第二章 生物膜結(jié)構(gòu)及離子通道

學習目標

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

細胞是人體和其他生物體的基本結(jié)構(gòu)和功能單位。細胞膜不僅是細胞與環(huán)境之間的屏障，也是細胞接受各種理化因素影響以及激素、遞質(zhì)和藥物作用的門戶。細胞內(nèi)的細胞器如細胞核、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。由于細胞膜及細胞器膜在化學結(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。

活細胞細胞內(nèi)液（胞質(zhì)）的組成成分與細胞外液顯著不同。例如，細胞內(nèi)液的K+和磷酸鹽離子濃度大大高于細胞外液，而Na+、Ca2+、Cl-的濃度則明顯低于細胞外液。這些區(qū)別對于維持細胞內(nèi)許多酶的正常功能是必須的。例如，核糖體合成蛋白質(zhì)就需要一個相對高鉀的環(huán)境，細胞膜或質(zhì)膜則通過在胞質(zhì)周圍建立滲透性屏障來維持這一離子分布不均。對于維持細胞正常功能的離子和蛋白質(zhì)，細胞膜阻止其外漏；而對于不需要的就限制其自由進入。細胞膜也可以使代謝過程中的產(chǎn)物在細胞內(nèi)做進一步合成或分解。

一、生物膜的分子結(jié)構(gòu)

關(guān)于生物膜分子結(jié)構(gòu)的假說有很多。第一個細胞膜結(jié)構(gòu)理論提出細胞是被雙層脂質(zhì)分子所包被的，即脂質(zhì)雙層。因為人們發(fā)現(xiàn)，脂質(zhì)分子形成脂質(zhì)雙層后對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，例如葡萄糖和氨基酸。1972年，Singer和Nicolson提出了細胞膜的液態(tài)鑲嵌模型（圖2-1-1）。這一模型得到較多實驗事實的支持，目前仍被大多數(shù)學者所認可。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）細胞膜蛋白質(zhì)

細胞膜主要由蛋白質(zhì)和脂質(zhì)組成，按重量計算，兩部分幾乎占相同比例。細胞膜中的蛋白質(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）不穿過脂質(zhì)雙層，只附著于細胞膜的內(nèi)表面或外表面。整合蛋白則是以其肽鏈一次或反復多次貫穿于整個脂質(zhì)雙分子層為特征。

細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，與細胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運功能相關(guān)。膜蛋白的另一個重要作用體現(xiàn)在它的結(jié)構(gòu)上。例如，紅細胞的某些特定膜蛋白在維持紅細胞雙面凹形中起重要作用。此外，細胞膜上的有些蛋白可辨認和接受環(huán)境中的特異化學信號和刺激，稱之為受體（receptor），通過膜結(jié)構(gòu)中G蛋白和其他酶的作用，將細胞外信息傳遞到細胞內(nèi)，引發(fā)細胞功能的相應(yīng)改變。可見，膜蛋白一方面可使細胞與周圍環(huán)境進行物質(zhì)、能量和信息的交換，同時又是決定細胞功能特異性的一個重要因素。

（二）細胞膜脂質(zhì)

細胞膜的脂質(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30%，此外還有少量鞘脂（sphingolipid）。磷脂與膽固醇都是長桿狀的雙嗜性分子，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，則在膜內(nèi)兩兩相對，水溶性分子和離子很難直接通過脂質(zhì)雙層的疏水性區(qū)域。由于膜脂質(zhì)熔點較低，在正常體溫條件下呈液態(tài)，使細胞膜具有一定的流動性。細胞膜脂質(zhì)雙分子層的穩(wěn)定性和流動性保證了細胞在承受相當大的張力和變形運動時不至于破裂。

膽固醇則可以保持細胞膜的穩(wěn)定性，減少細胞膜脂質(zhì)的流動性。膽固醇數(shù)量的增加使脂質(zhì)和蛋白質(zhì)在膜中的移動更加困難，因而一些特定細胞的功能將會受損。例如，免疫細胞對抗原的反應(yīng)能力依賴于膜蛋白在膜中的移動才能與抗原結(jié)合，但如果膜膽固醇增多，將會使膜流動性下降，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）為標記蛋白。脂筏的組分和結(jié)構(gòu)特點有利于蛋白質(zhì)之間相互作用和構(gòu)象轉(zhuǎn)化，可以參與信號轉(zhuǎn)導和細胞蛋白質(zhì)運轉(zhuǎn)。

（三）細胞膜糖類

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

二、生物膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運功能

細胞在新陳代謝過程中需要不斷選擇性地攝入氧、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，特定細胞轉(zhuǎn)運酶、激素、神經(jīng)遞質(zhì)等物質(zhì)需要特定的轉(zhuǎn)運機制。由于細胞膜是以脂質(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)可以通過物理擴散透過細胞膜，大分子物質(zhì)或團塊需要通過入胞和出胞作用完成跨膜轉(zhuǎn)運；而大多數(shù)的水溶性小分子物質(zhì)則需借助于細胞膜上一系列相關(guān)蛋白的介導來完成快速跨膜轉(zhuǎn)運，分為兩種類型：被動轉(zhuǎn)運（passive transport），不需要直接消耗能量；主動轉(zhuǎn)運（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)運是通過入胞（endocytosis）和出胞（exocytosis）完成的。入胞是指大分子物質(zhì)或物質(zhì)團塊（如大分子營養(yǎng)物質(zhì)、血漿中脂蛋白顆粒及細菌毒素、病毒、異物等）進入細胞的過程。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）。如果進入細胞的物質(zhì)是固體的，則稱為吞噬，如巨噬細胞、中性粒細胞的吞噬作用（圖2-1-2）。研究發(fā)現(xiàn)，人類巨噬細胞的一個重要功能就是清除入侵細菌，其吞噬泡直徑約1～2μm，幾乎和吞噬細胞自身大小差不多。吞噬作用需要有特定的刺激，只有在膜外顆粒與細胞膜外表面接觸，周邊的細胞膜才會包圍顆粒。

如果進入細胞的物質(zhì)是液態(tài)的，則稱為吞飲。吞飲過程中可以產(chǎn)生比吞噬泡更小的吞飲泡（直徑在0.1～0.2μm）。相比于吞噬過程，吞飲可在細胞膜上形成凹陷，在吞飲泡形成并進入細胞內(nèi)幾分鐘后，凹陷就會離斷。吞飲過程連續(xù)發(fā)生且不需要特定刺激，因此可作為基本過程發(fā)生于幾乎所有的細胞。吞飲包括液相入胞和受體介導入胞兩種方式（圖2-1-2）。液相入胞是指細胞外液及其所含可溶性溶質(zhì)連續(xù)不斷地與細胞膜發(fā)生接觸，質(zhì)膜內(nèi)陷、融合及斷裂的過程。細胞外物質(zhì)進入細胞內(nèi)的數(shù)量直接取決于細胞外液的濃度。受體介導入胞則是一個更高效的入胞過程，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，如此命名是因為在此位置的胞漿膜表面覆有蛋白質(zhì)的被膜。有被小窩連續(xù)離斷形成吞飲泡，形成一個特定分子快速進入細胞而細胞外液不需大量進入的機制。受體也可以在溶質(zhì)濃度很低的情況下轉(zhuǎn)運分子。受體介導入胞是一種很多重要分子進入細胞的方式，包括激素、生長因子和血清運輸?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，也通過這種途徑進入細胞。

（參考Dautry & Lodish，1984）

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

出胞是指細胞內(nèi)大分子物質(zhì)或物質(zhì)顆粒外排的過程（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，運輸小泡持續(xù)不斷地從高爾基體運送到細胞質(zhì)膜，并立即進行膜的融合，將分泌小泡中的蛋白質(zhì)釋放到細胞外。此過程不需要任何信號的觸發(fā)，它存在于所有類型的細胞中，例如小腸杯狀細胞分泌粘液的過程。但在一些細胞中，大分子物質(zhì)首先儲存在細胞分泌的囊泡中，只有在細胞外刺激到達細胞膜后，囊泡才與細胞膜融合并分泌內(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)分泌腺細胞分泌激素及外分泌腺細胞分泌酶原顆粒等。這一過程主要受膜外特殊化學物質(zhì)或膜兩側(cè)的電位變化誘導，引起外鈣內(nèi)流，觸發(fā)囊泡的移動和排放。

（二）單純擴散

單純擴散（simple diffusion）是一種簡單的穿越質(zhì)膜的物理擴散，沒有生物學轉(zhuǎn)運機制參與。可以從細胞外向細胞內(nèi)，也可以從細胞內(nèi)向細胞外，并沒有優(yōu)勢方向。能以單純擴散跨膜流動的物質(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），則很難以單純擴散方式直接通過質(zhì)膜。此外，質(zhì)膜對各種離子，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，其進入細胞的擴散速率和其膜外濃度成正比，胞外濃度越高，溶質(zhì)進入細胞的化學驅(qū)動梯度越大。

（三）膜蛋白介導的跨膜轉(zhuǎn)運

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

1. 載體介導的易化擴散

生理上許多重要的物質(zhì)如葡萄糖和氨基酸，轉(zhuǎn)運速率與膜兩側(cè)的濃度差的關(guān)系曲線后面部分出現(xiàn)平臺（圖2-1-4）。而且，這些親水性物質(zhì)的轉(zhuǎn)運速率要比單純擴散快得多，這種形式的跨膜轉(zhuǎn)運為經(jīng)載體介導的跨膜轉(zhuǎn)運。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)分子上有一個或數(shù)個可與某種被轉(zhuǎn)運物質(zhì)相結(jié)合的位點，當被轉(zhuǎn)運物質(zhì)與載體的結(jié)合位點結(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)運到膜的另一側(cè)，隨后載體與被轉(zhuǎn)運物質(zhì)解離而恢復原構(gòu)型（圖2-1-5）。這種跨膜轉(zhuǎn)運的特征是：（1）特異性高：每個載體識別并結(jié)合特定化學結(jié)構(gòu)（右旋葡萄糖載體不會結(jié)合轉(zhuǎn)運左旋葡萄糖）；（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，當所有的載體參與溶質(zhì)分子的轉(zhuǎn)運時，這一轉(zhuǎn)運系統(tǒng)最終達到飽和，再增加溶質(zhì)濃度也不會提高溶質(zhì)轉(zhuǎn)運速度（圖2-1-4）；（3）有競爭性抑制：化學結(jié)構(gòu)相似的溶質(zhì)會出現(xiàn)競爭性抑制。例如，當溶質(zhì)中有右旋半乳糖時，經(jīng)載體介導的右旋葡萄糖的跨膜轉(zhuǎn)運速率會減慢，這是因為半乳糖與葡萄糖結(jié)構(gòu)相似，與葡萄糖載體蛋白結(jié)構(gòu)產(chǎn)生競爭。

和單純擴散一樣，經(jīng)載體介導的跨膜轉(zhuǎn)運沒有方向優(yōu)勢，它的功能就是根據(jù)溶質(zhì)濃度梯度攜帶特定分子進出細胞膜。載體跨膜轉(zhuǎn)運的最終結(jié)果是使細胞內(nèi)外溶質(zhì)濃度達到平衡。

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

溶質(zhì)轉(zhuǎn)運入胞的動力來自胞外高于胞內(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，進而使結(jié)合的溶質(zhì)進入細胞。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，最終可能使載體又恢復到原先的構(gòu)象（A）再開始循環(huán)。

2. 通道介導的易化擴散

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

離子通道有兩個重要的特征，即其離子選擇性和門控特性。通道的離子選擇性是指每種通道都對一種或幾種離子有較高的通透能力，而對其他離子則不易或不能通過。例如鈉通道、鉀通道、鈣通道、氯通道以及其他陰離子和陽離子通道。通常認為在通道結(jié)構(gòu)內(nèi)存在某種離子選擇性濾器（圖2-1-6）。離子通道的門控特性是指引起通道開放與關(guān)閉的條件，如果通道的開、閉受膜兩側(cè)的電位差控制，則稱為電壓門控通道（voltage-gated channel），如可興奮細胞膜上的Na+通道、K+通道和Ca2+通道等。如果通道的開、閉決定于膜兩側(cè)的化學信號，則稱為化學門控通道（chemically-gated channel），如乙酰膽堿門控陽離子通道、突觸后膜上的多種遞質(zhì)門控通道等（詳見第三節(jié)）。

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

通過單純擴散和易化擴散轉(zhuǎn)運的物質(zhì)分子或離子均是順濃度差或電位差移動的。此時，物質(zhì)移動所需能量來源于濃度勢能儲備，這兩種物質(zhì)轉(zhuǎn)運形式屬于被動轉(zhuǎn)運（passive transport），所有的被動轉(zhuǎn)運都趨向于使細胞內(nèi)外溶液濃度達到平衡。

3. 主動轉(zhuǎn)運

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行跨膜轉(zhuǎn)運，介導這一過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)運過程稱為原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運（primary active transport）。代謝產(chǎn)生的能量物質(zhì)來源于線粒體產(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），是哺乳動物細胞膜上普遍存在的離子泵，鈉泵由α和β兩個亞單位構(gòu)成，其中α亞單位由1022個氨基酸組成，應(yīng)用基因突變和化學修飾法，證實結(jié)合位點及水解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)合位點可能位于H5和H6的跨膜α螺旋內(nèi)。當細胞內(nèi)Na+濃度升高或細胞外K+濃度升高時，鈉泵被激活，分解ATP提供能量供Na+、K+逆濃度梯度主動轉(zhuǎn)運，這一轉(zhuǎn)運過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）。一般認為，每分解1分子ATP，鈉泵可將3個Na+移出膜外、2個K+移入膜內(nèi)。用于鈉泵轉(zhuǎn)運的能量約占細胞代謝獲得能量的30%左右，其意義主要在于：（1）建立一個膜內(nèi)高K+、膜外高Na+的勢能儲備，形成可興奮細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)提供一個必需的高K+環(huán)境；（3）維持細胞漿滲透壓和細胞容積的相對穩(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，主動轉(zhuǎn)運是人體內(nèi)最重要的物質(zhì)轉(zhuǎn)運形式。

離子泵的功能結(jié)構(gòu)可能是由兩個大的反應(yīng)亞基和兩個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，可能導致構(gòu)象變化，把鈉離子運出細胞（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)恢復原先結(jié)構(gòu)并把鉀離子運入細胞（步驟3到5）。通常認為有3個鈉離子結(jié)合位點和兩個鉀離子結(jié)合位點，在一個轉(zhuǎn)運周期中，三個鈉離子移出胞外，兩個鉀離子移入胞內(nèi)，并且一個ATP分子水解成ADP和Pi。

4. 繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運

鈉泵活動形成的濃度勢能儲備，還可用于其他物質(zhì)的逆濃度差跨膜轉(zhuǎn)運。如腸粘膜和腎小管上皮細胞對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源于ATP的分解，而是來自膜兩側(cè)Na+的濃度差，但這種濃度差的建立則離不開鈉泵分解ATP所釋放的能量。因此，將這種間接利用ATP能量的主動轉(zhuǎn)運過程稱為繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運（secondary active transport）或稱聯(lián)合轉(zhuǎn)運（cotransport）（圖2-1-8）。如果被轉(zhuǎn)運物質(zhì)分子與Na+擴散的方向相同，稱為同向轉(zhuǎn)運（symport）；如二者方向相反，則稱為逆向轉(zhuǎn)運（antiport）（圖2-1-9）。參與繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運的膜蛋白被稱為轉(zhuǎn)運體或交換體。小腸和腎小管的Na+-葡萄糖轉(zhuǎn)運系統(tǒng)和Na+-氨基酸轉(zhuǎn)運系統(tǒng)都是同向轉(zhuǎn)運機制，即使營養(yǎng)物質(zhì)濃度很低的情況下，也可以大量吸收營養(yǎng)物質(zhì)。最重要的反向轉(zhuǎn)運體有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)性主動轉(zhuǎn)運也就停止了。

在同向轉(zhuǎn)運過程中，溶質(zhì)和Na+向相同方向運動，在逆向轉(zhuǎn)運過程中，溶質(zhì)和Na+向相反方向運動，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，細胞膜通過出/入胞作用、單純擴散和膜蛋白介導的物質(zhì)轉(zhuǎn)運，保證了細胞新陳代謝對各種物質(zhì)的需求和內(nèi)環(huán)境的相對穩(wěn)定，同時，通過跨膜轉(zhuǎn)運又為細胞間的信息傳遞及信號轉(zhuǎn)導提供了必要途徑，如膜離子通道的活動既是細胞生物電現(xiàn)象的基礎(chǔ)，又是跨膜信號轉(zhuǎn)導的主要方式之一。

第二節(jié) 細胞的信號轉(zhuǎn)導

細胞信號轉(zhuǎn)導是指細胞外因子通過與受體（膜受體或核受體）結(jié)合，引發(fā)細胞內(nèi)的一系列生物化學反應(yīng)以及蛋白間相互作用，直至細胞生理反應(yīng)所需基因開始表達、各種生物學效應(yīng)形成的過程。現(xiàn)已知道，細胞內(nèi)存在著多種信號轉(zhuǎn)導方式和途徑，各種方式和途徑間又有多個層次的交叉調(diào)控，是一個十分復雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。調(diào)節(jié)機體功能的細胞外信號物質(zhì)包括激素、神經(jīng)遞質(zhì)和細胞因子等，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，它們可彌散透過細胞膜，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物質(zhì)，只能作用于細胞膜表面的受體或起受體樣作用的蛋白質(zhì)，再通過細胞內(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)的級聯(lián)反應(yīng)來產(chǎn)生生物學效應(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G蛋白刺激或抑制膜結(jié)合效應(yīng)酶。后者催化第二信號分子生成，繼而激活蛋白激酶引起細胞內(nèi)生物學反應(yīng)。AC，腺苷酸環(huán)化酶；GC，鳥苷酸環(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)細胞膜上感受信號物質(zhì)的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和功能的不同，跨膜信號轉(zhuǎn)導的路徑大致可分為G蛋白耦聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導、離子通道受體介導的信號轉(zhuǎn)導和酶耦聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導三類。

一、G蛋白耦聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導

G蛋白耦聯(lián)受體（G protein-linked receptor）介導的信號轉(zhuǎn)導是通過膜受體、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胞膜和胞質(zhì)中的信號分子的活動實現(xiàn)的。

（一）主要的信號蛋白

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

鳥苷酸結(jié)合蛋白（guanine nucleotide binding protein）簡稱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，起著分子開關(guān)的作用（圖2-2-2）。經(jīng)受體活化進入激活態(tài)的G蛋白可進一步激活下游的效應(yīng)器（酶或離子通道），使信號通路瞬間導通，在回到失活態(tài)后，信號轉(zhuǎn)導即終止。

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)和細胞因子等信號分子即第一信使作用于細胞膜后產(chǎn)生的細胞內(nèi)信號分子，它們可把細胞外信號分子所攜帶的信息轉(zhuǎn)入細胞內(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)-磷酸鳥苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）和鈣離子等。

（二）G蛋白耦聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導的主要途徑

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。如果配體受體復合物與Gs結(jié)合可激活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可激活蛋白激酶A（PKA），引起多種靶蛋白磷酸化，調(diào)節(jié)細胞功能。與此相反，如果配體受體復合物與Gi結(jié)合可抑制AC的活性，從而降低細胞內(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，當細胞外信號分子與受體結(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），它們均可進一步激活下游的效應(yīng)器（酶或離子通道），把信號轉(zhuǎn)導至細胞內(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主要通過激活蛋白激酶A（PKA）來實現(xiàn)其信號轉(zhuǎn)導作用。PKA屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷激酶，可通過對底物蛋白的磷酸化而發(fā)揮其生物學效應(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促進肌漿網(wǎng)或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)儲存的Ca2+釋放，后者可作為第二信使啟動多種細胞反應(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)生多種生物學效應(yīng)。DG與Ca2+能協(xié)調(diào)活化蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）來始動細胞的功能（圖2-2-4）。

磷脂酰肌醇（PI）的連續(xù)磷酸化導致生成磷脂酰肌醇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促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放，后者可作為第二信使啟動多種細胞反應(yīng)。DG與Ca2+能協(xié)調(diào)活化蛋白激酶C（PKC），通過對底物蛋白的磷酸化而發(fā)揮其生物學效應(yīng)。

二、離子通道受體介導的信號轉(zhuǎn)導

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放，離子跨膜流動導致膜電位發(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胞膜上的化學門控通道。通道的開放（或關(guān)閉）不僅涉及離子本身的跨膜轉(zhuǎn)運，而且可實現(xiàn)化學信號的跨膜轉(zhuǎn)導，因而這一信號轉(zhuǎn)導途徑稱為離子通道受體介導的信號轉(zhuǎn)導。

在神經(jīng)-骨骼肌接頭的接頭后膜上存在的化學門控陽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。這是一個由五個亞單位（2α、β、γ、δ）圍成的跨膜通道。兩個α亞單位上各有一個ACh的結(jié)合位點，當與兩個ACh分子結(jié)合時，通道分子的構(gòu)象改變而開放。

三、酶耦聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導

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，這一跨膜信號轉(zhuǎn)導過程不需要G蛋白的參與，也沒有第二信使的產(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，并由此實現(xiàn)細胞外信號對細胞功能的調(diào)節(jié)。其中較重要的有以下兩類受體。

（一）酪氨酸激酶受體

近年來發(fā)現(xiàn)，一些肽類激素如胰島素以及在機體生長、發(fā)育過程中出現(xiàn)的統(tǒng)稱為細胞因子的物質(zhì)，包括神經(jīng)生長因子、上皮生長因子、成纖維細胞生長因子、血小板源生長因子和血細胞分化過程中的集落刺激因子等，它們對相應(yīng)靶細胞的作用，是通過細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)域為酪氨酸激酶。當配體與受體結(jié)合時，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，再通過一系列磷酸化的級聯(lián)反應(yīng)，影響基因的表達（圖2-2-6）。

酪氨酸激酶受體（TK）與其激動劑結(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胞內(nèi)蛋白結(jié)合（如Grb2和Sos，它們都有SH2結(jié)構(gòu)域）。無活性的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（相當于MAP-KKK），然后磷酸化MAPKK（MEK），MAPKK激活MAPK，MAPK被激活后，轉(zhuǎn)至細胞核內(nèi)，直接激活轉(zhuǎn)錄因子，參與細胞增殖、分化。MAPK，絲裂原活化蛋白激酶；ERK，胞外信號調(diào)節(jié)激酶，是MAPK家族的一員。

（二）鳥苷酸環(huán)化酶受體

鳥苷酸環(huán)化酶受體（guanylyl cyclase receptor）的分子只有一個跨膜α螺旋，分子的N端位于膜外側(cè)，具有配體的結(jié)合位點，C端位于膜內(nèi)側(cè)，有鳥苷酸環(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，通過對底物蛋白的磷酸化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)導。

一氧化氮（nitric oxide，NO）也可激活鳥苷酸環(huán)化酶，但這種鳥苷酸環(huán)化酶存在于胞質(zhì)，稱為可溶性鳥苷酸環(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)。