初级主动运输

初级主动运输（Primary Active Transport），又称原发性主动运输，是细胞膜转运的一种核心机制。它通过直接偶联并水解化学能源物质（绝大多数情况下是 ATP，少数利用光能或氧化还原能），驱动离子或小分子逆着电化学梯度（从低浓度向高浓度）跨膜运输。执行这一功能的蛋白通常被称为“离子泵” (Pumps) 或 ATP 酶 (ATPases)。初级主动运输是细胞生命的能量引擎，它建立了细胞内外的离子梯度（如 Na⁺/K⁺ 梯度），储存了势能，从而为次级主动运输、神经冲动传导和肌肉收缩提供了原动力。

初级主动运输

Primary Active Transport (点击展开)

逆梯度的能量搬运

机制特征
能量来源	ATP 直接水解
运输方向	逆电化学梯度 (Uphill)
蛋白类型	泵 (ATPases)
主要家族
P-型泵	Na+/K+泵, 钙泵
V-型泵	溶酶体质子泵
ABC 家族	P-gp, CFTR

三大核心泵家族

根据结构和作用机制的不同，执行初级主动运输的蛋白主要分为以下几类：

类型	机制特点	经典实例
P-型 ATPase (P-type)	磷酸化中间体： ATP 的 $\gamma$-磷酸基团会短暂地转移到泵蛋白自身的氨基酸残基（通常是天冬氨酸）上，导致剧烈的构象变化。	• Na+/K+ ATPase • SERCA (肌浆网钙泵) • H+/K+ ATPase (胃质子泵)
V-型 ATPase (V-type)	旋转马达： 不形成磷酸化中间体。利用 ATP 水解驱动类似于涡轮的旋转，专门用于泵入质子 ($H^{+}$)。	• 溶酶体质子泵 • 破骨细胞质子泵 (负责酸化环境)
ABC 转运蛋白	ATP 开关： 利用两个 ATP 分子的结合与二聚化来驱动“夹子”样的构象翻转。主要运输小分子而非单纯离子。	• P-糖蛋白 (外排药物) • ABCA1 (胆固醇外排)

注意： F-型 ATPase（如线粒体 ATP合酶）结构上与 V-型类似，但它通常反向运行：利用质子梯度来合成 ATP，而非消耗 ATP 来建立梯度。

原形机制：Na⁺/K⁺ 泵

人体基础代谢率的 20-30% 能量都消耗在了这个单一的泵上。它每水解 1 分子 ATP，将 3个 Na⁺ 泵出，同时将 2个 K⁺ 泵入。

• E1 态（朝内）： 泵对 Na⁺ 亲和力高，结合 3 个 Na⁺。ATP 结合并水解，磷酸基团转移至泵蛋白。
• 构象翻转： 磷酸化导致泵翻转至 E2 态（朝外），Na⁺ 亲和力降低并释放至胞外。
• E2 态（朝外）： 此时泵对 K⁺ 亲和力高，结合 2 个 K⁺。这诱导去磷酸化。
• 复位： 去磷酸化使泵恢复至 E1 态，K⁺ 释放至胞内。

临床药理学关联

• 强心苷 (地高辛)： 抑制心肌细胞膜上的 Na⁺/K⁺ ATPase。导致胞内 Na⁺ 升高，进而减弱 Na⁺/Ca²⁺ 交换，使胞内 Ca²⁺ 增加，增强心肌收缩力。
• 质子泵抑制剂 (PPIs)： 如奥美拉唑，不可逆地抑制胃壁细胞上的 H⁺/K⁺ ATPase，是治疗胃溃疡和反流性食管炎的最强效药物。
• 钙拮抗剂与SERCA： 某些药物通过调节肌浆网钙泵 (SERCA) 的活性来影响肌肉松弛。

       学术参考文献 [Academic Review]
       

[1] Skou JC. (1957). The influence of some cations on an adenosine triphosphatase from peripheral nerves. Biochimica et Biophysica Acta.
[点评]：诺贝尔奖级工作。首次分离并鉴定了 Na⁺/K⁺ ATPase，确立了离子运输与 ATP 水解酶活性的直接联系。

[2] Post RL, et al. (1960). Membrane adenosine triphosphatase as a participant in the active transport of sodium and potassium in the human erythrocyte. J Biol Chem.
[点评]：建立了著名的 Post-Albers 循环模型（E1-E2 转换），至今仍是解释 P-型泵机制的标准教科书模型。

[3] Toyoshima C, et al. (2000). Crystal structure of the calcium pump of sarcoplasmic reticulum at 2.6 A resolution. Nature.
[点评]：首个获得高分辨率晶体结构的 P-型 ATPase，直观展示了离子泵如何通过巨大的构象改变来“吞吐”离子。

           膜运输系统 · 知识图谱

上级归属	主动运输 (Active Transport)
对应概念	次级主动运输 (利用梯度) • 协助扩散 (无能耗)
核心实例	Na+/K+ ATPase • 质子泵 • Ca2+泵 • P-糖蛋白