《化学生物学》课件Part 6

1、2022/7/101生命基本单元2022/7/102内容第一节 细胞的分类和结构第二节 细胞膜第三节 跨膜运输第四节 细胞器的结构和功能第五节 细胞骨架2022/7/103原核细胞一真核细胞二病毒三第一节 细胞的分类和结构2022/7/104一、原核细胞原核细胞是一类进化程度低，结构最简单的一类细胞，属于原核细胞的有细菌和蓝藻等。2022/7/105细菌是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体，是大自然物质循环的主要参与者。细菌主要由细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体等部分构成，有的细菌还有夹膜、鞭毛、菌毛等特殊结构。绝大多数细菌的直径大小在0.55m之间。可根据形状分成三类，即：球菌、杆菌和螺旋

2、菌。 2022/7/1061质膜（细胞膜）2细胞核3细胞质（包含若干细胞器）二、真核细胞2022/7/107在真核细胞的核中，DNA与组蛋白等蛋白质共同组成染色体结构，在核内可看到核仁。在细胞质内膜系统很发达，存在着内质网、高尔基体、线粒体和溶酶体等细胞器，分别行使特异的功能。 2022/7/108由于结构、功能和所处的环境不同，各类细胞形态千差万别，有圆形、椭圆形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形，甚至不定形。 红细胞2022/7/109高等生物的细胞形状与细胞功能和细胞间的相互关系有关。如动物体内具有收缩功能的肌肉细胞呈长条形或长梭形；红细胞为圆盘状，有利于O2和CO2的气体交换。植物叶表皮

3、的保卫细胞成半月形，2个细胞围成一个气孔，以利于呼吸和蒸腾。细胞离开了有机体分散存在时，形状往往发生变化，如平滑肌细胞在体内成梭形，而在离体培养时则可成多角形。 2022/7/1010动物细胞植物细胞2022/7/1011 病毒（Virus）是一类非细胞形态的介于生命与非生命形式之间的物质。有以下主要特征：个体微小，可通除滤菌器，大多数必须用电镜才能看见；仅具有一种类型的核酸，或DNA或RNA，没有含两种核酸的病毒；专营细胞内寄生生活；具有受体连结蛋白，与敏感细胞表面的病毒受体连结，进而感染细胞。三、病毒2022/7/1012烟草花叶病毒腺病毒流感病毒T4噬菌体2022/7/1013病毒的形成

4、不需要酶的参加，只要条件具备，核酸和蛋白质便可自我装配（self assembly）成病毒。其装配形式有二十面体对称、螺旋对称和复合对称三种类型。 HIV病毒乙肝病毒2022/7/1014细胞膜的组成一细胞膜的结构二细胞膜的功能三第二节 细胞膜2022/7/1015细胞膜以及各种细胞器的外膜称为生物膜。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础，细胞的能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递、细胞运动等活动都与膜的作用有密切的关系。 2022/7/1016膜脂 磷脂 糖脂 胆固醇膜蛋白 整合蛋白 外周蛋白 脂锚定蛋白一、细胞膜的组成2022/7/1017磷脂是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50

5、以上。磷脂分子的主要特征：具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链）脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成。 1. 膜脂 2022/7/1018磷脂的结构 2022/7/1019 以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。主要类型有：磷脂酰胆碱（phosphatidyl choline，PC，旧称卵磷脂）磷脂酰丝氨酸（phosphatidyl serine，PS）磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine ，PE，旧称脑磷脂）磷脂酰肌醇（phosphatidyl inosito

6、l，PI）等。2022/7/1020不同类型的甘油磷脂 2022/7/1021 鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在脑和神经细胞膜中特别丰富，亦称神经醇磷脂，它是以鞘胺醇（sphingoine）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞和植物中没有鞘磷脂。2022/7/1022糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10。糖脂也是两性分子。由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。 葡糖脑苷脂 2022/7/10232022/7/1024脂质体 脂质体（li

7、posome）是一种人工膜。在水中磷脂分子亲水头部插入水中，疏水尾部伸向空气，搅动后形成双层脂分子的球形脂质体，直径251000nm不等。脂质体可用于转基因，或制备的药物，利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。2022/7/1025亲水内腔疏水壁2022/7/1026胆固醇仅存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。如：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。 2022/7/1027胆固醇 2022/7/10282. 膜蛋白 膜蛋白是膜功能的主要体现者。据估

8、计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为整合蛋白（integral protein）、外周蛋白（peripheral protein）和脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。2022/7/1029蛋白与膜的结合方式 、整合蛋白；、脂锚定蛋白；、外周蛋白 2022/7/1030 外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质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。2022/

9、7/1031整合蛋白可能全为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），为两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。由于存在疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂SDS，非离子型去垢剂Triton-X100。 2022/7/1032二、细胞膜的结构质膜的结构模型 2022/7/1033E. Overton 1895 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。 水溶性物质难以通过质膜 2022/7/1034质膜的流动镶嵌模型 流动镶嵌模型突出了膜的

10、流动性和不对称性，认为细胞膜由流动的脂双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，蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双层，表现出分布的不对称性。2022/7/10352022/7/1036质膜的流动性 侧向扩散旋转运动摆动运动伸缩震荡翻转运动旋转异构2022/7/1037膜脂分子的运动1.侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。2.旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。3.摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。4.伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。5.翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层

11、。是在翻转酶（flippase）的催化下完成。6. 旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。2022/7/1038影响膜流动性的因素 1. 胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。2. 脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。3.脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。4.卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。5.其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。 2022/7/1039膜流动性的生理意义 质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化

12、以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。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，又会造成膜的溶解。 2022/7/10402. 膜的不对称性 2022/7/1041 质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异，称为膜的不对称性。 膜脂、膜蛋白和复合糖在膜上均呈不对称分布，导致膜功能的不对称性和方向性，即膜内外两层的流动性不同，使物质传递有一定方向，信号的接受和传递也有一定方向等。2022/7/1042ES，质膜的细胞外表面PS，质膜的原生质表面EF，质膜的细胞外小页断裂面PF，原生质小页断裂面2022/7/1043膜的不对称性Text 1Text 3Tex

13、t 4膜脂的不对称性膜蛋白的不对称性复合糖的不对称性2022/7/1044脂分子在脂双层中呈不均匀分布，质膜的内外两侧分布的磷脂的含量比例也不同。PC和SM主要分布在外小页，而PE和PS主要分布在质膜内小叶。 膜脂的不对称性 2022/7/1045膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性和分布的区域性。各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。膜蛋白的不对称性 2022/7/1046复合糖的不对称性 无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。2022/7/1047三、细胞膜的功能1.为细胞的生命活动提供相对稳定的内

14、环境；2.选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出；3.提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；4.为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；5.介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；6.参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。2022/7/1048第三节 跨膜运输（生物转运过程）Text 1Text 3Text 4被动运输主动运输膜泡运输2022/7/1049简单扩散 一、被动运输 协助扩散 2022/7/1050简单扩散也叫自由扩散（free diffusing），特点是：沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；不需要提供能量；没有膜蛋白的协助。 2022/7/1051

15、脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；非极性分子比极性容易透过，小分子比大分子容易透过。具有极性的水分子容易透过是因水分子小，可通过由膜脂运动而产生的间隙。 不同物质透过人工脂双层的能力 2022/7/1052也称促进扩散（faciliatied diffusion），其运输特点是： 比自由扩散转运速率高； 存在最大转运速率； 在一定限度内运输速率同物质浓度成正比。如超过一定限度，浓度再增加，运输也不再增加。因膜上载体蛋白的结合位点已达饱和； 有特异性，即与特定溶质结合。这类特殊的载体蛋白主要有载体蛋白和通道蛋白两种类型。协助扩散 2022/7/1053载体蛋白 离子载体（ionopho

16、re），是疏水性的小分子，可溶于双脂层，提高所转运离子的通透率，多为微生物合成，是一类能与特定分子如葡萄糖、氨基酸或金属离子等结合的蛋白质。2022/7/1054如缬氨霉素（valinomycin）能在膜的一侧结合K+，顺着电化学梯度通过脂双层，在膜的另一侧释放K+，且能往返进行。2022/7/1055通道蛋白 通道蛋白（channel protein）是横跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。2022/7/1056如短杆菌肽A（gramicidin）是由15个疏水氨基酸构成的短肽，2分子的短杆菌肽形成一个跨膜通道，有选择的使单价阳离子如H+、Na+、K+按化学

17、梯度通过膜，这种通道并不稳定，不断形成和解体。 2022/7/1057不同通道对不同离子的通透性不同，即离子选择性(ionic selectivity)。这是由通道的结构所决定的，只允许具有特定离子半径和电荷的离子通过。但通道的离子选择性只是相对的而不是绝对的，比如，钠通道除主要对Na+通透外，对NH4+也通透，甚至于对K+也稍有通透。2022/7/1058有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态，如钾泄漏通道，允许钾离子不断外流。有些通道蛋白平时处于关闭状态，即“门”不是连续开放的，仅在特定刺激下才打开，而且是瞬时开放瞬时关闭，在几毫秒的时间里，一些离子、代谢物或其他溶质顺着浓度梯度自由扩散通

18、过细胞膜，这类通道蛋白又称为门通道（gated channel）。2022/7/1059门通道配体门通道电位门通道环核苷酸门通道机械门通道2022/7/1060配体门通道 表面受体与细胞外的特定物质（配体ligand）结合，引起门通道蛋白发生构象变化，结果使“门”打开，又称离子通道型受体。分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，和阴离子通道，如甘氨酸和氨基丁酸的受体。 2022/7/1061N型乙酰胆碱受体是目前了解较多的一类配体门通道。Ach门通道具有具有三种状态：开启、关闭和失活。乙酰胆碱受体 2022/7/1062电位门通道电位门通道（voltage gated channe

19、l）是对细胞内或细胞外特异离子浓度发生变化时，或对其他刺激引起膜电位变化时，致使其构象变化，“门”打开。 2022/7/1063钾电位门通道 2022/7/1064环核苷酸门通道 机械门通道 水通道 2022/7/1065二、主动运输 主动运输的特点是：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量（由ATP直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输）；都有载体蛋白。2022/7/1066主动运输所需的能量来源主要有：1.协同运输中的离子梯度动力；2.ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量；3.光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。2022/7/1067钠钾泵 实际上就是Na+-K+ATP酶，Na+-K

20、+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。2022/7/1068Na+-K+泵作用是：维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细胞的静息电位。 2022/7/1069钙离子泵 钙离子泵对于细胞是非常重要的，因为钙离子通常与信号转导有关，钙离子浓度的变化会引起细胞内信号途径的反应，导致一系列的生理变化。2022/7/1070质子泵 P-type V-type/F-type H沿浓度梯度运动，所释放的能量与ATP合成耦联起来，所以也叫ATP合酶（ATP synthase）。2022/7/1071协同运输 小肠对葡萄糖的吸收

21、协同运输（cotransport）是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。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。2022/7/10722022/7/1073三、膜泡运输 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。在转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输。细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用（cytosis）。 2022/7/1074吞噬作用 胞饮作用 中性颗粒

22、白细胞和巨噬细胞具有极强的吞噬能力，以保护机体免受异物侵害。 胞饮作用存在于白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植物细胞。 2022/7/1075外排作用 细胞内不能消化的物质和合成的分泌蛋白都是通过这种途径排出的。 2022/7/1076受体介导内吞作用 2022/7/1077受体介导的内吞作用是一种选择浓缩机制，既可保证细胞大量地摄入特定的大分子，同时又避免了吸入细胞外大量的液体。低密脂蛋白、运铁蛋白、生长因子、胰岛素等蛋白类激素、糖蛋白等，都是通过受体介导的内吞作用进行的。 2022/7/1078溶酶体高尔基体内质网细胞器叶绿体线粒体过氧化物酶体第四节 细胞器的结构与功能细胞核20

23、22/7/1079一、内质网 2022/7/1080内质网膜约占细胞总膜面积的一半，是真核细胞中最多的膜。内质网是内膜构成的封闭的网状管道系统。具有高度的多型性。可分为粗面型内质网（rough endoplasmic reticulum，RER）和光面型内质网（smooth endoplasmic reticulum，SER）两类。RER呈扁平囊状，排列整齐，膜围成的空间称为ER腔（lumen），膜外有核糖体附着。SER呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。2022/7/1081ER主要功能是合成蛋白质和脂类，分泌性蛋白和跨膜蛋白都是在ER中合成的。 2022/7/1082二、高尔基体 2022/

24、7/1083是由数个扁平囊泡堆在一起形成的高度有极性的细胞器。常分布于内质网与细胞膜之间，呈弓形或半球形。顺面和反面都有一些或大或小的运输小泡，在具有极性的细胞中，高尔基体常大量分布于分泌端的细胞质中。 2022/7/1084高尔基体的主要功能将内质网合成的蛋白质进行加工、分类、与包装，然后分门别类地送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。 2022/7/1085三、溶酶体 2022/7/1086它是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要功能是进行细胞内消化。根据完成其生理功能的不同阶段可分为初级溶酶体（primary lysosome），次级溶酶体（secondary lysoso

25、me）和残体（residual body）。2022/7/1087溶酶体的主要作用消化作用，是细胞内的消化器官，细胞自溶，防御以及对某些物质的利用均与溶酶体的消化作用有关。 2022/7/1088四、线粒体 线粒体由内外两层膜封闭，包括外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区隔。 2022/7/1089外膜：含40%的脂类和60%的蛋白质，具有孔蛋白（porin）构成的亲水通道，允许分子量为5KD以下的分子通过，1KD以下的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。 内膜：含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。心磷脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌。通透性很低，仅允许不带电荷的小分

26、子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。 2022/7/1090线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜，因此从能量转换角度来说，内膜起主要的作用。内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。 线粒体的主要功能是对糖、脂肪、氨基酸等能源物质的氧化，进行能量转换。线粒体是储能和供能的场所，在细胞生命活动中，95%的能量来自线粒体。2022/7/1091五、过氧化物酶体2022/7/1092在不同生物及不同发育阶段有所不同。直径约0.21.5um，通常为0.5um，呈圆形，椭圆形或哑呤形不等，由单层膜围绕而成。哺乳动物中，在肝细胞和肾近曲小管细胞中分布较多，内含一至多种依赖黄素（flavin）的氧化

27、酶和过氧化氢酶（标志酶）。2022/7/1093各类氧化酶的共性是将底物氧化后，生成过氧化氢。RH2+O2R+H2O2过氧化氢酶又可以利用过氧化氢，将其它底物（如醛、醇、酚）氧化。RH2+H2O2R+2H2O此外当细胞中的H2O2过剩时，过氧化氢酶亦可催化以下反应：2H2O2 2H2O + O22022/7/1094六、叶绿体 2022/7/1095在高等植物中叶绿体象双凸或平凸透镜，长径510um，短径24um，厚23um。高等植物的叶肉细胞一般含50200个叶绿体，可占细胞质的40%，叶绿体的数目因物种细胞类型，生态环境，生理状态而有所不同。 叶绿体由叶绿体外被（chloroplast e

28、nvelope）、类囊体（thylakoid）和基质（stroma）3部分组成。 2022/7/1096核纤层染色质核基质核被膜核仁Title细胞核2022/7/1097细胞核的主要结构包括：核被膜（nuclear envelope）、核仁（nucleolus）、核基质（nuclear matrix）、染色质（chromatin）、核纤层（nuclear lamina）等部分。 2022/7/10982022/7/1099 核被膜由内核膜、外核膜和核周隙三部分构成。核被膜上有核孔与细胞质相通。核孔是细胞核与细胞质之间物质交换的通道，一方面核的蛋白都是在细胞质中合成的，通过核孔定向输入细胞核，另一方面细胞核中合成的各类RNA、核糖体亚单位需要通过核孔运到细胞质。 2022/7/10100染色质和染色体是同一物质在不同细胞周期中的形态表现。 染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成，比例为1：1：（1-1.5）：0.05。可见DNA与组蛋白的含量比较恒定，非组蛋白的含量变化较大，RNA含量最少。2022/7/10101人体的一个细胞核中有23对染色体，每条染色体的DNA双螺旋若伸展开，平均长为5cm，核