本文作者：冷月如霜

课前复习：简明细胞生物学系列

五、细胞膜与膜蛋白

我们终于讲到细胞上的结构了哇……在此小小庆祝下……

如标题所说的，我们这篇日志要介绍细胞膜，以及细胞膜上的蛋白质。细胞膜是一个细胞最外侧的膜结构（但不是细胞唯一的膜结构，之后会讲到）。如果把细胞比作是一个人的话，细胞膜大概就是那层皮肤的感觉。比方可能打得不是最恰当，意思到了就可以了。

可不要因为细胞膜那么薄就小看了它。它是细胞与周围环境之间的一道屏障。细胞膜由两层磷脂分子组成。磷脂分子是个不折不扣的两面派，它有“磷”的头部亲水，带“脂”的尾部疏水。两层磷酸分子疏水的尾巴会彼此靠近，亲水的头部则会被分往两边（细胞内和细胞外）。由于生理环境中的细胞内外大多是亲水的环境，这些亲水的头也倒是乐在其中。于是我们从细胞内往细胞外看，就看到了“亲水-疏水-疏水-亲水”的细胞膜结构，总体厚度大约有5纳米左右。而细胞膜中间的那层疏水层就成了难以逾越的鸿沟，隔绝着细胞内外。

【电子显微镜下的细胞膜与细胞膜的放大示意图】

细胞膜上有着很多种磷脂分子，其中便包括了磷脂酰胆碱，也就是卵磷脂的主要组成部分。细胞膜上也有着其他分子，比如“固醇”（没错，胆固醇也是其中的一种）。固醇分子的自身结构较小，不足以自发形成类似于细胞膜的结构。于是它们就借了其他磷脂分子的东风，直接嵌在这些分子之间。

【不同的磷脂分子】

【嵌合在磷脂分子间的固醇分子】

看到这里或许会有朋友问说一直以来胆固醇都和心血管疾病联系在一起，为什么这种对身体有害的东西会出现在细胞膜上呢？我的回答是胆固醇这种分子本身难以论好坏。如果我提取了一试管纯的胆固醇，它是好还是坏呢？这压根无从谈起么。要分析胆固醇分子对人体健康的影响，我们还必须要知道这些分子出现在细胞的哪里（比如是细胞膜上还是血液中），以及含量有多少（也算是抛开剂量谈毒性就是耍流氓的一种吧）。其实何止是胆固醇，不同细胞之间，这些磷脂，固醇分子的比例都不一样。在一种细胞内属于正常的指标范围，在另一种细胞内就成了病态。

【不同细胞/细胞器的细胞膜上磷脂与胆固醇的大致含量】

由磷脂双分子层组成的细胞膜还有几个有意思的特性。其一在于同一层上的磷脂分子保持着较高的移动率。一个磷脂分子从细胞的一头移动到另一头大概只需要20秒的时间；其二，由于头部的亲水性，磷脂分子极难玩一个转体180度来一个倒立，将亲水的头部穿过疏水的中间层，从细胞外侧来到细胞内侧。细胞经常会将细胞外的物质吞入细胞内。在第二个特性的作用下，朝向细胞质的那一面细胞膜永远是同一面。

【为什么说永远是同一面细胞膜面对着细胞质】

细胞膜上类似的磷脂分子偶尔会集中在一起，在整片细胞膜上形成一个特殊的区域，我们称之为“脂筏”，也就是第一讲的视频中大约第24-26秒处出现的东西。爪机党看不了视频的，可以参考这幅图……

【来自tieba.baidu.com/f?kz=869308144】

说罢细胞膜，来谈谈膜上的另一类分子——膜蛋白（就是膜上的蛋白质……）。在第四讲中我们曾经提到蛋白质由氨基酸组成，而氨基酸又有亲水性和疏水性。当蛋白质的某一段由较多的疏水性氨基酸组成时，这段蛋白质也就具有了疏水性。由于细胞内部是亲水的结构，疏水性对蛋白来说可不是什么好事情，一般的蛋白都把疏水性氨基酸藏着掖着，放在蛋白的中心不让它轻易示人。但物以类聚，散落在外的疏水蛋白区域恰好能够被用来与细胞膜中间的疏水层结合。于是，这些蛋白就牢牢地嵌在了细胞膜上。

而一些不具有疏水性的蛋白想要在膜上安家，也有一些供选的方法。一种方法是经过后续的加工，添上一条疏水的小尾巴，让小尾巴起到锚在膜上的作用。另一种方法则更为简单粗暴——直接结合到已经结合在细胞膜上的蛋白上……

【蛋白与细胞膜的不同结合方式】

有的蛋白依靠一段区域与细胞膜结合，而有的蛋白则通过若干个区域来回跨越，结合在细胞膜上。在细胞生物学中，研究一个蛋白有几个“跨膜”区域是一个很重要的问题。这些跨膜区域的奇偶直接决定了某些膜蛋白的活性中心在细胞内还是细胞外，这对分析蛋白功能来说是必不可少的。幸运的是，我们已经知道类似的跨膜区域必然是疏水性氨基酸占多数，而不同疏水性氨基酸的疏水性我们也已经了如指掌，于是我们就每10几个每10几个氨基酸地排查（比如先看1-10个，再看2-11个），统计出每10几个氨基酸总体疏水性。疏水性越高的，就越有可能是真正的跨膜区域。

【预测只有一个跨膜区域的蛋白】
【预测有7个跨膜区域的蛋白】

本篇日志的最后再来说说其他物质穿透细胞膜的方法吧。细胞膜固然是一道屏障，但遇到诸如氧气、二氧化碳等气体时，还是几乎形同虚设的。这些气体分子能够轻松从浓度高的一边跑到浓度低的一边去。稍大一点的分子就没有那么幸运了。单论依靠浓度扩散的话，诸如水，甘油等分子只有少数的幸运儿能够进入细胞的过程，而蔗糖、离子等向进入细胞更是难上加难。

【不同分子进入细胞的难易程度】

而转运蛋白的存在从一定的意义上解决了这个问题。有些转运蛋白就像是一个通道，在细胞膜上打开了一个口子，方便其他分子进入；有的转运蛋白则更挑剔一些，只给认识的分子开后门；更有的转运蛋白不但无视细胞外想进入围城的大部队，更把围城内的同类型分子给赶出细胞外。当然，这个赶走的过程是需要消耗能量的。

【依靠跨膜蛋白进行的细胞内外物质交换】

关于本文

特别感谢刘洪瑞、宋超逸二位同学为此文配图所做的翻译、制图工作。

刘洪瑞：兰州大学网络与新媒体专业，热爱科学，喜欢钻研，总是以一种物质的视角观察生活，果壳昵称：刘洪瑞。

宋超逸：兰州大学生物学基础理论专业，喜欢大千世界的花鸟虫鱼，擅长PS，经常逛果壳。