物质转运：载体与离子通道的特性与功能

2023-11-03 理论教育版权反馈

【摘要】：载体帮助物质转运，具有专一性，如葡萄糖载体只能转运葡萄糖，不能转运氨基酸。载体所转运的物质，一般是营养物质和代谢产物；而离子通道所转运的带电离子，则与细胞的生物电活动有密切关系。它能利用生物能量，逆浓度差转运Na+和K+，始终保持细胞外的Na+浓度远远高于细胞内、细胞内的K+浓度远远高于细胞外。

细胞在生命活动过程中，不断地进行细胞内外物质交换，一切交换都要通过细胞膜来完成，这就是细胞膜的物质转运功能。

细胞膜的基本结构是脂质双分子层，只有脂溶性、小分子的物质才可以自由通透，这样的物质主要包括氧、二氧化碳等气体分子。自由通透的交换方式叫作单纯扩散，扩散方向取决于该物质在膜两侧的浓度差。单纯扩散是细胞呼吸的主要方式，由动脉血带来的氧气到达毛细血管网，可以自由透过毛细血管壁进入组织间液，再透过细胞膜进入细胞内；细胞内产生的二氧化碳，可以自由透过细胞膜进入组织间液，再进入毛细血管，由静脉血带到肺，呼出体外。气体在肺部的交换也是单纯扩散方式。吸入气体中的氧浓度较高，透过肺泡壁向毛细血管内扩散；毛细血管内的二氧化碳浓度较高，则向肺泡内扩散。单纯扩散是一种物理现象，其扩散的力量来源于浓度差，并不额外消耗生物能量。

有些物质虽然不溶于脂肪，也可以顺浓度差、透过细胞膜进行转运，但必须借助于细胞膜上的小工具。这些小工具都是镶嵌在膜上的蛋白颗粒，它们拥有特殊的结构和功能，有的负责转运葡萄糖、氨基酸这样的物质，叫作载体；有的负责转运带电离子如钠（Na+）、钾（K+）、钙（Ca2+）、氯（Cl-）等，叫作离子通道。

载体帮助物质转运，具有专一性，如葡萄糖载体只能转运葡萄糖，不能转运氨基酸。载体转运物质也是顺浓度梯度进行，在一定范围内，浓度差越大，转运量越大；但是，如果等待转运的物质太多，会有饱和现象。这就像检票进站一样，等待进站的人多，就加快检票速度，但不能无限加快。

带电离子不能随意透过细胞膜，其跨膜流动必须通过细胞膜上的闸门，这就是离子通道。各种离子有自己专门的通道，如Na+通道、K+通道、Ca2+通道等；一种离子可以有多种通道，有的快，有的慢，如快K+通道、慢K+通道等。这些离子通道并不是经常处于开放状态，而是根据细胞的生理活动，有节奏的开放和关闭。这就像水库的闸门，什么时候开放、开多大、开放多少时间，要按程序进行。某一种离子通道开放，相应的离子就顺浓度梯度跨膜流动，就像水闸开放，水从高位向低位流动一样。

载体所转运的物质，一般是营养物质和代谢产物；而离子通道所转运的带电离子，则与细胞的生物电活动有密切关系。正常情况下，细胞膜两侧的离子分布不均衡，膜外的Na+浓度远高于膜内，而膜内的K+浓度远高于膜外，这种不均衡状态有赖于生物泵的工作（后述）。由于带电离子不能随意透过细胞膜，膜内膜外带电离子浓度不均衡就会造成跨膜电位（膜内膜外的电压差）。当离子通道开放，带电离子跨膜流动，就形成电流。跨膜电位和电流的变化就是生物电。人体内许多种细胞都产生生物电，如横纹肌细胞、平滑肌细胞、神经细胞、各种腺细胞等。生物电是细胞生命的表现形式，是信号传递的基础。使用精密的电学装置可以探测单个细胞的生物电，这需要将电极插入细胞内。我们也可以从体表探测和记录生物电，如心电图、脑电图、肌电图等。不过，从体表记录的生物电不是来源于单个细胞，而是综合一大群细胞的生物电活动。心脏是一个肌肉器官，它的生物电活动有序而同步，形成较高的电压和较强的电流。因此，从体表记录的心电图能实时反映心脏的活动节律。(www.chuimin.cn)

细胞生物电活动以电脉冲的形式发放，每次发放都要经历能量蓄积—电流爆发—能量再蓄积的过程。在安静状态下，细胞膜两侧维持一个电压，内负外正，这是势能的蓄积；细胞激动时，Na+通道打开，Na+携带正电荷快速内流，形成一个电流脉冲；紧接着，Na+通道关闭，其他相关的离子通道（主要是各种不同的K+通道和Ca2+通道）按程序开放和关闭，细胞膜的跨膜电位恢复到静息状态，完成能量再蓄积过程。

电脉冲发生过程中，带电离子通过开放的离子通道跨膜流动，都是顺浓度梯度进行的，不直接消耗能量。但是，每次发放电脉冲之后，恢复静息膜电位、完成能量再蓄积的过程需要生物泵的参与，生物泵的工作要消耗能量。

细胞激动、电脉冲发放过程中流入细胞内的Na+，必须被转运到细胞外；流出细胞外的K+必须被转运到细胞内，才能重新构筑起跨膜电位。由于细胞膜外的Na+浓度总是高于细胞内，而膜内的K+浓度总是高于细胞外，因此，这些转运过程是逆浓度梯度进行的，有赖于生物泵的工作，这种生物泵叫作钠—钾泵，简称钠泵。

钠泵是镶嵌在细胞膜上的蛋白质，具有特殊的结构和功能。它能利用生物能量，逆浓度差转运Na+和K+，始终保持细胞外的Na+浓度远远高于细胞内、细胞内的K+浓度远远高于细胞外。带电离子在细胞膜两侧的不均衡分布意义重大。一方面，细胞内的各种代谢反应需要高钾、低钠环境；另一方面，带电离子分布的不均衡状态是一种势能储备，是细胞兴奋时产生生物电的动力所在。以心脏为例，心脏不停地、节律性地跳动，每跳动一次都要发生生物电，伴随着Na+内流和K+外流。因此，心肌细胞膜上的钠泵必须不停地工作，始终维持细胞膜两侧的离子浓度，这个过程要消耗大量的能量。

物质转运：载体与离子通道的特性与功能

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