细胞膜的物质转运功能

液态镶嵌模型（fluid mosaic model）学说认为，液态脂质双层构成膜的基架，不同结构和功能的蛋白质镶嵌在其中，糖类分子与脂质、蛋白结合后附在膜的外表面。

由于细胞膜是脂质双分子层，故只有脂溶性的物质或少数不带电荷的极性小分子可以不通过任何生物学转运机制进行跨膜移动，其余物质必须在通道、转运体甚至更复杂的用细胞膜打包的方式协助下进行跨膜移动。

跨细胞膜的物质转运

跨膜转运方式

转运方式	耗能	转运方向	需蛋白质	饱和现象	转运物质
单纯扩散	否	顺浓度/电位梯度	否	否	脂溶性/非极性物质（O₂，CO₂、尿素）少数不带电荷的极性小分子物质（H₂O，NH₃）
易化扩散	否	逆浓度/电位梯度	是
经通道的易化扩散			通道蛋白	否	带电离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺）、水
经载体的易化扩散			载体蛋白	是	非脂溶性小分子（葡萄糖、氨基酸）
主动转运	是	逆浓度/电位梯度	载体蛋白	是
原发性主动转运	直接		离子泵（ATP 酶）钠钾泵、钙泵、质子泵		带电离子，如钠-钾泵、钙泵、质子泵
继发性主动转运	间接		同向转运体、反向转运体/交换体		见继发性主动转运

脂质、脂溶性和极性

脂类（Lipid）| 脂质: 一类不溶于水而易溶于脂肪溶剂（醇、醚、氯仿、苯）等非极性有机溶剂，由脂肪酸与醇作用脱水缩合生成的酯及其衍生物。; 脂质可以广义定义为疏水性或双亲性小分子。¹
脂溶性（Lipophilicity）: 指化合物溶解在脂肪（fats）、油（oils）、脂质（lipids）和非极性溶剂中的能力。²
极性（polarity）: 指一个共价键或一个共价分子中电荷分布的不均匀性，如果电荷分布得不均匀，则称该键或分子为极性³，否则称为非极性。

由于脂类分子一般为极性很小的分子，根据相似相溶原理，一种物质易溶于极性相同的物质，所以脂溶性物质一般为非极性的物质，二者也常混用。

常见物质的跨膜转运方式

物质	转运方式
葡萄糖	经肠腔、肾小管吸收——继发性主动转运被红细胞、脑细胞摄取——经载体易化扩散
Na⁺、Ca²⁺	原发性主动转运、经通道易化扩散
H₂O	单纯扩散、经通道易化扩散
O₂、CO₂、NH₃（极性）、N₂	单纯扩散

单纯扩散

单纯扩散（simple diffusion）| 简单扩散: 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。; 影响单纯扩散扩散速率的因素包括浓度差、膜通透性、温度、膜有效面积。

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［通道（channel）蛋白或载体（carrier，transporter）蛋白］帮助下，顺浓度梯度和（或）电位梯度进行的跨膜转运。

经通道的易化扩散

细胞的信号转导#离子通道型受体介导的信号转导

离子选择性（ion selectivity）是指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。离子选择性取决于离子通道内所带电荷、通道孔径等因素，因此会出现下列现象：
1. “细胞膜稳定剂” Ca²⁺：Ca²⁺ 可堵住 Na⁺ 通道、K⁺ 通道（高钾血症时用葡萄糖酸钙对抗 K⁺ 的毒性）
2. 存在非选择性阳离子通道（对离子所带电荷有选择性）
3. K⁺ 漏通道对 Na⁺ 也有一定通透性
门控特性：大部分通道蛋白分子内部有一些可移动的结构或化学基团，在通道开口处起“闸门”作用。许多因素可引起闸门运动，导致通道的开放或关闭，这一过程称为门控（gating）。根据闸门对不同刺激的敏感性，即门控特性，可将离子通道分为
- 门控通道
  1. 电压门控通道：电生理活动中的电压门控通道（如神经细胞轴突膜中电压门控 Na⁺ 通道）大多在去极化时打开；心肌 I_f 通道在超极化时打开。
  2. 化学（配体）门控通道：配体结合位点可以在膜外侧（如骨骼肌终板膜上的 N₂ 型乙酰胆碱受体阳离子通道）也可以在膜内侧（如视杆细胞的 cGMP 门控阳离子通道）
  3. 机械门控通道：机械能 → 电信号，如耳蜗基底毛细胞、动脉血管平滑肌上的机械门控钙通道（血管自身调节的结构基础）、某些感受器（听觉、触觉、运动觉、位置觉、血压）
- 非门控通道：
  - K⁺ 漏通道、水通道，因不具门控特性而不受调节。
  - I_K1 通道（内向整流钾通道），不能完全关闭，但开放的程度可以调节。
高转运效率：与载体最重要的区别。

钠泵有两个闸门，可表现出三种不同状态，见细胞的电活动。

经载体的易化扩散

经载体的易化扩散: 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。

葡萄糖转运体（GLUT）

GLUT1：表达于多种组织细胞，是一种基本的葡萄糖转运体
GLUT4：分布于横纹肌、脂肪等组织，基础状态下主要存储于胞质内，可受肌肉活动、胰岛素水平的调节
- 有些糖尿病患者伴有 GLUT4 数量或功能降低，此时即使胰岛素水平正常，也不能有效转运葡萄糖，出现胰岛素抵抗

结构特异性：各种载体只能识别和结合具有特定化学结构的底物（特异性高于离子通道）。
饱和现象：由于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（V_max，最大扩散速率），不再随底物浓度增大而增大。
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。其中，浓度较低或 K_m（米氏常数，即转运速率达到 V_max 一半时的底物浓度）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。

原发性主动转运

细胞的电活动#钠泵的生电作用细胞的电活动#静息电位的产生机制

钠钾泵钠泵Na⁺-K⁺-ATP 酶钠-钾依赖式 ATP 酶

部位：钠钾泵（sodium-potassium pump）是哺乳动物细胞膜中普遍存在（~~仅分布于可兴奋细胞的细胞膜上~~）的离子泵，简称钠泵，因具有 ATP 酶活性又称 Na⁺-K⁺-ATP 酶。
ATP 酶活性：需在膜内的 Na⁺ 和膜外 K⁺ 的共同参与下才有 ATP 酶活性，故也称钠-钾依赖式 ATP 酶。
特异性抑制剂：哇巴因

人体能量消耗比例

人体将 50% 以上的能量用于维持体温，其余不足 50% 则以高能磷酸键的形式贮存于体内，供机体利用。哺乳动物细胞膜钠泵活动消耗的能量通常占细胞代谢产能的 20%–30%，有的细胞如某些功能活动活跃的神经细胞甚至可占到 70%。

钠泵活动的生理意义

胞内高钾：胞质内许多代谢反应需要钾，如核糖体合成蛋白质、糖原合成（葡萄糖+胰岛素用来治疗高血钾；甲亢导致周期性瘫痪）。
维持胞内渗透压和细胞容积：抵消静息状态下细胞膜对 Na⁺、K⁺ 的一定通透性（K⁺ 漏通道）导致的 Na⁺ 内漏（钠泵将 Na⁺ 移出细胞，同时产生一个离子的净外移）。钠钾泵活动减弱会使胞质渗透压升高，导致细胞水肿。
生物电基础：钠泵活动形成的 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。
静息电位的形成：钠泵活动的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。
势能储备：钠泵活动建立的 Na⁺ 跨膜浓度梯度可为继发性主动转运提供势能储备。
维持细胞膜两侧 Na⁺ 和 K⁺ 浓度：钠泵每分解一分子 ATP 可逆浓度差将 3 个 Na⁺ 移出胞外，将 2 个 K⁺ 移入胞内，其直接效应是维待细胞膜两侧 Na⁺和 K⁺ 的浓度差，使细胞外液中的 Na⁺ 浓度达到胞质内的 10 倍左右，细胞内的 K⁺ 浓度达到细胞外液的 30 倍左右。
生电效应：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。

钙泵Ca²⁺-ATP 酶

钙泵具有特异性的 Ca²⁺ 结合位点，当胞质内 Ca²⁺ 浓度升高时，Ca²⁺ 通过与钙调素（CaM）蛋白的结合可刺激钙泵活动。钙泵最终目的是为了让细胞质内游离的 Ca²⁺ 浓度为细胞外的万分之一。

质膜上的钙泵称为质膜钙 ATP 酶（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
肌质网和内质网膜上的钙泵称为肌质网和内质网钙 ATP 酶（SERCA）：每分解 1 分子 ATP 可将 2 个 Ca²⁺ 从胞质内转运至内质网中

质子泵

H⁺，K⁺-ATP 酶（氢钾泵）：主要分布于胃腺壁细胞和肾脏集合管闰细胞顶端膜上
- 功能：分泌 H⁺ 和摄入 K⁺，可逆浓度梯度将 H⁺ 有效地分泌到胃液或尿液中，分别参与胃酸形成和肾脏的排酸功能
- 抑制剂：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
H⁺-ATP 酶（氢泵^）：分布于各种细胞器膜中（按照泌尿系统一章的描述，集合管闰细胞顶端膜也存在）
- 功能：
  - 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
  - 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
  - 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

继发性主动转运

继发性主动转运依赖于原发性主动转运建立的 Na⁺ 或 H⁺ 的浓度梯度，若用药物（如哇巴因）抑制钠泵活动，相应的继发性主动转运将会逐渐减弱，甚至消失。

继发性主动转运的动力

在绝大多数情况下，溶质跨质膜转运的动力来自钠泵活动建立的 Na⁺ 的跨膜浓度梯度，而溶质跨细胞器膜转运的动力则来自质子泵活动建立的 H⁺ 的跨膜浓度梯度。

Na⁺ 和 H⁺ 均为阳离子，转运阳离子时反向转运的方式有利于维持膜两侧的电荷平衡，转运阴离子时则相反。

同向转运：
- Na⁺-葡萄糖同向转运体：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
- Na⁺-氨基酸同向转运体：氨基酸在小肠的吸收
- Na⁺-K⁺-2Cl^- 同向转运体：（髓袢升支粗段）肾小管上皮细胞、血管纹（呋塞米耳毒性）
- Na⁺-HCO₃^- 同向转运体：肾小管基底膜侧，是重要的回收 HCO₃^- 的方式
- Na⁺-I^- 同向转运体：甲状腺上皮细胞（聚碘）
- 突触前膜的单胺类递质再摄取（肠应激治疗、三环类抗抑郁药抑制此过程）
反向转运：
- Na⁺-Ca²⁺ 交换体：维持细胞内 Ca²⁺ 稳态（洋地黄使正相交换减弱，发挥正性变力作用）
- Na⁺-H⁺ 交换体：主要存在于肾小管近端小管上皮细胞的顶端膜，参与维持机体的酸碱平衡（调节酸碱平衡的最重要的交换）
  - 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分布腔中；
  - 通过和 Na⁺-K⁺ 泵的偶联，实现体内的 “H-K” 交换。

Na⁺-Ca²⁺ 交换体的双向转运作用

Na⁺-Ca²⁺ 交换体是个双向转运体，由于 Na 和 Ca 都是细胞外比细胞内多所以谁作为直接动力进来把另外一个交换出去，就取决于各自电化学驱动力的变化和离子通道特性等。

通常情况下，是 Na⁺ 进来把 Ca²⁺ 交换出去
但是如果细胞内由于各种原因导致了 Na⁺ 超载，Na⁺ 浓度差降低，则会出现 Ca²⁺ 进来把 Na⁺ 交换出去的反向交换出现［洋地黄的作用机制——抑制 Na⁺-K⁺ 泵会导致正向交换减弱（生理），反向交换增强（内科）］

膜泡运输

膜泡运输（vascular transport）| 批量运输（bulk transport）: 大分子和颗粒物质进出细胞并不直接穿过细胞膜，而是由膜包围形成囊泡，通过膜包裹、膜融合和膜离断等一系列过程完成转运。

出胞

出胞（exocytosis）: 指胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。

举例：内分泌细胞分泌激素、外分泌腺分泌酶原、突触囊泡内递质的释放

持续性出胞：细胞在安静情况下，分泌囊泡自发地与细胞膜融合而使囊泡内大分子物质不断排出细胞的过程
- 举例：小肠黏膜杯状细胞分泌黏液的过程。
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，储存于细胞内某些部位的分泌囊泡大量与细胞膜融合，并将囊泡内容物排出细胞的过程。
- 举例：动作电位到达神经末梢时引起的神经递质释放。

入胞内化

入胞（endocytosis）| 内化（internalization）: 指细胞外大分子物质或物质团块被细胞膜包裹后以襄泡形式进入细胞的过程。; 如细菌、死亡细胞、细胞碎片，以及多肽类激素、抗体、运铁蛋白、流感病毒等。

吞噬（phagocytosis）：被转运物质以固态形式进入细胞的过程。
- 特点：
  - 吞噬所转运的物质不是以分子而是以团块或颗粒形式出现，如细菌、死亡细胞或组织碎片等。
  - 吞噬泡为直径较大（1–2 μm）的膜性囊泡。
  - 吞噬仅发生于一些特殊的细胞，如组织中的巨噬细胞和血细胞的中性粒细胞等。
吞饮（pinocytosis）：被转运物质以液态形式进入细胞的过程。
- 特点：
  - 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。
  - 吞饮泡为直径较小的囊泡（0.1–0.2 μm）。
  - 吞饮可发生于体内几乎所有的细胞。
- 分类：
  1. 液相入胞：溶质连同细胞外液连续不断进入胞内的一种吞饮方式
    - 特点：对底物的选择没有特异性,转运溶质的量与胞外溶质的浓度成正比
  2. 受体介导入胞：被转运物与细胞膜受体特异性结合后,选择性进入细胞的一种入胞方式
    - 特点：在溶质选择性进入细胞的同时，细胞外液很少进入（和液相入胞相比最重要的区别）
    - 举例：血浆中的低密度脂蛋白（LDL）主要在肝脏由细胞膜上的 LDL 受体介导入胞，被溶酶体消化后将其结合的胆固醇释放出来以供利用