2013臨床助理醫(yī)師生理學(xué)：膜的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)

　　從低等生物草履蟲以至高等哺乳動(dòng)物的各種細(xì)胞，都具有類似的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)。在電鏡下可分為三層，即在膜的靠內(nèi)外兩側(cè)各有一條厚約2.5nm的電子致密帶,中間夾有一條厚2.5nm的透明帶,總厚度約7.0~7.5nm左右這種結(jié)構(gòu)不僅見于各種細(xì)胞的細(xì)胞膜，亦見于各種細(xì)胞器的膜性結(jié)構(gòu)，如線粒體膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、溶酶體膜等，因而它被認(rèn)為是一種細(xì)胞中普遍存在的基本結(jié)構(gòu)形式。

　　各種膜性結(jié)構(gòu)主要由脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類等物質(zhì)組成;盡管不同來源的膜中各種物質(zhì)的比例和組成有所不同，但一般是以蛋白質(zhì)和脂質(zhì)為主，糖類只占極少量。如以重量計(jì)算，膜中蛋白質(zhì)約為脂質(zhì)的1~4倍不等，但蛋白質(zhì)的分子量比脂質(zhì)大得多，故膜中脂質(zhì)的分子數(shù)反較蛋白質(zhì)分子數(shù)多得多，至少也超過蛋白質(zhì)分子數(shù)100倍以上。

　　各種物質(zhì)分子在膜中的排列形式和存在，是決定膜的基本生物學(xué)特性的關(guān)鍵因素。分子生物學(xué)的研究成果表明，各種物質(zhì)特別是生物大分子在各種生物結(jié)構(gòu)中的特殊有序排列，是各種生命現(xiàn)象得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。盡管目前還沒有一種能夠直接觀察膜的分子結(jié)構(gòu)的較方便的技術(shù)和方法，但根據(jù)對(duì)生物膜以及一些人工模擬膜特性的分析研究，從30年代以來就提出了各種有關(guān)膜的分子結(jié)構(gòu)的假說，其中得到較多實(shí)驗(yàn)事實(shí)支持而目前仍為大多數(shù)人所接受的則70年代初期(Singer和Nicholson,1972)提出的液態(tài)鑲嵌模型(fluid mosaic model)。這一假想模型的基本內(nèi)容是：膜的共同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是以液態(tài)的脂質(zhì)雙分子層為基架，其中鑲嵌著具有不同分子結(jié)構(gòu)、因而也具有不同生理功能的蛋白質(zhì)，后者主要以а-螺旋或球形蛋白質(zhì)的形式存在

　　(一)脂質(zhì)雙分子層

　　膜的脂質(zhì)中以磷脂類為主，約占脂質(zhì)總量的70%以上;其次是膽固醇，一般低于30%;還有少量屬鞘脂類的脂質(zhì)。磷脂的基本結(jié)構(gòu)是：一分子甘油的兩個(gè)羥基同兩分子脂酸相結(jié)合，另一個(gè)羥基則與一分子磷酸結(jié)合，后者再同一個(gè)堿基結(jié)合。根據(jù)這個(gè)堿基的不同，動(dòng)物細(xì)胞膜中的磷脂主要有四種(圖2-2)：磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸和磷脂酰肌醇。鞘脂類的基本結(jié)構(gòu)和磷脂類似，但不含甘油。膽固醇結(jié)構(gòu)很特殊，它含有一個(gè)甾體結(jié)構(gòu)(環(huán)戊烷多氫菲)和一個(gè)8碳支鏈。

　　最初提示膜中脂質(zhì)呈雙分子層形式存在的，是對(duì)紅細(xì)胞膜所作的化學(xué)測定和計(jì)算。Gortert和Grendel(1925)提取出紅細(xì)胞膜中所含的脂質(zhì)，并測定將這些脂質(zhì)以單分子層在水溶液表面平鋪時(shí)所占的面積，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一個(gè)紅細(xì)胞膜中脂質(zhì)所占的面積，差不多是該細(xì)胞表面積的2倍。因此導(dǎo)致以下結(jié)論：脂質(zhì)可能是以雙分子層的形式包被在細(xì)胞表面的。以后提出的雙分子層模型中，每個(gè)磷脂分子中由磷酸和堿基構(gòu)成的基團(tuán)，都朝向膜的外表面或內(nèi)表面，而磷脂分子中兩條較長的脂酸烴鏈則在膜的內(nèi)部兩兩相對(duì)。脂質(zhì)分子的這種定向而整齊的排列，是由脂質(zhì)分子本身的理化特性和熱力學(xué)定律所決定。所有的膜脂質(zhì)都是一些雙嗜性分子，磷脂的一端的磷酸和堿基是親水性極性基團(tuán)，另一端的長烴鏈則屬疏水性非極性基團(tuán)。當(dāng)脂質(zhì)分子位于水表面時(shí)，由于水分子是極性分子，脂質(zhì)的親水性基團(tuán)將和表面水分子相吸引，疏水性基團(tuán)則受到排斥，于是脂質(zhì)會(huì)在水表面形成一層親水性基團(tuán)朝向水面而疏水性基團(tuán)朝向空氣的整齊排列的單分子層。從熱力學(xué)業(yè)角度分析，這樣組成的系統(tǒng)包含的自由能最低，因而最為穩(wěn)定，可以自動(dòng)形成和維持。根據(jù)同樣的原理，如果讓脂質(zhì)分子在水溶液中受到激烈擾動(dòng)時(shí)，脂質(zhì)有可能形成含水的小囊，但這囊只能是由脂質(zhì)雙分子層形成，外層脂質(zhì)的極性基團(tuán)和囊外水分子相吸引，內(nèi)層脂質(zhì)的極性基團(tuán)則和囊內(nèi)水分子相吸引，而兩層脂質(zhì)的疏水性烴鏈將兩兩相對(duì)，排斥水分子在囊膜中的存在，其結(jié)構(gòu)正和天然生物膜一致。這種人工形成的人工膜囊，稱為脂質(zhì)小體(liposome)，似人造細(xì)胞空殼，有很大的理論研究和實(shí)用價(jià)值。由此可見，脂質(zhì)分子在細(xì)胞膜中以雙分子層的形式存在，是由脂質(zhì)分子本身的理化特性所決定的。設(shè)想進(jìn)化過程中最初有生物學(xué)功能的膜在原始的海洋中出現(xiàn)時(shí)(也可能包括新的膜性結(jié)構(gòu)在細(xì)胞內(nèi)部的水溶液中的生成)，這些基本的理化原理也在起作用。

　　脂質(zhì)的熔點(diǎn)較低，這決定了膜中脂質(zhì)分子在一般體溫條件下是呈液態(tài)的，即膜具有某種程度的流動(dòng)性。脂質(zhì)雙分子層在熱力學(xué)上的穩(wěn)定性和它的流動(dòng)性，能夠說明何以細(xì)胞可以承受相當(dāng)大的張力和外形改變而不致破裂，而且即使膜結(jié)構(gòu)有時(shí)發(fā)生一些較小的斷裂，也可以自動(dòng)融合而修復(fù)，仍保持連續(xù)的雙分子層的形式。觀察一下體內(nèi)某些吞噬細(xì)胞通過毛細(xì)血管壁內(nèi)皮細(xì)胞間隙時(shí)的變形運(yùn)動(dòng)和紅細(xì)胞通過纖細(xì)的毛細(xì)血管管腔時(shí)被扭曲而不破裂的情況，當(dāng)會(huì)對(duì)細(xì)胞膜的可變性和穩(wěn)定性有深刻的印象。當(dāng)然，膜的這些特性還同膜中蛋白質(zhì)和膜內(nèi)側(cè)某些特殊結(jié)構(gòu)(稱為細(xì)胞架)的作用有關(guān)。應(yīng)該指出的是，膜的流動(dòng)性一般只允許脂質(zhì)分子在同一分子層內(nèi)作橫向運(yùn)動(dòng);由于分子的雙嗜性，要脂質(zhì)分子在同一分子層內(nèi)作“掉頭”運(yùn)動(dòng);或由一側(cè)脂質(zhì)層移到另一側(cè)脂質(zhì)層，這意味著有極性的磷酸和堿基的一端要穿越膜內(nèi)部的疏水性部分，這是不容易或要耗能的。

　　不同細(xì)胞或同一細(xì)胞而所在部位不同的膜結(jié)構(gòu)中，脂質(zhì)的成分和含量各有不同;雙分子層的內(nèi)外兩層所含的脂質(zhì)也不盡相同，例如，靠外側(cè)的一層主要含磷脂酰膽堿和含膽堿的鞘脂，而靠胞漿側(cè)的一層則有較多的磷脂酰乙醇胺和磷脂酰絲氨酸。膽固醇含量在兩層脂質(zhì)中無大差別;但它們含量的多少和膜的流動(dòng)性大小有一定關(guān)系，一般是膽固醇含量愈多，流動(dòng)性愈小。近年來發(fā)現(xiàn)，膜結(jié)構(gòu)中含量相當(dāng)少的磷脂酰肌醇，幾乎全部分布在膜的靠胞漿側(cè);這種脂質(zhì)與細(xì)胞接受外界影響，并把信息傳遞到細(xì)胞內(nèi)的過程有關(guān)。