第2章 细胞和生物膜

第2章细胞与生物膜 Cellandbiomembrane 是构成有机体的基本单位 具有自我复制的能力 是有机体生长发育的基础 是代谢与功能的基本单位 具有完整的代谢和调节体系 不同的细胞执行不同的功能 是遗传的基本单位 具有发育的全能性 细胞是生物体的基本结构单元 RobertHookeandhis cells RobertHooke smicroscope Micrographia Micrographia 内容提要 2 1细胞的分类 结构及功能2 2生物膜的组成与结构2 3生物膜的功能 2 1细胞的分类 结构及功能 细胞分类真核细胞 具有核被膜和核仁原核细胞 核区 没有核膜古细菌 既不同于原核细胞也不同于真核细胞 属于生命的第三种形式 无核膜及内膜系统 以甲硫氨酸起始蛋白质合成 核糖体对氯霉素不敏感 RNA聚合酶和真核细胞的相似 具有内含子和组蛋白 生活在极端环境中 如 产甲烷菌 极端嗜盐菌 极端嗜热菌 原核细胞 原核细胞没有核膜 DNA为裸露的环状分子 通常没有结合蛋白 没有恒定的内膜系统 核糖体为70s型 通常称为细菌 bacterium 细菌的基本结构 分布最广 数量最多 分为 球菌 杆菌和螺旋菌 弧形菌 直径0 5 5 m之间 大肠杆菌 蓝藻 又称蓝细菌 光合作用类似于高等植物 不同于光合细菌 没有叶绿体 但有质膜内陷形成的捕光装置 DNA分子环状 遗传信息可与高等植物相比 体积大 直径10 m左右 颤藻可达70 m 属单细胞生物 有些以丝状细胞群体存在 如 发菜 真核细胞 从形态学分为三部分 质膜 plasmamembrane 细胞核 nucleus 具有核被膜和核仁 核仁是形成核糖体的结构域 domain 呈小球状细胞质 cytoplasm 包括细胞器和细胞质基质 cytoplasmicmatrix 胞质溶胶 cytosol Animalcell Plantcell 细胞膜 保护细胞 物质交换 传递信息 能量转换 运动和免疫等 细胞质基质 维持细胞内相对稳定的离子环境 完成重要的代谢过程 如 蛋白质合成 核苷酸合成 脂肪酸合成 糖酵解 磷酸戊糖途径 糖原代谢 信号转导 供给细胞器行使其功能所需要的底物 控制基因的表达 参与细胞的分化 蛋白质的合成 加工 运输和选择性降解 主要成分 DNA RNA和有关的合成酶功能 遗传信息的存储 复制和转录 细胞核 细胞器 细胞器 organelle 细胞内特定的功能结构域 有两类 一类是膜围成的 构成内膜系统 另一类细胞器是没有膜包围的 主要细胞器有 内质网 高尔基体 溶酶体 内涵体 线粒体 叶绿体 过氧物酶体 细胞骨架 中心体 核糖体 线粒体 三羧酸循环 生物氧化 氧化磷酸化等生物化学反应的场所 内质网 核糖体 粗面内质网 膜上散布着核糖体 蛋白质在结合内质网上的核蛋白体中合成之后 可通过膜进入膜内的空间 有些暂时贮存在细胞内 有些则最后输送到细胞外滑面内质网 在代谢和解毒上有重要作用代谢 脂类合成 甘油脂 磷脂 解毒 P450酶 高尔基体 聚集 浓缩和储存蛋白质的作用 溶酶体 由膜包裹的球状小泡内含许多不同的酶 它们能水解消化细胞中不再需要的蛋白质 多糖和脂 由于这些酶对细胞的其他部分有损害 所以它们被隔离在溶酶体中 叶绿体 存在于藻类和绿色植物的细胞中光合作用的场所 2 2生物膜的组成与结构 质膜 plasmamembrane 又称细胞膜 内膜 形成各种细胞器的膜 生物膜 biomembrane 质膜和内膜的总称 细胞外被 也叫糖萼 由质膜表面寡糖链形成 膜骨架 质膜下起支撑作用的网络结构 细胞外被 质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面 概念 2 2 1生物膜的组成 主要由脂质和膜蛋白组成 另外还有少量糖 以糖脂和糖蛋白存在 膜脂是膜的基本骨架 膜蛋白是膜功能的主要体现者 膜脂主要包括磷脂 胆固醇和糖脂三类 磷脂 约占膜脂的50 以上 主要特征 一个极性头 两个非极性尾 脂肪酸链 脂肪酸碳链为偶数 16 18或20个碳原子常含有不饱和脂肪酸 如油酸 Phospholipids 甘油磷脂 脑磷脂 磷脂酰丝氨酸 磷脂酰肌醇 卵磷脂 鞘磷脂 以鞘胺醇 sphingosine 为骨架 脑和神经细胞膜中特别丰富 原核和植物细胞膜中不含 糖脂 约占5 以下 神经细胞膜含量高 约占5 10 两性分子 含糖而不含磷酸 由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合 糖脂结构变化复杂 糖脂 glycolipids 胆固醇 存在真核细胞膜上 含量约膜脂的1 3 植物细胞膜中含量较少 功能是提高膜的稳定性 调节流动性 降低水溶性物质的通透性 在缺少胆固醇培养基中 不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶 膜蛋白 占核基因组编码蛋白质的30 根据与脂分子的结合方式分为 外周蛋白 peripheralprotein 靠离子键或其它较弱的键与膜表面蛋白或脂分子结合 改变溶液的离子强度 提高温度就可以从膜上分离下来 整合蛋白 内在蛋白 integralprotein 整合蛋白为跨膜蛋白 transmembraneproteins 两性分子 跨膜结构域为1至多个疏水的 螺旋 与膜的结合紧密 只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来 离子型去垢剂SDS 非离子型去垢剂Triton X100 一个蛋白可以由多个亚基构成 有的亚基为跨膜蛋白 有的则结合在膜的外部 膜蛋白 integralprotein lipid anchoredprotein peripheralprotein E Gorter等1925推测细胞膜由双层脂分子组成 2 2 2生物膜的结构 J Danielli H Davson1935发现质膜的表面张力比油 水界面的张力低得多 提出三明治模型 蛋白质 脂类 蛋白质 Singer和Nicolson1972根据免疫荧光 冰冻蚀刻的研究结果 提出了 流动镶嵌模型 Fluid mosaicmodel 利用细胞融合技术观察蛋白质运动 流动镶嵌模型 细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成 磷脂分子以疏水性尾部相对 极性头部朝向水相组成生物膜骨架 蛋白质或嵌在双脂层表面 或嵌在其内部 或横跨整个双脂层 表现出分布的不对称性 2 3细胞膜的功能 跨膜运输 MEMBRANETRANSPORT 估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的15 30 细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的2 3 可分为2种类型 被动转运 分为简单扩散和协助扩散主动转运 与ATP的释能反应相偶联 被动转运 简单扩散 也叫自由扩散 freediffusion 沿浓度梯度 或电化学梯度 扩散 不需要提供能量 没有膜蛋白协助 膜对各类物质的通透率 脂溶性越高通透性越大 小分子比大分子易透过 非极性分子比极性容易透过 极性不带电荷的小分子可透过脂双层 对带电荷的物质 如离子是高度不通透的 被动转运 协助扩散 也称促进扩散 facilitateddiffusion 特点 转运速率高 运输速率同物质浓度成非线性关系 特异性 饱和性 载体 离子载体 通道蛋白 主动运输 特点 逆浓度梯度 逆化学梯度 运输 需要能量 都有载体蛋白被某些抑制剂抑制 能量来源 协同运输中的离子梯度动力 ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量 光驱动的泵利用光能运输物质 如细菌 Na K ATPPUMP 协同运输 靠间接提供能量完成主动运输 所需能量来自膜两侧离子的浓度梯度 动物细胞中常常利用膜两侧Na 浓度梯度来驱动 植物细胞和细菌常利用H 浓度梯度来驱动 分为 同向协同 symport 和反向协同 antiport 如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na 的进入 Glucoseisabsorbedbysymport 膜泡运输的基本概念 真核细胞通过内吞作用 endocytosis 和外排作用 exocytosis 完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输 因物质包被在囊泡中 又称膜泡运输 细胞内吞较大的固体颗粒物质 如细菌 细胞碎片等 吞噬作用 细胞吞入液体或极小的颗粒物质 胞饮作用 包含内容物的囊泡移至细胞表面 与质膜融合 将物质排出细胞之外 外排作用 exocytosis 生物膜的模拟 人工膜 单分子层膜 由高度排列有序的双亲性分子形成LB膜技术 将具有脂肪链疏水基团的双亲分子溶于挥发性溶剂中滴入水中形成有序的单分子层膜L