物质跨膜运输相关概念辨析

王 钊 俞如旺

(福建师范大学生命科学学院 福州 350108)

1 信号分子和受体

1.1 信号分子 细胞的生存和活动离不开细胞与外界环境的信息交流，其中包括细胞与细胞外基质之间以及细胞与相邻细胞之间通过信号分子的相互作用。有些信号物质是脂溶性的小分子，可以直接经质膜扩散进入细胞，如类固醇激素；而大量的信号物质都是蛋白质或多肽，它们将各种化学、物理信号传递给靶细胞膜上的受体，触发细胞内一系列信号转导过程，引起靶细胞的应答，发挥生物学效应。

1.2 受体 受体的化学本质绝大多数是糖蛋白，少数为糖脂，也有两者的复合物。受体能够与信号分子(又称为配体)特异性识别、结合，形成受体—配体复合物，并进一步改变细胞的行为。根据受体的位置和分布特点，又可分为细胞质膜表面受体和胞内受体。其中，真核细胞质膜表面受体常见的有G蛋白偶联受体(GPRC)、离子通道偶联受体、酶联受体等。GPRC通常以Ca2+、cAMP作为第二信使，通过一系列的磷酸化和去磷酸化过程，介导亲水性信号分子(如含氮类激素)胞内信号转导过程。胞内受体又因位置不同分为胞核受体和胞浆受体，介导亲脂性信号分子(如固醇类)胞内信号转导过程。在多细胞生物中，因受体同时具有结合域和功能域的特异性，意味着不同细胞对同一信号分子可能具有不同受体，或是不同细胞具有相同受体，但是对同一信号分子的应答不同。

2 膜转运蛋白

2.1 载体蛋白 是一类位于生物膜脂双层上的膜转运蛋白，具有结构上的特异性，并具有选择性，通过与底物特异性位点进行可逆的结合与分离，自身构象调整后，介导特定物质的被动或主动运输。载体蛋白的转运过程存在底物类似物的竞争性抑制和饱和动力学等特征。常见的载体蛋白有：葡萄糖载体、泵结构(如Na+驱动的葡萄糖泵、Na+-K+泵、H+泵、Ca2+泵)、Na+-H+交换器和菌紫红质等。

2.2 通道蛋白 是质膜上的另一类膜转运蛋白，这一类蛋白质横跨膜的脂双层结构，以形成通道的贯穿方式，巧妙避免脂双层内部疏水核心，介导大小、电荷合适的分子或离子进行高速率跨膜转运，只执行被动运输功能，不消耗代谢能量。目前发现的通道蛋白已有100余种。

2.2.1 离子通道蛋白 是目前发现较多的一类通道蛋白，驱动离子跨膜转运的原动力来源于膜两侧的电化学梯度，故在较高的离子浓度下仍然没有饱和值，最显著的特征莫过于离子通道的门控性，可根据不同的信号进行构象开、闭的变换，似“闸门”结构，控制物质跨膜运输。常见的离子通道有：K+、Na+、Ca2+、Cl-通道。

2.2.2 水通道蛋白(AQP) 又称水孔蛋白，也是一类通道蛋白。以哺乳动物水通道蛋白(AQP1)为例，其分子的空间四级结构是由4个亚基组成的四聚体，每个亚基由6个跨膜α螺旋构成，形成了一个具有“中央孔”的结构，其孔径略大于水分子，允许水分子自由通行。该结构中还附着带正电荷的Asn残基，恰好排斥其他质子[1]，能够特异性实现水分子高效的转运。随着研究的深入，迄今已经在哺乳动物体内发现有13种发挥不同功能的水通道蛋白，部分水通道蛋白对尿素和甘油也有通透性。

3 小分子物质的跨膜运输

3.1 被动运输 小分子物质利用势能，顺着浓度梯度或电化学梯度跨膜运输，不需要代谢提供能量。根据是否需要膜转运蛋白，分为自由扩散和协助扩散。

3.1.1 自由扩散 是一类最简单的被动运输，气体(如O2、CO2)以及水、尿素、不带电的极性小分子和脂溶性小分子可在自由能较低的情况下，利用电化学势差跨膜扩散，直穿脂双层。

3.1.2 协助扩散 在专一膜转运蛋白的协助下使被动运输易化，多种带电离子和极性小分子等物质可进行跨膜运输，存在载体运输、通道运输两种方式：①载体运输。在载体蛋白的介导下，加速物质从自由能高的一侧运输至低的一侧。例如，红细胞膜上存在葡萄糖载体，跨膜结构上带有的部分残基具有结合位点，可与血液中葡萄糖结合，载体蛋白进行可逆变构，将其顺势转运至胞内。②通道运输。离子通道蛋白的“闸门”通常是闭合的，当膜上受到电位、信号分子或压力刺激时，分别开启电压门、配体门或应力激活不同通道，具有专一性。例如，产生动作电位时，可兴奋组织神经肌肉接头的突触前膜去极化，膜上电压门控Ca2+通道瞬间开放，突触间隙中大量Ca2+内流，激活胞内钙依赖蛋白激酶，加速突触小泡向突触前膜移动并融合，释放突触小泡中的乙酰胆碱(Ach)，从而改变突触后膜的电位，这就是电信号刺激下兴奋—分泌偶联的过程。当水通道蛋白存在时，水主要以协助扩散的方式跨膜转运，不需通过脂双层疏水核心，转运的速率显著高于自由扩散。

3.2 主动运输 小分子物质逆着浓度梯度或电化学梯度，由载体蛋白介导进行跨膜运输，需要代谢提供能量。根据能量来源将主动运输分为三类。

3.2.1 ATP驱动泵型主动运输 直接利用ATP水解产生的能量，实现小分子物质逆浓度梯度或电化学梯度进行跨膜运输。例如，在动物细胞中，Na+-K+泵存在于质膜上，恢复静息电位时，该结构上的α亚基不同位点先后结合Na+、K+发生磷酸化、去磷酸化反应，构象变化一个循环可泵出3个Na+和进2个K+，消耗1个ATP，从而维持动作电位发生前胞内Na+少，K+多的静息状态[2]。

3.2.2 协同转运型主动运输 协同转运又称为偶联转运，运输物质的直接动力与ATP驱动泵不同，依靠膜两侧建立的电化学梯度，将一种物质“顺流而下”与另一种物质“逆流而上”相偶联，通过ATP间接供能，实现物质跨膜运输。一类为同向协同转运，指被运输物与偶联物方向相同。

例如，哺乳动物小肠的基底膜细胞上存在钠泵，可将Na+主动运输至胞外，该过程需ATP，胞内Na+浓度降低，而小肠肠腔内Na+浓度相对较高，Na+可结合在粘膜上皮细胞的葡萄糖泵中，大大增加对葡萄糖的亲和力，被运输物葡萄糖可利用Na+建立的电化学梯度与Na+同向运送至胞内，是一个Na+驱动的葡萄糖泵继发性主动运输过程。另一类为反向协同转运，指被运输物与偶联物方向相反。例如，质膜上存在的Na+-H+交换器，动物细胞常用此方式调节pH，在主动运输H+出去同时，伴随Na+反向进入细胞，因此也是间接耗能的过程。

3.2.3 光驱动泵型主动运输 某些细菌细胞内含有某种需要光激活的载体蛋白，是一种能吸收光的生色团，被光子激活后通过构象变化，将质子从胞内转移至胞外，由此产生H+电化学梯度与被运输的物质相偶联，将吸收的光能转变为化学能。

例如，古噬盐菌质膜上存在细菌视紫红质，在光能的驱动下，质子转移，此过程中形成H+膜内外电位差和浓度差，驱动被运输物主动运输进入细胞。

4 大分子和颗粒性物质的跨膜运输

生物大分子和颗粒性物质要完成跨膜运输，不直接穿过脂双层的膜结构，而是包被在由膜形成的囊泡中，在马达蛋白的驱动和微丝作用下，以出芽的方式与特定靶膜融合，进行有序的运输，期间涉及生物膜的融合与断裂，需耗能[3]。

4.1 胞吞作用 细胞在摄取胞外大分子物质时，利用膜的流动性内陷形成囊泡，将摄取到的物质裹入囊泡内，然后转运到细胞内。整个过程中质膜表面积减少，需要耗能。胞吞作用对细胞代谢、细胞内信号转导、维持正常生命活动有重要意义。胞吞作用分为吞噬作用和胞饮作用。

4.1.1 吞噬作用 吞噬细胞在被吞噬物与膜表面受体结合的信号触发下，诱发质膜形变伸出伪足，在微丝和结合蛋白的相互作用下，包裹被吞噬物形成吞噬泡，直径常大于250 nm。在原生生物中，主要利用吞噬作用进行摄食，并在溶酶体中消化，维持生命活动。在哺乳动物中，只有少数几种细胞(如嗜中性粒细胞、巨噬细胞、树突状细胞等)具有吞噬功能。

4.1.2 胞饮作用 发生在所有的真核细胞中，可连续摄入液滴或可溶性分子，由膜包被形成的胞饮泡直径常小于150 nm。

4.2 胞吐作用 与胞吞作用相反，胞内形成的囊泡移动后与质膜融合，将内容物外排至胞外，过程中质膜表面积增多，需要耗能。在真核细胞中，由于涉及到蛋白质分选过程的靶向运输和复杂的调控过程，将胞吐分为调节型胞吐和组成型胞吐作用。

4.2.1 调节型胞吐 胞吐发生在特化的分泌细胞中，需有信号的触发，储存在胞内的分泌泡才会与质膜融合将分泌物外排，发挥生理功能，完成蛋白质的分选，如激素、神经递质等。

4.2.2 组成型胞吐 胞吐自发进行，囊泡通过高尔基体反面管网区输出，不断供应质膜的更新，外排的物质可作为膜外周蛋白、信号分子、营养物质等。

(* 通信作者)