质膜及其表面结构

质膜（plasma membrane）包在细胞外面所以又称细胞膜。围绕各种细胞器的膜，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，故总称为生物膜（biomembrane）。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础。

质膜表面寡糖链形成细胞外被（ cell coat ） 或糖萼（glycocalyx）。

质膜下的表层溶胶中具有细胞骨架成分组成的网络结构，除对质膜有支持作用外，还与维持质膜的功能有关，所以这部分细胞骨架又称为膜骨架。

细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。

第一节 质膜的化学组成

质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。

一、膜脂

膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。

（一）、磷脂

是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50％以上。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），线粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性局部。

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、常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。

1、甘油磷脂

以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。主要类型有：

① 磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC，旧称卵磷脂

② 磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS

③ 磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE，旧称脑磷脂

④ 磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI

⑤ 双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol, DPG，旧称心磷脂

2、鞘磷脂

鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在脑和神经细胞膜中特别丰富。以鞘胺醇（sphingoine）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞、植物中没有鞘磷脂。

（二）、糖脂

是含糖而不含磷酸的脂类，含量约占脂总量的5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10％。

糖脂也是两性分子，其结构与SM很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。

最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。

（三）、胆固醇

主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流动性，降低水溶性物质的通透性。

在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。

（四）、脂质体（liposome）

是一种人工膜。

在水中，搅动后磷脂形成双层脂分子的球形脂质体，直径25~1000nm不等。

人工脂质体可用于：

1、转基因

2、制备的药物

3、研究生物膜的特性

二、膜蛋白

是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为：

整合蛋白（integral protein）

外周蛋白（peripheral protein）

脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）

整合蛋白为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），是两性分子。与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂SDS，非离子型去垢剂Triton-X100。

整合蛋白的跨膜结构域可以是1至多个疏水的α螺旋，形成亲水通道的整合蛋白跨膜区域有两种组成形式，一是由多个两性α螺旋组成亲水通道；而是由两性β折叠组成亲水通道。

外周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，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。

脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）可以分为两类：

糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)连接的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。

另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。

第二节质膜的结构

一、质膜结构的研究历史

1、E. Overton 1895 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。

2、E. Gorter & F. Grendel 1925 用有机溶剂提取了人的红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。

3、J. Danielli & H. Davson 1935 发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质。1959年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。

4、J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成，总厚约7.5nm。

5、S. J. Singer & G. Nicolson 1972 根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。

二、质膜的流动镶嵌模型

根据Fluid-mosaic model：

1、细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。

2、磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架；

3、蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。

（一）、质膜的流动性

由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。

1、膜脂分子的运动

侧向扩散运动：同一平面上相邻的脂分子交换位置。

旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。

摆动运动：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。

伸缩震荡运动：脂肪酸链进行伸缩震荡运动。

翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。

旋转异构化运动：脂肪酸链围绕C-C键旋转。

2、影响膜脂流动性的因素

① 胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。

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卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。

⑤ 其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。

3、膜蛋白的分子运动

主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用光脱色恢复技术和细胞融合技术检测侧向扩散。膜蛋白的侧向运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。

4、膜流动性的生理意义

质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。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。

（二）、膜的不对称性

质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性。

样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为：ES，细胞外表面（ extrocytoplasmic surface ）；EF，细胞外小页断面（ extrocytoplasmic face ）；PS，原生质表面（ protoplasmic surface）；PF，原生质小页断面（protoplasmic face） 。

1、膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，如：PC和SM主要分布在外小叶，PE和PS分布在内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的PC降解，PE和PS分别只有20%和10%的被降解。

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。

2、复合糖的不对称性：糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。

3、膜蛋白的不对称性：每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的方向性和分布的区域性。如各种激素的受体具有极性，细胞色素C位于线粒体内膜M侧。

（三）脂筏lipid raft

是富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域（microdomain）。

约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。

介于无序液体与液晶之间，称为有序液体（Liquidordered）。

在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，称为抗去垢剂膜（detergent-resistant membranes，DRMs）。

就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。

三、细胞膜的功能

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；

3、提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；

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。

第三节细胞表面的分化

细胞表面的特化结构如：膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等等，分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有关。

一、细胞外被

动物细胞表面的一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被或糖萼。用重金属染料,如钌红染色后，在电镜下可显示厚约10~20nm的结构，边界不甚明确。

作用：保护，细胞通信，并与细胞表面的抗原性有关。

红细胞质膜上的糖鞘脂是AB0血型系统的血型抗原，糖链结构基本相同，只是糖链末端的糖基有所不同。A型血的糖链末端为N-乙酰半乳糖；B型血为半乳糖；O型血则缺少这两种糖基。

二、膜骨架

膜骨架是质膜下纤维蛋白组成的网架结构；位于细胞质膜下约0.2μm厚的溶胶层。

作用：维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。

成熟的哺乳动物血红细胞没有核和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料。

红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影（ghost）。

经SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析，血影成分主要有：

1、血影蛋白：由结构相似的α链、β链组成异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成四聚体。

2、锚蛋白（ankyrin）：与血影蛋白和带3蛋白的胞质部相连，将血影蛋白网络连接到质膜上。

3、带三蛋白：是阴离子载体，通过交换Cl－，使HCO 3－进入红细胞。为二聚体，每个单体含929个氨基酸，跨膜12次。

4、血型糖蛋白：单次跨膜糖蛋白，约有131个氨基酸， N端在膜外侧，结合16条寡糖链；C-端在胞质面，链较短，与带4.1蛋白相连。血型糖蛋白与MN血型有关，其功能尚不明确。

红细胞膜骨架的构成：

血影蛋白四聚体游离端与短肌动蛋白纤维（约13~15单体）相连，形成血影蛋白网络。通过两个锚定点固定在质膜下方：

通过带4.1蛋白与血型糖蛋白连结；

通过锚蛋白与带3蛋白相连。

这一骨架系统赋与了红细胞质膜的刚性与韧性，得以几百万次地通过比它直径还小的微血管、动脉、静脉。

三、质膜的特化结构

质膜常带有许多特化的附属结构。如：微绒毛、褶皱、纤毛、鞭毛等等，这些特化结构在细胞执行特定功能方面具有重要作用。由于其结构细微，多数只能在电镜下观察到。

（一）、微绒毛microvilli

是细胞表面伸出的细长突起，广泛存在于动物细胞表面。

直径约为0.1μm。内芯由肌动蛋白丝束组成。

肌动蛋白丝之间由许多微绒毛蛋白（villin）和丝束蛋白（fimbrin）组成的横桥相连。

微绒毛处质膜有myosin I 构成的侧臂与肌动蛋白丝束相连，从而将肌动蛋白丝束固定。

作用：扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交换。如小肠上微绒毛，使细胞表面积扩大了30倍。

（二）、皱褶（ruffle）

细胞表面的扁形突起，也称为片足（lamellipodia ）。在巨噬细胞的表面上，普遍存在着皱褶结构，与吞噬颗粒物质有关。

（三）、内褶

内褶（infolding）是质膜由细胞表面内陷形成的结构，以相反的方式扩大了细胞的表面积。这种结构常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。

（四）、纤毛和鞭毛

纤毛（cilia）和鞭毛（flagella）是细胞表面伸出的条状运动装置。二者在发生和结构上并没有什么差别。

纤毛和鞭毛都来源于中心粒。其详细结构和功能可参见细胞骨架一章。