細(xì)胞膜是單層還是雙層

單層結(jié)構(gòu)

單層膜由兩層磷脂組成

也就是說(shuō)，雙層膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器都有四層磷脂

細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)史

1855年，K.W.Mageli發(fā)現(xiàn)色素滲透到受損和未受損的植物細(xì)胞是不同的。他通過(guò)細(xì)胞的滲透特性來(lái)研究細(xì)胞的“邊界”(他第一次稱之為“質(zhì)膜”)。

奈杰爾和克拉默一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞具有敏感的滲透特性，其體積會(huì)隨著周圍介質(zhì)滲透強(qiáng)度的不同而變化。當(dāng)細(xì)胞外溶質(zhì)滲透性強(qiáng)時(shí)，細(xì)胞變??；溶質(zhì)滲透率小時(shí)，細(xì)胞變大。Negri認(rèn)為，細(xì)胞與環(huán)境的關(guān)系就是通過(guò)這個(gè)“邊界”發(fā)生的。

在實(shí)驗(yàn)中，Negri還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Nitella的長(zhǎng)容器元件的一端放入水溶液中，另一端放入糖溶液中時(shí)，細(xì)胞內(nèi)容物的傳輸屏障發(fā)生。水的一端的細(xì)胞汁流到糖液的一端，帶著所有可移動(dòng)的顆粒。但之前已知的事實(shí)表明，蒸騰和滲透壓加在一起不足以將液體壓向植物的上部，這兩種力無(wú)法解釋植物汁液的流向。所以，根據(jù)Negri的說(shuō)法，一定還有另一個(gè)力，這個(gè)力在豎壁上，更有可能在橫壁上。這個(gè)力增加了細(xì)胞溶液從底部到頂部的流動(dòng)。

1897年，Crijins和Hedin對(duì)紅細(xì)胞做了實(shí)驗(yàn)，也證明了分子的通透性與其在脂質(zhì)中的溶解度有關(guān)，溶解度越大越容易通過(guò)。

此外，德國(guó)植物生理學(xué)家W.Pfeffer對(duì)植物細(xì)胞的滲透行為進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，并在1897年提出了兩個(gè)重要結(jié)論:第一，細(xì)胞被質(zhì)膜包裹；第二，這種質(zhì)膜是水和溶質(zhì)通過(guò)的常見(jiàn)屏障。同時(shí)很快發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜的屏障有明顯的選擇性，有些物質(zhì)可以通過(guò)，有些物質(zhì)幾乎不能通過(guò)。

1899年，英國(guó)細(xì)胞生理學(xué)家C.Overton發(fā)表了一系列關(guān)于化合物進(jìn)入細(xì)胞的觀察結(jié)果。他發(fā)現(xiàn)分子極性越大，進(jìn)入細(xì)胞的速度越慢。當(dāng)加入非極性基團(tuán)(如烷基鏈)時(shí)，化合物的進(jìn)入速度加快。奧弗頓的結(jié)論是，控制物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞速度的細(xì)胞膜是脂肪物質(zhì)，其中含有甾醇和其他脂質(zhì)。所以當(dāng)時(shí)就確立了細(xì)胞周圍有一層脂質(zhì)膜。

1917年，朗繆爾將磷脂溶解在苯和水中。苯蒸發(fā)后，磷脂分子分散。推動(dòng)后，磷脂分子排列成單層，每個(gè)分子的一端浸入水中，另一端漂浮在水面上。成功的在水面上鋪了一層磷脂分子！拉姆瓦水盤(pán)如下:還原歷史背景，了解認(rèn)知規(guī)律細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)

1925年，哥德?tīng)柡透駛惔鳡栍帽?一種能溶解脂質(zhì)的有機(jī)溶劑)從人紅細(xì)胞膜中提取脂質(zhì)成分，并將其涂在水面上。發(fā)現(xiàn)膜脂的鋪展面積是細(xì)胞表面積的兩倍，推測(cè)細(xì)胞膜是由雙層類脂分子組成的。成立前提:a .紅細(xì)胞的所有脂質(zhì)都在膜上；b .丙酮提取完成；紅細(xì)胞平均表面積估計(jì)正確。(降低70% ~ 80%)；40年后，Bar重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞膜的扁平面積應(yīng)該是蛋白質(zhì)表面的1.5倍，而不是70% ~ 80%，而干膜面積為99μm2，濕膜面積為145μm2。兩個(gè)誤差抵消，結(jié)果基本正確。根據(jù)細(xì)胞的生理生化特征，推測(cè)質(zhì)膜是一種由蛋白質(zhì)-磷脂-蛋白質(zhì)組成的脂肪屏障、脂雙層和三夾板結(jié)構(gòu)。

20世紀(jì)初，科學(xué)家從哺乳動(dòng)物的紅細(xì)胞中分離出細(xì)胞膜，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜不僅被溶脂物質(zhì)溶解，還被蛋白酶分解。

1935年，J. Danielli和H.Davson發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜表面張力遠(yuǎn)低于油水界面張力，推測(cè)膜中含有蛋白質(zhì)，從而提出了“蛋白質(zhì)-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)”的三明治模型。認(rèn)為質(zhì)膜是由雙層類脂分子和附著在其內(nèi)外表面的蛋白質(zhì)組成。1959年，基于上述提出了一個(gè)修正模型，認(rèn)為膜也有蛋白質(zhì)通道通過(guò)脂質(zhì)雙層供親水物質(zhì)通過(guò)。

1959年，J. D. Robertson用鋨酸處理細(xì)胞膜(蛋白質(zhì)在鋨酸作用下形成電子密度很高的鋨黑，電子顯微鏡下呈黑色)，用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的紅細(xì)胞膜圖像，呈暗光暗三層結(jié)構(gòu)，厚度約7.5nm，這就是所謂的“單位膜”模型。它由厚度約為3.5納米的雙層脂質(zhì)分子和內(nèi)外表面厚度約為2納米的蛋白質(zhì)組成。單位膜模型的不足在于它將膜的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)描述為靜態(tài)的和不可改變的。

20世紀(jì)五六十年代，冷凍電鏡應(yīng)用于細(xì)胞膜的研究，使人們更好地了解了細(xì)胞膜的三維空結(jié)構(gòu)，從而認(rèn)識(shí)到羅伯遜“單位膜”模型中的脂雙層含有蛋白質(zhì)顆粒。

冷凍蝕刻也稱為冷凍斷裂。標(biāo)本放置在-100？c干冰還是-196？液氮中，冷凍。然后用冷刀突然斷開(kāi)標(biāo)本，升溫后冰在真空的條件下迅速升華，露出截面結(jié)構(gòu)，稱為刻蝕。蝕刻后，45度角噴一層蒸汽鉑，再90度角噴一層碳，增強(qiáng)對(duì)比度和強(qiáng)度。然后用次氯酸鈉溶液消化樣品，將碳鉑膜剝離，稱為復(fù)型。復(fù)合膜顯示了樣品蝕刻表面的形貌，在電子顯微鏡下獲得的圖像代表了樣品中細(xì)胞斷裂表面的結(jié)構(gòu)。

1970年，L.D.Frye和H.Edidin用綠色熒光染料標(biāo)記小鼠細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)分子，用紅色熒光染料標(biāo)記人細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)分子，促進(jìn)了兩種細(xì)胞與仙臺(tái)病毒的融合。新融合的細(xì)胞在一個(gè)半球有紅色熒光，在另一個(gè)半球有綠色熒光。如果細(xì)胞在37℃培養(yǎng)40 min，紅、綠色熒光在細(xì)胞表面混合均勻，而在l℃培養(yǎng)40 min，細(xì)胞保持初始狀態(tài)，即紅、綠色熒光不混合。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了構(gòu)成細(xì)胞膜的大部分磷和蛋白質(zhì)分子不是靜止的，而是可以運(yùn)動(dòng)的，即細(xì)胞膜具有一定的流動(dòng)性。

1972年，美國(guó)加州大學(xué)的S. J. Singer和G. L .梁君諾根據(jù)免疫熒光技術(shù)和冷凍蝕刻技術(shù)的研究成果，提出了基于“單位膜”模型的“流體鑲嵌模型”。根據(jù)該模型，細(xì)胞膜由流動(dòng)的脂質(zhì)層和嵌入的蛋白質(zhì)組成。磷脂分子有疏水尾對(duì)置，極性頭對(duì)著水相，形成生物膜骨架。蛋白質(zhì)嵌入在整個(gè)脂質(zhì)層的表面、內(nèi)部或表面，呈現(xiàn)不對(duì)稱分布。該模型的缺點(diǎn)是:忽略了蛋白質(zhì)分子對(duì)脂質(zhì)分子流動(dòng)性的限制作用；忽略了膜各部分流動(dòng)性的不均勻性，人們提出了一些新的模型。

1975年，瓦拉克提出了“格模型”?！案褡幽Ｐ汀笔橇黧w鑲嵌模型的補(bǔ)充，強(qiáng)調(diào)流動(dòng)的完整性。生物膜的流動(dòng)性可以用膜脂從無(wú)序(液態(tài))到有序(晶態(tài))的可逆相變來(lái)解釋。膜鑲嵌蛋白可以控制脂質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)。鑲嵌蛋白及其周圍的脂質(zhì)分子形成晶格狀態(tài)。這些不動(dòng)的脂質(zhì)分子被稱為界面脂質(zhì)，而流動(dòng)的脂質(zhì)以小片和點(diǎn)的形式分布。因此，脂質(zhì)的流動(dòng)是局部的，而不是整個(gè)脂質(zhì)雙層在流動(dòng)。

1977年，Jain和White提出生物膜是由不同流動(dòng)性的板嵌入的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。該模型強(qiáng)調(diào)整個(gè)生物膜由不同組織結(jié)構(gòu)、不同大小、不同性質(zhì)、不同流動(dòng)性的可移動(dòng)膜塊組成。這些彼此獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的脂質(zhì)區(qū)域(有序的“板”)被流動(dòng)的脂質(zhì)“板”(無(wú)序的)所分割，兩個(gè)“板”之間可能存在連續(xù)的動(dòng)態(tài)平衡，所以細(xì)胞膜實(shí)際上是由不同流動(dòng)性的板同時(shí)鑲嵌而成的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。有了這種結(jié)構(gòu)，細(xì)胞膜各部分的流動(dòng)性處于不均勻狀態(tài)，晶相和非晶相可以隨著生理狀態(tài)和環(huán)境條件的變化而變化。這種板鑲嵌模型有利于解釋膜功能的多樣性和調(diào)控機(jī)制的復(fù)雜性。

1997年，K.Simons和Elina Ikonen提出了“功能性筏”的概念，現(xiàn)在一般稱為“脂質(zhì)筏”?！爸痉つＰ汀笨梢哉f(shuō)是最新的細(xì)胞膜功能的功能解釋模型。脂質(zhì)筏是生物膜上富含膽固醇和甘油酯的微域。結(jié)構(gòu)域約70nm，為動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，位于以甘油磷脂為主的生物膜中。由于甘油酯具有較長(zhǎng)的飽和脂肪酸鏈和較強(qiáng)的分子間作用力，這些區(qū)域比較密集，位于無(wú)序液體和液晶之間，稱為有序液體。脂筏攜帶各種膜蛋白，這些膜蛋白執(zhí)行一些特定的生物功能。它們就像一個(gè)蛋白質(zhì)停泊的平臺(tái)，與膜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選和跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)密切相關(guān)。脂筏最初可能在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上形成，轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞膜后，一些脂筏可以不同程度地與亞細(xì)胞細(xì)胞骨架蛋白交聯(lián)。推測(cè)一個(gè)100nm大小的脂筏可能含有600個(gè)蛋白質(zhì)分子。

從細(xì)胞膜的探索過(guò)程中，我們清楚地認(rèn)識(shí)到，科學(xué)家研究細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的過(guò)程始于物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)現(xiàn)象。分析成分是理解結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，現(xiàn)象和功能為探索結(jié)構(gòu)提供線索。然后人們?cè)趯?shí)驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)上提出了假設(shè)，并通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)對(duì)假設(shè)進(jìn)行了修正。最后才能認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)，了解表象下隱藏的真相。