细胞科学
Cell Science
（ 1.2）
蔡国平
§ 6 T h e m o v e m e n t o f s u b s t a n c e s a c r o s s c e l l
m e m b r a n e s
T h e p l a s ma m e m b r a n e h a s a d u a l r e s p o n s i b i l i t y a s a
s e l e c t i v e l y p e r me a b l e b a r r i e r a n d t r a n s d u c t o r, T h e p l a s m a
me mb r a n e r e g u l a r e s t h e t r a f f i c o f m o l e c u l e s i n t o a n d o u t
o f t h e c e l l, G a s e s a n d s ma l l h y d r o p h o b i c mo l e c u l e s b y
p a s s i v e d i f f u s i o n t r a n s p o r t ; I o n s,s u g a r s,a m i n o a c i d s,a n d
s o m e t i me s w a t e r mu s t b e t r a n s p o r t e d b y a g r o u p o f
i n t e g r a l me mb r a n e p r o t e i n s i n c l u d i n g c h a n n e l s,t r a n s p o r t e r,
a n d e n e r g y - p o w e r e d i o n o r mo l e c u l e p u mp s,
1) Th e e n e r ge t ics of solu t e m ove m e n t and d iff u s ion o f su b st ance s
t h r ough m e m b r ane
De ter mina nts,
c he mic a l c on c e ntr a ti on gr a die nt( non - e le c tro l y t e )
[ C
i
]
? G = 2.303 RT log
10
------ - ? G < 0
[ C
o
]
e lec tro c h e mic a l g r a die nt ( e l e c tro l y te)
[ C i ]
? G = RT ln - - - - - + z F ? E
m
? G < 0
[ C o ]
D i f f usi o n o f sol u t e s
按照 F i ck 扩散第一定律，不带电荷的溶质分子 n 在单位时间通
过单位面积的量，即纯扩散
速率 [ ne t f l ux,
d
n
?
( t ) ] 由该分子的脂溶性和浓度梯度所决定：
? ? ? ?? ?tCtCP( t ) ???
其中 P
n
=
d
KD
nn
P
n
为渗透系数 ( p e r m e ab i l i t y c oe f f i ci e nt ), (
0
n
C
) 和 (
i
n
C
) 分别为膜外
侧和膜内侧的浓度 （或活
度）,D
n
为扩散系数,K
n
为溶质 n 的脂水分配系数 ( par t i t i o n
co f f i ci e nt ), d 为膜厚度。对于某一特定的膜，溶质的渗透力系数 P
n
与溶质在非极性溶剂与水间的分配系数 K
n
成正比，其脂溶性越
大，膜渗透力就越大。决定溶质 n 的膜渗透系数 P
n
的另一个因素
是其扩散系数 D
n
，后者依赖于 RT （它可作为分子动能的度量）、
溶质间相互作用、以及依赖于分子的大小和形状 （它们将影响摩
擦系数）,因此，非电解质透过人工膜或生物膜有明显的温度
依赖关系，而且溶质分子越大，透过生物膜受的阻力越大，通透
性越小。
Perm eab ilit y o f s m all m olec ules thro ug h lipid m e m bra ne
h y d ro p h o b ic f re e -c h a rg e p o lar f r e e -c h a rg e p o lar c h a rg e d ion s
O
2,
N
2
,H
2
O,u re a,g lu c o se s u c ro se H
+
,Na
+
,K
+
,HCO
3
-
,CL
-
b e n z e n e g ly c e ro l C O
2,
? ? ? ?
_ _ _ _ _ _ ? _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ? m e m b ra n e
? ?
g ly c e ro l g lu c o se
H
2
O u re a tr y p to p h e n CL
-
K
+
Na
+
1 0
- 2
1 0
-4
1 0
-6
1 0
-8
1 0
-1 0
1 0
-1 2
P e rm e a b il it y ( c m /s e c )
2 ） Fo ur ba si c m ech an is m b y w h ich so lut e m ole cul es m o v e acr os s m e m bra ne
P a ss i v e a c t i v e
? ? ? ?
no n m e di a t e d c a rr i e r m e di a t e d
? ? ? ?
A B C d
? ? ? ?
? ? ? ? m e m bra ne
? ? ? ?
a b c D
si m pl e d i ff us i o n s i m pl e d i ff us i o n fa c i l i t a t e d di ff us i o n a c t i v e t ra ns po rt
t hro u g h bi l a y e r t hr o u g h c hanne l
(1 ) P ass ive transport
? Th e sim p le d iff u sio n of h yd r op h ob ic an d f r e e - c h ar ge p olar s m all
m ole c u le s thro u g h me mbr a n e
se m ip e r m e ab le
osm osis
水分子易于从溶质浓度低的一侧经过半透膜运动到溶质浓度高的一侧，这个
过程称为渗透 ( o s m o si s) 。水的净流动 ( ne t flux) 直到膜两侧溶质浓度相等时才停止。水
的净流动是膜两侧溶液的渗透压存在差别引起的。所谓渗透压 ( o s m o t i c pre ss ure ) 是指
由半透膜隔开的纯水和含有溶质溶液之间的压强差 （可用带有半透膜的渗透压计测
量），用符号 π 或 P
i
表示。通常用渗透压计测量渗透压，其值是能够完全阻止水由纯
水一侧向溶剂一侧跨膜净流动的压力，该压力能够完全抵销引起水净流动的驱动力。
但是，对一个孤立的溶液来说并没有实际的渗透压产生，因此，准确地说溶液具有渗
透势 ( o s m o t i c p o t e nt i a l ),用符号 ψ
s
表示，渗透势与渗透压数值相同但符号相反 （ ψ
s
＝－ π ）。
对一个理想溶液，至少稀溶液，按照 V a n' t Ho f f 定律
π ＝ CRT
式中 π 以 Pa （帕）为单位 （ 1 大气压强＝ 1.013 × 10
5
P a ）,C 以摩尔浓度 （ m o l / l ）为
单位,R 为气体常数，为 8.31 × 10
3
.P a m ol
-1
K
-1
,T 为绝对温度，
o
K 为单位。渗透压数
值上与溶液的浓度成正比。等渗溶液 ( i soo s m ot i c ),即它们的渗透势与红细胞胞液的渗
透势相等，渗透压比等渗溶液高者称为高渗溶液 ( h y pe r o s m ot i c 或 h y pe r t o ni c sol ut i o n),
反之为低渗溶液 ( h y p oo s m o t i c,或 h y p o t oni c s o l u t i o n) 。膜两侧溶液渗透压不等时，水从
低渗一侧向高渗一侧跨膜净流动。
上面提到的等渗必须针对特定细胞而言，各种细
胞对水的通透性大小不同,胞内渗透压也不同。
将细胞置于低渗溶液中，随着水的流入细胞，细胞
会发生膨胀，细胞置于高渗溶液中，随着水从细胞
净 流 出 细 胞 将 发 生 皱 缩 (shrink) 或 萎 蔫
(flaccid) 。细胞体积的膨胀率 dV/dt （ V 表示细胞
体积,t 为时间）由下式所决定：
dV/dt ＝ kA （ π
i
－ π
e
）
式中 k 为渗透系数 (osmotic coefficient),其单位
为 ? m / min, Pa,它的物理意义是在细胞内、外
渗透压的差为 1 大气压时，在单位时间 （分）内通
过单位面积 （ ? m
2
）膜的水的体积 （ ? m
3
），因此，
细胞的渗透系数 k 反映细胞膜本身对水的通透性，
它是可以通过实际测量来确定的。例如，变形虫的
渗透系数 k 为 3 × 10
3
。海胆卵的 k 为 4 × 10
4
，人红细
胞为 3 × 10
5
。
水势 ( w ater po tent ial ),水势这个概念是一个系统的 水的
化学势 ?
W
的相对值 表示，它是由
两个较容易测量的量：静水压力 （ P, h y dros ta t ic
pres s une ）和渗透压 （ π ）的差来定义,
ψ ＝ P － π 或 ψ ＝ ψ
p
＋ ψ
s
ψ
s
为渗透势 （ ψ
s
＝－ π ）,ψ
p
为压力势 (pres s ure
potent i al ),与流体静压 P 等值,
水势的概念在与细胞水的运动相关的研究中是特别有用
处，因为它确定了在一个局部如细胞或亚细胞区域的水能
够做功的大小,水运动的驱动力是水势梯度，即水将从高
水势区域向低水势区域运动。
动物细胞和植物细胞都不断调整其水状况以适应外环境
水含量和代谢状况的变化，细胞通常通过 调整细胞内离子
（特别是 K
+
,Na
+
,Cl
－
等） 浓度调整渗透势,在很短的时
间内恢复到原先膜两侧 平衡的水化学势 （对动物细胞即恢
复到等渗状况） 。 植物细胞通常是高渗的。因此水倾向于
进入细胞，产生胞内膨胀压 ( t u r g o r p r essure),细胞质膜被
挤向细胞壁。 植物细胞的 膨胀压 支持着非木本植物的直
立。 渗透作用在许多动物生理功能上也是一个重要因素。
例如消化道每天要分泌好几升水，同时又被小肠上皮细胞
通过渗透作用重吸收，如果这种渗透功能失调 （如严重腹
泻），就可能导致迅速脱水。对多细胞动物，细胞虽然没
有细胞壁，但细胞处于由其它细胞和细胞外基质构成的环
境中，细胞的水的渗透同样不仅仅由渗透势所决定，细胞
与其胞外结构相互作用产生的 压力势 以及水被吸附到细胞
外基质凝胶所产生的 基质势 （ m at r i c p o t en t i a l,M ）对细胞
的水渗透也会产生相当的影响。
A q uapor i ns ( kindney cell,root cell etc)
虽然水能够迅速通过脂双层，但是许多细胞
的质膜存在有特别的、由蛋白质构成的水通道
(aquaporins),允许水分子被动输运于膜两侧。在某些
细胞 （如肾小管细胞和植物根细胞），水通道有突出的
作用。例如激素加压素通过作用于水通道，刺激肾对水
的存留作用。当加压素水平升高时，原先储存于肾小管
细胞胞浆内的水通道被运送到质膜上，从形成中的尿液
吸收水。有些患者发生水通道基因的遗传性突变，水通
道失去吸收水的功能，而患多尿症。
* The diffusion of ions through membrane by
hydrophilic channels
脂双层构成生物膜的核心,由于其高疏水性，对于带
电物质包括小的离子如 Na
+
,K
+
, Ca
2+
和 Cl
－
是非常
不通透的。但是这些离子的跨膜运动或传导 (conductance)
在许多细胞活性中起着关键的作用，如神经冲动的形成
和传播，物质分泌到胞外空间，肌肉收缩，细胞体积的
调节和植物叶片气孔的开放等。 40 多年前,Hodgkin 等
三位英国生理学家，基于对鱿鱼巨大神经细胞的研究，
提出细胞质膜存在离子通道 (ion channels) 允许特异的
离子通过。
至今，生物学家已经鉴定出各种离子通道，它们是
由膜内在蛋白围成水溶液性孔道。分离和克隆了离子通
道蛋白的基因，将分离得到通道蛋白组装到脂质体,结合
定点突变,基因导人等分子生物学和离子单通道技术以及
计算机预测研究其结构与功能的关系。
离子通道的特征
* 多数离子通道是 高选择性 的,只允许一种特别类型的离
子通过。
* the ions channe l are do wnhi ll and bi direc tiona l,允
许离子沿着通道的两个方向通过,通道一旦开放，离子就顺着
通道两侧的电化学梯度大量通过。离子流动 ( 扩散 ) 速率
p
n
?
(t)
为,
))()(()(
0
tVtV
FZ
G
t
nm
n
np
n
???
G
n
是对于离子 n 膜的特殊传导率。
0
m
V
(t) 是静息膜
电位。 V
n
(t) 是离子 n 的 Nernst 平衡电位，它是时间的函数。
* 离子通道大多能表现为 开或关两种构象,因此称之为门
控的通道 (gated channels) 。通道,门”的开关是由复杂的
生理调节所控制的，并且被各种通道特异依赖性因子所诱导。
* all ion channe ls are member s of a s uperfa mili es
derived from a single protein that was present in a common
ancestor living billions of y ears ago
T her e ar e t h ree major cat egor ies of i ons channe ls,
V o ltag e-gat ed c hanne ls,depen ding upon the diffe rence
in ionic charge on the two sides of the membrane.
C h emic al(li gand )- gated ch anne ls,depen ding upon the
binding of a particular substanc e.
配体分子的结合位点可能在通道的外表面,也可能在通道的内表
面。例如，神经递质乙酰胆碱作用于某些阳离子通道的外表面,而 cAMP
则 作用于某些钙离子通道的内表面。这反映了离子通道在不同细胞信号
通路中的不同作用。
配体门控离子通道，通常 按配体,尤其是神经递质名称 命名,如乙
酰胆碱受体通道,谷氨酸受体通道等。电压门控离子通道，按最容易通
过的离子命名。如钠、钾、钙离子通道等。但是 有些离子通道并不止一种，
可能有不同类别，它表现出功能上的差别 。例如，单个细胞上可能具有各
种不同的 K
+
通道，它们分别响应不同的电位梯度，或开启或关闭。另一方
面，当我们称某某离子通道时，并不意味着它就是电压门控性离子通道。
例如 钾通道既包括电压门控 性通道 （延迟整流钾通道、内向整流钾通道、
瞬时外向钾通道等）,又包括配体门控 性钾通 钠激活钾通道,ATP 敏感钾
通道、乙酰胆碱敏感钾通道等）。
Me ch an ic a ll y ga te d c ha nn el s ( 机械门控通
道 ),感应机械力的作用而调控通道的启闭。
离子通道的结构与作用机制, 以 K
+
通道和乙
酰胆碱受体通道为例
K
+
通道：
单个 K
+
通道是 同源四聚体,四条肽链对称地围成一个传导离子的中央
孔道，孔径约为 0, 3 n m, 恰好让单个 K
+
离子 （脱去水化层的离子直径约为
0, 2 n m ）通过。 每条肽链的 N 和 C 端均定位于胞浆侧,而肽段中间部分含有 6
个过膜片段 （ S
1
～ S
5
,S
5
和 S
6
之间有发夹 结构 H
5
区） 。 Na
+
和 Ca
2+
离子通道与
K
+
通道不同，它们仅由一条巨大的肽链组成，这条肽链与 K
+
通道蛋白同属一
个超家族 。但是这条长肽链含有 4 个分离的疏水结构域 ( d o m a i n s ），每个结构
域也都含有 6 个与 K
+
通道同源的过膜片段。 4 个这样的结构域也象 K
+
通道一样
围成一个中央孔道。
通过系统的基因定点突变研究显示,K
+
通道结构从功能上可以分成四个部
分 （ 1 ）四条肽链围成的 孔道 ； （ 2 ） 闸门,它是由肽链 N 端部分构成，象是一
个圆球体，悬挂于通道胞浆侧开口处附近，借此可以堵塞通道的出入口 （ 3 ）
电压感受器, S
4
过膜片段螺旋,每 3 个氨基酸残基就有一个带有正电荷,总共
有 7 个带正电荷的残基。在细胞质膜处于静息电位或去极化的动作电位的不同
电位状态时,通道胞浆侧所带的负电势发生显著改变,在静电力相互作用下,
引起 S4 螺旋的位移,带动闸门的关闭或开启。 ( 4 ) 选择性滤器,位于通道孔道
的入口处，使直径在 0.26 ～ 0, 3 n m 之间的 K
+
等得以选择性地从通道通过。每
个通道可能至少有 3 个 K
+
选择性结合部位，这些部位可能定位于 H
5
片段，该片
段作为亲水孔道孔壁的一部分。另外，离子通道开关所需电位差的大小也因
通道蛋白是否 磷酸化 而变动，而磷酸化是受到激素或其它因素所调节。 离子
通道的功能是处于细胞多样和复杂的调控机制之下的。
乙酰胆碱受体 (AchRs) 通道
在神经肌肉连接处骨骼肌细胞上的乙酰胆碱受体是一种神经
递质门控阳离子通道。 A c hR 高度聚集于突触后肌细胞膜的很小
区域,90 ％以上的 AchR 集中在肌细胞膜仅 0,1 ％面积范围。 Ac hR
通道在膜上的聚集是由于有胞外基质分子协助锚定和联系着。
AchRs 由 5 条透膜多肽 （ ?? ? ? ? 五个亚基 ）围成直径 8 n m 的筒
状五聚体，中央形成比 K
＋
通道中央孔道宽的直径 2 n m 的孔道。四
种亚基的基因高度同源。其它神经递质受体离子通道如 5 －羟色
胺 (serotonin,5-HT), ? －羟丁酸 （ G ABA ）和甘氨酸的受体都可
能具有类似的五聚体结构。两个 ? 亚基被认为含有乙酰胆碱结合
部位，当两个乙酰胆碱分子结合到 A chRs 五聚体即诱导五个亚基
膜中 ? 螺旋的构象，特别是螺旋中部的,扭结” （ k i nk ）结构的
构象发生变化，打开原先封闭的孔道。但是孔道的打开仅持续 1
毫秒 时间后即关闭，乙酰胆碱从受体上脱离并被乙酰胆碱酯酶水
解。乙酰胆碱受体通道的开启形式是 短寿命 （即瞬时） 的。在孔
道两端分布着成簇的负电性氨基酸残基,帮助排斥负电性离子
而促进正电性离子通过孔道。
F i g u r e 4
通常借助 AchRs 输运的离子 主要是 Na
+
和 K
+
,以
及某些 Ca
2+
。它不象电压门控通道,AchR 通道对阳
离子通透的 选择性较低, 这可能是它们的中央孔道
要宽些的缘故。但是,不同离子在通道的流动依赖
于它们的浓度和电化学驱动力。当肌肉细胞质膜处
于静息电位时，对 K
+
的驱动力接近于零，因为作用
方向相反的电势差和 K
+
跨膜浓度梯度近于平衡；而
对于 Na
+
而言,电势差和 Na
+
跨膜浓度梯度都以相
同的方向驱动 Na
+
进入细胞。因此,乙酰胆碱受体通
道的开启导致 大量 Na
+
净流动，引起膜的去极化,
而使肌肉收缩。具有神经毒作用的蛇毒蛋白,( ? -
bungarotoxin) ( Ka=10
9
L,Mol
- 1
) 是这个受体蛋
白的高亲和力特异配体。
* Fa cili tat ed diffu sion
溶质分子的跨膜易化扩散是依赖于特殊的膜内在蛋白
载体，通常称之为易化扩散输运载体 ( f acili tate d
tr ansp orte rs ) 或单输运载体 （ unipor t ers ）。溶质分子
从膜的一侧结合到载体蛋白上，引起蛋白构象变化，使溶
质分子移向膜的另一侧，暴露于膜表面，顺着电化学梯度
扩散到膜外这一侧。借助易化扩散跨膜输运的溶质，包括
一些亲水性分子，如葡萄糖等单糖分子和氨基酸、嘌呤碱
基、甘油等合成代谢的,砖块”分子和乳酸等代谢产物。
但是代谢途径的中间产物一般没有易化扩散。 易化扩散还
包括麦芽糖、糊精 (maltodextrin) 通过革兰氏阴性菌外
膜的输运和胃粘膜上受伸张运动激活的,离子通道”等。
易化扩散在许多方面很 象酶促反应,因而易化
扩散输运载体又叫做通透酶 ( pe rmeas e ) 。和简单扩
散一样，溶质分子的易化扩散是能力学上的,下坡”
运动，但是其运动速率比按照简单扩散动力学和
Fick 第一定律计算的速率要快得多。这是由于易化
扩散输运载体作为溶质特异性通道 降低了溶质分子
跨膜扩散的活化能,例如，具有 5 个羟基的葡萄糖
分子的过膜通透，预计要求 80 KJ/mol 以上的活化
能，但是实际测得其进入红细胞的活化能仅为 16
KJ/mol,而实际通透速率比从人工脂双层的通透系
数预计的速率快 10,000 倍。
易化扩散的溶质输运速率表现了与酶反应相似
的 饱和性动力学特点 。
如果溶质分子向 含有该溶质的膜另一侧扩散时，输运 （扩散）
速率 （ V ）和被输运的溶质分子浓度 （ C ） 的双曲线型关系可近似
用 Michaelis-Menten 方程式表示
? ?
? ?CK
CV
v
s
?
?
max
V
max
是最大输运速率,K
s
为半饱和常数，即达到一半输运速率时
的被输运溶质的浓度，反映 输运载体对被输运溶质的亲和力。 K
s
越
小，亲和性越大，反之，亲和性越小。扩散速率 （ V ） 但是，当
细胞质膜内外两侧含 有不同浓度 [ C
i
n
(t) 和 C
o
n
(t) ] 的溶质分子
（时，上式可修 改为
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
KtC
tC
KtC
tC
t
n
n
i
n
i
n
n
c
n
)(
)(
)(
)(
)()(
0
0
m a x
??
c
n
?
(t) 是溶质 n 的扩散速率,（ ?
n
）
max
是溶质的最大扩散速常
数 K 同样基本反映输运载体对被输运溶质分子的亲和力。 易化扩散
速率远远低于离子通道的离子传导速率,后者每秒钟大多能传导数
百万个离子，而前者每秒钟仅能输运数百个溶质分子。
Cell Science
（ 1.2）
蔡国平
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me mb r a n e r e g u l a r e s t h e t r a f f i c o f m o l e c u l e s i n t o a n d o u t
o f t h e c e l l, G a s e s a n d s ma l l h y d r o p h o b i c mo l e c u l e s b y
p a s s i v e d i f f u s i o n t r a n s p o r t ; I o n s,s u g a r s,a m i n o a c i d s,a n d
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1) Th e e n e r ge t ics of solu t e m ove m e n t and d iff u s ion o f su b st ance s
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[ C
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? G = RT ln - - - - - + z F ? E
m
? G < 0
[ C o ]
D i f f usi o n o f sol u t e s
按照 F i ck 扩散第一定律，不带电荷的溶质分子 n 在单位时间通
过单位面积的量，即纯扩散
速率 [ ne t f l ux,
d
n
?
( t ) ] 由该分子的脂溶性和浓度梯度所决定：
? ? ? ?? ?tCtCP( t ) ???
其中 P
n
=
d
KD
nn
P
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为渗透系数 ( p e r m e ab i l i t y c oe f f i ci e nt ), (
0
n
C
) 和 (
i
n
C
) 分别为膜外
侧和膜内侧的浓度 （或活
度）,D
n
为扩散系数,K
n
为溶质 n 的脂水分配系数 ( par t i t i o n
co f f i ci e nt ), d 为膜厚度。对于某一特定的膜，溶质的渗透力系数 P
n
与溶质在非极性溶剂与水间的分配系数 K
n
成正比，其脂溶性越
大，膜渗透力就越大。决定溶质 n 的膜渗透系数 P
n
的另一个因素
是其扩散系数 D
n
，后者依赖于 RT （它可作为分子动能的度量）、
溶质间相互作用、以及依赖于分子的大小和形状 （它们将影响摩
擦系数）,因此，非电解质透过人工膜或生物膜有明显的温度
依赖关系，而且溶质分子越大，透过生物膜受的阻力越大，通透
性越小。
Perm eab ilit y o f s m all m olec ules thro ug h lipid m e m bra ne
h y d ro p h o b ic f re e -c h a rg e p o lar f r e e -c h a rg e p o lar c h a rg e d ion s
O
2,
N
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O,u re a,g lu c o se s u c ro se H
+
,Na
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,CL
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2,
? ? ? ?
_ _ _ _ _ _ ? _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ? m e m b ra n e
? ?
g ly c e ro l g lu c o se
H
2
O u re a tr y p to p h e n CL
-
K
+
Na
+
1 0
- 2
1 0
-4
1 0
-6
1 0
-8
1 0
-1 0
1 0
-1 2
P e rm e a b il it y ( c m /s e c )
2 ） Fo ur ba si c m ech an is m b y w h ich so lut e m ole cul es m o v e acr os s m e m bra ne
P a ss i v e a c t i v e
? ? ? ?
no n m e di a t e d c a rr i e r m e di a t e d
? ? ? ?
A B C d
? ? ? ?
? ? ? ? m e m bra ne
? ? ? ?
a b c D
si m pl e d i ff us i o n s i m pl e d i ff us i o n fa c i l i t a t e d di ff us i o n a c t i v e t ra ns po rt
t hro u g h bi l a y e r t hr o u g h c hanne l
(1 ) P ass ive transport
? Th e sim p le d iff u sio n of h yd r op h ob ic an d f r e e - c h ar ge p olar s m all
m ole c u le s thro u g h me mbr a n e
se m ip e r m e ab le
osm osis
水分子易于从溶质浓度低的一侧经过半透膜运动到溶质浓度高的一侧，这个
过程称为渗透 ( o s m o si s) 。水的净流动 ( ne t flux) 直到膜两侧溶质浓度相等时才停止。水
的净流动是膜两侧溶液的渗透压存在差别引起的。所谓渗透压 ( o s m o t i c pre ss ure ) 是指
由半透膜隔开的纯水和含有溶质溶液之间的压强差 （可用带有半透膜的渗透压计测
量），用符号 π 或 P
i
表示。通常用渗透压计测量渗透压，其值是能够完全阻止水由纯
水一侧向溶剂一侧跨膜净流动的压力，该压力能够完全抵销引起水净流动的驱动力。
但是，对一个孤立的溶液来说并没有实际的渗透压产生，因此，准确地说溶液具有渗
透势 ( o s m o t i c p o t e nt i a l ),用符号 ψ
s
表示，渗透势与渗透压数值相同但符号相反 （ ψ
s
＝－ π ）。
对一个理想溶液，至少稀溶液，按照 V a n' t Ho f f 定律
π ＝ CRT
式中 π 以 Pa （帕）为单位 （ 1 大气压强＝ 1.013 × 10
5
P a ）,C 以摩尔浓度 （ m o l / l ）为
单位,R 为气体常数，为 8.31 × 10
3
.P a m ol
-1
K
-1
,T 为绝对温度，
o
K 为单位。渗透压数
值上与溶液的浓度成正比。等渗溶液 ( i soo s m ot i c ),即它们的渗透势与红细胞胞液的渗
透势相等，渗透压比等渗溶液高者称为高渗溶液 ( h y pe r o s m ot i c 或 h y pe r t o ni c sol ut i o n),
反之为低渗溶液 ( h y p oo s m o t i c,或 h y p o t oni c s o l u t i o n) 。膜两侧溶液渗透压不等时，水从
低渗一侧向高渗一侧跨膜净流动。
上面提到的等渗必须针对特定细胞而言，各种细
胞对水的通透性大小不同,胞内渗透压也不同。
将细胞置于低渗溶液中，随着水的流入细胞，细胞
会发生膨胀，细胞置于高渗溶液中，随着水从细胞
净 流 出 细 胞 将 发 生 皱 缩 (shrink) 或 萎 蔫
(flaccid) 。细胞体积的膨胀率 dV/dt （ V 表示细胞
体积,t 为时间）由下式所决定：
dV/dt ＝ kA （ π
i
－ π
e
）
式中 k 为渗透系数 (osmotic coefficient),其单位
为 ? m / min, Pa,它的物理意义是在细胞内、外
渗透压的差为 1 大气压时，在单位时间 （分）内通
过单位面积 （ ? m
2
）膜的水的体积 （ ? m
3
），因此，
细胞的渗透系数 k 反映细胞膜本身对水的通透性，
它是可以通过实际测量来确定的。例如，变形虫的
渗透系数 k 为 3 × 10
3
。海胆卵的 k 为 4 × 10
4
，人红细
胞为 3 × 10
5
。
水势 ( w ater po tent ial ),水势这个概念是一个系统的 水的
化学势 ?
W
的相对值 表示，它是由
两个较容易测量的量：静水压力 （ P, h y dros ta t ic
pres s une ）和渗透压 （ π ）的差来定义,
ψ ＝ P － π 或 ψ ＝ ψ
p
＋ ψ
s
ψ
s
为渗透势 （ ψ
s
＝－ π ）,ψ
p
为压力势 (pres s ure
potent i al ),与流体静压 P 等值,
水势的概念在与细胞水的运动相关的研究中是特别有用
处，因为它确定了在一个局部如细胞或亚细胞区域的水能
够做功的大小,水运动的驱动力是水势梯度，即水将从高
水势区域向低水势区域运动。
动物细胞和植物细胞都不断调整其水状况以适应外环境
水含量和代谢状况的变化，细胞通常通过 调整细胞内离子
（特别是 K
+
,Na
+
,Cl
－
等） 浓度调整渗透势,在很短的时
间内恢复到原先膜两侧 平衡的水化学势 （对动物细胞即恢
复到等渗状况） 。 植物细胞通常是高渗的。因此水倾向于
进入细胞，产生胞内膨胀压 ( t u r g o r p r essure),细胞质膜被
挤向细胞壁。 植物细胞的 膨胀压 支持着非木本植物的直
立。 渗透作用在许多动物生理功能上也是一个重要因素。
例如消化道每天要分泌好几升水，同时又被小肠上皮细胞
通过渗透作用重吸收，如果这种渗透功能失调 （如严重腹
泻），就可能导致迅速脱水。对多细胞动物，细胞虽然没
有细胞壁，但细胞处于由其它细胞和细胞外基质构成的环
境中，细胞的水的渗透同样不仅仅由渗透势所决定，细胞
与其胞外结构相互作用产生的 压力势 以及水被吸附到细胞
外基质凝胶所产生的 基质势 （ m at r i c p o t en t i a l,M ）对细胞
的水渗透也会产生相当的影响。
A q uapor i ns ( kindney cell,root cell etc)
虽然水能够迅速通过脂双层，但是许多细胞
的质膜存在有特别的、由蛋白质构成的水通道
(aquaporins),允许水分子被动输运于膜两侧。在某些
细胞 （如肾小管细胞和植物根细胞），水通道有突出的
作用。例如激素加压素通过作用于水通道，刺激肾对水
的存留作用。当加压素水平升高时，原先储存于肾小管
细胞胞浆内的水通道被运送到质膜上，从形成中的尿液
吸收水。有些患者发生水通道基因的遗传性突变，水通
道失去吸收水的功能，而患多尿症。
* The diffusion of ions through membrane by
hydrophilic channels
脂双层构成生物膜的核心,由于其高疏水性，对于带
电物质包括小的离子如 Na
+
,K
+
, Ca
2+
和 Cl
－
是非常
不通透的。但是这些离子的跨膜运动或传导 (conductance)
在许多细胞活性中起着关键的作用，如神经冲动的形成
和传播，物质分泌到胞外空间，肌肉收缩，细胞体积的
调节和植物叶片气孔的开放等。 40 多年前,Hodgkin 等
三位英国生理学家，基于对鱿鱼巨大神经细胞的研究，
提出细胞质膜存在离子通道 (ion channels) 允许特异的
离子通过。
至今，生物学家已经鉴定出各种离子通道，它们是
由膜内在蛋白围成水溶液性孔道。分离和克隆了离子通
道蛋白的基因，将分离得到通道蛋白组装到脂质体,结合
定点突变,基因导人等分子生物学和离子单通道技术以及
计算机预测研究其结构与功能的关系。
离子通道的特征
* 多数离子通道是 高选择性 的,只允许一种特别类型的离
子通过。
* the ions channe l are do wnhi ll and bi direc tiona l,允
许离子沿着通道的两个方向通过,通道一旦开放，离子就顺着
通道两侧的电化学梯度大量通过。离子流动 ( 扩散 ) 速率
p
n
?
(t)
为,
))()(()(
0
tVtV
FZ
G
t
nm
n
np
n
???
G
n
是对于离子 n 膜的特殊传导率。
0
m
V
(t) 是静息膜
电位。 V
n
(t) 是离子 n 的 Nernst 平衡电位，它是时间的函数。
* 离子通道大多能表现为 开或关两种构象,因此称之为门
控的通道 (gated channels) 。通道,门”的开关是由复杂的
生理调节所控制的，并且被各种通道特异依赖性因子所诱导。
* all ion channe ls are member s of a s uperfa mili es
derived from a single protein that was present in a common
ancestor living billions of y ears ago
T her e ar e t h ree major cat egor ies of i ons channe ls,
V o ltag e-gat ed c hanne ls,depen ding upon the diffe rence
in ionic charge on the two sides of the membrane.
C h emic al(li gand )- gated ch anne ls,depen ding upon the
binding of a particular substanc e.
配体分子的结合位点可能在通道的外表面,也可能在通道的内表
面。例如，神经递质乙酰胆碱作用于某些阳离子通道的外表面,而 cAMP
则 作用于某些钙离子通道的内表面。这反映了离子通道在不同细胞信号
通路中的不同作用。
配体门控离子通道，通常 按配体,尤其是神经递质名称 命名,如乙
酰胆碱受体通道,谷氨酸受体通道等。电压门控离子通道，按最容易通
过的离子命名。如钠、钾、钙离子通道等。但是 有些离子通道并不止一种，
可能有不同类别，它表现出功能上的差别 。例如，单个细胞上可能具有各
种不同的 K
+
通道，它们分别响应不同的电位梯度，或开启或关闭。另一方
面，当我们称某某离子通道时，并不意味着它就是电压门控性离子通道。
例如 钾通道既包括电压门控 性通道 （延迟整流钾通道、内向整流钾通道、
瞬时外向钾通道等）,又包括配体门控 性钾通 钠激活钾通道,ATP 敏感钾
通道、乙酰胆碱敏感钾通道等）。
Me ch an ic a ll y ga te d c ha nn el s ( 机械门控通
道 ),感应机械力的作用而调控通道的启闭。
离子通道的结构与作用机制, 以 K
+
通道和乙
酰胆碱受体通道为例
K
+
通道：
单个 K
+
通道是 同源四聚体,四条肽链对称地围成一个传导离子的中央
孔道，孔径约为 0, 3 n m, 恰好让单个 K
+
离子 （脱去水化层的离子直径约为
0, 2 n m ）通过。 每条肽链的 N 和 C 端均定位于胞浆侧,而肽段中间部分含有 6
个过膜片段 （ S
1
～ S
5
,S
5
和 S
6
之间有发夹 结构 H
5
区） 。 Na
+
和 Ca
2+
离子通道与
K
+
通道不同，它们仅由一条巨大的肽链组成，这条肽链与 K
+
通道蛋白同属一
个超家族 。但是这条长肽链含有 4 个分离的疏水结构域 ( d o m a i n s ），每个结构
域也都含有 6 个与 K
+
通道同源的过膜片段。 4 个这样的结构域也象 K
+
通道一样
围成一个中央孔道。
通过系统的基因定点突变研究显示,K
+
通道结构从功能上可以分成四个部
分 （ 1 ）四条肽链围成的 孔道 ； （ 2 ） 闸门,它是由肽链 N 端部分构成，象是一
个圆球体，悬挂于通道胞浆侧开口处附近，借此可以堵塞通道的出入口 （ 3 ）
电压感受器, S
4
过膜片段螺旋,每 3 个氨基酸残基就有一个带有正电荷,总共
有 7 个带正电荷的残基。在细胞质膜处于静息电位或去极化的动作电位的不同
电位状态时,通道胞浆侧所带的负电势发生显著改变,在静电力相互作用下,
引起 S4 螺旋的位移,带动闸门的关闭或开启。 ( 4 ) 选择性滤器,位于通道孔道
的入口处，使直径在 0.26 ～ 0, 3 n m 之间的 K
+
等得以选择性地从通道通过。每
个通道可能至少有 3 个 K
+
选择性结合部位，这些部位可能定位于 H
5
片段，该片
段作为亲水孔道孔壁的一部分。另外，离子通道开关所需电位差的大小也因
通道蛋白是否 磷酸化 而变动，而磷酸化是受到激素或其它因素所调节。 离子
通道的功能是处于细胞多样和复杂的调控机制之下的。
乙酰胆碱受体 (AchRs) 通道
在神经肌肉连接处骨骼肌细胞上的乙酰胆碱受体是一种神经
递质门控阳离子通道。 A c hR 高度聚集于突触后肌细胞膜的很小
区域,90 ％以上的 AchR 集中在肌细胞膜仅 0,1 ％面积范围。 Ac hR
通道在膜上的聚集是由于有胞外基质分子协助锚定和联系着。
AchRs 由 5 条透膜多肽 （ ?? ? ? ? 五个亚基 ）围成直径 8 n m 的筒
状五聚体，中央形成比 K
＋
通道中央孔道宽的直径 2 n m 的孔道。四
种亚基的基因高度同源。其它神经递质受体离子通道如 5 －羟色
胺 (serotonin,5-HT), ? －羟丁酸 （ G ABA ）和甘氨酸的受体都可
能具有类似的五聚体结构。两个 ? 亚基被认为含有乙酰胆碱结合
部位，当两个乙酰胆碱分子结合到 A chRs 五聚体即诱导五个亚基
膜中 ? 螺旋的构象，特别是螺旋中部的,扭结” （ k i nk ）结构的
构象发生变化，打开原先封闭的孔道。但是孔道的打开仅持续 1
毫秒 时间后即关闭，乙酰胆碱从受体上脱离并被乙酰胆碱酯酶水
解。乙酰胆碱受体通道的开启形式是 短寿命 （即瞬时） 的。在孔
道两端分布着成簇的负电性氨基酸残基,帮助排斥负电性离子
而促进正电性离子通过孔道。
F i g u r e 4
通常借助 AchRs 输运的离子 主要是 Na
+
和 K
+
,以
及某些 Ca
2+
。它不象电压门控通道,AchR 通道对阳
离子通透的 选择性较低, 这可能是它们的中央孔道
要宽些的缘故。但是,不同离子在通道的流动依赖
于它们的浓度和电化学驱动力。当肌肉细胞质膜处
于静息电位时，对 K
+
的驱动力接近于零，因为作用
方向相反的电势差和 K
+
跨膜浓度梯度近于平衡；而
对于 Na
+
而言,电势差和 Na
+
跨膜浓度梯度都以相
同的方向驱动 Na
+
进入细胞。因此,乙酰胆碱受体通
道的开启导致 大量 Na
+
净流动，引起膜的去极化,
而使肌肉收缩。具有神经毒作用的蛇毒蛋白,( ? -
bungarotoxin) ( Ka=10
9
L,Mol
- 1
) 是这个受体蛋
白的高亲和力特异配体。
* Fa cili tat ed diffu sion
溶质分子的跨膜易化扩散是依赖于特殊的膜内在蛋白
载体，通常称之为易化扩散输运载体 ( f acili tate d
tr ansp orte rs ) 或单输运载体 （ unipor t ers ）。溶质分子
从膜的一侧结合到载体蛋白上，引起蛋白构象变化，使溶
质分子移向膜的另一侧，暴露于膜表面，顺着电化学梯度
扩散到膜外这一侧。借助易化扩散跨膜输运的溶质，包括
一些亲水性分子，如葡萄糖等单糖分子和氨基酸、嘌呤碱
基、甘油等合成代谢的,砖块”分子和乳酸等代谢产物。
但是代谢途径的中间产物一般没有易化扩散。 易化扩散还
包括麦芽糖、糊精 (maltodextrin) 通过革兰氏阴性菌外
膜的输运和胃粘膜上受伸张运动激活的,离子通道”等。
易化扩散在许多方面很 象酶促反应,因而易化
扩散输运载体又叫做通透酶 ( pe rmeas e ) 。和简单扩
散一样，溶质分子的易化扩散是能力学上的,下坡”
运动，但是其运动速率比按照简单扩散动力学和
Fick 第一定律计算的速率要快得多。这是由于易化
扩散输运载体作为溶质特异性通道 降低了溶质分子
跨膜扩散的活化能,例如，具有 5 个羟基的葡萄糖
分子的过膜通透，预计要求 80 KJ/mol 以上的活化
能，但是实际测得其进入红细胞的活化能仅为 16
KJ/mol,而实际通透速率比从人工脂双层的通透系
数预计的速率快 10,000 倍。
易化扩散的溶质输运速率表现了与酶反应相似
的 饱和性动力学特点 。
如果溶质分子向 含有该溶质的膜另一侧扩散时，输运 （扩散）
速率 （ V ）和被输运的溶质分子浓度 （ C ） 的双曲线型关系可近似
用 Michaelis-Menten 方程式表示
? ?
? ?CK
CV
v
s
?
?
max
V
max
是最大输运速率,K
s
为半饱和常数，即达到一半输运速率时
的被输运溶质的浓度，反映 输运载体对被输运溶质的亲和力。 K
s
越
小，亲和性越大，反之，亲和性越小。扩散速率 （ V ） 但是，当
细胞质膜内外两侧含 有不同浓度 [ C
i
n
(t) 和 C
o
n
(t) ] 的溶质分子
（时，上式可修 改为
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
KtC
tC
KtC
tC
t
n
n
i
n
i
n
n
c
n
)(
)(
)(
)(
)()(
0
0
m a x
??
c
n
?
(t) 是溶质 n 的扩散速率,（ ?
n
）
max
是溶质的最大扩散速常
数 K 同样基本反映输运载体对被输运溶质分子的亲和力。 易化扩散
速率远远低于离子通道的离子传导速率,后者每秒钟大多能传导数
百万个离子，而前者每秒钟仅能输运数百个溶质分子。
