细胞膜

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  细胞膜汉语拼音:Xibao Mo;英语:Cell Membrane),包围细胞质的一套薄膜。又称细胞质膜外周膜生物膜的一种,它是由蛋白质脂质、多糖等分子有序排列组成的动态薄层结构,平均厚度约10纳米。有人将细胞膜外一层含多糖的物质称为外被,细胞膜和外被合称为细胞表面。

化学组成

  细胞膜主要由脂质、蛋白质(包括酶)和多糖组成。脂质和蛋白质各约占膜干重的一半稍弱,多糖不到10%,水约占膜湿重的1/5。此外还有少量的无机离子等。

脂质

  脂质中大部分是磷脂,其次是胆固醇,还有少量糖脂 ,有些细胞膜(如嗜盐菌膜)还含有硫脂,它们都是兼性分子。细胞膜中脂质分子的亲水端向外,疏水端向内排成脂质双分子层。脂双层的内外两层中的脂质分子分布是不对称的。糖脂都在外层,糖残基位于脂双层的表面。磷脂在内外二层中的分布是不相等的。

膜蛋白

  细胞中大约有20%~25%左右的蛋白质分子是与膜结构结合的。根据这些蛋白质与膜脂的相互作用方式及其在膜中分布部位的不同,粗略地可分为两大类:外周蛋白和内部蛋白。①外周蛋白分布于膜的外表面,约占膜蛋白的20%~30%。它们都为水溶性蛋白质。②内部蛋白约占膜蛋白的70%~80%,它们有的部分嵌入双分子脂质层中,有的跨膜分布,还有的则全部埋藏在双分子层的疏水区内部。

多糖

  细胞膜约含5%~10%的多糖,这些糖主要以糖 脂或糖蛋白形式存在,具有很重要的生理功能。细胞与周围环境相互作用中(如细胞间识别,激素作用等等)几乎都涉及到糖脂和糖蛋白,它们也是膜抗原的重要组分。

膜的流动性

  流动性是细胞膜结构的基本特征,它既包括脂质,也包括膜蛋白的运动状态。影响细胞膜流动性的因素很多,除膜脂和膜蛋白本身的组分外,温度、pH、金属离子以及离子强度等都会对流动性产生影响。合适的流动性是膜蛋白(包括酶)呈现合适的构象,从而具有较高活性的重要条件。

结构的分子模型

  对于细胞膜的分子结构先后提出过几十种模型,影响较大的有以下几种。

流体镶嵌模型

  在膜脂的流动性和膜蛋白分布的不对称性等研究成果的基础上,1972年美国S.J.辛格与G.L.尼科尔森提出的模型,这个模型认为膜是由脂质和蛋白质分子按二维排列的流体。与过去提出的所有模型不同,流体镶嵌模型的特点首先在于膜的结构不是静止的,流态的脂质双分子层构成膜的连续体。其次,这个模型显示了膜蛋白分布的不对称性,有的镶在脂质双分子层表面,有的则部分或全部嵌入其内部,有的则横跨脂质双分子层。

板块镶嵌模型

  有人发现流动性在膜的各部分并不是均匀的,分子间的聚集而形成一定的区域(或称区块)结构。各个区块结构的组分和流动性是不相同的。基于上述情况人们对流体镶嵌模型进行补充,提出了板块镶嵌模型。这种模型显示,整个细胞膜是具有不同流动性“板块”相间隔的动态结构。随着生理状态和环境条件的变化,这些“板块”结构的流动性是可以变化的,因而细胞膜各部分的流动性也不断处于动态的变化之中。

功能

  细胞膜具有多种功能,主要为物质运送、能量转换和信息传递。

物质运送

  脂质双分子层是细胞膜结构的基本框架。按理,不带电荷的脂溶性物质容易通透,而带有电荷或极性基团的亲水物质则难以自由出入。但实际上通过细胞膜的运送过程具有高度选择性。这是由于在膜上含有专一的运送载体、运送体或运送酶系。根据运送过程自由能的变化情况,细胞膜的运送基本上可分为两大类:主动运送和被动运送。物质从浓度较大一侧通过膜运送到浓度较小的一侧,称为被动运送,它的速率依赖于膜两侧被运送物质的浓度差及其分子的大小、电荷性质等等。这是一个不需供给能量的自发过程 。凡物质逆浓度梯度进行运送称为主动运送,在此过程中自由能是增加的,需要供给能量才能进行。

  通过细胞膜的运送大多属于主动运送。主动运送,至少必须具有两个体系,一是参与运送的传递体,二是酶或酶系组成的能量供应体系。这二者偶联才能进行主动运送。

  ①钾钠的主动运送——钾钠泵。大多数细胞内部的Na+浓度比周围环境低,K+浓度比周围环境高。这种离子梯度的形成是主动运送的结果。这个运送体系称为钾钠泵。钾、钠泵本身即具有K+、Na+-ATP酶活性。它水解ATP所释放的能量即可驱动K+、Na+的主动运送。

  ②钙的主动运送——钙泵 。大多数动物细胞内Ca2+浓度很低。钙泵具有Ca2+激活ATP酶(Ca2+-ATP酶)活性,钙泵主动运送Ca2+是由ATP水解提供的能量来驱动的。

  ③阴离子运送。阴离子运送通过膜也需一定的载体,例如,红细胞膜的带3蛋白就是一种运送阴离子(Cl-,Z39.jpg等)的载体。带3蛋白运送阴离子的过程是一个不需能的自发过程。

  ④内吞与外排。大分子物质通过细胞膜的另外一种方式。内吞指通过细胞质膜内陷形成囊泡,将外界物质裹进并输入细胞的过程。外排与内吞相反为细胞内物质通过被囊泡裹入形成分泌泡,并与细胞质膜接触、融合从而排至细胞外的过程。这种过程和其他主动运送一样也需要供应能量,如果氧化磷酸化作用被抑制,内吞或外排过程也就不能进行。

能量转换

  有些原核细胞的能量转换过程可在细胞质膜上进行,如大肠肝菌的细胞质膜也分布有氧化磷酸化酶系 ,通过氧化进行能量转换。

信息传递

  全过程包括信息分子的产生,识别,接受和传递。细胞表面在信息传递过程中起着中间媒介作用。