細(xì)胞和生物膜

1、第一章 緒論（復(fù)習(xí)）,,生物體的化學(xué)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(zhì)量的99%以上,生物分子,糖、脂、核酸、蛋白質(zhì),生物大分子（的基本特征）糖、脂、核酸、蛋白質(zhì),1.生物大分子都是由結(jié)構(gòu)比較簡單的小分子（結(jié)構(gòu)單元）以某種方式連接而成。2. 生物大分子都具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。3. 構(gòu)成生物大分子的結(jié)構(gòu)單元大多數(shù)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(jié)果是導(dǎo)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(xiàn)象的分子基礎(chǔ)，如抗原與抗體的結(jié)合，酶與底物的專一性作用等。,生物大分子的結(jié)構(gòu)單元,（1）構(gòu)成蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元分子—20種氨基酸（2）構(gòu)成核酸的結(jié)構(gòu)單元分子—核苷酸（3）構(gòu)成脂（脂肪酸與醇作用生成的酯及其衍生物）的結(jié)構(gòu)單元分子—甘油、脂肪酸、膽堿（4）構(gòu)成糖（多羥基醛或多羥基酮）的結(jié)構(gòu)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(xiàn)。氫鍵正負(fù)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(jié)構(gòu)和性質(zhì)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(chǎn)生的正負(fù)離子作用、疏水締合、范得華力實現(xiàn)。,1.5.3 緩沖溶液及生物體的緩沖體系,緩沖溶液作用：當(dāng)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(diǎn)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(nèi)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(diǎn)，H+供體（CH3COOH）和H+受體（CH3COO-）的濃度相等，此時溶液具有最強(qiáng)的緩沖能力。 緩沖區(qū)中點(diǎn)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(guān)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(guān)系在滴定中點(diǎn)時，pH=pKa，說明緩沖溶液滴定中點(diǎn)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(guān)系,生物體的緩沖體系及其意義,生物體內(nèi)發(fā)生的生物化學(xué)過程幾乎都與pH變化有關(guān)。生物體系pH的微小變化將影響許多

6、生物化學(xué)反應(yīng)的速率和方向。幾乎所有的生物化學(xué)過程都是在酶的催化下進(jìn)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(xì)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(jìn)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(chǎn)生的小量酸性或堿性物質(zhì)，由于緩沖作用不會影響體系的pH。,第二章 細(xì)胞和生物膜,細(xì)胞是組成生物體的基本結(jié)構(gòu)單元,是生物體

7、進(jìn)行代謝、能量轉(zhuǎn)換、遺傳以及其他生理活動的場所。細(xì)胞內(nèi)存在各種各樣的生物化學(xué)體系，生物體內(nèi)發(fā)生的大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)過程都是在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行。,,原核細(xì)胞,真核細(xì)胞,根據(jù)生物進(jìn)化程度，分為,2.1.1細(xì)胞的分類和結(jié)構(gòu),1. 原核細(xì)胞：進(jìn)化程度低、結(jié)構(gòu)最簡單的一類細(xì)胞，如：細(xì)菌、藍(lán)藻、大腸桿菌。,,外層—細(xì)胞壁、細(xì)胞膜,內(nèi)部—有細(xì)胞質(zhì)，無細(xì)胞器,原核細(xì)胞的結(jié)構(gòu),2.1.1 細(xì)胞的分類和結(jié)構(gòu),2. 真核細(xì)胞：真核細(xì)胞是高等植物和動物的基本結(jié)構(gòu)單元。,

8、外層—細(xì)胞壁、細(xì)胞膜,內(nèi)部—細(xì)胞質(zhì)，有不同生理功能的細(xì)胞器,,,2.1.2 細(xì)胞是生物分子發(fā)生化學(xué)變化的場所,1. 細(xì)胞膜 作用：具有保護(hù)細(xì)胞、進(jìn)行物質(zhì)交換、傳遞信息、能量轉(zhuǎn)換、運(yùn)動和免疫等生理功能。2. 細(xì)胞質(zhì)：是復(fù)雜的生物膠體。所含的有形物質(zhì)為各種細(xì)胞器，細(xì)胞器之間為胞液。細(xì)胞胞液由酶、激素、脂類、糖類、無機(jī)鹽、水組成。,細(xì)胞的細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞器是細(xì)胞的功能結(jié)構(gòu)。細(xì)胞的進(jìn)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(zhuǎn)換、神經(jīng)信息的傳遞等都與生物膜和細(xì)胞器功能密切相關(guān)。,3. 細(xì)胞器,細(xì)胞質(zhì)內(nèi)含有一些具有獨(dú)立形態(tài)的結(jié)構(gòu)，稱為細(xì)胞器。細(xì)胞器通過細(xì)胞內(nèi)膜與周圍環(huán)境分開，具有特定的生理功能。,（1）細(xì)胞核：主要成分是DNA、RNA和相關(guān)合成酶，具有遺傳信息的存儲、復(fù)制和轉(zhuǎn)錄等功能（2）線粒體：棒狀小粒，含有多種酶系，是進(jìn)行生物代謝和能量轉(zhuǎn)換最重要的場所,（3）核糖核蛋白體：由核糖核酸與多種結(jié)合蛋白構(gòu)成，是蛋白質(zhì)生物合成的主要場所（4）內(nèi)質(zhì)

10、網(wǎng)：由細(xì)胞膜引申形成的小管和小胞構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。含有多種重要酶系，參與有關(guān)蛋白質(zhì)、甘油脂和磷脂的合成及解毒等。（5）高爾基體：真核細(xì)胞內(nèi)一種由網(wǎng)狀小管或泡組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，功能與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和細(xì)胞膜更新有關(guān)。（6）溶酶體；由30~40種水解酶和膜基質(zhì)組成的一種細(xì)胞器，是細(xì)胞內(nèi)代謝物質(zhì)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(xì)胞膜及各種細(xì)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(xiàn)象，如物質(zhì)運(yùn)送、能量轉(zhuǎn)換、細(xì)胞識別、免疫、神經(jīng)傳導(dǎo)、代謝調(diào)控、激素和藥物作用等，都與生物膜功能有關(guān)。因此，了解生物膜的結(jié)構(gòu)和功能對認(rèn)識生命活動的本質(zhì)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(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和國防工業(yè)等方面也有重大的應(yīng)用價值。,2.2.1 生物膜的組成和結(jié)構(gòu),,生物膜,脂質(zhì),蛋白質(zhì),多糖,水,金屬離子,,磷脂,膽固醇,糖脂,,外周蛋白,內(nèi)在蛋白,脂質(zhì),

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(jié)構(gòu)，使它具有形成生物膜的特性。,脂質(zhì),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(nèi)，與磷脂共同構(gòu)成細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，對生物膜中脂類的物理狀態(tài)有一定調(diào)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(zhì),3. 糖脂： 構(gòu)成雙層脂膜的結(jié)構(gòu)物質(zhì)，主要分布在細(xì)胞膜外側(cè)的單層分子中。動物細(xì)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(zhì)，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(jié)合。外周蛋白與膜結(jié)合疏松，容易從膜上分離出來，外周蛋白能溶解于水。,內(nèi)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(jié)合，不容易從膜中分離出來,,外周蛋白,,,,內(nèi)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(kuò)散到內(nèi)部，需要借助膜蛋白完成運(yùn)輸過程。膜蛋白的種類不同，其所能運(yùn)送的物質(zhì)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(zhì)，大多與膜蛋白結(jié)合，少數(shù)與膜脂結(jié)合。糖類全部分布在細(xì)胞膜的外側(cè)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(hù)功能2. 轉(zhuǎn)運(yùn)功能：物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)是生物膜的基本功能被動轉(zhuǎn)運(yùn)主動轉(zhuǎn)運(yùn)3. 能量轉(zhuǎn)換：線粒體膜是能量轉(zhuǎn)換的主要裝置4. 信息傳遞：5. 運(yùn)動功能6. 免疫功能：細(xì)胞膜具有識別外源物質(zhì)的功能,1. 保護(hù)功能,將其內(nèi)含物質(zhì)與外界環(huán)境分開，能保護(hù)細(xì)胞或細(xì)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(jié)構(gòu)。,2. 轉(zhuǎn)運(yùn)功能：細(xì)胞或細(xì)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(zhì)。,（1）被動轉(zhuǎn)

16、運(yùn)：物質(zhì)從高濃度一側(cè)，通過膜轉(zhuǎn)運(yùn)到低濃度一側(cè)。如，Cl-、SO42-、葡萄糖、氨基酸等通過簡單的擴(kuò)散作用的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。這類轉(zhuǎn)運(yùn)是通過被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)本身的擴(kuò)散作用進(jìn)行的，不需要外加能量。（2）主動轉(zhuǎn)運(yùn)：在外加能量驅(qū)動下進(jìn)行物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程，是細(xì)胞膜的重要功能之一。主動轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)，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(zhuǎn)運(yùn)的特點(diǎn),1. 膜的專一性： 膜對于主動轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)有專一性。例如，有的細(xì)胞膜能

17、夠主動轉(zhuǎn)運(yùn)某些氨基酸，但不能轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖；有的只能轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖，不能轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸。2. 載體蛋白： 物質(zhì)的主動轉(zhuǎn)運(yùn)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(zhuǎn)運(yùn)一類物質(zhì)。3. 方向性： 物質(zhì)可以逆濃度梯度進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。如，細(xì)胞為了保持膜內(nèi)、外的K+、Na+離子濃度梯度以維持正常生理活動的需要，細(xì)胞通過主動轉(zhuǎn)運(yùn)方式向內(nèi)泵入K+，向外泵出Na+。4. 主動轉(zhuǎn)運(yùn)過程可以被某些抑制劑抑制

18、5. 主動轉(zhuǎn)運(yùn)所需能量一般由ATP（腺嘌呤核糖核苷三磷酸）提供,3. 能量轉(zhuǎn)換,生物體內(nèi)有兩種不同形式的能量轉(zhuǎn)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(xué)能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成ATP的高能磷酸鍵，再利用ATP的能量合成糖類物質(zhì) 真核細(xì)胞的氧化磷酸化主要在線粒體膜上進(jìn)行；原核細(xì)胞的氧化磷酸化在

19、細(xì)胞質(zhì)膜上進(jìn)行；光合磷酸化在葉綠體膜上進(jìn)行。,4. 信息傳遞,生物體內(nèi)的信息傳遞，例如激素的刺激、神經(jīng)傳導(dǎo)等，主要是在細(xì)胞膜上進(jìn)行的。細(xì)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(guān)的靶細(xì)胞并產(chǎn)生相應(yīng)的效應(yīng)以調(diào)節(jié)代謝和其他生理活動。如一些親水性的化學(xué)信號分子（包括神經(jīng)遞質(zhì)、激素、生長因子等）一般都不進(jìn)入細(xì)胞，而是通過與細(xì)胞膜上特異受體的結(jié)合對靶細(xì)胞產(chǎn)生效應(yīng)。,5. 運(yùn)動功能,

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

21、源物質(zhì)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(nèi)部生物膜的內(nèi)外兩側(cè)膜蛋白分布不對稱。二、問答題： 生物膜表面親水、內(nèi)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(zhì)protein,氨基酸多肽蛋白質(zhì),知識點(diǎn),氨基酸分類 氨基酸的酸堿性質(zhì) 氨基酸的化學(xué)反應(yīng) 氨基酸混合物的分離,蛋

22、白質(zhì)的重要性,蛋白質(zhì)的元素組成,所有蛋白質(zhì)都含有 C、H、O、N 四種元素，大多數(shù)蛋白質(zhì)還含有少量的 S，有些蛋白質(zhì)還含有一些其它元素，如 P、Fe、Cu、Mo、I等。,各種蛋白質(zhì)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(zhì)的含量: 1g N = 6.25g 蛋白質(zhì),3.1 氨基酸、多肽、蛋白質(zhì),,3.2 氨基酸amino acid,作為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的氨基酸均為 L

23、-?-氨基酸,氨基酸的結(jié)構(gòu)通式（除甘氨酸和脯氨酸）,從蛋白質(zhì)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(zhì)氨基酸,蛋白質(zhì)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(zhuǎn)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(xué)活性的化合物液體或溶液時，能引起旋光現(xiàn)象，使偏振光的平面向左或向右旋轉(zhuǎn)。使偏振光向右旋轉(zhuǎn)者（順時針方

25、向）為右旋，以“＋”符號表示；使偏振光向左旋轉(zhuǎn)者(反時針方向)為左旋，以“－”符號表示。旋轉(zhuǎn)的度數(shù)，稱為旋光度。,比旋光度[?]?t,通常規(guī)定1mL含1克旋光性物質(zhì)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(zhì)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(zhì)中哪種氨基酸沒有旋光性？,氨基酸的光譜性質(zhì),組成蛋白質(zhì)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(zhì),,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(zhì),pK1’代表?-C上COOH的解離常數(shù)負(fù)對數(shù)pK2’代表?-C上NH3+的解離常數(shù)負(fù)對數(shù),pK值的測定--滴定曲線法,等電點(diǎn)pI,在某一pH值時,氨基酸分子中所含的-NH3+和-

27、COO-數(shù)目正好相等,凈電荷為0,這一pH即為氨基酸的等電點(diǎn).pH>pI, 氨基酸帶凈負(fù)電荷pH<pI,氨基酸帶凈正電荷氨基酸溶液pH距等電點(diǎn)越遠(yuǎn),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(diǎn),,,等電點(diǎn)的計算,側(cè)鏈不含解離基團(tuán)的中性氨基酸,等電點(diǎn)為 pI=(pK1’+pK2’)/2酸性氨基酸等電點(diǎn) 堿性氨基酸等電點(diǎn)

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(jié)構(gòu)式及中英文名稱（全稱和縮寫）。2. 寫出對紫外光有強(qiáng)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(shù)。并計算天冬氨酸的等電點(diǎn)。4. 氨基酸在以下哪一pH值時為最佳緩沖液？ (a) 2.0, (b) 6.