细胞膜与物质转运
细胞膜的结构和物质转运功能
细胞膜的结构和物质转运功能细胞膜是所有生物细胞的外壳，它不仅保护了细胞的内部结构，还负责细胞内外物质的交换和信号传递。
细胞膜的结构和物质转运功能是细胞生命活动的基础。
本文将从细胞膜的结构、物质转运功能以及相关的研究进展等方面进行阐述。
一、细胞膜的结构细胞膜是由磷脂双层组成的，磷脂分子具有亲水性和疏水性两种特性。
在水中，磷脂分子排列成双层结构，亲水性的磷酸基团朝向水相，疏水性的脂肪酸基团则朝向内部。
这种排列方式形成了细胞膜的基本结构。
除了磷脂分子外，细胞膜还包含许多蛋白质、糖类和胆固醇等分子。
这些分子在细胞膜上分布不均，形成了许多不同的结构和功能区域。
例如，膜蛋白可以形成通道、受体、酶等结构，参与物质转运和信号传递等生命活动。
二、物质转运功能细胞膜的物质转运功能是指细胞膜通过不同的机制，将物质从细胞内或外转移到另一侧。
这种物质转运可以是主动的或被动的，也可以是选择性的或非选择性的。
下面将分别介绍几种常见的物质转运机制。
1.扩散扩散是一种被动的物质转运机制，它是指物质从高浓度区域自发地向低浓度区域移动。
这种移动是无序的，不需要能量输入。
扩散可以通过细胞膜上的通道蛋白、载体蛋白或直接通过磷脂双层进行。
扩散的速度取决于物质的浓度梯度、分子大小和极性等因素。
2.运输蛋白运输蛋白是一种主动的物质转运机制，它需要能量输入。
运输蛋白可以将物质从低浓度区域转移到高浓度区域，这种转移是有选择性的。
运输蛋白分为两种类型：一种是离子泵，它可以将离子从低浓度区域转移到高浓度区域，例如Na+/K+泵；另一种是转运体，它可以将小分子物质从低浓度区域转移到高浓度区域，例如葡萄糖转运体。
3.胆固醇转运胆固醇是一种重要的细胞膜成分，它可以调节细胞膜的流动性和稳定性。
胆固醇的转运是通过载体蛋白实现的。
载体蛋白将胆固醇从细胞内转移到细胞膜上，然后再将其转移到细胞外。
这种转运可以被药物所干扰，例如他汀类药物可以抑制胆固醇合成，从而降低胆固醇的含量。
细胞膜的四种运输方式
细胞膜的四种运输方式
单纯扩散、协助扩散、主动运输和胞吞胞吐是细胞膜的四种物质转运方式。
细胞膜的主要功能是选择性地交换物质，吸收营养物质，排出代谢废物，分泌与运输蛋白质。
1、单纯扩散：脂溶性物质由膜的高浓度侧向低浓度侧的扩散过程，称为单纯扩散。
不耗能，不需要载体。
如：水、尿素、二氧化碳等。
2、协助扩散：非脂溶性物质在膜蛋白的帮助下，顺浓度差或电位差跨膜扩散的过程，称为协助扩散。
不耗能，但是需要载体。
3、主动运输：离子或小分子物质在膜上“泵”的作用下，被逆浓度差或逆电位差的跨膜转运过程，称为主动转运（主动运输）。
主动运输需要消耗大量热量并且需要载体。
有选择透过性。
4、胞吞胞吐：是转运大分子或团块物质的有效方式。
物质通过细胞膜的运动从细胞外进入细胞内的过程，称胞吞。
包括吞噬和吞饮。
液态物质入胞为吞饮，如小肠上皮对营养物质的吸收；固体物质入胞为吞噬，如粒细胞吞噬细菌的过程。
细胞膜的结构和物质转运功能
细胞膜的结构和物质转运功能
(1)膜结构的液态镶嵌模型：细胞新陈代谢过程中需要不断选择性地通过细胞膜摄入和排出某些物质。
细胞膜和细胞器膜主要是由脂质和蛋白质组成。
根据膜结构的液态镶嵌模型，认为膜是以液态的脂质双分子层为基架，其间镶嵌着许多具有不同结构和功能的蛋白质。
(2)细胞膜的物质转运功能：物质的跨膜转运途径有：
①单纯扩散：扩散的方向和速度取决于物质在膜两侧的浓度差和膜对该物质的通透性。
容易通过的物质有O2、CO2、N2、乙醇、尿素和水分子等。
②经载体和通道膜蛋白介导的跨膜转运：属于被动转运，转运过程本身不需要消耗能量，是物质顺浓度梯度或电位梯度进行的跨膜转运。
经载体易化扩散指葡萄糖、氨基酸、核苷酸等;经通道易化扩散指溶液中的Na+、C1-、Ca2+、K+等带电离子，离子通道分为电压门控通道、化学门控通道和机械门控通道。
③主动转运：分原发性主动转运和继发性主动转运。
原发性主动转运的膜蛋白为离子泵(钠-钾泵，简称钠泵，也称Na+-K+-ATP 酶)。
继发性主动转运：它是间接利用ATP 能量的主动转运过程。
3 细胞膜的物质运输
配体闸门通道
细胞外
细胞内
机械门控通道 机械门控通道(Mechanical-gated Channel)
声音→内耳 毛细胞下方基膜震动→纤毛 内耳→毛细胞下方基膜震动 内耳听觉毛细胞（声音 内耳 毛细胞下方基膜震动 纤毛 触及上方覆膜→纤毛倾斜 机械作用使纤毛离子通道开放 触及上方覆膜 纤毛倾斜→机械作用使纤毛离子通道开放） 纤毛倾斜 机械作用使纤毛离子通道开放）
被动运输
载体蛋白易位机制
23
[举例] 举例]
非脂溶性物质， 葡萄糖、氨基酸、核苷酸进入红细 非脂溶性物质，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸进入红细 胞。是细胞摄取葡萄糖和氨基酸的主要方式. 是细胞摄取葡萄糖和氨基酸的主要方式.
葡萄糖结合 到载体上 载体变构
载体变构 葡萄糖释放 至细胞内
24
特点
高度选择特异性，只与某一种物质暂时性的、 ⑴ 高度选择特异性，只与某一种物质暂时性的、 可逆的结合和分离。 可逆的结合和分离。 饱和性。 ⑵ 饱和性。 (3)蛋白变性剂对膜转运蛋白有抑制作用。 蛋白变性剂对膜转运蛋白有抑制作用。 蛋白变性剂对膜转运蛋白有抑制作用
35
主动运输
特点
小分子物质逆浓度梯度转运； ① 小分子物质逆浓度梯度转运； 需要消耗代谢能量； ② 需要消耗代谢能量； 需要膜上的特异性载体蛋白。 ③ 需要膜上的特异性载体蛋白。
36
主动运输与被动运输比较
37
比较
被动运输
运输方向 是否耗能 载体蛋白 通道蛋白 类型
主动运输
逆浓度梯度 消耗代谢能 必须有载体蛋白 直接主动运输 间接主动运输38
细胞膜与物质转运
细胞膜与物质转运细胞膜是细胞的外围结构，分隔了细胞内部与外部环境。
它是由磷脂双层组成的，具有选择性通透性，起到了筛选物质进出细胞的重要作用。
物质在细胞膜上的转运过程是细胞内正常生理活动的基础，无论是细胞的营养供给还是废物排除等，都需要依靠细胞膜与物质的相互作用来实现。
下面将详细探讨细胞膜与物质转运之间的关系及其机制。
一、被动运输被动运输是指物质通过细胞膜进出细胞时，不需要消耗能量的过程。
其中包括扩散、渗透和简单扩散等。
1. 扩散：扩散是指高浓度物质向低浓度物质自发传播的过程。
在细胞膜中，物质的扩散依靠其浓度梯度推动，直到细胞内外浓度相等。
扩散通过细胞膜上的离子通道、载体蛋白以及裸露脂质层等途径进行。
2. 渗透：渗透是指在细胞膜中溶质由高浓度向低浓度方向通过的过程。
在渗透过程中，只有水分子能够跨越细胞膜，而溶质则无法通过。
渗透是生物体维持水分平衡的重要机制。
3. 简单扩散：简单扩散是指非极性物质通过细胞膜的脂质层进行跨膜运输的过程。
由于脂质层具有亲疏性，非极性物质能够迅速通过细胞膜进出细胞，而不需要依赖于膜上的通道或载体蛋白。
二、主动运输主动运输是指物质进出细胞时需要消耗能量的过程。
其中包括主动转运和容器转运两种方式。
1. 主动转运：主动转运是指通过细胞膜上的载体蛋白，将物质从低浓度区域转移到高浓度区域的过程。
此过程需要耗费细胞内储存的能量(ATP)，以维持细胞内外物质浓度梯度。
2. 容器转运：容器转运是一种介于被动运输和主动运输之间的过程。
在容器转运中，细胞膜通过形成容器来将物质引入或排出细胞。
这些容器可以是囊泡、液泡等细胞器的一部分。
容器转运依赖于配体与受体的结合，使细胞内的物质经由适当的膜泡运输到目的地。
三、离子通道细胞膜上的离子通道扮演着物质转运的重要角色。
离子通道是一种高度选择性的膜蛋白，具有特定的质子或离子通道，使得不同种类的离子能够快速地通过细胞膜。
细胞膜上的离子通道可以通过电化学梯度、浓度梯度或膜电位梯度驱动物质的转运。
细胞膜的物质转运功能、转运对象与特点
细胞膜的物质转运功能、转运对象与特点细胞膜是细胞内部与外部环境之间的界面，扮演着物质转运的重要角色。
细胞膜的物质转运功能主要包括主动转运和被动扩散两类。
主动转运是指细胞通过耗费能量的方式将物质从浓度低的区域
转移到浓度高的区域，从而实现对物质的积累。
主动转运的一个例子是钠-钾泵，它能够将钠离子从细胞内部排出，同时将钾离子从外部
吸入。
被动扩散是指物质在细胞膜中沿着浓度梯度自由扩散，不需要耗费能量。
被动扩散的物质包括氧气、二氧化碳、水和一些小分子物质。
细胞膜的物质转运对象主要包括离子、小分子物质和大分子物质。
离子的转运主要通过离子通道实现，离子通道具有高度选择性，只能允许特定的离子通过。
小分子物质的转运则主要通过扩散和转运蛋白实现，转运蛋白可以选择性地将特定的物质从一个侧面转移到另一个侧面。
大分子物质的转运则需要通过胞吞作用或胞吐作用实现，这需要依赖于细胞膜上的特殊膜蛋白。
细胞膜的物质转运具有高度的选择性和特异性，这是由于细胞膜上的转运蛋白和离子通道具有特定的结构和功能。
同时，细胞膜的物质转运也受到许多因素的影响，如物质浓度、温度、pH值、离子浓
度和分子大小等。
对于细胞内部的物质代谢和外部环境的适应性具有重要的意义。
- 1 -。
细胞膜物质转运的方式
细胞膜物质转运的方式有扩散、载体介导的转运、内吞作用和外泌作用等多种方式，这些方式的选择取决于物质的性质以及细胞内外环境的条件。
细胞膜物质膜上的转运过程，主要有以下几种方式：
1.扩散：物质自由地在细胞膜上运动，沿着浓度梯度自发地从高浓度区运动到低浓度区，不需要耗费能量。
2.简单扩散：指没有酶或载体蛋白参与的扩散，例如氧气、二氧化碳和脂溶性物质。
3.载体介导的转运：需要借助载体蛋白，分为被动转运和主动转运两种。被动转运是指物质沿着浓度梯度自发地从高浓度区向低浓度区转运，但需要借助载体蛋白进行介导，例如水分子通过水通道蛋白介导的转运。主动转运是指物质从低浓度区向高浓度区转运，需要耗费能量。主动转运分为原位运输和反向运输两种。原位运输是指物质通过载体蛋白从低浓度区向高浓度区运输，需要耗费ATP能量，例如葡萄糖转运；反向运输则是指物质通过载体蛋白从高浓度区向低浓度区运输，需要耗费能量，例如钠离子和钾离子的转运。
细胞膜与物质的跨膜转运
44
胞吞作用和胞吐作用
Medical Cell Biology
大分子及颗粒物质并不直接穿过细 胞膜,而是通过一系列膜囊泡形成和 融合来完成的转运过程，该运输方 式消耗能量，属主动运输的范畴。
胞饮作Байду номын сангаас（pinocytosis） 吞噬作用(phagocytosis)
[ ]
钾离子
]
细胞质 李延兰 医用生物学教研室 lyl72075@
31
Medical Cell Biology
李延兰 医用生物学教研室 lyl72075@
32
钠钾泵
Medical Cell Biology
① Na+结合到膜上；②酶磷酸化；③酶构象变化, Na+ 释放到细胞外;④K+结合到细胞表面;⑤酶去磷酸化; ⑥ K+释放到细胞内,酶构象恢复原始状态
李延兰 医用生物学教研室 lyl72075@
33
Medical Cell Biology
李延兰 医用生物学教研室 lyl72075@
钠钾泵
34
Medical Cell Biology
钠钾泵－动画
李延兰 医用生物学教研室 lyl72075@
35
Medical Cell Biology
Medical Cell Biology
第2章 细胞膜与物质运输
Cell Membrane and Transmembrane Transport
医用生物学教研室
李延兰
Tel:3831928(O)
lyl72075@
2010.03
李延兰 医用生物学教研室 lyl72075@
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
指不借助膜蛋白、不消耗细胞代谢能而使物质 顺浓度梯度自由穿膜的运输方式。
细胞膜与物质转运
高浓度
电
脂 质 双
化 学 梯
分
度
子
层
低浓度
影响通透性的因素：分子大小、脂溶程度、带电性 适合简单扩散的物质：
①概念： 借助于载体的帮助、不消耗细胞代谢能、使物质
顺 浓度梯度转运的方式。帮助扩散
细胞膜与物质转运
②机制：
高浓度
载体蛋白
低浓度Βιβλιοθήκη ③特点：速度快、高度选择性、速率最大值。
④适于易化扩散的物质：
亲水性物质：葡萄糖、氨基酸、核苷酸 无机离子：Na+、K +、CI¯、H+
细胞膜与物质转运
（三）通道蛋白介导的运输： ①可转运的物质：适当大小的带电荷的分子或离子，
第二章 细胞膜与物质转运
细胞膜（cell memberane）（质膜） 内膜（internal membrane）
细胞膜的功能：保护：屏障 交流：物质、信息、能量
门户
第一节 细胞膜研究的发展历程
☆ 了解：细胞膜（组成和结构）研究的发展历程。 ☆ 掌握：
细胞膜与物质转运
一、关于膜的化学组成和结构的早期研究 1895年，E.Overton认为：细胞膜由脂质组成。 1917年，Langmuir 脂类单分子膜技术（膜平衡）：
Singer和 Nicolson 1972年 1、脂质双分子层。
2、球形膜蛋白镶嵌在 脂双分子层中。 整合、外周、脂锚定式
镶嵌蛋白 附着蛋白
3、流动性。 不对称性。成分、功能
生物膜两大特性
总之： 生物膜是嵌有球形蛋白质的脂类二维排列的
液态体。
细胞膜与物质转运
（四）晶格镶嵌模型： 1975 Wallach 提出
1、脂质相变
无序
有序
（液态） （固态）
2、膜蛋白对脂类分子的活动有控制作用。
界面脂
细胞膜与物质转运
晶格
糖链（分布在非胞质面）
脂 双 层
膜 蛋 白
细胞内
生物膜结构的一般模型
细胞膜与物质转运
第二节 细胞膜的化学成分
脂类、蛋白质、糖类
一、膜脂
(一)类型:
磷 脂 生物膜的主要成份。 糖脂 胆固醇
1、磷脂：
脂锚定蛋白 共价键
（二）膜蛋白分子的流动：
侧向运动 旋转
人鼠细胞体外融合间接免疫荧光法： ——Frye和Edidin（1970年）
成纤维细胞融合——杂交细胞表面抗原分布的变化
细胞膜与物质转运
小鼠细胞
膜蛋白(抗原）
人细胞
异核细胞 抗小鼠膜蛋白抗体+荧光素B
抗人膜蛋白抗体+荧光素A
标记小鼠膜蛋白抗体 +小鼠膜蛋白（抗原）
标记人膜蛋白抗体+ 人膜蛋白（抗原）
孵育（370C,40分钟）
细胞膜与物质转运
三、膜糖类 膜 糖 类
细 胞 衣 脂 双 层
共价键
糖类+膜脂
糖脂
共价键
糖类+膜蛋白
糖蛋白
膜 蛋 白 细胞内
细胞衣（糖萼）：细胞外表的糖链 + 该细胞分泌的糖蛋白
细胞膜与物质转运
物质的跨膜运输
细胞
环境 选择性通透性 半透膜
甘油磷脂
鞘磷脂
细胞膜与物质转运
X
极
性
头
部
基
团
（
亲
水
）
鞘
非
胺
极
醇
性
尾
部
基
团
（
疏
水
）
细胞膜与物质转运
2、糖 脂：
鞘 胺 醇
鞘 胺 醇
3、胆固醇：
半乳糖苷脂
极
性
头 部
平 面
固
醇
环
结
构非
极
性
尾
部
细胞膜与物质转运
水
磷脂分子团
磷脂双层
水
水
磷脂脂质体
细胞膜与物质转运
（二）膜脂的流动性：
1、运动方式： 侧向扩散 旋转 摆动 翻转
不足： 把膜看成是静止的，各种生物膜功能上差异性； 各种膜厚度不完全相同； 酶的活性同构型的关系； 膜蛋白分离难易度不同。
60年代，蛋白和脂结合主要是疏水键； 膜脂双分子层中心分布有蛋白颗粒； 膜蛋白是-螺旋的球形结构。
60年代后期到70年代细初胞膜期与物，质转生运 物膜具有流动的性质。
（三）流动镶嵌模型 （液态镶嵌模型）：
如：Na+, K+, Ca2+, H2O 。 ②机理：
高浓度
通道蛋白 细胞膜与简物单质转扩运 散
Cole(1932)和Shapiro(1934)： 海胆卵细胞膜张力<油滴
J.F.Danielli和H.Harvey(1935)：鲐鱼卵油滴实验 加入蛋白质 表面张力↓
推想：细胞膜←脂质，蛋白质
细胞膜与物质转运
球形蛋白质 静电作用
细胞膜与物质转运
（二）单位膜模型：（ Robertson,1959年 ）
细胞膜
暗
明
细胞质
暗
“暗___明___暗” 2nm + 3.5 + 2 = 7.5nm
①蛋白质：单层伸展的片状，β折叠，静电作用， 内、外层不对称
②脂质分子极性头 + 蛋白质层 →暗 脂双细胞层膜与非物质极转运性尾 →亮
合理性： 生物膜形态学上的共性，与观察到的膜形态吻合。 质膜有高电阻； 脂溶性的不同物质，通透性不同。
2、影响流动性的因素：
脂肪酸链的长度 脂肪酸链的饱和程度 胆固醇的含量 卵磷脂 / 鞘磷脂
细胞膜与物质转运
长-----小 大-----小 多-----小 大-----大
二、膜蛋白： （一）类型：
非胞质面
脂 质 双 层 胞质面
整合蛋白
（跨膜蛋白）
外周蛋白
极性键
（附着蛋白）
非极性键（疏水键） 静电键
细胞膜与物质转运
非极性小分子: 苯、醇、O2、 CO2、N2 。 不带电荷的极性小分细子胞膜：与物H质转2运O、尿素、甘油。
＊ 膜转运蛋白(membrane transport protein)： 载体蛋白 ( carrier protein ) 通道蛋白（channel protein )
（二）易化扩散( facilitated diffusion ) ： ——葡萄糖的转运为例
磷脂 ：亲水区（极性区） 疏水区（非极性区）
细胞膜与物质转运
1925年E.Gorter-F.Grendel学说:
人红细胞
直径7um 表面积100um2 1.8～2.2 ：1
由双层脂质分子构成
细胞膜与物质转运
二、几种有代表性的质膜模型 （一）Danielli-Davson 模型（ 1935年）：
（片层模型、夹层模型、三明治模型）
交换的方式： 小分子和离子的穿膜运输。 大分子和颗粒物质的膜泡转运。
第三节 小分子物质的跨膜运输
☆ 运输方式 ☆ 转运机理（难点） ☆ 基本概念
细胞膜与物质转运
一、被动运输（passive transport)： 是指物质顺浓度梯度、不消耗细胞代谢能的穿膜
运输。 包括:简单扩散、易化扩散、通道蛋白介导的运输