第五章 物质的跨膜运输 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输
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III. 机械门通道
• 感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。 • 目前比较明确的有两类机械门通道： 一类对牵拉敏感，为 2 价或 1 价的阳离子通道，有 Na+、 K+、 Ca2+，以 Ca2+ 为主，几乎存在于所有的 细胞膜。对离子的无选择性、无方向性、非线性以及 无潜伏期。
另一类对剪切力敏感，仅见于内皮细胞和心肌细胞。
• 不同部位的生物膜含有与各自功能相关的载体蛋白。
• 作用：介导顺/逆浓度或电化学梯度的运输 • 载体蛋白既可介导被动运输，又可介导主动运输。
载体蛋白通过构象改变介导溶质（葡 萄糖）被动运输的模型
Leabharlann Baidu
载体蛋白的举例
（二）、通道蛋白及其功能
• 通道蛋白（channel protein）：存在于细胞膜上的一
2
3
第一节 膜转运蛋白与小分子物质的
跨膜运输
一、脂双层的不透性与膜转运蛋白 二、小分子物质的跨膜运输类型
一、脂双层的不透性与膜转运蛋白
（一）、脂双层的不通透性
（二）、 载体蛋白及其功能
（三）、通道蛋白及其功能
（一）脂双层的不同透性
组分 阳离子 细胞内浓度/（mmol· L-1） 细胞外浓度/（mmol· L-1）
Na+ K+ Mg2+ Ca2+ H+
氯离子 Cl固定的阴离子
5-15 140 0.5 10-4 7x10-8
5-15 高
145 5 1-2 1-2 4x10-8
110 0
6
典型哺乳动物细胞内外离子浓度的比较
• 细胞内最丰富的阳离子是 K+，细
胞外最丰富的阳离子是 Na+。
• 离子浓度差异分布由脂双层的疏 水特征和膜转运蛋白的活性来调
23
环核苷酸门通道
• CNG 结构与钠电位门通道相似。细胞内的 C 末 端较长，有环核苷酸的结合位点。 • 分布于化学和光感受器中。
– 如气味分子与化学感受器中的 G 蛋白偶联型受体结合， 激活腺苷酸环化酶，产生 cAMP，开启 cAMP 门控阳
离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲
动，最终形成嗅觉或味觉。
基膜
听觉神经细胞
捆在一起 不倾斜
内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力敏感的感受装置， 听毛弯曲时，毛细胞会出现暂短的感受器电位。
27
2）孔蛋白
12
1. 特点
• 具有极高的转运速率 • 没有饱和值 • 并非连续性开放，而是门控的
13
2. 分类
• 离子通道 • 孔蛋白
• 水孔蛋白/水通道
14
1） 离子通道
• 配体门通道 • 电位门通道
• 应力激活通道
3 种类型的离子通道示意图
• A：电压门通道
B、C：配体门通道
D：应力激活通道
I. 配体门通道
• 特点：受体与细胞外的配体结合，引起通道构象改 变， “门”打开，又称离子通道型受体 • 分类： 阳离子通道，如乙酰胆碱受体；由 4 种亚单位 （α2βγδ）组成， α 亚单位是同两分子 Ach 相结合的 部位。 阴离子通道，如 γ-氨基丁酸受体。
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Nicotinic acetylcholine receptor
第五章 物质的跨膜运输
第一节 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输 第二节 ATP 驱动泵与主动运输 第三节 胞吞作用与胞吐作用
• 据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋 白 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。 • 细胞膜上两类主要的转运蛋白：载体蛋白和通道蛋白。 载体蛋白又称做载体、通透酶和转运器，有的需要能量 驱动，如：各类 ATP 驱动的离子泵；有的则不需要能 量，如：缬氨霉素。 通道蛋白能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过，所 有通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质。
种跨膜蛋白质， 通过形成亲水性通道介导特异溶质的 跨膜转运，其所介导的被动运输不需要与溶质分子结 合。 。 • 通道蛋白包括 3 种类型：离子通道（ion channel）、 孔蛋白（porin）和水孔蛋白（AQP）。 • 通道蛋白形成高效性、选择性和门控性的跨膜通道。
通道蛋白的特点和分类
• 特点 • 分类
25
应力激活通道
• 通道的打开受一种力的作用，听觉毛状细 胞的离子通道就是一个极好的例子。 • 声音的振动推开压力门控通道，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。
26
听毛细胞 支持细胞
耳蜗覆膜
通道关闭
正电子 进入
硬纤毛
听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理
控。
• 膜 转 运 蛋 白 （ membrane transport protein）即参与质膜上
物质跨膜转运的蛋白质，包括载
体 蛋 白 （ transporter , carrier protein ）和通 道蛋 白（ channel
protein）两类。
（二）、载体蛋白及其功能
• 载体蛋白（carrier protein transporter）：存在于细胞 膜上的一种具有特异性传导功能的蛋白质， 与特异的 溶质结合，通过自身构象的改变介导物质跨膜转运。
20
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 (S1S6) ，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
21
K+ channel
4th subunit not shown
22
Ion-channel linked receptors in neurotransmission
神经肌肉接点由 Ach 门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门 Na+ 通道和 K+ 通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网 Ca2+ 通道打开，Ca2+ 进入细胞质，引发肌肉收缩。
18
Three conformation of the acetylcholine receptor
19
II.电位门通道
• 特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或膜电位变 化可引起构象变化，“门”打开。 • 电位门结构：四聚体，每个单体跨膜 6 次。 • Na+、 K+、 Ca2+ 电压门通道结构相似，由同一个 远祖基因演化而来。
III. 机械门通道
• 感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。 • 目前比较明确的有两类机械门通道： 一类对牵拉敏感，为 2 价或 1 价的阳离子通道，有 Na+、 K+、 Ca2+，以 Ca2+ 为主，几乎存在于所有的 细胞膜。对离子的无选择性、无方向性、非线性以及 无潜伏期。
另一类对剪切力敏感，仅见于内皮细胞和心肌细胞。
• 不同部位的生物膜含有与各自功能相关的载体蛋白。
• 作用：介导顺/逆浓度或电化学梯度的运输 • 载体蛋白既可介导被动运输，又可介导主动运输。
载体蛋白通过构象改变介导溶质（葡 萄糖）被动运输的模型
Leabharlann Baidu
载体蛋白的举例
（二）、通道蛋白及其功能
• 通道蛋白（channel protein）：存在于细胞膜上的一
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第一节 膜转运蛋白与小分子物质的
跨膜运输
一、脂双层的不透性与膜转运蛋白 二、小分子物质的跨膜运输类型
一、脂双层的不透性与膜转运蛋白
（一）、脂双层的不通透性
（二）、 载体蛋白及其功能
（三）、通道蛋白及其功能
（一）脂双层的不同透性
组分 阳离子 细胞内浓度/（mmol· L-1） 细胞外浓度/（mmol· L-1）
Na+ K+ Mg2+ Ca2+ H+
氯离子 Cl固定的阴离子
5-15 140 0.5 10-4 7x10-8
5-15 高
145 5 1-2 1-2 4x10-8
110 0
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典型哺乳动物细胞内外离子浓度的比较
• 细胞内最丰富的阳离子是 K+，细
胞外最丰富的阳离子是 Na+。
• 离子浓度差异分布由脂双层的疏 水特征和膜转运蛋白的活性来调
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环核苷酸门通道
• CNG 结构与钠电位门通道相似。细胞内的 C 末 端较长，有环核苷酸的结合位点。 • 分布于化学和光感受器中。
– 如气味分子与化学感受器中的 G 蛋白偶联型受体结合， 激活腺苷酸环化酶，产生 cAMP，开启 cAMP 门控阳
离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲
动，最终形成嗅觉或味觉。
基膜
听觉神经细胞
捆在一起 不倾斜
内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力敏感的感受装置， 听毛弯曲时，毛细胞会出现暂短的感受器电位。
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2）孔蛋白
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1. 特点
• 具有极高的转运速率 • 没有饱和值 • 并非连续性开放，而是门控的
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2. 分类
• 离子通道 • 孔蛋白
• 水孔蛋白/水通道
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1） 离子通道
• 配体门通道 • 电位门通道
• 应力激活通道
3 种类型的离子通道示意图
• A：电压门通道
B、C：配体门通道
D：应力激活通道
I. 配体门通道
• 特点：受体与细胞外的配体结合，引起通道构象改 变， “门”打开，又称离子通道型受体 • 分类： 阳离子通道，如乙酰胆碱受体；由 4 种亚单位 （α2βγδ）组成， α 亚单位是同两分子 Ach 相结合的 部位。 阴离子通道，如 γ-氨基丁酸受体。
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Nicotinic acetylcholine receptor
第五章 物质的跨膜运输
第一节 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输 第二节 ATP 驱动泵与主动运输 第三节 胞吞作用与胞吐作用
• 据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋 白 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。 • 细胞膜上两类主要的转运蛋白：载体蛋白和通道蛋白。 载体蛋白又称做载体、通透酶和转运器，有的需要能量 驱动，如：各类 ATP 驱动的离子泵；有的则不需要能 量，如：缬氨霉素。 通道蛋白能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过，所 有通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质。
种跨膜蛋白质， 通过形成亲水性通道介导特异溶质的 跨膜转运，其所介导的被动运输不需要与溶质分子结 合。 。 • 通道蛋白包括 3 种类型：离子通道（ion channel）、 孔蛋白（porin）和水孔蛋白（AQP）。 • 通道蛋白形成高效性、选择性和门控性的跨膜通道。
通道蛋白的特点和分类
• 特点 • 分类
25
应力激活通道
• 通道的打开受一种力的作用，听觉毛状细 胞的离子通道就是一个极好的例子。 • 声音的振动推开压力门控通道，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。
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听毛细胞 支持细胞
耳蜗覆膜
通道关闭
正电子 进入
硬纤毛
听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理
控。
• 膜 转 运 蛋 白 （ membrane transport protein）即参与质膜上
物质跨膜转运的蛋白质，包括载
体 蛋 白 （ transporter , carrier protein ）和通 道蛋 白（ channel
protein）两类。
（二）、载体蛋白及其功能
• 载体蛋白（carrier protein transporter）：存在于细胞 膜上的一种具有特异性传导功能的蛋白质， 与特异的 溶质结合，通过自身构象的改变介导物质跨膜转运。
20
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 (S1S6) ，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
21
K+ channel
4th subunit not shown
22
Ion-channel linked receptors in neurotransmission
神经肌肉接点由 Ach 门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门 Na+ 通道和 K+ 通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网 Ca2+ 通道打开，Ca2+ 进入细胞质，引发肌肉收缩。
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Three conformation of the acetylcholine receptor
19
II.电位门通道
• 特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或膜电位变 化可引起构象变化，“门”打开。 • 电位门结构：四聚体，每个单体跨膜 6 次。 • Na+、 K+、 Ca2+ 电压门通道结构相似，由同一个 远祖基因演化而来。