作者：蘇芃翰（豬排）- 電獺共同創辦人/台大生科博士

上次說到細胞膜，是定義出一個細胞「內」「外」之分的城牆。細胞膜是靠著大家都知道的「油水不互溶」的原理存在的。今天我們放大到分子層次，來看看為什麼「油」與「水」無法互溶，細胞膜又是如何巧妙的展現了這個特性。

大家耳熟能詳的水分子「 H2O」，就是兩個氫原子與一個氧原子連接起來，長得像米老鼠頭的形狀。氧原子對電子來說，具有強大的吸引力，所以水分子中的電子，會比較多的機會待在氧原子這頭，比較少的機會待在氫原子那頭。因為電子帶「負電荷」，連帶使得水分子靠氧的這端帶些些微的負電，靠氫的那端帶些些微的正電。

大家都知道電荷同性相斥，異性相吸；水分子中帶著些微正電的氫，就會跑去和另一個水分子身上帶著些微負電的氧湊在一起，形成「氫鍵」。

除了水以外，還有許多物質都是具有「極性」或「帶電」的，例如糖、鹽巴、醋酸等等。這些物質丟到水裡，水分子就會全部圍上來，用氫去接人家帶負電的地方，用氧去接人家帶正電的地方，這些「親水性」的物質於是就「溶解」在水中了。

反觀「油」的分子構造，可以看到它是幾乎完全「對稱」的碳氫長鍊。這樣的分子結構，沒有辦法造成任何電性，它們被稱作「非極性 (non-polar) 」分子。油的分子是完全不帶電的，它們會做的事情就是彼此之間水平排列整齊。所以如果我們把油到進水裡，喜歡黏人的水分子完全拿他們沒轍，就像愛社交的傢伙遇上了句點王，根本聊不起來。最後油只好被水聯合排擠到邊邊，自成一個「疏水性」的小圈圈，這就是「油水不互溶」的由來～

然而世界上並不是非黑即白，非「極性」即「非極性」。還有一類的分子具有「雙親性（amphipathic）」，就是在同一個分子中，同時有「極性」與「非極性」的部分。構成細胞膜的「磷脂質(phospholipid)」正是這樣的分子。它有極性、帶負電、親水性的磷酸基團，再接上兩條碳氫長鍊、不帶電、疏水性的脂肪酸。當一大群磷脂質分子灑在水裡的時候，自然就會排列成兩排，將親水性的磷酸往外放，與水接觸，同時將疏水性的脂肪酸往內，跟對面的脂肪酸面對面，形成疏水的內層。這樣的結構，我們叫它「磷脂雙層膜 (phospholipid bilayer) 」。

但是問題來了，既然細胞膜中間有一層疏水性的油層，重要的親水性物質該如何通過細胞膜呢？例如像葡萄糖、還有對維持生理很重要的各種電解質，例如鉀離子、鈉離子，這些帶電的物質，是不可能輕鬆穿越細胞膜的，那細胞不就危險了？

這時候就要靠「通道蛋白 (channel protein) 」的幫忙！

我們繪製的這隻藍色，像甜甜圈的「蛋白質小怪」，其實正是一種「通道蛋白」。通道蛋白的特殊結構，讓它的「身體」是疏水性的，但是中間的孔洞是卻是親水性的。疏水性的「身體」可以安然的「鑲嵌」在細胞膜中，而帶電的金屬離子，就可以毫無懸念地穿過親水性的中空孔洞，進入細胞內部！

更厲害的是，通道蛋白都是很「挑食」的。專門讓鉀離子通過的通道，就只有鉀離子可以被允許通過，甚至連比鉀離子尺寸更小的鈉離子，也無法硬闖的。

最厲害的是，細胞往往可以控制這些通道蛋白的「開」與「關」，來動態地決定要不要讓某些物質通過！

還有更厲害的，除了通道蛋白，細胞膜上還有各式各樣的蛋白質，各自具有神奇的能力。蛋白質小怪們大家同心協力，才讓細胞這個複雜的城市一直運作下去～