物质的跨膜运输

小分子与离子的跨膜转运

由于脂双层的疏水结构的存在，使得水和水溶性物质在跨膜运输中存在困难，因此为了实现离子等物质的转运和维持细胞内外的粒子浓度差，我们需要转运蛋白介导选择性转运。
如图所示为细胞内外液的离子浓度

不同物质的跨膜方式如做图所示，分别有：

1. 膜转运蛋白：占核基因编码的膜蛋白的$15\mathrm{\%}\sim 30\mathrm{\%}$.用来转运物质所消耗的能量占细胞总消耗的$66.6\mathrm{\%}$。
   1. 载体蛋白（carrier protein；transporter）：与特定溶质分子结合，通过构象改变实现物质转运，每次转运都会发生构象改变，可被竞争性抑制（多巴胺和腺苷？）。载体蛋白能够极大的降低物质跨膜的能垒，符合热力学原理。
      
      1. 单向转运、同向协同转运、反向协同转运
   2. 通道蛋白：形成跨越生物膜的亲水性通道，识别特定溶质的大小和电荷，允许特定的溶质顺浓度梯度通过；如通道处于开放状态，特定溶质就可以持续通过。（大多数通道蛋白是离子通道）
      1. 离子通道、孔蛋白、水孔蛋白
      2. 转运速率极高，是已知载体蛋白最快速率的1000倍以上，每个通道每 秒可通过${10}^7\sim {10}^8$个离子，接近自由扩散的理论值.
      3. 离子通道一般并非连续开放，而是门控的(gated)；通道的开启应答于 特定的信号（膜电位、化学信号、机械力等），分别对应于：电压门控通道、配体门控通道^[1]、应力激活通道三类。

跨膜运输的主要类型

1. 简单扩散：分子或离子顺着浓度梯度或电化学梯度直接穿过脂双层，不需要细胞提供能量，也无需膜转运蛋白的协助，称为简单扩散或自由扩散 (free diffusion)
   1. 特点
   • 沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；
   • 不需要提供能量；
   • 不需要膜蛋白的协助。
   2. 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） ,其扩散系数（D）以及膜的厚度（t）来计算：$P=\frac{KD}{t}$。
   3. 能够自由扩散的分子：
      1. 疏水性分子能直接跨膜
      2. 极性小分子能直接跨膜
2. 协助扩散：溶质顺着电化学梯度或浓度梯度，在膜转运蛋白的协助下跨膜转运的 方式叫协助扩散，也称易化扩散。
   1. 特点
   • 动力来自浓度梯度（或电化学梯度）；
   • 不需要细胞提供代谢能量；
   • 借助膜转运蛋白。
   • 比自由扩散转运速率高；
   • 载体蛋白存在最大转运速率； 在一定限度内，运输速率同物质浓度成正比。如超过一定限度，浓度再增加，运输也不再增加。这是因为膜上载体蛋白的结合位点已达饱和；
   • 有特异性，即特定蛋白与特定溶质结合。
   1. 常见转运对象：
      1. 水分子、小分子糖类、氨基酸、核苷酸

3. 主动运输：主动运输是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由低浓度一侧向高浓度一侧进行跨膜转运的方式。由于转运的溶质分子其自由能变化为正值，因此需要与某种释放能量的过程相耦联。
   1. 特点：
   • 逆着浓度梯度（或电化学梯度）运输
   • 需要能量；该能量形式不限于：
     • ATP中的能量：因此也叫ATP驱动泵，又称初级主动运输。内质网上的$C{a}^{2+}$转运蛋白SERCA (SR)不断将钙离子转运到内质网中（拓朴学上的细胞外）每秒转运的离子数为${10}^0\sim {10}^3$不等。
       • P-型离子泵: P型泵具有两个独立的α催化亚基，具有ATP结合位点；绝大多数还具有2个起调节作用的β亚基。在转运离子过程中，至少有一个α催化亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，从而改变泵蛋白的构象，实现离子的跨膜转运。由于在转运过程中可形成磷酸化中间体，故名P-型离子泵。如钠钾泵^[2]： 能维持细胞质膜内负外正的电位差(膜电位)；维持动物细胞渗透平衡，保持细胞体积；协助其它物质运输（包括葡萄糖、氨基酸等营养分子的转运吸收）。
       • V-型质子泵：广泛存在于动物细胞内吞体、溶酶体膜，破骨细胞和某些肾小管细胞的质膜，以及植物、酵母和真菌细胞液泡膜上，所以称为膜泡质子泵(vesicle proton pump)。对维持细胞pH值有重要意义。
       • F-型质子泵：存在于细菌质膜、线粒体内膜和植物叶绿体类囊体膜，在能量转换中起重要作用。$H^{+}$顺浓度梯度运动，将所释放的能量与ATP合成耦联起来，因 此F-型质子泵也称作$H^{+}-ATP$合酶($F_0{F}_1$ -ATPase)
       • ABC超家族: 又称ABC运输蛋白，是一大类ATP驱动泵，已发现几百种不同的转运蛋白，广泛分布于从细菌到人类各种生物体中，其底物根据特异性种类可以包含：离子、单糖、氨基酸、磷脂、肽等。所有ABC蛋白都共享一种由四个“核心”结构域组成的结构模式：2个跨膜结 构域(T)，形成运输分子的跨膜通道；2个胞质侧ATP结合域(A)。
     • $N{a}^{+}$浓度梯度差（细胞膜），$H^{+}$浓度梯度差（细胞器膜）：因此这类蛋白称为协同转运蛋白,由称又称次级主动运输。每秒转运的离子数为${10}^2\sim {10}^4$不等。
     • 光能（光驱动泵），主要在细菌及古菌中发现，对溶质的主动运输与光 能的输入相耦联，如视紫红质(Rhodoposin)利用光能驱动$H^{+}$的跨膜转运
   • 借助膜转运蛋白

脂质的转运：

离子跨膜转运与膜电位

静息电位：可兴奋细胞在静息态时的电位：外正内负——极化
动作电位：可兴奋细胞在刺激下由于钾、钠离子通道的快速转运产生的电位差，从而形成膜电位。
去极化，超极化，复极化。
动作电位的产生：配体门控通道（神经递质）、电压门控通道。