淺談物質進出細胞的方式及其應用

（武漢市第四十九中學 湖北武漢 430080）

一、物質進出細胞概述

生物體的發育伴隨著細胞的周期性生長和凋零，而細胞的生長和凋零需要與外界環境不斷地進行物質交換以滿足其正常代謝，因此，進入和離開細胞的物質占據著非常重要的位置。進入和離開細胞的物質通常分為兩類：大分子物質和小分子物質。其中，小分子物質進出細胞的方式有：自由擴散、協助擴散以及主動運輸；大分子主要通過內吞作用和胞吐作用進入和離開細胞。[1]

二、物質進出細胞的幾種方式

1.小分子物質進出細胞的方式

（1）自由擴散

小分子的自由擴散主要取決于物質所處環境的濃度，物質會從高濃度擴散到低濃度。對于細胞，當細胞內濃度大于細胞外濃度時，物質將從細胞內部擴散到細胞外部;相反，當細胞內濃度低于細胞外濃度時，物質從細胞外進入細胞。進行自由擴散的小分子物質主要有氧氣，二氧化碳，苯以及水等，這些小分子物質在進行自由擴散時不需要消耗細胞新陳代謝的能量，這種方式屬于被動運輸。

（2）協助擴散

有很多小分子由于自身的脂溶性問題導致不能進行細胞和外界環境間的無能量消耗的自由擴散，因此，有必要在細胞膜上使用特殊的蛋白質作為載體來協助擴散和進出細胞。這種方法需要一定的能量，因為細胞膜上的蛋白質執行某些任務時需要消耗能量來使小分子物質例如葡萄糖，氨基酸和核苷酸等進行協助擴散，這種運輸方式也是被動運輸的一種。[2]

（3）主動運輸

由于鈉、鉀、鈣等離子小分子物質不能自由地出入細胞膜的磷脂雙分子層，它們從低濃度到高濃度時不但需要細胞膜上的載體蛋白，還需要細胞消耗新陳代謝的能量來進行物質的轉移。這種進出細胞的方式被稱為物質的主動運輸。主動運輸具有逆向濃度梯度輸送的特性，并且必須依賴運輸過程中細胞膜上的載體膜蛋白，這是選擇性和特異性的。

2.大分子物質進出細胞的方式

大分子不能通過細胞膜進入和離開細胞，因此它們只能通過胞吞作用和胞吐作用轉移物質。胞吞作用是指當物質進入細胞時，由于細胞膜具有流動性，相應的細胞膜凹陷，會將附著細胞膜表面的大分子包圍并形成從細胞膜脫落并進入細胞內部的囊泡;反之，胞吐作用是指細胞內部將新陳代謝的大分子殘余物通過內陷的空胞形成的吞噬體與溶解酶融合之后排除體外。內吞作用和胞吐作用都需要細胞的內部能量被消耗。

三、物質進出細胞的具體應用

1.利用TAT蛋白進行基因治療

TAT蛋白能夠利用細胞胞吞和胞吐的運輸方式使外來物質如基因和其他蛋白能夠進入細胞。在細胞核中定位基因和其他物質的能力是其他任何介導沒有的優點，這使其成為一種非常好的介導，能夠運用于基因的治療。隨著生物科技和臨床醫學的發展，利用細胞物質進出的方式進行基因治療是一種很值得關注的技術。TAT蛋白通過破壞細胞質膜使外源基因進入細胞，操作簡便，不受外界因素如溫度的影響，對體內環境具有較強的抗干擾能力。將其用于基因治療有利于提高患者的康復效率，治療更加全面，徹底消除致病的根本原因。

2.使用細胞的選擇性和滲透性處理污水

由于細胞的細胞膜具有選擇性以及滲透性，分子越小，疏水性越好，非極性越強越容易滲透細胞膜，因此污水可以用這種特性來進行處理。固定化細胞技術利用細胞的選擇性以及滲透性來處理污水。固定化細胞技術是指使用化學或物理手段來將細胞控制在一定的空間范圍內，并且將細胞的生物催化活性保持在一定程度，使得細胞群可以重復和連續的使用。在污水處理中，固定化細胞技術可以提高生物反應器中微生物的濃度和純度，這種方法能夠使菌種保持在高效狀態，可以進一步的去除污水中的氮以及其他的有機物和難以降解的物質，達到污水處理的效果和目的。[3]

3.利用細胞膜滲透技術進行血液透析

血液透析是溶質與另一種溶質通過細胞膜交換的過程。細胞膜兩側溶液中的小分子可以通過細胞膜進行交換，而溶質如蛋白質等大分子不能穿過細胞膜。根據膜的平衡原理，水分子從低濃度側滲透到高濃度側，最終實現內外平衡。當血液進入透析液時，其代謝產物如尿素可通過透析膜進入透析液。透析液中的有用物質，如葡萄糖等物質會滲透到血液中，這種方法可以除去血液中的代謝殘留物，以使血液的酸堿達到平衡。很多臨床醫療會利用膜滲透技術來對血液進行透析，使收集到的血液去除雜余物，到達醫療用血的標準。

四、結語

細胞具有強大的功能，其細胞膜的特征決定了不同物質進入和離開細胞的方式。而這些方式又可以被我們加以利用來進行基因治療、污水處理以及血液透析等，使生物技術和醫療得到進一步發展，讓生活得到進一步改善。生物學為人類做出了很多貢獻，作為一名高中生，我們也應該學習好生物知識，理解透徹每一個生物理論知識點，并注意了解其相關應用，為推動生物技術的發展而努力。