杨慈清-第六章 物质的跨膜运输(一)
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反向转运（antiport）
医学细胞生物学
41
这两类转运蛋白使一种离子或分子逆浓度 梯度的运动与一种或多种不同离子顺浓度梯度 的运动耦联起来。
由于这两类转运 蛋白能同时转运两 种不同的溶质，所 以又称为协同转运 蛋白(cotransporter) 。
医学细胞生物学
42
（三）光驱动泵
光驱动泵(1ight-driven pump)主要在细菌
被 动 运 输
二、主动运输
借助于镶嵌
在细胞膜上专一
性很强的载体蛋
白，通过消耗代 谢能量，将物质
从低浓度处向高
浓度处的运输方
式。
医学细胞生物学
37
特点： ①从低浓度到高浓度 ②需要载体蛋白的协助 ③需要能量 (ATP) 如： Na+ 、 K+ 、 Ca2+ 、 Mg2+ 等离子 通 过细 胞 膜； 葡萄糖、氨基酸通过小肠 上皮细胞。
第三：离子通道并非连续性开放而是门控的
(gating) ，即离子通道的活性由通道开或关两种构象所 调节，受控于适当的细胞信号。
医学细胞生物学
12
根据激活信号的不同，离子通道又区分为电压门通道 (voltage-gated channel) 、配体门通道 (1igand-gated channel) 和 机 械 门 控 通 道 (mechanically － gated channel)。
闸 门 通 道 配体闸门通道 电压闸门通道 机械门控通道
医学细胞生物学
26
配体闸门通道
配体
通道蛋白
闸门通道接受细胞外配体的刺激，当配体与细胞表 面特定的受体结合时，引起闸门开启，称为配体闸门通道。
医学细胞生物学
27
电压闸门通道
闸门通道在膜电位变化时才开放，称电压 闸门通道。
医学细胞生物学
28
机械门控通道
医学细胞生物学
18
适合简单扩散的物质:脂溶性物质(非极性物 质): 苯、乙醇；气体：氧、氮、二氧化碳; 不 带电荷小分子物质: 水、尿素。
医学细胞生物学
19
医学细胞生物学
20
特点：
①从高浓度到低浓度 ②不需要膜转运蛋白的协助 ③不消耗能量 如：水、氧气、二氧化碳、 甘油、乙醇等。
医学细胞生物学
输不需要与溶质分子结合，只有大小和电荷适
宜的离子才能通过。
医学细胞生物学
11
与载体蛋白相比，离子通道具有3个显著特征： 第一：离子通道具有极高的转运速率，比已知任何 一种载体蛋白最快转运速率要高 1000 倍以上，每个通道 每秒钟可通过l07～l08个离子，接近自由扩散的理论值。 第二：离子通道没有饱和值，即使在很高的离子浓 度下它们通过的离子量依然没有最大值。
医学细胞生物学
38
根据主动运输过程所需能量来源的不同，可 将主动运输归纳为3种基本类型：
①由ATP直接提供能量（ATP驱动泵）； ②间接提供能量（耦联转运蛋白）；
③光能驱动。
医学细胞生物学
39
（一）ATP驱动泵
ATP驱动泵(ATP-driven pump)是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。这种主动运输是一种耦联的化学反应， 离子或小分子逆电化学梯度的“上山”运动(需要能量)， 与ATP水解(释放能量)相耦联。
医学细胞生物学
45
参 考 文 献
1.翟中和等主编. 细胞生物学，第3版,高等教育出版社，2007 2.韩贻仁主编. 分子细胞生物学(第3版),高等教育出版社,2007 3.艾伯茨等著，赵寿元等译. 基础细胞生物学，上海科学技术 出版社，2002 4.王金发. 细胞生物学,科学出版社，2004 5.杨 恬.细胞生物学，人民卫生出版社，2005 6.Karp G. Cell and Molecular Biology,4th ed(2005), 高等教育 出版社,2007 7.Lodish H et al. Molecular Cell Biology. 4th ed. W H Freeman and Company, 2000
医学细胞生物学
第六章 物质的跨膜运输
授课教师：杨慈清 讲师 E-mail：yangciqing@126.com
医学细胞生物学
2
医学细胞生物学
3
医学细胞生物学
4
能通过细胞膜的物质进行 运输的方式一样吗？
医学细胞生物学
6百度文库
目 第六章
录
物质的跨膜运输
第一节 膜转运蛋白
第二节 被动运输与主动运输 第三节 离子泵和协同转运 第四节 胞吞作用与胞吐作用
Gramicidin A
an antibiotic that acts as an ion pore 医学细胞生物学
23
②水孔通道：水分子不 带电荷但具有极性，尽管 它可以通过简单扩散缓慢 地穿过生物膜，但对于某 些组织和特殊功能来说， 如肾小管对水的重吸收， 从脑中排出额外的水，唾 液和眼泪的形成等，水分 子通过水孔的快速跨膜运 动是非常重要的。
特点： ①从高浓度到低浓度 ②需要通道蛋白的协助 ③不需要能量 如： H+ 、 Na+ 、 K+ 、 Ca2+等离子通过细胞膜。
医学细胞生物学
31
（三）协助扩散
高浓度
载体蛋白
低浓度
借助于载体的帮助不消耗能量，物质顺浓度梯度的 转运方式称协助扩散。可运输一些亲水性物质和无机离 子等。
医学细胞生物学
医学细胞生物学
7
第一节 膜转运蛋白
一、载体蛋白及其功能 二、通道蛋白及其功能
医学细胞生物学
8
膜转运蛋白可分为两类：一类是载体蛋白
(carrier protein) ， 另 一 类 是 通 道 蛋 白
(channel protein)。
医学细胞生物学
9
一、载体蛋白及其功能
在几乎所有类型的生
物膜上，载体蛋白是普
不需要消耗细胞代谢的能量,而将物质从浓度 高的一侧经细胞膜转运至浓度低的一侧的运输， 称为被动运输(passive transport) 。 简单扩散(自由扩散) 被动运输 通道扩散 协助扩散
医学细胞生物学
17
（一）简单扩散
简 单 扩 散 （simple diffusion） 是一种最简单的运 输方式，它不消耗 细胞的代谢能，也 不依靠专一性膜转 运蛋白分子，只要 物质在膜的两侧保 持一定的浓度差即 可发生运输。
听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理
医学细胞生物学
29
机械门控通道
目前比较明确 的有两类机械门通道， 其一是牵拉活化或失 活的离子通道，另一 类是剪切力敏感的离 子通道，前者几乎存 在于所有的细胞膜 （如：血管内皮细胞、 心肌细胞、内耳毛细 胞），后者仅发现于 内皮细胞和心肌细胞。
医学细胞生物学
30
医学细胞生物学
24
2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦
金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研
究而获诺贝尔化学奖。
Peter Agre
Roderick MacKinnon 医学细胞生物学
25
2.闸门通道扩散 物质顺浓度梯度经过闸门孔道扩散到细胞膜
的另一侧这样的转运过程称闸门通道扩散。
钾 浓 度 梯 度
钠 浓 度 梯 度
医学细胞生物学
40
（二）耦联转运蛋白
耦联转运蛋白 (coupled transporter)介
导各种离子和分子的
跨膜运动。这类转运 蛋白包括 2 种基本类型 ： 同 向 转 运 蛋 白 (symporter) 和反向转 同向转运（symport）
运蛋白 (antiporter) 。
医学细胞生物学
13
医学细胞生物学
14
第二节 被动运输与主动运输
一、被动运输
简单扩散 通道扩散 协助扩散
二、主动运输
ATP驱动泵 耦联转运蛋白 光能驱动
医学细胞生物学
15
被转运的分子
通道蛋白 脂 双 层
载体蛋白
电化学梯度
简单扩散 由通道介导 被动运输
由载体介导
能量 主动运输
医学细胞生物学
16
一、被动运输
细胞中发现，对溶质的主动运输(“上山”运动) 与光能的输入相耦联，如菌紫红质利用光能驱 动H+的转运。
医学细胞生物学
43
小结
膜转运蛋白
载体蛋白及其功能 通道蛋白及其功能 简单扩散 通道扩散 协助扩散
ATP驱动泵 耦联转运蛋白 光能驱动
医学细胞生物学
44
被动运输
跨膜运输
主动运输
作业与思考
1.解释名词：被动运输；主动运输；跨膜运 输; 2.比较各种细胞内外物质跨膜运输方式的特 点及生物学意义。
遍存在、多次跨膜的蛋
白质分子。每种载体蛋 白能与特定的溶质分子 结合，通过一系列构象 改变介导溶质分子的跨
膜转运。
医学细胞生物学
10
二、通道蛋白及其功能
通道蛋白形成跨膜的离子选择性通道 (ionselective channel) 。对离子的选择性依赖于
离子通道的直径和形状，以及依赖于通道内衬
带电荷氨基酸的分布，所以它所介导的被动运
医学细胞生物学
46
参 考 网 站
1.新乡医学院精品课程 http://jpkc.xxmu.edu.cn/yj.asp 2.细胞生物学 http://202.116.64.20/wjf/index.htm(中山大 学) 3. 细 胞 生 物 学 http://221.10.254.145/204/show.asp?id=49 (川大) 4.细胞生物学在线 http://www.cella.cn/ 5.生物软件网 http://www.bio-soft.net/ 6.细胞生物学专业信息网 http://www.xa-cerc.com/ 7.http://www.bio-medicine.org/ 8.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ 9.http://www.sciencekomm.at/advice/dict.html 10. 中 国 医 科 大 学 精 品 课 程 细 胞 生 物 学 http://www.cmu.edu.cn/curriculm
医学细胞生物学
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21
（二）通道扩散
通道蛋白形成的通道有 2 类：一类是持续开 放的通道；另一类是有“闸门”控制的通道，称 为“闸门”通道 。
医学细胞生物学
22
1.持续开放的通道（离子通道） ①离子通道：短杆菌 肽A，15个疏水氨基酸构成， 2分子形成一跨膜通道，有 选择的使单价阳离子如 H+ 、 Na+、K+按化学梯度通过。
32
医学细胞生物学
33
特点：
①从高浓度到低浓度
②需要载体蛋白的协助
③不需要能量
如：葡萄糖、氨基酸 、核苷酸及细胞代谢物 等。
医学细胞生物学
34
医学细胞生物学
35
自由扩散 （free diffusion） 被动运输与主动运输有 什么区别 ，让我们一 通道扩散 （channel diffusion ） 起来寻找答案！ 协助扩散 （facilitated diffusion） 不需要消耗细胞代谢的能量,物质顺 浓度梯度扩散进出细胞的过程，统称 为被动运输。
医学细胞生物学
41
这两类转运蛋白使一种离子或分子逆浓度 梯度的运动与一种或多种不同离子顺浓度梯度 的运动耦联起来。
由于这两类转运 蛋白能同时转运两 种不同的溶质，所 以又称为协同转运 蛋白(cotransporter) 。
医学细胞生物学
42
（三）光驱动泵
光驱动泵(1ight-driven pump)主要在细菌
被 动 运 输
二、主动运输
借助于镶嵌
在细胞膜上专一
性很强的载体蛋
白，通过消耗代 谢能量，将物质
从低浓度处向高
浓度处的运输方
式。
医学细胞生物学
37
特点： ①从低浓度到高浓度 ②需要载体蛋白的协助 ③需要能量 (ATP) 如： Na+ 、 K+ 、 Ca2+ 、 Mg2+ 等离子 通 过细 胞 膜； 葡萄糖、氨基酸通过小肠 上皮细胞。
第三：离子通道并非连续性开放而是门控的
(gating) ，即离子通道的活性由通道开或关两种构象所 调节，受控于适当的细胞信号。
医学细胞生物学
12
根据激活信号的不同，离子通道又区分为电压门通道 (voltage-gated channel) 、配体门通道 (1igand-gated channel) 和 机 械 门 控 通 道 (mechanically － gated channel)。
闸 门 通 道 配体闸门通道 电压闸门通道 机械门控通道
医学细胞生物学
26
配体闸门通道
配体
通道蛋白
闸门通道接受细胞外配体的刺激，当配体与细胞表 面特定的受体结合时，引起闸门开启，称为配体闸门通道。
医学细胞生物学
27
电压闸门通道
闸门通道在膜电位变化时才开放，称电压 闸门通道。
医学细胞生物学
28
机械门控通道
医学细胞生物学
18
适合简单扩散的物质:脂溶性物质(非极性物 质): 苯、乙醇；气体：氧、氮、二氧化碳; 不 带电荷小分子物质: 水、尿素。
医学细胞生物学
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医学细胞生物学
20
特点：
①从高浓度到低浓度 ②不需要膜转运蛋白的协助 ③不消耗能量 如：水、氧气、二氧化碳、 甘油、乙醇等。
医学细胞生物学
输不需要与溶质分子结合，只有大小和电荷适
宜的离子才能通过。
医学细胞生物学
11
与载体蛋白相比，离子通道具有3个显著特征： 第一：离子通道具有极高的转运速率，比已知任何 一种载体蛋白最快转运速率要高 1000 倍以上，每个通道 每秒钟可通过l07～l08个离子，接近自由扩散的理论值。 第二：离子通道没有饱和值，即使在很高的离子浓 度下它们通过的离子量依然没有最大值。
医学细胞生物学
38
根据主动运输过程所需能量来源的不同，可 将主动运输归纳为3种基本类型：
①由ATP直接提供能量（ATP驱动泵）； ②间接提供能量（耦联转运蛋白）；
③光能驱动。
医学细胞生物学
39
（一）ATP驱动泵
ATP驱动泵(ATP-driven pump)是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。这种主动运输是一种耦联的化学反应， 离子或小分子逆电化学梯度的“上山”运动(需要能量)， 与ATP水解(释放能量)相耦联。
医学细胞生物学
45
参 考 文 献
1.翟中和等主编. 细胞生物学，第3版,高等教育出版社，2007 2.韩贻仁主编. 分子细胞生物学(第3版),高等教育出版社,2007 3.艾伯茨等著，赵寿元等译. 基础细胞生物学，上海科学技术 出版社，2002 4.王金发. 细胞生物学,科学出版社，2004 5.杨 恬.细胞生物学，人民卫生出版社，2005 6.Karp G. Cell and Molecular Biology,4th ed(2005), 高等教育 出版社,2007 7.Lodish H et al. Molecular Cell Biology. 4th ed. W H Freeman and Company, 2000
医学细胞生物学
第六章 物质的跨膜运输
授课教师：杨慈清 讲师 E-mail：yangciqing@126.com
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2
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4
能通过细胞膜的物质进行 运输的方式一样吗？
医学细胞生物学
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目 第六章
录
物质的跨膜运输
第一节 膜转运蛋白
第二节 被动运输与主动运输 第三节 离子泵和协同转运 第四节 胞吞作用与胞吐作用
Gramicidin A
an antibiotic that acts as an ion pore 医学细胞生物学
23
②水孔通道：水分子不 带电荷但具有极性，尽管 它可以通过简单扩散缓慢 地穿过生物膜，但对于某 些组织和特殊功能来说， 如肾小管对水的重吸收， 从脑中排出额外的水，唾 液和眼泪的形成等，水分 子通过水孔的快速跨膜运 动是非常重要的。
特点： ①从高浓度到低浓度 ②需要通道蛋白的协助 ③不需要能量 如： H+ 、 Na+ 、 K+ 、 Ca2+等离子通过细胞膜。
医学细胞生物学
31
（三）协助扩散
高浓度
载体蛋白
低浓度
借助于载体的帮助不消耗能量，物质顺浓度梯度的 转运方式称协助扩散。可运输一些亲水性物质和无机离 子等。
医学细胞生物学
医学细胞生物学
7
第一节 膜转运蛋白
一、载体蛋白及其功能 二、通道蛋白及其功能
医学细胞生物学
8
膜转运蛋白可分为两类：一类是载体蛋白
(carrier protein) ， 另 一 类 是 通 道 蛋 白
(channel protein)。
医学细胞生物学
9
一、载体蛋白及其功能
在几乎所有类型的生
物膜上，载体蛋白是普
不需要消耗细胞代谢的能量,而将物质从浓度 高的一侧经细胞膜转运至浓度低的一侧的运输， 称为被动运输(passive transport) 。 简单扩散(自由扩散) 被动运输 通道扩散 协助扩散
医学细胞生物学
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（一）简单扩散
简 单 扩 散 （simple diffusion） 是一种最简单的运 输方式，它不消耗 细胞的代谢能，也 不依靠专一性膜转 运蛋白分子，只要 物质在膜的两侧保 持一定的浓度差即 可发生运输。
听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理
医学细胞生物学
29
机械门控通道
目前比较明确 的有两类机械门通道， 其一是牵拉活化或失 活的离子通道，另一 类是剪切力敏感的离 子通道，前者几乎存 在于所有的细胞膜 （如：血管内皮细胞、 心肌细胞、内耳毛细 胞），后者仅发现于 内皮细胞和心肌细胞。
医学细胞生物学
30
医学细胞生物学
24
2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦
金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研
究而获诺贝尔化学奖。
Peter Agre
Roderick MacKinnon 医学细胞生物学
25
2.闸门通道扩散 物质顺浓度梯度经过闸门孔道扩散到细胞膜
的另一侧这样的转运过程称闸门通道扩散。
钾 浓 度 梯 度
钠 浓 度 梯 度
医学细胞生物学
40
（二）耦联转运蛋白
耦联转运蛋白 (coupled transporter)介
导各种离子和分子的
跨膜运动。这类转运 蛋白包括 2 种基本类型 ： 同 向 转 运 蛋 白 (symporter) 和反向转 同向转运（symport）
运蛋白 (antiporter) 。
医学细胞生物学
13
医学细胞生物学
14
第二节 被动运输与主动运输
一、被动运输
简单扩散 通道扩散 协助扩散
二、主动运输
ATP驱动泵 耦联转运蛋白 光能驱动
医学细胞生物学
15
被转运的分子
通道蛋白 脂 双 层
载体蛋白
电化学梯度
简单扩散 由通道介导 被动运输
由载体介导
能量 主动运输
医学细胞生物学
16
一、被动运输
细胞中发现，对溶质的主动运输(“上山”运动) 与光能的输入相耦联，如菌紫红质利用光能驱 动H+的转运。
医学细胞生物学
43
小结
膜转运蛋白
载体蛋白及其功能 通道蛋白及其功能 简单扩散 通道扩散 协助扩散
ATP驱动泵 耦联转运蛋白 光能驱动
医学细胞生物学
44
被动运输
跨膜运输
主动运输
作业与思考
1.解释名词：被动运输；主动运输；跨膜运 输; 2.比较各种细胞内外物质跨膜运输方式的特 点及生物学意义。
遍存在、多次跨膜的蛋
白质分子。每种载体蛋 白能与特定的溶质分子 结合，通过一系列构象 改变介导溶质分子的跨
膜转运。
医学细胞生物学
10
二、通道蛋白及其功能
通道蛋白形成跨膜的离子选择性通道 (ionselective channel) 。对离子的选择性依赖于
离子通道的直径和形状，以及依赖于通道内衬
带电荷氨基酸的分布，所以它所介导的被动运
医学细胞生物学
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参 考 网 站
1.新乡医学院精品课程 http://jpkc.xxmu.edu.cn/yj.asp 2.细胞生物学 http://202.116.64.20/wjf/index.htm(中山大 学) 3. 细 胞 生 物 学 http://221.10.254.145/204/show.asp?id=49 (川大) 4.细胞生物学在线 http://www.cella.cn/ 5.生物软件网 http://www.bio-soft.net/ 6.细胞生物学专业信息网 http://www.xa-cerc.com/ 7.http://www.bio-medicine.org/ 8.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ 9.http://www.sciencekomm.at/advice/dict.html 10. 中 国 医 科 大 学 精 品 课 程 细 胞 生 物 学 http://www.cmu.edu.cn/curriculm
医学细胞生物学
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（二）通道扩散
通道蛋白形成的通道有 2 类：一类是持续开 放的通道；另一类是有“闸门”控制的通道，称 为“闸门”通道 。
医学细胞生物学
22
1.持续开放的通道（离子通道） ①离子通道：短杆菌 肽A，15个疏水氨基酸构成， 2分子形成一跨膜通道，有 选择的使单价阳离子如 H+ 、 Na+、K+按化学梯度通过。
32
医学细胞生物学
33
特点：
①从高浓度到低浓度
②需要载体蛋白的协助
③不需要能量
如：葡萄糖、氨基酸 、核苷酸及细胞代谢物 等。
医学细胞生物学
34
医学细胞生物学
35
自由扩散 （free diffusion） 被动运输与主动运输有 什么区别 ，让我们一 通道扩散 （channel diffusion ） 起来寻找答案！ 协助扩散 （facilitated diffusion） 不需要消耗细胞代谢的能量,物质顺 浓度梯度扩散进出细胞的过程，统称 为被动运输。