第5章 物质的跨膜运输
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第五章 物质的跨膜运输习题及答案
细胞生物学章节习题-第五章一、选择题1、物质进入细胞的过程，需消耗能量，但不需要载体的一项是（C ）。
A. 根吸收矿质元素离子B. 红细胞保钾排钠C. 腺细胞分泌的酶排出细胞D. 小肠对Ca、P的吸收2、母鼠抗体从血液上皮细胞进入母乳，或者乳鼠的肠上皮细胞将抗体摄入体内，都涉及将胞吞和胞吐作用相结合。
这种跨膜转运方式称为（B ）。
A. 吞噬作用B. 跨细胞转运C. 协同转运D. 胞吞作用3、既能执行主动运输，又能执行被动运输的膜转运蛋白是（A ）。
A. 载体蛋白B. 通道蛋白C. 孔蛋白D. ABC转运蛋白4、动物细胞对葡萄糖或氨基酸等有机物的吸收依靠（B ）。
A. 受体介导的胞吞作用B. Na+-K+泵工作行程的Na+电化学梯度驱动C. Na+-K+泵工作行程的K+电化学梯度驱动D. H+-ATPase行程的H+电化学梯度驱动5、有关动物细胞胞内体膜或溶酶体膜上的V型质子泵的描述，错误的是（B）。
A. V型质子泵利用ATP水解供能从细胞质基质中逆H+电化学梯度将H+泵入细胞器B. V型质子泵利用ATP水解供能从细胞器中逆H+电化学梯度将H+泵入细胞质基质C. V型质子泵可以维持细胞质基质pH中性D. V型质子泵有利于维持胞内体或溶酶体的pH酸性6、流感病毒进入细胞的方式为（C ）。
A. 吞噬作用B. 胞膜窖蛋白依赖的胞吞作用C.网格蛋白依赖的胞吞作用D. 大型胞饮作用7、表皮生长因子及其受体通过胞吞作用进入细胞后（D）。
A. 将通过夸细胞转运到细胞的另一侧发挥作用B. 受体返回质膜，而表皮生长因子进入溶酶体降解C. 表皮生长因子被活化，刺激细胞生长D. 进入溶酶体被降解，从而导致细胞信号转导活性下降8、一种带电荷的小分子物质，其胞外浓度比细胞内浓度高。
那么，该物质进入细胞的可能方式为（A ）。
A. 被动运输B. 简单扩散C. 主动运输D.以上都错9、对P型泵描述正确的是（D ）。
A. 位于液泡膜上B. 位于线粒体和叶绿体上C. 其ATP结合位点位于质膜外侧D. 水解ATP使自身形成磷酸化的中间体二、填空题1、质膜中参与物质运输的P型泵在物质运输中有两个特点：其一是水解ATP 功能，其二是磷酸化和去磷酸化作用。
第5章 跨膜运输
6
脂溶性与扩散速率
质 壁 分 离 ， 而 置 于 高 浓 度 的 酒 精 溶 液 中 时 则 不 会 ？
当 把 植 物 细 胞 置 于 高 浓 度 蔗 糖 溶 液 时， 很 快 会 发 生
7
人工膜对各类物质的通透率： 疏水分子（非极性分子）容易透过； 带电离子不容易透过；
极性不带电荷的小分子比大分子容易透过；
14
Typical gated channels
电压门通道 配体门通道 压力激活通道
15
■压力激活通道
（Stretch-gated channels)
听觉毛状细胞的离子通道就是一例。声音的振动激 活通道，门开放，允许离子进入毛状细胞，这样建 立起一种电信号，并且从毛状细胞传递到听觉神经， 然后传递到脑。
8
◆水分子不溶于脂, 并具有极性,理应不能自由 通过质膜, 但实际却是很容易通过膜。原因是:
plasma membranes of many cells contain proteins, called aquaporins, that allow the passive movement of water from one side to the other. such as cells of the kidney tubule and plant roots 水分子本身比较小； 膜上有水孔蛋白通道
24
作用：
维持细胞内一定的Na+/K+浓度； 该浓度梯度为葡萄糖协同运输提供驱动力； 有助于建立膜电位。
25
2
2+ Ca
pump,
2+ Ca
ATPase
● The Ca2+ -ATPase present in both the plasma membrane and the membranes of the endoplasmic reticulum.
脂溶性与扩散速率
质 壁 分 离 ， 而 置 于 高 浓 度 的 酒 精 溶 液 中 时 则 不 会 ？
当 把 植 物 细 胞 置 于 高 浓 度 蔗 糖 溶 液 时， 很 快 会 发 生
7
人工膜对各类物质的通透率： 疏水分子（非极性分子）容易透过； 带电离子不容易透过；
极性不带电荷的小分子比大分子容易透过；
14
Typical gated channels
电压门通道 配体门通道 压力激活通道
15
■压力激活通道
（Stretch-gated channels)
听觉毛状细胞的离子通道就是一例。声音的振动激 活通道，门开放，允许离子进入毛状细胞，这样建 立起一种电信号，并且从毛状细胞传递到听觉神经， 然后传递到脑。
8
◆水分子不溶于脂, 并具有极性,理应不能自由 通过质膜, 但实际却是很容易通过膜。原因是:
plasma membranes of many cells contain proteins, called aquaporins, that allow the passive movement of water from one side to the other. such as cells of the kidney tubule and plant roots 水分子本身比较小； 膜上有水孔蛋白通道
24
作用：
维持细胞内一定的Na+/K+浓度； 该浓度梯度为葡萄糖协同运输提供驱动力； 有助于建立膜电位。
25
2
2+ Ca
pump,
2+ Ca
ATPase
● The Ca2+ -ATPase present in both the plasma membrane and the membranes of the endoplasmic reticulum.
细胞生物学-物质的跨膜运输(翟中和第四版)-含注释!!!
动物、植物细胞主动运输比较
三、ABC 超家族
• ABC 超家族也是一 类ATP 驱动泵 • 广泛分布于从细菌 到人类各种生物中， 是最大的一类转运 蛋白 • 通过ATP 分子的结 合与水解完成小分 子物质的跨膜转运
（一）ABC转运蛋白的结构与工作模式
• 4 个“核心”结构域
– 2 个跨膜结构域，分别含6 个跨
H+/K+ ATPase Control of acid secretion in the stomach
二、V 型质子泵和 F 型质子泵
• V 型质子泵广泛存在 于动物细胞的胞内体 膜、溶酶体膜，破骨 细胞和某些肾小管细 胞的质膜，以及植物、 酵母及其他真菌细胞 的液泡膜上 （V 为 vesicle） • 转运 H+ 过程中不形成 磷酸化的中间体
导兴奋）
B. 配体门通道（胞外配体）
（突触后膜接收乙酰胆碱的
受体）
C. 配体门通道（胞内配体）
D. 应力激活通道（内耳的 听毛细胞）
含羞草“害羞”的机制
• 估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的 15~30%，细 胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的2/3。
• 两类主要转运蛋白：
P型泵的主要特点:都是跨膜蛋白，并且是由一条多肽完成 所有与运输有关的功能，包括ATP的水解、磷酸化和离子 的跨膜运输。
Na+-K+ATP酶的分子结构：
α β 两种亚基组成的二聚体。
α 亚基具有ATP酶的活性；
β 亚基是具有组织特异性的糖蛋白。
（一）Na+-K+ 泵（Na+-K+ ATPase）
Figure 11-14 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
细胞生物学 第五章 物质的跨膜运输
离子流，产生电信号。 编辑ppt
离子通道的三种类型
编辑ppt
电压门控离子通道：铰链细胞失水 原理：含羞草的叶柄基部和复叶基部,都有一个膨大部分,叫作 叶枕。叶枕细胞 （铰链细胞）受刺激时，其膜钙离子门控通 道打开，钙内流，产生AP，致使铰链细胞的液泡快速失水而 失去膨压，从而叶枕就变得瘫软,小羽片失去叶枕的支持,依次 地合拢起来。
编辑ppt
应力激活的离子通道：2X1013N，0.04nm
编辑ppt
❖ 2、通道蛋白 ❖ 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 ❖ 离子通道的开与闭编辑p受pt 控于适当的细胞信号。
❖ Couple uphill transport to the hydrolysis of ATP.
❖ Mainly in bacteria, couple uphill transport to an input of
energy from light.
编辑ppt
第二节 离子泵和协同转运 ❖ ATP 驱动泵分类：
编辑ppt
水分子 通过水孔蛋白
编辑ppt
第一节 膜转动蛋白与物质的跨膜运输
❖ 二、物质的跨膜运输 ❖ (一)被动运输 ❖ 2、协助扩散 ❖ 各种极性分子和无机离子，以及细
胞代谢产物等顺其浓度梯度或电化学 梯度跨膜转运，无需细胞提供能量， 但需膜转运蛋白“协助”。
编辑ppt
葡萄糖载体蛋白家族
❖ 人类基因组编码12种与糖转运相关的载体 蛋白GLUT1～GLUT12，构成GLUT。
离子通道的三种类型
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电压门控离子通道：铰链细胞失水 原理：含羞草的叶柄基部和复叶基部,都有一个膨大部分,叫作 叶枕。叶枕细胞 （铰链细胞）受刺激时，其膜钙离子门控通 道打开，钙内流，产生AP，致使铰链细胞的液泡快速失水而 失去膨压，从而叶枕就变得瘫软,小羽片失去叶枕的支持,依次 地合拢起来。
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应力激活的离子通道：2X1013N，0.04nm
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❖ 2、通道蛋白 ❖ 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 ❖ 离子通道的开与闭编辑p受pt 控于适当的细胞信号。
❖ Couple uphill transport to the hydrolysis of ATP.
❖ Mainly in bacteria, couple uphill transport to an input of
energy from light.
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第二节 离子泵和协同转运 ❖ ATP 驱动泵分类：
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水分子 通过水孔蛋白
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第一节 膜转动蛋白与物质的跨膜运输
❖ 二、物质的跨膜运输 ❖ (一)被动运输 ❖ 2、协助扩散 ❖ 各种极性分子和无机离子，以及细
胞代谢产物等顺其浓度梯度或电化学 梯度跨膜转运，无需细胞提供能量， 但需膜转运蛋白“协助”。
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葡萄糖载体蛋白家族
❖ 人类基因组编码12种与糖转运相关的载体 蛋白GLUT1～GLUT12，构成GLUT。
细胞生物学-第5章-物质的跨膜运输(翟中和第四版)
二、V 型质子泵和 F 型质子泵
• V 型质子泵广泛存在 于动物细胞的胞内体 膜、溶酶体膜，破骨 细胞和某些肾小管细 胞的质膜，以及植物、 酵母及其他真菌细胞 的液泡膜上 （V 为 vesicle）
• 转运 H+ 过程中不形成 磷酸化的中间体
• 维持细胞质基质 pH 中 性和细胞器内 pH 酸性
– 载体蛋白介导 – 通道蛋白介导
（一）载体蛋白及其功能
• 多次跨膜；通过构象改变介导溶质分子跨膜转运 • 与底物（溶质）特异性结合；具有高度选择性；具有类似
于酶与底物作用的饱和动力学特征；但对溶质不做任何共 价修饰
（一）载体蛋白及其功能
• 不同部位的生物膜往往含有各自功能相关的不同 载体蛋白
（二）通道蛋白及其功能
• 两类主要转运蛋白：
– 载体蛋白：又称做载体、通透酶和转运器。介导被动运输与主动运 输
– 通道蛋白：能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过。只介导被动 运输
两者区别：以不同方式辨别溶质。通道蛋白主要根据溶质大小和电荷和进 行辨别，假如通道处于开放状态，则足够小和带有适当电荷的分子或离子 就能通过；而载体蛋白只允许与其结合部位相适应的溶质分子通过，并且 每次转运都发生自身构象的变化。
动物、植物细胞主动运输比较
三、ABC 超家族
• ABC 超家族也是一 类ATP 驱动泵
• 广泛分布于从细菌 到人类各种生物中， 是最大的一类转运 蛋白
• 通过ATP 分子的结 合与水解完成小分 子物质的跨膜转运
（一）ABC转运蛋白的结构与工作模式
• 4 个“核心”结构域
– 2 个跨膜结构域，分别含6 个跨 膜α 螺旋，形成底物运输通路决 定底物特异性
• 3 种类型：离子通道、孔蛋白以及水孔蛋白 • 大多数通道蛋白都是离子通道 • 转运底物时，通道蛋白形成选择性和门控性跨膜通道
第五章-跨膜转运PPT课件
1、同向协同（symport）
物质运输方向与离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖 的吸收伴随着Na+的进入。载体蛋白有两个结合位点，同 时与Na+和特异的氨基酸或葡萄糖分子结合，进行同向转 运。
2、反向协同（antiport）
物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反。如动物细胞 分裂时，常通过Na+/H+反向协同运输的方式来向细胞外转 运H+，以调高细胞内的PH值。
6. 2K+释放到细胞内， α亚基
4. 3Na+释放到细胞外 5. 2K+结合；去磷酸化 构象恢复原始状态。
每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+， 转进两个K+。 是一种基本的、典型的主动 运输方式。
Na+-K+泵的作用： ①维持细胞的渗透压，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。
➢分泌蛋白合成后立即包装入高尔基复合体的分泌囊 泡中，然后被迅速带到细胞膜处排出。
➢所有真核细胞，连续分泌过程 ➢转运途径：粗面内质网→高尔基体→分泌泡 →细胞表面
（二）钙泵（Ca2+ pump ）
又称Ca2+-ATP酶。
构成：1个多肽构成的整合膜蛋白，每个泵 单位含有10个跨膜α螺旋。
分布：
❖ 细胞质膜和内质网膜上。 ❖ 肌细胞的肌质网膜上。
工 作 原 理 ：
3. 构象改变，破坏Ca2+结 4. 去磷酸化
1. 2Ca2+与位点结合 2. ATP水解；磷酸化
第三节 胞吞作用（endocytosis） 与胞吐作用（exocytosis）
大分子与颗粒性物质的跨膜运输 膜泡运输:转运过程中，物质包裹在囊泡中。 批量运输：同时转运一种或多种数量不等的
第五章物质跨膜运输
高浓度
通道蛋白
低浓度
LDL颗粒
LDL受体
有被小窝
有被小泡 无被小泡 去被 胞内体部分
胞内体
融 合
融 合
吞 噬 溶 酶 体 初级溶酶体
受体与大分子颗粒分开
胞内体部分
低密度脂蛋白
（low-density lipoproteins,LDL ):是胆固醇在肝 细胞合成后与磷 脂和蛋白质形成 的复合物,进入血 液，通过与细胞 表面的LDL受体 结合形成受体LDL复合物，通 过网络蛋白有被 小泡的内化作用 进入细胞，经脱 被与胞内体融合。
第一节
生物膜与物质的跨膜运输
一、脂双层分子的透性与膜转运蛋白
二、被动运输与主动运输
一、脂双层分子的透性与膜转运蛋白
膜脂的透性 膜转运蛋白：
载体蛋白（carrier proteins）——与特定的溶质分子 结合 （运输的溶质与载体有互补结合的结构域）；具通透酶 （permease）性质:P102； 介导被动运输与主动运输 通道蛋白（channel proteins）——一般不与溶质
分子结合。只有大小和电荷适宜的离子或颗粒才能
通过，只介导被动运输
通道蛋白（channel proteins）
一类为非选择性，例如：线粒体外膜上的孔 蛋白； 一类具有离子选择性，例如：离子通道
三个特征：转运速率高、没有饱和值、受门控开关
离子通道类型：电压门通道（voltage-gated channel）
第二节 离子泵和协同运输
一、离子泵 二、协同运输 三、离子跨膜转运与膜电位 P115-117
复习思考题
• 细胞可以利用质膜两侧的离子浓度梯度来驱动物质的主动运输, 这种方式称为________作用. • Na+-K+泵的能量来源是____，植物细胞中协同运输时能量的 直接来源是____。 • 母鼠抗体从血液通过上皮细胞进入母乳，再经乳鼠的肠上皮细 胞被摄入体内 ，这种将内吞作用与外排作用相结合的跨膜转 运方式称为______运输。 • 存在于质膜上的质子泵称为_________________型质子泵， 存在于溶酶体膜和植物液泡膜上的质子泵称为 _______________型质子泵 • 细胞对Ca2+的运输有四种方式：____；____；____；____。 • 钙泵的主要作用是 A、降低细胞质C a2+的浓度; B、提高胞质中C a2+浓度 C、降低内质网中C a2+ 的浓度;D、降低线粒体中C a2+浓度
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
质子泵
P型质子泵：真核细胞膜 V型质子泵：溶酶体膜和液泡膜 H+-ATP酶：顺浓度梯度，线粒体内膜，类囊体膜和细菌
质膜
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
调节型胞吐途径：蛋白分选由高尔基体反面 管网区受体类蛋白决定
BACK
第二节 细胞通信与信号传递
细胞通讯与信号传递 通过细胞内受体介导的信号传递 通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递 由细胞表面整联蛋白介导的信号传递 细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合
信息
一、细胞通讯与信号传递
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
协同运输(cotransport) 由Na+-K+泵（或H+-泵）与载体蛋白协同作用
物质的跨膜转运与膜电位
钠钾泵(Na+-K+ pump)
动物细胞 1/3-2/3能量用于细胞内外Na+-K+ 浓度 和二亚基组成， 亚基120kD， 亚基50kD 亚基Asp磷酸化与去磷酸化 1ATP转运3 Na+和2K+ 抑制剂：乌本苷 促进：Mg2+和膜脂 作用：保持渗透平衡
载体蛋白(carrier proteins)及其功能
与特定溶质分子结合，通过一系列构象变化 介导溶质分子的跨膜转运
通透酶，但改变平衡点，加速物质沿自由能 减少方向跨膜运动的速率
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维持
直接动力
电化学梯度
Na＋－K＋泵 消耗ATP实现
根据物质运输方向和离子流 动方向分类：
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
协同运输的方向
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
1、同向协同（共运输，symport）
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
一、P 型泵 (P-type pump)
• 2 个α 催化亚基，具有ATP 结合位点；2 个β 调节亚基 • 至少有一个α 催化亚基发生 磷酸化和去磷酸化反应，改 变转运泵的构象，实现离子
的跨膜转运
• 转运泵水解ATP 使自身形 成磷酸化的中间体
了影响？
/content/74/suppl_2/ii32/rge.jpg
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
2. Na+-K+ 泵主要生理功能 C. 吸收营养
动物细胞对葡萄糖或氨基酸等 有机物吸收的能量由蕴藏在 Na+ 电化学梯度中的势能提供 植物细胞、真菌和细菌通常利 用质膜上的H+-ATPase 形成的 H+ 电化学梯度来吸收营养物
指物质运输方向与离子转移方向相同。 如动物小肠细胞对葡萄糖的吸收就是 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，每转移 一个H+吸收一个乳糖分子。
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
（一）载体蛋白及其功能
• 不同部位的生物膜往往含有各自功能相关的不同 载体蛋白
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
1. 葡萄糖转运蛋白
• 12 次跨膜α 螺旋 • α 螺旋带有ser, Thr, Asp, Glu残基。它们的侧链可以 同葡萄糖羟基形成氢键。通 过构象改变完成葡萄糖的协 助扩散 • 转运方向取决于葡萄糖浓度 梯度
第三节 胞吞作用与胞吐作用
• 真核细胞通过胞吞作用和胞吐作用完成大分子与颗粒性物 质的跨膜运输，如蛋白质、多核苷酸、多糖等 • 物质包裹在脂双层膜包被的囊泡中，因此又称膜泡运输
Figure 13-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
• 维持细胞质基质 pH 中性和细胞器内 pH 酸性
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
二、V 型质子泵和 F 型质子泵
• F 型质子泵存在于细菌质膜、 线粒体内膜和叶绿体类 囊 体膜上（F 为factor 的第一 个字母） • 转运 H+ 过程中不形成磷酸 化的中间体
Ca2+-ATP酶作用机理
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
2. P 型 H+ 泵
• 植物细胞、真菌(包括酵母)和细菌细胞质膜上虽然没有Na+K+ 泵， 但有P 型H+ 泵(H+-ATPase) • P 型H+ 泵将 H+ 泵出细胞，建立和维持跨膜 H+ 电化学梯度
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
1.
钠钾泵
J. Skou，1957年首先发现
结构：由2个大亚基和2个小亚基构成的4聚体，实际上 就是Na+-K+ATP酶。 作用：维持细胞 内的低钠高钾， 需要消耗1/3 ATP 能量。
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
A. 电压门通道 B. 配体门通道（胞外配体） C. 配体门通道（胞内配体） D. 应力激活通道
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
2. 水孔蛋白：水分子的跨膜通道 (2003诺奖) • 水分子借助质膜上的水孔蛋白实现快速跨膜转运
Fig. Xenopus oocytes microinjected with AQP1 mRNA swell rapidly when placed in a hypo-osmotic medium, in contrast to noninjected oocytes.
高浓度到低浓 度
主动运输 载体蛋白 需要 ATP/光能
低浓度到高浓度
参与运输的膜成 脂类 份
被运输的物质是否 需要结合
不需要 不耗能
高浓度到低浓 度
能量来源 运输方向
特异性
运输的分子高浓度 时的饱和性
无
无
有
载体蛋白：有 通道蛋白：无
有
有
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/popular.html
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
（三）主动运输(active transport)
• 载体蛋白所介导、逆着电化学梯度或浓度梯度 • 3种类型
2、反向协同（对向运输，antiport）
物质跨膜运输的方向与离子转移的方向相 反，如动物细胞通过Na＋驱动Na＋－H＋对向 运输的方式转运细胞内的H＋，调节细胞内 的pH。
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
性质
简单扩散
被动运输 通道蛋白/ 载体蛋白 需要 不耗能
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编
细胞生物学（第4版）
第5章 物质的跨膜运输
Copyright © 高等教育出版社 2011
本章主要内容
• 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输 • ATP驱动泵与主动运输
• 胞吞作用与胞吐作用
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
二、小分子物质的跨膜运输类型
四、离子跨膜转运与膜电位
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
重症肌无力 Myasthenia Gravis
• 重症肌无力患者体内 产生了乙酰胆碱受体 （AChR）分子的自
身抗体，这些抗体与
骨骼肌细胞质膜上的 乙酰胆碱受体结合并 使其失活。试解释肌 肉功能中哪一步受到
（二）通道蛋白及其功能
• 3 种类型：离子通道、孔蛋白以及水孔蛋白 • 大多数通道蛋白都是离子通道 • 转运底物时，通道蛋白形成选择性和门控性跨膜通道
水孔蛋白
离子通道 孔蛋白
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
离子通道的类型及其 3 个显著特征
• 具有极高的转运速率 • 没有饱和值 • 离子通道非连续性开放而是门控的
工作机 制
的亲和力发生改变。 在膜内侧，酶与Na+结 合，ATP水解，酶被磷 酸化，构象发生改变， 与Na+结合部位转向膜 外侧，这种磷酸化的 酶使与Na+亲和力减小， 而与K+亲和力增加。 因此在膜外，释放Na+， 而与K+结合。结合K+ 后，酶去磷酸化，恢 复原状。于是与K+结 合部位转向膜内，释 放K+，而又与Na+结合。 每消耗一个ATP，转出 3个Na+ 而转入2个K+。
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
2. Na+-K+ 泵主要生理功能
A. 维持细胞膜电位 B. 维持动物细胞渗透
平衡
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
四、离子跨膜转运与膜电位
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
• F 型质子泵常利用质子动力 势合成ATP，又称作 H+ATP合成酶
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
动物、植物细胞主动运输比较
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
三、ABC 超家族
• ABC 超家族也是一 类ATP 驱动泵 • 广泛分布于从细菌 到人类各种生物中， 是最大的一类转运 蛋白 • 通过ATP 分子的结 合与水解完成小分 子物质的跨膜转运
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
（二）Ca2+ 泵及其他 P 型泵
• 细胞质基质中低 Ca2+ 浓度的维持 主要得益于质膜
或细胞器膜上的
钙泵 • 每消耗1 分子 ATP 从细胞质基 质泵出 2 个Ca2+
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
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载体蛋白及其功能
• 多次跨膜；通过构象改变介导溶质分子跨膜转运 • 与底物（溶质）特异性结合；具有高度选择性；具有类似 于酶与底物作用的饱和动力学特征；但对溶质不做任何共 价修饰
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– ATP 驱动泵（ATP直接供能）
– 协同转运或偶联转运（ATP间接提供能量）
– 光驱动泵
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第二节 ATP驱动泵与主动运输
直接动力
电化学梯度
Na＋－K＋泵 消耗ATP实现
根据物质运输方向和离子流 动方向分类：
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协同运输的方向
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1、同向协同（共运输，symport）
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一、P 型泵 (P-type pump)
• 2 个α 催化亚基，具有ATP 结合位点；2 个β 调节亚基 • 至少有一个α 催化亚基发生 磷酸化和去磷酸化反应，改 变转运泵的构象，实现离子
的跨膜转运
• 转运泵水解ATP 使自身形 成磷酸化的中间体
了影响？
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2. Na+-K+ 泵主要生理功能 C. 吸收营养
动物细胞对葡萄糖或氨基酸等 有机物吸收的能量由蕴藏在 Na+ 电化学梯度中的势能提供 植物细胞、真菌和细菌通常利 用质膜上的H+-ATPase 形成的 H+ 电化学梯度来吸收营养物
指物质运输方向与离子转移方向相同。 如动物小肠细胞对葡萄糖的吸收就是 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，每转移 一个H+吸收一个乳糖分子。
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（一）载体蛋白及其功能
• 不同部位的生物膜往往含有各自功能相关的不同 载体蛋白
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1. 葡萄糖转运蛋白
• 12 次跨膜α 螺旋 • α 螺旋带有ser, Thr, Asp, Glu残基。它们的侧链可以 同葡萄糖羟基形成氢键。通 过构象改变完成葡萄糖的协 助扩散 • 转运方向取决于葡萄糖浓度 梯度
第三节 胞吞作用与胞吐作用
• 真核细胞通过胞吞作用和胞吐作用完成大分子与颗粒性物 质的跨膜运输，如蛋白质、多核苷酸、多糖等 • 物质包裹在脂双层膜包被的囊泡中，因此又称膜泡运输
Figure 13-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
• 维持细胞质基质 pH 中性和细胞器内 pH 酸性
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二、V 型质子泵和 F 型质子泵
• F 型质子泵存在于细菌质膜、 线粒体内膜和叶绿体类 囊 体膜上（F 为factor 的第一 个字母） • 转运 H+ 过程中不形成磷酸 化的中间体
Ca2+-ATP酶作用机理
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2. P 型 H+ 泵
• 植物细胞、真菌(包括酵母)和细菌细胞质膜上虽然没有Na+K+ 泵， 但有P 型H+ 泵(H+-ATPase) • P 型H+ 泵将 H+ 泵出细胞，建立和维持跨膜 H+ 电化学梯度
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1.
钠钾泵
J. Skou，1957年首先发现
结构：由2个大亚基和2个小亚基构成的4聚体，实际上 就是Na+-K+ATP酶。 作用：维持细胞 内的低钠高钾， 需要消耗1/3 ATP 能量。
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A. 电压门通道 B. 配体门通道（胞外配体） C. 配体门通道（胞内配体） D. 应力激活通道
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2. 水孔蛋白：水分子的跨膜通道 (2003诺奖) • 水分子借助质膜上的水孔蛋白实现快速跨膜转运
Fig. Xenopus oocytes microinjected with AQP1 mRNA swell rapidly when placed in a hypo-osmotic medium, in contrast to noninjected oocytes.
高浓度到低浓 度
主动运输 载体蛋白 需要 ATP/光能
低浓度到高浓度
参与运输的膜成 脂类 份
被运输的物质是否 需要结合
不需要 不耗能
高浓度到低浓 度
能量来源 运输方向
特异性
运输的分子高浓度 时的饱和性
无
无
有
载体蛋白：有 通道蛋白：无
有
有
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/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/popular.html
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（三）主动运输(active transport)
• 载体蛋白所介导、逆着电化学梯度或浓度梯度 • 3种类型
2、反向协同（对向运输，antiport）
物质跨膜运输的方向与离子转移的方向相 反，如动物细胞通过Na＋驱动Na＋－H＋对向 运输的方式转运细胞内的H＋，调节细胞内 的pH。
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性质
简单扩散
被动运输 通道蛋白/ 载体蛋白 需要 不耗能
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细胞生物学（第4版）
第5章 物质的跨膜运输
Copyright © 高等教育出版社 2011
本章主要内容
• 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输 • ATP驱动泵与主动运输
• 胞吞作用与胞吐作用
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二、小分子物质的跨膜运输类型
四、离子跨膜转运与膜电位
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重症肌无力 Myasthenia Gravis
• 重症肌无力患者体内 产生了乙酰胆碱受体 （AChR）分子的自
身抗体，这些抗体与
骨骼肌细胞质膜上的 乙酰胆碱受体结合并 使其失活。试解释肌 肉功能中哪一步受到
（二）通道蛋白及其功能
• 3 种类型：离子通道、孔蛋白以及水孔蛋白 • 大多数通道蛋白都是离子通道 • 转运底物时，通道蛋白形成选择性和门控性跨膜通道
水孔蛋白
离子通道 孔蛋白
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离子通道的类型及其 3 个显著特征
• 具有极高的转运速率 • 没有饱和值 • 离子通道非连续性开放而是门控的
工作机 制
的亲和力发生改变。 在膜内侧，酶与Na+结 合，ATP水解，酶被磷 酸化，构象发生改变， 与Na+结合部位转向膜 外侧，这种磷酸化的 酶使与Na+亲和力减小， 而与K+亲和力增加。 因此在膜外，释放Na+， 而与K+结合。结合K+ 后，酶去磷酸化，恢 复原状。于是与K+结 合部位转向膜内，释 放K+，而又与Na+结合。 每消耗一个ATP，转出 3个Na+ 而转入2个K+。
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2. Na+-K+ 泵主要生理功能
A. 维持细胞膜电位 B. 维持动物细胞渗透
平衡
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四、离子跨膜转运与膜电位
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• F 型质子泵常利用质子动力 势合成ATP，又称作 H+ATP合成酶
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动物、植物细胞主动运输比较
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三、ABC 超家族
• ABC 超家族也是一 类ATP 驱动泵 • 广泛分布于从细菌 到人类各种生物中， 是最大的一类转运 蛋白 • 通过ATP 分子的结 合与水解完成小分 子物质的跨膜转运
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（二）Ca2+ 泵及其他 P 型泵
• 细胞质基质中低 Ca2+ 浓度的维持 主要得益于质膜
或细胞器膜上的
钙泵 • 每消耗1 分子 ATP 从细胞质基 质泵出 2 个Ca2+
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载体蛋白及其功能
• 多次跨膜；通过构象改变介导溶质分子跨膜转运 • 与底物（溶质）特异性结合；具有高度选择性；具有类似 于酶与底物作用的饱和动力学特征；但对溶质不做任何共 价修饰
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– ATP 驱动泵（ATP直接供能）
– 协同转运或偶联转运（ATP间接提供能量）
– 光驱动泵
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