第二章 细胞的基本功能
细胞是人体和其他生物体的基本结构单位。体内所有的生理功能和生化反应，都是在细胞及其产物（如细胞间隙中的胶原蛋白和蛋白聚糖）的物质基础上进行的。一百多年前，光学显微镜的发明促成了细胞的发现。此后对细胞结构和功能的研究，经历了细胞水平、亚细胞水平和分子水平等具有时代特征的研究层次，从细胞这个小小的单位里揭示出众多生命现象的机制，积累了极其丰富的科学资料。可以认为，离开了对细胞及构成细胞的各种细胞器的分子组成和功能的认识，要阐明物种进化、生物遗传、个体的新陈代谢和各种生命活动以及生长、发育、衰老等生物学现象。要阐明整个人体和各系统、器官的功能活动的机制，将是不可能的。事实上，细胞生理学和分子生物学的实验技术和理论，已经迅速地向基础医学和临床医学各部门渗透。因此，学习生理学应由细胞生理开始。
第一节 细胞膜的结构特点和物质转运功能
一、细胞概述
细胞是生物体的基本结构和功能单位。
细胞的组成：
1.细胞膜（质膜）（plasma membrane）：包围在细胞外围的的一层薄膜。它把细胞内容物和外环境分隔开来，完整而又相对独立，可防胞液流失、保细胞内稳定以及屏障。广义细胞膜的概念是：细胞内两个不同部分之间或细胞与环境之间的屏障。构成细胞外层的界膜，称为细胞膜或质膜（plasma membrane）。包围各种细胞器的膜，如内质网膜、高尔基体膜、溶酶体膜等，称为细胞内膜。
细胞膜的基本功能是维持细胞内微环境的相对稳定并与外界环境进行物质交换，但细胞膜不是一种简单的屏障和支架，生物体内许多代谢过程都与细胞膜上酶的活动有关，如能量转换、物质转运、信号转导、生物电产生等。这些功能的机制是由膜的分子组成和结构决定的。此外，各种抗原、抗体分子也存在于膜中。
2.细胞质：有多种细胞器如线粒体、内质网、高尔基体等。
3.细胞核：有染色体等遗传物质。
二、膜的分子结构和化学组成
（一）细胞膜的结构——“液态镶嵌模型 ” (fluid mosaic model):
尽管目前还没有一种能够直接观察膜的分子结构的较为方便的技术和方法，而且从30年代以来提出的各种假说有数十种，但得到较多实验事实支持且目前为大多数人所接受的是美国的S.J.Singer和G.L.Nicholsom于1972年提出的“液态镶嵌模型”（fluid
mosaic model），即细胞膜是以液态的脂质双分子层为基架，其中镶嵌着具有不同分子结构和不同生理功能的蛋白质。
（二）细胞膜的化学组成
各种膜性结构主要由脂质、蛋白质和糖类组成。此外，还含有少量的水、无机离子。尽管不同类型细胞的膜中各种物质的比例和组成有所不同，但一般均以蛋白质和脂质为主，糖类含量极少。如以重量计算，膜中蛋白质约为脂质的1－4倍不等，但分子数量上脂质为蛋白质的100倍以上。例如红细胞膜干重中，蛋白质占52%，脂类占40%，糖类占8%。（功能简单的细胞膜蛋白种类含量少，如神经鞘只有3种，占18%；功能复杂则膜蛋白含量多，线粒体内膜有60种，占膜干重的75%）。
1.脂质双分子层
细胞膜上的脂质以磷脂为主，占70％以上，胆固醇30％左右，还有少量的糖脂。
磷脂呈长杆状，为双极性（双嗜性）分子，亲水端由磷酸和碱基组成，疏水性端由脂肪酸烃链组成。
碱基—磷酸根—CH-CH2（甘油）—脂酸
│
脂酸
碱基包括胆碱、乙醇胺、肌醇和磷脂酰丝氨酸4种。
磷脂的基本结构是：一分子甘油的两个羟基同两分子脂酸相结合，另一个羟基则与一分子磷酸结合，后者再同一个碱基结合。根据这个碱基的不同，动物细胞膜中的磷脂主要有四种：磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇。鞘脂类的基本结构和磷脂类似，但不含甘油。胆固醇结构很特殊，它含有一个甾体结构（环戊烷多氢菲）和一个8碳支链。
脂质的熔点较低，这决定了膜中脂质分子在一般体温条件下是呈液态的，即膜具有某种程度的流动性。脂质双分子层在热力学上的稳定性和它的流动性，能够说明何以细胞可以承受相当大的张力和外形改变而不致破裂，而且即使膜结构有时发生一些较小的断裂，也可以自动融合而修复，仍保持连续的双分子层的形式。观察一下体内某些吞噬细胞通过毛细血管壁内皮细胞间隙时的变形运动和红细胞通过纤细的毛细血管管腔时被扭曲而不破裂的情况，当会对细胞膜的可变性和稳定性有深刻的印象。当然，膜的这些特性还同膜中蛋白质和膜内侧某些特殊结构（称为细胞架）的作用有关。应该指出的是，膜的流动性一般只允许脂质分子在同一分子层内作横向运动；由于分子的双嗜性，要脂质分子在同一分子层内作“掉头”运动；或由一侧脂质层移到另一侧脂质层，这意味着有极性的磷酸和碱基的一端要穿越膜内部的疏水性部分，这是不容易或要耗能的。
不同细胞或同一细胞而所在部位不同的膜结构中，脂质的成分和含量各有不同；双分子层的内外两层所含的脂质也不尽相同，例如，靠外侧的一层主要含磷脂酰胆碱和含胆碱的鞘脂，而靠胞浆侧的一层则有较多的磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸。胆固醇含量在两层脂质中无大差别；但它们含量的多少和膜的流动性大小有一定关系，一般是胆固醇含量愈多，流动性愈小。近年来发现，膜结构中含量相当少的磷脂酰肌醇，几乎全部分布在膜的靠胞浆侧；这种脂质与细胞接受外界影响，并把信息传递到细胞内的过程有关。
2.蛋白质（包括酶）
膜蛋白质都属于球形蛋白，包括周围蛋白（表面蛋白质，占20%～30%）和结合蛋白（内在蛋白质，占70%～80%）。附着在膜的表面的蛋白质称为周围蛋白；贯穿整个脂质双层，或者以一定的深度嵌入膜外层脂质或介于2层脂质之间的蛋白质就称为结合蛋白。
膜蛋白具有以下特点：①分子大小不同。②形态不一，膜蛋白的种类繁多，其形态亦不完全相同，基本上是以α－螺旋及球形存在。③镶嵌在膜上的深浅不同，有些蛋白质分子贯穿整个脂质双分子层；有些不同程度的伸入到膜的内部；有的则镶嵌较浅，仅附着在膜的内表面或外表面。④功能不同。
膜结构中的蛋白质，具有不同的分子结构和功能。生物膜所具有的各种功能，在很大程度上决定于膜所含的蛋白质；细胞和周围环境之间的物质、能量和信息交换，大都与细胞膜上的蛋白质分子有关。膜上的蛋白质主要功能如下：运输蛋白：载体、通道和离子泵等；受体：辨认和接受特异的化学性刺激或信号有关的蛋白质；配体 + 受体 ® 细胞特异的生理生化反应；特异性抗原标志：细胞标志作用，如组织相容性抗原，供免疫系统或免疫物质辨认；肌动蛋白：参与细胞膜运动。由于脂质分子层是液态的，镶嵌在脂质层中的蛋白质是可移动的，即蛋白质分子可以在膜脂分子间横向漂浮移位；不同细胞膜中的不同蛋白质分子的移动和所在位置，存在着精细的调控机制。例如，骨骼肌细胞膜中与神经肌肉间信息传递有关的通道蛋白质分子，通常都集中在肌细胞膜与神经未梢分布相对应的那些部分；而在肾小管和消化管上皮细胞，与管腔相对的膜和其余部分的膜中所含的蛋白质种类大不相同，说明各种功能蛋白质分子并不都能在所在的细胞膜中自由移动和随机分布，而实际存在着的有区域特性的分布，显然同蛋白质完成其特殊功能有关。膜内侧的细胞骨架可能对某种蛋白质分子局限在膜的某一特殊部分起着重要作用。
3.糖类
细胞膜含有一定的糖类，以低聚糖或多聚糖链形式共价结合于糖蛋白，或与膜脂共价结合，形成糖脂。膜糖类约占细胞膜总质量的2％～10％。多呈树枝状伸向细胞膜的外面，构成细胞外表面的微环境。由于糖蛋白和糖脂上糖残基的结合方式、排列顺序、分枝连接样式千变万化，因而形成了各种细胞表面特异的标志，这是各种细胞具有各自抗原性及血型的分子基础。细胞之间也能借此进行识别和信息交换。另一方面，由于他们突出在细胞膜的外面，外表刺激往往首先与其接触，因此与细胞免疫、细胞黏附、细胞癌变以及对药物、激素的反应等有密切关系。有些细胞外表的糖链与该细胞分泌出来的糖蛋白等黏附在一起，形成一层厚约200nm的外被，称为细胞衣或糖萼（glycocalyx）。小肠上皮细胞表面的这层细胞衣，对细胞有保护作用，使其不受消化酶的侵袭。
例如，有些糖链可以作为抗原决定簇，表示某种免疫信息；有些是作为膜受体的“可识别性”部分，能特异地与某种递质、激素或其他化学信号分子相结合。如人的红细胞ABO血型系统中，红细胞的不同抗原特性就是由结合在膜脂质的鞘氨醇分子上的寡糖链所决定的，A型抗原和B型抗原的差别仅在于此糖链中一个糖基的不同。
（三）细胞膜的特性
根据细胞膜的分子组成情况，脂质的熔点比较低，在生理状态下（
1．细胞膜的流动性
细胞膜的流动性是指膜脂和膜蛋白处于不断运动的状态。脂质双分子层在热力学上的稳定性和流动性，能够说明细胞为什么能够承受相当大的张力和外形改变而不破裂，而当膜结构发生较小断裂时，可以自动修复，仍保持双分子层的形式。膜的流动性一般只允许脂质分子在同一单层内做横向扩散运动。此外，脂质分子还可沿自身长轴做旋转运动。膜蛋白的运动以横向扩散和旋转运动为主。不同蛋白质运动速度不同。膜蛋白的运动往往局限于某一特定的区域，这种现象有其重要的生理意义。例如，在小肠上皮细胞的顶部、基底部和侧面细胞膜上的酶和转运蛋白不同，这决定了小肠上皮细胞靠肠腔的游离面细胞膜以吸收功能为主，而基底部和侧面细胞以转运及连接功能为主。用荧光抗体标记精子细胞膜蛋白，也发现精子头部前段、头部后段及尾部呈现出三个截然不同的蛋白区域。膜蛋白的运动受多方面因素的调控，使具有不同功能的蛋白质处于有利作用的位置。
细胞膜的流动性具有十分重要的生理意义。如物质转运、能量转换、细胞识别、免疫、药物对细胞的作用等都与膜流动性密切相关，可以说一切膜的基本活动均在细胞膜的流动状态下进行。
2.细胞膜的不对称性
细胞膜内外两层的结构和功能有很大差异，此现象称为细胞膜的不对称性。首先，脂质分布不对称。一般来说，在脂质双分子层中，脂质的含量和比例有一定的差异。含胆碱的磷脂大部分位于外侧层，糖脂全部分布于外侧层；而含氨基的磷脂多分布于内侧层。其次，膜蛋白的分布也不对称，如红细胞膜的冰冻蚀刻标本显示，靠胞质断裂面的颗粒数为2800/μm2；靠外表面断裂面的颗粒数只有1400/μm2。跨膜蛋白突出膜内外表面的部分不仅长度不等，其氨基酸的排列顺序也差异悬殊。具有酶活性的特异性膜蛋白如5‘－核苷酸酶、磷酸二酯酶等多为外侧层表面膜携带酶，而膜内侧层表面多含有腺苷酸环化酶。糖类分布的不对称性是最明显的，它们只见于质膜的外侧面。
生物膜结构的不对称性决定了膜内、外表面功能的不对称性，同时使膜功能保持方向性，使膜两侧具有不同的功能，有的功能只发生在膜的外层，有的则在内层。
三、细胞膜的跨膜物质转运功能（过河）
一个活的生命，其细胞就要不断的进行新陈代谢，即不断从外界吸取自身需要的营养物质，而代谢的废物排出到细胞外。各种物质进出细胞就必需通过细胞膜，但是这些物质理化性质各异，且大多不溶于脂质或水溶性大于其脂溶性，大多数不能直接通过细胞膜；这就要求细胞膜具有跨膜转运的功能。总的来说，细胞膜的跨膜转运有以下5种方式：单纯扩散、异化扩散、主动转运、内吞和胞吐作用。
1.简单扩散（simple diffusion）——游泳
单纯扩散是指脂溶性物质或一些小分子水溶性物质从高浓度侧向低浓度侧跨膜转运的过程；即直接通过膜的脂质分子间隙。例：水、甲醇及溶解的氧气、二氧化碳等气体分子。单纯扩散的特点是：属于被动转运，无须载体参与。其扩散量主要决定于两个因素：膜两侧物质的浓度梯度和细胞膜对该物质的通透性（指膜对该物质通过的难易程度或阻力）。
2.易化扩散（facilitated diffusion）
易化扩散是指非脂溶性物质或脂溶性小的物质在膜蛋白的帮助下从高浓度侧向低浓度侧跨膜转运的过程。即不是通过膜的脂质分子间隙，而是依靠膜上一些具有特殊结构的蛋白质分子的结构上的易变性（包括其构型和构象的改变）引起的功能改变而完成的。例：葡萄糖、氨基酸及各种离子等。
根据参与易化扩散的膜蛋白的不同，易化扩散可分为两类：
①以载体（carrier 搬运人、媒介物）为中介的易化扩散——摆渡，船
以载体为中介的易化扩散是膜结构中具有可称为载体（carrier）的蛋白质分子，它们有一个或数个能与某种被转物相结合的位点或结构域（指蛋白质肽链中的某一段功能性氨基酸残基序列），后者先同膜一侧的某种物质分子选择性地结合，并因此而引起载体蛋白质的变构作用，使被结合的底物移向膜的另一侧，如果该侧底物的浓度较低，底物就和载体分离，完成了转运，而载体也恢复了原有的构型，进行新一轮的转运，其终止点是最后使膜两侧底物浓度变得相等。例：glucose, amino acid等。
易化扩散有以下3个特点：（1）载体蛋白质有较高的结构特异性，以葡萄糖为例，在同样浓度差的情况下，右旋葡萄糖的跨膜通量大大超过左旋葡萄糖（人体内可利用的糖类都是右旋的）；木糖则几乎不能被载运。（2）饱和现象，即这种易化扩散的扩散通量一般与膜两侧被转运物质的浓度差成正比，但这只是当膜两侧浓度差较小时是如此；如果膜一侧的浓度增加超过一定限度时，再增加底物浓度并不能使转运通量增加。饱和现象的合理解释是：膜结构中与该物质易化扩散有关的载体蛋白质分子的数目或每一载体分子上能与该物质结合的位点的数目是固定的，这就构成了增加该物质的量并不能使载运量增加，于是出现了饱和。（3）竞争性抑制，即如果某一载体对结构类似的A、B两种物质都有转运能力，那么在环境中加入Ｂ物质将会减弱它对Ａ物质的转运能力，这是因为有一定数量的载体或其结合位点竞争性地被Ｂ所占据的结果。
②以通道（channel）为中介的易化扩散 ——桥，隧道
它们常与一些带电的离子如Na+、K+ Ca+、 CI+等由膜的高浓度一侧向膜的低浓度一侧的快速移动有关。对于不同的离子的转运，膜上都有结构特异的通道蛋白质参与，可分为别称为Na+通道、K+通道、Ca+通道等。通道蛋白质有别于载体的重要特点之一，是它们的结构和功能状态可以因细胞内外各种理化因素的影响而迅速改变；而且当它们处于开放状态时，有关的离子可以快速地由膜的高浓度一侧移向低浓度一侧；其速度远非载体蛋白质的运作速度所能比拟。通道对离子的选择性，决定于通道开放时它的水相孔道的几何大小和孔道壁的带电情况，因而对离子的选择性没有载体蛋白那样严格。大多数通道的开放时间都十分短促，一般以数个或数十个ms计算，然后进入失活或关闭状态。于是又推测在通道蛋白质结构中可能存在着类似闸门（gate）一类的基团，由它决定通道的功能状态。许多的离子通道蛋白质已经用分子生物学的技术被克隆，对其结构的研究已证实了上述推测。
通道的开放造成了带电离子的跨膜移动，这固然是一种物质转运形式；但通道的开放是有条件的、短暂的，百离子本身并不像葡萄糖等是一些代谢物，从生理意义上看，载体和通道活动的功能不尽相同。当通道的开放引起带电离子跨膜移动时（如Na+、Ca2+进入膜内或K+移出膜外），移动本身形成跨膜电流（即离子电流）；而移位的带电离子在不导电的脂质双分子层（具有电容器的性质）两侧的集聚，将会造成膜两侧电们即跨膜电位的改变，而跨膜电位的改变以及进入膜内的离子、特别是Ca2+，将会引起该通道所在细胞一系列的功能改变。由此可见，通道的开放并不是起转运代谢的作用，而离子的进出细胞，只是把引起通道开放的那些外来信号，转换成为通道所在细胞自身跨膜电位的变化或其他变化，因而是细胞环境因素影响细胞功能活动的一种方式。
细胞膜上的通道主要有3类：化学（配体）门控通道（chemically-gated channel）、电压门通道（voltage-gated
channel）和机械门控通道（mechanically-gated channel）（在第二节细讲）。
以上均为被动转运passive
transport，即细胞不消耗能量。
3.主动转运（active transport）——泵，拉纤，绞索
主动转运指细胞通过本身的某种耗能过程，将某种物质的分子或离子由膜的低浓度一侧移向高浓度一侧的过程。如小肠上皮细胞吸收某些已消化的营养物；肾小管上皮细胞对小管液中某些“有用”物质进行重吸收，均属此现象。
在细胞膜的主动转运中研究得最充分，而且对细胞的生存和活动可能是最重要的，是膜对于钠和钾离子的主动转运过程。所有活细胞的细胞内液和细胞外液中Na+和K+的浓度有很大的不同。以神经和肌细胞为例，正常时膜内K+浓度约为膜外的３０倍，膜外的Na+浓度约为膜内的１２倍；这种明显的离子浓度差的形成和维持，要依靠新陈代谢的进行，提示这是一种耗能的过程；例如，低温、缺氧或应用一些代谢抑制剂可引起细胞内外Na＋、K+的浓度差减小，而在细胞恢复正常代谢活动后，巨大的浓度差又可恢复。由此认为各种细胞的细胞膜上普遍存在着一种钠－钾泵（sodium-potassium pump）的结构，简称钠泵，其作用是在消耗代谢能的情况下逆烊浓度差将细胞内的Na+移出膜外，同时把细胞外的K+移入膜内，因而保持了膜内高K+和膜外高Na+的不均衡离子分布。
钠泵是镶嵌在膜的脂质双分子层中的一种特殊蛋白质，它除了有对Na+、K+的转运功能外，还具有ATP酶的活性，可以分解ATP使之释放能量，并能利用此能量进行Na+和K+的主动转运；因此，钠泵就是Na+-K+依赖式ATP酶的蛋白质。钠泵蛋白质已用近代分子生物学方法克隆出来，它们是由α－和β－亚单位组成的二聚体蛋白质，肽链多次穿越脂质双分子层，是一种结合蛋白质。α－亚单位的分子量约为100kd，转运Na+、K+和促使ATP分解的功能主要由这一亚单位来完成；β－亚单位的分子量约为50kd，作用还不很清楚。钠泵蛋白质转运Na+、K+的具体机制尚不十分清楚，但它的启动和活动强度与膜内出现较多的Na+和膜外出现较多的K+有关。钠泵活动时，它泵出Na+和泵入K+这两个过程是同时进行或“耦联”在一起的；根据在体内或离体情况下的计算，在一般生理情况下，每分解一个ATP分子，可以使3个Na+移到膜外同时有2个K+移入膜内；但这种化学定比关系在不同情况下可以改变。
钠－钾泵活动的意义：①造成细胞膜内高K+和膜外高Na+的不均衡离子分布，而这是生物电产生的基础，也是是许多代谢及反应进行的必需条件。 ②建立势能储备。如所周知，能量只能转换而不能消灭，细胞由物质代谢所获得的能量，先以化学能的形式贮存在ATP的高能磷酸键之中；当钠泵蛋白质分解ATP时，此能量用于使离子作逆电－化学势跨膜移动，于是能量又发生转换，以膜两侧出现了具有高电－化学势的离子（分别为K+和Na+）而以势能的形式贮存起来；换句话说，泵出膜外的Na+由于其高浓度而有再进入膜内的趋势，膜内高浓度的K+、则有再移入膜内的趋势，这就是一种势能贮备。由钠泵造成的离子势能贮备，可用于细胞的其他耗能过程。小肠吸收glucose就是一种继发主动转运吸收（secondary active transport）。③防止细胞水肿。若钠离子大量入胞，可改变渗透压关系，造成细胞水肿。
继发性主动转运：钠泵活动形成的势能贮备，还可用来完成一些其他物质的逆浓度差的跨膜转运，这主要见于前面提到的肠上皮和肾小管上皮细胞对葡萄糖、氨基酸等营养物质的较为安全吸收现象，这显然有主动转运过程的参与。但据观察，这种理论上要耗能的过程并不直接伴随ATP或其他供能物质的消耗。这些物质的跨膜转运经常要伴有Na+由上皮细胞的管腔侧同时进入细胞；后者是葡萄糖等进入细胞的必要条件，没有Na+由高浓度的膜外顺浓度差进入膜内，就不会出现葡萄糖等分子逆浓度差进入膜内。在完整的在体肾小管和肠粘膜上皮细胞，由于在细胞的基底-外侧膜（或基侧膜，即靠近毛细血管和相邻上皮细胞侧的膜）上有钠泵存在（图2-4），因而能造成细胞内Na+浓度经常低于小管液和肠腔液中Na+浓度的情况，于是Na+不断由小管液和肠腔液顺浓度差进入细胞，由此释放的势能则用于葡萄糖分子的逆浓度进入细胞。葡萄糖主动转运所需的能量不是直接来自ATP的分解，而是来自膜外Na+的高势能；但造成这种高势能的钠泵活动是需要分解ATP的，因而糖的主动转运所需的能量还是间接地来自ATP，为此把这种类型的转运称为继发性主动转运，或称为联合转运（cotransport）。每一种联合转运也都与膜中存在的特殊蛋白质有关，称为转运体（transporter）；而且在不同的情况下，被转运的物质分子有的与Na+移动的方向相同，有时两者方向相反。甲状腺细胞特有的聚碘作用，也属于继发性主动转运。
图2－4 葡萄糖和一些氨基酸的继发性主动转运模式图
上方弯曲的管腔侧膜上的圆和方块，分别表示同葡萄糖和某些氨
基酸的继发性转运有关的转运蛋白质
主动转运是人体最重要的物质转运形式，除上述的钠泵外，目前了解较多的还有，钙泵：Ca2+-Mg2+ATP酶，存在于肌浆网膜上；碘泵：甲状腺上皮细胞膜，依赖钠泵，主动泵入I-；氢泵：H+-K+-ATP酶，胃粘膜壁细胞膜，与胃酸分泌有关。主动转运的特点是分子本身具有ATP酶活性，可分解ATP，释放能量，并利用此能量进行离子的逆势能差转运。
4.入胞（