物质的跨膜运输与信号传递
细胞生物学5(3)
第五章物质的跨膜运输与信号传递所谓被动运输是通过 ca. 内吞与外排b. 受体介导的内吞作用c. 自由扩散或易化扩散d. 泵，例如钙泵影响物质在膜上自由扩散的因素有（ ）。
aa. 在油/水分配系数高的, 易扩散b. 电离度大的, 易扩散c. 水合度大的, 易扩散d. 水、氨基酸、Ca2+ 、Mg2+ 等小分子, 易扩散下列运输过程属于协助扩散的是（）I. O2II. 甘油 III. 以缬氨霉素为载体的K＋运输IV. 钙泵V. 以短菌杆肽为载体的运输A. I+IIB. I+II+IIIC. III+IVD. III+VE. IV+V下列分子中，不能通过无蛋白脂双层膜的是 da. 二氧化碳b. 乙醇c. 尿素d. 葡萄糖细胞膜上有些运输蛋白形成跨膜的水性通道，允许适当大小的带电荷溶质按以下哪种方式过膜 ba. 主动运输b. 协助扩散c. 简单扩散d. 协同运输小肠上皮细胞吸收葡萄糖是通过( )来实现的。
ba. Na+ -泵b. Na+ 通道c. Na+ -偶联运输d. Na+ 交换运输参与被动运输的重要运输蛋白有I. 载体蛋白( carrier protein ) II. 笼形蛋白 ( Clathrin ) III.通道蛋白( Channel protein ) IV. 边周蛋白( peripheral protein ) V. 门通道蛋白( Gated channel protein )a. I+II+IVb. I+II+IIIc. I+IV+Vd. I+III+V动物细胞质膜上特征性的酶是（ ）。
da. 琥珀酸脱氢酶b. 磷酸酶c. 苹果酸合成酶d. Na+ -K+ -ATPase。
下列哪种运输方式不消耗细胞内的ATP？ ba. 胞吐b. 易化扩散c. 离子泵d. 次级主动运输以下哪些可作为细胞主动运输的直接能量来源 cI. 离子梯度 II. NADH III. ATP IV. NADPHa. IIIb. II+IVc. I+IIId. II+III下列哪些物质运输过程需消耗能量分子 cI. 伴随运输 II. 自由扩散 III. 协助扩散IV. 主动运输V Na+-K+泵a. I+IVb. IV+Vc. I+IV+Vd. I+III+V以下哪一种运输器或运输方式不消耗能量（）A. 电位门通道B. 内吞（endocytosis）作用C. 外排（exocytosis）作用D. 协同运输E. 主动运输下列关于信息分子的描述中，不正确的一项是( )。
细胞生物学-6物质的跨膜运输与信号传递
受体介导的胞吞作用
受体介导内吞的基本特点
①配体与受体的结合是特异的, 具有选择性; ②要形成特殊包被的内吞泡。将成纤维细胞
培养在加有转铁蛋白-铁标记的低密度脂蛋 白(LDL)的培养基中,可清楚地观察到这一 过程
基本过程
大致分为四个基本过程∶①配体与膜受体结 合形成一个小窝(pit); ② 小窝逐渐向内凹 陷，然后同质膜脱离形成一个被膜小泡;③ 被膜小泡的外被很快解聚, 形成无被小泡, 即初级内体;④ 初级内体与溶酶体融合,吞噬 的物质被溶酶体的酶水解
两个大亚基(α亚基)和两 个小亚基(β亚基)组成。 α亚基是跨膜蛋白，在 膜的内侧有ATP结合位 点;在α亚基上有Na+和 K+结合位点
Na+/K+ ATPase的结构
工作原理
Na+/K+ ATPase 工作原理示意图
ATPase Pumps—Ca2+ 泵 结构
ATPase Pumps—质子泵
协同作用
协同作用
在动物、植物细胞由载体蛋白 介导的协同运输异同点的比较
协同运输的方向
葡萄糖与Na+离子的协同运输
细菌的主动运输
细菌的主动运输—磷酸化运输
• 又称为基团转运。其机理是通过对被转运到细胞内的分子进 行共价修饰（主要是进行磷酸化）使其在细胞中始终维持"较 低"的浓度， 从而保证这种物质不断地沿浓度梯度从细胞外 向细胞内转运
胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别
特征 胞饮作用
吞噬作用
内吞泡的大小 小于 150nm
大于 250nm。
转运方式 连续发生的过程
需受体介导的 信号触发过程
内吞泡形成机制 需要笼形蛋白形成包被
细胞生物学第五章物质的跨膜运输与信号传递
钙泵和质子泵
钙泵：动物细胞质膜及内质网膜，1000 Aa组成的 跨膜蛋白，与Na+-K+ 泵的亚基同源，每一泵单位 约10个跨膜螺旋，与胞内钙调蛋白结合调节其活 性
第五章 物质的跨膜运输与信号传递
第一节 物质的跨膜运输 第二节 细胞通信与信号传递
第一节 物质的跨膜运输
被动运输Passive transport 主动运输active transport 胞吞作用endocytosis与胞吐作用
exocytosis
被动运输(passive transport)
胞吐作用
组成型胞吐途径：从高尔基体反面管网区分泌的囊 泡向质膜流动并与之融合的过程，新合成的囊泡膜 蛋白和脂类使质膜更新
共运输symoport：小肠和肾小管上皮细胞吸收葡萄 糖、氨基酸等伴Na+
对向运输antiport： Na+驱动Na+-H+对向运输来转运 H+以调节细胞内pH
物质的跨膜转运与膜电位
静息电位(resting potential)：静息状态下的膜电 位。内负，外正
动作电位(active potential)：刺激作用下产生行使 通讯功能的快速变化的膜电位
道
主动运输(active transport)
●特点：运输方向、能量消耗、膜转运蛋白 ●类型：
由ATP直接提供能量的主动运输 钠钾泵 钙泵 质子泵
第五章物质的跨膜运输与细胞信号转导
信号通路
㈢细胞信号分子与靶细胞效应
1、信号分子（signal molecule） 2、受体（receptor） 3、第二信使（second messenger） 4、信号分子与靶细胞效应
1、信号分子
⑴亲脂性信号分子 ⑵亲水性信号分子 ⑶气体性信号分子(NO、CO、植 物中的乙烯)
2、受体（receptor）
物质逆浓度梯度或电ຫໍສະໝຸດ 学梯度由低浓度向高 浓度一侧进行跨膜转运的方式，需要细胞提供能 量，需要载体蛋白的参与。对保持细胞内的离子 成分并对输入一些细胞外比细胞内浓度低的溶质 是必不可少的。
㈠特点：运输方向、能量消耗、膜转运蛋白 ㈡类型：三种基本类型 1、由ATP直接提供能量的主动运输 2、协同运输（cotransport） 、 （ ） 3、物质的跨膜转运与膜电位 、
㈠ATP直接提供能量的主动运输 （ATP驱动泵）
这类泵本身就是一种载体蛋白，也是一种酶— ATP酶，它能催化ATP，由ATP水解提供能量，主动 运输Na+、K+、Ca2+等。根据泵蛋白的结构和功能特 性，ATP驱动泵分为4类： 1、P-型离子泵： 型离子泵： 2+ （1）钠钾泵（2）钙泵（Ca -ATP酶） （ （ ） 2、V-型质子泵 3、F-型质子泵 4、ABC超家族
㈠细胞通讯（cell communication）
1、细胞通讯与信号转导 2、细胞通讯的方式 3、分泌信号传递信息的方式
1、细胞通讯与信号转导
细胞通讯：一个细胞发出的信息通过介质 （又称配体）传递到另一个细胞并与靶细胞相 应的受体相互作用，然后通过细胞信号转导产 生胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞 整体的生物学效应的过程。 信号转导：化学信号分子可与细胞内或细 胞表面的受体相结合形成复合物，并将受体激 活，激活的受体可将外界信号转换成细胞能感 知的信号，从而使细胞对外界信号作出相应的 反应，这种由细胞外信号转换为细胞内信使的 过程称为信号转导。
大学分子细胞学第五章细胞运输
囊泡中，又称膜泡运输；或称批量运输（bulk
transport）。属于主动运输。
● 胞吞作用
● 胞吐作用
胞吞作用：
通过细胞膜内陷形成囊泡，称胞吞泡 （endocytic vesicle），将外界物质裹进并输入 细胞的过程。
胞饮作用（pinocytosis） 吞噬作用（phagocytosis）。
水孔蛋白的功能
水孔蛋白 功 能
近曲肾小管水分的重吸收，眼中水状液
肾集液管中水通透力
AQP-1
AQP-2
AQP-3
AQP-4
肾集液管中水的保持
中枢神经系统中脑脊髓液的重吸收
AQP-5
唾液腺、泪腺、肺泡上皮细胞的液体分泌
植物液泡水的摄入，调节膨压
γ – TIP
3、协助扩散 faciliated diffusion
的胆固醇酯被水解成
游离的胆固醇而被利用。
受体回收途径：
• ①大部分受体返回它们原来的质膜结构域 ，如 LDL受体；
• ②有些进入溶酶体，在那里被消化，如EGF的受 体 ， 称 为 受 体 下 行 调 节 （ receptor downregulation）；
2003年，美国科学家彼得· 阿格雷和罗德里克· 麦金农，分别 因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化
学奖。
Peter Agre
Roderick MacKinnon
AQP1水通道蛋白
水孔蛋白的特点：
水分子高度特异的通道。
内在膜蛋白的一个家族，是有4个亚基组成的四
聚体，每个亚基有6个α螺旋组成 。
4、ABC 超家族
结构：
每个成员 都 含有 两 个高 度 保守 的 ATP结合 区 （A），两个跨膜结构域（T），他们通过结合 ATP发生二聚化，ATP水解后解聚，通过构象的 改变将与之结合的底物转移至膜的另一侧。
物质的跨膜运输方式
物质的跨膜运输方式生命体系中的细胞是基本的单位，通过细胞膜与外界进行物质交换和信息传递。
在细胞膜中，存在多种跨膜运输方式，包括主动转运、被动扩散和细胞外液相转移等，这些方式能够帮助细胞实现物质的吸收、排泄和传递，保证生命体系的正常运转。
本文将对这几种跨膜运输方式进行详细介绍。
一、主动转运主动转运是指细胞膜通过能量耗费将物质从低浓度向高浓度方向转移的过程。
这种方式需要ATP的供能，因此也被称为ATP酶转运。
主动转运可以分为直接和间接两种。
1.直接主动转运直接主动转运是指细胞膜上的蛋白质通过ATP酶催化将物质转移到高浓度方向。
其中，钠-钾泵是最为典型的直接主动转运方式。
钠-钾泵是一种跨膜蛋白，能够将细胞内的三个钠离子和两个钾离子互换，使得细胞内外的离子浓度差得以维持。
这种方式在神经元的信号传递、肌肉收缩、肾脏的滤波功能等方面都发挥着重要作用。
2.间接主动转运间接主动转运是指细胞膜上的蛋白质利用ATP酶耗费的能量将物质转移到高浓度方向，但是这种方式并不直接与物质结合，而是通过运输载体进行。
例如，葡萄糖转运蛋白就是一种间接主动转运方式。
在细胞内，葡萄糖转运蛋白可以将葡萄糖分子转移到高浓度方向，从而实现葡萄糖的吸收和利用。
二、被动扩散被动扩散是指物质在浓度梯度的作用下自由地从高浓度向低浓度方向扩散的过程。
这种方式不需要能量的供应，是细胞内物质转移的主要方式之一。
被动扩散可以分为简单扩散和载体介导扩散两种。
1.简单扩散简单扩散是指小分子物质通过细胞膜的疏水层自由地扩散到低浓度方向，如氧气、二氧化碳等气体分子、水分子等。
这种方式具有高效性和速度快的特点，但是只适用于小分子物质的扩散。
2.载体介导扩散载体介导扩散是指物质通过跨膜载体蛋白的介导实现扩散。
这种方式适用于大分子物质的扩散，如葡萄糖、氨基酸等。
在载体介导扩散中，跨膜蛋白会与物质结合形成复合物，然后通过分子运动的方式将物质转移到低浓度方向。
三、细胞外液相转移细胞外液相转移是指物质通过细胞膜的外部液相转移到细胞内或细胞外的过程。
第五章 物质跨膜运输与信号传递
Figure 15-9 The same signaling molecule can induce different responses in different target cells. In some cases this is because the signaling molecule binds to different receptor proteins, as illustrated in (A) and (B). In other cases the signaling molecule binds to identical receptor proteins that activate different response pathways in different cells, as illustrated in (B) and (C). In all of the cases shown the signaling molecule is acetylcholine (D).
signal magnification
3. Transmission of the signal to effector molecules within the cell, which causes a change in cellular activities.
4. Cessation of the cellular response due to inactivation of the signal molecule.
D. Two types of intracellular signaling proteins that act as Molecular Switches
ChapteBiblioteka 5B. Cell Signaling
生物膜系统的概念简短
生物膜系统的概念简短生物膜系统是指一种由生物膜所组成的复杂系统，其中膜起到了关键的功能和调节作用。
生物膜系统广泛存在于自然界中，包括细胞膜、细菌膜、叶绿体膜和线粒体膜等。
生物膜系统在细胞内外的许多生物学过程中发挥着重要作用，如物质的运输、信息传递和能量转换等。
生物膜是由脂质双层构成的，其中磷脂是主要成分。
磷脂分子的疏水性头部聚集在膜的内侧，而疏水性尾部则聚集在膜的外侧，这样的排列形成了脂质双层结构。
这种双层结构不仅能够阻止水分子和其他极性物质的自由通过，还能保持细胞内外的差异性环境。
重要的是，生物膜的两侧具有不同的化学环境和电位差。
这种不对称性让细胞内外的物质能够通过膜进行选择性的传递，这一过程被称为物质的跨膜运输。
跨膜运输主要分为主动运输和被动运输。
主动运输是指细胞通过消耗能量来推动物质自膜的一侧转移到另一侧，如钠离子泵和钾离子泵等。
而被动运输则是指物质靠浓度梯度自动扩散通过膜，如离子通道和载体蛋白等。
除了物质的跨膜运输，生物膜系统还承担着信息传递和能量转换的重要功能。
在细胞信号传递过程中，许多信号分子需要通过与细胞膜上的受体结合来触发下游信号传递的级联反应。
这样的结合通常会引起细胞膜上的一系列变化，如蛋白质激酶的磷酸化和膜上离子通道的打开等。
这些变化进而会引发一系列的细胞底物的激活或抑制，从而影响细胞内的生物学过程。
此外，生物膜系统还能够进行能量转换，对外界能量进行捕获和转化。
光合作用是生物膜系统中的一种重要能量转换过程。
在叶绿体膜中，叶绿素分子能够吸收光能，并将其转化为化学能。
这一化学能随后被用于ATP的合成等生物学过程。
细胞色素系统是另一种能量转换机制，它将电子从一个分子传递到另一个分子，并利用这一过程来合成ATP和维持细胞代谢。
总而言之，生物膜系统是一种由生物膜所组成的复杂系统，其中膜起到了关键的功能和调节作用。
生物膜不仅参与物质的跨膜运输，还承担着细胞信号传递和能量转换的重要功能。
通过对生物膜系统的研究，人们能够更好地理解细胞内外的生物学过程，同时也为疾病治疗和药物研发提供了重要的参考。
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物质的跨膜运输与信号传递
•(小的非极性分子) •游离的无机离子
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•疏水分子 •(大的非极性分子)
物质的跨膜运输与信号传递
•（二）协助扩散(facilitated diffusion)
• 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。 •分为载体蛋白（carrier protein.可介导被动和主动运输）和 通道蛋白（channel protein.只介导被动运输）。
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物质的跨膜运输与信号传递
•(二) ATP直接提供能量驱动的主动运输
•
—钙泵（Ca2+-ATP酶）; .质子泵：
•
P-型质子泵、V-型质子泵、H+-ATP酶（或F – 型）;
•
ABC转换器
•1.钙泵（Ca2+-ATP酶）
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物质的跨膜运输与信号传递
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•Ca2+-ATP酶主动运输的构象变化模型
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物质的跨膜运输与信号传递
•(一)细胞通讯（cell communication）
●概念：细胞通讯是指一个细胞发出的信息通过介质 传
递到另一个细胞并产生相应的反应。
●细胞通讯方式：
接触性依赖的通讯
间隙连接实现代谢偶联或电偶联
分泌化学信号进行通讯
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物质的跨膜运输与信号传递
释放出胆固 醇和脂肪酸 供细胞利用。
•不同类型受体的胞内体的分选途径：
•（1）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用； •（2）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节； •（3）被运至质膜的不同结构域，称为跨细胞的转运。
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物质的跨膜运输与信号传递
•（三）胞吐作用
•default pathway默认途径?
物质的跨膜运输与信号传递
•2.质子泵 • 可分为三种:
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物质的跨膜运输与信号传递
•3.ABC转换器
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物质的跨膜运输与信号传递
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•哺乳动物多药抗性蛋白1
物质的跨膜运输与信号传递
•(三) ATP间接提供能量的主动运输—协同运输
•1.概念：协同运输（cotransport）是指一种物质的运输伴随
物质的跨膜运输与信号 传递
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2020/11/22
物质的跨膜运输与信号传递
•第一节 物质的跨膜运输
•被动运输（passive transport）
•主动运输（active transport）
•胞吞作用（endocytosis） • 胞吐作用（exocytosis）
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物质的跨膜运输与信号传递
内分泌（endocrine）：①低浓度；②全身性；③长时效。 旁分泌（paracrine）：细胞分泌的信号分子通过扩散作 用 于邻近的细胞。包括各类细胞因子和气体信号分子。 自分泌（autocrine）：信号发放细胞和靶细胞为同类或 同 一细胞，常见于癌变细胞。 化学突触（chemical synapse）：神经递质由突触前膜释 PPT文档演模板放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于物质特的跨定膜运的输与靶信号细传递胞。
另一种物质的运输。它是一类靠间接提供能量完成的主动运输
方式。
•2.能量：钠钾泵或质子泵通过消耗ATP产生膜两侧的电化学浓
度梯度，驱动协同运输的进行。
•
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。
•3.类型：共运输（同向协同（symport））
•
对运输（反向协同（antiport））
•(3)类型：电压门通道（voltage-gated channel）
•
配体门通道（ligand-gated channel）
•
压力激活通道（stress-activated channel）
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物质的跨膜运输与信号传递
•A.电压门通道
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•B.配体门通道
•C.压力激活通道
•一、被动运输
•概念：被动运输（passive transport）是通过简单扩散
或
•
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；跨膜动力；能量消耗；膜转运蛋白。
•类型：简单扩散（simple diffusion）
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•（一）简单扩散(simple diffusion)
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物质的跨膜运输与信号传递
•图示载体蛋白通过构象改变介导溶质被动运输的模型
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物质的跨膜运输与信号传递
•载体蛋白和酶的异同点：
•相同点：①特异性，有特异的结合位点；
•
②有饱和动力曲线；
•
③受抑制剂的影响。
•不同点：①可改变过程的平衡点；
•
②不对溶质分子作任பைடு நூலகம்共价修饰。
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物质的跨膜运输与信号传递
•2.吞噬作用
•特点：胞吞物为大分子和颗粒物质；
•
形成的胞吞泡大（直径大于250nm）；
•
信号触发过程；
•
微丝和结合蛋白。
•作用：防御侵染和垃圾清除工。
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物质的跨膜运输与信号传递
•包涵素：分子量为180，000道尔顿的蛋白 质，包裹在“被覆窝”的细胞质表面上，与 受体介导的对低密度脂蛋白(LDL)、胰岛素 及其他配体的内摄作用有关
• 1. ATP直接提供能量 2. ATP间接提供能量 3. 光能驱动
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物质的跨膜运输与信号传递
•偶联转运蛋白
ATP驱动泵
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光驱动泵
•电化学梯度
物质的跨膜运输与信号传递
•(一) ATP直接提供能量驱动的主动运输 • —钠钾泵（Na+-K+ -ATP酶）
• 结构和作用机制
•
连续发生的过程；
•
网格蛋白和结合素蛋白。
•胞吞泡的形成：配体和受体结合
•网格蛋白聚集
•有被小窝
•有被小泡
•去被的囊泡和胞内体融合
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物质的跨膜运输与信号传递
•
•细胞膜
•胞
饮
•膜外蛋 白
作
用
•示
•膜内蛋 白
意•
图
•胞饮物
•胞饮泡 膜
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物质的跨膜运输与信号传递
•配体（Ligand）是通常本身具有其特别的生物活性，并且能和接受体(receptor) 结合，呈现特异性的生物活性分子。
物质的跨膜运输与信号传递
•2.通道蛋白（channel protein）
•(1)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。
•(2)特征： ① 具有离子选择性(对离子的大小和电荷有高度选择性)；
•
② 离子通道是门控的(其活性由通道开或关两种构象调节)。
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物质的跨膜运输与信号传递
•胞饮作用和吞噬作用的区别
•特征
物质 胞吞泡的大小 转运方式
胞吞泡形成机制
•胞饮作用 溶液 白
小于150nm
•吞噬作用 大颗粒 大于250nm
•
连续的过程 网格蛋白和接合素蛋
受体介导的信 微丝和结合蛋白 号触发过程
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物质的跨膜运输与信号传递
•（二）受体介导的胞吞作用
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物质的跨膜运输与信号传递
•三、膜泡运输—胞吞作用和胞吐作用
膜泡运输完成大分子和颗粒性物质的跨膜运输，因质膜形 成囊泡而得名，又称批量运输（bulk transport）。
根据物质的运输方向分为：胞吞作用（endocytosis）
胞吐作用（exocytosis）
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物质的跨膜运输与信号传递
•包内体是动物 细胞内由膜包围 的细胞器，作用 是传输新吞入细 胞的物质到溶酶 体被降解。
•包内体膜上 有ATP驱动的 质子泵，将 H+泵进包内 体腔中，使 腔内PH降低， 引起LDL与 受体分离。 包内体以出 芽的方式形 成运载受体 的小泡，返 回细胞膜， 重复使用。 含LDL的包 内体与溶酶
体融合， LDL被水解，
•（一）胞吞作用
•概念：胞吞作用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。
•类型：胞饮作用（pinocytosis）
•
吞噬作用（phagocytosis）
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物质的跨膜运输与信号传递
•1.胞饮作用
•特点：胞吞物为液体和溶质；
•
形成的胞吞泡小（直径小于150nm）；
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•（转运分子受体）
•（膜泡形成）
•↑
•有被小窝
•（接合素蛋白） •（网络蛋白：轻链和重链组成包被的结构单位 ）
• （转运分子-配体）
•通过网络蛋白有被小泡介导的选择性运输示意图 物质的跨膜运输与信号传递
• （1）网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔 基体到内体、溶酶体、植物液泡的运输，以及质膜到内膜区隔 的膜泡运输。 • （2）COP ( constitutive photomorphogenic，COP) I;衣被小泡 负责回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网。起初发现于高尔 基体碎片，在含有ATP的溶液中温育时，能形成非笼形蛋白包 被的小泡。 • （3）COP II主要介导从内质网到高尔基体的物质运输。最 早发现于酵母ER在ATP存在的细胞质液中温育时，ER膜上能形 成类似于COP I的衣被小泡，酵母COP II衣被蛋白的变异体，会 在内质网中积累蛋白质。