細胞膜上的蛋白質如何附著在膜上？

當你提出了正確的問題時，你已經有了一半的解答。

 

啟蒙者—毒理室的學長學姊們

 

今天在課堂上講到了細胞的構造，其間提到細胞膜的功能是控制物質進出細胞，意即細胞膜是一種具有選擇性的介面，故又被稱為半透膜。凡是分子夠小又不那樣親水的(無極性，即難溶於水或親脂的分子)，例如氧分子與二氧化碳分子便可直接經由擴散作用進出細胞(對水而言，氧與二氧化碳皆可溶，但溶解度都不高，有部電影名稱描述此一現象就很貼切：他沒那麼喜歡你；He's Just Not That Into You.)，至於擴散指的是分子們整體而言從高濃度往低濃度方向運動的過程…

「老師，有問題。細胞都會行呼吸作用而消耗氧氣並產生二氧化碳，因此細胞內氧分子濃度必低於細胞外；二氧化碳分子濃度必高於細胞外，所以你是不是應該說氧分子擴散入細胞、二氧化碳分子擴散出細胞才對。」

「你說得好極了。不過如果我們考慮到白天植物的綠色細胞時，它除了呼吸作用外，同時也在進行更旺盛的光合作用，而光合作用會消耗二氧化碳並產生氧氣，因此細胞內氧分子濃度必高於細胞外；二氧化碳分子濃度必低於細胞外。那麼，你還會堅持要我修正前述講法嗎？」

剛才我們討論的是細胞膜面對無極性、小分子的狀況，同學們應該追問的是，如果分子夠小卻親水(Hydro-philic，意即極性分子)，也就是易溶於水的物質，能否同樣經由簡單擴散進出細胞？答案是否定的。那是因為細胞膜基本上是由脂質構成的(另外尚有少許蛋白質與糖類，請見下圖。細胞膜由脂質構成是有它演化上的道理，你要不要思考一下？)，而脂質的部分結構「討厭」水，連帶的喜歡與水「混」在一起的物質，脂質也排斥、疏遠它(Hydro-phobic)。問題來了，細胞所需的物質，例如葡萄糖、胺基酸、礦物質與部分維生素都易溶於水；當然還有水本身，顯然都無法藉由簡單擴散跨過細胞膜而被細胞吸收利用，沒了這些養分的補給，細胞必死無疑。怎麼辦？

細胞的解決方法是，在細胞膜上開出許多專用道(見附圖)，以供這些極性分子進出之用。這些構造都由蛋白質組成(見下圖)，依作用形式不同特稱為通道(圖左)、載體(圖中)與幫浦(圖右)，前二者在執行功能時不耗能，稱為促進性擴散(仍以濃度差決定分子運動方向)；後者則以耗能方式加速物質的傳輸且可對抗濃度差傳輸(意即可由低送往高)，特稱主動運輸。(這些研究結果成就了三位2003年諾貝爾化學獎得主)

「老師，這些細胞膜上的蛋白質如何附著在膜上？它們會脫落嗎？」

「未來你們會知道蛋白質是由胺基酸依據遺傳密碼在DNA上的順序一一串連而成，而胺基酸共有20種，有些側支親水、有些則斥水。細胞膜上的蛋白質在膜中斥水區域；即脂肪酸組成的部分，顯然以側支斥水的胺基酸為主，否則不能穩定的與膜內脂肪酸群『水乳交融』，此現象稱為疏水性效應。因此，就算當膜蛋白因某種外力被推擠出細胞膜時，由於細胞內外滿是水分子，最終還是會因其結構的斥水性，再度被水分子給撞回細胞膜中。

2020生物指考試題

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「這問題是很有啟發性的。譬如說膜蛋白被合成之後怎麼知道自己是要到細胞膜上扮演角色？(1999年諾貝爾生理醫學獎)它們又是如何辨識不同的極性分子以各司其職？(2003年諾貝爾化學獎)另外細胞膜上聯結在蛋白質上的醣類也有許多重要的功能等待發掘，搞不好下一屆諾貝爾獎就由相關科學家獲得呢！所以還是那句話，歡迎各位立志成為科學家，共同探究並理解我們生存的這個世界，還有我們自己。」

許多人終日企盼神蹟降臨，卻從來不曾領悟，原來活著並能理解這一切的自己，就是一樁天大的奇蹟。

附註：極性描述的是電子不平均地分布在組成分子的各個原子間，而傾向集中在像氮、氧與氟的原子旁；反之若電子平均分布在分子的各個原子間時稱為非極性。

附註：分子間親和力的高低是相對的，據《搞笑學物理》的作者說，單獨的水分子與脂質分子是可以結合的很融洽的，但一群水分子與脂質分子混在一起時，它們傾向各自聚在一起。我無法理解的是，作者怎麼操作單一的分子？又怎麼觀察？

附註：細胞膜是很活潑的介面，有流體(氣體與液體的通稱)的特性，故常用流體鑲嵌形容細胞膜。