生物膜及其物理特性

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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 生物膜分子的运动特性2.4 细胞膜的特性,1,2.1 生物膜的形成,生物膜定义：生物膜是多细胞膜及细胞内膜系统的统称,2,生物膜的化学组成,3,（一）膜脂的三种主要类型：磷脂(phospholipid)，糖脂(glycolipid)和固醇（stecol),4,1 磷脂,【概念】磷脂分子是一种由甘油、脂肪酸和磷酸所组成的分子 磷酸“头“部是亲水的，脂肪酸“尾“部是疏水的。磷脂分子示意图：,5,关键特征：组成细胞膜的是磷脂双分子层。是两层磷脂分子“头“朝外，“尾“朝内相对的结构。（如下图）,6,磷脂,磷酸甘油酯

2、,鞘磷脂,磷脂酰胆碱 （卵磷脂）,磷脂酰乙醇胺 （脑磷脂）,磷脂酰丝氨酸,7,2 糖脂,（1）定义：一种携有一个或多个以共价键连接糖基的复合脂质。是细胞膜的重要成分。包括甘油糖脂、鞘糖脂、脂多糖等。 （2）功能：细胞膜上的鞘糖脂与细胞生理状况密切相关。即使同一类细胞,在不同的发育阶段,鞘糖脂的组成也不同。正因为某些类型鞘糖脂是某种细胞在某个发育阶段所特有的，所以糖脂常常被作为细胞表面标志物质。糖脂又是细胞表面抗原的重要组分，某些正常细胞癌化后，表面糖脂成分有明显变化；一些已分离出来的癌细胞特征抗原，也已证明是糖脂类物质。细胞表面的糖脂还是许多胞外生理活性物质的受体,参与细胞识别和信息传递过程。

3、,8,3 固醇类,固醇类是环戊烷多氢菲的衍生物，又称类固醇，属脂类化合物。 作用功能：提高脂双层的力学稳定型；提高脂双层的流动性；维持膜稳定性 。,9,胆固醇的分子式,问题： 细胞膜中三种脂质：磷脂 糖脂 胆固醇各有什么作用？,解答：（1） 磷脂双分子层构成细胞膜的基本骨架，约占整个膜脂的50%以上，所以它是细胞膜的基本成分。（2） 糖脂与细胞的识别、免疫、排泄、血型决定等功能有关。（3） 胆固醇在调节膜的流动性、增加膜的稳定性以及降低水溶性物质的通透性等都起着重要作用 ；（4） 另外，皮肤下的7-脱氢胆固醇经紫外线的作用可以转化为维生素D，促进Ca 和 P的吸收。,10,4 膜脂分子的双亲性

4、,生物膜中的磷脂，糖脂，胆固醇均为双亲性分子，它们的疏水尾部为脂肪酸，醛，醇，鞘氨醇衍生物或固醇分子的长链脂肪酸，亲水头部为磷脂酰胆碱基，糖残基或羟基。,11,膜脂分子的双亲性,单分子层 水溶液中的分子团球形脂质体 用于疾病治疗的脂质体的示意图,12,（二） 膜蛋白,13,膜蛋白是质膜（细胞膜）的重要组成部分，是膜功能的重要体现者。据估计，核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。,根据与脂分子的结合方式分为：整合蛋白（intergral protain)外周蛋白（peripheral protain),（1）整合蛋白(镶嵌蛋白） 特征：水不溶性 分布：贯穿整个脂质双分子层 部分插入脂质双分

5、子层,（2）外周蛋白（外在蛋白） 特征：水溶性 分布：膜的内外表面,14,膜内在蛋白 脂锚定蛋白 膜外在蛋白,膜蛋白与膜脂结合的6种方式,15,膜蛋白的功能,（1）转运分子进入细胞 （2）与细胞分化及细胞间连接有关 （3）接收识别信号 （4）酶（enzymes）作用,16,17,（三） 膜糖类,分布：在生物膜的非胞质面,分类：葡萄糖半乳糖甘露糖岩藻糖半乳糖胺葡糖胺和唾液酸等七种。,功能：细胞与环境相互作用有关的生命现象，都涉及到糖脂和糖蛋白。,18,膜糖类：一般以糖脂糖蛋白形式存在，主要分布在细胞膜的外表面（其他膜性细胞器的非胞质侧）。,19,2.2 生物膜的分子模型,20,21,2.2.1

6、单位膜模型,单层蛋白质分子：内外两层（深色带，各厚2nm） 双层脂类分子：膜中间（浅色带，3.5nm） 蛋白质肽链折叠,意义：阐述了生物膜形态上的共性单位膜 缺点：把各种膜视为千篇一律，难以对不同的生物膜作出合理解释。,22,2.2.2 流动镶嵌模型,这一模型是Singer和Nicolson于1972年提出的。 主要特点： 强调了膜结构的流动性； 生物膜的各种化学组分是高度不对称的。,23,2.3 生物膜分子的运动特性,24,生物膜上分子的运动特性可以说是细胞行使各类生物功能的基础，细胞膜上各类蛋白质的功能活性，已广泛证实是受细胞质分子骨架的影响的。,25,2.3.1 膜脂质分子的运动特性,生

7、物膜的流动性一般认为与脂质分子的运动性正相关，也就是说，脂质分子如果运动性强，则膜的流动性就大；反之亦然。 在细胞内，包括细胞膜和内膜系统的生物膜的流动性脂质分子的运动性并非一直不变，而是与功能相适应，处在一种不断变化的动态平衡状态中。,26, 脂质分子的运动分析,一是脂质分子自身的“一维运动”，即脂酰烃绕C-C键旋转的异构化运动，磷脂分子以其自身长轴为轴左右摆动和左右旋转。 二是脂质分子在膜内沿膜平面作侧向扩散和侧向移动的“二维运动”。 三是磷脂分子在脂双层的两个脂分子单层间的翻转运动，这种运动被视为“三维运动”的磷脂分子运动方式。发生的速度通常比较缓慢。,27,28,29,30,31,32

8、,33, 脂质分子运动的检测手段,1 电子自旋共振（eletron spin resonance,ESR),2 核磁共振,3 差示扫描量热数,34,2.3.2 膜蛋白的运动性,膜蛋白同脂质分子一样也是处于一种运动的平衡之中。 膜蛋白的侧向扩散速度可以用光漂白荧光恢复技术（FRAP）测得。 与膜脂分子相比，膜蛋白虽然一般都可以水平运动，但在不同的生物膜中，膜蛋白的运动速度差异很大。 膜蛋白的运动是否具有方向性尚无定论 膜蛋白从未被测到过从质膜双层脂分子一层翻转至另一侧的现象,35,图为：人细胞与小鼠细胞融合而形成的异核体上二种特异膜蛋白在膜上的运动。,36,2.3.3 影响膜流动的主要因素,37

9、,2.3.4 膜流动性的生理意义,质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。 当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止。 反之，如果流动性过高，又会造成膜的溶解。,38,细胞膜内外两层的组分和功能的差异，成为细胞膜的不对称性。,2.3.5 细胞膜的不对称性,39,膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布（膜外表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域）,复合糖的不对称性：糖脂和糖蛋白主要分布在细胞膜的外表面(这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关）,膜蛋白的不对称性：每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的方向性和分布的区域性（内表面多于外表面，周边蛋白多附在膜内表面，糖蛋白都分布于膜的外表面）,40,膜不对称性的生理意义:,保证了膜功能的方向性，使膜两侧具有不同的功能。,41,总结：,膜的化学组成：膜脂、膜蛋白、膜糖类。 生物膜中的膜脂主要包括三种类型：磷脂、糖脂、固醇。 膜蛋白分为整合蛋白和外周蛋白。 膜的特性 ：不对称性和流动性。,42,本章结束谢谢！,