《化學生物學》課件Part 6

1、2022/7/101生命基本單元2022/7/102內容第一節(jié) 細胞的分類和結構第二節(jié) 細胞膜第三節(jié) 跨膜運輸?shù)谒墓?jié) 細胞器的結構和功能第五節(jié) 細胞骨架2022/7/103原核細胞一真核細胞二病毒三第一節(jié) 細胞的分類和結構2022/7/104一、原核細胞原核細胞是一類進化程度低，結構最簡單的一類細胞，屬于原核細胞的有細菌和藍藻等。2022/7/105細菌是在自然界分布最廣、個體數(shù)量最多的有機體，是大自然物質循環(huán)的主要參與者。細菌主要由細胞壁、細胞膜、細胞質、核質體等部分構成，有的細菌還有夾膜、鞭毛、菌毛等特殊結構。絕大多數(shù)細菌的直徑大小在0.55m之間。可根據(jù)形狀分成三類，即：球菌、桿菌和螺旋

2、菌。 2022/7/1061質膜（細胞膜）2細胞核3細胞質（包含若干細胞器）二、真核細胞2022/7/107在真核細胞的核中，DNA與組蛋白等蛋白質共同組成染色體結構，在核內可看到核仁。在細胞質內膜系統(tǒng)很發(fā)達，存在著內質網(wǎng)、高爾基體、線粒體和溶酶體等細胞器，分別行使特異的功能。 2022/7/108由于結構、功能和所處的環(huán)境不同，各類細胞形態(tài)千差萬別，有圓形、橢圓形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形，甚至不定形。 紅細胞2022/7/109高等生物的細胞形狀與細胞功能和細胞間的相互關系有關。如動物體內具有收縮功能的肌肉細胞呈長條形或長梭形；紅細胞為圓盤狀，有利于O2和CO2的氣體交換。植物葉表皮

3、的保衛(wèi)細胞成半月形，2個細胞圍成一個氣孔，以利于呼吸和蒸騰。細胞離開了有機體分散存在時，形狀往往發(fā)生變化，如平滑肌細胞在體內成梭形，而在離體培養(yǎng)時則可成多角形。 2022/7/1010動物細胞植物細胞2022/7/1011 病毒（Virus）是一類非細胞形態(tài)的介于生命與非生命形式之間的物質。有以下主要特征：個體微小，可通除濾菌器，大多數(shù)必須用電鏡才能看見；僅具有一種類型的核酸，或DNA或RNA，沒有含兩種核酸的病毒；專營細胞內寄生生活；具有受體連結蛋白，與敏感細胞表面的病毒受體連結，進而感染細胞。三、病毒2022/7/1012煙草花葉病毒腺病毒流感病毒T4噬菌體2022/7/1013病毒的形成

4、不需要酶的參加，只要條件具備，核酸和蛋白質便可自我裝配（self assembly）成病毒。其裝配形式有二十面體對稱、螺旋對稱和復合對稱三種類型。 HIV病毒乙肝病毒2022/7/1014細胞膜的組成一細胞膜的結構二細胞膜的功能三第二節(jié) 細胞膜2022/7/1015細胞膜以及各種細胞器的外膜稱為生物膜。生物膜是細胞進行生命活動的重要物質基礎，細胞的能量轉換、蛋白質合成、物質運輸、信息傳遞、細胞運動等活動都與膜的作用有密切的關系。 2022/7/1016膜脂 磷脂 糖脂 膽固醇膜蛋白 整合蛋白 外周蛋白 脂錨定蛋白一、細胞膜的組成2022/7/1017磷脂是構成膜脂的基本成分，約占整個膜脂的50

5、以上。磷脂分子的主要特征：具有一個極性頭和兩個非極性的尾（脂肪酸鏈）脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，多數(shù)碳鏈由16，18或20個碳原子組成。 1. 膜脂 2022/7/1018磷脂的結構 2022/7/1019 以甘油為骨架的磷脂類，在骨架上結合兩個脂肪酸鏈和一個磷酸基團，膽堿、乙醇胺、絲氨酸或肌醇等分子籍磷酸基團連接到脂分子上。主要類型有：磷脂酰膽堿（phosphatidyl choline，PC，舊稱卵磷脂）磷脂酰絲氨酸（phosphatidyl serine，PS）磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine ，PE，舊稱腦磷脂）磷脂酰肌醇（phosphatidyl inosito

6、l，PI）等。2022/7/1020不同類型的甘油磷脂 2022/7/1021 鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在腦和神經細胞膜中特別豐富，亦稱神經醇磷脂，它是以鞘胺醇（sphingoine）為骨架，與一條脂肪酸鏈組成疏水尾部，親水頭部也含膽堿與磷酸結合。原核細胞和植物中沒有鞘磷脂。2022/7/1022糖脂是含糖而不含磷酸的脂類，普遍存在于原核和真核細胞的質膜上，其含量約占膜脂總量的5以下，在神經細胞膜上糖脂含量較高，約占5-10。糖脂也是兩性分子。由一個或多個糖殘基代替了磷脂酰膽堿而與鞘氨醇的羥基結合。 葡糖腦苷脂 2022/7/10232022/7/1024脂質體 脂質體（li

7、posome）是一種人工膜。在水中磷脂分子親水頭部插入水中，疏水尾部伸向空氣，攪動后形成雙層脂分子的球形脂質體，直徑251000nm不等。脂質體可用于轉基因，或制備的藥物，利用脂質體可以和細胞膜融合的特點，將藥物送入細胞內部。2022/7/1025親水內腔疏水壁2022/7/1026膽固醇僅存在真核細胞膜上，含量一般不超過膜脂的1/3，植物細胞膜中含量較少，其功能是提高脂雙層的力學穩(wěn)定性，調節(jié)脂雙層流動性，降低水溶性物質的通透性。如：在缺少膽固醇培養(yǎng)基中，不能合成膽固醇的突變細胞株很快發(fā)生自溶。 2022/7/1027膽固醇 2022/7/10282. 膜蛋白 膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。據(jù)估

8、計核基因組編碼的蛋白質中30%左右的為膜蛋白。根據(jù)膜蛋白與脂分子的結合方式，可分為整合蛋白（integral protein）、外周蛋白（peripheral protein）和脂錨定蛋白（lipid-anchored protein）。2022/7/1029蛋白與膜的結合方式 、整合蛋白；、脂錨定蛋白；、外周蛋白 2022/7/1030 外周蛋白靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面的蛋白質分子或脂分子的親水部分結合，因此只要改變溶液的離子強度甚至提高溫度就可以從膜上分離下來，有時很難區(qū)分整合蛋白和外周蛋白，主要是因為一個蛋白質可以由多個亞基構成，有的亞基為跨膜蛋白，有的則結合在膜的外部。2022/

9、7/1031整合蛋白可能全為跨膜蛋白（tansmembrane proteins），為兩性分子，疏水部分位于脂雙層內部，親水部分位于脂雙層外部。由于存在疏水結構域，整合蛋白與膜的結合非常緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來，如離子型去垢劑SDS，非離子型去垢劑Triton-X100。 2022/7/1032二、細胞膜的結構質膜的結構模型 2022/7/1033E. Overton 1895 發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質很容易透過植物的細胞膜，而不溶于脂肪的物質不易透過細胞膜，因此推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質組成。 水溶性物質難以通過質膜 2022/7/1034質膜的流動鑲嵌模型 流動鑲嵌模型突出了膜的

10、流動性和不對稱性，認為細胞膜由流動的脂雙層和嵌在其中的蛋白質組成。磷脂分子以疏水性尾部相對，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架，蛋白質或嵌在脂雙層表面，或嵌在其內部，或橫跨整個脂雙層，表現(xiàn)出分布的不對稱性。2022/7/10352022/7/1036質膜的流動性 側向擴散旋轉運動擺動運動伸縮震蕩翻轉運動旋轉異構2022/7/1037膜脂分子的運動1.側向擴散：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。2.旋轉運動：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進行快速旋轉。3.擺動運動：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進行左右擺動。4.伸縮震蕩：脂肪酸鏈沿著與縱軸進行伸縮震蕩運動。5.翻轉運動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉到另一層

11、。是在翻轉酶（flippase）的催化下完成。6. 旋轉異構：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉，導致異構化運動。2022/7/1038影響膜流動性的因素 1. 膽固醇：膽固醇的含量增加會降低膜的流動性。2. 脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動性增加。3.脂肪酸鏈的鏈長：長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動性降低。4.卵磷脂/鞘磷脂：該比例高則膜流動性增加，是因為鞘磷脂粘度高于卵磷脂。5.其他因素：膜蛋白和膜脂的結合方式、溫度、酸堿度、離子強度等。 2022/7/1039膜流動性的生理意義 質膜的流動性是保證其正常功能的必要條件。例如跨膜物質運輸、細胞信息傳遞、細胞識別、細胞免疫、細胞分化

12、以及激素的作用等等都與膜的流動性密切相關。當膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。 2022/7/10402. 膜的不對稱性 2022/7/1041 質膜的內外兩層的組分和功能有明顯的差異，稱為膜的不對稱性。 膜脂、膜蛋白和復合糖在膜上均呈不對稱分布，導致膜功能的不對稱性和方向性，即膜內外兩層的流動性不同，使物質傳遞有一定方向，信號的接受和傳遞也有一定方向等。2022/7/1042ES，質膜的細胞外表面PS，質膜的原生質表面EF，質膜的細胞外小頁斷裂面PF，原生質小頁斷裂面2022/7/1043膜的不對稱性Text 1Text 3Tex

13、t 4膜脂的不對稱性膜蛋白的不對稱性復合糖的不對稱性2022/7/1044脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，質膜的內外兩側分布的磷脂的含量比例也不同。PC和SM主要分布在外小頁，而PE和PS主要分布在質膜內小葉。 膜脂的不對稱性 2022/7/1045膜蛋白的不對稱性是指每種膜蛋白分子在細胞膜上都具有明確的方向性和分布的區(qū)域性。各種膜蛋白在膜上都有特定的分布區(qū)域。膜蛋白的不對稱性 2022/7/1046復合糖的不對稱性 無論在任何情況下，糖脂和糖蛋白只分布于細胞膜的外表面，這些成分可能是細胞表面受體，并且與細胞的抗原性有關。2022/7/1047三、細胞膜的功能1.為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內

14、環(huán)境；2.選擇性的物質運輸，包括代謝底物的輸入與代謝產物的排出；3.提供細胞識別位點，并完成細胞內外信息的跨膜傳遞；4.為多種酶提供結合位點，使酶促反應高效而有序地進行；5.介導細胞與細胞、細胞與基質之間的連接；6.參與形成具有不同功能的細胞表面特化結構。2022/7/1048第三節(jié) 跨膜運輸（生物轉運過程）Text 1Text 3Text 4被動運輸主動運輸膜泡運輸2022/7/1049簡單擴散 一、被動運輸 協(xié)助擴散 2022/7/1050簡單擴散也叫自由擴散（free diffusing），特點是：沿濃度梯度（或電化學梯度）擴散；不需要提供能量；沒有膜蛋白的協(xié)助。 2022/7/1051

15、脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越??；非極性分子比極性容易透過，小分子比大分子容易透過。具有極性的水分子容易透過是因水分子小，可通過由膜脂運動而產生的間隙。 不同物質透過人工脂雙層的能力 2022/7/1052也稱促進擴散（faciliatied diffusion），其運輸特點是： 比自由擴散轉運速率高； 存在最大轉運速率； 在一定限度內運輸速率同物質濃度成正比。如超過一定限度，濃度再增加，運輸也不再增加。因膜上載體蛋白的結合位點已達飽和； 有特異性，即與特定溶質結合。這類特殊的載體蛋白主要有載體蛋白和通道蛋白兩種類型。協(xié)助擴散 2022/7/1053載體蛋白 離子載體（ionopho

16、re），是疏水性的小分子，可溶于雙脂層，提高所轉運離子的通透率，多為微生物合成，是一類能與特定分子如葡萄糖、氨基酸或金屬離子等結合的蛋白質。2022/7/1054如纈氨霉素（valinomycin）能在膜的一側結合K+，順著電化學梯度通過脂雙層，在膜的另一側釋放K+，且能往返進行。2022/7/1055通道蛋白 通道蛋白（channel protein）是橫跨質膜的親水性通道，允許適當大小的離子順濃度梯度通過，故又稱離子通道。2022/7/1056如短桿菌肽A（gramicidin）是由15個疏水氨基酸構成的短肽，2分子的短桿菌肽形成一個跨膜通道，有選擇的使單價陽離子如H+、Na+、K+按化學

17、梯度通過膜，這種通道并不穩(wěn)定，不斷形成和解體。 2022/7/1057不同通道對不同離子的通透性不同，即離子選擇性(ionic selectivity)。這是由通道的結構所決定的，只允許具有特定離子半徑和電荷的離子通過。但通道的離子選擇性只是相對的而不是絕對的，比如，鈉通道除主要對Na+通透外，對NH4+也通透，甚至于對K+也稍有通透。2022/7/1058有些通道蛋白形成的通道通常處于開放狀態(tài)，如鉀泄漏通道，允許鉀離子不斷外流。有些通道蛋白平時處于關閉狀態(tài)，即“門”不是連續(xù)開放的，僅在特定刺激下才打開，而且是瞬時開放瞬時關閉，在幾毫秒的時間里，一些離子、代謝物或其他溶質順著濃度梯度自由擴散通

18、過細胞膜，這類通道蛋白又稱為門通道（gated channel）。2022/7/1059門通道配體門通道電位門通道環(huán)核苷酸門通道機械門通道2022/7/1060配體門通道 表面受體與細胞外的特定物質（配體ligand）結合，引起門通道蛋白發(fā)生構象變化，結果使“門”打開，又稱離子通道型受體。分為陽離子通道，如乙酰膽堿、谷氨酸和五羥色胺的受體，和陰離子通道，如甘氨酸和氨基丁酸的受體。 2022/7/1061N型乙酰膽堿受體是目前了解較多的一類配體門通道。Ach門通道具有具有三種狀態(tài)：開啟、關閉和失活。乙酰膽堿受體 2022/7/1062電位門通道電位門通道（voltage gated channe

19、l）是對細胞內或細胞外特異離子濃度發(fā)生變化時，或對其他刺激引起膜電位變化時，致使其構象變化，“門”打開。 2022/7/1063鉀電位門通道 2022/7/1064環(huán)核苷酸門通道 機械門通道 水通道 2022/7/1065二、主動運輸 主動運輸?shù)奶攸c是：逆濃度梯度（逆化學梯度）運輸；需要能量（由ATP直接供能）或與釋放能量的過程偶聯(lián)（協(xié)同運輸）；都有載體蛋白。2022/7/1066主動運輸所需的能量來源主要有：1.協(xié)同運輸中的離子梯度動力；2.ATP驅動的泵通過水解ATP獲得能量；3.光驅動的泵利用光能運輸物質，見于細菌。2022/7/1067鈉鉀泵 實際上就是Na+-K+ATP酶，Na+-K

20、+ATP酶通過磷酸化和去磷酸化過程發(fā)生構象的變化，導致與Na+、K+的親和力發(fā)生變化。2022/7/1068Na+-K+泵作用是：維持細胞的滲透性，保持細胞的體積；維持低Na+高K+的細胞內環(huán)境，維持細胞的靜息電位。 2022/7/1069鈣離子泵 鈣離子泵對于細胞是非常重要的，因為鈣離子通常與信號轉導有關，鈣離子濃度的變化會引起細胞內信號途徑的反應，導致一系列的生理變化。2022/7/1070質子泵 P-type V-type/F-type H沿濃度梯度運動，所釋放的能量與ATP合成耦聯(lián)起來，所以也叫ATP合酶（ATP synthase）。2022/7/1071協(xié)同運輸 小腸對葡萄糖的吸收

21、協(xié)同運輸（cotransport）是一類靠間接提供能量完成的主動運輸方式。物質跨膜運動所需要的能量來自膜兩側離子的電化學濃度梯度，而維持這種電化學勢的是鈉鉀泵或質子泵。動物細胞中常常利用膜兩側Na+濃度梯度來驅動，植物細胞和細菌常利用H+濃度梯度來驅動。2022/7/10722022/7/1073三、膜泡運輸 真核細胞通過內吞作用（endocytosis）和外排作用（exocytosis）完成大分子與顆粒性物質的跨膜運輸。在轉運過程中，質膜內陷，形成包圍細胞外物質的囊泡，因此又稱膜泡運輸。細胞的內吞和外排活動總稱為吞排作用（cytosis）。 2022/7/1074吞噬作用 胞飲作用 中性顆粒

22、白細胞和巨噬細胞具有極強的吞噬能力，以保護機體免受異物侵害。 胞飲作用存在于白細胞、腎細胞、小腸上皮細胞、肝巨噬細胞和植物細胞。 2022/7/1075外排作用 細胞內不能消化的物質和合成的分泌蛋白都是通過這種途徑排出的。 2022/7/1076受體介導內吞作用 2022/7/1077受體介導的內吞作用是一種選擇濃縮機制，既可保證細胞大量地攝入特定的大分子，同時又避免了吸入細胞外大量的液體。低密脂蛋白、運鐵蛋白、生長因子、胰島素等蛋白類激素、糖蛋白等，都是通過受體介導的內吞作用進行的。 2022/7/1078溶酶體高爾基體內質網(wǎng)細胞器葉綠體線粒體過氧化物酶體第四節(jié) 細胞器的結構與功能細胞核20

23、22/7/1079一、內質網(wǎng) 2022/7/1080內質網(wǎng)膜約占細胞總膜面積的一半，是真核細胞中最多的膜。內質網(wǎng)是內膜構成的封閉的網(wǎng)狀管道系統(tǒng)。具有高度的多型性?？煞譃榇置嫘蛢荣|網(wǎng)（rough endoplasmic reticulum，RER）和光面型內質網(wǎng)（smooth endoplasmic reticulum，SER）兩類。RER呈扁平囊狀，排列整齊，膜圍成的空間稱為ER腔（lumen），膜外有核糖體附著。SER呈分支管狀或小泡狀，無核糖體附著。2022/7/1081ER主要功能是合成蛋白質和脂類，分泌性蛋白和跨膜蛋白都是在ER中合成的。 2022/7/1082二、高爾基體 2022/

24、7/1083是由數(shù)個扁平囊泡堆在一起形成的高度有極性的細胞器。常分布于內質網(wǎng)與細胞膜之間，呈弓形或半球形。順面和反面都有一些或大或小的運輸小泡，在具有極性的細胞中，高爾基體常大量分布于分泌端的細胞質中。 2022/7/1084高爾基體的主要功能將內質網(wǎng)合成的蛋白質進行加工、分類、與包裝，然后分門別類地送到細胞特定的部位或分泌到細胞外。 2022/7/1085三、溶酶體 2022/7/1086它是單層膜圍繞、內含多種酸性水解酶類的囊泡狀細胞器，其主要功能是進行細胞內消化。根據(jù)完成其生理功能的不同階段可分為初級溶酶體（primary lysosome），次級溶酶體（secondary lysoso

25、me）和殘體（residual body）。2022/7/1087溶酶體的主要作用消化作用，是細胞內的消化器官，細胞自溶，防御以及對某些物質的利用均與溶酶體的消化作用有關。 2022/7/1088四、線粒體 線粒體由內外兩層膜封閉，包括外膜、內膜、膜間隙和基質四個功能區(qū)隔。 2022/7/1089外膜：含40%的脂類和60%的蛋白質，具有孔蛋白（porin）構成的親水通道，允許分子量為5KD以下的分子通過，1KD以下的分子可自由通過。標志酶為單胺氧化酶。 內膜：含100種以上的多肽，蛋白質和脂類的比例高于3:1。心磷脂含量高（達20%）、缺乏膽固醇，類似于細菌。通透性很低，僅允許不帶電荷的小分

26、子物質通過，大分子和離子通過內膜時需要特殊的轉運系統(tǒng)。 2022/7/1090線粒體氧化磷酸化的電子傳遞鏈位于內膜，因此從能量轉換角度來說，內膜起主要的作用。內膜的標志酶為細胞色素C氧化酶。 線粒體的主要功能是對糖、脂肪、氨基酸等能源物質的氧化，進行能量轉換。線粒體是儲能和供能的場所，在細胞生命活動中，95%的能量來自線粒體。2022/7/1091五、過氧化物酶體2022/7/1092在不同生物及不同發(fā)育階段有所不同。直徑約0.21.5um，通常為0.5um，呈圓形，橢圓形或啞呤形不等，由單層膜圍繞而成。哺乳動物中，在肝細胞和腎近曲小管細胞中分布較多，內含一至多種依賴黃素（flavin）的氧化

27、酶和過氧化氫酶（標志酶）。2022/7/1093各類氧化酶的共性是將底物氧化后，生成過氧化氫。RH2+O2R+H2O2過氧化氫酶又可以利用過氧化氫，將其它底物（如醛、醇、酚）氧化。RH2+H2O2R+2H2O此外當細胞中的H2O2過剩時，過氧化氫酶亦可催化以下反應：2H2O2 2H2O + O22022/7/1094六、葉綠體 2022/7/1095在高等植物中葉綠體象雙凸或平凸透鏡，長徑510um，短徑24um，厚23um。高等植物的葉肉細胞一般含50200個葉綠體，可占細胞質的40%，葉綠體的數(shù)目因物種細胞類型，生態(tài)環(huán)境，生理狀態(tài)而有所不同。 葉綠體由葉綠體外被（chloroplast e

28、nvelope）、類囊體（thylakoid）和基質（stroma）3部分組成。 2022/7/1096核纖層染色質核基質核被膜核仁Title細胞核2022/7/1097細胞核的主要結構包括：核被膜（nuclear envelope）、核仁（nucleolus）、核基質（nuclear matrix）、染色質（chromatin）、核纖層（nuclear lamina）等部分。 2022/7/10982022/7/1099 核被膜由內核膜、外核膜和核周隙三部分構成。核被膜上有核孔與細胞質相通。核孔是細胞核與細胞質之間物質交換的通道，一方面核的蛋白都是在細胞質中合成的，通過核孔定向輸入細胞核，另一方面細胞核中合成的各類RNA、核糖體亞單位需要通過核孔運到細胞質。 2022/7/10100染色質和染色體是同一物質在不同細胞周期中的形態(tài)表現(xiàn)。 染色質由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成，比例為1：1：（1-1.5）：0.05?？梢奃NA與組蛋白的含量比較恒定，非組蛋白的含量變化較大，RNA含量最少。2022/7/10101人體的一個細胞核中有23對染色體，每條染色體的DNA雙螺旋若伸展開，平均長為5cm，核