第二章細胞和生物膜

第二章細胞和生物膜第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一第二章細胞和生物膜2.1細胞是生物體的基本結構單元

2.1.1細胞的分類和結構

2.1.2細胞是生物分子發(fā)生化學變化的場所2.2生物膜

2.2.1生物膜的組成和結構

2.2.2生物膜的功能

2.2.3生物膜的模擬——人工膜第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一2.2生物膜細胞膜以及各種細胞器的外膜通稱為生物膜。生物膜是一個具有特殊結構和功能的選擇性通透膜。生物膜將細胞/細胞器與環(huán)境分隔，維持內部結構與成分穩(wěn)定生物膜本身具有重要的生物功能：蛋白質/酶的定位：膜上含有一系列的特化蛋白質啟動或催化一定的分子事件物質運輸：膜上的泵可以逆跨膜梯度移動（運送）特定的有機物和無機離子能量轉換:能量轉化器可以把一種形式的能量轉化為另一種形式的能量信息傳遞:質膜上的受體能夠感受胞外信號，并轉化為細胞內的分子事件第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一2.2.1生物膜的組成和結構組成：脂質，蛋白質，糖類，水，金屬離子第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一脂質lipid脂質是構成生物膜最基本的結構物質脂質是生物體的一大類重要的有機化物，脂類包括的范圍很廣，這些物質不但化學成份和化學結構有很大差異，而且具有不同的生物學功能。磷脂（主要成分）膽固醇糖脂第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一磷脂根據(jù)磷脂的主鏈結構（醇基）的不同，可將磷脂分成兩大類：甘油磷脂：甘油、脂肪酸、磷酸。鞘氨醇磷脂：以鞘氨醇代替了甘油。甘油磷脂鞘氨醇磷脂兩親分子第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一甘油磷脂第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一鞘氨醇磷脂第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一磷脂的特點磷脂分子中含有親水性的磷酸酯基和親脂性的脂肪酸鏈，是優(yōu)良的兩親分子。磷脂分子在水溶液中，能夠形成雙層脂膜結構或微團結構。甘油磷脂鞘氨醇磷脂第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一膽固醇Cholesterol膽固醇以中性脂的形式分布在雙層脂膜內，對生物膜中脂類的物理狀態(tài)有一定的調節(jié)作用，有利于保持膜的穩(wěn)定性和降低相變溫度。第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一固醇衍生物膽汁酸是脂肪消化的乳化劑膽汁中，膽酸多與甘氨酸或?；撬峤Y合成甘氨膽酸或?；悄懰幔懼幔３赦c鹽－膽汁酸鹽，是表面活性劑，乳化腸道中的脂肪、膽固醇和Vit（脂溶性），促進腸壁細胞對脂肪的吸收，還可激活脂肪酶，對脂肪的消化和吸收具有重要的生理意義。第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一糖脂Glycosphingolipids

糖脂也是構成雙層脂膜的結構物質。糖脂主要分布在細胞膜外側的單分子層中。甘油醇糖脂主要是具有植物和細菌界特征的糖脂，有單（mono－）及二半乳糖苷甘油二酯等。鞘氨醇糖脂主要是具有動物特征的糖脂，代表有半乳糖腦苷脂、葡糖腦苷脂和紅細胞糖苷脂（globoside）等中性的神經(jīng)鞘氨醇糖和脂神經(jīng)節(jié)苷脂（ganglioside）等酸性神經(jīng)鞘氨醇糖脂。第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一甘油醇糖脂葉綠體和微生物的質膜里含有大量的甘油糖脂。第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一鞘氨醇糖脂單糖、雙糖或寡糖通過糖苷鍵連接神經(jīng)酰胺形成鞘氨醇糖脂。腦苷脂：

半乳糖苷神經(jīng)酰胺、葡萄糖苷神經(jīng)酰胺不僅是血型抗原，而且與組織和器官的特異性，即細胞—細胞識別有關。神經(jīng)節(jié)苷脂：寡糖鏈(帶有一個或多個唾液酸殘基)與神經(jīng)酰胺形成的鞘糖脂。在神經(jīng)末梢中含量豐富，種類很多。在神經(jīng)沖動傳遞中其重要作用。許多遺傳疾病涉及特異糖鞘脂的積累。第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一鞘氨醇糖脂二十四酸二十四烯酸-羥二十四酸第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一糖脂的生物學功能（1）細胞結構的剛性（2）抗原的化學標記血型、抗原（3）調節(jié)細胞的正常生長（4）細胞間識別第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一磷脂（主要成分）膽固醇糖脂第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一膜蛋白生物膜中含有多種不同的蛋白質，通常稱為膜蛋白。膜蛋白具有重要的生物功能，是生物膜實施功能的基本場所。根據(jù)它們在膜上的定位情況，可以分為外周蛋白和內在蛋白。外周蛋白——受體內在蛋白——酶、通道第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一膜蛋白的作用物質運輸:作為“載體”將物質帶入或帶出細胞；外界信息的接受與傳遞:有些膜蛋白是激素或其他化學物質的特異受體;作為各種酶(蛋白質)，使特異的化學反應能在膜上進行;細胞的識別維持細胞結構第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一糖類生物膜中含有一定的寡糖類物質。它們大多與膜蛋白結合，少數(shù)與膜脂結合。糖類在膜上的分布是不對稱的，全部都處于細胞膜的外側。生物膜中組成寡糖的單糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等。生物膜中的糖類化合物在信息傳遞和相互識別方面具有重要作用。糖蛋白：O-糖苷鍵

N-糖苷鍵糖脂：O-糖苷鍵第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一生物膜的結構生物膜分子間作用力靜電力疏水力范德華引力生物膜結構的主要特征（1）膜組分的不對稱分布（2）生物膜的流動性流體鑲嵌模型

第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一溫度引起側鏈熱運動脂雙層平面內的擴散跨膜擴散：“翻跟頭”第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一生物膜的流體鑲嵌模型1.膜的基質為極性脂質雙分子層；2.具有流動性（脂肪酸）3.內嵌蛋白的疏水氨基酸使之溶解于雙分子層的疏水部分；4.外周蛋白通過靜電吸引或范氏力與雙分子層的極性頭部相連；5.無共價結合；6.膜蛋白可做橫向移動。第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一2.2.2生物膜的功能保護功能轉運功能能量轉換功能信息傳遞運動功能免疫功能第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一保護功能在細胞或細胞器中，生物膜第一個重要作用是將其內含物質與外界環(huán)境分隔開來，使之成為具有特殊功能的獨立個體。生物膜能夠保護細胞或細胞器不受或少受外界環(huán)境因素改變的影響，保持它們原有的形狀和完整結構。第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一轉運功能細胞或細胞器需要經(jīng)常與外界進行物質交換以維持其正常的功能。生物膜具有高度選擇性的半透性阻障作用，膜上含有專一性的分子泵和門，細胞或細胞器通過生物膜，從膜外選擇性地吸收所需要的養(yǎng)料，同時也要排出不需要的物質。在各種物質跨膜轉運過程中，細胞膜起著重要的調控作用。被動轉運主動轉運第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一被動轉運在濃度梯度的驅動下，向平衡態(tài)進行的跨膜擴散運動。簡單擴散物質從濃度高的一側到濃度低的一側，不需能量，不需膜蛋白協(xié)助，依賴于物質種類、分子大小、兩側的濃度差。促進擴散順濃度梯度，不需能量，需特異的膜膜蛋白促進轉運，增加速率和特異性。如載體蛋白、通道蛋白。第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一主動轉運主動轉運是在外加能量驅動下進行的物質跨膜轉運過程。主動轉運的物質，可以是離子、小分子化合物，也可以是復雜的大分子物質，如某些蛋白或酶等。需要載體蛋白的參與。主動運輸具有專一性、飽和性、方向性、選擇性抑制和需提供能量等特點。第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一鈉、鉀離子泵鈉、鉀離子泵實際上就是膜結構中的一種特殊蛋白質——Na+-K+ATP酶，它本身具有催化ATP水解的活性，可以把ATP分子中的高能鍵切斷而釋放能量，并利用此能量進行Na+，K+的主動運送。因此鈉泵就是這種被稱為Na+-K+依賴式ATP酶的蛋白質。第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一鈣離子泵第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一能量轉換氧化磷酸化：通過生物氧化作用，將食物分子中存儲的化學能轉變成生物能，即將化學能轉換成ATP分子的高能磷酸鍵。然后再通過ATP分子磷酸鍵的分解釋放能量，為生物體提供所需的能量。光合磷酸化：通過光合作用，將光能（主要是太陽能）轉換成ATP的高能磷酸鍵。再利用ATP的能量合成糖類物質。

真核細胞的氧化磷酸化主要在線粒體膜上進行。

原核細胞的氧化磷酸化則是在細胞質膜上進行。

光合磷酸化主要在葉綠體膜上進行。第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一信息傳遞生物體內的信息傳遞，例如激素的刺激、神經(jīng)傳導和遺傳信息的傳遞等，主要是在細胞膜上進行的。細胞膜上有接受不同信息的專一性受體，這些受體能識別和接受各種特殊信息，然后將不同的信息分別傳遞給有關的靶細胞并產(chǎn)生相應的效應以調節(jié)代謝、控制遺傳和其它生理活動。第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一運動功能許多原生動物及單細胞動物主要是通過其細胞膜表面的纖毛或鞭毛的擺動而移動。第42頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一運動功能淋巴細胞的吞噬作用和某些細胞利用質膜內折疊將外源物質包圍入細胞的作用等都是靠細胞膜的運動實現(xiàn)的。第43頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一免疫功能細胞的免疫性主要是由于細胞膜上有專一性的抗原受體，當抗原受體被抗原激活后，即產(chǎn)生相應的抗體?？贵w能夠識別及特異性地與外源性抗原（如細菌、病毒等）結合并吞噬消滅。另外，吞噬細胞和淋巴細胞的免疫功能，是由于它們能夠識別外源物質（細菌或其它蛋白質等），并能將這些外源物質吞噬消滅。第44頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一2.2.3生物膜的模擬——人工膜是指由雙親性分子高度有序排列形成的體系.是指由雙親性分子高度有序排列形成的體系，如膠束、微團、單分子層膜、雙分子層膜和脂質體等。人工膜具有生物膜的基本結構特點和某些理化性質，是研究生物膜結構與功能關系的基本模型。最能代表生物膜結構特性的人工膜是單分子層膜、雙分子層膜和脂質體。第45頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一模擬生物膜功能（1）分離：模擬物質的運送和調控，用于分離、提取和濃縮所需物質，如污水處理，海水濃縮所需物質，海水淡化。（2）靶向給藥和可控緩釋給藥：用脂質體對藥物和疫苗進行包結，在體內可控釋放、延長和增強藥效。包結藥品的脂質體表面連接上抗體，可實現(xiàn)靶向給藥，抗體在體內尋找抗原，結合后藥物定點釋放。

（3）模擬膜上的化學反應：利用膜分子排列有序，使反應按一定方向有序進行，膜提供的微環(huán)境如有機溶劑，可加速反應進行，為一些酶促反應提供場所。

（4）生物傳感器：模擬葉綠素體膜、類囊體膜，將太陽能轉化成電能或化學能，模擬視覺和嗅覺。

（5）制備納米材料：用超聲法制備單層小泡囊（體積20~50nm）包結制備納米材料。第46頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一單