【重点提要】
膜转运蛋白类型及转运特征，小分子物质跨膜运输类型与特点，ATP驱动泵类型及主动运输，大分子及颗粒性物质的胞吞与胞吐作用类型与过程。
【基本概念】
1. 载体蛋白（carrierprotein，transporter）：以被动或主动运输方式，通过自身构象改变而实现物质跨膜转运的膜蛋白。
2. 通道蛋白（channelprotein）：以被动运输方式，通过形成亲水性通道实现对特异溶质的跨膜转运，包括离子通道、孔蛋白以及水孔蛋白等类型。
3. 离子通道（ionchannel）：只允许特定离子顺着电化学梯度通过其亲水性通道的膜转运蛋白。离子通道对离子的转运具有选择性和门控性，包括电压门通道、配体门通道和应力激活通道。
4. 简单扩散（simplediffusion）：不需要细胞提供能量，也无需膜转运蛋白协助的小分子物质以热自由运动的方式顺着电化学梯度或浓度梯度直接通过脂双层进出细胞的方式。
5. 被动运输（passivetransport）：指溶质顺着电化学梯度或浓度梯度，在膜转运蛋白协助下的跨膜转运方式，又叫协助扩散（facilitateddiffusion）。
6. 水孔蛋白（aquaporin）：动植物细胞质膜上转运水分子的特异蛋白，为水分子的快速跨膜运动提供通道。
7. 主动运输（activetransport）：由载体蛋白所介导的物质逆着电化学梯度或浓度梯度进行跨膜转运的方式。
8. ATP驱动泵（ATP-driven pump）：一种ATP酶，能直接利用水解ATP提供的能量，以实现离子或小分子物质逆浓度梯度或电化学梯度进行跨膜运输的转运蛋白。
9. 协同转运(cotransport)：一种离子或分子逆电化学梯度的转运与另一种或多种其它溶质顺着电化学梯度转运相偶联、间接消耗ATP的主动跨膜转运过程，有同向协同和反向协同两种类型。
10. Na+-K+泵(Na+-K+ pump)：位于动物细胞质膜上，又称Na+-K+ ATPase, 能水解ATP，使α亚基带上磷酸基团或去磷酸化，将Na+泵出细胞，而将K+泵入细胞的膜转运载体蛋白，对于膜电位的维持、细胞渗透平衡以及吸收营养有重要作用。
11.钙泵（calcium pump，Ca2+-ATPase）：属于P型泵，利用ATP水解释放的能量将钙离子从低浓度一侧跨生物膜往较高浓度一侧转运的蛋白质。如质膜、肌质内质网、线粒体膜等都有钙泵。
12. ABC超家族（ABCsuperfamily）：一类ATP驱动的膜转运蛋白，利用ATP水解释放的能量将多肽及多种小分子物质进行跨膜转运的膜转运蛋白。
13. 胞吞作用（endocytosis）：通过质膜内陷形成囊泡，将细胞外或细胞质膜表面的物质包裹进膜泡并转运到细胞内的大分子或颗粒性物质的转运方式，有吞噬作用和胞饮作用两大类。
14. 吞噬作用（phagocytosis）：通过细胞形成伪足包裹病原微生物等形成吞噬体并将其在溶酶体内消化降解的特殊的胞吞作用。吞噬作用是原生生物摄取食物的一种方式，而高等动物细胞通过吞噬作用清除病原体以及衰老死亡的细胞。
15. 胞饮作用（pinocytosis）：细胞连续摄入溶液及可溶性分子的胞吞过程。
16. 受体介导的胞吞作用（receptormediated endocytosis）：通过网格蛋白包被小泡从胞外摄取特定大分子的途径。被转运的大分子物质与细胞表面互补性的受体结合，形成受体-配体复合物并引发细胞质膜局部内化作用，然后小窝脱离质膜形成有被小泡并将物质吞入细胞内。
17. 胞内体（endosome）：动物细胞内有生物膜的细胞器，其作用是将通过胞吞作用摄取的物质转运到溶酶体中降解。胞内体是胞吞物质的主要分选站。
18. 跨细胞转运（transcytosis）：以胞吞作用从细胞的一侧摄取物质，形成囊泡在细胞内运输，并以胞吐作用从细胞的另一侧释放出去的膜泡转运方式。
19. 胞膜窖（caveolae）：在质膜的脂筏区域，由窖蛋白参与形成的质膜内陷的瓶状结构，是胞饮作用发生的另一种类型。
20. 胞吐作用（exocytosis）：细胞内合成的生物分子（蛋白质和脂类等）和代谢物包裹在分泌泡中，并与质膜融合而将内含物分泌到细胞表面或细胞外的过程。
【知识点解析】
一、膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输
（一）脂双层的不透性和膜转运蛋白
脂双层对绝大多数极性分子、离子以及细胞代谢产物的通透性都极低，形成了细胞的渗透屏障。这些物质的跨膜转运需要质膜上的膜转运蛋白参与。膜转运蛋白分为两类：一类是载体蛋白（carrier protein，transporter）；另一类是通道蛋白（channelprotein）。
1.载体蛋白及其功能
每种载体蛋白能与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质分子的跨膜转运。不同部位的生物膜往往含有各自功能相关的不同载体蛋白。载体蛋白具有与底物（溶质）特异性结合的位点，所以每种载体蛋白对底物具有高度选择性，通常只转运一种类型的分子；转运过程具有类似于酶与底物作用的饱和动力学特征；既可被底物类似物竞争性地抑制，又可被某种抑制剂非竞争性抑制以及对pH有依赖性等。
2. 通道蛋白及其功能
通道蛋白有三种类型：离子通道（ion channel）、孔蛋白（porin）以及水孔蛋白（aquaporin）。目前所发现的大多数通道蛋白都是离子通道。
离子通道蛋白形成选择性和门控性跨膜通道。它对离子的选择性取决于通道的直径、形状以及通道内带电荷氨基酸的分布。所以离子通道介导被动运输时不需要与溶质分子结合，只有大小和电荷适宜的离子才能通过。离子通道的开启或关闭受膜电位变化、化学信号或压力刺激的调控。因此，根据激活信号的不同，离子通道可分为电压门通道（voltage-gated channel）、配体门通道（ligand-gatedchannel）和应力激活通道（stress-activated channel）。
（二）小分子物质的跨膜运输类型
1.简单扩散（simplediffusion）
小分子物质以热自由运动的方式顺着电化学梯度或浓度梯度直接通过脂双层进出细胞，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。不同性质的小分子物质跨膜运动的速率差异极大，主要取决于分子大小和分子的极性。脂双层对离子具有高度不通透性。
2.被动运输（passivetransport）
被动运输不需要细胞提供代谢能量，转运的动力来自物质的电化学梯度或浓度梯度。水分子、糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等都可以顺着电化学梯度或浓度梯度以被动运输的方式完成跨膜转运
水分子不带电荷但具有极性，尽管它可以通过简单扩散的方式缓慢穿过脂双层。但对于某些组织来说，如肾小管的近曲小管对水的重吸收、从脑细胞中排出额外的水，唾液和眼泪的形成等，则需借助质膜上的水孔蛋白完成这些生理过程。第一个水孔蛋白是CHIP28，在血红细胞膜中发现。它对水分子的特异通透性与其结构中Asn-Pro-Ala 模式有关。
3.主动运输（active transport）
主动运输由载体蛋白所介导，物质逆着电化学梯度进行跨膜转运，是一个耗能的转运方式。主动运输分为由ATP直接提供能量（ATP驱动泵）和间接提供能量（协同转运或偶联转运）以及光能驱动3种基本类型。
ATP驱动泵（ATP-drivenpump）是ATP酶，直接利用水解ATP提供的能量实现离子或小分子逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运输；协同转运蛋白(cotransporter)或偶联转运蛋白（coupledtransporter）介导各种离子和分子的跨膜运输。这类转运蛋白包括两种基本类型：同向协同转运蛋白（symporter）和反向协同转运蛋白（antiporter）；光驱动泵(light-drivenpump)主要发现于细菌细胞，对溶质的主动运输与光能的输入相偶联，如细菌紫红质（bacteriorhodopsin）。
二、ATP驱动泵与主动运输
ATP驱动泵将ATP水解生成ADP和无机磷（Pi），并利用释放的能量将小分子物质或离子进行跨膜转运。因此ATP驱动泵通常又被称为转运ATPase。ATP驱动泵可分为4类：P-型泵、V-型质子泵、F-型质子泵和ABC超家族。前三种只转运离子，后一种主要转运小分子。
（一）钠钾泵
1. Na+-K+泵结构与转运机制
Na+-K+泵(Na+-K+ pump)，又称Na+-K+ ATPase，是P-型泵，每消耗一个ATP分子可以逆着电化学梯度从细胞内泵出3个Na+和泵入2个K+。其工作机制涉及α亚基与Na+结合后ATP水解而使其天冬氨酸残基磷酸化引起α亚基构象发生变化，从而将Na+泵出细胞，同时，细胞外的K+与α亚基的另一位点结合，使其去磷酸化，α亚基构象再度发生变化将K+泵入细胞。动物细胞要消耗1/3的总ATP供Na+-K+泵工作以维持细胞内高K+低Na+的离子环境。
2. Na+-K+泵生理功能
（1）维持细胞膜电位
（2）维持动物细胞渗透平衡
动物细胞靠Na+-K+泵工作维持渗透平衡，而植物细胞依靠坚韧的细胞壁防止膨胀和破裂；生活在水中的一些原生动物（如草履虫），通过收缩泡收集和排除过量的水。
（3）吸收营养
动物细胞对葡萄糖或氨基酸等有机物吸收的能量由蕴藏在Na+-K+泵工作形成的Na+电化学梯度中的势能提供，以同向协同转运的方式将葡萄糖等有机物转运至小肠上皮细胞。而植物细胞、真菌和细菌细胞通常利用质膜上的H+-ATPase形成的H+电化学梯度来吸收营养物。
（二）钙泵及其他P-型泵
1. 钙泵的结构与功能
Ca2+是细胞内重要的信号分子，细胞质基质中游离的Ca2+浓度始终维持在一个很低水平。这得益于质膜或细胞器膜上的钙泵（Ca2+ pump）将Ca2+泵到细胞外或细胞器内。钙泵，又称Ca2+-ATPase，是另一类P-型泵，分布在所有真核细胞的质膜和某些细胞器如内质网、叶绿体和液泡膜上，在肌肉细胞的肌质网膜上含量尤其丰富。每消耗一分子ATP从细胞质基质泵出2个Ca2+。
2. P-型H+泵
植物细胞、真菌（包括酵母）和细菌细胞质膜上虽然没有Na+-K+泵，但有P-型H+-泵（H+-ATPase）。P-型H+泵将H+泵出细胞，建立和维持跨膜的H+电化学梯度（作用类似动物细胞Na+的电化学梯度），并用来驱动转运溶质进入细胞。细菌细胞对糖和氨基酸的摄取主要是由H+驱动的同向协同转运完成的。P-型H+泵的工作也使得细胞周围环境呈酸性。
（三）V-型质子泵和F-型质子泵
1. V-型质子泵（V-type proton pump）
V-型质子泵广泛存在于动物细胞的胞内体膜、溶酶体膜以及液泡膜上，利用ATP水解供能从细胞质基质中逆H+电化学梯度将H+泵入细胞器，以维持细胞质基质pH中性和细胞器内的pH酸性。
2. F-型质子泵（F-typeproton pump）
F-型质子泵存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体中的类囊体膜上。它通常利用质子动力势合成ATP，即当H+顺着电化学梯度通过质子泵时，所释放的能量驱动F-型质子泵合成ATP，如线粒体的氧化磷酸化和叶绿体的光合磷酸化作用，因此F-型质子泵称作H+-ATP合酶（ATPsynthase）。
（四）ABC超家族（ABC superfamily）
ABC超家族广泛分布于从细菌到人类各种生物中，是最大的一类转运蛋白，通过水解ATP分子，完成胞外物质（原核细胞）或胞内物质（真核细胞）的跨膜转运。细菌质膜上含有大量ABC转运蛋白，以利于逆着浓度梯度从环境中摄取各种营养物。哺乳类细胞质膜上磷脂、亲脂性药物、胆固醇和其他小分子的转运也常常依靠ABC转运蛋白完成。
ABC转运蛋白能够将抗生素或其他抗癌药物泵出细胞而赋予细胞抗药性。ABC转运蛋白在多种肿瘤细胞中高表达，增强了肿瘤细胞的抗药性。
三、胞吞作用与胞吐作用
大分子与颗粒性物质如蛋白质、多核苷酸、多糖等的跨膜运输通过胞吞作用（endocytosis）或胞吐作用（exocytosis）完成。无论胞吞还是胞吐，被转运的物质都包裹在脂双层膜包被的囊泡中，是一个耗能的过程。
（一）胞吞作用的类型
根据胞吞泡形成的分子机制不同和胞吞泡的大小差异，胞吞作用可分为两种类型：吞噬作用（phagocytosis）和胞饮作用（pinocytosis）。吞噬作用形成的吞噬泡直径往往大于250nm，而胞饮作用形成的胞饮泡直径一般小于150nm。此外，所有真核细胞都能通过胞饮作用连续摄入溶液及可溶性分子，而吞噬作用往往发生于一些特化的吞噬细胞如巨噬细胞（macrophage）。
1. 吞噬作用
被吞噬物与吞噬细胞表面结合后激活细胞表面的受体，诱发吞噬细胞质膜伸出伪足（pseudopod），将吞噬物包裹起来形成吞噬体，最后与溶酶体融合，并在其中被各种水解酶降解。而伪足的形成需要细胞内微丝及其结合蛋白在质膜下局部装配。
对于原生生物，吞噬作用是摄取营养物的主要方式，而对于高等真核生物，吞噬作用往往发生于巨噬细胞和中性粒细胞，除了摄取营养外，更多的是清除侵染机体的病原体以及衰老或凋亡的细胞。
2. 胞饮作用
与吞噬作用不同，胞饮作用几乎发生于所有类型的真核细胞中，有网格蛋白依赖的胞吞作用（clathrin dependentendocytosis）、胞膜窖蛋白依赖的胞吞作用（caveolae dependentendocytosis）、非网格蛋白/胞膜窖蛋白依赖的胞吞作用（clathrin and caveolaeindependent endocytosis）以及大型胞饮作用（macropinocytosis）
（1）网格蛋白依赖的胞吞作用
①过程
当配体（即被胞吞物）与膜上受体结合后，网格蛋白聚集在质膜下，导致质膜凹陷，形成网格蛋白包被小窝（clathrin-coatedpit）。一种小分子GTP结合蛋白——发动蛋白（dynamin）在包被小窝的颈部组装成环，水解与其结合的GTP引起颈部缢缩，最终脱离质膜形成网格蛋白包被小泡（clathrin-coatedvesicle）。脱包被后的小泡与早胞内体（earlyendosome）融合，完成从胞外摄取物质。
②受体介导的胞吞作用
根据胞吞的物质是否具有专一性，可将胞吞作用分为受体介导的胞吞作用（receptor mediatedendocytosis）和非特异性的胞吞作用。受体介导的胞吞作用既是大多数动物细胞从胞外摄取特定大分子的有效途径，也是一种选择性浓缩机制。其典型例子是细胞对胆固醇的摄取。
胆固醇是动物细胞质膜的基本成分，也是固醇类激素的前体。它在血液中的运输是通过与磷脂和蛋白质结合形成低密度脂蛋白（low-density lipoprotein，LDL）。LDL与细胞表面的LDL受体结合后引起网格蛋白依赖的胞吞作用发生。内吞小泡与胞内体融合后，LDL与受体分离，受体返回质膜重复使用，而含有LDL的胞内体与溶酶体融合，被溶酶体中的酶水解后释放出胆固醇和脂肪酸供细胞利用。
③胞内体与膜泡运输的分选
胞内体被认为是胞吞物进入细胞后的主要分选站。胞内体分选途径有：
A.受体返回质膜区域：如上述LDL受体循环到质膜再利用；
B.受体进入溶酶体被消化：如与表皮生长因子（epidermal growth factor,EGF）结合的细胞表面受体，大部分在溶酶体被降解，从而导致细胞表面EGF受体浓度降低，这种现象称为受体下行调节（receptor down-regulation）；
C.跨细胞转运（transcytosis）：受体被运至细胞另一侧的质膜，如母鼠的抗体从血液通过上皮细胞进入母乳中，乳鼠肠上皮细胞将抗体摄入体内。
（2）其他类型的胞饮作用
并非所有胞吞泡的形成都需要网格蛋白参与。
胞膜窖由质膜脂筏区域凹陷形成，窖蛋白（caveolin）参与胞膜窖的形成。胞吞时，胞膜窖携带着内吞物，利用发动蛋白的收缩作用从质膜上脱落，然后转交给胞内体样的细胞器——膜窖体（caveosome）或者跨细胞转运到质膜的另一侧。整个过程窖蛋白都不从胞吞泡膜上解离下来。这种胞吞作用很可能是细胞向胞内传递信号的一种平台。
②大型胞饮作用：
质膜皱褶包裹内吞物形成囊泡的胞吞作用。与吞噬作用类似，大型胞饮作用形成的胞吞泡也比较大，质膜皱褶的需要微丝及其结合蛋白参与。但不同的是，启动吞噬作用的受体往往位于特异细胞表面，而启动大型胞饮作用的受体却位于很多类型的细胞表面，而且受体还能启动其他生理功能，如有些受体就是与细胞生长相关的生长因子。
（二）胞吞作用与细胞信号转导
胞吞作用不仅调控细胞对营养物的摄取和质膜构成等，近年来发现，胞吞作用还参与了细胞信号转导，并与多种信号整合在一起，在更高层次上参与了细胞和机体组织的调控。
1. 胞吞作用对信号转导的下调
胞吞作用下调信号转导活性研究最为清楚的一个例子就是表皮生长因子及其受体的胞吞作用。当EGF受体与其结合后，受体二聚化并引起受体胞质结构域酪氨酸残基自磷酸化而被活化，引起细胞下游信号级联反应。而该信号的终止可通过胞吞作用来实现。细胞将EGF受体及EGF吞入细胞并在溶酶体内降解。这种调节作用即受体下行调节。
2. 胞吞作用对信号转导的激活
胞吞作用激活信号转导的最典型例子就是Notch信号通路。Notch信号通路对多细胞生物中细胞分化命运的决定起关键作用，其激活还依赖DSL和Notch的胞吞作用。配体DSL与Notch受体结合，导致Notch暴露出其胞外S2切割位点并被裂解，胞外部分与配体都被信号细胞内吞，然后，Notch受体被靶细胞内吞至胞内体并在S3位点被γ-分泌酶切割产生有活性的Notch受体胞内活性片段。该片段进入细胞核，调控靶基因表达，产生相应的细胞响应。
四、胞吐作用
胞吐作用与胞吞作用恰好相反，它是通过分泌泡或其它膜泡与质膜融合而将小泡内的物质运出细胞的过程。从高尔基体反面管网区（TGN）分泌的囊泡向质膜流动并与之融合，可分为组成型的胞吐途径（constitutive exocytosis pathway）和调节型胞吐途径（regulated exocytosis pathway）两类。
细胞通过胞吞和胞吐作用的动态平衡，不仅完成了细胞大分子或颗粒性物质的跨膜运输，对质膜成分的更新、信号转导以及维持细胞的生存与生长等也发挥了关键作用。
