第四节 质膜的物质运输
活细胞是一个开放性结构体系，它要进行各种生命活动，就必然要同环境发生物质交换关系。
物质进出细胞都要通过质膜 ！
质膜物质运输：穿膜运输（主要是离子和一些小分子的运输）
膜泡运输（主要是一些大分子和颗粒物质的运输）
一、膜泡运输
大分子和颗粒物质较大量的进出细胞，称为批量运输(bulk transport)。
特点：物质进出细胞的运输过程中始终由膜包围，在细胞质内形成小膜泡；运输量大。
一）内吞作用(endocytosis):
根据内吞物质的性质及膜泡的大小不同，内吞作用可分为三类：
吞噬作用 (phagocytosis):较大固体颗粒物质(如细菌等)
胞饮作用(pinocytosis):液体物质或较小颗粒
微胞饮作用(micropinocytosis):转运蛋白质等的直径65nm胞饮小泡
1. 吞噬作用(phagocytosis)
细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。
吞噬现象出现在动物吞噬异物、摄取营养物质、进行防卫(消化异物)等的过程中。
在哺乳动物中，中性颗粒白细胞和巨噬细胞具有极强的吞噬能力，是动物机体防卫系统中的重要“卫士”。
2. 胞饮作用(pinocytosis)
细胞吞入的物质为液体或极小的颗粒物质，这种内吞作用称为胞饮作用。
胞饮作用存在于白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植物细胞。
细胞周围的某些物质(如蛋白质、氨基酸、离子等)，达到一定浓度时，即引起细胞发生胞饮现象。
3. 微胞饮作用 (micropinocytosis)
胞饮小泡很小(~F65nm)的胞饮过程称为微胞饮作用。
与胞饮并无根本性的区别，只是微胞饮小泡体积很小
微胞饮作用存在于毛细血管上皮细胞、肝细胞、神经纤维上的施旺氏细胞、巨噬细胞、肌细胞、网状细胞等细胞中。
微胞饮的主要作用是摄取和转运蛋白质！
胞饮泡进入细胞内之后，首先同早期内(吞)体(early endosome)融合，然后经过三条途径产生三种不同的归宿：
①与溶酶体融合，质膜和配体-受体复合物被消化降解；
②在早期内(吞)体中配体与受体分离，配体被溶酶体消化降解，带有受体的膜泡经外排又回到原来的细胞表面，形成了一个膜的再循环(membrane recycling)过程；
③配体-受体复合物不分解，进行穿胞运输(transcytosis) (与溶酶体无关) 。
(1) 有被小泡运输——受体介导内吞
质膜上的受体参与了细胞内吞过程，而且起了不可缺少的作用。
受体可与细胞外专一信号分子（配体）结合，并引起细胞发生反应的质膜蛋白。
有受体参与的从胞外吸收专一性的大分子和颗粒物质的过程称为受体介导内吞(receptor-mediated endocytosis)。
成笼蛋白分子的构型比较特殊，呈三足鼎立状，具有3条腿，故称三腿子(triskelion; tri-, 三; skeli,腿; -on, 子)。
在衣被小窝处，三腿子分子连接成网架(六角形和五角形网格)。三腿子分子网架具有自我装配的能力。
(b) 衔接蛋白的作用
胆固醇是构成膜的一种脂类成分，动物细胞通过受体介导内吞吸收所需的大部分胆固醇。
血液中胆固醇与1个蛋白质(500kD)结合成颗粒(3´103kD)——低密脂蛋白(low-density lipoproteins, LDL)。
LDL颗粒的芯部含有约1500个胆固醇分子，外由一脂单层(由800个磷脂分子和500个未酯化胆固醇分子组成)包围。
(d) 运铁蛋白的内吞
运铁蛋白(transferrin)是血液中专司细胞内运铁功能的糖蛋白(80kD)，每一运铁蛋白分子可结合2个Fe3+。
运铁蛋白同细胞表面的受体专一结合后，通过受体介导内吞将结合有铁的运铁蛋白送入早期内吞体中。
2) 陷穴小泡(caveolae)
陷穴小泡也是由质膜内陷形成的有被胞饮泡，直径约50~100nm，普遍存在于各类细胞中。其结构成分不同于其它小泡。
小泡形成时，在质膜内表面附着有陷穴蛋白(caveolin)，故小泡形成后，表面覆被有陷穴蛋白，成为陷穴蛋白有被小泡(caveolin-coated vesicles)。
陷穴蛋白为跨膜蛋白，分子大小为22kDa，肽链的C和N-末端均在细胞质溶质中。陷穴蛋白在小泡表面排列成同心圆状线条。
陷穴小泡膜含有糖基鞘磷脂、鞘磷脂、胆固醇、Ca2+-ATP酶和糖基磷脂酰肌醇(GPI)等。
陷穴小泡可能有下述功能：
①物质运输: 如小泡中有Ca2+-ATP酶和肌醇三磷酸受体(IP3R)，负责Ca2+进出细胞的运输；
②信号转导: 小泡中含有IP3R、GPI-锚蛋白、G蛋白等，可将细胞外信号传入细胞内。
③肿瘤抑制: 小泡在抑制肿瘤方面也具有重要功能。
(3) 胞内膜泡运输
细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递也要通过膜泡运输方式进行:
如内质网←→高尔基体，高尔基体→溶酶体，高尔基体→质膜(分泌物的外排)等，都要通过过渡性小泡进行转运。胞内膜泡运输是沿微管运行的，运动的动力来自马达蛋白(motor proteins)。目前已发现的马达蛋白有两种：动力蛋白和驱动蛋白。（二）外排作用(Exocytosis)
外排作用的运输方向与内吞作用相反。如分泌蛋白的分泌、代谢废物的外排等。
外排作用与内吞作用实际上都是和质膜相关的彼此相反的活动过程：
有些外排物质是从细胞外内吞进来的
另一些则是在细胞内合成的分泌物质
外排作用是与内吞作用运输方向相反的膜泡运输过程
（三）穿胞运输
机体内物质运输的一种重要方式
在动物组织中，有些细胞是具有极性的：通过内吞和外排相偶联，把一侧形成的胞饮小泡穿越细胞质，在细胞的另一侧使小泡中的物质释放出去。
母体大鼠向仔鼠提供抗体的过程——穿胞运输的过程
二、穿膜运输
有些物质，如离子和小分子，以直接穿膜的方式进出细胞，而不经过内吞与外排的膜泡运输过程。
物质穿膜的特点
质膜由脂双层分子和蛋白质构成，物质穿膜的性能称为通透性(permeability)，物质通透性的大小与物质的性质和大小有关。
影响物质穿过脂双层膜的通透性高低的因素有如下几个：
(1)脂溶性：脂溶性越大的分子越容易穿膜;
(2)分子量：小分子比大分子容易穿膜;
(3)带电性：不带电荷的分子容易穿膜;
(4)亲水性：亲水性分子和离子的穿膜要依赖于专一性的跨膜蛋白。
穿膜运输的类型：
被 动 运 输(passive transport)：物质顺着电化学梯度不消耗细胞本身的代谢能
主 动 运 输(active transport)：物质逆着电化学梯度消耗细胞代谢能并依赖专一性载体蛋白参与物质穿膜运输的蛋白质称为膜运输蛋白(membrane transport proteins)：
通道蛋白(channel proteins)：可形成运输通道；通过通道的“开”与“关”来跨膜运输物质
载体蛋白(carrier proteins)：对被运输物质具有高度特异性；通过构象变化来结合或释放物质进行跨膜运输。
被动运输又可因是否有运输蛋白的协助，而分为简单扩散(simple diffusion)（不需要专一性运输蛋白; (运输速率与浓度差成正比)）和协助扩散(facilitated diffusion)（依赖于专一性运输蛋白）两类。
一、被动运输
1. 简单扩散
简单扩散(simple diffusion)不需消耗细胞的代谢能，也不需要专一的载体分子，只要膜两侧物质保持一定浓度差，即可发生这种物质运输。运输的速率与物质浓度差成正比。
简单扩散的物质穿膜运动符合于物理化学规律，扩散速率除依赖于浓度梯度大小以外，还同物质的油/水分配系数和分子大小有关。
带电荷的无机离子，不论多小，都不能直接穿过膜的无蛋白脂双层区。
但是，有些小的疏水性（脂溶性）分子，可介导离子以被动运输的方式顺电化学梯度进行穿膜，这类小分子称为离子载体(ionophores)。
分为：可动型离子载体(mobile ion carrier)（可将离子包围起来，以简单扩散的方式穿膜。）和通道型离子载体(channel-forming ionophore)（可构成离子的穿膜通道，允许单价阳离子顺电化学梯度穿过，到达膜的另一侧。）
通道型离子载体：短杆菌肽A由15个氨基酸残基组成，其氨基酸均带有疏水性侧链。由2条短杆菌肽A的多肽链以氨基端相接褶叠成b螺旋构成通道型载体。电化学梯度较大时，通道每开放1次(1ms)可运输20000个阳离子，比可动离子载体分子的效率大1000倍。短杆菌肽A由某些细菌合成，可破坏其它细菌的H+、Na+和K+浓度梯度，从而对其它细菌有杀灭作用（抗菌素）。
可动型离子载体：缬氨霉素分子是由L-乳酸、L-缬氨酸、D-羟异戊酸和D-缬氨酸组成的环形聚合物，中央为一空腔，分子向中央伸出6个带负电荷的氧，恰好可将K+包在其中，分子的外表为疏水性的，因而可携带K+一起顺电化学梯度穿过脂双层。
2. 协助扩散
有些带电荷的极性物质，虽然不能直接穿过脂双层，但是质膜上有其专一性的通道蛋白(channel proteins)：其肽链经多次穿膜，围成了充水小孔——离子通道(ion channels)，允许一定的离子通过，主要为Na+、K+、Ca2+、Cl-等。
离子通道有两点不同于一般的亲水小孔：
①离子选择性：只允许一定大小和具有一定电荷的的离子通过，其他离子则不能通过。
②可控性：离子通道是一道离子门，一般是不开放的，只有在受到专一刺激时才开放，并随立即又关闭。
(1)电位门通道(voltage-gated channel): 对跨膜电压的变化发生反应，例如神经纤维的电兴奋传导。
(2)机械门通道(mechanically gated channel):
(3) 配体门通道(ligand-gated channel)：对配体的结合发生反应。配体又分为胞外受体和胞内受体。
在神经肌肉接点处，肌膜上即具有递质门离子通道。当神经末梢释放出乙酰胆碱（神经递质）时，递质与通道蛋白相互作用，通道打开，Na+、K+、Ca2+涌入细胞内，肌膜去极化，引起肌肉收缩。
各种门的开关受通道蛋白磷酸化和去磷酸化作用的调节!
质膜上有些载体蛋白也起离子通道的作用，可将带有一定电荷的离子，顺电化学梯度进行运输。——不消耗细胞代谢能，亦属协助运输！
二、 主动运输
主动运输中，离子和代谢物逆其电化学梯度进行运输，需消耗细胞代谢能，故又称代谢关联运输(metabolically linked transport)。
主动运输需要有跨膜载体蛋白的协助，这些载
载体蛋白所利用的细胞代谢能主要有以下2个来源：
ATP水解释放的化学键能：直接靠水解ATP来驱动的主动运输称为初级主动运输(primary active transport)。
膜内外Na+、H+浓度差造成的电化学梯度势能：不直接靠水解ATP来驱动的主动运输称为次级主动运输(secondary active transport)。
一）初级主动运输
1、主动运输与运输泵
所谓泵(pump)即是指能驱动离子或小分子以主动运输的方式穿过生物膜的跨膜蛋白(transmembrane proteins)。
能驱动离子穿膜的跨膜蛋白称为离子泵(ion pump)，它具有ATP酶活性 (可水解ATP并利用其能量进行穿膜运输)。Na+-K+泵、Ca2+泵（存在于真核细胞质膜中）H+泵(质子泵)（存在于细菌质膜上（或真核细胞线粒体和类囊体膜上)
1）Na+-K+泵
Na+和K+等有些离子在细胞内外的浓度差别很大：
细胞内：[K+] 很高，[Na+]很低
质膜外：[Na+] 很高，[K+]很低
靠Na+-K+泵来维持。Na+的运出和K+的运进相互偶联、协同进行
Na+-K+泵（即Na+-K+ ATP酶）在Na+、K+、Mg2+存在时，能把ATP水解成ADP和磷酸，同时把Na+和K+以反浓度梯度的方向进行运输：
Na+-K+ ATP酶分子为跨膜蛋白，由αa、βb两个亚基构成
a亚基为大亚基：120kDa，具有ATP酶活性，其胞质端有Na+和ATP结合部位，其胞外端有K+和乌本苷(ouabain)结合部位。
Na+-K+泵对离子的运输属于逆浓度梯度的主动运输，需要消耗细胞的能量，能量的直接来源是ATP。
细胞内约有1/3的ATP是用来维持这种离子浓度梯度的。
此状况的维持有着重要生理意义。其主要作用如下：
(1)调节渗透压
(2)物质吸收(为次级主动运输供能)
(3)细胞正常代谢的必要条件
(4)保持膜电位
2）钙泵
真核细胞胞质溶质中游离[Ca2+]很低(10-7mol/L)，而胞外[Ca2+]却很高(10-3mol/L)，形成了外高内低[Ca2+]梯度。
细胞外信号只要引起少量Ca2+进入细胞，即可使胞质溶质中的游离[Ca2+]显著提高(~5×10-6mol/L)。
细胞局部[Ca2+]的提高可激活某些Ca2+反应蛋白，如钙调蛋白(calmodulin)、肌钙蛋白(troponin)等。
Ca2+不仅参与引起肌肉收缩活动，而且还在许多细胞反应中起细胞内信使的作用。
因此，Ca2+在胞质溶质中维持低浓度，是为进行许多生理活动的必要戒备状态。
细胞质溶质中的Ca2+低浓度，要靠一种称为钙泵的Ca2+-ATP酶(Ca2+-ATPase)来维持。钙泵在结构和功能上与Na+-K+泵类似，属于同一类蛋白质。然而，二者的大亚基都各具有多种异构型(isoforms)。
3）质子泵
主要存在于植物细胞中的一种重要的离子泵，对H+浓度梯度的维持具有重要意义。
在动物细胞的溶酶体膜上也存在，参与维持溶酶体内的酸性环境，为酸性水解酶创造一最适pH以便发挥酶活性进行细胞内消化功能。
二）次级主动运输
协同运输(cotransport)是指一种物质的逆浓度梯度穿膜运输依赖于另一种溶质的顺浓度梯度的穿膜运输，二者协同进行。
膜内外Na+、H+浓度差造成的电化学梯度势能为协同运输供能，属于次级主动运输(secondary active transport)。
次级主动运输：协同运输和基团转移
1、协同运输
同向运输(symport)：两种溶质的运输方向相同，如细胞对葡萄糖的吸收，即是与Na+同向穿膜；
反向运输(antiport)：两种溶质的运输方向相反，如红细胞清除组织中CO2时，即是肺释放出HCO3-，而纳入Cl-的过程。
2、基团转移
基团转移是通过对运进细胞内的分子进行共价修饰，使细胞内该分子始终处于低浓度，分子顺着浓度梯度从胞外向胞内运输。似协助扩散，但消耗细胞代谢能。
如细菌的磷酸基团转移体系: 利用磷酸烯醇式丙酮酸提供的能量，来完成糖的运输。
