2.2. 细胞质膜与物质跨膜运输¶
细胞质膜（plasma membrane）/细胞膜（cell membrane）：围绕于细胞最外层，由脂质、蛋白质、糖类组成的生物膜；结构上为细胞的界膜（使细胞具相对稳定内环境），细胞与环境间物质运输、能量转换、信息传递具重要作用。
生物膜（biomembrane）：细胞内的膜（internal membrane）系统与细胞质膜的统称，具共同结构特征。
细胞质膜是细胞与胞外环境间一种选择性透过屏障，既保障细胞对基本营养物摄取、代谢物排除，也调节胞内离子浓度，维持细胞相对稳定的内环境。
物质经细胞膜转运主要途径：被动运输、主动运输、胞吞与胞吐作用。
2.2.1. 质膜结构模型、基本成分¶
2.2.1.1. 结构¶
单位膜模型（unit membrane model）：所有生物膜均由蛋白质-脂质-蛋白质的单位膜构成。
流动镶嵌模型（fluid mosaic model）：强调膜的流动性（膜蛋白、膜脂均可侧向运动）、膜蛋白分布的不对称性。
脂筏模型（lipi raft model）：在甘油磷脂为主体的生物膜上，胆固醇、鞘磷脂等富集区形成相对有序的脂相，载有执行特定生物学功能的膜蛋白；是一种相对稳定、分子排列较紧密、流动性较低的膜脂微区（memberane lipid microdomain）。
膜结构归纳：
磷脂于水相中具自发形成封闭膜系统的性质；脂分子为生物膜基本结构成分；小叶（leaflet）：单层磷脂分子。
蛋白质分子以不同方式镶嵌于脂双层分子中（或结合于表面），蛋白质分布不对称性、与脂分子的协同作用使生物膜具不同特性、功能。
膜蛋白与膜脂、膜蛋白与膜蛋白之间及膜两侧生物大分子复杂相互作用，一定程度限制了膜蛋白、膜脂的流动性，形成脂筏、纤毛等结构。
生物膜在细胞整个生命活动中处于动态变化中。
2.2.1.2. 膜脂¶
主要含甘油磷脂（glycerophosphatide）、鞘脂（sphingolipid）、固醇（sterol）；生物膜上还具少量糖脂（glycolipid），多为鞘氨醇衍生物而归为鞘脂类。
甘油磷脂：为3-磷酸甘油衍生物；
含：（主要于内质网合成）
磷脂酰胆碱（卵磷脂，phosphatidylcholine，PC）、
磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS）、
磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）、
磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）等。
特征：除部分心磷脂具4非极性尾其余为1极性头（磷酸基团结合）、2极性尾（脂肪酸链），极性头空间占位可影响脂双层曲度（PE较PC更倾向形成曲面）；脂肪酸链为偶数（16/18C）；除饱和脂肪酸外，常具1/2双键的不饱和脂肪酸（多为顺式）。
PI在细胞信号转导亦起重要作用。
鞘脂：鞘氨醇衍生物，主要于高尔基体合成。鞘磷脂（sphingomyelin，SM），具1烃链，另一链尾与鞘氨醇氨基共价结合的长链脂肪酸。
糖脂：极性头为直接共价结合于鞘氨醇上的糖（寡糖链）。
固醇：胆固醇及其类似物，于胞质、内质网合成，多源摄食；疏水性强，参与膜形成；调节膜流动性、增加膜稳定性、降低水溶性物通透性等。
膜脂分子运动方式：沿膜平面的侧向运动；脂分子绕轴的自旋运动；脂分子尾部的摆动；双层脂分子见的翻转运动（频率低；ER上新生磷脂经过特定膜蛋白协助翻转至另一侧）。
脂质体（liposome）：根据磷脂分子可于水相中形成稳定脂双层膜现象而制备的人工模。
2.2.1.3. 膜蛋白¶
依结合方式，膜蛋白分：
外在膜蛋白（extrinsic membrane protein）/外周膜蛋白（peripheral membrane protein）、
内在膜蛋白（intrinsic membrane protein）/整合膜蛋白（integral membrane protein）、
脂锚定膜蛋白（lipid anchored protein）。
外在膜蛋白：水溶性、经离子键等较弱键与膜表面的膜蛋白、膜脂分子结合，改变离子强度可分离、不破坏膜结构。
脂锚定蛋白：经共价相连脂分子插入膜脂中；分：脂肪酸结合膜蛋白N端，烃链结合膜蛋白C端，经糖脂锚定于质膜上。
内在膜蛋白：与膜结合紧密，去垢剂（detergent）崩解膜后分离；常为跨膜蛋白（胞外结构域、跨膜结构域、胞内结构域）。跨膜结构域与脂双层分子疏水核心互作（最主要、最基本结合方式），跨膜结构域两端正点氨基酸残基与磷脂分子负电极性头形成离子键，某些经胞质侧Cys残基结合于脂肪酸上插入脂双层。
去垢剂：一端亲水、一端疏水的两性小分子；可插入膜脂形成可溶性微粒；离子型（SDS）、非离子型（Triton X-100）；
微团临界浓度（critical micelle concentration）：少量去垢剂以单分子态溶于水，达到一定浓度时可于水中形成微团（micelle）。
2.2.2. 质膜基本特征、功能¶
2.2.2.1. 膜的流动性¶
膜的流动性是所有生物膜的基本特征之一，是细胞生长繁殖等生命活动的必要条件；含膜脂流动性、膜蛋白流动性。
膜脂流动性：脂分子侧向运动，由脂分子本身性质决定；脂肪酸链短、不饱和度高则流动性大。各种膜均具不同相变温度（phase transition temperature），生物膜中膜脂相变温度由组成膜的各脂分子相变温度决定；鞘脂常高于磷脂。胆固醇对膜流动性起双重调节作用，即与磷脂尾结合而有序化、限制运动，也区隔磷脂而更易流动；常起防膜脂变固相、保证流动性作用；质膜脂双层外侧含量常高于内侧，而外侧流动性更强。
膜蛋白流动性：膜蛋白于脂双层中运动为自发热运动，无需代谢产物参与、能量输出。成斑现象（patching）：被标记的膜蛋白已均匀分布于细胞表面后重新排布，聚集于表面某一部位。成帽现象（capping）：聚集于细胞一端。部分膜蛋白与细胞骨架结合而受限；细胞骨架即影响膜蛋白运动，也影响周围膜脂流动；同时，膜蛋白、膜脂分子的相互作用也影响膜流动性。
运动速率检测：FPR技术，依据荧光恢复速度推算膜蛋白、膜脂扩散速度。
2.2.2.2. 膜的不对称性¶
膜脂、膜蛋白不对称分布：同种膜脂于脂双层分布不同，同种膜蛋白于脂双层分布具特定反向、拓扑学特征，糖蛋白、糖脂的糖基均位于质膜外侧。
质膜细胞外表面（extrocytoplasmic surface，ES）：与胞外环境接触的膜面。
细胞膜外小叶（outer leaflet）：ES层脂分子、膜蛋白。
质膜原生质表面（protoplasmic surface，PS）：与基质接触的膜表面。
细胞膜内小叶（inner leaflet）：PS层脂分子、膜蛋白。
冷冻蚀刻技术制样时膜结构常从脂分子疏水端断裂，产生质膜细胞外小叶断裂面（extrocytoplasmic face，EF）和原生质小叶断裂面（protoplasmic face，PF）。胞内囊泡，与基质接触面为PS面、腔内面为ES面，出芽、融合、转运时拓扑结构不变；胞内各胞器膜结构命名、拓扑学性质基本相同。储存脂肪于内质网膜内外小叶间合成，以出芽方式披上内质网内小叶形成游离脂滴（lipid droplet）。
膜脂不对称性：同种膜脂分子于膜脂双层中不均匀分布。磷脂于脂双层两侧，但一侧常较多，非均匀分布，可影响膜曲度（人红细胞质膜：SM、PC多分布于外小叶，PE、PI、PS多分布于内小叶）。胆固醇于膜内外小叶常较均匀。糖脂则完全不对称，仅存于ES面，不对称分布是生理功能的结构基础。
膜蛋白不对称性：膜蛋白分子于质膜上具明确方向性。膜特征、生物学功能主要由膜蛋白决定，膜蛋白不对称性在合成时已确定。
2.2.2.3. 质膜相关膜骨架¶
膜骨架（membrane associated cytoskeleton）：细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，参与维持质膜形态、协助质膜完成生理功能。
血影（ghost）：红细胞经低渗处理后，质膜破裂，释放血红蛋白及胞内其它可溶性蛋白后，细胞仍保持原基本形态的结构。
2.2.2.4. 质膜基本功能¶
为细胞生命活动提供相对稳定的内环境，
选择性物质运输（代谢底物输入、产物排出并伴随能量物质传递），
提供细胞识别位点、完成内外信息跨膜传导，
为多种酶提供结合位点（酶促反应高效有序进行），
介导细胞间、细胞与胞外基质间连接，
参与形成具不同功能的细胞表面特化结构，
膜蛋白可作药物靶标。
脂筏与胞膜窖（caveola）的共同特征为具相对有序、结构相对稳定的质膜微区，在细胞信息传递、物质运输等生命活动起重要作用。
2.2.3. 膜转运蛋白与小分子物质跨膜¶
2.2.3.1. 不透性脂双层与膜转运蛋白¶
活细胞内外离子浓度高度不同（外Na+内K+）对细胞存活、功能具重要作用，由以下机制调控：特殊的膜转运蛋白（membrane transport protein）活性、质膜本身脂双层具有的疏水特性。
质膜上膜转运蛋白分：载体蛋白（carrier protein）与特异溶质结合经自身构象改变实现物质跨膜转运，通道蛋白（channel protein）形成亲水通道实现对特异溶质跨膜转运。
2.2.3.1.1. 载体蛋白及其功能¶
载体蛋白几乎存于所有类型生物膜上，为多次跨膜蛋白；可与特定溶质分子结合，经系列构象改变而介导溶质分子跨膜转运。
不同部位生物膜常具对应功能的不同载体蛋白；每种载体蛋白对底物具高度选择性（常仅转运一类型分子）；转运过程具饱和性；可被底物类似物竞争性抑制、抑制剂非竞争性抑制，pH依赖性等；故而称通透酶（permease），但不具酶催化活性。
2.2.3.1.2. 通道蛋白及其功能¶
通道蛋白分：离子通道（ion channel）、孔蛋白（porin）、水孔蛋白（AQP）；形成选择性、门控性跨膜通道。通道选择性取决于通道性质（直径、形状、电荷）；离子通道介导被动运输时，不需与溶质分子结合，大小、电荷适宜离子才可透过。孔蛋白存在于G-外膜、线粒体及叶绿体外膜，选择性低、可透过较大分子。
离子通道蛋白显著特征：具有极高转运速率、无饱和值、门控性。驱动离子跨膜转运动力为跨膜电化学梯度（electrochemical gradient），方向为顺电化学梯度。
依门控性可分：电压门通道（voltage-gated channel）、配体门通道（ligand-gated channel）、应力激活通道（stress-activated channel）。
2.2.3.2. 小分子物质跨膜运输¶
离子、小分子物质跨膜运输与诸多生物学过程密切相关，依跨膜转运载体、能量条件分：简单扩散、被动运输（协助扩散）、主动运输。
2.2.3.2.1. 简单扩散¶
简单扩散（simple diffusion）：小分子物质以热自由运动方式顺电化学梯度（浓度梯度）直接经脂双层进出细胞，不需细胞供能、无需膜转运蛋白协助。
不同性质小分子物质跨膜速率差异大，小分子易于大分子、非极性易于极性、带电荷则需更高自由能。
物质对膜通透性 \(P=\frac{KD}{t}\)，K、D为该物质于油、水中的分配系数、扩散系数，t为膜厚度。
2.2.3.2.2. 被动运输¶
被动运输（passive transport）/协助扩散（facilitated diffusion）：溶质顺电化学梯度（浓度梯度），在膜转运蛋白协助下跨膜转运的方式。
动力为物质电化学梯度或浓度梯度。
多种极性小分子、无机离子（包括水、糖、氨基酸、核苷酸、细胞代谢物）均可。
葡萄糖转运蛋白（glucose transporter，GLUT），转运方向取决于Glc浓度梯度。水孔蛋白（AQP）水分子的跨膜通道，具高度特异性。
2.2.3.2.3. 主动运输¶
主动运输（active transport）：由载体蛋白介导的物质逆化学梯度（浓度梯度）进行跨膜转运的方式，依能量来源分：ATP直接供能（ATP驱动泵）、间接供能（协同转运、偶联转运蛋白）、光驱动泵。
ATP驱动泵（ATP-driven pump）：ATP酶直接利用水解ATP供能，实现离子、小分子逆浓度梯度跨膜运输。
协同转运蛋白（cotransporter）/偶联转运蛋白（coupled transporter）：分同向协同转运蛋白（symporter）、反向协同转运蛋白（antiporter）；使一种离子、分子逆浓度梯度转运与另一种/多种其它溶质顺浓度梯度转运偶联，间接耗能主动转运方式。
光驱动泵（light-driven pump）：细菌种对溶质主动运输与光能输入偶联（菌紫红质）。
2.2.4. ATP驱动泵与主动运输¶
ATP驱动泵：将ATP水解生成ADP、Pi，利用释放能量跨膜转运小分子物质、离子，常称转运ATPase。
正常情况下转运ATPase不直接水解ATP，而是将ATP水解、物质跨膜转运紧密偶联；
分P型泵、V型质子泵、F型质子泵、ABC超家族，前3转运离子、后1主要转运小分子。
2.2.4.1. P型泵¶
2.2.4.1.1. Na+-K+泵¶
Na+-K+泵（Na+-K+pump）/ Na+-K+ATPase，Na+依赖性磷酸化、K+依赖性去磷酸化引起泵构象有序变化。
维持细胞膜点位（每次3 Na+出、2 K+入）、维持动物细胞渗透平衡、吸收营养（对Glc、氨基酸等吸收由Na+驱动，协同转运）。
膜电位（membrane potential）：细胞质膜两侧均具有一定电位差，是膜两侧离子浓度不同形成，静息时内负外正。
2.2.4.1.2. Ca2+泵¶
细胞质基质中游离Ca2+浓度维持于低水平，由质膜、细胞器膜上钙泵（Ca2+pump，Ca2+ATPase）将Ca2+泵至胞外、细胞器内，2Ca2+/ATP。
动物细胞质膜上Ca2+泵C端为胞内钙调蛋白（CaM）结合位点，胞内Ca2+高浓度时形成Ca2+-CaM复合物调节钙泵活性。
2.2.4.1.3. P型质子泵¶
植物细胞、真菌（含酵母）、细菌细胞质膜无Na+-K+泵，具P型H+泵（H+ATPase）维持跨膜H+电化学梯度以转运溶质。
2.2.4.2. V型、F型质子泵¶
V型质子泵（V-type proton pump）：广泛存于动物细胞胞内体膜、溶酶体膜，植物、酵母等液泡膜上；水解ATP功能从基质中逆电化学梯度转运H+入胞器，维持基质pH中性、胞器pH酸性。
F型质子泵（F-type proton pump）：存于细菌质膜、线粒体内膜、叶绿体类囊体膜上；利用质子动势合成ATP（H+-ATP合酶）。
两者与P型泵不同，仅转运质子，转运过程无磷酸化中间体。
2.2.4.3. ABC超家族¶
ABC超家族（ABC superfamily）：一类ATP驱动泵；称ABC转运蛋白（ATP-binding cassette）。
正常下ABC转运蛋白是细菌质膜上糖、氨基酸、磷脂、肽的转运蛋白，是哺乳类质膜上磷脂、亲脂性药物、胆固醇等的转运蛋白。多抗药性转运蛋白（multidrug-resistance，MDR）：一类可将抗生素、抗癌药物泵出细胞而使细胞具抗药性的ABC转运蛋白。
囊性纤维病（cystic fibrosis）：常隐，由于囊性纤维化跨膜转运蛋白（CFTR，一种ABC转运蛋白）突变，Cl-转运异常使得胞外缺水而引起肺粘稠分泌物堵塞支气管。
2.2.4.4. 膜电位¶
膜电位：细胞质膜两侧各带电物形成的电位差总和。静息电位（resting potential）：细胞于静息状态下的膜电位。动作电位（active potential）：刺激作用下产生行使通讯功能的快速变化的膜电位。
极化（polarization）：静息电位下，细胞质膜内外相对稳定电位差，内负外正的状态。
去极化（depolarization）：细胞受刺激超过阈值后，电压门Na+通道打开，瞬间大量Na+进入细胞，使静息电位减小、消失的过程。
反极化：Na+内流达到Na+平衡电位，形成瞬间内正外负的动作电位。
超极化（super polarization）：动作电位后，Na+通道关闭，电压门K+通道打开，K+外流使得质膜极化，超过原静息电位。超极化时K+通道关闭，膜电位恢复至静息状态。
2.2.5. 胞吞、胞吐作用¶
真核细胞经胞吞作用（endocytosis）、胞吐作用（exocytosis）完成大分子、颗粒物的跨膜运输。运输时，物质包裹于脂双层膜包被的囊泡中，称膜泡运输。运输时常同时转运多种物质，称批量运输（bulk transport）。
胞吞作用：细胞经质膜内陷形成囊泡，将胞外物质（生物大分子、颗粒物、液体等）摄取进细胞，维持细胞正常代谢活动。
胞吐作用：细胞内合成的生物分子（蛋白质、脂质等）、代谢物以分泌泡形式与质膜融合而将内含物分泌到细胞表面、胞外的过程。
2.2.5.1. 胞吞作用类型¶
胞吞时质膜内陷脱落形成囊泡，称胞吞泡（endocytic vesicle）；依胞吞泡形成机制、大小差异分：吞噬作用（phagocytosis）、胞饮作用（pinocytosis）。
2.2.5.1.1. 吞噬作用¶
吞噬作用常发生于特化吞噬细胞（巨噬细胞、中心粒细胞），经吞噬作用形成的胞饮泡称吞噬体（phagosome），较胞饮泡大。吞噬作用是原生生物摄食方式；高等多细胞生物中，吞噬作用常与免疫相关，需被吞噬物与吞噬细胞表面结合激活受体而引起吞噬（抗体诱发、补体、寡糖链等）。
2.2.5.1.2. 胞饮作用¶
胞饮作用发生于几乎所有类型真核细胞，分：
网格蛋白依赖的胞吞作用（clathrin dependent endocytosis）、
胞膜窖依赖的胞吞作用（caveola dependent endocytosis）、
大型胞饮作用（macropinocytosis）、
非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用（clathrin and caveola independent endocytosis）。
网格蛋白（clathrin）由3个二聚体组成，形成三脚蛋白复合体（triskelion）。配体与膜上受体结合后，网格蛋白聚集于膜下形成网格蛋白包被小窝（clathrin-coated pit），发动蛋白（dynamin）于包被小窝颈部组装成环结合GTP引起颈部缢缩，形成网格蛋白包被膜泡（clathrin-coated vesicle），网格蛋白脱离返回质膜，囊泡与早胞内体（early endosome）融合。大分子跨膜转运时，特异性选择作用依靠衔接蛋白（adaptin），即剂盒网格蛋白、也可识别阔莫受体胞质面尾部肽信号（peptide signal），从而介导选择性运输。
依胞吞物质专一性分：非特异性胞吞作用、受体介导的胞吞作用（receptor mediated endoxytosis）。受体介导的胞吞作用为多数动物细胞摄取胞外特定大分子的有效途径，是一种选择性浓缩机制（selective concentrating mechanism）。
胞吞过程中，胞内体是膜泡运输的主要分选站之一。受体介导的胞吞作用中，受体的去向：多数返回原质膜区、部分进入溶酶体被消化（受体下行调节，receptor down-regulation）、部分被运至另一侧质膜（跨细胞转运，transcytosis）。
2.2.5.2. 胞吞作用与信号转导¶
受体下行调节：细胞经胞吞作用将受体及其配体内吞入细胞内降解，使细胞信号转导活性下降；与泛素化（ubiquitination）相关。
胞吞作用激活信号转导活性：Notch信号通路，DSL与Notch受体结合后，于S2位点切割，受体细胞经胞吞作用内吞Notch受体并于S3位点切割产生活性片段NICD调控靶基因表达。
2.2.5.3. 胞吐作用¶
组成型胞吐途径（constitutive exocytosis pathway）：真核细胞熊高尔基体反面管网区（TGN）分泌囊泡至质膜；连续不断供应质膜更新。
调节型胞吐途径（regulated exocytosis pathway）：特化分泌细胞具有，产生的分泌物储存于分泌泡内，受胞外信号刺激时，分泌泡于质膜融合释放内含物。