細胞是構成人體最基本的結構和功能單位。人體內共有細胞約10 ¹⁴個，按其功能可分為200余種，形態不同，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跨膜轉運功能、信號轉導功能和生物電現象等。以下我們將共同學習細胞膜的物質轉運功能和細胞的生物電現象。

人體最基本的生命特征是新陳代謝，物質的跨膜轉運對細胞的生存和生長至關重要。人體細胞總是要從外界攝取O ₂和營養物質，同時排出人體代謝產物，這些物質的進入或排出都要經過細胞膜轉運。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物質的攝取、代謝產物或廢物的排出，又能調節內離子濃度，使細胞維持相對穩定的內環境。進出細胞的物質包括供能物質、合成細胞新物質的原料、中間代謝產物和終末產物、維生素、氧和二氧化碳，以及Na ^＋、K ^＋、Ca ^2＋、Cl ^－離子等。對于理化性質不同的溶質，細胞膜具有不同的轉運機制，這些物質跨膜轉運的方式主要有單純擴散、易化擴散、主動轉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以熱自由運動的方式，跨過細胞膜從高濃度一側向低濃度一側直接通過脂質雙分子層進出細胞，不需要細胞提供能量，也無需膜轉運蛋白的協助，稱單純擴散。它是一種簡單的物理現象，其特點是物質順濃度差轉運，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是脂質雙分子，所以只有脂溶性小分子物質才能以單純擴散的形式通過細胞膜。在人體內，以單純擴散方式進出細胞的物質有O ₂、CO ₂、N ₂、類固醇激素、乙醇、尿素、甘油、水等。根據相似相容原理，高脂溶性物質容易穿越脂質雙層，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，如葡萄糖、氨基酸等，很難直接通過脂質雙層，直徑很小的各種帶電離子，也不能通透膜脂膜的脂質雙層。物質通過單純擴散的方向和速度取決于物質在膜兩側的濃度差和膜對該物質的通透性（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，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、順濃度差的跨膜轉運方式，又稱 協助擴散（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向低濃度一側轉運，所以也不需要細胞代謝提供能量；②對物質分子或離子移動起易化作用的蛋白質分子本身結構具有特異性，因而一種蛋白質分子只能幫助一種（或少數幾種）物質分子或離子通過，即具有選擇性；③這些蛋白質的結構和功能受細胞膜兩側，主要是膜外側環境因素改變而調控。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（簡稱載體），另一種是通道蛋白質（簡稱通道）。因而易化擴散可分為兩種。

載體轉運（carrier transport）也稱 轉運體（transporter），是介導多種水溶性小分子物質或離子跨膜轉運的一類膜蛋白。許多重要的營養物質，如葡萄糖、氨基酸或金屬離子等依據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運的速率比預期的要快得多，并且轉運速率與膜兩側濃度差的關系表現為一條后部形成平臺的曲線。這種跨膜轉運稱載體的易化擴散。當載體與被轉運的物質結合時，構象發生改變，將被轉運物質從膜的一側移至膜的另一側。載體與物質分離后，又恢復原有構象（見圖2-7）。載體轉運具有以下特點：

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

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

當某一載體對兩種或兩種以上結構類似物質都具有轉運能力時，載其中濃度較大或親和力較大的物質轉運量多，而較濃度低或親和力小的物質轉運量減少。

如圖2-7所示，在一定條件下，細胞膜上的一些蛋白質通過本身的變構作用而在其內部形成一個水相孔洞或溝道，使被轉運的物質得以通過。以此種方式轉運的物質是一些簡單的離子，如Na ^＋、K ^＋、Ca ^2＋和Cl ^－等。與這些離子的易化擴散有關的一類蛋白質分子，稱離子通道（ion channel），簡稱通道。當通道開放時，離子經通道跨膜流動無需與脂質雙層相接觸，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。帶電離子跨膜轉運的驅動力是電化學梯度，它是由膜兩側溶質的濃度差和電位差共同構成。根據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，有的通道可以轉運某一種離子為主的情況下同時也轉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 ^＋已經發現9種通道、Ca ^2＋也已經發現3種通道。

通道的開放不是連續的，而是瞬時地開放，僅在特定刺激發生反應時才打開，其他時間則是關閉的。有些通道只有在它所在膜兩側（主要是外側）出現某種化學物質（配體）與表面受體結合，引起通道蛋白構型發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電位差或特異離子濃度發生改變決定其開閉，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、載體轉運和通道轉運都是被動轉運，順濃度梯度轉運物質，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雙層鑲嵌蛋白質的協同轉運。

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

知識拓展

細胞直接利用代謝產生的能量將物質逆濃度差或逆電位差轉運的過程稱 原發性主動轉運（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），離子泵的化學本質是ATP酶，可將細胞內代謝過程產生的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運的特征，所以稱生物泵。生物泵能把物質從低濃度一側“泵”到高濃度一側，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，進而影響物質的主動轉運。生物泵種類很多，通常以它們轉運的物質而命名，例如轉運Na ^＋和K ^＋的生物泵稱其為鈉-鉀泵、轉運Ca ^2＋的鈣泵、轉運H ^＋的氫泵（質子泵）和轉運I ^－的碘泵。下面以鈉泵為例，介紹生物泵的結構和功能。

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，其中，α亞單位是催化亞單位，需在膜內的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，維持細胞膜內外Na ^＋和K ^＋的正常濃度和分布（圖2-8）。

據估計，一般細胞大約把它代謝所獲得能量的20%～30%用于鈉泵的轉運。如此巨大的能量用于保持Na ^＋、K ^＋在細胞內外的不均衡分布，其生理意義有：①鈉泵活動形成的膜內外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 ^＋，轉入2個K ^＋，因而具有生電性，可使膜內負值增大（見本章第三節），并在一定程度上影響靜息電位；③鈉泵活動形成的細胞內高K ^＋環境是許多代謝反應，如核糖體合成蛋白質所必需的；④鈉泵活動建立起一種勢能儲備，供細胞的繼發性主動轉運來利用。

繼發主動轉運是指利用原發性主動轉運所造成某種物質的勢能的儲備，而對其他物質進行逆濃度跨膜轉運過程。許多物質在進行逆濃度梯度或電化學梯度的跨膜轉運時，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能量的主動轉運過程稱 繼發性主動轉運（second active transport）或 協同運輸（cotransport）。顯然，繼發性主動轉運依賴于原發性主動轉運，倘若用藥物抑制鈉泵活動，相應的繼發性主動轉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物質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 ^－、神經末梢處被釋放的遞質分子（如單胺類和肽類遞質）的再攝取等生理過程，均屬于繼發性主動轉運（圖2-9）。其中，溶質與Na ^＋向同一方向的轉運，稱 同向轉運（symport）；溶質與Na ^＋向相反方向的轉運，稱 逆向轉運（antiport）。

參與葡萄糖繼發主動轉運的膜蛋白稱 Na ^＋ -葡萄糖同向轉運體（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膜上有鈉泵和葡萄糖易化擴散載體，腸腔的頂端膜區有Na ^＋-葡萄糖同向轉運體。鈉泵活動時利用ATP的能量將Na ^＋由胞質轉運至組織間隙，造成細胞膜內低Na ^＋，并在頂端膜區的膜內外形成Na ^＋的濃度差。膜上的同向轉運體利用Na ^＋的濃度勢能，將腸腔中的Na ^＋和葡萄糖分子一起轉運至細胞膜內。在這一轉運過程中，Na ^＋轉運是順濃度梯度，是轉運的原動力，而葡萄糖的轉運是逆濃度梯度，是間接利用鈉泵分解ATP釋放能量完成的主動轉運。進入上皮細胞后的葡萄糖分子，可利用基底側膜上的葡萄糖載體，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的吸收機制完全相同。

小分子物質的跨膜轉運一般以上述方式完成，大分子物質，如蛋白質、多核苷酸、多糖等則通過入胞與出胞方式完成物質轉運過程。細胞內外的大分子顆粒物質在轉運過程中是由膜包被，形成小泡進行運輸，這個過程與主動轉運一樣，需要消耗細胞的代謝能。根據大分子物質跨膜轉運方向，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或物質團塊進入細胞的過程。例如血漿中的脂蛋白顆粒、大分子營養物質、細菌、異物和細胞碎片等，這些物質進入細胞時，首先與膜接觸，引起接觸部位的膜向內凹陷或伸出偽足，并逐漸把物質包裹起來，此后包裹的細胞膜融合、斷裂，形成包含攝入物的小泡。根據進入細胞物質形態，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是固態，形成的囊泡叫吞噬體，直徑一般大于250nm。吞噬體與細胞內溶酶體融合，形成吞噬性溶酶體在其內，攝入的物質被分解、消化。吞噬是一種需要信號觸發的過程。被吞噬的顆粒必須同吞噬細胞的表面結合，但并不是能結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境中攝取營養；哺乳動物只有少數細胞具有吞噬作用，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攝取細胞外基質中液滴的內吞過程。吞入的物質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。大多數細胞是通過吞飲作用源源不斷地將液體和溶質攝入細胞內，供細胞生命活動之用。

吞飲作用通常是從膜上的特殊區域開始，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容物排出細胞的過程，如內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，以及神經細胞軸突末梢神經遞質釋放到突觸間隙中。細胞的各種蛋白性分泌物先是在粗面內質網的核糖體合成；再轉移到高爾基復合體，被修飾成周圍由質膜包裹的 分泌囊泡（secretory vesicle）；后者再逐漸移向特定部位的質膜內側暫時貯存。有些細胞的分泌過程是持續進行的，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：囊泡逐漸向質膜內側移動，最后囊泡膜和質膜在某點接觸并相互融合，并在融合處出現裂口，將囊泡內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：一種是胞內合成的物質不間斷地排出細胞，它是細胞本身固有的功能活動，如小腸黏膜杯狀細胞持續分泌黏液過程；另一種是合成的物質先貯存在細胞內，當受到化學信號或電信號的誘導時才排出細胞，所以是一種受調節的活動，如動作電位到達神經末梢時，可引起局部膜結構中的Ca ^2＋通道開放，Ca ^2＋內流，膜內Ca ^2＋（內流的Ca ^2＋在某些細胞也可進而引發細胞內Ca ^2＋貯存庫釋放出Ca ^2＋）觸發囊泡的移動、錨靠和融合于膜，造成囊泡內容物全部進入細胞外液。