第九章 生物体中的碱金属和碱土

1、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是生物体必须元素，是生物体必须元素， 含量较高，属常量元素，它们在体内起含量较高，属常量元素，它们在体内起 重要作用。重要作用。 钠钠主要存在于高等动物中。对于植主要存在于高等动物中。对于植 物，钠并非必需元素。人体内的钠大部物，钠并非必需元素。人体内的钠大部 分在细胞外液中，还有分在细胞外液

2、中，还有1/31/3的钠分布在骨的钠分布在骨 骼中。骼中。钾钾主要存在于细胞内液，也存在主要存在于细胞内液，也存在 于细胞外液中。于细胞外液中。 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 人体的人体的钠钠和和钾钾离子主要作用是离子主要作用是控制控制 细胞、组织液和血液内的电荷平衡细胞、组织液和血液内的电荷平衡，这这 对保持体液的正常流通和控制体内酸碱对保持体液的正常流通和控制体内酸碱 平衡都是必要的。平衡都是必要的。 钠钠还起着还起着维持体液渗透压维持体液渗透压的作用；的作用； 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+

3、+还对还对神经信息传递神经信息传递起重要作起重要作 用。用。 MgMg2+ 2+： ：人体中人体中70% Mg70% Mg2+ 2+存在于骨骼， 存在于骨骼， 其余主要分散在软组织中，在植物其余主要分散在软组织中，在植物 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+： ：是人体含量最高的无机元素，是人体含量最高的无机元素， 主要存在于骨骼中，少量存在于体主要存在于骨骼中，少量存在于体 液。植物、藻类及细菌中也存在少液。植物、藻类及细菌中也存在少 量钙。量钙。 钙钙和和镁镁在在细胞的新陈代谢细胞的新陈代谢中起重要作中起重要作 用。这两种金属离子在脂蛋白中桥联邻

4、近用。这两种金属离子在脂蛋白中桥联邻近 的羧酸根而使细胞膜强化。的羧酸根而使细胞膜强化。钙钙是是骨骼的重骨骼的重 要成分要成分，还可作为，还可作为消化酶的辅助因子消化酶的辅助因子，对，对 神经传导、肌肉收缩、激素释放、血液凝神经传导、肌肉收缩、激素释放、血液凝 结起调节控制结起调节控制作用。作用。 镁镁是很多种是很多种酶的辅助因子酶的辅助因子，与细胞，与细胞 内核甘酸形成配合物，镁对内核甘酸形成配合物，镁对DNADNA的复制的复制 及及蛋白质的合成蛋白质的合成是必不可少的，是必不可少的，体内能体内能 量量转换需转换需MgMg2+ 2+。 。MgMg2+ 2+的另一作用是 的另一作用是作为作为

5、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 生物膜生物膜是细胞的主要组成部分，具有是细胞的主要组成部分，具有 独特的结构和功能。已知真核细胞除了有独特的结构和功能。已知真核细胞除了有 包围整个细胞的质膜外，还有构成各种细包围整个细胞的质膜外，还有构成各种细 胞器的膜。真核细胞的膜占整个细胞干重胞器的膜。真核细胞的膜占整个细胞干重 的的70-80%70-80%。这些膜结构对细胞。这些膜结构对细胞内环境的稳内环境的稳 定、物质代谢、能量转换、信息传递定、物质代谢、能量转换、信息传递等许等许 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.

6、 .生物膜的化学组成生物膜的化学组成 生物膜主要由脂质和蛋白质组成。除生物膜主要由脂质和蛋白质组成。除 此之外，还有少量水和无机盐，其中此之外，还有少量水和无机盐，其中CaCa2+ 2+ 离子对调节膜的功能有重要作用。离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 物质在生物体内有物质在生物体内有两种两种运送方式。一运送方式。一 种是随体液流动，另一种是通过生物膜的种是随体液流动，另一种是通过生物膜的 运送，后者又称为运送，后者又称为跨膜运送跨膜运送。 生物膜是细胞和各种细胞器的屏障。生物膜是细胞和各种细胞器的屏障。 它可以选择性的允许一些分子通过。通过它可以选

7、择性的允许一些分子通过。通过 生物膜除了可以摄取和浓缩必需的物质外，生物膜除了可以摄取和浓缩必需的物质外， 还要排出无用或多余的物质。生物膜还可还要排出无用或多余的物质。生物膜还可 以保持膜内外某些离子的浓度梯度以保持膜内外某些离子的浓度梯度 ，保证，保证 生物信息的有效传递。生物膜的运送体系生物信息的有效传递。生物膜的运送体系 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 生物膜运送离子的方式大致可分为两类：生物膜运送离子的方式大致可分为两类： 被动运送被动运送和和主动运送主动运送。 1、被动运送被动运送：离子沿

8、化学势的方向进行离子沿化学势的方向进行 运送，即离子从浓度大运送到小的一侧。运送，即离子从浓度大运送到小的一侧。 这个过程不消耗能量。被动运送又分为这个过程不消耗能量。被动运送又分为简简 单扩散单扩散和和促进运送促进运送。 简单扩散简单扩散：离子依赖浓度梯度和电位梯离子依赖浓度梯度和电位梯 度通过生物膜，它遵循运送速度与浓度度通过生物膜，它遵循运送速度与浓度 梯度成正比的扩散定律。金属离子的简梯度成正比的扩散定律。金属离子的简 单扩散困难，因它们难以通过膜的疏水单扩散困难，因它们难以通过膜的疏水 内层。内层。 促进运送促进运送：是离子在某些物质帮助下通过生是离子在某些物质帮助下通过生 物膜，它

9、不服从扩散定律。离子借助的物质物膜，它不服从扩散定律。离子借助的物质 有三类：有三类： 能在膜内活动，并参与离子可逆结合的能在膜内活动，并参与离子可逆结合的小小 分子分子，它能有选择性地与离子形成可通过生，它能有选择性地与离子形成可通过生 物膜的脂溶性的配合物，给阳离子提供物膜的脂溶性的配合物，给阳离子提供“有有 机外衣机外衣”。 另一类是结合在膜上的另一类是结合在膜上的运送载体运送载体，它们不，它们不 能穿过膜运动，只在膜上形成贯穿膜两侧的能穿过膜运动，只在膜上形成贯穿膜两侧的 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

10、子结合的蛋白质蛋白质。 2、主动运送主动运送：主动运送是离子逆浓度梯度和主动运送是离子逆浓度梯度和 电化学梯度通过生物膜的运动，这个过程需电化学梯度通过生物膜的运动，这个过程需 要能量。主动运送也需要离子载体或蛋白质要能量。主动运送也需要离子载体或蛋白质 的帮助。的帮助。 执行主动运送的机制常被称为执行主动运送的机制常被称为离子泵离子泵，它能，它能 维持膜内、外离子成分和浓度的稳定。如细维持膜内、外离子成分和浓度的稳定。如细 胞外液胞外液Na+ 浓度高于内液，而浓度高于内液，而K+则相反；离则相反；离 子泵仍不断将细胞内子泵仍不断将细胞内Na+排出，细胞外排出，细胞外K+运入运入 细胞内，以保

11、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。 胞饮胞吐胞饮胞吐：许多细胞还能通过胞饮或胞吐作用：许多细胞还能通过胞饮或胞吐作用 跨膜运送物质。跨膜运送物质。 胞饮胞饮：被运送物与膜的某种蛋白质结合，膜内：被运送物与膜的某种蛋白质结合，膜内 陷并包围被运物，然后膜断开口，被运送物进陷并包围被运物，然后膜断开口，被运送物进 入细胞内。入细胞内。 胞吐胞吐：细胞内运送物被一层膜包围形成小泡，：细胞内运送物被一层膜包围形成小泡， 小泡与膜融合而产生向外通道，泡内物质排出小泡与膜融合而产生向外通道，泡内物质排出 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

12、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 大多数动物细胞内液大多数动物细胞内液K K+ +浓度高，而浓度高，而NaNa+ +浓度则相浓度则相 反。维持这种离子浓度梯度（内反。维持这种离子浓度梯度（内K K+ +高，高，NaNa+ +低）低） 是由膜上的专一运送系统是由膜上的专一运送系统 钠泵钠泵来实现的，来实现的， 即钠泵逆浓度梯度向细胞外运送即钠泵逆浓度梯度向细胞外运送NaNa+ +，向细胞内，向细胞内 运送运送K K+ +。细胞膜两侧（内、外）。细胞膜两侧（内、外）NaNa+ +浓度梯度浓度梯度 （内低、外高）既是神经和肌肉膜可兴奋性的（内低、外高）既是神经和

13、肌肉膜可兴奋性的 基础，又是某些组织中的氨基酸和葡萄糖等物基础，又是某些组织中的氨基酸和葡萄糖等物 质传送的基础。质传送的基础。NaNa+ +泵的速率取决于细胞内泵的速率取决于细胞内NaNa+ + 浓度，浓度，NaNa+ +浓度大，速率高。钠泵所需能量由浓度大，速率高。钠泵所需能量由 ATPATP水解提供。水解提供。 三三.钙泵钙泵 CaCa2+ 2+对调节肌肉收缩有重要作用，它是神经兴 对调节肌肉收缩有重要作用，它是神经兴 奋与肌肉收缩的媒介。肌肉细胞里含有大量奋与肌肉收缩的媒介。肌肉细胞里含有大量 肌原纤维，肌原纤维由肌浆包围着。肌细胞肌原纤维，肌原纤维由肌浆包围着。肌细胞 还含有高度分化

14、的内质网，称为肌浆网系，还含有高度分化的内质网，称为肌浆网系， 它是膜包围的管泡状结构网，对调节它是膜包围的管泡状结构网，对调节CaCa2+ 2+ 离离 子浓度有重要作用。子浓度有重要作用。 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） 当运动神经处于休止状态时，肌浆里的当运动神经处于休止状态时，肌浆里的CaCa2+ 2+ 吸收能量并通过膜被运送到肌浆网系，因此吸收能量并通过膜被运送到肌浆网系，因此 肌浆里的肌浆里的CaCa2+ 2+浓度很低。当运动神经冲动， 浓度很低。当运动神经冲动， 导致肌浆网系膜兴奋，通透性增加，使导致肌浆网系膜兴奋，通

15、透性增加，使CaCa2+ 2+ 离子迅速从肌浆网大量放出进入肌浆，引起离子迅速从肌浆网大量放出进入肌浆，引起 肌肉收缩。故肌肉收缩。故CaCa2+ 2+离子是神经兴奋与肌肉收 离子是神经兴奋与肌肉收 缩之间的媒介。缩之间的媒介。 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 许多细胞的生理活动要求许多细胞的生理活动要求CaCa2+ 2+离子浓度比 离子浓度比 较低，钠较低，钠 钙交换系能利用钙交换系能利用NaNa+ +在质膜在质膜 两边的浓度梯度运入两边的浓度梯度运入NaNa+ +并排出并排出CaCa2

16、+ 2+。一般 。一般 在神经、肌肉和肠道中都发生这种作用。在神经、肌肉和肠道中都发生这种作用。 胞饮作用会形成含胞饮作用会形成含NaNa+ +和和CaCa2+ 2+的囊泡而完成 的囊泡而完成 NaNa+ +向内输送，向内输送，CaCa2+ 2+向外排出，从而实现 向外排出，从而实现 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子的载体。目前已知的天然离子载体都是 抗菌素抗菌素。按跨膜运送离子的方式

17、分为：。按跨膜运送离子的方式分为：活活 动载体动载体和和通道载体通道载体。从载体的化学结构来。从载体的化学结构来 看有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

18、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。分子由一系列杂环，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的组成，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，另一端为羧基，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。羧基氧和羟基氧及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，将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外金属离子包围起来。疏水基团在配合物的外 边，整个分子是脂溶性的。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