细胞生物学之 物质的跨膜运输与信号转导课件

第五章物质的跨膜运输

第一节

膜转运与物质的跨膜运输

第二节离子泵和协同转运

第三节胞吞和胞吐作用

被动运输和主动运输的特点钠钾泵、钙泵和质子泵的转运特点

重点细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导第一节膜转运与物质的跨膜运输一、膜脂双层的不透性和膜转运蛋白二、被动运输（passivetransport）与

主动运输（activetransport）

细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导第二节离子泵和协同运输根据泵蛋白的结构与功能特性，ATP驱动泵可分为4类：

P－型离子泵、V－型质子泵、F－型质子泵和ABC超家族细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导一、P-型离子泵（一）Na+－K+泵又称Na+－K+ATP酶存在于动物细胞质膜上细胞内侧α亚基与Na+离子结合促进ATP酶水解，α亚基上的一个氨基酸残基磷酸化引起α亚基构象发生变化，将Na+泵出细胞，同时细胞外的K+与α亚基的另一位点结合，使其去磷酸化，α亚基构象再度发生变化将K+泵进细胞，完成整个循环。每个循环消耗一个ATP分子，泵出3个Na+，和泵进2个K+。细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导（二）Ca2+泵和其它P-型离子泵（1）Ca2+泵作用机理：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分子转运出两个Ca2+。存在位置：所有真核细胞的细胞膜和某些细胞器（如内质网、叶绿体和液泡）膜上，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+。Ca2+泵在肌质网储存Ca2+，对调节肌细胞的收缩与舒张至关重要。细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导（2）H+泵作用机理：

植物细胞、真菌（包括酵母）和细菌细胞其质膜上无Na+－K+pump，而是具有H+泵（H+—ATPase），将H+泵出细胞，建立跨膜的H+电化学梯度，驱动转运物质进入细胞。细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导二、V-型质子泵和F-型质子泵（1）V-型质子泵：又称膜泡质子泵，存在于动物细胞胞内体、溶酶体膜、破骨细胞和某些肾小管的质膜以及植物、酵母和其他真菌细胞液泡膜上，利用ATP水解供能从细胞质基质中逆H＋电化学梯度泵出H＋进入细胞器，以维持细胞质基质pH中性和细胞器内pH酸性。（2）F-型质子泵：又称H＋－ATP合成酶（F1F0－ATPase），存在于线粒体内膜、植物细胞类囊体膜和细菌质膜上，H＋顺浓度梯度运动，所释放的能量耦联ATP合成。细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导活细胞内外离子浓度是明显不同的：表5-1调控机制：（1）膜转运蛋白活性

载体蛋白

通道蛋白（2）质膜脂双层的疏水特性细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导三、胞吞作用(endocytosis)与胞吐作用(exocytosis）细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导被动运输（passivetransport)是指通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度地跨膜转运。扩散(diffusion)——指物质沿浓度梯度从半透膜浓度高的一侧向低浓度一侧移动的过程。渗透(osmosis)——指水分子以及溶剂通过半透膜的扩散。（一）简单扩散（simplediffusion）（二）水孔蛋白（三）协助扩散（facilitateddiffusion）（四）主动运输扩散Vs渗透VsAddition细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导（四）、主动运输（activetransport）主动运输是物质逆浓度梯度或电化学梯度运输的跨膜运输方式。特点：①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；②需要能量，与某种释放能量的过程相耦联;③需要载体蛋白，具有选择性和特异性。类型：依据主动运输细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导三、胞吞作用与胞吐作用在大分子与颗粒性物质跨膜运输的转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，称膜泡运输（vesicletransport）。根据物质的运输方向，膜泡运输又分为：

●胞吞作用（endocytosis）●胞吐作用（exocytosis）。细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导●胞饮作用(pinocytosis)和吞噬作用(phagocytosis)

●受体介导的胞吞作用●胞饮作用和吞噬作用吞噬的主要区别

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。包括胞饮作用和吞噬作用。胞饮吞噬（一）胞吞作用(endocytosis)细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导二、胞吐作用（exocytosis）

将细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程，也称外排作用。●组成型外排途径

（constitutiveexocytosispathway）●调节型外排途径

（regulatedexocytosispathway）

膜的融合细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导物质的跨膜运输方式物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一简单扩散协助扩散主动运输细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导疏水分子不带电极性小分子不带电极性大分子离子1.特点①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；②无需提供能量；③无需膜蛋白协助。2.机制先溶解在膜脂再扩散到另一侧。3.通透性取决于分子大小和极性。(P105)(一）简单扩散（P105）溶质分子简单扩散细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导（三）协助扩散（facilitateddiffusion）

协助扩散：也称促进扩散，是各种极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸及细胞代谢物等顺其浓度梯度或电化学梯度的跨膜转运，不需要细胞提供能量，但需膜转运蛋白的协助。细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导肠道葡萄糖载体紧密连接运输蛋白促使葡萄糖的扩散哺乳类动物的细胞利用血糖作为主要能源，人类基因组编码12种与糖转运相关的载体蛋白GLUT1～GLUT12,构成葡萄糖载体蛋白家族，都具有高度同源的氨基酸序列，均含有12次跨膜的α螺旋。多肽跨膜段由疏水性氨基酸残基组成，α螺旋带有Ser（丝）、Thr（苏）、Asp（天）和Glu（谷）残基，侧链同葡萄糖羟基形成氢键和结合位点，完成葡萄糖的协助扩散。细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导协助扩散1.特点①速率高比简单扩散转运速率高；②最大转运速率：在一定限度内运输速率同物质浓度成正比。如超过一定限度，浓度再增加，运输也不再增加（因膜上载体蛋白的结合位点已达饱和）；③特异性与特定载体——膜转运蛋白结合。

细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导1.载体蛋白(carrierproteins）特点①与特定溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质跨膜转运;②对所转运物质有高度选择性；③载体蛋白又称为通透酶(Permease)载体蛋白介导被动运输示意图被动运输载体蛋白细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导压力激活型电压门控型配体门控型(胞外配体)配体门控型(胞内配体)使通道关闭使通道开启离子浓度或电位变化→蛋白构象变化受体与配体结合→蛋白构象变化感受摩擦力、压力、牵拉、重力、剪拉力→电化学信号→蛋白构象变化（胞质侧）（胞质侧）膜通道蛋白的类型及其转运机制压力激活型细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导主动与被动运输的比较性质简单扩散协助扩散主动运输参与运输的膜成份脂蛋白蛋白载体蛋白不需要需要需要能量来源浓度梯度浓度梯度ATP水解或浓度梯度运输方向顺浓度梯度顺浓度梯度逆浓度梯度特异性无有有运输分子饱和性无有有细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导主动运输能量来源的三种不同类型ATP驱动泵(通过水解ATP获得能量

)耦联转运蛋白（协同运输中的离子梯度动力

）光驱动泵(利用光能运输物质，见于细菌

)细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导小亚基细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导ATP分解，酶被磷酸化酶构象变化，与Na+结合部位转向膜外侧磷酸化酶对Na+的亲和力低而膜外侧释放Na+；对K+的亲和力高而结合2个K+K+与磷酸化酶结合使酶去磷酸化，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3个Na+与酶结合激活ATP酶活性Na+－K+泵的转运机制细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导

动、植物细胞的协同运输靠间接提供能量完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。协同运输Na+浓度梯度驱动H+浓度梯度驱动协同运输（cotransport）细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导小肠上皮细胞吸收葡萄糖（协同运输）示意图细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导协同运输是靠间接提供能量完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。

细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导胞饮作用

细胞吞入的物质为液体或极小的颗粒物质，这种内吞作用称为胞饮作用(pinocytosis)；

胞饮作用存在于白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植物细胞。胞饮泡细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导吞噬作用

细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用（phagocytosis）；

吞噬现象是原生动物获取营养物质的主要方式，在后生动物中亦存在吞噬现象（如在哺乳动物中，中性颗粒白细胞和巨噬细胞具有极强的吞噬能力，以保护机体免受异物侵害）。胞吞泡胞内体受体细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导配体受体网格蛋白再循环接合素蛋白网格蛋白有被小泡GDP结合蛋白dynamin衣被蛋白循环无被小泡网格蛋白有被小窝运输小泡次级溶酶体消化（分选）穿胞运输胞内体

受体同配体结合→启动内化作用,网格蛋白组装→在网格蛋白的作用下形成网格蛋白有被小泡→进入胞质，脱去衣被蛋白、网格蛋白等；蛋白再循环→胞内体分选→溶酶体消化或穿胞运输

。受体介导的胞吞作用细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导网格蛋白衣被小泡GDP结合蛋白GDP结合蛋白环电镜下的网格蛋白衣被小泡模式图GDP结合蛋白在衣被小泡形成中的作用细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导组成型外排调节型外排所有真核细胞都有从高尔基体区分泌囊泡向质膜运输的过程，作用在于更新膜蛋白和膜脂、形成质膜外周蛋白、细胞外基质或作为营养成分和信号分子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，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导胞吞作用和胞吐作用的动态过程对质膜更新和维持细胞的生存与生长是必要的细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导F型质子泵（H＋－ATP酶/ATP合酶）动、植物细胞协同运输作用P型质子泵V型质子泵质子泵的三种类型及其功能位于真核细胞膜上，载体蛋白自身磷酸化发生构象改变而协同运输位于泡膜上，水解ATP产生能量，但不自身磷酸化。从胞质中泵出H＋入细胞器。维持细胞质中性和细胞器内酸性pH位于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜。H＋顺浓度梯度运动，所释放的能量与ATP合成耦联(ATP合酶)

细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导三、ABC超家族：特异性地运输小分子物质在正常生理条件下，ABC蛋白是细菌质膜上糖、氨基酸、磷脂和肽的转运蛋白，是哺乳类细胞质膜上磷脂、亲脂性药物、胆固醇和其他小分子的转运蛋白。ABC蛋白在肝、小肠和肾等器官的细胞质膜上分布丰富，它们能将天然毒物和代谢废物排出体外。细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导四、协同运输（cotransport）（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。细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导五、离子跨模转运与膜电位基本概念（1)膜电位：在安静状态下细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和，称跨膜静息电位或称静息电位或膜电位。一般为-20～-200mv之间。离子流与动作电位的关系图电压门Na+通道的开放导致质膜除极化A.动作电位的产生和膜电位改变；B.动作电位产生的过程中，膜通透性改变与离子通道的开闭（①～④）细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导（2）极化状态：安静时，细胞膜两侧的电位呈外“+”内“-”状态，称膜的极化状态（3）除极化：如果膜电位向内负值减小的方向变化，称作除极化（4）复极化：细胞先发生去极化，然后再向正常安静时膜内所处的负值恢复，则称复极化。（5）超极化：当静息电位的数值向内负值方向增大变化时，称作膜的超极化细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导受体与配体结合信号传递（第二信使）基因表达细胞应答配体（第一信使）细胞信号通路细胞接受外界信号，通过一整套特定机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因表达，引起细胞应答反应，这是信号系统主线，这种反应系列称之为细胞信号通路。细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导没有信号分子结合时，受体酪氨酸激酶是以无活性单体存在；当信号分子与胞外结构域结合，两个单体受体分子在膜上形成二聚体，其胞内结构域尾部相互接触，激活其蛋白激酶功能，使尾部酪氨酸残基磷酸化并装配成信号复合物(signalingcomplex)。细胞内信号蛋白(signalingprotein)与受体尾部磷酸化部位结合并激活，通过信号传递途径扩大信息，激活细胞内一系列的生化反应；或者将不同的信息综合起来引起细胞进行综合性的应答（如细胞增殖）。细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导①返回原来的质膜结构域②进入溶酶体③运至质膜不同的结构域（穿胞运输）胞内体的分选途径细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导在受体介导的内吞作用过程中，不同类型的受体具有不同的胞内体分选途径：①大部分受体返回原来的质膜结构域，如LDL受体又循环到质膜再利用；②有些受体不能再循环而是最后进入溶酶体，在那里被消化，如与表皮生长因子（epidermalgrowthfactor,EGF）结合的细胞表面受体；③有些受体被运至质膜不同的结构域，该过程称作穿胞运输（transcytosis）。胞内体的分选途径细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导②有些通道蛋白呈开放状态（如钾泄漏通道）；有些通道蛋白有选择性和门控性：平时关闭，仅在特定刺激下才开放，又称为门通道(gatedchannel)

。通道蛋白类型：①电压门通道(voltage-gatedchannel)②配体门通道(ligand-gatedchannel)③压力激活通道(stress-activatedchannel)①不与溶质分子结合；形成跨膜通道，介导离子顺浓度梯度运输；2.通道蛋白(channelproteins)特点通道蛋白细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导协助扩散与简单扩散的比较协助扩散比简单扩散①转运速率高；②存在Vm，有饱和性；③有特异性；④类似酶与底物作用的动力学曲线——竞争性抑制特性。与酶不同的是载体蛋白不对转运分子作任何共价修饰。细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导主动运输的基本类型（一）由ATP直接提供能量的主动运输

钠钾泵(Na+－K+ATP酶）

钙泵（Ca2+－ATP酶）

质子泵：P-型质子泵、V-型质子泵、H+-ATP酶（二）协同运输（cotransport）由Na+-K+泵（或H+－泵）与转运蛋白协同作用（耦联），靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。被动运输

Vs

主动运输

细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导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。细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导等渗液状态低渗液状态高渗液状态血细胞膨胀血细胞邹缩血细胞原状抑制与促进剂：极少量乌本苷可抑制Na+－K+泵的活性，氰化物可使ATP供应中断。Mg2+和少量的膜脂有助于Na+－K+泵活性的提高。动物细胞靠ATP水解供能驱动Na+－K+泵工作，结果造成膜两侧的Na+、K+分布不均匀，有助于维持细胞内低浓度溶质和维