細胞膜

許多蛋白質通道（protein channel）提供了蛋白質分子間的空隙所構成的水性通路，因此許多物質可以直接經由這些通道進出細胞膜。

然而，由於下列這兩種特性使得蛋白質 ... 細胞膜( )         細胞膜有是細胞的基本組成物質之一，它對細胞有相當重要的功能，少了它細胞就無法正常地進行生理機能。

在此補充一些膜的功能與物質進出膜的通道及方法。

雙層脂質 (TheLipid Biayer) 水浸潤著活細胞之外表，並充滿細胞大部分之內部。

當周圍有水時，脂質分子會自然聚集。

細胞膜中最豐富之脂質型態為磷脂 (Phospholipids)。

當許多磷脂分子被水包圍時，疏水性交互作用導致其脂肪酸尾部聚集起來。

穿孔在能量上是不利的，因此穿孔之質膜會試圖自行修補。

膜之脂質自我修復能力對可能面臨更大傷害是十分有用的。

雙層脂質之自我修補能力使新形成的囊及原來之胞器，二者均保持完整。

周圍有水之脂質分子有自我組合以及自我修補之行為。

在雙層內，單獨之脂質分子會有些微移動。

在雙層脂質內，脂質分子快速運動以及填塞方式之改變，因此形成液態膜 (membranefluidity)。

擴散作用 (Simple Diffusion) 分子或離子朝濃度較低處自由運動稱為擴散作用。

小分子之擴散作用說明物質通過細胞膜以達最大體積。

物質擴散方向取決於其本身濃度梯度，與其他物質無關。

每種物質之擴散是獨立地，與其他物質是否存在並無關係。

當沒有濃度梯度時，任何方向之淨移動為零。

擴散作用為物質進出細胞之短距離運輸方式。

滲透作用之定義 (Osmosis Defined) 滲透作用為在溶質濃度梯度，壓力梯度，或兩者下，任何差異性通透膜水分子之移動。

假設在袋內及袋外均裝蒸餾水，溶解濃度內外相同，故無水濃度梯度----並且任何方向均無淨移動。

主動運輸 (Active Transport) 能量推動可導致一連串之改變，這些已改變之蛋白質推動溶質快速通過膜。

通常多由ATP供給蛋白質能量。

有一種主動運輸系統，即鈉一鉀幫浦 (sodiumpotassiumpump)有助於維持細胞內高濃度之鉀及低濃度之鈉。

鈣邦浦(calciumpump)有助於使細胞內之鈣濃度至少比細胞外低一千倍。

一般主動運輸方式摘要如下: 在主動運輸中，小離子，帶電荷小分子，及大分子通常逆著其濃度梯度運送過細胞膜。

負責主動運輸系統者為橫跨雙層脂質之運輸蛋白質。

其有高度選擇能力，選擇將鍵結及運送之離子及分子之種類。

當特殊溶質連接於適當位置，蛋白質則開始作用並接受能量之推動。

物質進出細胞之原理         細胞膜基本上是一個雙層的脂質構造-脂肪雙層（lipidbilayer），其間含有許多浮動於脂質間的蛋白質分子，這些蛋白質分子大部分都是穿透了整個的細胞膜。

細胞膜上的蛋白質         脂肪雙層與細胞內液或細胞外液均不會相溶，因此便構成了細胞內外液之間大部分水分子及各種水溶性物質的一道運輸障壁。

然而，少數物質仍然可以直接穿過脂肪雙層，在細胞內外自由進出。

        至於細胞膜上的蛋白質分子，則具有完全不同的運輸性質，其分子結構中斷了脂肪雙層的連續性，而構成另一種運輸通道。

因此，這些蛋白質便稱為「運輸蛋白」（transport protein）。

各種運輸蛋白質分別有不同的作用，有些具有相當的空隙可以容許某些特定的分子或離子通過，此稱為「運道蛋白」（channel protein）；另外有一些稱為「攜帶蛋白」（carrierprotein），它們先與被運送的物質結合，然後當此蛋白質分子結構產生變化時，而使該物質通過此蛋白質分子的空隙轉運到細胞膜的另一側。

通道蛋白與攜帶蛋白兩者對於運送的物質種類（分子或離子）都具有高度的選擇性。

◎擴散與主動運輸：         通過細胞膜的物質運輸，無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質運送，其運輸過程不外乎下列兩種：「擴散」（diffusion）或者稱為「被動運輸」（passive transport），及「主動運輸」（activetransport）。

細胞膜上的各種運輸方式 雖然這兩種運輸型態間存有許多差異，然而基本上，擴散就是指一般物質的動力運動（kinetic motion）導致物質分子產生隨意運動（randommovement），而使得物質能夠通過細胞膜上分子間的空隙，或者與攜帶蛋白結合後通過細胞膜。

相對地，主動運輸則是指離子或其它物質與攜帶蛋白結合的一種運輸方式，並且必須往對抗能量梯度（energy gradient）的方向運輸，例如：將物質由低濃度區運至高濃度區。

這種過程除了需要物質運動所需的動能之外，還需要額外的能量。

促進擴散 一級主動運輸 二級主動運輸 ◎通過細胞膜的擴散         通過細胞膜的擴散方式又可以分為兩種：「簡單擴散」（simple diffusion）與「促進擴散」（facilitated）。

簡單擴散是指分子或離子利用動力運動直接通過細胞膜的開口或分子間隙，而不需要與細胞膜上的蛋白質結合。

此種擴散之速率決定於該物質的數量、動力運動的速率、以及細胞膜上可容許該物質通過的開口數目。

        相對的，促進擴散則需要分子或離子與攜帶蛋白作用來幫助其通過細胞膜，因為攜帶蛋白可能是與這些分子或離子發生化學結合之後，以此結合型態使分子或離子通過細胞膜。

        通過細胞膜的簡單擴散有兩種不同的路徑：直接穿過脂肪雙層的空隙，或者經過膜上的某些運輸蛋白所構成的通道。

通過脂肪雙層的簡單擴散 ◎脂溶性物質的擴散         決定物質通過脂肪雙層之速率的重要因素之一，即是該物質的脂溶性（lipid solubility）。

舉例來說，氧、氮、二氧化碳及酒精的脂溶性都非常高，因此它們可以直接溶解在脂肪雙層中而擴散通過細胞膜，就如同一般在水溶液中的擴散情形一樣。

很明顯的，這些物質通過細胞膜的擴散速率會與其脂溶性直接成正比關係。

尤其要注意的是，大量的氧氣都是以這種方式運輸的，因此氧氣可以自由的進入細胞內，就像細胞膜似乎不存在一樣。

◎水份以及其他非脂溶性物質的運輸         雖然水份極難溶於細胞膜脂質中，但它卻仍然可以快速地通過細胞膜，其中很多是直接穿過脂肪雙層，而更多的情形是通過細胞膜上的蛋白質通過。

事實上，水分子通過細胞膜的速率是很驚人的，例如：每秒鐘通過紅血球細胞膜的水份擴散總量約為紅血球本身體積的100倍。

        水分子能夠快速地通過細胞膜脂雙層的原因，至今仍不清楚。

但一般認為水分子的體積夠小且動能夠大，它就像子彈似穿過細胞膜。

        其它非脂溶性分子，如果其分子很小，便能夠藉著和水分子相同的方式通過脂肪雙層。

但是當這些分子變大時，穿透力便會很快的降低，例如尿素分子的直徑雖然只有比水大20﹪，但是對細胞膜的穿透性卻低於水的1/1000。

即使如此，這樣的穿透性仍然能夠讓尿素分子很快地通過細胞膜。

◎離子不能擴散通過脂肪雙層之原因         細胞膜之脂肪雙層對於離子的不穿透性（impenertrability）是由於離子帶的電荷所造成的，而電荷阻止離子擴散的原因有兩種： (1)這些離子所帶的電荷造成了大量的水分子與之結合，形成了所謂的水合離子（hydrated ion），使得離子的體積大大地增加了，於是便妨礙其通過脂肪雙層。

(2)更重要的是，這些離子所帶的電荷會與脂肪雙層所帶的電荷互相作用。

◎通過蛋白質通道的擴散以及該通道的閘門         許多蛋白質通道（proteinchannel）提供了蛋白質分子間的空隙所構成的水性通路，因此許多物質可以直接經由這些通道進出細胞膜。

然而，由於下列這兩種特性使得蛋白質通道變得相當特殊： 1.它們通常是選擇性地只容許某些物質通過， 2.許多蛋白質通道都有特定的閘門（gate）來控制其開關。

◎某些蛋白質通道的選擇性通透         大多數（並非全部）的蛋白質通道都具有高度的選擇性，只容許某種或某些物質（離子或分子）通過，這是由於該通道本身的特性所造成，例如通道的直徑、形狀以及通道表面所帶的電荷等。

舉例來說，有一種非常重要的蛋白質通道，即所謂的「鈉離子通道」（sodium channel），其大小只有0.3㎜×0.5㎜，但更重要的是其內表面帶有極強的負電荷。

這些負電荷主要會把鈉離子拉向通道，這是因為脫水後的鈉離子直徑要比其它離子小。

鈉離子一進入通道後，便依照一般原理進行擴散。

因此，鈉離子通道只特別容許鈉離子通過。

        另外有一種蛋白質通道，則是選擇性地容許鉀離子通過。

這種通道比鈉離子通道略小，只有0.3㎜×0.3㎜的大小，但它們不帶有負電荷。

因此，並沒有很強的吸引力可以將任何離子拉向該通道，並且也不能將任何離子從與其水合的水分子上拉走。

然而，鉀的水合離子比鈉的水合離子要小得多，這是因為鈉比鉀少了一整條軌道的電子層，所以鈉的原子核可以吸收較多水分子。

因此，體積小的水合鉀離子就可以很容易地穿過這個較小的通道，而鈉離子則不行，這也是一個具有選擇性通透的離子通道。

◎蛋白質通道的閘門控制 閘門開關的控制方法主要有兩種： 1.電位控制開關（voltage gating）：即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變，例如當細胞膜的內側有強烈的負電荷時，鈉離子通道就會緊緊地關閉；相反地，當負電荷消失時，閘門便會開啟。

鈉離子通道 2.鍵結控制開關（ligand gating）：有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開，這也使得蛋白分子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉，此稱為鍵結控制開關，而與之結合的物質即是鍵結元（ligand）。

鍵結控制開關中最主要的例子，就是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙硫膽鹼通道（acetylcholine channel）的作用。

未活化 活化後 它可以使該通道閘門打開，形成直徑約0.65㎜的通路，而容許小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過。

這個閘門對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的。

◎初級主動運輸與次級主動運輸         主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式：初級主動運輸及次級主動運輸。

在初級主動運輸中，能量直接來自於ATP或其它高能磷酸化合物的裂解反應；而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主動運輸所建立的離子濃度梯度。

這兩種運輸都和促進擴散作用一樣，必須依賴著穿透細胞膜上的攜帶蛋白。

但是在主動運輸時，攜帶蛋白的作用和促進擴散時的作用不同，因為主動運輸會將能量傳送給被運輸的物質以對抗電化學梯度。

◎初級主動運輸-鈉鉀幫浦         經由初級主動運輸的物質有鈉離子、鉀離子、鈣離子、氫離子以及一些其它的離子。

但是，並非所有的這些物質都會被運送經過所有的細胞膜。

某些幫浦是位在細胞內的細胞膜上，而非（或者也）位於細胞表面的細胞膜上，例如肌肉細胞上的肌漿質網或粒線體上兩層膜的其中之一，儘管如此，這些幫浦作用的基本機轉仍然相同。

        目前研究最清楚的主動運輸機轉，就是「鈉鉀幫浦」（sodium-potassium pump），它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外，而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內。

這種幫浦存在於人體所有的細胞中，它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差，同時也建立了細胞內的負電位。

鈉-鉀幫浦         這個攜帶蛋白是由兩個不同的球狀蛋白（globularprotein）所構成的負湖體。

其中較大的蛋白質分子量約為十萬，較小的蛋白質則為55000。

雖然小蛋白質的功能目前尚不清楚，但是可確知大蛋白質有三個特點，對幫浦的功能具有重要作用： 1.此蛋白質在突出細胞內面的部份，有3個可與鈉離子結合的接受點（receptor site）。

2.此蛋白質在細胞外面的部份有2個接受點可與鉀離子結合。

3.在蛋白質的內側靠近鈉離子結合處有ATP轉化 的活動。

        當這個攜帶蛋白的內側與3個鈉離子結合，而其外側與2個鉀離子結合時，該蛋白質的ATP轉化功能就會被活化，於是將1個ATP分子分解成ADP，而使高能磷酸鍵釋出能量。

這些能量便使攜帶蛋白分子發生結構上的變化，於是將3個鈉離子排出細胞外，同時將2個鉀離子送入細胞內。

◎主動運輸作用的飽和         主動運輸的飽和現象與促進擴散的飽和現象相同。

飽和現象發生的原因是攜帶蛋白與物質結合、釋放以及本身發生結構變化反應都受到速率的限制。

◎次級主動運輸-協同運輸與反向運輸         當鈉離子經由初級主動運輸被送出細胞外時，通常都會產生一個非常大的鈉離子濃度梯度（細胞內濃度低而細胞外濃度高），此梯度代表了能量的儲藏，因為在細胞膜外面，過量的鈉離子總會傾向於擴散進入細胞內。

在某些情況之下，這種鈉離子擴散的能量可以使其他物質隨著鈉離子一起通過細胞膜，此一現象稱為「協同運輸」（cotranport），這就是一種次級主動運輸的形式。

◎鈉離子與葡萄糖和銨基酸的協同運輸         葡萄糖和銨基酸在大部分細胞中，都會逆著濃度梯度被運輸細胞內。

要注意的是，攜帶蛋白在外側有兩個結合位置：一個與鈉離子結合，另一個則與葡萄糖結合。

鈉離子與葡萄糖的協同運輸 相同的，鈉離子由於細胞外濃度很高而細胞內濃度很低，因此提供了運輸所需的能量。

此攜帶蛋白的特性是在鈉離子結合後，一定要等到葡萄糖分子也與攜帶蛋白附著才會發生結構變化，而使得鈉離子往細胞內移動。

腎小管的再吸收作用 一旦兩者都與攜帶蛋白接觸時，結構變化便會自動發生，而鈉離子和葡萄糖則同時被運輸到細胞內部，這就是鈉離子與葡萄糖的協同運輸（sodium-glucose cotransport）機轉。

        鈉離子與葡萄糖和銨基酸的協同運輸特別是發生在腸道上皮細胞及腎小管將物質吸收回血液之處。

◎鈉離子與鈣離子和氫離子的反向運輸         有兩種特別重要的反向運輸轉機即是鈉離子與鈣離子的反向運輸（sodium-calcium counter-transport）以及鈉離子與氫離子的反向運輸（sodium-hydration counter-transport）。

鈣離子反向運輸幾乎發生在所有細胞內，其作用是將鈉離子移進細胞內，而將鈣離子移出細胞外。

這些反向運輸的離子都會與同一型的反向運輸蛋白結合。

鈣離子除了反向運輸外，在某些細胞中也有一級主動運輸的現象。

        鈉離子與氫離子的反向運輸會在許多組織中發生，其中特別重要的例子是在腎臟之近端腎小管處，在那裡鈉離子會從管腔中進入管腔細胞內，而氫離子則被反向運輸進入管腔中。

此機轉則是控制體液內氫離子濃度的重要機轉。

腎小管的分泌作用