细胞生物学(翟中和)细胞质膜

细胞质膜（plasma membrane），又称细胞膜（cell membrane），围绕在细胞（或原生质体，因为植物等细胞有细胞壁）最外层，由脂质、蛋白质和糖类组成的生物膜。

围绕各种细胞器的膜（包括核膜），称为细胞内膜。

质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，总称为生物膜（biomembrane）。

生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础，细胞的能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递、细胞运动等活动都与膜的作用有密切的关系。

第一节细胞质膜的结构模型与基本成分
一、细胞质膜的结构模型
（一）质膜结构的研究历史
脂筏：在以甘油磷脂为主体的生物膜上，胆固醇、鞘磷脂等富集区域形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的“脂筏”一样，载着某些执行特定生物学功能的各种膜蛋白。

（植物细胞和原核细胞不具有“脂筏”，因不含鞘磷脂。

）
（二）目前对生物膜结构的认识
（1）具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质，磷脂分子以疏水性尾部相对极性头部朝向水相形成脂双分子层，每层磷脂分子称为一层小叶。

脂分子是组成生物膜的基本结构成分，尚未发现在生物膜结构中起组织作用的蛋白质。

但在脂筏中存在某些有助于脂筏结构相对稳定的功能蛋白。

（2）蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，具有不对称性。

蛋白质的类型蛋白质分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜各自的特性与功能。

（3）生物膜可以看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液，具有流动性。

然而，膜蛋白与膜脂之间、膜蛋白与膜蛋白之间及其与膜两侧其他生物大分子的复杂的相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白与膜脂的流动性。

同时，也形成了赖以完成多种膜功能的脂筏、纤毛和微绒毛等结构。

（4）在细胞生长和分裂等整个生命活动中，生物膜在三维空间上可出现弯曲、折叠、延伸等改变，处于不断的动态变化中。

从而保证了诸如细胞运动、细胞增殖等各种代谢活动的进行。

二、膜脂
（一）成分
膜脂主要包括甘油磷脂、鞘脂和固醇3种基本类型。

1．甘油磷脂
是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50％以上。

主要在内质网合成。

主要类型有：磷脂酰胆碱（phosphatidyl choline，PC，旧称卵磷脂）、磷脂酰丝氨酸（phosphatidyl serine，PS）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine ，PE，旧称脑磷脂）、磷脂酰肌醇（phosphatidyl inositol，PI）和双磷脂酰甘油（DPG，旧称心磷脂）等。

磷脂分子的主要特征：
具有一个与磷酸基团相结合的极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），但存在于线粒体内膜和某些细菌质膜上的心磷脂具有4个非极性的尾。

脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16或18个碳原子组成。

除饱和脂肪酸（如软脂酸、硬脂酸）外，常含有不饱和脂肪酸（如油酸），不饱和脂肪酸多为顺式，顺式双键在烃链中产生约30。

角的弯曲。

2．鞘脂
均为鞘氨醇的衍生物。

主要在高尔基体合成。

包括鞘磷脂和糖脂2类。

3．固醇
胆固醇及其类似物统称固醇。

胆固醇的合成在细胞质和内质网完成，但动物体内胆固醇多来自于事物。

胆固醇分子扁平和环状，疏水性很强，自身不能形成脂双层，只能插入磷脂分子之间，参与生物膜的形成，对脂肪酸尾部的运动具有干扰作用，因此对调节膜的流动性、加强膜的稳定性有重要作用。

其功能是：
作为“脂筏”的基本结构成分；
提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。

作为生物活性分子（如固醇类激素、维生素D、胆酸等）的前体。

与信号分子Hedgehog共价结合，参与发育调控。

膜脂作为生物膜的基本结构成分，其组成的分子类型对生物膜的结构和功能有很大影响。

实际上，细胞质膜和其他生物膜都具有各自特异的膜脂和膜蛋白成分。

不同种类的细胞同一细胞中不同类型的生物膜，甚至同一细胞质膜的不同部位，其膜的组分也可能有明显差别。

（二）膜脂的运动方式
主要有4种运动方式。

前3种为热运动，第4种需要特殊的膜蛋白帮助完成。

1. 侧向运动：
2. 旋转运动：
3. 摆动运动：
4. 翻转运动：
（三）脂质体
脂质体：根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。

脂质体的应用：
研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的极好实验材料；
脂质体可用于转基因；
制备“导弹”药物。

三、膜蛋白
（一）膜蛋白的类型
根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为3种基本类型：
外周膜蛋白（外在膜蛋白, peripheral protein）
外周膜蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度, 甚至提高温度就可以从膜上分离下来，而膜结构并不破坏。

脂锚定膜蛋白（lipid-anchored protein）
脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）通过共价键与糖脂或脂肪酸连接，可分为3类：
一类是脂肪酸（myristate或软脂酸）结合到膜蛋白N端的甘氨酸残基上，分布在胞质侧。

第二类是由15或20个碳链长的烃链结合到膜蛋白C端的半胱氨酸残基上，有时还有另一条烃链或脂肪酸链结合到近C端的其他半胱氨酸残基上形成双重锚定。

分布在胞质侧。

第三类是糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)连接的蛋白，位于细胞膜的外侧。

整合膜蛋白（内在膜蛋白, integral protein）
整合蛋白可能全为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），为两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。

由于存在疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂（detergent）才能从膜上洗涤下来。

常用的离子型去垢剂SDS，非离子型去垢剂Triton X-100。

（二）内在膜蛋白与膜脂结合的方式
内在膜蛋白与膜脂结合的方式有：
跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。

这是内在膜蛋白与膜脂结合的最主要和最基本方式。

跨膜结构域两端带正电荷的氨基酸残基（如Arg,Lys等）与磷脂分子带负电的极性头部形成离子键；或带负电
的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+等阳离子与磷脂极性头部相互作用。

通过胞质侧的半胱氨酸残基上的共价结合的脂肪酸分子插入脂双层。

内在膜蛋白跨膜结构域是与膜脂结合的主要部位。

内在膜蛋白跨膜结构域与膜脂的具体作用方式：
⏹跨膜结构域20个左右的疏水氨基酸残基形成α-螺旋，外部疏水侧链通过范德华力与脂肪酸链相互作用。

⏹某些跨膜蛋白跨膜结构域有10-12个氨基酸残基形成β折叠片层结构，反向平行的β折叠片层相互作用形成非
特异的跨膜通道，通道具有疏水性的外侧和亲水性的内侧。

⏹某些α-螺旋既具有极性侧链又具有非极性侧链，多个α-螺旋形成特异极性分子的跨膜通道，其外侧为非极性
侧链，与膜脂相互作用；内侧为极性侧链，形成通道。

第二节细胞质膜的基本特征与功能
生物膜具有流动性和不对称性
一、膜的流动性
膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。

膜流动性的生理意义
膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。

例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。

当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。

（一）膜脂的流动性
1. 膜脂的流动性主要是指脂分子的侧向运动。

2．影响膜脂流动性的因素
影响膜脂流动的因素主要来自膜脂分子本身的性质，环境因子对膜脂的流动性也有重要影响。

包括：
1. 胆固醇：具有双重调节作用，通常在一定含量范围内起防止膜脂由液相变为固相以保证膜处于流动状态的作
用。

2. 脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。

3. 脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。

4. 磷脂/鞘脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘脂粘度（相变温度）高于磷脂。

5. 卵磷脂含量：卵磷脂形成的脂双层膜流动性比磷脂酰肌醇，磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸形成脂双层膜流动性小。

6. 温度：越高，膜流动性越大。

7. 其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、细胞骨架、酸碱度、离子强度等。

（二）膜蛋白的流动性
实验证明，膜蛋白具有流动性。

膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动，不需要细胞代谢产物参与，也不需要能量。

膜蛋白的流动不是完全自由的。

影响膜蛋白流动性的因素：
有些膜蛋白与膜下细胞骨架相结合，其流动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。

膜蛋白与膜脂分子的相互作用。

细胞其他结构（如细胞紧密连接）的限制。

二、膜的不对称性
质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异，称为膜的不对称性。

表现在：
同一种膜脂在脂双层中的分布不同；
同一种膜蛋白在脂双层中的分布有特定的方向或拓扑学特征；
糖蛋白和糖脂的糖基部分均位于细胞质膜的外侧。

（一）细胞质膜各膜面的名称
样品经冰冻断裂处理后，细胞膜往往从脂双层中央断开，为了便于研究，各部分都有固定的名称（图）：
ES，质膜的细胞外表面（extrocytopasmic surface），所在脂分子层为细胞膜的外小叶（outer leaflet）；
PS，质膜的原生质表面（protoplasmic surface），所在脂分子层为细胞膜的内小叶（inner leaflet）；
EF（extrocytopasmic face），质膜的细胞外小页断裂面；
PF（protoplasmic face），原生质小页断裂面。

细胞内的膜系统根据类似的原理命名，在膜的出芽、融合及转运过程中，其拓扑学结构保持不变。

（二）膜脂的不对称性
指同一脂分子在脂双层中呈不均匀分布。

膜脂分子不对称分布随种类而不同（如红细胞膜上，鞘磷脂和卵磷脂多分布在质膜外小叶，磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和和磷脂酰肌醇多分布在质膜内小叶，胆固醇在生物膜内外小叶的分布比较均匀，外小叶略高于内小叶。

），可能与其合成部位有关，也可能与膜蛋白的不对称分布有关，也可能与其空间形状有关（不对称分布更有利于细胞形态的稳定）。

有证据表明，磷脂的不对称性分布对质膜的多种生物学功能是必需的（如PS面的磷脂酰肌醇参与细胞信号转导过程，当血小板受到刺激后，其质膜PS面富含的磷脂酰丝氨酸转运至其ES面活化参与凝血的酶类）。

糖脂的分布表现出完全不对称性，其糖侧链都在质膜或其它内膜的ES面（侧）上。

糖脂的不对称分布是其执行生理功能的结构基础。

膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域——脂筏。

（三）膜蛋白的不对称性
膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性和分布的区域性。

各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。

某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能，如：
蛋白激酶C结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；
线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。

各种生物膜的特征及其生物学功能主要是由膜蛋白来决定的。

膜蛋白的不对称性是生物膜执行复杂、时空有序的各种生理功能的物质基础。

三、细胞质膜相关的膜骨架
(一) 膜骨架
膜骨架指位于细胞质膜下约0.2μm厚的溶胶层中（又称细胞的皮层），与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构( meshwork)，它参与维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。

成熟的动物血红细胞没有细胞核、细胞器和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料。

血影：将红细胞进行低渗处理，质膜破裂后，将内部血红蛋白和可溶性蛋白释放出来后，留下一个保持原形的空壳，称为血影（ghost, 图）。

（二）细胞外被
动物细胞表面存在着一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被（cell coat）或糖萼（glycocalyx）。

四、细胞质膜的基本功能
细胞质膜的主要功能概括如下：
1. 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；
2. 选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出，其中伴随着能量物质的传递。

3. 提供细胞识别位点，并完成细胞内外信号的跨膜传导；病毒等病原微生物识别和侵染特异的宿主细胞的受体也位于质膜上。

4. 为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；
5. 介导细胞与细胞、细胞与胞外基质之间的连接；
6. 参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构（肠上皮微绒毛）。

膜蛋白与多种疾病有关, 很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。