神经元细胞膜是神经元的重要组成部分，具有高度分化的分子结构与多种独特的生理功能。跨膜的物质转运和能量转换、神经元对细胞外物质的识别与结合、神经元跨膜信号传递与代谢调控，以及神经冲动的发生和扩布等生物学行为和过程，无一不与神经元细胞膜有关。

同其他细胞膜一样，神经元细胞膜也很薄，在光镜下看不到，直到20世纪40年代后期才得以用电镜进行观察和确认。1925年，Gorter和Grendel发现膜是一种具有两个分子厚度的脂肪性物质。10年后，Danielli和Davson认为，膜是由夹在两层蛋白质当中的双分子层磷脂构成的“三夹板”，具有刚性排列顺序。1972年Singer和Nicolson提出的液态镶嵌模型（fluid mosaic model）看来是所有细胞膜的共同结构基础。液态镶嵌模型认为，膜的表面约有70%是脂质双分子层基质，其中“溶解”着既有亲水又有亲脂的兼性（am-phi-pathic）蛋白质，进行受体、通道和泵等不同的功能活动。

神经元细胞膜的化学组成一般包括30%～40%的蛋白质、40%～50%的脂质以及1%～5%的糖，因膜的种类不同而有很大差异。通常膜的功能越是复杂，蛋白质所占的比例就越大，反之则比例较低。仅起绝缘作用的神经髓鞘，含有三种蛋白质，只占18%，脂质占79%；而功能复杂的线粒体内膜则含有60种蛋白质，占75%。

脂质之间以及脂质与蛋白质之间的作用力主要是非共价键的静电、氢键、Vander Waals相互作用。这些力的单独作用均比共价键弱，但这些力可以相加，产生相当稳定的联合。分子的解离基团和极性部分可与水分子的偶极相互作用而水化。如果分子与水的相互作用强于分子之间的相互作用，这种分子即是可溶的。大分子可能具有极化程度不同的表面功能区，其疏水部分可集合，形成微胞（micelle），最大程度地减少非极性表面对水的暴露。具有相互分隔的极化与非极性表面功能区的分子称为兼性分子，如去垢剂（detergent）和复杂的脂质。

磷脂是大多数细胞膜脂质的主要成分，通常形成脂质双层（lipid bilayer）。每层包括甘油磷酸酯构成的极性头部和通常由两串酯化脂肪酸形成的碳氢化合物的非极性尾部。在水相环境中，头部与水和其他水相成分相互作用；而非极性的尾部主要是自身相互作用，形成单独的相。在水相环境中，大多数脂质因不同条件可以形成三种相结构。尽管在细胞膜中只发现层状结构，但在某些膜转换过程中也可出现水包油或油包水状态的六角相。

含有磷脂的水相系统可表现不同的结构，呈固态晶体或液态晶体状态。纯磷脂可随温度变化，极易发生这两种相的转换。为维持细胞膜的正常功能活动，脂质双层需呈液晶态，磷脂分子可在双层平面内具有高度运动性，既可进行烃链围绕C-C键旋转而致的异构化活动、环绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动和旋转运动，也可在膜内做侧向移动或侧向扩散以及在脂质双层中进行翻转运动。脂质分子在膜内侧的分布不是对称的，细胞膜内外侧面的成分因而有所不同：胞质面含有较多的磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine），细胞外液面含有糖脂。脂质的这种不对称分布与膜蛋白的定向分布功能活动、膜两层上的电荷分布数量、流动性变动等均有密切关系。

几乎所有的蛋白质均呈折叠状态，以使其主要的非极性氨基酸残基区域同其极性区域相互分开。贯穿膜全长的膜整合蛋白质（integral protein）通常占膜蛋白的70%～80%，主要借疏水效应插入脂质双层。有些蛋白质几乎完全存在于脂质双层之间，可脱离锚区，在膜内变成完全主动的可溶蛋白质。分布于脂质双层表面的外周蛋白质（peripheral protein）通过静电力或范德瓦尔斯力（van der Waals force）与膜结合，占膜蛋白的20%～30%。

整合蛋白质的非极性氨基酸残基与脂质双层疏水核心相接触的部分，由于排除了水分子，多肽分子本身形成氢键的趋向大大增强，因而往往以α螺旋或β螺旋，特别是α螺旋的形式存在。由于α螺旋的肽架形成一种氢键核心，螺旋节段的表面特性主要由氨基酸侧链来决定。一个足以跨越脂质双层的α螺旋长度需要18～21个残基，只是为了锚住蛋白质用的单个节段主要由疏水的氨基酸残基构成。

脂质双层的双向流动液态结构使蛋白质能在其中迅速扩散，进行垂直旋转和侧向移动，但不能进行从外层翻向内层或从内层翻向外层的翻转运动。某些神经递质和激素与其受体的相互作用可调制受体对换能器蛋白质（transducer protein）的亲和力，进而影响换能器蛋白质与效应器蛋白质（effector protein）的相互作用，这些相互作用均需在膜双层中进行侧向扩散。细胞膜表面上的膜整合蛋白质的分布，可由于同外周蛋白质的特异相互作用而不同程度地受到约束，有些膜蛋白质通过细胞骨架蛋白质的网络分布于不同区域。

受体（receptor）必须与特异配体具有高度的亲和力，并以触发跨膜信号活动构象变化对配体的结合发生反应。细胞内固醇类激素受体也具备膜受体的这种双重特性。受体介导的跨膜信号活动的基本机制有三种：①配体调节的离子通道；②配体调节的受体酶；③配体调节的受体-G蛋白激活。其结构基础分别与配体调节的寡聚体离子通道、配体调节的酪氨酸激酶和G-蛋白联结的视紫红质相关受体等三大受体家族有关。

与离子通道耦联的配体门控性受体族的成员包括烟碱型乙酰胆碱受体（nicotinic acetylcholine receptor，n-AChR）、GABAa受体、甘氨酸受体、5-HT ₃受体、海人藻酸、使启子酸和N-甲基-D-天冬氨酸等兴奋性氨基酸受体以及ATP受体等。

与离子通道耦联的受体中，n-AChR是第一个被纯化并用重组DNA技术阐明一级结构的受体。典型的n-AChR是由α ₂βγδ等5个亚单位组成的，类似梅花瓣样的杂合五聚体，分子量接近280kD。每个亚单位由400余个氨基酸组成，共同围成一个对称轴心或中心腔，静息时关闭，激活时开放，直径达65nm，允许Na ⁺通透。每个亚单位的肽链均有4～5个跨膜功能区，称为M ₁～M ₄或M ₁、M ₂、M ₃、A、M ₄。每个跨膜节段均由疏水性很强的氨基酸组成，参与Na ⁺通道形成，所有这些跨膜功能区均在200位残基之后出现。180～200位氨基酸与激动剂和拮抗剂的特异结合有关。128位和145位半胱氨酸形成二硫键，形成一种发针式环。M ₂功能区的β和γ链上的残基是铺在通道内里的序列，有丰富的苏氨酸和丝氨酸残基，使通道衬里呈亲水性，有助于离子流通过，其构象变化对通道启闭至关重要。

与G蛋白耦联的受体族的成员与日俱增，已不下30余种，如毒蕈碱型乙酰胆碱受体（muscarinic acetylcholine receptor，m-AChR）、肾上腺素受体（α ₂AR、β ₁AR、β ₂AR）、多巴胺受体（D ₂DAR）、5-羟色胺受体（5-HT ₁AR、5-HT ₁CR、5-HT ₂R）、P物质受体、K物质受体（SPR、SKR）、神经肽类受体、组胺受体、腺苷受体等。

分子克隆结果显示这类受体也具有许多共同的特征。首先，这些受体的氨基酸排列顺序非常近似。其次，所有这些受体均有7个疏水区，形成Ⅰ～Ⅶ等7个跨膜的α螺旋结构；每一跨膜区均由20～25个疏水性很强的氨基酸组成，将受体嵌入膜内，再由亲水性氨基酸序列将它们联结起来。第三，这些受体与配体特异结合的部位不是在细胞外表面，而是陷入细胞膜内。第四，这类受体的N末端较短，面向细胞外，上面有2个加糖基的部位；C末端较长，伸入细胞内，有丰富的丝氨酸和苏氨酸残基，可供磷酸化。第五，这一受体家族不同成员之间的差别主要在于细胞外的N末端和细胞内的C末端以及环状结构。最后，所有这些受体均通过与G蛋白的相互作用，实现信息的跨膜转导，其激活过程较慢（100～250ms）。由于G蛋白性质的不同，受体与G蛋白相互作用的结果可导致腺苷酸环化酶抑制或兴奋、磷酸肌醇水解、或引起K ⁺通道或其他离子通道的激活。一般认为Ⅱ区的天冬氨酸参与配体结合，Ⅴ～Ⅵ跨膜节段的胞内亲水序列则可能与G蛋白结合。

这类受体亦称生长因子型神经肽受体，如神经生长因子受体、上皮生长因子受体、血小板生长因子受体以及胰岛素受体等。这些受体均由单一的肽链组成，受体的细胞外部分识别配体并与其特异结合；受体的细胞内部分则具有激酶活性，使受体自身的酪氨酸残基磷酸化，从而发挥其特定的调节作用。

除上述三类受体家族外，尚有与鸟苷酸环化酶耦联的受体，如心房肽，也由单一的肽链构成，其细胞外的配体识别部位，通过一个单螺旋与细胞内的环化酶相连，进而影响cGMP水平。

神经元信号活动取决于膜电位的迅速变化。动作电位过程中，膜电位的变化快达500V/s。如此迅速的膜电位变化需通过离子通道（ion channel）才有可能实现。离子通道大多具有传送离子和识别并选择离子种类等重要特性。有一些离子通道总是处于开放状态，允许离子随时出入，不受有关外界信号控制，这些通道属于被动的非门控性通道。但大多数离子通道在电压、化学和机械性信号作用下才处于开放状态，属于主动的门控性通道。电压门控的离子通道至少有2种Na ⁺通道、4种K ⁺通道以及3种Ca ²⁺通道（表1-4-1）。新近还发现，通过G-蛋白与受体耦联，从而作为G-蛋白效应器的离子通道。

河豚毒（tetrodotoxin，TTX）和蛤介毒（saxitoxin，STX），可以作为分子探针，以1∶1的形式与Na ⁺通道结合，测定通道蛋白质。用非离子去垢剂溶解可兴奋膜，可释出Na ⁺通道。再用色谱技术根据大小、电荷及与碳水化合物共价附着的成分，将糖蛋白分离出来，借以提纯通道。利用这些技术已从电鳗的电器官和哺乳动物的脑和肌肉中提纯了Na ⁺通道。

完整细胞膜与人工提纯的共价标记的Na ⁺通道的主要成分是分子量为260kD的大糖蛋白。电器官的糖蛋白是唯一的蛋白质成分，但哺乳动物脑的糖蛋白作为α亚单位尚带有两个多肽：β ₁分子量为36kD、β ₂为33kD。脑Na ⁺通道α亚单位是一种跨膜的多肽，其外表面的位点与碳水化合物链附着，并可与神经毒结合；其细胞内表面上的位点，通过cAMP依赖性蛋白质激酶，进行磷酸化。β ₁和β ₂亚单位因高度糖基化而位于细胞外表面。

β ₁亚单位位置也可靠近与毒素结合的位点，并可被共价标记。β ₂亚单位通过一个二硫键，共价地附着在α亚单位上。β亚单位是膜整合蛋白质，与脂质双层发生相互作用。大α亚单位由1 800～2 000个氨基酸组成，并含有高于50%同源的4个重复的功能区。每一功能区含有300个氨基酸，S ₁～S ₆等6个节段，形成跨膜的α螺旋。4个功能区由相对亲水的氨基酸序列连接，形成通道壁。

与n-AChR和Na ⁺通道不同，K ⁺通道的特异标记毒素尚未被发现。利用分子生物学技术已从果蝇基因组分离出cDNA克隆，证明这种cDNA决定快K ⁺通道（IA）的多肽结构，可在爪蟾卵母细胞中表达，并显示IA的所有生理学和药理学特性。这种多肽的分子量约为700kD，由616个氨基组成。也具有6或7个跨膜节段，类似Na ⁺通道4个功能区当中的一个。快K ⁺通道的120个氨基酸节段（304～435位）有27%与Na ⁺通道的节段（1 360～1 496位）是同源的。同源区的中心位于Na ⁺通道中富含精氨酸并参与电压门控的区域，该区域中疏水与亲水残基的交替排列方式也酷似Na ⁺通道同源功能区的S ₄节段。实际上Ca ²⁺通道的构造也是如此。人们于是开始考虑，快K ⁺通道在进化上既与Na ⁺通道又与Ca ²⁺通道有关；但快K ⁺通道更为古老，可能代表通道的祖代为蛋白质，而Na ⁺和Ca ²⁺通道则通过基因复制从快K ⁺通道进化而来。

G蛋白构成一个具有共同构造的大家族，主要影响膜酶活动，进而导致细胞内信息物质（cAMP、cGMP、IP ₃）变化，实现对细胞功能的调节。腺苷酸环化酶（AC）和cGMP、磷酸二酯酶（PDE）等膜酶已被确认为G蛋白的效应器；磷脂酶C（PLC）、磷脂酶A ₂（PLA）和磷脂酰肌醇磷脂看来也是G蛋白的效应器。

电压门控性Na ⁺、K ⁺、Ca ²⁺等离子通道均是具有共同结构的大家族成员，也均是G蛋白激活的上述膜酶效应器（AC、cGMP、PDE、PLC或PLA）所生成的胞质信使的下游靶标。但是离子通道同膜酶一样，作为G蛋白效应器的发现也只是近几年的事情。迷走神经释放出的ACh作用到心房肌和心节律细胞上的m-AChR，导致K ⁺通道开放，使细胞超极化，减慢细胞的节律性去极化。但是，这种膜电位或膜电流变化，在施加乙酰胆碱（ACh）后，需经过一段延搁，才能出现，从而提示m-AChR与K ⁺通道之间可能需通过G蛋白介导。

提纯的Na ⁺-K ⁺ATP酶由两种不同的等克分子比值（equimolar ratio）的多肽亚单位以及少量脂质构成。其可能的寡聚构造是α ₂β ₂，分子量约为270kD。转运离子的ATP酶一般需要磷脂维持其适宜的活性。每分子Na ⁺-K ⁺ATP酶需要100到200个磷脂分子。脂质酰基链的液态性也能调制Na ⁺-K ⁺ATP酶的活性；带负电荷的脂质头部，对Na ⁺-K ⁺ATP酶具有促进作用。脑中的Na ⁺-K ⁺ATP酶有3种形式，约有85%的序列具有相似性，主要的区别在氨基端。

转运几种阳离子的ATP酶，包括Na ⁺-K ⁺ATP酶，肌质网Ca ²⁺-ATP酶以及胃H ⁺-K ⁺ATP酶，具有构造相似性。其转运机制也是一种天冬氨酸残基在不同阶段转为磷酸化构象和去磷酸化构象的周期。Ca泵即Ca ²⁺-ATP酶的作用是维持细胞内Ca ²⁺的低浓度。Ca ²⁺-ATP酶含有一个钙调节蛋白（calmodulin）亚单位。细胞内液中Ca ²⁺浓度升高时，钙调节蛋白上的4个Ca ²⁺结合位点即与Ca ²⁺结合，产生变构效应，激活Ca ²⁺-ATP酶，将Ca ²⁺泵到细胞外。Ca ²⁺-ATP酶占肌质网蛋白质含量的80%。分子量为100kD，其胞质面对Ca ²⁺具有非常高的亲和力，易将胞质中的Ca ²⁺转移到肌质网中。每消耗一个ATP可转运2个Ca ²⁺，同时可能逆向转运一个Mg ²⁺。ATP依赖性质子泵即H ⁺-ATP酶见于高尔基终池膜、溶酶体、笼型蛋白（clathrin）包被的囊泡（包括突触前囊泡）、多肽激素贮存囊泡以及儿茶酚胺贮存囊泡。突触膜也可含有质子泵。质子泵的作用是将质子从胞质泵入囊泡，溶酶体膜上的质子泵可使溶酶体内质子浓度比胞质高1 000倍以上，维持pH 4.5～5.0。

神经元由含有脂质和蛋白质的膜包绕。脂质作为一种液态密封剂，虽是柔韧的，但对极化分子却是一种不可逾越的屏障。疏水性物质可溶于膜脂质，并几乎完全以液态烃相的形式从膜的一侧扩散到另一侧。蛋白质的存在使膜具有受体、载体、离子通道、泵或酶等功能活动。膜脂质是多形的，随温度、压力、离子强度和组成的不同，可以各种不同的形式存在。神经元细胞膜的脂质，同其他膜一样，大多呈层状液晶相。脂质双层构成膜的结构框架，既有侧向的不均匀性和不对称性，也有横向的不对称性。许多膜蛋白可穿通脂质双层全长，称为整合蛋白质。整合蛋白质也以不对称的方式插入膜内，与脂质双层直接作用。整合蛋白质至少含有一个α螺旋的疏水氨基酸序列，与脂质双层的疏水核心形成疏水键，可被去垢剂溶解。另一些膜蛋白称为外周蛋白质，以静电结合和疏水性非共价键相互作用的形式，结合在膜的表面，可以通过改变pH、离子浓度或螯合二价阳离子等方式，将其从膜逐出。

膜表面的受体蛋白质介导神经元与其周围环境之间的相互作用，既可决定细胞的粘连特性，更可参与信号-反应系统（signal-response system）。大多数受体属于一个结构相似但功能各异的蛋白质大家族。与细胞外配体结合的受体通过不同方式引起细胞反应。有些受体本身即是蛋白激酶，另一些是离子通道。还有一些受体与G蛋白结合并使之激活，进而影响其他细胞过程，如磷脂酰肌醇磷脂分解。包括Ca ²⁺通道在内的Na ⁺、K ⁺等3种电压门控的离子通道均遵循共同的结构原理。快K ⁺通道是由616个氨基酸组成的一种多肽，有6或7个跨膜区。Na ⁺和Ca ²⁺通道的蛋白质均比快K ⁺通道大3倍，均有约1 800个氨基酸，均具有4个功能区，每一功能区均与快K ⁺通道的单一功能区相当类似。如同快K ⁺通道一样，每一功能区均有6个跨膜节段，而且也如快K ⁺通道一样，在S ₄节段高度极化，可作为电压传感器。除电压门控性离子通道外，还存在配体门控性离子通道以及作为G蛋白效应器的离子通道。Na ⁺-K ⁺泵、Ca ²⁺泵、质子泵等均是ATP依赖性，具有相似的分子结构，在进化上具有密切关系，是维持细胞内离子浓度和pH的重要转运系统。