第九章 小分子物质的跨膜运输Word文档下载推荐.docx
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图9－2脂双层对各种分子的通透性
（引自Alberts等，2002）
参照前书图9-19
二、膜蛋白介导的运输
生物膜与人工合成的脂双层之间的重要不同是：
生物膜对各种极性、带电分子如离子、单糖、氨基酸、核苷酸等均允许通过。
这些物质的运输由膜蛋白介导，这些膜蛋白称为膜运输蛋白。
根据膜运输蛋白介导运输的形式不同，将它们分为两类：
载体蛋白（carrierprotein）和通道蛋白（channelprotein）。
载体蛋白能与所运输的特异性物质结合，经本身构象改变而运送该物质穿过膜。
通道蛋白则形成贯穿脂双层的充水孔道，当这些孔道在特异信号控制下打开时，能让特异性物质（一般是无机离子）经过而穿越膜（图9－3）。
就运输蛋白与所运分子的关系而言，载体蛋白必须与所运物质结合，有较强的互相作用，而通道蛋白与所运分子作用较弱。
就运输速度而言，通道蛋白介导的运输要比载体蛋白介导的快得多。
图9－3载体蛋白和通道蛋白
（引自Alberts,2002）
参照前书图9-20
所有结构已知的运输蛋白都是多次穿膜的跨膜蛋白，其肽链多次折叠，在脂双层内形成一个跨膜的蛋白通道以运送特异的物质。
每种蛋白质只运送某一特定类别的分子如离子或糖或氨基酸，并且常常只针对该类别中某一种分子如钠离子或钙离子、葡萄糖或半乳糖。
膜运输蛋白的特异性最早在上世纪50年代中期被发现，细菌的单个基因突变就使其质膜丧失对某种糖类的运输能力。
后来发现很多临床上的例子，在患有肾脏或肠先天性对某种特殊物质吸收障碍的人群中，存在相关的单个基因突变，证明运输蛋白对某一物质的特异性。
半胱氨酸尿症是一种遗传性疾病，患者肾和肠的有关细胞不能将半胱氨酸运输入血液，结果导致半胱氨酸在尿中蓄积，造成肾脏发生半胱氨酸结石。
不管是载体蛋白还是通道蛋白，膜蛋白介导的跨膜运输因有无能量偶联而存在两种不同形式（图9－4）：
（1）被动运输，又称易化扩散。
采用这一形式的是所有通道蛋白和一部分载体蛋白。
它们“帮助”所要运送的物质顺着其电化学梯度跨越过膜（“下坡”），因此不需要能量供应。
若所运的分子不带电，其运输方向由其在膜两侧的浓度差决定；
若所运分子带电，运输方向就由跨膜浓度差和电位差一起决定，浓度差和电位差构成了所谓的电化学梯度。
几乎所有质膜都存在电位差，又称电压梯度，通常膜内比膜外更负，所以膜电位差通常有利于带正电离子进入而不利于带负电离子进入（图中的B中图所示情形）。
（2）主动运输。
采用这一形式的全部是载体蛋白，它们对抗所运送物质的电化学梯度，“逆势”地把物质泵运过膜（“上坡”），这样它们又被称为“泵”。
载体蛋白的主动运输是定向的，并且总是偶联于一个能源，如ATP水解或离子梯度。
可以看出，载体蛋白介导的运输有些是主动的，有些是被动的，而通道蛋白介导的运输都是被动的。
下面分别讨论载体蛋白和通道蛋白各自介导的运输。
图9－4单纯扩散、主动运输和被动运输
参照前书图9-21
第二节载体蛋白介导的运输
一、载体蛋白介导运输的原理和特点
载体蛋白运送一个特异分子的过程，与酶-底物反应有许多类似之处。
首先，每种载体对其所运分子有一个或多个特异性结合位点，某种载体饱和时，意味着所有结合位点被占满，此时运输速率为最大，该速率称为Vmax，对某种载体是具特征性的，并反映载体蛋白在两种构象之间变换的速率。
其次，每种载体对其所运物质有一特征性的结合常数Km,即运输速率为其最大值一半时所运物质的浓度。
第三，像酶反应一样，所运物质与载体的结合可被竞争性抑制物特异性地阻断（竞争同一位点并且被或不被载体运输），也可被非竞争性抑制物阻断（在载体的别处结合并特异性地改变载体的构象）。
与酶反应的不同之处是，载体蛋白并不对所运分子作共价修饰，也就是说物质是一无改变地从膜的一侧被送到另一侧的。
载体介导运输的另一个特点是有几种不同的运输方式。
有些载体只运送一种物质，这是单一运输（uniport），另一些载体则进行偶联运输（coupledtransport），即一种物质的运输依赖第二种物质同时或后继的运输，这两种物质的运输可以方向相同——称为同向运输（symport），也可以方向相反——称为反向运输（antiport）（图9－5）。
进行偶联运输的载体蛋白又叫偶联载体，它们对一种物质进行主动运输时，依赖另一种物质的电化学梯度所贮存的能量（详见下述）。
举例来说，大多数动物细胞必须从细胞外液中摄取葡萄糖，细胞外葡萄糖浓度相当高，由葡萄糖载体操作单一运输而被动地运入。
但是，肠道和肾脏的上皮细胞必须分别从肠腔和肾小管管腔中摄取葡萄糖，而肠腔和肾小管腔中葡萄糖浓度是低的，存在于这些细胞顶质膜上的同向运输载体系统就通过把细胞外高浓度的钠离子运入细胞来主动地把葡萄糖运入细胞。
另外如上节所述，人类红细胞膜上的阴离子载体第三带蛋白进行反向运输以排出Cl-，摄入HCO3-。
图9－5载体运输的几种形式
参照前书图9-22
载体介导运输的机理是：
载体蛋白经历了一个构象变化，先后交替地把所运物质结合的位点暴露于膜的两侧，从而完成运输。
如图9－6所示，在载体蛋白处于A状态时，结合位点暴露于膜外侧，X物质结合上去，当构象转变为B状态时，结合位点暴露于膜内侧，X物质被释放下来，这样X物质就从膜外到了膜内。
由于载体构象变化是随机的、可逆的，当X物质的电化学梯度是膜外高膜内低时，结合至A状态载体的X分子必然多于结合至B状态的，从而X物质得以顺其梯度从膜外进入膜内。
这就是载体蛋白进行被动运输的原理。
在载体介导主动运输的时候，载体蛋白与一种能源相连接，从而能够将物质逆其浓度梯度运送过膜。
所谓能源一般有3种形式，如图9－7所示。
（1）离子梯度驱动力，即通过偶联运输使一种物质的“下坡”带动另一种物质的“上坡”，能这样进行主动运输的载体蛋白叫作偶联载体；
（2）ATP驱动泵，将主动运输偶联于ATP水解；
（3）光驱动泵，将主动运输偶联于光能。
一般存在于细菌中，如细菌视紫红质的作用。
图9－6载体介导被动运输原理
参照前书图9-23
在动物细胞中，载体蛋白主动运输所需要的能源主要是ATP水解供能和离子梯度驱动力。
图9－7载体介导主动运输的能源
参照前书图9-24
从氨基酸序列比较来看，很多情况下，介导主动运输和被动运输的载体蛋白在分子构造上存在极大的相同性。
有些细菌的载体蛋白利用膜两侧的氢离子梯度所贮存的能量驱动对糖的主动摄取，它们的结构与动物细胞上被动运输葡萄糖的载体蛋白十分相似。
这提示了不同载体蛋白在进化上的关系。
小分子代谢物和糖可以作为重要的能源，因此可以认为载体蛋白超级家族实际上是一个很古老的家族。
在下文我们先介绍利用离子梯度驱动主动运输的载体蛋白，即偶联载体。
这类载体蛋白在所有细胞小分子代谢物跨膜运输中都扮演重要角色。
然后讨论ATP驱动泵，其中包括在几乎所有细胞质膜上普遍存在的钠离子泵。
二、偶联载体
两种物质偶联运输使得载体蛋白可以利用一种物质（典型的是无机离子）的电化学梯度中贮存的能量来运输另一种物质。
在动物细胞质膜上，Na+往往是被偶联送入细胞的离子，它的跨膜电化学梯度为第二种离子的主动运输提供大量能量。
进入细胞的Na+过后再被质膜上的ATP－Na+泵泵出去，从而使Na+的电化学梯度得以维持。
ATP－Na+泵由此通过维持Na+梯度间接驱动了离子运输。
因此可以说，ATP－Na+泵介导了初级的主动运输，而偶联载体则介导了次级的主动运输。
如前所述，偶联运输可以是同向的，也可是反向的。
下面是一些同向和反向的运输载体的例子。
1．Na+梯度驱动的同向运输载体与糖摄入在肠和肾小管上皮细胞质膜上存在多种利用Na+梯度的同向运输系统，各自负责运送一种溶质即一组特异糖类或氨基酸进入细胞。
在运输过程中，溶质和Na+结合于载体蛋白的不同位点上，Na+顺其电化学梯度欲进入细胞，而糖或氨基酸，在某种意义上可以说，被一起“拽”了进来。
Na+的电化学梯度愈大，溶质进入的速率也就愈大，结果，如果细胞外液Na+的浓度降低，溶质的进入就会减少。
图9－8示由Na+梯度驱动的葡萄糖载体的工作原理。
载体在A和B两种构象状态间变换：
蛋白结构在A状态向细胞外开放，而在B状态则向细胞质开放。
Na+和葡萄糖在载体上的结合是协同的，即其中一个的结合诱发载体构象改变，大大增加对另一个的亲和力。
因为Na+的细胞外液浓度很高，葡萄糖也就很容易在A状态结合于载体，这样,Na+和葡萄糖两者经载体状态的AB变换进入细胞，比经BA变换离开细胞要容易发生，所以总的结果是Na+和葡萄糖的净入。
注意，由于两者结合有协同作用，缺一种则另一种无法结合上载体，因而只有在两者俱备或两者俱缺的情形下，载体才会发生两种构象之间的变换。
这种偶联载体在运输葡萄糖的过程中改变了Na+梯度，而膜两侧正常Na+梯度的维持要依赖膜上的ATP－Na+泵（详见下述）。
图9－8Na+梯度驱动的葡萄糖载体的工作原理
参照前书图9-25
2．H+梯度驱动的同向运输载体与糖摄入在细菌、酵母以及动物细胞一些膜包围的细胞器，许多由离子梯度驱动的膜上主动运输是依赖H+而非Na+的。
这反映出这类膜上H+泵占优势，Na+泵几乎缺如。
细菌细胞上许多糖和氨基酸的主动运输靠H+跨膜梯度驱动，其中研究很多的一个H+驱动同向运输的例子就是将乳糖运入大肠杆菌的乳糖通透酶（lactosepermease）。
该酶由12个穿膜螺旋松弛折叠而成，在运输过程中，一些螺旋发生滑动，导致倾斜。
这一动作使螺旋之间的一个裂隙打开又关闭，先是向膜的一侧、然后再向另一侧暴露了乳糖和H+的结合位点－。
3．Na+梯度驱动的反向运输载体与胞质pH维持蛋白质需要最适pH来实行其功能，不同的细胞器需要特定的pH环境，如溶酶体酶必须在溶酶体的低pH（～5）环境下工作，而胞质的酶则要求近中性的pH（～7.2）。
因此，控制胞质和细胞器特有的pH对细胞是至关重要的。
大多数细胞在质膜上有一种或多种反向运输载体蛋白用以维持胞质pH在7.2左右。
H+可以自细胞外漏入，也可以从细胞内的成酸反应生成。
处理过多H+的机制有两种，一是将H+直接运出去，二是带入HCO3-中和H+。
有些反向运输载体蛋白使用第一种机制，利用Na+梯度贮存的能量将胞质中过多的H+泵出胞外。
其中的一个例子是Na+－H+交换蛋白，它将Na+内流与H+外流相偶联。
另一些反向运输蛋白则将两种机制结合起来，如Na+驱动的Cl-－HCO3-交换蛋白，它将Na+和HCO3-的内流与Cl-和H+的外流相偶联，也就是造成NaHCO3进来和HCl出去。
Na+驱动的Cl-－HCO3-交换蛋白如同Na+－H+交换蛋白一样高效，因为每有一个Na+进入，就有一个H+被泵出，同时另有一个H+被中和。
在有NaHCO3来源的情况下，Na+驱动的Cl-－HCO3-交换蛋白是调节胞质pH的最重要反向运输载体蛋白。
这两种载体都受胞质pH的调节，在pH下降时活性增高。
不过，对于许多细胞器的pH维持，例如溶酶体、内体和分泌颗粒的低pH，是ATP驱动的H+泵起了重要作用，即ATP水解供能将H+从细胞质基质泵入这些细胞器。
4．载体蛋白的不对称分布与上皮细胞吸收功能在小肠上皮细胞，Na+梯度驱动的同向运输载体分布于顶面结构域即吸收面结构域，此处，细胞对抗营养物溶质的浓度差主动地将溶质从肠腔摄入细胞。
不依赖Na+的运输蛋白则分布于底面和侧面即底侧面结构域，此处允许营养物溶质顺其浓度差被动地离开细胞。
许多上皮细胞通过在吸收面形成大量如指状突起的微绒毛而大大增加质膜面积，增加运输容量。
如小肠和肾小管的刷状缘。
三、ATP驱动泵
如上所述，离子梯度在驱动细胞的许多基本运输活动中起到了关键作用，而建立和维持这些离子梯度却有赖于利用ATP水解供能的各种离子泵。
（一）P型运输ATP酶：
Na+-K+泵
几乎所有动物细胞脂膜上都存在这一对Na+进行主动运输的载体蛋白。
因它将Na+逆着极高的电化学梯度运出细胞，而把K+逆着极高的电化学梯度运入细胞，所以称之为Na+-K+泵，又因为它的能量来源是自身进行ATP水解获得的，又把它叫做Na+-K+-ATP酶，大多数细胞的细胞内Na+浓度低于细胞外10-20倍，K+浓度则是细胞内高于细胞外10-20倍，这样一种奇特的离子梯度对于细胞的许多活动至关重要，其维持正是依靠Na+-K+泵的作用。
一般动物细胞能量需要的三分之一耗费于该泵，在神经细胞这种消耗可达三分之二，可见该蛋白对细胞生存的重要性。
Na+-K+-ATP酶已被提纯，其作用机理也已清楚。
它是由一个大的多次穿膜的催化亚基（约1000个氨基酸残基）和一个小的糖蛋白相联组成的。
糖蛋白功能未明。
在催化亚基的胞质面有Na+和ATP的结合位点，在其外表面有K+或乌本苷（ouabain,一种箭毒苷，能抑制ATP酶）的结合位点，整个分子能可逆地磷酸化和去磷酸化，运输过程依赖的正是这种自动的磷酸化－去磷酸化循环（图9－9A）。
催化亚基磷酸化是由于在胞质面ATP水解成ADP，其末端磷酸基团在Na+存在时就转移至催化亚基的一个精氨酸残基上。
这种依赖Na+的磷酸化引发了构象变化，导致Na+被运送出细胞，随即又发生了依赖K+的去磷酸化，即在细胞外表面有K+存在时，亚基上的磷酸基水解脱落，结果K+被运送入细胞，这时亚基又恢复原来的构象（图9－9B）。
乌本苷对ATP酶的抑制就发生在依赖K+的去磷酸化这一步上，因它与K+竞争结合至亚基上。
由此可以解释为什么Na+、K+运输与ATP水解紧密偶联，并且这种运输和水解的条件是Na+和ATP存在于细胞内、K+存在于细胞外。
图9－9Na+-K+-ATP酶工作原理
参照前书图9-26
泵的两种状态分别以磷酸基团的存在与缺如为标志，这样一类离子泵被统称为“P型运输ATP酶”（P指phosphorylation，即磷酸化），由结构和功能相关的蛋白家族组成，包括下文将予讨论的Ca＋泵和H＋泵。
Na+-K+-ATP酶每水解1分子ATP，同时泵出3个Na+，泵入2个K+。
产生的直接效应是细胞外高钠、细胞内高钾的特殊离子梯度。
其间接效应有：
（1）调节细胞容积。
因细胞内有固有阴离子，又有为平衡固有阴离子而伴随存在的许多阳离子，它们共同形成一个要把水“拉”进来的渗透压，与之对抗的是细胞外渗透压，这主要由Na+、CL-等无机离子造成。
但细胞外高钠使Na+有顺其梯度流入细胞的倾向，Na+-K+-ATP酶把流入的Na+不断泵出，维持了膜内外渗透压的平衡。
因此，用乌本苷处理细胞，细胞将很快肿胀破裂，可见Na+-K+泵对维持细胞容积的重要性。
（2）保证另一些物质的主动运输。
钠离子浓度梯度中储存的能量使某些载体蛋白可以以同向运输或反向运输的形式，主动把氨基酸和葡萄糖运入细胞，把H+运出细胞（已如上述）。
（3）参与形成膜电位。
因Na+-K+泵每泵出3个Na+只泵入2个K+，结果造成膜内相对负于膜外的电位差，这一效应对膜电位的形成有10%的作用。
Na+-K+泵可以被反向驱动，这种情况下就有ATP生成。
在实验条件下如果将Na+和K+梯度扩大到这样一个程度，即贮存于离子电化学梯度中的能量大于ATP水解的化学能，那么这些离子就会顺着它们的电化学梯度移动，Na+-K+泵就驱动了从ADP和磷酸合成ATP的过程。
究竟Na+-K+泵的工作是用于生成ATP还是将Na+泵出细胞，取决于ATP、ADP和磷酸的浓度以及Na+和K+的电化学梯度。
（二）P型运输ATP酶：
Ca+泵
真核细胞胞质中游离Ca+浓度很低（~10-7mol/L），细胞外Ca+浓度则很高（~10-3mol/L）。
肌肉细胞的肌质网是一种特化的内质网，是Ca+的储存池，其腔内Ca+浓度也大大高于胞质。
质膜或肌质网膜两侧的这种钙梯度有十分重要的意义，因为当某些细胞外信号作用于细胞时，钙离子顺其浓度梯度的跨膜流动可以是细胞对细胞外信号应答和传导的一种方式。
例如神经末梢的去极化引发Ca+内流，导致末梢释放乙酰胆碱；
肌肉细胞的去极化引起肌质网中Ca+释放至胞质，导致肌纤维收缩。
Ca+梯度的维持相当程度上依赖膜上的钙泵，这些钙泵有一种是P型运输ATP酶，另一种是被Na+电化学梯度驱动的反向运输蛋白，叫作Na+－Ca+交换蛋白。
在细胞受外界信号刺激而升高胞质Ca+浓度后，肌质网膜上的大量钙泵负责将胞质中的Ca+泵回肌质网。
非肌肉细胞的内质网膜上也存在类似的钙泵，但数量较少。
肌质网膜上的钙泵，或称Ca+-ATP酶，是了解得最清楚的P型运输ATP酶。
这个Ca+-ATP酶占肌质网膜蛋白重量的90%，因此易于提纯。
像所有P型运输ATP酶一样，这个蛋白在泵运Ca+过程中经历了磷酸化和去磷酸化的变化，每水解1分子ATP把2个Ca+从细胞质中泵入肌质网腔。
对Ca+－ATP酶以及另一个与之相关的真菌H＋泵的研究第一次提供了共有相似结构的P型运输ATP酶家族的资料。
它们都含10个跨膜螺旋，其中3个排成穿越脂双层的中央通道。
在非磷酸化状态，Ca+－ATP酶的2个螺旋裂开，形成一个面向胞质的腔隙，让2个Ca+结合。
ATP在同一面结合至其位点以及相邻结构域接着发生的磷酸化，导致整个跨膜螺旋的剧烈构象变化，结果Ca+结合位点打破，Ca+在膜的另一侧被释放，即被送入肌质网腔（图9－10）。
图9－10Ca+－ATP酶分子结构及工作原理（引自Alberts等，2002）
参照前书图9-27
（三）V型运输ATP酶：
ATP酶和H＋泵
细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体的类囊体的膜上所含的运输ATP酶，属于V型运输ATP酶，在结构上完全不同于P型运输ATP酶。
它们是一种涡轮状的结构，由多个不同的蛋白亚基构成。
它们在正常情况下是逆向工作的，即不是ATP水解泵运离子，而是H＋的跨膜梯度驱动从ADP和磷酸合成ATP。
H＋的跨膜梯度来源于细菌和线粒体的氧化磷酸化，或叶绿体的光合作用，或细菌视紫红质的光激活H＋生成。
尽管正常情况下V型运输ATP酶合成ATP，被看作ATP酶，但它们也可以反向工作，即象P型运输ATP酶一样，水解ATP，运输氢离子。
细胞确实这样使用V型运输ATP酶：
在有些细胞器，如溶酶体、突触小泡、植物液泡的膜上，V型运输ATP酶泵入H＋，造成这些细胞器内部的酸化。
四、运输蛋白超级家族
以上所述运输ATP酶属于一个运输蛋白超级家族，存在于各种细胞。
虽然它们的功能刚刚开始被认识，它们在临床上的重要意义已经十分令人注目。
家族中的第一个得到鉴定的成员即前述细菌膜上利用H＋梯度将各种营养物质泵运入细胞的载体蛋白。
细菌质膜上的运输ATP酶属于已知最大、最多样化的一个运输蛋白家族，名为ABC运输蛋白超级家族，因为每一成员都含两个高度保守的ATP结合匣（cassette）－即ATP结合结构域。
典型的ABC运输蛋白由4个结构域组成：
两个高度疏水结构域，其中各自含六个穿膜片断，形成运输通道；
另两个就是ATP结合催化结构域，或称结合匣（图9－11）。
ATP结合引发两个ATP结合结构域发生二聚体化，而ATP水解造成它们解聚。
在膜的胞质面发生的这种结构变化传递至穿膜片断，驱动了构象变换循环，使底物结合位点相继暴露于膜的两侧。
就这样，ABC运输蛋白利用了ATP的结合和水解，最终将分子运输过膜。
图9－11ABC运输蛋白的结构
参照前书图9-28
在大肠杆菌，有78个基因，即5％的基因，编码ABC运输蛋白。
在动物细胞这个数目更大。
每个运输蛋白专一运输一种或一类底物，整个超级家族所运输物质的种类是极其巨大的，可包含氨基酸、糖、无机离子、多糖、肽类、甚至蛋白质。
在真核细胞得以鉴定的第一个ABC运输蛋白是由于它们能将疏水的药物泵出细胞而发现的，其中之一就是多药耐药蛋白（multidrugresistance（MDR）protein）。
该蛋白在各种肿瘤细胞上的过度表达，使细胞对肿瘤化疗中常用的、化学上无关联的多种细胞毒药物同时发生抵抗。
施用其中任一药物都会造成过度表达MDR运输蛋白的细胞得到选择（即适应而生长）。
MDR运输蛋白将药物泵出细胞，减轻毒性作用，造成耐药。
研究表明有多达40％的人类癌症可以发生多药耐药，这成为抗癌治疗的一大障碍。
另一类似的不利例子是，引起疟疾的疟原虫中有一种具有对抗疟药氯喹的耐药性，原因是它们能过度表达一种ABC运输蛋白，将氯喹泵出细胞。
在酵母，负责将求偶素─一个12个氨基酸的肽─输出细胞的也是一种ABC运输蛋白。
大多数脊椎动物细胞的内质网膜上，ABC运输蛋白将蛋白质降解产生的各种肽不停地从胞质输入至内质网腔。
这是机体免疫系统对细胞进行监控的一种重要机制的第一步。
进入内质网的蛋白片断最终将出现在细胞质膜表面，如果这些片断来源于病毒或其他有害微生物，这一提呈抗原将被细胞毒性T淋巴细胞识别。
囊性纤维化病在白种人发生率高达1：
27，该病由上皮细胞质膜上调控Cl运输的ABC运输蛋白的基因发生突变造成。
第三节通道蛋白介导的运输
一、通道蛋白介导运输的原理和特点
通道运输的对象仅限于离子，主要是Na+、K+、Ca+、Cl-等，所以这些运输蛋白又叫离子通道。
通道蛋白是通过形成贯穿膜层的充水孔道来完成运输的。
但离子通道不是简单的充水孔道，两者主要区别在于两点，一是离子通道对离子的大小、带电性具有选择性，这叫
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