吸收与转运

在动物进化过程中，随着细胞数目增多，出现了消化道及体腔。外界各种营养物质通过消化道进入机体内部，消化后主要在小肠被吸收。各种消化产物以及水分和盐类等通过上皮细胞进入血液和淋巴系统，这个过程称为吸收。吸收以后，营养物质又通过体液循环运送到机体各个组织细胞，这个过程称为转运。无论是通过消化道上皮细胞的吸收还是通过体液循环达到与其他系统交接处，即毛细血管处的物质交流，最后往往是由单层细胞组成的，都存在着横向通过细胞膜的转运问题。因此吸收与转运是不能截然分开的。
吸收与转运的分子基础 细胞膜主要是由液态的脂类物质构成，理论上只有脂溶性物质才能通过细胞膜。但事实上一个进行着新陈代谢的活细胞，不断有各种各样物质 (从离子、小分子物质到蛋白质等大分子以及团块性物质及液体) 进出细胞。这些物质的理化性质各异，而且大多数是不溶于脂类而溶于水的，说明细胞膜具有复杂的转运功能。近年发现，不同物质分子或离子通过细胞膜，是由镶嵌在膜内的特殊蛋白质来完成的。这种转运以及细胞膜通道开放或关闭的详细机理知道得尚少。现将几种常见的细胞膜物质转运的形式分述如下：
单纯扩散 单纯扩散遵循一般的物理学扩散原理，溶质分子从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。由于细胞膜主要是由脂类构成的一层膜，因此只有能溶于脂类的分子才有可能单纯扩散过膜。扩散通量，即每平方厘米面积每秒通过某一物质的克分子数，不仅决定于该物质在膜两侧的浓度梯度，也决定于细胞膜对该物质的通透性。据目前研究，人体内单纯扩散通过细胞膜的物质是较少的，比较肯定的只有CO2和O2等气体分子，它们进出细胞膜纯属一种物理现象。例如在肺泡气体和肺毛细血管血液之间，O2通过膜进入血液，CO2由血液进入肺胞，就是单纯受各种气体在细胞膜两侧的浓度差所决定的。除此之外，其他物质，即使是某些脂溶性物质，如固醇类激素由体液进入细胞，也需要膜上某些蛋白质帮助，即有其专属的蛋白质通道。因此单纯扩散不是细胞膜物质转运的主要形式。
溶剂牵引 一些脂肪的溶剂，如麻醉剂乙醚及氯仿等很容易透过细胞膜，因为它们是通过作为细胞膜组成的基础物质脂类部分而进入的。这些物质的进入不是取决于它们的浓度而是取决于脂溶性程度的大小。凡脂溶性程度大的物质，其通透性也比较大。这种类型的扩散称为溶剂牵引。
易化扩散 一些非脂溶性的物质或亲水性的物质，由浓度高处向浓度低处移动的过程，它不是通过上述两种扩散，而借助于细胞膜上一定的物质帮助进行的。这种帮助扩散的物质称为 “导体”，是镶嵌于细胞膜上的物质，可以是蛋白质，也可以是非蛋白质，现在认为 “导体”可分两类：
(1) 离子导体： 某些物质对某些离子有特异的亲和力，存在着离子导体时，使细胞膜组成的分子内部空间结构形成或出现适合某特定离子通过的通道。如缬氨霉素对钾离子转运过膜来说就起着这种导体的作用，特异性很高，当缬氨霉素存在时，可使钾离子迅速通过细胞膜。
(2) 分子导体： 另一些亲水的小分子物质，如葡萄糖、氨基酸等，它们透过膜的机理，现在认为是细胞膜上存在着一种分子导体的作用。也有人把分子导体称为 “透酶”。它的化学本质是蛋白质，是构成细胞膜的一个组成成份。
易化扩散的基本过程相似，一方面靠细胞膜上“导体”对被转运物质的特异亲和力，另一方面也依靠这些导体与被转运物质结合后的构象变化。易化扩散有以下三个特点：
❶导体与被转运物质之间具有高度的结构特异性，即每一种导体只能转运具有某种化学结构的物质；
❷转运有极限性（饱和现象），当转运导体的结合能力发挥到最大限度时，再增加待转运物质的量并不继续增加转运量；
❸被转运物质的结构类似物的竞争性抑制，即如果某一转运蛋白质对A和B两种结构类似的物质都有转运能力，那么环境中增加B物质的量将会减少对A物质的转运，这是因为一定数量的导体的竞争性被B占据的结果。
主动转运 依赖于细胞内的代谢，细胞膜消耗能量，将每种物质分子内膜的低浓度一侧向高浓度一侧的移动过程。
主动转运是人体中最重要的物质转运形式。以最重要的、研究得比较充分的钠、钾离子的主动转运为例，人和所有动物的细胞内液和细胞外液中的钠、钾离子浓度有很大的不同。正常情况下，细胞内液中K+的浓度远比细胞外液的高，Na+的浓度则比细胞外液的低得多。这说明，Na+和K+能克服细胞内外的浓度差，由低浓度向高浓度处转运。这种移动是通过质膜不断消耗代谢能量(ATP)的主动转运作用来完成。现已清楚，各种细胞的细胞膜上普遍存在一种称为“钠钾泵”的结构 （简称钠泵），实际上是一种镶嵌在脂类双层膜中的蛋白质，具有水解ATP的酶活性，从分解ATP中取得能量，同时能够逆浓度差主动把细胞外液中的K+移入膜内，把细胞膜内的Na+移出膜外，故又有Na+、K+—ATP酶之称。
进一步研究发现，钠泵蛋白质由两个亚基组成，其中大亚基是催化亚基，在大亚基上含有一个在水解ATP过程中可依次被磷酸化和脱磷酸化的反应位点。当钠泵蛋白质处于磷酸化状态时，其上的离子结合位点转向膜外，同时它对Na+的亲和力减弱而对K+的亲和力增强，于是把所结合的Na⁺解离而与膜外的K⁺结合；当此蛋白质处于脱磷酸化状态时，离子结合点转向膜内侧，同时对K+的亲和力下降而对Na+的亲和力增加，于是解离所结合的K+而和膜内的Na+相结合，完成了Na+、K+的双向主动转运。通过这种构象变化的转运过程，每分解一分子ATP可排出三个Na⁺而运入两个K⁺。
钠泵的作用除了维持细胞膜内外K⁺、Na⁺浓度差之外，对于葡萄糖和氨基酸的吸收以及维持细胞的正常功能也是不可缺少的。
除了钠泵外，人体内还有其他物质或离子的主动转运系统。比较肯定的如肌细胞内的肌质膜上存在的“钙泵”，甲状腺细胞膜上的“碘泵”等，它们都是一些特殊的蛋白质，分别与钙及碘的主动转运有关。
细胞性膜结构及极性运输 消化道内与吸收有关的细胞性膜是由被覆上皮细胞密集排列而成，这种上皮细胞具有两个面。一面向着运输管道的内腔，不与其他组织相连，称为游离面，或顶部，或远端； 另一面则附着于结缔组织上，称为基底面，或称基部或近端。被覆上皮细胞的游离面和基底面的结构分化情况不同，是具有极性的细胞。这样的排列形成了物质通过细胞的单向极性运输。例如，小肠粘膜上皮细胞吸收肠腔内Na+的情况就是如此。由于上皮细胞内Na+的浓度低于肠腔，所以Na⁺可在扩散力及电动势的推动下通过远端细胞膜而进入上皮细胞，这是个被动转运过程。然后在近端细胞膜上的Na+泵作用下，逆浓度梯度和电位梯度而主动转运到浆膜侧去。
输送分子 营养物质被吸收进入血液循环后，在血液中有许多蛋白质分子（或其他分子）与之结合，再运输到各组织细胞。因此，这些分子起着输送体的作用，称为输送分子。它们有运铁蛋白、运铜蛋白、运可的松蛋白（运送固醇类激素）、视黄醛结合蛋白 (运送维生素A)、运钴胺蛋白(运输维生素B12) 和内在因子，以及各种运输脂类物质的脂蛋白，包括高密度脂蛋白(HDL)、低密度脂蛋白(LDL)、中密度脂蛋白(IDL)及极低密度脂蛋白(VLDL)等。
运铜蛋白是一种分子量为150 000的蓝色蛋白，每分子中含有8Cu+及8Cu2+，除了运输铜的作用外，还能催化Fe2+—→Fe3+，有助于运铁蛋白对铁的运输。
运铁蛋白的分子量为80 000，它有两个铁的结合位，只能结合Fe3+，每个Fe3+又与一个阴离子相结合。当它运输至骨髓的幼稚红细胞时，必须再经过还原作用，使Fe3+—→Fe2+后，才能被红细胞所吸收利用。
维生素B12在食物内与蛋白质结合，经消化液中蛋白酶水解而游离，然后与由胃壁细胞所分泌的，分子量115 000的糖蛋白结合，这种糖蛋白称为内因子。1分子内因子能够紧密结合2分子维生素B12，在回肠粘膜的细胞膜上有这种复合物的受体。当B12与内在因子复合物与受体结合时，需要Ca2+的辅助，然后维生素B12与内在因子脱离而被吸收入细胞。进入血液后由运钴蛋白携带运输至需要部位或贮存于肝脏中。
血液中还有一类呼吸蛋白，它们的作用是输送氧和二氧化碳。这种呼吸蛋白在脊椎动物体内主要存在于特殊的细胞内，如红细胞内的血红蛋白。
营养物的吸收
水分 水分的吸收主要在小肠，大肠也可以继续吸收一些。通过滤过和渗透两种方式被动吸收，而渗透是主要的。小肠吸收其他物质时所产生的渗透压是促进水分吸收的极为重要的因素。如钠的主动吸收就使上皮细胞内的渗透压增加，从而促进了水分的吸收，这是水分被吸收的主要因素。
无机盐 (1) 钠的吸收： 上皮细胞膜上存在着钠泵，可使钠逆着浓度梯度转运。钠的大量被吸收，在小肠营养物质的吸收中发挥着重要作用。其他物质如单糖、氨基酸、水分等的吸收与钠的吸收有着密切的关系。因此钠泵的活化不仅关系到钠本身的转运，也关系到许多其他物质的转运。
(2) 铁的吸收： 主要在小肠上段，特别是在十二指肠的吸收最快。食物中的铁绝大部分是以三价铁形式存在，但有机铁和无机三价铁都不易被吸收，须还原为亚铁后才被吸收。由肠腔吸收入粘膜细胞的亚铁在粘膜细胞内被氧化为三价铁。当体内需要不多时，粘膜细胞内合成大量脱铁铁蛋白而与三价铁结合成铁蛋白贮存起来，只有一小部分被吸收入粘膜细胞而未与去铁铁蛋白结合的亚铁，才以主动吸收的方式转移至血浆中。在体内缺铁时，粘膜细胞内几乎不合成脱铁铁蛋白，让进入粘膜细胞的铁被转移入血液。
(3) 钙的吸收： 钙盐只有在水溶液状态而且不被肠腔中任何其他物质沉淀的情况下才被吸收。在pH3.0左右时，钙是以离子状态存在，最易被吸收。草酸、肌醇六磷酸、磷酸及脂肪酸均能与钙形成不溶的化合物，故抑制钙的吸收作用。钙的吸收是通过主动转运进行的。维生素D可促进小肠粘膜细胞中钙结合蛋白质的合成，因此有促进钙吸收的作用。
(4) 负离子的吸收： 在小肠内吸收的主要负离子是C1-及HCO3-，由钠泵所产生的电位差可使负离子向细胞内转运。但也有实验认为负离子可独立自由转运。
糖 大多数单糖，如对机体有重要作用的天然单糖——葡萄糖、半乳糖及木糖等，都是通过主动转运被吸收的。小肠上部吸收各种单糖的肠粘膜上皮细胞刷状缘中有一种载体，可能是蛋白质，能选择性地把葡萄糖、半乳糖等从刷状缘的肠腔面运入细胞内，再扩散入血。载体转运糖时同时需要Na+的存在，抑制钠泵的药物乌，本苷或抑制能量代谢的2、4二硝基酚都能抑制糖的主动运转，因此认为此载体具有同时载运Na+及糖的双重功能。载体把Na+及糖同时运入细胞内，糖扩散入血，Na+由钠泵消耗ATP能量泵出细胞，所以不论是通过抑制能量代谢使ATP不能生成，还是直接抑制钠泵，单糖的主动性转运均不能进行。

单糖吸收的主动转运示意图

❶钠泵；
❷共同转运Na⁺及葡萄糖的载体； Na+,K+-ATP酶的载体可同时与Na+、葡萄糖结合，促进Na+、萄萄糖共同转运入细胞。
少数单糖，如果糖与甘露糖的吸收只需特殊载体而与钠无关。
蛋白质 蛋白质食物在小肠内分解为氨基酸而被吸收。氨基酸的主动转运表现与葡萄糖的主动转运有许多相似之处。主要通过耗能需钠的主动转运而被吸收的。肠粘膜细胞上具有载体，能与氨基酸及Na+形成三联结合，再将氨基酸及Na+转入细胞内，Na+则借钠泵主动排出到上皮细胞之间的侧间隙中，使细胞内Na浓度不致过高，有利于氨基酸不断被吸收。
由于氨基酸侧链差别大，主动转运氨基酸的载体也不同。根据现在的研究，推断存在五种或五种以上的不同氨基酸转运系统，其中每一种可转运一组相关的氨基酸。已经发现有五种对下列各类氨基酸有专一性的转运系统：
❶小分子中性氨基酸；
❷大分子中性氨基酸；
❸碱性氨基酸；
❹酸性氨基酸；
❺亚氨基酸、脯氨酸。其中转运中性氨基酸的载体所转运的速率最快，因此小肠吸收中性氨基酸比吸收酸性和碱性氨基酸的能力强。
脂肪 脂肪在消化后主要成为甘油、游离脂肪酸及甘油一酯。它们与胆汁酸盐形成水溶性复合物，许多分子聚合起来，再形成脂肪微粒，直径仅4～6mm，易于透过肠粘膜表面水层。在吸收时，脂肪微粒中各种成分分离开来，分别进入小肠上皮。甘油-酯及脂肪酸主要在十二指肠及空肠靠扩散作用而吸收。胆汁酸盐在回肠末端依靠主动转运被吸收。脂肪水解产物(甘油-酯及脂肪酸) 进入肠上皮细胞后，就重新合成为中性脂肪，外面再包一层由卵磷脂和蛋白质形成的膜而成为乳糜微粒。脂肪的转运可经由淋巴及血液两条途径。短、中链脂肪酸及甘油进入门静脉运输，而乳糜微粒（中性脂肪）以及多数长链脂肪酸则经淋巴途径间接进入血液。
胆固醇、胆汁酸盐和磷脂
(1) 胆固醇的吸收： 依靠单纯扩散方式。胆汁中的胆汁酸盐和胰液对胆固醇的吸收是必要的。脂肪酸有刺激其吸收的作用。胆固醇进入上皮细胞后即转入肠淋巴管内而被运输。
(2) 胆汁酸盐的吸收： 通过胆汁分泌入肠腔的胆汁酸盐，绝大部分仍在回肠被吸收回肝脏，然后再分泌入胆汁。胆汁酸盐是通过主动转运方式被吸收的。
(3) 磷脂的吸收： 大部分磷脂在肠腔中完全水解成脂肪酸、甘油、磷酸盐及其他化合物而被吸收。小部分可不经水解而被吸收入上皮细胞，形成乳糜微粒被转运入肠淋巴管中。
维生素 (1) 水溶性维生素的吸收： 一般说是以单纯扩散方式被吸收的，尤其是分子量低的一些维生素，容易被吸收。维生素B12的吸收则有所不同，它必须与内因子结合成一个大分子复合物才能被吸收。
(2)脂溶性维生素的吸收： 由于脂溶性维生素溶于脂类，因此吸收的机理与脂类物质相似，依靠单纯扩散方式被吸收。维生素K、D及胡萝卜素(维生素A原)的吸收还必需先经过胆汁酸盐的乳化作用。