神经元细胞膜的一个主要功能是在膜两侧水相之间提供一种具有选择性的通透屏障。神经元细胞膜的脂质双层对于无机离子是一个极有效的屏障，但允许非极性溶质不同程度地通透。有机离子或无机离子与有机离子的螯合物，由于其疏水性，可经由脂质双层通过膜。除非通过蛋白质介导的过程，小的溶质分子必须通过脂质双层始能出入细胞。分子通过脂质双层必须①进入膜内，克服任何界面阻力或自由能屏障；②经由脂质双层扩散；③在膜的另一侧出现，再次克服界面阻力，这个过程的每一步骤均属速率限制性的。大多数非电解质通透脂质双层的通透性可用溶解-扩散模型（solubility-diffusion model）分析，其通透速率决定于有关溶质在脂质中的可溶性与扩散能力。溶质由厚度为d的膜的一侧到另一侧的净通量 F（flux）表示，单位为mol/（s•cm ²）：

式中 C ₁、 C ₂分别为膜两侧水相中的溶质浓度， P为通透系数。

式1-5-1的形式与电路的欧姆定律类似，浓度差（Δ C）与电压（ V）相似是驱动力量，溶质通量相当于电流（ I），通透性倒数（ I/P）相当于通量的电阻（ R），从而通透系数相当于电导（conductance， g）。

大多数溶质须通过蛋白质或转运体（transporter）的介导才能通过膜。其中，离子通道的构造允许离子以极高的速率（10 ⁶～10 ⁸离子/min）通过膜，但转运体的速率则慢几个数量级。被动转运体只是简单地促进溶质顺浓度梯度扩散；主动转运体则利用自由能驱动溶质逆浓度梯度转运。膜转运（membrane transport）机制选择性地控制着细胞内及其紧邻细胞外环境中的离子和物质浓度。跨膜的离子梯度构成一种势能的主要贮备，可用于许多不同的目的。由离子浓度差产生的电位对神经元的主要功能（如以跨膜离子流扩布的神经元信号的产生）是至关重要的。

溶质分子由高浓度向低浓度区的净移动称为扩散（diffusion）。参与任一溶质分子扩散的自由能（free energy）变化（Δ G）可由下式予以计算：

式中 R为8.3J/绝对温度（ K）； T为绝对温度（ K）， C ₂- C ₁为可通透膜两侧的溶质浓度。由于细胞膜分隔电荷，因此带电荷的溶质的转位将产生电位以及化学浓度梯度，因而与电位有关的自由能变化为：

式中 Z为原子价， F为法拉第常数（23.500cal•V ^-1•mol ^-1）， V为以 V为单位表示的跨膜电位差。综合考虑变化的梯度与1mol带电荷溶质运动有关的自由能变化最低值，为式1-5-3、式1-5-4的和。

如果化学成分与电学成分不相等并且符号相反，则ΔG即不等于零，此时需靠某些其他升压过程做功来维持稳态。单位时间所需做功的量（功率）与溶质沿电化学梯度扩散的速率成正比。维持Na ⁺和K ⁺稳态电化学梯度所完成的功或Na ⁺和K ⁺梯度的ΔG的总和为

式中的下标o和i分别表示细胞外与细胞内。假定Na ⁺和K ⁺浓度梯度的数值为

则1mol Na ⁺、K ⁺交换的ΔG约为15.9kJ，一个ATP高能磷酸键水解可获得约50kJ/mol，因而1mol ATP水解成ADP和Pi，可使约3mol的阳离子交换。实际上，许多组织制备最常观察到的比值为3Na ⁺∶2 K ⁺∶1ATP。

神经元细胞膜上的离子通道为离子或分子沿电化学梯度进行扩散提供水性通路，每毫秒可通过数千个离子。由于通道与有关的离子或分子之间相互作用不强，因而通道的选择性只限于分辨离子的大小和电荷，通道的电导（ g＝1 /R）与电化学梯度成正比。

转运蛋白质则与它们的底物形成高度特异的复合物。这种相互作用使蛋白质构象转换，在膜的另一侧将底物释放。这种转运过程常耗时数秒，且只转运少量的分子或离子底物。转运速率与底物之间的关系，如同酶的结构那样，可用饱和动力学予以描述。当底物浓度高至某一水平，使所有可供利用的转运蛋白质均处于工作状态时，即达到饱和。

分子或离子通过膜的选择性转运，也可在不与任何其他底物耦联的情况下发生。这种过程称为易化转运或非耦联转运（facilitated or uncoupled transport）。D-葡萄糖靠构型选择性进入神经元即是易化转运的典型例子。与一种相应的转运底物结合即足以引起一个非耦联周期；底物通过膜传递过去，未被占据的转运结合位点复原到其原来的方位。

继发性或通量耦联性转运（secondary or flux-coupled transport）过程转运某一种分子或离子，必定与转运另一种分子或离子相耦联。根据两种转运事件的相对方向，这种转运过程分为同向转运或反向转运（symport or antiport）。许多重要的营养物质通过同向转运系统积累。数种神经递质的重摄取系统是与Na ⁺流入神经元相耦联的同向转运系统。耦联转运时，两种底物必须同时或依次具备。同向或反向转运时，底物分别在膜的同一侧或膜的两侧。某些继发性转运系统也可转运两种以上的底物，如Na ⁺-K ⁺-2Cl ^-同向转运系统。

原发性主动转运（primary active transport）过程是指一种以上底物转运同时伴有一种化学反应，为有关底物的浓度积累提供自由能。动物中所有已知的原发主动转运系统均转运H ⁺、Na ⁺、K ⁺和Ca ²⁺等阳离子。大多数细胞的Na ⁺、K ⁺原发转运系统的主要作用是贮备代谢能，然而H ⁺泵和Ca ²⁺泵则经常对细胞内pH和[Ca ²⁺] _i起调节作用，然后再回过头来对其他细胞功能进行调控。

排Na ⁺蓄K ⁺的过程需要ATP，并特异地受强心苷（如哇巴因，ouabain）的抑制。构成这一分子结构的蛋白质可按ATP酶活性予以测定，称为Na ⁺-K ⁺ATP酶。不同组织对排Na ⁺蓄K ⁺的需求差别很大，Na ⁺-K ⁺ATP酶的活性和Na ⁺、K ⁺通量的绝对值变异范围很大。

Na ⁺、K ⁺梯度做功所需要的能量由ATP水解来提供。在稳态条件下，Na ⁺-K ⁺泵水解ATP的速率等于Na ⁺进入细胞的速率。然而，泵的速率在生理条件下可由[Na ⁺] _i和[K ⁺] _o调节。[Na ⁺] _i通常低于占据Na ⁺-K ⁺泵内部Na ⁺位点50%所需要的量；但[K ⁺] _o却足以最大限度地占据泵外K ⁺位点。因此，泵的速率对[Na ⁺] _i比对[K ⁺] _o更为敏感。

脑阳离子泵的能量需求与电活动、细胞成分的几何构筑、髓鞘形成等三个主要因素有关。动作电位过程中阳离子的通量比静息状态高2～3个数量级。当神经元以10～100次/s的频率进行活动时，Na ⁺-K ⁺泵的速率须增加2.5～25倍才能维持稳态。细胞膜面积对柱形体或球形体体积的比值随直径的减少而增大。因而轴突和小细胞的单位面积给定通量的ΔG相对较大。有髓鞘轴突发生动作电位时，在郎飞结下面的轴膜发生完全去极化，因此有髓鞘轴突与动作电位有关的单位长度离子通量通常要比同等直径的无髓鞘轴突低。

与Na ⁺-K ⁺泵有关的ATP酶活性实际包括泵蛋白质的天冬氨酰残基的Na ⁺依赖性磷酸化与随后的酰基磷酸酶K ⁺依赖性水解两个过程。两者均是将代谢能导入泵活动的分子事件。只有3Na ⁺已与膜胞质侧结合位点结合之后，才发生ATP对酶分子的起始磷酸化。E1～P构象期间，磷酸化是可逆的，即蛋白质酰基磷酸的能态与ATP磷酸键的能态类似。然而，磷酸化却使泵向E2-P状态快速转换，即Na ⁺在细胞外从此状态解离，K ⁺随即与E2-P结合，酰基磷酸开始水解，使E2不稳定，自发地转换到E1，将K ⁺带入细胞，当K ⁺解离，ATP结合的下一周期开始时，该周期即已完成。

神经元内各区之间的物质转运和分布以轴突转运的形式进行。通常在胞体合成的物质，通过胞体与末梢之间的顺向转运（anterograde transport）过程转运到末梢。末梢吸收或可重新利用的物质，通过由末梢到胞体的逆向转运（retrograde transport）过程转运到胞体。不同方向的顺向或逆转运，其本身的速率快慢不一，不同速率的转运其转运的物质成分亦有所区别。

轴突转运（axonal transport）的速率可以快到300～400mm/d，慢到0.2～1mm/d。快速转运的成分主要是与膜有关的物质，而大多数慢速转运的成分则为可溶性成分。用聚丙烯酰胺凝胶（polyacrylamide gel）电泳分析沿轴突转运的标记多肽时发现，从胞体向外周转运的物质可区分5种速率，每一速率成分为一类多肽。根据每一速率成分有关的多肽鉴定的结果，提出结构假说（structural hypothesis），对轴突转运作出新的说明。结构假说认为，沿轴突转运的乃是各种不同的亚细胞结构而不是个别的分子（表1-5-1）。快速率成分只是包裹在囊泡、线粒体等膜性亚细胞器内或含于这些亚细胞器管腔内的蛋白质。慢速率成分则为构成微管、微丝等细胞骨架的蛋白质或与细胞骨架有联系的蛋白质。尽管这5种不同速率的成分已经鉴定清楚，但原来的快速（fast transport）与慢速转运（slow transport）分类概念依然有用。所有与膜有联系的蛋白质均作为快速转运成分在运动，而胞质蛋白质则作为慢速转运成分在运动。

快速转运的物质，包括膜蛋白与分泌蛋白以及膜磷脂、胆固醇和神经节苷脂，它们虽只构成转运物质总量的一小部分，但却需要利用轴突转运能量总量的相当大的一部分。根据结构假说可以推测，这种转运是通过将快速转运的物质包装到细胞器内来完成的，而不是单纯地作为特异的分子来转运。顺、逆向快速转运在这一点上是共同的。两者的转运速率也相近，最快的逆向转运速率几乎达到顺向转运的速率。

电镜检查表明，顺、逆向快速转运之间的主要区别是它们转运的细胞器的性质。顺向转运的细胞器主要是囊胞和囊胞小管构造，大小恒定，直径相当于50～80nm，而逆向转运的细胞器则较大，大小及形态均变化多端，直径从100～500nm不等。有一种逆向转运的细胞器属多囊胞性小体，在一个管腔内含有无数的囊胞。实际上，所有经逆向转运的细胞器均酷似溶酶体样或前溶酶体样构造。

逆向转运除向胞体转运经过重新环化的突触前末梢囊泡外，也能转运末梢摄取的外源性物质，这是逆向转运的另一重要特点。借助逆向转运，神经生长因子以及其他神经营养物质可以到达其各自神经元内的作用部位。神经毒和病毒也可经逆向转运进入神经系统。HRP、铁蛋白（ferritin）以及各种荧光素或放射标记的凝集素等实验用大分子，也可通过逆向转运，追踪神经通路。许多这类大分子在突触前膜与膜表面的糖蛋白结合并最后到达胞体。

快速转运看来是一种连续的活动，与刺激无关。然而在刺激神经的条件下，蛋白质合成增加，快速转运蛋白质增多，虽不改变转运速率，但快速转运系统的能力可增高。快速转运还对轴突的功能状态发生反应。神经切断初期和神经再生时，快速转运均可出现相应的特异变化，许多转运蛋白质可增多数倍，一小部分与生长有关的蛋白质（growth-associated protein，GAP），其酸性快速转运蛋白质可增加100倍。GAP与生长锥的生长和突触末梢形成有关。一旦突触接触形成之后，GAP即下调，但至少有一种GAP仍继续参与成熟神经的突触调制。

通过凝胶电泳与放射线自显影技术，已观察到3种速率显著不同的慢速转运成分（表1-5-1）。最慢的一种称为慢成分a（slow-component a，SCa），以0.01～1mm/d的速率运动，50%～80%只有5个多肽，其中两种已被鉴定为α和β微管蛋白，余下的3种多肽（200kD，145kD和68kD）是细胞骨架结构的亚单位。对于慢速转运中速率最快的（fast-component，FC）多肽，目前了解甚少。慢成分b（slow-component b，SCb），以2～4mm/d运动，成分相当复杂，包括肌纤蛋白（actin）、笼形蛋白、血影蛋白（spectrin）以及酶类等200种以上不同的多肽或蛋白质。

神经元的生存与活动有赖于神经元内环境的稳定和内成分的运动，二者分别通过膜转运和轴突转运实现。

膜转运过程涉及：①水在神经元两侧的渗透平衡；②非极性有机离子经脂质双层的转运；③大多数极性离子通过膜蛋白质介导的转运。根据耗能与否，膜转运有被动与主动之分。被动转运指不耗能的溶质分子顺浓度梯度的扩散，其通量相当于欧姆电路中的电流，为浓度差和通透系数的乘积，总能量变化为电、化学梯度有关的自由能的和。主动转运指耗能的溶质分子逆浓度梯度的转运。有些主动转运的溶质通量还与电子转运或离子协同转运相耦联。主要的原发性主动转运系统是Na ⁺-K ⁺泵，通过其构象的转换实现Na ⁺、K ⁺的耦联转运。ATP的一个高能键水解提供的能量可泵出3个Na ⁺和泵入2个K ⁺。

神经元内各区之间的物质分布通过轴突转运，既有由近及远的顺向转运，也有由远及近的逆向转运，分别相当于分泌活动的第一步和最后一步。轴突转运的速率可以高达300～400mm/d，也可慢到0.2～1mm/d。快速率成分主要是与膜有关的，包裹在膜性亚细胞器内的蛋白质；慢速率成分则为构成微管、微丝等细胞骨架蛋白或与之有关的蛋白质。