细胞膜的通透性

细胞膜的通透性是细胞为了维持正常的生理状态，与其环境之间通过质膜屏障进行物质交换的特征。根据物质的大小和理化性质不同，细胞膜的通透性主要有三种形式(图1):❶物理扩散； 又叫非中介扩散，如水、CO₂、O₂、N₂和一些小的不带电极性分子等，它们直接通透膜类脂双层，从高浓度一边流向低浓度一边。
❷膜的运输；如无机离子、糖、氨基酸，核苷和许多细胞代谢物，它们不能直接通透类脂双层，必须由专一性膜蛋白的帮助，才能通透细胞膜。
❸细胞的内吞与外吐：一些大分子如蛋白质、多核苷酸和多糖，甚至一些颗粒状物质，它们既不通透脂双层，又不通过运输系统，而是经细胞的内吞与外吐作用出入细胞(见“细胞的内吞和外吐”条)。

图1 细胞膜通透性示意图

水的通透 水分子能通过质膜的类脂双层出入细胞，从而调节细胞的体积和胞内渗透强度。当动物细胞置于高渗或低渗溶液中时，引起渗透压的变化。在低渗溶液中，水从胞外向胞内迁移，使细胞膨胀，最终细胞可能被解体；而在高渗溶液中，由于水从胞内向胞外迁移，以致细胞收缩。许多动物细胞，在环境剧变的情况下，能使用其他离子运输系统，调控胞内渗透强度，维持细胞的体积。例如在高渗情况下，细胞膜上的Na⁺—H⁺反向运输器和Cl^--HCO₃^-交换器被激活，它们分别把胞内由H₂O和CO₂在碳酸酐酶作用下产生的H⁺和HCO₃^-与胞外的Na⁺和Cl^-交换。这样，使胞内盐浓度和渗透强度增加，引起水的内流，恢复细胞体积。因此，水通透细胞膜的过程，往往伴随着膜上其他一些离子或溶质运输系统的作用。
细胞膜的运输系统主要包括以下类型： A和B分别为二磷酸腺苷酸驱动的双向泵和单向泵；C表示依赖于Na⁺的共同运输器； D为阴离子交换器； E是离子偶联运输器；F为离子通道，F。与F。分别表示通道的开放与关闭(图2)。概括起来，以上的类型可以归为两大类： 一类是载体运输系统(图2,A—E)，另一类是选择性离子通道(图2,F)。两者在动力学上有显著不同(图3)，当所有载体蛋白的结合位点被运输物占领时，运输速度达最大值(V_max)，而且，每一种载体蛋白对它的运输物质具有特有的结合常数(KM)，所有载体运输速度与运输物浓度间符合米凯利斯-门顿动力学原理。通道运输则属于简单扩散动力学特性。

图2 离子运输类型示意图

图3 载体运输和简单扩散的动力学比较

载体运输系统，又可分为主动运输(图2,A-B)和被动运输(图2,C-E):前者需要消耗能量，能源有的来自三磷酸腺苷酸的水解，如Na⁺泵和Ca²⁺泵等；也有的来自光或其他物质，如细菌在摄取糖分子时的基团转位运输，能量来自磷酸烯醇丙酮酸。这类运输是逆着浓度梯度进行的，所以称为主动运输。后者不需要供给外源能量，是顺着离子浓度梯度和电化学梯度所进行的运输，称为被动运输。
Na⁺泵 Na⁺泵是一种三磷酸腺苷酶，它同时运输Na+和K+，所以通常称为Na⁺、K⁺-三磷酸腺苷酶，该酶含有乌巴因专一性结合位点，又称乌巴因抑制性Na⁺泵。所有细胞膜都存在Na⁺泵，它直接或间接地控制许多基本的细胞功能：膜电位，细胞体积，热量的产生，胞内pH和游离Ca²⁺浓度等。在肾和肠上皮细胞，Na⁺泵只分布在基底膜上，Na⁺通道或Na⁺-偶联运输器则分布在向腔面上。Na⁺泵的这种不对称性分布，导致了盐、溶质和水的大量迁移。一些非上皮细胞，如成纤维细胞、脂肪细胞和白细胞等，Na⁺泵与Na⁺-偶联运输器均匀地分布在整个细胞表面，Na⁺泵直接调控这些偶联运输器的活性。在神经细胞，Na⁺泵的分布呈不对称性，尽管它不直接参与神经传导或突触传递，但它产生和维持了静息膜电位。肌肉细胞的Na⁺泵呈均匀分布，它通过Na⁺-Ca²⁺交换器间接地调控胞质中的Ca²⁺浓度。
Na⁺泵运输的分子机制包含一系列循环过程：3个Na⁺在膜内侧与Na⁺泵结合→Na⁺泵的磷酸化→Na⁺泵分子构型改变→3个Na⁺穿越膜并释放到胞外→2个K⁺在膜外侧与Na⁺泵结合→Na⁺泵的去磷酸化→Na⁺泵分子构型恢复→2个K⁺释放到细胞内。
Na⁺泵活性的调控，归纳为下列几类物质：一类是直接效应物，包括Na+、K+、三磷酸腺苷酶及其类似物、乌巴因和其他内源因子。另一类是间接效应物，如醛固酮、皮质醇、皮质内固醇、9-α-氟-16-甲基脱氢皮质甾醇、甲状腺激素等，它们主要从基因转录，mRNA的翻译和新合成的蛋白质在膜上整合诸方面进行调控； 另一些效应物如孕酮、胰岛素、加压素、胰升糖素、表皮生长因子和儿茶酚胺等，它们主要通过膜受体和第二信使系统进行调控。
Ca⁺泵 这是另一种重要的离子泵，又称Ca²⁺-三磷酸腺苷酶，它使细胞质游离Ca²⁺浓度保持较低水平。在红细胞，位于质膜上的Ca²⁺泵，把胞质游离Ca²⁺运输到胞外；而肌肉细胞，在肌质网膜上富集的Ca²⁺泵，把Ca²⁺从胞质运输到肌质网内。通常，激素刺激细胞，引起胞质Ca²⁺浓度变化，可以调控Ca²⁺泵活性。在红细胞和其他一些细胞，钙调素也能调控Ca²⁺泵活性，当胞质Ca2⁺上升时，钙调素与Ca²⁺结合，引起Ca²⁺泵变构，加速Ca²⁺输出，使胞质Ca²⁺恢复低水平。然而，在一些组织中，由于细胞膜Ca²⁺泵的最高活力较低，因此对于大量Ca²⁺的输出，不是以Ca²⁺泵运输为主要途径，而是由Na⁺-Ca²⁺反向运输器担负。
Na⁺-Ca²⁺反向运输器 Na⁺-Ca²⁺反向运输是Na⁺顺着浓度梯度输入胞内的同时，Ca²⁺逆着浓度梯度向胞外运输的过程，所以又称其载体蛋白为Na⁺-Ca²⁺偶联运输器。在心肌细胞收缩过程中，胞液Ca²⁺从0.1μm上升到1.0μm左右，由于Na⁺-Ca²⁺反向运输速度比Ca²⁺泵高30倍，因此使心肌细胞游离Ca²⁺迅速回复到低水平。Na⁺-Ca²⁺反向运输器比质膜Ca²⁺泵更为有效。Na⁺-Ca²⁺反向运输降低胞液Ca²⁺浓度按以下的反应进行：Ca_内²⁺+2Na_外²⁺→Ca_外²⁺+2Na_内⁺，这就需要输入2个Na⁺才能推动一个Ca²⁺输出。一些药物如乌巴因和异羟基洋地黄毒甙等，对治疗充血性心力衰竭有显著临床效果，它们的作用机制主要是抑制心肌细胞膜上的Na+泵活性，使胞内Na⁺浓度上升，导致Na⁺-Ca²⁺反向运输器的活性降低，胞液Ca²⁺随之升高，诱使心肌收缩力加强。
Na⁺-葡萄糖同向运输器 这是Na⁺顺着浓度梯度输入胞内的同时，葡萄糖以同方向逆着浓度梯度向胞内运输的过程，其载体蛋白称同向运输器。葡萄糖从肠腔被运输到肠上皮细胞内，就是由分布在肠上皮细胞微绒毛质膜上的Na⁺-葡萄糖同向运输器担负的。由于肠上皮细胞内外Na⁺浓度梯度和胞内负膜电位的推动力，使胞内葡萄糖浓度比肠腔高达176倍。如此高度浓缩在胞内的葡萄糖，可通过基底膜上的被动运输系统输出。同时，基底膜上的Na⁺泵使胞内Na⁺保持平衡。因此葡萄糖通透肠上皮细胞的运输过程，也间接地伴随着三磷酸腺苷酶的水解作用。
氨基酸运输器 氨基酸运输显然是决定细胞正常生长速度的重要因素之一。目前，动物细胞膜上的氨基酸运输系统大致分为四种不同类型：
❶A型：它主要运输短的直链氨基酸，如丙氨酸、甘氨酸和脯氨酸，以及专一性地运输氨基酸类似物2-（甲胺）-异丁酸。A型运输氨基酸时与Na⁺以1比1交换。
❷ASC型： 它主要运输丙氨酸、丝氨酸、胱氨酸和苏氨酸，但它不能识别N-甲基化氨基酸衍生物。ASC型运输氨基酸时也与Na⁺有依赖关系。
❸C型： 它主要运输分支和芳香族氨基酸，运输过程中不依赖于Na⁺。
❹G型：它能运输所有的中性氨基酸，并对Na⁺有依赖关系。细胞膜上氨基酸运输器如此多样性，显然是细胞为了摄取这些基本营养物质所必须具备的。
阴离子运输器 所有细胞膜上都存在阴离子运输系统，但不同的细胞类型有不同的阴离子运输器，如Na⁺-Cl^-和K⁺-Cl^-同向运输器，Na⁺-K⁺-Cl^-协同运输器，Cl--HCO-3交换运输器，Cl-泵和Cl-通道等。红细胞膜上存在高度专一化的Cl^--HCO₃^-交换器，又称带3蛋白。当红细胞在机体毛细血管中时，由于那里的CO₂压高O₂压低，结合在血红蛋白上的O₂释放到血液中，接着血红蛋白分子产生构型变化，并与H⁺结合，因此红细胞内由碳酸酐酶产生的HCO₃^-通过带3蛋白向胞外运输；相反，当红细胞位于肺毛细血管中时，那里的CO₂压低O₂压高，O₂进入红细胞并取代H+，由H+和HCO₃^-在碳酸酐酶的作用下产生的CO₂，排出体外，此时，HCO₃^-通过带3蛋白从胞外向胞内运输。HCO₃^-入红细胞与Cl-1对1交换，其交换机制包括以下过程： 阴离子在膜的一边与带3蛋白结合形成复合体，随之改变带3蛋白构型，把结合的阴离子运输到膜的另一边并释放出去，带3蛋白恢复构型，这被称为乒乓动力学原理。Cl-HCO₃^-交换运输器还调控许多细胞功能，如胞内pH，细胞体积等。Na⁺-K⁺-Cl^-协同运输器对调控上皮细胞体积特别有效。在脑细胞膜上富集Cl^-泵，它活跃地把细胞外Cl^-向胞内运输，引起膜电位超极化，有调控神经活性的作用。
离子通道 离子通道是细胞膜上另一类专供各种无机离子通透的蛋白质，它们具有高度的专一性，所以称为选择性离子通道。有些通道是连续开放着的，有些只是瞬间开放，前者称为渗漏离子通道，后者称为门控离子通道。门控离子通道有两种类型： 一种是通道蛋白与胞外配体专一性结合后才开放，称为配体门控通道；另一种是膜电位改变引起通道开放，称为电压门控通道。
Na⁺通道是一种电压门控通道，当细胞膜去极化时，引起Na⁺通道开放，Na⁺从胞外流入胞内。在神经和肌肉细胞，Na⁺通道对动作电位的产生和神经冲动的传播具有重要作用。K⁺通道的种类繁多，如电压门控K⁺通道、渗漏K⁺通道、异常K⁺通道、Ca²⁺活化K⁺通道和神经递质与第二信使调节K⁺通道等，它们分别对兴奋的传递、心脏起搏点的活化、膜电位、膜电位的复极化、Ca²⁺的输入、神经递质的释放和受精作用等细胞功能有重要意义。Ca²⁺通道是直接提高细胞Ca²⁺浓度的途径，电压门控Ca²⁺通道是肌肉收缩力调控的主要位点。神经末端通过外吐作用释放乙酰胆碱的过程，与电压门控Ca²⁺通道的开放使Ca²⁺进入胞内直接有关。Cl^-通道存在于许多细胞膜上，它与膜电位的产生关系密切。在上皮细胞，Cl^-通道对盐的吸收与分泌非常重要，例如膀胱上皮细胞上的Cl^-通道失活往往引起膀胱纤维化疾病。乙酰胆碱受体是典型的配体门控阳离子通道，它把细胞外化学信号转变为电信号。当乙酰胆碱分子与突触后神经或肌肉细胞膜上的受体结合时，使五聚体结构的受体通道复合体打开中心孔，使K⁺和Na²⁺通透中心孔出入细胞。
总之，各种细胞类型及其功能决定细胞膜上存在不同质和量的运输系统，产生细胞膜物质通透性的显著差异。有些细胞，不同细胞膜区域分布着不同的运输器，它们担负着对不同物质的运输。各种运输器之间，必须协调一致地工作，才能保持细胞的正常生理状态。譬如说，氨基酸运输器对细胞的生长非常重要，但它必须与Na⁺葡萄糖同向运输器，Na⁺-H⁺反向运输器和Na⁺泵等共同的运输作用，才能起到对细胞的生长具有决定因素的作用。

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细胞膜的通透性

细胞为了进行正常的生命活动，必须从周围环境摄取营养物质，并将代谢产物或废物排出细胞。细胞与周围环境进行物质交换，必须通过细胞膜。细胞膜控制物质出入细胞的性质称为细胞膜的通透性。
细胞膜通透性的最显著特点是其选择性，这对于保持细胞内环境的相对稳定有重要意义。决定通透性大小的因素，一方面是通透物质的物理化学性质，另一方面是细胞膜的结构及所处的环境。
水出入细胞，一般由渗透压决定。当细胞膜两侧渗透压不等时，水由低渗一侧往高渗一侧渗透。溶质也可以通透细胞膜。通透的方式有简单扩散、易化扩散（两者又总称为被动转运）与主动转运三种方式。
(1) 简单扩散： 以简单扩散的方式通透细胞膜的溶质主要是非电解质。如果细胞内外，某种溶质的浓度不同，则溶质从高浓度一侧往低浓度一侧迁移，扩散速率（单位时间通过单位膜面积溶质迁移的量） 与细胞内外浓度差成正比，这就是简单扩散。跨细胞膜每单位长度的浓度差，方向由高浓度指向低浓度，称为浓度梯度。在简单的扩散方式中，溶质是顺浓度梯度迁移的。当浓度梯度消失时，扩散达到动态平衡时，溶质的迁移停止。
用醇类、酮类、酰胺类、脲类等小分子有机化合物作的扩散实验表明，通透性的大小决定于三个因素：
❶溶质脂溶性的大小。脂溶性越大，通透性也越大。
❷分子的大小。分子越小，受到膜的阻力越小，通透性越大。
❸分子的化学性质。例如，形成氢键的能力越强，则通透性越小。
同一种溶质，对于不同的细胞，通透性大小也不相同，这和细胞膜的脂类组分不同有关。细胞膜的脂类组分还影响膜的流动性。
(2) 易化扩散：某些代谢所需物质，如葡萄糖、氨基酸、嘌呤、甘油等，脂溶性小，分子较大，能够顺浓度梯度进入红细胞、肌细胞、脂肪细胞等，这是由于细胞膜上存在着某种转运系统，帮助这些物质通过细胞膜。这种经过转运系统而又顺浓度梯度的通透方式，称为易化扩散。
离子在溶液中以水合离子的形式存在，由于有极性而且体积大，很难以简单扩散的方式通过细胞膜，但是能够以易化扩散的方式通透。
易化扩散的转运系统主要是细胞膜上的转运蛋白，它具有特异性，不同的通透物质有不同的转运系统。它的数目是有限的，因而转运的速率不随细胞内外的浓度差成正比增加，而是趋于一饱和值。它具有双向性，总的效果是将溶质从高浓度一侧向低浓度一侧迁移。
由于在易化扩散与简单扩散两种方式中，溶质都是顺浓度梯度迁移，不需要另外供能，因此总称为被动转运。实际上，同种细胞对同种物质可以同时存在这两种通透方式。
(3) 主动转运： 在有能量供应的情况下，细胞膜上的转运系统将物质单向迁移，这种迁移可以逆浓度梯度进行，这种通透方式，称为主动转运。
主动转运是细胞从周围环境中摄取营养物质的一种主要方式。即使细胞外液中某种物质的浓度很低，细胞膜上的主动转运系统也能将它迁移到细胞内。例如细菌从培养基中摄取营养物质，小肠从肠道内容物中吸收营养成分，肾小管从肾小球滤液中回收糖及氨基酸等，都属于这种情况。
离子的主动转运系统普遍存在于各种细胞的膜上。膜的内外两侧，离子的分布是不同的。例如，细胞外液中钠离子浓度比胞内高十几倍，而细胞内液中钾离子浓度比外液高约30倍。钙离子在胞浆中的浓度，平常只有10-7M，比细胞外液小得多。这种离子分布的不对称性，对于神经传导，肌肉收缩及代谢物质转运，均有密切关系。
大多数细胞存在内负外正约几十毫伏的跨膜电位差。对于钠离子而言，浓度差与电位差均是驱使钠离子往细胞内迁移的因素，因此，要维持钠浓度的不对称分布，必须有一个主动转运系统，将钠离子逆浓度梯度从细胞内往细胞外迁移，这个钠离子的主动转运系统称为钠泵。
质膜上的钠泵物质，是一种ATP酶，称为Na+、K+-ATP酶。在ATP供能的情况下，酶反复磷酸化与脱磷酸化，发生构象改变，从而将钠离子转运到细胞外，并将钾离子转运到细胞内。由于同时主动转运Na+、K+，因此钠泵又称为钠钾泵。
肌浆网上主动转运钙离子的转运系统很丰富，这种转运系统，称为钙泵。钙泵物质是Ca⁺⁺-ATP酶，在ATP供能的条件下，它将胞浆中的钙离子主动转运到肌浆网管腔内，使肌肉舒张。
主动转运系统所需的能量，可以由ATP分解供给，也可以由其他方式供给。在糖和氨基酸的主动转运中，依赖钠离子顺浓度梯度迁移进而推动转运系统，使糖和氨基酸逆浓度梯度进入细胞，这种系统是一种同向协同转运系统。而钠钾泵是一种反向协同转运系统。
转运系统如何将通透物质从膜的一侧迁移到另一侧，即转运系统的作用机理可以从离子导体的研究中得到一些概念。
所谓离子导体，是由微生物提取或人工合成的分子量不大的物质，大多是抗生素，将这类物质掺入脂双层膜或天然膜中，能显著地提高他们对离子的通透性。这些物质可以分为两类，一类有载体的作用，即离子导体在膜的一侧与离子结合，然后通过膜，在另一侧将离子释放。例如，缬氨霉素、尼日利亚菌素、无活菌素、恩镰孢菌素等，这些分子具有环状结构，能够把离子包围在中心，而分子四周是疏水的，从而提高通透性。另一类能在膜上组成直径为数埃的导孔，允许某种离子从导孔中通过。例如两性霉素、制霉菌素、短杆菌肽，丙甲菌素等，可由若干个分子排列成导孔，为离子的通透提供通道。离子导体的载体机理和导孔机理可以用温度效应加以鉴别。当温度下降到脂双层膜的流动性明显减弱时，载体作用明显下降直至停止，而导孔作用无明显影响。
在天然细胞膜中，实际存在的转运系统，也可能存在载体和导孔两种类型。目前提出的有四种模型。
❶循环载体模型，载体循环往返于膜的两侧之间，将通透物质从膜的一侧转运到膜的另一侧。
❷转动载体模型，载体不停地转动，将通透物质携带到另一侧释放。
❸固定导孔模型，转运蛋白质组成固定导孔，导孔有特异结构，允许某种通透物质通过。
❹活动导孔模型，转运蛋白组成可变导孔，在构象改变的过程中，将通透物质从一侧转运到另一侧。天然膜中的实际情况，有待进一步研究。目前已知的转运蛋白，多为跨膜的嵌入蛋白，可能由它们形成特异导孔，或者在浓度差与电位差的作用下，让某种物质通过，或者在供能条件下，构象有规律地变化，从而转运物质。