小分子物质的跨膜运输细胞生物学课件

小分子物质的跨膜运输细胞生物学课件第一页，共五十三页，2022年，8月28日细胞内外、细胞器内外的分子组成截然不同第二页，共五十三页，2022年，8月28日第九章小分子物质的跨膜运输

Transportmembranairedes

petitesmolécules第一节跨膜运输的原理第二节载体蛋白介导的运输第三节通道蛋白介导的运输第四节离子导体（略）第三页，共五十三页，2022年，8月28日如果膜是单纯的脂双层……可以经膜运输的只是很少几种物质,这些物质的性质是?第四页，共五十三页，2022年，8月28日能通透的疏水的（脂溶性）小分子，如O2、N2、CO2、苯。不带电的极性小分子，如水、乙醇、尿素、甘油等。不能通透的不带电荷的较大极性分子，如葡萄糖、氨基酸等。离子。疏水分子不带电极性小分子不带电极性较大分子离子物质的通透性主要取决于分子的大小、分子的极性、是否带电荷。人工合成的脂双层第五页，共五十三页，2022年，8月28日生物膜能选择性地允许多种物质通过葡萄糖：细胞的能量来源、多糖的原料氨基酸：细胞的能量来源、蛋白质的原料离子：渗透压、酸碱度、膜的电性质、酶这些物质由特殊的膜蛋白运输，称为膜运输蛋白。核苷酸：细胞的能量来源、核酸的原料第六页，共五十三页，2022年，8月28日第一节跨膜运输的原理Principlesdutransportmembranaire一、单纯扩散

diffusionsimple二、膜蛋白介导的运输

transportauxdépendsdesprotéinesmembranaires第七页，共五十三页，2022年，8月28日能进行单纯扩散的物质:疏水的小分子不带电的极性小分子一、单纯扩散不需要膜蛋白的作用而自由透过生物膜的脂双层，这种跨膜运输形式称为单纯扩散。疏水分子不带电极性小分子不带电极性较大分子离子人工合成的脂双层第八页，共五十三页，2022年，8月28日人工脂双层真正细胞膜二、膜蛋白介导的物质运输

对于生物膜来说，

各种极性分子、带电离子都可以跨越脂双层。所以，葡萄糖、氨基酸、核苷酸、离子都能实现跨膜运输（顺着或逆着其浓度梯度）。这些运输由膜蛋白介导，这些膜蛋白被称为膜运输蛋白。第九页，共五十三页，2022年，8月28日分布于各种膜上的运输蛋白（把守细胞城的城门）每种运输蛋白只运输某一特定物质第十页，共五十三页，2022年，8月28日什么样的膜蛋白能执行运输蛋白的功能？1234567－－多次穿膜的跨膜蛋白第十一页，共五十三页，2022年，8月28日载体蛋白通道蛋白

ProtéinesporteusesProtéinescanalaires

各种离子、水

离子、氨基酸、单糖、核苷酸等与所运物质结合,然后自身构象改变将物质在膜另一侧释放。形成跨膜的充水通道让所运物质通过。运输原理运输特点所运物质主动或被动运输，与所运物质互相作用较强，运输速度较慢。被动运输，与所运物质互相作用较弱，运输速度较快。膜运输蛋白的分类第十二页，共五十三页，2022年，8月28日1.被动运输不需能量/所有通道蛋白,一部分载体蛋白

帮助所运物质顺其电化学梯度跨越过膜＝下坡2、主动运输需消耗能量/载体蛋白

将所运物质逆其电化学梯度泵运过膜＝上坡浓度梯度载体蛋白通道蛋白单纯扩散被运输物质被动运输主动运输主动运输和被动运输transportactifettransport

passif第十三页，共五十三页，2022年，8月28日电化学梯度(浓度差和电位差)与运输方向1、被动运输所运物质若不带电,顺其化学梯度运输。所运物质若带电,顺其电化学梯度运输。gradient

électrochimique2、主动运输逆着所运物质的电化学梯度(“泵”)第十四页，共五十三页，2022年，8月28日第二节载体蛋白介导的运输一、原理和特点二、偶联载体三、ATP驱动泵四、运输蛋白超级家族（略）第十五页，共五十三页，2022年，8月28日一、载体蛋白介导运输的原理和特点原理:

载体蛋白经历一次构象变化，先后交替地把所运物质与之结合的位点暴露于膜的两侧，从而完成运输。第十六页，共五十三页，2022年，8月28日一、载体蛋白介导运输的原理和特点特点：1.与酶-底物反应类似与所运输物质有特异的结合位点，但不改变其性质。第十七页，共五十三页，2022年，8月28日一、载体蛋白介导运输的原理和特点特点：2.多种运输方式单一运输同向运输反向运输偶联运输载体蛋白运输的几种形式第十八页，共五十三页，2022年，8月28日葡萄糖单一运输方式被动运输(大多数细胞从细胞外摄取葡萄糖的方式)葡萄糖同向运输方式主动运输（肠道、肾脏上皮细胞）第十九页，共五十三页，2022年，8月28日载体蛋白介导的被动运输浓度梯度不需要能量，顺物质的化学浓度梯度运输。第二十页，共五十三页，2022年，8月28日载体蛋白介导的主动运输载体蛋白与一种能源相连，能源形式

:

离子梯度驱动力—偶联载体

通过偶联运输使一种物质的“下坡”带动另一种物质的“上坡”2.

ATP驱动泵:

ATP水解提供能量3.光驱动泵:

光提供能量(细菌)偶联载体ATP驱动泵光驱动泵电化学梯度第二十一页，共五十三页，2022年，8月28日二、偶联载体transporteurscouplésNa+驱动的同向运输载体H+驱动的同向运输载体(略)Na+驱动的反向运输载体(略)载体蛋白的不对称分布与上皮细胞的吸收功能进行偶联运输的载体蛋白称为偶联载体，特点是利用一种物质的电化学梯度中储存的能量来运输另一种物质。第二十二页，共五十三页，2022年，8月28日小肠上皮细胞依靠Na+驱动的同向运输载体摄入葡萄糖构象A:结合位点向胞外侧开放,葡萄糖和Na+结合于各自位点.Na+顺其电化学梯度糖逆其电化学梯度构象B:载体经历构象变化,结合位点向胞质侧开放,葡萄糖和Na+离开各自位点,由此两者被运入细胞.

糖经历主动运输,能量来自Na+梯度.跨膜运输第二十三页，共五十三页，2022年，8月28日主动运输被动运输肠腔小肠上皮细胞上皮下的组织间隙小肠上皮细胞顶面Na+驱动的同向偶联葡萄糖运输载体小肠上皮细胞底侧面不依赖Na+的葡萄糖单一运输载体小肠上皮细胞的吸收功能依靠两类不同的载体蛋白第二十四页，共五十三页，2022年，8月28日三、ATP驱动泵lapompeentraînéeparl’ATPNa+-K+泵Ca2+泵（略）H+泵（略）第二十五页，共五十三页，2022年，8月28日

许多载体蛋白依赖Na+离子梯度驱动力完成主动运输,那么Na+离子梯度又是如何建立起来并得到维持的呢?Na+离子不停地进入细胞,怎样把它们送回细胞外呢?第二十六页，共五十三页，2022年，8月28日Na+-K+泵存在于几乎所有动物细胞膜上,利用ATP水解供应能量,建立和维持细胞内外的Na+梯度。又称Na+-K+ATP酶。Na+ATP给我力量K+泵细胞能量1/3~2/3耗费于此!问题：为什么Na+-K+泵又叫Na+-K+ATP酶第二十七页，共五十三页，2022年，8月28日钠-钾离子泵吸钾排钠细胞能量1/3~2/3耗费于此!分布于所有动物细胞膜上。逆电化学梯度运输!3个Na+出细胞2个K+入细胞Na+电化学梯度K+电化学梯度第二十八页，共五十三页，2022年，8月28日组成:

一个大的多次跨膜蛋白,为催化亚基,自身是ATP酶,能将ATP水解成ADP/一个小的糖蛋白(功能未明)。催化亚基的胞质面有Na+和ATP结合位点,外表面有

K+结合位点。整个分子能可逆地磷酸化和去磷酸化作用:Na+-K+泵既可以作为ATP酶水解ATP，又能够作为载体蛋白运输Na+和K+，两个作用过程紧密偶联。

每水解1分子ATP,泵出3个Na+,泵入2个K+。Na+-K+泵组成和作用第二十九页，共五十三页，2022年，8月28日

胞质侧胞外侧Na+

-K+泵作用机制1.细胞内的Na+结合至催化亚基2.ATP水解成ADP,催化亚基被磷酸化。3.催化亚基构象变化,Na+被运出细胞。胞外侧胞质侧第三十页，共五十三页，2022年，8月28日Na+

-K+泵作用机制

胞质侧4.细胞外的K+结合至催化亚基5.催化亚基去磷酸化6.催化亚基构象恢复,K+被运入细胞。胞外侧第三十一页，共五十三页，2022年，8月28日

胞质侧胞外侧Na+

-K+泵作用机制跨膜运输第三十二页，共五十三页，2022年，8月28日Na+-K+泵

作用的直接效应

建立和维持细胞外高钠、细胞内高钾的特殊离子梯度第三十三页，共五十三页，2022年，8月28日Na+-K+泵

作用的间接效应通过维持Na+梯度维持渗透压平衡,调节细胞容积。使细胞内外离子的数量平衡2.保证一些物质的主动运输所需能量

离子梯度驱动力—偶联载体3.参与形成内负外正的膜电位

3个Na+出、2个K+入

第三十四页，共五十三页，2022年，8月28日小肠上皮细胞底侧面Na+-

K+泵的作用肠腔

上皮下组织间隙主动运输蛋白(偶联载体)被动运输蛋白Na+-

K+泵第三十五页，共五十三页，2022年，8月28日TheNobelPrizeinChemistry1997

"forthefirstdiscoveryofanion-transportingenzyme,Na+,K+-ATPase"

JensC.Skou

Denmark

"fortheirdiscoveriesconcerningthefunctionofsingleionchannelsincells"BertSakmannFederalRepublicofGermany

第三十六页，共五十三页，2022年，8月28日第三节通道蛋白介导的运输一、原理和特点二、几种通道蛋白及其功能三、神经肌肉传导中的通道激活（略）第三十七页，共五十三页，2022年，8月28日一、通道蛋白介导运输的原理和特点

原理：

通道蛋白（离子通道）形成贯穿膜层的充水孔道，让所运物质顺其电化学梯度通过。所运物质主要是离子（Na+、K+

、Ca2+

）和水。不需要消耗能量，被动运输物质。

第三十八页，共五十三页，2022年，8月28日一、通道蛋白介导运输的原理和特点特点：被动运输速率很高受调控：跨膜电压、机械刺激、信号分子

与简单充水孔道不同：离子选择性：种类、大小门控性：开关第三十九页，共五十三页，2022年，8月28日二、几种通道蛋白K+通道与静息电位（跨膜电压）

Na+通道与动作电位（略）

K+通道与动作电位（略）

Ca2+通道与动作电位（略）乙酰胆碱受体与神经肌接头的化学-电信号转换（信号分子）6.其它（水通道）第四十页，共五十三页，2022年，8月28日提供K+自由跨膜的途径，造成膜静息电位（-70mV）。使K+能被固有阴离子吸引于胞内，然后在Na+-

K+泵作用下维持在胞内的高浓度。存在于所有细胞膜上，不需要特异刺激就可打开。1.K+通道与静息电位膜电位(内负外正)是由膜两侧电荷差异形成的，主要由离子被动运输造成，其中K+的跨膜电化学梯度是决定因素。跨膜运输第四十一页，共五十三页，2022年，8月28日5.乙酰胆碱受体与神经肌接头（运动神经元与骨骼肌之间的特化突触）的化学-电信号转换神经细胞肌肉细胞乙酰胆碱（神经递质）乙酰胆碱受体（通道蛋白）上图:静息状态下图:激活状态突触小泡第四十二页，共五十三页，2022年，8月28日TheNobelPrizeinChemistry2003"fordiscoveriesconcerningchannelsincellmembranes""forthediscoveryofwaterchannels""forstructuralandmechanisticstudiesofionchannels"

发现K+通道结构发现水通道第四十三页，共五十三页，2022年，8月28日水孔蛋白快速运输水的通道蛋白，多分布于肾脏、大脑、晶状体。6.水通道第四十四页，共五十三页，2022年，8月28日血管加压素肾小管哺乳动物肾脏对尿液的重吸收水孔蛋白（水通道）水孔蛋白（水通道）第四十五页，共五十三页，2022年，8月28日水孔蛋白（水通道）水孔蛋白（水通道）哺乳动物肾脏对尿液的重吸收第四十六页，共五十三页，2022年，8月28日本章重点

疏水分子(如脂类)和少量不带电极性小分子(如乙醇)可以自由扩散通过脂双层,但是机体所需营养物质小分子如葡萄糖、氨基酸、核苷酸和无机离子都由膜蛋白介导跨膜运输。执行跨膜运输的膜蛋白叫作膜运输蛋白，分成载体和通道两类。它们在运输机理、特点和对象上都不同。动画基本概念（1）第四十七页，共五十三页，2022年，8月28日本章重点

在跨膜运输中,被动运输指不需能量的运输,等于易化扩散,即膜运输蛋白帮助所运物质顺其电化学梯度跨越过膜。进行被动运输是所有的通道蛋白和一部分载体蛋白。主动运输指需消耗能量的运输，即膜运输蛋白将所运物质逆其电化学梯度泵运过膜。只有载体蛋白能进行主动运输。它们偶联的能量来源有3种：离子梯度驱动力、ATP驱动力、光驱动力。基本概念（2）第四十八页，共五十三页，2022年，8月28日载体蛋白通道蛋白

各种离子、水

离子、氨基酸、单糖、核苷酸等与所运物质结合,然后自身构象改变将物质在膜另一侧释放。形成跨膜的充水通道让所运物质通过。运输原理运输特点所运物质主动或被动运输，与所运物质互相作用较强，运输速度较慢被动运输，与所运物质互相作用较弱，运输速度较快膜运输蛋白载体蛋白通道蛋白第四十九页，共五十三页，2022年，8月28日本章重点Na+驱动的同