细胞和生物膜.ppt
第一章 绪论（复习）生物体的化学组成C,H,O,N四种元素，是组成生命体最基本的元素，占生物体总质量的99%以上生物分子糖、脂、核酸、蛋白质生物大分子（的基本特征）糖、脂、核酸、蛋白质1.生物大分子都是由结构比较简单的小分子（结构单元）以某种方式连接而成。2.生物大分子都具有非常复杂的结构。3.构成生物大分子的结构单元大多数是手性分子。4.生物分子之间的相互作用和识别特性。生物大分子与普通小分子不同，生物大分子之间存在特殊的、专一性的相互作用，结果是导致分子之间的相互识别。生物分子的这种特性是许多重要生理现象的分子基础，如抗原与抗体的结合，酶与底物的专一性作用等。生物大分子的结构单元（1）构成蛋白质的结构单元分子20种氨基酸（2）构成核酸的结构单元分子核苷酸（3）构成脂（脂肪酸与醇作用生成的酯及其衍生物）的结构单元分子甘油、脂肪酸、胆碱（4）构成糖（多羟基醛或多羟基酮）的结构单元分子单糖生物分子的相互作用力 生物分子之间的相互作用主要通过非共价作用力实现。n氢键氢键n正负离子之间的静电引力正负离子之间的静电引力n离域键间的离域键间的 电子重叠作用力电子重叠作用力n疏水键疏水键n范德华力范德华力1.5.2 水分子对生物大分子的结构和性质的影响n水分子对生物分子的 影响主要通过非共价作用力，如氢键、极性分子解离产生的正负离子作用、疏水缔合、范得华力实现。1.5.3 缓冲溶液及生物体的缓冲体系n缓冲溶液作用：当少量的酸或碱加入到缓冲溶液中时，溶液的pH变化很小。n缓冲溶液体系由弱酸及其共轭碱组成，如乙酸-乙酸钠，磷酸二氢钠-磷酸氢钠，碳酸-碳酸氢钠缓冲体系等。缓冲溶液的滴定曲线 在滴定中点两边是一个相对比较平坦的区域（pH=4.761)，在此区域内H+或OH-的加入引起溶液PH值的变化很小。这一区域就是CH3COOH/CH3COO-缓冲溶液的缓冲区。在缓冲区的中点，H+供体（CH3COOH）和H+受体（CH3COO-）的浓度相等，此时溶液具有最强的缓冲能力。缓冲区中点的pH=4.76，也是CH3COOH的pKa值。缓冲溶液的缓冲区在pH=pKa 1缓冲溶液浓度与pH之间的关系Henderson-Hasselbalch方程Henderson-Hasselbalch方程的意义n定量描述了缓冲溶液的浓度与pH 及 pKa的关系n在滴定中点时，pH=pKa，说明缓冲溶液滴定中点的pH就是弱酸的pKan定量描述了缓冲溶液的浓度与缓冲能力之间的关系生物体的缓冲体系及其意义n生物体内发生的生物化学过程几乎都与pH变化有关。n生物体系pH的微小变化将影响许多生物化学反应的速率和方向。n几乎所有的生物化学过程都是在酶的催化下进行，pH可以直接影响酶分子中氢键和离子键的形成，从而激活或抑制酶的活性。n生物体是一个大的缓冲体系，例如人体缓冲体系pH7.4。细胞的胞液、血液等都是缓冲溶液。所以，生物体能够在恒定的pH条件下进行各种代谢或其它生理活动。在生物代谢或其他生理活动中产生的小量酸性或碱性物质，由于缓冲作用不会影响体系的pH。第二章 细胞和生物膜 细胞是组成生物体的基本结构单元,是生物体进行代谢、能量转换、遗传以及其他生理活动的场所场所。细胞内存在各种各样的生物化学体系，生物体内发生的大多数化学反应过程都是在细胞内进行。原核细胞真核细胞根据生物进化程度，分为2.1.1细胞的分类和结构1.原核细胞：进化程度低、结构最简单的一类细胞，如：细菌、蓝藻、大肠杆菌。外层细胞壁、细胞膜内部有细胞质，无细胞器原核细胞的结构2.1.1 细胞的分类和结构2.真核细胞：真核细胞是高等植物和动物的基本结构单元。外层细胞壁、细胞膜内部细胞质，有不同生理功能的细胞器细胞核线粒体核糖核蛋白体内质网高尔基体溶酶体叶绿体2.1.2 细胞是生物分子发生化学变化的场所细胞是生物分子发生化学变化的场所1.细胞膜细胞膜 作用：具有保护细胞、进行物质交换、传递信息、能作用：具有保护细胞、进行物质交换、传递信息、能量转换、运动和免疫等生理功能。量转换、运动和免疫等生理功能。2.细胞质细胞质：n是复杂的是复杂的生物胶体生物胶体。n所含的有形物质为各种细胞器，细胞器之间为胞液。所含的有形物质为各种细胞器，细胞器之间为胞液。n细胞胞液由酶、激素、脂类、糖类、无机盐、水组成。细胞胞液由酶、激素、脂类、糖类、无机盐、水组成。细胞的细胞膜、细胞质、细胞器是细胞的功能结构。细胞的细胞膜、细胞质、细胞器是细胞的功能结构。细胞的进化、遗传信息的传递、生物的生殖、发育和衰老，细胞的进化、遗传信息的传递、生物的生殖、发育和衰老，代谢、能量转换、神经信息的传递等都与生物膜和细胞器代谢、能量转换、神经信息的传递等都与生物膜和细胞器功能密切相关。功能密切相关。3.细胞器细胞器n细胞质内含有一些具有独立形态的结构，称为细胞器。细胞质内含有一些具有独立形态的结构，称为细胞器。细胞器通过细胞内膜与周围环境分开，具有特定的生细胞器通过细胞内膜与周围环境分开，具有特定的生理功能。理功能。（1）细胞核：主要成分是）细胞核：主要成分是DNA、RNA和相关合成酶，和相关合成酶，具有具有遗传信息的存储、复制和转录遗传信息的存储、复制和转录等功能等功能（2）线粒体：棒状小粒，含有多种酶系，）线粒体：棒状小粒，含有多种酶系，是进行生物是进行生物代谢和能量转换最重要的场所代谢和能量转换最重要的场所（3）核糖核蛋白体：由核糖核酸与多种）核糖核蛋白体：由核糖核酸与多种结合蛋白构成，是结合蛋白构成，是蛋白质生物合成的主蛋白质生物合成的主要场所要场所（4）内质网：由细胞膜引申形成的小管）内质网：由细胞膜引申形成的小管和小胞构成的网状结构。和小胞构成的网状结构。含有多种重要含有多种重要酶系，参与有关蛋白质、甘油脂和磷脂酶系，参与有关蛋白质、甘油脂和磷脂的合成及解毒等的合成及解毒等。（5）高尔基体：真核细胞内一种由网状）高尔基体：真核细胞内一种由网状小管或泡组成的复杂结构，功能与细胞小管或泡组成的复杂结构，功能与细胞内内物质的转运和细胞膜更新物质的转运和细胞膜更新有关。有关。（6）溶酶体；由）溶酶体；由3040种种水解酶水解酶和膜基质和膜基质组成的一种细胞器，是细胞内组成的一种细胞器，是细胞内代谢物质代谢物质的分解的分解、清除的主要场所清除的主要场所。（7）叶绿体：主要含叶绿素，是光合作）叶绿体：主要含叶绿素，是光合作用的主要场所。用的主要场所。2.2 生物膜生物膜 细胞膜及各种细胞器的外膜通称为生物膜。细胞膜及各种细胞器的外膜通称为生物膜。生物膜具有重要的生物功能，生命过程生物膜具有重要的生物功能，生命过程中的许多重要现象，如中的许多重要现象，如物质运送、能量转换、物质运送、能量转换、细胞识别、免疫、神经传导、代谢调控、激细胞识别、免疫、神经传导、代谢调控、激素和药物作用素和药物作用等，都与生物膜功能有关。因等，都与生物膜功能有关。因此，了解生物膜的结构和功能对认识生命活此，了解生物膜的结构和功能对认识生命活动的本质具有重要的理论意义。而且，由于动的本质具有重要的理论意义。而且，由于生物膜具有选择性的通透特性生物膜具有选择性的通透特性，在工业、农，在工业、农业、医学和国防工业等方面也有重大的应用业、医学和国防工业等方面也有重大的应用价值。价值。2.2.1 生物膜的组成和结构生物膜脂质蛋白质多糖水金属离子磷脂胆固醇糖脂外周蛋白内在蛋白脂质1.磷脂：2.主要是磷酸甘油二脂3.亲水亲油R1-饱和脂肪酸基R2-不饱和脂肪酸基 磷脂是两亲性分子，在水中形成双层脂膜结构，使它具有形成生物膜的特性。脂质脂质2.胆固醇：一种胆固醇：一种类脂化合物类脂化合物，常与脂类共存。，常与脂类共存。固醇固醇环戊烷多氢菲的衍生物环戊烷多氢菲的衍生物。以中性脂的形式分布在双层脂膜内，与磷脂共同构以中性脂的形式分布在双层脂膜内，与磷脂共同构成细胞膜的结构，成细胞膜的结构，对生物膜中脂类的物理状态有一定调节对生物膜中脂类的物理状态有一定调节作用，有利于保持膜的流动性和降低相变温度。作用，有利于保持膜的流动性和降低相变温度。亲水亲油脂质3.糖脂：构成双层脂膜的结构物质，主要分布在细胞膜外侧的单层分子中。动物细胞膜所含的糖脂主要是脑苷脂。膜蛋白生物膜中含有多种不同的蛋白质，称为膜蛋白。外周蛋白占膜蛋白的20-30%，分布于双层脂膜的外表面层，主要通过静电引力或范德华力与膜结合。外周蛋白与膜结合疏松，容易从膜上分离出来，外周蛋白能溶解于水。内在蛋白约占膜蛋白的70-80%，部分蛋白或全部蛋白嵌在双层脂膜的疏水层中。这类蛋白一般不溶于水，主要靠疏水键与膜脂相结合，不容易从膜中分离出来外周蛋白内在蛋白内在蛋白膜蛋白的作用 生物膜具有疏水性，因此一些极性化合物及离子不能自由通过生物膜扩散到内部，需要借助膜蛋白完成运输过程。膜蛋白的种类不同，其所能运送的物质也不同，因此具有一定的选择性。糖类n生物膜中含有寡糖类物质，大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。糖类全部分布在细胞膜的外侧n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。2.2.2 生物膜的功能1.保护功能2.转运功能：物质转运是生物膜的基本功能n被动转运n主动转运3.能量转换：线粒体膜是能量转换的主要装置4.信息传递：5.运动功能6.免疫功能：细胞膜具有识别外源物质的功能1.保护功能n将其内含物质与外界环境分开，能保护细胞或细胞器不受外界环境因素改变的影响，保持其原有的形状和完整结构。2.转运功能：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，同时排出不需要的物质。（1）被动转运：物质从高浓度一侧，通过膜转运到低浓度一侧。如，Cl-、SO42-、葡萄糖、氨基酸等通过简单的扩散作用的跨膜转运。这类转运是通过被转运物质本身的扩散作用进行的，不需要外加能量。（2）主动转运：在外加能量驱动下进行物质的跨膜转运过程，是细胞膜的重要功能之一是细胞膜的重要功能之一。主动转运的物质，可以是离子、小分子化合物，也可以是大分子（蛋白或酶等）。主动转运的特点1.膜的专一性：膜对于主动转运的物质有专一性。例如，有的细胞膜能够主动转运某些氨基酸，但不能转运葡萄糖；有的只能转运葡萄糖，不能转运氨基酸。2.载体蛋白：物质的主动转运需要载体蛋白的参与。载体蛋白具有专一性，一种载体蛋白一般只能转运一类物质。3.方向性：物质可以逆浓度梯度进行转运。如，细胞为了保持膜内、外的K+、Na+离子浓度梯度以维持正常生理活动的需要，细胞通过主动转运方式向内泵入K+，向外泵出Na+。4.主动转运过程可以被某些抑制剂抑制5.主动转运所需能量一般由ATP（腺嘌呤核糖核苷三磷酸）提供3.能量转换 生物体内有两种不同形式的能量转换：1.氧化磷酸化：n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，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。2.光合磷酸化：n通过光合作用将光能转换成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；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在细胞质膜上进行；光合磷酸原核细胞的氧化磷酸化在细胞质膜上进行；光合磷酸化在叶绿体膜上进行。化在叶绿体膜上进行。4.信息传递n生物体内的信息传递，例如激素的刺激、神经传导等，主要是在细胞膜上进行的。n细胞膜上有接受不同信息的专一性受体（膜蛋白），这些受体能识别和接受各种特殊信息，然后将不同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和其他生理活动。如一些亲水性的化学信号分子（包括神经递质、激素、生长因子等）一般都不进入细胞，而是通过与细胞膜上特异受体的结合对靶细胞产生效应。5.运动功能n许多原生动物及单细胞动物主要是通过其细胞细胞膜表面的纤毛膜表面的纤毛或鞭毛的摆动而移动。n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。6.免疫功能n细胞的免疫性主要是由于细胞膜上有专一性的细胞膜上有专一性的抗原受体，抗原受体，当抗原受体被抗原激活后，产生相应的抗体。n抗体能够识别及特异性地与外源性抗原（如细菌、病毒等）结合并将其吞噬消灭。n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（细菌或其他蛋白质），并将这些外源物质吞噬消灭。思考题一、判断对错：1.磷脂是生物膜的主要成分，它的两个脂肪酸基是处于膜的内部2.生物膜的内外两侧膜蛋白分布不对称。3.二、问答题：4.生物膜表面亲水、内部疏水的特性是由膜蛋白决定的还是由脂膜决定的？如何形成这种特性？第三章 蛋白质proteinn氨基酸n多肽n蛋白质知识点氨基酸分类 氨基酸的酸碱性质氨基酸的酸碱性质 氨基酸的化学反应 氨基酸混合物的分离蛋白质的重要性蛋白质的重要性有些蛋白质是生物体的结构物质，有些蛋白质是生物体的结构物质，有些蛋白质是生物体的功能物质。有些蛋白质是生物体的功能物质。近年来的研究还指出蛋白质在遗传信息的控制，细胞膜的通透性以近年来的研究还指出蛋白质在遗传信息的控制，细胞膜的通透性以及高等动物的记忆等方面起了重要作用。及高等动物的记忆等方面起了重要作用。总而言之，一切重要的生理活动都离不开蛋白质，蛋白质是生命总而言之，一切重要的生理活动都离不开蛋白质，蛋白质是生命现象的最基本的物质基础。现象的最基本的物质基础。几年前，在欧洲乃至全世界引起恐慌的疯牛病，其致病元凶就是几年前，在欧洲乃至全世界引起恐慌的疯牛病，其致病元凶就是蛋白粒子（蛋白粒子（prion），这种只有蛋白质而没有核酸的病原体，可引起），这种只有蛋白质而没有核酸的病原体，可引起人或动物的疯牛病，这一发现又一次说明了蛋白质是生命的物质基人或动物的疯牛病，这一发现又一次说明了蛋白质是生命的物质基础。础。蛋白质的元素组成 所有蛋白质都含有所有蛋白质都含有 C、H、O、N 四种元四种元素，大多数蛋白质还含有少量的素，大多数蛋白质还含有少量的 S，有些蛋白，有些蛋白质还含有一些其它元素，如质还含有一些其它元素，如 P、Fe、Cu、Mo、I等。等。各种蛋白质的各种蛋白质的含氮量含氮量都很接近，都在都很接近，都在16%左右左右,测定生物样品中的含氮量计算出测定生物样品中的含氮量计算出样品中蛋白质的含量样品中蛋白质的含量:1g N=6.25g 蛋白质3.1 氨基酸、多肽、蛋白质氨基酸、多肽、蛋白质 氨基酸氨基酸多肽多肽蛋白质蛋白质酰胺键酰胺键二硫键二硫键水解水解3.2 氨基酸amino acidn作为蛋白质结构单元的氨基酸均为 L-氨基酸氨基酸COOHCHH2NR不变部分（L型）可变部分氨基酸的结构通式（除甘氨酸和脯氨酸）从蛋白质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类别非蛋白质氨基酸非蛋白质氨基酸蛋白质氨基酸蛋白质氨基酸（20种）酸性氨基酸酸性氨基酸天冬氨酸谷氨酸碱性氨基酸碱性氨基酸赖氨酸组氨酸精氨酸中性氨基酸中性氨基酸极性氨基酸非极性氨基酸丝氨酸苏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异亮氨酸苯丙氨酸甲硫氨酸色氨酸脯氨酸颉氨酸20种基本氨基酸的名称和分类中性氨基酸中性氨基酸思考题1.下列哪些化合物属于-氨基酸？a,d思考题n2.通过温和水解释放氨后，哪种氨基酸可以转变为另外一种不同的氨基酸？思考题n3.为什么苯丙氨酸极难溶于水，而丝氨酸易溶于水？3.2.1 氨基酸的旋光性n除甘氨酸外，均含有手性碳原子，都具有旋光性。旋光度n平面偏振光通过含有某些光学活性的化合物液体或溶液时，能引起旋光现象，使偏振光的平面向左或向右旋转。使偏振光向右旋转者（顺时针方向）为右旋，以“”符号表示；使偏振光向左旋转者(反时针方向)为左旋，以“”符号表示。旋转的度数，称为旋光度。比旋光度tn通常规定1mL含1克旋光性物质的溶液，放在1分米长的旋光管（盛液管）中测得的旋光度称为该物质的比旋光度。t=/(c l)nt为测定时的温度，为采用光的波长，钠光用D表示。思考题n1.蛋白质中哪种氨基酸没有旋光性？氨基酸的光谱性质氨基酸的光谱性质n组成蛋白质的氨基酸中，组成蛋白质的氨基酸中，色氨酸、酪氨酸色氨酸、酪氨酸和和 苯丙氨苯丙氨酸酸对紫外光有一定的吸收，这是因为它们分子中含对紫外光有一定的吸收，这是因为它们分子中含有苯环，是苯环的共轭双键造成的，这三个氨基酸有苯环，是苯环的共轭双键造成的，这三个氨基酸的光吸收都在的光吸收都在280nm附近。附近。色氨酸酪氨酸苯丙氨酸氨基酸的解离性质COOHCHH2NR非离解状态COO-CHH3N+R两性离子状态(实际存在状态)氨基酸的解离性质正离子正离子pH 1净电荷净电荷+1两性离子pH 7净电荷0等电点pI负离子pH 10净电荷-1pK1pK2pK1代表-C上COOH的解离常数负对数pK2代表-C上NH3+的解离常数负对数pK值的测定-滴定曲线法等电点pIn在某一pH值时,氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-数目正好相等,净电荷为0,这一pH即为氨基酸的等电点.npHpI,氨基酸带净负电荷npHpI,氨基酸带净正电荷n氨基酸溶液pH距等电点越远,氨基酸所带净电荷量越多.n不同的氨基酸有不同的pK值和等电点等电点的计算n侧链不含解离基团的中性氨基酸,等电点为 pI=(pK1+pK2)/2n酸性氨基酸等电点 n碱性氨基酸等电点酸性氨基酸，以门冬氨酸酸性氨基酸，以门冬氨酸AspAsp为例：为例：碱性氨基酸，以赖氨酸碱性氨基酸，以赖氨酸Lys为例：为例：思考题n1.谷氨酸的pH值为多少时，能成为良好的缓冲液？（pH2.2,4.3,9.7)n 作业n1.写出20种基本氨基酸的结构式及中英文名称（全称和缩写）。n2.写出对紫外光有强吸收的氨基酸。n3.写出门冬氨酸的解离方程式，指出每种形式所带的净电荷数。并计算天冬氨酸的等电点。n4.氨基酸在以下哪一pH值时为最佳缓冲液？(a)2.0,(b)6.0,(c)4.5,(d)9?
