生命的细胞基础

关于生命的细胞基础第一节细胞的基本概念

第2页,共84页，2024年2月25日，星期天一、细胞的大小、形态和数量生命的基本单位——细胞细胞大小人类卵细胞100m人类肝细胞18～20m人类小淋巴细胞4～5m鸵鸟卵细胞12cm支原体0.1m人和动物的细胞直径一般在10～100

m之间。人体内最大的细胞是卵细胞，直径约100

m，最小的细胞直径只有4～5

m。第3页,共84页，2024年2月25日，星期天一、细胞的大小、形态和数量生命的基本单位——细胞细胞的形态多种多样，大小也不一致，这是与细胞功能相适应的。凡是游离的细胞大多数呈球形或椭圆形。第4页,共84页，2024年2月25日，星期天二、细胞的基本结构光镜下结构细胞膜细胞质细胞核电镜下结构膜相结构非膜相结构细胞膜内质网高尔基复合体线粒体溶酶体过氧化氢体核膜核糖体中心粒微管微丝中等纤维细胞质基质核仁染色质核基质第5页,共84页，2024年2月25日，星期天细胞膜细胞质由膜相结构组成的细胞器的膜与质膜在化学组成、分子结构和功能活动方面具有很多共性，因而把质膜和细胞内膜系统总称为生物膜。(biomembrane)。电子显微镜下，生物膜呈“两暗一明”的铁轨样形态，又被称为单位膜(unitmembrane)。第6页,共84页，2024年2月25日，星期天第7页,共84页，2024年2月25日，星期天过氧化物酶体线粒体核膜以及各种小泡细胞膜内质网高尔基复合体溶酶体膜相结构第8页,共84页，2024年2月25日，星期天非膜相结构染色体核糖体染色质中间纤维中心粒微丝，微管第9页,共84页，2024年2月25日，星期天生命的基本单位——细胞三、原核细胞与真核细胞原核细胞第10页,共84页，2024年2月25日，星期天生命的基本单位——细胞三、原核细胞与真核细胞真核细胞第11页,共84页，2024年2月25日，星期天原核细胞与真核细胞的主要区别特征原核细胞真核细胞细胞大小较小，1～10m较大，10～100m细胞壁肽聚糖纤维素（植物细胞）细胞质仅有核糖体，无胞质环流各种细胞器，存在胞质环流核糖体70S（50S＋30S）80S（60S＋40S）细胞骨架无有内膜系统无有细胞核拟核（无核膜、核仁）有核膜、核仁染色体单组多组细胞分裂无丝分裂有丝分裂、减数分裂生命的基本单位——细胞第12页,共84页，2024年2月25日，星期天第二节细胞膜及其表面第13页,共84页，2024年2月25日，星期天构成细胞的三大要素细胞膜（质膜）一套遗传信息一套完整的代谢系统细胞第14页,共84页，2024年2月25日，星期天一细胞膜的化学组成成分含量脂类30%-60%蛋白质20%-70%糖类2%-10%其他水，无机盐，金属离子等第15页,共84页，2024年2月25日，星期天

（一）膜脂(membranelipid)

是细胞膜的基本组成成分，构成细胞膜的基本骨架。

主要有三种类型：磷脂（phospholipid）

胆固醇（cholesterol）

糖脂（glycolipid）

第16页,共84页，2024年2月25日，星期天第17页,共84页，2024年2月25日，星期天

磷脂酰胆碱(卵磷脂)磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺（脑磷脂)

1.磷脂磷脂分子：均含有极性基团、磷酸基团和非极性基团，形成亲水头部和疏水尾部，称为双亲分子。甘油磷酸脂鞘磷脂磷脂酰肌醇第18页,共84页，2024年2月25日，星期天CH3POCH2CH2NCH—CH—CH2OOCOOCOO脂肪酸脂肪酸CH3CH3磷脂酰胆碱（卵磷脂）OCH—CH—CH2OC磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）POCH2CH2NH2OOCOOO脂肪酸脂肪酸OPOCH2H—C—COOHNH2OCOCH—CH—CH2OOCOO脂肪酸脂肪酸磷脂酰丝氨酸O第19页,共84页，2024年2月25日，星期天脂肪酸脂肪酸脂肪酸磷酸甘油酯极性头部基团（亲水）非极性尾部基团（疏水）CH—CH—CH2OOP—OOOON︳COCO甘油磷酸磷酸化醇“双型性分子”第20页,共84页，2024年2月25日，星期天

2.胆固醇

羟基为极性头部，非极性的类固醇环和一个非极性的碳氢尾部。稳定膜和调节膜的流动性

第21页,共84页，2024年2月25日，星期天3.糖脂

所有细胞中，糖脂均位于质膜非胞质面，糖基暴露于细胞表面，其作用可能作为某些大分子的受体，参与细胞识别及信号转导。

第22页,共84页，2024年2月25日，星期天

（二）膜蛋白

根据膜蛋白与脂双层结合的不同方式，膜蛋白可分为两种基本类型：

整合蛋白(integralprotein)

周边蛋白(peripheralprotein)

第23页,共84页，2024年2月25日，星期天

第24页,共84页，2024年2月25日，星期天

（三）膜糖类

在真核细胞中占细胞膜重量的2%～10%。它们大多是与蛋白质或脂类分子以共价键结合形成糖蛋白或糖脂的形式，在细胞表面形成细胞外衣。第25页,共84页，2024年2月25日，星期天细胞内膜糖类糖类+膜脂共价键糖脂糖类+膜蛋白糖蛋白共价键脂双层膜蛋白细胞衣第26页,共84页，2024年2月25日，星期天二、细胞膜的结构模型细胞膜研究简史：1925年，Gorter和Grendel提出红细胞膜由双层磷脂分子组成。1935年，Danielli和Davson提出“片层结构模型”。1959年，Robertson提出“单位膜模型”。

1972年，Singer和Nicolson提出“流动镶嵌模型”。

1975年，D.F.Wallach提出“晶格镶嵌模型”。

1977年，JainMK和WhiteHB提出“板块镶嵌模型”。

1988年，Simon提出“脂筏模型”。第27页,共84页，2024年2月25日，星期天（一）片层结构模型(lamellastructuremodel)

细胞膜是由两层磷脂分子构成，内外侧表面还覆盖着一层球形蛋白质分子，形成蛋白质-磷脂一蛋白质三层夹板式结构。第28页,共84页，2024年2月25日，星期天（二）单位膜模型（unitmembranemodel）

细胞膜都呈现清晰的两暗夹一明的三层结构。第29页,共84页，2024年2月25日，星期天

（三）流动镶嵌模型（fluidmosaicmode）

流动的脂类双分子层构成了细胞膜的连续主体，蛋白质分子无规则地分散在脂类的海洋中。强调了膜的流动性及不对称性，较好解释了生物膜的功能特点。第30页,共84页，2024年2月25日，星期天

（四）脂筏模型（lipidraftmodel）

生物膜上胆固醇和鞘磷脂富集而形成有序脂相，如同脂筏一样载着各种蛋白，是一种动态结构。

第31页,共84页，2024年2月25日，星期天第32页,共84页，2024年2月25日，星期天三、细胞膜的特性

膜的不对称性膜的流动性生物膜具有两个明显的特性第33页,共84页，2024年2月25日，星期天

（一）细胞膜的不对称性

1.膜脂分布的不对称性

2.膜蛋白分布的不对称性第34页,共84页，2024年2月25日，星期天脂质双分子层中，各层所含的磷脂种类有明显不同。细胞膜非胞质侧：头部含有胆碱的磷脂分子（磷脂酰胆碱.鞘磷脂）。胞质侧：末端含有氨基的磷脂分子（磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸）。1、膜脂的不对称性第35页,共84页，2024年2月25日，星期天第一.膜蛋白分布是绝对不对称的．各种膜蛋白在质膜中都有一定的位置。第二.糖蛋白上的低聚糖残基均位于膜的非胞质侧。第三.膜蛋白颗粒在内外两层中分布的不对称。2、膜蛋白的不对称性第36页,共84页，2024年2月25日，星期天膜糖类分布在细胞膜的外表面第37页,共84页，2024年2月25日，星期天糖脂（链）糖蛋白整个蛋白糖细胞外液细胞质细胞骨架收缩器外周蛋白胆固醇第38页,共84页，2024年2月25日，星期天(1)侧向扩散运动:相邻分子互换位置速率达107次/秒,一个脂质分子移动距离达104nm/20秒。（2）翻转（3）旋转（4）伸缩和振荡运动1．膜脂分子的运动（二）细胞膜的流动性生物膜是一种动态的结构，具有膜脂的流动性（fluidity）和膜蛋白的运动性（mobi1ity）。第39页,共84页，2024年2月25日，星期天1970年，Edidin等人运用细胞融合技术和荧光免疫技术，证实了膜蛋白的流动性。2．膜蛋白的运动性有横向扩散和旋转运动两种运动方式（1）横向扩散（2）旋转扩散运动第40页,共84页，2024年2月25日，星期天小鼠细胞标记人膜蛋白抗体+人膜蛋白（抗原）异核细胞抗小鼠膜蛋白抗体+荧光素B抗人膜蛋白抗体+荧光素A标记小鼠膜蛋白抗体+小鼠膜蛋白（抗原）人细胞孵育（370C,40分钟）诱导融合膜蛋白(抗原）第41页,共84页，2024年2月25日，星期天四.膜功能

(一)界膜和细胞区域化细胞区域化在细胞质中划分了许多以膜包被的特定功能的区室,即细胞区域化。第42页,共84页，2024年2月25日，星期天(二)调节运输某些物质可以“自由通透”某些物质出入细胞的障碍第43页,共84页，2024年2月25日，星期天第三节细胞膜与细胞内外物质转运

同细胞膜有关的物质运输活动有两种形式：

1.小分子和离子的穿膜运输，它又分为被动运输和主动运输；

2.大分子和颗粒物质的膜泡运输，它又分为胞吞作用和胞吐作用。第44页,共84页，2024年2月25日，星期天

一、小分子物质的穿膜运输

（一）被动运输（passivetransport）是指物质顺浓度梯度，由浓度高的一侧通过膜运输到浓度低的一侧的穿膜扩散，转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要消耗细胞的代谢能量。被动运输简单扩散离子通道扩散易化扩散第45页,共84页，2024年2月25日，星期天1.简单扩散（simplediffusion）

一些物质不需要膜蛋白的帮助，能顺浓度梯度自由扩散，通过膜的脂双层，如苯、醇、类固醇类激素以及O2、N2等就是通过这种方式。第46页,共84页，2024年2月25日，星期天高浓度低浓度脂质双分子层电化学梯度第47页,共84页，2024年2月25日，星期天2.离子通道扩散（channel-mediateddiffusion）

膜转运蛋白（transportprotein）：是指细胞膜上负责转运不能通过单纯扩散穿膜的物质的蛋白质。如负责转运各种离子、葡萄糖、氨基酸及各种代谢产物的载体蛋白和通道蛋白。

第48页,共84页，2024年2月25日，星期天通道蛋白形成一种水溶性通道，当通道开放时特定的溶质(一般是无机离子)可经过通道穿越细胞膜。

载体蛋白与特定的溶质结合，改变构象使溶质穿越细胞膜。膜转运蛋白主要有两类：

载体蛋白既可介导被动运输(易化扩散)，也可介导逆电化学梯度的主动运输；而通道蛋白只能介导顺电化学梯度的被动运输。载体蛋白：通道蛋白：第49页,共84页，2024年2月25日，星期天高浓度低浓度电化学梯度通道蛋白通道蛋白第50页,共84页，2024年2月25日，星期天

闸门通道（gatedchannel）这类转运蛋白或蛋白复合物所形成的孔道与上述的通道蛋白所形成的孔道不同，它具有“闸门”的作用。闸门不是连续开放，而是瞬时开放，在对特定的刺激发生反应的瞬时打开，其他时间是关闭的。（1）配体闸门通道：当配体与细胞表面受体结合时，引起闸门开启。（2）电压闸门通道：膜电位变化（去极化）引起闸门开启。第51页,共84页，2024年2月25日，星期天闸门通道示意图

第52页,共84页，2024年2月25日，星期天物质顺浓度梯度经过通道蛋白扩散到细胞膜的另一侧。通道蛋白配体高浓度低浓度电化学梯度第53页,共84页，2024年2月25日，星期天3.易化扩散（facilitateddiffusion）

借助于载体蛋白顺浓度梯度的物质运输方式叫易化扩散。一些非脂溶性或亲水性的物质，如糖、氨基酸、核苷酸和金属离子等。

转运物质时膜载体蛋白的构象变化第54页,共84页，2024年2月25日，星期天可运输一些亲水性物质和无机离子等。载体蛋白高浓度低浓度电化学梯度第55页,共84页，2024年2月25日，星期天载体扩散的特点：（1）载体蛋白具有高度的特异性。（2）通过载体易位机制转运。（3）载体蛋白的饱和性。第56页,共84页，2024年2月25日，星期天Km转运分子浓度→载体介导的易化扩散简单扩散转运速率Vmax1/2Vmax

当所有的结合部位均被溶质分子占据。这时的转运速率达到最大值(Vmax)。而每种载体蛋白对它所结合的溶质都有一定的结合常数(Km)，这相当于转运率达到最大值的1／2时溶质的浓度。

第57页,共84页，2024年2月25日，星期天1.离子泵具有载体和酶的双重作用，具有专一性，如钠钾泵、钙泵、质子泵等。

钠钾泵：具有载体和酶的活性。由大小两个亚基组成，大亚基为跨膜的脂蛋白，是该酶的催化部分，其细胞内端有3个Na＋和1个ATP结合部位，外端有2个K＋和1个哇巴因结合部位，通过反复磷酸化和去磷酸化进行活动。

（二）主动运输（activetransport）指物质从低浓度一侧向高浓度一侧的跨膜转运，即逆浓度梯度方向的运输，这种运输既需要细胞膜上的载体蛋白参与，也需要消耗细胞的代谢能。第58页,共84页，2024年2月25日，星期天细胞质Na+Na+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+小亚基大亚基大亚基ATPADP+Pi钾浓度梯度[30倍]钠浓度梯度[13倍]小亚基大亚基大亚基小亚基大亚基大亚基Pi钠结合部位钾结合部位Na+Na+Na+Na+K+KNa++泵Mg+PiPiK+K+K+大亚基小亚基大亚基大亚基小亚基大亚基大亚基第59页,共84页，2024年2月25日，星期天细胞质Na+Na+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+小亚基大亚基大亚基ATPADP+Pi钾浓度梯度[30倍]钠浓度梯度[13倍]小亚基大亚基大亚基小亚基大亚基大亚基Pi钠结合部位钾结合部位Na+Na+Na+Na+K+Mg+PiPiK+K+K+大亚基小亚基大亚基大亚基小亚基大亚基大亚基第60页,共84页，2024年2月25日，星期天第61页,共84页，2024年2月25日，星期天

钠钾泵工作原理第62页,共84页，2024年2月25日，星期天2.离子梯度驱动的主动运输——伴随运输

伴随运输是与离子梯度相偶联的主动运输过程，具体地讲，这种过程是由膜上的Na+-K+泵和特异性的载体蛋白共同协作完成的。根据溶质运输方向与离子顺电化学梯度转移方向的关系，分为同向运输与逆向运输。第63页,共84页，2024年2月25日，星期天离子梯度驱动的主动运输第64页,共84页，2024年2月25日，星期天小肠上皮细胞转运葡萄糖入血第65页,共84页，2024年2月25日，星期天

上述各种“主动运输”方式的特点是：①主动运输为小分子物质逆浓度或电化学梯度跨膜转运；②需要消耗量，可直接利用水解ATP或来自离子电化学梯度提供能量；③需要膜上特异性载体介导，这些载体蛋白不仅具有结构上的特异性(特异的结合位点)，而且具有结构上的可变性(构象变化影响亲和力的改变)。第66页,共84页，2024年2月25日，星期天

二、大分子和颗粒物质的膜泡运输

膜泡运输（membrane-vesicletransport）：大分子和颗粒物质在细胞内的转运是由膜包围形成小泡进行运输。

膜泡运输特点：①伴随着膜的运动，主要是膜本身结构的融合、重组和移位。②与主动运输一样，也需要能量的供应。膜泡运输又分为胞吞作用和胞吐作用。第67页,共84页，2024年2月25日，星期天

当被摄入物质附着于细胞表面，膜表面发生内陷，由细胞膜把环境中的大分子和颗粒物质包围成小泡，脱离细胞膜进入细胞内的转运过程。根据吞入物质的状态、大小及特异程度不同而分为吞噬作用、胞饮作用和受体介导的胞吞作用三种方式。

（一）胞吞作用（endocytosis）第68页,共84页，2024年2月25日，星期天

1．吞噬作用（phagocytosis）

细菌或细胞碎片等物质吸附在细胞表面，吸附区域的细胞膜向内凹陷形成囊泡，囊泡从膜上分离下来，进入细胞质的过程。在原生动物中，吞噬作用是获取营养物质的重要方式；在哺乳动物中，主要是消灭异物，在机体防卫系统中起重要作用。第69页,共84页，2024年2月25日，星期天2.胞饮作用（pinocytosis）

细胞膜内陷，非特异性摄入溶质和液体的过程，形成的小囊泡称为胞饮体（pinosome）或胞饮小泡（pinocyticvesicle）。常见于巨噬细胞、白细胞、小肠上皮细胞、毛细血管内皮细胞等。第70页,共84页，2024年2月25日，星期天胞吐作用吞噬作用吞噬体phagosome胞饮作用吞饮体pinosome第71页,共84页，2024年2月25日，星期天5

m吞噬性白血细胞酵母细胞第72页,共84页，2024年2月25日，星期天3.受体介导的胞吞作用（receptormediatedendocytosis）

细胞通过受体的介导摄取细胞外特异性蛋白质或其他化合物的过程。为细胞提供了高效、选择性地摄取细胞外大分子物质的方式。具有选择性和高效性的特点。第73页,共84页，2024年2月25日，星期天细胞质LDL颗粒LDL受体有被小窝有被小泡无被小泡胞内体受体与大分子颗粒分开胞内体部分胞内体部分

初级溶酶体吞噬溶酶体受体再循环第74页,共84页，2024年2月25日，星期天

（二）胞吐作用（exocytsis）

细胞内合成的物质通过膜泡转运至细胞膜，与质膜融合后，将物质排出细胞外的过程。细胞分泌产生的激素、酶类及未消化的残渣等物