2.2 细胞膜的成分与结构

为了研究膜的机能，需要了解膜的成分与结构，但一般情况下，分离提纯出膜的成分时，膜的结构往往被破坏，机能也就消失了。此外，不同的膜，其成分与结构也有差别，这就更增加了问题的复杂性。几十年来经过多方面探索，逐步积累了许多实验材料，提出并逐步完善了关于膜结构的假说。

双分子层模型

E.Gorter和F.Grendel在1925年首先提出膜结构的模型。他们研究的是红细胞的膜，由于这些细胞没有明显的细胞器，所以细胞膜几乎是唯一的膜结构。他们先把红细胞放在低渗透压溶液中，使细胞吸水胀破，血红蛋白溶于水中，剩下空的膜囊；再用丙酮从这些膜囊中溶出脂质，并把这种提取物散布在一个水槽中。由于脂质分子的非对称性（图2-2），它们的极性端亲水，与水形成氢键；而另一端的碳氢链因疏水而伸向空中，在水-空气界面上排成了一个单分子层。在水槽一端轻轻从侧面对单分子层施加压力，使脂质分子逐步集中。当单分子层所受到的压力突然增加时，说明脂质分子已经集中形成一片密集的单分子层（图2-3）。测出单分子层这时的面积，发现其面积大约是所有提取出脂质分子的红细胞表面积之和的两倍。Gorter和Grendel由此得出推论： 红细胞的膜是由两层脂质分子组成的，两层分子的碳氢链端相对排列，垂直于表面（图2-4）。这就是膜结构的双分子层模型或脂双层模型（lipid-bilayer model）。

图2-2 卵磷脂（仿Styer, 1981）

图2-3 Gorter和Grendel的实验
*达因＝10-5牛（仿Eckert,1988）

图2-4 Gorter和Grendel的双分子层模型

Gorter和Grendel的推论一直支配着关于膜结构的设想和争论。40年后，Bar等人仔细重复了他们的实验，发现了他们在技术上的错误。首先，丙酮只能抽提出膜上70%～80％的脂质；其次，他们是按干膜计算红细胞的表面积，这比湿膜的表面积小（干膜是99平方微米，而湿膜是145平方微米）。因此Gorter和Grendel的原始实验既低估了脂质量，也低估了红细胞的表面积，这两方面的错误相互抵消，从而得出了红细胞膜是由脂类的双分子层组成的结论，这是科学上的一次巧合。后来的研究表明，红细胞膜上脂质所形成的单分子层的面积只是膜面积的1.5倍，其余的部分是由蛋白质组成的。

Singer流动镶嵌模型

根据当时积累的关于细胞膜的电子显微镜、X射线衍射等多方面的研究成果，1972年S.J.Singer和G.L.Nicolson提出关于细胞膜结构的流动镶嵌模型（fluid mosaic model），这是关于细胞膜和细胞内膜的一个较合理的模型。他们认为膜的基本结构是流体的脂双层，其中镶嵌着具有生理活性的球形蛋白质，有的蛋白质分子贯穿双分子层，有的只穿过部分双分子层（图2-5）。这种模型也得到了形态学的证据。用冰冻蚀刻电子显微镜技术把双分子层从中间撕开，露出许多直径为5～8纳米的颗粒。用蛋白质消化酶处理后，这些颗粒逐步消失，表明颗粒是嵌在细胞膜脂质分子层中的蛋白质（图2-6）。

图2-5 Singer流动镶嵌膜结构模型

图2-6蛋白质镶嵌在膜中的形态学证据
用冰冻蚀刻技术撕开膜的双分子层，露出膜中颗粒
A. 对照；B，C. 用蛋白质水解酶消化处理后膜上颗粒逐步消失（引自Eckert，1988）

现在知道，细胞膜的主要成分是蛋白质、磷脂、胆固醇以及其他脂质，还有少量糖类。脂双层实际上是层油膜，是流体，其脂质分子在膜平面上迅速扩散，因而，镶嵌在膜中的蛋白质除受某些特殊因素影响被固定外，也在这层油膜中漂移。这些蛋白质主要是糖蛋白，糖分子暴露在膜的外侧，有的是激素的受体，有的参与免疫机能。膜内侧的一些蛋白质主要起酶的作用（图2-7）。构成膜的脂双层是极性分子通透的屏障，而镶嵌在其中的蛋白质则起着通道、闸门、离子泵、受体、能量转换器等作用。

图2-7 细胞膜的结构（仿Koeppen，2008）