3.5: 被动传输
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质膜必须允许某些物质进入和离开细胞，同时防止有害物质进入和必需物质离开。 换句话说，血浆膜具有选择性渗透性——它们允许某些物质通过，但不允许其他物质通过。 如果他们失去这种选择性，细胞将无法再自我维持，它将被摧毁。 有些细胞比其他细胞需要更多的特定物质；它们必须有办法从细胞外液中获得这些物质。 这可能是被动发生的，因为某些物质来回移动，或者细胞可能具有确保运输的特殊机制。 大多数细胞消耗大部分能量，以三磷酸腺苷（ATP）的形式在膜的两侧产生和维持不均匀的离子分布。 质膜的结构有助于这些功能，但也存在一些问题。
最直接的膜传输形式是被动的。 被动传输是一种自然发生的现象，不需要细胞消耗能量来完成运动。 在被动运输中，物质在称为扩散的过程中从浓度较高的区域转移到浓度较低的区域。 据说单一物质浓度不同的物理空间具有浓度梯度。
选择性渗透率
质膜是不对称的，这意味着尽管磷脂形成了镜像，但膜的内部与膜的外部并不相同。 充当通道或泵的整体蛋白在一个方向上起作用。 附着在脂质或蛋白质上的碳水化合物也存在于质膜的外表面。 这些碳水化合物复合物帮助细胞在细胞外液中结合细胞所需的物质。 这大大增加了血浆膜的选择性。
回想一下，质膜有亲水区和疏水区域。 这种特性有助于某些材料通过膜移动，并阻碍其他材料的移动。 脂溶性材料很容易滑过膜的疏水性脂质核心。 脂溶性维生素 A、D、E 和 K 等物质很容易通过消化道和其他组织的血浆膜。 脂溶性药物也很容易进入细胞，很容易被运送到人体的组织和器官中。 氧气和二氧化碳分子没有电荷，只需扩散即可通过。
除水以外的极性物质会给膜带来问题。 虽然一些极性分子很容易与细胞外部连接，但它们无法轻易穿过质膜的脂质核心。 此外，尽管小离子很容易滑过膜马赛克中的空间，但它们的电荷使它们无法滑过。 钠、钾、钙和氯化物等离子必须具有穿透血浆膜的特殊手段。 简单的糖和氨基酸在通过血浆膜运输方面也需要帮助。
扩散
扩散是一种被动的传输过程。 单一物质倾向于从高浓度区域移动到低浓度区域，直到整个空间的浓度相等。 你熟悉物质在空气中的扩散。 例如，想想有人在人满为患的房间里打开一瓶香水。 香水在瓶子中的浓度最高，在房间边缘的浓度最低。 香水蒸气会从瓶中扩散或散开，随着香水的扩散，越来越多的人会逐渐闻到香水的味道。 物质通过扩散在细胞的细胞溶胶内移动，某些物质通过扩散穿过质膜（图\(\PageIndex{1}\)）。 扩散不消耗能量。 相反，不同区域中不同浓度的材料是势能的一种形式，而扩散是指随着材料的浓度梯度从高到低向下移动，这种势能的消失。
培养基中的每种单独物质，例如细胞外液，都有自己的浓度梯度，与其他物质的浓度梯度无关。 此外，每种物质将根据该梯度扩散。
有几个因素会影响扩散速率。
- 浓度梯度范围：浓度差异越大，扩散速度越快。 材料的分布越接近平衡，扩散速度就越慢。
- 扩散分子的质量：质量越大的分子移动得越慢，因为它们更难在它们正在穿过的物质的分子之间移动；因此，它们的扩散速度更慢。
- 温度：较高的温度会增加能量，从而增加分子的运动，从而增加扩散速度。
- 溶剂密度：随着溶剂密度的增加，扩散速率降低。 这些分子会减速，因为它们更难通过更密集的介质。
概念在行动
要观看扩散过程的动画，请观看这段关于细胞膜传输的简短视频。
便利运输
在便利运输（也称为便利扩散）中，物质在跨膜蛋白的帮助下沿浓度梯度（从高浓度到低浓度）在质膜上移动，而无需消耗细胞能量。 但是，经过便捷运输的物质将无法轻易或快速地在质膜上扩散。 在质膜上移动极性物质和其他物质的解决方案在于跨越质膜表面的蛋白质。 被运输的物质首先附着在质膜外表面的蛋白质或糖蛋白受体上。 这允许从细胞外液中去除细胞所需的物质。 然后，这些物质被传递给特定的整体蛋白，以促进其通过，因为它们会形成通道或孔隙，允许某些物质穿过膜。 参与促进转运的整体蛋白统称为转运蛋白，它们要么是物质的通道，要么是载体。
渗透
渗透是根据水在膜上的浓度梯度将水通过半渗透膜扩散。 扩散将物质输送到膜和细胞内，而渗透只能将水输送到膜上，而膜限制溶质在水中的扩散。 渗透是扩散的特例。 像其他物质一样，水从浓度较高的区域转移到浓度较低的区域。 想象一下，一个带有半透膜的烧杯，将两边或两半分开（图\(\PageIndex{2}\)）。 在膜的两侧，水位相同，但是溶解物质或溶质的两侧有不同的浓度，无法穿过膜。 如果水的体积相同，但溶质的浓度不同，那么膜两侧的水，即溶剂的浓度也不同。
扩散原理是，分子会四处移动，如果可以的话，它们将在整个介质中均匀分布。 但是，只有能够穿过膜的材料才能在膜中扩散。 在这个例子中，溶质不能通过膜扩散，但水可以。 在这个系统中，水具有浓度梯度。 因此，水将沿其浓度梯度向下扩散，穿过膜到达浓度较低的一侧。 水在膜中的扩散——渗透——将持续到水的浓度梯度变为零。 渗透在生命系统中持续进行。
Tonicity
Tonicity 描述了溶液中溶质的含量。 衡量溶液的补强度或溶解在特定量溶液中的溶质总量，称为其渗透压。 三个术语——低渗性、等渗性和高渗性——用于将细胞的渗透压与含有细胞的细胞外液的渗透压联系起来。 在低渗溶液中，例如自来水，细胞外液的溶质浓度低于细胞内的液体，水进入细胞。 （在生命系统中，参考点始终是细胞质，因此前缀 hypo-意味着细胞外液的溶质浓度低于细胞质浓度或渗透压。） 这也意味着细胞外液的水浓度高于细胞。 在这种情况下，水将遵循其浓度梯度进入细胞。 这可能会导致动物细胞破裂或裂解。
在高渗溶液中（前缀 hyper-指溶质浓度高于细胞质浓度的细胞外液体）中，液体所含的水比细胞少，例如海水。 由于细胞的溶质浓度较低，水会离开细胞。 实际上，溶质正在将水从细胞中吸出。 这可能会导致动物细胞萎缩或变形。
在等渗溶液中，细胞外液具有与细胞相同的渗透压。 如果细胞溶质的浓度与细胞外液的浓度相匹配，则不会有水净流入或流出细胞。 高渗溶液、等渗溶液和低渗溶液中的血细胞呈现特征性外观（图\(\PageIndex{3}\)）。
艺术连接
医生给病人注射医生认为是等渗盐溶液。 病人死亡，尸检显示许多红细胞已被破坏。 你认为医生注射的溶液真的是等渗剂吗？
有些生物，例如植物、真菌、细菌和一些原生物，其细胞壁围绕质膜并防止细胞裂解。 质膜只能膨胀到细胞壁的极限，因此细胞不会裂解。 实际上，与细胞环境相比，植物中的细胞质总是略带高渗性，如果有水，水总是会进入细胞。 这种水的涌入会产生膨胀压力，从而使植物的细胞壁变硬（图\(\PageIndex{4}\)）。 在非木本植物中，膨胀压力支撑植物。 如果植物细胞变得高渗性，例如在干旱中发生这种情况，或者如果植物没有得到充分的浇水，水就会离开细胞。 在这种情况下，植物会失去膨胀压力并枯萎。
章节摘要
运输、扩散和渗透的被动形式移动小分子量的物质。 物质从高浓度区域扩散到低浓度区域，这一过程一直持续到物质在系统中均匀分布。 在一种以上物质的溶液中，每种类型的分子根据其自身的浓度梯度扩散。 许多因素会影响扩散速率，包括浓度梯度、扩散颗粒的大小以及系统的温度。
在生命系统中，物质进出细胞的扩散是由质膜介导的。 有些材料很容易通过膜扩散，但其他材料则受到阻碍，只有蛋白质通道和载体才能通过这些材料。 生物的化学成分存在于水溶液中，平衡这些溶液的浓度是一个持续存在的问题。 在生命系统中，如果没有膜蛋白，某些物质的扩散会很慢或很困难。
艺术联系
图\(\PageIndex{3}\)：医生给患者注射他认为是等渗盐水溶液。 病人死亡，尸检显示许多红细胞已被破坏。 你认为医生注射的溶液真的是等渗剂吗？
- 回答
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不，一定是低渗的，因为低渗溶液会导致水进入细胞，从而使细胞破裂。
词汇表
- 浓度梯度
- 与低浓度区域对面的高浓度区域
- 扩散
- 低分子量物质向下传输其浓度梯度的被动过程
- 便利运输
- 材料使用整体膜蛋白沿浓度梯度（从高浓度到低浓度）向下移动的过程
- 高渗的
- 描述了一种溶液，其中细胞外液的渗透压高于细胞内的液体
- 低张性
- 描述了一种溶液，其中细胞外液的渗透压低于细胞内的液体
- 等渗的
- 描述了一种溶液，其中细胞外液的渗透压与细胞内的液体具有相同的渗透压
- 渗透压
- 溶解在特定量溶液中的物质总量
- 渗透
- 将水通过半渗透膜从高水浓度区域通过膜输送到水浓度低的区域
- 被动传输
- 一种运输不需要能量的材料的方法
- 可选择性渗透
- 膜的特性，它允许某些物质通过，但不允许其他物质通过
- 溶质
- 一种物质溶解在另一种物质中形成溶液
- 音调性
- 溶液中溶质的含量。