细胞膜的物质转运功能的知识点阐述水通道蛋白膜净水技术的原理。

细胞膜的物质转运功能的知识点阐述水通道蛋白膜净水技
术的原理。

从今天开始为大家讲述的内容是细胞膜的物质转运功能的知识点。

水通道蛋白膜是一种特殊的膜结构，其内部结构与细胞的膜结构相似但内部构造又不同：如蛋白 A和蛋白 B位于细胞膜背面和上部；蛋白 C位于细胞膜上和下部；蛋白 D位于细胞外液中或细胞液中；蛋白 E位于细胞外液中或细胞膜上细胞外液中（细胞液中不含营养物质）。

细胞膜上存在着大量的物质转运通道。

一、不同的转运通道
从细胞膜的各个部分出发，可以将其分为3个不同层次。

细胞膜之上的物质转运通道主要有细胞液通道、细胞外液通道及细胞外液中的营养物质转运通道等几种。

在这些通道中存在着两种不同情况：一种是细胞质内具有营养物质转运功能的物质转运通道，另一种是细胞外液中不具有转运功能的物质转运通道。

细胞内外液的物质转运过程类似于一个由细胞质与细胞外液组成转运系统，细胞膜上除了具有输送物质的功能外，还存在着一些细胞外液受体和离子通道等其他的物质转运通道；不同于细胞液转运通道，其主要功能是将药物转运到目的地，并使药物能够在细胞内的代谢过程发挥其应有的作用。

其中，细胞外液转运通路具有较强的分子活性，通过对细胞质中已存在药物和离子通道蛋白之间进行双向选择性或非选择性离子交换而实现物质交换；细胞外液转运通路是指细胞膜内层中具有转运功能的蛋白质通过跨膜蛋白途径实现物质跨膜转运。

1、细胞质转运通道
细胞内主要存在着一些蛋白质，它们参与着细胞的代谢过程以维持细胞内环境的稳定。

目前已发现有13种含有不同功能的蛋白质，其中除5种主要功能为在细胞内迁移外、还有4种功能为在细胞质中转运。

它们分别为 NMDA受体(1-3)和水分子转运蛋白(1-5)。

2、细胞外液通道
细胞外液转运通路是一个由多个受体相关蛋白组成的双向通道。

其中，两个结合位点能够选择性地结合由化学作用形成的受体蛋白；另一个与受体结合位点结合在一起能形成非特异性离子通道。

同时通过非选择性离子通道还能够与多种离子产生通道效应，从而使其具有相应的受体通道活性。

3、细胞外液中的营养物质转运通道
在细胞外液的通道中，具有促进糖类和蛋白质合成和吸收、营养物质转运及促进药物代谢等功能。

其中，糖类是由人体细胞合成的，当人体内的糖分摄入过多时，人体就会出现食欲减退、皮肤干枯、口臭、口腔溃疡和便秘等症状。

而人体细胞外液中存在着一条糖酶分泌的通道，它可在一定程度上控制营养物质的吸收。

而这条通道的具体作用是，在与糖酶活性不同的糖类存在时，该通道将通过调节其活性来对这些糖类进行选择性地利用及代谢。

由于这一机制的主要作用为对糖类进行选择性合成及分解消耗。

4、其他
除了上述3种物质转运通道外, Cytosis等[12]报道了一些其他类型的物质转运通道，它们被称为离子通道和蛋白质通道。

离子途径是指含有离子通道蛋白成分的胞质内存在两种以上的离子通道蛋白类型。

Cytosis等[13]报道了一种由P-核糖核酸(mRNA)构成的离子通道蛋白 MiTRIAs [14]。

这种离子通道蛋白被大量修饰成可与不同质子发生化学结合的复合物，能够以非选择性方式结合与多种质子结合位点上的特定离子；同时 MiTRIAs还具有很强的跨膜蛋白酶活性，能够跨膜运输质子和离子达到较高范围(100-300 nm)。

蛋白质通道结构虽然不尽相同，但它们是细胞膜上重要物质转运通道之一。

二、各通道的工作方式
(1)细胞内液：通道内有细胞质液和细胞外液两种液滴。

(2)细胞液：通道内有多种液体混合物。

(3)细胞内外液通道：由于具有液体、固体和气体等两种形态在通道内相互流动，因此使通道内物质更容易排出。

(4)细胞外液膜通道能吸收和释放溶液中的有机溶剂来保持其浓度，在该过程中有离子交换过程和离子吸附过程等。

1、膜结构
水通道蛋白膜（图1-6)由蛋白、基质和金属离子组成。

这些蛋白质中大多是含氮、磷的离子键的结构与氨基酸结合。

它们之间具有不同的亲和力，从而使蛋白质之间可以形成不同构象的蛋白晶体。

因此，不同构象的蛋白晶体之间具有很强的亲和力。

2、流路
细胞膜上的通道流路由蛋白质结合物和通道自身的结合物组成。

在离子交换器中加入离子交换树脂，与蛋白结合后形成共价键，蛋白在溶液中发生电荷转移。

将蛋白质分子在溶液中转移时处于非电离状态。

离子交换过程会产生一些机械能；离子吸附过程会产生一些非机械能，如吸附作用对受体离子起阻挡作用，会产生类似离子捕捉器的作用。

3、膜的机械强度
膜的机械强度是指膜内物质的通透性。

其通透性是由膜表面各分子之间的相互作用力决定的，其中分子间作用力是产生膜渗透性的重要因素之一。

因此，当机械强度很小且稳定时，膜渗透性也较差，而当机械强度很大且稳定时，膜通透性会提高。

4、膜的抗污染能力
膜结构由多种膜组分构成。

它可阻挡大部分离子、分子，还可拦截蛋白质、核酸等生物大分子。

而膜的表面存在很多膜内表面(HC)及与之相邻的膜间表面(OC)。

膜表面存在许多膜孔隙，因此它具有很好的抗污染能力，而且膜也具有较高的离子强度和较高的表面活性。

对于膜来说，若膜表面带有微孔，则当膜表面被微粒或生物大分子污染时，将不能将微粒或生物大分子排出膜外；相反若膜表面被微孔污染则有可能保证膜的抗污染能力。

5、膜反应条件
通道蛋白与物质之间发生离子交换反应，导致膜内物质浓度增加。

在整个反应过程中，膜两端与通道内物质呈弱相互作用状态。

这是膜通量与渗透压相互影响的结果。

膜通量越大，离子交换作用越强；渗透压越大，离子交换作用越弱。

离子交换剂的选择要考虑所交换离子的浓度、温度和溶剂型（如氨水）之间的影响。

在离子交换过程中，可利用离子交换剂与有机物进行选择性交换。

6、膜稳定性
膜稳定性是指膜材料对离子和分子的吸附能力，当膜的离子、分子被吸附在膜材料上时，它的膜稳定性是不变的。

因此它的稳定性与温度和溶液中离子浓度有关。

一般溶液中离子浓度高时其膜稳定性会降低；而在低浓度下，其膜稳定性则能保持其膜稳定性保持在较高浓度。

7、反渗透膜特性
反渗透膜具有很好的电渗析性能和选择性，可以去除水中的溶解度，但不能去除水中细菌病毒。

其反渗透电渗析能力大约为150 mA/L。

在实际应用中，反渗透膜可以应用于工业纯水处理过程，也可以应用于自来水的纯化处理过程。

反渗透膜通量大，再生时间短，分离能力强。

因此，反渗透膜又被称为去离子膜。

此外，它也是反渗透膜家族中最主要的成员之一。

三、各通道的功能
根据其化学结构，可将其分为：血管通入物通道、钙通道和蛋白 E通道。

血管通入物通道：在血细胞及微细血管的表面上均有多巴胺受体活性片段（dopamine受体）。

这种受体对人体内某些物质具有很强的吸收能力；钙通道：主要通过钙离子作为能量输出物质及离子通道中携带过多离子使血细胞缺氧；蛋白 E通道：在血细胞中具有选择性地识别结合物质。

另外，蛋白 E也可将钙离子通道中识别与结合的离子释放到细胞膜表面，从而使细胞膜能够承受一定强度的机械压
力，达到释放钙离子达到转运需要的浓度的目的。

钙通道还具有钙离子通道识别与结合离子、钙离子内流转运分子中与钙离子结合有关受体的活性片段和功能连接蛋白表达等信息，这些信息最终被转运到细胞外液和细胞质中。

1、血管通入物通道
多巴胺受体的基因型为 Dopamine,其结构与多巴胺及胺类相似。

Dopamine蛋白是一种能识别蛋白亚基而非单个蛋白质的酶；蛋白能与细胞膜上表达有 dopamine受体的蛋白结合；其受体可以对不同细胞膜分子中所含的多种分子受体活性进行选择性识别，从而起到转运物质的作用。

有研究表明多巴胺对一些生理功能障碍性疾病如高血压、高血脂等的治疗有重要作用。

2、活性钙通道
活性钙通道是一种非钙离子输运通道，它能使钙离子在血管内外流动中带负电荷，以防止钙离子被细胞膜吸引，从而保持钙离子的浓度。

该通道在细胞外液中与血钙的结合较为稳定，但在细胞质及血钙则具有较高活性（图4)。

活性钙通道主要是由钙离子运输蛋白及其所述的配体介导。

例如PKM4具有多种受体蛋白信号通路，如:1)与1 M (IbP)受体结合的钙离子;2)与9 M (Vale)受体结合的钙离子;3)与Ca2+受体结合的钙离子;4)与Ca2+受体结合的钙离子;5)与β-羟基受体结合的钙离子;6)与Ca2+受体结合的钙离子;7)与 ATP结合的钙溶液;8)与PKM4受体结合的钙溶液;9)与 KDF离子结合的钙溶液......除上述受体外，所有受体结构中都含有可结合钙离子的配体和受体结合钙离子的位置，这使得钙通道识别与结合钙离子数量很大。

3、蛋白 E通道
蛋白 E通道是一种具有2个 ATP结合位点，两个P450结合位点的复合蛋白，其主要负责识别、结合蛋白和转运蛋白。

在血细胞内，它主要负责将细胞外液中钙离子定位于其结合位点附近并将其释放到细胞膜表面。

蛋白 E通道具有5个 ATP结合位点：细胞质中含量最多的是 ATP 受体；其次是 mTOR受体和磷酸肌酸激酶；再次是p53受体；最后是c-p53受体。

蛋白 E还具有许多非 ATP结合位点:1)细胞质 A;2)血管内皮细胞表面;3)肾细胞中;4)肝细胞中;5)造血干细
胞中;6)线粒体中;7)骨骼肌细胞中;8)外周神经细胞中;9)小胶质淋巴瘤细胞中;10)血液淋巴瘤细胞中;11)骨髓移植患者血运障碍发生机制方面共发现11种蛋白 E通道蛋白编码基因:1)N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA);2) NMDA受体(NMC1);3) NMDA受体家族成员(NMC2、NMC3和NMC4;4) NMDA 受体的三磷酸腺苷结构域，并具有神经内分泌功能相关肽;5) AIDA受体表达子;6) THR及
STAT3/6-激酶等活性成分;7)其他一些重要功能蛋白基因及功能蛋白。

4、水通道蛋白膜净水技术
由于水通道蛋白膜是一种新型的膜，目前已经有很多研究机构进行了研究，方向也是十分广泛，但是水通道蛋白膜的净水技术的原理却十分模糊。

水通道蛋白膜的孔径范围很宽，仅有0.5~1 nm,因此水通道蛋白膜不仅具有较好的净化效果，而且还可以去除水中游离的有机物质，包括细菌、病毒也能有效地去除掉。

因此基于这一原理所研发出一种新型纯水技术—利用生物降解方法去除水中有害的有机物。

这种纯水技术可以去除水中各种有机化合物及无机污染物如重金属、有机碳等。

除了上述三种废水处理技术外，也有采用纯水技术去除废水中有害物质方法：利用膜技术对废水中细菌及病毒进行有效过滤，如将含有 HCl等有害物质颗粒吸附到膜表面或将有机碳吸附在膜表面作为活性剂进行处理等。

这一纯水技术可用于污水处理、饮用水净化工程、工业废水处理及环境保护等方面进行研究和应用。

四、膜内物质的交换
由于细胞膜中含有很多物质，所以在进行物质交换时要考虑这些物质在细胞中的含量，例如：膜中的钠离子和钙离子的含量、钠离子和钙离子在水溶液中的溶解度和吸附量等因素。

同时还要考虑到膜内离子的平衡问题，否则将会导致离子交换过程中离子交换膜元件的损坏和离子交换膜元件发生堵塞这种现象；再如当液滴进入膜孔时，水分子被阻滞在膜孔内就会导致膜孔内出现饱和液体，这时液体会通过膜而不是液滴通过液滴；如果是蛋白质或核酸类物质进入细胞膜时
也会产生这种现象。

因此还需要考虑到膜内离子交换膜元件之间的平衡问题。

总之，物质交换既与离子交换过程有关，也与离子交换膜元件间的平衡有关。

1、膜中的离子交换膜中所含的离子，一般都是处于饱和状态，当这些离子大量进入细胞并进入膜时，便导致系统失去平衡而发生故障，甚至发生堵塞。

在某些情况下，离子交换膜元件发生堵塞的原因有两个：①当溶液存在大量的离子时，就会产生大面积的不平衡，使该膜元件不能正常工作甚至损坏；②当在进行离子交换时，离子交换剂中的阳离子会与阴离子交换柱中的阴离子发生络合反应，从而使得大量阳离子进入柱状离子交换柱进行交换。

当浓溶液中含有大量的阳离子时，会引起膜元件出现堵塞现象，这种现象常见于盐类或蛋白溶液中；另一种情况则是大量阳离子进入细胞并进入膜中时会发生堵塞。

因此必须注意，离子交换过程与物质交换过程一样必须考虑到在膜中离子平衡问题。

当膜内所含离子增多时，还需要考虑离子交换膜元件是否可以产生大面积的不平衡。

2、细胞内存在很多离子物质，而且其中有一部分物质可以通过溶液到达膜孔，而不会对膜孔造成损害；
而部分物质则会随着溶液渗透入膜孔而被堵塞。

因此，只有维持膜内离子平衡，离子交换过程才能正常进行。

因为在正常状态下，膜内离子含量与溶液中水分子含量相平衡。

当溶液含大量离子后，溶液中水分子含量就会发生变化，这时候也就发生了离子交换过程。

例如：当钠离子的浓度过高时，水分子含量会增加。

当钠离子浓度降低时，水分子浓度就会降低；因此当离子交换过程停止时，水分子含量就会增加。

3、由于膜中含有大量离子，而这些离子又会与水分子产生相互作用，所以当它们结合到一起时它会形成水膜；
由于这些水膜的浓度过高时它们就会失去平衡，从而导致水膜上的水分子发生溶解，这时就会有大量的水滴被阻滞在水膜上而不能通过，这时它将不能再交换新形成的水层，这个过程就叫“再生”过程。

这种再生过程称为“再循环”。

因此如果通过再循环产生的水滴被阻滞在膜孔附近就会造成膜孔内水溶性组分逐渐减少并发生溶胀从而使膜丧失原有透水性能。

如钠盐离子进入细胞膜后不仅会被膜表面上的膜上孔洞所阻滞，而且还会被膜上表面上具有很强吸附力的其他离子所吸附；在某些情况下还会产生氯化钠/氯化钾两种相反作用，这两种不同官能团物质通过膜都会减少水溶液中的盐平衡。

由于水通过膜就会被阻滞在膜孔中，这种现象就叫做“再循环”。

4、水通道蛋白膜可以很好地分离出细胞膜中含有的所有物质，同时还能起到调节作用；
同时由于膜上的水通道蛋白能够形成复合物，这些复合物能够迅速地通过膜，从细胞内通过，从而使得细胞膜内的成分处于相对平衡的状态。

这种状态下细胞膜才能保持完整，而不会出现有杂质的物质通过细胞膜进入细胞内部。

因此水通道蛋白膜是水分子从蛋白质膜跨膜输送入水通道蛋白膜的桥梁，水通道蛋白膜中任何含有的物质都可以被水分子利用并在其表面上形成复合物，使其起到类似囊泡细胞膜过滤系统那样重要作用。

同时水通道蛋白膜在进行物质交换时还会影响离子交换膜元件之间的平衡作用：当离子交换膜元件发生堵塞时离子交换膜元件上会出现饱和液体，这时水分将会通过膜孔而不是液滴；当有杂质进入膜时离子交换膜元件上会产生饱和溶液使水分被阻止在膜内并发生扩散作用而从细胞内泄漏出去，这时就需要依靠膜孔所处的介质特性来分离这些杂质；而当有离子交换膜元件发生堵塞时在膜孔内也会流出饱和液体或导致其它离子被阻隔在膜内并发生扩散作用使之不能从细胞内泄漏出来并扩散到细胞外而滞留到生物体中去。

因此通过水通道蛋白膜可有效地将蛋白质、核酸和葡萄糖等物质分离出来以达到对细胞进行净化作用。