细胞生物学/小分子物质和离子的穿膜运输

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细胞膜与物质的穿膜运输 - 细胞膜的化学组成与生物学特性 - 小分子物质和离子的穿膜运输 - 大分子和颗粒物质的穿膜运输 - 细胞膜异常与疾病
细胞是生命的基本单位,它们在进行各种生命活动中必然要与外环境进行活跃的物质交换,通过 质膜从环境中获取需要的营养物质和O2并将CO2等代谢产物排至细胞外。物质从膜的一侧向另一侧的运输叫做“穿膜运输”(transmembrane transport)。细胞膜作为细胞与细胞外环境间的半透性屏障,对穿膜运输的物质有选择和调节作用,以维持细胞相对稳定的内环境。质膜的基本骨架是脂双分子层,其固有的疏水性对于大多数极性和水溶性分子构成了一道屏障,只有那些脂溶性、非极性或不带电的小分子物质能自由扩散通过质膜,而对带电的溶质分子和离子是高度不通透的,它们的穿膜转运由质膜上特殊的膜运输蛋白完成。目前把小分子和离子通过脂双层的穿膜运输分为简单扩散、离子通道扩散、易化扩散和主动运输四种方式。另外,细胞膜通过胞吞和胞吐作用进行大分子和颗粒物质的运输。

膜的选择性通透和简单扩散[编辑]

物质穿膜运输通透性的高低决定于质膜固有的脂溶性和物质本身的特性。在研究细胞膜对小分子和离子的通透性中常采用人工脂双层膜方法。运用实验手段在水槽分隔板的小孔上覆盖人工脂双分子层,然后检测该脂双层两侧溶液中某种溶质的含量,可以测定这个模拟脂双层的通透性。实验表明,如果给予足够长的时间,实际上任何不带电小分子都可以从高浓度向低浓度方向通过人工脂双层膜,但是不同分子的扩散速率有极大差异。根据相似相溶原理,高脂溶性物质容易穿越脂双分子层,分子量越小、脂溶性越强通过脂双层膜的速率越快,如O2、CO2、N2等高脂溶性物质穿膜扩散速度很快。分子量较低的不带电荷的极性小分子如水、乙醇和尿素也能通过脂双层,但较大的分子如甘油通过较慢,葡萄糖则几乎不能通过。脂双层对于所有带电的分子和离子(如Na+,K+等),不管它多么小,都是高度不通透的,这些分子所带电荷及高度的水合状态妨碍它们进入脂双层的疏水区。各种极性分子如单糖、氨基酸和磷酸化中间产物是不能通过简单扩散方式穿膜转运的,所以质膜提供了一道选择性通透屏障,防止这些物质自由扩散进出细胞。值得指出的是虽然水分子能以简单扩散的方式通过细胞膜,但扩散速度很慢,在体内细胞对水分子的穿膜运输是通过膜上的水通道介导,而不是以简单扩散的方式实现的。
简单扩散(simple diffusion)是小分子物质穿膜运输的最简单方式。小分子的热运动可使分子以自由扩散的方式从膜的一侧进入到另一侧,但必须满足两个条件:一是溶质在膜两侧保持一定的浓度差,二是溶质必须能透过膜。脂溶性物质如醇、苯、甾类激素以及O2、CO2、N2等就是通过简单扩散方式穿过细胞膜。在简单扩散时,溶质分子通过膜脂分子间隙向低浓度一侧进行跨膜扩散,这一过程中,无生物学机制参与,无需代谢耗能,所需要的能霾来自浓度差本身的势能,故也称为被动扩散(passive diffusion)。这种物质从高浓度向低浓度方向的穿膜运动,符合物理学上的简单扩散规律,最终消除两个区域间的浓度差。物质经简单扩散转运的速率取决于被转运物质在膜两侧的浓度差和物质本身的特性。另外,物质所在溶液的溫度愈高、膜的有效面积愈大,转运速度也愈高。

膜运输蛋白介导的穿膜运输[编辑]

只有脂溶性、非极性或不带电的小分子可以通过简单扩散方式穿膜转运。对于大多数极性和水溶性物质细胞是通过膜上存在的特殊蛋白质进行跨膜转运的。这类蛋白质称为膜运输蛋白(membrane transport protein)。膜运输蛋白的分子数可占所有膜蛋白总数的15%~30%。膜运输蛋白都是多次穿膜蛋白,通常每种膜运输蛋白只转运某一特定类别的溶质(如离子、单糖或氨基酸)。
根据介导物质运输的形式不同,膜运输蛋白分为两类:一类为载体蛋白(carrier protein),也称为转运体(transporter), 另一类是通道蛋白(channel protein)。载体蛋白的特点是与所运输的溶质分子专一结合,通过自身构象改变而运送该溶质过膜。通道蛋白则形成一种水溶性通道贯穿脂双层,当通道受调控开放时允许特定的溶质(一般是无机离子)穿越细胞膜。通道蛋白和某些载体蛋白介导溶质穿膜转运时不消耗能量,称其为被动运输(passive transport)。在被动运输中,如果转运的溶质是不带电的非电解质,膜两侧的浓度梯度即膜两侧的浓度差,决定溶质的转运方向(顺浓度梯度);如被转运的物质是电解质,其转运方向取决于该物质在膜两侧的浓度差和电位差,某物质在膜两侧的电位差和浓度差两个驱动力的代数和,称为该物质的电-化学驱动力(electrochemical driving force)。另外,有机体所有细胞膜都具膜电位,因为在膜的外表面有一薄层正离子,内表面有一薄层负离子,形成了细胞膜两侧内负外正相对平稳的电位差(静息电位)。所以膜电位通常有利于带正电的离子进入而不利于带负电的离子进入。
细胞也需要逆电化学梯度转运一些物质,这不仅需要运输蛋白的参与,还需要消耗能量(多数是 ATP)。这种由载体蛋白参与、消耗代谢能驱动物质逆电化学梯度的跨膜转运称为主动运输(active transport)。载体蛋白既可介导被动运输(易化扩散),也可介导逆电化学梯度的主动运输;而通道蛋白只能介导顺电化学梯度的被动运输。
膜运输蛋白的活性和在细胞膜上的数目决定其物质转运能力。载体蛋白的构象改变影响它们与所运物质的结合;通道蛋白的构象改变决定其开放或关闭状态。因此,对载体蛋白活性的调节本质上是对蛋白构象改变的调控。例如,依赖ATP直接供能的Na+-K+泵、Ca2+泵等就是经过磷酸化修饰后改变构象完成转运的。细胞外的调控因素包括激素、神经递质、被运物质的电化学梯度等。一些天然和人工小分子化合物可以激活或桔抗膜运输蛋白的活性;细胞内的询控因素包括酶、G蛋白、信号蛋白等。对于离子通道而言,膜电位的变化是其最重要的调控因素之一。膜运输蛋白的数目显然影响运输速率。膜运输蛋白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,在受到某种信号分子作用时,膜泡与质膜融合将膜运输蛋白转运至质膜上,这一过程被称为“上膜”(trafficking to the membrane)或“入膜”(inserting into the membrane)。相反,位于质膜上的运输蛋白也可以通过胞吞被回收(retrieved)入细胞,随即被送到内体一溶酶体途径被降解,这种“下膜”或 “内化”(internalization)的机制被用以负性调控质膜上运输蛋白的数目。例如,抗利尿激素与肾脏集合管主细胞膜上的受体结合后促进水通道蛋白的表达和上膜;阻断抗利尿激素与其受体的结合可增加水通道蛋白的内吞。抗利尿激素就是通过改变水通道蛋白的数量实现对原尿中水的重吸收。

易化扩散是载体蛋白介导的被动运输[编辑]

一些非脂溶性(或亲水性)的物质,如葡萄糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等,不能以简单扩散的方式通过细胞膜,但它们可在某些载体蛋白的介导下,不消耗细胞的代谢能量,顺物质浓度梯度或电化学梯度进行转运,这种方式称为易化扩散(facilitated diffusion)或帮助扩散。由于易化扩散不消耗细胞的代谢能,这一点与简单扩散相同,二者都是被动运输。易化转运蛋白可以在两个方向上同等介导物质的穿膜运输,净通量的方向取决于物质在膜两侧的相对浓度。但在易化扩散中,转运特异性强,转运速率也非常快。
目前对载体蛋白在分子水平上如何发挥作用的细节还不清楚,一般认为,载体蛋白对所转运的溶质具有高度专一性,可以借助于其上的结合位点与某一物质进行暂时的、可逆的结合。当载体蛋白一侧表面的特异结合位点,同专一的溶质分子结合形成复合体,即可引起载体蛋白发生构象变化,通过一定的易位机制,将被运送的溶质分子从膜的一侧移至膜的另一侧。同时,随构象的变化,载体对该物质的亲和力也下降,于是物质与载体蛋白分离,溶质顺着浓度梯度从这里扩散出去,载体蛋白又恢复到它原有的构象。
易化扩散具有以下特点:

  • 结构特异性:每种易化扩散载体蛋白对其所运分子有一个或多个结合位点,只能识别具有特定化学结构的一种或一类底物。
  • 饱和现象:细胞膜中载体蛋白的数量和转运速率有限,当被转运的底物浓度增大到一定程度,使所有的结合位点被占满,底物的扩散速度达到最大值(Vmax),不再随底物的浓度增加而增大时,称为载体转运的饱和现象(saturation)。最大扩散速度Vmax能反映载体蛋白构象转化的最大速率。扩散速度达Vmax一半时(1/2Vmax)时的底物浓度,称为米氏常数(Michealis constant, Km), 可反映载体蛋白对底物分子的亲和性,凡越小表明亲和力和转运效率越高,反之亦然。
  • 竞争性抑制:所运底物与载体蛋白的结合可被竞争性抑制物特异性地阻断(竞争同一结合位点并且被或者不被转运);也可被非竞争性抑制物阻断(结合在载体蛋白的其他部位改变其构象)。

葡萄糖是人体最基本的直接能量来源,对于许多细胞包括红细胞而言,血糖和细胞外液中葡萄糖浓度高于细胞内,这些细胞膜上都含有一种向细胞内转运葡萄糖的膜蛋白,以易化扩散方式将葡萄糖转运入细胞。目前发现人类基因组编码14种与葡萄糖转运相关的载体蛋白GLUT1~-GLUT14, 构成葡萄糖转运体(glucose transporter, GLUT)蛋白家族,它们具有高度同源的氨基酸序列,都含有12次穿膜的α螺旋。GLUT1是首先在红细胞上发现的第一个成员,后来被证明普遍存在于绝大多数哺乳动物细胞,是基本的葡萄糖转运体。对GLUTl的研究发现,多肽穿膜段主要由疏水性氨基酸残基组成,但有些α-螺旋带有Ser、Thr、Asp和Glu残基,它们的侧链可以和葡萄糖羟基形成氢键。这些氨基酸残基被认为可以形成载体蛋白内部朝内或朝外的葡萄糖结合位点。人红细胞膜上存约5万个葡萄糖载体蛋白,其数量相当于其膜蛋白总量的5%, 最大转运速度约为每秒转运180个葡萄糖分子。葡萄糖载体蛋白的三维结构尚未得到解析,因此葡萄糖转运机制还是一个谜。动力学研究表明葡萄糖的转运是通过载体蛋白的两种构象交替改变而完成的,因为载体蛋白是一种12次穿膜蛋白,它们不可能通过在脂双层中来回移动或翻转以转运物质分子。在第一种构象,葡萄糖结合位点朝向细胞外,结合葡萄糖之后,诱导其构象发生改变,使葡萄糖结合位点转向细胞内,释放葡萄糖入细胞,随后又恢复原先的构象,这样不断地将葡萄糖转运入细胞。所以说GLUT蛋白构象的变化是其转运功能的基础。
GLUTs家族成员的差别主要在于组织分布的特异性、与葡萄糖分子的亲和性、转运动力学特性以及自身功能调控等方面。如GLUT3分布于脑内神经元细胞,在轴突和树突上特别丰富。GLUT3对葡萄糖分子有很高的亲和力(低Km), 其亲和力高于GLUTl、GLUT2和GLUT4; 而且有更高的运输速率(carrying capacity), 其运输速率可高出GLUTl和GLUT4至少5倍,说明GLUT3在结合和释放葡萄糖的两种构象之间的变换速率更高。即使在血糖水平略低时也能以较高速率从细胞外液摄取葡萄糖,保障神经元的能量供应和脑功能活动。GLUT2主要分布于肝细胞和胰岛β细胞,与葡萄糖的亲和力低于GLUTl, 即GLUT2在较高血糖浓度时转运速率增加,而GLUTl在较低血糖浓度时转运速率就增加、在较高血糖浓度时因其结合葡萄糖的位点趋于饱和,表现为转运速率增加不多。当餐后血糖从基础水平5mmol/L升至lOmmol/L时,肝细胞和胰岛β细胞运入葡萄糖的速率翻了1倍,而红细胞和表达GLUTl的细胞只略微增加。肝细胞将转运进来的葡萄糖转化成糖原以备饥饿时分解利用,胰岛β细胞内因葡萄糖浓度的升高触发了胰岛素的分泌,血中胰岛素水平增高时,GLUT4囊泡可在几分钟内启动“上膜”插入到肌细胞和脂肪细胞膜上,使GLUT4数目增加,促进这两种细胞增强葡萄糖的摄入而降低血糖,这一调控是胰岛素降低血糖的主要机制。胰岛素缺乏或GLUT4数量或功能降低导致成人糖尿病(2型糖尿病)发生。GLUT也是肿瘤细胞摄取葡萄糖的重要转运体。肿瘤细胞生长快、代谢率高,以糖酵解方式代谢葡萄糖,这使它们摄取葡萄糖增加,需要相应增加GLUT的表达。GLUT的高表达,与某些肿瘤的恶性表型和预后相关,这也是GLUT在医学研究中受到很多关注的原因之一。

主动运输是载体蛋白逆浓度梯度的耗能运输[编辑]

被动运输只能顺浓度梯度穿膜转运物质,趋向于使细胞内外的物质浓度达到平衡,但实际上细胞内外许多物质浓度存在很大差异。一般情况下,细胞内的K+浓度约为lOOmmol/L, 而细胞外的K+浓度只有5mmol/L。因此,在质膜两侧就有一个很“陡”的K+浓度梯度,有利于K+扩散到细胞外。Na+在质膜两侧的分布正好相反,细胞外的浓度为150mmol/L, 而细胞内则为10~20mmol/L。 Ca2+在质膜两侧的分布的差别就更大,一般情况下,真核细胞细胞外的Ca2+浓度要高于细胞内约10 000倍。这些浓度梯度由主动运输产生,以维持细胞内外物质浓度的差异,这对维持细胞生命活动至关重要。
主动运输是载体蛋白介导的物质逆电化学梯度、由低浓度一侧向高浓度一侧进行的穿膜转运方式。转运的溶质分子其自由能变化为正值,因此需要与某种释放能量的过程相偶联,能量来源包括ATP水解、光吸收、电子传递、顺浓度梯度的离子运动等。
动物细胞根据主动运输过程中利用能量的方式不同,可分为ATP驱动泵(由ATP直接提供能量)和协同运输(ATP间接提供能量)两种主要类型。
1、ATP驱动泵 常被称为ATP驱动蛋白或运输ATP酶(transport ATPase), 它们在膜的胞质侧具有一个或多个ATP结合位点,能够水解ATP使自身磷酸化,利用ATP水解所释放的能量将被转运分子或离子从低浓度向高浓度转运,所以常称之为"泵"。根据泵蛋白的结构和功能特性,可分为4类:P-型离子泵,V-型质子泵,F-型质子泵和ABC转运体。前3种只转运离子,后一种主要转运小分子。
(1)P-型离子泵(P-class ion pump): 所有有机体都是依靠P型离子泵穿膜转运阳离子。P型离子泵都有2个独立的大亚基(α亚基),具有ATP结合位点,绝大多数还具有2个小的β亚基,通常起调节作用。在转运离子过程中,至少有一个α催化亚基发生磷酸化和去磷酸化反应,从而改变泵蛋白的构象,实现离子的穿膜转运。由于在泵工作过程中,形成磷酸化中间体(天门冬氨酸残基作为磷酸化位点),"P"代表磷酸化,故名P型离子泵。动物细胞的Na+-K+泵、Ca2+泵和哺乳类胃腺壁细胞(parietal cells)上的H+-K+泵等都属于此种类型。
1) Na+-K+泵:又称Na+-K+-ATP酶,是哺乳动物细胞膜中普遍存在的离子泵,由α亚基和β亚基构成。α亚基分子量为120kD, 是一个多次穿膜的膜整合蛋白,具有ATP酶活性。β亚基分子量为50kD, 是具有组织特异性的糖蛋白,并不直接参与离子的穿膜转运,但能帮助在内质网新合成的α亚基进行折叠,当把α亚基与β亚基分开时, α亚基的酶活性即丧失,其他功能还不清楚。α亚基有3个Na+结合位点、2个K+结合位点和一个ATP结合位点。K+结合位点可被乌本苷高亲和结合。其作用过程为:在细胞膜内侧α亚基与ATP结合时,离子结合位点朝向细胞内,此时α亚基与Na+亲和性较高与K+的亲和力低,使已结合的2个K+放到细胞内,并与3个Na+结合;结合Na+后α亚基的ATP酶活性被激活,ATP水解为ADP和磷酸,磷酸基团与α亚基上的一个天门冬氨酸残基共价结合使其磷酸化,ATP水解释放的能量驱动α亚基构象改变,使离子结合位点朝向细胞外;这时α亚基对Na+的亲和性降低而对K+的亲和力增高,使已结合的3个Na+释放到细胞外并与胞外2个K+结合;K+与磷酸化的α亚基结合后促使其去磷酸化,再次与一分子ATP结合使蛋白构象又恢复原状, 失去对K+的亲和力,将K+释放到胞内,完成一个循环。生物化学家J. C. Skou等人因揭示了Na+-K+泵的蛋白组分及工作原理而获得1997年诺贝尔化学奖。
水解一个ATP分子,可输出3个Na+, 转入2个K+。Na+依赖的磷酸化和K+依赖的去磷酸化如此有序地交替进行,每秒钟可发生约1000次构象变化。当Na+-K+泵抑制剂乌本苷在膜外侧占据K+的结合位点后,Na+-K+-ATP酶活性可被抑制;当抑制生物氧化作用的氰化物使ATP供应中断时,Na+-K+泵失去能量来源而停止工作。大多数动物细胞要消耗APT总量的20%~30%(神经细胞要占到约70%)用于维持Na+-K+泵的活动,从而保证细胞内低Na+高K+的离子环境。这具有重要的生理意义,如调节渗透压维待恒定的细胞体积、保持膜电位、为某些物质的吸收提供驱动力和为蛋白质合成及代谢活动提供必要的离子浓度等。
2) Ca2+泵:真核细胞胞质中含有极低浓度的Ca2+,(≤10-7mol/L) , 而细胞外Ca2+浓度却高得多(约10-3mol/L)。细胞内外的Ca2+浓度梯度部分是由膜上的Ca2+泵维持的。Ca2+泵不仅位于质膜上,还集中于肌细胞的肌浆网和其他细胞的内质网膜上。目前了解较多的是肌浆网上的Ca2+泵,巳获得了Ca2+泵三维结构高分辨解析,它是10次穿膜的α-螺旋多肽链,大约由1000个氨基酸残基构成,与Na+-K+-ATP酶的α亚基同源,说明这两种离子泵在进化上有一定关系。像Na+-K+泵一样,Ca2+泵也是ATP酶,在Ca2+泵工作周期中,Ca2+-ATP酶也有磷酸化和去磷酸化过程,通过两种构象改变, 结合与释放Ca2+。肌浆网和内质网膜上的钙泵每水解一分子ATP,能逆浓度梯度转运2个Ca2+进入肌浆网或内质网中;而质膜中的钙泵,每水解一分子ATP,可将结合的1个Ca2+胞质转运至胞外。两种钙泵的共同作用可使胞质中的游离Ca2+保持在0.1~0.2μmol/L低的水平,仅为细胞外液浓度(1~2mmol/L)的万分之一。细胞内外较大的Ca2+浓度差使得细胞对胞质内Ca2+浓度的升高非常敏感,在细胞外信号作用时Ca2+经钙通道顺其浓度梯度快速进入胞质内,骤然升高的Ca2+浓度成为促发和激活许多生理活动的关键因素,如肌肉收缩、腺上皮细胞分泌、神经递质释放以及某些酶蛋白和通道蛋白激活等。
Ca2+泵的活性受到钙调蛋白(calmodulin, CaM)的调控,钙调蛋白位于胞质基质、质膜和内质网膜,当胞质中Ca2+浓度升高时,钙调蛋白与钙离子结合,然后作用于Ca2+泵使其别构性激活,结果Ca2+迅速被泵出细胞或泵回肌质网,使胞质中钙离子浓度迅速降低,上述功能活动结束。
(2) V型质子泵(V-class proton pump): 主要指存在于真核细胞的膜性酸性区室,如网格蛋白有被小泡、内体、溶酶体、高尔基复合体、分泌泡(包括突触小泡)以及植物细胞液泡膜上的H+-泵,V-型质子泵由一个穿膜组分(V0)和亲水的胞质组分(V1)构成。V1由8个亚基组成,而V0由多个脂蛋白亚基组成。发现当ATP结合到V1的b亚基并发生水解时,产生的能量就将H+经过V1的c亚基和V0的某个亚基形成的孔道将胞质基质中的H+逆电化学梯度转运到上述细胞器和囊泡中,使其内部成为酸性环境保障其功能。与P型离子泵不同,V型质子泵在运输过程中不形成磷酸化-去磷酸化中间体。后来发现这些V-型质子泵也存在于一些分泌质子的细胞膜上,如破骨细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和肾小管上皮细胞,分别与肾小管中尿液的酸化、骨基质的酸化和吸收、吞噬细胞内部pH的稳定有关。肿瘤细胞质膜上高表达V-型质子泵多种蛋白亚基的变异体,可使肿瘤细胞更多的泌酸,造成细胞外微环境进一步酸化,酸化与增殖、浸润、耐药等多种恶性表型相关,因此人们正在探索抑制V-型质子泵的策略用于肿瘤治疗的可能性。
(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中,它使H+顺浓度梯度运动,所释放的能量使ADP转化成ATP, 偶联质子转运和ATP合成。在线粒体氧化磷酸化和叶绿体光合磷酸化中起重要作用。因此,F-型质子泵也被称作H+-ATP合成酶。
(4) ABC转运体(ABC transport): 是一类以ATP供能的运输蛋白,目前已发现100多种,广泛分布在从细菌到人类各种生物体中,形成ABC超家族(ABC superfamily)。该蛋白家族如此命名是因为每一成员都含有两个高度保守的ATP结合匣(ATP binding cassette, ABC), 即ATP结合结构域。目前哺乳动物细胞中已有超过50种不同的ABC运输蛋白被鉴定出来,它们专一运输一种或一类底物,整个超家族所运输的物质种类极其巨大。可包含单糖、氨基酸、脂肪酸、磷脂、胆固醇、胆汁酸、外源性毒素和药物,甚至一些肽类和蛋白质。它们在肝、小肠和肾细胞等质膜中表达丰富, 能将毒素、生物异源物质(包括药物)和代谢物排至尿、胆汁和肠腔中, 降低有毒物质(包括药物)的积累而达到自我保护。第一个被鉴定的真核细胞ABC蛋白来自对肿瘤细胞和抗药性培养细胞的研究。这些细胞高水平表达一种多药抗性运输蛋白(multidrug resistance protein, MDR), 这种蛋白能利用水解ATP的能量将多种通过质膜进入细胞的脂溶性药物泵到细胞外,减轻了药物对肿瘤细胞的毒性作用,使细胞对肿瘤化疗中常用的多种化疗药物同时发生抵抗。研究表明该蛋白在各种肿瘤细胞中过度表达,有多达40%的人类恶性肿瘤可发生固有的或获得性的多药耐药,这成为肿瘤治疗的一大障碍。
ABC转运体在哺乳动物免疫监视中具有重要作用,来自细菌、病毒或其他病原微生物的蛋白降解产物,可被位于内质网膜上的ABC转运体转运至内质网腔,然后被递呈(present)在细胞膜表面作为抗原被细胞毒性T淋巴细胞识别。
2、协同运输 细胞所建立的几种浓度梯度,如Na+, K+和H+浓度梯度,是储存自由能的一种方式。储存在离子浓度梯度中的势能可以供细胞以多种途径来做功。协同运输(cotransport)是一类由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。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中的能量,而维持这种离子电化学梯度是通过Na+-K+泵(或H+泵)消耗ATP所实现的。若用药物抑制Na+-K+泵活动,相应的协同运输也逐渐减弱或消失。动物细胞的协同运输是利用膜两侧的Na+电化学梯度来驱动,植物细胞和细菌是利用H+电化学梯度来驱动。根据溶质分子运输方向与Na+或H+顺电化学梯度转移方向的关系,又可分为共运输(symport)与对向运输(antiport)。
(1)共运输:是载体蛋白介导的两种溶质分子相同方向的联合转运。在这种方式中,物质的逆浓度梯度穿膜运输与所依赖的Na+或H+顺浓度梯度的运输两者方向相同。如葡萄糖在小肠黏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)进行的。在小肠中酶把多糖水解成单糖,小肠黏膜上皮细胞游离面上的Na+-葡萄糖转运体在质膜外表面分别结合2个Na+和1个葡萄糖分子,当Na+顺浓度梯度进入细胞时,葡萄糖就利用Na+电化学梯度差中的势能,与Na+相伴随逆浓度梯度进入细胞。转运体在A和B 两种构象间转换,当Na+在胞质内释放后转运体蛋白构象发生改变,失去对葡萄糖的亲和性而与之分离,转运体蛋白构象又恢复原状,可反复工作。研究表明Na+和葡萄糖在转运体上的结合是协同的,即其中一种的结合诱发转运体构象的改变,大大增加对另一种的亲和力,缺乏一种另一种无法结合到转运体上。因为细胞外Na+浓度很高,葡萄糖也就很容易在A状态结合到转运体上。进入细胞的Na+被Na+-K+-ATP酶泵出细胞外,以保持Na+的跨膜浓度梯度。由此可见,这种运输所消耗的能量,实际上是由ATP水解间接提供的。Na+-葡萄糖转运体在小肠是以2个Na+1个葡萄糖联合转运,在肾小管上皮则是以1个Na+1个葡萄糖联合转运的。体内多种细胞的质膜上都有依赖Na+的同向转运体,各自负责运送一组特异糖类(如葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖)、氨基酸、水溶性维生素进入细胞。如小肠黏膜上皮中参与氨基酸和维生素吸收的Na+-氨基酸、Na+-维生素(维生素B1、维生素B2、维生素B6、维生素PP)同向转运体;肾小管上皮细胞的Na+-HC03-、Na+-K+-2Cl-、Na+-Cl-、K+-C1-同向转运体;甲状腺上皮细胞摄取I-的Na+-I-同向转运体等都属于Na+驱动的共运输形式。
(2) 对向运输: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,由离子 浓度梯度驱动。脊椎动物细胞中有多种对向运输转运体:①Na+-Ca2+交换体。几乎所有细胞都存在Na+-Ca2+转运体,以转入3个Na+排除1个Ca2+的化学计量联合转运。心肌细胞在兴奋-收缩偶联过程中流入的Ca2+主要通过Na+-Ca2+转运体将其排除细胞;在小肠黏膜上皮细胞和肾近端小管细胞底侧膜Na+-Ca2+转运体转运Ca2+进入组织液然后入血,是Ca2+吸收的重要载体蛋白。②Na+-H+交换体。这种交换蛋白偶联1个Na+顺浓度梯度流进与1个H+泵出,可清除细胞代谢过程中产生的过多的H+以调节胞质内pH(≈7.2); 肾近端小管的Na+-H+交换体向小管液中排出H+以利于HC03-被重吸收,在排出固定酸和维持机体酸碱平衡中起重要作用。③Cl--HCO3-交换体。在细胞内HCO3-升高时,将HCO3-运出细胞同时将Cl-运入,从而介导HCO3-和CO2的输出,这在破骨细胞和胃泌酸活动中发挥作用,红细胞中携带的CO2也是通过这种方式迅速排至血液。
人和其他哺乳动物胃液中的盐酸(HCl)也称为胃酸(gastric acid), 使胃液呈强酸性(pH 0.9~1.5),可杀灭随食物进入胃内的细菌、使蛋白质变性有利于水解、为胃蛋白酶功能活性提供合适的酸性环境。盐酸是由胃腺中的壁细胞(parietal cells)分泌,壁细胞邻近胃腔的顶部质膜含有H+-K+泵,把H+逆巨大的浓度梯度主动转运至胃腔中,同时驱动K+进入细胞。但由于细胞内[H+]×[OH-]为常数,所以“多余的”OH-与从血液中扩散进入的CO2在碳酸酐酶的催化下结合形成HCO3-, HCO3-通过壁细胞底部质膜上的Cl--HCO3-交换体顺浓度梯度运出细胞,而Cl-被反向转运进入细胞。壁细胞顶部质膜上的钾通道和氯通道开放,细胞内的K+顺浓度梯度进入胃腔,进入细胞内的Cl-通过氯通道进入胃腔,并与H+形成HCl。壁细胞底部质膜上的Cl--HCO3-反相偶联载体就这样配合H+-K+泵的活动参与胃酸的分泌。治疗胃溃疡的药物奥美拉唑因能与H+-K+泵特异性结合抑制其活性,成为常用的抑酸剂。
综上所述,细胞的许多功能活动包括肾小管和肠黏膜上皮细胞的吸收功能,需要多种转运蛋白的 协同作用,而且不同转运蛋白在细胞膜上的不对称分布是定向转运的结构基础。
上述各种“主动运输”方式的特点是:①主动运输为小分子物质逆浓度或电化学梯度穿膜转运;②需要消耗能量,可直接利用水解ATP或利用来自离子电化学梯度提供能量;③需要膜上特异性载体蛋白介导,这些载体蛋白不仅具有结构上的特异性(特异的结合位点),而且具有结构上的可变性即通过蛋白构象进行物质转运。
细胞根据生理活动的需要,通过各种不同的方式协同完成各种小分子物质的穿膜转运。

离子通道高效转运各种离子[编辑]

构成生物膜核心部分的脂双层对带电物质,包括Na+、K+、Ca2+、Cl-等极性很强的离子是高度不可透的,它们难以直接穿膜转运,但各种离子的穿膜速率很高,可在数毫秒内完成,在多种细胞活动中起关键作用。这种高效率的转运是借助膜上的通道蛋白完成的。目前已发现人类离子通道蛋白约有400余种,普遍存在于各种类型的细胞膜以及细胞内的膜上。因为这些通道蛋白都与离子的转运有关,所以通道蛋白也称为离子通道(ion channel)。
1、离子通道的特点 离子通道为整合膜蛋白构成,与载体蛋白不同,它们可以在膜上形成亲水性的穿膜孔道,快速并有选择地让某些离子通过而扩散到质膜的另一侧。通道蛋白有以下几个特点:①通道蛋白介导的是被动运输,通道是双向的,离子的净通量取决于电化学梯度(顺电化学梯度方向自由扩散),通道蛋白在转运过程中不与溶质分子结合。②离子通道对被转运离子的大小和所带电荷都有高度的选择性。只有大小和电荷适宜的离子才能通过,如钾离子通道只允许K+通过,而不允许Na+通过。③转运速率高,通道可以在每秒中内允许106~108个特定离子通过,比载体蛋白所介导的最快转运速率高约100倍以上。④多数离子通道不是持续开放,离子通道开放受"闸门"控制,即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节,以对一定的信号做出适当的反应。
2、离子通道的类型 已经确认的大多数离子通道以开放构象或以关闭构象而存在,通道运输的原理是构象变化导致孔道的开放、失活或关闭。通道的开放与关闭受细胞内外多种因素的调控,被称为“门控”(gated),如同一扇门的开启和关闭。通常根据通道门控机制的模式不同和所通透离子的种类,将门控通道大致分为三大类。
(1) 配体门控通道:配体门控通道(ligand-gated channel)实际上是离子通道型受体,它们与细胞 外的特定配体(ligand)结合后,发生构象改变,结果将“门”打开,允许某种离子快速穿膜扩散。
乙酰胆碱受体(acetylcholine receptor, AChR)是典型的配体门控阳离子通道,第一个被提纯、测序、克隆的通道蛋白。其大量分布于骨骼肌神经肌接头处,当与神经末梢释放的神经递质乙酰胆碱结合后通道打开,将细胞外化学信号快速转化为电信号,实现了神经对肌肉的收缩支配。它是由4种不同亚单位组成的五聚体穿膜蛋白(α2βγσ),每个亚单位均由一个大的穿膜N端(约210aa) ,4段穿膜序列(M1~M4)以及一个短的胞外C端组成。各亚单位通过氢键等非共价键形成一个结构为α2βγσ的梅花状通道结构,乙酰胆碱(ACh)在两个α亚单位表面各有一个结合位点。在无ACh结合的情况下,受体各亚基中的M2共同组成的孔区处于关闭状态,一旦ACh与受体结合,便会引起孔区的构象改变,通道打开。一般可通过的阳离子是Na+、K+和Ca2+。神经肌接头处肌细胞外为高浓度的Na+, 所以乙酰胆碱受体开放导致一次Na+的大量内流,引起肌细胞膜的去极化,继而引发多种离子通道的依次激活开放,最终引起肌肉收缩。乙酰胆碱受体是重要的药物靶点,箭毒植物马钱子(curare)中提取的d-筒箭毒碱能与乙酰胆碱竞争性结合AChR, 使AChR失活阻断神经传导,因呼吸肌麻痹导致中毒死亡。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(botulinum toxin)通过抑制突触前部乙酰胆碱释放,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。
继AChR之后,又陆续发现了的其他神经递质的受体作为离子通道,如γ-氨基丁酸(GABAA和GABAC)受体、甘氨酸(Gly)受体、5-羟色胺(5-HT)受体以及一类谷氨酸门控阴离子通道(GluCl受体。例如,5-HT受体与ACh受体可选择性地通透Na+、K+和Ca2+等阳离子。GABAA和GABAC受体、Gly受体、GluCl受体则主要对Cl-通透。从它们的氨基酸序列和整体结构的相似性足以证明它们有共同的进化起源。
(2) 电压门控通道:膜电位的改变是控制电压门控通道(voltage-gated channel)开放与关闭的直接因素。此类通道蛋白的分子结构中存在着一些对膜电位改变敏感的基团或亚单位,可诱发通道蛋白构象的改变,从而将“门”打开,一些离子顺浓度梯度自由扩散通过细胞膜。闸门开放时间非常短,只有几毫秒时间,随即迅速自发关闭。电压门控通道主要存在于神经元、肌细胞及腺上皮细胞等可兴奋细胞,包括K+通道、Ca2+通道、Na+通道和Cl-通道。
(3) 应力激活通道:应力激活通道(stress-activated channel)是通道蛋白感受应力而改变构象,开启通道使“门”打开,离子通过亲水通道进入细胞,引起膜电位变化,产生电信号。如内耳听觉毛细胞顶部的听毛即具有应力激活通道。当声音传至内耳时,引起毛细胞下方基膜发生震动,从而使听毛触及上方的覆膜,迫使听毛发生倾斜产生弯曲,在这种机械应力作用下,使应力门控通道开放,允许离子进入内耳毛细胞,膜电位改变,从而将声波信号传递给听觉神经元。目前关于应力激活通道的研究相对较少,从细菌和古细菌克隆的应力激活通道均为两段穿膜蛋白,整个通道呈五聚体结构模式,易通透阳离子。

水通道介导水的快速转运[编辑]

水分子虽然可以以简单扩散方式通过细胞膜,但是扩散速度非常缓慢,但有许多细胞如肾小管和肠上皮细胞,血细胞,植物根细胞及细菌等对水的吸收极为快速。长期以来,人们就猜想细胞膜上可能存在水的专一通道。直到1988年,美国学者P.Agre 在分离纯化红细胞膜Rh血型抗原核心多肽时偶然发现质膜上有构成水通道的膜蛋白,这种蛋白质被命名为水孔蛋白(aquaporin, AQP), 从而确认了细胞膜上有水转运通道蛋白的理论,Agre 因此获得了2003年诺贝尔化学奖。
1、水通道的分类 目前发现哺乳动物水通道蛋白家族已有11个成员(AQP0~AQP10), 根据其 功能特性的差异分为两个家族:AQP1、2、4、5、6和AQP0基因结构类似,氨基酸序列30%~50%同源,只能通透水,属于经典的选择性水通道(orthodox aquaporins);AQP3、7、9、10除对水分子通透外,对甘油和尿素等中性小分子也具有通透性,成为AQP家族的第二个亚家族——水-甘油通道(aquaglyceroporin)。AQP8位于水选择型和甘油渗透型之间,功能尚不明确。
2、水通道蛋白的结构 水通道蛋白家族中AQP1的结构研究得比较清楚。AQP1在质膜上是由四个对称排列的圆筒状亚基包绕而成的四聚体,每个亚基(即一个AQP1分子)的中心存在一个只允许水分子通过的中央孔,孔的直径约0.28nm, 稍大于水分子直径。一个AQP1分子是一条多肽链,AQP1分子的6个长α-螺旋构成基本骨架,其间还有两个嵌入但不贯穿膜的短α-螺旋几乎顶对顶地位于脂双层中。在两个短螺旋相对的顶端各有一个在所有水通道家族蛋白中都保守存在的Asn-Pro-Aal(NPA)基序(motif),它们使得这种顶对顶结构得以稳定存在。亲水性通道的壁由这6条兼性的α-螺旋围成,每个螺旋朝向脂双层一面由非极性氨基酸残基构成,他们通过范德华力和疏水性相互作用与脂肪酸链连接;朝向中央孔一面由极性氨基酸残基构成。
3、水通道对水分子的筛选机制 AQP1等水孔蛋白形成对水分子高度特异的亲水通道,只允许水而不允许离子或其他小分子溶质通过。这种严格的选择性主要是由于:①AQP1中央孔通道的直径(0.28nm)限制了比水分子大的小分子通过;②AQP1中央孔通道内溶质结合位点的控制。当一个水分子要通过直径0.28nm的水通道时,它必须要剥除其周围与之水合的水分子,而通道管窄口周围的几种极性氨基酸残基上的碳基氧可与通过的水分子形成氢键,替代了水分子之间的氢键,使得这种去水合过程中需要的能量得到补偿。而离子与水分子之间的水合作用比水分子之间大得多,AQP1水通道的通道管中,能替代水合水分子的叛基氧数量不足,离子只能脱去部分水分子,对于部分脱去水分子的离子水合物而言,水通道太窄无法通过。
一般认为,水通道是处于持续开放状态的膜通道蛋白,一个AQP1通道蛋白每秒钟可允许3×109个水分子通过。水分子的转运不需要消耗能量,也不受门控机制调控。水分子通过水通道的移动方向完全由膜两侧的渗透压差决定,水分子从渗透压低的一侧向渗透压高的一侧移动,直至两侧渗透压达到平衡,因此,水通道是水分子在溶液渗透压梯度的作用下穿膜转运的主要途径。
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,其中AQP1是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上。AQP2只分布在肾集合管上皮主细胞顶端质膜,其分布数量受抗利尿激素调控。肾小管原尿中大量的水通过AQP2迅速被重吸收,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,AQPO基因突变导致人类先天性白内障。AQP4分布于脑内胶质细胞和脑室管膜细胞,AQP5分布于腺体、肺和角膜。AQP参与机体的多种重要生理功能,如尿浓缩、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、促进房水分泌词节眼压等。随若对水通道蛋白功能认识的不断深化,水通道正在作为治疗人类疾病的药物作用靶点而引起重视,水通道功能的调节剂可能为许多与体液代谢异常有关的疾病提供新的治疗途径。