“我確信哪怕一個(gè)最簡單的細(xì)胞，也比迄今為止設(shè)計(jì)出的任何智能筆記本更精致”
這句話引自翟中和教授等主編的《細(xì)胞生物學(xué)》。是的，組成細(xì)胞的物質(zhì)就是再復(fù)雜、再精細(xì)，只是堆在一起，也不可能自主進(jìn)行生命活動(dòng)。組成細(xì)胞的分子必須有序地合理地組織在一起，就能成為一個(gè)基本的生命系統(tǒng)。
我們?cè)趯W(xué)習(xí)蛋白質(zhì)時(shí)認(rèn)識(shí)到，生物大分子是脆弱的，一旦環(huán)境稍為惡劣些，生物大分子的功能就可能遭到影響。為此，細(xì)胞內(nèi)部環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定至關(guān)重要。保證細(xì)胞環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，就是細(xì)胞膜，它可以將細(xì)胞與外界環(huán)境分隔開。
細(xì)胞膜分隔了細(xì)胞內(nèi)外的環(huán)境，也承當(dāng)了控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的功能。有用的物質(zhì)要步入細(xì)胞，無用的、有害的物質(zhì)要到擋在細(xì)胞外；代謝的廢物和分泌的物質(zhì)須要排到細(xì)胞外，有用的物質(zhì)要保留在細(xì)胞內(nèi)，這種工作都是細(xì)胞膜在承當(dāng)。并且，這些控制功能是相對(duì)的，環(huán)境中一些對(duì)細(xì)胞有害的物質(zhì)、細(xì)菌和病毒等也可能侵入細(xì)胞。
如同海關(guān)一樣
每一個(gè)細(xì)胞都不是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，都要與外界進(jìn)行交流，在多細(xì)胞生物中更是這么。多細(xì)胞生物中的細(xì)胞必須保持功能的協(xié)調(diào)能夠使生物體健康地生存，而這些協(xié)調(diào)一定程度上依賴于細(xì)胞間的信息交流。信息交流的形式多種多樣：內(nèi)分泌細(xì)胞可以分泌訊號(hào)分子，訊號(hào)分子由汗液運(yùn)輸，作用于靶細(xì)胞膜上的受體；相鄰細(xì)胞的細(xì)胞膜相接觸，可以使信息從一個(gè)細(xì)胞傳遞到另一個(gè)細(xì)胞，比如精卵結(jié)合；相鄰兩個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞膜相互聯(lián)接產(chǎn)生通道，使物質(zhì)和信息在兩個(gè)細(xì)胞之間實(shí)現(xiàn)交流，如高等動(dòng)物細(xì)胞之間的胞間連絲。可以看出，細(xì)胞膜信息傳遞功能的實(shí)現(xiàn)，也離不開前兩種功能的正常保持。
細(xì)胞膜的功能是通過它的結(jié)構(gòu)和成份決定的。事實(shí)上，人們對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和成份的認(rèn)識(shí)過程是漫長的。
1895年，歐文頓用500多種物理物質(zhì)對(duì)動(dòng)物細(xì)胞的私密性進(jìn)行了上萬次實(shí)驗(yàn)細(xì)胞膜受體，發(fā)覺脂胺類物質(zhì)更容易穿過細(xì)胞膜。他據(jù)此推斷細(xì)胞膜受體，細(xì)胞膜是由脂類構(gòu)成的。后來的實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)，經(jīng)過物理剖析，組成細(xì)胞膜的脂類多為磷脂和血脂，其中磷脂濃度最多。
我們?cè)诘诙聦W(xué)習(xí)過磷脂的結(jié)構(gòu)：一個(gè)甘油分子連著兩個(gè)脂肪酸和一個(gè)乙酸或其他衍生物。兩個(gè)脂肪酸一端為疏水的尾，乙酸或其他衍生物一端為親水的頭。為此，在海面上，磷脂傾向于將疏水的尾部露在空氣，親水的腹部則溶于水底。科學(xué)家用乙醇提取了紅細(xì)胞中的脂類后，在空氣-水界面上鋪成一層單分子膜，發(fā)覺單分子膜的面積正好為紅細(xì)胞膜面積的兩倍。它們由此推論，細(xì)胞膜中的磷脂分子必然排列為連續(xù)的兩層。（注：紅細(xì)胞內(nèi)沒有細(xì)胞核和具膜的細(xì)胞器，可以覺得紅細(xì)胞中的磷脂全部分布在細(xì)胞膜上。）
兩條腿是就是疏水尾
在水底，多個(gè)磷脂分子總是自發(fā)地產(chǎn)生雙分子層。疏水的尾巴，在水底可以結(jié)合的部位只有其它的疏水尾巴，所以它們結(jié)合在一起，將親水的背部朝向水。為此，在水底，磷脂產(chǎn)生磷脂雙分子層。
對(duì)細(xì)胞膜的成份進(jìn)行物理剖析，發(fā)覺細(xì)胞膜不但含有脂類，還有著豐富的蛋白質(zhì)。我們曉得，蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承當(dāng)者。可以如此說，細(xì)胞膜功能的復(fù)雜程度，很大程度上與細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)的種類和數(shù)目掛鉤。
既然細(xì)胞膜主要是由蛋白質(zhì)和磷脂組成的，這么它們具體是怎樣組成細(xì)胞膜的呢？
在初期，科學(xué)家推斷脂類的兩側(cè)覆蓋著蛋白質(zhì)。1959年，羅伯特森在電鏡下觀察到細(xì)胞膜清晰的亮-暗-亮結(jié)構(gòu)，他結(jié)合其他科學(xué)家的猜測，提出所有的細(xì)胞膜都是由蛋白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)三層結(jié)構(gòu)組成，電鏡下看見中間的亮層是脂類，兩側(cè)的暗層是蛋白質(zhì)。他把細(xì)胞膜描述成統(tǒng)一的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。
亮-暗-亮結(jié)構(gòu)
這一模型雖然經(jīng)不起推敲：假如細(xì)胞膜是靜態(tài)的，細(xì)胞怎么生長？變形蟲怎樣完成變型運(yùn)動(dòng)？靜態(tài)的細(xì)胞膜是無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能的。1970年，科學(xué)家用紅色螢光顏料標(biāo)記大鼠細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)，用黑色螢光顏料標(biāo)記人體細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)，在將這兩個(gè)細(xì)胞相融合。這兩種細(xì)胞剛?cè)诤蠒r(shí)，融合細(xì)胞一半發(fā)紅光，一半發(fā)綠光。在37°C下經(jīng)過40分鐘后，兩種顏色的螢光均勻分布。這一實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明了，細(xì)胞膜并非靜態(tài)結(jié)構(gòu)，而是具有流動(dòng)性的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。
在細(xì)胞膜具有流動(dòng)性這一推論的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們又提出了許多新的模型來描述細(xì)胞膜。其中，流動(dòng)鑲嵌模型為大多數(shù)人所接受。流動(dòng)鑲嵌模型覺得，細(xì)胞膜以磷脂雙分子層作為基本骨架，磷脂雙分子層內(nèi)部為疏水結(jié)構(gòu)，水和水溶性物質(zhì)不能自由通過，具有屏障作用。蛋白質(zhì)分子或與磷脂雙分子層表面結(jié)合，或鑲嵌在膜中，或貫串磷脂雙分子層，甚至有的直接與脂肪酸鏈結(jié)合，借此結(jié)合在磷脂雙分子層上。細(xì)胞膜具有流動(dòng)性，主要彰顯在構(gòu)成膜的磷脂分子可以側(cè)向聯(lián)通，膜中的蛋白質(zhì)大多也能運(yùn)動(dòng)。細(xì)胞膜的流動(dòng)性對(duì)于細(xì)胞完成物質(zhì)運(yùn)輸、生長、分裂、變形等生命活動(dòng)都是非常重要的。
舊版課本的封面描述的就是流動(dòng)鑲嵌模型
事實(shí)上，隨著科學(xué)的進(jìn)步，流動(dòng)鑲嵌模型也逐漸被更好的模型所替代。