第二章生物膜

第二章細胞和生物膜

celland

biologicalmembrane細胞細胞是人體最基本的結構和功能單位細胞組織器官系統(tǒng)人體大?。?-100μm女性體內最大的細胞為成熟的卵細胞，男性體內為巨噬細胞數(shù)量：人體細胞約有1014個形態(tài)：多樣（雙凹圓盤狀、細長形、扁平狀、立方體等）形狀與大小各異的細胞是生物進化的結果.大多數(shù)細胞的直徑在10-100um,較小的細胞和相對多的細胞具有相對較大的表面積.有利于接受外界信息以及與外界進行物質交換.人神經(jīng)細胞植物纖維雞卵人卵和精子變形蟲血細胞支原體1m1um10mm100mm1mm細胞的現(xiàn)狀與大小生物化學視角基本場所：新陳代謝能量轉換遺傳其它生理活動細胞的分類和結構原核細胞:進化程度低,結構比較簡單的細胞(細菌,藍藻)結構:細胞壁,細胞膜,細胞質(結構簡單,沒有細胞器,只有原始細胞核和核糖蛋白)真核細胞:外層細胞膜,植物有細胞壁,內部有細胞質(多種細胞器)大腸桿菌透射電鏡圖大腸桿菌掃描電鏡圖細胞的基本結構細胞壁細胞壁成分原核細胞:肽聚糖(D-氨基酸、胞壁酸和二氨基庚二酸)、磷壁酸、蛋白質、脂肪。

植物:纖維素細胞壁的作用:1、保護2、維持細胞形態(tài)3、多孔分子篩，阻擋某些分子進入4、為鞭毛提供支點真核細胞表層的一層薄膜,具有保護細胞物質交換,傳遞信息,能量轉化,運動和免疫的功能。細胞膜細胞膜化學成分蛋白質(60-70%)、脂類(30%-40%)、多糖。細胞膜的作用:1、維持滲透壓梯度和物質傳輸2、酶

參與物質代謝和能量代謝。復雜的生物膠體，內有細胞器和胞液。胞液:酶、激素、脂類、糖類、以及無機鹽和水。細胞核原核細胞:原始細胞核,無核膜和核仁,無固定形狀,只有一個DNA遺傳信息區(qū)域。真核細胞:核膜、核仁、染色體和核基質等,主要成分是DNA、RNA、組蛋白和有關合成酶。作用：遺傳信息存儲、復制和轉錄的功能。線粒體：含有多種酶系，生物代謝和能量轉換的重要場所。細胞核的結構和功能結構核膜核仁核液：雙層膜核孔某些大分子（核酸、蛋白質）的運輸通道勻質球形小體細胞分裂中，周期性的消失和重建與核糖體的形成有關染色質染色體（分裂間期）（分裂期）（易被堿性染料染成深色）功能遺傳物質儲存和復制的場所細胞遺傳特性和代謝活動的調控中心離子和小分子可通透核膜上有大量的酶，有利于化學反應進行染色質由DNA和蛋白質構成，與染色體是細胞中同一種物質在不同時期的兩種形態(tài)線粒體原核細胞:沒有真核細胞:線粒體是棒狀小粒。內膜半透膜，只有部分小分子可以通過，外膜，相對分子量少于10000都能通過。作用：內含多種酶系，呼吸鏈電子傳遞酶、糖類分解氧化酶，脂肪酸氧化酶、氧化磷酸化酶系等。是進行生物代謝和能量轉化最重要的場所。核糖蛋白體：核糖核酸與蛋白構成，是蛋白質生物合成的重要場所內質網(wǎng)：真核細胞中，酶，參與蛋白質、甘油酯和磷脂的合成和解毒。高爾基體：真核細胞有，細胞內物質的轉運和細胞膜更新。溶酶體：含有水解酶，細胞內代謝物質分解、清除的場所。微粒體：細胞內膜結構破裂后重新封閉起來的小囊泡。葉綠體：植物和藻細胞中。

植物和動物都是由細胞構成的。細胞就像一臺復雜而精巧的機器，各部件雖然作用不同，卻銜接得非常巧妙，保證整臺機器能靈活高效地運轉。

細胞膜、核膜、內質網(wǎng)、高爾基體、線粒體等細胞器都屬于這臺機器的部件。它們都由膜構成，而且膜的成分都相似，結構也大致相同，因而統(tǒng)稱為“生物膜”。

科學家用一種叫做伊紅（染色劑）的物質注入變形蟲體內,伊紅很快擴散到整個細胞,卻不能逸出細胞。伊紅為什么不會逸出細胞？此實驗說明了什么？細胞作為一個基本的生命系統(tǒng)，它有邊界

動動腦資料分析

－－細胞膜一、生物膜的概念所有的細胞都以一層薄膜將它的內含物與外界環(huán)境分開。另外，大多數(shù)細胞中還含有許多內膜系統(tǒng)，組成具有各種特定功能的亞細胞結構和細胞器。例如，線粒體、細胞核、內質網(wǎng)、溶酶體和葉綠體等。細胞膜以及各種細胞器的外膜通稱為生物膜。生物膜是構成細胞所有膜的總稱，包括圍在細胞質外圍的質膜和細胞器的內膜系統(tǒng)。二、生物膜的組成生物膜的組成脂質膜蛋白糖類無機鹽金屬離子水生物膜的組成，因膜的種類不同而有很大的差別。（1）脂質Lipid分類：磷脂、糖脂、膽固醇等脂質生理功能：構成生物膜最基本的結構物質機體的儲存燃料活性劑物質的溶劑潤滑劑和防寒劑

磷脂

Glycerophospholipids主要是磷酸甘油二脂。甘油中第1，2位碳原子與脂肪酸酯基相連，第3位碳原子則與磷酸酯基相連。不同的磷脂，其磷酸酯基組成也不相同。R1

CCH2

CH

R2C

CHPCH2P_XX=–H磷脂酸

X=CH2CH2N+(CH3)3X=CH2CH2NH2X=–CH2ˉ

CH–COOH

NH2磷脂酰膽堿（卵磷脂）

磷脂酰乙醇胺（腦磷脂）甘油磷脂磷脂酰絲氨酸甘油為骨架磷脂的兩親性結構極性端非極性端

甘油磷脂是兩親性分子，分子中既有親水部分又有疏水部分。磷酸化的頭部呈親水性，兩條較長的碳氫脂酰鏈為尾部，呈疏水性。磷脂的特點磷脂分子是優(yōu)良的兩親性分子。磷脂分子在水溶液中，由于水分子的作用，能夠形成雙層脂膜結構或微團結構。磷酸甘油二脂在水溶液中主要是形成雙層脂膜。磷脂的這種性質，使它具有形成生物膜（雙層脂膜）的特性。

時間：1925年

人物：荷蘭科學家Gorter和Grendel

實驗：

結論：細胞膜中的脂質分子必然排列為兩層資料

用丙酮從人紅細胞膜中提取脂質，在空氣－水界面上鋪成單層分子，測得單分子層的面積約為紅細胞表面積的2倍。兩層脂質分子又是如何排列的呢？親水頭部疏水尾部磷脂是一種由甘油，脂肪酸和磷酸所組成的分子，磷酸“頭”部是親水的，脂肪酸“尾”部是疏水的。磷脂分子兩層脂質分子是怎樣排列的呢？C、H、O、N、P組成元素：ACB由磷脂形成的雙層脂膜的示意圖在水溶液中兩性的磷脂分子為避免疏水部分接觸水分子而定向排列，形成脂雙層結構。脂雙層中，磷脂分子的疏水基團在內部而親水的頭部在表面。特點:流動性

膽固醇

Sterols膽固醇是一種類脂化合物,在生物膜中含量較多。膽固醇以中性脂的形式分布在雙層脂膜內，對生物膜中脂類的物理狀態(tài)有一定的調節(jié)作用，有利于保持膜的流動性、增加膜的穩(wěn)定性、降低水溶性物質的通透性、降低相變溫度。環(huán)戊烷多氫菲

糖脂

是糖通過半縮醛羥基以糖苷鍵與脂質連接而成的化合物。糖脂也是構成雙層脂膜的結構物質。糖脂主要分布在細胞膜外側的單分子層中。半乳糖

糖脂

動物細胞膜所含的糖脂主要是腦苷脂。結構為：半乳糖高級脂肪酸有：二十四酸、二十四烯酸和-羥二十四酸等。這些脂肪酸以酰胺鍵形式與神經(jīng)鞘氨醇中的氨基相連。細菌和植物的細胞膜中糖脂含量較多。這類糖脂結構比較復雜，主要為甘油的衍生物。細胞膜表面的糖脂是作為一種細胞表面標志物質和抗原，也是許多活性物質受體，用于細胞識別和信息傳遞。（2）膜蛋白生物膜中的蛋白質，根據(jù)它們在膜上的定位情況，可以分為外周蛋白、內在蛋白和脂錨定蛋白。膜蛋白具有重要的生物功能，是生物膜實施功能的基本場所。外周蛋白

這類蛋白約占膜蛋白的20－30%，分布于雙層脂膜的外表層主要通過靜電引力或范德華力與膜結合。外周蛋白與膜的結合比較疏松，容易從膜上分離出來。外周蛋白能溶解于水。脂錨定蛋白通過共價鍵與的方式同脂分子結合，定位與脂雙層的外側。內在蛋白

內在蛋白約占膜蛋白的70-80%，蛋白的部分或全部嵌在雙層脂膜的疏水層中。這類蛋白的特征是不溶于水，主要靠疏水鍵與膜脂相結合，而且不容易從膜中分離出來。內在蛋白與雙層脂膜疏水區(qū)接觸部分。由于沒有水分子的影響，多肽鏈內形成氫鍵趨向大大增加，因此，它們主要以-螺旋和-折疊形式存在，其中又以-螺旋更普遍。內在蛋白（3）糖類生物膜中的糖類大多與膜蛋白結合糖蛋白（信息識別）少數(shù)與膜脂結合糖脂糖類在膜上的分布非對稱的，全部分布在膜的非細胞質一側。質膜上的糖細胞內膜的糖三、生物膜的結構生物膜的流動鑲嵌模型結構要點1.膜結構的連續(xù)主體是極性的脂質雙分子層。

2.脂質雙分子層具有流動性3.內嵌蛋白“溶解”于脂質雙分子層的中心疏水部分。4.外周蛋白與脂質雙分子層的極性頭部連接。5.膜蛋白可作橫向運動。磷脂雙分子為基本支架；1972年，桑格和尼克森，提出：流動鑲嵌模型磷脂雙分子層磷脂雙分子層蛋白質分子糖蛋白蛋白質分子有的鑲嵌在磷脂雙分子層表面，有的部分或全部嵌入磷脂雙分子層，有的橫跨整個磷脂雙分子層；磷脂雙分子層與大多數(shù)蛋白質分子都可以運動，具有流動性。保護和潤滑；細胞識別；信息傳遞有關。錨定膜蛋白內嵌蛋白糖脂膽固醇磷脂

生物膜的結構生物膜是以磷脂、膽固醇和糖脂為主構成的雙層脂膜細胞融合37℃40min1970年，科學家熒光標記技術做了如下實驗：細胞膜具有流動性實驗證明：

人細胞小鼠細胞雜交細胞資料生物膜的特性流動性:細胞膜具有類似液體容易流動的物理性質

膜脂的流動性

膜蛋白的流動性流動性低:酶的活性和跨膜運輸停止流動性高:膜的溶解影響流動性因素:膽固醇、脂肪酸鏈不飽和度、脂肪酸鏈長度生物膜的特性不對稱性內外兩層的組分、結構和功能的差異。(1)膜脂的不對稱性(2)糖脂和糖蛋白的不對稱性(3)膜蛋白的不對稱性四、生物膜的功能保護功能物質轉運能量轉換信息傳遞運動免疫等

1．保護功能在細胞或細胞器中，生物膜第一個重要作用是將其內含物質與外界環(huán)境分隔開來，使之成為具有特殊功能的獨立個體。生物膜能夠保護細胞或細胞器不受或少受外界環(huán)境因素改變的影響，保持它們原有的形狀和完整結構。

2．轉運功能細胞或細胞器需要經(jīng)常與外界進行物質交換以維持其正常的功能。細胞或細胞器通過生物膜從膜外選擇性地吸收所需要的養(yǎng)料，同時也要排出不需要的物質。在各種物質跨膜轉運過程中，細胞膜起著重要的調控作用。（1）被動轉運指物質順濃度梯度，不需要消耗代謝能的穿膜運輸。簡單擴散物質從高濃度到低濃度的單純的擴散作用，不需借助載體，不消耗能量。只有小分子量的不帶電（H2O、O2、CO2、尿素、乙醇）或疏水分子以此方式過膜。協(xié)助擴散物質從高濃度到低濃度（順濃度梯度），需借助載體蛋白的物質運輸。包括親水性大分子如糖、氨基酸等的運輸。簡單擴散與協(xié)助擴散的區(qū)別協(xié)助擴散需和膜上的專一性的膜運輸?shù)鞍装l(fā)生可逆結合，在它們幫助下擴散過膜。與簡單擴散相比，協(xié)助擴散有明顯的飽和效應，即當被運輸物質濃度不斷升高時，速度出現(xiàn)一個極限值，這是由于載體蛋白的數(shù)量限制造成的。（2）主動轉運物質逆濃度梯度的穿膜運輸，需消耗代謝能，并需專一性的載體蛋白。主動轉運是在外加能量驅動下進行的物質跨膜轉運過程。主動轉運的物質，可以是離子、小分子化合物，也可以是復雜的大分子物質，如某些蛋白或酶等。這一過程一般都與ATP的釋能反應相偶聯(lián)。主動轉運的特點

膜的專一性：膜對于主動轉運的物質有專一性。載體蛋白：物質的主動轉運需要載體蛋白的參與。載體蛋白具有專一性，一種載體蛋白一般只能轉運一種或一類物質。方向性：物質可以逆濃度梯度或電化學梯度進行轉運。主動轉運過程可以被某些抑制劑抑制。主動轉運所需的能量一般由ATP提供。物質出入細胞膜的三種方式（3）膜動轉運吞噬和胞吐不能通過細胞膜的生物大分子如：蛋白質、細菌、病毒等運進運出細胞的方式。3．能量轉換光合作用：光能化學能光合磷酸化主要在葉綠體膜上進行氧化磷酸化：化學能生物能線粒體內膜（真核）；質膜（原核）4．信息傳遞生物體內的信息傳遞，例如激素的刺激、神經(jīng)傳導和遺傳信息的傳遞等，主要是在細胞膜上進行的。細胞膜上有接受不同信息的專一性受體。目前已分離的受體的化學本質均為蛋白質，主要是糖蛋白和脂蛋白。這些受體能識別和接受各種特殊信息，然后將不同的信息分別傳遞給有關的靶細胞并產(chǎn)生相應的效應以調節(jié)代謝、控制遺傳和其它生理活動。5．運動功能

許多原生動物及單細胞動物主要是通過其細胞膜表面的纖毛或鞭毛的擺動而移動。淋巴細胞的吞噬作用和某些細胞利用質膜內折疊將外源物質包圍入細胞的作用等都是靠細胞膜的運動實現(xiàn)的。6．免疫功能細胞的免疫性主要是由于細胞膜上有專一性的抗原受體，當抗原受體被抗原激活后，即產(chǎn)生相應的抗體?？贵w能夠識別及特異性地與外源性抗原（如細菌、病毒等）結合并吞噬消滅。吞噬細胞和淋巴細胞的免疫功能，是由于它們能夠識別外源物質（細菌或其它蛋白質等），并能將這些外源物質吞噬消滅。生物膜的氧化損傷與保護生物膜損傷：脂類損傷和膜蛋白損傷自由基和活性氧對生物膜的損傷。自由基：外源性化學物質在機體產(chǎn)生自由基活性氧：活潑氧自由基和具有氧自由基性質的其他含氧物質。O2-·（超氧自由基）·OH（羥基自由基）LOO·（脂類過氧化物自由基）1O2（單線態(tài)氧），H2O2生物膜的氧化損傷與保護活性氧產(chǎn)生的途徑：正常有氧代謝的副產(chǎn)物外源性物質進入，內質網(wǎng)上氧化酶對外源性物質代謝過程產(chǎn)生自由基過渡金屬離子，與H2O2作用產(chǎn)生·OH氧化酶類生物膜的氧化損傷與保護生物膜脂類過氧化：生物膜主要是由多種含有不飽和脂肪酸的脂類構成，自由基和活性氧與脂肪酸反應，生成過氧化脂類。脂類被氧化后，生物膜的流動性下降、粘度增加、膜蛋白聚合。結果就是生物膜的脆性增加，易于斷裂，影響生物膜的功能。嚴重溶酶體膜破壞，溶酶體釋放，細胞溶解、死亡引發(fā)疾病。自身免疫性疾病、腫瘤、輻射損傷、動脈粥樣硬化，衰老。生物膜的氧化損傷與保護抗氧化劑：酶類抗氧化劑：超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-PX）、過氧化氫酶等。非酶類抗氧化劑：谷胱甘肽、維生素E、維生素C、胡蘿卜素、多酚類物質、硒、鋅