生物体中的碱金属和碱土

第九章生物体中的碱金属和碱土金属及其跨膜运送1.碱金属和碱土金属在体内的分布与功能

2.生物膜3.离子通过膜的运送4.天然离子载体

Na、K、Ca、Mg是生物体必须元素，含量较高，属常量元素，它们在体内起重要作用。钠主要存在于高等动物中。对于植物，钠并非必需元素。人体内的钠大部分在细胞外液中，还有1/3的钠分布在骨骼中。钾主要存在于细胞内液，也存在于细胞外液中。第一节碱金属和碱土金属在体内的分布与功能人体的钠和钾离子主要作用是控制细胞、组织液和血液内的电荷平衡，这对保持体液的正常流通和控制体内酸碱平衡都是必要的。钠还起着维持体液渗透压的作用；钾可作为某些酶的辅基。

K+和Na+还对神经信息传递起重要作用。Mg2+：人体中70%Mg2+存在于骨骼，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。Ca2+：是人体含量最高的无机元素，主要存在于骨骼中，少量存在于体液。植物、藻类及细菌中也存在少量钙。钙和镁在细胞的新陈代谢中起重要作用。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。钙是骨骼的重要成分，还可作为消化酶的辅助因子，对神经传导、肌肉收缩、激素释放、血液凝结起调节控制作用。镁是很多种酶的辅助因子，与细胞内核甘酸形成配合物，镁对DNA的复制及蛋白质的合成是必不可少的，体内能量转换需Mg2+。Mg2+的另一作用是作为叶绿素的中心离子参加光合作用。第二节生物膜生物膜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的70-80%。这些膜结构对细胞内环境的稳定、物质代谢、能量转换、信息传递等许多方面都起着极为重要的作用。一.生物膜的化学组成

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Ca2+离子对调节膜的功能有重要作用。第三节离子通过膜的运送物质在生物体内有两种运送方式。一种是随体液流动，另一种是通过生物膜的运送，后者又称为跨膜运送。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。生物膜还可以保持膜内外某些离子的浓度梯度，保证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。一.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：被动运送和主动运送。1、被动运送：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。这个过程不消耗能量。被动运送又分为简单扩散和促进运送。简单扩散：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内层。促进运送：是离子在某些物质帮助下通过生物膜，它不服从扩散定律。离子借助的物质有三类：①能在膜内活动，并参与离子可逆结合的小分子，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“有机外衣”。②另一类是结合在膜上的运送载体，它们不能穿过膜运动，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。③某些能与特定离子结合的蛋白质。2、主动运送：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，这个过程需要能量。主动运送也需要离子载体或蛋白质的帮助。执行主动运送的机制常被称为离子泵，它能维持膜内、外离子成分和浓度的稳定。如细胞外液Na+

浓度高于内液，而K+则相反；离子泵仍不断将细胞内Na+排出，细胞外K+运入细胞内，以保持细胞内的低Na+高K+环境。胞饮胞吐：许多细胞还能通过胞饮或胞吐作用跨膜运送物质。胞饮：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，被运送物进入细胞内。胞吐：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。二.钠泵大多数动物细胞内液K+浓度高，而Na+浓度则相反。维持这种离子浓度梯度（内K+高，Na+低）是由膜上的专一运送系统——

钠泵来实现的，即钠泵逆浓度梯度向细胞外运送Na+，向细胞内运送K+。细胞膜两侧（内、外）Na+浓度梯度（内低、外高）既是神经和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质传送的基础。Na+泵的速率取决于细胞内Na+浓度，Na+浓度大，速率高。钠泵所需能量由ATP水解提供。

三.钙泵

Ca2+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肌原纤维，肌原纤维由肌浆包围着。肌细胞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Ca2+

离子浓度有重要作用。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Ca2+

吸收能量并通过膜被运送到肌浆网系，因此肌浆里的Ca2+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Ca2+离子迅速从肌浆网大量放出进入肌浆，引起肌肉收缩。故Ca2+离子是神经兴奋与肌肉收缩之间的媒介。

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.钠钙交换许多细胞的生理活动要求Ca2+离子浓度比较低，钠—钙交换系能利用Na+在质膜两边的浓度梯度运入Na+并排出Ca2+。一般在神经、肌肉和肠道中都发生这种作用。胞饮作用会形成含Na+和Ca2+的囊泡而完成Na+向内输送，Ca2+向外排出，从而实现钠—钙交换。

第四节天然离子载体

离子的跨膜运送需载体——

离子载体。一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抗菌素。按跨膜运送离子的方式分为：活动载体和通道载体。从载体的化学结构来看有环状和链状之分。

一、环状离子载体——抗菌素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（如细胞内）出来。）二、链状离子载体——羧基离子载体如P177，链状也属抗菌素。分子由一系列杂环组成，分子