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成了細胞膜的基本結構，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)膜所具有的獨特結構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，是脂雙層結構，該結構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構。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)磷脂的雙親結構構成了細胞膜。 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構，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構。

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。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？