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1、Part,03,细胞的分子基础,Molecular Basis of Cell,组成细胞的主要生命大分子包括哪些？ 蛋白质和核酸的结构特点？,第一节 细胞的小分子物质,Small Molecular Substance of Cell,分子量50KDa,一、水(water),水是细胞内最重要的无机小分子，占细胞总重量的70%。 大多数代谢过程都需要水参与。,二、无机盐（inorganic salts）,占细胞总重量的19%左右，以离子形式存在(Na+、K + 、Ca2 + 、Mg2 + 、Fe3 + 、Cu2 + 、cl- 、HCO3 -等）。 维持细胞内的渗透压和酸碱平衡。 作为酶的辅助因子
2、。,三、有机小分子(Small organic molecules),是细胞代谢过程中的中间产物，也是构成生物大分子的基本单位。 主要包括：单糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸。,单糖（monosaccharide）,甘油醛,核糖,脱氧核糖,单糖是构成二糖和多糖的基本单位，结构通式为（CH2O）n，其中n为37。,葡萄糖,脂肪酸 （fatty acid）,脂肪酸是直链脂肪烃有机酸，一般含一个羧基（COOH），通式为CH3（CH）n COOH。,磷脂,功能： 1.构成细胞膜的主要成分。 2.分解提供能量,氨基酸 （amino acid）,氨基酸是组成蛋白质的基本单位，组成蛋白质的氨基酸只有20种，均属于
3、-氨基酸。,羧基,R基（侧链）,H原子,氨基,核苷酸 （ nucleic acid）,核苷酸是组成核酸的基本结构单位，每个核苷酸含有一个碱基、一个戊糖和一个磷酸分子。,脱氧核糖核苷酸,A G C T,A G C U,核糖核苷酸,第二节 细胞的大分子物质,Macromolecular Substance of Cell,分子量 100001000000KDa,细胞的大分子物质有蛋白质、核酸及多糖等，它们的相对分子质量一般为10 0001 000 000kDa。 分子质量巨大，结构复杂，功能多样。 是组成生命物质和行使生命活动的重要分子基础。,生物大分子 （biological macromole
4、cule）,一、蛋白质（protein）,构成细胞的主要成分，是各种生命物质的主要结构基础。 基本结构单位：氨基酸（amino acid） 基本化学键：肽键（peptide bond） 氨基酸通过肽键相连形成多肽链。,肽键,肽键,N端,C端,肽键,（一）蛋白质的结构,二级结构,一级结构,三级结构,四级结构,空间结构,基本结构,蛋白质的一级结构（primary structure）,组成蛋白质多肽链的氨基酸的种类、数量和排列顺序。 是蛋白质的基本结构和功能基础。 主键：肽键，少量二硫键 一级结构即使一个氨基酸的改变也可能导致蛋白质空间结构的变化。,人胰岛素分子的一级结构,蛋白质的二级结构（sec
5、ondary structure）,在一级结构基础上，借氢键维持的多肽链盘绕折叠形成的有规律重复的空间结构。 有螺旋、折叠和三股螺旋3种基本构象。,蛋白质的三级结构（tertiary structure）,多肽链在二级结构基础上，进一步螺旋折叠形成的空间结构。 维系三级结构的化学键除氢键和二硫键外，还依靠各氨基酸侧链之间形成的疏水键和离子键等。,蛋白质的四级结构（quaternary structure）,由两条或多条具有独立三级结构的肽链（亚基）相互作用聚合而成的更复杂的空间结构。 不是所有蛋白质都具有四级结构。 蛋白质必须在三级结构基础上才能表现出生物活性。,蛋白质的结构,（二）蛋白质的功
6、能,二、核酸（ nucleic acid ）,细胞内贮存和传递遗传信息的生物大分子物质。 基本结构单位：核苷酸 基本化学键： 3，5 磷酸二酯键,核酸的种类,脱氧核糖核酸（DNA),核糖核酸（RNA),信使RNA (mRNA）,转运RNA (tRNA）,核糖体RNA (rRNA）,（一）DNA,1. DNA的结构 1953年Watson和Crick提出DNA分子的双螺旋结构模型。 Antiparellel（反向平行） Sugar-phosphate : outside bases: inside Base pairing: AT GC,B form: Right-handed 10 base
7、pairs/turn 3.4 nm /turn Diameter: 2.0nm,Small groove,large groove,B-DNA（右手双螺旋）生物体内天然状态的DNA绝大多数以B-DNA的形式存在。 A-DNA和Z-DNA,2. DNA的功能,携带和传递遗传信息。,DNA,复制,转录,mRNA,翻译,蛋白质,DNA,（二）RNA,三种类型 Messenger RNA (mRNA)信使RNA Transfer RNA (tRNA) 转运RNA Ribosomal RNA (rRNA)核糖体RNA 占细胞内RNA总量的80以上,The information flow in the
8、cell 细胞内信息传递过程,转录,翻译,复制,小RNA: 非编码RNA,微小RNA（micro RNA，miRNA) 由70-90个碱基的前体经Dicer酶加工而成，长度21-25nt的单链RNA，通过与靶基因不完全互补结合，抑制翻译或促进去除mRNA的多聚腺苷酸尾巴调控基因表达。 小干扰RNA(small interfere RNA,siRNA) 25-30nt的双链RNA，变性后通过完全互补配对与目标mRNA结合，引起其降解，从而导致基因沉默。,小RNA: 非编码RNA,与PIWI相互作用的RNA（piwi-interacting RNA，piRNA） 26-31个核苷酸组成的单链小分子
9、RNA 主要在生殖细胞和干细胞中 与PIWI蛋白家族相互作用调控基因沉默 核内小RNA（small nuclear RNA,snRNA） 真核生物转录后加工过程中RNA剪接体的主要成分，参与mRNA前体的加工过程。70300个核苷酸。,小RNA: 非编码RNA,核仁小RNA（small nucleolar RNA，snoRNA） 大小一般几十至几百个核苷酸，富集于核仁区。功能：rRNA前体的加工；指导rRNA中核苷酸甲基化位点的形成；指导rRNA中尿嘧啶向假尿嘧啶的转换；参与rRNA高级构象的形成。 长链非编码RNA（lncRNA） 大于200nt，位于细胞核或细胞质中，不具备蛋白质编码功能。
10、功能：对基因表达的遗传与表观遗传调控；基因表达的转录水平调控；转录后调控；细胞核亚结构的形成；发育的调控；干细胞的多能性；体细胞重编程的调控等。,核酶（ribozyme）,具有酶活性的小RNA分子。 功能：核酶的底物是RNA分子，它们通过与序列特异性的靶RNA分子配对而发挥作用。 类型：自体催化剪切型、异体催化剪切型、第一组内含子自我剪接、第二组内含子自我剪接以及锤头状核酶等。,DNA和RNA的比较,小 结,细胞的小分子物质 掌握：氨基酸、核苷酸 细胞的大分子物质 掌握：生物大分子的概念；蛋白质的一级结构；核酸的结构与功能,复习思考题,蛋白质的分子结构有何特点？ 不同类型的核酸在组成、结构、分
11、布和功能上有何区别？ DNA双螺旋结构模型的主要内容和生物学意义是什么？ 小RNA的类型及其功能 核酶的概念,Part,05,细胞膜,Cell Membrane,细胞膜有何特性？ 通过细胞膜进行的物质运输方式有哪些？,细胞膜（cell membrane） ：构成细胞外层界膜的单位膜，又称质膜。 细胞内膜（Intracellular membrane） ：核膜和构成各种细胞器的膜。 生物膜（ Biomembrane ）：细胞膜和细胞内膜统称为生物膜。,第一节 膜的化学组成和分子结构,The Chemical Composition and Molecular Structure of the M
12、embrane,一、膜的化学组成（Chemical Composition）,主要由蛋白质、脂类和糖类组成，此外还有水、无机盐和金属离子等。 功能越复杂的膜其蛋白质所占的比例越大，反之则小。,不同生物膜的化学组分,（一）膜脂 Membrane Lipids,细胞膜上的脂类，是细胞的基本组成成分，形成膜的基本骨架。 包括磷脂、胆固醇和糖脂，以磷脂为主,1.磷脂（phospholipid） 主要的磷脂：磷酸甘油脂（Phosphoglyceride）和鞘磷脂（sphingolipids） 最简单的磷酸甘油脂是磷脂酸。,磷 酸,甘 油,脂肪酸,极性头部,非极性尾部,（一）膜脂 Membrane Lip
13、ids,1.磷脂（phospholipid） 主要有PC （磷脂酰胆碱）、PE（磷脂酰乙醇胺）、 PS（磷脂酰丝胺酸）、 SM（鞘磷脂）。这种具有亲水性头部和疏水性尾部的分子称为双亲媒性分子（兼性分子）。,脂双层在水环境中存在的三种形式：,单分子团,双分子层,脂质体,脂质体（liposome）,为避免双分子层两端疏水尾部与水接触，脂分子在水中聚拢成双分子层后，其游离端有自动闭合趋势，形成一种自我封闭而稳定的中空结构。 研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；脂质体中裹入DNA可用于基因转移；在临床治疗中，脂质体作为药物或酶等载体。,2.胆固醇（ cholesterol） 极性羟基固醇环非极性脂肪酸链,
14、双亲媒性分子,胆固醇与磷脂的碳氢链相互作用，可阻止磷脂凝集成晶体结构，对膜脂的物理状态具有调节作用。,3.糖脂（Glycolipids） 为含一个或几个糖基的脂类。 大约占外层脂类分子的5%左右。,（二）膜蛋白Membrane proteins,跨膜蛋白（transmembrane protein）：又称膜整合内在蛋白、镶嵌蛋白，具有受体、载体、酶的作用； 膜周边蛋白(peripheral protein)：又称膜外在，具有支架、收缩、调节作用。 膜锚定蛋白（lipid-anchored protein）：又称脂连接蛋白。,Six ways in which membrane proteins
15、 associate with the lipid bilayer.,跨膜蛋白和膜周边蛋白比较,（三）膜糖,构成细胞被。 糖蛋白(glycoprotein) 糖脂(glycolipid) 主要分布于细胞膜外表面。,膜脂 生物膜 基本骨架 膜蛋白 多种方式 与脂双层结合 膜糖 质膜外表面,磷脂 胆固醇 糖脂,膜整合蛋白（镶嵌蛋白） 膜外在蛋白（周边蛋白）,与脂类结合- 糖脂 与蛋白结合- 糖蛋白,细胞膜的基本骨架,二、膜的分子结构（Molecular Structure）,液态镶嵌模型(fluid mosaic model),S.J.Singer and G.Nicolson(1972) 脂双层
16、构成膜的连贯主体，它既具有固体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。膜中蛋白质分子以不同形式与脂双分子层镶嵌结合。强调了膜的流动性和膜蛋白与脂类分子间的镶嵌关系。,该模型优点：强调了膜的流动性以及球形蛋白质与脂双分子层的镶嵌关系，可以解释许多膜中所发生的现象。 该模型缺点：没有说明具有流动性的细胞膜在变化过程中怎样保持膜的相对完整性和稳定性，忽视了蛋白质分子对膜流动性的控制作用。 “晶格镶嵌模型”和“板块镶嵌模型”对其补充。,脂筏模型(lipid raft model),模型认为生物膜上胆固醇形成的有序脂相如同脂筏一样载着执行某些特定功能的膜蛋白。脂筏是细胞膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域，其中聚集一些特定种类的膜蛋白，大小约70nm，是一种动态结构，位于细胞膜的外侧。,三、膜的主要理化特性（physicochemical property）,（一）膜的不对称性（asymmetry） 膜蛋白分布的不对称性,膜脂分布的不对称性,（二）膜的流动性（fluidity）,1.膜脂的流动性（Fluidity of membr
