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2、鞘磷脂
鞘磷脂（sphingomyelin，SM，图4-4）在脑和神经细胞膜中特别丰富，亦称神经醇磷脂，它是以鞘胺醇（sphingoine）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。
原核细胞和植物中没有鞘磷脂。
图4-4鞘磷脂
（二）、糖脂
糖脂（图4-5、4-6）是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10％。
糖脂也是两性分子。
其结构与SM很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。
最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作为极性头部，在髓鞘的多层膜中含量丰富；
变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。
神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。
儿童所患的家族性白痴病（Tay-sachsdisease）就是因为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂GM2加工成为GM3，结果大量的GM2累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退化。
神经节苷脂本身就是一类膜上的受体，已知破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素和5-羟色胺等的受体就是不同的神经节苷脂。
图4-5葡糖脑苷脂
图4-6糖脂的结构1.半乳糖脑苷脂，2.GM1神经节苷脂，3.唾液酸
（三）、胆固醇
胆固醇（图4-7）仅存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。
如：
在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。
图4-7胆固醇
（四）、脂质体
脂质体（liposome）是一种人工膜。
在水中磷脂分子亲水头部插入水中，疏水尾部伸向空气，搅动后形成双层脂分子的球形脂质体，直径25~1000nm不等。
脂质体可用于转基因，或制备的药物，利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。
图4-8脂质体（根据GeraldKarp2002修改）
二、膜蛋白
膜蛋白是膜功能的主要体现者。
据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。
根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为整合蛋白（integralprotein）、外周蛋白（peripheralprotein）和脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）。
整合蛋白可能全为跨膜蛋白（tansmembraneproteins），为两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。
由于存在疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂（detergent）才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂SDS（图4-9），非离子型去垢剂Triton-X100（图4-10）。
图4-9十二烷基磺酸钠
图4-10Triton-X100
整合蛋白的跨膜结构域可以是1至多个疏水的α螺旋，形成亲水通道的整合蛋白跨膜区域有两种组成形式，一是由多个两性α螺旋组成亲水通道；
而是由两性β折叠组成亲水通道（图4-11）。
外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。
脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）可以分为两类，一类是糖磷脂酰肌醇（glycophosphatidylinositol，GPI）连接的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释放出结合的蛋白。
许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。
另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合，如三聚体GTP结合调节蛋白（trimericGTP-bindingregulatoryprotein）的α和γ亚基。
图4-11蛋白与膜的结合方式
①、②整合蛋白；
③、④脂锚定蛋白；
⑤、⑥外周蛋白
第二节质膜的结构
一、质膜结构的研究历史
1.E.Overton1895发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。
图4-12水溶性物质难以通过质膜
2.E.Gorter&
F.Grendel1925用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。
3.J.Danielli&
H.Davson1935发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质，从而提出了”蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型。
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的。
1959年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。
4.
J.D.Robertson1959用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构（图4-13），厚约7.5nm。
这就是所谓的“单位膜”模型。
它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成。
单位膜模型的不足之处在于把膜的动态结构描写成静止的不变的。
图4-13红细胞膜的结构
5.S.J.Singer&
G.Nicolson1972 根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在”单位膜”模型的基础上提出”流动镶嵌模型”。
强调膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。
二、质膜的流动镶嵌模型
流动镶嵌模型突出了膜的流动性和不对称性，认为细胞膜由流动的脂双层和嵌在其中的蛋白质组成。
磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架，蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双层，表现出分布的不对称性（图4-14）。
图4-14质膜的的结构模型
（一）质膜的流动性
质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。
1．膜脂分子的运动
1.
侧向扩散：
同一平面上相邻的脂分子交换位置（图4-15）。
2.
旋转运动：
膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。
3.
摆动运动：
膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。
伸缩震荡：
脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。
5.
翻转运动：
膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。
是在翻转酶（flippase）的催化下完成。
6.
旋转异构：
脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。
图4-15膜脂的分子运动
2．影响膜流动性的因素
影响膜流动的因素主要来自膜本身的组分，遗传因子及环境因子等。
包括：
胆固醇：
胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。
脂肪酸链的饱和度：
脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。
脂肪酸链的链长：
长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。
卵磷脂/鞘磷脂：
该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。
其他因素：
膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。
3．膜蛋白的分子运动
主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。
可用光脱色恢复技术（fluorescencerecoveryafterphotobleaching，FRAP）[1]和细胞融合技术（图4-16）检测侧向扩散。
旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动，膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。
图4-16利用细胞融合技术观察蛋白质运动
（1970年LarryFrye等人将人和和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。
）
4．膜流动性的生理意义
质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。
例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。
当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。
（二）膜的不对称性
质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异，称为膜的不对称性。
膜脂、膜蛋白和复合糖在膜上均呈不对称分布，导致膜功能的不对称性和方向性，即膜内外两层的流动性不同，使物质传递有一定方向，信号的接受和传递也有一定方向等。
样品经冰冻断裂处理后，细胞膜往往从脂双层中央断开，为了便于研究，各部分都有固定的名称（图4-17）：
ES，质膜的细胞外表面（extrocytopasmicsurface）；
PS，质膜的原生质表面（protoplasmicsurface）；
EF（extrocytopasmicface），质膜的细胞外小页断裂面；
PF（protoplasmicface），原生质小页断裂面。
图4-17膜各个断面的名称
1．膜脂的不对称性：
脂分子在脂双层中呈不均匀分布，质膜的内外两侧分布的磷脂的含量比例也不同。
PC和SM主要分布在外小页，而PE和PS主要分布在质膜内小叶。
用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的PC降解，而PE和PS分别只有20%和10%的被降解。
膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域——脂筏。
参见下文。
2．膜蛋白的不对称性
膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性和分布的区域性。
各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。
某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能，如：
蛋白激酶C结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；
线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。
3．复合糖的不对称性
无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。
三、脂筏
脂筏（lipidraft）是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域（microdomain）。
大小约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。
由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分子间的作用力较强，所以这些区域结构致密，介于无序液体与液晶之间，称为有序液体（Liquid-ordered）。
在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，所以又称为抗去垢剂膜（detergent-resistantmembranes，DRMs）。
脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。
从脂筏的角度来看，膜蛋白可以分为三类：
①存在于脂筏中的蛋白质；
包括糖磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPIanchoredprotein），某些跨膜蛋白，Hedgehog蛋白，双乙酰化蛋白（doublyacylatedprotein）如：
非受体酪氨酸激酶Src、G蛋白的Gα亚基、血管内皮细胞的一氧化氮合酶（NOS）；
②存在于脂筏之外无序液相的蛋白质；
③介于两者之间的蛋白质，如某些蛋白在没有接受到配体时，对脂筏的亲和力低，当结合配体，发生寡聚化时就会转移到脂筏中。
脂筏中的胆固醇就像胶水一样，它对具有饱和脂肪酸链的鞘磷脂亲和力很高，而对不饱和脂肪酸链的亲和力低，用甲基-β-环糊精（methyl-β-cyclodextrin）去除胆固醇，抗去垢剂的蛋白就变得易于提取。
膜中的鞘磷脂主要位于外小页，而且大部分都参与形成脂筏。
据估计脂筏的面积可能占膜表面积的一半以上。
脂筏的大小是可以调节的，小的独立脂筏可能在保持信号蛋白呈关闭状态方面具有重要作用，当必要时，这些小的脂筏聚集成大一个大的平台，在那里信号分子（如受体）将和它们的配件相遇，启动信号传递途径。
如致敏原（allergen）能够将过敏患者体内肥大细胞或嗜碱性细胞表面的IgE抗体及其受体桥联起来，形成较大的脂筏，受体被脂筏中的Lyn（一种非受体酪氨酸激酶）磷酸化，启动下游的信号转导，最终引发过敏反应。
细胞表面的穴样内陷（caveolae）具有和脂筏一样的膜脂组成，不含笼形蛋白（clathrin），含有caveolin（一种小分子量的蛋白，21KD）。
大量存在于脂肪细胞、上皮细胞和平滑肌细胞。
这种结构细胞的内吞有关，另外穴样内陷中还富含某些信号分子，说明它与细胞的信号转导有关。
四、细胞膜的功能
细胞质膜的主要功能概括如下：
为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；
选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出；
提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；
为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；
介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；
参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。
第三节细胞表面的分化
细胞表面的特化结构如：
膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等等，分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有关。
一、
细胞外被
动物细胞表面存在着一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被（cellcoat）或糖萼（glycocalyx）。
用重金属染料如：
钌红染色后，在电镜下可显示厚约10~20nm的结构，边界不甚明确。
细胞外被是由构成质膜的糖蛋白和糖脂伸出的寡糖链组成的，实质上是质膜结构的一部分（图4-18）。
细胞外被的作用有：
1、保护作用：
细胞外被具有一定的保护作用，去掉细胞外被，并不会直接损伤质膜。
2、细胞识别：
细胞识别与构成细胞外被的寡糖链密切相关。
寡糖链由质膜糖蛋白和糖脂伸出，每种细胞寡糖链的单糖残基具有一定的排列顺序，编成了细胞表面的密码，它是细胞的”指纹”，为细胞的识别形成了分子基础。
同时细胞表面尚有寡糖的专一受体，对具有一定序列的寡糖链具有识别作用。
因此，细胞识别实质上是分子识别。
Townes和Holtfreter（1955）把两栖类动物的原肠胚3个胚层的细胞分散后，混合培养，结果3个胚层的细胞均自行分类聚集，分别参加其来源胚层的组建。
如果将鸡胚细胞和小鼠胚细胞分散后相混培养，各种细胞仍按来源组织分别聚集，但相聚细胞只具有组织的专一性，而没有物种的分辨能力。
3、决定血型：
血型实质上是不同的红细胞表面抗原，人有20几种血型，最基本的血型是AB0血型。
红细胞质膜上的糖鞘脂是AB0血型系统的血型抗原，血型免疫活性特异性的分子基础是糖链的糖基组成。
A、B、O三种血型抗原的糖链结构基本相同，只是糖链末端的糖基有所不同。
A型血的糖链末端为N-乙酰半乳糖；
B型血为半乳糖；
AB型两种糖基都有，O型血则缺少这两种糖基。
二、膜骨架
膜骨架指质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构（meshwork），它参与维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。
膜骨架位于细胞质膜下约0.2μm厚的溶胶层。
成熟的动物血红细胞没有细胞核、细胞器和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料。
红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影（ghost,图4-19）。
SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析分析结果表明，血影蛋白主要成分包括：
血影蛋白（spectrin）、锚蛋白（ankyrin）、带4.2蛋白（band4.2）、带4.1蛋白（band4.1）、短肌动蛋白（shortactin）和血型糖蛋白（glycophorin）。
血影蛋白和肌动蛋白是外周蛋白，去除后血影的形状变得不规则，膜蛋白的流动性增强。
血型糖蛋白和带3蛋白为整合蛋白，经TritonX-100处理，此二带消失但血影仍维持原来的形状。
血影蛋白：
由结构相似的α链、β链组成一个异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成一四聚体。
锚蛋白（ankyrin）：
与血影蛋白和带3蛋白的胞质部相连，将血影蛋白网络连接到质膜上。
带三蛋白：
是阴离子载体，通过交换Cl－，使HCO－3进入红细胞。
为二聚体。
每个单体含929个氨基酸，穿膜12次。
血型糖蛋白：
单次穿膜糖蛋白，约有131个氨基酸，N端在膜外侧，结合16条寡糖链；
C-端在胞质面，链较短，与带4.1蛋白相连。
血型糖蛋白与MN血型有关，其功能尚不明确。
血影蛋白四聚体游离端与短肌动蛋白纤维（约13~15单体）相连，形成血影蛋白网络。
并通过带4.1蛋白与血型糖蛋白连结，通过锚蛋白与带3蛋白相连。
这一骨架系统赋与了红细胞质膜的刚性与韧性，得以几百万次地通过比它直径还小的微血管、动脉、静脉。
至于红细胞的双凹型可能还与肌球蛋白的作用有关。
图4-19红细胞膜骨架的网络结构
三、质膜的特化结构
质膜常带有许多特化的附属结构。
微绒毛、褶皱、纤毛、鞭毛等等，这些特化结构在细胞执行特定功能方面具有重要作用。
由于其结构细微，多数只能在电镜下观察到。
（一）微绒毛
微绒毛（microvilli,图4-20）是细胞表面伸出的细长指状突起，广泛存在于动物细胞表面。
微绒毛直径约为0.1μm。
长度则因细胞种类和生理状况不同而有所不同。
小肠上皮细胞刷状缘中的微绒毛，长度约为0.6~0.8μm。
微绒毛的内芯由肌动蛋白丝束组成，肌动蛋白丝之间由许多微绒毛蛋白（villin）和丝束蛋白（fimbrin）组成的横桥相连。
微绒毛侧面质膜有侧臂与肌动蛋白丝束相连，从而将肌动蛋白丝束固定。
微绒毛的存在扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交换。
如小肠上的微绒毛，使细胞的表面积扩大了30倍，大大有利于大量吸收营养物质。
不论微绒毛的长度还是数量，都与细胞的代谢强度有着相应的关系。
例如肿瘤细胞，对葡萄糖和氨基酸的需求量都很大，因而大都带有大量的微绒毛。
图4-20糖萼与微绒毛
（二）皱褶
在细胞表面还有一种扁形突起，称为皱褶（ruffle）或片足（lamllipodia）。
皱褶在形态上不同于微绒毛，它宽而扁，宽度不等，厚度与微绒毛直径相等，约0.1μm，高达几微米。
在巨噬细胞的表面上，普遍存在着皱褶结构，与吞噬颗粒物质有关（图4-21）。
（三）内褶
内褶（infolding，图4-22）是质膜由细胞表面内陷形成的结构，同样具有扩大了细胞表面积的作用。
这种结构常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。
图4-22巨噬细胞表面的皱褶
（四）纤毛和鞭毛
纤毛（cilia）和鞭毛（flagella）是细胞表面伸出的条状运动装置。
二者在发生和结构上并没有什么差别，均由9+2微管构成（图4-22）。
有的细胞靠纤毛（如草履虫）或鞭毛（如精子和眼虫）在液体中穿行；
有的细胞，如动物的某些上皮细胞，虽具有纤毛，但细胞本体不动，纤毛的摆动可推动物质越过细胞表面，进行物质运送，如气管和输卵管上皮细胞的表面纤毛。
纤毛和鞭毛都来源于中心粒。
关于纤毛和鞭毛的详细结构和功能可参见第八章细胞骨架。
图4-22内褶
图4-23同翅目昆虫精子鞭毛横切（示9+2微管结构）
[1]用荧光标记的抗体与细胞膜上的抗原反应，使细胞膜带有荧光，用紫外线照射，使一侧细胞的荧光淬灭，放置一段时间后会发现荧光物质又均匀分布在细胞表面。
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