第21章　生物膜與物質運輸

21.1　復習筆記

一、生物膜功能

生物膜分隔細胞和細胞器，細胞及細胞器功能的專門化與分隔密切相關，參與能量轉換、物質運輸和信息識別與傳遞。

二、被動運輸與主動運輸

圖21-1  順電化學梯度的被動運輸和逆電化學梯度的主動運輸

1．被動運輸

（1）概念

被動運輸是指一些離子或分子等物質從高濃度的一側，通過膜運輸到低濃度的一側，即順濃度梯度的方向跨膜運輸的過程。

（2）主要特點

①物質的運輸速率既依賴于膜兩側運輸物質的濃度差，又與被運輸物質的分子大小，電荷和在脂雙層中的溶解性有關；

②根據熱力學第二定律，被動運輸過程的自由能減少，熵增加，因此，它是一個不需要供給能量的自發過程。

2．主動運輸

（1）概念

主動運輸是指物質逆濃度梯度的運輸過程，它需要供給能量。運輸過程中自由能增加。如果運輸物質帶有電荷，則物質跨膜運輸時需要逆兩個梯度，一是濃度梯度，二是電荷梯度。這二者的總和又稱為電化學梯度。

（2）主要特點

①專一性

有的細胞膜能主動運輸某些氨基酸，但不能運輸葡萄糖，有的則相反。

②運輸速度可以達到飽和狀態

有些物質的運輸速度可隨外界濃度的增加而加快，達到某一時刻時及時增加濃度速度也不再增加。

③方向性

細胞主動地向外運輸Na＋，而向內運輸K＋。

④選擇性抑制

各種物質的運輸有其專一的抑制劑阻遏這種運送。

⑤需要提供能量。

（3）主動運輸體系

主動運輸過程的進行需要有兩個體系存在。

①參與運輸的傳遞體；

②由酶或酶系組成的能量傳遞系統。

三、小分子物質的運輸

1．概述

（1）小分子的跨膜運輸

小分子的跨膜運輸大都是通過專一性運輸蛋白的作用實現。

（2）單向運輸

單向運輸是指只是運輸一種分子由膜的一側到另一側的運輸；

（3）協同運輸

如果一種物質的運輸與另一種物質的運輸相關而且方向相同，稱為同向，方向相反則稱為反向運輸，這二者又統稱為協同運輸。

2．Na＋和K＋的運輸

（1）Na＋，K＋-泵

細胞內是高K＋低Na＋，而外環境中則是高Na＋低K＋。這種明顯的離子梯度顯然是由于Na＋或K＋逆濃度梯度主動運輸的結果，執行這種運輸功能的體系稱為Na＋，K＋-泵。

（2）Na＋，K＋-ATP酶

①除了有Mg2＋外，只有在Na＋和K＋同時存在時才可以水解ATP，因此稱為Na＋，K＋-ATP酶；

②Na＋，K＋-ATP酶是一個跨脂膜的Na＋，K＋-泵，即通過水解ATP提供的能量主動向外運輸Na＋，而向內運輸K＋；

③用重新封閉的紅細胞血影進行實驗的結果提供了ATP酶如何水解ATP以推動Na＋，K＋-ATP泵的證據。

a．Na＋和K＋的運輸與ATP的水解緊密偶聯；

b．離子的運輸與ATP的水解只有在Na＋和ATP在血影膜內側，K＋在膜外側時才能發生；

c．烏本苷只有在血影膜外側時因競爭K＋結合位置才能起到抑制作用；

d．每水解1個ATP分子向膜外泵出3個Na＋，向膜內泵入2個K＋；

e．將提純的Na＋，K＋-ATP酶重建在人工膜脂質體上，當有ATP和Mg2＋存在時，重建ATP酶具有向膜外運輸Na＋向膜內運輸K＋的功能。

圖21-2  Na＋，K＋-ATP酶主動運輸功能圖

（3）Na＋，K＋-ATP酶的作用機制—構象變化假說（圖21-3）

①Na＋與ATP酶結合；

②細胞質側ATP酶被ATP磷酸化，消耗1分子ATP。磷酸基團轉移到ATP酶上；

③誘導ATP酶構象變化，將Na＋運送至細胞膜外側；

④K＋結合到細胞表面；

⑤ATP酶去磷酸化；

⑥ATP酶回到原來構象，K＋通過膜釋放到細胞質側。

（4）Na＋，K＋-ATP酶的生理意義

①維持細胞的膜電位，成為可興奮細胞的活動基礎；

②調節細胞的體積和驅動某些細胞中的糖和和氨基酸的運送。

圖21-3  Na＋，K＋-ATP酶的作用模型

3．Ca2＋的運輸

（1）Ca2＋泵和Ca2＋-ATP酶

①概念

細胞內、外也存在著明顯的Ca2＋梯度差。細胞質的Ca2＋濃度很低而細胞外的濃度卻很高。當肌細胞受到外界刺激時，Ca2＋由肌質網釋放進入細胞質中，引起肌肉收縮。當肌肉松弛時，Ca2＋重新攝入肌質網。這一過程受到分布于膜上的Ca2＋泵即Ca2＋-ATP酶的調節。Ca2＋-ATP酶催化以下反應：

這里，“外”指肌質網膜外側，“內”指肌質網膜內側。

②Ca2＋泵的主要性質

a．Ca2＋泵具有Ca2＋激活的Ca2＋-ATP酶活性，心肌和骨骼肌中Ca2＋主動運輸是通過Ca2＋-ATP酶的作用實現的；

b．Ca2＋泵主動運輸Ca2＋是通過ATP提供的能量驅動的。每水解一分子ATP運輸2分子Ca2＋；

c．Ca2＋-ATP酶是肌質網的主要成分；

d．Ca2＋-ATP酶對Ca2＋有很高的親和力。

e．Ca2＋泵效率高，容量大。

（2）鈣調蛋白（CAM）

①在調節神經突觸膜、脂肪細胞膜、小腸基底膜以及紅細胞膜等的Ca2＋運輸中起重要作用。鈣調蛋白可刺激細胞對Ca2＋的攝取；

②每個CAM可結合4個Ca2＋。CAM的作用與細胞內Ca2＋濃度有關。

a．在Ca2＋濃度極低時，CAM主要以不與Ca2＋結合的非活性狀態存在，也不能激活Ca2＋-ATP酶，酶對Ca2＋的親和力也很低；

b．在Ca2＋濃度足夠高時，CAM與Ca2＋形成復合物，可與Ca2＋-ATP酶結合，并提高酶對Ca2＋的親和力，使Ca2＋主動運輸大大增強，從而使細胞內Ca2＋濃度又達到原有穩態水平。

（3）Ca2＋-ATP酶的作用機制

Ca2＋-ATP酶在運輸Ca2＋的過程中，經歷了磷酸化和去磷酸化循環過程，有E₁和E₂兩種構象，E₁構象對Ca2＋具有高的親和力。通過E₁和E₂兩種構象的相互轉變，將Ca2＋由膜的一側向另一側運輸。作用機制如圖21-4所示。

圖21-4  Ca2＋-ATP酶的作用機制

3．三類驅動離子的ATP酶

三種類型驅動離子的ATP酶，即P型、F型和V型。它們的基本功能是通過水解ATP提供的能量轉運離子，或者是通過離子梯度合成ATP。

表21-1  P型、F型和V型三類ATP酶的基本性質

4．陰離子運輸

（1）帶3蛋白結構

紅細胞膜上的帶3蛋白是一個以擴展的多肽鏈多次跨脂雙層膜分布的內在性糖蛋白。在膜上以二聚體形式存在。

（2）帶3蛋白的功能

帶3蛋白在紅細胞執行O₂-CO₂交換功能起重要的作用，帶3蛋白是紅細胞膜上的陰離子通道蛋白。

5．糖和氨基酸的運送

（1）協同運輸

①概述

一些糖或氨基酸的主動運輸并不是直接通過水解ATP提供的能量推動，而是依賴于以離子梯度形式貯存的能量。在動物細胞中形成這種離子梯度的通常是Na＋，在小腸或腎細胞中葡萄糖的運輸是伴隨Na＋一起運輸入細胞的，所以這種運輸是協同運輸。

圖21-5  葡萄糖的同向運輸圖示

②協同運輸的機制特點：

a．葡萄糖的主動運輸是由Na＋，K＋-ATP酶維持的，Na＋梯度推動的；

b．動物細胞質膜中氨基酸的運輸，也是通過運輸蛋白伴隨Na＋進行協調運輸的；

c．在細菌中，很多糖與氨基酸的運輸是由質子梯度推動的，在協同運輸中，伴隨的不是Na＋，而是H＋。

（2）基團運輸

①概念

基團運輸是指有些糖在通過細菌膜時需要進行磷酸化反應加入一個磷酸基團，以糖-磷酸的形式才能通過膜。

②舉例

大腸桿菌中的磷酸烯醇式丙酮酸轉磷酸化酶系統（PTS系統），不是利用ATP而是利用PEP作為磷酸基團的供體，PEP經PTS催化轉移磷酸基團使糖磷酸化并運送通過細胞膜。

21-6  細菌中的基團運輸

6．ATP/ADP交換體

線粒體合成的ATP進行跨線粒體內膜運輸到細胞質是通過分布于線粒體膜上的ATP/ADP交換體進行的，通過呼吸作用形成的跨線粒體膜的膜電位，使ATP/ADP交換體易于向外運輸ATP，向內運輸ADP，這一交換過程如圖21-7所示。

圖21-7  線粒體內膜的ATP/ADP交換體

四、生物大分子的跨膜運輸

蛋白質跨膜運輸除胞吞、胞吐，還有跨內質網膜和跨線粒體膜、葉綠體膜等運輸類型。

1．胞吐作用

胞吐作用是指細胞內物質先被囊泡裹入形成分泌泡，然后與細胞質膜接觸、融合并向外釋放被裹入的物質的過程。真核細胞中的分泌作用通常是通過胞吐作用發生的。

2．胞吞作用

胞吞作用是指細胞從外界攝入的大分子或顆粒，逐漸被質膜的一小部分包圍，內陷，其后從質膜上脫落下來而形成含有攝人物質的細胞內囊泡的過程。胞吞作用又可分為吞噬作用、胞飲作用以及受體介導的胞吞作用。

表21-2  胞吞作用的類型和特性

圖21-8  受體介導的胞吞作用圖示

五、離子載體

1．概念

離子載體是一類可溶于脂雙層的疏水性的小分子，它增加脂雙層對離子的透性。因此在天然膜和人工膜的研究中，廣泛用于增加膜對一些特殊離子的透性，是研究離子運輸的一個有用的工具。大多數離子載體是由微生物合成的，有些離子載體就是抗生素。

2．分類

（1）移動性離子載體

纈氨霉素、A23187和尼日利亞菌素。

（2）通道形成體

短桿菌肽A。

表21-3  離子載體的作用機制及應用

六、生物膜運輸的分子機制

1．移動性載體模型

運輸體或其結合被運輸物質的部位在運輸過程中，或由于通過膜的來回穿梭運動，或由于通過膜平面的旋轉運動改變它在膜內的定向，可以使物質從膜的一側運至另一側。比如大腸桿菌的乳糖運輸和纈氨霉素等運送K＋的方式。

2．孔道或通道模型

（1）孔道或通道模型

運輸蛋白在膜內有較確定的方向，并且形成一個對被運輸物具有立體構型的親水性孔道。孔道在識別被運輸物作出反應時才瞬時打開，讓被運輸物質通過膜。從孔道的開、關來說，又具閘門作用。

（2）配體-閘門通道

配體-閘門通道是指當配基結合到一個專一性的細胞表面受體時，引起通道打開 。

（3）電壓-閘門通道

電壓-閘門通道是指通道因膜電位變化而打開。

圖21-9  兩種類型的閘門離子通道

A．“配體-閘門”通道：只有當細胞外的配體結合到運送蛋白時，通道打開；

B．“電壓-閘門”通道，當膜去極化時則打開

3．構象變化假設

（1）物質的跨膜運輸具有高度的選擇性和方向性，運輸的這種專一性與運輸過程中運輸蛋白的構象變化相關；

（2）對一個多聚體蛋白來說，由于亞單位之間相互位置的變化所導致的亞單位重排，運輸物質與運輸蛋白的結合以及代謝、能量狀態等都可導致蛋白質的構象變化。如Na＋，K＋-泵的分子機制。