生物膜结构及功能特性研究论文

细胞生物学的兴起从1893年O.赫特维希出版专著《细胞与组织》起到20世纪50年代，细胞学逐步从形态的描述和实验转向结构和功能的探讨。1931年E.鲁斯卡和M.克诺尔创建了第一台透射式电子显微镜，到1945年分辨率已达到 20埃。50、60年代随着电子显微镜的改进与相应技术的建立，以及受分子生物学的影响，对细胞的观察研究进入了新的层次，人们力求从亚细胞结构水平甚至分子水平结构上阐明细胞的整体功能。这就使细胞学发展到一个新的阶段，成为一门新兴的独立分支学科──细胞生物学。一.细胞概念的发展 1925年美国细胞学家.威尔逊出版的《发育和遗传中的细胞》(第 3版)是19世纪中后期以来，有关细胞学研究的总结。他所提出的光学显微镜下的细胞模式图，包括细胞膜、细胞核、细胞质以及主要的细胞器和内含物等，一直沿用到1950年。50年代起,随着电镜的广泛应用,发现膜是细胞的基本结构。60年代还发现细胞质内的微管和微丝，以及由微管按一定规律集聚成的鞭毛、纤毛、基体和中心体等。因此，到70年代开始提出细胞主要是由膜系统结构组成的复杂的动态体系，它既有膜相结构（如细胞膜、内质网、高尔基器、核膜、线粒体、溶酶体、过氧化酶体等），又有非膜相结构（如核糖体、中心体、微管、微丝、细胞质基质、核仁、染色质、核基质等）。对于细胞的生物学特性则概括为：细胞是遗传信息和代谢信息的储存和传递的系统；细胞是从小分子合成复杂大分子，特别是核酸和蛋白质的系统；细胞又是一个内部有能量流动，并保持整体动态平衡的开放系统。二. 细胞膜的结构和功能1917年美国化学家、物理学家I.朗缪尔发表单分子薄膜的开创性实验结果，为现代的细胞膜结构概念奠定了基础。1935年英国生物学家.丹尼利和 H.戴维森提出“丹尼利-戴维森模型”。他们认为细胞表面膜有一个类脂构成的核心，脂分子的极性端朝外，每边覆盖一层单分子的蛋白。50年代以来通过瑞典生物学家.舍斯特兰德、美国物理学家.罗伯逊等各自用电子显微镜所作的研究，于1959年指出多数膜是由暗-明-暗，即蛋白-磷脂-蛋白三层组成的“三合板”式结构。这种膜的模型有相当普遍性，故称单位膜。单位膜膜型未能反映膜的动态结构和膜功能的多样性与专一性。到70年代，又有人先后提出“流体镶嵌膜”模型，“晶格镶嵌膜”模型，反映了膜的流动性，但仍无定论。后来知道，把细胞与外界环境分隔开来的细胞外周膜的功能十分复杂。60年代以来的大量研究工作表明外周膜具有物质转运、能量转换、信息传递、细胞和分子识别等重要功能。三. 染色体的结构1924年确认植物细胞核同动物细胞核相同,也含有DNA。到30～40年代已分析出染色质内含有DNA、RNA，酸性蛋白和碱性组蛋白。50年代对各主要成分进行了定量测定,并明确了DNA和组蛋白结合成的核蛋白是染色体的主要成分。60年代又根据所含赖氨酸、精氨酸的多少，将组蛋白划分为H1、H2a、H2b、H3、H4五种。1953年DNA双螺旋结构的阐明,推动了染色体结构的研究。1957年美国的泰勒提出的边链模型，属于“蛋白质骨架”模型。同年英国的威尔金斯则提出以DNA为核心的模型。这两类模型在60～70年代均各有发展。1974年由.奥林斯、.奥林斯、科恩伯格和奥特脱等提出并经过多方证明的核小体模型,又完全替代了以DNA为核心的超盘绕模型。反映了对染色体结构的新认识。四. 线粒体的结构和功能1934年美国解剖学家.本斯利和 .霍尔成功地分离了豚鼠肝脏的线粒体， 开创了用生化方法直接研究细胞器的广阔前景。1948年已确定线粒体是细胞呼吸的场所，又是细胞能量转换的中心。50年代，罗马尼亚裔的美国细胞生物学家.帕拉德(1952)和.舍斯特兰德(1954)分别发表线粒体结构的报告,虽略有差异,但主要方面比较一致。1956年.帕拉德提出线粒体由外膜、内膜、脊、外室、内室和基质等组成，不久就得到了普遍的承认。1962年用负染色法发现线粒体的内膜粒子。以后通过拆离重组实验，证明内膜粒子即ATP酶复合体。1973年查明ATP酶复合体头部、柄部和基部的各亚单位和分子量，其分子量总和与整体测定的分子量接近。线粒体最重要的功能是进行与 ATP合成有关的氧化磷酸化作用。关于氧化磷酸化的机理研究，1953年德国生化学家.斯莱特提出化学偶联假说；1961年英国生化学家P.米切尔提出化学渗透偶联假说；1964年先由.博耶后又由 .格林提出构型偶联假说。3种假说都认为偶联涉及一种最初的受能状态，如高能的中间产物，H□离子梯度及构型的变化等，并由它们推动 ATP的合成。三者都各有依据，但也有未能证实的方面。

生物膜在结构与功能上都具有两侧不对称性。以物质传送为例，某些物质能以很高速度通过膜，另一些则不能。像海带能从海水中把碘浓缩3万倍。生物膜的选择性通透使细胞内pH和离子组成相对稳定，保持了产生神经、肌肉兴奋所必需的离子梯度，保证了细胞浓缩营养物和排除废物的功能。生物膜的另一重要功能是细胞间或细胞膜内外的信息传递。在细胞表面，广泛地存在着一类称为受体的蛋白质。激素和药物的作用都需通过与受体分子的特异性结合而实现。癌变细胞表面受体物质的分布有明显变化。细胞膜的表面性质还对细胞分裂繁殖有重要的调节作用。细胞内具有膜包被结构的总称,包括细胞质膜、核膜、内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体和叶绿体等.膜结构体系的基本作用是为细胞提供保护.质膜将整个细胞的生命活动保护起来,并进行选择性的物质交换；核膜将遗传物质保护起来,使细胞核的活动更加有效；线粒体和叶绿体的膜将细胞的能量发生同其它的生化反应隔离开来,更好地进行能量转换.膜结构体系为细胞提供较多的质膜表面,使细胞内部结构区室化.由于大多数酶定位在膜上,大多数生化反应也是在膜表面进行的,膜表面积的扩大和区室化使这些反应有了相应的隔离,效率更高.另外,膜结构体系为细胞内的物质运输提供了特殊的运输通道,保证了各种功能蛋白及时准确地到位而又互不干扰.例如溶酶体的酶合成之后不仅立即被保护起来,而且一直处于监护之下被运送到溶酶体小泡.

细胞结构解读绝大多数的真核生物细胞都有核、质、膜三个部分，膜是生命系统的边界，是控制物质交换的门户；质是新陈代谢的主要中心，质中的细胞器在系统内分工合作；核是遗传物质贮存和复制的主要场所，也是遗传性状和新陈代谢的控制中心，是生命系统的控制中心；各有其重要性，又有其特殊性，相互独立，又相互联系，构成一个和谐统一的、有机的、复杂的生命系统。1．1 细胞膜的结构和功能细胞生活在液体环境中，膜是与外界环境相隔的界线，是保证细胞内化学反应顺利进行的天然屏障，这与结构有关。(1)主要的分子组成由磷脂双分子层构成基本骨架，这种结构的存在就必然有与之相对应的功能存在，脂溶性物质能够以自由扩散的方式优先通过细胞膜；在磷脂双分子层中镶嵌有蛋白质分子，这一结构的存在，也必然有与之相对应的功能存在，蛋白质分子可作为物质运输载体，从而使膜具有主动运输的功能。(2)结构特点与功能特性组成细胞膜的磷脂分子和蛋白质分子大都可以运动，因而决定了细胞膜的结构特点是具有一定的流动性，细胞膜的功能特性是具有选择透过性，这是两个不同而又有联系的概念，膜的流动性存在，既可以使膜中的各种成分需要调整其组合分布而有利于控制物质出入细胞，又能使细胞经受一定的变形而不致破裂(如：人体的自细胞能变形穿过毛细血管壁)，具有保护的作用，从而保证了活细胞完成各种生理功能。细胞膜的流动性是选择透过性的基础，而活细胞的细胞膜具有选择透过性，是细胞生命活动的体现，这样就保证细胞按生命活动的需要吸收和排出物质，而物质透过细胞膜等各项生理功能的实施，又需要细胞膜的流动性这一结构特点来保障，这就是结构特点和功能特性的统一。流动性是细胞膜结构固有的属性，无论细胞是否与外界发生物质交换关系，流动性总是存在的，而选择透过性是对细胞膜生理特性的描述，这一特性只有在流动性基础上，完成物质交换功能方面体现出来。总结如下：(图附在后面)1．2 细胞质的结构和功能细胞质是细胞结构中的重要组成部分，是活细胞内新陈代谢的主要场所，也是同化作用和异化作用发生的主要场所。活细胞中的生命活动，绝大多数物质的合成和分解，就是发生在细胞质中，是细胞生命活动最活跃的部位，活细胞中的细胞质处在流动状态。在亚显微结构下，把细胞质作为一个整体来研究，实际上细胞质主要包括细胞质基质和细胞器。本部分内容上连接第一章“生命的物质基础”(细胞质也是由化学元素和化学元素组成的化合物而形成的结构)，尤其是细胞质中的水分、无机盐、核苷酸、氨基酸等，进一步体现了生命系统的物质性。该内容下连接第三章“生物的新陈代谢”中细胞呼吸和光合作用的重点知识，本部分具有承上启下的作用。线粒体与细胞呼吸正相关，叶绿体与光合作用正相关。其余多种细胞器教学中，限于教材，侧重介绍其分布，结构和功能作简要介绍。最后归类总结出双层膜的、单层膜的、非膜结构的、生成水的、生成ATP的、含有DNA的细胞器、“四个场所”。但应凸现出一个重要的教学理念：物质组成结构，结构决定功能；结构和功能和谐统一的学科思想。1．3 细胞核的结构和功能该内容介绍细胞核的组成及原核细胞的基本结构，前者主要由三个部分核模、核仁、染色质组成，核膜使核内与质中的化学反应分开，既相互联系，又相互独立，核膜同样具有选择透过性，控制细胞质与细胞核之间的物质交换，对细胞核内物质具有保护作用，膜上的核孔有利于核、质问进行频繁的、大量的大分子的物质交流，是大分子交换的理想通道[2]；核仁的折光系统强，是真核生物细胞最明显的标志；染色质与染色体的关系既是重点又是难点，具有抽象性，是难消化的知识点；都含有DNA分子，是生物的遗传物质，同样也体现了结构和功能和谐统一。1．4 细胞质流动的实验指导学生正确使用高倍显微镜观察黑藻细胞质的流动，观察中为什么只看到叶绿体，而看不到其他细胞器的原因(叶绿体大，有色素)，为什么只看到叶绿体黑藻细胞边缘流动(成熟的植物细胞大部分的空间被液泡占有)，这都是在实验中遇到的实际问题。

生物膜的结构特点，更详细带你了解系统结构与功能，快来学习吧