《细胞生物学》教案（第5次课2学时）第三章细胞质膜[教学要求]2.1知识目标1、熟练掌握细胞膜的各个相关概念：2、掌握细胞膜的组成和结构特点，以及生物膜的特性；3、了解生物膜的结构模型,掌握其中的关键部分；2.2能力自标1、利用思维导图总结细胞质膜的成分以及功能2、利用各种实验技术和仪器设备总结红细胞骨架的研究内容2.3德育目标1、细胞质膜的发现也经历了几代科学家不断的探索发现以及电镜技术的助力，启发学生们的科学思维以及创新精神。2、通过让学生总结红细胞骨架的研究内容，培养学生养成勤于思考、善于分析问题以及决问题的能力。[教学重点]流动镶嵌模型结构要点[教学难点]细胞连接的超微结构[教学时数]2学时[主要内容]3.1细胞质膜的结构模型3.2生物膜的基本特征与功能3.3膜骨架[参考资料]翟中和．细胞生物学，第五版．北京：高等教育出版社，2020[教学内容]
《细胞生物学》教案 （第 5 次课 2 学时） 第三章细胞质膜 [教学要求] 2.1 知识目标 1、熟练掌握细胞膜的各个相关概念； 2、掌握细胞膜的组成和结构特点,以及生物膜的特性； 3、了解生物膜的结构模型,掌握其中的关键部分； 2.2 能力目标 1、利用思维导图总结细胞质膜的成分以及功能 2、利用各种实验技术和仪器设备总结红细胞骨架的研究内容 2.3 德育目标 1、细胞质膜的发现也经历了几代科学家不断的探索发现以及电镜技术的助力，启发学生们 的科学思维以及创新精神。 2、通过让学生总结红细胞骨架的研究内容，培养学生养成勤于思考、善于分析问题以及决 问题的能力。 [教学重点] 流动镶嵌模型结构要点 [教学难点] 细胞连接的超微结构 [教学时数] 2 学时 [主要内容] 3.1 细胞质膜的结构模型 3.2 生物膜的基本特征与功能 3.3 膜骨架 [参考资料] 翟中和． 细胞生物学， 第五版．北京：高等教育出版社，2020． [教学内容]
第二节细胞质膜的基本特征与功能一、膜的流动性（一）膜脂的流动膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的,脂肪酸链越短，不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动。HeatGel-likeconsistencyFluidlike consistency（鞘脂的相变温度一般高于磷脂。胆固醇起束尾和疏开的双重作用，但通常胆固醇是起到防止膜脂由液相变成固相以保证膜脂处于流动状态的作用。）相变（phasetransition）：由同一种类型磷脂合成的脂双层，可在一个凝固点上由液态转变为凝胶状态，这种物态的转变叫相变。相变温度越低，膜从液态转变为固态的速度越慢，膜的流动性越能保持。细胞膜的脂质有两种状态，液相状态和凝胶状态，两种状态之间的转换存在一个相变温度，温度会影响膜脂的流动性，例如：猪油State:liquidcrystallinephase(液相状态，分子排列有序性差，易流动）：frozencrystallinegelphase（凝胶状态，排列更加有序，流动性差）：Influential elements offluidity:①temperature(transitiontemperature，相变温度，从液相转变成固相或从固相转变为液相的温度）②phospholipidcomposition(thelengthandunsaturationofthehydrocarbontails，脂肪酸链的长度cholesterol)：脂肪酸链越短，越容易保持液相？双键越多，越容易保持液相：
1 第二节 细胞质膜的基本特征与功能 一、膜的流动性 （一）膜脂的流动 膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的,脂肪酸链越短,不饱和程度越高,膜脂的流动性 越大。膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动。 （鞘脂的相变温度一般高于磷脂。胆固醇起束尾和疏开的双重作用，但通常胆固醇是起到防止膜脂 由液相变成固相以保证膜脂处于流动状态的作用。） 相变（phase transition）:由同一种类型磷脂合成的脂双层，可在一个凝固点上由液态转变为凝胶状态， 这种物态的转变叫相变。相变温度越低，膜从液态转变为固态的速度越慢，膜的流动性越能保持。 细胞膜的脂质有两种状态，液相状态和凝胶状态，两种状态之间的转换存在一个相变温度，温度会影 响膜脂的流动性，例如：猪油 State: liquid crystalline phase(液相状态，分子排列有序性差，易流动); frozen crystalline gel phase（凝胶状态，排列更加有序，流动性差）; Influential elements of fluidity: ①temperature(transition temperature，相变温度，从液相转变成固相或从固相转变为液相的温度) ②phospholipid composition(the length and unsaturation of the hydrocarbon tails ，脂肪酸链的长度; cholesterol)：脂肪酸链越短，越容易保持液相？双键越多，越容易保持液相；
（高于相变温度时，处于液相，疏水的尾部可以自由运动：低于相变温度时，处于凝胶状态，排列更有序，分子运动受到限制）影响膜脂流动性的因素①脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。（脂肪酸链越短，则相变温度低越，容易保持液相，流动性增强）②脂肪酸链的饱和度：不饱合脂肪酸具有较低的相变温度，脂肪酸链所含双键越多越不饱和，膜流动性就越高。NyMHunsaturatedsaturated straighthydrocarbon chainshydrocarbon chainswithcis-double bonds（烃链上含双键，是不饱和的，有转角，不容易形成有序的结构；单键，是饱和的，排列紧密）例如变温动物，蛇，蛇在早晨的时候，由于外界温度低，身体是发僵硬的，很难出来活动，而恒温动物的活动在任何时候都不会受外界温度的影响。③胆固醇：在相变温度以上，限制膜的流动性：在相变温度以下，则可以增加膜的流动性。（细胞膜含有胆固醇的量可有效防止碳氢链互相凝聚，抑制由温度引起的相变，因此当胆固醇含量升高，则膜流动性升高。）2
2 （高于相变温度时，处于液相，疏水的尾部可以自由运动；低于相变温度时，处于凝胶状态，排列 更有序，分子运动受到限制） 影响膜脂流动性的因素 ①脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。（脂肪酸链越短，则相变温度低越， 容易保持液相，流动性增强 ） ②脂肪酸链的饱和度：不饱合脂肪酸具有较低的相变温度，脂肪酸链所含双键越多越不饱和，膜流 动性就越高。 （烃链上含双键，是不饱和的，有转角，不容易形成有序的结构；单键，是饱和的，排列紧密） 例如变温动物，蛇，蛇在早晨的时候，由于外界温度低，身体是发僵硬的，很难出来活动，而恒温动 物的活动在任何时候都不会受外界温度的影响。 ③胆固醇：在相变温度以上，限制膜的流动性；在相变温度以下，则可以增加膜的流动性。 （细胞膜含有胆固醇的量可有效防止碳氢链互相凝聚，抑制由温度引起的相变，因此当胆固醇含量升 高，则膜流动性升高。）
333333及及及3（胆固醇影响细胞膜的流动性：胆固醇影响磷脂分子的排列，影响膜的流动性：其浓度可使相变范围增大）（脂筱，富含胆固醇，趋向于凝胶状态；胆固醇是小分子，影响邻近磷脂分子的有序排列，增加其流动性；）（胆固醇的浓度低，分散在脂膜里；胆固醇的浓度高，聚集多，鞘磷脂排列的较紧密）④卵磷脂/鞘磷脂：卵磷脂所含的脂肪酸链的不饱和程度高，链较短，相变温度低；其比值高则流动性大。③其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。（二）膜蛋白的流动O（膜蛋白的运动A在膜上随机运动：B固定到特定位置几乎不动，可能与膜骨架系统连接，起固定作用：C沿特定方向运动：与细胞内部某些成分连接，介导其运动：D其他膜蛋白将其包围，限制其运动：E在特定区域可以动：F细胞外的组分限制它的运动）限制膜蛋白（内在蛋白）分子运动的因素温度被膜骨架(或其它膜结构)固定或限制在一定范围内运动细胞外基质限制受其它膜蛋白的限制或影响与膜脂分子的相互作用限制3
3 （胆固醇影响细胞膜的流动性；胆固醇影响磷脂分子的排列，影响膜的流动性；其浓度可使相变范围 增大） （脂筏，富含胆固醇，趋向于凝胶状态；胆固醇是小分子，影响邻近磷脂分子的有序排列，增加其流 动性；） （胆固醇的浓度低，分散在脂膜里；胆固醇的浓度高，聚集多，鞘磷脂排列的较紧密） ④卵磷脂/鞘磷脂：卵磷脂所含的脂肪酸链的不饱和程度高，链较短，相变温度低；其比值高则流动性 大。 ⑤ 其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。 （二）膜蛋白的流动 （膜蛋白的运动 A 在膜上随机运动；B 固定到特定位置几乎不动，可能与膜骨架系统连接，起固定作用；C 沿特定方 向运动；与细胞内部某些成分连接，介导其运动；D 其他膜蛋白将其包围，限制其运动；E 在特定区域可以动；F 细胞 外的组分限制它的运动） 限制膜蛋白(内在蛋白)分子运动的因素 温度 被膜骨架(或其它膜结构)固定或限制在一定范围内运动 细胞外基质限制 受其它膜蛋白的限制或影响 与膜脂分子的相互作用限制
下面举几个例子：proteinAtightjunctionapicalplasmamembraneproteinBlateralplasmamembranebasal plasmamembranebasal lamina（柱状上皮细胞，紧密连接到一起，游离端蛋白A只能在上侧附近活动，不可能到侧面或者基地面活动，因为有紧密连接部分的限制：同理蛋白B也不可能到游离端（guineapig豚鼠精子细胞；左侧一列是用的相差显微镜；右侧一列用的是荧光显微镜；标记了头部前部、后部及尾部不同区的特定蛋白：表现很强的区域性））
4 下面举几个例子： (柱状上皮细胞，紧密连接到一起，游离端蛋白 A 只能在上侧附近活动，不可能到侧面或者基地面活动，因为有紧密 连接部分的限制；同理蛋白 B 也不可能到游离端； （guinea pig 豚鼠精子细胞；左侧一列是用的相差显微镜；右侧一列用的是荧光显微镜；标记了头部 前部、后部及尾部不同区的特定蛋白；表现很强的区域性））
(A)(B)(C)(D)（四方面限制了膜蛋白的运动：膜蛋白分子之间相互作用形成大的聚合体：细胞外存在的物质可使膜上蛋白聚合：聚合的分子来源于细胞内部（细胞骨架）：相邻两个细胞之间膜上的膜蛋白之间）protebrnmombraeantibodiesPATCHINCtcnproteinXproteinX（抗体介导的成斑成帽现象：antibody-inducedpatchingandcappingofacell-surfaceproteinonawhitebloodcell））（制造相关膜蛋白的一些抗体，抗体带上荧光标记，抗体与膜上的蛋白相互作用，细胞膜上就会出现一些荧光点，膜蛋白是四处分散的，当给予足够的时间，分散状态的荧光点会慢慢聚合，在某些部位就形成一些亮斑，就是成斑现象：如果再给予足够的时间，在细胞的某一端全部聚到一起，就是成帽现象：）形象显示了膜蛋白的一种运动：5
5 （四方面限制了膜蛋白的运动：膜蛋白分子之间相互作用形成大的聚合体；细胞外存在的物质可使 膜上蛋白聚合；聚合的分子来源于细胞内部（细胞骨架）；相邻两个细胞之间膜上的膜蛋白之间） （抗体介导的成斑成帽现象：antibody-induced patching and capping of a cell-surface protein on a white blood cell））（制造相关膜蛋白的一些抗体，抗体带上荧光标记，抗体与膜上的蛋白相互作用，细胞 膜上就会出现一些荧光点，膜蛋白是四处分散的，当给予足够的时间，分散状态的荧光点会慢慢聚合， 在某些部位就形成一些亮斑，就是成斑现象；如果再给予足够的时间，在细胞的某一端全部聚到一起， 就是成帽现象；）形象显示了膜蛋白的一种运动；
AANELLFUSIONVNNCUBATH细胞融合（cellfusion）（三）、膜脂和膜蛋白运动速率的检测FluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching(FRAP，光淬灭后荧光复现（技术），荧光漂白恢复）todemonstratethelateraldiffusion（旁向扩散)ofmembranelipidsFRAP(A)BLEACHWITHASERBEAMleachedarea茶RECOVERYQ（荧光率灭恢复技术显示膜上蛋白运动的手段：首先用荧光标记膜蛋白，发出荧光：再通过强激光使细胞膜上某区域的荧光淬灭即不再发生荧光，形成一个空白区域；一定时间后这个漂白区域就会模糊，渐渐就消失了：为什么呢，就是因为膜蛋白的运动，不能发荧光的蛋白从这个区域离开，能发荧光的蛋白进入了这个区域）（在荧光漂白恢复技术中，根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂的扩散速度。脂分子与蛋白质分子及蛋白质分子之间的相互作用束缚膜蛋白的自由扩散。）6
6 细胞融合（cell fusion） （三）、膜脂和膜蛋白运动速率的检测 Fluorescence Recovery After Photobleaching(FRAP, 光淬灭后荧光复现(技术)，荧光漂白恢复) to demonstrate the lateral diffusion (旁向扩散)of membrane lipids （荧光淬灭恢复技术显示膜上蛋白运动的手段；首先用荧光标记膜蛋白，发出荧光；再通过强激光使 细胞膜上某区域的荧光淬灭即不再发生荧光，形成一个空白区域；一定时间后这个漂白区域就会模糊， 渐渐就消失了；为什么呢，就是因为膜蛋白的运动，不能发荧光的蛋白从这个区域离开，能发荧光的 蛋白进入了这个区域） （在荧光漂白恢复技术中，根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂的扩散速度。 脂分子与蛋白质分子及蛋白质分子之间的相互作用束缚膜蛋白的自由扩散。）
MouseHuman cellDMambrane②Hybridcell③Proteins beginOProteinsproteinslaboledproduced bytomixinafowcompieteywitn fuoresicentvirus-Hnducedmixodafterminutesantibodiesfusion40minules（通过细胞融合的方式，将带红色标记的鼠的一种细胞的膜蛋白与带蓝色标记的人的一种细胞的膜蛋白融合，随着时间的推移，红色区域与蓝色区域逐渐模糊，混合在一起，说明细胞膜上的膜蛋白在进行运动膜流动性的生理意义①细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。②酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。③如果没有膜的流动性，细胞外的营养物质无法进入，细胞内合成的胞外物质及细胞废物也不能运到细胞外，这样细胞就要停止新陈代谢而死亡。④膜流动性与信息传递有着极大的关系。③如果没有流动性，能量转换是不可能的。膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。二、膜的不对称性（一）细胞质膜各膜面的名称样品经电镜冷冻蚀刻技术处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为：ES，细胞外表面（extrocytoplasmicsurface）；PS，原生质表面（protoplasmicsurface）：EF，细胞外小页断面（extrocytoplasmicface）：PF，原生质小页断面（protoplasmicface）ESEFPFPS一
7 （通过细胞融合的方式，将带红色标记的鼠的一种细胞的膜蛋白与带蓝色标记的人的一种细胞的膜蛋 白融合，随着时间的推移，红色区域与蓝色区域逐渐模糊，混合在一起，说明细胞膜上的膜蛋白在进 行运动 膜流动性的生理意义 ① 细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。 ② 酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。 ③ 如果没有膜的流动性，细胞外的营养物质无法进入，细胞内合成的胞外物质及细胞废物也不能运 到细胞外，这样细胞就要停止新陈代谢而死亡。 ④ 膜流动性与信息传递有着极大的关系。 ⑤ 如果没有流动性，能量转换是不可能的。 ⑥ 膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。 二、膜的不对称性 （一）细胞质膜各膜面的名称 样品经电镜冷冻蚀刻技术处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为： ES ， 细胞外表面（ extrocytoplasmic surface）； PS，原生质表面（protoplasmic surface）； EF，细胞外小页断面（extrocytoplasmic face） ； PF，原生质小页断面（protoplasmic face）
SSS线粒体囊泡高尔基体胞内细胞核内质网溶酶体胞外细胞膜系统拓扑学结构的示意图（图中显示：细胞的膜系统在膜泡出芽、融合及转运过程中，其拓扑学结构保持不变）（二）膜脂的不对称性是指膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。糖脂的分布表现出完全不对称性。膜脂双层结构在组成成分上的不对称性，体现在两个方面：①膜的两个单层所含磷脂种类有极大不同如磷脂中的磷脂酰胆碱和鞘磷脂多分布于膜的外层，而磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇多分布于膜的内层，由于磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸带负电，导致细胞膜内带负电。②糖脂全部分布于膜的非胞质单层中，其糖基位于质膜的外侧或内膜腔面，可能与一些膜蛋白结合，保持膜蛋白的定位。Exoplasmic25SMPCPSPEPICIpi aeiaa eo %O25Cytosolic（6种磷脂分子，在质膜外和质膜内分布不对称）（同一种膜脂在脂双层中的分布不同糖脂仅存在于质膜的外小叶中及内膜的ES面（内面））SM：鞘磷脂；PC：卵磷脂；PS：磷脂酰丝氨酸；PE：磷脂酰乙醇胺；PI：磷脂酰肌醇；CI：胆固醇8
8 细胞膜系统拓扑学结构的示意图 （图中显示：细胞的膜系统在膜泡出芽、融合及转运过程中，其拓扑学结构保持不变） （二）膜脂的不对称性 是指膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。糖脂的分布表现出完全不对称性。 膜脂双层结构在组成成分上的不对称性，体现在两个方面：①膜的两个单层所含磷脂种类有极大不同 如磷脂中的磷脂酰胆碱和鞘磷脂多分布于膜的外层，而磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇多 分布于膜的内层，由于磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸带负电，导致细胞膜内带负电。②糖脂全部分布 于膜的非胞质单层中，其糖基位于质膜的外侧或内膜腔面，可能与一些膜蛋白结合，保持膜蛋白的定 位。 （6 种磷脂分子，在质膜外和质膜内分布不对称）（同一种膜脂在脂双层中的分布不同 糖脂仅存在于质膜的外小叶中及内膜的 ES 面（内面）） SM：鞘磷脂； PC：卵磷脂； PS：磷脂酰丝氨酸； PE：磷脂酰乙醇胺； PI：磷脂酰肌醇； CI：胆固醇
细胞外:PS:SM:PC:PE:PI:CI磷脂在人红细胞质膜上分布的示意图（在外小叶中多者：SM：鞘磷脂PC：卵磷脂在内小叶中多者：PE：脑磷脂PS：磷脂酰丝氨酸PI：磷脂酰肌醇无偏重者：CI：胆固醇）EXTRACELLULARSPACE010000000CYTOSOL（靠近细胞质的面包括与氨基酸基团有关的，例如PS磷脂酰丝氨酸，此面能够提供一些脂锚定蛋白例如PKC(蛋白激酶C可以连接在PS上：PI磷脂酰肌醇可以通过PI3K进入信号传导途径中去：）（三）膜蛋白的不对称性膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性。各种生物膜的特征及其生物学功能主要由膜蛋白来决定的。①跨膜膜蛋白跨越脂双层有一定方向，不同的跨膜蛋白其跨膜的方向不一定相同：②酶作用于膜时，结合于膜的一侧：③细胞骨架蛋白结合于胞质侧：④糖蛋白不对称性体现在糖基位于膜的非胞质侧，在细胞质侧无低聚糖。（标记的膜蛋白上连接的糖链主要在胞外，胞内的较少）三、膜的不均一性细胞膜上每一个区域在结构上是不同的，可能还执行不同的功能，例如脂筱模型其结构与功能与其他部分不同：还可能形成其他结构域例如：上皮细胞上形成的微绒毛，细胞与细胞之间形成的连接，coatedpits（内陷小窝）：这些特定的结构域可能执行特定的功能，例如营养的吸收，细胞间的通信，endocytosis（细胞内吞作用）：
9 磷脂在人红细胞质膜上分布的示意图（在外小叶中多者：SM：鞘磷脂 PC ： 卵磷脂在内 小叶中多者：PE ：脑磷脂 PS ： 磷脂酰丝氨酸 PI ：磷脂酰肌醇 无偏重者：CI ：胆固醇） （靠近细胞质的面包括与氨基酸基团有关的，例如 PS 磷脂酰丝氨酸，此面能够提供一些脂锚定蛋白例如 PKC(蛋白激 酶 C 可以连接在 PS 上；PI 磷脂酰肌醇可以通过 PI3K 进入信号传导途径中去；) （三）膜蛋白的不对称性 膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性。 各种生物膜的特征及其生物学功能主要由膜蛋白来决定的。 ①跨膜膜蛋白跨越脂双层有一定方向，不同的跨膜蛋白其跨膜的方向不一定相同；②酶作用于膜时， 结合于膜的一侧；③细胞骨架蛋白结合于胞质侧；④糖蛋白不对称性体现在糖基位于膜的非胞质侧， 在细胞质侧无低聚糖。 （标记的膜蛋白上连接的糖链主要在胞外，胞内的较少） 三、膜的不均一性 细胞膜上每一个区域在结构上是不同的，可能还执行不同的功能，例如脂筏模型其结构与功能与其 他部分不同；还可能形成其他结构域例如：上皮细胞上形成的微绒毛，细胞与细胞之间形成的连 接，coated pits(内陷小窝)；这些特定的结构域可能执行特定的功能，例如营养的吸收，细胞间的 通信，endocytosis(细胞内吞作用)；