文本：細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)史

Q細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)史一、細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)17世紀(jì)中葉以后的2個(gè)世紀(jì)中，細(xì)胞學(xué)說(shuō)的發(fā)展史已經(jīng)大體完成。但是唯獨(dú)對(duì)細(xì)胞膜的認(rèn)識(shí)還要推遲兩個(gè)世紀(jì)。1855年，耐格里發(fā)現(xiàn)色素透入已損傷和未損傷的植物細(xì)胞的情況并不相同。他便通過(guò)細(xì)胞的滲透特性去研究它的“邊界”(他首次把細(xì)胞“邊界”稱為“質(zhì)膜”)。耐格里和克拉默(Cramer)一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞具有敏感的滲透特性，它的體積可以隨著周圍介質(zhì)的不同滲透強(qiáng)度而改變。當(dāng)細(xì)胞外面的溶質(zhì)滲透強(qiáng)度大時(shí)，細(xì)胞就變??；溶質(zhì)滲透強(qiáng)度小時(shí)，細(xì)胞就變大。耐格里提出，細(xì)胞與環(huán)境之間正是通過(guò)這種“邊界”發(fā)生關(guān)系的。耐格里在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)這樣的情況：把麗藻屬(Nitella)長(zhǎng)導(dǎo)管細(xì)胞的一端放入水溶液內(nèi)，另一端放進(jìn)糖溶液，細(xì)胞內(nèi)含物發(fā)生了傳動(dòng)障礙。在水中一端的細(xì)胞汁液流向糖溶液中的一端，并帶著所有可移動(dòng)的粒子。可是，原先已知的事實(shí)表明，蒸騰作用和滲透壓加在一起也不足以將液體壓到植物的上部，這兩種力無(wú)法解釋植物汁液流動(dòng)的方向。因而耐格里認(rèn)為，不得不假設(shè)有一股其他的力量，它們?cè)诳v壁，更可能在橫壁上。這種力量加大了細(xì)胞溶液從下往上的流向。此外，德國(guó)植物生理學(xué)家普費(fèi)弗(W．Pfeffer)對(duì)植物細(xì)胞的滲透行為進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，并于1897年提出了兩個(gè)重要的結(jié)論：第一，細(xì)胞是被質(zhì)膜包被著的；第二，這層質(zhì)膜是水和溶質(zhì)通過(guò)的普遍障礙。同時(shí)，很快又發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞膜這個(gè)屏障具有明顯的選擇性，一些物質(zhì)可通過(guò)它，而另一些物質(zhì)幾乎完全不能通過(guò)。

1899年，英國(guó)細(xì)胞生理學(xué)家?jiàn)W弗頓(C．Overton)發(fā)表一系列關(guān)于化合物進(jìn)入細(xì)胞的觀察結(jié)果，他發(fā)現(xiàn)分子的極性越大，進(jìn)入細(xì)胞的速度越小，當(dāng)增加非極性基團(tuán)(如烷基鏈)時(shí)，化合物進(jìn)入的速度便增加。奧弗頓的結(jié)論是，控制物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的速度的細(xì)胞膜是脂肪性物質(zhì)，其中含有固醇和其他脂類。因此，當(dāng)時(shí)確立了有一層脂質(zhì)的膜圍繞著細(xì)胞的認(rèn)識(shí)。到1925年，戈特(E．Gorter)和格倫德?tīng)?F．Grendel)又提出脂質(zhì)膜具有雙分子層的概念。

其實(shí)，學(xué)者們對(duì)膜的狀況的認(rèn)識(shí)都還是假設(shè)，他們都未能觀察到細(xì)胞膜。雖然這個(gè)時(shí)期組織標(biāo)本的固定和染色方法有了進(jìn)展，甚至出現(xiàn)相差顯微鏡和干涉顯微鏡，但仍分辨不出細(xì)胞膜來(lái)。即使最好的光學(xué)顯微鏡也無(wú)法達(dá)到這個(gè)目的。1930—1950年，隨著電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)研究細(xì)胞時(shí)，才發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的邊界膜是一個(gè)固體結(jié)構(gòu)的實(shí)體，從而證實(shí)了細(xì)胞膜的存在。電鏡觀察表明，細(xì)胞遠(yuǎn)不是一個(gè)具有核和一些漂浮在原生質(zhì)膠凍中的線粒體口袋，而是一個(gè)有膜包被著的許多膜的聚集體。50年代初期，帕拉德(G．E．Palade)和波特(K．R．Porter)稱這種廣泛的細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。早期的電鏡工作所者觀察到的細(xì)胞內(nèi)的各種膜與“有軌電車軌道”和“鐵路軌道”的圖式大體相似。

二、細(xì)胞膜模型的建構(gòu)

.Overton1895用500多種化學(xué)物質(zhì)對(duì)植物細(xì)胞的通透性進(jìn)行過(guò)上萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜對(duì)不同物質(zhì)的通透性不一樣：發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質(zhì)很容易透過(guò)植物的細(xì)胞膜，而不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過(guò)細(xì)胞膜，根據(jù)化學(xué)上的相似相溶定理，也就是說(shuō)性質(zhì)相似的兩種物質(zhì)能互相融解，我們能得出細(xì)胞膜的一個(gè)主要的成分是什么？

推測(cè)細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。

2.1917年，朗姆瓦（Langmuir）將磷脂溶于苯和水中，當(dāng)苯揮發(fā)完以后，經(jīng)過(guò)推擠，磷脂分子排列成了單層鋪在了水面上而且其磷酸基團(tuán)的極性頭部都浸入水中。朗姆瓦水盤如下圖：2.E.Gorter&F.Grendel1925用有機(jī)溶劑提取了人類紅細(xì)胞質(zhì)膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測(cè)出膜脂展開(kāi)的面積二倍于細(xì)胞表面積，因而推測(cè)細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。

3.J.Danielli&H.Davson1935發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油－水界面的張力低得多，推測(cè)膜中含有蛋白質(zhì)，從而提出了”蛋白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)”的三明治模型。認(rèn)為質(zhì)膜由雙層脂類分子及其內(nèi)外表面附著的蛋白質(zhì)構(gòu)成的。1959年在上述基礎(chǔ)上提出了修正模型，認(rèn)為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質(zhì)通道，供親水物質(zhì)通過(guò)。

4.J.D.Robertson1959用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，厚約。這就是所謂的“單位膜”模型。它由厚約的雙層脂分子和內(nèi)外表面各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成。單位膜模型的不足之處在于把膜的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)描寫成靜止的不變的。

5.S.J.Singer&G.Nicolson1972根據(jù)免疫熒光技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)的研究結(jié)果，在”單位膜”模型的基礎(chǔ)上提出”流動(dòng)鑲嵌模型”。強(qiáng)調(diào)膜的流動(dòng)性和膜蛋白分布的不對(duì)稱性。

三、細(xì)胞膜成分的確定與技術(shù)的發(fā)展由于在光鏡下看不見(jiàn)細(xì)胞膜，所以對(duì)細(xì)胞膜的研究首先是從其生理功能進(jìn)行研究的。

1899年Overton用500多種化學(xué)物質(zhì)對(duì)植物細(xì)胞的通透性進(jìn)行過(guò)上萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)論：活的原生質(zhì)體的特殊透性是由于選擇的可溶性機(jī)制。疏水化合物進(jìn)入細(xì)胞比親水化合物的快，Overton認(rèn)為在細(xì)胞表面有類脂層，并推測(cè)其中含有膽固醇、卵磷脂和脂肪油，Overton的推測(cè)杜脂類膜的概念是由貢獻(xiàn)的。由于細(xì)胞膜太薄，在光鏡下不能直接看到，在此后不少學(xué)者進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究，提出的種種假設(shè)，一般都是間接證據(jù)。1930年前后，隨著顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，Plowe應(yīng)用微針觸及植物原生質(zhì)體，提出細(xì)胞膜有彈性，可伸展，不同于細(xì)胞質(zhì)的部分。用微針穿過(guò)細(xì)胞膜，引起局部可恢復(fù)的損傷。大量廣泛的損傷導(dǎo)致細(xì)胞死亡。Plowe的工作不僅證明了細(xì)胞膜的存在，也證明了細(xì)胞膜具有保護(hù)作用。

隨著電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，特別是20世紀(jì)50年代，大量的電鏡工作揭示出驚人的細(xì)胞亞顯微世界。不僅證明細(xì)胞膜的存在，且發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)具有復(fù)雜的內(nèi)膜系統(tǒng)。

隨著生化技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代，已經(jīng)成功分離出具有弄結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器，同時(shí)生化技術(shù)和電鏡技術(shù)相結(jié)合，對(duì)分離的純凈細(xì)胞器膜進(jìn)行化學(xué)組分分