細胞是構(gòu)成人體最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位。人體內(nèi)共有細胞約10 ¹⁴個，按其功能可分為200余種，形態(tài)不同，功能各異。但是有些細胞的功能是各種細胞普遍存在的，譬如，所有細胞都具有物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運功能、信號轉(zhuǎn)導功能和生物電現(xiàn)象等。以下我們將共同學習細胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運功能和細胞的生物電現(xiàn)象。

人體最基本的生命特征是新陳代謝，物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運對細胞的生存和生長至關(guān)重要。人體細胞總是要從外界攝取O ₂和營養(yǎng)物質(zhì)，同時排出人體代謝產(chǎn)物，這些物質(zhì)的進入或排出都要經(jīng)過細胞膜轉(zhuǎn)運。細胞膜是細胞與細胞之間一種選擇性通透屏障，它既能保障細胞對基本營養(yǎng)物質(zhì)的攝取、代謝產(chǎn)物或廢物的排出，又能調(diào)節(jié)內(nèi)離子濃度，使細胞維持相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。進出細胞的物質(zhì)包括供能物質(zhì)、合成細胞新物質(zhì)的原料、中間代謝產(chǎn)物和終末產(chǎn)物、維生素、氧和二氧化碳，以及Na ^＋、K ^＋、Ca ^2＋、Cl ^－離子等。對于理化性質(zhì)不同的溶質(zhì)，細胞膜具有不同的轉(zhuǎn)運機制，這些物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運的方式主要有單純擴散、易化擴散、主動轉(zhuǎn)運和出胞和入胞作用。

單純擴散（simple diffusion）， 又稱簡單擴散，是指脂溶性的小分子物質(zhì)以熱自由運動的方式，跨過細胞膜從高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)直接通過脂質(zhì)雙分子層進出細胞，不需要細胞提供能量，也無需膜轉(zhuǎn)運蛋白的協(xié)助，稱單純擴散。它是一種簡單的物理現(xiàn)象，其特點是物質(zhì)順濃度差轉(zhuǎn)運，不需要細胞代謝提供能量，沒有生物學機制參與。由于組成細胞膜的基本物質(zhì)是脂質(zhì)雙分子，所以只有脂溶性小分子物質(zhì)才能以單純擴散的形式通過細胞膜。在人體內(nèi)，以單純擴散方式進出細胞的物質(zhì)有O ₂、CO ₂、N ₂、類固醇激素、乙醇、尿素、甘油、水等。根據(jù)相似相容原理，高脂溶性物質(zhì)容易穿越脂質(zhì)雙層，因此O ₂、CO ₂、N ₂等高脂溶性小分子的跨膜擴散速度很快；水是不帶電荷的極性小分子，也能以單純擴散的方式通過細胞膜，但脂質(zhì)雙層對水的通透性很低，故擴散速度很慢；分子較大的非脂溶性物質(zhì)，如葡萄糖、氨基酸等，很難直接通過脂質(zhì)雙層，直徑很小的各種帶電離子，也不能通透膜脂膜的脂質(zhì)雙層。物質(zhì)通過單純擴散的方向和速度取決于物質(zhì)在膜兩側(cè)的濃度差和膜對該物質(zhì)的通透性（圖2-7）。

易化擴散（facilitated diffusion）是指一些非脂溶性或脂溶性很小的物質(zhì)，不需要細胞提供能量，在細胞膜鑲嵌的特殊蛋白（通道或載體）幫助下、順濃度差的跨膜轉(zhuǎn)運方式，又稱 協(xié)助擴散（facilitated diffusion）。易化擴散的特點是：①和單純擴散一樣也是從高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)轉(zhuǎn)運，所以也不需要細胞代謝提供能量；②對物質(zhì)分子或離子移動起易化作用的蛋白質(zhì)分子本身結(jié)構(gòu)具有特異性，因而一種蛋白質(zhì)分子只能幫助一種（或少數(shù)幾種）物質(zhì)分子或離子通過，即具有選擇性；③這些蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能受細胞膜兩側(cè)，主要是膜外側(cè)環(huán)境因素改變而調(diào)控。目前認為，參與易化擴散的膜蛋白有兩種類型：一種是載體蛋白質(zhì)（簡稱載體），另一種是通道蛋白質(zhì)（簡稱通道）。因而易化擴散可分為兩種。

載體轉(zhuǎn)運（carrier transport）也稱 轉(zhuǎn)運體（transporter），是介導多種水溶性小分子物質(zhì)或離子跨膜轉(zhuǎn)運的一類膜蛋白。許多重要的營養(yǎng)物質(zhì)，如葡萄糖、氨基酸或金屬離子等依據(jù)它們在油和水中的相對溶解度、分子大小、帶電荷狀況等物理特性，是很難通過細胞膜，但實際上它們跨膜轉(zhuǎn)運的速率比預期的要快得多，并且轉(zhuǎn)運速率與膜兩側(cè)濃度差的關(guān)系表現(xiàn)為一條后部形成平臺的曲線。這種跨膜轉(zhuǎn)運稱載體的易化擴散。當載體與被轉(zhuǎn)運的物質(zhì)結(jié)合時，構(gòu)象發(fā)生改變，將被轉(zhuǎn)運物質(zhì)從膜的一側(cè)移至膜的另一側(cè)。載體與物質(zhì)分離后，又恢復原有構(gòu)象（見圖2-7）。載體轉(zhuǎn)運具有以下特點：

即載體的結(jié)合位點只能選擇性地識別和結(jié)合具有特定化學結(jié)構(gòu)的底物，如葡萄糖載體只能轉(zhuǎn)運葡萄糖；同時，對同一物質(zhì)不同構(gòu)型轉(zhuǎn)運能力有很大差別，如紅細胞膜對右旋葡萄糖（人體內(nèi)可利用的糖類都是右旋的）轉(zhuǎn)運量是左旋葡萄糖的2000倍左右。

由于細胞膜中載體的數(shù)量和轉(zhuǎn)運速率有限，即被轉(zhuǎn)運物質(zhì)在膜兩側(cè)濃度差在一定范圍內(nèi)增加，跨膜轉(zhuǎn)運該物質(zhì)的量也隨之增加，但當濃度差達到一定程度時，跨膜轉(zhuǎn)運的量不再增加，載體結(jié)合被轉(zhuǎn)運物質(zhì)就達到飽和。這種現(xiàn)象稱載體轉(zhuǎn)運的飽和現(xiàn)象（saturation）。

當某一載體對兩種或兩種以上結(jié)構(gòu)類似物質(zhì)都具有轉(zhuǎn)運能力時，載其中濃度較大或親和力較大的物質(zhì)轉(zhuǎn)運量多，而較濃度低或親和力小的物質(zhì)轉(zhuǎn)運量減少。

如圖2-7所示，在一定條件下，細胞膜上的一些蛋白質(zhì)通過本身的變構(gòu)作用而在其內(nèi)部形成一個水相孔洞或溝道，使被轉(zhuǎn)運的物質(zhì)得以通過。以此種方式轉(zhuǎn)運的物質(zhì)是一些簡單的離子，如Na ^＋、K ^＋、Ca ^2＋和Cl ^－等。與這些離子的易化擴散有關(guān)的一類蛋白質(zhì)分子，稱離子通道（ion channel），簡稱通道。當通道開放時，離子經(jīng)通道跨膜流動無需與脂質(zhì)雙層相接觸，從而使通透性很低的帶電離子能以極快的速度跨越質(zhì)膜。離子通道有兩個顯著特征：一是具有離子選擇性，即離子通道對被選擇的離子的大小與電荷有高度的選擇性；二是轉(zhuǎn)運速率高，可達10 ⁶個離子/秒，其速率是載體蛋白最快速率的1000倍。帶電離子跨膜轉(zhuǎn)運的驅(qū)動力是電化學梯度，它是由膜兩側(cè)溶質(zhì)的濃度差和電位差共同構(gòu)成。根據(jù)離子的選擇性可將通道分為Na ^＋通道、K ^＋通道、Ca ^2＋通道、Cl ^－通道和陽離子通道。其實通道的特異性并不嚴格，有的通道可以轉(zhuǎn)運某一種離子為主的情況下同時也轉(zhuǎn)運一定量的其他離子；同時一種離子可以有多種通道，例如K ^＋已經(jīng)發(fā)現(xiàn)9種通道、Ca ^2＋也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)3種通道。

通道的開放不是連續(xù)的，而是瞬時地開放，僅在特定刺激發(fā)生反應時才打開，其他時間則是關(guān)閉的。有些通道只有在它所在膜兩側(cè)（主要是外側(cè)）出現(xiàn)某種化學物質(zhì)（配體）與表面受體結(jié)合，引起通道蛋白構(gòu)型發(fā)生改變時通道才打開，稱 化學門控通道（chemically gated channel）或 配體門控通道（ligand gated channel），如N ₂型乙酰膽堿（ACh）受體；有些通道則由所在膜兩側(cè)電位差或特異離子濃度發(fā)生改變決定其開閉，稱 電壓門控通道（voltage gated channel）如Na ^＋通道、K ^＋通道、Ca ^2＋通道等；另外在不少細胞上還有感受機械性刺激的機械門控通道。通道開放造成了帶電離子的跨膜移動，將會造成跨膜電位的改變，而跨膜電位的變化以及進入膜內(nèi)的離子，特別是Ca ^2＋，會引起該通道細胞一系列功能改變。

很多通道都有其特異性的阻滯劑，如Na ^＋通道阻滯劑有 河豚毒素（tetrodotoxin，TTX）、普魯卡因和利多卡因；K ^＋通道阻滯劑有四乙銨；維拉帕米是Ca ^2＋通道阻滯劑。

綜上所述，單純擴散、載體轉(zhuǎn)運和通道轉(zhuǎn)運都是被動轉(zhuǎn)運，順濃度梯度轉(zhuǎn)運物質(zhì)，不需要細胞膜耗能，單純擴散與后兩者不同的是不需要膜脂質(zhì)雙層鑲嵌蛋白質(zhì)的協(xié)同轉(zhuǎn)運。

與被動轉(zhuǎn)運不同， 主動轉(zhuǎn)運（active transport）是由特殊的膜載體蛋白所介導的物質(zhì)逆電化學梯度或濃度梯度進行跨膜轉(zhuǎn)運的方式，即指細胞通過本身的某種耗能過程將某種物質(zhì)分子或離子由膜的低濃度一側(cè)移向高濃度一側(cè)轉(zhuǎn)運的過程。主動轉(zhuǎn)運是與被動轉(zhuǎn)運相對而言的，前面介紹過的單純擴散和易化擴散就都屬于被動轉(zhuǎn)運，其轉(zhuǎn)運動力來自高濃度溶液所含的勢能。根據(jù)能量來源的不同，主動轉(zhuǎn)運可分為由ATP直接提供能量的原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運和間接提供能量的繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運，一般所說的主動轉(zhuǎn)運是指原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運。

知識拓展

細胞直接利用代謝產(chǎn)生的能量將物質(zhì)逆濃度差或逆電位差轉(zhuǎn)運的過程稱 原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運（primary active transport）。介導這一過程的是一種特殊的膜蛋白或載體稱 離子泵（ion pump），離子泵的化學本質(zhì)是ATP酶，可將細胞內(nèi)代謝過程產(chǎn)生的ATP水解成ADP，并利用高能磷酸鍵貯存的能量完成離子跨膜轉(zhuǎn)運的特征，所以稱生物泵。生物泵能把物質(zhì)從低濃度一側(cè)“泵”到高濃度一側(cè)，并提供能量。就像水壩從低處引水到高處后形成巨大的勢能，一旦開閘蓄水就會順勢而下。低溫、缺氧或給予一些代謝抑制劑時，細胞代謝障礙，將影響生物泵的功能，進而影響物質(zhì)的主動轉(zhuǎn)運。生物泵種類很多，通常以它們轉(zhuǎn)運的物質(zhì)而命名，例如轉(zhuǎn)運Na ^＋和K ^＋的生物泵稱其為鈉-鉀泵、轉(zhuǎn)運Ca ^2＋的鈣泵、轉(zhuǎn)運H ^＋的氫泵（質(zhì)子泵）和轉(zhuǎn)運I ^－的碘泵。下面以鈉泵為例，介紹生物泵的結(jié)構(gòu)和功能。

鈉-鉀泵簡稱 鈉泵（sodium pump），是由α和β兩個亞單位組成的二聚體蛋白質(zhì)，其中，α亞單位是催化亞單位，需在膜內(nèi)的Na ^＋和膜外的K ^＋共同參與下才具有ATP酶的活性，故鈉泵也就是可稱Na ^＋-K ^＋依賴式ATP酶。它可以水解ATP使之釋放能量，并利用此能量進行Na ^＋和K ^＋轉(zhuǎn)運。1分子ATP分解釋放的能量可以將3個Na ^＋運到細胞外，而將2個K ^＋運入細胞內(nèi)，維持細胞膜內(nèi)外Na ^＋和K ^＋的正常濃度和分布（圖2-8）。

據(jù)估計，一般細胞大約把它代謝所獲得能量的20%～30%用于鈉泵的轉(zhuǎn)運。如此巨大的能量用于保持Na ^＋、K ^＋在細胞內(nèi)外的不均衡分布，其生理意義有：①鈉泵活動形成的膜內(nèi)外Na ^＋和K ^＋的分布的濃度差，是細胞正常生物電活動的前提；②鈉泵每分解1分子ATP，可排出3個Na ^＋，轉(zhuǎn)入2個K ^＋，因而具有生電性，可使膜內(nèi)負值增大（見本章第三節(jié)），并在一定程度上影響靜息電位；③鈉泵活動形成的細胞內(nèi)高K ^＋環(huán)境是許多代謝反應，如核糖體合成蛋白質(zhì)所必需的；④鈉泵活動建立起一種勢能儲備，供細胞的繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運來利用。

繼發(fā)主動轉(zhuǎn)運是指利用原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運所造成某種物質(zhì)的勢能的儲備，而對其他物質(zhì)進行逆濃度跨膜轉(zhuǎn)運過程。許多物質(zhì)在進行逆濃度梯度或電化學梯度的跨膜轉(zhuǎn)運時，所需的能量不是直接分解ATP，而是利用鈉泵活動形成的勢能儲備，后者是鈉泵利用分解ATP釋放的能量建立的。這種間接利用ATP能量的主動轉(zhuǎn)運過程稱 繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運（second active transport）或 協(xié)同運輸（cotransport）。顯然，繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運依賴于原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運，倘若用藥物抑制鈉泵活動，相應的繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運也逐漸減弱或消失。葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖以及各種氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)在小腸黏膜上皮細胞的吸收和在腎小管上皮細胞的重吸收以及甲狀腺上皮細胞的聚碘、Na ^＋-Ca ^2＋交換、Na ^＋-K ^＋-2Cl ^－、神經(jīng)末梢處被釋放的遞質(zhì)分子（如單胺類和肽類遞質(zhì)）的再攝取等生理過程，均屬于繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運（圖2-9）。其中，溶質(zhì)與Na ^＋向同一方向的轉(zhuǎn)運，稱 同向轉(zhuǎn)運（symport）；溶質(zhì)與Na ^＋向相反方向的轉(zhuǎn)運，稱 逆向轉(zhuǎn)運（antiport）。

參與葡萄糖繼發(fā)主動轉(zhuǎn)運的膜蛋白稱 Na ^＋ -葡萄糖同向轉(zhuǎn)運體（Na ^＋-glucose symporter），是由664個氨基酸組成的、具有12個跨膜片段的糖蛋白。小腸上皮細胞的基底側(cè)膜上有鈉泵和葡萄糖易化擴散載體，腸腔的頂端膜區(qū)有Na ^＋-葡萄糖同向轉(zhuǎn)運體。鈉泵活動時利用ATP的能量將Na ^＋由胞質(zhì)轉(zhuǎn)運至組織間隙，造成細胞膜內(nèi)低Na ^＋，并在頂端膜區(qū)的膜內(nèi)外形成Na ^＋的濃度差。膜上的同向轉(zhuǎn)運體利用Na ^＋的濃度勢能，將腸腔中的Na ^＋和葡萄糖分子一起轉(zhuǎn)運至細胞膜內(nèi)。在這一轉(zhuǎn)運過程中，Na ^＋轉(zhuǎn)運是順濃度梯度，是轉(zhuǎn)運的原動力，而葡萄糖的轉(zhuǎn)運是逆濃度梯度，是間接利用鈉泵分解ATP釋放能量完成的主動轉(zhuǎn)運。進入上皮細胞后的葡萄糖分子，可利用基底側(cè)膜上的葡萄糖載體，通過易化擴散的方式進入組織液，完成葡萄糖在腸腔的吸收過程。葡萄糖在腎小管中的重吸收機制與在小腸內(nèi)的吸收機制完全相同。

小分子物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運一般以上述方式完成，大分子物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、多核苷酸、多糖等則通過入胞與出胞方式完成物質(zhì)轉(zhuǎn)運過程。細胞內(nèi)外的大分子顆粒物質(zhì)在轉(zhuǎn)運過程中是由膜包被，形成小泡進行運輸，這個過程與主動轉(zhuǎn)運一樣，需要消耗細胞的代謝能。根據(jù)大分子物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運方向，可將膜泡運輸分為 入胞（endocytosis）和 出胞（exocytosis）。

入胞是指細胞外大分子物質(zhì)或物質(zhì)團塊進入細胞的過程。例如血漿中的脂蛋白顆粒、大分子營養(yǎng)物質(zhì)、細菌、異物和細胞碎片等，這些物質(zhì)進入細胞時，首先與膜接觸，引起接觸部位的膜向內(nèi)凹陷或伸出偽足，并逐漸把物質(zhì)包裹起來，此后包裹的細胞膜融合、斷裂，形成包含攝入物的小泡。根據(jù)進入細胞物質(zhì)形態(tài)，將入胞分為 吞噬（phagocytosis）和 吞飲（pinocytosis）兩種類型。

吞噬是指進入細胞的物質(zhì)是固態(tài)，形成的囊泡叫吞噬體，直徑一般大于250nm。吞噬體與細胞內(nèi)溶酶體融合，形成吞噬性溶酶體在其內(nèi)，攝入的物質(zhì)被分解、消化。吞噬是一種需要信號觸發(fā)的過程。被吞噬的顆粒必須同吞噬細胞的表面結(jié)合，但并不是能結(jié)合的顆粒都能夠被吞噬。吞噬細胞表面有特定的受體，被激活的受體傳遞信號到細胞內(nèi)部，開始反應（圖2-10）。吞噬作用只限于幾種特殊的細胞類型，如變形蟲和一些單細胞的真核生物通過吞噬作用從周圍環(huán)境中攝取營養(yǎng)；哺乳動物只有少數(shù)細胞具有吞噬作用，如巨噬細胞和中性粒細胞，它們廣泛存在于組織和血液中，共同防御細菌入侵、并清除衰老和死亡的細胞。

吞飲是一種非選擇性的連續(xù)攝取細胞外基質(zhì)中液滴的內(nèi)吞過程。吞入的物質(zhì)通常是液體或溶解物。形成的囊泡稱吞飲小泡或吞飲體，直徑小于150nm。大多數(shù)細胞是通過吞飲作用源源不斷地將液體和溶質(zhì)攝入細胞內(nèi)，供細胞生命活動之用。

吞飲作用通常是從膜上的特殊區(qū)域開始，形成一個小窩，最后形成一個很薄且沒有外被包裹的小泡。

出胞是指細胞把大分子內(nèi)容物排出細胞的過程，如內(nèi)分泌腺細胞將它合成的激素分泌到細胞外液中，外分泌腺細胞將它合成的酶原顆粒和黏液等排放到腺管的管腔中，胃腺分泌胃液，以及神經(jīng)細胞軸突末梢神經(jīng)遞質(zhì)釋放到突觸間隙中。細胞的各種蛋白性分泌物先是在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的核糖體合成；再轉(zhuǎn)移到高爾基復合體，被修飾成周圍由質(zhì)膜包裹的 分泌囊泡（secretory vesicle）；后者再逐漸移向特定部位的質(zhì)膜內(nèi)側(cè)暫時貯存。有些細胞的分泌過程是持續(xù)進行的，有些則有明顯的間斷性。分泌過程或一般的出胞作用的最后階段是：囊泡逐漸向質(zhì)膜內(nèi)側(cè)移動，最后囊泡膜和質(zhì)膜在某點接觸并相互融合，并在融合處出現(xiàn)裂口，將囊泡內(nèi)容物一次性地全部排空，而囊泡的膜也就變成了細胞膜的組成部分（圖2-11）。

出胞有兩種方式：一種是胞內(nèi)合成的物質(zhì)不間斷地排出細胞，它是細胞本身固有的功能活動，如小腸黏膜杯狀細胞持續(xù)分泌黏液過程；另一種是合成的物質(zhì)先貯存在細胞內(nèi)，當受到化學信號或電信號的誘導時才排出細胞，所以是一種受調(diào)節(jié)的活動，如動作電位到達神經(jīng)末梢時，可引起局部膜結(jié)構(gòu)中的Ca ^2＋通道開放，Ca ^2＋內(nèi)流，膜內(nèi)Ca ^2＋（內(nèi)流的Ca ^2＋在某些細胞也可進而引發(fā)細胞內(nèi)Ca ^2＋貯存庫釋放出Ca ^2＋）觸發(fā)囊泡的移動、錨靠和融合于膜，造成囊泡內(nèi)容物全部進入細胞外液。