第四章  细胞膜与物质的穿膜运输

细胞膜( cell membrane)是包围在细胞质表面的一层薄膜,又称质膜( plasma membrane)。细胞膜将细胞中的生命物质与外界环境分隔开,维持细胞持有的内环境。在原始生命物质进化过程中,细胞膜的形成是关键的一步,没有细胞膜的形成,细胞形式的生命就不能存在。除质膜外,细胞内还有丰富的膜结构,它们形成了细胞内各种膜性细胞器,如内质网、高尔基复合体、溶酶体、各种膜泡等,称为细胞的内膜系统。这些膜与质膜在化学组成、分子结构和功能活动方面具有很多共性,日前把质膜(图4-1)和细胞内膜系统总称为生物膜( biomembrane)。电子显微镜下,生物膜呈“两暗夹一明”的形态结构,又称为单位膜( unit membrane)(图4-1)。

细胞膜不是一种机械屏障,它不仅为细胞的生命活动提供了稳定的内环境,还行使着物质转运、信号传递、细胞识別等多种复杂功能,并且与生命科学中的许多基本问题,如细胞的增殖、分化、细胞的识别黏附、代谢、能量转换等密切相关,是细胞之间、细胞与细胞外环境之间相互交流的重要通道。细胞膜的改变与多种遗传病、神经退行性疾病、恶性肿瘤等的发生相关。因此,正确认识细胞膜的结构与功能对揭示生命活动的奥秘具有重要意义。

目前,对细胞膜的研究已深入到分子水平,对其化学组成和各组分的作用及不同组分间的相互作用有了新的认识,细胞膜的研究已成为当前细胞生物学和分子生物学的重要研究领域之。本章主要介绍细胞膜的化学组成、分子结构、细胞膜特性及其主要功能等。由于细胞膜的许多特性和功能是各种生物膜所共有的,所以通过对细胞膜的了解、亦可对各种生物膜有一个基本认识。

第一节  细胞膜的化学组成与生物学特性

对从多种细胞分离获得的纯净质膜及各种内膜的化学分析表明,不同类型的细胞其细胞膜的化学组成基本相同,主要由脂类、蛋白质和糖类三种物质组成。脂类排列成双分子层即脂双层,构成膜的基本结构,形成了对水溶性分子相对不通透的屏障;蛋白质以不同方式与脂类结合,是膜的功能主体;糖类多分布于膜外表面,通过共价键与膜的某些脂类或蛋白质分子结合形成糖脂或糖蛋白。此外,细胞膜中还含有少量水分、无机盐与金属离子等。细胞膜具有多种复杂而重要的功能,主要是由于构成膜的三种主要成分各自具有特定的分子结构和生物学特性,并且三种成分之间有着巧妙的相互作用。近年来日益广泛应用的新技术不断揭示有关膜结构和功能的新信息,如结构生物学能够解析膜蛋白的立体构象、活性结构域;分子生物学、基因组学和生物信息学等手段有助于预测或重构膜蛋白的结构。