2014年1月23日

溶於水又不溶於水的細胞膜

作者/蔡孟利(任教宜蘭大學生物機電工程學系)

一個細胞所展現的生命現象,基本上可以視為一連串化學反應於一個有限的空間內,在有組織、有次序的發生過程中所呈現之總合表現。而這些化學反應,幾乎都是在水溶液的環境中進行,因為任何一顆活著的、正有著生命現象進行中的細胞,內外的環境都是以水為基礎的溶液。所以一顆細胞面臨的基本問題是,該怎麼在都是水的環境中,圈圍出一塊穩定的空間,讓這些有組織的化學反應能夠進行。

那什麼樣的材料適合用來建構這道圈圍細胞勢力範圍的細胞膜呢?細胞生活在水裡面,因此這個材質必須要能夠溶於水;但這些材質又必須在水裡面維持住它的穩定構形,不能像一般能溶解的物質那樣隨意四散(例如糖或鹽之溶於水),因此,這個材質也必須要有不溶於水的特質。既要溶於水又不能溶於水,在組成細胞的幾種主要材質中,恰巧只有磷脂質分子(phospholipid)能擔此重任。

在談磷脂質分子為什麼能擔此重任之前,得先說說水的一項特性。水分子是種有極性(polarity)的分子,「極性」在這裡指的是水分子內的電荷分佈不均勻,在分子中氧原子的部分偏負電,兩個氫原子的部分偏正電,這樣的正、負電各偏一方的性質,使得水分子跟水分子之間有著比兩個非極性分子之間更強的結合力量,再加上水分子內的氫原子與其它水分子內的氧原子容易進一步形成分子間的氫鍵,這也會增強了水分子之間的結合力量。因此,如果物質要溶於水,那些溶質分子就必須要具備有某種極性特質,才能夠偽裝成似水分子般,並與其它水分子自在結合。所以那些帶有正、負電荷的離子或是也有著電荷分佈不均的極性分子,就比較容易以其電性的吸引融入水分子與水分子之間。但若是非極性的分子加入水中,則因為不能突穿水分子間緊密的連結,反而會被四面八方的水分子推擠排斥,最後這些在水中的非極性分子會被迫團聚在一起,彷彿它們自己有個互相吸引的力量似的,所以這種非極性分子在水中的凝聚現象,就被稱為「疏水性作用力」(hydrophobic interaction)。

磷脂質這一大類所涵蓋的各式分子,在結構上恰巧可分成質與量上旗鼓相當的兩大部分,一個是由磷酸酯構成帶有極性的親水頭端(hydrophilic head), 另一個則是由碳氫長鏈打造的非極性避水尾部(hydrophobic tails)。因此當這樣的一群分子進入水中後,就有可能聚集成在水中穩定存在、不會自然溢散瓦解的連續結構:雙層磷脂膜的構造——兩層磷脂質分子的避水尾部相對排列,位於膜的內側;親水頭端則各自朝膜的兩個外側,對應那些與水接觸的環境。這樣的雙層磷脂結構就能讓這片膜因著極性的兩面親水而自在的存在水中,也因為兩尾端被水擠壓而聚集,所以不致於在水中四散開來。 ..........【更詳細的內容,請參閱第530期科學月刊】

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