糖结合位点
        • 通过构象改变完成葡萄糖的协助扩散
        • 转运方向取决于葡萄糖的浓度梯度
      • 水孔蛋白
        • 水分子的跨膜通道
          • 4个亚基组成的四聚体（6个α螺旋/亚基）
          • 高度特异的亲水通道
          • 水分子借助质膜上的水孔蛋白实现快速化膜转运
          • 调节细胞渗透压以及生理与病理作用
        • 发展
          • 1991年agre在血红细胞发现第一个水孔蛋白CHIP28
          • 2003年与MacKinnon （离子通道的研究者）同获诺贝尔化学奖
          • 2007年3月，中科院上海应用物理所方海平课题组发现这种纳米水通道具有优异的电学开关特性，并阐明了相关的物理机理
        • 通透的溶质不仅局限于水分子，还有尿素，甘油等。
  • 主动运输
    • 概念
      • 有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。
    • 协同转运蛋白（偶联转运蛋白）
      • 介导各种离子和分子跨膜运输
      • 类型
        • 同向协同转运蛋白--共运输
        • 反向协同转运蛋白--对向运输
      • 转运分子数：10^2-10^4/秒
      • 是间接消耗能量的主动转运方式
    • 反向协同转运
      • Na+/H+反向转运
        • 动物细胞：Na+驱动转运H+调节胞内pH
        • 线粒体：H+电化学梯度驱动H+由内膜基质侧转运出来
      • Na+驱动的Cl-/HCO3-交换
        • Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流，如红细胞膜上的带3蛋白
• ATP驱动泵
  • 类型
    • 转运离子
      • P型泵
        • 大多数是离子泵
        • 结构
          • 2个独立的α催化亚基具有ATP结合位点
          • 2个小的β亚基--调节作用
        • 特点
          • 至少一个α亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，从而改变泵蛋白的构象，实现离子跨膜转运
          • 转运泵水解ATP使自身形成磷酸化的中间体
        • 钠钾泵
          • 主要生理功能
            • 维持膜电位
            • 维持动物细胞渗透平衡
              • 控制胞内溶质浓度--低钠高钾
              • 保持细胞容积恒定
            • 吸收营养
              • 动物细胞：依赖钠离子的协同转运
              • 植物细胞、真菌和细菌：常利用质膜上的氢泵形成的氢离子电化学梯度来吸收营养物
        • 钙泵
          • 概念
            • 位于质膜、细胞器膜等
            • 使细胞细胞质基质钙离子保持低浓度
            • 可作为ATPase（P型），也可作为对向运输器
            • 约1000氨基酸残基构成10次穿膜的α螺旋
            • 其中3个螺旋形成跨膜中央通道
          • 作用
            • 将钙离子输出细胞或泵入内质网腔中储存起来
            • 维持细胞质基质中低浓度的游离的钙离子
          • 钙泵的工作原理
            • 钙泵工作与ATP水解相偶联
              • 每水解1分子ATP，从细胞质基质泵出2个钙离子
        • 氢离子泵
          • 分布
            • 植物细胞、真菌、细菌质膜
          • 作用
            • 将氢离子泵出细胞，建立和维持跨膜氢离子电化学梯度，并用于驱动溶质进入细胞
      • V型质子泵
        • 动物细胞的胞内体膜、 溶酶体膜， 破骨细胞和 某些肾小管细胞的质膜
        • 植物、 酵母及其他真菌细胞的液泡膜上
        • 转运氢离子过程中不形成磷酸化的中间体
        • 维持细胞质基质pH中性和细胞器内pH酸性
      • F型质子泵
        • 分布
          • 细菌质膜、线粒体内膜、叶绿体类囊体膜
        • 转运氢离子过程中不形成磷酸化的中间体
        • F型质子泵常利用质子动力势合成ATP，又称作 H + - ATP 合成酶
    • 转运小分子
      • ABC超家族
        • ABC transporter
        • ATP-binding cassette transporter
        • 最大的一类转运蛋白，广泛分布于细菌到人类
        • ABC转运蛋白结构模式
          • 4个核心结构域
            • 2个跨膜结构域（T）
              • -6个跨膜α螺旋/T
              • -决定每个ABC蛋白的底物特异性
            • 2个胞质侧ATP结构域（A）
              • -30-40%序列同源
        • 每种ABC转运蛋白对于底物或底物的基因有特异性
        • 通过ATP分子的结合与水解完成小分子物质的跨膜转运
          • ATP分子结合诱导2个ATP结合域二聚化，引起转运蛋白构象改变，使底物结合部位暴露于质膜的另一侧
        • ABC转运蛋白与疾病
          • 多药抗性转运蛋白，真核细胞第一个被鉴定的ABC转运器
            • 其基因通常在肝癌患者的癌细胞中过表达，降低了化学治疗的疗效
          • 产生耐药性的机制
            • 通过MDR将药物泵出细胞，降低了胞内的药物浓度
          • 囊性纤维化（粘稠物阻塞症）
            • 常染色体隐性遗传病，肺部粘稠分泌物堵塞支气管
            • 囊性纤维化跨膜转运调节蛋白突变引起
• 包胞吞作用与胞吐作用
  • 是大分子与颗粒性物质的跨膜转运，又称膜泡运输、批量运输
  • 涉及生物膜的断裂与融合，消耗能量，属主动运输
  • 类型
    • 胞吐作用
      • 通过分泌泡或其他膜泡与质膜融合而将膜泡内的物质运出细胞的过程
      • 所有的真核细胞--组成型的包胞吐途径：TGN→分泌泡→质膜
      • 特化的分泌细胞--调节型胞吐途径
      • 真核细胞无论胞吞作用还是胞吐作用都是通过膜泡运输方式进行的，并且转运的囊泡只与特定的把靶膜融合，从而保证物质有序跨膜转运
      • 胞吞作用和胞吐作用这样的动态过程对质膜的更新和维持细胞的生存与生长是必要的
    • 胞吞作用
      • 定义
        • 通过细胞膜内陷形成囊泡（胞吞泡），将胞外生物大分子、颗粒性物质或液体等摄取到细胞内，以维持细胞的正常代谢活动
      • 类型
        • 胞饮作用--胞饮泡
          • 几乎发生于所有类型真核细胞中
          • 胞吞物为溶液，形成囊泡较小
          • 是一个连续发生的过程
            • 所有真核细胞都能通过胞饮作用连续摄入溶液和分子
          • 依据胞吞介导物的不同
            • 网格蛋白依赖的胞吞作用
              • 胞饮泡的形成需要网格蛋白、衔接蛋白、结合蛋白等帮助
            • 大型胞饮作用
            • 胞膜窖依赖的胞吞作用
              • 胞膜窖呈内陷的瓶状，特征性蛋白是窖蛋白
              • 胞膜窖在质膜的脂筏区域形成
          • 依据胞吞物质的专一性
            • 受体介导的胞吞作用
              • 是大多数动物细胞通过网格蛋白有被小泡从胞外液摄取特定大分子的有效途径
              • 是一种选择浓缩机制
              • 例
                • 动物细胞对胆固醇的摄取
                • 鸟类卵细胞摄取卵黄蛋白
                • 肝细胞摄入转铁蛋白
                • 激素进入细胞：如胰岛素
                • 巨噬细胞对免疫球蛋白及其复合物、病毒、细菌、衰老细胞的识别与摄入
                • 流感病毒
            • 非特异性的胞吞作用
        • 吞噬作用--吞噬体
          • 作用
            • 原生生物
            • 高等多细胞生物：巨噬细胞、中性粒细胞
          • 是一个信号触发过程，被吞噬物与细胞表面结合并激活细胞表面受体
          • 胞吞泡的形成需要微丝及其结合蛋白的帮助