细胞膜 | 质膜

什么是细胞膜 | 质膜

细胞膜，也称为质膜，是一种薄的、半透性膜或屏障，它将细胞内部（细胞核 + 细胞质）与外部细胞外环境分隔开来。它维持细胞内部组织的完整性，因为它只允许选定的物质进入细胞，并将不需要的物质保留在外面。细胞膜是动物细胞最外层的包被或层。而在植物中，细胞壁是植物细胞最外层。

除了细胞，位于细胞质中的一些细胞器也由膜包围。例如，内质网、溶酶体、液泡、高尔基体和细胞核。叶绿体和线粒体被双层膜包围。不同细胞器的膜成分各异，因为它们适合细胞器执行的特定功能。细胞器膜在蛋白质合成、细胞呼吸和脂质生产等各种细胞功能中起着至关重要的作用。

细胞膜的结构

细胞膜的结构可以从流动镶嵌模型中理解。质膜结构的流动镶嵌模型是由S.J. Singer 和 Garth L. Nicolson 于 1972 年提出的。他们将他们的模型称为“脂质海洋中的蛋白质冰山”。这个模型被世界各地广泛接受，并随着时间的推移有所演变，至今仍提供了质膜结构和功能的准确基本描述。

根据流动镶嵌模型，质膜是不同成分的镶嵌体，细胞膜的主要成分包括磷脂和蛋白质。此外，碳水化合物存在于细胞膜的外表面。它们可以附着在蛋白质上形成糖蛋白，也可以附着在脂质上形成糖脂。因此，由碳水化合物和脂质组成的糖脂，以及由碳水化合物和蛋白质组合而成的糖蛋白，也存在于细胞膜中。

细胞膜中存在的蛋白质分为两种类型：内在蛋白和外在蛋白。内在蛋白可以部分或完全嵌入磷脂双分子层中，当完全嵌入时，它们从双分子层的一侧延伸到另一侧。而外在蛋白则外部存在于脂质双分子层的表面。

因此，细胞膜主要由蛋白质和脂质的混合物组成。脂质以磷脂的形式使膜具有柔性，而蛋白质控制和维持细胞的化学环境，并帮助分子跨膜转运。由于细胞膜的柔性，红细胞和白细胞等细胞在通过狭窄的毛细血管时能够改变它们的形状。

细胞膜的组成

细胞膜由脂质、蛋白质和碳水化合物组成。蛋白质可达 60% 至 80%。以磷脂和胆固醇形式存在的脂质可达 20% 至 60%。碳水化合物为 2% 至 10%，以糖脂和糖蛋白的形式存在。这些成分的排列或分布不均匀。

细胞膜成分的排列和比例取决于细胞的位置及其在体内的功能。因此，这些成分的比例因细胞而异，例如，正常人体细胞膜通常按质量计算含有约 50% 的蛋白质和约 40% 的脂质，其余 10% 由碳水化合物占据。例如，在人红细胞的细胞膜中，脂质约为 30%。线粒体内膜含有 76% 的蛋白质和 24% 的脂质。

主要的细胞膜成分描述如下：

1) 细胞膜脂质： 可分为以下几种类型

i) 磷脂： 它是细胞膜的主要成分。膜中有两层磷脂，称为磷脂双分子层。磷脂分子有两部分，一部分是磷酸头部，因为它连接到一个磷酸基团，并且具有亲水性（喜水或吸引水），因为它是一个极性基团，它吸引其他极性分子，如水、葡萄糖等。

磷脂的第二部分是两个尾巴，由脂肪酸组成，因此它不与水形成氢键，因此它是非极性的，疏水性的。所以，磷脂是一种由磷酸连接的头部基团和两个脂肪酸尾巴组成的脂质。此外，磷脂分子是两性分子，这意味着它既亲水又疏水。膜的这种性质有助于它保持其半渗透性。

磷脂双分子层中两层磷脂的排列方式是磷脂的亲水头部朝外，它们的尾部朝内相互面对。这种磷脂排列形成磷脂双分子层。

此外，磷脂分子表现出两种类型的运动。第一种运动是过渡运动，其中磷脂分子在同一层中移动。另一种是翻转运动，其中磷脂分子从磷脂双分子层的一层移动到另一层。

ii) 胆固醇： 它是细胞膜的另一个脂质部分。胆固醇分子存在于细胞膜中，嵌入磷脂双分子层的疏水区域（尾部）。这种排列方式阻止细胞膜变得僵硬，因为它不允许磷脂紧密堆积。因此，胆固醇为细胞提供了柔韧性和刚性。它不存在于植物的细胞膜中。

iii) 糖脂： 这种脂质存在于细胞膜表面。它连接着一个碳水化合物链，因此成为糖脂。它使细胞能够识别其他细胞。

2) 细胞膜蛋白质： 细胞膜中有两种蛋白质。

i) 周边蛋白： 它们也称为外在蛋白，因为它们位于膜的外部或外表面，并通过与其他膜蛋白的相互作用附着在膜上。

它们不从膜的一侧延伸到另一侧。它们可能附着在磷脂的磷酸头部或整合蛋白上。它们附着松散，因为它们不像整合蛋白那样与膜形成牢固的键。由于它们附着松散，它们可以在物质进出细胞时脱离和附着到膜上。

ii) 整合蛋白： 它们也称为内在蛋白。它们深深地插入或嵌入膜的磷脂双分子层中。其中大多数穿过膜，从膜的一侧延伸到另一侧，被称为跨膜蛋白。

内在蛋白为葡萄糖、水、离子等极性分子进出细胞膜提供通道。极性分子如果没有内在蛋白提供的这种通道就无法移动，因为由尾部组成的非极性疏水（疏水）部分不允许它们移动。这种通过内在蛋白进行的分子运输称为促进运输或被动运输，因为它不需要能量。它从高浓度向低浓度或沿浓度梯度发生。例如，如果葡萄糖在细胞外部的浓度高于内部，葡萄糖可以通过内在蛋白沿浓度梯度从细胞外部移动到内部（细胞质）。

细胞膜的功能

细胞膜是细胞的重要组成部分，它使细胞能够执行各种重要功能。细胞膜的一些主要功能如下：

• 物理屏障：它充当物理屏障，将细胞质与细胞外液分开，从而保护细胞内容物免受外部环境的影响。
• 形状和结构：它赋予细胞其形状，并为细胞提供结构支持。
• 半透性：它是一个半透膜，这意味着它只允许某些分子通过。
• 内吞作用和外排作用：它允许内吞作用，即细胞摄取通常大于离子和分子的内容物。它还有助于外排作用，即细胞释放废物等物质的过程。膜改变其形状以允许分子进入或离开细胞。它还可以形成液泡和气泡以促进分子的运输。
• 调节运动：它调节分子和离子进出细胞的运动或运输。因此，它还通过物质跨膜的选择性运动来控制细胞代谢。
• 细胞信号传导：它还在膜中蛋白质和碳水化合物的帮助下进行细胞间的通信和信号传导。
• 保护细胞器：它还有助于膜结合细胞器维持其形状和内部环境，并保护它们免受外部环境的影响。
• 区室化：它有助于在细胞内创建不同的区室，例如膜结合的细胞核、膜结合的细胞器，并保持一切完整和组织良好。
• 区分能力：它可以通过糖脂和糖蛋白区分不同的物质。它可以区分外来物质和细胞自身的物质，从而可以形成组织并对抗微生物。
• 抗原：它含有识别血型、帮助检查免疫反应、器官移植的接受或排斥等的抗原。
• 微绒毛：它们是质膜上的指状突起。它存在于一些细胞中，例如上皮细胞。它们增加了吸收、分泌和细胞粘附等的表面积。
• 脉冲传输：神经冲动沿着神经元传输是由于神经元质膜的电变化。
• 渗透：渗透作用也通过细胞膜发生。例如，根细胞通过渗透作用从土壤中吸收水分。
• 酶：它还含有各种酶，执行各种催化活动。例如，人红细胞膜含有各种酶，如 ATPase、阴离子转运蛋白、腺苷酸环化酶、蛋白激酶等。
• 受体：它还含有各种激素、神经递质、抗体和其他生化物质的受体。这些受体执行信号转导，将细胞外信号转换为细胞内信号。
• 运动：一些细胞膜具有临时的细胞质突起，有助于运动。例如，变形虫、巨噬细胞和白细胞通过使用伪足进行运动。

跨质膜运输

跨质膜的运输有两种方法，即被动运输和主动运输。让我们看看这两种运输方式中究竟发生了什么；

被动运输：顾名思义，它无需能量消耗，例如不需要 ATP。物质的运动缓慢，因为它不涉及能量。运动基于浓度梯度，因此物质从高浓度向低浓度移动。例如，如果细胞外有 100 个分子，细胞内有 20 个分子，那么分子将从细胞外向细胞内跨膜移动，直到膜两侧各有 60 个分子。被动运输可以在没有半透膜的情况下发生，并且不受低温、缺氧、氰化物等代谢抑制剂的影响。被动运输的例子包括渗透、扩散、促进扩散和过滤。

主动运输：顾名思义，它是能量依赖的，这意味着它需要能量，可能以 ATP 的形式，才能将分子跨细胞膜运输。由于它使用能量，运动速度很快。在主动运输中，运动可以逆浓度梯度发生，这意味着从低浓度到高浓度。主动运输只能通过半透膜发生，因为它需要半透膜中存在的特殊蛋白质。它也受到某些条件的影响，例如低温、缺氧和氰化物等代谢抑制剂。主动运输的例子包括钠钾（Na/K）泵、钙（Ca）泵以及内吞作用和外排作用。Na⁺ 离子从低浓度（细胞内）移动到高浓度的 Na⁺ 离子（细胞外）的间质液中。三个钠离子移出，两个钾离子通过跨膜的主动运输进入细胞。

主动运输和被动运输的区别