细胞和生物膜

关于细胞和生物膜第1页，共53页，2023年，2月20日，星期五第二章细胞和生物膜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细胞是生物分子发生化学变化的场所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——人工膜第2页，共53页，2023年，2月20日，星期五2.2生物膜细胞膜以及各种细胞器的外膜通称为生物膜。生物膜是一个具有特殊结构和功能的选择性通透膜。生物膜将细胞/细胞器与环境分隔，维持内部结构与成分稳定生物膜本身具有重要的生物功能：蛋白质/酶的定位：膜上含有一系列的特化蛋白质启动或催化一定的分子事件物质运输：膜上的泵可以逆跨膜梯度移动（运送）特定的有机物和无机离子能量转换:能量转化器可以把一种形式的能量转化为另一种形式的能量信息传递:质膜上的受体能够感受胞外信号，并转化为细胞内的分子事件第3页，共53页，2023年，2月20日，星期五2.2.1生物膜的组成和结构组成：脂质，蛋白质，糖类，水，金属离子第4页，共53页，2023年，2月20日，星期五脂质lipid脂质是构成生物膜最基本的结构物质脂质是生物体的一大类重要的有机化物，脂类包括的范围很广，这些物质不但化学成份和化学结构有很大差异，而且具有不同的生物学功能。磷脂（主要成分）胆固醇糖脂第5页，共53页，2023年，2月20日，星期五磷脂根据磷脂的主链结构（醇基）的不同，可将磷脂分成两大类：甘油磷脂：甘油、脂肪酸、磷酸。鞘氨醇磷脂：以鞘氨醇代替了甘油。甘油磷脂鞘氨醇磷脂两亲分子第6页，共53页，2023年，2月20日，星期五甘油磷脂第7页，共53页，2023年，2月20日，星期五鞘氨醇磷脂第8页，共53页，2023年，2月20日，星期五磷脂的特点磷脂分子中含有亲水性的磷酸酯基和亲脂性的脂肪酸链，是优良的两亲分子。磷脂分子在水溶液中，能够形成双层脂膜结构或微团结构。甘油磷脂鞘氨醇磷脂第9页，共53页，2023年，2月20日，星期五第10页，共53页，2023年，2月20日，星期五胆固醇Cholesterol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，有利于保持膜的稳定性和降低相变温度。第11页，共53页，2023年，2月20日，星期五固醇衍生物胆汁酸是脂肪消化的乳化剂胆汁中，胆酸多与甘氨酸或牛磺酸结合成甘氨胆酸或牛磺胆酸－胆汁酸，常成钠盐－胆汁酸盐，是表面活性剂，乳化肠道中的脂肪、胆固醇和Vit（脂溶性），促进肠壁细胞对脂肪的吸收，还可激活脂肪酶，对脂肪的消化和吸收具有重要的生理意义。第12页，共53页，2023年，2月20日，星期五糖脂Glycosphingolipids

糖脂也是构成双层脂膜的结构物质。糖脂主要分布在细胞膜外侧的单分子层中。甘油醇糖脂主要是具有植物和细菌界特征的糖脂，有单（mono－）及二半乳糖苷甘油二酯等。鞘氨醇糖脂主要是具有动物特征的糖脂，代表有半乳糖脑苷脂、葡糖脑苷脂和红细胞糖苷脂（globoside）等中性的神经鞘氨醇糖和脂神经节苷脂（ganglioside）等酸性神经鞘氨醇糖脂。第13页，共53页，2023年，2月20日，星期五甘油醇糖脂叶绿体和微生物的质膜里含有大量的甘油糖脂。第14页，共53页，2023年，2月20日，星期五鞘氨醇糖脂单糖、双糖或寡糖通过糖苷键连接神经酰胺形成鞘氨醇糖脂。脑苷脂：

半乳糖苷神经酰胺、葡萄糖苷神经酰胺不仅是血型抗原，而且与组织和器官的特异性，即细胞—细胞识别有关。神经节苷脂：寡糖链(带有一个或多个唾液酸残基)与神经酰胺形成的鞘糖脂。在神经末梢中含量丰富，种类很多。在神经冲动传递中其重要作用。许多遗传疾病涉及特异糖鞘脂的积累。第15页，共53页，2023年，2月20日，星期五鞘氨醇糖脂二十四酸二十四烯酸-羟二十四酸第16页，共53页，2023年，2月20日，星期五糖脂的生物学功能（1）细胞结构的刚性（2）抗原的化学标记血型、抗原（3）调节细胞的正常生长（4）细胞间识别第17页，共53页，2023年，2月20日，星期五磷脂（主要成分）胆固醇糖脂第18页，共53页，2023年，2月20日，星期五膜蛋白生物膜中含有多种不同的蛋白质，通常称为膜蛋白。膜蛋白具有重要的生物功能，是生物膜实施功能的基本场所。根据它们在膜上的定位情况，可以分为外周蛋白和内在蛋白。外周蛋白——受体内在蛋白——酶、通道第19页，共53页，2023年，2月20日，星期五膜蛋白的作用物质运输:作为“载体”将物质带入或带出细胞；外界信息的接受与传递:有些膜蛋白是激素或其他化学物质的特异受体;作为各种酶(蛋白质)，使特异的化学反应能在膜上进行;细胞的识别维持细胞结构第20页，共53页，2023年，2月20日，星期五第21页，共53页，2023年，2月20日，星期五第22页，共53页，2023年，2月20日，星期五第23页，共53页，2023年，2月20日，星期五第24页，共53页，2023年，2月20日，星期五糖类生物膜中含有一定的寡糖类物质。它们大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。糖类在膜上的分布是不对称的，全部都处于细胞膜的外侧。生物膜中组成寡糖的单糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等。生物膜中的糖类化合物在信息传递和相互识别方面具有重要作用。糖蛋白：O-糖苷键

N-糖苷键糖脂：O-糖苷键第25页，共53页，2023年，2月20日，星期五第26页，共53页，2023年，2月20日，星期五第27页，共53页，2023年，2月20日，星期五生物膜的结构生物膜分子间作用力静电力疏水力范德华引力生物膜结构的主要特征（1）膜组分的不对称分布（2）生物膜的流动性流体镶嵌模型

第28页，共53页，2023年，2月20日，星期五第29页，共53页，2023年，2月20日，星期五温度引起侧链热运动脂双层平面内的扩散跨膜扩散：“翻跟头”第30页，共53页，2023年，2月20日，星期五生物膜的流体镶嵌模型1.膜的基质为极性脂质双分子层；2.具有流动性（脂肪酸）3.内嵌蛋白的疏水氨基酸使之溶解于双分子层的疏水部分；4.外周蛋白通过静电吸引或范氏力与双分子层的极性头部相连；5.无共价结合；6.膜蛋白可做横向移动。第31页，共53页，2023年，2月20日，星期五2.2.2生物膜的功能保护功能转运功能能量转换功能信息传递运动功能免疫功能第32页，共53页，2023年，2月20日，星期五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。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。第33页，共53页，2023年，2月20日，星期五转运功能细胞或细胞器需要经常与外界进行物质交换以维持其正常的功能。生物膜具有高度选择性的半透性阻障作用，膜上含有专一性的分子泵和门，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。在各种物质跨膜转运过程中，细胞膜起着重要的调控作用。被动转运主动转运第34页，共53页，2023年，2月20日，星期五被动转运在浓度梯度的驱动下，向平衡态进行的跨膜扩散运动。简单扩散物质从浓度高的一侧到浓度低的一侧，不需能量，不需膜蛋白协助，依赖于物质种类、分子大小、两侧的浓度差。促进扩散顺浓度梯度，不需能量，需特异的膜膜蛋白促进转运，增加速率和特异性。如载体蛋白、通道蛋白。第35页，共53页，2023年，2月20日，星期五第36页，共53页，2023年，2月20日，星期五主动转运主动转运是在外加能量驱动下进行的物质跨膜转运过程。主动转运的物质，可以是离子、小分子化合物，也可以是复杂的大分子物质，如某些蛋白或酶等。需要载体蛋白的参与。主动运输具有专一性、饱和性、方向性、选择性抑制和需提供能量等特点。第37页，共53页，2023年，2月20日，星期五钠、钾离子泵钠、钾离子泵实际上就是膜结构中的一种特殊蛋白质——Na+-K+ATP酶，它本身具有催化ATP水解的活性，可以把ATP分子中的高能键切断而释放能量，并利用此能量进行Na+，K+的主动运送。因此钠泵就是这种被称为Na+-K+依赖式ATP酶的蛋白质。第38页，共53页，2023年，2月20日，星期五钙离子泵第39页，共53页，2023年，2月20日，星期五能量转换氧化磷酸化：通过生物氧化作用，将食物分子中存储的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。然后再通过ATP分子磷酸键的分解释放能量，为生物体提供所需的能量。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。

光合磷酸化主要在叶绿体膜上进行。第40页，共53页，2023年，2月20日，星期五信息传递生物体内的信息传递，例如激素的刺激、神经传导和遗传信息的传递等，主要是在细胞膜上进行的。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。第41页，共53页，2023年，2月20日，星期五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的纤毛或鞭毛的摆动而移动。第42页，共53页，2023年，2月20日，星期五运动功能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。第43页，共53页，2023年，2月20日，星期五免疫功能细胞的免疫性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活后，即产生相应的抗体。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。另外，吞噬细胞和淋巴细胞的免疫功能，是由于它们能够识别外源物质（细菌或其它蛋白质等），并能将这些外源物质吞噬消灭。第44页，共53页，2023年，2月20日，星期五2.2.3生物膜的模拟——人工膜是指由双亲性分子高度有序排列形成的体系.是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。人工膜具有生物膜的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。第45页，共53页，2023年，2月20日，星期五模拟生物膜功能（1）分离：模拟物质的运送和调控，用于分离、提取和浓缩所需物质，如污水处理，海水浓缩所需物质，海水淡化。（2）靶向给药和可控缓释给药：用脂质体对药物和疫苗进行包结，在体内可控释放、延长和增强药效。包结药品的脂质体表面连接上抗体，可实现靶向给药，抗体在体内寻找抗原，结合后药物定点释放。

（3）模拟膜上的化学反应：利用膜分子排列有序，使反应按一定方向有序进行，膜提供的微环境如有机溶剂，可加速反应进行，为一些酶促反应提供场所。

（4）生物传感器：模拟叶绿素体膜、类囊体膜，将太阳能转化成电能或化学能，模拟视觉和嗅觉。

（5）制备纳米材料：用超声法制备单层小泡囊（体积20~50nm）包结制备纳米材料。第46页，共53页，2023年，2月20日，星期五单分子层膜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。单分子层可以在气-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Langmuir和Blodgett发明的膜制备技术，所以称为LB膜技术。第47页，共53页，2023年，2月20日，星期五第48页，共53页，2023年，2月20日，星期五Surfacepressure-Areaisotherms第49页，共53页，2023年，2月20日，星期五第50页，共53页，2023年，2月20日，星期五双层类脂膜这类膜是指具有双分子厚度，能有效分隔水