2013年臨床執(zhí)業(yè)醫(yī)師生理學輔導：易化擴散

　　有很多物質(zhì)雖然不溶于脂質(zhì)，或溶解度甚上，但它們也能由膜的高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)較容易地移動。這種有悖于單純擴散基本原則的物質(zhì)轉(zhuǎn)運，是在膜結(jié)構(gòu)中一些特殊蛋白質(zhì)分子的“協(xié)助”下完成的，因而被稱為易化擴散(facilitateddiffusion)。例如，糖不溶于脂質(zhì)，但細胞外液中的葡萄糖可以不斷地進入一般細胞，適應代謝的需要;Na+、K+、Ca+等離子，雖然由于帶有電荷而不能通過脂質(zhì)雙分子層的內(nèi)部疏水區(qū)，但在某些情況下可以順著它們各自的濃度差快速地進入或移出細胞。這些都是易化擴散的例子。易化擴散的特點是：物質(zhì)分子或離子移動的動力仍同單純擴散時一樣，來自物質(zhì)自身的熱運動，所以易化擴散時物質(zhì)的凈移動只能是由它們的高濃度區(qū)移向低濃度區(qū)，但特點是它們不是通過膜的脂質(zhì)分子間的間隙通過膜屏障，而是依靠膜上一些具有特殊結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子的功能活動，完成它們的跨膜轉(zhuǎn)運。由于蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)上的易變性(包括其構(gòu)型和構(gòu)象的改變)和隨之出現(xiàn)的蛋白質(zhì)功能的改變，因而使易化擴散得以進行，并使它處于細胞各種環(huán)境因素改變的調(diào)控之下。

　　1.由載體介導的易化擴散

　　這種易化擴散的特點是膜結(jié)構(gòu)中具有可稱為載體(carrier)的蛋白質(zhì)分子，它們有一個或數(shù)個能與某種被轉(zhuǎn)物相結(jié)合的位點或結(jié)構(gòu)域(指蛋白質(zhì)肽鏈中的某一段功能性氨基酸殘基序列)，后者先同膜一側(cè)的某種物質(zhì)分子選擇性地結(jié)合，并因此而引起載體蛋白質(zhì)的變構(gòu)作用，使被結(jié)合的底物移向膜的另一側(cè)，如果該側(cè)底物的濃度較低，底物就和載體分離，完成了轉(zhuǎn)運，而載體也恢復了原有的構(gòu)型，進行新一輪的轉(zhuǎn)運，其終止點是最后使膜兩側(cè)底物濃度變得相等。上面提到的葡萄糖進入一般細胞，以及其他營養(yǎng)性物質(zhì)如氨基酸和中間代謝產(chǎn)物的進出細胞，就屬于這種類型的易化擴散。以葡萄糖為例，由于血糖和細胞外液中的糖濃度經(jīng)常保持在相對恒定的水平，而細胞內(nèi)部的代謝活動不斷消耗葡萄糖而使其胞漿濃度低于細胞外液，于是依靠膜上葡萄糖載體蛋白的活動，使葡萄糖不斷進入細胞，且其進入通量可同細胞消耗葡萄糖的速度相一致不同物質(zhì)通過易化擴散進出細胞膜，都需要膜具有特殊的載體蛋白。

　　以載體為中介的易化擴散都具有如下的共同特性：

　　(1)載體蛋白質(zhì)有較高的結(jié)構(gòu)特異性，以葡萄糖為例，在同樣濃度差的情況下，右旋葡萄糖的跨膜通量大大超過左旋葡萄糖(人體內(nèi)可利用的糖類都是右旋的);木糖則幾乎不能被載運。

　　(2)飽和現(xiàn)象，即這種易化擴散的擴散通量一般與膜兩側(cè)被轉(zhuǎn)運物質(zhì)的濃度差成正比，但這只是當膜兩側(cè)濃度差較小時是如此;如果膜一側(cè)的濃度增加超過一定限度時，再增加底物濃度并不能使轉(zhuǎn)運通量增加。飽和現(xiàn)象的合理解釋是：膜結(jié)構(gòu)中與該物質(zhì)易化擴散有關(guān)的載體蛋白質(zhì)分子的數(shù)目或每一載體分子上能與該物質(zhì)結(jié)合的位點的數(shù)目是固定的，這就構(gòu)成了對該物質(zhì)的量并不能使載運量增加，于是出現(xiàn)了飽和。

　　(3)競爭性抑制，即如果某一載體對結(jié)構(gòu)類似的A、B兩種物質(zhì)都有轉(zhuǎn)運能力，那么在環(huán)境中加入B物質(zhì)將會減弱它對A物質(zhì)的轉(zhuǎn)運能力，這是因為有一定數(shù)量的載體或其結(jié)合位點競爭性地被B所占據(jù)的結(jié)果。目前已經(jīng)有多種載體從不同動物的各類細胞膜提純或克隆(clone)。與葡萄糖易化擴散有關(guān)的蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)由一條含近500個氨基酸的肽鏈組成，而且此肽鏈有12個疏水性跨膜а-螺旋(二級結(jié)構(gòu))，多次貫穿膜內(nèi)外，并互相吸引靠攏，形成球形蛋白質(zhì)分子(三級結(jié)構(gòu))，但其轉(zhuǎn)運葡萄糖時的具體變構(gòu)過程尚不完全清楚。

　　2.由通道介導的易化擴散

　　它們常與一些帶電的離子如Na+、K+Ca+、CI+等由膜的高濃度一側(cè)向膜的低濃度一側(cè)的快速移動有關(guān)。對于不同的離子的轉(zhuǎn)運，膜上都有結(jié)構(gòu)特異的通道蛋白質(zhì)參與，可分為別稱為Na+通道、K+通道、Ca+通道等;甚至對于同一種離子，在不同細胞或同一細胞可存在結(jié)構(gòu)和功能上不同的通道蛋白質(zhì)，如體內(nèi)至少已發(fā)現(xiàn)有三種以上的Ca+通道和7種以上的K+通道等，這種情況與細胞在功能活動和調(diào)控方面的復雜化和精密化相一致。通道蛋白質(zhì)有別于載體的重要特點之一，是它們的結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)可以因細胞內(nèi)外各種理化因素的影響而迅速改變：當它們處于開放狀態(tài)時，有關(guān)的離子可以快速地由膜的高濃度一側(cè)移向低濃度一側(cè);其離子移動的速度是如此之大，因而在關(guān)于通道蛋白的分子結(jié)構(gòu)還知之甚少時，就推測是在這種蛋白質(zhì)的內(nèi)部出現(xiàn)了一條貫通膜內(nèi)外的水相孔道使離子能夠順著濃度差(可能還存在著電場力的作用)通過這一孔道，因而其速度遠非載體蛋白質(zhì)的運作速度所能比擬。這是稱為通道(channel)的原因。通道對離子的選擇性，決定于通道開放時它的水相孔道的幾何大小和孔道壁的帶電情況，因而對離子的選擇性沒有載體蛋白那樣嚴格。大多數(shù)通道的開放時間都十分短促，一般以數(shù)個或數(shù)十個ms計算，然后進入失活或關(guān)閉狀態(tài)。于是又推測在通道蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中可能存在著類似閘門(gate)一類的基團，由它決定通道的功能狀態(tài)。許多的離子通道蛋白質(zhì)已經(jīng)用分子生物學的技術(shù)被克隆，對其結(jié)構(gòu)的研究已證實了上述推測。

　　通道的開放造成了帶電離子的跨膜移動，這固然是一種物質(zhì)轉(zhuǎn)運形式;但通道的開放是有條件的、短暫的，百離子本身并不像葡萄糖等是一些代謝物，從生理意義上看，載體和通道活動的功能不盡相同。當通道的開放引起帶電離子跨膜移動時(如Na+、Ca2+進入膜內(nèi)或K+移出膜外)，移動本身形成跨膜電流(即離子電流);而移位的帶電離子在不導電的脂質(zhì)雙分子層(具有電容器的性質(zhì))兩側(cè)的集聚，將會造成膜兩側(cè)電們即跨膜電位的改變，而跨膜電位的改變以及進入膜內(nèi)的離子、特別是Ca2+，將會引起該通道所在細胞一系列的功能改變。由此可見，通道的開放并不是起轉(zhuǎn)運代謝的作用，而離子的進出細胞，只是把引起通道開放的那些外來信號，轉(zhuǎn)換成為通道所在細胞自身跨膜電位的變化或其他變化，因而是細胞環(huán)境因素影響細胞功能活動的一種方式。