结构生物化学/细胞器
结构生物化学通过多种方式在生物体细胞的功能中发挥着至关重要的作用，其中之一是细胞中的细胞器。正是通过生命分子（以及一些非生命分子）的结构和功能，如 核酸、氨基酸、嘌呤 和 脂类，生命才得以存在。
生物体的某些特性包括高度的化学复杂性和微观结构、从环境中提取、转化和利用能量的系统、自我复制和自组装、感知和响应环境变化、定义每个组件的功能以及它们之间的调节，以及进化变化的历史。
细胞器是细胞的组成部分，它们合成新物质、回收旧物质、运输分子以及其他任何对确保细胞的生存和繁殖至关重要的活动。细胞器整合了包括核酸、氨基酸、碳水化合物和脂类在内的所有广泛的有机分子，以产生一个可行的细胞。
如前所述，"脂质双层" 形成细胞膜，包含膜蛋白质 和 胆固醇。膜蛋白在膜功能中起着至关重要的作用，而胆固醇在膜内起着结构作用。
有两种类型的蛋白质膜
- 整合膜蛋白：位于膜内
- 外周膜蛋白：与膜结合
细胞膜通常被称为镶嵌体。膜中的蛋白质决定了大多数膜的特定功能。这些蛋白质分为整合蛋白和外周蛋白。整合蛋白可以执行许多功能，例如充当跨膜蛋白，为膜提供亲水通道。整合蛋白还可以充当化学信使（如激素）的受体位点。酶 也可能存在于脂质双层中，其活性位点暴露于相邻溶液中的物质。细胞骨架的元素也可能与膜蛋白结合；这种功能有助于维持细胞结构。这些膜蛋白的结构也可能是非螺旋或β折叠。由于疏水相互作用，α螺旋的疏水残基不会暴露在水性环境中。β折叠形成一个空心的圆柱形结构，其中内部是亲水的。圆柱形结构是由β折叠末端未满足的 氢键 驱动的。通过自身缠绕，β折叠能够满足所有氢键。
质膜蛋白执行的主要功能是
- 转运：一些膜蛋白提供选择性的亲水通道，用于交换物质。
- 酶活性：膜蛋白也可能是有酶，其活性位点暴露在周围的溶液中。
- 信号转导：膜蛋白可能充当受体，具有特定的结合位点，允许与化学信使完美结合，这会导致蛋白质改变形状，并允许它将信息传递到细胞内部。
- 细胞-细胞识别：一些糖蛋白允许其他细胞的膜蛋白进行特异性识别。
- 细胞间连接：相邻细胞的膜蛋白可能在不同的连接中连接在一起。
- 附着在细胞骨架和细胞外基质 (ECM) 上：膜蛋白可以与细胞骨架的元素非共价结合，以维持细胞形状并稳定某些膜蛋白的位置。
胆固醇调节真核细胞中膜的流动性。将胆固醇通过疏水和亲水相互作用掺入细胞膜的能力，使胆固醇能够破坏双层内的磷脂相互作用。由于原核细胞没有胆固醇来调节流动性，因此这些细胞依赖于脂肪酸链的饱和水平和长度的变化。链越短，饱和度越高，膜将变得越僵硬（因为长链和饱和链可以更紧密地相互作用）。
该模型声称脂质层在细胞膜中起着重要作用。细胞膜充当整合膜蛋白的溶剂，并且它也充当屏障，将细胞内的细胞活动与细胞外空间隔开。可渗透屏障调节进入细胞的物质。这种流体镶嵌模型受上述胆固醇浓度和脂肪酸链的影响。
- 片状结构
- 由脂质双层和蛋白质形成
- 脂类与蛋白质的不同比例将对应于不同的细胞类型和细胞器，这赋予它两亲性。
- 非共价组装包括范德华力、氢键和疏水相互作用。
- 不对称
- 蛋白质的取向是固定的，不会在内层或外层之间互换。
- 流体结构
- 由于带电荷的头部基团，电极化。
核糖体 是核酸 翻译和蛋白质 合成的场所。核糖体的直径约为 20 纳米，由核糖体 RNA 和蛋白质组成。在原核细胞中，它们可以自由漂浮在细胞质中，不附着在任何细胞器上。在真核生物中，核糖体可以存在于粗面内质网上。粗面内质网 由于其表面上的核糖体而得名，呈现出点状的外观。粗面内质网上的核糖体产生的蛋白质被送到内质网的腔内，在那里被修饰。然后蛋白质被装载在囊泡中运送到高尔基体，在那里蛋白质会进一步被修饰。
首先，来自 DNA 的遗传密码被转录成互补的链，称为信使 RNA (mRNA) (mRNA)，由DNA 聚合酶 完成。在原核生物中，mRNA 从拟核中移出，并与细胞质中自由漂浮的核糖体结合。然而，在真核生物中，mRNA 在细胞核中产生，并被转运穿过核膜进入细胞质。这个过程被称为易位。在接下来的步骤中，称为翻译，mRNA 附着在核糖体上，mRNA 上的密码子与位于转移 RNA (tRNA) 分子上的互补核苷酸碱基（反密码子）匹配。氨酰 tRNA 合成酶通过一系列酯化反应将 tRNA 密码子与相应的氨基酸匹配。核糖体 RNA 通过使用 RNA 聚合酶来合成蛋白质。这会使蛋白质延长，直到终止密码子终止蛋白质合成链。蛋白质的合成总是从 N 端到 C 端进行。DNA 复制也遵循 5' 到 3' 的方向。
如上所述，细胞膜 是一个选择性渗透屏障，允许离子和小分子进出细胞。换句话说，并非所有分子都能穿过细胞膜。在细胞分裂期间，细胞膜的完整性不会受到任何损失。随着细胞的生长，新的脂质和蛋白质分子被插入到细胞的质膜中。
原核生物通常没有分隔的细胞器。细胞的 DNA 和核糖体与细胞质自由漂浮，细胞质被细胞膜包围。原核细胞通常比真核细胞小一百倍。
在拟核中，染色体 DNA 缠绕在结合蛋白周围。“DNA 聚合酶复制和 RNA 聚合酶转录在拟核内同时发生。”[1]
鞭毛（菌毛）是一种从表面伸出的细小结构。它们由一种称为菌毛蛋白的单一蛋白质组成。鞭毛的功能包括 DNA 转移、结合表面和运动。鞭毛能够附着在基质上。一种类型的鞭毛被称为性菌毛，它将“雄性”供体细胞附着在“雌性”受体细胞上，以进行 DNA 转移。这个过程被称为接合。
真核生物包括动物、植物、真菌和原生生物。它们通常比原核细胞更复杂。细胞内有许多由膜包裹的隔室化细胞器，允许各种反应发生。真核细胞通常比原核细胞大得多，通常是原核细胞的 100 倍。真核生物中每个细胞器都在细胞中发挥着特定的功能。
细胞核是区分真核细胞和原核细胞的主要细胞器之一。它是一个具有特定功能的封闭隔室。它包含染色质。细胞核包含核仁（核糖体组装的场所）。核糖体RNA 与核糖体蛋白结合形成核糖体亚基。细胞核包含 DNA，其中包含编码蛋白质、抗体和执行细胞基本功能的分子合成的基因。核膜包含核孔复合体，允许物质进出膜。它们还将 mRNA 输出出细胞核。 [2]
内质网有两种类型：光面内质网和粗面内质网。光面内质网是脂质合成和一些有害化合物解毒的场所。粗面内质网是跨膜蛋白或分泌蛋白易位的地方。核糖体位于粗面内质网而不是光面内质网，因为蛋白质在其氨基末端有一个疏水信号序列。内质网也是蛋白质修饰的地方。
线粒体（单数：线粒体）参与细胞能量产生。它在执行氧化呼吸方面起着作用，几乎存在于所有真核生物中。线粒体还通过氧化呼吸产生 ATP。它也有外膜和内膜。线粒体的 DNA 和核糖体与细菌的 DNA 和核糖体有相似之处。
不属于内质网的蛋白质现在会移动到高尔基体。高尔基体复合体具有膜堆叠（池），每个池都包含独特的酶。碳水化合物在蛋白质穿过池时可能会被修饰。离开高尔基体复合体的囊泡可能与细胞膜融合。
中心体参与一个称为核分裂的过程。它们很小，能自我复制，并位于细胞核附近的细胞质中。这些细胞器存在于动物细胞的细胞核附近。
细胞壁位于细胞膜外，是一个坚韧的层，为细胞的其他部分提供结构支撑和保护。细胞壁存在于植物、真菌、藻类、一些古细菌和细菌细胞中，但不存在于动物细胞中。细胞壁赋予细菌细胞形状和刚性，并有助于它承受由于渗透压而产生的细胞内膨压。
叶绿体只存在于光合真核生物中。它们将太阳光能转化为 ATP 和还原的 NADPH。古代蓝细菌演变成了叶绿体。换句话说，蓝细菌是叶绿体的祖先。叶绿体有外膜、内膜和类囊体膜。一些藻类的叶绿体在这些膜之外还有更多的膜。叶绿体通常存在于叶肉细胞中，也就是叶子的内部组织中。叶绿体是盘状结构，直径通常在 2-7 微米之间，厚度为 1 微米。叶绿素 *a* 和 *b* 是位于植物叶绿体内的绿色色素，赋予植物典型的绿色。在光合作用过程中，二氧化碳通过称为气孔的微小孔进入叶片，氧气作为副产品通过气孔离开。存在于叶绿体内的致密液体被称为基质，其中包含几个相互连接的膜囊，形状像扁平的圆盘，有自己的隔室，称为类囊体。在植物中，类囊体排列成堆叠的形式，称为基粒。大多数其他光合生物和一些 CTemplate:Sub 植物叶绿体具有非堆叠的类囊体。这些隔室内的空间被称为类囊体腔。类囊体的膜包含细胞的叶绿素。
液泡充当细胞的储存中心，储存食物和其他必需材料。液泡还有其他功能，包括去除不需要的结构材料，容纳多种废物和小型分子（这可能涉及隔离细胞中潜在有害的产物），将不需要的材料从细胞中运出，以及维持酸性的内部 pH 值和恒定的内部压力。在植物中，中央液泡通常是所有细胞器中最大的一个隔室，占据了细胞体积的大部分。这个巨大的隔室被一层称为液泡膜的膜包裹，液泡膜对细胞质中的某些溶质具有选择性渗透性。液泡内部的溶液被称为细胞液，其成分与细胞质不同。一些植物液泡含有色素，使细胞呈现颜色，例如在授粉季节，植物需要吸引不同的生物来进行授粉。植物通过调节进入和离开液泡的水量来维持内部压力，从而维持其结构。通过水渗透作用，水扩散到液泡中，对细胞壁施加压力。如果水分流失过多，这种对细胞壁的压力就会消失，细胞就会坍塌。因此，细胞也有助于维持细胞的大小。植物液泡的另一个重要特征是，扩大的中央液泡可以对细胞中的其他隔室施加一定的压力，并将它们推向细胞膜，从而形成一种结构，使细胞能够吸收更多的太阳能。
9. 溶酶体
[edit | edit source]溶酶体是膜包裹的细胞器，帮助真核细胞从大分子营养物质中获得营养。它们含有水解酶。溶酶体消化和吞噬作用有助于真核细胞，因为它们增加了膜表面积。在真核生物中，溶酶体允许细胞内消化穿过溶酶体膜进入细胞质。溶酶体是细胞的“垃圾桶”。
10. 过氧化物酶体
[edit | edit source]过氧化物酶体是细胞去除潜在毒素的中心。过氧化物酶体本身就是一个氧化酶的容器，它从某些有机物质中去除氢原子，生成过氧化物，过氧化物本身是有害的。这种过氧化物用于氧化潜在有害物质，例如酒精。
细胞隔室
[edit | edit source]1. 进化
[edit | edit source]在进化过程中，细胞开始发展成两个隔室：外部和内部水性隔室。拥有内部水性隔室的优势在于，它可以更好地将细胞器与外部环境隔离开来。因此，在进化的过程中，每个细胞器都能够在这个水性隔室中发展和完善其结构和功能上的差异。“脂质双层”（将在后面讨论）作为保护屏障，允许细胞外部和内部隔室进行亲水性相互作用，同时通过其疏水性内部结构保持足够的刚性。内部水性隔室最终变成了细胞质，它在进化过程中发挥着与过去相同的目的。
2. 脂质体
[edit | edit source]脂质体本质上是脂质囊泡，被环状磷脂双层包裹。它们与其他磷脂囊泡形成相同的结构：内部疏水性尾部远离水溶液，外部亲水性头部朝向水溶液。脂质体是通过超声处理过程形成的，这种过程会导致封闭的隔室内产生离子和小分子。它们可以用来研究某些膜的渗透性以及不同细胞中发现的离子或溶质的转运。
3. 脂质双层
[edit | edit source]脂质双层在水性环境中以自发的、自组装的方式形成。它独特的性质允许形成封闭的隔室。这种被称为脂质双层的片状双分子结构在能量上是有利的，因为疏水性相互作用。如前所述，磷脂作为膜脂质的主要类别，是两亲性分子，存在于水溶液中。来自两层磷脂双层的疏水性尾部相互作用，形成疏水性中心。同时，亲水性头部彼此排列，在双层两侧形成亲水性涂层，并将内部隔室与外部环境隔离开来。
膜运动
[edit | edit source]A. 横向扩散
[edit | edit source]生物膜的横向扩散，或横向运动，说明了膜并非僵硬和静止的。事实上，膜并不稳定。有一种被称为光漂白后荧光恢复 (FRAP) 的技术可以帮助可视化膜蛋白的横向扩散。实验的例子如下：1) 用荧光标记特定的细胞成分。2) 使用强烈的激光束来漂白或破坏荧光标记的细胞表面的一小部分。3) 随着未漂白膜蛋白的横向扩散进入已被漂白的区域，漂白的强度会恢复。
B. 跨膜扩散
[edit | edit source]跨膜扩散描述了分子从膜的一侧移动到另一侧的过程。与横向扩散的快速运动相比，跨膜扩散的速度要慢得多。维持膜结构不对称性的原因是，为了从膜的一侧跨越到另一侧，需要克服更大的能量障碍。
细胞的循环过程
[span>edit | edit source]1. 细胞分裂
[edit | edit source]细胞分裂是一个细胞分裂并复制的过程。在原核生物中，细胞通过二元分裂进行分裂。在真核生物中，这个过程更加复杂，分为三个步骤或时期。细胞在间期生长，期间它吸收营养物质用于有丝分裂和 DNA 复制。然后细胞进入有丝分裂期。在有丝分裂过程中，细胞分裂成两个不同的子细胞。此外，其细胞核中的染色体也将分成两个等效的部分，分别进入两个独立的细胞核。最后，细胞在胞质分裂过程中完成分裂。
2. 细胞衰老
[edit | edit source]衰老是由于我们细胞中各种分子，包括蛋白质、脂类和核酸，持续受损造成的。这种损伤的发生有内在和外在的原因。外在原因的例子是氧气，氧气被认为是人类的必需品。然而，当氧气只吸收一两个电子，使其变得有反应性时，这种氧气分子会损伤脂类，使基因突变，并破坏蛋白质，最终导致细胞损伤。另一方面，内在原因与细胞退休有关。根据数据，细胞在分裂大约 50 次后就会停止工作。这种现象可能可以追溯到细胞复制其染色体到子细胞的时期。然而，染色体的最末端不会被复制，因此子细胞的染色体比母细胞的染色体要短。端粒位于细胞染色体的末端，提供遗传信息，这些信息与母体染色体剩余部分的信息相同。然而，当细胞的端粒缩短到最小尺寸时，细胞就会停止分裂并失去功能。右侧的图片展示了 46 个人类染色体中的端粒。
细胞死亡有两种类型：凋亡和坏死。凋亡是由细胞自身通过调节而进行的自毁，是程序性细胞死亡。首先，细胞会缩小，并从其邻近细胞中分离。之后，细胞表面破裂成碎片，细胞核也会崩溃。最后，整个细胞会解体。一些细胞器会清理残骸。在凋亡过程中，不需要的细胞或退休的细胞会被有效地消除，不会造成疼痛。凋亡在我们体内扮演着重要的角色，它是一种自毁机制。当我们体内的一些细胞受到感染时，凋亡可以帮助消除它们，以避免病毒扩散到全身。然而，病毒有几种方法来阻止凋亡，例如通过发送类似于凋亡发送的“关闭”信号来迷惑细胞，从而阻止细胞自杀。因此，对凋亡的进一步研究可以促进临床医学的发展。另一方面，坏死是意外的细胞死亡。当细胞的外膜无法控制液体流过它时，就会发生这种情况。然后，细胞会缩小并破裂。最后，内部内容物会流出，与周围的组织混合。造成坏死的原因可能是创伤性损伤、感染、化学毒物等。
现在我们了解到一些细胞被创造，而另一些细胞被杀死。事实是，这些过程被精心设计来保持我们身体健康。凋亡和有丝分裂之间的失衡会导致癌症。
内吞作用是从细胞质膜脂质双层膜形成内部膜的过程。这是将质膜脂质和整合蛋白带入细胞的一种方式。因此，它是外排作用的相反过程。这使得细胞能够执行一些事情，例如调节细胞对配体的敏感性，因为受体可以通过内吞作用从细胞表面去除。称为小窝的质膜芽位于许多哺乳动物细胞表面的微小凹陷处。它们可能占细胞表面积的三分之一。鉴于它们的结构，它们通常参与内吞事件。另一种细胞内部化的方式称为吞噬作用。在这种方法中，物质可以通过在周围形成“内陷”来摄取，这些“内陷”围绕着要吞噬的颗粒，同时使用或不使用周围膜延伸的生长。
1. Berg, Jeremy M. 生化. 第 6 版. W.H. Freeman, 2007.
2. Campbell, Neil A. 生物. 第 7 版. 旧金山, 2005. 3. 美国卫生与公众服务部 国家卫生研究院 国家普通医学科学研究所 “细胞内部” 4. “内吞作用机制”. Doherty 和 McMahon, MRC 分子生物学实验室, 英国剑桥. 5. 细胞内部, 美国卫生与公众服务部 国家卫生研究院 国家普通医学科学研究所 6. http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_cycle 7. http://en.wikipedia.org/wiki/Mitosis 8. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Three_cell_growth_types.png 9. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Telomere.JPG 10. Slonczewski, Joan L. “微生物学：不断进化的科学。” 2009
