细胞微生物.doc

1.2 细胞的基本结构1.2.1 细胞具有膜作为屏障 原生质(Protoplasm)：被质膜包裹在细胞内的所有的生活物质，包括细胞核和细胞质。细胞质(Cell Plasma):是指细胞内除核以外的原生质, 即细胞中细胞核以外和细胞膜以内的原生质部分.原生质体(Protoplast)： 1.2.2 细胞具有遗传功能 遗传信息流 1.2.3 细胞具有核糖体(Ribosomes细胞功能的体现者是蛋白质(包括酶)，蛋白质是在核糖体上合成的。1.2.4 细胞具有自我繁殖能力细胞能够用一分为二的分裂方式进行增殖，动、植物细胞、细菌细胞都是如此。1.2.5 细胞能进行各种化学反应1.2.6 运动是细胞的又一显著特征1.2.7 细胞的其它特征 细胞的形态和大小细胞的形态(Cells Shapes) 细胞的形态与功能相适应 细胞维持体积的相对恒定 典型的原核细胞直径平均在110m之间，而真核细胞的直径平均为330m; 某些不同来源的细胞大小变化很大,如人的卵细胞直径只有0.1mm,而鸵鸟的卵细胞的直径则有5cm; 同类型细胞的体积一般是相近的,不依生物个体的大小而增大或缩小。如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同; 器官的大小主要决定于细胞的数量,与细胞的数量成正比,而与细胞的大小无关,把这种现象为“细胞体积的守恒定律”。细胞维持体积相对恒定的两个因素是: 细胞体积与细胞表面积之间的关系 某些重要分子的浓度 一些重要的分子在细胞内的拷贝数很少，当细胞体积增大时，这些分子的浓度就越来越稀释，一些重要的生化反应需要一定的浓度才能进行，所以细胞内分子浓度就成了细胞体积无限增大的一个限制因素。 1.3 细胞的分子组成 细菌和哺乳动物细胞的化学组成百分比 物质 细菌 哺乳动物 水 70 70 无机盐 1 1 混合的小分子 代谢物 3 3 蛋白质 15 18 磷脂 2 3 其它脂 2 多糖 2 2 RNA 6 100 DNA 1 2501.3.1. 小生物分子 无机物;细胞中的无机物主要是水和无机盐。 细胞中的水以两种形式存在: 游离水和结合水 水的作用机制：化学反应物和溶剂(Chemical Reactant and Solvent) 根据无机离子在细胞内的作用分为四大类:大分子的结构成分主要是C、H、N、O、P、S等；各种酶反应所需的主要离子:包括Ca2+、 Cu2+、Mg2+、K+、 Na+、 Cl-等；各种酶活性所需的基础微量元素:包括Co2+、Fe3+ 、Mn2+ 、Zn2+等；某些生物特殊需要的微量元素:如碘、铯、溴等。 无机离子的功能有: 维持细胞内外液的pH和渗透压, 以保持细胞的正常生理活动; 同蛋白质或脂类结合, 组成具有特定功能的结合蛋白; 参与细胞的生命活动, 是酶反应的辅助因子。 有机化合物:细胞内有四类有机小分子: 糖(Sugars);单纯的多糖由许多葡萄糖残基组成，在动物细胞内主 要是糖原，在植物细胞内主要是淀粉。 脂肪酸(Fatty Acids);脂肪酸是脂的主要成分，是细胞膜的组份。 核苷酸(Nucleotides) 核苷酸是组成核酸的基本单位。 氨基酸(Amino Acids) 细胞内主要有20种氨基酸，它们的差别主要是 R侧链不同，决定了氨基酸的化学性质。1.3.2 生物大分子( Biological Macromolecules) 细胞内有三种类型生物大分子: 核酸(Nucleic Acids)、蛋白质(Proteins)、多糖(Polysaccharides)。细胞内大约有3000种大分子。生物大分子的功能由构成它们的亚单位的种类和排列顺序决定。 多糖与糖蛋白 糖蛋白的功能有 参与细胞粘着，细胞信息的传递，细胞代谢的调控，发育和分化，机体的防御，以及作为机体内外表面的保护及润滑剂。 参与细胞识别:是细胞识别机理的必要组分。几乎所有动物细胞表面都有少量糖, 它的作用好比是细胞联络的文字或语言。 糖基化对蛋白质合成后的加工和运输的影响也是很大的。 蛋白质(Protein) 细胞内蛋白质的某些功能 功能 举例 功能 举例结构材料 胶原、角蛋白 激素 胰岛素、 运动 肌动蛋白、肌球蛋白 物质运输 Na+-K+泵营养储存 酪蛋白、 信号转导 乙酰胆 铁蛋白 碱受体基因调控 Lac操纵子 渗透压调节 血清白蛋白免疫作用 抗体 毒素 白喉和霍乱毒素 电子转移 细胞色素 酶(催化作用) 氧化还原酶、 连接酶等组成蛋白质的基本构件只是20种氨基酸,为什么蛋白质却具有如此广泛的功能?结构域(domain)结构域是指生物大分子中具有特异结构和独立功能的区域。1.3.3 细胞结构系统的组装 四级装配 第一级:小分子有机物的形成; 第二级:小分子有机物组装成生物大分子； 第三级:由生物大分子进一步组装成细胞的高级结构； 第四级:由生物大分子组装成具有空间结构和生物功能的细胞器。 装配模型 模板组装(template assembly)； 酶组装(enzymatic assembly)； 自我组装(self assembly)。 反应复合物的组装及其在生命活动中的作用。 如DNA转录起始复合物(primosome)、mRNA拼接复合物(splicesome)的装配。1 . 4 两种典型细胞的基本区别1.4.1 原核细胞(Prokaryotic Cells)没有明显可见的细胞核,同时也没有核膜和核仁,只有拟核，进化地位较低。原核细胞的基本特点: 遗传信息量少;内部结构简单,特别是没有分化为以膜为基础的专门结构和功能的细胞器和细胞核膜。 支原体(Mycoplasma) 是最简单的原核细胞，直径为0.10.3 m; 具有细胞质膜，但没有细胞壁; 环状双螺旋DNA，没有拟核,能指导合成750多种蛋白质; 惟一的细胞器是核糖体，每个细胞中约有8001500个; 具感染性,可在培养基上培养; 培养细胞很容易被支原体污染,污染源主要是血清。细菌(Bacteria) 细菌细胞质膜的多功能性 中膜体(mesosome) 中膜体又称间体或质膜体,每个细胞有一个或数个; 其中含有细胞色素和琥珀酸脱氢酶,为细胞提供呼吸酶; 具有类似线粒体的作用,故称为拟线粒体。1.4.2 真核细胞及其结构体系 生物膜的结构与功能 膜具有屏障功能 膜具有特殊功能位点 膜具有调控溶质转运的功能 膜具有接受和传递电信号和化学信号的功能遗传信息系统(Gene Expression System)该系统又称为颗粒纤维结构系统，该系统包括细胞核和核糖体。 细胞骨架系统(Cytoskeletal System)细胞骨架是蛋白与蛋白搭建起的网络结构,包 括细胞质骨架和细胞核骨架。 l 细胞骨架系统首要作用是维持细胞的一定形态； l 细胞内物质运输的动脉； l 细胞内基质区域化； l 帮助细胞移动或行走； 主要成分:微管、微丝和中间纤维。1.4.3 真核与原核、植物与动物细胞比较 Comparison of Some Properties of Prokaryotic and Eukaryotic Cells 功能上的共同点 结构上的共同点: 都是生命的基本结构单位； 都有细胞膜； 都能进行分裂； 都有DNA和RNA； 都能遗传。 都有核糖体 若是从进化上进行比较，你能说些什么？ 原核细胞 真核细胞 代表生物 细菌、蓝藻和支原体 原生生物、真菌、植物和动物 细胞大小 较小(1-10m) 较大(一般5100m) 细胞膜 有(多功能性) 有 核糖体 70S(由50S和30S两个 80S(由60S和40S两个大小 大小亚基组成) 亚基组成) 细胞器 极少 有细胞核、线粒体、 叶绿体,内质网,溶酶体等 细胞核 无核膜和核仁 有核膜和核仁 染色体 一个细胞只有一条 一个细胞有两条以上的染色 双链DNA, DNA不与或 DNA与蛋白质联结在一起 很少与组蛋白结合 DNA 环状，存在于细胞质 很长的线状分子，含有很多非编 码区，并被核膜所包裹。 Comparison of Some Properties of Animal and Plant Cells Organelles Animal Cells Plant CellS 细胞壁 无 有 叶绿体 无 有 液泡 无 有 溶酶体 有 无 圆球体 无 有 乙醛酸循环体 无 有 通讯连接方式 间隙连接 胞间连丝 中心体 有 无 胞质分裂方式 收缩环 细胞板1 . 5 病毒(VIRUSES)-非细胞生命 具有较强的传染性 是小于细胞的个体 病毒在活体细胞中繁殖 病毒的增殖过程 吸附(adsorption ) 穿透(penetration) 复制(replication) 成熟(maturation ) 释放(release)冠状病毒粒子的形态与结构冠状病毒粒子呈球状，形似冠状而得名。其直径为60220nm，有包膜。包膜上有23种糖蛋白。膜蛋白M (membrane protein，M) M糖蛋白横穿包膜，它共有三个结构域：一是暴露于包膜外的短N末端区；二是跨膜域，三是位于包膜内的长C末端区。M蛋白在N末端的丝氨酸或苏氨酸残基上可以产生糖基化。 M蛋白的作用是出芽和病毒包膜的形成。突起蛋白S (spike protein，S，以前称为E2), S蛋白突起具有多方面的功能，它负责结合敏感细胞受体，诱导病毒包膜和细胞膜以及细胞之间的膜融合，作为主要抗原刺激机体产生中和抗体和介导细胞免疫反应。冠状病毒基因组的结构冠状病毒基因组为(+)ssRNA，长约2731kb，在所有的RNA病毒中，冠状病毒的基因组最大。 其基因组5端有帽子结构，3端有poly(A)尾，紧接帽子结构之后是60-80个碱基的先导RNA序列和200-500个碱基的非编码区。 病毒基因组包含数目不等的ORFs(开放阅读框) ，在各个ORF之间有基因重叠区或基因间隔序列(intergenic sequence)。冠状病毒感染的病理呼吸传染(Respiratory infections) (common), including Severe Acute Respiratory Syndrome (SARS) 肠道传染(Enteric infections) (occasional mostly in infants 12 months) 神经综合症(Neurological syndromes) (rare) 细胞膜与细胞表面 Plasma Membrane and Cell Surface3.1 细胞膜结构 3.2 细胞膜的化学组成 3.3 细胞膜的分子结构和特性3.4 细胞连接 3.5 细胞外被与细胞外基质3.1 红细胞膜的结构 Red Blood Cells是结构最简单的细胞:成熟的红细胞没有细胞器；质膜是红细胞惟一的膜结构；红细胞质膜易于提纯和分离；人们对膜结构的认识，大多来自于对红细胞膜结构的研究。红细胞的基本性质成熟的红细胞呈双面凹陷的盘状，直径约为7m,厚度1.7m,表面积为145m2； 红细胞的主要功能是携带O2和运输CO2，红细胞的寿命约为120天，一生中要行走500，000米。 红细胞膜脂双层结构的研究 1925年两位荷兰科学家E.Gorter和F.Grendel根据对红细胞质膜的研究首次提出质膜的基本结构是脂双层(lipid bilayer) 。实验结果证明红细胞膜脂与表面积之比约为1.82.21。3.1.2 红细胞膜骨架问题提出的依据 行程500,000米 要多次穿过小于自身直径一半的微小通道; 要在脾脏内经受少氧、低pH值的不利条件; 又要经过心脏内瓣膜涡流冲击，但始终保持结构的完整。 红细胞“血影”（Erythrocyte Ghost） 把红细胞放入稀盐溶液中，细胞吸水膨胀，当超出膜所承受的范围，红细胞的膜会开一个小口，释放内含物，保持膜的完整性，形成 “血影”红细胞膜的主要蛋白 红细胞膜(含膜骨架部分)大约有15种主要的蛋白带:其中有三种主要的蛋白: 血影蛋白(Spectrin)、血型糖蛋白(Glycophorin)、带3蛋白(Band 3 protein)。带蛋白（Band 3 Protein） 带3蛋白约为红细胞膜蛋白的25%; Band 3 protein作为被动转运阴离子出入细胞膜的通道 H20 + CO2 H2CO3 HCO-3 + H+ Band 3 protein 由两个相同的亚基组成的二聚体; 多次跨越质膜 ; 含有少量糖 (6-8 percent of the molecules weight). 带3蛋白的功能; Glycophorin A(血型糖蛋白A)Glycophorin A 是第一个对其 膜蛋白 的氨基酸系列有所了 解的蛋白（由131个氨基酸组成）； 其它的膜上相关蛋白还有 glycophorinsB、 C、 D、 and E等, 尽管浓度较低。 Glycophorin A 跨膜仅一次。 其亲水的氨基端露在膜的外侧, 结合16个低聚糖侧链。 红细胞膜骨架蛋白 红细胞膜的外周蛋白被固定在质膜内侧 组成纤维状的膜骨架;膜骨架蛋白的主要成分包括: 血影蛋白、肌动蛋白、锚定蛋白、带4.1蛋白等，这 些都是外周蛋白。血影蛋白(Spectrin)又称收缩蛋白，有两条相似的亚基亚基（相对分子质量：220 000)，亚基(相对分子质量： 200 000)；链和链反向平行排列, 扭曲成麻花状，形成异二聚体；两个异二聚体头-头连接成200nm长的四聚体；五个或六个四聚体一起连接于短的肌动蛋白纤维和另一种蛋白质(带4.1蛋白), 形成“连接复合物”；这些血影蛋白在整个细胞膜的细胞质面下面形成韧性的网架结构。肌动蛋白和原肌球蛋白（Actin and tropomyosin ） 肌动蛋白纤维链长约35nm（结合有原肌球蛋白），在肌动蛋白纤维上有多个(一般为5个左右)与血影蛋白结合的位点,通过与血影蛋白游离端相连，参与膜骨架结构的形成；锚定蛋白（Ankyrin） 又称2.1蛋白。锚定蛋白一方面与血影蛋白相连,另一方面与跨膜的带3蛋白的细胞质区域相连,这样，锚定蛋白借助于带3蛋白将血影蛋白连接到细胞膜上，也就将骨架固定到质膜上。带4.1蛋白(Band 4.1 Protein) 由两个亚基组成的球状蛋白; 在膜骨架中的作用是通过同血影蛋白结合，促使血影蛋白同肌动蛋白结合; 4.1蛋白本身不同肌动蛋白相连，因为它没有与肌动蛋白连接的位点。内收蛋白(Adducin) 是由两个亚基组成的二聚体，形态似不规则的盘状物，高5.4nm,直径12.4nm; 内收蛋白可与肌动蛋白及血影蛋白复合体结合，并且通过ca2+和钙调蛋白的作用影响骨架蛋白的稳定性，从而影响红细胞的形态。 红细胞膜骨架组织3.2 膜的化学组成:3.2.1 膜脂;膜由多种脂组成, 这些脂均具有极行，及亲水端和疏水端. 三种主要的膜脂： 磷酸甘油酯 (Phosphoglycerides ）；鞘脂（ Sphingolipids ）； 胆固醇（Cholesterol）。main types of membrane lipids磷脂(phospholipids)动、植物细胞膜上都有磷脂,约占膜脂的50%以上；磷脂分子的亲水端是磷酸基团，称为头部；磷脂分子的疏水端是两条长短不一的烃链, 称为尾部,一般含有1424个偶数碳原子；其中一烃链常含有一个或数个双键,双键的存在造成这条不饱和链有一定角度的扭转。胆固醇(Cholesterol)胆固醇存在于真核细胞膜中：动物细胞膜胆固醇的含量较高植物细胞膜没有胆固醇酵母细胞膜中是麦角固醇胆固醇分子包括三部分: 极性的头部：羟基非极性的类固醇环结构一个非极性的碳氢尾部胆固醇较气它膜质分子小且极性较低。 鞘脂（Sphingolipids） 在膜脂中所占比例较小, 主要是一些鞘氨醇（有一个长碳链氨基醇 ）的衍生物。组成鞘脂的鞘氨醇其氨基上连有一个脂肪酸 ，称为神经酰胺。 糖脂(Glycolipid)糖脂普遍存在于原核和真核细胞膜上,含量约占膜脂的5%以下;最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂,它仅有一个半乳糖作为极性头部; 变化最多、最复杂的是神经节苷脂,它是神经原质膜具特征性的成分;研究的焦点，目前了解不多。膜脂的功能构成膜的基本骨架,去除膜脂，则使膜解体;是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执行特殊的功能;膜脂为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活性提供环境, 一般膜脂本身不参与反应(细菌的膜脂参与反应); 膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存在时才有功能。脂质体(Liposome)磷脂分子自主装配形成的球状结构。脂质体可用作生物膜的研究模型，并可作为生物大分子与药物的运载体，因此脂质体不仅是研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的极好材料，同时在基因转移药物治疗方面有着诱人的应用前景。膜脂的基本性质是两性物质, 能够自我装配成双层结构或自我封闭成球状。3.2.2 膜 蛋 白 生物膜的特定功能主要是由蛋白质完成的;膜蛋白约占膜的40%50%, 有50余种膜蛋白; 在不同细胞中膜蛋白的种类及含量有很大差异。有的含量不到25%, 有的达到75%;一般来说,功能越复杂的膜, 其上的蛋白质含量越多。膜蛋白的种类整合蛋白(Integral Proteins) 部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧的蛋白质；根据跨膜次数将跨膜蛋白分为单次跨膜、多次跨膜、多亚单位跨膜等；跨膜蛋白的跨膜区为一般为螺旋, 也有的是折叠，如孔蛋白；整合蛋白约占膜蛋白的70-80%。外周蛋白(peripheral proteins)靠在膜的两侧, 靠在整合蛋白旁边 靠在膜质旁边外周蛋白为水溶性;占膜蛋白总量的20%30%,在红细胞中占50%,如红细胞的血影蛋白和锚定蛋白都是外周蛋白。脂锚定蛋白(Lipid-anchored proteins )又称脂连接蛋白(lipid-linked proteins), 同脂的结合有两种方式：一种方式是通过一个糖分子间接同脂双层中的脂结合；一种是蛋白质直接与脂双层中的脂结合。膜蛋白的功能运输蛋白：膜蛋白中有些是运输蛋白,转运特殊的分子和离子进出细胞;酶：有些是酶，催化相关的代谢反应;连接蛋白：有些是连接蛋白,起连接作用；受体：起信号接收和传递作用。膜蛋白的研究方法用去垢剂分离小的跨膜蛋白, 是膜蛋白研究的重要手段：去垢剂(detergent)是一种一端亲水一端疏水的两性小的脂分子。当它们与膜蛋白作用时,其疏水端与膜蛋白的疏水区域相结合,极性端指向水中,形成溶于水的去垢剂-膜蛋白复合物,从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀 当去除去垢剂并加入磷脂后,可使膜蛋白复性并恢复功能。有人用这种方法研究了膜中Na+-K+-ATP酶的功能。3.2.3 膜糖（Membrane Carbohydrates） 在膜上含量较少，约占膜的2-10%。红细胞质膜 包含约 52% 的膜蛋白, 40% 脂, 8% 的膜糖。 细胞质膜上的膜糖都位于细胞质膜的外表面，内膜系统中的膜糖则面向膜的腔面。膜糖的种类自然界存在的单糖及其衍生物有200多种,但存在于膜的糖类只有其中的9种, 而在动物细胞膜上的主要是7种： D-葡萄糖（D-Glucose) D-半乳糖 (D-galactose) D-甘露糖 (D-mannose) L-岩藻糖 (L-fucose) N-乙酰半乳糖胺 (N-acetyl-D-galactosamine) N-乙酰基葡萄糖胺 (N-acetyl-glucosamine) 唾液酸 (sialic acid)。膜糖的存在方式约 90% 的膜糖与 膜蛋白连接; 其余的主要和膜脂连接；糖同氨基酸的连接主要有两种形式：N-连接：即糖链与肽链中天冬酰胺残基相连 O-连接：则是糖链与肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基相连O-连接糖链较短,约含4个糖基,而N-连接糖链一般有10个以上的糖基。膜糖的功能 细胞与环境的相互作用接触抑制信号转导蛋白质分选保护作用等。 3 . 3 脂膜的分子结构与特点3.3.1 结构模型1890s,E.Overton 发现了脂溶性物质容易透过细胞, 提出了脂肪栅的膜结构设想。1925年, 荷兰的两位科学家E.Gorter和F.Grendel根据对红细胞的研究，提出质膜的脂双层(lipid bilayer)结构。1935年, Hugh Davson和James Daniellie提出“双分子片层”或叫“三明治”模型。1954年, Danielli对上述设想进行了修改, 认为蛋白是折叠的形式与脂类极性端结合形成网状结构,并且在膜上有蛋白质形成的孔。提出片层结构模型(Lamella structure model)。单位膜模型(Unit membrane model)1959年, J.D.Robertson在电子显微镜下发现细胞膜是暗-明-暗的三层，总厚度为75，中间层为35，内外两层各为20。并推测:暗层是蛋白质,透明层是脂,这就是通用的单位膜模型。流动镶嵌模型(Fluid mosaic model)1972年被 S. Jonathan Singer and Garth Nicolson提出。在蛋白的结构和排列上不同与前面，以“镶嵌”的方式存在于膜脂内。 该学说把膜结构作为一种动态结构,认为膜能 够流动, 能部分或全部的作为运输的通道。3.3.2 膜的不对称性不对称性的研究方法:冰冻蚀刻技术(Freeze-fracture replication) 膜不对称性的表现:膜脂的不对称性（The Asymmetry of Membrane Lipids）脂双层两小叶（leaflet）中分布的各类脂的含量不同。例如在红细胞膜中：外层含鞘磷脂、磷脂酰胆碱较多；内层含磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸较多膜蛋白的分布不对称：在膜两侧分布不对称，如：红细胞的血型糖蛋白分子伸向膜内、外侧面的氨基酸残基的数目不对称。 血影蛋白分布在红细胞膜的内侧面。一般说,细胞质面的蛋白比外表面少,一些酶和受体多处于外表面,如：5-核苷酸酶、磷酸脂酶、Mg2+ -ATP酶、激素受体、生长因子受体位于外表面；腺苷酸环化酶则处于膜的内表面。膜糖的不对称所有的膜糖均朝向脂膜的外表面膜糖与膜脂的分布不对称性不对称的生物学意义膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性,保证了生命活动的高度有序性。膜不仅内外两侧的功能不同, 不同区域的功能也不相同。造成这种功能上的差异,主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持就靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。3.3.3 膜的流动性（MEMBRANE FLUIDITY）膜脂的物理状态相变温度（transition temperature）在生理条件下, 膜脂多呈拟液态（liquid-like state）。温度下降至某点, 则变为晶态（frozen crystalline gel）。一定温度下, 晶态又可熔解再变成液晶态，这种临界温度称为相变温度。相变(phase transition) 在不同温度下发生的膜脂状态的改变称为相变。不同的膜脂由于成分不同而各有其相变温度。膜脂研究方法Mouse and human cells fusion 1970年，Larry Frye和Michael Edidin 进行了鼠、人细胞融合实验，令人信服地证明膜的流动性。淋巴细胞的成帽效应 通过抗体交联膜蛋白分子聚集成斑(patching)、成帽(capping)的现象也是膜蛋白在膜平面侧向扩散的例子。膜脂的运动方式 侧向扩散(lateral diffusion)旋转(rotation)翻转(flip-flop)屈曲(flexion)膜蛋白的流动性: 随机移动定向移动:如从细胞的一端移向另一端。局部扩散：在局部旋转扩散或侧向扩散。膜流动的重要性: 酶活性 物质运输 信号转导 细胞周期 在M期, 膜的流动性最大, 而在G1期和S期,膜流动性最低； 衰老流动性的限制因素 脂肪酸链的影响 膜脂肪酸链对流动性的影响主要是不饱和程度和链的长短：组成双脂层的脂肪酸不饱和程度越高，其流动性越强。 组成双脂层的脂肪链越短，流动性越强。胆固醇的影响真核细胞中大量胆固醇是插在磷脂之间。胆固醇与脂肪链相互作用，可加强膜脂双层的稳定性，增加膜脂有序性而降低其流动性，调节膜的机械性能。在相变温度以上,它可使磷脂分子的脂酰链末端的运动减小,即限制膜的流动性。在相变温度以下,可增加脂类分子脂酰链的运动,这样可以增强膜的流动性。卵磷脂/鞘磷脂比值的影响哺乳动物膜中,卵磷脂(phosphatidycholine)和鞘磷脂(sphingomyelin)的含量约占整个膜脂的50%;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,因此卵磷脂含量高,流动性大;而鞘磷脂的脂肪酸链的饱和程度高,相变温度也高,因此,鞘磷脂的含量高,流动性低。 温度;温度会引起膜脂发生相变。影响膜蛋白移动的因素整合蛋白相互间的影响 膜骨架的影响 细胞外基质的影响相邻细胞的影响 细胞外配体、抗体、及药物大分子的影响此外，细胞外基质对整合蛋白移动的影响，膜骨架对膜蛋白流动性的影响3 . 4 物质的跨膜运输被动运输（Passive transport）：顺浓度梯度不消耗ATP根据需不需要膜蛋白的帮助,被动运输又可分为:自由扩散 帮助扩散。扩散(Diffusion)物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧移向浓度低的一侧，最终使两边的浓度达到平衡。虽然这种移动不需要消耗ATP，主要是依靠扩散物质自身的力量，但从热力学考虑，它利用的是自由能。 如果改变膜两侧的条件，如加热或加压，就有可能改变物质的流动方向，其原因是改变了自由能。 严格地说，扩散是物质从自由能高的一侧向自由能低的一侧流动。渗透(Osmosis)水分子通过半透膜从浓度低的一侧向浓度高的一侧流动水的渗透同样是从自由能高的地方向自由能低的地方移动，如果考虑到溶质的浓度，水是从溶质浓度低的地方向溶质浓度高的地方流动。如细胞的膨胀(Swell)或收缩(Shrink)质壁分离（plasmolysis)3.4.2 自由扩散及限制因素自由扩散(Free diffusion)又称简单扩散(simple diffusion)。它不要膜蛋白的帮助,也不消耗ATP,仅靠膜两侧保持一定的浓度差,通过通透发生的物质运输。限制因素脂溶性细胞质膜的通透性具有选择性。 Size ：质膜的通透性孔径不会大于0.5-1.0nm。Polarity 极性物质通常同水结合形成一个水合的外壳，这不仅增加了它们的分子体积，同时也大大降低了脂溶性。易化扩散(Facilitated diffusion)又称: 促进扩散 非脂溶性物质或亲水性物质借助细胞膜上的膜蛋白的帮助，顺电化学势梯度，不消耗ATP进入膜内的运输方式。易化扩散的特点 速度快，要比自由扩散快几个数量级；自由扩散的速率与溶质的浓度成正比，而膜蛋白促进的运输可以达到最大值；具有特异性;运输作用受抑制剂的抑制。与促进扩散有关的膜蛋白通道蛋白(Channel proteins)：目前发现的通道蛋白已有50多种，主要是离子通道(ion channels)。通道蛋白又叫闸门通道(gated channels)，是通道蛋白进行的间断开放通道。配体闸门通道（Ligand-gated channels） 电位闸门通道（Voltage-gated channels） 牵张闸门通道（Stretch-gated channels)这种通道的打开受一种力的作用，听觉毛状细胞的离子通道就是一例。声音的振动推开胁迫激活通道，允许离子进入毛状细胞，这样建立起一种电信号，并且从毛状细胞传递到听觉神经，然后传递到脑。载体蛋白(Carrier proteins)特点:特异性 载体蛋白既参与被动的物质运输，也参与主动的物质运输。离子载体(Ionophores)：由微生物产生的脂溶性抗生素。3.5 主动运输：(Active Transport)3.5.1 主动运输的特点：直接消耗化学能 能够(但不一定)逆化学梯度运输运输一定需蛋白帮助几种常见的主动运输泵 Na+-驱动的葡萄糖泵 肾和肠细胞的表面质膜Na+-H+交换泵 动物细胞的质膜Na+-K+泵 大多数动物细胞的质膜Ca2+泵(Ca2+ ATPase) 真核细胞的质膜 H+泵(H+ ATPase) 植物、真菌和某些细菌的质膜H+泵(H+ ATPase) 动物细胞的溶酶体膜、植物细胞的液泡膜细菌视紫菌素 某些细菌的质膜 主动运输的几种类型: 1.ATP驱动泵(ATP酶) 2.偶连运输(协同运输) 3.ATP以外的能源(电化学梯度)动物细胞和植物细胞主动运输的比较动物细胞质膜上有Na+-K+ ATPase，并通过对Na+、K+ 的运输建立细胞的电化学梯度； 植物细胞质膜中没有Na+-K+ ATPase，代之的是H+-ATP酶，并通过对H+的运输建立细胞的电化学梯度(细菌、真菌也是如此)；在动物细胞溶酶体膜和植物细胞的液泡膜上都有H+-ATP酶，它们作用都一样，保持这些细胞器的酸性。3.5.3 协同运输(Cotransport)协同运输：又称偶联运输。这种运输需要先建立离子学梯度(Ion gradients)，在动物细胞主要是靠Na+泵、在植物细胞则是由H+泵完成的。协同运输的方向分为：同向协同(symport)：动物细胞的葡萄糖和氨基酸就是与Na+ 同向协同运输。反向协同(antiport)：H+ 与Na+ 的反向协同。3.5.4 细菌的主动运输基团转移(group translocation)机理：是通过对被转运到细胞内的分子进行共价修饰,使其在细胞中始终维持“较低”的浓度；系统涉及几种酶和一种称为HPr的小分子蛋白质；被转移的基团是磷酸烯醇式丙酮酸的高能磷酸键上的磷酸基团；磷酸化的是被运输的物质；运输中所需要的能量则由磷酸烯醇式丙酮酸的高能磷酸键所提供。运输ATP酶(transport ATPases)(ABC超运输家族)运输ATP酶是一大类运输蛋白，该酶最早在细菌中发现。E.coli具有两层膜，运输ATP酶位于细菌的内膜。运输ATP酶运输时需要水解ATP提供能量。运输ATP酶主要参与糖、氨基酸和小肽的运输。3.6Endocytosis and Exocytosis 胞吞作用吞噬作用:胞吞物为大的颗粒性物质(微生物、细胞碎片) 形成的囊泡较大。胞饮作用: 胞吞物为溶液, 形成的囊泡较小。 胞吐作用：包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融，将物质排出细胞之外。细胞环境与互作4.1 细胞表面 4.2 细胞外基质 4.3 细胞识别 4.4 细胞连接4.1 细胞表面(Cell Surface)在结构上，包括：细胞被(cell coat) 细胞质膜 表层胞质溶胶(corticol cytosol)在功能上：保护细胞,使细胞有一个相对稳定的内环境；参与细胞内外的物质交换和能量交换；参与信号的识别和信息的传递；参与细胞运动；维护细胞的各种形态；与免疫、癌变等有十分密切关系。细胞被(Glycocalyx)组成：由细胞表面的碳水化合物形成的质膜保护层，又称为多糖包被。功能：保护作用,防止机械和化学损伤，参与细胞与环境的相互作用，参与细胞的识别表层胞质溶胶(cytosol)： 其中含有高浓度的蛋白质,其厚度在哺乳类细胞为0.1-0.2m,其中没有核糖体和线粒体, 但是有较多的微丝和微管,它们对于维持细胞的形态和运动具有重要作用。4.1.2 植 物 细 胞 壁 植物细胞壁的作用提供机械强度 保护细胞免遭机械损伤植物细胞壁是一个动态结构，能够进行很多活动:与细胞壁有关的酶能够吸收细胞外的营养，生成能够通过细胞膜进入细胞的小分子化合物。细胞壁也可以作为物质通透的障碍，在代谢和分泌过程中起重要作用。细胞壁的结构组成植物的细胞壁相当于动物细胞的细胞外基质(!)：动物细胞的细胞外基质的主要成分是蛋白质分子；植物的细胞壁主要是多糖，其中最主要的是纤维素。植物细胞壁的骨架：纤维素半纤维素(Hemicellulose) 由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体,如木糖、甘露糖、半乳糖等。 它结合在纤维素微纤维的表面, 相互连接形成复杂的表面网络。果胶由半乳糖醛酸和其衍生物组成的多聚体。 作用主要是连接相邻细胞壁，形成细胞外基质，将纤维素包埋于水合胶中。 木质素 由聚合芳香醇构成。通过形成交织网硬化细胞壁，存在于纤维素之间有抗压作用。糖蛋白最重要的一种叫“伸展蛋白”，提供结构支撑和抵御微生物的侵入。4.2 细胞外基质(Extracellular matrix)大部分动物细胞被细胞外基质所包围,由细胞外的一些物质有规律的形成的网络结构,紧贴在细胞质膜的外围.ECM 大部分均由惰性物质构成, 通常在决定细胞造型和调节细胞活性方面起重要作用。能够分泌和形成细胞外基质的主要细胞类群是成纤维细胞(fibroblast)和其他特化组织的细胞细胞外基质的组成可分为三大类蛋白聚糖(proteoglycan)：形成水溶性胶状物 结构蛋白：如胶原和弹性蛋白，它们赋予基质一定的强度和韧性。黏着蛋白(adhesive proteins)：如纤连蛋白和层粘蛋白，它们促使细胞同基质结合。4.2.1 细胞外基质的基础物质蛋白聚糖(Proteoglycan,PG)结构与功能; 蛋白与多糖的复合物被称作蛋白聚糖。一个蛋白聚糖包括一个蛋白中心分子和其上面通过共价结合的一系列多糖分子。 蛋白聚糖的功能 增加细胞表面的可塑性,提高细胞的抗压能力,对细胞起保护作用。 提高体液和滑液的黏度和润滑性 与胶原纤维连接形成网络结构，提高细胞外基质的连贯性。 还与细胞的分化、癌变有关。糖胺聚糖（Glycosaminoglycans） 每一个糖胺聚糖链 由一个重复的二糖构成。 也就是说, 形成 -A-B-A-B-A-的结构, A and B 代表两种不同的糖。 由于其糖环上结合的硫酸基团和羧基而使该GAGs 呈高度酸性。糖胺聚糖的二糖单位之一是氨基己糖(氨基葡萄糖或氨基半乳糖), 故称为糖胺聚糖。糖胺聚糖包括硫酸软骨素(chondroitin sulfate)硫酸角质素(keratan sulfate) 肝素(heparin)硫酸乙酰肝素(heparan sulfate)透明质酸(hyaluronic acid) 硫酸皮肤素(dermatan sulfate)等。 透明质酸(hyaluronic acid):细胞外基质中发现的大多数糖胺聚糖都是作为蛋白聚糖的一个成分而存在，惟一例外的是透明质酸，它在细胞外基质中也可游离存在。透明质酸在结缔组织中起强化、弹性和润滑作用,具有抗压能力。4.2.2 结构蛋白胶原(Collagen)基本特性：细胞外最重要的水不溶性纤维蛋白，构成细胞外基质的骨架。 胶原在各种动物中均有存在，具有较强的抗张力。一般一根直径为1 mm的胶原纤维可悬挂10 kg的重量而不会断裂。 胶原最初是由纤维原细胞合成，这种细胞在结缔组织、平滑肌细胞及上皮细胞均有发现。胶原的类型目前已发现十九种不同类型的胶原。每一种胶原在体内均有固定的位置，但在细胞外基质中经常可发现两种以上不同类型的胶原。 胶原的结构（Structural features） 由原胶原构成，原胶原是由三条肽链组成的纤维状蛋白，相互拧成三股螺旋状结构，长300nm，直径1.5nm。 在胶原纤维内部,有分子内和分子间的交联。分子内交联是指原胶原的三条链之间的赖氨酸残基间的交联,分子间的交联是指不同原胶原间的赖氨酸交联。这种分子间的交联,使得在胶原纤维内部形成胶原蛋白分子呈1/4平行交替排列,即一个原胶原的头部与下一个原胶原的尾部有一个小的间隙分隔。胶原的合成、装配与运输哺乳动物具有大约20种不同的胶原基 因，编码各种不同组织所需要的胶原。首先是在粗面内