制作奇幻细胞膜

姜联合  编译

细胞是生命的基本单元，细胞膜在生命活动中起着不可估量的作用 ，一个亲水的头和一个疏水的尾构成了细胞膜的基本结构，细胞膜是如何完成生命活动过程的呢？其原理是什么？生活中能模拟细胞膜的功效吗？亲手试一试，不妨用油和鸡蛋体验一下细胞膜的特性和生命活动过程吧。

1 背景知识

构成细胞对外界屏障的细胞质膜具有很强的可塑性,质膜将细胞内的液体与外界的隔离开,而且质膜所具有的独特结构使得它在细胞的各项生命活动中起了重要的作用。

质膜的厚度仅7-10 nm，是脂双层结构，该结构中包含了许多蛋白质和脂类（大约60%蛋白质和40%脂类）。细胞内的蛋白主要是基质蛋白，这些蛋白不可溶且具有灵活的结构。在脂类中大约65%是磷脂，25%是胆固醇，剩下的10%是其他脂类。

细胞膜的这些特征使得它具有如下功能：1)起屏障作用，隔离细胞复杂的内环境与外界环境。2)有选择性的透过物质进出细胞。3)可塑性强，可以延伸弯曲，以适应细胞变化不同的形状。

磷脂和胆固醇依据磷脂的双亲结构构成了细胞膜。磷脂具有一个极性的头部和一个非极性的尾部。极性的头部带有电荷并且被水吸引（亲水性），细胞内和外环境中都具有水，因此这些极性的头部存在于细胞膜与胞内水和胞外水接触的界面上。非极性的尾部像油一样被水排斥（疏水性），因此夹在细胞膜中间不与水接触（图１）。磷脂在水中这种自发排列的特性使得细胞膜自发形成了一种封闭的球状结构，并且在破裂的时候也能迅速重新组装恢复成双层膜包围的球状结构。

对着水的极性头部之间像磁铁一样互相吸引，使得非极性的尾部被挤到另一侧。这也是油和水无法相容的原因。在油比较轻的情况下，当双亲分子单层排列在水面上时，亲水的头部朝下而疏水的尾部朝上。如果尾部更重，则两亲分子则沉在水底，并且亲水的头部朝上而疏水的尾部朝下。

图１. 细胞膜的结构

2  实验目的

1）证明生物体内的组织是由相互连接的的细胞群体所构成的；

2）探明细胞膜和磷脂层的特性；

3）介绍物质亲水和疏水的特性。

3        实验材料

125 ml的烧瓶或者是其他合适的带盖子的罐子；25 ml食用油。3）装鸡蛋的盘子；滴管（点眼药水器）；水；铁屑。

4  实验操作

油代表质膜中的脂类，蛋黄代表蛋白质和胆固醇,共同构成了极性头部朝向水、非极性尾部朝向油的细胞膜。水代表了细胞内外的液体。

5  实验步骤

1)  在125 ml的烧瓶中加入100 ml水，接着加入25 ml油;

2)  盖上盖子摇晃一会儿，让油和水混匀形成悬浊液;

3)  静置油水混合液，待其分层。此时将鸡蛋打到盘子里，你会发现鸡蛋黄本身就是一个巨大的细胞，蛋黄具有各种脂肪和油脂类的物质以及磷脂分子（可以用来做肥皂）等形成了强韧的细胞膜;

4) 用滴管吸取一滴蛋黄加入之前的油水混合溶液。注意只加一滴！加多的话会形成更小的油滴，形成像牛奶一样的胶体溶液;

5) 蛋黄的液滴滴下后会穿过油层并浮在水面上，最后被夹在水油界面中间。继续向上次那样晃动瓶子将液体混匀;

6) 静置溶液，此时你会发现溶液看起来像一大片组织块，虽然此时你是裸眼观察，但所看到的就像在显微镜下看到的细胞一样。在较薄的外围只含有油并且周围被磷脂单分子层包围。往更厚的地方看，你会看到由一些更小的磷脂双分子层形成的囊泡，这些囊泡中包裹着水，更接近真实细胞的状态，并随着瓶中水的对流微微的移动;

7) 在溶液中撒入一些铁屑;

8) 当铁屑穿过油膜和水的界面的时候（如果铁屑停在界面上时，可以轻轻摇动一下瓶子），它们先被裹上了一层像细胞膜一样的油膜，接着它们沉到水底。

6 思考题

1）为什么我们用油和蛋黄来模拟细胞膜？

2）你觉得水是如何被锁在“细胞”内的？

3）你觉得如何破坏细胞膜？

主要参考文献

[1] Anon. 2008. 质膜的模型（Models of the plasma membrane）. http://www.hillstrath.on.ca/moffatt/bio3a/cellbio/phase1.htm. (accessed 18/04/08).

[2]  Gaulin.G. 2008. 真实细胞膜实验中的自组装（Self-Assembly Of Real Cell Membranes Experiment）

http://www.lessonplanspage.com/ScienceSelfAssemblyOfRealCellMembranesOriginOfLifeExperiment68.htm(accessed 1/04/08)

[3]  Marieb, E.N. 2004. 人类解剖学和生理学（Human Anatomy & Physiology）. Pearson Benjamin Cummings:San   Francisco.