一前言生物膜是组成细胞的重要结构，生物中除某些病毒外都具有生物膜。

真核细胞除质膜(又称细胞膜)外，还有分隔各种细胞器的内膜系统，包括核膜、线粒体膜、内质网膜、溶酶体膜、高尔基体膜、叶绿体膜、过氧化酶体膜等。

其中生物膜的最重要一项功能就是物质的运输，这项功能与膜结构的是分不开的，下面简单介绍一下生物膜运输的方式与运输的分子机制。

二本论2.1生物膜简介2.1.1生物膜的定义生物中除某些病毒外，都具有生物膜。

真核细胞除质膜(又称细胞膜)外，还有分隔各种细胞器的内膜系统，包括核膜、线粒体膜、内质网膜、溶酶体膜、高尔基体膜、叶绿体膜、过氧化酶体膜等。

生物膜形态上都呈双分子层的片层结构，厚度约5～10纳米。

2.1.2生物膜的化学成分生物膜的化学成分主要有脂类、蛋白质和糖类，此外还含水、无机盐和少量的金属离子。

膜中脂类和蛋白质构成了膜的主体，糖类多以复合糖的形式存在，与膜脂或膜蛋白结合分别形成膜糖脂或膜糖蛋白。

脂质不同的生物膜有不同的功能。

构成生物膜的磷脂双分子层，一端是亲水端，一端是疏水端，疏水端相互靠近，膜具有流动性，构成它们的磷脂是有一个胆碱，磷酸，脂肪酸，甘油分子构成。

2.1.3生物膜的分子结构模型现在比较公认的细胞膜分子结构模型是流动镶嵌模型。

这一模型是Singer和Nicolson在1972年提出的。

流动镶嵌模型保留了夹层学说和单位膜模型中磷脂双层的排列方式，即流动的脂双层分子构成膜的连续主体，蛋白质分子以不同程度镶嵌于脂质双层中。

它的主要特点是：①强调了膜的流动性，膜中脂类分子既有固体分子排列的有序性，又有液体的流动性，即流动的脂类分子层构成膜的连续整体；②强调了膜的不对称性和脂类与蛋白质分子的镶嵌关系。

膜中球形蛋白质分子不同程度地镶嵌在脂类双分子层中，蛋白质分子的非极性部分嵌入脂类双分子层的疏水尾部去，极性部分露于膜的表面，似一群岛屿一样，无规则地分散在脂类的海洋中。

这二模型的不足之处在于它忽视了蛋白质分子对脂类分子流动性的控制作用，忽视了膜的各个部分流动性的不均匀性等等。

2.2生物膜的物质运输2.2.1被动运输物质在细胞内外浓度不同形成梯度，物质顺着梯度由高浓度向低浓度转运的过程叫被动运输，主要分为两种方式即简单扩散和协助扩散。

简单扩散也叫自由扩散（free diffusing），特点是：①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；②不需要提供能量；③没有膜蛋白的协助。

具有极性的小分子可通过由膜脂运动而产生的间隙进出膜内外。

非极性的小分子如O2、CO2、N2可以很快透过脂双层，不带电荷的极性小分子，如水、尿素、甘油等也可以透过人工脂双层，尽管速度较慢，分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过，而膜对带电荷的物质如：H+、Na+、K+、Cl—、HCO3—是高度不通透的。

事实上细胞的物质转运过程中，透过脂双层的简单扩散现象很少，绝大多数情况下，物质是通过载体或者通道来转运的。

离子、葡萄糖、核苷酸等物质有的是通过质膜上的运输蛋白的协助，按浓度梯度扩散进入质膜的，有的则是通过主动运输的方式进行转运。

协助扩散也称促进扩散（faciliatied diffusion），其运输特点是：①比自由扩散转运速率高；②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；③有特异性，即与特定溶质结合。

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。

2.2.2主动运输主动运输是指物质逆浓度梯度，在载体的协助下，在能量的作用下运进或运出细胞膜的过程。

Na+、K+和Ca2+等离子，都不能自由地通过磷脂双分子层，它们从低浓度一侧运输到高浓度一侧，需要载体蛋白的协助，同时还需要消耗细胞内化学反应所释放的能量主动运输的特点是：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量（由ATP直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输），并对代谢毒性敏感；都有载体蛋白，依赖于膜运输蛋白；具有选择性和特异性。

主动运输的直接能源Na+-K+泵、Na+的输出和K+的输入、ATP、细菌视紫红质、H+从细胞中主动输出、光能、磷酸化运输蛋白、细菌对葡萄糖的运输、磷酸烯醇式丙酮酸。

钾钠泵：实际上就是Na+-K+ATP酶，Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。

在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP 酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+、而与K+结合。

K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。

其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。

另外还有钙离子泵、质子泵等。

2.3生物膜运输的分子机制物质跨摸运输的分子机制主要有三种假设模型:移动性假设模型、孔道或通道模型和构想变化模型2.3.1移动性载体模型这个模型主要假设认为与树体或其被结合的物质的部位在运输过程中，或由于通过膜的来回穿梭作用，或由于通过膜平面的旋转运动改变它在膜内的定向，可以使物质从膜的一侧运输到另一侧。

比如大肠杆菌的乳糖运输就是通过移动载体进行的，另外缬氨霉素等运送钾离子也是以这种方式运输的。

缬氨霉素（valinomycin）能在膜的一侧结合K+，顺着电化学梯度通过脂双层，在膜的另一侧释放K+，且能往返进行（图5-2）。

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。

此外，2,4-二硝基酚（DNP）、羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼（FCCP）可转运H+，离子霉素（ionomycin）、A23187可转运Ca2+。

2.3.2孔道或通道模型这一模型假设认运输蛋白在膜内有较确定的方向，并且形成一个对被动运输物具有立体构型的亲水性孔道。

孔道在识别被动运输物做出的反应时才瞬间打开，让被动物质通过膜。

从孔道的开、关来说，又具有闸门的作用故又可称为门通道。

门通道可以分为四类：配体门通道（ligand gated channel）、电位门通道（voltage gated channel）、环核苷酸门通道（Cyclic Nucleotide-Gated Ion Channels）和机械门通道（mechanosensitive channel）。

例如在配体门通道中表面受体与细胞外的特定物质（配体ligand）结合，引起门通道蛋白发生构象变化，结果使“门”打开，又称离子通道型受体。

分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸的受体。

N型乙酰胆碱受体[1]是目前了解较多的一类配体门通道。

它是由4种不同的亚单位组成的5聚体，总分子量约为290kd。

亚单位通过氢键等非共价键，形成一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构，其中的两个α亚单位是同两分子Ach相结合的部位。

Ach门通道具有具有三种状态：开启、关闭和失活。

当受体的两个α亚单位结合Ach 时，引起通道构象改变，通道瞬间开启，膜外Na+内流，膜内K+外流。

使该处膜内外电位差接近于0值，形成终板电位，然后引起肌细胞动作电位，肌肉收缩。

即是在结合Ach时，Ach门通道也处于开启和关闭交替进行的状态，只不过开启的概率大一些（90%）。

Ach释放后，瞬间即被乙酰胆碱酯酶水解，通道在约1毫秒内关闭。

如果Ach存在的时间过长（约20毫秒后），则通道会处于失活状态。

筒箭毒和α银环蛇毒素可与乙酰胆碱受体结合，但不能开启通道，导致肌肉麻痹。

2.3.3构象变化假设除了上述的载体和孔道或通道假设外，运输蛋白的构象变化也是阐明物质运输的分子机制的重要假设。

物质的跨膜运输具有高度的选择性和方向性，运输的这种专一性与运输蛋白的构象变化相关。

对于一个多聚体蛋白来说，由于亚单位之间相互位置的变化所导致的亚单位重排，运输物质与运输蛋白的结合以及代谢、能量状态等可导致蛋白质的构象变化例如Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。

在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+、而与K+结合。

K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。

其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。

另外在质子泵P-type运输中载体蛋白利用ATP使自身磷酸化（phosphorylation），发生构象的改变来转移质子或其它离子，如植物细胞膜上的H+泵、动物细胞的Na+-K+泵、Ca2+离子泵，H+-K+ATP酶（位于胃表皮细胞，分泌胃酸）。

三结论总之，无论是生物膜运输的分子机制哪种假说更为准确，对它们的研究都有着重要的意义。

虽然在这方面的研究难度比较大，但对于生命发展起着巨大的作用，无论在对于细胞整体结构的的研究上还是在对于细胞内各种细胞器的研究上都有着深远的意义。

在医学尤其是在制药方面上，研究膜物质运输的分子机制对于药物作用于特定靶细胞上更为重要，它能为抗癌药物找到癌细胞起到指引的作用，对于治疗癌症、艾滋病等疾病起到关键性作用。

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