物质进入细胞都要穿过细胞膜(你了解细胞膜吗？「高中生物讲解」131)

Posted 2023-06-02

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物质进入细胞都要穿过细胞膜(你了解细胞膜吗？「高中生物讲解」131)

“我确信哪怕一个最简单的细胞，也比迄今为止设计出的任何智能电脑更精巧”

这句话引自翟中和院士等主编的《细胞生物学》。是的，组成细胞的物质就是再复杂、再精细，只是堆在一起，也不可能自主进行生命活动。组成细胞的分子必须有序地合理地组织在一起，才能成为一个基本的生命系统。

我们在学习蛋白质时认识到，生物大分子是脆弱的，一旦环境稍微恶劣些，生物大分子的功能就可能受到影响。因此，细胞内部环境的相对稳定至关重要。保证细胞环境相对稳定的结构，就是细胞膜，它可以将细胞与外界环境分隔开。

细胞膜分隔了细胞内外的环境，也承担了控制物质进出细胞的功能。有用的物质要进入细胞，无用的、有害的物质要到挡在细胞外；代谢的废物和分泌的物质需要排到细胞外，有用的物质要保留在细胞内，这些工作都是细胞膜在承担。但是，这种控制功能是相对的，环境中一些对细胞有害的物质、细菌和病毒等也可能侵入细胞。

就像海关一样

每一个细胞都不是一个孤立的系统，都要与外界进行交流，在多细胞生物中更是如此。多细胞生物中的细胞必须保持功能的协调才能使生物体健康地生存，而这种协调一定程度上依赖于细胞间的信息交流。信息交流的方式多种多样：内分泌细胞可以分泌信号分子，信号分子由体液运输，作用于靶细胞膜上的受体；相邻细胞的细胞膜相接触，可以使信息从一个细胞传递到另一个细胞，例如精卵结合；相邻两个细胞的细胞膜互相连接形成通道，使物质和信息在两个细胞之间实现交流，如高等植物细胞之间的胞间连丝。可以看出，细胞膜信息传递功能的实现，也离不开前两种功能的正常保持。

细胞膜的功能是通过它的结构和成分决定的。事实上，人们对细胞膜结构和成分的认识过程是漫长的。

1895年，欧文顿用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行了上万次实验，发现脂溶性物质更容易穿过细胞膜。他据此推测，细胞膜是由脂质构成的。后来的实验也证明了这一点，经过化学分析，组成细胞膜的脂质多为磷脂和胆固醇，其中磷脂含量最多。

我们在第二章学习过磷脂的结构：一个甘油分子连着两个脂肪酸和一个磷酸或其他衍生物。两个脂肪酸一端为疏水的尾，磷酸或其他衍生物一端为亲水的头。因此，在水面上，磷脂倾向于将疏水的尾部露在空气，亲水的头部则溶于水中。科学家用丙酮提取了红细胞中的脂质后，在空气-水界面上铺成一层单分子膜，发现单分子膜的面积刚好为红细胞膜面积的两倍。它们由此推断，细胞膜中的磷脂分子必然排列为连续的两层。（注：红细胞内没有细胞核和具膜的细胞器，可以认为红细胞中的磷脂全部分布在细胞膜上。）

两条腿是就是疏水尾

在水中，多个磷脂分子总是自发地形成双分子层。疏水的尾巴，在水中可以结合的部位只有其它的疏水尾巴，所以它们结合在一起，将亲水的头部朝向水。因此，在水中，磷脂形成磷脂双分子层。

对细胞膜的成分进行化学分析，发现细胞膜不但富含脂质，还有着丰富的蛋白质。我们知道，蛋白质是生命活动的主要承担者。可以这么说，细胞膜功能的复杂程度，很大程度上与细胞膜上蛋白质的种类和数量挂钩。

既然细胞膜主要是由蛋白质和磷脂组成的，那么它们具体是如何组成细胞膜的呢？

在早期，科学家推测脂质的两边覆盖着蛋白质。1959年，罗伯特森在电镜下观察到细胞膜清晰的亮-暗-亮结构，他结合其他科学家的推测，提出所有的细胞膜都是由蛋白质-脂质-蛋白质三层结构组成，电镜下看到中间的亮层是脂质，两边的暗层是蛋白质。他把细胞膜描述成统一的静态结构。

亮-暗-亮结构

这一模型其实经不起推敲：如果细胞膜是静态的，细胞如何生长？变形虫如何完成变形运动？静态的细胞膜是难以实现复杂的功能的。1970年，科学家用绿色荧光染料标记小鼠细胞表面的蛋白质，用红色荧光染料标记人体细胞表面的蛋白质，在将这两个细胞相融合。这两种细胞刚融合时，融合细胞一半发绿光，一半发红光。在37°C下经过40分钟后，两种颜色的荧光均匀分布。这一实验以及相关实验证据表明了，细胞膜并非静态结构，而是具有流动性的动态结构。

在细胞膜具有流动性这一结论的基础上，科学家们又提出了许多新的模型来描述细胞膜。其中，流动镶嵌模型为大多数人所接受。流动镶嵌模型认为，细胞膜以磷脂双分子层作为基本骨架，磷脂双分子层内部为疏水结构，水和水溶性物质不能自由通过，具有屏障作用。蛋白质分子或与磷脂双分子层表面结合，或镶嵌在膜中，或贯穿磷脂双分子层，甚至有的直接与脂肪酸链结合，以此结合在磷脂双分子层上。细胞膜具有流动性，主要体现在构成膜的磷脂分子可以侧向移动，膜中的蛋白质大多也能运动。细胞膜的流动性对于细胞完成物质运输、生长、分裂、变形等生命活动都是十分重要的。

旧版课本的封面描述的就是流动镶嵌模型

事实上，随着科学的进步，流动镶嵌模型也逐步被更好的模型所取代。对与细胞膜的的结构，你有什么看法？欢迎在评论区进行讨论。