生物学讲义12.docx

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生物学讲义12

一、二、三院中医本科

《医学生物学》讲义

2007年8月编写

2009年7月修订

课程绪论

一、自然界的分界

生物：

具有生命现象的物质

生物学：

研究生命现象的本质，并探究生命的发生和发展规律的科学。

二、生命科学及其分支学科的发展

19世纪以前生命科学的研究侧重于形态的描述和比较，建立起：

植物学、动物学、微生物学、解剖学、组织学、胚胎学、细胞学、生理学等分支学科

20世纪以来，物理、化学、电子、计算机技术的巨大发展，使得新技术、新方法广泛应用于生命科学领域，生物学向宏观和微观两个方向发展，从而产生了许多新兴的学科：

宏观：

植物生态学、动物生态学

微观：

生物化学、分子生物学、遗传学、免疫学、细胞分子生物学、分子免疫学、免疫遗传学、生物技术等

三、生物学与医学的关系

1.生物学及其分支学科是现代医学的重要基础理论。

2.现代医学的发展和众多医学重要课题的研究依赖于生物学及其分支学科的深入发展。

3.生物学技术广泛应用于医学实践。

四、生物学发展史上的重大事件

1.1628年英国医生Harvery.W的《心与血的运动》出版。

2.1665年英国物理学家Hooke.R用自制的显微镜观察和描述了细胞的形态。

3.18世纪中叶，英国医生Jenner首创用牛痘苗接种预防天花。

4.19世纪中期，德国科学家M.J.Schleiden和T.Schwann创立了细胞学说。

5.1859年，英国博物学家DarwinC完成《物种起源》一书，提出了进化论学说

6.1865年，奥地利科学家MendelG.通过豌豆杂交实验揭示了遗传的基本规律。

7.19世纪末20世纪初，法国科学家L.Pasteur和德国科学家R.Koch的杰出研究成果，被称为微生物学和细菌学的奠基人。

8.1929年，英国细菌学家A.Flemming发现第一个有实用意义的抗生素——青霉素。

9.1944年，Avery等人确定DNA是遗传物质。

10.1953年，Watson和Crick提出DNA双螺旋模型，揭开了现代生物学发展的序幕。

11.1965年，中国科学家率先人工合成胰岛素；同年，法国人Jacob和Monod提出并证实细菌代谢中存在操纵子。

12.1975年，美国人Temin和Baltimore发现了逆转录现象。

13.1989年，美国人Altman和Cech发现了具有酶活性的RNA。

14.1997年，英国科学家Wilmut等人通过细胞核移植技术成功克隆了一只绵羊。

15.2001年，人类基因组序列测定工作完成。

人类基因组计划

•　　现在轮到人类自身了。

1988年美国政府投资30亿美元，争取到2005年测序人体细胞23条染色体上的全部结构基因，这就是人体基因组计划。

人体基因组计划是一项国际合作的重大科技工程。

随着许多国家和企业斥巨资和人力加入，今明两年，就可以测定人体细胞中的全部10万个结构基因，不过这些基因只占人体基因的5％，还有95％属于调节或其他基因，这些基因的功能基本上还属于人类未知的领域。

1999年9月中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的1%。

中国是继美、英、日、德、法之后第6个国际人类基因组计划参与国，也是参与这一计划的唯一发展中国家。

12月1日国际人类基因组计划联合研究小组宣布，完整破译出人体第22对染色体的遗传密码，这是人类首次成功地完成人体染色体完整基因序列的测定。

克隆（clone）解

•克隆一词是由clone音译而来，在音译名出现以前曾有一个意译名--无性繁殖系，指由单一细胞或共同祖先经有丝分裂得到的细胞群体或有机群体。

可见克隆原来是个名词，指一群细胞或一群个体。

•随着分子生物学的发展，出现了核移植与基因工程之类的操作。

核移植操作可以得到重建细胞，可以繁殖成一个无性系；基因工程操作可以将某一被选定的基因拼接到质粒的复制子上，随着复制子的复制也能得到DNA分子的无性系。

于是，有人就把这类操作称作克隆，将clone一词由名词转化成动词，并将核移植称为nuclearcloning（核克隆），通过基因工程得到DNA分子的无性系称为molecularcloning（分子克隆）。

•在这里克隆是一种实现无性繁殖（asexualreproduction）的操作，是一种显微操作或分子生物学操作，而不是一般意义上的无性繁殖（或无性繁殖操作）。

这也许正是克隆一词能够存在而不被无性繁殖替代的原因。

五、生命科学领域中与医学相关的一些研究热点

1.人类基因组研究和疾病相关基因的克隆。

2.细胞信号传递机制。

3.癌的发生、治疗与预防。

4.爱滋病（AIDs）治疗和分子诊断技术的研究

5.基因信息的表达、调控、传递机制的研究。

6.生物膜和受体的研究。

7.新药的设计——生物分子三维化学结构的研究

预备知识：

生命的基本特征

一、细胞为基本结构单位（除病毒外）

二、新陈代谢

三、生长和发育

四、生殖

五、遗传和变异

六、进化

第一部分细胞生物学

第一章生命的基本单位——细胞

第一节细胞的化学成分

主要元素：

CH0N90%

少量元素：

PSCaNaMgClFe

微量元素：

CuZnMnCo

生物分子：

蛋白质、核酸、脂类、糖类

一、核酸

1869年发现，分为DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）

（一）核酸的化学组成

磷酸

核酸--核苷酸戊糖

核苷

碱基：

A、T、U、G、C

脱氧核糖（DNA）

戊糖

核糖（RNA）

DNA：

A、T、G、C

碱基

RNA：

A、U、G、C

DNA--脱氧核苷酸--脱氧核苷+磷酸

RNA--核糖核苷酸--核糖核苷+磷酸

（二）DNA的结构与功能

1.一级结构

DNA的一级结构是指DNA分子中的脱氧核苷酸的排列顺序，实质上是碱基的排列顺序，它就是遗传信息所要表达的主要内容。

真核生物的DNA分子是线性的，而细菌的一般为环形，各种生物之间的DNA分子大小不同。

人：

2.9*109bp

酵母：

13.5*106bp

2.DNA的二级结构

空间双螺旋结构，1953年由Watson和Crick提出，其内容为：

（1）是两条链的右手双螺旋，且两链反向平行。

（2）链间碱基形成氢配对A-T，G-C。

（3）每个螺旋10个碱基对，螺距为3.4nm。

（三）RNA的结构、分类

RNA的碱基是A、U、G、C，单链（在链可以有局部双链或链内双链）。

核糖核苷酸的连接方式与DNA相同。

分类：

1.mRNA（信使RNA）：

分子大小变化大，原核和真核细胞中的差别较大。

真核生物mRNA

结构：

A.5`端帽子结构

B.3`端POLYA结构（尾巴）

C.非编码区和编码区

2.tRNA（转运RNA）

3.rRNA（核糖体RNA）

4.4.Ribozyme

一类具有酶活性（催化活性）的RNA。

二、蛋白质

（一）蛋白的化学组成

蛋白质的基本单位——氨基酸，组成蛋白的氨基酸L型-氨基酸。

氨基酸：

两性电解质，等电点时电荷等于零。

蛋白质是有相临的两个氨基酸脱水缩合形成肽键。

（二）蛋白质的一级结构

蛋白质的一级结构主要是指蛋白或多肽链中氨基酸的排列顺序。

测定一个蛋白的氨基酸序列是研究蛋白的主要基础。

（三）蛋白的分类

1.根据空间结构来分：

A.纤维蛋白：

血纤维蛋白原

B.球状蛋白：

免疫球蛋白

2.根据组成成分来分：

A.简单蛋白（单纯蛋白）：

胰岛素

B.结合蛋白：

结合有非蛋白成分，称为辅基。

血红蛋白

（四）蛋白类中药研究概况

三、脂类

脂类是脂肪和类脂的总称。

包括三脂酰甘油、类脂。

（一）脂类的功能

1.储能、供能.

2.构成生物膜的主要成分。

3.转变生成多种具有重要生理功能的物质。

四、糖类

（一）单纯糖类

1.单糖

2.寡糖

3.多糖

（二）复合糖类

1.糖蛋白

2.糖脂

第二章生命的基本单位——细胞

第一节细胞的形态和原核细胞与真核细胞

一、细胞形态及大小

一般细胞的大小：

10——100微米支原体为最小的细胞：

0.1微米

鸵鸟卵细胞直径：

7——8厘米

细胞的形态多种多样，有球形、椭圆形、立方形、柱形、扁平形、星形、多边形等。

细胞在形态上的差异，与他们所处的环境条件和所执行的生理功能密切相关。

二、原核细胞的基本结构

细胞较小，结构简单，直径1——10微米，从外到内：

细胞壁（含有蛋白多糖）、细胞膜、细胞质（遗传物质所处的区域为核区，或称拟核），无膜性细胞器，有简单的非膜性细胞器，如核糖体。

代表生物：

1.支原体：

最小细胞生物，介于病毒和细菌之间的单细胞生物。

2.细菌

最广泛的原核生物，遗传物质除核区DNA外，还有质粒DNA。

3.蓝藻

4.立克次氏体

5.放线菌

二、真核细胞的基本结构

1.细胞膜

2.细胞质

3.细胞核

三、原核细胞和真核细胞异同

（一）不同

1.细胞大小2.遗传物质存在和分布3.膜性细胞器4.非膜性细胞器

5.DNA含量6.增殖方式7.蛋白合成

（二）相同：

1.独立进行生命活动，具完整细胞膜

2.细胞内均有遗传物质（DNA）。

3.蛋白合成遵循相同的遗传密码。

第一节细胞膜

细胞膜又称为质膜，基本功能是保护细胞。

单位膜：

在电镜下呈两暗一明的结构。

生物膜：

细胞膜及细胞内各种膜性结构的统称

一、细胞膜的化学成分

不同类型细胞的细胞膜具有相同的化学组成，即主要有脂类、蛋白和糖类构成，此外还有无机盐和水。

（一）膜脂

又称膜脂，约占细胞膜化学成分的50%，主要分为：

磷脂、糖脂、胆固醇，其中磷脂为主要成分。

1.磷脂

是双亲媒分子，含有极性头部和非极性尾部，其上的脂肪酸链的长短和不饱和程度与膜的流动性有密切关系。

2.胆固醇

只存在与真核细胞中，为中性脂类，也是双亲媒分子，在细胞膜中可阻止磷脂碳氢链的聚集，从而调节膜的流动性。

3.糖脂

含有一个或几个糖基的脂类，常见于动物细胞膜。

因此、膜脂是构成细胞膜的的主要物质之一，由于其具有双亲媒分子的特性，可使细胞膜分为亲水区与疏水区。

（二）膜蛋白

细胞膜所含的蛋白，约占细胞总蛋白量的25%，他们与细胞膜的各种功能有密切的关系。

1.膜蛋白分类

（1）镶嵌蛋白（内在蛋白、整合蛋白）

（2）外周蛋白（周边蛋白、外在蛋白）

2.膜蛋白存在的五种形式

（1）以单条—螺旋穿膜的蛋白

（2）以多条—螺旋穿膜的蛋白

（3）非穿越共价结合的蛋白：

与细胞质一侧的脂质烃链共价结合。

（4）与非细胞质一侧的磷脂酰肌醇共价结合的蛋白。

（5）外周蛋白：

在细胞膜两侧与镶嵌蛋白非共价结合的蛋白。

（1）和

（2）又称为跨膜蛋白。

（1）、

（2）、（3）、（4）为镶嵌蛋白，（5）（6）为外周蛋白。

膜蛋白亦为双性媒分子，露在膜内外的部分为亲水区，镶嵌与脂双层中的部分为疏水区。

（三）膜糖类

糖蛋白和糖脂，起细胞间的粘附和识别作用。

二、细胞膜的分子结构模型

流动镶嵌模型：

P25

三、细胞膜的特性：

膜分子分布

的不对称性和流动性

（一）膜分子分布不对称性

细胞膜内外两层的组成和功能有明显的差异，称之为不对称性。

1.脂双层的不对称性

（1）在脂双层中，内外层所含的磷脂种类不尽相同。

（2）糖脂全分布于非细胞质一侧

2.膜蛋白分布不对称性：

（1）跨膜蛋白跨越脂双层有一定的方向性。

（2）细胞骨架与膜结合的蛋白，只位于细胞质一侧。

（3）糖蛋白只分布在非细胞质的一侧。

（4）外周蛋白分布在细胞膜两侧，但其化学性质、结构、功能有所差异。

（二）膜分子的流动性

1.膜脂的流动性

（1）侧向扩散

（2）旋转常见的运动形式

（3）摆动

（4）翻转——少见，数小时甚至数月才有一次

影响膜脂流动的因素：

（1）脂肪酸链的长度和饱和度

（2）胆固醇的含量

（3）环境温度

（4）卵磷脂和鞘磷脂比例

（三）膜蛋白的流动性

1970年，Edidin实验证明，膜蛋白的流动主要是侧向扩散与旋转扩散，膜蛋白无翻转运动。

膜蛋白的流动速度比膜脂的流动速度慢的多。

四、细胞膜的功能

保护功能

•在细胞或细胞器中，生物膜第一个重要作用是将其内含物质与外界环境分隔开来，使之成为具有特殊功能的独立个体。

•生物膜能够保护细胞或细胞器不受或少受外界环境因素改变的影响，保持它们原有的形状和完整结构。

基本功能：

保护作用

（一）进行膜内外的物质运输（交换）

1.跨膜运输

（1）简单扩散

（2）协助扩散：

顺浓度梯度，需借助细胞膜上的运输蛋白。

A离子通道蛋白协助扩散

a.电压离子闸门通道

b.配体闸门离子通道

c.离子闸门通道

B载体蛋白协助扩散

载体蛋白是细胞膜上与特定物质运输相关的跨膜蛋白或镶嵌蛋白。

（3）主动运输

A.Na+—K+泵

实质上是Na+-K+ATP酶，Na+、K+、Mg2+存在时，能把ATP水解成为ADP，使Na+、K+逆浓度梯度通过细胞膜。

Na+-K+ATP酶分为大小亚基，大亚基是跨膜催化单位，细胞质一侧有结合部位Na+和ATP结合部位，外侧有K+和鸟苯苷结合部位，通过磷酸化和去磷酸化来转运两种离子。

B.Ca2+泵主动运输：

离子泵

C.H泵——质子泵

2.膜泡运输

（1）胞吞作用

A.吞噬作用

B.胞饮作用

C.受体介导的胞吞作用

（2）胞吐作用

结构性分泌

调节性分泌

（二）细胞信号的跨膜转导

1.化学信号及受体的基础知识

（1）化学信号分类

A、脂溶性化学信号：

可穿越细胞膜进入细胞质，与其中的受体结合成复合体，再进入细胞核与特定的DNA部位结合，调节基因转录。

甾类激素、前列腺激素、甲状腺激素。

B、水溶性化学信号

不能穿越细胞膜，通过与细胞膜上的特定受体结合，再经过信号转换，在细胞内产生第二信号传递信息。

神经递质、肽类激素、生长因子和局部化学介质。

（2）受体的基础知识

A、受体分类

（A）根据受体位置

a膜受体：

位于细胞膜上

b胞内受体：

位于细胞质、细胞核和细胞内膜系统。

（B）根据受体的结构：

a单体型受体

b聚合型受体

（C）根据信号转导方式

a离子通道型受体

b催化型受体

c与G-蛋白偶联的受体

2.信号跨膜转导机制

（1）脂溶性的化学信号分子：

能穿越细胞膜进入细胞质。

（2）水溶性化学信号分子：

“第二信使学说”

1965年，Sutherland在研究肾上腺素和胰高血糖素的作用机制时首先提出来的。

第二信使学说主要内容：

i第二信使物质：

cAMPcGMPIP3DGCa2+

iicAMP途径中的两种G-蛋白：

可被配体受体复合物活化

GS：

激活AC，cAMP水平上升

GI：

抑制AC，cAMP水平下降。

G—蛋白由、、三个亚基构成，其中的亚基具GTP酶活性,还具有GTP和GDP结合位点。

iiicAMP信使途径的作用过程

静息状态—受体-配体结合—Gsa被激活结合GTP—Gsa与AC结合并活化AC，产生cAMP引起胞内效应—Gsa分解GTP为GDP释放Pi，导致Gsa

失活，三个亚基重新聚合。

cAMP激活依赖于cAMP的蛋白激酶，活化的蛋白激酶将靶蛋白磷酸化，活化的靶蛋白再依次激活其它蛋白，产生一连串的效应。

cAMP可被cAMP磷酸二脂酶降解。

cAMP的机制：

信号的级联放大作用和G-蛋白在酶与受体间的偶联作用。

3.膜受体异常引起的疾病

（1）遗传性受体病（原发性受体病）

家族性高胆固醇血症

（2）自身免疫性受体病

甲亢

（3）继发性受体病

糖尿病

（三）细胞识别和细胞膜抗原

1.细胞识别

2.细胞膜抗原

四、细胞膜与疾病

（一）细胞膜与肿瘤

（二）受体蛋白缺损与功能不全

（三）物质运输紊乱

第三节细胞质基质

一、化学组成

（一）小分子类

（二）中分子类

（三）大分子类

二、细胞质基质的功能

第四节细胞器

一、内质网

（一）化学组成和结构

1.化学组成

由脂类和蛋白组成。

富含磷脂酰胆碱，鞘磷脂含量少。

标志酶：

葡萄糖-6-磷酸酶

2.结构

有单位膜围成的小管、小泡和扁囊状结构，构成一个连续的网状的膜系统。

内腔相通，有的与核膜相连。

不同类型的细胞中，内质网的形态变异很大。

（二）内质网的类型和功能

1.类型

（1）粗面型内质网（rER）：

扁囊

内质网膜上有核糖体连接蛋白，可与核糖体的大亚基接合。

在合成分泌蛋白的细胞中粗面型内质网发达，细胞分泌活动旺盛时，其数量增加。

粗面型内质网的发达程度是细胞分化程度和功能状态的形态学指标。

（2）滑面型内质网（sER）

分支小管和小泡，无核糖体附着，在一些特化的细胞中分布较多：

胃壁细胞、皮脂腺细胞等。

rER丰富，sER较少，反之亦然。

肝细胞中二者含量丰富，且可相互转化。

2.功能

（1）粗面型内质网的功能

其上的附着核糖体合成蛋白后，在信号肽的引导下，进入内质网腔，多数都要进行糖基化形成糖蛋白。

粗面型内质网进行糖基化产生：

N-连接的糖蛋白。

（2）滑面型内质网的功能

A、脂类的合成

B、糖原的合成与分解

C、解毒作用

D、横纹肌的收缩

E、胆汁生成

F、水和电解质代谢

（三）内质网与内源性药物

（四）内质网与疾病

浊肿现象

脱粒现象

二、高尔基复合体

1898年发现，只存在与真核细胞中，在分泌旺盛的细胞中发达，在分化程度高的细胞中也很发达。

（一）化学组成

由蛋白、脂类和多种酶组成，高尔基复合体的标志酶：

糖基转移酶。

（二）高尔基复合体的结构

是网状的膜性细胞器，由扁平囊、小囊泡和大囊泡三部分共同构成。

1.扁平囊

主体部分，有形成面和成熟面,其在形态结构、化学组成和功能上均显示出一定的极性。

2.小囊泡

由内质网产生，又称运输小泡。

3.大囊泡

浓缩泡

内质网、小囊泡、扁平囊、大囊泡和细胞膜之间的膜成分不断进行新陈代谢，并保持着动态平衡。

（三）高尔基复合体的功能

1.参与细胞的分泌活动。

2.对蛋白质的修饰加工.

（1）糖蛋白的合成与修饰。

O-连接的糖蛋白

（2）蛋白质的改造。

3.对蛋白质的分拣运输。

4.参与溶酶体的形成。

5.参与了膜流

（四）高尔基复合体与分泌性疾病

三核糖体

系非膜性细胞器，是细胞合成蛋白质的场所；病毒和哺乳动物成熟的红细胞中没有核糖体。

（一）化学组成和形态结构

1.化学组成

核糖体由蛋白质、RNA组成。

2.形态结构

颗粒状，由大、小两个亚基组成。

大亚基有中心突、柄和嵴。

附着核糖体、游离核糖体

3.功能定位

（1）A位：

氨酰基位或受位，大亚基上

（2）P位：

肽基位或供位，小亚基上

（3）肽基转移酶（T因子）位：

大亚基上

（4）GTP酶（G因子）位：

大亚基上

核糖体上还有起始因子、延长因子、释放因子的结合部位。

（二）核糖体的功能

进行蛋白质的生物合成。

1.遗传密码

mRNA分子中每相邻的三个碱基决定一个多肽链中的氨基酸，称为三联体密码或密码子。

密码子的特征：

（1）方向性：

5`3`

（2）简并性

（3）通用性

（4）不重叠

2.氨基酰-tRNA的合成由氨基酰-tRNA酶催化。

3.蛋白质的合成过程

（1）肽链合成的起始

（2）肽链的延伸

（3）肽链合成的终止与释放

（三）核糖体与异常蛋白性疾病

四溶酶体

溶酶体是膜性细胞器，由单层膜构成，内含许多酸性水解酶。

（一）化学组成

内含60多种酸性水解酶，有磷酸酶类、核酸酶类、核苷酶类、蛋白酶类、脂肪酶类和硫酸酯酶类。

酶大多是糖蛋白，活性范围为：

pH3—6，标志酶：

酸性磷酸酶。

（二）形态结构

形态多变，共同特征：

1.单层生物膜包裹

2.内含酸性水解酶

（三）溶酶体的类型

1.初级溶酶体

溶酶体中只含有酶，不含底物。

有称为原溶酶体或非活动性溶酶体。

2.次级溶酶体

初级溶酶体与底物结合的溶酶体，又称活动性溶酶体。

（1）异溶酶体

底物是外源性（细胞外）物质。

（2）自溶酶体

底物来自于细胞内物质（内源性）。

自身物质形成自噬体。

（3）后溶酶体

酶耗尽，底物有残留的次级溶酶体，又称终末溶酶体。

（四）溶酶体的功能

1.消化作用

（1）异噬作用

（2）自噬作用

2.自溶作用

细胞自溶作用

3.对细胞外物质的消化。

（五）溶酶体与疾病

1.痛风

2.矽肺

3.休克

五过氧化物酶体

单层膜的细胞器，又称过氧化酶体、过氧化氢体或微体。

主要含氧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶。

六线粒体

双层膜的膜性细胞器，通过氧化磷酸化为生命活动提供能量。

（一）形态结构

1.形态、分布

形状类型多，以圆柱状和椭球状为最多。

大小不一致，正常细胞约有1000—2000个，精子有25个左右。

代谢旺盛的细胞和细胞内区域分布较多。

2.超微结构

（1）外膜

（2）内膜

基粒：

头部、柄部、基片

（3）膜间隙

（4）基质

（二）线粒体的功能

对能源物质进行氧化，转换成高能化合物，为生命活动提供能量。

细胞氧化（细胞呼吸）过程：

1.酵解2.乙酰辅酶A生成

3.三羧酸循环4.电子传递和氧化磷酸化氧化磷酸化

线粒体主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量；与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态平衡的调控有关。

●氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）的分子基础

●氧化磷酸化的偶联机制—化学渗透假说（ChemiosmoticHypothesis,Mithchell,1961）

氧化磷酸化的分子基础

◆氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程，即有机分子中储藏的能量高能电子质子动力势ATP

◆氧化（电子传递、消耗氧,放能）与磷酸化（ADP+Pi，储能）同时进行，密切偶连，分别由两个不同的结构体系执行

◆电子传递链（electron-transportchain）的四种复合物，组成两种呼吸链：

NADH呼吸链,FADH2呼吸链

氧化磷酸化的偶联机制—化学渗透假说

◆化学渗透假说内容：

电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子沿0其传递时，所释放的能量将H+从基质泵到膜间隙，形成H+电化学梯度。

在这个梯度驱使下，H+穿过ATP合成酶回到基质，同时合成ATP,电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键。

◆质子动力势（protonmot