biochemistry e6 翻译 第13章 膜通道和泵_培训课件.DOCVIP

第十三章 膜通道和泵 经过单一膜通道的离子流动（在左边的示意图中用红色表示通道）可以用全自动膜片钳测定。这种技术能够记录通道开放和关闭状态的电流。 生物膜的脂质双层结构本身是离子和极性分子的通透障碍。但是要维持正常的细胞功能，生物膜必须允许一些离子和极性分子通过。两类膜蛋白，即泵和通道，使生物膜具有这样的功能。泵的能量来自能源分子如ATP的水解，或者是光能。泵能利用这些能源驱动离子或分子作热力学的逆向运输（主动运输）。相反，通道不用能量，只是允许离子或分子作热力学顺向运输（被动运输）。 泵是一种能量传导装置，能够将一种形式的自由能转化成另一种形式的自由能。ATP驱动的泵油两种，P-型ATP酶和和含有ATP结合盒（ABC）的运输器（transporter）。这两种泵与ATP结合、水解ATP导致泵分子构型转化，使泵结合的离子被跨膜运输。另一种机制利用离子梯度驱动其它物质跨膜运输。大肠杆菌乳糖运输器是这类次级运输器的一个例子。乳糖运输器负责细菌从环境摄取特定糖分子。细胞膜有很多这类运输器。这些运输器的表达决定了细胞所摄取物质的种类。因此调节运输器的表达是控制细胞代谢的主要手段。 泵能够建立特定离子持久的跨膜梯度。特定的离子通道允许这些离子迅速跨膜运输到浓度低的一面（被动运输）。由于这些离子通道允许一些离子跨膜流过，而另一些离子（甚至是那些与可跨膜流过离子密切相关的离子）不能通过，因此这些通道成为生物化学最迷人的分子。这些门控离子通道在执行神经系统功能方面起中心作用。神经系统充当导线，允许精细切换神经信号的快速流动。 最后，我们讨论另一种种通道，即细胞与细胞之间的通道（或缝隙连接，gap-junction）。这种通道允许离子或代谢物质在细胞之间进行运输。例如分析连接的细胞间物质运输负责心脏跳动时肌肉细胞同步收缩。 运输器的表达在很大程度上确定了特定细胞的代谢活性 各种细胞表达一套独有的细胞质膜运输器。由于这些运输器在很大程度上确定了细胞从环境摄取离子和代谢物的模式，因此细胞表达的运输器组合非常重要。有些情况下，一个细胞所表达的运输器组合就决定了这个细胞的性质，因为这个细胞只能摄取特定底物从而只能执行特定的生物化学反应。 葡萄糖代谢能用来解释这种观点。如同我们在第16章葡萄糖代谢部分将详细讨论的，组织之间的差异在于他们利用不同分子充当能源的能力。哪个组织能够利用葡萄糖主要取决于它们表达葡萄糖运输器的情况。这些葡萄糖运输器包括GLUT1, GLUT2, GLUT3, GLUT4, 和GLUT5。例如GLUT3只在神经元和集中其它类型的细胞表达。在葡萄糖浓度相对较低时，GLUT3与葡萄糖结合相对较紧。在控制和整合活体代谢方面，这些运输器的表达非常关键。葡萄糖运输器只是众多此类情况的第一批实例。 13.1 物质的跨膜运输可能主动，也可能被动 我们首先考察膜运输的一些通用原则。有两个因素决定一个分子是否跨膜运输：（1）该物质跨过脂质双层膜的通透性，和（2）有无能源可供利用。 很多分子的运输需要跨膜的蛋白质运输器 如同第12章所述，由于分子自身能溶于脂质双层膜，这些分子能够跨膜运输。这类分子称为亲脂分子(lipophilic molecules)。甾体激素就是一个例子。这些胆固醇类化合物能跨过生物膜，但什么决定这些分子的运输方向呢？它们将沿着浓度梯度方向进行跨膜运输，即简单扩散（simple diffusion）。与热力学第二定律一致，分子从浓度高的区域自动向浓度低的区域移动。 如果分子是极性的，情况就复杂多了。如细胞外的钠离子浓度通常是143 mM, 而细胞内只有14 mM，但是钠离子不能跨膜自由移动（因为带电离子不能跨过膜内部的疏水区域）。在有些情况下，如神经信号传递过程中），钠离子必须进入细胞内。那么，细胞如何执行这些作用？膜蛋白质在脂质双层膜构建出钠离子能够通过的特定通道共钠离子的跨膜运输。这种运输方式叫协助扩散(facilitated diffusion), 其离子或分子的扩散运输受膜通道协助。这种运输也是被动运输（因为运输系统没有提供能量，运输的能源来自被运物质自身的浓度梯度）。同酶分子一样，通道有底物特异性。通道能协助有些离子的跨膜扩散，但不能协助另一些离子的扩散（即使它们与底物离子非常接近）。 先前钠离子梯度是如何建立的？这就需要泵将钠离子从胞内逆浓度梯度泵出。由于离子是从浓度低的地方输送到浓度高的地方，导致熵值降低，因此执行这一过程需要输入自由能。膜上的蛋白质运输器利用能量将离子或分子沿浓度梯度的反方向运输。利用其他能源将物质逆浓度梯度进行的跨膜运输称为主动运输(active transport)。 图13.1 自由能和运输。（A）不带电的溶质从浓度为c1的区室向浓度为c2的区室运输