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1、第2章 细胞与生物膜,本章内容简介 掌握内容讲授 本章要点回顾 本章习题,第2章 细胞与生物膜,本章简介了生物体内细胞的分类及结构组成，重点介绍了生物膜的基本结构,生物膜的主要生物功能及其机制,第2章 细胞与生物膜,2.1 细胞是生物体的基本结构单元2.1.1 细胞的分类和结构2.1.2 细胞是新陈代谢的场所2.2 生物膜2.2.1 生物膜的组成和结构2.2.2 生物膜的功能2.2.3 生物膜的模拟人工膜,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,19世纪30年代，德国植物学家施莱登首先指出，所有植物体都是由细胞构成的。他的这个观点被德国动物学家施旺在动物组织和细胞研究中证实，所有动物也是由细胞构成
2、的。在此基础上他们创立了细胞学说：“细胞是有机体，整个动物或植物体乃是细胞的集合体。它们依照一定的规律排列在动物体内。”,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,所有的生物都是由细胞组成的，只是不同生物体细胞的大小和形状有所不同。细胞的大小，即使在同一生物体的相同组织中也不一样。同一个细胞，处在不同发育阶段，它的大小也是会改变的。,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,细胞是组成生物体的基本结构单元细胞是生物体体现生命特征的基本场所，生命现象的大多数化学反应都是在细胞内进行的,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,根据生物的进化程度，细胞可以分为两大类：原核细胞(P
3、rokaryote cell)真核细胞(Eukaryote cell),细菌,蓝藻,植物细胞,动物细胞,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,原核细胞的外层是细胞壁和细胞膜（质膜），内部为细胞质。细胞质的结构非常简单，没有明显的细胞器（由封闭的生物膜包裹的固体质粒），只有原始的细胞核（无核膜和核仁）和其它一些核糖核蛋白体（即核糖体）等。,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,真核细胞是高等植物和动物的基本单位。真核细胞的外层为细胞膜（植物细胞还有一层细胞壁），内部为细胞质,在细胞质中具有完整功能的各种细胞器,其中包括细胞核,在胞核中有明显的核仁存在。,2.1 细
4、胞是生物体的基本结构单元,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,细胞的细胞膜、细胞质和细胞器是细胞的功能机构。生命现象中的许多重要过程，例如细胞的进化，遗传信息的传递，生物的生殖、发育和衰老，物质的代谢和调节，能量的产生和转换，激素的作用机制，神经的信息传递等过程都与生物膜和细胞器功能密切相关。,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,细胞膜Cell membrane细胞膜是真核细胞表层的一层薄膜，是一种选择通透性屏障。它具有保护细胞、进行物质交换、传递信息、能量转换、运动和免疫等生理功能。,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,细胞质cell plasma细胞质是
5、非常复杂的生物胶体。细胞质所含的有形物质为各种细胞器，细胞器之间为胞液。细胞胞液主要由酶、激素、脂类、糖类以及多种无机盐和水组成。胞液是细胞内各种细胞器之间相互联系的介质,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,细胞器：细胞质内含有一些具有独立形态的结构，称为细胞器。细胞器通过膜（细胞内膜）与周围环境分开，具有特定的生理功能。,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,3细胞器（1）细胞核cell nucleus原核细胞只有一个含有DNA遗传信息的区域拟核真核细胞含有固定形状的细胞核，它有核膜、核仁和组蛋白等，主要成分是DNA、RNA和有关的合成酶。,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,3细胞器（1）细
6、胞核cell nucleus细胞核具有遗传信息的存储、复制和转录等功能。,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,3细胞器（2）线粒体 mitochondrion原核细胞不含线粒体，大多数动植物真核细胞都含有线粒体外膜包围着内膜，内膜伸入基质形成嵴内膜为半透膜，只有部分小分子物质可以通过。外膜通透性较大,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,3细胞器线粒体功能发动机线粒体中央基质是众多代谢反应的场所，含有许多酶，主要是呼吸链电子传递酶系、糖类分解氧化酶系、脂酸的氧化酶系、氧化磷酸化酶系、核酸合成酶系和蛋白质合成酶系等。线粒体是进行生物代谢和能量转换最重要场所,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,3细
7、胞器（3）核糖核蛋白体ribosomes核糖核蛋白体又称为核糖体，由核糖核酸与多种结合蛋白构成是蛋白质生物合成的主要场所。,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,3细胞器（4）内质网 endoplasmic reticulum内质网是由细胞膜引伸形成的小管和小胞构成的网状结构。原核细胞无内质网，而所有的真核细胞都有内质网。内质网上含有多种重要酶系，参与有关蛋白质、甘油脂和磷脂的合成及解毒等。,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,3细胞器（4）内质网endoplasmic reticulum内质网上附着有核糖核蛋白体，表面粗糙，称为粗面内质网蛋白质合成的场所。不附有核糖核蛋白体，表面光滑，称为滑面
8、内质网磷脂合成、解毒场所,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,3细胞器（5）高尔基体Golgi高尔基体是真核细胞内一种由网状小管或泡组成的复杂结构。是细胞的分拣中心，特别是对蛋白质的分拣、包装及转运。,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,3细胞器（6）溶酶体 Lysosomes单层膜，含30-40种水解酶，主要含有RNA、DNA水解酶、蛋白酶、酸性糖苷酶、酸性磷酸酯酶、脂酶和磷脂酶等。还可通过内吞作用降解胞外大分子，是细胞内代谢物质的分解、清除的主要场所。,2.1 细胞是生物体的基本结构单元,3细胞器（7）叶绿体Chloroplast叶绿体存在于绿色植物和藻类的细胞中。叶绿体主要含有叶绿素，是
9、进行光合作用的场所。,2.2 生物膜,生物膜（biomembranes）概念：是细胞和各种细胞器表面所包裹着的一层极薄的膜系结构，是具有高度选择性半透膜细胞膜（质膜）、细胞内膜（细胞器膜）生物膜的功能：物理屏障、物质转运功能、信息分子识别和信息传递、能量转换,2.2 生物膜,生物膜主要是由脂质、蛋白质、少量的多糖类组成，还含有一定量的金属离子和水,2.2 生物膜,脂质：主要有磷脂、胆固醇、糖脂，以磷脂为主磷脂以磷酸甘油二酯/甘油磷脂含量最多磷脂具有亲水极性基团+疏水非极性基团使其在膜中排列具有方向性，磷脂是两亲脂质是成膜分子，在水中形成双分子层的微囊,主要是磷酸甘油二脂。甘油中第1，2位C-O
10、H与脂肪酸以酯基（主要是含16碳的软脂酸和18碳的油酸）相连，第3位C-OH则与磷酸以酯基相连。不同的磷脂，其磷酸酯基组成也不相同。,-X,磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol),X=,双磷脂酰甘油(Diphosphatidylglycerol),X=,p24,磷脂Phosotlipid的两亲性结构:含有亲水性的磷酸酯基和亲脂(疏水)的脂肪酸链，是优良的两亲性分子,极性端,非极性端,膜的双分子层,磷脂分子在水溶液中存在的几种结构形式,胆固醇Sterols是一种类脂化合物,在生物膜中含量较多,胆固醇以中性脂的形式分布在双层脂膜内，对生物膜中脂类的物理状态有一定的调节作用，有利于保
11、持膜的流动性和降低相变温度。,2.2 生物膜,胆固醇可以抑制温度所引起的相变，防止转向晶态和低温时膜流动性急剧降低，阻止生物膜由液晶态转向液态，其调节作用使膜流动性保持正常适中范围。,糖脂Glycosphingolipids主要分布在细胞膜外侧的单分子层中分布不对称。动物细胞膜所含的糖脂主要是脑苷脂。,半乳糖,细菌和植物细胞膜所含的糖脂主要是甘油的衍生物。,2.2 生物膜,蛋白质：是膜功能的主要承担者，通常称为膜蛋白。根据它们在膜上的定位情况，可以分为：外周蛋白：在膜外表面，通过静电力或范德华力与膜结合，容易被分离，能溶解于水内在蛋白：在膜的内部，插入膜或埋在内或贯穿膜（跨膜蛋白），以疏水键或
12、极性键与膜比较牢固结合，不容易分离不溶于水,跨膜蛋白,内在蛋白与双层脂膜疏水区接触部分，由于没有水分子的影响，多肽链内形成氢键趋向大大增加，因此，它们主要以-螺旋和-折叠形式存在，其中又以-螺旋更普遍,2.2 生物膜,糖类：寡糖以共价键与膜蛋白形成糖蛋白，少量形成糖脂，在膜上的分布是不对称的，全部都在细胞膜的外侧，在信息传递和相互识别方面具有重要作用。,2.2 生物膜,生物膜：以磷脂、胆固醇和糖脂为主构成脂质双分子层，极性基团朝向水，非极性避开水，是热力学上稳定的结构，水溶液中最有利的结构，具有连续性，将细胞内溶物与外界隔开形成物质通透屏障,生物膜的结构流动镶嵌模型,2.2 生物膜,生物膜具有
13、保护、转运、能量转换、信息传递、运动和免疫等生物功能。1、保护功能在细胞或细胞器中，生物膜第一个重要作用是将其内含物质与外界环境分隔开来，使之成为具有特殊功能的独立个体。,2.2 生物膜,1、保护功能生物膜能够保护细胞或细胞器不受或少受外界环境因素改变的影响，保持它们原有的形状和完整结构。,2.2 生物膜,2、转运功能细胞或细胞器通过生物膜，从膜外选择性地吸收所需要的养料，同时也要排出不需要的物质，在此过程中，细胞膜起着重要的调控作用。被动转运、主动转运,2.2 生物膜,2.2 生物膜,2、转运功能（1）被动转运：顺浓度梯度、扩散作用、不需能量、有的需蛋白载体帮助由于膜脂分子处于不断运动和流动
14、状态,在疏水区会出现暂时性间隙,使得膜的通透屏障不是绝对的,有些非极性和脂溶性小分子可迅速通过生物膜，,2.2 生物膜,2、转运功能（2）主动转运：逆浓度梯度、需能量（ATP）、需载体蛋白、具选择性和特异性。,胞外高Na+,低K+;胞内高K+,低Na+,Na+-K+泵或 Na+-K+-ATP酶,由22四个亚基组成,有两种不同的构型亲钠构象（脱磷酸形式，将Na+从胞内泵到胞外）和亲钾构象（磷酸化形式，将K+从胞外泵如胞内）,2.2 生物膜,主动转运的特点膜的专一性：膜对于主动转运的物质有专一性。载体蛋白：物质主动转运需要载体蛋白参与，载体蛋白具有专一性，一种载体蛋白一般只能转运一种或一类物质。方
15、向性：物质可以逆浓度梯度或电化学梯度进行转运。如细胞为了保持膜内、外的K+和Na+离子的浓度梯度以维持正常的生理活动需要，细胞通过主动转运方式，向内泵入K+，而向外泵出Na+。主动转运过程可以被某些抑制剂抑制。主动转运所需的能量一般由ATP提供。,2.2 生物膜,3能量转换氧化磷酸化：通过生物氧化作用，将化学能转变成生物能，即将化学能转换成ATP分子的高能磷酸键，再通过ATP分子磷酸键的水解释放能量。光合磷酸化：通过光合作用，将光能（主要是太阳能）转换成ATP的高能磷酸键。再利用ATP的能量合成糖类物质。真核细胞的氧化磷酸化主要在线粒体膜上进行。原核细胞的氧化磷酸化则是在细胞质膜上进行。光合磷
16、酸化主要在叶绿体膜上进行。,2.2 生物膜,4信息传递生物体内信息传递，如激素刺激、神经传导和遗传信息传递等，主要在细胞膜上进行细胞膜上有接受不同信息的专一性受体，这些受体能识别和接受各种特殊信息，然后将不同的信息分别传递给有关的靶细胞并产生相应的效应以调节代谢、控制遗传和其它生理活动,2.2 生物膜,5运动功能许多原生动物及单细胞动物主要是通过其细胞膜表面纤毛或鞭毛的摆动而移动淋巴细胞的吞噬作用和某些细胞利用质膜内折叠将外源物质包围入细胞的作用等都是靠细胞膜的运动实现的,2.2 生物膜,6免疫功能细胞的免疫性如吞噬细胞和淋巴细胞的免疫，主要是由于细胞膜上有专一性的抗原受体，当抗原受体被抗原激
17、活后，即产生相应的抗体，能够识别及特异性地与外源性抗原（如细菌、病毒等）结合并吞噬消灭。,2.3 人工膜,2.3 生物膜的模拟人工膜指由双亲性分子高度有序排列形成的体系，如胶束、微团、单分子层膜、双分子层膜和脂质体等。人工膜具有生物膜基本结构特点和某些理化性质，是研究生物膜结构与功能关系的基本模型最能代表生物膜结构特性的人工膜是单分子层膜、双分子层膜和脂质体。,2.3 人工膜,2.3 人工膜,（1）单分子层膜是由高度有序排列的双亲性分子形成的单分子层膜结构，可以在气-液、气-固、液-液和固-液等界面形成，其中，空气-水界面形成的单层膜最重要。LB膜技术是制备单分子层膜的主要方法。LB膜技术是由
18、Langmuir和Blodgett发明的膜制备技术，所以称为LB膜技术。,2.3 人工膜,（2）双层类脂膜这类膜是指具有双分子厚度，能有效分隔水溶液的超薄类脂膜。双层类脂膜的厚度小于10 nm，具有两个界面，不透光。双层类脂膜可以将溶液分隔成两个部分，是模拟细胞膜内、外环境的理想模型，在生物化学体系研究中具有重要意义。,2.3 人工膜,（3）脂质体是指由磷脂形成的封闭的双分子层球形或椭圆形的囊泡结构。由于脂质体在结构上与细胞相似，因此，是研究细胞膜的结构与功能的理想模型。,2.3 人工膜,脂质体可作为真核细胞的基因载体用于生物技术领域,第2章 细胞与生物膜,细胞的分类 细胞器的种类及功能 生物膜的组成：脂质、蛋白质、糖类 生物膜的功能：保护、转运、能量转换、信息传递、运动、免疫 主动转运的特点,第1、2章 课后作业,1、名词解释：生物化学、缓冲溶液、生物膜、人工膜、脂质体、手性分子2、阐述生物大分子的基本特征。3、生物分子之间通过哪些主要的作用力来实现相互作用？4、详细阐述生物膜的主要组成成分。5、简述生物膜的主要功能。,
