物质的跨膜运输

1、第五章第五章 物质的跨膜运输物质的跨膜运输艾永兴艾永兴动物生物技术系动物生物技术系吉林大学动物科学学院吉林大学动物科学学院联系方式：联系方式：1380431480013804314800 细胞膜是细胞与细胞外环境之间一种选择性通透屏障，它既能保障细胞对基本营养物质的摄取、代谢产物或废物的排除，以能调节细胞内离子浓度，使细胞维持相对稳定的内环境。因此，物质的跨膜运输对细胞的生存和生长至关重要。防止细胞外物质自由进入细胞的屏障，它保证了细胞内环境的相对稳定，使各种生化反应能够有序运行。细胞靠主动运输建立和维持各种离子在细胞内的不同浓度这些离细胞靠主动运输建立和维持各种离子在细胞内的不同浓度这些离子

2、的浓度差异对于细胞的生存和行使功能至关重要。子的浓度差异对于细胞的生存和行使功能至关重要。细胞对营养物质的摄取细胞对营养物质的摄取细胞信号转导细胞信号转导细胞渗透压的维持细胞渗透压的维持细胞能量转换中细胞能量转换中ATP的产生的产生神经元的可兴奋性神经元的可兴奋性一、被动运输（passive transport）（一）简单扩散 simple diffusion（二）协助扩散 facilitated diffusion二、主动运输（active transport） ATP直接供能 ATP间接提供能量 光能驱动三、胞吞与胞吐作用 一、被动运输一、被动运输（passive transport）特点

3、：运输方向；跨膜动力；能量消耗；特点：运输方向；跨膜动力；能量消耗；类型：简单扩散（类型：简单扩散（simple diffusionsimple diffusion） 协助扩散（协助扩散（facilitated diffusionfacilitated diffusion） 是通过是通过简单扩散简单扩散或或协助扩散协助扩散实现物质实现物质由高浓度向由高浓度向低浓度低浓度方向的跨膜转运。方向的跨膜转运。非电解质通过扩散跨过细胞质膜必须具备两个条件非电解质通过扩散跨过细胞质膜必须具备两个条件:第一，该物质在细胞外的浓度很高;第二，细胞质膜必须对这种物质具有通透性。膜对某种溶质具有透性，必须满足两个

4、条件之一：(1)这种物质能够直接穿过脂双层，或(2)膜中有可允许该溶质通过的跨膜孔道。 是指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向低是指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向低浓度一侧移动的过程，通常把这种过程称为简单扩散。浓度一侧移动的过程，通常把这种过程称为简单扩散。（一）简单扩散（一）简单扩散(diffusion)这种移动方式是单个分子的随机运动，无论开始的浓度有多高，扩散的结果是两边的浓度达到平衡。虽然这种移动不需要消耗能量，主要是依靠扩散物质自身的力量，但从热力学考虑，它利用的是自由能。如果改变膜两侧的条件，如加热或加压，就有可能改变物质的流动方向，其原因就是改变了自由能。所以，

5、扩散是物质从自由能高的一侧向自由能低的一侧流动扩散是物质从自由能高的一侧向自由能低的一侧流动。FIG.不同分子对人工脂双层膜的相对透性 不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助，因此称为简单扩散（simple diffusion) 疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子以简单的疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子以简单的扩散方式跨膜转运扩散方式跨膜转运简单扩散的限制因素是物质的脂溶性、分子大小和带电性。简单扩散的限制因素是物质的脂溶性、分子大小和带电性。1、脂溶性:脂溶性越强，通过脂双层膜的速率越快。2、相对分子质量:相对分子质量小，脂溶性高的分子才能快速扩散。根据实验结果，推测质膜的通透性孔径不

6、会大于0.51.0nm，能够扩散的最小分子是水分子。3、物质的带电性: 所有带电荷的分子(离子)， 不管它多小， 都不能自由扩散自由扩散。是因为带电的物质通常同水结合形成一个水合的外壳，这不仅增加了它们的分子体积，同时也大大降低了脂溶性。因此说，所有带电荷的分子(离子)，不管它多小， 都不能自由扩散。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。 是各种极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核是各种极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等在苷酸以及细胞代谢物等在膜转运蛋白膜转运蛋白

7、协助下顺其浓协助下顺其浓度梯度或电化学梯度减小方向的跨膜转运度梯度或电化学梯度减小方向的跨膜转运 , , 不消耗不消耗ATPATP进入膜内的一种运输方式，也称促进扩散。进入膜内的一种运输方式，也称促进扩散。（二）协助扩散（二）协助扩散特点：特点：转运速率高；转运速率高；存在最大转运速存在最大转运速率；率； 有膜转运蛋白参有膜转运蛋白参与，有特异性。与，有特异性。协助扩散同简单扩散相比，具有以下一些特点协助扩散同简单扩散相比，具有以下一些特点 膜转运蛋白（膜转运蛋白（Transport proteinsTransport proteins）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

8、跨膜蛋白。是指镶嵌在膜上和物质运输有关的跨膜蛋白。载体蛋白通道蛋白 是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。可以和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，通过特定的溶质分子结合，通过构象改变构象改变介导溶质的跨膜运输介导溶质的跨膜运输。载体蛋白（载体蛋白（carrier proteincarrier protein）特点特点: : 特异性；多次跨膜；具特异性；多次跨膜；具通透酶（通透酶（permease）性质；）性质；载体蛋白既参与被动的物质运输，也参与主动的物质运输载体蛋白既参与被动的物质运输，也参与主动的物质运输 很多方面与酶催化反应相似很多方面与酶催化反应相似载

9、体蛋白需要同被运输的离子载体蛋白需要同被运输的离子和分子结合，然后通过自身的构型变化或移动完成物质运输的和分子结合，然后通过自身的构型变化或移动完成物质运输的膜蛋白。载体蛋白促进扩散时同样具有高度的特异性，其上有膜蛋白。载体蛋白促进扩散时同样具有高度的特异性，其上有结合点，只能与某一种物质进行暂时性、可逆的结合和分离。结合点，只能与某一种物质进行暂时性、可逆的结合和分离。而且，而且， 一个特定的载体只运输一种类型的化学物质，一个特定的载体只运输一种类型的化学物质， 甚至一甚至一种分子或离子。种分子或离子。载体蛋白既参与被动的物质运输，也参与主动的物质运输。由载体蛋白既参与被动的物质运输，也参与

10、主动的物质运输。由载体蛋白进行的被动物质运输，载体蛋白进行的被动物质运输， 不需要不需要ATP提供能量。载体蛋提供能量。载体蛋白对物质的转运过程具有类似于酶与底物作用的动力学曲线、白对物质的转运过程具有类似于酶与底物作用的动力学曲线、可被类似物竞争性抑制、具有竞争性抑制等酶的特性。但与酶可被类似物竞争性抑制、具有竞争性抑制等酶的特性。但与酶不同的是不同的是: : 载体蛋白不对转运分子作任何共价修饰。载体蛋白不对转运分子作任何共价修饰。通道蛋白（通道蛋白（channel proteinchannel protein） 是横跨质膜的亲水性通道，是横跨质膜的亲水性通道，其跨膜部分形成亲其跨膜部分形成

11、亲水性的通道，当这些孔道开放时允许适宜大小的分子水性的通道，当这些孔道开放时允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过，通道蛋白所介导的被动运输和带电荷的离子通过，通道蛋白所介导的被动运输不不需要与溶质分子结合需要与溶质分子结合。又称为离子通道。又称为离子通道。绝大多数的通道蛋白形成有选择性开关有选择性开关的多次跨膜通道多次跨膜通道，因为这些通道蛋白几乎都与离子的转运有关，所以又称为离子通道离子通道。离子通道离子通道：一是具有离子选择性离子选择性，离子通道对被转运离子的大小与电荷都有高度的选择性，而且转运速率高，可达106个离子/s，其速率是已知任何一种载体蛋白的最快速率的1 000倍以上。驱动带电

12、荷的溶质跨膜转运的净驱动力净驱动力来自两种力的合力，一种是溶质的浓度梯度，另一种是跨膜电位差，这种净驱动力构成溶质跨膜的电化学梯度（electrochemical gradient），这种梯度决定溶质跨膜的被动运输的方向。第二个特征是离子通道是门控的门控的，即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，并通过通道开关应答于适当的信号。多数情况下离子通道呈关闭状态，只有在膜电位变化、化学信号或压力刺激膜电位变化、化学信号或压力刺激后，才开启形成跨膜的离子通道。 因此离子通道又区分为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 c

13、hannel）和压力激活通道压力激活通道（stress-activated channel）。离子通道在神经元与肌细胞冲动传递过程中起重要作用。如含羞草的闭叶反应，草履虫的快速转向运动，内耳听觉的感应等都与离子通道有关。与载体蛋白相比具有三个显著特征与载体蛋白相比具有三个显著特征1 1、具有极高的转运速率和高度的具有离子选择性，离子通道、具有极高的转运速率和高度的具有离子选择性，离子通道对被转运离子的大小与电荷都有高度的选择性，而且转运速对被转运离子的大小与电荷都有高度的选择性，而且转运速率高，可达率高，可达10106 6个离子个离子/s/s，其速率是已知任何一种载体蛋白的，其速率是已知任何一

14、种载体蛋白的最快速率的最快速率的1 0001 000倍以上。倍以上。 3、 离子通道是门控的，即离子通道的活性由通道开或关两离子通道是门控的，即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，并通过通道开关应答于适当的信号。多数情种构象所调节，并通过通道开关应答于适当的信号。多数情况下离子通道呈关闭状态，只有在膜电位变化、化学信号或况下离子通道呈关闭状态，只有在膜电位变化、化学信号或压力刺激后，才开启形成跨膜的离子通道。压力刺激后，才开启形成跨膜的离子通道。 2、 离子通道没有饱和值。离子通道没有饱和值。 现已鉴定过的离子通道蛋白在膜中都有开和关两种构型相当于门，所以将通道蛋白形成的通道称为门控通道

15、(gated channel)类型：电压门控(voltage-gated channel)配体门控通道(ligand-gated channel)压力激活通道(stress-activated channel)acetylcholine receptor1配体门通道(ligand gated channel)Three conformation of the acetylcholine receptorNa+K+失活Ach 门通道具有具有三种状态：开启、关闭和失活。 水分子不溶于脂水分子不溶于脂, , 并具有极性并具有极性, ,理应不能自由通理应不能自由通过质膜过质膜, , 但实际却是很容易通

16、过膜。但实际却是很容易通过膜。水通道蛋白水通道蛋白(aquaporin)(aquaporin) 2003年诺贝尔化学奖：美国科学家年诺贝尔化学奖：美国科学家 Peter Agre 1988 年Agre 在分离纯化红细胞膜上的Rh 血型抗原时，发现了一个28 KD 的疏水性跨膜蛋白，纯化的CHIP28置入脂质体，使其迅速膨胀，这一发现揭示了细胞膜上确实存在水通道。（红细胞和蛙卵细胞） 二、主动运输二、主动运输（active transportactive transport）概念概念：主动运输是指由载体蛋白介导的物质：主动运输是指由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度逆浓度梯度（或化（或化学梯度）的由浓

17、度低的一侧向浓度高的一侧的跨膜运输方式。学梯度）的由浓度低的一侧向浓度高的一侧的跨膜运输方式。类型（根据能量来源）：ATP直接供能、ATP间接提供能量、光能驱动 ATP直接提供能量驱动的主动运输直接提供能量驱动的主动运输-钠钾泵钠钾泵构成构成：Na+ /K+ ATPase由两个大亚基(亚基)和两个小亚基(亚基)组成。亚基是跨膜蛋白，在膜的内侧有ATP结合位点;在亚基上有Na+和K+结合位点 实际上就是实际上就是Na+-K+ATP 酶，酶，一般认为是由一般认为是由2 个大亚基、个大亚基、2 个小亚基组成的个小亚基组成的4 聚体。钠钾聚体。钠钾泵的一个特性是他对离子的泵的一个特性是他对离子的转运循

18、环依赖自磷酸化过程，转运循环依赖自磷酸化过程，ATP 上的一个磷酸基团转移上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象的变化。通基上，导致构象的变化。通过自磷酸化来转运离子的离过自磷酸化来转运离子的离子泵就叫做子泵就叫做P-type，与之相类，与之相类似的还有钙泵和质子泵。它似的还有钙泵和质子泵。它们组成了功能与结构相似的们组成了功能与结构相似的一个蛋白质家族。一个蛋白质家族。钠钾泵钠钾泵运输机制运输机制作用：作用：维持细胞内一定的维持细胞内一定的Na+/K+浓度；浓度；该浓度梯度为葡萄糖该浓度梯度为葡萄糖协同运输提供驱动力；协同运输提供驱动力；有助于建立

19、膜电位。有助于建立膜电位。消耗消耗1个个ATP，输出输出3个个Na+，输入输入2个个K+uATP直接提供能量驱动的主动运输直接提供能量驱动的主动运输Ca2+泵泵, Ca2+ ATPase心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网,其功能是参与肌肉收缩活动。肌质网膜上的Ca2+ -ATP泵将细胞基质中的Ca2+ 泵入肌质网中储存起来, 使肌质网Ca2+ 的浓度比胞质溶胶高出几千倍。受到神经冲动刺激后, Ca2+ 释放出来,参与肌肉收缩的调节。 肌质网肌质网(sarcoplasmic reticulum) 功能：建立H+电化学梯度，驱动转运溶质进入细胞种类（1）P型质子泵：型质子泵：结构与Na+-K+泵

20、和Ca2+泵结构类似，在转运H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。（2）V型质子泵型质子泵：在转运H的过程中不磷酸化中间体，存在于动物细胞溶酶体膜和植物细胞液泡膜上，其功能是维持细胞质基质中性pH和细胞器内的酸性。 （3）F-type： H+ - ATP酶:存在于线粒体膜、叶绿体类囊体膜上，多数细菌质膜上，以相反的方式发挥生理作用H+顺浓度梯度运动，释放能量与合成ATP偶联起来：线粒体磷酸化叶绿体光合磷酸化质子泵质子泵P型、型、V型和型和F型运输泵的结构型运输泵的结构协同运输协同运输(cotransport)能量：能量：钠钾泵或质子泵通过消耗钠钾泵或质子泵通过消耗ATPAT

21、P产生膜两侧的电化学浓产生膜两侧的电化学浓 度梯度，驱动协同运输的进行。度梯度，驱动协同运输的进行。 动物细胞动物细胞中常常利用膜两侧中常常利用膜两侧NaNa+ +浓度梯度来驱动，浓度梯度来驱动， 植物细胞和细菌植物细胞和细菌常利用常利用H H+ +浓度梯度来驱动。浓度梯度来驱动。概念概念: :是一类由是一类由NaNa+ +K K+ +泵（或泵（或H H+ +泵）与载体蛋白协同作用，泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗靠间接消耗ATPATP所完成的主动运输方式。所完成的主动运输方式。 uuATP间接提供能量的主动运输间接提供能量的主动运输1、同向协同、同向协同（symport）物质运输方向与离子

22、转移方向相同。2、反向协同（、反向协同（antiport）物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反。协同运输的方向：协同运输的方向：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：同向协同同向协同（symport）与反向协同反向协同antiport）。小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。在某些细菌中，乳的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着糖的吸收伴随着H+的进入。的进入。小肠上皮细胞吸收葡萄糖：葡萄糖分子通过Na+驱动的共运输方式进入上皮细胞；再经载体介导的协助扩散方式进入血液；Na+-K+泵消耗ATP维持Na+的电化学梯度。反向协同运输反向协同

23、运输 antiport动物细胞和植物细胞主动运输的比较动物细胞和植物细胞主动运输的比较动物细胞质膜上有动物细胞质膜上有NaNa+ +-K-K+ + ATPase ATPase，并通过对，并通过对NaNa+ +、K K+ + 的运输建立细胞的电化学梯度的运输建立细胞的电化学梯度； 植物植物( (细菌、真菌细菌、真菌) )细胞质膜中没有细胞质膜中没有NaNa+ +-K-K+ + ATPaseATPase，代之的是，代之的是H H+ +-ATP-ATP酶，并通过对酶，并通过对H H+ +的运输的运输建立细胞的电化学梯度；建立细胞的电化学梯度；在动物细胞溶酶体膜和植物细胞的液泡膜上都在动物细胞溶酶体膜

24、和植物细胞的液泡膜上都有有H H+ +-ATP-ATP酶，它们作用都一样，保持这些细胞酶，它们作用都一样，保持这些细胞器的酸性。器的酸性。完成完成大分子大分子和和颗粒性物质颗粒性物质的跨膜运输，因质膜形成囊泡的跨膜运输，因质膜形成囊泡又称又称膜泡运输膜泡运输或批量运输（或批量运输（bulk transport）。属于主动运输。）。属于主动运输。根据物质的运输方向分为：胞吞作用根据物质的运输方向分为：胞吞作用（endocytosis） 胞吐作用胞吐作用（exocytosis）3. 胞吞作用（胞吞作用（endocytosis）与与胞吐作用（胞吐作用（exocytosis）概念：概念：胞吞作用通过细

25、胞膜内陷形成囊泡（胞吞泡），将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。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）（溶液）（溶液）吞噬作用（吞噬作用（phagocytosisphagocytosis）（固体）（固体）胞吞作用：胞吞作用：吞噬作用吞噬作用特点：胞吞物为特点：胞吞物为大分子大分子和和颗粒颗粒物质；物质； 形成的胞吞泡大（直径大于形成的胞吞泡大（直径大于250nm）；）； 信号触发过程；信号触发过程；作用：防御侵染和垃圾清除工。作用：防御侵染和垃圾清除工。批量内吞（批量内吞（Bulk-

26、phase endocytosis）vdoes not require surface membrane recognition.It is the nonspecific uptake of extracellular fluids. 细胞表面的内陷（caveolae）是发生非特异性内吞的部位。网格蛋白网格蛋白(clathrin)50100nm五边形网格结构三腿蛋白网格蛋白接合素蛋白接合素蛋白(adaptin)衔接蛋白与膜受体细胞质结构域中的信号序列相互作用受体介导的胞吞作用：配体和受体结合受体介导的胞吞作用：配体和受体结合网格蛋白聚集网格蛋白聚集有被小窝有被小窝去被的囊泡和去被的囊泡和胞内体胞内体融合融合有被小泡有被小泡胞内体胞内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是传输由胞是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是传输由胞吞作用摄入的物质到溶酶体中被降解。吞作用摄入的物质到溶酶体中被降解。溶酶体溶酶体胞吞过程中受体与配体的命运胞吞过程中受体与配体的命运受体受体: :（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