半透性

半透性：也称为选择性通透性，是指一种膜（在生物学中通常指细胞膜/质膜）允许某些物质（分子或离子）自由通过，而阻止或限制其他物质通过的特性。

关键点：

“半”：并非完全通透（像筛子一样什么都过），也并非完全不通透（像墙一样什么都不过）。

“透”：允许特定物质通过。

“选择性”：这种通透性是有选择的，基于物质的大小、电荷、极性、溶解性等特性。

磷脂双分子层：

构成膜的基本骨架。

疏水性尾部（脂肪酸链）朝向膜内部，形成一个疏水区。

亲水性头部朝向膜内外两侧的水环境。

影响：疏水区是阻止大多数亲水性物质（如离子、糖、氨基酸）自由扩散的主要屏障。小的非极性分子（如氧气、二氧化碳、氮气）和一些小的不带电荷的极性分子（如尿素、乙醇）可以相对容易地溶解在疏水区并通过。

膜蛋白：赋予膜高度选择性的关键。

通道蛋白：形成贯穿膜的水溶性孔道。

离子通道：高度选择性地允许特定离子（如 Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻）顺浓度梯度快速通过。通常具有“门控”机制（电压门控、配体门控、机械门控）。

水通道蛋白：专门允许水分子快速通过的通道，对水的渗透性至关重要。

载体蛋白/转运蛋白：与被转运物质特异性结合，通过构象变化将其转运过膜。

易化扩散载体：顺浓度梯度转运物质（不需要能量），如葡萄糖转运蛋白。

主动转运载体/泵：逆浓度梯度转运物质（需要能量，通常是ATP），如钠钾泵、钙泵、质子泵。

受体蛋白：参与信号转导，本身不直接转运物质，但能触发细胞内的反应。

胆固醇：镶嵌在磷脂分子之间。

作用：增加膜的稳定性，调节膜的流动性。在较高温度下限制磷脂分子运动防止膜过“流”，在较低温度下阻止磷脂紧密聚集防止膜过“僵”。这间接影响膜的通透性和嵌入蛋白的功能。

糖类和糖脂/糖蛋白：位于膜外表面，形成糖萼。

作用：主要涉及细胞识别、粘附和信号接收，对物质的直接通透性影响较小。

细胞膜利用其结构和成分实现选择性通透，物质跨膜主要方式有：

被动运输：

顺浓度梯度（从高浓度到低浓度）或电化学梯度进行，不需要细胞代谢提供能量。

简单扩散：

物质直接溶解在磷脂双分子层中扩散通过。

适用于：小的非极性分子（O₂, CO₂, N₂）、小的不带电荷的极性分子（尿素、乙醇）、某些脂溶性物质（如甾体激素）。

选择性基础：主要基于物质的脂溶性和大小。脂溶性越高、分子越小，扩散越快。

易化扩散：

物质借助膜上的通道蛋白或载体蛋白顺浓度梯度转运。

适用于：离子（通过离子通道）、水（通过水通道蛋白）、葡萄糖、氨基酸（通过特定载体蛋白）。

选择性基础：通道蛋白对离子的大小和电荷有高度选择性；载体蛋白对被转运物质具有特异性结合位点（类似酶与底物的关系）。

主动运输：逆浓度梯度（从低浓度到高浓度）或电化学梯度进行，需要细胞代谢提供能量（通常是ATP水解）。

初级主动运输：直接利用ATP水解供能。

例子：钠钾泵 - 每水解一个ATP分子，泵出3个Na⁺，泵入2个K⁺，建立并维持细胞膜内外Na⁺和K⁺的浓度梯度（胞内高K⁺低Na⁺，胞外高Na⁺低K⁺）和膜电位（内负外正）。

次级主动运输：利用初级主动运输建立的离子梯度（如Na⁺或H⁺梯度）中的势能来驱动其他物质的逆浓度梯度运输。

同向转运：被转运物质与驱动离子（如Na⁺）同方向跨膜。例如：小肠上皮细胞利用Na⁺梯度驱动葡萄糖吸收。

反向转运：被转运物质与驱动离子（如Na⁺）反方向跨膜。例如：心肌细胞上的Na⁺/Ca²⁺交换体。

选择性基础：高度依赖于特定的载体蛋白（泵或协同转运体），这些蛋白具有高度的底物特异性。

胞吞作用与胞吐作用：转运大分子或颗粒物质。

胞吞作用：细胞膜内陷包裹细胞外物质形成囊泡，将物质摄入细胞内（如吞噬作用、胞饮作用、受体介导的胞吞作用）。

胞吐作用：细胞内的囊泡与细胞膜融合，将囊泡内容物释放到细胞外（如分泌激素、神经递质）。

选择性基础：主要基于膜受体对特定大分子配体的识别（如受体介导的胞吞作用）。

定义：水分子通过半透膜（如细胞膜）从水势高（溶质浓度低）的区域向水势低（溶质浓度高）的区域扩散的现象。

关键：细胞膜对水分子是高度通透的（主要通过水通道蛋白），但对大多数溶质不通透或通透性很低。因此，膜两侧的溶质浓度差（即渗透压差）决定了水的净移动方向。

对细胞的影响：

等渗溶液：细胞内外溶质浓度相等，水进出平衡，细胞形态维持正常（动物细胞）或膨压维持（植物细胞）。

低渗溶液：外界溶质浓度低于细胞内，水净流入细胞。动物细胞会膨胀甚至破裂（溶血）；植物细胞因有细胞壁限制而膨胀产生膨压（不会破裂）。

高渗溶液：外界溶质浓度高于细胞内，水净流出细胞。动物细胞会皱缩；植物细胞会发生质壁分离（原生质体收缩脱离细胞壁）。

维持细胞内环境稳定：控制营养物质（如葡萄糖、氨基酸）的进入和废物（如尿素、CO₂）的排出，维持细胞内适宜的离子浓度（如K⁺, Na⁺, Ca²⁺）、pH值和渗透压。这是细胞生存和正常功能的基础。

建立和维持电化学梯度：如钠钾泵建立的Na⁺/K⁺梯度（浓度梯度和膜电位），是神经冲动传导、肌肉收缩、次级主动运输（如营养吸收）等生命活动的能量来源。

细胞通讯和信号转导：允许特定信号分子（如激素、神经递质）与膜受体结合，或允许特定离子（如Ca²⁺）内流触发细胞内信号级联反应。

能量转换：在线粒体内膜和叶绿体类囊体膜上，半透性对于建立质子梯度以驱动ATP合成（化学渗透假说）至关重要。

细胞识别与防御：选择性允许有益物质进入，阻止有害物质（如毒素、病原体）和不需要的大分子进入。

细胞形态维持：通过渗透调节维持细胞的膨压（植物细胞）或防止肿胀/皱缩（动物细胞）。

半透膜的半透性