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。
思考：膜的不对称性有何生物学意义？
膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性。保证了生命活动的高度有序性。 膜脂在膜中的分布是不对称的，虽然这种不对称性的生物学作用还了解得很少，但已经取得了不少进展。如糖脂是位于脂双层的外侧，其作用可能作为细胞外配体(ligand)的受体。磷脂酰丝氨基主要集中在脂双层的内叶，在生理pH下带负电荷，这种带电性使得它能够同带正电的物质结合，如同血型糖蛋白A跨膜α螺旋邻近的赖氨酸、精氨酸结合。磷脂酰胆碱出现在衰老的淋巴细胞外表面，作为让吞噬细胞吞噬的信号。磷脂酰胆碱也出现在血小板的外表面，此时作为血凝固的信号。磷脂酰肌醇主要集中在内叶，它们在将细胞质膜的刺激向细胞质传递中起关键作用。
膜不仅内外两侧的功能不同， 分布的区域对功能也有影响。造成这种功能上的差异， 主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。
细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持就是靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。
1.5 The function of plasma membrane 细胞质膜的主要功能概括如下：
1.为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；
2.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； 3.提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递； 4.为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行； 5. 导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接； 6. 参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。
■ 界膜和区室化(delineation and compartmentalization) 细胞膜最重要的作用就是勾划了细胞的边界，并且在细胞质中划分了许多以膜包被的区室。
如何理解细胞膜作为界膜对细胞生命活动所起的作用?
界膜的涵义包括两个方面:细胞界膜和内膜结构的界膜， 作为界膜的膜结构对于细胞生命的进化具有重要意义，这种界膜不仅使生命进化到细胞的生命形式，也保证了细胞生命的正常进行，它使遗传物质和其他参与生命活动的生物大分子相对集中在一个安全的微环境中，有利于细胞的物质和能量代谢。细胞内空间的区室化，不仅扩大了表面积，还使细胞的生命活动更加高效和有序。
■ 调节运输(regulation of transport) 膜为两侧的分子交换提供了一个屏障，一方面可以让某些物质\自由通透\，另一方面又作为某些物质出入细胞的障碍。
■ 功能区室化 细胞膜的另一个重要的功能就是通过形成膜结合细胞器，使细胞内的功能区室化。例如细胞质中的内质网、高尔基体等膜结合细胞器的基本功能是参与蛋白质的合成、加工和运输；而溶酶体的功能是起消化作用，酸性水解酶主要集中在溶酶体。
■ 信号的检测与传递(detection and transmission of signals) 细胞质膜中具有各种不同的受体，能够识别并结合特异的配体，进行信号的传递。
■ 参与细胞间的相互作用(intercellular interaction) 在多细胞的生物中， 细胞通过质膜（包括膜中的一些蛋白）进行细胞间的多种相互作用，包括细胞识别、细胞粘着、细胞连接等。
■ 能量转换(energy transduction) 细胞膜的另一个重要功能是参与细胞的能量转换。例如叶绿体利用类囊体膜上的结合蛋白进行光能的捕获和转换，最后将光能转换成化学能储存在碳水化合物中。
细胞膜的这些基本功能也是生命活动的基本特征，没有膜的这些功能， 细胞不能形成，细胞的生命活动就会停止。
1.6 The red blood cell & membrane skeleton (1)An example of plasma membrane structure
首先是红细胞数量大，取材容易(体内的血库)，极少有其它类型的细胞污染; 其次成熟的哺乳动物的红细胞中没有细胞核和线粒体等膜相细胞器，细胞膜是它的惟一膜结构， 所以分离后不存在其它膜污染的问题。 Ghost :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） (2) SDS-PAGE 血影蛋白(spectrin) 锚定蛋白(ankyrin)
带3蛋白(band 3 protein) 血型糖蛋白A(glycophorin A) 带4.1蛋白(band 4.1 protein) 肌动蛋白(actin)
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。
36
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。 (3) The Erythrocyte membrane skeleton 课本的带4.1蛋白指示错误！
红细胞膜骨架的网状支架的形成及与膜的结合过程大致分为三步： 首先是血影蛋白与4.1蛋白、肌动蛋白的相互作用 4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用
是锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白的相互作用 红细胞膜骨架的装配过程: 分为三步:
① 首先是血影蛋白与4.1蛋白、肌动蛋白的相互作用:血影蛋白的α和β亚基形成二聚体，在红细胞膜内，血影蛋白多以4聚体形式存在(也有6聚体、8聚体)。血影蛋白4聚体在4.1蛋白的帮助下同肌动蛋白寡聚体结合组成骨架的基本网络。一般认为，12～17个肌动蛋白寡聚体及4.1蛋白和原肌球蛋白组成一个基本结构蛋白，这种结构蛋白再结合到血影蛋白和4.1蛋白复合体上。4.1蛋白和原肌球蛋白可稳定肌动蛋白寡聚体。
② 4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用:4.1蛋白的N端，35000的区域在生理状态下带正电荷，而血型糖蛋白带负电荷，所以4.1蛋白能够以静电稳定性同血型糖蛋白结合。
③ 锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白的相互作用:锚定蛋白N端90000区可与带3蛋白结合，而72000区可与血影蛋白结合，由于带3蛋白是膜整合蛋白、血影蛋白是膜骨架蛋白，所以锚定蛋白起媒介作用将骨架蛋白与质膜相连。
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。 Addition:质膜的特化结构
质膜常带有许多特化的附属结构。如：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）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(含有myosin I和钙调蛋白)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。 （二）皱褶
在细胞表面还有一种扁形突起，称为皱褶（ruffle）或片足（lamellipodia）。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。 （三）内褶
内褶（infolding）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。 （四）纤毛和鞭毛
37
纤毛（cilium）和鞭毛（flagellium）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。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。
2 Cell junctions
细胞与细胞间或细胞与细胞外基质的联结结构称为细胞连接（cell junction）。细胞连接的体积很小，只有在电镜下才能观察到。可分为三大类，即：封闭连接（occluding junction）、锚定连接（anchoring junction）和通讯连接（communicating junction）：
（1）封闭连接：紧密连接是这种连接的典型代表，它将相邻细胞的质膜密切地连接在一起阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内。
（2）锚定连接：通过骨架系统将细胞与相邻细胞或细胞与基质之间连接起来。根据直接参与细胞连接的骨架纤维的性质不同，锚定连接又分为与中间纤维相关的锚定连接和与肌动蛋白纤维相关的锚定连接。前者包括桥粒和半桥粒；后者主要有粘合带和粘合斑。
（3）通讯连接：这类连接主要包括间隙连接、神经细胞间的化学突触和植物细胞中的胞间连丝。 2.1 Occluding junctions 2.1.1 Tight junction 紧密连接
又称封闭小带（zonula occludens），存在于脊椎动物的上皮细胞间，长度约50-400nm，相邻细胞之间的质膜紧密结合，没有缝隙。在电镜下可以看到连接区域具有蛋白质形成的焊接线网络，焊接线也称嵴线，封闭了细胞与细胞之间的空隙。上皮细胞层对小分子的透性与嵴线的数量有关，有些紧密连接甚至连水分子都不能透过。
紧密连接的焊接线由跨膜细胞粘附分子构成，主要的跨膜蛋白为claudin和occludin，另外还有膜的外周蛋白ZO。
紧密连接的主要作用是封闭相邻细胞间的接缝，防止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内，从而保证了机体内环境的相对稳定；消化道上皮、膀胱上皮、脑毛细血管内皮以及睾丸支持细胞之间都存在紧密连接。后二者分别构成了脑血屏障和睾血屏障，能保护这些重要器官和组织免受异物侵害。在各种组织中紧密连接对一些小分子的密封程度有所不同，例如小肠上皮细胞的紧密连接对Na+的渗漏程度比膀胱上皮大1万倍。
2.1.2 Septate junctions 间壁连接
间壁连接（septate junctions）是存在于无脊椎动物上皮细胞的紧密连接。连接蛋白呈梯子状排列，形状非常规则，连接的细胞内骨架成分为肌动蛋白纤维。在果蝇中一种叫做discs-large的蛋白参与形成间壁连接，突变品种不仅不能形成间壁连接，还产生瘤突。
2.2 Anchoring junctions （一）粘合带与粘合斑
粘合带（adhesion belt）呈带状环绕细胞，一般位于上皮细胞顶侧面的紧密连接下方。在粘合带处相邻细胞的间隙约15～20nm。
间隙中的粘合分子为E-钙粘素。在质膜的内侧有几种附着蛋白与钙粘素结合在一起，这些附着蛋白包括：α-，β-，γ-连锁蛋白（catenin）、粘着斑蛋白（vinculin）、α-辅肌动蛋白（α-actinin）和片珠蛋白（plako
38
slobin）。
粘合带处的质膜下方有与质膜平行排列的肌动蛋白束，钙粘蛋白通过附着蛋白与肌动蛋白束相结合。于是，相邻细胞中的肌动蛋白丝束通过钙粘蛋白和附着蛋白编织成了一个广泛的网络，把相邻细胞联合在一起。
粘合斑（adhesion plaque）位于细胞与细胞外基质间，通过整合素（integrin）把细胞中的肌动蛋白束和基质连接起来。连接处的质膜呈盘状，称为粘合斑。
（二）桥粒与半桥粒
桥粒（desmosome）存在于承受强拉力的组织中，如皮肤、口腔、食管等处的复层鳞状上皮细胞之间和心肌中。相邻细胞间形成纽扣状结构，细胞膜之间的间隙约30nm，质膜下方有细胞质附着蛋白质，如片珠蛋白（plakoglobin）、桥粒斑蛋白（desmoplakin）等，形成一厚约15～20nm的致密斑。斑上有中间纤维相连，中间纤维的性质因细胞类型而异，如：在上皮细胞中为角蛋白丝（keratin filaments），在心肌细胞中则为结蛋白丝（desmin filaments）。桥粒中间为钙粘素（desmoglein及desmocollin）。因此相邻细胞中的中间纤维通过细胞质斑和钙粘素构成了穿胞细胞骨架网络。
半桥粒（hemidesmosome）在结构上类似桥粒，位于上皮细胞基面与基膜之间，它桥粒的不同之处在于：①只在质膜内侧形成桥粒斑结构，其另一侧为基膜；②穿膜连接蛋白为整合素（integrin）而不是钙粘素，整合素是细胞外基质的受体蛋白；③细胞内的附着蛋白为角蛋白（keratin）。
锚定连接在机体组织内分布很广泛，在上皮组织，心肌和子宫颈等组织中含量尤为丰富。通过锚定连接将相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连形成一个坚挺、有序的细胞群体。
2.3 Communicating junctions 2.3.1 Gap junctions
间隙连接（gap junction） 存在于大多数动物组织。在连接处相邻细胞间有2～4nm的缝隙，而且连接区域比紧密连接大得多，最大直径可达0.3μm。在间隙与两层质膜中有大量蛋白质颗粒，是构成间隙连接的基本单位，称连接子（connexon），由6个相同或相似的跨膜蛋白亚单位环绕而成，直径8nm，中心形成一个直径约1.5nm的孔道。通过向细胞内注射分子量不同的染料，证明间隙连接的通道可以允许分子量小于1.5KD的分子通过。这表明细胞内的小分子，如无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸和维生素等有可能通过间隙连接的孔隙。
间隙连接的通透性是可调节的。在实验条件下，降低细胞PH值，或升高钙离子浓度均可降低间隙连接的通透性。当细胞破损时，大量钙离子进入，导致间隙连接关闭，以免正常细胞受到伤害。
间隙连接的功能包括：
1．参与细胞分化：胚胎发育的早期，细胞间通过间隙连接相互协调发育和分化。小分子物质即可在一定细胞群范围内，以分泌源为中心，建立起递变的扩散浓度梯度，以不同的分子浓度为处于梯度范围内的细胞提供”位置信息”（positional information），从而诱导细胞按其在胚胎中所处的局部位置向着一定方向分化。
2．协调代谢：例如，在体外培养条件下，把不能利用外源次黄嘌呤合成核酸的突变型成纤维细胞和野生型成纤维细胞共同培养，则两种细胞都能吸收次黄嘌呤合成核酸。如果破坏细胞间的间隙连接，则突变型细胞不能吸收次黄嘌呤合成核酸。
3、构成电紧张突触：平滑肌、心肌、神经末梢间均存在的这种间隙连接，称为电紧张突触（electronic synapses）。电紧张突触无须依赖神经递质或信息物质即可将一些细胞的电兴奋活动传递到相邻的细胞。
2.3.2 Plasmodesmata
39
胞间连丝（plasmodesmata）是植物细胞特有的通讯连接。是由穿过细胞壁的质膜围成的细胞质通道，直径约20～40nm。因此植物体细胞可看作是一个巨大的合胞体（syncytium）。通道中有一由膜围成的筒状结构，称为连丝小管（desmotubule）。连丝小管由光面内质网特化而成，管的两端与内质网相连。连丝小管与胞间连丝的质膜内衬之间，填充有一圈细胞质溶质（cytosol）。一些小分子可通过细胞质溶质环在相邻细胞间传递。
胞间连丝在功能上与动物细胞间的间隙连接类似，它允许分子量小于800Da的分子通过，在相邻细胞间起通讯作用。但通过胞间连丝的分子运输也要受到调节。实验证明，在胞间连丝正常的情况下，有些低分子量的染料分子却不能通过。然而某些植物病毒能制造特殊的蛋白质，这种蛋白质同胞间连丝结合后，可使胞间连丝的有效孔径扩大，使病毒粒子得以通过胞间连丝在植物体内自由播散和感染。
胞间连丝还对细胞分化起一定作用。在高等植物中，顶端分生组织的细胞分化与胞间连丝的分布有着相应的关系。随着细胞的生长和延长，侧壁上的胞间连丝逐渐减少，而横壁上的却仍保持很多。植物相邻细胞间的细胞核可经胞间连丝穿壁。
2.3.3 Chemical synapse
化学突触（synapse）是存在于可兴奋细胞间的一种连接方式，其作用是通过释放神经递质来传导兴奋。由突触前膜(presynaptic membrane)、突触后膜(postsynaptic membrane)和突触间隙(synaptic cleft)三部分组成。
突触前神经元的突起末梢膨大呈球形，称突触小体(synaptic knob)。突触小体贴附在突触后神经元的胞体或突起的表面形成突触。突触小体的膜称突触前膜，与突触前膜相对的胞体膜或突起的膜称突触后膜，两膜之间称为突触间隙。间隙的宽度约20-30nm，内含有粘多糖和糖蛋白等物质。
突触小体内有许多囊泡，称突触小泡(synaptic vesicle)，内含神经递质。当神经冲动传到突触前膜，突触小泡释放神经递质，为突触后膜的受体接受（配体门通道），引起突触后膜离子通透性改变，膜去极化或超极化。
Sum up: 几种细胞连接的比较。
紧密连接 封闭连接 间壁连接 粘合带 连接肌动蛋白 粘合斑 锚定连接 桥粒 连接中间纤维 半桥粒 间隙连接 通讯连接 化学突触 胞间连丝
上皮细胞基部 大多数动物组织中 神经细胞间和神经—肌肉间 植物细胞间 心肌、表皮 上皮细胞基部 只存在于无脊椎动物中 上皮组织 上皮组织 40