细胞生物学第05章物质的跨膜运输1-课件-课件-PPT文档资料
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细胞生物学第五章物质的跨膜运输与信号传递
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
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
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
细胞生物学 第五章 物质的跨膜运输
Diffusion of small molecules across phospholipid bilayers
If uncharged solutes are small enough, they can move down their concentration gbrilaadyieernbFptsyiegdrsuimirrmeeecpa1tllb1ey-idl1aiictfTyrfuohosseisforatneh.sleayltinipvtihedetic Most lsiopliudtebsiclaaynecrrotossdtihfefemreenmtbrane only if tchlearsesiessaomf memobleracnueletsra. nsTphoert protein stomtarlalenrsftehretmheomle.cule and, dirPeacstsioivmhwneyaaotdtsrrereaaorn,gicmsteophpnnoeocrbmetro,tnaointnnrrdeatts,thritiaeohtnpesmaigdfamerlykaweedtehsireewntit.h Activme torlaencsupleordti,ffius smeesdaiactreodssbythe carrier pbriloatyeeinr.s, against a concentration gradient, require an input of energy.
对绝大多数溶质分子和离子是高度不透的。
第一节 膜转动蛋白与物质的跨膜运输 一、脂双层的不透性与膜转动蛋白 （二）细胞质膜转动蛋白的种类 脂双层的不透性使得多数物质的跨膜
转运需要特定的膜转运蛋白。 载体蛋白（carrier protein）
细胞生物学第五章物质的跨膜运输资料
定义：是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯 度或电化学梯度由浓度低的一侧向高浓度的 一侧进行跨膜转运的方式。
特点：运输方向、跨膜动力、能量消耗 类型（根据能量来源）： 一、ATP直接供能(ATP驱动泵） 二、ATP间接提供能量(耦联转运蛋白) 三、光驱动泵
一、ATP驱动泵
特点：
跨膜蛋白，在原生质表面具有一个或多个ATP 结合位点，被称为ATP酶。直接利用水解ATP 提供的能量，实现离子或小分子逆浓度梯度或 电化学梯度的跨膜运动。
（3）、分类(根据激活信号的不同）分为三类： 电压门通道、配体门通道、应力激活通道。
电压门通道
工作机理：由膜电位控制门的开关,当细胞内 外特异离子浓度发生变化或由其它刺激引起 膜电位变化时，通道蛋白构象变化，门由关 闭转换为开放或者反之。
主要存在于神经细胞、肌细胞、卵细胞、原 生动物、植物细胞如含羞草。
特点：运输方向、跨膜动力、能量消耗 类型：简单扩散、协助扩散
一、简单扩散(simple diffusion)
由于小分子的热运动使分子从细胞膜的一侧 向另一侧运动，结果是分子从浓度高的一侧 向浓度低的一侧扩散。通透性取决于分子的 大小和极性。P=KD/d
通透性：非极性分子极性分子，小分子>大 分子
例：O2、N2、CO2 、苯、H2O、乙醇、丙酮、 尿素、甘油等
（四）、ABC超家族
1、分布：广泛分布在从细菌到人类各种生物体中。具 特异性。转运离子、单糖、氨基酸、磷脂、肽、多糖、 蛋白质。
2、结构：2个跨膜结构域（T）形成运输分子的跨膜 通道；两个胞质侧ATP结合域。每个T结构域由6个跨 膜螺旋组成，决定ABC蛋白的底物特异性。
3、功能：细菌质膜上糖、氨基酸、磷脂和肽的转运； 哺乳类细胞质膜上磷脂、亲脂性药物、胆固醇和其他 小分子的转运；肝、小肠、肾等细胞质膜排泄废物和 毒物的蛋白；多药抗性转运蛋白。
特点：运输方向、跨膜动力、能量消耗 类型（根据能量来源）： 一、ATP直接供能(ATP驱动泵） 二、ATP间接提供能量(耦联转运蛋白) 三、光驱动泵
一、ATP驱动泵
特点：
跨膜蛋白，在原生质表面具有一个或多个ATP 结合位点，被称为ATP酶。直接利用水解ATP 提供的能量，实现离子或小分子逆浓度梯度或 电化学梯度的跨膜运动。
（3）、分类(根据激活信号的不同）分为三类： 电压门通道、配体门通道、应力激活通道。
电压门通道
工作机理：由膜电位控制门的开关,当细胞内 外特异离子浓度发生变化或由其它刺激引起 膜电位变化时，通道蛋白构象变化，门由关 闭转换为开放或者反之。
主要存在于神经细胞、肌细胞、卵细胞、原 生动物、植物细胞如含羞草。
特点：运输方向、跨膜动力、能量消耗 类型：简单扩散、协助扩散
一、简单扩散(simple diffusion)
由于小分子的热运动使分子从细胞膜的一侧 向另一侧运动，结果是分子从浓度高的一侧 向浓度低的一侧扩散。通透性取决于分子的 大小和极性。P=KD/d
通透性：非极性分子极性分子，小分子>大 分子
例：O2、N2、CO2 、苯、H2O、乙醇、丙酮、 尿素、甘油等
（四）、ABC超家族
1、分布：广泛分布在从细菌到人类各种生物体中。具 特异性。转运离子、单糖、氨基酸、磷脂、肽、多糖、 蛋白质。
2、结构：2个跨膜结构域（T）形成运输分子的跨膜 通道；两个胞质侧ATP结合域。每个T结构域由6个跨 膜螺旋组成，决定ABC蛋白的底物特异性。
3、功能：细菌质膜上糖、氨基酸、磷脂和肽的转运； 哺乳类细胞质膜上磷脂、亲脂性药物、胆固醇和其他 小分子的转运；肝、小肠、肾等细胞质膜排泄废物和 毒物的蛋白；多药抗性转运蛋白。
细胞生物学-第五章 物质的跨膜运输
活通道。
通道蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子 结合，它横跨膜形成亲水通道，允许适宜大小 的分子和带电荷的离子通过。目前发现的通道 蛋白已有50多种，主要是离子通道蛋白
Ion Channels
----or----
1、配体门通道(ligand gated channel)
特点：受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生构 象变化， “门”打开。又称离子通道型受体。 可分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受 体，和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸受体。 Ach受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成 一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构，其中的两个α亚单 位是同两分子Ach相结合的部位。
个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构
象变化），所以这类离子泵叫做P-type。 Na+-K+泵的作用： ①维持细胞的渗透性，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。 地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有 助提高于其活性。
（二）、钙离子泵
Na+、而与K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复
原状，于是与K+ 结合的部位转向膜内侧，K+ 与酶的亲和力降低，使K+在 膜内被释放，而又与Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转 运出三个Na+，转进两个K+。
钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程（ATP上的一
③肌肉细胞膜的去极化， ④肌肉细胞去极化又引起 肌浆网上的Ca2+ 通道开放。 又使膜上的电压闸门Na+ Ca2+ 从肌浆网内流入细胞 更多的涌入，进一步促 质，细胞质内Ca2+ 浓度急 进膜的去极化，扩展到 剧升高，肌原纤维收缩。
5第五章 物质的跨膜运输 ppt课件
磷脂酶C(PLC)→ 反应的终止
→IP3→胞内Ca2+浓度升高→Ca2+结合蛋白(CaM)→细胞反应 →DG→激活PKC→蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pH
钙调蛋白（calmodulin, CaM)
2020/10/6
受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路
受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，RTKs） 包括6个亚族
离子通道是门控的；只介导被动运输。
类型： 电压门通道（voltage-gated channel）
配体门通道（ligand-gated channel）
2020/10/6
压力激活通道（stress-activated channel）
主动运输（active transport）
●特点：运输方向、跨膜动力、能量消耗、膜转运蛋白 被动与主动运输的比较
1. A,b,c:chemical signals dependent cell communication, including chemical synapse; 2. D: contact-dependent cell communication; 3. Ch20e20m/10i/6cal and electronic coupling by Gap junction.
2020/10/6
2020/10/6
（A）细胞内受体蛋白作用模型; 2020/10/6（B）几种胞内受体蛋白超家族成员
2020/10/6
2020/10/6
3. Signal transduction mediated by the receptors on the cell surface
细胞生物学 第五章物质的跨膜运输ppt课件
主动运输
钠钾泵 钙泵 协同转运
精选
30
精选
31
五、离子跨膜转运与膜电位(了解)
离子或带电荷物质的跨膜运动，产生并维 持了膜两侧不同物质特定的浓度分布，形 成了膜两侧的电位差。
膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和， 即膜电位。
精选
32
第三节 胞吞作用与胞吐作用
膜泡运输：细胞在转运大分子和颗粒物质的过程中， 物质被包裹在膜脂双分子层围成的囊泡中，通过 囊泡与细胞膜的融合进行转运，这种运输方式称 为膜泡运输。
酵母：6000个基因，1/3的编码膜结合蛋 白，其中多数为膜转运蛋白。
大肠杆菌（E. coli）:20%的基因与编码
膜转运蛋白有关。
精选
2
第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输 第二节 离子泵和协同转运 第三节 胞吞作用与胞吐作用
一、脂双层的不透性和膜转运蛋白
活细胞内外离子浓度明显不同，其调控机 制有二：
1、简单扩散：物质顺浓度梯度从膜的一 侧运送到另一侧，既不需要消耗能量，也 无需膜转运蛋白的帮助，故称为简单扩散。
➢疏水非极性小分子：N2、O2、苯等 ➢不带电的极性小分子：水、尿素、甘油等
精选
7
精选
8
通透性：取决于分子大小及其极性
小分子 ＞ 大分子
非极性分子 ＞极性分子
离子及大分子不能通过无膜蛋白的人工脂双层。
1.ATP驱动泵：直接利用水解ATP提供能量。
2.耦联转运蛋白（同向和反向）：逆浓度梯度 运动耦联顺浓度梯度运动。（协同运输）
3.光驱动泵：溶质的主动运输耦联光能输入。
精选Biblioteka 18第二节 离子泵和协同运输
ATP驱动泵：依靠ATP水解供能，逆浓度 梯度转运离子和各种小分子。（跨膜蛋白）
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分选信号存在于蛋白本身，分选主要由高尔基体TGN上的受体类蛋白来决定 。
● 膜流：动态过程对Biblioteka 膜更新和维持细胞的生存与生长是必要的
● 囊泡与靶膜的识别与融合
胞吐作用
组成型的外排途径与 调节型外排途径
膜流
囊泡与靶膜的识别与融合
思考题
1. 比较主动运输与被动运输的特点及 其生物学意义。
2. 试述Na+-K+泵的工作原理及其生 物学意义。
主动运输三种主要类型
钠钾泵的结构
钠钾泵的机制
钙泵（Ca2+-ATP酶）
质子泵
主动运输（active transport）
协同运输（cotransport） 由Na+-K+泵（或H+-泵）与载体蛋白协同作用， 靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。
物质的跨膜转运与膜电位
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
Thanks！
载体蛋白：通透酶
(a)单亚基膜蛋白形成的通道; (b)多亚基膜蛋白形成的通道。
水孔蛋白的跨膜结构域
1998年，Roderick MacKinnon用X射线衍射技术获得了 高分辨的钾通道图像 , 1991年,Agre发现水通道,二人共享 2003年的诺贝尔化学奖
甲酸（formate）通道蛋白FocA结构
类型： 配体门通道（ligand-gated channel） 电压门通道（voltage-gated channel） 压力激活通道（stress-activated channel）
离子载体（ionophore） -----包括可动离子载体和通道离子载体。
简单扩散和渗透的比较
简单扩散与协助扩散的比较
与水通道蛋白结构高度相似但没有序列同源性的其他家族 通道蛋白 。清华大学生命科学学院施一公教授领导的研究 组合作解析了FocA的高分辨率结构，研究结果以Article的 形式发表于Nature（2009.11.25）。
几种不同的门控离子通道
乙酰胆碱受体 通道
钾电压门通道(4个亚基)
内耳听觉毛细胞与应力激活通道
动物小肠细胞对葡萄糖的吸收随着Na+的吸收
物质的跨膜转运与膜电位
胞吞作用（endocytosis） 与胞吐作用（exocytosis）
作用：完成大分子与颗粒性物质的跨膜 运输，又称膜泡运输或批量运输 （bulk transport）。属于主动运输。
● 胞吞作用 ● 胞吐作用
胞吞作用
●胞饮作用（pinocytosis）与吞噬作用（phagocytosis）。
default pathway：除某些有特殊标志的駐留蛋白和调节型分泌 泡外，其余蛋白的转运途径：
粗面内质网→高尔基体→分泌泡→细胞表面
●调节型外排途径（regulated exocytosis pathway）
特化的分泌细胞
储存——刺激——释放
产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）具有共同的分选机制，
细胞生物学第05章物质的跨膜运输1
第五章 物质的跨膜运输
●物质的跨膜运输是细胞维持正常生 命活动的基础之一。 ●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）
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、水孔蛋白、协助扩散 膜转运蛋白：
载体蛋白（carrier proteins）——通透酶（permease）性质； 介导被动运输与主动运输。
通道蛋白（channel proteins）——具有离子选择性，转运速率高； 没有饱和值；离子通道是门控的；只介导被动运输。
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 150 nm
大于 250 nm 。
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
及 接合素蛋白连接 需要微丝及其结合蛋白的参 与
●受体介导的内吞作用及包被的组装 ● 胞内体（endosome）及其分选作用
胞饮作用（pinocytosis）
吞噬作用（phagocytosis）
受体介导的内吞作用
包被的组装
胞内体
胞内体：是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作 用是传输由胞吞作用新摄入的物质到溶酶体被 降解。
受体具有不同的胞内体分选途径：
①大部分受体返回它们原来的细胞膜结构域，如 LDL的受体；
②有些受体不能再循环而是最后进入溶酶体被消 化，如与表皮生长因子结合的细胞表面受体；
离子载体
可动离子载体---缬氨霉素 通道离子载体---短杆菌肽A
主动运输（active transport）
● 特点：运输方向、能量消耗、膜转运蛋白
主动运输（active transport）
● 类型：三种基本类型 由ATP直接提供能量的主动运输— 钠钾泵 （结构与机制） 维持渗透平衡 钙泵（Ca2+-ATP酶） 质子泵：P-型质子泵、V-型质子泵、H+-ATP酶
③有些受体被运至质膜不同的结构域，该过程称 为跨细胞的转运，它通过内吞和外排相偶联， 在细胞的一侧形成胞饮小泡穿越细胞质，另一 侧使小泡中的物质释放出去。
胞吐作用
● 组成型的外排途径（constitutive exocytosis pathway）
所有真核细胞
连续分泌
用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子）