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易化擴散
圖片來自百度

促進擴散,易化擴散是膜蛋白介導的被動擴散。物質通過膜上的特殊蛋白質(包括載體、通道)的介導、順電—化學梯度的跨膜轉運過程,其轉運方式主要有兩種:一是經載體介導的易化擴散。二是經通道介導的易化擴散。易化擴散屬於被動轉運,被動轉運的主要特點是:轉運物質過程的本身不需要消耗能量,是在細胞膜上的特殊蛋白的「幫助」下,順着濃度梯度電位梯度進行的跨膜轉運,是一個「被動」的過程。

  • 外文名:facilitated diffusion
  • 別 名;易化擴散、協助擴散,或幫助擴散
  • 釋 義:非脂溶性物質不消耗ATP進入
  • 藉助物:細胞膜上的膜蛋白
  • 渠 道:濃度梯度或順電化學濃度梯度
  • 實 例:哺乳動物成熟紅細胞、脂肪細胞、骨骼肌細胞、肝細胞、細菌對葡萄糖的吸收

解釋

1、經載體的易化擴散

許多具有重要生理功能的營養物質(如葡萄糖氨基酸核苷酸等)都是以經載體的易化擴散(facilitated diffusion via carrier)的方式進行的,又稱載體轉運。

載體蛋白(Carrier protein)是膜上與特定物質運輸有關的跨膜蛋白鑲嵌蛋白。如人紅細胞有葡萄糖的載體蛋白,由內外四個亞基組成複合體,當葡萄糖分子與外側兩個亞基結合時引起它們的構象變化,就將葡萄糖甩入膜的中部,而後與內側的兩個亞基結合,通過構象變化,再將葡萄糖甩入細胞內。紅細胞膜上約有5萬個葡萄糖載體,其最大傳送速度約每秒180個葡萄糖分子。 [1]

2、經離子通道的易化擴散

經離子通道的易化擴散(facilitated diffusion through ion channel)又稱通道轉運,是指一些帶電離子(如鈉離子鉀離子鈣離子氯離子等)在通道蛋白的幫助下,順着濃度梯度或電位梯度進行的跨膜轉運過程。

易化擴散
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離子載體

離子載體ionophore),是疏水性小分子,可溶於雙脂層,提高所轉運離子的通透率,多為微生物合成,是微生物防禦被捕食或與其它物種競爭的武器,

離子載體也是以被動的運輸方式運輸離子,可分成可動離子載體(mobile ion carrier)和通道離子載體(channel former)兩類:

可動離子載體:如纈氨黴素(valinomycin)能在膜的一側結合K+,順着電化學梯度通過脂雙層,在膜的另一側釋放K+,且能往返進行。其作用機理就像虹吸管可以使玻璃杯中的水跨越杯壁屏障,向低處流動一樣。此外,2,4-二硝基酚(DNP)、羰基-氰-對-三氟甲氧基苯肼(FCCP)可轉運H+,離子黴素(ionomycin)、A23187可轉運Ca2+。

圖5-2 纈氨黴素的分子結構

通道離子載體:如短桿菌肽A(granmicidin)是由15個疏水氨基酸構成的短肽,2分子的短桿菌肽形成一個跨膜通道,有選擇的使單價陽離子如H+、Na+、K+按化學梯度通過膜,這種通道並不穩定,不斷形成和解體,其運輸效率遠高於可動離子載體。

以載體為中介的易化擴散有以下一些特點:

1、結構特異性 膜的各種載體蛋白與它轉運的物質之間有高度的結構特異性,即只能轉運特定結構的物質。

2、飽和現象 膜一側物質濃度增加超過一定限度時,轉運量速度就不再增加。

3、競爭性抑制如果某一載體對A和B兩種結構相似的物質都有轉運能力,那麼加入B物質將會減弱它對A物質的轉運。

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通道蛋白

通道蛋白(channel protein)是橫跨質膜的親水性通道,允許適當大小的離子順濃度梯度通過,故又稱離子通道。有些通道蛋白形成的通道通常處於開放狀態,如鉀泄漏通道,允許鉀離子不斷外流。有些通道蛋白平時處於關閉狀態,即「門」不是連續開放的,僅在特定刺激下才打開,而且是瞬時開放瞬時關閉,在幾毫秒的時間裡,一些離子、代謝物或其他溶質順着濃度梯度自由擴散通過細胞膜,這類通道蛋白又稱為門通道(gated channel)。

門通道可以分為四類:配體門通道(ligand gated channel)、電位門通道(voltage gated channel)、環核苷酸門通道(Cyclic Nucleotide-Gated Ion Channels)和機械門通道(mechanosensitive channel)。

通道

不同通道對不同離子的通透性不同,即離子選擇性(ionic selectivity)。這是由通道的結構所決定的,只允許具有特定離子半徑和電荷的離子通過。根據離子選擇性的不同,通道可分為鈉通道鈣通道鉀通道氯通道等。但通道的離子選擇性只是相對的而不是絕對的,比如,鈉通道除主要對Na+通透外,對NH4+也通透,甚至於對K+也稍有通透。

配體門通道

表面受體與細胞外的特定物質(配體ligand)結合,引起門通道蛋白發生構象變化,結果使「門」打開,又稱離子通道型受體。分為陽離子通道,如乙酰膽鹼、穀氨酸和五羥色胺的受體,和陰離子通道,如甘氨酸和γ-氨基丁酸的受體。

N型乙酰膽鹼受體是了解較多的一類配體門通道。它是由4種不同的亞單位組成的5聚體,總分子量約為290kd。亞單位通過氫鍵等非共價鍵,形成一個結構為α2βγδ的梅花狀通道樣結構,其中的兩個α亞單位是同兩分子Ach相結合的部位。

Ach門通道具有具有三種狀態:開啟、關閉和失活。當受體的兩個α亞單位結合Ach時,引起通道構象改變,通道瞬間開啟,膜外Na+內流,膜內K+外流。使該處膜內外電位差接近於0值,形成終板電位,然後引起肌細胞動作電位,肌肉收縮。即是在結合Ach時,Ach門通道也處於開啟和關閉交替進行的狀態,只不過開啟的概率大一些(90%)。Ach釋放後,瞬間即被乙酰膽鹼酯酶水解,通道在約1毫秒內關閉。如果Ach存在的時間過長(約20毫秒後),則通道會處於失活狀態。

筒箭毒和α銀環蛇毒素可與乙酰膽鹼受體結合,但不能開啟通道,導致肌肉麻痹。

電位門通道

電位門通道(voltage gated channel)是對細胞內或細胞外特異離子濃度發生變化時,或對其他刺激引起膜電位變化時,致使其構象變化,「門」打開。如:神經肌肉接點由Ach門控通道開放而出現終板電位時,這個電位改變可使相鄰的肌細胞膜中存在的電位門Na+通道和K+通道相繼激活(即通道開放),引起肌細胞動作電位;動作電位傳至肌質網,Ca2+通道打開引起Ca2+外流,引發肌肉收縮。

根據對Na+、K+、Ca2+通道蛋白質的結構分析,發現它們一級結構中的氨基酸排列有相當大的同源性,屬於同一蛋白質家族,是由同一個遠祖基因演化而來。K+電位門通道由四個α亞單位(I-IV)構成,每個亞單位均有6個(S1-S6)跨膜α螺旋節段,N和C端均位於胞質面。連接S5-S6段的髮夾樣β摺疊 (P區或H5區),構成通道的內襯,大小可允許K+通過。

K+通道具有三種狀態:開啟、關閉和失活。認為S4段是電壓感受器, S4高度保守,屬於疏水片段,但每隔兩個疏水殘基即有一個帶正電荷的精氨酸賴氨酸殘基。S4段上的正電荷可能是門控電荷,當膜去極化時(膜外為負,膜內為正),引起帶正電荷的氨基酸殘基轉向細胞外側面,通道蛋白構象改變,「門」打開,大量K+外流,此時相當於K+的自由擴散。K+電位門它和Ach配體門一樣只是瞬間(約幾毫秒)開放,然後失活。此時N端的球形結構,堵塞在通道中央,通道失活,稍後球體釋放,「門」處於關閉狀態。

鏈黴菌(Streptomyces lividans)的鉀離子通道KcsA也是由四個亞單位構成的,但每個亞基只有兩個跨膜片段,結構較為簡單。1998年,Roderick MacKinnon 等用X射線衍射技術獲得了高分辨的KcsA通道圖像,發現離子通透過程中離子的選擇性主要發生在狹窄的選擇性過濾器中。選擇性過濾器長1.2nm,孔徑約為0.3nm(K+脫水後直徑約0.26nm),內部形成一串鉀離子特異結合位點,從而只有鉀離子能夠「排隊」通過通道。

河豚毒素(Tetrodotoxin,TTX)能阻滯鈉通道,毒素帶正電荷的胍基伸入鈉通道的離子選擇性過濾器,和通道內壁上的游離羧基結合,毒素其餘部分堵塞通道外側端,妨礙鈉離子進入,導致肌肉麻痹。

環核苷酸門通道

與電壓門控性通道家族關係密切的是CNG通道,從蛋白質序列來看,它們與電壓門鉀通道結構相似,也有6個跨膜片段,各為帶電荷片段,P區構成孔道內側,整個通道為四聚體結構。在CNG通道中,細胞內的C末端較長,上面含有環核苷酸的結合位點。

環核苷酸門通道分布於化學感受器光感受器中,與膜外信號的轉換有關。如氣味分子與化學感受器中的G蛋白偶聯型受體結合,可激活腺苷酸環化酶,產生cAMP,開啟cAMP門控陽離子通道(cAMP-gated cation channel),引起鈉離子內流,膜去極化,產生神經衝動,最終形成嗅覺或味覺。

機械門通道

細胞可以接受各種各樣的機械力刺激,如摩擦力、壓力、牽拉力、重力、剪切力等。細胞將機械刺激的信號轉化為電化學信號最終引起細胞反應的過程稱為機械信號轉導(mechanotransduction)。

比較明確的有兩類機械門通道,其一是牽拉活化或失活的離子通道,另一類是剪切力敏感的離子通道,前者幾乎存在於所有的細胞膜,研究較多的有血管內皮細胞心肌細胞以及內耳中的毛細胞等,後者僅發現於內皮細胞心肌細胞。牽拉敏感的離子通道是指能直接被細胞膜牽拉所開放或關閉的離子通道。其特點為對離子的無選擇性、無方向性非線性以及無潛伏期。這種通道為2價或1價的陽離子通道,有Na+、K+、Ca2+,以Ca2+為主。研究表明,當內皮細胞被牽拉時,由於通道開放引起Ca2+內流,使以Ca2+介導的血管活性物質分泌增多,Ca2+還可作為胞內信使,導致進一步的反應。

內耳毛細胞頂部的聽毛也是對牽拉力敏感的感受裝置,聽毛彎曲時,毛細胞會出現暫短的感受器電位。從聽毛受力而致聽毛根部所在膜的變形,到該處膜出現跨膜離子移動之間,只有極短的潛伏期,

水通道

長期以來,普遍認為細胞內外的水分子是以簡單擴散的方式透過脂雙層膜。後來發現某些細胞在低滲溶液中對水的通透性很高,很難以簡單擴散來解釋。如將紅細胞移入低滲溶液後,很快吸水膨脹而溶血,而水生動物卵母細胞在低滲溶液不膨脹。因此,人們推測水的跨膜轉運除了簡單擴散外,還存在某種特殊的機制,並提出了水通道的概念。

1988年Agre在分離純化紅細胞膜上的Rh血型抗原時,發現了一個28 KD 的疏水性跨膜蛋白,稱為CHIP28 (Channel-Forming integral membrane protein),1991年得到CHIP28的cDNA 序列,Agre將CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾卵母細胞中,在低滲溶液中,卵母細胞迅速膨脹,並於5 分鐘內破裂,純化的CHIP28置入脂質體,也會得到同樣的結果。細胞的這種吸水膨脹現象會被Hg2+抑制,而這是已知的抑制水通透的處理措施。這一發現揭示了細胞膜上確實存在水通道,Agre因此而與離子通道的研究者Roderick MacKinnon共享2003年的諾貝爾化學獎

在人類細胞中已發現的此類蛋白至少有11種,被命名為水通道蛋白(Aquaporin,AQP),均具有選擇性的讓水分子通過的特性。在實驗植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)中已發現35個這類水通道。

水通道的活性調節可能具有以下途徑:通過磷酸化使AQP的活性增強;通過膜跑運輸改變膜上AQP的含量,如血管加壓素(抗利尿激素)對腎臟遠曲小管和集合小管上皮細胞水通透性調節;通過調節基因表達,促進AQP的合成。

特點

被動擴散有兩種分別為簡單擴散和促進擴散,相同點是不需要消耗ATP。 促進擴散同簡單擴散相比,具有以下一些特點:

  1. 促進擴散需要膜蛋白的幫助,並且比簡單擴散的速度要快幾個數量級。
  2. 簡單擴散的速率與溶質的濃度成正比,而膜蛋白幫助的促進擴散可以達到最大值,當溶質的跨膜濃度差達到一定程度時,促進擴散的速度不再提高。
  3. 在簡單擴散中,結構上相似的分子以基本相同的速度通過膜,而在促進擴散中,運輸蛋白具有高度的選擇性。如運輸蛋白能夠幫助葡萄糖快速運輸,但不幫助與葡萄糖結構類似的糖類運輸。
  4. 與簡單擴散不同,運輸蛋白的促進擴散作用也會受到各種抑制。膜運輸蛋白運輸作用也會受到類似於酶的競爭性抑制,以及蛋白質變性劑的抑制作用

視頻

【生理學】單純擴散和易化擴散

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參考文獻