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主要内容

扩散和被动运输

讲到了膜的选择渗透性、扩散和促进传输(包括通道和载体蛋白)。

介绍

你最近去过机场安检吗?如果你去过的话,你可能已经注意到安检的地方是精心设计来让一些东西进来(如带着票的乘客),并不让其他东西进来(如武器、炸药和瓶装水)。空乘人员、机长和机场人员通过特殊通道快速通过,而普通乘客通过的速度较慢,有时还需要一段很长的排队时间。
在许多方面,机场安检很像一个细胞的质膜。细胞膜具有 选择性渗透 的特点,调节哪些物质可以通过以及在给定时间内可以进入或排除多少物质。选择性渗透性是细胞获得营养物质、消除废物和维持与周围环境不同的稳定内部环境 (保持稳态)的能力所必需的。
穿过膜的最简单的传输形式是被动的。 被动运输 不要求细胞消耗任何能量,并涉及一种物质通过细胞膜沿着浓度梯度扩散。 浓度梯度 只是一个空间区域,在其中物质的浓度有变化,物质会自然地沿梯度移动,也就是从浓度较高的区域移动到较低的区域。
在细胞中,一些分子可以直接通过穿过膜的脂质部分来沿浓度梯度下行,而其他分子必须通过膜蛋白质,这个过程被称为协助扩散。这里我们将更详细地看一看膜渗透性和不同的消极运输模式。

选择性渗透性

等离子体膜的磷脂是 两性的 :它们具有亲水性(爱水) 和疏水性(怕水)的区域。质膜的疏水核心帮助一些材料穿过膜,同时阻碍其他分子的流动。
磷脂的结构,显示出它疏水的脂肪酸尾吧和亲水的区域。一个双层膜是由双层磷脂组成,其头部指向外面而尾巴夹在中间,就像图中显示的那样。
图像修改自 OpenStax Biology.
极性分子和带电分子在穿过膜时会遇到的困难要大得多。极性分子可以很容易地与膜的外表面相互作用,在那里能发现很多带负电荷的分子头部,但它们很难通过膜的疏水核。例如,水分子不能迅速穿过膜(不过由于它们体积小并且缺少一个完整电荷,它们可以缓慢地穿过膜)。
此外,虽然较小离子的大小正好可以滑过细胞膜,但是他们的电荷阻碍了它们的移动。这意味着像钠、钾、钙和氯化物这样的离子不能通过简单扩散大量穿过细胞膜,而必须通过专门的蛋白质来运输(这个我们将稍后讨论)。更大的带电分子和极性分子,如糖和氨基酸,也需要蛋白质的帮助来有效地跨越细胞膜。

扩散

扩散 过程中,一个物质往往从一个较高浓度的地方流向一个较低浓度的地方,直到在这片区域里的浓度均匀。例如,想象一下有人在一间房间中间打开了一瓶清洁用的氨水。氨分子一开始会最集中在打开瓶子的地方,而只有几个或没有分子会在房间的边缘。渐渐的,氨分子会开始扩散,或者说开始散开,远离它原来释放的地方,最后你在房间的边缘都会闻见氨水的味道。最终,如果瓶子拧上了瓶盖并且房间是封闭的,氨分子会均匀分布在体积之内。
任何类型的分子都会发生同样的情况:作为一个群体,它们往往会从一个更集中的区域转移到一个不太集中的区域。要理解这一点,请想象一个分子更集中的区域(比如氨水刚刚打开的地方),和一个分子不那么集中的区域 (它所在的房间)。由于集中区域有大量的氨分子,分子们很有可能会从那里进入非集中区。但由于非集中区的氨分子很少, 相反的情况发生的可能性相当小。
因此,随着时间的推移,分子的净移动将会是走出更集中的地区,进入较集中的地区,直到浓度达到同等水平(在那个时候,分子有同样可能朝两个方向移动)。这一过程不需要任何能源投入; 事实上,一个浓度梯度本身就是一种储存能量(势能)的方式,而在浓度变得均匀的过程中,能量被逐渐消耗。
图像显示了质膜间的扩散过程。最初,分子的浓度在外面较高。分子净运动从细胞的外部到内部, 直到两边的浓度相等。
图片来源:OpenStax Biology,由Mariana Ruiz Villareal的原创作品修改
分子可以通过扩散在细胞的胞质溶胶中移动,有些分子也会在质膜间扩散 (如上图所示)。溶液或空间中的每一种物质都有自己的浓度梯度,与其他物质的浓度梯度无关,并它将根据该梯度扩散。在其他因素相同的情况下,浓度梯度越强(区域之间的浓度差异较大),扩散速度越快。因此,在单个细胞中,不同分子的扩散速度和方向可能不同。例如,氧气可能通过扩散进入细胞;同时,二氧化碳可能会顺从自身浓度梯度而离开细胞。

协助扩散

一些分子,如二氧化碳和氧气可以直接扩散通过质膜,但其他分子需要帮助才能跨越膜的疏水核心。在 促进传播中,分子在膜蛋白(如通道和载体)的帮助下扩散通过质膜。
这些分子都具有浓度梯度,因此通过顺梯度而下,它们都有有扩散进入(或离开)细胞的潜能。然而,由于他们是带电的或具有极性,在没有帮助的情况下,他们不能跨越磷脂膜。协助运输蛋白把这些分子和细胞膜的疏水核心隔离开,提供了一个他们可以通过的路径。协助运输蛋白的两个主要类别是通道蛋白和载体蛋白。

通道

通道蛋白 跨越细胞膜,使自身的亲水通道穿过细胞膜,从而让目标分子扩散通过。通道是非常具有选择性的,也就是它只会运输一种类型的分子(或几个密切相关的分子)。通过通道蛋白可以让极性的和带电的化合物避开质膜的疏水核心,否则核心会阻碍或减缓它们进入细胞。
通道蛋白的图像,它形成了一个隧道来允许特定的分子穿过膜(沿着其浓度梯度而下)。
_图片修改自Mariana Ruiz Villareal(公共领域)“Scheme facilitated diffusion in cell membrane”_
水通道蛋白 是允许水迅速穿过膜的通道蛋白质,它们在植物细胞、红血球和肾的某些部位(在这里它们最大限度地减少了尿液丢失的水)中发挥重要作用。
一些通道蛋白一直处于打开状态,但另一些通道是“门控” 的,这意味着这些通道可以打开或关闭来响应特定的信号(如电信号或一个分子的结合)。如同神经和肌肉细胞一样参与电信号传输的细胞,在其细胞膜中有钠、钾和钙离子的门控离子通道。这些通道的打开和关闭,以及由此产生的细胞内离子水平的变化,在沿细胞膜的电传输(神经细胞)和肌肉收缩 (肌肉细胞)中发挥着重要作用。

载体蛋白

另一类参与协助运输的跨膜蛋白由载体蛋白组成。 载体蛋白 可以改变它们自己的形状,将目标分子从膜的一侧移动到另一侧。
图像展示了载体蛋白如何在膜的一侧结合目标分子,进行形状变化,并在膜另一侧释放目标分子。
_图片修改自Mariana Ruiz Villareal(公共领域)“Scheme facilitated diffusion in cell membrane”_
与通道蛋白一样,载体蛋白通常对一种或几种物质有选择性。通常情况下,他们会改变形状以响应他们与目标分子的结合,用形状的变化将分子移动到膜的另一侧。协助扩散的载体蛋白只是为亲水分子提供了一种沿着现有的浓度梯度移动的方法(而不是充当泵)。
通道和载体蛋白以不同的速率运输材料。一般来说,通道蛋白比载体蛋白运输分子的速度要快得多。这是因为通道蛋白是简单的隧道;与载体蛋白不同的是,它们不需要每次移动分子时都改变形状和“复位”。一个典型的通道蛋白可能会在每秒几千万分子的速度促进扩散,而载体蛋白的工作速度可能是每秒一千个左右的分子1

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