生理学

• 细胞（cell）是构成人体的最基本结构和功能单位

第一节细胞膜的物质转运功能

一、细胞膜的化学组成及其分子排列形式

• 细胞膜（cell membrane）也称质膜（plasma membrane），是分隔细胞质与细胞周围环境的一层膜结构，厚度 7~8 nm。
• 由脂质和蛋白质组成，还有少量糖类物质。
• 液态镶嵌模型
• 许多糖类带有负电荷，这使得细胞表面呈现负电性

二、跨细胞膜的物质转运

由于新陈代谢的需要，细胞总是要从外界摄取 O₂，和营养物质，同时排出细胞的代谢产物，这些物质的进入和排出都要经过细胞膜转运。据估计，细胞用于物质转运的能量约占细胞耗能总量的 2/3。

单纯扩散

• 单纯扩散（simple diffusion）是指物质从质膜的高浓度一侧通过脂质分子间隙向低浓度一侧进行的跨膜扩散。没有生物学转运机制参与，无需代谢耗能，属于被动转运，也称简单扩散，
• 转运的物质都是脂溶性（非极性）物质或少数不带电荷的极性小分子物质，如 O₂、CO₂、N₂、类固醇激素、乙醇、尿素、甘油、水等。
• 物质经单纯扩散转运的速率主要取决于被转运物在膜两侧的浓度差和膜对该物质的通透性。浓度差愈大、通透性愈高，则单位时间内物质扩散的量就愈多。

易化扩散

• 易化扩散（facilitated diffusion）是指非脂溶性的小分子物质或带电离子在跨膜蛋白帮助下，顺浓度梯度和（或）电位梯度进行的跨膜转运。

• 被动转运，无需消耗 ATP。

• 1.经通道的易化扩散：各种带电离子在通道蛋白的介导下，顺浓度梯度和（或）电位梯度的跨膜转运称为经通道的易化扩散

  • 由于经通道转运的溶质几乎都是离子，因而这类通道蛋白也称离子通道
  • 离子通过时无需与通道蛋白结合，能以极快的速度跨越细胞膜。
  • （1）离子选择性：每种通道只对一种或几种离子有较高的通透能力，而对其他离子的通透性很小或不通透。
  • （2）门控特性：通道蛋白分子内部有一些可移动的结构或化学基团
    • ①电压门控通道：这类通道受膜电位调控
    • ②化学门控通道：这类通道受膜外或膜内某些化学物质调控
      • 骨骼肌终板膜上的 N₂型乙酰胆碱受体
    • ③ 机械门控通道：这类通道受机械刺激调控
      • 如耳蜗基底膜毛细胞上的机械门控通道
  • 此外，也有少数通道始终是开放的，这类通道称为非门控通道，如神经纤维上的钾漏通道
  • 细胞膜中除离子通道外，还存在水通道

• 2.经载体的易化扩散

  • 载体也称转运体: 是介导多种水溶性小分子物质或离子跨膜转运的一类整合膜蛋白。
  • 经载体的易化扩散是指水溶性小分子物质在载体蛋白介导下顺浓度梯度进行的跨膜转运，属于载体介导的被动转运
  • 载体转运时载体蛋白需经历“与底物结合-构象变化-与底物解离”等一系列过程，因此物质经载体转运的速率较慢
  • 葡萄糖、氨基酸等的跨膜转运就是经载体易化扩散实现的
  • 萄糖转运体（glucose transporter, GLUT）可将胞外的葡萄糖顺浓度梯度转运到细胞内。
  • 载体介导的易化扩散具有以下特点：
    • （1）结构特异性: 同样浓度差的情况下，葡萄糖载体对右旋葡萄糖（人体内可利用的糖类都是右旋的）的转运量远超过左旋葡萄糖。
    • （2）饱和现象：“细胞膜中载体的数量和转运速率有限，当被转运的底物浓度增加到一定程度时，底物的扩散速度便达到最大值（Vmax）
      • 与此不同的是，在单纯扩散、离子经通道易化扩散以及水的渗透过程中，转运速率通常随被转运物浓度的增加而呈线性增加
    • （3）竞争性抑制：如果有两种结构相似的物质都能与同一载体结合，两底物之间将发生竞争性抑制（competitive inhibition）。其中，浓度较低或K_m较大的溶质更容易受到抑制。

主动转运

• 主动转运（active transport）是指某些物质在膜蛋白的帮助下，由细胞代谢提供能量而进行的逆浓度梯度和（或）电位梯度跨膜转运
• 需要消耗能量

1. 原发性主动转运

• 细胞直接利用代谢产生的能量将物质逆浓度梯度和（或）电位梯度转运的过程
• 原发性主动转运的底物通觉为带电离子，因此介导这一过程的膜蛋白或载体被称为离子泵（ion pump）
• 离子泵的化学本质是 ATP 酶，自身被磷酸化而发生构象改变

（1）钠钾泵（钠泵、钠-钾依赖式 ATP 酶）：是哺乳动物细胞膜中普遍存在的离子泵

• 钠泵每次活动都会使 3 个 Na+移出胞外、2 个 K+移入胞内，产生一个正电荷的净外移，故钠泵具有生电效应。
• 钠泵活动的生理意义主要有：
  • 造成的细胞内高 K+为胞质内许多代谢反应所必需
  • 维持胞内渗透压和细胞容积
  • 形成的 Na和 K跨膜浓度梯度是细胞发生电活动如静息电位和动作电位的基础
  • 生电效应可使膜内电位的负值增大，直接参与了静息电位的形成
  • 建立的 Na跨膜浓度梯度可继发性主动转运提供势能储备

（2）钙泵（Ca²⁺-ATP 酶）

• 分布：质膜（质膜钙 ATP 酶，PMAC）、肌细胞肌质网（肌质网钙 ATP 酶，SERCA）、其他细胞内质网（内质网 ATP 酶, SERCA）
• Ca²⁺通过与钙调素（calmodulin, CaM）蛋白的结合可刺激钙泵活动。
• PMCA 每分解 1 分子 ATP，可将其结合的 1 个 Ca²⁺由胞质内转运至胞外；
• SERCA 则每分解 1 分子 ATP 可将 2 个 Ca²⁺从胞质内转运至内质网中。

（3）质子泵

• 胃腺壁细胞和肾脏集合管闰细胞顶端膜上的 H⁺，K⁺-ATP 酶（也称氢钾泵）
  • 临床上治疗胃溃疡和十二指肠溃疡时采用的药物奥美拉唑就是一种质子泵抑制剂，可特异性结合并抑制胃腺壁细胞的质子泵，阻断胃酸分泌。
• 另一种质子泵是分布于各种细胞器膜中的 H⁺-ATP 酶，（也称氢泵）。
  • 氢泵不依赖 K⁺，可将 H⁺由胞质内转运至溶酶体、内涵体、高尔基复合体、内质网、突触囊泡等细胞器内，以维持胞质的中性和细胞器内的酸性，使不同部位的酶都处于最适 pH 环境
  • 同时建立起跨细胞器膜的 H⁺浓度梯度，为溶质的跨细胞器膜转运提供动力
  • ! 注意是细胞器

2. 继发性主动转运

• 利用原发性主动转运机制建立起的 Na⁺或 H⁺的浓度梯度，在 Na⁺或 H⁺离子顺浓度梯度扩散的同时使其他物质逆浓度梯度和（或）电位梯度跨膜转运，这种间接利用 ATP 能量的主动转运过程称为继发性主动转运

（1）同向转运：被转运的分子或离子都向同一方向运动的继发性主动转运称为同向转运

• 葡萄糖在小肠黏膜上皮的吸收以及在近端肾小管上皮的重吸收是通过钠-葡萄糖同向转运体实现的
• 氨基酸在小肠的吸收是通过 Na*-氨基酸同向转运体
• Na⁺-K⁺-2 Cl^-同向转运体（肾小管上皮细胞）
• Na⁺-HCO₃^-，同向转运体（肾小管上皮细胞）
• Na+-I- 同向转运体（甲状腺上皮细胞）
• 突触前膜对单胺类递质再摄取

（2）反向转运：被转运的分子或离子向相反方向运动的继发性主动转运

• Na⁺-Ca²⁺交换体：
  • 分布：几乎所有细胞都存在
  • **转入3个 Na⁺和排出3个 Ca²⁺**的化学计量进行转运.
• Na⁺-H⁺ 交换体：
  • 分布肾小管近端小管上皮细胞的顶端膜则分布较多
  • 其可将胞外即肾小管管腔内的 1 个 Na⁺顺电化学梯度重吸收进入细胞内，同时将胞内的 1个 H⁺ 逆浓度梯度分泌到管腔中

膜泡运输

• 大分子和颗粒物质是由膜包围形成囊泡，通过膜包裹、膜融合和膜离断等过程完成转运，故称为膜泡运输（vascular transport）。
• 膜泡运输可同时转运大量物质，故也称批量运输（bulk transport）。
• 膜泡运输是一个主动的过程，需要消耗能量，也需要更多蛋白质参与。
• 伴有细胞膜面积的改变，包括出胞和入胞两种形式。

1. 出胞

• 胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程
  • 例子：外分泌腺细胞排放酶原颗粒和黏液、内分泌腺细胞分泌激素、神经纤维末梢释放神经递质
• 出胞过程中囊泡膜与质膜融合，会使细胞膜表面积增加
• 出胞有两种形式：
  • 持续性出胞：细胞安静情况下，分泌囊泡与细胞膜融合使大分子物质不断排出细胞的过程
    • 小肠黏膜杯状细胞分泌黏液
  • 调节性出胞：细胞受到某些化学信号（如激素）或电信号（如动作电位）的诱导时，储存于细胞内的分泌囊泡大量与细胞膜融合，将内容物排出细胞的过程
    • 动作电位到达神经末梢时引起的神经递质释放。

2. 入胞

• 入胞是指细胞外大分子物质或物质团块如细菌、死亡细胞和细胞碎片等被细胞膜包裹后以囊泡形式进入细胞的过程，也称内化（internalization）。进入细胞后的囊泡随即被溶酶体进行处理。
• 入胞过程可使细胞膜面积有所减小。
• 入胞分为两种形式：
  • 吞噬：被转运物质以固态形式进入细胞的过程称为吞噬
    • 以团块或颗粒形式出现，如细菌、死亡细胞或组织碎片
  • 吞饮：被转运物质以液态形式进入细胞的过程称为吞饮
    • 是多数大分子物质如蛋白质分子进入细胞的唯一途径