生物化學Biochemistry

歐樹娣oupeng03@126.com食品與應用化學系第5章生命單元－細胞TheUnitofLife-Cell

生物化學Biochemistry

2014.4Contents5.1細胞的結構與功能5.2細胞膜的組成與結構5.3細胞膜的功能5.4細胞膜與疾病5.1細胞的結構與功能5.1.1細胞的發現生物化學細胞生物學的變革和顯微技術的改進息息相關RobertHookeandhis“cells”1665MadebyA.vanLeeuwenhoek(1632-1723).Magnificationrangesat50-275x.掃描隧道顯微鏡

納米級（10-9nm）

5.1細胞的結構與功能

5.1.1細胞的發現

什么是細胞？細胞與生物體的關系？藥物分子與細胞膜：藥物的吸收生物化學生物屏障作用，有選擇地抑制某些藥物分子通過－－到達體循環－組織、病灶蛋白質分子－胞吞作用

5.1細胞的結構與功能

5.1.1細胞的發現5.1.2細胞的分類生物化學真核細胞eukaryoticcell：具有核被膜nuclearenvelope和核仁nucleolus。原核細胞prokaryoticcell：核區nuclearregion沒有核膜，稱其為nucleoid、nuclearbody、nucleoplasm、bacterialnucleus。古細菌archaebacteria：既不同于原核細胞也不同于真核細胞，屬于生命的第三種形式。a:Aquificialespyrophilus；b:Pyrolobusfumarii；Pyrolobusfumarii

可以生活在90-113℃，pH4.0-6.5。其最適生存溫度為106℃，低于85℃和高于115℃則不生長，能在121℃的高溫中存活1小時。海底煙筒附近也具有古細菌火葉菌屬的延胡索酸火葉菌

5.1細胞的結構與功能5.1.3細胞的結構與功能生物化學細胞核（nucleus）：具有核被膜和核仁。核仁是形成核糖體的結構域（domain），呈小球狀。細胞質（cytoplasm）：包括細胞器和細胞質基質（cytoplasmicmatrix）/胞質溶膠（cytosol）。形態學細胞壁（cellwall）質膜/細胞膜（plasmamembrane）柿胚細胞的胞間連絲真核細胞的細胞核結構肝細胞中細胞質組分所占的體積百分比

線粒體、葉綠體、核糖體植物氣孔細胞植物薄壁細胞木材中的導管人類紅細胞巨噬細胞神經元細胞5.2細胞膜的組成與結構5.2.1細胞膜的組成生物化學質膜（plasmamembrane）：又稱細胞膜。內膜：形成各種細胞器的膜。生物膜（biomembrane）：質膜和內膜的總稱。細胞外被：也叫糖萼，由質膜表面寡糖鏈形成。膜骨架：質膜下起支撐作用的網絡結構。5.2.1細胞膜的組成生物化學主要由膜脂和膜蛋白組成，另外還有少量糖，以糖脂和糖蛋白存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要體現者。動物細胞膜通常含等量的脂類和蛋白質。FLUIDMOSAICMODELOFMEMBRANESTRUCTURE“Islandsofproteininaseaoflipid”

4-5nmPROTEIN

CARBOHYDRATEPHOSPHOLIPID(一)膜脂(Membranelipid)

生物膜上的脂類統稱膜脂。膜脂以磷脂和膽固醇為主，并含糖脂。兼性分子極性頭部基團非極性尾部基團1、磷脂1).甘油磷脂（Phosphatidy-linositol,PI）PC：卵磷脂PE：腦磷脂PS：磷脂酰絲氨酸IP：磷脂酰肌醇2).鞘磷脂（Sphingomyelin,PM）甘油鞘氨醇脂肪酸2、糖脂(glycolipid,GL)，5%鞘胺醇鞘胺醇糖脂分子半乳糖苷脂

糖脂與鞘磷脂相似,也是鞘氨醇(不是甘油)的衍生物。鞘磷脂糖和脂質的復合體極性頭部平面甾環結構非極性尾部3.膽固醇(cholesterol)中性脂極性頭部磷脂分子可以形成的結構

微囊脂雙層雙層微囊25nm(二)膜蛋白(membraneproteins)

在不同細胞中膜蛋白的含量及類型有很大差異。

依在膜上存在方式不同可分為兩大類（5）膜蛋白：生物膜所含的蛋白質。膜蛋白外周蛋白(周圍蛋白)：鑲嵌蛋白(整合蛋白)：多附在膜的內外表面，為水溶的，非共價地結合在鑲嵌蛋白上。（溫和條件即可分離）不同程度鑲嵌在脂雙層的內部，也稱膜內在蛋白。有的跨越膜雙層，也稱做跨膜蛋白（transmembraneprotein)。1、膜蛋白的類型20～30%70%去垢劑、有機溶劑、超聲波處理Integralmembraneproteins:1,2,3,and4Peripheralmembraneproteins:5and6非穿越性共價結合（與單脂層烴鏈）與磷脂酰肌醇結合（寡糖鏈與磷脂酰肌醇）單次穿膜細胞骨架蛋白通過內在蛋白間接與膜連接，或直接與脂類分子極性頭部結合2、膜蛋白的功能維持細胞的形態(機械支持)物質運輸能量轉換信息傳遞免疫癌變Singer和Nicolson1972根據免疫熒光、冰凍蝕刻的研究結果，提出了“流動鑲嵌模型”。

Fluid-mosaicmodel5.2細胞膜的組成與結構5.2.2生物膜的結構5.2細胞膜的組成與結構5.2.2生物膜的結構生物化學一、脂質雙分子層是生物膜的最基本特征二、質膜的流動鑲嵌模型5.2.2生物膜的結構生物膜骨架整個雙脂層，表現出分布的不對稱性流動的雙脂層和嵌在其中的蛋白質（一）質膜的流動性膜脂和蛋白質的分子運動組成1、膜脂分子的運動

①側向擴散運動；②旋轉運動；③擺動運動④伸縮震蕩運動；⑤翻轉運動；⑥旋轉異構化運動。二、質膜的流動鑲嵌模型2、影響膜脂流動性的因素膽固醇：使流動性保持適中脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動性增加。脂肪酸鏈的鏈長：長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動性降低。卵磷脂/鞘磷脂：該比例高則膜流動性增加，是因為鞘磷脂粘度高于卵磷脂。其他因素：溫度、酸堿度、離子強度等。（一）質膜的流動性3、膜蛋白的分子運動側向擴散和旋轉擴散兩種運動方式。檢測：光脫色恢復技術和細胞融合技術。4、膜流動性的生理意義當膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。（一）質膜的流動性生物化學利用細胞融合技術觀察蛋白質運動

1970年LarryFrye等人將人和鼠的細胞膜用不同熒光抗體標記后，讓兩種細胞融合，雜種細胞一半發紅色熒光、另一半發綠色熒光，放置一段時間后發現兩種熒光抗體均勻分布（二）膜的不對稱性膜內外兩層組分和功能的差異，稱膜的不對稱性。

樣品經冰凍斷裂處理后，各斷面命名為：ES，細胞外表面；EF，細胞外小頁斷裂面；PS，原生質表面；PF，原生質小頁斷面。

二、質膜的流動鑲嵌模型生物化學兔紅細胞的冰凍斷裂電鏡照片1．膜脂的不對稱性：同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，如：PC和SM主要分布在外小葉，PE和PS分布在內小葉。用磷脂酶處理完整的人類紅細胞，80%的PC降解，PE和PS分別只有20%和10%的被降解。2．復合糖的不對稱性：糖脂和糖蛋白只分布于細胞膜的外表面。3．膜蛋白的不對稱性：如細胞色素C位于線粒體內膜M側。（二）膜的不對稱性（三）脂筏lipidraft是富含膽固醇和鞘磷脂的微結構域。約70nm左右，是一種動態結構，位于質膜的外小頁。介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體。在低溫下這些區域能抵抗非離子去垢劑的抽提，稱為抗去垢劑膜（DRMs）。就像一個蛋白質停泊的平臺，與膜的信號轉導、蛋白質分選均有密切的關系。5.3細胞膜的功能5.3.1生物膜的功能簡介生物化學1、物質的轉運2、保護作用3、能量轉換4、信息傳遞5、細胞免疫6、運動功能5.3.1生物膜的功能簡介生物化學1、物質的轉運

離子和小分子物質進出細胞膜的主要方式自由擴散：又叫做被動運輸，由高濃度一側向低濃度一側擴散，不需要載體，不消耗細胞內能量，例如：氧氣、二氧化碳、甘油、乙醇等。主動運輸：由低濃度一側向高濃度一側裝運。需載體協助，需要消耗細胞內的能量。例如：氨基酸、葡萄糖等。5.3.1生物膜的功能簡介生物化學1、物質的轉運

大分子物質進出細胞膜的主要方式胞吞胞吐巨噬細胞表面的皺褶與吞噬顆粒物質有關纖毛和鞭毛6、運動功能5.3細胞膜的功能5.3.2膜蛋白與膜脂的相互作用蛋白質在膜脂作用下結構與功能變化

生物化學1.發現多種蛋白與膜脂的作用：水溶性狀態和膜結合狀態，而發揮功能都與膜結合態有關2.發現膜脂可以誘導蛋白質發生寡聚結構的變化：大腸桿菌SecA蛋白與膜結合后可形成孔道狀寡聚結構。3.發現膜-水界面會“觸發”蛋白質構象的變化。

4.發現同一蛋白的膜結合態可呈現不同結構狀態：構象SecA是一種大的外周膜蛋白質，利用與酸性磷脂和蛋白質SecY的親和力與膜結合

5.4細胞膜與疾病

生物化學細胞膜與腫瘤

1、糖蛋白改變

2、糖脂改變：以糖鞘脂最為重要

3、表面降解酶的改變

4、出現新抗原受體蛋白缺損與