高中生生物学奥赛—细胞生物学

胆固醇分子的作用 控制膜的流动性，维持膜的厚度。 增加膜脂双层的稳定性，增加膜脂有序性 并降低其流动性。胆固醇含量越高，膜脂的流 动性越低。
磷脂酰胆碱
磷脂酰丝氨酸
2、膜糖类 膜糖类：糖脂、糖蛋白 糖脂和糖蛋白的糖链分布在膜的外表面 糖被除了具有保护和润滑作用外，与细 胞的抗原结构、受体、细胞免疫、细胞识别 以及细胞癌变都有密切关系
蛋白质跨膜区为α 螺旋
疏水氨基酸 侧链 （通过范德华 力与脂肪酸链 相互作用） 氢键
跨膜结构域 含有约20个 疏水氨基酸
膜蛋白结构和功能的多样性
物质 跨膜 运输
锚定 作用
细胞 信号 转导
催化 作用
二、膜的结构特点
流动镶嵌模型 （1972年） 特点：流动性和不对称性
冰冻蚀刻技术揭示镶嵌蛋白
1、膜的不对称性
一、细胞大小的计算
在显微技术和电镜技术中常用的单位 有：微米（μm或μ）、纳米（nm）和埃
（Å）三种。
1m＝102cm＝106μm＝109 nm ＝1010 Å
二、细胞生物学实验技术
1、显微技术 根据光源的不同，可以分为光学显微镜和电子显微镜两类。
显 微 镜
光学显 微镜
（以可见光 为光源）
相差显微镜：观察活细胞、未染色的组织 切片或缺少反差的染色标本。 荧光显微镜：观察能发荧光的标本（本身 能发荧光或荧光染色的标本），可定量或 定性的研究相应的物质。 透射电镜（TEM）：电子束的穿透力极 弱，标本需要用切片机制成超薄片。 扫描电镜（SEM）：可用于观察标本的 表面结构。
（2）沉降系数 某些亚细胞成分和分子大小，常用沉降 系数（S）来表示。规定1S=1×10-13s 蛋白质的沉降系数一般在4S~40S之间； 核糖体及其亚基的沉降系数在30S~80S之间。 一般而言，沉降系数大的，其分子质量也大。
（4）细胞电泳 在一定的pH下，细胞表面带有净的正或 负电荷，能在外加电场的作用下发生泳动。不 同的细胞电荷量有所不同，故泳动速度不一样。 所以可以用来分离不同种类的细胞。
（3）显微光谱分析技术
细胞中很多成分都具有特定的吸收光谱。例如：核酸的吸 收波长为260nm，而蛋白质的则为280nm。利用显微分光光度 计对某些成分进行定位、定性，甚至定量测量。
（4）放射自显影技术
3、离心技术 （1）差速离心和密度梯度离心 差速离心是在密度均匀的介质中由低速到高速逐级 离心，利用不同的离心速度所产生的离心力来分离不同 大小的细胞和细胞器。 密度梯度离心是用一定的介质在离心管内形成一连 续或不连续的密度梯度，将细胞悬液或匀浆置于顶部， 通过重力或离心力场等作用使细胞分层、分离。不同密 度的颗粒分别集中在某一密度带而得以分离。
细胞生物学
第1节 细胞生物学中的基本技术
细胞学与细胞生物学发展简史
1. 细胞的发现 1665年，英国学者胡克 （Robert hooke）
细胞学与细胞生物学发展简史
1. 细胞的发现 1667年，荷兰学者列文 虎克( Leeuwenhoek）
细胞学与细胞生物学发展简史
2.细胞学说( cell theory) 的建立 1838—1839年，德国植物学家施莱登和动物学家施旺 一切动植物都是由细胞和细胞的产物所构成； 细胞与细胞共同组成整体的生命活动； 新的细胞通过老的细胞繁殖产生，即细胞来自于细胞。
四、细胞膜的功能
1、区室化 2、信号的检测与传递 3、参与细胞间的相互作用（细胞识 别、细胞黏附、细胞连接等） 4、调节运输
（1）被动运输
是指物质顺电化学梯度运输， 不需要消耗细 胞代谢能量的跨膜运输。
①自由扩散：被动运输的基本方式，不需要膜蛋白
的帮助，也不消耗ATP，只靠膜两侧保持一定的浓 度差，通过扩散发生的物质运输。限制因素为物质 的脂溶性、分子大小和带电性。
膜蛋白的不对称分布 膜脂的不对称分布 膜糖的不对称分布
2、膜的流动性
膜脂的流动性
侧向移动，旋转运动， 伸缩振荡，尾部摆动， 翻转运动
膜蛋白的流动性
侧向移动，旋转运动
膜蛋白侧向移动实验
影响膜流动性的因素有哪些?
主要来自膜本身的组成成分及环境的理化 因素 环境因素：温度是最主要因素，膜骨架的 脂质可以晶态存在，也可以液态存在，主要根 据温度的变化而定。脂双层由晶态熔融为更加 流动的液态的温度就叫相变温度。相变温度越 低，膜的流动性越强。
膜蛋白与脂双分子层的结合方式
整合蛋白
脂锚定膜蛋白
外周蛋白
膜蛋白有哪些特点?
外周蛋白通过静电作用和离子键等较弱的非共价键 与膜脂或膜蛋白结合，改变介质的离子强度、pH值 或加入螯合剂等即可把外在蛋白分离下来。 整合蛋白的疏水区与磷脂分子的疏水尾部相互作用， 亲水区与磷脂分子的极性头部相互作用，通常暴露 在膜的一侧或两侧表面。只有加入表面活性剂或有 机溶剂，才能把内在蛋白从膜上溶解下来。 脂锚定蛋白通过共价键的方式同脂质分子结合，位 于脂双层外侧。
外膜 膜间隙 基质 内膜 嵴
DNA 电子传递 链复合物
ATP合成酶 (基粒)
核糖体
1、外膜 含40%的脂类和60%的蛋白质，允许分 子量为5kD以下的分子通过，1kD以下的分 子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。
2、内膜
不允许离子、大多数带电小分子通过。
基粒由头部（F1偶联 因子）和基部（F0偶联因 子）构成，实际上是ATP 酶复合物。F0可以利用H+ 动力势合成ATP。
内膜是电子传递和氧化磷酸化的主要 部位。在该过程中，线粒体将氧化过程中 释放出来的能量转变成ATPA。内膜的标 志酶为细胞色素c氧化酶。
3、膜间隙 由于外膜通透性很强，内膜通透性很低，所 以膜间隙的化学成分很多，功能是建立和维持 H+梯度。标志酶为腺苷酸激酶。
4、基质
催化三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于 基质中。基质还具有一套完整的转录、翻译体系。包括： mtDNA、70S型核糖体、 tRNA、rRNA、DNA聚合酶 氨基酸活化酶等。标志酶 为苹果酸脱氢酶。
疏水性的非极性小分子和某些极性不带电的小 分子进行自由扩散。如：尿素、甘油、CO2、乙醇 等。 脂溶性：脂溶性越强，通过脂双层的速率越快； 相对分子质量：相对分子质量小，脂溶性高的分子 才能快速扩散； 物质的带电性：气体分子，小的不带电极性分子、 脂溶性分子易通过。大的不带电极性分子和各种带 电的极性分子都难以通过。
（氧化态醌Q 、半醌QH、还原态氢醌QH2）
细胞色素：ctyaa3 ，b ，c， c1 黄素蛋白：FMN、FAD
内膜上的呼吸链
四种复合物 复合物Ⅰ（NADH-CoQ还原酶） 复合物Ⅱ（琥珀酸- CoQ还原酶） 复合物Ⅲ（CoQH2-细胞色素C还原酶） 复合物Ⅳ（细胞色素C氧化酶） 两条呼吸链 NADH呼吸链（复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ） FADH2呼吸链（复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）
亲水性头部 疏水性尾部
磷脂分子在水溶液中
磷脂分子聚集在一起，将亲水头部朝向 外面，将疏水尾部藏在里面
在水溶液中形成微团或脂双分子层
磷脂单分子层
liposome
磷脂双分子层
胆固醇是兼性分子吗?
胆固醇存在于真核细胞膜中，动物细胞膜的胆 固醇含量较高，有的甚至可以占到膜脂的50%， 大多数植物细胞和细菌细胞中没有胆固醇，酵母细 胞膜中是麦角固醇。
电子显 微镜
（以电子束 为光源）
无论是哪种显微镜，分辨率（分辨力）和放大 倍数是显微镜的两个重要指标。 光学显微镜的最小分辨率是0.2μm，光镜下的 结构叫显微结构。 电子显微镜能看清小于0.2μm的细微结构， 称为亚显微结构或超微结构。
2、生物化学与分子生物学技术
（1）细胞化学技术 固定、染色技术等。 固定：锇酸、高锰酸钾、戊二醛、卡诺氏固定液等 染色：醋酸铀、铅盐、龙胆紫、醋酸洋红等 （2）免疫细胞化学 利用抗体与特定的抗原专一结合，对抗原进行定位 测定的技术。
3、 膜蛋白
根据其与膜脂的关系分为整合蛋白、外周蛋白、脂 锚定蛋白 寡糖链 糖蛋白 糖脂 外在蛋白
内在蛋白
磷脂双 分子层
内在蛋白
外在蛋白
What are the properties of these proteins which allow them to interact in this fashion?
②协助扩散：也是顺化学梯度运输，但需要载体
（通透酶）。
运输特点：a.比自由扩散转运速率高 b.存在最大的度转运速率 c.有特异性
③主动运输：是指物质a.逆电化学梯度b.需要消耗 细胞代谢的能量c.并需要专门的载体的运输方式。 主动运输有一种重要的方式就是离子泵，如 Na+-K+泵，它实际上是Na+-K+ ATP酶。葡萄糖和 某些氨基酸可借助载体蛋白并且和Na+耦联以协助 扩散的方式进入细胞。而肌肉细胞和神经细胞的兴 奋也离不开这种运输方式。
第2节 细胞膜 一、细胞膜/生物膜/质膜的化学组成 细胞膜主要由脂类（膜脂）和蛋白质（膜蛋白）组成 蛋白质约占膜干重的20%～70%， 脂类约占30%～80%， 此外还有少量的糖类（膜糖）。 比例的不同与其功能相适应。
1、膜脂
膜脂：磷脂、胆固醇
脂肪酸1 脂肪酸2
甘油
碱基 磷酸
为什么说磷脂是兼性分子?
三、细胞膜的特化结构 1、微绒毛 是细胞表面伸出的细长的指状突起，广 泛存在于动物细胞表面。 微绒毛的存在扩大了细胞的表面积，有 利于细胞与外界环境的物质交换。与细胞代 谢强度有关。
2、纤毛和鞭毛 是细胞表面伸出结构，均由“9+2”微 管构成。有的细胞靠纤毛或鞭毛在液体中穿 行。有些细胞，如动物的某些上皮细胞，虽 具有纤毛，但细胞本体不动，纤毛的摆动可 以推动物质越过细胞表面，进行物质运送， 如气管和输卵管上皮细胞表面的纤毛。
Baidu Nhomakorabea
细胞学与细胞生物学发展简史
3. 电镜时代的细胞学 1935年，德国西门子公司生 产出第一台电镜 亚显微结构： 细胞膜、内质网、高尔基器、 溶酶体、过氧物酶体、核膜等
内质网 分泌泡
核膜 细胞膜
高尔基器 过氧物酶体
溶酶体
透射电镜下的细胞结构
细胞核
内质网
高尔基器 高尔基器
线粒体
线粒体
染色体和纺锤丝
复合物Ⅰ （电子传递 体和 质子转移体）
复合物Ⅲ （电子 复合物Ⅱ （电子传复合物Ⅳ （电子传 传递体和质子转移体） 递体） 递体和质子转移体）
（三）线粒体的半自主性和增殖
1、线粒体的遗传和半自主性 线粒体有转录、翻译的全套装备，有独立的遗 传体系。 线粒体和叶绿体核糖体为70s，在基质中能进 行蛋白质的合成。 线粒体和叶绿体的大多数蛋白质是靠细胞核基因 编码，在细胞质核糖体中合成，如核糖体蛋白质、 DNA聚合酶、RNA聚合酶和蛋白质合成因子等。 所以，线粒体称为半自主细胞器。
（1）存在形式：糖脂和糖蛋白
跨膜糖蛋白 吸附的糖蛋白
细胞被
糖脂
磷脂双 分子层
为什么糖和肽链之间会有两种糖苷键?
碳水化合 物(羟基)
脱水缩合
碳水化合 物(羟基)
丝氨酸(羟基)
天冬酰氨(氨基)
苏氨酸(羟基)
N-连接（普遍）
O-连接
（2）功能 ①提高膜的稳定性 ②增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗 性 ③帮助膜蛋白进行正确的折叠和维持正确 的三维构型 ④残余细胞信号识别、细胞黏附 ⑤糖蛋白中的糖基还帮助新和成蛋白质进 行正确运输和定位
胆固醇：保持膜的机械稳定性 不饱和键含量和链的长度 不饱和脂肪酸含量越多，相变温度就越低。 不饱和脂肪酸的存在增加膜的流动性，短链 能降低脂肪酸链尾部的相互作用，使膜流动 性增强。 脂质和蛋白质的相互作用 内在蛋白越多，界面脂越多，膜的流动性 降低
膜流动性的生物学意义 是表现生物膜正常功能的必要条件 例如物质运输、细胞识别、细胞信号转导 等，与细胞生长发育，抗寒性有关
小肠上皮细胞吸收单糖、氨基酸、核苷酸
Na+
Na+ -K+ 泵
Na+/单糖
或氨基酸的 同向转运体.
Na+
单糖或氨基 酸或核苷酸
第3节 细胞器
一、线粒体
（一）结构
外膜，内膜，膜间隙 嵴（形状、数量） 基粒(ATP合成酶) 基质、大量蛋白质和酶、 DNA、RNA、核糖体、 Ca2+
The Mitochondrion
（二）和呼吸作用有关的酶
电子传递链 ETC
ATP合成酶
丙酮酸
脂肪酸
酶 C6H12O6细胞质基质 C3H4O3+4[H]+能量（少）
1、内膜上的呼吸链 电子传递链ETC （呼吸链）：由一系列能可逆地接 受和释放电子或H+的化学物质所组成，在线粒体内膜 上相互关联地有序排列 2、呼吸链基本组成成分: 脱氢酶 ：烟酰胺脱氢酶（以 NAD+或NADP+为辅基） 黄素脱氢酶（以FMN 、FAD为辅基） FeS蛋白：通过铁的化合价互变进行电子传递 辅酶Q：脂溶性醌类化合物