Na⁺通道\\K⁺通道\\Na⁺—K⁺泵的區別與應用

摘要 簡要闡述了細胞膜上Na⁺通道、K⁺通道、Na⁺—K⁺泵區別以及在物質運輸中的應用。

關鍵詞 Na⁺通道K⁺通道 Na⁺—K⁺泵

中圖分類號Q-49

文獻標識碼E

物質進出細胞的方式是中學教材中比較抽象的一個知識點，特別是涉及同種物質在不同情況下進出細胞的方式有所不同的情況。典型的例子：在人教版必修一教材《分子與細胞》第71頁介紹物質通過主動運輸的方式進出細胞時舉例：人的紅細胞中K⁺的濃度比血漿高30倍，Na⁺的濃度卻只有血漿的1／6，所以紅細胞吸收K⁺是逆濃度的主動運輸；但在人教版必修三教材《穩態與環境》第18頁介紹興奮在神經纖維上的傳導時解釋為：神經細胞內K⁺濃度明顯高于膜外，而Na⁺濃度比膜外低。靜息時，由于膜具有通透性，造成K⁺外流，使膜外陽離子濃度高于膜內，這是大多數神經細胞產生和維持靜息電位的主要原因。這一進一出的兩個過程，學生容易迷糊。同是K⁺怎么有時逆濃度有時順濃度運輸?兩者是否矛盾?兩個過程涉及的細胞膜上的結構有什么不同?學生容易將Na⁺通道、K⁺通道、Na⁺——K⁺泵混淆，為幫助學生理解，特整理以下知識。

1 Na⁺通道、K⁺通道、Na⁺—K⁺泵的區別

離子通道是細胞膜上一種特殊的親水性蛋白質結構的微孔道，由蛋白質復合物構成。一種離子通道只允許一種離子通過，并且只有在對特定刺激發生反應時才瞬時開放。離子通道具有兩個顯著特征：一是具有離子選擇性，其方向是從高濃度向低濃度運輸。根據離子通道的選擇性進而可以分成Na⁺通道、K⁺通道(圖1)、ca⁺通道等類型。二是離子通道是門控的，即離子通道的活性由通道開或關兩種構象所調節，并通過通道開關應答于適當的信號，如含羞草的閉葉運動，草履蟲的快速轉向運動都與離子通道有關。Na⁺—K⁺泵實際上是一種能分解ATP的酶，即Na⁺—K⁺ATP酶復合體(圖1)，由2個亞基組成，其上有相應的3個Na⁺、2個K⁺、ATP酶結合位點，當ATP水解釋放能量時，使Na⁺—K⁺泵蛋白質的分子結構發生構象變化，從而將3個Na⁺從細胞內逆濃度排出，同時將2個K⁺從細胞外逆濃度運入。

2 離子通道和Na⁺—K⁺泵在Na⁺、K⁺進出細胞中的應用

多細胞生物的細胞內K⁺濃度大多高于細胞外液，Na⁺榷度大多低于細胞外液。所以如血漿中的紅細胞吸收K⁺或者排出Na⁺不是通過相應的離子通道進行的，而是借助Na⁺—K⁺泵中ATP的分解釋放的能量將其從低濃度向高濃度運輸。由于高濃度的離子具有較高的勢能，因此K⁺有向膜外擴散的趨勢，Na⁺有向膜內擴散的趨勢，細胞膜在靜息時K⁺通道打開，所以K⁺通過K⁺通道從高濃度向低濃度協助擴散運出細胞。當受到刺激時，相應部位的Na⁺通道打開，大量Na⁺借助Na⁺通道同樣協助擴散進入細胞內，具體過程可分為圖2中的A、B、C、D四個階段。然后借助Na⁺—K⁺泵的主動運輸恢復最初的平衡狀態，維持正常時細胞內的K⁺濃度總是超過細胞外K⁺度很多，細胞外Na⁺濃度總是超過細胞內Na⁺濃度很多。

3 離子通道和Na⁺—K⁺泵在葡萄糖進入小腸細胞中的應用

離子通道和Na⁺—K⁺泵不僅在Na⁺、K⁺進出細胞中起作用，還有些物質有時也借助Na⁺離子通道和Na⁺—K⁺泵的共同作用來進行跨膜運輸。例如葡萄糖進入紅細胞時是協助擴散，但其進入小腸絨毛上皮細胞時則是主動運輸。但此時的主動運輸是間接利用能量，又稱協同運輸。研究發現，小腸絨毛上皮細胞吸收葡萄糖、果糖等時，周圍介質中必須有很高濃度的Na⁺存在，否則葡萄糖等的主動運輸不能進行。在發生葡萄糖、果糖等進入細胞的過程中，都伴隨有Na⁺進入細胞。科學家對此作了如下的解釋：葡萄糖為例，它的主動運輸系統是靠兩個組分的共協作。其一是運送物質的載體(Na⁺離子通道)，它們有兩個結合位點分別與葡萄糖和Na⁺結合，因而運送時二者能同時進入細胞。第二個組分是Na⁺—K⁺它靠ATP供能把Na⁺送到細胞外，并由于Na⁺—K⁺泵的作用，使細胞外Na⁺維持較高的濃度。因而Na⁺回流細胞內是一個不需要能量的過程。在這個過程中，葡萄糖與Na⁺共用一個專門載體，與Na⁺相伴進入細胞內。葡萄糖的運送速度量決定于膜兩側Na+的濃度梯度，當細胞內Na⁺的度增大時，又通過鈉鉀泵把Na⁺泵出從而使Na⁺始終保持外高內低的濃度梯度。