1、细胞生物学,主讲人 ：朱营辉 单 位：内蒙古农业大学 时 间：2016.11,第一章 绪论,本章内容提要: 第一节 细胞生物学研究的内容与现状 一、 细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科 二、细胞生物学的主要研究内容 三、当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域 第二节 细胞学与细胞生物学发展简史,第一节 细胞生物学研究 的内容与现状 一、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科细胞生物学：是研究细胞基本生命活动规律的科学，它是在不同层次（显微、亚显微与分子水平）上以研究细胞结构与功能、细胞增殖、分化、衰老与凋亡、细 胞信号传递、真核细胞基因表达与调控、细胞起源与进化等为主要内容。核心问题是将遗传
2、与发育在细胞水平上结合起来。细胞生物学研究的对象是细胞。细胞分子生物学是当前细胞生物学发展的主要方向。,二、细胞生物学的主要研究内容大致可分为以下几 个方面：(一)细胞核、染色体以及基因表达的研究 (二)生物膜与细胞器的研究(三)细胞骨架体系的研究(四)细胞增殖及其调控（五)细胞分化及其调控(六)细胞的衰老与凋亡(七)细胞的起源与进化(八)细胞工程,细胞生物学不同于细胞学主要表现在：第一，深刻性。它从细胞整体结构，超微结构和分子结构对细胞进行剖析，并把细胞生命活动同分子水平和超分子水平联系起来。第二，综合性。这所研究的内容广泛涉及到许多学科领域，同生理学、遗传学、生物化学、发育生物学等融合到一
3、起。 三、当前细胞生物学研究的总体趋势与重点领域 （一）当前细胞生物学研究中的三大基本问题 1、细胞内基因组是如何在时间和空间上有序表达的？2、基因表达产物-主要是结构蛋白、核酸、脂质、多糖及其复合物，他们如何逐级装备成能行使生命活动的基本结构体系及各种细胞器？,3、基因表达产物-主要是大量活性因子与信号分子，他们是如何调节细胞最重要的生命活动过程的？ （二）当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题 1、染色体DNA与蛋白质相互作用关系主要是非组蛋白对基因组的作用。 2、细胞增殖、分化、凋亡（程序性死亡）的相互关系及调控 3、细胞信号传导的研究 4、细胞结构体系的装配,第二节 细胞学与细胞生物学
4、 发展简史,一、生物科学发展的三个阶段: 1.形态描述生物学时期， 19 世纪以前； 2.实验生物学时期， 20 世纪前半世纪； 3.分子生物学时期， 20 世纪 50-60 年代至今。,一、细胞的发现英国学者胡克（Robert Hooke）于1665年制造了第一台有科研价值的显微镜，第一次描述了植物细胞的构造，细胞的发现是在1665年。16771683年，荷兰人列文胡克用自己设计好的显微镜第一次观察到活细胞。 二、细胞学说的建 立及其意义1、建立:Matthias Jacob Schleiden （ 18041881)，德国植物学教授， 1838 年发表“植物发生论”(Beitrgezur
5、Phytogenesis)，认为无论怎样复杂的植物都有形形色色的细胞构成。Theodor Schwann（ 18101882)，德国解剖学教授，一开始就研究 Schleiden 的细胞形成学说，并于 1838 年提出了“细胞学说”（ Cell Theory)这个术语； 1939 年发表了“关于动植物结构和生长一致性的显微研究” Schwann 提出:有机体是由细胞构成的；细胞是构成有机体的基本单位。这就是著名的“细胞学说”。,2、细胞学说的基本内容：一切有机体都是由细胞发育而来的，并由细胞和细胞产物所构成；每个细胞是一个相对独立的单位，执行特定的功能；细胞只能通过细胞分裂而来。,三、细胞学的经
6、典时期这一时期的研究方法，主要是显微镜下形态的描述。 1、原生质理论的提出；2、细胞分裂的研究；3、重要细胞器的发现。,四、实验细胞学与细胞学的分支及其发展 1876年O Hertwig以细胞为基础，对所有生物现象作一般性综合，他采用实验的方法研究海胆和蛔虫 发育中的核 质关系，实际上创立了实验细胞学。从此，实验的方法得到广泛的应用，使细胞学得到迅速的发展。,随着对细胞 认识的深入，开始了对细胞的遗传、细胞器功能、细胞生化代谢及生理的研究，于是便以细胞 为中心，发展起来一些新兴学科，如细胞遗传学、细胞生理学、细胞化学。,五、细胞生物学学科的形成与发展细胞生物学的形成的基础是：细胞超微结构的研究
7、；细胞生物化学的发展；70年代以来分子生物学的概念与技术引入细胞学。概括地说，细胞生物学是以细胞作为一切有机体进行生命活动的基本单位，在各个层次上（显微、亚显微、分子水平）研究细胞生命活动规律的学科。 其主要发展方向是细胞分子生物学。,第二章细胞基本知识概念,本章内容提要: 第一节 细胞的基本概念 第二节 非细胞形态的生命体 -病毒及其与细胞的关系 第三节 原核细胞与古核细胞 第四节 真核细胞基本知识概要,第一节 细胞的基本概念,What is a cell?Cells are structural units that make up plants and animals, also the
8、re many single cellorganisms. What cells all have in common is they are small sacks composed mostly of water. Thesacks are made from a phospholipid bilayer. The membrane is semi-permeable (allowing somethings to pass in or out of the cell and blocking others), there are also other methods of transpo
9、rt that we will get into later.So what is in a cell? The cell as we mentioned is a fluid like membrane that surrounds thecontents of the cell. Each component will be discussed in more detail later.,一、细胞是生命活动的基本单位1、一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位； 2、细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位 3、 细胞是有机体生长与发育的基础 4、细胞是遗传
10、的基本单位，细胞具有遗传的全能性 5、没有细胞就没有完整的生命,二、细胞的基本共性 1.所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜，即细胞膜。 2.所有的细胞都含有两种核酸:即 DNA 与 RNA 作为遗传信息复制与转录的载体。 3.作为蛋白质合成的机器核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内。 4.所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。,第二节 非细胞形态的生命体病毒及 其与细胞的关系 一、病毒的基本知识病毒是由一个核酸分子(DNA或RNA)与蛋白质构成的非细胞形态的生命体。类病毒仅由一个有感染性的RNA构成。朊病毒仅由有感染性的蛋白质构成。病毒是完整的寄生物。根据核 酸类型不同
11、，病毒 可分为DNA病毒与RNA病毒。依据宿主可分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒（噬菌体）等。 二、病毒在细胞内的增殖（复制）病毒的增殖又称病毒的复制，病毒的增殖必须在细胞内进行。,病毒在宿主细胞内分别复制病毒核酸与翻译病毒蛋白，然后将核酸与蛋白装配成病毒的基本结构。 其复制过程大到可分为：侵染，脱去衣壳，早基因的复制与表达，晚基因的复制、结构蛋白质的合成，装配、成熟与释放等过程。 三、病毒与细胞在起源和进化中的关系病毒可能是细胞在特定条件下“扔出”的一个基因组，或者是具有复制与转录能力的mRNA。这些游离的基因组只有回到它们原来的细胞内环境中才能进行复制与转录。,第三节 原核细胞与古核细胞,
12、种类繁多的细胞可以分为原核细胞与真核细胞两类大类。近年有些生物学家建议将生物划分原核生物、古核生物和真核生物三大界，将细胞相应分为三大类型：原核细胞、古核细胞与真核细胞。 原核细胞无典型的细胞核，其基本特点：遗传物质仅由一个裸露的环状DNA构成；细胞内没有分化出以膜为基础的细胞器与细胞核膜。原核细胞大约出现在35亿年前，包括支原体、衣原体、立克次体、细菌、放线菌及蓝藻(蓝细菌)等6类。,一、支原体支原体是目前发现的最小、最简单的细胞，直径只有0.10.3m,能在体外生长，也能寄生在细胞内。二、原核细胞的两个代表细菌和蓝藻（一）细菌细菌有3种形态：球菌、杆菌、螺旋菌。在进化上，细菌又可分为原细菌
13、（古细菌）与真细菌两类大类。1、 细菌细胞的核 区与基因：一个环状的DNA分子盘绕在核区，没有或有极少的组蛋白，无明显的Feulgen正反应。DNA复制不受细胞分裂周期的限制，可以连续进行，且DNA复制、RNA转录、蛋白质翻译可以同时进行,这是细菌乃至整个原核细胞器与真核细胞最显著的差异之一。,2、细菌细胞的表面结构：主要指细胞膜、细胞壁及其特化结构(中膜体、荚膜、鞭毛等)。细胞膜是细胞表面的重要结构。细胞膜的功能包括：选择性地物质运输；细菌细胞膜含有丰富的酶系，执行重要的代谢功能。中膜体由细胞膜内陷形成，可能起DNA复制的支点作用。细胞壁的共同成分是肽聚糖 ，革兰氏阳性菌与阴性菌细胞壁成分与
14、结构差异明显。 荚 膜是某些细菌表面的特殊结构，是位于细胞壁表面的一层粘液物质。 鞭 毛是某些细菌的运动器官，结构简单,3、细菌细胞的核糖体 核糖体的沉降系数为70S，由50S大亚单位和30S亚单位组成。大亚单位含有23S rRNA, 5S rRNA和30多种蛋白质，对红霉素与氯霉素敏感；小亚单位含有16S RNA与20多种蛋白质，对四环素与链霉素敏感。 4、细菌细胞核外DNA核外DNA：质粒。裸露的环状DNA，能自我复制，并可整合到核DNA中。 5、细菌细胞的内生孢子又称芽孢，是对不良环境有强抵抗力的休眠体。,内生孢子：细菌细胞内的重要物质(特别是DNA)，积聚在细胞的一端，形成致密体，可度
15、过恶劣环境。细菌的增殖为直接分裂。（二）蓝藻又称蓝细菌，是原核生物，又是最简单的自养植物类型之一。蓝藻含有丰富的色素，可进行类似高等植物的光合作用。其中央相当于细菌的核区；光合作用片层由藻胆蛋白构成，作用是将光能传递给叶绿素a；细胞质内含物有的是储存的养料，有的功能不详；细胞膜外有细胞壁和胶质层(鞘)。,三、原核细胞与真核细胞的比较原核细胞与真核细胞的根本区别：细胞膜系统的分化演变；遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化。由于上述的根本差异，真核细胞的体积也相应扩增，细胞内部出现精密的网架结构细胞骨架。二者的区别可分为两部分进行比较： 结构与功能比较：真核细胞的生物膜将细胞分化为核与质两部分，细胞
16、质又分化出各种细胞器，细胞骨架又保证了细胞形态的合理排布与执行功能的有序性 (P36 表2-2)。 细胞遗传装置与基因表达方式的比较：核膜使扩增了的遗传信息与复杂的遗传装置相对独立 ，使基因表达的程序有严格的阶段性与区域性(P36表2-3 )。,四、古核细胞（古细菌）古细菌（又称原细菌）是一些生长在极端特殊环境中（高温或高盐）的细菌。最早发现的是产甲烷细菌类。古核细胞的形态结构、遗传装置虽与原核细胞相似，但一些 基本分子生物学特点又与真核细胞接近。现已有更多的论据说明真核生物可能起源于古核生物，论据如下： （1）古细菌的细胞壁成分与真核细胞一样； （2）古核细胞DNA中有重复序列的存在； （3
17、）具有组蛋白； （4）古核细胞的核糖体与真细菌的差异很大，从对抗生素的反应看，应更类似真核细胞的核糖体； （5）根据对5SrRNA的分子进化分析和二级结构的研究，认为古细菌与真核生物同属一类。而真细菌却与之差别甚远。,第四节 真核细胞的基本知识 概要,一、真核细胞的基本结构体系1、生物膜系统细胞表面是一种多功能结构；核膜又把细胞分为细胞质与细胞核。以生物膜系统为基础形成了各种细胞器。线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体及溶酶体等。 2、遗传信息表达结构系统由 DNA蛋白质与 RNA蛋白质复合体形成的遗传信息载体与表达系统，一般以颗粒或纤维状的基础结构存在。包括染色质，核 仁、核糖体等。,3、细胞骨
18、架系统细胞骨架由特异的结构蛋白质构成网架系统，可分为胞质骨架与核骨架。 二、细胞大水及其分析细胞体积的守恒规律。 三、细胞形态结构与功能的关系细胞的形态与功能具有相关性与一致性。 四、植物细胞与动物细胞的比较植物细胞特有的细胞器：细胞壁（主要成分是纤维素）、液泡、叶绿体等； 而动物细胞的中心粒在植物细胞中不常见到。,第三章 细胞生物学研究方法,本章内容提要： 第一节 细胞形态结构的观察方法 第二节 细胞组分的分析方法 第三节 细胞培养、细胞工程与显微操作技术,第一节 细胞形态结构的观察方法 一、光学显微镜技术 1、普通复式光学显微镜技术普通光学显微镜（最大分辨率为0.2m），主要由三部分组成：
19、照明系统 光学放大系统 机械装置。 原理：经物镜形成倒立实像，经目镜进一步放大成像。显微镜的性能优劣决定于它的分辨率。分辨率是指显微镜区分开相近两点的能力。,D=,061,N sin/2,为光源波长，为物镜镜口角 。,2、荧光显微镜技术 荧光显微镜 Fluorescence microscope * 特点：光源为紫外线，波长较短，分辨力高于普通显微镜； * 有两个特殊的滤光片； * 照明方式通常为落射式。 * 用于观察能激发出荧光的结构。用途：免疫荧光观察、基因定位、疾病诊断。 3、激光共焦点扫描显微镜 技术 激光共聚焦扫描显微境 Laser confocal scanning microsc
20、ope, LCSM * 用激光作光源，逐点、逐行、逐面快速扫描。 * 能显示细胞样品的立体结构。 * 分辨力是普通光学显微镜的 3 倍。 * 用途类似荧光显微镜，但能扫描不同层次，形成立体图像。,4、相差显微镜技术和微分干涉显微镜技术光线在通过密度不同的介质时，其滞留程度不同，即产生了光程差和相位差。相差显微镜 的基本原理把光程差变成振幅差(即明暗)。从而提高样品反差，故样品不需染色，适合观察活细胞。甚至研究细胞核、线粒体等细胞器的动态。它在结构上与普通显微镜最大的不同是在物镜后装有相差板。微分干涉显微镜用的是偏振光，增加了样品反差，并具有立体感，可作于研究活体细胞中较大的细胞器。录像增差显微
21、镜技术在一定程度上可以填补光镜与电镜之间分辨率上的间隙。,二、电了显微镜技术 （一）电了显微镜基本知识分辨率最终决定于光的波长，由于使用电子束作光源，电镜的分辨率大大提高。电镜的分辨率常常是超薄切片厚度的1/10，它的分辨率可达0.2nm，其放大倍数为106倍。电镜的基本构造包括：电子束照明系统 ；电磁透镜成像系统；真空系统；记录系统；电源系统。（P52表3-1） （二）主要电镜制样技术介绍人样品制备技术的特殊要求：样品要薄；更好地保持样品的精细结构；样品具有一定的反差。,主要的用于观察生物样品的电镜技术有：超薄切片技术；是观察细胞超微结构的基础。负染色技术；冷冻断裂和冷冻蚀刻电镜技术技术；
22、电镜三维重构技术；扫描电镜技术（SEM）是观察细胞表面形的有力工具。 三、扫描隧道显微镜(STM)是一种探测微观世界物质表面形貌的仪器，在纳米生物学的研究领域具有独特的优越性。STM的特点：具有原子尺度的高分辨本领；可在真空、大气、液体等条件下工作；非破坏性测量。,第二节 细胞组分的分析方法,细胞成分分析和形态学观察相结合，可揭示生物大分子在细胞内的构建及功能。 一、用超速离心技术分离细胞器与生物大分子及其复合物利用多种方法使细胞崩解，形成细胞器和细胞组分的混合匀浆，再通过差速离心，即利用不同的离心速度所产生的不同离心力，将各种亚细胞组分和各种颗粒分开。差速离心与密度离心相结合可以达到精确的分
23、离。,细胞不同组分沉降率不同，主要依赖于它们的形状和大小，通常以沉降系数S来表示(沉降系数是指悬浮在密度较低的溶剂中的一种溶质大分子，在每单位离 心场作用下的沉降速率)。 二、细胞内核酸、蛋白质、酶、糖类、脂质等到的显色方法 原位成分分析常利用一些显色剂与所检物质的特殊基团特异性结合的特征，通过染色反应的部位和颜色的深浅来断某种物质在细胞内的分布与含量。福尔根(Feulgen)反应可特异显示DNA的存在部位。PAS反应可确定多糖的存在。,四氧化锇 可证明脂肪滴的存在。苏 丹 和苏丹 黑也常用于脂肪的鉴定。米伦反应及重氮反应等用来测定蛋白质。检测和定位酶的技术是基于细胞或组织切片与适宜底物共同孵
24、育，通过一定方法使产物显示出来 。例如检测碱性磷酸酶的格莫瑞方法。 三、特异蛋白质抗原的定位与定性免疫荧光和免疫电镜是最常用的细胞内蛋白质定位技术。 1、免疫荧光技术免疫荧光技术就是将免疫学方法与荧光标记技术 相结合研究特异蛋白质抗原在细胞内分布的方法。,2、免疫电镜技术免疫电镜技术使特异蛋白的定位与超 微结构结合起来，使抗原定位更准确。如蛋白分泌的研究胞内酶 的研究；一些结构蛋白的研究。 四、细胞内特异核酸的定位与定性 1、原位杂交技术用标记的核酸探针通过分子杂交确定特殊核苷酸序列在染色体上或细胞中的位置的方法。 2、Southern技术（了解）蛋白样品经电泳后，与DNA探针进行吸附，与DN
25、A有亲合作用的蛋白带被显示出来。,五、利用放射性标记技术 研究生物大分子在细胞内的合成动态 放射自显影技术是利用放射性同位素的电离辐射对乳胶的感光作用，对样品中放射性标记物进行定性与定位测定。放射自显影技术包括两个主要步骤：即同位素标记的大分子前体的掺入和细胞内同位素所在位置的显示。基本步骤为：掺入、制片、敷胶、曝光、显影、镜检。 六、定量细胞化学分析技术 1、显微分光光度测定技术根据细胞内某些物质对光谱吸收的原理，来测定这些物质（如核酸与蛋白质等）在细胞内的含量。,2、流式细胞仪可定量地测定某一细胞中的DNA、RNA或某一特异蛋白的含量，以及细胞群体中上述成分含量不同的细胞的数量。,第三节
26、细胞培养、细胞工程与显微操作技术,一、细胞培养细胞培养就是将动植物组织或细胞从机体取出，分散成单个细胞 或直接以单细胞 生物，给予必要的生长条件，让其在培养瓶中或培养基上继续生长与增殖。 （一）动物细胞培养 （ 1） 类型： A 原代培养细胞（ primary culture cell)-从机体取出后立即 培养的细胞。 1-10 代以内的细胞培养 称为原代培养细胞。 B 继代培养细胞（ sub-culture cell） -适宜在体外培养条件下持续传代培养的细胞称为传代培养 细胞 (2) 细胞株（ cell strain） 正常二倍体，接触抑制.1050 代 (3) 细胞系（ cell lin
27、e） 亚二倍体或非整倍体，接触抑制丧失，容易传代培养,50 代以后。,（二）植物细胞培养单倍体细胞培养。原生质体培养：去壁的植物细胞叫原生质体。可培养成植株或体细胞杂交植株。 （三）非细胞体系在细胞生物学研究中的作用来源于细胞，而不具有完整的细胞结构，但包含了正常生物学反应所需的物质（供能系统和酶反应体系等）组成的体系即为非细胞体系。 二、细胞工程应用细胞生物学方法，按照预先的设计，有计划地改变或创造细胞遗传物质的技术以及发展这种技术 的领域为细胞工程。,细胞工程所使用的技术主要是细胞培养、细胞分化的定向诱导、细胞融合和显微注射等。 （一）细胞融合与细胞杂交技术真核生物的体细胞经过培养，两个或
28、多个细胞融 合成一个双核 或多核细胞的过程叫细胞融合。动物细胞融合一般要用灭活的病毒(如仙台病毒)或 化学物质(如聚乙二醇，即PEG）介导；植物细胞事例时，要用纤维素酶去掉纤维素壁。20世纪80年代又发明了电融合技术。细胞融合可以在基因型相同的细胞间进行，也可以在基因型不同的种内细胞间甚至种间细胞间进行。,（二）单克隆抗体技术1975年英国学者Milestein等开创了将产生抗体的单 个细胞同瘤细胞杂交的技术。他们的设计是经绵羊红 细胞免过的小鼠脾细胞(B淋巴细胞)与骨髓瘤细胞融合，融合的杂交瘤具有两种亲本细胞的特性即可分泌抗绵 羊红细胞的抗体，又可无限增殖。学者们纷纷利用这 一技术来制备针对
29、不同抗原的高度纯一的单克隆抗体。 单克隆抗体就是单个杂交瘤细胞 增殖产生的克隆细胞群分泌的高度纯一的抗体。 （三）细胞折合与显微操作技术细胞拆合就是把细胞核与质分离开后将不同来源的细胞质与细胞核相互配合，形成核质杂交细胞。,显微操作技术：即在显微镜下用显微操作装置对细胞进行解剖和微量注射的技术。,第四章 细胞膜与细胞表面,第一节 细胞质膜与细胞表面特化结构 第二节 细胞连接 第三节 细胞外被与细胞外基质,细胞膜(cell membrane)又称质膜（plasma membrane），是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。细胞膜只是真核细胞生物膜的一部分，真核细胞的生物膜（biome
30、mbrane）包括细胞的内膜系统（细胞器膜和核膜）和细胞膜（cell membrane）。 一、细胞膜的结构模型 1925年Gorter等人提出质膜由双层脂分子构成。 1935年Danielli和Davson提出三夹板或三明治质膜结构模 型 。 1959年Robertson提出单位膜模型。 1972年Singer和 Nicolson提出流动镶嵌模型。该模型主要强调膜的流动性；膜蛋白的分布不对称性；这是生物膜的基本特征。,第一节 细胞膜与细胞表面特化结构,根据已有的实验结果，生物膜具有如下共同特征：镶嵌性。膜的基本结构由脂双层分子层镶嵌蛋白构成，双层脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水 相。流
31、动性。蛋白质和类脂分子具有相对侧向流动性，不对称性。膜两侧的分子性质和结构不同。蛋白质极性。多肽链的极性区突向膜表面，非极性部位埋在脂双层内。 二、膜脂 （一）成分膜脂主要包括磷脂、糖脂、胆固醇三种类型。1、磷脂： 1）膜脂的基本成分（ 50以上） 2）分为二类: a 甘油磷脂（磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇） b 鞘磷脂 3) 主要特征：具有一个极性头和两个非极性的尾(脂肪酸链)（心磷脂除外）； 脂肪酸碳链为偶数,多数碳链由 16,18 或 20 个组成； 既具有饱和脂肪酸(如软脂酸)又有不饱和脂肪酸(如油酸)；,由极性头部和两条疏水尾部组成，为双极性分子。 2、糖脂：糖
32、脂普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（ 5以下） ,神经细胞糖脂含量较高； 3、胆固醇和中性脂质： 1）胆固醇存在于真核细胞膜上（ 30%以下），细菌质膜不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂类。 2）胆固醇的作用： 调节膜的流动性； 增加膜的稳定性； 降低水溶性物质的通透性。 （二）膜脂的运动方式膜脂分子的热运动方式：1、侧向运动： 沿膜平面的侧向运动（基本运动方式） 2、自旋运动： 脂分子围绕轴心的自旋运动； 3、摆 动： 脂分子尾部的摆动； 4、翻转运动：双层脂分子之间的翻转运动，发生频率还不到脂分子侧向交换频率的 1010。但在内质网膜上,新 合成的磷脂分子翻转运动发生频率很
33、高。,三、膜蛋白（一）类型 膜蛋白可分为两类：膜周边蛋白和膜内在蛋白。外在膜蛋白为水溶性蛋白，分布在膜表面，与膜结合较疏松，用温和的方法就可从膜上分离下来，膜结构并不被破坏。内在蛋白多为跨膜蛋白，也有些插入脂双层中，与脂双层分子结合紧密。只有用去垢剂使膜崩解后才可分离出。 （二）膜内在蛋白与膜脂结合的方式与膜结合的主要方式有3种。内在膜蛋白跨膜结构域是与膜脂结合的主要部位。具体作用方式为：跨膜结构域含有20个左右的疏水氨基酸残基形成螺旋，其外部疏水侧链通过范德华力与脂双层分相互作用。某些螺旋的外侧是,非极性链，内侧极性链，形成特异极性分子的跨膜通道。某些跨膜蛋白的跨膜结构域常常仅有1012个氨
34、基酸残基形成 折叠结构。（三）去垢剂是分离与研究膜蛋白的常用试剂，可使细胞膜分解。去垢剂有离子型去垢剂(如SDS)和非离子去垢剂(Triton x100)。 四、膜的流动性 （一）膜脂的流动膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动。 （二）膜蛋白的流动,五、膜的不对称性 （一）细胞膜各部分的名称 （二）膜脂的不对称性是指膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。糖脂的分布表现出完全不对称性。 （三）膜蛋白的不对称性膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性。各种生物膜的特征及其生物学功能主要由膜蛋白来决定的。,六、细胞膜的功能细胞质膜的主要功能： 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；
35、 选择性的物质运输并伴随着能量的传递； 细胞识别与信息传递； 为多种酶提供结合位点； 介导细胞与细胞、细胞与基质这间的连接； 参与形成细胞表面特化结构。,七、骨架与细胞表面的特化结构细胞表面的特化结构包括膜骨架、鞭毛、纤毛、变形足和微绒毛等，它们都是细胞质膜与膜内细胸骨架纤维形成的复合结构，分别于维持细胞的形态、细胞的运动、细胞与环境的物质交换等功能有关。 （一）膜骨架膜骨架是指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持细胞质膜的形状并协助完成多种功能。红细胞的膜骨架成分主要包括：血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白、带4.1蛋白等。 (二）红细胞质膜蛋白及膜骨架 膜骨架蛋白网络与细胞
36、膜之间的连接主要通过锚蛋白。此外，带4.1蛋白还可以与血型糖蛋白或带3蛋白结合，起到与质膜连接的作用。,第二节 细胞连接,细胞连接是多细胞有机体中相邻细胞之间通过质膜相互联系、协同作用的重要结构。主要有3种类型： 一、封闭连接封闭连接的主要形式是紧密连接。紧密连接存在于上皮细胞之间，通过嵴线使相邻细胞质膜紧靠在一起，可阻止可溶性物质沿细胞间隙渗入体内。同时还起到膜蛋白的隔离作用。 二、锚定连接锚定连接使相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连形成 一个坚挺有序的群体。,（一）桥粒与半桥粒桥粒在细胞之间形成纽扣式的结构将相邻细胞铆接在一起，同时也是细胞内中等纤维的锚定位点。桥粒相邻细胞质膜的间隙约3
37、0nm。在质膜的胞质面有一致密斑，中间纤维直接与其相连。相邻两细胞的致密斑由跨膜连接糖蛋白连接。,（二）粘合带与粘合斑粘合带位于上皮组织的下方，相邻细胞间形成一个连续的带状结构。粘合带处相邻细胞质膜的间隙约1520nm。与粘合带相连的是微丝（又称肌动蛋白纤维），在细胞中形成平行质膜的可收缩的纤维束。粘合斑是肌动蛋白纤维与细胞外基质的连接方式。在粘合斑处，跨膜连接糖蛋白向外通过纤粘连蛋白与胞外,基质结合，其胞内结构域则通过微丝结合蛋白与肌动蛋白纤维结合。粘合带及粘合斑均起细胞附着与支持作用。,三、通讯连接（一）间隙连接间隙连接相邻处质膜间的间隙为23nm。连接的基本单位是连接子。连接子由6个相同
38、或类似的跨膜蛋白亚单位环绕。形成直径越1.5nm的孔道。相邻细胞质膜上的两个连接子相对形成间隙连接单位。间隙连接在细胞间代谢耦联和细胞通讯中具有重要作用。,（三）化学突触化学突触是存在于可兴奋细胞之间的细胞连接方式，它通过释放神经递质来传导神经冲动。 四、细胞表面的粘着因子（了解）细胞与细胞之间的粘连是由特定的细胞粘着因子钙粘素等介导的，细胞之间的锚定连接也需要粘着因子钙粘素与整联蛋白等参与。粘着因子均为整合膜蛋白，在胞内与细胞骨架成分相连。多数要依赖Ca2+或Mg2+才起作用，少数不需要Ca2 。 1、钙粘素同亲性依赖Ca2+的细胞粘连糖蛋白，对胚胎发育中的细胞识别、迁移和组织分化以及成体组
39、织器官构成具有主要作用。目前已发现几十种钙粘素，如E钙粘素、P钙粘素等。,2、选择素异亲性依赖于Ca2+的糖蛋白，主要参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘着。 3、免疫球蛋白超家族的CAM分子结构中具有与免疫球蛋白类似的结构域CAM超家族。其粘着作用不依赖于Ca2+。其中了解最多的为NCAMs，它在神经组织细胞间的粘着中起主要作用。 4、整联蛋白一类重要的细胞粘着因子，是由和两个亚基形成的异源二聚体糖蛋白。介导细胞与基质、细胞与细胞之间的粘着。,第三节 细胞外被与细胞外基质,细胞外被(cell coat)又叫糖萼。一般指动物细胞外表由糖蛋白或糖脂构成的绒絮状物质。起保护细胞和识别细胞的作用。
40、 细胞外基质是指分布于细胞外空间，由细胞分泌的确良蛋白和多糖所构成的网络结构，它将细胞粘连在一起构成组织，在细胞中或组织之间起支持作用。细胞外基质的基本成分是由胶原蛋白和弹性蛋白组成的蛋白纤维和由糖胺聚糖形成的水合胶体构成的复杂的结构体系。层粘连蛋白和纤粘连蛋白具有多个结合位点，在细胞与胞外基质成分相互粘着中起重要作用。,一、胶原1、胶原的类型及分子结构胶原是胞外基质最基本成分之一，是动物体内含量最丰富的蛋白，目前已发现20种。型胶原是形成纤维的胶原，型纤维为片状(或网状)结构，基膜所特有。胶原纤维的基本分子结构是原胶原。原胶原由3条多肽连盘绕成3股螺旋结构，长300nm直径1.5nm，具有G
41、lyxy重复序列。 2、胶原的功能胶原在细胞外基质中含量最高，刚性和抗张力强度最大，构成细胞外基质的骨架结构，对细胞具有粘连作用。胶原基质能影响培养细胞的生长和分化。,二、糖胺聚糖和蛋白聚糖 A 1、糖胺聚糖糖胺聚糖由重复的氨基已糖+糖醛酸二糖单位构成的长链多糖。可分为7类。如透明质酸、肝素等。透明质酸是一种重要的糖氨聚糖是细胞增殖和迁移细胞胞外基质的主要成分，尤其在胚胎组织中。在胞外基质中，透明质酸使结缔具有抗压能力。 2、蛋白聚糖蛋白聚糖是由糖胺聚糖与核心蛋白的丝氨酸残基共价连接形成的分子，这样的单体可借连接蛋白以非共价键与透明质酸结合形成多聚体。,三、层粘连蛋白和纤粘连蛋白这两种蛋白均为
42、高分子量糖蛋白。 1、层粘连蛋白层粘连蛋白是动物组织基膜的主要结构组分，对基膜 基质的组装起关键作用，可介导细胞粘着于胶原进而铺展， 并促进细胞生长。通常细胞不直接与型胶原或蛋白聚糖结合，而是通过 层粘连蛋白将细胞锚定于基膜上。 2、纤粘连蛋白纤粘连蛋白的主要功能是介导细胞粘着。,四、弹性蛋白弹性蛋白是弹性纤维的主要成分。弹性纤维与胶原纤维共同存在，分别赋予组织以弹性及抗张性。,五、植物细胞壁植物细胞壁可看作是高等植物细胞的胞外基质，主要成分是纤维素、半纤维素、果胶质、伸展蛋白和蛋白聚糖等。细胞壁不仅起支持保护作用，而且其中的某些寡糖具有信号分子的作用。胞外基质不仅提供细胞外的网架赋予组织以抗
43、压和抗张力的机械性能，而且还与细胞的增殖分化和凋亡等重要生命活动有关。,第五章 物质的跨膜运动与信号传递,第一节 物质的跨膜运动物质通过细胞膜的转运主要有三种途径：被动运输、主动运输和胞吞与胞吐作用。 一、被动运输 (一)简单扩散小分子或离子的热运动从浓度高的一侧通过质膜向浓度低的一侧自行扩散。在这种跨膜运动中，不需要细胞能量，也没有膜蛋白的协助。基通透性主要决定于分子大水和分子极性。,(二)协助扩散有膜转运蛋白协助的小分子物质沿其浓度梯度(或电化学梯度)减小方向的跨膜运动。不消耗细胞代谢能量，这点和简单扩散相同。因此，二者被称为被动运输。协助扩散具有如下特征：转运速率高；存在最大转运速率；具
44、有特异性；有膜转运蛋白参与。膜转运蛋白分为两类：载体蛋白和通道蛋白前者即可介导被动运输又可介导主动运输；后者只能介导被动运输。 1、载体蛋白及其功能每种载体蛋白能与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质分子的跨膜转运。,载体蛋白（通透酶）相当于结合在细胞膜上的酶，有特异的结合位点，可同特异性底物（溶质）结合，一种特异性载体只转运一种类型的分子或离子。 2、通道蛋白及其功能通道蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子结合，横跨膜形成亲水通道，允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过。绝大多数通道蛋白是多次跨膜的离子通道，具有两个显著的特征：具有离子选择性，而且转动速率高，净驱动力是溶质跨膜的电化
45、学梯度；离子通道是门控的，即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，并通过通道开关应答于适当的信号。,二、主动运输主动运输是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度运输的跨膜运动方式，此过程需要能量供应。根据主动运输过程所需能量来源的不同可归纳为：由ATP直接提供能量和间接提供能量以及光能驱动的三种基本类型。 (一) 由ATP直接提供能量的主动运输钠钾泵在细胞膜两侧存在着很大的离子浓度差，一般的动物细胞要消耗13的能量来维持细胞内低Na+高K + 离子环境，Na + 和K + 的逆浓度与电化学梯度输入和输出的跨膜运动就是由ATP直接供能，通过质膜上的Na + K + 泵来完成的，是典型的
46、主动运输方式。,Na + K + 泵又叫Na + K + ATP酶，由和两个亚基组成。工作模式是在细胞内侧亚基与Na +结合促进ATP水解， 亚基上的一个天冬氨酸残基磷酸化引起构象发生变化，将Na + 运出，同时细胞外的K + 与 亚基的另一个位点结合，使其去磷酸化， 亚基构象再度发生变化将K + 输入细胞，完成了整个循环。每 个 循环消耗一个ATP分子，转运3个Na +和2个K + 。动物细胞借助Na +K + 泵维持细胞渗透平衡。同时利用胞外高浓度的Na +所储存的能量，主动从细胞外摄取营养。 (二)由ATP直接提供能量的主动运输钙泵和质子泵Ca + 泵又称Ca + ATP酶，主要存在于细
47、胞质膜和内质网膜上，将Ca + 输出细胞或泵入内质网腔中贮存起来，以维持细胞内低浓度的Ca + 。Ca + 与ATP的,水解相耦联，每消耗一个ATP分子转运出两个Ca+ 。钙泵在肌质网中储存的Ca+ ，对调节肌细胞的收缩与舒张是至关重要的。质子泵：植物细胞、真菌（包括酵母）和细菌细胞其质膜上没有Na + K +泵，而是具有H +泵，将H +泵出细胞，建立跨膜的H +电化学梯度，利用H +电化学梯度来驱动主动转动溶质进入细胞。可分为三种，P型质子泵；在转运H + 的过程中涉及磷酸化和去磷酸化，存在于真核细胞膜上。V型质子泵；存在于溶酶体小膜和植物液泡膜上，转运H + 过程中不形成磷酸化的中间体。
48、H + -ATP酶；存在于线粒体内膜、植物类囊体膜和多数细菌质膜上，它以相反的方式来发挥作用，即沿浓度梯度运动，将所释放的能量贮存在ATP中。,(三)协同运输协同运输是一类由Na + K +泵或（H +泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。物质转运所需的直接能量来自膜两侧离子浓度梯度。动物细胞常利用膜两侧Na +的浓度来驱动。植物细胞和细菌常利用H +浓度来驱动。根据物质运输方向与离子沿浓度梯度转运方向，协同运输又可分为两种，共运输：是物质运输方向与离子转运方向相同。对向运输：是指物质运动方向与离子转移方向相反。 (四)物质的跨膜转运与膜电位(生理上讲)物质的跨膜运输，
49、维持了膜两侧的浓度分布，对离子来说，同时形成了膜两侧的电位差，即膜电位，对于可兴奋细胞，膜电位具有重要的、生物学意义。,三、胞吞作用与胞吐作用真核细胞通过胞吞作用与吞噬作用完成大分子颗粒性物质的跨膜运输。属主动运输。 (一)胞饮作用与吞噬作用胞吞作用是通过细胞质膜内陷形成囊泡将外界物质裹进并输入细胞的过程。根据胞吞物质的大水，胞吞作用又可分为胞饮作用吞噬作用。两者的区别有三点：内吞泡的大水不同：胞饮泡的直径为150nm ，吞噬泡的直径常大于250nm ；胞饮作用是一个连续发生的过程，所有真核细胞都能通过胞饮作用连续摄入溶液和分子；而大的颗粒性物质则通过特殊的吞噬细胞摄入，吞噬作用首先需要被吞噬物与细胞表面结合并激活细胞表面受体，因此是一个信号触发过程。 胞吞泡形成机制不同：胞饮,泡的形成需有网格蛋白、接合素蛋白和结合蛋白等的参与。吞噬泡的形成需要微丝及其结合蛋白参与，在多细胞动物体内，只有某些特化细胞才有吞噬功能。 (二)受体介导的胞吞作用根据胞吞的物质是否有专一性，胞吞作用有两种类型受体介导的胞吞作用：被转运的物质和细胞质膜上专一的受体相结合后引诱发的胞吞作用，如胆固醇的跨膜运转。非特异性的胞吞作用。受体介导的胞吞作用是大多数动物细胞通过网格蛋白有被小泡从胞外液摄取特定大分子的有效途径。 (三)胞吐作用是将细胞内的分泌泡或其它膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。,
