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1、第十章第十章 物质的跨膜运输物质的跨膜运输与物质的跨膜运输有关的膜蛋白：与物质的跨膜运输有关的膜蛋白：1、载体蛋白、载体蛋白2、离子通道蛋白、离子通道蛋白3、水分子的跨膜通道、水分子的跨膜通道水孔蛋白水孔蛋白4、连接子蛋白、连接子蛋白间隙连接间隙连接物质跨膜运输的方式：物质跨膜运输的方式：被动运输被动运输 主动运输主动运输 膜泡运输膜泡运输一、被动运输一、被动运输 被动运输（被动运输（passive transport）是指通过简单扩散是指通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要细转运。转运的
2、动力来自物质的浓度梯度，不需要细胞提供代谢能量。胞提供代谢能量。 类型：类型：简单扩散（简单扩散（simple diffusion） 协助扩散（协助扩散（facilitated diffusion） （一）简单扩散（一）简单扩散（simplediffusion） 1.概念：概念：又称为自由扩散（又称为自由扩散（free diffusion），），是疏水小分子或小的不带电荷的极性分子，不需要是疏水小分子或小的不带电荷的极性分子，不需要能量也不需要膜蛋白参与的跨膜运输方式。能量也不需要膜蛋白参与的跨膜运输方式。 小分子的热运动可使分子以简单扩散的方式从小分子的热运动可使分子以简单扩散的方式从膜的一
3、侧通过细胞膜进入膜的另一侧，其结果是分膜的一侧通过细胞膜进入膜的另一侧，其结果是分子沿着浓度梯度降低的方向转运。疏水的小分子或子沿着浓度梯度降低的方向转运。疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子在以简单扩散的方式跨膜小的不带电荷的极性分子在以简单扩散的方式跨膜转运中，不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协转运中，不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助，因此称为助，因此称为简单扩散（简单扩散（simplediffusion）。 2.特点：特点： 沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散； 不需要提供能量；不需要提供能量； 没有膜蛋白的协助。没有膜蛋白的协助。 在简单扩散的跨膜转
4、运中，涉及跨膜物质溶解在膜脂中，在简单扩散的跨膜转运中，涉及跨膜物质溶解在膜脂中，再从膜脂一侧扩散到另一侧，最后进入细胞质水相中。因再从膜脂一侧扩散到另一侧，最后进入细胞质水相中。因此，此，其通透性主要取决于分子大小和分子的极性。小分子其通透性主要取决于分子大小和分子的极性。小分子比大分子容易穿膜，非极性分子比极性分子容易穿膜。比大分子容易穿膜，非极性分子比极性分子容易穿膜。(小的非极性分子小的非极性分子)游离的无机离子游离的无机离子疏水分子疏水分子(大的非极性分子大的非极性分子)（二）水孔蛋白：水分子的跨膜通道（二）水孔蛋白：水分子的跨膜通道 长期以来长期以来, 普遍认为细胞内外的水分子是普
5、遍认为细胞内外的水分子是以简单扩散的方式透过脂双层膜。后来发现某以简单扩散的方式透过脂双层膜。后来发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高, 很难很难以简单扩散来解释。如将红细胞移入低渗溶液以简单扩散来解释。如将红细胞移入低渗溶液后，很快吸水膨胀而溶血，而水生动物的卵母后，很快吸水膨胀而溶血，而水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀。因此，人们推测水的细胞在低渗溶液不膨胀。因此，人们推测水的跨膜转运除了简单扩散外跨膜转运除了简单扩散外, 还存在某种特殊的还存在某种特殊的机制机制, 并提出了水孔蛋白通道的概念。并提出了水孔蛋白通道的概念。 1988年年Agre在分离
6、纯化红细胞膜上的在分离纯化红细胞膜上的Rh血型抗原时，发现了一个血型抗原时，发现了一个28 KD 的疏水性的疏水性跨膜蛋白，称为跨膜蛋白，称为CHIP28 (Channel-Forming integral membrane protein)，1991年得到年得到CHIP28的的cDNA 序列，序列，Agre将将CHIP28的的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，并于溶液中，卵母细胞迅速膨胀，并于5 分钟内分钟内破裂，纯化的破裂，纯化的CHIP28置入脂质体，也会得到置入脂质体，也会得到同样的结果。这一发现揭示了细胞膜上确实同样的结
7、果。这一发现揭示了细胞膜上确实存在水通道，存在水通道，Agre因此而与离子通道的研究因此而与离子通道的研究者共享者共享2003年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。（三）协助扩散（三）协助扩散 概念：概念：也称促进扩散，是极性分子和无机离子在也称促进扩散，是极性分子和无机离子在膜转运膜转运蛋白蛋白 协助下顺浓度梯度（或电化学梯度）的跨膜运输。协助下顺浓度梯度（或电化学梯度）的跨膜运输。 特点特点：转运速率高；转运速率高； 存在最大转运速率；存在最大转运速率； 有膜有膜转运蛋白参与，有特异性。转运蛋白参与，有特异性。 膜转运蛋白膜转运蛋白是指镶嵌在膜上和物质运输有关的跨膜蛋白。是指镶嵌在膜上和物质
8、运输有关的跨膜蛋白。分为分为载体蛋白载体蛋白（carrier protein.carrier protein.可介导被动和主动运输可介导被动和主动运输）和和通道蛋白通道蛋白（channel protein.channel protein.只介导只介导被动运输被动运输）。）。 例如：例如： 葡葡萄萄糖糖分分子子以以简简单单扩扩散散的的方方式式穿穿越越细细胞胞膜膜，其其通通透透系系数数为为10cms，以以协协助助扩扩散散的的方方式式穿穿越越红红细细胞胞的的质质膜膜时时其其通透系数为通透系数为10-2cm/s，通透系数增加了，通透系数增加了倍。倍。 载体蛋白载体蛋白（carrier protein）
9、是在生物膜上普遍存在）是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。可以和特定的溶质分子结合，通过构的多次跨膜蛋白分子。可以和特定的溶质分子结合，通过构象改变介导溶质的象改变介导溶质的主动主动和和被动被动跨膜运输。跨膜运输。 通道蛋白（通道蛋白（channel protein）（1）概念概念：通道蛋白（：通道蛋白（channel protein）是横跨质膜的亲水是横跨质膜的亲水 性通性通 道，允许大小和电荷适宜的离子顺梯度通道，允许大小和电荷适宜的离子顺梯度通 过，又称为离子通道。过，又称为离子通道。 (2) 特征特征： 具有离子选择性具有离子选择性(对离子的大小和电荷有高度对离子的大小和电荷有高度
10、选选 择性择性)； 离子通道是门控的离子通道是门控的(其活性由通道开或关两种构其活性由通道开或关两种构 象调节象调节)。 (3) 类型类型：电压门通道（电压门通道（voltage-gated channel） 配体门通道（配体门通道（ligand-gated channel） 压力激活通道（压力激活通道（stress-activated channel） 电压门通道电压门通道 配体门通道配体门通道 压力激活通道压力激活通道 N型乙酰胆碱受体型乙酰胆碱受体 由由4种不同的亚单位组成的种不同的亚单位组成的5聚体，总分子量约为聚体，总分子量约为290kd。当受体结合配当受体结合配体乙酰胆碱时，引起通
11、道构象改变，通道瞬间开启，膜外体乙酰胆碱时，引起通道构象改变，通道瞬间开启，膜外Na+内流，膜内内流，膜内K+外流。使该处质膜去极化，引起肌细胞动作电位，肌肉收缩。外流。使该处质膜去极化，引起肌细胞动作电位，肌肉收缩。 银环蛇毒素可与乙酰胆碱受体结合，但不能开启通道，导致肌肉麻痹。银环蛇毒素可与乙酰胆碱受体结合，但不能开启通道，导致肌肉麻痹。 二、主动运输二、主动运输 主动运输（主动运输（active transport）是由载体蛋白）是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由浓度低的所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向高浓度的一侧进行跨膜转运的方式，其运输一侧向高浓度的一
12、侧进行跨膜转运的方式，其运输过程需要消耗能量。根据主动运输过程所需能量来过程需要消耗能量。根据主动运输过程所需能量来源的不同可归纳为由源的不同可归纳为由ATP直接提供能量和间接提供直接提供能量和间接提供能量以及光能驱动的主动运输三种基本类型。能量以及光能驱动的主动运输三种基本类型。偶联转运蛋白偶联转运蛋白 ATP驱动泵驱动泵 光驱动泵光驱动泵（一）由（一）由ATP直接提供能量的主动运输直接提供能量的主动运输钠钾泵钠钾泵 Na+-K+泵作用是：泵作用是：维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；维持低维持低Na+高高K+的细胞内环境，维持细胞的静息电位。的细胞内环境，维
13、持细胞的静息电位。（二）由（二）由ATP直接提供能量的主动运输直接提供能量的主动运输钙钙泵和质子泵泵和质子泵 钙泵（钙泵（Capump）又称）又称Ca2+ATP酶酶，对细，对细胞基本功能具有重要作用。胞基本功能具有重要作用。Ca泵是由泵是由 1000个氨基个氨基酸残基组成的多肽构成的跨膜蛋白，细胞内钙调蛋白酸残基组成的多肽构成的跨膜蛋白，细胞内钙调蛋白与之结合以调节与之结合以调节 Ca泵的活性。泵的活性。Ca泵工作与泵工作与 ATP的水解相偶联，每消耗一个的水解相偶联，每消耗一个 ATP分子转运出两个分子转运出两个 Ca。钙泵主要存在于细胞膜和内质网膜上，它将。钙泵主要存在于细胞膜和内质网膜上
14、，它将Ca输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，以维持输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离细胞内低浓度的游离Ca（一般细胞内游离（一般细胞内游离Ca浓浓度约度约 10molL，细胞外为，细胞外为103molL）。钙泵）。钙泵在肌质网内储存在肌质网内储存Ca，对调节肌细胞的收缩与舒张，对调节肌细胞的收缩与舒张是至关重要的。是至关重要的。 质子泵可分三种：质子泵可分三种： P型质子泵：型质子泵：与与Na一一K泵和泵和Ca泵结构类似，泵结构类似，在转运在转运H+的过程中涉及磷酸化和去磷酸化，存在于的过程中涉及磷酸化和去磷酸化，存在于真核细胞的细胞膜上。真核细胞的细胞膜上。 V型质子
15、泵：型质子泵：存在于动物细胞溶酶体膜和植物细存在于动物细胞溶酶体膜和植物细胞液泡膜上，转运胞液泡膜上，转运H+过程中不形成磷酸化的中间体，过程中不形成磷酸化的中间体，其功能是从细胞质基质中泵出其功能是从细胞质基质中泵出H+进入细胞器，有助进入细胞器，有助于保持细胞质基质中性于保持细胞质基质中性pH和细胞器内的酸性和细胞器内的酸性 pH F型质子泵（型质子泵（ H+一一ATP酶）：酶）：存在于线粒体内存在于线粒体内膜、植物类囊体膜和多数细菌质膜上，以相反的方膜、植物类囊体膜和多数细菌质膜上，以相反的方式来发挥其生理作用，即式来发挥其生理作用，即H+顺浓度梯度运动，将所顺浓度梯度运动，将所释放的能
16、量与释放的能量与ATP合成偶联起来，如线粒体的氧化合成偶联起来，如线粒体的氧化磷酸化和叶绿体的光合磷酸化作用。磷酸化和叶绿体的光合磷酸化作用。（三）由（三）由ATP直接提供能量的主动运输直接提供能量的主动运输 ABC 转运器转运器 ABC转运器（转运器（ABC transporter）最早发现于细菌，是）最早发现于细菌，是细菌质膜上的一种细菌质膜上的一种运输运输ATP酶（酶（transport ATPase），），属于属于一个庞大而多样的蛋白家族，每个成员都含有两个高度保守一个庞大而多样的蛋白家族，每个成员都含有两个高度保守的的ATP结合区（结合区（ATP binding cassette），
17、他们通过结合），他们通过结合ATP发生二聚化，发生二聚化，ATP水解后解聚，通过构象的改变将与之水解后解聚，通过构象的改变将与之结合的底物转移至膜的另一侧。每一种结合的底物转移至膜的另一侧。每一种ABC转运器只转运一转运器只转运一种或一类底物，但是其蛋白家族中具有能转运离子、氨基酸、种或一类底物，但是其蛋白家族中具有能转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质的成员。核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质的成员。 第一个被发现的真核细胞的第一个被发现的真核细胞的ABC转运器是转运器是多药抗性转多药抗性转运蛋白运蛋白（multidrug resistance protein, MDR），该基因），
18、该基因通常在肝癌患者的癌细胞中过表达，降低了化学治疗的疗效。通常在肝癌患者的癌细胞中过表达，降低了化学治疗的疗效。约约40%的患者的癌细胞内该基因过度表达。的患者的癌细胞内该基因过度表达。（四）协同运输（四）协同运输 协同运输（协同运输（cotransport）是一类由是一类由Na一一K泵（或泵（或H+泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要所完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子电化学浓度梯度，而维的直接动力来自膜两侧离子电化学浓度梯度，而维持这种离子电化学梯度则是通过持这种离子电化学梯度则是通
19、过Na一一K泵（或泵（或H+泵）消耗泵）消耗ATP所实现的。所实现的。根据物质运输方向与离子根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向同向协同运输协同运输与与反向协同运输反向协同运输。小肠对葡萄糖的吸收小肠对葡萄糖的吸收几类转运蛋白的比较几类转运蛋白的比较三、胞吞作用与胞吐作用三、胞吞作用与胞吐作用 真核细胞通过真核细胞通过胞吞作用胞吞作用（endocytosis）和和胞吐作用胞吐作用（exocytosis）完成大分子与颗粒）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，如蛋白质、多核苷酸、性物质的跨膜运输，如蛋白质、多核苷酸、多糖等。在转运
20、过程中，物质包裹在脂双层多糖等。在转运过程中，物质包裹在脂双层膜围绕的囊泡中，因此又称膜围绕的囊泡中，因此又称膜泡运输膜泡运输。（一）（一）胞吞作用胞吞作用概念：概念：胞吞作用通过细胞膜内陷形成囊泡（胞吞泡），胞吞作用通过细胞膜内陷形成囊泡（胞吞泡）， 将外界物质裹进并输入细胞的过程。将外界物质裹进并输入细胞的过程。类型：类型：胞饮作用（胞饮作用（pinocytosispinocytosis） 吞噬作用（吞噬作用（phagocytosisphagocytosis）胞饮作用胞饮作用胞饮泡的形成过程胞饮泡的形成过程（通过网格蛋白有被小泡介导）（通过网格蛋白有被小泡介导）网格蛋白有被小泡的形态网格蛋
21、白有被小泡的形态 接合素蛋白对膜受体细胞质接合素蛋白对膜受体细胞质结构域中的信号序列的识别结构域中的信号序列的识别 吞噬作用吞噬作用v 吞噬作用需要被吞噬吞噬作用需要被吞噬物与细胞表面受体结合并物与细胞表面受体结合并激活细胞表面受体，是一激活细胞表面受体，是一个信号触发的过程。吞噬个信号触发的过程。吞噬作用形成的胞吞泡被称为作用形成的胞吞泡被称为吞噬泡。吞噬泡的形成需吞噬泡。吞噬泡的形成需要有微丝及其结合蛋白的要有微丝及其结合蛋白的帮助，如果用降解微丝的帮助，如果用降解微丝的药物处理细胞，则可阻断药物处理细胞，则可阻断吞噬泡的形成，但胞饮作吞噬泡的形成，但胞饮作用仍可继续进行。用仍可继续进行。
22、吞噬泡的形成过程吞噬泡的形成过程胞饮作用与吞噬作用的主要区别：胞饮作用与吞噬作用的主要区别： 1、胞吞泡的大小不同，胞饮泡直径一般小于、胞吞泡的大小不同，胞饮泡直径一般小于150nm，吞噬泡的直径一般大于，吞噬泡的直径一般大于250nm 2、所有的真核细胞都能进行胞饮作用，而吞、所有的真核细胞都能进行胞饮作用，而吞噬作用则主要由特殊的吞噬细胞进行。胞饮作用噬作用则主要由特殊的吞噬细胞进行。胞饮作用是连续的过程，而吞噬作用是受体介导的信号触是连续的过程，而吞噬作用是受体介导的信号触发过程发过程 3、胞吞泡形成的机制不同，胞饮泡的形成与、胞吞泡形成的机制不同，胞饮泡的形成与网格蛋白、接合素蛋白等有
23、关，而吞噬泡的形成网格蛋白、接合素蛋白等有关，而吞噬泡的形成与微丝及其结合蛋白有关。与微丝及其结合蛋白有关。（二）受体介导的胞吞作用（二）受体介导的胞吞作用v 根据胞吞的物质是否有专一性，可将胞吞作用根据胞吞的物质是否有专一性，可将胞吞作用分为非特异性的胞吞作用和受体介导的胞吞作用。分为非特异性的胞吞作用和受体介导的胞吞作用。非特异性摄入细胞外物质，细胞表面的内陷是发生非特异性摄入细胞外物质，细胞表面的内陷是发生非特异性胞吞的部位。非特异性胞吞的部位。受体介导的胞吞作用受体介导的胞吞作用是指某是指某些大分子往往首先同质膜上的互补性受体结合，形些大分子往往首先同质膜上的互补性受体结合，形成受体大
24、分子复合物后启动内化作用，然后质膜成受体大分子复合物后启动内化作用，然后质膜内陷形成有被小窝。受体介导的胞吞作用是一种内陷形成有被小窝。受体介导的胞吞作用是一种选选择浓缩机制择浓缩机制，既可保证细胞大量地摄入特定的大分，既可保证细胞大量地摄入特定的大分子，同时又避免了吸入细胞外大量的液体。与非特子，同时又避免了吸入细胞外大量的液体。与非特异性的胞吞作用相比，可使特殊大分子的内化效率异性的胞吞作用相比，可使特殊大分子的内化效率增加增加1000多倍。多倍。LDL通过受体介导的胞吞作用进入细胞通过受体介导的胞吞作用进入细胞胞内体胞内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是传是动物细胞内由膜包围的细胞
25、器，其作用是传输由胞吞作用摄入的物质到溶酶体中被降解。输由胞吞作用摄入的物质到溶酶体中被降解。不同类型受体的胞内体的分选途径：不同类型受体的胞内体的分选途径：（1）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用；）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用；（2）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节；）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节；（3）被运至质膜的不同结构域，称为跨细胞的转运。）被运至质膜的不同结构域，称为跨细胞的转运。（三）胞吐作用（三）胞吐作用default pathway v 这种模式认为，在粗面内质网中合成的这种模式认为，在粗面内质网中合成的蛋白质除了某些有特殊标志的蛋白驻留在蛋
26、白质除了某些有特殊标志的蛋白驻留在ER或高尔基体中或选择性地进入溶酶体和调节或高尔基体中或选择性地进入溶酶体和调节性分泌泡外，其余的蛋白均沿着性分泌泡外，其余的蛋白均沿着粗面内质网粗面内质网高尔基体高尔基体分泌泡分泌泡细胞表面细胞表面这一途径完这一途径完成其转运过程。成其转运过程。 简单扩散简单扩散 被动运输被动运输 水孔蛋白通道水孔蛋白通道 协助扩散协助扩散 ATP直接提供能量直接提供能量 主动运输主动运输 ATP间接提供能量间接提供能量 光能驱动光能驱动 胞吞作用胞吞作用 胞饮作用胞饮作用 膜泡运输膜泡运输 吞噬作用吞噬作用 胞吐作用胞吐作用 组成型分泌组成型分泌 调节型分泌调节型分泌 * 间隙连接间隙连接物质物质的的跨膜跨膜运输运输讨论、思考题、作业：讨论、思考题、作业：1、课后查阅相关文献。课后查阅相关文献。2、预习下章、节内容、预习下章、节内容3、思考：、思考： 1）比较主动运输与被动运输。比较主动运输与被动运输。 2）比较载体蛋白与离子通道蛋白。比较载体蛋白与离子通道蛋白。 3）比较胞饮作用与吞噬作用。比较胞饮作用与吞噬作用。 4 4）细胞是如何与外界环境进行物质交换的？）细胞是如何与外界环境进行物质交换的？ 思考题思考题
