华南师范大学：《细胞生物学》课程教学资源（教案讲义）第五章 物质跨膜运输 第二节 主动运输

第五章跨膜运输第二节主动运输主动运输的特点是：①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输：②需要能量（由ATP直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输）：③都有载体蛋白。主动运输所需的能量来源主要有：1.协同运输中的离子梯度动力2.ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量：3.光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。一、钠钾泵实际上就是Na+-K+ATP酶（图5-7)，一般认为是由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体。Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+、而与K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。钠钾泵的一个特性是他对离子的转运循环依赖自磷酸化过程，ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象的变化。通过自磷酸化来转运离子的离子泵就叫做P-type，与之相类似的还有钙泵和质子泵。它们组成了功能与结构相似的一个蛋白质家族。Na+-K+泵作用是：①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；②维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细胞的静息电位。乌本苷（ouabain）、地高辛（digoxin）等强心剂能抑制心肌细胞Na+-K+泵的活性；从而降低钠钙交换器效率，使内流钙离子增多，加强心肌收缩，因而具有强心作用

第五章 跨膜运输 第二节 主动运输 主动运输的特点是：①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；②需要能量（由 ATP 直接供 能）或与释放能量的过程偶联（协同运输）；③都有载体蛋白。 主动运输所需的能量来源主要有： 1. 协同运输中的离子梯度动力； 2.ATP 驱动的泵通过水解 ATP 获得能量； 3. 光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。 一、钠钾泵 实际上就是 Na+-K+ATP 酶（图 5-7），一般认为是由 2 个大亚基、2 个小亚基组成的 4 聚体。Na+-K+ATP 酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与 Na+、K+的亲和 力发生变化。在膜内侧 Na+与酶结合，激活 ATP 酶活性，使 ATP 分解，酶被磷酸化，构象 发生变化，于是与 Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对 Na+的亲和力低，对 K+ 的亲和力高，因而在膜外侧释放 Na+、而与 K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化， 酶的构象恢复原状，于是与 K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使 K+在膜 内被释放，而又与 Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个 ATP；转运出三个 Na+，转进 两个 K+。 钠钾泵的一个特性是他对离子的转运循环依赖自磷酸化过程，ATP 上的一个磷酸基团 转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象的变化。通过自磷酸化来转运离子的离子泵 就叫做 P-type，与之相类似的还有钙泵和质子泵。它们组成了功能与结构相似的一个蛋白质 家族。 Na+-K+泵作用是：①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；②维持低 Na+高 K+的细胞 内环境，维持细胞的静息电位。 乌本苷（ouabain）、地高辛（digoxin）等强心剂能抑制心肌细胞 Na+-K+泵的活性；从 而降低钠钙交换器效率，使内流钙离子增多，加强心肌收缩，因而具有强心作用

(b)Low-affinityHigh-affinityNa-binding sitesK+-binding site4K4E1E1习1E21P人ATPsiteTTT2High-affinityLow-affinityATPADPE1→E2Na+-bindingK*-bindingBinding of ATP,conformationalsitesitesphosphorylationchange,outwardBindingof3Nationsofaspartatetransportof Nat全山E1E2→E2→E1→PXRAADissociationE2→E1DissociationHydrolysisof Nat,ofK+ionsofaspartylconformationalbinding ofK*change,inwardphosphatetransport ofK*图5-7钠钾泵二、钙离子泵钙离子泵对于细胞是非常重要的，因为钙离子通常与信号转到有关，钙离子浓度的变化会引起细胞内信号途径的反应，导致一系列的生理变化。通常细胞内钙离子浓度（10-7M）显著低于细胞外钙离子浓度（10-3M)，主要是因为质膜和内质网膜上存在钙离子转运体系，细胞内钙离子泵有两类：其一是P型离子泵（图5-8），其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。另一类叫做钠钙交换器（Na+-Ca2+exchanger），属于反向协同运输体系（antiporter），通过钠钙交换来转运钙离子。位于肌质网（sarcoplasmicreticulum）上的钙离子泵是了解最多的一类P型离子泵，占肌质网膜蛋白质的90%。肌质网是一类特化的内质网，形成网管状结构位于细胞质中，具有贮存钙离子的功能。肌细胞膜去极化后引起肌质网上的钙离子通道打开，大量钙离子进入细胞质，引起肌肉收缩之后由钙离子泵将钙离子泵回肌质网

图 5-7 钠钾泵 二、钙离子泵 钙离子泵对于细胞是非常重要的，因为钙离子通常与信号转到有关，钙离子浓度的变 化会引起细胞内信号途径的反应，导致一系列的生理变化。通常细胞内钙离子浓度（10-7M） 显著低于细胞外钙离子浓度（10-3M），主要是因为质膜和内质网膜上存在钙离子转运体系， 细胞内钙离子泵有两类：其一是 P 型离子泵（图 5-8），其原理与钠钾泵相似，每分解一个 ATP 分子，泵出 2 个 Ca2+。另一类叫做钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同 运输体系（antiporter），通过钠钙交换来转运钙离子。 位于肌质网（sarcoplasmic reticulum）上的钙离子泵是了解最多的一类 P 型离子泵，占 肌质网膜蛋白质的 90%。肌质网是一类特化的内质网，形成网管状结构位于细胞质中，具有 贮存钙离子的功能。肌细胞膜去极化后引起肌质网上的钙离子通道打开，大量钙离子进入细 胞质，引起肌肉收缩之后由钙离子泵将钙离子泵回肌质网

Low-affinityCat-bindingsites21H八High-affinity.Cat-bindingsitesATPsiteCytosol2Ca2ATPADP图5-8钙离子泵三、质子泵质子泵有三类（图5-9)：P-type、V-type、F-type。1、P-type：载体蛋白利用ATP使自身磷酸化（phosphorylation），发生构象的改变来转移质子或其它离子，如植物细胞膜上的H+泵、动物细胞的Na+-K+泵、Ca2+离子泵，H+-K+ATP酶（位于胃表皮细胞，分泌胃酸）。2、V-type：位于小泡（vacuole）的膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、动物细胞的内吞体、高尔基体的囊泡膜、植物液泡膜上。3、F-type：是由许多亚基构成的管状结构，H+沿浓度梯度运动，所释放的能量与ATP合成耦联起来，所以也叫ATP合酶（ATPsynthase），F是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子（factor）的缩写。F型质子泵位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上，其详细结构将在线粒体与叶绿体一章讲解。F型质子泵不仅可以利用质子动力势将ADP转化成ATP，也可以利用水解ATP释放的能量转移质子。ExteriorCytosolATP-bindingATP-bindingregionregionP-classpumpF-andV-classpumpABCsuperfamily图5-9四种ATP驱动的离子泵

图 5-8 钙离子泵 三、质子泵 质子泵有三类（图 5-9）：P-type、V-type、F-type。 1、P-type：载体蛋白利用 ATP 使自身磷酸化（phosphorylation），发生构象的改变来转 移质子或其它离子，如植物细胞膜上的 H+泵、动物细胞的 Na+-K+泵、Ca2+离子泵，H+- K+ATP 酶（位于胃表皮细胞，分泌胃酸）。 2、V-type：位于小泡（vacuole）的膜上，由许多亚基构成，水解 ATP 产生能量，但不 发生自磷酸化，位于溶酶体膜、动物细胞的内吞体、高尔基体的囊泡膜、植物液泡膜上。 3、F-type：是由许多亚基构成的管状结构，H＋沿浓度梯度运动，所释放的能量与 ATP 合成耦联起来，所以也叫 ATP 合酶（ATP synthase），F 是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子 （factor）的缩写。F 型质子泵位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上，其详细结 构将在线粒体与叶绿体一章讲解。F 型质子泵不仅可以利用质子动力势将 ADP 转化成 ATP， 也可以利用水解 ATP 释放的能量转移质子。 图 5-9 四种 ATP 驱动的离子泵

四、ABC转运器ABC转运器（ABCtransporter）最早发现于细菌，是细菌质膜上的一种运输ATP酶(transportATPase），属于一个庞大而多样的蛋白家族，每个成员都含有两个高度保守的ATP结合区（ATPbindingcassette），故名ABC转运器（图5-10），他们通过结合ATP发生二聚化，ATP水解后解聚，通过构象的改变将与之结合的底物转移至膜的另一侧。在大肠杆菌中78个基因（占全部基因的5%）编码ABC转运器蛋白，在动物中可能更多。虽然每一种ABC转运器只转运一种或一类底物，但是其蛋白家族中具有能转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质的成员。ABC转运器还可催化脂双层的脂类在两层之间翻转，这在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。第一个被发现的真核细胞的ABC转运器是多药抗性蛋白（multidrugresistanceproteinMDR)，该基因通常在肝癌患者的癌细胞中过表达，降低了化学治疗的疗效。约40%的患者的癌细胞内该基因过度表达。ABC转运器还与病原体对药物的抗性有关，如临床常用的抗真菌药物有氟康唑、酮康唑、伊曲康唑等，真菌对这些药物产生耐药性的一个重要机制是通过MDR蛋白降低了细胞内的药物浓度。TransmembraneαhelixExteriorCytosolHo'N-COOATPbindingATPbinding图5-10ABC转运器五、协同运输协同运输（cotransport）是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动，植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向协同（symport）

四、ABC 转运器 ABC 转运器（ABC transporter）最早发现于细菌，是细菌质膜上的一种运输 ATP 酶 （transport ATPase），属于一个庞大而多样的蛋白家族，每个成员都含有两个高度保守的 ATP 结合区（ATP binding cassette），故名 ABC 转运器（图 5-10），他们通过结合 ATP 发生二聚 化，ATP 水解后解聚，通过构象的改变将与之结合的底物转移至膜的另一侧。 在大肠杆菌中 78 个基因（占全部基因的 5%）编码 ABC 转运器蛋白，在动物中可能更 多。虽然每一种 ABC 转运器只转运一种或一类底物，但是其蛋白家族中具有能转运离子、 氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质的成员。ABC 转运器还可催化脂双层的脂类在两 层之间翻转，这在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。 第一个被发现的真核细胞的 ABC 转运器是多药抗性蛋白（multidrug resistance protein, MDR），该基因通常在肝癌患者的癌细胞中过表达，降低了化学治疗的疗效。约 40%的患者 的癌细胞内该基因过度表达。 ABC 转运器还与病原体对药物的抗性有关，如临床常用的抗真菌药物有氟康唑 、酮康 唑、伊曲康唑等，真菌对这些药物产生耐药性的一个重要机制是通过 MDR 蛋白降低了细胞 内的药物浓度。 图 5-10 ABC 转运器 五、协同运输 协同运输（cotransport）是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。物质跨膜运动所 需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。 动物细胞中常常利用膜两侧 Na+浓度梯度来驱动，植物细胞和细菌常利用 H+浓度梯度来驱 动。根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向协同（symport）

与反向协同（antiport）。1、同向协同同向协同（symport）指物质运输方向与离子转移方向相同。如动物小肠细胞对对葡萄糖的吸收就是伴随着Na+的进入，细胞内的Na+离子又被钠钾泵泵出细胞外，细胞内始终保持较低的钠离子浓度，形成电化学梯度（图5-11)。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入，每转移一个H+吸收一个乳糖分子。apicalLOWglucosesurfacehigh]0lumenofgutglucose-Na*tightsymportjunction[high]intestinalloteralglucoseNo[low]epitheltumsurfacehighglucoseconcentrationpassiveglucoseuniportKbasalsurfaceextrocellularNa [high]fluidglucose[low]LOWO1998CAN图5-11小肠对葡萄糖的吸收2、反向协同反向协同（antiport）物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反（图5-12），如动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的方式来转运H+以调节细胞内的PH值，即Na+的进入胞内伴随者H+的排出。此外质子泵可直接利用ATP运输H+来调节细胞PH值。还有一种机制是Na+驱动的CI--HCO3-交换，即Na+与HCO3-的进入伴随着CI-和H+的外流，如红细胞膜上的带3蛋白

与反向协同（antiport）。 1、同向协同 同向协同（symport）指物质运输方向与离子转移方向相同。如动物小肠细胞对对葡萄 糖的吸收就是伴随着 Na+的进入，细胞内的 Na+离子又被钠钾泵泵出细胞外，细胞内始终保 持较低的钠离子浓度，形成电化学梯度（图 5-11）。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着 H+的 进入，每转移一个 H+吸收一个乳糖分子。 图 5-11 小肠对葡萄糖的吸收 2、反向协同 反向协同（antiport）物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反（图 5-12），如动物细 胞常通过 Na+/H+反向协同运输的方式来转运 H+以调节细胞内的 PH 值，即 Na+的进入胞内 伴随者 H+的排出。此外质子泵可直接利用 ATP 运输 H+来调节细胞 PH 值。 还有一种机制是 Na+驱动的 Cl-HCO3-交换，即 Na+与 HCO3-的进入伴随着 Cl-和 H+ 的外流，如红细胞膜上的带 3 蛋白

(a)Exterior6CytosolClosedOpenATPADP+PATP-poweredpumpTransporterlonchannel(100-103ions/s)(107_108ions/s)(102-104molecules/s)(b)UniporterSymporterAntiporter图5-12几类转运蛋白的比较

图 5-12 几类转运蛋白的比较