第二章細(xì)胞和生物膜

第二章細(xì)胞和生物膜第1頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二章細(xì)胞和生物膜2.1細(xì)胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)單元

2.1.1細(xì)胞的分類和結(jié)構(gòu)

2.1.2細(xì)胞是生物分子發(fā)生化學(xué)變化的場(chǎng)所2.2生物膜

2.2.1生物膜的組成和結(jié)構(gòu)

2.2.2生物膜的功能

2.2.3生物膜的模擬——人工膜第2頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2生物膜細(xì)胞膜以及各種細(xì)胞器的外膜通稱為生物膜。生物膜是一個(gè)具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的選擇性通透膜。生物膜將細(xì)胞/細(xì)胞器與環(huán)境分隔，維持內(nèi)部結(jié)構(gòu)與成分穩(wěn)定生物膜本身具有重要的生物功能：蛋白質(zhì)/酶的定位：膜上含有一系列的特化蛋白質(zhì)啟動(dòng)或催化一定的分子事件物質(zhì)運(yùn)輸：膜上的泵可以逆跨膜梯度移動(dòng)（運(yùn)送）特定的有機(jī)物和無(wú)機(jī)離子能量轉(zhuǎn)換:能量轉(zhuǎn)化器可以把一種形式的能量轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量信息傳遞:質(zhì)膜上的受體能夠感受胞外信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的分子事件第3頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.1生物膜的組成和結(jié)構(gòu)組成：脂質(zhì)，蛋白質(zhì)，糖類，水，金屬離子第4頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一脂質(zhì)lipid脂質(zhì)是構(gòu)成生物膜最基本的結(jié)構(gòu)物質(zhì)脂質(zhì)是生物體的一大類重要的有機(jī)化物，脂類包括的范圍很廣，這些物質(zhì)不但化學(xué)成份和化學(xué)結(jié)構(gòu)有很大差異，而且具有不同的生物學(xué)功能。磷脂（主要成分）膽固醇糖脂第5頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一磷脂根據(jù)磷脂的主鏈結(jié)構(gòu)（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(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一甘油磷脂第7頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一鞘氨醇磷脂第8頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一磷脂的特點(diǎn)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(jié)構(gòu)或微團(tuán)結(jié)構(gòu)。甘油磷脂鞘氨醇磷脂第9頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第10頁(yè)，共49頁(yè)，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(nèi)，對(duì)生物膜中脂類的物理狀態(tài)有一定的調(diào)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(yè)，共49頁(yè)，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，膽酸多與甘氨酸或牛磺酸結(jié)合成甘氨膽酸或?；悄懰幔懼?，常成鈉鹽－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(jìn)腸壁細(xì)胞對(duì)脂肪的吸收，還可激活脂肪酶，對(duì)脂肪的消化和吸收具有重要的生理意義。第12頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一糖脂Glycosphingolipids

糖脂也是構(gòu)成雙層脂膜的結(jié)構(gòu)物質(zhì)。糖脂主要分布在細(xì)胞膜外側(cè)的單分子層中。甘油醇糖脂主要是具有植物和細(xì)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(dòng)物特征的糖脂，代表有半乳糖腦苷脂、葡糖腦苷脂和紅細(xì)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(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一甘油醇糖脂葉綠體和微生物的質(zhì)膜里含有大量的甘油糖脂。第14頁(yè)，共49頁(yè)，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(xì)胞—細(xì)胞識(shí)別有關(guān)。神經(jīng)節(jié)苷脂：寡糖鏈(帶有一個(gè)或多個(gè)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(dòng)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(yè)，共49頁(yè)，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(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一糖脂的生物學(xué)功能（1）細(xì)胞結(jié)構(gòu)的剛性（2）抗原的化學(xué)標(biāo)記血型、抗原（3）調(diào)節(jié)細(xì)胞的正常生長(zhǎng)（4）細(xì)胞間識(shí)別第17頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一磷脂（主要成分）膽固醇糖脂第18頁(yè)，共49頁(yè)，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(zhì)，通常稱為膜蛋白。膜蛋白具有重要的生物功能，是生物膜實(shí)施功能的基本場(chǎng)所。根據(jù)它們?cè)谀ど系亩ㄎ磺闆r，可以分為外周蛋白和內(nèi)在蛋白。外周蛋白——受體內(nèi)在蛋白——酶、通道第19頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一膜蛋白的作用物質(zhì)運(yùn)輸:作為“載體”將物質(zhì)帶入或帶出細(xì)胞；外界信息的接受與傳遞:有些膜蛋白是激素或其他化學(xué)物質(zhì)的特異受體;作為各種酶(蛋白質(zhì))，使特異的化學(xué)反應(yīng)能在膜上進(jìn)行;細(xì)胞的識(shí)別維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)第20頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第21頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第22頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第23頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第24頁(yè)，共49頁(yè)，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(zhì)。它們大多與膜蛋白結(jié)合，少數(shù)與膜脂結(jié)合。糖類在膜上的分布是不對(duì)稱的，全部都處于細(xì)胞膜的外側(cè)。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(shí)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(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第26頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第27頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一生物膜的結(jié)構(gòu)生物膜分子間作用力靜電力疏水力范德華引力生物膜結(jié)構(gòu)的主要特征（1）膜組分的不對(duì)稱分布（2）生物膜的流動(dòng)性流體鑲嵌模型

第28頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第29頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一溫度引起側(cè)鏈熱運(yùn)動(dòng)脂雙層平面內(nèi)的擴(kuò)散跨膜擴(kuò)散：“翻跟頭”第30頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一生物膜的流體鑲嵌模型1.膜的基質(zhì)為極性脂質(zhì)雙分子層；2.具有流動(dòng)性（脂肪酸）3.內(nèi)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(wú)共價(jià)結(jié)合；6.膜蛋白可做橫向移動(dòng)。第31頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.2生物膜的功能保護(hù)功能轉(zhuǎn)運(yùn)功能能量轉(zhuǎn)換功能信息傳遞運(yùn)動(dòng)功能免疫功能第32頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一保護(hù)功能在細(xì)胞或細(xì)胞器中，生物膜第一個(gè)重要作用是將其內(nèi)含物質(zhì)與外界環(huán)境分隔開來(lái)，使之成為具有特殊功能的獨(dú)立個(gè)體。生物膜能夠保護(hù)細(xì)胞或細(xì)胞器不受或少受外界環(huán)境因素改變的影響，保持它們?cè)械男螤詈屯暾Y(jié)構(gòu)。第33頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)運(yùn)功能細(xì)胞或細(xì)胞器需要經(jīng)常與外界進(jìn)行物質(zhì)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(xì)胞或細(xì)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(shí)也要排出不需要的物質(zhì)。在各種物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，細(xì)胞膜起著重要的調(diào)控作用。被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)第34頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)在濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，向平衡態(tài)進(jìn)行的跨膜擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)單擴(kuò)散物質(zhì)從濃度高的一側(cè)到濃度低的一側(cè)，不需能量，不需膜蛋白協(xié)助，依賴于物質(zhì)種類、分子大小、兩側(cè)的濃度差。促進(jìn)擴(kuò)散順濃度梯度，不需能量，需特異的膜膜蛋白促進(jìn)轉(zhuǎn)運(yùn)，增加速率和特異性。如載體蛋白、通道蛋白。第35頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第36頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)是在外加能量驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行的物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程。主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)，可以是離子、小分子化合物，也可以是復(fù)雜的大分子物質(zhì)，如某些蛋白或酶等。需要載體蛋白的參與。主動(dòng)運(yùn)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(diǎn)。第37頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一鈉、鉀離子泵鈉、鉀離子泵實(shí)際上就是膜結(jié)構(gòu)中的一種特殊蛋白質(zhì)——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(jìn)行Na+，K+的主動(dòng)運(yùn)送。因此鈉泵就是這種被稱為Na+-K+依賴式ATP酶的蛋白質(zhì)。第38頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一鈣離子泵第39頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一能量轉(zhuǎn)換氧化磷酸化：通過生物氧化作用，將食物分子中存儲(chǔ)的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成生物能，即將化學(xué)能轉(zhuǎn)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(yáng)能）轉(zhuǎn)換成ATP的高能磷酸鍵。再利用ATP的能量合成糖類物質(zhì)。

真核細(xì)胞的氧化磷酸化主要在線粒體膜上進(jìn)行。

原核細(xì)胞的氧化磷酸化則是在細(xì)胞質(zhì)膜上進(jìn)行。

光合磷酸化主要在葉綠體膜上進(jìn)行。第40頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一信息傳遞生物體內(nèi)的信息傳遞，例如激素的刺激、神經(jīng)傳導(dǎo)和遺傳信息的傳遞等，主要是在細(xì)胞膜上進(jìn)行的。細(xì)胞膜上有接受不同信息的專一性受體，這些受體能識(shí)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(guān)的靶細(xì)胞并產(chǎn)生相應(yīng)的效應(yīng)以調(diào)節(jié)代謝、控制遺傳和其它生理活動(dòng)。第41頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一運(yùn)動(dòng)功能許多原生動(dòng)物及單細(xì)胞動(dòng)物主要是通過其細(xì)胞膜表面的纖毛或鞭毛的擺動(dòng)而移動(dòng)。第42頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一運(yùn)動(dòng)功能淋巴細(xì)胞的吞噬作用和某些細(xì)胞利用質(zhì)膜內(nèi)折疊將外源物質(zhì)包圍入細(xì)胞的作用等都是靠細(xì)胞膜的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。第43頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一免疫功能細(xì)胞的免疫性主要是由于細(xì)胞膜上有專一性的抗原受體，當(dāng)抗原受體被抗原激活后，即產(chǎn)生相應(yīng)的抗體?？贵w能夠識(shí)別及特異性地與外源性抗原（如細(xì)菌、病毒等）結(jié)合并吞噬消滅。另外，吞噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞的免疫功能，是由于它們能夠識(shí)別外源物質(zhì)（細(xì)菌或其它蛋白質(zhì)等），并能將這些外源物質(zhì)吞噬消滅。第44頁(yè)，共49頁(yè)，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(tuán)、單分子層膜、雙分子層膜和脂質(zhì)體等。人工膜具有生物膜的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和某些理化性質(zhì)，是研究生物膜結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基本模型。最能代表生物膜結(jié)構(gòu)特性的人工膜是單分子層膜、雙分子層膜和脂質(zhì)體。第45頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一模擬生物膜功能（1）分離：模擬物質(zhì)的運(yùn)送和調(diào)控，用于分離、提取和濃縮所需物質(zhì)，如污水處理，海水濃縮所需物質(zhì)，海水淡化。（2）靶向給藥和可控緩釋給藥：用脂質(zhì)體對(duì)藥物和疫苗進(jìn)行包結(jié)，在體內(nèi)可控釋放、延長(zhǎng)和增強(qiáng)藥效。包結(jié)藥品的脂質(zhì)體表面連接上抗體，可實(shí)現(xiàn)靶向給藥，抗體在體內(nèi)尋找抗原，結(jié)合后藥物定點(diǎn)釋放。

（3）模擬膜上的化學(xué)反應(yīng)：利用膜分子排列有序，使反應(yīng)按一定方向有序進(jìn)行，膜提供的微環(huán)境如有機(jī)溶劑，可加速反應(yīng)進(jìn)行，為一些酶促反應(yīng)提供場(chǎng)所。

（4）生物傳感器：模擬葉綠素體膜、類囊體膜，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能或化學(xué)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(jié)制備納米材料。第46頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一單