細胞和生物膜

細胞和生物膜第二章主要內(nèi)容2.1細胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)單元一、細胞的分類和結(jié)構(gòu)二、細胞是分子發(fā)生化學(xué)變化的場所2.2生物膜一、生物膜的組成和結(jié)構(gòu)二、生物膜的功能三、人工膜2.1細胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)單元一、細胞的分類和結(jié)構(gòu)（1）原核細胞原核細胞的特點原核細胞的外層是細胞壁和細胞膜（質(zhì)膜），內(nèi)部為細胞質(zhì)。細胞質(zhì)的結(jié)構(gòu)非常簡單，沒有明顯的細胞器（由封閉的生物膜包裹的固體質(zhì)粒），只有原始的細胞核（無核膜和核仁）和其它一些核糖核蛋白體等。（2）真核細胞真核細胞是高等植物和動物的基本組織單位。真核細胞的外層為細胞膜（植物細胞還有一層細胞壁），內(nèi)部為細胞質(zhì)。真核細胞的結(jié)構(gòu)真核細胞的結(jié)構(gòu)細胞質(zhì)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，含有許多細胞器，主要有：細胞核、線粒體、核糖核蛋白體、高爾基體和溶酶體等。植物細胞中還含有質(zhì)體、葉綠體和液泡等。各個細胞器具有不同的生物功能，它們之間的協(xié)調(diào)運作，使細胞內(nèi)的代謝和各種生理活動能夠有條不紊地進行。細胞核的結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)：功能：遺傳物質(zhì)儲存和復(fù)制的場所，細胞遺傳特性和代謝的控制中心核膜（核孔：大分子物質(zhì)的通道）、核仁、核液、染色質(zhì)染色體：（DNA和蛋白質(zhì)）二、細胞是分子發(fā)生化學(xué)變化的場所線粒體線粒體——“動力工廠”（有氧呼吸的主要場所）有研究表明，馬拉松運動員腿部肌肉細胞中線粒體的數(shù)量比一般人多出一倍以上？外膜內(nèi)膜嵴外膜、內(nèi)膜、嵴、基質(zhì)（含少量DNA和有關(guān)酶）形狀:功能：橢球形

結(jié)構(gòu):有氧呼吸的主要場所思考核糖體——蛋白質(zhì)的“裝配車間”核糖體存在：形態(tài)結(jié)構(gòu)：主要功能：附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上或游離在細胞質(zhì)基質(zhì)中橢球形的粒狀小體，無膜結(jié)構(gòu)細胞內(nèi)合成蛋白質(zhì)的場所內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)：膜構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)功能：增大細胞內(nèi)膜面積，附著核糖體和多種酶，為各種化學(xué)反應(yīng)提供有利條件。與蛋白質(zhì)、糖類、脂類的合成有關(guān)，也是蛋白質(zhì)等的運輸通道。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分布：類型粗面型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：擴大膜面積，蛋白質(zhì)運輸通道滑面型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：糖類和脂類合成形態(tài)結(jié)構(gòu)：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)--有機物合成的“車間”絕大多數(shù)動植物細胞都有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。細胞核附近較多，并與核膜有一定的聯(lián)系。由單層膜結(jié)構(gòu)連接而成的網(wǎng)狀物高爾基體形態(tài)結(jié)構(gòu)：扁平囊狀結(jié)構(gòu)，有大小囊泡主要功能：與細胞分泌物的形成有關(guān)對蛋白質(zhì)有加工和轉(zhuǎn)運功能植物細胞分裂時與細胞壁的形成有關(guān)高爾基體－－蛋白質(zhì)的“加工工廠”葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能（植物）結(jié)構(gòu)：外膜、內(nèi)膜、基粒（囊狀結(jié)構(gòu)的薄膜構(gòu)成，附有色素）、基質(zhì)。含有與光合作用有關(guān)的酶，少量的DNA和RNA功能：細胞進行光合作用的場所液泡的結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)：液泡膜、細胞液（含有糖類、無機鹽、色素、蛋白質(zhì)、生物堿、有機酸等）功能：保持滲透壓、維持細胞形態(tài)和功能，調(diào)節(jié)細胞內(nèi)部環(huán)境有關(guān)

形

態(tài)膜結(jié)構(gòu)功

能內(nèi)質(zhì)網(wǎng)單層膜核糖體無膜結(jié)構(gòu)高爾基體單層膜中心體無膜結(jié)構(gòu)液

泡單層膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與細胞膜和核膜相連通和蛋白質(zhì)、脂類、糖類合成有關(guān)；蛋白質(zhì)流通的通道；橢球形，有的游離在細胞質(zhì)基質(zhì)中，有的附在核膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上；合成蛋白質(zhì)與動物細胞的有絲分裂有關(guān)調(diào)節(jié)細胞內(nèi)環(huán)境；儲存物質(zhì)；保持細胞的滲透壓，維持細胞形態(tài)由單層膜組成的扁平囊狀組合結(jié)構(gòu)兩個互相垂直的中心粒組成內(nèi)有細胞液動物：分泌植物：細胞壁的形成細胞器的比較2.2生物膜一、生物膜的組成和結(jié)構(gòu)生物膜脂類蛋白質(zhì)(膜蛋白)糖類磷脂膽固醇糖脂-X(1)磷脂結(jié)構(gòu)磷脂酰甘油(Phosphatidylglycerol)X=磷脂酰乙醇胺(Phosphatidylethanolamine)X=磷脂酰膽堿(Phosphatidylchiine)X=磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol)X=雙磷脂酰甘油(Diphosphatidylglycerol)磷脂酰絲氨酸(Phosphatidylserine)X=X=1脂類甘油磷脂類組成：磷酸化的頭部

+

三碳的甘油骨架

+

兩條脂肪酸鏈是生物膜的主要組分。鞘磷脂（鞘氨醇磷脂）鞘磷脂的基本骨架是鞘氨醇：十八碳二元醇。神經(jīng)酰胺：鞘氨醇+脂肪酸(2)膽固醇結(jié)構(gòu)膽固醇(Cholesterol)2、膜蛋白1）膜內(nèi)在蛋白：與脂雙層的疏水核心緊密相連；跨膜或不跨膜；在膜內(nèi)不對稱分布。內(nèi)在蛋白只能作旋轉(zhuǎn)和側(cè)向運動。

2）膜周邊蛋白：分布在膜內(nèi)或外表面。在膜內(nèi)表面，形成網(wǎng)狀的細胞骨架。生物膜的結(jié)構(gòu)生物膜的基本骨架：磷脂雙分子層生物膜的結(jié)構(gòu)特性：生物膜的功能特性：具有一定的流動性具有選擇透過性3.膜脂的流動性近年來生物物理及物理技術(shù)的發(fā)展，可以快速準確地測出分子的運動。應(yīng)用不同的熒光探針，可以在磷脂分子內(nèi)分別結(jié)合到脂肪酸的長鏈、甘油骨架及堿基（如膽堿）上，測出磷脂不同部位的運動速度及偏轉(zhuǎn)的角度，可以看出其運動狀態(tài)。膜脂的基本組分在生理狀態(tài)下處于相對流動狀態(tài)，膜脂的運動有下列五種方式。二、生物膜的功能保護功能轉(zhuǎn)運功能能量功能信息傳遞運動功能免疫功能細胞靠它的質(zhì)膜與周圍環(huán)境分隔開，生物膜是具有高度選擇性的半透膜，細胞能從環(huán)境中攝取所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，并排除代謝產(chǎn)物和廢物，使細胞保持動態(tài)恒定，這是活細胞維持正常的生理內(nèi)環(huán)境的基本因素。此外，生物膜的許多功能，如細胞間的相互作用、氧化磷酸化過程中能量的轉(zhuǎn)化、神經(jīng)和肌肉的興奮等，都與膜的物質(zhì)運輸密切相關(guān)。根據(jù)物質(zhì)運輸自由能變化的情況，膜對離子和小分子物質(zhì)的運輸可分為被動運輸和主動運輸。當ΔG＜0時，物質(zhì)順著電化學(xué)梯度（濃度梯度和電位梯度總稱為電化學(xué)梯度，）運輸，為被動運輸；當ΔG＞0時，物質(zhì)逆著電化學(xué)梯度運輸，為主動運輸。被動運輸是指物質(zhì)順著電化學(xué)梯度的方向跨膜運輸，即從膜的高濃度一側(cè)擴散到低濃度一側(cè)，它的自由能減小，是不需要供給能量的自發(fā)過程。被動運輸?shù)臄U散速度依賴于該物質(zhì)在膜兩側(cè)的濃度差，并與分子大小、電荷性質(zhì)、在膜脂雙層中的溶解性有關(guān)。被動運輸包括簡單擴散和促進擴散。1.簡單擴散簡單擴散是生物膜運送物質(zhì)最簡單的一種方式。它依賴于物質(zhì)的擴散作用和滲透作用，運送速率取決于物質(zhì)在膜兩側(cè)的濃度差及物質(zhì)的分子大小、親脂性等因素。物質(zhì)在兩側(cè)的濃度差越大、分子越小、親脂性越大，則穿膜速率越快。一些非極性小分子物質(zhì)如O2、N2、苯、甾類激素等，以及一些不帶電荷的極性小分子物質(zhì)如H2O、CO2、甘油、乙醇、尿素等，可以簡單擴散的方式穿過膜。體積較大的極性分子如葡萄糖、蔗糖、氨基酸及各種離子都不能自由擴散通過膜。簡單擴散在膜對物質(zhì)的運輸中只占很小的比例。2.促進擴散有些小分子物質(zhì)順濃度梯度穿膜運送中，需借助膜上載體蛋白的幫助，稱為促進擴散。載體蛋白對物質(zhì)的運送有很高的專一性，不同的物質(zhì)由不同的載體蛋白運送。載體蛋白為跨膜蛋白，其分子中有與被運送物質(zhì)專一結(jié)合的位點。在結(jié)合與釋放被運送物質(zhì)時，載體蛋白構(gòu)象會發(fā)生可逆變化，促使其在膜一側(cè)結(jié)合的物質(zhì)在膜的另一側(cè)釋放。促進擴散的速率在一定限度內(nèi)與物質(zhì)的濃度成正比，如果超過一定限度，濃度再高，運送速率不會再增加。此時，載體蛋白已被運送的物質(zhì)所飽和，運送速率已接近或達到最大值。主動運輸是指物質(zhì)逆著電化學(xué)梯度的方向跨膜運輸，即從膜的低濃度一側(cè)運輸?shù)礁邼舛纫粋?cè)，它的自由能增大，是需要供給能量的過程。在被動運輸中，生物膜相當于一個被動的過濾裝置，不能起濃縮物質(zhì)的作用；而主動運輸使得細胞內(nèi)某些物質(zhì)的濃度能夠遠遠超過細胞外，而另一些物質(zhì)的濃度能夠遠遠低于細胞外。例如，在許多細胞內(nèi)K+濃度至少是周圍介質(zhì)中K+濃度的30倍，而Na+濃度則低于周圍介質(zhì)；海帶中碘的濃度比海水中碘的濃度大3×105倍。根據(jù)所耗能量的來源不同，主動運輸又分為初級主動運輸、次級主動還輸和基團移位三種方式。這種機制的特點是，在轉(zhuǎn)運過程中產(chǎn)生的能量（ATP或PEP水解釋放的自由能、光能、電子流等）直接消耗于物質(zhì)的跨膜運輸。動物細胞內(nèi)用來維持正常的高K+濃度和低Na+濃度的Na+-K+泵（Na+-K+pump）就是一個研究得較為詳細的初級主動運輸系統(tǒng)。1957年，丹麥科學(xué)家JensC.Skou發(fā)現(xiàn)了一種ATP水解酶，它只有在Na+和K+存在的情況下，并添加Mg2+才有活性，這種酶稱為Na+-K+ATP酶（Na+-K+ATPase）。Na+-K+ATPase

是一個跨脂膜的Na+-K+泵，即通過水解ATP提供主動向外運輸Na+及向內(nèi)運輸K+輸所需的能量。也叫協(xié)同運送，是經(jīng)過主動運輸過程的一種物質(zhì)所產(chǎn)生的化學(xué)勢能，被用于另一種物質(zhì)的跨膜主動運輸。這種方式不是直接依靠ATP等提供的能量，而是利用離子順電化學(xué)梯度流動釋放的自由能來推動的。這種方式主要用來運輸葡萄糖、氨基酸等物質(zhì)。此時，葡萄糖或氨基酸的運送速度和程度取決于Na+等的跨膜濃度梯度。指生物在將物質(zhì)穿膜運送時，由位于膜上的專一蛋白對被運送物進行專一化學(xué)修飾，再運送過膜的過程。如1964年S．Roseman等在大腸桿菌質(zhì)膜中發(fā)現(xiàn)的磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)磷酸酶系統(tǒng)，此酶系統(tǒng)利用磷酸烯醇式丙酮酸作為磷酸供體，使葡萄糖磷酸化，成為磷酸葡萄糖并運送過膜。膜泡運送：前面討論了幾種生物膜穿膜運送小分子物質(zhì)的過程，生物膜對大分子物質(zhì)的運送主要是通過膜泡運送的方式進行的。膜泡運送是物質(zhì)被包在由單層生物膜圍起的小泡內(nèi)進出細胞的過程，膜泡運送每次能將物質(zhì)較大批量地運送過膜，也能將較大的顆粒物質(zhì)運送過膜。絕大多數(shù)細胞都具有膜泡運送物質(zhì)的能力。可分為外排作用和內(nèi)吞作用。生物界兩個最基本的能量轉(zhuǎn)換過程――氧化磷酸化和光合磷酸化，都是在相應(yīng)的線粒體膜和葉綠體膜上進行的，所以生物膜對能量的轉(zhuǎn)換十分重要。細胞通過其表面的特殊受體選擇性地與胞外信號物質(zhì)分于發(fā)生相互作用，從而引發(fā)胞內(nèi)一系列的生理生化變化，最終導(dǎo)致細胞的總的生物學(xué)效應(yīng)，這個過程稱為細胞識別。胞外信號物質(zhì)包括能引起生物學(xué)效應(yīng)的各類大、小分子，胞外基質(zhì)，其他細胞的表面抗原等。識別這些信號物質(zhì)的受體多為膜蛋白。細胞識別包括對游離的信號物質(zhì)的識別和細胞--細胞間的識別。高等動物神經(jīng)沖動（信息）的傳導(dǎo)和生物遺傳信息的傳遞都需要生物膜才能完成。外界信號以某種方式被細胞表面受體識別、接收后，經(jīng)過一系列步驟傳遞到細胞內(nèi)，從而引起細胞內(nèi)相應(yīng)的效應(yīng)以調(diào)節(jié)代謝、控制遺傳和其他生理活動。Na+-K+-ATPase的作用模型ATPADP細胞外細胞質(zhì)125436功能

№1：使細胞具有一個相對穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境。在物質(zhì)運輸與能量交換及信息傳遞中起決定性作用。

№2：增大膜的面積，供酶、核糖體等附著在上面。為各種化學(xué)反應(yīng)順利進行創(chuàng)造條件。

№3：將細胞分隔成許多小區(qū)室，使各種化學(xué)反應(yīng)能同時進行而不互相干擾。三、生物膜的氧化損傷和保護反應(yīng)活性氧類(reactiveoxygenspecies,ROS)超氧離子(O2﹣)、H2O2、羥自由基(?OH)的統(tǒng)稱。

ROS主要來源線粒體：超氧陰離子O·-2，是體內(nèi)O·-2的主要來源；O·-2在線粒體中再生成H2O2和·OH。過氧化酶體：FAD將從脂肪酸等底物獲得的電子交給O2生成H2O2和羥自由基·OH。胞漿需氧脫氫酶（如黃嘌呤氧化酶等）也可催化生成O·-2。細菌感染、組織缺氧等病理過程，環(huán)境、藥物等外源因素也可導(dǎo)致細胞產(chǎn)生活性氧類?？寡趸阁w系1、過氧化氫酶(catalase)又稱觸酶，其輔基含4個血紅素2H2O22H2O+O2

過氧化氫酶

2、超氧化物歧化酶2O2﹣+2H+SODH2O2+O2H2O+O2過氧化氫酶SOD：超氧化物歧化酶(superoxidedismutase)可去除細胞生長和代謝產(chǎn)生的H2O2和過氧化物(R-O-OH)，是體內(nèi)防止活性氧類損傷主要的酶。3、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathioneperoxidase，GPx)H2O2+2GSH→2H2O+GS-SG2GSH+R-O-OH→GS-SG+H2O+R-OH

谷胱甘肽過氧化物酶H2O2(ROOH)H2O(ROH+H2O)2G–SHG–S–S–GNADP+NADPH+H+此類酶可保護生物膜及血紅蛋白免遭損傷。

谷胱甘肽還原酶含硒的谷胱甘肽過氧化物酶四、人工膜單分子層膜雙層類脂膜脂質(zhì)體甘油磷脂、鞘脂類及固醇都不溶于水，把它們與水混合時，這些具有親水基團的脂分子從水相環(huán)境聚合（集）成微小的脂分子聚積物成為獨立的相。脂質(zhì)分子的聚積物包括有相互作用的疏水部分和與周圍水接觸的親水部分，脂質(zhì)聚積物減少了暴露于水的疏水部分并使水相表面達最小，可形成三種聚積物：微團(micelles)、雙分子層(bilayer)、脂質(zhì)體(liposome)。

teflonbarriersolidsupportWilhelmybalance

micro-syringeLangmuir-trough

Langmuirmonolayerpreparation.SchemeofLangmuirMonolayerPreparation

單分子薄膜制作collapsedgaseous00.20.40.50.31020fedc0ab3070expandedcondensedliquid-expandedSurfaceArea[nm2/molecule]

SurfacePressure[mN/m]Surfacepressure(p)-surfacearea(A)isotherm.watersubphaseexpandedmonolayermo