细胞膜

细胞膜细胞膜(cell membrane)是每个细胞把自己的内容物包围起来的一层界膜，又叫质膜(plasma membrane)。

细胞膜使细胞与外界环境有所分隔而又保持种种联系。

它首先是一个具有高度选择性的滤过装置和主动的运输装置，保持着细胞内外的物质浓度差异，控制着营养成分的进入细胞和废物、分泌物的排出细胞；其次它是细胞对外界信号的感受装置，介导了细胞外因子对细胞引发的各种反应。

它还是细胞与相邻细胞和细胞外基质的连接中介。

质膜与细胞内膜（即各种细胞器的膜）具有共同的结构和相近的功能，统称为生物膜(biological membrane)。

生物膜具有各种复杂奇妙的功能，其基础在于它的化学组成和结构。

在常规电镜超薄切片上，它们呈两暗夹一明、总宽度约为７nm的膜层。

在冷冻蚀刻技术中，它们可被断裂成两个半膜，在断裂面上可以看到膜内颗粒。

生物膜都是由脂质分子、蛋白质分子、糖类分子以非共价结合的方式组成的。

脂质分子排列成厚约５nm的连续双层，称为脂双层（lipid bilayer），构成膜的支架，并成为对大多数水溶性分子的通透屏障；蛋白质分子分布在脂双层内，担负着作为酶、运输蛋白、连接蛋白、膜抗原和受体等的种种特殊使命；存在于膜表面的糖类也参与了膜的一些重要功能。

本章将讨论细胞膜的化学组成和结构，还将讨论细胞膜的一部分功能—对小分子物质的运输。

膜的其他功能如大分子物质的运输、细胞外信号的识别和传导、膜抗原和免疫反应等内容将在其他章节中介绍。

第一节细胞膜的化学组成和结构从多种细胞分离获得的纯净质膜或各种内膜进行化学分析，结果表明，各种生物膜都是由脂类、蛋白质和糖类这三种物质组成的。

三种成分的比例在不同的膜有很大变化。

例如，主要起绝缘作用的神经髓鞘膜上，７５％为脂类，而主要参与能量转换的线粒体内膜上，７５％为蛋白质。

对大多数细胞来说，脂类约占５０％，蛋白质约占４０%－５０％，糖类约占１%－１０％。

生物膜之所以具有种种复杂而重要的功能，不但因为构成膜的三种成分各自具有独特的理化性状，而且因为这三种成分之间有着巧妙的相互作用，组成特定的结构。

对于膜的结构曾先后有过多达５０种的假说。

随着电镜冷冻蚀刻技术以及多种生物物理、生物化学新技术的应用，对膜结构有了逐步深入的认识。

１９７２年Singer 和Nicolson 提出的“液态镶嵌模型”（fluid mosaic model）是现今我们对膜结构认识的主要依据。

这一模型（图6－１）的基本内容可以概括为以下几点：脂质分子排成双层构成生物膜1的骨架；蛋白质分子以不同方式镶嵌或联结于脂双层上；膜的两侧结构是不对称的；膜脂和膜蛋白具有一定的流动性。

图9－1显示了膜结构的二维和三维模式图。

图6－1 细胞膜结构（引自Daniel S. Friend）参照前书图9-1本节所述膜的三种成分各自的性质及它们共同组成膜的方式，所根据的主要是“液态镶嵌模型”以及近三十年来对此模型进行补充和修正的新资料、新观点。

分子生物学技术的发展和基因组学研究获得的信息给我们对膜蛋白的认识带来了革命性的变化。

一、膜脂生物膜上的脂类称为膜脂，其分子排列成连续的双层，构成了生物膜的基本骨架（图9－１）。

它使膜具有对大多数水溶性物质不能自由通过的屏障作用，又为各种执行特殊功能的膜蛋白提供了适宜的环境。

（一）膜脂的种类和分子结构一个小的动物细胞的质膜含有109个脂质分子，或者说，每平方微米质膜上有5X106个脂质分子。

膜脂有磷脂、胆固醇和糖脂3种。

这3种脂类都是亲水脂分子（amphipathic molecules），就是说分子有着一个亲水末端（极性端）和一个疏水末端（非极性端）。

1.磷脂磷脂是3种膜脂中含量最高的。

磷脂分子的极性端是各种磷脂酰碱基，叫作头部，它们多数通过甘油基团与非极性端相联。

根据磷脂酰碱基的不同，将磷脂分成磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰胆碱、磷脂酰肌醇、鞘磷脂等多种。

磷脂分子的疏水端是两条长短不一的烃链，叫做尾部，一般含14～24个碳原子，其中的一条烃链常含有一个或数个双键（此链叫做不饱和链）。

双键的存在造成这条不饱和链有一定角度的扭曲（图6－2）。

磷脂分子逐个相依地整齐排列构成膜骨架的主要结构，其烃链长度和饱和度的不同能影响磷脂分子的互相位置，从而影响膜的流动性；而各种磷脂头部基团的大小、形状、电荷的不同则与磷脂-蛋白质的相互作用有关。

许多哺乳动物细胞质膜上占优势的磷脂是磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰胆碱和鞘磷脂，其中仅有磷脂酰丝氨酸带负电荷，其他都是电中性的。

图6－2 磷脂分子（引自 Alberts等，2002）参照前书图9-222. 胆固醇胆固醇分子的极性头部是联结于甾环上的极性羟基基团，甾环的另一端连接着非极性尾部——一条烃链，甾环本身是非极性的（图6－3）。

在真核细胞质膜上，胆固醇分子的数目可多达与磷脂相等。

胆固醇分子散布于磷脂分子之间，其极性头部紧靠磷脂分子的极性头部，其强硬的板面状甾环结构则使与之相邻的磷脂烃链的一部分不易活动（图6－4）。

通过这种影响，胆固醇对膜的稳定性发挥着重要作用。

图6－3 胆固醇分子（引自 Alberts等，2002）参照前书图9-3图6－4 膜脂双层中胆固醇分子与磷脂分子的相互关系（引自 Alberts等，2002）参照前书图9-43. 糖脂糖脂也是亲水脂分子，它的极性头部由一个或数个糖基组成，非极性尾部是两条烃链。

最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，由一个半乳糖作为其极性头部；最复杂的是神经节苷脂，其头部含一个或多个带负电荷的唾液酸和其他糖基（图6－5）。

在所有细胞中，糖脂均位于膜的非胞质面单层，其糖基暴露在膜外。

据此推测，糖脂的功能与细胞同外环境的相互作用有关。

糖脂的确切作用仍不清楚。

糖脂的数量可占细胞膜外层脂质分子数的5%。

不同种属以及同一种属的不同组织其膜上糖脂的种类常有极大的不同。

图6－5 糖脂分子（修改自B. Alberts等，1983和2002）参照前书图9-5表6－1显示了数种生物膜的脂质成分比较。

细菌的质膜常由单一种类的磷脂组成，不含胆固醇，膜的力学强度由细胞壁提供。

真核细胞的质膜则相反，不仅含胆固醇，而且磷脂种类也多种多样。

表6－1. 不同生物膜的脂质成分（以占脂质总重量的百分比计）34肝细胞质膜 红细胞质膜 髓鞘 线粒体内、外膜 内质网 大肠杆菌 胆固醇17 23 22 3 6 0 磷脂酰乙醇胺7 18 15 25 17 70 磷脂酰丝氨酸4 7 9 25 微量 磷脂酰胆碱24 17 10 39 40 0 鞘磷脂19 18 8 0 5 0 糖脂7 3 28 微量 微量 0 其他 22 13 8 21 27 30（二）膜脂分子的排列特性由于脂质分子所具有的“亲水又亲脂”的特点，它们在水溶液中能自发地以特殊方式排列起来——分子与分子互相聚拢，亲水头部暴露于水，疏水尾部则藏于内部。

这种特殊排列可以形成两种构造，一种是球形的分子团(micelle)，另一种就是双分子层(bilayer)（图6－6）。

在双分子层中，两层分子的疏水尾部被亲水头部夹在中间。

为了更进一步减少在双分子层的两端疏水尾部与水接触的机会，脂质分子在水中排成双层后往往易于形成一种自我封闭的结构——脂质体(liposome)（图9－6）。

当脂质体的结构被打破时，脂质分子能很快重新形成新的脂质体。

脂质体常被用作膜研究的实验模型。

显然，这种在人工条件下自发形成的脂质体与真正的细胞膜的脂双层有许多共同点。

图6－6 脂质分子在水环境中形成的结构（引自B. Alberts 等，2002）参照前书图9-6（三）膜脂的流动性脂质分子作为膜骨架的另一要素是它们的流动性。

但直至20世纪70年代研究人员发现单个脂质分子在膜内能自由移动后，人们才对这点有明确的认识。

用电子自旋共振（ESR ）技术可探测人工合成膜中带有自旋标记（如含硝酰基）的单个脂质分子的活动，这类技术也用于探测分离得到的生物膜乃至整体细胞质膜上脂质分子的活动。

这方面的实验表明，脂质分子在膜内的移动有以下几种形式（图6－7）：图6－7 磷脂分子在膜内的移动（引自B. Alberts 等，2002）参照前书图9-7（1）在同一单层内的相邻分子经常互换位置，速率可达每秒钟107次，这造成膜脂快速的侧向扩散，扩散系数D约为10-8平方厘米/秒。

这意味着一个普通脂质分子在1秒钟内移动的距离相当于一个大的细菌的长度（达2 m）。

（2）每个脂质分子都围绕其长轴作快速旋转。

（3）分子的烃链尾部常发生摆动。

烃链靠近双分子层中线那部分摆动度最大，靠近极性头部那部分摆动度最小。

（4）脂质分子可以从双分子层的一个单层翻至另一单层，这称为“翻转”(flip-flop)。

磷脂分子的翻转活动在绝大多数膜上仅偶尔有之，最多一个月发生一次，只有在活跃合成脂类的内质网膜上，磷脂经常有翻转，该处有一种叫做磷脂转位因子(phospholipid translocators)的酶催化着磷脂分子的翻转，并由此形成膜脂分布的不对称。

胆固醇分子的翻转活动是经常发生的，胆固醇经常在两个脂质单层之间进行着快速的再分布。

从人工合成膜来分析，膜脂的流动性大小除了受温度影响外，主要取决于磷脂分子内部结构和胆固醇含量。

单纯由磷脂合成的人工脂双层在某个特定凝结点温度下会从液态转变成结晶状或凝胶状形态，这种态的转变叫作“相变（phase transition）”。

磷脂分子的烃链愈短，含双键的烃链愈多，则烃链就愈不易互相集聚，膜也就愈不易凝结或结晶，这种脂双层的相变温度就低，或者说这种脂双层在低温下仍可保持一定的流动性。

胆固醇分子在膜流动性的影响方面作用很微妙，它们分布于磷脂分子之间，由于其分子中强硬的板面状结构，使脂双层不至于有太大的流动性，另一方面，特别是其含量较高时，能阻止磷脂烃链尾的互相集聚，从而抑制了膜的结晶化，抑制了相变的发生。

细菌、酵母及其他变温生物体在环境温度下降时往往通过调整其膜脂成分来维持细胞膜的流动性，比如合成含更多顺式双键的脂肪酸。

膜脂的适当流动性对生物膜的功能至关重要。

当膜脂双层的流动性低于一定阈值（或说粘稠度高于一定阈值时），许多跨膜运输和膜上的酶活动就会停止。

而膜脂流动性过高（如缺乏胆固醇的膜），则膜将发生溶解。

（四）脂双层的不对称性膜脂的双层结构在组成成分上是不对称的。

这体现在两个方面：第一是膜的两个单层所含的磷脂种类有极大的不同；第二是糖脂全部分布在膜的非胞质单层中，其糖基位于质膜的外侧或内膜的腔面。

以人红细胞上膜脂分布为例可以发现，头部含胆碱的磷脂分子（磷脂酰胆碱和鞘磷脂）全部分布在脂双层的外侧单层，含末端氨基的磷脂分子（磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸）则几乎全部位于内侧单层。

磷脂酰胆碱和鞘磷脂的脂肪酸部分较磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸的脂肪酸部分含双键少，而磷脂酰丝氨酸的头部是带负电荷的，显然，这样的磷脂分布造成脂双层的两个单层的流动性和电荷状况有较大的差异。