生理學(xué)/主動轉(zhuǎn)運

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生理學(xué)

細胞的基本功能
- 細胞膜的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運功能
  - 細胞膜的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運功能
    - 單純擴散
    - 易化擴散
    - 主動轉(zhuǎn)運
    - 出胞與入胞式物質(zhì)轉(zhuǎn)運

主動轉(zhuǎn)運指細胞通過本身的某種耗能過程，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，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(zhuǎn)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于被動轉(zhuǎn)運，其特點是在這樣的物質(zhì)轉(zhuǎn)運過程中，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，而它所通過的膜并未對該過程提供能量。被動轉(zhuǎn)運時物質(zhì)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(zhuǎn)運最終可能達到的平衡點是膜兩側(cè)該物質(zhì)的濃度差為零的情況；如果被動轉(zhuǎn)運的是某種離子，則離子移動除受濃度差的影響外，還受當(dāng)時電場力的影響，亦即當(dāng)最終的平衡點達到時，膜兩側(cè)的電－化學(xué)勢^*的差為應(yīng)為零。主動轉(zhuǎn)運與此不同，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)勢差而移動。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，結(jié)果是高濃度一側(cè)濃度進一步升高，而另一側(cè)該物質(zhì)愈來愈少，甚至可以全部被轉(zhuǎn)運到另一側(cè)。如小腸上皮細胞吸收某些已消化的營養(yǎng)物；腎小管上皮細胞對小管液中某些“有用”物質(zhì)進行重吸收，均屬此現(xiàn)象。由于此過程在熱力學(xué)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(nèi)出現(xiàn)這種情況，說明有主動的跨膜轉(zhuǎn)運在進行，必定伴隨了能源物質(zhì)（常常是ATP）的消耗。

物質(zhì)的主動轉(zhuǎn)運和被動轉(zhuǎn)運原理示意圖

圖2-3 物質(zhì)的主動轉(zhuǎn)運和被動轉(zhuǎn)運原理示意圖

物質(zhì)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(zhuǎn)運和主動轉(zhuǎn)運的根本區(qū)別即在于此

在細胞膜的主動轉(zhuǎn)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，是膜對于鈉和鉀離子的主動轉(zhuǎn)運過程。所有活細胞的細胞內(nèi)液和細胞外液中Na⁺和K⁺的濃度有很大的不同。以神經(jīng)和肌細胞為例，正常時膜內(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行，提示這是一種耗能的過程；例如，低溫、缺氧或應(yīng)用一些代謝抑制劑可引起細胞內(nèi)外Na^＋、K⁺的濃度差減小，而在細胞恢復(fù)正常代謝活動后，巨大的濃度差又可恢復(fù)。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(jié)構(gòu)，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(nèi)的Na⁺移出膜外，同時把細胞外的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Na⁺^、K⁺的轉(zhuǎn)運功能外，還具有ATP酶的活性，可以分解ATP使之釋放能量，并能利用此能量進行Na⁺和K⁺的主動轉(zhuǎn)運；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，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(zhì)轉(zhuǎn)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(nèi)出現(xiàn)較多的Na⁺和膜外出現(xiàn)較多的K⁺有關(guān)。鈉泵活動時，它泵出Na⁺和泵入K⁺這兩個過程是同時進行或“耦聯(lián)”在一起的；根據(jù)在體內(nèi)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(nèi)；但這種化學(xué)定比關(guān)系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(nèi)高K⁺，是許多代謝反應(yīng)進行的必需條件；（2）如果細胞允許大量細胞外Na⁺進入膜內(nèi)，由于滲透壓的關(guān)系，必然會導(dǎo)致過多水分了進入膜內(nèi)，這將引起細胞的腫脹，進而破壞細胞的結(jié)構(gòu)；（3）它能夠建立起一種勢能貯備。如所周知，能量只能轉(zhuǎn)換而不能消滅，細胞由物質(zhì)代謝所獲得的能量，先以化學(xué)能的形式貯存在ATP的高能磷酸鍵之中；當(dāng)鈉泵蛋白質(zhì)分解ATP時，此能量用于使離子作逆電－化學(xué)勢跨膜移動，于是能量又發(fā)生轉(zhuǎn)換，以膜兩側(cè)出現(xiàn)了具有高電－化學(xué)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⁺由于其高濃度而有再進入膜內(nèi)的趨勢，膜內(nèi)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，可用于細胞的其他耗能過程。如下節(jié)將詳細討論的Na⁺、K⁺等離子在膜兩側(cè)的不均衡分布，是神經(jīng)和肌肉等組織具有興奮性的基礎(chǔ)；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(xué)勢的被動轉(zhuǎn)運，使這些細胞表現(xiàn)出各種形式的生物電現(xiàn)象。

繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運鈉泵活動形成的勢能貯備，還可用來完成一些其他物質(zhì)的逆濃度差的跨膜轉(zhuǎn)運，這主要見于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(yǎng)物質(zhì)的較為安全吸收現(xiàn)象，這顯然有主動轉(zhuǎn)運過程的參與。但據(jù)觀察，這種理論上要耗能的過程并不直接伴隨ATP或其他供能物質(zhì)的消耗。這些物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運經(jīng)常要伴有Na⁺由上皮細胞的管腔側(cè)同時進入細胞；后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(nèi)，就不會出現(xiàn)葡萄糖等分子逆濃度差進入膜內(nèi)。在完整的在體腎小管和腸粘膜上皮細胞，由于在細胞的基底-外側(cè)膜（或基側(cè)膜，即靠近毛細血管和相鄰上皮細胞側(cè)的膜）上有鈉泵存在（圖2-4），因而能造成細胞內(nèi)Na⁺濃度經(jīng)常低于小管液和腸腔液中Na⁺濃度的情況，于是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于葡萄糖分子的逆濃度進入細胞。葡萄糖主動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運所需的能量還是間接地來自ATP，為此把這種類型的轉(zhuǎn)運稱為繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運，或稱為聯(lián)合轉(zhuǎn)運（cotransport）。每一種聯(lián)合轉(zhuǎn)運也都與膜中存在的特殊蛋白質(zhì)有關(guān)，稱為轉(zhuǎn)運體（transporter）；而且在不同的情況下，被轉(zhuǎn)運的物質(zhì)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，也屬于繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運。

葡萄糖和一些氨基酸的繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運模式圖

圖2-4 葡萄糖和一些氨基酸的繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運模式圖

上方彎曲的管腔側(cè)膜上的圓和方塊，分別表示同葡萄糖和某些氨

基酸的繼發(fā)性轉(zhuǎn)運有關(guān)的轉(zhuǎn)運蛋白質(zhì)

主動轉(zhuǎn)運是人體最重要的物質(zhì)轉(zhuǎn)運形式，除上述的鈉泵外，目前了解較多的還有鈣泵（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(jié)構(gòu)上和鈉泵有很大類似，都以直接分解ATP為能量來源，將有關(guān)離子進行逆濃度的轉(zhuǎn)運。鈣泵主要分布在骨骼肌和心肌細胞內(nèi)部的肌漿網(wǎng)上，激活時可將胞漿中的Ca⁺迅速集聚到肌漿網(wǎng)內(nèi)部，使胞漿中Ca⁺濃度在短時期內(nèi)下降達成100倍以上；這是誘發(fā)肌肉舒張的關(guān)鍵因素。H⁺-K⁺泵主要分布在胃粘膜壁細胞表面，與胃酸的分泌有關(guān)。