细胞膜的基本结构:1、 由磷脂双分子层构成细胞膜的基本支架2、 在磷脂双分子层中, 镶嵌有蛋白质分子细胞膜结构 Phosphatidyl-c holin: ( 磷酯酰胆碱)Beispiel ieines Phopholipids极性头胆碱磷酸根甘油非极性尾 Anordnung der am phiphilen Lipidm oleküle in der Lipiddoppelschicht (两性分子在双脂层中的排列)磷酯酰胆碱磷酯酰乙醇胺胆固醇 目 前有两种公认的生物膜模型, 即单位膜模型和流动镶嵌模型。1935年 DanielliDanson提出 单 位膜模型, 认为 生 物膜由两层 类脂分 子 层 组成, 其中 脂肪酸的疏水尾部向内向内 , 表面是由极性基构成的亲水部分 并为 一层 蛋表面是由极性基构成的亲水部分 并为层 蛋白 质 覆盖。 单位膜模型无法 解释溶质 的主 动运输现象。 外拟脂拟脂蛋白质极性基烃链早期膜结构构模式图图早期膜结内模式 流动镶嵌模型是70年代提出的。 该模型认为生物膜上的蛋白质分为“外在蛋白” 和“内在蛋白” 。 膜上蛋白质分布是不均匀的, 所以膜的结构是不对称的。 脂质的双分子层大部分为液晶状可自由流动大部分为液晶状, 可自由流动。 膜上有一些蛋白质酶的作用,对离子的运输或分子的穿透有透过酶的功能。膜上有些蛋白质酶的作用细胞膜上的蛋白质对离子运输具有专一性, 可以转运同一类物质。 DCH+外侧流动镶嵌模型中离子传递与信息传导机理示意图A、 离子泵 B、 离子通道 C、 载体 D、 信息传导的耦合蛋白DABXATPADP+PiH+K+, NO3-内侧 生物膜的流动镶嵌模型: (二)细胞膜特点细胞膜的结构特性: 具有一定的流动性细胞膜的功能特性: 是具有选择透过性膜的流动性的存在, 既可使膜中各种成分按需要调整其组合分布而利于控制物质进出细胞, 又能使细胞经受一定程度的变形不至破裂而具有了 保护细胞内部的作用, 从而保证了 活细胞完成各种生理功能, 是细胞膜具有选择透过性这一功能特性的基础。 活细胞的细胞膜具有选择透过性, 是细胞生命活动的体现。 这种膜可以让水分子自由通过, 细胞要选择吸收的离子和小分子也可以通过, 而其他的离子、 小分子和大分子则不能通过这样可保证细胞按生命活动需则不能通过。 这样可保证细胞按生命活动需要吸收和排出物质; 而物质选择性的透过细胞膜等各项生理功能的实施, 又需要细胞膜的流动性这一结构特点来保障, 这就是结构特点和功能特性的统一 二、 载体、 通道概念细胞膜上存在两类主要的转运蛋白:载体蛋白(carrier protein)通道蛋白(channel protein)细胞膜上主要有两类蛋白质对离子吸收起促进作用, 即离子通道和载体。 离子通道是细胞膜上具有选择性的孔状跨膜蛋白, 孔的大小和表面荷电状况决定着它的专一性。 载体是生物膜上携带离子通过膜的蛋白质。 (一)离子载体载体蛋白又称做载体(carrier) 、 通透酶(permease) 和转运(transporter) ,能够与特定溶质结合, 通过自身构象的变化,将与它结合的溶质转移到膜的另将与它结合的溶质转移到膜的另一侧。 载体蛋白有的需要能量驱动, 如: 各类APT驱动的离子泵; 有的则不需要能量, 以自由扩散的方式运输物质, 如: 缬氨酶素。侧载体 缬氨霉素的分子结构 通道离子载体:短杆菌肽A (二)通道蛋白通道蛋白与所转运物质的结合较弱, 它能形成亲水的通道, 当通道打开时能允许特定的溶质通过, 所有通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质式运输溶质。通道蛋白是衡跨质膜的亲水性通道, 允许适当大小的离子顺浓度梯度通过, 故又称离子通道。 各类离子通道 不同通道对不同离子的通透性不同, 即离子选择性(ionic selectivity)。 这是由通道的结构所决定的, 只允许具有特定离子半径和电荷的离子通过。 根据离子选择性的不同, 通道可分为钠通道钙通道道可分为钠通道、 钙通道、 钾通道、 氯通道等。 但通道的离子选择性只是相对的而不是绝对的。 比如, 钠通道除主要对Na+通透外,对NH4+也通透, 甚至于对K+也稍有通透。钾通道氯通道 三、 质子泵、 膜电位、主动运输与被动动输(一) 质子泵质子泵亦是可逆性ATP酶, 能在外能驱动下逆浓差转运H+。 线粒体内膜呼吸链中有个酶复合体有质三个酶复合体具有质子泵功能, 能将H+由内腔转运到外腔, 它们是: 细胞色素c氧化酶、辅酶QH+-细胞色素c还原酶、 NADH-辅酶Q还原酶。功能能将内 质子泵有三类: P-type、 V-type、 F-type四种ATP驱动的离子泵 质子推动力( Proton Motive Force)与细胞膜电位(Electro chem ical potentials of plasm a(Electro-chem ical potentials of plasm a m em brane)(二) 膜电位 细胞膜电位的形成与质子泵ATP + nH2OH+H+H+H+质外体(外)共质体(内)细胞膜ATPATP酶ADP + Pi+ (n-1)H2OpH 5.5pH 7.5Em ≈ -100 - -200 质子推动力:(Proton Motive Force- pmf)由于位于细胞膜上的ATP酶(又叫质子泵) 的泵H+作用, 使膜两边H+的自由能发生变化(⊿ μ H+) , 这个自由能的变化包括H+浓度变化所引起的化学势变化和电势的变化(故称为电化学势变化) , 可表示为:⊿ μ H+= - 2.3 RT ⊿ p H + F ⊿φR -气体常数; T-绝对温度; F-法拉第常数⊿ μ 是能量术语, 相对于这个能量的力就是质子推动力,可以用下式表示:Pmf = ⊿ p H + ⊿φ⊿ p H-膜两边的H+浓度差;⊿φ-膜两边的电势差 dμ /dx: 化学势梯度chem ical potential gradient chem ical driving force)化学驱动力溶液中的离子主要受到两种力量的驱动, 一种来自于化学势梯度, 它使离子从高浓度向低浓度移动; 另一种来自于电势梯度, 它使阳离子向负电势方向移动, 使阴离子向正电势方向移动。zFdψ/dx: 电势梯度electrical potential gradient electrical driving force电驱动力 其中:μ = chemical potentialz = valency of the ionΨ= electrical potentialF = Faraday constant, 92 J/mV/moly,化学势取决于离子的浓度, 或更精确地说是活度:f X c = aa = activity;c = concentration;f = the activity coefficient(低浓度下活度系数接近1, 此时活度可用浓度值代替。 ) 一种离子的化学势为:o+ R T ln ao= 标准状态下的化学势R = 气体常数 (7.95J/oC/mol)μ = μμT = 绝对温度T = 绝对温度离子的电化学势包括化学势与电势:μ = μo+ R T ln a + z Fψ 当一种离子在细胞内外处于平衡时, 该离子在细胞膜内外的电化学势应该相等, 即下式成立:μo+ R T ln ao+ z Fψo= μo+ R T ln ai+ z Fψi即 即R T ln ao+ z Fψo= R T ln ai+ z Fψiψi = 该离子在细胞质中的电势;ai= 该离子在细胞内的活度ψo= 该离子在外部溶液中的电势; ao= 该离子在外部溶液中的活度 由此可以得到膜两边的电势差(E) :E = ψi-ψo=RTz FlnaoaiNernst equationE 就是维持一种离子不对称的跨膜扩散达到平衡时所E 就是维持种离子不对称的跨膜扩散达到平衡时所需要的电势差。把气体常数、 法拉第常数、 绝对温度的值代进去, 并用常用对数表示, 则方程可简化为:E = 58z log(外部溶液离 子 浓度)(细胞内部离 子 浓度)(mV) 对于一价阳离子来说, 当膜内某离子浓度是膜外该离子浓度的100倍时, z = 1, log(1/100) = -2 , 则:E = -116 mV对于一价阴离子来说, 当膜外某离子浓度是膜内该离子浓度的100倍时, z = -1, log(100/1) = 2 , 则:E = -116 mV由此可见, 膜内负电势的存在对阳离子吸收有利。如何根据外界某离 子 浓度和现有的膜电 位判断该离 子 吸收是主 动吸收还是被动吸收呢? 前提:① 测定得到细胞内外的某离子浓度( ao,ai )② 测量得到细胞内外的电势差( Em );③ 按照Nernst方程计算出该离子平衡时的电势差( Ecal )根据 Em和 Ecal 之间的差可以判断离子的跨膜转移属于被动运输还是主动运输动运输还是主动运输:Em- Ecal= Ed(离子推动力)对于阳离子来说, 如果Ed为负值, 则表明阳离子的吸收是被动吸收; 如果Ed为正值, 则表明阳离子的吸收是主动吸收。对于阴离子来说, 如果Ed为负值, 则表明阴离子的吸收是主动吸收; 如果Ed为正值, 则表明阳离子的吸收是被动吸收。 举例说明:Ion species EmEcalEdtype of uptakeNa+-138- 67-71passive+138-1381 9-17941iK++41activeCl--138+ 99-237active 从能量角度划分:离子的被动运输被动运输是离子顺电化学势梯度进行的扩散运动, 这一过程不需要能量(三) 主动运输与被动动输离子的主动运输植物细胞逆电化学势梯度(化学势和电势) 、 需能量的离子选择性吸收过程 Comparison of passive and active transport molecule to be transporteda.通道蛋白 b. 运输蛋白简单扩散channel proteincarrier proteinsextracellular spacelipidlipid bilayerelectrochemical gradient易化扩散cytoplasmsimple diffusionchannel-mediated transportcarrier-mediated transportenergypassive transport (facilitated diffusion)active transport养分被动吸收的形式示意图 机理(1) 载体解说① 载体(carrier) --指生物膜上存在的能携带离子通过膜的大分子。 这些大分子形成载体时需要能量(ATP) 。载体对一定的离子有专一的结合部位, 能有选择性地携带某种离子通过膜。② 载体转运离子的过程 磷酸激酶ACPIC离子活化载体ATPADP线粒体磷酸酯酶ACPP膜外内未活化载体载体-离子复合物Pi载 体 假 说 图 解 a. 细胞内线粒体氧化磷酸化产生ATP, 供载体活化所需b. 非活化载体(IC)在磷酸激酶的作用下发生磷酸化,成为活化载体(AC-P)c. 活化载体(AC-P)移到膜外侧, 与某一专一离子(例如K+)结合成为离子载体复合物(AC-P-K+)(例如K )结合成为离子载体复合物(ACPK )d. 离子载体复合物(AC-P-K+)移动到膜内侧, 在磷酸酯酶作用下将磷酰基(Pi)分解出来, 载体失去对离子的亲和力而将离子释放到膜内, 载体同时变成非活化状态(IC)e. 磷酰基与ADP在线粒体上重新合成ATP ③ 载体的酶动力学理论 (E. Epstein, 1952)实验证明: 离子的吸收有饱和现象(如图)吸收速率vmax1/2 vmaxK+浓度大麦根系对K+的吸收曲线Km吸收曲线与酶促反应的速度和底物浓度的关系曲线非常相似, 于是把: 载体-离子比作酶-底物 载体的酶动力 学理论认为: 膜上的载体象酶一样, 具有选择性的结合位点。 当外界离子浓度较低时, 这些位点与特定养分离子的结合随着离子浓度的增加而增加; 当离子浓度达到一定程度, 结合位点饱和, 对该子浓度达到一定程度, 结合位点饱和, 对该养分的吸收不再随着外界离子浓度的增加而增加。 S + EESE + P底物酶酶-底物酶产物S’ + CESC + S离子(外) 载体离子-载体载体 离子(内)K1K3K2K1K3K2应用米凯利斯-门滕(Michaelis-Menten)方程式, 求得:vmax·[S]v =Km+[S]式中: v--吸收速率(μmol ·g-1 ·h-1)vmax--最大吸收速率(μmol ·g-1 ·h-1)[S]--介质离子浓度(mmol ·L-1) Km--吸收速率常数(mmol ·L-1), Km=K2 + K3K1当 v=1/2 vmax时, 得 Km=[S]Km与结合常数(K1)成反比, 所以Km又被称为: 离子-载体在膜内的解离常数Km值越小, 载体对离子的亲和力越大,载体运输离子的速度越快载体运输离子的速度越快。vmaxv1/2 vmaxKm[S]例如:请根据作物的Km值判断植物优先选择吸收哪种离子作物Km(mM)硝态氮铵态氮玉米0.1100.170水稻0.6000.020 载体学说能够比较圆满地从理论上解释关于离子吸收中的三个基本问题:离子的选择性吸收;离子通过质膜以及在膜上的转移离子通过质膜以及在膜上的转移;离子吸收与代谢的关系。 (2) 离子泵假说 (Hodges, 1973)① 离子泵(ion’s bump) : 是位于植物细胞原生质膜上的ATP酶, 它能逆电化学势将某种离子“泵入” 细胞内将某种离子“泵入” 细胞内, 同时将另一种离子“泵出” 细胞外。同时将另 ATP酶ATPH2PO3++ ADP-+H2OH++H3PO4OH-+ ADP+ H2OK+、 Na+H+①②外界膜细胞质② 离子运输过程离子泵假说图示阴离子载体OH-阴离子可见: 阳离子的吸收实质上是 H+的反向运输;阴离子的吸收实质上是OH-的反向运输 离子泵假说较好地解释了ATP酶活性与阴阳离子吸收的关系, 在离子膜运输过程方面(如反向运输) 又与现代的化学渗透学说相符合。 另外,离子泵假说在能量利用方面与载体理论基本一致,并且指出ATP酶本身可能就是一种载体。近年来离子泵假说已逐步被证实。 Kurdjian和 Guern (1989) 发现, 在植物细胞原生质膜和液和 Guern (1989) 发现, 在植物细胞原生质膜和液泡膜上均存在ATP酶驱动的H+泵(质子泵) 。 它们的主要功能是调节原生质体的pH, 从而驱动对阴阳离子的吸收。目前发现的离子泵主要分为四种类型:H+-ATP酶;Ca2+-ATP酶;H+-焦磷酸酶;ABC型离子泵。 (3) 转运子 (transporter)转运子是...