Campbell Biology Ch.7 Membrane Structure and Function

The Fluidity of Membranes#

细胞膜并非分子固定不动的静态结构。膜的维系主要依靠疏水相互作用，其作用力远弱于共价键。大多数脂质与部分蛋白质可在膜平面内横向流动，如同人群在空间内侧身移动。而磷脂分子在两层膜之间翻转换位的情况则极为罕见。

磷脂分子在膜内的横向移动十分迅速。相邻磷脂每秒换位约 $10^7$ 次，单个磷脂一秒内可移动约 $2 \mu m$，相当于典型细菌的细胞长度。蛋白质分子体积远大于脂质，移动速度更缓慢。许多膜蛋白因锚定在细 胞骨架或细胞外基质上，几乎固定不动。

膜在温度下降时仍能保持流动性，直到磷脂分子排列紧密、膜发生凝固。膜凝固的温度取决于其所含脂质的类型。在降温过程中，如果膜中富含具有不饱和烃尾的磷脂，它就能在更低的温度下仍保持流动性。由于双键所在的位置使烃尾产生扭曲，不饱和烃尾无法像饱和烃尾那样紧密地堆积在一起，这使得膜具有更高的流动性(图 7.5a)。

胆固醇是一种存在于动物细胞质膜中的甾醇类物质，嵌入在磷脂分子之间，它在不同温度下对膜流动性的影响也不同(图 7.5b)。在较高温度下——例如人体温度为 $37\text{°C}$ 时——胆固醇通过限制磷脂分子的运动来降低膜的流动性。然而，由于胆固醇也能阻碍磷脂分子的紧密堆积，它降低了膜凝固所需要的温度。因此，胆固醇可以被视为膜的“流动性缓冲剂”，能够抵抗温度变化所引起的膜流动性改变。

膜必须保持流动性才能正常发挥功能；膜的流动性既影响其通透性，也影响膜蛋白移动到功能所需位置的能力。然而，流动性过强的膜同样无法支持蛋白质的功能。

Membrane Proteins and Their Functions#

与马赛克类似，细胞膜是由不同蛋白质拼贴而成的集合体，这些蛋白质通常成群聚集在一起，嵌入在脂质双层的流动基质中。不同类型的细胞含有不同种类的膜蛋白，而且细胞内的各种膜结构各自拥有独特的蛋白质组合。

如图 7.3 中所示，膜蛋白主要分为两大类：整合蛋白和外周蛋白。整合蛋白 (integral protein) 穿透脂质双层的疏水内部，其中大多数是跨膜蛋白，横跨整个膜；其他整合蛋白只部分伸入疏水内部。整合蛋白的疏水区域由一段或多段非极性氨基酸组成，通常长度为 $20-30$ 个氨基酸，常卷曲成 $\alpha-$螺旋(图 7.6)。蛋白质分子的亲水部分则暴露在膜两侧的水溶液中。有些蛋白质还含有一个或多个亲水通道，允许亲水物质通过膜。外周蛋白 (peripheral protein) 则完全不嵌入脂质双层中；它们松散地结合在膜的表面，通常结合在整合蛋白的露出部分上。

膜蛋白的作用主要有六类：

• 运输：跨膜蛋白可以提供特定溶质的选择性的亲水通道
• 酶活性：位于膜中的蛋白质可能是一种酶，其活性位点暴露于相邻溶液中的物质
• 信号传导：膜蛋白 (受体) 可能具有与化学信使形微丝或细胞骨架的其他组件可能通过非共价键与膜蛋白连接，维持细胞形状，稳定特定膜蛋白的位置
• 细胞间识别：一些糖蛋白作为识别标记，可以被其他细胞的膜蛋白明确地识别
• 细胞间连接：相邻细胞间的膜蛋白可能以各种形式连在一起
• 连接到细胞骨架和 ECM：微丝或细胞骨架的其他组件可能通过非共价键与膜蛋白连接，维持细胞形状，稳定特定膜蛋白的位置

细胞表面的蛋白质在医学领域具有重要意义。例如，免疫细胞表面一种名为 $\text{CD}4$ 的蛋白质会帮助 $\text{HIV}$ 病毒感染这些细胞，从而导致艾滋病。虽然 $\text{CD}4$ 是 $\text{HIV}$ 的主要受体，但 $\text{HIV}$ 还必须结合作为“辅助受体”的免疫细胞表面蛋白 $\text{CCR}5$ 才能感染大多数细胞(图 7.8a)。由于基因变异，抵抗力个体细胞表面缺乏 $\text{CCR}5$，从而阻止了病毒进入细胞(图 7.8b)。这一发现成为开发 $\text{HIV}$ 治疗方法的关键。

The Role of Membrane Carbohydrates in Cell-Cell Recognition#

细胞间识别，即细胞区分不同类型邻近细胞的能力，对生物体的功能运作至关重要。细胞通过识别结合质膜细胞外表面上的分子来识别其他细胞。

膜上的糖类通常为短而分支的糖链，长度少于 $15$ 个单糖单位。部分糖类与脂质共价结合，形成糖脂 (glycolipid)；大多数则与蛋白质结合，生成糖蛋白 (glycoprotein)。

细胞膜外侧的糖类具有高度特异性：物种间、同种生物个体间，乃至同一个体的不同细胞类型之间均存在差异。这类分布于细胞表面的糖类可作为细胞识别标记。人类 $\text{A}$、$\text{B}$、$\text{AB}$、$\text{O}$ 四种血型，正是由红细胞表面糖蛋白的糖链结构差异所决定。

Synthesis and Sidedness of Membranes#

细胞膜具有明确的内外不对称性。两层脂质分子的组分存在差异，且每种膜蛋白在膜中都有固定的朝向。细胞膜上蛋白质、脂质及结合糖类的不对称分布，在膜合成过程中就已确定，由此形成细胞膜的极性与内外之分。

The Permeability of the Lipid Bilayer#

非极性分子（如烃类、$\text{CO}_2$、$\text{O}_2$）与脂质同为疏水物质，可直接溶于磷脂双分子层，无需膜蛋白协助就能快速跨膜。而离子与极性分子属于亲水物质，会被膜的疏水内层阻挡。葡萄糖等极性糖类穿透脂双层的速度极慢；即便水分子体积微小，作为极性分子，其跨膜效率也远低于非极性分子。带电粒子会结合水分子形成水合外壳，更难穿过疏水膜区。综上，磷脂双分子层是选择透过性的基础，而镶嵌在膜上的蛋白质，是调控物质运输的关键。

Transport Proteins#

特定离子与多种极性分子无法自行穿透细胞膜。但这类亲水物质可借助跨膜转运蛋白，避开磷脂双分子层的疏水区域完成跨膜。一类转运蛋白为通道蛋白 (channel protein)，内部形成亲水通道，可供特定分子、离子以隧道方式通过。例如水通道蛋白 (aquaporin) 能大幅加快水分子运输，该蛋白由四条相同多肽亚基构成，通道内水分子单列通行，每秒可转运海量水分子；若无水通道蛋白，水分子自发跨膜效率极低。另一类是载体蛋白 (carrier protein)，通过结合底物并发生构象改变，将物质转运至膜另一侧。

转运蛋白具有高度特异性，仅运输特定物质或少数同类物质。细胞膜的选择透过性，由磷脂双分子层的屏障作用与特异性转运蛋白共同决定。

Effects of Osmosis on Water Balance#

为理解不同溶质浓度溶液的相互作用，设想一个 $\text{U}$ 型玻璃管，中间由一层选择透过性人工膜隔开两种蔗糖溶液(图 7.12)。该人工膜孔径较小，蔗糖分子无法通过，但允许水分子穿过。亲水溶质会结合大量水分子，使其无法自由移动。因此，溶质浓度越高，自由水的浓度就越低。水分子会从自由水浓度高一侧，向自由水浓度低的一侧扩散，直至两侧溶质浓度趋于平衡。

自由水通过选择透过性膜的扩散过程，即为渗透作用 (osmosis)。水的跨膜流动，以及细胞与外界的水平衡，对生物体生存至关重要。

Water Balance of Cells Without Cell Walls#

要解释细胞在溶液中的形态变化，需同时考虑溶质浓度与细胞膜通透性。张力 (tonicity) 综合了以上两点，指外界溶液促使细胞吸水或失水的能力。溶液张力主要取决于不可透过性溶质的相对浓度。若外界不可透过性溶质浓度更高，水分会流出细胞；反之，水分进入细胞。

无细胞壁的动物细胞置于等渗溶液 (isotonic) 中时，细胞膜两侧无水分净移动。水分子双向扩散速率相等，细胞体积保持稳定(图 7.13a)。

将细胞置于高渗溶液 (hypertonic) 中时（高渗指不可透过溶质浓度更高），细胞会失水皱缩，甚至死亡。湖泊盐度升高致使水生动物死亡，正是因为湖水变为高渗环境，细胞大量失水皱缩。

吸水过多同样具有致命危害。若放入低渗溶液 (hypotonic)，水分子进入细胞的速率大于流出速率，细胞持续吸水膨胀，最终破裂裂解。

无坚硬细胞壁的细胞无法耐受过度吸水或失水。生活在等渗环境中，便可自然维持水平衡。而在高渗或低渗环境下，无细胞壁生物必须依靠渗透调节机制 (osmoregulation)，控制溶质浓度与水分平衡。例如草履虫 (Paramecium caudatum) 生活在低渗的淡水中，其细胞膜透水速率较低，只能减缓进水；它依靠伸缩泡主动泵出渗入的水分，避免细胞涨裂。

Facilitated Diffusion: Passive Transport Aided by Proteins#

大量无法穿透磷脂双分子层的极性分子与离子，可借助跨膜转运蛋白进行被动扩散，该过程称为协助扩散 (facilitated diffusion)。

如上文所述，转运蛋白分为通道蛋白与载体蛋白两类。通道蛋白形成亲水通道，专供特定分子或离子快速跨膜运输(图 7.15a)。其亲水通道可使水分子、小型离子高效完成被动扩散。

运输离子的通道蛋白称为离子通道。多数离子通道为门控通道，可受特定刺激调控开合。部分门控通道由电信号触发。例如神经细胞中，钾离子通道受电刺激开启，钾离子外流，帮助细胞恢复兴奋传导能力。另一类门控通道响应化学信号，特定配体结合后才会发生开闭。离子通道是神经系统运作的关键结构。

载体蛋白（如葡萄糖转运蛋白）会发生细微构象变化，将溶质结合位点转移至膜另一侧(图 7.15b)。这种形态改变，通常由底物的结合与释放触发。与离子通道相同，协助扩散中的载体蛋白，仅介导物质顺浓度梯度的净运输。

The Need for Energy in Active Transport#

逆浓度梯度跨膜运输溶质需要做功，细胞必须消耗能量，该运输方式称为主动运输。执行主动运输的转运蛋白均为载体蛋白，而非通道蛋白。通道蛋白开放时仅允许溶质顺浓度梯度自由扩散，无法结合物质并完成逆梯度转运。

主动运输能让细胞维持胞内小分子溶质与外界不同的浓度水平。例如，动物细胞内 $\text{K}^+$ 浓度远高于胞外，$\text{Na}^+$ 浓度则远低于胞外。细胞膜通过主动运输将 $\text{Na}^+$ 泵出细胞、$\text{K}^+$ 泵入细胞，以此维持这种悬殊的浓度梯度。

和细胞的其他生命活动一样，大多数主动运输由 $\text{ATP}$ 水解供能。$\text{ATP}$ 可为主动运输供能，将其末端磷酸基团直接转移至转运蛋白上，诱导蛋白发生构象改变，进而将结合的溶质跨膜转运。钠钾泵便是典型代表，在动物细胞膜上完成 $\text{Na}^+$ 与 $\text{K}^+$ 的逆向交换(图 7.16)。

How Ion Pumps Maintain Membrane Potential#

所有细胞的细胞膜两侧都存在电位差。电压是一种电势能，源于正负电荷的分隔。由于膜两侧阴阳离子分布不均，细胞膜的细胞质一侧相对胞外带负电。这种跨膜电位称为膜电位，范围约为 $-50 \sim -20\text{ mV}$；负号代表胞内电位低于胞外。

膜电位如同电池，作为能量来源，影响所有带电物质的跨膜运输。由于胞内相对胞外带负电，膜电位会促进阳离子被动内流、阴离子被动外流。

离子的跨膜扩散受两种力量驱动：一是化学驱动力，即离子的浓度梯度；二是电驱动力，即膜电位对离子移动的作用。作用于离子的这两种合力，统称为电化学梯度。

针对离子而言，需要完善被动运输的概念：离子并非单纯顺浓度梯度扩散，而是精准地顺电化学梯度扩散。化学驱动力并非在所有情况下都与电驱动力方向一致。当膜电位产生的电场力阻碍离子顺浓度梯度自发扩散时，就需要依靠主动运输完成转运。电化学梯度与膜电位在神经冲动传导中具有关键作用。

部分主动转运离子的膜蛋白会参与维持膜电位。钠钾泵是典型实例：它并非一对一交换离子，每向内转运 $2$ 个 $\text{K}^+$，会向外泵出 $3$ 个 $\text{Na}^+$。

每一次循环，都会向胞外净转移一个正电荷，以此形成并储存跨膜电位差。这类能够产生跨膜电压的转运蛋白，称为生电泵 (electrogenic pump)。钠钾泵是动物细胞主要的生电泵。植物、真菌和细菌的主要生电泵是质子泵 (proton pump)，它能主动将 $\text{H}^+$ 运出细胞(图 7.18)。氢离子的外运，会将正电荷从细胞质转移至胞外环境。

Cotransport: Coupled Transport by a Membrane Protein#

当膜两侧存在浓度差时，溶质顺浓度梯度下坡扩散可释放能量、做功。在协同运输机制中，协同转运蛋白可以将溶质的“顺浓度梯度”扩散与第二种物质的“逆浓度梯度”转运耦合起来。例如，植物细胞依靠质子泵消耗 $\text{ATP}$ 建立的 $\text{H}^+$ 梯度，完成氨基酸、糖类等营养物质的主动吸收(图 7.19)。动物体内也存在类似的共转运蛋白，它将 $\text{Na}^+$ 与葡萄糖一起转运进入肠道细胞，此时葡萄糖是顺着自身浓度梯度进入细胞的。

Exocytosis#

细胞通过将囊泡与质膜融合来分泌特定分子，这一过程称为胞吐 (exocytosis)。一个从高尔基体出芽形成的运输囊泡沿着细胞骨架的微管移动到质膜。当囊泡膜与质膜接触时，两种膜上的特定蛋白质会重新排列两个双分子层中的脂质分子，从而使两膜发生融合。囊泡内的物质被释放到细胞外，而囊泡膜则成为质膜的一部分(图 7.20)。

许多分泌细胞利用胞吐作用来输出产物。当植物细胞构建细胞壁时，胞吐作用将一些必需的蛋白质和碳水化合物从高尔基体囊泡输送到细胞外部。

Endocytosis#

在胞吞作用中，细胞通过从质膜形成新的囊泡来摄取分子和颗粒物质。尽管所涉及的蛋白质不同，但胞吞作用的过程看起来就像是胞吐作用的逆过程。首先，质膜的一小片区域向内凹陷形成一个口袋状结构。然后，随着这个口袋加深，它向内掐断，形成一个含有原本在细胞外物质的囊泡。胞吞作用分为三种类型：吞噬作用、胞饮作用以及受体介导的胞吞作用。

• 吞噬作用 (phagocytosis)：细胞通过伸出伪足包裹住一个颗粒，并将其封装在一个称为食物泡的膜性囊泡内，从而将该颗粒吞噬。随后，当食物泡与含有水解酶的溶酶体融合后，该颗粒便会被消化。
• 胞饮作用 (pinocytosis)：细胞通过质膜的内陷持续地将细胞外液的小液滴“吞入”微小的囊泡中。通过这种方式，细胞获取了液滴中溶解的分子。由于所有溶质都会被非特异性地摄入细胞，因此胞饮作用对其所转运的物质不具有选择性。
• 受体介导的胞吞作用 (receptor-mediated endocytosis)：胞饮作用的一种特化形式，它使细胞能够大量摄取特定的物质。细胞膜上镶嵌有外露受体位点的膜蛋白，特定溶质可与受体特异性结合。随后受体蛋白聚集于有被小窝处，小窝内陷形成囊泡，包裹结合的目标分子及部分胞外液体。胞吞物质在囊泡内释放后，空载的受体可随囊泡循环运回细胞膜，重复利用。