医学细胞生物学：03-细胞膜与物质运输

细胞膜与物质运输（68）

主动运输类型ATP驱动泵离子电化学梯度提供能量的协同运输光驱动泵（见细菌）[特点]

1、需“载体蛋白”

（均为跨膜蛋白），具

有与离子或分子的

结合位点，在膜的胞质侧有1个或多个ATP结合位点。

2、分解ATP（具ATP酶活性），造成载体构象变化，从而与离子或分子亲和力改变。完成物质运输。四、ATP驱动泵[举例]

Na+-K+泵，Ca2＋泵，H＋泵、

ABC转运体等1.P-型离子泵

都有2个独立的α亚基，绝大多数还具有2个β亚基。α亚基具功能活性，β亚基起调节作用。此类型的泵在工作中形成磷酸化（phosphorylation）的中间体，因此称为P-型离子泵。常见：动物细胞的Na+-K+泵、Ca2+泵；哺乳类胃腺分泌细胞上的H+-K+泵①.Na+-K+泵的结构K+结合位点（乌本苷）Na+结合位点寡糖链钠钾泵的工作过程Na+-K+泵作用过程Na+—K+泵工作的生理意义Na+—K+泵普遍存在于动物细胞膜上。大多数动物细胞要消耗1/3的ATP来维持Na+—K+泵的工作。其生理意义在于：

A.调节渗透压，维持恒定的细胞体积；

B.产生和维持膜电位；

C.为某些物质的吸收提供驱动力；

D.为蛋白质的合成和代谢提供必要的离子浓度。

Ca2+

泵主要存在于所有真核细胞的细胞膜和某些细胞器（如内质网、叶绿体）膜上，它将Ca2+

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Ca2+

（一般胞外是胞内的浓度的10000）；Ca2+

泵在肌质网上，抽入并储存Ca2+

，对调节肌细胞的收缩与舒张至关重要。

②.Ca2+泵

作用机理示意图

Ca2+

泵（Ca2+pump）又称Ca2+

—ATP酶，有约10个跨膜α螺旋，细胞内钙调节蛋白与之结合以调节Ca2+

泵的活性，每消耗一个ATP分子转运出2个Ca2+

。Ca2+

高亲和位点Ca2+

低亲和位点2.V-型质子泵

一些特化细胞质膜上的H+泵。如：破骨细胞、肾小管上皮细胞。，利用水解ATP,将H+泵出细胞或抽入细胞器内。由于它大量存在真核细胞的酸性膜泡（vacuole）上，故称为V-型质子泵。（第一个字母）如：内体、溶酶体的膜3.F-型质子泵顺化学梯度运输H+,并利用其顺化学梯度转运，使释放的能量将ADP磷酸化为ATP。故其称为H+-ATP合成酶更贴切。如线粒体内膜上的ATP合成酶。4.ABC转运体——运输小分子是一类转运小分子物质的ATP泵，对转运的物质具有高度特异性，不形成磷酸化中间体。哺乳动物中，肾、肝和小肠细胞等的细胞膜含有丰富的ABC转运体。结构：4个亚基构成。

2个跨膜结构域

2个胞质侧的ATP结合域作用方式：利用ATP水解释放的能量将小分子泵出细胞或泵入细胞器。如：多药抗性转运蛋白（MDR）几种类型的ATP驱动泵P-型泵F-型和V-型泵ABC转运体[特点]1、需“载体蛋白”（同向运输载体），不直接利用

ATP，利用Na+

（动物细胞）或H+（植物和细菌）跨膜梯度驱动。

2、动物细胞需Na+泵消耗ATP转运Na+，造成膜内外

Na+浓度差。驱动营养物的逆浓度梯度运输。五、协同运输（cotransport）[举例]

小肠上皮细胞吸收葡萄糖和氨基酸等。同向运输载体利用Na+跨膜梯度驱动葡萄糖的转运举例：小肠上皮对葡萄糖的吸收Na+-G同向转运载体G-转运载体小肠腔中的G小肠上皮细胞毛细血管或细胞间隙根据物质运输方向，协同运输又分为：同向运输（symport）和反向运输（antiport）。（1）同向运输（symport）：物质跨膜转运方向与离子转移的方向相同。小肠上皮细胞和肾小管上皮细胞吸收葡萄糖或氨基酸等有机物。（2）反向运输（antiport）：物质跨膜转运方向与离子转移的方向相反。肾小管上皮细胞中的Na+-K+交换和Na+-H+交换。Summarysimplediffusionionchanneldiffusionfacilitateddiffusionionpumpcotransport●Passivetransport●Activetransport1.穿膜运输方式离子通道典型位置功能K+通道大多数动物细胞膜维持膜静息电位电压门控Na+通道神经细胞轴突质膜产生动作电位电压门控K+通道神经细胞轴突质膜在一个动作电位之后恢复静息电位电压门控Ca2+通道神经终末质膜激发神经递质释放乙酰胆碱受体通道肌细胞（在神经肌肉接头处）质膜兴奋性突触信号GABA(γ-氨基丁酸)受体（GABA门控Cl-通道）多数神经元（突触）质膜抑制性突触信号压力激活的阴离子通道内耳听觉毛细胞感觉声波震动2.参与穿膜运输的离子通道3.参与穿膜运输的载体蛋白载体蛋白位置能量来源功能葡萄糖载体蛋白大多数动物细胞质膜无被动输入葡萄糖Na+驱动的葡萄糖泵肾与肠上皮细胞顶部质膜Na+梯度主动输入葡萄糖Na+-H+交换器动物细胞质膜Na+梯度主动输出H+离子，调节pHNa+-K+泵（Na+-K+-ATP酶）大多数动物细胞质膜水解ATP主动输出Na+,输入K+Ca2+泵（Ca2+-ATP酶）真核细胞质膜水解ATP主动运输Ca2+H+泵动物细胞溶酶体膜水解ATP从细胞质中主动输入H+ABC转运体哺乳动物肾、肝、小肠等细胞膜水解ATP将小分子从细胞内输出到胞外单运输共运输对运输协同运输4.载体蛋白参与物质运输形式Coupledtransport

大分子（蛋白质、核酸、多糖）颗粒运输方式；第二节膜泡运输

transportbyvesicleformation

伴随膜本身结构的融合、重组和移位；

耗能膜泡运输的两种方式一、胞吞作用（endocytosis）二、胞吐作用（exocytosis）吞噬作用胞饮作用受体介导的内吞作用（一）吞噬作用（phagocytosis）[特点]（1）吞入物：吞入较大固体颗粒或分子复合物如细菌、无机尘粒和细胞碎片（2）步骤：物质附着－膜凹陷－膜分离－膜融合（3）结果：形成“吞噬体”或“吞噬泡”[举例]

（1）原生动物获取营养的方式（2）巨噬细胞、单核细胞和中性粒白细胞防御微生物侵入，清除衰老和死亡的细胞吞噬作用示意图变形虫伸出伪足正在吞噬细菌巨噬细胞正在接近并吞噬细菌巨噬细胞正在吞噬红细胞（二）胞饮作用（pinocytosis）[特点]

（1）吞入物：大分子液体溶质或极微小颗粒；（2）步骤：液体吸附－膜凹陷－膜分离－膜融合；（3）结果：形成“胞饮体”或“胞饮小泡”[举例]

主要存在于变形虫、小肠上皮细胞、毛细血管内皮细胞等胞饮作用电镜照片阿米巴体内胞饮作用渠道阿米巴体内胞饮小泡

胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别

特征内吞泡大小转运方式内吞泡形成机制

胞饮作用小于150nm连续发生吞噬作用大于250nm需受体介导的需要微丝及结合蛋信号触发过程白的参与

吞噬泡的形成则需要有微丝及其结合蛋白的帮助。

晚期内体

伪足

细菌吞噬泡来自高尔基复合体带有水解酶的初级溶酶体成熟溶酶体（细菌被酸性水解酶降解）细胞质膜（三）受体介导的内吞作用（receptormediatedendocytosis）

是通过网格蛋白有被小泡（clathrincoatedvesicle）介导配体与细胞之间的选择性运输，其中接合素蛋白或衔接蛋白（adaptin）负责受体介导的胞饮作用。受体介导的内吞过程的电镜照片衣被小窝和衣被小泡的形成过程模式图衣被形成的关键蛋白：◎三腿蛋白复合体：牵引细胞膜向内凹陷。◎衔接蛋白（结合素蛋白）：决定特异性（识别受体胞质侧结构域，连接膜与网格蛋白）三腿蛋白复合体衣被的结构单位篮网状小泡衣被衣被的电镜照片（36个三腿复合蛋白形成五边形或六边形）重链轻链[特点]（1）有受体参与，特异性很强

（2）选择浓缩机制，速度快（3）过程：配体受体识别→质膜凹陷→“有被小窝”→有被小泡→进入细胞内→无被小泡→与膜内体结合→

多种形式完成生理过程。[举例]

铁的吸收，胆固醇的吸收等受体介导的胞吞作用作用特点：受体介导的内吞作用途径（1）途径1——配受体分离、受体返回（2）途径2——受体与配体保持结合，再循环（配体将携带的某种分子释放在细胞中）（3）途径3——受体与配体都被水解（4）途径4——受体与配体保持结合，一起转移到细胞的另一侧（1）途径1——配受体分离，受体返回

例如：胆固醇的吸收

胆固醇载脂蛋白B载脂蛋白B胆固醇复合体---低密度脂蛋白（LDL）颗粒LDL受体介导的内吞过程有被小窝（泡）脱衣被无被小泡与膜内体融合H＋离子泵入，pH下降至5～6，受体与LDL解离H＋H+LDL转运入溶酶体溶酶体水解酶游离胆固醇受体泡受体再循环受体汇集LDL受体LDL颗粒细胞膜（2）途径2——受体与配体保持结合，再循环

（配体将携带的某种分子释放在细胞中）

例如：铁的吸收（3）途径3——受体与配体都被水解

许多调节细胞功能的信号物质属于这种情况。如：表皮生长因子（EGF）过程：EGF+受体脱衣被配受体分离（但受体不回收）配受体同时进入溶酶体降解此过程又称为受体减量调节。可降低细胞对EGF的敏感性。膜内陷、有被小窝形成（4）途径4——受体与配体保持结合，一起

转移到细胞的另一侧

又称为穿胞吞吐作用。如：新生小鼠可通过此方式从母乳中获得抗体。受体介导的胞吐作用途径示意图二、胞吐作用（外排作用exocytosis）[特点]膜融合；小泡运输；耗能。

[举例]蛋白质如胰岛素；小分子如组胺。胞吐途径：组成型途径和调节型调节1、结构性分泌途径：

从高尔基体分泌的囊泡向质膜流动并与质膜融合的过程，通过这种途径，新合成的囊泡膜的蛋白和脂类不断地供应质膜的更新，确保细胞分裂前质膜的生长；囊泡内可溶性蛋白分泌到细胞外，有的成为质膜外周蛋白，有的形成细胞外基质组分，有的作为营养成分或信号分子扩散到胞外液。2、调节性分泌途径：

特化的分泌细胞产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）储存在分泌泡内，当细胞受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合将内含物释放出去的过程。调节分泌途径：激素、消化酶、神经递质结构分泌途径：膜蛋白、膜脂、细胞外基质信号分子：如激素、神经递质等细胞外细胞膜细胞质新合成的结构性胞吞的可溶性蛋白新合成的构建质膜的脂类分子非调控性膜融合新合成的膜蛋白反面高尔基网胞内信号通路储存分泌蛋白的分泌泡调控性膜融合高尔基复合体物质进出细胞膜穿膜运输膜泡运输被动运输主动运输胞吞作用胞吐作用简单扩散离子通道扩散易化扩散

离子泵伴随运输吞噬作用胞饮作用受体介导的胞吞结构性分泌调节性分泌第三节

膜转运系统异常与疾病

P75一、胱氨酸尿症

载体蛋白先天缺陷，对4种氨基酸（胱氨酸、赖氨酸、精氨酸、鸟氨酸）重吸收先天障碍。血液中4种氨基酸低于正常值，而尿液中高于正常值。

胱氨酸尿症最常见的症状是肾绞痛,通常发生在10～30岁间。由于尿路梗阻可引起尿感和肾功能衰竭。二、肾性糖尿病

Na+、糖伴随运输的载体功能下降。一般症状：腹泻，脱水与营养不良三、囊性纤维化（cysticfibrosis,CF）

离子通道异常疾病，是一种遗传病。在东方人中，CF患者罕见。

患者由于编码囊性纤维穿膜转导调节子（CFTR）的基因发生突变使细胞转运到细胞外的Cl-

减少，Cl-

和H2O不能进入外分泌腺分泌的黏液中去。黏液的水化不足将引起黏度增大，造成大量黏液阻塞全身外分泌腺，引起慢性阻塞性肺疾病和胰腺功能不全。

临床症状：大量黏液和反复发作的难治性肺部感染，长期腹泻、吸收不良，生长发育迟缓等

四、家族性高胆固醇血症

（1）LDL受体先天异常（2）有被小窝受体结合部位缺失遗传性高胆固醇血症患者复习与思考一、名词解释：脂筏双亲媒性分子主动转运简单扩散胞吐作用胞吞作用二、简答题或论述题1、生物膜的基本特征是什么？这些特征与它的生理功能有什么联系？2、比较主动运输与被动运输的特点。3、受体介导的胞吞作用有几种方式？其各有什么特点？4、比较结构性分泌和调节性分泌的特点及其生物学意义。5、列举1~2例说明物质运输异常与哪些疾病有关。细胞膜与细胞的信号转导P78

细胞通信的作用脂类合成酶细胞膜（运输）微管的组装与去组装内质网（蛋白质的合成）磷酸化激酶糖原合成酶激活磷酸化酶（糖原降解）细胞核（DNA合成；细胞分化；RNA合成）Contents信号转导相关概念

信号分子（第一信使、第二信使）

受体（三种类型）膜受体介导的穿膜信号转导途径学习要点掌握：1.信号转导、受体、第一信使、第二信使概念；

2.cAMP信号途径熟悉：1.三类受体结构及其与配体结合特点；

2.磷脂酰肌醇信号途径。了解：cGMP、RTK-Ras和JAK-STAT信号途径第一节细胞的化学信号分子及其受体一、信号分子1、概念

一般指存在于胞外或进入细胞后，与受体分子结合，引起细胞产生生物学效应的化学分子或物理因子。2、信号分子作用特点：

①特异性：一种信号作用一种或几种细胞②复杂性：同一信号对不同细胞产生不可效应如：乙酰胆碱（心肌细胞舒张，骨骼肌细胞收缩，分泌细胞分泌）③时间效应：反应快、效应短（神经递质）；反应慢、效应久（激素）。3、信号分子类型◆根据溶解度①亲脂性：甾醇类激素、甲状腺素②亲水性：神经递质、生长因子、局部化学递质、大多数肽类激素。◆根据产生的时间顺序：第一信使（primarymessenger）：细胞外信号分子，与细胞受体结合并传递信息。第二信使（Secondmessenger）：第一信使与受体作用后在细胞内最早产生的信号分子。包括cAMP、cGMP、三磷酸肌醇

(IP3)、二酰基甘油(DAG)等。1971TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine

第二信使学说（theoryofsecondmessenger）

"forhisdiscoveriesconcerningthemechanismsoftheactionofhormones"

EarlW.Sutherland,Jr.USA

b.1915

d.1974◆穿膜信号转导

信号分子与胞膜受体相互作用，通过信号转换把细胞外信号转变为细胞能“感知”的信号，诱发细胞对外界信号作出相应的反应。

细胞外液胞质溶胶信号通路胞内反应信号分子受体二、受体(receptor)概念：是一类能识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子。分布：细胞内受体细胞膜受体（一）细胞膜受体的化学成分和结构

1、化学成分：多为糖蛋白（99%—98%）也有糖脂或糖脂蛋白（1%—2%）2、膜受体的分子结构细胞内域

（亲水区）

细胞外域（亲水区，有寡糖链结合）

跨膜域（疏水区，1个或多个）跨膜糖蛋白识别部：“调节亚单位”，

识别信号并与之结合转换部：“传导部”

中转，偶联效应部：“催化亚单位”

被激活,催化后续反应产生调节功能3、膜受体的类型（组成多肽链的数目）单体型受体低密度脂蛋白（LDL）受体LDL结合位点N-连接寡糖链O-连接寡糖链细胞膜N-乙酰胆碱受体的化学组成由多条肽链构成的受体：复合型受体（二）细胞表面受体的类型（据作用方式的不同）无活性催化结构域活化的催化结构域3、酶联受体鸟嘌呤核苷酸结合蛋白2、G蛋白偶联受体1、离子通道偶联受体形成二聚体的信号分子被激活的酶被激活的G蛋白被激活的酶信号分子信号分子信号分子膜受体及介导的信号转导途径第一信使膜受体信号转换激活的酶第二信使神经递质

配体闸门通道化学信号变为电信号激素等G蛋白偶联受体G蛋白腺苷酸环化酶(AC)磷脂酶C（PLC）cAMPIP3,DG，生长因子等酶联受体

鸟苷酸环化酶受体酪氨酸蛋白激酶受体鸟苷酸环化酶（GC）酪氨酸激酶

cGMP第二节信号转导途径

一、离子通道偶联的信号转导途径二、G蛋白偶联受体信号转导途径

1.三聚体GTP结合调节蛋白（G蛋白）

——信号转换器或分子开关（一）G蛋白偶联的信号通路膜蛋白成员无活性的G蛋白有活性的G蛋白G蛋白的结构与作用G蛋白的类型

1、刺激型的G蛋白（Gs）

2、抑制性的G蛋白（Gi）

3、Gp蛋白（与磷脂酶C作用）抑制Ac的活性产生cAMP产生DAG和IP3

乙酰胆碱受体激酶磷酸化打开离子通道G蛋白偶联受体小G蛋白吉尔曼(

AlfredG.Gilman)

美国

罗德贝尔(MartinRodbell)

美国1994年诺贝尔生理学或医学奖发现G-蛋白及其在细胞内信号传导中的作用

激素受体（R）的一般结构模式图，7次穿膜。膜外有信号分子结合位点，膜内有与G-蛋白相作用的位点信号分子结合位点与G-蛋白相作用的位点2.G蛋白偶联受体——被G蛋白激活的蛋白质。如：Ac

跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。活性位点3.G蛋白效应器（二）G蛋白偶联受体介导的信号途径1.cAMP信号通路2.磷脂酰肌醇信号通路1.cAMP信号通路①细胞膜上的cAMP信号通路组分G-蛋白静息和激活状态Activemodel分子开关所有蛋白质均结合在膜上G-蛋白活化后与环腺苷酸环化酶（AC）结合并将其激活，ATPcAMP（第二信使）第二信使AC◎cAMP信号通路组成②cAMP信号通路的信号传导过程环腺苷酸磷酸二酯酶蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成。cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活蛋白激酶A的活性。调节亚基无活性的催化亚基cAMP和调节亚基复合物被激活的催化亚基肌肉细胞中糖原的降解蛋白激酶调节糖原的降解无活性的磷酸化酶激酶无活性糖原磷酸化酶糖原被激活的糖原磷酸化酶被激活的磷酸化酶激酶无活性的蛋白激酶A被激活的蛋白激酶A1-磷酸葡萄糖糖酵解受cAMP调控的基因中，在其转录调控区有一共同的DNA序列(TGACGTCA)，称为cAMP应答元件(cAMPresponseelement,CRE)。可与cAMP应答元件结合蛋白(cAMPresponseelementboundprotein,CREB)相互作用而调节此基因的转录。对基因表达的调节作用Fig.cAMP信号通路对基因转录的激活信号分子与受体结合通过G蛋白活化腺苷酸环化酶，导致细胞内cAMP浓度增高激活蛋白激酶A，被活化的蛋白激酶A（催化亚基）转为进入细胞核，使基因调控蛋白（cAMP应答结合蛋白，CREB）磷酸化，磷酸化的基因调控蛋白与靶基因调控序列结合，增强靶基因的表达。cAMP的降解环腺苷酸磷酸二酯酶G蛋白功能异常：霍乱霍乱的发生机制GTP

小结cAMP信号通路组成：第一信使

G蛋白偶联受体

G蛋白

AC

cAMP（第二信使）→PKA→胞内效应2.磷脂酰肌醇信号通路磷脂酰肌醇途径PLCGqPIP2

磷脂酶C二酰基甘油滑面内质网释放Ca2+磷酸化胞内蛋白活化的PKCIP3和DG的作用

依赖于IP3的钙通道内质网腔基质内蛋白磷酸化磷脂酶C信号（储存的钙离子耗尽时）钙通道打开

①IP3的作用：②PKC（由DG激活）的生理功能：调节代谢活化的PKC引起一系列靶蛋白的丝、苏氨酸残基磷酸化。靶蛋白包括：质膜受体、膜蛋白和多种酶。调节基因表达Ca2+信号的消除

钠钙离子对运输钙泵内质网（钙泵）细胞质内钙结合分子线粒体的钙运输钙结合分子内质网线粒体

受体

G蛋白

ACPLCcAMPPKA靶蛋白磷酸化靶基因转录PIP2IP3DAGCa2+释放PKC靶蛋白磷酸化G蛋白介导的信号转导途径三、酶联受体信号转导途径（一）cGMP信号途径cGMP为广泛存在于动物细胞中的胞内信使。与cAMP的形成相似，它是由GTP水解而形成。但cGMP在细胞中的含量很低。仅为cAMP的1/100～1/10。

GTPcGMP

cGMP可被细胞中的磷酸二酯酶水解，所以GC和磷酸二酯酶可双重调节细胞中cGMP的含量。GCGC的类型：A、结合型GC

主要存在于细胞膜上；在核膜、内质网、高尔基复合体、线粒体等膜性结构中也有分布。B、可溶性GC（需NO活化）

主要出现在脑、肝、肺等组织中。二者均通过激活PKG（cGMPdependentproteinkinaseG）使相应蛋白磷酸化，进而引起细胞效应。

两种类型的Gc结构示意图结合型可溶型NO活化GC，形成cGMP，进而激活PKG，使血管平滑肌松弛和血管舒张乙酰胆碱内皮细胞钙调蛋白精氨酸瓜氨酸乙酰胆碱内皮细胞钙调蛋白精氨酸瓜氨酸可溶性的Gc作用方式：信号分子——NOGc注：NOS——氧化氮合成脢(NitricOxideSynthase)（二）受体酪氨酸蛋白激酶信号通路

受体酪氨酸激酶的二聚化和自磷酸化酪氨酸激酶表皮生长因子结合位点胞外胞内胞质溶胶中的酪氨酸尾表皮生长因子受体结构被活化的表皮生长因子受体1.受体酪氨酸激酶的结构与功能

酪氨酸蛋白激酶受体（胰岛素受体）2.受体酪氨酸激酶（RTK）介导的Ras信号通路——丝裂原激活蛋白激酶（mitogen-activatedproteinkinase，MAPK）信号途径相关因子：●信号分子：生长因子●Ras蛋白：ras基因产物，190个氨基酸组成，为1

个亚单位的GTP结合蛋白。Ras类似于G

蛋白的а亚基，起分子开关的作用。●衔接蛋白：具SH2、SH3识别结构域●Ras激活蛋白：只有SH3识别结构域酪氨酸激酶受体激活Ras途径示意图注：SH2、SH3为信号分子间的识别结构域。

SH2：介导信号分子与含磷酸酪氨酸的蛋白分子结合。

SH3：介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子结合。MAPKKK细胞外信号调节激酶激活的Ras激活一条磷酸化级联反应，调控基因表达3、非受体型的酪氨酸激酶介导的

JAK-STAT快速信号途径相关因子：●信号分子：激素或细胞因子●STAT：信号转导和转录激活因子（signaltransducerandactivatoroftranscription）

直达式信