第二章 生物膜結(jié)構(gòu)及離子通道

學(xué)習(xí)目標(biāo)

第一節(jié) 生物膜的分子結(jié)構(gòu)及物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能

細(xì)胞是人體和其他生物體的基本結(jié)構(gòu)和功能單位。細(xì)胞膜不僅是細(xì)胞與環(huán)境之間的屏障，也是細(xì)胞接受各種理化因素影響以及激素、遞質(zhì)和藥物作用的門(mén)戶。細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器如細(xì)胞核、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體等也被膜結(jié)構(gòu)所包被。由于細(xì)胞膜及細(xì)胞器膜在化學(xué)結(jié)構(gòu)上相似，因此通稱為生物膜。生物膜主要由脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類組成，其中以蛋白質(zhì)和脂質(zhì)為主，糖類只占少量。

活細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)液（胞質(zhì)）的組成成分與細(xì)胞外液顯著不同。例如，細(xì)胞內(nèi)液的K+和磷酸鹽離子濃度大大高于細(xì)胞外液，而Na+、Ca2+、Cl-的濃度則明顯低于細(xì)胞外液。這些區(qū)別對(duì)于維持細(xì)胞內(nèi)許多酶的正常功能是必須的。例如，核糖體合成蛋白質(zhì)就需要一個(gè)相對(duì)高鉀的環(huán)境，細(xì)胞膜或質(zhì)膜則通過(guò)在胞質(zhì)周圍建立滲透性屏障來(lái)維持這一離子分布不均。對(duì)于維持細(xì)胞正常功能的離子和蛋白質(zhì)，細(xì)胞膜阻止其外漏；而對(duì)于不需要的就限制其自由進(jìn)入。細(xì)胞膜也可以使代謝過(guò)程中的產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)做進(jìn)一步合成或分解。

一、生物膜的分子結(jié)構(gòu)

關(guān)于生物膜分子結(jié)構(gòu)的假說(shuō)有很多。第一個(gè)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)理論提出細(xì)胞是被雙層脂質(zhì)分子所包被的，即脂質(zhì)雙層。因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn)，脂質(zhì)分子形成脂質(zhì)雙層后對(duì)水溶性分子具有低透性。然而，脂質(zhì)雙層不能解釋特定水溶性化合物的選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)，例如葡萄糖和氨基酸。1972年，Singer和Nicolson提出了細(xì)胞膜的液態(tài)鑲嵌模型（圖2-1-1）。這一模型得到較多實(shí)驗(yàn)事實(shí)的支持，目前仍被大多數(shù)學(xué)者所認(rèn)可。這一模型的基本內(nèi)容是：生物膜是以液態(tài)的脂質(zhì)雙分子層為基架，其中鑲嵌著許多具有不同結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)。

（一）細(xì)胞膜蛋白質(zhì)

細(xì)胞膜主要由蛋白質(zhì)和脂質(zhì)組成，按重量計(jì)算，兩部分幾乎占相同比例。細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)分子以α-螺旋或球型結(jié)構(gòu)鑲嵌在脂質(zhì)雙分子層中，根據(jù)其在膜上存在的形式可分為表面蛋白（peripheral protein）和整合蛋白（integral protein）。表面蛋白（或稱外在蛋白）不穿過(guò)脂質(zhì)雙層，只附著于細(xì)胞膜的內(nèi)表面或外表面。整合蛋白則是以其肽鏈一次或反復(fù)多次貫穿于整個(gè)脂質(zhì)雙分子層為特征。

細(xì)胞膜蛋白有多種功能，很多表面蛋白是酶；跨膜整合蛋白則是載體、通道和離子泵，與細(xì)胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能相關(guān)。膜蛋白的另一個(gè)重要作用體現(xiàn)在它的結(jié)構(gòu)上。例如，紅細(xì)胞的某些特定膜蛋白在維持紅細(xì)胞雙面凹形中起重要作用。此外，細(xì)胞膜上的有些蛋白可辨認(rèn)和接受環(huán)境中的特異化學(xué)信號(hào)和刺激，稱之為受體（receptor），通過(guò)膜結(jié)構(gòu)中G蛋白和其他酶的作用，將細(xì)胞外信息傳遞到細(xì)胞內(nèi)，引發(fā)細(xì)胞功能的相應(yīng)改變。可見(jiàn)，膜蛋白一方面可使細(xì)胞與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的交換，同時(shí)又是決定細(xì)胞功能特異性的一個(gè)重要因素。

（二）細(xì)胞膜脂質(zhì)

細(xì)胞膜的脂質(zhì)，以磷脂類（phospholipid）為主，占脂質(zhì)總量的70%以上，其次是膽固醇（cholesterol），不超過(guò)30%，此外還有少量鞘脂（sphingolipid）。磷脂與膽固醇都是長(zhǎng)桿狀的雙嗜性分子，在膜中以雙分子層形式排列，其中，磷脂中由磷酸和堿基組成的親水性基團(tuán)都朝向膜的外表面和內(nèi)表面，而由磷脂分子中兩條脂肪酸烴鏈組成的疏水性基團(tuán)，則在膜內(nèi)兩兩相對(duì)，水溶性分子和離子很難直接通過(guò)脂質(zhì)雙層的疏水性區(qū)域。由于膜脂質(zhì)熔點(diǎn)較低，在正常體溫條件下呈液態(tài)，使細(xì)胞膜具有一定的流動(dòng)性。細(xì)胞膜脂質(zhì)雙分子層的穩(wěn)定性和流動(dòng)性保證了細(xì)胞在承受相當(dāng)大的張力和變形運(yùn)動(dòng)時(shí)不至于破裂。

膽固醇則可以保持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，減少細(xì)胞膜脂質(zhì)的流動(dòng)性。膽固醇數(shù)量的增加使脂質(zhì)和蛋白質(zhì)在膜中的移動(dòng)更加困難，因而一些特定細(xì)胞的功能將會(huì)受損。例如，免疫細(xì)胞對(duì)抗原的反應(yīng)能力依賴于膜蛋白在膜中的移動(dòng)才能與抗原結(jié)合，但如果膜膽固醇增多，將會(huì)使膜流動(dòng)性下降，因而此功能也將受損。

鞘脂和膽固醇形成穩(wěn)定的微區(qū)（microdomain），橫向分布于磷脂雙分子層中，稱為脂筏（lipid raft）。小窩（caveolae）是脂筏的一種類型，由膽固醇、鞘脂及蛋白質(zhì)組成，以小窩蛋白（caveolin）為標(biāo)記蛋白。脂筏的組分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有利于蛋白質(zhì)之間相互作用和構(gòu)象轉(zhuǎn)化，可以參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)。

（三）細(xì)胞膜糖類

細(xì)胞膜所含糖類較少，主要成分是寡糖和多糖，它們以共價(jià)鍵形式與膜脂質(zhì)或蛋白質(zhì)結(jié)合形成糖脂（glycolipid）或糖蛋白（glycoprotein），其糖鏈則裸露在細(xì)胞膜的外表面，可作為細(xì)胞或所結(jié)合蛋白質(zhì)的特異性“標(biāo)志”或受體的“可識(shí)別”部分，也可以作為抗原物質(zhì)表達(dá)某種免疫信息。

二、生物膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能

細(xì)胞在新陳代謝過(guò)程中需要不斷選擇性地?cái)z入氧、糖、氨基酸和一些小離子并且排出二氧化碳、代謝廢物和分泌物。同時(shí)，特定細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)酶、激素、神經(jīng)遞質(zhì)等物質(zhì)需要特定的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。由于細(xì)胞膜是以脂質(zhì)雙分子層為骨架，理論上講，只有少數(shù)脂溶性小分子物質(zhì)可以通過(guò)物理擴(kuò)散透過(guò)細(xì)胞膜，大分子物質(zhì)或團(tuán)塊需要通過(guò)入胞和出胞作用完成跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)；而大多數(shù)的水溶性小分子物質(zhì)則需借助于細(xì)胞膜上一系列相關(guān)蛋白的介導(dǎo)來(lái)完成快速跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，分為兩種類型：被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)（passive transport），不需要直接消耗能量；主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)（active transport），需要消耗能量。

（一）入胞和出胞

一些大分子物質(zhì)或物質(zhì)顆粒的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)是通過(guò)入胞（endocytosis）和出胞（exocytosis）完成的。入胞是指大分子物質(zhì)或物質(zhì)團(tuán)塊（如大分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、血漿中脂蛋白顆粒及細(xì)菌毒素、病毒、異物等）進(jìn)入細(xì)胞的過(guò)程。根據(jù)入胞物質(zhì)的物理性狀不同可分為兩種類型，即吞噬（phagocytosis）和吞飲（endocytosis）。如果進(jìn)入細(xì)胞的物質(zhì)是固體的，則稱為吞噬，如巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞的吞噬作用（圖2-1-2）。研究發(fā)現(xiàn)，人類巨噬細(xì)胞的一個(gè)重要功能就是清除入侵細(xì)菌，其吞噬泡直徑約1～2μm，幾乎和吞噬細(xì)胞自身大小差不多。吞噬作用需要有特定的刺激，只有在膜外顆粒與細(xì)胞膜外表面接觸，周邊的細(xì)胞膜才會(huì)包圍顆粒。

如果進(jìn)入細(xì)胞的物質(zhì)是液態(tài)的，則稱為吞飲。吞飲過(guò)程中可以產(chǎn)生比吞噬泡更小的吞飲泡（直徑在0.1～0.2μm）。相比于吞噬過(guò)程，吞飲可在細(xì)胞膜上形成凹陷，在吞飲泡形成并進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)幾分鐘后，凹陷就會(huì)離斷。吞飲過(guò)程連續(xù)發(fā)生且不需要特定刺激，因此可作為基本過(guò)程發(fā)生于幾乎所有的細(xì)胞。吞飲包括液相入胞和受體介導(dǎo)入胞兩種方式（圖2-1-2）。液相入胞是指細(xì)胞外液及其所含可溶性溶質(zhì)連續(xù)不斷地與細(xì)胞膜發(fā)生接觸，質(zhì)膜內(nèi)陷、融合及斷裂的過(guò)程。細(xì)胞外物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的數(shù)量直接取決于細(xì)胞外液的濃度。受體介導(dǎo)入胞則是一個(gè)更高效的入胞過(guò)程，膜受體與特定分子結(jié)合，這些受體聚集在特定的凹陷——有被小窩（coated pit）處，如此命名是因?yàn)樵诖宋恢玫陌麧{膜表面覆有蛋白質(zhì)的被膜。有被小窩連續(xù)離斷形成吞飲泡，形成一個(gè)特定分子快速進(jìn)入細(xì)胞而細(xì)胞外液不需大量進(jìn)入的機(jī)制。受體也可以在溶質(zhì)濃度很低的情況下轉(zhuǎn)運(yùn)分子。受體介導(dǎo)入胞是一種很多重要分子進(jìn)入細(xì)胞的方式，包括激素、生長(zhǎng)因子和血清運(yùn)輸?shù)鞍祝热甾D(zhuǎn)鐵蛋白（一種鐵離子載體），外界物質(zhì)如白喉毒素和某些病毒，也通過(guò)這種途徑進(jìn)入細(xì)胞。

（參考Dautry & Lodish，1984）

細(xì)胞外液的顆粒物質(zhì)通過(guò)吞噬進(jìn)入細(xì)胞。在液相入胞過(guò)程中，吞飲泡由細(xì)胞膜凹陷離斷形成，并含有細(xì)胞外液和大分子溶質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞。受體介導(dǎo)入胞是用膜受體在有被小窩處結(jié)合特定溶質(zhì)（配體）并進(jìn)入細(xì)胞。出胞是指大分子物質(zhì)排出細(xì)胞的過(guò)程，分泌囊泡并與細(xì)胞膜融合，最后排出細(xì)胞。

出胞是指細(xì)胞內(nèi)大分子物質(zhì)或物質(zhì)顆粒外排的過(guò)程（圖2-1-2），有兩種途徑——組成型分泌途徑（constitutive pathway）和調(diào)節(jié)型分泌途徑（regulated pathway）。組成型分泌途徑中，運(yùn)輸小泡持續(xù)不斷地從高爾基體運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)膜，并立即進(jìn)行膜的融合，將分泌小泡中的蛋白質(zhì)釋放到細(xì)胞外。此過(guò)程不需要任何信號(hào)的觸發(fā)，它存在于所有類型的細(xì)胞中，例如小腸杯狀細(xì)胞分泌粘液的過(guò)程。但在一些細(xì)胞中，大分子物質(zhì)首先儲(chǔ)存在細(xì)胞分泌的囊泡中，只有在細(xì)胞外刺激到達(dá)細(xì)胞膜后，囊泡才與細(xì)胞膜融合并分泌內(nèi)容物，這種出胞方式被稱作調(diào)節(jié)型分泌途徑，如神經(jīng)纖維末梢突觸小泡內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放、內(nèi)分泌腺細(xì)胞分泌激素及外分泌腺細(xì)胞分泌酶原顆粒等。這一過(guò)程主要受膜外特殊化學(xué)物質(zhì)或膜兩側(cè)的電位變化誘導(dǎo)，引起外鈣內(nèi)流，觸發(fā)囊泡的移動(dòng)和排放。

（二）單純擴(kuò)散

單純擴(kuò)散（simple diffusion）是一種簡(jiǎn)單的穿越質(zhì)膜的物理擴(kuò)散，沒(méi)有生物學(xué)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制參與。可以從細(xì)胞外向細(xì)胞內(nèi)，也可以從細(xì)胞內(nèi)向細(xì)胞外，并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)方向。能以單純擴(kuò)散跨膜流動(dòng)的物質(zhì)都是脂溶性的和少數(shù)分子很小的水溶性物質(zhì)，如O2、CO2、N2、水、乙醇、尿素、甘油等。擴(kuò)散的方向和速度取決于物質(zhì)在膜兩側(cè)的濃度差及膜對(duì)該物質(zhì)的通透性（圖2-1-3），后者取決于物質(zhì)的脂溶性和分子大小。例如，O2、CO2、N2等脂溶性小分子的擴(kuò)散速度很快；水（分子量18 D）、乙醇（分子量46 D）、尿素（分子量61 D）和甘油（分子量92 D）等很小的極性分子，擴(kuò)散速度略慢。較大的極性分子，如葡萄糖（分子量180 D），則很難以單純擴(kuò)散方式直接通過(guò)質(zhì)膜。此外，質(zhì)膜對(duì)各種離子，盡管其直徑很小，但都高度不通透。

假設(shè)溶質(zhì)在胞內(nèi)濃度不變，其進(jìn)入細(xì)胞的擴(kuò)散速率和其膜外濃度成正比，胞外濃度越高，溶質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的化學(xué)驅(qū)動(dòng)梯度越大。

（三）膜蛋白介導(dǎo)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)

各種離子和水溶性小分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)需要膜蛋白的介導(dǎo)來(lái)完成。根據(jù)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的耗能情況及其與濃度差或電位差的關(guān)系，可分為被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)；前者是順濃度差和電位差，不消耗能量的過(guò)程，而后者則是逆濃度差或電位差，消耗能量的過(guò)程。參與此類物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的膜蛋白包括通道、載體、離子泵和轉(zhuǎn)運(yùn)體。轉(zhuǎn)運(yùn)方式也包括易化擴(kuò)散、主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)等方式。

1. 載體介導(dǎo)的易化擴(kuò)散

生理上許多重要的物質(zhì)如葡萄糖和氨基酸，轉(zhuǎn)運(yùn)速率與膜兩側(cè)的濃度差的關(guān)系曲線后面部分出現(xiàn)平臺(tái)（圖2-1-4）。而且，這些親水性物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)速率要比單純擴(kuò)散快得多，這種形式的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)為經(jīng)載體介導(dǎo)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。載體（carrier）或稱載體蛋白，是一些貫穿脂質(zhì)雙分子層的整合蛋白。載體蛋白質(zhì)分子上有一個(gè)或數(shù)個(gè)可與某種被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)相結(jié)合的位點(diǎn)，當(dāng)被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)與載體的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合后，載體蛋白即發(fā)生構(gòu)象變化，將該物質(zhì)順濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)到膜的另一側(cè)，隨后載體與被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)解離而恢復(fù)原構(gòu)型（圖2-1-5）。這種跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的特征是：（1）特異性高：每個(gè)載體識(shí)別并結(jié)合特定化學(xué)結(jié)構(gòu)（右旋葡萄糖載體不會(huì)結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)左旋葡萄糖）；（2）有飽和現(xiàn)象：由于膜上載體和載體結(jié)合位點(diǎn)的數(shù)目是有限的，起始增加溶質(zhì)的濃度，可以用多余的載體，且比單純擴(kuò)散更快；隨著溶質(zhì)濃度的增加，更多的溶質(zhì)分子結(jié)合在載體上，當(dāng)所有的載體參與溶質(zhì)分子的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，這一轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)最終達(dá)到飽和，再增加溶質(zhì)濃度也不會(huì)提高溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)速度（圖2-1-4）；（3）有競(jìng)爭(zhēng)性抑制：化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的溶質(zhì)會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)性抑制。例如，當(dāng)溶質(zhì)中有右旋半乳糖時(shí)，經(jīng)載體介導(dǎo)的右旋葡萄糖的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)速率會(huì)減慢，這是因?yàn)榘肴樘桥c葡萄糖結(jié)構(gòu)相似，與葡萄糖載體蛋白結(jié)構(gòu)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。

和單純擴(kuò)散一樣，經(jīng)載體介導(dǎo)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)沒(méi)有方向優(yōu)勢(shì)，它的功能就是根據(jù)溶質(zhì)濃度梯度攜帶特定分子進(jìn)出細(xì)胞膜。載體跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的最終結(jié)果是使細(xì)胞內(nèi)外溶質(zhì)濃度達(dá)到平衡。

經(jīng)載體跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)速率比單純擴(kuò)散（圖2-1-3）更快。單純擴(kuò)散的速率隨細(xì)胞外溶質(zhì)濃度增加而線性上升；經(jīng)載體跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)速率受載體數(shù)量的限制，當(dāng)所有載體都參與溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，再增加胞外溶質(zhì)濃度也不會(huì)提高轉(zhuǎn)運(yùn)速率，此為最大轉(zhuǎn)運(yùn)速率（Vmax）。

溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)入胞的動(dòng)力來(lái)自胞外高于胞內(nèi)的濃度梯度。A，載體——跨膜整合蛋白，結(jié)合胞外溶質(zhì)，可能引起蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化，進(jìn)而使結(jié)合的溶質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞。B，由于胞內(nèi)溶質(zhì)濃度較低，結(jié)合的溶質(zhì)很快從載體上游離下來(lái)，最終可能使載體又恢復(fù)到原先的構(gòu)象（A）再開(kāi)始循環(huán)。

2. 通道介導(dǎo)的易化擴(kuò)散

溶液中的Na+、K+、Ca2+、Cl-等帶電離子，可借助于通道蛋白介導(dǎo)，順濃度差或電位差進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，稱為通道介導(dǎo)的易化擴(kuò)散。離子通道廣泛分布于細(xì)胞膜上，是由多個(gè)多肽亞基組成的整合蛋白，某一特定刺激可以使蛋白質(zhì)亞基開(kāi)放閘門(mén)，形成親水通道使離子通過(guò)（圖2-1-6）。離子和通道之間的特殊相互作用使離子轉(zhuǎn)運(yùn)速率非常快，實(shí)際上經(jīng)通道跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)速率（大約每秒108個(gè)離子）比經(jīng)載體介導(dǎo)系統(tǒng)（每秒103 ～105 個(gè)離子或分子）更快。

離子通道有兩個(gè)重要的特征，即其離子選擇性和門(mén)控特性。通道的離子選擇性是指每種通道都對(duì)一種或幾種離子有較高的通透能力，而對(duì)其他離子則不易或不能通過(guò)。例如鈉通道、鉀通道、鈣通道、氯通道以及其他陰離子和陽(yáng)離子通道。通常認(rèn)為在通道結(jié)構(gòu)內(nèi)存在某種離子選擇性濾器（圖2-1-6）。離子通道的門(mén)控特性是指引起通道開(kāi)放與關(guān)閉的條件，如果通道的開(kāi)、閉受膜兩側(cè)的電位差控制，則稱為電壓門(mén)控通道（voltage-gated channel），如可興奮細(xì)胞膜上的Na+通道、K+通道和Ca2+通道等。如果通道的開(kāi)、閉決定于膜兩側(cè)的化學(xué)信號(hào)，則稱為化學(xué)門(mén)控通道（chemically-gated channel），如乙酰膽堿門(mén)控陽(yáng)離子通道、突觸后膜上的多種遞質(zhì)門(mén)控通道等（詳見(jiàn)第三節(jié)）。

離子通道由跨膜整合蛋白的多肽亞基組成，中間是貫穿細(xì)胞膜的親水性孔道，通過(guò)不同門(mén)控機(jī)制打開(kāi)和關(guān)閉通道。離子通道通常對(duì)特定離子具有選擇性。

通過(guò)單純擴(kuò)散和易化擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)分子或離子均是順濃度差或電位差移動(dòng)的。此時(shí)，物質(zhì)移動(dòng)所需能量來(lái)源于濃度勢(shì)能儲(chǔ)備，這兩種物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)形式屬于被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)（passive transport），所有的被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)都趨向于使細(xì)胞內(nèi)外溶液濃度達(dá)到平衡。

3. 主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)

膜整合蛋白直接利用代謝產(chǎn)生的能量物質(zhì)逆濃度梯度或電位梯度進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，介導(dǎo)這一過(guò)程的膜蛋白稱為離子泵（ion pump）。直接利用代謝能量完成跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程稱為原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)（primary active transport）。代謝產(chǎn)生的能量物質(zhì)來(lái)源于線粒體產(chǎn)生的ATP，由于離子泵有水解ATP的能力，所以離子泵也稱作ATP酶。鈉泵也稱Na+-K+ATP酶（Na+-K+ATPase），是哺乳動(dòng)物細(xì)胞膜上普遍存在的離子泵，鈉泵由α和β兩個(gè)亞單位構(gòu)成，其中α亞單位由1022個(gè)氨基酸組成，應(yīng)用基因突變和化學(xué)修飾法，證實(shí)結(jié)合位點(diǎn)及水解ATP的部位位于α亞單位胞漿側(cè)的球形結(jié)構(gòu)域，而Na+和K+的結(jié)合位點(diǎn)可能位于H5和H6的跨膜α螺旋內(nèi)。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Na+濃度升高或細(xì)胞外K+濃度升高時(shí)，鈉泵被激活，分解ATP提供能量供Na+、K+逆濃度梯度主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，這一轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程也是鈉泵的兩種分子構(gòu)象相互轉(zhuǎn)換的結(jié)果（圖2-1-7）。一般認(rèn)為，每分解1分子ATP，鈉泵可將3個(gè)Na+移出膜外、2個(gè)K+移入膜內(nèi)。用于鈉泵轉(zhuǎn)運(yùn)的能量約占細(xì)胞代謝獲得能量的30%左右，其意義主要在于：（1）建立一個(gè)膜內(nèi)高K+、膜外高Na+的勢(shì)能儲(chǔ)備，形成可興奮細(xì)胞興奮性及生物電現(xiàn)象的離子基礎(chǔ)；（2）為胞漿內(nèi)許多代謝反應(yīng)提供一個(gè)必需的高K+環(huán)境；（3）維持細(xì)胞漿滲透壓和細(xì)胞容積的相對(duì)穩(wěn)定。除鈉泵外，尚有鈣泵（Ca2+-Mg2+ATP酶）、氫泵（H+-K+ATP酶）等，分別與肌肉舒張、胃酸分泌等生理功能相關(guān)，因此，主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)是人體內(nèi)最重要的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)形式。

離子泵的功能結(jié)構(gòu)可能是由兩個(gè)大的反應(yīng)亞基和兩個(gè)不知功能的小亞基組成的四聚體。離子泵結(jié)合胞內(nèi)鈉離子，ATP磷酸化，可能導(dǎo)致構(gòu)象變化，把鈉離子運(yùn)出細(xì)胞（步驟1和2）。隨后結(jié)合胞外鉀離子，并且去磷酸化，蛋白質(zhì)恢復(fù)原先結(jié)構(gòu)并把鉀離子運(yùn)入細(xì)胞（步驟3到5）。通常認(rèn)為有3個(gè)鈉離子結(jié)合位點(diǎn)和兩個(gè)鉀離子結(jié)合位點(diǎn)，在一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)周期中，三個(gè)鈉離子移出胞外，兩個(gè)鉀離子移入胞內(nèi)，并且一個(gè)ATP分子水解成ADP和Pi。

4. 繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)

鈉泵活動(dòng)形成的濃度勢(shì)能儲(chǔ)備，還可用于其他物質(zhì)的逆濃度差跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。如腸粘膜和腎小管上皮細(xì)胞對(duì)葡萄糖和氨基酸逆濃度梯度的吸收，所需的能量并不是直接來(lái)源于ATP的分解，而是來(lái)自膜兩側(cè)Na+的濃度差，但這種濃度差的建立則離不開(kāi)鈉泵分解ATP所釋放的能量。因此，將這種間接利用ATP能量的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程稱為繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)（secondary active transport）或稱聯(lián)合轉(zhuǎn)運(yùn)（cotransport）（圖2-1-8）。如果被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)分子與Na+擴(kuò)散的方向相同，稱為同向轉(zhuǎn)運(yùn)（symport）；如二者方向相反，則稱為逆向轉(zhuǎn)運(yùn)（antiport）（圖2-1-9）。參與繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的膜蛋白被稱為轉(zhuǎn)運(yùn)體或交換體。小腸和腎小管的Na+-葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和Na+-氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)都是同向轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，即使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)濃度很低的情況下，也可以大量吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。最重要的反向轉(zhuǎn)運(yùn)體有Na+/H+交換體和Na+/Ca2+交換體等。利用代謝抑制劑或藥物阻斷劑阻斷離子泵，使鈉離子梯度消失，繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)也就停止了。

在同向轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，溶質(zhì)和Na+向相同方向運(yùn)動(dòng)，在逆向轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，溶質(zhì)和Na+向相反方向運(yùn)動(dòng)，字體的大和小分別代表高濃度和低濃度的Na+和溶質(zhì)。

綜上所述，細(xì)胞膜通過(guò)出/入胞作用、單純擴(kuò)散和膜蛋白介導(dǎo)的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，保證了細(xì)胞新陳代謝對(duì)各種物質(zhì)的需求和內(nèi)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)，通過(guò)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)又為細(xì)胞間的信息傳遞及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)提供了必要途徑，如膜離子通道的活動(dòng)既是細(xì)胞生物電現(xiàn)象的基礎(chǔ)，又是跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要方式之一。

第二節(jié) 細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是指細(xì)胞外因子通過(guò)與受體（膜受體或核受體）結(jié)合，引發(fā)細(xì)胞內(nèi)的一系列生物化學(xué)反應(yīng)以及蛋白間相互作用，直至細(xì)胞生理反應(yīng)所需基因開(kāi)始表達(dá)、各種生物學(xué)效應(yīng)形成的過(guò)程。現(xiàn)已知道，細(xì)胞內(nèi)存在著多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方式和途徑，各種方式和途徑間又有多個(gè)層次的交叉調(diào)控，是一個(gè)十分復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。調(diào)節(jié)機(jī)體功能的細(xì)胞外信號(hào)物質(zhì)包括激素、神經(jīng)遞質(zhì)和細(xì)胞因子等，也稱第一信使。概括它們的作用方式，大體可分為兩類：一類是疏水性的類固醇激素、維生素D和甲狀腺激素，它們可彌散透過(guò)細(xì)胞膜，與胞內(nèi)受體結(jié)合而發(fā)揮作用；另一類是親水性的信號(hào)物質(zhì)，只能作用于細(xì)胞膜表面的受體或起受體樣作用的蛋白質(zhì)，再通過(guò)細(xì)胞內(nèi)第二信使以及一系列以蛋白質(zhì)構(gòu)象和功能變化為基礎(chǔ)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)（圖2-2-1）。

蛋白或肽類激素（第一信使）結(jié)合于膜受體，從而通過(guò)G蛋白刺激或抑制膜結(jié)合效應(yīng)酶。后者催化第二信號(hào)分子生成，繼而激活蛋白激酶引起細(xì)胞內(nèi)生物學(xué)反應(yīng)。AC，腺苷酸環(huán)化酶；GC，鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶；IP3，三磷酸肌醇；DG，二酰甘油；PIP2，二磷酸脂酰肌醇或磷脂酰肌醇4，5-二磷酸。

根據(jù)細(xì)胞膜上感受信號(hào)物質(zhì)的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和功能的不同，跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的路徑大致可分為G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、離子通道受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和酶耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)三類。

一、G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

G蛋白耦聯(lián)受體（G protein-linked receptor）介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是通過(guò)膜受體、G蛋白、G蛋白效應(yīng)器和第二信使和蛋白激酶等一系列存在于細(xì)胞膜和胞質(zhì)中的信號(hào)分子的活動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。

（一）主要的信號(hào)蛋白

1. G蛋白耦聯(lián)受體

G蛋白耦聯(lián)受體是最大的膜受體家族，有1000多個(gè)成員，其結(jié)構(gòu)和功能相似。都由一條包含7次跨膜α螺旋的肽鏈構(gòu)成，N端在胞外，C端在胞質(zhì)側(cè)。受體蛋白的胞外側(cè)有配體結(jié)合的部位，胞質(zhì)側(cè)有G蛋白結(jié)合部位。與該受體結(jié)合的配體包括大部分激素（主要是含氮激素）、多種神經(jīng)遞質(zhì)等。由于該受體與配體結(jié)合可引起細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)代謝的改變，所以又被稱為促代謝受體。

2. G蛋白

鳥(niǎo)苷酸結(jié)合蛋白（guanine nucleotide binding protein）簡(jiǎn)稱G蛋白（G protein），G蛋白的種類很多，依α亞單位的不同可將其分為4類，即Gs、Gi、Gq和G12，每一類又分為若干亞型。G蛋白通常由α、β、γ三個(gè)亞單位組成。所有G蛋白的共同特征是具有結(jié)合GTP或GDP的能力和具有GTP酶活性。G蛋白的分子構(gòu)象相互交替，起著分子開(kāi)關(guān)的作用（圖2-2-2）。經(jīng)受體活化進(jìn)入激活態(tài)的G蛋白可進(jìn)一步激活下游的效應(yīng)器（酶或離子通道），使信號(hào)通路瞬間導(dǎo)通，在回到失活態(tài)后，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)即終止。

3. G蛋白效應(yīng)器

G蛋白效應(yīng)器（G protein effector）主要指催化生成或分解第二信使的酶。G蛋白調(diào)控的效應(yīng)器酶主要有腺苷酸環(huán)化酶（adenylyl cyclase，AC）、磷脂酶C（phospholipase C，PLC）、磷脂酶A2（phospholipase A2，PLA2）、鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶（guanylyl cyclase，GC）和cGMP磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）。

4. 第二信使

第二信使（second messenger）是指激素、遞質(zhì)和細(xì)胞因子等信號(hào)分子即第一信使作用于細(xì)胞膜后產(chǎn)生的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子，它們可把細(xì)胞外信號(hào)分子所攜帶的信息轉(zhuǎn)入細(xì)胞內(nèi)。重要的第二信使有環(huán)-磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）、三磷酸肌醇（inositol triphosphate，IP3）、二酰甘油（diacylglycerol，DG）、環(huán)-磷酸鳥(niǎo)苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）和鈣離子等。

（二）G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要途徑

1. 受體-G蛋白-AC途徑

這一途徑參與調(diào)節(jié)AC活性的G蛋白有Gs和Gi。如果配體受體復(fù)合物與Gs結(jié)合可激活A(yù)C，在Mg2+存在的條件下，活化的AC使ATP水解產(chǎn)生第二信使cAMP。cAMP可激活蛋白激酶A（PKA），引起多種靶蛋白磷酸化，調(diào)節(jié)細(xì)胞功能。與此相反，如果配體受體復(fù)合物與Gi結(jié)合可抑制AC的活性，從而降低細(xì)胞內(nèi)的cAMP水平（圖2-2-3）。

失活態(tài)G蛋白（A）的α亞單位是與GDP結(jié)合的，當(dāng)細(xì)胞外信號(hào)分子與受體結(jié)合后，活化的受體便與G蛋白α亞單位結(jié)合并使之發(fā)生構(gòu)象變化（B），α亞單位的構(gòu)象改變導(dǎo)致其與GDP解離而與胞漿中的GTP結(jié)合（C），形成激活態(tài)G蛋白（D）。α亞單位與GTP結(jié)合后隨即發(fā)生與β-γ亞單位和受體的解離，形成α-GTP和β-γ兩部分（E），它們均可進(jìn)一步激活下游的效應(yīng)器（酶或離子通道），把信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)部。由于 α亞單位的GTP酶活性，可將與它結(jié)合的GTP水解生成GDP（F），并與GDP和β-γ亞單位相繼結(jié)合，回到失活態(tài)（A）。

Gs和Gi耦聯(lián)激素結(jié)合于細(xì)胞膜受體，分別激活和抑制腺苷酸環(huán)化酶（AC）。在Mg2+存在的條件下，活化的AC使ATP水解產(chǎn)生第二信使cAMP。cAMP主要通過(guò)激活蛋白激酶A（PKA）來(lái)實(shí)現(xiàn)其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用。PKA屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷激酶，可通過(guò)對(duì)底物蛋白的磷酸化而發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)。

2. 受體-G蛋白-PLC途徑

這一途徑參與調(diào)節(jié)PLC活性的G蛋白是Gq 和Gi。許多配體與受體結(jié)合后，可經(jīng)Gq和Gi家族的某些亞型激活PLC，后者可將膜脂質(zhì)中含量甚少的二磷酸脂酰肌醇（phosphatidylinositol bisphosphate，PIP2）迅速水解為兩種第二信使IP3和DG。IP3促進(jìn)肌漿網(wǎng)或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)儲(chǔ)存的Ca2+釋放，后者可作為第二信使啟動(dòng)多種細(xì)胞反應(yīng)。Ca2+與鈣調(diào)蛋白結(jié)合，激活Ca2+/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶或磷酸酯酶，產(chǎn)生多種生物學(xué)效應(yīng)。DG與Ca2+能協(xié)調(diào)活化蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）來(lái)始動(dòng)細(xì)胞的功能（圖2-2-4）。

磷脂酰肌醇（PI）的連續(xù)磷酸化導(dǎo)致生成磷脂酰肌醇4，5-二磷酸（PIP2）。許多配體與G蛋白耦聯(lián)受體結(jié)合后，可以導(dǎo)致磷脂酶C（PLC）的激活。PLC催化PIP2水解為三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DG）。IP3促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放，后者可作為第二信使啟動(dòng)多種細(xì)胞反應(yīng)。DG與Ca2+能協(xié)調(diào)活化蛋白激酶C（PKC），通過(guò)對(duì)底物蛋白的磷酸化而發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)。

二、離子通道受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

離子通道受體又稱促離子型受體（ionotropic receptor），受體蛋白本身就是離子通道。與特異性配體結(jié)合后可使離子通道開(kāi)放，離子跨膜流動(dòng)導(dǎo)致膜電位發(fā)生變化。例如N2型乙酰膽堿（ACh）受體（圖2-2-5）、A型γ-氨基丁酸受體和甘氨酸受體都是細(xì)胞膜上的化學(xué)門(mén)控通道。通道的開(kāi)放（或關(guān)閉）不僅涉及離子本身的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，而且可實(shí)現(xiàn)化學(xué)信號(hào)的跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)，因而這一信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑稱為離子通道受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

在神經(jīng)-骨骼肌接頭的接頭后膜上存在的化學(xué)門(mén)控陽(yáng)離子通道就是一種典型的通道型受體，又稱為N-型乙酰膽堿受體。這是一個(gè)由五個(gè)亞單位（2α、β、γ、δ）圍成的跨膜通道。兩個(gè)α亞單位上各有一個(gè)ACh的結(jié)合位點(diǎn)，當(dāng)與兩個(gè)ACh分子結(jié)合時(shí)，通道分子的構(gòu)象改變而開(kāi)放。

三、酶耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

酶耦聯(lián)受體具有與G蛋白耦聯(lián)受體完全不同的分子結(jié)構(gòu)和特性，這一跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程不需要G蛋白的參與，也沒(méi)有第二信使的產(chǎn)生。酶耦聯(lián)受體分子的胞質(zhì)一側(cè)自身具有酶的活性，或者可直接結(jié)合并激活胞質(zhì)中的酶，并由此實(shí)現(xiàn)細(xì)胞外信號(hào)對(duì)細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)。其中較重要的有以下兩類受體。

（一）酪氨酸激酶受體

近年來(lái)發(fā)現(xiàn)，一些肽類激素如胰島素以及在機(jī)體生長(zhǎng)、發(fā)育過(guò)程中出現(xiàn)的統(tǒng)稱為細(xì)胞因子的物質(zhì)，包括神經(jīng)生長(zhǎng)因子、上皮生長(zhǎng)因子、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子、血小板源生長(zhǎng)因子和血細(xì)胞分化過(guò)程中的集落刺激因子等，它們對(duì)相應(yīng)靶細(xì)胞的作用，是通過(guò)細(xì)胞膜上的酪氨酸激酶受體（tyrosine kinase receptor）完成的。酪氨酸激酶受體具有受體和激酶的雙重活性，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。膜外的肽段為與信息分子結(jié)合的受體部分，膜內(nèi)的結(jié)構(gòu)域?yàn)槔野彼峒っ浮．?dāng)配體與受體結(jié)合時(shí)，受體本身發(fā)生自磷酸化，而激活自身的酪氨酸激酶活性。激酶再磷酸化靶蛋白的酪氨酸殘基，再通過(guò)一系列磷酸化的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，影響基因的表達(dá)（圖2-2-6）。

酪氨酸激酶受體（TK）與其激動(dòng)劑結(jié)合后形成二聚體，激活自身的酪氨酸激酶活性，使受體亞單位磷酸化。磷酸化的酪氨酸殘基直接與細(xì)胞內(nèi)蛋白結(jié)合（如Grb2和Sos，它們都有SH2結(jié)構(gòu)域）。無(wú)活性的Ras-GDP可轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘腞as-GTP，后者激活絲/蘇氨酸激酶如Raf（相當(dāng)于MAP-KKK），然后磷酸化MAPKK（MEK），MAPKK激活MAPK，MAPK被激活后，轉(zhuǎn)至細(xì)胞核內(nèi)，直接激活轉(zhuǎn)錄因子，參與細(xì)胞增殖、分化。MAPK，絲裂原活化蛋白激酶；ERK，胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶，是MAPK家族的一員。

（二）鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶受體

鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶受體（guanylyl cyclase receptor）的分子只有一個(gè)跨膜α螺旋，分子的N端位于膜外側(cè)，具有配體的結(jié)合位點(diǎn)，C端位于膜內(nèi)側(cè)，有鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶（GC）結(jié)構(gòu)域。一旦配體與受體結(jié)合將激活GC。與AC激活不同的是此過(guò)程不需要G蛋白參與。GC使胞質(zhì)內(nèi)的GTP環(huán)化，生成cGMP，后者可結(jié)合并激活依賴cGMP的蛋白激酶G（protein kinase G，PKG）。PKG與PKA、PKC一樣，也是絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，通過(guò)對(duì)底物蛋白的磷酸化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

一氧化氮（nitric oxide，NO）也可激活鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶，但這種鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶存在于胞質(zhì)，稱為可溶性鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶（soluble guanylyl cyclase，sGC）。NO作用于sGC，使胞質(zhì)內(nèi)cGMP的濃度和PKG活性升高，從而引起血管平滑肌舒張等反應(yīng)。