细胞理论、形态和功能:膜结构和功能的流体镶嵌模型

膜结构与功能的流体镶嵌模型

在一个典型的细胞中，细胞膜有许多不同的功能，比如防止不必要的病毒进入，但最有价值的可能是将细胞分割成功能和隔离的隔间。由于细胞内随时发生的生化反应数量多得令人难以置信，而且往往相互冲突，细胞必须通过结构组织来维持秩序，否则就有化学混乱的危险。内部膜将反应分隔以防止干扰。细胞膜也将生命从其表面的非生命中分离出来。这样做，一个完整和健康的膜选择性地渗透因为它允许细胞繁荣所需的物质进入，并试图阻止不必要的和不友好的物质的渗透。不幸的是，这个系统并不总是万无一失。有时不需要的物质会穿过细胞膜，可能会在细胞内造成麻烦。

有趣的是，当磷脂被放入水中时，它会自发地自我折叠，形成双层或双分子层。这种双层现象也是广泛支持的膜结构流体镶嵌模型的基础。磷脂分子有一个水溶性的极性头和两个脂溶性的非极性尾。疏水的尾巴总是尽量避开水，面向双分子层的内部，而亲水的头部则面向内外。

在磷脂双分子层中有许多不同类型的嵌入蛋白质和胆固醇分子，它们的存在产生了这个术语马赛克．从扫描电子显微镜图像中观察到，嵌入的分子可以在膜中横向移动，这意味着膜不是固体的，而更像一个流体．细胞膜也有糖蛋白附着在细胞膜表面，有助于定位和识别食物、水、废物和其他膜运输。每个细胞都有一个特殊的糖蛋白结构，这是基于它吸引或排斥细胞膜流量的需要。参考插图典型的膜，并注意磷脂分子的排列。

膜内的蛋白质承担着许多膜的功能，比如将膜固定在一个规则的、可识别的结构中，以便于结合。他们也有一个特殊的和独特的形状，使他们的功能受体以及附着在细胞功能所需的适当原料上的受体位点。在某些情况下，受体蛋白也是一种信号转换器这就开始了一系列酶催化的反应，以刺激细胞内的特定反应或功能。最后,运输的蛋白质,也叫载体蛋白，帮助物质跨膜移动，如下一节所述。

被动运输

被动运输当不需要能量将一种物质，如水或二氧化碳，从高浓度区域移动到低浓度区域，直到浓度相等时发生，有时跨越膜。从高到低的浓度梯度是被动传输的驱动力，因为它符合一个基本的自然定律:事物倾向于从一个高能的、有序的结构移动到一个低能量的、增加随机性或增加熵的存在状态。以下是被动运输的分类:

• 扩散．这是一个很好的例子，说明了某些分子，如氧气，是如何根据从高到低的浓度梯度直接通过膜的。举个例子，氧气从肺部扩散到血液中，运输到所有的细胞。
• 易化扩散．这是一种特殊的扩散方式，它很有用，因为有时物质太大，不能自由地通过膜，或者它们需要沿着浓度梯度移动，因此嵌入膜中的转运蛋白可以帮助通过。在大多数情况下，转运蛋白为特定物质的通过创造了一个化学通道。由于没有能量消耗，促进扩散的速率取决于嵌入膜中的转运蛋白的数量。举个例子，葡萄糖在通过红细胞进入体细胞时由葡萄糖转运蛋白运输。
• 渗透．这类似于扩散，除了它只指水通过渗透膜扩散。水作为溶剂从高浓度的区域移动到低浓度的区域。在生物系统中,更容易认为水是流动从low-solute high-solute浓度直到浓度相等。high-solute浓度是一个解决方案低渗的溶液相对于另一个较低溶质浓度或高渗解决方案。水将继续从低溶质/高溶剂浓度向高溶质/低溶剂浓度渗透，直到两边都等张,或相等。渗透调节是所有生物的斗争，因为我们不断调整我们的细胞水平衡的最佳条件。在你的身体里，大肠通过渗透作用重新吸收水分，以帮助保持适当的水浓度，这有助于防止你的系统脱水。
• 离子通道．这些是膜蛋白，允许离子通过，通常会被膜的脂双分子层阻止。这些小通道专门针对一种离子，这样钙离子就不能通过铁离子通道。离子通道也可以作为门，因为它们调节离子流动响应两个环境因素:来自细胞的化学或电子信号和膜运动。当神经冲动遇到神经细胞之间的间隙或突触间隙时，就会发生这种情况。由于离子通道被打开，允许特定离子通过接收膜，从而继续电刺激到下一个神经细胞，因此电刺激得以继续。

主动运输

有时物质必须按浓度梯度泵送，如钠离子(Na⁺)和钾离子(K⁺)泵。因此需要一种运输蛋白质和能量，通常是三磷酸腺苷(ATP)，一种能量丰富的化合物，来推动离子向梯度方向移动。就钠离子和钾离子而言，维持细胞外的钠离子和细胞内的钾离子对肌肉和神经的功能至关重要。下面的机制说明了主动运输机制:

1. 细胞内的钠离子与转运蛋白结合，因为ATP添加了磷酸盐，改变了转运蛋白的形状。
2. 新的转运蛋白结构携带和沉积钠离子到外部，并与钾离子结合，失去磷酸基(这再次改变了转运蛋白的形状)，并允许返回。
3. 钾离子沉积在细胞内，一个钠离子和一个磷酸离子附着在转运蛋白上重复这一过程。

内吞作用而且胞外分泌处理真正的大分子，如长蛋白质链或环状结构，以及大体积的小分子。在细胞内吞作用中，细胞膜包围颗粒并将颗粒移动到细胞内，形成液泡或囊泡作为膜包裹的容器，从而将食物等物质带入细胞内。在胞吐过程中，含有在液泡或囊泡中的废物或激素离开细胞，它们的含膜被吸收并添加到细胞膜上。内吞作用有三种类型:

• 胞饮当细胞从外部吸收液体，形成液泡时发生。
• 受体介导内吞作用是一种特殊类型的胞饮症，通过识别对特定物质敏感的受体蛋白而激活。
• 吞噬作用是由带有溶酶体的液泡(溶酶体是一种含有消化酶的细胞器)对物质(通常是食物)的吞噬和消化。

Endomembrane系统

与原核细胞不同，所有真核细胞，无论植物、动物或其他来源，在结构上都是相似的，包含的细胞器基本相同，只有某些例外。真核生物被内膜分隔，以增加活性表面积，增加亚细胞反应的复杂性，从而提高整体效率。

在真核细胞中，内膜系统是由相互连接或紧密连接的膜结合细胞器组成的功能组合，它们构建、存储和转移生物分子。生物学上重要的内膜细胞器将在接下来的章节中更详细地讨论。参考插图一个典型的细胞．

的核是牢房的中心摆设。它把DNA以染色质它也是RNA复制DNA并开始蛋白质合成的地方。这些蛋白质是在核糖体中产生的，核糖体又是由核仁产生的，核仁也是核的组成部分。核仁是核糖体RNA生成的地方，核糖体RNA与蛋白质组装形成摩擦体亚基。一个双核膜包围并将细胞核从细胞质中分离出来。原核生物没有明确定义的细胞核。

的粗糙的而且光滑型内质网是细胞内具有多种功能的长而连续的膜。粗面内质网(rER)在产生和输出蛋白质的细胞中非常突出，因为它有附着在细胞膜上的核糖体。内质网有两个重要的功能，包括制造更多的膜来延长内质网和进一步分隔细胞。另一个功能是制造分泌蛋白例如抗体，它们是为了在母细胞外发挥作用而产生的。分泌蛋白其他的细胞外输出被运输囊泡因此能够不受干扰地通过细胞质移动到高尔基体．

内质网也连接核膜和平滑内质网(sER)。sER生成脂质，调节钙水平，使肌肉正常运转，并帮助分解肝脏中的有毒物质。它们不含核糖体。

高尔基体，或高尔基复合体，不连接到内质网，但从内质网接收蛋白质，并修改它们的细胞外输出。当高尔基体从内质网接收运输囊泡时，它会将产品分类到类似的存储区域，用化学方法标记它们的目的地，将它们重新包装在一个新的运输囊泡中，并将最终的包装释放到细胞膜进行细胞外输出。

高尔基体的结构支撑着它的功能。电子显微镜显示其结构类似于相互连接的泄气球或袋。一端作为接收点，另一端作为运输中心，中间的分子可以对产品进行分类，并合成包裹它们的囊泡。

溶酶体有时被称为细胞的自杀药丸，因为它们是含有水解消化酶的单膜细胞器，很容易破坏细胞。它们的构建开始于内质网，在那里酶和膜连接，并在高尔基体结束。当功能完全时，溶酶体被释放出来，并主要在动物细胞中运行，执行它们的四个主要功能:

• 亚细胞消化食物颗粒和无功能的细胞器
• 回收:某些生物分子的回收和再循环，以供细胞以后使用
• 消灭有害的外来粒子，如入侵的细菌
• 胚胎手指间的蹼的消化和去除

液泡，如溶酶体，是充满液体的单膜结合囊。他们还提供四个主要功能,是他们使用的解释中央液泡只存在于植物细胞中的:

• 吸收和储存水分
• 储存酶直到需要，和代谢废物直到清除
• 含有吸引传粉者的色素
• 储存有毒的化学物质，这对食草动物也是一种威慑

能量生产:叶绿体和线粒体

所有的绿色植物都有叶绿体作为光合作用的场所。尽管叶绿体可以在植物的所有地上部分找到，但大多数集中在植物的中间或地上部分叶肉树叶。叶绿体被包裹在双层膜中，在膜之间形成一个充满液体的隔层，称为膜基质．在基质内类囊体，它们像芯片一样堆放在基粒．类囊体膜内有各种各样的叶绿素分子，它们捕获并将光能转化为化学键的化学能。类囊体膜大大增加了可利用的表面积，并容纳了大部分用于光合作用的酶和机械。每个光合细胞包含许多叶绿体，叶绿体包含许多粒。

像所有亚细胞细胞器一样，线粒体的功能与其结构有关。线粒体的主要作用是进行细胞呼吸，将食物分子(如碳水化合物)的化学能转化为高能化合物(如ATP)。与叶绿体类似，线粒体被双层膜包裹，形成充满液体的膜膜间隙．第二个隔间线粒体基质，由高度折叠的内膜所包含。的嵴它的表面积大大增加，并且含有大量的酶，所以大多数产生ATP的细胞呼吸反应是在线粒体基质中完成的。

内共生

美国研究人员林恩·马古利斯在1966年提出了假设内共生，这也许可以解释第一个真核生物的出现。根据马古利斯的说法，有两个成功的入侵早期厌氧(一个不需要氧气)原核生物，较小的独立原核生物。其中一个原核入侵者进入较大的原核生物可能是为了保护和容易获得营养，决定留下来，并开始在宿主细胞内独立繁殖。这两个细胞并没有试图驱逐入侵者，而是发展出了一种互惠互利的关系。入侵细胞被认为是现代的线粒体。第二次类似的入侵，但这次是由一种光合细菌入侵，最终变成了叶绿体。有趣的证据支持这一假设。首先，线粒体和叶绿体都含有它们自己的DNA，这与细胞的其他部分是分开的，不同的。第二,安排他们的DNA是圆形,原核生物细胞的特点。最后，两者都独立于细胞的其他部分进行繁殖。