1、Part03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？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？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分子量分子量50KDa一、水一、水(water)(water)水是细胞内最重要的无机小分子，占细胞总重量的水是细胞内最重要的无机小分子，占细胞总重量的70%70%。大多数代谢过程都需要水参与。大多数代谢过程都需要水参与。二、无机盐（二、无机盐（inorganic saltsinorganic salts）占细胞总重量的占
2、细胞总重量的19%左右，以离子形式存在左右，以离子形式存在(Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Cu2+、cl-、HCO3-等）。等）。维持细胞内的渗透压和酸碱平衡。维持细胞内的渗透压和酸碱平衡。作为酶的辅助因子。作为酶的辅助因子。三、有机小分子三、有机小分子(Small organic molecules)(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。位。主要包括：单糖、脂肪酸、主要包括：单糖、脂肪酸、氨基酸氨基酸、核苷酸核苷酸。单糖单糖（monosaccharidem
3、onosaccharide）甘油醛甘油醛核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖单糖是构成二糖和多糖的基本单位，结单糖是构成二糖和多糖的基本单位，结构通式为（构通式为（CH2O）n，其中，其中n为为37。葡萄糖葡萄糖脂肪酸脂肪酸（fatty fatty acidacid）脂肪酸是直链脂肪烃有机酸，一般含一个羧脂肪酸是直链脂肪烃有机酸，一般含一个羧基（基（COOH），通式为），通式为CH3（CH）n COOH。磷脂磷脂功能：功能：1.1.构成细胞膜的主要成分。构成细胞膜的主要成分。2.2.分解提供能量分解提供能量氨基酸氨基酸（amino acidamino acid）氨基酸是组成蛋白质的基本单位氨基酸是组成蛋白
4、质的基本单位，组成，组成蛋白蛋白质的氨基酸只有质的氨基酸只有20种，均属于种，均属于-氨基酸。氨基酸。羧基羧基R基（侧链）基（侧链）H原子原子氨基氨基核苷酸核苷酸（nucleic acidnucleic acid）核苷酸是组成核苷酸是组成核酸的核酸的基本结构单位，每个核基本结构单位，每个核苷酸含有一个碱基、一个戊糖和一个磷酸分苷酸含有一个碱基、一个戊糖和一个磷酸分子。子。脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸A G C TA G C U核糖核苷酸核糖核苷酸第二节 细胞的大分子物质Macromolecular Substance of Cell分子量分子量 100001000000KDa 细胞细胞的大分子
5、物质有蛋白质、核酸及多糖等，它们的相对分子质量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一般为10 00010 0001 000 000kDa1 000 000kDa。分子分子质量巨大，结构复杂，功能质量巨大，结构复杂，功能多样多样。是是组成生命物质和行使生命活动的重要分子基础。组成生命物质和行使生命活动的重要分子基础。生物大分子生物大分子（biological macromoleculebiological macromolecule）一、蛋白质（一、蛋白质（proteinprotein）构成细胞的主要成分，是各种生命物质的主要结构基础。构成细胞的主要成分，是各种生命物质的
6、主要结构基础。基本结构单位：基本结构单位：氨基酸（氨基酸（amino acidamino acid）基本化学键：基本化学键：肽键（肽键（peptide bondpeptide bond）氨基酸通过氨基酸通过肽键肽键相连形成相连形成多多肽链。肽链。肽键肽键肽键肽键N端端C端端肽键肽键（一）蛋白质的结构（一）蛋白质的结构二级结构二级结构一级结构一级结构三级结构三级结构四级结构四级结构空间结构空间结构基本结构基本结构蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构（primary structureprimary structure）组成蛋白质多肽链的氨基酸的组成蛋白质多肽链的氨基酸的种类种类、数量数量和和排列排列
7、顺序顺序。是蛋白质的基本结构和功能基础。是蛋白质的基本结构和功能基础。主键：主键：肽键肽键，少量二硫键，少量二硫键 一级结构即使一个氨基酸的一级结构即使一个氨基酸的改变也改变也可能导致蛋白可能导致蛋白质空间结构的变化。质空间结构的变化。人胰岛素分子的一级结构人胰岛素分子的一级结构蛋白质蛋白质的二级结构的二级结构（secondary structuresecondary structure）在一级结构基础上，借在一级结构基础上，借氢键氢键维持的多肽链盘绕折叠形成的有规维持的多肽链盘绕折叠形成的有规律重复的律重复的空间结构空间结构。有有螺旋螺旋、折叠折叠和和三股螺旋三股螺旋3 3种基本构象。种基本
8、构象。蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构（tertiary structuretertiary structure）多肽链在二级结构基础上，进一步螺旋折多肽链在二级结构基础上，进一步螺旋折叠形成的叠形成的空间结构。空间结构。维系三级结构的化学键除氢键和二硫键外，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还依靠各氨基酸侧链之间形成的疏水键和离子键等。离子键等。蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构（quaternary structurequaternary structure）由两条或多条具有独立三级结构的肽链由两条或多条具有独立三级结构的肽链（亚基）亚基）相互作用聚合
9、而成的更复杂的相互作用聚合而成的更复杂的空空间结构间结构。不是不是所有蛋白质都所有蛋白质都具有具有四级四级结构。结构。蛋白质必须在三级结构基础上才能表现出蛋白质必须在三级结构基础上才能表现出生物活性生物活性。蛋白质的结构蛋白质的结构（二）（二）蛋白质蛋白质的功能的功能二、核酸（二、核酸（nucleic acid nucleic acid）细胞细胞内贮存和传递遗传信息的生物大分子内贮存和传递遗传信息的生物大分子物质。物质。基本结构单位：基本结构单位：核苷酸核苷酸 基本化学键：基本化学键：33，5 5 磷酸磷酸二酯键二酯键核酸的种类核酸的种类脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA)DNA)核糖核酸（核
10、糖核酸（RNA)RNA)信使信使RNA(mRNARNA(mRNA）转运转运RNA(tRNARNA(tRNA）核糖体核糖体RNA(rRNARNA(rRNA）（一）（一）DNADNA1.DNA1.DNA的结构的结构 19531953年年WatsonWatson和和CrickCrick提出提出DNADNA分子的双螺旋结构模型分子的双螺旋结构模型。AntiparellelAntiparellel（反向平行）（反向平行）Sugar-phosphate Sugar-phosphate:outside:outside basesbases:inside:inside Base pairing:Base pa
11、iring:A AT T GC GC5533 B B form:form:Right-handedRight-handed 10 10 base pairs/turn base pairs/turn 3.4 3.4 nm/turnnm/turn DiameterDiameter:2.0nm:2.0nmSmall groovelarge groove B-DNAB-DNA（右手双螺（右手双螺旋）生物体内天旋）生物体内天然状态的然状态的DNADNA绝大绝大多数以多数以B-DNAB-DNA的形的形式存在。式存在。A-DNAA-DNA和和Z-DNAZ-DNA2.DNA2.DNA的的功能功能携带和传递遗
12、传信息。携带和传递遗传信息。DNADNA复制复制转录转录mRNAmRNA翻译翻译蛋白质蛋白质DNADNA（二）（二）RNARNA 三三种类型种类型 Messenger RNA(mRNA)Messenger RNA(mRNA)信使信使RNARNA Transfer RNA(Transfer RNA(tRNAtRNA)转运转运RNARNA Ribosomal RNA(Ribosomal RNA(rRNArRNA)核糖体核糖体RNA RNA 占细胞内占细胞内RNARNA总量总量的的8080以上以上The information flow in the cell 细胞内信息传递过程细胞内信息传递过程转
13、录转录翻译翻译复制复制小小RNA:RNA:非编码非编码RNARNA 微小微小RNARNA（micro RNAmicro RNA，miRNA)miRNA)由由70-9070-90个碱基的前体经个碱基的前体经DicerDicer酶加工而成，长度酶加工而成，长度21-25nt21-25nt的单链的单链RNARNA，通过与靶基因不完全互补结合，抑制翻译或促进去除，通过与靶基因不完全互补结合，抑制翻译或促进去除mRNAmRNA的多的多聚腺苷酸尾巴调控基因表达聚腺苷酸尾巴调控基因表达。小干扰小干扰RNA(small interfere RNA(small interfere RNA,siRNARNA,si
14、RNA)25-30nt 25-30nt的双链的双链RNARNA，变性后通过完全互补配对与目标，变性后通过完全互补配对与目标mRNAmRNA结合，结合，引起其降解，从而导致基因沉默引起其降解，从而导致基因沉默。小小RNA:RNA:非编码非编码RNARNA 与与PIWIPIWI相互作用相互作用的的RNARNA（piwi-interacting RNApiwi-interacting RNA，piRNApiRNA）26-31 26-31个核苷酸组成的单链小个核苷酸组成的单链小分子分子RNARNA 主要在生殖细胞和主要在生殖细胞和干细胞干细胞中中 与与PIWIPIWI蛋白家族相互作用调控蛋白家族相互作
15、用调控基因基因沉默沉默 核内小核内小RNARNA（small nuclear RNA,snRNAsmall nuclear RNA,snRNA）真核生物转录后加工过程中真核生物转录后加工过程中RNARNA剪接体的主要成分，参与剪接体的主要成分，参与mRNAmRNA前体前体的加工过程。的加工过程。7070300300个核苷酸。个核苷酸。小小RNA:RNA:非编码非编码RNARNA 核仁小核仁小RNARNA（small nucleolar RNAsmall nucleolar RNA，snoRNAsnoRNA）大小一般几十至几百个核苷酸，富集于核仁区。功能：大小一般几十至几百个核苷酸，富集于核仁区
16、。功能：rRNArRNA前体前体的加工；指导的加工；指导rRNArRNA中核苷酸甲基化位点的形成；指导中核苷酸甲基化位点的形成；指导rRNArRNA中尿嘧啶中尿嘧啶向假尿嘧啶的转换；参与向假尿嘧啶的转换；参与rRNArRNA高级构象的形成。高级构象的形成。长链非编码长链非编码RNARNA（lncRNAlncRNA）大于大于200nt200nt，位于细胞核或细胞质中，不具备蛋白质编码功能。功，位于细胞核或细胞质中，不具备蛋白质编码功能。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；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
17、控；干细胞的多能性；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。体细胞重编程的调控等。核酶（核酶（ribozymeribozyme）具有具有酶活性的小酶活性的小RNARNA分子。分子。功能功能：核酶的底物是：核酶的底物是RNARNA分子，分子，它们通过与序列特异性的靶它们通过与序列特异性的靶RNARNA分子配对而发挥作用。分子配对而发挥作用。类型类型：自体催化剪切型、异体催：自体催化剪切型、异体催化化剪切剪切型、型、第一第一组内含子自我剪组内含子自我剪接、第二组内含子自我剪接以及接、第二组内含子自我剪接以及锤头状核酶锤头状核酶等等。DNA和和RNA的比较的
18、比较DNARNA戊糖戊糖脱氧核糖脱氧核糖核糖核糖碱基碱基A、G、C、TA、G、C、U磷酸磷酸 相相 同同结构结构双螺旋双螺旋单链或假双链单链或假双链分布分布细胞核为主细胞核为主细胞质为主细胞质为主功能功能储存遗传信息储存遗传信息传递和调控遗传信息传递和调控遗传信息 小小 结结 细胞的小分子物质细胞的小分子物质 掌握：氨基酸、核苷酸掌握：氨基酸、核苷酸 细胞的大分子物质细胞的大分子物质 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；核酸的结构与功能功能 复习复习思考题思考题 蛋白质的分子结构有何特点？蛋白质的分子结构有何特点？不同类型的核酸在组成
19、、结构、分布和功能上有何区别？不同类型的核酸在组成、结构、分布和功能上有何区别？DNADNA双螺旋结构模型的主要内容和生物学意义是什么？双螺旋结构模型的主要内容和生物学意义是什么？小小RNARNA的类型及其功能的类型及其功能 核酶的概念核酶的概念Part05细胞膜Cell Membrane细胞膜有何特性？细胞膜有何特性？通过细胞膜进行的物质运输方式有哪些？通过细胞膜进行的物质运输方式有哪些？细胞膜（细胞膜（cell membranecell membrane）：构成细胞外层界膜的单位膜，又称质：构成细胞外层界膜的单位膜，又称质膜。膜。细胞内膜（细胞内膜（Intracellular membra
20、neIntracellular membrane）：核膜和构成各种细胞器：核膜和构成各种细胞器的膜。的膜。生物膜（生物膜（BiomembraneBiomembrane ）：细胞膜和细胞内膜统称为生物膜。：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 Membrane一、膜的化学组成一、膜的化学组成（Chemical CompositionChemical Composition）主要由主要由蛋白质蛋白质、脂类脂类和和糖类糖类组成，此外还有水、无机盐和金属组成，此外还有水
21、、无机盐和金属离子等。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。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不同生物膜的化学组分（一）膜脂（一）膜脂 Membrane LipidsMembrane 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。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。包括包括磷脂磷脂、胆固醇胆固醇和和糖脂糖脂，以，以磷脂磷脂为主为主1 1.磷脂（磷脂（phospholipidphospholipid）主要的磷脂：磷酸甘油脂主要的磷脂：磷酸甘油脂（PhosphoglyceridePhosphoglyce
22、ride）和）和鞘磷脂（鞘磷脂（sphingolipidssphingolipids）最最简单的磷酸甘油脂是简单的磷酸甘油脂是磷磷脂酸脂酸。磷磷 酸酸甘甘 油油脂肪酸脂肪酸极性极性头部头部非极性非极性尾部尾部（一）膜脂（一）膜脂 Membrane LipidsMembrane Lipids1 1.磷脂（磷脂（phospholipidphospholipid）主要主要有有PC PC（磷脂酰胆碱）、（磷脂酰胆碱）、PEPE（磷脂酰乙醇胺）、（磷脂酰乙醇胺）、PSPS（磷脂（磷脂酰丝胺酸）、酰丝胺酸）、SMSM（鞘磷脂）。这种具有亲水性头部和疏水性尾（鞘磷脂）。这种具有亲水性头部和疏水性尾部的分子称
23、为部的分子称为双亲媒性分子（兼性分子）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脂双层在水环境中存在的三种形式：单分子团单分子团 头部头部亲水亲水 尾部尾部疏水疏水 双分子层双分子层脂质体脂质体脂质体（脂质体（liposomeliposome）为为避免双分子层两端疏水尾部与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趋势，形成一种自我封闭而稳定的中空结构。的中空结构。研究膜脂与膜蛋白及其生物学性研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；脂质体中裹入质；脂质体中裹入DNA
24、DNA可用于基因可用于基因转移；在临床治疗中，脂质体作转移；在临床治疗中，脂质体作为药物或酶等载体。为药物或酶等载体。2.2.胆固醇（胆固醇（cholesterolcholesterol）极性羟基固醇环非极性脂肪酸链极性羟基固醇环非极性脂肪酸链双亲媒性分子双亲媒性分子 胆固醇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，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。对膜脂的物理状态具有调节作用。3 3.糖脂（糖脂（GlycolipidsGlycolipids）为含一个或几个糖基的脂类。为含一个或几个糖基的脂类。大约占外层脂类分子的大约占外层脂类分子的
25、5%5%左右。左右。（二）膜蛋白（二）膜蛋白Membrane proteinsMembrane proteins 跨膜蛋白跨膜蛋白（transmembrane proteintransmembrane protein）：又称膜整合内在蛋白、镶嵌）：又称膜整合内在蛋白、镶嵌蛋白，具有受体、载体、酶的作用；蛋白，具有受体、载体、酶的作用；膜周边蛋白膜周边蛋白(peripheral protein)(peripheral protein)：又称膜外在，具有支架、收缩、：又称膜外在，具有支架、收缩、调节作用。调节作用。膜锚定蛋白膜锚定蛋白（lipid-anchored proteinlipid-anc
26、hored protein）：又称脂连接蛋白。）：又称脂连接蛋白。Six Six ways in which membrane proteins associate ways in which membrane proteins associate with the lipid bilayer.with the lipid bilayer.跨膜蛋白和膜周边蛋白比较跨膜蛋白和膜周边蛋白比较跨膜蛋白跨膜蛋白70%70%80%80%镶嵌于膜脂双分镶嵌于膜脂双分子层中子层中去垢剂去垢剂受体、载体、酶受体、载体、酶等作用等作用膜周边蛋膜周边蛋白白20%20%30%30%主要分布于膜内主要分布于膜内侧侧改
27、变溶液的离子强改变溶液的离子强度或度或PHPH值及加入金值及加入金属螯合剂等属螯合剂等起机械支持、收起机械支持、收缩、调节催化等缩、调节催化等作用作用（三）膜糖（三）膜糖 构成构成细胞被。细胞被。糖蛋白糖蛋白(glycoprotein)(glycoprotein)糖脂糖脂(glycolipid)(glycolipid)主要分布于细胞膜外表面。主要分布于细胞膜外表面。膜脂膜脂生物膜基本骨架膜蛋白膜蛋白多种方式与脂双层结合膜糖膜糖质膜外表面磷脂磷脂胆固醇胆固醇糖脂糖脂膜整合蛋白（镶嵌蛋白）膜整合蛋白（镶嵌蛋白）膜外在蛋白（周边蛋白）膜外在蛋白（周边蛋白）与脂类结合与脂类结合-糖脂糖脂与蛋白结合与蛋
28、白结合-糖蛋白糖蛋白细胞膜的基本骨架细胞膜的基本骨架二、膜的分子结构二、膜的分子结构（Molecular StructureMolecular Structure）液态镶嵌液态镶嵌模型模型(fluid mosaic model)fluid mosaic model)S.J.SingerS.J.Singer and and G.NicolsonG.Nicolson(1972)(1972)脂双层脂双层构成膜的连贯主体，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。强调了体的流动性。膜中蛋白质分
29、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。膜的流动性和膜蛋白与脂类分子间的镶嵌关系。该该模型优点：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。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。用。“晶格镶嵌模型晶格镶嵌模型”和和“板块镶嵌模
30、型板块镶嵌模型”对其补充。对其补充。脂筏脂筏模型模型(lipid raft model)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，大小约中聚集一些特定种类的膜蛋白，大小约70nm70nm，是一种动态结构，位于细，是一种动态结构，位于细胞膜的外侧。胞膜的外侧。三、膜的主要理化特性三、膜的主要理化特性（physicochemical
31、physicochemical propertyproperty）（一）膜的不对称性（一）膜的不对称性（asymmetryasymmetry）膜膜蛋白分布的不对称性蛋白分布的不对称性 膜膜脂分布的不对称性脂分布的不对称性（二）膜的流动性（二）膜的流动性（fluidityfluidity）1 1.膜脂的流动性（膜脂的流动性（Fluidity of membrane lipidFluidity of membrane lipid）膜脂双分子层是二维流体膜脂双分子层是二维流体 液晶态的膜处于流动状态，与运动状态的膜蛋白协同完成膜的液晶态的膜处于流动状态，与运动状态的膜蛋白协同完成膜的各项功能活动。各
32、项功能活动。The lateral diffusion of membrane lipids can demonstrated experimentally by a technique called Fluorescence Recovery After Photobleaching(FRAP).2.2.膜蛋白的运动性（膜蛋白的运动性（motility of membrane motility of membrane proteinprotein）（1 1）侧向扩散侧向扩散 膜膜蛋白在膜脂中可以自由漂浮蛋白在膜脂中可以自由漂浮和在膜表面扩散和在膜表面扩散（2 2）旋转）旋转扩散扩散 膜膜蛋白能围绕与膜平面相垂直蛋白能围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动的轴进行旋转运动（三）影响膜流动性的（三）影响膜流动性的因素因素 脂肪酸脂肪酸链的长度链的长度 脂肪酸链的饱和程度脂肪酸链的饱和程度 胆固醇的影响胆固醇的影响 卵磷脂与鞘磷脂的比值卵磷脂与鞘磷脂的比值 膜蛋白的影响膜蛋白的影响 其他因素：环境温度、其他因素：环境温度、pHpH、离子强度、金属离子、离子强度、金属离子THANK YOU感谢聆听，批评指导
