How big is 磷脂?

磷脂是一種脂肪狀分子，細胞膜主要就是由它構成的。磷脂分子有一個親水的頭部，以及兩條疏水的尾巴。從頭部外緣到尾巴末端，一個磷脂分子的長度大約是2.5奈米，一奈米是一公尺的十億分之一。

大小

磷脂的頭部是一個含磷酸根的基團，接在一個稱為甘油的小分子上。兩條尾巴則是脂肪酸，也就是由碳原子和氫原子構成的長鏈，通常含有10到20個碳原子。每多一個碳原子，尾巴的長度就大約增加0.13奈米。

確切的長度取決於尾巴的種類以及排列方式。在活細胞的膜中，尾巴呈流動狀態，會彎曲擺動。一本細胞生物學的參考書指出，典型磷脂分子從頭到尾是2奈米。

2000年一項回顧性研究發現，常見磷脂之一「磷脂醯膽鹼」所形成的一層膜，在流動狀態下大約厚2.2到2.3奈米，在較低溫、排列較整齊、尾巴較直的狀態下則是2.6奈米。這一層只有一個分子的厚度，因此這個數值就是單一分子從細胞膜中央延伸到表面的距離。在流動狀態的一層中，每個分子大約佔0.6到0.7平方奈米的表面積。因此，長度的估計值大約落在2到2.6奈米之間。

大小比較

• 兩層磷脂尾對尾排列，就構成了磷脂雙層，這是幾乎所有細胞膜核心的薄層結構。
• 磷脂的長度大約是α螺旋寬度的兩倍。α螺旋是蛋白質中常見的結構。
• 它的長度和DNA雙螺旋的寬度差不多，都是2奈米。
• 大約3萬到5萬個磷脂分子首尾相接排列，寬度就相當於一根頭髮的寬度，也就是8萬到10萬奈米。
• 一層磷脂如果覆蓋一平方公釐的面積，大約會含有1.5兆個分子。

磷脂如何構成細胞膜

由於磷脂的頭部親水、尾巴疏水，磷脂分子在水中會自動排列成尾巴相對、頭部朝外的樣子，形成把兩側的水分隔開的雙層結構。如果在水中加熱，磷脂通常會自行形成微小的球體，頭部朝外、尾巴朝內。

尾巴的形狀有助於維持細胞膜的流動性。如果碳原子之間只有單鍵，尾巴會相當平直。若含有雙鍵，尾巴就會出現大約30度的彎折，這些彎折會把相鄰的分子彼此推開，使細胞膜在低溫下不會變得僵硬。

池塘上的油

班傑明·富蘭克林（Benjamin Franklin）曾把不超過一茶匙的油倒進倫敦附近的一座池塘，並看著它擴散開來，覆蓋了大約半英畝的面積。這層油只有一個分子的厚度，其分子的性質與構成細胞膜每一層的分子相似。

一茶匙大約是5立方公分，這片區域大約是2000平方公尺，因此這層油大約有2.5奈米厚。艾格妮絲·波克爾斯（Agnes Pockels）後來發明了一種在實驗室中製作這種單分子層的方法，讓科學家得以精確測定分子的大小。

參考資料

• Components and Structure. In Biology 2e, 2nd edition. OpenStax, 2018.
• Lipids. In Biology 2e, 2nd edition. OpenStax, 2018.
• Structure of Lipid Bilayers. Nagle and Tristram-Nagle, Biochimica et Biophysica Acta, 2000.
• What Is the Thickness of the Cell Membrane?. In Cell Biology by the Numbers. Milo and Phillips, Garland Science, 2015.
• Predicting Helical Topologies in RNA Junctions as Tree Graphs. Laing et al., PLoS ONE, 2013.
• DNA Structure and Sequencing. In Biology 2e, 2nd edition. OpenStax, 2018.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.