傅胖中的小窩
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探討活動1-1 生物細胞的觀察
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被動運輸
1.
擴散是物質在無外力的情況下,由高濃度處往低濃度處移動的現象。擴散不消耗能量,兩處的物質濃度差愈大,物質擴散的速率愈快。細胞以簡單擴散的方式吸收
O2
與排出
CO2
(參見課本
P.24
圖
1
-
22 (a)
),但大部分物質進出細胞則需細胞膜上特定的運輸蛋白協助,此方式稱為促進性擴散或便捷擴散(
facilitated diffusion
)(參見課本
P.24
圖
1
-
22 (b)
)。協助的運輸蛋白有載體蛋白及通道蛋白兩類。
2.
凡物質進出細胞需要膜上的運輸蛋白參與時,物質運輸速率與物質濃度的關係會呈現飽和現象(圖
1
-
30
),此與酵素作用時,反應速率與受質濃度的關係相同,顯示物質進出細胞時,必須先與參與的運輸蛋白接合。
3.
參與促進性擴散的載體蛋白鑲嵌於細胞膜中,具有與輸送物(溶)質接合的部位,因此載體蛋白對運送的物質具有專一性,不同的物質進出細胞需由不同的載體蛋白運送。當物質與載體蛋白接合時,載體蛋白的構形發生改變,促使物質被運送至細胞膜的另一側(圖
1
-
31
)。載體蛋白可允許物質經由細胞膜進行雙向運輸,在濃度高的一側,載體蛋白與物質接合的機率較大,如同在濃度高的一側有較多的物質可搭上載體蛋白的便車而至另一側下車,而在濃度低的一側則很少有物質可藉載體蛋白被運送至濃度高的一側,因此物質移動的方向主要由兩側的濃度差異決定。
4.
參與促進性擴散的通道蛋白(圖
1
-
32
)貫穿細胞膜的脂雙層而形成一個水溶性的通道,供特定物質經此通道進出細胞,例如:水通道蛋白、鈉離子通道、鉀離子通道及肌肉細胞上的乙醯膽鹼(
acetylcholine
)受體等。有些離子通道受到調控,只在特定情況下才打開孔道,例如:當運動神經釋出神經傳遞物乙醯膽鹼時,乙醯膽鹼與肌肉細胞表面的乙醯膽鹼受體接合,引發受體的構形發生改變而打開通道,使
Na
+
及少許
Ca2
+
進入肌肉細胞造成膜電位的去極化,最後導致肌肉細胞的收縮。另外,神經細胞表面有許多受膜電位調控的鈉離子通道及鉀離子通道,當膜電位的改變超過特定的閾值(
threshold
)時,膜上鈉離子通道的構形發生改變而開啟,使得大量
Na
+
擴散(神經細胞外
Na
+
濃度遠高於細胞內)進入細胞內而產生動作電位,神經可藉此將訊號傳送出去。
5.
美國科學家艾格瑞(
Peter Agre, 1949
~)和麥金南(
Roderick Mackinnon, 1956
~)因研究通道蛋白運送物質進出細胞的機制而共同獲得
2003
年諾貝爾化學獎。以神經細胞為例,其膜上遍布許多離子通道供離子進出細胞,這些離子通道具有專一性,如鈉離子通道、鉀離子通道或鈣離子通道分別是專屬負責
Na
+
、
K
+
或
Ca2
+
通過細胞膜的運輸蛋白。麥金南發現鉀離子通道(圖
1
-
33
)內具有一個鉀離子專屬的接合位,當通道打開時,可選擇性的允許鉀離子通過。艾格瑞則發現人體的大部分細胞(尤其是腎臟細胞)有水通道蛋白,可選擇性地允許水分子通透,在水分大量進出細胞的過程,具有重要的調節角色。