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西医的细胞物质转运功能对应中医的什么基础知识,请发表您宝贵的看法及意见!

感染科医师 · 最后编辑于 2022-10-09 · 来自 Android · IP 四川四川
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细胞膜的物质转运功能

机体的每个细胞都包被有一层薄膜,称为细胞膜或质膜。细胞膜将细胞内容物与其周围环境分隔开来,使细胞能相对独立于环境而存在。除屏障功能外,细胞膜还具有物质转运功能,允许某些物质选择性通过,限制或阻止一些物质进出,保证了细胞新陈代谢活动的正常进行,同时又能维持细胞内成分的相对稳定。

一、细胞膜的基本结构

在电子显微镜下观察,细胞膜可分为3层:膜内外两侧各有一层电子致密带,中间夹有一层透明带,每层厚约2.5nm。除细胞膜外,各种细胞器也具有类似的膜性结构,常统称为生物膜。化学分析表明,细胞膜主要由脂质、蛋白质和极少量的糖类组成。物质分子在膜中的排列方式,目前公认的是由Singer和Nicholson于1972年提出的“液态镶嵌模型”,其基本内容为:膜是以液态的脂质双分子层为基架,其间镶嵌着具有不同结构和功能的蛋白质。

(一)细胞膜的脂质 细胞膜的脂质主要由磷脂(大于70%)、胆固醇(小于30%)和少量糖脂组成。磷脂和胆固醇都是双嗜性分子,磷脂分子中的磷酸和碱基、胆固醇分子中的羟基形成亲水性基团,它们分子中的另一端是脂肪酸烃链形成的疏水性基团。在构建细胞膜时,亲水性基团朝向膜的外表面或内表面,而脂肪酸烃链则在膜的内部两两相对,形成疏水区。脂质分子这样双层排列构成了稳定的细胞膜基本骨架。脂质双层中的脂质分子分布并不对称,靠膜外侧层主要含磷脂酰胆碱和含胆碱的鞘脂,膜内侧层分布较多的磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇,且不同细胞及同一细胞不同部位的膜结构中,脂质的成分和含量也有所不同。 膜脂质的熔点较低,在体温下呈液态,因而膜具有流动性,使得脂质分子在细胞膜中可以做多种运动,嵌入的膜蛋白在膜平面可做侧向或沿膜平面垂直轴做旋转等形式的运动。膜中的胆固醇含量在一定程度上与膜的流动性成反变关系,即胆固醇含量越高,膜的流动性越低,反之则流动性越高。此外,镶嵌的蛋白质数量越多、脂肪酸烃链长度越长、饱和脂肪酸越多,膜的流动性也会降低。膜流动性的高低影响着细胞的变形能力和其他功能。

(二)细胞膜蛋白 细胞膜的主要功能都是通过膜蛋白来实现的。根据膜蛋白在细胞膜上存在的形式不同,可将其分为表面蛋白和整合蛋白。表面蛋白占膜蛋白的20%~30%,通过肽链中带电氨基酸与脂质的极性基团以静电相结合,或以离子键与膜中的整合蛋白相结合,附着于膜的内表面或外表面。整合蛋白占膜蛋白的70%~80%,它们的肽链则一次或多次穿越整个脂质双层,其跨膜段由20~30个氨基酸残基形成疏水性α螺旋,疏水性片段之间的亲水性肽段则构成胞外环或胞内环,分别与细胞外液或细胞内液接触。 膜蛋白有多种功能,如与物质跨膜转运有关的有载体、通道、离子泵和转运体等,与信号跨膜转导有关的有受体、G蛋白、G蛋白效应分子等,与能量转换有关的有ATP酶等。

(三)细胞膜糖类 细胞膜中糖类的含量为2%~10%,主要是一些寡糖和多糖链以共价键形式与膜蛋白或膜脂质结合,生成糖蛋白或糖脂。膜上的糖链仅存在于细胞膜外侧,由于这些糖链中单糖排列顺序的不同,使所在的细胞或所结合的蛋白质具有特异性,可作为所在细胞或所结合蛋白质的特异性“标志”,形成细胞的抗原性和表型,参与细胞的识别、黏附、分化、老化、吞噬、自身免疫和细菌感染过程等。如红细胞表面不同的寡糖链可作为ABO血型的分型依据。糖的种类虽少,但结构变异复杂,这极大地丰富了细胞膜表面的信息。

二、细胞膜的物质转运

细胞膜的物质转运细胞膜的组成和结构并没有阻止物质跨膜转运,而是以不同的方式允许各种物质选择性地进出细胞。细胞膜的物质转运功能是细胞维持正常代谢、进行各项生命活动的基础。细胞在新陈代谢过程中不断有各种各样的物质进出细胞,不同理化性质的物质其转运机制不同。脂溶性小分子物质可直接通过物理扩散透过细胞膜,水溶性小分子物质和带电离子则需要借助于一系列相关膜蛋白的介导来完成转运。依据这些小分子物质跨膜转运时是否顺浓度梯度或电位梯度,即是否消耗ATP代谢能量,分为被动转运和主动转运两大类。大分子物质、物质团块需通过细胞膜以囊泡的形式转运进出细胞,称为膜泡运输,按转运方向不同,分为出胞和入胞。这样既满足了细胞新陈代谢中物质交换的需要,也维持了细胞内液与细胞外液不同的物质成分和比例,这是细胞生命活动的基础。

(一)被动转运遵循物理学原理,溶液中的溶质和溶剂分子处于不断的热运动之中。如果溶质相同但浓度不同的两种溶液相邻时,则高浓度区域中的溶质分子将向低浓度区域发生净移动,这种现象称为扩散。如果溶液是含有多种溶质的混合溶液,那么每一种物质的移动方向和扩散通量都只取决于该物质的浓度差,而与别的物质的浓度或移动方向无关。在电解质溶液中,离子的移动不仅取决于该离子的浓度差,也取决于不同部位离子所形成的电位差。该原理适用于生物膜两侧的物质运动。物质顺化学梯度或顺电位梯度,不额外消耗ATP化学能的跨膜物质转运过程称为被动转运(passive transport)。根据转运中是否需要膜蛋白介导又分为单纯扩散和易化扩散两种。

1.单纯扩散 是指脂溶性的小分子物质从细胞膜高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。它是一种简单的跨膜物理扩散。扩散的方向和速度取决于物质在膜两侧的浓度差和物质通过膜的难易程度(也称为膜的通透性,membrane permeability)。扩散的最终结果是该物质在膜两侧的浓度趋于平衡。通常,脂溶性高或非极性程度高而分子质量小的物质容易穿越脂质双层,例如O2、N2、CO2、NO、水、类固醇激素、尿素等都能以单纯扩散的方式跨膜转运。

2.易化扩散 一些带电离子和分子质量稍大的水溶性分子需要膜蛋白的介导才能顺浓度梯度或顺电位梯度跨膜扩散。这种由膜蛋白介导的被动转运称为易化扩散。根据膜蛋白介导转运方式的不同,分为载体介导的易化扩散和通道介导的易化扩散两种类型。

(1)载体介导的易化扩散 许多脂溶性很低的营养物质(如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等),借助于载体膜蛋白的介导,顺浓度梯度跨膜扩散,称为载体介导的易化扩散。载体( carrier)是一些贯穿脂质双层的整合蛋白,它与被转运溶质的结合位点随构象的改变而交替暴露于膜的两侧,当它在溶质浓度较高的一侧与该溶质结合后,即发生构象改变,并在溶质浓度较低的一侧与该溶质解离。载体介导的易化扩散有下列特点:①结构特异性,是指载体与溶质的结合具有化学结构特异性。②饱和现象,主要是由于膜上载体和载体结合位点的数目有限。③竞争性抑制,当化学结构相似的两种溶质经同一载体转运时,提高其中一种溶质的浓度时,会使载体对另一种溶质的转运量减少。

(2)通道介导的易化扩散 体液中的Na+、K+、Ca2+、Cl-等带电离子,借助于通道蛋白的介导,顺浓度梯度或顺电位梯度跨膜扩散,称为通道介导的易化扩散。通道蛋白是一类贯穿脂质双层,中央带有亲水性孔道的膜蛋白。能使离子顺浓度梯度或顺电位梯度跨膜转运的蛋白质孔道称为离子通道(ion channel)。 离子通道的主要特征:①转运速率高。当孔道开放时,离子可经孔道以极高的通量(约108个离子/秒)穿越细胞膜。其转运通量远大于载体介导的易化扩散。②选择性。表现在每种通道对一种或几种离子有较高的通透能力,而对其他离子则不易或不能通过。故将通道分为Na+通道、K+通道、Ca2+通道、Cl-通道、非选择性阳离子通道等。决定离子选择性的因素主要是孔道的口径、孔道内壁的化学结构和带电状况等。③门控特性。通道蛋白分子构象的改变,使得通道处于开放(激活)或者关闭(备用或失活)状态。它的开闭取决于分子构象的转换,受到许多因素的调控,这一过程称为门控(gating)。根据调控因素的不同,离子通道又可分为电压门控通道(voltage-gated ion channel)、化学门控通道(chemically-gated ion channel)和机械门控通道(mechanically-gated ion channel)3种。电压门控通道的开、闭受膜两侧电位差变化控制,如膜两侧电位差的不同改变分别可以调控Na+通道、K+通道和Ca2+通道,称这种离子通道为电压依从性通道;化学门控通道也称配体门控通道(ligand gated channel)由某些化学物质控制其开、闭,如由神经递质乙酰胆碱(acetylcholine,ACh)激活的N2型阳离子通道;机械门控通道则由机械牵张因素改变通道的开闭状态,如听觉的毛细胞顶部细胞膜附近存在机械门控离子通道,当顶部的听毛向不同方向弯曲时,通道发生相应的改变,并引起膜电位发生相应的变化,从而将声波振动转变为相应的音频电信号。 除上述门控离子通道外,还有一类被称为“非门控”通道。“非门控”通道总是处于开放状态,外在因素对其无明显影响。这类通道在维持静息膜电位方面起重要作用。 水分子的极性很小,又不带电荷,其跨膜转运的动力来自于水分子的浓度差(渗透压差),转运的方式有单纯扩散和经水通道(water channel)两种。由于胞膜是由脂质双分子层组成,脂质分子间的间隙很小,对水的通透性非常低,所以在大部分细胞内外,水的跨膜转运速率非常缓慢。在某些组织,水能快速跨膜转运与胞膜上存在被称为水通道的特殊膜蛋白结构有关。组成水通道的蛋白称为水孔蛋白(aquaporin,AQP),目前已鉴定出十余种。每种水通道都有不同的组织分布和功能特性。如AQP1分布于近端肾小管上皮、脉络丛上皮、胆管和胆囊上皮、晶状体和睫状体上皮等,参与近端肾小管对水的重吸收、脑脊液的生成、胆汁的分泌和浓缩、房水的生成等生理过程;AQP2分布于肾脏集合管上皮细胞的顶端膜,可接受血管升压素的作用,进而调节集合管上皮细胞对水的通透性。

(二)主动转运

主动转运(active transport)是指在耗能的条件下逆浓度梯度或逆电位梯度进行的物质跨膜转运。根据能量利用的形式不同,分为原发性主动转运和继发性主动转运。

1.原发性主动转运 指由离子泵介导的逆浓度梯度或逆电位梯度的离子跨膜转运。离子泵(ion pump)是一类膜蛋白,具有ATP酶的活性,因此也称为ATP酶(ATPase),它可将细胞内的ATP水解为ADP,并利用ATP分子高能磷酸键断裂时释放的能量完成离子的跨膜转运。分布广泛的离子泵主要有钠-钾泵和钙泵。 钠-钾泵(sodium-potassium pump)简称钠泵,也称Na+-K+-ATP酶。其作用是每水解1分子ATP,可将3个Na+从膜内转移到膜外,同时将2个K+由膜外转移到膜内(图2-2),从而形成并维持了胞外高钠低钾和胞内高钾低钠的生理状态。据测定,哺乳动物骨骼肌细胞的细胞外液中Na+浓度是胞内的10倍左右,细胞内液中的K+浓度是胞外的30倍左右。当胞内的Na+浓度升高或胞外的K+浓度升高时,都可激活钠泵。 钠泵分子由α和β两个亚单位构成,α亚单位由1022个氨基酸残基构成,可能是一个10次穿膜的肽链,ATP酶活性部位及阳离子结合位点均位于α亚单位(图2-2),β亚单位由302个氨基酸残基构成,只有一次跨膜,功能不清。钠结合位点①、ATP磷酸化位点④以及ATP结合位点⑤位于α亚单位细胞内侧;钾结合位点②和哇巴因结合位点③位于α亚单位细胞外侧。 钠泵的活动具有重要的生理意义:①钠泵活动造成的细胞内高K+浓度,是细胞内许多代谢过程所必需的;②钠泵活动形成膜内外Na+浓度差,是维持Na+-H+交换、Na+-Ca2+交换及葡萄糖、氨基酸等物质跨膜转运的动力;③钠泵活动能有效地维持细胞内渗透压和细胞容积的相对稳定,防止细胞内由于NaCl积聚导致的渗透压升高和细胞肿胀;④钠泵活动造成的膜内外Na+和K+的浓度差,是细胞生物电活动的前提。钠泵按3∶2比例不对等地排钠摄钾,可使膜外的正电荷增加,因此钠泵也称为生电性钠泵。 钙泵(calcium pump)也称Ca2+-ATP酶(Ca2+-ATPase),广泛分布于细胞膜、肌质网或内质网膜。钙泵由一条肽链构成,有10个跨膜α螺旋,其N端和C端都位于膜的细胞质侧。分子上的ATP结合位点、磷酸化位点和Ca2+结合位点也都位于细胞质侧。不同部位的钙泵在其分子结构、转运特性和功能调节方面存在一定的差异。细胞膜钙泵每水解1分子ATP,可将1个Ca2+由细胞内转至细胞外;肌质网或内质网钙泵每水解1分子ATP,可将2个Ca2+由细胞内液转运至肌质网或内质网内。钙泵的活动以及Na+-Ca2+交换等多种机制使得静息时细胞外液Ca2+浓度比细胞内液高1万倍以上,而细胞内液游离Ca2+浓度很低(0.1~0.2μmol/L),使得细胞对胞质内Ca2+浓度增加非常敏感,以致经钙通道流入胞质内的Ca2+成为触发或激活许多生理过程的关键因素,如肌细胞收缩、腺细胞分泌、神经递质释放等。

2.继发性主动转运 是利用原发性主动转运建立的膜电-化学势能完成的逆浓度梯度跨膜转运。许多物质在进行逆浓度梯度或逆电位梯度跨膜转运时,所需的能量并不是直接来自ATP的水解,而是来自Na+在膜两侧形成的浓度梯度势能,这种势能是由钠泵利用ATP水解时释放的能量建立起来的。因此,继发性主动转运也可描述为间接利用ATP能量的主动转运。葡萄糖及氨基酸在小肠黏膜上皮细胞和肾小管上皮细胞的吸收或重吸收、甲状腺上皮细胞的聚碘、神经递质的重摄取、Na+-Ca2+交换、Na+-H+交换、Na+-K+-2Cl-同向转运等生理过程,均属继发性主动转运。如果溶质与Na+向同一方向转运称为同向转运,如果溶质与Na+向相反方向转运则称为逆向转运或交换。继发性主动转运过程中,利用细胞膜两侧的Na+浓度梯度完成跨膜转运的膜蛋白称为转运体(transporter)。逆向转运时的转运体也被称为交换体(exchanger)。转运体和载体具有相似的转运机制,两者之间并没有严格的界限,通常转运体总是同时转运两种或更多的物质。 Na+-葡萄糖同向转运体(Na+-glucose symporter)是一个由664个氨基酸残基组成,具有12个跨膜片段的糖蛋白。小肠上皮细胞面向肠腔的顶端膜区分布有此类转运体,而在面向组织液的基底侧膜区分布有钠泵和葡萄糖载体(图2-3)。钠泵活动造成细胞内低Na+,并在顶端膜区的膜内外形成Na+浓度梯度。膜上的同向转运体利用Na+的浓度梯度势能,将肠腔中的Na+和葡萄糖分子一起转运至上皮细胞内。在这一过程中,Na+的转运是顺浓度梯度的,是转运的驱动力,而葡萄糖分子的转运是逆浓度梯度的,它间接利用钠泵水解ATP释放的能量完成了主动的跨膜转运。用钠泵特异性阻断剂哇巴因将钠泵活动抑制后,葡萄糖的继发性主动转运即随之减弱或消失。进入小肠上皮细胞的葡萄糖分子再经基底侧膜上的葡萄糖载体扩散至组织液,完成葡萄糖分子在肠腔中的吸收过程。氨基酸在小肠的吸收机制与葡萄糖相同。肾小管上皮细胞主动重吸收葡萄糖和氨基酸的机制亦与此相似。S:Na+-葡萄糖或Na+-氨基酸同向转运体;C:葡萄糖或氨基酸载体 大多数细胞存在的Na+-Ca2+交换体的作用是将细胞外3个Na+转入和细胞内1个Ca2+排出,以维持细胞内低的游离Ca2+浓度;Na+-H+交换体是将胞外1个Na+转入的同时将胞内1个H+排出;Na+-K+-2C1-同向转运体则是将细胞外1个Na+、1个K+和2个Cl-一同转入细胞内,它们都利用了膜内外的Na+浓度梯度势能。

(三)膜泡运输

小分子物质或离子可以通过上述的被动转运或主动转运穿越细胞膜,而大分子物质或物质团块不能通过上述方式直接穿越细胞膜,而是需要动用细胞膜更为复杂的结构和功能改变,以囊泡的形式完成其出胞或入胞。此转运过程需要消耗能量。

1.出胞 出胞(exocytosis)指胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。如外分泌腺分泌酶原颗粒和黏液,内分泌腺分泌激素,神经末梢释放神经递质等。其基本过程:分泌物通常是在粗面内质网上的核糖体合成,再转移到高尔基体,被修饰成周围由单位膜包裹的分泌囊泡,囊泡先逐渐向细胞膜内侧移动,然后与细胞膜的某点接触并相互融合、出现裂口,一次性将囊泡内容全部排出,随即囊泡膜成为细胞膜的组成部分。出胞有两种形式:一种是持续性出胞,如小肠黏膜上皮细胞分泌黏液的过程;另一种是间断性出胞,如神经末梢释放递质的过程,是受到化学或电信号诱导而触发的。

2.入胞 入胞(endocytosis)指细胞外某些物质团块进入细胞的过程。入胞的基本过程:首先是细胞外被转运物质与细胞膜接触,引起该处的胞膜内陷、包被该物质,然后内陷部分与膜结构断离,被转运物质连同包被它的那部分细胞膜一起完整地进入细胞内形成吞噬泡或吞饮泡。其中,物质颗粒或团块进入细胞的过程称为吞噬,液态物质进入细胞的过程称为吞饮。吞噬只见于一些特殊的细胞,如巨噬细胞和中性粒细胞吞噬细菌或细胞碎片等,形成的吞噬泡直径较大(1~2μm)。吞噬泡进入细胞内后与溶酶体融合,通过酶的作用将细菌消灭。吞噬过程需要ATP提供能量,用于细胞膜骨架的移动和囊泡在细胞内的转运。吞饮几乎可见于所有细胞,形成的吞饮泡直径较小(0.1~0.2μm)。吞饮又可分为液相入胞和受体介导入胞两种类型。液相入胞是指细胞外液及其所含的溶质连续不断地以吞饮方式进入细胞内,是细胞固有的经常性的活动。受体介导入胞是指被转运物通过特异膜受体介导进入细胞的方式。如血浆低密度脂蛋白颗粒、运铁蛋白、维生素1312转运蛋白、多种生长因子、抗体、某些细菌毒素、某些病毒等通过细胞膜上相应受体识别并发生特异性结合后再转为细胞内的吞饮泡。

中医的气血精液,精微物质等对应了以上西医细胞生物学的什么呢?

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