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 既然膜主要是由脂質(zhì)雙分子層構(gòu)成的，那么理論上只有脂溶性的物質(zhì)才有可能通過它。但事實上，一個進行著新陳代謝的細胞，不斷有各種各樣的物質(zhì)（從離子和小分子物質(zhì)到蛋白質(zhì)等大分子，以及團塊性固形物或液滴）進出細胞，包括各種供能物質(zhì)、合成細胞新物質(zhì)的原料、中間代謝產(chǎn)物和終產(chǎn)物、維生素、氧和二氧化碳，以及Na+、K+、Ca2+離子等。它們理化性質(zhì)各異，且多數(shù)不溶于脂質(zhì)或其水溶性大于其脂溶性。這些物質(zhì)中除極少數(shù)能夠直接通過脂質(zhì)層進出細胞外，大多數(shù)物質(zhì)分子或離子的跨膜轉(zhuǎn)運，都與鑲嵌在膜上的各種特殊的蛋白質(zhì)分子有關(guān)；至于一些團塊性固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)的進出細胞（如細胞對異物的吞噬或分泌物的排出），則與膜的更復(fù)雜的生物學(xué)過程有關(guān)。

現(xiàn)將幾種常見的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運形式分述如下：

（一）單純擴散

溶液中的一切分子都處于不斷的熱運動中。這種分子運動的平均動能，與溶液的絕對溫度成正比。在溫度恒定的情況下，分子因運動而離開某一小區(qū)的量，與此物質(zhì)在該區(qū)域中的濃度（以mol/L計算）成正比。因此，如設(shè)想兩種不同濃度的同種物質(zhì)的溶液相鄰地放在一起，則高濃度區(qū)域中的溶質(zhì)分子將有向低濃度區(qū)域的凈移動，這種現(xiàn)象稱為擴散。物質(zhì)分子移動量的大小，可用通量表示，它指某種物質(zhì)在每秒內(nèi)通過每平方厘米的假想平面的摩爾或毫爾數(shù)。在一般條件下，擴散通量與所觀察平面兩側(cè)的濃度差成正比；如果所涉及的溶液是含有多種溶質(zhì)的混合溶液，那么每一種物質(zhì)的移動方向和通量，都只決定于各該物質(zhì)的濃度差，而與別的物質(zhì)的濃度或移動方向無關(guān)。但要注意的是，在電解質(zhì)溶液的情況下，離子的移動不僅取決于該離子的濃度也取決于離子所受的電場力。

在生物體系中，細胞外液和細胞內(nèi)液都是水溶液，溶于其中的各種溶質(zhì)分子，只要是脂溶性的，就可能按擴散原理作跨膜運動或轉(zhuǎn)運，稱為單純擴散。這是一種單純的物理過程，區(qū)別于體內(nèi)其他復(fù)雜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運機制。但單純擴散不同于上述物理系統(tǒng)的情況是：在細胞外液和細胞內(nèi)液之間存在一個主要由脂質(zhì)分子構(gòu)成的屏障，因此某一物質(zhì)跨膜通量的大小，除了取決于它們在膜兩側(cè)的濃度外，還要看這些物質(zhì)脂溶性的大小以及其他因素造成的該物質(zhì)通過膜的難易程度，這統(tǒng)稱為膜對該物質(zhì)的通透性。

人體體液中存在的脂溶性物質(zhì)的數(shù)量并不很多，因而靠單純擴散方式進出細胞膜的物質(zhì)也不很多。比較肯定的是氧和二氧化碳等氣體分子，它們能溶于水，也溶于脂質(zhì)，因而可以靠各自的濃度差通過細胞膜甚或肺泡中的呼吸膜（參見第五章）。體內(nèi)一些甾體（類固醇）類激素也是脂溶性的，理論上它們也能夠靠單純擴散由細胞外液進入胞漿，但由于分子量較大，近來認為也需要膜上某種特殊蛋白質(zhì)的“協(xié)作”，才能使它們的轉(zhuǎn)運過程加快。

（二）易化擴散

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。這種有悖于單純擴散基本原則的物質(zhì)轉(zhuǎn)運，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，因而被稱為易化擴散（facilitateddiffusion）。例如，糖不溶于脂質(zhì)，但細胞外液中的葡萄糖可以不斷地進入一般細胞，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入或移出細胞。這些都是易化擴散的例子。易化擴散的特點是：物質(zhì)分子或離子移動的動力仍同單純擴散時一樣，來自物質(zhì)自身的熱運動，所以易化擴散時物質(zhì)的凈移動只能是由它們的高濃度區(qū)移向低濃度區(qū)，但特點是它們不是通過膜的脂質(zhì)分子間的間隙通過膜屏障，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，完成它們的跨膜轉(zhuǎn)運。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，因而使易化擴散得以進行，并使它處于細胞各種環(huán)境因素改變的調(diào)控之下。

由載體介導(dǎo)的易化擴散這種易化擴散的特點是膜結(jié)構(gòu)中具有可稱為載體（carrier）的蛋白質(zhì)分子，它們有一個或數(shù)個能與某種被轉(zhuǎn)物相結(jié)合的位點或結(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，而載體也恢復(fù)了原有的構(gòu)型，進行新一輪的轉(zhuǎn)運，其終止點是最后使膜兩側(cè)底物濃度變得相等。上面提到的葡萄糖進入一般細胞，以及其他營養(yǎng)性物質(zhì)如氨基酸和中間代謝產(chǎn)物的進出細胞，就屬于這種類型的易化擴散。以葡萄糖為例，由于血糖和細胞外液中的糖濃度經(jīng)常保持在相對恒定的水平，而細胞內(nèi)部的代謝活動不斷消耗葡萄糖而使其胞漿濃度低于細胞外液，于是依靠膜上葡萄糖載體蛋白的活動，使葡萄糖不斷進入細胞，且其進入通量可同細胞消耗葡萄糖的速度相一致不同物質(zhì)通過易化擴散進出細胞膜，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。（2）飽和現(xiàn)象，即這種易化擴散的擴散通量一般與膜兩側(cè)被轉(zhuǎn)運物質(zhì)的濃度差成正比，但這只是當(dāng)膜兩側(cè)濃度差較小時是如此；如果膜一側(cè)的濃度增加超過一定限度時，再增加底物濃度并不能使轉(zhuǎn)運通量增加。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)合的位點的數(shù)目是固定的，這就構(gòu)成了對該物質(zhì)的量并不能使載運量增加，于是出現(xiàn)了飽和。（3）競爭性抑制，即如果某一載體對結(jié)構(gòu)類似的A、B兩種物質(zhì)都有轉(zhuǎn)運能力，那么在環(huán)境中加入Ｂ物質(zhì)將會減弱它對Ａ物質(zhì)的轉(zhuǎn)運能力，這是因為有一定數(shù)量的載體或其結(jié)合位點競爭性地被Ｂ所占據(jù)的結(jié)果。目前已經(jīng)有多種載體從不同動物的各類細胞膜提純或克?。╟lone）。與葡萄糖易化擴散有關(guān)的蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)由一條含近５００個氨基酸的肽鏈組成，而且此肽鏈有１２個疏水性跨膜а－螺旋（二級結(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（三級結(jié)構(gòu)），但其轉(zhuǎn)運葡萄糖時的具體變構(gòu)過程尚不完全清楚。

2．由通道介導(dǎo)的易化擴散 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)的快速移動有關(guān)。對于不同的離子的轉(zhuǎn)運，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；甚至對于同一種離子，在不同細胞或同一細胞可存在結(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，這種情況與細胞在功能活動和調(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之一，是它們的結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)可以因細胞內(nèi)外各種理化因素的影響而迅速改變：當(dāng)它們處于開放狀態(tài)時，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，就推測是在這種蛋白質(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（可能還存在著電場力的作用）通過這一孔道，因而其速度遠非載體蛋白質(zhì)的運作速度所能比擬。這是稱為通道（channel）的原因。通道對離子的選擇性，決定于通道開放時它的水相孔道的幾何大小和孔道壁的帶電情況，因而對離子的選擇性沒有載體蛋白那樣嚴格。大多數(shù)通道的開放時間都十分短促，一般以數(shù)個或數(shù)十個ms計算，然后進入失活或關(guān)閉狀態(tài)。于是又推測在通道蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中可能存在著類似閘門（gate）一類的基團，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，對其結(jié)構(gòu)的研究已證實了上述推測。

通道的開放造成了帶電離子的跨膜移動，這固然是一種物質(zhì)轉(zhuǎn)運形式；但通道的開放是有條件的、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，載體和通道活動的功能不盡相同。當(dāng)通道的開放引起帶電離子跨膜移動時（如Na+、Ca2+進入膜內(nèi)或K+移出膜外），移動本身形成跨膜電流（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入膜內(nèi)的離子、特別是Ca2+，將會引起該通道所在細胞一系列的功能改變。由此可見，通道的開放并不是起轉(zhuǎn)運代謝的作用，而離子的進出細胞，只是把引起通道開放的那些外來信號，轉(zhuǎn)換成為通道所在細胞自身跨膜電位的變化或其他變化，因而是細胞環(huán)境因素影響細胞功能活動的一種方式。

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