生物膜与物质输运

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1、生物膜与物质输运生物膜的功能导言细胞通过细胞膜与环境或通过细胞内膜与胞桨进行物质交换称物质跨膜输运跨膜输运的意义维持细胞内成分与外界的差别保持细胞内生理环境的稳定跨膜输运具有选择性营养物质进入细胞中间产物留在细胞废物排出细胞1.物质跨膜转运的能力学假设物质在膜两侧的浓度分别为[C1]和[C2]物质在膜两侧的自由能分别为1=°+RTln[C1]2=°+RTln[C2]式中：°为物质的标准自由能R为气体常数T为绝对温度两侧自由能(freeenergy)差为G=2-1=RTln([C2]/[C1]物质跨膜转运的能力学根据热力学原理，一个过程可以自发进行，G<0G=RTln

2、([C2]/[C1]）<0[C2]<[C1]即物质只能由高浓度向低浓度方向扩散即沿浓度梯度的方向扩散,这种输运称被动输运（passivetransport)欲使物质逆浓度梯度方向输运，输运必须与另一个过程耦联，使得整个过程G<0，这种输运称主动输运(activetransport)物质跨膜转运的能力学对于带电物质G=RTln（[C2]/[C1])+ZF式中Z为被转运物质的电荷F为法拉第常数=96485库伦/摩尔=2-1为跨膜电位对于带正电物质(Z>0)如>0,则ZF>0,跨膜电位对G的贡献为正，不利于跨膜输运如<0,则ZF<0,跨膜电位对G的贡献为

3、负，有利于跨膜输运跨膜输运的方式被动输运主动输运简单扩散跨膜输运的方式2.简单扩散（simplediffusion)物质沿电化学梯度通过扩散直接通过膜通过简单扩散通过膜的物质气体分子：O2,CO2,N2小有机分子：苯，乙醇，乙二醇，甘油简单扩散的定量描述简单扩散遵从Fick定律J为扩散速率，定义为单位时间通过单位面积的物质量D为扩散系数dC/dx为跨膜浓度梯度简单扩散的定量描述对带电物质W为摩尔迁移率C为浓度R为气体常数Z为电荷F为法拉第常数d/dx为跨膜电位梯度简单扩散的特征设胞外浓度为Ce,胞内浓度为Ci,Ce>Ci物质的脂水分配系数为k,k=Cm/Cw，Cme=kCwe,Cm

4、i=kCwi膜的厚度=l,跨膜浓度梯度=(Cme–Cmi)/l据Fick定律J=D(dC/dx)=D(Cme–Cmi)/l=Dk(Ce–Ci)/l=P(Ce–Ci)P为通透系数，代表膜对物质通透性大大小简单扩散的特征设细胞内该物质浓度很低，Ci0,则物质进入细胞的初始扩散速率J0=PCe即J0与Ce成正比，这就是简单扩散的动力学特征简单扩散的动力学特征决定通透性大小的因素P=Dk/l脂溶性脂溶性越大，k越大，P越大分子大小分子越大，D越小，P越小分子水化程度分子水化程度越高，脱水所需能量越大，P越小脂双层对极性分子通透性很小，对离子几乎不通透温度温度越高，脂双层流动性越大，D越大，P

5、越大PermeabilityMembranesareimpermeabletocertainmolecules.Howdothesemoleculesenterthecell?3.蛋白质介导跨膜输运蛋白介导的跨膜输运被动输运(passivetransport)由电化学梯度驱动，沿梯度方向输运载体（carrier)通道(channel)主动输运（activetransport)由物理或化学能驱动，逆电化学梯度方向输运ATP驱动电化学梯度驱动光驱动载体介导的跨膜输运的特征动力学特征细胞膜上载体数目有限，转运速率具有饱和性J为转运速率Jmax为最大转运速率C为浓度Km为亲和常数，即速率达Jm

6、ax/2时的C载体介导物质跨膜输运的动力学特征载体介导的跨膜输运的特征饱和性载体的数量有限特异性载体可区分不同种类的分子糖和氨基酸的D型和L型拮抗性载体可输运结构类似的化合物这些化合物相互拮抗拮抗阻断剂的类型结构与被输运物质相似结合于相同位点4，6-亚乙基葡萄糖阻断葡萄糖输运结构与被转运物质不同根皮素（phloretin)阻断糖转运蛋白Ouabain阻断Na/K泵河豚毒素(tetrodotoxin)阻断Na通道被动输运被动输运是沿电化学梯度方向的输运(downhill)由蛋白质分子介导载体（carrier)通道(channel)载体（Carrier）载体蛋白(carrierprote

7、ins,或permeasesortransporters):与待转运物质结合引起构像变化并将其转运到膜的另一侧通道（Channel）通道蛋白(ChannelProtein)与待转运物质的相互作用较弱形成跨越脂双层的充水性孔道当孔道开启时，允许特定大小和特定电荷的溶质通过无机离子H2OWater-filledporethatallowsionsofcertainchargeandsizetopassthrough水的跨膜输运水能通过细胞膜水通过细