細(xì)胞膜是雙層膜還是單層膜
雙層結(jié)構(gòu)
雙層的膜由兩層磷脂構(gòu)成
也就是說(shuō)，單層膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器，都是有4層磷脂
細(xì)胞膜的發(fā)覺(jué)歷史
1855年細(xì)胞膜蛋白，耐格里(K.W.)發(fā)覺(jué)色素透入已損傷和未損傷的動(dòng)物細(xì)胞的情況并不相同。他便通過(guò)細(xì)胞的滲透特點(diǎn)去研究它的“邊界”(他首次把細(xì)胞“邊界”稱為“質(zhì)膜”)。
耐格里和克拉默()一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)覺(jué)細(xì)胞具有敏感的滲透特點(diǎn)，它的容積可以隨著周圍介質(zhì)的不同滲透硬度而改變。當(dāng)細(xì)胞外邊的溶質(zhì)滲透硬度大時(shí)，細(xì)胞就變小;溶質(zhì)滲透硬度小時(shí)，細(xì)胞就變大。耐格里提出，細(xì)胞與環(huán)境之間正是通過(guò)這些“邊界”發(fā)生關(guān)系的。
耐格里在試驗(yàn)中還發(fā)覺(jué)這樣的情況：把麗藻屬()長(zhǎng)導(dǎo)管細(xì)胞的一端裝入水堿液內(nèi)，另一端放進(jìn)糖堿液，細(xì)胞內(nèi)含物發(fā)生了傳動(dòng)障礙。在水底一端的細(xì)胞樹(shù)汁流向糖氨水中的一端，并帶著所有可聯(lián)通的粒子。而且，原來(lái)已知的事實(shí)表明，蒸騰作用和滲透壓加在一起也不足以將液體壓到動(dòng)物的下部，這兩種力難以解釋動(dòng)物樹(shù)汁流動(dòng)的方向。因此耐格里覺(jué)得，不得不假定有一股其他的力量，它們?cè)诳v壁，更可能在橫壁上。這些力量加強(qiáng)了細(xì)胞堿液從下往上的流向。
1897年，和赫定(Hedin)用紅細(xì)胞做實(shí)驗(yàn)，同樣也證明分子的私密性與其在脂類中的溶化度有關(guān),且溶化度越大越容易通過(guò).
據(jù)悉，美國(guó)動(dòng)物生理學(xué)家普費(fèi)弗(W.)對(duì)動(dòng)物細(xì)胞的滲透行為進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，并于1897年提出了兩個(gè)重要的推論：第一，細(xì)胞是被質(zhì)膜包被著的;第二細(xì)胞膜蛋白，這層質(zhì)膜是水和溶質(zhì)通過(guò)的普遍障礙。同時(shí)，很快又發(fā)覺(jué)，細(xì)胞膜這個(gè)屏障具有顯著的選擇性，一些物質(zhì)可通過(guò)它，而另一些物質(zhì)幾乎完全不能通過(guò)。
1899年，西班牙細(xì)胞生理學(xué)家?jiàn)W弗頓(C.)發(fā)表一系列關(guān)于化合物步入細(xì)胞的觀察結(jié)果，他發(fā)覺(jué)分子的極性越大，步入細(xì)胞的速率越小，當(dāng)降低非極性官能團(tuán)(如酰基鏈)時(shí)，化合物步入的速率便降低。奧弗頓的推論是，控制物質(zhì)步入細(xì)胞的速率的細(xì)胞膜是脂肪性物質(zhì)，其中富含脂類和其他醇類。為此，當(dāng)時(shí)確立了有一層脂類的膜圍繞著細(xì)胞的認(rèn)識(shí)。
1917年，朗姆瓦()將磷脂溶于苯和水底，當(dāng)苯揮發(fā)完之后，磷脂分子分布散亂，經(jīng)過(guò)推擠，磷脂分子排列成了雙層，并且每位分子的一端溶入水底，另一端浮于海面。成功將一層磷脂分子鋪在了海面上!朗姆瓦水盤如右圖：還原歷史本相了解認(rèn)知規(guī)律細(xì)胞膜的發(fā)覺(jué)
1925年，戈特(E.)和格倫德?tīng)?F.)用乙醇(一種有機(jī)溶劑，可以溶化脂類)提取了人類紅細(xì)胞質(zhì)膜的脂質(zhì)成份，將其勾畫(huà)在海面，測(cè)出膜脂展開(kāi)的面積二倍于細(xì)胞表面積，因此推斷細(xì)胞膜由單層脂分子組成。創(chuàng)立前提：a.紅細(xì)胞的全部脂類都在膜上;b.乙醇法抽提完全;c.RBC平均表面積計(jì)算正確。(70%～80%過(guò)高);40年后Bar重復(fù)這一試驗(yàn)發(fā)覺(jué)紅細(xì)胞膜平鋪面積應(yīng)不是70%～80%，而是1.5倍還有蛋白質(zhì)表面，同時(shí)干膜面積是99μm2，濕膜面積則為145μm2。兩項(xiàng)偏差相抵，結(jié)果基本正確。按照細(xì)胞的生理生化特點(diǎn)，曾先后猜想質(zhì)膜是一種脂肪柵、脂類雙分子層和由蛋白質(zhì)-磷脂-蛋白質(zhì)構(gòu)成的三夾板結(jié)構(gòu)。
2O世紀(jì)初，科學(xué)家將細(xì)胞膜從喂奶植物的紅細(xì)胞中分離下來(lái)，發(fā)覺(jué)細(xì)胞膜不但會(huì)被溶化脂類的物質(zhì)溶化，也會(huì)被蛋白酶分解。
1935年日本丹尼利(J.)和戴維森(H.)發(fā)覺(jué)質(zhì)膜的表面張力比油-水界面的張力低得多，猜想膜中富含蛋白質(zhì)，進(jìn)而提出了”蛋白質(zhì)-醇類-蛋白質(zhì)”的披薩模型。覺(jué)得質(zhì)膜由單層糖類分子及其內(nèi)外表面附著的蛋白質(zhì)構(gòu)成的。1959年在上述基礎(chǔ)上提出了修正模型，覺(jué)得膜上還具有貫串脂單層的蛋白質(zhì)通道，供親水物質(zhì)通過(guò)。
1959年羅伯特森(J.D.)用鋨酸處理了細(xì)胞膜(蛋白質(zhì)經(jīng)鋨酸作用后產(chǎn)生高電子密度的鋨黑，在電鏡下呈白色)，用纖薄切塊技術(shù)獲得了清晰的紅細(xì)胞細(xì)胞膜相片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，厚約7.5nm。這就是所謂的“單位膜”模型。它由厚約3.5nm的單層脂分子和內(nèi)外表面各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成。單位膜模型的不足之處在于把膜的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)描寫(xiě)成靜止的不變的。
20世紀(jì)五六十年代冰凍電鏡技術(shù)應(yīng)用于細(xì)胞膜的研究，它使人們能在三維空間更好地了解細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而認(rèn)識(shí)到羅伯特森“單位膜”模型中脂類單層中富含蛋白質(zhì)顆粒。
冰凍刻蝕(-)也稱冰凍破裂(-)。標(biāo)本放在-100?C的干冰或-196?C的液氮中，進(jìn)行冰凍。之后用冷刀隨之將標(biāo)本斷掉，升溫后，冰在真空條件下迅即升華，曝露出斷面結(jié)構(gòu)，稱為刻蝕()?？涛g后，向斷面以45度角涂裝一層蒸氣鉑，再以90度角涂裝一層碳，強(qiáng)化反差和硬度。之后用氨水堿液消化樣品，把碳和鉑的膜剝出來(lái)，此膜即為復(fù)膜()。復(fù)膜顯示出了標(biāo)本刻蝕面的形態(tài)，在電鏡下得到的影像即代表標(biāo)本中細(xì)胞破裂面處的結(jié)構(gòu)。
1970年弗雷(L.D.Frye)和埃迪登(H.)她們用發(fā)紅色螢光的顏料標(biāo)記大鼠細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)分子，用黑色螢光的顏料標(biāo)記人細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)分子，用滅火的仙臺(tái)病毒使得兩種細(xì)胞融合。剛才融合的細(xì)胞一個(gè)半球帶有藍(lán)色螢光，另一個(gè)半球帶有紅色螢光。假如把該細(xì)胞置于37℃條件下培養(yǎng)40min，加上不同的濾光片觀察顯示紅、綠螢光在細(xì)胞表面混和均勻，把該細(xì)胞置于l℃條件下培養(yǎng)40min，加上不同的濾光片觀察顯示，細(xì)胞保持開(kāi)始狀態(tài)，即紅、綠螢光沒(méi)有混和。本實(shí)驗(yàn)證明了構(gòu)成細(xì)胞膜的磷質(zhì)和蛋白質(zhì)分子大多數(shù)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德國(guó)加洲學(xué)院的辛格(S.J.)和尼克森(G.L.)按照免疫螢光技術(shù)、冰凍刻蝕技術(shù)的研究結(jié)果，在“單位膜”模型的基礎(chǔ)上提出“流動(dòng)鑲嵌模型”。該模型覺(jué)得：細(xì)胞膜由流動(dòng)的雙脂層和嵌在其中的蛋白質(zhì)組成。磷脂分子以疏水性尾部相對(duì)，極性背部朝向水相組成生物膜骨架;蛋白質(zhì)或嵌在雙脂層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫越整個(gè)雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對(duì)稱性。該模型的不足之處：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;忽略了膜各部份流動(dòng)性的不均勻性等,進(jìn)而使人們又提出了一些新的模型。
1975年，瓦拉赫()提出“晶格模型”?！熬Ц衲Ｐ汀笔菍?duì)流動(dòng)鑲嵌模型的補(bǔ)充，指出流動(dòng)的整體性。用膜脂可逆地進(jìn)行無(wú)序(液態(tài))和有序(晶態(tài))的相變來(lái)解釋生物膜的流動(dòng)性。膜鑲嵌蛋白對(duì)糖類分子的運(yùn)動(dòng)具控制作用。鑲嵌蛋白和它周圍的單糖分子產(chǎn)生晶格狀態(tài)，這種不聯(lián)通的單糖分子稱界面脂類，而流動(dòng)的脂類呈小片、點(diǎn)狀分布。所以脂類的流動(dòng)是局部的，并非整個(gè)脂單層都在流動(dòng)。
1977年，賈因(Jain)和懷特(White)提出生物膜是由具有不同流動(dòng)性的藍(lán)籌股鑲嵌而成的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。該模型指出整個(gè)生物膜是由不同組織結(jié)構(gòu)、不同大小、不同性質(zhì)、不同流動(dòng)性的可聯(lián)通的膜塊所組成，這種彼此獨(dú)立聯(lián)通的脂類區(qū)(有序的“板塊”)之間被流動(dòng)的脂類“板塊”(無(wú)序的)所分割,兩種“板塊”之間可能存在一種連續(xù)的動(dòng)態(tài)平衡,因此細(xì)胞膜實(shí)際上是同時(shí)存在有不同流動(dòng)性的藍(lán)籌股鑲嵌而成的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu);這些結(jié)構(gòu)使細(xì)胞膜的各部份的流動(dòng)性處于不均一狀態(tài),并可隨生理狀態(tài)和環(huán)境條件的變化而發(fā)生晶態(tài)和非晶態(tài)的相變化。這些藍(lán)籌股鑲嵌模型有利于說(shuō)明膜功能的多樣性及調(diào)節(jié)機(jī)制的復(fù)雜性。
1997年，西蒙斯(K.)和伊琳娜.易科寧(Elina)等人提出提出了“功能筏(rafts)”的概念,現(xiàn)今通常稱為“脂筏(lipidraft)?！爸つＰ汀笨梢哉f(shuō)是細(xì)胞膜功能最新的功能解釋模型。脂筏是在生物膜上含有固醇和甘油脂的微結(jié)構(gòu)域()，該結(jié)構(gòu)域約70nm左右，是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，坐落以甘油磷脂為主體的生物膜中;因?yàn)楦视椭哂休^長(zhǎng)的飽和脂肪酸鏈，分子間的斥力較強(qiáng)，所以那些區(qū)域結(jié)構(gòu)致密，介于無(wú)序液體與液晶之間，稱為有序液體。脂筏載著執(zhí)行個(gè)別特定生物學(xué)功能的各類膜蛋白她們?nèi)缤粋€(gè)蛋白質(zhì)停泊的平臺(tái)，與膜的訊號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選、跨膜物質(zhì)運(yùn)輸?shù)染忻芮械年P(guān)系。脂筏最初可能在葉綠體上產(chǎn)生，轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞膜上后，有些脂筏可在不同程度上與膜下細(xì)胞骨架蛋白交聯(lián).猜想一個(gè)100nm大小的脂筏可能載有600個(gè)蛋白分子。
從細(xì)胞膜的探求歷程中我們明晰的認(rèn)識(shí)到：科學(xué)家研究細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的歷程是從物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)象開(kāi)始的。剖析成份是了解結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，現(xiàn)象和功能又提供了探究結(jié)構(gòu)的線索。因而人們?cè)趯?shí)驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)上提出假說(shuō)，又通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)修正假說(shuō)。最終達(dá)到認(rèn)知事物的本質(zhì)，了解假象下面隱藏的真理。