生物膜

生物中除某些病毒外，都具有生物膜。真核細胞除質膜（又稱細胞膜）外，還有分隔各 種細胞器的膜系統，包括核膜、線粒體膜、內質網膜、溶酶體膜、高爾基體膜、葉綠體膜、液泡、過氧化酶體膜等，其中內膜系統包括核膜、內質網膜、溶酶體膜、高爾基體膜、液泡（包括內體和分泌泡)，但不包括線粒體膜和葉綠體膜。生物膜形態上都呈雙分子層的片層結構，厚度約5～10納米。其組成成分主要是脂質和蛋白質，另有少量糖類通過共價鍵結合在脂質或蛋白質上。不同的生物膜有不同的功能。

其分子形態包括一個親水性的極性頭部和疏水性的脂肪醯鏈尾部。這種兩親性特性維持了膜結構的穩定性。親水性頭部朝向水相，疏水性尾部避水彼此聚集，這種作用稱為疏水相互作用。脂質分子的雙分子層排列實質上是一種熵（熵的定義式是：dS=dQ/T）的效應，滿足熱力學的穩定性要求，是溶液中氫鍵、分子間的誘導力、取向力、色散力等作用的綜合結果。具有兩條疏水性尾巴的磷脂分子在水相中彼此形成穩定的雙分子層；對於只有一條疏水性尾巴的去垢劑、溶血磷脂等兩親性分子，則形成微團的結構；而那些尾部截面積大於頭部的磷脂，則往往能形成另一種相──六角形Ⅱ相脂質的堆積特性及其形成的結構]就形成雙分子層的“脂質-水”系而言，根據濃度、溫度、溶液中離子種類和pH等，又會形成L(脂肪醯鏈呈液狀自由運動的片層)、L[beta]（脂肪醯鏈呈直伸狀且和膜面成一定傾角的片層）、L[beta]（脂肪醯鏈呈垂直於膜面的直伸狀片層）、P[beta](膜面呈波紋彎曲的片層)等各種相。生物膜的脂質組成種類繁多，而且，還包含一定數量的膽固醇，所以“相”的類別多而複雜。

流體鑲嵌模型（fluid mosaic model）：針對生物膜的結構提出的一種模型。在這個模 型中，生物膜被描述成鑲嵌有蛋白質的流體脂雙層，脂雙層在結構和功能上都表現出不對稱性。有的蛋白質“鑲“在脂雙層表面，有的則部分或全部嵌入其內部，有的則橫跨整個膜。另外脂和膜蛋白可以進行橫向擴散。

內在膜蛋白（integral membrane protein）：插入脂雙層的疏水核和完全跨 越脂雙層的膜蛋白。

外周膜蛋白（peripheral membrane protein）：通過與膜脂的極性頭部或內在的膜蛋白的離子相互作用和形成氫鍵與膜的內或外表面弱結合的膜蛋白。

通道蛋白（channel protein）：是帶有中央水相通道的內在膜蛋白，它可以使大小適合的離子或分子從膜的任一方向穿過膜。

（膜）孔蛋白（pore protein）：其含意與膜通道蛋白類似，只是該術語常用於細菌。

相關概念

通透係數（permeability coefficient）：是離子或小分子擴散過脂雙層膜能力的 一種量度。通透係數大小與這些離子或分子在非極性溶液中的溶解度成比例。

被動轉運（passive transport）：那稱為易化擴散。是一種轉運方式，通過該方式溶質特異的結合於一個轉運蛋白上，然後被轉運過膜，但轉運是沿著濃度梯度下降方向進行的，所以被動轉達不需要能量的支持。

主動轉運（active transport）：一種轉運方式，通過該方式溶質特異的結合於一個轉運蛋白上然後被轉運過膜，與被動轉運運輸方式相反，主動轉運是逆著濃度梯度下降方向進行的，所以主動轉運需要能量的驅動。在原發主動轉運過程中能源可以是光，ATP或電子傳遞；而第二級主動轉運是在離子濃度梯度下進行的。

協同運輸（contransport）：兩種不同溶質的跨膜的耦聯轉運。可以通過一個轉運蛋白進行同一方向（同向轉運）或反方向（反向轉運）轉運。

胞吞（作用）（endocytosis）：物質被質膜吞入並以膜衍生出的脂囊泡形成（物質在囊泡內）被帶入到細胞內的過程。

細胞膜的作用和意義

細胞是人體和其他生物體一切生命活動結構與功能的基本單位。體內所有的生理功能和生化反應，都是在細胞及其合成排泄的基質（如細胞間隙中的膠原和蛋白聚糖）的物質基礎上進行的。一切動物細胞都被一層薄膜所包裹，這稱作細胞膜，為生物膜的一種，它把細胞內容物和細胞的周圍環境分割開來。在地球上出現有生命物質和它由簡單到複雜的長期演化過程中，生物膜的出現是一次飛躍，它使細胞能夠既獨立於環境而存在，又能通過生物膜與周圍環境進行有選擇的物質交換而維持生命活動。顯然，細胞要維持正常的生命活動，不僅細胞的內容物不能流失，且其化學組成必須保持相對穩定，這就需要在細胞和它的環境之間有某種特殊的屏障存在。它能使新陳代謝過程中，經常由細胞得到氧氣和營養物質接受各種信息分子和離子，排出代謝產物和廢物，使細胞保持穩態，這對維持細胞的生命活動極為重要。因此生物膜是一個具有特殊結構和功能的選擇性通透膜，它的主要功能可歸納為：能量轉換、物質運送、信息識別與傳遞。

對各種膜性結構的化學分析表明，膜主要由脂質、蛋白質和糖類等物質組成。生物膜所具有的各種功能，在很大程度上決定於膜內所含的蛋白質；細胞和周圍環境之間的物質、能量和信息的交換，大多與細胞膜上的蛋白質有關。細胞膜蛋白質就其功能可分為以下幾類：一類是能識別各種物質，在一定條件下有選擇地使其通過細胞膜的蛋白質如通道蛋白；另一類是分佈在細胞膜表面，能“辨認”和接受細胞環境中特異的化學性刺激的蛋白質，這統稱為受體；還有一大類膜蛋白質屬於膜內酶類，種類甚多；此外，膜蛋白質可以是和免疫功能有關的物質。總之，不同細胞都有它特有的膜蛋白質，這是決定細胞在功能上的特異性的重要因素。一個進 行著新陳代謝的活細胞，不斷有各種各樣的物質（從離子和小分子物質到蛋白質大分子，以及團塊性物質或液體）進出細胞，包括各種供能物質、合成新物質的原料、中間代謝產物、代謝終產物、維生素、氧和CO2等進出細胞，它們都與膜上的特定的蛋白質有關。

跨過生物膜的物質運送是生物膜的主要功能之一。物質運送可分為被動運送和主動運送兩大類。被動運送是物質從高濃度一側，順濃度梯度的方向，通過膜運送到低濃度一側的過程，這是一個不需要外界供給能量的自發過程。而物質的主動運送，是指細胞膜通過特定的通道或運載體把某種分子（或離子）轉運到膜的另一側去。這種轉運有選擇性，通道或運載體能識別所需的分子或離子，能對抗濃度梯度，所以是一種耗能過程。在膜的主動運送中所需要的能量只能由物質所通過的膜或膜所屬的細胞來供給。在細胞膜的這種主動運送中，很重要且研究得很充分的是關於Na+，K+的主動運送。包括人體細胞在內的所有動物細胞，其細胞內液和外液中的Na+，K+濃度有很大不同。以神經和肌肉細胞為例，正常時膜內K+濃度約為膜外的30倍，膜外Na+濃度約為膜內的12倍。這種明顯的濃度差的形成和維持，與細胞膜的某種功能有關，而此功能要靠新陳代謝 的正常進行。例如，低溫、缺氧或一些代謝抑製劑的使用，會引起細胞內外Na+，K+正常濃度差的減小，而在細胞恢復正常代謝活動后，上述濃度差又可恢復。很早就有人推測，各種細胞的細胞膜上普遍存在著一種稱為鈉鉀泵的結構，簡稱鈉泵，它們的作用就是能夠逆著濃度差主動地將細胞內的Na+移出膜外，同時將細胞外的K+移入膜內，因而形成和保持了Na+和K+在膜兩側的特殊分佈。後來大量科學實驗證明，鈉泵實際上就是膜結構中的一種特殊蛋白質，它本身具有催化ATP水解的活性，可以把 ATP分子中的高能鍵切斷而釋放能量，並利用此能量進行Na+，K+的主動運送。因此鈉泵就是這種被稱為Na+-K+依賴式ATP酶的蛋白質。細胞膜上的鈣泵也是一種ATP酶，它能把細胞內過多的Ca2+轉移到細胞外去。

生物膜是當前分子生物學、細胞生物學中一個十分活躍的研究領域。關於生物膜的結構，生物膜與能量轉換、物質運送、信息傳遞，以及生物膜與疾病等方面的研究及用合成化學的方法製備簡單模擬膜和聚合生物膜等方面不斷取得新進展。另外，人們正在研究對物質具有優良識別能力的人造膜，使模仿生物膜機能的人造內臟器官，應用於醫療診斷。

細胞、細胞器和其環境接界的所有膜結構的總稱。生物中除某些病毒外，都具有生物膜。真核細胞除質膜（又稱細胞膜）外，還有分隔各種細胞器的內膜系統，包括核膜、線粒體膜、內質網膜、溶酶體膜、高爾基器膜、葉綠體膜、過氧化酶體膜等。生物膜形態上都呈雙分子層的片層結構，厚度約5～10納米。其組成成分主要是脂質和蛋白質，另有少量糖類通過共價鍵結合在脂質或蛋白質上。不同的生物膜有不同的功能。質膜和物質的選擇性通透、細胞對外界信號的識別作用、免疫作用等密切有關；神經細胞膜與肌細胞膜是高度分化的可興奮膜，起著電興奮、化學興奮的產生和傳遞作用；葉綠體內的類囊體膜與光合細菌膜、嗜鹽菌的紫膜起著將光能轉換為化學能的作用，而線粒體內膜與呼吸細菌膜則能將氧化還原過程中釋放出的能量用於合成腺苷三磷酸 (ATP）；內質網膜則是膜蛋白、分泌蛋白等蛋白質及脂質的生物合成場所。因而，生物膜在活細胞的物質、能量及信息的形成、轉換和傳遞等生命活動過程中，是必不可少的結構。

物理化學特性

脂質的多形性 生物膜的基質是極性脂質：磷脂、膽固醇和糖脂。其分子形態包括一個親水性的極性頭部和疏水性的脂肪醯鏈尾部。這種兩親性特性維持了膜結構的穩定性。親水性頭部朝向水相，疏水性尾部避水彼此聚集，這種作用稱為疏水相互作用。脂質分子的雙分子層排列實質上是一種熵的效應，滿足熱力學的穩定性要求，是溶液中氫鍵、分子間的范德瓦耳斯力、色散力等作用的綜合結果。具有兩條疏水性尾巴的磷脂分子在水相中彼此形成穩定的雙分子層；對於只有一條疏水性尾巴的去垢劑、溶血磷脂等兩親性分子，則形成微團的結構；而那些尾部截面積大於頭部的磷脂，則往往能形成另一種相──六角形Ⅱ相（HⅡ相）（圖1）。就形成雙分子層的“脂質-水”系而言，根據濃度、溫度、溶液中離子種類和pH等，又會形成Lα（脂肪醯鏈呈液狀自由運動的片層）、L'（脂肪醯鏈呈直伸狀且和膜面成一定傾角的片層）、L（脂肪醯鏈呈垂直於膜面的直伸狀片層）、P'（膜面呈波紋彎曲的片層）等各種相。生物膜的脂質組成種類繁多，而且，還包含一定數量的膽固醇，所以“相”的類別多而複雜。

相變 脂肪醯鏈中的C-C單鍵可以旋轉，產生旋轉異構體。因為受到鄰近基團的空間阻礙，旋轉不是所有角度都能進行的。反式構象時系統的位能最小，性質最穩定；其他角度時位能都較高。一種幾率較大的形式是：旋轉120°后的扭轉式構象。對於正丁烷，反式轉為扭轉式的位壘約 2.4千卡·摩爾。因而，低溫時雙分子層中脂肪醯鏈呈全反式的“僵直”狀態，溫度升高后鏈變得“柔軟”。這樣的轉變過程不是漸行的，而是在某個溫度時發生突變，該溫度Tc稱之為相變溫度。例如DMPC（豆蔻醯磷脂醯膽鹼）的Tc為23℃，DPPC（棕櫚醯磷脂醯膽鹼）的Tc為41℃。低於Tc時的雙分子層結構稱為固相或晶體相（L'、L）；高於Tc時稱為流動相或液晶相(Lα）。用激光拉曼光譜等方法確認了對於DPPC分子，L'-Lα相變時每條脂肪醯鏈大約平均新形成 6.5個扭轉式鍵。從固相轉變到流動相是個吸熱的過程，相變的焓近似等於扭轉式異構化所需能量與破壞相鄰脂肪醯鏈之間的范德瓦爾斯力所需能量和脂質頭部基團周圍有序溶劑去結構所需能量的總和。如DPPC雙分子膜，該焓值約為8.7千卡·摩爾。影響脂質分子Tc的主要因子是：①脂肪醯鏈的長度（長度越長，Tc越高）；②脂肪醯鏈的飽和程度（飽和度越高，Tc越高）；③脂質頭部基因的種類（如，頭部較小的PE（磷脂醯乙醇胺）和PC相比，Tc要高20多度。

分相

在多成分脂質系統中出現兩相或更多相混合共存的狀態。如在一個相當的溫度區間內，固相和流動相同時存在於膜中的不同區域。分相時會影響其中膜蛋白的分佈：蛋白質總是排斥於固相之外。除溫度外，還有其他一些分相因子。如膜中有負電荷脂質時，介質中pH、離子種類（特別是Ca2+）也會引起分相。L'-Lα 兩相共存時，脂質雙分子層的壓縮率及延伸率提高，隨著脂質密度漲落的出現，較大程度地提高了膜對物質的通透性。依據脂質種類和條件，也可在膜上出現雙分子層和HⅡ等其他膜結構共存的分相狀態。

生物膜的結構

流動鑲嵌模型30年代以來，先後有許多模型用來闡述膜的結構（見細胞膜）到現在能較好地解釋有關膜的各種測定數據的是1972年，S.J.辛格和G.L.尼科爾森提出的生物膜流動鑲嵌模型。該模型首先根據疏水相互作用明確了雙分子層中的基質是脂質，蛋白質或者靠靜電相互作用結合在脂質的極性頭部（外周膜蛋白），或者鑲嵌在雙分子層的疏水性區域（內在性膜蛋白）──此即膜的鑲嵌特性。該膜型的另一要點是指出了膜的流動特性。正常生理條件下，整個脂質雙分子層構成液晶狀態的基質，不僅是脂質分子，蛋白質分子也處於不停的運動狀態。溫度、膽固醇等對膜的流動性有較大的影響。此外，脂質和蛋白質在生物膜的內、外兩側分佈不對稱，膜蛋白和脂質有相互作用如不少膜結合酶、抗原等都需要脂質（常是一定類型的脂質）才能表現出活性。流動鑲嵌模型在某些方面還不夠完善，如忽略了無機離子和水所起的作用等。

膜的流動性

脂質分子在膜中的運動形式主要有：①脂肪醯鏈C-C鍵的“反式-扭轉式”異構化；②繞整個分子軸的旋轉擴散；③在膜平面上的側向擴散；④脂肪醯鏈的片斷運動；⑤內、外層分子的翻轉運動。人工膜中這種運動的幾率非常小，某些生物膜中有一定幾率。

膜蛋白的運動，主要是整個分子的旋轉擴散及側向擴散。此外，還存在片斷運動的形式。P.G.薩夫曼和M.德爾布呂克用流體動力學方法定量表達了膜蛋白在膜上隨機擴散的速率：

式中Dr為旋轉擴散係數，Dl為側向擴散係數，k為玻耳茲曼常數，T為絕對溫度，μ為膜中粘滯度，μ '為外液介質的粘滯度，a為圓柱狀膜蛋白的半徑，h為膜的厚度，ν為歐拉常數（0.5772）。

定量測定膜流動性的方法主要有：①自旋標記法，從電子自旋共振波譜可計算出膜中標記分子的旋轉相關時間（τ），但僅適用於快速運動（10-l1s<；τ<10-9s）。也可從波譜算出和脂質分子平均取向有關的參數：序參數。用飽和轉移電子自旋共振波譜法則能使檢測的時程擴展到10-3秒，適於對膜蛋白運動的測定。②熒光偏振法，從熒光探劑在膜中熒光的各向異性，可探測膜中的微粘滯度；而從熒光偏振的瞬態動力學則可直接測知標記分子的旋轉相關時間。用閃光光解法，利用三重態熒光探劑的長壽命激發態，則能測定膜蛋白的旋轉擴散。③熒光漂白恢復法，該法用以檢測蛋白質、脂質分子的側向擴散運動，適用範圍是10-12cm2·s-1)

膜蛋白的限制性運動

在重建膜上，許多膜蛋白的測向擴散係數都在10-8～10-9cm2·s-1範圍，和Saffman-Delbrück公式算出的理論值相符。但在生物膜上，不少膜蛋白運動很慢，甚至幾乎不能運動。如紅細胞膜上的帶3蛋白，DL=3.8×10-l1cm2·s-1)(26℃）；細菌視紫紅質在嗜鹽菌的紫膜上呈晶格排列，不能運動；上皮細胞類的極性細胞，其質膜的頂面區域和基底面區域上的膜蛋白種類不一樣，因“緊密聯結”的阻隔而不能擴散相混；LDL 受體等受體蛋白集中在特定的質膜區域──被膜穴，不能自由擴散。這些情況根據流動鑲嵌模型難以解釋。目前，對紅細胞膜的情況有了較明確的說明：帶3蛋白通過錨定蛋白 (ankyrin）和膜內側的收縮蛋白、肌動蛋白及帶4.1蛋白等組成的網路結構相聯繫，正是這些膜內側的細胞骨架蛋白限制了帶 3蛋白的運動（圖2）。此外，尚有蛋白質彼此凝集假說、“陷阱”模型以及膜結構特殊性因素等其他解釋。

生物膜的非雙分子層結構 脂質雙分子層是膜的基本結構，但也可能存在其他的非雙分子層結構。用31P-NMR、冰凍斷裂電鏡術、X射線衍射等方法都表明，一些尾部截面積大於頭部的脂質或帶負電的脂質在一定的溫度、pH、離子環境（特別是Ca2+）等條件下能形成 HⅡ相（圖1）。從一些代謝活性高的內質網、線粒體、細菌質膜乃至人紅細胞膜抽提出的脂質構成的膜結構中，在一定條件下都可出現HⅡ相的分子排列。活體情況下雖無HⅡ相的確切證據，但可以觀察到從L相向 HⅡ相轉變的過渡相──各向同性相。HⅡ相可能在膜融合、脂質分子的翻轉運動及某些物質的跨膜運輸等過程中起著重要的作用。

功能

物質運輸 物質的跨膜運輸大體可分為被動運輸、主動運輸和膜動運輸 3大類（見生物膜離子通道）。

被動運輸包括單純擴散及促進擴散，兩者都是在濃度梯度（或更廣義地在電化學位梯度）的驅動下，向平衡態進行的跨膜擴散運動。用脂質分子旋轉異構化所導致的“空腔”的形式和傳播，可部分解釋小分子、脂溶性物質的跨膜單純擴散；而用膜中蛋白質“通道”的存在則能解釋生物膜中單純擴散的高效性，如大腸桿菌外膜中脂蛋白形成的通道、細胞之間“縫隙聯結”處蛋白質形成的通道。促進擴散是膜上載體蛋白通過與被運輸物質的可逆結合而促進物質的跨膜運輸，表現出比單純擴散高得多的運輸速率和選擇性。人紅細胞膜對葡萄糖的運輸、氧化磷酸化的解偶聯劑對H+的運輸及一些離子載體對特定離子的運輸等，都屬於促進擴散之列。纈氨酶素對K+的運輸、奈及利亞菌素對K+/H+的交換運輸都屬於“移動型離子載體”。哺乳類細胞的運輸系統中，膜上載體蛋白要比纈氨黴素等大得多，往往嵌入整個膜中，因此不能在膜的兩側之間來回移動。此時形成門控通道，靠蛋白質構象轉換跨膜運輸物質；而門控特性保證了和被運輸物質的選擇結合性。紅細胞膜上帶3蛋白對HC婣/Cl-的交換跨膜擴散即是一個很好的例子。

主動運轉是物質逆著電化學位梯度跨膜運輸的過程，必須有其他能量偶聯輸入。例如，動物細胞膜上的 Na+、K+-ATP酶靠ATP的水解，逆濃度梯度驅動Na+從細胞內向外運輸，同時使K+向細胞內運輸，從而維持正常生理條件下細胞內、外的 Na+、K+濃度梯度。主動運輸的能量來源除 ATP外，還可來自光能、氧化磷酸化釋放的能量、質子電化學位梯度以及Na+梯度等。主動運輸中尚有一種在運輸過程中被運輸物質在膜上被轉化的“基團轉移”。如膜上γ-谷氨醯轉肽酶使氨基酸轉化成二肽，再進入細胞；細菌磷酸烯醇丙酮酸轉磷酸化酶運輸系統使糖轉化成磷酸糖而進入細胞。

膜動運輸是借膜的變形將大分子、配體、菌體等物質攝入細胞而將蛋白質、多糖等分泌出細胞的過程。其中通過膜上受體中介的內吞作用是個很重要的細胞學過程。以細胞攝入膽固醇為例：體液中的LDL（低密度脂蛋白）先和質膜上被膜穴處的LDL受體結合，然後被膜穴內凹形成被膜囊泡，在細胞內脫被膜后形成內含體，內含體很快酸性化使配體和受體解離，進而分裂成帶配體及帶受體的囊泡，帶配體的囊泡以後和溶酶體融合。此時，LDL被水解，釋放出膽固醇供細胞之用。帶受體的囊泡則和質膜融合，使受體再次被利用。鐵傳遞蛋白、胰島素、上皮生長因子、許多毒素和病毒等亦是通過這一途徑進入細胞的（見內吞與外排）。

能量轉換 雖然ATP也可在可溶性酶系統中合成，但極大多數是產生在一些特定的膜上，它們稱為“能量轉換膜”──線粒體內膜、類囊體膜以及細菌、藍綠藻等原核細胞的質膜。儘管這些膜在進行 ATP合成及離子運輸過程中最初的能源是各種各樣的，但機制卻很相近。1961年P.米切爾提出“化學滲透偶聯”假說，認為膜兩側H+濃度差所貯存的滲透能量能夠用來產生 ATP。這一假說將膜上電子傳遞、離子運輸及 ATP合成這三方面統一起來解釋。對於線粒體，細胞呼吸時電子傳遞過程中遊離出來的能量，以內膜兩側液相間H+的電化學位梯度（Δ）的物理能量貯存。Δ使膜上的pi+H+-ATP 酶逆轉合成 ATP。植物的光合作用則是光能→滲透能→化學能。Δ包括兩部分：H+的濃度差ΔpH和膜兩邊電位差Δψ，其關係為：

Δ=F·Δψ－2.303RTΔpH

式中F是法拉弟常數。若至少2克離子 H+的Δ合成1克分子ATP，則有關係式：

式中ΔP稱為質子動力。

Δ除能用以合成 ATP外，還能作為主動運輸能量、驅動細菌鞭毛的運動、產熱，乃至固氮、細胞內蛋白質的運輸及分泌、細胞內pH的調節等（見線粒體、葉綠體）。

信息傳遞 人和高等動物藉助各種感受器與內外環境發生聯繫，這個過程和膜的可興奮性分不開。神經細胞膜上的Na+、K+-ATP酶和Na+通道、K+通道等離子通道造成跨膜的離子濃度梯度，以及膜興奮時Na+、K+等離子跨膜通透速率的改變，這些過程導致電興奮延膜傳遞（見興奮、神經衝動）。

細胞之間除通過物理接觸直接通訊外，還能靠局部化學介體（神經生長因子、組胺等）、激素及神經遞質等化學信號分子進行間接的信息傳遞。如肽類激素與動物細胞質膜外側的特異性受體結合后，改變了後者的構象，在膜上作擴散運動時通過膜上G蛋白的偶聯，引起膜內側腺苷酸環化酶發生構象變化，於是催化ATP生成環腺苷酸（cAMP）。cAMP作為第二信使，激活一系列細胞內的蛋白激酶，導致眾多的細胞學反應。

質膜上的鈣聯受體和相應的配體結合后，活化了膜上的磷脂酶C，使存在於質膜內層中的磷脂醯肌醇-4,5-二磷酸水解，形成三磷酸肌醇和甘油二酯。而後，三磷酸肌醇引起細胞內的Ca2+庫（主要是內質網）釋放Ca2+，於是產生一系列 Ca2+所觸發的生化及細胞學反應。另一方面，甘油二酯活化質膜上的C激酶（C表示需要Ca2+來活化），使其他的一些酶磷酸化，從而產生類似cAMP的各種第二信使的效應。C激酶也能夠活化膜上的 Na+/H+交換運輸載體，提高細胞溶質中的pH，從而在刺激細胞生長、分化中起重要作用。

人工膜

生物膜的組分繁多，為便於研究，往往採用單一或幾種脂質組成的各種人工膜結構：單分子層膜、累積膜、脂質體、平板雙分子層脂膜等。另外，也可將蛋白質嵌入后組成重建膜。這些膜結構泛稱“人工膜”。利用人工膜可對膜的各種物理化學特性進行深入研究。人工膜已在工程實際中得到應用，如從海水等溶液相中高效地分離和濃縮物質、利用能量轉換膜原理開闢高效無污染的新能源、用作腎臟病患者的透析膜以及用於臨床診斷和治療等。

脂質體

脂質體是內部為水相、由脂質雙分子層形成的閉合囊泡。其種類主要有：①小單片層囊泡，大小範圍為0.02～0.05微米；②多片層囊泡，大小範圍為0.2～10微米；③大單片層囊泡，大小範圍為0.2～10微米。除了大小、脂質成分、荷電性外，脂質體製劑尚有兩個重要的參數：俘獲容積和包裹效率。前者指一定量脂質體所包封的容積（摩爾/升）；後者指脂質雙分子層所包裹的水相所佔的比例（%）。脂質體作為藥物載體已用於醫藥臨床。脂質體的水相或疏水相中包封藥物后能用於癌症、溶酶體貯積病、寄生蟲病、體內重金屬積聚、真菌感染、關節炎等多方面疾病的治療。這種截體系統在體內有穩定、毒性小、藥物緩慢釋放等優點。若膜表面加以修飾（結合抗體或特異性糖鏈等）或研製敏感性脂質體（在外界特定條件下膜通透性劇增的脂質體），則能使脂質體在體內具有靶向性。脂質體也可作為真核細胞的基因載體用於生物技術領域。

平板雙分子層脂膜

在分隔兩個水相的隔板中間若有1小孔（面積一般小於1平方厘米，則小孔處的脂滴會逐漸形成厚度只有雙分子層厚的膜，此即平板雙分子層脂膜（BLM）。在BLM形成過程中，脂滴厚度逐漸變薄，此時從顯微鏡中看到膜的顏色由各種彩色變到黑色，故BLM又稱黑膜。這種人工膜最適於膜電特性的測量研究。膜中嵌入離子通道等膜蛋白后，可方便地根據測量到的電特性研究通道特性、離子通透特性、膜融合特性等。若BLM 中嵌入植物、動物以及細菌的對光敏感的色素活性物質，則可作為色素膜進行模擬研究，因為電化學測定法的靈敏度相當高，所以也可根據膜的電特性和通透特性的變化來檢測環境中毒物的存在及其對機體作用的原初機制。

生物膜的化學成分

生物膜的化學成分主要有脂類、蛋白質和糖類，此外還含水、無機鹽和少量的金屬離子。膜中脂類和蛋白質構成了膜的主體，糖類多以複合糖的形式存在，與膜脂或膜蛋白結合分別形成膜糖脂或膜糖蛋白。

1．膜脂

構成膜的脂類有磷脂、膽固醇和糖脂，其中以磷脂為最多。這三種脂類都是雙親媒性分子，即它們都是由一個親水的極性頭部和一個疏水的非極性尾部組成。由於膜脂的這一結構特點，它們在水溶液中能自動聚攏形成脂雙分子層，其遊離端往往有自動閉合的趨勢，形成一種自我封閉而穩定的中空結構，稱脂質體。

磷脂 真核細胞膜中的磷脂主要有卵磷脂（磷脂醯膽鹼）、腦磷脂（磷脂醯乙醇胺）、磷脂醯絲氨酸、鞘磷脂合磷脂醯肌醇。

膽固醇 是細胞膜內的中性脂類。真核細胞膜中膽固醇含量較高，有的膜內膽固醇與磷脂之比可達1∶1。膽固醇也是雙親媒性分子，包括三部分：極性的羥基團頭部、非極性的固醇環和非極性的脂肪酸鏈尾部。在膜中，膽固醇分子散布在磷脂分子之間，其極性的羥基頭部緊靠磷脂的極性頭部，將固醇環固定在近磷脂頭部的碳氫鏈上，其餘部分分離。這種排列方式對膜的穩定性十分重要。

糖脂 是含一個或幾個糖基的脂類，也是雙親媒性分子，存在於所有的動物細胞膜中，約佔膜外層脂類分子的50%。動物細胞膜中的糖脂主要是鞘氨醇的衍生物，結構與鞘磷脂相似，只是其頭部以糖基替代了磷脂醯鹼基。腦苷脂是最簡單的糖脂，只含一個糖基（半乳糖或葡萄糖）。在所有細胞中，糖脂均位於膜的非胞質面單層，並將糖基暴露在細胞表面，其作用可能是作為某些大分子的受體，與細胞識別及信息傳導有關。

2．膜蛋白

生物膜所含的蛋白叫膜蛋白，是生物膜功能的主要承擔者。根據蛋白分離的難易及在膜中分佈的位置，膜蛋白基本可分為兩大類：外在膜蛋白和內在膜蛋白。外在膜蛋白約佔膜蛋白的20%～30%，分佈在膜的內外表面，主要在內表面，為水溶性蛋白，它通過離子鍵、；氫鍵與膜脂分子的極性頭部相結合，或通過與內在蛋白的相互作用，間接與膜結合；內在蛋白約佔膜蛋白的70%～80%，是雙親媒性分子，可不同程度的嵌入脂雙層分子中。有的貫穿整個脂雙層，兩端暴露於膜的內外表面，這種類型的膜蛋白又稱跨膜蛋白。內在膜蛋白露出膜外的部分含較多的極性氨基酸，屬親水性，與磷脂分子的親水頭部鄰近；嵌入脂雙層內部的膜蛋白由一些非極性的氨基酸組成，與脂質分子的疏水尾部相互結合，因此與膜結合非常緊密。

兩大特性

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生物膜具有兩個明顯的特性，即膜的流動性和膜的不對稱性。

1．膜的流動性

生物膜流動鑲嵌模型

生物膜的流動性是膜脂與膜蛋白處於不斷的運動狀態，它是保證正常膜功能的重要條件。在生理狀態下，生物膜既不是晶態，也不是液態，而是液晶態，即介於晶態與液態之間的過渡狀態。在這種狀態下，其既具有液態分子的流動性，又具有固態分子的有序排列。當溫度下降至某一點時，液晶態轉變為晶態；若溫度上升，則晶態又可溶解為液晶態。這種狀態的相互轉化稱為相變，引起相變的溫度稱相變溫度。在相變溫度以上，液晶態的膜脂總是處於可流動狀態。膜脂分子有以下幾種運動方式：①側向移動；②旋轉運動；③左右擺動；④翻轉運動。膜蛋白分子的運動形式有側向運動和旋轉運動二種。

2．膜的不對稱性

以脂雙層分子的疏水端為界，生物膜可分為近胞質面和非胞質面內外兩層，生物膜內外二層的結構和功能有很大差異，這種差異稱為生物膜的不對稱性。

膜脂分佈的不對稱主要體現在膜內外兩層脂質成分明顯不同。如磷脂中的磷脂醯膽鹼和鞘磷脂多分佈在膜的外層，而磷脂醯乙醇胺、磷脂醯絲氨酸和磷脂醯肌醇多分佈在膜的內層，其中磷脂醯乙醇胺和磷脂醯絲氨酸的頭部基團均帶負電，致使生物膜內側的負電荷大於外側。膜蛋白分佈的不對稱主要體現在三個方面：① 即使是膜內在蛋白都貫穿膜全層，但其親水端的長度和氨基酸的種類與順序也不同；②外在蛋白分佈在膜的內外表面的定位也是不對稱的，如具有酶活性的膜蛋白Mg2+-ATP酶、5'核苷酸酶、磷酸二酯酶等均分佈在膜的外表面，而腺苷酸環化酶分佈在膜的內表面；③含低聚糖的糖蛋白，其糖基部分佈在非胞質面。

分子結構模型

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生物膜的主要化學成分是脂類和蛋白質，還有少量糖類。關於這些組分在膜中是如何排列和組織的、以及它們之間是如何相互作用的等問題，許多學者進行了多方面的研究，先後提出了數十種不同的生物膜分子結構模型，下面介紹公認的流動鑲嵌模型。

這一模型是Singer和Nicolson在1972年提出的。流動鑲嵌模型保留了夾層學說和單位膜模型中磷脂雙層的排列方式，即流動的脂雙層分子構成膜的連續主體，蛋白質分子以不同程度鑲嵌於脂質雙層中。它的主要特點是：①強調了膜的流動性，膜中脂類分子既有固體分子排列的有序性，又有液體的流動性，即流動的脂類分子層構成膜的連續整體；②強調了膜的不對稱性和脂類與蛋白質分子的鑲嵌關係。膜中球形蛋白質分子不同程度地鑲嵌在脂類雙分子層中，蛋白質分子的非極性部分嵌入脂類雙分子層的疏水尾部去，極性部分露於膜的表面，似一群島嶼一樣，無規則地分散在脂類的海洋中。這二模型的不足之處在於它忽視了蛋白質分子對脂類分子流動性的控制作用，忽視了膜的各個部分流動性的不均勻性等等。

下面介紹幾種其它模型：Davson 和Danielli提出的 蛋白質--脂質--蛋白質 的三明治模型。

1959年，J.D.Robertson 發展了三明治模型，提出了單位膜模型。

Simon 於1988年提出脂筏模型。

膜的運輸功能

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小分子物質的跨膜運輸

每一個活細胞要維持其正常的生命活動，必須通過細胞膜從外界及時地吸取營養物質，同時要不斷地排出其代謝產物。這些營養物質和代謝產物進出生物膜的方式，根據是否需要膜蛋白的介導分為單純擴散和膜蛋白介導的跨膜運輸兩種。根據運輸過程中是甭消耗代謝能又把後者分為被動運輸和主動運輸兩種方式。

1．膜的選擇性通透和單純擴散

一些物質不需要膜蛋白的幫助，能順濃度梯度自由擴散，通過膜的脂雙層，這種跨膜運輸的形式，稱為單純擴散，又稱為被動擴散，它不需要消耗能量，是物質跨膜運輸中最簡單的一種形式。一般來說分子量小、脂溶性強的非極性的分子能迅速地通過脂雙層膜，不帶電荷的小分子也較易通透，如CO2、O2、乙醇和尿素可迅速擴散通過脂雙層。H2O因為分子小，不帶電荷，且本身具有雙極結構，也很容易通過膜。一些帶電分子如Na+、K+、Cl－等儘管分子很小，往往因其周圍形成的水化層而難以通過脂雙層的疏水區而完全不能通透。不帶電的葡萄糖，因分子太大，也幾乎不能自由擴散過膜。

2．膜蛋白介導的跨膜運輸

對一些相對較大的極性或帶電的分子，如葡萄糖、氨基酸及離子等物質均不能自由通過膜。這些物質的運輸均需要有膜蛋白的介導，這些蛋白稱膜運輸蛋白。根據膜蛋白介導物質運輸的形式，又可分為載體蛋白介導和通道蛋白介導兩大類型。

跨膜運輸

真核細胞中，一些大分子如蛋白質、多糖、多肽之類的物質的跨膜運輸是通過細胞質膜的變形運動來完成的。這就是細胞內吞作用和細胞外吐作用。

1 .內吞作用（dog）

內吞作用又稱入胞作用，是通過質膜的變形運動將細胞外物質轉運入細胞內的過程。根據入胞物質的不同大小，以及入胞機制的不同可將內吞作用分為三種類型：吞噬作用、吞飲作用、受體介導的內吞作用。1、吞噬作用（phagaocytosis）是指攝入直徑大於1μm的顆粒物質的過程。在攝入顆粒物質時，細胞部分變形，使質膜凹陷或形成偽足將顆粒包裹攝人細胞。偽足的伸出是由肌動蛋白參與的，若用抑制肌動蛋白聚合的藥物如細胞鬆弛素能抑制細胞吞噬。

2． 吞飲作用（pinocytosis）是細胞攝入溶質或液體的過程。細胞吞飲時局部質膜下陷形成一小窩，包圍液體物質，然後小窩離開質膜形成小泡，進入細胞。吞飲作用分為液相內吞和吸附內吞。前一種方式為非特異性細胞把細胞外液及其內可溶性物質攝入細胞內。后一種方式中，細胞外大分子或顆粒物質先以某種方式吸附在細胞表面，隨後被攝入細胞內。如陽離子鐵蛋白以靜電作用先吸附在帶負電荷的細胞表面，然後再被細胞攝入。吸附內吞有一定的特異性。

3． 受體介導的內吞作用（receptor mediated endocytosis）是細胞依靠細胞表面的受體特異性地攝取細胞外蛋白或其他化合物的過程。細胞表面的受體具有高度特異性，與相應配體（被內吞的分子）結合形成複合物，繼而此部分質膜凹陷形成有被小窩，小窩與質膜脫離形成有被小泡，將細胞外物質攝入細胞內。有被小泡進入細胞后，脫去外衣，與胞內體的小囊泡結合形成大的內體，其內容呈酸性，使受體與配體分離。帶有受體的部分膜結構芽生、脫落，再與質膜融合，受體又回到質膜，完成受體的再循環。

在內吞過程中，質膜上受體與配體特異結合部位的胞質面（將形成有被小泡的外衣）有一些蛋白附著：①網格蛋白是其中最主要的一種蛋白。它是一種纖維蛋白，與另一種較小的多肽形成了有被小泡外衣的結構單位，即三腿蛋白複合物。三腿蛋白複合物包括三個網格蛋白和三個較小的多肽。由許多三腿蛋白複合物聚合構成五邊形或六邊形的網格樣結構，覆於有被小泡或有被小窩的胞質面。由網格蛋白裝配成的外衣提供了牽動質膜的機械力，導致有被小窩的下凹，也有助於捕獲膜上的特異受體及與之結合的被轉運分子；②調節素是有被小泡中組成外衣的另一類重要的蛋白，它是多亞基的複合物，能識別特異的跨膜蛋白受體，並將其連接至三腿蛋白複合物上，起選擇性介導作用。跨膜受體蛋白胞質面肽鏈尾部，常在一個由四個氨基酸殘基構成的區域內高度轉折，形成一個內吞信號，由調節素識別它。所以調節

素可介導不同類型受體，使細胞能捕獲不同類型的物質。

二 外吐作用（exocytosis）

外吐作用又稱出胞作用，是一種與內吞作用相反的過程。細胞內物質的分泌，細胞中的病毒、未消化的殘渣等分子釋放到細胞外都是細胞外吐的過程。

細胞內物質外吐方式

1．固有分泌（constitutive pathway of secretion）是新合成的分子在高爾基複合體裝入轉運小泡，隨即很快被帶到質膜，並持續不斷地被細胞分泌出去，它普遍存在於所有細胞內。"SNARE假說"認為在固有分泌中，V-SNARE與t-SNARE相互識別並結合形成7S複合物，這是分泌顆粒與靶膜的特異性結合，接著NSF在SNAP的介導下與7S複合物結合形成20S複合物，此複合物中的SNAP可激活NSF的 ATP酶活性，NSF水解ATP提供能量使20S複合物解聚，隨後膜融合自動發生，顆粒內物質分泌到細胞外。

2． 受調分泌（regulated pathway of secretion）是細胞內大分子合成后被貯存在特殊的小泡如分泌顆粒中，只有當細胞接受細胞外信號物質的作用后，引起細胞內一系列生化改變，分泌顆粒才與質膜融合，發生外吐。受調分泌主要存在於特化的分泌細胞，如內、外分泌細胞，神經細胞等。它們能特異性地按需要快速地分泌其產物，如激素、消化酶、神經遞質等。三質膜的循環和運動　在細胞內吞和外吐過程中細胞質膜的面積不斷地發生變化。內吞過程中，轉運小泡將質膜帶人細胞內，如巨噬細胞在吞噬過程中每分鐘可以將30%質膜帶入細胞；細胞外吐過程中，質膜的面積增大，如一些外分泌細胞分泌消化酶時，可使細胞頂部質膜增大30倍。但細胞的體積和表面積不會因此而增大和縮小，這意味著內吞和外吐的過程是兩個相輔相成的過程，即有一定數量的質膜經內吞被減少，就會有相應數量的質膜經外吐過程得以補充，以保持細胞質膜面積的恆定，這就是質膜循環的一種方式。同時，在此循環過程中，質膜也在進行運動，其成分和分佈發生了流動，這種流動將有利於細胞功能的執行。

結構和功能

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質膜的特化結構包括側面的特化結構和遊離面的特化結構。側面的特化結構就是指細胞連接，或稱細胞間連接，它是細胞相互連接處局部質膜所形成的特化結構，在多細胞動物中普遍存在。遊離面的特化結構，如微絨毛、鞭毛、纖毛等，幫助完成細胞的特定活動。　1． 緊密連接（tight junction）又稱閉鎖小帶，存在於上皮細胞近管腔的側面，多呈帶狀分佈，少數為點狀，起著封閉細胞間隙的作用，可防止管腔內物質自由進入細胞間隙。其主要功能為：①通過封閉上皮細胞周圍的間隙而阻止