下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
细胞是人体和其他生物体的基本结构和功能单位。细胞膜不仅是细胞与环境之间的屏障，也是细胞接受各种理化因素影响以及激素、递质和药物作用的门户。细胞内的细胞器如细胞核、线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体等也被膜结构所包被。由于细胞膜及细胞器膜在化学结构上相似，因此通称为生物膜。生物膜主要由脂质、蛋白质和糖类组成，其中以蛋白质和脂质为主，糖类只占少量。
活细胞细胞内液（胞质）的组成成分与细胞外液显著不同。例如，细胞内液的K ＋ 和磷酸盐离子浓度大大高于细胞外液，而Na＋、Ca 2＋ 、Cl - 的浓度则明显低于细胞外液。这些区别对于维持细胞内许多酶的正常功能是必须的。例如，核糖体合成蛋白质就需要一个相对高钾的环境，细胞膜或质膜则通过在胞质周围建立渗透性屏障来维持这一离子分布不均。对于维持细胞正常功能的离子和蛋白质，细胞膜阻止其外漏；而对于不需要的就限制其自由进入。细胞膜也可以使代谢过程中的产物在细胞内做进一步合成或分解。
关于生物膜分子结构的假说有很多。第一个细胞膜结构理论提出细胞是被双层脂质分子所包被的，即脂质双层。因为人们发现，脂质分子形成脂质双层后对水溶性分子具有低透性。然而，脂质双层不能解释特定水溶性化合物的选择性转运，例如葡萄糖和氨基酸。1972年，Singer和Nicolson提出了细胞膜的液态镶嵌模型（图2-1-1）。这一模型得到较多实验事实的支持，目前仍被大多数学者所认可。这一模型的基本内容是：生物膜是以液态的脂质双分子层为基架，其中镶嵌着许多具有不同结构和功能的蛋白质。
图2-1-1 细胞膜的液态镶嵌模型
细胞膜主要由蛋白质和脂质组成，按重量计算，两部分几乎占相同比例。细胞膜中的蛋白质分子以α -螺旋或球型结构镶嵌在脂质双分子层中，根据其在膜上存在的形式可分为表面蛋白（peripheral protein）和整合蛋白（integral protein）。表面蛋白（或称外在蛋白）不穿过脂质双层，只附着于细胞膜的内表面或外表面。整合蛋白则是以其肽链一次或反复多次贯穿于整个脂质双分子层为特征。
细胞膜蛋白有多种功能，很多表面蛋白是酶；跨膜整合蛋白则是载体、通道和离子泵，与细胞膜的物质转运功能相关。膜蛋白的另一个重要作用体现在它的结构上。例如，红细胞的某些特定膜蛋白在维持红细胞双面凹形中起重要作用。此外，细胞膜上的有些蛋白可辨认和接受环境中的特异化学信号和刺激，称之为受体（receptor），通过膜结构中G蛋白和其他酶的作用，将细胞外信息传递到细胞内，引发细胞功能的相应改变。可见，膜蛋白一方面可使细胞与周围环境进行物质、能量和信息的交换，同时又是决定细胞功能特异性的一个重要因素。
细胞膜的脂质，以磷脂类（phospholipid）为主，占脂质总量的70％以上，其次是胆固醇（cholesterol），不超过30％，此外还有少量鞘脂（sphingolipid）。磷脂与胆固醇都是长杆状的双嗜性分子，在膜中以双分子层形式排列，其中，磷脂中由磷酸和碱基组成的亲水性基团都朝向膜的外表面和内表面，而由磷脂分子中两条脂肪酸烃链组成的疏水性基团，则在膜内两两相对，水溶性分子和离子很难直接通过脂质双层的疏水性区域。由于膜脂质熔点较低，在正常体温条件下呈液态，使细胞膜具有一定的流动性。细胞膜脂质双分子层的稳定性和流动性保证了细胞在承受相当大的张力和变形运动时不至于破裂。
胆固醇则可以保持细胞膜的稳定性，减少细胞膜脂质的流动性。胆固醇数量的增加使脂质和蛋白质在膜中的移动更加困难，因而一些特定细胞的功能将会受损。例如，免疫细胞对抗原的反应能力依赖于膜蛋白在膜中的移动才能与抗原结合，但如果膜胆固醇增多，将会使膜流动性下降，因而此功能也将受损。
鞘脂和胆固醇形成稳定的微区（microdomain），横向分布于磷脂双分子层中，称为脂筏（lipid raft）。小窝（caveolae）是脂筏的一种类型，由胆固醇、鞘脂及蛋白质组成，以小窝蛋白（caveolin）为标记蛋白。脂筏的组分和结构特点有利于蛋白质之间相互作用和构象转化，可以参与信号转导和细胞蛋白质运转。
细胞膜所含糖类较少，主要成分是寡糖和多糖，它们以共价键形式与膜脂质或蛋白质结合形成糖脂（glycolipid）或糖蛋白（glycoprotein），其糖链则裸露在细胞膜的外表面，可作为细胞或所结合蛋白质的特异性“标志”或受体的“可识别”部分，也可以作为抗原物质表达某种免疫信息。
细胞在新陈代谢过程中需要不断选择性地摄入氧、糖、氨基酸和一些小离子并且排出二氧化碳、代谢废物和分泌物。同时，特定细胞转运酶、激素、神经递质等物质需要特定的转运机制。由于细胞膜是以脂质双分子层为骨架，理论上讲，只有少数脂溶性小分子物质可以通过物理扩散透过细胞膜，大分子物质或团块需要通过入胞和出胞作用完成跨膜转运；而大多数的水溶性小分子物质则需借助于细胞膜上一系列相关蛋白的介导来完成快速跨膜转运，分为两种类型：被动转运（passive transport），不需要直接消耗能量；主动转运（active transport），需要消耗能量。
一些大分子物质或物质颗粒的跨膜转运是通过入胞（endocytosis）和出胞（exocytosis）完成的。入胞是指大分子物质或物质团块（如大分子营养物质、血浆中脂蛋白颗粒及细菌毒素、病毒、异物等）进入细胞的过程。根据入胞物质的物理性状不同可分为两种类型，即吞噬（phagocytosis）和吞饮（endocytosis）。如果进入细胞的物质是固体的，则称为吞噬，如巨噬细胞、中性粒细胞的吞噬作用（图2-1-2）。研究发现，人类巨噬细胞的一个重要功能就是清除入侵细菌，其吞噬泡直径约1～2μm，几乎和吞噬细胞自身大小差不多。吞噬作用需要有特定的刺激，只有在膜外颗粒与细胞膜外表面接触，周边的细胞膜才会包围颗粒。
如果进入细胞的物质是液态的，则称为吞饮。吞饮过程中可以产生比吞噬泡更小的吞饮泡（直径在0.1～0.2μm）。相比于吞噬过程，吞饮可在细胞膜上形成凹陷，在吞饮泡形成并进入细胞内几分钟后，凹陷就会离断。吞饮过程连续发生且不需要特定刺激，因此可作为基本过程发生于几乎所有的细胞。吞饮包括液相入胞和受体介导入胞两种方式（图2-1-2）。液相入胞是指细胞外液及其所含可溶性溶质连续不断地与细胞膜发生接触，质膜内陷、融合及断裂的过程。细胞外物质进入细胞内的数量直接取决于细胞外液的浓度。受体介导入胞则是一个更高效的入胞过程，膜受体与特定分子结合，这些受体聚集在特定的凹陷——有被小窝（coated pit）处，如此命名是因为在此位置的胞浆膜表面覆有蛋白质的被膜。有被小窝连续离断形成吞饮泡，形成一个特定分子快速进入细胞而细胞外液不需大量进入的机制。受体也可以在溶质浓度很低的情况下转运分子。受体介导入胞是一种很多重要分子进入细胞的方式，包括激素、生长因子和血清运输蛋白，比如转铁蛋白（一种铁离子载体），外界物质如白喉毒素和某些病毒，也通过这种途径进入细胞。
图2-1-2 大分子物质通过形成囊泡穿越细胞膜
（参考Dautry ＆ Lodish，1984）
细胞外液的颗粒物质通过吞噬进入细胞。在液相入胞过程中，吞饮泡由细胞膜凹陷离断形成，并含有细胞外液和大分子溶质进入细胞。受体介导入胞是用膜受体在有被小窝处结合特定溶质（配体）并进入细胞。出胞是指大分子物质排出细胞的过程，分泌囊泡并与细胞膜融合，最后排出细胞。
出胞是指细胞内大分子物质或物质颗粒外排的过程（图2-1-2），有两种途径——组成型分泌途径（constitutive pathway）和调节型分泌途径（regulated pathway）。组成型分泌途径中，运输小泡持续不断地从高尔基体运送到细胞质膜，并立即进行膜的融合，将分泌小泡中的蛋白质释放到细胞外。此过程不需要任何信号的触发，它存在于所有类型的细胞中，例如小肠杯状细胞分泌粘液的过程。但在一些细胞中，大分子物质首先储存在细胞分泌的囊泡中，只有在细胞外刺激到达细胞膜后，囊泡才与细胞膜融合并分泌内容物，这种出胞方式被称作调节型分泌途径，如神经纤维末梢突触小泡内神经递质的释放、内分泌腺细胞分泌激素及外分泌腺细胞分泌酶原颗粒等。这一过程主要受膜外特殊化学物质或膜两侧的电位变化诱导，引起外钙内流，触发囊泡的移动和排放。
单纯扩散（simple diffusion）是一种简单的穿越质膜的物理扩散，没有生物学转运机制参与。可以从细胞外向细胞内，也可以从细胞内向细胞外，并没有优势方向。能以单纯扩散跨膜流动的物质都是脂溶性的和少数分子很小的水溶性物质，如O 2 、CO 2 、N 2 、水、乙醇、尿素、甘油等。扩散的方向和速度取决于物质在膜两侧的浓度差及膜对该物质的通透性（图2-1-3），后者取决于物质的脂溶性和分子大小。例如，O 2 、CO 2 、N 2 等脂溶性小分子的扩散速度很快；水（分子量18D）、乙醇（分子量46D）、尿素（分子量61D）和甘油（分子量92D）等很小的极性分子，扩散速度略慢。较大的极性分子，如葡萄糖（分子量180D），则很难以单纯扩散方式直接通过质膜。此外，质膜对各种离子，尽管其直径很小，但都高度不通透。
图2-1-3 溶质经单纯扩散的跨膜转运
假设溶质在胞内浓度不变，其进入细胞的扩散速率和其膜外浓度成正比，胞外浓度越高，溶质进入细胞的化学驱动梯度越大。
各种离子和水溶性小分子的跨膜转运需要膜蛋白的介导来完成。根据物质转运的耗能情况及其与浓度差或电位差的关系，可分为被动转运和主动转运；前者是顺浓度差和电位差，不消耗能量的过程，而后者则是逆浓度差或电位差，消耗能量的过程。参与此类物质转运的膜蛋白包括通道、载体、离子泵和转运体。转运方式也包括易化扩散、主动转运和继发性主动转运等方式。
1.载体介导的易化扩散
生理上许多重要的物质如葡萄糖和氨基酸，转运速率与膜两侧的浓度差的关系曲线后面部分出现平台（图2-1-4）。而且，这些亲水性物质的转运速率要比单纯扩散快得多，这种形式的跨膜转运为经载体介导的跨膜转运。载体（carrier）或称载体蛋白，是一些贯穿脂质双分子层的整合蛋白。载体蛋白质分子上有一个或数个可与某种被转运物质相结合的位点，当被转运物质与载体的结合位点结合后，载体蛋白即发生构象变化，将该物质顺浓度梯度转运到膜的另一侧，随后载体与被转运物质解离而恢复原构型（图2-1-5）。这种跨膜转运的特征是：（1）特异性高：每个载体识别并结合特定化学结构（右旋葡萄糖载体不会结合转运左旋葡萄糖）；（2）有饱和现象：由于膜上载体和载体结合位点的数目是有限的，起始增加溶质的浓度，可以用多余的载体，且比单纯扩散更快；随着溶质浓度的增加，更多的溶质分子结合在载体上，当所有的载体参与溶质分子的转运时，这一转运系统最终达到饱和，再增加溶质浓度也不会提高溶质转运速度（图2-1-4）；（3）有竞争性抑制：化学结构相似的溶质会出现竞争性抑制。例如，当溶质中有右旋半乳糖时，经载体介导的右旋葡萄糖的跨膜转运速率会减慢，这是因为半乳糖与葡萄糖结构相似，与葡萄糖载体蛋白结构产生竞争。
和单纯扩散一样，经载体介导的跨膜转运没有方向优势，它的功能就是根据溶质浓度梯度携带特定分子进出细胞膜。载体跨膜转运的最终结果是使细胞内外溶质浓度达到平衡。
图2-1-4 载体介导的跨膜转运
经载体跨膜转运速率比单纯扩散（图2-1-3）更快。单纯扩散的速率随细胞外溶质浓度增加而线性上升；经载体跨膜转运速率受载体数量的限制，当所有载体都参与溶质转运，再增加胞外溶质浓度也不会提高转运速率，此为最大转运速率（V max ）。
图2-1-5 载体蛋白在经载体介导的易化扩散中的作用
溶质转运入胞的动力来自胞外高于胞内的浓度梯度。A，载体——跨膜整合蛋白，结合胞外溶质，可能引起蛋白质构象发生变化，进而使结合的溶质进入细胞。B，由于胞内溶质浓度较低，结合的溶质很快从载体上游离下来，最终可能使载体又恢复到原先的构象（A）再开始循环。
2.通道介导的易化扩散
溶液中的Na＋、K＋、Ca 2＋ 、Cl - 等带电离子，可借助于通道蛋白介导，顺浓度差或电位差进行跨膜转运，称为通道介导的易化扩散。离子通道广泛分布于细胞膜上，是由多个多肽亚基组成的整合蛋白，某一特定刺激可以使蛋白质亚基开放闸门，形成亲水通道使离子通过（图2-1-6）。离子和通道之间的特殊相互作用使离子转运速率非常快，实际上经通道跨膜转运速率（大约每秒10 8 个离子）比经载体介导系统（每秒10 3 ～ 10 5 个离子或分子）更快。
离子通道有两个重要的特征，即其离子选择性和门控特性。通道的离子选择性是指每种通道都对一种或几种离子有较高的通透能力，而对其他离子则不易或不能通过。例如钠通道、钾通道、钙通道、氯通道以及其他阴离子和阳离子通道。通常认为在通道结构内存在某种离子选择性滤器（图2-1-6）。离子通道的门控特性是指引起通道开放与关闭的条件，如果通道的开、闭受膜两侧的电位差控制，则称为电压门控通道（voltage- gated channel），如可兴奋细胞膜上的Na ＋ 通道、K ＋ 通道和Ca 2＋ 通道等。如果通道的开、闭决定于膜两侧的化学信号，则称为化学门控通道（chemically- gated channel），如乙酰胆碱门控阳离子通道、突触后膜上的多种递质门控通道等（详见第三节）。
图2-1-6 离子通道
离子通道由跨膜整合蛋白的多肽亚基组成，中间是贯穿细胞膜的亲水性孔道，通过不同门控机制打开和关闭通道。离子通道通常对特定离子具有选择性。
通过单纯扩散和易化扩散转运的物质分子或离子均是顺浓度差或电位差移动的。此时，物质移动所需能量来源于浓度势能储备，这两种物质转运形式属于被动转运（passive transport），所有的被动转运都趋向于使细胞内外溶液浓度达到平衡。
3.主动转运
膜整合蛋白直接利用代谢产生的能量物质逆浓度梯度或电位梯度进行跨膜转运，介导这一过程的膜蛋白称为离子泵（ion pump）。直接利用代谢能量完成跨膜转运过程称为原发性主动转运（primary active transport）。代谢产生的能量物质来源于线粒体产生的ATP，由于离子泵有水解ATP的能力，所以离子泵也称作ATP酶。钠泵也称Na ＋ -K ＋ ATP酶（Na ＋ -K ＋ ATPase），是哺乳动物细胞膜上普遍存在的离子泵，钠泵由α和β两个亚单位构成，其中α亚单位由1022个氨基酸组成，应用基因突变和化学修饰法，证实结合位点及水解ATP的部位位于α亚单位胞浆侧的球形结构域，而Na ＋ 和K ＋ 的结合位点可能位于H 5 和H 6 的跨膜α螺旋内。当细胞内Na ＋ 浓度升高或细胞外K ＋ 浓度升高时，钠泵被激活，分解ATP提供能量供Na ＋ 、K ＋ 逆浓度梯度主动转运，这一转运过程也是钠泵的两种分子构象相互转换的结果（图2-1-7）。一般认为，每分解1 分子ATP，钠泵可将3 个Na ＋ 移出膜外、2个K ＋ 移入膜内。用于钠泵转运的能量约占细胞代谢获得能量的30％左右，其意义主要在于：（1）建立一个膜内高K ＋ 、膜外高Na ＋ 的势能储备，形成可兴奋细胞兴奋性及生物电现象的离子基础；（2）为胞浆内许多代谢反应提供一个必需的高K ＋ 环境；（3）维持细胞浆渗透压和细胞容积的相对稳定。除钠泵外，尚有钙泵（Ca 2＋ -Mg 2＋ ATP酶）、氢泵（H ＋ -K ＋ ATP酶）等，分别与肌肉舒张、胃酸分泌等生理功能相关，因此，主动转运是人体内最重要的物质转运形式。
图2-1-7 钠钾泵周期
（引自Rhoades ＆ Bell，Medical Physiology：Principles for clinical Medicine（3 rd Ed），2008）
离子泵的功能结构可能是由两个大的反应亚基和两个不知功能的小亚基组成的四聚体。离子泵结合胞内钠离子，ATP磷酸化，可能导致构象变化，把钠离子运出细胞（步骤1 和2）。随后结合胞外钾离子，并且去磷酸化，蛋白质恢复原先结构并把钾离子运入细胞（步骤3到5）。通常认为有3个钠离子结合位点和两个钾离子结合位点，在一个转运周期中，三个钠离子移出胞外，两个钾离子移入胞内，并且一个ATP分子水解成ADP和Pi。
4.继发性主动转运
钠泵活动形成的浓度势能储备，还可用于其他物质的逆浓度差跨膜转运。如肠粘膜和肾小管上皮细胞对葡萄糖和氨基酸逆浓度梯度的吸收，所需的能量并不是直接来源于ATP的分解，而是来自膜两侧Na ＋ 的浓度差，但这种浓度差的建立则离不开钠泵分解ATP所释放的能量。因此，将这种间接利用ATP能量的主动转运过程称为继发性主动转运（secondary active transport）或称联合转运（cotransport）（图2-1-8）。如果被转运物质分子与Na ＋ 扩散的方向相同，称为同向转运（symport）；如二者方向相反，则称为逆向转运（antiport）（图2-1-9）。参与继发性主动转运的膜蛋白被称为转运体或交换体。小肠和肾小管的Na ＋ -葡萄糖转运系统和Na ＋ -氨基酸转运系统都是同向转运机制，即使营养物质浓度很低的情况下，也可以大量吸收营养物质。最重要的反向转运体有Na ＋ ／ H ＋ 交换体和Na＋／ Ca 2＋ 交换体等。利用代谢抑制剂或药物阻断剂阻断离子泵，使钠离子梯度消失，继发性主动转运也就停止了。
图2-1-8 继发性主动转运可能的转运机制
图2-1-9 继发性主动转运系统中的同向转运和逆向转运
在同向转运过程中，溶质和Na ＋ 向相同方向运动，在逆向转运过程中，溶质和Na ＋ 向相反方向运动，字体的大和小分别代表高浓度和低浓度的Na ＋ 和溶质。
综上所述，细胞膜通过出／入胞作用、单纯扩散和膜蛋白介导的物质转运，保证了细胞新陈代谢对各种物质的需求和内环境的相对稳定，同时，通过跨膜转运又为细胞间的信息传递及信号转导提供了必要途径，如膜离子通道的活动既是细胞生物电现象的基础，又是跨膜信号转导的主要方式之一。