小分子物质的跨膜运输细胞生物学共94页文档
高考生物复习：物质跨膜运输的方式
高考生物复习：物质跨膜运输的方式1、小分子物质跨膜运输的方式：方式浓度载体能量举例意义主动运输复杂分散高→低××O2、CO2、水、乙醇、甘油、脂肪酸只能从高到低主动地吸收或排出物质易化分散高→低√×葡萄糖进入红细胞自动运输低→高√√各种离子，小肠吸收葡萄糖、氨基酸，肾小管重吸收葡萄糖普通从低到高自动地吸收或排出物质，以满足生命活动的需求。
2、大分子和颗粒性物质跨膜运输的方式：大分子和颗粒性物质经过内吞作用进入细胞，经过外排作用向外分泌物质。
二、实验：观察植物细胞的质壁分别和恢复实验原理：原生质层〔细胞膜、液泡膜、两层膜之间细胞质〕相当于半透膜，当外界溶液的浓度大于细胞液浓度时，细胞将失水，原生质层和细胞壁都会收缩，但原生质层伸缩性比细胞壁大，所以原生质层就会与细胞壁分开，发作〝质壁分别〞。
反之，当外界溶液的浓度小于细胞液浓度时，细胞将吸水，原生质层会渐渐恢恢复来形状，使细胞发作〝质壁分别恢复〞。
资料用具：紫色洋葱表皮，0.3g/ml蔗糖溶液，清水，载玻片，镊子，滴管，显微镜等方法步骤：〔1〕制造洋葱表皮临古装片。
〔2〕低倍镜下观察原生质层位置。
〔3〕在盖玻片一侧滴一滴蔗糖溶液，另一侧用吸水纸吸，重复几次，让洋葱表皮浸润在蔗糖溶液中。
〔4〕低倍镜下观察原生质层位置、细胞大小变化〔变小〕，观察细胞能否发作质壁分别。
〔5〕在盖玻片一侧滴一滴清水，另一侧用吸水纸吸，重复几次，让洋葱表皮浸润在清水中。
〔6〕低倍镜下观察原生质层位置、细胞大小变化〔变大〕，观察能否质壁分别恢复。
实验结果：细胞液浓度外界溶液浓度细胞失水〔质壁分别〕细胞液浓度外界溶液浓度细胞吸水〔质壁分别恢复〕。
物质的跨膜运输(小分子)
载体蛋白既介导被动运输，也介导主动运输； 通道蛋白只介导被动运输。
㈠离子通道高效转运各种离子
1、离子通道的特点 ✓ 介导被动运输 ✓ 对离子有高度选择性 ✓ 转运速率高 ✓ 多数不持续开放，受“闸门”控制
2、门控通道的类型 ✓ 配体门控通道 ✓ 电压门控通道 ✓ 应力激活通道
⑴配体门控通道 ✓ 离子通道型受体 ✓ 与胞外特定配体结合后构象改变，“闸门”打开，
进行物质转运，既介导被动运输又介导主动运输。 ✓ 通道蛋白：在膜上形成亲水孔道，贯穿脂双层，
介导特定离子转运，仅介导被动运输。
载体蛋白(carrier protein)：是一类运输蛋白，跨膜 蛋白，能与特异性分子或离子等结合通过改变自 身构象使溶质穿过膜。
载体蛋白结构上具有①特异性(特异结合位点)，
1、概念：小分子物质通过膜由高浓度侧 向低浓度侧扩散的现象。
浓度梯度
2、特点：
⑴不消耗细胞代谢能（所需能量来源于高浓度本身所具势能）
⑵顺浓度梯度，不需要膜蛋白协助；
⑶运输速度取决于分子的大小和脂溶性。且与溶质浓度差成正 比。（一般说，分子量越小脂溶性越强，通过速率越快。）
3、条件
⑴溶质在膜两侧保持一定的浓度差
允许某种离子快速跨膜转运。如乙酰胆碱受体是 典型的配体门控通道。
四种亚单位构成 的五聚体，形成 梅花状通道
高浓度
配体
低浓度
⑵电压门控通道
✓ 跨膜电位的改变诱发通道蛋白构象变化，使通道 开放，离子顺电化学浓度梯度自由扩散通过细胞 膜。
✓ 通道开放时间只有几毫秒，随即迅速自发关闭。
✓ 电压门控通道主要存在于可兴奋细胞，如神经元、 肌细胞及腺上皮细胞等。
其上结合点，能与某一种物质进行暂时性的、可
第05章 物质的跨膜运输
由2个α亚基、2个β亚基组成的四聚体；
分布于动物细胞的质膜上。
α亚基是多次跨膜蛋白，具有ATP酶活性和Na+、K+结合位点；
β亚基是糖基化的多肽（折叠、调节）
图5－9A
2、Na+- K+泵的工作方式
在膜内侧，3 Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶自身被磷酸化；
（2）不消耗ATP；
（3）无需膜蛋白的协助。
3、过程：物质先溶解在膜脂中，再从一侧扩散到另外一侧。
4、物质通透性决定于分子的脂溶性、极性、分子大小和带电性：
－脂溶性越高，通透性越强；
水溶性越高，通透性越弱；
－非极性分子比极性更易透过。
H2O、O2等可以透过，但速度较慢；
－小分子比大分子更易透过；
－对带电荷的物质是高度不通透。
图5－2三种类型门控离子通道
离子通道研究方法
膜片钳（patch－clamp）
二、小分子物质的跨膜运输类型
（一）简单扩散（simple diffusion）
1、定义：小分子以热运动的方式，顺着电化学梯度或者浓度梯度通过脂双层，也叫自由扩散（free diffusion）。
2、特点：
（1）沿电化学梯度（或浓度梯度）扩散；
（2）能够向高浓度环境中排出废物、分泌物、离子；
（3）维持细胞内离子的适当浓度（H+、Ca2+、K+）。
主动运输
定义：是由载体蛋白所介导的逆物质浓度梯度（电化学梯度）进行跨膜转运的方式。
特点：
（1）逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；
（2）需要能量；
（3）需要载体蛋白（构象改变）；
物质的跨膜运输(小分子)
①当神经冲动传至神经末梢时,引起细胞膜去极化,导致细胞膜上的Ca2+通道瞬 时开放,大量的Ca2+从开放的通道涌入细胞内,引起神经末梢内突触小泡的乙酰 胆碱释放至突触间隙内;②释放的乙酰胆碱与突触后肌细胞膜上的乙酰胆碱受体 结合,促使其开放一阳离子通道, Na+ 流入肌细胞,引起细胞膜局部去极化;③肌 细胞膜去极化使电压闸门Na+ 离子通道短暂开放,大量Na+ 流入肌细胞,进一步去 极化至形成一去极化波;④肌细胞膜广泛去极化,使肌浆网上的Ca2+通道开放, Ca2+流入细胞质, Ca2+增加引起细胞内肌原纤白形成一种充
满水溶液的亲水通道，贯穿脂双层。
通道蛋白结构上具有①特异性，一种通道蛋白只
允许某一种离子或一类离子通过。②可变性(构象 钠\氢反向转运体 变化影响通道开闭)。
载体蛋白既介导被动运输，也介导主动运输； 通道蛋白只介导被动运输。
㈠离子通道高效转运各种离子
小分子和离子跨膜运输的几条基本途径:
一、简单扩散
二、离子通道扩散
三、易化扩散 四、主动运输
被动运输
小分子物质和离子的穿膜运输方式： 被动运输、主动运输 被动运输： 特点：物质顺浓度或电化学梯度的跨膜转运； 不需要消耗细胞代谢能量。 若被转运溶质不带电荷，膜两侧的浓度梯度 决定溶质的转运方向----顺浓度梯度 若被转运溶质带电荷，跨膜物质浓度梯度及 电位梯度的总和构成的电化学梯度决定溶质转运 方向----顺电化学梯度 方式： 简单扩散（被动扩散、自由扩散、单纯扩散） 离子通道扩散 易化扩散（被动转运）
另有一些钙泵:Ｎa＋- Ca2＋交换器(对向运输 Ｎa＋入胞,Ca2＋逆浓度出胞)
Ca++ ATPase
第四章第二节至第五节
Glucose is absorbed by symport
特点：通道蛋白在跨膜电位变化时开放
高浓度
配体
通道蛋白
低浓度
特点：通道蛋白在与神经递质或其他信号分子结合时开放
内耳毛细胞
应力激活通道
毛细胞顶部的听毛受到应力作用产生弯曲，应力通道开放，离子进入毛 细胞，将声波信号传递给神经元
第四章
第二节 小分子物质的跨膜运输 第三节 大分子和颗粒物质的跨膜运输 第四节 细胞表面及其特化结构 第五节 细胞膜异常与疾病
小分子物质的穿膜运输
图示 人工脂双层对各种分子的相对通透性
膜转运蛋白
负责转运离子、极性分子通过细胞膜的 特殊蛋白质分子。
分类：1.载体蛋白 通过构象改变进行物质转运
2.通道蛋白 在膜上开成亲水孔道介导离子转运
易化扩散
各种极性分子通过载体蛋白顺浓度 梯度，由高浓度向低浓度方向进行 的跨膜转运过程。
单纯扩散 离子通道扩散 易化扩散
被动运输
不需要消耗细胞代谢的能量,而将物质从浓 度高的一侧经细胞膜转运至浓度低的一侧。
四、离子泵
1.离子泵具有载体和酶的双重作用 2.离子泵具有专一llus
是细胞表面伸出的细长突起，广泛存在于动物细胞表面。 直径约为0.1μm。表面是质膜和糖被，内部为细胞质的延
伸部分。 微绒毛处质膜有myosin I 构成的侧臂与肌动蛋白丝束相连，
从而将肌动蛋白丝束固定。 作用：扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质
Human sperm
细胞膜异常与疾病
载体蛋白异常与疾病 离子通道异常与疾病 膜受体异常与疾病
复习题
名解：受调性分泌、结构性分泌、异化扩散 协同运输、主动运输
细胞生物学 第四章物质的跨膜运输
一、膜转运蛋白
• 载体蛋白的特点：4个 s 每种载体蛋白对底物都具
有高度选择性，通常只转 运一种类型的分子； s 转运过程具有饱和动力学 特征； s 可被溶质类似物竞争性地 抑制，并可被某种抑制剂 非竞争性抑制； s 对pH有依赖性。
一、膜转运蛋白
（二）通道蛋白及其功能 • 通道蛋白（channel protein）：
§3 胞吞作用与胞吐作用
（二、胞吞作用与细胞信号转导） 三、胞吐作用 • 胞吐作用（exocytosis）：细胞内合
成的生物大分子（蛋白质、脂质等） 和代谢物，先由膜包围成膜泡，膜 泡与质膜融合，而将内含物分泌到 细胞表面或细胞外的过程。 s 组成型胞吐途径：所有真核细胞都 存在的从高尔基体反面管网结构分 泌的膜泡向质膜流动并与之融合的 稳定过程。 s 调节型胞吐途径：分泌细胞产生的 分泌物（如激素、酶等）储存在分 泌泡内，当受到细胞外信号刺激时， 分泌泡与质膜融合并将内含物释放 出去的过程。
1、葡萄糖转运蛋白：是一种载体蛋白，通过构象改变 完成葡萄糖的协助扩散；由高至低跨膜转运。
协助扩散
二、小分子物质的跨膜运输类型
2、水孔蛋白：水分子的跨膜通道 • 水分子：不带电荷但具有极性。
可以通过简单扩散——缓慢跨 膜转运； • 还可以通过水孔蛋白（为一种 通道蛋白）——快速跨膜转运。 • 如唾液和眼泪的形成、肾小管 对水的重吸收等，水分子必须 借助质膜上大量的水孔蛋白实 现快速跨膜转运。
二、小分子物质的跨膜运输类型
• 水孔蛋白（aquaporin，AQP）：为内在膜蛋白，分子 量为28KD。由4个亚基组成，每个亚基又都由6个跨 膜α螺旋组成。每个亚基单独形成一个供水分子运动 的中央孔，孔的直径约0.28nm（稍大于水分子的直 径），孔长2nm。
小分子物质的跨膜运输
1第九章 小分子物质的跨膜运输细胞质膜和各种内膜的脂双层因其内部的疏水性质而构成了一道屏障，不允许大多数极性和水溶性分子透过，可以经膜自由扩散的只有极少数脂溶性、非极性或不带电的小分子。
膜的这一特性有重要的功能意义，正因为这种屏障作用，细胞内外、各细胞器内外的物质浓度差异才得以维持。
但是，细胞要摄取营养物质，排泄代谢废物，要调节细胞内外离子浓度，要造成某些特殊物质在某个细胞器内外的浓度差异，因此必须有一些特殊的机制把这些水溶性的、带电的营养物、代谢产物和离子运送进出细胞或细胞器。
膜对无机离子和小分子有机物质的运输是靠特化的跨膜蛋白来完成的。
膜对大分子的运输有着另一种机制，将在第十章予以讨论。
膜运输蛋白的分子数在所有细胞的膜蛋白中占15～30％，有些特化的哺乳动物细胞甚至将全部代谢能量付诸膜运输活动，可见膜运输对生物体的重要性。
本节将介绍小分子跨膜运输的一般形式，然后介绍两大类运输蛋白－载体蛋白和离子通道蛋白以及它们分别介导运输的特点。
第一节 跨膜运输的原理一、单纯扩散有些物质可以完全不需膜蛋白的作用而自由透过生物膜的脂双层，这种跨膜运输形式叫做单纯扩散。
这方面的证据是从一种叫做黑膜(black membrane)的人工合成脂双层上获得的。
黑膜的设计如图9－1所示，是在分隔两个充水区室的平板的小孔上造成一个脂质双层，通过检测该脂双层（黑膜）两侧液体中某溶质的含量来测定这层膜的通透性。
有关结果表明，如果不考虑扩散时间的长短，可以说任何不带电小分子都可以顺其浓度梯度而扩散通过脂双层。
但因为它们的扩散速率有极大差异，实际上可以自由通过膜的物质有两类：（1）疏水的（脂溶性的）小分子，如氧、氮、苯等，其中脂溶性的愈小的分子扩散愈慢；（2）不带电的极性小分子如水（分子量为18）、二氧化碳（分子量为44）、乙醇（分子量为46）、尿素（分子量为60）、甘油（分子量为92）等，其中分子量愈大的扩散就愈慢。
所以，像葡萄糖（分子量为180）这类不带电的极性分子因分子量太大，几乎不能自由扩散过膜；各种离子则因它们的带电及水合性，虽然分子量很小也完全不能通过膜（图9－2）。
第五章物质的跨膜运输
（二）Ca2+ pump 肌质网膜上的Ca2+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。
一、P-型离子泵 （二）Ca2+ pump
②钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属 于反向协同运输体系（antiporter），通过钠 钙交换来转运钙离子。
Hyperpolarizing phase: K+ channels remain open, Na+ channels inactivated.
第三节 胞吞作用与胞吐作用 作用：完成大分子与颗粒性物质的跨膜 运输，又称膜泡运输或批量运输。属于主动 运输。 胞吞作用 胞饮作用
吞噬作用 胞吐作用 组成型胞吐途径
应力激活的离子通道实例：听毛细胞兴奋
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 离子通道的开与闭受控于适当的跨膜运输 二、小分子物质的跨膜运输类型
第五章
物质的跨膜运输
第一节 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输 一、脂双层的不透性与膜转运蛋白 *细胞质膜内外离子分布的不均匀性 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。
二、小分子物质的跨膜运输类型 （三）主动运输 由转运蛋白介导的物质逆浓度梯度或电化