細胞膜的分子結構的相關學說
在分離質膜以前，有關膜的分子結構理論，一般是根據間接材料提出的。由于脂溶性物質容易透過質膜，1895年， E.Overton 推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質組成，并于1902年先提出質膜是由一層薄的類脂所組成。
1917年，Langmuri發(fā)現脂肪酸在水和空氣交接的面上時，疏水端在空氣中，親水端卻在水中，形成單層分子膜。1925年Gorter和Grendel從紅細胞膜抽取出磷脂，用表面天平測出被抽提取來的磷脂鋪成單位膜時，其所占面積與所用細胞膜總面積之比大約是2：1。因此他們認為，紅細胞膜是由雙層磷脂形成的，這樣就初次提出了雙分子類脂層是細胞膜的基本結構的概念。
1931年，Harvey和Cole在研究細胞表面張力時發(fā)現，其張力僅約0．2×10-5dyn/cm，比簡單的油水界面的張力(35×10-510dyn/cm)要低得多，從而提出使細胞表面張力降低的物質，是類似于球蛋白的物質。隨后Danielli和Davson推測膜中含有蛋白質，提出“蛋白質-脂類-蛋白質”三明治模型。
隨后，根據這些實驗以及細胞膜的化學成分及其特點，經過近半個世紀對細胞膜的研究和各種結構模型的探索，迄今為止，已提出了幾十種不同的膜分子結構模型?，F僅介紹如下幾種主要的膜結構模型。
一、片層結構模型
片層結構模型(lamella structyre model）是Danielli和Davson于1935年提出的。他們在研究中，觀察到細胞表面張力明顯低于油-水界面的表面張力，而認為細胞膜不僅由脂類分子組成，而且在雙層脂類分子內、外表面覆蓋有蛋白質分子，形成蛋白質-磷脂-蛋白質的三板式結構。
但由于不能解釋一些小分子的親水性物質可以透過細胞膜，因而后來又改為由蛋白質從外向內組成相連續(xù)的小孔水道，稱為膜孔，并推測膜孔直徑約為0．4～0．8nm，可讓水等小分子物質通過。
二、單位膜模型
單位膜模型(unit membrane model)是由Robertson于1959年應用電子顯微鏡和X-線衍射觀察后提出的。他認為質膜和細胞內膜系統(tǒng)的分子結構基本—致，都是由單位膜構成，但與Danielli和Davson的模型是不完全相同的。Danielli認為膜的內外面都是由球形蛋白質并列組成，而且完全相同，是對稱的；而Robertson則認為各種細胞的生物膜都有類似的暗-明-暗3層結構，其厚度也基本一致，依次為2nm，3．5nm，2mn，即蛋白質-脂類-蛋白質(圖4-13)。致密的內外2層相當于脂質分子的極性頭部和蛋白質的單分子層，低密度亮層是脂質分子的非極性尾部。并認為蛋白質層是單層肽鏈以β折疊形式的蛋白質，通過靜電作用與磷脂極性端相結合，并確認膜的外層存有多糖成分。
該模型雖具有一定的理論意義，對膜的某些屬性作出了一定解釋，在超微結構中被普遍采用，但是，該模型把膜作為一種靜態(tài)的單一結構，無法解釋各種膜厚度的不同，無法說明膜的動態(tài)結構變化及其在功能上的差異。
三、液態(tài)鑲嵌模型
液態(tài)鑲嵌模型(floid mosaic model)是由Singer和Nicolson于1972年根據生物大分子在水相中的熱力學原理和膜蛋白的“雙型”特點提出的。
目前被人們普遍接受的是液態(tài)鑲嵌模型，這一模型是Singer和Nieolaon總結了當時有關膜結構的模型提出的，保留了單位膜模型中的脂質雙分子層的正確概念。
液態(tài)鑲嵌模型的基本論點是：細胞膜是由流動的脂質雙分子層中鑲嵌的球形蛋白，按二維排列組成的，流動的脂質分子層中的每一個脂質分子一端為親水端，另—端為疏水端，所有的脂質分子的親水端都向著膜的表面，疏水端則朝向膜的中央。流動的脂質分子構成了細胞膜的連續(xù)主體，蛋白質分子就像一群島嶼無規(guī)則地分散在脂質分子的海洋中。
Singer和Nicolsou依據蛋白質在脂質雙分子層中分布的位置，將其分為外周蛋白和內在蛋白(鑲嵌蛋白)，其極性部分呈離子鍵結合。膜中的蛋白質分子以各種形式鑲嵌在脂質雙分子層中，每個鑲嵌蛋白質分子均為雙性結構，非極性端埋在脂質雙分子層中間，極性端朝向膜表面。通過很強的疏水和親水作用和膜脂結合在一起，構成細胞膜的連續(xù)結構。如果疏水的和親水的相互作用達到至大，在至小的自由能(free energy)情況下就能維持膜的結構。活的膜總是處于流動變化之小，脂質分子和蛋白質分子均可在膜的平面進行側向運動。大部分膜是不對稱的。在膜的內部及其內外表面具有不同功能的蛋白質，如紅細胞膜只在膜外面有糖脂、糖蛋白，因而形成不對稱性。
液態(tài)鑲嵌模型學說的主要特點是：
①強調膜的流動性，認為膜的結構不是靜止的，而是動態(tài)的；
②脂質雙層分子中鑲嵌著可移動的膜蛋白，表現出膜蛋白分布的不對稱性。
20世紀70年代以來，液態(tài)鑲嵌模型得到了許多實驗的支持，它以動態(tài)的觀點分析膜中各種化學組分的相互關系，比較合理地解釋了膜中所發(fā)生的生理現象，為人們普遍接受；但是，液態(tài)鑲嵌模型也有不足之處，如忽視了蛋白質分子對脂質分子的控制作用及膜各部分流動性的不均性等。因此，有的學者提出了新的模型，對其加以補充和完善，如晶格鑲嵌模型(1975年)、板塊鑲嵌模型(1977年）等。
四、晶格鑲嵌模型
晶格鑲嵌模型是Wallach于1975年提出的，實際上是液態(tài)鑲嵌模型的補充。他指出，細胞膜之所以具有“流動性”，是基于脂質可逆地進行無序(液態(tài))和有序(固態(tài))的相變過程，膜蛋白對脂質分子的活動具有控制作用。在大多數動物細胞膜系統(tǒng)中，這種“流動性”脂質呈小片點狀分布，面積小于10nm2，因此脂質的流動性是局部的，并非整個脂質雙層都在進行流動。在生理條件下，膜脂雙分子層中相當一部分呈液態(tài)，另—部分表現為固態(tài)，即液晶態(tài)。膜脂的相變受溫度，脂質自身的性質，如飽和性、膜中蛋白質成分、pH和二價陽離子濃度等因素的影響。這就比較合理地說明，細胞膜既具有流動性，又具有相對的完整性及穩(wěn)定性的原因。
液晶態(tài)，即脂質雙分子層的液晶態(tài)性質，是指細胞膜上的脂質分子在—定溫度范圍內呈現有規(guī)律排列的液態(tài)，稱為液晶態(tài)(mesonmor phism)或簡稱液晶(liguiderystal)。在物質三態(tài)——固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)的轉變過程中，其相變溫度(溶點)范圍很窄，一般在1℃～2℃之間就發(fā)生相變，如乙醇沸點為78．5℃，氯仿為61℃～62℃。而膜結構的液晶態(tài)是指其相變溫度范圍較大，在此范圍內，物質(膜)既能保持同志時分子有秩序地排列的特點，又具有液態(tài)的流動性，使細胞膜恒久地處于液晶態(tài)，以保證細胞的各項功能的正常進行。液晶態(tài)還對多種物理參量，如熱、聲、光、電、磁等部表現出良好導性，這些性質是構成人體傳感器的基礎。
五、板塊鑲嵌模型
板塊鑲嵌模型是Jain和White于1977年提出的。該模型進一步發(fā)展了Wallach的晶格鑲嵌模型，與液態(tài)鑲嵌模型并沒有本質上的區(qū)別，只是對膜流動性的分子基礎方面進行了一些補充。它主要強調流動性的膜脂分子層中，分布呈現許多大小不同、硬性較強、彼此獨立移動、結構有序的脂質分子區(qū)(板塊)，這些板塊之間為無序流動的脂質分子區(qū)(板塊)。分布于膜內兩半層的板塊彼此相對獨立，呈不對稱性，但也可能某些板塊延伸到全部脂質雙分子層。板塊內的各種組分之間的疏水力相可作用，蛋白質和脂質兩者也能形成另一種不同性質的長距離的有序組織。因此，在膜的平面上實際是同時存在不同組織結構和不同性質的許多板塊，它們的變化主要是由板塊內組分構象和相互作用的特異性所決定。而膜功能的多樣性也可能與板塊的性質和變化有關。這樣就可以解釋為什么細胞內會出現“區(qū)域化”的問題。
以上介紹的幾種模型是逐步發(fā)展，相互補充而形成的。由于膜結構的復雜性和功能的多樣性，以上的模式難以成為生物膜分子結構的通用模式。隨著新技術的應用，一定會有能更合理、更全面地反映膜真實結構的模型出現。
細胞膜的分子結構的新學說——脂筏模型 (lipidrafts model)
1997年K.Simons提出“Functional rafts in Cell membranes.”（Nature387:569-572）。脂筏（lipid raft）是質膜上富含鞘糖脂、GPI蛋白和膽固醇的微功能域或微結構域（microdomain）。這些微域大小約70nm左右，是一種動態(tài)結構，是鞘磷脂與膽固醇的動態(tài)集合，位于質膜的外小葉。由于鞘磷脂具有較長的飽和脂肪酸鏈，分子間的作用力較強，所以這些區(qū)域結構致密，介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體（Liquid-ordered）。在低溫下這些區(qū)域能抵抗非離子去垢劑的抽提，所以又稱為抗去垢劑膜（detergent-resistant membranes，DRMs）。
脂筏是脂質雙分子層中富含膽固醇和鞘磷脂的微區(qū)，其中聚集一些特定的蛋白質區(qū)。這些區(qū)域比膜的其他部分厚，更有秩序且較少流動性。其周圍是流動性較高的液態(tài)區(qū)。脂筏就像一個蛋白質停泊的平臺，參與膜的信號轉導、蛋白質分選、受體介導的內吞作用以及膽固醇代謝運輸等。脂笩功能的紊亂涉及多種疾病的發(fā)生。如：過敏反應、朊病毒病。脂筏模型深化了對膜結構和功能的認識。
學說的演化與科學發(fā)展的歷程
生物膜學說的演化過程是紛繁萬象的科學發(fā)展歷程的一個縮影，從中我們可以管窺科學發(fā)展的一些規(guī)律：
1、科學的發(fā)展就是深入把握對象的本質特征：
生命現象紛繁復雜，影響的因素眾多，尤其是多種因素的在不同狀態(tài)下共同作用的結果，更是撲朔迷離。建立科學研究模型和學說的核心內容，就是通過比較與分析，通過概括、類比、抽象化等手段，如抽絲剝繭般從現象中抓住本質的特征，建立規(guī)律性的認識，為大眾的健康指導做出貢獻。
2、科學的發(fā)展就是從抽象到具體，逐步豐富對象的本質特征和規(guī)律性認識：
從片層結構模型、單位膜模型到液態(tài)鑲嵌模型、晶格鑲嵌模型，再到脂筏模型，由簡單的磷脂膜出發(fā)，加入了蛋白質的鑲嵌，再根據蛋白質及細胞膜的功能表現，衍生出脂筏模型，科學的發(fā)展就是從抽象到具體，逐步豐富對象的本質特征和規(guī)律性認識，有層次地建立起科學認識的架構。
3、科學的發(fā)展就是證實與證偽，不斷修正，不斷前進的過程：
科學認識的過程就是對規(guī)律性認識的不斷的證實與證偽進程：既可在證實的過程中得到豐富和發(fā)展，也可在證偽的過程中得以不斷修正。循環(huán)往復，從而不斷前進。在生物膜研究中的每一次的證實或者證偽，都是人們在科學認識上的進步。