第二章细胞膜与疾病细胞膜（cellmembrane）是包围在细胞质表面的一层薄膜，又称质膜（plasmamembrane）。细胞膜将细胞中的生命物质与外界环境分隔开，维持细胞特有的内环境。除细胞膜外，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、线粒体等，称为细胞的内膜系统。这些膜与细胞膜在化学组成、分子结构和功能活动方面具有很多共性，目前把细胞膜和细胞内膜系统总称为生物膜（biomembrane）。细胞膜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、细胞识别等多种复杂功能，与生命科学中的许多基本问题，如细胞的增殖、分化及细胞的识别黏附、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。第一节细胞膜的结构、功能与疾病一、细胞膜的化学组成细胞膜主要由脂质、蛋白质和糖类组成。脂质排列成双分子层，构成膜的基本结构。此外，细胞膜中还含有少量水、无机盐与金属离子等。（一）膜脂膜脂构成细胞膜的结构骨架。细胞膜上的脂质称为膜脂（membranelipid），约占膜成分的50%，主要有三种类型：磷脂（phospholipid）、胆固醇（cholesterol）和糖脂（glycolipid），其中以磷脂含量最多（图2-1）。1.磷脂大多数膜脂分子中都含有磷酸基团，称为磷脂，占膜脂的50%以上。磷脂可分为两类：甘油磷脂（phosphoglycerides）和鞘磷脂（sphingomyelin，SM）。甘油磷脂主要包括磷脂酰胆碱（卵磷脂）（phosphatidylcholine，PC）、磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）（phosphatidylethanolamine，PE）和磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS）。此外，还有一种磷脂是磷脂酰肌醇（phosphatidylinosital，PI），位于细胞膜的内层，含量很少，但在细胞信号转导中起重要作用。磷脂分子有着共同的特征：以甘油为骨架，甘油分子的1、2位羟基分别与脂肪酸形成酯键，3位羟基与磷酸基团形成酯键。如果磷酸基团分别与胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇结合，即形成上述4种类型磷脂分子。这些亲水的小基团位于分子的末端与带负电的磷酸基团一起形成高度水溶性的结构域，极性很强，称为头部基团（headgroup）或亲水头。磷脂中的脂肪酸链长短不一，通常由14~24个碳原子组成，一条烃链不含双键，另一烃链含有一个或几个顺式排列的双键，双键处形成一个18医学细胞--正文.indd2018-5-18173
www.hep.com.cn 18 第二章 细胞膜与疾病 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，维持细胞特有的内环境。 除细胞膜外，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、线粒体等，称为细胞的内膜系统。这些膜与细胞膜在化学 组成、分子结构和功能活动方面具有很多共性，目前把细胞膜和细胞内膜系统总称为生 物膜（biomembrane）。 细胞膜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 胞识别等多种复杂功能，与生命科学中的许多基本问题，如细胞的增殖、分化及细胞的 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。 第一节 细胞膜的结构、功能与疾病 一、细胞膜的化学组成 细胞膜主要由脂质、蛋白质和糖类组成。脂质排列成双分子层，构成膜的基本结 构。此外，细胞膜中还含有少量水、无机盐与金属离子等。 （一）膜脂 膜脂构成细胞膜的结构骨架。细胞膜上的脂质称为膜脂（membrane lipid），约占 膜成分的 50%，主要有三种类型：磷脂（phospholipid）、胆固醇（cholesterol）和糖脂 （glycolipid），其中以磷脂含量最多（图 2-1）。 1. 磷脂 大多数膜脂分子中都含有磷酸基团，称为磷脂，占膜脂的 50% 以上。磷 脂可分为两类：甘油磷脂（phosphoglycerides）和鞘磷脂（sphingomyelin，SM）。甘油磷 脂主要包括磷脂酰胆碱（卵磷脂）（phosphatidylcholine，PC）、磷脂酰乙醇胺（脑磷脂） （phosphatidylethanolamine，PE）和磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS）。此外，还有 一种磷脂是磷脂酰肌醇（phosphatidylinosital，PI），位于细胞膜的内层，含量很少，但在 细胞信号转导中起重要作用。磷脂分子有着共同的特征：以甘油为骨架，甘油分子的 1、 2 位羟基分别与脂肪酸形成酯键，3 位羟基与磷酸基团形成酯键。如果磷酸基团分别与 胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇结合，即形成上述 4 种类型磷脂分子。这些亲水的小基团 位于分子的末端与带负电的磷酸基团一起形成高度水溶性的结构域，极性很强，称为头 部基团（head group）或亲水头。磷脂中的脂肪酸链长短不一，通常由 14～24 个碳原子 组成，一条烃链不含双键，另一烃链含有一个或几个顺式排列的双键，双键处形成一个 医学细胞-正文.indd 18 2018-5-18 17:31:06
第一节细胞膜的结构、功能与疾病NHCOOCHOHHHHNHCHCH,CHCHCHCH,0CH,子CHH.CCH,磷脂酰丝氨酸胆固醇半乳糖脑苷脂（磷脂）（固醇）（糖脂）图2-1膜脂的三种类型（磷脂、固醇、糖脂）约30°的弯曲。脂肪酸链是疏水的、无极性，称疏水尾。由于磷脂分子具有亲水头和疏水尾，被称为两亲分子（amphiphilicmolecule）或兼性分子。鞘磷脂是细胞膜上唯一不以甘油为骨架的磷脂，在膜中含量较少，但在神经元细胞膜中含量较多。它以鞘氨醇代替甘油，长链的不饱和脂肪酸结合在鞘氨醇的氨基上；分子末端的一个羟基与胆碱磷酸（phosphocholine）结合，另一个游离羟基可与相邻脂分子的极性头部、水分子或膜蛋白形成氢键。2.胆固醇是细胞膜中另一类重要的脂质，分子较小，散布在磷脂分子之间。动物细胞膜中胆固醇含量较高，有的膜内胆固醇与磷脂之比可达1：1。胆固醇也是两亲分子：极性头部为羟基，靠近相邻磷脂分子的极性头部：中间为固醇环结构，连接一条短的疏水性烃链尾部（图2-1）。疏水的固醇环扁平富有刚性，固定在磷脂分子邻近头部的烃链上，对磷脂的脂肪酸链尾部的运动具有干扰作用，疏水的烃链尾部埋在脂双层的中央（图2-2）。胆固醇在脂双层间倾向于均匀分布，对调节膜的流动性、加强膜的稳定性具有重要作用。3.糖脂由脂质和寡糖构成，占膜脂的5%以下。糖脂普遍存在于原核和真核细胞膜表面，动物细胞膜的糖脂几乎都是鞘氨醇的衍生物，结构似鞘磷脂，称为鞘糖脂，特点是糖取代了磷脂酰胆碱作为极性头部，可由1~15个或更多个糖基组成，两条烃链为疏水的尾部（图2-3）。目前已发现40余种糖脂，主要区别在于其极性头部不同：最简单的糖脂是脑苷脂极性头部仅有一个半乳糖或葡萄糖残基，它是髓鞘中的主要糖脂；比较复杂的糖脂是神经节苷脂，其极性头部除含有半乳糖和葡萄糖外，还含有数目不等的唾液酸（也称为N-乙酰神经氨酸，NANA）。所有细胞中，糖脂均位于细胞膜的非胞质面，糖基暴露于细胞表面，作为细胞表面受体，与细胞识别、黏附及信号转导有关。19医学细胞-正文.indd192018-5-18 17:31:0
www.hep.com.cn 19 第一节 细胞膜的结构、功能与疾病 约 30° 的弯曲。脂肪酸链是疏水的、无极性，称疏水尾。由于磷脂分子具有亲水头和疏 水尾，被称为两亲分子（amphiphilic molecule）或兼性分子。 鞘磷脂是细胞膜上唯一不以甘油为骨架的磷脂，在膜中含量较少，但在神经元细胞 膜中含量较多。它以鞘氨醇代替甘油，长链的不饱和脂肪酸结合在鞘氨醇的氨基上；分 子末端的一个羟基与胆碱磷酸（phosphocholine）结合，另一个游离羟基可与相邻脂分子 的极性头部、水分子或膜蛋白形成氢键。 2. 胆固醇 是细胞膜中另一类重要的脂质，分子较小，散布在磷脂分子之间。动 物细胞膜中胆固醇含量较高，有的膜内胆固醇与磷脂之比可达 1∶1。胆固醇也是两亲分 子：极性头部为羟基，靠近相邻磷脂分子的极性头部；中间为固醇环结构，连接一条短 的疏水性烃链尾部（图 2-1）。疏水的固醇环扁平富有刚性，固定在磷脂分子邻近头部的 烃链上，对磷脂的脂肪酸链尾部的运动具有干扰作用，疏水的烃链尾部埋在脂双层的中 央（图 2-2）。胆固醇在脂双层间倾向于均匀分布，对调节膜的流动性、加强膜的稳定性 具有重要作用。 3. 糖脂 由脂质和寡糖构成，占膜脂的 5% 以下。糖脂普遍存在于原核和真核细胞 膜表面，动物细胞膜的糖脂几乎都是鞘氨醇的衍生物，结构似鞘磷脂，称为鞘糖脂，特 点是糖取代了磷脂酰胆碱作为极性头部，可由 1～15 个或更多个糖基组成，两条烃链为 疏水的尾部（图 2-3）。 目前已发现 40 余种糖脂，主要区别在于其极性头部不同：最简单的糖脂是脑苷脂， 极性头部仅有一个半乳糖或葡萄糖残基，它是髓鞘中的主要糖脂；比较复杂的糖脂是神 经节苷脂，其极性头部除含有半乳糖和葡萄糖外，还含有数目不等的唾液酸（也称为 N- 乙酰神经氨酸，NANA）。 所有细胞中，糖脂均位于细胞膜的非胞质面，糖基暴露于细胞表面，作为细胞表面 受体，与细胞识别、黏附及信号转导有关。 图 2-1 膜脂的三种类型（磷脂、固醇、糖脂） 医学细胞-正文.indd 19 2018-5-18 17:31:06
第二章细胞膜与疾病磷脂分子胆固醇OHOHCHCHCHNHCHNHCHCH333酸图2-2胆固醇与磷脂分子关系示意图图2-3糖脂的分子结构（二）膜蛋白膜蛋白的类型虽然脂双层是组成细胞膜的基本结构，但细胞膜的不同特性和功能却是由与细胞膜相结合的膜蛋白（membraneprotein）决定的。膜蛋白种类不同，功能各异。在不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很大差异。例如线粒体内膜中膜蛋白质含量约占75%，而神经细胞的髓鞘中含量不到25%。一般的细胞膜中蛋白质含量介于两者之间，占50%左右。根据膜蛋白与脂双层结合的方式不同，膜蛋白可分为3种类型：膜外在蛋白（extrinsicprotein）、膜内在蛋白（intrinsicprotein）和脂锚定蛋白（lipidanchoredprotein）（图2-4）。脂双房C图2-4膜蛋白在膜中的几种结合方式1.膜外在蛋白又称膜周边蛋白（peripheralprotein），占膜蛋白总量的20%~30%，与细胞膜结合比较松散的不插人脂双层的蛋白质，分布在胞质侧或非胞质侧。一些膜外在蛋白通过非共价键附着在脂质分子头部极性区或穿膜蛋白亲水区的一侧，间接与膜结合（图2-4G、H）；一些膜外在蛋白位于膜的胞质-侧，通过暴露于蛋白质表面的α螺旋的疏水面与脂双层的胞质面单层相互作用而与膜结合（图2-4D）。膜外在蛋白为水溶性蛋白，它与膜的结合较弱，使用一些温和的方法，如改变溶液的离子浓度或pH，即20医学细胞-正文.indd2020185-18 17:31:07
www.hep.com.cn 20 第二章 细胞膜与疾病 （二）膜蛋白 虽然脂双层是组成细胞膜的基本结构，但细胞膜的不同特性和功能却是由与细胞膜 相结合的膜蛋白（membrane protein）决定的。膜蛋白种类不同，功能各异。在不同细胞 中膜蛋白的含量及类型有很大差异。例如线粒体内膜中膜蛋白质含量约占 75%，而神经 细胞的髓鞘中含量不到 25%。一般的细胞膜中蛋白质含量介于两者之间，占 50% 左右。 根据膜蛋白与脂双层结合的方式不同，膜蛋白可分为 3 种类型：膜外在蛋白 （extrinsic protein）、膜内在蛋白（intrinsic protein）和脂锚定蛋白（lipid anchored protein） （图 2-4）。 图 2-4 膜蛋白在膜中的几种结合方式 1. 膜外在蛋白 又称膜周边蛋白（peripheral protein），占膜蛋白总量的 20%～30%， 与细胞膜结合比较松散的不插入脂双层的蛋白质，分布在胞质侧或非胞质侧。一些膜外 在蛋白通过非共价键附着在脂质分子头部极性区或穿膜蛋白亲水区的一侧，间接与膜结 合（图 2-4G、H）；一些膜外在蛋白位于膜的胞质一侧，通过暴露于蛋白质表面的 α 螺 旋的疏水面与脂双层的胞质面单层相互作用而与膜结合（图 2-4D）。膜外在蛋白为水溶 性蛋白，它与膜的结合较弱，使用一些温和的方法，如改变溶液的离子浓度或 pH，即 膜蛋白的类型 图 2-2 胆固醇与磷脂分子关系示意图 图 2-3 糖脂的分子结构 医学细胞-正文.indd 20 2018-5-18 17:31:07
第一节细胞膜的结构、功能与疾病可将它们从膜上分离下来，而不破坏膜的基本结构。2.膜内在蛋白全部或部分插入细胞膜内，即穿膜或跨膜蛋白（transmembraneprotein），占膜蛋白总量的70%~80%，为两亲分子。分为单次穿膜（图2-4A）、多次穿膜（图2-4B）和多亚基穿膜三种类型。单次穿膜蛋白的肽链只穿过脂双层一次，穿膜区一股含有20~30个疏水性氨基酸残基，以α螺旋构象穿越脂双层的疏水区：亲水的胞外区和胞质区则由极性氨基酸残基构成，它们暴露在膜的一侧或两侧，可与水溶性的物质（如激素）相互作用。一般肽链的N端位于细胞膜外侧。多次穿膜蛋白含有多个由疏水性氨基酸残基组成的穿膜序列（可多达14个），通过多个α螺旋构象穿过脂双层。大多数穿膜蛋白穿膜域都是α螺旋构象，也有的穿膜蛋白以β折叠片层（βpleatedsheet）构象穿膜。β折叠片层多次穿过细胞膜，并围成筒状结构，称β筒（βbarrel）（图2-4C，主要存在于线粒体细胞膜中。3.脂锚定蛋白位于膜的两侧，很像周边蛋白，但与其不同的是脂锚定蛋白以共价键与脂双层内的脂分子结合。脂锚定蛋白与脂质的结合有两种方式。一种位于细胞膜胞质一侧，直接与脂双层中的某些脂肪酸链结合（图2-4E）；另一种是位于细胞膜外侧，与磷脂酰肌醇分子上的寡糖链结合，称为糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（glycosylphosphatidylinositollinkedprotein，GPI）。这种连接主要是通过蛋白质的C端与寡糖链共价结合，从而间接同脂双层结合（图2-4F)。（三）膜糖类膜糖类覆盖细胞膜表面。大多数膜糖以低聚糖链或多聚糖链共价结合于膜蛋白上形成糖蛋白，7%～8%的膜糖以低聚糖链共价结合于膜脂上形成糖脂。细胞膜上所有的糖链都朝向细胞表面。组成糖链的单糖主要有半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖胺、葡萄糖、唾液酸和葡萄糖胺。由于寡糖链中单糖的数量、种类、排列顺序及有无分支等不同，低聚糖或多聚糖链出现了千变万化的组合形式。唾液酸常见于糖链的末端，真核细胞表面的净负电荷主要由它形成。在大多数真核细胞表面有富含糖类的周缘区，称为细胞外被（cellcoat）或糖尊（glycocalyx），细胞外被中的糖类主要包括与糖蛋白和糖脂相连的低聚糖侧链，同时也包括被分泌出来又吸附于细胞表面的糖蛋白与蛋白聚糖的多糖侧链。糖脂及糖蛋白中低聚糖侧链的功能大多还不清楚，但根据寡糖链的复杂性及其所处的位置提示它们参与细胞间及细胞与周围环境的相互作用，如参与细胞的识别、黏附、迁移等功能活动。细胞膜的生物学特性细胞膜具有两个显著的特性，即膜的不对称性和膜的流动性。（一）膜的不对称性膜的不对称性（membraneasymmetry）是指细胞膜中各种成分的分布是不均匀的，包括种类和数量上都有很大差异，这与细胞膜的功能有密切关系。1.膜脂的不对称性多项实验分析了各种膜脂双层的化学组成、发现各种膜脂在脂双层内、外两单层中的分布是不对称的。例如，在人红细胞膜中，绝大部分的鞘磷脂和磷脂酰胆碱位于脂双层的外层中，而在内层中磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇含量较多。这些磷脂虽然在脂双层中都有分布，但含量比例上存在较大差异。胆固21医学细胞--正文.indd22018-5-18 17:31:07
www.hep.com.cn 21 第一节 细胞膜的结构、功能与疾病 可将它们从膜上分离下来，而不破坏膜的基本结构。 2. 膜内在蛋白 全部或部分插入细胞膜内，即穿膜或跨膜蛋白（transmembrane protein），占膜蛋白总量的 70%～80%，为两亲分子。分为单次穿膜（图 2-4A）、多次 穿膜（图 2-4B）和多亚基穿膜三种类型。单次穿膜蛋白的肽链只穿过脂双层一次，穿 膜区一般含有 20～30 个疏水性氨基酸残基，以 α 螺旋构象穿越脂双层的疏水区；亲水 的胞外区和胞质区则由极性氨基酸残基构成，它们暴露在膜的一侧或两侧，可与水溶性 的物质（如激素）相互作用。一般肽链的 N 端位于细胞膜外侧。多次穿膜蛋白含有多 个由疏水性氨基酸残基组成的穿膜序列（可多达 14 个），通过多个 α 螺旋构象穿过脂双 层。大多数穿膜蛋白穿膜域都是 α 螺旋构象，也有的穿膜蛋白以 β 折叠片层（β pleated sheet）构象穿膜。β 折叠片层多次穿过细胞膜，并围成筒状结构，称 β 筒（β barrel）（图 2-4C），主要存在于线粒体细胞膜中。 3. 脂锚定蛋白 位于膜的两侧，很像周边蛋白，但与其不同的是脂锚定蛋白以共价 键与脂双层内的脂分子结合。 脂锚定蛋白与脂质的结合有两种方式。一种位于细胞膜胞质一侧，直接与脂双层中 的某些脂肪酸链结合（图 2-4E）；另一种是位于细胞膜外侧，与磷脂酰肌醇分子上的寡 糖链结合，称为糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（glycosylphosphatidylinositol linked protein，GPI）。 这种连接主要是通过蛋白质的 C 端与寡糖链共价结合，从而间接同脂双层结合（图 2-4F）。 （三）膜糖类 膜糖类覆盖细胞膜表面。大多数膜糖以低聚糖链或多聚糖链共价结合于膜蛋白上形 成糖蛋白，7% ～ 8% 的膜糖以低聚糖链共价结合于膜脂上形成糖脂。细胞膜上所有的 糖链都朝向细胞表面。组成糖链的单糖主要有半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖胺、葡 萄糖、唾液酸和葡萄糖胺。由于寡糖链中单糖的数量、种类、排列顺序及有无分支等不 同，低聚糖或多聚糖链出现了千变万化的组合形式。唾液酸常见于糖链的末端，真核细 胞表面的净负电荷主要由它形成。 在大多数真核细胞表面有富含糖类的周缘区，称为细胞外被（cell coat）或糖萼 （glycocalyx），细胞外被中的糖类主要包括与糖蛋白和糖脂相连的低聚糖侧链，同时也包 括被分泌出来又吸附于细胞表面的糖蛋白与蛋白聚糖的多糖侧链。糖脂及糖蛋白中低聚 糖侧链的功能大多还不清楚，但根据寡糖链的复杂性及其所处的位置提示它们参与细胞 间及细胞与周围环境的相互作用，如参与细胞的识别、黏附、迁移等功能活动。 二、细胞膜的生物学特性 细胞膜具有两个显著的特性，即膜的不对称性和膜的流动性。 （一）膜的不对称性 膜的不对称性（membrane asymmetry）是指细胞膜中各种成分的分布是不均匀的， 包括种类和数量上都有很大差异，这与细胞膜的功能有密切关系。 1. 膜脂的不对称性 多项实验分析了各种膜脂双层的化学组成，发现各种膜脂在 脂双层内、外两单层中的分布是不对称的。例如，在人红细胞膜中，绝大部分的鞘磷脂 和磷脂酰胆碱位于脂双层的外层中，而在内层中磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰 肌醇含量较多。这些磷脂虽然在脂双层中都有分布，但含量比例上存在较大差异。胆固 医学细胞-正文.indd 21 2018-5-18 17:31:07
第二章细胞膜与疾病醇在红细胞膜内、外脂单层中分布的比例大致相等。细胞膜中糖脂均位于脂双层非胞质层。膜脂组分不对称性分布的生物学意义尚不完全明确，它可以为特定蛋白质提供结合位点，也可能与膜蛋白的不对称分布有关。2.膜蛋白的不对称性膜蛋白的分布是绝对不对称的，各种膜蛋白在细胞膜中都有定的位置。例如血影蛋白分布于红细胞膜的内侧面，酶和受体多位于细胞膜的外侧面（如5'-核苷酸酶、磷酸酯酶、激素受体、生长因子受体等），而腺苷酸环化酶则位于细胞膜的内侧胞质面。用冷冻蚀刻技术显示细胞膜的两个剖面，可以看到膜蛋白在脂双层内、外两层中的分布有明显差异。如红细胞膜浆质面内蛋白颗粒为2800个/um，外质面内蛋白颗粒只有1400个/um。穿膜蛋白穿越脂双层都有一定的方向性，这也造成其分布的不对称性。例如，红细胞膜上的血型糖蛋白肽链的N端伸向细胞膜外侧，C端在细胞膜内侧胞质面：带3蛋白肽链的N端则在细胞膜内侧胞质面。膜蛋白的不对称性还表现在穿膜蛋白的两个亲水端，其肽链长度、氨基酸的种类和顺序都不同，有的在膜外侧有活性位点，有的在膜内侧有活性位点。3.膜糖的不对称性膜糖类的分布具有显著的不对称性。细胞膜糖脂、糖蛋白的寡糖侧链只分布于细胞膜外表面（非胞质面），而在内膜系统，寡糖侧链都分布于膜腔的内侧面（非胞质面）。（二）膜的流动性膜的流动性（fluidity）是细胞膜的基本特性之一，也是细胞进行生命活动的必需条件。膜是一个动态的结构，其流动性主要是指膜脂的运动性和膜蛋白的运动性。01.膜脂的流动性细胞膜的流动性有什么作用？（1）脂双层为液晶态二维流体：作为生物膜主体的脂双层，它的组分既有固体分子排列的有序性，又有液体的流动性。在生理条件下，膜大多呈液晶态。在温度下降到一定程度（<25℃），脂双层可以从流动的液晶态转变为晶态：当温度上升至某一点时文可以溶解为液晶态。这一临界温度称为膜的相变温度。由于温度的变化导致膜状态的改变称为“相变”。在相变温度以上，膜处于流动的液晶态，保证了各种膜处于运动状态，协同完成生物膜的各种功能活动。（2）膜脂分子的运动方式：在高于相变温度下，膜脂分子具有以下几种运动方式（图2-5）。①侧向扩散：是指在脂双层的单分子层内，脂分子沿膜平面侧向与相邻分子快速交换位置，每秒约10°次。侧向扩散运动是膜脂分子主要的运动方式。②翻转运动：是指膜脂分子从脂双层的一单层翻转至另一单层的运动。一般情况下很少发生。在内质网膜上有一种翻转酶（flippase），它能侧向扩散促使某些新合成的磷脂分子从脂双层的000000胞质面翻转到非胞质面。这些酶在维持膜脂的不对称分布中起作用。③旋转运翻转运动动：是膜脂分子围绕与膜平面相垂直的((0CA~轴的自旋运动。4弯曲运动：膜脂分子000000的烃链是有韧性和可弯曲的，分子的尾部端弯曲、摆动幅度大，而靠近极性头弯曲运动旋转运动部弯曲、摆动幅度小。图2-5膜脂分子的几种运动方式22医学细胞--正文.indd_222018-5-18 17:31:07
www.hep.com.cn 22 第二章 细胞膜与疾病 醇在红细胞膜内、外脂单层中分布的比例大致相等。细胞膜中糖脂均位于脂双层非胞质 层。膜脂组分不对称性分布的生物学意义尚不完全明确，它可以为特定蛋白质提供结合 位点，也可能与膜蛋白的不对称分布有关。 2. 膜蛋白的不对称性 膜蛋白的分布是绝对不对称的，各种膜蛋白在细胞膜中都有 一定的位置。例如血影蛋白分布于红细胞膜的内侧面，酶和受体多位于细胞膜的外侧面 （如 5′- 核苷酸酶、磷酸酯酶、激素受体、生长因子受体等），而腺苷酸环化酶则位于细 胞膜的内侧胞质面。用冷冻蚀刻技术显示细胞膜的两个剖面，可以看到膜蛋白在脂双层 内、外两层中的分布有明显差异。如红细胞膜浆质面内蛋白颗粒为 2 800 个 /μm2 ，外质 面内蛋白颗粒只有 1 400 个 /μm2 。 穿膜蛋白穿越脂双层都有一定的方向性，这也造成其分布的不对称性。例如，红细 胞膜上的血型糖蛋白肽链的 N 端伸向细胞膜外侧，C 端在细胞膜内侧胞质面；带 3 蛋白 肽链的 N 端则在细胞膜内侧胞质面。膜蛋白的不对称性还表现在穿膜蛋白的两个亲水 端，其肽链长度、氨基酸的种类和顺序都不同，有的在膜外侧有活性位点，有的在膜内 侧有活性位点。 3. 膜糖的不对称性 膜糖类的分布具有显著的不对称性。细胞膜糖脂、糖蛋白的寡 糖侧链只分布于细胞膜外表面（非胞质面），而在内膜系统，寡糖侧链都分布于膜腔的 内侧面（非胞质面）。 （二）膜的流动性 膜的流动性（fluidity）是细胞膜的基本特性之一，也是细胞进行生命活动的必需条 件。膜是一个动态的结构，其流动性主要是指膜脂的运动性和膜蛋白的运动性。 1. 膜脂的流动性 （1）脂双层为液晶态二维流体：作为生物膜主体的脂双层，它的组分既有固体分子 排列的有序性，又有液体的流动性。在生理条件下，膜大多呈液晶态。在温度下降到一 定程度（＜ 25℃），脂双层可以从流动的液晶态转变为晶态；当温度上升至某一点时又 可以溶解为液晶态。这一临界温度称为膜的相变温度。由于温度的变化导致膜状态的改 变称为“相变”。在相变温度以上，膜处于流动的液晶态，保证了各种膜处于运动状态， 协同完成生物膜的各种功能活动。 （2）膜脂分子的运动方式：在高于相变温度下，膜脂分子具有以下几种运动方式 （图 2-5）。①侧向扩散：是指在脂双层的单分子层内，脂分子沿膜平面侧向与相邻分子 快速交换位置，每秒约 107 次。侧向扩散运动是膜脂分子主要的运动方式。②翻转运动： 是指膜脂分子从脂双层的一单层翻转至另一单层的运动。一般情况下很少发生。在内质 网膜上有一种翻转酶（flippase），它能 促使某些新合成的磷脂分子从脂双层的 胞质面翻转到非胞质面。这些酶在维持 膜脂的不对称分布中起作用。③旋转运 动：是膜脂分子围绕与膜平面相垂直的 轴的自旋运动。④弯曲运动：膜脂分子 的烃链是有韧性和可弯曲的，分子的尾 部端弯曲、摆动幅度大，而靠近极性头 部弯曲、摆动幅度小。 细胞膜的流动性有什么作用？ 图 2-5 膜脂分子的几种运动方式 医学细胞-正文.indd 22 2018-5-18 17:31:07