第四章 细胞质膜

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

细胞内的膜（internal membrane）系统与细胞质膜统称为生物膜（biomembrane）。

第一节 细胞质膜的结构模型

一、生物膜的结构模型

1925年，E.Gorter和F.Grendel提出质膜由双层脂分子构成。

1935年，Danielli和Davson提出“蛋白质—脂质—蛋白质”的三明治模型。

1959年，J.D.Robertson提出单位膜模型（unit membrane model）。

1972年，S.J.Singer和 G.Nicolson提出生物膜的流动镶嵌模型（fluid mosaic model）。该模型主要强调：①膜的流动性，膜蛋白和膜脂均可侧向运动；②膜蛋白的分布不对称性，有的镶在膜表面，有的嵌入或横跨脂双分子层。

1988年，Simon提出脂筏模型（lipid raft model），即在以甘油磷脂为主体的生物膜上，胆固醇、鞘磷脂等形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的“脂筏”一样载着执行默写特定生物学功能的各种膜蛋白。

目前对生物膜结构的认识可归纳如下：

①具有极性头部和非极性尾部的磷在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质脂分子。

②蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双分子层中或结合在其表面，其分布的不对称性和与脂分子的协同作用使生物膜具有各自的特性与功能。

③生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。

二、膜脂

（一）成分

膜脂主要包括磷脂（phospholipid）、糖脂（glycolipid）、胆固醇（cholesterol）三种类型。

1、磷脂：

磷脂构成了膜脂的基本成分，占整个膜脂的50%以上。分为两大类：甘油磷脂（phoephoglyceride、）和鞘磷脂（sphingolipid）。

    组成生物膜的磷脂分子的主要特征：①具有一个极性头和两个非极性尾（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除外，具有4个飞机性的尾部。②脂肪酸碳链为偶数。③处饱和脂肪酸外，还有不饱和脂肪酸，不饱和脂肪酸多为顺式，顺式双键在烃链中产生约30^o的弯曲

2、糖脂：

    糖脂普遍存在于原核和真核细胞的细胞质膜上，其含量占膜脂总量的5%以下，在神经元质膜上的糖脂含量较高，占5%~10%。

在动物细胞中，糖脂神经酰胺与鞘磷脂都是鞘氨醇的衍生物。含1—7个糖残基。

3、胆固醇

胆固醇存在于动物细胞和少量植物细胞膜上，其含量一般不超过膜脂的1/3。

可调节膜的流动性、增加膜的稳定性及降低水溶性物质的通透性。

（二）膜脂的运动方式

膜脂分子的热运动方式：1、沿膜平面的侧向运动；2、脂分子围绕轴心的自旋运动；3、脂分子尾部的摆动；4、双层分子之间的翻转运动。

（三）脂质体

    膜质体（liposome）是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双分子层膜的趋势而制备的人工膜。单层脂分子铺展在水面上时，其极性头部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向内的脂分子团或形成双层脂分子的球形脂质体。

    球形脂质体直径为25~1 000nm不等，控制形成条件可以获得大小不均一的脂质体。

三、膜蛋白

（一）模蛋白的类型

膜蛋白可分为3种基本类型：

①外在膜蛋白（extrinsic membrane protein）或称外周膜蛋白（peripheral membrane protein）、②内在膜蛋白（intrinsic membrane protein）或称整合膜蛋白（integral membrane protein）、③脂锚定膜蛋白（lipid anchored protein）。

（二）内在膜蛋白与膜脂结合的方式

内在膜蛋白多数为跨膜蛋白（transmembrane protein），也有些插入脂双层中，与膜结合的主要方式有：

①膜蛋白的跨膜结构域与脂双分子的疏水核心的相互作用。

②跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子与。带负电的磷脂极性头相互作用

③某些膜蛋白通过自身在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合的脂肪酸分子，插入到膜双层分子之间，进一步加强膜蛋白与脂双分子层的结合力，还有少数蛋白与糖脂共价结合。

内在膜蛋白跨膜结构域是与膜脂结合的主要部位，具体作用方式为：

①跨膜结构域含有20个左右的疏水氨基酸残基，形成α螺旋（长约3nm），其外部疏水侧链通过范德华力与脂双层分子脂肪链（厚度约3.2nm）相互作用。

②某些α螺旋既具有极性侧链，又具有非极性侧链，α螺旋的外侧是非极性链，内侧极性链，形成特异极性分子的跨膜通道。

③某些跨膜蛋白的跨膜结构域常常仅有10~12个氨基酸残基，形成β折叠结构。

（三）去垢剂

去垢剂（detergent）是一端亲水另一端疏水的两性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂。

去垢剂有离子型去垢剂（如SDS）和非离子去垢剂（Triton X—100）。

第二节 生物膜基本特征与功能

一、膜的流动性

膜的流动性是生物膜的基本特征之一，也是细胞进行生命活动的必要条件。

（一）膜脂的流动性

膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动它在很大程度上是由脂分子本身的性质决定的 。

（二）膜蛋白的流动性

（三）荧光漂白恢复技术

荧光漂白恢复技术是研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。

用荧光标记膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射细胞表面某一区域，使被照射区的荧光淬灭变暗。由于膜的流动性，淬灭区域的亮度逐渐增加，最后恢复到与周围的荧光强度相等。根据荧光恢复的速率可推算出膜蛋白或膜脂的扩散速率。

二、膜的不对称性

（一）细胞膜各部分的名称

与细胞外环境接触的膜面称质膜的细胞外表面（extrocytoplasmic surface，ES），与细胞质基质接触的膜面称质膜的原生质表面（protoplasmic surface，PS）。

质膜的细胞外小页断裂面（extrocytoplasmic face，EF）和原生质小页断裂面（protoplasmic face，PF）。

（二）膜脂的不对称性

膜脂的不对称性是指膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。糖脂的分布表现出完全不对称性。

（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。

各种生物膜的特征及其生物学功能主要由膜蛋白来决定的。膜蛋白的不对称性是生物膜执行复杂的、在时间与空间上有序的各种生理功能的保证。

三、细胞质膜的功能

细胞质膜的主要功能：

①为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；

②选择性的物质运输并伴随着能量的传递；

③细胞识别与信息传递；

④为多种酶提供结合位点；

⑤介导细胞与细胞、细胞与基质这间的连接；

⑥参与形成细胞表面特化结构。

⑦膜蛋白的异常与某些遗传病、恶性肿瘤，甚至神经退行性疾病，很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。

第三节 膜骨架

细胞表面的特化结构包括膜骨架（membrane associated cytokeleton）、鞭毛、纤毛、变形足和微绒毛等，它们都是细胞质膜与膜内细胸骨架纤维形成的复合结构，分别于维持细胞的形态、细胞的运动、细胞与环境的物质交换等功能有关。

一、膜骨架

膜骨架是指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持细胞质膜的形状并协助完成多种功能。

二、红细胞质膜蛋白及膜骨架

SDS-PAGE分析红细胞影的蛋白成分显示：红细胞质膜蛋白主要包括血影蛋白或称红膜肽（spectrin）、锚蛋白（ankyrin）、带3蛋白、带4.1蛋白和肌动蛋白（actin），此外，还有一些血型糖蛋白（glycophorin）。

膜支架蛋白主要成分包括：血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白、带4.1蛋白等。