浅谈以生物膜结构为基础的物质进出细胞的方式

张雅歌

物质的输入和输出都必须经过细胞膜。细胞膜对进出细胞的物质具有选择性，是一种选择透过性膜。其他生物膜也是选择透过性膜。

一、细胞膜的成分、结构及功能

1.研究细胞膜的化学组成

大多选动物细胞（哺乳动物成熟的红细胞）等作为研究材料，更容易获得纯净细胞膜方法：细胞吸水涨破，分离用差速离心法。

2.细胞膜的成分

主要由磷脂分子和蛋白质分子组成，还有少量糖类，功能越复杂的细胞膜蛋白质的种类和数量越多。

3.糖蛋白的作用

除具有识别作用外，消化道和呼吸道上皮细胞表面的糖蛋白还具有保护和润滑作用。

4.细胞癌变过程中，细胞膜成分改变

产生甲胎蛋白（AFP）、癌胚抗原（CEA），医学上经常利用这一点检测体内是否产生了癌细胞。

5.细胞膜的功能：具有选择透过性

（1）将细胞与外界环境分隔开。

（2）控制物质进出细胞。

（3）进行细胞间的信息交流，细胞与细胞之间、细胞与信号分子之间的识别以及胞间连丝形成的原生质相通。

二、物质跨膜运输的实例

1.渗透作用的发生

（1）必须具备的两个条件：①具有半透膜（可以是生物性的选择透过性膜，也可以是物理性的过滤膜）。②半透膜两侧溶液存在浓度差。

（2）渗透作用发生的特点：水分子总是由溶液浓度低处向浓度高的部位渗透。半透膜两侧溶液浓度差是渗透作用发生的动力决定着渗透方向和渗透速度，浓度差越大渗透发生的越快。

成熟的植物细胞具有大的液泡，其细胞液有一定浓度，其原生质层相当于半透膜，可以与外界溶液形成渗透装置，当存在浓度差时即可以发生渗透吸水或失水。

2.植物细胞的质壁分离与复原实验分析与应用

（1）实验选材：选择具有大液泡的植物细胞，质壁分离及复原现象明显；细菌细胞也能发生质壁分离，但现象不明显；动物细胞没有细胞壁，不发生质壁分离。

（2）实验试剂的使用：过高浓度的蔗糖溶液，质壁分离现象明显，但细胞会失水过多死亡，很难观察到复原现象；若使用1mol/L的KNO3溶液，因为K+和NO-3可被细胞吸收，使细胞液浓度增大，所以细胞先发生质壁分离后又自动复原，尿素、甘油、乙二醇等，有类似现象。

（3）这个实验涉及两次自身前后的对照：质壁分离状态与自然状态的前后对照，质壁分离复原后和质壁分离状态的前后对照。实验流程如下：

3.物质进出细胞的運输方式

（1）小分子和离子跨膜运输的方式。

物质跨膜运输的方式有被动运输、主动运输，根据运输过程中是否需要载体，被动运输可分为自由扩散（不需要载体）和协助扩散（需要载体）。主动运输是指在逆浓度梯度（或电化学梯度）下的运输，它既需要载体又需要能量。

①自由扩散：由高浓度到低浓度，不需要载体蛋白和能量，如水分子、气体分子（如O2）甘油、乙醇、苯等脂溶性小分子物质。

②协助扩散：由高浓度到低浓度，需要载体蛋白，不需要能量，如离子和葡萄糖等。其运输特点是，a.比自由扩散转运速率高；b.存在最大转运速率，在一定限度内运输速率同物质浓度成正比，如超过一定限度，浓度再增加，运输也不再增加，因膜上载体蛋白的结合位点已达饱和；c.有特异性，即与特定物质结合。这类特殊的载体蛋白主要有离子载体和通道蛋白两种类型。

典型实例：水分子通过细胞膜有两种方式，既可通过磷脂双层膜之间的空隙进行自由扩散，也可以通过水通道进行协助扩散。神经冲动传导过程中，钠离子的内流，是通过钠离子通道，这属于协助扩散。

③主动运输：由低浓度到高浓度，需要载体和能量。载体的化学本质主要是蛋白质，根据运输的方式和载体的空间结构，可将载体分为三种基本类型：通道蛋白、载体蛋白和离子载体。

通道蛋白是横跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称“离子通道”。有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态，如钾泄漏通道，允许钾离子不断外流。有些通道蛋白平时处于关闭状态，即“门”不是连续开放的，仅在特定刺激下才打开，而且是瞬时开放瞬时关闭，在几毫秒的时间里，一些离子、代谢物或其他溶质顺着浓度梯度扩散通过细胞膜，这类通道蛋白又称为“门控通道”。

载体蛋白是跨膜蛋白分子，能够与特定的分子，通常是一些小的有机分子，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸或金属离子等结合，通过自身构象的变化，将与它结合的分子转移到膜的另一侧。

可动离子载体：如缬氨霉素能在膜的一侧结合K+，顺着电化学梯度通过磷脂双分子层，在膜的另一侧释放K+，且能往返进行。其作用机理就像虹吸管可以使玻璃杯中的水跨越杯壁屏障，向低处流动一样。通道离子载体，如短杆菌肽是由15个疏水氨基酸构成的短肽，2分子的短杆菌肽形成一个跨膜通道，有选择地使单价阳离子如H+、Na+、K+按化学梯度通过膜，这种通道并不稳定，不断形成和解体，其运输效率远高于可动离子载体。

（2）大分子及颗粒性物质进出细胞。

①胞吞（内吞）作用：大分子物质或颗粒物质吸附在细胞膜表面，膜内陷形成小囊，包围着大分子物质或颗粒物质，从细胞膜上脱离，形成囊泡进入细胞内部。

②胞吐（外排）作用：需要排出的大分子物质或颗粒物质，先在细胞内形成囊泡，移动到细胞膜处，与细胞膜融合，排出物质。

物质跨膜运输的方式主要分为两类：被动运输和主动运输。被动运输包括自由扩散和协助扩散，它们都是顺浓度梯度运输的过程，不需要消耗细胞的能量，但是协助扩散需要载体蛋白的协助。主动运输是逆浓度梯度运输的过程，需要消耗细胞的能量，还需要载体蛋白的协助。