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一细胞细胞是构成人体的基本结构和功能单位。虽然细胞的形态结构和功能活动千差万别，但一些基本功能活动却具有共同的特征。1.细胞膜的结构和物质转运功能。细胞膜由脂质双分子层构成基架，具有多种功能的蛋白质镶嵌其中。通过膜完成的物质交换是有选择性的，而且不同性质的物质也通过不同的方式转运。物质转运包括四种方式：单纯扩散，是指小分子脂溶性物质直接通过膜由高浓度向低浓度的跨膜扩散；易化扩散，是指水溶性物质通过膜上的一些蛋白质（通道蛋白或载体蛋白）实现的跨膜转运，分别称通道扩散或载体转运；主动转运，是指物质逆电-化学梯度的跨膜转运，通过离子泵同时需要消耗能量才能完成；出胞入胞作用，是指大分子物质或物质团块进出细胞的过程。2.细胞的信号转导。细胞通过信号转导的过程实现与外界的信息交换。细胞外的信号形式很多（主要是化学信号即神经递质和激素），但信号转导途径却很有限。它们包括：（1）G蛋白耦联受体介导的信号转导，当配体与膜受体结合后，通过激活膜上的G蛋白而生成胞内第二信使，最终通过活化蛋白激酶，使底物蛋白质磷酸化而发挥生物效应；（2）酶耦联的受体介导的信号转导，当配体与受体结合后，直接引起位于受体胞内段具有酪氨酸激酶的结构域的激活，最终引起MAPK的活化，参与基因转录的调控；（3）通道耦联的受体介导的信号转导，一些配体与受体结合后，直接引起与受体耦联的离子通道的开放，通过改变膜电位而影响细胞的功能活动；（4）核受体介导的信号转导，一些配体可穿膜直接进入细胞，与位于胞浆或胞核的受体结合后形成各种转录因子，参与基因转录的调控。3.细胞的生物电现象。生物电主要包括静息电位和动作电位。静息电位指静息时位于膜两侧的电位差。其形成是由于静息时K+在膜内外呈现不均衡分布，表现为膜内浓度高于膜外，同时在静息状态膜主要对K+具有通透性。K+的跨膜外移形成了跨膜电位，数值上近似于K+的电-化学平衡电位。动作电位大多是在刺激作用下，细胞产生的一过性、可扩布的电位变化。刺激对细胞的作用是使膜发生去极化，只要去极化达到阈电位，就能产生动作电位。动作电位具有全或无的特征，即不产生或产生最大幅度的动作电位，二者必具其一。若刺激强度较弱，如小于阈强度的刺激作用时，细胞只能产生局部电位。局部电位的特征为刺激依赖性、总和及电紧张性扩布。动作电位的跨膜电位变化是由于刺激使膜电导改变，而引起一系列离子跨膜移动形成的离子电流的结果。包括两个主要过程，即去极化和复极化过程，前者是指膜内电位升高的过程，而后者是在去极化后膜内电位降低而逐渐恢复的过程。在一次兴奋（动作电位）过程中，细胞的兴奋性即产生动作电位的能力会发生一系列变化，表现为在一段时间内细胞的兴奋性很低，必须经过一段时间才能恢复细胞的兴奋性。4.肌肉的收缩活动。肌细胞由肌原纤维构成，肌原纤维又由粗细肌丝构成，它们形成规律有序的排列，肌小节是肌纤维收缩的基本单位。肌肉的收缩是由于兴奋-收缩耦联的结果，Ca2+在其中发挥重要作用。肌纤维收缩过程是肌小节内细肌丝向粗肌丝中央的滑行过程，结果使肌小节乃至整个肌纤维缩短。肌肉的前负荷、后负荷、肌肉收缩能力可影响肌肉在收缩过程形成的张力及长度的缩短。前负荷通过影响初长度、肌小节长度、粗细肌丝重叠程度，最终决定参与收缩的横桥数目而影响肌肉在收缩过程产生的张力。最适初长度的情况下进行收缩时，肌肉产生的张力最大，初长度小于或大于此长度，收缩产生的张力都会减小。后负荷主要影响肌肉收缩时的缩短速度，后负荷增加时肌肉缩短速度降低。肌肉收缩能力是指影响肌肉收缩效能的肌肉内部的功能状态，它与前、后负荷无关，而取决于兴奋-收缩耦联过程胞浆内Ca2+的浓度及ATP酶的活性。二膜物质转运在进行正常新陈代谢的条件下，细胞与外环境的物质交换是非常活跃的。它包括不断地摄取营养物质和及时排出代谢产物的过程。而细胞膜是进行这种交换的惟一途径。细胞内外的物质交换是有选择性的，而且不同性质的物质需要通过不同的方式进行交换。依照膜的组成来看，似乎只有脂溶性物质才能通过膜实现交换。然而事实并非如此，水溶性物质仍然可以进出细胞，只是它们不能随意通过，需要借助膜上的特殊蛋白质实现交换。即膜上的脂质双分子层阻止了大多数物质的随意进出，而膜蛋白又提供了对需要通过膜的物质的选择通透性。这样既维持了细胞内稳定的环境，又满足了新陈代谢的需要。物质的跨膜转运通常以下列四种方式进行。（一）单纯扩散单纯扩散(simplediffusion)指小分子的脂溶性物质单纯依靠浓度差，而不需要膜蛋白的帮助进行的跨膜扩散。对脂溶性物质的跨膜扩散来说，浓度差是惟一的动力及决定因素。浓度差决定着物质能否扩散、扩散方向及扩散速率，而细胞膜既不能加速也不能减缓其扩散速率。由于细胞外液和内液均为水溶性，因此体内的脂溶性物质种类不多，主要是指CO2、O2、NO等气体分子以及尿素和一些类固醇激素，它们可迅速通过膜进行扩散。水分子虽然是极性分子，但因分子小且不带电荷，仍能快速通过膜，即可以通过单纯扩散的方式跨膜移动。而一些离子虽然分子也很小，但由于周围形成的水化层，因而难以通过脂质双分子层，需经其他方式转运。（二）易化扩散通过单纯扩散方式转运的物质是极少数的。由于绝大多数物质属于水溶性，因而需要通过膜蛋白的介导完成。膜蛋白的介导，使这些不能溶于脂质的物质进行跨膜扩散成为可能，变得容易化，故而得名易化扩散(facilitateddiffusion)。它包括两种方式，即通道扩散和载体转运。1．通道扩散通道扩散(channeldiffusion)是指离子经通道完成的跨膜扩散。通道是一类贯穿脂质双分子层，中央带有水性孔道的跨膜蛋白。通道象沟通细胞外液、内液的桥梁或隧道，使不能溶于膜的离子能快速通过，因而得名。通道的共同特征是：①通道对离子具有高度选择性，由于不同通道在开放时，形成不同的水性孔道，因此只能允许个别离子通过，其他离子不易或不能通过。因此，可依照离子的选择性将通道分为不同的种类如Na+通道、K+通道等；②通道转运离子的速度很快，大约108～109/s个离子，远大于载体转运的每秒103～105个离子或分子的速率；③通道转运的离子只能顺浓度梯度由一侧向另一侧转运，其动力来源于分子的热运动。此外，对于带电离子来说，膜电位差也是促使或影响离子跨膜移动的动力。因此，离子经通道的跨膜移动是以电-化学梯度作为动力的；④通道受不同的因素调控，从而决定其开放还是关闭。依照开闭的控制因素，又可将通道分为电压门控性通道(voltage-gatedchannel)、化学门控性通道(chemically-gatedchannel)以及少量的机械门控性通道。电压门控性通道指通道的开闭受膜两侧电位差的控制。常见的有电压门控性Na+通道、Ca2+通道、K+通道等，它们是可兴奋细胞产生电活动的基础。对每种通道来说，都有一个特定的激活电位。在膜电位经历此种变化时，通道将因构型改变而形成允许离子通过的水性孔道，即通道开放。进一步的研究证实，电压门控性通道都有一些被称作电压传感器(voltagesensor)的结构，通常是一些带电荷的氨基酸，它们在膜电位改变时，可在电场作用下发生位移，进而导致通道蛋白构象改变，从而形成水性孔道，即打开通道（图2-2A）另有一些离子通道其开闭受某些化学物质控制，因此称为化学门控性通道或配体门控通道(ligand-gatedchannel)。这些通道的结构特征是跨膜蛋白分为两部分。其一是作为受体的部分，即能识别并结合化学物质的位点，另一是作为通道的部分，即当膜蛋白与特定化学物质结合后，蛋白构型改变，形成水性孔道即相当于打开通道（图2-2B）。因此这类通道也可称作通道耦联的受体。它们是化学性突触传递过程的重要结构。在突触或神经肌肉接头的兴奋传递过程中，都有化学物质的释放，这些物质与膜蛋白的受体部分结合引起构型改变，打开通道引起离子跨膜移动，形成特定的膜电位变化，从而改变靶细胞的功能状态。此外，还有少数机械门控通道，它们位于皮肤触压觉感受器及内耳毛细胞的感受器等部位，机械震动可使这些通道开放（图2-2C）。上述通道的共同特征是都有某种门控装置，通过某种调控机制改变通道的功能状态。而也有一些通道无门控机制，即不受电、化学因素调控。只要有浓度差存在，离子即可扩散。静息时离子的跨膜扩散就是通过这种通道完成的。通道的另一特征是其结构受遗传决定，而且几乎所有通道均由几个亚单位构成，每个亚单位又是由数量不等的跨膜a-螺旋片段组成。由此构成了不同通道对离子选择性的差异及门控机制的区别。如电压门控性Na+通道是由三个亚单位组成，即大的a亚单位和两个b亚单位(b1、b2)构成，a亚单位是形成通道的主体。化学门控性通道如N2型ACh受体通道是由五个亚单位构成，每个亚单位具有4个跨膜的a-螺旋结构，其中的两个a亚单位执行受体功能即识别并结合配体，这种结合引起蛋白构型的改变，导致通道的开放（图2-3）。水的跨膜转运。水是细胞内液及外液含量最多，且活动频率最高的物质。水跨膜转运的特征是既可以通过单纯扩散的方式，也可以经通道的方式进行。另外水的移动总是与渗透压的变化联系在一起，即常常伴随其它物质的转运而转移。水的移动对维持细胞容积至关重要。水虽然是极性分子，但由于其分子极小，因此仍能通过脂质膜直接扩散，即通过单纯扩散的方式进行跨膜移动。然而水亦可通过通道扩散。从1992年成功克隆第一个水通道以来，现已发现至少10种水通道，命名为aquaporin(AQP)即水孔蛋白。像其它通道一样水通道也是跨膜蛋白，是四聚体蛋白，每个亚单位有6个跨膜a-螺旋，每个单体都可形成一个独立的通道。不同的水通道有相对特异的组织分布和功能特征，水通道密度大的是红细胞、肾小管、汗腺、唾液腺、脑组织，其中肾远曲小管和集合管的水通道受抗利尿激素调节而影响水的重吸收（见第九章第五节）。2．载体易化扩散与上述物质的跨膜转运不同，葡萄糖、氨基酸既不能通过膜直接扩散，也不能经由上述的通道进行跨膜扩散。它们是通过膜的另一种机制，即载体转运而实现跨膜转运。载体也是一种跨膜蛋白，载体转运的机制不甚明了。可能的过程是被转运物质如葡萄糖，首先与载体蛋白膜外的结合位点结合，使蛋白构型改变，将结合位点转向膜内，并将所结合的葡萄糖释放出来，之后蛋白质恢复构型，又将结合位点暴露于膜外以待下一次转运（图2-4）。载体转运的特征是：①物质转运是顺浓度梯度进行的，如在上述的葡萄糖转运过程中，由于细胞内不断消耗葡萄糖，因此保持了胞内的低浓度，使葡萄糖得以由膜外向膜内的转运；②由于载体是膜上的蛋白质，因而数量有限，这导致了膜对物质转运能力的上限，即具有饱和性；③载体对被转运物质有严格的结构特异性，一种载体通常只转运一种具有特定结构的物质。上述通道扩散、载体转运以及前面提到的单纯扩散通常又被称作被动转运。因它们的共同特征是被转运物质都是由高浓度到低浓度一侧的跨膜转运，转运过程依靠贮存在膜两侧物质的浓度梯度或电位梯度中的势能，因而不需要额外提供能量。被动转运的结果是倾向于使物质在膜两侧的浓度梯度或电位梯度消失。（三）主动转运主动转运是指细胞通过耗能的过程将物质逆浓度梯度或逆电位梯度进行的跨膜转运过程。由于这一过程是逆浓度梯度或电位梯度的，因而必须有额外提供的能量才能完成。主动转运的结果是形成了物质在细胞内外的不均衡分布。如细胞外高浓度的Na+和细胞内高浓度的K+，这样使Na+、K+在膜内外都具有浓度梯度。这种不平衡的分布是细胞完成其正常功能的重要条件，如产生生物电及进行正常的代谢活动等。实现离子主动转运的是各种离子泵，如转运Na+、K+的是钠-钾泵(sodium-potassiumpump)，简称钠泵。取名为泵，意在形象地描述这种主动转运机制类似于水泵通过其作功将水逆势能差由低到高的输送过程。这里的离子泵则是将离子逆浓度差由低浓度到高浓度转运的过程。早已明确，Na+、K+在细胞内外有很大浓度差，Na+在细胞外的浓度远高于细胞内，约为胞内浓度的12倍，而K+在细胞内的浓度远高于细胞外，约为胞外浓度的30倍。而且这种离子的不均衡分布在低温、缺氧或应用代谢抑制剂阻断代谢时消失，说