第5章生命單元-細(xì)胞

1、生物化學(xué)生物化學(xué)BiochemistryBiochemistry 歐樹娣歐樹娣食品與應(yīng)用化學(xué)系食品與應(yīng)用化學(xué)系第第5章章 生命單元細(xì)胞生命單元細(xì)胞The Unit of Life-Cell生物化學(xué)生物化學(xué)BiochemistryBiochemistry 生物化學(xué)生物化學(xué)2014.4Contents5.1 細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能5.2 細(xì)胞膜的組成與結(jié)構(gòu)細(xì)胞膜的組成與結(jié)構(gòu)5.3 細(xì)胞膜的功能細(xì)胞膜的功能5.4 細(xì)胞膜與疾病細(xì)胞膜與疾病5.1 細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能5.1.1 細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)生物化學(xué)生物化學(xué)細(xì)胞生物學(xué)的變革和顯微技術(shù)的改進(jìn)息息相關(guān)細(xì)胞生物學(xué)的變革和顯微技術(shù)

2、的改進(jìn)息息相關(guān)Robert Hooke and his “cells”1665Made by A.van Leeuwenhoek (1632-1723).Magnification ranges at 50-275x.掃描隧道顯微鏡 納米級(jí)（10-9nm） 5.1 細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能 5.1.1 細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的發(fā)現(xiàn) 什么是細(xì)胞？什么是細(xì)胞？ 細(xì)胞與生物體的關(guān)系？細(xì)胞與生物體的關(guān)系？ 藥物分子與細(xì)胞膜：藥物的吸收藥物分子與細(xì)胞膜：藥物的吸收生物化學(xué)生物化學(xué)生物屏障作用，有選擇地抑制某些藥物分子通過生物屏障作用，有選擇地抑制某些藥物分子通過 到達(dá)體循環(huán)組織、病灶到達(dá)體循環(huán)組織、病灶

3、 蛋白質(zhì)分子蛋白質(zhì)分子 胞吞作用胞吞作用 5.1 細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能 5.1.1 細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的發(fā)現(xiàn) 5.1.2 細(xì)胞的分類細(xì)胞的分類生物化學(xué)生物化學(xué)v 真核細(xì)胞真核細(xì)胞eukaryotic cell：具有核被膜具有核被膜nuclear envelope和和核仁核仁nucleolus。v 原核細(xì)胞原核細(xì)胞prokaryotic cell：核區(qū)核區(qū)nuclear region沒有核膜，沒有核膜，稱其為稱其為nucleoid、nuclear body、nucleoplasm、bacterial nucleus。v 古細(xì)菌古細(xì)菌archaebacteria：既不同于原核細(xì)胞也不同于真

4、核：既不同于原核細(xì)胞也不同于真核細(xì)胞，屬于生命的第三種形式。細(xì)胞，屬于生命的第三種形式。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。其最適生存溫度為其最適生存溫度為106 ，低于，低于85和高于和高于115則不則不生長(zhǎng)，能在生長(zhǎng)，能在121的高溫中存活的高溫中存活1小時(shí)。小時(shí)。海底煙筒附近也具有古細(xì)菌海底煙筒附近也具有古細(xì)菌火葉菌屬的延胡索酸火葉菌火葉菌屬的延胡索酸火葉菌 5.1 細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能5.1.3 細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能細(xì)胞的結(jié)

5、構(gòu)與功能生物化學(xué)生物化學(xué)v細(xì)胞核細(xì)胞核（nucleus）：）：具有核被膜和核仁。核仁是具有核被膜和核仁。核仁是形成核糖體的結(jié)構(gòu)域（形成核糖體的結(jié)構(gòu)域（domain），呈小球狀），呈小球狀 。v細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞質(zhì)（cytoplasm）：）：包括細(xì)胞器和細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)包括細(xì)胞器和細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)（cytoplasmic matrix）/胞質(zhì)溶膠（胞質(zhì)溶膠（cytosol）。形態(tài)學(xué)形態(tài)學(xué)v細(xì)胞壁細(xì)胞壁（cell wall）v質(zhì)膜質(zhì)膜/細(xì)胞膜細(xì)胞膜（plasma membrane）柿胚細(xì)胞的胞間連絲柿胚細(xì)胞的胞間連絲真核細(xì)胞的細(xì)胞核結(jié)構(gòu)真核細(xì)胞的細(xì)胞核結(jié)構(gòu)肝細(xì)胞中細(xì)胞質(zhì)組分所占的體積百分比 線粒體、葉綠體、核糖體植物

6、氣孔細(xì)胞植物氣孔細(xì)胞植物薄壁細(xì)胞植物薄壁細(xì)胞木材中的導(dǎo)管木材中的導(dǎo)管人類紅細(xì)胞人類紅細(xì)胞巨噬細(xì)胞巨噬細(xì)胞神經(jīng)元細(xì)胞神經(jīng)元細(xì)胞5.2 細(xì)胞膜的組成與結(jié)構(gòu)細(xì)胞膜的組成與結(jié)構(gòu)5.2.1 細(xì)胞膜的組成細(xì)胞膜的組成生物化學(xué)生物化學(xué)v 質(zhì)膜（質(zhì)膜（plasma membrane）：）：又稱細(xì)胞膜。又稱細(xì)胞膜。v 內(nèi)膜：內(nèi)膜：形成各種細(xì)胞器的膜。形成各種細(xì)胞器的膜。v 生物膜（生物膜（biomembrane）：）：質(zhì)膜和內(nèi)膜的總稱。質(zhì)膜和內(nèi)膜的總稱。v 細(xì)胞外被：細(xì)胞外被：也叫糖萼，由質(zhì)膜表面寡糖鏈形成。也叫糖萼，由質(zhì)膜表面寡糖鏈形成。v 膜骨架：膜骨架：質(zhì)膜下起支撐作用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。質(zhì)膜下起支撐作用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)

7、構(gòu)。5.2.1 細(xì)胞膜的組成細(xì)胞膜的組成生物化學(xué)生物化學(xué)v主要由主要由膜脂膜脂和和膜蛋白膜蛋白組成，另外還有少量糖，組成，另外還有少量糖，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體現(xiàn)者。體現(xiàn)者。v動(dòng)物細(xì)胞膜通常含等量的脂類和蛋白質(zhì)。動(dòng)物細(xì)胞膜通常含等量的脂類和蛋白質(zhì)。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) 生物膜上的脂類統(tǒng)稱膜脂。膜脂以磷生物膜上的脂類統(tǒng)稱膜脂。膜脂以磷脂和膽固醇為主，并含糖脂。脂和膽固醇為主，并含糖脂。兼性分子兼性分子極性頭部基團(tuán)非極性尾部基團(tuán)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：腦磷脂：腦磷脂PS：磷脂酰絲氨酸：磷脂酰絲氨酸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 糖脂糖脂與與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。鞘磷脂糖和脂質(zhì)的復(fù)合體極性頭部極性頭部平面甾環(huán)結(jié)構(gòu)非極性尾部3. 膽固醇(cholesterol)中性脂中性脂極性頭部磷脂分子可以形成的結(jié)構(gòu)磷脂分子可以形成的結(jié)構(gòu) 微囊 脂雙層 雙層微囊25nm(二二) 膜蛋白膜蛋白 (membrane proteins) 在不同細(xì)胞中膜蛋白的含量及類型有很在不同細(xì)胞中膜蛋白的含量及類型有很大差異。大差異。 依在膜上存在方式不同可分為兩大類（依在膜上存在方式不同可分為兩大類（5）膜蛋白膜蛋白：生物膜所含的蛋白質(zhì)。膜蛋白膜蛋白外周蛋白(周圍蛋白)：鑲嵌蛋白(整合蛋白)：多附在膜的內(nèi)外表面，為

10、水溶的，非共價(jià)地結(jié)合在鑲嵌蛋白上。（溫和條件即可分離）不同程度鑲嵌在脂雙層的內(nèi)部，也稱膜內(nèi)在蛋白。有的跨越膜雙層，也稱做跨膜蛋白（transmembrane protein)。1 1、膜蛋白的類型、膜蛋白的類型2030%70%去垢劑、有機(jī)溶劑、超聲波處去垢劑、有機(jī)溶劑、超聲波處理理Integral membrane proteins:1, 2, 3, and 4 Peripheral membraneproteins: 5 and 6非穿越性共價(jià)結(jié)合非穿越性共價(jià)結(jié)合（與單脂層烴鏈）（與單脂層烴鏈）與磷脂酰肌醇結(jié)合與磷脂酰肌醇結(jié)合（寡糖鏈與磷脂酰肌醇）（寡糖鏈與磷脂酰肌醇）單次穿膜單次穿膜細(xì)胞骨

11、架蛋白細(xì)胞骨架蛋白通過內(nèi)在蛋白間接與膜連接，或直接與脂類分子極性頭部結(jié)通過內(nèi)在蛋白間接與膜連接，或直接與脂類分子極性頭部結(jié)合合2、膜蛋白的功能、膜蛋白的功能維持細(xì)胞的形態(tài)維持細(xì)胞的形態(tài)( (機(jī)械支持機(jī)械支持) )物質(zhì)運(yùn)輸物質(zhì)運(yùn)輸能量轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換信息傳遞信息傳遞免疫免疫癌變癌變 Singer 和和Nicolson 1972 根據(jù)免疫熒光、冰凍根據(jù)免疫熒光、冰凍蝕刻的研究結(jié)果，提出了蝕刻的研究結(jié)果，提出了“流動(dòng)鑲嵌模型流動(dòng)鑲嵌模型”。 Fluid-mosaic model5.2 細(xì)胞膜的組成與結(jié)構(gòu)細(xì)胞膜的組成與結(jié)構(gòu)5.2.2 生物膜的結(jié)構(gòu)生物膜的結(jié)構(gòu)5.2 細(xì)胞膜的組成與結(jié)構(gòu)細(xì)胞膜的組成與結(jié)構(gòu)5.

12、2.2 生物膜的結(jié)構(gòu)生物膜的結(jié)構(gòu)生物化學(xué)生物化學(xué) 一、脂質(zhì)雙分子層是生物膜的最基本特征一、脂質(zhì)雙分子層是生物膜的最基本特征二、質(zhì)膜的流動(dòng)鑲嵌模型二、質(zhì)膜的流動(dòng)鑲嵌模型5.2.2 生物膜的結(jié)構(gòu)生物膜的結(jié)構(gòu)生物膜骨架生物膜骨架整個(gè)雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對(duì)稱性整個(gè)雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對(duì)稱性流動(dòng)的雙脂層和嵌在其中的蛋白質(zhì)流動(dòng)的雙脂層和嵌在其中的蛋白質(zhì)（一）質(zhì)膜的流動(dòng)性（一）質(zhì)膜的流動(dòng)性v膜脂和蛋白質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)組成膜脂和蛋白質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)組成 1、膜脂分子的運(yùn)動(dòng) 側(cè)向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)側(cè)向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；擺動(dòng)運(yùn)動(dòng) 伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)；伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)；翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)。；旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)

13、動(dòng)。二、質(zhì)膜的流動(dòng)鑲嵌模型二、質(zhì)膜的流動(dòng)鑲嵌模型2、影響膜脂流動(dòng)性的因素v 膽固醇：膽固醇：使流動(dòng)性保持適中使流動(dòng)性保持適中v 脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動(dòng)性增加。不飽和，使膜流動(dòng)性增加。v 脂肪酸鏈的鏈長(zhǎng)：脂肪酸鏈的鏈長(zhǎng)：長(zhǎng)鏈脂肪酸相變溫度高，膜長(zhǎng)鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動(dòng)性降低。流動(dòng)性降低。v 卵磷脂卵磷脂/鞘磷脂：鞘磷脂：該比例高則膜流動(dòng)性增加，是該比例高則膜流動(dòng)性增加，是因?yàn)榍柿字扯雀哂诼蚜字?。因?yàn)榍柿字扯雀哂诼蚜字?。v 其他因素：溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等其他因素：溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等。（一）質(zhì)膜的流動(dòng)性（一）

14、質(zhì)膜的流動(dòng)性3、膜蛋白的分子運(yùn)動(dòng)v側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運(yùn)動(dòng)方式。側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運(yùn)動(dòng)方式。v檢測(cè)：光脫色恢復(fù)技術(shù)和檢測(cè)：光脫色恢復(fù)技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)。細(xì)胞融合技術(shù)。4、膜流動(dòng)性的生理意義v當(dāng)膜的流動(dòng)性低于一定的閾值時(shí)，許多酶的活動(dòng)當(dāng)膜的流動(dòng)性低于一定的閾值時(shí)，許多酶的活動(dòng)和跨膜運(yùn)輸將停止，反之如果流動(dòng)性過高，又會(huì)和跨膜運(yùn)輸將停止，反之如果流動(dòng)性過高，又會(huì)造成膜的溶解。造成膜的溶解。（一）質(zhì)膜的流動(dòng)性（一）質(zhì)膜的流動(dòng)性生物化學(xué)生物化學(xué)利用細(xì)胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)利用細(xì)胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng) 1970年年Larry Frye等人將人和鼠的細(xì)胞膜用不同熒光抗體標(biāo)等人將人和鼠的細(xì)胞膜用不同

15、熒光抗體標(biāo)記后，讓兩種細(xì)胞融合，雜種細(xì)胞一半發(fā)紅色熒光、另一半記后，讓兩種細(xì)胞融合，雜種細(xì)胞一半發(fā)紅色熒光、另一半發(fā)綠色熒光，放置一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)兩種熒光抗體均勻分布發(fā)綠色熒光，放置一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)兩種熒光抗體均勻分布（二）膜的不對(duì)稱性（二）膜的不對(duì)稱性v膜內(nèi)外兩層組分和功能的差異，膜內(nèi)外兩層組分和功能的差異，稱膜的不對(duì)稱性。稱膜的不對(duì)稱性。 v樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，各斷面命名為：樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，各斷面命名為：ES，細(xì)，細(xì)胞外表面；胞外表面；EF，細(xì)胞外小頁(yè)斷裂面；細(xì)胞外小頁(yè)斷裂面；PS，原生質(zhì)，原生質(zhì)表面；表面；PF，原生質(zhì)小頁(yè)斷面。，原生質(zhì)小頁(yè)斷面。 二、質(zhì)膜的流動(dòng)鑲嵌模型二、質(zhì)膜的流動(dòng)

16、鑲嵌模型生物化學(xué)生物化學(xué)兔紅細(xì)胞的冰凍斷裂電鏡照片1膜脂的不對(duì)稱性：膜脂的不對(duì)稱性：同一種脂分子在脂雙層中呈同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，如：不均勻分布，如：PC和和SM主要分布在外小葉，主要分布在外小葉，PE和和PS分布在內(nèi)小葉。用磷脂酶處理完整的人分布在內(nèi)小葉。用磷脂酶處理完整的人類紅細(xì)胞，類紅細(xì)胞，80%的的PC降解，降解，PE和和PS分別只有分別只有20%和和10%的被降解的被降解。2復(fù)合糖的不對(duì)稱性：復(fù)合糖的不對(duì)稱性：糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)胞膜的外表面。胞膜的外表面。 3膜蛋白的不對(duì)稱性：膜蛋白的不對(duì)稱性：如細(xì)胞色素如細(xì)胞色素C位于線粒體位于線粒體內(nèi)膜內(nèi)膜

17、M側(cè)。側(cè)。（二）膜的不對(duì)稱性（二）膜的不對(duì)稱性（三）脂筏（三）脂筏 lipid raftv是富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域。是富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域。v約約70nm左右，是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，位于質(zhì)膜的外小左右，是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，位于質(zhì)膜的外小頁(yè)。頁(yè)。v介于無(wú)序液體與液晶之間，稱為介于無(wú)序液體與液晶之間，稱為有序液體有序液體。v在低溫下這些區(qū)域能抵抗非離子去垢劑的抽提，在低溫下這些區(qū)域能抵抗非離子去垢劑的抽提，稱為抗去垢劑膜稱為抗去垢劑膜（DRMs）。v就像一個(gè)蛋白質(zhì)停泊的平臺(tái)，與膜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、就像一個(gè)蛋白質(zhì)停泊的平臺(tái)，與膜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。5.3 細(xì)

18、胞膜的功能細(xì)胞膜的功能5.3.1 生物膜的功能簡(jiǎn)介生物膜的功能簡(jiǎn)介生物化學(xué)生物化學(xué)1、物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)、物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)2、保護(hù)作用、保護(hù)作用3、能量轉(zhuǎn)換、能量轉(zhuǎn)換4、信息傳遞、信息傳遞5、細(xì)胞免疫、細(xì)胞免疫6、運(yùn)動(dòng)功能、運(yùn)動(dòng)功能5.3.1 生物膜的功能簡(jiǎn)介生物膜的功能簡(jiǎn)介生物化學(xué)生物化學(xué)1、物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)、物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn) 離子和小分子物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞膜的主要方式離子和小分子物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞膜的主要方式v自由擴(kuò)散：自由擴(kuò)散：又叫做被動(dòng)運(yùn)輸，由高濃度一側(cè)向低又叫做被動(dòng)運(yùn)輸，由高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)擴(kuò)散，不需要載體，不消耗細(xì)胞內(nèi)能量，濃度一側(cè)擴(kuò)散，不需要載體，不消耗細(xì)胞內(nèi)能量，例如：氧氣、二氧化碳、甘油、乙醇等。例如：氧氣、

19、二氧化碳、甘油、乙醇等。v主動(dòng)運(yùn)輸：主動(dòng)運(yùn)輸：由低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)裝運(yùn)。需由低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)裝運(yùn)。需載體協(xié)助，需要消耗細(xì)胞內(nèi)的能量。例如：氨基載體協(xié)助，需要消耗細(xì)胞內(nèi)的能量。例如：氨基酸、葡萄糖等。酸、葡萄糖等。5.3.1 生物膜的功能簡(jiǎn)介生物膜的功能簡(jiǎn)介生物化學(xué)生物化學(xué)1、物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)、物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn) 大分子物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞膜的主要方式大分子物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞膜的主要方式v 胞吞胞吞v 胞吐胞吐巨噬細(xì)胞表面的皺褶與吞噬顆粒物質(zhì)有關(guān)纖毛和鞭毛6、運(yùn)動(dòng)功能、運(yùn)動(dòng)功能5.3 細(xì)胞膜的功能細(xì)胞膜的功能5.3.2 膜蛋白與膜脂的相互作用膜蛋白與膜脂的相互作用蛋白質(zhì)在膜脂作用下結(jié)構(gòu)與功能變化蛋白質(zhì)在膜脂作用下結(jié)構(gòu)與功能