第二节 细胞质膜的基本特征与功能
一、膜的流动性
膜的流动性是细胞质膜和所有的生物膜的基本特征之一，也是细胞生长、增殖等生命活动的必要条件。在脂膜二维空间上的热运动是膜脂和膜蛋白流动性的动力学基础，膜脂与膜蛋白的相互作用以及与膜两侧的生物大分子的相互作用，使膜的流动状态更为复杂。它不仅保证了细胞正常的代谢活动，而且受控于细胞代谢过程的调节。
(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，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。温度对膜脂的运动有明显的影响，各种膜脂都具有其不同的相变温度(phase transition temperature)，鞘脂的相变温度一般高于磷脂。在生物膜中，膜脂的相变温度是由组成生物膜的各种脂分子的相变温度决定的。低于相变温度，膜脂的流动性会骤然降低。一般情况下，鞘脂或卵磷脂组成的脂双层膜流动性小一些，磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇和磷脂酰丝氨酸等组成的脂膜流动性大一些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，胆固醇对膜的流动性也起着重要的双重调节作用。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。其最终效应取决于胆固醇在脂膜中的相对含量以及上述两种作用的综合效果。通常胆固醇是起到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。在细胞质膜脂双层的内外两小叶的膜脂中，细胞外小叶膜脂的胆固醇的含量往往高于内小叶，因此内小叶膜脂的流动性更弱。
由于膜脂与膜脂以及膜脂与膜蛋白之间的复杂的相互作用，膜脂分子的运动状态各不相同，其运动的区域也受到一定的限制。当用荧光素标记磷脂分子，研究磷脂在成纤维细胞质膜中的运动情况时，人们发现大多数的磷脂只是在直径约0.5µm的范围内自由运动，其原因是受到了直径约1μm的膜蛋白含量较高的质膜区域所阻隔。
(二)膜蛋白的流动性
一系列的实验证明了膜蛋白的流动性，荧光抗体免疫标记实验就是其中一个典型的例子。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。10min后不同颜色的荧光在融合细胞表面开始扩散，40min后已分辨不出融合细胞表面绿色荧光或红色荧光区域。如加上不同的滤光片，则显示红色荧光或绿色荧光都均匀地分布在融合细胞表面，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。
如果用药物抑制细胞能量转换、蛋白质合成等代谢途径，对膜蛋白运动没有影响，但是如果降低温度，则膜蛋白的扩散速率可降低至原来的1/20~1/10。实验表明，膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动，不需要细胞代谢产物的参加，也不需要能量输入。
实际上，机体中并不是所有的膜蛋白都像在体外人一鼠融合细胞质膜上那样自由运动。在极性细胞中，质膜蛋白被某些特殊的结构如紧密连接限定在细胞表面的某个区域。即使在单细胞生物草履虫的细胞质膜上，膜蛋白的分布也具有特定的区域性。有些细胞90%的膜蛋白是自由运动的，而有些细胞只有30%的膜蛋白处于流动状态，原因之一是某些膜蛋白与膜下细胞骨架结构相结合，限制了膜蛋白的运动。用阻断微丝形成的药物细胞松弛素B处理细胞后，膜蛋白的流动性大大增加用非离子去垢剂处理细胞使细胞膜系统崩解，多数膜蛋白流失，但仍有部分膜蛋白结合在细胞骨架上。细胞骨架不但影响膜蛋白的运动，也影响其周围的膜脂的流动。膜蛋白与膜脂分子的相互作用也是影响膜流动性的重要因素。
(三)膜脂和膜蛋白运动速率的检测
如前所述，荧光漂白恢复(fluorescence photobleaching recovery，FPR)技术是硏究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一(见第二章第四节)。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率。如细胞质膜中磷脂的扩散常数( diffusion constant)为10cm3/s，较人工制备的纯磷脂双层膜减小近一个数量级。质膜上的膜蛋白扩散常数一般在5×10~5×10°cm2/s，而蛋白质在水溶液中的扩散常数为10cms，要比膜蛋白大100~10000倍，显然脂分子与蛋白质分子及蛋白质分子之间的相互作用束缚了膜蛋白的自由扩散。
二、膜的不对称性
膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不对称分布：如同一种膜脂在脂双层两个小叶中的分布不同，同一种膜蛋白在脂双层中的分布都有特定的方向或拓扑学特征：糖蛋白和糖脂的糖基部分均位于细胞质膜的外侧。
(一)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命名如下：与细胞外环境接触的膜面称质膜的细胞外表面(extrocytoplasmic surface，ES)，这一层脂分子和膜蛋白称细胞膜的外小叶( outer leaflet)。与细胞质基质接触的膜面称质膜的原生质表面(protoplasmic surface， PS)这一层脂分子和膜蛋白称细胞膜的内小叶( Inner leaflet)。电镜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叶断裂面( extrocytoplasmic face，EF)和原生质小叶断裂面( protoplasmic face，PF)(图3-17)。
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，在膜泡出芽、融合及转运过程中，其拓扑学结构保持不变(图3-18)。
动植物细胞的细胞质膜、内质网、高尔基体、溶酶体和囊泡等均由一层膜结构组成。线粒体、叶绿体和细胞核等有两层被膜，其膜面的命名原则及其拓扑学性质基本相同。在脂肪细胞( adipocyte)和很多细胞中，都含有储存脂肪(主要是三酰甘油和胆固醇)的一种细胞器，称为脂滴( lipid droplet)。脂滴外周仅由一层磷脂分子包被，相当于膜的内小叶。储存脂肪在内质网膜的内外小叶之间合成，然后以出芽的方式披上内质网膜的内小叶，形成游离的脂滴。其膜周围有多种膜蛋白，
(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。多数磷脂存在于脂双层的内外两侧，但某一侧往往含量高一些，并非均匀分布。如在人的红细胞质膜上，鞘磷脂和卵磷脂多分布在质膜外小叶，磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇和磷脂酰丝氨酸多分布在质膜内小叶(图3-19)，这种分布将会影响质膜的曲度。胆固醇在生物膜内外小叶的分布一般比较均匀。糖脂的分布表现出完全不对称性，其糖侧链都在质膜或其他内膜的ES面上，因此糖脂仅存在于质膜的外小叶中以及内膜的ES面上。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原因和生物学意义还不很清楚，有人认为可能与其合成的部位有关，如甘油磷脂和鞘脂分别在内质网的PS面和高尔基体的ES面合成，这就形成了在脂双层中的不对称分布。显然这还不能完全解释膜脂的不对称性，如卵磷脂在质膜外小叶上含量更高。也有人推测可能与膜蛋白的不对称分布有关。已知某些膜脂的不对称分布有重要的生物学意义。如细胞质膜上，所有的磷酸化的磷脂酰肌醇的头部基团都面向细胞质侧，这是在G蛋白偶联的信号转导的必要条件(详见第十一章)。又如在血小板的质膜上，磷脂酰丝氨酸通常主要分布在质膜的内小叶中，当受到血浆中某些因子的刺激后，很快翻转到外小叶上，活化参与凝血的酶类。当细胞濒临死亡时，难以维持脂不对称的生理状态，在质膜外小叶上，磷脂酰丝氨酸的含量明显增加。这种现象已作为研究细胞凋亡过程的检测指标之一。
(三)膜蛋白的不对称性
所有的膜蛋白，无论是周边膜蛋白还是整合膜蛋白，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。如细胞表面的受体、膜上载体蛋白等，都是按定的取向传递信号和转运物质。与质膜相关的酶促反应也都发生在膜的某一侧面，特别是质膜上的糖蛋白或糖脂，其糖残基均分布在质膜的ES面，它们与细胞外的胞外基质，以及生长因子、凝集素和抗体等相互作用。如人的ABO血型抗原(图3-20)。
各种生物膜的特征及其生物学功能主要是由膜蛋白来决定的。膜蛋白的不对称性是在它们合成时就已经确定，在随后的一系列转运和修饰过程中其拓扑学结构始终保持不变直至蛋白质降解，而不会像膜脂那样发生翻转运动。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。
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)相互联系、协同作用，维持膜的形态并形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。
这些特化结构包括鞭毛( flagellum)、纤毛(cim)(见图3-4)、微绒毛( microvillus)及细胞的变形足( lamellipodia)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。其基本结构与功能将在第八章中详细阐述。因此本节仅介绍有关膜骨架( membrane associated cytoskeleton)的一些知识。
(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，它从力学上参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。因为膜骨架多与肌动蛋白(actin)相关联，因此也称基于肌动蛋白的膜骨架(acin- based membrane skeleton)。早期人们应用光学显微镜曾注意到在细胞质膜下存在约0.2pum厚的观察不到任何细胞结构的“溶胶层”，又称细胞的皮层( cortex)。电镜技术出现以后，才发现质膜下的溶胶层中含有丰富的细胞骨架纤维(如微丝等)，这些骨架纤维通过膜骨架与质膜相连。多数细胞的细胞质膜下，也都存在精细而复杂的细胞骨架网络，但至今为止，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
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，所以红细胞的质膜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，直径约7m，但它可以通过直径比自己更小的毛细血管。在其平均寿命约120天的期间内，人的红细胞往返于动脉和静脉达几百万次，行程约480km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。红细胞的质膜与膜骨架比较容易纯化、分析。当细胞经低渗处理后，质膜破裂，同时释放出血红蛋白和胞内其他可溶性蛋白。这时红细胞仍然保持原来的基本形状和大小，这种结构称为血影(ghost)(图3-21A)。因此红细胞为研究质膜的结构及其与膜骨架的关系提供了理想的材料。
(三)红细胞质膜蛋白及膜骨架
SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析血影的蛋白质成分显示：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)，此外还有一些血型糖蛋自(glycoprotein)(图3-21B)。改变处理血影的离子强度后进行电泳分析，则血影蛋白和肌动蛋白条带消失，说明这两种蛋白质不是整合膜蛋白而是周边膜蛋白，比较容易除去。此时血影的形状变得不规则，膜蛋白的流动性增强，说明这两种蛋白质在维持膜的形状及固定其他膜蛋自的位置方面起重要作用。若用去垢剂 Triton X-100处理血影，这时带3蛋白及一些血型糖蛋白的电泳条带消失，但血影仍能维持原来的形状，说明带3蛋白及血型糖蛋白是膜整合蛋白，在维持血影乃至细胞形态上并不起决定性作用。
带3蛋白是红细胞质膜上CHCO3阴离子运输的载体蛋白，每个细胞中约有120万个分子。与血型糖蛋白不同，它由两个相同的多肽链组成二聚体，每条多肽链含有929个氨基酸，在质膜中穿越14次(小鼠)，形成跨膜α螺旋。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。那么红细胞膜骨架是如何构成的呢?它与膜蛋白是什么关系呢?血影经非离子去垢剂处理后，所有的脂质和血型糖蛋白及大部分带3蛋白都被溶去，存留部分即是纤维状的膜骨架蛋白网络及部分与之结合的整合膜蛋白。因此，血影的形状仍能保持。膜骨架蛋白主要成分包括血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白和带41蛋白等。
血影蛋白由a链和β链组成一个聚体，长约100nm，直径约5m，两个二聚体头与头部相连形成一个长度为200mm的四聚体，它可在体外溶液中组装。每个红细胞约含有10万个血影蛋白四聚体。与血影蛋白四聚体游离端相连的肌动蛋白纤维链长约35nm，其中包含13个肌动蛋白单体和1个原肌球蛋白分子(由两个多肽组成，每个多肽分子质量为35kDa)。纯化的血影蛋白与肌动蛋白纤维结合力非常微弱，带4.1蛋白和一种称为内收蛋白(adducin)的蛋白质与之相互作用，大大加强了肌动蛋白与血影蛋白的结合力。由于肌动蛋白纤维上存在多个(一般为5个左右)与血影蛋白结合的位点，所以可以形成一个网络状的膜骨架结构(图3-21C)。
膜骨架网络与细胞膜之间的连接主要通过锚蛋白。每个红细胞中约有10万个错蛋白分子。每个血影蛋白四聚体上平均有一个锚蛋白分子。锚蛋白含有两个功能性结构域：一个能紧密地而且特异地与血影蛋白β链上的一个位点相连；另一个结构域与带3蛋白中伸向胞质面的一个位点紧密结合，从而使血影蛋白网架与细胞质膜连接在一起。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。膜骨架的组织及其与细胞质膜内在膜蛋白的关系如图3-21D所示。
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。在红细胞中还存在着少量短纤维状的肌球蛋白纤维，它可能与两个或更多的肌动蛋白纤维相结合并将它们拉到一起，以维持红细胞的形态。
除红细胞外，已发现在其他细胞中也存在与锚蛋白、血影蛋白及带4.1蛋白类似的蛋白质，大多数细胞中也都存在膜骨架结构(图3-22)。与红细胞不同，这些细胞具有较发达的胞质骨架体系，特别是质膜下呈网状分布的肌动蛋白纤维，而且细胞质膜功能更为复杂。呈动态变化的膜骨架不仅在力学结构上为细胞质膜行使其功能提供一个三维的空间，而且直接参与细胞质膜的多种代谢活动。所以有关其他细胞中膜骨架的结构与功能的细节还有待进一步研究。
四、细胞质膜的基本功能
细胞质膜作为细胞内外边界，与内膜系统相比其结构更为复杂，功能更为多样。细胞质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)选择性地运输物质，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和侵染特异的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。
质膜以上的功能将在后面相关章节详细阐述。
质膜如何高效而精确地完成上述多种功能，其很多结构细节尚不清楚。近年来对脂筏及与之相关的胞膜窖(又称陷窝、质膜微囊， caveola)的研究，加深了对质膜的结构与功能了解(见图3-3)。
脂筏中富含鞘磷脂和胆固醇。鞘磷脂较长且直的非极性尾部之间的相互作用，加上与胆固醇的近乎平面的疏水基团间“疏水键”的作用，形成了脂筏的基本结构。用非离子去垢剂可以将富含鞘磷脂和胆固醇的脂筏从细胞质膜上分离出来，蛋白质组学分析显示，其中含有多达250种蛋白质。
某些蛋白质，如阀蛋白(flotillin)、GPI锚定膜蛋白以及与脂筏表面糖基结合(类似凝集素作用)的周边膜蛋白等，对脂筏的组装及稳定性均起着一定的作用。
由于鞘磷脂的疏水尾部的碳链(通常20~26个碳原子)比甘油磷脂(通常16~22个碳原子)长，所以脂筏的脂双层厚度也比质膜其他部位厚一些(见图3-8)，而脂筏上整合膜蛋白的跨膜结构域也长一些，借此更有利于脂筏的组装。脂筏是一种异质性的、高度动态的、分子排列较紧密的、流动性较低的膜脂微区(memberane lipid microdomain)结构，直径一般为10-200mm。
脂筏在细胞的信息传递和物质运输等生命活动中可能起重要的作用，如人们发现，某些G蛋白偶联受体和G蛋白均富集在脂筏上。同时表皮生长因子受体、胰岛素受体等也存在于脂筏上，而且发现越来越多的细胞内信号分子如Ras、Src家族酪氨酸激酶及信号转导的接头分子也都定位在脂筏上。显然这为信号的跨膜传递提供了必要的空间和时间的保障
还有一些的实验结果表明脂筏在细胞的胞饮和细胞蛋白质分选中也起重要的作用。人们还证实某些病毒的感染过程、阿尔茨海默病( Alzheimer disease)以及某些肿瘤的发生均可能与脂筏有密切的关系目前脂筏的研究主要停留在体外培养细胞上(主要是上皮细胞)，研究表明它几乎存在于所有真核细胞膜上，但其确切的结构和功能依然不甚明了，其主要原因是脂筏过于微小且处在动态变化之中。这些问题的解决将依赖于今后新的实验技术和观察手段的建立。
