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細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)的相關(guān)學(xué)說(shuō)
在分離質(zhì)膜以前，有關(guān)膜的分子結(jié)構(gòu)理論，一般是根據(jù)間接材料提出的。由于脂溶性物質(zhì)容易透過(guò)質(zhì)膜，1895年， E.Overton 推測(cè)細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成，并于1902年先提出質(zhì)膜是由一層薄的類脂所組成。
1917年，Langmuri發(fā)現(xiàn)脂肪酸在水和空氣交接的面上時(shí)，疏水端在空氣中，親水端卻在水中，形成單層分子膜。1925年Gorter和Grendel從紅細(xì)胞膜抽取出磷脂，用表面天平測(cè)出被抽提取來(lái)的磷脂鋪成單位膜時(shí)，其所占面積與所用細(xì)胞膜總面積之比大約是2：1。因此他們認(rèn)為，紅細(xì)胞膜是由雙層磷脂形成的，這樣就初次提出了雙分子類脂層是細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)的概念。
1931年，Harvey和Cole在研究細(xì)胞表面張力時(shí)發(fā)現(xiàn)，其張力僅約0．2×10-5dyn/cm，比簡(jiǎn)單的油水界面的張力(35×10-510dyn/cm)要低得多，從而提出使細(xì)胞表面張力降低的物質(zhì)，是類似于球蛋白的物質(zhì)。隨后Danielli和Davson推測(cè)膜中含有蛋白質(zhì)，提出“蛋白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)”三明治模型。
隨后，根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)以及細(xì)胞膜的化學(xué)成分及其特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)對(duì)細(xì)胞膜的研究和各種結(jié)構(gòu)模型的探索，迄今為止，已提出了幾十種不同的膜分子結(jié)構(gòu)模型。現(xiàn)僅介紹如下幾種主要的膜結(jié)構(gòu)模型。
一、片層結(jié)構(gòu)模型
片層結(jié)構(gòu)模型(lamella structyre model）是Danielli和Davson于1935年提出的。他們?cè)谘芯恐?，觀察到細(xì)胞表面張力明顯低于油-水界面的表面張力，而認(rèn)為細(xì)胞膜不僅由脂類分子組成，而且在雙層脂類分子內(nèi)、外表面覆蓋有蛋白質(zhì)分子，形成蛋白質(zhì)-磷脂-蛋白質(zhì)的三板式結(jié)構(gòu)。
但由于不能解釋一些小分子的親水性物質(zhì)可以透過(guò)細(xì)胞膜，因而后來(lái)又改為由蛋白質(zhì)從外向內(nèi)組成相連續(xù)的小孔水道，稱為膜孔，并推測(cè)膜孔直徑約為0．4～0．8nm，可讓水等小分子物質(zhì)通過(guò)。
二、單位膜模型
單位膜模型(unit membrane model)是由Robertson于1959年應(yīng)用電子顯微鏡和X-線衍射觀察后提出的。他認(rèn)為質(zhì)膜和細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)的分子結(jié)構(gòu)基本—致，都是由單位膜構(gòu)成，但與Danielli和Davson的模型是不完全相同的。Danielli認(rèn)為膜的內(nèi)外面都是由球形蛋白質(zhì)并列組成，而且完全相同，是對(duì)稱的；而Robertson則認(rèn)為各種細(xì)胞的生物膜都有類似的暗-明-暗3層結(jié)構(gòu)，其厚度也基本一致，依次為2nm，3．5nm，2mn，即蛋白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)(圖4-13)。致密的內(nèi)外2層相當(dāng)于脂質(zhì)分子的極性頭部和蛋白質(zhì)的單分子層，低密度亮層是脂質(zhì)分子的非極性尾部。并認(rèn)為蛋白質(zhì)層是單層肽鏈以β折疊形式的蛋白質(zhì)，通過(guò)靜電作用與磷脂極性端相結(jié)合，并確認(rèn)膜的外層存有多糖成分。
該模型雖具有一定的理論意義，對(duì)膜的某些屬性作出了一定解釋，在超微結(jié)構(gòu)中被普遍采用，但是，該模型把膜作為一種靜態(tài)的單一結(jié)構(gòu)，無(wú)法解釋各種膜厚度的不同，無(wú)法說(shuō)明膜的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化及其在功能上的差異。
三、液態(tài)鑲嵌模型
液態(tài)鑲嵌模型(floid mosaic model)是由Singer和Nicolson于1972年根據(jù)生物大分子在水相中的熱力學(xué)原理和膜蛋白的“雙型”特點(diǎn)提出的。
目前被人們普遍接受的是液態(tài)鑲嵌模型，這一模型是Singer和Nieolaon總結(jié)了當(dāng)時(shí)有關(guān)膜結(jié)構(gòu)的模型提出的，保留了單位膜模型中的脂質(zhì)雙分子層的正確概念。
液態(tài)鑲嵌模型的基本論點(diǎn)是：細(xì)胞膜是由流動(dòng)的脂質(zhì)雙分子層中鑲嵌的球形蛋白，按二維排列組成的，流動(dòng)的脂質(zhì)分子層中的每一個(gè)脂質(zhì)分子一端為親水端，另—端為疏水端，所有的脂質(zhì)分子的親水端都向著膜的表面，疏水端則朝向膜的中央。流動(dòng)的脂質(zhì)分子構(gòu)成了細(xì)胞膜的連續(xù)主體，蛋白質(zhì)分子就像一群島嶼無(wú)規(guī)則地分散在脂質(zhì)分子的海洋中。
Singer和Nicolsou依據(jù)蛋白質(zhì)在脂質(zhì)雙分子層中分布的位置，將其分為外周蛋白和內(nèi)在蛋白(鑲嵌蛋白)，其極性部分呈離子鍵結(jié)合。膜中的蛋白質(zhì)分子以各種形式鑲嵌在脂質(zhì)雙分子層中，每個(gè)鑲嵌蛋白質(zhì)分子均為雙性結(jié)構(gòu)，非極性端埋在脂質(zhì)雙分子層中間，極性端朝向膜表面。通過(guò)很強(qiáng)的疏水和親水作用和膜脂結(jié)合在一起，構(gòu)成細(xì)胞膜的連續(xù)結(jié)構(gòu)。如果疏水的和親水的相互作用達(dá)到至大，在至小的自由能(free energy)情況下就能維持膜的結(jié)構(gòu)。活的膜總是處于流動(dòng)變化之小，脂質(zhì)分子和蛋白質(zhì)分子均可在膜的平面進(jìn)行側(cè)向運(yùn)動(dòng)。大部分膜是不對(duì)稱的。在膜的內(nèi)部及其內(nèi)外表面具有不同功能的蛋白質(zhì)，如紅細(xì)胞膜只在膜外面有糖脂、糖蛋白，因而形成不對(duì)稱性。
液態(tài)鑲嵌模型學(xué)說(shuō)的主要特點(diǎn)是：
①?gòu)?qiáng)調(diào)膜的流動(dòng)性，認(rèn)為膜的結(jié)構(gòu)不是靜止的，而是動(dòng)態(tài)的；
②脂質(zhì)雙層分子中鑲嵌著可移動(dòng)的膜蛋白，表現(xiàn)出膜蛋白分布的不對(duì)稱性。
20世紀(jì)70年代以來(lái)，液態(tài)鑲嵌模型得到了許多實(shí)驗(yàn)的支持，它以動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)分析膜中各種化學(xué)組分的相互關(guān)系，比較合理地解釋了膜中所發(fā)生的生理現(xiàn)象，為人們普遍接受；但是，液態(tài)鑲嵌模型也有不足之處，如忽視了蛋白質(zhì)分子對(duì)脂質(zhì)分子的控制作用及膜各部分流動(dòng)性的不均性等。因此，有的學(xué)者提出了新的模型，對(duì)其加以補(bǔ)充和完善，如晶格鑲嵌模型(1975年)、板塊鑲嵌模型(1977年）等。
四、晶格鑲嵌模型
晶格鑲嵌模型是Wallach于1975年提出的，實(shí)際上是液態(tài)鑲嵌模型的補(bǔ)充。他指出，細(xì)胞膜之所以具有“流動(dòng)性”，是基于脂質(zhì)可逆地進(jìn)行無(wú)序(液態(tài))和有序(固態(tài))的相變過(guò)程，膜蛋白對(duì)脂質(zhì)分子的活動(dòng)具有控制作用。在大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞膜系統(tǒng)中，這種“流動(dòng)性”脂質(zhì)呈小片點(diǎn)狀分布，面積小于10nm2，因此脂質(zhì)的流動(dòng)性是局部的，并非整個(gè)脂質(zhì)雙層都在進(jìn)行流動(dòng)。在生理?xiàng)l件下，膜脂雙分子層中相當(dāng)一部分呈液態(tài)，另—部分表現(xiàn)為固態(tài)，即液晶態(tài)。膜脂的相變受溫度，脂質(zhì)自身的性質(zhì)，如飽和性、膜中蛋白質(zhì)成分、pH和二價(jià)陽(yáng)離子濃度等因素的影響。這就比較合理地說(shuō)明，細(xì)胞膜既具有流動(dòng)性，又具有相對(duì)的完整性及穩(wěn)定性的原因。
液晶態(tài)，即脂質(zhì)雙分子層的液晶態(tài)性質(zhì)，是指細(xì)胞膜上的脂質(zhì)分子在—定溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)有規(guī)律排列的液態(tài)，稱為液晶態(tài)(mesonmor phism)或簡(jiǎn)稱液晶(liguiderystal)。在物質(zhì)三態(tài)——固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，其相變溫度(溶點(diǎn))范圍很窄，一般在1℃～2℃之間就發(fā)生相變，如乙醇沸點(diǎn)為78．5℃，氯仿為61℃～62℃。而膜結(jié)構(gòu)的液晶態(tài)是指其相變溫度范圍較大，在此范圍內(nèi)，物質(zhì)(膜)既能保持同志時(shí)分子有秩序地排列的特點(diǎn)，又具有液態(tài)的流動(dòng)性，使細(xì)胞膜恒久地處于液晶態(tài)，以保證細(xì)胞的各項(xiàng)功能的正常進(jìn)行。液晶態(tài)還對(duì)多種物理參量，如熱、聲、光、電、磁等部表現(xiàn)出良好導(dǎo)性，這些性質(zhì)是構(gòu)成人體傳感器的基礎(chǔ)。
五、板塊鑲嵌模型
板塊鑲嵌模型是Jain和White于1977年提出的。該模型進(jìn)一步發(fā)展了Wallach的晶格鑲嵌模型，與液態(tài)鑲嵌模型并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，只是對(duì)膜流動(dòng)性的分子基礎(chǔ)方面進(jìn)行了一些補(bǔ)充。它主要強(qiáng)調(diào)流動(dòng)性的膜脂分子層中，分布呈現(xiàn)許多大小不同、硬性較強(qiáng)、彼此獨(dú)立移動(dòng)、結(jié)構(gòu)有序的脂質(zhì)分子區(qū)(板塊)，這些板塊之間為無(wú)序流動(dòng)的脂質(zhì)分子區(qū)(板塊)。分布于膜內(nèi)兩半層的板塊彼此相對(duì)獨(dú)立，呈不對(duì)稱性，但也可能某些板塊延伸到全部脂質(zhì)雙分子層。板塊內(nèi)的各種組分之間的疏水力相可作用，蛋白質(zhì)和脂質(zhì)兩者也能形成另一種不同性質(zhì)的長(zhǎng)距離的有序組織。因此，在膜的平面上實(shí)際是同時(shí)存在不同組織結(jié)構(gòu)和不同性質(zhì)的許多板塊，它們的變化主要是由板塊內(nèi)組分構(gòu)象和相互作用的特異性所決定。而膜功能的多樣性也可能與板塊的性質(zhì)和變化有關(guān)。這樣就可以解釋為什么細(xì)胞內(nèi)會(huì)出現(xiàn)“區(qū)域化”的問(wèn)題。
以上介紹的幾種模型是逐步發(fā)展，相互補(bǔ)充而形成的。由于膜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和功能的多樣性，以上的模式難以成為生物膜分子結(jié)構(gòu)的通用模式。隨著新技術(shù)的應(yīng)用，一定會(huì)有能更合理、更全面地反映膜真實(shí)結(jié)構(gòu)的模型出現(xiàn)。
細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)的新學(xué)說(shuō)——脂筏模型 (lipidrafts model)
1997年K.Simons提出“Functional rafts in Cell membranes.”（Nature387:569-572）。脂筏（lipid raft）是質(zhì)膜上富含鞘糖脂、GPI蛋白和膽固醇的微功能域或微結(jié)構(gòu)域（microdomain）。這些微域大小約70nm左右，是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，是鞘磷脂與膽固醇的動(dòng)態(tài)集合，位于質(zhì)膜的外小葉。由于鞘磷脂具有較長(zhǎng)的飽和脂肪酸鏈，分子間的作用力較強(qiáng)，所以這些區(qū)域結(jié)構(gòu)致密，介于無(wú)序液體與液晶之間，稱為有序液體（Liquid-ordered）。在低溫下這些區(qū)域能抵抗非離子去垢劑的抽提，所以又稱為抗去垢劑膜（detergent-resistant membranes，DRMs）。
脂筏是脂質(zhì)雙分子層中富含膽固醇和鞘磷脂的微區(qū)，其中聚集一些特定的蛋白質(zhì)區(qū)。這些區(qū)域比膜的其他部分厚，更有秩序且較少流動(dòng)性。其周圍是流動(dòng)性較高的液態(tài)區(qū)。脂筏就像一個(gè)蛋白質(zhì)停泊的平臺(tái)，參與膜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選、受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用以及膽固醇代謝運(yùn)輸?shù)?。脂笩功能的紊亂涉及多種疾病的發(fā)生。如：過(guò)敏反應(yīng)、朊病毒病。脂筏模型深化了對(duì)膜結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí)。
學(xué)說(shuō)的演化與科學(xué)發(fā)展的歷程
生物膜學(xué)說(shuō)的演化過(guò)程是紛繁萬(wàn)象的科學(xué)發(fā)展歷程的一個(gè)縮影，從中我們可以管窺科學(xué)發(fā)展的一些規(guī)律：
1、科學(xué)的發(fā)展就是深入把握對(duì)象的本質(zhì)特征：
生命現(xiàn)象紛繁復(fù)雜，影響的因素眾多，尤其是多種因素的在不同狀態(tài)下共同作用的結(jié)果，更是撲朔迷離。建立科學(xué)研究模型和學(xué)說(shuō)的核心內(nèi)容，就是通過(guò)比較與分析，通過(guò)概括、類比、抽象化等手段，如抽絲剝繭般從現(xiàn)象中抓住本質(zhì)的特征，建立規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，為大眾的健康指導(dǎo)做出貢獻(xiàn)。
2、科學(xué)的發(fā)展就是從抽象到具體，逐步豐富對(duì)象的本質(zhì)特征和規(guī)律性認(rèn)識(shí)：
從片層結(jié)構(gòu)模型、單位膜模型到液態(tài)鑲嵌模型、晶格鑲嵌模型，再到脂筏模型，由簡(jiǎn)單的磷脂膜出發(fā)，加入了蛋白質(zhì)的鑲嵌，再根據(jù)蛋白質(zhì)及細(xì)胞膜的功能表現(xiàn)，衍生出脂筏模型，科學(xué)的發(fā)展就是從抽象到具體，逐步豐富對(duì)象的本質(zhì)特征和規(guī)律性認(rèn)識(shí)，有層次地建立起科學(xué)認(rèn)識(shí)的架構(gòu)。
3、科學(xué)的發(fā)展就是證實(shí)與證偽，不斷修正，不斷前進(jìn)的過(guò)程：
科學(xué)認(rèn)識(shí)的過(guò)程就是對(duì)規(guī)律性認(rèn)識(shí)的不斷的證實(shí)與證偽進(jìn)程：既可在證實(shí)的過(guò)程中得到豐富和發(fā)展，也可在證偽的過(guò)程中得以不斷修正。循環(huán)往復(fù)，從而不斷前進(jìn)。在生物膜研究中的每一次的證實(shí)或者證偽，都是人們?cè)诳茖W(xué)認(rèn)識(shí)上的進(jìn)步。