细胞生物学第四章物质的跨膜运输_思维导图模板

物质的跨膜运输

物质的跨膜运输概述

细胞内外离子浓度差异

现象：细胞内外离子浓度的差异性

原因

脂双层的不透性：除脂溶性分子与不带电的小分子外，脂双层对离子和绝大多数分子而言都是高度不透的，这些物质的跨膜运输需要膜转运蛋白的参与

膜转运蛋白的活性：膜转运蛋白包括载体蛋白和通道蛋白

载体蛋白

载体蛋白的概念：载体蛋白是指一类普遍存在的多次跨膜蛋白，又称通透酶。通过与底物的特异性结合而改变构象，从而介导该物质跨膜运输

载体蛋白的特点：载体蛋白既可以参与被动运输，又可以参与主动运输。其作用特点与酶类似，具有特异性与饱和性，不同之处在于载体蛋白不对底物进行共价修饰

通道蛋白

通道蛋白的概念：通道蛋白是一类普遍存在的多次跨膜蛋白。其多次跨膜结构域可以构成亲水性通道，从而介导大小适合的分子或离子以被动运输的方式跨膜运输

通道蛋白的特点：通道蛋白只参与被动运输，其能量来源于膜内外物质的梯度浓度或电化学浓度

通道蛋白的分类

离子通道

定义：离子通道是指，能够对离子进行选择性跨膜运输的跨膜蛋白，其能量源于膜内外离子的浓度梯度或电化学梯度。离子通道决定生物膜对离子的通透性，并与离子泵一起调节膜内外的离子浓度

特点：高效性、选择性（门控系统）、无饱和性

分类

电压门控通道：通过膜电位的改变而激活或关闭，从而调控离子的跨膜运输。如：含羞草叶子的闭合

配体门控通道：通过与细胞内或细胞外的配体特异性结合改变构象而激活或关闭，从而调控离子的跨膜运输。如：神经突触中的乙酰胆碱的释放与接收

应力激活通道：通过感受应力来改变构象而激活或关闭，从而调控离子的跨膜运输。如：听觉毛状细胞的响应

孔蛋白：孔蛋白是指一类非特异性跨膜通道蛋白，多存在于细胞质膜、线粒体与叶绿体外膜。其跨膜结构域多由10~12个氨基酸残基形成的β折叠反向平行排列构成，允许相对分子质量小于10000D的分子通过

水孔蛋白（AQP）（2003年，化学奖）

水孔蛋白是一类广泛存在的特异性跨膜通道蛋白，介导水分子快速跨膜运输。水孔蛋白是由4个相同亚基构成的四聚体，每个亚基都由6个跨膜α螺旋构成，其中心有一个稍大于水分子直径的中央孔，供水分子通过。通道内含有高度保守的氨基酸残基（Asp、His、Cys等），通过与水分子形成氢键而特异性介导水分子跨膜运输。氯化汞、硝酸银等化合物能够通过与保守氨基酸残基结合，从而抑制水孔蛋白的活性

水孔蛋白的发现：A蛙卵细胞溶胀实验 B脂质体溶胀实验

物质的跨膜转运概述

被动运输

简单扩散：通过简单扩散运输的物质：气体分子、小的极性分子（如：尿素、乙醇）、脂溶性分子（如：苯）

协助扩散：通过协助扩散运输的物质：氨基酸、甘油、脂肪酸、葡萄糖等

主动运输

一级主动运输：ATP驱动泵

P离子泵：钠钾泵、钙泵、P质子泵（氢泵）：转运离子

V质子泵：转运离子

F质子泵：转运离子

ABC超家族：转运离子与小分子

二级主动运输：同向转运、反向转运

光驱动主动运输

膜泡运输

胞吞作用：吞噬作用、胞饮作用受体介导型胞吞作用、非受体介导型胞吞作用

胞吐作用：组成型胞吐作用、分泌性胞吐作用

被动运输

被动运输的概念：被动运输是指物质顺浓度梯度或电化学梯度的跨膜运输，不消耗能量，其强度取决于物质分子本身的大小或极性。依据是否需要膜转运蛋白协助，被动运输分为：简单扩散与协助扩散两类。

简单扩散

简单扩散的概念：简单扩散是指，物质顺浓度梯度或电化学梯度的跨膜运输，不消耗能量，无需膜转运蛋白

简单扩散的影响因素：分子脂溶性、分子大小、分子极性

通过简单扩散运输的物质：气体分子、小的极性分子（如：尿素、乙醇）、脂溶性分子

协助扩散

协助扩散的概念：协助扩散是指，物质在膜转运蛋白的协助下，顺浓度梯度或电化学梯度进行的跨膜转运，不消耗能量。

通过协助扩散运输的物质：氨基酸、甘油、脂肪酸、葡萄糖等。如：葡萄糖的跨膜运输需要葡萄糖转运蛋白（GLUT)的协助

葡糖糖转运蛋白的结晶：A构建突变体：N45T，45位的天冬酰胺替换为苏氨酸，防止GLUT1糖基化

B低温结晶：进一步稳定GLUT1构象并结晶

主动运输

主动运输概述

主动运输的概念：主动运输是指，由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度跨膜运输的方式。该过程自由能变为正值，必须与某个消耗能量的过程相偶联

主动运输的分类

一级主动运输

一级主动运输是指，利用ATP驱动泵（ATP酶），使运输过程与ATP水解反应相偶联，利用ATP水解提供的能量实现物质逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运输

能量来源：ATP水解

ATP驱动泵主要包括：P离子泵、V离子泵、F离子泵、ABC超家族

二级主动运输（协同运输）

二级主动运输是指，利用偶联转运蛋白，使一种物质的逆浓度梯度或电化学梯度运输同另一种物质的顺浓度梯度或电化学梯度运输相偶联，利用偶联物质的浓度梯度或电化学梯度提供的能量实现底物逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运输

能量来源：浓度梯度、电化学梯度

二级运输包括

同向转运：底物运输方向与偶联物质运输方向相同

反向转运：底物运输方向与偶联物质运输方向相反

光驱动主动运输

光驱动主动运输是指，运输过程与光能相偶联，利用光能实现物质逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运输

能量来源：光能

P离子泵

P离子泵概述

P离子泵均含有2个独立的α催化亚基，具有ATP结合位点。大多数还含有2个β调节亚基。运输过程中至少有一个α催化亚基与ATP结合，发生磷酸化与去磷酸化反应，从而改变构象，实现离子的跨膜运输

P离子泵包括：钠钾泵、钙泵、P质子泵

钠钾泵

钠钾泵概述：钠钾泵是由2个胞质侧α催化亚基与2个β调节亚基构成的四聚体，具有ATP离子泵活性，广泛存在于动物细胞质膜上，用于介导钠离子出细胞、钾离子入细胞。对细胞内外离子浓度分布、渗透压平衡、神经细胞冲动传导以及细胞体积的稳定至关重要

钠钾泵的工作原理

磷酸化位点：α亚基Asp269

钠钾泵去磷酸化构象对钠离子亲核性高；磷酸化构象对钾离子亲和性高

在胞内，α亚基与钠离子结合促进ATP水解，从而使α亚基上的一个Asp残基磷酸化，导致α亚基构象改变，将钠离子泵入细胞。与此同时，在胞外，钾离子与α亚基结合，促使其去磷酸化，α亚基构象恢复，将钾离子泵入细胞

每消耗1分子ATP，可介导3个钠离子泵出，2个钾离子泵入

钠钾泵的影响因素：乌本苷（抑制剂）

钙泵

钙泵概述：钙泵广泛存在于真核细胞质膜或内膜中，尤其是肌细胞内质网中，具有ATP离子泵活性，用于介导钙离子出细胞或入内质网的跨膜运输。对维持细胞内低钙离子浓度以及肌细胞的收缩与舒张至关重要

钙泵的工作原理

磷酸化位点：大亚基Asp351（与钠钾泵α亚基同源）

钙泵去磷酸化构象与钙离子亲和性高

钙泵处于去磷酸化构象时与钙离子促进ATP水解，从而使大亚基上的一个Asp残基磷酸化，导致大亚基构象改变，将钙离子泵出细胞或泵入内质网

每消耗1分子ATP，可介导2个钙离子泵出细胞或泵入内质网

钙泵的影响因素：钙调蛋白（CaM)

质膜钙泵：C端有钙调蛋白结合位点，当细胞内钙离子浓度升高时，钙离子与钙调蛋白结合，形成Ca2+-CaM复合物，并与钙泵结合，激活钙泵的活性

内质网钙泵：无钙调蛋白结合位点

P质子泵：P质子泵又称氢泵，主要位于植物细胞、真菌与细菌的质膜中，具有ATP离子泵活性，代替钠钾泵的功能。用于介导氢离子出细胞，以建立和维持膜内外氢离子电化学梯度

V质子泵与F质子泵

V质子泵：V质子泵广泛存在于动物细胞溶酶体、胞内体，植物细胞、真菌液泡膜中，利用ATP水解，将细胞质基质中的氢离子逆电化学梯度泵入膜泡内，以维持细胞质基质的中性环境与该类膜泡中的酸性环境。该过程不形成磷酸化中间体

F质子泵：F质子泵存在于细菌质膜、线粒体内膜及叶绿体类囊体膜中，一方面能利用ATP水解实现氢离子逆电化学梯度运输；一方面，能利用氢离子顺电化学梯度运输与ATP合成偶联，如线粒体内膜的氧化磷酸化、叶绿体类囊体膜的光合磷酸化。该过程不形成磷酸化中间体

ABC超家族

ABC超家族概述

ABC超家族是最大的一类膜转运蛋白，用于介导离子、单糖、氨基酸、磷脂、多肽等物质跨膜转运，从而将代谢废物与细胞毒物排除胞外

细菌ABC超家族：转运单糖、氨基酸、磷脂、多肽

动物质膜ABC超家族：转运磷脂、胆固醇、脂溶性药物

ABC超家族的工作原理：所有的ABC超家族都拥有2个跨膜结构域（T，每个T由6个跨膜α螺旋形成）和2个胞质侧ATP结合位点（A）。质膜内两个A位点与ATP结合，通过ATP的二聚化反应，介导两个A位点相结合，从而导致其构象改变，实现物质的跨膜运输

膜泡运输

胞吞作用

胞吞作用的概念：胞吞作用是指，通过质膜内陷形成囊泡，从而将细胞外大分子物质甚至细胞包裹并运输至细胞内的过程。又称胞吞途径

胞吞作用的分类

依据所吞物质大小：吞噬作用、胞饮作用

依据所吞物质有无特异性结合：受体介导的胞吞作用、非受体介导的胞吞作用

吞噬作用与胞饮作用

吞噬作用与胞饮作用的概念：吞噬作用是指，胞吞物为较大的颗粒。通过质膜内陷而形成较大的囊泡，将外源颗粒包裹并运输至细胞内部。胞饮作用是指，胞吞物为较小的颗粒或液体。通过质膜内陷而形成的较小的囊泡，将外源颗粒包裹并运输至细胞内部

吞噬作用与胞饮作用的关系

相同点：均为细胞跨膜运输形式，均通过质膜内陷形成囊泡，均需要蛋白质参与协助

不同点

形成囊泡大小不同，吞噬泡D＞250nm，胞饮泡D≈150nm

吞噬作用是间断的过程，需要受体介导，没有普遍性；胞饮作用是连续过程，无需受体介导，具有普遍性。

受体介导的胞吞作用

受体介导的胞吞作用的基本过程

胞吞物与质膜表面特异性受体结合，从而在受体所在质膜内侧召集网格蛋白。随着网格蛋白不断聚集并装配，形成直径约50~100nm的有被小窝，并不断增大。随着有被小窝越陷越深，小窝颈部为GTP依赖性发动蛋白连接。发动蛋白通过水解GTP，不断缢缩，最终使有被小窝与质膜分离，进入细胞内。随即网格蛋白脱离，形成无被小窝，进而与胞内体融合，从而完成胞吞物的跨膜运输

受体的去向：受体进入细胞后通过胞内体分选，其基础在于胞内体膜含V质子泵，使其内质网呈酸性

受体返回质膜重新利用，如：低密度脂蛋白（LDL）的跨膜运输

受体进入溶酶体被消化，如：表皮生长因子

受体进入溶酶体被消化，如：Notch通路

受体的跨细胞转运：即受体由细胞一侧转运到另一侧，如：母婴间抗体的传递

胞吐作用

胞吐作用的概念：胞吐作用是指，将细胞内的分泌泡通过与质膜融合而运出细胞的过程，又称胞吐途径

胞吐作用的分类

组成型胞吐途径：组成型胞吐途径是指，所有的真核细胞都具有的连续的胞吐作用，由高尔基体反面囊膜分泌的囊泡连续向质膜运动并与质膜融合。组成型胞吐途径的意义：1确保质膜不断更新，以维持其生理功能。2分泌物作为组成成分，参与质膜的形成或参与胞外基质的形成。3分泌物作为调节成分，如酶、生长因子、激素等，参与细胞生命活动的调节

调节型胞吐作用：调节型胞吐途径是指，在某些特化的分泌细胞中，细胞内产生的分泌物先储存于分泌小泡中，聚集在质膜下。当细胞受到外界信号刺激时，分泌小泡与质膜融合，将内容物释放，以调节机体的生命活动。分泌小泡的形成具有选择性与浓缩性。