生理學(xué)/易化擴(kuò)散

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生理學(xué)

細(xì)胞的基本功能
- 細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能
  - 細(xì)胞膜的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能
    - 單純擴(kuò)散
    - 易化擴(kuò)散
    - 主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)
    - 出胞與入胞式物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)

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（facilitateddiffusion）。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(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。

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)胞膜提純或克隆（clone）。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)離子的選擇性沒有載體蛋白那樣嚴(yán)格。大多數(shù)通道的開放時(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（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，通道的開放并不是起轉(zhuǎn)運(yùn)代謝的作用，而離子的進(jìn)出細(xì)胞，只是把引起通道開放的那些外來信號(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。