离子和小分子的跨膜运输

第一节　离子和小分子的跨膜运输

细胞膜是细胞与外环境之间的一道半透膜，所谓半透膜是指对进出细胞的物质具有选择性调节作用，即允许或阻止某些物质通过。这种选择性通透保持了细胞相对恒定的内环境。同样，细胞器和细胞质之间内环境的差异，也是通过细胞的内膜系统来维持的。

由于构成细胞膜脂双层的中间部分是疏水的，所以绝大多数极性小分子和离子是不易透过细胞膜的。细胞为了要进行复杂的生命活动，必须以特殊的方式使一些极性分子和离子快速通过细胞膜。离子和小分子的跨膜运输可分为被动运输和主动运输两大类(图4-1)。

图4-1　物质的跨膜运输

一、被动运输

被动运输(passive transport)是物质顺浓度梯度，从浓度高的一侧经细胞膜转向浓度低的一侧的运输方式，它不需消耗细胞代谢的能量。被动运输又可分为单纯扩散、通道扩散和帮助扩散3种方式。

(一)单纯扩散

单纯扩散(simple diffusion)是最简单的一种运输方式，它不消耗细胞代谢的能量，也不依靠专一性膜蛋白分子，只要物质在膜的两侧保持一定的浓度差即可发生这种运输。它所需要的能量来自于高浓度本身相对于低浓度所含的势能(potential energy)。这种扩散方式符合物理学之单纯扩散规律，但不同分子通过脂质双层的扩散速率不同，主要取决于分子大小和在油脂中的相对溶解程度(图4-2)。实际上可以单纯扩散通过细胞膜的物质只有两类:①疏水的(脂溶性的)小分子，如氧、氮和苯等，其中脂溶性越大的扩散越快;②不带电的极性小分子如水、二氧化碳、乙醇、尿素、甘油等，其中相对分子质量越大的扩散速度越慢，所以像葡萄糖这类不带电的极性分子因相对分子质量太大，几乎不能自由扩散过膜。水能很快通过脂质双分子层，这是由于水分子很小，不带电荷，且有双极结构，因而能迅速通过脂质双分子层。

图4-2　人工双分子脂膜对不同分子的通透性

(二)通道扩散

细胞膜与人工脂质双分子层的不同在于其上镶嵌有各种结构和功能性蛋白质，因此，借助膜运输蛋白，各种极性、带电的分子如离子、单糖、氨基酸、核苷酸及许多代谢物均可快速通过细胞膜。在细胞膜中有一种贯穿膜全层的运输蛋白，称为通道蛋白(channel protein)，它们在膜上形成许多直径为0．35～0．8nm的小孔。通道蛋白的亲水基团镶在小孔的表面，小孔能持续开放，因此水和一些大小适宜的分子及带电荷的溶质，可经此小孔以单纯扩散方式顺浓度进出细胞。通道蛋白只是形成一条水通道(water channel)，并不直接与带电荷的溶质小分子相互作用。

除了上述持续开放的通道蛋白外，绝大多数跨膜通道蛋白具有“闸门”的作用，因而称为闸门通道(gated channel)(图4-3)。闸门不是连续开放的，仅在对特定刺激发生反应的瞬间打开，其他时间是关闭的。例如，有的闸门通道仅在细胞外的配体(如乙酰胆碱等化学信号)与细胞表面的受体结合时发生反应，引起通道蛋白构象发生改变，使闸门开放，这类闸门通道称为配体闸门通道(ligand-gated channel)。另一些仅当膜电位发生变化时才开放，称为电压闸门通道(voltage-gated channel)。还有的离子通道是在细胞内特定离子浓度发生变化时才开放，例如，当细胞内游离Ca²⁺浓度增加时，可启动K⁺的闸门通道开放。闸门开放时间极短暂，只有几毫秒，随即关闭。在这短暂的时间里，一些离子、代谢产物或其他溶质，顺浓度梯度经闸门通道扩散到细胞膜的另一侧。

图4-3　配体闸门通道和电压闸门通道

注:图中的两位科学家在通道研究中做出了贡献，获2003年度诺贝尔化学奖

各种闸门通道的开放与关闭常常是连续进行的过程，具有放大效应。当物质通过一个闸门通道后，可引起另一通道的开放;第1个闸门通道的快速关闭，又调整了第2个闸门通道的活动，同时还可引起其他通道的开放。例如，在神经肌肉连接系统中，传递一个神经冲动，引起肌肉收缩的整个反应在不到1s的时间内完成，但却至少有4个不同部位的离子通道闸门按一定的顺序开放和关闭。

存在于神经、肌肉细胞膜上的Na⁺通道是一种电压启闭通道，它们在动作电位的形成过程中起决定性作用。动作电位是由膜部分去极化启动的。起初，引起部分去极化的刺激使静息状态的膜上电场发生轻微改变，电压启闭的Na⁺通道对电场变化高度敏感，随即发生构象变化，从稳定的关闭状态变成开放状态，使少量Na⁺进入细胞。正电荷的流入造成进一步去极化，直至－70mV的静息膜电位转变成+50mV的Na⁺平衡电位。在此去极化过程中，每个Na⁺通道开放后就有同样强大的传送能力，每毫秒可让8000个Na⁺通过，随后很快自动转变为失活状态。这时膜开始回复到原来负值电位，等到Na⁺通道转变成活化但未开放构象时，膜才能重新对刺激有反应而形成下一次动作电位。这就是Na⁺通道的“全或无”作用方式，也说明了动作电位“全或无”性质的本质。

(三)帮助扩散

借助于细胞膜上载体蛋白(carrier protein)的构象变化而顺浓度梯度的物质运输方式称为帮助扩散(facilitated diffusion)。一些亲水性(非脂溶性)的物质，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸和许多无机离子等，不能以简单的扩散方式通过细胞膜，但可以借助于膜上专一性很强的载体的帮助，以助扩散的方式通过。

载体蛋白是镶嵌于膜上运输蛋白，具有高度的特异性，其上有结合点，能特异地与某一种物质进行暂时性的可逆结合。一个特定的载体蛋白只能运输一类溶质，有时甚至仅一种分子或离子。一般认为，帮助扩散的转运机制是通过载体蛋白的构象发生可逆性变化而实现的。随着构象的变化，载体蛋白对溶质的亲和力发生改变(图4-4)。因为载体蛋白是一种多次跨膜蛋白，它不可能通过在脂质双层中来回移动或翻转以转运溶质分子。由于细胞膜上运输某一种物质的载体数量是相对恒定的，所以当所有载体蛋白的结合部位全被占据时，运输速率达最大值不再上升。即帮助扩散的速率在开始时同物质的浓度差成正比，当扩散率达到一定水平时就不再受溶质浓度的影响了。

图4-4　载体蛋白构象变化与帮助扩散

一些载体蛋白将一种溶质分子从膜的一侧转运到另一侧，称为单运输(uniport);另一些载体蛋白在转运一种溶质分子的同时或随后转运另一溶质分子，称为协同运输(coupled transport)。若两种相伴随转运的溶质分子转运方向相同，称为共运输(symport);若两种溶质分子转运方向相反，称为对向运输(antiport)(图4-5)。

二、主动运输

主动运输(active transport)是物质从低浓度的一侧通过细胞膜向高浓度一侧的转运。由于运输是逆着浓度梯度进行的，需要载体的参与和消耗代谢能，这类运输方式称为主动运输。

人们早已发现，在生理条件下，人红细胞内的K⁺浓度为血浆中的30倍，而细胞内的Na⁺浓度比细胞外低13倍;但K⁺仍可由血浆进入细胞内，Na⁺仍可由细胞内转到血浆中。这种运输方式及浓度差的形成和维持，显然无法用被动运输的机制来解释。研究表明，细胞具有逆浓度梯度主动运输物质的能力，方可形成和维持这种物质的浓度梯度。

图4-5　载体蛋白转运溶质分子的几种方式

(一)离子泵

关于主动运输的机制，Hodkin和Keynes最先提出离子泵假说。不久Jens C．Skou(1957)发现一种ATP酶，它在Na⁺、K⁺、Mg²⁺存在时，能把ATP水解成ADP和磷酸。与此同时，Na⁺和K⁺以逆浓度梯度方向进行穿膜转运。于是Skou把离子泵与ATP酶联系起来。后来又发现，这种酶广泛存在于动物细胞中，只要有Na⁺-K⁺主动运输的地方就可检测到这种酶的活力，且酶的活力和泵的活动呈正比。可见，离子泵实际上就是膜上一种ATP酶。细胞膜上作为离子泵的ATP酶有很多种，具有高度的专一性。如同时运输Na⁺、K⁺的Na⁺-K⁺泵(Na⁺-K⁺pump)，运输Ca²⁺的Ca²⁺泵(Ca²⁺pump)等。Jens C．Skou与Paul D．Boyer及其John E．Walker等科学家由于在这方面的卓越贡献共同获得了1997年诺贝尔化学奖。

Na⁺-K⁺泵本身就是Na⁺，K⁺-ATP酶，具有载体和酶的双重活性。一般认为它由大、小两个亚基组成。大亚基为贯穿膜全层的脂蛋白，为催化部分;小亚基为细胞膜外侧半嵌的糖蛋白，其作用机制尚不清楚，但如将大、小亚基分开，酶活性即丧失。在大亚基的细胞质端有与Na⁺和ATP结合的位点，外端有与K⁺和乌本苷(ouabain)的结合点，可以反复发生磷酸化和去磷酸化。乌本苷为Na⁺-K⁺泵的抑制剂。

在Na⁺、K⁺存在时，Na⁺，K⁺-ATP酶分解1个分子ATP，产生的能量通过Na⁺-K⁺泵的构象变化，运送3个Na⁺从细胞内低浓度侧运到细胞外高浓度侧，同时把2个K⁺从细胞外低浓度侧运到细胞内高浓度侧。基本过程(图4-6)为:①在膜内侧，Na⁺、Mg²⁺与酶结合;②酶的活性激活后，使ATP分解，产生的高能磷酸根使酶发生磷酸化;③酶构象改变，Na⁺结合部位暴露到膜外侧，此时酶对Na⁺的亲合力变低;④Na⁺被释放到细胞外，同时，酶对K⁺的亲合力增高，K⁺结合到酶上;⑤K⁺的结合促使酶发生去磷酸化;⑥酶去磷酸化后构象复原，K⁺结合部位转向膜的内侧，这时的酶与Na⁺的亲合力高，与K⁺的亲合力变低，因而在膜内侧释放K⁺;⑦恢复至初始状态。如此反复进行的构象变化每秒钟可完成1000多次。

据估计，细胞内约有1/3以上的能量(ATP)是被Na⁺-K⁺泵活动消耗的。各种影响细胞代谢的因素，如低温、抑制能量合成的毒素，都会影响Na⁺-K⁺泵的正常活动。现知道，几乎所有的动物细胞膜都有Na⁺-K⁺泵，由它维持的Na⁺-K⁺浓度梯度在维持膜电位、调节渗透压、控制细胞容积和驱动糖与氨基酸的主动运输等方面都起着重要的作用。

图4-6　Na⁺-K⁺泵运输Na⁺、K⁺进出细胞示意图

真核细胞的细胞质内Ca²⁺浓度很低(10^-7mol/L)，细胞外的Ca²⁺浓度则很高(10^-3mol/L)。肌肉细胞的肌浆网(肌肉细胞的滑面内质网)是Ca²⁺的贮存池，其Ca²⁺浓度也大大高于细胞质。细胞内外以及胞质与肌浆网Ca²⁺浓度梯度是由膜上的Ca²⁺泵来维持的。

Ca²⁺泵实际上也是一种酶，称为Ca²⁺-ATP酶。同Na⁺，K⁺-ATP酶一样，在主动泵运Ca²⁺过程中反复磷酸化与去磷酸化，通过该酶的变构完成运输。

当神经冲动传递到肌肉细胞时，肌肉细胞膜去极化，Ca²⁺从肌浆网释放入细胞质内，引起肌肉收缩。释放入细胞质中的Ca²⁺，由肌浆网膜上的Ca²⁺泵，泵入肌浆网，维持膜内外Ca²⁺的浓度差。

(二)伴随运输

有些物质逆浓度主动运输的动力不是直接来自ATP的水解，而是由离子梯度中贮存的能量来驱动的。所有这些功能都属于协同运输，有的是共运输，有的是对向运输。在动物细胞中，驱动这种协同运输的离子通常是Na⁺，但在大多数细菌是H⁺。Na⁺-K⁺泵分解ATP，把Na⁺泵出细胞外，保持细胞内外的Na⁺浓度梯度，由Na⁺的电化学梯度提供用来驱动主动运输另一种分子的能量。例如，小肠上皮细胞和肾细胞能利用Na⁺跨膜梯度驱动转运，特异性地吸收氨基酸和葡萄糖，这种运输过程中伴有Na⁺进入细胞(图4-7)。人们把这种由Na⁺等离子梯度驱动的主动运输过程称为伴随运输(co-transport)。具体地讲，这种过程是由膜上的Na⁺-K⁺泵和特异性的载体蛋白共同协作完成的。载体蛋白上具有两个结合位点，可分别与Na⁺和葡萄糖(或氨基酸)结合。当Na⁺顺浓度梯度入细胞时，葡萄糖或氨基酸就利用Na⁺的势能驱动，随着载体蛋白构象变化，与Na⁺相伴逆浓度梯度进入细胞，这是一种共运输。Na⁺浓度梯度差越大，葡萄糖或氨基酸等物质进入细胞的速度就越快，Na⁺-K⁺泵则靠分解ATP提供能量，再把Na⁺泵出细胞外，维持Na⁺的浓度梯度。离子不仅能驱动上述共运输，也能驱动对向运输。如Na⁺-H⁺交换载体偶联H⁺流出与Na⁺的流入，从而清除细胞代谢产生的过量H⁺。

在许多上皮细胞中，载体蛋白在细胞膜上的分布是不对称的，从而形成吸收溶质的跨膜转运体系。与Na⁺偶联的共运输(伴随运输)系统位于细胞膜的顶面吸收区域，主动转运营养物质进入细胞;与Na⁺无关的载体蛋白在基底面或侧面，允许营养物质以帮助扩散的方式离开细胞。一般认为，由小肠上皮细胞吸收葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖以及各种氨基酸等都是通过伴随运输进行的。

图4-7　伴随运输示意图