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制作奇幻細胞膜

姜聯合  編譯

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呢？其原理是什么？生活中能模擬細胞膜的功效嗎？親手試一試，不妨用油和雞蛋體驗一下細胞膜的特性和生命活動過程吧。

1 背景知識

構成細胞對外界屏障的細胞質膜具有很強的可塑性,質膜將細胞內的液體與外界的隔離開,而且質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和脂類（大約60%蛋白質和40%脂類）。細胞內的蛋白主要是基質蛋白，這些蛋白不可溶且具有靈活的結構。在脂類中大約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得它具有如下功能：1)起屏障作用，隔離細胞復雜的內環境與外界環境。2)有選擇性的透過物質進出細胞。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），細胞內和外環境中都具有水，因此這些極性的頭部存在于細胞膜與胞內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排列的特性使得細胞膜自發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。

對著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，則兩親分子則沉在水底，并且親水的頭部朝上而疏水的尾部朝下。

圖１. 細胞膜的結構

2  實驗目的

1）證明生物體內的組織是由相互連接的的細胞群體所構成的；

2）探明細胞膜和磷脂層的特性；

3）介紹物質親水和疏水的特性。

3        實驗材料

125 ml的燒瓶或者是其他合適的帶蓋子的罐子；25 ml食用油。3）裝雞蛋的盤子；滴管（點眼藥水器）；水；鐵屑。

4  實驗操作

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

5  實驗步驟

1)  在125 ml的燒瓶中加入100 ml水，接著加入25 ml油;

2)  蓋上蓋子搖晃一會兒，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，你會發現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以及磷脂分子（可以用來做肥皂）等形成了強韌的細胞膜;

4) 用滴管吸取一滴蛋黃加入之前的油水混合溶液。注意只加一滴！加多的話會形成更小的油滴，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。繼續向上次那樣晃動瓶子將液體混勻;

6) 靜置溶液，此時你會發現溶液看起來像一大片組織塊，雖然此時你是裸眼觀察，但所看到的就像在顯微鏡下看到的細胞一樣。在較薄的外圍只含有油并且周圍被磷脂單分子層包圍。往更厚的地方看，你會看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，并隨著瓶中水的對流微微的移動;

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），它們先被裹上了一層像細胞膜一樣的油膜，接著它們沉到水底。

6 思考題

1）為什么我們用油和蛋黃來模擬細胞膜？

2）你覺得水是如何被鎖在“細胞”內的？

3）你覺得如何破壞細胞膜？

主要參考文獻

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

[2]  Gaulin.G. 2008. 真實細胞膜實驗中的自組裝（Self-Assembly Of Real Cell Membranes Experiment）

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

[3]  Marieb, E.N. 2004. 人類解剖學和生理學（Human Anatomy & Physiology）. Pearson Benjamin Cummings:San   Francisco.