膜

所有活细胞都具有称为细胞膜的东西。这种选择性渗透膜控制物质的交换，接收激素信息，并且非常薄。它可以被描述为磷脂双层 - 意味着它由磷脂分子组成，并且有两层。

结构

磷脂双层非常薄，甚至用电子显微镜也几乎无法看到 - 需要 x100,000 倍放大倍数，并且只能显示大约 7 纳米宽的双黑线。由于我们无法正确看到膜，我们必须根据我们所知道的信息创建一个模型 - 在这种情况下称为流体镶嵌模型。

流体镶嵌模型

流体镶嵌模型的示意图如下所示。

流体镶嵌模型的特点；

膜主要由磷脂分子双层组成。这些分子可以通过扩散在其自身层中移动。
平均宽度约为 7 纳米
一些磷脂是饱和的，而另一些是不饱和的。这会影响膜的流动性，高度不饱和的膜意味着更流动的膜。这是由于不饱和尾部的扭结导致分子不能紧密地排列在一起。
磷脂尾部指向内侧，彼此相对，这意味着膜内部是非极性疏水的。
结构中的蛋白质分子可以四处移动，尽管有些固定在细胞内部的结构上，不会移动。此外，其中一些跨越膜的宽度，一些仅位于内层，一些位于外层。
许多蛋白质和脂类具有附着在它们上的短碳水化合物链，形成糖蛋白和糖脂。
含有胆固醇。

组成部分

上一节讨论了一些您可能不熟悉的一些成分，它们的结构和作用如下。

磷脂

您可能还记得第二章中的磷脂。它指出它们具有亲水头和疏水尾，其重要性应该变得越来越清晰。磷脂双层形成膜的主体，创造一个疏水内部，将细胞与外部环境隔离。不要忘记，细胞内的细胞器也经常被膜包围，这同样也是磷脂膜。

蛋白质

在讨论细胞膜时，有两种类型的蛋白质，分别是内在蛋白质和外在蛋白质。内在蛋白质是嵌入细胞膜的蛋白质，外在蛋白质是指没有嵌入细胞的蛋白质。决定蛋白质是内在还是外在的是蛋白质的电荷 - 如果蛋白质完全带电，那么蛋白质将是外在的，因为它会被非极性脂肪酸尾部排斥。如果蛋白质部分带电或根本不带电，那么蛋白质将是内在的，因为它会被吸引到非极性脂肪酸尾部。

糖蛋白和糖脂

细胞膜表面的脂类和蛋白质经常有从细胞表面突出的短碳水化合物链，称为糖脂和糖蛋白。它们与包围细胞的水分子形成氢键，因此有助于稳定膜结构。然而，更重要的是，它们被用作受体分子，与激素或神经递质结合以触发细胞本身的一系列化学反应。以胰岛素为例，体内只有某些细胞（肝脏、肌肉）具有胰岛素受体，因此，胰岛素可以释放到整个身体而不会干扰任何东西，因为任何没有胰岛素受体的细胞都不会受到影响。

糖蛋白也可以作为抗原，用于使细胞能够相互识别。

胆固醇

胆固醇有助于调节膜的流动性，并为膜提供机械稳定性 - 没有它，细胞会因为其膜破裂而破裂。它们的疏水区域有助于防止离子或极性分子意外穿过膜。

运输

跨磷脂双层的运输受到调节，并且它是一个有效的屏障 - 但交换是必要的。这里讨论了交换方法。

扩散

扩散被定义为物质从高浓度区域到低浓度区域的净运动，即“沿浓度梯度”。

影响扩散的因素；

浓度梯度有多陡峭。浓度梯度是膜两侧分子比例的比率，一边的分子多，而另一边的分子少，会导致更快的净扩散速率
温度。高温会增加分子和离子的动能，因此它们移动得更快 - 净扩散速率上升。
表面积。大的表面积会增加可以同时跨越的离子或分子数量，从而增加净扩散速率。
分子类型。大分子扩散速度较慢，非极性分子更容易通过细胞膜扩散，因为它们是可溶的。

足够小的分子和离子可以轻松地穿过膜，无论极性如何，但像葡萄糖这样的大极性分子不能通过细胞膜扩散。它们只能通过亲水性蛋白质通道通过 - 此过程被称为协助扩散。影响扩散的所有因素都会影响协助扩散，并且还有一个额外的因素 - 可用的运输蛋白数量。

协助扩散：[1]

渗透

渗透可以被最好地描述为一种特殊的扩散类型，仅涉及水分子。

请参见以下两张图：[2] ^{[失效链接]} [3] ^{[失效链接]}

第一张图是刚开始的实验，即“开始图”。如你所见，水从稀释的物质移动到浓缩的溶液，它们被一层半透膜隔开，沿着浓度梯度移动。第二张图显示了该物质放置一段时间后的情况，溶质分子浓度相同，因此水分子浓度也相同，这被称为平衡。这种仅通过水分子移动来实现平衡是渗透的特征。

水势

水分子从一个地方移动到另一个地方的趋势被称为水势，水势的符号是希腊字母“psi”，Ψ。水总是从高水势区域移动到低水势区域，前面提到的平衡是指两个相邻（被半透膜隔开）水势的平衡。纯水的势为0，任何溶质都会使水势变为负值，使水势变为负值的程度被称为溶质势。

压力势

通过增加低浓度梯度溶液中的压力，可以阻止或减缓水从高浓度梯度到低浓度梯度的净移动，因为压力会增加水势。

在植物细胞中

植物有细胞壁，因此压力势尤为重要。如果由于水通过渗透进入细胞而导致细胞体积增加，细胞就会开始推压细胞壁，压力迅速增加。这种压力会增加细胞的水势，从而阻止水分继续进入，形成一种“假平衡”（因为压力有助于它），防止细胞破裂。当细胞完全膨胀时，称为膨压状态。

膨压状态的反义词是质壁分离。当细胞置于浓缩的蔗糖溶液中时，细胞开始从细胞壁分离，产生 0 的压力势，因此水势等于其溶质势。最终会导致胞体破裂，即细胞壁完全破裂。植物没有与防止水分过度流入相同的机制来防止水分过度流失，但如果将细胞置于较弱的溶液中，质壁分离可以逆转。动物细胞中的等效过程称为皱缩。细胞的液体内容物因扩散而泄漏。质壁分离在自然界中极其罕见。

在动物细胞中

然而，在动物细胞中，没有细胞壁，因此如果细胞周围溶液的水势过高，细胞会膨胀并破裂，但如果水势过低，细胞会收缩。这就是为什么在动物体内保持恒定水势非常重要的原因。

主动运输

主动运输被定义为消耗能量的跨膜分子或离子运输，逆着浓度梯度进行，这得益于呼吸作用的能量传递。能量由 ATP 提供，用于使转运蛋白改变其三维形状，在此过程中将分子或离子转运穿过膜。需要注意的是，进行大量主动运输的细胞可能含有大量线粒体，以提供其所需的能量。

这在肾脏的重吸收中尤为重要，在肾脏中，某些有用的分子必须在过滤后重新吸收到血液中。在植物中，它用于将糖从光合作用细胞中装载到韧皮部组织中，以进行运输。

体积运输

体积运输可以被定义为大量物质进出细胞的移动，分别称为内吞作用和外排作用。

外排作用是指物质从细胞中移出的过程，例如分泌消化酶，其中来自高尔基体的囊泡携带酶到细胞表面，与细胞表面结合并释放其内容物。请参见：[4]

内吞作用是外排作用的反向过程，涉及细胞吞噬物质形成细胞内的囊泡。最常见的形式是吞噬作用，由吞噬细胞执行，例如白细胞吞噬细菌。内吞作用的第二种形式是胞饮作用，即大量摄入液体，人类卵细胞通过这种方式从周围细胞中吸收营养物质。

交换表面

这与物质进出整个生物体的移动方式有关，使用两个例子。

哺乳动物肺

所有哺乳动物都需要氧气来进行呼吸。对于哺乳动物来说，需要氧气的细胞距离太远，扩散无法有效进行，因此它们拥有专门的气体交换表面，氧气可以通过该表面扩散到体内，二氧化碳可以通过该表面扩散到体外。对于人类来说，这种交换表面是肺中的肺泡。如以下图所示，每个肺泡都很小，但总体积很大，成人肺泡的总表面积约为 70 平方米。这增加了扩散的净速率。肺泡的壁也非常薄，不超过 0.5 微米，直接位于同样具有非常薄的细胞膜的毛细血管旁边。这种薄度使扩散速度非常快。

由于扩散只能沿着浓度梯度进行，浓度梯度越陡，扩散速度越快，因此必须不断保持肺泡与血液之间的浓度梯度陡峭，以确保快速扩散。二氧化碳迅速呼出，这意味着运输到肺泡的二氧化碳会迅速运输到肺泡中并呼出，而脱氧血不断流向肺泡，这意味着氧气迅速扩散到脱氧血中。

请参见图片：[5]

植物根部

开花植物的根毛也是专门的交换表面——它们是构成根表皮细胞的延伸部分，每个约 200-250μm 宽，提供了巨大的总表面积与周围土壤接触。水和矿物质离子分别通过扩散和协助扩散/主动运输吸收。