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(cellmembrane)又称质膜(plasmamembrane)，是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜 细胞膜使细胞具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细胞内的膜系统(由膜围绕构建的各种细胞器)与细胞膜统称为生物膜(biomembrane)，它们具有共同的结构特征一、细胞膜的结构模型1935 Davson和Danielli发现质膜的表面张力比油—水界面的表面张力低得多，脂滴表面如吸附有蛋白成分则表面张力降低，因此推测，质膜中含有蛋白质成分并提出“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 S．J．Singer和G．Nicolson于1972年提出了生物膜的流动镶嵌模型(nuidmosaicmodel)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 还有学者提出“液晶态模型”(强调生物膜的膜脂处于无序(流动性)和有序(晶态)之间动态转变的)以及“板块镶嵌模型”(强调生物膜是由具有流动性程度不同的“板块”镶嵌而成的等)。
这些模型都可以看作是对流动镶嵌模型的完善或补充 最近有人提出脂筏模型(1ipid rafts model)，即在生物膜上胆固醇富集而形 成有序脂相，如同“脂筏”一样载着各种蛋白，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)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，以疏水性非极性尾部相对，极性头部朝向水相的磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分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，蛋白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)生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液膜蛋白与膜脂之间，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和膜脂的流动性 二、膜脂 (一)成分 膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇3种类型 1．磷脂磷脂又可分为两类：甘油磷脂和鞘磷脂甘油磷脂包括磷脂酰胆碱(卵磷脂)、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇等磷脂构成了膜脂的基本成分，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)；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(如软脂酸)，还常常有不饱和脂肪酸(如油酸) 2．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％目前已发现40余种糖脂，不同的细胞中所含糖脂的种类不同如神经细胞的神经节苷脂质，人红细胞表面的ABO血型糖脂都具有重要的生物学功能 3．胆固醇和中性脂质存在于真核细胞膜上，其含量一般不超过膜脂的1／3细菌质膜中不含有胆固醇成分，胆固醇的功能：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 (二)膜脂的运动方式 4种热运动的方式： 1．沿膜平面的侧向运动 每秒移动2mm的距离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 3．脂分子尾部的摆动 脂肪酸链靠近极性头部的摆动较小，尾部摆动较大有些可能折叠形成“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 一般情况下翻转运动极少发生，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。
(三)脂质体脂质体(1iposome)是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(图4—3B) 脂质体还可以嵌入不同的膜蛋白，是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中裹人不同的药物或酶等具有特殊功能的生物大分子，可使药物更有效地作用于靶细胞以减少对机体的损伤脂质体中裹人DNA可用于基因转移三、膜蛋白 膜蛋白的种类繁多，多数膜蛋白分子数目较少，但却赋予细胞膜非常重要的生物学功能 (一)类型膜蛋白可分为两大基本类型：膜周边蛋白(peripheral proteins)或称外在膜蛋白(extrinsic proteins)膜内在蛋白(integralproteins)或称整合膜蛋白 膜周边蛋白为水溶性蛋白，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结合，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，膜结构并不被破坏 膜内在蛋白与膜结合非常紧密，只有用去垢剂使膜崩解后才可分离出来。
(二)膜内在蛋白与膜脂结合的方式 (三)去垢剂 去垢剂(detergent)是一端亲水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可分离子型去垢剂和非离子型去垢剂两类常用的离子型去垢剂如十二烷基磺酸钠(SDS)，其分子式如下：CH3-(CH2)11-O-S(O)2-ONa 它不仅可使细胞膜崩解，并与膜蛋白疏水部分结合使其分离，而且还可以破坏蛋白内部的非共价键，甚至改变亲水部分的构象由于SDS对蛋白质的作用较为剧烈，引起蛋白质变性在纯化膜蛋白时，特别是为获得有生物活性的膜蛋白时，常采用非离子去垢 常用的非离子去垢剂TritonX—100： 非离子去垢剂也可使细胞膜崩解，但对蛋白质的作用比较温和，它不仅用于膜蛋白的分离与纯化，也用于除去细胞的膜系统，以便对细胞骨架蛋白和其他蛋白进行研究四、膜的流动性膜的流动性是生物膜的基本特征，也是细胞进行生命活动的必要条件 (一)膜脂的流动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，一般来说，脂肪酸链越短，不饱和程度越高，膜脂的流动性越大多数情况下，胆固醇的作用是防止膜脂由液相变为固相以保证膜脂处于流动状态。
(二)膜蛋白的流动 (三)光脱色恢复技术五、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)冷冻蚀刻技术制样过程中，膜结构常常从双层脂分子疏水端断裂，这样又产生了质膜的细胞外小页断裂面(extrocytoplasmic face，EF)和原生质小页断裂面(proto plasmic face，PF)(图4—7) 细胞内的膜系统也根据类似的原理命名，如细胞内的囊泡，与细胞质基质接触的膜面为它的PS面，而与囊泡腔内液体接触的面为ES面 (二)膜脂的不对称性膜脂的不对称性是指同一种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，其糖侧链都在质膜的ES面上，因此糖脂仅存在于质膜的细胞外小页中糖脂的不对称分布是完成其生理功能的结构基础磷脂分子不对称分布的生物学意义还不清楚，有人推测可能与膜蛋白的不对称分布有关 (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。
所有的膜蛋白在质膜上都呈不对称分布膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂有序的各种生理功能的保证 六、细胞膜的功能细胞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除，其中伴随着能量的传递； (3)提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息跨膜传递； (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)质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构 七、膜骨架与细胞表面的特化结构细胞膜常常与膜下结构(主要是细胞骨架系统)相互联系，并形成细胞表面的某些特化结构,协同完成特定的功能与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等细胞表面的特化结构包括膜骨架 (membrane associated cytoskeleton)、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等等， (一)膜骨架膜骨架是指细胞膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持细胞膜的形状并协助质膜完成多种生理功能迄今为止，对膜骨架研究最多的还是哺乳动物的红细胞。
(二)红细胞的生物学特性当细胞经低渗处理后，质膜破裂，同时释放出血红蛋白和其他胞内可溶性蛋白这时红细胞仍然保持原来的形状和大小，这种结构称为血影(图4— 9B) 第二节 细胞连接细胞连接是多细胞有机体中相邻细胞之间通过细胞质膜相互联系，协同作用的重要组织方式分类：细胞连接可分为三大类： (1)封闭连接(occluding junctions)，紧密连接(tight junction)是典型代表，它将相邻细胞的质膜密切地连接在一起阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内2)锚定连接(anchoring junctions)，通过细胞骨架系统将细胞与相邻细胞或细胞与基质之间连接起来锚定连接又分为与中间纤维相关的锚定连接，包括桥粒(desmosome)和半桥粒(hemidesmosome)；以及与肌动蛋白纤维相关的锚定连接主要有粘着带(adhesion belt)和粘着斑(focal adhesion)3)通讯连接(communicating junctions)，主要包括间隙连接(gap junction)、神经细胞间的化学突触(chemical synapse)和植物细胞中的胞间连丝(plasmodesmata)。
一、封闭连接紧密连接是封闭连接的主要形式，一般存在于上皮细胞之间（如小肠上皮细胞之间的闭锁堤区域）二、锚定连接分布很广泛，上皮组织、心肌和子宫颈中含量尤为丰富 三、通讯连接 (一)间隙连接分布非常广泛，几乎所有的动物组织中都存在间隙连接 1．结构与成分 间隙连接处相邻细胞膜间的间隙为2～3nm，间隙连接的名称由此而来构成间隙连接的基本单位称连接子(connexon)相邻细胞膜上的两个连接子对接便形成一个间隙连接单位，因此间隙连接也称缝隙连接或缝管连接每个连接子由6个相 同或相似的跨膜蛋白亚单位connexin环绕，中心形成一个直径约1．5 nm的孔道 2．功能及其调节机制 (1)间隙连接在代谢偶联中的作用间隙连接能够允许小分子代谢物和信号分子通过，是细胞间代谢偶联的基础 (2)间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用 神经元之间或神经元与效应细胞(如肌细胞)之间通过突触(synapse)完成神经冲动的传导突触可分为电突触(electron。