[科普中国]-细胞膜流动镶嵌模型的提出及发展

细胞膜是将细胞内物质与外界环境分隔开的一层极薄的膜，厚度约7-8nm，在电子显微镜下可以观察到暗-明-暗的三层条带结构。细胞膜的结构是如何研究、怎么被发现的呢？科学家在对物质跨膜运输现象的研究中产生了一系列的疑问，于是开始从生物膜功能的深入探索到生物膜结构研究的过程。

1895年，欧文顿（E. Overton）曾经利用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行了上万次的实验，发现细胞膜对不同物质的通透性不同，可以溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。于是他提出：“膜是由脂质组成的”。20世纪初，科学家第一次将细胞膜从哺乳动物红细胞中分离出来，化学分析表明，细胞膜的主要成分是脂质和蛋白质。1925年，荷兰科学家戈特(E．Gorter)和格伦德尔(F．Grendel)用丙酮抽提红细胞膜，计算出红细胞膜平铺面积同其表面积之比约为2∶1，由此他们提出“脂质双分子层模型”。

1935年，J. Danielli & H. Davson发现质膜的表面张力比油-水界面的张力低得多，推测质膜中含有蛋白质，从而提出了“蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治结构模型，认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成。1959年，罗伯特森（J. D. Robertson）利用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，在电子显微镜下观察到细胞膜的暗-明-暗三层结构，厚约7.5nm，由双层脂分子和内外表面的蛋白质构成。他提出“单位膜模型”假说，认为连续的脂质双分子层组成膜的主体，磷脂的非极性端朝向膜内侧，极性端朝向膜外两侧，蛋白质通过静电作用与磷脂极性端相结合，从而形成蛋白质-磷脂-蛋白质的三层结构，称之为单位膜。单位膜模型的主要不足在于：将生物膜的结构描述成静止、不变的，这与膜功能的多样性相矛盾。

细胞膜的流动镶嵌模型

1970年，Larry Frye和Michael Lipids等科学家将人和鼠的细胞膜通过不同荧光蛋白抗体标记后，使两种细胞融合，最初形成的杂种细胞一半产生红色荧光、另一半产生绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光蛋白均匀分布，这一实验以及相关的其他实验证据表明细胞膜具有流动性。在这些新的观察和实验证据的基础上， 1972年桑格（S. J. Singer）和尼克森（G. Nicolson）提出了流动镶嵌模型为大多数人所接受。流动镶嵌模型认为：脂质双分子层构成膜结构的基本支架，一些蛋白质镶嵌在膜的内外表面，一些蛋白质嵌入或横跨磷脂双分子层，这使得膜表现出不对称性（图1）。组成膜的磷脂和蛋白质分子大部分可以运动，因此膜具有一定的流动性，这使膜结构处于不断变动状态。这一模型有效地解释了膜结构的流动性和不对称性，并对细胞膜的功能作出了较为科学的解释，被广泛接受，也得到许多实验的支持。但流动镶嵌模型在某些方面还不够完善，忽视了蛋白质分子对膜脂分子流动性的控制作用，忽视了膜的各个部分流动性的不均匀性。

1988年，Simons提出的“脂筏模型”是对膜流动性新的理解，该模型认为在磷脂为主体的生物膜上，胆固醇、鞘磷脂等富集区域形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的脂筏一样载着执行某些特定功能的各种膜蛋白。脂筏可与膜下的细胞骨架相连，一定程度上限制膜的流动性，从而表现膜的各个部分流动性的不均匀性。据推测，一个直径100nm的脂筏可载600个蛋白质分子，不同的脂筏在细胞信号传递、物质跨膜运输及病原微生物侵染中起着重要的作用。

科学家们对于细胞膜结构模型的研究仍在继续，相信在不久的将来，人们会提出更科学的模型解释细胞膜的结构和各种功能，使之更完善、更接近事实。

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