膜

所有活細胞都具有稱為細胞膜的東西。這種選擇性滲透膜控制物質的交換，接收激素資訊，並且非常薄。它可以被描述為磷脂雙層 - 意味著它由磷脂分子組成，並且有兩層。

結構

磷脂雙層非常薄，甚至用電子顯微鏡也幾乎無法看到 - 需要 x100,000 倍放大倍數，並且只能顯示大約 7 奈米寬的雙黑線。由於我們無法正確看到膜，我們必須根據我們所知道的資訊建立一個模型 - 在這種情況下稱為流體鑲嵌模型。

流體鑲嵌模型

流體鑲嵌模型的示意圖如下所示。

流體鑲嵌模型的特點；

膜主要由磷脂分子雙層組成。這些分子可以透過擴散在其自身層中移動。
平均寬度約為 7 奈米
一些磷脂是飽和的，而另一些是不飽和的。這會影響膜的流動性，高度不飽和的膜意味著更流動的膜。這是由於不飽和尾部的扭結導致分子不能緊密地排列在一起。
磷脂尾部指向內側，彼此相對，這意味著膜內部是非極性疏水的。
結構中的蛋白質分子可以四處移動，儘管有些固定在細胞內部的結構上，不會移動。此外，其中一些跨越膜的寬度，一些僅位於內層，一些位於外層。
許多蛋白質和脂類具有附著在它們上的短碳水化合物鏈，形成糖蛋白和糖脂。
含有膽固醇。

組成部分

上一節討論了一些您可能不熟悉的一些成分，它們的結構和作用如下。

磷脂

您可能還記得第二章中的磷脂。它指出它們具有親水頭和疏水尾，其重要性應該變得越來越清晰。磷脂雙層形成膜的主體，創造一個疏水內部，將細胞與外部環境隔離。不要忘記，細胞內的細胞器也經常被膜包圍，這同樣也是磷脂膜。

蛋白質

在討論細胞膜時，有兩種型別的蛋白質，分別是內在蛋白質和外在蛋白質。內在蛋白質是嵌入細胞膜的蛋白質，外在蛋白質是指沒有嵌入細胞的蛋白質。決定蛋白質是內在還是外在的是蛋白質的電荷 - 如果蛋白質完全帶電，那麼蛋白質將是外在的，因為它會被非極性脂肪酸尾部排斥。如果蛋白質部分帶電或根本不帶電，那麼蛋白質將是內在的，因為它會被吸引到非極性脂肪酸尾部。

糖蛋白和糖脂

細胞膜表面的脂類和蛋白質經常有從細胞表面突出的短碳水化合物鏈，稱為糖脂和糖蛋白。它們與包圍細胞的水分子形成氫鍵，因此有助於穩定膜結構。然而，更重要的是，它們被用作受體分子，與激素或神經遞質結合以觸發細胞本身的一系列化學反應。以胰島素為例，體內只有某些細胞（肝臟、肌肉）具有胰島素受體，因此，胰島素可以釋放到整個身體而不會干擾任何東西，因為任何沒有胰島素受體的細胞都不會受到影響。

糖蛋白也可以作為抗原，用於使細胞能夠相互識別。

膽固醇

膽固醇有助於調節膜的流動性，併為膜提供機械穩定性 - 沒有它，細胞會因為其膜破裂而破裂。它們的疏水區域有助於防止離子或極性分子意外穿過膜。

運輸

跨磷脂雙層的運輸受到調節，並且它是一個有效的屏障 - 但交換是必要的。這裡討論了交換方法。

擴散

擴散被定義為物質從高濃度區域到低濃度區域的淨運動，即“沿濃度梯度”。

影響擴散的因素；

濃度梯度有多陡峭。濃度梯度是膜兩側分子比例的比率，一邊的分子多，而另一邊的分子少，會導致更快的淨擴散速率
溫度。高溫會增加分子和離子的動能，因此它們移動得更快 - 淨擴散速率上升。
表面積。大的表面積會增加可以同時跨越的離子或分子數量，從而增加淨擴散速率。
分子型別。大分子擴散速度較慢，非極性分子更容易透過細胞膜擴散，因為它們是可溶的。

足夠小的分子和離子可以輕鬆地穿過膜，無論極性如何，但像葡萄糖這樣的大極性分子不能透過細胞膜擴散。它們只能透過親水性蛋白質通道透過 - 此過程被稱為協助擴散。影響擴散的所有因素都會影響協助擴散，並且還有一個額外的因素 - 可用的運輸蛋白數量。

協助擴散：[1]

滲透

滲透可以被最好地描述為一種特殊的擴散型別，僅涉及水分子。

請參見以下兩張圖：[2] ^{[失效連結]} [3] ^{[失效連結]}

第一張圖是剛開始的實驗，即“開始圖”。如你所見，水從稀釋的物質移動到濃縮的溶液，它們被一層半透膜隔開，沿著濃度梯度移動。第二張圖顯示了該物質放置一段時間後的情況，溶質分子濃度相同，因此水分子濃度也相同，這被稱為平衡。這種僅透過水分子移動來實現平衡是滲透的特徵。

水勢

水分子從一個地方移動到另一個地方的趨勢被稱為水勢，水勢的符號是希臘字母“psi”，Ψ。水總是從高水勢區域移動到低水勢區域，前面提到的平衡是指兩個相鄰（被半透膜隔開）水勢的平衡。純水的勢為0，任何溶質都會使水勢變為負值，使水勢變為負值的程度被稱為溶質勢。

壓力勢

透過增加低濃度梯度溶液中的壓力，可以阻止或減緩水從高濃度梯度到低濃度梯度的淨移動，因為壓力會增加水勢。

在植物細胞中

植物有細胞壁，因此壓力勢尤為重要。如果由於水透過滲透進入細胞而導致細胞體積增加，細胞就會開始推壓細胞壁，壓力迅速增加。這種壓力會增加細胞的水勢，從而阻止水分繼續進入，形成一種“假平衡”（因為壓力有助於它），防止細胞破裂。當細胞完全膨脹時，稱為膨壓狀態。

膨壓狀態的反義詞是質壁分離。當細胞置於濃縮的蔗糖溶液中時，細胞開始從細胞壁分離，產生 0 的壓力勢，因此水勢等於其溶質勢。最終會導致胞體破裂，即細胞壁完全破裂。植物沒有與防止水分過度流入相同的機制來防止水分過度流失，但如果將細胞置於較弱的溶液中，質壁分離可以逆轉。動物細胞中的等效過程稱為皺縮。細胞的液體內容物因擴散而洩漏。質壁分離在自然界中極其罕見。

在動物細胞中

然而，在動物細胞中，沒有細胞壁，因此如果細胞周圍溶液的水勢過高，細胞會膨脹並破裂，但如果水勢過低，細胞會收縮。這就是為什麼在動物體內保持恆定水勢非常重要的原因。

主動運輸

主動運輸被定義為消耗能量的跨膜分子或離子運輸，逆著濃度梯度進行，這得益於呼吸作用的能量傳遞。能量由 ATP 提供，用於使轉運蛋白改變其三維形狀，在此過程中將分子或離子轉運穿過膜。需要注意的是，進行大量主動運輸的細胞可能含有大量線粒體，以提供其所需的能量。

這在腎臟的重吸收中尤為重要，在腎臟中，某些有用的分子必須在過濾後重新吸收到血液中。在植物中，它用於將糖從光合作用細胞中裝載到韌皮部組織中，以進行運輸。

體積運輸

體積運輸可以被定義為大量物質進出細胞的移動，分別稱為內吞作用和外排作用。

外排作用是指物質從細胞中移出的過程，例如分泌消化酶，其中來自高爾基體的囊泡攜帶酶到細胞表面，與細胞表面結合並釋放其內容物。請參見：[4]

內吞作用是外排作用的反向過程，涉及細胞吞噬物質形成細胞內的囊泡。最常見的形式是吞噬作用，由吞噬細胞執行，例如白細胞吞噬細菌。內吞作用的第二種形式是胞飲作用，即大量攝入液體，人類卵細胞透過這種方式從周圍細胞中吸收營養物質。

交換表面

這與物質進出整個生物體的移動方式有關，使用兩個例子。

哺乳動物肺

所有哺乳動物都需要氧氣來進行呼吸。對於哺乳動物來說，需要氧氣的細胞距離太遠，擴散無法有效進行，因此它們擁有專門的氣體交換表面，氧氣可以透過該表面擴散到體內，二氧化碳可以透過該表面擴散到體外。對於人類來說，這種交換表面是肺中的肺泡。如以下圖所示，每個肺泡都很小，但總體積很大，成人肺泡的總表面積約為 70 平方米。這增加了擴散的淨速率。肺泡的壁也非常薄，不超過 0.5 微米，直接位於同樣具有非常薄的細胞膜的毛細血管旁邊。這種薄度使擴散速度非常快。

由於擴散只能沿著濃度梯度進行，濃度梯度越陡，擴散速度越快，因此必須不斷保持肺泡與血液之間的濃度梯度陡峭，以確保快速擴散。二氧化碳迅速撥出，這意味著運輸到肺泡的二氧化碳會迅速運輸到肺泡中並撥出，而脫氧血不斷流向肺泡，這意味著氧氣迅速擴散到脫氧血中。

請參見圖片：[5]

植物根部

開花植物的根毛也是專門的交換表面——它們是構成根表皮細胞的延伸部分，每個約 200-250μm 寬，提供了巨大的總表面積與周圍土壤接觸。水和礦物質離子分別透過擴散和協助擴散/主動運輸吸收。