【重点提要】
细胞质膜（plasma membrane）的结构模型与基本组成成分；细胞质膜的基本特征与功能；细胞质膜相关的膜骨架组成及功能。
【基本概念】
1． 流动镶嵌模型（ fluid mosaic model）：一种描述生物膜的动态结构模型。生物膜由膜脂和膜蛋白组成，具有流动性，膜蛋白镶嵌在脂双层或结合于脂双层表面。
2． 脂筏模型（lipid raft model）：在脂双层上，由胆固醇、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”一样载着执行某些特定生物学功能的各种膜蛋白的生物膜模型。
3． 膜脂(membrane lipid)：生物膜的基本组成成分和结构组织者，主要包括甘油磷脂、鞘脂和固醇三种基本类型。膜脂往往形成脂双层结构。
4． 脂质体（liposome）：根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的现象而制备的人工膜，常用于研究膜脂与膜蛋白及其生物学特性，以及作为基因或药物输送的载体。
5． 外在膜蛋白（extrinsic membrane protein）：又称外周膜蛋白，位于磷脂双分子层表面，通过非共价键与膜脂或膜蛋白发生相互作用的一种膜结合蛋白。
6． 内在膜蛋白（intrinsic membrane protein）：又称整合膜蛋白，镶嵌或横跨脂双层的膜结合蛋白。
7． 脂锚定膜蛋白（lipid anchored protein）：通过共价相连的脂分子（脂肪酸或糖脂）插入膜的脂双层而锚定在细胞质膜上的一类蛋白，其水溶性部分位于脂双层外。
8． 去垢剂（detergent）：是一端亲水、一端疏水的两性小分子，常用于分离与研究膜蛋白。
9． 膜骨架（membrane associated cytoskeleton）：细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构。哺乳动物红细胞膜骨架有助于维持红细胞的形态，赋予质膜韧性。
10． 血影（ghost）：红细胞经低渗处理后，质膜破裂，并释放出血红蛋白和胞内其他可溶性蛋白，而仍然保持细胞原来的基本形状和大小的结构。
【知识点解析】
一、细胞质膜的结构模型与基本成分
（一）细胞质膜的结构模型
1. 流动镶嵌模型与脂筏模型
从细胞的发现，到20 世纪50 年代利用电子显微镜观察到质膜，跨时几百年。1925 年，E. Gorter 和F. Grendel 用有机溶剂抽提人红细胞质膜的膜脂成分，发现它是红细胞表面积的二倍，提示了质膜由双层脂分子构成。随后，人们发现质膜的表面张力比油－水界面的表面张力低得多，因此Davson 和Danielli 推测，质膜中含有蛋白质成分并提出“蛋白质－脂质－蛋白质”的三明治式质膜结构模型。1959 年，J. D.Robertson 根据电子显微镜观察结果提出了单位膜模型（unit membrane model），并大胆地推断所有生物膜都由蛋白质－脂质－蛋白质的单位膜构成。这一模型得到X 射线衍射分析结果的支持。用高锰酸钾或锇酸固定细胞时，电镜超薄切片中的细胞质膜显示出暗－亮－暗三条带，两侧的暗带厚度约2 nm，推测是蛋白质，中间亮带厚度约3.5 nm，推测是脂双层分子，整个膜的厚度约7.5 nm。1972年，Singer 和Nicolson 提出了生物膜的流动镶嵌模型（fluid mosaic model）。
脂筏模型（lipidraft model，Simons 1988）是对膜流动性的新的理解。该模型认为在甘油磷脂为主体的生物膜上，胆固醇、鞘磷脂等富集区域形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的“脂筏”一样载着执行某些特定生物学功能的各种膜蛋白。
2. 生物膜的结构特点
（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膜系统的性质，磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相形成脂双分子层。脂分子是组成生物膜的基本结构成分，在生物膜结构中尚未发现起组织作用的蛋白质，但在脂筏中存在某些有助于脂筏结构相对稳定的功能蛋白。
（2）蛋白质分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面。蛋白质的类型，蛋白质分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜各自的特性与功能。
（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间复杂的相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性，同时也形成了赖以完成多种膜功能的脂筏、纤毛和微绒毛等结构。
（4）在细胞生长和分裂等生命活动中，生物膜在三维空间上可出现弯曲、折叠、延伸等改变，处于不断的动态变化中。
（二）膜脂
1. 成分
膜脂主要包括甘油磷脂（glycerophosphatide）、鞘脂（sphingolipid）和固醇（sterol）三种基本类型。膜脂分子都是双亲性分子或两性分子，即有亲水性的头部和疏水性的尾部。双亲性的特点赋予膜脂分子在水相中能自发形成脂双层的能力。
（1）甘油磷脂
甘油磷脂构成了膜脂的基本成分，占整个膜脂的50％以上。甘油磷脂为3-磷酸甘油的衍生物，包括磷脂酰胆碱（卵磷脂，phosphatidylcholine，PC）、磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）和磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）等，主要在内质网合成。组成生物膜的甘油磷脂分子的主要特征是具有一个与磷酸基团相结合的极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链）。
（2）鞘脂
鞘脂为鞘氨醇的衍生物，主要在高尔基体合成。它具有一条烃链，另一条链是与鞘氨醇的氨基共价结合的长链脂肪酸。
（3）固醇
包括胆固醇及其类似物，是一种分子刚性很强的两性化合物。与磷脂不同的是其分子的特殊结构和疏水性太强，自身不能形成脂双层。只能插入磷脂分子之间，参与生物膜的形成。胆固醇的合成是在动物细胞的胞质和内质网完成的，但动物体内胆固醇多数来自于食物。它在调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降低水溶性物质的通透性等方面都起着重要作用。同时，它也是脂筏的基本结构成分。
2. 膜脂的运动方式
（1）沿膜平面的侧向运动。侧向运动是膜脂分子的基本运动方式。
（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，其尾部摆动较大。
（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，但在内质网膜上，新合成的磷脂分子几分钟后将有半数从脂双层的一侧通过翻转运动转位到另一侧。
前3种运动属于热自由运动，与温度有关，而后一种运动往往需要依靠特殊的膜蛋白协助才能完成。
3. 脂质体
脂质体（liposome）是根据磷脂分子可在水相中形成稳定脂双层膜的现象而制备的人工膜，有脂分子团、球形脂质体和平面脂质体等类型。脂质体可嵌入不同的膜蛋白，因此脂质体是研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的极好实验材料。脂质体中裹入DNA 可有效地将其导入细胞中，因此常用于转基因实验。在临床治疗中，脂质体中裹入不同的药物或酶等具有特殊功能的生物大分子，可望用于治疗多种疾病。特别是脂质体技术与单克隆抗体及其他技术结合，可使药物更有效地作用于靶细胞以减少对机体的损伤。
（三）膜蛋白
膜蛋白赋予生物膜非常重要的生物学功能。
1. 膜蛋白的类型
根据膜蛋白分离的难易程度及其与脂分子的结合方式，膜蛋白可分为3 种基本类型：外在膜蛋白（extrinsicmembrane protein）或称外周膜蛋白（peripheralmembrane protein）、内在膜蛋白（intrinsicmembrane protein）或称整合膜蛋白（integralmembrane protein）和脂锚定膜蛋白（lipidanchored protein）。外在膜蛋白为水溶性蛋白质，靠离子键或其他较弱的键与膜表面的膜蛋白分子或膜脂分子结合，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，但膜结构并不被破坏。脂锚定膜蛋白是通过与之共价相连的脂分子（脂肪酸或糖脂）插入膜的脂双分子中，而锚定在细胞质膜上，其水溶性的蛋白质部分位于脂双层外。内在膜蛋白与膜结合比较紧密，只有用去垢剂处理使膜崩解后才可分离出来。内在膜蛋白占整个膜蛋白的70%～80%，据估计人类基因中，1/4～1/3 基因编码的蛋白质为内在膜蛋白。
2. 内在膜蛋白与膜脂结合的方式
内在膜蛋白为跨膜蛋白（transmembraneprotein），在结构上分为胞外结构域、跨膜结构域和胞内结构域等3 个组成部分。它与膜结合的主要方式有：
（1）膜蛋白的跨膜结构域与脂双层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残基与磷脂分子带负电的极性头部形成离子键，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部相互作用。
（3）某些膜蛋白通过自身在胞质一侧的半胱氨酸残基共价结合到脂肪酸分子上，后者插入脂双层中进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力。
跨膜结构域是与膜脂结合的方式如下：
（1）跨膜结构域含有20 个左右的α 螺旋疏水氨基酸残基，其外部疏水侧链通过范德华力与脂双层分子脂肪酸链相互作用。如果α 螺旋既具有极性侧链又具有非极性侧链，则非极性链位于α 螺旋的外侧与膜脂相互作用。内侧是极性链，形成特异极性分子的跨膜通道。
（2）跨膜结构域主要由β 折叠片组成，几个β 折叠片相互作用形成跨膜通道，通道具有疏水性的外侧和亲水性的内侧。膜结构域疏水性的侧链与膜脂产生相互作用。
3. 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。其分离提取膜蛋白的原理是去垢剂可以插入膜脂，与膜脂或膜蛋白的跨膜结构域等疏水部位结合，形成可溶性的微粒。
去垢剂有离子型去垢剂和非离子型去垢剂两种类型。常用的离子型去垢剂是十二烷基磺酸钠（SDS），非离子去垢剂是TritonX－100。SDS对蛋白质的作用较为剧烈，破坏蛋白质中的离子键和氢键等，可改变蛋白质亲水部分的构象，引起蛋白质变性。而Triton X－100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，还用于除去细胞的膜系统，以便对细胞骨架蛋白和其他蛋白质进行研究。
二、细胞质膜的基本特征与功能
（一）膜的流动性
膜的流动性是所有生物膜的基本特征，是细胞生长增殖等生命活动的必要条件。
1. 膜脂的流动性
膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动，在很大程度上取决于脂分子本身的性质和温度。温度越高、脂肪酸链越短，不饱和程度越高，膜脂的流动性越大。膜脂的流动性是生长细胞完成包括生长、增殖在内的多种生理功能所必需的，在细菌和动物细胞中常常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的相变温度以维持膜脂的流动性。
在动物细胞中，由于胆固醇的刚性结构，胆固醇对膜的流动性起着双重调节作用。胆固醇分子既有与磷脂疏水的尾部相结合使其更为有序、相互作用增强及限制其运动的作用，也有将磷脂分子隔开使其更易流动的功能。通常，胆固醇防止膜脂由液相变为固相以保证膜脂处于流动状态的作用。
2. 膜蛋白的流动性
膜蛋白具有流动性，荧光抗体免疫标记实验可以证明。用抗鼠细胞质膜蛋白的荧光抗体（显绿色荧光）和抗人细胞质膜蛋白的荧光抗体（显红色荧光）分别标记小鼠和人的细胞表面，然后用灭活的仙台病毒介导两种细胞融合。10 min后不同颜色的荧光在融合细胞表面开始扩散，40 min 后已分辨不出融合细胞表面绿色荧光或红色荧光区域。这一实验清楚地显示了与抗体结合的膜蛋白在质膜上的运动。如果降低温度，则膜蛋白的扩散速率可降低至原来的1/20～1/10。在某些细胞中，当荧光抗体标记时间继续延长，已均匀分布在细胞表面的标记荧光会重新排布，聚集在细胞表面的某些部位，即所谓成斑现象（patching），或聚集在细胞的一端，即成帽现象（capping）。成斑现象和成帽现象也证实了膜蛋白的流动性，且流动性是并不是完全自由和随机的，可能受膜蛋白和膜下骨架系统相互作用以及质膜与细胞内膜系统之间膜泡运输等相关。
3. 膜脂和膜蛋白运动速率的检测
荧光漂白恢复（FPR）技术可定性、定量是研究膜蛋白或膜脂的流动性。用荧光素标记膜蛋白或膜脂，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，淬灭区域的亮度会逐渐增加，最后恢复到与周围的荧光强度相等。根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。
（二）膜的不对称性
膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不对称分布。同一种膜脂在脂双层中的分布不同。不同膜蛋白在脂双层中的定向或其拓扑学结构也可能不同。糖蛋白和糖脂的糖基部分均位于细胞质膜的外侧。
1. 细胞质膜各膜面的名称
为了便于研究和了解细胞质膜以及其他生物膜的不对称性，人们将细胞质膜的各个膜面进行了命名（详细命名见教材）。但由于该命名并不直观，且对于细胞内细胞器膜，包括线粒体等膜的命名不好描述，这里将生物膜的两个半膜分别命名为胞质半膜（或者胞质面）和非胞质半膜。胞质半膜面向细胞质基质，而非胞质半膜背向细胞质基质。
2. 膜脂的不对称性
不同膜脂在脂双层两个半膜内分布不同。糖脂的糖侧链都在非胞质半膜一侧。膜脂分子的不对称分布估计与其功能有关，或者与合成及合成后的转运有关。也有人推测可能与膜蛋白的不对称分布有关。
3. 膜蛋白的不对称性
无论是外在膜蛋白还是内在膜蛋白，在质膜上都呈不对称分布。与膜脂不同，膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在质膜上都具有明确的方向性。糖残基均分布在非胞质半膜一侧。膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上有序的各种生理功能的保证。膜蛋白的不对称性在合成时就已确定，在随后的一系列转运过程中其拓扑学结构始终保持不变。
（三）细胞质膜相关的膜骨架
细胞质膜特别是膜蛋白常常与膜下结构（主要是细胞骨架系统）协同作用，形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。这些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，分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换和信息传递等功能有关。
1. 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，参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。对膜骨架研究最多的还是哺乳动物的红细胞。
2. 红细胞的生物学特性
红细胞负责把O2从肺运送到体内各组织，同时把细胞代谢产生的CO2 运回肺中。哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核和内膜系统，所以是最简单最易研究的生物膜。正常情况下，红细胞呈双凹形的椭球结构，能通过直径比自己更小的毛细血管。在其平均寿命约120 天内，人的红细胞往返于动脉和静脉达几百万次，行程约480 km 而不破损。这就需要红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高的强度。红细胞质膜的这些特性在很大程度上是由膜骨架赋予的。
3. 红细胞质膜蛋白及膜骨架
通过低渗处理可制备红细胞的血影（ghost）。SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析标明，红细胞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、带4.2 蛋白和肌动蛋白（actin）以及血型糖蛋白（glycoprotein）。其中带3 蛋白和血型糖蛋白是膜整合蛋白。带3 蛋白的N 端伸向细胞质基质面折叠成不连续的疏水区域，为膜骨架蛋白提供结合位点。红细胞膜骨架蛋白主要包括血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白和带4.1 蛋白等。血影蛋白形成四聚体，肌动蛋白纤维与血影蛋白结合形成一个网络状的膜骨架结构。而锚蛋白一端与血影蛋白结合，另一端与质膜上的带3 蛋白结合，从而将膜骨架锚定在质膜上。此外，带4.1 蛋白还可以与血型糖蛋白的细胞质结构域（C 端）或带3 蛋白结合，同样也起到使膜骨架与质膜蛋白相连的作用。
红细胞质膜的刚性与韧性主要由质膜蛋白与膜骨架复合体的相互作用来实现，但其双凹形椭圆结构的形成还需要其他的骨架纤维参与。
（四）细胞质膜的基本功能
（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除，其中伴随着能量物质的传递。
（3）提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息跨膜传导；病毒等病原微生物识别、侵染特异宿主细胞的受体也存在于质膜上。
（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、细胞与胞外基质之间的连接。
（6）质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。
（7）膜蛋白的异常与某些遗传病、恶性肿瘤、自身免疫病甚至神经退行性疾病相关，很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。
