生理学/主动转运

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主动转运细胞通过本身的某种耗能过程,将某种物质的分子或离子由膜的低浓度一侧移向高浓度一侧的过程。按照热力学定律,溶液中的分子由低浓度区域向高浓度区域移动,就像举起重物或推物体沿斜坡上移,或使电荷逆电场方向移动一样,必须由外部供给能量。在膜的主动转运中,这能量只能由膜或膜所属的细胞来供给,这就是主动的含义。前述的单纯扩散易化扩散都属于被动转运,其特点是在这样的物质转运过程中,物质分子只能作顺浓度差、即由膜的高浓度一侧向低浓度一侧的净移动,而它所通过的膜并未对该过程提供能量。被动转运时物质移动所需的能量来自高浓度所含的势能(图示2-3左),因而不需要另外供能(2-3右)。被动转运最终可能达到的平衡点是膜两侧该物质的浓度差为零的情况;如果被动转运的是某种离子,则离子移动除受浓度差的影响外,还受当时电场力的影响,亦即当最终的平衡点达到时,膜两侧的电-化学*的差为应为零。主动转运与此不同,由于膜以某种方式提供了能量,物质分子或离子可以逆浓度或逆电-化学势差而移动。体内某种物质分子或离子由膜的低浓度一侧向高浓度一侧移动,结果是高浓度一侧浓度进一步升高,而另一侧该物质愈来愈少,甚至可以全部被转运到另一侧。如小肠上皮细胞吸收某些已消化的营养物;肾小管上皮细胞对小管液中某些“有用”物质进行重吸收,均属此现象。由于此过程在热力学上为耗能过程,不可能在无供能的情况下自动进行,因此如果在生物体内出现这种情况,说明有主动的跨膜转运在进行,必定伴随了能源物质(常常是ATP)的消耗。

物质的主动转运和被动转运原理示意图


图2-3 物质的主动转运和被动转运原理示意图

物质分子可由高浓度处自动向低浓度处扩散,而分子

由低浓度处移向高浓度处则需另行供能,正如滑雪者可

由高坡自动下滑,而上坡却需要由人体费力一样。

被动转运和主动转运的根本区别即在于此

在细胞膜的主动转运中研究得最充分,而且对细胞的生存和活动可能是最重要的,是膜对于钠和钾离子的主动转运过程。所有活细胞的细胞内液和细胞外液中Na+和K+的浓度有很大的不同。以神经肌细胞为例,正常时膜内K+浓度约为膜外的30倍,膜外的Na+浓度约为膜内的12倍;这种明显的离子浓度差的形成和维持,要依靠新陈代谢的进行,提示这是一种耗能的过程;例如,低温缺氧或应用一些代谢抑制剂可引起细胞内外Na、K+的浓度差减小,而在细胞恢复正常代谢活动后,巨大的浓度差又可恢复。由此认为各种细胞的细胞膜上普遍存在着一种钠-钾泵(sodium-potassium pump)的结构,简称钠泵,其作用是在消耗代谢能的情况下逆烊浓度差将细胞内的Na+移出膜外,同时把细胞外的K+移入膜内,因而保持了膜内高K+和膜外高Na+的不均衡离子分布。

钠泵是镶嵌在膜的脂质分子层中的一种特殊蛋白质,它除了有对Na+K+的转运功能外,还具有ATP酶的活性,可以分解ATP使之释放能量,并能利用此能量进行Na+和K+的主动转运;因此,钠泵就是Na+-K+依赖式ATP酶的蛋白质。钠泵蛋白质已用近代分子生物学方法克隆出来,它们是由α-和β-亚单位组成的二聚体蛋白质,肽链多次穿越脂质双分子层,是一种结合蛋白质。α-亚单位的分子量约为100kd,转运Na+、K+和促使ATP分解的功能主要由这一亚单位来完成;β-亚单位的分子量约为50kd,作用还不很清楚。钠泵蛋白质转运Na+、K+的具体机制尚不十分清楚,但它的启动和活动强度与膜内出现较多的Na+和膜外出现较多的K+有关。钠泵活动时,它泵出Na+和泵入K+这两个过程是同时进行或“耦联”在一起的;根据在体内或离体情况下的计算,在一般生理情况下,每分解一个ATP分子,可以使3个Na+移到膜外同时有2个K+移入膜内;但这种化学定比关系在不同情况下可以改变。

细胞膜上的钠泵活动的意义是:(1)由钠泵活动造成的细胞内高K+,是许多代谢反应进行的必需条件;(2)如果细胞允许大量细胞外Na+进入膜内,由于渗透压的关系,必然会导致过多水分了进入膜内,这将引起细胞的肿胀,进而破坏细胞的结构;(3)它能够建立起一种势能贮备。如所周知,能量只能转换而不能消灭,细胞由物质代谢所获得的能量,先以化学能的形式贮存在ATP的高能磷酸键之中;当钠泵蛋白质分解ATP时,此能量用于使离子作逆电-化学势跨膜移动,于是能量又发生转换,以膜两侧出现了具有高电-化学势的离子(分别为K+和Na+而以势能的形式贮存起来;换句话说,泵出膜外的Na+由于其高浓度而有再进入膜内的趋势,膜内高浓度的K+、则有再有再移了膜的趋势,这就是一种势能贮备。由钠泵造成的离子势能贮备,可用于细胞的其他耗能过程。如下节将详细讨论的Na+、K+等离子在膜两侧的不均衡分布,是神经和肌肉等组织具有兴奋性的基础;由K+、Na+等离子在特定条件下通过各自的离子通道进行的顺电-化学势的被动转运,使这些细胞表现出各种形式的生物电现象。

继发性主动转运钠泵活动形成的势能贮备,还可用来完成一些其他物质的逆浓度差的跨膜转运,这主要见于前面提到的肠上皮和肾小管上皮细胞对葡萄糖氨基酸等营养物质的较为安全吸收现象,这显然有主动转运过程的参与。但据观察,这种理论上要耗能的过程并不直接伴随ATP或其他供能物质的消耗。这些物质的跨膜转运经常要伴有Na+由上皮细胞的管腔侧同时进入细胞;后者是葡萄糖等进入细胞的必要条件,没有Na+由高浓度的膜外顺浓度差进入膜内,就不会出现葡萄糖等分子逆浓度差进入膜内。在完整的在体肾小管和肠粘膜上皮细胞,由于在细胞的基底-外侧膜(或基侧膜,即靠近毛细血管和相邻上皮细胞侧的膜)上有钠泵存在(图2-4),因而能造成细胞内Na+浓度经常低于小管液和肠腔液中Na+浓度的情况,于是Na+不断由小管液和肠腔液顺浓度差进入细胞,由此释放的势能则用于葡萄糖分子的逆浓度进入细胞。葡萄糖主动转运所需的能量不是直接来自ATP的分解,而是来自膜外Na+的高势能;但造成这种高势能的钠泵活动是需要分解ATP的,因而糖的主动转运所需的能量还是间接地来自ATP,为此把这种类型的转运称为继发性主动转运,或称为联合转运(cotransport)。每一种联合转运也都与膜中存在的特殊蛋白质有关,称为转运体(transporter);而且在不同的情况下,被转运的物质分子有的与Na+移动的方向相同,有时两者方向相反。甲状腺细胞特有的聚碘作用,也属于继发性主动转运。

葡萄糖和一些氨基酸的继发性主动转运模式图


图2-4 葡萄糖和一些氨基酸的继发性主动转运模式图

上方弯曲的管腔侧膜上的圆和方块,分别表示同葡萄糖和某些氨

基酸的继发性转运有关的转运蛋白质

主动转运是人体最重要的物质转运形式,除上述的钠泵外,目前了解较多的还有钙泵(Ca2+-Mg2+依赖式ATP酶)、H+-K+泵(H+-K+依赖式ATP酶)等。这些泵蛋白在分子结构上和钠泵有很大类似,都以直接分解ATP为能量来源,将有关离子进行逆浓度的转运。钙泵主要分布在骨骼肌心肌细胞内部的肌浆网上,激活时可将胞浆中的Ca+迅速集聚到肌浆网内部,使胞浆中Ca+浓度在短时期内下降达成100倍以上;这是诱发肌肉舒张的关键因素。H+-K+泵主要分布在胃粘膜壁细胞表面,与胃酸的分泌有关。

参看

32 易化扩散 | 出胞与入胞式物质转运 32
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