细胞膜蛋白及其功能

细胞膜作为细胞系统的边界，无论是控制物质进出、信息交流、细胞代谢还是免疫方面都有着极其重要的作用。那么，细胞膜上的蛋白质究竟有哪些？如何行使功能？其分布与结构特点又如何？简述如下。

1.膜蛋白的分布

细胞膜蛋白种类繁多，但多数膜蛋白分子数目较少，分布不均匀。根据膜蛋白分离的难易程度可将其分成两个基本类型：外在膜蛋白和内在膜蛋白。外在膜蛋白为水溶性蛋白，靠离子键或其他弱化学键与膜表面的蛋白质分子或脂分子结合，因此结合较为疏松；而内在蛋白多数为跨膜蛋白，通过自身的跨膜结构域与磷脂双分子层的疏水核心相互作用，通过跨膜结构域两端的带电荷的氨基酸残基与磷脂极性头部相互作用，因此结合非常紧密。

2.膜蛋白的流动性

膜的流动性是生物膜的基本特征，也是细胞进行各种生命活动的结构基础。教材中提到荧光抗体免疫标记实验，该实验中随着标记时间的延长，可使己均匀分布的标记荧光重新排布在细胞表面的某些部位（成斑现象）或聚集在细胞的一端（成帽现象），从而进一步证实膜蛋白的流动性。该实验虽能直接说明膜蛋白的流动性，但并非膜整体（包括膜脂）的流动性，而且这种流动性也不是绝对的，因为源于某些膜蛋白与膜下细胞骨架结构相结合，限制了膜蛋白的运动。事实上，有些细胞只有30%的膜蛋白处于流动之中。因此，有了“一定的流动性”的描述。

此外，关于膜蛋白流动性的原因，也是许多学生感兴趣的问题。实验证明，用药物抑制细胞的能量转换、蛋白质合成等代谢途径，对膜蛋白运动没有影响，但如果低温处理，则膜蛋白的扩散速度会降低至原来的1/10~1/20。由此可见，膜蛋白的运动是自发的热运动。

3.膜蛋白的种类与功能

3.1运输功能——膜转运蛋白

膜转运蛋白分为载体蛋白和通道蛋白两种。

载体蛋白是多次跨膜蛋白，能与特定的溶质分子结合，通过自身构象的改变来介导溶质分子跨膜运转，载体蛋白分别在协助扩散和主动运输中发挥作用。参与协助扩散的载体蛋白能加快物质从自由能高向自由能低的一侧跨膜运输，而对运转分子不做任何共价修饰。如血浆中的葡萄糖进入红细胞就是这种运输方式。参与主动运输的载体蛋白则需要在ATP直接供能或间接供能的条件下，通过结构上的特异性（特异结合位点）和可变性（构象改变影响亲和力的变化）完成物质运输。由ATP直接供能的载体如Na+-K+泵，每次循环消耗1个ATP分子，完成3个Na+和2个K+的运输，对维持细胞的渗透平衡和神经冲动的传导起着重要的作用。另有一些载体蛋白则需要通过电化学梯度间接供能来驱动物质运输，如小肠上皮细胞吸收葡萄糖、氨基酸等有机物是伴随Na+从细胞外流入细胞内实现的（植物和细菌往往利用H+浓度梯度来驱动），而维持细胞内外Na+、H+的浓度差是要耗能的，因此称为间接供能的主动运输。

目前发现的通道蛋白有100多种，可分为水通道蛋白和离子通道蛋白两类。以离子通道蛋白为例，其特点有二：一是离子选择性（只允许特定一种离子通过）；二是门控性，在对特定刺激（如电、压力、配体等）发生反应时才瞬间开放。离子通道蛋白与参与离子运输的载体蛋白（离子泵）的主要区别有三：一是前者顺浓度梯度运输，后者逆浓度运输；二是前者只需要一个简单的“门”（蛋白质的特定构象改变），后者有两个不能同时开启的门，即一开一关，离子一进一出；三是速度，前者可以每秒100万~1000万的速度运输，后者较慢，如Na+-K+泵，每秒1000次。

3.2识别功能——受体蛋白

对于多细胞生物而言，细胞间的通讯方式以分泌化学信号分子进行信息交流为最普遍。信号分子（配体）根据其溶解性可以分为两类：亲脂类信号分子（留类激素和甲状腺素，可穿越细胞膜）和亲水类信号分子（神经递质、生长因子、多数激素，不可穿越细胞膜）。因此，用以识别这些信号分子的膜受体蛋白亦可相应分两类：细胞表面受体和细胞内受体（后者存在于细胞质或细胞核中）。受体多为糖蛋白，通过与配体的特异性结合，将胞外信号转变为胞内化学或物理信号，以启动一系列过程，最终表现为某种生物学效应。值得一提的是配体和受体之间并非简单的一对一的关系，不同细胞可能具有相同的受体，与同种配体结合后产生不同的效应，如乙酰胆碱作用于骨骼肌细胞会引起收缩，作用于心肌却降低收缩频率，作用于唾液腺细胞则引起分泌；同一细胞也可以具有不同的受体，如肝细胞肾上腺素或胰高血糖素受体，在结合各自受体后，均能促进糖原降解而使血糖升高。

3.3连接功能

通过一些特定膜蛋白，将相邻细胞的细胞膜相互联系，协同作用。主要有三种方式：一是紧密连接，通过排列成串的跨膜蛋白（如封闭蛋白）形成“焊接线”，使相邻的细胞膜紧紧靠在一起，没有间隙，以阻止可溶性物质甚至水分子沿细胞间隙进入体内，起重要的封闭作用。如小肠上皮细胞之间的紧密连接可将体液和小肠内容物隔离开；二是锚定连接，如桥粒蛋白在两个细胞间形成纽扣式的结构以将相邻细胞连在一起，进而使细胞群体、组织和器官保持高度有序、坚挺；三是通讯连接，如动物细胞膜上的连接子（由6个跨膜蛋白环绕而成），中心形成直径约为1.5nm的孔道，即细胞质通道，可使相邻细胞之间的离子、核苷酸等小分子通过从而实现通讯联系。

3.4催化功能——酶

原核生物由于没有复杂的细胞器，因此许多功能都是由细胞膜来承担的。在其细胞膜上往往分布有各种代谢所需要的酶，例如参加电子传递与氧化磷酸化的酶系，可行使相当于真核细胞线粒体的部分功能；而合成细胞壁成分的酶，行使相当于真核细胞高尔基体的部分功能；细胞色素酶，磷脂及脂肪酸生物合成的酶，行使相当于真核细胞内质网的部分功能；另有一些与核糖体共同执行合成分泌蛋白的酶，等等。可见膜蛋白赋予原核细胞膜功能上的多样化是区别于真核细胞的一个显著的特征。

对于真核生物来说，由于内膜系统的复杂性，膜上酶的种类较原核细胞少。如前面提到的一种载体蛋白Na+-K+ATP酶，可催化ATP的水解进而促进物质跨膜运输；腺苷酸环化酶，当蛋白质肽类激素及大多数氨基酸衍生物类激素与细胞膜上的特定受体结合之后，激活此酶的活性，促使细胞内的ATP转化为“第二信使”环腺苷一磷酸（cAMP）。当配体与受体结合，可导致受体二聚化（相邻两个受体通过配体结合在一起），激活受体的酪氨酸蛋白激酶的活性，随即引起一系列磷酸化级联反应，致使细胞生理或基因表达的变化。

3.5保护功能——糖蛋白

细胞膜上的糖类，除少数与膜脂结合外，多数形成糖蛋白。由于糖蛋白的高粘度性，可以成为细胞表层的润滑剂，防止蛋白水解酶的水解作用。同时，也可以防止细菌、病毒的侵袭。因此，得名“糖被”。事实上，糖蛋白的功能是多样化的，前面提及的载体蛋白、受体蛋白往往也是糖蛋白。除此以外，一些糖蛋白还是细胞血型物质的基本成分，免疫识别的分子基础。

3.6运动功能——微管蛋白

由微管蛋白构成的鞭毛和纤毛作为细胞表面的特化结构，可使细胞运动，或通过促进细胞表面液体的流动，摄取食物或清除细胞表面的异物。较长（150~200μm）且数目较少者称鞭毛，较短（5~10μm）且数目较多者称纤毛。鞭毛和纤毛主要存在于单细胞生物中，也存在于一些高等动物细胞中，如人的呼吸道上皮细胞表面。鞭毛和纤毛外围细胞质膜，主体部分都是由微管形成的，“9+2”结构，即每根鞭毛（或纤毛）由中央的两根相互平行的完全微管，外围的9个二联体微管组成。