生物膜的流动镶嵌模型解读
生物膜的流动镶嵌模型
课堂练习: 课堂练习
1．下列哪项叙述不是细胞膜的结构特点？（ ．下列哪项叙述不是细胞膜的结构特点？ A．细胞膜是选择透过性膜 ． B．细胞膜由磷脂分子和蛋白质分子构成 ． C．细胞膜的分子结构具有流动性 ． D．有些蛋白质分子可在膜的内外之间移动 ． 2．人体某些白细胞能进行变形运动、穿出小血管壁，吞噬侵入人 ．人体某些白细胞能进行变形运动、穿出小血管壁， 体内的病菌，这个过程的完成依靠细胞膜的（ 体内的病菌，这个过程的完成依靠细胞膜的（ C ）。 A．选择透过性 ． B．保护作用 ． C．流动性 ． D．自由扩散 ． 3．一位细胞学家发现，当温度升高到一定程度时，细胞膜的面积 ． 一位细胞学家发现， 当温度升高到一定程度时， 增大而厚度变小，其决定因素是细胞膜的（ 增大而厚度变小，其决定因素是细胞膜的（ A ）。 A．结构特点具有流动性 ． C．专一性 ． B．选择透过性 ． D．具有运输物质的功能 ．
磷脂分子可以在空气和水的界面上 展开为一层
想一想？ 想一想？
５）细胞膜中的磷脂分子又为什 么会排成连续的两层呢？ 么会排成连续的两层呢？
连 续 两 层 排 列
６）细胞膜中还有蛋白质，那么 细胞膜中还有蛋白质， 蛋白质又存在于什么位置呢？ 蛋白质又存在于什么位置呢？
1959年，罗伯特森利用电镜，获 年 罗伯特森利用电镜， 得了清晰的细胞膜照片，显示暗—明 暗 得了清晰的细胞膜照片，显示暗 明—暗 的三层结构。 的三层结构。
提出静止模型的观点 蛋白质—脂质 蛋白质 三层结构） 蛋白质 脂质—蛋白质（三层结构） 脂质 蛋白质（
要点：①所有膜结构都相同 要点： ②静态的结构
“蛋白质—脂质—蛋白质”三明治模型
质疑：
１）各种生物膜功能不同，应该结构也不同 各种生物膜功能不同， ２）细胞的生长、变形虫的变形运动等现象 细胞的生长、 不好解释
生物膜的流动镶嵌模型(汇报课
01
尽管已有大量实验证据支持生物 膜流动镶嵌模型，但这些证据仍 存在局限性，无法完全证明或推 翻该以及实验条件的多样性等因素 可能导致实验结果的不一致或偏 差。
新技术与新方法的出现
随着科学技术的不断发展，新的研究方法和手段不断涌现，为研究生物 膜流动镶嵌模型提供了更多可能性。
04
生物膜流动镶嵌模型的争议 与挑战
模型的理论基础
生物膜流动镶嵌模型的理论基础主要 基于对生物膜结构和功能的观察与实 验研究，但理论本身仍存在一些未解 之谜和需要进一步研究的问题。
例如，模型对于生物膜中蛋白质和脂 质的流动性、相互作用以及与膜功能 的关系等方面的解释仍不完全清晰。
实验证据的局限性
03
生物膜的功能
物质运
物质运输
生物膜的主要功能之一是控制物质进出细胞。通过膜上的转运蛋白，如通道蛋白 和载体蛋白，细胞可以选择性地吸收、释放或排除某些物质，从而维持细胞内环 境的稳定。
主动运输与被动运输
物质运输方式包括主动运输和被动运输。主动运输需要消耗能量，以将物质从低 浓度区域向高浓度区域转运；被动运输则不需要消耗能量，物质顺浓度梯度运输 。
信息传递
信号转导
生物膜在信息传递过程中发挥重要作用。膜上的受体可以识 别外部信号分子，并将信号转导至细胞内部，引发一系列生 物化学反应，最终导致细胞响应。
跨膜信号转导途径
跨膜信号转导途径包括G蛋白偶联受体介导的信号转导、受 体酪氨酸激酶介导的信号转导、离子通道受体介导的信号转 导等。这些途径参与调节细胞生长、分化、代谢等多种生理 过程。
生物膜具有一定的流动性，同时 镶嵌在脂质双分子层中的蛋白质 可以执行各种生命活动，如物质 运输、信息传递和能量转换等。
《生物流动镶嵌模型》课件
疾病。
细胞生物学研究
该模型为研究细胞膜上的物质 运输、信号转导等提供了理论
基础。
生物工程
在生物工程中，该模型用于理 解膜蛋白的构象和功能，以优 化生物反应器的设计和操作。
生物膜的结构与功能
结构
生物膜主要由脂质双分子层构成，其中镶嵌有蛋白质和糖类。脂质分 子可以自由移动，而蛋白质分子则以不同的方式固定在膜中。
光学显微镜观察
总结词
光学显微镜观察是通过观察生物膜的形态和结构，来间接推断生物膜分子运动情 况的技术。
详细描述
光学显微镜可以观察到细胞和细胞器的形态和结构，通过观察生物膜的形态变化 和细胞器的运动情况，可以间接推断出生物膜分子的运动情况。例如，通过观察 细胞膜的流动性，可以推断出膜蛋白和膜脂的流动性。
X射线晶体学与冷冻电镜技术
总结词
X射线晶体学与冷冻电镜技术是通过分析生物膜成分的晶体结构和电镜图像，来研究生物膜分子结构 和运动情况的技术。
详细描述
X射线晶体学与冷冻电镜技术的基本原理是，通过分析生物膜成分的晶体结构和电镜图像，可以获取 生物膜分子的结构和形态信息。通过比较不同状态下生物膜分子的结构和形态变化，可以推断出生物 膜分子的运动情况和相互关系。
具有重要意义。
03
生物膜的运输与功能
物质跨膜运
物质跨膜运输是指生物膜允许一些物质通过，而阻止其他物质通过的特 性。
物质跨膜运输的方式包括被动运输和主动运输。被动运输是物质顺浓度 梯度运输，不需要消耗能量；主动运输是物质逆浓度梯度运输，需要消
耗能量。
物质跨膜运输的机制包括载体介导的跨膜运输和通道介导的跨膜运输。 载体介导的跨膜运输需要载体蛋白的参与，通道介导的跨膜运输需要通 道蛋白的参与。
流动镶嵌模型
一、重要概念流动镶嵌模型——认为球形膜蛋白分子以各种镶嵌形式与脂双分子层相结合,有的附在内外表面，有的全部或部分嵌入膜中，有的贯穿膜的全层，这些大多是功能蛋白。
1.磷脂双分子层构成了生物膜的基本支架，这个支架不是静止的。
其中磷脂分子的亲水性头部朝向两侧，疏水亲脂性的尾部相对朝向内侧。
2.球形膜蛋白分子以各种镶嵌形式与磷脂双分子层相结合，有的镶在磷脂双分子层表面，有的全部或部分嵌入磷脂双分子层中，有的贯穿于整个磷脂双分子层。
这里体现了膜结构内外的不对称性。
另外，大多数膜蛋白分子是功能蛋白。
3.大多数蛋白质分子和磷脂分子都能够以进行横向扩散的形式运动，体现了膜具有一定的流动性。
4.在细胞膜的外表，有一层由细胞膜上的蛋白质与糖类结合形成的糖蛋白，叫做糖被。
它在细胞生命活动中具有重要的功能。
例如：消化道和呼吸道上皮细胞表面的糖蛋白有保护和润滑作用；糖被与细胞表面的识别有密切的关系，好比是细胞与细胞之间，或者细胞与其他大分子之间，互相联络用的文字或语言。
除糖蛋白外，细胞膜表面还有糖类和脂质分子结合成的糖脂。
二、一般概念及生物学事实1.流动性原理——构成膜的磷脂分子和蛋白质分子大多数是运动的；2.选择透过性原理——取决于膜上载体蛋白的种类和数量。
3.流动性的实例：细胞融合、变形虫变形、白细胞吞噬细菌(胞吞)、分泌蛋白的分泌(胞吐)、温度改变时膜的厚度改变、动物细胞吸水膨胀或失水皱缩等。
概念在学科中占有重要地位。
对照纲领文件，《生物课程标准》的基本理念中明确提出“倡导学生在解决实际问题的过程中深入理解生物学的核心概念”。
然而，反思教学实践和很多公开课，发现部分课堂中，概念的教学没有得到充分重视，主要有以下几种表现形式：1.课堂没有抓住核心概念进行教学，无主题、无主线；2.关于核心概念的教学策略单一。
概念教学往往重视记忆、辨别，课堂教学沦为机械的知识记忆和单调的训练；3.学生没有对概念特别是核心概念和其蕴含的思维方法充分认识时，就大量做题，这造成了学生学习的障碍。
生物膜的流动镶嵌模型
结论：细胞膜具有流动性
1972年，桑格和尼克森提出的流动镶嵌模型
二、流动镶嵌模型的基本内容
1、 磷脂双分子层 构成膜的基本支架,这 个支架不是静止的，具有 流动性 。
2、蛋白质分子有的 镶在 磷脂双分层表面， 有的 部分或全部嵌入 磷脂双分子层中，有 的 贯穿 整个磷脂分子层。 大多数蛋白质分子是可以 运动的 。
概念图
生物膜 结构特点 功能特点
③ 流动性
④选择透过性 决定
① 磷脂双分子层
②蛋白质分子
结构组成
结构探究历程
课堂反馈
1.据研究发现，胆固醇、小分子脂肪酸、维生素D等 物质较容易优先通过细胞膜，这是因为（ ） A. 细胞膜具有一定流动性 B. 细胞膜是选择透过性 C. 细胞膜的结构是以磷脂分子层为基本骨架 D. 细胞膜上镶嵌有各种蛋白质分子 2.变形虫可吞噬整个细菌，该事实说明（ ） A．细胞膜具有选择透过性 B．细胞膜失去选择透过性 C．大分子可以透过细胞膜 D．细胞膜具有一定流动性
第四章 第2节 生物膜的流动镶嵌模型
(白细胞吞噬病毒的过程)
探究
细胞膜具有流动性
1970年 人—鼠 细胞融合实验
人细胞
40分钟后 37℃
荧光 标记
诱导 融合
刚融合时一 半红一半绿
两种颜色 荧光均匀
鼠细胞
得出结论：细胞膜表面的蛋白质分子具有流动性。
磷脂分子的运动
①侧向扩散运动；②旋转运动；③摆动运动 ④伸缩震荡运动；⑤翻转运动；⑥旋转异构 化运动。
3、细胞膜的流动镶嵌模型与蛋白质—脂质— 蛋白质三层结构模型的最大的不同是( ) A、流动镶嵌模型认为细胞膜具有一定的流动性
B、蛋白质—脂质—蛋白质三层结构模型认 为细胞膜具有一定的流动性 C、流动镶嵌模型认为细胞膜具有选择性 D、蛋白质—脂质—蛋白质三层结构模型认 为细胞膜具有透过性 4.细胞膜上与细胞识别、免疫反应、信息传递 和血型决定有着密切关系的化学物质是（ ） A. 磷脂 B. 糖蛋白 C. 脂肪 D. 核酸
生物膜流动镶嵌模型
细胞膜结构的电镜照片
2、蛋白质的排布方式？
资料五： 1959 年，罗伯特森（ J.D.Robertsen ）在电镜 下看到细胞膜由“暗—亮—暗”的三层结构构 成。
一、对生物膜结构的探索历程
1、对生物膜组分的探索 2、对生物膜分子结构模型的探索 1、脂质的排布方式？ 2、蛋白质的排布方式？
资料三：
磷脂是一种由甘
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。
单层磷脂分子
双层磷脂分子
资料四：
1925 年，荷兰科学家 Gorter 和 Grendel 从细胞
膜中提取脂质，在空气——水界面上铺成单层
分子，发现面积是细胞膜的2倍。
结论：细胞膜中的脂质为连续两层
磷脂双分子层
一、对生物膜结构的探索历程
1、对生物膜组分的探索 2、对生物膜分子结构模型的探索
1、脂质的排布方式？
磷脂双分子层
2、蛋白质的排布方式？
2、蛋白质的排布方式？
资料五： 1959 年，罗伯特森（ J.D.Robertsen ）在电镜 下看到细胞膜由“暗—亮—暗”的三层结构构 成。 背景资料
人细胞 杂交细胞
细胞 融合
一段时间后
37℃ 40 min
小鼠细胞
荧光标记的小鼠细胞和 人细胞融合实验示意图
结论：
构成细胞膜的蛋白质、磷脂 等成分是可以移动的。
细胞膜具有流动性 （结构特点）
“流动镶嵌”结构模型
流动镶嵌模型 。 磷脂双分子层构成骨架；蛋白
简述生物膜结构的流动镶嵌模型
简述生物膜结构的流动镶嵌模型，
自20世纪60年代以来，生物膜结构及其流动镶嵌模型一直是物理学和生物学领域的一大挑战性课题。
该概念源于发现膜的材料构成的方式是由大量的非晶态蛋白质和其他化合物组成的具有流变性质的复杂多孔结构。
因此，大量的生物流体成分，如溶质和蛋白质，可以通过这种复杂的结构进行流体交换。
基于生物膜结构的流动镶嵌模型（FPMM）是一种物理模拟方法，旨在研究在特定条件下重要生物膜结构的物理属性及其行为。
FPMM常用于模拟生物膜组织中材料流动，研究介质的水平渗透，以及模拟其有效渗透特性。
该模型使用经典力学技术，如拉普拉斯定律、电磁力学、流变学和热力学，来研究膜的环境响应、耐受性和可控特性，研究吸收、排出和拥挤等等。
目前，FPMM主要在制药产品开发过程中发挥着重要作用，将帮助开发出新型制药、改善现有制药和改善传统护理方法。
它可用于预测普通细胞内/外环境介质的流动情况，模拟不同密度、尺寸和表面性质的蛋白质的交互作用及其演变，研究在有效吸收和低效率药物排放等方面的细胞/活性物质行为。
生物膜结构的流动镶嵌模型（FPMM）有可能改变现有膜物理学、生物物理学和药物能力研究新视角，有助于改善制药产品的安全性和有效性，以及增加人类的健康。
该模型为流动膜的定向工程提供了参考，有望在新药或护理方面取得成功。
试述生物膜流动镶嵌模型的主要内容。
试述生物膜流动镶嵌模型的主要内容。
生物膜流动镶嵌模型是一种描述生物膜中蛋白质、脂类和其他生物分子在膜中流动的模型。
该模型认为膜中的生物分子分为三类：固定分子、扩散分子和流动分子。
其中，固定分子在膜中静止不动，扩散分子由于热力学作用而在膜中随机扩散，而流动分子则沿着膜表面流动。
该模型还提出了膜中生物分子之间的相互作用机制，包括膜蛋白质之间的相互作用、蛋白质和脂类之间的相互作用以及脂类之间的相互作用。
这些相互作用机制不仅影响了生物分子在膜中的流动，还影响了生物分子在膜中的分布和功能。
生物膜流动镶嵌模型的主要内容包括：生物膜结构的基本组成、生物分子在膜中的运动规律、生物分子之间的相互作用机制以及这些相互作用机制对生物分子在膜中的运动、分布和功能的影响。
该模型对于研究生物膜中的生物分子运动、分布和功能具有重要意义，也为生物物理学领域的研究提供了一个重要的理论框架。
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“蛋白质-脂质-蛋白质”三层统一的静态模式图
蛋白质
脂质 蛋白质
单位膜模型
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12
第2节 生物膜的流动镶嵌模型
对蛋白质—脂质—蛋白质（单位膜模型）质疑：
a、各种生物膜功能难以实现； b、细胞的生长、变形虫的变形运动等现
象不好解释。
新技术带来新模型
科学家关于蛋白质 在细胞膜上存在的 三种方式的概括： 1 在膜表面 2 嵌在膜中 3 穿透膜
跨膜蛋白
外周蛋 白
嵌入蛋 白
蛋白质在膜中的分布是不对称的
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第2节 生物膜的流动镶嵌模型
时间：1970年 人物：费雷和埃迪登等 实验：将人和鼠的细胞膜蛋白质用不同荧光染料标 记后融合 结论：细胞膜具有流动性
2、磷脂分子头部向外，尾部相接构成磷脂双分子 层，是生物膜的基本支架；
3、蛋白质有的镶嵌在脂双层的表面，有的嵌插 在其内部，有的贯穿整个磷脂双分子层，表现出 分布的不对称性。
4、在细胞膜的外表，有一层由细胞膜上的蛋白 质与多糖结合形成的糖蛋白，叫做糖被。细胞膜 表面还有糖类和脂质分子结合成的糖脂。
第2节 生物膜的流动镶嵌模型
（判断细胞膜的内侧和外侧）
糖蛋白
多糖
蛋白质分子
1. 磷脂双分子层 膜的基本支架 2. 蛋白质分子
（1）分布：镶嵌 嵌入 贯穿 （2）功能：载体 3. 糖类 （1）糖蛋白（糖被）
保护 润滑 识别 免疫 血型决定 （2）糖脂
磷脂双分子层
第2节 生物膜的流动镶嵌模型
二 流动镶嵌模型的基本内容
1、生物膜主要由流动的磷脂双分子层和嵌在其中 的蛋白质组成。还有少量的多糖。
问题：这两层脂质分子是 怎样排列的呢？
一 、对生物膜结构的探索历程
（一）从生物膜成分入手的探究
磷脂是组成细胞 的主要脂质，是 一种由甘油、脂 肪酸、和磷酸等 所组成的分子。 它有一个亲水的 磷酸“头”部， 和一个疏水的脂 肪酸 “尾”部。
亲水 “头部”
疏 水 “ 尾 部 “
想一想：
磷脂分子在空气-水界面 上会怎么样铺展？
吸水
涨破
化学分析表明：膜的主要成分是 脂质 和蛋白质
第2节 生物膜的流动镶嵌模型
想一想
脂质和蛋白质是通过什么样 的排列方式参与膜的构建的？
时间：1925年
人物：荷兰科学家
将红细胞中提取的脂质，在空气——水界面上
铺展成单分子层，测得单分子层的面积恰为红
细胞表面积的2倍。
铺成单分子层后
结论：细胞膜中的脂质分子必然排列成连续两层
小鼠细胞和人细胞融合实验
实验结论: 细胞膜具有流动性
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第2节 生物膜的流动镶嵌模型
1972年，桑格和尼克森在新的观察和实 验证据的基础上，提出了流动镶嵌模型。
1. 磷脂双分子层构成了膜的基本支架,这个支架 不是静止的。
2. 磷脂双分子层是轻油般的液体,具有流动性。
3. 蛋白质分子有镶在表面、嵌入、贯穿三种， 外侧的蛋白质分子与糖类结合形成糖蛋白。
第4章 细胞的物质输入和输出
第4章 细胞的物质输入和输出
回顾与复习
脂 质（约占细胞膜总量的50%）
细胞膜为的成什分 么生蛋白物质膜（约能占细控胞膜制总量物的4质0%）进 出？生物膜的糖 10%结类） （构占细到胞膜底总量如的2何%～？
细胞膜、细胞器膜和核膜共同构成了细胞 的生物膜系统。
细胞膜和其他生物膜都是选择透过性膜。
第2节 生物膜的流动镶嵌模型
一 对生物膜结构的探索历程
时间：19世纪末（1895年） 人物：欧文顿 实验：凡是可以溶于脂质的物质比不能溶于脂质的物质 更容易通过细胞膜。 提出假说：膜是由脂质组成的。
非脂溶性物质
脂溶性物质
欧文顿推论是否正确呢？细胞膜中除含 有脂质外，还有没有其他成分呢？
时间：20世纪初
亲水的“头部”与水接 触，疏水的“尾巴”远 离水，朝向空气的一面， 在水空气界面上铺展成 单分子层。
空气
水
一 、对生物膜结构的探索历程
（一）从生物膜成分入手的探究
双层磷脂分子在细胞膜中具体是 怎样排布的呢？
水
水
水A 水
水D
水 水C
水B 水
水E
连 续 两 层 排 列
蛋白质位于细胞膜的什么位置呢？
时间：1959年 人物：罗伯特森
小结
细胞膜的结构特点：
生物膜具有流动性
细胞膜的功能特点：
生物膜具有选择透过性