细胞膜与细胞表面

第四章细胞膜与细胞表面

第一节细胞膜与细胞表面特化结构

细胞膜(cell membrane)又称质膜(plasma membrane)：是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。

细胞膜不仅是细胞结构上的边界，使细胞有一个相对稳定的内环境，同时在细胞与环境之间进行物质、能量的交换及信息传递过程中也起着决定性的作用。

生物膜(biomembrane)：真核细胞内部存在着由膜围绕构建的各种细胞器。细胞内的膜系统与细胞膜统称为生物膜。它们具有共同的结构特征。

一、细胞膜的结构模型

人们用光学显微镜发现了细胞，但到20世纪50年代初，在电镜下显示出了质膜的超微结构。但人们并未感到惊奇，因为此前细胞生理学家在研究细胞内渗透压时已证明了质膜的存在。

1925年E. Gorter和F. Grendel研究红细胞发现膜脂单层分子为红细胞表面积的二倍，提示了质膜是由双层脂分子构成的。随后，人们发现质膜的表面张力比油—水界面的表面张力低得多，若脂滴表面吸附有蛋白成分则表面张力降低，因此Davson和Danielli提出“蛋白质—脂质—蛋白质”的三明治式的质膜结构模型。这一模型影响达20年之久。

1959年，J. D. Robertson发展了三明治模型，提出了单位膜模型(unit membrane model)，并推断所有的生物膜都由蛋白质—脂质—蛋白质的单位膜构成。随后的一些实验，如免疫荧光标记技术等证明，质膜中的蛋白质是可流动的；冷冻蚀刻技术显示了双层膜脂中存在膜蛋白颗粒。

1972年，S. J. Singer和G. Nicolson在此基础上又提出了生物膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model) 。这一模型随即得到各种实验结果的支持。流动镶嵌模型主要强调：①膜的流动性，膜蛋白和膜脂均可侧向运动；②膜蛋白分布的不对称性，有的镶在膜表面，有的嵌入或横跨脂双分子层。

近年来有人提出脂筏模型(lipid rafts model)，即在生物膜上富含胆固醇, 形成有序的脂相，如同“脂筏”一样, 并载有各种蛋白。脂筏最初可能在内质网上形成，转运到细胞膜上，有些脂筏可在不同程度上与膜下细胞骨架蛋白交联。推测一个100nm大小的脂筏可载有600个蛋白分子。这一模型可解释生物膜的某些性质与功能，但仍需要更多的证据。

目前对生物膜结构的认识可归纳如下：

(1) 膜脂主要由磷脂分子构成, 磷脂分子具有极性头部和非极性尾部。在水相中以疏水性非极性尾部相对、极性头部朝向水相自发形成磷脂双分子层的封闭的膜系统。

(2) 蛋白分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白的类型、分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜具有各自的特性与功能。

(3) 在膜蛋白与膜脂之间、膜蛋白与膜蛋白之间以及膜蛋白与膜两侧其他生物大分子之间的相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性。

二、膜脂

膜脂是生物膜的基本组成成分，每个动物细胞膜上约有109个脂分子，即每平方微米的质膜上约有5×106个脂分子。

(一)成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇3种类型。

1. 磷脂：磷脂是膜脂的基本成分，占膜脂的50％以上。

磷脂酰胆碱(卵磷脂)

甘油磷脂磷脂酰丝氨酸

磷脂磷脂酰乙醇胺

磷脂酰肌醇

鞘磷脂

组成生物膜的磷脂分子的主要特征是：

①具有一个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个非极性尾部

②脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16、18或20个碳原子组成

③除饱和脂肪酸根外，还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°弯曲。

2. 糖脂

在原核和真核细胞的膜上, 糖脂含量约占膜脂总量的5％以下, 在神经细胞膜上糖脂含量较高, 约占5％～10％。已发现40余种糖脂, 不同细胞中的糖脂种类不同。如神经细胞的神经节苷脂, 红细胞表面的ABO血型糖脂。

在糖脂中, 一个或多个糖残基连接于鞘氨醇上。最简单的糖脂是脑苷脂类, 只有一个葡萄糖或半乳糖残基(半乳糖脑苷脂), 较复杂的神经节苷脂可含多达7个糖残基, 其中含有不同数目的唾液酸。糖酯均位于膜的非胞质面单层（即在质膜上位于细胞外侧，在各种细胞器的细胞内膜上），并将糖基暴露在细胞表面，其作用可能作为某些大分子的受体，与细胞识别及信息传导有关。

3．胆固醇和中性脂质

胆固醇存在于真核细胞膜上，其含量一般不超过膜脂的1／3。胆固醇分子散布在磷脂分子之间,其极性的羟基头部紧靠磷脂的极性头部,将固醇环固定在近磷脂头部的碳氢链上,使之不易活动。这种排列方式对膜的稳定性十分重要。胆固醇在调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降低水溶性物质的通透性等都起着重要作用。细菌质膜中不含有胆固醇成分，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂质。

(二)膜脂的运动方式

膜脂分子热运动方式有：

1.沿膜平面的侧向扩散(lateral diffusion)

其扩散速率为10-8cm2/s,相当于每秒移动2μm的距离。由于侧向运动产生分子间的换位，其交换频率在106次/s以上。侧向运动是膜脂分子的基本运动方式，具有重要的生物学意义。

2.脂分子围绕轴心的自旋运动(rotation)。

3.脂分子尾部的摆动(flexion)

脂肪酸链靠近极性头部的摆动较小，尾部摆动较大。X射线衍射分析显示，在距头部第9个碳原子以后的脂肪酸链已由较为有序变成无序状态，有些可能折叠形成“小结”，这有助于解释极性的水分子比较容易通过细胞膜的现象。

4．双层脂分子之间的翻转运动(flip-flop)

一般情况下翻转运动极少发生，其发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10-10。但在细胞某些膜系统中发生的频率很高，特别是在内质网膜上，新合成的磷脂分子经几分钟后，将有半数从双层脂分子的一侧通过翻转运动转向另一侧。

脂分子的运动不仅与脂分子的类型有关，也与脂分子同膜蛋白及膜周围的生物大分子之间的相互作用以及温度等环境条件有关。

(三)脂质体

脂质体(liposome)是根据磷脂分子在水相中形成稳定脂双层膜的特性而制备的人工膜。单层脂分子铺展在水面上时，其极性端插入水相而非极性尾部面向空气界面。搅动后形成乳浊液，即形成极性端向外而非极性端在内部的脂分子团或形成双层脂分子的球形脂质体。