《生物物理学》课件第二章 生物膜-物质运输

1、 第二章 跨生物膜的物质运输 细胞膜是细胞与外环境之间的一种选择性通透屏障，它即能保障细胞： 因此物质的跨膜运输对细胞的生存和生长至关重要。 基本营养物质的摄取 代谢废物的排泄 细胞内离子浓度的调节 维持相对稳定的内环境1物质通过细胞膜的转运有三种途径： 被动运输主动运输胞吞和胞吐作用小分子和离子大分子和颗粒物质2 细胞内外各种化学物质是不均匀的，有一定浓度梯度。根据物质跨膜运输的方向和机制，可以将其分为： 被动运输（顺着浓度梯度，不消耗能量） 1 穿过脂双层的简单扩散 2 易化扩散 3 通过蛋白质构成的水溶形通道的简单扩散 主动运输 (逆浓度梯度，消耗能量 )3一.溶质能力学二.经过脂双层的

2、简单扩散三.易化（促进）扩散四.离子的跨膜扩散-离子通道五.主动运输六.举例七.细胞的自稳作用4一.溶质能力学 扩散是物质由高浓度区域向低浓度区域运动的自发过程，它倾向于消除该物质在两区域的浓度差。 扩散是熵增加驱动的放能过程。 当物质分子跨膜扩散时，其自由能的改变是依赖膜两侧该物质分子的浓度梯度。5自由能： 衡量的是：在一个特定的热力学过程中，系统可对外输出的“有用能量”。 可分为亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能。 67 当非电解质溶质进入细胞时其自由能改变为： G =RTlnCi/Co = 2.303RTlog10Ci/Co G = 5.9J/mollog10Ci/Co Ci/Co1.0，G0

3、，热力学上有利于该溶质的内流。 CiCo8 例:膜外侧是膜内侧浓度的10倍， G = 1.4千卡/克分子 维持10倍差的浓度梯度就意味着储存1.4千卡/克分子的自由能。 当溶质内流，其浓度梯度减少，G降低，直至平衡，G=0。9 当带电荷的电解质跨膜内流时，自由能的变化就不仅依赖于膜两侧溶质的化学浓度梯度，而且还依赖于膜两侧带电荷状况的差别造成的膜两侧的电势梯度。 两种跨膜梯度总称电化学梯度。 10 当电解质跨膜进入细胞，其自由能的变化为： G =RTlnCi/Co+ZFEm 跨膜的化学浓度梯度和膜电位之间共同作用决定着电解质溶质跨膜扩散的方向和能力。1112 就生物膜而言，溶质能否自发进行扩散

4、还取决于生物膜对某一溶质是否可以通透以及通透能力的大小。所以决定生物膜对物质通透能力的因素为：驱动力来源：膜两侧电化学梯度差。生物膜对某一溶质的通透能力1314二.经过脂双层的简单扩散 对于一些小的非极性疏水性气体分子，如O2、N2及小的不带电荷的极性分子，如CO2、H2O、乙醇、乙二醇、尿素等可以通过简单扩散的方式通过双层脂分子形成的膜，这些物质从膜高浓度侧扩散到低浓度一侧，是一种放能过程，不需要消耗代谢能量，自由能在扩散中降低，此过程符合Fick定律。15脂溶性（疏水）小分子: 苯、氧气、氮气不带电极性小分子:水、尿素、乙醇水溶性分子:葡萄糖、氨基酸各种离子1617Fick第一定律：D：扩

5、散系数对于一维情况：J 通量：单位时间内通过单位膜面积的溶质的量Co Ci扩散1819cocicm1cm2dJ通透系数膜厚度膜水油分配系数2021三. 易化（促进）扩散 极性分子，如葡萄糖的简单扩散通透系数很小，难以透过生物膜，而实际通透性很大，这需要膜上载体蛋白的协助，称为易化扩散促进扩散。 载体是蛋白质成分，由于易化扩散很多方面很象酶促反应，因而载体也称为通透酶。和简单扩散一样，易化扩散也是顺着浓度梯度扩散。22易化扩散的过程： 结合 变构 释放23CoJmaxJmax/2km易化扩散简单扩散24易化扩散的特点： 饱和性 快于简单扩散 对底物的特异性 对抑制剂敏感 竞争性抑制剂，Jmax

6、不变，K变大 非竞争性抑制剂，如蛋白变性剂， Jmax 变小，K不变 能够被调节进行易化扩散运输的小分子物质：极性小分子：单糖，氨基酸，碱基等简单扩散的特点：没有饱和性没有特异性对抑制剂不敏感生物膜对溶质分子的简单扩散 速率与人工膜一致2526葡萄糖的跨膜运输和调控 所有的动物细胞均利用血液中葡萄糖作为主要能源，葡萄糖顺浓度梯度运输是典型的易化扩散。哺乳动物至少有五种不同形式的葡萄糖转运蛋白。红细胞：GLUT1小肠上皮细胞：GLUT2平滑肌、心肌和脂肪细胞：GLUT427胰岛素的调节： 胰岛素促进肌肉细胞和脂肪细胞 摄取葡萄糖28四. 离子的跨膜扩散-离子通道 脂双层构成生物膜的核心，由于其高

7、疏水性，对于离子是不通透的，但是这些离子的跨膜运动和传导，对许多细胞生理功能起关键作用，如神经冲动、细胞分泌、肌肉收缩等。 29 至今，科学家已鉴定出各种离子通道，它们是由膜内在蛋白围成的具有被动转运功能的水溶性通道。多数离子通道是选择性的,一种离子通道只允许一种特定类型的离子自由扩散，这种蛋白质称为离子通道蛋白。特点： 需载体蛋白帮助 驱动力为电化学梯度 无饱和现象 非常快 静息时，PK:PNa:PCl=1.0 : 0.04 : 0.45 去极化时，PK:PNa:PCl=1.0 : 20 : 0.4530离子通道的分类按转运的离子分类： Na+通道, K+通道, Ca2+通道，Cl-通道，阳

8、离子通道，阴离子通道按门控机制来分类： 电压门控通道 配体门控通道 机械门控通道313233含羞草展开与收缩受电位-门控通道的控制 听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理34五. 主动运输 生物膜两侧的环境往往维持着不对称性，从而建立一定浓度梯度，这对于细胞有其生理意义。 被动运输过程都是顺着浓度梯度进行，其结果使这种不对称性的消除。故而需要一种逆浓度梯度的运输来将其平衡，从而不对称性得以维持。这种逆浓度梯度的运输就是主动运输。 如同易化扩散，主动运输也需要蛋白质的参与;与易化扩散不同，主动运输需要消耗能量。35细胞内细胞外K+Na+Cl-K+Na+Cl-人红细胞13613835164154胃肠

9、平滑肌细胞16222405.9137134蛙骨骼及细胞1551244145120枪乌贼轴突369443913498520 离子的不对称分布对细胞兴奋、肌肉收缩、物质跨膜运输、渗透压平衡、蛋白质合成等生理功能非常重要。36按能量来源分类： ATP驱动的主动运输 电子传递链驱动的主动运输（线粒体高能电子释放的能量） 协同输运 （能量来源于另一种物质的浓度梯度） 371. ATP驱动的主动运输（ATP-driven active transport） 此类主动运输都需要水解ATP来为物质的逆浓度梯度运输提供能量，推动此类运输的蛋白质本身都是ATPase，这些ATPase又被称为“泵”。38 早期研究

10、证明了这些泵的存在，用2.4二硝基苯酚抑制有氧代谢，ATP生成受阻，细胞内的离子浓度逐渐接近外环境中的离子浓度，最后细胞死亡。 39 每个细胞需要利用有效能量的一部分来维持Na+、K+、Ca2+跨细胞膜的浓度梯度，例如：神经和肾细胞用于运输离子的能量大于ATP产能的25%；人红细胞运输离子的能量大于ATP产能的50%；40ATP驱动的离子泵的分类： P类：F类和V类：运输H离子，不包括蛋白磷酸化的过程。ABC运输载体超家族：运输小分子和离子。Na+-K+ATPase Na泵, Ca2+ -ATPase Ca泵（质膜和内质网）41Na+-K+ATP酶/钠泵（a）离子泵: 具有载体和酶的双重作用。

11、由两个大亚基、两个小亚基组成的四聚体。膜外膜内维持胞外的高钠离子和胞内的高钾离子42膜外膜内43主动运输的过程 由大小两个亚基组成，小亚基是个糖蛋白，大亚基是跨膜蛋白，在其胞质面有一个ATP结合位点和三个高亲和结合位点，在膜的外表面有二个K+高结合位点。离子泵的作用过程是通过ATP驱动的泵的构型变化来完成。 首先，由Na+结合到原胞质面的Na+结合位点，这一结合刺激了ATP的水解，使泵磷酸化，导致蛋白质构型改变，并暴露Na+结合位点面向胞外，使Na+释放至胞外； 与此同时，也将K+结合位点朝向细胞表面，结合胞外K+后刺激泵去磷酸化，并导致蛋白质构型再次变化，将K+结合位点朝向胞质面，随即释放K

12、+至胞质溶胶内，最后蛋白构形又恢复原状。44Na+-K+泵的意义（作用）： 维持细胞的渗透压，保持细胞的体积； 为葡萄糖协同运输泵提供了驱动力； 维持细胞的静息电位。45钙泵（Ca2+-ATP酶）离子泵: 维持细胞质中低水平的Ca2+浓度46存在于胃上皮等的酸分泌细胞的 H+/K+ATPase. 47 P类离子泵的“P”字表示磷酸化，即在泵作用中，ATP水解，输运蛋白的磷酸化引起其构象变化，改变载体蛋白对被输运离子的亲和力，使离子被输运。48（b）F型、V型泵F型：细菌的质膜真核细胞的线粒体叶绿体 利用H+的跨膜电化学梯度，促使质子从非胞浆面“顺坡”流向胞浆面，释放的自由能被利用合成ATP。4

13、9植物细胞液泡动物细胞的溶酶体膜破骨细胞等V型泵： 利用ATP水解释放的能量，使质子逆电化学梯度从胞浆泵入到非胞浆，酸化这些腔，保持低pH值。50（c）ABC运输载体超家族： 在从细菌到人的广泛搜寻中，发现100多种ABC超家族型输运蛋白质。 最早发现于细菌，是细菌质膜上的一种运输ATP酶，属于一个庞大而多样的蛋白家族，每个成员都含有两个高度保守的ATP结合区。51 所有ABC蛋白具有一个共同结构： 2个跨膜区，形成被转运分子的通道。 每个区含六个跨膜的螺旋。 2个胞浆中的ATP结合区。52 正常生理条件下，ABC蛋白是细菌质膜上糖、氨基酸、磷脂和肽的转运蛋白， 是哺乳动物细胞质膜上磷脂、亲脂

14、性药物、胆固醇和其他小分子的转运蛋白。其在肝、小肠和肾等器官细胞膜上分布丰富，能将天然毒物和代谢废物排除体外。53 MDR，多药抗性转运蛋白，是其一种，能利用水解ATP的能量将各种药物从细胞质内转运到细胞外。因此，对于表达MDR细胞衍生来的肿瘤难于治疗 54 各种ATP驱动的泵都有一个或多个ATP结合点，总在膜的胞浆面，虽然这些蛋白被称为ATP酶，但只在运输离子或其它分子时，它们才使ATP水解成ADP和Pi。因为ATP水解与运输功能紧密耦联，磷酸键贮存的能量被充分利用，使离子或其它分子逆其电位或浓度梯度移动。这样就保持住细胞内、外Na+、K+、Ca+、H+的浓度梯度。552. 电子传递链驱动的

15、主动运输 电子沿着线粒体内膜呼吸链传递过程中，释放出来的自由能驱动质子从基质逆浓度梯度跨膜进入膜间隙，这是线粒体氧化磷酸化偶联作用的关键环节。 在线粒体内膜上，复合物I（NADH脱氢酶）、复合物III（细胞色素bc1）、复合物IV (细胞色素c氧化酶)作为质子泵将质子泵至膜间隙。5657质子驱动力（proton-motive force） 电子沿着线粒体内膜呼吸链传递过程中，释放出来的自由能驱动质子从基质逆浓度梯度跨膜进入膜间隙，产生了线粒体内膜两侧的质子浓度梯度。 线粒体内膜两侧的电化学势包括两方面：线粒体内膜两侧的质子浓度梯度，即pH梯度；和膜两侧电位梯度。其总的能势称为质子驱动力（p，单

16、位为mV）。5859 电子传递反应、光照射、或ATP水解产生的能量以这种电化学梯度形式贮备。60 3.协同输运 (Cotransport) 能量来自膜两侧的离子浓度梯度。一种离子顺浓度梯度输运，释放出来的自由能驱动另一种离子或分子逆浓度梯度输运。同向协同：物质运输方向与离子移动方向相同， 如小肠上皮细胞吸收葡萄糖和氨基酸。Na+葡萄糖61逆向协同：物质运输方向与离子移动方向相 反,如细胞Na+/H+交换以提高细胞 内pH值（Na+从细胞外进入细胞内， H+从细胞内运出细胞）Na+H+62GlucoseNa+H+Na+细胞内细胞外K+Na+Cl-K+Na+Cl-人红细胞1361383516415

17、4胃肠平滑肌细胞16222405.9137134蛙骨骼及细胞1551244145120枪乌贼轴突36944391349852063例1. Na+/葡萄糖同向运输64 662个氨基酸的蛋白质 氨基和羧基末端在胞浆中 14个跨膜螺旋 C末端的5个螺旋形成葡萄糖的通路 蛋白质的剩余部分可能是使结合Na+转运耦联所需的 蛋白质在胞外侧有2个Na+离子和一个葡萄糖分子的结合位点，结合它们后蛋白质构像发生改变， Na+离子和一个葡萄糖同时释放到胞内，蛋白质恢复原状。65666768 在肾小管上皮细胞有第二种Na+/葡萄糖同向运输蛋白，它是使一个Na+和一个葡萄糖分子同向运输的蛋白质，有很高的运输速率，但葡

18、萄糖的浓度梯度不太大，细胞内比细胞外约高100倍，是该上皮细胞重吸收葡萄糖的功能。69例2 Na+/Ca2+反向输运 心肌细胞中 Na+/Ca2+反向输运蛋白的功能是由Na+顺浓度梯度进入细胞时释放能量，驱动Ca2+逆浓度梯度运出细胞，降低心肌收缩力。运进3个Na+，运出一个Ca2+。细胞外Ca2+离子浓度比细胞内大10000倍。 70 临床上常用一些药物，例如地高辛，处理充血性心力衰竭。由于这些药物抑制Na+/K+ ATPase运输Na+、K+的功能，细胞内Na+浓度增加， Na+跨膜浓度梯度降低，因而，Na+/Ca2+反向输运功能的效率降低，细胞内Ca2+增加，使心肌收缩力加强。71例3

19、Cl-/HCO3-反向运输 红细胞膜上有带三蛋白（内在蛋白），它将Cl-和HCO3-一对一反向运输， HCO3-顺浓度梯度，无静电荷移动，维持细胞膜运输的电中性。7273第二节 细胞的自稳作用 生物的自稳作用是生命的最主要特征之一，两个自稳作用的相互作用与协调 细胞自稳作用 细胞间组织系统 的自稳作用肌体整体的 自稳作用74 细胞自稳作用意义: 各个细胞本身具有调节细胞内环境 的能力和作用,以有利于实施其生理功能 和对应细胞外环境的变化. 体积调节；膜电位调节；细胞内成分调节。 75 细胞自稳作用是 各种输运机制 输运机制相连的细胞浆内的各种反应的 整合，因此，比个别输运机制要复杂得多。76一

20、.体积调节： 当淋巴细胞从等渗溶液转到低渗溶液时，细胞发生的原初反应是水进入细胞，细胞体积迅速膨胀，以达到渗透压平衡，然而，细胞会随之进行体积减小的调节，大约10分钟后，细胞体积逐渐恢复到接近原来的大小。77等渗溶液低渗溶液原初反应调节反应时间迅速10分钟后等渗溶液时间迅速10分钟后原初反应调节反应78 如果这时把细胞又转到等渗溶液中，细胞与前面相反的原初反应，水从细胞排出，细胞体积迅速缩小，恢复渗透压平衡，随之细胞则进行大约10分钟的体积增大的调节，使之恢复到接近原先等渗状态时的体积。79 许多细胞都能够响应外环境的变化，首先迅速发生原初反应，导致体积变化，然后再发生调节反应，使细胞体积恢复

21、到原来的大小，但是，发生的调节反应要比原初反应慢得多。80 调节反应是通过溶质浓度的改变随之发生的水的渗透输运的结果 存在若干不同的途径，以改变细胞内溶质的浓度并导致细胞体积的变化，如通过细胞内的化学合成和降解改变跨膜输运的某些环节调整胞内溶质浓度81 当然，不同细胞采用了不同的调节途径来调节细胞的体积。不管哪种调节机制，细胞都必须能够感受到细胞体积的变化，或者说存在体积变化感受器。 许多种类的细胞存在特殊的张力门控通道。当细胞体积变化时，细胞质膜发生变化，膜上张力门控通道被打开，离子经过通道流动，调节胞内离子浓度。 这种通道对阳离子是通透的，但没有很高的选择性。另外还存在一些对张力敏感的离子

22、泵。 还要指出的是细胞体积的改变，必然引起胞内所有离子浓度的改变，因此，某些离子浓度的改变会同时作用于其它调控机制，诱导某些补偿或调控反应。82二.细胞内PH的调节 真核细胞胞浆pH受到严格地控制，通常7.0-7.4为适宜，某些病变细胞pH会发生变化。 另一方面，某些细胞（如酸分泌细胞）或细胞器（如溶酶体）需要特殊的pH条件。 pH调节是保证细胞内环境自稳的主要方面。83细胞内PH主要是通过多种膜离子转运系统细胞内缓冲系统H2CO3/HCO3 -H2PO4-/HPO4 -2某些蛋白分子 Na/H 反向转运载体Cl/HCO-反向转运载体Na依赖的Cl /HCO-反向转运载体H-ATPAase84（1） Na/H 反向转运载体 广泛分布于各类动物细胞。在生理条件下， Na/H 反向转运是依赖于向内的Na+梯度，把H+转运到细胞外。许多实验证明， Na/H 反向转运是可逆的，即依赖于主动运输建立的质子推动力，把Na+向胞外输运。85（2）Cl/HCO反向转运载体（3）存在另一个进行Cl /HCO共转运的系统， 它是在Na存在的前提下，促进 HCO与Cl 交换的，因此称之为Na依赖的 Cl /HCO 的反向转运系统。（4）H-ATPAase，V型质子泵。8