渗透和主动运输

细胞对于生长和复制具有许多要求，甚至不活跃生长或复制的细胞也需要来自环境的营养物才能发挥作用。细胞的许多要求是可以在细胞外发现的分子，包括水，糖，维生素和蛋白质。

细胞膜具有重要的保护和结构功能，其作用是保持细胞内容物与外部环境分离。细胞膜的脂质双层由磷脂组成，其具有疏水性（油溶性，“水性”）尾部，其形成对环境中的许多溶质和分子的屏障。细胞膜的这种特征允许细胞内部环境与外部环境不同，但也是从环境中吸收某些分子并排出废物的主要障碍。

然而，脂质双层对所有分子都不构成问题。疏水性（或油溶性）非极性分子可以畅通无阻地通过细胞膜扩散。这类分子包括诸如氧气（O 2），二氧化碳（CO 2）和一氧化氮（NO）的气体。较大的疏水性有机分子也可以通过质膜，包括某些激素（如雌激素）和维生素（如维生素D）。小的极性分子（包括水）被脂质双层部分阻碍，但仍然可以通过。

对于可以自由穿过细胞膜的分子，它们进出细胞的程度取决于它们的浓度。分子根据其浓度梯度（即从较高浓度到较低浓度）移动的趋势被称为 扩散。这意味着如果细胞内部的分子多于外部，则分子将流出细胞。同样，如果细胞外有更多，分子将流入细胞直到达到平衡。例如，考虑肌肉细胞。在运动过程中，细胞将O2转化为CO2。当含氧血液进入肌肉时，O2从浓度较高的位置（在血液中）移动到较低的位置（在肌肉细胞中）。与此同时，二氧化碳从肌肉细胞（更高的位置）流向血液（血液中较低的血液）。扩散不需要能量消耗。水的扩散有一个特殊的名称， 渗透.

对于较大的极性分子和任何带电分子，进入和离开细胞更加困难，因为它们不能通过脂质双层。这类分子包括离子，糖，氨基酸（蛋白质的构建块）以及细胞生存和运作所需的更多东西。为了解决这个问题，细胞具有允许这些分子进出细胞的转运蛋白。这些转运蛋白构成细胞膜中15-30％的蛋白质。

转运蛋白有多种形状和大小，但都延伸通过脂质双层，每种转运蛋白都有一种特定类型的分子运输。存在载体蛋白（其也称为转运蛋白或通透酶），其与膜的一侧上的溶质或分子结合并将其运输至膜的另一侧。第二类转运蛋白包括通道蛋白。通道蛋白在膜中形成亲水（“喜水”）开口，以允许极性或带电分子流过。通道蛋白和载体蛋白都促进细胞进出细胞。

分子可以通过转运蛋白从高浓度传播到较低浓度。该过程称为被动转移或促进扩散。它类似于非极性分子或水直接通过脂质双层扩散，除了它需要转运蛋白。

有时，细胞需要来自环境的物质，这些物质在细胞外以非常低的浓度存在。或者，细胞可能需要极低浓度的细胞内某种溶质。虽然扩散会使细胞内外的浓度向平衡方向移动，但这一过程称为 主动运输 有助于将溶质或分子浓缩在细胞内部或外部。主动运输需要能量消耗来使分子逆着其浓度梯度移动。在真核细胞中存在两种主要的主动转运形式。第一种类型由ATP驱动的泵组成。这些泵使用ATP水解将特定类别的溶质或分子运输到膜上，以将其浓缩在细胞内部或外部。第二种类型（称为共转运蛋白）将一个分子的运输与其浓度梯度（从低到高）耦合，第二个分子的运输沿其浓度梯度（从高到低）运输。

细胞还使用主动转运来维持适当的离子浓度。离子浓度对于电池的电性能，控制电池中的水量和离子的其他重要功能非常重要。例如，镁离子（MG2 +）对于DNA修复和维持中涉及的许多蛋白质非常重要。钙（Ca2 +）在许多细胞过程中也很重要，主动转运有助于维持1：10,000的钙梯度。离子穿过脂质双层的运输不仅取决于浓度梯度，还取决于膜的电性质，其中相同的电荷排斥。钠 - 钾ATP酶或Na + -K +泵在细胞外维持较高浓度的钠。在这项努力中消耗了几乎三分之一的电池能量需求。离子主动运输的巨大能量消耗证实了在适当的细胞功能中维持分子平衡的重要性。

摘要

Øsmosis 是水被动扩散穿过细胞膜，不需要运输蛋白质。 一个交通运输 是分子相对于它们的浓度梯度（从低浓度到高浓度）或相对于它们的电梯度（朝向相同的电荷）的运动，并且需要蛋白质转运蛋白和增加的能量，通过ATP水解或通过偶联到另一种溶质的下坡运输。