二、细胞膜的跨膜物质转运方式

细胞膜的物质转运作用是细胞维持正常代谢，进行各项生命活动的基础。新陈代谢过程中，不断有各种各样的物质进出细胞，这些物质中除极少数脂溶性的能够直接通过脂质层进出细胞外，大多数小分子物质或离子的跨膜转运都与镶嵌在膜上的蛋白质分子有关，这些小分子或离子的跨膜转运根据其是否顺电-化学梯度、是否消耗能量，分为被动转运和主动转运两大类。而某些大分子物质和物质团块通过细胞膜时与伪足形成、膜暂时断裂和再融合等更为复杂的生物学过程有关。

（一）被动转运

溶液中的所有物质粒子都处于不断的热运动中，将含有同种物质的两种不同浓度的溶液放在一起，溶液中的粒子由高浓度向低浓度方向移动，这种现象称为扩散（diffusion）。物质跨细胞膜的扩散受温度、膜两侧该物质的浓度差及膜对该物质通透的难易程度（即通透性）影响。膜的通透性是物质扩散的先决条件，浓度差是扩散的动力。带电粒子（离子）的扩散速度还受到膜两侧电场力的影响。细胞内、外液为含有多种溶质的溶液，各种溶质的扩散方向与扩散量主要取决于各溶质的浓度差。物质顺浓度差扩散、不需要消耗能量的转运方式称为被动转运（passive transport）。被动转运分为单纯扩散和易化扩散两种形式。

1.单纯扩散　由于细胞膜是以脂质双分子层为骨架，根据相似相溶原理，只有脂溶性的物质分子才能直接跨膜扩散。脂溶性物质顺浓度差的跨膜转运，称为单纯扩散（simple diffusion），如体内O2、CO2、类固醇激素等物质就是通过这种方式进行转运的。

2.易化扩散　体内非脂溶性或脂溶性很小的物质，不能直接跨膜转运，但它们在细胞膜中特殊蛋白质的协助下，也能顺浓度梯度跨膜转运，这种转运形式称为易化扩散（facilitated diffusion）。根据参与转运的蛋白质不同，易化扩散可分为由通道介导和载体介导两种不同类型。

（1）通道介导的易化扩散　细胞内、外液中的带电离子通过镶嵌在细胞膜上的蛋白质分子中的水相通道顺浓度梯度和（或）电位梯度进行扩散称为通道介导的易化扩散。这种能使离子跨过膜屏障进行转运的蛋白质称为离子通道（ion channel）。不同通道有各自的离子选择性，故被分别命名为Na+通道、K+通道、Ca2+通道等。

离子跨膜扩散的动力来自膜两侧离子浓度差和电位差（亦称电-化学梯度）所形成的扩散势能。离子扩散的条件是离子通道必须开放。离子通道在未激活时是关闭的，在一定条件下“门”被打开，才允许离子通过，这一过程称为门控过程，时间一般都很短，以数个或数十个毫秒计算。门控离子通道分为三类。一类是电压门控通道（voltage-gated channel），它们在膜电位改变到某一水平时开放，因此也称为电压依从性门控通道，如神经元上的Na+通道。另一类是配体门控通道（ligand-gated channel），它们受膜环境中某些化学物质的影响而开放，因而也称为化学门控通道（chemically-gated channel）。一般来说配体来自细胞外液，如激素、递质等。已知N2型乙酰胆碱（ACh）受体本身包含Na+、K+通道，当ACh与受体结合时，通道开放，Na+、K+同时扩散转运。还有一类称为机械门控通道（mechanically-gated channel），当膜局部受牵拉变形时被激活，如触觉的神经末梢、听觉的毛细胞等存在这类通道。

水的跨膜转运由渗透压差所驱动。由于细胞膜由脂质双分子层组成，脂质分子间的间隙很小，对水的通透性非常低，所以大部分细胞水的跨膜转运速率非常缓慢。但在某些组织，如小肠黏膜、肾小管等，水能快速跨膜转运，其机制与细胞膜上存在的被称为水通道（water channel）的特殊膜蛋白结构有关。

（2）载体介导的易化扩散　葡萄糖、氨基酸等水溶性小分子物质在载体蛋白介导下顺浓度差的跨膜转运称为载体介导的易化扩散。介导这一过程的膜蛋白是载体蛋白，它们具有一个至数个与某种被转运物质特异性结合的位点，当与某种物质分子选择性地结合时，载体蛋白的变构作用使被结合的底物移向膜的另一侧并解离。

载体介导的易化扩散具有以下特点：①结构特异性：即每一种载体蛋白只能转运具有某种特定化学结构的物质。②饱和现象：在浓度差较小的范围内，载体蛋白跨膜转运某一物质的量与该物质的浓度差成正比；但当物质浓度增加到某一限度时，由于载体蛋白分子的数目和载体分子中能与转运物结合的位点的数目是有限的，因此转运该物质的能力不再增加，即出现饱和现象。③竞争性抑制：若某一载体蛋白对A和B两种结构相似的物质都有转运能力，在提高B物质浓度时将会减少载体蛋白对A物质的转运数量。

（二）主动转运

细胞膜通过耗能将某些物质逆浓度差和（或）逆电位差跨膜转运，称为主动转运（active transport）。主动转运消耗的能量几乎都是由ATP水解提供的。介导主动转运的膜蛋白称为离子泵（ion pump）。

细胞膜上存在着一种“钠-钾泵”（sodium-potassium pump），简称钠泵。钠泵的作用是逆浓度差把细胞内的Na+移出膜外，同时把细胞外的K+移入膜内，因而形成和保持了Na+、K+离子在膜两侧的特殊分布，这种分布对维持细胞正常的兴奋性是必不可少的。钠泵是膜的脂质双分子层中镶嵌着的一种特殊蛋白质，它本身具有ATP酶的活性，可以分解ATP释放能量，驱动Na+、K+进行主动转运，因此，钠泵又称为“Na+-K+依赖式ATP酶”。它是由α和β亚单位组成的二聚体蛋白质，其中α亚单位是催化亚单位，转运Na+、K+和促使ATP分解的功能主要由这一亚单位完成；β亚单位是一种糖蛋白，其作用目前还不太清楚。钠泵活动时，它泵出Na+和泵入K+两个过程是耦联在一起进行的。一般情况下，每分解1分子ATP，可泵出3个Na+，同时泵入2个K+（图2-2）。由于钠泵的这种活动使细胞外正离子净增而使电位升高，因此也将钠泵称为“生电钠泵”。

钠泵活动的生理意义是：①钠泵活动造成的胞内高K+是胞质内许多代谢过程的必需条件。②钠泵将Na+转运出细胞，对维持细胞正常的渗透压和容积有一定意义。③钠泵逆浓度差和电位差进行转运，建立起势能贮备，这种势能是细胞内外Na+和K+等物质顺着浓度差和电位差转运的能量来源。

主动转运是人体最重要的物质转运形式。除钠泵外，目前了解较多的还有钙泵、H+-K+泵等，这些泵蛋白在分子结构上和钠泵类似，都以直接分解ATP作为能量来源，将有关离子逆浓度差和（或）电位差跨膜转运，称为原发性主动转运（primary active transport）。

在主动转运中，由于钠泵作用形成的势能贮备为某些非离子物质进行跨膜主动转运提供能量来源，因而把这种间接利用ATP能量的主动转运称为继发性主动转运（secondary active transport）或称为协同转运。小肠上皮、肾小管上皮对葡萄糖、氨基酸等营养物质的吸收就属于继发性主动转运。小肠腔内葡萄糖必须与Na+一起与协同转运体结合，伴随着Na+由上皮细胞的管腔膜进入细胞内而逆浓度差被吸收。Na+之所以能跨管腔膜进入胞内，是由于在细胞的基侧膜上有钠泵存在，依靠钠泵的活动将胞内的Na+转运到细胞外液中，造成胞内Na+浓度低于肠腔液中的Na+浓度，于是Na+能不断由肠腔液顺浓度差进入上皮细胞，由此释放的势能则用于驱动协同转运体将葡萄糖分子逆浓度差转入细胞内。被转运的物质分子与Na+移动方向相同的称为正向协同转运（同向转运），方向相反的称为反向协同转运（逆向转运）。

（三）胞纳与胞吐

细胞对于大分子物质或物质团块的转运则要通过膜的更为复杂的结构和功能变化来完成，此转运过程需要耗能，也是一种主动转运，可分为胞纳与胞吐两种方式。

胞纳（endocytosis）是指细胞外的大分子物质或某些物质团块（如细菌、病毒、异物、血浆中的脂蛋白颗粒、大分子营养物质等）进入细胞的过程。如果进入细胞的物质是固体，称为吞噬（phagocytosis）作用；如进入的物质为液体，称为胞饮（pinocytosis）作用。胞纳进行时，首先是细胞周围的某些物质被细胞膜所“接触”，然后引起和异物接触处的细胞膜发生内陷或伸出伪足包绕异物，继而出现膜结构的融合和断离，形成囊泡，最后异物连同包被它的那部分膜整个进入胞内。有些大分子物质如低密度脂蛋白，以及多肽激素、抗体、细菌毒素、病毒进入细胞必须先被膜上特异性受体（一种镶嵌蛋白质）识别并与之结合，然后通过膜的内陷形成囊泡，囊泡脱离膜而进入细胞内。通常将这种胞纳方式称为受体介导的胞纳作用。

胞吐（exocytosis）是指物质由细胞排出的过程。胞吐主要见于细胞的分泌活动，如神经末梢释放神经递质、内分泌腺分泌激素、外分泌腺分泌酶原颗粒和黏液等。不同细胞的各种分泌物大多在粗面内质网中合成，然后在高尔基复合体中加工，在输送过程中，逐渐被膜性结构包被形成分泌囊泡，囊泡再逐渐移向质膜内侧特定部位，暂时贮存。当膜外的特殊化学信号或膜两侧电位的改变，促使局部膜中Ca2+通道开放，引起Ca2+内流，触发囊泡逐渐向质膜内侧移动，囊泡膜和质膜接触继而融合，并在融合处出现裂口，一次性将囊泡内容物全部排出，而囊泡的膜则变成细胞膜的组成部分。