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二、细胞膜的物质转运机能TransportAcrossCellMembrane细胞在新陈代谢过程中，需要不断从环境中得到O2和营养物质，排除CO2和代谢产物。但以脂质双分子层为基架的细胞膜，只能允许脂溶性的物质自由通过，其它水溶性的物质，如离子、小分子物质、蛋白质大分子，团块物，液滴等的跨膜转运均与镶嵌在膜中的蛋白质有关。细胞膜的物质转运有以下三种方式：被动转运Passivetransport主动转运Activetransport出胞和入胞Exocytosisandendocytosis（一）被动转运Passivetransport被动转运是指物质依据其细胞膜内外的电-化学势差，顺浓度梯度或电势梯度，由高浓度或高电势的一侧向低浓度或低电势的一侧转运。转运时物质移动所需的能量来自高浓度或高电势一侧溶液所含的势能，因而不需细胞额外供能。被动转运最终达到的平衡点是膜两侧浓度差和/或电势差为零。1.扩散(Diffusion)根据物理学原理，溶液中的一切分子都处于不断的热运动当中（分子运动的平均动能与溶液的绝对温度成正比），而高浓度区域中的溶质分子总有向低浓度区域的净移动，这种现象称为扩散（图2-1-2）。一般条件下，物质通过膜的扩散量与膜两侧该物质的浓度差成正比。如果溶液是含有多种溶质的混合溶液，则其中每一种物质的扩散方向和扩散量，只决定于该物质的浓度差，与其它物质的浓度或移动方式无关。但对电解质溶液，其中离子的移动除取决于浓度差外，还取决于离子所受的电场力，即电位差。扩散可分为：单纯扩散和易化扩散。2.单纯扩散(Simplediffusion)概念：依物理学扩散原理跨细胞膜的转运方式称为单纯扩散。特点：单位时间的扩散量不仅取决于膜两侧该物质的浓度梯度，还取决于细胞膜对该物质的通透性（permeability）。当细胞膜对某物质通透时，该物质单纯扩散的速度与膜两侧浓度差的关系是正相关的。单纯扩散的物质：由于细胞膜的基架为脂质双分子层，因此脂溶性高的分子，因膜对其有较高的通透性而能够进行单纯扩散。比较肯定的有O2和CO2等气体分子，它们溶于水，也溶于脂质，可以依据各自的浓度差自由通透细胞膜。3.渗透(Osmosis)渗透是单纯扩散的一种特例，是指水分子的跨膜转运。在选择性通透水而不通透溶质的半透膜处，水将从低溶质浓度（水分子浓度高，渗透压低）的溶液一侧向高溶质浓度（水分子浓度低，渗透压高）的溶液一侧转运。渗透压：是由溶解在水溶液中的溶质颗粒数决定的，溶质颗粒数越多，渗透压越高。渗透压的大小可以用mmHg表示，但通常以渗透浓度(mOsm/L)表示。正常人血浆的渗透浓度约为313mOsm/L（相当于5330mmHg）；1mmol/L葡萄糖的渗透浓度为1mOsm/L；1mmol/LNaCl（Na++Cl-）的渗透浓度为2mOsm/L。水分子总是由渗透压低的区域向渗透压高的区域转运（图2-1-3）。渗透现象举例：各图显示红细胞在不同渗透压溶液中的形态（图2-1-4）。图2-1-2一杯水中的物质扩散图2-1-3渗透压细胞膜就是一个半透膜。红细胞在等渗溶液中形态正常，在高渗溶液中皱缩（水渗出）。在低渗溶液中膨胀（水渗入）。4.易化扩散不溶于脂质或脂溶性差的物质不能自由通过细胞膜脂质双分子层，但在特殊的膜蛋白质的“帮助”下，它们也能以很快的速度顺浓度梯度或/和电势梯度转运。这种转运方式称为易化扩散（Facilitateddiffusion）。其转运的能量与单纯扩散一样，也是来自于高浓度或高电势一侧溶液所含的势能，因而不需细胞额外供能。单纯扩散和易化扩散是被动转运的两种基本方式。易化扩散又可分为：以载体为中介的易化扩散和以通道为中介的易化扩散。1）以载体为中介的易化扩散（Carriermediatedfacilitateddiffusion）许多细胞生存必须的营养物质，如葡萄糖和氨基酸等都不溶于脂质，但在载体的帮助下，可以实现被动的跨膜转运（图2-1-5）。载体是细胞膜上的一类特殊蛋白质，具有一个或数个能与某种被转运物结合的位点或结构域，因而可与膜一侧被转运物分子选择性地结合，并引起自身变构，将被转运物移向膜的另一侧。若该侧被结合物的浓度较低，载体即与之分离并恢复原有构型，从而完成被转运物的跨膜转运，并为下一次结合和转运做好准备（图2-1-6）。以载体为中介的易化扩散具有以下特征：高度的结构特异性、饱和现象、竞争性抑制。载体与被转运的物质间有高度的结构特异性，例如葡萄糖载体只转运右旋葡萄糖，不转运左旋葡萄糖。由于某种物质的载体数目或每一载体上能与该物质结合的位点数目是固定的，所以在低浓度时，所结合的载体数量随溶液中被转运物质的浓度升高而增多，转运速度可随被转运物质的浓度升高而增加，但在高浓度时，当被转运物质将所有的载体都结合了，没有多余的可以再利用时，转运速度不再增加，因而达到饱和。图2-1-5图2-1-6易化扩散－葡萄糖进入一般细胞如果某一载体对结构类似的两种物质都有转运能力，两者可以竞争载体，当两种物质同时存在时，每一种物质的转运速度均比单独存在时减低。2）以通道为中介的易化扩散（Channelmediatedfacilitateddiffusion）细胞膜对离子的通透性极差，但它们能在膜上的离子通道的“帮助”下，以非常高的速度顺浓度梯度和电势梯度进行跨膜转运。离子通道为细胞膜上另一类特殊的蛋白质，其结构和功能状态可因细胞内外各种理化因素的影响而迅速改变：当其处于开放状态时，相关离子可高速通过。以每秒钟每一个离子通道转运的离子或溶质分子的最大量计算，Na+通道：葡萄糖载体：Na+-K+-ATP酶（主动转运）=1×107：1×104：5×102。大多数通道的开放时间十分短促，很快进入失活或关闭状态。离子通过通道进行跨膜移动即形成跨膜电流。通道的种类很多，如Na+通道、K+通道、Ca2+通道等；甚至对同一种离子也存在结构和功能不同的通道亚型，如体内至少已发现三种以上的Ca2+通道和七种以上的K+通道等。以通道为中介的易化扩散的特征：高速度、有门控原理、离子选择性。以载体为中介的易化扩散(请点击动画)依据门控的原理，可将通道分为：电压门控离子通道：由膜内、外电势差的改变引起其开或关。配基门控离子通道（化学门控离子通道）：由特异性的化学物质与通道上的受体结合后，引起其开或关。机械门控离子通道：膜的机械变形导致其开或关。（二）主动转运与被动转运不同，主动转运（Activetransport）是逆电-化学梯度进行的转运，是需要细胞提供能量才能进行的。其结果是被转运物质在高浓度一侧浓度进一步升高，而在低浓度一侧则愈来愈少。举例：小肠上皮细胞从肠腔中吸收葡萄糖；肾小管上皮细胞从小管液中重吸收葡萄糖。Na+、K+离子通过钠泵的逆浓度梯度转运，来维持细胞内外正常的离子浓度差，是维持细胞兴奋性的重要机制，其中钠泵可分解ATP，为Na+、K+的主动转运提供能量。主动转运包括：原发性主动转运和继发性主动转运。1.原发性主动转运原发性主动转运（Primaryactivetransport）是由ATP直接供能的逆浓度差的转运方式。Na+-K+-ATP酶（钠泵）是目前研究得最清楚的原发性主动转运。钠泵是镶嵌在膜脂质双分子层中的特殊蛋白质，除具有对Na+、K+的转运功能外，还具有ATP酶的活性，可分解ATP释放能量，用于Na+、K+的主动转运。因此，钠泵是Na+-K+依赖式的ATP酶，其对Na+、K+的主动转运是由其磷酸化和脱磷酸化循环驱动的，是一种消耗ATP的活动。请看动画图2-1-7钠泵示意图钠泵活动时，泵出细胞Na+和泵入细胞K+两个过程是耦连在一起的，生理条件下，每分解一分子ATP，可使3个Na+被泵出胞外，同时2个K+被泵回胞内（图2-1-7）。Na+泵广泛存在于身体各种细胞的细胞膜上，它们在维持细胞内外正常的Na+、K+浓度差中起重要作用，在此过程中消耗的ATP能是人体代谢产能的1/4，其钠泵的生理意义如下：①维持细胞内高K+（是胞内许多代谢反应的必需条件）；②防止细胞内Na+过多（从而防止由胞内高渗引起的细胞肿胀）；③最重要的意义是，钠泵活动建立了一种势能贮备（即细胞内外的Na+、K+浓度差），这是可兴奋细胞兴奋性的基础。除钠泵外，体内还有氢泵、钙泵和碘泵等，均属原发性主动转运。钠泵由α亚单位（催化亚单位）和β亚单位（调节亚单位）组成。胞内Na+与α亚单位结合时，ATP也与之结合并被水解，释放出ADP，使钠泵磷酸化而构象改变，高亲和K+而低亲和Na+，在细胞外一侧释放Na+而结合K+。当胞外K+与α亚单位结合时，钠泵脱磷酸化，返回到原来的构象，高亲和Na+而低亲和K+，在细胞内一侧释放K+而再一次结合Na+，开始下一个循环。2．继发性主动转运继发性主动转运（Secondaryactivetransport）是由ATP间接供能的逆浓度差的转运方式。它是利用钠泵活动形成的势能贮备（细胞内、外离子的浓度差），来完成其它物质逆浓度差的跨膜转运。例如，葡萄糖在小肠上皮细胞处的吸收、在肾小管上皮细胞处的重吸收，都是继发性主动转运。在小肠和肾小管上皮细胞的基侧膜（靠近毛细血管的上皮细胞侧的膜）上有钠泵的存在，可将细胞内的Na+源源不断的泵出，造成细胞内的低Na+环境（相对于肠腔液和肾小管液）。因此Na+可不断从肠腔液和小管液中顺浓度差进入细胞，由此释放的势能则用于葡萄糖分子逆浓度差进入细胞（图2-1-8）。葡萄糖主动转运所需的能量不是直接来自ATP的分解，而来自肠腔液和小管液中Na+的高势能，但造成这种高势能的钠泵活动是需要分解ATP的，即葡萄糖主动转运所需的能量间接来自ATP，因而称为继发性主动转运。图2-1-8继发性主动转运（三）出胞和入胞前面所叙述的被动转运和主动转运只涉及小分子物质或离子，细胞膜对一些大分子颗粒或物质团块的转运，则需要通过更复杂的、需代谢供能的膜结构和功能的改变，才能转运出胞外--出胞，或转运进入胞内--入胞。1.出胞（exocytosis）：见于内分泌细胞和外分泌细胞的分泌，以及神经轴突末梢释放递质。当分泌时，小泡被运送到细胞膜内表面，并与细胞膜融合后，向胞外开口，将全部内容排出。2.入胞（endocytosis）：指细胞外某些物质团块，例如细菌、病毒、异物、血浆中的脂蛋白颗粒及大分子营养物质等进入细胞的过程。入胞时，靠近物质团块的细胞膜向胞内方向凹陷，将物质团块包围，并在细胞开始凹陷处断开，形成一个入胞的小泡，如果入胞的小泡是液体，则称为胞饮（图2-1-9）。继发性主动转运动画图2-1-9胞饮3.受体介导式入胞(Receptor-mediatedendocytosis)这是一种与细胞膜表面受体有关的入胞，近年来已逐渐受到重视。现在知道，通过这种方式入胞的物质很多，包括胰岛素及一些多肽类激素、内皮生长因子、神经生长因子、低密度脂蛋白颗粒、结合了铁离子的运铁蛋白、结合了维生素的运输蛋白质、抗体及一些细菌等。采用受体介导式入胞的物质，均可称为配体，因为它们是通过与受体结合才发挥作用的。配受体结合后一同凹入细胞内，再分离，细胞膜与受体均可以重复使用（图2-1-10）。它与一般的入胞比较，速度快，特异性高。三、小结表2-1-1细胞膜物质转运的形式及其特点被动过程主动过程*单纯扩散易化扩散原发性主动转运继发性主动转运载体中介通道中介转运方向高浓度→低浓度低浓度→高浓度需否转运蛋白否是是是是有无饱和现象无有无有有化学特异性无有有有有需否代谢能量及来源否否否是ATP是离子梯度（Na+泵活动形成）转运的物质O2，CO2，脂肪酸葡萄糖，氨基酸Na+，K+，Ca2+Na+，K+，Ca2+，H+葡萄糖，氨基酸*入胞与出胞也是主动转运，但转运过程复杂，还涉及细胞内多种细胞器的活动，在这里没有列入。第二节细胞的兴奋性和生物电现象人们对生物电现象的观察可以追溯到很久以前，但对生物电现象的研究，则是在人们对电学的物理知识有了深入了解之后，并随着电测量仪器的不断发展而逐渐深入。在生理学中，对生物电现象的研究，是与对细胞（或组织）的兴奋性的研究密不可分的，因而在本节中