1、第五章 生物能力學 (3)1實用精品課件PPTl跨膜傳輸 傳輸過程是生物功能的一個有機組成部份。例如，能量轉換過程就需要連續供應底物并連續處理產物和廢料。當無法使氧和底物(葡萄糖)透過細膜和細胞器，并去除二氧化碳時，也就不可能有呼吸。在細胞中，一個地方產生的ATP，經常必須輸送到另外的地方去；許多其它中性的以及電荷的物質也需要傳輸，以完成重要的處理功能。2實用精品課件PPTl定域化是細胞執行傳輸功能的結構特征。在有較高發展和分化的真核細胞中，這一特征比原核細胞更為明顯。l定域化是通過膜來實現的，物質在膜上的傳輸是經由膜圍成的一些通道(如內質網和高爾基氏器)來完成。但通過膜本身常常發生選擇性傳輸

2、。l通過被動和主動傳輸，細胞和細胞器內的化學完整性在一個很窄的范圍內保持恒定，從而為生命過程提供最適條件。3實用精品課件PPTl被動傳輸是溶質在熱力學梯度方向上的擴散。l主動傳輸是溶質在與熱力學梯度相反方向上的運動。l主動傳輸需要有能源，以及將能量送入傳輸過程的偶聯機理。l選擇性是膜本身通透性的結果，常由傳輸的特殊的分子機理決定。l在細胞或細胞器中，可以發現溶質的濃度在膜的內側和外側之間有很大的差別，即使膜可以透過這種溶質也有這種觀象。4實用精品課件PPTl在紅血細胞中，胞質膜對K+和Na+是完全可通透的，但是，在細胞內的K+濃度比周圍介質中的離子濃度要高許多倍，而Na+在胞內卻比膜外濃度低。

3、這就是說，只有通過K+主動傳輸到膜內， Na+主動傳輸到膜外，這種情況才能保持。l對紅血細胞，實際情況確是如此，紅細胞膜有所謂K+- Na+ATP酶，它依靠ATP的水解涉及兩種離子的傳輸(彼此以相反的方向)。但也有這樣的情況，在這種情況下，荷電或不荷電溶質的濃度梯度可以保持平衡，這發生在具有半透膜特性的膜。5實用精品課件PPTl膜分隔兩個小室I和II。室I含有溶劑S, 室II含有溶在溶劑S內的溶質A。該膜只可透過溶劑，則由于濃度差，溶劑從室I移向室II 。在平衡時的純移動被室II的壓力的增加所阻止。6實用精品課件PPTl當一克分于溶劑從室I移到 II時，自由能的變化為l式中，Is和IIs分別是

4、溶劑在空I和II中的化學勢。l在平衡點 IsIIsG0G7實用精品課件PPTl使用按克分子比xs(溶劑的克分子數與溶劑和溶質克分子總數間的比)表達，在平衡點的自由能為l l在室I沒有溶質，于是xsI 1，由此上式可化簡為l l ls0只取決于壓力，為了求得二者的關系可利用吉布斯方程并求吉布斯自由能對溶劑的微分，由此得到l l式中vs是溶劑的克分子體積。0lnln00IsIsIIsIIsxRTxRT0ln00IIsIsIIsxRTdPvdss8實用精品課件PPTl在適當的范圍內積分式l如假定溶劑是不可壓縮，可得l l將兩式加以整理，得到l定義PII一PI為滲透壓IIIIIsIsPPssdPvd0

5、00IIIsIsIIsPPv00IIssIIIxvRTPPln9實用精品課件PPTl令xs1XA 這里XA是溶質的總的克分子分數，可將滲透壓用溶質濃度來表達。對于稀溶液， XA相對于Xs來說是很小的，于是可以作成近似l l由于nsvs是溶劑體積V于是有l式中CA是溶質的濃度BAAsAAnnnnnXAssACvnn10實用精品課件PPTl對數可展開得到l對于稀溶液，式中的高次項可以忽略不計，上可化簡為l l這就是范特霍夫方程。32)1ln(32AAAAXXXXARTC11實用精品課件PPTl滲透壓可以看作將溶液中溶劑的化學勢提高到所要求的純溶劑的化學勢的力。當有一帶電的溶質時，有類似的情況存在。

6、 l 假設膜隔離帶有不同濃度電解質C+A-的兩個小室I和II，且只可透過一種符號的離子如正離子C+ 。在平衡時，當一克分子這種正離子從I移II 時，自由能的變化為零；l l式中 是電化學勢， 由化學部份 和電學部份 組成。其中：Z代表離子價，F代表法拉弟常數，代表電位。對電位差求解，得到ICIICGCZF12實用精品課件PPTl將適當的電化學勢表達式代入上式，我們得到l l對電勢差求解，得到l l該式常稱為能斯特(Nernst)方程。電位差與兩邊濃度比的對數成正比。IICIICCICICCFZCRTFZCRTlnln00IICICCIIICCFZRTln13實用精品課件PPTl對正離子，Z是正

7、的，在膜的更稀的一側，電位較高。由于膜較稀一側的電位增加，會使較稀小室中溶液的電化學勢升高，當升到另一小室中更濃的溶液水平時，即達到平衡。l如果膜只能透過負離子，就有相反的情況。要注意的是，在每個小室(I和II)中，電中性法則仍然瓜立，因為電荷差(或電荷移動)不能探測到，它只能作為電位差表現出來。這種電位差常稱為擴散電位(因為它引起一種符號的離子顯著擴散穿過膜)。l如有一外電場加在只能透過一種符號離子的膜上，且膜分隔各自含有離子溶液的兩個區域，則平衡時的離子濃度由能斯特方程給出。14實用精品課件PPTl離子穿過膜平衡的一種特殊情況是杜南平衡。l在杜南平衡情況下，當膜可透過兩種符號(比較小的)離

8、子時，即使在平衡處，也存在電位。l當被膜隔開的兩個小室之一，除含有膜可透過的鹽外，還含有膜不可透過的帶有凈電荷的大分子(如蛋白質)時，就可發生杜南平衡。15實用精品課件PPTl假設室I含有一簡單的單價電解質C+A-，室II含有同一電解質溶液外，還有帶凈電荷ZP濃度為CP的蛋白質鹽P，隔開這兩個小室的膜可透過電解質的兩種離子。進一步假定，存在這樣適當的滲透壓，使兩個小室中溶劑的化學勢相等。16實用精品課件PPTl在平衡時，當一克分子簡單電解質從一個小室轉移到另一個小室時，自由能變化為零。這意味著l或用對位能合適的表達式，l IIACIACIIAIICIIACIAICIACCCRTCCRTlnln

9、0017實用精品課件PPTl如果忽略壓力差對兩個小室中的鹽的標準位能的很小影響，則l由此可得l或l比值 r 稱為杜南比。IIACIAC00IIAIICIAICCCCCrCCCCIIAIAIICIC/18實用精品課件PPTl電中性法則指出，在室I中，l l 在室II中，l從而可得l該式表明，如果蛋白質上的凈電荷是負的l即ZP0)，r21，則r1。因此，有CIIA- CIA-和CIC+ CIIC+IAICCCPPIIAIICCZCCPPIIAIIAIICIIACZCCCCr219實用精品課件PPTl能斯特方程告訴我們，必然有一負電位穿過膜：l l這一電位與杜南比的對數成正比：l l當蛋白質上的電荷

10、為正(Zp0)時， 電位顯是正的。 IAIIAIICICIIICCFRTCCFRTlnlnrFRTIIIln20實用精品課件PPTl上面的推導是對簡單的一價鹽作出的，但很容易證明對多價電解質，可對每種鹽K求得一社南比l l式中, 下標K表示帶電荷ZK的第K種離子.l該式可用于一般情況。ZKIIKIKCCr121實用精品課件PPTl在平衡的情況下不出現凈物質流。當平衡是動態時，即一個方向的流量與相反方向流量相等的穩態，有凈物質流的情況可由下述類型的傳輸方程來描述l或在一線的情況下，l式中，J是流量或在單位時間通過單位面積的物質量，L是與物質通過介質的遷移率有關的系數(表象系數)，是位函數。LLg

11、radJdxLdJ/22實用精品課件PPTl我們可將這一關系式用于溶質在溶液中的一維簡單擴散若vi是一克分子溶質i 平均速度，則以每單位時間每單位面積的克分子數表示的流置為l式中，Ci是以每單位體積的克分子數表示的溶質 i 的濃度。速度vi 與驅動力相等而反號的力 F成正比：l l式中。i是遷移系數(摩擦系數的倒數)。iiivCJ Fvii23實用精品課件PPTl對簡單擴散驅動力就是化學勢i的梯度，傳輸方程則變為l l取化學勢的適當表達式并進行微分，得l由此得到擴散的費克定理dxdCJiiiidxdCCRTdxCRTddxdiiiiiln0dxdCDJiii24實用精品課件PPTl這里的擴散系

12、數Di定義為l如果擴散的是一種電解質，則含有一電位項的電化學勢的梯度就是驅動力。在這種情況下，當離子的遷移率彼此不同時，則電位梯度與濃度梯度相結合。RTDii25實用精品課件PPTl在生物系統中，大量傳輸過程都是通過擴散進行的。直到現在，我們只是把膜看作細胞之間無限薄的隔層。但是，膜有實際的厚度，這是將上述擴散原理用于這種結構的困難之一；同時，也沒有實驗的辦法獲得膜相中的濃度梯度值。挨著膜的兩側的溶液相是可以實驗測定的，因此，近似膜的傳輸過程必將涉及這些相中的濃度值。26實用精品課件PPTl圖示出了被厚度為x的膜相M隔開的兩個溶液相I和II，設溶質i在相I中的濃度為CIi，在相II中的濃度為C

13、IIi ，在相M中的濃度為Cmi 。27實用精品課件PPTl溶質i穿過膜的擴散量由下式給出l l由于膜相中的濃度梯度不能測定，因而電位梯度也不能確定，一個必須作成的近似是使膜相中的濃度以已知的途徑與溶液相中的濃度相關聯。我們可以用差值代替微分，以及近似的電位梯度來作到這一點dxdCJmimiii28實用精品課件PPTl l式中，Ci與溶液相中的濃度有關。對小的x值，l l用這一近似可以寫出流量xCRTxdxdiiimiln0 xCCRTxCRTiiiiln0 xCCRTCJiimimii29實用精品課件PPTl一般說來，Ci并不等于Cmi，但我們可以假定，在膜的界面上存在一平衡的濃度分布，因此

14、l l或l l將上式整理后可得l l由于在常溫下，式上的左側是常數，右側必然也是常數。msolimimisolisoliCRTCRTlnln00solimimisoliCCRT ln0030實用精品課件PPTl式中，在給定的溫度下，對給定的溶劑，K是常數，由此得到l l我們可令l溶質穿過一薄膜的流量是與橫貫膜的濃度差除以其厚度成正比的。soliimiCKCxCRTKJiiiiIiIIiiCCC31實用精品課件PPTl實際上，膜的厚度很小(約為100埃)，且在很多情況下不能給出它的精確值或平均值，因此，為了方便，常把它并入比例系數中，這系數定義為對給定溶質、溫度和膜的通透系數xRTKPiimi3

15、2實用精品課件PPTl這樣，流量就簡單地變為l一種離于通過膜相的擴散，也可以同樣方式處理。在這種情況下的驅動力就是電位梯度，它含有一電學成份ZF(/x)。取與中性溶質相同的近似，離子K穿過膜相的流量可由下式給出imimiCPJxFZxCCRTCJKKKmKKK33實用精品課件PPTl再假設在膜界面上有一平衡濃度分布，l對離子K的通透系數使用上述同樣的定義，有：l當沒有外加的電聯系時，電中性的制約使得電流不通過膜。如果膜只可透過離子K， 則可對JK0解出方程xCRTFZxCRTKJKKKKKKKKKmKKCRTFZCPJKKKCCFZRT 34實用精品課件PPTl積分后得到與表達離子平衡的能斯特

16、方程同樣的結果l如果膜可透過帶電荷ZK的多種離子，每種離子各自的通透系數為PmK，則電中性原則要求IKIIKKIIICCFZRTlniKiKKmKKKmKKKKCPZRTFCPZJZ0235實用精品課件PPTl對求解，得l l當考慮各自帶有特定通透系數的所有離子時，這一方程是個難解的數學問題。l按電位差(III)，可實現簡單的解，因為在真實的生物系統中，少數離子的通透性大大優于溶液相中另一些離子的通透性。因此，加和只需對這些通透性顯著的少數離子進行。 iKKmKKiKKmKKCPZCPZFRT236實用精品課件PPTl例如，神經的膜電位就能用上式很好地近似，對于K+離子，它的通透系數優于任何其

17、它離子。在神經傳導階段，K +和Na+的通透性顯著改變，從而提供一電位峰信號沿著神經纖維傳導。l一種中性溶質或離子成份的滲透是被通透系數PKm決定的。這一系數含有一個這種成份，在膜相中的特征遷移因子im和一個分配系數Kim。l分配系數可看作該成份在膜相中的溶解度相對于其在鄰近的溶液相中的溶解度的比。l這兩個因子都依賴于物質成分自身以及膜，并特別有賴于滲透物擴散通過膜的一種或多種機理。37實用精品課件PPTl如果某種分子的擴散對其穿過溶液相和膜相間的界面起重要作用，在如膜的類脂核這樣粘的介質中，則可以預期有一低的遷移系數。對一些分子，這可被分配系數Kim的高值所補償。l實際上，一些分子的脂溶性與

18、其穿過細胞膜的通透速率之間，有很好的相關性。38實用精品課件PPT39實用精品課件PPTl離子和氨基酸這類親水物質將很難通透；然而，在許多情況下，它們卻迅速透過。l膜對于不同溶質的高度選擇性，也不能僅由脂溶性的差異來解探。l在另一種機理中，膜被看作更為疏松的結構，它可以提供許多“空洞或細孔，溶劑(水)經由這些通道穿過。l對離子符號的選擇性可以這樣來解釋：假設通道是用某種給定了符號的離子構成的，這樣一來，通道就起著離子交換器的作用。40實用精品課件PPTl還提出了其它一些解釋膜的專一性的傳輸機理。其中之一是通過研究細菌膜傳輸二糖導出的。l這些研究導致了這樣的思想：二糖的傳輸受所謂透性酶(Perm

19、ase)的影響。l透性酶是一種誘導酶，它隨其底物的出現而被合成。被傳輸的分子或離子與膜相中的物質間的互作用，可能是比建議的專門術語透性酶更為普遍的現象，在生物傳輸現象中，“載體機理”可能其著要的作用。41實用精品課件PPTl酶反應的專一性是由于酶與底物間緊密的非共價相互作用，它產生一酶-底物復合物。因此，在生物傳輸系統中，可假定在膜相中有一種物質，它對某種傳輸對象有高度的親合勢，它們間的作用導致締合，產生的復合物可擴散通過膜相。42實用精品課件PPTl物質A被載體C結合，形成復合物A-C。A本身在膜相中難溶，因而只有非常少的自由A存在。l復合物A-C可以很容易擴散通過膜。為了簡化問題，我們進一

20、步假定，復合物是電中性的。43實用精品課件PPTl如果A與C間的反應相對于復合物的擴散速率來說是迅速的，則反應將接近平衡地進行因此有下列關系：l KA-CACA(C0一A-C)l式中，K是平衡常數， C0是載體的總濃度(結合十自由)。由此可得IIImCAmCACACACAPCAPJ KACACA044實用精品課件PPTl復合物穿過膜相的流量計算，l如果忽略回流量(如以實驗跟蹤物質A的放射性同位素的傳輸，在實驗開始后一個短時間里，就可做到這一點)，我們可使ACII0，可得l從上式我們可以看到，當溶液相I中A的濃度很高時，流量變為一常數。這就是說，流量飽和這與在高底物濃度下酶反應的速率變成飽和的情

21、況相同。IIImCAmCACACACAPCAPJKAACPJIImCACA045實用精品課件PPTl流量隨傳輸物質濃度變化的曲線，如圖所示。l當AIK時，流量為其半飽和值，這給出了一個實驗測定值的辦法。46實用精品課件PPTl物質穿過膜的傳輸速率的飽和，特別在有高度選擇性傾向于這種物質的情況下的飽和，在實際中已經能測定。l上述以簡化方式介紹的載體機現，對選擇性提供了一種解釋；在缺乏某種形式化學締合的情況下，這種選擇性是很難想象的。47實用精品課件PPTl某些抗菌素引起特定離子的通透性改變。l例子：化合物纈氨霉素表現對鉀K+有高度專一的趨向性，而在較小程度趨向銣Rb+。l顯然，抗生素與離子形成復

22、合物，從而攜帶離子穿過本來對單價陽離子通透性很差的膜。l下團給出了纈氨霉素的結構，它的壞狀結構能使其在親水的內核中接受離子，而其外殼是疏水的，這樣使得離子很容易穿過膜。48實用精品課件PPT49實用精品課件PPTl另一種傳導離子的抗生素是尼日利亞菌素(nigericin)，這種化合物催化K+與H+之間的交換，因而并不引起膜電位的變化。l已經證明，其它傳導離子的化合物，就是通常所說的離子載體(ionophore)，影響正離子穿過線粒體、葉綠體和細胞質膜以及人造膜的滲透力。l這些化合物的作用本身并不包含生物膜中實際傳輸機理的任何信息，它們只是使單價正離子在膜相中更易溶。這通常是通過把這些離子包在一

23、疏水外完小來達到達一點，它們的專一性就是由離子在其內核中一定程度的準確配合形成的。50實用精品課件PPT51實用精品課件PPTl許多膜可將分子或離子從低濃度區移到高濃度區。這種逆熱力學梯度的傳輸，只有在與供應能量的過程侶聯時，方能維持。無論是通過膜相或細孔的簡單擴散還是載體機理，都不能從根本上解釋通過主動傳輸的移位。52實用精品課件PPTl推廣化學締合的傳輸概念，假設載體物質C可從對物質A親和勢高的構型轉化為低親和勢構型，反之亦然。這一轉換可能是一化學改變，也可能僅只是一構象變化，重要的是，一個方向的轉換偶聯著產生能量的反應。復合物AC以及低親和勢C的構型可以擴散通過膜。53實用精品課件PPTl在表面I，高親和勢構型C從低親和勢構型C形成，物質A則與