生物第三四章第一节细胞膜的成分和结构

1、第三章细胞的基本结构第三章细胞的基本结构生命科学学院生命科学学院翟中和翟中和院士获得院士获得“蔡元培奖蔡元培奖”。 “我确信哪怕是一个最简单的我确信哪怕是一个最简单的细胞，也比迄今为止设计出的细胞，也比迄今为止设计出的任何智能电脑更精巧！任何智能电脑更精巧！” 科学家用显微注射器将一种叫做伊红的物质注入科学家用显微注射器将一种叫做伊红的物质注入变形虫体内变形虫体内, ,伊红很快扩散到整个细胞伊红很快扩散到整个细胞, ,却不能逸出细却不能逸出细胞。胞。伊红为什么不会逸出细胞？伊红为什么不会逸出细胞？此实验说明了什么？此实验说明了什么？动动动动脑筋脑筋细胞作为一个完整的系统，它细胞作为一个完整的系

2、统，它有系统边界有系统边界细胞膜。细胞膜。 请从下面细胞中选出符合研究细胞膜的细胞，并说明请从下面细胞中选出符合研究细胞膜的细胞，并说明理由。理由。一、细胞膜的制备一、细胞膜的制备(P(P4040) )为什么要用为什么要用哺乳动物成熟红细胞哺乳动物成熟红细胞作材料，研究膜的组成作材料，研究膜的组成? ?1、选材： 在发育成熟过程中，哺乳动物红在发育成熟过程中，哺乳动物红细胞的核逐渐退化，并从细胞中细胞的核逐渐退化，并从细胞中排出，细胞器解体，为能携带氧排出，细胞器解体，为能携带氧的血红蛋白腾出空间。人的红细的血红蛋白腾出空间。人的红细胞只能存活天左右胞只能存活天左右哺乳动物成熟的红细胞内没有细

3、胞核和众哺乳动物成熟的红细胞内没有细胞核和众多的细胞器，选它们可以多的细胞器，选它们可以避免细胞器膜和避免细胞器膜和核膜的干扰核膜的干扰。 正常形态的红细胞正常形态的红细胞吸水后涨破的红细胞吸水后涨破的红细胞2、实验原理：、实验原理：哺乳动物成熟的红细胞哺乳动物成熟的红细胞吸水涨破吸水涨破“溶血现象溶血现象”、“血影血影”3、材料用具：、材料用具：猪的新鲜的猪的新鲜的红细胞稀释液红细胞稀释液、蒸馏蒸馏水水、 滴管、吸水纸、载玻片、盖玻片、显微镜滴管、吸水纸、载玻片、盖玻片、显微镜4、方法步骤：、方法步骤： 1）、制作临时装片）、制作临时装片 2）、显微镜下观察）、显微镜下观察 3）、滴加）、滴

4、加 蒸馏水蒸馏水并吸引（引流法）并吸引（引流法） 4）、观察细胞变化）、观察细胞变化5、现象、现象:凹陷消失凹陷消失,细胞体积增大细胞体积增大,很快细胞破裂很快细胞破裂,内容物流出内容物流出6 6、收集：如何从混合液中分离出纯度较高、收集：如何从混合液中分离出纯度较高的细胞膜？的细胞膜？ 细胞破裂后细胞内物质流出，细胞细胞破裂后细胞内物质流出，细胞膜和细胞质中的其他结构质量不一样，膜和细胞质中的其他结构质量不一样，可以采用可以采用离心离心的方法将细胞膜与其他物的方法将细胞膜与其他物质分开，得到较纯的细胞膜。质分开，得到较纯的细胞膜。1919世纪末，欧文顿（世纪末，欧文顿（E.OvertonE.

5、Overton）选用选用500多种化学物质对动物多种化学物质对动物细胞膜的通透性进行了上万次的研究。细胞膜的通透性进行了上万次的研究。发现凡是易溶于脂质的物质，发现凡是易溶于脂质的物质，也容易穿过膜，反之，不容易溶于脂质的物质，也不容易穿过膜。也容易穿过膜，反之，不容易溶于脂质的物质，也不容易穿过膜。不溶于脂质的物质不溶于脂质的物质溶于脂质的物质溶于脂质的物质细胞膜细胞膜从实验现象能推测出什么结论呢？从实验现象能推测出什么结论呢？思考与讨论思考与讨论: :最初认识到生物膜是最初认识到生物膜是由脂质组成的，是通过由脂质组成的，是通过对对实验现象的推理分析实验现象的推理分析还是通过膜还是通过膜成分

6、的提取成分的提取和鉴定？和鉴定？细胞膜的组成成分中含有脂质细胞膜的组成成分中含有脂质资料资料：科学家对细胞膜化学成分深层分析发现，细胞膜：科学家对细胞膜化学成分深层分析发现，细胞膜会被会被蛋白酶蛋白酶分解（提示：蛋白酶是生物体内普遍存在的分解（提示：蛋白酶是生物体内普遍存在的只对蛋白质分解起催化作用的物质）。你从以上实验能只对蛋白质分解起催化作用的物质）。你从以上实验能得出什么结论？得出什么结论？细胞膜的组成成分中还含有蛋白质细胞膜的组成成分中还含有蛋白质在推理分析得出结论后，还有必要对膜的成分进行提取、在推理分析得出结论后，还有必要对膜的成分进行提取、分离和鉴定吗？分离和鉴定吗？2020世纪

7、初，科学家将细胞膜从哺乳动物的红细胞世纪初，科学家将细胞膜从哺乳动物的红细胞中分离出来，化学分析膜表明：中分离出来，化学分析膜表明：二、细胞膜的成分二、细胞膜的成分(P(P4141) )：脂质脂质( (约约50%)50%)蛋白质蛋白质( (约约40%)40%)糖类糖类( (约约2%2%10%)10%)功能越复杂、代谢越功能越复杂、代谢越旺盛的细胞膜，蛋白旺盛的细胞膜，蛋白质的种类和数质的种类和数量量 。在组成细胞膜的脂质中，在组成细胞膜的脂质中，_最丰富。此外还含有最丰富。此外还含有胆固醇、糖胆固醇、糖脂脂等等 越多越多磷脂磷脂 细胞在癌变过程中，细胞膜的成分发生细胞在癌变过程中，细胞膜的成分

8、发生改变，产生改变，产生甲胎蛋白（甲胎蛋白（AFPAFP）、癌胚抗原（）、癌胚抗原（CEACEA）等物质。因此在检查癌症的验血报告单上，有等物质。因此在检查癌症的验血报告单上，有AFPAFP、CEACEA等检测项目。等检测项目。 若这些指标若这些指标超过正常值超过正常值，应做进一步的，应做进一步的检查，以确定体内是否出现了癌细胞。检查，以确定体内是否出现了癌细胞。三、 细胞膜的结构(P65)磷脂是一种由甘油、脂肪酸和磷酸所组成的分子磷脂是一种由甘油、脂肪酸和磷酸所组成的分子 ， 磷酸磷酸 “头头” ” 部是部是亲水亲水的，脂肪酸的，脂肪酸“尾尾”部是部是疏水疏水的的。( (P P6666) )

9、磷脂磷脂分子分子亲水亲水“头部头部”疏水疏水“尾部尾部”胆胆 碱碱磷磷 酸酸甘甘 油油脂肪酸脂肪酸亲亲水水“头头部部”疏水疏水“尾部尾部”19251925年年 Gorter Gorter 和和 Grendel Grendel 用用丙酮丙酮（一种有机溶剂）从一定数量的红细胞（一种有机溶剂）从一定数量的红细胞中抽提脂类，在空气中抽提脂类，在空气- -水界面上铺展成水界面上铺展成单分子层。单分子层。想一想：磷脂分子在空气想一想：磷脂分子在空气-水界面上会怎么样铺展？水界面上会怎么样铺展？结果：测得单分子层的面积恰为结果：测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的红细胞表面积的2倍倍亲水的亲水的“头部头部”

10、与水接触，疏水的与水接触，疏水的“尾巴尾巴”远离水，远离水，朝向空气的一面，在水空气界面上铺展成单分子层。朝向空气的一面，在水空气界面上铺展成单分子层。水水空气空气结论：脂质分子必然排列为结论：脂质分子必然排列为连续的两层连续的两层细胞膜的两侧都有水环境存在细胞膜的两侧都有水环境存在，同学们尝试同学们尝试着大胆的推测和想象一下在这样的环境中，着大胆的推测和想象一下在这样的环境中，磷脂分子在细胞膜中可能是怎样排布的呢？磷脂分子在细胞膜中可能是怎样排布的呢？推推测测蛋白质位于细胞膜的什么位置呢？蛋白质位于细胞膜的什么位置呢？4040年代，曾经有学者年代，曾经有学者推测推测蛋白质覆盖在脂质的两边蛋白

11、质覆盖在脂质的两边假假说说透射电子显微透射电子显微镜（镜（REMREM）资料：资料：19591959年，罗伯特森（年，罗伯特森（J. D. J. D. Robertson Robertson ）用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜电用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜电镜下的照片，显示镜下的照片，显示暗暗- -明明- -暗暗三层结构。三层结构。实验证据实验证据蛋白质的电子密度高，在电镜下显暗色；蛋白质的电子密度高，在电镜下显暗色；磷脂分子的电子密度低，显亮色。磷脂分子的电子密度低，显亮色。蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质脂质脂质单位膜模型单位膜模型罗伯特森观点：罗伯特森观点： 蛋白质分子都蛋白质分子都镶在镶在

12、磷脂双分子层的两侧，所有膜厚度相同磷脂双分子层的两侧，所有膜厚度相同 蛋白质分子和磷脂分子都是蛋白质分子和磷脂分子都是静止静止不动的不动的“三明治三明治”结构模型有什么不足？结构模型有什么不足？把生物膜描述为把生物膜描述为静态的刚性结构静态的刚性结构，这显然与膜功能的多样性，这显然与膜功能的多样性相矛盾。相矛盾。实验：实验：将人和鼠的细胞膜用不同的荧光抗体标记后，将人和鼠的细胞膜用不同的荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂交细胞的一半发红色荧光、另一半发让两种细胞融合，杂交细胞的一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分

13、布提出假说：提出假说：细胞膜具有流动性细胞膜具有流动性冰冻蚀刻电镜技术观察冰冻蚀刻电镜技术观察的蛋白质分布模型的蛋白质分布模型 标本用干冰（液氮）冰冻后用冷刀断开，升标本用干冰（液氮）冰冻后用冷刀断开，升温后暴露断裂面温后暴露断裂面小鼠肝细胞膜冰冻小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻的电镜照片蚀刻的电镜照片20世纪世纪60年代以后，科学家年代以后，科学家对对蛋白质蛋白质脂脂质质蛋白质蛋白质三层结构的补充三层结构的补充蛋白质蛋白质 、 、 在磷脂双分子层中在磷脂双分子层中镶在镶在嵌入嵌入横跨横跨镶在镶在嵌入嵌入横跨横跨新技术带来新技术带来流动镶嵌模型流动镶嵌模型在新的观察和实验证据的基础上，在新的观察和实验证据

14、的基础上，19721972年桑格年桑格(S.J.Singer)(S.J.Singer)和尼克森和尼克森(G.Nicolson)(G.Nicolson)提出了新的生物提出了新的生物膜模型膜模型流动镶嵌模型流动镶嵌模型，为多数人所接受。，为多数人所接受。1 1、1919世纪末，欧文顿提出假设：膜由世纪末，欧文顿提出假设：膜由 组成；组成；2 2、2020世纪初，化学分析得出：膜的主要成分是世纪初，化学分析得出：膜的主要成分是_ 和和 ；3 3、19251925年，荷兰科学家得出：脂质分子是年，荷兰科学家得出：脂质分子是_4 4、19591959年，罗伯特森在电镜观察下得出：年，罗伯特森在电镜观察下

15、得出：_ 的三层的三层静态结构静态结构；5 5、19701970年，用荧光标记技术证明：膜具有年，用荧光标记技术证明：膜具有 性；性；6 6、19721972年，桑格和尼克森提出：年，桑格和尼克森提出： 模型。模型。脂质脂质蛋白质蛋白质脂质脂质双层双层蛋白质脂质蛋白质脂质蛋白质蛋白质一定的流动一定的流动流动镶嵌流动镶嵌4.磷脂双分子层磷脂双分子层与大多数与大多数蛋白质分子蛋白质分子都可以都可以运动运动，具有流动性。具有流动性。糖蛋白糖蛋白3细胞膜的表面有一层由蛋白质和多糖组成的细胞膜的表面有一层由蛋白质和多糖组成的糖蛋白（糖被），糖蛋白（糖被），具有具有细胞识别、保护和润滑细胞识别、保护和润滑

16、等功能等功能。此外，膜表面还有糖类和脂质结合。此外，膜表面还有糖类和脂质结合成的成的糖脂糖脂1. 1. 以磷脂双分子层以磷脂双分子层为为基本支架基本支架；2 2蛋白质分子蛋白质分子镶在镶在、嵌入嵌入、贯穿贯穿在整个磷脂双分子层中；在整个磷脂双分子层中；流动镶嵌模型的基本内容：流动镶嵌模型的基本内容：附：磷脂（膜脂）的运动有多种形式磷脂（膜脂）的运动有多种形式：1、侧向扩散；、侧向扩散； 2、旋转运动；、旋转运动；3、摆动运动；、摆动运动；4、伸缩运动；伸缩运动；5、翻转运动；、翻转运动；6、旋转异构、旋转异构 细胞膜的结构特点是：细胞膜的结构特点是： 具有一定的流动性。具有一定的流动性。 哪些

17、实例或应用能体现细胞膜的这一特点呢？哪些实例或应用能体现细胞膜的这一特点呢？ 1.变形虫等原生动物的运动。变形虫等原生动物的运动。 2.吞噬细胞吞噬病原体的现象。吞噬细胞吞噬病原体的现象。 3.分泌蛋白的运输与分泌。分泌蛋白的运输与分泌。 4.动物细胞的融合。动物细胞的融合。 5.植物原生质体的融合。植物原生质体的融合。白细胞吞噬病毒的过程白细胞吞噬病毒的过程基本支架：基本支架：蛋白质的位置：蛋白质的位置：结构特点：结构特点：功能特性：功能特性：磷脂双分子层磷脂双分子层镶在镶在表面（外周蛋白），表面（外周蛋白），嵌入或贯穿嵌入或贯穿（内在蛋白）（内在蛋白）磷脂双分子层和蛋白质都是流动的磷脂双分

18、子层和蛋白质都是流动的（具有（具有一定的流动性一定的流动性）选择透过性选择透过性决定决定流动镶嵌模型的要点流动镶嵌模型的要点 流动镶嵌模型是目前人们普遍认同的，但它无法流动镶嵌模型是目前人们普遍认同的，但它无法完美地回答生物膜的所有功能。所以后来不断提出一完美地回答生物膜的所有功能。所以后来不断提出一些新的模型，如些新的模型，如WallachWallach于于19751975年提出年提出晶格镶嵌晶格镶嵌模型；模型；JainJain和和WhiteWhite于于19771977年提出年提出板块镶嵌板块镶嵌模型等。迄今为模型等。迄今为止，已提出的生物膜结构模型达几十种之多。止，已提出的生物膜结构模型达几十种之多。 生物膜的结构模型虽然有很多种，但被广泛接受生物膜的结构模型虽然有很多种，但被广泛接受的结构模型基本内容是趋向一致的，其要点和特点基的结构模型基本内容是趋向一致的，其要点和特点基本相同，主要包括本相同，主要包括膜的分子组成和结构特征膜的分子组成和结构特征。细胞壁细胞壁主要成分：纤维素和果胶主要成分：纤维素和果胶主要功能：支持和保护主要功能：支持和保护细菌细