How big is 磷脂?

磷脂是一类脂肪样分子，细胞膜主要就是由它构成的。磷脂分子有一个亲水的头部和两条疏水的尾部。从头部外缘到尾部末端，一个磷脂分子大约长 2.5 纳米，纳米是十亿分之一米。

大小

磷脂的头部是一个含磷酸基团，连接在一个叫甘油的小分子上。两条尾部是脂肪酸，即由碳原子和氢原子构成的长链，通常含有 10–20 个碳原子。每增加一个碳原子，尾部长度大约增加 0.13 纳米。

确切长度取决于尾部的构成及其排列方式。在活细胞膜中，尾部是流动的，会弯曲摆动。一本细胞生物学参考书给出的典型磷脂分子长度，从头部到尾部为 2 纳米。

2000 年一项综述测量发现，由常见磷脂——磷脂酰胆碱——组成的单层，在流动状态下厚约 2.2–2.3 纳米，而在温度较低、排列更有序、尾部更平直的状态下厚 2.6 纳米。这一层只有一个分子的厚度，因此这个数值也就是单个分子从膜中央延伸到膜表面的距离。在流动状态的单层中，每个分子占据约 0.6–0.7 平方纳米的表面积。因此，长度的估计值大约在 2 到 2.6 纳米之间。

大小比较

• 两层磷脂尾对尾排列，就构成了磷脂双层，这是几乎所有细胞膜核心的薄层结构。
• 磷脂分子的长度大约是 α 螺旋宽度的两倍。α 螺旋是蛋白质中常见的一种结构。
• 磷脂分子的长度和 DNA 双螺旋的宽度大致相同，都是 2 纳米。
• 大约 3 万–5 万个磷脂分子首尾相连，长度就相当于一根人类头发的宽度，即 8 万–10 万纳米。
• 覆盖一平方毫米的单层磷脂，大约含有 1.5 万亿个分子。

磷脂如何构成细胞膜

由于磷脂的头部亲水而尾部疏水，磷脂分子在水中会自发排列成尾部相对、头部朝外的结构，形成一层将两侧水分开的双层膜。在水中加热时，磷脂通常会自发形成微小的球体，头部朝外、尾部朝内。

尾部的形状有助于保持膜的流动性。如果碳原子之间只有单键，尾部就相当平直；如果存在双键，尾部就会产生约 30 度的弯折，这些弯折会把相邻分子彼此推开，从而防止细胞膜在低温下变得僵硬。

池塘上的油

本杰明·富兰克林曾把不超过一茶匙的油倒进伦敦附近的一个池塘里，油扩散开来，覆盖了大约半英亩的水面。这层油只有一个分子的厚度，其分子的性质与构成细胞膜每一层的分子相似。

一茶匙的油大约相当于 5 立方厘米，半英亩大约相当于 2000 平方米，据此推算，这层油大约有 2.5 纳米厚。后来，阿格妮丝·波克尔斯发明了一种在实验室中制作这类单分子层的方法，使科学家得以精确测定分子的大小。

参考资料

• 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.