2.2 細胞膜的成分與結構

為了研究膜的機能，需要了解膜的成分與結構，但一般情況下，分離提純出膜的成分時，膜的結構往往被破壞，機能也就消失了。此外，不同的膜，其成分與結構也有差別，這就更增加了問題的復雜性。幾十年來經過多方面探索，逐步積累了許多實驗材料，提出并逐步完善了關于膜結構的假說。

雙分子層模型

E.Gorter和F.Grendel在1925年首先提出膜結構的模型。他們研究的是紅細胞的膜，由于這些細胞沒有明顯的細胞器，所以細胞膜幾乎是唯一的膜結構。他們先把紅細胞放在低滲透壓溶液中，使細胞吸水脹破，血紅蛋白溶于水中，剩下空的膜囊；再用丙酮從這些膜囊中溶出脂質，并把這種提取物散布在一個水槽中。由于脂質分子的非對稱性（圖2-2），它們的極性端親水，與水形成氫鍵；而另一端的碳氫鏈因疏水而伸向空中，在水-空氣界面上排成了一個單分子層。在水槽一端輕輕從側面對單分子層施加壓力，使脂質分子逐步集中。當單分子層所受到的壓力突然增加時，說明脂質分子已經集中形成一片密集的單分子層（圖2-3）。測出單分子層這時的面積，發現其面積大約是所有提取出脂質分子的紅細胞表面積之和的兩倍。Gorter和Grendel由此得出推論： 紅細胞的膜是由兩層脂質分子組成的，兩層分子的碳氫鏈端相對排列，垂直于表面（圖2-4）。這就是膜結構的雙分子層模型或脂雙層模型（lipid-bilayer model）。

圖2-2 卵磷脂（仿Styer, 1981）

圖2-3 Gorter和Grendel的實驗
*達因＝10-5牛（仿Eckert,1988）

圖2-4 Gorter和Grendel的雙分子層模型

Gorter和Grendel的推論一直支配著關于膜結構的設想和爭論。40年后，Bar等人仔細重復了他們的實驗，發現了他們在技術上的錯誤。首先，丙酮只能抽提出膜上70%～80％的脂質；其次，他們是按干膜計算紅細胞的表面積，這比濕膜的表面積小（干膜是99平方微米，而濕膜是145平方微米）。因此Gorter和Grendel的原始實驗既低估了脂質量，也低估了紅細胞的表面積，這兩方面的錯誤相互抵消，從而得出了紅細胞膜是由脂類的雙分子層組成的結論，這是科學上的一次巧合。后來的研究表明，紅細胞膜上脂質所形成的單分子層的面積只是膜面積的1.5倍，其余的部分是由蛋白質組成的。

Singer流動鑲嵌模型

根據當時積累的關于細胞膜的電子顯微鏡、X射線衍射等多方面的研究成果，1972年S.J.Singer和G.L.Nicolson提出關于細胞膜結構的流動鑲嵌模型（fluid mosaic model），這是關于細胞膜和細胞內膜的一個較合理的模型。他們認為膜的基本結構是流體的脂雙層，其中鑲嵌著具有生理活性的球形蛋白質，有的蛋白質分子貫穿雙分子層，有的只穿過部分雙分子層（圖2-5）。這種模型也得到了形態學的證據。用冰凍蝕刻電子顯微鏡技術把雙分子層從中間撕開，露出許多直徑為5～8納米的顆粒。用蛋白質消化酶處理后，這些顆粒逐步消失，表明顆粒是嵌在細胞膜脂質分子層中的蛋白質（圖2-6）。

圖2-5 Singer流動鑲嵌膜結構模型

圖2-6蛋白質鑲嵌在膜中的形態學證據
用冰凍蝕刻技術撕開膜的雙分子層，露出膜中顆粒
A. 對照；B，C. 用蛋白質水解酶消化處理后膜上顆粒逐步消失（引自Eckert，1988）

現在知道，細胞膜的主要成分是蛋白質、磷脂、膽固醇以及其他脂質，還有少量糖類。脂雙層實際上是層油膜，是流體，其脂質分子在膜平面上迅速擴散，因而，鑲嵌在膜中的蛋白質除受某些特殊因素影響被固定外，也在這層油膜中漂移。這些蛋白質主要是糖蛋白，糖分子暴露在膜的外側，有的是激素的受體，有的參與免疫機能。膜內側的一些蛋白質主要起酶的作用（圖2-7）。構成膜的脂雙層是極性分子通透的屏障，而鑲嵌在其中的蛋白質則起著通道、閘門、離子泵、受體、能量轉換器等作用。

圖2-7 細胞膜的結構（仿Koeppen，2008）