2.3 通过细胞膜的物质转运

一个生活的细胞需要不断地吸收和排出多种物质，也就是说，有许多物质要经过细胞膜出入细胞。通过细胞膜的物质转运借助于简单扩散（simple diffusion）、易化扩散（facilitated diffusion）和主动转运（active transport）三种过程。

有关扩散的一些问题

在讨论各种物质如何通过细胞膜之前，先讨论有关扩散现象的一些问题。假定在溶液中存在浓度差，由于溶质分子和溶剂分子都处在不停的随机运动之中，溶质就会由高浓度处向低浓度处扩散，直到均匀分布在整个体系之内。此后，虽然溶质分子仍有布朗运动，但不产生净流量，因为各个方向的流量相等，所以净流量为0。在一个容器内，一种分子从一端向另一端扩散的速率受许多因素的影响。这类分子在两端的浓度差越大，则扩散率越大；进行扩散的横截面越大，扩散率越大；分子半径越小，扩散率越大；温度越高，分子运动越快，扩散率也越大。此外，扩散率还与溶剂分子的性质有关。某一物质的扩散率可用下列公式表述：

dv/dt=-Ddc/dx·A （2-1）

dv/dt表示在单位时间内通过截面积A迁移的物质数量；dc/dx表示沿x方向浓度随距离的变化，即浓度梯度；浓度若随距离的增加而增加，则浓度梯度为正；负号表示扩散是由高浓度处向低浓度处进行；D为扩散系数。公式（2-1）就是费克（Fick）第一定律。

某物质通过膜扩散时，不仅受到费克第一定律的约束，而且还要受到膜的成分和结构的影响，即除扩散系数以外还必须考虑该物质在膜中的浓度与在水中浓度之比，即分配系数K。因此，该溶质单位时间内穿过单位面积膜的流量Φ可表述为：

Φ＝DK·(c_o-c_i)/δ （2-2）

δ是膜的厚度，C_o和C_i分别是膜外、膜内该物质的浓度。（2-2）可以写做：

Φ＝DK/δ·(c_o-c_i)

令

P＝DK/δ

则

Φ＝P(c_o-c_i)

P是该物质对这种膜的通透性系数（permeability coefficient），以速度（厘米每秒）为量纲。这也就是说，溶质在单位时间内穿过单位面积膜的流量与膜内外的浓度差成正比。通透性系数由溶质和膜的性质以及膜的厚度来定，不同膜对不同物质的通透性变化很大。红细胞对不同物质的通透性系数可由10^-8到10^-3厘米每秒。激素和其他一些物质的分子作用于膜，使许多膜对物质的通透性发生巨大的改变。

通过脂双层的简单扩散

简单扩散包括脂溶性物质通过脂双层的扩散以及水和非脂溶性物质通过蛋白质通道的扩散。

在通过脂双层的扩散时，一个溶质分子要离开水相进入膜的脂质相，必须先断开与水分子的全部氢键。断开一个氢键的动能约为5千卡每摩^[1]，这就说明为什么与水分子形成较少氢键的分子较容易进入脂双层，而极性分子和无机离子进入脂双层的概率很低。虽然分子量和分子的形状也影响非电解质在膜中的流动性，但决定物质通过脂双层的扩散速率是该物质的脂溶性。例如，氧、氮、二氧化碳、乙醇等物质的脂溶性高，可以直接溶入脂双层，扩散穿过细胞膜。R.Collander（1937）在大海藻（Chora ceratophylla）细胞中系统地检验了通透性系数与分配系数的关系。图2-8为实验结果，表明不同物质的橄榄油-水分配系数与其通透性系数有近乎线性的关系。各种非电解质的分配系数的变动范围很大。例如，尿酯的分配系数是甘油的1000倍，而通透性系数大约也是甘油的近千倍。分配系数差别甚大的原因可以从分子的结构来解释。例如，六碳分子己醇和甘露醇的结构很相似，但己醇只有一个羟基，而甘露醇却有6个烃基（图2-9）。羟基很容易与水形成氢键，因此就降低了脂质溶解度。事实上，增加一个氢键，降低分配系数40倍；相反，减少氢键则通透性增加，因此，己醇扩散通过膜比甘露醇要容易得多。

图2-8 通透系数与分配系数的关系（仿Collender, Trans Faraday Soc, 33： 985-990,1937）

图2-9 两个六碳分子的结构

通过蛋白质通道的简单扩散

物质通过细胞膜的另一途径是穿过膜上蛋白质通道（离子通道）的扩散（图2-10）。钠、钾、氯、钙等无机离子在脂质中的溶解度很低，但它们扩散穿过细胞膜的速率却比预期的快得多。此外，不同的细胞对这些离子的通透性大不相同，而非电解质扩散穿过不同细胞脂双层的通透性却相近。人工磷脂双层对这些离子实际上是不通透的，而细胞膜对这些离子却有相当高的通透性。以上这些现象提示，细胞膜中的蛋白质成分负责这些离子的通透。

图2-10 离子通道示意图（仿Rhoades,2009）

在膜中有许多整合膜蛋白（integral membrane protein）贯穿脂双层，这些蛋白质能形成通道（channel），让离子从其中扩散穿越细胞膜（图2-10）。有的蛋白质分子具有中空管道的构型，可以让离子从中通过；另一些情况下则是几个蛋白质分子聚集起来构成通道。这些蛋白质通道的直径很小，只比穿过它的离子稍大一点。因此只有水分子和某些无机离子能通过，而较大的有机分子，如葡萄糖、氨基酸等不能通过。不同细胞膜上对同一离子的通透性不同反映了不同细胞膜上离子通道数目不同。在一定的离子浓度梯度下，通道数目多，则跨膜离子流大。

水是很小的极性分子，直径约为0.3纳米。由于水的极性结构，穿过非极性的脂双层比较难。但实际上水可以很快扩散穿过细胞膜，大多数细胞膜对水的通透性是人工脂膜的10倍。这是由于细胞膜上的水孔蛋白（aquaporin）构成通道,水可以从中扩散。不同膜上的通道密度不同，有些细胞上水通道的数目（也就是膜对水的通透性）可以由于接受到的信号不同而改变。

蛋白质通道有两个特性：

（1） 蛋白质通道的选择通透性（selective permeability）。许多蛋白质通道有很高的选择性，只允许一种或几种离子或分子通过，而另一些物质则不能通过。这是由通道的直径、形状、和电荷性质所决定的。例如钠通道，其大小为0.3纳米×0.5纳米，而且更重要的是通道内表面有强负电荷。这种强电荷可以把钠离子从它们的水合分子中曳出来，拉入通道中。钠离子进入通道后即按扩散规律运动。这样的钠通道选择性地适合钠离子通过。根据对离子的选择性，蛋白质通道可以分为钠通道、钾通道、钙通道等等。

（2） 蛋白质通道的门控（gating）。如图3-38,3-40所示，蛋白质通道的闸门（gates）可以打开或关闭来控制离子的通透性，这叫做门控。蛋白质通道的闸门是转运蛋白的延伸部分，可以通过蛋白质构象的变化来关闭或打开通道。

闸门的控制有两种方式： 电压门控和化学门控。电压门控是通道的开关受到膜两侧电位差的控制，如钠通道（见第三章）。化学门控是通道的开关受到某些化学物质的控制，如乙酰胆碱通道（见第四章）。

易化扩散

在上述两种扩散中，溶质内流的速度与细胞内外液体中溶质的浓度差成正比，这是因为内流的速度决定于碰撞细胞膜两侧的溶质微粒数目之差。某些物质（如葡萄糖）由于它的极性和体积过大，既不能靠简单扩散穿过膜，也不能经过离子通道穿过膜。它们通过膜是靠与膜内的一种特殊的内在蛋白（载体）暂时结合，形成一种复合体。这种结合引发蛋白质的构象变化将溶质分子由膜的一侧带到膜的另一侧。膜两侧的溶质分子都可与这种蛋白质结合形成复合体，将溶质分子带到对侧去，只有当一侧的溶质浓度大于另一侧时，才会产生由浓度高的一侧到浓度低的一侧的净流量（图2-11）。

图2-11 易化扩散的图解
载体蛋白由构象A转换成构象B将溶质分子由膜一侧转运到另一侧，然后再转换回构象A（仿Rhoades,2009）

由于膜内这种内在蛋白的数目是一定的，当它们全都与溶质分子结合后，溶质内流的速度达到顶点。此时，细胞外溶质的浓度即使再升高，内流速度也不会增加，因而出现饱和现象（图2-12C）。这种转运方式叫做易化扩散。人和脊椎动物的细胞就是通过易化扩散摄取葡萄糖和大多数氨基酸的。已经分离纯化出5种转运葡萄糖的载体蛋白。此外，易化扩散与通过蛋白质通道的扩散不同，蛋白质通道每秒可以通过数以百万计的离子，而易化扩散每秒只能转运几百几千个溶质分子越过膜。

图2-12 物质穿过细胞膜不同途径的不同表现
A.通过脂双层的简单扩散； B.通过蛋白质通道的简单扩散； C.易化扩散； D.主动转运

主动转运

简单扩散和易化扩散的结果都是减少膜两侧的浓度梯度，即溶质由浓度高的一侧流向浓度低的一侧。主动转运的结果则是增加膜两侧的浓度梯度，因为主动转运系统能将溶质分子从低浓度处转运到高浓度处，好像把水由低处提升到高处。为了使分子逆着浓度梯度运动，必须提供能量，正像把水泵上山一样，因此主动转运系统常被称为“膜泵”（membrane pump）。

主动转运与易化扩散一样，依靠细胞膜上的载体蛋白分子,同样也出现饱和现象（图2-12D）。这种载体蛋白有位点与某一特定的溶质分子结合，然后改变它的构象，使结合位点由面向膜的一侧改为面向膜的另一侧。与易化扩散不同，主动转运载体的位点向着膜的不同侧时与溶质分子结合的亲和力大小不同，这种不同大小的亲和力使载体可将溶质从低浓度的一侧转运到高浓度的另一侧。主动转运又可分为两类： 原发性主动转运（primary active transport）和继发性主动转运（secondary active transport）。

图2-13 原发性主动转运的一种图解
载体的磷酸化和脱磷酸使结合位点面向膜的不同侧面时亲和力发生改变（仿Vander et al, 1988）

原发性主动转运直接利用ATP为载体蛋白提供能量。载体蛋白起着ATP酶的作用，它的一个位点催化磷酸化。可能是载体的磷酸化改变了结合位点的亲和力，使亲和力增强。当载体蛋白改变构象，使被转运的溶质的结合位点面向膜的另一侧时，载体与磷酸根之间的共价键断裂，磷酸根脱落使结合位点的亲和力降低。这样，能量用于载体的磷酸化和脱磷酸，使结合位点面向不同的侧面时，对被转运溶质分子的亲和力发生改变，从而将溶质分子从低浓度转运到高浓度处（图2-13）。

已经识别出多种原发性主动转运载体，包括钠钾泵（图3-43）、钙泵和氢泵等。这些载体蛋白都能水解ATP，因此又叫做钠钾ATP酶、钙ATP酶和氢ATP酶等。

继发性主动转运的能量来源于某种离子的跨膜浓度梯度，而这种浓度梯度则是由原发性主动转运系统所建立的。由钠钾泵产生的钠离子浓度梯度常在继发性主动转运中发挥作用。继发性主动转运系统很像瀑布，水由高处落到低处可将能量转移给水轮机去做功，钠离子由高浓度一侧跨膜运动到低浓度一侧所释放的能量可将另一溶质由低浓度一侧跨膜转运到高浓度一侧。继发性主动转运蛋白至少有两个结合位点，一个结合钠离子，一个结合被转运的溶质。钠离子与钠位点的结合会改变转运位点的形状，以致改变这个位点对被转运溶质的亲和力，使亲和力上升。当载体的构象转换使原朝向细胞一侧的结合位点改为朝向细胞另一侧时，钠离子脱离钠位点，使结合位点的亲和力下降，被转运的溶质脱离结合位点（图2-14）。由于钠钾泵将钠离子泵出细胞，细胞外钠离子浓度大大高于细胞内。因此，在膜两侧钠位点结合钠离子的概率也不同，朝向钠离子浓度高的细胞外侧的载体比朝向钠离子浓度低的细胞内侧的载体结合钠离子的概率大，这样就产生了被转运的溶质顺着钠离子的浓度梯度由细胞膜外进入细胞膜内的净流量。小肠上皮细胞从肠腔中吸收葡萄糖和氨基酸都是通过继发性转运系统。

图2-14 继发性主动转运的一种机制
当Na⁺顺着合适的浓度梯度下行时，另一种溶质可凭借与Na⁺偶联而逆浓度梯度转运。
细胞外的Na⁺与转运蛋白结合（1）可以增强结合位点对溶质的亲和力，使之与转运蛋白结合（2），即便这时细胞外的浓度比细胞内的浓度低。转运蛋白的构象变化（3）将结合位点暴露给细胞内的胞液。由于细胞内Na⁺浓度较低，Na⁺脱离结合位点（4）。Na⁺的离去降低转运蛋白对溶质的亲和力，溶质释放到细胞内（5），尽管细胞内溶质的浓度更高。释放了Na⁺和溶质的转运蛋白又恢复到进行第一步所需要的构象，这个循环重新开始（仿Rhoades,2009）