物质穿越质膜的移动，复习笔记

概览

质膜控制物质进出细胞。本章讲解其流动镶嵌结构，以及物质穿越它的三种方式，扩散、渗透与主动运输，及其在生物体与日常生活中的应用。

把定义与移动方向写得精准，正是多数分数的来源。

质膜本身不只是被动的屏障。除磷脂双分子层外，嵌入其中及附着于表面的蛋白质分别充当通道、载体与受体，而外表面的糖蛋白与糖脂让细胞能识别激素、抗原与邻近细胞。

正是这种选择性结构，使质膜被称为部分透过性膜，氧气与二氧化碳等小分子非极性物质可直接穿过脂双层，而葡萄糖与离子等较大或带电的粒子则必须经由特定的蛋白质通道或载体通过。

粒子穿越质膜的速率并非固定不变。浓度梯度越陡、表面积越大、粒子越小、温度越高，速率就越快，因为分子运动更快、与膜碰撞更频繁。

SPM 题目常要求考生解释改变其中一个因素如何影响速率，因此应把每个因素连同它加快或减慢扩散、渗透或主动运输的原因一并记牢，而不只是背诵清单。

本章主要通过试卷二围绕已标注图、一组实验结果或简短情境设计的结构题，以及试卷一考查定义与因素的题目来评估。理想答案会同时写出正确术语、移动方向与原因，因为阅卷员是按每个相关联的要点给分，而不是只凭术语给分。

质膜的结构（3.1）

质膜依循流动镶嵌模型构建：磷脂双分子层中每个磷脂分子都有一个朝外的亲水（喜水）头部和一个朝内的疏水（怕水）尾部，因此两层尾部在膜的中央相遇。这种排列在每个细胞周围形成稳定而具弹性的屏障，而由于磷脂并非固定不动，整个膜的表现如同流体，让蛋白质与脂质能在其中横向移动。

散布在双分子层中的是几类蛋白质。整合蛋白贯穿膜的整个宽度，包括通道蛋白，形成充满水的固定孔道，供特定离子或小的极性分子通过；以及载体蛋白，先与粒子结合，改变形状后再将其释放到另一侧，可在协助扩散中被动运作，也可利用ATP逆浓度梯度主动运作。

周边蛋白则只附着在膜的一侧表面，常充当酶或细胞骨架的锚点。

在外表面，短碳水化合物链附着在部分蛋白质上形成糖蛋白，附着在部分脂质上形成糖脂。它们充当识别标记，让细胞能辨认激素、抗原与邻近细胞，这也是膜表面在免疫识别与细胞信号传导中至关重要的原因。

嵌入磷脂之间的胆固醇分子增添了刚性，并帮助膜的流动性在不同温度下保持稳定。

正因为这种结构，质膜被称为部分（选择性）透过性膜：氧气、二氧化碳等小分子非极性物质及脂溶性物质可直接扩散穿过磷脂双分子层，而葡萄糖等较大分子及离子等带电粒子无法在没有协助的情况下穿越疏水核心，必须经由特定的通道蛋白或载体蛋白通过。

扩散、渗透与主动运输的比较（3.2）

三种运输过程都使粒子穿越质膜，但在移动的对象、方向以及是否消耗能量方面各不相同。扩散是指任何粒子，气体、溶质或离子，从高浓度区域向低浓度区域的净移动，顺浓度梯度，不需要能量，因为它源自粒子的随机动能运动。

渗透是扩散的一种特殊情况，仅适用于水分子经部分透过膜的移动，从较稀（浓度较低）溶液移向较浓溶液，或等同地说，从水势较高处移向水势较低处。主动运输则使粒子逆其浓度梯度移动，从低浓度区域移向高浓度区域，因此需要来自呼吸作用的能量，并需要特定的载体蛋白配合。

溶液对动物细胞与植物细胞的影响

当细胞置于某溶液中时，经渗透产生的水净移动方向取决于比较细胞内的水势（或浓度）与周围溶液的水势。在低渗溶液中，其水势高于细胞，水会移入细胞；在高渗溶液中，其水势低于细胞，水会移出；在等渗溶液中，水仍会双向穿越质膜，但没有净移动，因此细胞大小保持不变。

动物细胞与植物细胞的反应不同，因为只有植物细胞具有坚硬的纤维素细胞壁。动物细胞处于低渗溶液中会持续吸水直至破裂，称为溶血，因为它没有细胞壁抵抗压力；同一细胞处于高渗溶液中则失水，体积缩小、表面变得皱缩，称为皱缩。

植物细胞处于低渗溶液中会吸水，直到细胞壁施加相等且相反的压力，使细胞变得膨胀而不会破裂；同一细胞处于高渗溶液中则失水，直至细胞膜从细胞壁上收缩，称为质壁分离，细胞变得萎软。

影响穿膜移动速率的因素

扩散、渗透与主动运输的速率都会随浓度梯度更陡、表面积更大、粒子更小及温度更高而提高，因为粒子因此获得更多动能，与膜碰撞更频繁。更陡的梯度意味着粒子需要跨越的两侧差异更大；更大的表面积，例如小肠壁的许多褶皱或肺泡的分支结构，为粒子同时穿越提供了更多空间；而更小的粒子扩散得更快，因为它们在周围介质中移动所需的能量更少。

主动运输除上述因素外还受两个额外因素限制：来自呼吸作用的ATP供应，以及膜中可用载体蛋白的数量，因为无论逆梯度有多陡，每个载体每秒能运输的粒子数量都是有限的。温度对扩散本身而言并没有类似的上限效应，在正常生物学范围内，升高温度会不断加快扩散与渗透，但主动运输依赖载体蛋白，而蛋白质在高温下会变性，因此温度过高会减慢甚至停止主动运输，即使扩散仍在继续。

生物体内物质的移动（3.3）

三种运输机制在真实组织中协同运作。在肺泡处，氧气从气囊扩散进入周围的毛细血管，同时二氧化碳朝相反方向扩散，这种快速交换得益于肺泡薄而单层的细胞壁、大表面积以及丰富的毛细血管网络。

在小肠中，葡萄糖与氨基酸等消化后的养分部分经扩散、部分经主动运输进入血液，尤其当肠道内浓度已低于血液时。

根毛细胞通过渗透从土壤中吸收水分，因为土壤溶液的水势通常高于细胞液；而它通过主动运输吸收硝酸盐与镁\u7b49矿物离子，因为土壤中的离子浓度通常低于根毛细胞内部，单靠扩散无法使离子逆此梯度移动。在肾脏中，肾单位通过主动运输把葡萄糖从滤液重新吸收回血液，确保没有葡萄糖流失于尿液中；红细胞则依赖与周围血浆之间微妙的渗透平衡来维持正常形状与功能。

神经细胞利用钠钾泵，一种主动运输蛋白，持续把钠离子泵出细胞、把钾离子泵入细胞，逆着各自的梯度，从而维持静息电位并产生神经冲动。

在日常生活中的应用（3.4）

肾透析机为肾衰竭患者执行与健康肾脏相同的工作：血液沿部分透过膜的一侧流动，而成分经严格控制的透析液则在另一侧流动，因此尿素与多余离子顺浓度梯度从血液扩散到透析液中，而葡萄糖等有用物质则在两种液体间保持平衡，不会流失。

腌制或糖渍食物是一种传统的保存方法，原理是渗透：细菌等微生物细胞外的高浓度盐或糖形成高渗环境，使水经渗透被从微生物细胞中吸出，细胞因而脱水，无法生长或繁殖，从而延缓食物腐坏。医院使用的静脉输液必须与血浆等渗；过稀的输液会使红细胞经渗透吸水而破裂，过浓的输液则会使细胞皱缩，因此正确匹配水势是医疗实践中的一项安全要求，而不仅是技术细节。

须掌握的关键概念

• 流动镶嵌模型, 磷脂双分子层中散布着蛋白质；它是部分（选择性）透过性的。
• 扩散, 粒子从高浓度到低浓度的净移动，顺浓度梯度，不需能量。
• 渗透, 水分子经部分透过膜，从较稀（浓度较低）向较浓溶液的净移动。
• 主动运输, 物质逆浓度梯度移动，利用呼吸作用提供的能量与载体蛋白。
• 对细胞的影响, 在低渗溶液中动物细胞破裂（溶血）、植物细胞变膨胀；在高渗溶液中动物细胞皱缩（皱缩）、植物细胞发生质壁分离。
• 应用, 渗透与扩散解释了萎蔫、用盐腌制保存食物，以及根部通过主动运输吸收矿物质。
• 膜运输蛋白, 通道蛋白形成充满水的固定孔道，让特定离子或小的极性分子直接扩散穿过质膜。载体蛋白则先与粒子结合，改变形状后再将其释放到膜的另一侧；载体蛋白既可在协助扩散中被动运作，也可利用ATP在主动运输中逆浓度梯度泵送物质。
• 影响移动速率的因素, 扩散、渗透与主动运输的速率会随浓度梯度更陡、表面积更大、粒子更小及温度更高而提高，因为粒子获得更多动能、与膜碰撞更频繁；主动运输另受可用ATP与载体蛋白数量的限制。
• 水势, 水势衡量水分子从某溶液中移出的倾向；纯水的水势最高，溶入溶质总会降低水势。水通过渗透从水势较高处移向水势较低处，这与说水从较稀溶液移向较浓溶液是同一回事。
• 渗透与日常科技, 当肾功能衰竭时，肾透析机利用扩散作用经部分透过膜清除病人血液中的尿素与多余离子。静脉输液必须与血浆等渗；浓度不当的输液会经渗透使红细胞膨胀破裂或皱缩。
• 生物体内物质的移动, 三种机制在真实生物体中同时运作：肺泡与根毛处的气体交换靠扩散；水进入根毛细胞、红细胞调节体积靠渗透；而肾小管重吸收葡萄糖与根部吸收矿物离子则依赖主动运输。
• 与渗透调节的联系, 本章的原理是渗透调节过程的基础，该过程会在别处更详细讨论：淡水生物不断经渗透获得水分，必须将其排出；而生活在较咸环境中的海洋生物则往往失水，必须加以保留，因此在预测渗透方向时周围环境始终很重要。

快速回想清单

1. 你能定义并解释流动镶嵌模型吗？
2. 你能定义并解释扩散吗？
3. 你能定义并解释渗透吗？
4. 你能定义并解释主动运输吗？
5. 你能定义并解释对细胞的影响吗？
6. 你能定义并解释应用吗？
7. 你能定义并解释膜运输蛋白吗？
8. 你能定义并解释影响移动速率的因素吗？
9. 你能定义并解释水势吗？
10. 你能定义并解释渗透与日常科技吗？
11. 你能定义并解释生物体内物质的移动吗？
12. 你能定义并解释与渗透调节的联系吗？

常见问题

物质穿越质膜的移动的更多资源

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