第21章 生物膜与物质运输
21.1 复习笔记
一、生物膜功能
生物膜分隔细胞和细胞器，细胞及细胞器功能的专门化与分隔密切相关，参与能量转换、物质运输和信息识别与传递。
二、被动运输与主动运输
图21-1 顺电化学梯度的被动运输和逆电化学梯度的主动运输
1．被动运输
（1）概念
被动运输是指一些离子或分子等物质从高浓度的一侧，通过膜运输到低浓度的一侧，即顺浓度梯度的方向跨膜运输的过程。
（2）主要特点
①物质的运输速率既依赖于膜两侧运输物质的浓度差，又与被运输物质的分子大小，电荷和在脂双层中的溶解性有关；
②根据热力学第二定律，被动运输过程的自由能减少，熵增加，因此，它是一个不需要供给能量的自发过程。
2．主动运输
（1）概念
主动运输是指物质逆浓度梯度的运输过程，它需要供给能量。运输过程中自由能增加。如果运输物质带有电荷，则物质跨膜运输时需要逆两个梯度，一是浓度梯度，二是电荷梯度。这二者的总和又称为电化学梯度。
（2）主要特点
①专一性
有的细胞膜能主动运输某些氨基酸，但不能运输葡萄糖，有的则相反。
②运输速度可以达到饱和状态
有些物质的运输速度可随外界浓度的增加而加快，达到某一时刻时及时增加浓度速度也不再增加。
③方向性
细胞主动地向外运输Na＋，而向内运输K＋。
④选择性抑制
各种物质的运输有其专一的抑制剂阻遏这种运送。
⑤需要提供能量。
（3）主动运输体系
主动运输过程的进行需要有两个体系存在。
①参与运输的传递体；
②由酶或酶系组成的能量传递系统。
三、小分子物质的运输
1．概述
（1）小分子的跨膜运输
小分子的跨膜运输大都是通过专一性运输蛋白的作用实现。
（2）单向运输
单向运输是指只是运输一种分子由膜的一侧到另一侧的运输；
（3）协同运输
如果一种物质的运输与另一种物质的运输相关而且方向相同，称为同向，方向相反则称为反向运输，这二者又统称为协同运输。
2．Na＋和K＋的运输
（1）Na＋，K＋-泵
细胞内是高K＋低Na＋，而外环境中则是高Na＋低K＋。这种明显的离子梯度显然是由于Na＋或K＋逆浓度梯度主动运输的结果，执行这种运输功能的体系称为Na＋，K＋-泵。
（2）Na＋，K＋-ATP酶
①除了有Mg2＋外，只有在Na＋和K＋同时存在时才可以水解ATP，因此称为Na＋，K＋-ATP酶；
②Na＋，K＋-ATP酶是一个跨脂膜的Na＋，K＋-泵，即通过水解ATP提供的能量主动向外运输Na＋，而向内运输K＋；
③用重新封闭的红细胞血影进行实验的结果提供了ATP酶如何水解ATP以推动Na＋，K＋-ATP泵的证据。
a．Na＋和K＋的运输与ATP的水解紧密偶联；
b．离子的运输与ATP的水解只有在Na＋和ATP在血影膜内侧，K＋在膜外侧时才能发生；
c．乌本苷只有在血影膜外侧时因竞争K＋结合位置才能起到抑制作用；
d．每水解1个ATP分子向膜外泵出3个Na＋，向膜内泵入2个K＋；
e．将提纯的Na＋，K＋-ATP酶重建在人工膜脂质体上，当有ATP和Mg2＋存在时，重建ATP酶具有向膜外运输Na＋向膜内运输K＋的功能。
图21-2 Na＋，K＋-ATP酶主动运输功能图
（3）Na＋，K＋-ATP酶的作用机制—构象变化假说（图21-3）
①Na＋与ATP酶结合；
②细胞质侧ATP酶被ATP磷酸化，消耗1分子ATP。磷酸基团转移到ATP酶上；
③诱导ATP酶构象变化，将Na＋运送至细胞膜外侧；
④K＋结合到细胞表面；
⑤ATP酶去磷酸化；
⑥ATP酶回到原来构象，K＋通过膜释放到细胞质侧。
（4）Na＋，K＋-ATP酶的生理意义
①维持细胞的膜电位，成为可兴奋细胞的活动基础；
②调节细胞的体积和驱动某些细胞中的糖和和氨基酸的运送。
图21-3 Na＋，K＋-ATP酶的作用模型
3．Ca2＋的运输
（1）Ca2＋泵和Ca2＋-ATP酶
①概念
细胞内、外也存在着明显的Ca2＋梯度差。细胞质的Ca2＋浓度很低而细胞外的浓度却很高。当肌细胞受到外界刺激时，Ca2＋由肌质网释放进入细胞质中，引起肌肉收缩。当肌肉松弛时，Ca2＋重新摄入肌质网。这一过程受到分布于膜上的Ca2＋泵即Ca2＋-ATP酶的调节。Ca2＋-ATP酶催化以下反应：
这里，“外”指肌质网膜外侧，“内”指肌质网膜内侧。
②Ca2＋泵的主要性质
a．Ca2＋泵具有Ca2＋激活的Ca2＋-ATP酶活性，心肌和骨骼肌中Ca2＋主动运输是通过Ca2＋-ATP酶的作用实现的；
b．Ca2＋泵主动运输Ca2＋是通过ATP提供的能量驱动的。每水解一分子ATP运输2分子Ca2＋；
c．Ca2＋-ATP酶是肌质网的主要成分；
d．Ca2＋-ATP酶对Ca2＋有很高的亲和力。
e．Ca2＋泵效率高，容量大。
（2）钙调蛋白（CAM）
①在调节神经突触膜、脂肪细胞膜、小肠基底膜以及红细胞膜等的Ca2＋运输中起重要作用。钙调蛋白可刺激细胞对Ca2＋的摄取；
②每个CAM可结合4个Ca2＋。CAM的作用与细胞内Ca2＋浓度有关。
a．在Ca2＋浓度极低时，CAM主要以不与Ca2＋结合的非活性状态存在，也不能激活Ca2＋-ATP酶，酶对Ca2＋的亲和力也很低；
b．在Ca2＋浓度足够高时，CAM与Ca2＋形成复合物，可与Ca2＋-ATP酶结合，并提高酶对Ca2＋的亲和力，使Ca2＋主动运输大大增强，从而使细胞内Ca2＋浓度又达到原有稳态水平。
（3）Ca2＋-ATP酶的作用机制
Ca2＋-ATP酶在运输Ca2＋的过程中，经历了磷酸化和去磷酸化循环过程，有E1和E2两种构象，E1构象对Ca2＋具有高的亲和力。通过E1和E2两种构象的相互转变，将Ca2＋由膜的一侧向另一侧运输。作用机制如图21-4所示。
图21-4 Ca2＋-ATP酶的作用机制
3．三类驱动离子的ATP酶
三种类型驱动离子的ATP酶，即P型、F型和V型。它们的基本功能是通过水解ATP提供的能量转运离子，或者是通过离子梯度合成ATP。
表21-1 P型、F型和V型三类ATP酶的基本性质
4．阴离子运输
（1）带3蛋白结构
红细胞膜上的带3蛋白是一个以扩展的多肽链多次跨脂双层膜分布的内在性糖蛋白。在膜上以二聚体形式存在。
（2）带3蛋白的功能
带3蛋白在红细胞执行O2-CO2交换功能起重要的作用，带3蛋白是红细胞膜上的阴离子通道蛋白。
5．糖和氨基酸的运送
（1）协同运输
①概述
一些糖或氨基酸的主动运输并不是直接通过水解ATP提供的能量推动，而是依赖于以离子梯度形式贮存的能量。在动物细胞中形成这种离子梯度的通常是Na＋，在小肠或肾细胞中葡萄糖的运输是伴随Na＋一起运输入细胞的，所以这种运输是协同运输。
图21-5 葡萄糖的同向运输图示
②协同运输的机制特点：
a．葡萄糖的主动运输是由Na＋，K＋-ATP酶维持的，Na＋梯度推动的；
b．动物细胞质膜中氨基酸的运输，也是通过运输蛋白伴随Na＋进行协调运输的；
c．在细菌中，很多糖与氨基酸的运输是由质子梯度推动的，在协同运输中，伴随的不是Na＋，而是H＋。
（2）基团运输
①概念
基团运输是指有些糖在通过细菌膜时需要进行磷酸化反应加入一个磷酸基团，以糖-磷酸的形式才能通过膜。
②举例
大肠杆菌中的磷酸烯醇式丙酮酸转磷酸化酶系统（PTS系统），不是利用ATP而是利用PEP作为磷酸基团的供体，PEP经PTS催化转移磷酸基团使糖磷酸化并运送通过细胞膜。
21-6 细菌中的基团运输
6．ATP/ADP交换体
线粒体合成的ATP进行跨线粒体内膜运输到细胞质是通过分布于线粒体膜上的ATP/ADP交换体进行的，通过呼吸作用形成的跨线粒体膜的膜电位，使ATP/ADP交换体易于向外运输ATP，向内运输ADP，这一交换过程如图21-7所示。
图21-7 线粒体内膜的ATP/ADP交换体
四、生物大分子的跨膜运输
蛋白质跨膜运输除胞吞、胞吐，还有跨内质网膜和跨线粒体膜、叶绿体膜等运输类型。
1．胞吐作用
胞吐作用是指细胞内物质先被囊泡裹入形成分泌泡，然后与细胞质膜接触、融合并向外释放被裹入的物质的过程。真核细胞中的分泌作用通常是通过胞吐作用发生的。
2．胞吞作用
胞吞作用是指细胞从外界摄入的大分子或颗粒，逐渐被质膜的一小部分包围，内陷，其后从质膜上脱落下来而形成含有摄人物质的细胞内囊泡的过程。胞吞作用又可分为吞噬作用、胞饮作用以及受体介导的胞吞作用。
表21-2 胞吞作用的类型和特性
图21-8 受体介导的胞吞作用图示
五、离子载体
1．概念
离子载体是一类可溶于脂双层的疏水性的小分子，它增加脂双层对离子的透性。因此在天然膜和人工膜的研究中，广泛用于增加膜对一些特殊离子的透性，是研究离子运输的一个有用的工具。大多数离子载体是由微生物合成的，有些离子载体就是抗生素。
2．分类
（1）移动性离子载体
缬氨霉素、A23187和尼日利亚菌素。
（2）通道形成体
短杆菌肽A。
表21-3 离子载体的作用机制及应用
六、生物膜运输的分子机制
1．移动性载体模型
运输体或其结合被运输物质的部位在运输过程中，或由于通过膜的来回穿梭运动，或由于通过膜平面的旋转运动改变它在膜内的定向，可以使物质从膜的一侧运至另一侧。比如大肠杆菌的乳糖运输和缬氨霉素等运送K＋的方式。
2．孔道或通道模型
（1）孔道或通道模型
运输蛋白在膜内有较确定的方向，并且形成一个对被运输物具有立体构型的亲水性孔道。孔道在识别被运输物作出反应时才瞬时打开，让被运输物质通过膜。从孔道的开、关来说，又具闸门作用。
（2）配体-闸门通道
配体-闸门通道是指当配基结合到一个专一性的细胞表面受体时，引起通道打开 。
（3）电压-闸门通道
电压-闸门通道是指通道因膜电位变化而打开。
图21-9 两种类型的闸门离子通道
A．“配体-闸门”通道：只有当细胞外的配体结合到运送蛋白时，通道打开；
B．“电压-闸门”通道，当膜去极化时则打开
3．构象变化假设
（1）物质的跨膜运输具有高度的选择性和方向性，运输的这种专一性与运输过程中运输蛋白的构象变化相关；
（2）对一个多聚体蛋白来说，由于亚单位之间相互位置的变化所导致的亚单位重排，运输物质与运输蛋白的结合以及代谢、能量状态等都可导致蛋白质的构象变化。如Na＋，K＋-泵的分子机制。