細胞生物學知識點(最終版)

1、細胞生物學知識點緒論細胞生物學研究的內容和現(xiàn)狀細胞生物學是現(xiàn)代生命科學的重要基礎學科 什么是細胞生物學？ 細胞生物學是研究細胞基本生命活動規(guī)律的科學，它是在不同層次（顯微、亞顯微與分子水平）上以研究細胞結構與功能、細胞增殖、分化、衰老與凋亡、細胞信號傳遞、真核細胞基因表達與調控、細胞起源與進化等為主要內容。核心問題是將遺傳與發(fā)育在細胞水平上結合起來。二、細胞生物學的主要研究內容 1、細胞核、染色體以及基因表達的研究 2、生物膜與細胞器的研究 3、細胞骨架體系的研究 4、細胞增殖及其調控 5、細胞分化及其調控 6、細胞的衰老與凋亡 7、細胞的起源與進化8、細胞工程三、細胞生物學的發(fā)展趨勢 從分子

2、水平細胞水平，相互滲透交融 從細胞結構功能研究為主細胞重大生命活動為主 分析綜合 功能基因組學研究是細胞生物學研究的基礎與歸宿 (應用)由基因治療細胞治療 四、當前細胞生物學研究的重點領域 染色體DNA與蛋白質相互作用關系 細胞增殖、分化、衰老及凋亡的調控及其相互關系 細胞信號轉導五、最近幾年諾貝爾獎與細胞生物學（2000-2010）2000：神經系統(tǒng)中的信號傳遞2001：控制細胞周期的關鍵物質2002: 細胞凋亡調節(jié)機制2003：細胞膜水通道及離子通道結構和機理2004：泛素調節(jié)的蛋白質降解系統(tǒng)2005：幽門螺旋桿菌2006： RNAi2007：基因敲除小鼠2008：綠色熒光蛋白2009：端

3、粒和端粒酶保護染色體的機理2010：試管受精技術 20XX年，美國人LelandHartwell、英國人Paul Nurse、TimothyHunt因對細胞周期調控機理的研究而獲諾貝爾生理醫(yī)學獎。 20XX年，英國人悉尼布雷諾爾、美國人羅伯特霍維茨和英國人約翰蘇爾斯頓，因在器官發(fā)育的遺傳調控和細胞程序性死亡方面的研究獲諾貝爾諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。 20XX年，美國科學家彼得阿格雷和羅德里克麥金農，分別因對細胞膜水通道，離子通道結構和機理研究而獲諾貝爾化學獎。 20XX年，美國人Richard Axel和Linda B. Buck獲諾貝爾生理與醫(yī)學獎，他們發(fā)現(xiàn)氣味受體和嗅覺系統(tǒng)的組成。 20XX

4、年Barry J. Marshall 和J. Robin Warren 獲諾貝爾生理與醫(yī)學獎，他們發(fā)現(xiàn)幽門螺桿菌及其在胃炎和胃潰瘍方面的作用。 20XX年美國人Andrew Z. Fire和Craig C. Mello因對RNA干擾的研究而獲諾貝爾生理與醫(yī)學獎。 20XX年美國人Elizabeth Blackburn、Carol Greider、Jack Szostak獲諾貝爾醫(yī)學和生理學獎，他們發(fā)現(xiàn)了端粒和端粒酶保護染色體的機理。 年度諾貝爾生理學或醫(yī)學獎在瑞典首都斯德哥爾摩揭曉。被譽為“試管嬰兒之父”的英國科學家羅伯特愛德華茲 (Robert G. Edwards)，因“在試管受精技術方面

5、的發(fā)展”而被授予該獎項。第二節(jié) 細胞學與細胞生物學發(fā)展簡史 細胞的發(fā)現(xiàn) 細胞學說的建立其意義 細胞生物學的研究內容分三個層次： 1）顯微水平，光學顯微鏡下可見的結構。 2）超微水平，電子顯微鏡下可見的結構。 3）分子水平，細胞結構的分子組成，及其在生命活動中的作用。細胞生物學經歷了四個主要發(fā)展階段： 1）1665-1830s，細胞發(fā)現(xiàn)，顯微生物學。 2）1830s-1930s，細胞學說，Cytology誕生 3）1930s-1970s，電鏡技術應用， Cytology發(fā)展為細胞生物學。 4）1970s以來，分子細胞生物學時代。一、細胞的發(fā)現(xiàn) 顯微鏡之于生物學，猶如望遠鏡之于天文學，細胞生物學的

6、變革無不和顯微技術的改進息息相關。 1590年J. 和Z. Janssen父子制作第一臺復式顯微鏡，放大倍數(shù)不超過10倍。 1665年英國人Robert Hooke出版顯微圖譜。觀察了軟木，并首次用cells來描述“細胞” 1680年荷蘭學者A. van Leuwenhoek當選為英國皇家學會會員。他觀察過植物、原生動物、水、鮭魚的紅細胞、牙垢中的細菌、唾液、血液、精液等等。 1830s消色差顯微鏡出現(xiàn)，人們才對細胞的結構和功能有了新的認識。 1831年R. Brown在蘭科植物表皮細胞內發(fā)現(xiàn)了細胞核。 1836年GG. Valentin在動物神經細胞中發(fā)現(xiàn)了細胞核與核仁。這些工作對于細胞學說

7、的誕生具有重要意義。 細胞學說的建立及其意義 1838年Schleiden發(fā)表“植物發(fā)生論” ，認為無論怎樣復雜的植物都由細胞構成。但他以free-cell formation理論來解釋細胞形成。 Schwann提出了“細胞學說”（Cell Theory) ；1939年發(fā)表了“關于動植物結構和生長一致性的顯微研究”。 Schwann提出： 有機體是由細胞構成的；細胞是構成有機體的基本單位。但他也采用了的Schleiden細胞形成理論。 1855 德國人R. Virchow 提出“一切細胞來源于細胞”（omnis cellula e cellula）的著名論斷；進一步完善了細胞學說。 細胞學說是

8、19世紀的重大發(fā)現(xiàn)之一，其基本內容有三條： 1.認為細胞是有機體，一切動植物都是由細胞發(fā)育而來,并由細胞和細胞產物所構成； 2.每個細胞作為一個相對獨立的單位，既有它“自己的”生命,又對與其它細胞共同組成的整體的生命有所助益； 3. 新的細胞可以通過老的細胞繁殖產生。三、 細胞學發(fā)展的經典時期 19世紀30年代至20世紀初，細胞學得到了蓬勃的發(fā)展。其研究方法主要是顯微鏡下細胞形態(tài)的描述。研究的主要特點是應用生物固定和染色技術，在光學顯微鏡下觀察細胞的形態(tài)和細胞的分裂活動。 原生質理論的提出、細胞分裂活動的研究以及重要細胞器的發(fā)現(xiàn)等，構成了細胞學發(fā)展的經典時期。四、實驗細胞學與細胞學的分支及其發(fā)

9、展 從20世紀初到中葉，為實驗細胞學的發(fā)展時期。這一時期細胞學研究的特點是由對細胞形態(tài)結構的觀察，深入到對其生理功能、生物化學、遺傳發(fā)育機理的研究。 1932年德國人E. Ruska和M. Knoll發(fā)明透射電鏡，人類視野進入超微領域 。 1939年Siemens公司生產商品電鏡。 1940-50s用電鏡觀察了各類細胞超微結構。并結合超速離心、電泳、無細胞體系等分析技術研究這些結構的功能。Cytology發(fā)展為Cell Biology。五、細胞生物學學科的形成和發(fā)展 從20世紀60年代起，細胞學發(fā)展成為細胞生物學。細胞生物學是隨著分子生物學的發(fā)展而興起的。 1869年瑞士人F. Miesche

10、r 從膿細胞中分離出核酸，但未引起重視。 1941年Beatle和Tatum提出了“一個基因一個酶”的理論。 1944年O. Avery等通過細菌轉化試驗，1952年M. Chase等通過噬菌體標記感染實驗肯定了核酸與遺傳的關系。 1952年RE. Franklin拍攝到清晰的DNA晶體的X-衍射照片。1953年她認為DNA是一種對稱結構，可能是螺旋。 1953年，JD. Watson 和FHC. Crick提出DNA雙螺旋模型。與Wilkins分享1962 年諾貝爾生理學與醫(yī)學獎 。 1958 年Crick 提出分子遺傳的“中心法則”。 1961-1964年Nirenberg 等破譯遺傳密碼

11、。 1972年DA. Jackson，RH. Symons和P. Berg創(chuàng)建DNA體外重組。 1973年SN. Cohen和HW. Boyer將外源基因拼接在質粒中，并在大腸桿菌中表達。一系列技術和理論的提出，使細胞生物學與分子生物學的結合越來越緊密。 20世紀80年代以來，細胞生物學的主要發(fā)展方向是細胞的分子生物學，即在分子水平上探索細胞的基本生命規(guī)律，把細胞看成是物質、能量、信息過程的結合，并在分子水平上深入探索其生命活動的規(guī)律，深刻性與綜合性是細胞生物學進一步發(fā)展的特點。 1983年，KB. Mullis發(fā)明PCR儀，于1993年獲諾貝爾化學獎。 1990年，美國國會正式批準的“人類基

12、因組計劃” （Human Genome Project）。 我國于1993年加入該計劃，承擔其中1%的任務，即人類3號染色體短臂上約30Mb的測序任務。 2000年6月27日科學家公布完成人類基因組草圖。 20XX年2月12日聯(lián)合公布人類基因組圖譜及分析結果。初步分析表明，人類基因組由31.647108bp組成，共有3萬4萬個基因。 同年，美國國立衛(wèi)生研究院給一名患有先天性重度聯(lián)合免疫缺陷病的4歲女孩實施了首例基因治療。這種疾病因腺苷脫氨酶（ADA）基因變異引起。 1996年7月5日，世界上第一只克隆羊“多利”在英國蘇格蘭盧斯林研究所的試驗基地誕生。 目前細胞生物學研究的基本特點和趨勢可歸納如

13、下： 細胞結構功能 細胞生命活動。 細胞中單一基因與蛋白 基因組與蛋白質組及其在細胞生命活動中的協(xié)同作用。 細胞信號轉導途徑 信號調控網絡。 體外研究 體內研究。 靜態(tài)已經 活細胞的動態(tài)研究。 研究為主 計算生物學更多地介入并與之結合。 細胞生物學與生物學其他學科的滲透 與數(shù)、理、化及納米科學等多學科的交叉。 總的特點是從靜態(tài)的分析到活細胞的動態(tài)綜合，這在很大程度也反映了生命科學研究的趨勢。 細胞的統(tǒng)一性與多樣性 細胞的基本概念一、細胞是生命活動的基本單位二、細胞的基本共性一、細胞是生命活動的基本單位 1、一切有機體都由細胞構成，細胞是構成有機體的基本單位.2、細胞具有獨立的、有序的自控代謝體

14、系，細胞是代謝 與功能的基本單位3、細胞是有機體生長與發(fā)育的基礎 4、細胞是遺傳的基本單位。細胞具有遺傳的全能性 5、沒有細胞就沒有完整的生命 6. 細胞概念的一些新思考（1）細胞是多層次非線性的復雜結構體系 細胞具有高度復雜性和組織性（2）細胞是物質（結構）、能量與信息過程精巧結合的綜合體 1、細胞完成各種化學反應； 2、細胞需要和利用能量； 3、細胞參與大量機械活動； 4、細胞對刺激作出反應；（3）細胞是高度有序的，具有自組裝能力與自組織體系。 1、細胞能進行自我調控； 2、繁殖和傳留后代； 二、細胞的基本共性 1. 所有的細胞都有相似的化學組成 2. 脂-蛋白體系的生物膜 所有的細胞表面

15、均有由磷脂雙分子層與鑲嵌蛋白質構成的生物膜，即細胞膜。 3. DNA-RNA的遺傳裝置 所有的細胞都有兩種核酸，即DNA-與RNA，作為遺傳信息復制與轉錄的載體。 4. 蛋白質合成的機器核糖體 一切細胞均存在合成蛋白質的基本結構體核糖體。 5. 一分為二的分裂方式。 原核細胞與真核細胞基本特征的比較原核細胞與真核細胞的遺傳結構裝置和基因表達的比較細胞的體積受什么因素控制？ 可以從3個方面進行探討： 1、不論細胞體積相差多大，各種細胞核的大小相差不大。 2、細胞的表面積限制了細胞的大小 （1）細胞體積相對細胞表面積呈反比關系,體積越大,表面積就越小 （2）細胞體積比表面積增大速度快 3、細胞內物

16、質的交流運輸與細胞體積有關，細胞內的物質從一端向另一端運輸或擴散是有時間與空間關系的。細胞形態(tài)結構與功能的關系 細胞的形態(tài)有球形、星形、扁平、立方形、長柱形、梭形等。 細胞形態(tài)結構與功能的相關性與一致性是很多細胞的共同特點，在分化程度較高的細胞中更為明顯，這是生物漫長進化過程的產物。植物細胞和動物細胞的比較第四章 細胞質膜Plasm membrane 細胞質膜（plasm membrane)曾稱細胞膜(cell membrane)，是指圍繞在細胞最外層，由脂質(lipid)和蛋白質(protein)組成的生物膜。 質膜不僅是細胞結構的邊界，使細胞具有一個相對穩(wěn)定的內環(huán)境，同時在細胞與環(huán)境之間的

17、物質運輸、能量轉換及信息傳遞過程中也起著重要作用。 細胞內的膜與細胞質膜統(tǒng)稱為生物膜（biomembrane)。它是圍繞細胞的保護層，一層薄而透明的油層，允許食物,氧氣和水份進入細胞,廢物排出細胞。第一節(jié) 細胞質膜的結構模型 生物膜的結構模型 膜脂 膜蛋白一、生物膜的結構模型單位膜模型(Unit membrane model) 用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結構，它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內外表面各厚約2nm的蛋白質構成，總厚約7.5nm?！吧锬さ牧鲃予偳赌Ｐ汀?這種模型認為細胞膜是由流動的脂雙分層子和嵌在其中的蛋白質構成的。 該模型主要強調：1）膜的流動性，

18、膜蛋白和膜脂均可側向運動；2）膜蛋白分布的不對稱性，有的鑲在膜表面 ，有的嵌入或橫跨脂雙分子層。K.Simons et al(1997): lipid rafts model（脂筏模型） 生物膜結構的特征 具有極性頭部和非極性尾部的磷脂分子在水相中具有自發(fā)形成封閉的膜系統(tǒng)的性質。磷脂雙分子層是組成生物膜的基本結構成分,尚未發(fā)現(xiàn)膜結構中起組織作用的蛋白； 蛋白分子以不同方式鑲嵌在脂雙層分子中或結合在其表面,膜蛋白是賦予生物膜功能的主要決定者； 生物膜可看成是在雙層脂分子中嵌有蛋白質的二維溶液。 二、膜的化學組成 Membrane Lipid（膜脂 ） Phospholipids (phospho

19、glycerides，磷脂) Glycolipid （糖脂類） Cholesterol（膽固醇） Membrane Protein(膜蛋白) Integral proteins （膜內在蛋白） Channel Proteins （通道蛋白） Carrier Proteins （載體蛋白） Peripheral proteins（膜外周蛋白） Lipid anchored proteins（脂錨定蛋白） Membrane Carbohydrates (膜碳水化合物) 膜脂(Membrane Lipid ) ：膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類型磷脂（ phospholipids ）：膜脂的基本

20、成分（50以上） 分為二類: 甘油磷脂(phosphoglycerides )和鞘磷脂（ sphingolipids） 主要特征： 具有一個極性頭部和兩個非極性的尾部（心磷脂除外）； 脂肪酸碳鏈碳原子為偶數(shù),大多數(shù)由16,18或20個組成； 飽和脂肪酸(如軟脂酸)及不飽和脂肪酸(如油酸)； 糖脂（glycolipids） ： 糖脂普遍存在于原核和真核細胞的質膜上（5以下）,神經細胞膜上糖脂含量較高；膽固醇（Cholesterol）和中性脂質： 存在于真核細胞膜上，其含量不超過膜脂的1/3。細菌質膜不含有膽固醇，但某些細菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂。Features (特征): Found in

21、 animals , Smaller, Less amphipathic Functions(功能) : 維持膜的流動性，增加膜的穩(wěn)定性 如沒有膽固醇，膜很容易分開small hydrophilic （親水性）hydroxyl group （羥基）toward the membrane surface 親水的羥基對著膜表面the remainder of the molecule embedded in the lipid bilayer其余的部分埋在脂雙層間The Nature of the Lipid 膜脂的基本性質是兩性物質, 能夠自我裝配成雙層結構或自我封閉成球狀。膜脂的功能構成膜的基

22、本骨架,去除膜脂，則使膜解體;是膜蛋白的溶劑，一些蛋白通過疏水端同膜脂作用，使蛋白鑲嵌在膜上，得以執(zhí)行特殊的功能;膜脂為某些膜蛋白(酶)維持構象、表現(xiàn)活性提供環(huán)境, 一般膜脂本身不參與反應(細菌的膜脂參與反應); 膜上有很多酶的活性依賴于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特異的磷脂頭部基團存在時才有功能。2. 膜脂的運動方式Four kinds of movement: 沿膜平面的側向運動(Lateral diffusion by exchanging places):基本運動方式,其擴散系數(shù)為10-8cm2/s； 脂分子圍繞軸心的自旋運動(Rotation about its long axis

23、)； 脂分子尾部的擺動(Wave)； 雙層脂分子之間的翻轉運動( Transverse diffusion, or “flip-flop” from one monolayer to the other):發(fā)生頻率還不到脂分子側向交換頻率的1010。但在內質網膜上,新合成的磷脂分子翻轉運動發(fā)生頻率很高。3.Liposome脂質體 脂質體是根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定的脂雙層膜的趨勢而制備的人工膜。 脂質體的應用： （1）研究膜脂與膜蛋白及其生物學性質； （2）脂質體中裹入DNA可用于基因轉移； （3）在臨床治療中,脂質體作為藥物或酶等載體(二) 膜蛋白（Membrane Protein）Th

24、e “Mosaic” Part of the ModelFunctions: carry out most membrane functions Transporting particular nutrients 運輸營養(yǎng)物質Metabolites 代謝 Receptors 受體 Enzymes 酶Ions across the lipid bilayer 離子通過脂雙層Anchor the membrane to macromolecules 將膜與大分子物質連接Content: about 50% of the mass of most plasma membranes in animal

25、s 在動物細胞中占50%含量Classification: according their relationship to lipid bilayer 按照它們和脂雙層的關系劃分1. 膜蛋白的類型根據(jù)膜蛋白分離的難易程度及其與脂分子的進化方式分為：外周膜蛋白(peripheral membrane protein )； 分布于細胞膜的內外表面，主要分布在細胞膜的內表面，約占膜蛋白總量的2030。 為水溶性蛋白,靠離子鍵或其它弱鍵與膜表面的蛋白質分子或脂分子結合 易分離 整合膜蛋白(integral protein) 又稱膜內在蛋白. （1） 全部或部分插入細胞膜內，直接與脂雙層的疏水區(qū)域相互作

26、用。 （2）兩親性(Amphipathic) 親水性( Hydrophilic)： forming functional domains outside of the bilayer 疏水性( Hydrophobic)： anchoring them in the bilayer （3）水不溶性蛋白，與膜結合緊密，需用去垢劑使膜崩解后才可分離。脂錨定蛋白(lipid anchored protein)又稱脂連接蛋白(lipid-linked proteins), 同脂的結合有兩種方式：一種方式是通過一個糖分子間接同脂雙層中的脂結合；一種是蛋白質直接與脂雙層中的脂結合。2. 內在膜蛋白與膜脂結合

27、的方式 （1）膜蛋白的跨膜結構域與脂雙層分子的疏水核心的相互作用。 （2）跨膜結構域兩端攜帶正電荷的氨基酸殘基與磷脂分子帶負電的極性頭形成離子鍵，或帶負電的氨基酸殘基通過Ca2+、Mg2+等陽離子與帶負電的磷脂極性頭相互作用。（3）某些膜蛋白在細胞質基質一側的半胱氨酸殘基上共價結合脂肪酸分子,插入脂雙層之間,進一步加強膜蛋白與脂雙層的結合力,還有少數(shù)蛋白與糖脂共價結合。3. 去垢劑（detergents) 去垢劑是一端親水一端疏水的兩性小分子,是分離與研究膜蛋白的常用試劑。 離子型去垢劑(the ionic detergent SDS)和非離子型去垢劑（ the nonionic deterg

28、ent Triton X-100） 膜蛋白的研究方法用去垢劑分離小的跨膜蛋白, 是膜蛋白研究的重要手段：當它們與膜蛋白作用時,其疏水端與膜蛋白的疏水區(qū)域相結合,極性端指向水中,形成溶于水的去垢劑-膜蛋白復合物,從而使膜蛋白在水中溶解、變性、沉淀。 當去除去垢劑并加入磷脂后,可使膜蛋白復性并恢復功能。 有人用這種方法研究了膜中Na+-K+-ATP酶的功能鈉鉀ATP酶功能的研究圖 膜碳水化合物（Membrane Carbohydrates） 與脂類和蛋白質共價結合在脂雙層的外表面糖蛋白(Glycoproteins): have short , branched carbohydrates for

29、interactions with other cells and structures outside the cell. 糖脂(Glycolipids):have larger carbohydrate chains that may be cell-to-cell recognition sites. Functions 與其它細胞和結構相互作用 細胞與細胞之間的識別位點 穩(wěn)定細胞膜結構 識別激素和分子第二節(jié) 生物膜基本特征與功能(The properties and functions of membranes) 膜的流動性 膜的不對稱性 細胞質膜的基本功能膜的流動性(Fluidity

30、)1. 膜脂的流動性(Membrane lipids fluidity) 影響膜流動性的因素（The factors affect on membrane fluidity）: 1)脂肪酸鏈長度和不飽和程度 膜脂的流動性主要由脂分子本身的性質決定的,脂肪酸鏈越短,不飽和程度越高,膜脂的流動性越大。 2) 溫度(Temperature):溫度對膜脂的運動有明顯的影響。在細菌和動物細胞中常通過增加不飽和脂肪酸的含量來調節(jié)膜脂的相變溫度以維持膜脂的流動性。相變溫度（transition temperature） 在生理條件下, 膜脂多呈擬液態(tài)（liquid-like state）。溫度下降至某點,

31、則變?yōu)榫B(tài)（frozen crystalline gel）。一定溫度下, 晶態(tài)又可熔解再變成液晶態(tài)，這種臨界溫度稱為相變溫度。相變(phase transition) 在不同溫度下發(fā)生的膜脂狀態(tài)的改變稱為相變。 不同的膜脂由于成分不同而各有其相變溫度。 3)膽固醇 (Cholesterol ) 在動物細胞中，膽固醇對膜的流動性起重要的雙向調節(jié)作用。在相變溫度以上,它可使磷脂分子的脂酰鏈末端的運動減小,即限制膜的流動性。在相變溫度以下,可增加脂類分子脂酰鏈的運動,這樣可以增強膜的流動性。 4）卵磷脂/鞘磷脂比值的影響哺乳動物膜中,卵磷脂(phosphatidycholine)和鞘磷脂(sphin

32、gomyelin)的含量約占整個膜脂的50%;卵磷脂所含的脂肪酸鏈的不飽和程度高,鏈較短,相變溫度低,因此卵磷脂含量高,流動性大;而鞘磷脂的脂肪酸鏈的飽和程度高,相變溫度也高,因此,鞘磷脂的含量高,流動性低。2. 膜蛋白的流動(Movement of integral membrane proteins) 熒光抗體免疫標記實驗 內在膜蛋白的運動方式影響膜蛋白移動的因素整合蛋白相互間的影響膜骨架的影響細胞外基質的影響相鄰細胞的影響細胞外配體、抗體、及藥物大分子的影響細胞外基質對整合蛋白移動的影響膜骨架對膜蛋白流動性的影響熒光漂白恢復技術 研究膜蛋白或膜脂流動性的基本實驗技術之一。程序： 根據(jù)熒光

33、恢復的速度可推算出膜蛋白或膜脂擴散速度。The Importance of Membrane Fluidity 酶活性 物質運輸 信號轉導 細胞周期 在M期, 膜的流動性最大, 而在G1期和S期, 膜流動性最低； 能量轉換二、不對稱性(The asymmetry of membranes)1. 細胞質膜各部分的名稱 細胞質膜內外兩個單層的組成、結構和功能有很大的差異，把這種差異稱為膜的不對稱性。膜脂、膜蛋白和復合糖在膜上均呈不對稱性分布，導致膜功能的不對稱性和方向性。 樣品經冰凍斷裂處理后，細胞膜可從脂雙層中央斷開，各斷面命名為：ES，細胞外表面（extrocytoplasmic surfac

34、e）；EF，細胞外小頁斷面（extrocytoplasmic face）；PS，原生質表面（protoplasmic surface）；PF，原生質小頁斷面（protoplasmic face） 。 2. 膜脂的不對稱性(The asymmetry of membrane lipid ) ： 同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，組成膜兩個單層的膜脂種類不同。例如在紅細胞膜中：外層含鞘磷脂SM 、磷脂酰膽堿PC較多；內層含磷脂酰乙醇胺PE 、磷脂酰絲氨酸PS較多。 3. 膜蛋白的不對稱性(The asymmetry of membrane protein )： 每種膜蛋白分子在細胞膜上都具有明確

35、的方向性和分布的區(qū)域性。各種生物膜的特征及功能主要由膜蛋白決定，膜蛋白的不對稱性是生物膜完成復雜的在時間與空間上有序的各種生理功能的保證。 在膜兩側分布不對稱，如：紅細胞的血型糖蛋白分子伸向膜內、外側面的氨基酸殘基的數(shù)目不對稱。 血影蛋白分布在紅細胞膜的內側面。一般說,細胞質面的蛋白比外表面少,一些酶和受體多處于外表面,如：5-核苷酸酶、磷酸脂酶、Mg2+ -ATP酶、激素受體、生長因子受體位于外表面；腺苷酸環(huán)化酶則處于膜的內表面。4. 復合糖的不對稱性(The asymmetry of membrane carbohydrates ): 糖脂和糖蛋白只分布于細胞膜的外表面。 糖脂的不對稱分布

36、是完成其生理功能的結構基礎。膜糖分布的不對稱性The biological role of asymmetry膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不對稱性導致了膜功能的不對稱性和方向性,保證了生命活動的高度有序性。膜不僅內外兩側的功能不同, 不同區(qū)域的功能也不相同。造成這種功能上的差異,主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不對稱引起的。細胞間的識別、運動、物質運輸、信號傳遞等都具有方向性。這些方向性的維持就靠分布不對稱的膜蛋白、膜脂和膜糖來提供。細胞質膜的基本功能 ( Cell membrane Functions ) （1）為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內環(huán)境; （2）選擇性的物質運輸,包括代謝底物的輸入與代謝

37、產物的排出,并伴隨著能量的傳遞; （3）提供細胞識別位點,并完成細胞內外信息跨膜傳遞; （4）為多種酶提供結合位點,使酶促反應高效而有序地進行; （5）介導細胞與細胞、細胞與基質之間的連接; 質膜參與形成具有不同功能的細胞表面特化結構。 膜蛋白可作為疾病治療的藥物靶標。擴散與滲透？上：在簡單擴散中，膜允許溶質通過；溶質從濃度高的一側移向濃度低的一側，當達到平衡時，兩側的濃度相等。下：在滲透中，膜不允許溶質通過，但是，水能夠從溶質濃度低的一側向溶質濃度高的一側擴散；當達到平衡時，兩側溶質的濃度是相等的，但含有過多水分的一側具有較高水壓。Diffusion and Osmosis擴散(Diffus

38、ion) 是指物質沿著濃度梯度從半透性膜濃度高的一側向濃度低的一側移動的過程。擴散(Diffusion)雖然這種移動不需要消耗ATP，主要是依靠擴散物質自身的力量，但從熱力學考慮，它利用的是自由能。 如果改變膜兩側的條件，如加熱或加壓，就有可能改變物質的流動方向，其原因是改變了自由能。 嚴格地說，擴散是物質從自由能高的一側向自由能低的一側流動。滲透(Osmosis) 是指水分子以及溶劑通過半透性膜的擴散。滲透(Osmosis)水的滲透同樣是從自由能高的地方向自由能低的地方移動，如果考慮到溶質的濃度，水是從溶質濃度低的地方向溶質濃度高的地方流動。 例如：細胞的膨脹(Swell)或收縮(Shrin

39、k) 質壁分離（plasmolysis)根據(jù)水與水中溶質在膜通透性上的差別，將膜稱為半透性的（semipermeable)。高滲（hypertonic)低滲 (hypoosmotic)等滲 (iso-osmotic)動物細胞和植物細胞在不同濃度的蔗糖溶液中的行為紅細胞膨脹與收縮1 .簡單擴散（Simple diffusion）也叫自由擴散（free diffusion）,特點：沿濃度梯度（或電化學梯度）擴散；不需要提供能量；沒有膜蛋白的協(xié)助。質子通過電子轉移而被移動質子如何被泵過膜?質子被三個復合物泵出膜外在三個大的復合物處都有一個大的電位變化，釋放的能量可以用于將質子泵出。第七章 真核細胞內

40、膜系統(tǒng)、蛋白質分選與膜泡運輸 真核細胞在進化上一個顯著特點就是形成了發(fā)達的細胞質膜系統(tǒng)，將細胞內環(huán)境分割成許多功能不同的區(qū)室。雖然這些區(qū)室具有各自獨立的結構和功能，但它們有是密切相關的，尤其是它們的膜結構式相互轉換的，轉換的機制則是通過蛋白質分選和膜運輸實現(xiàn)的。 細胞內區(qū)室化 細胞內區(qū)室化是真核細胞結構和功能的基本特征之一。 細胞內被膜區(qū)分為3類結構：細胞質基質(cytoplasmic matrix)、細胞內膜系統(tǒng)(endomembrane system)和其他由膜包被的各種細胞器(諸如線粒體、葉綠體、過氧化物酶體和細胞核）。一、 細胞質基質（cytoplasmic matrix or cyt

41、osol ） 細胞質基質是細胞的重要結構成分，其體積約占細胞質的一半。表7-1 肝細胞中細胞質基質及細胞其他組分的數(shù)目及所占的體積比(一)細胞質基質的涵義1. 細胞質基質的概念 真核細胞的細胞質中除去細胞器和內含物以外的、較為均質半透明的液態(tài)膠狀物質稱為細胞質基質，也稱胞質溶膠（cytosol)或細胞液。細胞質基質的組成 中間代謝有關的酶類、細胞質骨架結構3. 特點 細胞質基質是一個高度有序的體系；通過弱鍵而相互作用處于動態(tài)平衡的結構體系。細胞質基質的功能1、 是細胞內物質代謝的重要場所 細胞內所有的中間代謝過程均發(fā)生在細胞質中，其中大部分是在細胞質基質中進行的，如糖酵解過程、磷酸戊糖途徑、糖

42、醛酸途徑等.2. 與細胞質骨架密切相關 維持細胞形態(tài)、運動、胞內物質運輸及能量傳遞等.在蛋白質的修飾、蛋白質壽命的控制以及蛋白質 選擇性的降解等方面有重要作用 蛋白質的修飾 ：磷酸化和去磷酸化、糖基化、N-端甲基化、?；?控制蛋白質的壽命 降解變性和錯誤折疊的蛋白質 幫助變性或錯誤折疊的蛋白質重新折疊二、膜結合細胞器(Membrane-bounded organelles) 在細胞內的分布 膜結合細胞器在細胞內是按功能、分層次分布的.膜結合細胞器在細胞的生命活動中具有重要作用。 表7-2 真核細胞膜結合區(qū)室的主要功能細胞器（區(qū)室） 主要功能內質網大多數(shù)脂的合成場所，蛋白質合成和集散地高爾基體

43、蛋白質和脂的修飾、分選和包裝溶酶體細胞內的降解作用胞內體內吞物質的分選過氧化物酶體毒性分子的氧化線粒體通過氧化磷酸化合成ATP葉綠體進行光合作用 在這些膜結合的細胞器中,線粒體、葉綠體、過氧化物酶體獨立性很強,并且有特別的功能；其他幾種膜結合細胞器,如內質網、高爾基體、溶酶體和小泡,雖然有不同的結構和功能,但是它們都參與蛋白質的加工、分選和膜泡運輸,形成了一個特別的細胞內系統(tǒng)。細胞內膜系統(tǒng)（Endomembrane System）及其功能 定義：位于細胞質內，在結構、功能和發(fā)生上相關的由膜圍繞的細胞器或細胞結構稱為細胞內膜系統(tǒng)，主要包括內質網、高爾基體、溶酶體、胞內體和分泌泡等。功能：區(qū)隔化；

44、增加內表面積，提高代謝和調節(jié)能力。 從系統(tǒng)發(fā)生來看內膜系統(tǒng)起源于質膜的內陷和內共生。 從個體發(fā)生來看新細胞的內膜系統(tǒng)來源于原有內膜系統(tǒng)的分裂，具有核外遺傳的特性。內質網的形態(tài)結構與功能 K. R. Porter和A.D.Claude等于1945年發(fā)現(xiàn)于培養(yǎng)的小鼠成纖維細胞，因最初看到的是位于細胞質內部的網狀結構，故名內質網（endoplasmic reticulum，ER）。內質網是由封閉的管狀或扁平囊狀膜系統(tǒng)及其包被的腔形成互相溝通的三維網絡結構。內質網通常占細胞膜系統(tǒng)的一半左右，體積約占細胞總體積的10以上。內質網是細胞內除核酸以外一系列重要的大分子如蛋白質、脂質和糖類合成的基地。內質網的

45、兩種基本類型根據(jù)內質網上是否附有核糖體,將內質網分為兩類:糙面內質網(Rough ER)和光面內質網(Smooth ER) 。 糙面內質網(rough endoplasmic reticulum, RER) 多呈大的扁平膜囊狀, 在電鏡下觀察排列極為整齊。它是核糖體和內質網共同構成的復合機能結構, 普遍存在于分泌蛋白質的細胞中, 主要功能是合成分泌性的蛋白質、多種膜蛋白和酶蛋白。光面內質網(smooth endoplasmic reticulum, SER) 無核糖體附著的內質網稱為光面內質網, 通常為小的膜管和小的膜囊狀, 而非扁平膜囊狀, 廣泛存在于各種類型的細胞中，包括合成膽固醇的內分泌

46、腺細胞、肌細胞、腎細胞等。 脂類合成的重要場所,它往往作為出芽的位點, 將內質網上合成的蛋白質或脂類轉運到高爾基體。內質網的功能蛋白質的合成是糙面內質網的主要功能 細胞中的蛋白質都是在核糖體上合成的，并且起始于細胞質基質，但有些蛋白質在合成開始不久后便轉在內質網膜上，繼續(xù)進行蛋白質合成。這些蛋白主要有： 向細胞外分泌的蛋白，如抗體、激素； 膜的整合蛋白； 構成內膜系統(tǒng)細胞器中的可駐留蛋白； 需要進行修飾的蛋白，如糖蛋白。蛋白質的修飾與加工 包括糖基化、羥基化、?；⒍蜴I形成等，其中最主要的是糖基化，幾乎所有內質網上合成的蛋白質最終被糖基化。 糖基化的作用： 使蛋白質能夠抵抗消化酶的作用；

47、賦予蛋白質傳導信號的功能； 某些蛋白只有在糖基化之后才能正確折疊。 糖基一般連接在4種氨基酸上，分為2種： O-連接的糖基化（O-linked glycosylation）：與Ser、Thr和Hyp的-OH連接，連接的糖為半乳糖或N-乙酰半乳糖胺，在高爾基體上進行。 N-連接的糖基化（N-linked glycosylation）：與天冬酰胺殘基的-NH2連接，糖為N-乙酰葡糖胺。 內質網上進行N-連接的糖基化。糖的供體為核苷糖，如CMP-唾液酸、GDP-甘露糖、UDP-N-乙酰葡糖胺。 糙面內質網的主要功能是進行膜結合核糖體合成的蛋白質的運輸，并在運輸?shù)耐瑫r對這些蛋白質進行加工修飾和折疊，以

48、幫助這些蛋白質準確到達目的地。 光面內質網是脂質合成的重要場所 細胞膜所需要的最重要的磷脂是在光面內質網上合成的。在光面內質網上合成的磷脂先作為內質網膜的構成部分，然后再轉運給其他的膜。 內質網中的磷脂不斷合成，使得內質網的膜面積越來越大，必須有一種機制將磷脂轉運到其它的膜才能維持內質網膜的平衡, 這就是磷脂轉運。磷脂的轉運有兩種方式: 一種是憑借一種水溶性蛋白, 叫磷脂交換蛋白的作用在膜之間轉移蛋白; 另一種是以出芽的方式轉運到高爾基體、溶酶體和細胞質膜上光面內質網的其他功能 肝細胞的解毒作用類固醇激素的合成Ca2+ 的調節(jié)作用糖原分解釋放游離的葡萄糖3. 內質網與基因表達的調控三種不同的內

49、質網細胞核的信號轉導途徑： 內質網腔未折疊蛋白的超量積累 折疊好的膜蛋白的超量積累 內質網膜上膜脂成分的變化主要是固醇缺乏高爾基體的形態(tài)結構與功能 高爾基體（Golgi body）又稱高爾基器（Golgi apparatus）或高爾基復合體（Golgi complex） ，是比較普遍存在于真核細胞內的一種細胞器。 最早發(fā)現(xiàn)于1855年，1889年，Golgi用銀染法，在貓頭鷹的神經細胞內觀察到了清晰的結構，因此定名為高爾基體。20世紀50年代以后才正確認識它的存在和結構。1. 高爾基體（Golgi body）的形態(tài)結構與極性 電子顯微鏡所觀察到的高爾基體最富有特征性的結構是由一些( 通常是48

50、個) 排列較為整齊的扁平膜囊(saccules)堆疊在一起, 構成了高爾基體的主體結構。扁囊多呈弓形, 也有的呈半球形或球形,均由光滑的膜圍繞而成, 膜表面無核糖體顆粒附著 ,膜囊周圍有大量的大小不等的囊泡結構。 高爾基體是有極性的細胞器：位置、方向、物質轉運與生化極性。 靠近細胞核的一面扁囊彎曲成凸面又稱形成面或順面（cis face），面向細胞膜的一面常成凹面又稱成熟面或反面（trans face）。順面和反面都有一些或大或小的運輸小泡。 高爾基體的膜囊結構及其排列功能區(qū)室 高爾基體至少由互相聯(lián)系的3個部分組成，每一部分可能又分化出更精細的間隔。 高爾基體順面膜囊或順面高爾基體管網狀結構（

51、cis Golgi network,CGN) 位于高爾基體順面最外側的扁平膜囊，是中間多孔而呈連續(xù)分支狀的管網結構。 CGN接受來自內質網新合成的物質并將其分類后大部分轉入高爾基體中間膜囊，小部分蛋白質（有KDEL或HDEL序列）與脂質再返回內質網。 高爾基體中間膜囊（media Golgi） 由扁平膜囊與管道組成，形成不同的間隔，但功能上是連續(xù)的、完整的膜囊體系。 多數(shù)糖基化修飾、糖脂的形成以及與高爾基體有關的多糖的合成都發(fā)生在這。 高爾基體反面膜囊以及反面高爾基體管網狀結構（trans Golgi network,TGN) TGN位于反面的最外層，與反面的扁平膜囊相連，另一側伸入反面的細胞

52、質中，形態(tài)呈管網狀，并有囊泡與之相連。 TGN的主要功能是參與蛋白質的分類與包裝，最后從高爾基體中輸出。小泡(vesicle) 在扁平囊的周圍有許多小囊泡, 直徑400-800。這些小囊泡較多地集中在高爾基復合體的形成面。一般認為它是由附近的粗面內質網出芽形成的運輸泡.它們不斷地與高爾基體的扁平膜囊融合, 使扁平膜囊的膜成分不斷得到補充。高爾基體的極性 結構上的極性:高爾基體的結構可分為幾個層次的區(qū)室; 靠近內質網的一面稱為順面(cis face), 或稱形成面(forming face)；高爾基體中間膜囊(medial Golgi); 靠近細胞質膜的一面稱為反面高爾基網絡 (trans Go

53、lgi network，TGN)。 功能上的極性:高爾基體執(zhí)行功能時是“流水式”操作,上一道工序完成了,才能進行下一道工序。2. 高爾基體的功能 高爾基體的主要功能是將內質網合成的多種蛋白質進行加工、分類與包裝, 并分門別類地運送到細胞的特定部位或分泌到細胞外。內質網上合成的脂類一部分也要通過高爾基體向細胞質膜和溶酶體膜等部位運輸。因此, 高爾基體是細胞內大分子運輸?shù)囊粋€主要交通樞紐。參與細胞分泌活動 RER上合成蛋白質進入ER腔COPII運輸泡進入CGN在medial Gdgi中加工在TGN形成運輸泡運輸與質膜融合、排出。 高爾基體對蛋白質的分類，依據(jù)的是蛋白質上的信號肽或信號斑。蛋白質的糖

54、基化及其修飾 高爾基體對蛋白質的修飾與加工，主要是對糖蛋白寡糖鏈的修剪、蛋白質的糖基化和特異蛋白質水解等。 N-連接和O-連接的糖基化，是蛋白質兩類不同的糖基化修飾。 N-連接的寡糖蛋白的合成起始于糙面內質網，完成于高爾基 O-連接的主要或全部是在高爾基體內進行的。蛋白質糖基化類型N-連接與O-連接的寡糖比較 特 征 N-連接 O-連接1. 合成部位 糙面內質網糙面內質網或高爾基體2. 合成方式 來自同一個寡糖前體一個個單糖加上去3. 與之結合的 氨基酸殘基 天冬酰胺 絲氨酸、蘇氨酸、羥賴氨酸、羥脯氨酸4 最終長度 至少5個 糖殘基一般14個糖殘基，但ABO血型抗原較長5.第一個糖殘基N乙酰葡

55、萄糖胺N乙酰半乳糖胺等 內質網和高爾基體中，所有與糖基化及寡糖的加工有關的酶都是整合膜蛋白。它們固定在細胞的不同間隔中，其活性部位均位于內質網或高爾基體的腔面。 脊椎動物細胞糖蛋白N-連接寡糖在內質網和高爾基體各膜囊區(qū)間的加工過程 ？蛋白聚糖(proteoglycan)的合成 除了蛋白質的糖基化以外，高爾基體中也可以進行多糖的合成。動物細胞中合成的多糖主要是透明質酸，這是一種氨基聚糖, 是細胞外基質的主要成分。植物細胞壁中的幾種多糖，包括半纖維素、果膠也是在高爾基體中合成的。 蛋白酶的水解和其他加工過程蛋白質在高爾基體中酶解加工的方式有三種： 一是將沒有生物活性的蛋白原N端或兩端的序列切除形成

56、有活性的多肽，如胰島素； 二是將含有重復氨基酸序列的前體切割成有活性的多肽，如神經肽； 三是根據(jù)前體中不同的信號序列或同一前體在不同細胞中的不同加工方式而加工成不同種的多肽 舉例： 胰島素是在胰島B細胞中合成的, 剛從內質網合成的多肽在N- 末端有信號肽鏈, 稱前胰島素原(preproinsulin), 相對分子質量為12,000。隨后在內質網的信號肽酶的作用下, 切除信號肽, 成為胰島素原(proinsulin),相對分子質量9,000, 含84個氨基酸。運輸?shù)礁郀柣w后, 通過蛋白酶的水解作用, 生成一個分子由51個氨基酸殘基組成的胰島素和一個分子C肽。Secretory Vesicles

57、 （分泌泡） Made in Golgi apparatus, ER, or from parts of the plasma membrane, Function: transport of materials between one membrane-bounded organelle and another(三)溶酶體的形態(tài)結構與功能 Christian de Duve等（1955）用生化手段分析大鼠肝細胞勻漿的梯度組分時發(fā)現(xiàn)的一種顆粒。溶酶體是由一層單位膜包著豐富的磷酸水解酶而構成，存在于所有的動物細胞中。溶酶體是細胞內消化的主要場所，在維持細胞正常代謝活動、防御及細胞的分化與衰老等方

58、面起著重要的作用。1.溶酶體（lysosome)的形態(tài)結構與類型(1）溶酶體的形態(tài) 溶酶體（lysosome)是單層膜圍繞、內含多種酸性水解酶類的囊泡狀細胞器。其主要功能是進行細胞內消化作用。 溶酶體是一種異質性(heterogeneous)的細胞器. 不同來源的溶酶體形態(tài)、大小, 甚至所含有酶的種類都有很大的不同。溶酶體呈小球狀, 大小變化很大，直徑一般0.250.8m，最大的可超過1m,最小的直徑只有2550nm。 溶酶體膜的穩(wěn)定性 溶酶體的外被是一層單位膜, 內部沒有任何特殊的結構。由于溶酶體中含有各種不同的水解酶類,所以溶酶體在生活細胞中必須是高度穩(wěn)定的。 溶酶體膜的特征： 嵌有質子泵

59、，形成和維持溶酶體中酸性的內環(huán)境； 具有多種載體蛋白用于水解的產物向外轉運； 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解溶酶體的酶類 溶酶體內含有60多種酶類,這些酶的最適pH值是5.0, 故均為酸性水解酶(acid hydrolases)。 溶酶體的酶都有一個共同的特點都是水解酶類，在酸性pH條件下具有最高的活性。溶酶體的酶包括蛋白酶、核酸酶、脂酶、糖苷酶等。 資料查找 酸性磷酸酶的定位研究與溶酶體的發(fā)現(xiàn) ？（2） 溶酶體的類型 由于溶酶體在形態(tài)上的多樣性和異質性，曾發(fā)現(xiàn)各種不同類型的溶酶體。根據(jù)溶酶體處于完成其生理功能的不同階段, 大致分為初級溶酶體（primary lysosome

60、)、次級溶酶體(secondary lysosome)和殘余體(residual body)。 初級溶酶體（primary lysosome） 呈球形，直徑約0.20.5um，是高爾基體分泌形成的，有多種酸性水解酶，但沒有底物，酶處于非活性狀態(tài)，包括蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酶酶等60余種，反應的最適PH值為5左右。 次級溶酶體(secondary lysosome) 是初級溶酶體與細胞內的自噬泡、胞飲泡或吞噬泡融合形成的復合體，含有水解酶和相應的底物，是一種將要或正在進行消化作用的溶酶體。根據(jù)所消化的物質來源不同, 分為自噬溶酶體和異噬溶酶體。 自噬溶酶體(autolysosome) 是一種自