細(xì)胞與細(xì)胞膜220110329課件

第四章細(xì)胞與細(xì)胞膜1細(xì)胞和周?chē)h(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換的性質(zhì)，稱(chēng)為細(xì)胞的通透性。細(xì)胞的通透性與細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)密切相關(guān)。細(xì)胞膜對(duì)物質(zhì)的通透性的最顯著特點(diǎn)是其選擇性。這一特征，保證了細(xì)胞內(nèi)生理?xiàng)l件的相對(duì)穩(wěn)定，保證了細(xì)胞內(nèi)各種生命活動(dòng)的進(jìn)行。2選擇通透性，即有選擇地進(jìn)行物質(zhì)交換，是細(xì)胞最基本的生命活動(dòng)之一。選擇通透性的異常，會(huì)導(dǎo)致病理狀態(tài)。選擇通透性的破壞．導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。不同的細(xì)胞，在不同的條件下．對(duì)不同的物質(zhì)，通透性的大小有所不同。通透的物質(zhì)，包括水、非電解質(zhì)和電解質(zhì)，如糖、氨基酸、鉀和鈉等離子。研究細(xì)胞對(duì)各種物質(zhì)的通透性，通常采用體積大、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的分散細(xì)胞，如細(xì)菌、粗大的神經(jīng)軸突等。3滲透(osmosis)是一種物理現(xiàn)象。產(chǎn)生滲透現(xiàn)象和滲透壓必須具備兩個(gè)條件：在溶劑(例如水)中必須有溶質(zhì)存在，構(gòu)成溶液；需存在只能透過(guò)溶劑而不能透過(guò)溶質(zhì)或只能透過(guò)小分子而不能透過(guò)大分子的半透膜。5水的滲透速率決定于細(xì)胞膜內(nèi)外的滲透壓。將半透膜M（只能透過(guò)溶劑的纖維素膜、膀胱膜）隔開(kāi)，當(dāng)注入溶劑于I，注入溶液（溶劑加溶質(zhì)）于II時(shí)，I中的溶劑將通過(guò)M向II滲入，II的液位h升高，最后達(dá)到平衡。設(shè)d為溶液密度，g為重力加速度，II比I承受的靜液壓要大π：π=pII-pI=dgh

這個(gè)π就是滲透壓，在生理學(xué)上它也是重要的物理化學(xué)常數(shù)之一。IIIM6滲透壓（osmoticpressure）的定義是：將純?nèi)軇┡c溶液用半透膜隔開(kāi)，為了維持滲透平衡所需要施加于溶液的額外壓力。符號(hào)為П，單位為Pa或kPa。半透膜的存在和膜兩側(cè)單位體積內(nèi)溶劑分子數(shù)不相等是產(chǎn)生滲透現(xiàn)象的兩個(gè)必要條件。滲透的方向總是溶劑分子從純?nèi)軇┫蛉芤海蚴菑南∪芤合驖馊芤阂环竭w移。71886年范特荷甫（van’tHoff）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出一條規(guī)律：對(duì)稀溶液來(lái)說(shuō)，滲透壓與溶液的濃度和溫度成正比，它的比例常數(shù)就是氣體狀態(tài)方程式中的常數(shù)R。這條規(guī)律稱(chēng)為范特荷甫定律。用方程式表示如下：πV=nRTπ=cRT式中π為稀溶液的滲透壓，V為溶液的體積，c為溶液的濃度，R為氣體常數(shù)，n為溶質(zhì)的物質(zhì)的量，T為絕對(duì)溫度。常數(shù)R的數(shù)值與π和V的單位有關(guān)，當(dāng)π的單位為kPa，V的單位為升（L）時(shí)，R值為8.31kPa?L?K-1?mol-1。

8例1計(jì)算臨床輸液用的50.0g?L－1葡萄糖（C6H12O6）溶液在310.0K時(shí)的滲透壓。解：葡萄糖（C6H12O6）的摩爾質(zhì)量為180.0g?mol－1，則C=50.0/180.0=0.278mol?L－1П＝cRT＝0.278×8.314×310.0＝7.16×102（kPa）10例2：將5.18g某蛋白質(zhì)溶于適量水中，配成1.00L溶液，在298.0K時(shí)測(cè)得溶液的滲透壓為0.413kPa，求此蛋白質(zhì)的摩爾質(zhì)量。解：設(shè)此蛋白質(zhì)的摩爾質(zhì)量為MB（g?mol－1），已知蛋白質(zhì)質(zhì)量mB＝5.18g，溶液體積V＝1.00L。

11在37°C(T=310K)時(shí)，葡萄糖溶液的濃度為0.30mol/L，π=7.73×105Pa，但是對(duì)于NaCl溶液只要濃度為0.15mol/L即可產(chǎn)生相等的滲透壓，因?yàn)橐粋€(gè)分子NaCl可以電離出Na+和Cl-兩個(gè)離子。13等滲、低滲和高滲溶液

溶液滲透壓的高低是相對(duì)的，滲透壓相等的兩種溶液稱(chēng)為等滲溶液（isotonicsolution)，滲透壓不等的兩種溶液，滲透壓相對(duì)低的溶液稱(chēng)為低滲溶液（hypotonicsolution），滲透壓相對(duì)高的溶液稱(chēng)為高滲溶液（hypertonicsolution）。醫(yī)學(xué)上的等滲、低滲和高滲溶液是以血漿的滲透濃度為標(biāo)準(zhǔn)確定的。臨床上規(guī)定：滲透濃度在280～320mmol?L-1的溶液為生理等滲溶液；滲透濃度小于280mmol?L－1的溶液稱(chēng)為低滲溶液；滲透濃度大于320mmol?L－1的溶液稱(chēng)為高滲溶液。14在臨床治療中，需要為病人大劑量補(bǔ)液時(shí)，要特別注意補(bǔ)液的滲透濃度，否則可能導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)水分調(diào)節(jié)失常及細(xì)胞的變形和破壞。臨床常用的生理鹽水（9.0g?L－1NaCl）、50g?L－1葡萄糖溶液（滲透濃度為278mmol?L－1，近似于280mmol?L－1）、12.5g?L-1NaHCO3(0.149mol·L-1

)溶液等都是等滲溶液。臨床上也有用高滲溶液的情況，如500.0g?L－1葡萄糖溶液。對(duì)于急需增加血液中葡萄糖的患者，如用等滲溶液，注射液體積太大，注射時(shí)間太長(zhǎng)，反而效果不好。但使用高滲溶液時(shí)，必須注意用量不能太大，注射速度不能太快,否則易造成局部高滲而引起紅細(xì)胞皺縮。15若將紅細(xì)胞置于稀NaCl溶液（如<<9.0g?L－1）中，在顯微鏡下觀察，紅細(xì)胞逐漸脹大，最后破裂，釋放出紅細(xì)胞內(nèi)的血紅蛋白使溶液染成紅色，醫(yī)學(xué)上稱(chēng)為溶血(hemolysis)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是細(xì)胞內(nèi)液的滲透壓高于細(xì)胞外液的滲透壓，細(xì)胞外的水向細(xì)胞內(nèi)滲透所致若將紅細(xì)胞置于濃NaCl溶液（如>>9.0g?L－1）中，在顯微鏡下觀察，紅細(xì)胞逐漸皺縮，皺縮的紅細(xì)胞相互聚結(jié)成團(tuán)。若此現(xiàn)象發(fā)生于血管內(nèi)，將產(chǎn)生“栓塞”。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是，細(xì)胞內(nèi)液的滲透壓低于細(xì)胞外液的滲透壓，細(xì)胞內(nèi)的水向細(xì)胞外滲透所致。17血漿中含有低分子的晶體物質(zhì)（如NaCl、NaHCO3和葡萄糖等）和高分子的膠體物質(zhì)（如蛋白質(zhì)）。血漿的滲透壓是這兩類(lèi)物質(zhì)產(chǎn)生的滲透壓總和。低分子晶體物質(zhì)產(chǎn)生的滲透壓稱(chēng)為晶體滲透壓（crystalloidosmoticpressure），高分子膠體物質(zhì)產(chǎn)生的滲透壓稱(chēng)為膠體滲透壓（colloidalosmoticpressure）。18血漿中低分子晶體物質(zhì)的濃度約為7.5g?L－1，高分子膠體物質(zhì)的濃度約為70g?L－1。高分子膠體物質(zhì)的濃度大，但它產(chǎn)生的滲透壓很?。s為3.85kPa），這是因?yàn)楦叻肿幽z體物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量大，單位體積血漿中的質(zhì)點(diǎn)數(shù)目少。而低分子晶體物質(zhì)含量雖小，但由于它的相對(duì)分子質(zhì)量小，有的又可以電離成離子，單位體積血漿中的質(zhì)點(diǎn)數(shù)目多，所以血漿滲透壓絕大部分是由低分子晶體物質(zhì)產(chǎn)生的（約占99.5％），膠體滲透壓只占極小一部分。19毛細(xì)血管壁與細(xì)胞膜不同，它間隔著血漿和細(xì)胞間液，它允許水分子、離子和低分子物質(zhì)自由透過(guò)，而不允許蛋白質(zhì)等高分子物質(zhì)透過(guò)。因此，晶體滲透壓對(duì)維持血漿與組織間液之間的水鹽平衡不起作用。在正常情況下，血漿中的蛋白質(zhì)濃度比組織間液高，可以使毛細(xì)血管從組織間液“吸取”水分（水從組織間液向毛細(xì)血管滲透），同時(shí)，又可以阻止血管內(nèi)水分過(guò)分滲透到組織間液中，從而維持著血管內(nèi)外水相對(duì)平衡，保持血容量。如果某種原因造成血漿蛋白質(zhì)減少，血漿膠體滲透壓降低，血漿中的水就會(huì)過(guò)多的通過(guò)毛細(xì)血管壁進(jìn)入組織間液，造成血容量降低而組織間液增多，這是形成水腫的原因之一。臨床上對(duì)大面積燒傷或失血過(guò)多造成血容量降低的患者進(jìn)行補(bǔ)液時(shí)，除補(bǔ)以生理鹽水外，還需要輸入血漿或右旋糖酐等代血漿，以恢復(fù)血漿的膠體滲透壓和增加血容量。可見(jiàn)，膠體滲透壓對(duì)維持毛細(xì)血管內(nèi)外水的相對(duì)平衡起著重要作用。21各種細(xì)胞對(duì)水的通透性大小不同。若細(xì)胞內(nèi)的滲透壓力為πi，外環(huán)境的滲透壓為πo，若πi>πo，則水內(nèi)滲使細(xì)胞體積膨脹，體積用V表示，時(shí)間以t表示，細(xì)胞體積的膨脹率dV/dt與內(nèi)外滲透壓的差πi>πo成正比，同時(shí)還和細(xì)胞膜的表面積A成正比，寫(xiě)成等式為式中k為滲透系數(shù)，可用來(lái)衡量細(xì)胞對(duì)水的通透性的大小。它的意義是，細(xì)胞內(nèi)外滲透壓的差為l單位(大氣壓)時(shí)，通過(guò)單位膜面積(μm2)，在單位時(shí)間(分)內(nèi)通透的水的體積(μm2)。22不同細(xì)胞的滲透系數(shù)k的大小不同。 例如變形蟲(chóng)為0.03，海膽卵為0.4，人紅細(xì)胞為3.0,在淡水中生活的細(xì)胞，k值低，對(duì)水的通透性小，可以減小因排水而需做的功。在比較穩(wěn)定的環(huán)境中生活的細(xì)胞，k值高，對(duì)水的通透性大，因而對(duì)滲透壓變化的反應(yīng)較靈敏。體液滲透在不正常時(shí)，將出現(xiàn)病理狀態(tài)。23擴(kuò)散是物質(zhì)由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運(yùn)動(dòng)的自發(fā)過(guò)程。它傾向于消除該物質(zhì)在兩個(gè)區(qū)域的濃度差。擴(kuò)散是熵增驅(qū)動(dòng)的放能過(guò)程，物質(zhì)分子達(dá)到更加無(wú)序發(fā)布的隨意熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。25式中，C是某物質(zhì)的濃度，它是位置的函數(shù)。D是比例常數(shù)（Fick常數(shù)或擴(kuò)散常數(shù)）。通量jd是單位時(shí)間流過(guò)單位截面的粒子（離子）數(shù)。26jd代表單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積溶質(zhì)遷移的量，稱(chēng)為擴(kuò)散速率。D為單位濃度梯度時(shí)的擴(kuò)散速率，稱(chēng)為擴(kuò)散系數(shù)，隨細(xì)胞與溶質(zhì)的種類(lèi)而不同。用P代表Dk／L，則上式寫(xiě)成jd=P(Co-Ci)式中P稱(chēng)為通透系數(shù)，可以代表某種細(xì)胞對(duì)某種溶質(zhì)通透性的大小。29若原來(lái)細(xì)胞內(nèi)不含該種溶質(zhì)，即Ci的初始值為0，這種溶質(zhì)透入細(xì)胞的初始擴(kuò)散速率j0表示，則j0=PCo即j0與Co成正比，這就是簡(jiǎn)單擴(kuò)散的特征。30Figure簡(jiǎn)單擴(kuò)散與協(xié)助擴(kuò)散的比較31某些代謝所需物質(zhì)，如葡萄糖、氨基酸、嘌呤、甘油等，能夠順濃度梯度進(jìn)入某些細(xì)胞，如紅細(xì)胞、肌細(xì)胞、脂肪細(xì)胞等。這些物質(zhì)，脂溶性小，分子較大，如果是按照簡(jiǎn)單擴(kuò)散的方式進(jìn)入細(xì)胞，則通透性應(yīng)該很小，而實(shí)際上通透性較大。因此，認(rèn)為細(xì)胞膜上存在著某種轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，能夠幫助這些物質(zhì)通過(guò)細(xì)胞膜。這種經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)而又順濃度梯度的通透方式，稱(chēng)為協(xié)助擴(kuò)散。這種擴(kuò)散具有飽和性與結(jié)構(gòu)特異性。32設(shè)細(xì)胞放在某種溶液中．溶液濃度為Co，若這種溶質(zhì)以協(xié)助擴(kuò)散的方式進(jìn)入細(xì)胞，擴(kuò)散速率J隨Co而增長(zhǎng)，但不成正比，當(dāng)Co值大到一定程度時(shí)J趨于一固定值，最大的擴(kuò)散速率以Jm表示。進(jìn)入細(xì)胞的擴(kuò)散速率與外液濃度之間關(guān)系表示如下：式中常數(shù)Km代表擴(kuò)散速率到達(dá)Jm/2時(shí)的C0

33Figure.簡(jiǎn)單擴(kuò)散與協(xié)助擴(kuò)散的比較（1）轉(zhuǎn)運(yùn)速率高（2）存在最大轉(zhuǎn)運(yùn)速率,因此可用Km值衡量某種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)速率。（3）Km值反應(yīng)轉(zhuǎn)運(yùn)的特異性（紅細(xì)胞質(zhì)膜D構(gòu)型葡萄糖Km為1.5mmol/L，L構(gòu)型葡萄糖Km大于3000mmol/L。（4）細(xì)胞膜上存在轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，負(fù)責(zé)無(wú)機(jī)離子和水溶性有機(jī)小分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。協(xié)助擴(kuò)散的特征34協(xié)助擴(kuò)散與簡(jiǎn)單擴(kuò)散比較①協(xié)助擴(kuò)散需要膜蛋白的幫助,并且比簡(jiǎn)單擴(kuò)散的速度要快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。②簡(jiǎn)單擴(kuò)散的速率與溶質(zhì)的濃度成正比，而膜蛋白幫助的協(xié)助擴(kuò)散可以達(dá)到最大值,當(dāng)溶質(zhì)的跨膜濃度差達(dá)到一定程度時(shí),協(xié)助擴(kuò)散的速度不再提高。③在簡(jiǎn)單擴(kuò)散中,結(jié)構(gòu)上相似的分子以基本相同的速度通過(guò)膜,而在協(xié)助擴(kuò)散中,運(yùn)輸?shù)鞍拙哂懈叨鹊倪x擇性。如運(yùn)輸?shù)鞍啄軌驇椭咸烟强焖龠\(yùn)輸,但不幫助與葡萄糖結(jié)構(gòu)類(lèi)似的糖類(lèi)運(yùn)輸。④與簡(jiǎn)單擴(kuò)散不同,運(yùn)輸?shù)鞍椎膮f(xié)助擴(kuò)散作用也會(huì)受到各種抑制。膜運(yùn)輸?shù)鞍椎倪\(yùn)輸作用也會(huì)受到類(lèi)似于酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制,以及蛋白質(zhì)變性劑的抑制作用。35細(xì)胞內(nèi)外，存在著Na+、K+、Ca2+、Cl-等各種離子，它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)外有不同的分布。由于細(xì)胞內(nèi)有不能通過(guò)細(xì)胞膜的大分子陰離子，因而細(xì)胞內(nèi)可以通透的陰離子(主要是Cl-)的濃度小于細(xì)胞外。陽(yáng)離子(主要是K+、Na+)在細(xì)胞內(nèi)外的濃度也不同。K+在細(xì)胞內(nèi)的濃度比細(xì)胞外大得多，而與此相反，Na+在細(xì)胞外的濃度比細(xì)胞內(nèi)要大得多。36用微電極測(cè)量細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)，得知大多數(shù)細(xì)胞存在內(nèi)負(fù)外正約幾十毫伏的膜電位差，亦即跨膜有指向胞內(nèi)的電位梯度。由于有膜電位差的存在，正負(fù)離子在通過(guò)細(xì)胞膜時(shí)，將受到電場(chǎng)力的作用。這個(gè)電場(chǎng)推動(dòng)正離子往里，阻礙負(fù)離子往里，推動(dòng)負(fù)離子往外，阻礙正離子往外。37濃度梯度與電位梯度兩個(gè)因素對(duì)離子跨膜擴(kuò)散產(chǎn)生影響。對(duì)Cl-來(lái)說(shuō)，濃度梯度推動(dòng)Cl-由外往里遷移，電位梯度推動(dòng)Cl-由里往外遷移，兩者的作用是相互對(duì)抗的。如果兩者的作用達(dá)到平衡，則可以維持細(xì)胞內(nèi)外的Cl-濃度差。濃度梯度與電位梯度對(duì)K+的作用也相互對(duì)抗的；而對(duì)于Na+，濃度梯度與電位梯度的作用是一致的，都推動(dòng)Na+進(jìn)入細(xì)胞。K+Cl-Na+少少多內(nèi)負(fù)外正膜電位38濃度梯度擴(kuò)散電場(chǎng)力的作用離子遷移率：?jiǎn)挝浑妶?chǎng)下離子遷移的速度up離子通量（平均離子速度）：39離子遷移率與Fick常數(shù)之間的關(guān)系：F=96487C/molR=8.314J/KRT/F=8.314×300/96487=25.8mV(27°C時(shí))40當(dāng)擴(kuò)散和電場(chǎng)力同時(shí)存在時(shí)的總通量——Nernst-Planck方程方程描述了在擴(kuò)散和電場(chǎng)力影響下p離子的通量。41P離子的通量乘以每mol離子所帶的電荷數(shù)FZp后，該通量密度就變?yōu)殡娏髅芏龋?2在電場(chǎng)E的影響下，電解液中由P離子運(yùn)動(dòng)所引起的電流為對(duì)于KCl，總電流密度為43σ是有效電導(dǎo)率摩爾電導(dǎo)率定義為 ——與濃度無(wú)關(guān)的常數(shù)摩爾電導(dǎo)率等于電導(dǎo)率與摩爾濃度之比

44P+Q-iP+Q-e定義：由兩個(gè)半電池構(gòu)成的一種原電池，它們的兩支電極和兩種電解質(zhì)種類(lèi)都相同，只是所含電解質(zhì)的濃度不同。電解質(zhì)濃度不同形成的濃差電池，稱(chēng)為離子濃差電池；另一類(lèi)是電極濃差電池，電極材料相同但其濃度不同。例如：（1）Ag|AgNO3(m')||AgNO3(m'')|Ag它的電極材料和電解質(zhì)都相同，只是電解質(zhì)的濃度不同，即m'≠m''；（2）Pt，H2(p1)|HCl(m)|H2(p2)，Ptpl≠p2在電池上參加電極反應(yīng)的氣態(tài)物質(zhì)壓力不同，也構(gòu)成一種濃差電池。4546在室溫時(shí)，跨膜電位差Vm為47其中EI和EII是由相同金屬組成的電極，水溶液I和II含有與電極同類(lèi)金屬的離子A+，其間用隔膜S把它們隔開(kāi)。認(rèn)為A+是完全可以透過(guò)S。令I(lǐng)和II的A+離子摩爾濃度為CI和CII，設(shè)CI<CII。PIIIEISEII—+CI<CIIA+A+48自發(fā)過(guò)程將向?qū)е翴和II的濃度向相等的方向進(jìn)行。此時(shí)金屬A將溶解，而使溶液I中的A+濃度變大，即A→A++e在EII電極處將發(fā)生A+在電極上析出使溶液II中A+的濃度變小，即e+A+→A這里e表示電子。這樣組成的電池稱(chēng)之為濃差電池。PIIIEIEII—+CI<CIIsA+A+49整個(gè)過(guò)程中體系自由能的變化可通過(guò)下式獲得與此時(shí)環(huán)境所作的最大功Wmax相等，即 Wmax是電池的電功，是電量與電位的乘積，即相當(dāng)于1摩爾的n價(jià)離子或n摩爾的電子在電位E時(shí)所作的電功，Wmax

=nEF。這里，E是電池的電動(dòng)勢(shì)（即電極間的電位差EII－EI），F(xiàn)是法拉第常數(shù)，為96487庫(kù)侖。由此可導(dǎo)出50K+Cl-K+A-iK+Cl-e在大分子電解質(zhì)溶液中，因大離子不能透過(guò)半透膜，而小粒子受大離子電荷影響，能夠透過(guò)半透膜，當(dāng)滲透達(dá)到平衡時(shí)，膜兩邊小離子濃度不相等，這種現(xiàn)象叫唐南(Donnan)平衡或膜平衡.英國(guó)人，1911年提出的假定初始時(shí)膜兩邊的KCl濃度相等。由于KA的存在使[K+]i>[K+]e，改變了原先的平衡，造成K+的外流。51K+外流的結(jié)果是建立了從外向內(nèi)的電場(chǎng)，該電場(chǎng)促使Cl-自i至e的運(yùn)動(dòng)。KC