1、1,1,第二章 生物膜及其物理特性,2.1 生物膜的形成 2.2 生物膜的分子模型 2.3 生物膜分子的運(yùn)動(dòng)特性 2.4 細(xì)胞膜的特性,1,2.1 生物膜的形成,生物膜定義： 生物膜是多細(xì)胞膜及細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)的統(tǒng)稱,2,生物膜的化學(xué)組成,3,（一）膜脂的三種主要類型：磷脂(phospholipid)，糖脂(glycolipid)和固醇（stecol),4,1 磷脂,【概念】磷脂分子是一種由甘油、脂肪酸和磷酸所組成的分子 磷酸頭部是親水的，脂肪酸尾部是疏水的。 磷脂分子示意圖：,5,關(guān)鍵特征：組成細(xì)胞膜的是磷脂雙分子層。是兩層磷脂分子頭朝外，尾朝內(nèi)相對(duì)的結(jié)構(gòu)。（如下圖）,6,磷脂,磷酸甘油酯,鞘磷

2、脂,磷脂酰膽堿 （卵磷脂）,磷脂酰乙醇胺（腦磷脂）,磷脂酰絲氨酸,7,2 糖脂,（1）定義： 一種攜有一個(gè)或多個(gè)以共價(jià)鍵連接糖基的復(fù)合脂質(zhì)。是細(xì)胞膜的重要成分。包括甘油糖脂、鞘糖脂、脂多糖等。 （2）功能： 細(xì)胞膜上的鞘糖脂與細(xì)胞生理狀況密切相關(guān)。即使同一類細(xì)胞,在不同的發(fā)育階段,鞘糖脂的組成也不同。正因?yàn)槟承╊愋颓侍侵悄撤N細(xì)胞在某個(gè)發(fā)育階段所特有的，所以糖脂常常被作為細(xì)胞表面標(biāo)志物質(zhì)。糖脂又是細(xì)胞表面抗原的重要組分，某些正常細(xì)胞癌化后，表面糖脂成分有明顯變化；一些已分離出來的癌細(xì)胞特征抗原，也已證明是糖脂類物質(zhì)。細(xì)胞表面的糖脂還是許多胞外生理活性物質(zhì)的受體,參與細(xì)胞識(shí)別和信息傳遞過程。,8

3、,3 固醇類,固醇類是環(huán)戊烷多氫菲的衍生物，又稱類固醇，屬脂類化合物。 作用功能： 提高脂雙層的力學(xué)穩(wěn)定型； 提高脂雙層的流動(dòng)性； 維持膜穩(wěn)定性 。,9,膽固醇的分子式,問題： 細(xì)胞膜中三種脂質(zhì)：磷脂 糖脂 膽固醇各有什么作用？,解答： （1） 磷脂雙分子層構(gòu)成細(xì)胞膜的基本骨架，約占整個(gè)膜脂的50%以上，所以它是細(xì)胞膜的基本成分。 （2） 糖脂與細(xì)胞的識(shí)別、免疫、排泄、血型決定等功能有關(guān)。 （3） 膽固醇在調(diào)節(jié)膜的流動(dòng)性、增加膜的穩(wěn)定性以及降低水溶性物質(zhì)的通透性等都起著重要作用 ； （4） 另外，皮膚下的7-脫氫膽固醇經(jīng)紫外線的作用可以轉(zhuǎn)化為維生素D，促進(jìn)Ca 和 P的吸收。,10,4 膜脂分

4、子的雙親性,生物膜中的磷脂，糖脂，膽固醇均為雙親性分子，它們的疏水尾部為脂肪酸，醛，醇，鞘氨醇衍生物或固醇分子的長鏈脂肪酸，親水頭部為磷脂酰膽堿基，糖殘基或羥基。,11,膜脂分子的雙親性,單分子層 水溶液中的分子團(tuán) 球形脂質(zhì)體 用于疾病治療的脂質(zhì)體的示意圖,12,（二） 膜蛋白,13,膜蛋白是質(zhì)膜（細(xì)胞膜）的重要組成部分，是膜功能的重要體現(xiàn)者。據(jù)估計(jì)，核基因組編碼的蛋白質(zhì)中30%左右的為膜蛋白。,根據(jù)與脂分子的結(jié)合方式分為： 整合蛋白（intergral protain) 外周蛋白（peripheral protain),（1）整合蛋白(鑲嵌蛋白）特征：水不溶性分布：貫穿整個(gè)脂質(zhì)雙分子層 部分

5、插入脂質(zhì)雙分子層,（2）外周蛋白（外在蛋白） 特征：水溶性 分布：膜的內(nèi)外表面,14,膜內(nèi)在蛋白 脂錨定蛋白 膜外在蛋白,膜蛋白與膜脂結(jié)合的6種方式,15,膜蛋白的功能,（1）轉(zhuǎn)運(yùn)分子進(jìn)入細(xì)胞 （2）與細(xì)胞分化及細(xì)胞間連接有關(guān) （3）接收識(shí)別信號(hào) （4）酶（enzymes）作用,16,17,（三） 膜糖類,分布：在生物膜的非胞質(zhì)面,分類：葡萄糖半乳糖甘露糖巖藻糖半乳糖胺葡糖胺和唾液酸等七種。,功能：細(xì)胞與環(huán)境相互作用有關(guān)的生命現(xiàn)象，都涉及到糖脂和糖蛋白。,18,膜糖類：一般以糖脂糖蛋白形式存在，主要分布在細(xì)胞膜的外表面（其他膜性細(xì)胞器的非胞質(zhì)側(cè)）。,19,2.2 生物膜的分子模型,20,21,

6、2.2.1 單位膜模型,單層蛋白質(zhì)分子： 內(nèi)外兩層（深色帶，各厚2nm） 雙層脂類分子： 膜中間（淺色帶，3.5nm） 蛋白質(zhì)肽鏈折疊,意義：闡述了生物膜形態(tài)上的共性單位膜 缺點(diǎn)：把各種膜視為千篇一律，難以對(duì)不同的生物膜作出合理解釋。,22,2.2.2 流動(dòng)鑲嵌模型,這一模型是Singer和Nicolson于1972年提出的。 主要特點(diǎn)： 強(qiáng)調(diào)了膜結(jié)構(gòu)的流動(dòng)性； 生物膜的各種化學(xué)組分是高度不對(duì)稱的。,23,2.3 生物膜分子的運(yùn)動(dòng)特性,24,生物膜上分子的運(yùn)動(dòng)特性可以說是細(xì)胞行使各類生物功能的基礎(chǔ)，細(xì)胞膜上各類蛋白質(zhì)的功能活性，已廣泛證實(shí)是受細(xì)胞質(zhì)分子骨架的影響的。,25,2.3.1 膜脂質(zhì)分

7、子的運(yùn)動(dòng)特性,生物膜的流動(dòng)性一般認(rèn)為與脂質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)性正相關(guān)，也就是說，脂質(zhì)分子如果運(yùn)動(dòng)性強(qiáng)，則膜的流動(dòng)性就大；反之亦然。 在細(xì)胞內(nèi)，包括細(xì)胞膜和內(nèi)膜系統(tǒng)的生物膜的流動(dòng)性脂質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)性并非一直不變，而是與功能相適應(yīng)，處在一種不斷變化的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)中。,26, 脂質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)分析,一是脂質(zhì)分子自身的“一維運(yùn)動(dòng)”，即脂酰烴繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)的異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)，磷脂分子以其自身長軸為軸左右擺動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)。 二是脂質(zhì)分子在膜內(nèi)沿膜平面作側(cè)向擴(kuò)散和側(cè)向移動(dòng)的“二維運(yùn)動(dòng)”。 三是磷脂分子在脂雙層的兩個(gè)脂分子單層間的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)被視為“三維運(yùn)動(dòng)”的磷脂分子運(yùn)動(dòng)方式。發(fā)生的速度通常比較緩慢。,27,28,29,

8、30,31,32,33, 脂質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)手段,1 電子自旋共振（eletron spin resonance,ESR),2 核磁共振,3 差示掃描量熱數(shù),34,2.3.2 膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性,膜蛋白同脂質(zhì)分子一樣也是處于一種運(yùn)動(dòng)的平衡之中。 膜蛋白的側(cè)向擴(kuò)散速度可以用光漂白熒光恢復(fù)技術(shù)（FRAP）測(cè)得。 與膜脂分子相比，膜蛋白雖然一般都可以水平運(yùn)動(dòng)，但在不同的生物膜中，膜蛋白的運(yùn)動(dòng)速度差異很大。 膜蛋白的運(yùn)動(dòng)是否具有方向性尚無定論 膜蛋白從未被測(cè)到過從質(zhì)膜雙層脂分子一層翻轉(zhuǎn)至另一側(cè)的現(xiàn)象,35,圖為：人細(xì)胞與小鼠細(xì)胞融合而形成的異核體上二種特異膜蛋白在膜上的運(yùn)動(dòng)。,36,2.3.3 影響膜流動(dòng)

9、的主要因素,37,2.3.4 膜流動(dòng)性的生理意義,質(zhì)膜的流動(dòng)性是保證其正常功能的必要條件。例如跨膜物質(zhì)運(yùn)輸、細(xì)胞信息傳遞、細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞免疫、細(xì)胞分化以及激素的作用等等都與膜的流動(dòng)性密切相關(guān)。 當(dāng)膜的流動(dòng)性低于一定的閾值時(shí)，許多酶的活動(dòng)和跨膜運(yùn)輸將停止。 反之，如果流動(dòng)性過高，又會(huì)造成膜的溶解。,38,細(xì)胞膜內(nèi)外兩層的組分和功能的差異，成為細(xì)胞膜的不對(duì)稱性。,2.3.5 細(xì)胞膜的不對(duì)稱性,39,膜脂的不對(duì)稱性：同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布（膜外表面具有膽固醇和鞘磷脂等形成的微結(jié)構(gòu)域）,復(fù)合糖的不對(duì)稱性：糖脂和糖蛋白主要分布在細(xì)胞膜的外表面(這些成分可能是細(xì)胞表面受體，并且與細(xì)胞的抗原性有關(guān)）,膜蛋白的不對(duì)稱性：每種膜蛋白分子在細(xì)胞膜上都具有特定的方向性和分布的區(qū)域性（內(nèi)表面多于外表面，周邊蛋白多附在膜內(nèi)表面，糖蛋白都