第五章物质的跨膜运输
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细胞生物学 名词解释 第五章 物质的跨膜运输
钙泵作用
维持细胞内较低的Ca2+浓度
钙泵作用机制
原理与钠钾泵相似，Ca2+泵含有10个α螺旋，Ca2+泵处于非磷酸化状态时，2个α螺旋中断形成胞质侧结合2个Ca2+的空穴，ATP在胞质侧与其结合位点结合，水解使相邻结构域Asp磷酸化，导致跨膜螺旋重排，破坏了Ca2+结合位点并释放Ca2+到膜的另一侧。每分解一个ATP，泵出2个Ca2+，将Ca2+输出细胞或泵入内质网腔中储存起来
膜转运蛋白分为两类：载体蛋白和通道蛋白
载体蛋白
多次跨膜蛋白，能与特定的溶质分子结合，通过改变构象介导跨膜转运，有专一性，介导被动运输，也可以介导主动运输
通道蛋白
3种类型：离子通道、孔蛋白、水孔蛋白
形成选择性和门控性跨膜通道。
离子通道
亲水性跨膜通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过
离子通道的特征：转运速率高，没有饱和值，并非连续性开放而是门控（可开/关控制其活性）、选择性。
胞吐作用
exocytosis
细胞内合成的生物分子（蛋白质和脂质等）和代谢物以分泌泡的形式与质膜融合，将内容物释放到细胞表面或胞外的过程。分为组成型和调节性胞吐途径
胞吞作用
endocytosis
通过质膜内陷形成膜泡，将细胞外或细胞质膜表面的物质包裹到膜泡内并转运到细胞内以维持细胞正常的代谢活动。（胞饮和吞噬作用）。
细胞生物学
第五章物质的跨膜运输
简单扩散、被动运输（协助扩散）、主动运输、胞吞胞吐中文英Fra bibliotek/备注解释
被动运输
指溶质顺着电化学梯度或浓度梯度，在膜转运蛋白协助下的跨膜转运方式，又叫协助扩散。不需要能量。
简单扩散
小分子的热运动使分子以扩散的方式，从膜的一侧沿浓度梯度降低的方向进入另一侧，也叫自由扩散(无需能量和转运蛋白协助)
维持细胞内较低的Ca2+浓度
钙泵作用机制
原理与钠钾泵相似，Ca2+泵含有10个α螺旋，Ca2+泵处于非磷酸化状态时，2个α螺旋中断形成胞质侧结合2个Ca2+的空穴，ATP在胞质侧与其结合位点结合，水解使相邻结构域Asp磷酸化，导致跨膜螺旋重排，破坏了Ca2+结合位点并释放Ca2+到膜的另一侧。每分解一个ATP，泵出2个Ca2+，将Ca2+输出细胞或泵入内质网腔中储存起来
膜转运蛋白分为两类：载体蛋白和通道蛋白
载体蛋白
多次跨膜蛋白，能与特定的溶质分子结合，通过改变构象介导跨膜转运，有专一性，介导被动运输，也可以介导主动运输
通道蛋白
3种类型：离子通道、孔蛋白、水孔蛋白
形成选择性和门控性跨膜通道。
离子通道
亲水性跨膜通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过
离子通道的特征：转运速率高，没有饱和值，并非连续性开放而是门控（可开/关控制其活性）、选择性。
胞吐作用
exocytosis
细胞内合成的生物分子（蛋白质和脂质等）和代谢物以分泌泡的形式与质膜融合，将内容物释放到细胞表面或胞外的过程。分为组成型和调节性胞吐途径
胞吞作用
endocytosis
通过质膜内陷形成膜泡，将细胞外或细胞质膜表面的物质包裹到膜泡内并转运到细胞内以维持细胞正常的代谢活动。（胞饮和吞噬作用）。
细胞生物学
第五章物质的跨膜运输
简单扩散、被动运输（协助扩散）、主动运输、胞吞胞吐中文英Fra bibliotek/备注解释
被动运输
指溶质顺着电化学梯度或浓度梯度，在膜转运蛋白协助下的跨膜转运方式，又叫协助扩散。不需要能量。
简单扩散
小分子的热运动使分子以扩散的方式，从膜的一侧沿浓度梯度降低的方向进入另一侧，也叫自由扩散(无需能量和转运蛋白协助)
第5章 跨膜运输
6
脂溶性与扩散速率
质 壁 分 离 ， 而 置 于 高 浓 度 的 酒 精 溶 液 中 时 则 不 会 ？
当 把 植 物 细 胞 置 于 高 浓 度 蔗 糖 溶 液 时， 很 快 会 发 生
7
人工膜对各类物质的通透率： 疏水分子（非极性分子）容易透过； 带电离子不容易透过；
极性不带电荷的小分子比大分子容易透过；
14
Typical gated channels
电压门通道 配体门通道 压力激活通道
15
■压力激活通道
（Stretch-gated channels)
听觉毛状细胞的离子通道就是一例。声音的振动激 活通道，门开放，允许离子进入毛状细胞，这样建 立起一种电信号，并且从毛状细胞传递到听觉神经， 然后传递到脑。
8
◆水分子不溶于脂, 并具有极性,理应不能自由 通过质膜, 但实际却是很容易通过膜。原因是:
plasma membranes of many cells contain proteins, called aquaporins, that allow the passive movement of water from one side to the other. such as cells of the kidney tubule and plant roots 水分子本身比较小； 膜上有水孔蛋白通道
24
作用：
维持细胞内一定的Na+/K+浓度； 该浓度梯度为葡萄糖协同运输提供驱动力； 有助于建立膜电位。
25
2
2+ Ca
pump,
2+ Ca
ATPase
● The Ca2+ -ATPase present in both the plasma membrane and the membranes of the endoplasmic reticulum.
脂溶性与扩散速率
质 壁 分 离 ， 而 置 于 高 浓 度 的 酒 精 溶 液 中 时 则 不 会 ？
当 把 植 物 细 胞 置 于 高 浓 度 蔗 糖 溶 液 时， 很 快 会 发 生
7
人工膜对各类物质的通透率： 疏水分子（非极性分子）容易透过； 带电离子不容易透过；
极性不带电荷的小分子比大分子容易透过；
14
Typical gated channels
电压门通道 配体门通道 压力激活通道
15
■压力激活通道
（Stretch-gated channels)
听觉毛状细胞的离子通道就是一例。声音的振动激 活通道，门开放，允许离子进入毛状细胞，这样建 立起一种电信号，并且从毛状细胞传递到听觉神经， 然后传递到脑。
8
◆水分子不溶于脂, 并具有极性,理应不能自由 通过质膜, 但实际却是很容易通过膜。原因是:
plasma membranes of many cells contain proteins, called aquaporins, that allow the passive movement of water from one side to the other. such as cells of the kidney tubule and plant roots 水分子本身比较小； 膜上有水孔蛋白通道
24
作用：
维持细胞内一定的Na+/K+浓度； 该浓度梯度为葡萄糖协同运输提供驱动力； 有助于建立膜电位。
25
2
2+ Ca
pump,
2+ Ca
ATPase
● The Ca2+ -ATPase present in both the plasma membrane and the membranes of the endoplasmic reticulum.
细胞生物学 第五章 物质的跨膜运输
离子流，产生电信号。 编辑ppt
离子通道的三种类型
编辑ppt
电压门控离子通道：铰链细胞失水 原理：含羞草的叶柄基部和复叶基部,都有一个膨大部分,叫作 叶枕。叶枕细胞 （铰链细胞）受刺激时，其膜钙离子门控通 道打开，钙内流，产生AP，致使铰链细胞的液泡快速失水而 失去膨压，从而叶枕就变得瘫软,小羽片失去叶枕的支持,依次 地合拢起来。
编辑ppt
应力激活的离子通道：2X1013N，0.04nm
编辑ppt
❖ 2、通道蛋白 ❖ 离子通道的特征： ❖ （1）具有极高的转运速率 ❖ 比载体转运速率高1000倍以上；带电离子
的跨膜转运动力来自跨膜电化学梯度。 ❖ （2）离子通道没有饱和值 ❖ 离子浓度增大，通过率也随之增大。 ❖ （3）离子通道是门控的，并非连续开放 ❖ 离子通道的开与闭编辑p受pt 控于适当的细胞信号。
❖ Couple uphill transport to the hydrolysis of ATP.
❖ Mainly in bacteria, couple uphill transport to an input of
energy from light.
编辑ppt
第二节 离子泵和协同转运 ❖ ATP 驱动泵分类：
编辑ppt
水分子 通过水孔蛋白
编辑ppt
第一节 膜转动蛋白与物质的跨膜运输
❖ 二、物质的跨膜运输 ❖ (一)被动运输 ❖ 2、协助扩散 ❖ 各种极性分子和无机离子，以及细
胞代谢产物等顺其浓度梯度或电化学 梯度跨膜转运，无需细胞提供能量， 但需膜转运蛋白“协助”。
编辑ppt
葡萄糖载体蛋白家族
❖ 人类基因组编码12种与糖转运相关的载体 蛋白GLUT1～GLUT12，构成GLUT。
离子通道的三种类型
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电压门控离子通道：铰链细胞失水 原理：含羞草的叶柄基部和复叶基部,都有一个膨大部分,叫作 叶枕。叶枕细胞 （铰链细胞）受刺激时，其膜钙离子门控通 道打开，钙内流，产生AP，致使铰链细胞的液泡快速失水而 失去膨压，从而叶枕就变得瘫软,小羽片失去叶枕的支持,依次 地合拢起来。
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应力激活的离子通道：2X1013N，0.04nm
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❖ 2、通道蛋白 ❖ 离子通道的特征： ❖ （1）具有极高的转运速率 ❖ 比载体转运速率高1000倍以上；带电离子
的跨膜转运动力来自跨膜电化学梯度。 ❖ （2）离子通道没有饱和值 ❖ 离子浓度增大，通过率也随之增大。 ❖ （3）离子通道是门控的，并非连续开放 ❖ 离子通道的开与闭编辑p受pt 控于适当的细胞信号。
❖ Couple uphill transport to the hydrolysis of ATP.
❖ Mainly in bacteria, couple uphill transport to an input of
energy from light.
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第二节 离子泵和协同转运 ❖ ATP 驱动泵分类：
编辑ppt
水分子 通过水孔蛋白
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第一节 膜转动蛋白与物质的跨膜运输
❖ 二、物质的跨膜运输 ❖ (一)被动运输 ❖ 2、协助扩散 ❖ 各种极性分子和无机离子，以及细
胞代谢产物等顺其浓度梯度或电化学 梯度跨膜转运，无需细胞提供能量， 但需膜转运蛋白“协助”。
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葡萄糖载体蛋白家族
❖ 人类基因组编码12种与糖转运相关的载体 蛋白GLUT1～GLUT12，构成GLUT。
细胞生物学-第5章-物质的跨膜运输(翟中和第四版)
二、V 型质子泵和 F 型质子泵
• V 型质子泵广泛存在 于动物细胞的胞内体 膜、溶酶体膜，破骨 细胞和某些肾小管细 胞的质膜，以及植物、 酵母及其他真菌细胞 的液泡膜上 （V 为 vesicle）
• 转运 H+ 过程中不形成 磷酸化的中间体
• 维持细胞质基质 pH 中 性和细胞器内 pH 酸性
– 载体蛋白介导 – 通道蛋白介导
（一）载体蛋白及其功能
• 多次跨膜；通过构象改变介导溶质分子跨膜转运 • 与底物（溶质）特异性结合；具有高度选择性；具有类似
于酶与底物作用的饱和动力学特征；但对溶质不做任何共 价修饰
（一）载体蛋白及其功能
• 不同部位的生物膜往往含有各自功能相关的不同 载体蛋白
（二）通道蛋白及其功能
• 两类主要转运蛋白：
– 载体蛋白：又称做载体、通透酶和转运器。介导被动运输与主动运 输
– 通道蛋白：能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过。只介导被动 运输
两者区别：以不同方式辨别溶质。通道蛋白主要根据溶质大小和电荷和进 行辨别，假如通道处于开放状态，则足够小和带有适当电荷的分子或离子 就能通过；而载体蛋白只允许与其结合部位相适应的溶质分子通过，并且 每次转运都发生自身构象的变化。
动物、植物细胞主动运输比较
三、ABC 超家族
• ABC 超家族也是一 类ATP 驱动泵
• 广泛分布于从细菌 到人类各种生物中， 是最大的一类转运 蛋白
• 通过ATP 分子的结 合与水解完成小分 子物质的跨膜转运
（一）ABC转运蛋白的结构与工作模式
• 4 个“核心”结构域
– 2 个跨膜结构域，分别含6 个跨 膜α 螺旋，形成底物运输通路决 定底物特异性
• 3 种类型：离子通道、孔蛋白以及水孔蛋白 • 大多数通道蛋白都是离子通道 • 转运底物时，通道蛋白形成选择性和门控性跨膜通道
第五章物质跨膜运输
第五章 物质的跨膜运输
第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输 第二节 离子泵和协同运输 第三节 胞吞作用与胞吐作用
MEMBRANE TRANSPORT
细胞进行物质运输的三种不同范畴:
● 细胞运输(cellular transport) 这种运输 主要是细胞与环境间的物质交换;
● 胞内运输(intracellular transport) 是真 核生物细胞内膜结合细胞器与细胞内环 境进行的物质交换;
（二）Ca2+ pump
P型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。 两类： ①肌质网膜上的Ca 2+泵： 1000个AA；与Na-K泵 的α亚基同源；10个跨
膜α螺旋；胞质侧有2个Ca2+结合位点和ATP结合位点,但无钙调蛋白（CaM） 结合位点。
P型钙泵作用模式
②质膜上的Ca 2+泵，其C端是钙调蛋白的结 合位点，当胞内钙离子浓度升高时，钙离子 与钙调蛋白结合，形成激活的Ca 2+-CaM复合 物。与Ca 2+泵结合，进而调节Ca 2+泵的活性。
• 目前在人类细胞中已发现至少10种此类蛋白， 被命名为水孔蛋白（Aquaporin，AQP）。
水孔蛋白结构
由4个亚基组成的四聚 体；每亚基由3对同源 的跨膜α螺旋（1-4、 2-5、3-6）组成
水分子通过水孔蛋白
2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦 金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和 机理研究而获诺贝尔化学奖。
• 产生的机制： ①取决于一套特殊的膜转运蛋白的活性。 如：钠泵、钾泵、钙泵等 ②取决于质膜本身脂双层所具有的疏水性特征。 脂双层形成疏水性分子和离子的渗透屏障，对绝大多数溶质分子和离子是高 度不透的。
第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输 第二节 离子泵和协同运输 第三节 胞吞作用与胞吐作用
MEMBRANE TRANSPORT
细胞进行物质运输的三种不同范畴:
● 细胞运输(cellular transport) 这种运输 主要是细胞与环境间的物质交换;
● 胞内运输(intracellular transport) 是真 核生物细胞内膜结合细胞器与细胞内环 境进行的物质交换;
（二）Ca2+ pump
P型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。 两类： ①肌质网膜上的Ca 2+泵： 1000个AA；与Na-K泵 的α亚基同源；10个跨
膜α螺旋；胞质侧有2个Ca2+结合位点和ATP结合位点,但无钙调蛋白（CaM） 结合位点。
P型钙泵作用模式
②质膜上的Ca 2+泵，其C端是钙调蛋白的结 合位点，当胞内钙离子浓度升高时，钙离子 与钙调蛋白结合，形成激活的Ca 2+-CaM复合 物。与Ca 2+泵结合，进而调节Ca 2+泵的活性。
• 目前在人类细胞中已发现至少10种此类蛋白， 被命名为水孔蛋白（Aquaporin，AQP）。
水孔蛋白结构
由4个亚基组成的四聚 体；每亚基由3对同源 的跨膜α螺旋（1-4、 2-5、3-6）组成
水分子通过水孔蛋白
2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦 金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和 机理研究而获诺贝尔化学奖。
• 产生的机制： ①取决于一套特殊的膜转运蛋白的活性。 如：钠泵、钾泵、钙泵等 ②取决于质膜本身脂双层所具有的疏水性特征。 脂双层形成疏水性分子和离子的渗透屏障，对绝大多数溶质分子和离子是高 度不透的。
第5章_物质的跨膜运输
动物细胞 中常常利 用膜两侧 Na+浓度梯 度来驱动 。
植物细胞和细菌 常利用H+浓度 梯度来驱动。
1. 同向协同（symport）
定义： 物质运输方向与离子转移方向相同 例：小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。 某些细菌对乳糖的吸收伴随着H+的进入。
2转移方向相反
光能驱动（light drive） 由 ATP 直接提供能量的主动运 输、初级主动运输（ primary active transport ） 、 ATP 泵 （ATP-drive pump）
对比
比较三种物质运输方式的异同：
项 目 运输方向 是否需要载 体蛋白 是否消耗细 胞内的能量 代表例子 自由扩散 协助扩散 主动运输 逆浓度梯度 需要 需要消耗
载体蛋白（carrier proteins）：通透酶 （permease）；介 导被动运输与主动 运输；特异性，具 有酶的饱和动力学 特征；构象变化
通道蛋白（ channel proteins ） ： 介 导 被动运输；非特异 性，其选择性在于 溶质足够小和所带 电荷合适；转运速 率极高，接近自由 扩散的理论值；无 饱和性；门控性
通过细胞质膜运出细胞的过程
胞吞作用
胞吞泡
•胞饮泡 •吞噬泡
胞饮作用（pinocytosis）： 胞吞物若为溶液，形成 的囊泡较小，称为胞饮 作用。胞饮作用形成的 胞吞泡称胞饮泡（）
吞噬作用（ phagocytosis）： 胞吞物若为大的颗 粒性物质（如微生 物＆细胞碎片）， 形成的囊泡较大， 称为吞噬作用。吞 噬作用形成的胞吞 泡称吞噬泡（）
4
Ca2+-ATPase结构特点
钙泵功能
（1）红血球的细胞内外Ca2+的浓度梯度很大，可以 认为这是由存在于膜上的Ca2+依赖性ATP酶所引 起的Ca2+的主动排出； （2）肌浆网是靠膜上的Mg2+、 Ca2+ATP酶来进行 Ca2+的主动运输的； （3）线粒体膜依靠电子传递能，以1∶1之比摄取 Ca2+和磷酸； （4）小肠粘膜上皮细胞从食物中摄取Ca2+，此时维 生素D是必需因子。所有这些都可称作钙泵。
第五章物质的跨膜运输翟中和细胞生物学
1、 通道蛋白:根据溶质大小和电荷进行辨别,假如通道处于
开放状态,那么足够小得和带有适当电荷得分子或离子就能 通过。
2、 载体蛋白:只容许与载体蛋白上结合部位相适合得溶质
分子通过,而且载体蛋白每次转运都发生自身构象得改变。
二、被动运输与主动运输
物质得跨膜运输就是细胞维持正常生命活动得基础之一 ● 被动运输(passive transport) ● 主动运输(active transport)
第五章物质的跨膜运输翟中和细胞 生物学
一、脂双层得不透性和膜转运蛋白
载体蛋白 通道蛋白 通道蛋白与载体蛋白得异同
㈠、载体蛋白
结构:多次跨膜得整合性膜蛋白
机制:通过构象得改变介导与之结合得溶质分子得跨膜转运
特征:
如同酶具有特异性结合位点,具有高度得选择性 一次只能与膜一侧得一种溶质结合,经构象变化转运溶质 转运过程具有类似于酶与底物作用得饱和动力学特征 与酶不同对转运得溶质分子不作任何得共价修饰
㈡、通道蛋白
通道蛋白得结构 通道蛋白得特征 通道蛋白得类型
结构
通道蛋白形成跨膜得离子选择性通道。 对离子得选择性依赖于通道得直径和形状 以及通道内衬带电荷氨基酸得分布。 她所介导得被动运输不需要与溶质子结 合,只有大小和电荷适宜得离子才能通过。
特征
具有极高得转运速率 驱动带电荷离子得跨膜转运动力来自溶质得浓度梯
因此,人们推测水得跨膜转运除了简单扩散外, 还存在某种特殊得机制, 并提出了水通道得概念。
1988年Agre在分离纯化红细胞膜上得Rh血型抗原时,发现 了 一 个 疏 水 性 跨 膜 蛋 白 , 称 为 CHIP28 (Channel-Forming integral membrane protein)。1991年得到CHIP28得cDNA序 列,Agre将CHIP28得mRNA注入非洲爪蟾得卵母细胞中,在低渗 溶液中,卵母细胞迅速膨胀,并于5分钟内破裂,纯化得CHIP28置 入脂质体,也会得到同样得结果。细胞得这种吸水膨胀现象会被 Hg2+抑制,而这就是已知得抑制水通透得处理措施。这一发现揭 示了细胞膜上确实存在水通道,Agre因此而与离子通道得研究者 共享2003年得诺贝尔化学奖。
开放状态,那么足够小得和带有适当电荷得分子或离子就能 通过。
2、 载体蛋白:只容许与载体蛋白上结合部位相适合得溶质
分子通过,而且载体蛋白每次转运都发生自身构象得改变。
二、被动运输与主动运输
物质得跨膜运输就是细胞维持正常生命活动得基础之一 ● 被动运输(passive transport) ● 主动运输(active transport)
第五章物质的跨膜运输翟中和细胞 生物学
一、脂双层得不透性和膜转运蛋白
载体蛋白 通道蛋白 通道蛋白与载体蛋白得异同
㈠、载体蛋白
结构:多次跨膜得整合性膜蛋白
机制:通过构象得改变介导与之结合得溶质分子得跨膜转运
特征:
如同酶具有特异性结合位点,具有高度得选择性 一次只能与膜一侧得一种溶质结合,经构象变化转运溶质 转运过程具有类似于酶与底物作用得饱和动力学特征 与酶不同对转运得溶质分子不作任何得共价修饰
㈡、通道蛋白
通道蛋白得结构 通道蛋白得特征 通道蛋白得类型
结构
通道蛋白形成跨膜得离子选择性通道。 对离子得选择性依赖于通道得直径和形状 以及通道内衬带电荷氨基酸得分布。 她所介导得被动运输不需要与溶质子结 合,只有大小和电荷适宜得离子才能通过。
特征
具有极高得转运速率 驱动带电荷离子得跨膜转运动力来自溶质得浓度梯
因此,人们推测水得跨膜转运除了简单扩散外, 还存在某种特殊得机制, 并提出了水通道得概念。
1988年Agre在分离纯化红细胞膜上得Rh血型抗原时,发现 了 一 个 疏 水 性 跨 膜 蛋 白 , 称 为 CHIP28 (Channel-Forming integral membrane protein)。1991年得到CHIP28得cDNA序 列,Agre将CHIP28得mRNA注入非洲爪蟾得卵母细胞中,在低渗 溶液中,卵母细胞迅速膨胀,并于5分钟内破裂,纯化得CHIP28置 入脂质体,也会得到同样得结果。细胞得这种吸水膨胀现象会被 Hg2+抑制,而这就是已知得抑制水通透得处理措施。这一发现揭 示了细胞膜上确实存在水通道,Agre因此而与离子通道得研究者 共享2003年得诺贝尔化学奖。
第五章 物质的跨膜运输
特性：不消耗代谢能
顺浓度梯度或电化学梯度
需特异的膜蛋白协助
膜蛋白：载体蛋白、通道蛋白
载体蛋白及其功能
载体蛋白（carrier proteins）：细胞膜上的跨 膜蛋白
特点：载体蛋白具有高度的特异性 ； 介导被动运输与主动运输。
转运机制：与特定的离子和分子结合，然后通 过自身的构型变化或移动完成物质运输。
由ATP直接提供能量 由ATP间接提供能量 光能驱动
由ATP直接提供能量的主动运输
ATP驱动泵： P-型离子泵、 V-型质子泵、 F-型质子泵(H+-ATP酶) ABC超家族
P-型离子泵
钠钾泵 （Na+-K +-ATP酶） （结构 与机制）
钙泵（Ca2+-ATP酶）
Na+-K +-梯度的意义
维持细胞正常的生命活动 神经冲动的传播 维持细胞的渗透平衡 恒定细胞的体积
概念：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转运 特点：顺浓度梯度；不消耗细胞代谢能 类型：简单扩散（simple diffusion）、
协助扩散（facilitated diffusion）
简单扩散
简单扩散：小分子的热运动使其从浓度高的一侧通过膜扩 散到浓度低的一侧。
特点：不需要膜蛋白的帮助，也不消耗细胞代谢能，而只 靠膜两侧保持一定的浓度差，通过扩散发生的物质运输。
膜流
质膜与内膜系统间及内膜系统各部分间膜 的交换和转移 动态过程对质膜更新和维持细胞的生存与 生长是必要的
水通道蛋白(aquaporin)
● 大多数水是直接通过脂双层进入细胞的，也有些水是
通过水通道蛋白进行扩散的。动物和植物细胞中已经 发现10种不同的水通道蛋白。水通道蛋白 AQP1是人 的红细胞膜的一种主要蛋白。它能够让水自由通过(不 必结合)，但是不允许离子或是其他的小分子(包括蛋 白质)通过
细胞生物学 第五章 物质的跨膜运输与信号传递
钙泵和质子泵
钙泵：动物细胞质膜及内质网膜，1000 Aa组成的 跨膜蛋白，与Na+-K+ 泵的亚基同源，每一泵单位 约10个跨膜螺旋，与胞内钙调蛋白结合调节其活 性
质子泵
P型质子泵：真核细胞膜 V型质子泵：溶酶体膜和液泡膜 H+-ATP酶：顺浓度梯度，线粒体内膜，类囊体膜和细菌
质膜
在动物、植物细胞由载体蛋白介导的协同运输异同点的比较
调节型胞吐途径：蛋白分选由高尔基体反面 管网区受体类蛋白决定
BACK
第二节 细胞通信与信号传递
细胞通讯与信号传递 通过细胞内受体介导的信号传递 通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递 由细胞表面整联蛋白介导的信号传递 细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合
信息
一、细胞通讯与信号传递
道
主动运输(active transport)
●特点：运输方向、能量消耗、膜转运蛋白 ●类型：
由ATP直接提供能量的主动运输 钠钾泵 钙泵 质子泵
协同运输(cotransport) 由Na+-K+泵（或H+-泵）与载体蛋白协同作用
物质的跨膜转运与膜电位
钠钾泵(Na+-K+ pump)
动物细胞 1/3-2/3能量用于细胞内外Na+-K+ 浓度 和二亚基组成， 亚基120kD， 亚基50kD 亚基Asp磷酸化与去磷酸化 1ATP转运3 Na+和2K+ 抑制剂：乌本苷 促进：Mg2+和膜脂 作用：保持渗透平衡
载体蛋白(carrier proteins)及其功能
与特定溶质分子结合，通过一系列构象变化 介导溶质分子的跨膜转运
通透酶，但改变平衡点，加速物质沿自由能 减少方向跨膜运动的速率
植物生理学第五章 物质的跨膜运输
+ 两类主要转运蛋白：
转运分子 通道蛋白
载体蛋白
浓度梯度
简单扩散
被动转运
（一）载体蛋白及其功能
疏水性小分子，可溶于双脂层。如缬氨霉 素，短杆菌肽A
载体蛋白通过构象改变介导 溶质（葡萄糖）被动运输
（二）通道蛋白及其功能
+ 3种类型：离子通道、孔蛋白及水孔蛋白 + 跨膜亲水性通道，允许特定离子顺浓度梯度通过，大多数
速率； ③特异性，对溶质的亲和性不同；④饱和性。
1、葡萄糖转运蛋白：葡萄糖浓度决定其转运方向 2、水孔蛋白（水通道）
+ 20世纪80年代，Agre发现第一 个水孔蛋白CHIP28 （28 KD ）
+ 目前已发现至少200种此类蛋 白，被命名为水孔蛋白 （Aquaporin，AQP）。
+ 功能：肾小管水的重吸收；脑 中排出额外的水；唾液和眼泪 的形成等
第二节 ATP驱动泵与主动运输
ATP驱动泵：将ATP水解，利用释放的能量将小分子物质或离子进行跨膜转运， 又称转运ATPase。
一、P型泵
一、钠钾泵 构 成 ： 由 2 个 大 亚 基 、 2 个 小 亚 基 组 成 的 4 聚 体 ， 也 叫 Na+-
K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。 + 工作原理：
结构相似。
Voltage gated K+ channel K+电位门有四个亚单位，每 个亚基有6个跨膜α螺旋(S1S6) ，N和C端均位于胞质面。 连接S5-S6段的发夹样β折叠， 构成通道内衬，大小允许K+ 通过。
S4段是 电压感 受器
3、应力激活通道
+ 感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。 + 两类应力激活通道： + 一类对牵拉敏感，为2价或1价的阳离子通道，有
第05章+物质的跨膜运输
50
输入型 输出型
细菌和真核细胞的ABC转运蛋白 51
29
（一）ATP驱动泵
——ATP直接提供能量的主动运输
（二）协同转运
——ATP间接提供能量的主动运输
（三）光能驱动泵
30
（一）ATP驱动泵
——ATP直接提供能量的主动运输
利用ATP水解提供的能量驱动离子或小分 子逆浓度梯度或电化学梯度进行跨膜主动 运输，类似于“泵”的作用，故也称为 ATPase。当运输的物质为离子时常称为离 子泵(Ion pump)。这种主动运输方式直接利 用水解ATP提供能量，所以又称为初级主 动运输。
31
主要类型： 1. P－型离子泵 2. V－型质子泵和F－型质子泵 3. ABC超家族(ABC转运蛋白)
32
1. P-型离子泵
所有的P-型离子泵都有2个独立的催化亚基， 具有ATP结合位点；绝大多数还具有2个小的 亚基，起调节作用。在转运离子过程中，至少 一个 亚基发生磷酸化和去磷酸化反应。
主要类型：
A. Na+－K+ 泵 B. Ca2+ －泵 C. P－型质子泵
33
A. Na+－K+ 泵
结构：
由 和 二个亚基各两个组成， 为多次跨膜 的大亚基， 为一次跨膜的小亚基组成。 亚基具 有Na+、K+和ATP结合位点。
工作原理：
细胞内侧亚基与Na+结合激活了ATP酶活性， 使ATP水解， 亚基的Asp残基被磷酸化，引起亚 基构象改变，将Na+泵出细胞；同时，细胞外K+与 亚基的另一个位点结合，使其去磷酸化， 亚基构 象再度发生改变，将K+泵入细胞，完成整个循环。 每次循环消耗1个ATP，泵出3个Na+ ，泵入2个K+。
输入型 输出型
细菌和真核细胞的ABC转运蛋白 51
29
（一）ATP驱动泵
——ATP直接提供能量的主动运输
（二）协同转运
——ATP间接提供能量的主动运输
（三）光能驱动泵
30
（一）ATP驱动泵
——ATP直接提供能量的主动运输
利用ATP水解提供的能量驱动离子或小分 子逆浓度梯度或电化学梯度进行跨膜主动 运输，类似于“泵”的作用，故也称为 ATPase。当运输的物质为离子时常称为离 子泵(Ion pump)。这种主动运输方式直接利 用水解ATP提供能量，所以又称为初级主 动运输。
31
主要类型： 1. P－型离子泵 2. V－型质子泵和F－型质子泵 3. ABC超家族(ABC转运蛋白)
32
1. P-型离子泵
所有的P-型离子泵都有2个独立的催化亚基， 具有ATP结合位点；绝大多数还具有2个小的 亚基，起调节作用。在转运离子过程中，至少 一个 亚基发生磷酸化和去磷酸化反应。
主要类型：
A. Na+－K+ 泵 B. Ca2+ －泵 C. P－型质子泵
33
A. Na+－K+ 泵
结构：
由 和 二个亚基各两个组成， 为多次跨膜 的大亚基， 为一次跨膜的小亚基组成。 亚基具 有Na+、K+和ATP结合位点。
工作原理：
细胞内侧亚基与Na+结合激活了ATP酶活性， 使ATP水解， 亚基的Asp残基被磷酸化，引起亚 基构象改变，将Na+泵出细胞；同时，细胞外K+与 亚基的另一个位点结合，使其去磷酸化， 亚基构 象再度发生改变，将K+泵入细胞，完成整个循环。 每次循环消耗1个ATP，泵出3个Na+ ，泵入2个K+。
第五章 第一节 物质的跨膜运输
动植物细胞跨膜共运输的示意图
协同运输的分类
(1)共运输（symport)： 物质运输的方向和离子转运方向相同。 如：小肠上皮细胞／肾小管上皮细胞吸 收葡萄糖或氨基酸是伴随着Na＋从细胞外 流入细胞内完成的。
完成共运输的载体蛋白有2个结合位点：
Na ＋结合位点 特异的葡萄糖／氨基酸分子结合位点
一些细菌中，乳糖的吸收和H ＋相伴。 每转移一个H+, 吸收一个乳糖分子。
在简单扩散的跨膜转运中，通透性 主要取决于分子的大小和极性。 简单扩散的本质是小分子的热运动。
2. 协助扩散（facilitated diffusion)
转运分子：
极性分子：葡萄糖、氨基酸、核苷酸等 无机离子：Na+、K+、Ca2+、Cl-
特点：
顺着浓度梯度或电化学梯度跨膜转运 无需供能 特异的膜蛋白“协助”，会使转运速 率增加，转运特异性增强。
离子通道具有2个特征： （1）离子选择性，转运速率高。驱动力 来自溶质跨膜的电化学梯度（溶质的浓 度梯度和跨膜电位差的合力）。电化学 梯度决定了溶质被动运输的方向。 （2）门控的，即活性由“开”和“关 ” 两种构象调节，和信号的应答有关。
离子通道的类型
电压门通道（voltage-gated channel) 膜电位变化引起开启 配体门通道（ligand-gated channel) 化学信号传递，有配体结合引起开启 压力激活通道(stress-activated channel) 压力刺激引发的开启
分布：细胞膜和内质网膜上
功能：将Ca2+ 输出细胞或者泵入内质网腔中
储存起来 维持细胞内低浓度的游离Ca2+ （一般细胞内 外浓度相差104倍） 在肌质网中储存Ca2+ ，对调节肌细胞的收缩 和舒张至关重要
第五讲 物质的跨膜运输
● 消耗能量 主动运输是消耗代谢能的运输方式，有三种不同 的直接能量来源（表3-7） 能量来源： ①协同运输中的离子梯度动力(次级主动运输）； ② ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量（初级主动运输）； ③光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。
表3-7 主动运输中能量来源
载体蛋白 直接能源 Na+-K+泵 细菌视紫红质 磷酸化运输蛋白 间接能源 Na+、葡萄糖泵协同运输蛋白 F1-F0 ATPase Na+、葡萄糖同时进入细胞 H+质子运输， Na+离子梯度 H+质子梯度驱动 Na+的输出和K+的输入 H+从细胞中主动输出 细菌对葡萄糖的运输 ATP 光能 磷酸烯醇式丙酮酸 功能 能量来源
图中用较大号字母表示溶液的高浓度。 (a)通过脂双层的简单扩散；(b)通过膜
整合蛋白形成的水性通道进行的被动运
输;(c)通过同膜蛋白的结合进行的帮助 扩散，也同(a)和(b)一样，只能从高浓
度向低浓度运输;(d) 通过载体介导的
主动运输，这种载体主要是酶，能够催
图3-47 物质跨膜运输的二种基本机制
一）、被动运输(passive transport)
■ 扩散与渗透
细胞质膜具有两个基本的特性∶允许小分子物质通过扩散穿 过细胞质膜，也可以让水通过渗透进出细胞质膜。但是扩散 和渗透是两个不同的概念(图3-51)。 ● 扩散(diffusion)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
为什么所有带电荷的分子(离子)，不管它多小， 都不能自 由扩散?
2、协助扩散
促进扩散是指非脂溶性物质或亲水性物质， 如氨基酸、糖和 金属离子等借助细胞膜上的膜蛋白的帮助顺浓度梯度或顺电 化学浓度梯度， 不消耗ATP进入膜内的一种运输方式。促进 扩散同样不需要消耗能量，并且也是从高浓度向低浓度进行。 促进扩散同简单扩散相比，具有以下一些特点∶ ● 促进扩散的速度要快几个数量级。 ● 具有饱和性: 当溶质的跨膜浓度差
第五章-物质的跨膜运输1
P105
第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输
（二）水孔蛋白：水分子的跨膜通道
传统上认为水主要通过简单扩散运输
令人困惑的现象：
•红细胞移入低渗溶液后，很快吸水膨胀而溶血；
•而水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀。
提出了水通道的可能性。
P106
第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输
水通道蛋白的发现
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，称为 CHIP28 (Channel-Forming integral membrane protein)。
P111
第二节 离子泵和协同转运
（三）H+ 泵（H+ -ATPase）
存在于植物、真菌和酵母的细胞质膜上； 植物细胞膜上的H+泵； 动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）
P112
第二节 离子泵和协同转运
二、V-型质子泵和F-型质子泵 V-type Proton Pump：������ 位于小泡（vacuole）的膜上 由许多亚基构成。 水解ATP产生能量，但不发生自身 磷酸化 从细胞质中逆H+电化学梯度泵出H+进入细胞器
1991年Agre发现CHIP28的mRNA能引起非洲爪蟾 卵母细胞吸水破裂，已知这种吸水膨胀现象会被Hg2+ 抑制。 目前在人类细胞中已发现至少11种此类蛋白，被命 名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。
第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输
水通道蛋白 AQP1是人 的红细胞膜的一种主 要蛋白。它能够让水 自由通过，但是不允 许离子或是其他的小 分子通过。 AQP1是由四个相同的亚基 构成，每个亚基的相对分子 质量为28kDa，每个亚基有 六个跨膜结构域，在跨膜结 构域2与3、5与6之间有一个 P106 环状结构，是水通过的通道。
细胞生物学-第五章 物质的跨膜运输
活通道。
通道蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子 结合，它横跨膜形成亲水通道，允许适宜大小 的分子和带电荷的离子通过。目前发现的通道 蛋白已有50多种，主要是离子通道蛋白
Ion Channels
----or----
1、配体门通道(ligand gated channel)
特点：受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生构 象变化， “门”打开。又称离子通道型受体。 可分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受 体，和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸受体。 Ach受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成 一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构，其中的两个α亚单 位是同两分子Ach相结合的部位。
个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构
象变化），所以这类离子泵叫做P-type。 Na+-K+泵的作用： ①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积； ②维持低Na+高K+的细胞内环境； ③维持细胞的静息电位。 地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有 助提高于其活性。
（二）、钙离子泵
Na+、而与K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复
原状，于是与K+ 结合的部位转向膜内侧，K+ 与酶的亲和力降低，使K+在 膜内被释放，而又与Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转 运出三个Na+，转进两个K+。
钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程（ATP上的一
③肌肉细胞膜的去极化， ④肌肉细胞去极化又引起 肌浆网上的Ca2+ 通道开放。 又使膜上的电压闸门Na+ Ca2+ 从肌浆网内流入细胞 更多的涌入，进一步促 质，细胞质内Ca2+ 浓度急 进膜的去极化，扩展到 剧升高，肌原纤维收缩。
第五章 物质的跨膜运输与信号传导
第五章物质的跨膜运输与信号传导填空题1.物质跨膜运输的主要途径是。
2.被动运输可以分为和两种方式。
3.协助扩散中需要特异的完成物质的跨膜转运，根据其转运特性，该蛋白又可以分为和两类。
4.主动运输按照能量来源可以分为。
5.协同运输在物质跨膜运输中属于类型。
6.协同运输根据物质运输方向于离子顺电化学梯度的转移方向的关系，可以分为7.在钠钾泵中，每消耗1分子的ATP可以转运个钠离子和个钾离子。
8.钠钾泵、钙泵都是多次跨膜蛋白，它们都具有酶活性。
9.真核细胞中，质子泵可以分为三种。
10.真核细胞中，大分子的跨膜运输是通过和来完成的。
11.根据胞吞泡的大小和胞吞物质，胞吞作用可以分为和两种。
12.胞饮泡的形成需要的一类蛋白质的辅助。
13.细胞的吞噬作用可以用特异性药物来阻断。
14.生物体内的化学信号分子一般可以分为两类，一是，一是。
15.细胞识别需要细胞表面的和细胞外的之间选择性的相互作用来完成。
16.具有跨膜信号传递功能的受体可以分为、和1.一般将细胞外的信号分子称为，将细胞内最早产生的信号分子称为。
2.受体一般至少包括两个结构域；。
3.由G蛋白介导的信号通路主要包括：。
4.有两种特异性药物可以调节G蛋白介导的信号通路，即可以使G蛋白α亚基持续活化，而则使G蛋白α亚基不能活化。
磷脂酰肌醇信使系统产生的两个第二信使是。
5.催化性受体主要分为。
6.Ras蛋白在RTK介导的信号通路中起着关键作用，具有，当结合时为活化状态，当结合时为失活状态。
7.Rho蛋白在膜表面整联蛋白介导的信号通路中起重要作用，当其结合时处于活化状态，当其结合时处于失活状态。
8.小分子物质通过脂双层膜的速度主要取决于。
9.协助扩散和主动运输的相同之处主要在于都，主要区别在于10.G蛋白的а亚基上有三个活性位点，分别是。
11.PKC有两个功能域，一个是，另一个是。
12.DAG可被而失去第二是信使的作用，另一个是。
13.EGF的信号接触是通过内吞作用进行的，即。
细胞生物学 5.第五章 物质的跨膜运输与信号转导
图5-1 不同物质透过人工脂双层的能力
图5-6 钾电位门通道
图5-13 吞噬作用图5-14胞饮作用
图5-15外排作用
图5-19化学通信的类型
图5-21细胞间隙连接
图5-23 鸟苷酸环化酶
图5-24 NO的作用机制三、膜表面受体介导的信号转导
图5-25 膜表面受体主要有三类
图5-26 离子通道型受体
5-29 G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白
图5-30 腺苷酸环化酶
Protein Kinase A，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基，在没有cAMP时，以钝化复合体形式存在。
调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和催化亚基解离，释放
图5-31 蛋白激酶A
图5-33 Gs调节模型
cAMP信号途径的反应速度不同，在肌肉细胞
启动糖原降解为葡糖1-磷酸（图5-34），而抑制糖原的合成。
在某些分泌细
图5-34 cAMP信号与糖原降解图5-35 cAMP信号与基因表达
图5-38 IP3和DG的作用
与内质网上的IP3配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内
图5-39 Ca2+信号的消除
图5-41 受体酪氨酸激酶的二聚化和自磷酸化
图5-44 IRS。
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α β 两种亚基组成的二聚体。 α 亚基具有ATP酶的活性； β 亚基是具有组织特异性的糖蛋白。
（一）Na+-K+ 泵（Na+-K+ ATPase）
Figure 11-14 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
1. Na+-K+ 泵结构与转运机制 • 由2 个α 和2 个β 亚基组成四聚体
K+通道具有三种状态：开启、关闭和失活。目前认为S4 段是电压感受器。
Na+、K+、Ca2+三种电压门通道结构相似，在进化上是由 同一个远祖基因演化而来。
Voltage gated K+ channel
K+ channel
4th subunit not shown
2、配体门通道(ligand gated channel)
革兰氏阴性细胞膜、 线粒体和叶绿体外膜 β折叠片 选择性较低， 可以允许大分子
http://bragi.gbf.de/bilder/1UUN.gif
离子通道的类型及其 3 个显著特征
• 具有极高的转运速率（驱动力：浓度差和电位差） • 没有饱和值 • 离子通道非连续性开放而是门控的（电位、化学
信号或者压力刺激）
例如，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, 还存在某种特殊的机制, 并提出了水通道的概念。
2. 水孔蛋白（aquaporin）：水分子的跨膜通道 (2003诺奖 • 水分子借助质膜上的水孔蛋白实现快速跨膜转运
2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农，分别因对细胞膜水通道， 离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。
Peter Agre
Roderick MacKinnon
2. 水孔蛋白：水分子的跨膜通道 (2003诺奖)
• 调节细胞渗透压以及生理与病理作用
Fig . Passage of water molecules through the aquaporin AQP1. Because of the positive charge at the center of the channel, positively charged ions such as H3O+, are deflected. This prevents proton leakage through the channel.
乌苯苷（ouabain）用作强心剂的原理？
1. Na+-K+ 泵结构与转运机制
结合3Na+ 磷酸化
泵出3Na+
泵入2K+
去磷酸化
结合2K+
钠钾泵工作的特性： P-type：依赖自磷酸化来转运离子的离子泵。
2. Na+-K+ 泵主要生理功能
A. 维持细胞膜电位 B. 维持动物细胞渗透
平衡
2. Na+-K+ 泵主要生理功能
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编
细胞生物学（第4版）
第5章 物质的跨膜运输
本章主要内容
• 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输 • ATP驱动泵与主动运输 • 胞吞作用与胞吐作用
第一节 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输
一、脂双层的不透性和膜转运蛋白
• 脂双层疏水对绝大多数极 性分子、离子以及细胞代 谢产物的通透性极低，形 成了细胞的渗透屏障
特点：受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生构 象变化， “门”打开。又称离子通道型受体。 可分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受体， 和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸受体。 Ach受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成 一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构，其中的两个α亚单 位是同两分子Ach相结合的部位。
地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助 提高于其活性。
（二）Ca2+ 泵及其他 P 型泵
• 细胞质基质中低 Ca2+ 浓度的维持 主要得益于质膜 或细胞器膜上的 钙泵
• 每消耗1 分子 ATP 从细胞质基 质泵出 2 个Ca2+
1. Ca2+ 泵的结构与功能
Asp磷酸化
钙离子泵
烟碱型乙酰胆碱受体 Nicotinic
acetylcholine receptor
Three conformation of the acetylcholine receptor
3.应力激活通道
感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。细胞将机 械刺激的信号转化为电化学信号，引起细胞反应的过程称 为机械信号转导（mechanotransduction ）。
Fig. Xenopus oocytes microinjected with AQP1 mRNA swell rapidly when placed in a hypo-osmotic medium, in contrast to noninjected oocytes.
/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/popular.html
（二）被动运输 (passive transport)
• 顺着电化学梯度或浓度梯度 • 协助扩散 (facilitated diffusion) • 膜转运蛋白协助
– 载体蛋白介导 – 通道蛋白介导
1. 葡萄糖转运蛋白
• 12 次跨膜α 螺旋 • 通过构象改变完成葡萄糖的
协助扩散
• 转运方向取决于葡萄糖浓度 梯度
• P 型H+ 泵将 H+ 泵出细胞，建立和维持跨膜 H+ 电化学梯度
H+/K+ ATPase Control of acid secretion in the
stomach
二、V 型质子泵和 F 型质子泵
• V 型质子泵广泛存在 于动物细胞的胞内体 膜、溶酶体膜，破骨 细胞和某些肾小管细 胞的质膜，以及植物、 酵母及其他真菌细胞 的液泡膜上 （V 为 vesicle）
Ser Thr Asp Glu
为什么具有极性的水分子容易穿膜？ 可能是因为水分子非常小，可以通过由于膜质运
动而产生的间隙的缘故。 但是，速度缓慢。
水分子快速跨膜运动是以何种方式实现的？ 水孔蛋白
水孔蛋白的发现
长期以来, 普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。后来发现某些细胞在低渗 溶液中对水的通透性很高, 很难以简单扩散来解释。
• 作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（胞内钙浓度10-7M ，胞外10-3M）（泵入胞外或者内质网内）。
• 位置：质膜（胞内C端与钙调蛋白结合）、内质网膜。 • 类型：P型离子泵，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。
位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。
2. P 型 H+ 泵
• 植物细胞、真菌(包括酵母)和细菌细胞质膜上虽然没有Na+K+ 泵， 但有P 型H+ 泵(H+-ATPase)
• 膜转运蛋白可分为两类：
– 载体蛋白（carrier protein，
transporter）
– 通道蛋白（channel protein）
（一）载体蛋白及其功能
• 多次跨膜；通过构象改变介导溶质分子跨膜转运 • 与底物（溶质）特异性结合；具有高度选择性；具有类似
于酶与底物作用的饱和动力学特征；但对溶质不做任何共 价修饰
• 至少有一个α 催化亚基发生 磷酸化和去磷酸化反应，改 变转运泵的构象，实现离子 的跨膜转运
• 转运泵水解ATP 使自身形 成磷酸化的中间体
■ P-型离子运输泵的作用机理
P型泵的主要特点:都是跨膜蛋白，并且是由一条多肽完成 所有与运输有关的功能，包括ATP的水解、磷酸化和离子 的跨膜运输。
Na+-K+ATP酶的分子结构：
如：动物细胞常通过Na+驱动的Na+/H+反向转运的方式来转运H+以 调节细胞内的pH。
同向转运 反向转运
第二节 ATP驱动泵与主动运输
• ATP 驱动泵通常又称为转运ATPase，分为4类
– P型泵、V型质子泵、F型质子泵和ABC超家族
一、P 型泵 (P-type pump)
• 2 个α 催化亚基，具有ATP 结合位点；2 个β 调节亚基
两者区别：以不同方式辨别溶质。通道蛋白主要根据溶质大小和电荷和进 行辨别，假如通道处于开放状态，则足够小和带有适当电荷的分子或离子 就能通过；而载体蛋白只允许与其结合部位相适应的溶质分子通过，并且 每次转运都发生自身构象的变化。
二、小分子物质的跨膜运输类型
• 3 种类型：简单扩散、被动运输和主动运输
A. 电压门通道 B. 配体门通道（胞外配体） C. 配体门通道（胞内配体） D. 应力激活通道
1、电压门通道(voltage gated channel)
特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时， 致使其构象变化，“门”打开。
K+电位门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜α螺旋(S1S6) ，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样β折叠 (P区或H5区)，构成通道的内衬，大小可允许K+通过。
Asn-Pro-Ala
/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/chempub3high.jpg
被动运输特点
特点： ①比自由扩散转运速率高； ②运输速率同物质浓 度成非线性关系； ③特异性ransport)
• 转运 H+ 过程中不形成 磷酸化的中间体
总结一下载体蛋白与通道蛋白区别
（一）Na+-K+ 泵（Na+-K+ ATPase）
Figure 11-14 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
1. Na+-K+ 泵结构与转运机制 • 由2 个α 和2 个β 亚基组成四聚体
K+通道具有三种状态：开启、关闭和失活。目前认为S4 段是电压感受器。
Na+、K+、Ca2+三种电压门通道结构相似，在进化上是由 同一个远祖基因演化而来。
Voltage gated K+ channel
K+ channel
4th subunit not shown
2、配体门通道(ligand gated channel)
革兰氏阴性细胞膜、 线粒体和叶绿体外膜 β折叠片 选择性较低， 可以允许大分子
http://bragi.gbf.de/bilder/1UUN.gif
离子通道的类型及其 3 个显著特征
• 具有极高的转运速率（驱动力：浓度差和电位差） • 没有饱和值 • 离子通道非连续性开放而是门控的（电位、化学
信号或者压力刺激）
例如，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, 还存在某种特殊的机制, 并提出了水通道的概念。
2. 水孔蛋白（aquaporin）：水分子的跨膜通道 (2003诺奖 • 水分子借助质膜上的水孔蛋白实现快速跨膜转运
2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农，分别因对细胞膜水通道， 离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。
Peter Agre
Roderick MacKinnon
2. 水孔蛋白：水分子的跨膜通道 (2003诺奖)
• 调节细胞渗透压以及生理与病理作用
Fig . Passage of water molecules through the aquaporin AQP1. Because of the positive charge at the center of the channel, positively charged ions such as H3O+, are deflected. This prevents proton leakage through the channel.
乌苯苷（ouabain）用作强心剂的原理？
1. Na+-K+ 泵结构与转运机制
结合3Na+ 磷酸化
泵出3Na+
泵入2K+
去磷酸化
结合2K+
钠钾泵工作的特性： P-type：依赖自磷酸化来转运离子的离子泵。
2. Na+-K+ 泵主要生理功能
A. 维持细胞膜电位 B. 维持动物细胞渗透
平衡
2. Na+-K+ 泵主要生理功能
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编
细胞生物学（第4版）
第5章 物质的跨膜运输
本章主要内容
• 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输 • ATP驱动泵与主动运输 • 胞吞作用与胞吐作用
第一节 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输
一、脂双层的不透性和膜转运蛋白
• 脂双层疏水对绝大多数极 性分子、离子以及细胞代 谢产物的通透性极低，形 成了细胞的渗透屏障
特点：受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生构 象变化， “门”打开。又称离子通道型受体。 可分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受体， 和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸受体。 Ach受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成 一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构，其中的两个α亚单 位是同两分子Ach相结合的部位。
地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助 提高于其活性。
（二）Ca2+ 泵及其他 P 型泵
• 细胞质基质中低 Ca2+ 浓度的维持 主要得益于质膜 或细胞器膜上的 钙泵
• 每消耗1 分子 ATP 从细胞质基 质泵出 2 个Ca2+
1. Ca2+ 泵的结构与功能
Asp磷酸化
钙离子泵
烟碱型乙酰胆碱受体 Nicotinic
acetylcholine receptor
Three conformation of the acetylcholine receptor
3.应力激活通道
感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。细胞将机 械刺激的信号转化为电化学信号，引起细胞反应的过程称 为机械信号转导（mechanotransduction ）。
Fig. Xenopus oocytes microinjected with AQP1 mRNA swell rapidly when placed in a hypo-osmotic medium, in contrast to noninjected oocytes.
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（二）被动运输 (passive transport)
• 顺着电化学梯度或浓度梯度 • 协助扩散 (facilitated diffusion) • 膜转运蛋白协助
– 载体蛋白介导 – 通道蛋白介导
1. 葡萄糖转运蛋白
• 12 次跨膜α 螺旋 • 通过构象改变完成葡萄糖的
协助扩散
• 转运方向取决于葡萄糖浓度 梯度
• P 型H+ 泵将 H+ 泵出细胞，建立和维持跨膜 H+ 电化学梯度
H+/K+ ATPase Control of acid secretion in the
stomach
二、V 型质子泵和 F 型质子泵
• V 型质子泵广泛存在 于动物细胞的胞内体 膜、溶酶体膜，破骨 细胞和某些肾小管细 胞的质膜，以及植物、 酵母及其他真菌细胞 的液泡膜上 （V 为 vesicle）
Ser Thr Asp Glu
为什么具有极性的水分子容易穿膜？ 可能是因为水分子非常小，可以通过由于膜质运
动而产生的间隙的缘故。 但是，速度缓慢。
水分子快速跨膜运动是以何种方式实现的？ 水孔蛋白
水孔蛋白的发现
长期以来, 普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。后来发现某些细胞在低渗 溶液中对水的通透性很高, 很难以简单扩散来解释。
• 作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（胞内钙浓度10-7M ，胞外10-3M）（泵入胞外或者内质网内）。
• 位置：质膜（胞内C端与钙调蛋白结合）、内质网膜。 • 类型：P型离子泵，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。
位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。
2. P 型 H+ 泵
• 植物细胞、真菌(包括酵母)和细菌细胞质膜上虽然没有Na+K+ 泵， 但有P 型H+ 泵(H+-ATPase)
• 膜转运蛋白可分为两类：
– 载体蛋白（carrier protein，
transporter）
– 通道蛋白（channel protein）
（一）载体蛋白及其功能
• 多次跨膜；通过构象改变介导溶质分子跨膜转运 • 与底物（溶质）特异性结合；具有高度选择性；具有类似
于酶与底物作用的饱和动力学特征；但对溶质不做任何共 价修饰
• 至少有一个α 催化亚基发生 磷酸化和去磷酸化反应，改 变转运泵的构象，实现离子 的跨膜转运
• 转运泵水解ATP 使自身形 成磷酸化的中间体
■ P-型离子运输泵的作用机理
P型泵的主要特点:都是跨膜蛋白，并且是由一条多肽完成 所有与运输有关的功能，包括ATP的水解、磷酸化和离子 的跨膜运输。
Na+-K+ATP酶的分子结构：
如：动物细胞常通过Na+驱动的Na+/H+反向转运的方式来转运H+以 调节细胞内的pH。
同向转运 反向转运
第二节 ATP驱动泵与主动运输
• ATP 驱动泵通常又称为转运ATPase，分为4类
– P型泵、V型质子泵、F型质子泵和ABC超家族
一、P 型泵 (P-type pump)
• 2 个α 催化亚基，具有ATP 结合位点；2 个β 调节亚基
两者区别：以不同方式辨别溶质。通道蛋白主要根据溶质大小和电荷和进 行辨别，假如通道处于开放状态，则足够小和带有适当电荷的分子或离子 就能通过；而载体蛋白只允许与其结合部位相适应的溶质分子通过，并且 每次转运都发生自身构象的变化。
二、小分子物质的跨膜运输类型
• 3 种类型：简单扩散、被动运输和主动运输
A. 电压门通道 B. 配体门通道（胞外配体） C. 配体门通道（胞内配体） D. 应力激活通道
1、电压门通道(voltage gated channel)
特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时， 致使其构象变化，“门”打开。
K+电位门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜α螺旋(S1S6) ，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样β折叠 (P区或H5区)，构成通道的内衬，大小可允许K+通过。
Asn-Pro-Ala
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被动运输特点
特点： ①比自由扩散转运速率高； ②运输速率同物质浓 度成非线性关系； ③特异性ransport)
• 转运 H+ 过程中不形成 磷酸化的中间体
总结一下载体蛋白与通道蛋白区别