制作奇幻細胞膜

姜聯(lián)合 編譯

（中國科學院植物研究所 北京 100093）

細胞是生命的基本單元，細胞膜在生命活動中起著不可估量的作用，一個親水的頭和一個疏水的尾構(gòu)成了細胞膜的基本結(jié)構(gòu)，細胞膜是如何完成生命活動過程的？其原理是什么？生活中能模擬細胞膜的功效嗎？親手試一試，用油和雞蛋體驗一下細胞膜的特性和生命活動過程。

1 背景知識

構(gòu)成細胞對外界屏障的細胞質(zhì)膜具有很強的可塑性,質(zhì)膜將細胞內(nèi)的液體與外界的隔離開,而且質(zhì)膜所具有的獨特結(jié)構(gòu)使得它在細胞的各項生命活動中起了重要的作用。

質(zhì)膜的厚度僅7～10 nm，是脂雙層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中包含了許多蛋白質(zhì)和脂類（約60%蛋白質(zhì)和40%脂類）。 細胞內(nèi)的蛋白主要是基質(zhì)蛋白，這些蛋白不可溶且具有靈活的結(jié)構(gòu)。在脂類中約65%是磷脂，25%是膽固醇，剩下的10%是其他脂類。

細胞膜的這些特征使其具有如下功能：1）起屏障作用，隔離細胞復雜的內(nèi)環(huán)境與外界環(huán)境。2）有選擇性地透過物質(zhì)進出細胞。 3）可塑性強，可以延伸彎曲，以適應細胞變化不同的形狀。

磷脂和膽固醇依據(jù)磷脂的雙親結(jié)構(gòu)構(gòu)成了細胞膜。 磷脂具有一個極性的頭部和一個非極性的尾部。 極性的頭部帶有電荷并且被水吸引（親水性），細胞內(nèi)和外環(huán)境中都具有水，因此這些極性的頭部存在于細胞膜與胞內(nèi)水和胞外水接觸的界面上。 非極性的尾部像油一樣被水排斥（疏水性），因此夾在細胞膜中間不與水接觸（圖1）。 磷脂在水中這種自發(fā)排列的特性使得細胞膜自發(fā)形成了一種封閉的球狀結(jié)構(gòu)，并且在破裂的時候也能迅速重新組裝恢復成雙層膜包圍的球狀結(jié)構(gòu)。

面臨水的極性頭部之間像磁鐵一樣互相吸引，使得非極性的尾部被擠到另一側(cè)。這也是油和水無法相容的原因。在油比較輕的情況下，當雙親分子單層排列在水面上時，親水的頭部朝下而疏水的尾部朝上。如果尾部更重，則雙親分子則沉在水底，并且親水的頭部朝上而疏水的尾部朝下。

2 實驗目的

1）證明生物體內(nèi)的組織是由相互連接的細胞群體所構(gòu)成的；

2）探明細胞膜和磷脂層的特性；

3）介紹物質(zhì)親水和疏水的特性。

3 實驗材料

125mL 的燒瓶或其他合適的帶蓋罐子，25 mL食用油，裝雞蛋的盤子，滴管（點眼藥水器），水，鐵屑。

4 實驗操作

油代表質(zhì)膜中的脂類，蛋黃代表蛋白質(zhì)和膽固醇，共同構(gòu)成了極性頭部朝向水、非極性尾部朝向油的細胞膜。 水代表了細胞內(nèi)、外的液體。

5 實驗步驟

1）在125 mL 的燒瓶中加入100 mL 水，并加入25 mL 油。

2）蓋上蓋子并搖晃，讓油和水混勻形成懸濁液。

3）靜置油水混合液，待其分層。 此時將雞蛋打到盤子里，你會發(fā)現(xiàn)雞蛋黃本身就是一個巨大的細胞，蛋黃具有各種脂肪和油脂類的物質(zhì)及磷脂分子（可以用于制作肥皂）等形成了強韌的細胞膜。

4）用滴管吸取1 滴蛋黃加入之前的油水混合溶液。注意只加1 滴，如果加多則會形成更小的油滴，形成像牛奶一樣的膠體溶液。

5）蛋黃的液滴滴下后會穿過油層并浮在水面上，最后被夾在水油界面中間。繼續(xù)像上次那樣晃動瓶子將液體混勻。

6）靜置溶液，此時會發(fā)現(xiàn)溶液看起來像一大片組織塊，雖然此時是裸眼觀察，但所看到的就像在顯微鏡下觀察的細胞一樣。 在較薄的外圍只含有油并且周圍被磷脂單分子層包圍。 向更厚的地方觀察，會觀察到由一些更小的磷脂雙分子層形成的囊泡，這些囊泡中包裹著水，更接近真實細胞的狀態(tài)，并隨著瓶中水的對流微微地移動。

7）在溶液中撒入一些鐵屑。

8）當鐵屑穿過油膜和水的界面的時候（如果鐵屑停在界面上時，可以輕輕搖動一下瓶子），鐵屑先被裹上了一層像細胞膜一樣的油膜，接著鐵屑沉到水底。

6 思考題

1）為什么用油和蛋黃模擬細胞膜？

2）你覺得水是如何被鎖在“細胞”內(nèi)的？

3）你覺得如何破壞細胞膜？