生理學/易化擴散

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生理學

細胞的基本功能
- 細胞膜的基本結構和物質轉運功能
  - 細胞膜的跨膜物質轉運功能
    - 單純擴散
    - 易化擴散
    - 主動轉運
    - 出胞與入胞式物質轉運

有很多物質雖然不溶于脂質，或溶解度甚上，但它們也能由膜的高濃度一側向低濃度一側較容易地移動。這種有悖于單純擴散基本原則的物質轉運，是在膜結構中一些特殊蛋白質分子的“協助”下完成的，因而被稱為易化擴散（facilitateddiffusion）。例如，糖不溶于脂質，但細胞外液中的葡萄糖可以不斷地進入一般細胞，適應代謝的需要；Na⁺、K⁺、Ca⁺等離子，雖然由于帶有電荷而不能通過脂質雙分子層的內部疏水區，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：物質分子或離子移動的動力仍同單純擴散時一樣，來自物質自身的熱運動，所以易化擴散時物質的凈移動只能是由它們的高濃度區移向低濃度區，但特點是它們不是通過膜的脂質分子間的間隙通過膜屏障，而是依靠膜上一些具有特殊結構的蛋白質分子的功能活動，完成它們的跨膜轉運。由于蛋白質分子結構上的易變性（包括其構型和構象的改變）和隨之出現的蛋白質功能的改變，因而使易化擴散得以進行，并使它處于細胞各種環境因素改變的調控之下。

由載體介導的易化擴散這種易化擴散的特點是膜結構中具有可稱為載體（carrier）的蛋白質分子，它們有一個或數個能與某種被轉物相結合的位點或結構域（指蛋白質肽鏈中的某一段功能性氨基酸殘基序列），后者先同膜一側的某種物質分子選擇性地結合，并因此而引起載體蛋白質的變構作用，使被結合的底物移向膜的另一側，如果該側底物的濃度較低，底物就和載體分離，完成了轉運，而載體也恢復了原有的構型，進行新一輪的轉運，其終止點是最后使膜兩側底物濃度變得相等。上面提到的葡萄糖進入一般細胞，以及其他營養性物質如氨基酸和中間代謝產物的進出細胞，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常保持在相對恒定的水平，而細胞內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）載體蛋白質有較高的結構特異性，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）飽和現象，即這種易化擴散的擴散通量一般與膜兩側被轉運物質的濃度差成正比，但這只是當膜兩側濃度差較小時是如此；如果膜一側的濃度增加超過一定限度時，再增加底物濃度并不能使轉運通量增加。飽和現象的合理解釋是：膜結構中與該物質易化擴散有關的載體蛋白質分子的數目或每一載體分子上能與該物質結合的位點的數目是固定的，這就構成了對該物質的量并不能使載運量增加，于是出現了飽和。（3）競爭性抑制，即如果某一載體對結構類似的A、B兩種物質都有轉運能力，那么在環境中加入B物質將會減弱它對A物質的轉運能力，這是因為有一定數量的載體或其結合位點競爭性地被B所占據的結果。目前已經有多種載體從不同動物的各類細胞膜提純或克隆（clone）。與葡萄糖易化擴散有關的蛋白質的一級結構由一條含近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（二級結構），多次貫穿膜內外，并互相吸引靠攏，形成球形蛋白質分子（三級結構），但其轉運葡萄糖時的具體變構過程尚不完全清楚。

2．由通道介導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向膜的低濃度一側的快速移動有關。對于不同的離子的轉運，膜上都有結構特異的通道蛋白質參與，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構和功能上不同的通道蛋白質，如體內至少已發現有三種以上的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控方面的復雜化和精密化相一致。通道蛋白質有別于載體的重要特點之一，是它們的結構和功能狀態可以因細胞內外各種理化因素的影響而迅速改變：當它們處于開放狀態時，有關的離子可以快速地由膜的高濃度一側移向低濃度一側；其離子移動的速度是如此之大，因而在關于通道蛋白的分子結構還知之甚少時，就推測是在這種蛋白質的內部出現了一條貫通膜內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。大多數通道的開放時間都十分短促，一般以數個或數十個ms計算，然后進入失活或關閉狀態。于是又推測在通道蛋白質結構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。許多的離子通道蛋白質已經用分子生物學的技術被克隆，對其結構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，這固然是一種物質轉運形式；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。當通道的開放引起帶電離子跨膜移動時（如Na⁺、Ca²⁺進入膜內或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電的脂質雙分子層（具有電容器的性質）兩側的集聚，將會造成膜兩側電們即跨膜電位的改變，而跨膜電位的改變以及進入膜內的離子、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，因而是細胞環境因素影響細胞功能活動的一種方式。