易化擴散(facilitated diffusion)又稱(chēng)協(xié)助擴散,是借助于膜上運輸蛋白的協(xié)助順濃度梯度運輸物質(zhì)的方式。葡萄糖、氨基酸,核苷酸等親水性營(yíng)養物質(zhì)以及Na ,K ,Ca 等帶電荷的離子都能通過(guò)易化擴散進(jìn)行跨膜運輸。介導易化擴散的運輸蛋白有載體蛋白和通道蛋白,據此,易化擴散又分為載體蛋白介導的易化擴散和通道蛋白介導的易化擴散兩種類(lèi)型。介導主動(dòng)運輸的蛋白也稱(chēng)為載體蛋白。 載體蛋白介導的易化擴散
運輸過(guò)程是通過(guò)載體蛋白發(fā)生可逆的構象變化實(shí)現的。載體蛋白是膜上與物質(zhì)運輸有關(guān)的穿膜蛋白,對所運輸的物質(zhì)具有高度選擇性,當載體蛋白一端表面的特異結合部位與專(zhuān)一的溶質(zhì)分子結合,引發(fā)載體蛋白空間構象改變,將運送的溶質(zhì)分子從結合的一側轉運到膜的另一側;變構的載體蛋白對被轉運物質(zhì)的親和力同時(shí)發(fā)生改變,于是被轉運的溶質(zhì)分子與載體蛋白分離而被釋放,載體蛋白又恢復到原來(lái)的構象。載體蛋白通過(guò)周而復始的構象變化被反復循環(huán)使用。 易化擴散的速率取決于膜兩則溶質(zhì)分子的濃度差。隨著(zhù)濃度差增大,運輸速度加快,但當溶質(zhì)分子與載體蛋白結合的位點(diǎn)飽和時(shí),運輸速率達到飽和,不會(huì )再增大。載體蛋白的活性可被調節,其中激素起主要調節作用。
大多數哺乳類(lèi)動(dòng)物細胞膜上都含有協(xié)助葡萄糖從血液擴散到細胞內的葡萄糖轉運蛋白(glucose transporter, GLUT),以易化擴散方式將能萄糖轉運人細胞,如人紅細胞膜上約有5萬(wàn)個(gè)葡萄糖轉運蛋白,其數量相當于膜蛋白質(zhì)總量的5%,最大轉運速度約為每秒轉運180個(gè)葡萄糖分子。葡萄糖轉運蛋白家族包括GLUT1-GLUT14,均參與葡萄糖的運輸。GLUT1分布于多種細胞的質(zhì)膜上,對葡萄糖親和力高,易于葡萄糖吸收進(jìn)人細胞。GLUT2 主要分布在肝細胞、胰島β細胞(嚙齒類(lèi))及小腸和腎具吸收功能的上皮細胞,與葡萄糖的結合具有高泡和度和低親和性特點(diǎn)。GLUT3分布于腦內神經(jīng)元細胞,對葡筍糖有很高的親和力和運輸容量,即使在血糖水平略低時(shí)也能迅速從細胞外液轉運葡萄糖,保障神經(jīng)元的能量供應。GLUT4分布于肌細胞和脂肪細胞膜上,胰島素可調節GLUT4的數量。正常情況下,靶細胞的GLUT4以囊泡形式貯存在細胞內,當餐后血糖升高時(shí),刺激胰島細胞分泌胰島素,胰島素刺激靶細胞,使含GLUT4的胞內囊泡迅速移至細胞表面,GLUT4 插入質(zhì)膜中,以提高葡萄糖的攝取,保證血糖的穩定。相反,當機體處于饑餓狀態(tài)時(shí),血糖濃度降低,在胰高血糖素作用下,肝糖原降解,產(chǎn)生大量葡萄糖,細胞內葡萄糖糖濃度高于細胞外,葡萄糖結合到載體蛋白細胞內側的結合部位上,將葡筍唐運到細胞外。糖尿病病人常伴有GLUT4數量不足或功能下降,血糖升高時(shí),葡萄糖不能順利進(jìn)人靶細胞,導致血糖持續增高,是產(chǎn)生胰島素抵抗的原因之一。 通道蛋白介導的易化擴散
運輸過(guò)程借助于穿越脂雙分子層的通道蛋白完成。通道蛋白中心是親水性小孔,不同種類(lèi)的通道蛋白可分別運輸離子,水等小分子。主要運輸離子的通道蛋白也稱(chēng)為離子通道,對離子具有高度親和力和高度選擇性。離子通道運輸速率高,每秒運輸離子數量多達幾百萬(wàn)個(gè),載體蛋白每秒運載的分子數目則不足一千個(gè)。某些離子通道蛋白星關(guān)閉狀態(tài),在接受特定信號刺激時(shí)發(fā)生構象的變化而開(kāi)啟,開(kāi)放時(shí)間不超過(guò)幾毫秒,隨即關(guān)閉,相當于閘門(mén),也稱(chēng)為閘門(mén)離子通道。 根據閘門(mén)離子通道開(kāi)啟信號的不同分為3類(lèi)。第一類(lèi)是電壓門(mén)通道,通道的開(kāi)、閉受膜電位變化控制,如Na 通道、K 通道等。第二類(lèi)是配體門(mén)通道,通道的開(kāi)、閉受化學(xué)物質(zhì)調節,研究較深入的是乙酰膽堿受體通道。第三類(lèi)是應力激活通道,通道蛋白感受機械應力而改變構象,開(kāi)啟通道。如內耳聽(tīng)覺(jué)毛細胞頂部的聽(tīng)毛就具有這種通道,聲波刺激在耳蝸內轉換成機械振動(dòng),可引起聽(tīng)毛傾斜,牽動(dòng)聽(tīng)毛上應力活化的K 通道,K 流人內耳毛細胞,使毛細胞發(fā)生去極化,產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)信號。 閘門(mén)離子通道的瞬時(shí)開(kāi)關(guān)有利于細胞各種功能活動(dòng)依次進(jìn)行。神經(jīng)沖動(dòng)引起骨骼肌收縮的整個(gè)反應過(guò)程至少有4種閘門(mén)離子通道被依次激活,順序開(kāi)放和關(guān)閉。 ①當沖動(dòng)到達神經(jīng)末梢,神經(jīng)細胞膜發(fā)生去極化,膜電位降低,引起神經(jīng)末梢膜上的電壓閘門(mén)Ca 通道開(kāi)放,膜外高濃度的Ca 迅速進(jìn)人神經(jīng)末梢,刺激分泌神經(jīng)遞質(zhì)——乙酰膽堿。 ②釋放的乙酰膽堿與肌肉細胞膜上的配體閘門(mén)通道上的特異部位結合,閘門(mén)瞬間開(kāi)放,Na 大量進(jìn)入細胞,引起肌細胞膜電位改變,膜局部去極化。
③肌肉細胞膜的局部去極化又使其膜上的電壓閘門(mén)Na 通道開(kāi)放,更多的Na 進(jìn)入肌細胞,去極化擴展到整個(gè)肌細胞膜。
④肌細胞膜去極化又引起肌細胞內肌質(zhì)網(wǎng)上的Ca 通道開(kāi)放,從肌質(zhì)網(wǎng)內流人細胞質(zhì),肌細胞內Ca 濃度急劇升高,引發(fā)肌原纖維收縮。