细胞生物学 话题 1 ：细胞质膜与跨膜运输

#细胞 #质膜 #科学史 #模型 #脂质

公元前 40 亿年，地球。

不似如今的盎然生机，当时的地球还是一锅沸腾的原始汤。 在带电的硫烟与甲烷漩涡中，一群脂质分子如星屑般旋转，偶然地将生物大分子的前体包裹，让核苷酸与氨基酸不再被随意地冲散。当第一个自我复制的涟漪在膜内荡漾，生命终于拥有了自己的边疆。

提及细胞，不得不谈到的就是细胞的边界——细胞膜，正是有了这层膜，相对外界稳定的生物反应乐土才得以建立。

咱们《五年本科 三年细胞》的第一讲，就先来聊聊细胞膜，给这个系列开个好头。

一、细胞膜的发现

1.1 细胞膜长啥样

尽管早在 16 世纪末，光学显微镜就已经被发明，且在研究细胞内渗透压时就已经证明了质膜的存在，但是受限于当时的显微技术，对质膜究竟为何物的讨论众说纷纭。

时间来到当下，虽然由于学生时代记忆的远去，大部分普通人已经淡忘了中学课本上的“流动镶嵌模型”，但任何一个受过初等教育的人都应该知道质膜是由脂质和各种蛋白质组成的（应该？吧）。

但如果，重新用先人探索的眼光看细胞膜，你会发现这个问题还真有意思。

假定你通过研究发现了如下线索：

• Clue 1：用有机溶剂抽提人的红细胞膜脂成分，发现膜脂单分子层在水面的铺展面积恰好约等于红细胞表面积的 2 倍
• Clue 2：质膜的表面张力比油-水界面的表面张力小得多

你作为经历了文艺复兴、启蒙运动和科学革命洗礼的新一代 20 世纪初青年科学家，面对这两个线索，会得出什么结论呢？

肯定会脱口而出：

“害，有啥难的，Clue 1 不就是因为一个细胞有两层膜脂分子嘛；Clue 2 不就是因为质膜上有蛋白质降低表面张力嘛。”

也是，毕竟咱也是上过生物课的 21 世纪新人类，已经有现成的答案学过了，被知识诅咒了，硬要站在当时人的角度思考问题确实强人所难。

[!TIP] 题外话｜知识的诅咒

• 知识的诅咒，指的就是一旦我们自己知道某样东西，我们就会发现很难想象不知道它的时候会是什么样子。我们的知识“诅咒”了我们。对于我们自己来说，同别人分享我们的知识变得很困难，因为我们不易重造我们听众的心境

所以，咱们思考另一个掌握一定现代生物学知识的人值得思考的问题： 有没有觉得，Clue 1 里，正好约两倍的关系有点太巧了吧

1.2 巧合？不不不，是精妙的安排罢了

乍听这个问题，可能不免觉得奇怪：

“怎么巧合了，正好两层单位膜，所以在水面上铺展后的面积约是两倍的表面积，合理到不行啊。”

很自然的疑问，不过咱们回忆一下高中学的，有关细胞器的知识……细胞里有高尔基体、内质网、线粒体等等，有的细胞还会有叶绿体、溶酶体、液泡等的细胞器……

相信提示到这里，诸位也已经意识到不对劲了：这些细胞器都有单位膜啊，有的细胞器甚至有两层单位膜。被有机溶剂抽提后，这些单位膜上的膜脂分子应该和在质膜上的膜脂分子混在一起，总面积肯定超过表面积的两倍啊。

Clue 1 出大问题了！怎么会那么巧刚好等于两倍。

巧合？不不不，是精妙的安排罢了。

用于实验的细胞是人的红细胞，或者更严谨一点：是哺乳动物成熟的红细胞

相信诸位看到这里都会释怀地笑：没毛病，这玩意没有细胞器，只算质膜的两层膜脂分子的面积，确实还是表面积的两倍，还得是先人们聪明啊，用人成熟的红细胞做这个实验

[!WARNING] 注意｜哺乳动物成熟的红细胞实际上有核糖体这一细胞器（不然人家咋合成血红蛋白），但是，核糖体没有单位膜，所以不影响上面的结论。如果追求严谨，可以这么说：哺乳动物成熟的红细胞没有具膜的细胞器

1.3 细胞膜模型

现在，我们再回到先人的视角继续研究细胞膜

科学家们从 Clue 1 和 Clue 2 中提出了“蛋白质-脂质-蛋白质”的三明治式的质膜结构模型

当然，再好的逻辑推理比不过科技进步的力大砖飞。1956 年，第一台商用电子显微镜呱呱坠地，对细胞膜的研究更近了长足的一步，在电显下，细胞膜呈现出“暗-亮-暗”三条带，单位膜模型 unit membrane model 于是被提出。

1972 年，生物膜的流动镶嵌模型 fluid mosaic model 被提出。该模型强调了生物膜的两个特点：

1. 膜的流动性
2. 膜蛋白分布的不对称性

1988 年，脂筏模型 lipid raft model 是对膜流动性的新理解，该模型认为：生物膜好比流水，而在膜上存在一个一个的竹筏，也即胆固醇、鞘磷脂等富集区域形成的相对有序的脂相

简单总结一下我们目前对细胞膜的认识：

1. 由两层磷脂分子组成
2. 有胆固醇
3. 有蛋白质，起着各种功能
4. 蛋白质的分布不均匀
5. 细胞膜流动
6. 细胞膜有选择透性

下面，我们将具体讨论每个细节

二、膜脂

在高中的学习中，我们曾粗略地把单位膜等主要组成部分叫做：磷脂。但现在，时代变了。我们需要更深入些

膜脂有三种成分：

1. 甘油磷脂
2. 鞘脂
3. 固醇

2.1 甘油磷脂

甘油磷脂是膜脂的基本成分，占比 50%以上

甘油磷脂亦有多类：

• 磷脂酰胆碱（卵磷脂） PC
• 磷脂酰丝氨酸 PS
• 磷脂酰乙醇胺 PE
• 磷脂酰肌醇 PI

[!TIP] 题外话｜乳化剂

• 牛奶中，蛋白质、脂肪等均匀地悬浮在水中，乳化剂功不可没。乳化剂化学本质就是两亲分子，即一端亲水、一端亲油的分子，这样的结构使得它可以充当亲水和疏水物质的桥梁，让其均匀分散。
• 常见的乳化剂就是卵磷脂（磷脂酰胆碱） lecithin，蛋黄中含有丰富的卵磷脂，焙烤食品的制作就经常利用鸡蛋黄中的卵磷脂乳化的性质
• 肥皂洗手其实也是用到了乳化作用

• 甘油磷脂合成场所：内质网

甘油磷脂的分子特征

• 具有一个磷酸基团头部（极性，亲水）和两条脂肪酸链尾部（非极性，亲油） 例外：心磷脂有四条尾部
• 极性头部的空间占位可影响脂双层的曲度

2.2 鞘脂

• 鞘脂合成场所：高尔基体

鞘脂分类：

1. 鞘磷脂：头部为磷酸基团，如神经鞘磷脂（丰度最高的鞘磷脂）
2. 鞘糖脂：头部为单糖或寡糖，如脑苷脂（最简单的鞘糖脂），又如人红细胞表面的 ABO 血型鞘糖脂

鞘磷脂的分子结构和甘油磷脂很像，我们高中所说的“磷脂”指的就是鞘磷脂 + 甘油磷脂，它俩共同组成了生物膜

2.3 固醇

胆固醇及其类似物统称为固醇或甾（zai，第一声）醇

• 固醇疏水性很强
• 自身不能形成脂双层，只能插入磷脂分子之间参与生物膜的形成
• 他汀类药物：可以阻断胆固醇的转运

胆固醇

• 存在于动物细胞和极少数原核细胞中
• 是脂筏的基本结构成分
• 是很多生物活性成分的前体化合物
• 调节膜的流动性，增加膜的稳定性，降低水溶性物质的通透性
• 缺乏胆固醇会抑制细胞分裂

[!NOTE] 抗真菌药物

• 植物细胞和真菌细胞中都有各自的固醇化合物，如植物中的豆固醇和真菌中的麦角固醇，这些固醇化合物的结构与合成途径与胆固醇有区别，因此可以靶向这些结构和合成途径差异研发抗真菌药物，如唑类抗真菌药物

2.4 膜脂的运动

细胞膜的流动性在微观层面上就体现在膜脂和膜蛋白的流动性上 具体来说，膜质有这么几种运动方式：

1. 沿膜平面的侧向运动
2. 自旋运动
3. 尾部的摆动
4. 两层脂分子之间的翻转运动 一般极少发生，翻转酶可极大地促进翻转运动