上海交通大学：《生物化学 Biochemistry（B类）》课程教学资源（课件讲稿）Chapter 13 Membrane Channels and Pumps 膜通道和泵

上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY Chapter 13: Membrane Channels and Pumps 膜通道和泵 Berg·Tymoczko·Stryer

Berg • Tymoczko • Stryer Chapter 13: Membrane Channels and Pumps 膜通道和泵

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。 The lipid bilayer of biological membranes is intrinsically impermeable to ions and polar molecules,yet certain such species must be able to cross these membranes for normal cell function 三类膜蛋白一泵，载体和通道 (pumps,carriers and channels)一使生物膜具有这样的功能。 Transported molecule Channel Carrier Pump protein protein Plasma High membrane Energy Low Electrochemical Simple diffusion potential gradient Passive transport Primary active transport (in the direction of (against the direction electrochemical gradient) of electrochemical gradient)

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。 The lipid bilayer of biological membranes is intrinsically impermeable to ions and polar molecules, yet certain such species must be able to cross these membranes for normal cell function 三类膜蛋白 － 泵，载体和通道 （pumps, carriers and channels）－使生物膜具有这样的功能

泵：能利用能源驱动离子或分子作热力学的逆向运输；泵的能 量来自能源分子如ATP的水解，或者是光能。（主动运输） Pumps use a source of free energy such as ATP hydrolysis or light absorption to drive the thermodynamically uphill transport of ions or molecules.Pump action is an example of active transport. 载体：不消耗ATP来完成离子或小分子的跨膜运输；使用某种 离子梯度驱动其它物质跨膜运输（如大肠杆菌乳糖载体） Secondary active transport(次级主动运输). Carriers mediate the transport of ions and small molecules across the membrane without consumption of ATP 通道：不用能量，只是允许离子或分子作热力学顺向运输。 Channels,in contrast,enable ions to flow rapidly through membranes in a thermodynamically downhill direction. (passive transport被动运输or facilitated diffusion协助扩散)

泵：能利用能源驱动离子或分子作热力学的逆向运输；泵的能 量来自能源分子如ATP的水解，或者是光能。（主动运输） Pumps use a source of free energy such as ATP hydrolysis or light absorption to drive the thermodynamically uphill transport of ions or molecules. Pump action is an example of active transport. 载体：不消耗ATP来完成离子或小分子的跨膜运输；使用某种 离子梯度驱动其它物质跨膜运输（如大肠杆菌乳糖载体）。 Secondary active transport (次级主动运输). Carriers mediate the transport of ions and small molecules across the membrane without consumption of ATP 通道：不用能量，只是允许离子或分子作热力学顺向运输。 Channels, in contrast, enable ions to flow rapidly through membranes in a thermodynamically downhill direction. (passive transport 被动运输 or facilitated diffusion 协助扩散)

细胞所表达的转运蛋白决定了细胞从环境摄取离子和代谢物的 模式，因此细胞所表达的转运蛋白组合在某种程度上决定了这 个细胞的性质，因为这个细胞只能摄取特定底物、只能执行特 定的生物化学反应。 The array of transporters expressed by a cell determines the cell's characteristics because a cell can execute only those biochemical reactions for which it has taken up the substrates

细胞所表达的转运蛋白决定了细胞从环境摄取离子和代谢物的 模式，因此细胞所表达的转运蛋白组合在某种程度上决定了这 个细胞的性质，因为这个细胞只能摄取特定底物、只能执行特 定的生物化学反应。 The array of transporters expressed by a cell determines the cell's characteristics because a cell can execute only those biochemical reactions for which it has taken up the substrates

令科学网 生命料学医学科学|化学样学工程材料|信息科学|地球科学！数理科学管 新闻 首页|新闻|博客群组1院土|人才会议论文1基金|微信小白根 作者：邓晖来源：光明日报发布时间：2015/7/1813：45：58 选择字号：N甲因 颜宁小组完整揭示葡萄糖转运蛋白运转机理 本报北京7月1？日电（记者邓军）16日，曾因2014年初在世界上首次解析人源葡萄糖转运蛋白GLT1 的晶体结构而振奋全球科学家的中国年轻科研团队，在葡莉萄糖转运蛋白家族的研究上再下一城：清 华大学颜宁研究组在《自然》在线发表题为《葡萄糖转运蛋白识别与转运底物的分子基础》的长文， 报道了人源葡萄糖转运蛋白GLT3处于不同构象的3个高分辨率晶体结构，并通过与之前该组解析的cLT1 “人体中的GLUTs.共有14种，目前研究较清楚的 是GLUT1,GLUT2,GLUT3,GLUT4,它的负责 向人体的不同组积转运葡萄糖：GLUT1主要负责 清华新闻网 葡萄糖进入红细胞和跨越血脑屏障，GLUT2主要 在肝、脾、小肠等内脏细胞中发挥作用，GLUT3 负责为神经系统摄取葡萄糖，GLUT4则是肌肉和 脂肪组织的主要葡萄糖转运蛋白。”额宁介绍， 目前越来越多的研究发规GLUT1和GLUT3在多种 实体瘤中超量表达，“肿瘤细胞的快速增殖使其 处于缺氧环境中，无氧条件下依靠糖酵解产生的 ATP比有氧代谢少了10倍以上，因此肿瘤细脆需 要大量表达GLUT以满足葡萄糖的超量摄入，这种 ‘沃伯格数应'使得GLUT1和GLUT3成为具有潜 在临床诊断价值的肿瘤细胞标志物

“人体中的GLUTs共有14种，目前研究较清楚的 是GLUT1，GLUT2，GLUT3，GLUT4，它们负责 向人体的不同组织转运葡萄糖：GLUT1主要负责 葡萄糖进入红细胞和跨越血脑屏障，GLUT2主要 在肝、脾、小肠等内脏细胞中发挥作用，GLUT3 负责为神经系统摄取葡萄糖，GLUT4则是肌肉和 脂肪组织的主要葡萄糖转运蛋白。”颜宁介绍， 目前越来越多的研究发现GLUT1和GLUT3在多种 实体瘤中超量表达，“肿瘤细胞的快速增殖使其 处于缺氧环境中，无氧条件下依靠糖酵解产生的 ATP比有氧代谢少了10倍以上，因此肿瘤细胞需 要大量表达GLUT以满足葡萄糖的超量摄入，这种 ‘沃伯格效应’使得GLUT1和GLUT3成为具有潜 在临床诊断价值的肿瘤细胞标志物

Free Energy Stored in Concentration Gradients Can Be Quantified.浓度梯度储存的自由能可以定量计算 分子的不均匀分布富含能量（因为所有区域浓度均一的自由能 最低)。因此要获得这种浓度不均一分布（即浓度梯度）需要 输入自由能。 一个不带电的溶质分子，从膜的一侧（其浓度是c1)运输到 另一侧（其浓度是c2)时自由能的变化是 AG=RT In (c2/C1)=2.303 RT Ig(c2/C1) 其中R是气体常数8.315x103kJ/mol,T是绝对温度，单位是 kelvins

Free Energy Stored in Concentration Gradients Can Be Quantified. 浓度梯度储存的自由能可以定量计算 分子的不均匀分布富含能量（因为所有区域浓度均一的自由能 最低）。因此要获得这种浓度不均一分布（即浓度梯度）需要 输入自由能。 一个不带电的溶质分子，从膜的一侧（其浓度是c1）运输到 另一侧（其浓度是c2）时自由能的变化是 △G = RT ln (c2/c1) = 2.303 RT lg(c2/c1) 其中R是气体常数8.315 x 10-3 kJ/mol, T是绝对温度，单位是 kelvins

对于带电离子跨膜不均匀分布还要考虑跨膜的电势差。 浓度差和电势差的总和称为膜电化学势能(electrochemical potential)或膜势能(membrane potential)。其自由能是： △G=RTln(c2/c)+ZF△V 2.303 RT Ig(c2/C)+ZFAV 其中Z是被运离子的电荷，△V是跨膜电势差，F是法拉利 常数(96.5kJV.mol,或23.1kcaV.mol)。 △G是正值，运输是主动的。如果△G是负值，运输是被动 的。 A transport process must be active when G is positive,whereas it can be passive when AG is negative

对于带电离子跨膜不均匀分布还要考虑跨膜的电势差。 浓度差和电势差的总和称为膜电化学势能(electrochemical potential)或膜势能(membrane potential)。其自由能是: △G = RTln(c2/c1)+ZF△V = 2.303 RT lg(c2/c1) + ZF△V 其中 Z是被运离子的电荷，△V是跨膜电势差，F是法拉利 常数（96.5 kJ/V.mol, 或 23.1 kcal/V.mol）。 △G是正值，运输是主动的。如果△G是负值，运输是被动 的。 A transport process must be active when △G is positive, whereas it can be passive when △G is negative

泵 pump

泵 pump

Na-K+泵或Na-K+ATPase。 只有Na+和K+都存在时，这个泵才能水解ATP,所以称为Na+- K+ATPase。与其它ATPase一样，该酶需要Mg+. Na+和Kt主动运输有重大的生理意义（动物）： 一控制细胞体积 使神经元和肌肉细胞可被激活 驱动糖和氨基酸的主动运输 实际上静止细胞内超过1/3的ATP用来驱动这些离子泵的运转。 The active transport of Na+and K+is of great physiological significance.Indeed,more than a third of the ATP consumed by a resting animal is used to pump these ions

Na+ -K+ 泵或Na+ -K+ ATPase。 只有Na+ 和 K+都存在时，这个泵才能水解ATP，所以称为Na+ - K+ ATPase。与其它ATPase一样，该酶需要Mg2+ . Na+和K+主动运输有重大的生理意义（动物）： － 控制细胞体积 － 使神经元和肌肉细胞可被激活 － 驱动糖和氨基酸的主动运输 实际上静止细胞内超过1/3的ATP用来驱动这些离子泵的运转。 The active transport of Na+ and K+ is of great physiological significance. Indeed, more than a third of the ATP consumed by a resting animal is used to pump these ions

离子泵蛋白是个大家族，从细菌、古生菌和所有真核生物都广 泛存在。 P-类ATPase,能形成关键的磷酸化中间 产物，ATP提供的磷酸基团与一个保守 的天冬氨酸残基的侧链形成共价连接。 H These enzymes are referred to as P- type ATPases because they form a key phosphorylated intermediate. Phosphorylaspartate Energy input 每种构型都有一个离 子结合位点，但是泵 的开口分别处于生物 膜的不同侧面。 Conformation 1 Conformation 2

离子泵蛋白是个大家族，从细菌、古生菌和所有真核生物都广 泛存在。 P-类ATPase，能形成关键的磷酸化中间 产物，ATP提供的磷酸基团与一个保守 的天冬氨酸残基的侧链形成共价连接。 These enzymes are referred to as P￾type ATPases because they form a key phosphorylated intermediate. 每种构型都有一个离 子结合位点，但是泵 的开口分别处于生物 膜的不同侧面