【细胞生物学】3. 膜II：被动与主动运输

内容提纲

• 质膜：选择性屏障

• 被动和主动转运蛋白

• 通道：被动运输者

• 有些通道带闸门

• 泵：主动运输者

• 钠/钾泵

• Na+/K+泵的发现

你知道么？

你知道么，细胞膜中仅仅缺少小小的一种氨基酸就会导致囊性纤维化，会危及生命。治疗胃灼热的药物，可以减慢质子通过细胞膜泵入胃的速度。研究分子如何穿过质膜（细胞膜）是理解和治疗许多疾病的关键。

关键概念

• 分子是否能够轻松进入或离开细胞，很大程度上取决于分子的电荷、分子在水中的溶解度。

• 质膜是细胞的半透性屏障。只有不带电的非极性分子才能在没有帮助的情况下进入或离开细胞。

• 所有质膜都具有转运蛋白，可帮助将分子从膜的一侧移动到另一侧。这些转运蛋白有的主动的（泵），有的被动的（通道），有时由闸门调节。

• 缺乏特定的转运蛋白，会中断细胞功能并导致囊性纤维化等疾病。

• 研究止痛药，让人们了解了人体中最重要和最通用的转运蛋白——钠钾泵。

在美国，大约3万人患有囊性纤维化（CF） 。这是一种遗传病，从父母双方那里遗传并患病终生。囊性纤维化患者有严重的呼吸和消化问题，因为肺等器官中会积聚粘稠的粘液。就在几十年前，大多数患有囊性纤维化的人活不到上幼儿园。幸运的是，医学研究已将囊性纤维化患者的平均寿命推高到了约35岁。此外，疾病的根本原因已经确定：受影响器官中细胞的质膜缺少关键成分，因此无法正常运作。

质膜（也称为细胞膜）绝不只是细胞内外之间简单的一道屏障。正如“膜I：生物膜的结构与功能”模块中所探讨的，质膜对细胞的生命至关重要，它嵌有各种各样的成分，包括脂质、碳水化合物、蛋白质——其中许多调节允许进出细胞的成分（图1）。

图 1：细胞膜中有许多类型的成分。

质膜：选择性屏障

所有细胞的质膜都能屏蔽大多数分子。只有不带电的非极性分子才能轻松穿过膜。非极性分子是那些对称共享电子的分子，因此没有局部带正电或负电。二氧化碳和氧气等气体、睾酮、雌激素等脂质激素，都是非极性分子。然而，我们体内的大多数分子要么是带电的，要么带极性。例如，水不能直接穿过生物膜，因为它是一种极性分子，局部带正电与负电。质膜的内部环境是高度疏水的，因为所有脂肪酸烃尾部都紧密拥挤（参见“膜I：生物膜的结构与功能”）。这些碳氢化合物尾部充满了非极性键，在膜内部的任何地方基本上没有极性键。这创造了一个非常疏水的环境，因此水被强烈排斥。葡萄糖也是极性分子，它也不容易穿过膜。葡萄糖比水分子大得多，整个分子中有许多极性键。钠（Na+）和氯（Cl-）这些离子，比葡萄糖更难通过膜。它们不仅只在局部带电，而是整体带电，因此被膜内部强烈排斥（见图2）。

图2 氧和氮等非极性分子通过膜扩散，而极性分子和带电离子则不通过膜扩散。

然而我们都知道，水、葡萄糖、钠、氯一直在细胞中进出。这就是说，一定有一些东西在帮助它们。这个“东西”是所有的运输者：既有被动的，也有主动的。
【考考自己】分子更难通过质膜，当它_____

a.带电

b.不带电

被动和主动转运蛋白

运输者是两类蛋白：被动转运蛋白（也称为通道）和主动转运蛋白（也称为泵）。主动运输和被动运输之间的区别在于，是否需要能量将分子从膜的一侧移动到另一侧。通道是被动的，它不需要能量来帮助分子流过它。（水通道蛋白水转运蛋白是一个通道）。另一方面，泵确实需要能量来完成工作，因此它们被称为主动转运蛋白。

通道：被动运输者

心脏、神经、肌肉要发挥作用，就需要将钠离子移入和移出细胞。然而，钠离子带电而不能直接穿过膜，细胞具有钠通道，该通道在膜中形成一条路径（隧道），离子才得以自由流动。

通道为分子提供的只不过是一条流动路径，所以它们只能允许这些分子从高浓度的地方流向低浓度的地方。换句话说，通道允许特定的分子扩散，没有通道的话，它们就会被膜挡住而无法扩散。通道帮助分子穿过膜，称为“协助扩散”（facilitated diffusion）。最终分子被动地均匀分布开，在此过程中，通道帮了点忙（见图3）。

图3 常规扩散（脂溶性分子）与协助扩散（水溶性分子）。

举例来说，人体细胞内部的钠离子浓度相当低，但在细胞外，在身体的一般液体中，钠离子的浓度很高。这就是为什么眼泪、汗水等体液是咸的。因此，在你身体的每个细胞周围，都有一个钠离子的浓度梯度——细胞内的低钠和周围液体中的高钠。通道只能允许分子沿着梯度（从高到低）被动流动，而不允许其他方向流动，因此钠通道将允许钠离子流入细胞，而不是流出细胞。

通道对于许多不同类型的分子都很重要。1989年人们发现，囊性纤维化的根本原因，是患者的细胞膜中缺乏一种特定的被动转运通道。这个通道被称为CFTR（囊性纤维化跨膜电导调节剂），它可以在患者的细胞中产生的，但缺了一小块：一个关键位置上的氨基酸。由于其结构中的这种微小改变，CFTR不会被传递到质膜，在那里允许氯离子流出细胞（Cheng等，1990）。CFTR通道如图4所示。



图4 CFTR通道

肺部某些细胞的氯离子流动，对于制造适当稠度的粘液至关重要。没有氯，粘液流动不畅。当氯无法从囊性纤维化患者的细胞中流出时，粘稠的粘液会在肺部积聚，导致与囊性纤维化相关的症状和感染，例如频繁咳嗽和喘息。这凸显了细胞膜所起的作用是多么重要。它不仅仅是一个静态的、选择性的屏障。
【考考自己】通道允许分子_____

a.顺着浓度梯度力流动。

b.从低浓度区域泵到高浓度区域。

有些通道带闸门

许多细胞（尤其是神经元和肌肉细胞）有钠通道，但这些通道通常是被闸门关闭的。这些闸门可防止钠冲入细胞，从而保持梯度。但是，这些门也可以在特定时间打开。由于细胞外的钠浓度高于细胞内，如果钠通道上的闸门突然打开，钠离子将开始向内流动。

要知道，分子移动路径是随机的。虽然分子会从细胞外通过通道流入，但有些分子也会回流，只是流入细胞的离子比流出细胞的离子多，因为一开始外面的离子更多。因此，当闸门打开时，我们说钠离子净进入细胞。如果闸门保持足够长的时间，内部和外部的钠浓度将相等，不再有梯度，也不再有净运动。然而，实际上并不会发生，因为闸门只打开了一小会儿。

泵：主动运输者

钠离子是如何在细胞外达到高浓度的？要回答这个问题，我们必须考虑主动运输。主动运输与被动运输正好相反。首先，它确实需要能量的输入（这通常以ATP的形式出现），而不是依赖于分子的随机运动。其次，主动运输会建立浓度梯度 - 这意味着它增加了给定区域内分子的浓度 - 而不是减少它们（参见“扩散I：简介——分子随机运动与扩散速率”模块）。第三，它需要膜泵（而不是通道）的作用将分子从膜的一侧移动到另一侧。

膜泵是嵌入质膜中的蛋白质，可将特定分子或离子泵入或泵出细胞。例如，胃壁中有质子（H+）泵。它们将质子泵入胃腔，产生一种非常酸性的溶液来帮助消化食物（图5）。患有慢性胃灼热或消化不良的人可能会服用药物（Nexium、Prilosec 、Prevacid） 来治疗这种不适。这些药物通过减慢胃壁中的质子泵起作用，从而使胃酸性降低（Peghini等，1998）。还有肠道中有钙 （Ca2+）泵，它有助于从食物中吸收钙；肾脏中有葡萄糖泵，它从尿前液中获取所有葡萄糖，这样我们不会在尿液中不断流失葡萄糖。不同于通道，所有这些泵都必须使用能量来进行这种泵送。

图5 胃壁中的质子泵

【考考自己】分子的随机运动，是_____

a.主动运输

b.被动运输

钠/钾泵

最重要的泵，或许是钠/钾泵，通常简写为Na+/K+泵。这种泵几乎存在于人体的每一个细胞膜中，实际上也存在于地球上曾经生活过的每一种动物的几乎每一个细胞膜中。该泵负责将钠从细胞中泵出，将钾泵入细胞。因为它向相反的方向泵送两个东西，所以它被称为“反端口”（antiport）。

虽然细胞外已经有很多Na+（而细胞内很少），但Na+/K+反端口主动将Na+从细胞内泵送到细胞外。钾（K+）也是如此——它主动将K+泵入细胞，尽管内部的浓度高于外部的浓度。反端口通过增加细胞外的钠和细胞内的钾的浓度来不断建立两个梯度。Na+/K+泵不知疲倦地作用于人体的每个细胞，不断保持这两个关键的梯度（图6）。

图6 钠/钾（Na+/K+）反端口主动将钠从细胞内部泵送到外部，同时将钾泵入细胞。

因为它与扩散（以平衡膜两侧的浓度）相反，因此Na+/K+泵从事的是主动运输，这是一个需要能量的过程。像细胞所做的大多数工作一样，这种运输工作的能量以ATP的形式出现。

为什么保持细胞内部的低Na+和高K+如此重要？原因是因为这两个梯度用于身体周围的各种重要目的，例如让神经发送信息和肌肉收缩。神经元和肌肉的质膜上有钠和钾通道；然而，这些通道并不总是开放的——它们上面有通常关闭的闸门。不过，这些闸门会突然打开。例如，肌肉细胞有一个钠通道，该通道可以由神经递质乙酰胆碱打开。如果神经元突然将乙酰胆碱释放到肌肉上，钠通道上的门就会打开。当这种情况发生时，由于钠梯度一直存在，钠离子会冲入细胞。然后钠离子（Na+）引起快速链式反应，导致肌肉收缩。（请参阅图 7）。

图7 神经元将乙酰胆碱释放到肌肉，导致钠通道的闸门打开（插图），钠离子由于钠梯度而冲入细胞。

正常的肌肉使用过程中，钠的流入是暂时的，并被Na+/K+泵迅速逆转，该泵始终在努力尽快重新建立梯度。然而，在剧烈运动中，特别是当肌肉不习惯这种高强度的工作时，Na+/K+泵和其他对肌肉细胞功能很重要的离子泵无法跟上从大门打开的离子涌入。这会导致肌肉持续和不自主的收缩，也称为痉挛，因为钠离子在肌肉细胞内积聚。这种收缩非自愿且非常剧烈，因此痉挛让人痛苦，通常使人虚弱。逆转它们的唯一方法是停止所有运动并按摩肌肉，哄骗它进入放松状态，让Na+/K+泵有机会赶上它的工作，将钠从细胞中排出，钾进入。身体状况良好的运动员抽筋问题较少，因为他们训练有素的肌肉比我们其他人拥有更多的Na+/K+泵和其他离子泵。

大脑中的许多神经元也会通过将神经递质释放到邻近的神经元上，来对钠离子的突然涌入做出反应。迄今为止发现的一些最致命的有毒化合物是阻塞钠通道、麻痹神经、肌肉的化合物，这一事实强调了这些钠通道的至关重要性。河豚毒素是一种在河豚中发现的阻断钠通道的毒药，其致命性是氰化物的100倍。即使摄入非常小剂量的河豚毒素，也会阻止肌肉和神经元的功能，从而使人完全瘫痪（Narahashi, Moore, Scott，1964）。
【考考自己】____提供主动运输的能量。

a.ATP

b.钾离子

Na+/K+泵的发现

二十世纪50年代，科学家知道离子进出细胞，因此细胞具有电压——细胞内外电荷的差异。几乎所有细胞的电压（也称为静息膜电位）都是负的——这意味着细胞内的负电荷多于正离子。细胞的这种内部负电荷主要来自生命中的许多大分子——DNA、蛋白质、脂质、糖——它们都带负电荷。但科学家不明白细胞如何阻止正离子流入以抵消负电荷，或者为什么所有动物细胞都保持低浓度的钠和高浓度的钾。

这种情况在1958年发生了变化。丹麦医生延斯·斯库（Jens Skou）在研究局部镇痛药的工作原理时有了意外发现。镇痛药是预防或减轻疼痛的物质，奴佛卡因（Novocain）就是一种局部镇痛药，牙医在口腔手术中使用它来麻痹口腔。在实验室里，斯库博士注意到，细胞膜中嵌入的一种酶会消耗了大量的ATP。然后他注意到，细胞暴露于一些镇痛药时，酶停止消耗ATP，就像是瘫痪。随着药物从细胞中冲走，这种效果慢慢消失。这一发现的关键是，他注意到，这些药物不仅影响神秘的ATP消耗酶，而且还允许钠在细胞中积聚和钾从细胞内排出。除了钠和钾，没有其他离子受到影响。过一段时间，这种影响逐渐消失。完全相同的时间内，ATP消耗逐渐恢复，Na+和K+梯度恢复。斯库博士没有立即建立联系，而是开始研究其他止痛药。

后来，斯库与另一位研究红细胞中钠转运的科学家罗伯特·波斯特（Robert Post）交谈讨论。他们才意识到他们可能正在研究同一种酶。波斯特博士回到实验室，尝试了与斯库相同的镇痛药，它奏效了——它抑制了红细胞中的钠转运。与此同时，斯库打电话给他的实验室，指示他们尝试波斯特一直在研究的药物哇巴因（ouabain）。几天后，他的实验室回电，说它以同样的方式起作用（Skou，1965）。

抑制钠/钾泵与缓解疼痛有什么关系？如上所述，钠和钾的梯度对神经元的功能至关重要。当哇巴因等镇痛药减慢负责感知疼痛的感觉神经元上的 Na+/K+泵时，它们会暂时破坏Na+和K+梯度。当这种情况发生时，神经元会瘫痪一段时间，无法将其疼痛信息传递到大脑。虽然Na+/K+泵存在于身体的每个细胞上，但这些药物对其他细胞的影响不如对神经元的影响那么强大。大多数细胞不依赖Na+和K+梯度来发挥作用，因此这些细胞不受药物的影响。然而，还有另一种类型的细胞受到影响——肌肉。据说肌肉和神经元都是可兴奋的，这意味着它们对电压的变化和离子的运动非常敏感。抑制Na+/K+泵的药物可以使肌肉和神经元瘫痪。

总之，细胞膜既不是包裹细胞的被动的囊，也不是细胞的孤立部件。嵌入膜中的蛋白质为细胞执行重要功能。这些蛋白质最重要的功能之一，是将各种分子转入和转出细胞。正如我们在囊性纤维化中看到的那样，即使细胞膜中数百种转运蛋白类型中的一种出现故障，也可能导致严重的疾病。

同时，这些转运蛋白的功能有时可以用药物来操纵，以治疗某些疾病。抑制胃壁质子泵的药物可用于治疗胃酸反流，抑制Na+/K+泵的药物可作为局部止痛药。因此，许多生物医学科学家研究质膜，以寻求治疗和治愈常见疾病的方法。

资料来源：
Nathan H Lents, Ph.D. “Membranes II” Visionlearning Vol. BIO-3 (8), 2014.

https://www.visionlearning.com/en/library/biology/2/membranes-ii/204

References
Cheng, S. H., Gregory, R. J., Marshall, J., Paul, S., Souza, D. W., White, G. A., ... & Smith, A. E. (1990). Defective intracellular transport and processing of CFTR is the molecular basis of most cystic fibrosis. Cell, 63(4), 827-834.

Narahashi, T., Moore, J. W., & Scott, W. R. (1964). Tetrodotoxin blockage of sodium conductance increase in lobster giant axons. The Journal of General Physiology, 47(5), 965-974.

Peghini, P. L., Katz, P. O., Bracy, N. A., & Castell, D. O. (1998). Nocturnal recovery of gastric acid secretion with twice-daily dosing of proton pump inhibitors. The American Journal of Gastroenterology, 93(5), 763-767.Skou, J. C. (1965). 

Enzymatic basis for active transport of Na+ and K+ across cell membrane. Physiol. Rev, 45(5), 617.