細胞膜的跨膜物質轉運功能
既然膜主要是由脂質雙分子層構成的，那麼理論上只有脂溶性的物質才有可能通過它。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（從離子和小分子物質到蛋白質等大分子，以及團塊性固形物或液滴）進出細胞，包括各種供能物質、合成細胞新物質的原料、中間代謝產物和終產物、維生素、氧和二氧化碳，以及Na+、K+、Ca2+離子等。它們理化性質各異，且多數不溶於脂質或其水溶性大於其脂溶性。這些物質中除極少數能夠直接通過脂質層進出細胞外，大多數物質分子或離子的跨膜轉運，都與鑲嵌在膜上的各種特殊的蛋白質分子有關；至於一些團塊性固態或液態物質的進出細胞（如細胞對異物的吞噬或分泌物的排出），則與膜的更複雜的生物學過程有關。
現將幾種常見的跨膜物質轉運形式分述如下：
（一）單純擴散
溶液中的一切分子都處於不斷的熱運動中。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社區的量，與此物質在該區域中的濃度（以mol/L計算）成正比。因此，如設想兩種不同濃度的同種物質的溶液相鄰地放在一起，則高濃度區域中的溶質分子將有向低濃度區域的淨移動，這種現象稱為擴散。物質分子移動量的大小，可用通量表示，它指某種物質在每秒內通過每平方釐米的假想平面的摩爾或毫爾數。在一般條件下，擴散通量與所觀察平面兩側的濃度差成正比；如果所涉及的溶液是含有多種溶質的混合溶液，那麼每一種物質的移動方向和通量，都只決定於各該物質的濃度差，而與別的物質的濃度或移動方向無關。但要注意的是，在電解質溶液的情況下，離子的移動不僅取決於該離子的濃度也取決於離子所受的電場力。
在生物體系中，細胞外液和細胞內液都是水溶液，溶於其中的各種溶質分子，只要是脂溶性的，就可能按擴散原理作跨膜運動或轉運，稱為單純擴散。這是一種單純的物理過程，區別於體內其他複雜的物質轉運機制。但單純擴散不同於上述物理系統的情況是：在細胞外液和細胞內液之間存在一個主要由脂質分子構成的屏障，因此某一物質跨膜通量的大小，除了取決於它們在膜兩側的濃度外，還要看這些物質脂溶性的大小以及其他因素造成的該物質通過膜的難易程度，這統稱為膜對該物質的通透性。
人體體液中存在的脂溶性物質的數量並不很多，因而靠單純擴散方式進出細胞膜的物質也不很多。比較肯定的是氧和二氧化碳等氣體分子，它們能溶於水，也溶於脂質，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，但由於分子量較大，近來認為也需要膜上某種特殊蛋白質的「協作」，才能使它們的轉運過程加快。
（二）易化擴散
有很多物質雖然不溶於脂質，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。這種有悖於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（facilitated diffusion）。例如，糖不溶於脂質，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，雖然由於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淨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。由於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，並使它處於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元點或結構域（指蛋白質肽鏈中的某一段功能性氨基酸殘基序列），後者先同膜一側的某種物質分子選擇性地結合，並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，其終止點是最後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，就屬於這種類型的易化擴散。以葡萄糖為例，由於血糖和細胞外液中的糖濃度經常保持在相對恒定的水準，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於細胞外液，於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。
以載體為仲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，再增加底物濃度並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元點的數目是固定的，這就構成了對該物質的量並不能使載運量增加，於是出現了飽和。
（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，那麼在環境中加入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所佔據的結果。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，並互相吸引靠近，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。對於不同的離子的轉運，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；甚至對於同一種離子，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複雜化和精密化相一致。通道蛋白質有別於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：當它們處於開放狀態時，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，因而在關於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，決定於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，然後進入失活或關閉狀態。於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，百離子本身並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，通道的開放並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。
（三）主動轉運
主動轉運指細胞通過本身的某種耗能過程，將某種物質的分子或離子由膜的低濃度一側移向高濃度一側的過程。按照熱力學定律，溶液中的分子由低濃度區域向高濃度區域移動，就像舉起重物或推物體沿斜坡上移，或使電荷逆電場方向移動一樣，必須由外部供給能量。在膜的主動轉運中，這能量只能由膜或膜所屬的細胞來供給，這就是主動的含義。前述的單純擴散和易化擴散都屬於被動轉運，其特點是在這樣的物質轉運過程中，物質分子只能作順濃度差、即由膜的高濃度一側向低濃度一側的淨移動，而它所通過的膜並未對該過程提供能量。被動轉運時物質移動所需的能量來自高濃度所含的勢能（圖示２－３左），因而不需要另外供能（２－３右）。被動轉運最終可能達到的平衡點是膜兩側該物質的濃度差為零的情況；如果被動轉運的是某種離子，則離子移動除受濃度差的影響外，還受當時電場力的影響，亦即當最終的平衡點達到時，膜兩側的電－化學勢*的差為應為零。主動轉運與此不同，由於膜以某種方式提供了能量，物質分子或離子可以逆濃度或逆電－化學勢差而移動。體內某種物質分子或離子由膜的低濃度一側向高濃度一側移動，結果是高濃度一側濃度進一步升高，而另一側該物質愈來愈少，甚至可以全部被轉運到另一側。如小腸上皮細胞吸收某些已消化的營養物；腎小管上皮細胞對小管液中某些「有用」物質進行重吸收，均屬此現象。由於此過程在熱力學上為耗能過程，不可能在無供能的情況下自動進行，因此如果在生物體內出現這種情況，說明有主動的跨膜轉運在進行，必定伴隨了能源物質（常常是ＡＴＰ）的消耗。
圖２－３ 物質的主動轉運和被動轉運原理示意圖
物質分子可由高濃度處自動向低濃度處擴散，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下滑，而上坡卻需要由人體費力一樣。
被動轉運和主動轉運的根本區別即在於此
在細胞膜的主動轉運中研究得最充分，而且對細胞的生存和活動可能是最重要的，是膜對於鈉和鉀離子的主動轉運過程。所有活細胞的細胞內液和細胞外液中Na+和K+的濃度有很大的不同。以神經和肌細胞為例，正常時膜內K+濃度約為膜外的３０倍，膜外的Na+濃度約為膜內的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行，提示這是一種耗能的過程；例如，低溫、缺氧或應用一些代謝抑制劑可引起細胞內外Na＋、K+的濃度差減小，而在細胞恢復正常代謝活動後，巨大的濃度差又可恢復。由此認為各種細胞的細胞膜上普遍存在著一種鈉－鉀泵（sodium-potassium pump）的結構，簡稱鈉泵，其作用是在消耗代謝能的情況下逆烊濃度差將細胞內的Na+移出膜外，同時把細胞外的K+移入膜內，因而保持了膜內高K+和膜外高Na+的不均衡離子分佈。
鈉泵是鑲嵌在膜的脂質雙分子層中的一種特殊蛋白質，它除了有對Na+、K+的轉運功能外，還具有ＡＴＰ酶的活性，可以分解ＡＴＰ使之釋放能量，並能利用此能量進行Na+和K+的主動轉運；因此，鈉泵就是Na+-K+依賴式ＡＴＰ酶的蛋白質。鈉泵蛋白質已用近代分子生物學方法克隆出來，它們是由α－和β－亞單位組成的二聚體蛋白質，肽鏈多次穿越脂質雙分子層，是一種結合蛋白質。α－亞單位的分子量約為１００kd，轉運Na+、K+和促使ＡＴＰ分解的功能主要由這一亞單位來完成；β－亞單位的分子量約為５０kd，作用還不很清楚。鈉泵蛋白質轉運Na+、K+的具體機制尚不十分清楚，但它的啟動和活動強度與膜內出現較多的Na+和膜外出現較多的K+有關。鈉泵活動時，它泵出Na+和泵入K+這兩個過程是同時進行或「耦聯」在一起的；根據在體內或離體情況下的計算，在一般生理情況下，每分解一個ＡＴＰ分子，可以使３個Na+移到膜外同時有２個K+移入膜內；但這種化學定比關係在不同情況下可以改變。
細胞膜上的鈉泵活動的意義是：
（１）由鈉泵活動造成的細胞內高K+，是許多代謝反應進行的必需條件；
（２）如果細胞允許大量細胞外Na+進入膜內，由於滲透壓的關係，必然會導致過多水分了進入膜內，這將引起細胞的腫脹，進而破壞細胞的結構；
（３）它能夠建立起一種勢能貯備。如所周知，能量只能轉換而不能消滅，細胞由物質代謝所獲得的能量，先以化學能的形式貯存在ＡＴＰ的高能磷酸鍵之中；當鈉泵蛋白質分解ＡＴＰ時，此能量用於使離子作逆電－化學勢跨膜移動，於是能量又發生轉換，以膜兩側出現了具有高電－化學勢的離子（分別為K+和Na+）而以勢能的形式貯存起來；換句話說，泵出膜外的Na+由於其高濃度而有再進入膜內的趨勢，膜內高濃度的K+、則有再有再移了膜的趨勢，這就是一種勢能貯備。由鈉泵造成的離子勢能貯備，可用於細胞的其他耗能過程。如下節將詳細討論的Na+、K+等離子在膜兩側的不均衡分佈，是神經和肌肉等組織具有興奮性的基礎；由K+、Na+等離子在特定條件下通過各自的離子通道進行的順電－化學勢的被動轉運，使這些細胞表現出各種形式的生物電現象。
繼發性主動轉運鈉泵活動形成的勢能貯備，還可用來完成一些其他物質的逆濃度差的跨膜轉運，這主要見於前面提到的腸上皮和腎小管上皮細胞對葡萄糖、氨基酸等營養物質的較為安全吸收現象，這顯然有主動轉運過程的參與。但據觀察，這種理論上要耗能的過程並不直接伴隨ATP或其他供能物質的消耗。這些物質的跨膜轉運經常要伴有Na+由上皮細胞的管腔側同時進入細胞；後者是葡萄糖等進入細胞的必要條件，沒有Na+由高濃度的膜外順濃度差進入膜內，就不會出現葡萄糖等分子逆濃度差進入膜內。在完整的在體腎小管和腸粘膜上皮細胞，由於在細胞的基底-外側膜（或基側膜，即靠近毛細血管和相鄰上皮細胞側的膜）上有鈉泵存在（圖2-4），因而能造成細胞內Na+濃度經常低於小管液和腸腔液中Na+濃度的情況，於是Na+不斷由小管液和腸腔液順濃度差進入細胞，由此釋放的勢能則用於葡萄糖分子的逆濃度進入細胞。葡萄糖主動轉運所需的能量不是直接來自ATP的分解，而是來自膜外Na+的高勢能；但造成這種高勢能的鈉泵活動是需要分解ATP的，因而糖的主動轉運所需的能量還是間接地來自ATP，為此把這種類型的轉運稱為繼發性主動轉運，或稱為聯合轉運（cotransport）。每一種聯合轉運也都與膜中存在的特殊蛋白質有關，稱為轉運體（transporter）；而且在不同的情況下，被轉運的物質分子有的與Na+移動的方向相同，有時兩者方向相反。甲狀腺細胞特有的聚碘作用，也屬於繼發性主動轉運。
圖2－4 葡萄糖和一些氨基酸的繼發性主動轉運模式圖
上方彎曲的管腔側膜上的圓和方塊，分別表示同葡萄糖和某些氨基酸的繼發性轉運有關的轉運蛋白質
主動轉運是人體最重要的物質轉運形式，除上述的鈉泵外，目前瞭解較多的還有鈣泵（Ca2+-Mg2+依賴式ATP酶）、H+-K+泵（H+-K+依賴式ATP酶）等。這些泵蛋白在分子結構上和鈉泵有很大類似，都以直接分解ATP為能量來源，將有關離子進行逆濃度的轉運。鈣泵主要分佈在骨骼肌和心肌細胞內部的肌漿網上，啟動時可將胞漿中的Ca+迅速集聚到肌漿網內部，使胞漿中Ca+濃度在短時期內下降達成100倍以上；這是誘發肌肉舒張的關鍵因素。H+-K+泵主要分佈在胃粘膜壁細胞表面，與胃酸的分泌有關。
（四）出胞與入胞式物質轉運
細胞對一些大分子物質或固態、液態的物質團塊，可通過出胞和入胞進行轉運。
出胞主要見於細胞的分泌活動，如內分泌腺把激素分泌到細胞外液中，外分泌腺把酶株顆粒和粘液等分泌到腺管的管腔中，以及神經細胞的軸突末梢把神經遞質分泌到突觸間隙中。根據在多種細胞進行觀察，細胞的各種蛋白性分泌物先是在粗面內質網生物合成；在它們由內質網到高爾基複合體的輸送過程中，逐漸被一層膜性結構所包被，形成分泌囊泡；後者再逐漸移向特定部位的質膜內側，準備分泌或暫時貯存。有些細胞的分泌過程是持續進行的，有些則有明顯的間斷性。分泌過程或一般的出胞作用的最後階段是：囊泡逐漸向質膜內側移動，最後囊泡膜和質膜在某點接觸和相互融合，並在融合處出現裂口，將囊泡一次性的排空，而囊泡的膜也就變成了細胞膜的組成部分（圖2-5）。這個過程主要是由膜外的特殊化學信號或膜兩側電位改變，引起了局部膜中的Ca2+通道的開放，由內流的Ca2+(內流的Ca2+也有的進而引發細胞內Ca2+貯存庫釋放Ca2+)觸發囊泡的移動、融合和排放。最近在肥大細胞的研究顯示，囊泡與質膜的融合，可能與預先「裝配」在兩側膜上的類似形成細胞間通道的那種蛋白質分子有關（見下節），當兩者「對接」時，囊泡內容與細胞外液相溝通；以後由於組成通道的蛋白質各亞單位分散開來，造成原孔洞的擴大，完成囊泡內容的快速排出，囊泡膜也伸展開來，成為細胞膜的一部分。
圖2-5 分泌物的出胞過程 圖 2-6 受體介導式入胞過程示意圖
分泌囊泡逐漸向細胞膜內側面靠近，兩者的膜相互融合，融合處膜膜斷裂，分泌物排出，而後囊泡膜成為細胞膜的組成部分
入胞和出胞相反，指細胞外某些物質團塊（如侵入體內的細菌、病毒、異物或血漿中脂蛋白顆粒、大分子營養物質等）進入細胞的過程。入胞進行時，首先是細胞環境中的某些物質與細胞膜接觸，引起該處的質膜發生內陷，以至包被吞食物，再出現膜結構的斷離，最後是異物連同包被它的那一部分膜整個地進入細胞漿中。
一種通過被轉運物質與膜表面的特殊受體蛋白質相互作用而引起的入胞現象，稱為受體介導式入胞。通過這種方式進入細胞的物質已不下50餘種，包括以膽固醇為主要成分的血漿低密度脂蛋白顆粒、結合了鐵離子的運鐵蛋白、結合了維生素B12的運輸蛋白、多種生長調節因數和胰島素等一部分多肽類激素、抗體和某些細菌毒素，以及一些病毒（流感和小兒麻痹病毒）等（圖示2-6）。首先是細胞環境中的某物質為細胞膜上的相應受體所「辨認」，發生特異性結合；結合後形成的複合物通過它們在膜結構中的橫向移動，逐漸向膜表面一些稱為衣被凹陷（coated pit）的特殊部位集中。衣被陷處的膜與一般膜結構無明顯差異，只是向細胞內部呈輕度下凹，而且在膜的胞漿側有一層高電子密度的覆蓋物，後者經分析是由多種蛋白質組成的有序結構；當受體複合物的聚集使衣被凹陷成為直徑約0.3μm的斑片時(可以在約1分鐘的時間內完成),該處出現膜向胞漿側的進一步凹入,最後與細胞膜斷離,在胞漿內形成一個分離的吞食泡,這稱為內移(internalization)；原來附在衣被凹陷內側的蛋白性結構，現在正好位於吞食泡膜的外側，仍面向胞漿；但在吞食泡形成後不久，這種蛋白結構就消失，可能是溶解在胞漿中，大概還可以再用於在細胞膜上形成新的衣被凹陷。這類蛋白質的功能，據認為是為吞食泡的形成提供所需的能量。失去了這種特殊的附膜蛋白結構的吞食泡，進而再與胞漿中稱為胞內體（endosome）的球狀或管狀膜性結構相融合，此胞內體的特點是內部具有較低的PH值環境，有助於受體同與它結合的物質分離；以後的過程是這些物質（如進入細胞的低密度脂蛋白顆粒和鐵離子等）再被轉運到能利用它們的細胞器，而保留在胞內體膜上的受體，則與一部分膜結構形成較小的迴圈小泡，移回到細胞膜並與之融合，再成為細胞的組成部分，使受體和膜結構可以重複使用（圖2-6）。據測算，在人工培養液中的吞噬細胞1小時內通過形成吞食泡而進入胞漿的細胞膜面積，大約相當於原細胞膜總面積的50%-200%，而實際細胞膜的總面積並未明顯改變，可見通過上述以胞內體為轉站的膜的再迴圈，不僅維持了細胞膜的總面積的相對恒定，而且使相應的受體可以反復使用。
留言列表
