細(xì)胞膜(plasma membrane)的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能(跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn),單純擴(kuò)散,易化擴(kuò)散,主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn))

　　（二）易化擴(kuò)散

　　有很多物質(zhì)雖然不溶于脂質(zhì)，或溶解度甚上，但它們也能由膜的高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)較容易地移動(dòng)。這種有悖于單純擴(kuò)散基本原則的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，是在膜結(jié)構(gòu)中一些特殊蛋白質(zhì)分子的“協(xié)助”下完成的，因而被稱為易化擴(kuò)散（facilitated diffusion）。例如，糖不溶于脂質(zhì)，但細(xì)胞外液中的葡萄糖可以不斷地進(jìn)入一般細(xì)胞，適應(yīng)代謝的需要；Na⁺、K⁺、Ca⁺等離子，雖然由于帶有電荷而不能通過(guò)脂質(zhì)雙分子層的內(nèi)部疏水區(qū)，但在某些情況下可以順著它們各自的濃度差快速地進(jìn)入或移出細(xì)胞。這些都是易化擴(kuò)散的例子。易化擴(kuò)散的特點(diǎn)是：物質(zhì)分子或離子移動(dòng)的動(dòng)力仍同單純擴(kuò)散時(shí)一樣，來(lái)自物質(zhì)自身的熱運(yùn)動(dòng)，所以易化擴(kuò)散時(shí)物質(zhì)的凈移動(dòng)只能是由它們的高濃度區(qū)移向低濃度區(qū)，但特點(diǎn)是它們不是通過(guò)膜的脂質(zhì)分子間的間隙通過(guò)膜屏障，而是依靠膜上一些具有特殊結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子的功能活動(dòng)，完成它們的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。由于蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)上的易變性（包括其構(gòu)型和構(gòu)象的改變）和隨之出現(xiàn)的蛋白質(zhì)功能的改變，因而使易化擴(kuò)散得以進(jìn)行，并使它處于細(xì)胞各種環(huán)境因素改變的調(diào)控之下。醫(yī)學(xué).全.在線.網(wǎng).站.提供

　　由載體介導(dǎo)的易化擴(kuò)散這種易化擴(kuò)散的特點(diǎn)是膜結(jié)構(gòu)中具有可稱為載體（carrier）的蛋白質(zhì)分子，它們有一個(gè)或數(shù)個(gè)能與某種被轉(zhuǎn)物相結(jié)合的位點(diǎn)或結(jié)構(gòu)域（指蛋白質(zhì)肽鏈中的某一段功能性氨基酸殘基序列），后者先同膜一側(cè)的某種物質(zhì)分子選擇性地結(jié)合，并因此而引起載體蛋白質(zhì)的變構(gòu)作用，使被結(jié)合的底物移向膜的另一側(cè)，如果該側(cè)底物的濃度較低，底物就和載體分離，完成了轉(zhuǎn)運(yùn)，而載體也恢復(fù)了原有的構(gòu)型，進(jìn)行新一輪的轉(zhuǎn)運(yùn)，其終止點(diǎn)是最后使膜兩側(cè)底物濃度變得相等。上面提到的葡萄糖進(jìn)入一般細(xì)胞，以及其他營(yíng)養(yǎng)性物質(zhì)如氨基酸和中間代謝產(chǎn)物的進(jìn)出細(xì)胞，就屬于這種類型的易化擴(kuò)散。以葡萄糖為例，由于血糖和細(xì)胞外液中的糖濃度經(jīng)常保持在相對(duì)恒定的水平，而細(xì)胞內(nèi)部的代謝活動(dòng)不斷消耗葡萄糖而使其胞漿濃度低于細(xì)胞外液，于是依靠膜上葡萄糖載體蛋白的活動(dòng)，使葡萄糖不斷進(jìn)入細(xì)胞，且其進(jìn)入通量可同細(xì)胞消耗葡萄糖的速度相一致不同物質(zhì)通過(guò)易化擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞膜，都需要膜具有特殊的載體蛋白。

　　以載體為中介的易化擴(kuò)散都具有如下的共同特性：（1）載體蛋白質(zhì)有較高的結(jié)構(gòu)特異性，以葡萄糖為例，在同樣濃度差的情況下，右旋葡萄糖的跨膜通量大大超過(guò)左旋葡萄糖（人體內(nèi)可利用的糖類都是右旋的）；木糖則幾乎不能被載運(yùn)。（2）飽和現(xiàn)象，即這種易化擴(kuò)散的擴(kuò)散通量一般與膜兩側(cè)被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的濃度差成正比，但這只是當(dāng)膜兩側(cè)濃度差較小時(shí)是如此；如果膜一側(cè)的濃度增加超過(guò)一定限度時(shí)，再增加底物濃度并不能使轉(zhuǎn)運(yùn)通量增加。飽和現(xiàn)象的合理解釋是：膜結(jié)構(gòu)中與該物質(zhì)易化擴(kuò)散有關(guān)的載體蛋白質(zhì)分子的數(shù)目或每一載體分子上能與該物質(zhì)結(jié)合的位點(diǎn)的數(shù)目是固定的，這就構(gòu)成了對(duì)該物質(zhì)的量并不能使載運(yùn)量增加，于是出現(xiàn)了飽和。（3）競(jìng)爭(zhēng)性抑制，即如果某一載體對(duì)結(jié)構(gòu)類似的A、B兩種物質(zhì)都有轉(zhuǎn)運(yùn)能力，那么在環(huán)境中加入Ｂ物質(zhì)將會(huì)減弱它對(duì)Ａ物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，這是因?yàn)橛幸欢〝?shù)量的載體或其結(jié)合位點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)性地被Ｂ所占據(jù)的結(jié)果。目前已經(jīng)有多種載體從不同動(dòng)物的各類細(xì)胞膜提純或克�。╟lone）。與葡萄糖易化擴(kuò)散有關(guān)的蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)由一條含近５００個(gè)氨基酸的肽鏈組成，而且此肽鏈有１２個(gè)疏水性跨膜а－螺旋（二級(jí)結(jié)構(gòu)），多次貫穿膜內(nèi)外，并互相吸引靠攏，形成球形蛋白質(zhì)分子（三級(jí)結(jié)構(gòu)），但其轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖時(shí)的具體變構(gòu)過(guò)程尚不完全清楚。

　　2．由通道介導(dǎo)的易化擴(kuò)散 它們常與一些帶電的離子如Na⁺、K⁺ Ca⁺、 CI⁺等由膜的高濃度一側(cè)向膜的低濃度一側(cè)的快速移動(dòng)有關(guān)。對(duì)于不同的離子的轉(zhuǎn)運(yùn)，膜上都有結(jié)構(gòu)特異的通道蛋白質(zhì)參與，可分為別稱為Na⁺通道、K⁺通道、Ca⁺通道等；甚至對(duì)于同一種離子，在不同細(xì)胞或同一細(xì)胞可存在結(jié)構(gòu)和功能上不同的通道蛋白質(zhì)，如體內(nèi)至少已發(fā)現(xiàn)有三種以上的Ca⁺通道和７種以上的K⁺通道等，這種情況與細(xì)胞在功能活動(dòng)和調(diào)控方面的復(fù)雜化和精密化相一致。通道蛋白質(zhì)有別于載體的重要特點(diǎn)之一，是它們的結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)可以因細(xì)胞內(nèi)外各種理化因素的影響而迅速改變：當(dāng)它們處于開(kāi)放狀態(tài)時(shí)，有關(guān)的離子可以快速地由膜的高濃度一側(cè)移向低濃度一側(cè)；其離子移動(dòng)的速度是如此之大，因而在關(guān)于通道蛋白的分子結(jié)構(gòu)還知之甚少時(shí)，就推測(cè)是在這種蛋白質(zhì)的內(nèi)部出現(xiàn)了一條貫通膜內(nèi)外的水相孔道使離子能夠順著濃度差（可能還存在著電場(chǎng)力的作用）通過(guò)這一孔道，因而其速度遠(yuǎn)非載體蛋白質(zhì)的運(yùn)作速度所能比擬。這是稱為通道（channel）的原因。通道對(duì)離子的選擇性，決定于通道開(kāi)放時(shí)它的水相孔道的幾何大小和孔道壁的帶電情況，因而對(duì)離子的選擇性沒(méi)有載體蛋白那樣嚴(yán)格。大多數(shù)通道的開(kāi)放時(shí)間都十分短促，一般以數(shù)個(gè)或數(shù)十個(gè)ms計(jì)算，然后進(jìn)入失活或關(guān)閉狀態(tài)。于是又推測(cè)在通道蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中可能存在著類似閘門(mén)（gate）一類的基團(tuán)，由它決定通道的功能狀態(tài)。許多的離子通道蛋白質(zhì)已經(jīng)用分子生物學(xué)的技術(shù)被克隆，對(duì)其結(jié)構(gòu)的研究已證實(shí)了上述推測(cè)。

　　通道的開(kāi)放造成了帶電離子的跨膜移動(dòng)，這固然是一種物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)形式；但通道的開(kāi)放是有條件的、短暫的，百離子本身并不像葡萄糖等是一些代謝物，從生理意義上看，載體和通道活動(dòng)的功能不盡相同。當(dāng)通道的開(kāi)放引起帶電離子跨膜移動(dòng)時(shí)（如Na⁺、Ca²⁺進(jìn)入膜內(nèi)或K⁺移出膜外），移動(dòng)本身形成跨膜電流（即離子電流）；而移位的帶電離子在不導(dǎo)電的脂質(zhì)雙分子層（具有電容器的性質(zhì)）兩側(cè)的集聚，將會(huì)造成膜兩側(cè)電們即跨膜電位的改變，而跨膜電位的改變以及進(jìn)入膜內(nèi)的離子、特別是Ca²⁺，將會(huì)引起該通道所在細(xì)胞一系列的功能改變。由此可見(jiàn)，通道的開(kāi)放并不是起轉(zhuǎn)運(yùn)代謝的作用，而離子的進(jìn)出細(xì)胞，只是把引起通道開(kāi)放的那些外來(lái)信號(hào)，轉(zhuǎn)換成為通道所在細(xì)胞自身跨膜電位的變化或其他變化，因而是細(xì)胞環(huán)境因素影響細(xì)胞功能活動(dòng)的一種方式。

　　（三）主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)

　　主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)指細(xì)胞通過(guò)本身的某種耗能過(guò)程，將某種物質(zhì)的分子或離子由膜的低濃度一側(cè)移向高濃度一側(cè)的過(guò)程。按照熱力學(xué)定律，溶液中的分子由低濃度區(qū)域向高濃度區(qū)域移動(dòng)，就像舉起重物或推物體沿斜坡上移，或使電荷逆電場(chǎng)方向移動(dòng)一樣，必須由外部供給能量。在膜的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)中，這能量只能由膜或膜所屬的細(xì)胞來(lái)供給，這就是主動(dòng)的含義。前述的單純擴(kuò)散和易化擴(kuò)散都屬于被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，其特點(diǎn)是在這樣的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，物質(zhì)分子只能作順濃度差、即由膜的高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)的凈移動(dòng)，而它所通過(guò)的膜并未對(duì)該過(guò)程提供能量。被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)物質(zhì)移動(dòng)所需的能量來(lái)自高濃度所含的勢(shì)能（圖示２－３左），因而不需要另外供能（２－３右）。被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)最終可能達(dá)到的平衡點(diǎn)是膜兩側(cè)該物質(zhì)的濃度差為零的情況；如果被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的是某種離子，則離子移動(dòng)除受濃度差的影響外，還受當(dāng)時(shí)電場(chǎng)力的影響，亦即當(dāng)最終的平衡點(diǎn)達(dá)到時(shí)，膜兩側(cè)的電－化學(xué)勢(shì)^*的差為應(yīng)為零。主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)與此不同，由于膜以某種方式提供了能量，物質(zhì)分子或離子可以逆濃度或逆電－化學(xué)勢(shì)差而移動(dòng)。體內(nèi)某種物質(zhì)分子或離子由膜的低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)移動(dòng)，結(jié)果是高濃度一側(cè)濃度進(jìn)一步升高，而另一側(cè)該物質(zhì)愈來(lái)愈少，甚至可以全部被轉(zhuǎn)運(yùn)到另一側(cè)。如小腸上皮細(xì)胞吸收某些已消化的營(yíng)養(yǎng)物；腎小管上皮細(xì)胞對(duì)小管液中某些“有用”物質(zhì)進(jìn)行重吸收，均屬此現(xiàn)象。由于此過(guò)程在熱力學(xué)上為耗能過(guò)程，不可能在無(wú)供能的情況下自動(dòng)進(jìn)行，因此如果在生物體內(nèi)出現(xiàn)這種情況，說(shuō)明有主動(dòng)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)在進(jìn)行，必定伴隨了能源物質(zhì)（常常是ＡＴＰ）的消耗。

圖２－３ 物質(zhì)的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)原理示意圖
物質(zhì)分子可由高濃度處自動(dòng)向低濃度處擴(kuò)散，而分子
由低濃度處移向高濃度處則需另行供能，正如滑雪者可
由高坡自動(dòng)下滑，而上坡卻需要由人體費(fèi)力一樣。
被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的根本區(qū)別即在于此

　　在細(xì)胞膜的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)中研究得最充分，而且對(duì)細(xì)胞的生存和活動(dòng)可能是最重要的，是膜對(duì)于鈉和鉀離子的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。所有活細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液中Na⁺和K⁺的濃度有很大的不同。以神經(jīng)和肌細(xì)胞為例，正常時(shí)膜內(nèi)K⁺濃度約為膜外的３０倍，膜外的Na⁺濃度約為膜內(nèi)的１２倍；這種明顯的離子濃度差的形成和維持，要依靠新陳代謝的進(jìn)行，提示這是一種耗能的過(guò)程；例如，低溫、缺氧或應(yīng)用一些代謝抑制劑可引起細(xì)胞內(nèi)外Na^＋、K⁺的濃度差減小，而在細(xì)胞恢復(fù)正常代謝活動(dòng)后，巨大的濃度差又可恢復(fù)。由此認(rèn)為各種細(xì)胞的細(xì)胞膜上普遍存在著一種鈉－鉀泵（sodium-potassium pump）的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱鈉泵，其作用是在消耗代謝能的情況下逆烊濃度差將細(xì)胞內(nèi)的Na⁺移出膜外，同時(shí)把細(xì)胞外的K⁺移入膜內(nèi)，因而保持了膜內(nèi)高K⁺和膜外高Na⁺的不均衡離子分布。

　　鈉泵是鑲嵌在膜的脂質(zhì)雙分子層中的一種特殊蛋白質(zhì)，它除了有對(duì)Na^+、K⁺的轉(zhuǎn)運(yùn)功能外，還具有ＡＴＰ酶的活性，可以分解ＡＴＰ使之釋放能量，并能利用此能量進(jìn)行Na⁺和K⁺的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)；因此，鈉泵就是Na⁺-K⁺依賴式ＡＴＰ酶的蛋白質(zhì)。鈉泵蛋白質(zhì)已用近代分子生物學(xué)方法克隆出來(lái)，它們是由α－和β－亞單位組成的二聚體蛋白質(zhì)，肽鏈多次穿越脂質(zhì)雙分子層，是一種結(jié)合蛋白質(zhì)。α－亞單位的分子量約為１００kd，轉(zhuǎn)運(yùn)Na⁺、K⁺和促使ＡＴＰ分解的功能主要由這一亞單位來(lái)完成；β－亞單位的分子量約為５０kd，作用還不很清楚。鈉泵蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)Na⁺、K⁺的具體機(jī)制尚不十分清楚，但它的啟動(dòng)和活動(dòng)強(qiáng)度與膜內(nèi)出現(xiàn)較多的Na⁺和膜外出現(xiàn)較多的K⁺有關(guān)。鈉泵活動(dòng)時(shí)，它泵出Na⁺和泵入K⁺這兩個(gè)過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行或“耦聯(lián)”在一起的；根據(jù)在體內(nèi)或離體情況下的計(jì)算，在一般生理情況下，每分解一個(gè)ＡＴＰ分子，可以使３個(gè)Na⁺移到膜外同時(shí)有２個(gè)K⁺移入膜內(nèi)；但這種化學(xué)定比關(guān)系在不同情況下可以改變。

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