transmembrane transport

物质的跨膜运输

 概况

据估计
细胞膜上与物质转运有关的蛋白占
        核编码蛋白的15%～30%
细胞在物质转运方面消耗的能量占
        总消耗能量的2/3

物质运输包括
细胞运输：细胞与环境的物质交换
胞内运输：真核生物细胞内膜结合细胞器与细胞内环境的物质交换
转细胞运输：穿越细胞的运输

物质跨膜运输的方式：
膜泡运输：大分子和颗粒物质
穿膜运输：离子和小分子

跨膜运输的的分类与功能

分类

分类
跨膜运输	
—————
|___ 主动运输
|---------|___ 载体蛋白
|                |-----|___ ATP 驱动泵
|                |-----|___ 协同转运蛋白
|                |-----|___ 光驱动泵
|                |___ 胞吞，胞吐
|___ 协同转运
|___ 被动运输
|---------|___ 自由扩散
|---------|___ 协助扩散
|				|___ 通道蛋白
|				|___ 载体蛋白 

功能

被动运输(passive transport)

自由扩散（free diffusion）

又称简单扩散，指物质从浓度高的一侧通过细胞膜向浓度低的一侧转运。

1. 特点
   沿浓度梯度或电化学梯度
   无能量消耗（不需供能）
   没有膜蛋白协助
   顺浓度梯度转运
2. 运输的必要条件
   该物质浓度很高（膜两侧有较高梯度）
   细胞质膜对其有较高的透性
3. 由自由扩散运输的物质
   疏水小分子： O2､ CO2､ N2､ benzene(苯)等
   不带电极性小分子：尿素、甘油、水等
4. 扩散的速度
   与物质的脂溶性程度、膜两侧溶质浓度差、分子大小、电荷性质
   ＞

• 易透膜特性：
  ＞＞膜对物质分子的透性取决于膜的结构属性及分子特性
  ＞1. 脂溶性越强的分子越容易穿膜
  非极性物质脂溶性强，易穿膜

  2. 分子量越小越容易穿膜
  3. 不带电荷的分子容易穿膜，带电荷的离子不能或很难穿膜

人工膜
脂溶性越高通透胜越大
小分子比大分子易透过
非极性分子比极性分子易透过
极性不带电荷的小分子可透过人工脂双层
人工膜对带电荷物质(离子等高度不透)

协助扩撒

又称促进扩散，是指非脂溶性物质或亲水性物质（氨基酸，糖金属离子）等借助细胞膜上的膜蛋白的帮助，顺浓度梯度或顺电化学梯度，不消耗能量进入膜内的一种运输方式。

特点：

• 扩散速率比自由扩散高
• 运输速率同物质浓度成非线性关系
• 存在最大转运速率
• 具有特异性
• 有饱和性
• 载体为 离子载体和通道蛋白

分类与功能

1. 通道蛋白：

概况
* 在蛋白质中心形成一个亲水性的通道，使特定的物质穿越;
* 被动运输的通道蛋白大多都与无机离子的转动相关，又称为离子通道。
* 通道蛋白介导的被动运输不需要与溶质分子结合，只有大小和电荷适直的离子才能通过。
* 通道蛋白对离子的选择性依赖于离子通道的直径、形状和通道内侧带电荷氨基酸的分布。
离子通道的特征：
* 具有极高的转运效率；
* 没有饱和值;
* 并非连续开放，而是门控的。
*  大多数情况下，离子通道呈关闭状态，只在受到刺激后，跨膜的离子通道才会开启（称为门通道，如电位门通道、配体门通道、环核苷酸门通道、机械门通道）

2. 载体蛋白

概况
定义：
* 需要同被运输的离子和分子结合，然后通过白身的构型变化或移动完成物质运输的膜蛋白。
原理：
* 载体蛋白经历一次构象变化，先后交替地把所运物质与之结合的位点暴露于膜的两侧，从而完成运输。

被动运输载体蛋白特点：
- 具有高度的特昇性,其上有结合点,只能与某一种物质进行暂时性、可逆的结合和分离；
- 特定的载体只运输一种类型的化学物质，甚至一种分子或离子；
- 运输方式多样：单一运输，同向运输，反向运输
- 不需要ATP提供能量。
- 载体蛋白对物质的转运过程具有类似于酶与底物作用的动力学曲线、可被类似物竞争性抑制、具有竞争性抑制等酶的特性。但与酶不同的是：载体蛋白不对转运分子作任何共价修饰。

1. 葡萄糖转运蛋自(GLUT）家族

• 结构特点
  • 具有高度同源的氨基酸序列，都含 12 次跨膜的a螺旋
  • 多肽跨膜部分主要由疏水性氦基酸残基组成，是葡萄糖结合位点，从而通过构象改变完成葡萄糖的协助扩散。
• 转运方向
  • 顺葡萄糖浓度梯度转运。

主动运输

概况
定义：

• 指由载体蛋白介导的物质逆浓度或逆电化学梯度的跨膜转运方式
  意义：
• 为了能维持生命活动的正常进行，生物体主要靠主动运输来获取营养物质。
• 细胞膜的主动运输是活细胞的特性，它保证了活细胞能够按照生命活动的需要，主动选择吸收所需的营养物质，主动排出代谢废物和对细胞有害的物质。
  特点：
• 逆浓度梯度(逆化学梯度）运输；
• 需要能量；
• 都有载体蛋白；
• 具有选择性和特异性
  能量来源：
• 光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。
• 协同运输中的离子梯度动力间接提供能量。
• ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量;
  根据所需能量来源不同分为：
  光驱动蛋白;偶联转运蛋白;ATP泵
  1. ATP泵

概况
依靠ATP消解提供能量，逆浓度梯度转运离子和各种小分子。
所有的ATP驱动泵都是跨膜蛋白，在膜的原生质表面具有一个或多个ATP结合位点。
根据泵蛋白的结构和功能，可将ATP驱动泵分为：
- P-型离子泵
    - P-lype ion pump)，或称P型ATPase。此类运输泵运输时需要磷酸化(P是phosphorylation的缩写），包括Na-K泵Ca-离子泵。
- V-型质子泵
    - 或称V型ATPase，主要位于小泡的膜上(V代表vacuole或vesicle)，如溶酶体膜中的H+泵，运输时需要ATP供能，但不需要磷酸化。
- F -型质子泵（转运离子）
    - 或称F型ATPase。这种泵主要存在于细菌质膜、线粒体膜和叶绿体的膜中，它们在能量转换中起重要作用，是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子（F即factor的缩写)。
- ABC超家族（转运小分子）
    - 这是一大类以ATP供能的运输蛋白，已发现了100多种，存在范围很广，包括细菌和人。

概况
位置
    质膜，内质网膜
类型
    类型：
    P型离子泵：每分解一个ATP分子，泵出2个Ca?。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 ：属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。

肌质网：
心肌和骨路肌细胞中的一种特殊的内质网-其功能是参与肌肉收缩活动。
肌质网膜上的Ca2+ -ATP泵将细胞基质中的Ca2+泵入肌质网中储存起来，使肌质网Ca2+ 的浓度比胞质溶胶高出几干倍。
受到神经冲动刺激后，Ca2+释放出来,参与肌肉收缩的调节。

概况
* 最早发现于细菌，是一庞大的蛋白家族，都有两个高度保守的ATP结合区 (ATP binding cassette) ，故名。
*  一种ABC转运器只转运一种或一类底物，不同成员可转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽。蛋白质；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

胞吞

概况
- 大分子及颗粒物质并不直接穿越细胞膜，而是通过一系列膜囊泡的形成和融合来完成物质转运的，称之为膜泡运输
- 真核细胞通过内吞作用（endocytosis）和外排作用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) 。

1. 胞吞作用

• 定义
  • 胞吞作用是指细胞通过质膜内陷形成囊泡，将胞外的生物大分子、颗粒性物质或液体等摄取到细胞内，以维持细胞正常的代谢活动的过程。
• 类型
  • 吞噬作用 (phagocytosig)和胞饮作用（pinocytosis）

2. 吞噬作用

• 特点
  • 吞噬作用常发生于一些特化的吞噬细胞中
  • 需要被吞噬物与吞噬细胞表面结合并激活细胞表面的受体,将信号传递到细胞内并引起细胞应答反应
  • 是一个信号触发的过程。
• 生物作用
  • 对于原生生物，细胞通过吞噬作用将胞外的营养物摄取到吞噬体，最后在溶酶体中消化降解成小分子物质供细胞利用;
  • 对于高等多细胞生物体，吞噬作用常发生于巨噬细胞和中性粒细胞，除了摄取替养物，更重要的是清除侵染机体的病原体以及衰老或调亡的细胞。

3. 胞饮作用

• 特点
  • 所有真核细胞都能通过胞饮作用连续摄入溶液以及可溶性分子
• 类型
  • 网格蛋白依赖的胞吞作用
  • 胞膜窖依赖的胞吞作用
  • 大型胞饮作用
  • 非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用

4. 吞噬作用与胞饮的区别

• 胞吞泡的大小不同，胞饮泡直径150nm，而吞噬泡直径多大于250nm;
• 真核细胞通过胞饮作用连续摄入溶液及可溶性分子（組成型）：而吞噬作用是由特殊的吞啦细胞完成（信号触发过程）
• 胞吞泡形成机制不同(吞噬泡的形成需要有微丝及其结合蛋白的帮助；胞饮泡的形成需要网格蛋白）。

5. 胞吞作用与信号转导

• 胞吞作用对信号转导的下调（表皮生长因子及其受体的胞吞作用）
  • 细胞通过胞吞作用，将EFG受体以及EFG吞入细胞内降解，导致信号转导活性下降，称为受体下行调节
  • 胞吞作用对信号转导的激活(Notch 信号通路）

胞吐

胞吐作用是指细胞内合成的生物分子(蛋白质和脂质等)和代谢物以分泌泡或其他膜泡的形式与质膜融合而将内含物分泌到细胞表面或运到细胞外的过程。

1. 分类

• 组成型胞吐途径
  • 组成型的胞吐途径是指细胞持续合成新的蛋白质和脂质以囊泡形式连续不断地供应质膜更新，可溶性蛋白持续分泌到细胞外的胞吐途径。
• 调节型胞吐途径
  • 调节型胞吐途径是指某些分泌细胞产生的分泌物（如激素、黏液或消化酶）储存在分泌泡内，当细胞受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去的胞吐
    途径。

2. 生物学意

• 保证物质有序地跨膜转运;
• 胞吐作用使质膜在各个区城的面积增加或减少达到动态平衡，对于质膜成分的更新和维持细胞的生存与生长十分必要。

协同转运

概况
- 协同运输又称偶联运输， 它不直接消耗ATP，但要依赖离子泵建立的电化学梯度
- 所以又将离子泵称为初级主动运输(primary active transport)，将协同运输称为次级主动运输 (secondary active transport).
- 间接提供能量完成主动运输。所需能量来自膜两侧离子的浓度梯度。
- 动物细胞中常常利用膜两侧Nat浓度梯度来驱动。
- 植物细胞和细菌常利用计浓度梯度来驱动。
- 分为：同向协同（symport ）和反向协同(antiport)

1. 同向协同

• 如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na的进入。某些细菌对乳糖的吸收伴随着H的进入。

2. 反向协同

• 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，即Na+的进入胞内伴随者H+的排出。此外质子泵可直接利用ATP运输H+来调节细胞pH值，

细胞膜电位

定义

1. 膜电位：

• 指细胞质膜两侧各种带电物质形成的电位差综总和

2. 静息电位

• 静息电位是指细胞在静息状态下的膜电位。

3. 动作电位

• 动作电位是指细胞在刺激作用下产生行使通讯功能的快速变化的膜电位。

4. 极化

• 极化是指细胞在静息电位状态下出现膜内外相对稳定的电位差，质膜内为负值，质膜外为正值的现象。

5. 去极化

• 去极化是指当细胞接受刺激信号(电信号或化学信号）超过一定國值时，电位门Na通道将介导细胞产生动作电位，使得细胞膜内外侧所带电荷数发生改变的现象。

6. 反极化

• 反极化是指当细胞内 Na进一步增加达到 Nat平衡电位，形成瞬间的内正外负动作电位的现象。

7. 超极化

• 超极化是指在 Na大量进入细胞时，K-通透性也逐渐增加，随着动作电位出现，Na通道从失活到关闭，电位门K‘通道完全打开，K ’流出细胞从而使质膜再度极化，以至于超过原来的静息电位的现象。

跨膜运输与膜电位

动物细胞质膜对K‘的通透性大于 Na是产生静息电位的主要原因，
CI甚至细胞中的蛋白质分子对静息电位的大小也有一定的影响。

• 膜电位的生物学意义
  • 膜电位在神经、肌肉等可兴奋细胞中，是化学信号或电信号引起的兴奋传递的重要方式。

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：母鼠血液中的抗体经穿胞运输进入乳汁。

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。如内质网到高尔基体等

小结

题解

1. 小肠上皮细胞膜上载体蛋白转运葡萄糖时，为何有时呈协助扩散，有时又是协同运输？

   答：
   
   （1）协助扩散
   
   协助扩散是各种极性小分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等，顺其浓度梯度或电化学梯度的跨膜转运，该过程不需要细胞提供能量，但需要特异性膜蛋白协助物质转运，使转运的速率和特异性都有提高。
   
   (2)同运输
   
   协同运输是一类由 Na ’-K‘泵（或H*泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗能量所完成的主动运输方式，这种运输方式的拉接动力是来自膜两侧例子的电化学浓度梯度，而这种感子电化学梯度的维持是通过Na-K泵（或H泵）消耗ATP实现的。
   
   (3)葡萄糖的转运
   
   小肠上皮细胞采取学万式运输而萄糖，主要还是根据小肠中面的糖的浓度来决定的。
   当小肠中葡萄糖浓度较高，且高于小肠上皮细胞内的葡萄糖浓度时，细胞一般采协助扩散方式高效的将葡萄糖转运入细胞
   当小肠内的葡萄糖浓度高于小肠中时，协助扩散无法转运葡萄糖，小肠采用协同运输的方式继续完成葡萄糖的吸收。

2. 胞吞胞饮的主要区别
   

   答：胞饮作用与吞噬作用的主要区别如下：
   

• 胞吞泡的大小不同：胞饮泡直径一般小于 150nm，吞噬泡直径大于 250nm;
• 胞吞泡的产生时间不同：胞饮作用是一个连续发生的作用，吞噬作用是一个信号触发过程；
• 胞吞泡的形成机制不同：胞饮泡的形成需要网格蛋白或这一类蛋自的帮助，吞噬泡的形成需要有微丝及其结合蛋白帮助。
• 发生的细胞类型不同：所有真核细胞都能通过胞饮作用连续摄入溶液及可溶性分子。吞噬作用常发生于一些特化的吞噬细胞如巨噬细胞中。