細胞和生物膜

1、第一章 緒論（復習）,,生物體的化學組成,C, H, O, N四種元素，是組成生命體最基本的元素，占生物體總質量的99%以上,生物分子,糖、脂、核酸、蛋白質,生物大分子（的基本特征）糖、脂、核酸、蛋白質,1.生物大分子都是由結構比較簡單的小分子（結構單元）以某種方式連接而成。2. 生物大分子都具有非常復雜的結構。3. 構成生物大分子的結構單元大多數是手性分子。4.生物分子之間的相互作用和識別特性。生物大分子與普通小分子不同，生

2、物大分子之間存在特殊的、專一性的相互作用，結果是導致分子之間的相互識別。生物分子的這種特性是許多重要生理現象的分子基礎，如抗原與抗體的結合，酶與底物的專一性作用等。,生物大分子的結構單元,（1）構成蛋白質的結構單元分子—20種氨基酸（2）構成核酸的結構單元分子—核苷酸（3）構成脂（脂肪酸與醇作用生成的酯及其衍生物）的結構單元分子—甘油、脂肪酸、膽堿（4）構成糖（多羥基醛或多羥基酮）的結構單元分子—單糖,生物分子的相互作用力,生物分

3、子之間的相互作用主要通過非共價作用力實現。氫鍵正負離子之間的靜電引力離域鍵間的?電子重疊作用力疏水鍵范德華力,1.5.2 水分子對生物大分子的結構和性質的影響,水分子對生物分子的 影響主要通過非共價作用力，如氫鍵、極性分子解離產生的正負離子作用、疏水締合、范得華力實現。,1.5.3 緩沖溶液及生物體的緩沖體系,緩沖溶液作用：當少量的酸或堿加入到緩沖溶液中時，溶液的pH變化很小。緩沖溶液體系由弱酸及其共軛堿組成，如乙酸-乙酸鈉

4、，磷酸二氫鈉-磷酸氫鈉，碳酸-碳酸氫鈉緩沖體系等。,緩沖溶液的滴定曲線,在滴定中點兩邊是一個相對比較平坦的區(qū)域（pH=4.76?1)，在此區(qū)域內H+或OH-的加入引起溶液PH值的變化很小。這一區(qū)域就是CH3COOH/CH3COO-緩沖溶液的緩沖區(qū)。在緩沖區(qū)的中點，H+供體（CH3COOH）和H+受體（CH3COO-）的濃度相等，此時溶液具有最強的緩沖能力。 緩沖區(qū)中點的pH=4.76，也是CH3COOH的pKa值。,緩沖溶

5、液的緩沖區(qū)在pH=pKa ?1,緩沖溶液濃度與pH之間的關系—Henderson-Hasselbalch方程,Henderson-Hasselbalch方程的意義,定量描述了緩沖溶液的濃度與pH 及 pKa的關系在滴定中點時，pH=pKa，說明緩沖溶液滴定中點的pH就是弱酸的pKa定量描述了緩沖溶液的濃度與緩沖能力之間的關系,生物體的緩沖體系及其意義,生物體內發(fā)生的生物化學過程幾乎都與pH變化有關。生物體系pH的微小變化將影響許多

6、生物化學反應的速率和方向。幾乎所有的生物化學過程都是在酶的催化下進行，pH可以直接影響酶分子中氫鍵和離子鍵的形成，從而激活或抑制酶的活性。生物體是一個大的緩沖體系，例如人體緩沖體系pH?7.4。細胞的胞液、血液等都是緩沖溶液。所以，生物體能夠在恒定的pH條件下進行各種代謝或其它生理活動。在生物代謝或其他生理活動中產生的小量酸性或堿性物質，由于緩沖作用不會影響體系的pH。,第二章 細胞和生物膜,細胞是組成生物體的基本結構單元,是生物體

7、進行代謝、能量轉換、遺傳以及其他生理活動的場所。細胞內存在各種各樣的生物化學體系，生物體內發(fā)生的大多數化學反應過程都是在細胞內進行。,,原核細胞,真核細胞,根據生物進化程度，分為,2.1.1細胞的分類和結構,1. 原核細胞：進化程度低、結構最簡單的一類細胞，如：細菌、藍藻、大腸桿菌。,,外層—細胞壁、細胞膜,內部—有細胞質，無細胞器,原核細胞的結構,2.1.1 細胞的分類和結構,2. 真核細胞：真核細胞是高等植物和動物的基本結構單元。,

8、外層—細胞壁、細胞膜,內部—細胞質，有不同生理功能的細胞器,,,2.1.2 細胞是生物分子發(fā)生化學變化的場所,1. 細胞膜 作用：具有保護細胞、進行物質交換、傳遞信息、能量轉換、運動和免疫等生理功能。2. 細胞質：是復雜的生物膠體。所含的有形物質為各種細胞器，細胞器之間為胞液。細胞胞液由酶、激素、脂類、糖類、無機鹽、水組成。,細胞的細胞膜、細胞質、細胞器是細胞的功能結構。細胞的進化、遺傳信息的傳遞、生物的生殖、發(fā)育和衰老

9、，代謝、能量轉換、神經信息的傳遞等都與生物膜和細胞器功能密切相關。,3. 細胞器,細胞質內含有一些具有獨立形態(tài)的結構，稱為細胞器。細胞器通過細胞內膜與周圍環(huán)境分開，具有特定的生理功能。,（1）細胞核：主要成分是DNA、RNA和相關合成酶，具有遺傳信息的存儲、復制和轉錄等功能（2）線粒體：棒狀小粒，含有多種酶系，是進行生物代謝和能量轉換最重要的場所,（3）核糖核蛋白體：由核糖核酸與多種結合蛋白構成，是蛋白質生物合成的主要場所（4）內質

10、網：由細胞膜引申形成的小管和小胞構成的網狀結構。含有多種重要酶系，參與有關蛋白質、甘油脂和磷脂的合成及解毒等。（5）高爾基體：真核細胞內一種由網狀小管或泡組成的復雜結構，功能與細胞內物質的轉運和細胞膜更新有關。（6）溶酶體；由30~40種水解酶和膜基質組成的一種細胞器，是細胞內代謝物質的分解、清除的主要場所。（7）葉綠體：主要含葉綠素，是光合作用的主要場所。,2.2 生物膜,細胞膜及各種細胞器的外膜通稱為生物膜。

11、 生物膜具有重要的生物功能，生命過程中的許多重要現象，如物質運送、能量轉換、細胞識別、免疫、神經傳導、代謝調控、激素和藥物作用等，都與生物膜功能有關。因此，了解生物膜的結構和功能對認識生命活動的本質具有重要的理論意義。而且，由于生物膜具有選擇性的通透特性，在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學和國防工業(yè)等方面也有重大的應用價值。,2.2.1 生物膜的組成和結構,,生物膜,脂質,蛋白質,多糖,水,金屬離子,,磷脂,膽固醇,糖脂,,外周蛋白,內在蛋白,脂質,

12、磷脂：主要是磷酸甘油二脂,親水,親油,R1-飽和脂肪酸基R2-不飽和脂肪酸基,,磷脂是兩親性分子，在水中形成雙層脂膜結構，使它具有形成生物膜的特性。,脂質,2. 膽固醇：一種類脂化合物，常與脂類共存。 固醇——環(huán)戊烷多氫菲的衍生物。 以中性脂的形式分布在雙層脂膜內，與磷脂共同構成細胞膜的結構，對生物膜中脂類的物理狀態(tài)有一定調節(jié)作用，有利于保持膜的流動性和降低相變溫度。,,親水,親油

13、,脂質,3. 糖脂： 構成雙層脂膜的結構物質，主要分布在細胞膜外側的單層分子中。動物細胞膜所含的糖脂主要是腦苷脂。,膜蛋白——生物膜中含有多種不同的蛋白質，稱為膜蛋白。,外周蛋白,占膜蛋白的20-30%，分布于雙層脂膜的外表面層，主要通過靜電引力或范德華力與膜結合。外周蛋白與膜結合疏松，容易從膜上分離出來，外周蛋白能溶解于水。,內在蛋白,約占膜蛋白的70-80%，部分蛋白或全部蛋白嵌在雙層脂膜的疏水層中。這類蛋白一

14、般不溶于水，主要靠疏水鍵與膜脂相結合，不容易從膜中分離出來,,外周蛋白,,,,內在蛋白,膜蛋白的作用,生物膜具有疏水性，因此一些極性化合物及離子不能自由通過生物膜擴散到內部，需要借助膜蛋白完成運輸過程。膜蛋白的種類不同，其所能運送的物質也不同，因此具有一定的選擇性。,糖類,生物膜中含有寡糖類物質，大多與膜蛋白結合，少數與膜脂結合。糖類全部分布在細胞膜的外側生物膜中的糖類化合物在信息傳遞和相互識別方面具有重要作用。,2.2.2 生物膜的

15、功能,1. 保護功能2. 轉運功能：物質轉運是生物膜的基本功能被動轉運主動轉運3. 能量轉換：線粒體膜是能量轉換的主要裝置4. 信息傳遞：5. 運動功能6. 免疫功能：細胞膜具有識別外源物質的功能,1. 保護功能,將其內含物質與外界環(huán)境分開，能保護細胞或細胞器不受外界環(huán)境因素改變的影響，保持其原有的形狀和完整結構。,2. 轉運功能：細胞或細胞器通過生物膜，從膜外選擇性地吸收所需要的養(yǎng)料，同時排出不需要的物質。,（1）被動轉

16、運：物質從高濃度一側，通過膜轉運到低濃度一側。如，Cl-、SO42-、葡萄糖、氨基酸等通過簡單的擴散作用的跨膜轉運。這類轉運是通過被轉運物質本身的擴散作用進行的，不需要外加能量。（2）主動轉運：在外加能量驅動下進行物質的跨膜轉運過程，是細胞膜的重要功能之一。主動轉運的物質，可以是離子、小分子化合物，也可以是大分子（蛋白或酶等）。,主動轉運的特點,1. 膜的專一性： 膜對于主動轉運的物質有專一性。例如，有的細胞膜能

17、夠主動轉運某些氨基酸，但不能轉運葡萄糖；有的只能轉運葡萄糖，不能轉運氨基酸。2. 載體蛋白： 物質的主動轉運需要載體蛋白的參與。載體蛋白具有專一性，一種載體蛋白一般只能轉運一類物質。3. 方向性： 物質可以逆濃度梯度進行轉運。如，細胞為了保持膜內、外的K+、Na+離子濃度梯度以維持正常生理活動的需要，細胞通過主動轉運方式向內泵入K+，向外泵出Na+。4. 主動轉運過程可以被某些抑制劑抑制

18、5. 主動轉運所需能量一般由ATP（腺嘌呤核糖核苷三磷酸）提供,3. 能量轉換,生物體內有兩種不同形式的能量轉換：1. 氧化磷酸化：通過生物氧化作用，將食物分子中存儲的化學能轉變成生物能，再通過ATP分子磷酸鍵的分解釋放能量，為生物體提供所需的能量。2. 光合磷酸化：通過光合作用將光能轉換成ATP的高能磷酸鍵，再利用ATP的能量合成糖類物質 真核細胞的氧化磷酸化主要在線粒體膜上進行；原核細胞的氧化磷酸化在

19、細胞質膜上進行；光合磷酸化在葉綠體膜上進行。,4. 信息傳遞,生物體內的信息傳遞，例如激素的刺激、神經傳導等，主要是在細胞膜上進行的。細胞膜上有接受不同信息的專一性受體（膜蛋白），這些受體能識別和接受各種特殊信息，然后將不同信息分別傳遞給有關的靶細胞并產生相應的效應以調節(jié)代謝和其他生理活動。如一些親水性的化學信號分子（包括神經遞質、激素、生長因子等）一般都不進入細胞，而是通過與細胞膜上特異受體的結合對靶細胞產生效應。,5. 運動功能,

20、許多原生動物及單細胞動物主要是通過其細胞膜表面的纖毛或鞭毛的擺動而移動。淋巴細胞的吞噬作用和某些細胞利用質膜內折疊將外源物質包圍入細胞的作用等都是靠細胞膜的運動實現的。,6. 免疫功能,細胞的免疫性主要是由于細胞膜上有專一性的抗原受體，當抗原受體被抗原激活后，產生相應的抗體。抗體能夠識別及特異性地與外源性抗原（如細菌、病毒等）結合并將其吞噬消滅。吞噬細胞和淋巴細胞的免疫功能是由于它們能夠識別外源物質（細菌或其他蛋白質），并將這些外

21、源物質吞噬消滅。,思考題,一、判斷對錯：磷脂是生物膜的主要成分，它的兩個脂肪酸基是處于膜的內部生物膜的內外兩側膜蛋白分布不對稱。二、問答題： 生物膜表面親水、內部疏水的特性是由膜蛋白決定的還是由脂膜決定的？如何形成這種特性？,第三章 蛋白質protein,氨基酸多肽蛋白質,知識點,氨基酸分類 氨基酸的酸堿性質 氨基酸的化學反應 氨基酸混合物的分離,蛋

22、白質的重要性,蛋白質的元素組成,所有蛋白質都含有 C、H、O、N 四種元素，大多數蛋白質還含有少量的 S，有些蛋白質還含有一些其它元素，如 P、Fe、Cu、Mo、I等。,各種蛋白質的含氮量都很接近，都在16%左右,測定生物樣品中的含氮量計算出樣品中蛋白質的含量: 1g N = 6.25g 蛋白質,3.1 氨基酸、多肽、蛋白質,,3.2 氨基酸amino acid,作為蛋白質結構單元的氨基酸均為 L

23、-?-氨基酸,氨基酸的結構通式（除甘氨酸和脯氨酸）,從蛋白質的酸水解或酶水解液中得到的都是L型，但D型氨基酸在自然界也存在,氨基酸類別,非蛋白質氨基酸,蛋白質氨基酸（20種）,酸性氨基酸,天冬氨酸,谷氨酸,堿性氨基酸,賴氨酸,組氨酸,精氨酸,中性氨基酸,極性氨基酸,非極性氨基酸,絲氨酸,蘇氨酸,半胱氨酸,酪氨酸,天冬酰氨,谷氨酰胺,,甘氨酸,丙氨酸,亮氨酸,異亮氨酸,苯丙氨酸,,甲硫氨酸,色氨酸,脯氨酸,頡氨酸,,,,,,,20種

24、基本氨基酸的名稱和分類,中性氨基酸,思考題,1. 下列哪些化合物屬于?-氨基酸？,a, d,思考題,2. 通過溫和水解釋放氨后，哪種氨基酸可以轉變?yōu)榱硗庖环N不同的氨基酸？,思考題,3. 為什么苯丙氨酸極難溶于水，而絲氨酸易溶于水？,3.2.1 氨基酸的旋光性,除甘氨酸外，均含有手性碳原子，都具有旋光性。,旋光度,平面偏振光通過含有某些光學活性的化合物液體或溶液時，能引起旋光現象，使偏振光的平面向左或向右旋轉。使偏振光向右旋轉者（順時針方

25、向）為右旋，以“＋”符號表示；使偏振光向左旋轉者(反時針方向)為左旋，以“－”符號表示。旋轉的度數，稱為旋光度。,比旋光度[?]?t,通常規(guī)定1mL含1克旋光性物質的溶液，放在1分米長的旋光管（盛液管）中測得的旋光度稱為該物質的比旋光度。 [?]?t= ? /(c l)t為測定時的溫度，?為采用光的波長，鈉光用D表示。,思考題,1. 蛋白質中哪種氨基酸沒有旋光性？,氨基酸的光譜性質,組成蛋白質的氨基酸

26、中，色氨酸、酪氨酸和 苯丙氨酸對紫外光有一定的吸收，這是因為它們分子中含有苯環(huán)，是苯環(huán)的共軛雙鍵造成的，這三個氨基酸的光吸收都在280nm附近。,,色氨酸,,酪氨酸,,苯丙氨酸,氨基酸的解離性質,,非離解狀態(tài),兩性離子狀態(tài),(實際存在狀態(tài)),氨基酸的解離性質,pK1’代表?-C上COOH的解離常數負對數pK2’代表?-C上NH3+的解離常數負對數,pK值的測定--滴定曲線法,等電點pI,在某一pH值時,氨基酸分子中所含的-NH3+和-

27、COO-數目正好相等,凈電荷為0,這一pH即為氨基酸的等電點.pH>pI, 氨基酸帶凈負電荷pH<pI,氨基酸帶凈正電荷氨基酸溶液pH距等電點越遠,氨基酸所帶凈電荷量越多.不同的氨基酸有不同的pK值和等電點,,,等電點的計算,側鏈不含解離基團的中性氨基酸,等電點為 pI=(pK1’+pK2’)/2酸性氨基酸等電點 堿性氨基酸等電點

28、,酸性氨基酸，以門冬氨酸Asp為例：,堿性氨基酸，以賴氨酸Lys為例：,思考題,1. 谷氨酸的pH值為多少時，能成為良好的緩沖液？（pH2.2,4.3,9.7),作業(yè),1. 寫出20種基本氨基酸的結構式及中英文名稱（全稱和縮寫）。2. 寫出對紫外光有強吸收的氨基酸。3. 寫出門冬氨酸的解離方程式，指出每種形式所帶的凈電荷數。并計算天冬氨酸的等電點。4. 氨基酸在以下哪一pH值時為最佳緩沖液？ (a) 2.0, (b) 6.