Cell：又要改教科書？沿用幾十年的模型被推翻，細胞膜更接近果凍狀固體

1665年，英國科學家羅伯特·胡克（Robert Hooke，1635～1703）通過顯微鏡，第一次觀察到了細胞（死亡的植物細胞壁）。

1674年，荷蘭科學家列文虎克（Leeuwenhoek，1632～1723），通過顯微鏡首次觀察到細菌、原生動物以及人的活細胞。

1959年，美國科學家羅伯特森（J. D. Robertson）用超薄切片技術首次獲得了清晰的細胞膜照片。

但是，關于細胞膜的結構，前後有數十種不同的模型，廣為接受的有“流動鑲嵌模型”和“脂筏模型“。這兩個模型都認為磷脂雙分子層骨架的膜是流動性的，蛋白質等鑲嵌或漂浮在磷脂雙層中。這兩個模型也出現在了高中生物教材上。但這兩個模型也存在一些問題，因此細胞膜的結構仍在研究和完善。

人教版高中生物教材中的細胞膜結構示意圖

近日，來自哈佛大學的Adam Cohen等人在Cell雜志發表題為：Cell Membranes Resist Flow（細胞膜抗流動）的研究論文（Article）,該研究認為細胞膜實際上更接近類似果凍的半固體，推翻了關于細胞膜流體性質及其對張力的反應的傳統理論。

完整的細胞膜含有許多在人工脂雙層中未發現的特征。在真核細胞中，大約一半的跨膜蛋白（相當于總膜面積的10％-20％）與細胞膜下的皮層結合，因此在幾分鐘到幾小時的時間尺度上有效地保持不動。

具有~10％固定蛋白質的水溶液，例如膠原凝膠，表現的像散狀固體，而不是液體，但仍然允許小分子和蛋白質的橫向擴散。

因此，細胞膜也可能存在于納米尺度上表現為2D流體，但在細胞尺度上更接近半固體凝膠狀态。 2D凝膠假說與文獻中的許多猜想不相容，即膜張力的快速傳播可介導長程細胞内信号傳導。實驗數據和模型提供了直接的證據，即在約10分鐘的時間尺度内細胞中沒有膜張力的長程傳播，鈣離子提供了比膜張力更有效的介導遠程信号傳導的方法。

目前已有許多研究針對”流動鑲嵌模型“提出修訂，如引入”脂筏“等特殊結構來解釋膜中的亞細胞限制。實際上，這種結構對于擴散限制和膜組成的局部變化是必要的。

該項研究結果表明，随機排列的跨膜障礙足以定性地将細胞膜從流體改變為凝膠狀而不需要調用任何特殊結構。這種膜凝膠化機制與通過脂質本身的相變在較低溫度下産生的脂質凝膠相無關。

在本模型中，脂質在納米尺度上保持液态，允許分子貨物的自由擴散。在細胞尺度上更接近半固體凝膠狀态。 該模型與用于支持”流動鑲嵌模型“的熱力學數據完全一緻，同時添加了緩慢和異構均衡方法的描述。

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