细胞膜的流动性与细胞的变形运动

第一节　细胞膜和细胞表面

细胞膜是围在细胞质外表面的一层薄膜，因而也称为质膜(plasma membrane)，其基本作用是保持细胞有相对独立和稳定的内环境，并成为细胞内外物质流、信息流、能量流出入的门户。

真核细胞除了细胞膜外，在细胞内还有丰富的膜性结构。人们把细胞膜和细胞内各种膜性结构统称为生物膜(biological membrane)。虽然不同的生物膜各有其特殊功能，但它们的基本化学组成、分子结构都有着共同的特点，在电镜下观察也都呈现出较为一致的3层结构，即电子致密度高的内外两层(各厚2．0～2．5nm)之间夹着厚约3．5nm的电子致密度较低的中间层(图3-1)，称为单位膜(unitmembrane)。膜性结构的形成，在细胞功能活动方面具有十分重要的意义，即通过“区域化”(compartmentation)将某一功能有关的酶系统集中于一定区域之内，形成若干专一的功能区，使之不会与其他酶系统混杂，这样可使各个酶系统能更有效地发挥作用。

一、细胞膜的化学组成

细胞膜的主要化学成分有脂质、蛋白质及糖类。对各种细胞膜的化学分析结果表明，水分约占细胞膜总量的50％，其余主要为脂类和蛋白质，还含有2％～10％的糖类、少量的核酸和微量的金属离子等。

因细胞种类不同，细胞膜中各种化学组分，特别是脂类与蛋白质的比例，可有很大的差异。其一般规律是，在功能复杂的细胞膜中，所含蛋白质的种类和数量较多，而在功能简单的细胞膜中所含蛋白质的种类和数量则较少。例如，神经组织中的髓鞘细胞，功能较为单纯，主要起绝缘作用，髓鞘膜的组分以脂类为主，占膜化学组分总量的75％～80％，而蛋白质含量约18％，且只有数种蛋白质。而在功能复杂的生物膜中，如线粒体内膜，蛋白质组分可高达75％，脂类则约占25％。

图3-1　红细胞膜电镜照片

(一)脂质

脂质是细胞膜的主要成分之一。生物膜中可有多种脂质，其种类和数量依细胞而异。在真核细胞膜中的主要脂质有磷脂、胆固醇和糖脂，其中以磷脂为最多。

1．磷脂　真核细胞膜中的磷脂主要有卵磷脂(磷脂酰胆碱，PC)、脑磷脂(磷脂酰乙醇胺，PE)、磷脂酰肌醇(PI)、磷脂酰丝氨酸(PS)和鞘磷脂(SM)等，它们是由磷脂酰碱基和脂肪酸通过甘油(或鞘氨醇)结合在一起而形成的(图3-2)。其分子头部为由磷酸和碱基组成的磷脂酰碱基，极性很强，有亲水性;尾部是两条非极性的脂肪酸链，为疏水性。这种既亲水又疏水的分子被称为双亲媒性分子(amphipathic molecule)。

图3-2　磷脂的分子结构模型

2．胆固醇　胆固醇(cholesterol)为中性脂质。在原核细胞和植物细胞中基本上没有胆固醇，而在真核细胞膜中则含量较多。其分子数与磷脂分子之比，多者可达1∶1。与磷脂一样，胆固醇也是双亲媒性分子，极性的羟基与非极性的脂肪酸链间由固醇环连接(图3-3)。在细胞膜中，胆固醇亲水的羟基头部紧靠磷脂极性头部，将固醇环部分固定在近磷脂头部的碳氢链上，其余部分游离。这种相互作用能阻止磷脂凝集成晶体结构。

图3-3　胆固醇分子及其在细胞膜中的位置

3．糖脂　为含有1个或几个糖基的脂类，在所有动物细胞表面都能找到，大约占细胞膜外层脂类分子的5％。在动物细胞膜中的糖脂主要为鞘氨醇的衍生物，如脑苷脂、神经节苷脂等，其分子结构与鞘磷脂相似，只是极性头部由一到数个糖基取代了磷脂酰碱基。脑苷脂为最简单的糖脂，只含有一个糖基(半乳糖或葡萄糖)。神经节苷脂最为复杂，主要存在于神经细胞中(占总脂质的6％)，其头部除含半乳糖和葡萄糖外，还含有一到数个唾液酸。神经节苷脂的种类很多，目前已鉴定出30多种，它们在细胞识别、神经突触的传导等方面都起着一定作用。目前的研究还证明它们可能是一些激素、细菌毒素和病毒颗粒的受体。

(二)蛋白质

蛋白质是细胞膜最重要的组分，其含量和种类与细胞膜的功能密切相关。多种细胞膜功能的差异，主要在于所含蛋白质的种类不同。膜蛋白质在构型上多为球形蛋白，有的为单体，有的为二聚体，也有的为多聚体。根据其在膜中的位置不同，可分为两大类:镶嵌蛋白和边周蛋白。

1．镶嵌蛋白　镶嵌蛋白(mosaicprotein)又称整合蛋白(integralprotein)，是细胞膜功能的主要承担者，占膜蛋白的70％～80％。一般在功能复杂的细胞膜中较多，反之较少。镶嵌蛋白也可能是双亲媒性分子，故可不同程度地嵌入脂质双分子层中，有的贯穿膜的全层，两端露出于膜的两侧;有的深埋于膜内;有的一端嵌入膜内，另一端露出膜外。露出膜外的部分含有较多的极性氨基酸，具有游离的酸性或碱性基因，属于亲水性，故可与磷脂分子的亲水极相接近，露在水相之中。嵌入脂质双分子层中者是疏水性氨基酸或非极性氨基酸，包围在极性氨基酸的表面，是疏水性的，所以它们能嵌入脂质双分子层中，与脂质双分子层中的疏水性脂肪酸链相结合。

2．边周蛋白　边周蛋白(peripheralprotein)又称外在蛋白(extrinsicprotein)，约占膜蛋白质的30％，主要附着在细胞膜的内表面，暴露在水相之中。这主要是由于组成它们的氨基酸以亲水性为主，或是亲水性基团露在外面，所以易与膜表面的极性基团亲近而附着在膜的内表面。部分边周蛋白具有类似肌动蛋白和肌球蛋白的性质，能产生收缩作用，因而与细胞的胞吞作用、变形运动以及胞质分裂等作用有关;又由于边周蛋白中有一部分可与镶嵌蛋白露在膜内表面的部分相连，所以边周蛋白的收缩作用也可以调节镶嵌蛋白的位置。

(三)糖类

所有真核细胞的膜表面都有糖类，占细胞膜重量的2％～10％。主要以糖蛋白和糖脂的形式存在于细胞膜的外表面。自然界中发现的单糖有100多种，但已知与膜蛋白和膜脂结合的单糖有9种，主要是半乳糖、岩藻糖、甘露糖、半乳糖胺、葡萄糖和氨基糖酸(唾液酸)等。由于组成寡糖链的单糖种类、数量、结合方式以及排列顺序不同，因此，构成糖蛋白和糖脂外伸糖链也以多种多样的形式被覆于细胞膜的外表面，形成细胞外被(cell coat)。它们的存在，成为细胞活动和细胞间识别的重要功能基础。

二、细胞膜的分子结构

上述这些化学组分在细胞膜中的位置关系、排列方式以及它们之间相互作用，对于细胞膜实现其功能活动是十分重要的。

(一)膜脂分子的排列特性

如前所述，细胞膜的3种主要脂质(磷脂、胆固醇和糖脂)都具有双亲媒性分子的特点，因此它们在水相中能自发地以特殊方式排列起来——分子与分子相互聚拢，亲水头部暴露于水，疏水尾部则藏在内部。这样的排列可以形成两种构造:球形的分子团(micelle)和双分子层(bilayer)。在细胞膜的双分子层中，两层分子的疏水尾部被亲水头部夹在中间。

为了进一步减少双分子层两端疏水尾部与水接触的机会，脂质分子在水中排列成双分子层后往往易于形成一种自我封闭的脂质体(liposome)(图3-4)。脂质体常被用作研究膜的实验模型。当脂质体的结构被打破时，脂质分子很快重新形成新的脂质体。显然，这种在人工条件下自发形成的脂质体与真正的细胞膜脂双分子层有很多共同点。

图3-4　脂质双分子层、分子团及脂质体

(二)细胞膜的结构模型

早在1925年，有人曾提取红细胞膜的脂质，然后将脂质放在水面上制成由单层脂质分子构成的膜，发现此膜面积相当于所用红细胞膜总面积的2倍，因而认为红细胞膜是由连续的双层脂质分子组成的。这一发现第1次提出了双层脂质分子是细胞膜基本结构的概念，为人们继续认识细胞膜的分子结构奠定了科学基础。至今为止科学家们已先后提出数十种不同的细胞膜分子结构模型，其中流动镶嵌模型被广为接受。

流动镶嵌模型(fluid mosaic model)是1972年由S．J．Singer和G．L．Nicolson提出，其主要论点是，构成膜的脂质双分子层具有液晶态的特性，它既有晶体的分子排列有序性，又有液体的流动性，即流动脂质双分子层构成膜的连续主体;球形的膜蛋白质以各种镶嵌形式与脂质双分子层相结合，有的“镶”附于膜的内表面，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，与表层的脂质与蛋白质亲水端结合，构成糖脂和糖蛋白(图3-5)。这一模型强调了膜的流动性和上述膜组分分布的不对称性，即认为膜的结构成分不是静止的，而是动态的。膜的流动性会使膜蛋白彼此作用或与脂类相互作用，这种相互作用是膜的功能活动所必需的条件。如酶的激活、外界信号进入细胞、膜成分的更新和组装、细胞运动、细胞分裂和细胞内的新陈代谢调节等都与膜组分在膜内的运动有密切关系。S．J．Singer和G．L．Nicolson因此项创见而获得了诺贝尔奖。

图3-5　细胞膜的分子结构:流动镶嵌模型

但流动镶嵌模型也有不足之处，如它忽视了蛋白质分子对脂类分子流动性的控制作用，忽视了膜的各部分流动性的不均匀性等。因此，又有学者提出了一些新的模型对流动镶嵌模型进行了进一步的完善，如Wallach的晶格镶嵌模型，Jain和White提出的板块模型等。晶格镶嵌模型指出，生物膜中流动的脂质是在可逆地进行无序(液态)和有序(晶态)的相变，膜蛋白对脂质分子的运动具有控制作用。镶嵌蛋白可使其周围的脂类分子不产生单独活动，因而形成界面脂(boundary lipid)。它和嵌入的蛋白一起构成了膜中晶态部分(晶格)，而流动的脂类仅呈小片的点状分布。这种模型在一定条件下可能反映了细胞膜的真实情况。板块模型认为，在流动的脂质双分子层中存在许多大小不同、刚性较大的彼此独立移动的脂质区(有序结构的“板块”)，在这些有序结构的板块之间被流动的脂质区(无序结构的“板块”)分割。这两者之间可能处于一种连续的动态平衡之中，因而，细胞膜实质上是同时存在不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。这种结构使生物膜各部分的流动性处于不均一状态，并可能随生理状态和环境条件的变化而发生晶态和非晶态的相互转化，使膜各区域的流动处于不断变化的动态之中。

事实上，这两种模型与流动镶嵌模型并没有本质差别，只不过是对膜的流动性分子基础作了解释，因而是对流动镶嵌模型的补充，没有根本性改变。目前，所流行关于膜结构的基本观点仍然是流动镶嵌模型。不过，关于膜的分子结构还有很多问题没有解决，随着新的理化技术在生物膜研究领域的应用，将会提出更为合理反映膜的真实结构的模型。

三、细胞膜的特性

生物膜有两个主要的特性，即不对称性(asymmetry)和流动性(fluidity)。

(一)细胞膜的不对称性

膜的内外两层在结构和功能上有很大差异，这种差异即为膜的不对称性。各种膜结构都存在着不对称性。

1．膜脂分布的不对称　脂质双层的内外两层膜脂在种类上、含量上和比例上都是有差别的。以红细胞膜为例，含胆碱的磷脂，如磷脂酰胆碱、鞘磷脂主要分布在外层;含氨基酸的磷脂，如磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇、磷脂酰乙醇胺主要分布在内层，所以细胞膜内侧负电荷大于外侧。上述各种磷脂，在膜内外层中的分布也不均匀，特定的镶嵌蛋白质(酶)的周围需要有特定的磷脂才有活性。如，Na⁺，K⁺-ATP酶需要磷脂酰丝氨酸，Ca²⁺-ATP酶需要磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺等。胆固醇的分布也不对称，它与鞘磷脂和磷脂酰乙醇胺亲和力较大，所以在外层含量较多，对膜的流动性有调节作用。

2．膜蛋白分布的不对称　膜蛋白分布的不对称性是绝对的，没有同一种蛋白质既分布于膜内层，又分布于膜外层。贯穿膜全层的镶嵌蛋白两个亲水端的长度和氨基酸种类与序列也不相同。用冷冻蚀刻法等都能观察到，细胞膜内外层中镶嵌蛋白颗粒的分布是不对称的，内层多于外层(图3-6)。边周蛋白多附在膜内表面。在细胞膜上有多种酶蛋白和受体，有的只见于膜外表面，如非专一的Mg²⁺-ATP酶、5'-核苷酸酶Ⅰ和激素受体等;有的只见于膜内表面，如腺苷酸环化酶等。

图3-6　细胞膜分子分布的不对称

3．糖类分布的不对称　糖类主要分布于细胞膜的外表面，与膜脂质和膜蛋白结合成糖脂和糖蛋白。

细胞膜结构上的不对称性，保证了膜功能的方向性，如膜内外两层的流动性不同;物质的转运有一定的方向性;信号的接受与传递也有方向性。

(二)细胞膜的流动性

生物膜是一种动态的结构，膜的流动性是指膜脂和膜蛋白处于不断运动的状态，这是生物膜的基本特征之一。在生理温度下，膜脂质多呈液晶态，既有液体的流动性，又有晶体的有序性。当温度下降到某一点(相变温度)时，液晶态则变为晶态，温度上升时晶态又可熔融为液晶态。在相变温度以上，液晶态的膜脂质总是处于流动状态，嵌入其中的膜蛋白也处于运动状态，它们协同完成生物膜的各种功能。

1．膜脂分子的运动近年来，人们应用了许多新技术如磁共振、电子自旋共振等来测量膜脂质分子的运动。研究表明，在相变温度以上时，膜脂质分子主要有侧向移动、自旋(图3-7中2)、左右摆动、来回振动(图3-7中4)、翻转运动和旋转等几种运动方式。

(1)侧向移动:脂质分子在同一单层内沿膜平面侧向与相邻分子快速交换位置，每秒约10次(图3-7中1)。

(2)旋转:脂质分子围绕与平面垂直的轴进行旋转(图3-7中6)。

(3)翻转运动:脂质分子从膜的一层翻转到另外一层的运动。这种运动速度很慢，而且极少发生。这对于保证膜脂质分子的不对称分布是十分重要的(图3-7中5)。

(4)左右摆动:脂质分子围绕与膜平面垂直的轴线进行左右摆动(图3-7中3)。

图3-7　脂质分子的运动方式

2．膜蛋白的运动　膜脂质的液晶态特性，使膜蛋白质分子产生了运动性，其运动方式大体分为旋转运动和侧向运动两种。

(1)侧向移动:膜蛋白在细胞膜平面上侧向移动的运动方式，其移动的速度比膜脂慢得多。

(2)旋转:膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴线进行旋转的运动方式，旋转运动的速度要比侧向移动更缓慢。

1970年，Edidin等用细胞融合法首先证明了膜蛋白可以侧向移动。他们把离体培养的人和小鼠细胞融合在一起，形成人--鼠杂交细胞，应用间接免疫荧光法，通过观察两种细胞融合后膜抗原分布情况变化过程来监测细胞膜蛋白的侧向扩散运动。具体做法是，用发绿光的荧光素(fluorescein)标记小鼠的抗体，使其与小鼠膜上的抗原结合;用发红光的罗丹明(rhodamine)标记人的抗体，使其与人细胞膜的抗原结合。当小鼠细胞和人的细胞刚融合成1个杂种细胞时，在荧光显微镜下观察，膜表面一半为绿色，一半为红色。经过37℃孵育后，两种不同颜色的荧光点就均匀分布在杂种细胞膜上(图3-8)。这显然是两种细胞的膜抗原(镶嵌蛋白)相互扩散的结果。应该指出的是，各种膜蛋白在膜上分布不是随机的，其流动趋向也不是任意的。

图3-8　人--鼠杂种细胞膜蛋白相互扩散运动

3．影响膜流动性的因素　很多因素影响膜的流动性，归纳起来主要有以下几点。

(1)胆固醇的影响:在真核细胞中，膜胆固醇以特殊的排列方式与磷脂分子结合。在相变温度以上时，胆固醇能抑制磷脂分子脂肪酸链的旋转异构化运动，减少扭曲现象，从而使膜的流动性降低。在低于相变温度时，胆固醇却又能干扰膜脂有序性的出现，诱发脂肪酸链扭曲现象，阻止晶态形成，防止膜流动性的突然降低，即胆固醇在生理条件下有调节膜流动性的作用。

(2)脂肪酸链的长度和不饱和度:脂肪酸链的长短与膜的流动性有关，短链能降低脂肪酸链尾部的相互作用，在相变温度以下不易凝集;长链则可增加分子的有序性，使流动性降低。饱和的脂肪酸链直而不易弯曲，故流动性低;不饱和脂肪酸链的双链处易于弯曲，使脂质分子尾部难以相互靠近，彼此排列疏松。所以脂质双分子层中含不饱和脂肪酸越多，其相变温度越低，在此温度以上的流动性也越大。

(3)卵磷脂与鞘磷脂的比值:哺乳动物细胞膜中，卵磷脂与脑磷脂含量约占整个膜脂的50％，两者由于结构的差异，含量的不同，流动性有很多差异。卵磷脂所含的脂肪酸不饱和程度高，相变温度较低，而鞘磷脂则相反。因此，卵磷脂与鞘磷脂的比值越大，流动性越大;反之，则流动性越小。在37℃条件下，两者均呈流动状态，但鞘磷脂的黏度却比卵磷脂大6倍。因此，鞘磷脂含量高则流动性低。衰老和动脉硬化，都伴有卵磷脂/鞘磷脂比值下降。

(4)膜蛋白质的影响:当膜蛋白嵌入膜脂质疏水区后，便产生与胆固醇相似的作用，使膜的黏度增加。镶嵌蛋白可使周围脂质分子不能单独活动而形成界面脂。镶嵌蛋白越多，膜脂的流动性就越小。

(5)其他因素的影响:除上述因素外，环境的温度、pH、离子强度、金属离子等，都会不同程度地影响膜脂的流动性。如环境温度越高，则流动性越大;反之则流动性越小。在体内生理温度下，膜脂质呈液晶态，低于或高于一定的温度会破坏液晶态，从而使体内许多代谢活动不能进行。因此，低温麻醉不能低于30℃。据报道，在4℃时，肝细胞膜的许多代谢活动已不能完成。

膜的流动性是一切膜基本活动的基础。如果失去了膜的流动性，细胞就难以完成各种正常的功能，如物质运输、细胞识别、免疫反应等，最终导致细胞死亡。

四、细胞表面

目前，人们把细胞膜、细胞外被(糖)、细胞膜内面的胞质溶胶、各种细胞连接结构和细胞膜的一些特化结构统称为细胞表面(cell surface)。细胞表面是一个以细胞膜为核心的复合的结构和功能体系，主要功能是维持细胞相对稳定的微环境，实现其物质交换、信息传递、细胞识别和免疫反应等功能活动。

(一)细胞外被

细胞外被即为细胞膜中糖蛋白和糖脂伸出细胞外表面的分支或不分支的寡糖链，其蛋白质和脂质部分参加了细胞膜本身的构成(图3-9)。在哺乳动物，小肠上皮细胞的细胞外被又称为糖萼(glycocalyx)。糖萼实质上是细胞膜结构中的一部分，但它又有一定的独立性，如果去除糖萼并不会损伤细胞膜。Luft把质膜和与细胞外被比作“皮”和“毛”的关系，这个比喻比较形象。

图3-9　细胞膜结构侧面观(示细胞外被)

细胞外被位于细胞表面，在细胞的生命活动中起着多种重要的作用。如:①消化道、呼吸道和生殖道等上皮细胞的糖萼有润滑作用，不仅可减少机械摩擦，还可阻止细菌的侵袭和保护上皮不被消化酶消化。②细胞膜抗原多为镶嵌在膜上的糖蛋白和糖脂，它们标志着细胞的不同属性，对于胚胎发育中的组织器官形成、器官移植、输血、细胞免疫和肿瘤的发生发展均有重要意义。例如，决定人类ABO血型的是红细胞表面ABO血型抗原的寡糖链。③许多膜受体是糖蛋白或糖脂蛋白，其糖链可作为细胞的“化学天线”参与细胞识别、免疫应答、物质运输和细胞间信号传送等。

(二)胞质溶胶层

在细胞膜内表面的厚度为0．1～0．2 nm的溶胶层称为胞质溶胶，其中含有浓度较高的蛋白质，一般无核糖体和线粒体，但含有较多的微丝和微管。该部分具有相当大的抗张强度，对于维持细胞的极性、形态和运动是很重要的。此外，也与胞吞、胞吐作用及越膜调控有关。

(三)细胞表面的特化结构

细胞表面并不是平整光滑的，通常因各类细胞的功能和生理状态不同而带有各种特化的附属结构(图3-10)。最明显的特化结构有微绒毛(microvillus)、内褶(infolding)、纤毛(cilia)和鞭毛(flagella)等。有时还能看到一些暂时性的结构，如变形足和皱褶等。这些特化结构在细胞执行特定的功能方面起了重要的作用。

(四)细胞连接

多细胞生物的细胞已丧失了某些独立性，为了促进细胞间的相互联系，相邻细胞膜接触区域特化形成一定的连接结构，称为细胞连接(cell junction)(图3-11，表3-1)，其作用是加强细胞间的机械联系，维持组织结构的完整性，协调细胞间的功能活动。根据结构和功能不同，可将细胞连接分为以下三大类。

图3-10　细胞膜外的糖萼及微绒毛

1．闭锁连接　只有一种类型，即紧密连接，又称封闭小带，广泛分布于腔道上皮细胞附近管腔端的相邻细胞膜间。在该部位，相邻细胞膜的外侧相互融合，中间没有空隙，在切面上为多个对合点结构，这些点上的立体观是相邻细胞膜上相应走行的对合线断面。紧密连接不仅能使细胞连接在一起，更主要是起到了封闭细胞间隙的作用，阻止物质无选择地从细胞之间通过，同时将细胞膜两端不同功能的转运蛋白隔开，防止膜蛋白的自由扩散，使膜蛋白定位于质膜的一定区域内，保证物质转运的方向性。消化道上皮、膀胱上皮、脑毛细血管内皮以及睾丸支持细胞之间都存在紧密连接，后两者分别构成了血--脑屏障和血--睾屏障的重要组成部分，能保护这些重要器官和组织避免或减轻异物的侵害。

2．锚定连接　由一个细胞骨架成分与另一个细胞的骨架成分相连接，或与细胞外基质间连接形成。根据参与的骨架纤维类型和锚定部位的不同分为黏合连接和桥粒两种。

3．通讯连接　是细胞间的一种连接通道，除了使细胞间相互连接外，还介导细胞间通讯。通讯连接包括缝隙连接和化学突触。

图3-11　小肠上皮细胞间的各种细胞连接

表3-1　动物细胞连接的类型