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第02章_细胞的基本功能
Basic Function of the Cell
细胞(cell)是人体最基本的结构和功能单位。虽然构成人体不同器官、系统的细胞执行特定的功能，然而对于所有细胞而言，许多基本的功能活动是相同的。因而，了解细胞生理是阐明整个人体以及各系统、器官功能活动机制的基础。本章将介绍细胞膜的结构和物质转运功能、细胞的跨膜信号转换功能、细胞的生物电现象和肌细胞的收缩功能。
第一节 细胞膜的结构和物质转运功能
The Structure and Solute Transport of the Cellular Membrane
细胞膜(cellular membrane)或质膜(plasma membrane)包被机体的每个细胞，使胞质(cytosol)和细胞的周围环境(主要是细胞外液)分隔开来。胞质内化学成分保持相对稳定，对维持细胞正常新陈代谢(metabolism)具有重要作用。由于细胞膜是一个具有特殊结构和功能的半透膜，它允许某些物质或离子有选择性通过，同时又能严格地限制其他一些物质的进出，使胞质的化学成分与细胞外液显着不同，胞内K+ 和磷酸盐离子浓度高于细胞外液，而Na+、Cl-、Ca2+ 则低于细胞外液。此外，细胞内部的各种细胞器，如线粒体(mitochondria)、内质网(endoplasmic reticulum)、溶酶体(lysosomes)等，也被类似细胞膜的膜性结构包被，使其物质构成与胞质不同，从而保证细胞器正常的功能活动。
一、细胞膜的结构(The Structure of the Cellular Membrane)
细胞和细胞器膜主要由脂质(lipid)、蛋白质(protein)和少量糖类物质组成。关于各种物质分子在膜中的排列形式，目前仍采用1972年由Singer和Nicholson提出的液态镶嵌模型(fluid mosaic model)(图2-1)。这一模型的基本内容是：膜是以液态的脂质双分子层为基架，其中镶嵌着具有不同结构和功能的蛋白质。
(一)脂质双分子层(Lipid Bilayer)
膜的脂质主要由分子结构中含脂肪酸的磷脂(phospholipid)和不含脂肪酸的胆固醇(cholesterol)组成，其中磷脂约占脂质总量的70%以上，胆固醇低于30%；此外还有少量鞘脂(sphingolipid)。脂质以双分子层的形式存在于细胞膜。磷脂是一种双嗜性分子(amphipathic molecule)，其主要成分有：磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇。每个磷脂分子中的磷酸和碱基形成亲水性基团，朝向细胞外液或胞质；而磷脂分子中的脂肪酸烃链形成疏水性基团，在膜的内部两两相对(图2-1)。细胞膜脂质双分子层内外两层所含的脂质不尽相同，磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸主要分布于朝向胞质的内侧，而磷脂酰胆碱和鞘脂主要分布于外层。
细胞膜脂质的熔点较低，在体温条件下呈液态，因而膜具有流动性。膜胆固醇含量升高可抑制脂质和蛋白质在膜内的移动，从而降低膜的流动性。此外，脂肪酸烃链的长度和不饱和度以及膜蛋白质的含量均可影响膜的流动性，较短和不饱和的脂肪酸烃链，可增加膜的流动性，而镶嵌的蛋白质增多，可降低膜的流动性。
(二)细胞膜蛋白质(Protein)
蛋白质分子以α-螺旋或球形结构分散镶嵌在膜的脂质双分子层中。根据分布形式的不同，膜蛋白可分为整合蛋白(integral protein)和表面蛋白(peripheral protein)(图2-1)。整合蛋白嵌入脂质双分子层内，多数整合蛋白贯穿整个双分子层，两端露出在膜的内外侧。这些蛋白质分子的多肽链可一次或多次穿过脂质双分子层，贯穿细胞膜的肽链通常由疏水性氨基酸组成，形成α-螺旋结构。表面蛋白不穿越脂质双分子层，附着于内侧或外侧脂质双分子层。膜蛋白具有重要功能，许多表面蛋白本身是酶；而许多贯穿膜的整合蛋白本身是载体(carrier)或通道(channel)，完成水溶性物质的跨膜转运功能。此外，有些位于细胞外侧的膜蛋白属于受体(receptor)蛋白，可特异性识别细胞外液某种分子，例如激素，并与之结合，完成信号转导功能。
(三)细胞膜糖类(Sugar)
细胞膜所含的糖类约为2%～10%，主要是一些寡糖和多糖链，以共价键的形式和膜蛋白或膜脂质结合，形成糖蛋白(glycoprotein)或糖脂(glycolipid)(图2-1)。这些糖链绝大多数位于细胞膜的外侧，其主要作用可能是作为它们所在细胞或它们所结合的蛋白质的特异性的"标志"。
二、细胞膜的跨膜物质转运功能(Transmembrane Transport of Solutes)
机体所有细胞在新陈代谢过程中需要摄取氧气、糖、氨基酸以及某些小离子；同时排出二氧化碳、代谢废物及其分泌物。此外，某些特殊细胞需要转运酶、激素及神经递质等大分子物质。这些物质跨膜转运的途径为：脂溶性小分子物质以单纯扩散方式直接通过脂质层进出细胞；水溶性小分子物质和离子的跨膜转运需借助细胞膜蛋白质的介导；大分子物质以入胞(endocytosis)和出胞(exocytosis)方式跨膜转运。
(一)单纯扩散(Simple Diffusion)
单纯扩散指脂溶性物质由膜的高浓度侧向低浓度侧的移动。扩散的结果是膜两侧该物质的浓度差消失。扩散的方向和速度取决于膜两侧该物质的浓度差和膜对该物质的通透性(permeability)(图2-2)。细胞膜对各种物质的通透性取决于物质的脂溶性、分子量及带电状态。通常，脂溶性高、分子量小、不带电荷的物质较易通过脂质双分子层。体内主要以单纯扩散方式跨膜转运的物质有氧气、二氧化碳等气体分子以及乙醇、尿素等物质。一些甾体类激素虽然也是脂溶性的，但由于分子量较大，需要依靠膜上特殊蛋白质的协助而完成其跨膜转运。
(二)膜蛋白介导的跨膜转运(Protein-mediated Membrane Transport)
物质通过膜特殊载体或通道蛋白介导而进出细胞的过程称为膜蛋白介导的跨膜转运。某些离子或分子也可通过膜蛋白介导穿过线粒体、内质网等细胞器膜。膜蛋白介导的跨膜物质转运包括易化扩散(facilitated diffusion)和主动转运(active transport)，这两种转运方式的主要不同在于，易化扩散属于被动转运(passive transport)，物质顺电化学梯度跨膜移动，不需要消耗能量；而主动转运则是逆电化学梯度进行的跨膜物质转运，需消耗能量。
1.经载体介导的易化扩散(facilitated diffusion via carrier protein)
许多具有重要生理功能的物质，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等，以经载体介导的易化扩散方式跨膜移动，其跨膜转运的速度比由单纯扩散所预期的要快得多，图2-3显示扩散速度与溶质浓度的关系曲线。膜载体为贯穿脂质双分子层的整合蛋白，它们有与被转运物质特异性结合的位点。膜载体与膜一侧的某种物质分子结合后，即发生载体蛋白构象的改变，在膜的另一侧释放出被结合的物质(图2-4)。经载体介导的易化扩散的特点是：(1)载体蛋白质与被转运的物质具有较高的结构特异性。(2)饱和(saturation)现象：因为膜载体的数目是一定的，当所有的载体都与被转运物质结合时，转运的速率将不再增加(图2-3)。(3)化学结构相似的物质经同一载体转运时，会出现竞争性抑制(competitive inhibition)现象。
2.经通道介导的易化扩散(facilitated diffusion via channel protein)
溶液中的小离子，如Na+、K+、Cl-和Ca2+，借助细胞膜通道蛋白质的帮助，由膜的高浓度一侧向低浓度一侧的转运，称为经通道介导的易化扩散。离子通道是贯穿细胞膜的整合蛋白，通常由几个多肽亚单位组成。这些亚单位接受某些特定的刺激可打开"闸门"(gate)，形成水性通道，从而允许离子通过。当通道处于开放状态，离子以易化扩散的方式快速由膜的一侧扩散到另一侧。经通道介导的易化扩散的跨膜转运速率可达每秒108个离子，远大于经载体易化扩散的速率。
离子通道对所通过的离子具有选择性，例如，有Na+ 选择性、K+ 选择性、Cl- 选择性、Ca2+ 选择性、阴离子选择性和阳离子选择性通道。通常，离子通道有开放和关闭两种状态，其开放和关闭均非常快。通道开放的频率和每次开放的持续时间具有较大的可变性，离子跨膜转运的速率可由通道开放的频率及开放的时间控制。根据开放机制的不同，离子通道分为电压门控通道(voltage-gated ion channel)和配体门控通道(ligand-gated ion channel)。
(1) (1) (1) 电压门控通道是由膜两侧的电位差控制开、闭的离子通道。此类通道包括电压门控Na+ 通道、K+ 通道和Ca2+ 通道。电压门控Na+ 通道存在于大多数组织，由α、β1和β2三个亚单位组成，其中α亚单位是形成孔道的单位(图2-5)。每个α亚单位由4个氨基酸序列十分相似的结构域I～IV组成，每个结构域含有6个跨膜α-螺旋节段，即S1～S6。每个结构域的S5、S6跨膜节段共同形成孔道的内壁，并决定通道的离子选择性和通透性；而S4跨膜节段所含的带正电的精氨酸和赖氨酸对跨膜电位很敏感，膜电位的改变可使这些氨基酸移动，从而引起蛋白构象改变，使通道开放。
(2) (2) (2) 配体门控离子通道是由某种化学物质控制开、闭的离子通道。配体通常指来自细胞外介质的神经递质或细胞内的第二信使物质。位于神经肌肉接头(neuromuscular junction)突触后膜的N型乙酰胆碱受体(nicotinic acetylcholine receptor)通道是典型的由神经递质启动的配体门控离子通道(图2-6)。该通道由5个亚单位组成：2个α、1个β、1个γ和1个δ亚单位。乙酰胆碱结合位元点位于α亚单位上。每个α亚单位含有4个跨膜节段，即M1～M4,其中M2跨膜节段形成通道的内壁。α亚单位与其他亚单位共同包绕形成一个水性通道。乙酰胆碱与其结合位点结合，可引起受体蛋白质构象发生改变，通道开放，Na+ 和K+ 顺电化学梯度跨膜移动。由细胞内环磷酸尿苷启动的Na+ 通道属于细胞内第二信使物质启动的配体门控离子通道。图2-7显示环核苷酸门控离子通道(cyclic nucleotide-gated ion channel)的模式图。该离子通道由4个亚单位组成，每个亚单位有6个跨膜α螺旋，其结合位点位于细胞膜内侧。
3.主动转运(active transport)
主动转运指通过细胞某种耗能过程，物质的分子或离子逆电化学梯度跨膜移动的过程。根据所需能量来源的不同，分为原发性主动转运(primary active transport)和继发性主动转运(secondary active transport)。
(1)原发性主动转运：指物质逆电化学梯度转运所需的能量直接来自细胞内ATP分解。介导这一过程的膜蛋白(整合蛋白)称为离子泵(ion pump)，其能量来自线粒体合成的ATP。离子泵分解ATP为ADP，利用高能磷酸键储存的能量，完成细胞跨膜转运。由于离子泵有分解ATP的能力，又称为ATP酶。
哺乳类动物最常见的离子泵为钠-钾泵(sodium-potassium pump)，或钠泵(sodium pump)，也称钠/钾-ATP酶(Na+ / K+ -ATPase )(图2-8)。细胞内Na+ 增多或细胞外K+ 增多，均可启动钠泵，分解ATP。每分解1分子ATP，可以泵出3个Na+，同时泵入2个 K+，从而维持细胞内高K+(约为细胞外的30倍)和细胞外高Na+(约为细胞内的10倍)的不均衡离子分布。钠泵由α-和β-两个亚单位组成。α-亚单位分子量约为100kd，多次穿过细胞膜，转运Na+ 、K+ 和分解ATP的部位均在α-亚单位上；β-亚单位分子量约为50kd，只穿过细胞膜1次，作用还不很清楚。哇巴因(ouabain)可抑制钠泵的活动。
钠泵活动具有重要的生理意义：①钠泵活动造成的细胞内高K+ 是细胞内许多代谢反应的必需条件；②钠泵活动所造成的膜内外Na+ 和K+ 的不均衡分布，可建立离子势能贮备，在特定条件下，Na+ 和K+ 通过各自的离子通道顺电化学梯度被动转运，从而产生各种形式的生物电现象；③钠泵活动可维持细胞内渗透压和细胞容积的相对稳定，防止由于细胞外大量Na+ 进入，而引发水分子进入细胞内，导致细胞肿胀、死亡；④钠泵活动造成的膜两侧Na+ 的浓度差是其他许多物质继发性主动转运(葡萄糖、氨基酸的主动吸收，Na+-K+ 交换和Na+ -Ca2+ 交换)的动力。
另一种较常见的离子泵是钙泵(calcium pump)，又称Ca2+-ATP酶。它广泛分布于细胞膜、内质网膜和肌质网膜。细胞内Ca2+ 浓度升高，可刺激钙泵分解ATP，逆浓度差将胞质内Ca2+ 转运至胞外或内质网及肌质网等细胞器贮存起来，从而维持胞质内Ca2+ 浓度在0.1μM左右，该水准仅为细胞外液Ca2+ 的万分之一，这对维持细胞的正常生理功能具有重要意义。
(2)继发性主动转运：指物质逆电化学梯度转运时，所需要的能量不是直接来自ATP的分解，而是来自钠泵活动所造成的膜内外Na+ 的势能贮备。Na+ 顺浓度差跨膜转运所释放出来的势能，可用于其他物质逆浓度差的跨膜转运。继发性主动转运通常由称为转运体(transporter)的膜整合蛋白完成，他们对所转运的物质具有结构特异性、饱和现象和竞争抑制现象。通常存在两种不同的转运体，如果被转运的离子或分子与Na+ 转运的方向相同，称为同向转运(symport)；如果被转运的离子或分子与Na+ 转运的方向相反，称为反向转运(antiport)或交换(exchange)。继发性主动转运见于葡萄糖和氨基酸在小肠粘膜上皮细胞的吸收以及在肾小管上皮细胞的重吸收，神经递质在突触间隙被重摄取的过程以及甲状腺细胞的聚碘作用。
图2-9是小肠粘膜及肾小管上皮细胞的Na+-葡萄糖同向转运(Na+ -glucose symport)和Na+ -氨基酸同向转运(Na+ -amino acid symport)过程。该同向转运系统可有效地逆浓度差吸收营养物质。人小肠Na+ -葡萄糖同向转运体(Na+ -glucose symporter)，又称为Na+ -依赖的葡萄糖转运体(Na+ -dependent glucose transporter, SGLT)，由664个氨基酸组成，具有14个跨膜节段。另一转运体是位于小肠粘膜及肾小管上皮细胞的Na+ -耦联的磷酸盐转运体家族(Na+ -coupled phosphate transporters, NaPi)，该转运体有6-8个跨膜段，含有460-690个氨基酸。......（后略) ......
第02章_细胞的基本功能
Basic Function of the Cell
细胞(cell)是人体最基本的结构和功能单位。虽然构成人体不同器官、系统的细胞执行特定的功能，然而对于所有细胞而言，许多基本的功能活动是相同的。因而，了解细胞生理是阐明整个人体以及各系统、器官功能活动机制的基础。本章将介绍细胞膜的结构和物质转运功能、细胞的跨膜信号转换功能、细胞的生物电现象和肌细胞的收缩功能。
第一节 细胞膜的结构和物质转运功能
The Structure and Solute Transport of the Cellular Membrane
细胞膜(cellular membrane)或质膜(plasma membrane)包被机体的每个细胞，使胞质(cytosol)和细胞的周围环境(主要是细胞外液)分隔开来。胞质内化学成分保持相对稳定，对维持细胞正常新陈代谢(metabolism)具有重要作用。由于细胞膜是一个具有特殊结构和功能的半透膜，它允许某些物质或离子有选择性通过，同时又能严格地限制其他一些物质的进出，使胞质的化学成分与细胞外液显着不同，胞内K+ 和磷酸盐离子浓度高于细胞外液，而Na+、Cl-、Ca2+ 则低于细胞外液。此外，细胞内部的各种细胞器，如线粒体(mitochondria)、内质网(endoplasmic reticulum)、溶酶体(lysosomes)等，也被类似细胞膜的膜性结构包被，使其物质构成与胞质不同，从而保证细胞器正常的功能活动。
一、细胞膜的结构(The Structure of the Cellular Membrane)
细胞和细胞器膜主要由脂质(lipid)、蛋白质(protein)和少量糖类物质组成。关于各种物质分子在膜中的排列形式，目前仍采用1972年由Singer和Nicholson提出的液态镶嵌模型(fluid mosaic model)(图2-1)。这一模型的基本内容是：膜是以液态的脂质双分子层为基架，其中镶嵌着具有不同结构和功能的蛋白质。
(一)脂质双分子层(Lipid Bilayer)
膜的脂质主要由分子结构中含脂肪酸的磷脂(phospholipid)和不含脂肪酸的胆固醇(cholesterol)组成，其中磷脂约占脂质总量的70%以上，胆固醇低于30%；此外还有少量鞘脂(sphingolipid)。脂质以双分子层的形式存在于细胞膜。磷脂是一种双嗜性分子(amphipathic molecule)，其主要成分有：磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇。每个磷脂分子中的磷酸和碱基形成亲水性基团，朝向细胞外液或胞质；而磷脂分子中的脂肪酸烃链形成疏水性基团，在膜的内部两两相对(图2-1)。细胞膜脂质双分子层内外两层所含的脂质不尽相同，磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸主要分布于朝向胞质的内侧，而磷脂酰胆碱和鞘脂主要分布于外层。
细胞膜脂质的熔点较低，在体温条件下呈液态，因而膜具有流动性。膜胆固醇含量升高可抑制脂质和蛋白质在膜内的移动，从而降低膜的流动性。此外，脂肪酸烃链的长度和不饱和度以及膜蛋白质的含量均可影响膜的流动性，较短和不饱和的脂肪酸烃链，可增加膜的流动性，而镶嵌的蛋白质增多，可降低膜的流动性。
(二)细胞膜蛋白质(Protein)
蛋白质分子以α-螺旋或球形结构分散镶嵌在膜的脂质双分子层中。根据分布形式的不同，膜蛋白可分为整合蛋白(integral protein)和表面蛋白(peripheral protein)(图2-1)。整合蛋白嵌入脂质双分子层内，多数整合蛋白贯穿整个双分子层，两端露出在膜的内外侧。这些蛋白质分子的多肽链可一次或多次穿过脂质双分子层，贯穿细胞膜的肽链通常由疏水性氨基酸组成，形成α-螺旋结构。表面蛋白不穿越脂质双分子层，附着于内侧或外侧脂质双分子层。膜蛋白具有重要功能，许多表面蛋白本身是酶；而许多贯穿膜的整合蛋白本身是载体(carrier)或通道(channel)，完成水溶性物质的跨膜转运功能。此外，有些位于细胞外侧的膜蛋白属于受体(receptor)蛋白，可特异性识别细胞外液某种分子，例如激素，并与之结合，完成信号转导功能。
(三)细胞膜糖类(Sugar)
细胞膜所含的糖类约为2%～10%，主要是一些寡糖和多糖链，以共价键的形式和膜蛋白或膜脂质结合，形成糖蛋白(glycoprotein)或糖脂(glycolipid)(图2-1)。这些糖链绝大多数位于细胞膜的外侧，其主要作用可能是作为它们所在细胞或它们所结合的蛋白质的特异性的"标志"。
二、细胞膜的跨膜物质转运功能(Transmembrane Transport of Solutes)
机体所有细胞在新陈代谢过程中需要摄取氧气、糖、氨基酸以及某些小离子；同时排出二氧化碳、代谢废物及其分泌物。此外，某些特殊细胞需要转运酶、激素及神经递质等大分子物质。这些物质跨膜转运的途径为：脂溶性小分子物质以单纯扩散方式直接通过脂质层进出细胞；水溶性小分子物质和离子的跨膜转运需借助细胞膜蛋白质的介导；大分子物质以入胞(endocytosis)和出胞(exocytosis)方式跨膜转运。
(一)单纯扩散(Simple Diffusion)
单纯扩散指脂溶性物质由膜的高浓度侧向低浓度侧的移动。扩散的结果是膜两侧该物质的浓度差消失。扩散的方向和速度取决于膜两侧该物质的浓度差和膜对该物质的通透性(permeability)(图2-2)。细胞膜对各种物质的通透性取决于物质的脂溶性、分子量及带电状态。通常，脂溶性高、分子量小、不带电荷的物质较易通过脂质双分子层。体内主要以单纯扩散方式跨膜转运的物质有氧气、二氧化碳等气体分子以及乙醇、尿素等物质。一些甾体类激素虽然也是脂溶性的，但由于分子量较大，需要依靠膜上特殊蛋白质的协助而完成其跨膜转运。
(二)膜蛋白介导的跨膜转运(Protein-mediated Membrane Transport)
物质通过膜特殊载体或通道蛋白介导而进出细胞的过程称为膜蛋白介导的跨膜转运。某些离子或分子也可通过膜蛋白介导穿过线粒体、内质网等细胞器膜。膜蛋白介导的跨膜物质转运包括易化扩散(facilitated diffusion)和主动转运(active transport)，这两种转运方式的主要不同在于，易化扩散属于被动转运(passive transport)，物质顺电化学梯度跨膜移动，不需要消耗能量；而主动转运则是逆电化学梯度进行的跨膜物质转运，需消耗能量。
1.经载体介导的易化扩散(facilitated diffusion via carrier protein)
许多具有重要生理功能的物质，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等，以经载体介导的易化扩散方式跨膜移动，其跨膜转运的速度比由单纯扩散所预期的要快得多，图2-3显示扩散速度与溶质浓度的关系曲线。膜载体为贯穿脂质双分子层的整合蛋白，它们有与被转运物质特异性结合的位点。膜载体与膜一侧的某种物质分子结合后，即发生载体蛋白构象的改变，在膜的另一侧释放出被结合的物质(图2-4)。经载体介导的易化扩散的特点是：(1)载体蛋白质与被转运的物质具有较高的结构特异性。(2)饱和(saturation)现象：因为膜载体的数目是一定的，当所有的载体都与被转运物质结合时，转运的速率将不再增加(图2-3)。(3)化学结构相似的物质经同一载体转运时，会出现竞争性抑制(competitive inhibition)现象。
2.经通道介导的易化扩散(facilitated diffusion via channel protein)
溶液中的小离子，如Na+、K+、Cl-和Ca2+，借助细胞膜通道蛋白质的帮助，由膜的高浓度一侧向低浓度一侧的转运，称为经通道介导的易化扩散。离子通道是贯穿细胞膜的整合蛋白，通常由几个多肽亚单位组成。这些亚单位接受某些特定的刺激可打开"闸门"(gate)，形成水性通道，从而允许离子通过。当通道处于开放状态，离子以易化扩散的方式快速由膜的一侧扩散到另一侧。经通道介导的易化扩散的跨膜转运速率可达每秒108个离子，远大于经载体易化扩散的速率。
离子通道对所通过的离子具有选择性，例如，有Na+ 选择性、K+ 选择性、Cl- 选择性、Ca2+ 选择性、阴离子选择性和阳离子选择性通道。通常，离子通道有开放和关闭两种状态，其开放和关闭均非常快。通道开放的频率和每次开放的持续时间具有较大的可变性，离子跨膜转运的速率可由通道开放的频率及开放的时间控制。根据开放机制的不同，离子通道分为电压门控通道(voltage-gated ion channel)和配体门控通道(ligand-gated ion channel)。
(1) (1) (1) 电压门控通道是由膜两侧的电位差控制开、闭的离子通道。此类通道包括电压门控Na+ 通道、K+ 通道和Ca2+ 通道。电压门控Na+ 通道存在于大多数组织，由α、β1和β2三个亚单位组成，其中α亚单位是形成孔道的单位(图2-5)。每个α亚单位由4个氨基酸序列十分相似的结构域I～IV组成，每个结构域含有6个跨膜α-螺旋节段，即S1～S6。每个结构域的S5、S6跨膜节段共同形成孔道的内壁，并决定通道的离子选择性和通透性；而S4跨膜节段所含的带正电的精氨酸和赖氨酸对跨膜电位很敏感，膜电位的改变可使这些氨基酸移动，从而引起蛋白构象改变，使通道开放。
(2) (2) (2) 配体门控离子通道是由某种化学物质控制开、闭的离子通道。配体通常指来自细胞外介质的神经递质或细胞内的第二信使物质。位于神经肌肉接头(neuromuscular junction)突触后膜的N型乙酰胆碱受体(nicotinic acetylcholine receptor)通道是典型的由神经递质启动的配体门控离子通道(图2-6)。该通道由5个亚单位组成：2个α、1个β、1个γ和1个δ亚单位。乙酰胆碱结合位元点位于α亚单位上。每个α亚单位含有4个跨膜节段，即M1～M4,其中M2跨膜节段形成通道的内壁。α亚单位与其他亚单位共同包绕形成一个水性通道。乙酰胆碱与其结合位点结合，可引起受体蛋白质构象发生改变，通道开放，Na+ 和K+ 顺电化学梯度跨膜移动。由细胞内环磷酸尿苷启动的Na+ 通道属于细胞内第二信使物质启动的配体门控离子通道。图2-7显示环核苷酸门控离子通道(cyclic nucleotide-gated ion channel)的模式图。该离子通道由4个亚单位组成，每个亚单位有6个跨膜α螺旋，其结合位点位于细胞膜内侧。
3.主动转运(active transport)
主动转运指通过细胞某种耗能过程，物质的分子或离子逆电化学梯度跨膜移动的过程。根据所需能量来源的不同，分为原发性主动转运(primary active transport)和继发性主动转运(secondary active transport)。
(1)原发性主动转运：指物质逆电化学梯度转运所需的能量直接来自细胞内ATP分解。介导这一过程的膜蛋白(整合蛋白)称为离子泵(ion pump)，其能量来自线粒体合成的ATP。离子泵分解ATP为ADP，利用高能磷酸键储存的能量，完成细胞跨膜转运。由于离子泵有分解ATP的能力，又称为ATP酶。
哺乳类动物最常见的离子泵为钠-钾泵(sodium-potassium pump)，或钠泵(sodium pump)，也称钠/钾-ATP酶(Na+ / K+ -ATPase )(图2-8)。细胞内Na+ 增多或细胞外K+ 增多，均可启动钠泵，分解ATP。每分解1分子ATP，可以泵出3个Na+，同时泵入2个 K+，从而维持细胞内高K+(约为细胞外的30倍)和细胞外高Na+(约为细胞内的10倍)的不均衡离子分布。钠泵由α-和β-两个亚单位组成。α-亚单位分子量约为100kd，多次穿过细胞膜，转运Na+ 、K+ 和分解ATP的部位均在α-亚单位上；β-亚单位分子量约为50kd，只穿过细胞膜1次，作用还不很清楚。哇巴因(ouabain)可抑制钠泵的活动。
钠泵活动具有重要的生理意义：①钠泵活动造成的细胞内高K+ 是细胞内许多代谢反应的必需条件；②钠泵活动所造成的膜内外Na+ 和K+ 的不均衡分布，可建立离子势能贮备，在特定条件下，Na+ 和K+ 通过各自的离子通道顺电化学梯度被动转运，从而产生各种形式的生物电现象；③钠泵活动可维持细胞内渗透压和细胞容积的相对稳定，防止由于细胞外大量Na+ 进入，而引发水分子进入细胞内，导致细胞肿胀、死亡；④钠泵活动造成的膜两侧Na+ 的浓度差是其他许多物质继发性主动转运(葡萄糖、氨基酸的主动吸收，Na+-K+ 交换和Na+ -Ca2+ 交换)的动力。
另一种较常见的离子泵是钙泵(calcium pump)，又称Ca2+-ATP酶。它广泛分布于细胞膜、内质网膜和肌质网膜。细胞内Ca2+ 浓度升高，可刺激钙泵分解ATP，逆浓度差将胞质内Ca2+ 转运至胞外或内质网及肌质网等细胞器贮存起来，从而维持胞质内Ca2+ 浓度在0.1μM左右，该水准仅为细胞外液Ca2+ 的万分之一，这对维持细胞的正常生理功能具有重要意义。
(2)继发性主动转运：指物质逆电化学梯度转运时，所需要的能量不是直接来自ATP的分解，而是来自钠泵活动所造成的膜内外Na+ 的势能贮备。Na+ 顺浓度差跨膜转运所释放出来的势能，可用于其他物质逆浓度差的跨膜转运。继发性主动转运通常由称为转运体(transporter)的膜整合蛋白完成，他们对所转运的物质具有结构特异性、饱和现象和竞争抑制现象。通常存在两种不同的转运体，如果被转运的离子或分子与Na+ 转运的方向相同，称为同向转运(symport)；如果被转运的离子或分子与Na+ 转运的方向相反，称为反向转运(antiport)或交换(exchange)。继发性主动转运见于葡萄糖和氨基酸在小肠粘膜上皮细胞的吸收以及在肾小管上皮细胞的重吸收，神经递质在突触间隙被重摄取的过程以及甲状腺细胞的聚碘作用。
图2-9是小肠粘膜及肾小管上皮细胞的Na+-葡萄糖同向转运(Na+ -glucose symport)和Na+ -氨基酸同向转运(Na+ -amino acid symport)过程。该同向转运系统可有效地逆浓度差吸收营养物质。人小肠Na+ -葡萄糖同向转运体(Na+ -glucose symporter)，又称为Na+ -依赖的葡萄糖转运体(Na+ -dependent glucose transporter, SGLT)，由664个氨基酸组成，具有14个跨膜节段。另一转运体是位于小肠粘膜及肾小管上皮细胞的Na+ -耦联的磷酸盐转运体家族(Na+ -coupled phosphate transporters, NaPi)，该转运体有6-8个跨膜段，含有460-690个氨基酸。......（后略) ......