生理学?细胞的基本功能
细胞（cell）是构成人体最基本的功能单位。根据不同的结构和功能进行分类，人体的细胞有二百余种。每种细胞都分布于特定的部位，执行特定的功能，但对某些细胞群体乃至所有细胞而言，许多基本的功能活动是共同的。本章主要介绍细胞的这些具有共性的基本功能，包括细胞的物质跨膜转运功能、信号转导功能、生物电现象和肌细胞的收缩功能。
细胞膜的结构和物质转运功能
一、细胞膜的结构概述
机体的每个细胞都被细胞膜（cellmembrane）所包被。细胞膜也称质膜（plasmalemma）。质膜和细胞内包被各种细胞器的膜具有相同的化学组成和结构，主要由脂质（lipid）和蛋白质（protein）组成，此外，还有少量糖类物质。以红细胞膜为例，膜内蛋白质、脂质和糖类在重量上分别占52％、40％和8％。但这种比例在不同种类的细胞可相差很大。一般而言，功能活跃的细胞，其膜蛋白含量较高，如在小肠绒毛上皮细胞，其膜蛋白与脂质的重量比可高达4.6﹕1；而功能简单的细胞，膜蛋白质含量相对较低，如在形成神经纤维髓鞘的施万细胞，上述比例仅为0.25﹕1。目前虽无可用于直接观察各种化学成分在膜中排列形式的技术，但Singer和Nicholson于年提出的膜结构的液态镶嵌模型（fluidmosaicmode1）一直得到多方面研究结果的支持，已被大家公认。这一模型学说认为，膜的基架是液态的脂质双分子层，其间镶嵌着许多具有不同结构和功能的蛋白质。
（一）脂质双分子层
膜脂质主要由磷脂（phospholipid）、胆固醇（cholesterol）和少量糖脂（glycolipid）构成。在大多数细胞的膜脂质中，磷脂占总量的70％以上，胆固醇不超过30％，糖脂不超过10％。磷脂中含量最多的是磷脂酰胆碱，其次是磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺，含量最少的是磷脂酰肌醇。磷脂、胆固醇和糖脂都是双嗜性分子（amphiphilicmolecule）。磷脂分子中的磷酸和碱基、胆固醇分子中的羟基以及糖脂分子中的糖链等亲水性基团分别形成各自分子中的亲水端，分子的另一端则是疏水的脂肪酸烃链。这些分子以脂质双层（lipidbilayer）的形式存在于质膜中，亲水端朝向细胞外液或胞质，疏水的脂肪酸烃链则彼此相对，形成膜内部的疏水区。膜脂质双层中的脂质构成是不对称的，含氨基酸的磷脂（磷脂酰丝氨酸，磷脂酰乙醇胺，磷脂酰肌醇）主要分布在膜的近胞质的内层，而磷脂酰胆碱的大部分和全部糖脂都分布在膜的外层。
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；但脂质双层的流动性只允许脂质分子作侧向运动，形成一种二维流体。膜脂质的流动性可使嵌入脂质双分子层中的膜蛋白也发生移动、聚集和相互作用，细胞的许多基本活动，如膜上功能蛋白的相互作用、入胞、出胞、细胞的运动、分裂、细胞间连接的形成等都有赖于质膜保持适当的流动性。影响膜流动性的因素包括：①胆固醇的含量。胆固醇分子中的类固醇核与膜磷脂分子的脂肪酸烃链平行排列，在膜中起“流度阻尼器”的功能，可降低膜的流动性。②脂肪酸烃链的长度和饱和度。如果脂肪酸烃链较短，饱和度较低，则膜的流动性较大；反之，如果烃链较长，饱和度较高，则膜的流动性就较小。③膜蛋白的含量。研究证实，环绕嵌入蛋白质周围的脂质的运动是受限的，这部分运动受限的脂质占脂质总量的20%~90%，随蛋白质嵌入的数量而改变。因此，镶嵌的蛋白质越多，膜的流动性越低。
（二）细胞膜的蛋白
细胞膜的功能主要是通过膜蛋白来实现的。根据膜蛋白在膜上的存在形式，可分为表面蛋白（peripheralprotein）和整合蛋白（integralprotein）两类。表面蛋白约占膜蛋白的20％~30％，它们通过肽链中带电氨基酸残基与脂质的极性基团以静电引力相结合，或以离子键与膜中的整合蛋白相结合，附着于膜表面，主要是在膜的内表面。例如，红细胞膜内表面的骨架蛋白就属于表面蛋白。整合蛋白约占膜蛋白的70％~80％，它们以其肽链一次或反复多次穿越膜的脂质双层为特征。肽链也具有双嗜性，即可区分为亲水性和疏水性区段。穿越脂质双层的肽段以疏水性残基为主，肽键之间易形成氢键，因而以仅螺旋结构存在；暴露于膜外表面或内表面的肽段是亲水性的，形成连接这些跨膜螺旋的细胞外环或细胞内环。由于脂质双层中疏水区的厚度约3nm，因而穿越质膜疏水区的跨膜片段约需18~21个氨基酸残基，以形成足够跨越疏水区厚度的α螺旋。事实上，目前正是根据肽链中所包含的足够长度的疏水性片断的数目，来推测可能存在的跨膜α螺旋的数目。例如，G蛋白耦联受体蛋白的肽链包含7个疏水性片断，因而推测它是一个7次跨膜的受体蛋白。与物质跨膜转运功能有关的功能蛋白，如载体（carrier，或称转运体，transporter）、通道（channel）和离子泵（ionpump）等，都属于整合蛋白。
（三）细胞膜的糖类
质膜中糖类的含量约为2％~10％，主要是一些寡糖和多糖链，它们以共价键的形式与膜蛋白或膜脂质结合，生成糖蛋白（glycoprotein）或糖脂（glycolipid）。结合于糖蛋白或糖脂上的糖链仅存在于细胞膜的外侧，通常具有受体或抗原的功能。例如，霍乱毒素的受体就是一种称为GM1的糖脂；而红细胞膜上ABO血型系统的抗原，就是由结合于糖蛋白和糖脂上的寡糖链所决定的（见第三章）。
二、物质的跨膜转运
质膜是细胞与周围环境之间的屏障，各种离子和水溶性分子都很难穿越脂质双层的疏水区，因而胞质中溶质的成分和浓度与细胞外液显著不同。质膜不仅在维持细胞正常的代谢活动中起重要的屏障作用，而且在实现膜两侧物质有选择的交流，即物质跨膜转运中也起重要的参与作用。质膜对不同理化性质的溶质具有不同的转运机制：脂溶性的和少数分子很小的水溶性物质可直接穿越细胞膜；大部分水溶性溶质分子和所有离子的跨膜转运需要由膜蛋白介导来完成；大分子物质或物质团块则以复杂的入胞或出胞的方式整装进出细胞。
（一）单纯扩散
单纯扩散（simplediffusion）是一种简单的穿越质膜的物理扩散，没有生物学转运机制参与。能以单纯扩散跨膜流动的物质都是脂溶性的和少数分子很小的水溶性物质，如O2、CO2、N2、水、乙醇、尿素、甘油等。扩散的方向和速度取决于该物质在膜两侧的浓度差和膜对该物质的通透性，后者取决于物质的脂溶性和分子大小。例如，O2、CO2、N2等脂溶性小分子的扩散速度很快；水（分子量18D）、乙醇（分子量46D）、尿素（分子量61D）和甘油（分子量92D）等很小的极性分子，扩散速度略慢。较大的极性分子，如葡萄糖（分子量D），则很难以单纯扩散方式直接通过质膜。此外，质膜对各种离子，尽管其直径很小，但都高度不通透。实验表明，纯脂质双层对Na+、K+等离子的通透能力比对水的通透能力小约倍。
（二）膜蛋白介导的跨膜转运
大部分水溶性溶质分子和所有离子的跨膜转运都是由膜蛋白介导的。介导转运的膜蛋白可分为两大类，即载体蛋白（简称载体）和通道蛋白（简称通道）。有些载体具有ATP酶活性，称为离子泵。由膜蛋白介导的跨膜转运可分为被动转运（passivetransport）和主动转运（activetransport）两大类。被动转运本身不需要消耗能量，是物质顺浓度梯度和（或）电位梯度进行的跨膜转运；主动转运是消耗能量的、逆浓度梯度和（或）电位梯度的跨膜转运，可分为原发性主动转运和继发性主动转运两种形式。
1．通道介导的跨膜转运由于经通道介导的溶质几乎都是离子，因而通道也称离子通道（ionchannel）。离子通道是一类贯穿脂质双层、中央带有亲水性孔道的膜蛋白。所有的离子通道均无分解ATP的能力，因此通道介导的跨膜转运都是被动的，称为经通道易化扩散（facilitateddiffusionviaionchannel）。当孔道开放时，离子可顺浓度梯度和（或）电位梯度经孔道跨膜流动，无需与脂质双层相接触，从而使对脂质双层通透性很低的带电离子，能以极快的速度跨越质膜。据测定，经通道扩散的转运速率可达每秒~个离子，远大于载体的每秒~个离子或分子的转运速率，这是通道与载体之间最重要的区别。但离子通道绝不仅仅是一种单纯的亲水性孔道，离子选择性（ionselectivity）和门控（gating）特性是它有别于简单孔道的两个基本特征，也是它调控离子跨膜转运的基本机制。
通道的离子选择性是指每种通道都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。例如，钾通道对K+和Na+的通透性之比约为﹕1；乙酰胆碱受体阳离子通道对小的阳离子，如Na+、K+都高度通透，而Cl-则不能通透。根据通道对离子的选择性，可将通道分为钠通道、钙通道、钾通道、氯通道和非选择性阳离子通道等。
离子通道的第二个特性是它的门控特性。在通道蛋白分子内有一些可移动的结构或化学基团，在通道内起“闸门”作用。许多因素可刺激闸门运动，导致通道的开放或关闭，这一过程称为门控。在静息状态下，大多数通道都处于关闭状态，只有受到刺激时才发生分子构象变化，引起闸门开放。根据对不同刺激的敏感性，离子通道通常分为受膜电位调控的电压门控通道（voltage-gatedionchannel），受膜外或膜内化学物质调控的化学门控通道（chemically-gatedionchannel），以及受机械刺激调控的机械门控通道（mechanically-gatedionchannel）等。电压门控通道分子内具有带电的电位感受区，通常在膜去极化（膜内电位负值减小）时发生移动，引起分子构象变化和闸门开放。电压门控通道的开闭还涉及细胞的电活动，相关的门控机制将在第三节中予以阐述。化学门控通道也称配体门控通道（ligand-gatedionchannel），通道本身具有受体功能，即是一个兼具通道和受体功能的蛋白分子。例如，乙酰胆碱受体阳离子通道在膜外侧有两个乙酰胆碱（acetylcholine，Ach）结合位点，结合ACh分子后将引起通道构象变化和闸门开放。激动离子通道的配体也可能来自胞内。如ATP敏感钾通道是一种受胞内ATP抑制的钾通道，与ATP结合后通道关闭；缺血或缺氧时，胞内ATP减少，部分与通道结合的ATP被解离而使通道开放。机械门控通道通常由质膜感受牵张刺激而引起其中的通道开放或关闭。如下丘脑内有些对渗透压敏感的神经细胞，其质膜上的机械门控通道可在胞外低渗时由于细胞肿胀、质膜张力增加而关闭。此外，也有少数几种通道始终是持续开放的，这类通道称为非门控通道，如神经纤维膜上的钾漏通道，细胞间的缝隙连接通道等。通道的开启和关闭除调控物质的跨膜转运外，还与信号的跨膜转导和细胞电活动有关（见下文）。
2．载体介导的跨膜转运载体也称转运体，是介导小分子物质跨膜转运的另一类膜蛋白。与通道的离子选择性相似，每种载体也只能特异性地转运一种或几种溶质，但它完成这种选择性的机制与通道不同，它是通过载体分子上的结合位点与被转运物在分子结构上的特异性结合而实现的。被转运物与载体结合后可引发载体蛋白的构象变化，分子构象的改变使被转运物从膜的一侧转移到另一侧，并随之与载体解离，即经历一个结合一构象变化一解离的过程。这使得溶质经载体转运的速度远低于离子通道（见前述），并出现饱和现象（saturation）。当底物（指被转运物）浓度达到一定数值时，转运速度不再随底物浓度的增加而继续增大，此时转运速度达最大值，与底物浓度的关系曲线形成平台。载体促进物质跨膜转运的过程类似于酶一底物反应的过程，跨膜扩散速度与底物浓度的关系曲线也很像酶促反应的初速度与底物浓度的关系曲线，因此在酶一底物反应中使用的两个特征常数，最大反应速度Vmax和米氏常数（Michealisconstant）Km，通常也被用来描述载体介导的跨膜转运。在这里，Vmax是指最大扩散速度，反映某种载体蛋白构象转换的最大速率；Km是指达最大扩散速率一半时所需的底物浓度，反映载体蛋白对被转运物分子的亲和力和转运效率。Km值越小，表示亲和力和转运效率越高，反之亦然。如果有两种结构相似的物质能被同一载体转运，则将发生竞争抑制（北京白癜风治疗需要多少钱北京治疗白癜风术要多少钱
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