生理学——细胞膜的基本结构和跨膜物质转运功能
细胞膜的基本结构和物质转运功能 课件
➢维持细胞内高K+，保证细胞正常代谢 ➢阻止Na+及伴随的H2O进入细胞，维持细胞体积 ➢建立势能储备，为其他物质转运提供能量
细胞膜的物质转运功能
常见的跨膜转运物质的方式
• 单纯扩散 • 易化扩散 • 主动转运 • 继发性主动转运（联合转运）
响，分电压门控性通道和化学门控性通道 ➢很多离子如：Na+、K+、Ca2+等的转运
被动转运 (passive transport)
概念：物质顺着浓度差或电位差的转运过程。 特点：
①顺浓度或电位梯度进行 ②不耗能
分类：
①单纯扩散 ②易化扩散
细胞膜的物质转运功能 常见的跨膜转运物质的方式 • 单纯扩散 • 易化扩散 • 主动转运
➢蛋白质 ➢糖类
细胞膜的化学组成和分子结构
单位膜（生物膜） 细胞的各种膜主要由脂质、蛋白质和糖类组成
• 膜的分子结构假说——液态镶嵌模型
➢脂质双分子层 ➢蛋白质
➢分子以α-螺旋或球形结构镶嵌在脂质分子中 ➢分整合蛋白和表面蛋白 ➢膜的各种功能主要取决于其所含的蛋白质，如
载体、通道、离子泵—物质转运；受体—识别 特异的化学刺激等 ➢糖类
饮作用）
粗面内质网合成蛋白性分泌物 高尔基复合体
膜性结构包被=分泌囊泡 囊泡向质膜内侧移动
囊泡膜与质膜的某点接触并融合 融合处出现裂口 分泌物排出
囊泡的膜成为细胞膜的组成部分
出胞
细胞膜上的受体对物质的“辨认”
发生特异性结合=复合物
复合物向膜表面的“有被小窝”移 动
生理学细胞膜的基本结构和跨膜物质转运功能
（四）继发性主动转运 （secondary active transport）
指某种物质的逆浓度梯度的转运是 依赖于另一物质的浓度差造成的势能 而实现的。
钠泵活动的生理意义：
1.维持细胞正常的渗透压和形态。
2.形成和保持细胞内外Na+、 K+不均匀分布， 与生物电的形成密切相关。
3.建立的Na+浓度势能储备。是营养物质跨 小肠和肾小管上皮细胞等跨膜主动转运的 能量来源。
The movement of substances across the membrane occurs against the electrochemical gradient with the necessity of consumption of m胞和骨骼肌细胞
1972年由singer和nicolson提出。其 主要内容：膜是以液态的脂质双分子 层为基架，其中镶嵌着不同生理结构 和功能的蛋白质，后者主要以-螺旋 或球形蛋白质的形式存在。
（一）脂质双分子层（Gorter Grendel）
lipid bilayer
化学组成： 磷脂（70%）、胆固醇（30%）、 鞘脂类脂质
Na+浓度的膜外:膜内（ Co/Ci ）为12 K+浓度的膜内:膜外 （ Ci/Co ）为30
钠-钾泵（sodium-potassium pump） 钠泵为Na+- K+依赖式ATP酶的蛋白质
Basic functions of pumps：
• 在细胞的特定部位聚集某种物质 • 建立一种势能储备 • 分泌特定物质
（五）出胞和入胞式物质转运
大分子物质或固态、液态的物质团块，通 过细胞膜复杂的结构和功能的变化，进出细 胞的过程。
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。
《生理学》细胞的基本功能——1细胞的跨膜运输方式
亲水性极性基团 磷酸和碱基） （磷酸和碱基）
二、细胞膜的物质转运功能 半透膜
哪些物质可以通过细胞膜 哪些物质可以通过细胞膜? 物质可以通过细胞膜 这些物质是如何通过细胞膜的? 如何通过细胞膜的 这些物质是如何通过细胞膜的?
O2 ， 能源物质 氨基酸 脂类 各种离子等
细
胞
CO2 CO2 代谢尾产物
水的跨膜转运
单纯扩散——水虽是极性分子 水虽是极性分子 单纯扩散 但分子极小，又不带电荷。 但分子极小，又不带电荷。 渗透 (osmosis) 溶液拖曳 (solvent drag) 易化扩散——水通道 (water channel) 易化扩散 水通道 水孔蛋白 (aquaporin, AQP)
Water channel
单纯扩散（ （一）单纯扩散（simple diffusion)
一些脂溶性物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。 一些脂溶性物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。
特点： 特点：
1、顺浓度差 2、不需要膜蛋白帮助 3、不消耗能量 4、转运脂溶性物质（非极性分子）如O2和CO2 转运脂溶性物质（非极性分子）
细胞膜结构 液态镶嵌模型 (fluid mosaic model)
以液态的脂质双分子层为基本框架， 以液态的脂质双分子层为基本框架 ， 其中镶嵌有不同生理 功能的蛋白质和少量多糖。 功能的蛋白质和少量多糖。
基架： 基架：液态的脂质双分子层 中间： 中间：镶嵌许多结构和功能 不同的蛋白质
疏水性非极性基团 长烃链） （长烃链）
2. 继发性主动转运
Secondary Active Transport
1）概念:利用原发性主动转运所造成的某种物质的势 概念: 能贮备而对其它物质进行逆浓度差跨膜转运的过程。 能贮备而对其它物质进行逆浓度差跨膜转运的过程。 如肾小管和肠黏膜处的葡萄糖和氨基酸的转运。 如肾小管和肠黏膜处的葡萄糖和氨基酸的转运。 转运体蛋白（转运体， 转运体蛋白（转运体，transporter) 2）特点 间接耗能（钠泵） 间接耗能（钠泵） 膜转运体（特殊蛋白质） 膜转运体（特殊蛋白质）
细胞膜的跨膜物质转运功能
细胞膜的跨膜物质转运功能细胞膜的跨膜物质转运是细胞内少量物质从比较高的浓度向比较低的浓度运输的过程，它的作用有助于维持细胞的正常功能和物质平衡。
细胞膜的材料运输可以通过主动和被动机制实现，而这些机制需要很多跨膜蛋白参与。
跨膜物质转运中，细胞膜蛋白被分为七种类型：转运蛋白（Transporters），受体蛋白（Receptor Proteins），膜外蛋白（Outer Membrane Proteins），膜内蛋白（Inner Membrane Proteins），电子载体蛋白（Electron Carrier Proteins），激动蛋白（Excitatory Proteins）和抑制蛋白（Inhibitory Proteins）。
转运蛋白是跨膜物质转运最典型的蛋白，它们能够从一个浓度更低的位置将物质转移到一个浓度更高的位置。
它们具有多功能的作用，可根据物质的属性而调整运输速率。
色素蛋白（Chromoproteins）和自由基转运蛋白（Free Radical Transporters）是转运蛋白的例子。
受体蛋白是另一种通过细胞膜的蛋白，它们的主要作用是增强另一个细胞内介导的运输过程。
这些受体蛋白通过特定的药物分子来识别物质，当受体蛋白与特定的药物分子结合时，激活的信号传递路径可以帮助细胞从环境中收集营养。
示范受体蛋白必须把物质从低浓度的环境运输到高浓度的环境。
膜外蛋白一般分布在细胞膜外侧，它们通过与特定的细胞淋巴系统或器官特异性分子结合来完成细胞外界环境信息的传递。
这类蛋白可增加或减少毛细血管的内分泌激素，根据能量变化的信号分布，保持细胞间的能量平衡，例如促酶电泳和粘附蛋白。
膜内蛋白一般分布在细胞膜内侧，它们是细胞隔离到细胞外界百分之百自治乐园的重要保护组织。
它们由非结构性抗体超家族和抗原降解酶超家族组成，它们可以响应细胞内可靠和有害的外界物质，抵御细菌和病毒的侵袭，参与细胞信号应答和免疫，以及对人体健康起重要作用。
生理学第二章细胞
微电极（单一神经纤维）
电压钳技术（细胞膜上的离子通道）
膜片钳技术（单一离子通道）
膜片钳技术：可记录细胞膜结构中单一离子通道的电流 和电导。生物电现象的观察分析进入分子水平的新阶段。
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静息电位(resting potential)及其产生原理
（一）静息电位(resting potential RP) 细胞安静状态时，存在于细胞膜内外两侧的电位差。
2.RP实验现象：
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证明RP的实验：
（甲）当A、B电极都位
性质：
于细胞膜外，无电位改变，内负外正（极化）
证明膜外无电位差。
（乙）当A电极位于细胞 膜外， B电极插入膜内时， 有电位改变，证明膜内、 外间有电位差。
（丙）当A、B电极都位
于细胞膜内，无电位改变，
证明膜内无电位差。
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➢ 膜电位变化中的几种状态
a⑧f①t正eR⑥r后e-Ksp电+to从it位ne细gn（pt胞oiptao内elsn)i转ttii移avle到细胞 a化ft③e外r膜-液p去o使t极e细n化t胞i达a复l阈)极:电超化位级水平，
电⑤④压N去门a②+极通控阈化道N刺a：关+激通N闭a道+，迅开K速放+通进。道入 Na开细+进放胞入细胞。
复极化(repolarization) : depolarization→ polarization
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（二）静息电位(RP)的产生机制
1. 细胞膜内外离子分布及膜对离子的通透性
(1) 细胞膜内、外离子分布不匀 [Na+] o ＞[Na+] i ≈ 10∶1, [K+]i＞[K+]o≈30∶1 [Cl-] o ＞[Cl-] i ≈ 14∶1, [A-]i＞[A-]o≈ 4∶1
细胞膜的基本结构和物质转运功能(2)
细胞膜的基本结构和物质转运功能（2）膜所具有的各种功能，在很大程度上决定于膜所含的蛋白质；细胞和周围环境之间的物质、能量和信息交换，大都与细胞膜上的蛋白质分子有关。
由于脂质分子层是液态的，镶嵌在脂质层中的蛋白质是可移动的，即蛋白质分子可以在膜脂分子间横向漂浮移位；不同细胞膜中的不同蛋白质分子的移动和所在位置，存在着精细的调控机制。
例如，骨骼肌细胞膜中与神经肌肉间信息传递有关的通道蛋白质分子，通常都集中在肌细胞膜与神经未梢分布相对应的那些部分；而在肾小管和消化管上皮细胞，与管腔相对的膜和其余部分的膜中所含的蛋白质种类大不相同，说明各种功能蛋白质分子并不都能在所在的细胞膜中自由移动和随机分布，而实际存在着的有区域特性的分布，显然同蛋白质完成其特殊功能有关。
膜内侧的细胞骨架可能对某种蛋白质分子局限在膜的某一特殊部分起着重要作用。
（三）细胞膜糖类细胞膜所含糖类甚少，主要是一些寡糖和多糖链，它们都以共价键的形式和膜脂质或蛋白质结合，形成糖脂和糖蛋白；这些糖链绝大多数是裸露在膜的外面一侧的。
这些糖链的意义之一在于以其单糖排列顺序上的特异性，可以作为它们所结合的蛋白质的特异性的“标志”。
例如，有些糖链可以作为抗原决定簇，表示某种免疫信息；有些是作为膜受体的“可识别性”部分，能特异地与某种递质、激素或其他化学信号分子相结合。
如人的红细胞ABO血型系统中，红细胞的不同抗原特性就是由结合在膜脂质的鞘氨醇分子上的寡糖链所决定的，A型抗原和B型抗原的差别仅在于此糖链中一个糖基的不同。
由此可见，生物体内不仅是多聚糖核苷酸中的碱基排列和肽链中氨基酸的排列可以起“分子语言”的作用，而且有些糖类物质中所含糖基序列的不同也可起类似的作用。
二、细胞膜的跨膜物质转运功能既然膜主要是由脂质双分子层构成的，那么理论上只有脂溶性的物质才有可能通过它。
但事实上，一个进行着新陈代谢的细胞，不断有各种各样的物质（从离子和小分子物质到蛋白质等大分子，以及团块性固形物或液滴）进出细胞，包括各种供能物质、合成细胞新物质的原料、中间代谢产物和终产物、维生素、氧和二氧化碳，以及Na+、K+、Ca2+离子等。
生理学第二章细胞的基本功能
2021/4/21
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2.肌丝滑行
终池膜上的钙通道开放 终池内的Ca2+进入肌浆
Ca2+与肌钙蛋白结合 肌钙蛋白的构型改变 原肌球蛋白位移， 暴露细肌丝上的结合位点 横桥与结合位点结合， 分解ATP释放能量
横桥摆动 牵拉细肌丝朝肌节中央滑行
肌节2缩021/短4/21=肌细胞收缩
按任意键 飞入横桥摆动动画
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四、骨骼肌收缩的形式
（一）等长收缩与等张收缩 等长收缩:收缩时,只有张力增加而长度不
变的收缩,称为等长收缩。
等张收缩:收缩时,只有长度缩短而张力不
变的收缩,称为等张收缩。
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（二）单收缩与强直收缩
Na+-K+泵又称Na+-K+-ATP酶，简称钠泵。
当膜内钠离 子↑ 或膜外 钾离子↑时， 都被激活， ATP 分 解 产 生能量，将 胞 内 3 个 Na+ 移至胞外和 将胞外2个 K+ 移 入 胞 内 。
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钠泵活动的意义：
•生物电产生的基础； •是其它物质继发主动转运的动力 •细胞内高钾是胞浆内许多代谢反应所必需的 •防止细胞内水肿
转运的物质：氧气、二氧化碳、脂类等
决定扩散速度的因素：浓度差；膜的通透性
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2.易化扩散
概念：非脂溶性或脂溶性小的小分子、离子物 质在膜蛋白的帮助下，由高浓度一侧向 低浓度一侧移动通过细胞膜的方式
转运的物质：葡萄糖；氨基酸；无机盐
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Structure and transport functions of the cell membrane
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是细胞内容物与细胞周围环境之间的一 道生理屏障。即可将两者分隔开，又是两者 之间物质、能量、信息转换的中介。
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一、细胞膜的化学组成和分子结构 Chemical composition and molecular structure of the cell membrane
lipid bilayer
化学组成： 磷脂（70%）、胆固醇（30%）、 鞘脂类脂质
磷脂的基本结构： 一分子甘油的两个羟基 各结合一分子脂肪酸， 另一个羟基结合一分子 磷酸，后者再结合一个 碱基。
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所有的膜脂质都是双嗜性分子 一端是磷酸、碱基等亲水性极性基团， 另一端的长烃链是非极性基团。 脂质小体： 人工制备的人工膜囊。
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（四）继发性主动转运 （secondary active
transport） 指某种物质的逆浓度梯度的转运
是依赖于另一物质的浓度差造成的势 能而实现的。
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钠泵活动的生理意义：
1.维持细胞正常的渗透压和形态。
2.形成和保持细胞内外Na+、 K+不均匀分布， 与生物电的形成密切相关。
Na+浓度的膜外:膜内（ Co/Ci ）为12 K+浓度的膜内:膜外 （ Ci/Co ）为30
钠-钾泵（sodium-potassium pump） 钠泵为Na+- K+依赖式ATP酶的蛋白质
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Basic functions of pumps： • 在细胞的特定部位聚集某种物质 • 建立一种势能储备 • 分泌特定物质
The movement of substances across the
membrane occurs against the
electrochemical gradient with the
necessity of consumption of metabolic
energy.
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神经细胞和骨骼肌细胞
allosteric
Na+浓度高
电位高
电位低
Na+浓度低
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细胞外 细胞膜 细胞内
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2、以载体为中介的易化扩散 Facilitated diffusion via
carrier
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特点： 1、结构特异性 2、饱和性 3、竞争性抑制
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3.建立的Na+浓度势能储备。是营养物质跨 小肠和肾小管上皮细胞等跨膜主动转运的 能量来源。
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（五）出胞和入胞式物质转运
大分子物质或固态、液态的物质团块，通 过细胞膜复杂的结构和功能的变化，进出细 胞的过程。
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出胞（exocytosis)
胞
吐 是细胞分泌、递质释放及大分
子物质和颗粒的外排方式。
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（二）易化扩散（facilitated diffusion）
在体内，一些不溶于脂质或溶解度甚小的物 质，在细胞膜上一些特殊蛋白质的帮助下，顺 浓度差或电位差的跨膜物质转运。如：葡萄糖， 氨基酸及各种离子等。
特点： 1、高浓度
低浓度
2、膜蛋白的介导
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1、以通道为中介的易化扩散 Facilitated diffusion via
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（二）细胞膜蛋白质 cell membrane
protein 膜蛋白质的存在方式：表
面蛋白质和整和蛋白质。
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（三）细胞膜糖类 Cell membrane
carbohydrate 可作为细胞或蛋白质的标志，
也可作为膜受体的“可识别”部分。
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精品课件Βιβλιοθήκη 二、细胞膜的跨膜物质转运功能 The transmembrane material
transport of the cell membrane
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（一）单纯扩散（simple diffusion）
扩散： 扩散通量： mol/s.cm2
单纯扩散：在生物体中，一些脂溶性的小分 子物质顺浓度差或电位差的跨膜 物质转运。如：CO2，O2等。
影响单纯扩散扩散通量的因素：
1、浓度差 2、通透性：物质通过细胞膜的难易程度
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化学组成： 脂质、蛋白质、糖类等 基本结构：
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1972年由singer和nicolson提出。 其主要内容：膜是以液态的脂质双分 子层为基架，其中镶嵌着不同生理结 构和功能的蛋白质，后者主要以-螺 旋或球形蛋白质的形式存在。
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（一）脂质双分子层（Gorter Grendel）
c与ha离nn子e的l 易化扩散有关，推测在蛋白质内
部出现了一条贯穿膜内外的亲水性相孔道。 特点： 选择性和门控性。
（1）化学门控通道 （2）电压门控通道 （3）机械门控通道
•水通道（AQP）
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化学门控离子通道
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ion channels ：
electrochemical gradient +
入胞（endocytosis） 吞噬 吞饮 是大分子物质或物质团块的进入
细胞的主要方式。
吞噬 吞胞饮 胞
只发生特殊细 液相入胞，受体介导入
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受体介导式入胞 receptor-mediated endocytosis
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配体与受体结合
次级溶酶体
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初级溶酶体
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单纯扩散：
以载体为介导的易化扩散：
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被动转运（passive transport） 物质顺电-化学梯度进行跨膜转
运的过程，细胞本身无须消耗能量。
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（三）主动转运（active transport）
原发性主动转运：
细胞膜通过本身的某种耗能过程， 将物质的分子或离子逆电-化学梯度进行 跨膜转运。