物质的跨膜运输

1. 物质的跨膜运输 与信号转导

2. 第一节 细胞膜是选择性半透膜

3. 人工脂双层对各种分子的相对通透性

4. 人工膜对各类物质的通透率： • 脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小； • 非极性分子比极性容易透过，极性不带电荷小分子，如H2O、O2等可以透过人工脂双层，但速度较慢； • 小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过； • 人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。

5. 第二节 小分子物质的跨膜运输

6. 小分子： 疏水分子如O2、CO2、N2、磺胺、苯等脂溶性物质。 小的不带电荷的极性分子如尿素、甘油、H2O、乙醇等。 大的不带电荷的极性分子如葡萄糖、氨基酸等。 • 离子： 钠离子、钾离子、钙离子、氢离子、碳酸根离子、磷酸根离子、镁离子、氯离子等

7. 根据是否需要ATP的参入，分为： 被动运输（passive transport） ：不消耗细胞的代谢能（ATP），顺浓度梯度的运输。 主动运输（active transport）：消耗细胞的代谢能（ATP），逆浓度梯度的运输。

8. 被动运输和主动运输

9. 一、被动运输 概念：是通过简单扩散或易化（协助）扩散实现物质由高 浓度向低浓度方向的跨膜运转。 特点：运输方向 由高浓度向低浓度 能量消耗 无 膜转运蛋白 无 类型：简单扩散（simple diffusion） 协助扩散（facilitated diffusion）

10. 简单扩散 扩散现象： • H2O中滴一滴墨水后的扩散现象； • CO、CH4等气体的扩散知识； • 半透膜内外加入不同物质后的渗透现象。 细胞膜有半透膜的特性，膜脂分子间有很小的间隙，部分小分子可直接通过此间隙由浓度高侧向浓度低侧扩散。 注：扩散-----高浓度到低浓度

11. 1、简单扩散 • 概念：又称为自由扩散（free diffusion）是疏水小分子或 小的不带电荷的极性分子，不需要能量也不需要膜蛋 白参与的跨膜运输方式。 • 特点： • ①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散； • ②不需要提供能量； • ③没有膜蛋白的协助。 速度决定于：分子的大小，浓度差的大小，脂溶性大小。

12. 进行简单扩散的分子有： • 非极性小分子：如O2、N2、苯。 • 脂溶性物质：如乙醇、甾类激素、磺胺类等。 • 带电荷的极性小分子：如CO2、H2O、甘油、尿素等 。

13. 2、协助扩散 概念：也称促进扩散，是极性分子和无机离子在膜转运蛋白协助 下顺浓度梯度（或电化学梯度）的跨膜运输。 特点：①转运速率高； ②存在最大转运速率； ③有膜转运蛋 白参与，有特异性。 膜转运蛋白是指镶嵌在膜上和物质运输有关的跨膜蛋白。 载体蛋白（carrier protein）：通过构象变化运输物质 通道蛋白（channel protein）：形成通道、运输物质

14. 膜转运蛋白的特点 • 载体蛋白有与转运物质特异性结合的位点，相当于结合在细胞膜上的酶，所以有通透酶的称号。 • 通道蛋白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。

15. 通道蛋白： 概念：通道蛋白（channel protein）是横跨质膜的亲水性通道，允许适 当大小的分子和带电荷的离子顺梯度通过，又称为离子通道。 特征：一是离子通道具有选择性；二是离子通道是门控的。 类型：通道蛋白形成通道：持续开放（如水通道） 间断开放（闸门通道） 配体闸门通道：配体与受体结合，通道开放。 电压闸门通道：膜电位变化，启动通道开放。 离子闸门通道：特定离子浓度变化，启动通道。 进行通道扩散的分子有：离子、神经递质

16. 配体门通道 表面受体与细胞外的特定物质（配体ligand）结合，引起门通道蛋白发生构象变化，结果使“门”打开 乙酰胆碱受体

17. 电位门通道 电位门通道（voltage gated channel）是对细胞内或细胞外特异离子浓度发生变化时，或对其他刺激引起膜电位变化时，致使其构象变化，“门”打开。

18. 钾电位门通道 S4 段上的正电荷可能是门控电荷，当膜去极化时（膜外为负，膜内为正），引起带正电荷的氨基酸残基转向细胞外侧面，通道蛋白构象改变，“门”打开，大量K+外流，此时相当于K+的自由扩散。

19. 通道蛋白介导的被动运输

20. 例如：神经---肌肉兴奋，不到１秒钟的时间内完成，这一过程包括四种通道顺次开放：例如：神经---肌肉兴奋，不到１秒钟的时间内完成，这一过程包括四种通道顺次开放： A、刺激－神经冲动－神经末梢，膜去极化，电压闸门通道钙离子通道开放，钙离子进入神经末梢，刺激乙酰胆碱（ACH）分泌到突触间隙中； B、ACH与突触后肌细胞膜上的受体结合，配体闸门钠离子通道开放，钠离子进入肌细胞，肌细胞膜去极化； C、肌细胞膜上电压闸门钠离子通道开放，更多的钠离子进入肌细胞，肌细胞膜进一步去极化，产生动作电位，扩散到肌细胞膜； D、肌浆网上的离子闸门通道钙离子通道开放，钙离子进入细胞质，引起肌肉收缩。

21. 载体蛋白（carrier protein） • 协助（易化）扩散：葡萄糖、氨基酸、核苷酸等分子量较大，属不带电荷的极性分子，不能扩散通过脂双分子层，没有相应通道，必须通过膜上载体蛋白的协助才能通过膜，故名协助扩散。 • 协助扩散特点：高浓度低浓度；不消耗细胞代谢能；有载体帮助，当载体蛋白处于饱和状态时，速度最大。

22. 载体蛋白（carrier protein）是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。可以和特定的溶质分子结合，通过构象改变介导溶质的主动和被动跨膜运输。

23. 载体蛋白的构象变化介导溶质A易化扩散(被动运输)载体蛋白的构象变化介导溶质A易化扩散(被动运输)

24. 二、主动运输 概念：主动运输（active transport）是指由载体蛋白介导的 物质逆浓度梯度（或化学梯度）的由浓度低的一侧向 浓度高的一侧的跨膜运输方式。 特点： ①运输方向； ②膜转运蛋白； ③消耗能量。 主动运输所需能量的来源主要有： 1. ATP直接提供能量（Na+－K+泵、 Ca2+泵）2. ATP间接提供能量3. 光能驱动

25. 主动运输所需能量的来源

27. 进行主动运输的物质： • 各种离子（如钠离子、钾离子、氯离子、碳酸根离子、钙离子等）。 • 葡萄糖、氨基酸等带电荷极性分子 。 根据能量来源不同分为两种形式： • 载体蛋白介导的主动运输(ATP直接供能) • 离子梯度驱动的主动运输（ATP间接供能）

28. 1、载体蛋白介导的主动运输 进行主动运输的载体又称“离子泵” *膜上运输钠和钾离子的载体称“钠钾泵”或“钠钾ATP酶”。 *下面以“钠钾泵”为例介绍载体蛋白介导的主动运输过程 和特点： 钠---钾泵的组成： • 大亚基（100000DN）： 外侧：1、钾结合位点 2、鸟苯苷结合位点 内侧：1、钠结合点 2、ATP结合点 • 小亚基（45000DN）：与大亚基结合，作用不明。

29. Na+-K+ATP PUMP 1.3Na+结合到结合位点上 2.酶磷酸化 3.酶构象变化 5.2K+结合到位点上， 酶去磷酸化 6.2K+释放到细胞内，酶 构象恢复原始状态。 4.3Na+释放到细胞外

30. 1.3Na+结合到结合位点上 2.酶磷酸化  3.酶构象变化，3Na+释放到细胞外  4.2K+结合到位点上 5.酶去磷酸化  6.2K+释放到细胞内，酶构象恢复原始状态。

31. Na+-K+泵的作用： • 产生和维持膜电位； • 为葡萄糖、氨基酸的主动运输创造条件 ； • 维持细胞的渗透压，例如：当肾小管细胞间隙钠过高时会导致细胞内水分外渗，细胞内缺水，人会感到口渴而饮水多。

32. Ca++ ATPase • 钙泵（Ca2+ pump ）又称Ca2+－ATP酶。 • 钙泵主要存在于细胞膜和内质网膜上，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+。 • 钙泵在肌质网内储存Ca2+ ，对调节肌细胞的收缩与舒张是至关重要的。

33. Ca++ ATPase Maintains low cytosolic [Ca++] Present In Plasma and ER membranes Model for mode of action for Ca++ ATPase Conformation change

34. 膜上有许多进行主动运输的载体： • Na+-K+ATP酶 • Ca2+ATP酶 • H+ ATP酶 • Na+-H+交换载体 • Cl---HCO3-交换载体等

35. 2、离子梯度驱动的主动运输 • 主动运输的能量不是由ATP直接提供，而是由储存在膜上离子梯度中的能量来驱动的。 • 这类运输进行时，一种物质的运输必须依赖另一种物质的同时运输，故称为协同运输。

36. 协同运输（cotransport） • 是一类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。 • 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。 • 根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向运输（symport）与对向运输（antiport）。

37. 协同运输包括－同向运输和对向运输

38. 协同运输 两种物质同时相向转运，称对向运输（逆向协同运输） 如： Na+--K+ Na+—H+ Cl-—HCl3- • 如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入。 两种物质同时同向转运，称同向运输（同向协同运输） 如： Na+--G Na+--aa 动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的方式来转运H+，以调节细胞内的PH值。还有一种机制是Na+驱动的Cl--HCO3-交换，即Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流，如存在于红细胞膜上的带3蛋白。 浓度差+电位差→电化学梯度 动物细胞中，Na+的电化学梯度通常是驱动另一种分子 主动运输的能量，如Na+梯度驱动G、aa的主动运输

39. 进入血液，运输到全身细胞 细胞膜结构的方向性， 决定其物质运输功能 的方向性。

41. 物质通过细胞膜的运输 单运输 （被动或主动运输） 协同运输 (主动运输）：同向运输 对向运输

42. 图示

43. （被动运输） 膜转运蛋白 单运输 协同运输 通道蛋白 载体蛋白 同向运输 对向运输 （被动运输＋主动运输）

44. 3.主动运输的特点 • 逆浓度梯度（逆电化学梯度）运输 • 需要能量（由ATP直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输） • 都有载体蛋白

45. 4.主动运输所需的能量的直接来源 • ATP 驱动的泵通过水解ATP 获得能量 • 协同运输中的离子梯度动力； • 光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。

46. 三 、物质的跨膜转运与膜电位 • 膜电位：对带电物质的跨膜运输在造成其浓度差的同时也造成其电位差，这些电位差的总和称为膜电位 • 静息膜电位：阴阳离子通过跨膜运输达到一个精确的平衡状态，此时的膜电位称为静息膜电位 • 动作电位：细胞受到刺激时，电压闸门钠离子通道通过运输离子使静息膜电位发生改变，此时的膜电位称为动作电位

47. 极化现象：细胞的静息膜电位膜内为负值膜外为正值，这个状态称为极化极化现象：细胞的静息膜电位膜内为负值膜外为正值，这个状态称为极化 • 去极化：离子的转运使静息电位降低乃至消失的过程称为去极化

48. 第三节 细胞表面受体与信号传导

49. 一、受体与配体的识别是信号转导的基础 • 细胞通讯(cell communication)是指一个细胞发出的信息可通过介质传递到另一个细胞，通过受体的识别和信号传递作用引起细胞产生相应的生物效应。 细胞通讯有三种方式： （1）细胞通过信号分子进行相互通讯； （2）细胞间直接接触相互通讯； （3）细胞间通过间隙连接相互通讯。 路径：细胞识别  信号跨膜传递  生物效应。

50. （一）配体为细胞外的信号分子 配体是细胞外的信号分子，如：激素、药物、神经递质、毒素等。 *脂溶性配体：为疏水小分子，可通过细胞膜与核膜，进而与胞质内及核内受体结合形成配体－受体复合物，直接调节基因的转录活性。 *水溶性配体：不能穿过靶细胞的细胞膜或核膜，必须与细胞膜上的特异受体结合，由受体将信号转换为细胞可识别的胞内信号。