細(xì)胞主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)與生命的哲學(xué)思考

1、細(xì)胞主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)與生命的哲學(xué)考慮細(xì)胞主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)與生命的哲學(xué)考慮生命是一個(gè)開放的、有序的、自動(dòng)控制系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的維持前提條件是必須不斷與外界環(huán)境進(jìn)展物質(zhì)、能量、信息的交換，以獲得系統(tǒng)生命活動(dòng)所需要的負(fù)熵。從生物物理學(xué)的觀點(diǎn)來看，生命活動(dòng)不外乎是這三個(gè)量的綜合運(yùn)動(dòng)吸收、轉(zhuǎn)移、貯存和利用。細(xì)胞的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)在生命系統(tǒng)的物質(zhì)、能量、信息有序的綜合運(yùn)動(dòng)中起著決定性的作用。1生物體內(nèi)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的根本概述1.1主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的根本概念及特點(diǎn)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)是細(xì)胞在特殊的蛋白質(zhì)介導(dǎo)下消耗能量，將物質(zhì)從低濃度一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)到高濃度一側(cè)的過程。主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)與被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的根本區(qū)別：對(duì)于一個(gè)開放的生命系統(tǒng)，主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)需要從系統(tǒng)外獲得能量，通過本身的某種耗

2、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)域挪動(dòng)，就像舉起重物或推物體沿斜坡上移，或使電荷逆電場(chǎng)方向挪動(dòng)一樣，必須由外部供應(yīng)能量。在膜的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)中，這能量只能由膜或膜所屬的細(xì)胞來供應(yīng)，這就是主動(dòng)的含義。被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，其特點(diǎn)是在這樣的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)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)的凈挪動(dòng)，而它所通過的膜并未對(duì)該過程提供能量。被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)本文由論文聯(lián)盟.Ll.搜集整理時(shí)物質(zhì)挪動(dòng)所需的能量來自高濃度所含的勢(shì)能，因此不需要另外供能。主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的特點(diǎn)：逆濃度梯度逆化學(xué)梯度運(yùn)輸；需要能量由ATP直接供能或與釋放能量的

3、過程偶聯(lián)協(xié)同運(yùn)輸，并對(duì)代謝毒性敏感；都有載體蛋白，依賴于膜運(yùn)輸?shù)鞍祝痪哂羞x擇性和特異性。具有飽和性。具有競(jìng)爭(zhēng)性。1.2主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的類型及分布根據(jù)供能的方式可將其分為三種類型：ATP驅(qū)動(dòng)泵、協(xié)同運(yùn)輸、光驅(qū)動(dòng)泵。ATP驅(qū)動(dòng)泵分為P型離子泵，或稱P型ATP酶.此類運(yùn)輸泵運(yùn)輸時(shí)需要磷酸化，包括Na+-K+泵、a2+離泵；Na+-K+泵廣泛存在于各種細(xì)胞膜上，對(duì)細(xì)胞生存和活動(dòng)是極其重要的。其生理意義是保持細(xì)胞內(nèi)外的鈉離子、鉀離子濃度差，這對(duì)許多代謝反響和防止細(xì)胞腫脹有重要意義，同時(shí)建立了一種勢(shì)能儲(chǔ)藏，是可興奮細(xì)胞興奮的基矗V型泵，或稱V型ATP酶，主要位于小泡的膜上，如溶酶體膜中的H+泵，運(yùn)輸時(shí)需ATP供

4、能，但不需要磷酸化；F型泵，或稱F型ATP酶.這種泵主要存在于細(xì)菌質(zhì)膜、線粒體膜和葉綠體的膜中，它們?cè)谀芰哭D(zhuǎn)換中起重要作用，是氧化磷酸化或光合磷酸化偶聯(lián)因子。協(xié)同運(yùn)輸與ATP驅(qū)動(dòng)泵不同，葡萄糖和氨基酸的主動(dòng)運(yùn)輸不直接消耗ATP水解提供的能量，而是借助于Na+-K+泵排出的Na+所產(chǎn)生的電化學(xué)梯度使物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞。除ATP-驅(qū)動(dòng)泵和協(xié)同運(yùn)輸外，在一些光合細(xì)菌膜上存在H+泵，這種泵由光激活，產(chǎn)生H+的濃度梯度電化學(xué)梯度，驅(qū)動(dòng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，這種泵稱為光驅(qū)動(dòng)泵。泵蛋白是生物主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)根底，廣泛分布于細(xì)胞膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、高爾基體膜、核糖體膜、線粒體膜、細(xì)胞核膜上。2主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)與生命的新陳代謝新陳代謝是生命

5、的根本特征，它包括物質(zhì)代謝和能量代謝。能量代謝是指機(jī)體的能量的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移、貯存和利用。各種能量物質(zhì)在機(jī)體或細(xì)胞內(nèi)氧化所釋放的能，其總量的50%以上迅速轉(zhuǎn)化為熱能，缺乏50%可以作功的自由能以ATP的形式供機(jī)體或細(xì)胞完成合成代謝細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)功、物質(zhì)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)功、肌肉收縮機(jī)械功、神經(jīng)信息傳遞電力功等根本生理活動(dòng)。主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)在能量代謝中舉足輕重，各種主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的能量來源見表-1，其中，僅Na+-K+泵的轉(zhuǎn)運(yùn)所耗的能量占代謝所獲得的總能量20-30%，由Na+-K+泵活動(dòng)形成的離子勢(shì)能貯備，是繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)如葡萄糖、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞生物電的產(chǎn)生及被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)等生理活動(dòng)的能量來源。在物質(zhì)代謝過程中

6、，細(xì)胞需要不斷選擇性地通過細(xì)胞膜主動(dòng)攝入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)糖、脂類、蛋白質(zhì)、無機(jī)離子等和排出代謝產(chǎn)物，沒有主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)就沒有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝入。這類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)生命極為重要：蛋白體的同化與異化和不停地跟外界進(jìn)展物質(zhì)、能量、信息的交換是生命存在、開展的根本條件和根本動(dòng)力。生命過程，就是蛋白體不斷自我更新、自我復(fù)制、自我調(diào)節(jié)的過程。糖與脂肪是生命不可缺少的能量物質(zhì)。無機(jī)離子離子是維持機(jī)體或細(xì)胞新陳代謝必須元素。鈉、鉀、鈣、氯元素在人體內(nèi)主要以離子狀態(tài)存在于各種組織和細(xì)胞的體液中。在細(xì)胞內(nèi)外，這些離子是不均勻分布的，這種不均勻分布是由主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)現(xiàn)的。鈉、鉀、氯離子對(duì)機(jī)體或細(xì)胞的生理活動(dòng)起著重要的作用；維持細(xì)胞內(nèi)外的浸透

7、壓；維持神經(jīng)、肌肉的正常興奮性；維持機(jī)體內(nèi)的酸堿平衡；參與細(xì)胞內(nèi)糖和蛋白質(zhì)的代謝。鈣在機(jī)體各種生理學(xué)和生物化學(xué)過程中起著重要作用。它能降低毛細(xì)血管和細(xì)胞膜的通透性，防止?jié)B出，控制炎癥和水腫。體內(nèi)許多酶系統(tǒng)ATP酶、琥珀脫氫酶、脂肪酶、蛋白分解酶等需要鈣激活，鈣有助于神經(jīng)遞質(zhì)的產(chǎn)生和釋放。總之，主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)是細(xì)胞新陳代謝的以進(jìn)展的的前提和根底，沒有主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)就沒有新陳代謝，當(dāng)然，主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的本身也要靠新陳代謝來維持。3主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)與生物遺傳生物遺傳是生命的根本特征。遺傳基因，是指攜帶有遺傳信息的DNA或RNA序列，是控制性狀的根本遺傳單位?；蛲ㄟ^指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成來表達(dá)自己所攜帶的遺傳信息，從而控制生物個(gè)體

8、的性狀表現(xiàn)?；虻拇x、重組、突變以及基因表達(dá)的調(diào)控和互相作用都需要主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的參入而的得以實(shí)現(xiàn)。研究顯示【1】2：在真核細(xì)胞中，細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核是兩個(gè)亞細(xì)胞部位，細(xì)胞核膜是二者分隔的重要屏障，核膜上分布的核孔復(fù)合體NP是溝通細(xì)胞核內(nèi)外物質(zhì)交流和信息交流的主要通道。生物大分子經(jīng)核孔復(fù)合體NP跨核膜轉(zhuǎn)運(yùn)是真核細(xì)胞基因復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的必要環(huán)節(jié)，也是聯(lián)絡(luò)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)遞、參與細(xì)胞核反響即細(xì)胞增殖、分化、凋亡等核反響調(diào)控的重要環(huán)節(jié)。一般而言，分子量低于60kD的生物分子可自由通過NP出入細(xì)胞核，而60kD以上的生物大分子通過NP情形較為復(fù)雜，其核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)是一種耗能的需蛋白介導(dǎo)的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過程，無論是入核轉(zhuǎn)運(yùn)還

9、是出核轉(zhuǎn)運(yùn)均需耗能。該過程由核膜Ran蛋白水解GTP為轉(zhuǎn)運(yùn)提供能量，需入核轉(zhuǎn)運(yùn)的生物大分子通常有參與基因復(fù)制、轉(zhuǎn)錄的蛋白因子和各種酶系，如復(fù)制酶、轉(zhuǎn)錄酶、UsnRNP、hnRNP蛋白顆粒和細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子如Stat3等，以及其他需入核才發(fā)揮作用的外源性大分子如基因治療的外源重組DNA、病毒基因等；相反，需出核轉(zhuǎn)運(yùn)的生物大分子包括細(xì)胞核內(nèi)各類RNArRNA、RNA、tRNA、UsnRNP蛋白顆粒、NES蛋白等。由此可見，生物大分子核膜的主動(dòng)核轉(zhuǎn)運(yùn)是真核細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、分化和發(fā)育等生命活動(dòng)的根本保證；是生命遺傳與繁衍的根本保證。4主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)與負(fù)熵熵是用來表征系統(tǒng)混亂程度的物理量，因此這條定律實(shí)際

10、上是在說，孤立系統(tǒng)的混亂程度永遠(yuǎn)是在增加的，直到到達(dá)熱平衡，系統(tǒng)的熵到達(dá)了極大值，系統(tǒng)狀態(tài)將不再改變，歸于寂靜。負(fù)熵就是熵的對(duì)立，熵代表的是無序，而負(fù)熵表示的那么是有序。汲取負(fù)熵，可以簡(jiǎn)單的理解為從外界吸收了物質(zhì)或者能量之后，使系統(tǒng)的熵降低了，變得更加有序了。假如有一種機(jī)構(gòu)，它是一個(gè)開放系統(tǒng)，可以不斷地從外界獲得并積累自由能，它就產(chǎn)生負(fù)熵。生命就是一種高度有序的、開放的、遠(yuǎn)離平衡態(tài)、自組織、耗散構(gòu)造系統(tǒng)3。從量子力學(xué)的角度：當(dāng)生物體吸收了外界環(huán)境的負(fù)熵物質(zhì)和能量，并不是用于增加系統(tǒng)內(nèi)小分子熱運(yùn)動(dòng)的內(nèi)能和熵，而是使系統(tǒng)的定域子從低能級(jí)躍到高能態(tài)，生命產(chǎn)生負(fù)熵狀態(tài)。生命吸收的負(fù)熵物質(zhì)和能量越多，生

11、命的負(fù)熵值越大，生物自組織更加有序，直至到達(dá)某一平衡。主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)是生物負(fù)熵產(chǎn)生的重要環(huán)節(jié)。生物通過主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)從外界不斷地汲取負(fù)熵物質(zhì)蛋白質(zhì)、脂肪、糖以抵消生命運(yùn)作過程中不得不產(chǎn)生的熵增。主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)也造成細(xì)胞內(nèi)外鉀、鈉、鈣、鎂、等離子的不均勻分布，如表-2。細(xì)胞內(nèi)外離子從低能級(jí)到高能態(tài)分布狀態(tài)就是生命從外界不斷地汲取負(fù)熵，到達(dá)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的狀態(tài)特征，而這種細(xì)胞內(nèi)外離子的不均勻分布卻是維持細(xì)胞的興奮性、浸透壓、生物電等生命根本活動(dòng)的重要保障。生命是一個(gè)從無序到有序的開展過程。這是一個(gè)與非生命的自然界截然相反的過程，而且是一個(gè)主動(dòng)的過程。生命有機(jī)體就是賴負(fù)熵為生的4。動(dòng)物從食物中獲得，植物從陽光中獲得。生物可以主動(dòng)的不斷與外界進(jìn)展物質(zhì)和能量交換是生物區(qū)別于普通物體的一個(gè)重要因素。并不否認(rèn)生命系統(tǒng)對(duì)熵定律的挑戰(zhàn)，杰里米里夫金和特德霍華德但他們認(rèn)為，生命積累能量是以消耗宇宙更多的能量為代價(jià)的，也就是說，有機(jī)體的生長(zhǎng)所表達(dá)的熵的微小的、部分的遞減，都伴隨著宇宙總熵的更大范圍的遞增。因此，生命正在使世界加速走向熱寂。5、結(jié)語從性質(zhì)或特征上看，生命具有如下一些特征5：首先，所有生命都處在與外界不斷地進(jìn)展物質(zhì)和能量的代謝過程中。物質(zhì)代謝和能量代謝實(shí)際上是一個(gè)過程的兩個(gè)方面。生命在合成自身物質(zhì)的