细胞转运：类型及其特征 - 生物学

所述传输信元涉及的细胞的内部和外部之间的分子流量和运动。这些隔室之间的分子交换是有机体正常运行的基本现象，并介导了一系列事件，例如膜电位，仅举几例。

生物膜不仅负责界定细胞，而且在物质运输中也起着不可或缺的作用。它们具有一系列穿过结构的蛋白质，并且选择性地允许或不允许某些分子进入。

资料来源：LadyofHats，通过Wikimedia Commons

蜂窝传输分为两种主要类型，具体取决于系统是否直接使用能量。

被动运输不需要能量，并且分子能够通过被动扩散，通过水通道或通过运输的分子穿过膜。主动传输的方向仅由膜两侧之间的浓度梯度决定。

相反，第二种运输确实需要能量，被称为主动运输。得益于注入系统的能量，泵可以使分子逆着其浓度梯度运动。文献中最著名的例子是钠钾泵。

理论基础

-细胞膜

为了了解物质和分子在细胞与相邻隔室之间的运输是如何发生的，有必要分析生物膜的结构和组成。

-膜中的脂质

来自Wikimedia Commons的Jpablo cad

细胞被脂质性质的薄而复杂的膜包围。基本成分是磷脂。

这些由极头和非极尾组成。膜由两层磷脂-“脂双层”-组成，其中尾巴在内部成群，头部面对细胞外和细胞内的面孔。

具有极性和非极性区域的分子称为两亲性。该性质对于膜内脂质成分的空间组织至关重要。

这种结构由围绕亚细胞区室的膜共享。请记住，线粒体，叶绿体，囊泡和其他细胞器也被膜包围。

除磷酸甘油酯或磷脂外，膜还富含鞘脂，鞘脂具有由鞘氨醇和固醇组成的骨架。在最后一组中，我们发现胆固醇，一种调节膜特性（例如其流动性）的脂质。

-膜中的蛋白质

图1.流体镶嵌模型图。资料来源：LadyofHats Mariana Ruiz，Pilar Saenz翻译，通过Wikimedia Commons

膜是一种动态结构，内部含有多种蛋白质。膜的蛋白质起着一种分子“守门人”或“守卫”的作用，它们以很高的选择性定义了进入和离开细胞的人。

由于这个原因，膜被认为是半渗透的，因为有些化合物设法进入而另一些则不能。

并非膜中的所有蛋白质都负责介导运输。其他负责捕获外部信号，该信号产生对外部刺激的细胞反应。

-膜的选择性

膜的脂质内部是高度疏水的，这使得膜对于极性或亲水性质的分子的通道高度不可渗透（该术语表示“爱上了水”）。

这暗示了极性分子通过的附加困难。但是，水溶性分子的转运是必需的，因此细胞具有一系列转运机制，可以使这些物质在细胞及其外部环境之间有效移动。

同样，大分子，例如蛋白质，必须被运输并且需要专门的系统。

-扩散和渗透

颗粒通过细胞膜的运动根据以下物理原理发生。

这些原理是扩散和渗透，适用于溶液中的溶质和溶剂通过半透膜（例如活细胞中发现的生物膜）的运动。

扩散是一种过程，涉及悬浮颗粒从高浓度区域到低浓度区域的随机热运动。有一个数学表达式试图描述该过程，称为Fick扩散方程，但我们不会对此进行深入研究。

考虑到这一概念，我们可以定义术语“渗透性”，它是指物质在一系列特定条件下设法被动渗透膜的速率。

另一方面，水也沿着其浓度梯度移动，这种现象称为渗透。尽管提及水的浓度似乎不准确，但我们必须了解，就其扩散而言，重要液体的行为与任何其他物质相同。

-张性

考虑到所描述的物理现象，细胞内部和外部都存在的浓度将决定运输方向。

因此，溶液的张力是浸入溶液中的细胞的反应。有一些适用于此方案的术语：

等渗的

如果两个元素中的浓度相等，则细胞，组织或溶液相对于另一个是等渗的。在生理环境中，浸没在等渗环境中的细胞不会发生任何变化。

低渗的

如果溶质的浓度在外部较低，则溶液对细胞是低渗的-也就是说，细胞具有更多的溶质。在这种情况下，水倾向于进入细胞。

如果我们将红细胞放入蒸馏水中（不含溶质），水将进入直至破裂。这种现象称为溶血。

高渗的

如果溶质的浓度在外部较高，则溶液相对于细胞是高渗的，即，溶质较少。

在这种情况下，水的趋势是离开细胞。如果我们将红细胞放在浓度更高的溶液中，则血细胞中的水会泄漏出去，并且细胞会出现皱纹。

这三个概念具有生物学意义。例如，海洋生物的卵必须相对于海水等渗，以免破裂和失水。

同样，生活在哺乳动物血液中的寄生虫必须具有与它们所处环境相似的溶质浓度。

-电气影响

当我们谈论离子（带电粒子）时，穿过膜的运动并不仅限于浓度梯度。在该系统中，必须考虑溶质的电荷。

离子趋向于远离浓度高的区域（如渗透和扩散部分所述），并且如果离子为负，它将向负电势增长的区域前进。请记住，不同的电荷会吸引，并且类似的电荷会排斥。

要预测离子的行为，我们必须将浓度梯度和电梯度的合力相加。这个新参数称为净电化学梯度。

蜂窝运输的类型根据系统在被动运动和主动运动中的使用（或不使用）能量进行分类。我们将在下面详细描述每一个：

被动跨膜转运

穿过膜的被动运动涉及分子的通过，而无需直接需要能量。由于这些系统不涉及能量，因此仅取决于质膜上存在的浓度梯度（包括电梯度）。

尽管负责粒子运动的能量以这种梯度存储，但继续将该过程视为被动是适当且方便的。

分子可以从一侧被动传递到另一侧的三种基本方式：

简单扩散

运输溶质的最简单，最直观的方法是使溶质按照上述梯度穿过膜。

分子通过质膜扩散，将水相留在一边，溶解在脂质部分，最后进入细胞内部的水相部分。从电池的内部到外部，相同的情况可能发生在相反的方向。

穿过膜的有效通道将取决于系统所具有的热能水平。如果足够高，分子将能够穿过膜。

更详细地看，分子必须破坏在水相中形成的所有氢键，以便能够移动到脂质相。对于每个链接，此事件都需要5 kcal的动能。

下一个要考虑的因素是分子在脂质区中的溶解度。流动性受多种因素影响，例如分子量和分子形状。

简单的扩散通道动力学表现出不饱和动力学。这意味着进入与在细胞外区域中运输的溶质的浓度成比例地增加。

水通道

分子通过被动途径的第二种选择是通过位于膜中的水通道。这些通道是允许分子通过而避免与疏水区域接触的一种孔。

某些带电分子通过遵循其浓度梯度设法进入细胞。得益于这种充满水的通道系统，该膜对离子非常不渗透。在这些分子中，钠，钾，钙和氯脱颖而出。

载体分子

最后一种选择是将目标溶质与掩盖其亲水性的载体分子结合起来，使其穿过膜中富含脂质的部分。

转运蛋白增加了需要转运的分子的脂质溶解度，并有利于其通过，有利于浓度梯度或电化学梯度。

这些载体蛋白以不同的方式起作用。在最简单的情况下，溶质从膜的一侧转移到另一侧。这种类型称为单端口。相反，如果另一种溶质同时或耦合传输，则该转运蛋白称为耦合。

如果偶联的转运蛋白沿同一个方向移动两个分子，则这是一个同向运动；如果相反的方向移动，则该转运蛋白是反支撑的。

渗透作用

Osmose2-fr.png：PsYcHoTiK衍生作品：Ortisa，通过Wikimedia Commons

它是细胞运输的一种类型，其中溶剂选择性地通过半透膜。

例如，水倾向于流到其浓度较低的细胞一侧。水在此路径中的运动会产生称为渗透压的压力。

该压力对于调节细胞中物质的浓度是必需的，然后会影响细胞的形状。

超滤

在这种情况下，某些溶质的运动是通过静水压力的作用而产生的，从最大压力的区域到较小压力的区域。在人体中，由于心脏产生的血压，肾脏中会发生此过程。

这样，水，尿素等就会从细胞进入尿液。和激素，维生素等留在血液中。这种机制也称为透析。

促进传播

有些物质的分子非常大（例如葡萄糖和其他单糖），需要载体蛋白才能扩散。此扩散比简单扩散快，并且取决于：

物质的浓度梯度。
细胞中存在的载体蛋白的量。
蛋白质存在的速度。

这些转运蛋白之一是胰岛素，它促进葡萄糖的扩散，降低其在血液中的浓度。

主动跨膜转运

到目前为止，我们已经讨论了不同分子通过通道的传递而没有能源成本。在这些情况下，唯一的成本是在膜的两侧以不同浓度的形式产生势能。

这样，传输方向由现有的坡度确定。溶质开始按照前述扩散原理进行运输，直到溶质到达净扩散结束的点为止，此时已经达到平衡。在离子的情况下，运动也受电荷影响。

但是，离子在膜两侧的分布处于真正平衡的唯一情况是细胞死亡时。所有活细胞都投入大量化学能，以保持溶质浓度失衡。

用于保持这些过程活跃的能量通常是ATP分子。三磷酸腺苷（缩写为ATP）是细胞过程中的基本能量分子。

主动运输特性

无论浓度梯度有多陡峭，主动运输都会对其产生作用-通过钠钾泵的说明，此属性将变得很清楚（请参阅下文）。

主动转运机制一次可以移动一种以上的分子。对于主动运输，使用在被动运输中同时运输多个分子所提到的相同分类：同向运输和反支撑。

这些泵的运输可以通过应用特异性阻断蛋白质关键部位的分子来抑制。

传输动力学是Michaelis-Menten类型的。两种行为-受某种分子和动力学的抑制-是酶促反应的典型特征。

最后，系统必须具有能够水解ATP分子的特定酶，例如ATPase。这是系统获取表征其能量的机制。

转运选择性

涉及的泵在将要运输的分子中具有极高的选择性。例如，如果泵是钠离子载体，尽管两个离子的尺寸非常相似，但它不会吸收锂离子。

据推测，蛋白质能够区分两个诊断特征：分子脱水的容易程度以及与转运蛋白孔内电荷的相互作用。

已知大离子与小离子相比容易脱水。因此，具有弱极性中心的孔将优选使用大离子。

相反，在具有强电荷中心的通道中，与脱水离子的相互作用占主导。

主动运输的例子：钠钾泵

为了解释主动传输的机制，最好使用研究最深入的模型：钠钾泵。

细胞的显着特征是能够维持钠（Na ⁺）和钾（K ⁺）离子的陡峭梯度。

在生理环境中，细胞内部的钾浓度比细胞外部的钾高10-20倍。相反，钠离子在细胞外环境中浓度更高。

凭借以被动方式控制离子运动的原理，不可能维持这些浓度，因此细胞需要主动转运系统，这就是钠钾泵。

泵由锚定在所有动物细胞质膜上的ATPase类型的蛋白质复合物组成。它具有两个离子的结合位点，负责注入能量进行传输。

泵如何工作？

在该系统中，有两个因素决定离子在细胞和细胞外区室之间的运动。第一个因素是钠钾泵起作用的速度，第二个因素是由于被动扩散事件，离子可以再次进入细胞的速度（在钠的情况下）。

这样，离子进入电解池的速度决定了泵必须工作以维持适当的离子浓度的速度。

泵的运行取决于负责转运离子的蛋白质的一系列构象变化。每个ATP分子都直接水解，在此过程中，三个钠离子离开细胞，同时两个钾离子进入细胞环境。

大众运输

这是另一种主动运输，它有助于大分子（例如多糖和蛋白质）的运动。可以通过以下方式给出：

-胞吞作用

内吞作用分为三个过程：吞噬作用，胞饮作用和配体介导的内吞作用：

吞噬作用

吞噬作用是一种运输类型，其中固体颗粒被融合的假足组成的囊泡或吞噬体覆盖。保留在囊泡中的固体颗粒被酶消化，从而到达细胞内部。

这就是白细胞在体内的工作方式。它们吞噬细菌和异物作为防御机制。

胞饮作用

原生动物的营养。胞饮作用。图片提供者：Jacek FH（来自Mariana Ruiz Villarreal）。从https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pinocitosis.svg进行编辑。

当要运输的物质是细胞外液的液滴或囊泡时，便会发生胞饮作用，而膜会形成pinocytic囊泡，在该囊泡中，囊泡或液滴的内含物会被处理，使其返回细胞表面。

通过受体内吞

这是与胞饮作用相似的过程，但是在这种情况下，当某个分子（配体）结合到膜受体上时，就会发生膜的内陷。

几个内吞小泡结合并形成称为内体的较大结构，该结构是配体与受体分离的地方。然后，受体返回膜，配体与脂质体结合，在脂质体中被酶消化。

-胞吐作用

这是一种细胞运输，其中物质必须携带到细胞外。在此过程中，分泌性囊泡膜会与细胞膜结合并释放囊泡中的内含物。

这样，细胞消除了合成物质或废物。这也是它们释放激素，酶或神经递质的方式。

参考文献

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细胞转运：类型及其特征 - 生物学 - 2025