第2章 膜生物物理3 物质的跨膜运输.

1、2022-5-3112.3 Transition across Membrane 1 Passive Transport被动运输被动运输 2 Active Transport主动运输主动运输 3 Contrasport 协同运输协同运输 4 Endocytosis and Exocytosis 内吞作用与外排作用内吞作用与外排作用2022-5-3122.3.1 Passive Transport 被动运输被动运输 1. 简单扩散简单扩散 2. 协助扩散协助扩散2022-5-313简单扩散简单扩散 能量：不需要能量：不需要 方向：高浓度方向：高浓度-低浓度低浓度 物质：小分子，非极性，水物质：小

2、分子，非极性，水2022-5-314简单扩散简单扩散2022-5-315 一般认为，在简单扩散的跨膜转一般认为，在简单扩散的跨膜转运中，涉及跨膜物质溶解在膜脂运中，涉及跨膜物质溶解在膜脂中，再从膜脂一侧扩散到另一侧，中，再从膜脂一侧扩散到另一侧，最后进入细胞质水相中。其通透最后进入细胞质水相中。其通透性主要取决于分子的大小和极性。性主要取决于分子的大小和极性。2022-5-316渗透系数渗透系数为物质在油和水中的分配系数，为物质在油和水中的分配系数，为扩散系数，为膜的厚度。为扩散系数，为膜的厚度。对于某一特定的膜，溶质的渗透力系数与对于某一特定的膜，溶质的渗透力系数与溶质在非极性溶剂与水间的分

3、配系数成正比溶质在非极性溶剂与水间的分配系数成正比,脂溶性越大，膜的渗透力系数越大，其扩散脂溶性越大，膜的渗透力系数越大，其扩散系数主要依赖于分子的大小、形状及分子之系数主要依赖于分子的大小、形状及分子之间的相互作用。间的相互作用。nnnK DPt2022-5-3172022-5-318 一般情况一般情况小分子小分子比大分子容易穿膜比大分子容易穿膜 非极性分子非极性分子比极性分子容易穿膜比极性分子容易穿膜 带电荷带电荷的离子跨膜运动需要更高的的离子跨膜运动需要更高的自由能自由能2022-5-3192022-5-3110协助扩散协助扩散 能量：不需要能量：不需要 方向：高浓度方向：高浓度-低浓度

4、低浓度 物质：极性，无机离子物质：极性，无机离子 协助物质：转运蛋白协助物质：转运蛋白（载体蛋白，通道蛋白）（载体蛋白，通道蛋白）2022-5-3111 指各种指各种极性分子极性分子和和无机离子无机离子（如（如糖、氨基酸、核苷酸及细胞代谢糖、氨基酸、核苷酸及细胞代谢物等）顺浓度梯度减小方向的跨物等）顺浓度梯度减小方向的跨膜转运。膜转运。 不需不需细胞提供能量，在特异的膜细胞提供能量，在特异的膜蛋白协助下，可使转运效率增加，蛋白协助下，可使转运效率增加，转运特异性增强。转运特异性增强。2022-5-3112协助扩散过程协助扩散过程2022-5-3113协助扩散特征协助扩散特征 转运速率高转运速率

5、高。如葡萄糖简单扩散通透系数为。如葡萄糖简单扩散通透系数为10-7cm/s，协助扩散为，协助扩散为10-cm/s，增加了，增加了10倍。倍。 存在最大转运速率存在最大转运速率(max )，可用最大转运，可用最大转运速率一半的物质浓度作为其速率一半的物质浓度作为其值用以衡量值用以衡量某种物质的转运速率。某种物质的转运速率。 比较不同的比较不同的值，可以看出转运的特异性值，可以看出转运的特异性 细胞膜上存在膜转运蛋白，负责无机离子和细胞膜上存在膜转运蛋白，负责无机离子和水溶性有机小分子的跨膜转运。水溶性有机小分子的跨膜转运。2022-5-3114协助扩散协助扩散转运蛋白转运蛋白 载体蛋白载体蛋白

6、通道蛋白通道蛋白 2022-5-3115协助扩散过程协助扩散过程2022-5-3116载体蛋白载体蛋白 是一种是一种跨膜蛋白跨膜蛋白，能与，能与特定的分特定的分子子（如糖、氨基酸或金属离子等）（如糖、氨基酸或金属离子等）结合结合通过膜。通过膜。 具有具有高度特异性高度特异性，其上有结合点，其上有结合点，只能与某一种物质进行暂时性、只能与某一种物质进行暂时性、可逆性的结合和分离。可逆性的结合和分离。 不需要提供能量不需要提供能量2022-5-31172022-5-31182022-5-31192022-5-3120通道蛋白通道蛋白 通道蛋白所介导的被动运输通道蛋白所介导的被动运输不需不需要与溶质

7、分子结合要与溶质分子结合，跨膜形成亲，跨膜形成亲水通道允许大小适宜的分子或离水通道允许大小适宜的分子或离子通过。子通过。 都与都与离子离子的转运有关，所以又称的转运有关，所以又称离子通道。离子通道。2022-5-3121离子通道特征离子通道特征 离子离子选择性选择性钠通道、钙通道、钾通道、氯通道钠通道、钙通道、钾通道、氯通道 离子通道是离子通道是门控的门控的不是连续开放而是瞬时的不是连续开放而是瞬时的仅在特定刺激发生反应时打开。仅在特定刺激发生反应时打开。2022-5-31222022-5-31232022-5-31242022-5-31252.3.2 Active Transport 方向：

8、低浓度方向：低浓度-高浓度高浓度 能量：需要能量：需要 协助：协助：载体蛋白载体蛋白。 已发展了由已发展了由泵泵作用的概念。作用的概念。钠钾泵，钙泵，质子泵，钠钾泵，钙泵，质子泵，ABC转运器转运器2022-5-3126主动运输简示图主动运输简示图2022-5-31271 Sodium Potassium Pump钠钾泵钠钾泵 K+ 内高外低内高外低 Na+ 内低外高内低外高 Na+-K+-ATP酶酶，由由2个大亚基个大亚基（为酶催化部分（为酶催化部分)、2个个小亚基组成的小亚基组成的4聚体。聚体。Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化过程发生构象的变

9、化2022-5-31282022-5-31292022-5-31302022-5-3131NaNa+ +-K-K+ +泵作用泵作用 维持细胞的渗透性，保持细胞的维持细胞的渗透性，保持细胞的体积体积 维持低维持低Na+高高K+的细胞内环境，的细胞内环境，维持细胞的静息维持细胞的静息电位电位。 通过自磷酸化转运离子的离子泵，通过自磷酸化转运离子的离子泵，称称P-type。2022-5-31322 钙钙离子泵离子泵 Ca2+ 内低外高内低外高 Ca2+-ATP酶酶。 Ca2+作用：信号转导作用：信号转导2022-5-3133钙钙离子离子泵类型泵类型 P-type出出2个个Ca2+，进，进1个个Mg2

10、+ Na+-Ca2+ exchanger属属于反向协同运输体系（于反向协同运输体系（antiporter）通通过钠钙交换来转运钙离过钠钙交换来转运钙离子。子。2022-5-31342022-5-31352022-5-31363 质子泵质子泵 P-type质子泵，如植物细胞膜上的质子泵，如植物细胞膜上的H+泵。泵。 V-type质子泵，质子泵，不发生自身磷酸化不发生自身磷酸化从细胞基质泵出从细胞基质泵出H+进入细胞器进入细胞器 F-type质子泵，质子泵，线粒体内膜和多数细菌质膜上线粒体内膜和多数细菌质膜上以相反方式发挥其生理作用以相反方式发挥其生理作用2022-5-31372022-5-313

11、84 4 ABC ABC转运器转运器 细菌质膜细菌质膜上的一种运输上的一种运输ATP酶酶 特点：含有两个特点：含有两个高度保守高度保守的的ATP结结合区。合区。 多药抗性蛋白，多药抗性蛋白，该基因通常在肝癌该基因通常在肝癌患者的癌细胞内过度表达，降低了患者的癌细胞内过度表达，降低了化学治疗的疗效。化学治疗的疗效。2022-5-31392022-5-31402.3.3 Contransport 协同运输协同运输 方向：高浓度方向：高浓度-低浓度低浓度 能量：不需要能量：不需要 驱动力：驱动力： Na+电化学梯度（动物）电化学梯度（动物） H+电化学梯度（植物）电化学梯度（植物） 类型：主动运输类

12、型：主动运输 协助物质：载体蛋白协助物质：载体蛋白 运输物质：葡萄糖和氨基酸运输物质：葡萄糖和氨基酸 钠泵和载体蛋白钠泵和载体蛋白共同协作。共同协作。2022-5-31412022-5-3142 同向协同同向协同（symport）指物质运输方）指物质运输方向与离子转移方向相向与离子转移方向相同。同。 对向对向协同协同（antiport）物质跨膜运动）物质跨膜运动的方向与离子转移的方向的方向与离子转移的方向相反相反2022-5-31432.3.4内吞作用与外排作用内吞作用与外排作用 细胞类型：细胞类型：真核细胞真核细胞吸收物质：完成大分子与颗粒性物质吸收物质：完成大分子与颗粒性物质吸收：吸收：内

13、吞作用内吞作用（endocytosis）排泄：排泄：外排作用外排作用（exocytosis）吞排作用吞排作用（cytosis）：内吞作用：内吞作用+外排作用外排作用过程：质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊过程：质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输。泡，因此又称膜泡运输。2022-5-3144内吞作用内吞作用吞噬作用吞噬作用 Phagocytosis：细：细胞内吞较大的固体胞内吞较大的固体颗粒颗粒物质。物质。 吞噬现象是吞噬现象是原生动物原生动物获取营养物质获取营养物质的主要方式，在后生动物中亦存在的主要方式，在后生动物中亦存在吞噬现象。如：在哺乳动物中，吞噬现象。如：在哺乳动物中

14、，中中性颗粒白细胞和巨噬细胞性颗粒白细胞和巨噬细胞具有极强具有极强的吞噬能力，以保护机体免受异物的吞噬能力，以保护机体免受异物侵害。侵害。2022-5-31452022-5-3146内吞作用内吞作用胞饮作用胞饮作用 pinocytosis ：细胞吞入的物质为：细胞吞入的物质为液体或极小的颗粒物质液体或极小的颗粒物质 胞饮作用存在于胞饮作用存在于白细胞白细胞、肾细胞肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植物细胞。物细胞。2022-5-31472022-5-3148外排作用外排作用 exocytosis ：某些大分子物质通过：某些大分子物质通过形成小囊泡从细胞内部移至细胞表形成小囊泡从细胞内部移至细胞表面，小囊泡的膜与质膜融合，面，小囊泡的膜与质膜融合，将物将物质排出细胞之外质排出细胞之外 细胞内细胞内不能消化的物质和合成的分不能消化的物质和合成的分泌蛋白泌蛋白都是通过这种途径排出的都是通过这种途径排出的。2022-5-31492022-5-3150 目前研究方向有高效膜过程及其在目前研究方向