细胞生物学考研笔记.pdf

1、爱考研爱考研爱考研爱考研 （ （http:/http:/ ） ）提供免费资料下载 提供免费资料下载提供免费资料下载提供免费资料下载 1 细胞生物学考研笔记细胞生物学考研笔记细胞生物学考研笔记细胞生物学考研笔记 第一章 绪 论 一、细胞生物学概况 二、细胞生物学简史 三、细胞生物学研究内容 四、细胞生物学学习方法 一、细胞生物学概况 (P1) 1、什么是细胞生物学 ？ 细胞生物学 （ cell biology）是研究细胞基本生命活动规律的科学 ，是现代生命科学的重要基础学科之一 ；它从显微 、亚显微和分子三个层次以动态的观点来研究细胞和细胞器结构与功能，探讨细胞的各种生命活动规律 。 2、细胞是

2、所有生物体 （不包括病毒 ）一切生命活动的基本单位 具有自我复制 、自我装配和自我调控的能力 ，通过与外界物质和信息交流 ，保持自身动态平衡。 病毒 、生物大分子和细胞的关系 “一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找 ” “一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找 ” 3、细胞生物学分支 细胞形态学 细胞遗传学 细胞化学 细胞生理学 细胞分类学 细胞免疫学 二、细胞生物学发展简史 （ P8） 五个阶段 1、细胞的发现 1665 年 Robert Hooke（英） (30)“cellar”cell 1677 年 Leeuwen Hoek（荷兰 ）（ 300）活细胞观察 ，第一次观察到原生动物 、人类和

3、 动物的精子 。 2、细胞学说的建立 1838 1839 Schleiden 和 Schwann（德）分别提出了细胞学说 （ cell theory）； 基本内容 :所有生物都是由一个或者多个细胞构成的 ；细胞是生命的基本单位 。 1858 年 Rodulf Virchow（德）对细胞学说进行了重要补充 ：细胞只能来自细胞 。 意义 ： 19 世纪自然科学三大发现之一 ； 现代生物学三大基石之一 。 3、细胞学经典时期 19 世纪的后 25 年 (P9) 原生质理论的提出 ： protoplasm 1861 年， Max Schultze： 有机体的单位是一小 团原生质 ，这种物质在一般有机体

4、是相似的 。 细胞分裂的研究 ：有丝 、减数分裂 ； 重要细胞器的发现 。 4、实验细胞学及发展 （ 1900 1953） (P10) experimental cytology 用实验的手段研究细胞学的问题 ,即从形态结构的观察深入到生爱考研爱考研爱考研爱考研 （ （http:/http:/ ） ）提供免费资料下载 提供免费资料下载提供免费资料下载提供免费资料下载 2 理功能 、生物化学及遗传发育机理的研究 。 细胞遗传学 细胞生理学 细胞化学 5、细胞生物学学科形成 、发展 （ 20 世纪 50 年代 ） (P12) 1953 年 DNA 结构的发现 分子生物学诞生 ； 1965 年， D

5、 P Derobetis 将普通细胞学 改为 细胞生物学 ，标志着细胞生物学的诞生。 新研究技术手段的促进 ：电子显微镜 、超薄切片 、扫描隧道显微镜 、细胞化学 、分子生物学 80 年代 ：分子细胞生物学 （ Molecular Cell Biology） 细胞生物学发展历史 (总结 ) 1、细胞的发现 、细胞学说的创立 （ 1665 1874）； 2、细胞学的经典时期 （ 1875 1900）； 3、实验细胞学时期 （ 1900 1953）； 4、细胞生物学的诞生和发展 （ 1953） 三、细胞生物学的研究内容 (P2) 1、膜学和细胞器学 生物膜 细胞质膜和细胞内膜的总称 ，细胞物质交换

6、 、能量 转换 、信息交流的关键功能部位。 细胞器学 探讨细胞器的结构和功能 2、核学和染色体学 细胞生物学 、分子遗传学 、发育生物学共同关注的焦点之一 ，研究染色体结构动态变化与基因表达及其调控的关系 。 3、细胞骨架体系 4、细胞分裂和细胞分化 5、细胞凋亡 6、细胞工程学 四、细胞生物学学习方法 1、细胞是生命结构和功能的基本单位 ，细胞生物学在生命科学研究领域具有重要地位 ； 2、明确细胞的结构和功能的一致性 ； 3、从显微 、亚微和分子三个层次来认识细胞的结构与功能 ； 4、和多学科知识相结合 ，同分子生物学 、生物化学 、遗传 学、生理学等课程紧密联系 ； 5、注意细胞生物学各章

7、节之间内容的相互关联 ； 6、关注学科前沿 ；关注新技术方法进展 ；学习一点科技史 。 本 章 完 一、细胞生物学概况 二、细胞生物学简史 三、细胞生物学研究内容 四、细胞生物学学习方法 一、光学显微技术 (P49) 1、普通复式光学显微镜技术 爱考研爱考研爱考研爱考研 （ （http:/http:/ ） ）提供免费资料下载 提供免费资料下载提供免费资料下载提供免费资料下载 3 组成 ：光学放大系统 、照明系统 、机械系统 ； 性能参数 ：放大倍数 、分辨力 、清晰度 、焦点深度 、镜像亮度等 ，其中最重要的是分辨力 。 分辨力 （分辨率 、分辨本领 ）： 能分辨两个物点之间最短距离的能力 。

8、该距离越小 ，则分辨力越高 。 显微镜 的分辨力计算公式 ： 普通光镜分辨极限 最大值 140；最小波长 450nm； N 最大值 1.5； 因此普通光镜的分辨力极限为 0.2 微米 ，此数值亦为显微水平和亚微水平的分界点 。 普通光镜有效放大倍数 （经验值 ） 物镜最大镜口率 1000 提高光学显微镜分辨力的手段 a、缩短照明光线波长 ； b、应用特殊光学效应 ，增强反差 。 显微镜技术和计算机技术结合 倒置显微镜 2、荧光显微镜技术 (P49)（ fluorescence microscopy） 原理 ：以紫外光为光源 ，激发标本中的荧光物质产生荧光 ，从而对某些物质 进行定性和定位分析

9、。 荧光种类 ： 自发荧光 ：细胞内某些天然物质被 UV 激发产生的荧光 ，如叶绿素产生血红色荧光 。 诱发荧光 ：细胞中加入荧光染料 ，与特定成分结 合，经过 UV 照射发出荧光 。 荧光显微镜的工作原理 Olympus BX 51 荧光显微镜 3、激光共聚焦扫描显微镜 (P50)（ laser scanning confocal microscope， LSCM） 4、相差和微分干涉显微镜技术 (P50) 相差显微镜 ： phase contrast microscope, Ph ） 1935 年荷兰物理学家 Frits Zernicke 发明了相差显微镜 ，它利用光的衍射和干涉原理 ，将

10、人眼无法感受到的光的相位差转换成为人眼可以感受到的振幅差 ，从而将无色透明物体中的细节表现为明与暗的对比 ，适合观察活细胞和未染色的样品 。 普通光学显微镜 相差显微镜 微分干涉显微镜 (P51)（ differential interference microscope ， DIM） DIM 获得的反差取决于光线穿过样品折射率变化的速率 。样品边缘结构反差增大 （相对小的距离内折射率发生明显变化 ）。 Nomarski microscope 二、电子显微镜技术 (P51) 1、透射电子显微镜 （ transmission electron microscope， TEM） 电子显微镜是模仿光

11、学显微镜的工作原理 ，用电子束来代替可见光束 ，用电磁线圈代替玻璃透镜汇聚电子束 ，通过荧光屏或者胶片捕获图像的观察工具 ，理论分辨率可达 0.2nm 。 HITACHI H-8100 透射电子显微镜 电子显微镜基本构造 (P52) 电子显微镜基本构造 电子显微镜基本构造 电子显微镜基本构造 超薄切片制备 2、透射电镜特点 “照明 ”光源 电子束 放大倍数调 节方式 改变磁透镜电流强度 高电压工作 几万 十几万伏 内部高真空 10 4 托 样品厚度 90nm 电子穿透力有限 ，产热 爱考研爱考研爱考研爱考研 （ （http:/http:/ ） ）提供免费资料下载 提供免费资料下载提供免费资料下

12、载提供免费资料下载 4 标本染色技术不同 重金属盐 （正染 ，负染 ） 冰冻蚀刻 （冰冻断裂 ）技术 freeze etching（ freeze fracture） 样品于 -190快速冰冻 在真空中用冷却刀切割撕裂 真空中冰升华 暴露出的断裂面喷碳膜或者碳 -铂膜 （表面复型膜 ） 用有机溶剂或酶去除样品 将膜金属喷镀后在电镜下观察 2、扫描电子显微镜 （ P58）（ scanning electron microscope， SEM） SEM 发明于 1965 年，它是利用电子束扫描样品表面 ，再通过检测样品表面逐点散发的二次电子 ，将样品表面的形貌逐点成像并合成为放大的图像 。 PHI

13、LIPS XL20 扫描电子显微镜 扫描电镜的特点 ： 可观察较大较厚的样品 ； 景深大 ，获得的是清晰逼真的三维立体图像 ； 放大倍数在 20 20 万倍间连续变换 ，无需多次聚焦 ； 样品可在样品室内多方位移动和转动 ； 分辨力不太高 ： 3 10nm 只能观察标本表面 ，不能观察内部 。 3、扫描隧道显微镜 （ scanning tunneling microscope， STM）（ P59） 1981 年发明的用于探测微观世界物质表面形貌的仪器 。 利用量子力学中的隧道效应 。 扫描隧道电镜下的 DNA 双螺旋 STM 的特点 ： 具有原子尺度的高分辨本领 ； 真空 、大气 、液体环境

14、中都能工作 ，不接触样品 ，保持样品原貌 。 原子力显微镜 （ atomic force microscope， AFM） 第二节 细胞组分的分析方法 一、超速离心技术 （ P60） 离心技术原理 由于不同的细胞器具有不同的密度和体积 ，因此 ，可以利用离心方法加以分离和纯化 。 1、差速离心 （ differential centrifugation） 利用不同的离心速度产生的不同的离心力 ，将各种亚细胞组分和各种颗粒分离开来 。适合分离沉降速率差别较大的亚微结构颗粒 。 多次离心达到纯化的目的 2、密度梯度离心 （ P61） 蔗糖密度梯度离心 氯化铯密度梯度离心 将介质形成一函盖所有组分密

15、度的密度梯度 ，不同的样品由于其密度差异 ，在离心过程中进入到等密度介质区域即不再移动 ，从而实现分离的目的 。 蔗糖密度梯度离心和氯化铯密度梯度离心的比较 二、组织化学和细胞化学 （ P61） 利用一些显色剂与被测物质中的某些基团特异 性结合 ，来判断核酸 、蛋白质 （酶）、 糖类 、脂类在细胞中的分布和含量 。 福尔根 （ Feulgen）反应 显示 DNA 格莫瑞 （ Gomori）反应 显示碱性磷酸酶 三、免疫细胞化学 （ P62）（ Immunocytochemistry， ICC） 根据抗体能与对应的抗原自行识别结合的免疫学原理 ，来检测特定蛋白质在细胞内的分布状况和含量 。 人成

16、纤维细胞中肌动蛋白束 （ 800） BHK 细胞中的微管蛋白 （ 500） 四、细胞内特异核酸序列的定位和定性 爱考研爱考研爱考研爱考研 （ （http:/http:/ ） ）提供免费资料下载 提供免费资料下载提供免费资料下载提供免费资料下载 5 研究对象 ：细胞内特异核酸 （ DNA 或 RNA） 目的 ：进行定位 、定量分析 方法 ：原位杂交 （ in situ hybridization， ISH）以目标核酸的互补序列为探针 ，对细胞或者组织标本进行杂交处理 ，使目标核酸可视呈现的技术 。是细胞生物学 、细胞遗传学 、分子生物学相互交融的研究手段 。 构建 DNA 分子物理图谱 光谱核型

17、分析 （ spectral karyotype， SKY） SKY of Human 五、定量细胞化学分析技术 P65 细胞分选 （ cell sorting） 是细胞生物学中较新技术 ，是利用流式细胞仪 （ flow cytometery， FCM）对细胞或者其他生物微粒 （如染色体 ）进行分选 ，并对其进行定量分析 （大小 、形状 、核酸含量和蛋白质含量等 ）的技术 。 1、流式细胞仪 （ FCM） 是集合了流体喷射 、激光 、伽马射线能谱 、电子计算机 、显微荧光光度计量等技术于一体的设备 ; 可以定性和定量分析生物颗粒 （包括细胞 ）的物理化学特性并将之分离纯化 ; 目前的 FCM 已

18、经运用于细胞生物学 、肿瘤学 、免疫学 、血清学 、药物学等研究领域 ，可以用来分析免疫复合物 、病毒 、脂质体 、细胞器 、原核细胞 、真核细胞 、简单多细胞生物等等 。 流式细胞仪结构和工作原理 2、标记细胞 ： 免疫荧光染色 荧光素标记抗体 ：异硫氰 酸荧光素 （ FITC）、 藻红素 （ PE）、 Texas 红（ Texas Red） 荧光染色分为 ：直接染色和间接染色 荧光染料直接染色 使用碘化丙啶 （ propidium iodide， PI）或者 DAPI，对固定处理过的细胞或者细胞核直接进行染色 ，利用这些荧光染料嵌合入双螺旋结构堆积的碱基之间 ，使得所有双链区域均被染色 。

19、再利用 FCM 根据细胞激发的荧光的差异对细胞加以分离 。 第三节 细胞培养 、细胞工程与显微操作技术 一、细胞培养 P66 1、什么是细胞培养 是指从机体内取出某种 组织或者细胞 ，模拟机体内的生理条件使其在体外生存 、生长和繁殖的过程 。 细胞培养示意图 2、细胞培养分类 ： 按照培养过程中培养物是否经过了分割 ，分类为 ： 原代培养 （ primary culture） 继代培养 （ secondary culture）或者再培养 （ subculture） 原代培养 （ primary culture） 直接从机体取出组织或者细胞后所进行的首次培养 。 继代培养 （ secondary

20、 culture） / 传代培养 （ subculture） 当原代培养的细胞增殖到一定的密度后 ，将其从 原培养容器中取出 ，按照一定的比例向另外一个或者多个容器中所进行的再培养 ，简称传代 。传代的累计次数就是细胞的代数 。 两个概念 细胞系 （ cell line）： 通过原代培养并且经过传代后所形成的细胞群体 ，由于来源于原代培养物，故一个细胞系往往由多个生物学性状不同的细胞群体组成 。如 HeLa、 CHO 等。 细胞株 （ cell strain）： 利用单细胞分离培养法或者克隆形成法从原代培养物或者细胞系中选择出来的细胞群体 ，一个细胞株往往具有特殊的生物学性状或者标记 ，并且可

21、以持续存在 。 二、细胞工程 （ cell engineering） 细胞水平的生物工程 。 爱考研爱考研爱考研爱考研 （ （http:/http:/ ） ）提供免费资料下载 提供免费资料下载提供免费资料下载提供免费资料下载 6 （一）细胞融合 1、细胞融合 （ cell fusion） 两个或者多个细胞融合成双核或者多核细胞的现象 。产生的细胞称为融合细胞 。 2、细胞融合的应用 ： 动物和植物的不同种 、属之间的细胞可以融合 ，并且动植物之间的细胞可以融合 ，从而培养成各种性状的杂种细胞 。 细胞融合被广泛应用于研究核质关系 、绘制染色体基因图谱 、制备单克隆抗体 、研究肿瘤发生机制等领域

22、 。 3、人工诱导细胞融合 ： 病毒诱导融合 ：灭活的仙台病毒等 。 化学诱导融合 ： PEG 电激诱导融合 ： （二）单克隆抗体 技术 （三）细胞显微操作技术 第四章 细胞膜和细胞表面 Plasma Membrane 2） 通透性可调节 。某些植物病毒能制造特殊的蛋白质 ，使胞间连丝的有效孔径扩大 。 3）某些细胞蛋白和核酸能够通过胞间连丝进入另外一个细胞 。 （三）化学突触 化学突触是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递神经冲动 。 电信号 化学信号 电信号 四、细胞表面的粘着因子 （ P94）（ Cell Adhesion Molecule， CAM） 功能 ： 同种

23、类型细胞粘连在一起 形成组织 ； 细胞彼此粘连 、锚定连接 本质 ：都是整合膜蛋白 ，在胞内与细胞骨架相连 ； 分类 ：钙粘素 、选择素 、免疫球蛋白超家族的 CAM、整联蛋白 。 几个概念 爱考研爱考研爱考研爱考研 （ （http:/http:/ ） ）提供免费资料下载 提供免费资料下载提供免费资料下载提供免费资料下载 12 细胞粘附分子的作用机制有三种模式 ： 1.同亲性粘附 ； 2.异亲性粘附 ； 3. 通过连接分子 （ linker）相互结合 。 1、钙粘素 （ cadherin） 同亲性依赖于 Ca2的细胞粘连糖蛋白 。 胞外部分形成 5 个结构域 ，均含 Ca2结合部位 。 分类

24、：分布广泛 ，家族 成员众多 ，如： E 钙粘素 （表皮 ） N 钙粘素 （神经 ） P 钙粘素（胎盘 ）等。 作用 ： 细胞连接 ；参与细胞分化 。 2、选择素 （ selectin） 定义 ：异亲性 CAM，能识别并结合另一细胞表面伸出的特异糖基团 （依赖于 Ca2）； 结构 ：细胞外片段末端具有凝集素结构域 ； 作用 ：参与白细胞在炎症 （或血块 ）部位与血管壁细胞之间的识别与粘合 ； 分类 ：已知选择素有三种 ： P（ platelet）选择素 ：在血小板 、内皮细胞中表达 ； E（ endothelial）选择素 ：内皮细胞表达 ； L（ leukocyte）选择素 ：各种白细胞中表

25、达 。 3、免疫球蛋白超家族的 CAM（ Ig superfamily） Ig-SF 包括分子结构中含有免疫球蛋白 （ Ig）样结构域的所有分子 一般不依赖于 Ca2， 包括同亲性或亲异性 CAM 作用 ：介导淋巴细胞和需要进行免疫反应的细胞之间的粘着 。 4、整联蛋白 （ integrin） 多为异亲性细胞粘附分子 。作用依赖于 Ca2。 一般由是 、亚单位形成异二聚体 。 目前发现有 18 种亚单位和 8 种亚单位 ，相互配合形成 24 种不同的二聚 体整联蛋白 ； 整联蛋白的功能 ： 介导细胞与基质或者其他细胞的粘着 ； 介导从细胞外环境到胞内的信号转导 。 第三节 细胞外被与细胞外基质

26、 （ cell coat 分布 ：在各种动物中都存在 ，肌腱 、软骨和骨中的胶原非常丰富 ，含量接近 1/2。 1、胶原的分子结构 胶原的基本结构单位 原胶原 （ tropocollagen）。 原胶原是三条肽链形成的三股螺旋 ； 一级结构具有 Gly Pro y 重复序列 y Hypro 或 Hylys 原胶原 （ tropocollagen） 每条链盘绕成呈 链卷曲的左手螺旋 ； 三股链再绕成右手超螺旋 。 胶原的结构 原胶原分子间共价交联 ，呈 1/4 交替平行排列 ，形成胶原纤维 ，在电镜下可见间隔 67nm 的周期性横纹 。 2.胶原的分类 ： 胶原类型多达 20 种 ,分为六种 （

27、 I VI）， 具有不同的化学结构和免疫性能 ，是不同基因的表达产物 ；了解较为详细的有 I IV 型 3、胶原的 合成 、装配 由成纤维细胞 、软骨细胞 、成骨细胞 、上皮细胞分泌 ； 合成 ：胶原肽链的翻译在糙面内质网 （ rER）核糖体上进行 。 装配 ：前体进入内质网 ，先后在内质网和高尔基体中进行修饰和加工 ，最终分泌到细胞外基质中 ； 膜结合核糖体合成含有信号肽的原 链（早前胶原 ）； 早前胶原进入内质网 ，切去信号肽 ，三股前体肽装配成前胶原 （ procollagen）； 前胶原进入高尔基体 ，经过修饰加工 ，被包进分泌小泡 ，与质膜融合 ，分泌到细胞外 ； 在细胞外 ，前胶原

28、被切去 N、 C 端的前肽 （ propeptide）， 成为原胶原 ，然后进一步聚合成为胶原纤维 （ collagen fiber）。 原链（早前胶原 ） 前胶原 原胶原 胶原纤维 4、胶原的功能 （ P101） 参与形成结缔组织 ，如骨 、韧带 、基膜 、皮肤 ； 含量高 ，刚性和抗张强度最大 ，构成细胞外基质的骨架结构 ，并与其他组分结合形成结构与功能的复合体 ； 在不同的组织中 ，胶原装配成不同的纤维形式 ，以适应功能的需要 （肌腱 、角膜 ）； 参与细胞外基质信号传递 。 皮肤过度松弛症 （二）糖胺聚糖和蛋白聚糖 1、糖胺聚糖 （ glycosaminoglycan， GAG） GA

29、G 是重复二糖单位构成 的长链多糖 。 二糖单位 ：氨基已糖 （氨基葡萄糖或氨基半乳糖 ）和糖醛酸 。 常见的 GAG：透明质酸 、 4硫酸软骨素 、 6硫酸软骨素 、硫酸皮肤素 、硫酸乙酰肝素 、肝素和硫酸角质素 。 糖胺聚糖的功能 ：在细胞外创立水合 、胶状的材料 ，形成细胞外基质的基质 。 透明质酸 （ hyaluronic acid， HA） 一种重要的糖胺聚糖 ，是增殖细胞和迁移细胞的胞外基质的主要成分 ，可结合大量水分子 ，赋予组织一定的抗压性 。 HA 使细胞保持彼此分离 ，并易于迁移和增殖 ，且阻止细胞分化 。 2、蛋白聚糖 （ proteoglycan） 爱考研爱考研爱考研爱

30、考研 （ （http:/http:/ ） ）提供免费资料下载 提供免费资料下载提供免费资料下载提供免费资料下载 14 组成 ：由糖胺聚糖和核心蛋白 （ core protein）共价连接形成的巨分子 ，是糖和蛋白质的复合物 。 分布 ：细胞表面 、所有结缔组织和细胞外基质 。 蛋白聚糖的功能 ：形成多孔 、吸水的胶状物 ，保护细胞 ，抗挤压 。 （三）层粘连蛋白和纤连蛋白 1、层粘连蛋白 （ laminin， LN) 是各种动物胚胎和成体组织基膜的主要构成组分 。是一种高分子糖蛋白 。是胚胎发育中最早出现的细胞外基质成分 。 分子结构 ：由三条肽链 （ 、）借二硫键交联成的十字形分子 。 已知

31、 有 8 种亚单位 （ 1-3、 1-3、 1-2）构成 7 种 LN 分子 。这 8 种亚单位由不同基因编码 。 Laminin Structure 层粘连蛋白的功能 LN 的主要功能 ：组装基膜 ，在细胞表面形成网络结构并将细胞固定在基膜上 。 在胚胎发育 、细胞迁移 、生长 、分化中具有重要作用 。 同肿瘤细胞的转移有关 。 2、纤连蛋白 （ fibronectin， FN） 结构 ：高分子量糖蛋白 ，由 2 个亚单位组成 ，在 C 端形成两个二硫键交联 。 分类 ： 血浆 FN： V 字形二聚体 ，可溶 ，存在于血 浆、体液 。 细胞 FN：多聚体 ，不溶 ，存在于 ECM 及细胞 表

32、面 。 纤连蛋白 二聚体 已鉴定的 FN 亚单位 20 种以上 ，是由同一基因编码 ，转录后不同方式拼接而形成的多种异型分子 。 结构 ： 每条 FN 有 5 7 个有特定功能的结构域 ，具有与细胞表面受体 、胶原 、血纤蛋白 、硫酸蛋白多糖的高亲合性的结合部位 。 纤连蛋白的功能 1、介导细胞的粘着 增强细胞间的粘连及细胞与基质的粘连 ；参与胚胎发育 ； 参与创伤修复 ； 2、促进细胞的迁移 （四）弹性蛋白 （ elastin） 是弹性纤维 （ elastic fiber）的主要成分 。主要存在于脉管壁和肺 ，少量存在于皮肤 、肌腱和疏松结缔组织中 。 弹性纤维 弹性 胶原纤维 抗张性 是高

33、度疏水的非糖基化蛋白 ，富含甘氨酸和脯氨酸 1、构象呈无规则卷曲状态 2、通过 Lys 残基相互交联成网状结构 （五）植物细胞壁 由纤维素 、半纤维素 、果胶质等几种大分子组成 ；为细胞提供胞外支架 ，对细胞起到支持作用；某些寡糖成分可作为信号物质 。 第五章 物质的跨膜运输 与信号传递 第一节 物质的跨膜运输 MEMBRANE TRANSPORT 前 言 为什么要进行运输 ？（ P108） 1、摄取营养物质 ； 2、排出代谢废物 ； 3、调节细胞内离子浓度 ； 4、维持细胞内环境的稳定。 爱考研爱考研爱考研爱考研 （ （http:/http:/ ） ）提供免费资料下载 提供免费资料下载提供免

34、费资料下载提供免费资料下载 15 运输的方式 ： 1、被动运输 ； 2、主动运输 ； 3、胞吞和胞吐作用 。 一、被动运输 (passive transport)P108 定义 ：是指通过简单扩散或者协助扩散实现的物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运 。 特点 ：转运的动力来自于物质的浓度梯度 ，无需细胞提供能量 。 分类 ：简单扩散 协助扩散 （一）简单扩散 （ simple diffusion） 1、定义 ：小分子的热运动使分子以扩散的方式 ，从膜的一侧沿浓度梯度降低的方向进入另一侧 ，也叫自由扩散 （ free diffusion）。 2、特点 ： 沿浓度梯度 （或电化学梯度 ）扩散 ；

35、无需能量 ； 无需膜蛋白的协助 。 3、过程 ：物质先溶解在膜脂中 ，再从一侧扩散到另外一侧 ，最后进入水相 。 4、物质通透性决定于分子的脂溶性 、极性 、分子大小和带电性 ： 脂溶性越高 ，通透性越强 ；水溶性越高 ，通透性越弱 ； 非极性分子比极性更易透过 。 H2O、 O2 等可以透过 ，但速度较慢 ； 小分子比大分子更易 透过 ； 对带电荷的物质是高度不通透 。？ （二）协助扩散 （ facilitated diffusion） 1、定义 ：各种极性分子和无机离子顺浓度梯度减小的方向跨膜转运 ，运输过程中无需能量 ，但是需要特异的膜蛋白协助转运 又称为促进扩散 、易化扩散 、帮助扩散

36、 。 2、协助扩散的特点 ： 转运效率高 ；转运具有特异性和饱和性 ；由膜转运蛋白 （ membrane transport proteins）负责转运 。可以被抑制 。 3、膜转运蛋白的分类 ： 载体蛋白 （ carrier proteins） 通道蛋白 （ channel proteins） 载体蛋白 （ carrier proteins） 分子结构 ：多次跨膜蛋白 ，能与特定的溶质分子结合 ，通过改变构象介导跨膜转运 。 功能 ：既可介导被动运输 ，也可介导逆浓度梯度或者电化学梯度的主动运输 ； 有的需要能量驱动 （如各类 ATP 驱动的离子泵 ）； 有的则不需要 （如缬氨酶素 ）。 又

37、称 通透酶 （ permease）和转运器 （ transporter）， 具有酶的部分特性 。 有专一性 ； 存在竞争性抑制和非竞争性抑制 ； 葡萄糖的运输是典型的载体蛋白介导的协助扩散 。 血糖升高 促进胰岛素的分泌 促进各种靶细胞内膜泡膜上的葡萄糖载体蛋白转移到质膜上提高葡萄糖的吸收 糖尿病 ： 型：合成胰岛素缺陷 型：胰岛素水平正常 ，但是靶细胞对其不应答 ？受体或者运输蛋白出现问题 。 通道蛋白 （ channel proteins） 分子结构 ：是亲水性的跨膜通道 ，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过 ，故又称离子通道 。 功能 ：只能介导顺浓度梯度 （电化学梯度 ）的被动运输 。

38、离子通道的特征 ： 选择性 转运效率高 106 个离子 /秒 门控 可开 /关控制其活性 ； 少数通道长期开放 ，如 K+泄漏通道 ； 多数通道关闭 ，只在一定条件刺激下开启 。 膜片钳 （ patch clamp） 水的运输 ： （非脂溶性 、极性 ） 大多数是通过简单扩散进入细胞 ； 小部分通过水通道蛋白 （ aquaporin， AQP）进行扩散 。 AQP 持续开放 ，水的转运无需能量 ，不受门控机制影响 。 目前在动 、植物中已经分离到 11 个水通道蛋白家族成员 。 二、主动运输 active transport 爱考研爱考研爱考研爱考研 （ （http:/http:/ ） ）提供

39、免费资料下载 提供免费资料下载提供免费资料下载提供免费资料下载 16 为什么要进行主动运输 ？ 1、保证了细胞 （器）从低浓度环境中摄取必要的营养物质 ； 2、能够向高浓度环境中排出废物 、分泌物 、离子 ； 3、维持细胞内 离子的适当浓度 （ H+、 Ca2+、 K+ ）。 主动运输 定义 ：是由载体蛋白所介导的逆物质浓度梯度 （电化学梯度 ）进行跨膜转运的方式 。 特点 ： 逆浓度梯度 （逆化学梯度 ）运输 ； 需要能量 ； 需要载体蛋白 （结构可变 ）； 具有选择性和特异性 。 分类 ：按照能量来源分为 ATP 直接供能 ； 协同运输 (ATP 间接供能 )； 光能 （见于细菌 ）。 （

40、一） Na+-K+泵 ATP 直接供能 1、细胞内的 Na+、 K+环境 低 Na+高 K+的离子环境 动物细胞一般要消耗 1/3（神经 细胞消耗 2/3）的总 ATP 来维持这种环境 。 Na+、 K+的输入和输出是典型的主动运输 ，是通过钠钾泵来完成的 。 The Nobel Prize in Chemistry 1997 2、 Na+-K+泵（ Na+-K+ pump） Na+- K+泵的分子结构 ： 实际上就是 Na+-K+ ATP 酶，由 2 个亚基 、 2 个亚基组成 ，分布于动物细胞的质膜上 。 亚基是多次跨膜蛋白 ，具有 ATP 酶活性和 Na+、 K+结合位点 ； 亚基是具有

41、组织特异性的糖蛋白 。 Na+- K+泵的工作方式 在膜内侧 ， 3 Na+与酶结合 ，激活 ATP 酶活性 ，使 ATP 分解 ，酶自身被磷酸化 ； 酶构象发生改变 ，与 Na+结合的部位转向膜外侧 ； 向胞外释放 3 Na+并与 2 K+结合 ， K+与磷酸化的酶结合后促使酶去磷酸化 ； 酶的构象恢复原状 ，于是与 K+结合的部位转向膜内侧 ； 向胞内释放 K+，并又重新与 Na+结合 。 1000 次 /秒高速运转 。总的结果是每一消耗一个 ATP；输出 3 个 Na+ ，输入 2 个 K+ 。 使细胞外带正电荷 。 Na+-K+泵的作用 维持细胞的渗透平衡 ，保持细胞的体积 ； 抵消了

42、细胞内外的 Na+、 K+扩散 ，维持低 Na+高 K+的细胞内 环境 ，为协同运输提供驱动力 ； 维持细胞的静息电位 。 渗透作用 Na+-K+泵的影响因子 ： 乌本苷 （ ouabain）、 毛地黄 （ digitalis）可抑制 Na+-K+泵活性 ； Mg2+ 、少量的膜脂有助于提高 Na+-K+泵的活性 ； 氰化物抑制生物氧化 ，最终导致 Na+-K+泵停止工作 。 (二 ) Ca2+泵 ATP 直接供能 钙泵 （ Ca2+pump）又称为 Ca2+-ATP 酶，跨膜蛋白 ，进化上与 Na+-K+泵的 亚基同源 。 作用 ：维持细胞内较低的 Ca2+浓度 （胞内浓度 10-7M，胞外

43、 10-3M）。 分布 ：质膜 和肌细胞内质网膜 。 作用机制 ： 原理与钠钾泵相似 ，每分解一个 ATP，泵出 2 个 Ca2+，将 Ca2+输出细胞或泵入内质网腔中储存起来 。 Ca2+- ATP 酶工作过程 （三） H+泵 ATP 直接供能 1、质子泵的分布 ： 植物细胞 、真菌和细菌的质膜上没有 Na+-K+泵，只有质子泵 （ H+ ATPase） 2、质子泵的功能 ：质子泵将 H+泵出细胞 ，建立跨膜的 H+电化学梯度 （相当于动物细胞膜上的 Na+电化学梯度 ）， 从而驱动一些溶质的转运 。 爱考研爱考研爱考研爱考研 （ （http:/http:/ ） ）提供免费资料下载 提供免费

44、资料下载提供免费资料下载提供免费资料下载 17 3、质子泵的分类 （ P115） P-type：利用 ATP 自磷酸化导致 的构象改变来转移 H+ 。如植物细胞膜上的 H+泵、动物胃表皮细胞的 H+-K+泵（分泌胃酸 ）。 “胃酸 ” V-type：位于溶酶体膜 、内体 、植物液泡膜上 ，由许多亚基构成 ，水解 ATP 产生能量 ，将 H+泵入细胞器 ，但不发生自磷酸化 。 F-type：是由许多亚基构成的管状结构 。利用 H+动力势合成 ATP，也叫 ATP 合酶 ，位于细菌质膜 ，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上 。 （四）协同运输 （ cotransport） ?1、定义 ：是由 Na+-

45、K+泵（ 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 ，又叫偶联运输 。 ? 2、能量来源 ：来自膜两侧的离子浓度梯度 （电化学梯度 ） 动物细胞中常常利用膜两侧 Na+梯度 ； 植物细胞和细菌常利用 H+梯度 。 3、协同运输的分类 根据物质运输方向与离子转移方向的关系 ，协同运输又可分为 ： 共运输 （ symport ） 物质运输方向和离子转移方向相同 对向运输 （ antiport） 物质运输方向和离子转移方向相反 共运输 （ symport）（ 同向转运 ） 物质运输方向与离子转移方向相同 。 如小肠细胞对葡萄糖 、氨基酸的吸收伴随着 Na+的进入 ； 某

46、些细菌中 ，乳糖的吸收伴随着 H+ 的进入 。 对向运输 （ antiport）（ 逆向转运 ） 物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反 。 动物细胞常通过 Na+/H+ 对向协同运输的方式来转运 H+ ，以调节细胞内的 pH 值。 共运输和对向运输的比较 （五）主动运输和被动运输的比较 （六）动、植物细胞主动运输的比较 图 5 9 动、植物细胞主动运输的比较 三、胞吞和胞吐作用 endocytosis & exocytosis 概述 (P118)： 运输对象 ：大分子和颗粒性物质 （如蛋白质 、多核苷酸 、多糖等 ） 运输方式 ：物质包 裹在脂双层膜囊泡中进行运输 ，因此又称为膜泡运输 。

47、耗能 ：运输过程涉及膜泡的融合和断裂 ，需要消耗能量 ，属于主动运输 。 运输量 ：可以同时转运一种或者几种数量不等的大分子或颗粒 ，因此又称批量运输 （ bulk transport）。 （一）胞吞作用 （ endocytosis） 1、定义 ：是通过细胞膜内陷形成胞吞泡 （ endocytic vesicle）， 将外界物质输入细胞 。 2、分类 ： 吞噬作用 （ phagocytosis） 胞饮作用 （ pinocytosis） 吞噬作用 （ phagocytosis） 吞入较大的颗粒性物 质（微生物 、细胞碎片等 ）； 又称胞吃作用 （ celluar eating）； 囊泡较大 吞噬体 。 发生细胞类型 ： 变形虫 、单细胞生物 、巨噬细胞 、中性粒细胞 。 胞饮作用 （ pinocytosis） 吞入液体或者溶解物 ； 囊泡较小 ； 发生细胞 ：大多数细胞都可以连续进行 。 吞噬和胞饮作用的比较 3、受体介导的胞吞作用 （ p120） 原理 ：是一种选择浓缩机制