2013初級(jí)藥士生理輔導(dǎo)：細(xì)胞膜的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能

　　既然膜主要是由脂質(zhì)雙分子層構(gòu)成的，那么理論上只有脂溶性的物質(zhì)才有可能通過(guò)它。但事實(shí)上，一個(gè)進(jìn)行著新陳代謝的細(xì)胞，不斷有各種各樣的物質(zhì)(從離子和小分子物質(zhì)到蛋白質(zhì)等大分子，以及團(tuán)塊性固形物或液滴)進(jìn)出細(xì)胞，包括各種供能物質(zhì)、合成細(xì)胞新物質(zhì)的原料、中間代謝產(chǎn)物和終產(chǎn)物、維生素、氧和二氧化碳，以及Na+、K+、Ca2+離子等。它們理化性質(zhì)各異，且多數(shù)不溶于脂質(zhì)或其水溶性大于其脂溶性。這些物質(zhì)中除極少數(shù)能夠直接通過(guò)脂質(zhì)層進(jìn)出細(xì)胞外，大多數(shù)物質(zhì)分子或離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，都與鑲嵌在膜上的各種特殊的蛋白質(zhì)分子有關(guān);至于一些團(tuán)塊性固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)的進(jìn)出細(xì)胞(如細(xì)胞對(duì)異物的吞噬或分泌物的排出)，則與膜的更復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程有關(guān)。

　　現(xiàn)將幾種常見(jiàn)的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)形式分述如下：

　　(一)單純擴(kuò)散

　　溶液中的一切分子都處于不斷的熱運(yùn)動(dòng)中。這種分子運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能，與溶液的絕對(duì)溫度成正比。在溫度恒定的情況下，分子因運(yùn)動(dòng)而離開(kāi)某一小區(qū)的量，與此物質(zhì)在該區(qū)域中的濃度(以mol/L計(jì)算)成正比。因此，如設(shè)想兩種不同濃度的同種物質(zhì)的溶液相鄰地放在一起，則高濃度區(qū)域中的溶質(zhì)分子將有向低濃度區(qū)域的凈移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。物質(zhì)分子移動(dòng)量的大小，可用通量表示，它指某種物質(zhì)在每秒內(nèi)通過(guò)每平方厘米的假想平面的摩爾或毫爾數(shù)。在一般條件下，擴(kuò)散通量與所觀察平面兩側(cè)的濃度差成正比;如果所涉及的溶液是含有多種溶質(zhì)的混合溶液，那么每一種物質(zhì)的移動(dòng)方向和通量，都只決定于各該物質(zhì)的濃度差，而與別的物質(zhì)的濃度或移動(dòng)方向無(wú)關(guān)。但要注意的是，在電解質(zhì)溶液的情況下，離子的移動(dòng)不僅取決于該離子的濃度也取決于離子所受的電場(chǎng)力。

　　在生物體系中，細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液都是水溶液，溶于其中的各種溶質(zhì)分子，只要是脂溶性的，就可能按擴(kuò)散原理作跨膜運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)運(yùn)，稱為單純擴(kuò)散。這是一種單純的物理過(guò)程，區(qū)別于體內(nèi)其他復(fù)雜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。但單純擴(kuò)散不同于上述物理系統(tǒng)的情況是：在細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液之間存在一個(gè)主要由脂質(zhì)分子構(gòu)成的屏障，因此某一物質(zhì)跨膜通量的大小，除了取決于它們?cè)谀�兩�?cè)的濃度外，還要看這些物質(zhì)脂溶性的大小以及其他因素造成的該物質(zhì)通過(guò)膜的難易程度，這統(tǒng)稱為膜對(duì)該物質(zhì)的通透性。

　　人體體液中存在的脂溶性物質(zhì)的數(shù)量并不很多，因而靠單純擴(kuò)散方式進(jìn)出細(xì)胞膜的物質(zhì)也不很多。比較肯定的是氧和二氧化碳等氣體分子，它們能溶于水，也溶于脂質(zhì)，因而可以靠各自的濃度差通過(guò)細(xì)胞膜甚或肺泡中的呼吸膜(參見(jiàn)第五章)。體內(nèi)一些甾體(類固醇)類激素也是脂溶性的，理論上它們也能夠靠單純擴(kuò)散由細(xì)胞外液進(jìn)入胞漿，但由于分子量較大，近來(lái)認(rèn)為也需要膜上某種特殊蛋白質(zhì)的“協(xié)作”，才能使它們的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程加快。

　　(二)易化擴(kuò)散

　　有很多物質(zhì)雖然不溶于脂質(zhì)，或溶解度甚上，但它們也能由膜的高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)較容易地移動(dòng)。這種有悖于單純擴(kuò)散基本原則的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，是在膜結(jié)構(gòu)中一些特殊蛋白質(zhì)分子的“協(xié)助”下完成的，因而被稱為易化擴(kuò)散(facilitateddiffusion)。例如，糖不溶于脂質(zhì)，但細(xì)胞外液中的葡萄糖可以不斷地進(jìn)入一般細(xì)胞，適應(yīng)代謝的需要;Na+、K+、Ca+等離子，雖然由于帶有電荷而不能通過(guò)脂質(zhì)雙分子層的內(nèi)部疏水區(qū)，但在某些情況下可以順著它們各自的濃度差快速地進(jìn)入或移出細(xì)胞。這些都是易化擴(kuò)散的例子。易化擴(kuò)散的特點(diǎn)是：物質(zhì)分子或離子移動(dòng)的動(dòng)力仍同單純擴(kuò)散時(shí)一樣，來(lái)自物質(zhì)自身的熱運(yùn)動(dòng)，所以易化擴(kuò)散時(shí)物質(zhì)的凈移動(dòng)只能是由它們的高濃度區(qū)移向低濃度區(qū)，但特點(diǎn)是它們不是通過(guò)膜的脂質(zhì)分子間的間隙通過(guò)膜屏障，而是依靠膜上一些具有特殊結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子的功能活動(dòng)，完成它們的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。由于蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)上的易變性(包括其構(gòu)型和構(gòu)象的改變)和隨之出現(xiàn)的蛋白質(zhì)功能的改變，因而使易化擴(kuò)散得以進(jìn)行，并使它處于細(xì)胞各種環(huán)境因素改變的調(diào)控之下。

　　由載體介導(dǎo)的易化擴(kuò)散這種易化擴(kuò)散的特點(diǎn)是膜結(jié)構(gòu)中具有可稱為載體(carrier)的蛋白質(zhì)分子，它們有一個(gè)或數(shù)個(gè)能與某種被轉(zhuǎn)物相結(jié)合的位點(diǎn)或結(jié)構(gòu)域(指蛋白質(zhì)肽鏈中的某一段功能性氨基酸殘基序列)，后者先同膜一側(cè)的某種物質(zhì)分子選擇性地結(jié)合，并因此而引起載體蛋白質(zhì)的變構(gòu)作用，使被結(jié)合的底物移向膜的另一側(cè)，如果該側(cè)底物的濃度較低，底物就和載體分離，完成了轉(zhuǎn)運(yùn)，而載體也恢復(fù)了原有的構(gòu)型，進(jìn)行新一輪的轉(zhuǎn)運(yùn)，其終止點(diǎn)是最后使膜兩側(cè)底物濃度變得相等。上面提到的葡萄糖進(jìn)入一般細(xì)胞，以及其他營(yíng)養(yǎng)性物質(zhì)如氨基酸和中間代謝產(chǎn)物的進(jìn)出細(xì)胞，就屬于這種類型的易化擴(kuò)散。以葡萄糖為例，由于血糖和細(xì)胞外液中的糖濃度經(jīng)常保持在相對(duì)恒定的水平，而細(xì)胞內(nèi)部的代謝活動(dòng)不斷消耗葡萄糖而使其胞漿濃度低于細(xì)胞外液，于是依靠膜上葡萄糖載體蛋白的活動(dòng)，使葡萄糖不斷進(jìn)入細(xì)胞，且其進(jìn)入通量可同細(xì)胞消耗葡萄糖的速度相一致不同物質(zhì)通過(guò)易化擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞膜，都需要膜具有特殊的載體蛋白。

　　以載體為中介的易化擴(kuò)散都具有如下的共同特性：(1)載體蛋白質(zhì)有較高的結(jié)構(gòu)特異性，以葡萄糖為例，在同樣濃度差的情況下，右旋葡萄糖的跨膜通量大大超過(guò)左旋葡萄糖(人體內(nèi)可利用的糖類都是右旋的);木糖則幾乎不能被載運(yùn)。(2)飽和現(xiàn)象，即這種易化擴(kuò)散的擴(kuò)散通量一般與膜兩側(cè)被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的濃度差成正比，但這只是當(dāng)膜兩側(cè)濃度差較小時(shí)是如此;如果膜一側(cè)的濃度增加超過(guò)一定限度時(shí)，再增加底物濃度并不能使轉(zhuǎn)運(yùn)通量增加。飽和現(xiàn)象的合理解釋是：膜結(jié)構(gòu)中與該物質(zhì)易化擴(kuò)散有關(guān)的載體蛋白質(zhì)分子的數(shù)目或每一載體分子上能與該物質(zhì)結(jié)合的位點(diǎn)的數(shù)目是固定的，這就構(gòu)成了對(duì)該物質(zhì)的量并不能使載運(yùn)量增加，于是出現(xiàn)了飽和。(3)競(jìng)爭(zhēng)性抑制，即如果某一載體對(duì)結(jié)構(gòu)類似的A、B兩種物質(zhì)都有轉(zhuǎn)運(yùn)能力，那么在環(huán)境中加入B物質(zhì)將會(huì)減弱它對(duì)A物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，這是因?yàn)橛幸欢〝?shù)量的載體或其結(jié)合位點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)性地被B所占據(jù)的結(jié)果。目前已經(jīng)有多種載體從不同動(dòng)物的各類細(xì)胞膜提純或克隆(clone)。與葡萄糖易化擴(kuò)散有關(guān)的蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)由一條含近500個(gè)氨基酸的肽鏈組成，而且此肽鏈有12個(gè)疏水性跨膜а-螺旋(二級(jí)結(jié)構(gòu))，多次貫穿膜內(nèi)外，并互相吸引靠攏，形成球形蛋白質(zhì)分子(三級(jí)結(jié)構(gòu))，但其轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖時(shí)的具體變構(gòu)過(guò)程尚不完全清楚。

　　2.由通道介導(dǎo)的易化擴(kuò)散 它們常與一些帶電的離子如Na+、K+ Ca+、 CI+等由膜的高濃度一側(cè)向膜的低濃度一側(cè)的快速移動(dòng)有關(guān)。對(duì)于不同的離子的轉(zhuǎn)運(yùn)，膜上都有結(jié)構(gòu)特異的通道蛋白質(zhì)參與，可分為別稱為Na+通道、K+通道、Ca+通道等;甚至對(duì)于同一種離子，在不同細(xì)胞或同一細(xì)胞可存在結(jié)構(gòu)和功能上不同的通道蛋白質(zhì)，如體內(nèi)至少已發(fā)現(xiàn)有三種以上的Ca+通道和7種以上的K+通道等，這種情況與細(xì)胞在功能活動(dòng)和調(diào)控方面的復(fù)雜化和精密化相一致。通道蛋白質(zhì)有別于載體的重要特點(diǎn)之一，是它們的結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)可以因細(xì)胞內(nèi)外各種理化因素的影響而迅速改變：當(dāng)它們處于開(kāi)放狀態(tài)時(shí)，有關(guān)的離子可以快速地由膜的高濃度一側(cè)移向低濃度一側(cè);其離子移動(dòng)的速度是如此之大，因而在關(guān)于通道蛋白的分子結(jié)構(gòu)還知之甚少時(shí)，就推測(cè)是在這種蛋白質(zhì)的內(nèi)部出現(xiàn)了一條貫通膜內(nèi)外的水相孔道使離子能夠順著濃度差(可能還存在著電場(chǎng)力的作用)通過(guò)這一孔道，因而其速度遠(yuǎn)非載體蛋白質(zhì)的運(yùn)作速度所能比擬。這是稱為通道(channel)的原因。通道對(duì)離子的選擇性，決定于通道開(kāi)放時(shí)它的水相孔道的幾何大小和孔道壁的帶電情況，因而對(duì)離子的選擇性沒(méi)有載體蛋白那樣嚴(yán)格。大多數(shù)通道的開(kāi)放時(shí)間都十分短促，一般以數(shù)個(gè)或數(shù)十個(gè)ms計(jì)算，然后進(jìn)入失活或關(guān)閉狀態(tài)。于是又推測(cè)在通道蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中可能存在著類似閘門(mén)(gate)一類的基團(tuán)，由它決定通道的功能狀態(tài)。許多的離子通道蛋白質(zhì)已經(jīng)用分子生物學(xué)的技術(shù)被克隆，對(duì)其結(jié)構(gòu)的研究已證實(shí)了上述推測(cè)。

　　通道的開(kāi)放造成了帶電離子的跨膜移動(dòng)，這固然是一種物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)形式;但通道的開(kāi)放是有條件的、短暫的，百離子本身并不像葡萄糖等是一些代謝物，從生理意義上看，載體和通道活動(dòng)的功能不盡相同。當(dāng)通道的開(kāi)放引起帶電離子跨膜移動(dòng)時(shí)(如Na+、Ca2+進(jìn)入膜內(nèi)或K+移出膜外)，移動(dòng)本身形成跨膜電流(即離子電流);而移位的帶電離子在不導(dǎo)電的脂質(zhì)雙分子層(具有電容器的性質(zhì))兩側(cè)的集聚，將會(huì)造成膜兩側(cè)電們即跨膜電位的改變，而跨膜電位的改變以及進(jìn)入膜內(nèi)的離子、特別是Ca2+，將會(huì)引起該通道所在細(xì)胞一系列的功能改變。由此可見(jiàn)，通道的開(kāi)放并不是起轉(zhuǎn)運(yùn)代謝的作用，而離子的進(jìn)出細(xì)胞，只是把引起通道開(kāi)放的那些外來(lái)信號(hào)，轉(zhuǎn)換成為通道所在細(xì)胞自身跨膜電位的變化或其他變化，因而是細(xì)胞環(huán)境因素影響細(xì)胞功能活動(dòng)的一種方式。

　　(三)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)

　　主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)指細(xì)胞通過(guò)本身的某種耗能過(guò)程，將某種物質(zhì)的分子或離子由膜的低濃度一側(cè)移向高濃度一側(cè)的過(guò)程。按照熱力學(xué)定律，溶液中的分子由低濃度區(qū)域向高濃度區(qū)域移動(dòng)，就像舉起重物或推物體沿斜坡上移，或使電荷逆電場(chǎng)方向移動(dòng)一樣，必須由外部供給能量。在膜的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)中，這能量只能由膜或膜所屬的細(xì)胞來(lái)供給，這就是主動(dòng)的含義。前述的單純擴(kuò)散和易化擴(kuò)散都屬于被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，其特點(diǎn)是在這樣的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，物質(zhì)分子只能作順濃度差、即由膜的高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)的凈移動(dòng)，而它所通過(guò)的膜并未對(duì)該過(guò)程提供能量。被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)物質(zhì)移動(dòng)所需的能量來(lái)自高濃度所含的勢(shì)能(圖示2-3左)，因而不需要另外供能(2-3右)。被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)最終可能達(dá)到的平衡點(diǎn)是膜兩側(cè)該物質(zhì)的濃度差為零的情況;如果被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的是某種離子，則離子移動(dòng)除受濃度差的影響外，還受當(dāng)時(shí)電場(chǎng)力的影響，亦即當(dāng)最終的平衡點(diǎn)達(dá)到時(shí)，膜兩側(cè)的電-化學(xué)勢(shì)*的差為應(yīng)為零。主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)與此不同，由于膜以某種方式提供了能量，物質(zhì)分子或離子可以逆濃度或逆電-化學(xué)勢(shì)差而移動(dòng)。體內(nèi)某種物質(zhì)分子或離子由膜的低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)移動(dòng)，結(jié)果是高濃度一側(cè)濃度進(jìn)一步升高，而另一側(cè)該物質(zhì)愈來(lái)愈少，甚至可以全部被轉(zhuǎn)運(yùn)到另一側(cè)。如小腸上皮細(xì)胞吸收某些已消化的營(yíng)養(yǎng)物;腎小管上皮細(xì)胞對(duì)小管液中某些“有用”物質(zhì)進(jìn)行重吸收，均屬此現(xiàn)象。由于此過(guò)程在熱力學(xué)上為耗能過(guò)程，不可能在無(wú)供能的情況下自動(dòng)進(jìn)行，因此如果在生物體內(nèi)出現(xiàn)這種情況，說(shuō)明有主動(dòng)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)在進(jìn)行，必定伴隨了能源物質(zhì)(常常是ATP)的消耗。

　　在細(xì)胞膜的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)中研究得最充分，而且對(duì)細(xì)胞的生存和活動(dòng)可能是最重要的，是膜對(duì)于鈉和鉀離子的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。所有活細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液中Na+和K+的濃度有很大的不同。以神經(jīng)和肌細(xì)胞為例，正常時(shí)膜內(nèi)K+濃度約為膜外的30倍，膜外的Na+濃度約為膜內(nèi)的12倍;這種明顯的離子濃度差的形成和維持，要依靠新陳代謝的進(jìn)行，提示這是一種耗能的過(guò)程;例如，低溫、缺氧或應(yīng)用一些代謝抑制劑可引起細(xì)胞內(nèi)外Na+、K+的濃度差減小，而在細(xì)胞恢復(fù)正常代謝活動(dòng)后，巨大的濃度差又可恢復(fù)。由此認(rèn)為各種細(xì)胞的細(xì)胞膜上普遍存在著一種鈉-鉀泵(sodium-potassium pump)的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱鈉泵，其作用是在消耗代謝能的情況下逆烊濃度差將細(xì)胞內(nèi)的Na+移出膜外，同時(shí)把細(xì)胞外的K+移入膜內(nèi)，因而保持了膜內(nèi)高K+和膜外高Na+的不均衡離子分布。

　　鈉泵是鑲嵌在膜的脂質(zhì)雙分子層中的一種特殊蛋白質(zhì)，它除了有對(duì)Na+、K+的轉(zhuǎn)運(yùn)功能外，還具有ATP酶的活性，可以分解ATP使之釋放能量，并能利用此能量進(jìn)行Na+和K+的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn);因此，鈉泵就是Na+-K+依賴式ATP酶的蛋白質(zhì)。鈉泵蛋白質(zhì)已用近代分子生物學(xué)方法克隆出來(lái)，它們是由α-和β-亞單位組成的二聚體蛋白質(zhì)，肽鏈多次穿越脂質(zhì)雙分子層，是一種結(jié)合蛋白質(zhì)。α-亞單位的分子量約為100kd，轉(zhuǎn)運(yùn)Na+、K+和促使ATP分解的功能主要由這一亞單位來(lái)完成;β-亞單位的分子量約為50kd，作用還不很清楚。鈉泵蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)Na+、K+的具體機(jī)制尚不十分清楚，但它的啟動(dòng)和活動(dòng)強(qiáng)度與膜內(nèi)出現(xiàn)較多的Na+和膜外出現(xiàn)較多的K+有關(guān)。鈉泵活動(dòng)時(shí)，它泵出Na+和泵入K+這兩個(gè)過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行或“耦聯(lián)”在一起的;根據(jù)在體內(nèi)或離體情況下的計(jì)算，在一般生理情況下，每分解一個(gè)ATP分子，可以使3個(gè)Na+移到膜外同時(shí)有2個(gè)K+移入膜內(nèi);但這種化學(xué)定比關(guān)系在不同情況下可以改變。

　　細(xì)胞膜上的鈉泵活動(dòng)的意義是：(1)由鈉泵活動(dòng)造成的細(xì)胞內(nèi)高K+，是許多代謝反應(yīng)進(jìn)行的必需條件;(2)如果細(xì)胞允許大量細(xì)胞外Na+進(jìn)入膜內(nèi)，由于滲透壓的關(guān)系，必然會(huì)導(dǎo)致過(guò)多水分了進(jìn)入膜內(nèi)，這將引起細(xì)胞的腫脹，進(jìn)而破壞細(xì)胞的結(jié)構(gòu);(3)它能夠建立起一種勢(shì)能貯備。如所周知，能量只能轉(zhuǎn)換而不能消滅，細(xì)胞由物質(zhì)代謝所獲得的能量，先以化學(xué)能的形式貯存在ATP的高能磷酸鍵之中;當(dāng)鈉泵蛋白質(zhì)分解ATP時(shí)，此能量用于使離子作逆電-化學(xué)勢(shì)跨膜移動(dòng)，于是能量又發(fā)生轉(zhuǎn)換，以膜兩側(cè)出現(xiàn)了具有高電-化學(xué)勢(shì)的離子(分別為K+和Na+)而以勢(shì)能的形式貯存起來(lái);換句話說(shuō)，泵出膜外的Na+由于其高濃度而有再進(jìn)入膜內(nèi)的趨勢(shì)，膜內(nèi)高濃度的K+、則有再有再移了膜的趨勢(shì)，這就是一種勢(shì)能貯備。由鈉泵造成的離子勢(shì)能貯備，可用于細(xì)胞的其他耗能過(guò)程。如下節(jié)將詳細(xì)討論的Na+、K+等離子在膜兩側(cè)的不均衡分布，是神經(jīng)和肌肉等組織具有興奮性的基礎(chǔ);由K+、Na+等離子在特定條件下通過(guò)各自的離子通道進(jìn)行的順電-化學(xué)勢(shì)的被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，使這些細(xì)胞表現(xiàn)出各種形式的生物電現(xiàn)象。

　　繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)鈉泵活動(dòng)形成的勢(shì)能貯備，還可用來(lái)完成一些其他物質(zhì)的逆濃度差的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，這主要見(jiàn)于前面提到的腸上皮和腎小管上皮細(xì)胞對(duì)葡萄糖、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的較為安全吸收現(xiàn)象，這顯然有主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程的參與。但據(jù)觀察，這種理論上要耗能的過(guò)程并不直接伴隨ATP或其他供能物質(zhì)的消耗。這些物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)經(jīng)常要伴有Na+由上皮細(xì)胞的管腔側(cè)同時(shí)進(jìn)入細(xì)胞;后者是葡萄糖等進(jìn)入細(xì)胞的必要條件，沒(méi)有Na+由高濃度的膜外順濃度差進(jìn)入膜內(nèi)，就不會(huì)出現(xiàn)葡萄糖等分子逆濃度差進(jìn)入膜內(nèi)。在完整的在體腎小管和腸粘膜上皮細(xì)胞，由于在細(xì)胞的基底-外側(cè)膜(或基側(cè)膜，即靠近毛細(xì)血管和相鄰上皮細(xì)胞側(cè)的膜)上有鈉泵存在，因而能造成細(xì)胞內(nèi)Na+濃度經(jīng)常低于小管液和腸腔液中Na+濃度的情況，于是Na+不斷由小管液和腸腔液順濃度差進(jìn)入細(xì)胞，由此釋放的勢(shì)能則用于葡萄糖分子的逆濃度進(jìn)入細(xì)胞。葡萄糖主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)所需的能量不是直接來(lái)自ATP的分解，而是來(lái)自膜外Na+的高勢(shì)能;但造成這種高勢(shì)能的鈉泵活動(dòng)是需要分解ATP的，因而糖的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)所需的能量還是間接地來(lái)自ATP，為此把這種類型的轉(zhuǎn)運(yùn)稱為繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，或稱為聯(lián)合轉(zhuǎn)運(yùn)(cotransport)。每一種聯(lián)合轉(zhuǎn)運(yùn)也都與膜中存在的特殊蛋白質(zhì)有關(guān)，稱為轉(zhuǎn)運(yùn)體(transporter);而且在不同的情況下，被轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)分子有的與Na+移動(dòng)的方向相同，有時(shí)兩者方向相反。甲狀腺細(xì)胞特有的聚碘作用，也屬于繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。

　　主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)是人體最重要的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)形式，除上述的鈉泵外，目前了解較多的還有鈣泵(Ca2+-Mg2+依賴式ATP酶)、H+-K+泵(H+-K+依賴式ATP酶)等。這些泵蛋白在分子結(jié)構(gòu)上和鈉泵有很大類似，都以直接分解ATP為能量來(lái)源，將有關(guān)離子進(jìn)行逆濃度的轉(zhuǎn)運(yùn)。鈣泵主要分布在骨骼肌和心肌細(xì)胞內(nèi)部的肌漿網(wǎng)上，激活時(shí)可將胞漿中的Ca+迅速集聚到肌漿網(wǎng)內(nèi)部，使胞漿中Ca+濃度在短時(shí)期內(nèi)下降達(dá)成100倍以上;這是誘發(fā)肌肉舒張的關(guān)鍵因素。H+-K+泵主要分布在胃粘膜壁細(xì)胞表面，與胃酸的分泌有關(guān)。

　　(四)出胞與入胞式物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)

　　細(xì)胞對(duì)一些大分子物質(zhì)或固態(tài)、液態(tài)的物質(zhì)團(tuán)塊，可通過(guò)出胞和入胞進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。

　　出胞主要見(jiàn)于細(xì)胞的分泌活動(dòng)，如內(nèi)分泌腺把激素分泌到細(xì)胞外液中，外分泌腺把酶株顆粒和粘液等分泌到腺管的管腔中，以及神經(jīng)細(xì)胞的軸突末梢把神經(jīng)遞質(zhì)分泌到突觸間隙中。根據(jù)在多種細(xì)胞進(jìn)行觀察，細(xì)胞的各種蛋白性分泌物先是在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)生物合成;在它們由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基復(fù)合體的輸送過(guò)程中，逐漸被一層膜性結(jié)構(gòu)所包被，形成分泌囊泡;后者再逐漸移向特定部位的質(zhì)膜內(nèi)側(cè)，準(zhǔn)備分泌或暫時(shí)貯存。有些細(xì)胞的分泌過(guò)程是持續(xù)進(jìn)行的，有些則有明顯的間斷性。分泌過(guò)程或一般的出胞作用的最后階段是：囊泡逐漸向質(zhì)膜內(nèi)側(cè)移動(dòng)，最后囊泡膜和質(zhì)膜在某點(diǎn)接觸和相互融合，并在融合處出現(xiàn)裂口，將囊泡一次性的排空，而囊泡的膜也就變成了細(xì)胞膜的組成部分(圖2-5)。這個(gè)過(guò)程主要是由膜外的特殊化學(xué)信號(hào)或膜兩側(cè)電位改變，引起了局部膜中的Ca2+通道的開(kāi)放，由內(nèi)流的Ca2+(內(nèi)流的Ca2+也有的進(jìn)而引發(fā)細(xì)胞內(nèi)Ca2+貯存庫(kù)釋放Ca2+)觸發(fā)囊泡的移動(dòng)、融合和排放。最近在肥大細(xì)胞的研究表明，囊泡與質(zhì)膜的融合，可能與預(yù)先“裝配”在兩側(cè)膜上的類似形成細(xì)胞間通道的那種蛋白質(zhì)分子有關(guān)(見(jiàn)下節(jié))，當(dāng)兩者“對(duì)接”時(shí)，囊泡內(nèi)容與細(xì)胞外液相溝通;以后由于組成通道的蛋白質(zhì)各亞單位分散開(kāi)來(lái)，造成原孔洞的擴(kuò)大，完成囊泡內(nèi)容的快速排出，囊泡膜也伸展開(kāi)來(lái)，成為細(xì)胞膜的一部分。

　　入胞和出胞相反，指細(xì)胞外某些物質(zhì)團(tuán)塊(如侵入體內(nèi)的細(xì)菌、病毒、異物或血漿中脂蛋白顆粒、大分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等)進(jìn)入細(xì)胞的過(guò)程。入胞進(jìn)行時(shí)，首先是細(xì)胞環(huán)境中的某些物質(zhì)與細(xì)胞膜接觸，引起該處的質(zhì)膜發(fā)生內(nèi)陷，以至包被吞食物，再出現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)的斷離，最后是異物連同包被它的那一部分膜整個(gè)地進(jìn)入細(xì)胞漿中。

　　一種通過(guò)被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)與膜表面的特殊受體蛋白質(zhì)相互作用而引起的入胞現(xiàn)象，稱為受體介導(dǎo)式入胞。通過(guò)這種方式進(jìn)入細(xì)胞的物質(zhì)已不下50余種，包括以膽固醇為主要成分的血漿低密度脂蛋白顆粒、結(jié)合了鐵離子的運(yùn)鐵蛋白、結(jié)合了維生素B12的運(yùn)輸?shù)鞍住⒍喾N生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子和胰島素等一部分多肽類激素、抗體和某些細(xì)菌毒素，以及一些病毒(流感和小兒麻痹病毒)等(圖示2-6)。首先是細(xì)胞環(huán)境中的某物質(zhì)為細(xì)胞膜上的相應(yīng)受體所“辨認(rèn)”，發(fā)生特異性結(jié)合;結(jié)合后形成的復(fù)合物通過(guò)它們?cè)谀そY(jié)構(gòu)中的橫向移動(dòng)，逐漸向膜表面一些稱為衣被凹陷(coated pit)的特殊部位集中。衣被陷處的膜與一般膜結(jié)構(gòu)無(wú)明顯差異，只是向細(xì)胞內(nèi)部呈輕度下凹，而且在膜的胞漿側(cè)有一層高電子密度的覆蓋物，后者經(jīng)分析是由多種蛋白質(zhì)組成的有序結(jié)構(gòu);當(dāng)受體復(fù)合物的聚集使衣被凹陷成為直徑約0.3μm的斑片時(shí)(可以在約1分鐘的時(shí)間內(nèi)完成),該處出現(xiàn)膜向胞漿側(cè)的進(jìn)一步凹入,最后與細(xì)胞膜斷離,在胞漿內(nèi)形成一個(gè)分離的吞食泡,這稱為內(nèi)移(internalization);原來(lái)附在衣被凹陷內(nèi)側(cè)的蛋白性結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在正好位于吞食泡膜的外側(cè)，仍面向胞漿;但在吞食泡形成后不久，這種蛋白結(jié)構(gòu)就消失，可能是溶解在胞漿中，大概還可以再用于在細(xì)胞膜上形成新的衣被凹陷。這類蛋白質(zhì)的功能，據(jù)認(rèn)為是為吞食泡的形成提供所需的能量。失去了這種特殊的附膜蛋白結(jié)構(gòu)的吞食泡，進(jìn)而再與胞漿中稱為胞內(nèi)體(endosome)的球狀或管狀膜性結(jié)構(gòu)相融合，此胞內(nèi)體的特點(diǎn)是內(nèi)部具有較低的PH值環(huán)境，有助于受體同與它結(jié)合的物質(zhì)分離;以后的過(guò)程是這些物質(zhì)(如進(jìn)入細(xì)胞的低密度脂蛋白顆粒和鐵離子等)再被轉(zhuǎn)運(yùn)到能利用它們的細(xì)胞器，而保留在胞內(nèi)體膜上的受體，則與一部分膜結(jié)構(gòu)形成較小的循環(huán)小泡，移回到細(xì)胞膜并與之融合，再成為細(xì)胞的組成部分，使受體和膜結(jié)構(gòu)可以重復(fù)使用(圖2-6)。據(jù)測(cè)算，在人工培養(yǎng)液中的吞噬細(xì)胞1小時(shí)內(nèi)通過(guò)形成吞食泡而進(jìn)入胞漿的細(xì)胞膜面積，大約相當(dāng)于原細(xì)胞膜總面積的50%-200%，而實(shí)際細(xì)胞膜的總面積并未明顯改變，可見(jiàn)通過(guò)上述以胞內(nèi)體為轉(zhuǎn)站的膜的再循環(huán)，不僅維持了細(xì)胞膜的總面積的相對(duì)恒定，而且使相應(yīng)的受體可以反復(fù)使用。