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第二章　細胞的基本功能

　　細胞是人體和其他生物體的基本結構單位。體內所有的生理功能和生化反應，都是在細胞及其產物（如細胞間隙中的膠原蛋白和蛋白聚糖）的物質基礎上進行的。一百多年前，光學顯微鏡的發明促成了細胞的發現。此后對細胞結構和功能的研究，經歷了細胞水平、亞細胞水平和分子水平等具有時代特征的研究層次，從細胞這個小小的單位里揭示出眾多生命現象的機制，積累了極其豐富的科學資料。可以認為，離開了對細胞及構成細胞的各種細胞器的分子組成和功能的認識，要闡明物種進化、生物遺傳、個體的新陳代謝和各種生命活動以及生長、發育、 衰老 等生物學現象。要闡明整個人體和各系統、器官的功能活動的機制，將是不可能的。事實上，細胞生理學和分子生物學的實驗技術和理論，已經迅速地向基礎醫學和臨床醫學各部門滲透。因此，學習生理學應由細胞生理開始。

細胞生理學的主要內容包括：細胞膜和組成其他細胞器的膜性結構的基本化學組成和分子結構；不同物質分子或離子的跨膜轉運功能；作為細胞接受外界影響或細胞間相互影響基礎的跨膜信號轉換功能；以不同帶電離子跨膜運動為基礎的細胞生物電和有關現象；以及肌細胞如何在細胞膜電變化的觸發下出現機械性收縮活動。

第一節　細胞膜的基本結構和物質轉運功能

一切動物細胞都被一層薄膜所包被，稱為細胞膜或質膜（plasma membrane），它把細胞內容物細胞周圍環境（主要是細胞外液）分隔開來，使細胞能相對地獨立于環境而存在。很明顯，細胞要維持正常的生命活動，不僅細胞的內容物不能流失，而且其化學組成必須保持相對穩定，這就需要在細胞和它所和的環境之間有起屏障作用的結構；但細胞在不斷進行新陳代謝的過程中，又需要經常由外界得到氧氣和營養物質。排出細胞的代謝產物，而這些物質的進入和排出，都必須經過細胞膜，這就涉及到物質的跨膜轉運過程。因此，細胞膜必然是一個具有特殊結構和功能的半透性膜，它允許某些物質或離子有選擇的通過，但又能嚴格地限制其他一些物質的進出，保持了細胞內物質成分的穩定。細胞內部也存在著類似細胞膜的膜性結構。組成各種細胞器如線粒體、內質網等的膜性部分，使它們與一般胞漿之間既存在某種屏障，也進行著某些物質轉運。

膜除了有物質轉運功能外，還有跨膜信息傳遞和能量轉換功能，這些功能的機制是由膜的分子組成和結構決定的。膜成分中的脂質分子層主要起了屏障作用，而膜中的特殊蛋白質則與物質、能量和信息的跨膜轉運和轉換有關。

一、膜的化學組成和分子結構

從低等生物草履蟲以至高等哺乳動物的各種細胞，都具有類似的細胞膜結構。在電鏡下可分為三層，即在膜的靠內外兩側各有一條厚約2.5nm的電子致密帶,中間夾有一條厚2.5nm的透明帶,總厚度約7.0~7.5nm左右這種結構不僅見于各種細胞的細胞膜，亦見于各種細胞器的膜性結構，如線粒體膜、內質網膜、溶酶體膜等，因而它被認為是一種細胞中普遍存在的基本結構形式。

各種膜性結構主要由脂質、蛋白質和糖類等物質組成；盡管不同來源的膜中各種物質的比例和組成有所不同，但一般是以蛋白質和脂質為主，糖類只占極少量。如以重量計算，膜中蛋白質約為脂質的1~4倍不等，但蛋白質的分子量比脂質大得多，故膜中脂質的分子數反較蛋白質分子數多得多，至少也超過蛋白質分子數100倍以上。

各種物質分子在膜中的排列形式和存在，是決定膜的基本生物學特性的關鍵因素。分子生物學的研究成果表明，各種物質特別是生物大分子在各種生物結構中的特殊有序排列，是各種生命現象得以實現的基礎。盡管目前還沒有一種能夠直接觀察膜的分子結構的較方便的技術和方法，但根據對生物膜以及一些人工模擬膜特性的分析研究，從30年代以來就提出了各種有關膜的分子結構的假說，其中得到較多實驗事實支持而目前仍為大多數人所接受的則70年代初期（Singer和Nicholson,1972）提出的液態鑲嵌模型（fluid mosaic model）。這一假想模型的基本內容是：膜的共同結構特點是以液態的脂質雙分子層為基架，其中鑲嵌著具有不同分子結構、因而也具有不同生理功能的蛋白質，后者主要以а-螺旋或球形蛋白質的形式存在（圖2-1）

圖2-1 膜的液態鑲嵌式模型 膜外側蛋白質和脂質分子上可能存在的糖鏈未畫出

（一）脂質雙分子層

膜的脂質中以磷脂類為主，約占脂質總量的70%以上；其次是膽固醇，一般低于30%；還有少量屬鞘脂類的脂質。磷脂的基本結構是：一分子甘油的兩個羥基同兩分子脂酸相結合，另一個羥基則與一分子磷酸結合，后者再同一個堿基結合。根據這個堿基的不同，動物細胞膜中的磷脂主要有四種（圖2-2）：磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸和磷脂酰肌醇。鞘脂類的基本結構和磷脂類似，但不含甘油。膽固醇結構很特殊，它含有一個甾體結構（環戊烷多氫菲）和一個8碳支鏈。

最初提示膜中脂質呈雙分子層形式存在的，是對紅細胞膜所作的化學測定和計算。Gortert和Grendel(1925)提取出紅細胞膜中所含的脂質，并測定將這些脂質以單分子層在水溶液表面平鋪時所占的面積，結果發現一個紅細胞膜中脂質所占的面積，差不多是該細胞表面積的2倍。因此導致以下結論：脂質可能是以雙分子層的形式包被在細胞表面的。以后提出的雙分子層模型中，每個磷脂分子中由磷酸和堿基構成的基團，都朝向膜的外表面或內表面，而磷脂分子中兩條較長的脂酸烴鏈則在膜的內部兩兩相對（圖2-1）。脂質分子的這種定向而整齊的排列，是由脂質分子本身的理化特性和熱力學定律所決定。所有的膜脂質都是一些雙嗜性分子，磷脂的一端的磷酸和堿基是親水性極性基團，另一端的長烴鏈則屬疏水性非極性基團。當脂質分子位于水表面時，由于水分子是極性分子，脂質的親水性基團將和表面水分子相吸引，疏水性基團則受到排斥，于是脂質會在水表面形成一層親水性基團朝向水面而疏水性基團朝向空氣的整齊排列的單分子層。從熱力學業角度分析，這樣組成的系統包含的自由能最低，因而最為穩定，可以自動形成和維持。根據同樣的原理，如果讓脂質分子在水溶液中受到激烈擾動時，脂質有可能形成含水的小囊，但這囊只能是由脂質雙分子層形成，外層脂質的極性基團和囊外水分子相吸引，內層脂質的極性基團則和囊內水分子相吸引，而兩層脂質的疏水性烴鏈將兩兩相對，排斥水分子在囊膜中的存在，其結構正和天然生物膜一致。這種人工形成的人工膜囊，稱為脂質小體（liposome），似人造細胞空殼，有很大的理論研究和實用價值。由此可見，脂質分子在細胞膜中以雙分子層的形式存在，是由脂質分子本身的理化特性所決定的。設想進化過程中最初有生物學功能的膜在原始的海洋中出現時（也可能包括新的膜性結構在細胞內部的水溶液中的生成），這些基本的理化原理也在起作用。

圖2-2 磷脂的分子組成

脂質的熔點較低，這決定了膜中脂質分子在一般體溫條件下是呈液態的，即膜具有某種程度的流動性。脂質雙分子層在熱力學上的穩定性和它的流動性，能夠說明何以細胞可以承受相當大的張力和外形改變而不致破裂，而且即使膜結構有時發生一些較小的斷裂，也可以自動融合而修復，仍保持連續的雙分子層的形式。觀察一下體內某些吞噬細胞通過毛細血管壁內皮細胞間隙時的變形運動和紅細胞通過纖細的毛細血管管腔時被扭曲而不破裂的情況，當會對細胞膜的可變性和穩定性有深刻的印象。當然，膜的這些特性還同膜中蛋白質和膜內側某些特殊結構（稱為細胞架）的作用有關。應該指出的是，膜的流動性一般只允許脂質分子在同一分子層內作橫向運動；由于分子的雙嗜性，要脂質分子在同一分子層內作“掉頭”運動；或由一側脂質層移到另一側脂質層，這意味著有極性的磷酸和堿基的一端要穿越膜內部的疏水性部分，這是不容易或要耗能的。

不同細胞或同一細胞而所在部位不同的膜結構中，脂質的成分和含量各有不同；雙分子層的內外兩層所含的脂質也不盡相同，例如，靠外側的一層主要含磷脂酰膽堿和含膽堿的鞘脂，而靠胞漿側的一層則有較多的磷脂酰乙醇胺和磷脂酰絲氨酸。膽固醇含量在兩層脂質中無大差別；但它們含量的多少和膜的流動性大小有一定關系，一般是膽固醇含量愈多，流動性愈小。近年來發現，膜結構中含量相當少的磷脂酰肌醇，幾乎全部分布在膜的靠胞漿側；這種脂質與細胞接受外界影響，并把信息傳遞到細胞內的過程有關。

(二)細胞膜蛋白質

膜結構中含有蛋白質早已證實，但有興趣的問題是膜中蛋白質究以何種形式存在。70年代以前，多數人主張蛋白質是平鋪在脂質雙分子層的內外兩側，后來證明，蛋白質分子是以а-螺旋或球形結構分散鑲嵌在膜的脂質雙分子層中。

膜蛋白質主要以兩種形式同膜脂質相結合：有些蛋白質以其肽鏈中帶電的氨基酸或基團，與兩側的脂質極性基團相互吸引，使蛋白質分子像是附著在膜的表面。這稱為表面蛋白質；有些蛋白質分子的肽鏈則可以一次或反復多次貫穿整個脂質雙分子層，兩端露出在膜的兩側，這稱為結合蛋白質。在用分子生物學技術確定了一個蛋白質分子或其中亞單位的一級結構、即肽鏈中不同氨基酸的排列順序后，發現所有結合蛋白質的肽鏈中都有一個或數個主要由20-30個疏水性氨基酸組成的片段。這些氨基酸又由于所含基團之間的吸引而形成а-螺旋，即這段肽鏈沿一條軸線盤旋，形成每一圈約含3.6個氨基酸殘基的螺旋，螺旋的長度大致相當于膜的厚度，因而推測這些疏水的а螺旋可能就是肽鏈貫穿膜的部分，它的疏水性正好同膜內疏水性烴基相吸引。這樣，肽鏈中有幾個疏水性а-螺旋，就可能幾次貫穿膜結構；相鄰的а-螺旋則以位于膜外側和內側的不同長度的直肽鏈連接（參看圖2-7和8）。

膜結構中的蛋白質，具有不同的分子結構和功能。生物膜所具有的各種功能，在很大程度上決定于膜所含的蛋白質；細胞和周圍環境之間的物質、能量和信息交換，大都與細胞膜上的蛋白質分子有關。

由于脂質分子層是液態的，鑲嵌在脂質層中的蛋白質是可移動的，即蛋白質分子可以在膜脂分子間橫向漂浮移位；不同細胞膜中的不同蛋白質分子的移動和所在位置