细胞生物学(3)第三章细胞的分子组成

1、细胞与大分子的关系细胞与大分子的关系核糖体核糖体线粒体线粒体微管微管淀粉淀粉染染色色质质糖类糖类细胞膜细胞膜细胞壁细胞壁 分子组成与细胞的关系分子组成与细胞的关系 组成细胞的结构成分：组成细胞的结构成分： 染色质：染色质： DNA、蛋白质、蛋白质 核仁、核糖体：核仁、核糖体：RNA、蛋白质、蛋白质 生物膜：生物膜： 蛋白质、脂质、糖蛋白质、脂质、糖 细胞骨架：细胞骨架： 蛋白质蛋白质 细胞外基质：细胞外基质： 蛋白质、糖胺聚糖蛋白质、糖胺聚糖第三章第三章 细胞的分子组成细胞的分子组成第一节第一节 细胞中的小分子物质细胞中的小分子物质第二节第二节 细胞中的生物大分子细胞中的生物大分子大量元素：大

2、量元素：C、H、 O 、 N少量元素：少量元素：Na、 Mg、 P、S、 Cl、 K、 Ca、 Fe微量元素：占微量元素：占0.1%组成细胞的元素组成细胞的元素组成细胞的分子组成细胞的分子小分子物质小分子物质: 无机小分子无机小分子: 水水(water)、无机盐、无机盐( inorganic salt) 有机小分子有机小分子: 单糖单糖(monosaccharide) 、脂肪酸、脂肪酸(fatty acid) 氨基酸氨基酸(amino acid) 、核苷酸、核苷酸(nucleotide)生物大分子生物大分子(biomacromolecule): 多糖多糖(polysaccharides) 、脂

3、质、脂质(lipoid) 、 蛋白质蛋白质(protein) 、核酸、核酸(nucleic acid)活细胞都有相似的基本化学组成和化学性质；活细胞都有相似的基本化学组成和化学性质；细菌是最小、最简单的细胞。细菌是最小、最简单的细胞。细菌细胞的基本化学组成图细菌细胞的基本化学组成图第一节第一节 细胞中的小分子物质细胞中的小分子物质 无机小分子无机小分子: 水、无机盐水、无机盐 有机小分子有机小分子: 单单 糖糖 脂肪酸脂肪酸 氨基酸氨基酸 核苷酸核苷酸阴电性区阴电性区阳电性区阳电性区水：水：H2O1. 水是极性分子。（什么是极性分子？）水是极性分子。（什么是极性分子？）2. 问题：为什么有亲水

4、分子和疏水分子？问题：为什么有亲水分子和疏水分子？亲水分子亲水分子(Hydrophilic molecules)离子物质离子物质溶于水是因为水分子被阴、阳离子电荷所吸引溶于水是因为水分子被阴、阳离子电荷所吸引;含极性键物质含极性键物质如尿素易溶于水是因为与水分子形成氢键。如尿素易溶于水是因为与水分子形成氢键。以非共价键占优势的分以非共价键占优势的分子一般不易溶于水被称子一般不易溶于水被称为为疏水性疏水性的。烃类分子的。烃类分子含许多含许多C-H键，它们不键，它们不吸引水分子或不与水分吸引水分子或不与水分子形成氢键。子形成氢键。疏水分子疏水分子(Hydrophobic molecules)无机盐

5、在细胞中均以离子状态存在：无机盐在细胞中均以离子状态存在： 阳离子：阳离子：Na+、 K+ 、Ca2+ 、Fe2+、 Mg2+ 等等 阴离子：阴离子： Cl-、SO42-、PO43- 等等无机盐无机盐参与细胞代谢反应、维持细胞内外渗透压和参与细胞代谢反应、维持细胞内外渗透压和pH、组成有一定功能的结合蛋白、参与信号转导等。组成有一定功能的结合蛋白、参与信号转导等。分子质量：分子质量：100-1000Da1. 单糖单糖(monosaccharide)2. 脂肪酸脂肪酸(fatty acid) 氨基酸氨基酸(amino acid)3. 4. 核苷酸核苷酸(nucleotide)有机小分子有机小分子

6、有机小分子：有机小分子： 单糖单糖己糖（六碳糖）己糖（六碳糖）：葡萄糖、半乳糖、甘露糖：葡萄糖、半乳糖、甘露糖戊糖（五碳糖）戊糖（五碳糖）：核糖、脱氧核糖：核糖、脱氧核糖己糖是多糖的基本单元；戊糖是核酸的组成单位。己糖是多糖的基本单元；戊糖是核酸的组成单位。葡萄糖葡萄糖 核核 糖糖最主要的单糖最主要的单糖葡萄糖葡萄糖半乳糖半乳糖甘露糖甘露糖己糖己糖C6H12O6的同分异构体的同分异构体(Isomers)戊糖戊糖(pentose)(pentose)核糖是核糖是RNA的组成单位的组成单位脱氧核糖是脱氧核糖是DNA的组成单位的组成单位有机小分子：脂肪酸有机小分子：脂肪酸饱和脂肪酸饱和脂肪酸(satu

7、rated)不饱和脂肪酸不饱和脂肪酸(unsaturated)烃链烃链（疏水）（疏水）羧基羧基（亲水）（亲水）疏水烃链疏水烃链; 亲水羧基亲水羧基COOH与其它分子共价结合形成各种脂类。与其它分子共价结合形成各种脂类。有机小分子：氨基酸有机小分子：氨基酸兼性分子兼性分子参与蛋白质构成的氨基酸有参与蛋白质构成的氨基酸有20种种氨基氨基羧基羧基RR根据侧链根据侧链R基团的带电性和极性分类：基团的带电性和极性分类： 1. 带负电荷的酸性氨基酸：带负电荷的酸性氨基酸：Asp、Glu 2. 带正电荷的碱性氨基酸带正电荷的碱性氨基酸: Lys 、Arg 、His 3. 不带电荷的极性氨基酸不带电荷的极性氨

8、基酸 4. 不带电荷的非极性氨基酸不带电荷的非极性氨基酸 20种氨基酸名称及缩写符号种氨基酸名称及缩写符号 名名 称称 三字符号三字符号 一字符号一字符号 名名 称称 三字符号三字符号 一字符号一字符号丙氨酸丙氨酸(alanine) Ala A 苯丙氨酸苯丙氨酸(phenylalanine) Phe F甘氨酸甘氨酸(glycine) Gly G 酪氨酸酪氨酸(tyrosine) Tyr Y丝氨酸丝氨酸(serine) Ser S 色氨酸色氨酸(trypotophane) Trp W亮氨酸亮氨酸(leucine) Leu L 天冬氨酸天冬氨酸(asparticacid) Asp D异亮氨酸异亮氨

9、酸(isoleucine) Ile I 天冬氨酰天冬氨酰(asparagine) Asn N苏氨酸苏氨酸(threonine) Thr T 谷氨酰胺谷氨酰胺(glutamine) Gln Q半胱氨酸半胱氨酸(cysteine) Cys C 赖氨酸赖氨酸(lysine) Lys K蛋氨酸蛋氨酸( (甲硫氨酸甲硫氨酸) )Met M 精氨酸精氨酸(arginine) Arg R (methionine) 缬氨酸缬氨酸(valine) Val V 组氨酸组氨酸(histidine) His H脯氨酸脯氨酸(proline) Pro P 谷氨酸谷氨酸(glutamic) Glu E兰色：极性荷负电氨基

10、酸兰色：极性荷负电氨基酸 红色：极性荷正电氨基酸红色：极性荷正电氨基酸 绿色：极性不带电氨基酸绿色：极性不带电氨基酸 黑色：非极性氨基酸黑色：非极性氨基酸磷酸磷酸戊糖戊糖碱基碱基有机小分子：核苷酸有机小分子：核苷酸1. 构成核苷酸的碱基、戊糖、磷酸三部分；构成核苷酸的碱基、戊糖、磷酸三部分；2. 根据碱基和戊糖的不同分不同类型。根据碱基和戊糖的不同分不同类型。核苷酸核苷酸(nucleotide)磷酸磷酸(phosphoric acid) 核苷核苷(nucleoside) 戊糖：戊糖：(pentose)碱基碱基(bases)核糖核糖(ribose) 或脱氧核糖脱氧核糖(desoxyribose)

11、嘌呤嘌呤(purine) :A、G嘧啶嘧啶( (pyrimidine):C、T、U碱基碱基嘌呤嘌呤purine嘧啶嘧啶pyrimidine胸腺嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶胞嘧啶尿嘧啶尿嘧啶腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤三磷酸腺苷酸含高能磷酸键，是重要的能量载体。三磷酸腺苷酸含高能磷酸键，是重要的能量载体。cyclic GMP(cGMP)环一磷酸腺苷酸和环一磷酸鸟苷酸作为信号分子，环一磷酸腺苷酸和环一磷酸鸟苷酸作为信号分子，在细胞信号转导中起重要作用。在细胞信号转导中起重要作用。2cyclic AMP(cAMP)环一磷酸鸟苷酸环一磷酸鸟苷酸环一磷酸腺苷酸环一磷酸腺苷酸A第二节第二节 细胞中的生物大分子细胞中的生

12、物大分子 (biomacromolecule in the cell) 多糖多糖 (polysaccharides) 2. 脂质脂质(lipid)3. 蛋白质蛋白质(protein)4. 核酸核酸(nucleic acid)糖原糖原、淀粉淀粉(glycogen、starch)：能量储备能量储备纤维素纤维素(cellulose) : 细胞壁成分细胞壁成分寡聚糖寡聚糖(oligosaccharides): 构成糖蛋白和糖脂构成糖蛋白和糖脂糖胺聚糖糖胺聚糖(glycosaminoglycan) : 细胞外基质成分细胞外基质成分生物大分子：多糖生物大分子：多糖糖原糖原淀粉淀粉纤维素纤维素糖原、淀粉、纤

13、维素由糖原、淀粉、纤维素由同一种类单糖聚合而成同一种类单糖聚合而成back寡聚糖和糖蛋白、糖脂寡聚糖和糖蛋白、糖脂 由不同种类单糖聚合而成由不同种类单糖聚合而成 如：如：N-乙酰氨基葡萄糖、岩藻糖等。乙酰氨基葡萄糖、岩藻糖等。 寡聚糖与蛋白结合构成糖蛋白，与脂类结合寡聚糖与蛋白结合构成糖蛋白，与脂类结合 构成糖脂，在细胞识别中起重要作用。构成糖脂，在细胞识别中起重要作用。糖脂糖脂糖蛋白糖蛋白back糖蛋白糖蛋白重复的二糖单位重复的二糖单位 ，构成细胞外基质。，构成细胞外基质。糖胺聚糖糖胺聚糖蛋白聚糖蛋白聚糖生物体内有功能的脂质主要有：生物体内有功能的脂质主要有：三酰甘油三酰甘油（中性脂）、（中

14、性脂）、磷脂磷脂、类固醇类固醇三酰甘油和其它脂作为能量贮存物质，比糖类三酰甘油和其它脂作为能量贮存物质，比糖类占用更少的空间，具有更轻的重量。占用更少的空间，具有更轻的重量。生物大分子：脂质生物大分子：脂质三酰甘油三酰甘油呈固态的三酰甘油被称为呈固态的三酰甘油被称为脂肪脂肪(fat)，呈液态的称为呈液态的称为油脂油脂(oil)。是细胞膜的组成成分；包括是细胞膜的组成成分；包括甘油磷脂甘油磷脂和和鞘磷脂鞘磷脂。甘油磷脂是构成生物膜脂双层的基本骨架；鞘磷脂也是甘油磷脂是构成生物膜脂双层的基本骨架；鞘磷脂也是生物膜的重要组分，参与细胞识别和信号传递。生物膜的重要组分，参与细胞识别和信号传递。磷脂磷脂

15、(phospholipids)磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱极性的头部极性的头部（亲水）（亲水）非极性尾部非极性尾部（疏水）（疏水）亲水亲脂分子亲水亲脂分子胆碱胆碱脂肪酸链脂肪酸链磷酸基团磷酸基团甘油骨架甘油骨架 胆固醇胆固醇(cholesterol)：具有类固醇的典型结构，是细胞：具有类固醇的典型结构，是细胞 膜的组成成分膜的组成成分 脂溶性维生素如维生素脂溶性维生素如维生素D、性激素、肾上腺皮质激素、性激素、肾上腺皮质激素类固醇类固醇(steroid)胆固醇胆固醇睾酮睾酮基本组成单位：基本组成单位：氨基酸氨基酸(amino acid)肽键肽键(peptide bond ) 肽链肽链(peptide

16、chain)生物大分子：生物大分子：蛋白质蛋白质肽肽 键键肽肽 键键氨基端氨基端（N端）端）羧基端羧基端（C端）端）多肽主链多肽主链 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构 一级结构一级结构(primary structure) 二级结构二级结构(secondary structure) 超二级结构超二级结构(supersecondary structure) 三级结构三级结构(tertiery structure) 四级结构四级结构(quaternary structure)蛋白质的一级结构是由染色体上蛋白质的一级结构是由染色体上DNA编码的，这种遗传编码的，这种遗传蓝图在体内可保存并由亲代传递给

17、子代。蓝图在体内可保存并由亲代传递给子代。蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构氨基酸序列和二硫键氨基酸序列和二硫键分子分子细胞细胞大体大体一个氨基酸差别一个氨基酸差别形态显著异常形态显著异常盘状盘状-镰刀状镰刀状贫血贫血遗传性疾病的分子和细胞改变遗传性疾病的分子和细胞改变 返回返回 螺旋和螺旋和 片层是片层是最普遍的折叠形式最普遍的折叠形式每个肽键上的每个肽键上的N-H与同一条链上与同一条链上相距相距4个肽键上的个肽键上的C=O通过通过氢键氢键形成形成 螺旋；类似于螺旋楼梯或螺旋；类似于螺旋楼梯或拉长的弹簧。拉长的弹簧。蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构示示 螺旋螺旋血红蛋白血红蛋白 螺旋螺旋相邻的

18、多肽链通过不同链上肽键相邻的多肽链通过不同链上肽键间的氢键形成间的氢键形成 片层互相交联以片层互相交联以抗拉伸。抗拉伸。蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构示示 片层片层 片层片层 螺旋异常转变为螺旋异常转变为 片层：片层：导致蛋白质聚集引起人类疾病导致蛋白质聚集引起人类疾病引起疯牛病的引起疯牛病的异常异常PrP*蛋白蛋白正常正常PrP蛋白蛋白异常异常PrP*有传染性，有传染性，使其它正常使其它正常PrP蛋白蛋白变成异常变成异常PrP*蛋白蛋白正常情况下偶然发生正常情况下偶然发生 返回返回蛋白质的超二级结构蛋白质的超二级结构 返回返回 结构域、功能域结构域、功能域(domain) 返回返回二级结构

19、进一步形成超螺旋或复杂的缠绕，从而使多肽链成为高度二级结构进一步形成超螺旋或复杂的缠绕，从而使多肽链成为高度复杂的复杂的球形球形三维结构，在作为催化剂和转运分子的蛋白中常见，如三维结构，在作为催化剂和转运分子的蛋白中常见，如肌红蛋白、酶、激素等。肌红蛋白、酶、激素等。蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构活性中心活性中心 一些蛋白质由两个或更多多肽链一些蛋白质由两个或更多多肽链（亚基）（亚基）组成。多个亚基聚组成。多个亚基聚在一起形成一个单一功能的蛋白。在一起形成一个单一功能的蛋白。蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构图示血红蛋白图示血红蛋白蛋白质功能的多样性蛋白质功能的多样性催化功能：催化功能：酶酶调

20、控功能：调控功能：调控基因表达的蛋白调控基因表达的蛋白转运功能：转运功能：血红蛋白、载铁蛋白等血红蛋白、载铁蛋白等运动功能：运动功能：肌动蛋白、肌球蛋白、动力蛋白等肌动蛋白、肌球蛋白、动力蛋白等结构与支持作用：结构与支持作用：胶原蛋白、弹性蛋白、角蛋白等胶原蛋白、弹性蛋白、角蛋白等防御功能：防御功能：免疫球蛋白免疫球蛋白其他功能：其他功能：营养功能、识别功能、凝血功能等营养功能、识别功能、凝血功能等生物大分子：生物大分子：核酸核酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid,DNA)核糖核酸核糖核酸 (ribonucleic acid, RNA)DNA的基本单位的基本

21、单位：脱氧核糖脱氧核糖核苷酸核苷酸 dAMP、dGMP、dCMP、dTMP 简称：简称：A、G、C、TRNA的基本单位的基本单位：核糖核糖核苷酸核苷酸 AMP、GMP、CMP、UMP 简称：简称：A、G、C、U5磷酸磷酸3羟羟3 ,5磷酸二酯键磷酸二酯键DNA的分子结构：的分子结构： 一级结构：一级结构：脱氧核苷酸的序列脱氧核苷酸的序列 二级结构：二级结构：DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型 三级结构：三级结构：超螺旋超螺旋to1953年年Watson 和和Crick 揭示了揭示了DNA双螺旋结构双螺旋结构戊糖戊糖-磷酸主链磷酸主链大沟大沟小沟小沟5533大沟大沟小沟小沟氢键：氢键：ATCG5

22、端端5端端3端端3端端DNA双螺旋双螺旋结构模型结构模型DNA双螺旋结构模型特点双螺旋结构模型特点v DNA分子是由两条反向平行、右手螺旋的一磷酸脱分子是由两条反向平行、右手螺旋的一磷酸脱 氧多核苷酸组成。氧多核苷酸组成。v 脱氧核糖和磷酸排在每条链的外侧，而碱基排在内脱氧核糖和磷酸排在每条链的外侧，而碱基排在内 侧，且严格配对侧，且严格配对AT CG。v 遗传信息储存于碱基对序列中。遗传信息储存于碱基对序列中。返回返回 储存遗传信息储存遗传信息 自我复制自我复制 转录三种转录三种RNA; ;指导合成蛋白质指导合成蛋白质 DNA的功能的功能: : 一级结构：一级结构：核糖核苷酸的序列核糖核苷酸

23、的序列 二级结构：二级结构：局部局部双螺旋双螺旋 三级结构：三级结构：二级结构基础上折叠形成二级结构基础上折叠形成 四级结构：四级结构：与蛋白质形成的核蛋白复合物与蛋白质形成的核蛋白复合物RNA的结构（单链）的结构（单链）（1）信使信使RNA (messenger RNA, mRNA) （2）转运转运RNA (transfer RNA, tRNA)（3）核糖体核糖体RNA (ribosome RNA, rRNA)RNA的种类的种类mRNA蛋白质合成的直接模板蛋白质合成的直接模板原核细胞原核细胞mRNA真核细胞真核细胞mRNAtRNA蛋白质生物合成的蛋白质生物合成的“搬运工搬运工” mRNA与氨

24、基酸之间的衔接分子与氨基酸之间的衔接分子(linker)氨基酸氨基酸接受臂接受臂反密反密码环码环问：图中问：图中tRNA各为几级结构？各为几级结构？rRNArRNA和和蛋白质蛋白质组成组成核糖体核糖体小亚基中的小亚基中的rRNA结构图结构图mRNA、tRNA 、rRNA (主要三种主要三种) : 参与蛋白质合成参与蛋白质合成其它其它RNA：如核内：如核内小小RNA (snRNA)、核酶、核酶(ribozyme) 等。等。RNA的生物功能的生物功能 类别类别特征特征戊糖戊糖碱基碱基分子结构分子结构分布分布在细胞中在细胞中的作用的作用DNA脱氧核糖脱氧核糖A、G、C、T大多数双链大多数双链主要在细

25、胞核内主要在细胞核内绝大多数生物的绝大多数生物的遗传物质遗传物质RNA核糖核糖大多数单链大多数单链主要在细胞质、核仁主要在细胞质、核仁参与蛋白质合成参与蛋白质合成部分病毒和噬菌体的遗传物质部分病毒和噬菌体的遗传物质A、G、C、UDNA和和RNA的区别的区别本章小结本章小结 组成细胞的主要元素组成细胞的主要元素 : C、H、O、N 组成细胞的分子组成细胞的分子 无机小分子无机小分子: 水、无机盐水、无机盐 有机小分子有机小分子: 单糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸单糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸 生物大分子：糖类生物大分子：糖类(多糖、寡聚糖、糖胺聚糖多糖、寡聚糖、糖胺聚糖)、 脂质、蛋白质、核酸脂质、蛋

26、白质、核酸(DNA 、RNA) 分子组成与细胞的关系分子组成与细胞的关系 1. 组成细胞的结构成分：组成细胞的结构成分： 染色质：染色质： DNA、蛋白质、蛋白质 核仁、核糖体：核仁、核糖体：RNA、蛋白质、蛋白质 生物膜：生物膜： 蛋白质、脂质、糖蛋白质、脂质、糖 细胞骨架：细胞骨架： 蛋白质蛋白质 细胞外基质：细胞外基质： 蛋白质、糖胺聚糖蛋白质、糖胺聚糖细胞与大分子的关系细胞与大分子的关系核糖体核糖体线粒体线粒体微管微管淀粉淀粉染染色色质质糖类糖类细胞膜细胞膜细胞壁细胞壁 2. 非细胞结构成分（与功能有关）非细胞结构成分（与功能有关） 物质运输：小分子、大分子物质运输：小分子、大分子 信

27、号：信号分子信号：信号分子 物质代谢：合成、分解、能量物质代谢：合成、分解、能量 细胞成分的新陈代谢、不断更新细胞成分的新陈代谢、不断更新 蛋白质的分子结构特点。蛋白质的分子结构特点。 一级结构是指多肽链中氨基酸残基的序列，并包括生成二硫键一级结构是指多肽链中氨基酸残基的序列，并包括生成二硫键的半胱氨酸的位置；对的半胱氨酸的位置；对蛋白的三维结构至关重要蛋白的三维结构至关重要 二级结构是多肽链局部区域氨基酸残基之间有规律的空间排列，二级结构是多肽链局部区域氨基酸残基之间有规律的空间排列，最常见的有最常见的有 螺旋和螺旋和 片层；片层； 三级结构是在二级结构基础上形成的高度复杂的三级结构是在二级结构基础上形成的高度复杂的球