细胞中物质的转运实验
细胞膜的物质转运
Lecture notes细胞膜的物质转运【摘要】各种物质的跨膜转运的主要方式包括：单纯扩散、易化扩散、主动转运、出胞与入胞。
单纯扩散是指脂溶性物质通过细胞膜由高浓度侧向低浓度侧扩散的过程。
水溶性小分子或离子在特殊膜蛋白的帮助下，由细胞膜的高浓度一侧向低浓度一侧扩散的过程，称为易化扩散，易化扩散分两种：经载体易化扩散和经通道易化扩散。
主动转运指细胞通过本身的耗能过程，将物质分子或离子由膜的低浓度一侧移向高浓度一侧的过程，主动转运分两种：原发性主动转运和继发性主动转运。
出胞是指细胞内大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程，入胞是指细胞外大分子物质或物质团块借助于与细胞膜形成吞噬泡或吞饮泡的方式进入细胞的过程。
上皮转运是指分子或离子从上皮细胞一侧转运另一侧的过程。
常见的跨膜物质转运形式如下:（一）单纯扩散单纯扩散（simple diffusion）是指脂溶性物质通过细胞膜由高浓度侧向低浓度侧扩散的过程。
人体体液中的脂溶性物质（如氧气、二氧化碳、一氧化氮和甾体类激素等）可以单纯依靠浓度差进行跨细胞膜转运。
跨膜转运物质的多少以通量表示，其大小取决于两方面的因素：1、细胞膜两侧该物质的浓度差；2、该物质通过细胞膜的难易程度，即通透性（permeability）的大小。
水分子虽然是极性分子，但它的分子极小，又不带电荷，故膜对它是高度通透的。
另外，水分子还可通过水通道跨膜转运。
（二）膜蛋白介导的跨膜转运带电离子和分子量稍大的水溶性分子，其跨膜转运需要由膜蛋白的介导才能完成。
根据转运方式不同，介导物质转运的膜蛋白可分为载体、通道、离子泵和转运体等。
由它们介导的跨膜转运根据是否消耗能量又可分为被动转运(passive transport)和主动转运(active transport)两大类。
1．易化扩散水溶性小分子或离子（Na＋、K＋、Ca2＋等）在特殊膜蛋白的帮助下，由细胞膜的高浓度一侧向低浓度一侧扩散的过程，称为易化扩散(facilitated diffusion)。
细胞膜的物质转运功能
细胞膜的物质转运功能作者：***来源：《中学生理科应试》2024年第04期19世纪末，德国生物学家Pfeffer提出了“细胞内压力”理论：细胞能通过消耗能量来改变细胞内外物质的浓度差异，这一理论并未得到广泛认同。
20世纪50年代，比利时生物化学家De Duve等人首次发现了ATP酶的存在，并证明它在细胞内的能量代谢过程中起着关键作用，这些发现为后来主动运输的研究奠定了基础。
一、原发性主动转运原发性主动转运指细胞通过直接消耗代谢能量驱动某些特定物质从低浓度一侧向高浓度一侧的跨膜运输，这种方式的主要特点是需要直接的能量供应，并且不受其他物质的运输影响。
1.钠钾泵钠钾泵是一种存在于细胞膜上的蛋白质，负责维持细胞内离子浓度的平衡。
它是细胞能量代谢和信号传导的重要组成部分。
它利用ATP的能量，将细胞内的3个Na+排出到细胞外，同时将2个K+摄入到细胞内。
这种离子交换使得细胞内外的离子浓度保持一定的比例，从而维持细胞的正常功能，如维持细胞膜电位的稳定，保证神经冲动的传递和肌肉收缩等功能的正常进行。
2.质子泵（1）P型质子泵，称为H+泵或H+-ATP水解酶，分布在植物细胞、真菌细胞和细菌细胞的质膜上，通过水解ATP并使自身磷酸化，引起自身构象变化，使得H+泵出细胞，使细胞膜周围环境pH<7。
（2）V型质子泵，通过水解A'rP来驱动其功能，本身不发生磷酸化，主要作用是从细胞质基质中氢离子（H*）泵入溶酶体或液泡中。
维持溶酶体和大型液泡内的低pH环境。
（3）F型质子泵（ATP合酶）顺浓度梯度运输H+，将释放的能量用于ATP的合成，可在线粒体的氧化磷酸化和叶绿体的光合磷酸化过程中观察到。
（4）特色的质子泵——光驱动泵，如绿色植物叶绿体类囊体膜上的一种由光驱动的质子泵，吸收光能后从类囊体外部向内部逆浓度输送2个H+。
例1 某细菌细胞膜上的光驱动蛋白可作为“质子泵”可将H+泵到细胞外，形成的H+浓度梯度可用于ATP合成等生命活动。
第四章 细胞的物质运输
与胞吞作用相反的过程，与分泌活动相关
结构性分泌、调节性分泌
结构性分泌途径 （constitutive pathway of secretion） 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。 存在于多数细胞中
调节性分泌途径 （regulated pathway of secretion）
①溶酶体酶在内质网合成并部分糖基化，然后运送到ＧＣ
②在ＧＣ的顺面扁平囊，溶酶体酶蛋白上部分甘露糖被磷酸 化为Ｍ６Ｐ ③在ＧＣ的反面扁平囊，Ｍ６Ｐ被膜上受体识别并结合，被 选择性富集，并以出芽方式形成运输小泡
④运输小泡与内体融合形成内溶酶体
⑤Ｍ６Ｐ与受体分离，受体通过芽生小泡被转运回ＧＣ膜 ⑥ Ｍ６Ｐ脱磷酸根成为甘露糖
自动力蛋白
第四节 细胞内蛋白质的加工和分泌
一、蛋白质在内质网的加工修饰
内质网膜腔侧面上进行
糖基化（N－连接） 二硫键的修饰
蛋白质的正确折叠
•N－连接寡糖来源：
多萜醇
•寡糖组成：由2 N-乙
酰葡萄糖胺，9 甘露
糖、3 葡萄糖 酶：糖基转移酶 •初步加工：3个葡萄 糖在RER内切除
二、蛋白质在高尔基体的加工修饰
GC扁平囊不同区室进行
N－连接寡糖进一步加工：
高甘露糖型 复合型
高甘露糖型：
GC中再切除3 甘露糖，最后为2 N－乙酰葡萄糖胺
和6 甘露糖
复合型：
GC中切除6 甘露糖，加上3 N－乙酰葡萄糖胺、3 半
乳糖、3 唾液酸、岩藻糖
O－连接寡糖链形成：
全部在高尔基复合体内进行 先连接N －乙酰葡萄糖胺再连接其他糖基
生理第一节细胞膜的物质转运功能
第一节细胞膜的物质转运功能细胞内外的各种物质不断地交换，物质通过细胞膜转运的方式基本有以下四种。
（一）单纯扩散脂溶性的小分子物质从细胞膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程，称为单纯扩散。
人体内脂溶性的物质为数不多，比较肯定的有氧和二氧化碳等气体分子。
02、N2、C02、乙醇、尿素等都是以单纯扩散的方式进行跨膜转运的。
（二）易化扩散易化扩散指一些不溶于脂质或脂溶性很小的物质，在膜结构中一些特殊蛋白质分子的1.由载体介导的易化扩散 葡萄糖、氨基酸等营养性物质的进出细胞就属于这种类型的易化扩散。
以载体为中介的易化扩散有如下特点：①高度特异性；②有饱和现象；③有竞争性抑制。
①转运的方向始终是顺浓度梯度的，转运速度比仅从溶质物理特性所预期的要快得多。
②由于膜上载体和载体结合位点的数目都是有限的，因此转运速率会出现饱和现象。
③载体与溶质的结合具有化学结构特异性。
④化学结构相似的溶质经同一载体转运时会出现竞争性抑制。
葡萄糖是组织细胞的能源物质，它跨膜进入红细胞的过程是典型的经载体易化扩散。
2.由通道介导的易化扩散 通过通道扩散的物质主要是Na +、K +、Ca 2+、Cl -等离子。
通道具有一定的特异性，但它对离子的选择性没有载体蛋白那样严格。
通道蛋白质的重要特点是，随着蛋白质分子构型的改变，它可以处于不同的功能状态。
当它处于开放状态时，可以允许特定的离子由膜的高浓度一侧向低浓度一侧转移；当它处于关闭状态时，膜又变得对该种离子不能通透。
根据引起通道开放与关闭的条件不同，一般可将通道区分为电压门控通道和化学门控通道，化学门控通道也称配体门控通道。
不同的离子通道，一般都有其专一的阻断剂。
河豚毒能阻断Na +通道，只影响Na +的转运而不影响K+的转运。
四乙基铵能阻断K +通道，只影响K +的转运而不影响Na +的转运。
上述两种物质转运方式，都不需要细胞代谢供能，因而均属于被动转运。
静息状态下，K +由细胞内向细胞外扩散属于 A.单纯扩散B.载体介导易化扩散C.通道介导易化扩散D.原发性主动转运E.速发性主动转运[答疑编号111010101：针对该题提问]『正确答案』CNa ＋通过离子通道的跨膜转运过程属于 A.单纯扩散 B.易化扩散 C.主动转运 D.出胞作用 E.入胞作用[答疑编号111010102：针对该题提问]『正确答案』B记录神经纤维动作电位时，加人选择性离子通道阻断剂河豚毒，会出现什么结果：A.静息电位变小B.静息电位变大C.除极相不出现D.超射不出现E.复极相延缓[答疑编号111010103：针对该题提问]『正确答案』C（三）主动转运指细胞膜通过本身的某种耗能过程，将某物质的分子或离子由膜的低浓度一侧移向高浓度一侧的过程。
细胞的物质运输
Voltage gated K+ channel
K+电位门有四个亚单位，每个 亚基有6个跨膜α螺旋(S1-S6) ， N和C端均位于胞质面。连接 S5-S6段的发夹样β折叠 (P区 或H5区)，构成通道内衬，大 小允许K+通过。目前认为S4 段是电压感受器
K+ channel
4th subunit not shown
Mammalian MDR1 protein
ABC 转 运 器 与 病 原 体 对 药 物 的 抗 性 有 关 。 MDR （multidrug resistance protein ）是第一个被发现的真核细 胞ABC转运器，是多药抗性蛋白，约40%患者的癌细胞内 该基因过度表达。
五、协同运输（cotransport）
人工膜对各类物质的通透率：
1.脂溶性越高通透性越大； 2.小分子比大分子易透过； 3.非极性分子比极性容易透过； 4.极性不带电荷的小分子可透过人工脂双层； 5.人工膜对带电荷的物质，如离子是高度不通透的。
动物细胞
低渗溶液
等渗溶液
高渗溶液 植物细胞
肿胀
松弛
质壁分离
Diffusion Vs Osmosis
去被
融 合 胞内体
融 合
初级溶酶体
胆固醇分子
LDL颗粒
磷酯分子 胆固醇酯分子 蛋白质分子的表面突起
LDL颗粒
LDL受体
聚集
有被小窝 内吞作用
有被小囊 去被
小囊 (胞内体)
融合
受体与 LDL颗粒
分离
质膜 次级溶酶体
融合
游离胆固醇
包含受体的小 囊与包含LDL 的小囊分开
初级溶酶体
生理学课件细胞-1细胞膜的物质转运功能
3.糖类:与脂质或蛋白结合生成糖蛋白或糖脂 作为抗原决定簇、受体可识别部分
二、跨膜物质转运
跨膜转运 transmembrane transport 体内各种物质经过细胞膜进出细胞的过程。
转运方式:
单纯扩散
①被动转运
②主动转运
易化扩散转运 导
③膜泡运输 出胞
生理学课件细胞-1细胞膜的物质转运 功能
一、细胞膜的分子结构 液态镶嵌模型(fluid mosaic model)学说 以液态脂质双分子层为基架,其间镶嵌有 不同结构和功能的蛋白质
1.脂质双分子层:磷脂、胆固醇等双嗜分子构 成基架,体温条件下具有流动性
2.蛋白质:表面蛋白20-30%(如:RBC骨架蛋白) 整合蛋白70-80%(载体、通道、离 子泵、受体等)
肠黏膜上皮细胞顶端膜侧发生Na+-GS同向转运， GS经基底侧膜上另一种GS载体易化扩散入组织液。
肾小管上皮细胞对GS的重吸收
基底侧膜
钠泵活动
↓
Na+浓度势能差
↓ 管腔膜
Na+-GS 同向转运体
↓ GS再易化扩散
入血
在绝大多数情况下，溶质跨质膜转运的 动力来自Na+泵建立起的Na+的跨膜浓度梯 度；
③竞争性抑制competition inhibition: 当两种结构相似的物质能被同一载体转运, 则亲和力或浓度较低者转运被抑制。
转运体 transporter：
单转运体，如转运葡萄糖的载体。 同向转运体，如Na+-葡萄糖同向转运体。
反向转运体或交换体，如Na+-H+交换体。
2.经通道易化扩散 经通道易化扩散 Facilitated diffusion via channel
细胞膜与物质的跨膜转运 小分子物质的穿膜运输
• ①通过水解ATP获得能量 ； • ②离子浓度梯度；
大分子物质的跨膜运输
Endocytosis and Exocytosis
胞
胞
吞
饮
吐
噬
作
作
作
用
用
用
吞噬体phagosome
吞饮体pinosome
一、胞吞作用（endocytosis）
▪ 又称入胞作用或胞吐作用，是通过质膜的变 形运动将细胞外物质转运入细胞内的过程。
适合单纯扩散的物质： 脂溶性物质(非极性物质): 苯.乙醇.氧. 不带电荷小分子物质: 水.尿素.二氧化碳 不适合单纯扩散的物质： 带电荷物质，葡萄糖、氨基酸、核苷酸及许 多代谢产物不能通过单纯扩散穿膜转运。
膜转运蛋白
1.通道蛋白 在膜上形成亲水孔道介导离子转运
2.载体蛋白 通过构象改变进行物质转运
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
机械门控通道（mechanic-gated channel）
➢通道蛋白受压力作用，引起通道构象改变 而开启“闸门”，离子通过亲水通道进入 细胞，引起膜电位变化。
➢如内耳毛细胞感受声音
神经肌肉接头处离子通道的作用
神经-肌接头处的闸门通道
二、离子通道扩散
▪ 以其亲水区构成亲水通道和离子通道 ▪ 有些通道蛋白处于持续开放状态：
例如：钾泄漏通道 ▪ 多数通道为闸门通道
闸门门控通道的类型
1.电压闸门通道（voltage-gated channel） 2.配体闸门通道（ligand-gated channel） 3.机械门控通道(mechanical gated channel)
溶质在细胞内的运输
溶质在细胞内的运输溶质在细胞内的运输是细胞内生物化学过程中一个重要的环节。
细胞内的溶质运输是细胞对外界环境变化进行适应的重要手段之一。
细胞内的溶质运输可以分为主动转运和被动扩散两种方式。
主动转运是指溶质在细胞膜上通过跨膜蛋白进行转运的过程。
这种转运方式需要消耗能量，并且是针对溶质在浓度梯度的情况下进行的。
在主动转运中，细胞通过膜上的转运蛋白，将溶质从浓度低的一侧转运到浓度高的一侧。
这个过程相当于逆向运输，所以需要耗费能量来驱动这一过程。
细胞中常见的主动转运方式有活性转运和囊泡运输。
活性转运是指细胞通过膜上的ATP酶来驱动溶质的转运。
在这种转运方式中，ATP酶通过水解ATP获得能量，并将能量用于驱动溶质从低浓度一侧转运到高浓度一侧。
活性转运常见的例子是钠-钾泵，它将胞内的钠离子转运到胞外，同时将胞外的钾离子转运到胞内。
这种转运方式对于维持细胞静息膜电位和胞内外离子平衡具有重要意义。
囊泡运输是指细胞内的囊泡通过膜上的转运蛋白将物质从一个位置运输到另一个位置。
囊泡运输主要用于细胞内的物质分泌和摄取过程。
在细胞性分泌过程中，细胞将物质包裹在囊泡中，然后将囊泡与细胞膜融合，将物质释放到胞外。
而在细胞内的物质摄取过程中，细胞膜会将外界的物质包裹在囊泡内，然后将囊泡与细胞膜融合，将物质引入到细胞内。
这种转运方式对于细胞对外界环境的感知和适应具有重要意义。
被动扩散是指溶质在浓度梯度的驱使下，通过细胞膜直接进行的扩散过程。
这种转运方式不需要外部能量的参与，并且是针对溶质在浓度梯度的情况下进行的。
在被动扩散中，细胞膜上的孔道蛋白起到了重要的作用。
这些孔道蛋白能够在细胞膜上形成一个特定大小的通道，使得溶质可以通过细胞膜直接扩散进入或离开细胞。
被动扩散常见的例子有气体的扩散和小分子的扩散。
总的来说，细胞内的溶质运输是细胞对外界环境变化进行适应的重要手段之一。
细胞通过主动转运和被动扩散两种方式，将溶质在细胞内进行转运。
这一过程不仅对于维持细胞内外环境平衡和细胞内物质交换具有重要意义，还对于细胞的正常功能发挥起到了重要的调节作用。
细胞膜的物质转运功能(被动转运)
细胞膜的物质转运功能
（一）细胞膜的分子结构
1、脂质双分子层
脂质以磷脂为主，其构成了膜的基本基架
2、细胞膜的蛋白
膜的基本基架中镶嵌了许许多多的形成功能不同的蛋白质
蛋白质或镶嵌与脂质双分子层中，或贯穿与脂质双分子层
3、细胞膜的糖类
在细胞膜的外表还有少量糖类物质
细胞膜的主要功能有：1、细胞内外物质交换
2、接受来自外界环境或细胞外液的刺激并发
生反应
3、对外界信息的辨别功能
（二）细胞膜的物质转运功能
物质通过细胞膜主要有两种方式：被动转运和主动转运
被动转运的特点：1、转运过程本身不需要消耗能量
2、顺浓度梯度转运
主动转运的特点：1、转运过程本身需要消耗能量
2、逆浓度梯度转运
（一）被动转运（单纯扩散、易化扩散）
1、单纯扩散：是指一些脂溶性物质和少数分子量很小的水溶性物质从细胞膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程
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
单纯扩散的最终结果：该物质在膜两侧的浓度差消失
2、易化扩散：指一些水溶性或在脂质中溶解度很小的物质，在某些特殊蛋白质的协助下从膜的高浓度一侧向低浓度一侧扩散的过程。
易化扩散分为
载体介导的易化扩散：有些重要的物质
很难溶于脂质由高浓度一侧向低浓度一侧较容易地移动，
（2）通道介导的易化扩散：离子通道简称通道；允许溶液中的Na+、K+、Ca2+、Cl-等电离子穿过亲水性孔道进出细胞（无机离子和水）。
第3节-物质进出细胞的运输方式高中生物必修一苏教版
【解析】载体蛋白只容许与自身结合部位相适应的分子或离子通过，每次转运时都
会发生自身构象的变化或移动，通道蛋运输速率快，A、C正确。由于载体蛋白的数量有限，图甲介导的运
输速率会受到载体蛋白数量的限制，同时也会受到膜两侧运输物质的浓度差、温度
【解析】水分子的油/水分配系数较低，但细胞质膜对其通透性却很高，B错误。
知识点2 被动运输不需要细胞供能
例2-6 下列关于被动运输的说法，错误的是( D
A.被动运输不需要消耗细胞内的ATP
B.被动运输分为简单扩散和协助扩散
C.被动运输可以降低膜两侧的物质浓度差
D.被动运输不需要载体蛋白协助
)
【解析】导图分析逐项解疑惑
)
A.受体介导的胞吞过程存在识别作用并需要细胞供能
B.该过程是以细胞质膜的流动性为基础的
C.胞吞过程也需要膜上的蛋白质参与
D.只有大分子才能以胞吞的形式进入细胞
【解析】大分子物质与受体结合时首先需要经过识别作用，需要膜上的蛋白质参与，
胞吞过程需要消耗细胞呼吸产生的能量，A、C正确；内吞作用有质膜的凹陷，以质
D错误。
知识点7 影响物质跨膜运输的因素
例7-13 如图是几种物质进出细胞方式的运输速率与影响因素间的关系曲线图，下列
相关叙述正确的是( D
)
A.图③只能表示简单扩散
B.与K + 进入轮藻细胞的运输方式相符的图有②④⑤
C.与蛋白质进出细胞的运输方式相符的图有②③⑥
D.与甘油进出细胞的运输方式相符的图有①③⑤
是( A )
A.据图可知,三种溶液浓度 < <
B.甲细胞发生了渗透吸水现象
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细胞中物质的转运实验
细胞是生物体的基本单位，它通过各种方式与外界环境进行物质的交换。
物质
的转运是细胞内外物质交流的重要过程之一。
在细胞内，物质的转运通过细胞膜上的通道和载体蛋白实现。
本文将介绍细胞中物质的转运实验，探讨不同实验方法对于细胞转运机制的揭示。
一、细胞内物质转运实验的基本原理
细胞内物质转运实验的基本原理是通过标记物质并观察其在细胞内的转运过程，从而揭示细胞内物质转运的机制。
实验中常用的标记物质有荧光染料、同位素标记物和荧光蛋白等。
通过这些标记物质，可以追踪物质在细胞内的分布和转运路径，并研究转运速率、转运途径以及转运受到的调控等。
二、荧光染料在细胞内转运实验中的应用
荧光染料在细胞内转运实验中广泛应用，其原理是将荧光染料与待研究物质结合，通过观察荧光染料的分布和转运情况来揭示物质的转运机制。
例如，研究膜蛋白的转运过程时，可以将荧光染料与膜蛋白结合，观察荧光染料在细胞内的分布和转运速率，从而了解膜蛋白在细胞内的转运途径和调控机制。
三、同位素标记物在细胞内转运实验中的应用
同位素标记物在细胞内转运实验中也有重要应用。
同位素标记物是将待研究物
质中的某个原子用同位素替代，通过观察同位素的分布和转运情况来揭示物质的转运机制。
例如，研究葡萄糖在细胞内的转运过程时，可以用放射性同位素标记葡萄糖，通过测定同位素的放射性衰变来追踪葡萄糖在细胞内的转运速率和途径。
四、荧光蛋白在细胞内转运实验中的应用
荧光蛋白在细胞内转运实验中也是一种常用的标记物质。
荧光蛋白是一类具有
自发荧光能力的蛋白质，通过将荧光蛋白与待研究物质融合，可以观察荧光蛋白在
细胞内的分布和转运情况。
例如，研究细胞器的转运过程时，可以将荧光蛋白与细胞器特异性蛋白质融合，通过观察荧光蛋白的分布和转运速率来揭示细胞器的转运途径和调控机制。
五、细胞内物质转运实验的进展与挑战
随着技术的不断发展，细胞内物质转运实验的方法也在不断改进和创新。
例如，近年来光遗传学技术的发展使得研究者可以通过光控制蛋白质的定位和活性，从而实现对细胞内物质转运过程的精确调控和研究。
然而，细胞内物质转运实验仍然面临着许多挑战。
例如，如何选择合适的标记物质和实验方法，如何准确测量物质的转运速率和途径，以及如何解决细胞内复杂环境对实验结果的影响等。
细胞内物质转运实验是揭示细胞内物质转运机制的重要手段，通过不同的实验
方法可以深入研究细胞内物质转运的过程和调控机制。
随着技术的不断发展，相信细胞内物质转运实验将在未来的研究中发挥更加重要的作用，为我们深入了解细胞生物学提供更多的线索和思路。