生物膜系統(tǒng)1020課件

1、生物膜系統(tǒng)細(xì)胞信息調(diào)控生物膜生物膜是細(xì)胞膜（質(zhì)膜）、核膜和各類細(xì)胞器的膜如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、高爾基體、分泌顆粒囊膜、溶酶體膜、過氧物酶體膜、空泡膜和線粒體內(nèi)、外膜等的統(tǒng)稱質(zhì)膜（plasma membrane）包在細(xì)胞外面，所以又稱細(xì)胞膜（cell membrane），它不僅是區(qū)分細(xì)胞內(nèi)部與周圍環(huán)境的動(dòng)態(tài)屏障，更是細(xì)胞物質(zhì)交換和信息傳遞的通道。圍繞各種細(xì)胞器的膜，稱為細(xì)胞內(nèi)膜。質(zhì)膜和內(nèi)膜在起源、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的等方面具有相似性，故總稱為生物膜（biomembrane）。生物膜是細(xì)胞進(jìn)行生命活動(dòng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換、蛋白質(zhì)合成、物質(zhì)運(yùn)輸、信息傳遞、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)等活動(dòng)都與膜的作用有密切的關(guān)系。 質(zhì)膜表

2、面寡糖鏈形成細(xì)胞外被（cell coat）或糖萼（glycocalyx）；質(zhì)膜下的表層溶膠中具有細(xì)胞骨架成分組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，除對質(zhì)膜有支持作用外，還與維持質(zhì)膜的功能有關(guān)，所以這部分細(xì)胞骨架又稱為膜骨架。細(xì)胞外被、質(zhì)膜和表層胞質(zhì)溶膠構(gòu)成細(xì)胞表面。 生物膜結(jié)構(gòu)在分子結(jié)構(gòu)上基本相同：全是由蛋白質(zhì)及脂類分子有序排列組成的，其厚度約為6-10nm。使細(xì)胞具有相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境，同時(shí)在細(xì)胞與環(huán)境之間進(jìn)行物質(zhì)、能量的交換及信息傳遞過程中也起決定性的作用?；瘜W(xué)組成:脂質(zhì)：分子數(shù)為蛋白質(zhì)的100倍以上蛋白質(zhì)：重量為脂質(zhì)的14倍糖類：含量極少，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)

3、者。膜脂膜脂主要包括三種類型： 磷脂，是構(gòu)成膜脂的基本成分，約占整個(gè)膜脂的50以上 糖脂，是含糖而不含磷酸的脂類，普遍存在于原核和真核細(xì)胞的質(zhì)膜上，其含量約占膜脂總量的5以下，在神經(jīng)細(xì)胞膜上糖脂含量較高，約占5-10。 膽固醇，僅存在真核細(xì)胞膜上，含量一般不超過膜脂的1/3 。脂質(zhì)雙分子層：屏障作用 磷脂： 70% 膽固醇：30% 鞘脂： 少量細(xì)胞膜蛋白：跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)、信息傳遞等有關(guān) 表面蛋白質(zhì)（peripheral protein） 整合蛋白質(zhì)（integrated protein）細(xì)胞膜糖類：單糖排列順序的特異性，可作為“分子語言”起識(shí)別作用（一）磷脂 具有一個(gè)極性頭和兩個(gè)非極性的尾（脂肪酸鏈

4、，圖4-1），但存在于線粒體內(nèi)膜和某些細(xì)菌質(zhì)膜上的心磷脂具有4個(gè)非極性的區(qū)域（圖4-2）。脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，多數(shù)碳鏈由16，18或20個(gè)碳原子組成。常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。圖4-1 磷脂的結(jié)構(gòu) 圖4-2 心磷脂 1、甘油磷脂以甘油為骨架的磷脂類，在骨架上結(jié)合兩個(gè)脂肪酸鏈和一個(gè)磷酸基團(tuán)，膽堿、乙醇胺、絲氨酸或肌醇等分子籍磷酸基團(tuán)連接到脂分子上(圖4-3)。主要類型有：磷脂酰膽堿（phosphatidyl choline，PC，舊稱卵磷脂）、磷脂酰絲氨酸（phosphatidyl serine，PS）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine ，PE，舊稱腦磷脂）磷脂

5、酰肌醇（phosphatidyl inositol，PI）和雙磷脂酰甘油（DPG，舊稱心磷脂）等。圖4-3 不同類型的甘油磷脂 2、鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM，圖4-4）在腦和神經(jīng)細(xì)胞膜中特別豐富，亦稱神經(jīng)醇磷脂，它是以鞘胺醇（sphingoine）為骨架，與一條脂肪酸鏈組成疏水尾部，親水頭部也含膽堿與磷酸結(jié)合。原核細(xì)胞和植物中沒有鞘磷脂。 圖4-4 鞘磷脂 （二）、糖脂糖脂也是兩性分子。其結(jié)構(gòu)與SM很相似，只是由一個(gè)或多個(gè)糖殘基代替了磷脂酰膽堿而與鞘氨醇的羥基結(jié)合。圖4-5 葡糖腦苷脂 圖4-6 糖脂的結(jié)構(gòu) 1. 半乳糖腦苷脂，2. GM1神經(jīng)節(jié)苷脂，3. 唾液酸最簡單的

6、糖脂是半乳糖腦苷脂，它只有一個(gè)半乳糖殘基作為極性頭部，在髓鞘的多層膜中含量豐富；變化最多、最復(fù)雜的糖脂是神經(jīng)節(jié)苷脂，其頭部包含一個(gè)或幾個(gè)唾液酸和糖的殘基。神經(jīng)節(jié)苷脂是神經(jīng)元質(zhì)膜中具有特征性的成分。兒童所患的家族性白癡?。═ay-sachs disease）就是因?yàn)樵谄浼?xì)胞內(nèi)缺乏氨基己糖脂酶，不能將神經(jīng)節(jié)苷脂GM2 加工成為GM3，結(jié)果大量的GM2累積在神經(jīng)細(xì)胞中，導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)退化。神經(jīng)節(jié)苷脂本身就是一類膜上的受體，已知破傷風(fēng)毒素、霍亂毒素、干擾素、促甲狀腺素、絨毛膜促性腺激素和5-羥色胺等的受體就是不同的神經(jīng)節(jié)苷脂。 霍亂腸毒素： 是目前已知的致瀉毒素中最為強(qiáng)烈的毒素，是腸毒素的典型代表。

7、由 1 個(gè) A 亞單位和 5 個(gè) B 亞單位構(gòu)成，對熱不穩(wěn)定，其 編碼基因在染色體上。 B 亞單位可與小腸黏膜上皮細(xì)胞 GM1 神經(jīng)節(jié)苷脂受體結(jié)合，介導(dǎo) A 亞單位進(jìn)入細(xì)胞， A 亞單位經(jīng)蛋白酶作用裂解為 A1 和 A2 兩條多肽。 A1 作為腺苷二磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶可使 NAD （輔酶 I ）上的腺苷二磷酸核糖轉(zhuǎn)移到 G 蛋白上，稱 G S ， G S 的活化可使細(xì)胞內(nèi) cAMP 水平升高，主動(dòng)分泌 Na + 、 K + 、 HCO 3 ? 和水，導(dǎo)致嚴(yán)重的腹瀉與嘔吐。 （三）、膽固醇膽固醇，植物細(xì)胞膜中含量較少，其功能是提高脂雙層的力學(xué)穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)脂雙層流動(dòng)性，降低水溶性物質(zhì)的通透性。如：在

8、缺少膽固醇培養(yǎng)基中，不能合成膽固醇的突變細(xì)胞株很快發(fā)生自溶。 圖4-7 膽固醇 （四）、脂質(zhì)體脂質(zhì)體（liposome）是一種人工膜。在水中磷脂分子親水頭部插入水中，疏水尾部伸向空氣，攪動(dòng)后形成雙層脂分子的球形脂質(zhì)體，直徑251000nm不等。脂質(zhì)體可用于轉(zhuǎn)基因，或制備的藥物，利用脂質(zhì)體可以和細(xì)胞膜融合的特點(diǎn)，將藥物送入細(xì)胞內(nèi)部。圖4-8 脂質(zhì)體 （根據(jù)Gerald Karp 2002 修改） 二、膜蛋白 膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。據(jù)估計(jì)核基因組編碼的蛋白質(zhì)中30%左右的為膜蛋白。根據(jù)膜蛋白與脂分子的結(jié)合方式，可分為整合蛋白（integral protein）、外周蛋白（peripheral

9、 protein）和脂錨定蛋白（lipid-anchored protein）。 整合蛋白可能全為跨膜蛋白（tansmembrane proteins），為兩性分子，疏水部分位于脂雙層內(nèi)部，親水部分位于脂雙層外部。由于存在疏水結(jié)構(gòu)域，整合蛋白與膜的結(jié)合非常緊密，只有用去垢劑（detergent）才能從膜上洗滌下來，如離子型去垢劑SDS(圖4-9)，非離子型去垢劑Triton-X100(圖4-10)。整合蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域可以是1至多個(gè)疏水的螺旋，形成親水通道的整合蛋白跨膜區(qū)域有兩種組成形式，一是由多個(gè)兩性螺旋組成親水通道；而是由兩性折疊組成親水通道(圖4-11)。圖4-9 十二烷基磺酸鈉圖4-1

10、0 Triton-X100 圖4-11 蛋白與膜的結(jié)合方式、整合蛋白；、脂錨定蛋白；、外周蛋白外周蛋白靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子的親水部分結(jié)合，因此只要改變?nèi)芤旱碾x子強(qiáng)度甚至提高溫度就可以從膜上分離下來，有時(shí)很難區(qū)分整合蛋白和外周蛋白，主要是因?yàn)橐粋€(gè)蛋白質(zhì)可以由多個(gè)亞基構(gòu)成，有的亞基為跨膜蛋白，有的則結(jié)合在膜的外部。脂錨定蛋白（lipid-anchored protein）可以分為兩類，一類是糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)連接的蛋白，GPI位于細(xì)胞膜的外小葉，用磷脂酶C（能識(shí)別含肌醇的磷脂）處理細(xì)胞，能釋放出結(jié)合的蛋白。許多細(xì)

11、胞表面的受體、酶、細(xì)胞粘附分子和引起羊瘙癢病的PrPC都是這類蛋白。另一類脂錨定蛋白與插入質(zhì)膜內(nèi)小葉的長碳?xì)滏溄Y(jié)合。質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的研究歷史E. Overton 1895 發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質(zhì)很容易透過植物的細(xì)胞膜，而不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過細(xì)胞膜，因此推測細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。 E. Gorter & F. Grendel 1925 用有機(jī)溶劑提取了人類紅細(xì)胞質(zhì)膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測出膜脂展開的面積二倍于細(xì)胞表面積，因而推測細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。J. Danielli & H. Davson 1935 發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油水界面的張力低得多，推測膜中含有蛋白質(zhì)，從而提出了”蛋

12、白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)”的三明治模型。認(rèn)為質(zhì)膜由雙層脂類分子及其內(nèi)外表面附著的蛋白質(zhì)構(gòu)成的。1959年在上述基礎(chǔ)上提出了修正模型，認(rèn)為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質(zhì)通道，供親水物質(zhì)通過。 J. D. Robertson 1959 用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)(圖4-13)，厚約7.5nm。這就是所謂的“單位膜”模型。它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內(nèi)外表面各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成。單位膜模型的不足之處在于把膜的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)描寫成靜止的不變的。 S. J. Singer & G. Nicolson 1972根據(jù)免疫熒光技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)的研究結(jié)果，在”單位膜”模型的基礎(chǔ)上提

13、出”流動(dòng)鑲嵌模型”。強(qiáng)調(diào)膜的流動(dòng)性和膜蛋白分布的不對稱性。 膜的結(jié)構(gòu)1895年 Overton 膜是由脂組成的1917年 Langmuir 磷脂單分子層1925年 Gorter & Grendel 磷脂雙分子層1932年 Davson & Danielli “三明治”模型 流動(dòng)鑲嵌模型生物膜的“流動(dòng)鑲嵌模型”主要特點(diǎn)有序性流動(dòng)性不對稱性生物膜的結(jié)構(gòu)是與其功能相一致的。流動(dòng)鑲嵌模型突出了膜的流動(dòng)性和不對稱性，認(rèn)為細(xì)胞膜由流動(dòng)的脂雙層和嵌在其中的蛋白質(zhì)組成。磷脂分子以疏水性尾部相對，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架，蛋白質(zhì)或嵌在脂雙層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨整個(gè)脂雙層，表現(xiàn)出分布的不對稱性 圖4-

14、14 質(zhì)膜的的結(jié)構(gòu)模型 細(xì)胞膜是以液態(tài)的脂質(zhì)雙分子層為基架，其中鑲嵌著具有不同生理功能的蛋白質(zhì)。細(xì)胞膜是一種半透性的膜，脂溶性物質(zhì)才能通過，而水溶性物質(zhì)一般不能自由地通過細(xì)胞膜。但體內(nèi)脂溶性物質(zhì)為數(shù)不多，脂質(zhì)雙分子層就構(gòu)成了細(xì)胞內(nèi)容物和細(xì)胞環(huán)境間的屏障。（一）質(zhì)膜的流動(dòng)性質(zhì)膜的流動(dòng)性由膜脂和蛋白質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)兩個(gè)方面組成。 膜脂分子的運(yùn)動(dòng) 側(cè)向擴(kuò)散：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)。擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行左右擺動(dòng)。 圖4-15 膜脂的分子運(yùn)動(dòng) 伸縮震蕩：脂肪酸鏈沿著與縱軸進(jìn)行伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)。 翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)

15、到另一層。是在翻轉(zhuǎn)酶（flippase）的催化下完成。 旋轉(zhuǎn)異構(gòu)：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)。 影響膜流動(dòng)性的因素影響膜流動(dòng)的因素主要來自膜本身的組分，遺傳因子及環(huán)境因子等 膽固醇：膽固醇的含量增加會(huì)降低膜的流動(dòng)性。脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動(dòng)性增加。脂肪酸鏈的鏈長：長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動(dòng)性降低。卵磷脂/鞘磷脂：該比例高則膜流動(dòng)性增加，是因?yàn)榍柿字扯雀哂诼蚜字?。其他因素：膜蛋白和膜脂的結(jié)合方式、溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等。 膜蛋白的分子運(yùn)動(dòng)主要有側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運(yùn)動(dòng)方式?？捎脽晒馄准夹g(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)（圖4-16）檢測側(cè)向擴(kuò)散。旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散指膜

16、蛋白圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動(dòng)受細(xì)胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細(xì)胞松弛素B能促進(jìn)膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。 1970年Larry Frye等人將人和和鼠的細(xì)胞膜用不同熒光抗體標(biāo)記后，讓兩種細(xì)胞融合，雜種細(xì)胞一半發(fā)紅色熒光、另一半發(fā)綠色熒光，放置一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)兩種熒光抗體均勻分布。 膜流動(dòng)性的生理意義質(zhì)膜的流動(dòng)性是保證其正常功能的必要條件。例如跨膜物質(zhì)運(yùn)輸、細(xì)胞信息傳遞、細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞免疫、細(xì)胞分化以及激素的作用等等都與膜的流動(dòng)性密切相關(guān)。當(dāng)膜的流動(dòng)性低于一定的閾值時(shí)，許多酶的活動(dòng)和跨膜運(yùn)輸將停止，反之如果流動(dòng)性過高，又會(huì)造成膜的溶解。（二）膜的不對稱性質(zhì)膜的內(nèi)外兩層的組分和功

17、能有明顯的差異，稱為膜的不對稱性。 膜脂、膜蛋白和復(fù)合糖在膜上均呈不對稱分布，導(dǎo)致膜功能的不對稱性和方向性，即膜內(nèi)外兩層的流動(dòng)性不同，使物質(zhì)傳遞有一定方向，信號(hào)的接受和傳遞也有一定方向等。樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，細(xì)胞膜往往從脂雙層中央斷開，為了便于研究，各部分都有固定的名稱（圖4-17）： ES，質(zhì)膜的細(xì)胞外表面（extrocytopasmic surface）； PS，質(zhì)膜的原生質(zhì)表面（protoplasmic surface）；EF（extrocytopasmic face），質(zhì)膜的細(xì)胞外小頁斷裂面；PF（protoplasmic face），原生質(zhì)小頁斷裂面。圖4-17 膜各個(gè)斷面的名稱

18、1膜脂的不對稱性：脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，質(zhì)膜的內(nèi)外兩側(cè)分布的磷脂的含量比例也不同。PC和SM主要分布在外小頁，而PE和PS主要分布在質(zhì)膜內(nèi)小葉。用磷脂酶處理完整的人類紅細(xì)胞，80%的PC降解，而PE和PS分別只有20%和10%的被解。膜脂的不對稱性還表現(xiàn)在膜表面具有膽固醇和鞘磷脂等形成的微結(jié)構(gòu)域脂筏。2膜蛋白的不對稱性指每種膜蛋白分子在細(xì)胞膜上都具有明確的方向性和分布的區(qū)域性。各種膜蛋白在膜上都有特定的分布區(qū)域。某些膜蛋白只有在特定膜脂存在時(shí)才能發(fā)揮其功能，如：蛋白激酶C結(jié)合于膜的內(nèi)側(cè)，需要磷脂酰絲氨酸的存在下才能發(fā)揮作用；線粒體內(nèi)膜的細(xì)胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。 3復(fù)合糖

19、的不對稱性無論在任何情況下，糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)胞膜的外表面，這些成分可能是細(xì)胞表面受體，并且與細(xì)胞的抗原性有關(guān)。 脂筏脂筏（lipid raft）是質(zhì)膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域（microdomain）。大小約70nm左右，是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，位于質(zhì)膜的外小頁。由于鞘磷脂具有較長的飽和脂肪酸鏈，分子間的作用力較強(qiáng)，所以這些區(qū)域結(jié)構(gòu)致密，介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體（Liquid-ordered）。在低溫下這些區(qū)域能抵抗非離子去垢劑的抽提，所以又稱為抗去垢劑膜（detergent-resistant membranes，DRMs）。脂筏就像一個(gè)蛋白質(zhì)停泊的平臺(tái)，與膜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白

20、質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。SARS的冠狀病毒進(jìn)入細(xì)胞的途徑，它是通過一種細(xì)胞的內(nèi)吞作用，并通過一種叫做脂質(zhì)筏（Lipid rafts）的區(qū)域進(jìn)入細(xì)胞的。因此，脂質(zhì)筏可能成為開發(fā)針對非典病毒藥物的可能的靶點(diǎn)。從脂筏的角度來看，膜蛋白可以分為三類：存在于脂筏中的蛋白質(zhì)；包括糖磷脂酰肌醇錨定蛋白（GPI anchored protein），某些跨膜蛋白，Hedgehog蛋白，雙乙?；鞍祝╠oubly acylated protein）如：非受體酪氨酸激酶Src、G蛋白的G亞基、血管內(nèi)皮細(xì)胞的一氧化氮合酶（NOS）；存在于脂筏之外無序液相的蛋白質(zhì)；介于兩者之間的蛋白質(zhì)，如某些蛋白在沒有接受到配體時(shí)，對脂

21、筏的親和力低，當(dāng)結(jié)合配體，發(fā)生寡聚化時(shí)就會(huì)轉(zhuǎn)移到脂筏中。脂筏中的膽固醇就像膠水一樣，它對具有飽和脂肪酸鏈的鞘磷脂親和力很高，而對不飽和脂肪酸鏈的親和力低，用甲基-環(huán)糊精（methyl-cyclodextrin）去除膽固醇，抗去垢劑的蛋白就變得易于提取。膜中的鞘磷脂主要位于外小頁，而且大部分都參與形成脂筏。 據(jù)估計(jì)脂筏的面積可能占膜表面積的一半以上。脂筏的大小是可以調(diào)節(jié)的，小的獨(dú)立脂筏可能在保持信號(hào)蛋白呈關(guān)閉狀態(tài)方面具有重要作用，當(dāng)必要時(shí)，這些小的脂筏聚集成大一個(gè)大的平臺(tái)，在那里信號(hào)分子（如受體）將和它們的配件相遇，啟動(dòng)信號(hào)傳遞途徑。如致敏原（allergen）能夠?qū)⑦^敏患者體內(nèi)肥大細(xì)胞或嗜堿性

22、細(xì)胞表面的IgE抗體及其受體橋聯(lián)起來，形成較大的脂筏，受體被脂筏中的Lyn（一種非受體酪氨酸激酶)磷酸化，啟動(dòng)下游的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，最終引發(fā)過敏反應(yīng)。 細(xì)胞表面的穴樣內(nèi)陷（caveolae）具有和脂筏一樣的膜脂組成，不含籠形蛋白（clathrin），含有caveolin（一種小分子量的蛋白，21KD）。大量存在于脂肪細(xì)胞、上皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞。這種結(jié)構(gòu)細(xì)胞的內(nèi)吞有關(guān)，另外穴樣內(nèi)陷中還富含某些信號(hào)分子，說明它與細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)。細(xì)胞質(zhì)膜的主要功能概括如下：為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境；選擇性的物質(zhì)運(yùn)輸，包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排出；提供細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn)，并完成細(xì)胞內(nèi)外信息的跨膜傳遞；為多種

23、酶提供結(jié)合位點(diǎn)，使酶促反應(yīng)高效而有序地進(jìn)行；介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基質(zhì)之間的連接；參與形成具有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)。細(xì)胞表面的分化細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)如：膜骨架、鞭毛和纖毛、微絨毛及細(xì)胞的變形足等等，分別與細(xì)胞形態(tài)的維持、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞的物質(zhì)交換等功能有關(guān)。 細(xì)胞外被 動(dòng)物細(xì)胞表面存在著一層富含糖類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，稱為細(xì)胞外被（cell coat）或糖萼（glycocalyx）。用重金屬染料如：釕紅染色后，在電鏡下可顯示厚1020nm的結(jié)構(gòu)，邊界不甚明確。細(xì)胞外被是由構(gòu)成質(zhì)膜的糖蛋白和糖脂伸出的寡糖鏈組成的，實(shí)質(zhì)上是質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的一部分(圖4-18)。細(xì)胞外被的作用細(xì)胞識(shí)別：細(xì)胞識(shí)別與構(gòu)成細(xì)胞外被

24、的寡糖鏈密切相關(guān)。寡糖鏈由質(zhì)膜糖蛋白和糖脂伸出，每種細(xì)胞寡糖鏈的單糖殘基具有一定的排列順序，編成了細(xì)胞表面的密碼，它是細(xì)胞的”指紋”，為細(xì)胞的識(shí)別形成了分子基礎(chǔ)。同時(shí)細(xì)胞表面尚有寡糖的專一受體，對具有一定序列的寡糖鏈具有識(shí)別作用。因此，細(xì)胞識(shí)別實(shí)質(zhì)上是分子識(shí)別。 保護(hù)作用：細(xì)胞外被具有一定的保護(hù)作用，去掉細(xì)胞外被，并不會(huì)直接損傷質(zhì)膜。決定血型：血型實(shí)質(zhì)上是不同的紅細(xì)胞表面抗原，人有20幾種血型，最基本的血型是AB0血型。紅細(xì)胞質(zhì)膜上的糖鞘脂是AB0血型系統(tǒng)的血型抗原，血型免疫活性特異性的分子基礎(chǔ)是糖鏈的糖基組成。A、B、O三種血型抗原的糖鏈結(jié)構(gòu)基本相同，只是糖鏈末端的糖基有所不同。A型血的糖鏈

25、末端為N-乙酰半乳糖；B型血為半乳糖；AB型兩種糖基都有，O型血?jiǎng)t缺少這兩種糖基。膜骨架膜骨架，指質(zhì)膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)( meshwork)，它參與維持質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。膜骨架位于細(xì)胞質(zhì)膜下約0.2m厚的溶膠層。 紅細(xì)胞的壽命約為120天，在生存期中大約行程500，000米。在血液循環(huán)中，紅細(xì)胞要穿過小于自身直徑一半的微小通道（脾竇）、在脾臟內(nèi)要經(jīng)受氧少、低pH值等不利環(huán)境的考驗(yàn)、在心臟內(nèi)又要受到瓣膜渦流沖擊。不難想像，紅細(xì)胞在這樣長而艱險(xiǎn)的運(yùn)輸途徑中保持結(jié)構(gòu)的完好，它的質(zhì)膜起了重要作用，可以推測，紅細(xì)胞的質(zhì)膜一定有非常特別的結(jié)構(gòu)，僅僅是雙脂層可能難

26、以解釋。成熟的動(dòng)物血紅細(xì)胞沒有細(xì)胞核、細(xì)胞器和內(nèi)膜系統(tǒng)，是研究膜骨架的理想材料。紅細(xì)胞經(jīng)低滲處理，細(xì)胞破裂釋放出內(nèi)容物，留下一個(gè)保持原形的空殼，稱為血影（ghost）。網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的人類血紅蛋白細(xì)胞膜骨架人紅細(xì)胞膜蛋白SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分部（A）是考馬斯藍(lán)染色的膠；（B）表示凝膠上主要蛋白質(zhì)的位置。SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析分析結(jié)果表明，血影蛋白主要成分包括：血影蛋白（spectrin）、錨蛋白（ankyrin）、帶4.2蛋白（band 4.2）、帶4.1蛋白（band 4.1）、短肌動(dòng)蛋白（short actin）和血型糖蛋白（glycophorin）。血影蛋白和肌動(dòng)蛋白是外周蛋白

27、，去除后血影的形狀變得不規(guī)則，膜蛋白的流動(dòng)性增強(qiáng)。血型糖蛋白和帶3蛋白為整合蛋白，經(jīng)TritonX-100處理，此二帶消失但血影仍維持原來的形狀。血影蛋白：由結(jié)構(gòu)相似的鏈、鏈組成一個(gè)異二聚體，兩個(gè)二聚體頭與頭相接連形成一四聚體。錨蛋白（ankyrin）：與血影蛋白和帶3蛋白的胞質(zhì)部相連，將血影蛋白網(wǎng)絡(luò)連接到質(zhì)膜上。帶三蛋白：是陰離子載體，通過交換Cl，使HCO3進(jìn)入紅細(xì)胞。為二聚體。每個(gè)單體含929個(gè)氨基酸，穿膜12次。血型糖蛋白：單次穿膜糖蛋白，約有131個(gè)氨基酸， N端在膜外側(cè)，結(jié)合16條寡糖鏈；C-端在胞質(zhì)面，鏈較短，與帶4.1蛋白相連。血型糖蛋白與MN血型有關(guān)，其功能尚不明確。 血影蛋

28、白四聚體游離端與短肌動(dòng)蛋白纖維（約1315單體）相連，形成血影蛋白網(wǎng)絡(luò)。并通過帶4.1蛋白與血型糖蛋白連結(jié)，通過錨蛋白與帶3蛋白相連。這一骨架系統(tǒng)賦與了紅細(xì)胞質(zhì)膜的剛性與韌性，得以幾百萬次地通過比它直徑還小的微血管、動(dòng)脈、靜脈。至于紅細(xì)胞的雙凹型可能還與肌球蛋白的作用有關(guān)。 圖4-19 紅細(xì)胞膜骨架的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 質(zhì)膜的特化結(jié)構(gòu)質(zhì)膜常帶有許多特化的附屬結(jié)構(gòu)。如：微絨毛、褶皺、纖毛、鞭毛等等，這些特化結(jié)構(gòu)在細(xì)胞執(zhí)行特定功能方面具有重要作用。由于其結(jié)構(gòu)細(xì)微，多數(shù)只能在電鏡下觀察到。 （一）微絨毛微絨毛（microvilli, 圖4-20）是細(xì)胞表面伸出的細(xì)長指狀突起，廣泛存在于動(dòng)物細(xì)胞表面。微絨毛直徑

29、約為0.1m。長度則因細(xì)胞種類和生理狀況不同而有所不同。小腸上皮細(xì)胞刷狀緣中的微絨毛，長度約為0.60.8m。微絨毛的內(nèi)芯由肌動(dòng)蛋白絲束組成，肌動(dòng)蛋白絲之間由許多微絨毛蛋白（villin）和絲束蛋白（fimbrin）組成的橫橋相連。微絨毛側(cè)面質(zhì)膜有側(cè)臂與肌動(dòng)蛋白絲束相連，從而將肌動(dòng)蛋白絲束固定。圖4-20 糖萼與微絨毛 微絨毛的存在擴(kuò)大了細(xì)胞的表面積，有利于細(xì)胞同外環(huán)境的物質(zhì)交換。如小腸上的微絨毛，使細(xì)胞的表面積擴(kuò)大了30倍，大大有利于大量吸收營養(yǎng)物質(zhì)。不論微絨毛的長度還是數(shù)量，都與細(xì)胞的代謝強(qiáng)度有著相應(yīng)的關(guān)系。例如腫瘤細(xì)胞，對葡萄糖和氨基酸的需求量都很大，因而大都帶有大量的微絨毛。（二）皺褶在細(xì)胞表面還有一種扁形突起，稱為皺褶（ruffle）或片足（lamllipodia）。皺褶在形態(tài)上不同于微絨毛，它寬而扁，寬度不等，厚度與微絨毛直徑相等，約0.1m，高達(dá)幾微米。在巨噬細(xì)胞的表面上，普遍存在著皺褶結(jié)構(gòu)，與吞噬顆粒物質(zhì)有關(guān)(圖4-22)。圖4-22 巨噬細(xì)胞表面的皺褶 （三）內(nèi)褶內(nèi)褶（infolding，圖4-22）是質(zhì)膜由細(xì)胞表面內(nèi)陷形成的結(jié)構(gòu)，同樣具有擴(kuò)大了細(xì)胞表面積的作用。這種結(jié)構(gòu)常見于液體和離子交換活動(dòng)比較旺盛的細(xì)胞。 圖4-22 內(nèi)褶 （四）纖毛和鞭毛纖毛（cilia）和鞭毛（flagella）是細(xì)胞表面伸出的條狀運(yùn)動(dòng)裝置。二者在發(fā)生和結(jié)構(gòu)上并沒有什