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细胞分子生物学讲义
扬州大学兽医学院
二○○九年九月
第一章 细胞与生物大分子
一、 细胞的分类
1、原核细胞（prokaryotic cell）：没有细胞核。主要包括真细菌、古细菌。 古细菌长生活于极端环境中，如厌氧、嗜盐、嗜热。
2、真核细胞（eukaryotic cell）： 有细胞核。主要包括原生生物、真菌、动物和植物。
二、细胞的基本组成
细胞质：是细胞的粘性成分，包括蛋白质、核糖体、代谢物和离子。其中，核糖体是蛋白质加工的场所。
质膜：是细胞质周围的膜结构，由磷脂双分子层结构。磷脂双分子结构也是其他生物膜的基本组成形式。 DNA：是遗传物质。真核细胞具有多个DNA分子，位于细胞核和线粒体上；原核细胞只有一个DNA分子，并且核区和细胞质间没有特定的界限。
（一）原核细胞结构
1、细胞壁：防止细胞在低渗环境中裂解
2、质膜：磷脂双分子层，膜上蛋白质可以允许小分子出入 3、遗传物质：类核（单链、环状）、质粒 4、核糖体：蛋白质加工的场所 5、纤毛：黏附、性别 6、鞭毛：细胞移动 （二）真核细胞结构
1、细胞核：DNA转录和RNA加工的场所
2、线粒体：细胞呼吸即营养物质氧化以ATP形式产生能量的场所 3、叶绿体：光合作用
4、内质网：滑面内质网、粗面内质网
5、微体：溶酶体、过氧化物酶体、醛氧化酶体 （三）细胞器的分离
1、细胞破碎（低渗休克、机械剪切、非离子去垢剂处理等） 2、离心分离细胞器（差速离心、密度梯度离心等） 3、纯度鉴定（电镜观察、细胞器特异酶活性测定） 三、细胞分化
一个真核细胞分裂产生的子代细胞既可以完全相同，也可以通过改变基因表达的格局，形成功能不同于母代细胞的子代细胞，这一过程称为细胞分化。
对于原核细胞和低等真核细胞来说，孢子化是典型的细胞分化。对于复杂的多细胞生物而言，胚胎细胞的分化能形成肌肉细胞、神经细胞、肝细胞和肾细胞等高度特定化的细胞。
细胞的分化由发育控制基因负责调节。多细胞生物不同组织和器官活动的相互协调，主要通过信息分子之间的信息交流来控制。
四、生物大分子 1、蛋白质
蛋白质是氨基酸的聚合体，由不同的氨基酸通过肽键连接而成。蛋白质具有结构和功能上的重要性，其结构和特点将在以后章节中叙述
2、核酸
核酸（nucleic acid）是核苷酸的聚合体，包括核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。
核苷酸（nucleotide）又由碱基、五碳糖（或称戊糖）和磷酸组成。 核酸负责遗传物质的储存与加工，但信息的表达需要蛋白质的合成。 3、多糖
是共价糖苷键相连的单糖聚合体，主要作为糖的储存形式和细胞的结构成分。
纤维素和淀粉都是葡萄糖的聚合体，前者是以β-1、4糖苷键相连的线性聚合体，为植物细胞壁的主要结构成分，后者是葡萄糖的储存形式，存在于较大的细胞颗粒中，这些颗粒能被很快降解，以便释放代谢所需的能量。
糖原是真菌和动物细胞的 葡萄糖储存形式。
几丁质(壳多糖)存在于真菌细胞壁和昆虫、甲壳纲的外壳中，结构与纤维素相似，单体是N-乙酰葡糖胺。
粘多糖高度粘稠，其溶液呈胶冻状。 4、脂类
脂类分子的本质是碳氢化合物，水中可溶性差，参与能量的储存与运输，是胞浆膜、保护性外壳和其它细胞结构的组分 甘油酯：甘油分子酯化的长链脂肪酸。
动物甘油三脂的脂肪链是线性的，分子可以紧密包裹，形成固体的脂肪；植物油含有一个或多个双键的不饱和脂肪酸，折转（带有一定角度）的链状结构阻碍了分子的紧密包裹，所以在室温下表现为液体。
磷脂：两个脂肪酸和一个磷酸分子相连的甘油组成。
鞘脂：长链氨乙醇鞘氨醇含有一个与酰胺键相连的脂肪酸。 鞘磷脂：神经酰胺与磷酸胆碱连接成。 5、复杂大分子
由一种以上生物分子以共价键或非共价键连接而成的，结构和功能更复杂多样的生物大分子。
核蛋白：核酸+蛋白 糖蛋白：蛋白+糖
蛋白聚糖：蛋白质+粘多糖 脂联蛋白、脂蛋白、糖脂等 五、生物大分子的装配 1、蛋白质复合体
如细胞骨架，负责细胞形态的维持、细胞的运动和细胞器在细胞内的分布，由微丝、微管和中间纤维等组成。微丝主要结构成分是肌动蛋白，后者与肌球蛋白形成的收缩性装配与细胞浆的泳动有关；微管是由细长的微管蛋白（110kDa球状蛋白）聚合而成的聚合体，组成细胞骨架的中间微丝含有角蛋白等多种蛋白质，具有加强细胞结构等功能。
2、核蛋白
由核酸和蛋白质共同组成。
核糖体：胞浆内较大的核糖核蛋白复合体，也是蛋白质合成的部位。
大肠杆菌的70S核糖体由50S和30S两个亚单位组成，前者包括1个23S RNA、1个5S RNA和31个不同的蛋白质分子，后者含有1个16S RNA分子和21个蛋白质分子。
核小体：染色质的基本结构单位，包括200bp左右的DNA、一个组蛋白八聚体及一个分子的组蛋白H1。
3、胞浆膜 在水相环境中，磷脂和鞘脂能自然形成所谓的脂质双层，其外侧为极性基团，内部为非极性烃链，是所有生物膜的结构基础。
蛋白质也是细胞膜的主要成分
-外周膜蛋白：松散地结合在胞浆膜的外表 -整合型膜蛋白：嵌镶在细胞膜内
-跨膜蛋白横：横跨整个细胞膜，具有疏水性跨膜氨基酸区域 膜蛋白主要功能：受体作用；酶作用，降解细胞外分子；选择性运输的孔道；细胞间相互作用的介质 。
4、非共价结合
1）盐桥作用：生理pH下，离子化基团之间能通过相反电荷的相互吸引结合。如带负电荷的DNA磷酸基与带正电荷的DNA结合蛋白（如组蛋白）的结合。
2）极性之间的作用：电荷不对称分布，导致偶极分子之间以电荷-偶极和偶极-偶极的方式相互作用，但其结合力较弱。不带电荷的基团，由于其电子的运动可以产生瞬时的偶极，也可以发生弱的结合。
3）范德瓦耳斯力（Wander Waals force）：电中性分子之间的非共价结合，氢键起重要作用。
4）疏水作用：非极性分子在水相环境中。
第二章 蛋白质结构
一、氨基酸
蛋白质是L-氨基酸的聚合物。除了脯氨酸外，蛋白质中已发现的所有氨基酸都有一个共同的结构，即与一个羧基相连的α-碳原子、一个氨基、一个质子和一个随氨基酸不同而异的侧链。
除了甘氨酸外，所有的α-碳原子均具有手性
少数蛋白质含有所谓的非标准氨基酸，后者通过转译后修饰形成，如胶原中的4-羟脯氨酸和5-羟赖氨酸。
根据侧链的不同对氨基酸进行分类 1、带电荷的侧链：
? 酸性氨基酸：通常带有离子化外的额外的羧基（带负电荷），如天冬氨酸、谷氨酸。
? 碱性氨基酸：带有正电的基团，如赖氨酸有亚氨基连接在ε-碳原子上，精氨酸则有一个胍基。
? 酸性和碱性氨基酸可以组成蛋白质中重要的盐桥。 2、不带电的极性侧链
? 不带电的极性侧链氨基酸含有可与水形成氢键的基团，如丝氨酸、苏氨酸。 ? 与带电氨基酸一起，常被称为亲水氨基酸。 3、非极性脂肪烃侧链
如甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸等