有些非脂溶性或脂溶性很小的物质,在膜蛋白帮助下,顺浓度差的跨膜转运称为易化扩散(facilitated diffusion)。易化扩散和单纯扩散一样也是从高浓度一侧向低浓度一侧转运,所以也不需要细胞代谢提供能量。但是它与单纯扩散不同的是必须有膜蛋白帮助才能进行。
根据参与的膜蛋白不同将易化扩散分为两种,即通道蛋白帮助的易化扩散,简称通道转运(channeltrans-port)和载体蛋白帮助的易化扩散、简称载体转运(carriertransport)。
(一)通道转运
通道转运是在镶嵌于膜上的通道蛋白的帮助下完成的。如图2-1所示,通道蛋白像贯通细胞膜并带有闸门装置的管道。开放时,物质顺浓度差或顺电位差经过通道转运;关闭时,即使细胞膜两侧存在浓度差或电位差,物质也不能通过。各种离子主要是通过这种方式进出细胞的。现已确定,细胞膜上有多种通道,如钠通道、钾通道、钙通道等,它们可分别让Na*、K、Ca+等离子通过。离子扩散通量的多少,除决定于膜两侧离子的浓度差外,还受离子产生的电场力的影响。
通道的开放(激活)或关闭(失活)是通过“闸门”来调控的,故通道又称门控通道。根据引起闸门开关的机制不同,分为不同的门控通道。例如,由化学物质引起闸门开关的称为化学门控通道;由膜两侧电位差变化引起闸门开关的称为电压门控通道;由机械刺激引起闸门开关的称为机械门控通道。闸门的开关是由通道蛋白构象改变引起的,在通道蛋白不同构象时通道会突然开放或关闭。
(二)载体转运
细胞膜的载体蛋白在高浓度一侧与被转运物质结合,这一结合引起载体蛋白的构象发生变化,把物质转运到低浓度的另一侧,然后与物质分离。一些小分子亲水性物质,例如,葡萄糖、氨基酸等就是依靠载体运输进入细胞内的。
载体运输具有以下特点:
①特异性:即载体的结合位点只能选择性地与具有特定化学结构的物质结合;
②饱和现象:即膜两侧物质的浓度差增加到一定程度后,扩散通量就不会再随浓度差的增加而增大,这是因为载体和载体上的结合位点都有一定的数量,因此所能结合的物质数量也就受到限制;
③竞争性抑制:如果一种载体可以同时运载A和B两种物质,由于载体数量是一定的,因此A物质扩散量增多时,B物质的扩散量就会减少,这是因为A物质更多地占据了有限的载体的缘故。
易化扩散是细胞膜转运物质的一种重要而普遍存在的形式。人体的许多重要生理功能,例如,营养物质进入细胞、生物电的产生和兴奋的传导以及肌肉的收缩等都与易化扩散有密切关系。更重要的是,易化扩散可以调控,通过调控通道闸门的开关或者载体与物质的结合,控制物质能否进出细胞及其进出的数量,从而调整人体的生理功能。
由于单纯扩散和易化扩散转运物质时,动力来自膜两侧存在的浓度差(或电位差)所含的势能,不需要细胞代谢提供能量,故将它们称为被动转运(passivetransport)。膜两侧存在的浓度差、电位差也合称为电-化学梯度,被动转运是顺电-化学梯度将物质进行转运的。
人们用通道和载体形象的描述细胞膜对物质的转运,随着分子生物学的发展,许多通道蛋白和载体蛋白已被提纯和克隆,化学结构也在逐渐被阐明,但是它们转运物质的详细机制还不很清楚,仍需进一步研究。