第八章 生物体中的碱金属和碱土金属及其跨膜运送
教学目标及基本要求
熟悉被动运输、主动运输、膜泡运输概念。了解钠钾泵、钙离子泵、质子泵作用机理。 教学重点
钠钾泵、钙离子泵、质子泵。
教学难点
协同运输、胞内膜泡运输。
教学方法
多媒体教学与传统讲授法相结合。
教学内容
第一节 碱金属和碱土金属在生物体内的分布与功能
第二节 生物膜
第三节 物质的跨膜运输
第四节 离子载体
第五节 钙结合蛋白
第一节 碱金属和碱土金属在生物体内的分布与功能
组成细胞的基本元素是：O 、C 、H 、N 、Si 、K 、Ca 、P 、Mg ，其中O 、C 、H 、N 四种元素占90%以上。细胞化学物质可分为两大类：无机物和有机物。在无机物中水是最主要的成分，约占细胞物质总含量的75％–80％。
细胞的主要的阳离子有：Na +、K +、Ca 2+、Mg 2+、Fe 2+、Fe 3+、Mn 2+、Cu 2+、Co 2+、Mo 2+。
表1 阳离子在细胞中的作用
细胞中无机盐的含量很少，约占细胞总重的1％。盐在细胞中解离为离子，离子的浓度除了具有调节渗透压和维持酸碱平衡的作用外，还有许多重要的作用。
1．钾的生物学功能
钾的植物生理功能：植物以钾离子形态吸收钾。根吸收钾的方式有主动吸收和被动吸收两种。
A ．钾在植物体内的功能主要是激活酶。有60多种酶需要钾来激活。这些酶在植物的上下两个生长点的分生组织中显得特别丰富，在那里细胞分裂得特别快，而且生成初生组织。
B ．钾参与光合作用。钾对光合作用的各个环节都有促进作用，包括希尔反应、光合电子传递、光合磷酸化作用、二氧化碳的固定和同化以及光合产物的运输等方面。
C ．钾对植物水分平衡的调节作用表现在几个方面。钾是一价阳离子，在植株中比其它阳离子对渗透压的调节有优势。钾提供很强的渗透势将水分子拉入植物根系。其次，钾同有机酸阴离子（如苹果酸）作为主要溶质，使细胞膨压增高，促进细胞伸长。钾还通过调节生长素（吲哚乙酸）和赤霉素来影响细胞伸长。第三，钾调节气孔保卫细胞的膨压控制气孔开闭来控制蒸腾失水。光通过结合在保卫细胞质膜内的氢离子泵ATP 酶使ATP 水解，从保卫细胞内泵出氢离子，同时保卫细胞外的钾离子进入。
D ．钾调节阴阳离子平衡和pH 值。钾平衡细胞结构内大分子的阴离子电荷或是在液泡、木质部及韧皮部内可转移的阴离子电荷，同时保持这些部位pH 值。钾促进根系对硝酸根的吸收及其在植物体内的运输。 E ．钾从三个方面促进蛋白质代谢。第一、钾促进根对硝酸盐的吸收和转运，在硝酸根通过木质部导管向枝叶运输过程和枝叶中形成的苹果酸阴离子通过韧皮部运到根系脱羧生成碳酸根释放到土壤中与硝酸根交换的两个过程中，钾都作为这些阴离子的反离子；第二、钾促进氨基酸向蛋白质合成的部位运输；第三、钾促进蛋白质合成。
F ．钾可平衡酸性氨基酸中的负电荷，使蛋白质结构稳定。
在人体内，K +维持离子神经、肌肉细胞、心肌细胞的正常应激性靠体液中各种离子的正常浓度和比例来维持，维持心肌收绝活动的协调，参与细胞内的糖代谢过程，维持细胞内的渗透压和休液截喊平行。
2．钠在人体中的功能
钠是人体胆汁、胰液、汗液和眼泪的组成成分，它还对维持神经、肌肉的正常功能起作用。钠和钾一样，也是人体内维持渗透压的主要阳离子。它存在于细胞外液（血浆、淋巴、消化液）中，能够维持肌肉和神经的功能，维持肌肉的正常兴奋和细胞的通透性。如果体内缺少钠会使人感到疲乏、晕眩，出现食欲不振、心率加速、脉搏细弱、肌肉痉挛、头痛等症状。但摄入过多会导致钾的不足，引起高血压和心脏病等。因此，饮食不宜太咸，成年人每天摄入食盐的量，最好控制在2000 mg～2500 mg。
3．钙在人体中的功能
钙是构成人体的常量元素, 它是骨骼和牙齿的主要成分。人体中99％的钙存在于骨骼和牙齿中。钙有助于骨骼和牙齿的生长，促进肌肉和神经的正常兴奋。它可以抑制脑神经的异常兴奋，使之在正常状态下，能承受较为严重的精神刺激。钙又是机体中多种酶系统的激活剂。例如当人受了创伤出血时，钙可以使凝血酶原激活转化凝血酶，促使伤口处的血液凝固。人体一旦缺钙，则肌肉神经兴奋，易引起肌肉自发地收缩。青少年缺钙时发育不良，易得佝偻病。成年人缺钙会出现血不易凝固等，老年人缺钙会导致骨质疏松，容易骨折。因此，成年人每天应摄取800 mg～1200 mg钙。在牛奶、虾皮、海带、奶粉、芝麻酱、绿叶蔬菜、花生、豆类和豆制品中含钙量较多，饮食中应适当增加这些食品。此外，还应根据需要，适当服用葡萄酸钙、乳酸钙等容易吸收的钙制剂。需要注意的是蔬菜或水果中的草酸，以及大量的脂肪，都会阻碍钙的吸收。为提高人体对钙的吸收率，还必需同时摄入丰富的维生素D ，或经常晒太阳。因为人体皮肤内的7-脱氢胆固醇经日光中紫外线的照射，可转变成维生素D 。
主要的阴离子有Cl –、PO 4–和HCO 3–，其中磷酸根离子在细胞代谢活动中最为重要：①在各类细胞的能量代谢中起着关键作用；②是核苷酸、磷脂、磷蛋白和磷酸化糖的组成成分；③调节酸碱平衡，对血液和组织液pH 起缓冲作用。
4．水在人体中的功能
水是活细胞中最丰富的化合物，动物体内不含化学上的纯水(H2O)，只含有包括可溶性的类晶体的水或结合到胶体上的水。即在动物体内存在有2种状态的水：自由水和结合水。自由水又称游离水，存在于细胞中，是指细胞外和细胞内体液中的水，且有各种无机物和有机物溶于其中，能够自由运动。结合水又称束缚水或结晶水，指胶体体系中与蛋白质、糖及盐类坚固结合，受到束缚的水，或存在于细胞内的水合离子和与纤维分子之间封闭起来的水，所以难于运动。由于水分子的极性与氢结合的性质，而具有一些独特性质，故水在生物体内具有多种重要的生理功能。
A ．构成细胞组织。水是细胞组织的组成成分。生物体内的水大部分与蛋白质结合形成胶体，这种结合使组织细胞具有一定的形态、硬度和弹性。水是构成细胞胶态原生质的重要成分，失掉了水，细胞的胶态即无法维持，各种代谢就无法进行。
B ．参与物质代谢。水是生物体内代谢物质的主要溶剂。水有很高的电解常数，溶解力强。很多饲料中的营养物质的吸收和输送及代谢产物的排除，没有水的参与就不能完成。因为养料和代谢产物的交换、转移以及多种活性物质如酶、激素和维生素的转运，只有溶解或分散于体液中才能在体内进行。
C ．促进生化反应。水是促代谢反应的物质，一切生物的氧化和酶促反应都有水参加。水是生物体内生化反应的原料，又是生化反应的产物。在水解过程中，水是反应底物；在氧化过程中，水是反应的产物。在体内的消化、吸收、分解、合成、氧化还原以及细胞呼吸过程等都有水的参与。
D ．维持体液平衡。水是维持体液平衡的重要物质。体液是指存在于动物体内的水和溶解于水中的各种物质(如无机盐、葡萄糖、氨基酸、蛋白质等) 所组成的液体。它广泛地存在于细胞内外，构成动物体的内环境。水能稀释细胞内容物和体液，使物质能在细胞内、体液内和消化道内保持相对的自由运动，保持体内矿物质的离子平衡，保持物质在体内的正常代谢。水不仅在消化道内排出大量的不能被消化利用的物质中起着重要作用，而且通过尿液、汗液在排出代谢产物上也起着重要作用。
E ．调节机体温度。水有调节体温的作用，水的比热大，热容量也大，蒸发热高，热传导强。因此，水能以呼出潮气或以多汗形式起到调节体温的作用。动物体内的水贮蓄较多热量，即使产热过多，也能被水吸收，机体温度保持平衡。
F ．润滑器官，减缓磨损。水具有润滑作用，通过体液的循环，还可加强各器官联系，减少体内关节和器官间的磨擦和损伤，并可使器官运动灵活。
第二节 生物膜
一、细胞生物学简史
1．显微镜的发明与细胞的发现
1590年荷兰眼镜制造商J.Janssen 和Z.Janssen 父子制作了第一台复式显微镜，尽管其放大倍数不超过10倍，但具有划时代的意义。
1665年英国人Robert Hooke用自己设计与制造的显微镜观察了软木（栎树皮) 的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，并首次用cells 这个词来称呼他所看到的类似蜂巢的极小的封闭状小室。
1886年德国人Ernst Abbe发明复消差显微镜，并改进了油浸物镜，至此普通光学显微镜技术基本成熟。 1932年德国人M. Knoll和E. A. F. Ruska描述了一台最初的电子显微镜，1940年美国和德国制造出分辨力为0.2nm 的商品电镜。
1932年荷兰籍德国人F.Zernike 成功设计了相差显微镜，并因此获1953年诺贝尔物理奖。
1981年瑞士人G. Binnig和H. RoherI在BM 苏黎世实验中心发明了扫描隧道显微镜而与电镜发明者Ruska 同获1986年度的诺贝尔物理学奖。
2．细胞学说
19世纪30年代德国人施莱登Matthias Jacob Schleiden、施旺Theodar Schwann提出：一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位。这一学说即细胞学说。
1855年德国人R. Virchow提出―一切细胞来源于细胞‖的著名论断，进一步完善了细胞学说。把细胞作为生命的一般单位，以及作为动植物界生命现象的共同基础的这种概念立即受到了普遍的接受。恩格斯将细胞学说誉为19世纪的三大发现之一。
3．细胞生物学的发展
从研究内容来看细胞生物学的发展可分为三个层次，即：显微水平、超微水平和分子水平。从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段：
第一阶段：从16世纪后期到19世纪30年代，是细胞发现和细胞知识的积累阶段。通过对大量动植物的观察，人们逐渐意识到不同的生物都是由形形色色的细胞构成的。
第二阶段：从19世纪30年代到20世纪初期，细胞学说形成后，开辟了一个新的研究领域，在显微水平研究细胞的结构与功能是这一时期的主要特点。形态学、胚胎学和染色体知识的积累，使人们认识了细胞在生命活动中的重要作用。1893年Hertwig 的专著《细胞与组织》出版，标志着细胞学的诞生。
第三阶段：从20世纪30年代到70年代，电子显微镜技术出现后，把细胞学带入了第三大发展时期，这短短40年间不仅发现了细胞的各类超微结构，而且也认识了细胞膜、线粒体、叶绿体等不同结构的功能，使细胞学发展为细胞生物学。De Robertis等人1924出版的普通细胞学在1965年第四版的时候定名为细胞生物学，这是最早的细胞生物学教材之一。
第四阶段：从20世纪70年代基因重组技术的出现到当前，细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密，研究细胞的分子结构及其在生命活动中的作用成为主要任务，基因调控、信号转导、肿瘤生物学、细胞分化和凋亡是当代的研究热点。
细胞是一切生命活动的基本结构和功能单位。一般认为：细胞是由膜包围的原生质团，通过质膜与周围环境进行物质和信息交流；是构成有机体的基本单位，具有自我复制的能力，是有机体生长发育的基础；是代谢与功能的基本单位，具有一套完整的代谢和调节体系；是遗传的基本单位，具有发育的全能性。
二、生物膜
细胞膜是防止细胞外物质自由进入细胞的屏障，它保证了细胞内环境的相对稳定，使各种生化反应能够有序运行。但是细胞必须与周围环境发生信息、物质与能量的交换，才能完成特定的生理功能。因此细胞必须具备一套物质转运体系，用来获得所需物质和排出代谢废物，据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的15~30%，细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的三分之二。
1．质膜结构的研究历史
1925年E.Gorter & F. Grendel用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。
1935年J.Danielli & H.Davson发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质，从而提出了‖蛋白质-脂类-蛋白质‖的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。1959年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。
1959年J.D.Robertson 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗–明–暗三层结构，厚约7.5nm 。这就是所谓的―单位膜‖模型。它由厚约3.5nm 的双层脂分子和内外表面各厚约2nm 的蛋白质构成。单位膜模型的不足之处在于把膜的动态结构描写成静止的不变的。
1972年S.J.Singer & G.Nicolson根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在‖单位膜‖模型的基础上提出‖流动镶嵌模型‖。强调膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。
2．质膜的结构
细胞表面的一层单位膜，特称为质膜。真核细胞除了具有质膜、核膜外，发达的细胞内膜形成了许多功能区隔。由膜围成的各种细胞器，如核膜、内质网、高尔基体、线粒体、叶绿体、溶酶体等。在结构上形成了一个连续的体系，称为内膜系统。内膜系统将细胞质分隔成不同的区域，即所谓的区隔化。区隔化是细胞的高等性状，它不仅使细胞内表面积增加了数十倍，各种生化反应能够有条不紊地进行，而且细胞
代谢能力也比原核细胞大为提高。是典型的单位膜结构，厚约8~10 nm，外侧紧贴细胞壁，某些革兰氏阴性菌还具有细胞外膜。通常不形成内膜系统，除核糖体外，没有其它类似真核细胞的细胞器，呼吸和光合作用的电子传递链位于细胞膜上。某些行光合作用的原核生物，质膜内褶形成结合有色素的内膜，与捕光反应有关。某些革兰氏阳性细菌质膜内褶形成小管状结构，称为中膜体或间体，中膜体扩大了细胞膜的表面积，提高了代谢效率，有拟线粒体之称，此外还可能与DNA 的复制有关。
质膜包在细胞外面，所以又称细胞膜，它不仅是区分细胞内部与周围环境的动态屏障，更是细胞物质交换和信息传递的通道。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜。质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础，细胞的能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递、细胞运动等活动都与膜的作用有密切的关系。
质膜表面寡糖链形成细胞外被或糖萼；质膜下的表层溶胶中具有细胞骨架成分组成的网络结构，除对质膜有支持作用外，还与维持质膜的功能有关，所以这部分细胞骨架又称为膜骨架。细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。
脂筏：质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。大小约70 nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分子间的作用力较强，所以这些区域结构致密，介于无序液体与液晶之间，称为有序液体。在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，所以又称为抗去垢剂膜。脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。
从脂筏的角度来看，膜蛋白可以分为三类：①存在于脂筏中的蛋白质；包括糖磷脂酰肌醇锚定蛋白，某些跨膜蛋白，双乙酰化蛋白。②存在于脂筏之外无序液相的蛋白质；③介于两者之间的蛋白质，如某些蛋白在没有接受到配体时，对脂筏的亲和力低，当结合配体，发生寡聚化时就会转移到脂筏中。
脂筏中的胆固醇就像胶水一样，它对具有饱和脂肪酸链的鞘磷脂亲和力很高，而对不饱和脂肪酸链的亲和力低，用甲基-β-环糊精去除胆固醇，抗去垢剂的蛋白就变得易于提取。膜中的鞘磷脂主要位于外小页，而且大部分都参与形成脂筏。
据估计脂筏的面积可能占膜表面积的一半以上。脂筏的大小是可以调节的，小的独立脂筏可能在保持信号蛋白呈关闭状态方面具有重要作用，当必要时，这些小的脂筏聚集成大一个大的平台，在那里信号分子（如受体）将和它们的配件相遇，启动信号传递途径。如致敏原能够将过敏患者体内肥大细胞或嗜碱性细胞表面的IgE 抗体及其受体桥联起来，形成较大的脂筏，受体被脂筏中的Lyn(一种非受体酪氨酸激酶) 磷酸化，启动下游的信号转导，最终引发过敏反应。
3．质膜的化学组成
质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。
膜脂：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。
磷脂：是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50％以上。磷脂分子的主要特征：具有一个极性头和两个非极性的尾，但存在于线粒体内膜和某些细菌质膜上的心磷脂具有4个非极性的区域。
以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。
主要类型有：磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇和双磷脂酰甘油等。
鞘磷脂：在脑和神经细胞膜中特别丰富，亦称神经醇磷脂，它是以鞘胺醇为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞和植物中没有鞘磷脂。
糖脂：是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5～10％。糖脂也是两性分子，是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。
最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作为极性头部，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。儿童所患的家族性白痴病就是因为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂GM 2加工成为GM 3，结果大量的GM 2累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退化。神经节苷脂本身就是一类膜上的受体，已知破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素和5-羟色胺等的受体就是不同的神经节苷脂。多数碳链常含有不饱和脂肪酸。
胆固醇：仅存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。如：在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。
脂质体：是一种人工膜。在水中磷脂分子亲水头部插入水中，疏水尾部伸向空气，搅动后形成双层脂分子的球形脂质体，直径25~1000 nm不等。脂质体可用于转基因，或制备的药物，利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。
膜蛋白：是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为整合蛋白、外周蛋白和脂锚定蛋白。
整合蛋白可能全为跨膜蛋白，为两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。由于存在疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来。
整合蛋白的跨膜结构域可以是1至多个疏水的α螺旋，形成亲水通道的整合蛋白跨膜区域有两种组成形式，一是由多个两性α螺旋组成亲水通道；而是由两性β折叠组成亲水通道。
外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。
细胞膜上存在两类主要的转运蛋白：载体蛋白和通道蛋白。载体蛋白又称做载体、通透酶和转运器，能够与特定溶质结合，通过自身构象的变化，将与它结合的溶质转移到膜的另一侧，载体蛋白有的需要能量驱动，如：各类APT 驱动的离子泵；有的则不需要能量，以自由扩散的方式运输物质，如：缬氨酶素。通道蛋白与所转运物质的结合较弱，它能形成亲水的通道，当通道打开时能允许特定的溶质通过，所有通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质。
4．质膜的流动镶嵌模型
流动镶嵌模型突出了膜的流动性和不对称性，认为细胞膜由流动的脂双层和嵌在其中的蛋白质组成。磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架，蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双层，表现出分布的不对称性。
质膜的流动性：质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。
（1）膜脂分子的运动
侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶的催化下完成。旋转异构：脂肪酸链围绕C-C 键旋转，导致异构化运动。
（2）影响膜流动性的因素
影响膜流动的因素主要来自膜本身的组分，遗传因子及环境因子等。
胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。
脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。
脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。
卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。
其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。
（3）膜蛋白的分子运动
主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用光脱色恢复技术（FRAP ）和细胞融合技术检测侧向扩散。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动，膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B 能促进膜蛋白的侧向运动。
1970年Larry Frye等人将人和和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。
（4）膜流动性的生理意义
质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。
膜的不对称性：质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异，称为膜的不对称性。膜脂、膜蛋白和复合糖在膜上均呈不对称分布，导致膜功能的不对称性和方向性，即膜内外两层的流动性不同，使物质传递有一定方向，信号的接受和传递也有一定方向等。
膜脂的不对称性：脂分子在脂双层中呈不均匀分布，质膜的内外两侧分布的磷脂的含量比例也不同。膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域——脂筏。
膜蛋白的不对称性：膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性和分布的区域性。各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能，如：蛋白激酶C 结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。
复合糖的不对称性：无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。
5．细胞膜的功能
细胞质膜的主要功能概括如下：为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出；提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；为多种酶提供
结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。
6．细胞表面的分化
细胞表面的特化结构如：膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等等，分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有关。
细胞外被：动物细胞表面存在着一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被或糖萼。细胞外被的保护作用：细胞外被具有一定的保护作用，去掉细胞外被，并不会直接损伤质膜；细胞识别，细胞识别与构成细胞外被的寡糖链密切相关。寡糖链由质膜糖蛋白和糖脂伸出，每种细胞寡糖链的单糖残基具有一定的排列顺序，编成了细胞表面的密码，它是细胞的”指纹”，为细胞的识别形成了分子基础。同时细胞表面尚有寡糖的专一受体，对具有一定序列的寡糖链具有识别作用。因此，细胞识别实质上是分子识别。1955年Townes 和Holtfreter 把两栖类动物的原肠胚3个胚层的细胞分散后，混合培养，结果3个胚层的细胞均自行分类聚集，分别参加其来源胚层的组建。如果将鸡胚细胞和小鼠胚细胞分散后相混培养，各种细胞仍按来源组织分别聚集，但相聚细胞只具有组织的专一性，而没有物种的分辨能力。
决定血型：血型实质上是不同的红细胞表面抗原，人有20几种血型，最基本的血型是ABO 血型。红细胞质膜上的糖鞘脂是ABO 血型系统的血型抗原，血型免疫活性特异性的分子基础是糖链的糖基组成。A 、
B 、O 三种血型抗原的糖链结构基本相同，只是糖链末端的糖基有所不同。A 型血的糖链末端为N –乙酰半乳糖；B 型血为半乳糖；AB 型两种糖基都有，O 型血则缺少这两种糖基。
膜骨架：指质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。膜骨架位于细胞质膜下约0.2μm厚的溶胶层。
用荧光标记的抗体与细胞膜上的抗原反应，使细胞膜带有荧光，用紫外线照射，使一侧细胞的荧光淬灭，放置一段时间后会发现荧光物质又均匀分布在细胞表面。
第三节 物质的跨膜运输
一、被动运输
1．简单扩散
也叫自由扩散，特点是：沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；不需要提供能量；没有膜蛋白的协助。 某种物质对膜的通透性（P ）可以根据它在油和水中的分配系数(K)及其扩散系数(D)来计算：P=KD/t，其中t 为膜的厚度。
脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；非极性分子比极性容易透过，小分子比大分子容易透过。具有极性的水分子容易透过是因水分子小，可通过由膜脂运动而产生的间隙。
非极性的小分子如O 2、CO 2、N 2可以很快透过脂双层，不带电荷的极性小分子，如水、尿素、甘油等也可以透过人工脂双层，尽管速度较慢，分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过，而膜对带电荷的物质如：H +、Na +、K +、Cl -、HCO 3-是高度不通透的。细胞的物质转运过程中，透过脂双层的简单扩散现象很少，绝大多数情况下，物质是通过载体或者通道来转运的。离子、葡萄糖、核苷酸等物质有的是通过质膜上的运输蛋白的协助，按浓度梯度扩散进入质膜的，有的则是通过主动运输的方式进行转运。
2．协助扩散
也称促进扩散，其运输特点是：①比自由扩散转运速率高；②存在最大转运速率； 在一定限度内运输速率同物质浓度成正比。如超过一定限度，浓度再增加，运输也不再增加。因膜上载体蛋白的结合位点已达饱和；③有特异性，即与特定溶质结合。这类特殊的载体蛋白主要有离子载体和通道蛋白两种类型。
（1）离子载体
是疏水性的小分子，可溶于双脂层，提高所转运离子的通透率，多为微生物合成，是微生物防御被捕食或与其它物种竞争的武器，离子载体也是以被动的运输方式运输离子，可分成可动离子载体和通道离子载体两类：
可动离子载体：如缬氨霉素能在膜的一侧结合K +，顺着电化学梯度通过脂双层，在膜的另一侧释放K +，且能往返进行。其作用机理就像虹吸管可以使玻璃杯中的水跨越杯壁屏障，向低处流动一样。此外，2,4-二硝基酚、羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼(FCCP)可转运H +，离子霉素可转运Ca 2+。
通道离子载体：如短杆菌肽A 是由15个疏水氨基酸构成的短肽，2分子的短杆菌肽形成一个跨膜通道，有选择的使单价阳离子如H +、Na +、K +按化学梯度通过膜，这种通道并不稳定，不断形成和解体，其运输效率远高于可动离子载体。
（2）通道蛋白
是衡跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态，如钾泄漏通道，允许钾离子不断外流。有些通道蛋白平时处于关闭状态，即―门‖不是连续开放的，仅在特定刺激下才打开，而且是瞬时开放瞬时关闭，在几毫秒的时间里，一些离子、代谢物或其他溶质顺着浓度梯度自由扩散通过细胞膜，这类通道蛋白又称为门通道。
研究方法：离子通道结构和功能的研究需综合应用各种技术，包括：电压和电流钳位技术、单通道电流记录技术、通道蛋白分离、纯化等生化技术、人工膜离子通道重建技术、通道药物学、基因重组技术及一些物理和化学技术。
通道蛋白分离、通道重建和基因重组技术：利用与通道特异结合的毒剂标记，可把通道蛋白质从膜上分离下来，经过纯化，可以测定各亚单位多肽的分子量。然后，把它们加入人工膜，可重新恢复通道功能。用于确定蛋白质氨基酸序列的基因重组技术的程序是：从细胞中分离出含有与该种通道蛋白相关的mRNA ，置入某种细胞(如大肠杆菌) ，经逆转录得到cDNA 。用限制性内切酶将cDNA 切割成特定片段，再用核酸杂交方法钓出特定的DNA 并克隆化。通过测定阳性克隆DNA 的核苷酸顺序，推断出相应的蛋白质氨基酸序列。
门通道可以分为四类：配体门通道（ligand gated channel）、电位门通道（voltage gated channel）、环核苷酸门通道（Cyclic Nucleotide-Gated Ion Channels）和机械门通道（mechanosensitive channel）。
不同通道对不同离子的通透性不同，即离子选择性(ionic selectivity)。这是由通道的结构所决定的，只允许具有特定离子半径和电荷的离子通过。根据离子选择性的不同，通道可分为钠通道、钙通道、钾通道、氯通道等。但通道的离子选择性只是相对的而不是绝对的，比如，钠通道除主要对Na +通透外，对NH 4+也通透，甚至于对K +也稍有通透。
配体门通道：表面受体与细胞外的特定物质（配体）结合，引起门通道蛋白发生构象变化，结果使―门‖打开，又称离子通道型受体。分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸的受体。
N 型乙酰胆碱受体是目前了解较多的一类配体门通道。它是由4种不同的亚单位组成的5聚体，总分子量约为290kd 。亚单位通过氢键等非共价键，形成一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构，其中的两个α亚单位是同两分子Ach 相结合的部位。
Ach 门通道具有具有三种状态：开启、关闭和失活。当受体的两个α亚单位结合Ach 时，引起通道构象改变，通道瞬间开启，膜外Na +内流，膜内K +外流。使该处膜内外电位差接近于0值，形成终板电位，然后引起肌细胞动作电位，肌肉收缩。即是在结合Ach 时，Ach 门通道也处于开启和关闭交替进行的状态，只不过开启的概率大一些（90%）。Ach 释放后，瞬间即被乙酰胆碱酯酶水解，通道在约1毫秒内关闭。如果Ach 存在的时间过长（约20毫秒后），则通道会处于失活状态。
筒箭毒和α银环蛇毒素可与乙酰胆碱受体结合，但不能开启通道，导致肌肉麻痹。
电位门通道(voltage gated channel)：是对细胞内或细胞外特异离子浓度发生变化时，或对其他刺激引起膜电位变化时，致使其构象变化，―门‖打开。如：神经肌肉接点由Ach 门控通道开放而出现终板电位时，这个电位改变可使相邻的肌细胞膜中存在的电位门Na +通道和K +通道相继激活（即通道开放），引起肌细胞动作电位；动作电位传至肌质网，Ca 2+通道打开引起Ca 2+外流，引发肌肉收缩。
根据对Na +、K +、Ca 2+通道蛋白质的结构分析，发现它们一级结构中的氨基酸排列有相当大的同源性，属于同一蛋白质家族，是由同一个远祖基因演化而来。K +电位门通道由四个α亚单位（I-IV ）构成，每个亚单位均有6个(S1-S 6) 跨膜α螺旋节段，N 和C 端均位于胞质面。连接S 5-S 6段的发夹样β折叠 (P区或H 5区) ，构成通道的内衬，大小可允许K +通过。
K +通道具有三种状态：开启、关闭和失活。目前认为S 4段是电压感受器，S 4高度保守，属于疏水片段，但每隔两个疏水残基即有一个带正电荷的精氨酸或赖氨酸残基。S 4段上的正电荷可能是门控电荷，当膜去极化时（膜外为负，膜内为正），引起带正电荷的氨基酸残基转向细胞外侧面，通道蛋白构象改变，―门‖打开，大量K +外流，此时相当于K +的自由扩散。K +电位门它和Ach 配体门一样只是瞬间（约几毫秒） 开放，然后失活。此时N 端的球形结构，堵塞在通道中央，通道失活，稍后球体释放，―门‖处于关闭状态。
链霉菌的钾离子通道KcsA 也是由四个亚单位构成的，但每个亚基只有两个跨膜片段，结构较为简单。1998年，Roderick MacKinnon等用X 射线衍射技术获得了高分辨的KcsA 通道图像，发现离子通透过程中离子的选择性主要发生在狭窄的选择性过滤器中。选择性过滤器长1.2nm ，孔径约为0.3nm （K +脱水后直径约0.26nm ），内部形成一串钾离子特异结合位点，从而只有钾离子能够―排队‖通过通道。
河豚毒素能阻滞钠通道，毒素带正电荷的胍基伸人钠通道的离子选择性过滤器，和通道内壁上的游离羧基结合，毒素其余部分堵塞通道外侧端，妨碍钠离子进入，导致肌肉麻痹。
环核苷酸门通道：与电压门控性通道家族关系密切的是CNG 通道，从蛋白质序列来看，它们与电压门钾通道结构相似，也有6个跨膜片段，各为带电荷片段，P 区构成孔道内侧，整个通道为四聚体结构。在CNG 通道中，细胞内的C 末端较长，上面含有环核苷酸的结合位点。
环核苷酸门通道分布于化学感受器和光感受器中，与膜外信号的转换有关。如气味分子与化学感受器中的G 蛋白偶联型受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生cAMP ，开启cAMP 门控阳离子通道(cAMP-gated cation channel)，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。
机械门通道：细胞可以接受各种各样的机械力刺激，如摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。细胞将机械刺激的信号转化为电化学信号最终引起细胞反应的过程称为机械信号转导。
目前比较明确的有两类机械门通道，其一是牵拉活化或失活的离子通道，另一类是剪切力敏感的离子通道，前者几乎存在于所有的细胞膜，研究较多的有血管内皮细胞、心肌细胞以及内耳中的毛细胞等，后者仅发现于内皮细胞和心肌细胞。牵拉敏感的离子通道是指能直接被细胞膜牵拉所开放或关闭的离子通道。其特点为对离子的无选择性、无方向性、非线性以及无潜伏期。这种通道为2价或1价的阳离子通道，有Na +、K +、Ca 2+，以Ca 2+为主。研究表明，当内皮细胞被牵拉时，由于通道开放引起Ca 2+内流，使以Ca 2+介导的血管活性物质分泌增多，Ca 2+还可作为胞内信使，导致进一步的反应。
内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力敏感的感受装置，听毛弯曲时，毛细胞会出现暂短的感受器电位。从听毛受力而致听毛根部所在膜的变形，到该处膜出现跨膜离子移动之间，只有极短的潜伏期，
水通道：长期以来，普遍认为细胞内外的水分子是以简单扩散的方式透过脂双层膜。后来发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高，很难以简单扩散来解释。如将红细胞移入低渗溶液后，很快吸水膨胀而溶血，而水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀。因此，人们推测水的跨膜转运除了简单扩散外，还存在某种特殊的机制，并提出了水通道的概念。 （1）细胞膜水转运的研究简史
20世纪20年代，随着对细胞膜的脂质双分子结构的认识，人们普遍认为水是以简单扩散的形式通过细胞的脂质双分子层——即水分子的简单扩散学说。研究水的通透性有两个指标，扩散水通透性（diffusional water permeability，Pd ）和渗透水通透性（osmotic water permeability，Pf) 。所有组织细胞膜都允许水的简单扩散。不同组织的Pd 值不同，但变异不大。Pd 值较低，约为10mm/s，并呈现出温度依赖性；水分子的简单扩散需要较高的阿仑尼乌斯活化能（Arrhenius activation energy，以下简称Ea ），E a >10kca/mol。膜脂质的分子组成和流动性影响水的扩散，故水分子的简单扩散不能被汞等通道蛋白阻断剂所抑制。渗透水通透性Pf 反映的是水在跨膜梯度存在下的渗透情况。如果Pf/Pd值近似为1则表明水的跨膜运动是通过简单扩散完成的。
然而水分子简单扩散理论不能解释一些生理现象，如尿的浓缩、Pf/Pd>1时水的转运以及有些细胞水转运可被通道蛋白阻断剂抑制等，所以就产生了另一种理论，认为细胞膜上存在水分子转运的特殊通道，即水通道学说。水通过水通道时需要的E a 较低，一般E a
在上世纪六七十年代，水转运领域的先驱们首先提出水通道蛋白的存在，这些前辈们包括：波士顿的亚瑟·克·所罗门、纽约的艾伦·菲克尔斯代恩、伯克利的罗伯特·梅兹、罗马尼亚的乔治·本格、委内瑞拉的盖勒姆·怀特姆拜瑞和阿根廷的马里奥·潘瑞斯。他们通过生物物理的方法证实了水通道存在于对水具有高渗透性的一些细胞中，如肾小管、唾液腺、红细胞。然而，他们都没有分离出转运水的蛋白。
（2）目前有10多个水通道蛋白发现，它们存在于血液、肾脏、大脑。美国科学家彼得·阿格雷博士研究发现，细胞膜中存在一种专门允许水分子出入的水通道蛋白，他因此获得了2003年的诺贝尔化学奖。在人
体中，目前已经确定的水通道蛋白有11种，其中的大部分存在于肾脏、大脑和眼睛中。这种蛋白功能的损伤与多种疾病有关。但是，细胞膜蛋白水通道究竟是如何让水分子进出的具体工作机制，尚有待科学家进一步探索。水通道蛋白有非常奇妙的特性，虽然通道内的电场环境会有一定程度的变化，但水通道蛋白仍能在这种情况下保持一个稳定的流量，同时又能根据真正的开/关信号迅速实现通道的门控，纳米尺度下水通道的这个特性对于水通道蛋白实现它的生物学功能非常关键。李敬源介绍说，科学家把在水通道蛋白中不同电环境下的这种变化称为“噪声”，原因是由于纳米通道是个非常微观的系统，一个在宏观看来很微小的变化，在纳米尺度下，都会是很大的变化。
各种无机离子跨膜被动运输的通路。被动运输的通路称离子通道，主动运输的离子载体称为离子泵。生物膜对离子的通透性与多种生命活动过程密切相关。例如，感受器电位的发生，神经兴奋与传导和中枢神经系统的调控功能，心脏搏动，平滑肌蠕动，骨骼肌收缩，激素分泌，光合作用和氧化磷酸化过程中跨膜质子梯度的形成等。
类型和功能特征：离子通道依据其活化的方式不同，可分两类：一类是电压活化的通道，即通道的开放受膜电位的控制, 如Na +、Ca 2+、Cl –和一些类型的K +通道；另一类是化学物活化的通道，即靠化学物与膜上受体相互作用而活化的通道，如Ach 受体通道、氨基酸受体通道、Ca 2+活化的K +通道等。
钠通道：各种生物材料中，与电兴奋相关的Na +通道有相似的基本特征。通道活化时间常数小于1毫秒，失活时间常数为数毫秒，Na +电流的反转电位约+55毫伏。单通道电流记录显示，Na +单通道电导为4～20pS ，平均开放寿命数毫秒。根据一些药物和毒素对Na +通道功能的不同影响, 可分为4种类型：①通道阻断剂，如河豚毒素、石房蛤毒素。②通道活化增强剂，如β-蝎毒、箭毒蛙毒素、藜芦碱毒素等。③通道活化抑制剂，如一些局部麻醉剂及其衍生物。④通道失活抑制剂，如链霉蛋白酶、N-溴乙酰胺等。
从电鳗电板分离的钠通道蛋白质分子量是208321，是由1820个氨基酸组成的多肽序列, 可分为4个相似的区段，每个区段中分别有较集中的正电性和负电性的氨基酸序列节段。多种钠通道构象模型的共同特征是：由多个α螺旋跨膜排列组成通道，通道内侧应富含极性的氨基酸残基侧链，每个通道的控制部分由离子选择性滤器、活化闸门和失活闸门3部分组成，其实体是氨基酸侧链的极性基团。膜电位变化时，电场诱导极性基团运动，使通道局部构象发生变化，导致通道的开放、失活或关闭，并产生门控电流。关于关闭、活化和失活3种状态之间的转化, 有两种观点：一种认为通道从关闭态必须经活化态才能转化为失活态（偶联方式），另一种认为从关闭态可以直接转化为失活态（非偶联方式），目前非偶联方式得到较多的实验事实支持。
钾通道：根据功能特性的不同，K +通道可分为以下类型：①慢（延迟）K +通道(K通道) 。单通道电流记录显示，单个K 通道电导在2～20pS ，通道平均开放寿命为数十毫秒。该种通道可被四乙胺等特异性阻断, 通道对K +有高度选择性，这种通道在神经轴突和骨骼肌细胞膜中有较高密度。②快（早期）K +通道（A 通道）, 该种通道外向的K +流在膜去极化的早期就出现，表明通道的活化时间常数比慢K +通道小得多, 但在-40毫伏以上该通道即关闭。电压钳位实验表明, 其宏观电流动力学与Na +电流相似。较低浓度的4-氨基吡啶即能阻断该通道，它也可被四乙胺阻断。③Ca 2+活化的K +通道〔K(Ca)通道〕，该种通道的开放，不但与膜电位有关，而且依赖于细胞内Ca 2+的浓度，每个通道需结合两个Ca 2+才能活化。单通道电导可高达300pS, 并有较长的开放寿命, 这种通道与Ca 2+通道协同作用，对调节细胞膜电兴奋性的节律有重要意义。它可被四乙胺、N'-四乙酸、奎尼丁和Ba 2+阻断。④内向整流的K +通道，其特征是：在膜超极化时通道开放与膜电位和
胞外K +浓度密切相关，通道开放时产生内向K +电流，单通道电导在5～10pS 范围。
钙通道：Ca 2+通道广泛存在于各种生物组织的细胞膜中。宏观的Ca 2+电流动力学特征与Na +电流相似，但峰值小且失活过程慢，可达数十到数百毫秒。Ca 2+通道对Ca 2+、Ba 2+、Sr 2+都有高通透性, 但Ni 2+、Cd 2+、Co 2+、Mn 2+等离子能有效地阻断Ca 2+通道。
药物对Ca 2+通道的作用可分为：①通道阻断或抑制剂，可分为苯烷基胺类、双氢吡啶类等类型。②通道激活剂，一些双氢吡啶化合物药物可活化Ca 2+通道。近年, 对小鸡背根神经节细胞的研究发现有3种类型的Ca 2+通道：①L 型, 该种通道在膜电位大于-20毫伏时活化, 电流失活缓慢。②T 型，膜电位约-60毫伏时通道即活化，-10毫伏以上通道电流幅值反而下降，单通道电导约8pS 。③N 型，该种通道在膜电位不小于-10毫伏才能活化，但又必须超极化到-80毫伏以下才能克服通道的失活。以上3类Ca 2+通道在不同细胞膜上选择性分布及密度的差别，将影响各种细胞的生理功能。Ca 2+通道除了对细胞电兴奋性有贡献外, 它通过调节细胞内Ca 2+浓度，可进一步调节许多细胞功能。
N 型乙酰胆碱受体通道：它是由神经递质Ach 活化的正离子通道。当突触前膜一次量子化释放数千个Ach 分子，它们作用于突触后膜上的N 型受体时, 受体通道开放，产生Na +和K +电流，引发突触后膜一个小终板电位(mEPP)。N-AchR 单通道电导在20～60pS 范围，平均开放寿命数毫秒，通道电流反转电位约-10毫伏, 近年发现该种通道有多种电导态。通道的离子选择性较差，可允许数十种无机和有机正离子通过，许多毒素和有机物能阻断或抑制该种通道，α-银环蛇毒是N 型Ach 受体通道的特异性阻断剂。
80年代以来，已发现多种由神经递质和激素活化的受体通道，如谷氨酸受体通道、多巴胺受体通道、5-羟色胺受体通道、γ-氨基丁酸受体通道等。
分子构象和门控动力学：离子通道研究的前沿是试图从分子水平揭示通道蛋白的空间构象、构象变化与通道门控动力学之间的关系。
N-AchR 通道：已测定了受体蛋白质分子量是250000，并测定了它的全部氨基酸序列, 确证该受体通道由、α、γ和δ5个亚基组成, 这4种亚基有相似的氨基酸顺序, 但只有α亚基上有 α-BGTX 的特异结合位点。一种构象模型是：5个亚基各有若干个α螺旋跨膜排列，共同形成五瓣状的蛋白质复合物，两个α亚基间是亲水的离子通道, 通道开口约25埃，中间是6～7埃的狭窄孔道，其中排列有负电性氨基酸残基侧链。当两个 Ach 分子分别结合于两个α亚基特定位点后, 引起局部构象变化, 使通道开放。
二、主动运输
主动运输的特点是：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量（由ATP 直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输）。都有载体蛋白。
主动运输所需的能量来源主要有：协同运输中的离子梯度动力；ATP 驱动的泵通过水解ATP 获得能量；光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。
1．钠钾泵
实际上就是Na +–K +ATP 酶，一般认为是由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体。Na +–K +ATP 酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na +、K +的亲和力发生变化。在膜内侧Na +与酶结合，激活ATP 酶活性，使ATP 分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na +结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na +的亲和力低，对K +的亲和力高，因而在膜外侧释放Na +、而与K +结合。K +与磷酸化酶结合后促
使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K +结合的部位转向膜内侧，K +与酶的亲和力降低，使K +在膜内被释放，而又与Na +结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP ；转运出三个Na +，转进两个K +。
钠钾泵的一个特性是他对离子的转运循环依赖自磷酸化过程，ATP 上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象的变化。通过自磷酸化来转运离子的离子泵就叫做P –type ，与之相类似的还有钙泵和质子泵。它们组成了功能与结构相似的一个蛋白质家族。Na +–K +泵作用是：①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；②维持低Na +高K +的细胞内环境，维持细胞的静息电位。
乌本苷(ouabain)、地高辛(digoxin)等强心剂能抑制心肌细胞Na +–K +泵的活性；从而降低钠钙交换器效率，使内流钙离子增多，加强心肌收缩，因而具有强心作用。
2．钙离子泵
钙离子泵对于细胞是非常重要的，因为钙离子通常与信号转到有关，钙离子浓度的变化会引起细胞内信号途径的反应，导致一系列的生理变化。通常细胞内钙离子浓度10-7M 显著低于细胞外钙离子浓度10-3M ，主要是因为质膜和内质网膜上存在钙离子转运体系，细胞内钙离子泵有两类：其一是P 型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP 分子，泵出2个Ca 2+。另一类叫做钠钙交换器，属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。
位于肌质网上的钙离子泵是了解最多的一类P 型离子泵，占肌质网膜蛋白质的90%。肌质网是一类特化的内质网，形成网管状结构位于细胞质中，具有贮存钙离子的功能。肌细胞膜去极化后引起肌质网上的钙离子通道打开，大量钙离子进入细胞质，引起肌肉收缩之后由钙离子泵将钙离子泵回肌质网。
研究者首先寻找与InsP3R 结合的蛋白，发现是一类钙离子结合蛋白，它们属于一个神经系统的钙离子结合蛋白家族。
3．质子泵
质子泵有三类：P-type 、V-type 、F-type 。
P-type ：载体蛋白利用ATP 使自身磷酸化，发生构象的改变来转移质子或其它离子，如植物细胞膜上的H +泵、动物细胞的Na +-K +泵、Ca 2+离子泵，H +-K +ATP 酶（位于胃表皮细胞，分泌胃酸）。
V-type ：位于小泡(vacuole)的膜上，由许多亚基构成，水解ATP 产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、动物细胞的内吞体、高尔基体的囊泡膜、植物液泡膜上。
F-type ：由许多亚基构成的管状结构，H 沿浓度梯度运动，所释放的能量与ATP 合成耦联起来，所以也叫ATP 合酶，F 是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子的缩写。F 型质子泵位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上，其详细结构将在线粒体与叶绿体一章讲解。F 型质子泵不仅可以利用质子动力势将ADP 转化成ATP ，也可以利用水解ATP 释放的能量转移质子。
4．ABC 转运器
ABC 转运器(ABC transporter)最早发现于细菌，是细菌质膜上的一种运输ATP 酶，属于一个庞大而多样的蛋白家族，每个成员都含有两个高度保守的ATP 结合区，故名ABC 转运器，他们通过结合ATP 发生二聚化，ATP 水解后解聚，通过构象的改变将与之结合的底物转移至膜的另一侧。
在大肠杆菌中78个基因，占全部基因的5%编码ABC 转运器蛋白，在动物中可能更多。虽然每一种ABC 转运器只转运一种或一类底物，但是其蛋白家族中具有能转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、＋
甚至蛋白质的成员。ABC 转运器还可催化脂双层的脂类在两层之间翻转，这在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。
第一个被发现的真核细胞的ABC 转运器是多药抗性蛋白，该基因通常在肝癌患者的癌细胞中过表达，降低了化学治疗的疗效。约40%的患者的癌细胞内该基因过度表达。
ABC 转运器还与病原体对药物的抗性有关，如临床常用的抗真菌药物有氟康唑 、酮康唑、伊曲康唑等，真菌对这些药物产生耐药性的一个重要机制是通过MDR 蛋白降低了细胞内的药物浓度。
5．协同运输
协同运输是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。动物细胞中常常利用膜两侧Na +浓度梯度来驱动，植物细胞和细菌常利用H +浓度梯度来驱动。根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向协同与反向协同。
同向协同：指物质运输方向与离子转移方向相同。如动物小肠细胞对对葡萄糖的吸收就是伴随着Na +的进入，细胞内的Na +离子又被钠钾泵泵出细胞外，细胞内始终保持较低的钠离子浓度，形成电化学梯度。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H +的进入，每转移一个H +吸收一个乳糖分子。
反向协同：物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过Na +/H+反向协同运输的方式来转运H +以调节细胞内的PH 值，即Na +的进入胞内伴随者H +的排出。此外质子泵可直接利用ATP 运输H +来调节细胞PH 值。
还有一种机制是Na +驱动的Cl ––HCO 3–交换，即Na +与HCO 3–的进入伴随着Cl –和H +的外流，如红细胞膜上的带3蛋白。
三、膜泡运输的基本概念
真核细胞通过内吞作用和外排作用完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。在转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输。细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用。
吞噬作用：细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。吞噬现象是原生动物获取营养物质的主要方式，在后生动物中亦存在吞噬现象。如：在哺乳动物中，中性颗粒白细胞和巨噬细胞具有极强的吞噬能力，以保护机体免受异物侵害。
胞饮作用：细胞吞入的物质为液体或极小的颗粒物质，这种内吞作用称为胞饮作用。胞饮作用存在于白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植物细胞。
外排作用：与内吞作用的顺序相反，某些大分子物质通过形成小囊泡从细胞内部移至细胞表面，小囊泡的膜与质膜融合，将物质排出细胞之外，这个过程称为外排作用，细胞内不能消化的物质和合成的分泌蛋白都是通过这种途径排出的。
这是与内吞运送方向相反的过程。外排在细胞分泌时经常发生。许多因素能引起细胞分泌，其中至少有些因素是通过改变细胞膜对钙离子的透性而引起细胞分泌的。例如，肥大细胞遇到二价以上的适当的抗原后，抗原（配体）与细胞膜上的免疫球蛋白E （受体）结合，使膜上的受体重新分布，出现10个左右受体分子聚集在一起的现象，这时细胞膜对钙离子的透性增加使钙离子进入细胞从而引起分泌。如果细胞的外界环境中没有钙离子，则不能引起分泌。又如神经因素能引起腮腺和肾上腺髓质细胞分泌，血浆中的葡萄糖促进胰岛细胞的分泌都是通过细胞膜的去极化，让钙离子进入细胞而引起的。有人认为激素引起分泌
也通过钙离子起作用。细胞膜与分泌泡膜的融合也与钙离子引起脂双层的相变有关。有人认为一定浓度的钙离子使液态脂双层中的局部地区产生结晶态，在这过程中，它一面放出热量，一面引起膜结构的不连续性，形成一个不稳定的透性很高的区域，从而有利于相似的脂膜相互融合。在分泌泡膜和细胞膜融合处，分泌泡膜中和细胞膜中的蛋白质颗粒必须从接触处移开，以便这两种膜中的脂类相互融合。
穿胞运输：在动物组织中，有的细胞通过内吞和外排相偶联，在细胞的一侧形成胞饮小泡穿越细胞质，另一侧使小泡中的物质释放出去。如：肝细胞从血窦中吸收免疫球蛋白A ，通过穿胞运输输送到胆微管；大鼠中，母鼠血液中抗体经穿胞运输进入乳汁。
胞内膜泡运输：细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递也通过膜泡运输方式进行。如从内质网到高尔基体；高尔基体到溶酶体；细胞分泌物的外排，都要通过过渡性小泡进行转运。胞内膜泡运输沿微管运行，动力来自马达蛋白。目前已发现的马达蛋白有两种：一种是动力蛋白，可沿微管向负端移动；另一种为驱动蛋白，可牵引物质向微管的正端移动。通过这两种蛋白的作用，可使膜泡被运抵一定区域。
细胞通讯：在多细胞生物体中，细胞与细胞间通过信息的交流，协调细胞间的功能，调节细胞各种生理活动。细胞通讯是指一个细胞发出的信息通过介质传递给另一个细胞，并产生相应反应的过程。细胞通讯可以借助于间隙连接完成，也可通过分泌化学信号分子进行细胞通讯。
化学信号分子在传递信息过程中，直接涉及靶细胞(效应细胞) 对信号分子的识别及信号的跨膜传递。 细胞识别：是指细胞通过其表面受体与细胞外信号分子选择性相互作用，从而导致细胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体生物学效应的过程。细胞对细、胞外特殊的亲水性信号分子(如神经递质、蛋白激素等) 的反应能力，主要取决于细胞膜上是否具有相对应的特异性受体。
第四节 离子载体
离子载体指与K +、Na +、Ca 2+及Mg 2+等离子形成脂溶性复合物，溶入膜中起运输离子作用的分子量为200～2000的一些化学物质，是一些能够极大提高膜对某些离子通透性的载体分子。离子的跨膜运送需载体—离子载体。一些微生物产生的抗菌素可作为跨膜运送离子的载体。目前已知的天然离子载体都是抗菌素。按跨膜运送离子的方式分为：活动载体和通道载体。从载体的化学结构来看有环状和链状之分。 例如，由于巴龙霉素使膜对K +透性异常增高，因而可用在造成基于越膜K +浓度梯度而产生的电位差。因尼日利亚菌素在越膜运输K +的同时，能消除H +的梯度，所以恰好起到将巴龙霉素与解偶联剂同时给与的效果。
离子载体包括：天然离子载体、人工合成离子载体。
一、环状离子载体——抗菌素
天然环状离子载体包括缬氨霉素、恩镰孢菌素、大四内酯等抗菌素。它们都是不带电荷的电中性物质。这些环状载体有很多氧原子，可与碱金属配位，形成配合物后，可方便地通过膜。通过膜到膜内或由膜内出来。
二、链状离子载体——羧基离子载体
如P177，链状也属抗菌素。分子由一系列杂环组成，分子链上有多个能与金属离子配位的含氧基团，链一端为醇羟基，另一端为羧基，因此也称羧基离子载体。羧基氧和羟基氧及羰基氧与金属离子配位，氢
键使链成环，将金属离子包围起来。疏水基团在配合物的外边，整个分子是脂溶性的。链状离子载体可载离子形成配合物通过膜，向内或由内向外运送金属离子。
三、通道载体
能够在膜上形成离子通道的天然载体有两类：大环多羟基多烯内酯类抗菌素和多肽类抗菌素。大环多羟基多烯内酯类抗菌素——如制霉菌素，是一类亲水和亲油化合物。它可形成亲水性通道，使金属离子或葡萄糖、尿素等水溶性小分子通过。多肽类抗菌素——如短杆菌肽A 能使膜上形成通道，允许一价阳离子通过，多价阳离子及阴离子不能通过。
离子通道的发现。1890年，威廉·奥斯特瓦尔德（1909年诺贝尔化学奖获得者）就推测离子进出细胞会传递信息。20世纪20年代，科学家证实存在一些供离子出入的细胞膜通道。50年代初，阿兰·霍奇金和安德鲁·哈克斯利发现，离子从一个神经细胞中出来进入另一个神经细胞可传递信息。他们因此获得1963年诺贝尔生理学或医学奖。但那时科学家未知离子通道结构和工作原理。
1988年，罗德里克·麦金农利用Ｘ射线晶体成像技术获得了世界第一张离子通道的高清晰度照片，并第一次从原子层次揭示了离子通道的工作原理。这张照片上的离子通道取自青链霉菌，也是一种蛋白。麦金农的方法是革命性的，它可以让科学家观测离子在进入离子通道前的状态，在通道中的状态，以及穿过通道后的状态。对水通道和离子通道的研究意义重大。很多疾病，比如一些神经系统疾病和心血管疾病就是由于细胞膜通道功能紊乱造成的，对细胞膜通道的研究可以帮助科学家寻找具体的病因，并研制相应药物。另外，利用不同的细胞膜通道，可以调节细胞的功能，从而达到治疗疾病的目的。中药的一个重要功能是调节人体体液的成分和不同成分的浓度，这些成分可以通过不同细胞膜通道调节细胞的功能。有专家认为，对细胞膜通道的研究可以为揭示中医药的科学原理提供重要的途径。
瑞典皇家科学院称―由于麦克农的贡献，我们现在能够看到盐通过各个通道流动，这些通道可以用不同的细胞信号所开启和关闭。‖
发现水通道蛋白。2003年10月8日，瑞典皇家科学院将2003年诺贝尔化学奖授予时为The Johns Hopkins University School of Medicine生物化学系的Peter Agre教授，以表彰他发现细胞膜水通道并证明其功能这一开创性贡献。
2003年10月，在宣布彼得 .阿格雷获当年度化学奖的那个周末，我驱车好奇地去了那个离我只有几个街区的石头坊―阿格雷所住居的街区。那秋天的落叶，一切都那么平常，如往日一样。这个街区在巴尔的摩是一个普通社区，房子比那个住有众多大牌教授和医生的格林威路的房子逊色得多。阿格雷的获奖在这个“基因”大发现时代是一个奇迹。彼得·阿格雷(Peter Agre) 与里德克·麦克凯伦（Roderick MacKinnon ）分享2003年诺贝尔化学奖后，于2004年2月应邀回到他阔别37年的母校，位于明尼苏达州首府明尼安纳波里的罗斯福高中学。他没有鼓动中学生们去考一个“名校”，而是告诫他们：“即使上了不好的大学，你也没有失败。学习对我来说是乐趣，是令我兴奋的事情，因为有永远无法预期的答案在后面„ „”。他对科学的兴趣源于他当化学教授的父亲；他也提到曾在他家住过、两次诺贝尔化学奖得主鲍林，对他的事业有很大的激励。37年前，他的一次化学考试成绩得了个“D”。阿格雷作为一个普通的年轻人，做实验时从不做记录，往往把事情弄得一团糟。他认为做科学，勤奋工作，好奇心和运气是更重要的。阿格雷70年代在霍普金斯大学的导师之一，谈到他那个很让人没面子的“D”时，阿格雷说：你没有必要非得“A、B 、C”或进哈佛不可，但你必须有进取心，有目标并且有能力努力去做。
他从罗斯福高中辍学，但继续上夜校取得高中文凭，后入明尼苏达州奥斯博格学院获得三年制的化学学位。以他富有幽默感的个性，阿格雷很低调地谈到他如何被录取霍普金斯大学。他被录取是因为霍普金斯有一个给明尼苏达挪威移民的配额。他和著名的癌症专家伯特·维格斯坦当时是班级中“最糟糕”的学生。但是他的同学和教授认为他是很聪明和富有热情的学生。毕业后，他本来想行医，但他对他室友所在的实验室有了解后，也对研究感兴趣起来。那个实验室很有“活力”，有来自西班牙的“革命者”、巴勒斯坦的“难民”、保守的犹太人和意大利“演员”；他们成为亲密的朋友。在霍普金斯和克利夫兰的Case West Reserve大学完成医生见习期后，他来到北卡罗来纳大学做博士后。1981年阿格雷回到霍普金斯，当上了细胞生物学系的助理研究员。他卖掉他在北卡罗来纳的房子，接受一个年薪才25000美元的职位，而那时他的很多同班同学已经开始当私人执业医生；没有人会象他这么“傻”干。不久他在霍普金斯被晋升为助理教授，开始一边行医一边做研究。1993年他主导一个新的细胞和分子医学研究生项目，从事更多的水通道蛋白基础研究及在各种疾病中的作用。
水通道蛋白是一个非同寻常的发现；因为水通道是水进出细胞的关键，许多生理过程涉及体液的流动，例如出汗、排尿、发炎红肿以及流泪等等。水通道蛋白的功能使我们在炎热的夏天浓缩尿液而不致发生脱水，也能让我们在饥饿时把储存在脂肪组织的水释放出来。2003年12月，诺贝尔奖化学委员会主席本特·诺登这样评价：阿格雷的发现与生命有密不可分的关系，水通道蛋白是一个决定性的发现，它为人类打开一个新的领域，去研究细菌、哺乳动物和植物水通道的生物学、生理学和遗传学。
多少年来，科学家们一直在寻找水通道。阿格雷在研究一个无关的课题中偶然发现了它，并且阐明了它的工作机理。80年代末，当时还是霍普金斯大学一个血液病专家的阿格雷研究孕妇体内的Rh 排斥性。有一天，他和他的同事分离到他们所需要的Rh 蛋白，同时又发现了一些“杂蛋白”。这种“杂蛋白”非常丰富，分布广泛，也见于人类肾脏和植物，于是他想探个究竟。对于许多人来说，也许会放弃这个无关发现。然而，他的洞察力使他大大拓展了他预先所设定的目标。
仅仅发现还是不够的，阿格雷还想知道它是如何工作的。当时许多人不相信有水通道蛋白存在，因为没有人能分离到它。也有少数科学家认为，水通道蛋白是存在的，但不知如何着手。“有一个好想法真是太美妙了，但你必须用实验证实它”。阿格雷在北卡罗来纳大学的朋友，约翰·派克教授提醒他那可能是一个与水相关的蛋白。阿格雷和他的同事，霍普金斯的生理学和儿科教授威廉·格基诺教授做了一个巧妙的实验。1991年，他们克隆到该蛋白质的DNA ，并把相应的RNA 注射到青蛙卵内。有10个注射了互补RNA 的蛙卵能产生这种蛋白质，并具有水通透性。在纯水中，发生肿胀破裂。而对照组不能肿胀。他们还设计了其它许多实验证明，该蛋白只能让水通过。目前有10多个水通道蛋白发现，它们存在于血液、肾脏、大脑。
第五节 钙结合蛋白
许多生理过程都与Ca 2+离子有关。如激素分泌、DNA 合成、细胞分裂、肌肉收缩等。对于Ca 2+的作用，直到70年代发现钙结合蛋白、特别是钙调蛋白之后，这个问题才有了答案。现已知钙调蛋白作为细胞内Ca 2+的受体蛋白，其分子内有几个结合Ca 2+的位点，这些结合点中任何一个与Ca 2+结合之后，均可能发生构象变化，从而参与协调细胞各种依赖Ca 2+的生理过程。
Ca 2+离子在生理过程中发挥重要作用显然与其特性有关。钙离子半径为98pm ，配位数为7或8，Ca-O 键长变化幅度54pm ；各配位键的方向变化不一。钙配合物可以采取各种不规则的几何构型，蛋白质等生物大分子容易与它配位形成配合物。
一、钙调蛋白的结构
1、钙调蛋白的一级结构
钙调蛋白由一条多肽链构成。牛脑CaM 的相对分子量为16700，多肽链由148个氨基酸残基组成，整个分子含4个Ca 2+离子。
CaM 的一级结构在进化上表现出罕见的保守性，因此也就缺乏物种特异性和组织特异性。原生动物（如梨形四叶虫）CaM 与脊椎动物CaM 相比，只有11个氨基酸残基不同，1个缺失。钙调蛋白是酸性蛋白（与氢酶相似），有近1/4氨基酸残基是酸性的天冬氨酸（Asp ）和谷氨酸（Glu ），等电点4.0。分子中不含易氧化的色氨酸（Try ）和半胱氨酸（Cys ），因此稳定性强，耐热，在90℃以下保持活性。钙调蛋白CaM 的多肽链（148氨基酸残基）可以分为四个区，每个区结合一个Ca2+离子。各区之间，特别是I （8~40）与 III （81~113）区，II （44~76）与IV （117~148）区之间的氨基酸顺序有很高的同源性。
2、钙调蛋白的空间结构
x 射线结构分析提出了钙与蛋白质结合的一般规则：钙结合蛋白由多个重复区段组成。每个区的多肽链形成α螺旋—环体—α螺旋结构。每段螺旋有10个氨基酸残基，环体是12个氨基酸残基形成的非螺旋结构。每个环体结合一个Ca2+，Ca2+与肽键羰基氧和残基侧链羧基氧配位。这种结构模型形如右手伸开的拇指和食指及握紧的中指，Kretsinger 称为E-F 手结构。根据这种结构模型，钙调蛋白CaM 有4个区，每个区都是一个E-F 手结构。钙结合到EF-手蛋白，而不是其它离子，如Mg 2+、Na +、K +等。软硬酸碱效应：钙离子是硬酸，而EF-手蛋白的配位原子全是含氧配体。EF-手蛋白的配体的配位数是7，高配位数倾向于较大的钙离子。
1985年Y.S.Babu 等对CaM 晶体的x 射线结构分析证明，整个分子形状像一个哑铃，长6.5nm ，柄是一段长α螺旋，每个铃含两个Ca 2+离子，两个Ca 2+的间距为1.13 nm。Ca 2+与主链羰基氧及酸性残基侧链氧配位。每个铃中两个钙结合环之间有氢键相互作用。
二、钙调蛋白在细胞代谢中的调控作用
表 CAM 调节的生理过程及有关酶
1．钙调蛋白作用的分子机理
脱辅基的钙调蛋白本身无生物活性，只有与Ca 2+结合后才能参与各种生理活动，蛋白与钙可以有不同的结合方式，因而也有不同的生理功能。
2．钙调蛋白的生理功能
CaM 参与调节细胞代谢的多种生理活动，表列举了目前已确认的CaM 调控生理过程和相应的酶。钙调蛋白CaM 能活化细胞膜上的腺苷酸环化酶，催化cAMP 合成。
CaM 活化质膜上的Ca 2+-ATP 酶，从而调节细胞内的Ca 2+浓度。CaM 活化磷酸化酶激酶和糖原合成酶激酶，使糖原分解为葡萄糖。
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第八章 生物体中的碱金属和碱土金属及其跨膜运送
教学目标及基本要求
熟悉被动运输、主动运输、膜泡运输概念。了解钠钾泵、钙离子泵、质子泵作用机理。 教学重点
钠钾泵、钙离子泵、质子泵。
教学难点
协同运输、胞内膜泡运输。
教学方法
多媒体教学与传统讲授法相结合。
教学内容
第一节 碱金属和碱土金属在生物体内的分布与功能
第二节 生物膜
第三节 物质的跨膜运输
第四节 离子载体
第五节 钙结合蛋白
第一节 碱金属和碱土金属在生物体内的分布与功能
组成细胞的基本元素是：O 、C 、H 、N 、Si 、K 、Ca 、P 、Mg ，其中O 、C 、H 、N 四种元素占90%以上。细胞化学物质可分为两大类：无机物和有机物。在无机物中水是最主要的成分，约占细胞物质总含量的75％–80％。
细胞的主要的阳离子有：Na +、K +、Ca 2+、Mg 2+、Fe 2+、Fe 3+、Mn 2+、Cu 2+、Co 2+、Mo 2+。
表1 阳离子在细胞中的作用
细胞中无机盐的含量很少，约占细胞总重的1％。盐在细胞中解离为离子，离子的浓度除了具有调节渗透压和维持酸碱平衡的作用外，还有许多重要的作用。
1．钾的生物学功能
钾的植物生理功能：植物以钾离子形态吸收钾。根吸收钾的方式有主动吸收和被动吸收两种。
A ．钾在植物体内的功能主要是激活酶。有60多种酶需要钾来激活。这些酶在植物的上下两个生长点的分生组织中显得特别丰富，在那里细胞分裂得特别快，而且生成初生组织。
B ．钾参与光合作用。钾对光合作用的各个环节都有促进作用，包括希尔反应、光合电子传递、光合磷酸化作用、二氧化碳的固定和同化以及光合产物的运输等方面。
C ．钾对植物水分平衡的调节作用表现在几个方面。钾是一价阳离子，在植株中比其它阳离子对渗透压的调节有优势。钾提供很强的渗透势将水分子拉入植物根系。其次，钾同有机酸阴离子（如苹果酸）作为主要溶质，使细胞膨压增高，促进细胞伸长。钾还通过调节生长素（吲哚乙酸）和赤霉素来影响细胞伸长。第三，钾调节气孔保卫细胞的膨压控制气孔开闭来控制蒸腾失水。光通过结合在保卫细胞质膜内的氢离子泵ATP 酶使ATP 水解，从保卫细胞内泵出氢离子，同时保卫细胞外的钾离子进入。
D ．钾调节阴阳离子平衡和pH 值。钾平衡细胞结构内大分子的阴离子电荷或是在液泡、木质部及韧皮部内可转移的阴离子电荷，同时保持这些部位pH 值。钾促进根系对硝酸根的吸收及其在植物体内的运输。 E ．钾从三个方面促进蛋白质代谢。第一、钾促进根对硝酸盐的吸收和转运，在硝酸根通过木质部导管向枝叶运输过程和枝叶中形成的苹果酸阴离子通过韧皮部运到根系脱羧生成碳酸根释放到土壤中与硝酸根交换的两个过程中，钾都作为这些阴离子的反离子；第二、钾促进氨基酸向蛋白质合成的部位运输；第三、钾促进蛋白质合成。
F ．钾可平衡酸性氨基酸中的负电荷，使蛋白质结构稳定。
在人体内，K +维持离子神经、肌肉细胞、心肌细胞的正常应激性靠体液中各种离子的正常浓度和比例来维持，维持心肌收绝活动的协调，参与细胞内的糖代谢过程，维持细胞内的渗透压和休液截喊平行。
2．钠在人体中的功能
钠是人体胆汁、胰液、汗液和眼泪的组成成分，它还对维持神经、肌肉的正常功能起作用。钠和钾一样，也是人体内维持渗透压的主要阳离子。它存在于细胞外液（血浆、淋巴、消化液）中，能够维持肌肉和神经的功能，维持肌肉的正常兴奋和细胞的通透性。如果体内缺少钠会使人感到疲乏、晕眩，出现食欲不振、心率加速、脉搏细弱、肌肉痉挛、头痛等症状。但摄入过多会导致钾的不足，引起高血压和心脏病等。因此，饮食不宜太咸，成年人每天摄入食盐的量，最好控制在2000 mg～2500 mg。
3．钙在人体中的功能
钙是构成人体的常量元素, 它是骨骼和牙齿的主要成分。人体中99％的钙存在于骨骼和牙齿中。钙有助于骨骼和牙齿的生长，促进肌肉和神经的正常兴奋。它可以抑制脑神经的异常兴奋，使之在正常状态下，能承受较为严重的精神刺激。钙又是机体中多种酶系统的激活剂。例如当人受了创伤出血时，钙可以使凝血酶原激活转化凝血酶，促使伤口处的血液凝固。人体一旦缺钙，则肌肉神经兴奋，易引起肌肉自发地收缩。青少年缺钙时发育不良，易得佝偻病。成年人缺钙会出现血不易凝固等，老年人缺钙会导致骨质疏松，容易骨折。因此，成年人每天应摄取800 mg～1200 mg钙。在牛奶、虾皮、海带、奶粉、芝麻酱、绿叶蔬菜、花生、豆类和豆制品中含钙量较多，饮食中应适当增加这些食品。此外，还应根据需要，适当服用葡萄酸钙、乳酸钙等容易吸收的钙制剂。需要注意的是蔬菜或水果中的草酸，以及大量的脂肪，都会阻碍钙的吸收。为提高人体对钙的吸收率，还必需同时摄入丰富的维生素D ，或经常晒太阳。因为人体皮肤内的7-脱氢胆固醇经日光中紫外线的照射，可转变成维生素D 。
主要的阴离子有Cl –、PO 4–和HCO 3–，其中磷酸根离子在细胞代谢活动中最为重要：①在各类细胞的能量代谢中起着关键作用；②是核苷酸、磷脂、磷蛋白和磷酸化糖的组成成分；③调节酸碱平衡，对血液和组织液pH 起缓冲作用。
4．水在人体中的功能
水是活细胞中最丰富的化合物，动物体内不含化学上的纯水(H2O)，只含有包括可溶性的类晶体的水或结合到胶体上的水。即在动物体内存在有2种状态的水：自由水和结合水。自由水又称游离水，存在于细胞中，是指细胞外和细胞内体液中的水，且有各种无机物和有机物溶于其中，能够自由运动。结合水又称束缚水或结晶水，指胶体体系中与蛋白质、糖及盐类坚固结合，受到束缚的水，或存在于细胞内的水合离子和与纤维分子之间封闭起来的水，所以难于运动。由于水分子的极性与氢结合的性质，而具有一些独特性质，故水在生物体内具有多种重要的生理功能。
A ．构成细胞组织。水是细胞组织的组成成分。生物体内的水大部分与蛋白质结合形成胶体，这种结合使组织细胞具有一定的形态、硬度和弹性。水是构成细胞胶态原生质的重要成分，失掉了水，细胞的胶态即无法维持，各种代谢就无法进行。
B ．参与物质代谢。水是生物体内代谢物质的主要溶剂。水有很高的电解常数，溶解力强。很多饲料中的营养物质的吸收和输送及代谢产物的排除，没有水的参与就不能完成。因为养料和代谢产物的交换、转移以及多种活性物质如酶、激素和维生素的转运，只有溶解或分散于体液中才能在体内进行。
C ．促进生化反应。水是促代谢反应的物质，一切生物的氧化和酶促反应都有水参加。水是生物体内生化反应的原料，又是生化反应的产物。在水解过程中，水是反应底物；在氧化过程中，水是反应的产物。在体内的消化、吸收、分解、合成、氧化还原以及细胞呼吸过程等都有水的参与。
D ．维持体液平衡。水是维持体液平衡的重要物质。体液是指存在于动物体内的水和溶解于水中的各种物质(如无机盐、葡萄糖、氨基酸、蛋白质等) 所组成的液体。它广泛地存在于细胞内外，构成动物体的内环境。水能稀释细胞内容物和体液，使物质能在细胞内、体液内和消化道内保持相对的自由运动，保持体内矿物质的离子平衡，保持物质在体内的正常代谢。水不仅在消化道内排出大量的不能被消化利用的物质中起着重要作用，而且通过尿液、汗液在排出代谢产物上也起着重要作用。
E ．调节机体温度。水有调节体温的作用，水的比热大，热容量也大，蒸发热高，热传导强。因此，水能以呼出潮气或以多汗形式起到调节体温的作用。动物体内的水贮蓄较多热量，即使产热过多，也能被水吸收，机体温度保持平衡。
F ．润滑器官，减缓磨损。水具有润滑作用，通过体液的循环，还可加强各器官联系，减少体内关节和器官间的磨擦和损伤，并可使器官运动灵活。
第二节 生物膜
一、细胞生物学简史
1．显微镜的发明与细胞的发现
1590年荷兰眼镜制造商J.Janssen 和Z.Janssen 父子制作了第一台复式显微镜，尽管其放大倍数不超过10倍，但具有划时代的意义。
1665年英国人Robert Hooke用自己设计与制造的显微镜观察了软木（栎树皮) 的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，并首次用cells 这个词来称呼他所看到的类似蜂巢的极小的封闭状小室。
1886年德国人Ernst Abbe发明复消差显微镜，并改进了油浸物镜，至此普通光学显微镜技术基本成熟。 1932年德国人M. Knoll和E. A. F. Ruska描述了一台最初的电子显微镜，1940年美国和德国制造出分辨力为0.2nm 的商品电镜。
1932年荷兰籍德国人F.Zernike 成功设计了相差显微镜，并因此获1953年诺贝尔物理奖。
1981年瑞士人G. Binnig和H. RoherI在BM 苏黎世实验中心发明了扫描隧道显微镜而与电镜发明者Ruska 同获1986年度的诺贝尔物理学奖。
2．细胞学说
19世纪30年代德国人施莱登Matthias Jacob Schleiden、施旺Theodar Schwann提出：一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位。这一学说即细胞学说。
1855年德国人R. Virchow提出―一切细胞来源于细胞‖的著名论断，进一步完善了细胞学说。把细胞作为生命的一般单位，以及作为动植物界生命现象的共同基础的这种概念立即受到了普遍的接受。恩格斯将细胞学说誉为19世纪的三大发现之一。
3．细胞生物学的发展
从研究内容来看细胞生物学的发展可分为三个层次，即：显微水平、超微水平和分子水平。从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段：
第一阶段：从16世纪后期到19世纪30年代，是细胞发现和细胞知识的积累阶段。通过对大量动植物的观察，人们逐渐意识到不同的生物都是由形形色色的细胞构成的。
第二阶段：从19世纪30年代到20世纪初期，细胞学说形成后，开辟了一个新的研究领域，在显微水平研究细胞的结构与功能是这一时期的主要特点。形态学、胚胎学和染色体知识的积累，使人们认识了细胞在生命活动中的重要作用。1893年Hertwig 的专著《细胞与组织》出版，标志着细胞学的诞生。
第三阶段：从20世纪30年代到70年代，电子显微镜技术出现后，把细胞学带入了第三大发展时期，这短短40年间不仅发现了细胞的各类超微结构，而且也认识了细胞膜、线粒体、叶绿体等不同结构的功能，使细胞学发展为细胞生物学。De Robertis等人1924出版的普通细胞学在1965年第四版的时候定名为细胞生物学，这是最早的细胞生物学教材之一。
第四阶段：从20世纪70年代基因重组技术的出现到当前，细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密，研究细胞的分子结构及其在生命活动中的作用成为主要任务，基因调控、信号转导、肿瘤生物学、细胞分化和凋亡是当代的研究热点。
细胞是一切生命活动的基本结构和功能单位。一般认为：细胞是由膜包围的原生质团，通过质膜与周围环境进行物质和信息交流；是构成有机体的基本单位，具有自我复制的能力，是有机体生长发育的基础；是代谢与功能的基本单位，具有一套完整的代谢和调节体系；是遗传的基本单位，具有发育的全能性。
二、生物膜
细胞膜是防止细胞外物质自由进入细胞的屏障，它保证了细胞内环境的相对稳定，使各种生化反应能够有序运行。但是细胞必须与周围环境发生信息、物质与能量的交换，才能完成特定的生理功能。因此细胞必须具备一套物质转运体系，用来获得所需物质和排出代谢废物，据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的15~30%，细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的三分之二。
1．质膜结构的研究历史
1925年E.Gorter & F. Grendel用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。
1935年J.Danielli & H.Davson发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质，从而提出了‖蛋白质-脂类-蛋白质‖的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。1959年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。
1959年J.D.Robertson 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗–明–暗三层结构，厚约7.5nm 。这就是所谓的―单位膜‖模型。它由厚约3.5nm 的双层脂分子和内外表面各厚约2nm 的蛋白质构成。单位膜模型的不足之处在于把膜的动态结构描写成静止的不变的。
1972年S.J.Singer & G.Nicolson根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在‖单位膜‖模型的基础上提出‖流动镶嵌模型‖。强调膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。
2．质膜的结构
细胞表面的一层单位膜，特称为质膜。真核细胞除了具有质膜、核膜外，发达的细胞内膜形成了许多功能区隔。由膜围成的各种细胞器，如核膜、内质网、高尔基体、线粒体、叶绿体、溶酶体等。在结构上形成了一个连续的体系，称为内膜系统。内膜系统将细胞质分隔成不同的区域，即所谓的区隔化。区隔化是细胞的高等性状，它不仅使细胞内表面积增加了数十倍，各种生化反应能够有条不紊地进行，而且细胞
代谢能力也比原核细胞大为提高。是典型的单位膜结构，厚约8~10 nm，外侧紧贴细胞壁，某些革兰氏阴性菌还具有细胞外膜。通常不形成内膜系统，除核糖体外，没有其它类似真核细胞的细胞器，呼吸和光合作用的电子传递链位于细胞膜上。某些行光合作用的原核生物，质膜内褶形成结合有色素的内膜，与捕光反应有关。某些革兰氏阳性细菌质膜内褶形成小管状结构，称为中膜体或间体，中膜体扩大了细胞膜的表面积，提高了代谢效率，有拟线粒体之称，此外还可能与DNA 的复制有关。
质膜包在细胞外面，所以又称细胞膜，它不仅是区分细胞内部与周围环境的动态屏障，更是细胞物质交换和信息传递的通道。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜。质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础，细胞的能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递、细胞运动等活动都与膜的作用有密切的关系。
质膜表面寡糖链形成细胞外被或糖萼；质膜下的表层溶胶中具有细胞骨架成分组成的网络结构，除对质膜有支持作用外，还与维持质膜的功能有关，所以这部分细胞骨架又称为膜骨架。细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。
脂筏：质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。大小约70 nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分子间的作用力较强，所以这些区域结构致密，介于无序液体与液晶之间，称为有序液体。在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，所以又称为抗去垢剂膜。脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。
从脂筏的角度来看，膜蛋白可以分为三类：①存在于脂筏中的蛋白质；包括糖磷脂酰肌醇锚定蛋白，某些跨膜蛋白，双乙酰化蛋白。②存在于脂筏之外无序液相的蛋白质；③介于两者之间的蛋白质，如某些蛋白在没有接受到配体时，对脂筏的亲和力低，当结合配体，发生寡聚化时就会转移到脂筏中。
脂筏中的胆固醇就像胶水一样，它对具有饱和脂肪酸链的鞘磷脂亲和力很高，而对不饱和脂肪酸链的亲和力低，用甲基-β-环糊精去除胆固醇，抗去垢剂的蛋白就变得易于提取。膜中的鞘磷脂主要位于外小页，而且大部分都参与形成脂筏。
据估计脂筏的面积可能占膜表面积的一半以上。脂筏的大小是可以调节的，小的独立脂筏可能在保持信号蛋白呈关闭状态方面具有重要作用，当必要时，这些小的脂筏聚集成大一个大的平台，在那里信号分子（如受体）将和它们的配件相遇，启动信号传递途径。如致敏原能够将过敏患者体内肥大细胞或嗜碱性细胞表面的IgE 抗体及其受体桥联起来，形成较大的脂筏，受体被脂筏中的Lyn(一种非受体酪氨酸激酶) 磷酸化，启动下游的信号转导，最终引发过敏反应。
3．质膜的化学组成
质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。
膜脂：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。
磷脂：是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50％以上。磷脂分子的主要特征：具有一个极性头和两个非极性的尾，但存在于线粒体内膜和某些细菌质膜上的心磷脂具有4个非极性的区域。
以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。
主要类型有：磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇和双磷脂酰甘油等。
鞘磷脂：在脑和神经细胞膜中特别丰富，亦称神经醇磷脂，它是以鞘胺醇为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞和植物中没有鞘磷脂。
糖脂：是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5～10％。糖脂也是两性分子，是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。
最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作为极性头部，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。儿童所患的家族性白痴病就是因为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂GM 2加工成为GM 3，结果大量的GM 2累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退化。神经节苷脂本身就是一类膜上的受体，已知破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素和5-羟色胺等的受体就是不同的神经节苷脂。多数碳链常含有不饱和脂肪酸。
胆固醇：仅存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。如：在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。
脂质体：是一种人工膜。在水中磷脂分子亲水头部插入水中，疏水尾部伸向空气，搅动后形成双层脂分子的球形脂质体，直径25~1000 nm不等。脂质体可用于转基因，或制备的药物，利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。
膜蛋白：是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为整合蛋白、外周蛋白和脂锚定蛋白。
整合蛋白可能全为跨膜蛋白，为两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。由于存在疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来。
整合蛋白的跨膜结构域可以是1至多个疏水的α螺旋，形成亲水通道的整合蛋白跨膜区域有两种组成形式，一是由多个两性α螺旋组成亲水通道；而是由两性β折叠组成亲水通道。
外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。
细胞膜上存在两类主要的转运蛋白：载体蛋白和通道蛋白。载体蛋白又称做载体、通透酶和转运器，能够与特定溶质结合，通过自身构象的变化，将与它结合的溶质转移到膜的另一侧，载体蛋白有的需要能量驱动，如：各类APT 驱动的离子泵；有的则不需要能量，以自由扩散的方式运输物质，如：缬氨酶素。通道蛋白与所转运物质的结合较弱，它能形成亲水的通道，当通道打开时能允许特定的溶质通过，所有通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质。
4．质膜的流动镶嵌模型
流动镶嵌模型突出了膜的流动性和不对称性，认为细胞膜由流动的脂双层和嵌在其中的蛋白质组成。磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架，蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双层，表现出分布的不对称性。
质膜的流动性：质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。
（1）膜脂分子的运动
侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶的催化下完成。旋转异构：脂肪酸链围绕C-C 键旋转，导致异构化运动。
（2）影响膜流动性的因素
影响膜流动的因素主要来自膜本身的组分，遗传因子及环境因子等。
胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。
脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。
脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。
卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。
其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。
（3）膜蛋白的分子运动
主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用光脱色恢复技术（FRAP ）和细胞融合技术检测侧向扩散。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动，膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B 能促进膜蛋白的侧向运动。
1970年Larry Frye等人将人和和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。
（4）膜流动性的生理意义
质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。
膜的不对称性：质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异，称为膜的不对称性。膜脂、膜蛋白和复合糖在膜上均呈不对称分布，导致膜功能的不对称性和方向性，即膜内外两层的流动性不同，使物质传递有一定方向，信号的接受和传递也有一定方向等。
膜脂的不对称性：脂分子在脂双层中呈不均匀分布，质膜的内外两侧分布的磷脂的含量比例也不同。膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域——脂筏。
膜蛋白的不对称性：膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性和分布的区域性。各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能，如：蛋白激酶C 结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。
复合糖的不对称性：无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。
5．细胞膜的功能
细胞质膜的主要功能概括如下：为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出；提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；为多种酶提供
结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。
6．细胞表面的分化
细胞表面的特化结构如：膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等等，分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有关。
细胞外被：动物细胞表面存在着一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被或糖萼。细胞外被的保护作用：细胞外被具有一定的保护作用，去掉细胞外被，并不会直接损伤质膜；细胞识别，细胞识别与构成细胞外被的寡糖链密切相关。寡糖链由质膜糖蛋白和糖脂伸出，每种细胞寡糖链的单糖残基具有一定的排列顺序，编成了细胞表面的密码，它是细胞的”指纹”，为细胞的识别形成了分子基础。同时细胞表面尚有寡糖的专一受体，对具有一定序列的寡糖链具有识别作用。因此，细胞识别实质上是分子识别。1955年Townes 和Holtfreter 把两栖类动物的原肠胚3个胚层的细胞分散后，混合培养，结果3个胚层的细胞均自行分类聚集，分别参加其来源胚层的组建。如果将鸡胚细胞和小鼠胚细胞分散后相混培养，各种细胞仍按来源组织分别聚集，但相聚细胞只具有组织的专一性，而没有物种的分辨能力。
决定血型：血型实质上是不同的红细胞表面抗原，人有20几种血型，最基本的血型是ABO 血型。红细胞质膜上的糖鞘脂是ABO 血型系统的血型抗原，血型免疫活性特异性的分子基础是糖链的糖基组成。A 、
B 、O 三种血型抗原的糖链结构基本相同，只是糖链末端的糖基有所不同。A 型血的糖链末端为N –乙酰半乳糖；B 型血为半乳糖；AB 型两种糖基都有，O 型血则缺少这两种糖基。
膜骨架：指质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。膜骨架位于细胞质膜下约0.2μm厚的溶胶层。
用荧光标记的抗体与细胞膜上的抗原反应，使细胞膜带有荧光，用紫外线照射，使一侧细胞的荧光淬灭，放置一段时间后会发现荧光物质又均匀分布在细胞表面。
第三节 物质的跨膜运输
一、被动运输
1．简单扩散
也叫自由扩散，特点是：沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；不需要提供能量；没有膜蛋白的协助。 某种物质对膜的通透性（P ）可以根据它在油和水中的分配系数(K)及其扩散系数(D)来计算：P=KD/t，其中t 为膜的厚度。
脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；非极性分子比极性容易透过，小分子比大分子容易透过。具有极性的水分子容易透过是因水分子小，可通过由膜脂运动而产生的间隙。
非极性的小分子如O 2、CO 2、N 2可以很快透过脂双层，不带电荷的极性小分子，如水、尿素、甘油等也可以透过人工脂双层，尽管速度较慢，分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过，而膜对带电荷的物质如：H +、Na +、K +、Cl -、HCO 3-是高度不通透的。细胞的物质转运过程中，透过脂双层的简单扩散现象很少，绝大多数情况下，物质是通过载体或者通道来转运的。离子、葡萄糖、核苷酸等物质有的是通过质膜上的运输蛋白的协助，按浓度梯度扩散进入质膜的，有的则是通过主动运输的方式进行转运。
2．协助扩散
也称促进扩散，其运输特点是：①比自由扩散转运速率高；②存在最大转运速率； 在一定限度内运输速率同物质浓度成正比。如超过一定限度，浓度再增加，运输也不再增加。因膜上载体蛋白的结合位点已达饱和；③有特异性，即与特定溶质结合。这类特殊的载体蛋白主要有离子载体和通道蛋白两种类型。
（1）离子载体
是疏水性的小分子，可溶于双脂层，提高所转运离子的通透率，多为微生物合成，是微生物防御被捕食或与其它物种竞争的武器，离子载体也是以被动的运输方式运输离子，可分成可动离子载体和通道离子载体两类：
可动离子载体：如缬氨霉素能在膜的一侧结合K +，顺着电化学梯度通过脂双层，在膜的另一侧释放K +，且能往返进行。其作用机理就像虹吸管可以使玻璃杯中的水跨越杯壁屏障，向低处流动一样。此外，2,4-二硝基酚、羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼(FCCP)可转运H +，离子霉素可转运Ca 2+。
通道离子载体：如短杆菌肽A 是由15个疏水氨基酸构成的短肽，2分子的短杆菌肽形成一个跨膜通道，有选择的使单价阳离子如H +、Na +、K +按化学梯度通过膜，这种通道并不稳定，不断形成和解体，其运输效率远高于可动离子载体。
（2）通道蛋白
是衡跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态，如钾泄漏通道，允许钾离子不断外流。有些通道蛋白平时处于关闭状态，即―门‖不是连续开放的，仅在特定刺激下才打开，而且是瞬时开放瞬时关闭，在几毫秒的时间里，一些离子、代谢物或其他溶质顺着浓度梯度自由扩散通过细胞膜，这类通道蛋白又称为门通道。
研究方法：离子通道结构和功能的研究需综合应用各种技术，包括：电压和电流钳位技术、单通道电流记录技术、通道蛋白分离、纯化等生化技术、人工膜离子通道重建技术、通道药物学、基因重组技术及一些物理和化学技术。
通道蛋白分离、通道重建和基因重组技术：利用与通道特异结合的毒剂标记，可把通道蛋白质从膜上分离下来，经过纯化，可以测定各亚单位多肽的分子量。然后，把它们加入人工膜，可重新恢复通道功能。用于确定蛋白质氨基酸序列的基因重组技术的程序是：从细胞中分离出含有与该种通道蛋白相关的mRNA ，置入某种细胞(如大肠杆菌) ，经逆转录得到cDNA 。用限制性内切酶将cDNA 切割成特定片段，再用核酸杂交方法钓出特定的DNA 并克隆化。通过测定阳性克隆DNA 的核苷酸顺序，推断出相应的蛋白质氨基酸序列。
门通道可以分为四类：配体门通道（ligand gated channel）、电位门通道（voltage gated channel）、环核苷酸门通道（Cyclic Nucleotide-Gated Ion Channels）和机械门通道（mechanosensitive channel）。
不同通道对不同离子的通透性不同，即离子选择性(ionic selectivity)。这是由通道的结构所决定的，只允许具有特定离子半径和电荷的离子通过。根据离子选择性的不同，通道可分为钠通道、钙通道、钾通道、氯通道等。但通道的离子选择性只是相对的而不是绝对的，比如，钠通道除主要对Na +通透外，对NH 4+也通透，甚至于对K +也稍有通透。
配体门通道：表面受体与细胞外的特定物质（配体）结合，引起门通道蛋白发生构象变化，结果使―门‖打开，又称离子通道型受体。分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸的受体。
N 型乙酰胆碱受体是目前了解较多的一类配体门通道。它是由4种不同的亚单位组成的5聚体，总分子量约为290kd 。亚单位通过氢键等非共价键，形成一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构，其中的两个α亚单位是同两分子Ach 相结合的部位。
Ach 门通道具有具有三种状态：开启、关闭和失活。当受体的两个α亚单位结合Ach 时，引起通道构象改变，通道瞬间开启，膜外Na +内流，膜内K +外流。使该处膜内外电位差接近于0值，形成终板电位，然后引起肌细胞动作电位，肌肉收缩。即是在结合Ach 时，Ach 门通道也处于开启和关闭交替进行的状态，只不过开启的概率大一些（90%）。Ach 释放后，瞬间即被乙酰胆碱酯酶水解，通道在约1毫秒内关闭。如果Ach 存在的时间过长（约20毫秒后），则通道会处于失活状态。
筒箭毒和α银环蛇毒素可与乙酰胆碱受体结合，但不能开启通道，导致肌肉麻痹。
电位门通道(voltage gated channel)：是对细胞内或细胞外特异离子浓度发生变化时，或对其他刺激引起膜电位变化时，致使其构象变化，―门‖打开。如：神经肌肉接点由Ach 门控通道开放而出现终板电位时，这个电位改变可使相邻的肌细胞膜中存在的电位门Na +通道和K +通道相继激活（即通道开放），引起肌细胞动作电位；动作电位传至肌质网，Ca 2+通道打开引起Ca 2+外流，引发肌肉收缩。
根据对Na +、K +、Ca 2+通道蛋白质的结构分析，发现它们一级结构中的氨基酸排列有相当大的同源性，属于同一蛋白质家族，是由同一个远祖基因演化而来。K +电位门通道由四个α亚单位（I-IV ）构成，每个亚单位均有6个(S1-S 6) 跨膜α螺旋节段，N 和C 端均位于胞质面。连接S 5-S 6段的发夹样β折叠 (P区或H 5区) ，构成通道的内衬，大小可允许K +通过。
K +通道具有三种状态：开启、关闭和失活。目前认为S 4段是电压感受器，S 4高度保守，属于疏水片段，但每隔两个疏水残基即有一个带正电荷的精氨酸或赖氨酸残基。S 4段上的正电荷可能是门控电荷，当膜去极化时（膜外为负，膜内为正），引起带正电荷的氨基酸残基转向细胞外侧面，通道蛋白构象改变，―门‖打开，大量K +外流，此时相当于K +的自由扩散。K +电位门它和Ach 配体门一样只是瞬间（约几毫秒） 开放，然后失活。此时N 端的球形结构，堵塞在通道中央，通道失活，稍后球体释放，―门‖处于关闭状态。
链霉菌的钾离子通道KcsA 也是由四个亚单位构成的，但每个亚基只有两个跨膜片段，结构较为简单。1998年，Roderick MacKinnon等用X 射线衍射技术获得了高分辨的KcsA 通道图像，发现离子通透过程中离子的选择性主要发生在狭窄的选择性过滤器中。选择性过滤器长1.2nm ，孔径约为0.3nm （K +脱水后直径约0.26nm ），内部形成一串钾离子特异结合位点，从而只有钾离子能够―排队‖通过通道。
河豚毒素能阻滞钠通道，毒素带正电荷的胍基伸人钠通道的离子选择性过滤器，和通道内壁上的游离羧基结合，毒素其余部分堵塞通道外侧端，妨碍钠离子进入，导致肌肉麻痹。
环核苷酸门通道：与电压门控性通道家族关系密切的是CNG 通道，从蛋白质序列来看，它们与电压门钾通道结构相似，也有6个跨膜片段，各为带电荷片段，P 区构成孔道内侧，整个通道为四聚体结构。在CNG 通道中，细胞内的C 末端较长，上面含有环核苷酸的结合位点。
环核苷酸门通道分布于化学感受器和光感受器中，与膜外信号的转换有关。如气味分子与化学感受器中的G 蛋白偶联型受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生cAMP ，开启cAMP 门控阳离子通道(cAMP-gated cation channel)，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。
机械门通道：细胞可以接受各种各样的机械力刺激，如摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。细胞将机械刺激的信号转化为电化学信号最终引起细胞反应的过程称为机械信号转导。
目前比较明确的有两类机械门通道，其一是牵拉活化或失活的离子通道，另一类是剪切力敏感的离子通道，前者几乎存在于所有的细胞膜，研究较多的有血管内皮细胞、心肌细胞以及内耳中的毛细胞等，后者仅发现于内皮细胞和心肌细胞。牵拉敏感的离子通道是指能直接被细胞膜牵拉所开放或关闭的离子通道。其特点为对离子的无选择性、无方向性、非线性以及无潜伏期。这种通道为2价或1价的阳离子通道，有Na +、K +、Ca 2+，以Ca 2+为主。研究表明，当内皮细胞被牵拉时，由于通道开放引起Ca 2+内流，使以Ca 2+介导的血管活性物质分泌增多，Ca 2+还可作为胞内信使，导致进一步的反应。
内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力敏感的感受装置，听毛弯曲时，毛细胞会出现暂短的感受器电位。从听毛受力而致听毛根部所在膜的变形，到该处膜出现跨膜离子移动之间，只有极短的潜伏期，
水通道：长期以来，普遍认为细胞内外的水分子是以简单扩散的方式透过脂双层膜。后来发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高，很难以简单扩散来解释。如将红细胞移入低渗溶液后，很快吸水膨胀而溶血，而水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀。因此，人们推测水的跨膜转运除了简单扩散外，还存在某种特殊的机制，并提出了水通道的概念。 （1）细胞膜水转运的研究简史
20世纪20年代，随着对细胞膜的脂质双分子结构的认识，人们普遍认为水是以简单扩散的形式通过细胞的脂质双分子层——即水分子的简单扩散学说。研究水的通透性有两个指标，扩散水通透性（diffusional water permeability，Pd ）和渗透水通透性（osmotic water permeability，Pf) 。所有组织细胞膜都允许水的简单扩散。不同组织的Pd 值不同，但变异不大。Pd 值较低，约为10mm/s，并呈现出温度依赖性；水分子的简单扩散需要较高的阿仑尼乌斯活化能（Arrhenius activation energy，以下简称Ea ），E a >10kca/mol。膜脂质的分子组成和流动性影响水的扩散，故水分子的简单扩散不能被汞等通道蛋白阻断剂所抑制。渗透水通透性Pf 反映的是水在跨膜梯度存在下的渗透情况。如果Pf/Pd值近似为1则表明水的跨膜运动是通过简单扩散完成的。
然而水分子简单扩散理论不能解释一些生理现象，如尿的浓缩、Pf/Pd>1时水的转运以及有些细胞水转运可被通道蛋白阻断剂抑制等，所以就产生了另一种理论，认为细胞膜上存在水分子转运的特殊通道，即水通道学说。水通过水通道时需要的E a 较低，一般E a
在上世纪六七十年代，水转运领域的先驱们首先提出水通道蛋白的存在，这些前辈们包括：波士顿的亚瑟·克·所罗门、纽约的艾伦·菲克尔斯代恩、伯克利的罗伯特·梅兹、罗马尼亚的乔治·本格、委内瑞拉的盖勒姆·怀特姆拜瑞和阿根廷的马里奥·潘瑞斯。他们通过生物物理的方法证实了水通道存在于对水具有高渗透性的一些细胞中，如肾小管、唾液腺、红细胞。然而，他们都没有分离出转运水的蛋白。
（2）目前有10多个水通道蛋白发现，它们存在于血液、肾脏、大脑。美国科学家彼得·阿格雷博士研究发现，细胞膜中存在一种专门允许水分子出入的水通道蛋白，他因此获得了2003年的诺贝尔化学奖。在人
体中，目前已经确定的水通道蛋白有11种，其中的大部分存在于肾脏、大脑和眼睛中。这种蛋白功能的损伤与多种疾病有关。但是，细胞膜蛋白水通道究竟是如何让水分子进出的具体工作机制，尚有待科学家进一步探索。水通道蛋白有非常奇妙的特性，虽然通道内的电场环境会有一定程度的变化，但水通道蛋白仍能在这种情况下保持一个稳定的流量，同时又能根据真正的开/关信号迅速实现通道的门控，纳米尺度下水通道的这个特性对于水通道蛋白实现它的生物学功能非常关键。李敬源介绍说，科学家把在水通道蛋白中不同电环境下的这种变化称为“噪声”，原因是由于纳米通道是个非常微观的系统，一个在宏观看来很微小的变化，在纳米尺度下，都会是很大的变化。
各种无机离子跨膜被动运输的通路。被动运输的通路称离子通道，主动运输的离子载体称为离子泵。生物膜对离子的通透性与多种生命活动过程密切相关。例如，感受器电位的发生，神经兴奋与传导和中枢神经系统的调控功能，心脏搏动，平滑肌蠕动，骨骼肌收缩，激素分泌，光合作用和氧化磷酸化过程中跨膜质子梯度的形成等。
类型和功能特征：离子通道依据其活化的方式不同，可分两类：一类是电压活化的通道，即通道的开放受膜电位的控制, 如Na +、Ca 2+、Cl –和一些类型的K +通道；另一类是化学物活化的通道，即靠化学物与膜上受体相互作用而活化的通道，如Ach 受体通道、氨基酸受体通道、Ca 2+活化的K +通道等。
钠通道：各种生物材料中，与电兴奋相关的Na +通道有相似的基本特征。通道活化时间常数小于1毫秒，失活时间常数为数毫秒，Na +电流的反转电位约+55毫伏。单通道电流记录显示，Na +单通道电导为4～20pS ，平均开放寿命数毫秒。根据一些药物和毒素对Na +通道功能的不同影响, 可分为4种类型：①通道阻断剂，如河豚毒素、石房蛤毒素。②通道活化增强剂，如β-蝎毒、箭毒蛙毒素、藜芦碱毒素等。③通道活化抑制剂，如一些局部麻醉剂及其衍生物。④通道失活抑制剂，如链霉蛋白酶、N-溴乙酰胺等。
从电鳗电板分离的钠通道蛋白质分子量是208321，是由1820个氨基酸组成的多肽序列, 可分为4个相似的区段，每个区段中分别有较集中的正电性和负电性的氨基酸序列节段。多种钠通道构象模型的共同特征是：由多个α螺旋跨膜排列组成通道，通道内侧应富含极性的氨基酸残基侧链，每个通道的控制部分由离子选择性滤器、活化闸门和失活闸门3部分组成，其实体是氨基酸侧链的极性基团。膜电位变化时，电场诱导极性基团运动，使通道局部构象发生变化，导致通道的开放、失活或关闭，并产生门控电流。关于关闭、活化和失活3种状态之间的转化, 有两种观点：一种认为通道从关闭态必须经活化态才能转化为失活态（偶联方式），另一种认为从关闭态可以直接转化为失活态（非偶联方式），目前非偶联方式得到较多的实验事实支持。
钾通道：根据功能特性的不同，K +通道可分为以下类型：①慢（延迟）K +通道(K通道) 。单通道电流记录显示，单个K 通道电导在2～20pS ，通道平均开放寿命为数十毫秒。该种通道可被四乙胺等特异性阻断, 通道对K +有高度选择性，这种通道在神经轴突和骨骼肌细胞膜中有较高密度。②快（早期）K +通道（A 通道）, 该种通道外向的K +流在膜去极化的早期就出现，表明通道的活化时间常数比慢K +通道小得多, 但在-40毫伏以上该通道即关闭。电压钳位实验表明, 其宏观电流动力学与Na +电流相似。较低浓度的4-氨基吡啶即能阻断该通道，它也可被四乙胺阻断。③Ca 2+活化的K +通道〔K(Ca)通道〕，该种通道的开放，不但与膜电位有关，而且依赖于细胞内Ca 2+的浓度，每个通道需结合两个Ca 2+才能活化。单通道电导可高达300pS, 并有较长的开放寿命, 这种通道与Ca 2+通道协同作用，对调节细胞膜电兴奋性的节律有重要意义。它可被四乙胺、N'-四乙酸、奎尼丁和Ba 2+阻断。④内向整流的K +通道，其特征是：在膜超极化时通道开放与膜电位和
胞外K +浓度密切相关，通道开放时产生内向K +电流，单通道电导在5～10pS 范围。
钙通道：Ca 2+通道广泛存在于各种生物组织的细胞膜中。宏观的Ca 2+电流动力学特征与Na +电流相似，但峰值小且失活过程慢，可达数十到数百毫秒。Ca 2+通道对Ca 2+、Ba 2+、Sr 2+都有高通透性, 但Ni 2+、Cd 2+、Co 2+、Mn 2+等离子能有效地阻断Ca 2+通道。
药物对Ca 2+通道的作用可分为：①通道阻断或抑制剂，可分为苯烷基胺类、双氢吡啶类等类型。②通道激活剂，一些双氢吡啶化合物药物可活化Ca 2+通道。近年, 对小鸡背根神经节细胞的研究发现有3种类型的Ca 2+通道：①L 型, 该种通道在膜电位大于-20毫伏时活化, 电流失活缓慢。②T 型，膜电位约-60毫伏时通道即活化，-10毫伏以上通道电流幅值反而下降，单通道电导约8pS 。③N 型，该种通道在膜电位不小于-10毫伏才能活化，但又必须超极化到-80毫伏以下才能克服通道的失活。以上3类Ca 2+通道在不同细胞膜上选择性分布及密度的差别，将影响各种细胞的生理功能。Ca 2+通道除了对细胞电兴奋性有贡献外, 它通过调节细胞内Ca 2+浓度，可进一步调节许多细胞功能。
N 型乙酰胆碱受体通道：它是由神经递质Ach 活化的正离子通道。当突触前膜一次量子化释放数千个Ach 分子，它们作用于突触后膜上的N 型受体时, 受体通道开放，产生Na +和K +电流，引发突触后膜一个小终板电位(mEPP)。N-AchR 单通道电导在20～60pS 范围，平均开放寿命数毫秒，通道电流反转电位约-10毫伏, 近年发现该种通道有多种电导态。通道的离子选择性较差，可允许数十种无机和有机正离子通过，许多毒素和有机物能阻断或抑制该种通道，α-银环蛇毒是N 型Ach 受体通道的特异性阻断剂。
80年代以来，已发现多种由神经递质和激素活化的受体通道，如谷氨酸受体通道、多巴胺受体通道、5-羟色胺受体通道、γ-氨基丁酸受体通道等。
分子构象和门控动力学：离子通道研究的前沿是试图从分子水平揭示通道蛋白的空间构象、构象变化与通道门控动力学之间的关系。
N-AchR 通道：已测定了受体蛋白质分子量是250000，并测定了它的全部氨基酸序列, 确证该受体通道由、α、γ和δ5个亚基组成, 这4种亚基有相似的氨基酸顺序, 但只有α亚基上有 α-BGTX 的特异结合位点。一种构象模型是：5个亚基各有若干个α螺旋跨膜排列，共同形成五瓣状的蛋白质复合物，两个α亚基间是亲水的离子通道, 通道开口约25埃，中间是6～7埃的狭窄孔道，其中排列有负电性氨基酸残基侧链。当两个 Ach 分子分别结合于两个α亚基特定位点后, 引起局部构象变化, 使通道开放。
二、主动运输
主动运输的特点是：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量（由ATP 直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输）。都有载体蛋白。
主动运输所需的能量来源主要有：协同运输中的离子梯度动力；ATP 驱动的泵通过水解ATP 获得能量；光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。
1．钠钾泵
实际上就是Na +–K +ATP 酶，一般认为是由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体。Na +–K +ATP 酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na +、K +的亲和力发生变化。在膜内侧Na +与酶结合，激活ATP 酶活性，使ATP 分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na +结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na +的亲和力低，对K +的亲和力高，因而在膜外侧释放Na +、而与K +结合。K +与磷酸化酶结合后促
使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K +结合的部位转向膜内侧，K +与酶的亲和力降低，使K +在膜内被释放，而又与Na +结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP ；转运出三个Na +，转进两个K +。
钠钾泵的一个特性是他对离子的转运循环依赖自磷酸化过程，ATP 上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象的变化。通过自磷酸化来转运离子的离子泵就叫做P –type ，与之相类似的还有钙泵和质子泵。它们组成了功能与结构相似的一个蛋白质家族。Na +–K +泵作用是：①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；②维持低Na +高K +的细胞内环境，维持细胞的静息电位。
乌本苷(ouabain)、地高辛(digoxin)等强心剂能抑制心肌细胞Na +–K +泵的活性；从而降低钠钙交换器效率，使内流钙离子增多，加强心肌收缩，因而具有强心作用。
2．钙离子泵
钙离子泵对于细胞是非常重要的，因为钙离子通常与信号转到有关，钙离子浓度的变化会引起细胞内信号途径的反应，导致一系列的生理变化。通常细胞内钙离子浓度10-7M 显著低于细胞外钙离子浓度10-3M ，主要是因为质膜和内质网膜上存在钙离子转运体系，细胞内钙离子泵有两类：其一是P 型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP 分子，泵出2个Ca 2+。另一类叫做钠钙交换器，属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。
位于肌质网上的钙离子泵是了解最多的一类P 型离子泵，占肌质网膜蛋白质的90%。肌质网是一类特化的内质网，形成网管状结构位于细胞质中，具有贮存钙离子的功能。肌细胞膜去极化后引起肌质网上的钙离子通道打开，大量钙离子进入细胞质，引起肌肉收缩之后由钙离子泵将钙离子泵回肌质网。
研究者首先寻找与InsP3R 结合的蛋白，发现是一类钙离子结合蛋白，它们属于一个神经系统的钙离子结合蛋白家族。
3．质子泵
质子泵有三类：P-type 、V-type 、F-type 。
P-type ：载体蛋白利用ATP 使自身磷酸化，发生构象的改变来转移质子或其它离子，如植物细胞膜上的H +泵、动物细胞的Na +-K +泵、Ca 2+离子泵，H +-K +ATP 酶（位于胃表皮细胞，分泌胃酸）。
V-type ：位于小泡(vacuole)的膜上，由许多亚基构成，水解ATP 产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、动物细胞的内吞体、高尔基体的囊泡膜、植物液泡膜上。
F-type ：由许多亚基构成的管状结构，H 沿浓度梯度运动，所释放的能量与ATP 合成耦联起来，所以也叫ATP 合酶，F 是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子的缩写。F 型质子泵位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上，其详细结构将在线粒体与叶绿体一章讲解。F 型质子泵不仅可以利用质子动力势将ADP 转化成ATP ，也可以利用水解ATP 释放的能量转移质子。
4．ABC 转运器
ABC 转运器(ABC transporter)最早发现于细菌，是细菌质膜上的一种运输ATP 酶，属于一个庞大而多样的蛋白家族，每个成员都含有两个高度保守的ATP 结合区，故名ABC 转运器，他们通过结合ATP 发生二聚化，ATP 水解后解聚，通过构象的改变将与之结合的底物转移至膜的另一侧。
在大肠杆菌中78个基因，占全部基因的5%编码ABC 转运器蛋白，在动物中可能更多。虽然每一种ABC 转运器只转运一种或一类底物，但是其蛋白家族中具有能转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、＋
甚至蛋白质的成员。ABC 转运器还可催化脂双层的脂类在两层之间翻转，这在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。
第一个被发现的真核细胞的ABC 转运器是多药抗性蛋白，该基因通常在肝癌患者的癌细胞中过表达，降低了化学治疗的疗效。约40%的患者的癌细胞内该基因过度表达。
ABC 转运器还与病原体对药物的抗性有关，如临床常用的抗真菌药物有氟康唑 、酮康唑、伊曲康唑等，真菌对这些药物产生耐药性的一个重要机制是通过MDR 蛋白降低了细胞内的药物浓度。
5．协同运输
协同运输是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。动物细胞中常常利用膜两侧Na +浓度梯度来驱动，植物细胞和细菌常利用H +浓度梯度来驱动。根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向协同与反向协同。
同向协同：指物质运输方向与离子转移方向相同。如动物小肠细胞对对葡萄糖的吸收就是伴随着Na +的进入，细胞内的Na +离子又被钠钾泵泵出细胞外，细胞内始终保持较低的钠离子浓度，形成电化学梯度。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H +的进入，每转移一个H +吸收一个乳糖分子。
反向协同：物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过Na +/H+反向协同运输的方式来转运H +以调节细胞内的PH 值，即Na +的进入胞内伴随者H +的排出。此外质子泵可直接利用ATP 运输H +来调节细胞PH 值。
还有一种机制是Na +驱动的Cl ––HCO 3–交换，即Na +与HCO 3–的进入伴随着Cl –和H +的外流，如红细胞膜上的带3蛋白。
三、膜泡运输的基本概念
真核细胞通过内吞作用和外排作用完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。在转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输。细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用。
吞噬作用：细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。吞噬现象是原生动物获取营养物质的主要方式，在后生动物中亦存在吞噬现象。如：在哺乳动物中，中性颗粒白细胞和巨噬细胞具有极强的吞噬能力，以保护机体免受异物侵害。
胞饮作用：细胞吞入的物质为液体或极小的颗粒物质，这种内吞作用称为胞饮作用。胞饮作用存在于白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植物细胞。
外排作用：与内吞作用的顺序相反，某些大分子物质通过形成小囊泡从细胞内部移至细胞表面，小囊泡的膜与质膜融合，将物质排出细胞之外，这个过程称为外排作用，细胞内不能消化的物质和合成的分泌蛋白都是通过这种途径排出的。
这是与内吞运送方向相反的过程。外排在细胞分泌时经常发生。许多因素能引起细胞分泌，其中至少有些因素是通过改变细胞膜对钙离子的透性而引起细胞分泌的。例如，肥大细胞遇到二价以上的适当的抗原后，抗原（配体）与细胞膜上的免疫球蛋白E （受体）结合，使膜上的受体重新分布，出现10个左右受体分子聚集在一起的现象，这时细胞膜对钙离子的透性增加使钙离子进入细胞从而引起分泌。如果细胞的外界环境中没有钙离子，则不能引起分泌。又如神经因素能引起腮腺和肾上腺髓质细胞分泌，血浆中的葡萄糖促进胰岛细胞的分泌都是通过细胞膜的去极化，让钙离子进入细胞而引起的。有人认为激素引起分泌
也通过钙离子起作用。细胞膜与分泌泡膜的融合也与钙离子引起脂双层的相变有关。有人认为一定浓度的钙离子使液态脂双层中的局部地区产生结晶态，在这过程中，它一面放出热量，一面引起膜结构的不连续性，形成一个不稳定的透性很高的区域，从而有利于相似的脂膜相互融合。在分泌泡膜和细胞膜融合处，分泌泡膜中和细胞膜中的蛋白质颗粒必须从接触处移开，以便这两种膜中的脂类相互融合。
穿胞运输：在动物组织中，有的细胞通过内吞和外排相偶联，在细胞的一侧形成胞饮小泡穿越细胞质，另一侧使小泡中的物质释放出去。如：肝细胞从血窦中吸收免疫球蛋白A ，通过穿胞运输输送到胆微管；大鼠中，母鼠血液中抗体经穿胞运输进入乳汁。
胞内膜泡运输：细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递也通过膜泡运输方式进行。如从内质网到高尔基体；高尔基体到溶酶体；细胞分泌物的外排，都要通过过渡性小泡进行转运。胞内膜泡运输沿微管运行，动力来自马达蛋白。目前已发现的马达蛋白有两种：一种是动力蛋白，可沿微管向负端移动；另一种为驱动蛋白，可牵引物质向微管的正端移动。通过这两种蛋白的作用，可使膜泡被运抵一定区域。
细胞通讯：在多细胞生物体中，细胞与细胞间通过信息的交流，协调细胞间的功能，调节细胞各种生理活动。细胞通讯是指一个细胞发出的信息通过介质传递给另一个细胞，并产生相应反应的过程。细胞通讯可以借助于间隙连接完成，也可通过分泌化学信号分子进行细胞通讯。
化学信号分子在传递信息过程中，直接涉及靶细胞(效应细胞) 对信号分子的识别及信号的跨膜传递。 细胞识别：是指细胞通过其表面受体与细胞外信号分子选择性相互作用，从而导致细胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体生物学效应的过程。细胞对细、胞外特殊的亲水性信号分子(如神经递质、蛋白激素等) 的反应能力，主要取决于细胞膜上是否具有相对应的特异性受体。
第四节 离子载体
离子载体指与K +、Na +、Ca 2+及Mg 2+等离子形成脂溶性复合物，溶入膜中起运输离子作用的分子量为200～2000的一些化学物质，是一些能够极大提高膜对某些离子通透性的载体分子。离子的跨膜运送需载体—离子载体。一些微生物产生的抗菌素可作为跨膜运送离子的载体。目前已知的天然离子载体都是抗菌素。按跨膜运送离子的方式分为：活动载体和通道载体。从载体的化学结构来看有环状和链状之分。 例如，由于巴龙霉素使膜对K +透性异常增高，因而可用在造成基于越膜K +浓度梯度而产生的电位差。因尼日利亚菌素在越膜运输K +的同时，能消除H +的梯度，所以恰好起到将巴龙霉素与解偶联剂同时给与的效果。
离子载体包括：天然离子载体、人工合成离子载体。
一、环状离子载体——抗菌素
天然环状离子载体包括缬氨霉素、恩镰孢菌素、大四内酯等抗菌素。它们都是不带电荷的电中性物质。这些环状载体有很多氧原子，可与碱金属配位，形成配合物后，可方便地通过膜。通过膜到膜内或由膜内出来。
二、链状离子载体——羧基离子载体
如P177，链状也属抗菌素。分子由一系列杂环组成，分子链上有多个能与金属离子配位的含氧基团，链一端为醇羟基，另一端为羧基，因此也称羧基离子载体。羧基氧和羟基氧及羰基氧与金属离子配位，氢
键使链成环，将金属离子包围起来。疏水基团在配合物的外边，整个分子是脂溶性的。链状离子载体可载离子形成配合物通过膜，向内或由内向外运送金属离子。
三、通道载体
能够在膜上形成离子通道的天然载体有两类：大环多羟基多烯内酯类抗菌素和多肽类抗菌素。大环多羟基多烯内酯类抗菌素——如制霉菌素，是一类亲水和亲油化合物。它可形成亲水性通道，使金属离子或葡萄糖、尿素等水溶性小分子通过。多肽类抗菌素——如短杆菌肽A 能使膜上形成通道，允许一价阳离子通过，多价阳离子及阴离子不能通过。
离子通道的发现。1890年，威廉·奥斯特瓦尔德（1909年诺贝尔化学奖获得者）就推测离子进出细胞会传递信息。20世纪20年代，科学家证实存在一些供离子出入的细胞膜通道。50年代初，阿兰·霍奇金和安德鲁·哈克斯利发现，离子从一个神经细胞中出来进入另一个神经细胞可传递信息。他们因此获得1963年诺贝尔生理学或医学奖。但那时科学家未知离子通道结构和工作原理。
1988年，罗德里克·麦金农利用Ｘ射线晶体成像技术获得了世界第一张离子通道的高清晰度照片，并第一次从原子层次揭示了离子通道的工作原理。这张照片上的离子通道取自青链霉菌，也是一种蛋白。麦金农的方法是革命性的，它可以让科学家观测离子在进入离子通道前的状态，在通道中的状态，以及穿过通道后的状态。对水通道和离子通道的研究意义重大。很多疾病，比如一些神经系统疾病和心血管疾病就是由于细胞膜通道功能紊乱造成的，对细胞膜通道的研究可以帮助科学家寻找具体的病因，并研制相应药物。另外，利用不同的细胞膜通道，可以调节细胞的功能，从而达到治疗疾病的目的。中药的一个重要功能是调节人体体液的成分和不同成分的浓度，这些成分可以通过不同细胞膜通道调节细胞的功能。有专家认为，对细胞膜通道的研究可以为揭示中医药的科学原理提供重要的途径。
瑞典皇家科学院称―由于麦克农的贡献，我们现在能够看到盐通过各个通道流动，这些通道可以用不同的细胞信号所开启和关闭。‖
发现水通道蛋白。2003年10月8日，瑞典皇家科学院将2003年诺贝尔化学奖授予时为The Johns Hopkins University School of Medicine生物化学系的Peter Agre教授，以表彰他发现细胞膜水通道并证明其功能这一开创性贡献。
2003年10月，在宣布彼得 .阿格雷获当年度化学奖的那个周末，我驱车好奇地去了那个离我只有几个街区的石头坊―阿格雷所住居的街区。那秋天的落叶，一切都那么平常，如往日一样。这个街区在巴尔的摩是一个普通社区，房子比那个住有众多大牌教授和医生的格林威路的房子逊色得多。阿格雷的获奖在这个“基因”大发现时代是一个奇迹。彼得·阿格雷(Peter Agre) 与里德克·麦克凯伦（Roderick MacKinnon ）分享2003年诺贝尔化学奖后，于2004年2月应邀回到他阔别37年的母校，位于明尼苏达州首府明尼安纳波里的罗斯福高中学。他没有鼓动中学生们去考一个“名校”，而是告诫他们：“即使上了不好的大学，你也没有失败。学习对我来说是乐趣，是令我兴奋的事情，因为有永远无法预期的答案在后面„ „”。他对科学的兴趣源于他当化学教授的父亲；他也提到曾在他家住过、两次诺贝尔化学奖得主鲍林，对他的事业有很大的激励。37年前，他的一次化学考试成绩得了个“D”。阿格雷作为一个普通的年轻人，做实验时从不做记录，往往把事情弄得一团糟。他认为做科学，勤奋工作，好奇心和运气是更重要的。阿格雷70年代在霍普金斯大学的导师之一，谈到他那个很让人没面子的“D”时，阿格雷说：你没有必要非得“A、B 、C”或进哈佛不可，但你必须有进取心，有目标并且有能力努力去做。
他从罗斯福高中辍学，但继续上夜校取得高中文凭，后入明尼苏达州奥斯博格学院获得三年制的化学学位。以他富有幽默感的个性，阿格雷很低调地谈到他如何被录取霍普金斯大学。他被录取是因为霍普金斯有一个给明尼苏达挪威移民的配额。他和著名的癌症专家伯特·维格斯坦当时是班级中“最糟糕”的学生。但是他的同学和教授认为他是很聪明和富有热情的学生。毕业后，他本来想行医，但他对他室友所在的实验室有了解后，也对研究感兴趣起来。那个实验室很有“活力”，有来自西班牙的“革命者”、巴勒斯坦的“难民”、保守的犹太人和意大利“演员”；他们成为亲密的朋友。在霍普金斯和克利夫兰的Case West Reserve大学完成医生见习期后，他来到北卡罗来纳大学做博士后。1981年阿格雷回到霍普金斯，当上了细胞生物学系的助理研究员。他卖掉他在北卡罗来纳的房子，接受一个年薪才25000美元的职位，而那时他的很多同班同学已经开始当私人执业医生；没有人会象他这么“傻”干。不久他在霍普金斯被晋升为助理教授，开始一边行医一边做研究。1993年他主导一个新的细胞和分子医学研究生项目，从事更多的水通道蛋白基础研究及在各种疾病中的作用。
水通道蛋白是一个非同寻常的发现；因为水通道是水进出细胞的关键，许多生理过程涉及体液的流动，例如出汗、排尿、发炎红肿以及流泪等等。水通道蛋白的功能使我们在炎热的夏天浓缩尿液而不致发生脱水，也能让我们在饥饿时把储存在脂肪组织的水释放出来。2003年12月，诺贝尔奖化学委员会主席本特·诺登这样评价：阿格雷的发现与生命有密不可分的关系，水通道蛋白是一个决定性的发现，它为人类打开一个新的领域，去研究细菌、哺乳动物和植物水通道的生物学、生理学和遗传学。
多少年来，科学家们一直在寻找水通道。阿格雷在研究一个无关的课题中偶然发现了它，并且阐明了它的工作机理。80年代末，当时还是霍普金斯大学一个血液病专家的阿格雷研究孕妇体内的Rh 排斥性。有一天，他和他的同事分离到他们所需要的Rh 蛋白，同时又发现了一些“杂蛋白”。这种“杂蛋白”非常丰富，分布广泛，也见于人类肾脏和植物，于是他想探个究竟。对于许多人来说，也许会放弃这个无关发现。然而，他的洞察力使他大大拓展了他预先所设定的目标。
仅仅发现还是不够的，阿格雷还想知道它是如何工作的。当时许多人不相信有水通道蛋白存在，因为没有人能分离到它。也有少数科学家认为，水通道蛋白是存在的，但不知如何着手。“有一个好想法真是太美妙了，但你必须用实验证实它”。阿格雷在北卡罗来纳大学的朋友，约翰·派克教授提醒他那可能是一个与水相关的蛋白。阿格雷和他的同事，霍普金斯的生理学和儿科教授威廉·格基诺教授做了一个巧妙的实验。1991年，他们克隆到该蛋白质的DNA ，并把相应的RNA 注射到青蛙卵内。有10个注射了互补RNA 的蛙卵能产生这种蛋白质，并具有水通透性。在纯水中，发生肿胀破裂。而对照组不能肿胀。他们还设计了其它许多实验证明，该蛋白只能让水通过。目前有10多个水通道蛋白发现，它们存在于血液、肾脏、大脑。
第五节 钙结合蛋白
许多生理过程都与Ca 2+离子有关。如激素分泌、DNA 合成、细胞分裂、肌肉收缩等。对于Ca 2+的作用，直到70年代发现钙结合蛋白、特别是钙调蛋白之后，这个问题才有了答案。现已知钙调蛋白作为细胞内Ca 2+的受体蛋白，其分子内有几个结合Ca 2+的位点，这些结合点中任何一个与Ca 2+结合之后，均可能发生构象变化，从而参与协调细胞各种依赖Ca 2+的生理过程。
Ca 2+离子在生理过程中发挥重要作用显然与其特性有关。钙离子半径为98pm ，配位数为7或8，Ca-O 键长变化幅度54pm ；各配位键的方向变化不一。钙配合物可以采取各种不规则的几何构型，蛋白质等生物大分子容易与它配位形成配合物。
一、钙调蛋白的结构
1、钙调蛋白的一级结构
钙调蛋白由一条多肽链构成。牛脑CaM 的相对分子量为16700，多肽链由148个氨基酸残基组成，整个分子含4个Ca 2+离子。
CaM 的一级结构在进化上表现出罕见的保守性，因此也就缺乏物种特异性和组织特异性。原生动物（如梨形四叶虫）CaM 与脊椎动物CaM 相比，只有11个氨基酸残基不同，1个缺失。钙调蛋白是酸性蛋白（与氢酶相似），有近1/4氨基酸残基是酸性的天冬氨酸（Asp ）和谷氨酸（Glu ），等电点4.0。分子中不含易氧化的色氨酸（Try ）和半胱氨酸（Cys ），因此稳定性强，耐热，在90℃以下保持活性。钙调蛋白CaM 的多肽链（148氨基酸残基）可以分为四个区，每个区结合一个Ca2+离子。各区之间，特别是I （8~40）与 III （81~113）区，II （44~76）与IV （117~148）区之间的氨基酸顺序有很高的同源性。
2、钙调蛋白的空间结构
x 射线结构分析提出了钙与蛋白质结合的一般规则：钙结合蛋白由多个重复区段组成。每个区的多肽链形成α螺旋—环体—α螺旋结构。每段螺旋有10个氨基酸残基，环体是12个氨基酸残基形成的非螺旋结构。每个环体结合一个Ca2+，Ca2+与肽键羰基氧和残基侧链羧基氧配位。这种结构模型形如右手伸开的拇指和食指及握紧的中指，Kretsinger 称为E-F 手结构。根据这种结构模型，钙调蛋白CaM 有4个区，每个区都是一个E-F 手结构。钙结合到EF-手蛋白，而不是其它离子，如Mg 2+、Na +、K +等。软硬酸碱效应：钙离子是硬酸，而EF-手蛋白的配位原子全是含氧配体。EF-手蛋白的配体的配位数是7，高配位数倾向于较大的钙离子。
1985年Y.S.Babu 等对CaM 晶体的x 射线结构分析证明，整个分子形状像一个哑铃，长6.5nm ，柄是一段长α螺旋，每个铃含两个Ca 2+离子，两个Ca 2+的间距为1.13 nm。Ca 2+与主链羰基氧及酸性残基侧链氧配位。每个铃中两个钙结合环之间有氢键相互作用。
二、钙调蛋白在细胞代谢中的调控作用
表 CAM 调节的生理过程及有关酶
1．钙调蛋白作用的分子机理
脱辅基的钙调蛋白本身无生物活性，只有与Ca 2+结合后才能参与各种生理活动，蛋白与钙可以有不同的结合方式，因而也有不同的生理功能。
2．钙调蛋白的生理功能
CaM 参与调节细胞代谢的多种生理活动，表列举了目前已确认的CaM 调控生理过程和相应的酶。钙调蛋白CaM 能活化细胞膜上的腺苷酸环化酶，催化cAMP 合成。
CaM 活化质膜上的Ca 2+-ATP 酶，从而调节细胞内的Ca 2+浓度。CaM 活化磷酸化酶激酶和糖原合成酶激酶，使糖原分解为葡萄糖。
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