生理學/主動轉運

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生理學

細胞的基本功能
- 細胞膜的基本結構和物質轉運功能
  - 細胞膜的跨膜物質轉運功能
    - 單純擴散
    - 易化擴散
    - 主動轉運
    - 出胞與入胞式物質轉運

主動轉運指細胞通過本身的某種耗能過程，將某種物質的分子或離子由膜的低濃度一側移向高濃度一側的過程。按照熱力學定律，溶液中的分子由低濃度區域向高濃度區域移動，就像舉起重物或推物體沿斜坡上移，或使電荷逆電場方向移動一樣，必須由外部供給能量。在膜的主動轉運中，這能量只能由膜或膜所屬的細胞來供給，這就是主動的含義。前述的單純擴散和易化擴散都屬於被動轉運，其特點是在這樣的物質轉運過程中，物質分子只能作順濃度差、即由膜的高濃度一側向低濃度一側的淨移動，而它所通過的膜並未對該過程提供能量。被動轉運時物質移動所需的能量來自高濃度所含的勢能（圖示2-3左），因而不需要另外供能（2-3右）。被動轉運最終可能達到的平衡點是膜兩側該物質的濃度差為零的情況；如果被動轉運的是某種離子，則離子移動除受濃度差的影響外，還受當時電場力的影響，亦即當最終的平衡點達到時，膜兩側的電－化學勢^*的差為應為零。主動轉運與此不同，由於膜以某種方式提供了能量，物質分子或離子可以逆濃度或逆電－化學勢差而移動。體內某種物質分子或離子由膜的低濃度一側向高濃度一側移動，結果是高濃度一側濃度進一步升高，而另一側該物質愈來愈少，甚至可以全部被轉運到另一側。如小腸上皮細胞吸收某些已消化的營養物；腎小管上皮細胞對小管液中某些「有用」物質進行重吸收，均屬此現象。由於此過程在熱力學上為耗能過程，不可能在無供能的情況下自動進行，因此如果在生物體內出現這種情況，說明有主動的跨膜轉運在進行，必定伴隨了能源物質（常常是ATP）的消耗。

物質的主動轉運和被動轉運原理示意圖

圖2-3 物質的主動轉運和被動轉運原理示意圖

物質分子可由高濃度處自動向低濃度處擴散，而分子

由低濃度處移向高濃度處則需另行供能，正如滑雪者可

由高坡自動下滑，而上坡卻需要由人體費力一樣。

被動轉運和主動轉運的根本區別即在於此

在細胞膜的主動轉運中研究得最充分，而且對細胞的生存和活動可能是最重要的，是膜對於鈉和鉀離子的主動轉運過程。所有活細胞的細胞內液和細胞外液中Na⁺和K⁺的濃度有很大的不同。以神經和肌細胞為例，正常時膜內K⁺濃度約為膜外的30倍，膜外的Na⁺濃度約為膜內的12倍；這種明顯的離子濃度差的形成和維持，要依靠新陳代謝的進行，提示這是一種耗能的過程；例如，低溫、缺氧或應用一些代謝抑制劑可引起細胞內外Na^＋、K⁺的濃度差減小，而在細胞恢復正常代謝活動後，巨大的濃度差又可恢復。由此認為各種細胞的細胞膜上普遍存在著一種鈉－鉀泵（sodium-potassium pump）的結構，簡稱鈉泵，其作用是在消耗代謝能的情況下逆烊濃度差將細胞內的Na⁺移出膜外，同時把細胞外的K⁺移入膜內，因而保持了膜內高K⁺和膜外高Na⁺的不均衡離子分布。

鈉泵是鑲嵌在膜的脂質雙分子層中的一種特殊蛋白質，它除了有對Na⁺^、K⁺的轉運功能外，還具有ATP酶的活性，可以分解ATP使之釋放能量，並能利用此能量進行Na⁺和K⁺的主動轉運；因此，鈉泵就是Na⁺-K⁺依賴式ATP酶的蛋白質。鈉泵蛋白質已用近代分子生物學方法克隆出來，它們是由α-和β－亞單位組成的二聚體蛋白質，肽鏈多次穿越脂質雙分子層，是一種結合蛋白質。α-亞單位的分子量約為100kd，轉運Na⁺、K⁺和促使ATP分解的功能主要由這一亞單位來完成；β－亞單位的分子量約為50kd，作用還不很清楚。鈉泵蛋白質轉運Na⁺、K⁺的具體機制尚不十分清楚，但它的啟動和活動強度與膜內出現較多的Na⁺和膜外出現較多的K⁺有關。鈉泵活動時，它泵出Na⁺和泵入K⁺這兩個過程是同時進行或「耦聯」在一起的；根據在體內或離體情況下的計算，在一般生理情況下，每分解一個ATP分子，可以使3個Na⁺移到膜外同時有2個K⁺移入膜內；但這種化學定比關係在不同情況下可以改變。

細胞膜上的鈉泵活動的意義是：（1）由鈉泵活動造成的細胞內高K⁺，是許多代謝反應進行的必需條件；（2）如果細胞允許大量細胞外Na⁺進入膜內，由於滲透壓的關係，必然會導致過多水分了進入膜內，這將引起細胞的腫脹，進而破壞細胞的結構；（3）它能夠建立起一種勢能貯備。如所周知，能量只能轉換而不能消滅，細胞由物質代謝所獲得的能量，先以化學能的形式貯存在ATP的高能磷酸鍵之中；當鈉泵蛋白質分解ATP時，此能量用於使離子作逆電－化學勢跨膜移動，於是能量又發生轉換，以膜兩側出現了具有高電－化學勢的離子（分別為K⁺和Na⁺^）而以勢能的形式貯存起來；換句話說，泵出膜外的Na⁺由於其高濃度而有再進入膜內的趨勢，膜內高濃度的K⁺、則有再有再移了膜的趨勢，這就是一種勢能貯備。由鈉泵造成的離子勢能貯備，可用於細胞的其他耗能過程。如下節將詳細討論的Na⁺、K⁺電漿在膜兩側的不均衡分布，是神經和肌肉等組織具有興奮性的基礎；由K⁺、Na⁺電漿在特定條件下通過各自的離子通道進行的順電－化學勢的被動轉運，使這些細胞表現出各種形式的生物電現象。

繼發性主動轉運鈉泵活動形成的勢能貯備，還可用來完成一些其他物質的逆濃度差的跨膜轉運，這主要見於前面提到的腸上皮和腎小管上皮細胞對葡萄糖、胺基酸等營養物質的較為安全吸收現象，這顯然有主動轉運過程的參與。但據觀察，這種理論上要耗能的過程並不直接伴隨ATP或其他供能物質的消耗。這些物質的跨膜轉運經常要伴有Na⁺由上皮細胞的管腔側同時進入細胞；後者是葡萄糖等進入細胞的必要條件，沒有Na⁺由高濃度的膜外順濃度差進入膜內，就不會出現葡萄糖等分子逆濃度差進入膜內。在完整的在體腎小管和腸粘膜上皮細胞，由於在細胞的基底-外側膜（或基側膜，即靠近毛細血管和相鄰上皮細胞側的膜）上有鈉泵存在（圖2-4），因而能造成細胞內Na⁺濃度經常低於小管液和腸腔液中Na⁺濃度的情況，於是Na⁺不斷由小管液和腸腔液順濃度差進入細胞，由此釋放的勢能則用於葡萄糖分子的逆濃度進入細胞。葡萄糖主動轉運所需的能量不是直接來自ATP的分解，而是來自膜外Na⁺的高勢能；但造成這種高勢能的鈉泵活動是需要分解ATP的，因而糖的主動轉運所需的能量還是間接地來自ATP，為此把這種類型的轉運稱為繼發性主動轉運，或稱為聯合轉運（cotransport）。每一種聯合轉運也都與膜中存在的特殊蛋白質有關，稱為轉運體（transporter）；而且在不同的情況下，被轉運的物質分子有的與Na⁺移動的方向相同，有時兩者方向相反。甲狀腺細胞特有的聚碘作用，也屬於繼發性主動轉運。

葡萄糖和一些胺基酸的繼發性主動轉運模式圖

圖2-4 葡萄糖和一些胺基酸的繼發性主動轉運模式圖

上方彎曲的管腔側膜上的圓和方塊，分別表示同葡萄糖和某些氨

基酸的繼發性轉運有關的轉運蛋白質

主動轉運是人體最重要的物質轉運形式，除上述的鈉泵外，目前了解較多的還有鈣泵（Ca²⁺-Mg²⁺依賴式ATP酶）、H⁺-K⁺泵（H⁺-K⁺依賴式ATP酶）等。這些泵蛋白在分子結構上和鈉泵有很大類似，都以直接分解ATP為能量來源，將有關離子進行逆濃度的轉運。鈣泵主要分布在骨骼肌和心肌細胞內部的肌漿網上，激活時可將胞漿中的Ca⁺迅速集聚到肌漿網內部，使胞漿中Ca⁺濃度在短時期內下降達成100倍以上；這是誘發肌肉舒張的關鍵因素。H⁺-K⁺泵主要分布在胃粘膜壁細胞表面，與胃酸的分泌有關。