第五章跨膜運(yùn)輸

第五章跨膜運(yùn)輸?shù)诙?jié)主動(dòng)運(yùn)輸主動(dòng)運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)是：①逆濃度梯度（逆化學(xué)梯度）運(yùn)輸；②需要能量（由ATP直接供能）或與釋放能量的過程偶聯(lián)（協(xié)同運(yùn)輸）；③都有載體蛋白。主動(dòng)運(yùn)輸所需的能量來源主要有：1.協(xié)同運(yùn)輸中的離子梯度動(dòng)力；2.ATP驅(qū)動(dòng)的泵通過水解ATP獲得能量；3.光驅(qū)動(dòng)的泵利用光能運(yùn)輸物質(zhì)，見于細(xì)菌。一、鈉鉀泵實(shí)際上就是Na+-K+ATP酶（圖5-7），一般認(rèn)為是由2個(gè)大亞基、2個(gè)小亞基組成的4聚體。Na+-K+ATP酶通過磷酸化和去磷酸化過程發(fā)生構(gòu)象的變化，導(dǎo)致與Na+、K+的親和力發(fā)生變化。在膜內(nèi)側(cè)Na+與酶結(jié)合，激活A(yù)TP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，構(gòu)象發(fā)生變化，于是與Na+結(jié)合的部位轉(zhuǎn)向膜外側(cè)；這種磷酸化的酶對(duì)Na+的親和力低，對(duì)K+的親和力高，因而在膜外側(cè)釋放Na+、而與K+結(jié)合。K+與磷酸化酶結(jié)合后促使酶去磷酸化，酶的構(gòu)象恢復(fù)原狀，于是與K+結(jié)合的部位轉(zhuǎn)向膜內(nèi)側(cè)，K+與酶的親和力降低，使K+在膜內(nèi)被釋放，而又與Na+結(jié)合。其總的結(jié)果是每一循環(huán)消耗一個(gè)ATP；轉(zhuǎn)運(yùn)出三個(gè)Na+，轉(zhuǎn)進(jìn)兩個(gè)K+。鈉鉀泵的一個(gè)特性是他對(duì)離子的轉(zhuǎn)運(yùn)循環(huán)依賴自磷酸化過程，ATP上的一個(gè)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到鈉鉀泵的一個(gè)天冬氨酸殘基上，導(dǎo)致構(gòu)象的變化。通過自磷酸化來轉(zhuǎn)運(yùn)離子的離子泵就叫做P-type，與之相類似的還有鈣泵和質(zhì)子泵。它們組成了功能與結(jié)構(gòu)相似的一個(gè)蛋白質(zhì)家族。Na+-K+泵作用是：①維持細(xì)胞的滲透性，保持細(xì)胞的體積；②維持低Na+高K+的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境，維持細(xì)胞的靜息電位。烏本苷（ouabain）、地高辛（digoxin）等強(qiáng)心劑能抑制心肌細(xì)胞Na+-K+泵的活性；從而降低鈉鈣交換器效率，使內(nèi)流鈣離子增多，加強(qiáng)心肌收縮，因而具有強(qiáng)心作用。圖5-7鈉鉀泵二、鈣離子泵鈣離子泵對(duì)于細(xì)胞是非常重要的，因?yàn)殁}離子通常與信號(hào)轉(zhuǎn)到有關(guān)，鈣離子濃度的變化會(huì)引起細(xì)胞內(nèi)信號(hào)途徑的反應(yīng)，導(dǎo)致一系列的生理變化。通常細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度（10-7M）顯著低于細(xì)胞外鈣離子濃度（10-3M），主要是因?yàn)橘|(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上存在鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)體系，細(xì)胞內(nèi)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(gè)ATP分子，泵出2個(gè)Ca2+。另一類叫做鈉鈣交換器（Na+-Ca2+exchanger），屬于反向協(xié)同運(yùn)輸體系（antiporter），通過鈉鈣交換來轉(zhuǎn)運(yùn)鈣離子。位于肌質(zhì)網(wǎng)（sarcoplasmicreticulum）上的鈣離子泵是了解最多的一類P型離子泵，占肌質(zhì)網(wǎng)膜蛋白質(zhì)的90%。肌質(zhì)網(wǎng)是一類特化的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，形成網(wǎng)管狀結(jié)構(gòu)位于細(xì)胞質(zhì)中，具有貯存鈣離子的功能。肌細(xì)胞膜去極化后引起肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣離子通道打開，大量鈣離子進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，引起肌肉收縮之后由鈣離子泵將鈣離子泵回肌質(zhì)網(wǎng)。圖5-8鈣離子泵三、質(zhì)子泵質(zhì)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(gòu)象的改變來轉(zhuǎn)移質(zhì)子或其它離子，如植物細(xì)胞膜上的H+泵、動(dòng)物細(xì)胞的Na+-K+泵、Ca2+離子泵，H+-K+ATP酶（位于胃表皮細(xì)胞，分泌胃酸）。2、V-type：位于小泡（vacuole）的膜上，由許多亞基構(gòu)成，水解ATP產(chǎn)生能量，但不發(fā)生自磷酸化，位于溶酶體膜、動(dòng)物細(xì)胞的內(nèi)吞體、高爾基體的囊泡膜、植物液泡膜上。3、F-type：是由許多亞基構(gòu)成的管狀結(jié)構(gòu)，H＋沿濃度梯度運(yùn)動(dòng)，所釋放的能量與ATP合成耦聯(lián)起來，所以也叫ATP合酶（ATPsynthase），F(xiàn)是氧化磷酸化或光合磷酸化偶聯(lián)因子（factor）的縮寫。F型質(zhì)子泵位于細(xì)菌質(zhì)膜，線粒體內(nèi)膜和葉綠體的類囊體膜上，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)將在線粒體與葉綠體一章講解。F型質(zhì)子泵不僅可以利用質(zhì)子動(dòng)力勢將ADP轉(zhuǎn)化成ATP，也可以利用水解ATP釋放的能量轉(zhuǎn)移質(zhì)子。圖5-9四種ATP驅(qū)動(dòng)的離子泵四、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器（ABCtransporter）最早發(fā)現(xiàn)于細(xì)菌，是細(xì)菌質(zhì)膜上的一種運(yùn)輸ATP酶（transportATPase），屬于一個(gè)龐大而多樣的蛋白家族，每個(gè)成員都含有兩個(gè)高度保守的ATP結(jié)合區(qū)（ATPbindingcassette），故名ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器（圖5-10），他們通過結(jié)合ATP發(fā)生二聚化，ATP水解后解聚，通過構(gòu)象的改變將與之結(jié)合的底物轉(zhuǎn)移至膜的另一側(cè)。在大腸桿菌中78個(gè)基因（占全部基因的5%）編碼ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器蛋白，在動(dòng)物中可能更多。雖然每一種ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器只轉(zhuǎn)運(yùn)一種或一類底物，但是其蛋白家族中具有能轉(zhuǎn)運(yùn)離子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白質(zhì)的成員。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器還可催化脂雙層的脂類在兩層之間翻轉(zhuǎn)，這在膜的發(fā)生和功能維護(hù)上具有重要的意義。第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的真核細(xì)胞的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器是多藥抗性蛋白（multidrugresistanceprotein,MDR），該基因通常在肝癌患者的癌細(xì)胞中過表達(dá)，降低了化學(xué)治療的療效。約40%的患者的癌細(xì)胞內(nèi)該基因過度表達(dá)。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器還與病原體對(duì)藥物的抗性有關(guān)，如臨床常用的抗真菌藥物有氟康唑、酮康唑、伊曲康唑等，真菌對(duì)這些藥物產(chǎn)生耐藥性的一個(gè)重要機(jī)制是通過MDR蛋白降低了細(xì)胞內(nèi)的藥物濃度。圖5-10ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器五、協(xié)同運(yùn)輸協(xié)同運(yùn)輸（cotransport）是一類靠間接提供能量完成的主動(dòng)運(yùn)輸方式。物質(zhì)跨膜運(yùn)動(dòng)所需要的能量來自膜兩側(cè)離子的電化學(xué)濃度梯度，而維持這種電化學(xué)勢的是鈉鉀泵或質(zhì)子泵。動(dòng)物細(xì)胞中常常利用膜兩側(cè)Na+濃度梯度來驅(qū)動(dòng)，植物細(xì)胞和細(xì)菌常利用H+濃度梯度來驅(qū)動(dòng)。根據(jù)物質(zhì)運(yùn)輸方向與離子沿濃度梯度的轉(zhuǎn)移方向，協(xié)同運(yùn)輸又可分為：同向協(xié)同（symport）與反向協(xié)同（antiport）。1、同向協(xié)同同向協(xié)同（symport）指物質(zhì)運(yùn)輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相同。如動(dòng)物小腸細(xì)胞對(duì)對(duì)葡萄糖的吸收就是伴隨著Na+的進(jìn)入，細(xì)胞內(nèi)的Na+離子又被鈉鉀泵泵出細(xì)胞外，細(xì)胞內(nèi)始終保持較低的鈉離子濃度，形成電化學(xué)梯度（圖5-11）。在某些細(xì)菌中，乳糖的吸收伴隨著H+的進(jìn)入，每轉(zhuǎn)移一個(gè)H+吸收一個(gè)乳糖分子。圖5-11小腸對(duì)葡萄糖的吸收2、反向協(xié)同反向協(xié)同（antiport）物質(zhì)跨膜運(yùn)動(dòng)的方向與離子轉(zhuǎn)移的方向相反（圖5-12），如動(dòng)物細(xì)胞常通過Na+/H+反向協(xié)同運(yùn)輸?shù)姆绞絹磙D(zhuǎn)