- 動(dòng)物生理學(xué)(第四版)
- 陳守良
- 4421字
- 2019-12-06 19:44:42
2.3 通過細(xì)胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)
一個(gè)生活的細(xì)胞需要不斷地吸收和排出多種物質(zhì),也就是說,有許多物質(zhì)要經(jīng)過細(xì)胞膜出入細(xì)胞。通過細(xì)胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)借助于簡(jiǎn)單擴(kuò)散(simple diffusion)、易化擴(kuò)散(facilitated diffusion)和主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)(active transport)三種過程。
有關(guān)擴(kuò)散的一些問題
在討論各種物質(zhì)如何通過細(xì)胞膜之前,先討論有關(guān)擴(kuò)散現(xiàn)象的一些問題。假定在溶液中存在濃度差,由于溶質(zhì)分子和溶劑分子都處在不停的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)之中,溶質(zhì)就會(huì)由高濃度處向低濃度處擴(kuò)散,直到均勻分布在整個(gè)體系之內(nèi)。此后,雖然溶質(zhì)分子仍有布朗運(yùn)動(dòng),但不產(chǎn)生凈流量,因?yàn)楦鱾€(gè)方向的流量相等,所以凈流量為0。在一個(gè)容器內(nèi),一種分子從一端向另一端擴(kuò)散的速率受許多因素的影響。這類分子在兩端的濃度差越大,則擴(kuò)散率越大;進(jìn)行擴(kuò)散的橫截面越大,擴(kuò)散率越大;分子半徑越小,擴(kuò)散率越大;溫度越高,分子運(yùn)動(dòng)越快,擴(kuò)散率也越大。此外,擴(kuò)散率還與溶劑分子的性質(zhì)有關(guān)。某一物質(zhì)的擴(kuò)散率可用下列公式表述:
dv/dt=-Ddc/dx·A (2-1)
dv/dt表示在單位時(shí)間內(nèi)通過截面積A遷移的物質(zhì)數(shù)量;dc/dx表示沿x方向濃度隨距離的變化,即濃度梯度;濃度若隨距離的增加而增加,則濃度梯度為正;負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散是由高濃度處向低濃度處進(jìn)行;D為擴(kuò)散系數(shù)。公式(2-1)就是費(fèi)克(Fick)第一定律。
某物質(zhì)通過膜擴(kuò)散時(shí),不僅受到費(fèi)克第一定律的約束,而且還要受到膜的成分和結(jié)構(gòu)的影響,即除擴(kuò)散系數(shù)以外還必須考慮該物質(zhì)在膜中的濃度與在水中濃度之比,即分配系數(shù)K。因此,該溶質(zhì)單位時(shí)間內(nèi)穿過單位面積膜的流量Φ可表述為:
Φ=DK·(co-ci)/δ (2-2)
δ是膜的厚度,Co和Ci分別是膜外、膜內(nèi)該物質(zhì)的濃度。(2-2)可以寫做:
Φ=DK/δ·(co-ci)
令
P=DK/δ
則
Φ=P(co-ci)
P是該物質(zhì)對(duì)這種膜的通透性系數(shù)(permeability coefficient),以速度(厘米每秒)為量綱。這也就是說,溶質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)穿過單位面積膜的流量與膜內(nèi)外的濃度差成正比。通透性系數(shù)由溶質(zhì)和膜的性質(zhì)以及膜的厚度來定,不同膜對(duì)不同物質(zhì)的通透性變化很大。紅細(xì)胞對(duì)不同物質(zhì)的通透性系數(shù)可由10-8到10-3厘米每秒。激素和其他一些物質(zhì)的分子作用于膜,使許多膜對(duì)物質(zhì)的通透性發(fā)生巨大的改變。
通過脂雙層的簡(jiǎn)單擴(kuò)散
簡(jiǎn)單擴(kuò)散包括脂溶性物質(zhì)通過脂雙層的擴(kuò)散以及水和非脂溶性物質(zhì)通過蛋白質(zhì)通道的擴(kuò)散。
在通過脂雙層的擴(kuò)散時(shí),一個(gè)溶質(zhì)分子要離開水相進(jìn)入膜的脂質(zhì)相,必須先斷開與水分子的全部氫鍵。斷開一個(gè)氫鍵的動(dòng)能約為5千卡每摩[1],這就說明為什么與水分子形成較少氫鍵的分子較容易進(jìn)入脂雙層,而極性分子和無機(jī)離子進(jìn)入脂雙層的概率很低。雖然分子量和分子的形狀也影響非電解質(zhì)在膜中的流動(dòng)性,但決定物質(zhì)通過脂雙層的擴(kuò)散速率是該物質(zhì)的脂溶性。例如,氧、氮、二氧化碳、乙醇等物質(zhì)的脂溶性高,可以直接溶入脂雙層,擴(kuò)散穿過細(xì)胞膜。R.Collander(1937)在大海藻(Chora ceratophylla)細(xì)胞中系統(tǒng)地檢驗(yàn)了通透性系數(shù)與分配系數(shù)的關(guān)系。圖2-8為實(shí)驗(yàn)結(jié)果,表明不同物質(zhì)的橄欖油-水分配系數(shù)與其通透性系數(shù)有近乎線性的關(guān)系。各種非電解質(zhì)的分配系數(shù)的變動(dòng)范圍很大。例如,尿酯的分配系數(shù)是甘油的1000倍,而通透性系數(shù)大約也是甘油的近千倍。分配系數(shù)差別甚大的原因可以從分子的結(jié)構(gòu)來解釋。例如,六碳分子己醇和甘露醇的結(jié)構(gòu)很相似,但己醇只有一個(gè)羥基,而甘露醇卻有6個(gè)烴基(圖2-9)。羥基很容易與水形成氫鍵,因此就降低了脂質(zhì)溶解度。事實(shí)上,增加一個(gè)氫鍵,降低分配系數(shù)40倍;相反,減少氫鍵則通透性增加,因此,己醇擴(kuò)散通過膜比甘露醇要容易得多。
圖2-8 通透系數(shù)與分配系數(shù)的關(guān)系(仿Collender, Trans Faraday Soc, 33: 985-990,1937)
圖2-9 兩個(gè)六碳分子的結(jié)構(gòu)
通過蛋白質(zhì)通道的簡(jiǎn)單擴(kuò)散
物質(zhì)通過細(xì)胞膜的另一途徑是穿過膜上蛋白質(zhì)通道(離子通道)的擴(kuò)散(圖2-10)。鈉、鉀、氯、鈣等無機(jī)離子在脂質(zhì)中的溶解度很低,但它們擴(kuò)散穿過細(xì)胞膜的速率卻比預(yù)期的快得多。此外,不同的細(xì)胞對(duì)這些離子的通透性大不相同,而非電解質(zhì)擴(kuò)散穿過不同細(xì)胞脂雙層的通透性卻相近。人工磷脂雙層對(duì)這些離子實(shí)際上是不通透的,而細(xì)胞膜對(duì)這些離子卻有相當(dāng)高的通透性。以上這些現(xiàn)象提示,細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)成分負(fù)責(zé)這些離子的通透。
圖2-10 離子通道示意圖(仿Rhoades,2009)
在膜中有許多整合膜蛋白(integral membrane protein)貫穿脂雙層,這些蛋白質(zhì)能形成通道(channel),讓離子從其中擴(kuò)散穿越細(xì)胞膜(圖2-10)。有的蛋白質(zhì)分子具有中空管道的構(gòu)型,可以讓離子從中通過;另一些情況下則是幾個(gè)蛋白質(zhì)分子聚集起來構(gòu)成通道。這些蛋白質(zhì)通道的直徑很小,只比穿過它的離子稍大一點(diǎn)。因此只有水分子和某些無機(jī)離子能通過,而較大的有機(jī)分子,如葡萄糖、氨基酸等不能通過。不同細(xì)胞膜上對(duì)同一離子的通透性不同反映了不同細(xì)胞膜上離子通道數(shù)目不同。在一定的離子濃度梯度下,通道數(shù)目多,則跨膜離子流大。
水是很小的極性分子,直徑約為0.3納米。由于水的極性結(jié)構(gòu),穿過非極性的脂雙層比較難。但實(shí)際上水可以很快擴(kuò)散穿過細(xì)胞膜,大多數(shù)細(xì)胞膜對(duì)水的通透性是人工脂膜的10倍。這是由于細(xì)胞膜上的水孔蛋白(aquaporin)構(gòu)成通道,水可以從中擴(kuò)散。不同膜上的通道密度不同,有些細(xì)胞上水通道的數(shù)目(也就是膜對(duì)水的通透性)可以由于接受到的信號(hào)不同而改變。
蛋白質(zhì)通道有兩個(gè)特性:
(1) 蛋白質(zhì)通道的選擇通透性(selective permeability)。許多蛋白質(zhì)通道有很高的選擇性,只允許一種或幾種離子或分子通過,而另一些物質(zhì)則不能通過。這是由通道的直徑、形狀、和電荷性質(zhì)所決定的。例如鈉通道,其大小為0.3納米×0.5納米,而且更重要的是通道內(nèi)表面有強(qiáng)負(fù)電荷。這種強(qiáng)電荷可以把鈉離子從它們的水合分子中曳出來,拉入通道中。鈉離子進(jìn)入通道后即按擴(kuò)散規(guī)律運(yùn)動(dòng)。這樣的鈉通道選擇性地適合鈉離子通過。根據(jù)對(duì)離子的選擇性,蛋白質(zhì)通道可以分為鈉通道、鉀通道、鈣通道等等。
(2) 蛋白質(zhì)通道的門控(gating)。如圖3-38,3-40所示,蛋白質(zhì)通道的閘門(gates)可以打開或關(guān)閉來控制離子的通透性,這叫做門控。蛋白質(zhì)通道的閘門是轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的延伸部分,可以通過蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化來關(guān)閉或打開通道。
閘門的控制有兩種方式: 電壓門控和化學(xué)門控。電壓門控是通道的開關(guān)受到膜兩側(cè)電位差的控制,如鈉通道(見第三章)。化學(xué)門控是通道的開關(guān)受到某些化學(xué)物質(zhì)的控制,如乙酰膽堿通道(見第四章)。
易化擴(kuò)散
在上述兩種擴(kuò)散中,溶質(zhì)內(nèi)流的速度與細(xì)胞內(nèi)外液體中溶質(zhì)的濃度差成正比,這是因?yàn)閮?nèi)流的速度決定于碰撞細(xì)胞膜兩側(cè)的溶質(zhì)微粒數(shù)目之差。某些物質(zhì)(如葡萄糖)由于它的極性和體積過大,既不能靠簡(jiǎn)單擴(kuò)散穿過膜,也不能經(jīng)過離子通道穿過膜。它們通過膜是靠與膜內(nèi)的一種特殊的內(nèi)在蛋白(載體)暫時(shí)結(jié)合,形成一種復(fù)合體。這種結(jié)合引發(fā)蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化將溶質(zhì)分子由膜的一側(cè)帶到膜的另一側(cè)。膜兩側(cè)的溶質(zhì)分子都可與這種蛋白質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合體,將溶質(zhì)分子帶到對(duì)側(cè)去,只有當(dāng)一側(cè)的溶質(zhì)濃度大于另一側(cè)時(shí),才會(huì)產(chǎn)生由濃度高的一側(cè)到濃度低的一側(cè)的凈流量(圖2-11)。
圖2-11 易化擴(kuò)散的圖解
載體蛋白由構(gòu)象A轉(zhuǎn)換成構(gòu)象B將溶質(zhì)分子由膜一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)到另一側(cè),然后再轉(zhuǎn)換回構(gòu)象A(仿Rhoades,2009)
由于膜內(nèi)這種內(nèi)在蛋白的數(shù)目是一定的,當(dāng)它們?nèi)寂c溶質(zhì)分子結(jié)合后,溶質(zhì)內(nèi)流的速度達(dá)到頂點(diǎn)。此時(shí),細(xì)胞外溶質(zhì)的濃度即使再升高,內(nèi)流速度也不會(huì)增加,因而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象(圖2-12C)。這種轉(zhuǎn)運(yùn)方式叫做易化擴(kuò)散。人和脊椎動(dòng)物的細(xì)胞就是通過易化擴(kuò)散攝取葡萄糖和大多數(shù)氨基酸的。已經(jīng)分離純化出5種轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖的載體蛋白。此外,易化擴(kuò)散與通過蛋白質(zhì)通道的擴(kuò)散不同,蛋白質(zhì)通道每秒可以通過數(shù)以百萬計(jì)的離子,而易化擴(kuò)散每秒只能轉(zhuǎn)運(yùn)幾百幾千個(gè)溶質(zhì)分子越過膜。
圖2-12 物質(zhì)穿過細(xì)胞膜不同途徑的不同表現(xiàn)
A.通過脂雙層的簡(jiǎn)單擴(kuò)散; B.通過蛋白質(zhì)通道的簡(jiǎn)單擴(kuò)散; C.易化擴(kuò)散; D.主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)
主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)
簡(jiǎn)單擴(kuò)散和易化擴(kuò)散的結(jié)果都是減少膜兩側(cè)的濃度梯度,即溶質(zhì)由濃度高的一側(cè)流向濃度低的一側(cè)。主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的結(jié)果則是增加膜兩側(cè)的濃度梯度,因?yàn)橹鲃?dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)能將溶質(zhì)分子從低濃度處轉(zhuǎn)運(yùn)到高濃度處,好像把水由低處提升到高處。為了使分子逆著濃度梯度運(yùn)動(dòng),必須提供能量,正像把水泵上山一樣,因此主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)常被稱為“膜泵”(membrane pump)。
主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)與易化擴(kuò)散一樣,依靠細(xì)胞膜上的載體蛋白分子,同樣也出現(xiàn)飽和現(xiàn)象(圖2-12D)。這種載體蛋白有位點(diǎn)與某一特定的溶質(zhì)分子結(jié)合,然后改變它的構(gòu)象,使結(jié)合位點(diǎn)由面向膜的一側(cè)改為面向膜的另一側(cè)。與易化擴(kuò)散不同,主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)載體的位點(diǎn)向著膜的不同側(cè)時(shí)與溶質(zhì)分子結(jié)合的親和力大小不同,這種不同大小的親和力使載體可將溶質(zhì)從低濃度的一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)到高濃度的另一側(cè)。主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)又可分為兩類: 原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)(primary active transport)和繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)(secondary active transport)。
圖2-13 原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的一種圖解
載體的磷酸化和脫磷酸使結(jié)合位點(diǎn)面向膜的不同側(cè)面時(shí)親和力發(fā)生改變(仿Vander et al, 1988)
原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)直接利用ATP為載體蛋白提供能量。載體蛋白起著ATP酶的作用,它的一個(gè)位點(diǎn)催化磷酸化。可能是載體的磷酸化改變了結(jié)合位點(diǎn)的親和力,使親和力增強(qiáng)。當(dāng)載體蛋白改變構(gòu)象,使被轉(zhuǎn)運(yùn)的溶質(zhì)的結(jié)合位點(diǎn)面向膜的另一側(cè)時(shí),載體與磷酸根之間的共價(jià)鍵斷裂,磷酸根脫落使結(jié)合位點(diǎn)的親和力降低。這樣,能量用于載體的磷酸化和脫磷酸,使結(jié)合位點(diǎn)面向不同的側(cè)面時(shí),對(duì)被轉(zhuǎn)運(yùn)溶質(zhì)分子的親和力發(fā)生改變,從而將溶質(zhì)分子從低濃度轉(zhuǎn)運(yùn)到高濃度處(圖2-13)。
已經(jīng)識(shí)別出多種原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)載體,包括鈉鉀泵(圖3-43)、鈣泵和氫泵等。這些載體蛋白都能水解ATP,因此又叫做鈉鉀ATP酶、鈣ATP酶和氫ATP酶等。
繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的能量來源于某種離子的跨膜濃度梯度,而這種濃度梯度則是由原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)所建立的。由鈉鉀泵產(chǎn)生的鈉離子濃度梯度常在繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮作用。繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)很像瀑布,水由高處落到低處可將能量轉(zhuǎn)移給水輪機(jī)去做功,鈉離子由高濃度一側(cè)跨膜運(yùn)動(dòng)到低濃度一側(cè)所釋放的能量可將另一溶質(zhì)由低濃度一側(cè)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)到高濃度一側(cè)。繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白至少有兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn),一個(gè)結(jié)合鈉離子,一個(gè)結(jié)合被轉(zhuǎn)運(yùn)的溶質(zhì)。鈉離子與鈉位點(diǎn)的結(jié)合會(huì)改變轉(zhuǎn)運(yùn)位點(diǎn)的形狀,以致改變這個(gè)位點(diǎn)對(duì)被轉(zhuǎn)運(yùn)溶質(zhì)的親和力,使親和力上升。當(dāng)載體的構(gòu)象轉(zhuǎn)換使原朝向細(xì)胞一側(cè)的結(jié)合位點(diǎn)改為朝向細(xì)胞另一側(cè)時(shí),鈉離子脫離鈉位點(diǎn),使結(jié)合位點(diǎn)的親和力下降,被轉(zhuǎn)運(yùn)的溶質(zhì)脫離結(jié)合位點(diǎn)(圖2-14)。由于鈉鉀泵將鈉離子泵出細(xì)胞,細(xì)胞外鈉離子濃度大大高于細(xì)胞內(nèi)。因此,在膜兩側(cè)鈉位點(diǎn)結(jié)合鈉離子的概率也不同,朝向鈉離子濃度高的細(xì)胞外側(cè)的載體比朝向鈉離子濃度低的細(xì)胞內(nèi)側(cè)的載體結(jié)合鈉離子的概率大,這樣就產(chǎn)生了被轉(zhuǎn)運(yùn)的溶質(zhì)順著鈉離子的濃度梯度由細(xì)胞膜外進(jìn)入細(xì)胞膜內(nèi)的凈流量。小腸上皮細(xì)胞從腸腔中吸收葡萄糖和氨基酸都是通過繼發(fā)性轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。
圖2-14 繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的一種機(jī)制
當(dāng)Na+順著合適的濃度梯度下行時(shí),另一種溶質(zhì)可憑借與Na+偶聯(lián)而逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)。
細(xì)胞外的Na+與轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合(1)可以增強(qiáng)結(jié)合位點(diǎn)對(duì)溶質(zhì)的親和力,使之與轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合(2),即便這時(shí)細(xì)胞外的濃度比細(xì)胞內(nèi)的濃度低。轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的構(gòu)象變化(3)將結(jié)合位點(diǎn)暴露給細(xì)胞內(nèi)的胞液。由于細(xì)胞內(nèi)Na+濃度較低,Na+脫離結(jié)合位點(diǎn)(4)。Na+的離去降低轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)溶質(zhì)的親和力,溶質(zhì)釋放到細(xì)胞內(nèi)(5),盡管細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)的濃度更高。釋放了Na+和溶質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白又恢復(fù)到進(jìn)行第一步所需要的構(gòu)象,這個(gè)循環(huán)重新開始(仿Rhoades,2009)