第5章生命单元-细胞

1、生物化学生物化学BiochemistryBiochemistry 欧树娣欧树娣食品与应用化学系食品与应用化学系第第5章章 生命单元细胞生命单元细胞The Unit of Life-Cell生物化学生物化学BiochemistryBiochemistry 生物化学生物化学2014.4Contents5.1 细胞的结构与功能细胞的结构与功能5.2 细胞膜的组成与结构细胞膜的组成与结构5.3 细胞膜的功能细胞膜的功能5.4 细胞膜与疾病细胞膜与疾病5.1 细胞的结构与功能细胞的结构与功能5.1.1 细胞的发现细胞的发现生物化学生物化学细胞生物学的变革和显微技术的改进息息相关细胞生物学的变革和显微技术

2、的改进息息相关Robert Hooke and his “cells”1665Made by A.van Leeuwenhoek (1632-1723).Magnification ranges at 50-275x.扫描隧道显微镜 纳米级（10-9nm） 5.1 细胞的结构与功能细胞的结构与功能 5.1.1 细胞的发现细胞的发现 什么是细胞？什么是细胞？ 细胞与生物体的关系？细胞与生物体的关系？ 药物分子与细胞膜：药物的吸收药物分子与细胞膜：药物的吸收生物化学生物化学生物屏障作用，有选择地抑制某些药物分子通过生物屏障作用，有选择地抑制某些药物分子通过 到达体循环组织、病灶到达体循环组织、病灶

3、 蛋白质分子蛋白质分子 胞吞作用胞吞作用 5.1 细胞的结构与功能细胞的结构与功能 5.1.1 细胞的发现细胞的发现 5.1.2 细胞的分类细胞的分类生物化学生物化学v 真核细胞真核细胞eukaryotic cell：具有核被膜具有核被膜nuclear envelope和和核仁核仁nucleolus。v 原核细胞原核细胞prokaryotic cell：核区核区nuclear region没有核膜，没有核膜，称其为称其为nucleoid、nuclear body、nucleoplasm、bacterial nucleus。v 古细菌古细菌archaebacteria：既不同于原核细胞也不同于真

4、核：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。细胞，属于生命的第三种形式。a: Aquificiales pyrophilus；b: Pyrolobus fumarii；Pyrolobus fumarii 可以生活在可以生活在 90 -113，pH 4.0-6.5。其最适生存温度为其最适生存温度为106 ，低于，低于85和高于和高于115则不则不生长，能在生长，能在121的高温中存活的高温中存活1小时。小时。海底烟筒附近也具有古细菌海底烟筒附近也具有古细菌火叶菌属的延胡索酸火叶菌火叶菌属的延胡索酸火叶菌 5.1 细胞的结构与功能细胞的结构与功能5.1.3 细胞的结构与功能细胞的结

5、构与功能生物化学生物化学v细胞核细胞核（nucleus）：）：具有核被膜和核仁。核仁是具有核被膜和核仁。核仁是形成核糖体的结构域（形成核糖体的结构域（domain），呈小球状），呈小球状 。v细胞质细胞质（cytoplasm）：）：包括细胞器和细胞质基质包括细胞器和细胞质基质（cytoplasmic matrix）/胞质溶胶（胞质溶胶（cytosol）。形态学形态学v细胞壁细胞壁（cell wall）v质膜质膜/细胞膜细胞膜（plasma membrane）柿胚细胞的胞间连丝柿胚细胞的胞间连丝真核细胞的细胞核结构真核细胞的细胞核结构肝细胞中细胞质组分所占的体积百分比 线粒体、叶绿体、核糖体植物

6、气孔细胞植物气孔细胞植物薄壁细胞植物薄壁细胞木材中的导管木材中的导管人类红细胞人类红细胞巨噬细胞巨噬细胞神经元细胞神经元细胞5.2 细胞膜的组成与结构细胞膜的组成与结构5.2.1 细胞膜的组成细胞膜的组成生物化学生物化学v 质膜（质膜（plasma membrane）：）：又称细胞膜。又称细胞膜。v 内膜：内膜：形成各种细胞器的膜。形成各种细胞器的膜。v 生物膜（生物膜（biomembrane）：）：质膜和内膜的总称。质膜和内膜的总称。v 细胞外被：细胞外被：也叫糖萼，由质膜表面寡糖链形成。也叫糖萼，由质膜表面寡糖链形成。v 膜骨架：膜骨架：质膜下起支撑作用的网络结构。质膜下起支撑作用的网络结

7、构。5.2.1 细胞膜的组成细胞膜的组成生物化学生物化学v主要由主要由膜脂膜脂和和膜蛋白膜蛋白组成，另外还有少量糖，组成，另外还有少量糖，以糖脂和糖蛋白存在。以糖脂和糖蛋白存在。v膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。体现者。v动物细胞膜通常含等量的脂类和蛋白质。动物细胞膜通常含等量的脂类和蛋白质。FLUID MOSAIC MODEL OF MEMBRANE STRUCTURE “Islands of protein in a sea of lipid” 4-5nmPROTEIN CARBOHYDRATEPHOSPHOLIPID(一一) 膜膜

8、脂脂 (Membrane lipid) 生物膜上的脂类统称膜脂。膜脂以磷生物膜上的脂类统称膜脂。膜脂以磷脂和胆固醇为主，并含糖脂。脂和胆固醇为主，并含糖脂。兼性分子兼性分子极性头部基团非极性尾部基团1、磷脂、磷脂1).甘油磷脂（甘油磷脂（Phosphatidy-linositol, PI）PC：卵磷脂：卵磷脂PE：脑磷脂：脑磷脂PS：磷脂酰丝氨酸：磷脂酰丝氨酸IP： 磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇2).鞘磷脂（鞘磷脂（Sphingomyelin,PM）甘油鞘氨醇鞘氨醇脂肪酸2、糖脂(glycolipid,GL)，5%鞘鞘胺胺醇醇鞘鞘胺胺醇醇糖脂分子半乳糖苷脂半乳糖苷脂 糖脂糖脂与与鞘磷脂鞘磷脂相似相似,

9、 ,也是鞘氨醇也是鞘氨醇( (不是甘油不是甘油) )的衍生物。的衍生物。鞘磷脂糖和脂质的复合体极性头部极性头部平面甾环结构非极性尾部3. 胆固醇(cholesterol)中性脂中性脂极性头部磷脂分子可以形成的结构磷脂分子可以形成的结构 微囊 脂双层 双层微囊25nm(二二) 膜蛋白膜蛋白 (membrane proteins) 在不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很在不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很大差异。大差异。 依在膜上存在方式不同可分为两大类（依在膜上存在方式不同可分为两大类（5）膜蛋白膜蛋白：生物膜所含的蛋白质。膜蛋白膜蛋白外周蛋白(周围蛋白)：镶嵌蛋白(整合蛋白)：多附在膜的内外表面，为

10、水溶的，非共价地结合在镶嵌蛋白上。（温和条件即可分离）不同程度镶嵌在脂双层的内部，也称膜内在蛋白。有的跨越膜双层，也称做跨膜蛋白（transmembrane protein)。1 1、膜蛋白的类型、膜蛋白的类型2030%70%去垢剂、有机溶剂、超声波处去垢剂、有机溶剂、超声波处理理Integral membrane proteins:1, 2, 3, and 4 Peripheral membraneproteins: 5 and 6非穿越性共价结合非穿越性共价结合（与单脂层烃链）（与单脂层烃链）与磷脂酰肌醇结合与磷脂酰肌醇结合（寡糖链与磷脂酰肌醇）（寡糖链与磷脂酰肌醇）单次穿膜单次穿膜细胞骨

11、架蛋白细胞骨架蛋白通过内在蛋白间接与膜连接，或直接与脂类分子极性头部结通过内在蛋白间接与膜连接，或直接与脂类分子极性头部结合合2、膜蛋白的功能、膜蛋白的功能维持细胞的形态维持细胞的形态( (机械支持机械支持) )物质运输物质运输能量转换能量转换信息传递信息传递免疫免疫癌变癌变 Singer 和和Nicolson 1972 根据免疫荧光、冰冻根据免疫荧光、冰冻蚀刻的研究结果，提出了蚀刻的研究结果，提出了“流动镶嵌模型流动镶嵌模型”。 Fluid-mosaic model5.2 细胞膜的组成与结构细胞膜的组成与结构5.2.2 生物膜的结构生物膜的结构5.2 细胞膜的组成与结构细胞膜的组成与结构5.

12、2.2 生物膜的结构生物膜的结构生物化学生物化学 一、脂质双分子层是生物膜的最基本特征一、脂质双分子层是生物膜的最基本特征二、质膜的流动镶嵌模型二、质膜的流动镶嵌模型5.2.2 生物膜的结构生物膜的结构生物膜骨架生物膜骨架整个双脂层，表现出分布的不对称性整个双脂层，表现出分布的不对称性流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质（一）质膜的流动性（一）质膜的流动性v膜脂和蛋白质的分子运动组成膜脂和蛋白质的分子运动组成 1、膜脂分子的运动 侧向扩散运动侧向扩散运动；旋转运动；摆动运动；旋转运动；摆动运动 伸缩震荡运动；伸缩震荡运动；翻转运动翻转运动；旋转异构化运动。；旋转异构化运

13、动。二、质膜的流动镶嵌模型二、质膜的流动镶嵌模型2、影响膜脂流动性的因素v 胆固醇：胆固醇：使流动性保持适中使流动性保持适中v 脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。不饱和，使膜流动性增加。v 脂肪酸链的链长：脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。流动性降低。v 卵磷脂卵磷脂/鞘磷脂：鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。v 其他因素：温度、酸碱度、离子强度等其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。（一）质膜的流动性（一）

14、质膜的流动性3、膜蛋白的分子运动v侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。v检测：光脱色恢复技术和检测：光脱色恢复技术和细胞融合技术。细胞融合技术。4、膜流动性的生理意义v当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。造成膜的溶解。（一）质膜的流动性（一）质膜的流动性生物化学生物化学利用细胞融合技术观察蛋白质运动利用细胞融合技术观察蛋白质运动 1970年年Larry Frye等人将人和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标等人将人和鼠的细胞膜用不同

15、荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布（二）膜的不对称性（二）膜的不对称性v膜内外两层组分和功能的差异，膜内外两层组分和功能的差异，称膜的不对称性。称膜的不对称性。 v样品经冰冻断裂处理后，各断面命名为：样品经冰冻断裂处理后，各断面命名为：ES，细，细胞外表面；胞外表面；EF，细胞外小页断裂面；细胞外小页断裂面；PS，原生质，原生质表面；表面；PF，原生质小页断面。，原生质小页断面。 二、质膜的流动镶嵌模型二、质膜的流动

16、镶嵌模型生物化学生物化学兔红细胞的冰冻断裂电镜照片1膜脂的不对称性：膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，如：不均匀分布，如：PC和和SM主要分布在外小叶，主要分布在外小叶，PE和和PS分布在内小叶。用磷脂酶处理完整的人分布在内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，类红细胞，80%的的PC降解，降解，PE和和PS分别只有分别只有20%和和10%的被降解的被降解。2复合糖的不对称性：复合糖的不对称性：糖脂和糖蛋白只分布于细糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。胞膜的外表面。 3膜蛋白的不对称性：膜蛋白的不对称性：如细胞色素如细胞色素C位于线粒体位于线粒体内膜内膜

17、M侧。侧。（二）膜的不对称性（二）膜的不对称性（三）脂筏（三）脂筏 lipid raftv是富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。是富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。v约约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。页。v介于无序液体与液晶之间，称为介于无序液体与液晶之间，称为有序液体有序液体。v在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，称为抗去垢剂膜称为抗去垢剂膜（DRMs）。v就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。蛋白质分选均有密切的关系。5.3 细

18、胞膜的功能细胞膜的功能5.3.1 生物膜的功能简介生物膜的功能简介生物化学生物化学1、物质的转运、物质的转运2、保护作用、保护作用3、能量转换、能量转换4、信息传递、信息传递5、细胞免疫、细胞免疫6、运动功能、运动功能5.3.1 生物膜的功能简介生物膜的功能简介生物化学生物化学1、物质的转运、物质的转运 离子和小分子物质进出细胞膜的主要方式离子和小分子物质进出细胞膜的主要方式v自由扩散：自由扩散：又叫做被动运输，由高浓度一侧向低又叫做被动运输，由高浓度一侧向低浓度一侧扩散，不需要载体，不消耗细胞内能量，浓度一侧扩散，不需要载体，不消耗细胞内能量，例如：氧气、二氧化碳、甘油、乙醇等。例如：氧气、

19、二氧化碳、甘油、乙醇等。v主动运输：主动运输：由低浓度一侧向高浓度一侧装运。需由低浓度一侧向高浓度一侧装运。需载体协助，需要消耗细胞内的能量。例如：氨基载体协助，需要消耗细胞内的能量。例如：氨基酸、葡萄糖等。酸、葡萄糖等。5.3.1 生物膜的功能简介生物膜的功能简介生物化学生物化学1、物质的转运、物质的转运 大分子物质进出细胞膜的主要方式大分子物质进出细胞膜的主要方式v 胞吞胞吞v 胞吐胞吐巨噬细胞表面的皱褶与吞噬颗粒物质有关纤毛和鞭毛6、运动功能、运动功能5.3 细胞膜的功能细胞膜的功能5.3.2 膜蛋白与膜脂的相互作用膜蛋白与膜脂的相互作用蛋白质在膜脂作用下结构与功能变化蛋白质在膜脂作用下结构与功能