細胞主動轉(zhuǎn)運與生命的哲學思考

1、細胞主動轉(zhuǎn)運與生命的哲學考慮細胞主動轉(zhuǎn)運與生命的哲學考慮生命是一個開放的、有序的、自動控制系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的維持前提條件是必須不斷與外界環(huán)境進展物質(zhì)、能量、信息的交換，以獲得系統(tǒng)生命活動所需要的負熵。從生物物理學的觀點來看，生命活動不外乎是這三個量的綜合運動吸收、轉(zhuǎn)移、貯存和利用。細胞的主動轉(zhuǎn)運在生命系統(tǒng)的物質(zhì)、能量、信息有序的綜合運動中起著決定性的作用。1生物體內(nèi)主動轉(zhuǎn)運的根本概述1.1主動轉(zhuǎn)運的根本概念及特點主動轉(zhuǎn)運是細胞在特殊的蛋白質(zhì)介導下消耗能量，將物質(zhì)從低濃度一側轉(zhuǎn)運到高濃度一側的過程。主動轉(zhuǎn)運與被動轉(zhuǎn)運的根本區(qū)別：對于一個開放的生命系統(tǒng)，主動轉(zhuǎn)運需要從系統(tǒng)外獲得能量，通過本身的某種耗

2、能過程，將某種物質(zhì)的分子或離子由膜的低濃度一側移向高濃度一側的過程。按照熱力學定律，溶液中的分子由低濃度區(qū)域向高濃度區(qū)域挪動，就像舉起重物或推物體沿斜坡上移，或使電荷逆電場方向挪動一樣，必須由外部供應能量。在膜的主動轉(zhuǎn)運中，這能量只能由膜或膜所屬的細胞來供應，這就是主動的含義。被動轉(zhuǎn)運，其特點是在這樣的物質(zhì)轉(zhuǎn)運過程中，物質(zhì)分子只能作順濃度差、即由膜的高濃度一側向低濃度一側的凈挪動，而它所通過的膜并未對該過程提供能量。被動轉(zhuǎn)運本文由論文聯(lián)盟.Ll.搜集整理時物質(zhì)挪動所需的能量來自高濃度所含的勢能，因此不需要另外供能。主動轉(zhuǎn)運的特點：逆濃度梯度逆化學梯度運輸；需要能量由ATP直接供能或與釋放能量的

3、過程偶聯(lián)協(xié)同運輸，并對代謝毒性敏感；都有載體蛋白，依賴于膜運輸?shù)鞍?；具有選擇性和特異性。具有飽和性。具有競爭性。1.2主動轉(zhuǎn)運的類型及分布根據(jù)供能的方式可將其分為三種類型：ATP驅(qū)動泵、協(xié)同運輸、光驅(qū)動泵。ATP驅(qū)動泵分為P型離子泵，或稱P型ATP酶.此類運輸泵運輸時需要磷酸化，包括Na+-K+泵、a2+離泵；Na+-K+泵廣泛存在于各種細胞膜上，對細胞生存和活動是極其重要的。其生理意義是保持細胞內(nèi)外的鈉離子、鉀離子濃度差，這對許多代謝反響和防止細胞腫脹有重要意義，同時建立了一種勢能儲藏，是可興奮細胞興奮的基矗V型泵，或稱V型ATP酶，主要位于小泡的膜上，如溶酶體膜中的H+泵，運輸時需ATP供

4、能，但不需要磷酸化；F型泵，或稱F型ATP酶.這種泵主要存在于細菌質(zhì)膜、線粒體膜和葉綠體的膜中，它們在能量轉(zhuǎn)換中起重要作用，是氧化磷酸化或光合磷酸化偶聯(lián)因子。協(xié)同運輸與ATP驅(qū)動泵不同，葡萄糖和氨基酸的主動運輸不直接消耗ATP水解提供的能量，而是借助于Na+-K+泵排出的Na+所產(chǎn)生的電化學梯度使物質(zhì)進入細胞。除ATP-驅(qū)動泵和協(xié)同運輸外，在一些光合細菌膜上存在H+泵，這種泵由光激活，產(chǎn)生H+的濃度梯度電化學梯度，驅(qū)動物質(zhì)進入細胞，這種泵稱為光驅(qū)動泵。泵蛋白是生物主動轉(zhuǎn)運的物質(zhì)根底，廣泛分布于細胞膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、高爾基體膜、核糖體膜、線粒體膜、細胞核膜上。2主動轉(zhuǎn)運與生命的新陳代謝新陳代謝是生命

5、的根本特征，它包括物質(zhì)代謝和能量代謝。能量代謝是指機體的能量的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移、貯存和利用。各種能量物質(zhì)在機體或細胞內(nèi)氧化所釋放的能，其總量的50%以上迅速轉(zhuǎn)化為熱能，缺乏50%可以作功的自由能以ATP的形式供機體或細胞完成合成代謝細胞內(nèi)的化學功、物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運功、肌肉收縮機械功、神經(jīng)信息傳遞電力功等根本生理活動。主動轉(zhuǎn)運在能量代謝中舉足輕重，各種主動轉(zhuǎn)運的能量來源見表-1，其中，僅Na+-K+泵的轉(zhuǎn)運所耗的能量占代謝所獲得的總能量20-30%，由Na+-K+泵活動形成的離子勢能貯備，是繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運如葡萄糖、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運、細胞生物電的產(chǎn)生及被動轉(zhuǎn)運等生理活動的能量來源。在物質(zhì)代謝過程中

6、，細胞需要不斷選擇性地通過細胞膜主動攝入營養(yǎng)物質(zhì)糖、脂類、蛋白質(zhì)、無機離子等和排出代謝產(chǎn)物，沒有主動轉(zhuǎn)運就沒有營養(yǎng)物質(zhì)的攝入。這類營養(yǎng)物質(zhì)對生命極為重要：蛋白體的同化與異化和不停地跟外界進展物質(zhì)、能量、信息的交換是生命存在、開展的根本條件和根本動力。生命過程，就是蛋白體不斷自我更新、自我復制、自我調(diào)節(jié)的過程。糖與脂肪是生命不可缺少的能量物質(zhì)。無機離子離子是維持機體或細胞新陳代謝必須元素。鈉、鉀、鈣、氯元素在人體內(nèi)主要以離子狀態(tài)存在于各種組織和細胞的體液中。在細胞內(nèi)外，這些離子是不均勻分布的，這種不均勻分布是由主動轉(zhuǎn)運實現(xiàn)的。鈉、鉀、氯離子對機體或細胞的生理活動起著重要的作用；維持細胞內(nèi)外的浸透

7、壓；維持神經(jīng)、肌肉的正常興奮性；維持機體內(nèi)的酸堿平衡；參與細胞內(nèi)糖和蛋白質(zhì)的代謝。鈣在機體各種生理學和生物化學過程中起著重要作用。它能降低毛細血管和細胞膜的通透性，防止?jié)B出，控制炎癥和水腫。體內(nèi)許多酶系統(tǒng)ATP酶、琥珀脫氫酶、脂肪酶、蛋白分解酶等需要鈣激活，鈣有助于神經(jīng)遞質(zhì)的產(chǎn)生和釋放?？傊?，主動轉(zhuǎn)運是細胞新陳代謝的以進展的的前提和根底，沒有主動轉(zhuǎn)運就沒有新陳代謝，當然，主動轉(zhuǎn)運的本身也要靠新陳代謝來維持。3主動轉(zhuǎn)運與生物遺傳生物遺傳是生命的根本特征。遺傳基因，是指攜帶有遺傳信息的DNA或RNA序列，是控制性狀的根本遺傳單位?；蛲ㄟ^指導蛋白質(zhì)的合成來表達自己所攜帶的遺傳信息，從而控制生物個體

8、的性狀表現(xiàn)。基因的代謝、重組、突變以及基因表達的調(diào)控和互相作用都需要主動轉(zhuǎn)運的參入而的得以實現(xiàn)。研究顯示【1】2：在真核細胞中，細胞質(zhì)和細胞核是兩個亞細胞部位，細胞核膜是二者分隔的重要屏障，核膜上分布的核孔復合體NP是溝通細胞核內(nèi)外物質(zhì)交流和信息交流的主要通道。生物大分子經(jīng)核孔復合體NP跨核膜轉(zhuǎn)運是真核細胞基因復制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的必要環(huán)節(jié)，也是聯(lián)絡細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)遞、參與細胞核反響即細胞增殖、分化、凋亡等核反響調(diào)控的重要環(huán)節(jié)。一般而言，分子量低于60kD的生物分子可自由通過NP出入細胞核，而60kD以上的生物大分子通過NP情形較為復雜，其核質(zhì)轉(zhuǎn)運是一種耗能的需蛋白介導的主動轉(zhuǎn)運過程，無論是入核轉(zhuǎn)運還

9、是出核轉(zhuǎn)運均需耗能。該過程由核膜Ran蛋白水解GTP為轉(zhuǎn)運提供能量，需入核轉(zhuǎn)運的生物大分子通常有參與基因復制、轉(zhuǎn)錄的蛋白因子和各種酶系，如復制酶、轉(zhuǎn)錄酶、UsnRNP、hnRNP蛋白顆粒和細胞核內(nèi)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子如Stat3等，以及其他需入核才發(fā)揮作用的外源性大分子如基因治療的外源重組DNA、病毒基因等；相反，需出核轉(zhuǎn)運的生物大分子包括細胞核內(nèi)各類RNArRNA、RNA、tRNA、UsnRNP蛋白顆粒、NES蛋白等。由此可見，生物大分子核膜的主動核轉(zhuǎn)運是真核細胞生長、增殖、分化和發(fā)育等生命活動的根本保證；是生命遺傳與繁衍的根本保證。4主動轉(zhuǎn)運與負熵熵是用來表征系統(tǒng)混亂程度的物理量，因此這條定律實際

10、上是在說，孤立系統(tǒng)的混亂程度永遠是在增加的，直到到達熱平衡，系統(tǒng)的熵到達了極大值，系統(tǒng)狀態(tài)將不再改變，歸于寂靜。負熵就是熵的對立，熵代表的是無序，而負熵表示的那么是有序。汲取負熵，可以簡單的理解為從外界吸收了物質(zhì)或者能量之后，使系統(tǒng)的熵降低了，變得更加有序了。假如有一種機構，它是一個開放系統(tǒng)，可以不斷地從外界獲得并積累自由能，它就產(chǎn)生負熵。生命就是一種高度有序的、開放的、遠離平衡態(tài)、自組織、耗散構造系統(tǒng)3。從量子力學的角度：當生物體吸收了外界環(huán)境的負熵物質(zhì)和能量，并不是用于增加系統(tǒng)內(nèi)小分子熱運動的內(nèi)能和熵，而是使系統(tǒng)的定域子從低能級躍到高能態(tài)，生命產(chǎn)生負熵狀態(tài)。生命吸收的負熵物質(zhì)和能量越多，生

11、命的負熵值越大，生物自組織更加有序，直至到達某一平衡。主動轉(zhuǎn)運是生物負熵產(chǎn)生的重要環(huán)節(jié)。生物通過主動轉(zhuǎn)運從外界不斷地汲取負熵物質(zhì)蛋白質(zhì)、脂肪、糖以抵消生命運作過程中不得不產(chǎn)生的熵增。主動轉(zhuǎn)運也造成細胞內(nèi)外鉀、鈉、鈣、鎂、等離子的不均勻分布，如表-2。細胞內(nèi)外離子從低能級到高能態(tài)分布狀態(tài)就是生命從外界不斷地汲取負熵，到達遠離平衡態(tài)的狀態(tài)特征，而這種細胞內(nèi)外離子的不均勻分布卻是維持細胞的興奮性、浸透壓、生物電等生命根本活動的重要保障。生命是一個從無序到有序的開展過程。這是一個與非生命的自然界截然相反的過程，而且是一個主動的過程。生命有機體就是賴負熵為生的4。動物從食物中獲得，植物從陽光中獲得。生物可以主動的不斷與外界進展物質(zhì)和能量交換是生物區(qū)別于普通物體的一個重要因素。并不否認生命系統(tǒng)對熵定律的挑戰(zhàn)，杰里米里夫金和特德霍華德但他們認為，生命積累能量是以消耗宇宙更多的能量為代價的，也就是說，有機體的生長所表達的熵的微小的、部分的遞減，都伴隨著宇宙總熵的更大范圍的遞增。因此，生命正在使世界加速走向熱寂。5、結語從性質(zhì)或特征上看，生命具有如下一些特征5：首先，所有生命都處在與外界不斷地進展物質(zhì)和能量的代謝過程中。物質(zhì)代謝和能量代謝實際上是一個過程的兩個方面。生命在合成自身物質(zhì)的