备课资料(物质跨膜运输的方式)

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1、备课资料1 .协助扩散有很多物质虽然不溶于脂质， 或溶解度甚小， 但它们也能由膜的高浓度一侧向低浓度一侧较容易地移动。 这种有悖于单纯扩散基本原则的物质转运， 是在膜结构中一些特殊蛋白质分子的“协助”下完成的，因而被称为协助扩散。例如，糖不溶于脂质，但细胞外液中的葡萄糖可以不断地进入一般细胞，适应代谢的需要；Na+、K+、Ca2+等离子，虽然由于带有电荷而不能通过脂质双分子层的内部疏水区， 但在某些情况下可以顺着它们各自的浓度差快速地进入或移出细胞。 这些都是易化扩散的例子。 易化扩散的特点是： 物质分子或离子移动的动力仍同单纯扩散时一样， 来自物质自身的热运动， 所以易化扩散时物质的净移动只

2、能是由它们的高浓度区移向低浓度区，但特点是它们不是通过膜的脂质分子间的间隙通过膜屏障，而是依靠膜上一些具有特殊结构的蛋白质分子的功能活动， 完成它们的跨膜转运。 由于蛋白质分子结构上的易变性 （包括其构型和构象的改变） 和随之出现的蛋白质功能的改变， 因而使易化扩散得以进行，并使它处于细胞各种环境因素改变的调控之下。目前认为，参与协助扩散的镶嵌蛋白质有两种类型：一种是载体蛋白质（简称载体） ，另一种是通道蛋白质（简称通道） 。因而协助扩散可分为两种：以载体为中介的协助扩散： 载体的作用可能是在细胞膜的一侧与某物质相结合， 再通过本身的变构作用将其运往膜的另一侧。 以此种方式转运的物质是一些小分

3、子的有机物， 如葡萄糖、氨基酸和其他简单有机分子。载体转运有三个主要特点： 第一，是它具有高度特异性，一种载体只能转运一种物质，如葡萄糖载体只能转运葡萄糖。第二，是它具有饱和性，即在单位时间内的物质转运量不能超过某一数值。 第三， 它还具有竞争抑制性， 即结构近似的物质可争夺占有同一种载体、载体优先转运浓度较高的物质。以通道为中介的协助扩散： 通道的作用是在一定条件下通过蛋白质本身的变构作用而在其内部形成一个水相孔洞或沟道， 使被转运的物质得以通过。 以此种方式转运的物质是一些简单的离子。 通道的开放和关闭， 受一定因素控制。由化学因素控制的通道，称为化学依赖性通道； 由电位因素控制的通道，

4、称电位依赖性通道。 化学依赖性通道是在与某一化学物质结合时开放， 在与该化学物质脱离时关闭。 电位依赖性通道是在细胞膜两侧的电位差变化到某一数值时开放。2 .主动运输主动运输的特点是：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量（由ATP直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输） ；都有载体蛋白。（ 1）钠钾泵实际上就是Na+ K+ATP 酶， 一般认为是由 2 个大亚基、 2个小亚基组成的 4 聚体。Na+ K +ATP 酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化， 导致与Na+、 K+ 的亲和力发生变化。在膜内侧Na +与酶结合，激活ATP 酶活性，使ATP 分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是

5、与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+,而与K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K +结合的部位转向膜内侧，K +与酶的亲和力降低，使K +在膜内被释放，而又与Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP;转运出三个Na+,转进两个K+。钠钾泵的一个特性是它对离子的转运循环依赖自磷酸化过程， ATP 上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上， 导致构象的变化。 通过自磷酸化来转运离子的离子泵就叫做 P type ，与之相类似的还有钙泵和质子泵。它们组成了功能与结构相似的一个蛋白质家族。

6、Na+K+泵作用是：维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；维持低Na+高K+的细胞内环境， 维持细胞的静息电位。 乌本苷、 地高辛等强心剂能抑制心肌细胞Na+ K +泵的活性； 从而降低钠钙交换器效率，使内流钙离子增多，加强心肌收缩，因而具有强心作用。（ 2）钙离子泵钙离子泵对于细胞是非常重要的，因为钙离子通常与信号转导有关，钙离子浓度的变化会引起细胞内信号途径的反应，导致一系列的生理变化。通常细胞内钙离子浓度（10 7 mol L -1）显著低于细胞外钙离子浓度（I。-3 mol - L 1）,主要是因为质膜和内质网膜上存在钙离子转运体 系， 细胞内钙离子泵有两类： 其一是 P 型离子泵， 其原

7、理与钠钾泵相似， 每分解一个ATP 分子，泵出 2 个 Ca2+ 。另一类叫做钠钙交换器（Na+ Ca2+exchanger） ，属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。位于肌质网上的钙离子泵是了解最多的一类 P 型离子泵，占肌质网膜蛋白质的 90% 。肌质网是一类特化的内质网， 形成网管状结构位于细胞质中， 具有储存钙离子的功能。 肌细 胞膜去极化后引起肌质网上的钙离子通道打开， 大量钙离子进入细胞质， 引起肌肉收缩之后 由钙离子泵将钙离子泵回肌质网。（ 3）质子泵质子泵有三类：P type 、 V type、 F type 。 P type： 载体蛋白利用ATP 使自身磷酸化， 发

8、生构象的改变来转移质子或其他离子，如植物细胞膜上的H+泵、动物细胞的Na+K+泵、Ca2+离子泵，H+-K+ATP酶（位于胃表皮细胞，分泌胃酸） 。 V type ：位于小泡的膜上，由许多亚基构成，水解ATP 产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、动物细胞的内吞体、高尔基体的囊泡膜、植物液泡膜上。Ftype：是由许多亚基构成的管状结构，H+沿浓度梯度运动，所释放的能量与ATP合成偶联起来， 所以也叫 ATP 合酶， F 是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子的缩写。 F 型质 子泵位于细菌质膜、 线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上， 其详细结构将在线粒体与叶绿体一 章讲解。 F 型质子泵不仅可以利用

9、质子动力势将ADP 转化成ATP ，也可以利用水解ATP 释放的能量转移质子。3.协同运输协同运输是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。 物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度， 而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。 动物细胞中常常利用膜两侧 Na+浓度梯度来驱动，植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向协同与反向协同。（ 1）同向协同同向协同指物质运输方向与离子转移方向相同。 如动物小肠细胞对对葡萄糖的吸收就是伴随着Na+ 的进入，细胞内的Na +又被钠钾泵泵出细胞外，细胞内始终保持较低的钠离子浓度，形成电

10、化学梯度。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入，每转移一个H+吸收一个乳糖分子。（ 2）反向协同反向协同物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过Na+/H +反向协同运输的方式来转运H+以调节细胞内的pH,即Na+的进入胞内伴随者H+的排出。此外质子泵可直接利用 ATP运输H+来调节细胞pH。还有一种机制是Na+驱动的C一HCO3交换，即Na+与HCO3的进入伴随着 C和H +的外流。本章自我检测详解一、概念检测 判断题1 .X （协助扩散和主动运输都需要载体蛋白，但在运输不同的物质时所需的载体蛋白是不相同的。对物质或离子的选择性吸收，是细胞膜上的载体蛋白种类和数量决定的。

11、运输某种离子的载体蛋白多， 吸收该种离子就可能多，反之就可能少。细胞膜上的载体蛋白情况是由遗传性决定的）2 .X （一些小分子和脂溶性的物质可以通过自由扩散的方式进出细胞膜，而一些离子和 其他分子则通过协助扩散或主动运输的方式有选择地吸收。大分子物质也可以通过细胞膜， 方式是胞吞或胞吐）3 .x （葡萄糖进入红细胞的方式是协助扩散，但葡萄糖进入小肠上皮细胞的方式是主动 运输）4 .x （所有细胞膜的基本结构是相同的，都由磷脂双分子层和镶嵌在其中的蛋白质等组 成，但不同细胞的生物膜中蛋白质的种类和数量是不相同的）5 .X （成熟的植物细胞在细胞内外溶液存在浓度差时，会发生质壁分离或复原。干种子和

12、没有形成大的中央液泡的植物细胞采用吸胀吸水，不会发生质壁分离或复原。 动物细胞没有细胞壁，也不会发生质壁分离或复原）选择题1 .D （菜叶细胞外溶液浓度小于细胞内溶液的浓度，发生渗透吸水，水分通过自由扩散 进入细胞）2 .C （钾离子进入小肠上皮细胞是通过主动运输的方式，需要载体蛋白） 画概念图二、知识迁移小肠绒毛上皮细胞能够从消化了的食物中吸收葡萄糖， 却很难吸收相对分子质量比葡萄 糖小的木糖。这一事实说明细胞膜对物质进入细胞具有选择透过性。这与细胞的生活关系密切，细胞膜的这一特性使细胞尽可能地只吸收自身需要的物质，细胞不需要或对细胞有害的物质常被阻挡在细胞外。三、技能应用温度高低会提高或降

13、低水分子通过半透膜的扩散速率。在一定温度范围内，提高温度会加快水分子通过半透膜的速率；而降低温度则减缓水分子通过半透膜的速率。实验方案设计提示，按本章第1节渗透现象示意图组装好三组装置。 在第一组的烧杯外 用酒精灯或水浴锅加热升温； 第二组烧杯外加冰块降温； 第三组留作对照。三组装置同时开 始实验，并记录液面变化及时间，进行比较。四、思维拓展在顺浓度梯度的情况下，葡萄糖、氨基酸等分子可以通过协助扩散进入细胞。当细胞外葡萄糖或氨基酸的浓度低于细胞内时，如果此时细胞的生命活动需要这些营养物质，细胞还 能吸收这些营养物质，是通过主动运输。人们早就发现，有些离子在细胞内外的浓度差别很大，如大多数动物和

14、人的细胞，K+浓度在细胞内很高，是细胞外的7倍，Na+浓度则细胞内很低，低于细胞外25倍，这种浓度差的维持有重要的生理意义,如形成膜电位,调节细胞渗透压等。细胞具有逆浓度梯度运输物质的能力 ,在这种转运过程中,除了需要借助膜上载体蛋白外,还要消耗代谢能（分解ATP ） ，细胞利用代谢能来驱动物质逆浓度梯度转运的运输,即主动运输。细胞为了维持生存,必须从外环境摄取葡萄糖等营养物质,这些物质的浓度常是细胞外比细胞内低得多 , 因而也需逆浓度梯度进行运输。但它们逆浓度梯进入细胞的动力不是直接来自ATP分解，而是依靠钠泵分解 ATP,把Na+泵出细胞外，造成Na+的浓度梯度差，使膜外Na+ 浓度高于膜

15、内，此时，Na+可顺浓度梯度进入细胞，葡萄糖等就利用 Na+的势能的驱动，伴随Na+ 一起逆浓度梯度进入细胞,这种主动逆运输现象称为伴随运输。即伴随运输是靠离子势能驱动的主动运输。此运输系统是靠两个组分来完成的（同向运载体和钠泵） 。一组分是膜中同向转运的载体,此蛋白有两个结合点,当细胞外Na +浓度高时,可分别与Na+和葡萄糖相结合，载体蛋白即发生构象变化，使Na+顺浓度梯度进入细胞的同时，葡萄糖就 靠Na+的势能驱动，也相伴逆浓度梯度进入细胞，与载体分离而释放，载体蛋白又返交原构象， 反复转运。另一组分是钠泵，Na+顺浓度梯度回流到细胞内时，钠泵就开始工作，依靠分解ATP提供能 量,不断将Na+泵出细胞外，维持细胞内外Na+的浓度差。所以，葡萄糖并不直接利用ATP,而是利用钠原产生的Na+浓度梯度的势能伴随运输，不断进入细胞,实际上是钠泵和同向转运载体共同协作而完成的,是一种间接的主动运输。这种伴随运输对小肠上皮吸收肠道营养物质有重要作用,像小肠上皮细胞吸收葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖以及各种氨基酸等，都是通过Na+梯度驱动的伴随运输进行的，在动物细胞中， 驱动伴随运输的离子常常是Na+,而在大多数细胞中是H+,即H+浓度梯度驱动着细胞对大多数糖基和氨基酸的运输。