第9讲学习讲义：细胞膜结构与功能

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这一讲的主线是：细胞膜不是一层被动的包裹膜，而是由脂质、蛋白质和糖链共同构成的动态功能平台。 它既定义细胞和细胞器的边界，也负责选择性通透、信号感知、能量转化、细胞识别和细胞骨架连接。

这讲的核心问题

• 为什么脂质能自发形成双分子层？
• 真核细胞膜主要由哪些脂质组成？
• 质膜两侧为什么脂质分布不对称？
• 膜蛋白如何嵌入、锚定或附着在膜上？
• 膜为什么具有流动性，又为什么不是完全均一的液体？
• 如何研究和重组膜蛋白？

一、细胞膜的五大功能

细胞膜的第一功能是形成边界。脂质双分子层对离子、蛋白质和核酸等亲水分子高度不通透，因此细胞可以把内部环境和外界隔开。

但膜远远不只是边界，它还承担五类功能：

• 区室化：质膜包围细胞，内膜系统把真核细胞内部划分为不同功能区室。
• 门卫作用：转运蛋白选择性地让特定分子进出细胞。
• 信号感知：受体蛋白识别外界信号并启动胞内反应。
• 支架连接：膜蛋白连接细胞外基质、相邻细胞和细胞骨架。
• 能量转化：膜上的转运系统建立离子梯度，驱动 ATP 合成或产生电信号。

所以你理解细胞膜时，不要只记“磷脂双分子层”。更准确地说，膜是一个可流动、可分区、可调控的二维反应平台。

二、脂质为什么会自发形成膜

膜脂是两亲性分子：一端亲水，一端疏水。放入水中后，疏水尾部会尽量避开水，亲水头部朝向水相。

脂质形成什么结构，取决于分子形状：

双分子层还会自发封闭成囊泡，因为平面边缘会把疏水尾部暴露给水，这在能量上不利。封闭成球形结构后，疏水尾部被埋起来，体系更稳定。

这个物理事实非常重要：细胞膜的形成不需要复杂模板，脂质本身的化学性质就足以驱动膜的自组装。

三、真核细胞膜的三大脂质组分

真核细胞质膜主要由三类脂质组成：

• 磷脂 phospholipids
• 固醇 sterols，动物细胞中主要是胆固醇 cholesterol
• 糖脂 glycolipids

1. 磷脂：膜的主体

磷脂大致分为两类：

• 磷酸甘油酯 phosphoglycerides：以甘油为骨架，是膜中最丰富的磷脂。
• 鞘磷脂 sphingomyelin：以鞘氨醇 sphingosine 为骨架，常富集在质膜外叶。

常见磷酸甘油酯包括：

脂肪酸尾部也影响膜性质。饱和尾巴更直，容易紧密排列；不饱和尾巴含顺式双键，会形成弯折，使脂质难以紧密堆积，从而提高膜流动性。

2. 胆固醇：膜流动性的缓冲器

胆固醇具有刚性的四环结构，插在磷脂尾部之间。它对膜流动性的影响具有双向性：

• 低温时，胆固醇阻止脂肪酸尾部紧密排列，防止膜凝固。
• 高温时，胆固醇限制尾部过度运动，降低膜过度流动。

所以胆固醇不是简单地“增加”或“降低”流动性，而是让膜维持在合适的物理状态。

3. 糖脂：细胞表面的识别层

糖脂含有糖基团，在动物细胞中多以鞘脂为基础。它们主要位于质膜外叶，尤其在神经细胞中丰富。

常见类型：

• 脑苷脂 cerebroside：含单个糖基，通常电荷中性。
• 神经节苷脂 ganglioside：含多个糖基，常带有唾液酸，因此带负电。

糖脂的功能包括保护细胞表面、参与细胞识别，并可作为病原体或毒素的受体。例如 GM1 是霍乱毒素的受体。

四、不同膜的脂质组成不同

不同细胞器膜并不是同一种“通用膜”。它们的脂质组成反映各自功能。

例如：

• 细菌膜通常没有胆固醇，PE 含量高。
• 髓磷脂糖脂含量很高，适合神经轴突绝缘。
• 线粒体内膜具有特殊脂质组成，适合能量转化。
• ER 膜是很多脂质合成的起点。

这说明膜脂不仅是结构材料，也参与决定细胞器身份和功能。

五、脂质合成与转运

大多数膜脂在 ER 上合成，包括磷脂、胆固醇和神经酰胺等。

脂质从 ER 到其他膜区室主要有三种路线：

• 囊泡转运：脂质随囊泡出芽和融合移动。
• 膜接触位点：两个细胞器膜靠得很近，脂质可在接触点直接转移。
• 胞质脂质转运蛋白：蛋白从一个膜中提取脂质，再把它送到另一个膜。

注意，膜脂转运并不是随机平均分配。细胞需要把特定脂质富集在特定膜、特定叶层和特定微域中。

六、质膜脂质的不对称性

质膜外叶和内叶组成不同：

• 外叶：糖脂、PC、鞘磷脂较多。
• 内叶：PS、PE、PI 较多。
• 胆固醇：两侧大致都有。

脂质自发从一个叶层翻到另一个叶层非常慢，因为极性头基要穿过疏水核心，能量代价高。细胞依赖三类转位酶维持或改变不对称性：

一个常考例子是凋亡。正常细胞中 PS 位于内叶；凋亡时 scramblase 活化，PS 暴露在外叶，成为巨噬细胞识别的“吃我”信号。

七、磷脂酰肌醇与膜信号

PI 位于质膜内叶，它的肌醇环可以被不同激酶磷酸化，生成多种 PIP 脂质。

重要例子：

• PI(4,5)P2 可被 PLC 切割为 IP3 和 DAG。
• IP3 促进 ER 释放 Ca2+。
• DAG 留在膜上并激活 PKC。
• PI(3,4,5)P3 可招募带 PH 结构域的信号蛋白，如 Akt。
• PTEN 可去磷酸化 PI(3,4,5)P3，是重要肿瘤抑制因子。

所以 PI 类脂质虽然含量不高，却是膜上信号组织的关键坐标。

八、脂滴：储存脂质的特殊细胞器

脂滴 lipid droplet 由磷脂单分子层包裹中性脂质核心，核心主要含三酰甘油 TAG 和胆固醇酯 CE。

它们从 ER 形成，功能包括：

• 储存能量。
• 缓冲脂质毒性。
• 维持脂质稳态。
• 为膜合成和代谢提供脂质来源。

脂滴不是“油滴垃圾堆”，而是可调控的代谢细胞器。

九、膜蛋白的功能

膜的很多关键功能由膜蛋白执行，包括：

• 转运：离子通道、转运体、泵。
• 受体：识别激素、生长因子、神经递质等。
• 酶：把反应限制在膜表面或特定细胞器上。
• 连接：把细胞外基质或相邻细胞连接到细胞骨架。
• 能量转换：如电子传递链和 ATP 合酶。
• 膜变形：参与囊泡形成、膜融合和细胞形态变化。

十、膜蛋白的类型

1. 内在膜蛋白 integral membrane proteins

内在膜蛋白与脂双层结合紧密，通常需要去污剂才能提取。

常见形式：

• 跨膜蛋白：一段或多段跨过整个脂双层。
• 单层嵌入蛋白：只嵌入一个叶层。
• 脂质锚定蛋白：通过共价连接的脂质锚定位于膜上。

脂质锚包括：

• Myristoyl anchor，常连在 N 端甘氨酸。
• Palmitoyl anchor，常连在半胱氨酸。
• Prenyl anchor，常见于 Ras、Rab 等小 G 蛋白。
• GPI anchor，位于膜外叶，常见于细胞表面蛋白。

2. 外周膜蛋白 peripheral membrane proteins

外周膜蛋白不插入疏水核心，而是通过非共价相互作用结合在膜表面，常可用高盐或改变 pH 洗脱。

十一、跨膜蛋白的结构特征

多数跨膜蛋白用 alpha 螺旋穿过脂双层。一个跨膜 alpha 螺旋通常约 20-30 个氨基酸，富含疏水残基。

跨膜区可以用疏水性图 hydropathy plot 预测：连续疏水残基会形成明显峰值。

另一类跨膜结构是 beta 桶，常见于：

• 革兰氏阴性菌外膜。
• 线粒体外膜。
• 叶绿体外膜。

beta 桶可以形成孔蛋白、受体或转运相关结构。

十二、糖被与细胞识别

细胞表面常覆盖糖链，形成糖被 glycocalyx。糖链来自糖蛋白和糖脂，并且总是位于细胞外侧或细胞器腔面。

糖被的功能：

• 保护细胞表面。
• 增加润滑性。
• 参与细胞识别。
• 介导细胞黏附和免疫识别。

Lectins 是糖结合蛋白，能特异识别糖链。比如血管内皮和免疫细胞之间的识别就常依赖糖链和 lectin。

十三、膜的流动性

膜不是刚性壳，而是流体。脂质可以：

• 侧向扩散 lateral diffusion。
• 旋转 rotation。
• 弯曲 flexion。
• 很慢地跨叶层翻转 flip-flop。

影响流动性的因素：

• 不饱和脂肪酸越多，流动性越高。
• 脂肪酸链越短，流动性越高。
• 温度升高，流动性升高。
• 胆固醇起缓冲作用。

低温时膜可进入凝胶相，高温时进入液晶相。细胞需要把膜维持在合适的流动范围内，太硬或太软都不利于功能。

十四、脂质筏与膜微域

质膜并不是完全均一的二维液体。某些区域富含胆固醇、鞘磷脂和糖脂，形成更厚、更有序的微域，常称为脂质筏 lipid rafts。

脂质筏可富集：

• GPI 锚定蛋白。
• 某些跨膜受体。
• Src 家族激酶等信号蛋白。

其功能是把相关分子集中在同一区域，提高信号传递和膜组织效率。

十五、膜蛋白移动为什么会受限制

膜蛋白可以侧向扩散，但很多蛋白并不完全自由。

限制机制包括：

• 蛋白自组装成大复合物。
• 与细胞外基质结合。
• 与细胞骨架结合。
• 被紧密连接等细胞连接限制在特定膜域。
• 被皮层细胞骨架形成的“围栏”限制。

红细胞中的 spectrin 网络就是经典例子。Spectrin、ankyrin、actin、band 3 等形成膜骨架，维持红细胞形态并限制膜蛋白扩散。

十六、研究膜流动性和膜蛋白的方法

1. FRAP

FRAP 是 fluorescence recovery after photobleaching。实验思路是用荧光标记膜分子，用强光漂白一小块区域，然后观察周围未漂白分子扩散进入该区域的速度。

它可以反映：

• 分子在膜平面内的扩散速度。
• 可移动分子的比例。

2. 细胞融合实验

把人细胞和小鼠细胞融合，并用不同颜色标记膜蛋白。融合后初期两类膜蛋白分开，随后逐渐混合，说明膜蛋白可以在膜平面内侧向扩散。

3. 单粒子追踪

高速单粒子追踪可以看到膜蛋白不是简单自由扩散，而常在小范围内受限扩散，偶尔跳到相邻区域。

十七、去污剂与膜蛋白重组

去污剂 detergent 是研究膜蛋白的重要工具。它们也是两亲性分子，能把膜脂溶解成混合胶束。

常见类型：

研究膜蛋白常需要功能重组：

1. 用去污剂溶解膜。 2. 纯化目标膜蛋白。 3. 加入磷脂。 4. 去除去污剂。 5. 形成含功能蛋白的蛋白脂质体 proteoliposome。

纳米盘 nanodisc

Nanodisc 是一小片脂质双分子层，边缘由蛋白“腰带”包围，使其可溶于水。膜蛋白插入 nanodisc 后可更接近天然状态，因此常用于结构生物学，尤其是冷冻电镜研究。

十八、常见误区

• 误区一：膜只是“脂质袋子”。实际上膜蛋白和糖链决定了大量功能。
• 误区二：所有脂质都只是结构材料。PI、PIP、DAG、鞘脂代谢物都可作为信号分子。
• 误区三：膜两侧脂质一样。质膜叶层不对称是重要功能基础。
• 误区四：膜越流动越好。流动性必须维持在合适范围。
• 误区五：膜蛋白都能自由移动。细胞骨架、细胞连接和微域会限制扩散。

十九、你必须会的关键词

• amphipathic molecule
• lipid bilayer
• phosphoglyceride
• sphingomyelin
• cholesterol
• glycolipid
• lipid asymmetry
• flippase
• floppase
• scramblase
• phosphoinositide
• lipid droplet
• integral membrane protein
• peripheral membrane protein
• GPI anchor
• glycocalyx
• membrane fluidity
• lipid raft
• FRAP
• detergent
• nanodisc

二十、自测题

1. 为什么双尾磷脂更容易形成双分子层，而不是胶束？ 2. 胆固醇如何在低温和高温下分别影响膜流动性？ 3. 为什么 PS 暴露到质膜外叶可以作为凋亡信号？ 4. PI(4,5)P2 和 PI(3,4,5)P3 各自参与哪些信号事件？ 5. 内在膜蛋白和外周膜蛋白如何区分？ 6. alpha 螺旋跨膜区为什么富含疏水氨基酸？ 7. FRAP 实验能告诉我们什么，不能告诉我们什么？ 8. 为什么研究膜蛋白需要去污剂或 nanodisc？

二十一、考前速记版

膜的本质是两亲性脂质自组装成的双分子层。真核质膜主要含磷脂、胆固醇和糖脂；两侧脂质分布不对称，靠 flippase、floppase 和 scramblase 调控。膜蛋白有跨膜、单层嵌入、脂质锚定和外周结合等形式，是膜功能的主要执行者。膜具有流动性，但流动性受脂肪酸组成、温度、胆固醇和细胞骨架限制。脂质筏可富集信号分子。研究膜蛋白常用去污剂、蛋白脂质体和 nanodisc。