物質進出細胞方式

1、物質出入細胞的方式摘要：由于細胞膜的化學組成和結構特征，使其對各種物質出入細胞具有控制作用。細胞控制物質出 入的方式包括自由擴散、 協(xié)助擴散、主動運輸以及內吞和外排作用。不同的物質有不同的出入細胞的方式，同一種物質在不同的條件下也可能以不同的方式出入細胞。本文著重介紹的是非脂溶性的極性分子和帶電 離子通過膜的方式問題。關鍵詞：自由擴散 協(xié)助擴散 主動運輸 內吞和外排作用 通道載體在各時期高中生物教科書上都有關于物質出入細胞方式的內容，因為這是細胞膜最重要的功能。但課 本對這部分內容談得比較膚淺，沒有深入展開，有些老師和同學在總結物質出入細胞方式的時候為了記憶 方便，習慣與說成：水、氧氣、二氧化

2、碳、甘油、脂肪酸、苯、乙醇等通過自由擴散方式穿過細胞膜；葡 萄糖進入紅細胞的方式是協(xié)助擴散；葡萄糖進入其他細胞以及其他小分子和離子（如氨基酸、Na +、K+等）在各種情況下都以主動運輸方式進出細胞。其實這種說法很不恰當，因為葡萄糖除以協(xié)助擴散方式進入紅 細胞外，也可以以協(xié)助擴散方式進入其他細胞；氨基酸、葡萄糖、Na +、K+等除了以主動運輸方式進出細胞，也可以以其他方式進出細胞。物質出入細胞的方式不光與細胞膜的結構和功能有關，也與這些物質理 化性質及細胞內外濃度差有關。以下是從不同物質的角度對它們進出細胞的方式做個簡單的總結。1. 脂溶性的非極性分子在任何細胞中都以自由擴散方式穿過磷脂雙分子層

3、脂溶性的非極性分子包括甘油、脂肪酸、苯、脂溶性維生素、02等。由于細胞膜中含有大量磷脂，并形成雙分子層構成細胞膜的基本支架，根據(jù)相似相溶原理，這些物質就能直接穿過脂雙層而進出細胞。當 然，它們是進還是出，則完全取決于細胞內外濃度差：若細胞外濃度高就進入細胞，若細胞內濃度高就流 出細胞，動力都是來自濃度差。由此可見，這些物質出入細胞的方式屬于自由擴散，擴散的最終結果使這 些物質在細胞內外保持平衡，若不能保持平衡就會一直擴散下去。2 非脂溶性的極性分子和帶電離子通過膜蛋白以不同的方式進出細胞2. 1 水等分子量很小的極性小分子物質通過特殊通道以自由擴散的方式穿過膜水、二氧化碳、乙醇、尿素等極性小分

4、子不溶于脂，因而不能像脂溶性物質那樣直接穿過磷脂雙分子 層，但它們卻是典型的以自由擴散方式穿過膜的物質。那么它們是怎樣進行自由擴散的呢？目前弄得比較 清楚的是水的自由擴散過程。科學家研究發(fā)現(xiàn)，在細胞的膜蛋白中有一類具有通道作用的蛋白質，叫做通 道蛋白，在通道蛋白中又有一種是專門提供給水進出細胞的，叫水的通道，這種水的通道的典型特征是具 有特定大小的孔徑，這種孔徑可以保證水的通過，但其他物質卻不能通過，并且這種水的通道是始終開放 著的，所以細胞內外的水分子只要存在濃度差，就會由高濃度一側穿過該通道進入低濃度一側，使細胞兩 側的水分子濃度保持平衡。這類物質的自由擴散和脂溶性物質的自由擴散的主要區(qū)別

5、表現(xiàn)在途徑上：一個 是通過磷脂雙分子層，一個是通過通道蛋白。2. 2 .葡萄糖和氨基酸等分子量較大的極性小分子通過載體以協(xié)助擴散和主動運輸兩種方式出入細胞 葡萄糖和氨基酸等小分子顆粒因為是極性分子，不溶于脂，同時細胞膜上又缺乏相應的通道蛋白，所 以它們既不能以自由擴散方式穿過脂雙層，也不能像水那樣通過通道來進行自由擴散。但細胞膜上有能分 別與葡萄糖和氨基酸等小分子特異性結合的載體蛋白，這種載體蛋白能通過與相應物質發(fā)生特異性結合， 使蛋白質的構象發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對相應物質的跨膜運輸。這種跨膜運輸當把所運輸?shù)奈镔|由高濃度一 側運輸?shù)降蜐舛纫粋葧r，不需消耗細胞代謝所產(chǎn)生的能量，是一個協(xié)助擴散的過程

6、；但若是把所運輸?shù)奈?質由低濃度一側運輸?shù)礁邼舛纫粋葧r，則需消耗細胞代謝所產(chǎn)生的能量，是一個主動運輸?shù)倪^程。例如， 人體消化道內的葡萄糖和氨基酸因濃度一般低于消化道上皮細胞，所以它們吸收到人體內的過程是主動運 輸；而紅細胞等組織細胞因葡萄糖和氨基酸的濃度低于它們所處的內環(huán)境，所以吸收的方式一般是協(xié)助擴 散。有人為了探究小腸上皮細胞是否一定以主動運輸方式吸收葡萄糖，將小腸上皮細胞分別放在葡萄糖濃 度高于小腸上皮細胞和葡萄糖濃度低于小腸上皮細胞的葡萄糖溶液中，通過觀察小腸上皮細胞的耗氧量來 確定葡萄糖的運輸方式，結果發(fā)現(xiàn)小腸上皮細胞在外界葡萄糖濃度高于小腸上皮細胞時，耗氧量明顯低于 外界葡萄糖濃度

7、低于小腸上皮細胞時的耗氧量。而放在高濃度葡萄糖溶液中的小腸上皮細胞，開始耗氧相 對較慢，但隨著細胞外的葡萄糖不斷被吸收，在某一時刻，小腸上皮細胞的耗氧量會突然增加。耗氧量增加其實是細胞消耗 ATP增加的表現(xiàn)，所以上述實驗證明了小腸上皮細胞既可以通過主動運輸方式吸收葡 萄糖，也可以通過協(xié)助擴散方式吸收葡萄糖。具體哪種方式則是取決于細胞內外的葡萄糖濃度差。2. 3. Na+、K、Ca2+等帶電離子通過通道和載體以自由擴散、協(xié)助擴散和主動運輸三種方式出入細胞Na+、K+、Ca2+等帶電離子因為帶有電荷，顯然不能以自由擴散方式穿過磷脂雙分子層，但這并不 意味著它們就不能進行自由擴散，事實上不同的離子在

8、不同的條件下可以以自由擴散、協(xié)助擴散和主動運 輸三種方式出入細胞。首先，有些離子可以通過自由擴散出入細胞。細胞膜上通道蛋白除了前面提到的水通道之外，還有一些門通道，女口 Na+通道、K+通道等。這些門通道同樣具有專一性，如Na+通道只能讓Na+通過，K+通道只讓K+通過。但與水通道不同的地方是：水通道是連續(xù)開放的，水分子只要在通道兩側有濃度差存在， 就會穿過通道；門通道的開放是不連續(xù)的，只有在特定條件刺激下，門通道被瞬時打開，相應的離子才能 穿過通道，并且是由高濃度一側流到低濃度一側，可見此時的穿越方式應屬于自由擴散。典型的例子是神 經(jīng)細胞在受到刺激時，細胞的膜電位會由外正內負變成外負內正，這

9、主要是由于細胞外高濃度Na+通過Na +通道的瞬時打開自由擴散到細胞內的結果。不過離子通道的開啟時間是極短的，一般在幾毫秒后，通 道關閉，這種自由擴散就會停止，所以Na +、K+不能通過這些門通道的自由擴散而使細胞內外的Na +、K+離子保持平衡。當然并非所有的離子在細胞膜上都有與之對應的通道，所以也就不能認為所有的離子都能在細胞膜上 進行自由擴散。其次，還有些離子可以通過協(xié)助擴散出入細胞。有些離子在細胞膜上有與之相對應的可動離子載體，這些可動離子載體能與相應離子結合，在細胞不提供ATP的情況下，把它們由高濃度一側運輸?shù)降蜐舛纫粋?，這樣的離子穿越細胞膜的方式屬于協(xié)助擴散。例如纈氨霉素就是一種可

10、動離子載體，它能運輸K+順著電化學梯度穿過細胞膜；離子載體A23187能運輸二價的陽離子（如 Ca2+、Mg 2+ ）同樣順著濃度梯度穿過細胞膜。圖：由載體蛋白所介導的運輸速率與由通道蛋白所介導的運輸速率比較通過前兩點所述，我們可以看出，有些離子 既可以通過通道介導進出細胞，又可以通過載體 介導進出細胞，如 K+。區(qū)別在哪呢？載體和和 通道所介導的溶質擴散最大區(qū)別表現(xiàn)在擴散速 率上，由通道蛋白所介導的溶質擴散速率總是與 溶質濃度成正比，而由載體蛋白所介導的溶質擴 散速率根據(jù)其結合的溶質的量而有變化（見圖），這也進一步說明由載體蛋白所介導的溶質擴散 和通道蛋白所介導的溶質擴散分別屬于協(xié)助擴 散和

11、自由擴散。另外，不同細胞具有的載體和通 道情況是不同的，有的細胞通過載體介導， 有的 細胞則通過通道介導。最后，各種離子還可以通過主動運輸出入細胞。各種離子在由高濃度向低濃度運輸時，通過自由擴散和協(xié)助擴散實現(xiàn)，而在由低濃度一側運輸?shù)礁邼舛纫粋葧r，都必須通過主動運輸方式才能實現(xiàn)，與前面兩種運輸方式不冋的地方表現(xiàn)在：第一，運輸過程需細胞代謝提供能量 ATP ;第二，需特定的載體，如Na+、K+運輸需鈉鉀泵，Ca2+的運輸需鈣泵，并且這些“泵”是不冋于前面的通道和載體的。3蛋白質、多核苷酸和多糖等大分子以內吞和外排作用進出細胞如上所述，運輸?shù)鞍啄芙閷гS多小的極性分子通過細胞膜，但是它們不能運輸大分子，如蛋白質、多 核苷酸和多糖等?？闪硪环矫妫蟛糠旨毎帜軘z入和排出特定的大分子，甚至顆粒物質都可以進出細胞,這一過程就是通過內吞和外排作用實現(xiàn)的。內吞和外排作用的機理不同于小的分子和離子的運輸，它涉及 到一些有界膜的小囊泡有順序的形成和融合，具體過程就不再累述?？傊?，大部分物質出入細胞的方式是多樣的，尤其是極性的分子和離子，更是要受到膜蛋白的控制。 我們不能籠統(tǒng)地認為大部分物質都只能通過主動運輸才能進出細胞，其實細胞在不同的生