細(xì)胞膜的分子基礎(chǔ)

關(guān)于細(xì)胞膜的分子基礎(chǔ)

內(nèi)容提要第一節(jié)細(xì)胞是生命活動的基本單位第二節(jié)細(xì)胞的性態(tài)、大小和數(shù)量第三節(jié)原核細(xì)胞和真核細(xì)胞第四節(jié)細(xì)胞的分子基礎(chǔ)第2頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)細(xì)胞是生命活動的基本單位結(jié)構(gòu)核酸核糖體一分為二的分裂方式第3頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)細(xì)胞的形態(tài)、大小和數(shù)量形態(tài)大小數(shù)量第4頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)原核細(xì)胞和真核細(xì)胞根據(jù)進(jìn)化地位、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、遺傳裝置的類型與主要生命活動的方式，將細(xì)胞分為原核細(xì)胞（prokaryoticcell）和真核細(xì)胞（eukaryoticcell）兩大類。第5頁,共51頁，2024年2月25日，星期天Nucleoid第6頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共51頁，2024年2月25日，星期天原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的比較

①真核細(xì)胞具有由核膜、染色質(zhì)、核仁、核基質(zhì)構(gòu)成的細(xì)胞核；原核細(xì)胞無核膜、核仁，僅有核物質(zhì)構(gòu)成的擬核。②除某些低等類群（如甲藻等）的細(xì)胞外，真核生物染色體DNA均與組蛋白結(jié)合，形成核小體；而在原核細(xì)胞核DNA無組蛋白與之結(jié)合，也不構(gòu)成染色體。③真核細(xì)胞的DNA復(fù)制在細(xì)胞周期的S期，原核細(xì)胞DNA復(fù)制常是連續(xù)進(jìn)行的。④真核細(xì)胞的基因表達(dá)具有時空性，轉(zhuǎn)錄先在細(xì)胞核中進(jìn)行，蛋白質(zhì)合成后在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行；原核細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄與蛋白質(zhì)合成在細(xì)胞質(zhì)中同時進(jìn)行。第8頁,共51頁，2024年2月25日，星期天⑤真核細(xì)胞有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體等細(xì)胞器構(gòu)成的內(nèi)膜系統(tǒng)，原核細(xì)胞沒有。⑥真核細(xì)胞內(nèi)含微管、微絲和中間纖維等構(gòu)成的細(xì)胞骨架，與細(xì)胞運(yùn)動、細(xì)胞分裂、胞質(zhì)環(huán)流及吞噬作用密切相關(guān)；原核細(xì)胞內(nèi)無細(xì)胞骨架。⑦真核細(xì)胞的核糖體為80S型，原核細(xì)胞核糖體為70S型。⑧真核細(xì)胞含有雙層單位膜包裹而成的線粒體或葉綠體，內(nèi)含DNA及基因表達(dá)體系，其內(nèi)膜上有與氧化磷酸化或光合磷酸化相關(guān)的電子傳遞鏈；原核細(xì)胞功能上與線粒體、葉綠體相應(yīng)的結(jié)構(gòu)是質(zhì)膜和質(zhì)膜內(nèi)褶，但質(zhì)膜內(nèi)褶內(nèi)無DNA及基因表達(dá)體系。⑨真核細(xì)胞的細(xì)胞分裂方式包括有絲分裂和減數(shù)分裂，原核細(xì)胞則進(jìn)行無絲分裂。第9頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)細(xì)胞的分子基礎(chǔ)一、水和無機(jī)鹽二、有機(jī)化合物三、生物大分子第10頁,共51頁，2024年2月25日，星期天生物小分子組成細(xì)胞的基本元素是：C、H、O、N、S、K、Ca、P、Mg，其中C、H、O、N四種元素占90%以上。細(xì)胞化學(xué)物質(zhì)可分為兩大類：無機(jī)物和有機(jī)物。在無機(jī)物中水是最主要的成分，約占細(xì)胞物質(zhì)總含量的70％—80％。第11頁,共51頁，2024年2月25日，星期天一、無機(jī)化合物

細(xì)胞的無機(jī)物主要有水和無機(jī)鹽。水約占細(xì)胞重量的70％-80％，其中游離水約95％，其余為結(jié)合水。無機(jī)鹽的含量約為1％，主要以離子形式存在。第12頁,共51頁，2024年2月25日，星期天水水分子是偶極子。蛋白質(zhì)中每一個氨基酸平均可結(jié)合2.6個水分子。水是細(xì)胞中最主要的成份。水分子間可形成氫鍵。水在細(xì)胞中既是反應(yīng)物也是溶劑。細(xì)胞中的水以兩種形式存在:游離水和結(jié)合水。第13頁,共51頁，2024年2月25日，星期天無機(jī)離子的主要功能是維持細(xì)胞內(nèi)的pH和滲透壓，以保持細(xì)胞的正常生理活動；有的同蛋白質(zhì)或脂類結(jié)合組成具有特定功能的結(jié)合蛋白，參與細(xì)胞的生命活動；有的作為酶反應(yīng)的輔助因子。所以無機(jī)鹽也是維持細(xì)胞生命活動所不可缺少的。無機(jī)鹽第14頁,共51頁，2024年2月25日，星期天主要的陰離子有Cl—、PO4—和HCO3—，其中磷酸根離子在細(xì)胞代謝活動中最為重要：①在各類細(xì)胞的能量代謝中起著關(guān)鍵作用；②是核苷酸、磷脂、磷蛋白和磷酸化糖的組成成分；③調(diào)節(jié)酸堿平衡，對血液和組織液pH起緩沖作用。主要的陽離子有：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、Cu2+、Co2+、Mo2+。其作用如下：第15頁,共51頁，2024年2月25日，星期天離子種類

在細(xì)胞中的作用Fe2+或Fe3+

血紅蛋白、細(xì)胞色素、過氧化物酶和鐵蛋白的組成成分Na+維持膜電位K+參與蛋白質(zhì)合成和某些酶促合成Mg2+葉綠素、磷酸酶、Na’—K‘泵Mn2+肽酶Cu2+酪氨酸酶、抗壞血酸氧化酶Co2+肽酶Mo2+硝酸還原酶、黃嘌呤氧化酶Ca2+鈣調(diào)素、肌動球蛋白、ATP酶第16頁,共51頁，2024年2月25日，星期天二、有機(jī)化合物細(xì)胞內(nèi)有4類有機(jī)小分子:單糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸，由它們可以構(gòu)成生物大分子。第17頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（一）糖類糖類由碳、氫、氧3種化學(xué)元素組成，它是構(gòu)成生物體的重要成分，也是細(xì)胞的主要能源物質(zhì)。主要包括單糖、二糖、低聚糖(2～6個糖)和多糖(由幾百到幾千個單糖分子組成)，其中多糖屬于生物大分子。單純的多糖由許多葡萄糖殘基組成，在動物細(xì)胞內(nèi)主要是糖原，在植物細(xì)胞內(nèi)主要是淀粉。它們是細(xì)胞內(nèi)貯存的營養(yǎng)物質(zhì)，提供細(xì)胞代謝所需的能源。第18頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（二）脂類脂肪酸是脂類的主要成分。一般包括脂肪、類脂和固醇等。脂肪酸是營養(yǎng)價值較高的營養(yǎng)物，按重量比計算，脂肪酸分解產(chǎn)生的能量，相當(dāng)于葡萄糖所產(chǎn)生能量的兩倍。脂肪酸在細(xì)胞內(nèi)最重要的功能是構(gòu)成細(xì)胞結(jié)構(gòu)。除了脂肪酸外，細(xì)胞內(nèi)還有其他一些脂類。磷脂是構(gòu)成細(xì)胞膜和多種細(xì)胞器的膜結(jié)構(gòu)的重要組成成分。第19頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（三）核苷酸

核苷酸是組成核酸的基本單位，每個核苷酸分子由一個戊糖(核糖或脫氧核糖)、一個含氮堿基(嘧啶或嘌呤)和一個磷酸脫水縮合而成。第20頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（四）氨基酸

細(xì)胞內(nèi)主要有20種氨基酸，它們的差別主要是R側(cè)鏈不同(圖3-1)，決定了氨基酸不同的化學(xué)性質(zhì)。氨基酸是組成蛋白質(zhì)的基本單位，蛋白質(zhì)是長的線性的氨基酸多聚體，這些氨基酸通過一個氨基酸的羧基與另一個氨基酸的氨基之間形成的肽鍵而首尾相連，構(gòu)成多肽鏈。第21頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第22頁,共51頁，2024年2月25日，星期天生物大分子

細(xì)胞內(nèi)小分子組裝成大分子，不僅是分子大小發(fā)生變化，而且賦予它們與小分子截然不同的生物學(xué)特性。生物大分子（biologicalmacromolecules）：蛋白質(zhì)、核酸、多糖和脂類分子量巨大，具有一定的生物學(xué)功能。它們的分子量一般在10000到1000000之間，細(xì)胞內(nèi)大約有3000種大分子。第23頁,共51頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)、核酸、脂類和糖，約占細(xì)胞干重的90%以上。一個細(xì)胞中約有104種蛋白質(zhì)，分子的數(shù)達(dá)1011。蛋白質(zhì)是細(xì)胞的結(jié)構(gòu)成分，也是細(xì)胞功能的實現(xiàn)者。生化反應(yīng)的催化劑——酶是蛋白質(zhì)。第24頁,共51頁，2024年2月25日，星期天一、核酸（一）核酸的種類及其組成細(xì)胞中的核酸有兩大類：一是主要分布于細(xì)胞核中的脫氧核糖核酸(簡寫DNA)；另一是主要分布于細(xì)胞質(zhì)中的核糖核酸(簡寫RNA)。兩類核酸的差異是組成核酸的單位——單核苷酸的化學(xué)組成不同，確切地說就是核苷(nucleoside)的化學(xué)組成有別。

3',5'-磷酸二酯鍵相連，即在一個核苷酸的3’羥基和另一個核苷酸的5’磷酸基之間形成磷酸二酯鍵，分別聚合成脫氧核糖核酸或核糖核酸。第25頁,共51頁，2024年2月25日，星期天DNA是遺傳信息復(fù)制、傳遞和基因轉(zhuǎn)錄的模板，RNA參與蛋白質(zhì)的合成。生物體全部基因序列及其間隔稱為基因組genome.原核生物的基因組大小約600Kb-9.5Mb，真核生物的約為3Mb-140000Mb。一個能夠獨立生存的細(xì)胞需要約500個基因。第26頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第27頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第28頁,共51頁，2024年2月25日，星期天核酸的特性當(dāng)溫度上升到一定高度時，DNA雙鏈即解離為單鏈，稱為變性（denaturation）或熔解（melting），這一溫度稱為熔解溫度（meltingtemperature，Tm）。堿基組成不同的DNA，熔解溫度不一樣，含G—C對（3條氫鍵）多的DNA，Tm高；含A—T對（2條氫鍵）多的，Tm低。當(dāng)溫度下降到一定溫度以下，變性DNA的互補(bǔ)單鏈又可通過在配對堿基間形成氫鍵，恢復(fù)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一過程稱為復(fù)性（renaturation）或退火（annealing）。第29頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（二）DNA的結(jié)構(gòu)DNA是所有生物(病毒除外)的遺傳信息貯存者。遺傳信息的基本單位是基因(gene)，基因是片段DNA分子中的核苷酸排列順序。DNA是雙螺旋結(jié)構(gòu):DNA的二級結(jié)構(gòu)。DNA的超螺旋(superhelix)結(jié)構(gòu):DNA的三級結(jié)構(gòu)。第30頁,共51頁，2024年2月25日，星期天每條主鏈上的2-脫氧核糖與磷酸處于螺旋的外側(cè)；相鄰的兩個核苷酸上的堿基平面，相互平行且基本上垂直于螺旋軸。螺旋的直徑為2.0nm。在同一條鏈上相鄰的兩個堿基之間沿軸的螺距為0.34nm，其間的旋轉(zhuǎn)角為36°。大約每隔10個堿基旋繞一圈，其間距為3.4nm第31頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第32頁,共51頁，2024年2月25日，星期天DNA有三種主要構(gòu)象。B-DNA：為Watson&Click提出的右手螺旋模型，每圈螺旋10個堿基，螺旋扭角為36度，螺距34A，每個堿基對的螺旋上升值為3.4A，堿基傾角為-2度。A-DNA：為右手螺旋，每圈螺旋10.9個堿基，螺旋扭角為33度，螺距32A，每個堿基對的螺旋上升值為2.9A，堿基傾角為13度。Z-DNA：為左手螺旋，每圈螺旋12個堿基，螺旋扭角為-51度（G—C）和-9度（C—G），螺距46A，每個堿基對的螺旋上升值為3.5A（G—C）和4.1A（C—G），堿基傾角為9度。第33頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第34頁,共51頁，2024年2月25日，星期天(二)RNA的結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)特征RNA是核糖核苷酸的多聚體，其中的核苷酸是以3’,5’-磷酸二酯鍵相連接，分子中不同的核糖核苷酸排列順序是RNA的一級結(jié)構(gòu)。第35頁,共51頁，2024年2月25日，星期天RNA與DNA的區(qū)別戊糖嘧啶堿天然RNA是以單股鏈的形式存在，而DNA分子常以雙股螺旋的形式存在。鳥嘌呤的含量不一定和胞嘧啶的含量相等，腺嘌呤的含量也不一定和尿嘧啶的含量相等。RNA分子除含四種核糖苷酸以外，還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多修飾成分，其中包括堿基的修飾成分和核糖的修飾成分以及由它們所構(gòu)成的核苷或核苷酸。第36頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2、RNA分子的類型按RNA分子能否進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)而分為：細(xì)胞核特異性RNA與細(xì)胞可移動RNA兩類。細(xì)胞核特異性RNA：包括不均一細(xì)胞核核糖核酸(以hnRNA表示)及染色質(zhì)核糖核酸(chRNA)等。細(xì)胞可移動RNA、這類RNA的分子量相對地小些，它們可以從細(xì)胞核遷入細(xì)胞質(zhì)，如rRNA、tRNA等。信使核糖核酸(messageRNA，簡寫mRNA)帽子結(jié)構(gòu)的功能：尾巴結(jié)構(gòu)：第37頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第38頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（三）核酸的功能DNA主要執(zhí)行生物的遺傳和繁殖功能。mRNA的功能是把核內(nèi)DNA的堿基序列（遺傳信息），按照堿基互補(bǔ)原則，拷貝并細(xì)胞質(zhì)中的核糖體，用以決定蛋白質(zhì)合成的氨基酸排列順序。tRNA的主要功能是辨認(rèn)mRNA，并將氨基酸結(jié)合于核糖體上，供給蛋白質(zhì)的合成。rRNA并不是單獨執(zhí)行功能，而是與核糖體蛋白共同構(gòu)成核糖體而執(zhí)行功能。第39頁,共51頁，2024年2月25日，星期天二、蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)是構(gòu)成細(xì)胞的主要成分，占細(xì)胞干重的一半以上。蛋白質(zhì)不僅決定細(xì)胞的形狀和結(jié)構(gòu)，而且還擔(dān)負(fù)許多重要的生理功能，在細(xì)胞識別和催化中起重要作用。

第40頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（一）肽與肽鍵肽鍵（peptidebond）是由一個氨基酸分子中的羧基與另一個氨基酸分子中的氨基(或是脯氨酸的亞氨基)之間，脫去一分子水形成的酰氨鍵。第41頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第42頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（二）蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)分為四級：一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)α-螺旋(α-helix)

β-折疊三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)：結(jié)構(gòu)域(structuredomain)四級結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)：其中的每條多肽鏈被稱為亞基或亞單位