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细胞生物学[第五章物质的跨膜运输]

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第五章物质的跨膜运输

物质跨膜运输主要有三种方式：

(1)被动运输：包括简单扩散和载体介导的协助扩散；两类蛋白负责物质的

跨膜转运：载体蛋白和通道蛋白。

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(2)主动运输：由ATP直接提供能量(Na一K泵，Ca泵和质子泵)，由ATP

间接提供能量(协同运输)以及光能驱动三种基本类型。

(3)胞吞作用与胞吐作用：两类胞吞作用(胞饮作用和吞噬作用)；两类胞吐

作用(组成型外排与调节型外排)；膜融合与膜泡运输。

一、膜转运蛋白与物质的跨膜运输

(一)脂双层的不透性与物质的跨膜运输

细胞膜上存在膜转运蛋白(membranetransportproteins)，负责无机离子

和水溶性有机小分子的跨膜转运。膜转运蛋白可分为两类：载体蛋白(carrier

proteins)，它既可介导被动运输，又可介导逆浓度或电化学梯度的主动运输。

通道蛋白(channelproteins)，只能介导顺浓度或电化学的被动运输。

1．载体蛋白及其功能

载体蛋白是几乎是所有类型的细胞膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。载

体蛋白又称为通透酶(permease)，因其在细胞膜上有特异性结合位点，可与特

异性底物(溶质)结合，一种特异性载体只转运一种类型的分子或离子。转运过

程具有类似于酶与底物作用的饱和动力学曲线。既可被底物类似物竞争性抑

制，又可被微量的某种抑制剂非竞争性抑制以及对pH的依赖性等。

2．通道蛋白及其功能

通道蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子结合，横跨膜形成亲水通

道，允许适宜大小的分子与带电荷的离子通过。

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目前发现的通道蛋白已有100余种。大多数通道蛋白能够形成与离子转运

有关的选择性开关的多次跨膜通道，故又称为离子通道。离子通道的举例离子

通道有两个显着的特征：

(1)具有离子选择性：离子通道对被转运的离子的大小与电荷都有高度的选

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择性，而且转运速率高，可达10个离子／s，其速率是已知任何一种载体蛋白

的最快速率的1000倍以上。

(2)离子通道是门控的：即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，

并通过通道开关应答于适当的信号。

多数情况下，离子通道呈关闭状态，只有在膜电位变化、化学信号或压力

刺激后，才开启形成跨膜的离子通道。因此，离子通道又区分为电压门通道

(voltage-gatedchannel)、配体门通道(ligand-gatedchannel)和应力激活通

道(stress-activatedchannel)。

(二)被动运输与主动运输

1．简单扩散

简单扩散(simplediffusion)是指小分子的热运动可使分子以简单扩散的

方式从膜的一侧通过细胞膜进入膜的另一侧，其结果是分子沿着浓度梯度降低

的方向转运。疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子在以简单扩散的方式跨

膜转运中，不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助。

在简单扩散的跨膜转运中，跨膜物质溶解中膜脂中并透入细胞中的通透性

主要取决于分子大小和分子的极性。某种物质对膜的通透性(P)可以根据它在油

和水中的分配系数(K)及其扩散系数(D)来计算：P=KD／t(t为膜的厚度)。

2．水孔蛋白：水分子的跨膜通道

水通道蛋白(Aquaporin，AQP)具有选择性的让水分子通过的特性。水孔蛋

白形成对水分子的高度特异性的亲水通道，只容许水而不容许离子或其他小分

子溶质通过。这种严格的选择性首先是源于通道内高度保守的氨基酸残基

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