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1、细胞生物学,奥赛专题,三、细胞的基本概念 细胞是生命活动的基本单位,(1) 一切生命有机体都由细胞构成 细胞是构成生命有机体的基本单位 (2) 细胞具有独立有序的自控代谢系统 细胞是代谢与功能的基本单位 (3) 细胞是生命有机体生长发育的基础 (4) 细胞具有遗传信息的全能性 细胞是生命有机体遗传的基本单位 (4) 没有细胞就没有完整的生命,第一节 细胞概述,三、细胞的基本概念,四、细胞的分类,细胞可分为两大类：原核细胞和真核细胞,1.原核细胞 (1)细胞内没有核膜，遗传物质集中在一个没有明确界限区域，称为拟核。DNA为裸露的环状双螺旋分子，通常没有结合蛋白，遗传的信息量小。 (2)没有恒定的
2、内膜系统，核糖体为沉降系数是70S型。 (3)由原核细胞构成的原核生物，均为单细胞生物。一般以二分裂的方式繁殖，也有的产生孢子。,分裂中的大肠杆菌,第一节 细胞概述,四、细胞的分类,2.真核细胞 真核细胞最主要的特点，是细胞内有膜把细胞区分成了许多功能区。最明显的是含有核膜包被的细胞核，此外还有由膜围成的各种细胞器(如线粒体、叶绿体、内质网、高尔基复合体等)。 一些单细胞的原生生物、多细胞的植物与动物及真菌都是由真核细胞构成。,一、细胞概述,四、细胞的分类,真核细胞：植物细胞和动物细胞,一、细胞概述,四、细胞的分类,动物细胞与植物细胞的区别,一、细胞概述,四、细胞的分类,原核细胞和真核细胞的主
3、要区别,第一节 细胞概述,四、细胞的分类,五、细胞的形状、大小和数目,形状与大小各异的细胞是生物进化的结果。 由于细胞内在结构、自身表面张力以及外部机械压力等因素的影响，各种细胞总是保持一定的形态。 一般，游离细胞多呈球状或近球状，构成多细胞生物体组织细胞的形状则与其生理功能密切相关。,木材中的导管,第一节 细胞概述,五、细胞的形状、大小和数目,大多数动植物细胞直径在2030m间。一般真核细胞的体积大于原核细胞，卵细胞大于体细胞。鸵鸟的卵黄直径可达5cm；支原体只有0.1m；人的坐骨神经细胞可长达1m。,几种细胞的大小,第一节 细胞概述,五、细胞的形状、大小和数目,一、细胞膜,包在细胞外面称为
4、细胞膜(细胞质膜)。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜。 质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜。 生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础。,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜,第二节 细胞膜及细胞外基质,(一)细胞膜的化学组成,细胞膜主要由脂质和蛋白质组成，蛋白质约占膜干重的20%70%，脂质约占30%80%，此外还有少量的糖类，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。不同细胞的细胞膜中各成分的含量因膜的功能而有所不同。,胆固醇,糖脂,一、细胞膜,(一)膜的化学组成,1.膜脂 主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。 （1）磷脂
5、 是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50以上。磷脂分子主要由 头部的磷酸(磷脂酰碱基)、 甘油和尾部的脂肪酸组成。 头部含磷酸和碱基，极性强 具亲水性，尾部的碳氢链为 非极性的，具疏水性，因此， 它是兼性分子。磷脂的这种 兼性分子性质对于构成稳定 的膜结构具有重要意义。,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜,(一)膜的化学组成,脂质体 是根据磷脂分子在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的一种人工膜。球形脂质体直径在25-1000nm，可裹入DNA用于转基因，裹入药物用于诊断和治疗。,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜,(一)膜的化学组成,(2)糖脂 是含糖而不含磷酸的脂类，含量约占脂
6、总量的5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10。糖脂也是两性分子，极性头部为一个或多个糖残基，如D-葡萄糖和D半乳糖等，非极性的尾部是鞘氨醇的碳氢链和连于鞘氨醇酰氨基上的脂肪 酸侧链，头尾 部通过鞘氨醇 羟基相连接。,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜,(一)膜的化学组成,(3)胆固醇 主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流动性，降低水溶性物质的通透性。 在缺少胆固醇培养 基中，不能合成胆固 醇的突变细胞株很快 发生自溶。,胆固醇,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜,(一)膜的化学组成,膜蛋白是膜功能
7、的主要体现者，因此功能复杂的膜，蛋白质含量比较高。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为：外在蛋白、内在蛋白、脂锚定蛋白。,2.膜蛋白,、 整合蛋白 、 外在蛋白 、脂锚定蛋白又称脂连接蛋白,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜,(一)膜的化学组成,(1)外在蛋白(外周蛋白) 分布在细胞膜的内外表面，为水溶性蛋白质，靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来。(有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在
8、膜的外部。),、 整合蛋白 、 外在蛋白 、脂锚定蛋白又称脂连接蛋白,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜,(一)膜的化学组成,(2)内在蛋白(整合蛋白) 以不同程度嵌入脂双层的内部，有的为全跨膜蛋白，跨膜蛋白为两性分子,由亲水氨基酸构成的亲水性区域暴露于脂双层外的水相中，而疏水性氨基酸构成的疏水区域则与脂分子非极性尾部相互作用。它与膜结合非常紧密，只有用较为剧烈的方式，如用去垢剂才能从膜上洗涤下来。 内在蛋白的跨膜结构域形成亲水通道有两种形式：一是由多个螺旋组成亲水通道；二是由折叠组成亲水通道。,、 整合蛋白 、 外在蛋白 、脂锚定蛋白,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜,(一)膜的化
9、学组成,（3）脂锚定蛋白(脂连接蛋白)通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。分两类，一类是糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C处理能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC就是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。,、 整合蛋白 、 外在蛋白 、脂锚定蛋白,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜,(一)膜的化学组成,3.糖类 在细胞膜中含量较少，主要分布于细胞膜的外表面，通过共价键与膜蛋白、膜脂结合形成糖蛋白、糖脂。一般认为，膜结构中的糖类在接受外界刺激的信息方面有重要作用。,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、
10、细胞膜,(一)膜的化学组成,(二)细胞膜的结构模型,1.细胞膜结构的研究历史,(1) 1895年欧文顿用500多种物质对植物细胞进行上万次的通透性实验,发现凡是溶于脂质的物质比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞，因此推测细胞膜由连续的脂质组成。,第二节 细胞膜及细胞外基质,不溶于脂质的物质,溶于脂质的物质,原理 物质的相似相溶性,一、细胞膜(二)膜的结构模型,(2)1925年，两位荷兰科学家高特和格伦德尔用有机溶剂丙酮提取了人的红细胞膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。,(3)1935年J.Danielli &H.Davso
11、n 发现质膜的表面张力比油水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质，提出了“蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型。认为质膜由双层脂质分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜(二)膜的结构模型,(4)1959年，罗伯特森在电镜下看到细胞膜清晰的暗-明-暗的三层结构。用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，厚约7.5nm。这就是所谓的“单位膜”模型。它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成。,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜(二)膜的结构模型,(5) 1972年，桑格和尼克森根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术等研究结果
12、，提出:脂双分子层是细胞膜的主要结构支架；膜蛋白为球蛋白，分布于脂双层表面或嵌入脂分子中，有的横跨整个脂双层；细胞膜具有流动性；组成细胞膜的各种成分在膜中的分布是不均匀的，即具有不对称性。这一模型称为“流动镶嵌模型”。,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜(二)膜的结构模型,(三)细胞膜的流动性和不对称性,1.膜的流动性,膜的流动性是细胞膜结构的基本特征之一，是细胞膜表现其正常功能的必要条件。膜的流动性是指膜结构分子的运动性，包括膜脂的运动和膜蛋白的运动。,(1)膜脂的流动性 在正常生理状况下，膜脂分子处于运动状态。,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜(三)膜的结构特性, 膜脂分子的运动
13、方式 侧向扩散运动 同一平面上相邻的脂分子交换位置如图1 旋转运动 围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转如图2 摆动运动 围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动如图3 伸缩震荡运动 脂肪酸链进行伸缩震荡运动如图4 翻转运动 膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层如图5 旋转异构化运动 脂肪酸链围绕C-C键旋转如图6,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜(二)膜的结构特性, 影响膜脂流动性的因素,第二节 细胞膜及细胞外基质,温度 在一定温度下，脂分子从液晶态转变为凝胶状的晶态。能引起物相变化的温度称为相变温度。当环境温度在相变温度以上时，膜脂分子处于流动的液晶态；而在相变温度以下时，则处于不流动的晶态。膜脂
14、相变温度越低，膜脂流动性就越大；反之，相变温度越高，膜脂的流动性也就越小。 膜脂的脂肪酸链 饱和程度高的脂肪酸链因紧密有序地排列，因而流动性小；而不饱和脂肪酸链由于不饱和键的存在，使分子间排列疏松而无序，相变温度降低，从而增强了膜的流动性。脂肪酸链的长度对膜脂的流动性也有影响：随着脂肪酸链的增长，链尾相互作用的机会增多，易于凝集(相变温度增高)，流动性下降。,一、细胞膜(二)膜的结构特性,胆固醇：胆固醇对膜脂流动性的调节作用随温度的不同而改变。在相变温度以上，它能使磷脂的脂肪酸链的运动性减弱，从而降低膜脂的流动性。而在相变温度以下时，胆固醇可通过阻止磷脂脂肪酸链的相互作用，缓解低温所引起的膜脂
15、流动性剧烈下降。 除以上因素外，膜脂与膜蛋白的结合程度、环境中的离子强度、pH 值等都会影响膜脂的流动性。,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜(二)膜的结构特性,主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动。侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。 可用荧光标记技术和光脱色恢复技术检测膜蛋白的流动性。,(2)膜蛋白的流动,用荧光标记的人-鼠细胞融合实验,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜(二)膜的结构特性,膜蛋白的运动也受很多因素影响。膜中蛋白质与脂类的相互作用、内在蛋白与外在蛋白相互作用、膜蛋白复合体的形
16、成、膜蛋白与细胞骨架的作用等都影响和限制蛋白质的流动。,(3)膜流动性的生理意义 质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜(二)膜的结构特性,膜的不对称性是指细胞膜的内外两层的组分和功能有明显的差异，是膜的另一重要特征。膜脂、膜蛋白和复合糖在膜上均呈不对称分布，导致膜功能的不对称性和方向性，即膜内外两层的流动性不同，使物质传递有一定方向，信号的接受和传递也有一定方向等。,2.膜的不对称性,第二节 细胞膜及细胞外基质,一、细胞膜(二)膜的结构特性,膜的不对称性主要表现在以下方面： (1)蛋白质在脂双层中不对称地镶嵌分布 膜蛋白不同程度地嵌入脂双层中或分布于膜表面。不同部位膜蛋白的种类和数量也不同。 (2)脂分子分布的不对称性 各
