小分子物质的跨膜运输

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1、第九章小分子物质的跨膜运输细胞质膜和各种内膜的脂双层因其内部的疏水性质而构成了一道屏障，不允许大多数极性和水溶性分子透过，可以经膜自由扩散的只有极少数脂溶性、非极性或不带电的小分子。膜的这一特性有重要的功能意义，正因为这种屏障作用，细胞内外、各细胞器内外的物质浓度差异才得以维持。但是，细胞要摄取营养物质，排泄代谢废物，要调节细胞内外离子浓度，要造成某些特殊物质在某个细胞器内外的浓度差异，因此必须有一些特殊的机制把这些水溶性的、带电的营养物、代谢产物和离子运送进出细胞或细胞器。膜对无机离子和小分子有机物质的运输是靠特化的跨膜蛋白来完成的。膜对大分子的

2、运输有着另一种机制，将在第十章予以讨论。膜运输蛋白的分子数在所有细胞的膜蛋白中占15～30％，有些特化的哺乳动物细胞甚至将全部代谢能量付诸膜运输活动，可见膜运输对生物体的重要性。本节将介绍小分子跨膜运输的一般形式，然后介绍两大类运输蛋白－载体蛋白和离子通道蛋白以及它们分别介导运输的特点。第一节跨膜运输的原理一、单纯扩散有些物质可以完全不需膜蛋白的作用而自由透过生物膜的脂双层，这种跨膜运输形式叫做单纯扩散。这方面的证据是从一种叫做黑膜(blackmembrane)的人工合成脂双层上获得的。黑膜的设计如图9－1所示，是在分隔两个充水区室的平板的小孔上造

3、成一个脂质双层，通过检测该脂双层（黑膜）两侧液体中某溶质的含量来测定这层膜的通透性。有关结果表明，如果不考虑扩散时间的长短，可以说任何不带电小分子都可以顺其浓度梯度而扩散通过脂双层。但因为它们的扩散速率有极大差异，实际上可以自由通过膜的物质有两类：（1）疏水的（脂溶性的）小分子，如氧、氮、苯等，其中脂溶性的愈小的分子扩散愈慢；（2）不带电的极性小分子如水（分子量为18）、二氧化碳（分子量为44）、乙醇（分子量为46）、尿素（分子量为60）、甘油（分子量为92）等，其中分子量愈大的扩散就愈慢。所以，像葡萄糖（分子量为180）这类不带电的极性分子因分子

4、量太大，几乎不能自由扩散过膜；各种离子则因它们的带电及水合性，虽然分子量很小也完全不能通过膜（图9－2）。图9－1黑膜（引自Alberts等，2002）参照前书图9-18图9－2脂双层对各种分子的通透性（引自Alberts等，2002）参照前书图9-19二、膜蛋白介导的运输生物膜与人工合成的脂双层之间的重要不同是：生物膜对各种极性、带电分子如离子、单糖、氨基酸、核苷酸等均允许通过。这些物质的运输由膜蛋白介导，这些膜蛋白称为膜运输蛋白。根据膜运输蛋白介导运输的形式不同，将它们分为两类：载体蛋白(carrierprotein)和通道蛋白(channel

5、protein)。载体蛋白能与所运输的特异性物质结合，经本身构象改变而运送该物质穿过膜。通道蛋白则形成贯穿脂双层的充水孔道，当这些孔道在特异信号控制下打开时，能让特异性物质（一般是无机离子）经过而穿越膜（图9－3）。就运输蛋白与所运分子的关系而言，载体蛋白必须与所运物质结合，有较强的互相作用，而通道蛋白与所运分子作用较弱。就运输速度而言，通道蛋白介导的运输要比载体蛋白介导的快得多。图9－3载体蛋白和通道蛋白（引自Alberts,2002）参照前书图9-20所有结构已知的运输蛋白都是多次穿膜的跨膜蛋白，其肽链多次折叠，在脂双层内形成一个跨膜的蛋白通道

6、以运送特异的物质。每种蛋白质只运送某一特定类别的分子如离子或糖或氨基酸，并且常常只针对该类别中某一种分子如钠离子或钙离子、葡萄糖或半乳糖。膜运输蛋白的特异性最早在上世纪50年代中期被发现，细菌的单个基因突变就使其质膜丧失对某种糖类的运输能力。后来发现很多临床上的例子，在患有肾脏或肠先天性对某种特殊物质吸收障碍的人群中，存在相关的单个基因突变，证明运输蛋白对某一物质的特异性。半胱氨酸尿症是一种遗传性疾病，患者肾和肠的有关细胞不能将半胱氨酸运输入血液，结果导致半胱氨酸在尿中蓄积，造成肾脏发生半胱氨酸结石。不管是载体蛋白还是通道蛋白，膜蛋白介导的跨膜运输

7、因有无能量偶联而存在两种不同形式（图9－4）：（1）被动运输，又称易化扩散。采用这一形式的是所有通道蛋白和一部分载体蛋白。它们“帮助”所要运送的物质顺着其电化学梯度跨越过膜（“下坡”），因此不需要能量供应。若所运的分子不带电，其运输方向由其在膜两侧的浓度差决定；若所运分子带电，运输方向就由跨膜浓度差和电位差一起决定，浓度差和电位差构成了所谓的电化学梯度。几乎所有质膜都存在电位差，又称电压梯度，通常膜内比膜外更负，所以膜电位差通常有利于带正电离子进入而不利于带负电离子进入（图中的B中图所示情形）。（2）主动运输。采用这一形式的全部是载体蛋白，它们对抗

8、所运送物质的电化学梯度，“逆势”地把物质泵运过膜（“上坡”），这样它们又被称为“泵”。载体蛋白的主动运输是定向的，并且总是