本文涵盖了
细胞膜是什么?快速概述
我们的细胞实际上是一个充满水的气球(我们体重的70%是水)。这个柔软但坚韧的气球是由细胞膜(也称为质膜)制成的。细胞膜是一种薄的生物膜，它将细胞内部与外部空间隔开，并保护细胞不受周围环境的影响。
细胞膜由两层脂质膜(油分子)组成，并嵌入多种蛋白质。这些蛋白质控制着水、离子、营养物质和氧气等分子进出细胞的运动。
[在图中]带标记的细胞器的动物细胞的解剖
细胞膜包裹着细胞的成分，包括细胞细胞器还有被称为细胞质的果冻状液体，含有蛋白质、核酸、碳水化合物和参与细胞活动的物质等水溶性分子。
因此，细胞膜有两个关键功能:
1.作为一个屏障，将细胞的成分和不需要的物质/有毒物质隔离在外。
2.作为一道门，允许必要的营养物质进入细胞，废物排出细胞。
[在图中]细胞膜决定了细胞的内外空间。
细胞膜是由多种蛋白质组成的磷脂双分子膜。这些蛋白质可以插入或与细胞膜相连，发挥通道(控制分子进出)或受体(接收外界信号)的作用。
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细胞膜的结构
[在图中]细胞膜的流体镶嵌模型，显示与脂质双分子层组装的膜蛋白。
磷脂双分子层是一种多功能生物屏障
细胞膜的主要结构是由两层脂质分子组成的极薄膜，称为脂质双分子层(或磷脂双分子层)．这个双分子层是由两亲性磷脂形成的亲水(偏爱水)磷酸盐头和a疏水(喜欢远离水)由两条脂肪酸链组成的尾巴。
在水环境中，许多磷脂的疏水尾部自然地与它们的亲水磷酸盐头部保持在一起，面向外面的水分子。脂质双分子层通过自组装自发形成。
另一种脂质分子叫做类固醇，也是细胞膜的关键部分。胆固醇是最常见的类固醇和胆固醇水平可以潜在地改变膜的流动性和功能。
[在图中]细胞膜由两层脂质膜构成，称为脂质双分子层。
细胞膜的选择性渗透性
脂质双分子层非常适合防止离子、蛋白质和其他带电分子在膜上扩散，即使它们的宽度只有几纳米。同时，不带电的分子和气体可以很容易地穿过细胞膜。这个属性叫做semi-permeability或选择性渗透．
选择性渗透性阻止了分子的自由扩散，因此膜可以形成隔间，保持不同的内部和外部环境。这是因为脂质双分子层(由脂肪酸链形成)的疏水核心对大多数水溶性(亲水)分子是不渗透的。然而，不带电荷的小分子，如CO2N2阿,2以及在脂肪中具有高溶解度的分子，如乙醇，几乎可以自由地穿过细胞膜。
这种特性允许细胞调节细胞内的盐浓度和pH值。离子在细胞膜上的运输需要被称为离子泵或离子通道的蛋白质的特别许可。
[在图中]细胞膜的选择性渗透性:分子的大小和电特性决定了它们穿过细胞膜的能力。
不带电荷的小分子(如气体)和油溶性分子几乎可以自由地穿过膜。对于水和甘油等不带电分子，渗透性较低。大的不带电分子，如葡萄糖，穿过细胞膜的能力很低。膜对离子和带电分子是高度不渗透的。
磷脂双分子层被广泛应用于所有膜结合的细胞器
由于脂质双分子层非常大，可以为生化反应创造隔间，膜结合的细胞器(如细胞核、内质网、线粒体、叶绿体、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体和液泡)都使用相同的脂质双分子层作为它们的膜。我们甚至创造了人造的球形囊泡，由脂质双分子层膜组成，叫做脂质体帮助我们运送药物和疫苗。
[在图中]磷脂在溶液中形成三种主要结构:脂质体(一个封闭的双分子层)、胶束和双分子层。
图片来源:维基
膜蛋白
有各种各样的蛋白质与细胞膜相结合，以执行许多基本的生物学功能。这些蛋白质约占膜体积的50%。在多细胞生物中，大约三分之一的基因专门编码与膜相关的蛋白质。
膜蛋白主要由三种类型组成:跨膜蛋白、脂质锚定蛋白和外周蛋白。
| 类型 | 描述 | 例子 |
| 跨膜蛋白 | 这些蛋白质插入脂质双分子层，其中一个或两个部分面向细胞外或细胞内空间。 | 离子通道，G蛋白偶联受体 |
| 脂质锚定蛋白 | 蛋白质本身不与细胞膜接触。相反，它们通过与脂质分子共价结合而锚定在细胞膜上。 | G蛋白质 |
| 外围的蛋白质 | 附着在完整的膜蛋白上或与脂质双分子层的周围区域有关。在某些反应中，这些蛋白质往往只与细胞膜有短暂的相互作用。 | 一些酶和激素 |
[在图中]跨膜、外周和脂质锚定膜蛋白示意图。
一些跨膜蛋白在细胞外表面呈现碳水化合物链(也称为糖蛋白)。
膜蛋白能使细胞膜发挥各种功能。我们将在后面讨论这些函数。
流体镶嵌模型:什么使细胞膜流体?
细胞膜是灵活流动的。为了更好地描述细胞膜的特性，科学家们用分子来解释细胞膜的外观和功能流体镶嵌模型．
如果你放大看细胞膜，你会看到用膜蛋白、胆固醇和碳水化合物装饰的脂质分子海洋。这些分子以流体的方式在二维空间中不断移动，类似于漂浮在海洋中的冰山。这些分子没有一致的模式或排列方式;它们更像是一幅马赛克。
[在图中]细胞膜的流体镶嵌模型将细胞膜描述为磷脂、胆固醇和蛋白质的流体组合。
图片来源:生物学LibreTexts
细胞膜的流体性质对细胞的许多活动是必不可少的。影响细胞膜流动性的因素主要有3个:
(1）温度温度会影响磷脂的运动方式以及它们之间的距离。天气冷的时候，它们靠得更近，天气热的时候，它们离得更远。
（2）胆固醇:胆固醇分子随机分布在脂质双分子层中，帮助膜保持流动性。胆固醇将磷脂固定在一个适当的距离，不太近也不太远。没有胆固醇，磷脂开始彼此分离，在温暖的温度下留下很大的空隙。另一方面，如果没有胆固醇，当暴露在寒冷环境中时，细胞中的磷脂就会开始靠得更近，使小分子(如气体)更难像正常情况下那样挤过磷脂。
[在图中]胆固醇是细胞膜的关键成分。胆固醇分子的存在可以在一定温度范围内稳定细胞膜的性质。
（3）饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸:脂肪酸是磷脂的尾巴。饱和脂肪酸是碳原子链，只有单它们之间的联系。因此，链条是直的，容易包装紧密。
不饱和脂肪酸是碳原子链双一些碳之间的键。双键在链内产生扭结，使得链更难紧紧地捆在一起。这些扭结在膜流动性中发挥作用，因为它们增加了磷脂之间的空间，使分子在较低温度下更难冻结。此外，增加的空间允许某些小分子，如CO2快速轻松地穿过膜。
[在图中]饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的组成影响细胞膜的流体流动。
细胞膜的作用是什么?-细胞膜功能
细胞膜是细胞的屏障，就像我们的皮肤一样
细胞膜包围着活细胞的细胞质，物理上将细胞内成分与细胞外环境分离。植物细胞在细胞膜外有细胞壁，以提供额外的保护和支持。
细胞膜决定了细胞的形状，并提供了细胞锚固的位置
细胞膜在固定细胞骨架中发挥作用，为细胞提供形状(特别是在没有细胞壁的动物细胞中)。细胞膜还提供了与细胞外基质和其他细胞相互作用的场所。这些接触点可以将细胞外的机械刺激(如压力或剪切力)传递到细胞骨架中，通过改变细胞核中的基因表达而导致细胞行为的改变。
[在图中]细胞膜和跨膜蛋白作为附着点，将细胞内骨架和细胞外基质(ECM)连接在一起。
变形虫运动:变形虫通过伸展它的假足运动。
在假足的质膜下，有组织的细胞骨架产生驱动力，驱动细胞形状的变化。
膜蛋白控制生物分子进出细胞
细胞膜具有选择性的渗透性，能够调节进出细胞的物质，从而促进细胞活动所需物质的运输。物质在膜上的运动可以是被动，在没有细胞能量输入的情况下发生，或者活跃的，要求细胞在运输过程中消耗能量。
1.被动扩散和渗透:一些不带电的分子，如二氧化碳(CO2)和氧(O2)，可以通过扩散的方式穿过细胞膜，这是一个被动的转运过程。扩散发生在小分子从高浓度自由移动到低浓度以平衡膜。有些蛋白质可以通过充当通道或载体来促进被动扩散。水也通过渗透作用通过水通道(称为水通道蛋白)流过细胞膜，以平衡盐浓度的差异。
[在图中]根据分子的性质，细胞以被动或主动的方式运输它们。被动转运(扩散或蛋白质介导的促进扩散)只是将分子从高浓度转移到低浓度。主动转运需要特殊的转运蛋白并消耗能量。主动运输可以使物质向两个方向移动。
2.主动运输:脂质双分子层有效地排斥许多大的水溶性分子和带电离子，因此细胞必须输入或输出它们才能生存。这些重要物质的运输是由某些跨膜蛋白质进行的，它们起着“泵”的作用，当溶质浓度不够时，它们就会迫使溶质通过膜，自发扩散。为了运输这些物质，细胞需要消耗能量或ATP。三磷酸腺苷(ATP)是细胞的生化能量“货币”。
细胞通过改变细胞膜来进食和排泄
过大而不能扩散或泵送的颗粒经常被膜的打开和关闭囫囵吞下或排出。为了将物质带入细胞内，颗粒周围的细胞膜会发生内陷，并被囊泡所吞噬(内吞作用)．另一方面，为了从细胞中去除不需要的物质，囊泡的膜与细胞膜融合，将其内容物挤压到周围的介质中，这一过程称为胞外分泌．
[在图中]内吞作用是细胞通过吞噬分子来吸收分子的过程。胞吐是一种主动转运形式，细胞通过囊泡和细胞膜的融合分泌将分子转运出细胞。
细胞通过细胞膜上的直接或间接接触相互交流
在多细胞生物中，细胞必须相互交流。细胞与细胞之间的通讯需要细胞膜上的特殊蛋白质。想要发送信息的细胞在其细胞膜上分泌或表达“配体”蛋白。然后，受体细胞有相应的“受体”蛋白来接收这些信息(通过与配体蛋白结合)。
受体细胞可能通过改变细胞形状或释放某些离子而立即作出反应，但只是暂时的。或者，它们可能通过将信息传递到细胞核来开启或关闭某些基因，从而产生缓慢但持久的变化。当两个细胞足够接近时，它们也可能通过蛋白质通道(称为间隙连接)建立分子的直接交换，旋转两个细胞的细胞膜。
[在图中]细胞间通过(a)直接接触和(b)间隙连接进行通信。
图片来源:大礼帽
沿神经细胞细胞膜的信号转导
由于膜作为带电分子和离子的屏障，它们可以以不同的浓度出现在膜的两侧。电池内部和外部总电荷的差称为电荷差膜电位．
神经系统要发挥作用，神经元(或神经细胞)必须能够发送和接收信号。这些信号是通过改变膜电位而产生的电流。膜电位可以改变反应神经递质分子释放从其他神经元和环境刺激。
[在图中]电压门控离子通道打开响应膜电位的变化。
(a)静息膜电位是细胞内外Na+和K+离子浓度不同的结果。神经冲动导致Na+进入细胞，导致(b)去极化。在峰值动作电位时，K+通道打开，细胞变成(c)超极化。
图片来源:Lumenlearning
细胞膜在显微镜下是什么样子?
在复合光学显微镜下，细胞膜(只有5-10 nm)可能太薄而看不见。然而，如果用适当的染料染色，你可以很容易地分辨出细胞的边界。这就是细胞膜所在的位置。
[在图中]用亚甲基蓝染色的脸颊细胞．
左图为低倍率图。你可以看到细胞核被染成深蓝色(因为亚甲基蓝对DNA染色强烈)。细胞膜就像一个气球，里面装着细胞的所有部分，如细胞核、细胞质和细胞器。
植物细胞在细胞壁下面有一层细胞膜。大多数时候，很难看到细胞膜。然而，你可以发现细胞膜在高渗条件下脱离细胞壁。
细胞膜可以被与脂质结合的荧光染料染色。这为在多色染色实验中可视化细胞边界和形态提供了一个有用的工具。
[在图中](A)人上皮细胞染色为细胞膜(红色)和细胞核(绿色);(B)贝克氏酵母细胞(酿酒酵母)用三种颜色的膜染料(红、紫、绿)染色;(C)的细菌,大肠杆菌用紫色膜染料染色。
图片来源:ABP生物科学开云体育全站app下载安装
电子显微镜提供细胞膜的高分辨率图像。许多重要的科学发现都是用电子显微镜完成的。
下面是一些例子:
[在图中]透射电子显微镜(TEM)图像的细胞膜的两个非常接近的细胞。
图片来源:细胞化学．
[在图中]内吞作用中包被囊泡形成的TEM图像。
图片来源:生物膜导论
为了研究细胞膜的结构，科学家们使用“冷冻断裂”技术将脂质双分子层撕裂，并在扫描电子显微镜(SEM)下分别进行分析。
[在图中]冷冻断裂是一种可以用来可视化膜结构和蛋白质分布的技术。
首先，细胞被迅速冷冻。然后它沿着分裂脂质双分子层的断裂面被裂解。沿着这个平面的分离暴露了嵌入膜中的跨膜蛋白。右图:扫描电镜显微照片显示分裂的双分子层表面有凸起，实际上是跨膜蛋白。这证实了膜蛋白在磷脂双分子层中随机分布。此外，还有横跨整个膜的整体跨膜蛋白。
图片来源:维基教科书
特殊细胞类型的特殊细胞膜结构
为了执行某些细胞功能，一些细胞具有独特的细胞膜结构。下面是一些例子:
[在图中]小肠上皮表面透射电镜图像。微绒毛是微小的细胞膜突起，增加表面积，最大限度地吸收营养。
图片来源:植物和动物组织学图集。
[在图中]t小管(横小管)是渗透到骨骼肌细胞和心肌细胞中心的细胞膜的延伸。t小管允许动作电位快速传递到细胞，使心肌细胞更有力地收缩。
图片来源:维基
[在图中]电子显微图显示内皮细胞的细胞膜表面包裹着一层厚厚的碳水化合物成分，称为glycocalyx．内皮细胞是排列在血管内腔的细胞类型。
图片来源:derangedphysiology
总结
- 细胞膜是一种生物膜，它将细胞内部与外部空间隔开，并保护细胞不受环境的影响。
- 细胞膜由两层脂质膜(油分子)和多种膜蛋白组成。
- 细胞膜控制着水、离子、营养物质和氧气等分子进出细胞的运动。
- 细胞膜上的蛋白质也参与细胞运动和细胞间的通讯。例如，细胞通过细胞膜上不同种类的受体蛋白接收外界信号，其功能就像微型天线一样。
