How big is 磷脂双层?

磷脂双层是由两层磷脂分子构成的薄片，是几乎所有细胞膜的基本结构。它大约有 5 纳米厚，这一厚度是从一侧分子头部的外缘量到另一侧分子头部外缘的距离。纳米是十亿分之一米。

大小

每个磷脂分子都有一个亲水的头部和两条疏水的尾部。在双层结构中，头部朝向两侧的水，尾部在中间相遇，形成一个疏水核心。2000 年的一项综述测量发现，由常见磷脂——磷脂酰胆碱——组成的双层，在活细胞中呈流动状态时，总厚度为 4.4–4.7 纳米；在温度较低、排列更有序的状态下，厚度可达 5.2 纳米。

在流动状态的双层中，疏水核心占厚度的 2.6–2.9 纳米。真实的细胞膜混合了多种脂质。2004 年发表的 X 射线测量结果显示，大鼠肝细胞膜两侧磷酸基团之间的距离为 3.6–4.3 纳米，头部则比磷酸基团略微向外延伸。

细胞膜中还密布着蛋白质，约占膜面积的一半，许多蛋白质在膜的两侧都有突出部分。把这些蛋白质计算在内，整个细胞膜的厚度通常被描述为 5–10 纳米。

大小比较

• 两个磷脂分子，各约 2–2.5 纳米长，尾对尾排列，跨过整个双层。
• 一段由 20–25 个氨基酸组成、长 3–3.75 纳米的 α 螺旋，长度足以穿过疏水核心。穿膜蛋白常常就是以这种方式穿过细胞膜的。
• 截至 2026 年，猪圆环病毒是已知最小的病毒之一，其宽度大约是磷脂双层厚度的 3.5 倍。
• 大约 2 万层磷脂双层叠加起来，厚度就相当于一张纸的厚度，约 0.1 毫米。
• 如果把磷脂双层放大到一张纸那么厚，一根人类头发就会有 1.6–2 米宽。

磷脂双层的作用

磷脂双层把细胞内部的水和溶解物质与外部的隔开。它的疏水核心能阻挡水，也能阻挡带电或极性的物质——极性分子是指电荷在分子内分布不均匀的分子。磷脂放入水中会自发形成双层结构，而且这种结构能够自我修复。一根极细的针可以穿过细胞膜而不会使其破裂，针拔出后，膜会重新愈合。

发现历程

科学家在 19 世纪 90 年代确认了细胞膜的存在，并于 1915 年发现它主要由脂质和蛋白质构成。1935 年，休·戴维森和詹姆斯·丹尼利提出，细胞膜的结构就像三明治，脂质是夹心，蛋白质是外层的面包片。20 世纪 50 年代，透射电子显微镜显示，细胞膜的核心是双层而非单层结构。

1972 年，S. J. 辛格和加思·尼克尔森提出了流动镶嵌模型，这一模型至今仍是解释细胞膜结构和功能的最佳模型。它把细胞膜描绘成由磷脂、胆固醇、蛋白质和碳水化合物组成的镶嵌图案，这些成分像松动的瓷砖一样彼此漂浮、滑动。

参考资料

• Structure of Lipid Bilayers. Nagle and Tristram-Nagle, Biochimica et Biophysica Acta, 2000.
• Modulation of the Bilayer Thickness of Exocytic Pathway Membranes by Membrane Proteins Rather Than Cholesterol. Mitra et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2004.
• What Is the Thickness of the Cell Membrane?. In Cell Biology by the Numbers. Milo and Phillips, Garland Science, 2015.
• Components and Structure. In Biology 2e, 2nd edition. OpenStax, 2018.
• α-helix. In Foundations of Protein Structure. EMBL-EBI Training.
• Conformational Changes and Nuclear Entry of Porcine Circovirus without Disassembly. Wang et al., Journal of Virology, 2019.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.