第四章 细胞与细胞工程.doc

第四章 细胞与细胞工程第四章 细胞与细胞工程一 细胞的生物膜系统疑难辨析1.如何理解细胞内生物膜在结构上具有一定的连续性从生物膜的化学组成看，主要由蛋白质、脂类和少量的糖类组成，只是不同膜所含蛋白质与脂类的比例不同，不同膜的各成分结合程度不同。基本结构都由磷脂双分子层构成基本骨架。而构成膜的磷脂分子和蛋白质分子大多是可以在一定范围内运动的，不是静止、固定不变的，这种结构能经受一定程度的变形不至破裂，又可使膜中各成分按需要调整其分布。在生物膜中可以说，内质网在各种膜结构的联系中处于中心地位，即可以与核膜、细胞膜、线粒体膜直接相连，又可以借助于具膜的小泡，通过“出芽”的形式，与高尔基体间接联系。这样在活细胞内，膜的组成成分就可以实现直接或间接转化了，这些问题用同位素示踪法可以证明细胞内的生物膜在结构上具有一定的连续性。2.生物膜系统的功能(1)细胞膜又叫质膜，在细胞生活中起重要作用，因为细胞与环境发生的一切联系和反应，都必须通过质膜。其主要功能有实现物质交换。物质进出细胞通过质膜的分子运输主要有三种途径，即自由扩散、主动运输、内吞作用与外排作用。实现信号转换。如细胞间直接接触，通过与质膜结合的信号分子影响其他细胞。进行细胞识别和免疫。其中细胞识别是细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子选择性地相互作用，从而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。如人的细胞表面有一种蛋白质抗原，即人类白细胞抗原，简称HLA，是一种变化极多的糖蛋白，由于不同的人有不同的HLA分子，器官移植时，被植入的器官常被病人的免疫系统排斥。(2)除了细胞膜以外的其他生物膜，如：内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体、叶绿体等细胞器膜与细胞核的核膜构成细胞内膜系统，内膜系统主要处于基质的环境中，而基质是新陈代谢的主要场所，如：内质网为细胞内各种生化过程的进行、为细胞代谢创造了极为理想的环境，由于它是一个复杂的膜系统而将细胞质基质分隔成许多不同的小区域，使细胞内一些物质代谢能在特定的环境条件下进行。同时它在细胞内极为有限的空间内建立起大量的膜表面，利于酶的分布及各种代谢过程高效率的进行。具体地讲，内质网不仅对细胞有机械支持、物质交换和物质运输作用，而且它的重要功能还在于蛋白质的合成、分离、输出细胞方面，以及与脂类的代谢、糖类的代谢，对解毒作用等都有密切关系。3.生物膜的研究过程对质膜的研究，由于在光学显微镜下看不出，所以首先是从其生理功能进行研究的。开始是研究膜的透性，Overton曾用500多种化学物对植物细胞的透性进行过上万次的实验。得出了活的原生质体的特殊透性是由于选择的可溶性机制的结论，疏水的化合物进入细胞比亲水的化合物快，认为在细胞的表面有类脂层，并推测其中含有胆固醇、卵磷脂和脂肪油。以后的学者进行实验，对膜的结构提出了种种假说，但由于质膜太薄，在光镜下不能看到它，一般都是间接的证据。因此又有些学者对膜的存在提出了怀疑，到了1930年前后显微操作技术发展了。Plowe(1931)应用微针触及植物原生质体证明了质膜存在和膜具有保护作用。后来电子显微镜技术发展了，特别是50年代，揭示出惊人的细胞亚显微世界，不仅证明了质膜的存在，且发现了细胞内具有复杂的内膜系统。随着生化技术的发展，60年代左右已能成功地分离出具有膜的细胞器，同时能对分离出纯净的细胞膜进行了化学组分分析，并探讨其功能。从60年代以后，特别是70年代以来，一些化学与物理技术，如红外光谱、电子自旋共振、核磁共振、冰冻断裂蚀刻等新技术不断应用于膜的研究。4.生物膜及膜生物工程的应用及发展生物膜与膜生物工程是现代生物科学的重大方向之一，对阐明生物能量转换、信息识别与传递及物质转移等生命现象具有重大意义，同时在工业、农业和医学方面具有广阔的应用前景，成为继基因工程、蛋白质工程、细胞工程和发酵工程后出现的又一个重要而前景广阔的生物工程领域。通过分析，国际上有以下三个基本发展方向：(1)利用膜脂在水中相互形成磷脂双分子层的原理。人工制成平面双分子层脂膜(黑脂膜)或脂球体(球形脂双分子层的脂质体)并镶入各种功能蛋白，研究膜的结构、功能及应用，特别是利用免疫。脂质体或“隐形”脂质体包裹基因或药物，作为“导弹药物”定向导向靶细胞，在临床诊断和治疗的研究中受到广泛的注意。美国1988年已有多种脂质体制剂以治疗肿瘤及多种疾病而问世，他们称1988年为“脂质体年”。(2)利用生物膜的基本功能如选择透过性、离子转移、信息识别与感受等机理。将这些原理应用于工业生产或临床实践中。这方面的进展在1987年于日本召开的第一界国际生物膜与膜工艺代表大会中得到了充分的反映，如海水淡化、污染治理、生化工程中的分离浓缩器等。其中人工膜分离浓缩器、生物膜传感器等倍受重视。此外，利用大分子材料模拟生物膜的研究也特别活跃。(3)利用生物膜能量转换原理。研究“生物芯片”和“智能型生物计算机”系统，在这方面已开展细菌“视紫红质”光驱动光电开关原型和存储装置，细胞色素C的氧化还原状态作为记忆单元和DNA作为只读存储器的分子模型等。日本、美国政府都在大力发展这方面的研究，投入了大量人力与资金。最近国外在利用植物色素光能转换电能的脂片膜方面已取得初步进展和突破。典例剖析A.5B.6C.7D.8【解析】 此题首先明确细胞膜为单层膜，线粒体和叶绿体均为双层膜结构。因为从一细胞进入相邻细胞需通过2层细胞膜，而从线粒体中出来进一步进入叶绿体又需穿越4层生物膜，这样一共是6层生物膜。此题可变式为在同一细胞中从线粒体到叶绿体中穿越几层生物膜(4层)，还可问共穿越多少层细胞膜(2层)等，注意分析问题的题干与题设，明确生理活动的过程。【答案】 B例2体现各生物膜在结构上的联系，以“出芽”方式进行的是A.核膜和内质网膜B.细胞膜和高尔基体膜C.内质网膜和细胞膜D.细胞膜和线粒体膜【解析】 此题可从如下几方面入手分析：各种生物膜在结构上的联系哪些是直接联系，哪些是间接联系。属于直接联系的如内质网膜与核膜和细胞膜可直接相连，不需“出芽”形成的具膜小泡做中介。内质网膜与高尔基体膜之间，高尔基体膜与细胞膜之间由于不直接相连，所以它们之间需要由一种中间形式小泡来完成转变，而形成小泡需要经过“出芽”，从而体现生物膜在结构上的连续性。【答案】 B例3下列物质属于分泌蛋白的是肠肽酶抗体载体呼吸氧化酶性激素胰岛素A.B.C.D.【解析】 本题首先明确中，性激素尽管是分泌物但它是脂类而不是蛋白质。然后分析由内质网上的核糖体合成的一类分泌蛋白，经内质网、高尔基体加工后将分泌到细胞外，如上面的肠肽酶(腺细胞合成并分泌)抗体(效应B细胞产生)胰岛素(胰岛B细胞分泌)而游离于细胞质基质中的核糖体合成的蛋白质多为供细胞自身利用的，不向外分泌，如上面的载体呼吸氧化酶。【答案】 C例4生物膜本身的作用不包括A.物质运输B.信息传递C.能量交换D.蛋白质加工【解析】 生物膜包括细胞膜、核膜及各种细胞器膜。由于膜本身的化学组成、基本结构大致相同，所以作用也基本相似，即膜内外进行物质运输、能量交换、信息传递；膜面积的广阔性，为化学反应的酶提供了大量的附着位点，把细胞分隔成一个个小的区室确保生命活动高效有序等。蛋白质合成加工过程是核糖体、内质网、高尔基体等细胞器执行的功能。作为这些细胞器膜只是把合成、加工的物质以出芽形成具膜小泡的形式进行了转移，在这里是细胞器膜体现了物质运输的作用。【答案】 D例5在叶绿体中色素的提取和分离实验中，研磨过程至少要破坏_层生物膜结构才能使色素分子游离并溶入有机溶剂中，这些膜结构由外向内依次是：_。某同学在做叶绿体中色素的提取时，改用下列处理： 绿叶放在盛有清水的烧杯中静置2 h;绿叶放在盛水的烧杯中，煮沸10 min；绿叶放在研钵中研磨，然后放在盛酒精的烧杯中。烧杯中液体变绿色的有_，原因是_。【解析】 本题是一道考查细胞结构基础知识与叶绿体色素的提取实验操作的综合题目。首先叶肉细胞的叶绿体中片层结构上的色素，从细胞内到细胞外须依次通过叶绿体的内、外膜和细胞膜，共3层生物膜。通过对以上三种处