生理学原理_第一章通透转运

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1、 - 1 -生理学原理 编写说明： 未来生命科学研究一定会向定量理论的方向发展。怎样定量？一是要借鉴数理化的定量研究思路，二是要将生物学过程的描述建立在数理化理论的基础之上。因此，前两章尝试着尽量用方程来描述生理过程、推导生理规律。这些方程不是要记住的，而是将生理学问题与物理和化学理论以及数学工具联系在一起的桥梁。 作为理科学生，需要培养的是创新能力。因此重要的不是把知识记住，而是能够根据客观事实和已有知识提出合理假设，并根据进一步获取事实和严格逻辑推理的基础上，实现知识和理论的创新。因此，前两章也尝试在行文中尽可能给同学们留下各种大小问题，引导大家思考，避免简单地把现成的表述背到脑子里。 -

2、 2 -第一章 生物膜对物质的通透和转运 第一章 生物膜对物质的通透和转运 生物膜，概念上包括细胞膜、细胞器膜、细胞核膜等细胞的各种膜结构（图 1-1） ，主要是由膜脂和膜蛋白构成的。其中，生物膜中的磷脂分子们疏水端相对，构成类似于液晶态的脂双层，其间镶嵌着不同结构、不同功能的膜蛋白。这便是 Singer 的流动镶嵌模型所描述的生物膜基本结构，生物化学和细胞生物学课程中都会作详细讨论。生理学关心的是，这样的膜结构可以实现什么功能？怎样实现这些功能？ 图 1-1 细胞的生物膜系统（引自 J. Brachet, Sci. Amer., 205: 3, 1961） 首先，生物膜能使细胞实现隔室化（c

3、ompartmentalization） 。生物膜的存在区分出了细胞外、细胞质、细胞核等区域，也形成了线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体等以膜结构为主的细胞器，从而在细胞内产生了各种相对隔离的亚区。由于细胞膜结构的阻碍，各亚区的细胞内环境在物质成分、理化性质（例如电位、Ph 等）上可以有很大的差别。这种差别是细胞- 3 -完成各种物质转运、能量转换、信息传递过程的基本前提。 其次，生物膜能选择性地实现物质的通透（permeation）和转运（transportation） 。如果生物膜只阻碍物质却不允许其跨膜迁移，这将是一个无生命的体系。反之，如果生物膜允许所有物质无阻碍地迁移，这也是一个无生命

4、的体系。根据近代物理学的观点，生命的基本特征之一是维持有序的低熵状态。生物膜对不同物质既有阻碍的功能、又有通透和转运的功能，两个方面相反相成，才能实现物质跨膜迁移的有序性和选择性。这也是细胞完成各种生命活动的基本前提。 下面，我们将由浅入深、由简单到复杂，讨论细胞膜对物质的通透和转运功能。 第一节第一节 溶质和水的跨膜扩散溶质和水的跨膜扩散 一、扩散的基本原理一、扩散的基本原理 1 穿过脂双层的单纯扩散穿过脂双层的单纯扩散 我们先从简单的过程说起，不考虑膜蛋白的功能，只讨论脂双层的物质通透功能。 假定有足够的时间，理论上任何一个分子都有可能从生物膜一侧迁移到另一侧。这是因为各种分子都处在无休止

5、的热运动中，热运动中的分子通过碰撞发生相互作用。在此过程中，生物膜外的某溶质分子有一定的概率进入脂双层；同样，生物膜内的该分子也有一定概率离开脂双层（图 1-2 左上） 。如果某种溶质在细胞外浓度高、细胞内浓度低，那么该溶质的分子从细胞外成功地通过脂双层进入细胞内的总概率要 【大于/小于】 相反方向成功迁移的总概率，这样，该溶质就会有跨膜净通量（net flux） 。这种由热运动引起的物质在空间上的迁移，就叫做扩散(diffusion)。 图 1-2 单纯扩散和易化扩散 十九世纪中叶，Adolf Fick 对扩散过程进行了系统研究，并于 1855 年提出：粒子扩散通过单位面积的净通量与其浓度梯

6、度成正比，即 - 4 -dxdCDJ= 1-1 该方程称为 Fick 第一定律或扩散定律。式中，J 为扩散速率，即单位时间内沿扩散方向 x 垂直通过单位面积的净通量； D 为扩散系数， 即单位浓度梯度下的扩散速率； C 是扩散物质的浓度；式中的负号表示物质的扩散方向与浓度梯度（dC）方向相反，即表示物质从高浓度向低浓度方向运动。 当某溶质跨膜扩散时，溶质在膜脂内和水中的溶解度通常是不同的。二者的比值被定义为该溶质的脂水分配系数k。设细胞外和细胞内溶质的浓度分别为Co和Ci，则该溶质细胞膜的外表面和内表面处的浓度分别是kCo和kCi。又由于生物膜厚度很小，溶质浓度梯度在生物膜内可以近似认为是均匀

7、的，则Fick第一定律可写为 J = P ( Co - Ci ) 1-2 其中，kDP =定义了该溶质跨膜扩散的通透性（permeability）。 由于生物膜厚度相对稳定，在一定浓度梯度下，扩散速率与溶质的脂溶性和扩散系数有关。脂溶性高的物质k较大，因而通透性较【高/低】；小分子物质D较大，因而在可比的条件下通透性较【高/低】。例如，非极性的脂溶性小分子，如O2、CO2、N2等可以很快透过脂双层；不带电荷的极性小分子，如水、尿素、甘油等也可以透过脂双层，但速率略慢；分子量大一点的葡萄糖、蔗糖很难透过；带电荷的物质如各种离子是高度不通透的。由于扩散系数与温度有关，因此温度越高，各种物质的跨膜扩

8、散速率越快。 以上讨论的扩散过程无需转运蛋白的参与，简单遵从基本的物理规律，称为单纯扩散（simple diffusion） 。 2易化扩散易化扩散 许多不易通透细胞膜的物质，如葡萄糖，对细胞生命活动也至关重要。通过长期的生命进化，这些非脂溶性或脂溶性较小的物质能够借助生物膜上的特定载体（carrier）扩散进入细胞（图 1-2 左下） 。这种扩散被称为易化扩散（faciliatied diffusion） 。 载体是生物膜上的一种转运蛋白，它在细胞膜的高浓度一侧能与被转运的物质相结合，然后可能通过其本身构型的变化将该物质运至膜的另一侧。因此，从本质上说，载体是一种介导物质跨膜的酶，被转运的物

9、质便是底物。 与酶和底物结合一样，载体介导的易化扩散具有高度的特异性（specificity） 。例如，葡萄糖进入细胞的过程是由右旋葡萄糖转运体（GLUT）介导的，左旋葡萄糖就【不易/更易】进入细胞。GLUT 至少有 5 种亚型，其中 GLUT1 广泛分布于多种组织，GUT2 主要分布于肝脏，GULT5 分布于小肠粘膜。 肌肉和脂肪细胞中存在的 GLUT4 通常存在于胞内囊泡中， 并可在胰岛素信号转导调控下插入细胞膜参与葡萄糖转运。 由于膜上的载体数量有限，易化扩散也象酶促反应一样呈现饱和性（saturation） （图 1-2- 5 -右下） 。当生物膜一侧（载体能结合底物的一侧）的底物浓度

10、 C 远大于另一侧时，易化扩散的速率也遵从 Michaelis-Menten 方程 CKCJJ+=mmax1-3 其中 Jmax是载体被饱和的状态下易化扩散的最大速率，与载体分子的数量和构象转换速率有关；Km是达到最大扩散速率一半时的底物浓度，与载体和底物的亲和力近似反比关系。 有的载体可转运结构类似的不同底物。此时，每个底物的 Km是不同的,它们之间是竞争关系。同时存在时，浓度低、亲和力小的底物的易化扩散会受到竞争性抑制。 【感兴趣的同学可推导一下竞争性底物各自易化扩散速率之间的定量关系。 】 以上所述特异性、饱和性、竞争性都是易化扩散区别于简单扩散的重要特点。由于载体分子的数量和性质可以被

11、调控，易化扩散也可以被调控。 二、渗透：水的跨膜扩散二、渗透：水的跨膜扩散 1水的跨膜扩散途径水的跨膜扩散途径 水的存在是生命活动的主要前提之一， 以至于到外星寻找生命首先要看是否有水的痕迹。水在人体约占 60的重量，其中约 2/3 分布于细胞内液，1/3 在细胞外液。细胞内与细胞外之间、细胞质与细胞器之间都存在水的跨膜扩散。 人工脂膜的实验证明，水是可以跨膜扩散的，只是速率很慢。因此，经典的观点认为水分子是通过单纯扩散直接跨过脂膜的。虽然水是极性分子，但分子直径很小，约为 0.3nm。有人认为水分子可以通过氢键在膜脂中形成类似冰的结构穿过脂膜。 近二十年的研究证明，除直接通过脂膜扩散外，通过

12、蛋白孔道的扩散是生物膜通透水分子更重要、可调节的途径。起初，人们发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高，很难用单纯扩散来解释。如将红细胞移入低渗溶液后，很快吸水膨胀而溶血；相比之下水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀。因而推测水的跨膜迁移还存在某种特殊的机制，并提出了水通道的概念。19881991年，Agre在分离纯化红细胞膜上的Rh血型抗原时，发现了一个28 KD 的疏水性跨膜蛋白，将其mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中， 则卵母细胞在低渗溶液中迅速膨胀并破裂。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制，而这是已知的抑制水通透的处理措施。这一发现揭示了细胞膜上确实存在水通道， Agre因而与离子通

13、道的研究者MacKinnon共享了2003年的诺贝尔化学奖。 目前已鉴定多种水通道，广泛分布于动植物和微生物细胞。根据一种来自动物的水通道亚型的研究，水通道是由水孔蛋白（aquaporin）构成的四聚体，每个水孔蛋白单体包括6个跨膜区域和5个loop（图1-3），且每个单体的中空部分有一个直径3.8的孔道，孔道中间部位的正电荷阻止带电荷的质子和其它离子的通过，从而可选择性通透水。某些水孔蛋白也可以通透小的非极性分子，如甘油或尿素等。 - 6 -图 1-3 AQP1 水通道蛋白的通道结构 7 年 26；Zhu J H；通道的限制口由 His182, Arg197, Phe58 和 Cys191

14、4 个氨基酸残基构成。水分子附近的氨基酸残基为其提供近似水环境。 （引自 Sui H X, Han B G, Lee J K, Walian P , Jap B K. Nature , 2001 , 414 : 872） 水通道在腺体、肾脏等处与液体分泌和吸收有关的上皮细胞及内皮细胞中发挥关键作用，参与水的分泌、吸收及细胞内外水的平衡。水通道的活性可通过多种途径得以调节。水孔蛋白的磷酸化可增强其活性；通过膜泡转运可改变膜上水孔蛋白的含量是血管加压素（抗利尿激素）对肾脏远曲小管和集合管上皮细胞水通透性调节的重要途径；很多因素也可以通过调节基因表达来调控水通透性。 2渗透与渗透压渗透与渗透压 在水

15、溶液中，由于溶质的存在，水也被或多或少地稀释，造成水浓度的不同。因此，当膜两侧溶质的浓度不同时，水分子也同样由于热运动产生跨膜净扩散。这种由于浓度差异，水从溶质浓度【高/低】的一侧流入另一侧的现象叫做渗透（Osmosis） 。 如图 1-4 所示，如果一个半透膜将含有溶质的溶液和纯水隔开，溶液体积将由于水的渗透而增加。如果要阻止溶液体积的变化，需要在溶液一侧加一个压力。这个刚好能迫使纯水不渗透进入溶液的压力就是溶液的渗透压（Osmotic pressure） 。 图 1-4 渗透压示意图 - 7 -关于渗透压的大小，Vant Hoff 定律指出： = RT(iC) 1-4 其中 R 为气体常数

16、，T 为绝对温度， C 为溶质浓度，i 为溶质解离系数，为渗透系数。溶液越稀，越接近 1。对非电解质稀溶液而言，渗透压主要取决于溶质浓度。但对电解质溶液，渗透压还取决于解离程度。这个渗透方程与理想气体状态方程 P=nRT/V 非常一致，都反映的是物质的依数性质，而与化学性质无关。 iC 实际上代表了溶液中决定渗透压的有效颗粒浓度， 通常用摩尔浓度表示， 被称为摩尔渗透浓度（Osmolarity，区别于用质量浓度表示的 Osmolality） 。例如人体血浆和组织液的摩尔渗透浓度为 313 毫渗，大致与 313mM 葡萄糖、157mM NaCl 或 105mM CaCl2等渗。在实验中我们有时用到更为复杂的各种生理溶液（见表 1-1） ，尽管配方不同，但都要考虑等渗的要求。不过由于实际溶液与理想状态有差异， 严格地说它们并不是完全等渗。 例如， 在室温下， 150mM NaCl 的为 0.93，因此即使 NaCl 完全解离，其摩尔渗透浓度也不够 300 毫渗。对于渗透压要求较高的实验，应通过渗透压测量仪器实际