第四篇细胞的结构与功能 早在1890年，苏黎出大学的Ernst Overton发现溶于脂肪的物质容易穿时膜，非脂溶性的物质则组 以通过细胞膜，他于1902年首先提出细胞膜是由脂类物质组成的，初步明确了细胞膜的化学组成 1925年，E Gorter和F Grendel用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分，在水面上铺成单分子层 测得膜脂展开的面积与所用红细胞膜总面积之比在1.8：1至2.2：1之间，因而推测红细胞膜由双层脂分 子组成，第一次提出了脂质双分子层是细胞膜基本结构的概念。这一概念为后来大部分膜结构模型所 接受，并在此基础上提出了许多不同的膜分子结构模型。 (一)片层结构模型 1935年，科学家Hugh Davson和James Danielli通过实验发现细胞膜的表面张力明显低于油-水界面 的表面张力，研究认为如果有蛋白成分吸附在脂滴表面，就会导致脂滴表面张力降低，因此他们推测质 膜中含有蛋白质成分，并提出了“蛋白质脂类-蛋白质"的“片层结构模型”(lamella structure model)。该 模型认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成，具有三层夹板式结构的特点。 这一模型认为，细胞膜是由两层磷脂分子构成，磷脂分子的疏水端位于膜的内部，而亲水端则朝向 膜的外表面，内外侧表面还覆盖着一层球形蛋白质分子，形成蛋白质磷脂蛋白质三层夹板式结构（图 15-13)。后来，为了解释质膜对水的高通透性，Davson和Danielli对其模型进行修改，认为质膜上具有贯 穿脂双层的蛋白质通道，该通道由蛋白质分子围成，内表面具有亲水性基团，允许亲水物质通过，这一模 型的影响达20年之久。 (二)单位膜模型 ●●●（●（●● 蛋白质 前面所介绍的对质膜化学性质与结构的 认识，都是根据分析实验数据间接推论出来 00000000000000006000- 的，缺少直观资料 由于细胞膜非常薄，在光 学显微镜下无法直接观察清楚。 0四00000四0m000 20世纪50年代.随若由子显微培的问 世，极大地推动了细胞膜结构的研究。J.D ●)●人●)（●●人● Robertson首先使用电子显微镜观察了各种生 物细胞膜和内膜系统，发现所有生物膜在电 图15-13细胞膜的片层结构模型 子显微镜下均呈现“两暗一明”的三层式场 构，在横切面上表现为内外两层为电子密度高的暗线，中间夹一层电子密度低的明线，内外两层暗线厚 度各约2mm,分别代表内外两层蛋白质；中间的明线厚度约3.5nm,代表脂质层，膜的总厚度约为 7.5nm,这种细胞膜在电子显微镜下呈现“暗-明-暗”的结构被称为单位膜(unit membrane)(图15-l4)。 他们进一步根据电镜观察结果和一些功能指标，在片层结构模型基础上提出了“单位膜模型”(u membrane model) A 细胞外侧 蚕白 细胞质面 蛋白质 360
第十五地与经来西 这一模型认为磷脂双分子层构成膜的主体，其亲水端头部朝外，疏水端尾部朝内。片层结构模型不 同，单位膜模型认为脂双分子层内外两侧的蛋白质并非球形蛋白质，而是单条肽链以B折叠形式的蛋白 质，通过静电作用与磷脂极性端相结合。J.D.Robertson认为所有生物膜都具有类似的结构，其厚度也 是基本一致的。单位膜模型提出了各种生物膜在形态结构上的共同特点，把膜的分子结构同膜的电镜 图像联系起来，可以对膜的某些属性做出一定解释，在超微结构中被普遍采用，名称一直沿用至今。但 是单位膜模型是一种静态的单一结构，无肤解释和阐明膜的动态结构变化、膜的厚度变化和膜的生理功 能差异。 (三)流动镶嵌模型 20世纪60年代以后，随着生物学新技术的不断出现和应用，研究人员对质膜的认识也越来越深 入。例如，应用冷冻蚀刻技术证实质膜中有蛋白质微粒的存在：应用示踪法证明了细胞膜的形态结构不 是静止的，而是不断发生流动变化的：应用红外光醬，？光色散等技术证明膜蛋白主要是由a螺旋组成 的球形结构等等。这些实验结果都对单位膜模型提出了修正，此阶段人们又相继提出了许多新的细胞 膜结构模型，其中1972年，由S.J.Singer和G.Nicolson两位科学家提出的“流动镶嵌模型"(fluid mosaie modl)受到广泛支持，并一直沿用至今。这一模型认为流动的脂质双分子层构成了细胞膜的连续主体， 它既具有晶体分子排列的有序性，又具有液体分子的流动性。膜中蛋白质分子以不同形式与脂质双分 子层结合，有的附着在脂双层的表面，有的嵌在脂双分子层中。蛋白质分子的非极性部分嵌入脂双分子 层疏水区，极性部分则外露于膜的表面。该模型强调细胞膜是一种动态的，不对称的具有流动性的 构，其组成成分可以不断运动、聚集，随时参与各种分子间的相互作用。流动镶嵌模型很好的解释和强 调了膜的流动性和不对称性，突出了生物膜的功能特点，是目前被普遍接受和认可的细胞膜结构模型 (图15-15)。 细胞骨架 图1515细胞腊的流动镶嵌结构模型 流动镶嵌模型可以解释许多膜中所发生的现象，但它不能说明具有流动性的质膜在变化过程中怎 样保持膜的稳定性和相对完整性，忽视了膜的各部分流动性的不均匀性等，因此，Wallach在1975年提 出“晶格镶嵌模型”(crystal mosaic model),该模型认为生物膜中流动的脂类可以进行可逆地无序（液 态)和有序（晶态）的相变，膜蛋白对脂类分子的运动具有限制作用，膜内在蛋白和周围的脂类分子形成 膜中的晶态部分（晶格），而具有“流动性”的脂类分子呈点状分布在膜上，脂类的“流动性”是局部的，并 非整个脂双分子层都在进行流动，进一步强调了生物膜中流动性脂质的可逆性变化。这就比较合理地 解释了生物膜既具有流动性，又具有相对完整性及稳定性的原因。 1g77年.Jain和hite又提出了“板块镶：模型”(block mosaic model),其内容本质上与晶格镶：横 型相同。该模型认为在流动的脂双层中存在许多大小不同、刚性比较大能独立运动的脂类“板块”（有 序结构区)，这些有序结构的板块之间被无序的流动的脂质区所分割，这两种区域处于一种连续的动态 361
第四篇细胞的结构与功能 平衡之中，强调了生物膜是由同时存在不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。 事实上，板块镶嵌模型与流动镶嵌模型并无本质区别，不过是对膜流动性的分子结构进行了补充 四】脂筏模型 研究发现，在生物膜的脂双分子层中，富含胆固醇和鞘磷脂的区域会富集形成有序脂相的微结构 域，大小约70nm的一种动态结构，称为脂筏((lipid rafts),位于质膜的外小页。由于鞘磷脂具有较长的 饱和脂防酸链，分子间的作用力较强，所以这些由鞘磷脂和胆固醇动态集合形成的微结构域结构致密 介于无序液体与液晶之间，更有秩序且较少流动，如同“脂筏”一样载着蛋白质参与和执行多种生物学 功能，推测一个100m大小的脂筏可能载有600个蛋白质分子，脂筏的大小是可以调节的。脂筏就像 个蛋白质停泊的平台，可以选择性接受某种蛋白质，参与膜的信号转导、物质运输和蛋白质分选等多种 生理过程（图15-16）。研究证实脂筏中的脂类与相关的蛋白质在膜平面可以进行侧向扩散。从结构 组分分析，脂筏具有两个特点：许多蛋白质聚集在脂筏内，便于相互作用：脂筏提供了一个有利于蛋白质 变构的环境，形成有效构象。脂筏模型(lipid model)强调了膜的功能特化，它的提出进一步深化 对细胞膜结构和功能的认识 脂筏 图1516细胞膜的脂筏结构模型 第二节穿膜运输 细胞膜是防止细胞外物质自由进人细胞的屏障，它既保证了细胞内环境的相对稳定，使各种生化反 应有序运行：又能与周围环境发生物质能量交换和信息传递，完成特定的生理功能，因此细胞必须具备 套物质转运体系，用来获得所需物质和排出代谢废物。 细胞膜允许一定物质穿过的特性称为膜的通透性(permeability),细胞膜通透性最显著的特点是它 的选择性，即有选择的允许或阻止一些物质通过细胞膜，以维持细胞相对稳定的内环境。质膜对所运输 物质的通透性的高低决定于质膜固有的脂溶性和物质本身的特性。 目前已知与细胞膜有关的物质运输有两种形式，一是小分子和离子的穿膜运输：一是大分子和颗特 物质的膜泡运输。其中细胞对小分子和离子的穿膜运输有儿条不同的途径：通过脂双层的简单扩散、离 子通道扩散、易化扩散和主动运输：细胞对大分子和颗粒物质的膜泡运输通过胞吞和胞吐作用进行。 一、简单扩散 简单扩散(simple dif usion)是小分子物质穿膜运输最简单的一种运输方式，依赖于膜的通透性来完 成。简单扩散具有的三个特点是：顺浓度梯度（或电化学梯度）进行扩散、不需要提供能量、不需要膜蛋 362