结构生物化学/脂类/膜流动性
流动镶嵌模型最初由 S. Jonathan Singer 和 Garth Nicolson 于 1972 年提出。他们对该模型的设想是展示和描述生物膜的一般结构。生物膜由脂双层组成，本质上是由脂类和蛋白质组成的二维溶液。脂双层既作为整合蛋白的溶剂，也作为渗透屏障。
为了分解模型名称的各个部分：模型的流动性基于疏水性成分，如蛋白质和脂类。这两种成分使膜能够具有流动性，因为它不是固体；它不是只由一种类型的生物大分子组成。模型名称中的镶嵌部分是基于这样的事实，即镶嵌是由不同的碎片组成的，从而得到一幅整体图像。镶嵌模型不仅仅包含一种类型的完整成分，而是包含多种（例如糖蛋白或磷脂）。由于模型是由不同的碎片组成的，因此它形成了镶嵌，因此得名。
流动镶嵌模型的一个方面是，膜蛋白由于其流动性（侧向扩散）而随机分布在膜平面上。这是使用电子显微镜观察通过冷冻断裂切割的脂双层来验证的。
该技术的总体概述如下
1. 将细胞冷冻在液氮中。
2. 使用刀片将冷冻细胞断裂。断裂发生在薄弱的部位，例如质膜的脂双层之间。
3. 冷冻蚀刻使用真空去除表面冰。
4. 制作复制品的第一个步骤是用铂蒸汽以 45 度角对表面进行阴影处理。
5. 制作复制品的下一个步骤是将一层非常薄的碳蒸发到表面上，角度为 90 度。
6. 通过用酸或碱降解有机细胞材料来显露最终的复制品。
7. 然后在电子显微镜下研究碳-铂复制品，阴影陨石坑和凸起显示了膜蛋白的模式。
冷冻断裂（以及金属阴影和通过电子显微镜成像）是一种可以用来可视化膜结构和蛋白质分布的技术。首先，将细胞迅速冷冻在液氮中。然后，它沿断裂平面裂开，该平面将脂双层分开。沿此平面分离会暴露嵌入膜中的蛋白质。断裂后，两个部分都涂上/阴影处理金属，如铂。接下来使用酸溶解有机材料，从而产生样品表面的复制品。然后在电子显微镜下观察复制品。显微照片显示样品表面有凸起，实际上是跨膜蛋白，因为样品一半的表面对应于磷脂双层的内表面。这证实了膜蛋白随机分散在磷脂双层中，并且存在跨越整个膜的整合跨膜蛋白。
技术和结果显微照片的示例
侧向扩散是指膜中发现的脂类和蛋白质的侧向运动。如果膜脂类和蛋白质没有受到某些相互作用的限制，它们通常可以自由侧向移动。侧向扩散是一个相当快速且自发的过程。在此运动中，胆固醇分子在结构域内移动。
侧向扩散可以通过称为光漂白后荧光恢复 (FRAP) 的过程来追踪。该过程可行，因为使用荧光标记可以追踪分子。首先用生色团标记细胞表面，然后在荧光显微镜下对一个部分（照明区域）进行分析。在这个特定部位，荧光分子通过漂白（使用激光）来破坏，并观察它们是否离开或进入照明区域。如果分子是移动的，它有两个不同的状态，漂白或未漂白。如果分子离开照明区域，这意味着分子被漂白了。如果分子进入照明区域，这意味着分子未被漂白。未漂白的分子有助于提高荧光强度。
侧向扩散还可以通过一种互补策略来测量，该策略被称为光漂白后荧光损失 (FLIP)。在这种技术中，一个小区域被持续漂白，并且荧光蛋白在扩散到其中时被漂白。最终，荧光蛋白的数量会减少，并导致所有蛋白都被漂白。从 FRAP 和 FLIP 两者中，我们都可以根据漂白蛋白计算扩散系数。
尽管这两种技术似乎很有希望，但它也有一些缺点。一个问题是无法观察到每种蛋白质的单个运动，因为有太多漂白/荧光蛋白。例如，无法判断每种蛋白质是静止的，还是仅限于一个小区域，也许是由于细胞骨架的阻碍。为了解决这个问题，可以使用一种称为单粒子追踪的技术。在这种技术中，单个蛋白质由抗体标记，并用荧光染料或少量金点染色。这些蛋白质的运动然后通过视频显微镜记录下来。使用这种技术可以定期观察蛋白质的扩散途径。
横向扩散或翻转涉及脂类或蛋白质从一个膜表面移动到另一个膜表面。与侧向扩散不同，横向扩散是一个相当缓慢的过程，因为翻转发生需要相当多的能量。大多数大型蛋白质不会翻转，因为它们具有广泛的极性区域，这些区域在膜双层的疏水核心是不利的。这使得膜的不对称性能够长时间保持，这是细胞调节的一个重要方面。
在许多细胞中，将有蛋白质成分来帮助“翻转”过程。这可以通过比较人造脂双层与天然双层的翻转速率来观察。人造脂双层的翻转速率非常缓慢，与天然双层相比可以忽略不计，表明天然双层中存在某种物质来帮助“翻转”过程。生物膜中磷脂的翻转速率远大于人工脂膜中的翻转速率，因为生物膜具有蛋白质成分，如翻转酶和磷脂易位酶，这些成分可以加速磷脂从双层一侧移动到另一侧的速率。
膜的流动性决定了分子通过膜的运输程度和信号转导的程度。膜流动性与其 **脂肪酸** 和 **胆固醇** 含量有关。脂肪酸链可以是有序且刚性的，也可以是无序且流动的，这会影响它们所处的膜的流动性。长的脂肪酸链能够形成更强的分子间相互作用，从而限制了流动性。由于不饱和 *顺式* 和 *反式* 双键形成的脂肪酸链中的弯曲和扭结可能会干扰分子间相互作用，从而促进流动性。因此，可以通过改变双键数量和脂肪酸链长度来控制膜流动性。同时，膜中存在大量的胆固醇分子会限制流动性。
胆固醇是动物膜流动性的关键调节剂。它能够与磷脂相互作用并形成特定的复合物，称为脂筏，这些脂筏集中在膜的特定区域。脂筏导致膜流动性的调节，使膜流动性降低，同时使其不易发生相变。胆固醇由一个甾体组成，一端连接有 -OH 羟基，另一端连接有烃链。甾体的环和烃链能够插入膜的磷脂双层中，并参与疏水性相互作用，而极性羟基则与周围磷脂的极性头部基团相互作用。
膜的 **熔点** 可以用来确定流动性的程度。随着温度升高，膜会从刚性状态急剧转变为更流动的状态。低熔点表明存在促进流动性的脂肪酸，而高熔点表明存在限制流动性的脂肪酸和胆固醇。
熔点也会受到分子自身堆积能力的影响。饱和度、双键（*顺式* 或 *反式*）和脂肪酸链长度等特性都会影响熔点。比较饱和与不饱和时，饱和脂肪酸的熔点会更高，因为残基会相互反应，导致脂肪酸处于更刚性的状态。双键的特定类型也会影响熔点。*顺式* 双键的熔点比 *反式* 双键低，因为它们不能像 *反式* 双键那样很好地堆积成晶体；因此，具有顺式双键的脂肪更容易从固相进入液相。较长的脂肪酸链具有较高的熔点，因为与较短的链相比，它们需要断裂更多的键。键越多，熔点越高。
在流体镶嵌模型被开发时，蛋白质可以在膜中表现出横向移动的想法是一个相对较新的想法。最早测试这一想法的实验之一是由 L. Frye 和 M. Edidin 完成的。人细胞和小鼠细胞融合在一起，并使用荧光标记抗体来观察每种类型的整合膜蛋白是否可以在融合细胞中两种类型的膜之间移动。罗丹明，一种红色荧光标记，用于标记针对人蛋白的特异性抗体，绿色标记荧光素用于标记针对小鼠细胞蛋白的特异性抗体。新融合的小鼠/人细胞暴露于两种抗体，产生的结合模式表明融合细胞没有被分成一半红色边和一半绿色边，而是具有绿色和红色标记的蛋白/抗体的混合内容。这表明在短时间内，融合细胞中的整合蛋白会分散，因此膜蛋白具有快速横向流动性。
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