现代生命科学 第一章 细胞生命活动的化学基础 王金发 Lsswjf@mail.sysu.edu.cn

1.1 细胞的发现与细胞理论的建立 1.1.1 Discovery of Cells 第一个发现细胞的是英国学者胡克(Rorbert Hooke)。 ◆1665年，胡克发表了 《Micrographia》一书, 报道用自制的显微镜(30倍)观察栎树软木塞切片时发现“cella”。 ◆1674年，荷兰布商列文虎克(Anton van Leeuwenhoek)自制了高倍显微镜(300倍左右)观察到池塘水滴中的原生动物、人类和哺乳类动物的精子。

胡克自制的显微镜

1839年,德国动物学家施旺(Theodor Schwan) ◆所有的生物都是由一个或多个细胞组成的； ◆细胞是生命的基本单位; 1.1.2 细胞学理论的建立 1838年, 德国植物学家施来登(Mathias Schleiden)发表论文指出∶植物是由细胞构成的; 1839年,德国动物学家施旺(Theodor Schwan) 提出了细胞学说的前两条原理∶ ◆所有的生物都是由一个或多个细胞组成的； ◆细胞是生命的基本单位; 1858年,德国医生和病理学家魏尔肖(Rudolf Virchow)对细胞学说进行了重要补充并提出∶ ◆一切细胞产自细胞。

1.1.3 细胞生物学发展简史 细胞的发现及细胞学说的创立 (1665-1858-1875) 这个时期的主要事件就是上面 所述的细胞的发现、细胞学说的提 出等。

细胞学的经典时期(1875-1900) ◆原生质(protoplasm)理论的提出 在动物、植物中发现“肉样质”的物质,并命名为“原生质”;  1861年舒尔策提出原生质理论:有机体的组织单位是一小团原生质, 这种物质在一般有机体中是相似的。 并把细胞明确地定义为: “细胞是具有细胞核和细胞膜的活物质”。

◆重要细胞器的发现 1883年范.贝内登和博费里在动、植物 细胞中发现了中心体 1888年沃尔德耶提出染色体概念 1894年范.阿尔特曼发现了线粒体 1898年高尔基(Golgi)发现了高尔基体。

◆实验细胞学 是指采用实验的手段研究细胞学的 问题,即从形态结构的观察深入到 生理功能、生物化学及遗传发育 机理的研究。 实验细胞学时期(1900-1953) ◆实验细胞学 是指采用实验的手段研究细胞学的 问题,即从形态结构的观察深入到 生理功能、生物化学及遗传发育 机理的研究。

◆细胞遗传学（cytogenetics）的研究 ◆细胞细胞生理学（cytophysiology）的研究 1912年, Carrel研制成Carrel培养瓶,采用 严格的组织培养技术,成功地培养了鸡胚 胎成纤维细胞持续了34年之久(1912-1946); ◆细胞化学（cytochemistry）的研究

◆Molecular Biology 1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结模 型标志分子生物学的诞生； 细胞生物学的诞生 ◆Molecular Biology 1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结模 型标志分子生物学的诞生； Cell Biology 1965年，D．P．Derobetis将其《普通细胞 学》改为《细胞生物学》，标志着细胞生物 学的诞生

1.2 细胞的基本特性 1.2.1 都具有细胞膜 1.2.2 细胞都具有遗传物质及遗传程序 ◆质膜（Protoplasm）： ◆细胞质（Cell Plasma）: 是指细胞内除核以外的原生质, 即细胞中 细胞核以外和细胞膜以内的原生质部分, ◆原生质体（Protoplast）： 1.2.2 细胞都具有遗传物质及遗传程序

1.2.3 细胞都具有核糖体 细胞功能的体现者是蛋白质(包括 1.2.4 都能进行分裂 细胞能够用一分为二的分裂方式进 酶)，蛋白质是在核糖体上合成的。 1.2.4 都能进行分裂 细胞能够用一分为二的分裂方式进 行增殖，动、植物细胞、细菌细胞 都是如此。

1.2.5 细胞的其他特性 形态大小与体积 ◆细胞的形态 细胞的形态与功能相适应

个体中不同组织的细胞形态

◆细胞维持体积的相对恒定 典型的原核细胞直径平均在1～10μm之间，而真核细 胞的直径平均为3～30μm; 某些不同来源的细胞大小变化很大,如人的卵细胞直 径只有0.1mm,而鸵鸟的卵细胞的直径则有5cm; 同类型细胞的体积一般是相近的,不依生物个体的大 小而增大或缩小。如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细 胞的大小基本相同; 器官的大小主要决定于细胞的数量,与细胞的数量成正 比,而与细胞的大小无关,把这种现象为“细胞体积的守恒 定律”。

●Relationship Between Cells Volume(细胞体积）And Cell Surface Area（表面积） ■细胞维持体积相对恒定的两个因素是: ●Relationship Between Cells Volume(细胞体积）And Cell Surface Area（表面积） ●某些重要分子的浓度 真核细胞如何解决细胞内重要分子的浓度问题?

●一个生活细胞要维持正常的独立生活功能，最低限度需要500～1000种不同类型的酶和蛋白质。 ■细胞不仅对其体积的增大有限制，而且对细胞变小也有限制。为什么？ ●一个生活细胞要维持正常的独立生活功能，最低限度需要500～1000种不同类型的酶和蛋白质。

细胞表面积与体积的关系

Molecular Basis of Cells

水的溶剂作用

1.3 Assembly of Cell Structure Systems（细胞结构体系的装配） 四级装配∶ 第一级:小分子有机物的形成; 第二级:小分子有机物组装成生物大分子； 第三级:由生物大分子进一步组装成细胞的 高级结构； 第四级:由生物大分子组装成具有空间结构 和生物功能的细胞器。

细胞的结构水平

装配模型 ◆Template assembly（模板组装）； ◆Enzymatic assembly（酶促组装）； ◆Self assembly（自组装）。

1.4 原核细胞与真核细胞 1.4.1 Prokaryotic Cells ◆没有明显可见的细胞核,同时也没有核膜和核仁,只有拟核，进化地位较低。 ◆原核细胞的基本特点: ■遗传信息量少; ■内部结构简单,特别是没有分化为以膜为基础的专门结构和功能的细胞器和细胞核膜。

支原体 ◆是最简单的原核细胞，直径为0.1～0.3 μm; ◆具有细胞质膜，但没有细胞壁; ◆环状双螺旋DNA，没有拟核,能指导合成750多种蛋白质; ◆惟一的细胞器是核糖体，每个细胞中约有800～1500个; ◆具感染性,可在培养基上培养; ◆培养细胞很容易被支原体污染,污染源主要是血清。

支原体细胞

细菌 ◆细菌细胞质膜的多功能性 ◆mesosome（中膜体） ■中膜体又称间体或质膜体,每个细胞有一个或数个; ■其中含有细胞色素和琥珀酸脱氢酶,为细胞提供呼吸酶; ■具有类似线粒体的作用,故称为拟线粒体。

细菌的模式图

1.4.2 真核细胞的结构体系 生物膜及其功能 ◆细胞及膜细胞器的界膜 ◆特殊的作用位点 ◆物质运输 ◆信号转导

动物细胞

Plant Cell（植物细胞）

该系统又称为颗粒纤维结构系统，该系统包括细胞核和核糖体。 Gene Expression System （基因表达系统） 该系统又称为颗粒纤维结构系统，该系统包括细胞核和核糖体。

纤维结构

颗粒结构

Cytoskeletal System （细胞骨架系统） 细胞骨架系统首要作用是维持细胞的一定形态； 细胞内物质运输的动脉； 细胞内基质区域化； 帮助细胞移动或行走； 主要成分:微管、微丝和中间纤维。

细胞骨架的功能

Transport Across Membranes 2.细胞质膜与跨膜运输 Plasma Membrane and Transport Across Membranes

Typical plasma Membrane

（Endomembrane System)  生物膜(Biomembrane)  细胞质膜 (Plasma Membrane)  内膜系统 （Endomembrane System)  生物膜(Biomembrane)

2.1 The Erythrocyte Membrane Skeleton ◆Red Blood Cells是结构最简单的细胞: (红细胞膜骨架） ◆Red Blood Cells是结构最简单的细胞: ■成熟的红细胞没有细胞器； ■质膜是红细胞惟一的膜结构； ■红细胞质膜易于提纯和分离；

Erythrocyte Membrane Skeleton

2.1.1 Erythrocyte Biology （红细胞的生物学） 红细胞的基本性质 ◆成熟的红细胞呈双面凹或单面凹陷的盘状，直径约为7μm,厚度1.7μm,表面积为145μm2； ◆红细胞的主要功能是携带O2和运输CO2，红细胞的寿命约为120天，一生中要行走500，000米。

红细胞形态

红细胞膜脂双层结构的研究 ◆1925年两位荷兰科学家E.Gorter和 F.Grendel根据对红细胞质膜的研究首次提 出质膜的基本结构是脂双层(lipid bilayer) 。 实验结果证明∶红细胞膜脂与表面积之比约 为1.8～2.2∶1。

推测双脂层的实验

2.1.2 Erythrocyte Membrane Skeleton 问题提出的依据∶ ◆行程∶500,000米 ◆要多次穿过小于自身直径一半的微小通 道; ◆要在脾脏内经受少氧、低pH值的不利条 件; ◆又要经过心脏内瓣膜涡流冲击，但始终 保持结构的完整。 ？

红细胞血影

红细胞膜骨架组织

Erythrocyte Membrane Skeleton Proteins （红细胞膜骨架蛋白） ◆膜骨架蛋白的主要成分包括: 血影蛋白、肌动蛋白、锚定蛋白、 带4.1蛋白等，这些都是外周蛋白。

2.2 膜的化学组成 2.2.1 Membrane Lipids（膜脂） ◆磷脂(phospholipids) ■动、植物细胞膜上磷脂约占膜脂的50%以上； ■磷脂分子的亲水端是磷酸基团，称为头部； ■磷脂分子的疏水端是两条长短不一的烃链, 称为尾部,一般含有14～24个偶数碳原子； ■其中一烃链常含有一个或数个双键,双键的存在造成这条不饱和链有一定角度的扭转。

Phospholipids

◆胆固醇(Cholesterol) ■胆固醇存在于真核细胞膜中： ●动物细胞膜胆固醇的含量较高 ●大多数植物细胞质膜中没有胆固醇 ■胆固醇分子包括三部分: ●极性的头部：羟基 ●非极性的类固醇环结构 ●一个非极性的碳氢尾部。

Typical Cholesterol

◆糖脂(Glycolipid) ●糖脂普遍存在于原核和真核细胞膜上,含量约占膜脂的5%以下; ●最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂,它仅有一个半乳糖作为极性头部; ●变化最多、最复杂的是神经节苷脂,它是神经元质膜具的特征性成分; ●糖脂是整合膜蛋白。

脂具有自我装配的能力

膜脂的功能 ◆构成膜的基本骨架,去除膜脂，则使膜解体; ◆是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执行特殊的功能; ◆膜脂为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活性提供环境, 一般膜脂本身不参与反应(细菌的膜脂参与反应); ◆膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存在时才有功能。

◆脂质体(Liposome) ●磷脂分子自我装配形成脂双层的球形颗粒，称为脂质体 ●脂质体可用作生物膜的研究模型，并可作为生物大分子与药物的运载体，因此脂质体不仅是研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的极好材料，同时在基因转移药物治疗方面有着诱人的应用前景。

脂质体的形成

2.2.2 MEMBRANE PROTEINS （膜蛋白） ◆生物膜的特定功能主要是由蛋白质完成的; ◆膜蛋白约占膜的40%～50%, 有50余种膜蛋白; ◆在不同细胞中膜蛋白的种类及含量有很大差异。有的含量不到25%, 有的达到75%; ◆一般来说,功能越复杂的膜, 其上的蛋白质含量越多。

膜蛋白的分类 ●部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧的蛋白质； ●根据跨膜次数将跨膜蛋白分为单次跨膜、多次跨膜、多亚单位跨膜等； ◆整合蛋白(Integral Proteins) ●部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧的蛋白质； ●根据跨膜次数将跨膜蛋白分为单次跨膜、多次跨膜、多亚单位跨膜等； ●整合蛋白约占膜蛋白的70-80%。

Integral Proteins

◆膜周边蛋白质(peripheral proteins) ●膜周边蛋白质为水溶性; ●占膜蛋白总量的20%～30%,在红细胞中占50%,如红细胞的血影蛋白和锚定蛋白都是膜周边蛋白质。

Peripheral Proteins

◆脂锚定蛋白(Lipid-anchored proteins ) ■又称脂连接蛋白(lipid-linked proteins), 同脂的结合有两种方式： ●一种方式是通过一个糖分子间接同脂双层中的脂结合； ●一种是蛋白质直接与脂双层中的脂结合。

Lipid-anchored proteins ？

膜蛋白的功能 ◆运输蛋白：膜蛋白中有些是运输蛋白,转运特殊的分子和离子进出细胞; ◆酶：有些是酶，催化相关的代谢反应; ◆连接蛋白：有些是连接蛋白,起连接作用； ◆受体：起信号接收和传递作用。

FUNCTIONS OF MEMBRANE PROTEINS（膜蛋白的功能）

2.2.3 Membrane Carbohydrates（膜糖） 根据细胞类型的不同，膜糖约占膜成分的2～10%； ◆细胞质膜上的膜糖都位于细胞质膜的外表面，内膜系统中的膜糖则面向膜的腔面。

2.2.3 膜糖 ◆自然界存在的单糖及其衍生物有200多种,但存在于膜的糖类只有其中的9种, 而在动物细胞膜上的主要是7种： ● D-葡萄糖（D-Glucose) ● D-半乳糖 (D-galactose) ● D-甘露糖 (D-mannose) ● L-岩藻糖 (L-fucose) ● N-乙酰半乳糖胺 (N-acetyl-D-galactosamine) ● N-乙酰基葡萄糖胺 (N-acetyl-glucosamine) ● 唾液酸 (sialic acid)。

膜糖的存在方式 ◆糖同氨基酸的连接主要有两种形式： ●N-连接： 即糖链与肽链中天冬酰胺残基相连 ●O-连接： 则是糖链与肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基相连

ABO 血型抗原

2.3 质膜的分子结构 3.3.1 STRUCTURE MODELS（结构模型） 2.3 质膜的分子结构 3.3.1 STRUCTURE MODELS（结构模型） ◆1890s,E.Overton 发现了脂溶性物质容易透过细胞, 提出了脂肪栅的膜结构设想。 ◆1925年, 荷兰的两位科学家E.Gorter和F.Grendel根据对红细胞的研究，提出质膜的脂双层(lipid bilayer)结构。

◆流动镶嵌模型(fluid mosaic model) 1972年，由Singer Nicolson 所提出。 膜的双分子层具有液晶态的特性, 它既具有晶体的分子排列的有序性,又有液体的流动性 球形膜蛋白分子以各种镶嵌形式与脂双分子层相结合,有的附在内外表面,有的全部或部分嵌入膜中,有的贯穿膜的全层,这些大多是功能蛋白。 糖类附在膜的外表面,与膜层的脂质、蛋白质的亲水端结合, 构成糖脂和糖蛋白。

流动镶嵌模型

2.3.2 Membrane asymmetry 膜不对称性的表现 （膜不对称性） ◆The Asymmetry of Membrane Lipids ◆脂双层两小叶（leaflet）中分布的各类脂的含量不同。例如在红细胞膜中： ●外层含鞘磷脂、磷脂酰胆碱较多； ●内层含磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸较多。

膜脂的不对称分布

膜流动性的研究方法 ◆Mouse and human cells fusion （人、鼠细胞融合） 1970年，Larry Frye和Michael Edidin 进行了鼠、人细胞融合实验，令人信服地证明膜的流动性。

鼠人细胞融合实验 ?

◆ 光脱色荧光恢复技术

膜脂的运动方式

膜蛋白的运动方式主要是侧向扩散和旋转扩散,没有翻转活动。

膜流动性的意义 ◆ 酶活性 ◆ 物质运输 ◆ 信号转导 ◆ 细胞周期 在M期, 膜的流动性最大, 而 在G1期和S期, 膜流动性最低； ◆ 能量转换

膜脂肪酸链对流动性的影响主要是不饱和程度和链的长短： 影响流动性的因素 ◆脂肪酸链的影响 膜脂肪酸链对流动性的影响主要是不饱和程度和链的长短：

◆ 胆固醇的影响 ●在相变温度以上,它可使磷脂分子 的脂酰链末端的运动减小,即限制 膜的流动性。 ● 在相变温度以下,可增加脂类分子 脂酰链的运动,这样可以增强膜的 流动性。

胆固醇对流动性的影响

2.4 物质的被动运输 被动运输特点 ◆顺浓度梯度 ◆不消耗ATP ◆根据需不需要膜蛋白的帮助,被动运输又可分为: ●自由扩散 2.4 物质的被动运输 被动运输特点 ◆顺浓度梯度 ◆不消耗ATP ◆根据需不需要膜蛋白的帮助,被动运输又可分为: ●自由扩散 ●帮助扩散。

2.4.1 扩散与渗透

2.4.2 自由扩散及限制因素 自由扩散(Free diffusion) ◆又称简单扩散(simple diffusion)。它不要膜蛋白的帮助,也不消耗ATP,仅靠膜两侧保持一定的浓度差,通过通透发生的物质运输。

◆限制因素 ●脂溶性∶ 细胞质膜的通透性具有选择性。 ●大小： 质膜的通透性孔径不会大于0.5-1.0nm，能够扩散的最小分子是水分子。 ●极性∶ 极性物质通常同水结合形成一个水合的外壳，这不仅增加了它们的分子体积，同时也大大降低了脂溶性。

◆水分子不溶于脂, 并具有极性,理应不能自由通过质膜, 但实际却是很容易通过膜。原因是: ●具有水孔蛋白（aquaporins）

2.4.3 易化扩散及特点 易化扩散(Facilitated diffusion) 又称: 促进扩散 易化扩散的特点 ◆速度快，要比自由扩散快几个数量级； ◆自由扩散的速率与溶质的浓度成正比， 而膜蛋白促进的运输可以达到最大值； ◆具有特异性; ◆运输作用受抑制剂的抑制。

2.4.4 Transport proteins （运输蛋白） 通道蛋白(Channel proteins) 目前发现的通道蛋白已有50多种，主要是离子通道(ion channels)。 ◆通道蛋白又叫门控通道(gated channels)，是通道蛋白进行的间断开放通道。

Typical gated channels

载体蛋白(Carrier proteins) ◆概念: ◆特点:特异性 载体蛋白既参与被动的物质运 输，也参与主动的物质运输。

Carrier proteins