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膜上的钠泵，通过降低质膜两侧Na+的浓度差以减小Na+-Ca2+交换的驱动力，使胞质内Ca2+浓度增加，从而产生强心效应。
体内广泛分布的另一种离子泵是钙泵(calcium pump)，也称Ca2+-ATP酶，它位于质膜、内质网或肌质网膜上。质膜钙泵每分解1分子ATP，可将1个Ca2+由胞质内转运至胞外；肌质网或内质网钙泵则每分解1分子ATP可将2个Ca2+从胞质内转运至肌质网或内质网内。两种钙泵的共同作用可使胞质内游离Ca2+浓度保持在0.1~0.2μmol/L的低水平，仅为细胞外液中Ca2+浓度(1~2mmol/L)的万分之一。在胞内如此低浓度的游离Ca2+背景下，细胞对胞质内Ca2+浓度的增加将变得非常敏感，以致经钙通道流入胞质内的Ca2+成为触发或激活许多生理过程的关键因素，如肌细胞的收缩、腺细胞分泌囊胞中内容物的释放、突触囊胞中递质的释放，以及某些酶蛋白和通道蛋白的激活等。
除钠泵和钙泵外，体内还有两种较为重要的离子泵，它们都是质子泵。一种是主要分布于胃腺壁细胞膜和肾小管闰细胞膜上的H+,K+-ATP酶，其主要功能是分泌H+；另一种是分布于各种细胞器膜上的H+-ATP酶，可将H+由胞质内转运至溶酶体、内质网、突触囊泡等细胞器内，以维持胞质的中性和细胞器内的酸性，使不同部位的酶都处于最适pH环境中，同时也建立起跨细胞器膜的H+浓度梯度，为溶质的跨细胞器膜转运提供动力(见下文)。 (3)继发性主动转运：继发性主动转运(secondary active transport)是指驱动力并不直接来自ATP的分解，而是来自原发性主动转运所形成的离子浓度梯度而进行的物质逆浓度梯度和(或)电位梯度的跨膜转运方式。事实上，继发性主动转运就是经载体易化扩散与原发性主动转运相耦联的主动转运系统。葡萄糖在小肠黏膜上皮的主动吸收就是一个典型的继发性主动转运。它是由Na+-葡萄糖同向转运体和钠泵的耦联活动而完成的(图2-3)。用药物抑制钠泵活动一段时间后，葡萄糖转运随即减弱或消失，表明葡萄糖转运对钠泵活动的依赖性。氨基酸在小肠也是以同样的方式被吸收的。
继发性主动转运在体内广泛存在，如跨质膜的Na+-H+交换、Na+- Ca2+交换、Na+-K+-Cl-同向转运、葡萄糖和氨基酸在小肠黏膜上皮被吸收和在肾小管上皮被重吸收、甲状腺上皮细胞的聚碘、神经递质在突触间隙被轴突末梢重摄取、突触囊泡从胞质中摄取神经递质等都属于继发性主动转运。在绝大多数情况下，溶质跨质膜转运的动力来自钠泵活动建立的Na+的跨膜浓度梯度，而溶质跨细胞器膜转运的动力则来自质子泵(H+-ATP酶)活动建立的H+的跨膜浓度梯度。例如，去甲肾上腺素被神经末梢重摄取的过程需经过两次跨膜，首先是借助于Na+的跨膜梯度，将递质与Na+、Cl-一起经位于神经末梢质膜上的去甲肾上腺素转运体同向转运至胞质内，然后再利用H+的跨膜梯度，经位于突触囊泡膜上的单胺类递质转运体与H+反向交换，每进入囊泡1个去甲肾上腺素分子，同时排出2个H+。
(三)出胞和入胞
大分子物质或物质团块不能穿越细胞膜，它们可通过形成质膜包被的囊泡，以出胞或入胞的方式完成跨膜转运(图2-4)。
出胞(exocytosis)是指胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。例如，外分泌腺细胞将合成的酶原颗粒和黏液排放到腺导管腔内，内分泌腺细胞将合成的激素分泌到血液或组织液中，以及神经纤维末梢将突触囊泡内神经递质释放到突触间隙内等都属于出胞。分泌物通常是在粗面内质网的核糖体上合成，再转移到高尔基体被修饰成由膜结构包裹的分泌囊泡，这些囊泡逐渐移向细胞膜的内侧，并与细胞膜发生融合、破裂，最后将分泌物排出细胞，而囊泡膜随即成为细胞膜的组分。由于在出胞过程中囊泡膜融人细胞膜，因而会使细胞膜表面积有所增加。出胞的完成有两种形式，一种是囊泡所含的大分子物质以上述方式不间断地排出细胞，它是细胞本身固有的功能活动，如小肠黏膜杯状细胞持续分泌黏液的过程；另一种是合成的物质首先储存于细胞膜内侧或某些特殊的部位，须在细胞受到某些化学信号或电信号的诱导时才排出细胞，因而是一种受调节的出胞过程。如神经末梢递质的释
放就是动作电位到达神经末梢时才引起的出胞过程，这一过程最终由进入胞内的Ca2+触发。 入胞(endocytosis)是指大分子物质或物质团块(如细菌、细胞碎片等)借助于细胞膜形成吞噬泡或吞饮泡的方式进入细胞的过程。以吞噬泡或吞饮泡的形式入胞的过程分别称为吞噬(phagocytosis)和吞饮(pinocytosis)。吞噬仅发生于一些特殊的细胞，如单核细胞、巨噬细胞和中性粒细胞等，形成的吞噬泡直径较大(1~2μm)；吞饮则可发生于体内几乎所有的细胞，形成的吞饮泡直径较小(0.1~0.2μm)。吞饮又可分为液相入胞(fluidphase endocytosis)和受体介导入胞(receptor mediated endocytosis)两种形式。液相入胞是指细胞外液及其所含的溶质以吞饮泡的形式连续不断地进入胞内，是细胞本身固有的活动。进入细胞的溶质量和溶质的浓度成正比。与出胞时相反，入胞时由于一部分细胞膜形成吞饮泡，因而会使细胞膜表面积有所减小。受体介导入胞则是通过被转运物与膜受体的特异性结合，选择性地促进被转运物进入细胞的一种入胞方式。如图2-4所示，被转运物的分子首先与膜上的受体结合，并移行到膜上一些称为有被小窝的部位。有被小窝区域的质膜内表面含有许多网格蛋白，后者是一种三脚蛋白，有助于局部质膜形成吞饮泡。当受体复合物在有被小窝处聚集到一定程度时便触发入胞，形成有被囊泡并进入胞质。有被囊泡表面的网格蛋白随即与囊泡分离，并重新回到质膜的有被小窝部位。有被囊泡失去网格蛋白后成为吞饮泡，吞饮泡随即与胞内体融合。胞内体内部的pH值很低，这种酸性环境有助于受体与其相结合的配体(被转运物)分离。受体与配体分离后胞内体又分为两部分，包含配体的囊泡转运到高尔基体或溶酶体被进一步利用；包含受体的囊泡则向细胞膜移动，与细胞膜的内侧接触、融合而成为细胞膜的组分，实现受体的再利用，而细胞膜表面积也能保持相对恒定。受体介导入胞是一种非常有效的转运方式。溶质选择性地进入细胞时，并不同时进入较多的细胞外液，而且即使溶质的浓度很低，也不影响有效的入胞过程。许多大分子物质都是以这种方式进入细胞的，如运铁蛋白、低密度脂蛋白、维生索B12转运蛋白、多种生长因子、一些多肽类激素(如胰岛素)等。人体血浆中的低密度脂蛋白(1ow density lipoprotein，LDL)就是在细胞膜上的LDL受体介导下入胞而被利用的。某些人由于缺乏LDL受体，使LDL不能被正常利用，血浆中LDL浓度升高，LDL颗粒中含有大量胆固醇，因而可导致高胆固醇血症。
第二节 细胞的信号转导
作为多细胞动物机体中的每一个细胞，都在一定的部位执行专门的功能；而机体为适应内、外环境变化所完成的任何一种生命活动，都需要其中许多细胞相互协调、相互配合地工作，这就使各种细胞间形成复杂的信号交流机制。这些信号主要是以各种类型的化学物质作为信息的载荷体，如激素、神经递质和细胞因子等，也包括一些物理性的信号，如电、光和机械牵张等。这些生物信号主要由体内的细胞产生和分泌，也可来自外环境。当它们作用于另一些细胞(靶细胞)的受体后，便可对靶细胞的代谢、功能、分化、生长、形态结构、生存状态等方面产生影响。这些能与受体发生特异性结合的活性物质也称配体(ligand)。根据配体的不同作用方式，可大体将它们分为两类：一类以疏水性的类固醇激素为代表，它们以单纯扩散的方式透过细胞膜，与胞内受体结合并发挥作用(见第十一章)；另一类是属于亲水性分子的信号物质，其数量较大，它们首先作用于质膜上的受体，再经跨膜的和细胞内的信号转导(signal transduction)而产生生物学效应。物理信号也通过跨膜信号转导的方式发挥作用。根据膜受体的结构和功能特性，跨膜信号转导的路径大致可分为三类，即离子通道型受体介导的信号转导、G蛋白耦联受体介导的信号转导和酶联型受体介导的信号转导。 一、离子通道型受体介导的信号转导
离子通道型受体(ion channel receptor)分子是一种同时具有受体和离子通道功能的蛋白质分子，属于化学门控通道。它们接受的化学信号绝大多数是神经递质，故也称递质门控通道(transmitter gated ion channel)，又由于激活后可引起离子的跨膜流动，所以又称促离子型
受体(ionotropic receptor)。这类受体与神经递质结合后，引起突触后膜离子通道的快速开放和离子的跨膜流动，导致突触后神经元或效应器细胞膜电位的改变，从而实现神经信号的快速跨膜转导。例如，骨骼肌终板膜上的ACh受体阳离子通道被神经末梢释放的ACh激活后，引起Na+和K+的跨膜流动，使膜两侧离子浓度和电位发生变化，并进一步引发肌细胞的兴奋和收缩；神经元膜上的A型γ-氨基丁酸受体是氯通道，在被递质激活后可使通道开放，引起Cl-内流，使膜内负电位增大，对突触后神经元产生抑制效应。离子通道型受体介导信号转导的特点是路径简单，速度快，从递质结合至产生电效应的时间仅约0.5ms，这与神经电信号的快速传导是相适应的。
电压门控通道和机械门控通道常不称为受体，但事实上，它们是接受电信号和机械信号的“受体”，并通过通道的开放、关闭和离子跨膜流动将信号转导到细胞内部。例如，心肌细胞T管膜上的L型钙通道(L-type Ca2+ channel)就是一种电压门控通道，动作电位发生时，T管膜的去极化可激活这种钙通道，它的开放不仅引起Ca2+本身的内流，而且内流的Ca2+又作为细胞内信号，进一步激活肌质网的钙释放通道，引起胞质内Ca2+浓度升高和肌细胞收缩(见第四节)，从而实现动作电位(电信号)的信号转导；神经末梢的电压门控钙通道可被沿神经纤维传来的动作电位激活，内流的Ca2+作为细胞内信号可进一步触发突触囊泡中递质的释放；对血管壁的牵张刺激(如血压升高)可激活血管平滑肌细胞的机械门控离子通道，使通道开放，引起Ca2+内流，内流的Ca2+作为细胞内信号，可进一步引发血管收缩，从而实现管壁牵张刺激的信号转导。以上例子说明电压门控通道和机械门控通道不仅是物质(离子)的跨膜转运通路，更重要的是它们在实现体内各种电信号和机械信号的跨膜转导中所起的介导作用。
二、G蛋白耦联受体介导的信号转导
G蛋白耦联受体(G protein-linked receptor)本身不具备通道结构，也无酶活性，它是通过与脂质双层中以及膜内侧存在的包括G蛋白等一系列信号蛋白质分子之间级联式的复杂的相互作用来完成信号跨膜转导的(图2-5)，因此也称促代谢型受体(metabotropic receptor)。这里所涉及的信号蛋白包括G蛋白耦联受体本身、G蛋白、G蛋白效应器、第二信使和蛋白激酶等。
(一)主要的信号蛋白
1．G蛋白耦联受体 G蛋白耦联受体分布于所有的真核细胞，种类繁多，人类基因组中编码这类受体的基因多达2000个左右，它们构成细胞膜上最大的受体分子超家族。G蛋白耦联受体的配体种类也很多，包括去甲肾上腺素、多巴胺、组胺、5-羟色胺等生物胺，缓激肽、促甲状腺激素、黄体生成素、甲状旁腺激素等多肽和蛋白类激素，乙酰胆碱、光子、嗅质和味质等。所有G蛋白耦联受体分子都由一条包含7次跨膜α螺旋的肽链构成，N端在胞外，C端在胞质侧，也称7次跨膜受体。受体蛋白的胞外侧有配体结合部位，胞质侧有G蛋白结合部位。受体在与配体结合后，其分子发生构象变化，引起对G蛋白的结合和激活。
2．G蛋白 鸟苷酸结合蛋白(guanine nucleotide binding protein)简称G蛋白(G protein)，是耦联膜受体与下游效应器(酶或离子通道)的膜蛋白，存在于质膜的胞质面。G蛋白通常是指由α、β和γ三个亚单位构成的三聚体G蛋白。根据其α亚单位基因序列的同源性可将G蛋白分4类，即Gs、Gi、Gq和G12：家族，每类又分为若干亚型，总计20多种。所有G蛋白的共同特征是具有结合GTP或GDP的能力和具有GTP酶活性。
G蛋白的分子构象有结合GDP的失活态和结合GTP的激活态两种，在信号转导中两种构象相互交替，起着分子开关(molecular switch)的作用(图2-6)。经受体活化进入激活态的G蛋白可进一步激活下游的效应器(酶或离子通道)，使信号通路瞬间导通；在回到失活态后，信号转导即终止。
3．G蛋白效应器 G蛋白效应器(G protein effector)包括酶和离子通道两类。主要的效应器酶有腺苷酸环化酶(adenylyl cyclase，AC)、磷脂酶C(phospholipase C，PLC)、磷酸酶A2(phospholipase A2，PLA2)和磷酸二酯酶(phosphodiesterase，PDE)等，它们催化生成(或分解)第二信使物质，将信号转导至细胞内。此外，某些离子通道也可接受G蛋白直接或间接(通过第二信使)的调控(见下文)。
4．第二信使 第二信使(second messenger)是指激素、递质、细胞因子等信号分子(第一信使)作用于细胞膜后产生的细胞内信号分子。通常是由效应器酶作用于胞内底物产生的小分子物质，可通过进一步激活蛋白激酶或离子通道等方式产生以靶蛋白构象变化为塞础的级联反应和细胞功能改变。较重要的第二信使有环-磷酸腺苷(cyclic adenosinemonophosphate，cAMP)、三磷酸肌醇(inositol triphosphate，IP3)、二酰甘油(diacylglycerol，DG)、环-磷酸鸟苷(cyclic guanosine monophosphate，cGMP)和Ca2+等。 (二)主要的G蛋白耦联受体信号转导途径
1．受体-G蛋白-AC途径 参与这一信号转导途径的G蛋白属于Gs和Gi家族，如果活化受体耦联的G蛋白属于Gs家族，则激活态的Gs可进一步激活腺苷酸环化酶(AC)。AC是一类12次穿膜的大分子蛋白质，其催化活性部位位于胞质侧，可催化胞内的ATP生成cAMP。如果活化受体激活的G蛋白属于Gi家族中的某一亚型，这类G蛋白被活化后则可抑制AC的活性，从而降低胞质内cAMP的水平。
作为细胞内的一个信号分子，cAMP主要通过激活蛋白激酶A(PKA)来实现其信号转导作用。PKA属于丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶，可通过对底物蛋白的磷酸化而发挥其生物学效应。由于PKA磷酸化的底物蛋白不同，因此在不同的靶细胞中具有不同的效应。例如，在肝细胞内，PKA可激活磷酸化酶激酶，后者促使肝糖原分解；在心肌细胞，PKA可使钙通道磷酸化，增加细胞膜上有效钙通道的数量，因而可增强心肌收缩；在胃黏膜壁细胞，PKA的激活可促胃酸分泌；而在海马锥体细胞，PKA则可抑制Ca2+激活的钾通道，使细胞去极化，延长其放电时间。
2．受体-G蛋白-PLC途径 许多配体与受体结合后，可经Gi家族或Gq家族中的某些亚型激活磷脂酶c(PLC)，PLc可将膜脂质中含量甚少的二磷酸磷脂酰肌醇(phos-phatidylinositol bisphosphate，PIP2)迅速水解为两种第二信使物质，即三磷酸肌醇(IP3)和二酰甘油(DG)。IP，是水溶性的小分子物质，它在生成后离开细胞膜，与内质网或肌质网膜上的IP3受体(IP，receptor，IP3R)结合。IP3R是一种化学门控的钙释放通道(Ca2+ release channel)，激活后可导致内质网或肌质网中的Ca2+释放和胞质中Ca2+浓度升高。脂溶性的二酰甘油生成后仍留在细胞膜内，它与Ca2+和膜磷脂中的磷脂酰丝氨酸共同将胞质中的蛋白激酶C(PKC)结合于膜的内表面，并使之激活。胞质内增加的Ca2+和激活的PKC可进一步作用于下游的信号蛋白或功能蛋白。
Ca2+既是电流的载荷体，又可起信号分子的作用。Ca2+作为第二信使，通过与多种底物蛋白结合而发挥其调节作用。细胞内这种与Ca2+结合的蛋白统称为钙结合蛋白(Ca2+-binding protein，CaBP)，它们的种类很多，其中分布最广、功能最多的是钙调蛋白(calmodulin，CaM)。Ca2+与CaM的复合物(Ca2+?CaM)有多种生理功能。如在平滑肌，Ca2+?CaM可结合于肌球蛋白轻链激酶(myosin light chain kinase，MLCK)并使之活化，导致肌球蛋白轻链磷酸化和平滑肌收缩；在血管内皮细胞，Ca2+?CaM可结合并激活一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)，由后者催化生成的NO扩散至平滑肌，可引起血管舒张。Ca2+?CaM还可通过激活依赖于CaM的蛋白激酶，促使底物蛋白磷酸化来发挥调节作用。除CaM外，Ca2+还可通过其他CaBP发挥作用。如在骨骼肌，Ca2+与肌钙蛋白结合可引发肌肉收缩；在心肌，Ca2+可与肌质网上的ryanodine受体结合，诱发肌质网释放Ca2+(见第四节)；Ca2+还可结合并激活PKC，使底物蛋白磷酸化而发挥调节作用。