内容提纲
  • 膜的结构
  • 发现膜的结构
  • 细胞膜的两亲性本质

  • 细胞膜中的分子类型

  • 膜的功能
你知道么？
你知道吗，本杰明·富兰克林1774年实验将油倒到水池里，这开启了早期对细胞膜的科学理解。直到二十世纪60年代，细胞膜被认为是一道被动屏障。但我们现在知道，它们是主动且响应的结构，具有作为守门人和沟通者的关键功能。
关键概念
  • 细胞的外层或细胞膜是一个复杂的结构，有许多不同种类的分子，这些分子不断运动，在整个膜中流动。
  • 细胞膜形成选择性屏障，保护细胞免受周围水环境的影响，同时让氧、二氧化碳、一些激素等不溶于水的分子通过。
  • 大多数细胞膜是由磷脂形成的，磷脂具有独特的结构，可以自排列成中间疏水和外部亲水的双层。
自从十七世纪中期首次发现细胞，科学家就知道必然有某种外层包裹着细胞，让细胞里的物质在一起。这层包裹薄得无法用简单的光学显微镜看到，科学家把这种外层包裹命名为“膜”（membrane，拉丁语membrana），意思是一层薄薄的皮肤或组织。从十七世纪到二十世纪60年代左右，人们认为细胞的外层膜是一道简单的被动的屏障。我们如今了解到，质膜（plasma membrane）不仅仅是一道屏障，它是细胞中一个非常有活力的部分。它的确限制了许多分子进入（或离开）细胞，但它也能让某一些分子非常快速地穿过膜，从而轻松进入或离开细胞。
膜结构
我们对膜的科学理解始于美国政治家本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）。1774年，富兰克林观察了油对水面的影响，发现油不会与水混合，而是扩散到水面上形成一层薄膜：
我拿出一小撮油，把一点油滴在水面上。我看到它以惊人的速度在水面上蔓延......虽然不超过一茶匙，但在几码见方的空间上产生了瞬间的平静，这空间惊人地蔓延开来，并逐渐延伸，直到到达[另一边]，使整潭水的四分之一，也许是半英亩，像一面镜子一样光滑。
一个多世纪后的1890年，瑞利勋爵（Lord Rayleigh）在英国剑桥大学学习重复了富兰克林的实验。他和其他科学家开发了用于计算油膜覆盖表面积的工具和数学方法。虽然这些早期的研究并没有直接关注膜甚至细胞，但它们描述了当不溶于水的液体（如油）与水接触时发生的排斥，因此很重要。因为正是“油和水相互排斥”的发现，让科学家思考细胞膜是否可能由排斥水的物质构成，由此可以防止细胞外的液体通过，同时还可以防止细胞内的液体泄漏。而因为动物细胞在显微镜下看起来像个油球，细胞以某种方式被油膜包围的这种观点得以普及。
【考考自己】用油和水做的实验，让科学家思考____。

a.细胞是否被膜包围
b.细胞膜是否也斥水
  • 发现膜的结构
科学家用了几十年的时间才了解膜的结构特征如何斥水。理解分三个阶段。
第一阶段，化学家观察到，所有已知类型的细胞都含有疏水性或不溶于水的脂质分子。如果细胞大部分都是水，它们怎么同时含有不溶于水的东西？于是科学家想到也许因为细胞外围不溶于水。如果外膜由不溶于水的脂质制成，则该膜将限制水和水溶性分子通过，而疏水性分子（水不溶性）可以穿过膜。他们有进一步的证据来支持这一观点——氧气是疏水的，但可以很容易地穿过细胞膜。
第二阶段的进展发生在1931年，电子显微镜的发明解决了科学界长达六年的争论。在此之前的1924年，两位科学家对膜的结构提出了相反的结论。丹麦裔美国科学家雨果·弗里克（Hugo Fricke）计算了细胞的表面积及其电荷容量。基于这些计算，他发现细胞周围的脂质层厚度为3.3毫米（Fricke，1924）。尽管他的测量结果非常准确，但由于缺乏对脂质结构的了解，他和一些人得出的结论是，细胞周围的脂质层只能有一层厚。与此同时，两位荷兰科学家埃弗特·戈特（Evert Gorter）和弗朗索瓦·格伦德尔（Françoi sGrendel）以不同的方式解决了这个问题。他们从红细胞样本中提取了所有的脂质，并让它们在水面上扩散，就像本·富兰克林（Ben Franklin）对油所做的那样。他们发现，当这些脂质在同一层扩散时，它们覆盖的区域几乎是红细胞本身表面的两倍（Gorter&Grendel，1925）。因此，戈特和格伦德尔得出结论，细胞周围的脂质表面必须是两层。事实证明，当时有限的技术导致了他们工作中的两个重大错误。首先，他们没有从红细胞中完全提取所有脂质。其次，他们低估了红细胞的表面，因为他们不知道它的双凹形状。然而，这两个错误几乎完全相互抵消，他们的结论是正确的。1931年，德国科学家马克思·科努尔（Max Knoll）和厄恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska）发明电子显微镜。人们可以很容易地看到所有细胞都有两条细线围绕着（Knoll&Ruska，1970）。证据具有戏剧性并令人信服，它证明了膜由双层脂质组成。更引人注目的是，电子显微镜中可以看到细胞膜中还嵌入了结构（图1）。
图1 电子显微镜下的细胞双膜
对膜的理解的第三个阶段，是人们意识到膜是一种“流体”结构，其组分分子一直在快速运动。促成这一理解突破的有数个关键测量与实验，而其中最引人注目的或许是1970年由约翰霍普金斯大学的拉里·弗莱耶（Larry Frye）和迈克·艾迪丁（Michael Edidin）的细胞融合实验（Frye & Edidin，1970）。在这个巧妙的实验中，科学家在一个培养皿中培养人类细胞，在另一个培养皿中培养小鼠细胞。他们使用了一种当时全新的技术，将荧光标记附着在细胞外部的一些蛋白质上。他们用荧光蓝色染料标记人类细胞中的一些蛋白质，同时用红色染料标记小鼠细胞中的蛋白质。然后，他们使用病毒诱骗细胞融合到一起。这些半人半鼠的杂交细胞存活时间不长，但它们还活的时候已经展示出一些关于膜的信息。起初，细胞融合后，所有蓝色标签都分离在杂交细胞的一半上，而红色标签则在另一半上。然而，很快，这些标签开始相互混合，在40分钟内，蓝色和红色标签均匀地分布在整个杂交细胞的表面（图2）。
图2 细胞融合实验显示，蛋白在膜上到处流动
荧光标记很快混起来，意味着细胞表面的蛋白质不是固定在某个位置——它们可以而且确实在细胞外围迅速扩散，且嵌在质膜中。这一认识带来了膜结构的流体镶嵌模型的发展，该模型于1972年由辛格（SJ Singer）和尼科尔森（Garth L. Nicolson）首次完全阐明（Singer & Nicolson，1972）。辛格和尼科尔森将质膜解释为双层结构，两层脂质分子中嵌入蛋白质分子。他们将它与拼图的彩色瓷砖类比。只不过这里的瓷砖是脂质和蛋白质分子，它们不固定在原位，通过扩散四处移动。我们还可以把膜想象为大风天里的海洋表面。脂质分子就像海水，蛋白质像“冰山”一样晃来晃去......漂浮在脂质的海洋中“（Singer & Nicolson, 1972）。图3展示了这一概念。
图3 细胞膜蛋白漂在磷脂的海洋中
【考考自己】细胞膜是_____组成的。

a.两层脂质以及漂浮的蛋白质分子
b.一层厚的蛋白与漂浮的脂质。
细胞膜的两亲性
自1972年以来，我们已经对生物膜的分子成分有了很多了解。如今我们对膜非常复杂和动态性质的理解，与我们曾经想象的静态膜相去甚远。膜最重要的结构特征，是构成膜大部分的脂质具有两亲性。事实证明，构成膜的脂质不是纯粹的疏水性。这些特殊的脂质在一端有一个带电的磷酸基团，这使得分子的这个区域是水溶性的（亲水的）。
因此，这些磷脂分子具有水溶性头部和水不溶性尾部，形成两亲性整体结构（图4）。肥皂和洗涤剂也是两亲性的，这不仅解释了它们如何容易溶于水，而且还解释了它们如何溶解水中的油和油脂，这是它们作为清洁剂有效性的关键。
图4 磷脂的独特结构，让细胞膜具有两亲性
磷脂分子的两亲性很重要，因为它解释了这些分子如何建立两层膜。两排脂质分子以相反的方向自组装（图5）。疏水性尾部区域褶皱在一起，形成一个无水的内部环境，亲水性头部区域朝外，在那里它们可以自由地与水相互作用，水是细胞内外的主要溶剂。
图5 磷脂自行排列，疏水的尾部挨在一起，亲水的头部一边朝向细胞外一边朝向细胞内。
【考考自己】清洁剂里的分子，疏水的尾巴很长。因此清洁剂____
a.在水中溶解脂肪。

b. 排斥油。
  • 细胞膜中的分子类型
但膜不是简单的双层。弗莱和埃迪丁的实验中有漂浮在质膜中的蛋白质。事实证明，膜中漂浮着许多不同种类的分子，不仅只有蛋白质。
例如，大多数动物细胞膜都含有胆固醇（cholesterol），这是一种完全不同的脂质。胆固醇的作用是调节膜的流动性，还可以防止细胞膜在低温下冻结和破裂。（动物细胞的膜中含有胆固醇，但植物细胞并不含，这解释了为什么我们饮食中的所有胆固醇都来自动物产品，而不是植物产品。）此外，一些脂质基团的磷酸头基团被碳水化合物基团取代，它们被称为糖脂（glycolipids）。同样，膜中的一些蛋白质也附着碳水化合物基团，称为糖蛋白（glycoproteins）。糖脂和糖蛋白都是重要的“细胞标志物”，细胞面对其他细胞时用它们来标识自己。
一些蛋白质完全整合到膜中，被称为整合膜蛋白或跨膜蛋白（integral membrane proteins or transmembrane proteins），因为它们“跨越”膜的两层。跨膜蛋白对细胞有用，因为它们可以与细胞外部的分子相互作用，并将有关细胞外环境的信息传递到细胞内部。还有的蛋白质更松散地附着在膜的内部或外部，称为外周膜蛋白（peripheral membrane proteins）。外周膜蛋白通常在“信号转导”过程中被细胞使用，信号转导是一个细胞对来自另一个细胞的信号做出反应的过程。此外，正如我们在细胞融合实验中看到的那样，虽然大多数蛋白质可以自由漂浮在膜周围，但一些蛋白质附着在细胞骨架的一部分上，因此被锚定在一个地方。这样锚定可以作为细胞的关键结构成分及其与其他细胞或组织基质的附着。下面的图6更完整地展示了生物膜中发现的多种分子。
图6 蛋白的各种类型，在细胞膜到处纠缠
正如在“细胞的发现与细胞结构”模块中所解释的，外质膜并不是细胞中唯一的膜。许多内部细胞器也有膜，包括细胞核、线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体、溶酶体和过氧化物酶体。这些膜都非常相似。它们都由磷脂组成海洋，其中漂浮着蛋白质和其他成分。主要区别在于构成膜的特定磷脂有些不同，膜内的漂浮成分也不同。每个细胞器（包括质膜），都具有独一无二特征的蛋白质漂浮在磷脂双层中。
【考考自己】跨膜蛋白______
a.嵌在细胞膜里。

b.附在细胞膜内表面。
膜的功能
现在来谈谈质膜到底有什么作用。首先最明显的是，质膜确实是一个选择性屏障。它允许细胞内的化学活动在不受细胞外事件干扰的情况下进行。著名的细胞生物学家杰拉尔德·魏斯曼（Gerald Weissmann）强调了这一角色的重要性：
一开始，一定有一层膜！无论有什么闪电将嘌呤、嘧啶、氨基酸组织成能够自我繁殖的大分子，它都不会产生细胞，[除非]组织上的巧思有了膜包裹这一设计。
膜的脂质性质使其能够作为良好的屏障。脂质不溶于水，排斥水，因此它们是分离细胞内外水的理想介质。任何水溶性的东西，即使是微小的单个原子，如H+离子，也不会轻易通过脂质双层。然而，不溶于水的分子可以自由通过;这些包括氧气和二氧化碳等小分子，以及雌激素、睾酮、皮质醇、甲状腺激素和维生素 D 等大水不溶性激素。由于这些原因，膜被称为半透性屏障。它们不允许水或水溶性分子通过，但它们确实允许水不溶性（脂溶性）分子扩散。
然而，膜不仅仅是被动屏障。因为很明显，许多分子不能很快通过简单的双层，却可以进出细胞。水就是最好的例子。随着科学界对膜的理解不断加深，一个难题出现了。磷脂双层结构对水的渗透性不强，但是当在实验室中研究细胞时，大多数细胞对水的渗透性很强。这怎么可能？科学家甚至使用在特定类型细胞中发现的磷脂的种类和数量来合成膜。这些合成膜具有非常低的透水性，而它们构成的细胞具有非常高的透水性。当时的假说是，膜中一定有某种孔隙或通道，水可以通过，但所有证据都是间接的。细胞的离子通道已经发现，但将水移入和移出的方式仍然是一个谜。
这种情况在1992年发生了变化，当时彼得·阿格雷（Peter Agre）及其同事报告了他们意外发现的“水通道蛋白”（Preston et al，1992）。这些蛋白是嵌在质膜中的通道，它们允许水进出细胞（图7）。阿格雷和同事们并不从事水运研究。他们正在研究红细胞上存在的导致血液不相容并发症的恒河猴（Rh）因子。在试图分离和纯化这些Rh因子时，他们注意到试管中存在一种“污染物”——这种膜蛋白并不是他们的研究对象但总是出现。他们注意到，这种蛋白质是红细胞表面最丰富的蛋白质之一，于是他们决定仔细研究，最终他们意识到这种“污染物”是科学家几十年来一直在寻找的蛋白质。在接下来的几年里，人们发现了水通道蛋白的整个家族。这些蛋白质在人类、果蝇、真菌和植物中具有几乎相同的结构，表明它们在超过十亿年的演化过程中具有古老的起源和强大的保护性。
图7  膜上的水通道蛋白只允许形态电荷像水分子的分子自由通过。
有趣的是，由本加（Gheorghe Benga）领导的罗马尼亚研究小组似乎比阿格雷早六年就做出了这一发现，但他们尚未完全分离或鉴定出这种蛋白质。于是关于功劳归属的问题引发了争议。几乎可以肯定，本格描述过相同的蛋白质，并且几年前就在美国和国际期刊上公开发表过。尽管如此，阿格雷及其同事并没有在他们的发表或诺贝尔奖演讲中引用这项工作，大多数科学界也忽略了它们。应该指出的是，随着苏联解体的临近，本加和他的同事在社会主义阵营（Eastern Bloc）工作，不具备阿格雷等在约翰霍普金斯大学享有的声望或资源。可以想象，如果本加在一个更有国际声望的机构工作，（或者）有更多的财政资源，他可能会在2003年分享诺贝尔奖。
水通道蛋白的发现，凸显了嵌入质膜中的蛋白质如何充当守门人并控制分子进入和离开细胞。膜有许多这样的守门人，像水通道蛋白一样特异性很强。例如，水通道蛋白允许水分子自由进出，但其他分子则不然。密切相关的分子可以通过，但效率要低得多（图8）。例如，尿素、氨、酒精都可以通过水通道蛋白，事实上，这些通道是这些分子被大多数细胞吸收的主要途径。然而，它们通过的速度比水慢一百万倍以上。水通道蛋白的结构揭示了它们如何实现这种选择性。在水分子通过的隧道状腔室中，存在结构特征，这些结构特征仅适用于具有水所具有的大小、形状、电荷分布的分子。因此，虽然与水大小和电荷相似的分子有时可以通过，但它们的通过速度比水本身低得多。
图8：水通道蛋白允许尿素、氨、酒精等分子以比水分子慢得多的速度通过。
水通道蛋白和 CFTR 的例子显示了质膜如何选择进入和离开细胞的物质。正如细胞生物学家丹尼尔·马齐亚（Daniel Mazia）所说：
细胞膜不是壁、皮肤，也不是筛子。它是细胞中活跃且反应灵敏的部分;它决定了什么在内、什么在外、外对内的作用。
资料来源：
Nathan H Lents, Ph.D., Donna Hesterman “Membranes I” Visionlearning Vol. BIO-3 (7), 2014.
https://www.visionlearning.com/en/library/biology/2/membranes-i/198
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References
  • Fricke, H. (1924). A mathematical treatment of the electric conductivity and capacity of disperse systems I. The electric conductivity of a suspension of homogeneous spheroids. Physical Review, 24, 575.
  • Frye, L. D. & Edidin, M. (1970). The rapid intermixing of cell surface antigens after formation of mouse-human heterokaryons. Journal of Cell Science, 7, 319-335.
  • Gorter, E. & Grendel, F. (1925). On bimolecular layers of lipoids on the chromocytes of the blood. The Journal of Experimental Medicine, 41(4), 439.
  • Knoll, M. & Ruska, E. (1932). Das elektronenmikroskop. Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei, 78(5), 318-339.
  • Preston, G. M., Carroll, T. P., Guggino, W. B. & Agre, P. (1992). Appearance of water channels in Xenopus oocytes expressing red cell CHIP28 protein. Science, 256(5055), 385.
  • Singer, S. J. & Nicolson, G. L. (1972). The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science, 175(4023), 720-731.
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