细胞膜的多种分子结构模型

膜脂、膜蛋白、膜糖是如何排列和组织的？这些成分之间是如何相互作用的？在科学家分离细胞膜之前，关于细胞膜分子结构的理论建立在间接证据的基础上并提出了许多不同的细胞膜分子结构模型（图4-3）。

图4-3　细胞膜的多种分子结构模型示意图

1935年，达夫森（H.Davson）和丹尼利（J.Danielli）发现细胞膜的表面张力显著低于油-水界面。因此，他们认为细胞膜不是简单地由脂类组成，而是含有一些蛋白质成分，并提出了片层结构模型（lamella structure model）。在这个模型中，细胞膜由两层磷脂分子组成，磷脂分子的疏水烃链在膜内侧，亲水端在膜外侧，磷脂层内外表面还覆盖着一层球形蛋白质分子，形成蛋白质-磷脂-蛋白质三层夹板结构。后来，为了解释质膜对水的高渗透性，达夫森和丹尼利修改了他们的模型，提出脂质双分子层中存在孔隙，这些孔隙被蛋白质分子包围，内部表面有亲水基团，允许水分子通过。

20世纪50年代，罗伯特森（J.D.Robertson）利用电子显微镜观察各种生物细胞膜和内膜系统，发现所有生物膜均呈“两暗一明”的三层式结构。在生物膜的横截面中，内层和外层是高电子密度的暗线，中间夹着一条低电子密度的明线，两条暗线的厚度约2 nm，中间明线的厚度约3.5 nm，薄膜的总厚度约7.5 nm，这种“两暗一明”的结构被称为单位膜（unit membrane）。因此，在片层结构模型基础上研究者又提出了单位膜模型（unit membrane model）。在单位膜模型中，脂质双分子层构成膜的主体，其亲水端朝外与附着的蛋白质分子形成一条深色的线，而其疏水尾部形成一条明亮的线。单位膜模型在超微结构中被广泛采用，其名称至今仍在使用。然而，该模型将膜视为一个静态的较为单一的结构，无法解释通过膜的动态变化完成的各种重要的生理活动，也无法解释不同生物膜厚度不同的原因。(https://www.daowen.com)

20世纪60年代以后，冷冻蚀刻技术证实了膜中蛋白质颗粒的存在，红外光谱和旋光色散技术证明了膜蛋白主要不是β层状结构而是α螺旋的球形结构。在这一阶段，研究者陆续提出了许多新的生物膜模型，其中受到广泛认可的是流动镶嵌模型（fluid mosaic model），其主要特征包括：脂质双分子层构成了膜的主体，它既具有晶体分子排列的有序性，又具有液体的流动性；细胞膜中的蛋白质分子以不同的形式与脂质双分子层结合，有的嵌在脂质双分子层中，有的附着在脂质双分子层的表面，指质双分子层是一种动态、不对称、具有流动性的结构。流动镶嵌模型强调了膜的流动性和不对称性，较好地解释了生物膜的结构功能特点，是目前被普遍接受的膜结构模型。

然而，流动镶嵌模型不能解释具有流动性的质膜在变化过程中如何保持其相对的完整性和稳定性，因此又有人提出了一些新的模型，例如，瓦拉赫（Wallach）提出了晶格镶嵌模型（crystal mosaic model），杰恩（Jain）和怀特（White）提出了板块镶嵌模型（block mosaic model）。晶格镶嵌模型认为在生物膜中流动的脂质以可逆的方式发生无序（液态）和有序（晶态）相变，膜蛋白对脂质分子的运动有限制作用。镶嵌蛋白及其周围的脂质分子构成膜的晶体部分（晶格），而具有“流动性”的脂类呈小片的点状分布。因此，脂质流动性是局部的，而不是整个脂质双分子层都具有流动性，这就比较合理地说明了生物膜既具有流动性又具有相对完整性和稳定性的原因。板块镶嵌模型认为在流动的脂质双分子层中有许多不同大小的脂类板块，它们是刚性的，可以独立移动（有序结构板块），在这些有序板块之间存在流动的脂类区（无序结构板块）。脂类板块和脂类区之间处于一种连贯的动态平衡状态，因此生物膜是同时由不同流动性的板块组成的动态结构。以上两种生物膜模型与流动镶嵌模型并无本质区别，只是补充了细胞膜具有流动性的分子基础。

脂质双分子层就像一个二维流体，其中嵌入了许多蛋白质。在真实细胞膜中，脂质双分子层并不是一个完全均匀的二维流体，一些脂质分子可以形成相对稳定的凝胶态或液相有序态。近年来，人们发现膜脂双分子层含有由特殊脂类和蛋白质组成的微区。微区富含胆固醇和鞘脂，也聚集了某些膜蛋白。鞘质的脂肪酸尾比较长，使微区比细胞膜的其他部分更厚、更有序、流动性更小，微区也因此被称为脂筏（lipid raft）。脂筏不仅存在于质膜中，也存在于高尔基复合体膜中。

脂质双分子层具有不同的脂筏结构，脂双层外层的脂筏主要有鞘脂、胆固醇及GPI-锚定蛋白，由于鞘脂含有长链饱和脂肪酸，流动性较差，而邻近的磷脂区的脂肪酸多不饱和，所以出现相分离；脂双层的内层也有类似的脂筏，但与外层的不完全相同，主要是内层的脂筏有许多酰基化锚定蛋白，特别是信号转导蛋白，如Src、G蛋白的Gα亚基、内皮型一氧化氮合酶（eNOS）等。脂筏中的脂类与相关的蛋白质在膜平面可进行侧向扩散。从结构及组分来看，脂筏在膜内形成了一个有效的平台，该平台有两个特点：①许多蛋白质聚集在脂筏内，便于相互作用。②脂筏提供了一个有利于蛋白质变构的环境，形成有效的构象。目前的研究发现，脂筏与信号转导、受体介导的内吞和胆固醇代谢运输等有关，脂筏的功能紊乱涉及艾滋病、肿瘤、动脉粥样硬化、阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）、疯牛病、肌营养不良等疾病。对脂筏结构和功能的研究不仅加深了对许多重要生命现象和病理机制的认识，而且有助于理解细胞膜的结构和功能，为膜生物学研究提供更多的信息和线索。