細胞膜

細胞膜的結構大致上與細胞內其他的膜相同。所以它的結構也稱為單元膜 (Unit membrane) 。細胞膜是細胞的疆界。它把細胞內的物質困起來，使它不會與細胞外的物質混淆，所以它是很重要的構造。但這構造也需要符合兩個要求。

(1)	它能夠把細胞內、外的物質作有效的分隔。但細胞內、外的物質都是水溶性的。所以這疆界必需是不溶於水的，它才不會被水溶掉，水溶性的物質才可以被分隔開來。細胞內只有一種物質不溶於水。這就是脂質。所以細胞膜必需有一層連續的脂質，它才可以把細胞內、外的物質作有效的分隔。
(2)	細胞的生命必須依賴與環境之間的物質交換。細胞需要從環境中吸取營養。它也需要把廢物排出到環境中。營養和廢物都是水溶性的。所以細胞必需要有機制把這些水溶性的物質運輸通過這層含脂質的膜。一些蛋白質就有這用途。所以細胞膜也必需含有蛋白質。

由於以上的論據，細胞膜就必需要含有脂質與蛋白質了。但這些脂質與蛋白質在細胞膜上要怎樣排列，才可以使到細胞能有效地生存和有效地工作呢？以下是細胞膜結構的一些假說。

細胞膜結構的假說。
在初期的時候，科學家認為細胞膜是一層脂質內、外都由蛋白質覆蓋的三文治狀結構。到現在，它的結構卻由以下的學說所取代。

流體鑲嵌模型。
在這個模型下，細胞膜的結構有兩個面貌。第一，細胞膜主要是由兩層磷脂分子所組成。每一個磷脂分子都有兩端。一端是具有親水性的磷酸根。而另一端就是有疏水性的碳氫鍊。細胞膜的兩邊都是水溶液。所以只有和親水性的一端可以接近和融合。而疏水的一端卻需要互相相對，才能成為一個穩定的結構。這個結構如下圖。

如左下圖所示，在電子顯微鏡下，細胞膜成為電子密度較高的一層。科學家把這些磷脂的排列解讀如下右圖。


在電子顯微鏡下所見到的細胞膜	雙層排列的磷脂分子

在流體鑲嵌模型中，對於流體與鑲嵌的解說如下。

第一 : 流體性質的解說 ,
這雙層的磷脂具有流體的性質，因為磷脂分子之間，靠微弱的凡特瓦爾力 (Wan der Waal's force) 互相吸引。這種吸引力很容易建立，但也很容易破解。所以磷脂的碳氫鍊很容易會互相吸引，也很容易互相分離。這就是液體分子之間的流動性。磷脂分子也就因此而可以隨需要而靠近或分離，只是它們的方向都不會改變。這使得細胞膜具有流體的特性。藉著這種特性，這雙層的磷脂在必要時就可以進行重組。當兩片這樣的膜相交，這兩片雙層的磷脂膜就可以重組，以減低整塊膜的彎度。這重組隨機發生，但重組後減小彎度卻必然發生。這變化就好像是兩個肥皂泡相遇的情況。在相類似得情況下，細胞膜也可以互相融合。這可解釋形成食物泡與胞吐 (exocytosis) 作用。

第二 : 鑲嵌性 ,
細胞膜的鑲嵌性源自蛋白質的附著情況。在開始的時候，科學家的假設，是脂質層的內、外都被連續的蛋白質所層覆蓋著的。現在，這模型被修改為，內、外的蛋白層都不是連續的。膜上的蛋白質只是按需要而存在。這些蛋白也可以是複合蛋白 (conjugated proteins) 。一些也可以有脂質或糖質的部份。由於附在表面上的蛋白質甚多，所以容易使人以為它是連續的一層。但實際上這些蛋白只形成了鑲嵌的狀況。

細胞膜結構的流體鑲嵌模型可以圖解如下。

細胞膜結構的流體鑲嵌模型。

根據蛋白質連在細胞膜上的位置，這些蛋白可以分成以下三種。

(1)	膜外蛋白質 (peripheral protein 或 extrinsic protein)	蛋白質分子附著在膜的表面。
(2)	膜內蛋白質 (integral protein 或 intrinsic protein)	蛋白質分子從膜中延伸到外邊。
(3)	跨膜蛋白質 (transmembrane protein)	蛋白質分子從外邊完全穿越磷脂層。

這些膜上的蛋白質可以提供以下的作用。

(1)	載體蛋白 (carrier protein)	載體蛋白可以運載指定的物質橫過膜。載體蛋白的工作可需要使用能量或不需要使用能量。如不需要使用能量，如孔道蛋白 (pore proteins) 與管道蛋白 (channel proteins) 等，都屬於被動運輸 (passive transport) 。管道蛋白的管道可以開關，所以可以控制物質進出細胞。如鈣管道 (calcium channel) , 鉀管道 (potassium channel) 等等，可以控制鈣離子或鉀離子的通過。但如需使用能量，則算是主動運輸 (active transport) 。不同的載體蛋白可以運輸不同的物質。一個載體蛋白在膜的不同方向可以運載不同的物質橫過膜的本身。如鉀鈉載體蛋白可以把鉀帶進細胞，同時也可以把鈉帶出細胞。
(2)	受體蛋白 (receptor protein)	受體蛋白是細胞的感受物質。細胞必須具有一種物質的受體蛋白，才能測知其環境中是否有這種物質存在，才能對這種物質起反應。如胰島素被釋放到血液中，經循環系統到達全身所有細胞。但是因為只有肝細胞的細胞膜上才具有胰島素的受體蛋白，所以只有肝細胞才可以對胰島素起反應。通常在受體蛋白上，可能會附有多糖化合物，以協助反應。這多糖與蛋白的結合物就稱為糖蛋白 (glycoprotein) 。
(3)	識別蛋白 (recognition protein)	識別蛋白是細胞的身份証，用來證實這細胞的身份。如鳥類細胞的細胞膜上有鳥類的識別蛋白，所以禽流感 (bird flu) 的病毒就可以認定它，進入它，使這鳥生病。人體細胞的細胞膜上沒有這個辨識蛋白，所以禽流感病毒就不能認識它，不能進入它裏面，就不能使人生病了。同種而不同個體的細胞膜上也有不同的識別蛋白，所以不同人的細胞組織也有不同的識別蛋白。在器官移殖時，就要應付這辨識問題，以避免排斥現象。
(4)	酶 ( 酵素 ) (enzyme)	一些膜的表面附有酵素蛋白。這酵素蛋白可以促一進某些化學反應。如線粒體 (mitochondria) 的膜上有呼吸作用的酵素，葉綠體 (chloroplast) 的膜上有光合作用的酵素等。

(11.10.2007)

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