流动镶嵌模型

生物学名词

流动镶嵌模型：是膜结构的一种假说模型。脂类物质分子的双层，形成了膜的基本结构的基本支架，而膜的蛋白质则和脂类层的内外表面结合，或者嵌入脂类层，或者贯穿脂类层而部分地露在膜的内外表面。磷脂和蛋白质都有一定的流动性，使膜结构处于不断变动的状态。

探索历程

发展原因

由于科学家在对物质跨膜运输现象的研究中产生了一系列的疑问，于是开始从生物膜的功能深入探索到生物膜的结构。

脂质双分子层

1895年，欧文顿（E. Overton）曾经用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行过上万次的实验，发现细胞膜对不同物质的通透性不一样：凡是可以溶于脂质的物质，比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。于是他提出：膜是由脂质组成的。

20世纪初，科学家第一次将细胞膜从哺乳动物红细胞中分离出来。化学分析表明，膜的主要成分是磷脂和蛋白质。1925年，荷兰科学家戈特(E．Gorter)和格伦德尔(F．Grendel)用丙酮抽提红细胞膜结构，计算出红细胞膜平铺面积同其表面积之比为（1.8～2.2）∶1，约为两倍。他们由此提出磷脂双分子层模型。

单位膜模型

1935年，J. Danielli & H. Davson发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质，从而提出了“蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。1959年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。

1959年，罗伯特森（J. D. Robertson）用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，在电子显微镜下看到了细胞膜的暗-明-暗三层结构，厚约7.5nm，它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成。他提出“单位膜模型”假说：连续的脂质双分子层组成膜的主体，磷脂的非极性端朝向膜内侧，极性端朝向膜外两侧，蛋白质以单层肽链的厚度，通过静电作用与磷脂极性端相结合，从而形成蛋白质—磷脂—蛋白质的三层结构，称之为单位膜。他提出真核细胞与原核细胞具有相同的膜结构。单位膜模型的主要不足在于：把生物膜的结构描述成静止的、不变的，这显然与膜功能的多样性相矛盾。

模型简介

1970年，Larry Frye和Michael Lipids等科学家将人和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。这一实验，以及相关的其他实验证据表明细胞膜具有流动性。

在新的观察和实验证据的基础上，又有学者提出了一些关于生物膜的分子结构模型。其中，1972年桑格（S. J. Singer）和尼克森（G. Nicolson）提出的流动镶嵌模型为大多数人所接受。

晶格镶嵌模型

1975年，Wallach提出了晶格镶嵌模型。他在流动镶嵌模型的基础上，进一步强调：生物膜中流动性脂质的可逆性变化。这种变化区域呈点状分布在膜上。相变表现为膜脂分子的一种协同效益，即几十个以上的脂分子同时相变。膜脂的相变受温度、脂本身的性质、膜中其他成分、pH和二价阳离子浓度等因素的影响。

板块镶嵌模型

1977年，Jain和White提出了板块镶嵌模型，其内容本质上与晶格镶嵌模型相同。他们认为：在流动的脂双分子层中，存在许多大小不同的、刚度较大的、彼此独立运动的脂质“板块”（有序结构区），板块之间被无序的流动的脂质区所分割，这两种区域处于一种连续的动态平衡之中。

总结

生物膜的结构虽然有很多种，但被广泛接受的结构模型基本内容是趋向一致的。其要点和特点基本相同，主要包括膜的分子组成和结构特征。

主要内容

模型概述

1972年，桑格（S. J. Singer）和尼克森（G. Nicolson）总结了当时有关膜结构模型及各种研究新技术的成就，提出了生物膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model)。

流动镶嵌模型（fluid mosaic model），特指膜的流动镶嵌模型。这一模型是针对细胞膜提出的一种膜的结构模型，描述膜为结构和功能上不对称的脂双层所组成，蛋白质以镶嵌样模式分布在膜的表面与内部，并能在膜内运动。此模型也可适用于亚细胞结构的膜。

基本理论

生物膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model)认为：

一、磷脂双分子层构成了生物膜的基本支架，这个支架不是静止的。其中磷脂分子的亲水性头部朝向两侧，疏水亲脂性的尾部相对朝向内侧。

二、球形膜蛋白分子以各种镶嵌形式与磷脂双分子层相结合，有的镶在磷脂双分子层表面，有的全部或部分嵌入磷脂双分子层中，有的贯穿于整个磷脂双分子层。这里体现了膜结构内外的不对称性。另外，大多数膜蛋白分子是功能蛋白。

三、大多数蛋白质分子和磷脂分子都能够以进行横向扩散的形式运动，体现了膜具有一定的流动性。

四、在细胞膜的外表，有一层由细胞膜上的蛋白质与糖类结合形成的糖蛋白，叫做糖被。它在细胞生命活动中具有重要的功能。例如：消化道和呼吸道上皮细胞表面的糖蛋白有保护和润滑作用；糖被与细胞表面的识别有密切的关系，好比是细胞与细胞之间，或者细胞与其他大分子之间，互相联络用的文字或语言。除糖蛋白外，细胞膜表面还有糖类和脂质分子结合成的糖脂。

主要特点

流动镶嵌模型有两个主要特点。第一个特点是，蛋白质不是伸展的片层，而是以折叠的球形镶嵌在磷脂双分子层中，蛋白质与膜脂的结合程度取决于膜蛋白中氨基酸的性质。第二个特点是，膜具有一定的流动性，不再是封闭的片状结构，以适应细胞各种功能的需要。

综合评价

这一模型强调了膜结构的流动性和不对称性，对细胞膜的结构和功能作出了较为科学的解释，被广泛接受，也得到许多实验的支持。

流动镶嵌模型在某些方面还不够完善，如忽略了无机离子和水所起的作用，忽视了蛋白质分子对膜脂分子流动性的控制作用，忽视了膜的各个部分流动性的不均匀性等等。

结构特性

镶嵌性

磷脂双分子层和蛋白质的镶嵌面；或按二维排成相互交替的镶嵌面。

流动性

流动性概述

膜的流动性是细胞膜结构的基本特征之一，同时也是细胞膜表现其正常功能的必要条件。膜的流动性是指膜结构分子的运动性，它包括膜脂的运动和膜蛋白的运动。多年来，人们借助于不断创新的实验技术，对于膜结构特性的研究进一步加深，并不断取得进展。

膜脂的流动性在正常生理状况下，膜脂分子处于运动状态。膜脂的运动方式主要有侧向扩散、旋转运动、旋转异构运动、左右摆动以及翻转运动等。膜脂的流动性受着一些因素的影响，主要影响因素有：

①温度：在一定温度下，脂分子从液晶态(能流动具有一定形状和体积的物态)转变为凝胶状(不流动)的晶态。这一能引起物相变化的温度称为相变温度。当环境温度在相变温度以上时，膜脂分子处于流动的液晶态；而在相变温度以下时，则处于不流动的晶态。膜脂相变温度越低，膜脂流动性就越大；反之，相变温度越高，膜脂的流动性也就越小。

②膜脂的脂肪酸链：饱和程度高的脂肪酸链因紧密有序地排列，因而流动性小；而不饱和脂肪酸链由于不饱和键的存在，使分子间排列疏松而无序，相变温度降低，从而增强了膜的流动性。脂肪酸链的长度对膜脂的流动性也有影响：随着脂肪酸链的增长，链尾相互作用的机会增多，易于凝集(相变温度增高)，流动性下降。

③胆固醇：胆固醇对膜脂流动性的调节作用随温度的不同而改变。在相变温度以上，它能使磷脂的脂肪酸链的运动性减弱，从而降低膜脂的流动性。而在相变温度以下时，胆固醇可通过阻止磷脂脂肪酸链的相互作用，缓解低温所引起的膜脂流动性剧烈下降。

除以上因素外，膜脂与膜蛋白的结合程度、环境中的离子强度、pH 值等都会影响膜脂的流动性。

膜脂的流动是造成细胞膜流动的主要因素，概括起来，膜脂的运动方式主要有六种。

① 侧向扩散（lateral diffusion）；

② 旋转运动（rotation）；

③ 伸缩运动（flex）；

④ 翻转扩散（transverse diffusion），又称为翻转（flip-flop）；

⑤ 左右摆动；

⑥ 旋转异构运动。

膜蛋白的流动性

细胞膜中的蛋白质也能以侧向扩散等方式运动。人们通过实验已充分证实了膜蛋白的流动性。David Frye和 Michael Edidin利用荧光抗体免疫标记来测定细胞表面抗原的分布。首先用绿色荧光标记的抗体处理培养的小鼠细胞，用红色荧光标记的另一种抗体处理人细胞。由于抗体与细胞膜上抗原的特异性结合，使得处理后的小鼠细胞和人细胞分别发出绿色、红色荧光。在灭活的仙台病毒介导作用下，小鼠细胞与人细胞融合，所形成的杂交细胞一半呈绿色一半呈红色。在 37℃温育40 分钟后，双色荧光均匀分布于杂交细胞表面。荧光点的均匀分布，主要是由于结合有荧光抗体的抗原在膜平面经侧向扩散而重新分布。

膜蛋白的运动也受很多因素影响。膜中蛋白质与脂类的相互作用、内在蛋白与外在蛋白相互作用、膜蛋白复合体的形成、膜蛋白与细胞骨架的作用等都影响和限制蛋白质的流动。

膜蛋白主要有以下几种运动形式：

① 随机移动有些蛋白质能够在整个膜上随机移动。移动的速率比用人工脂双层测得的要低。

② 定向移动有些蛋白比较特别，在膜中作定向移动。例如，有些膜蛋白在膜上可以从细胞的头部移向尾部。

③ 局部扩散有些蛋白虽然能够在膜上自由扩散，但只能在局部范围内扩散。

不对称性

概述

细胞质膜的不对称性（membrane asymmetry）是指细胞质膜脂双层中各种成分不是均匀分布的，包括种类和数量的不均匀。（以脂双层分子的疏水端为界，生物膜可分为近胞质面和非胞质面内外两层。生物膜内外二层的结构和功能有很大差异，这种差异称为生物膜的不对称性。）

膜的主要成分是蛋白、脂和糖，膜的不对称性主要是指这些成分分布的不对称以及这些分子在方向上的不对称。

膜脂的不对称性

膜脂的不对称性表现在脂双层中分布的各类脂的比例不同，各种细胞的膜脂不对称性差异很大。

膜蛋白的不对称