第十章 细胞膜的结构
细胞膜对细胞的生命活动至关重要。质膜包裹着细胞，界定其边界，并维持细胞质溶胶与细胞外环境间的本质差异。若无质膜，细胞就无法作为独立的自我复制单元演化。在真核细胞内，细胞核、内质网、高尔基体、线粒体及其他膜包被细胞器的膜结构，持续保持着各细胞器内容物与细胞质溶胶间的特征性差异。由特化膜蛋白活动建立的跨膜离子梯度可用于合成ATP、驱动特定溶质跨膜运输，或在神经与肌肉细胞中产生和传递电信号。所有细胞的质膜还包含能感应外界信号的蛋白质，使细胞能根据环境线索（包括其他细胞的信号）改变行为；这些蛋白质传感器（即受体）传递的是信息而非分子，实现跨膜信息传导。
尽管功能各异，所有生物膜都具有共同的基本结构：每层膜都是由脂质和蛋白质分子构成的极薄薄膜，主要通过非共价相互作用结合（图10-1）。细胞膜是动态的流体结构，其中大部分分子在膜平面内移动。脂质分子排列成约5纳米厚的连续双层。这种脂质双分子层构成膜的基本流体结构，并对大多数水溶性分子形成近乎不可渗透的屏障。多数膜蛋白跨越脂质双层，介导膜的其他几乎所有功能，包括特定分子的跨膜运输以及膜相关反应（如ATP合成）的催化。在质膜中，某些跨膜蛋白作为结构连接件，将细胞骨架通过脂质双层锚定至细胞外基质或相邻细胞；另一些则作为受体检测并转导细胞环境中的化学信号。细胞需要多种膜蛋白来实现功能及与环境互动，据估计动物基因组编码的蛋白质中约30%属于膜蛋白。
本章将探讨生物膜两大组分——脂质与蛋白质的结构与组织。尽管重点聚焦质膜，所述概念大多同样适用于真核细胞的各种内膜系统。细胞膜的功能将在后续章节讨论：例如第14章阐述其在能量转换与ATP合成中的作用；第11章分析其小分子跨膜运输功能；第15章与第19章分别探讨其在细胞信号传导与细胞黏附中的角色。第12章与第13章将详述细胞内膜系统及其间蛋白质运输机制。
脂质双分子层
脂质双分子层为所有细胞膜提供基础结构。其结构可通过电子显微镜清晰观测，且这种双层结构完全源于脂质分子的特殊性质——即使在简单人工条件下，脂质分子也能自发组装成双层。本节将讨论细胞膜中存在的各类脂质分子及脂质双分子层的基本特性。
甘油磷脂、鞘脂与甾醇是细胞膜的主要脂质
脂质分子约占大多数动物细胞膜质量的50%，其余几乎均为蛋白质。1微米×1微米面积的脂质双层约含5×106个脂质分子，红细胞质膜则含约7×108个脂质分子。所有细胞膜脂质分子均具有两亲性，即同时拥有亲水极性端和疏水非极性端。
含量最丰富的膜脂质是磷脂。它们具有一个极性头部基团（包含磷酸基团）和两条疏水烃链尾部。在动物、植物和细菌细胞中，尾部通常为脂肪酸，其长度存在差异（通常含14至24个碳原子）。一条尾部通常含有一个或多个顺式双键（即不饱和），而另一条尾部不含双键（即饱和）。如图10-2所示，每个顺式双键会在尾部形成弯曲。脂肪酸尾部的长度和饱和度差异会影响磷脂分子的排列紧密程度，进而影响膜的流动性，后文将对此进行讨论。
大多数动物细胞膜中的主要磷脂是甘油磷脂，其具有三碳甘油骨架（见图10-2）。两条长链脂肪酸通过酯键与甘油的相邻碳原子连接，甘油的第三个碳原子则连接磷酸基团，该基团进而与多种头部基团之一相连。通过组合不同脂肪酸和头部基团，细胞可合成多种甘油磷脂。磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰胆碱在哺乳动物细胞膜中含量最高（图10-3A、B和C）。
另一类重要的磷脂是鞘脂，其以鞘氨醇而非甘油为骨架（图10-3D和E）。鞘氨醇是一条长链脂肪酸，其一端带有氨基（NH2）和两个羟基（OH）。最常见的鞘脂——鞘磷脂中，一条脂肪酸尾部连接在氨基上，而磷酸胆碱基团则连接在末端羟基上。磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和鞘磷脂共同构成了大多数哺乳动物细胞膜中超过一半的脂质质量（见表10-1，第610页）。
除磷脂外，许多细胞膜的脂质双层还包含糖脂和甾醇。糖脂与鞘脂类似，但其头部基团连接的是糖而非磷酸基团（糖脂将在后文讨论）。甾醇是与类固醇相关的刚性环状结构，含有一个极性羟基和一条短的非极性烃链（图10-4）。真菌、植物和动物细胞中存在不同类型的甾醇，其主要区别在于连接环状骨架的侧链。真核生物质膜含有大量甾醇——最高可达磷脂分子数的一比一比例。胆固醇是动物细胞中的主要甾醇。胆固醇分子在双层中定向排列，其羟基靠近相邻磷脂分子的极性头部基团（图10-5）。
磷脂自发形成双层结构
磷脂分子的两亲性及其特殊形状使其在水环境中能自发形成双层结构。如第2章所述，亲水分子易溶于水，因其含带电基团或不带电极性基团，可与水分子形成有利的静电作用或氢键（图10-6A）。相反，疏水分子不溶于水，因其全部或几乎全部原子不带电荷且非极性，无法与水分子形成能量有利的相互作用。若分散在水中，会迫使邻近水分子重组为笼状冰晶结构包裹疏水分子（图10-6B）。由于这种笼状结构比周围水分子更有序，其形成会增加自由能。但当疏水分子（或两亲分子的疏水部分）聚集时，受影响的水分子数量最少，从而将这种熵自由能代价降至最低。
当磷脂分子暴露于水性环境时，其行为正如前文讨论所预期：它们会自发聚集，以最大限度减少疏水尾部与水的接触，同时最大化亲水头部与水的接触。根据分子形状的不同，可通过两种方式实现最优排列：形成尾部朝内的球形微团，或形成疏水尾部夹在亲水头部之间的双层片状结构（即脂双层）（图10-7）。
驱动磷脂形成双层的相同作用力还赋予其自修复特性。脂双层的微小破损会产生暴露于水的游离边缘；由于这种状态能量不利，脂质会自发重排以消除游离边缘。游离边缘的禁止性产生深远影响：脂双层避免出现边缘的唯一方式是自我闭合形成密封腔室（图10-8）。这种非凡行为直接源于磷脂分子的形状和两亲性本质，对活细胞的形成至关重要。
脂双层是二维流体
脂双层的另一特性使其成为理想细胞膜结构：流动性（对多种膜功能至关重要，见影片10.2）。约1970年，研究者首次发现单个脂分子能在脂双层平面内自由扩散。最初证据来自人工合成的脂双层研究——可制成球形脂质体（图10-9）或平面脂膜。生物物理研究表明：在合成双层中，磷脂分子极少从一层单分子层（又称叶层）迁移至另一层。这种"翻转"过程对单个分子需数小时，因亲水头部必须穿越疏水核心，此过程能量不利。胆固醇例外，因其仅需让单个羟基短暂进入疏水核心，故能快速翻转。相比之下，所有脂分子在单层内与邻近分子交换极快（约每秒107次），导致快速侧向扩散（扩散系数D≈10{-8}平方厘米/秒），意味着平均1秒内脂分子可扩散穿越大型细菌细胞（约2微米）。研究还显示：脂分子沿长轴快速旋转且具柔性烃链。计算机模拟揭示合成双层中脂分子高度无序，在双层两侧呈现间距和朝向不规则的粗糙亲水头部表面（图10-10）。这种流动性使脂质能快速修补机械应力等因素造成的瞬时孔洞。
对标记脂分子在离体生物膜及活细胞中的研究显示：其运动性与合成双层类似，证实生物膜的脂质成分为二维流体，组分分子可自由侧向移动。与合成双层相同，单个磷脂分子通常局限于所在叶层。这引发生物膜生长的难题：磷脂分子仅在膜的单层（主要是内质网膜的胞质侧叶层）合成。若新分子无法及时迁移至非胞质侧叶层，膜将不对称扩张。该问题由特殊膜蛋白（磷脂转位酶/翻转酶/爬行酶）解决，它们催化磷脂在叶层间快速翻转（详见第12章）。
尽管脂双层具有流动性，脂质体在水环境中并不自发融合。这是因为融合过程需要极性脂质头部基团结合水分子和离子，这些需要被移除以使两个不同脂质体的双分子层能够充分接近以融合。生物膜由于嵌入或关联的蛋白质而具有更大的水合壳。这个水合壳隔离了真核细胞中的许多内部膜，并防止它们不受控制的融合，从而维持膜包围的细胞器的区室完整性。所有细胞膜融合事件都是由严格调控的系链催化的，这些系链使适当的膜靠近在一起，以及融合蛋白迫使分离双分子层的水层排出，正如我们在第13章讨论的那样。
图10-8 磷脂双分子层自发闭合形成密封隔室。封闭结构是稳定的，因为它避免了疏水烃链暴露在水中，这在能量上是不利的。
图10-9 脂质体。(A) 一个小球形脂质体的横截面示意图。脂质体在实验研究中常用作模型膜，尤其用于研究嵌入的膜蛋白。(B) 一张未固定、未染色的合成磷脂囊泡——脂质体——在水中的电子显微镜照片，该囊泡在液氮温度下快速冷冻。(B, 来自 J. Kotouček 等人, Sci. Rep. 10:5595, 2020.)
图10-10 人工脂质双分子层中磷脂分子的流动性。(A) 从100个磷脂酰胆碱分子在规则双分子层中排列的模型开始，计算机模拟计算了300皮秒后每个原子的位置。通过这些理论计算，得出了一个脂质双分子层模型，该模型解释了合成脂质双分子层的几乎所有可测量属性，包括其厚度、单位膜面积的脂质分子数量、水渗透深度以及两个表面的不均匀性。注意，如果尾部足够长，一个单分子层中的尾部可以与另一个单分子层中的尾部相互作用。(B) 脂质分子在双分子层中的不同运动。(A, 基于 S.W. Chiu 等人, Biophys. J. 69:1230-1245, 1995.)
脂质双分子层的流动性取决于其组成
细胞膜的流动性必须精确调控。它允许膜蛋白快速且短暂地相互作用，并且某些膜运输过程和酶活性，例如，当双分子层粘度在实验上增加到超过阈值水平时会停止。
脂质双分子层的流动性取决于其组成和温度，这在合成脂质双分子层的研究中很容易证明。由单一类型磷脂制成的合成双分子层在特定温度下从液态转变为二维刚性结晶（或凝胶）状态。这种状态变化称为相变，如果烃链较短或具有双键，则发生相变的温度较低（即膜更难冻结）。较短的链长减少了烃尾在相同和相反单分子层中相互作用的倾向，从而使膜在较低温度下保持流动性。顺式双键也有利于流动性，因为它们在链中产生扭结，使链更难以紧密堆积（图10-11）。膜由许多不同脂质种类的复杂混合物组成，这进一步调整了大多数膜，使其在相变点之上保持液态。细菌、酵母和其他温度随环境变化的生物体，会调整其膜脂质的脂肪酸组成，以保持相对恒定的流动性。例如，当温度下降时，这些生物体的细胞会合成具有更多顺式双键的脂肪酸，从而避免因温度下降而导致的双分子层流动性降低。
固醇，如胆固醇，调节脂质双分子层的性质。当与磷脂混合时，它们增强了脂质双分子层的渗透屏障性质。胆固醇插入双分子层，其羟基靠近磷脂的极性头部基团，因此其刚性的板状类固醇环与烃链最靠近极性头部基团的区域相互作用并使其变硬（见图10-5和视频10.3）。通过减少磷脂分子烃链前几个CH₂基团的流动性，胆固醇使脂质双分子层在该区域更不易变形，从而降低双分子层对小水溶性分子的渗透性。尽管胆固醇使双分子层中的脂质堆积更紧密，但它确实不会使膜的流动性降低，因为它也阻止烃链聚集和结晶。
不饱和 饱和 饱和烃链 具有顺式双键 烃链 图 10-11 烃链中顺式双键的影响。双键使得链更难以紧密堆积，从而使脂质双层更难以冻结。此外，由于不饱和脂质的烃链更分散，含有它们的脂质双层比仅由饱和脂质形成的双层更薄。
表 10-1 不同细胞膜的近似脂质组成
表 10-1 比较了几种生物膜的脂质组成。注意，细菌质膜通常由一种主要类型的磷脂组成，不含胆固醇。在古菌中，脂质通常含有 20 到 25 碳长的异戊二烯链，而不是脂肪酸；异戊二烯链和脂肪酸链同样疏水且柔韧（见图 10-18F）。在嗜热古菌中，最长的脂质链跨越两个小叶，使膜对热特别稳定。因此，脂质双层可以由具有相似特征但不同分子设计的分子构建。大多数真核细胞的质膜比原核生物和古菌的更多样化，不仅含有大量固醇，还含有不同磷脂的混合物。
通过质谱分析膜脂质揭示，典型真核细胞膜的脂质组成比原先认为的要复杂得多。这些膜含有令人困惑的多样性，可能有 500 到 2000 种不同的脂质物种，即使是红细胞的简单质膜也含有超过 150 种。脂质异质性对抗相变，并可能帮助跨膜蛋白更好地适应双层，避免泄漏。虽然这种复杂性部分反映了主要磷脂类别的头基、烃链长度和去饱和的组合变异，但一些膜还含有许多结构上不同的次要脂质，其中至少一些具有重要功能。例如，肌醇磷脂在动物细胞膜中少量存在，并在指导膜运输和细胞信号传导中具有关键功能（分别在第 13 章和第 15 章讨论）。它们的局部合成和降解受大量酶调控，这些酶产生小的细胞内信号分子和膜上的脂质停靠位点，招募细胞质中的特定蛋白，如我们稍后讨论。
尽管具有流动性，脂质双层能形成不同组成的域
因为脂质双层是二维流体，我们可能期望其中的大多数脂质分子类型在它们自己的单层中充分混合并随机分布。邻近烃尾之间的范德华吸引力不足以选择性地将磷脂分子群保持在一起。然而，在人工双层中使用某些脂质混合物，可以观察到相变，导致脂质横向分离，特定脂质聚集在分离的域中聚集（图 10-12）。在这些情况下，脂质分子之间的吸引力必须超过与浓缩它们相关的熵代价。因此，相变将双层的均质性打破成具有不同性质的拼凑域。
细胞生物学家长期争论活细胞质膜中的脂质分子是否也会分离成称为脂筏的特化结构域。尽管许多脂质和膜蛋白并非均匀分布，但在活细胞膜中很少观察到大规模的脂相分离现象。相反，特定的膜蛋白和脂质通过蛋白质间相互作用以更短暂、动态的方式聚集，促成特化膜区域的瞬时形成（图10-13）。这类聚集体可能是仅包含数个分子的纳米级微簇，也可能是电子显微镜可见的更大组装体（如第13章将讨论的小窝）。正如人工双层膜所示（见图10-12），脂质混合物发生相变的倾向可能促进活细胞膜中脂筏的形成——通过组织并富集膜蛋白来实现膜泡运输（第13章讨论）或促进蛋白质组装体协同工作（例如将胞外信号转化为胞内信号的过程，详见第15章）。
脂滴由磷脂单分子层包被
多数真核细胞将过量脂质储存在脂滴中，这些脂质可作为膜合成的结构单元或代谢产能的营养源。脂肪细胞（即脂肪细胞）专司脂质储存，其胞质内充满巨型脂滴。其他细胞通常含有多个小型脂滴，其数量和大小随细胞代谢状态变化。脂肪酸可按需从脂滴释放，经血液运输至其他细胞。脂滴储存的中性脂质（如三酰甘油和胆固醇酯）由内质网膜酶催化脂肪酸和胆固醇合成。由于这些脂质缺乏亲水头部基团，属于完全疏水性分子，因而会聚集成三维脂滴而非双层结构。
为使这些疏水性脂滴存在于细胞的水性胞质溶胶中，其表面由磷脂分子覆盖：疏水性酰基链朝向脂滴内部，亲水性头部基团朝向胞质溶胶。因此脂滴由磷脂单分子层而非双层包被，这与细胞内其他膜性区室的结构截然不同。脂滴表面含有多种蛋白质，包括参与脂质代谢的酶类。当细胞暴露于高浓度脂肪酸时，脂滴会快速形成于内质网膜（脂质代谢酶的富集部位）。图10-14展示了脂滴形成及获取磷脂单分子层与蛋白质包被的一种模型。在肝细胞和肠上皮细胞（肠道吸收细胞）等特化细胞中，脂滴会出芽进入内质网腔，随后以脂蛋白颗粒形式分泌，通过甘油三酯形式在体内运输代谢能量。
脂双层的不对称性具有重要功能意义
许多生物膜中脂质双分子层的两个单层脂质组成存在显著差异。例如，在人类红细胞（红血球）膜中，几乎所有头部基团含胆碱（(CH₃)₃N⁺CH₂CH₂OH）的磷脂分子（磷脂酰胆碱和鞘磷脂）都位于外层单层；而几乎所有含末端伯氨基的磷脂（磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸）则位于内层单层（图10-15）。由于带负电荷的磷脂酰丝氨酸位于内层单层，双分子层两侧存在显著的电荷差异。我们将在第12章讨论膜结合磷脂转运蛋白如何产生并维持这种脂质不对称性。
脂质不对称性具有重要功能意义，尤其在将细胞外信号转化为细胞内信号的过程中（第15章详述）。许多胞质蛋白会结合到脂质双分子层胞质单层中的特定脂质头部基团。例如，响应多种细胞外信号而活化的蛋白激酶C（PKC），会结合到质膜的胞质侧——此处富含磷脂酰丝氨酸——且需要这种带负电荷的磷脂来维持其活性。
在其他情况下，特定脂质头部基团需经修饰才能在特定时空创造蛋白结合位点。磷脂酰肌醇（PI）即是一例，这种次要磷脂富集于细胞膜的胞质单层（见图13-10A、B、C）。多种脂质激酶可在肌醇环不同位置添加磷酸基团，形成从胞质招募特定蛋白至膜的位点。此类激酶的重要代表是磷酸肌醇3-激酶（PI 3-激酶），它受细胞外信号激活，协助将特定胞内信号蛋白招募至质膜胞质面（见图15-53）。类似脂质激酶通过磷酸化胞内膜的肌醇磷脂，协助招募引导膜运输的蛋白质。
质膜磷脂还可通过其他方式介导细胞外信号向胞内传递。质膜含多种磷脂酶，受细胞外信号激活后可切割特定磷脂分子，产生的片段作为短寿命胞内信使。例如磷脂酶C切割质膜胞质单层的肌醇磷脂，生成两个片段：一个留于膜内协助激活蛋白激酶C，另一个释放入胞质刺激内质网释放Ca²⁺（见图15-29）。
动物细胞利用质膜磷脂不对称性识别生死细胞。当细胞发生凋亡时（第18章详述），原本局限于质膜脂质双分子层胞质侧（内侧）单层的磷脂酰丝氨酸会快速外翻至胞外侧（外层）单层。暴露于细胞表面的磷脂酰丝氨酸向巨噬细胞等邻近细胞发出信号，使其吞噬消化死亡细胞。凋亡细胞出现磷脂酰丝氨酸外翻，是由于维持脂质双分子层不对称性的主动转运机制受损所致。
图10-15 人红细胞脂质双分子层中磷脂与糖脂的不对称分布。磷脂头部基团的配色方案与图10-3一致。此外，糖脂以六边形极性头部表示（蓝色）。胆固醇（未显示）大致均等分布于两个单层。
糖脂存在于所有真核细胞质膜表面
含糖脂分子（糖脂）在膜分布中呈现极端不对称性：无论位于质膜还是胞内膜，这类分子仅存在于背向胞质的单层。动物细胞中，糖脂与鞘磷脂相同，以鞘氨醇为骨架合成（见图10-3）。这些特殊分子易通过糖基间氢键及长直烃链间的范德华力发生自聚集，从而优先分配至脂筏相（见图10-13）。糖脂在双分子层的不对称分布源于高尔基体腔室内糖基的添加。因此，其合成区室在拓扑学上等同于细胞外空间（第12章详述）。当糖脂转运至质膜时，其糖基暴露于细胞表面（见图10-15），在细胞与外界相互作用中发挥关键功能。
糖脂可能存在于所有真核细胞的质膜中，通常占外层单层脂质分子的5%。它们也存在于某些细胞内膜中。结构最复杂的糖脂——神经节苷脂——含有一个或多个带唾液酸基团的寡糖，使其带净负电荷（图10-16）。目前已鉴定的40余种神经节苷脂中，含量最丰富的存在于神经细胞质膜，占脂质总量的5-10%；其他细胞类型中也有少量存在。
图10-16 糖脂分子。(A)半乳糖脑苷脂因头部基团不带电荷被称为中性糖脂。(B)神经节苷脂总含有一个或多个带负电的唾液酸基团。唾液酸存在多种类型，人体细胞中主要为N-乙酰神经氨酸（NANA），其结构如(C)所示。细菌和植物的糖脂几乎像多数磷脂那样衍生自甘油，而动物细胞的糖脂则与鞘磷脂类似（见图10-3），均以鞘氨醇为骨架。Gal=半乳糖，Glc=葡萄糖，GalNAc=N-乙酰半乳糖胺；这三种糖均不带电荷。
糖脂的功能线索来自其定位分布。例如上皮细胞质膜中，糖脂仅存在于暴露的顶膜表面，可能帮助抵御该区域严苛环境（如低pH和高浓度降解酶）。带电糖脂（如神经节苷脂）的重要性在于其电学效应：它们改变跨膜电场及膜表面离子（尤其是Ca²⁺）浓度。糖脂还参与细胞识别过程：膜结合碳水化合物结合蛋白（凝集素）在细胞粘附中与糖脂/糖蛋白的糖基结合（第19章详述）。缺乏复杂神经节苷脂的突变小鼠表现出神经系统异常，包括轴突变性和髓鞘形成减少。
细胞表面普遍存在的糖脂被多种细菌毒素和病毒利用作为入侵途径。例如流感病毒通过神经节苷脂上的唾液酸进入细胞（见图10-16）。多瘤病毒同样先结合神经节苷脂再入侵。类似地，神经节苷脂GM₁成为霍乱毒素的细胞表面受体，该毒素引发衰竭性腹泻。霍乱毒素仅结合并入侵表面含GM₁的细胞（包括肠上皮细胞），进入后导致胞内环腺苷酸浓度持续升高（第15章讨论），继而引发大量Cl⁻外流，促使Na⁺、K⁺、HCO₃⁻和水分泌入肠腔。
小结
生物膜由连续的双层脂质分子构成，膜蛋白嵌入其中。这种脂双层具有流动性，单个脂质分子能在所属单层内快速扩散。膜脂分子具有两亲性，在水中可自组装形成封闭的脂双层隔室。
尽管细胞膜可含数百种脂质，但动物细胞质膜主要包含磷脂、胆固醇和糖脂三类。根据骨架结构差异，磷脂分为甘油磷脂和鞘脂两个亚类。内外单层脂质组成差异反映了细胞膜两面的不同功能。不同细胞类型及单个真核细胞各膜结构的脂质混合物均不相同。磷脂酰肌醇作为次要磷脂类别，在质膜脂双层胞质侧单层中发挥重要信号传导作用：响应胞外信号时，特异性脂质激酶磷酸化其头部基团形成胞质信号蛋白锚定位点；特异性磷脂酶则切割特定磷脂酰肌醇生成胞内信号小分子。
膜蛋白
尽管脂质双层构成了生物膜的基本结构，但膜蛋白承担了膜的大部分特定功能，从而赋予各类细胞膜独特的性质。因此，不同膜结构中蛋白质的含量和类型差异显著。在主要作为神经细胞轴突电绝缘体的髓鞘膜中，蛋白质占比不足25%。相反，在参与ATP生成的膜结构（如线粒体和叶绿体的内膜）中，蛋白质占比约达75%。典型的质膜介于两者之间，蛋白质约占其质量的50%。然而由于脂质分子远小于蛋白质分子，细胞膜中的脂质分子数量始终远超蛋白质——在蛋白质质量占比50%的细胞膜中，每个蛋白质分子约对应50个脂质分子。膜蛋白的结构及其与脂质双层的结合方式具有高度多样性，这反映了它们功能的广泛性。
膜蛋白可通过多种方式与脂质双层结合
图10-17展示了蛋白质与膜结合的不同模式。与其相邻的脂质分子类似，膜蛋白(membrane proteins)具有两亲性，包含疏水区和亲水区。许多膜蛋白贯穿整个脂质双层，因此被称为跨膜蛋白(transmembrane proteins)，其部分结构从膜两侧向外延伸（图10-17示例1,2,5）。其他跨膜蛋白则大部分结构仅暴露于膜的某一侧（图10-17示例3,4）。无论何种形式，其疏水区均穿过膜层，与双层内部脂质分子的疏水尾部相互作用，从而与水环境隔离。亲水区则暴露于膜两侧的水性环境中。
其他膜蛋白完全位于胞质溶胶中，通过暴露在蛋白表面的两亲性α螺旋（图10-17示例6）或一条以上共价连接的脂质链（图10-17示例7）附着于脂质双层的胞质单层。图10-17示例7中的脂链连接蛋白最初在胞质溶胶中作为可溶性蛋白合成，随后通过共价连接的脂质基团锚定到膜上。脂质也可附着在跨膜蛋白的胞质面结构域，作为额外的膜锚定机制（见图10-17示例1）。
另有一类膜蛋白完全暴露于细胞外表面，仅通过共价键（经特定寡糖链）与质膜外层单分子层的脂质锚点连接（图10-17示例8）。这些蛋白最初在内质网（ER）合成时，通过C末端的单个跨膜片段插入膜中（类似图10-17示例4）。在内质网内，该跨膜片段被切除并添加糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚，使蛋白仅通过此锚定于内质网膜的非胞质面（第12章讨论）；转运囊泡最终将蛋白递送至质膜（第13章讨论）。
与这些实例相反，膜结合蛋白(membrane-associated proteins)完全不延伸至脂双层的疏水内部；它们通过与其它膜蛋白的非共价相互作用结合在膜的任何一侧（图10-17，例9和10）。此类蛋白大多可通过相对温和的提取方法从膜上释放，例如暴露于极高或极低离子强度的溶液或极端pH环境——这些条件会干扰蛋白质间相互作用但保持脂双层完整；这类蛋白通常被称为外周膜蛋白(peripheral membrane proteins)，其与膜的结合常受细胞调控，我们将在下文讨论。跨膜蛋白以及许多通过脂基团或插入脂双层疏水核心的疏水性多肽区域锚定在双层中的蛋白质，无法通过这些方式释放。
脂锚定调控部分信号蛋白的膜定位
膜蛋白与脂双层的关联方式反映了蛋白质的功能。仅跨膜蛋白能在双层两侧发挥作用或转运分子跨越脂双层。例如细胞表面受体（详见第15章），通常是跨膜蛋白：它们在胞外空间结合信号分子，并在质膜另一侧产生不同的胞内信号。为跨膜转运亲水性小分子，膜转运蛋白必须提供穿越脂双层疏水屏障的通路；多次跨膜蛋白的分子结构（图10-17，例2和5）特别适合此功能（详见第11章）。
相比之下，仅在脂双层单侧发挥功能的蛋白通常专一性结合该侧的脂单层或蛋白结构域。例如某些胞内信号蛋白协助将胞外信号传递至细胞内部，它们通过一个或多个共价连接的脂基团锚定在质膜的胞质侧，这些脂基团可以是脂肪酸链或异戊二烯基团（图10-18）。某些情况下，肉豆蔻酸会在核糖体合成过程中添加到蛋白质的N端氨基上。细胞质蛋白酪氨酸激酶Src家族所有成员（第15章讨论）均通过此方式发生豆蔻酰化修饰。但单一脂锚的膜结合力较弱，因此常添加第二个脂基团将蛋白更牢固地锚定在膜上。多数Src激酶的第二个脂修饰是棕榈酸与蛋白质半胱氨酸侧链的连接。这种修饰响应
胞外信号发生，协助激酶募集至质膜。当信号通路关闭时，棕榈酸被移除使激酶返回胞质溶胶。其他胞内信号蛋白如Ras家族小GTP酶（第15章讨论）则联合使用异戊二烯基团和棕榈酸连接实现质膜定位。
许多蛋白与膜发生瞬时结合。部分属于经典外周膜蛋白，通过受调控的蛋白质间相互作用结合膜；另一些则通过构象变化暴露疏水性肽段或共价连接的脂锚，从可溶性蛋白转变为膜蛋白。例如调控胞内膜运输的Rab蛋白家族小GTP酶（第13章讨论），其结合状态取决于结合的核苷酸：结合GDP时以可溶形式存在于胞质溶胶（常通过与GDP解离抑制因子GDI结合而稳定）；结合GTP时则暴露脂锚并拴系于膜上。它们可瞬时切换为膜蛋白或可溶蛋白。这种高度动态的相互作用极大拓展了膜的功能多样性。
多数跨膜蛋白的多肽链以α螺旋构象跨越脂双层
跨膜蛋白在膜中始终具有特定取向。这既反映了其在生物合成过程中于内质网插入脂双层的不对称方式（第12章讨论），也体现了胞质域与非胞质域的功能差异。这些结构域被多肽链的跨膜区隔开——跨膜区接触脂双层的疏水环境，主要由带非极性侧链的氨基酸组成。由于肽键本身具有极性且双层中无水，多肽跨膜区段的所有肽键被迫相互形成氢键（第3章讨论）。
肽键间氢键最大化的方式有两种。最常见的方式存在于大多数跨膜蛋白中，当多肽链穿过双层膜时形成规则的α螺旋（图10-19）。单次跨膜蛋白中，多肽链仅穿过一次（见图10-17示例1），而多次跨膜蛋白的多肽链则反复穿膜（见图10-17示例2）。脂双层中肽键满足氢键需求的另一种方式，是多条跨膜多肽链段排列成β折叠片并卷曲形成筒状结构（即β桶；见图10-17示例5及图3-7）。这种蛋白质构型见于后文将讨论的孔蛋白。
膜蛋白的X射线晶体学和单颗粒冷冻电镜技术进展，使许多膜蛋白的三维结构得以解析。这些结构证实：通过氨基酸序列常可预测多肽链穿越脂双层的区段。约含20-30个高疏水性氨基酸的片段，足以形成跨越脂双层的α螺旋，且常可通过亲水性图谱识别（图10-20）。据此图谱估算，生物体内约30%的蛋白质属于跨膜蛋白，凸显其重要性。但亲水性图谱无法识别β桶的跨膜区段——因为仅需10个或更少氨基酸即可形成延伸β链穿越脂双层，且其氨基酸侧链仅间隔呈现疏水性。
无水环境中最大化氢键的强烈驱动力，使得多数跨膜螺旋完全贯穿膜层。但多次跨膜蛋白也可能包含从膜两侧折叠插入的区域：这些区域挤在跨膜α螺旋之间，不接触脂双层的疏水核心。由于仅与其他多肽区域相互作用，此类区域无需最大化氢键，因而可呈现多种二级结构，包括仅部分跨越脂双层的螺旋（图10-21）。这些区域对某些膜蛋白（如水通道和离子通道蛋白）的功能至关重要：它们构成跨膜孔道壁面并赋予通道底物特异性（第11章将详述）。这些区域无法通过亲水性图谱识别，仅能通过测定三维结构或与已知结构的同源蛋白进行序列比对来揭示。
图10-20 利用亲水性图谱定位多肽链中潜在的α螺旋跨膜区段。通过模型化合物数据，根据多肽链连续区段的氨基酸组成，计算其从非极性溶剂转移到水所需的自由能。该计算以固定长度片段（通常10-20个氨基酸）为单位，从链中每个氨基酸起始进行。片段的亲水性指数作为链中位置的函数绘制于Y轴。正值表示转移至水需消耗自由能（即该片段疏水），数值大小反映所需能量多少。亲水性指数的波峰对应氨基酸序列中的疏水区段。(A,B)本章后文将讨论的两种膜蛋白亲水性图谱：血型糖蛋白(A)含单个跨膜α螺旋，对应一个波峰；细菌视紫红质(B)含七个跨膜α螺旋，对应七个波峰。（A改编自D. Eisenberg, Annu. Rev. Biochem. 53:595-624, 1984。）
跨膜α螺旋常常相互作用
多数单次跨膜蛋白的跨膜α螺旋不参与膜两侧蛋白结构域的折叠。因此常可设计细胞仅表达这些蛋白的胞质域或胞外域作为水溶性分子。这种方法对研究这些结构域（尤其是跨膜受体蛋白结构域）的功能至关重要（第15章将讨论）。然而即便是单次跨膜蛋白，其跨膜α螺旋的功能也远不止锚定蛋白于脂双层。许多单次跨膜蛋白通过两条跨膜α螺旋间的非共价强特异性相互作用，形成同源二聚体或异源二聚体——这些螺旋的氨基酸序列包含着指导蛋白质相互作用的信息。
类似地，多程膜蛋白中的跨膜α螺旋在折叠蛋白结构中占据特定位置，这些位置由相邻螺旋间的相互作用决定（图10-22）。这些相互作用对众多受体、通道和转运蛋白的结构与功能至关重要——这些蛋白质负责跨细胞膜传递或运输分子。在此类蛋白质中，每个跨膜螺旋会遮蔽邻近跨膜螺旋的区域使其免受膜脂影响。当所有螺旋在最终折叠结构中紧密堆积时，暴露于脂质的螺旋束外表面主要由疏水性氨基酸组成。相比之下，不直接接触脂质的螺旋束内部可容纳极性甚至带电荷的氨基酸，这类氨基酸在膜环境中通常是不稳定的。跨膜螺旋束容纳亲水性氨基酸的能力，使得多程膜蛋白能形成跨膜结合位点和亲水性分子通道。这一特性赋予多程膜蛋白显著的功能多样性，也解释了它们为何占膜蛋白的大多数。
某些β桶状结构可形成大型通道
与可多方式排列的α螺旋束不同，β桶状膜蛋白始终以圆柱体形式排列。这是因为所有氢键必须得到满足，暴露边缘的片层结构在能量上在膜环境中处于不利状态。这意味着所有β桶状结构共享相同的整体构型：面向圆柱体外部的氨基酸均为疏水性。相比之下，桶的尺寸及内部组成则高度可变，以适应每种β桶状膜蛋白的功能需求。例如，β桶中的β链数量差异显著，少至8条，多达22条（图10-23）。
图10-21 水通道蛋白中的两段短α螺旋，每段仅跨越脂质双层的一半。在质膜中，四个单体（此处显示其一）形成四聚孔道。每个单体中心具有亲水性孔道，允许水分子单列通过（参见图11-20及视频11.6）。两段着色的短螺旋埋藏在蛋白质相互作用形成的界面中。该通道允许水分子通过的机制将在第11章详细讨论。（PDB代码：1418）
图10-22 多程跨膜蛋白的折叠步骤。跨膜螺旋中的极性和带电氨基酸在脂质双层的疏水环境中能量不稳定。它们埋藏在折叠膜蛋白的空间相邻螺旋界面处。在膜蛋白复合物中，这些接触可发生于不同蛋白质亚基的螺旋间（如第11章讨论的多数离子通道）。由此，多程膜蛋白能提供跨越双层疏水屏障的亲水性路径。
β桶状蛋白在细菌、线粒体和叶绿体的外膜中含量丰富。部分为成孔蛋白，可形成充水通道使特定亲水性小分子跨膜转运。孔蛋白是典型例证（图10-23C）。许多孔蛋白桶由16条反向平行β链卷曲成圆柱结构构成。亲水性氨基酸侧链排列于内部水相通道，疏水性侧链从桶外伸出与脂质双层疏水核心相互作用。多肽链环常突入通道腔使其变窄，从而限制特定溶质通过。因此某些孔蛋白具有高度选择性：如麦芽糖孔蛋白优先允许麦芽糖及其寡聚物穿过大肠杆菌外膜。
FepA蛋白是更复杂的β桶状转运蛋白范例（图10-23D）。它能跨细菌外膜运输铁离子，由22条β链构成，其桶内完全被大型球状结构域填充。铁离子结合该结构域后引发构象变化，实现跨膜转运。
并非所有β桶状蛋白都是转运体。某些形成的小型桶体完全被伸向中心的氨基酸侧链填充。这类蛋白质作为受体或酶发挥作用（图10-23A和B）；桶状结构充当刚性锚定点，将蛋白质固定于膜中，并定向细胞质环以形成胞内特定分子的结合位点。
真核细胞和细菌质膜中的大多数多次跨膜蛋白都由跨膜α螺旋构成。这些螺旋能够相互滑动，使蛋白质发生构象变化，从而开启或关闭离子通道、转运溶质，或将细胞外信号转化为细胞内信号。相比之下，在β桶状蛋白中，氢键将每条β链与其相邻链牢固结合，使得桶壁内部难以发生构象变化。这种刚性使β桶结构异常稳定，因此比α螺旋膜蛋白更易纯化和结晶。这也是β桶状蛋白成为首批确定结构的多重跨膜蛋白的原因之一。
多数膜蛋白存在糖基化修饰
细胞质膜暴露于通常严酷且不断变化的细胞外环境中。如何保护膜及其嵌入蛋白免受损伤？答案之一是许多细胞表面附着有一层寡糖和多糖链，这些糖链连接在面向外部的脂质和蛋白质结构域上。动物细胞中大多数跨膜蛋白都经过糖基化修饰。与糖脂类似，这些糖残基在内质网和高尔基体腔室内添加（将在第12和13章讨论）。因此，寡糖链始终存在于膜的非胞质侧。膜两侧蛋白质（或其部分结构）的另一个重要差异源于胞质溶胶的还原性环境——这种环境降低了膜胞质侧半胱氨酸之间形成链内或链间二硫键(S-S)的可能性。二硫键在非胞质侧形成，可帮助稳定多肽链的折叠结构或与其他多肽链的缔合（图10-24）。
由于大多数质膜蛋白的胞外部分存在糖基化，碳水化合物广泛覆盖于所有真核细胞表面。这些碳水化合物以共价键形式结合于膜蛋白（糖蛋白）和脂质（糖脂）形成寡糖链，同时也作为整合膜蛋白聚糖分子的多糖链存在。蛋白聚糖由共价连接于蛋白核心的长多糖链构成，主要存在于细胞外，作为细胞外基质的组成部分（第19章讨论）。但某些蛋白聚糖的蛋白核心可跨脂双层延伸，或通过糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚定于脂双层。
术语"细胞被"或"糖萼"有时用于描述细胞表面富含碳水化合物的区域。该碳水化合物层可通过多种染色剂（如钌红，图10-25A）以及其与碳水化合物结合蛋白（凝集素）的亲和性进行观察，后者可用荧光染料或其他可见标记物示踪。虽然大部分糖基团连接于内在质膜分子，但糖萼层还包含分泌到胞外空间后吸附于细胞表面的糖蛋白和蛋白聚糖（图10-25B）。这些吸附的大分子中许多是细胞外基质成分，因此质膜与细胞外基质之间的边界常不清晰。糖萼的众多功能之一是通过其润滑特性保护细胞免受机械和化学损伤，同时使其他细胞保持距离，防止不必要的细胞间相互作用。
糖蛋白和糖脂的寡糖侧链在糖分子排列上具有巨大多样性。虽然通常少于15个糖基，但这些链常具分支结构，且糖分子可通过多种共价键连接——这与多肽链中完全通过相同肽键连接的氨基酸截然不同。即使三个糖基也能组合形成数百种不同的三糖。关于糖分子如何形成如此多样结构将在第2章讨论。寡糖在细胞表面的多样性和暴露位置使其特别适合参与特定细胞识别过程。质膜结合的凝集素能识别细胞表面糖脂和糖蛋白上的特定寡糖，介导多种瞬时细胞黏附过程，包括淋巴细胞再循环和炎症反应中的相互作用（见图19-28）。
图10-24 单次跨膜蛋白示意图。注意多肽链以右手α螺旋构象穿过脂质双分子层，且寡糖链和二硫键均位于膜的非胞质侧表面。如图所示，跨膜蛋白内的巯基既可形成链内二硫键，也可与其他蛋白的巯基形成链间二硫键。蛋白胞质结构域中的巯基通常不形成二硫键，因为胞质内的还原环境会维持这些基团处于还原态（-SH）。
图10-25 细胞表面的碳水化合物层。(A) 经钌红染色的淋巴细胞表面电镜图，突显了包裹细胞的富含碳水化合物的厚层结构。(B) 该碳水化合物层由膜糖脂的寡糖侧链、膜糖蛋白及膜蛋白聚糖的多糖链构成。此外，吸附的糖蛋白和蛋白聚糖（未显示）也在多数细胞中贡献于碳水化合物层。注意所有碳水化合物均位于膜的胞外表面。(A图由Audrey M. Gluaert和G.M.W. Cook提供)
膜蛋白可通过去垢剂溶解与纯化
通常，只有破坏疏水作用并解离脂质双分子层的试剂才能以可溶形式释放膜蛋白。对膜生物化学家而言，最实用的是去垢剂——一类结构多变的小型两亲性分子（视频10.4）。去垢剂在水中的溶解度远高于脂质。其极性（亲水）端可带电（离子型），如十二烷基硫酸钠（SDS）；或呈电中性（非离子型），如β-辛基葡萄糖苷和Triton X-100（图10-26A）。低浓度时，去垢剂在溶液中呈单体状态；但当浓度超过临界胶束浓度（CMC）阈值时，它们会聚集成胶束（图10-26B、C、D）。高于CMC后，去垢剂分子在胶束内外快速扩散，使溶液中单体浓度保持恒定（与胶束数量无关）。这种动态行为导致胶束结构持续变化：任一时刻，大部分（非全部）去垢剂分子的亲水端朝向外侧水相，而大部分（非全部）疏水端朝向胶束内部。每种去垢剂的CMC值及胶束平均分子数均为特征性参数，但也受温度、pH和盐浓度影响。因此去垢剂溶液是复杂体系，研究难度较大。
图10-26 去垢剂的结构与功能。(A) 三种常用去垢剂：阴离子型十二烷基硫酸钠（SDS），以及非离子型Triton X-100和β-辛基葡萄糖苷。Triton X-100是化合物混合物，方括号内区域重复9-10次。各去垢剂的疏水部分标为黄色，亲水部分标为橙色。(B) 低浓度时，去垢剂分子在溶液中呈单体状态；浓度超过临界胶束浓度（CMC）后，部分分子形成胶束。注意CMC以上单体浓度保持恒定。(C) 因同时具有极性和非极性端，去垢剂分子呈两亲性；其锥形结构促使其形成胶束而非双分子层（参见图10-7）。胶束被认为具有持续变化的不规则形状。受空间限制，疏水尾部会部分暴露于水中。(D) 空间填充模型展示分子动力学计算预测的20个β-辛基葡萄糖苷分子组成的胶束瞬时状态。头部基团标红，疏水尾部标灰。注意疏水区域呈瞬时暴露状态。(B图改编自G. Gunnarsson等，获美国化学会许可；C图引自S. Bogusz等)
当与膜混合时，去垢剂的疏水端结合膜蛋白疏水区域，取代脂质分子并形成去垢剂分子颈环。由于去垢剂另一端为极性端，这种结合使膜蛋白以去垢剂-蛋白质复合物形式进入溶液（图10-27）。通常部分脂质分子仍与蛋白结合。
强离子型去垢剂（如SDS）可溶解甚至疏水性最强的膜蛋白，使蛋白能通过SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳分析（见第8章）。但此类强去垢剂会破坏蛋白内部疏水核心而使其解折叠（变性），导致蛋白失活且无法用于功能研究。尽管如此，SDS变性蛋白仍易于分离纯化。
图10-27 使用温和非离子型去垢剂溶解膜蛋白。去垢剂破坏脂质双分子层，使蛋白质以蛋白质-脂质-去垢剂复合物的形式进入溶液。膜中的磷脂也被去垢剂溶解，形成脂质-去垢剂胶束。
在某些情况下，去除SDS可使纯化蛋白复性，恢复功能活性。
许多膜蛋白可通过温和去垢剂溶解并以活性形式纯化。这些去垢剂覆盖跨膜区段的疏水区域（这些区域在脂质去除后会暴露），但不会使蛋白质去折叠。尤其在处理多次跨膜蛋白时，通常在去垢剂提取过程中维持薄层脂质对保留蛋白质活性至关重要。若溶解膜蛋白溶液的
图10-28 利用温和非离子型去垢剂溶解、纯化及重建功能性膜蛋白系统。本示例中，功能性Na⁺-K⁺泵分子被纯化并整合到磷脂囊泡中。该泵存在于大多数动物细胞的质膜中，通过ATP水解能量将Na⁺泵出细胞并将K⁺泵入细胞（详见第11章）。重建实验中新添加的磷脂以白色极性头部表示。
图10-29 重建至纳米盘的膜蛋白模型。当从含有多重跨膜蛋白、脂质和高密度脂蛋白（HDL）蛋白亚基的溶液中去除去垢剂时，膜蛋白会嵌入由HDL蛋白质带环绕的小片脂质双分子层中。在此类纳米盘中，双分子层片的疏水边缘被蛋白质带屏蔽，从而使组装体具水溶性。
去垢剂浓度降低时（例如通过稀释），膜蛋白无法保持溶解状态。但当溶液中存在过量磷脂分子时，膜蛋白会自发整合到形成的小脂质体中。通过这种方式，可从纯化组分重建功能性活性膜蛋白系统，为分析膜转运蛋白、离子通道、信号受体等提供强大手段（图10-28）。这种功能性重建可确定特定细胞功能所必需且充分的蛋白质。例如，该方法证实了线粒体、叶绿体和细菌膜中ATP合成酶利用H⁺梯度合成ATP的假说。
膜蛋白也可从去垢剂溶液重建至纳米盘——即被特殊设计蛋白质带环绕的均匀尺寸膜片，该蛋白质带覆盖双分子层的暴露边缘以维持膜片溶解状态（图10-29）。该环状蛋白源自高密度脂蛋白（HDL），其正常功能是维持脂质溶解性以便在血液中运输。在纳米盘中，目标膜蛋白可在天然脂质环境中进行研究，且可从双分子层两侧进行实验操作（例如适用于配体结合实验）。纳米盘中的蛋白质还可通过单颗粒电子显微镜技术分析其结构。通过该技术（第9章讨论），无需目标蛋白形成规则晶格（这对膜蛋白通常难以实现），即可高分辨率解析膜蛋白结构。这些进展使得已知膜蛋白及蛋白质复合物的三维结构数量迅速增加，尽管相比已知水溶性蛋白及复合物结构仍较少。
细菌视紫红质是以七次α螺旋跨脂质双分子层的光驱动质子（H⁺）泵
第11章将探讨多重跨膜蛋白如何介导亲水性小分子跨细胞膜的选择性运输。但要深入理解此类膜转运蛋白的工作机制，需要其在双分子层中三维结构的精确信息。细菌视紫红质是首个被解析结构的膜转运蛋白，并成为许多具有相似结构的多重跨膜蛋白原型。
图10-30 嗜盐古菌中细菌视紫红质构成的紫膜斑块。(A) 这类古菌栖息于暴露于阳光的盐水池中，进化出多种光激活蛋白，包括位于质膜中的光驱动H⁺泵——细菌视紫红质。(B) 紫膜斑块中的细菌视紫红质分子紧密排列成二维晶体阵列。(C) 原子力显微镜显示的分子表面细节，可观察到单个细菌视紫红质分子。(D) C图所示影像中细菌视紫红质单体及各个α螺旋的近似位置示意图。(B-C由Dieter Oesterhelt提供；D图PDB代码：2BRD)
嗜盐古菌的"紫膜"是质膜中专化的斑块区域，仅含单一蛋白质分子——细菌视紫红质（图10-30A）。该蛋白质作为光激活H⁺泵，将H⁺转运出古菌细胞。细菌视紫红质分子能紧密堆积形成平面二维晶体（图10-30B、C、D），这为其三维结构解析提供了便利。
每个细菌视紫红质分子折叠形成七条紧密排列的跨膜α螺旋，并含有一个吸光基团（即发色团，此处为视黄醛），赋予蛋白质紫色特征。视黄醛是醛式维生素A，与脊椎动物视觉感光细胞中视紫红质的发色团相同（详见第15章）。视黄醛通过共价键连接于细菌视紫红质的赖氨酸侧链。当单个光子激活时，受激发色团发生形变，引发蛋白质一系列微小构象变化，最终实现单个H⁺从细胞内转运至细胞外（图10-31A）。强光条件下，每个细菌视紫红质分子每秒可泵送数百个质子。这种光驱动质子跨膜转运建立H⁺梯度，进而驱动细胞质膜中第二种蛋白质合成ATP。储存于
图10-31 细菌视紫红质分子三维结构。（参见影片10.5）(A) 多肽链以α螺旋形式七次穿越脂双层。图中标示视黄醛发色团（紫色）及光激活泵循环中H⁺的可能传递路径（红色箭头）。关键起始步骤是发色团吸收光子后，将H⁺传递至邻近的天冬氨酸85侧链（红色）。随后按序号顺序，通过跨膜路径中的亲水性氨基酸侧链完成其他H⁺传递步骤，使酶恢复初始状态。（影片10.5阐释各传递步骤的分子机制。）色标：谷氨酸（橙色）、天冬氨酸（红色）、精氨酸（蓝色）。(B) 高分辨率晶体结构显示多个脂分子（黄色脂链+红色头部基团）紧密结合于蛋白质表面特定位点。（A图改编自H. Luecke等，《科学》286:255-261, 1999；B图引自H. Luecke等，《分子生物学杂志》291:899-911, 1999。经Elsevier许可转载。）
H⁺梯度的能量还驱动细胞内其他耗能过程。因此，细菌视紫红质将太阳能转化为H⁺梯度，为古菌细胞供能。
细菌视紫红质的高分辨率晶体结构显示，其表面特定位点结合着众多脂分子（图10-31B）。特异性脂质相互作用被认为能稳定多种膜蛋白——当去垢剂提取时保留部分结合脂质，或在蛋白质溶液中回添特定脂质，可使膜蛋白保持最佳活性甚至更易结晶。这类脂质-蛋白质相互作用的特异性解释了真核生物膜为何存在尺寸、形状及电荷各异的多样化脂质头部基团。脂质层还能填补膜蛋白锯齿状疏水表面与脂双层疏水内核间的空隙，维持膜对离子及其他溶质的渗透屏障功能。这些脂质与蛋白质表面呈毫秒级动态结合与解离。可将其视为膜蛋白的二维溶剂，如同水溶液是水溶性蛋白的三维溶剂：部分膜蛋白仅在与特定脂质头部基团共存时发挥功能，正如水溶液中许多酶需特定离子激活。
细菌视紫红质属于一个庞大的膜蛋白超家族成员，这些蛋白质结构相似但功能各异。例如，脊椎动物视网膜视杆细胞中的视紫红质，以及许多结合胞外信号分子的细胞表面受体蛋白，均由七段跨膜α螺旋构成。这些蛋白质的功能是信号转导而非物质运输：每种蛋白通过激活细胞内GTP结合蛋白（G蛋白）来响应胞外信号，因此被称为G蛋白偶联受体（GPCRs），我们将在第15章详述（见图15-6B）。尽管细菌视紫红质与GPCRs的结构惊人相似，但二者无序列同源性，很可能属于远古蛋白质家族中两个进化上相距甚远的分支。另一类相关的膜蛋白——绿藻用于感光的通道视紫红质，在吸收光子时会形成离子通道。通过基因工程使其在动物大脑中表达后，这些蛋白质已成为神经生物学研究的宝贵工具，因其能通过光照特异性激活神经元，详见第11章讨论（图11-47）。
膜蛋白常以大型复合体形式运作
许多膜蛋白作为多组分复合体的一部分发挥作用。细菌光合反应中心便是典型实例，这是首个通过X射线衍射技术结晶并解析的膜蛋白复合体。第14章将阐述此类光合复合体如何捕获光能并用于跨膜泵送H⁺。参与光合作用、质子泵送和电子传递的膜蛋白复合体往往比光合反应中心更为庞大。例如蓝细菌的巨大光系统II复合体包含19个蛋白亚基和逾60段跨膜螺旋（见图14-49）。膜蛋白常组成大型复合体，不仅用于收集各类能量，还能将胞外信号转化为胞内信号（详见第15章）。
多数膜蛋白在膜平面内扩散
与多数膜脂类似，膜蛋白不会在脂双层中翻转（flip-flop）。翻转需亲水结构域穿越疏水膜核心，这在能量上不可行。但如同膜脂，蛋白质能绕垂直于双分子层的轴快速旋转（旋转扩散），并在膜内横向移动（侧向扩散）。一项小鼠细胞与人类细胞人工融合形成杂交细胞（异核体）的实验，首次直接证实某些质膜蛋白可在膜平面移动。实验采用两种荧光标记抗体区分特定的小鼠和人类质膜蛋白：融合初期，两类蛋白分别局限在各自细胞膜区域；约半小时后，两组蛋白扩散并完全混合于整个细胞表面（图10-32）。这种膜蛋白侧向流动性至关重要，使众多细胞信号蛋白能响应胞外配体而动态组装/解离蛋白复合体，从而启停信号功能。
膜蛋白和脂质的侧向扩散速率可通过荧光漂白恢复技术（FRAP）测量。该方法通常用特异性荧光基团标记目标膜蛋白：或用荧光配体（如结合蛋白的荧光标记抗体），或通过重组DNA技术表达与绿色荧光蛋白（GFP，见第9章）融合的蛋白。随后用激光束漂白膜上小区域的荧光基团，并测定携带未漂白配体或GFP的邻近膜蛋白扩散至漂白区域所需时间（图10-33）。根据FRAP数据可估算标记蛋白的扩散系数。不同细胞中各类膜蛋白的扩散系数差异显著，因其受其他蛋白相互作用的阻碍程度各异。对不受阻碍蛋白的测量表明，细胞膜粘度与橄榄油相当。
图10-32 证明小鼠-人杂交细胞质膜蛋白扩散的实验。小鼠细胞与人细胞融合形成杂交细胞后，用两种荧光抗体染色：绿色标记抗体识别小鼠质膜蛋白，红色标记抗体识别人质膜蛋白。融合后立即染色时，两类蛋白仍分别位于原始细胞膜区域；短暂培养后，质膜蛋白扩散至整个细胞表面并完全混合。（引自L.D. Frye与M. Edidin，《细胞科学杂志》7:319-335, 1970。经生物学家公司许可转载。）
图10-33 荧光漂白恢复技术（FRAP）测定膜蛋白侧向扩散。左图：荧光标记分子（红点）均匀分布于膜平面。中图：激光束（蓝圈）漂白小区域内荧光基团。右图：通过监测荧光恢复速度（黄箭头）计算扩散系数。
图10-33 通过光漂白后荧光恢复技术测量膜蛋白的侧向扩散速率。目标蛋白可与绿色荧光蛋白（GFP）融合表达，后者具有天然荧光特性。激光束使小区域内的荧光分子发生漂白。当漂白分子扩散离开而未被漂白的分子扩散进入照射区域时，荧光强度逐渐恢复（此处展示侧视图与俯视图）。根据恢复速率曲线计算扩散系数：膜蛋白扩散系数越大，恢复速度越快（参见图9-20及视频10.6）。
FRAP技术的局限在于它监测的是膜上相对大区域内大量分子的整体运动，无法追踪单个蛋白分子。例如，若某蛋白未能迁移至漂白区域，我们无法判断该分子是真正无法移动，还是因细胞骨架蛋白等限制仅能在膜上极小范围内活动。单粒子追踪技术通过荧光染料标记的抗体或微小金颗粒标记单个膜分子，并利用视频显微技术追踪其运动，从而解决了这一问题。该技术可记录单个膜蛋白分子随时间的扩散路径。所有技术结果均表明，质膜蛋白的扩散特性存在显著差异，下文将展开讨论。
细胞可将蛋白质和脂质限制在膜的特定结构域内
生物膜是二维流体的认知是理解膜结构与功能的重大突破。然而，将膜简单视为所有蛋白质自由漂浮的"脂质海洋"显然过度简化。大多数细胞会将膜蛋白限制在连续脂质双分子层的特定区域。前文已讨论过嗜盐菌紫膜中的细菌视紫红质如何组装成大型二维晶体（见图10-30），其中单个蛋白分子相对固定。线粒体内膜中的ATP合酶复合体则形成长双排结构（第14章将详述，见图14-33），此类大分子聚集体扩散极为缓慢。
在上皮细胞（如肠道或肾小管内壁细胞）中，特定质膜酶和转运蛋白仅存在于细胞顶膜面，而其他蛋白则局限于基底面及侧面（图10-34）。这种膜蛋白的不对称分布对上皮功能至关重要（详见第11章图11-11）。这两个膜结构域的脂质组成也存在差异，表明上皮细胞不仅能限制蛋白质，还能阻止脂质分子在结构域间扩散。特定细胞间连接（称为紧密连接，第19章将讨论，见图19-18）形成的屏障维持了蛋白质与脂质分子的区隔。
细胞无需细胞间连接也能构建膜结构域。前文已提及，膜内受调控的蛋白质相互作用可形成纳米尺度的筏结构域，被认为参与信号传导与膜运输。更极端的例子见于哺乳动物精子细胞——这个单细胞由数个结构和功能迥异的部分构成，表面覆盖着连续的质膜。当观察精子细胞时...
图10-34 膜分子如何被限制在特定结构域。本上皮细胞示意图显示：蛋白A（位于质膜顶端结构域）与蛋白B（位于基底及侧面结构域）可在各自区域内侧向扩散，但至少部分通过紧密连接被阻隔进入对方区域。质膜外层（胞外侧）的脂质分子同样无法在两个结构域间扩散；而内层（胞质侧）脂质则能自由扩散（未显示）。基底层是薄层细胞外基质，分隔上皮组织与其他组织（详见第19章）。
图10-35 豚鼠精子质膜的三个结构域。（A）豚鼠精子示意图。（B-D）每组显微照片中，左侧为相差显微图像，右侧为同个细胞的表面免疫荧光染色。不同单克隆抗体分别标记（B）头部前端、（C）头部后端及（D）尾部的细胞表面分子。（引自D.G. Myles等，《细胞》23:433-439, 1981，经Elsevier许可）
通过使用多种抗体的免疫荧光显微镜观察（每种抗体与特定细胞表面分子反应），发现质膜至少包含三个不同的结构域（图10-35）。部分膜分子可在自身结构域内自由扩散。虽然阻止分子离开结构域的大多数"栅栏"的分子本质尚不清楚，但限制膜蛋白运动的某些分子机制已被阐明。例如，神经细胞的质膜包含包裹胞体和树突的结构域，以及包裹轴突的结构域；在此情况下，肌动蛋白丝束在胞体-轴突连接处与质膜紧密结合，形成部分屏障。
图10-36展示了通过蛋白质相互作用固定特定膜蛋白的四种常见方式。
皮层细胞骨架赋予膜机械强度并限制膜蛋白扩散
如图10-36B和C所示，细胞限制特定膜蛋白侧向流动的常见方式是将其锚定在膜两侧的大分子组装体上。例如，红细胞特征性的双凹形状（图10-37）源于其质膜蛋白与下方细胞骨架的相互作用——该骨架主要由丝状蛋白血影蛋白构成的网状结构组成。血影蛋白是长约100纳米、细长而柔韧的杆状物。作为红细胞细胞骨架的主要成分，它维持着质膜的结构完整性和形状（因细胞无细胞核或其他细胞器，质膜是其唯一膜结构）。血影蛋白细胞骨架通过各种膜蛋白附着于膜上，最终形成覆盖整个细胞膜胞质面的可变形网状结构（图10-38）。这种基于血影蛋白的细胞骨架使红细胞能够承受其通过狭窄毛细血管时膜所受的压力。血影蛋白基因异常的小鼠和人类会出现贫血，其红细胞呈球形（而非双凹形）且易碎；贫血严重程度与血影蛋白缺失程度呈正相关。
人体内大多数其他细胞的质膜下方存在类似但更精密且高度动态的细胞骨架网络。该网络构成细胞皮层，富含肌动蛋白丝，并以多种方式附着于质膜。这种动态...
图10-36 限制特定质膜蛋白侧向流动的四种方式。(A) 蛋白质可自组装成大聚集体（如盐生盐杆菌紫膜中的细菌视紫红质）；(B) 通过细胞外大分子组装体锚定；(C) 通过细胞内大分子组装体锚定；(D) 与另一细胞表面蛋白相互作用。
图10-37 人红细胞扫描电镜图。细胞呈双凹形，无细胞核及其他细胞器（视频10.7）。（由Bernadette Chailley提供。）
图10-38 人红细胞质膜胞质侧的血影蛋白细胞骨架。(A) 示意图结构主要通过体外纯化蛋白相互作用研究推得。血影蛋白异源二聚体（右图放大）通过连接复合体（左图放大）形成网状结构。每个血影蛋白异源二聚体由两条反向平行、松散缠绕的柔性多肽链（称为α链和β链）构成。两条链在多个位点（包括两端）非共价结合。α链和β链主要由重复结构域组成。两个异源二聚体首尾相连形成四聚体。
连接复合体由短肌动蛋白丝（含13个肌动蛋白单体）、蛋白4.1、内收蛋白以及可能决定肌动蛋白丝长度的原肌球蛋白分子组成。细胞骨架通过两种跨膜蛋白锚定于膜：多次跨膜蛋白带3蛋白（band 3）和单次跨膜蛋白血型糖蛋白（glycophorin）。血影蛋白四聚体通过锚蛋白（ankyrin）结合部分带3蛋白，并通过带4.1蛋白结合血型糖蛋白和带3蛋白（未显示）。
(B) 电镜图显示固定负染处理后红细胞膜胞质侧的细胞骨架。血影蛋白网被刻意拉伸以展示结构细节。正常细胞中，该网状结构密度更高，仅占据此区域的约十分之一。（B图由T. Byers和D. Branton提供，引自《美国国家科学院院刊》82:6153-6157, 1985。）
图10-39 皮层细胞骨架丝对质膜蛋白的围栏限制作用。(A) 这些细丝形成扩散屏障，将膜划分为称为"围栏域"的小区域。(B) 通过高速单粒子示踪技术追踪特定荧光标记膜蛋白的运动轨迹。轨迹显示单个蛋白分子在严格界定的膜域内扩散，仅偶尔逃逸至相邻区域（颜色切换标示）。(改编自A. Kusumi等，《生物物理与生物分子结构年度评论》34:351-378, 2005。经Annual Reviews许可使用。)
皮层肌动蛋白网络的重塑为多种关键细胞功能提供驱动力，包括细胞运动、内吞作用，以及第16章将讨论的丝状伪足和片状伪足等瞬时性可移动质膜结构的形成。有核细胞的皮层区域还包含与血影蛋白结构同源的蛋白质及红细胞细胞骨架的其他组分。关于有核细胞的皮层细胞骨架及其与质膜的相互作用将在第16章详述。
皮层细胞骨架网络不仅限制直接锚定其上的质膜蛋白扩散。由于细胞骨架细丝常紧密贴附于质膜胞质面，它们可形成机械屏障阻碍膜蛋白自由扩散。这些屏障将膜分隔成小型区域（即围栏域，图10-39A），其性质可为永久性（如精子细胞，参见图10-35）或暂时性。通过高速单粒子示踪技术追踪单个膜蛋白扩散时，可检测到这些屏障的存在：蛋白质在单个围栏域内快速扩散（图10-39B），但偶尔热运动会使少量皮层细丝暂时脱离膜结构，使蛋白得以进入相邻围栏域。
跨膜蛋白在围栏域内的受限程度取决于其与其他蛋白的结合状态及胞质结构域大小：具有大胞质结构域的蛋白更难穿越细胞骨架屏障。例如当细胞表面受体结合胞外信号分子时，其胞质域会形成大型蛋白复合物，阻碍受体逃出围栏域。这种围栏限制被认为有助于富集信号传导复合物，从而提升信号传导过程的速度与效率（详见第15章）。
膜弯曲蛋白介导脂双层变形
细胞膜呈现多种复杂形态，如真核细胞表面突起和膜包被细胞器的多样化结构。扁平片层、狭窄管状结构、圆形囊泡、多孔片层及囊腔等形态均属于此范畴。同一连续脂双层的不同区域常存在形态差异。细胞膜形态受动态调控，因为囊泡出芽、细胞运动和细胞分裂等关键过程均需瞬时性复杂膜变形。如第13和16章所述，细胞骨架或胞外结构施加的动态推拉力常影响膜形态。产生这些变形的核心要素是控制局部膜曲率的膜弯曲蛋白，其常与细胞骨架动力学协同作用。膜弯曲蛋白按需附着于特定膜区域，通过三种主要机制发挥作用（图10-40）：
- 部分蛋白将疏水性结构域或脂质锚插入脂双层单侧叶。单侧叶面积增加导致膜弯曲（图10-40B）。塑造内质网狭窄管状网络的蛋白即采用此机制（详见第12章）。
- 部分膜弯曲蛋白形成刚性支架使膜变形或稳定已弯曲膜（图10-40C）。胞内运输中塑造出芽囊泡的包被蛋白属于此类（详见第13章）。
- 锥形与反锥形脂质分子在膜叶内外侧的不对称分布可引发膜弯曲。部分膜弯曲蛋白促使特定膜脂聚集，从而诱导膜曲率。脂质诱导正向或负向膜曲率的能力取决于其头部基团与烃链的相对横截面积。例如磷酸肌醇脂质的大头部基团形成楔形结构，其在脂双层单侧叶特定区域的富集可诱导正向曲率（图10-40D）。反之，移除脂质头基的磷脂酶产生反向楔形脂分子诱导负向曲率。
如第13章所述，塑造出芽运输囊泡等过程中，不同膜弯曲蛋白常协同作用以实现特定曲率。
Summary
虽然脂质双层决定了生物膜的基本结构，但蛋白质负责了膜的大部分功能，充当特定受体、酶、转运蛋白等。跨膜蛋白贯穿整个脂质双层。其中部分膜蛋白为单次穿膜蛋白，其多肽链以单个α螺旋形式跨越双层；另一些为多次穿膜蛋白，多肽链多次跨越双层——或以一系列α螺旋形式，或以卷曲成桶状的β折叠片形式。所有负责转运离子及其他水溶性小分子穿过膜的蛋白质均为多次穿膜蛋白。部分膜蛋白并不跨越双层，而是附着于膜的两侧：有些通过蛋白质表面的两亲性α螺旋或共价连接的一个或多个脂质链附着于胞质侧，另一些则通过GPI锚定附着于非胞质侧。部分膜相关蛋白通过与非跨膜蛋白的非共价相互作用结合。在所有真核细胞的质膜中，暴露于细胞表面的大部分蛋白质及外层脂质单分子层中的部分脂质分子都共价连接着寡糖链。与双层中的脂质分子类似，许多膜蛋白能在膜平面内快速扩散。然而，细胞具有固定特定膜蛋白的方法，并能将膜蛋白与脂质分子限制在连续脂质双层的特定结构域中。膜弯曲蛋白的动态结合赋予了膜特有的三维形态。
图10-40 膜弯曲蛋白塑造膜结构的三种方式。脂质双层为灰色，蛋白质为绿色。(A)未结合蛋白质的双层结构。(B)蛋白质的疏水区域可楔入单层中作为撬棒撑开脂质头部基团。此类区域可为图示的两亲性螺旋或疏水性发夹结构。(C)蛋白质的曲面可结合脂质头部基团并使膜变形或稳定其曲率。(D)蛋白质可结合并聚集具有大头部基团的脂质，从而使膜弯曲。（改编自W.A. Prinz与J.E. Hinshaw, Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. 44:278-291, 2009。）
习题
判断正误，解释原因。
10-1 据估计，动物基因组中编码的蛋白质约30%是膜蛋白，这些蛋白质对细胞功能及其与环境的相互作用至关重要。
10-2 所有常见磷脂——磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和鞘磷脂——其头部基团均携带带正电基团，但都不具有净正电荷。
10-3 虽然磷脂分子可以在双层平面内自由扩散，但它们无法在双层之间翻转，除非膜中存在称为磷脂转位酶的酶催化剂。
10-4 质膜中的所有糖类均朝外位于细胞外表面，而所有内膜上的糖类均朝向胞质溶胶。
10-5 尽管具有不同蛋白质组成的膜结构域已被广泛认知，但目前尚未发现脂质组成存在差异的膜结构域实例。
讨论下列问题。
10-6 当脂双层撕裂时，为何不会如图Q10-1所示形成"半胶束"帽状结构来自行密封边缘？
图Q10-1 假设用"半胶束"帽密封的撕裂脂双层（问题10-6）
10-7 下列哪种变化在水溶液中是能量有利且自发发生的？
A. 膜囊泡转变为扁平双层 B. 单个油滴分散成多个小油滴 C. 磷脂分子形成双层结构 D. 磷脂双层中出现长裂缝
10-8 疏水性溶质被认为"迫使邻近水分子重组为冰笼状结构"（图Q10-2）。这看似矛盾：水分子不与疏水溶质相互作用，却似乎能"感知"疏水溶质的存在并改变自身行为以不同方式相互影响。为何这种冰笼结构相对于纯水在能量上不利？
A. 冰笼结构使水温升高 B. 冰笼结构比纯水更无序 C. 冰笼结构不稳定且易分解 D. 冰笼结构降低系统熵值
图Q10-2 疏水溶质周围水分子形成的冰笼结构（问题10-8）
10-9 人造黄油通过化学工艺从植物油制成。你认为该工艺是将饱和脂肪酸转化为不饱和脂肪酸，还是相反过程？解释你的答案。
10-10 若脂筏直径通常为70纳米，且每个脂分子直径为0.5纳米，则完全由脂质组成的脂筏约含多少脂分子？
10-11 下列脂质锚定物中，哪个不用于将胞内蛋白锚定至膜上？
A. 法尼基锚 B. GPI锚 C. 豆蔻酰锚 D. 棕榈酰锚
10-12 单体单次跨膜蛋白通过单个α螺旋跨越膜，该螺旋在双层区域具有特定化学性质。以下三个19氨基酸序列中，哪个最可能是此类跨膜区段？解释选择理由。（书末附单字母氨基酸代码；FAMILY VW是疏水性氨基酸的实用助记符）
A. I T E I Y F G R M A G V I G T D L I S B. I T L I Y F G V M A G V I G T I L I S C. I T P I Y F G P M A G V I G T P L I S
10-13 你正在研究蛋白质与培养神经母细胞瘤细胞质膜胞质面的结合，并发现一种能高效获取质膜内翻外囊泡的方法。但制备物中混杂了不定量的右翻外囊泡。尝试多种方法仍未解决。友人建议将囊泡通过凝集素偶联固相珠的亲和层析柱。该建议的核心目的是什么？
10-14 血型糖蛋白作为红血球质膜中的蛋白质，通常以同源二聚体存在，其结合完全依赖跨膜结构域间的相互作用。既然跨膜域具有疏水性，它们如何实现特异性结合？
10-15 图Q10-3A、B、C展示了膜结合蛋白弯曲膜的三种机制。如图所示，这些胞质膜弯曲蛋白均会诱导质膜内陷。类似胞质蛋白能否诱导质膜凸起（图Q10-3D）？哪些可以？解释其作用机制。
图Q10-3 胞质蛋白引起的质膜弯曲（问题10-15）。(A) 蛋白质"手指"插入膜胞质小叶 (B) 脂质与膜结合蛋白曲面的结合 (C) 膜蛋白与大头基脂质的结合 (D) 显示凸起的质膜区段
膜的小分子转运与电学特性
由于其疏水性内核，细胞膜的脂质双层限制了大多数极性分子的通过。这种屏障功能使细胞能够维持胞质溶胶中的溶质浓度，使其有别于细胞外液以及每个膜包被的胞内区室中的浓度。然而，为了利用这一屏障，细胞必须进化出转移特定水溶性分子和离子穿过其膜的方法，以摄取必需营养物质、排泄代谢废物并调节细胞内离子浓度。细胞利用特化的膜转运蛋白来实现这一目标。此类小分子转运的重要性体现在所有生物体中大量编码跨膜转运蛋白的基因上，这些蛋白占所有细胞膜蛋白的15%~30%。某些哺乳动物细胞（如神经细胞和肾细胞）将其总代谢能量消耗的三分之二用于此类转运过程。
细胞也能转运大分子甚至大颗粒（如细胞碎片、病毒和细菌）穿过其膜，但大多数此类情况涉及的机制不同于小分子转运，将在第12章和第13章讨论。
本章首先阐述水溶性小分子穿越细胞膜的一些基本原理。接着依次介绍介导此类跨膜运输的两类主要膜蛋白：转运蛋白（通过连续的构象变化来转运特定小分子穿过膜）和通道蛋白（形成狭窄孔道，允许水和小分子无机离子被动跨膜移动）。转运蛋白可与能量源偶联以催化主动运输，结合选择性被动渗透性，共同造成胞质溶胶成分与细胞外液（表11-1）或膜包被细胞器内液体成分的巨大差异。通过在脂质双层两侧产生无机离子浓度差，细胞膜能以电化学梯度的形式储存势能，这些梯度驱动各种转运过程，在电兴奋细胞中传递电信号，并（在线粒体、叶绿体和细菌中）被用于合成细胞大部分ATP。我们主要讨论质膜上的转运，但类似机制也存在于真核细胞的其他膜结构中，后续章节将作探讨。
本章最后部分重点讨论神经元（神经细胞）中离子通道的功能。在这些细胞中，通道蛋白展现出最精密的调控水平，使神经元网络能够执行大脑所具备的一切惊人功能。
膜转运原理
本节首先描述人工膜（仅由脂质构成、不含蛋白质的合成脂质双层）的渗透特性。随后介绍描述各种膜转运形式的术语，以及表征相关蛋白与过程的策略。
第十一章
本章内容
膜转运原理
转运蛋白与主动膜转运
通道蛋白与膜的电学特性
表 11-1 典型哺乳动物细胞内外的无机离子浓度比较*
*细胞必须包含等量的正负电荷（即保持电中性）。因此，除 Cl⁻ 外，细胞还含有许多本表未列出的阴离子；事实上，大多数细胞成分为带负电荷物质（HCO₃⁻、PO₄³⁻、核酸、携带磷酸基和羧基的代谢物等）。表中 Ca²⁺ 和 Mg²⁺ 浓度为游离离子浓度：尽管细胞内总 Mg²⁺ 约 20 mM，总 Ca²⁺ 约 1-2 mM，但这些离子大多与其他物质结合（如蛋白质、游离核苷酸、RNA 等），且 Ca²⁺ 主要储存于多种细胞器（如内质网和线粒体）中。
无蛋白质脂质双分子层对离子不通透
给予足够时间，几乎所有分子都能顺着浓度梯度扩散通过无蛋白质脂质双分子层。但扩散速率差异极大，部分取决于分子大小，主要取决于其相对疏水性（在油中的溶解度）。通常，分子越小且疏水性（非极性）越强，越容易扩散通过脂质双分子层。O₂ 和 CO₂ 等小型非极性分子易溶于脂质双分子层，因此能快速扩散通过。水或尿素等不带电的小型极性分子也能扩散通过双分子层，但速度慢得多（图 11-1，另见影片 10.3）。相比之下，脂质双分子层对带电分子（离子）基本不通透（无论多小）：这些分子的电荷和高水合度阻碍其进入双分子层的烃相（图 11-2）。
膜转运蛋白的两大类型：转运蛋白与通道蛋白
与人工脂质双分子层类似，细胞膜允许小分子非极性物质通过扩散渗透。但细胞膜还需允许各种极性分子（如离子、糖类、氨基酸、核苷酸、水及多种细胞代谢物）通过——这些物质通过人工脂质双分子层的速度极慢。特异的膜转运蛋白负责将这些溶质转运过细胞膜。这些蛋白质形态多样，存在于所有生物膜中。每种蛋白通常仅转运特定分子种类，有时转运一类分子（如离子、糖类或氨基酸）。早期研究发现，单基因突变的细菌无法将特定糖类转运过质膜，由此证实了膜转运蛋白的特异性。现已知，携带类似突变的人类患多种遗传病，阻碍肾脏、肠道或其他细胞类型对特定溶质或溶质类别的转运。例如，遗传性胱氨酸尿症患者无法将某些氨基酸（包括胱氨酸——半胱氨酸的二硫键连接二聚体）从尿液或肠道转运至血液，导致尿液中胱氨酸积聚形成肾结石。
图 11-1 人工脂质双分子层对不同类别分子的相对通透性。分子越小（更重要的是与水结合力越弱），通过双分子层的扩散速率越快。
所有经详细研究的膜转运蛋白均为多次跨膜蛋白，即其多肽链需两次或多次穿越脂质双分子层。通过形成贯穿膜的蛋白衬里通路，这些蛋白使特定亲水性溶质无需直接接触脂质双分子层的疏水内部即可跨膜。
转运蛋白（transporter）和通道蛋白（channel）是膜转运蛋白的两大主要类别（图 11-3）。转运蛋白（有时称为载体或通透酶）结合待转运的特异溶质，经历一系列构象变化，交替暴露膜两侧的溶质结合位点，从而实现溶质跨膜转运。相比之下，通道蛋白与待转运溶质的相互作用更为短暂。通道通过构象变化打开时，形成贯穿脂质双分子层的连续孔道。这些孔道允许特定溶质（如尺寸与电荷匹配的无机离子，某些情况下还包括水、甘油和氨等小分子）通过，进而穿越细胞膜。由于通道开启后无需逐步构象变化，其转运速率远高于转运蛋白介导的转运。尽管水能缓慢扩散通过人工脂质双分子层，但细胞利用专用通道蛋白（称为水通道或水孔蛋白）大幅提高膜对水的通透性（后文将详述）。
主动运输由偶联能量源的转运蛋白介导
所有通道和一些转运蛋白仅允许溶质被动地跨膜（“下坡”），这一过程称为被动运输。对于单个不带电荷分子的运输，膜两侧的浓度差异——即浓度梯度——驱动被动运输并决定其方向（图 11-4A）。然而，如果溶质带有净电荷，其浓度梯度和跨膜电位差（即膜电位）都会影响其运输。浓度梯度和电化学梯度结合形成净驱动力，即电化学梯度，用于每个带电溶质（图 11-4B）。我们稍后及在第 14 章将更详细讨论电化学梯度。事实上，几乎所有质膜都具有跨膜电位差（即电压），内侧通常相对于外侧为负值。这种电位有利于带正电荷的离子进入细胞，但阻碍带负电荷的离子进入（参见图 11-4B）；它也阻碍带正电荷离子的外流。
图 11-2 各种分子通过合成的、无蛋白质脂质双层的渗透系数。溶质跨双层的流速与膜两侧浓度差成正比。将此浓度差（单位为 mol/cm^3）乘以渗透系数（单位为 cm/sec）——每个溶质的实验测定特征常数——得到溶质流量，单位为摩尔每秒每平方厘米的双层膜。例如，色氨酸浓度差为 10^{-4} mol/cm3（10{-4} mol/10^{-3} L = 0.1 M），会导致流量为 10^{-4} mol/cm^3 × 10^{-7} cm/sec = 10^{-11} mol/sec 通过 1 cm^2 的双层膜，或 6 × 10^4 分子/秒通过 1 μm^2 的双层膜。 图 11-3 转运蛋白与通道蛋白。（A）转运蛋白在两种构象间交替变化，使其溶质结合位点依次在双层一侧可及，然后在另一侧。（B）相比之下，通道蛋白形成跨双层的孔道，特定溶质可通过该孔道被动扩散。
图 11-4 膜运输的不同形式及膜的影响。（A）沿浓度梯度（或电化学梯度——见面板 B）的被动运输通过扩散自发发生，可直接通过脂质双层或通过通道或被动转运蛋白实现。相比之下，主动运输涉及溶质逆其浓度或电化学梯度移动，因此需要代谢能量输入。（B）带电溶质（离子）的电化学梯度影响其运输。该梯度（绿色）结合了膜电位和溶质浓度梯度。电化学梯度和化学梯度可叠加作用以增加跨膜离子的驱动力（中间），或相互对抗（右侧）。
除被动运输外，细胞还需要能主动泵送某些溶质“上坡”跨膜，逆其电化学梯度。此类主动运输由转运蛋白介导，其泵送活动具有方向性，因为它与代谢能源（如离子梯度或 ATP 水解）紧密耦合，稍后将讨论。转运蛋白介导的小分子跨膜移动可以是主动或被动，而通道介导的移动总是被动（参见图 11-4A）。
总结
脂质双层对大多数极性分子几乎不可渗透。为将小分子水溶性物质输入或输出细胞或细胞内膜包围的区室，细胞膜含有多种膜运输蛋白，每种负责转移特定溶质或溶质类别跨膜。膜运输蛋白有两种类型——转运蛋白和通道蛋白。两者均形成跨脂质双层的蛋白质通路。转运蛋白介导的跨膜移动可以是主动或被动，而通过通道蛋白的溶质流总是被动。离子跨膜运输受离子浓度梯度和膜电位影响；即其电化学梯度。
转运蛋白与主动膜运输
转运蛋白转移溶质分子跨脂质双层的过程类似于酶-底物反应，且转运蛋白在许多方面行为类似酶。然而，与普通酶-底物反应不同，转运蛋白不修饰被运输溶质，而是将其原样递送至膜另一侧。
图11-5 转运蛋白构象变化介导溶质被动运输的模型。转运蛋白呈现三种构象状态：外向开放态时溶质结合位点暴露于外侧；封闭态时结合位点双侧不可及；内向开放态时位点暴露于内侧。状态间随机转换，过程完全可逆且与溶质结合位点是否被占据无关。因此，若双层膜外侧溶质浓度较高，则外向开放构象的转运蛋白结合溶质量多于内向开放构象，从而实现溶质顺浓度梯度（若为离子则顺电化学梯度）的净运输。
每种转运蛋白具有一个或多个特异性溶质（底物）结合位点。它通过可逆构象变化交替暴露溶质结合位点——先朝向膜一侧再转向另一侧（但永不双侧同时暴露），从而实现溶质跨脂双层的转移。构象转换需经历中间态，此时溶质从膜双侧均不可及（即封闭态）（图11-5）。当转运蛋白饱和（即所有溶质结合位点均被占据）时，运输速率达到最大值。该速率称为V_max（V代表速率），是特定载体的特征参数。V_max反映载体构象状态翻转的最大速率。此外，每种转运蛋白对溶质具有特征性亲和力，体现为反应的K_m值——即运输速率达最大值一半时的溶质浓度（图11-6）。与酶类似，溶质结合可被竞争性抑制剂（竞争相同结合位点，可能被运输也可能不被运输）或非竞争性抑制剂（结合其他位点改变转运蛋白结构）阻断。
稍后讨论可知，从概念上只需对图11-5机制进行较小调整，即可将转运蛋白与能源偶联，从而逆电化学梯度泵送溶质。细胞主要通过三种方式实现此类主动运输（图11-7）：
- 偶联转运蛋白利用浓度梯度储存的能量，将一种溶质的逆浓度梯度运输与另一种溶质的顺浓度梯度运输相偶联。
- ATP驱动泵将逆浓度梯度运输与ATP水解相偶联。
- 光驱动或氧化还原驱动泵存在于细菌、古菌、线粒体和叶绿体中，将逆浓度梯度运输与光能输入（如细菌视紫红质和光系统II，分别在第10章和第14章讨论）或氧化还原反应（如细胞色素c氧化酶，第14章讨论）相偶联。
氨基酸序列和三维结构比较表明，介导主动运输与被动运输的转运蛋白常具有高度结构相似性。例如，某些细菌转运蛋白利用质膜H⁺梯度储存的能量驱动多种糖类的主动摄取，其结构与介导葡萄糖被动运输进入动物细胞的转运蛋白相似。由此可见，各类转运蛋白存在明确的进化上的亲缘关系。鉴于细胞跨膜运输小分子代谢物的基本需求，转运蛋白超家族庞大而古老实属必然。
我们首先讨论由离子浓度梯度驱动的一类偶联转运蛋白，由此展开对主动膜运输的探讨。这类蛋白质在所有细胞的小分子代谢物跨膜运输中至关重要。随后将讨论ATP驱动泵，包括存在于大多数动物细胞质膜的Na⁺-K⁺泵。第三类主动运输（光驱动或氧化还原驱动泵）的实例将在第14章阐述。
图11-6 简单扩散与转运蛋白介导扩散的动力学比较。简单扩散和通道介导运输的速率与溶质浓度成正比（受限于总表面积或可用通道总量），而转运蛋白介导扩散的速率在转运蛋白饱和时趋近最大值（V_max）。运输速率达最大值一半时的溶质浓度称为其K_m，类似于酶对底物的K_m。需注意，图示曲线形态仅供参考，Y轴绝对尺度差异显著：典型通道每秒转运水或离子高达108个，而典型转运蛋白每秒仅移动102至10^4个溶质分子。
图11-7 驱动主动运输的三种方式。主动运输的分子标记为橙色，能量源标记为红色。氧化还原驱动的主动运输在第14章讨论（见图14-18和14-19）。
离子浓度梯度可驱动主动运输
某些转运蛋白仅促进单一溶质被动跨膜运输，其速率由V_{\mathrm{max}}（最大速率）和K_{\mathrm{m}}（米氏常数）决定，这类蛋白称为单向转运体。另一些则作为偶联转运体发挥作用，其中一种溶质的转运严格依赖于第二种溶质的运输。偶联运输包含两种形式：由同向转运体（亦称协同转运体）介导的第二种溶质同向紧密偶联转运，或由反向转运体（亦称交换体）介导的第二种溶质反向转运（图11-8）。
两种溶质转运的紧密偶联使偶联转运体能利用一种溶质（通常是无机离子）电化学梯度中储存的能量来运输另一种溶质。当无机离子或\mathrm{H}^{+}顺电化学梯度移动时释放的自由能，被用作驱动其他溶质逆电化学梯度上坡运输的动力。该机制可通过两种方向实现：部分偶联转运体以同向转运体运作，另一些则以反向转运体运作。动物细胞质膜中，\mathrm{Na}^{+}通常是协同转运离子，因其电化学梯度能为第二种分子的主动运输提供强大驱动力。这类离子驱动的偶联转运体被称为介导次级主动运输。偶联运输中进入细胞的\mathrm{Na}^{+}随后被质膜上的ATP驱动型\mathrm{Na}^{+}-\mathrm{K}^{+}泵排出（后文将讨论），该泵通过\mathrm{K}^{+}与\mathrm{Na}^{+}交换维持\mathrm{Na}^{+}梯度，间接驱动偶联运输。因此，这类ATP驱动泵被称为介导初级主动运输——它们直接利用ATP水解的自由能驱动溶质逆电化学梯度运输。梯度中储存的能量继而用于次级主动运输过程。
肠上皮细胞与肾上皮细胞含有多种由跨膜\mathrm{Na}^{+}梯度驱动的同向转运体。每个\mathrm{Na}^{+}驱动型
图11-8 本示意图展示单向转运体、同向转运体与反向转运体的功能（视频11.1）。
图11-9 \mathtt{Na}^+梯度驱动的葡萄糖转运机制。如图11-5模型所示，转运体通过封闭中间态在内向开放与外向开放状态间转换。\mathtt{Na}^+与葡萄糖的结合具有协同性：任一溶质的结合均增强蛋白对另一溶质的亲和力。因胞外\mathtt{Na}^+浓度远高于胞质，葡萄糖更易结合于外向构象的转运体。仅当\mathtt{Na}^+与葡萄糖同时结合时才会向封闭态转换；二者在溶质结合位点的精确相互作用轻微稳定封闭态，使该转换在能量上更有利。正常能量引发的随机波动使转运体随机进入内向或外向开放构象。若向外开放则进程无效需重新开始；而每当向内开放时，\mathtt{Na}^+在低\mathtt{Na}^+浓度的胞质环境中迅速解离。因两溶质结合的协同性，\mathtt{Na}^+解离同样促进葡萄糖解离。最终实现\mathtt{Na}^+与葡萄糖的净内运。因单一溶质结合时不形成封闭态，转运体仅在完全结合或完全空载时转换构象，从而确保\mathtt{Na}^+与葡萄糖转运的严格偶联。
同向转运体专一运输特定小类相关糖或氨基酸进入细胞。由于\mathtt{Na}^+倾向于顺电化学梯度进入细胞，糖或氨基酸在某种意义上被"拖拽"入胞。\mathtt{Na}^+的电化学梯度越大，入胞溶质越多（图11-9）。神经递质（由神经细胞释放用于突触信号传递）释放后会被\mathtt{Na}^+同向转运体重摄取，此举既终止其对突触后细胞的信号传递，又实现递质循环利用。这些神经递质转运体是重要药物靶点：兴奋剂（如可卡因）和抗抑郁药通过抑制转运体来延长神经递质信号作用（因其清除效率降低）。
质膜转运蛋白调控胞质pH值
尽管种类繁多，转运蛋白仍具有可解释其功能机制与进化历程的共同结构特征。转运蛋白通常由10个或更多跨膜α螺旋束构成。溶质与离子结合位点位于膜中部，此处部分螺旋发生断裂或扭曲，氨基酸侧链与多肽主链原子共同形成离子及溶质结合位点。在内向开放构象和外向开放构象中，这些结合位点通过通道仅可从膜单侧接触。在两种构象切换时，转运蛋白短暂形成封闭构象，此时两侧通道均关闭；这能防止驱动离子与被转运溶质单独跨膜扩散，避免无谓消耗细胞能量储备。由于仅当两类结合位点均被相应配体占据时转运蛋白才会改变构象，从而确保离子与溶质转运的紧密耦合。
与酶类似，若通过实验适当调整离子与溶质梯度，转运蛋白可逆向工作。这种化学对称性反映在其物理结构中。蛋白质结构分析表明，许多转运蛋白由反向重复结构单元构成：螺旋束中一半跨膜α螺旋的排布方式与另一半结构相似，但两部分在膜中呈相互倒置关系。因此转运蛋白被称为伪对称蛋白，其
图11-10 转运蛋白由反向重复结构单元构建。(A) LeuT（一种与人类神经递质转运蛋白如5-羟色胺转运蛋白相关的细菌Na+/亮氨酸同向转运蛋白）结构示意图。转运蛋白核心由两个螺旋束构成（蓝色与黄色），每个螺旋束含六段α螺旋。浅灰色螺旋为保守核心结构之外的附加元件，在不同家族成员中存在差异，推测其发挥特定转运蛋白的调控功能。(B) 两个核心螺旋束具有相似排布方式，但第二束相对于第一束呈倒置状态（以两只右手示意，断裂螺旋对应拇指位置）。转运蛋白的结构伪对称性反映其功能对称性：根据离子梯度方向，转运蛋白可实现双向工作。(A图PDB编码：3F3E)
在膜两侧启闭的通道具有高度相似的几何构型，使位于中心的离子与溶质结合位点能交替开放（图11-10）。据推测，这两部分结构由较小祖先蛋白经基因复制进化而来。
其他重要膜转运蛋白类型同样由反向重复结构构建，甚至包括通道蛋白，如后文将讨论的水通道蛋白（aquaporin），以及新生多肽进入内质网所通过的Sec61通道（参见第12章）。这些通道被认为由偶联转运蛋白进化而来，其门控功能丧失后，可同时向膜两侧开放形成跨膜连续通道。
在细菌、酵母、植物及动物细胞膜包被细胞器中，运动驱动型主动转运系统主要依赖H+梯度而非Na+梯度，这反映了H+泵在这些膜系统中的主导地位。例如，跨越细菌质膜的电化学H+梯度可驱动多种糖类与氨基酸的内向主动转运。
质膜转运蛋白调控胞质pH值
多数蛋白质在特定pH环境下发挥最佳功能。例如溶酶体酶在低pH环境（约5）中活性最高，而胞质酶则在近中性pH环境（约7.2）中表现最优。因此细胞精确调控胞内区室pH至关重要。
大多数细胞的质膜中含有一种或多种钠离子驱动的反向转运体，用于维持胞质pH值在7.2左右。这些转运体利用钠离子梯度中储存的能量泵出过量氢离子——这些氢离子或因渗漏进入细胞，或因产酸反应在胞内生成。其作用机制分为两类：直接转运氢离子出细胞，或引入碳酸氢根离子中和胞质内氢离子（反应式为HCO₃⁻ + H⁺ → H₂O + CO₂）。采用第一种机制的是钠氢交换体（Na⁺-H⁺ exchanger），其通过钠离子内流驱动氢离子外排。另一种结合双机制的钠离子驱动氯-碳酸氢根交换体（Na⁺-driven Cl⁻-HCO₃⁻ exchanger），则通过钠离子与碳酸氢根内流驱动氯离子与氢离子外排（即NaHCO₃进入而HCl排出）。这种氯-碳酸氢根交换体的效率是钠氢交换体的两倍：每进入一个钠离子，既能泵出一个氢离子又可中和另一个氢离子。当碳酸氢根充足时（通常如此），该反向转运体成为调控胞质pH的关键转运蛋白。两种交换体均受胞内pH调节：胞质pH下降时，二者均能感知变化并增强活性。
钠离子非依赖型氯-碳酸氢根交换体（Na⁺-independent Cl⁻-HCO₃⁻ exchanger）则以反向机制调节胞质pH。与钠离子依赖型转运体类似，其活性也受pH调控，但仅在胞质过度碱化时增强活性。此时碳酸氢根通常顺电化学梯度运出细胞，从而降低胞质pH。红细胞膜中的钠离子非依赖型氯-碳酸氢根交换体（即带3蛋白，见图10-38）在红细胞流经肺部毛细血管时，能加速二氧化碳（以HCO₃⁻形式）的释放。
胞内pH的调控不仅依赖质膜转运体：ATP驱动的氢泵还负责调节多种胞内区室的pH。如第13章所述，氢泵维持着溶酶体、内体及分泌囊泡的低pH环境。这些氢泵利用ATP水解产生的能量，将氢离子从胞质泵入酸性细胞器。利用氢离子电化学梯度驱动胞内运输的优势在于其可快速耗散与再生，从而更灵活地启停转运反应。要在质膜处建立与钠离子梯度能量相当的氢离子电化学梯度，所需移动的氢离子数量远少于钠离子。这是因为氢离子浓度（pH7时为0.1μM）比钠钾离子浓度（约100mM）低数个数量级。
上皮细胞转运蛋白的不对称分布构成溶质跨细胞转运基础
上皮细胞（如肠道营养吸收细胞）的顶膜与基底侧膜不均匀分布着转运蛋白，共同介导吸收溶质的跨细胞运输。通过这些转运蛋白的作用，溶质穿越上皮细胞层进入组织液，继而进入血液。如图11-11所示：位于质膜顶域（吸收区）的钠离子偶联同向转运体将营养物质主动运入细胞，形成跨膜浓度梯度；基底与侧膜域（基底侧域）中的单向转运体则让营养物质顺浓度梯度被动运出细胞，进入血流供全身利用。
图11-11 跨细胞运输。葡萄糖穿过肠上皮细胞的跨细胞运输依赖于细胞质膜中转运蛋白的非均匀分布。此过程实现葡萄糖从肠腔向细胞外液的转运（随后进入血液）。葡萄糖通过膜顶端区域的 Na⁺驱动葡萄糖同向转运体（见图11-9）被泵入细胞。葡萄糖依靠浓度梯度差，通过基底和侧膜区域的葡萄糖单向转运体被动运出细胞。驱动葡萄糖同向转运的 Na⁺梯度由基底和侧膜区域的 Na⁺-K⁺泵维持，该泵保持细胞内低Na⁺浓度（电影11.2）。相邻细胞间由不可渗透的紧密连接相连，其在图示运输过程中具有双重功能：防止溶质在细胞间穿过上皮层，使葡萄糖浓度梯度得以在整个细胞层维持（见图19-19）；同时作为质膜内的扩散屏障（栅栏），协助将各类转运体限定在相应膜区域（见图10-34）。（显微照片由Dennis Kunkel/Science Source提供）
在许多这些上皮细胞中，质膜面积通过形成数千个微绒毛而大大增加，这些微绒毛从每个细胞的顶面延伸为细小的指状突起。这种微绒毛可以将细胞的总吸收面积增加多达25倍，从而增强其运输能力。
正如我们所看到的，离子梯度在驱动细胞中许多基本运输过程中起着关键作用。利用ATP水解能量的离子泵建立并维持这些梯度，我们接下来讨论。
ATP驱动的泵有三种类型
ATP驱动的泵通常被称为运输ATP酶，因为它们将ATP水解为ADP和磷酸，并利用释放的能量将离子或其他溶质泵过膜。ATP驱动的泵主要有三种类型（图11-12），每种类型在所有原核和真核细胞中都有代表。
- P型泵是结构和功能相关的多跨膜蛋白。它们被称为“P型”是因为在泵循环中它们自磷酸化。此类包括许多负责建立和维持跨细胞膜的Na⁺、K⁺、H⁺和Ca²⁺梯度的离子泵。
- ABC转运蛋白（ATP结合盒转运蛋白）在结构上与P型ATP酶不同，主要泵送小有机分子跨细胞膜。
- V型泵是由多个不同亚基构建的涡轮状蛋白质机器。V型质子泵将H⁺转运入细胞器，如溶酶体、突触囊泡和植物或酵母液泡（V = 液泡），以酸化这些细胞器的内部（见图13-46和13-47）。
与V型泵结构相关的是F型ATP酶的一个独特亚类，通常称为ATP合成酶，因为它们通常以反向工作：不是使用ATP水解驱动H⁺转运，而是利用跨膜的H⁺梯度驱动从ADP和磷酸合成ATP（见图14-31）。ATP合成酶存在于细菌的质膜、线粒体的内膜和叶绿体的类囊体膜中。H⁺梯度是在氧化磷酸化的电子传递步骤（在需氧细菌和线粒体中）、光合作用期间（在叶绿体中）或由盐杆菌中的光驱动H⁺泵（细菌视紫红质）产生的。我们将在第14章详细讨论其中一些蛋白质。
在本节的剩余部分，我们将重点讨论P型泵和ABC转运蛋白。
图11-12 三种类型的ATP驱动泵。像任何酶一样，所有ATP驱动泵都可以双向工作，取决于其溶质的电化学梯度和ATP/ADP比率。当ATP/ADP比率高时，它们水解ATP；当ATP/ADP比率低时，它们可以合成ATP。线粒体和叶绿体中的F型ATP酶通常以这种“反向”模式工作，以产生大部分早期ATP。
P型ATP酶将Ca²⁺泵入肌肉细胞的肌浆网
真核细胞在其胞质溶胶中维持非常低的游离Ca²⁺浓度（约10^{-7} M），而细胞外Ca²⁺浓度要高得多（约10^{-3} M）。因此，即使是少量的Ca²⁺流入也会显著增加胞质溶胶中游离Ca²⁺的浓度，Ca²⁺沿着其陡峭浓度梯度流动以响应细胞外信号是快速跨质膜传递这些信号的一种方式（在第15章讨论）。因此，细胞维持跨质膜的陡峭Ca²⁺梯度很重要。主动将Ca²⁺泵出胞质溶胶的Ca²⁺转运蛋白有助于维持梯度，其中一个是P型Ca²⁺ ATP酶；另一个是由Na⁺电化学梯度驱动的反向转运体（称为Na⁺-Ca²⁺交换体）（在第15章讨论）。
在骨骼肌细胞的肌浆网（SR）膜中的Ca²⁺泵或Ca²⁺ ATP酶是一个被充分理解的P型运输ATP酶。SR是一种特殊类型的内质网，在肌细胞胞质中形成管状囊网络，作为细胞内Ca²⁺的储存库。当动作电位去极化肌细胞质膜时，Ca²⁺通过Ca²⁺释放通道从SR释放到胞质溶胶中，刺激肌肉收缩（在第15和16章讨论）。Ca²⁺泵占SR膜蛋白的约90%，将Ca²⁺从胞质溶胶移回SR。非肌细胞的内质网也使用高度同源的Ca²⁺泵和Ca²⁺释放通道储存Ca²⁺。
酶学研究及对SR钙泵和相关泵转运中间体三维结构的分析，已详尽揭示了P型转运ATP酶的分子机制。它们均具有相似结构，包含10个跨膜α螺旋与三个胞质结构域相连（图11-13）。在钙泵中，跨膜螺旋突出的氨基酸侧链形成两个位于中心的钙离子结合位点。如图11-14所示，在泵与ATP结合的非磷酸化状态下，这些结合位点仅能从SR膜胞质侧进入。钙离子结合触发一系列构象变化：关闭通往胞质的通道并激活磷酸转移反应——ATP末端磷酸基团转移至所有P型ATP酶共有的天冬氨酸残基上。随后ADP解离并被新ATP取代，引发另一构象变化：开放通往SR腔的通道，两个钙离子由此释放。两个氢离子和水分子取代钙离子位置，稳定空置的钙结合位点并关闭SR腔通道，使泵转变为封闭构象。不稳定的天冬氨酰磷酸键水解后，通往胞质的通道重新开启。当泵打开胞质通道时氢离子释放，
图11-13 肌质网钙泵结构。X射线晶体学分析所得的带状模型（左）显示磷酸化且结合ATP的泵状态。泵的三个球状胞质结构域——核苷酸结合域（深绿）、激活域（蓝）和磷酸化域（粉）——在泵循环中发生剧烈构象变化（右侧示意图）。这些变化进而改变跨膜螺旋排列，使钙离子从结合腔释放至SR腔内（视频11.3）。（PDB代码：3B9B）
图11-14 肌质网钙泵的工作循环。离子转运通过一系列逐步构象变化实现：三个胞质结构域[核苷酸结合域（N）、磷酸化域（P）、激活域（A）]的运动与跨膜α螺旋运动机械耦联。螺旋运动启闭通道使钙离子从胞质进入并结合至两个中心钙结合位点。随后两个钙离子进入SR腔，被两个氢离子取代（逆向转运）。天冬氨酸的离子依赖性磷酸化与去磷酸化（SR钙泵中为钙离子和氢离子）是所有P型泵反应循环的保守步骤：它们确保构象转变有序发生，使蛋白质能完成有效功。（改编自C. Toyoshima等，Nature 432:361-368, 2004；J.V. Moller等，Q. Rev. Biophys. 43:501-566, 2010）
泵恢复初始构象并重启循环。循环过程中的瞬时自磷酸化是所有P型泵的核心特征。
质膜钠钾泵建立跨膜钠钾梯度
细胞内钾离子浓度通常比胞外高10-30倍，而钠离子浓度分布相反（见表11-1，第638页）。存在于几乎所有动物细胞质膜的钠钾泵（Na⁺-K⁺ ATP酶）维持着这些浓度差。与钙泵类似，钠钾泵属于P型ATP酶家族，作为ATP驱动的反向转运体工作：逆电化学梯度主动将钠离子泵出细胞，同时将钾离子泵入（图11-15）。
前文提及，钠钾泵产生的钠梯度驱动大多数营养物质进入动物细胞，并对调节胞质pH至关重要。典型动物细胞将近三分之一的能量用于维持该泵运行，而在神经细胞
图11-15 钠钾泵功能。这种P型ATP酶逆电化学梯度主动将钠离子泵出、钾离子泵入细胞。其结构与钙ATP酶高度相似，但离子选择性不同：泵每水解一分子ATP，泵出三个钠离子并泵入两个钾离子。与钙泵类似，工作循环中发生天冬氨酸的磷酸化与去磷酸化（视频11.4）。
及专司转运的细胞（如肾小管细胞）中能耗更高。
由于钠钾泵每泵入两个带正电荷离子就泵出三个，因此具有生电性：它在膜上驱动净电流，趋向于形成细胞内负外正的电位差。然而，这种泵的生电效应很少直接贡献超过10%的膜电位。剩余的90%，正如后文将讨论的，仅间接依赖于钠钾泵。
ABC转运蛋白构成最大的膜转运蛋白家族
我们在此讨论的最后一类转运ATP酶是ABC转运蛋白家族，其名称源于每个成员在膜胞质侧都包含两个高度保守的ATP酶结构域（即ATP结合"盒"）。ATP结合使两个ATP酶结构域聚合，而ATP水解导致其解离（图11-16）。如同其他转运蛋白，胞质结构域的这种运动传递至跨膜区段，驱动构象变化循环，使溶质结合位点交替暴露于膜的两侧。ABC转运蛋白通过这种方式利用ATP结合与水解释放的能量驱动溶质跨双分子层转运。转运方向朝向细胞内或细胞外，取决于与ATP水解关联的溶质结合位点特定构象变化（见图11-16）。
ABC转运蛋白构成最大的膜转运蛋白家族，具有重要临床意义。首个被表征的此类蛋白质发现于细菌。前文已提及所有细菌的质膜均含有利用跨膜氢离子梯度主动转运多种营养物质的载体。此外，细菌还利用ABC转运蛋白导入特定小分子。在具有双层膜的革兰氏阴性菌（如大肠杆菌，图11-17）中，ABC转运蛋白位于内膜，周质中的辅助蛋白通常负责捕获营养物质并递送给转运蛋白（图11-18）。
大肠杆菌中78个基因（占其基因总数5%）编码ABC转运蛋白，而动物基因组编码数量更多。尽管每种转运蛋白被认为对特定分子或分子类别具有专一性，但该超家族转运的底物种类极为广泛，包括无机离子、氨基酸、单糖与多糖、肽类、脂质、药物，某些情况下甚至能转运比转运蛋白自身更大的蛋白质。
(A) 细菌ABC转运蛋白
图11-16 典型ABC转运蛋白的小分子转运机制。ABC转运蛋白由多结构域构成：通常两个疏水结构域（各含六个跨膜α螺旋）共同形成转运通道并提供底物特异性；两个ATP酶结构域伸向胞质溶胶。某些情况下，转运蛋白的两半由单一多肽形成，其他情况则由两条或多条独立多肽组装成相似结构。无ATP结合时，转运蛋白在膜一侧暴露底物结合位点；ATP结合诱导构象变化使结合位点暴露于对侧；ATP水解及随后的ADP解离使转运蛋白恢复原始构象。多数ABC转运蛋白具有单向性。(A)细菌中同时存在输入型和输出型ABC转运蛋白，本图展示输入型。(B)真核生物中多数ABC转运蛋白执行输出功能——从胞质溶胶到胞外空间，或从胞质溶胶到内质网等膜性细胞器，或从线粒体基质到膜间隙。
图11-17 大肠杆菌双层膜局部剖面。内膜即细胞质膜。内外膜之间是由蛋白质和多糖构成的刚性多孔肽聚糖层（图中仅显示部分），形成细菌细胞壁。该结构附着于外膜的脂蛋白分子并填充周质空间。此空间还包含多种可溶性蛋白分子。顶部绿色虚线代表外膜外层特殊脂多糖的多糖链（为清晰仅显示部分）。具有双层膜的细菌因革兰氏染色不滞留深蓝染料而称革兰氏阴性菌。单层膜细菌（如葡萄球菌和链球菌）具有较厚肽聚糖细胞壁，可滞留深蓝染料故称革兰氏阳性菌；其单层膜类似于革兰氏阴性菌的内膜（质膜）。
最初发现的真核生物ABC转运蛋白，因其能将疏水性药物泵出细胞质而得名。其中一种名为多药耐药蛋白（MDR蛋白），亦称P-糖蛋白。该蛋白在多种人类癌细胞中高表达，使细胞能同时抵抗癌症化疗中广泛使用的多种化学结构无关的细胞毒性药物。使用其中任何一种药物治疗，都可能导致过量表达MDR转运蛋白的癌细胞选择性存活并过度增殖。这些细胞能高效地将药物泵出胞外，因而相对耐受药物毒性（参见影片11.5）。因此，对某种药物产生耐药性的癌细胞筛选可能导致广谱抗癌药耐药。研究表明高达40%的人类癌症会产生多药耐药性，这成为抗癌治疗的主要障碍。
图11-18 双膜细菌中与转运ATP酶相关的辅助转运系统。溶质通过外膜通道蛋白（孔蛋白）扩散，与周质底物结合蛋白结合后递送至ABC转运蛋白，再由其泵过质膜。为简化示意图，肽聚糖层未显示；其多孔结构允许底物结合蛋白和水溶性溶质通过自由扩散穿行。
在引起疟疾的原生生物恶性疟原虫中也存在类似且同样危害严重的现象。全球超过两亿人感染这种寄生虫，它每年导致近百万人死亡，仍是人类主要死因之一。抗疟药氯喹耐药性的发展阻碍了疟疾防控。耐药性恶性疟原虫通过扩增编码ABC转运蛋白的基因来泵出氯喹。
在大多数脊椎动物细胞中，内质网（ER）膜上的ABC转运蛋白（称为抗原加工相关转运体，即TAP转运体）能将多种肽类从细胞质主动泵入内质网腔。这些肽由蛋白酶体降解蛋白质产生（见第6章讨论）。它们从内质网运至细胞表面展示，供细胞毒性T淋巴细胞识别——若这些肽源自感染细胞胞质内潜伏的病毒或其他微生物，淋巴细胞将杀死该细胞（见第24章讨论）。
ABC转运蛋白家族的另一个成员是囊性纤维化跨膜传导调节因子（CFTR），该蛋白通过研究常见遗传病囊性纤维化被发现。此病由编码CFTR的基因突变引发，CFTR是上皮细胞质膜中的Cl⁻转运蛋白。CFTR调控细胞外液（尤其是肺内）的离子浓度。每27个白种人中就有1人携带该蛋白的突变基因；当两个基因拷贝均突变时（每2900人中1例）即引发疾病。与其他ABC转运蛋白不同，CFTR蛋白的ATP结合和水解并不驱动转运过程，而是控制连续通道的开闭，为Cl⁻沿电化学梯度移动提供被动通道。因此某些ABC蛋白可发挥转运体功能，另一些则作为门控通道。尽管本章将转运体与通道分别论述，但此例说明二者界限并非绝对。事实上，其他Cl⁻通道的结构显示它们也更接近转运体而非典型离子通道。
小结
转运体通过构象变化交替暴露溶质结合位点于膜两侧，实现特异性溶质跨脂双层的转移。部分转运体推动单一溶质"下坡"运输，另一些则可作为泵，利用ATP水解、其他溶质（如Na⁺或H⁺）的"下坡"流动或光能提供的能量，逆电化学梯度"上坡"转运溶质，并以有序方式驱动必需的构象变化序列。转运体属于少数蛋白质家族。每个家族均从共同祖先蛋白进化而来，其成员均以相似机制运作。P型转运ATP酶家族（包括Ca²⁺泵和Na⁺-K⁺泵）是重要范例：这些ATP酶在泵送循环中依次发生自磷酸化与去磷酸化。ABC转运蛋白超家族是最大的膜转运蛋白家族，具有重要临床意义：其成员既导致癌细胞和疟原虫感染细胞产生耐药性，又能将病原体衍生肽泵入内质网供细胞毒性淋巴细胞在感染细胞表面识别；而ABC转运蛋白的突变则引发囊性纤维化。
通道与膜的电学特性
与转运体不同，通道形成跨膜孔道。几乎所有动物体内都存在一类形成相邻细胞间缝隙连接的通道蛋白：两侧质膜共同构成连接两细胞胞质的通道。在植物中，胞间连丝承担类似功能。这些通道将在第19章讨论
此处不再赘述。间隙连接以及细菌、线粒体和叶绿体外膜中的孔道蛋白（详见第10章）都具有相对宽大且通透性强的孔道，若它们直接将细胞内部与胞外空间连通将导致灾难性后果。事实上，许多细菌毒素正是通过这种方式杀伤其他细胞（详见第24章）。
相比之下，动植物细胞质膜中连接胞质溶胶与细胞外部的通道大多具有狭窄且高度选择性的孔道，并能快速开闭。由于这些蛋白质专门负责无机离子转运，故称为离子通道。在转运效率方面，离子通道相较于转运蛋白具有显著优势——单个开放通道每秒可通过多达1亿个离子，其速率比最快的转运蛋白还高出10^5倍。但如前所述，通道无法耦联能量源进行主动运输，因此其介导的传导始终是被动（顺浓度梯度）的。离子通道的功能是允许特定无机离子（主要是Na⁺、K⁺、Ca²⁺或Cl⁻）沿电化学梯度快速扩散穿越脂双层。本节将揭示，调控这些通道的离子流对众多细胞功能至关重要。特别是神经细胞（神经元）高度特化地运用离子通道，我们将探讨其如何利用多种离子通道接收、传导和传递信号。不过在讨论离子通道前，先简要介绍前述的水通道蛋白。
水通道蛋白可通透水分子但阻隔离子
由于细胞主要由水构成（通常占比约70%），水分子跨膜运动对生命活动至关重要。细胞内同时存在高浓度溶质，包括大量局限于胞内的带负电荷有机分子（即固定阴离子）及其维持电荷平衡的伴随阳离子。由此产生的渗透压梯度主要被胞外液中高浓度无机离子（主要是Na⁺和Cl⁻）形成的反向渗透压梯度所平衡。残余的微小渗透力会"牵引"水分子进入细胞导致膨胀，直至力平衡建立。虽然所有生物膜均具适度透水性（见图11-2），细胞体积可在数分钟内响应渗透压梯度达到平衡。但对多数动物细胞而言，渗透作用在细胞体积调控中作用有限，因为大部分胞质呈凝胶态，能抵抗渗透压变化引发的体积剧变。
除水分子直接扩散穿越脂双层外，某些原核与真核细胞的质膜中嵌有水通道蛋白（即aquaporins），可加速水分子跨膜运动。这类蛋白在需高速转运水分的动物细胞中尤为丰富，例如肾脏上皮细胞或需转运/分泌大量液体的外分泌细胞（图11-19）。这些组织中水流量受到严格调控，肾脏中抗利尿激素（血管加压素）等激素可调控质膜水通道蛋白的浓度。
图11-19 水通道蛋白在液体分泌中的作用。外分泌腺导管内壁细胞（如存在于胰腺、肝脏及乳腺、汗腺、唾液腺中）分泌大量体液。这些细胞形成上皮片层，其顶端质膜朝向导管腔面。位于基底外侧膜和顶端质膜的离子泵与通道将离子（主要是Na⁺和Cl⁻）转运至导管腔，在周围组织与导管间形成渗透压梯度。水分子通过高密度分布于顶端和基底外侧膜的水通道蛋白，沿渗透压梯度快速迁移。
图11-20 水通道蛋白结构。（A）水通道蛋白单体带状图。在膜中，水通道蛋白形成四聚体，每个单体中心含水性孔道（未显示）。单个水通道每秒约通过10^9个水分子。（B）沿中央孔道平面的水通道蛋白单体纵剖面。孔道一侧排列着亲水性氨基酸，为水分子提供转运氢键；这些键使穿行水分子单列排布并在穿越孔道时定向。（C与D）阐释水通道蛋白阻隔H⁺的模型。（C）在水中，H⁺通过水分子间接力实现极速扩散。（D）孔道亲水面的羰基（C=O）排列水分子，两个关键位置的天冬酰胺锚定中央水分子，使其氧原子两个价键均被占据。该排列使整列水分子呈双极取向，每个水分子均作为内侧相邻分子的氢键受体（影像11.6）。（PDB代码：3GD8。）
水通道蛋白必须解决与离子通道相反的问题。为避免破坏跨膜离子梯度，它们必须在完全阻断离子通过的同时允许水分子快速通过。水通道蛋白的三维结构揭示了它如何实现这种卓越的选择性：通道具有狭窄的孔道，使水分子能沿孔道一侧排列的羰基氧路径单列穿过膜（图11-20A和B）。疏水性氨基酸排列在孔道的另一侧。孔道过于狭窄，任何水合离子都无法进入；且离子脱水所需的能量代价极高，因为孔道的疏水壁无法与脱水离子相互作用以补偿水分子的缺失。这种设计清晰解释了为何水通道蛋白不能传导K⁺、Na⁺、Ca²⁺或Cl⁻离子。
这些通道对H⁺也不通透——H⁺在细胞内主要以H₃O⁺形式存在。水合氢离子通过分子接力机制在水分子间极速扩散，该机制依赖相邻水分子间氢键的形成与断裂（图11-20C）。水通道蛋白含有两个策略性定位的天冬酰胺，它们与穿越孔道的水分子链中心水分子氧原子结合，使整个单列水分子柱产生双极性（图11-20C和D）。由于中心氧原子的两个化合价均无法形成氢键，该中心水分子不能参与H⁺的接力传递。这使得氢键"形成-断裂"序列（如图11-20C所示）无法越过与天冬酰胺结合的中心水分子，因此孔道对H⁺不通透。
现在转向本章剩余主题：离子通道。
离子通道具有离子选择性并在开放与关闭状态间转换
离子通道与水孔的本质区别在于两大特性。首先，它们具有离子选择性：允许特定无机离子通过而阻挡其他离子。这表明其孔道某些区域必须足够狭窄，迫使渗透离子与通道壁紧密接触，从而仅允许尺寸和电荷匹配的离子通过。某些情况下，渗透离子需脱去大部分或全部水合水分子才能通过；而其他情况下，水合或部分水合离子可直接穿越通道。离子以单列形式穿过通道最窄区域——称为选择性过滤器——该结构限制离子迁移速率并决定可通过的离子类型（图11-21）。因此当离子浓度升高时，通道离子通量先成比例增加，最终在最大速率处趋于饱和（达到饱和）。
离子通道与水孔的第二大区别在于：离子通道并非持续开放。它们具有门控特性，可短暂开启后关闭。此外，在持续（化学或电）刺激下，多数离子通道会进入封闭的"脱敏"或"失活"状态，此时通道对进一步开放无反应，直至刺激解除（后文将详述）。多数情况下，门控开放由特定刺激触发。如图11-22所示，已知触发离子通道开放的主要刺激类型包括：跨膜电压变化（电压门控通道）、机械应力（机械门控通道）或配体结合（配体门控通道）。配体可以是胞外介质（特指神经递质，即递质门控通道），或胞内介质如离子（离子门控通道）或核苷酸（核苷酸门控通道）。此外，蛋白质磷酸化与去磷酸化调控多种离子通道活性；此类通道调控机制将与核苷酸门控离子通道在第15章共同讨论。
迄今已发现200余种离子通道，新类型仍在不断涌现。每种通道的特征由其传导的离子类型、门控机制以及在细胞及特定细胞中的丰度和定位决定。离子通道负责肌细胞的电兴奋性，并介导神经系统中大多数电信号传递形式。单个神经元通常含10种以上离子通道，分布在其质膜不同区域。但离子通道不仅存在于电兴奋细胞，它们存在于所有动物细胞，并见于植物细胞和微生物：例如，它们传播含羞草的叶片闭合反应（影片11.7），并使单细胞游动的草履虫在碰撞后逆转方向。
图11-21 典型离子通道在关闭与开放构象间转换。此处横截面显示的离子通道仅在"开放"构象状态形成跨脂双层的孔道。通道某一区域（选择性过滤器）狭窄至原子尺度，此处主要决定通道的离子选择性。通道另一区域形成门控结构。
图11-22 离子通道的主要门控类型。已知引发通道开放的刺激包括：(A)膜电压变化（电压门控通道）；(B)机械应力（机械门控通道）；(C)胞外配体结合（递质门控通道）；(D)胞内配体结合（配体门控通道）。配体可为离子、核苷酸或其他小分子。
图11-22 离子通道的门控机制。本示意图展示了几种开启离子通道的刺激类型。机械门控通道通常具有连接细胞骨架的胞质延伸结构（未显示）。
几乎所有细胞的质膜上都存在对 K⁺ 通透的离子通道。其中一类重要的 K⁺ 通道即使在未受刺激的"静息"细胞中也会开放，因此称为 K⁺ 渗漏通道。尽管该术语指代多种不同的 K⁺ 通道（因细胞类型而异），但它们具有共同的功能：通过使质膜对 K⁺ 的通透性远高于其他离子，这些通道在维持所有质膜的膜电位中发挥着关键作用，我们将在下文讨论。
动物细胞的膜电位主要取决于 K⁺ 渗漏通道和跨质膜的 K⁺ 浓度梯度
当膜两侧电荷分布不均时会产生膜电位，表现为一侧存在微量净正电荷而另一侧存在微量净负电荷。这种电荷差异既可由主动的生电泵活动（见第648页）产生，也可由通道中的被动离子扩散形成。如第14章所述，线粒体内膜中的生电性 H⁺ 泵产生了跨该膜的大部分膜电位。生电泵同样在植物和真菌的质膜两侧产生主要电位。然而在典型动物细胞中，被动离子运动对质膜两侧电位的贡献最大。
如前所述，由于 Na⁺-K⁺ 泵的作用，细胞内 Na⁺ 含量极少，而其他胞内无机阳离子必须足够丰富以平衡细胞内固定阴离子（即被限制在细胞内的带负电荷有机分子）所携带的电荷。该平衡作用主要由 K⁺ 承担——它被 Na⁺-K⁺ 泵主动泵入细胞，同时可通过质膜上的 K⁺ 渗漏通道进出。由于这些通道的存在，K⁺ 几乎达到平衡状态：过量负电荷产生的吸引力（将 K⁺ 拉入细胞）与 K⁺ 沿浓度梯度外渗的趋势相互平衡。膜电位（质膜）正是这种电力的体现，我们可通过 K⁺ 浓度梯度的陡度计算其平衡值。以下论证有助于阐明该原理。
假设初始状态下质膜两侧无电压梯度（膜电位为零），但细胞内 K⁺ 浓度高而细胞外浓度低。K⁺ 将仅受浓度梯度驱动，通过 K⁺ 渗漏通道离开细胞。当 K⁺ 开始外流时，每个离子留下一个未平衡的负电荷，从而形成电场（即膜电位），该电位将阻碍 K⁺ 的进一步外流。当膜电位达到某一数值，此时作用于 K⁺ 的电驱动力恰好抵消其浓度梯度效应（即 K⁺ 的电化学梯度为零）时，K⁺ 的净外流停止。
离子无净跨膜流动的平衡状态定义了该理想化细胞的静息膜电位。能斯特方程这一简洁而重要的公式量化了平衡条件（如专题11-1所述，第656页），若已知离子内外浓度比，即可计算理论静息膜电位。然而由于真实细胞的质膜不仅对 K⁺ 通透，实际静息膜电位通常不完全等于能斯特方程对 K⁺ 的预测值。
Na⁺-K⁺ 泵停止时静息电位仅缓慢衰减
极少量的无机离子通过离子通道跨质膜移动即足以建立膜电位。因此可将膜电位视为由
能斯特方程与离子流动
任何无机离子通过膜通道的流动均受该离子电化学梯度的驱动。该梯度包含两种作用：跨膜电压梯度与离子浓度梯度。当二者相互抵消时，该离子的电化学梯度为零，离子通过通道无净流动。达到此平衡时的电压梯度（膜电位）称为该离子的平衡电位，可通过下文推导的能斯特方程计算。
能斯特方程为 V = (RT/zF) ln(C₀/Cᵢ)
$$
V = \frac{RT}{zF}\ln \frac{C_0}{C_i}
$$
其中 V = 平衡电位（单位：伏特，内部电位减外部电位） C₀ 和 Cᵢ = 离子外部与内部浓度 R = 气体常数（8.3 J·mol⁻¹·K⁻¹） T = 绝对温度（单位：K） F = 法拉第常数（9.6 × 10⁴ V⁻¹·mol⁻¹） z = 离子价数（电荷） ln = 自然对数（以e为底）
能斯特方程推导如下：
溶液中的分子（溶质）倾向于从高浓度区域向低浓度区域移动，这仅源于分子的随机运动，最终达到平衡状态。因此，顺浓度梯度移动伴随着有利的自由能变化（ΔG < 0），而逆浓度梯度移动则伴随着不利的自由能变化（ΔG > 0）。（自由能概念在第2章引入，并在第14-1节专论（第825页）结合氧化还原反应进行了讨论。）
溶质跨质膜每移动一摩尔所引起的自由能变化（ΔGconc）等于 -RT ln(C_o / C_i)。
若溶质为离子，将其移入细胞内，穿过膜内相对于膜外具有电压V的膜，将引起额外的自由能变化（每摩尔溶质移动），即 ΔGvolt = zFV。
当浓度梯度和电压梯度恰好平衡时，
ΔGconc + ΔGvolt = 0
此时离子在膜两侧达到分布平衡。
因此，zFV - RT ln(C_o / C_i) = 0，故
V = (RT / zF) ln(C_o / C_i)
或，使用将自然对数转换为以10为底的对数的常数，
V = 2.3 (RT / zF) log10(C_o / C_i)
对于单价阳离子，
2.3 (RT / F) = 58 毫伏 (于 20°C) 和 61.5 毫伏 (于 37°C)
因此，对于此类离子在 37°C 时，
当 C_o / C_i = 10 时，V = +61.5 毫伏
而当 C_o / C_i = 1 时，V = 0 毫伏
例如，K+ 的平衡电位（V_K）为
61.5 log10([K+]o / [K+]i) 毫伏
对于一个典型细胞（其中 [K+]o = 5 毫摩尔，[K+]i = 140 毫摩尔），V_K 为 -89 毫伏。
在 V_K 时，K+ 跨膜无净流动。
类似地，当膜电位值为
$$
61.5\log_{10}([\mathsf{Na}^{+}]_{\circ} / [\mathsf{Na}^{+}]_{\mathrm{i}})
$$
这就是 Na^+ 的平衡电位 V_Na，此时没有 Na^+ 的净流动。
对于任何特定的膜电位 V_M，驱动特定类型离子流出细胞的净力与 V_M 和该离子的平衡电位之差成正比；因此，
$$
\begin{array}{c} \text{对于 } K^+ \text{，它是 } V_M - V_K \\ \text{对于 } Na^+ \text{，它是 } V_M - V_{Na} \end{array}
$$
当膜上存在电压梯度时，导致该梯度的离子——一侧的过量正离子和另一侧的过量负离子——由于正负电荷之间的吸引，被集中在膜两侧的薄层中。与细胞内离子总数相比，形成邻近膜电荷层的离子数量微乎其微。例如，6000 Na^+ 离子穿过 1μm² 的膜，将携带足够电荷使膜电位改变约 100 mV。
因为体细胞质中 1μm³ 约有 6×10^6 Na^+ 离子，这种电荷移动通常对跨膜离子浓度梯度的影响可忽略不计。
图 11-23 膜电位的离子基础。少量无机离子通过离子通道的流动携带足够电荷，导致膜电位的巨大变化。引起膜电位的离子位于靠近膜的薄表面层（<1 nm），通过与其对侧带相反电荷的对应离子（抗衡离子）的电吸引而固定在那里。对于典型细胞，每平方厘米膜转移 1 微库仑电荷（6×10^12 单价离子），会使膜电位改变约 1 V。这意味着，例如，在直径为 10 μm 的球形细胞中，需流出的 K^+ 离子数仅占胞质溶胶中 K^+ 离子总数的约 1/100,000，才能改变膜电位 100 mV。这一数量极小，以至于细胞内 K^+ 浓度几乎不变。
实际上不影响离子浓度，仅导致膜两侧正负离子数的微小差异（图 11-23）。此外，这些电荷移动通常非常迅速，仅需几毫秒或更短。
考虑真实细胞中 Na+-K+ 泵突然失活后膜电位的变化。膜电位可能立即轻微下降。这是因为该泵是生电的，当激活时，通过泵出三个 Na^+ 同时泵入两个 K^+（见图 11-15），对膜电位有微小直接贡献。然而，关闭泵不会消除静息电位的主要成分，该成分由前述 K^+ 平衡机制产生。只要细胞内 Na^+ 浓度保持低而 K^+ 离子浓度高——通常持续数分钟，膜电位的这一成分就持续存在。但质膜对所有小离子（包括 Na^+）均有一定通透性。因此，没有 Na+-K+ 泵，由泵建立的离子梯度最终会衰减，通过 K^+ 泄漏通道扩散建立的膜电位也会下降。随着 Na^+ 进入，细胞最终达到新的静息状态，其中 Na+、K+ 和 Cl^- 均跨膜平衡。在此状态下的膜电位远低于具有活性 Na+-K+ 泵的正常细胞。
动物细胞的静息电位在 -20 mV 至 -120 mV 之间变化，取决于生物体和细胞类型。尽管 K^+ 梯度始终对该电位有主要影响，但其他离子的梯度（以及离子泵的非平衡效应）也有显著影响：膜对特定离子的通透性越高，膜电位越倾向于被推向该离子的平衡值。因此，膜对不同离子的相对通透性变化可引起膜电位的显著变化。这是将细胞电兴奋性与离子通道活动联系起来的关键原理之一。
要理解离子通道如何选择离子及如何开闭，我们需要知道其三维分子结构。首个通过 X 射线衍射结晶和研究的离子通道是细菌 K^+ 通道。其结构的细节彻底改变了我们对离子通道的理解。
细菌 K^+ 通道的三维结构展示离子通道如何工作
科学家们曾对离子通道能同时实现高度离子选择性和高电导率的能力感到困惑。例如，钾离子（K⁺）渗漏通道传输钾离子的速率比钠离子（Na⁺）快10,000倍，但两种离子都是无特征球体且半径相近（分别为0.133 nm和0.095 nm）。动物细胞钾离子通道孔道中的单个氨基酸替换就可能导致离子选择性丧失和细胞死亡。仅靠孔径大小无法解释钾离子的正常选择性，因为钠离子比钾离子更小。此外，其高传导率与通道存在选择性高亲和力钾离子结合位点相矛盾——若钾离子结合到此类位点将极大延缓其通过。
当X射线晶体学解析出细菌钾离子通道结构后，谜题得以解开。该通道由四个相同的跨膜亚基构成，共同形成贯穿膜的中心孔道。每个亚基贡献两条跨膜α螺旋，在膜中向外倾斜形成锥体结构，宽端朝向细胞外侧（钾离子出口处，图11-24）。连接两条跨膜螺旋的多肽链形成一个短α螺旋（孔道螺旋）和一个关键环状结构，后者伸入锥体宽部构成选择性过滤器。四个亚基的选择性环共同形成刚性的狭窄孔道，内壁排列着多肽骨架的羰基氧原子。由于所有已知钾离子通道的选择性环具有相似氨基酸序列，其结构很可能高度保守。
选择性过滤器的结构揭示了通道的离子选择机制：钾离子需脱去几乎所有结合水分子才能进入过滤器，转而与内壁的羰基氧相互作用；这些氧原子以精确间距排列，恰好容纳钾离子。相比之下，钠离子因体积更小，羰基氧距离过远无法补偿进入所需脱水的高能量消耗，故不能进入过滤器（图11-25）。
对钾离子通道及其他离子通道的结构研究还揭示了通道开闭的通用原理：门控机制涉及膜内螺旋的位移，从而阻断或开放离子通路。根据通道类型不同，
图11-24 细菌钾离子通道结构 (A) 仅显示四个相同亚基中的两个跨膜α螺旋。从胞质侧看，孔道（示意图中蓝色阴影）延伸至膜中央形成前庭。孔道前庭使钾离子在跨越膜层大半后仍能保持水合状态，从而促进传输。狭窄的选择性过滤器连接前庭与细胞外侧。羰基氧排列在过滤器内壁，为部分脱水的钾离子提供瞬时结合位点。两个钾离子占据过滤器的不同位点，第三个钾离子位于前庭中心，通过电相互作用（包括孔道螺旋带负电末端的作用）保持稳定。四条短"孔道螺旋"（仅显示两条）的末端精准指向前庭中心，引导钾离子进入选择性过滤器（视频11.8）。 (B) 肽键具有电偶极特性，C=O键的氧和H-N键的氮分别积聚更多负电荷。在α螺旋中，氢键（红色）使偶极定向排列，导致每个α螺旋沿轴线形成电偶极：C端带负电（δ⁻），N端带正电（δ⁺）。 （A图改编自D.A. Doyle等，《科学》280:69-77, 1998）
图11-25 钾离子通道选择性过滤器的特异性 示意图展示横截面视角下：(A)前庭与(B)孔道选择性过滤器中的钾离子与钠离子。在前庭中离子保持水合状态。在选择性过滤器中，离子脱水后羰基氧排列成可容纳脱水钾离子的构型。钾离子脱水需消耗能量，该能量被离子与所有羰基氧（作为替代水分子）相互作用回收的能量精确平衡。由于钠离子体积过小无法与所有氧原子充分作用，进入过滤器需极高能量代价，因此该过滤器能高特异性选择钾离子。 （A图改编自Y. Zhou等，《自然》414:43-48, 2001）
在门控过程中，螺旋发生倾斜、旋转或弯曲。关闭的K⁺通道结构显示，通过倾斜内螺旋，孔道在其胞质端如同隔膜般收缩（图11-26）。庞大的疏水性氨基酸侧链会阻塞残留的小开口，阻止离子进入。
许多其他离子通道遵循相似原理：通道的孔道螺旋与感应结构域变构偶联，这些结构域响应配体结合或膜电位变化等信号，引发离子传导通路的构象变化，从而开启或阻断通道。
机械敏感通道使细胞感知物理环境
从单细胞细菌到多细胞动植物，所有生物都必须感知并响应外部环境（如声音、触觉、压力、剪切力和重力）与内部环境（如渗透压和膜弯曲）的机械力。已知众多蛋白质能响应此类机械力，其中大部分被鉴定为潜在机械敏感通道，但极少候选蛋白被直接证实为机械激活离子通道。认知匮乏的原因之一是这类通道极其稀少。例如人类耳蜗的听觉毛细胞含有超灵敏机械门控离子通道，但约15,000个毛细胞中每个仅含50-100个此类通道（视频11.9与11.10）。另一难点在于许多机械敏感通道的门控机制要求通道嵌入复杂结构中，需连接细胞外基质或细胞骨架，这在试管中难以重构。
为填补认知空白，科学家采用膜片钳技术筛选受机械压力刺激会开启离子通道的细胞系。他们推断机械敏感通道至少需含两个跨膜螺旋，遂系统敲除编码此类蛋白的基因。某次基因敲除使细胞丧失机械响应，由此鉴定出两个编码相关蛋白的基因。这些蛋白各含30余个跨膜螺旋，但均与已知离子通道无序列同源性。其中任一蛋白的三个相同拷贝可组装成机械敏感Piezo离子通道，存在于多种动物细胞的质膜中（图11-27）。Piezo通道的三个亚基各含由36个跨膜螺旋构成的大型臂状结构，从含离子传导孔的中心枢纽向外延伸。螺旋的特殊排布使膜变形为圆顶状，此时通道处于关闭状态。当质膜因外力拉伸时，膜张力使变形展平，从而开启中心孔道。
皮肤细胞的Piezo通道介导触觉感知，膀胱细胞通过其感知充盈状态。但其重要性远不止于此：缺乏Piezo通道的动物会因血管形成等发育过程依赖机械拉伸信号而死于发育阶段。Piezo通道还实现血压的秒级调控——主动脉弓与颈动脉的神经元含Piezo通道，对血压升高导致的拉伸高度敏感，随即发出信号使心率立即减慢，从而降低血压以避免血管损伤或破裂危及生命。反之，如起身或弯腰导致的血压骤降会抑制这些神经元活动，通过加快心率及外周血管收缩来增加脑部血流，防止意识丧失。
图11-26 细菌K⁺通道门控模型。通道横截面视图显示：为形成关闭构象，选择过滤器胞质侧衬于孔道的四个内跨膜螺旋重排，封闭通道胞质入口。（改编自E. Perozo等，《科学》285:73-78, 1999。）
图11-27 牵张激活的Piezo通道。(A) Piezo1结构：三个相同亚基环绕中央孔道（左）。三个大型臂状结构从中心延伸，使膜弯曲成圆顶状（右）。(B) 膜受拉伸时，圆顶状隆起展平，中央孔道开启。(C) 通过将Piezo通道连接至膜两侧的锚定物（如细胞外基质或细胞骨架），可响应胞外或胞内机械力（箭头）开启通道。（A图PDB编号：6BBR。改编自Y.R. Guo与R. MacKinnon，《eLife》6:e33660, 2017。本文遵循知识共享署名许可协议条款。）
另一类被深入研究过的机械敏感通道存在于细菌质膜中。这些通道会因嵌入的脂质双层膜发生机械拉伸而开启。当细菌处于低离子强度的外部环境（低渗条件）时（如雨水中），由于渗透压升高导致水分渗入，细胞会膨胀。若压力升至危险水平，细胞会打开机械敏感通道使小分子物质外泄。实验中被置于淡水中的细菌能以这种方式迅速流失超过95%的小分子物质，包括氨基酸、糖类和钾离子。不过它们能将大分子物质安全保留在细胞内，因此当环境恢复正常后可快速恢复。
通过生物物理技术已证实机械门控机制：对含细菌机械敏感通道的纯脂质双层膜施加作用力（例如用微管施加吸力）时通道开启。此类测量表明细胞拥有多种在不同压力水平下开启的通道。小电导机械敏感通道（MscS通道）在低至中等压力下开启（图11-28）。该通道由七个相同亚基组成，开放状态形成直径约1.3纳米的孔道——恰好允许离子和小分子通过。巨大的胞质结构域限制了能抵达孔道的分子尺寸。大电导机械敏感通道（MscL通道）在可能引发细胞破裂的高压状态下开启，孔径可超过3纳米。
图11-28 细菌机械敏感通道结构。图示为MscS通道在(A)关闭和(B)开放构象的晶体结构。侧面观（下图）显示包括巨大胞内结构域的全蛋白结构，正面观（上图）仅显示跨膜结构域。开放结构在脂质双层膜中占据更大面积，当膜被拉伸时在能量上更有利。这解释了为何MscS通道在细胞内压力积聚时开启（PDB编号：2OAU, 2VV5）。
神经元功能依赖其延伸结构
最精妙运用通道机制的细胞是神经元。在探讨其机制前，我们先简要描述典型神经元的构成。
神经元（神经细胞）的核心功能是接收、整合、传导和传递信号。为实现这些功能，神经元往往高度延伸。例如人类脊髓延伸至足部肌肉的单个神经元可长达1米。每个神经元包含向外辐射出细长突起的胞体（内含细胞核）。通常一条长轴突将信号从胞体传导至远端靶标，若干较短分支的树突像天线般从胞体伸出，扩大表面积以接收来自其他神经元轴突的信号（图11-29），胞体本身也接收此类信号。典型轴突末端分叉成多支，同时向多个靶细胞传递信息。同样，树突的分支范围可能极广——某些神经元足以接收多达100,000个输入信号。
图11-29 典型脊椎动物神经元。箭头指示信号传导方向。单根轴突将信号传出胞体，多根树突（及胞体）接收来自其他神经元轴突的信号。轴突末端终止于其他神经元的树突或胞体，或肌肉细胞、腺细胞等其他细胞类型。
尽管不同类别神经元传递的信号意义各异，其传导信号形式始终相同——表现为跨神经元质膜的电势变化。信号传播源于膜局部产生的电扰动向其他区域扩散，但扰动强度随距离增加而衰减，除非神经元耗能进行途中放大。短距离传导中这种衰减无关紧要；实际上许多小型神经元无需放大即可被动传导信号。然而长距离通讯需依赖主动信号机制——这正是大型神经元最显著的特征之一。超过阈值的电刺激会触发爆发性电活动，沿神经元质膜快速传播，并在途中持续自动放大。这种被称为动作电位（或神经冲动）的兴奋电波，能以每秒100米以上的速度无衰减地将信息从神经元一端传递至另一端。动作电位直接源于电压门控阳离子通道的特性，下文将展开讨论。
电压门控阳离子通道在电兴奋细胞中产生动作电位
电压门控阳离子通道在电兴奋细胞中产生动作电位 所有电兴奋细胞（不仅是神经元，还包括肌肉、内分泌和卵细胞）的质膜均含有电压门控阳离子通道，这些通道负责产生动作电位。动作电位由质膜去极化触发，即膜电位向胞内负值减小的方向偏移。（后续章节将阐述某些神经递质如何引发去极化。）在神经和骨骼肌细胞中，引起充分去极化的刺激会迅速开启电压门控Na⁺通道，使少量Na⁺沿其电化学梯度进入细胞。正电荷的内流进一步使膜去极化，从而开启更多Na⁺通道，允许更多Na⁺离子进入，导致去极化持续增强。这种自我放大过程（正反馈的典型案例，详见第8章和第15章）持续进行，直至数毫秒内局部膜电位从静息值约-70mV转变为接近Na⁺平衡电位+50mV（参见第656页图11-1）。此时，若通道开放构象稳定，Na⁺净电化学驱动力趋近零，细胞将进入所有Na⁺通道永久开放的新静息状态。但两种机制协同作用使细胞免于这种永久性电痉挛：
图11-30 电压门控Na⁺通道结构模型。(A) 动物细胞通道由含四个同源结构域的单条多肽链构成。每个结构域含两个跨膜α螺旋（绿色），围绕中央离子传导孔。由形成选择性过滤器的序列（深绿）分隔。每个结构域中另四个α螺旋（蓝与灰）构成电压感受器。S4螺旋（蓝色）因富含带正电的精氨酸而独特。连接第三、四结构域的可弯曲环上的失活门在通道失活状态下堵塞孔道（见图11-32C）。(B) 通道蛋白在膜内的侧视与俯视排列。(C) B图通道孔结构域横截面显示侧向开口，中央腔室可通过此开口接触脂质双分子层疏水核心。晶体结构中可见脂酰链侵入孔道。这些侧向开口足以允许疏水性小分子孔道阻滞剂（常用作局部麻醉药）进入并阻断离子传导。（PDB代码：6AGF）
Na⁺通道自动失活，同时电压门控K⁺通道开启使膜电位恢复初始负值。
Na⁺通道由含四个结构高度相似结构域的单条多肽链构成。这些结构域被认为通过基因复制及融合形成单一大型基因进化而来（图11-30A）。事实上，细菌中Na⁺通道由四条相同多肽链组成四聚体，佐证了该进化观点。电压门控Na⁺通道结构揭示了膜内结构元件的排布方式（图11-30B与C）。
每个结构域共同形成中央通道，其结构与K⁺通道高度相似。各结构域还含一个电压感受器，其特征是具有含大量带正电氨基酸的特殊跨膜螺旋S4。当膜极化时，这些电荷暴露于带负电的胞质侧。电荷补偿使该构象在极化膜中热力学稳定。随着膜去极化，S4螺旋受静电作用转向另一构象：螺旋扭转使电荷暴露于相反的胞外侧。此构象变化开启通道（图11-31）。能量计算表明，电荷暴露面的转变可使通道开放概率改变数个数量级。
Na⁺通道还具有自动失活机制，即使膜仍处于去极化状态，通道也会快速关闭（见图11-32）。此时Na⁺通道保持失活状态，无法——
图11-31 电压门控机制模型。电压感受域在两种构象间振荡，使单条螺旋（对应图11-30的S4螺旋）上的带正电精氨酸交替暴露于膜两侧。暴露于带负电膜侧在热力学上更有利，故稳定该状态。构象耦合控制通道中央孔域的闸门启闭。（改编自A.F. Kintzer等，《美国国家科学院院刊》，115卷：E9095-E9104页，2018年。）
要重新开放，需等待膜电位恢复到初始负值。膜的复极化需要额外通道的开启，即延迟的K+通道。这些通道同样响应膜去极化而开启（即它们也是电压门控的），但由于动力学较慢，仅在动作电位的下降期开启——此时Na+通道已失活，但存在数百微秒的延迟。当这些通道开启时，K+迅速涌出细胞，使细胞静息电位在1-2毫秒内恢复。足够数量的Na+通道从失活状态恢复以支持新动作电位所需的时间称为不应期，它限制了神经元的重复放电频率，并确保动作电位单向传播。因此，Na+通道可存在三种状态：关闭、开放和失活，这些状态共同促成动作电位的上升与下降（图11-32）。从初始刺激到恢复原始静息状态的周期仅需几毫秒或更短。
上述动作电位描述仅适用于质膜的小片区域。然而，该区域自我放大的去极化足以使邻近膜区去极化，从而引发相同循环。如此，动作电位便如波浪般从初始去极化位点席卷整个质膜（图11-33）。
动作电位期间的离子流虽小却不可忽略。尤其在快速放电及高表面积体积比的小轴突分支中，Na+-K+泵会局部加速以恢复电化学梯度。脑正电子发射断层扫描（如PET扫描）可显像执行特定任务时代谢增强的脑区。此过程中，因加速离子泵活动而高耗能的神经元会优先摄取放射性示踪剂葡萄糖，以补充Na+-K+泵消耗的ATP。放射性葡萄糖的富集随后通过三维脑扫描成像。借此，Na+-K+泵成为无创定位特定脑功能相关区域的哨兵（图11-34）。
图11-32 Na+通道与动作电位。(A) 动作电位由短暂电流脉冲触发，(B) 该脉冲使膜部分去极化（见膜电位-时间曲线图）。若无电压门控Na+通道，初始去极化刺激后膜电位将如绿线所示直接弛豫回静息值。红线上升支显示电压门控Na+通道开启导致动作电位进程。延迟的电压门控K+通道开启且Na+通道失活，促使膜复极化（红线下降支）。B图底部示意框展示Na+与K+通道状态。膜在Na+通道从失活态返回关闭态前无法激发新动作电位，此期间为刺激不应期。(C) Na+通道三种状态：膜静息（高极化）时，关闭构象自由能最低故最稳定；膜去极化时，开放构象能量更低，通道高概率开启。但失活构象自由能更低，因此通道在随机可变时长开放后会失活。开放构象对应亚稳态，仅于膜去极化时短暂存在（图11.11）。
图11-34 这些扫描通过注射示踪分子无创成像辐射信号，显像代谢能耗最高的脑区（红色），反映Na+-K+泵在密集电信号轴突中恢复膜电位时消耗ATP的活动。（由Michael Phelps提供。）
图11-33 动作电位沿轴突传播。(A) 沿轴突间隔放置的细胞内电极记录电压。(B) Na+通道、电压门控K+通道变化及电流（红蓝箭头）引发行进的动作电位。去极化膜区标为橙色。注意动作电位一旦启动必单向传播（远离去化位点），因Na+通道失活阻止去极化向后扩散。
髓鞘化提高神经细胞动作电位传导的速度和效率
许多脊椎动物神经元的轴突由髓鞘包裹，这极大地提高了轴突传导动作电位的速度。脱髓鞘疾病多发性硬化症显著证明了髓鞘化的重要性：该疾病中，免疫系统会破坏中枢神经系统某些区域的髓鞘；在受影响的区域，神经冲动传导极大减慢或失效，常导致灾难性的神经学后果。
髓鞘由称为胶质细胞的特化非神经元支持细胞形成。施万细胞是外周神经中包裹轴突的胶质细胞，而少突胶质细胞则在中枢神经系统中执行此功能。这些成髓鞘胶质细胞将自身质膜层层紧密螺旋包裹在轴突周围（图11-35A和B），从而绝缘轴突膜，使电流几乎无法泄漏。髓鞘在规则间隔的郎飞结处中断，此处轴突中几乎所有的Na⁺通道都集中于此（图11-35C）。这种排列方式使动作电位能通过跳跃式传导的方式沿有髓轴突传播。此类传导具有两大优势：动作电位传播速度显著加快，且代谢能量得以保存，因为主动兴奋仅局限于郎飞结处轴突质膜的小区域。
膜片钳记录表明单个离子通道以全或无方式开放
神经元和骨骼肌细胞质膜含有成千上万个电压门控Na⁺通道，跨膜电流是所有通道电流的总和。细胞内微电极可记录这种总和电流。然而值得注意的是，膜片钳技术还能记录流经单个通道的电流。该技术发展于1970至1980年代，彻底革新了离子通道研究，使得在覆盖微吸管口的一小片膜上检测单通道转运成为可能（图11-36）。通过这种简单而强大的技术，人们得以研究各类细胞中离子通道的精细特性。这项工作揭示，即使非电兴奋性细胞的质膜也通常存在多种离子通道。许多此类细胞（如酵母）因体积过小，无法通过传统电生理学家的细胞内微电极穿刺法进行研究。
图11-35 髓鞘形成。 (A) 外周神经的有髓轴突。每个施万细胞将其质膜螺旋包裹轴突，形成约1毫米长的髓鞘片段。为清晰起见，髓鞘膜层显示得比实际松散（参见B图）。(B) 幼鼠腿部神经的电镜照片。可见两个施万细胞：底部细胞刚开始髓鞘化其轴突；上方细胞已形成近乎成熟的髓鞘。(C) 大鼠视神经中分离的单个有髓轴突荧光显微图与示意图，显示电压门控Na⁺通道（绿色）仅分布于郎飞结处的轴突膜。Caspr蛋白（红色）标记髓鞘胶质细胞质膜在结两侧紧密贴附轴突的连接处。电压门控K⁺通道（蓝色）定位于远离结的轴突质膜区域。[B图引自C.S. Raine, 载于《髓鞘》第二版（P. Morell编）。纽约：Plenum出版社, 1984。经Springer Nature许可使用；C图引自M.N. Rasband和P. Shrager, J. Physiol. 525:63-73, 2000。经John Wiley & Sons许可使用]
图11-36 膜片钳记录技术。 由于微吸管与膜之间形成极高电阻封接，电流仅能通过覆盖管尖的膜片中的离子通道进出微吸管。"钳位"一词源于采用电子设备在记录单通道离子电流时将膜电位维持（"钳制"）在设定值。这些通道电流可在膜片仍附着于细胞时记录（如A），也可在膜片脱离时记录（如B）。分离膜片的优势在于易于改变膜两侧溶液成分，以测试各类溶质对通道行为的影响。亦可制备反向取向的分离膜片，使膜胞质面朝向吸管内部。
膜片钳记录显示，单个离子通道以全或无的方式开启。例如，电压门控钠离子通道会以电压依赖性的概率随机开启和关闭，但开启时通道始终具有相同的大电导值，每毫秒可允许超过1000个离子通过（图11-37）。因此，穿越整个细胞膜的宏观电流并不反映单个典型通道的开放程度，而是反映膜上任意时刻处于开放状态的通道总数。
基于简单的物理原理，我们可以从单个钠离子通道的视角深化对电压门控机制的理解。静息状态的神经元或肌肉细胞内电位比外部环境低约40至100毫伏。尽管电势差看似微小，但其作用于仅约5纳米厚的质膜上，形成的电压梯度高达100,000伏特/厘米。因此，膜中带电荷的蛋白质（如钠离子通道）经受着可显著影响其构象的强电场。在周围环境随机热运动的驱动下，每种构象均可"翻转"至另一种构象。正是关闭态、开放态和失活态构象抵抗翻转的相对稳定性随膜电位变化而改变（参见图11-32C）。
电压门控阳离子通道在进化与结构上具有关联性
钠离子通道并非唯一能产生动作电位的电压门控阳离子通道。例如某些肌肉细胞、卵细胞和内分泌细胞的动作电位依赖于电压门控钙离子通道而非钠离子通道。
每类电压门控阳离子通道内部均存在惊人的结构和功能多样性，这源于多基因表达及同一基因转录产物的可变剪接。尽管如此，已知电压门控钠离子、钾离子和钙离子通道的氨基酸序列与结构呈现显著相似性，表明它们同属一个在进化和结构上相关的大型蛋白质超家族，并共享诸多设计原理。单细胞酵母仅含一个编码电压门控钾离子通道的基因，而线虫基因组却包含68个编码不同但相关的钾离子通道基因。这种复杂性表明，即便是仅由302个神经元组成的简单神经系统，也需要大量不同类型的离子通道来完成信息处理。
携带离子通道基因突变的人类可能罹患神经、肌肉、脑、肾或心脏疾病，具体病症取决于突变通道的表达部位。例如骨骼肌细胞电压门控钠离子通道基因突变可导致肌强直——患者在自主收缩后肌肉松弛延迟，引发疼痛性痉挛。某些情况下，这是因为异常通道无法正常失活，导致动作电位结束后钠离子持续内流，反复触发膜去极化和肌肉收缩。类似地，影响脑部钠或钾通道的突变可引发癫痫，即大量神经元过度同步放电导致癫痫发作（惊厥）。
神经元中表达的特异性离子通道组合（传导 Na⁺、K⁺ 和 Ca²⁺）在很大程度上决定了细胞如何发放重复的动作电位序列。某些神经元每秒可重复发放动作电位高达300次；另一些神经元则呈簇状爆发性发放动作电位，其间被静息期分隔；还有些神经元每次极少发放超过一个动作电位。大脑中的神经元具有显著的多样性。
不同神经元类型呈现特征性稳定发放特性
据估计，人脑包含约 10¹¹ 个神经元和 10¹⁴ 个突触连接。更复杂的是，神经回路会随经验持续重塑，随学习与记忆存储发生改变，并因年龄增长导致的神经元及其连接逐渐丧失而发生不可逆变化。如此复杂的系统如何能在经历这些变化时仍保持稳定运作？一种新兴理论认为，单个神经元是自我调节装置，通过持续调整离子通道和神经递质受体的表达来维持功能稳定。其机制可能是怎样的？
神经元可依据动作电位发放倾向及发放模式分为不同功能类型。例如，某些神经元能以高频发放动作电位，而另一些则极少发放。每种神经元类型的发放特性主要由细胞表达的离子通道决定。神经元膜上的离子通道数量并非固定：当条件变化时，神经元可调整去极化通道（Na⁺ 和 Ca²⁺）与超极化通道（K⁺）的数量比例，从而维持其特征性发放行为——这是稳态调控的典范。解析其分子机制仍是重要挑战。
递质门控离子通道在化学突触将化学信号转化为电信号
神经元信号在称为突触的特异性接触位点进行细胞间传递。通常的传递机制是间接的：细胞在解剖结构和电学上相互隔离，突触前细胞与突触后细胞被狭窄的突触间隙分隔。当动作电位抵达突触前位点时，膜去极化会激活聚集在突触前膜的电压门控 Ca²⁺ 通道。Ca²⁺ 内流触发储存在膜包被突触囊泡中的小信号分子——神经递质——通过胞吐作用释放至突触间隙（第13章详述）。神经递质快速扩散跨越突触间隙，通过与递质门控离子通道结合并开启通道（图11-38），引发突触后细胞的电学变化。神经递质分泌后会被快速清除：被突触间隙特定酶降解，或更常见地被突触前神经末梢或周围胶质细胞摄取。重摄取由多种 Na⁺ 依赖性神经递质同向转运体介导（见图11-8）；通过这种方式实现神经递质循环利用，使细胞能维持高释放速率。快速清除确保了突触信号传递的空间和时间精确性：既降低神经递质影响邻近细胞的可能性，又能在下一轮神经递质释放前清空突触间隙，从而将重复快速信号的时序精准传递给突触后细胞。
递质门控离子通道（亦称离子型受体）在化学突触处将胞外化学信号快速转化为电信号。这些通道集中分布于突触后膜的特化区域。
图11-38 化学突触。(A) 当动作电位到达突触前细胞的神经末梢时，刺激末梢释放神经递质。递质分子储存在突触囊泡中，当囊泡与神经末梢质膜融合时释放至细胞外。释放的神经递质结合并开启聚集在突触后靶细胞突触处质膜上的递质门控离子通道。产生的离子流改变突触后膜电位，从而向兴奋神经传递信号（视频11.12）。(B) 突触后细胞树突上两个神经末梢突触的薄切片电子显微照片及解析图。（B，显微照片由Cedric Rafine提供）
突触处的质膜在神经递质分子结合时短暂开放，从而在膜上产生短暂的渗透性变化（见图11-38A）。与负责动作电位的电压门控通道不同，递质门控通道对膜电位相对不敏感，因此无法自行产生自我放大的兴奋。相反，它们产生局部的渗透性增加及膜电位变化，其程度取决于突触释放的神经递质量及其持续作用时间。只有当该部位的小去极化总和开启足够数量的邻近电压门控阳离子通道时，才能触发动作电位。这通常需要目标神经细胞上多个邻近突触的递质门控离子通道同时开放。
化学突触可分为兴奋性与抑制性
递质门控离子通道在几个关键方面存在差异。首先，作为受体，它们对突触前神经末梢释放的神经递质具有高度选择性结合位点。其次，作为通道，它们对穿越质膜的离子类型具有选择性；这决定了突触后反应的性质。大多数兴奋性神经递质开启非选择性阳离子通道，导致Na⁺、Ca²⁺和K⁺内流，使突触后膜去极化至触发动作电位的阈值电位。尽管存在K⁺外流仍具兴奋性的原因在于：作用于Na⁺和Ca²⁺的驱动力存在显著差异。相比之下，抑制性神经递质开启Cl⁻通道，通过阻碍兴奋性递质使突触后膜去极化来抑制兴奋。许多递质兼具兴奋与抑制双重功能，具体取决于释放位置、结合受体类型及所处离子环境。例如乙酰胆碱既可兴奋也可抑制，这取决于其结合的乙酰胆碱受体类型。但通常乙酰胆碱和谷氨酸作为兴奋性递质，γ-氨基丁酸（GABA）和甘氨酸则作为抑制性递质。例如在脊椎动物大脑中，谷氨酸介导了大部分兴奋性信号传递。
我们已讨论过Na⁺或Ca²⁺通道开放如何使膜去极化。K⁺通道开放则产生相反效应，因为K⁺浓度梯度方向相反——细胞内浓度高，细胞外浓度低。细胞膜电位向更负值移动称为超极化。开启K⁺通道使细胞更接近K⁺平衡电位（如前所述，该电位通常接近静息膜电位，因静息时开放的K⁺通道是主要通道类型）。当额外K⁺通道开启时，驱动细胞偏离静息电位更为困难。Cl⁻通道开放效应可同理理解：Cl⁻在细胞外浓度远高于细胞内（见表11-1，第638页），但膜电位阻碍其内流。实际上对多数神经元，Cl⁻平衡电位接近甚至比静息电位更负。因此Cl⁻通道开放可缓冲膜电位：当膜开始去极化时，更多带负电的Cl⁻离子进入细胞并抵消去极化。故Cl⁻通道开放会增加膜去极化及细胞兴奋的难度。某些强效毒素通过阻断抑制性神经递质发挥作用：如士的宁结合甘氨酸受体阻止其抑制效应，导致肌肉痉挛、抽搐及死亡。
然而并非所有神经系统化学信号都通过这类离子型配体门控离子通道运作。事实上，神经末梢分泌的大多数神经递质分子（包括多种神经肽）与代谢型受体结合，这些受体仅通过细胞内小信号分子间接调控离子通道（详见第15章）。所有神经递质受体根据信号机制分为以下两大类：
- 离子型受体是存在于快速化学突触的离子通道。乙酰胆碱、甘氨酸、谷氨酸和GABA均作用于递质门控离子通道，介导的兴奋性或抑制性信号通常具有即时、简单、短暂的特征。
- 代谢型受体是G蛋白偶联受体（见第15章），结合所有其他神经递质（值得注意的是，也包括乙酰胆碱、谷氨酸和GABA）。配体结合代谢型受体介导的信号传递比离子型受体更缓慢、复杂，且效应更持久。
神经肌肉接头处的乙酰胆碱受体属于兴奋性递质门控阳离子通道
一个被深入研究的递质门控离子通道范例是脊椎动物骨骼肌细胞的乙酰胆碱受体。该通道由神经肌肉接头处（运动神经元与骨骼肌细胞之间的特化化学突触，见图11-39）神经末梢释放的乙酰胆碱瞬时激活。该突触因易于进行电生理学研究而受到广泛关注，这与中枢神经系统（即脊椎动物的脑和脊髓）的大多数突触不同。此外，乙酰胆碱受体密集分布于神经肌肉接头处的肌细胞质膜上（约每平方微米20,000个），而同一膜的其他区域受体分布极少。
肌肉乙酰胆碱受体由五个跨膜多肽组成：其中两种相同，另外三种不同，由四个独立基因编码（图11-40A）。这四个基因序列高度相似，表明它们起源于同一祖先基因。五聚体中的两个相同多肽各自提供一个乙酰胆碱结合位点。当两个乙酰胆碱分子与五聚体结合时，会诱发构象变化使通道开放。结合配体后，通道仍在开放与关闭状态间快速切换，但此时开放概率显著增高。该状态将持续（伴随乙酰胆碱的结合与解离），直至乙酰胆碱酯酶水解游离乙酰胆碱，使神经肌肉接头处其浓度充分降低。一旦结合的神经递质解离，乙酰胆碱受体即恢复初始静息状态。若因神经过度刺激导致乙酰胆碱持续存在，通道将进入失活状态。正常情况下，乙酰胆碱被迅速水解，通道约在1毫秒内关闭，远早于显著脱敏现象的发生。
乙酰胆碱受体的五个亚基环状排列，形成充水的跨膜通道。该通道包含狭窄的孔道穿过——
图11-39 神经肌肉接头 (A) 青蛙神经肌肉接头的低倍扫描电镜图。显示单个轴突在骨骼肌细胞上的终末。(B) 神经元-肌肉突触间隙的特化解剖结构示意图。施万（胶质）细胞包裹神经元突触接触区外部形成髓鞘。(C) 突触接触区透射电镜图。[A图源自J. Desaki和Y. Uehara, J. Neurocytol. 10:101-110, 1981，经Springer Nature许可；C图源自J. Heuser, J. Electron Microsc. (Tokyo) 60 (Suppl. 1): S3-S29, 2011]
图 11-40 骨骼肌乙酰胆碱受体结构模型。(A) 五个同源亚基 (α, α, β, γ, δ) 组合形成跨膜孔道。两个 α 亚基各提供一个乙酰胆碱结合位点，位于相邻亚基之间。(B) 孔道由五个跨膜 α 螺旋环排列而成，每个亚基贡献一个（图中仅显示两个 α 亚基）。在其关闭构象中，孔道被五个亮氨酸（绿色）的疏水侧链所阻塞，每个 α 螺旋提供一个亮氨酸，在脂双层中部形成一个门控。当两个 α 亚基都结合乙酰胆碱时，通道发生构象变化，包含阻塞亮氨酸的螺旋向外旋转，从而打开门控。孔道两端的带负电荷侧链（以“-”号表示）确保只有带正电荷的离子能通过通道。（PDB 代码：2BG9）
脂双层，其在两端扩大形成前庭。乙酰胆碱的结合通过使衬在孔道内的螺旋向外旋转而打开通道，从而破坏在关闭状态下阻碍离子流的疏水氨基酸环。孔道两端的带负电荷氨基酸簇有助于排除负离子，并促使直径小于 0.65 纳米的任何正离子通过（图 11-40B）。正常的穿行离子主要包括 Na⁺ 和 K⁺，以及一些 Ca²⁺。因此，与电压门控阳离子通道（如前面讨论的 K⁺ 通道）不同，其对阳离子的选择性很低，不同阳离子对通道电流的相对贡献主要取决于它们的浓度和电化学驱动力。当肌细胞膜处于静息电位时，K⁺ 的净驱动力接近于零，因为电压梯度几乎平衡了跨膜的 K⁺ 浓度梯度（见第 656 页图版 11-1）。相反，对于 Na⁺，电压梯度和浓度梯度都作用在同一方向上，驱动离子进入细胞。（Ca²⁺ 的情况也是如此，但细胞外 Ca²⁺ 浓度远低于 Na⁺，因此 Ca²⁺ 对总内向电流的贡献很小。）因此，乙酰胆碱受体通道的开放导致 Na⁺ 的大量净内流（峰值速率约为每个通道每毫秒 30,000 个离子）。这种内流引起膜去极化，作为信号指示肌肉收缩，后文将对此进行讨论。
神经元包含多种类型的递质门控通道
直接响应神经递质乙酰胆碱、5-羟色胺、GABA 和甘氨酸而开放的离子通道包含结构相似的亚基，其可能以与离子型乙酰胆碱受体相同的方式形成跨膜孔道，尽管它们具有不同的神经递质结合特异性和离子选择性。这些通道均由同源多肽亚基构成，组装成五聚体。谷氨酸门控离子通道是个例外，因为它们由不同的亚基家族构成并形成四聚体，类似于前面讨论的 K⁺ 通道（见图 11-24A）。
对于每一类递质门控离子通道，每种类型的亚基都有不同的形式，它们可能由不同的基因编码，或者由单个基因产物通过选择性 RNA 剪接产生。这些亚基以不同的组合方式组装，形成极其多样化的不同通道亚型，具有不同的配体亲和力、不同的通道电导、不同的开关速率以及对药物和毒素的不同敏感性。例如，一些脊椎动物神经元的乙酰胆碱门控离子通道与肌细胞的不同，它们由两个一种类型的亚基和三个另一种类型的亚基组成；但编码第一种亚基不同变体的基因至少有九个，编码第二种亚基不同变体的基因至少有三个。在大脑中执行不同功能的此类神经元的子集表达这些亚基基因的不同组合。理论上，并且在某种程度上实践中，可以设计针对这些精确定义的子集的药物，从而特异性地影响特定的大脑功能。
许多精神活性药物在突触处起作用
递质门控离子通道长期以来一直是重要的药物靶点。例如，外科医生可以通过用箭毒（一种源自植物的药物，南美印第安人最初用来制作毒箭）阻断骨骼肌细胞上的乙酰胆碱受体，使肌肉在手术期间保持松弛。用于治疗失眠、焦虑、抑郁和精神分裂症的大多数药物都在化学突触处发挥其作用，其中许多通过与递质门控通道结合而起效。例如，巴比妥类药物、安定等镇静剂以及安必恩等安眠药与 GABA 受体结合，通过允许更低浓度的 GABA 即可打开 Cl⁻ 通道，从而增强 GABA 的抑制作用。我们对离子通道分子生物学日益深入的理解，应能使我们设计出新一代精神活性药物，其作用更具选择性，以减轻精神疾病的痛苦。
除了离子通道，突触信号传导机制中的许多其他成分也是精神活性药物的潜在靶点。如前所述，许多神经递质释放到突触间隙后，会通过Na⁺驱动的同向转运蛋白介导的重摄取机制被清除。抑制此类转运蛋白能延长神经递质的作用时间，从而增强突触传递。包括百忧解（Prozac）在内的多种抗抑郁药物会抑制血清素的重摄取；另一些药物则同时抑制血清素和去甲肾上腺素的重摄取。
离子通道是构建神经信号传导与计算装置的基本分子单元。为揭示这些装置的复杂程度，我们通过几个案例来说明离子通道群的协同活动如何实现运动、感觉和记忆功能。
神经肌肉传导涉及五组离子通道的级联激活
神经冲动刺激肌细胞收缩的过程，阐明了离子通道对电兴奋细胞的重要性。这个看似简单的反应需要在几毫秒内依次激活至少五组不同的离子通道（图11-41）。
- 当神经冲动抵达神经末梢并使末梢质膜去极化时，神经肌肉传导启动。去极化瞬时打开突触前膜上的电压门控Ca²⁺通道。由于细胞外Ca²⁺浓度比胞内游离Ca²⁺浓度高1000倍以上，Ca²⁺涌入神经末梢。神经末梢胞质内Ca²⁺浓度升高触发乙酰胆碱通过胞吐作用局部释放至突触间隙。
- 释放的乙酰胆碱结合肌细胞质膜上的乙酰胆碱受体，瞬时开启其关联的阳离子通道。由此引发的Na⁺内流导致肌肉局部膜去极化。
- 局部去极化打开该膜上的电压门控Na⁺通道，更多Na⁺进入进一步去极化膜电位。这又激活邻近的电压门控Na⁺通道，形成自我传播的去极化（动作电位），扩散至整个肌细胞质膜（见图11-33）。
- 肌细胞质膜的全面去极化激活横小管（T小管，详见第16章）膜上的电压门控Ca²⁺通道。
- 该过程进而触发肌质网（SR）膜邻近区域的Ca²⁺释放通道瞬时开启，将储存于肌质网的Ca²⁺释放至胞质。T小管与肌质网膜紧密贴附，两类通道通过特殊结构连接：T小管质膜上电压敏感Ca²⁺通道的激活引发构象变化，机械传递至肌质网膜的Ca²⁺释放通道，使其开放并允许Ca²⁺从肌质网腔流入胞质（见图16-30）。胞质Ca²⁺浓度骤增导致肌细胞内肌原纤维收缩。
运动神经元启动肌肉收缩的过程虽复杂，但神经元在突触处整合大量输入信号并计算适宜输出时，需要更精密的离子通道协同作用，下文将展开讨论。
单个神经元是复杂的计算装置
在中枢神经系统中，单个神经元可接收来自数千个其他神经元的输入，并能与众多其他细胞形成突触连接。例如，约数千个神经末梢与脊髓中普通运动神经元形成突触，几乎完全覆盖其胞体和树突（图11-42）。部分突触传递来自大脑或脊髓的信号；另一些则传导来自肌肉或皮肤的感觉信息。运动神经元必须综合所有来源的信息，通过轴突发放动作电位或保持静息状态作出反应。
神经元上的众多突触中，兴奋性突触倾向于激活神经元，抑制性突触则起相反作用。兴奋性突触释放的神经递质引发突触后膜轻微去极化，称为兴奋性突触后电位（excitatory PSP）；抑制性突触释放的递质通常导致微小超极化，即抑制性突触后电位（inhibitory PSP）。大多数神经元树突和胞体的质膜含有相对...
图11-42 脊髓运动神经元表面的突触分布。电子显微照片显示约6000个神经末梢（红色）覆盖在神经元胞体及树突表面，蓝色区域为细胞核。
图11-42 脊髓中的运动神经元。(A) 数千个神经末梢与胞体和树突形成突触连接。这些末梢传递生物体其他部位的信号，控制这个大型细胞沿单根轴突发放动作电位。(B) 荧光显微照片显示培养的神经细胞胞体。其树突被识别细胞骨架蛋白的荧光抗体染色（绿色），该蛋白不存在于轴突中。来自其他神经细胞（不可见）的数千个轴突末梢（红色）在胞体和树突上形成突触；末梢用识别突触囊泡蛋白的荧光抗体染色。(B, 由Olaf Mundigl和Pietro de Camilli提供)
电压门控Na⁺通道密度较低，因此单个兴奋性突触后电位通常不足以触发动作电位。相反，每个传入信号会引发局部突触后电位，其强度随与突触位点距离增加而衰减。若信号同时到达树突区同一区域的多个突触，该区域的突触后电位总和近似于各突触后电位的代数和（抑制性突触后电位对总和产生负贡献）。各区域的突触后电位被动扩布并汇聚至胞体。在长距离传导中，突触后电位的综合幅度随后被转换（或称编码）为动作电位的发放频率：刺激强度（去极化程度）越大，动作电位频率越高。
神经元计算至少需要三种K⁺通道协同作用
神经元接收的刺激强度由该神经元编码为动作电位频率进行长距离传导。编码发生在轴突膜的特化区域——起始段（或称轴丘），即轴突与胞体连接处（见图11-42）。该膜区富含电压门控Na⁺通道，同时还包含至少四类其他离子通道：三种K⁺选择性通道和一种Ca²⁺选择性通道——它们共同参与轴丘的编码功能。三类K⁺通道具有不同特性：延迟整流型、快速失活型和Ca²⁺激活型K⁺通道。
为理解多类型通道的必要性，首先设想若神经细胞仅存在Na⁺通道的情形：当突触刺激低于特定阈值时，起始段膜的去极化程度不足以触发动作电位。刺激逐渐增强至超过阈值时，Na⁺通道开放并触发动作电位。动作电位会因Na⁺通道失活而终止。在下次动作电位触发前，这些通道需从失活状态恢复，这要求膜电位回降至强负值——而只要强去极化刺激（来自突触后电位）持续存在，该条件就无法满足。因此需要另一类通道在每次动作电位后复极化膜电位，使细胞具备再次发放的能力。
延迟整流型K⁺通道承担此功能（动作电位传导机制详见图11-32）。其开放允许K⁺外流，驱动膜电位趋向K⁺平衡电位（该电位极负，能促使Na⁺通道快速脱离失活状态）。膜复极化同时关闭延迟整流型K⁺通道。此时起始段完成重置，突触输入的去极化刺激即可触发新动作电位。通过此机制，树突和胞体的持续刺激将引发轴突重复放电。
然而，重复放电本身并不足够。放电频率必须反映刺激强度，而仅含Na⁺通道和延迟整流型K⁺通道的简单系统无法实现此功能。在稳定刺激低于特定阈值时，细胞完全不放电；超过该阈值时，放电频率会骤升至较高水平。快速失活型K⁺通道解决了此问题。该通道同样受电压门控，在膜去极化时开放，但其特异性电压敏感性和失活动力学特性使其能在略高于放电阈值的刺激水平抑制放电频率。由此消除了放电频率与刺激强度关系中的不连续性，最终实现放电频率在极宽范围内与去极化刺激强度成正比（图11-43）。
图11-43 突触后电位（PSP）总幅度反映为动作电位发放频率。(A)与(B)对比显示轴突放电频率随组合PSP增强而升高，(C)则概括了普遍关系。
编码过程通常还受起始段另外两种离子通道的调控——即前文提及的电压门控Ca²⁺通道和Ca²⁺激活的K⁺通道。它们协同作用降低细胞对持续不变刺激的反应强度，这一过程称为适应。这些Ca²⁺通道与介导突触前轴突末梢释放神经递质的Ca²⁺通道类似：动作电位触发时通道开放，瞬时允许Ca²⁺进入轴突起始段的胞质溶胶。
Ca²⁺激活的K⁺通道响应通道胞质侧升高的Ca²⁺浓度而开放（图11-44）。持续强烈的去极化刺激会引发一长串动作电位，每个动作电位都允许Ca²⁺通过电压门控Ca²⁺通道短暂内流，导致局部胞质Ca²⁺浓度逐渐累积至足以激活Ca²⁺激活的K⁺通道的水平。由于膜对K⁺的通透性增加使膜更难去极化，动作电位间的间隔随之延长。如此，持续受刺激的神经元对恒定刺激的反应性逐渐降低。
此类适应现象（亦可通过其他机制实现）使神经元——实际上整个神经系统——能在高强度持续刺激背景下敏锐感知变化。这种计算策略的典型实例是：我们能感知肩膀的轻微触碰，却忽略衣物的持续压力。第15章将详细讨论细胞信号传导中适应现象的普遍性。
不同神经元通过膜上离子通道的特异性组合实现多样化计算功能，以多种方式响应突触输入。人类基因组中有数百个离子通道编码基因，仅电压门控通道就超过70种。RNA转录本的可变剪接及通道亚基的不同组合装配进一步增加了复杂性。此外，离子通道选择性定位于神经元质膜的不同区域：部分K⁺通道和Ca²⁺通道富集于树突参与输入信号处理；如前述，其他离子通道位于轴突起始段调控动作电位发放；某些配体门控通道分布于胞体，通过配体结合状态调节细胞对突触输入的整体敏感性。离子通道的多样性与特异性分布使各类神经元能根据特定功能需求调整电活动特性。
电压门控Ca²⁺通道普遍存在于神经元中，其内流的Ca²⁺可准确反映神经细胞活动状态。因此当今常通过在特定神经元亚型表达光学Ca²⁺指示剂，以追踪转基因动物的神经活动。借助敏感摄像机观察皮质表面，或通过光纤深入脑组织，可同时成像并追踪大脑中10,000个神经元的Ca²⁺信号。由此我们得以窥见活体动物的神经回路活动。
神经系统的关键特性之一是其学习记忆能力，该能力部分依赖于突触根据使用频率增强或减弱的可塑性特性。接下来我们将探讨在特定形式突触可塑性中起关键作用的一类特殊离子通道。该通道广泛分布于中枢神经系统的兴奋性突触，受电压和兴奋性神经递质谷氨酸双重门控调控，同时也是精神活性药物苯环利定（天使尘）的作用靶点。
哺乳动物海马体的长时程增强作用依赖于NMDA受体通道的Ca²⁺内流
图11-44 Ca²⁺激活的K⁺通道结构。该通道由四个相同亚基组成（为清晰显示采用不同颜色标注）。该通道兼具电压门控与Ca²⁺门控特性。图示结构由分别结晶的通道胞质区与跨膜区组合而成。注意胞质区内巨大的配体结合结构域。（PDB编码：1LNQ）
几乎所有动物都能学习，但哺乳动物的学习能力似乎格外突出（或者说我们倾向于这样认为）。在哺乳动物大脑中，被称为海马体的区域在学习中具有特殊作用。当大脑双侧海马体受损时，尽管先前长期建立的记忆得以保留，但形成新记忆的能力基本丧失。海马体的某些突触在反复使用中会展现出显著的突触可塑性：偶尔的突触前细胞单次动作电位不会留下持久痕迹，而短暂的重复放电爆发则会引起长时程增强（LTP），使得后续突触前细胞的单次动作电位能在突触后细胞中引发显著增强的反应。该效应的持续时间（数小时、数天或数周）取决于重复放电爆发的频率与强度。只有被激活的突触才会出现LTP；同一突触后细胞上保持静息状态的突触不受影响。然而，当细胞通过一组突触接收重复刺激爆发时，若其表面另一个突触同时出现单次动作电位，则该突触也会产生LTP——尽管单独在此突触施加单次动作电位不会引发持久变化。
此类现象的核心规律在于：当突触前细胞放电（单次或多次）且突触后膜处于强去极化状态时（可能源于同一突触前细胞的重复放电或其他机制），LTP便会发生。这一规律反映了突触后膜中特定离子通道的行为。谷氨酸是哺乳动物中枢神经系统的主要兴奋性神经递质，而谷氨酸门控离子通道是大脑中最常见的递质门控通道。在海马体及其他区域，负责兴奋性突触后电位的去极化电流主要由称为AMPA受体的谷氨酸门控离子通道承载，其作用机制符合常规模式（图11-45，图11-46）。但该电流还存在第二个更关键的组分，由另一类谷氨酸门控离子通道——NMDA受体介导。该受体因其可被人造谷氨酸类似物N-甲基-D-天冬氨酸选择性激活而得名。NMDA受体通道具有双重门控特性，需同时满足两个条件才能开放：谷氨酸必须与受体结合，且细胞膜必须
图11-45 AMPA受体结构。这种离子型谷氨酸受体（以谷氨酸类似物α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异唑丙酸命名）是中枢神经系统（CNS）快速兴奋性突触传递最常见的介导者。注意细胞外空间中巨大的配体结合结构域。（PDB编码：3KG2。）
处于强去极化状态。第二个条件用于解除常态下阻塞通道的Mg²⁺。这意味着NMDA受体通常仅在与AMPA受体同时激活并使细胞膜去极化时才会被激活（见图11-43）。NMDA受体对LTP至关重要。当使用特异性抑制剂选择性阻断NMDA受体或通过基因手段使其失活时，即使普通突触传递仍在进行，LTP也不会发生，这表明NMDA受体对LTP的诱导具有关键作用。此类动物表现出特定的学习能力缺陷，但其他行为基本正常。
NMDA受体如何介导LTP？答案在于这些通道开放时对Ca²⁺具有高通透性。Ca²⁺在突触后细胞内作为信号分子，触发导致LTP的级联变化。因此，若通过向突触后细胞注射Ca²⁺螯合剂EGTA人为降低Ca²⁺浓度，LTP会被阻止；而人为提高细胞内Ca²⁺浓度则可诱导LTP。在增强突触后细胞谷氨酸敏感性的长期变化中，包括将新AMPA受体插入质膜（见图11-46）。某些形式的LTP中，突触前细胞也会发生变化，使其后续激活时释放更多谷氨酸。
若突触仅能进行LTP，其将迅速达到饱和状态，从而降低作为信息存储装置的价值。实际上，突触还会表现长时程抑制（LTD），通过选择性内吞作用降解AMPA受体，长期减少突触后膜AMPA受体数量。值得注意的是，LTD同样需要NMDA受体激活及Ca²⁺浓度升高。为何Ca²⁺能在同一突触触发相反效应？研究发现突触强度的双向调控取决于Ca²⁺浓度升高的幅度：高Ca²⁺浓度激活蛋白激酶引发LTP，而适度Ca²⁺浓度则激活蛋白磷酸酶导致LTD。
有证据表明，NMDA受体不仅在海马体，也在大脑其他区域的突触可塑性与学习中发挥重要作用。此外，在神经系统发育过程中，它们还依据经验调整突触连接的解剖模式方面具有关键功能。
因此，在突触处释放的神经递质，除了传递瞬态电信号外，还能改变细胞内介质的浓度，从而导致突触传递效能的持久变化。然而，面对细胞成分的正常周转，这些变化如何持续数周、数月或一生仍不确定。
通道视紫红质的应用已彻底改变了神经回路的研究
通道视紫红质是光敏离子通道，响应光而开启。它们作为感觉受体在光合绿藻中进化，以使藻类游向光源。通道视紫红质的结构与细菌视紫红质非常相似（见图 10-31）。它包含一个共价结合的视黄醛基团，该基团吸收光并发生异构化反应，从而触发蛋白质的构象变化，打开质膜中的离子通道。与细菌视紫红质（一种光驱动质子泵）不同，通道视紫红质是一种光激活阳离子通道。
胞质中Ca2+的增加诱导突触后细胞在质膜中插入新的AMPA受体，增加了细胞对谷氨酸的敏感性
图 11-46 长期增强的信号事件。虽然未显示，但在LTP中，突触前神经末梢也可能发生增强传递的变化，这可能是由突触后细胞的逆行信号诱导的。
使用基因工程技术，通道视紫红质可以在脊椎动物和无脊椎动物的几乎任何细胞类型中表达。研究人员首先将该基因导入培养的神经元中，并证明闪烁的光现在可以激活通道视紫红质并诱导神经元发放动作电位。由于光闪烁的频率决定了动作电位的频率，因此可以以毫秒精度控制神经元发放的频率。
接下来，神经生物学家使用这种方法激活实验动物大脑中的特定神经元。通过在相关大脑区域附近植入微小的光纤电缆，他们可以闪烁光以特异性激活含有通道视紫红质的神经元发放动作电位。一组研究人员在小鼠的神经元子集中表达通道视紫红质，这些神经元被认为与攻击行为有关：当这些细胞被光激活时，小鼠立即攻击其环境中的任何东西——包括其他小鼠甚至充气橡胶手套（图 11-47）；当光关闭时，神经元变得静默，小鼠的行为恢复正常。
自这些开创性研究以来，研究人员已经设计了其他光响应离子通道和转运蛋白，包括一些可以快速失活特定神经元的。因此，现在可以在清醒动物的大脑中以卓越的空间和时间精度瞬时激活或抑制特定神经元。通过这种方式，快速扩张的新领域光遗传学正在彻底改变神经生物学，使神经科学家能够分析实验动物（包括非人灵长类动物）中甚至最复杂行为背后的神经元和回路。
总结
离子通道在脂质双层中形成水性孔道，允许大小和电荷适宜的无机离子沿着其电化学梯度跨膜移动，其速率比任何已知转运蛋白高约1000倍。通道是“门控”的，通常响应膜中的特定扰动而瞬时开启，例如膜电位的变化（电压门控通道），或神经递质结合到通道（递质门控通道）。
K+选择性漏通道在大多数动物细胞的质膜静息膜电位确定中起重要作用。电压门控阳离子通道负责在电兴奋性细胞（如神经元、心脏和骨骼肌细胞）中放大和传播动作电位。递质门控离子通道在化学突触中将化学信号转换为电信号。兴奋性神经递质，如乙酰胆碱和谷氨酸，打开递质门控阳离子通道，从而使突触后膜去极化至发放动作电位的阈值水平。抑制性神经递质，如GABA和甘氨酸，打开递质门控Ca2+或K+通道，从而通过保持突触后膜极化来抑制发放。谷氨酸门控离子通道的一个亚类，称为NMDA受体通道，对Ca2+高度通透，Ca2+可以触发突触效能（突触可塑性）的长期变化，如LTP和LTD，这些被认为与某些形式的学习和记忆有关。
图 11-47 活体小鼠中攻击性神经元的光遗传学控制。将编码通道视紫红质的基因导入小鼠下丘脑的一个神经元亚群中。当使用植入的微小光纤电缆向神经元照射闪烁蓝光时，通道视紫红质通道打开，使细胞去极化并激活。当光打开时，小鼠立即变得具有攻击性并攻击充气橡胶手套；当光关闭时，其行为立即恢复正常（影片 11.1.3）。（改编自 D. Lin 等人，《自然》470:221-226, 2011。经作者许可。）
问题
哪些陈述是正确的？解释为什么是或为什么不是。
11-1 转运蛋白介导的运输可以是主动的或被动的，而通道介导的运输总是被动的。
11-2 如果同向转运蛋白在膜中的方向发生反转（即通常暴露于细胞质的蛋白质部分转而朝向细胞外侧），它就会发挥反向转运蛋白的功能。
11-3 兴奋性突触通常引起突触后膜轻微超极化，而抑制性突触通常引起突触后膜轻微去极化。
11-4 当转运分子的浓度很高时，转运蛋白因其所有结合位点被占据而趋于饱和；相反，通道不结合其转运的离子，因此离子通过通道的通量不会饱和。
11-5 膜电位源于电荷的移动，这种移动几乎不影响离子浓度，仅在膜两侧造成正负离子数量的极微小差异。
讨论下列问题。
11-6 将 Ca²⁺、CO₂、葡萄糖、RNA 和 H₂O 按其通过脂双分子层扩散的能力排序，从最易穿过双分子层的开始。解释排序依据。
11-7 某些分子如何在生物膜两侧达到平衡，但其浓度在两侧却不相同？
11-8 假设膜含有一个单一被动转运蛋白，其溶质的 Km 为 0.1 mM。若起始浓度为胞内 0.01 mM、胞外 0.05 mM，该转运蛋白在平衡膜两侧溶质浓度方面的效果如何？若浓度为胞内 100 mM、胞外 500 mM 呢？ A. 在低溶质浓度和高溶质浓度下均有效 B. 在低溶质浓度下有效，但在高浓度下无效 C. 在低溶质浓度和高溶质浓度下均无效 D. 在低溶质浓度下无效，但在高浓度下有效
11-9 微绒毛增加了肠细胞的表面积，使营养吸收更高效。图 Q11-1 显示了微绒毛的纵切面和横切面。根据图中尺寸，估算微绒毛提供的（与肠腔接触的质膜部分）相对于具有“平坦”质膜的细胞相应表面积的增加量。
图 Q11-1 肠上皮细胞微绒毛的纵切面与横切面（习题 11-9）。（左图来自达特茅斯学院 Rippel 电子显微镜中心；右图来自 David Burgess。）
11-10 离子转运蛋白是“关联”在一起的——并非物理连接，而是其作用的结果。例如，当细胞内 pH 过低时，细胞可利用 Na⁺-H⁺ 反向转运蛋白，用胞外 Na⁺ 交换胞内 H⁺ 来提高胞内 pH。随后通过 Na⁺-K⁺ 泵纠正胞内 Na⁺ 的变化。 A. 这两种转运蛋白共同作用，能否使胞内 H⁺ 和 Na⁺ 浓度均恢复到正常水平？ B. 这两种泵的关联作用是否会导致 K⁺ 浓度或膜电位失衡？为什么？
11-11 根据牛顿运动定律，真空中暴露于电场的离子会受到电场驱动力的持续加速，正如真空中下落物体因重力持续加速。然而，在水中，离子在电场中以恒定速度运动。你认为原因是什么？
11-12 在一类电压门控 K⁺ 通道中，每个亚基的 N 端像一个系留的球，在通道打开后不久堵塞孔道的胞质端，从而使通道失活。这种电压门控 K⁺ 通道快速失活的“球链模型”在黑腹果蝇的 shaker K⁺ 通道中得到了有力支持。（果蝇中的 shaker K⁺ 通道得名于一种突变型，该突变导致兴奋行为——即使麻醉的果蝇也会持续抽搐。）从正常 shaker 通道删除 N 端氨基酸产生的通道能在膜去极化时打开，但会保持开放状态，而非像正常通道那样快速关闭。一段对应于被删除 N 端的肽（MAAVAGLYLGEDRQHRKKQ）在 100μM 浓度下可使开放的通道失活。 失活缺陷型 K⁺ 通道所需的游离肽浓度 (100μM) 是否接近正常通道上系留球的局部浓度？假设系留球可探索半径为 21.4 nm（即多肽“链”长度）的半球 [体积 = (2/3)πr³]（图 Q11-2）。计算该半球内一个球的浓度。该数值与失活通道所需的游离肽浓度相比如何？
图 Q11-2 通过“链”系在电压门控 K⁺ 通道上的“球”（习题 11-12）。
11-13 乌贼的巨轴突（图Q11-3）在细胞膜电位和神经动作电位研究史上具有独特地位。当电极插入完整的巨轴突时，膜电位记录为-70 mV。将轴突悬浮于海水浴中并刺激其传导神经冲动时，膜电位会短暂地从-70 mV变为+40 mV。
图Q11-3 莱氏拟乌贼（Sepioteuthis lessoniana）（习题11-13）。该种乌贼体长可达30 cm。
对单价离子且在20°C（293 K）条件下，能斯特方程简化为：
V = 58mV × log (Cₒ / Cᵢ)
其中Cₒ和Cᵢ分别代表外部和内部离子浓度。
使用此方程计算静息膜电位：(1) 假设仅由K⁺引起；(2) 假设仅由Na⁺引起（轴突胞质溶胶与海水中的Na⁺和K⁺浓度见表Q11-1）。哪个计算结果更接近实测静息电位？哪个更接近实测动作电位？解释为何这些假设能近似反映实测静息电位与动作电位。
| 表Q11-1 海水与乌贼巨轴突胞质溶胶的离子组成（习题11-13） | ||
| 离子 | 胞质溶胶 | 海水 |
| Na⁺ | 65 mM | 430 mM |
| K⁺ | 344 mM | 9 mM |
11-14 若细胞静息膜电位为-70 mV，脂质双层厚度为5 nm，则跨膜电场强度是多少（单位V/cm）？若将相同电压施加于相距1 cm的空气间隙中的两个金属电极，你认为会发生什么？
11-15 神经肌肉接头处的乙酰胆碱门控阳离子通道响应神经末梢释放的乙酰胆碱而开放，允许Na⁺进入肌细胞，引起膜去极化并最终导致肌肉收缩。
A. 膜片钳技术测定显示，幼年大鼠肌肉存在响应乙酰胆碱的阳离子通道（图Q11-4）。存在几种通道类型？判断依据是什么？
图Q11-4 幼年大鼠肌肉乙酰胆碱门控阳离子通道的膜片钳记录（习题11-15）。
B. 对每种通道类型，计算1毫秒内进入细胞的离子数。（1安培表示每秒1库仑电流；1 pA = 10⁻¹² 安培。单电荷离子（如Na⁺）携带1.6×10⁻¹⁹库仑电荷。）