生物体中的碱金属和碱土.ppt

第九章第九章 生物体中的碱金属和碱土生物体中的碱金属和碱土 金属及其跨膜运送金属及其跨膜运送1.1.碱金属和碱土金属在体内的分布与功能碱金属和碱土金属在体内的分布与功能 2.2.生物膜生物膜3.3.离子通过膜的运送离子通过膜的运送4.4.天然离子载体天然离子载体NaNa、K K、CaCa、MgMg是是生生物物体体必必须须元元素素，含含量量较较高高，属属常常量量元元素素，它它们们在在体体内内起起重重要作用。要作用。钠钠主主要要存存在在于于高高等等动动物物中中。对对于于植植物物，钠钠并并非非必必需需元元素素。人人体体内内的的钠钠大大部部分分在在细细胞胞外外液液中中，还还有有1/31/3的的钠钠分分布布在在骨骨骼骼中中。钾钾主主要要存存在在于于细细胞胞内内液液，也也存存在在于于细细胞胞外外液中。液中。第一节第一节 碱金属和碱土金属在体内的碱金属和碱土金属在体内的 分布与功能分布与功能人人体体的的钠钠和和钾钾离离子子主主要要作作用用是是控控制制细细胞胞、组组织织液液和和血血液液内内的的电电荷荷平平衡衡，这这对对保保持持体体液液的的正正常常流流通通和和控控制制体体内内酸酸碱碱平衡都是必要的。平衡都是必要的。钠钠还还起起着着维维持持体体液液渗渗透透压压的的作作用用；钾钾可作为某些可作为某些酶的辅基酶的辅基。K K+和和NaNa+还还对对神神经经信信息息传传递递起起重重要要作作用。用。MgMg2+2+：人人体体中中70%70%MgMg2+2+存存在在于于骨骨骼骼，其其余余主主要要分分散散在在软软组组织织中中，在在植植物物叶绿素中还有存在，做中心原子。叶绿素中还有存在，做中心原子。CaCa2+2+：是是人人体体含含量量最最高高的的无无机机元元素素，主主要要存存在在于于骨骨骼骼中中，少少量量存存在在于于体体液液。植植物物、藻藻类类及及细细菌菌中中也也存存在在少少量钙。量钙。钙钙和和镁镁在在细细胞胞的的新新陈陈代代谢谢中中起起重重要要作作用用。这这两两种种金金属属离离子子在在脂脂蛋蛋白白中中桥桥联联邻邻近近的的羧羧酸酸根根而而使使细细胞胞膜膜强强化化。钙钙是是骨骨骼骼的的重重要要成成分分，还还可可作作为为消消化化酶酶的的辅辅助助因因子子，对对神神经经传传导导、肌肌肉肉收收缩缩、激激素素释释放放、血血液液凝凝结起调节控制结起调节控制作用。作用。镁镁是是很很多多种种酶酶的的辅辅助助因因子子，与与细细胞胞内内核核甘甘酸酸形形成成配配合合物物，镁镁对对DNADNA的的复复制制及及蛋蛋白白质质的的合合成成是是必必不不可可少少的的，体体内内能能量量转转换换需需MgMg2+2+。MgMg2+2+的的另另一一作作用用是是作作为为叶绿素的中心离子参加光合作用叶绿素的中心离子参加光合作用。第二节第二节 生物膜生物膜生生物物膜膜是是细细胞胞的的主主要要组组成成部部分分，具具有有独独特特的的结结构构和和功功能能。已已知知真真核核细细胞胞除除了了有有包包围围整整个个细细胞胞的的质质膜膜外外，还还有有构构成成各各种种细细胞胞器器的的膜膜。真真核核细细胞胞的的膜膜占占整整个个细细胞胞干干重重的的70-80%70-80%。这这些些膜膜结结构构对对细细胞胞内内环环境境的的稳稳定定、物物质质代代谢谢、能能量量转转换换、信信息息传传递递等等许许多方面都起着极为重要的作用。多方面都起着极为重要的作用。一一.生物膜的化学组成生物膜的化学组成 生生物物膜膜主主要要由由脂脂质质和和蛋蛋白白质质组组成成。除除此此之之外外，还还有有少少量量水水和和无无机机盐盐，其其中中CaCa2+2+离离子对调节膜的功能有重要作用。子对调节膜的功能有重要作用。第三节第三节 离子通过膜的运送离子通过膜的运送物物质质在在生生物物体体内内有有两两种种运运送送方方式式。一一种种是是随随体体液液流流动动，另另一一种种是是通通过过生生物物膜膜的的运运送送，后者又称为后者又称为跨膜运送跨膜运送。生生物物膜膜是是细细胞胞和和各各种种细细胞胞器器的的屏屏障障。它它可可以以选选择择性性的的允允许许一一些些分分子子通通过过。通通过过生生物物膜膜除除了了可可以以摄摄取取和和浓浓缩缩必必需需的的物物质质外外，还还要要排排出出无无用用或或多多余余的的物物质质。生生物物膜膜还还可可以以保保持持膜膜内内外外某某些些离离子子的的浓浓度度梯梯度度 ，保保证证生生物物信信息息的的有有效效传传递递。生生物物膜膜的的运运送送体体系系可以识别它运送的物质并控制通过的数量。可以识别它运送的物质并控制通过的数量。一一.离子跨膜运送的方式离子跨膜运送的方式生生物物膜膜运运送送离离子子的的方方式式大大致致可可分分为为两两类类：被动运送被动运送和和主动运送主动运送。1、被被动动运运送送：离离子子沿沿化化学学势势的的方方向向进进行行运运送送，即即离离子子从从浓浓度度大大运运送送到到小小的的一一侧侧。这这个个过过程程不不消消耗耗能能量量。被被动动运运送送又又分分为为简简单扩散单扩散和和促进运送促进运送。简简单单扩扩散散：离离子子依依赖赖浓浓度度梯梯度度和和电电位位梯梯度度通通过过生生物物膜膜，它它遵遵循循运运送送速速度度与与浓浓度度梯梯度度成成正正比比的的扩扩散散定定律律。金金属属离离子子的的简简单单扩扩散散困困难难，因因它它们们难难以以通通过过膜膜的的疏疏水水内层。内层。促促进进运运送送：是是离离子子在在某某些些物物质质帮帮助助下下通通过过生生物物膜膜，它它不不服服从从扩扩散散定定律律。离离子子借借助助的的物物质质有三类：有三类：能能在在膜膜内内活活动动，并并参参与与离离子子可可逆逆结结合合的的小小分分子子，它它能能有有选选择择性性地地与与离离子子形形成成可可通通过过生生物物膜膜的的脂脂溶溶性性的的配配合合物物，给给阳阳离离子子提提供供“有有机外衣机外衣”。另另一一类类是是结结合合在在膜膜上上的的运运送送载载体体，它它们们不不能能穿穿过过膜膜运运动动，只只在在膜膜上上形形成成贯贯穿穿膜膜两两侧侧的的离子通道，允许特定离子或水合离子通过。离子通道，允许特定离子或水合离子通过。某些能与特定离子结合的某些能与特定离子结合的蛋白质蛋白质。2、主主动动运运送送：主主动动运运送送是是离离子子逆逆浓浓度度梯梯度度和和电电化化学学梯梯度度通通过过生生物物膜膜的的运运动动，这这个个过过程程需需要要能能量量。主主动动运运送送也也需需要要离离子子载载体体或或蛋蛋白白质质的帮助。的帮助。执执行行主主动动运运送送的的机机制制常常被被称称为为离离子子泵泵，它它能能维维持持膜膜内内、外外离离子子成成分分和和浓浓度度的的稳稳定定。如如细细胞胞外外液液Na+浓浓度度高高于于内内液液，而而K+则则相相反反；离离子子泵泵仍仍不不断断将将细细胞胞内内Na+排排出出，细细胞胞外外K+运运入入细胞内，以保持细胞内的低细胞内，以保持细胞内的低Na+高高K+环境。环境。胞胞饮饮胞胞吐吐：许许多多细细胞胞还还能能通通过过胞胞饮饮或或胞胞吐吐作作用用跨膜运送物质。跨膜运送物质。胞胞饮饮：被被运运送送物物与与膜膜的的某某种种蛋蛋白白质质结结合合，膜膜内内陷陷并并包包围围被被运运物物，然然后后膜膜断断开开口口，被被运运送送物物进进入细胞内。入细胞内。胞胞吐吐：细细胞胞内内运运送送物物被被一一层层膜膜包包围围形形成成小小泡泡，小小泡泡与与膜膜融融合合而而产产生生向向外外通通道道，泡泡内内物物质质排排出出细胞外，称胞吐作用。细胞外，称胞吐作用。胞饮和胞吐属主动运送的形式，需消耗能量。胞饮和胞吐属主动运送的形式，需消耗能量。二二.钠泵钠泵大大多多数数动动物物细细胞胞内内液液K K+浓浓度度高高，而而NaNa+浓浓度度则则相相反反。维维持持这这种种离离子子浓浓度度梯梯度度（内内K K+高高，NaNa+低低）是是由由膜膜上上的的专专一一运运送送系系统统 钠钠泵泵来来实实现现的的，即即钠钠泵泵逆逆浓浓度度梯梯度度向向细细胞胞外外运运送送NaNa+，向向细细胞胞内内运运送送K K+。细细胞胞膜膜两两侧侧（内内、外外）NaNa+浓浓度度梯梯度度（内内低低、外外高高）既既是是神神经经和和肌肌肉肉膜膜可可兴兴奋奋性性的的基基础础，又又是是某某些些组组织织中中的的氨氨基基酸酸和和葡葡萄萄糖糖等等物物质质传传送送的的基基础础。NaNa+泵泵的的速速率率取取决决于于细细胞胞内内NaNa+浓浓度度，NaNa+浓浓度度大大，速速率率高高。钠钠泵泵所所需需能能量量由由ATPATP水解提供。水解提供。三三.钙泵钙泵CaCa2+2+对对调调节节肌肌肉肉收收缩缩有有重重要要作作用用，它它是是神神经经兴兴奋奋与与肌肌肉肉收收缩缩的的媒媒介介。肌肌肉肉细细胞胞里里含含有有大大量量肌肌原原纤纤维维，肌肌原原纤纤维维由由肌肌浆浆包包围围着着。肌肌细细胞胞还还含含有有高高度度分分化化的的内内质质网网，称称为为肌肌浆浆网网系系，它它是是膜膜包包围围的的管管泡泡状状结结构构网网，对对调调节节CaCa2+2+离离子子浓浓度度有重要作用。有重要作用。肌细胞肌原纤维（由肌浆包围着）肌浆网系，对调节 Ca2+离子浓度有重要作用。（内质网）当当运运动动神神经经处处于于休休止止状状态态时时，肌肌浆浆里里的的CaCa2+2+吸吸收收能能量量并并通通过过膜膜被被运运送送到到肌肌浆浆网网系系，因因此此肌肌浆浆里里的的CaCa2+2+浓浓度度很很低低。当当运运动动神神经经冲冲动动，导导致致肌肌浆浆网网系系膜膜兴兴奋奋，通通透透性性增增加加，使使CaCa2+2+离离子子迅迅速速从从肌肌浆浆网网大大量量放放出出进进入入肌肌浆浆，引引起起肌肌肉肉收收缩缩。故故CaCa2+2+离离子子是是神神经经兴兴奋奋与与肌肌肉肉收收缩缩之之间间的媒介。的媒介。运动神经处于休止状态 Ca2+Ca2+运动状态运动休止（肌浆里）运动、神经冲动（肌浆网系）肌肉收缩四四.钠钙交换钠钙交换许许多多细细胞胞的的生生理理活活动动要要求求CaCa2+2+离离子子浓浓度度比比较较低低，钠钠 钙钙交交换换系系能能利利用用NaNa+在在质质膜膜两两边边的的浓浓度度梯梯度度运运入入NaNa+并并排排出出CaCa2+2+。一一般般在在神神经经、肌肌肉肉和和肠肠道道中中都都发发生生这这种种作作用用。胞胞饮饮作作用用会会形形成成含含NaNa+和和CaCa2+2+的的囊囊泡泡而而完完成成NaNa+向向内内输输送送，CaCa2+2+向向外外排排出出，从从而而实实现现钠钠 钙交换。钙交换。第四节第四节 天然离子载体天然离子载体离子的跨膜运送需载体离子的跨膜运送需载体 离子载体离子载体。一。一些微生物产生的抗菌素可作为跨膜运送离子些微生物产生的抗菌素可作为跨膜运送离子的载体。目前已知的天然离子载体都是的载体。目前已知的天然离子载体都是抗菌抗菌素素。按跨膜运送离子的方式分为：。按跨膜运送离子的方式分为：活动载体活动载体和和通道载体通道载体。从载体的化学结构来看有。从载体的化学结构来看有环状环状和和链状链状之分。之分。一、环状离子载体环状离子载体抗菌素抗菌素天然环状离子载体包括缬氨霉素、恩镰天然环状离子载体包括缬氨霉素、恩镰孢菌素、大四内酯等抗菌素。它们都是孢菌素、大四内酯等抗菌素。它们都是不带电荷的电中性物质。不带电荷的电中性物质。这些环状载体有很多氧原子，可与碱金这些环状载体有很多氧原子，可与碱金属配位，形成配合物后，可方便地通过属配位，形成配合物后，可方便地通过膜。（通过膜到膜内或由膜内（如细胞膜。（通过膜到膜内或由膜内（如细胞内）出来。）内）出来。）二、链状离子载体、链状离子载体羧基离子载体羧基离子载体如如P177，链状也属抗菌素。分子由一系列杂，链状也属抗菌素。分子由一系列杂环组成，分子链上有多个能与金属离子配位环组成，分子链上有多个能与金属离子配位的含氧基团，链一端为醇羟基，另一端为羧的含氧基团，链一端为醇羟基，另一端为羧基，因此也称羧基离子载体。羧基氧和羟基基，因此也称羧基离子载体。羧基氧和羟基氧及羰基氧与金属离子配位，氢键使链成环，氧及羰基氧与金属离子配位，氢键使链成环，将金属离子包围起来。疏水基团在配合物的将金属离子包围起来。疏水基团在配合物的外边，整个分子是脂溶性的。外边，整个分子是脂溶性的。链状离子载体可载离子（形成配合物）通过链状离子载体可载离子（形成配合物）通过膜，向内或由内向外运送金属离子。膜，向内或由内向外运送金属离子。三、通道载体三、通道载体能够在膜上形成离子通道的天然载体有两类：能够在膜上形成离子通道的天然载体有两类：大环多羟基多烯内酯类抗菌素和多肽类抗菌大环多羟基多烯内酯类抗菌素和多肽类抗菌素。素。大环多羟基多烯内酯类抗菌素大环多羟基多烯内酯类抗菌素如制霉菌如制霉菌素，是一类亲水和亲油化合物（极与非极性素，是一类亲水和亲油化合物（极与非极性基团）。它可形成亲水性通道，使金属离子基团）。它可形成亲水性通道，使金属离子或葡萄糖、尿素等水溶性小分子通过。或葡萄糖、尿素等水溶性小分子通过。多肽类抗菌素多肽类抗菌素如短杆菌肽如短杆菌肽A能使膜上形成能使膜上形成通道，允许一价阳离子通过，多价阳离子及通道，允许一价阳离子通过，多价阳离子及阴离子不能通过。阴离子不能通过。