資料一 物質跨膜運輸的方式

1、資料1：細胞膜上存在兩類主要的轉運蛋白，即：載體蛋白（carrier protein）和通道蛋白（channel protein）。載體蛋白又稱作載體（carrier）、通透酶（permease）和轉運器（transporter），能夠與特定溶質結合，通過自身構象的變化，將與它結合的溶質轉移到膜的另一側，載體蛋白有的需要能量驅動，如：各類APT驅動的離子泵；有的則不需要能量，以自由擴散的方式運輸物質，如：纈氨酶素。通道蛋白與所轉運物質的結合較弱，它能形成親水的通道，當通道打開時能允許特定的溶質通過，所有通道蛋白均以自由擴散的方式運輸溶質。資料2：自由擴散（free diffusing），特點是

2、：沿濃度梯度（或電化學梯度）擴散；不需要提供能量；沒有膜蛋白的協助。脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；非極性分子比極性容易透過，小分子比大分子容易透過。具有極性的水分子容易透過是因水分子小，可通過由膜脂運動而產生的間隙。非極性的小分子如O2、CO2、N2可以很快透過脂雙層，不帶電荷的極性小分子，如水、尿素、甘油等也可以透過人工脂雙層，盡管速度較慢，分子量略大一點的葡萄糖、蔗糖則很難透過，而膜對帶電荷的物質如：H+、Na+、K+、Cl、HCO3是高度不通透的。事實上細胞的物質轉運過程中，透過脂雙層的簡單擴散現象很少，絕大多數情況下，物質是通過載體或者通道來轉運的。離子、葡萄糖、核苷酸等

3、物質有的是通過質膜上的運輸蛋白的協助，按濃度梯度擴散進入質膜的，有的則是通過主動運輸的方式進行轉運。資料3：促進擴散（faciliatied diffusion），其運輸特點是： 比自由擴散轉運速率高； 存在最大轉運速率； 在一定限度內運輸速率同物質濃度成正比。如超過一定限度，濃度再增加，運輸也不再增加。因膜上載體蛋白的結合位點已達飽和； 有特異性，即與特定溶質結合。這類特殊的載體蛋白主要有離子載體和通道蛋白兩種類型。（一）離子載體離子載體（ionophore），是疏水性的小分子，可溶于雙脂層，提高所轉運離子的通透率，多為微生物合成，是微生物防御被捕食或與其它物種競爭的武器， 離子載體也是以被

4、動的運輸方式運輸離子，可分成可動離子載體（mobile ion carrier）和通道離子載體（channel former）兩類：可動離子載體：如纈氨霉素（valinomycin）能在膜的一側結合K+，順著電化學梯度通過脂雙層，在膜的另一側釋放K+，且能往返進行（圖5-2）。其作用機理就像虹吸管可以使玻璃杯中的水跨越杯壁屏障，向低處流動一樣。此外，2,4-二硝基酚（DNP）、羰基-氰-對-三氟甲氧基苯肼（FCCP）可轉運H+，離子霉素（ionomycin）、A23187可轉運Ca2+。（二）通道蛋白通道蛋白（channel protein）是橫跨質膜的親水性通道，允許適當大小的離子順濃度梯度

5、通過，故又稱離子通道。有些通道蛋白形成的通道通常處于開放狀態(tài)，如鉀泄漏通道，允許鉀離子不斷外流。有些通道蛋白平時處于關閉狀態(tài)，即“門”不是連續(xù)開放的，僅在特定刺激下才打開，而且是瞬時開放瞬時關閉，在幾毫秒的時間里，一些離子、代謝物或其他溶質順著濃度梯度自由擴散通過細胞膜，這類通道蛋白又稱為門通道（gated channel）。門通道可以分為四類（圖5-4）：配體門通道（ligand gated channel）、電位門通道（voltage gated channel）、環(huán)核苷酸門通道（Cyclic Nucleotide-Gated Ion Channels）和機械門通道（mechanosens

6、itive channel）。不同通道對不同離子的通透性不同，即離子選擇性(ionic selectivity)。這是由通道的結構所決定的，只允許具有特定離子半徑和電荷的離子通過。根據離子選擇性的不同，通道可分為鈉通道、鈣通道、鉀通道、氯通道等。但通道的離子選擇性只是相對的而不是絕對的，比如，鈉通道除主要對Na+通透外，對NH4+也通透，甚至于對K+也稍有通透。資料4：水通道長期以來, 普遍認為細胞內外的水分子是以簡單擴散的方式透過脂雙層膜。后來發(fā)現某些細胞在低滲溶液中對水的通透性很高, 很難以簡單擴散來解釋。如將紅細胞移入低滲溶液后，很快吸水膨脹而溶血，而水生動物的卵母細胞在低滲溶液不膨脹。

7、因此，人們推測水的跨膜轉運除了簡單擴散外, 還存在某種特殊的機制, 并提出了水通道的概念。1988年Agre在分離純化紅細胞膜上的Rh血型抗原時，發(fā)現了一個28 KD 的疏水性跨膜蛋白，稱為CHIP28 (Channel-Forming integral membrane protein)，1991年得到CHIP28的cDNA 序列，Agre將CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母細胞中，在低滲溶液中，卵母細胞迅速膨脹，并于5 分鐘內破裂，純化的CHIP28置入脂質體，也會得到同樣的結果。細胞的這種吸水膨脹現象會被Hg2+抑制，而這是已知的抑制水通透的處理措施。這一發(fā)現揭示了細胞膜上確實存在

8、水通道，Agre因此而與離子通道的研究者Roderick MacKinnon共享2003年的諾貝爾化學獎。目前在人類細胞中已發(fā)現的此類蛋白至少有11種，被命名為水通道蛋白（Aquaporin，AQP），均具有選擇性的讓水分子通過的特性。在實驗植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）中已發(fā)現35個這類水通道。水通道的活性調節(jié)可能具有以下途徑：通過磷酸化使AQP的活性增強；通過膜跑運輸改變膜上AQP的含量，如血管加壓素(抗利尿激素) 對腎臟遠曲小管和集合小管上皮細胞水通透性調節(jié)；通過調節(jié)基因表達，促進AQP的合成。資料5：主動運輸的特點是：逆濃度梯度（逆化學梯度）運輸；需要能量（由A

9、TP直接供能）或與釋放能量的過程偶聯（協同運輸）；都有載體蛋白。主動運輸所需的能量來源主要有：1.        協同運輸中的離子梯度動力；2.        ATP驅動的泵通過水解ATP獲得能量；3.        光驅動的泵利用光能運輸物質，見于細菌。一、鈉鉀泵實際上就是Na+-K+ATP酶（圖5-7），一般認為是由2個大亞基、2個小亞基組成的4聚體。Na+-K+ATP酶通過磷酸化和

10、去磷酸化過程發(fā)生構象的變化，導致與Na+、K+的親和力發(fā)生變化。在膜內側Na+與酶結合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，構象發(fā)生變化，于是與Na+結合的部位轉向膜外側；這種磷酸化的酶對Na+的親和力低，對K+的親和力高，因而在膜外側釋放Na+、而與K+結合。K+與磷酸化酶結合后促使酶去磷酸化，酶的構象恢復原狀，于是與K+結合的部位轉向膜內側，K+與酶的親和力降低，使K+在膜內被釋放，而又與Na+結合。其總的結果是每一循環(huán)消耗一個ATP；轉運出三個Na+，轉進兩個K+。鈉鉀泵的一個特性是他對離子的轉運循環(huán)依賴自磷酸化過程，ATP上的一個磷酸基團轉移到鈉鉀泵的一個天冬氨酸殘基上，導致構

11、象的變化。通過自磷酸化來轉運離子的離子泵就叫做P-type，與之相類似的還有鈣泵和質子泵。它們組成了功能與結構相似的一個蛋白質家族。Na+-K+泵作用是：維持細胞的滲透性，保持細胞的體積；維持低Na+高K+的細胞內環(huán)境，維持細胞的靜息電位。烏本苷（ouabain）、地高辛（digoxin）等強心劑能抑制心肌細胞Na+-K+泵的活性；從而降低鈉鈣交換器效率，使內流鈣離子增多，加強心肌收縮，因而具有強心作用。圖5-7 鈉鉀泵二、鈣離子泵鈣離子泵對于細胞是非常重要的，因為鈣離子通常與信號轉到有關，鈣離子濃度的變化會引起細胞內信號途徑的反應，導致一系列的生理變化。通常細胞內鈣離子濃度（10-7M）顯著

12、低于細胞外鈣離子濃度（10-3M），主要是因為質膜和內質網膜上存在鈣離子轉運體系，細胞內鈣離子泵有兩類：其一是P型離子泵（圖5-8），其原理與鈉鉀泵相似，每分解一個ATP分子，泵出2個Ca2+。另一類叫做鈉鈣交換器（Na+-Ca2+ exchanger），屬于反向協同運輸體系（antiporter），通過鈉鈣交換來轉運鈣離子。位于肌質網（sarcoplasmic reticulum）上的鈣離子泵是了解最多的一類P型離子泵，占肌質網膜蛋白質的90%。肌質網是一類特化的內質網，形成網管狀結構位于細胞質中，具有貯存鈣離子的功能。肌細胞膜去極化后引起肌質網上的鈣離子通道打開，大量鈣離子進入細胞質，引起肌肉收縮之后由鈣離子泵將鈣離子泵回肌質網。圖5-8鈣離子泵三、質子泵質子泵有三類（圖5-9）：P-type、V-type、F-type。1、P-type：載體蛋白利用ATP使自身磷酸化（phosphorylation），發(fā)生構象的改變來轉移質子或其它離子，如植物細胞膜上的H+泵、動物細胞的Na+-K+泵、Ca2+離子泵，H+-K+ATP酶（位于胃表皮細胞，分泌胃酸）。 2、V-type：位于小泡（vacuole）的膜上，由許多亞基構成，水解ATP產生能量，但不發(fā)生自磷酸化，位于溶酶體膜、動物細胞的內吞體、高爾基體的囊泡膜、