[科普中国]-质膜

质膜(plasma membrane)是每个细胞把自己的内容物包围起来的一层界膜又称细胞膜(cell membrane)，一般厚度在5～10 nm。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，也常统一简称为膜(membrane)。质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。而内膜则将细胞内部分隔成不同的区室(compartments)，让细胞内各种化学反应在相对隔离的微环境中进行。1

基本作用质膜的基本作用是维护细胞内微环境的相对稳定，并参与同外界环境进行物质交换、能量和信息传递。另外，在细胞的生存、生长、分裂、分化中起重要作用。2

化学组成膜脂细胞膜主要由脂质和蛋白质组成。构成膜的蛋白质与脂的比例依据膜的类型（如质膜、内质网膜、高尔基体膜）、细胞类型（肌细胞、肝细胞）、生物类型（动物、植物和原核生物）的不同而不同。一般而言，脂占50%，蛋白质占40%，碳水化合物约占1～10%。膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。

一、磷脂（phospholipids）

动、植物细胞膜上磷脂约占膜脂的50%以上；磷脂分子的亲水端是磷酸基团，称为头部；磷脂分子的疏水端是两条长短不一的烃链，称为尾部，一般含有14～24个偶数碳原子；其中一烃链常含有一个或数个双键，双键的存在造成这条不饱和链有一定角度的扭转。类型：分为甘油磷脂和鞘磷脂。

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和一个磷酸基团，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：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。

2、鞘磷脂

鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在脑和神经细胞膜中特别丰富，亦称神经醇磷脂，它是以鞘胺醇（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。原核细胞和植物中没有鞘磷脂。

二、胆固醇（Cholesterol）

动物细胞膜胆固醇的含量较高，大多数植物细胞质膜中没有胆固醇。胆固醇分子包括三部分：极性的头部，羟基非极性的类固醇环结构。一个非极性的碳氢尾部。

三、糖脂（Glycolipid）

糖脂普遍存在于原核和真核细胞膜上，含量约占膜脂的5%以下；最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂．它仅有一个半乳糖作为极性头部；变化最多、最复杂的是神经节苷脂，它是神经元质膜具有的特征性成分；糖脂是整合膜蛋白。

四、膜脂的功能

◆构成膜的基本骨架，去除膜脂，则使膜解体；

◆是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执行特殊的功能；

◆膜脂为某些膜蛋白（酶）维持构象、表现活性提供环境，一般膜脂本身不参与反应（细菌的膜脂参与反应）；

◆膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存在时才有功能。2

膜蛋白生物膜的特定功能主要是由蛋白质完成的；膜蛋白约占膜的40%～50%，有50余种膜蛋白；在不同细胞中膜蛋白的种类及含量有很大差异。有的含量不到25%，有的达到75%；一般来说，功能越复杂的膜，其上的蛋白质含量越多。

1．膜蛋白的分类

膜蛋白是膜功能的主要体现眷。根据与膜脂的结合方式以及在膜中的位置的不同，膜蛋白分为：整合蛋白（integralprotein）、外周蛋白（peripheralprotein）脂锚定蛋白（1ipid—anchoredprotein）。

整合蛋白（IntegraIProteins）：部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧的蛋白质；根据跨膜次数将跨膜蛋白分为单次跨膜、多次跨膜、多亚单位跨膜等；整合蛋白约占膜蛋白的70一80%。整合蛋白与膜结合非常紧密，只有用去垢剂（detergent）才能从膜上洗涤下来．常用SDS和Triton—X100。

外周蛋白又称为外在蛋白（extrinsicprotein），为水溶性的，分布在细胞膜的表面．靠离子键或其他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。

脂锚定蛋白（Lipid—anchoredproteins）：又称脂连接蛋白（1ipid—Iinke（1proteins）．同脂的结合有两种方式：一种方式是通过一个糖分子间接同脂双层中的脂结合；一种是蛋白质直接与脂双层中的脂结合。脂锚定蛋白通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。分两类．一类是糖磷脂酰肌醇（GPl）连接的蛋白，GPl位于细胞膜的外小叶．用磷脂酶C处理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就是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长哦氢链结合。

2．膜蛋白的功能

◆运输蛋白：膜蛋白中有些是运输蛋白，转运特殊的分子和离子进出细胞；

◆酶：有些是酶，催化相关的代谢反应；

◆连接蛋白：有些是连接蛋白，起连接作用；

◆受体：起信号接收和传递作用。2

膜糖根据细胞类型的不同，膜糖约占膜成分的2%～10%；细胞质膜上的膜糖都位于细胞质膜的外表面，内膜系统中的膜糖则面向膜的腔面。

1．膜糖的种类

自然界存在的单糖及其衍生物有200多种，但存在于膜的糖类只有其中

的9种，而在动物细胞膜一L的主要是7种：

●D一葡萄糖（D—Glucose）

●D一半乳糖（D-galactose）

●D一甘露糖（D-mannose）

●L一岩藻糖（L-fucose）

●N一乙酰半乳糖胺（N—acetyl—1）-galactosamine）

●N一乙酰基葡萄糖胺（N—acetyl—glucosamine）

●唾液酸（sialicacid）。

2．膜糖的存在方式

糖同氨基酸的连接主要有两种形式：

●N一连接：即糖链与肽链中天冬酰胺残基相连；

●O一连接：则是糖链与肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基相连。

ABO血型是由ABO血型抗原决定的，称为ABO血型决定子（determinant），它是一种糖脂，其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用。ABO血型决定子是短的、分支寡糖链，如A血型的人具有一种酶，这种酶能够将N一乙酰半乳糖胺添加到糖链的末端；B血型的人具有在糖链末端添加半乳糖的酶，AB血型的人具有上述两种酶；O血型的人则缺少上述两种酶，在抗原的末端既无N一乙酰氨基半乳糖，又无半乳糖。也就是说人的血型是A型、B型、AB型还是O型．是由红细胞膜脂或膜蛋白中的糖基决定的。A血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是N一乙酰半乳糖胺（GalNAc），B血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是半乳糖（Gal），O型则没有这两种糖基，而AB型的人则在末端同时具有这两种糖。2

分子结构一、单位膜模型（unitmembranemodel）

1959年，J.D.Robertson利用电子显微镜技术对各种膜结构进行了详细研究，在电子显微镜下发现细胞膜是类似铁轨结构（“railroadtrack”），两条暗线被一条明亮的带隔开．显示暗——明——暗的三层，总厚度为7.5nm，中间层为3.5nm，内外两层各为2nm。并推测：暗层是蛋白质，透明层是脂，并建议将这种结构称为单位膜。

（二）流动镶嵌模型

◆1972年，由SingerNicoIson所提出。

◆膜的双分子层具有液晶态的特性，它既具有晶体的分子排列的有序性，又有液体的流动性。

◆球形膜蛋白分子以各种镶嵌形式与脂双分子层相结合。有的附在内外表面，有的全部或部分嵌入膜中．有的贯穿膜的全层，这些大多是功能蛋白。

◆糖类附在膜的外表面，与膜层的脂质、蛋白质的亲水端结合，构成糖脂和糖蛋白。2

特性一、质膜的不对称性

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。膜脂、膜蛋白和复合糖在膜上均呈不对称分布，导致膜功能的不对称性和方向性，即膜内外两层的流动性不同，使物质传递有一定方向，信号的接受和传递也有一定方向等。

膜脂的不对称性：脂分子在脂双层中呈不均匀分布．质膜的内外两侧分布的磷脂的含量比例也不同。PC和SM主要分布在外小页．而PE和PS主要分布在质膜内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的PC降解，而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。

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。

复合糖的不对称性：无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。

不对称性的意义：

1.膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性。保证了生命活动的高度有序性。

2.膜不仅内外两侧的功能不同，分布的区域对功能也有影响。造成这种功能上的差异，主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。

3.细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持就是靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。

二、膜的流动性

（一）、流动性的表现形式

●膜脂的运动方式

1.侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。

2.旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。

3.摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。

4.伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。

5.翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶（flippase）的催化下完成。

6.旋转异构：脂肪酸链围绕C—C键旋转，导致异构化运动。

●膜蛋白运动的几种形式：

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。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动，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。

（二）、膜流动性的意义

质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。2

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

微绒毛（microvilli）是细胞表面伸出的细长指状突起，广泛存在于动物细胞表面。微绒毛直径约为0.1μm。长度则因细胞种类和生理状况不同而有所不同。小肠上皮细胞刷状缘中的微绒毛，长度约为0.6~0.8μm。微绒毛的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。微绒毛侧面质膜有侧臂与肌动蛋白丝束相连，从而将肌动蛋白丝束固定。

微绒毛的存在扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交换。如小肠上的微绒毛，使细胞的表面积扩大了30倍，大大有利于大量吸收营养物质。不论微绒毛的长度还是数量，都与细胞的代谢强度有着相应的关系。例如肿瘤细胞，对葡萄糖和氨基酸的需求量都很大，因而大都带有大量的微绒毛。

（二）、皱褶

在细胞表面还有一种扁形突起，称为皱褶（ruffle）或片足（lamllipodia）。皱褶在形态上不同于微绒毛，它宽而扁，宽度不等，厚度与微绒毛直径相等，约0.1μm，高达几微米。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，同样具有扩大了细胞表面积的作用。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，均由9+2微管构成。有的细胞靠纤毛（如草履虫）或鞭毛（如精子和眼虫）在液体中穿行；有的细胞，如动物的某些上皮细胞，虽具有纤毛，但细胞本体不动，纤毛的摆动可推动物质越过细胞表面，进行物质运送，如气管和输卵管上皮细胞的表面纤毛。纤毛和鞭毛都来源于中心粒。3

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类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，从而提出了”蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。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，厚约7.5nm。这就是所谓的“单位膜”模型。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。单位膜模型的不足之处在于把膜的动态结构描写成静止的不变的。

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，在”单位膜”模型的基础上提出”流动镶嵌模型”。强调膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。3

6. Wallach 1975 提出“晶格镶嵌模型”。认为，膜蛋白对脂类分子的运动有限制作用，镶嵌蛋白和其周围的脂类分子形成膜中晶态部分，而具有流动性的脂类呈小片的点状分布。因此，脂类的流动性是局部的，并非整个脂类双分子都在进行流动，这就比较合理地解释了生物膜既具有流动性又可以保持相对完整性和稳定性的原因。

7.Jain &White 1977 提出“板块镶嵌模型”。认为在流动的脂双分子层中存在许多大小不同、刚性较大的能独立移动的脂类板块，这些有序结构板块间存在流动的脂类 ，二者处于连贯的动态平衡。

8. 1988年，提出“脂筏模型”。即脂双分子层并不是一个完全均匀的二维流体，内部存在富含胆固醇、鞘脂和特定种类膜蛋白的微区，这一区域较厚且较少流动，被称为“脂筏”；其如同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。4

本词条内容贡献者为:

李少斌 - 副教授 - 长江大学生命科学学院