細胞生物學綱要

第一章緒論

?、細胞生物學研究的內(nèi)容與現(xiàn)狀

（-）細胞生物學是現(xiàn)代生命科學的重要基礎學科

生命體是多層次、非線形、多側面的復雜結構體系，而細胞是其結構與活動的基本單位。單細胞生物、

多細胞生物。

E.B.Wilson指出：“一切生命的關鍵問題都要到細胞中去尋找。”

CellBiology：廣泛采用現(xiàn)代生物學的實驗技術和手段，應用分析和綜合的方法，將細胞的整體活動水平,

亞細胞水平和分子水平三方面的研究有機地結合起來，以動態(tài)的觀點觀察細胞和細胞器的結構和功能，

以期最終闡明生命的基本規(guī)律。

（二）細胞生物學的主要研究內(nèi)容

細胞生命活動的結構基礎是細胞內(nèi)高度有序且為動態(tài)的結構體系。這一體系可歸納為遺傳信息結構體

系、膜結構體系和細胞骨架結構體系。

1970年代以前細胞結構和功能的知識內(nèi)容所占比例很高；70年代以后，由于分子生物學概念、內(nèi)容與

方法的引用，有關細胞重要生命活動的知識比例越來越大。

I、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、細胞的袁老與凋亡

7、細胞的起源與進化

8、細胞工程

（三）當前細胞生物學研究的總趨勢與重點

1、三大基本問題

基因表達的調控（時空順序）

大分子的自組裝及調控

活性因子與信號分子如何調控生命活動過程

2、基本生命活動的若干重大問題

染色體DNA與蛋白質相互作用關系

細胞增殖、分化、凋亡的相互關系及其調控

細胞信號轉導的研究：網(wǎng)絡化、非線性

細胞結構體系的裝配：蛋白質與核酸，蛋白質與脂質，蛋白質與蛋白質。

從形態(tài)看，除了要描述在光學顯微鏡下的一些簡單結構外，還要用新的工具和方法觀察和分析細

胞內(nèi)各部分的亞顯微結構和分子結構，以及結構之間的變化過程。

從功能方面看，不僅要敘述細胞內(nèi)各個部分的化學組成和新陳代謝的動態(tài)過程而且還要闡明它們

之間的關系和相互作用，從而說明生物體的新陳代謝、生長繁殖、遺傳變異、刺激反應以及運動

等基本生命活動規(guī)律。

二、細胞學與細胞生物學發(fā)展簡史

從研究內(nèi)容來看細胞生物學的發(fā)展可分為三個層次，即：顯微水平、超微水平和分子水平。

從時間縱軸來看細胞生物學的歷史大致可以劃分為四個主要的階段：

第一階段：從16世紀末一19世紀30年代，是細胞發(fā)現(xiàn)和細胞知識的積累階段。

第二階段：從19世紀30年代一20世紀初期，細胞學說形成后，主要進行細胞顯微形態(tài)的研究。19世

紀最后25年是經(jīng)典時期。

第三階段：從20世紀30年代一70年代，以細胞超微結構、核型、帶型研究為主要內(nèi)容。

第四階段：從20世紀80年代分子克隆技術的成熟到當前，細胞生物學與分子生物學的結合愈來愈緊密,

基因調控、信號轉導、細胞分化和凋亡、腫瘤生物學等領域成為當前的主流研究內(nèi)容。

(-)細胞的發(fā)現(xiàn)

1590年荷蘭眼鏡制造商JJanssen和Z.Janssen父子制作了第一臺復式顯微鏡，盡管其放大倍數(shù)不超過10

倍，但具有劃時代的意義。

英國人胡克(RobertHooke),1635-1702

1665年發(fā)表《顯微圖譜》

“能非常清楚地看到軟木片充滿了氣孔，是一個多孔的結構，型如蜂房…”

提出細胞“cell”一詞因而沿用至今。

荷蘭列文虎克(A.V.Leeuwenhoek)1632-1763

池塘水中的原生動物，魚和蛙的紅血球，人的牙垢、唾液、貓、狗和人的精液等

對細胞發(fā)現(xiàn)做出過貢獻的其他人：

馬爾比基(M.Malpighi),1628-1694

醫(yī)生、大學教師，動植物材料顯微技術的創(chuàng)始人。血液循環(huán)和毛細血管、肺和腎的細微結構、無脊椎動

物生物學，特別是蠶從卵到蛹演化的結構和生活史。

施旺丹麥(J.Swammerdam),1637-1680

尸體解剖，蝸牛受精，昆蟲的形態(tài)分類。

格魯(N.Grew),1628-1712

主要是植物解剖，也做些動物的比較解剖。

(-)細胞學說(celltheory)的建立及其意義

1838年德國植物學家施萊登(M.J.Schleiden)

1839年德國動物學家施旺(M.J.Schwann)

一切植物、動物都是由細胞組成的，細胞是一切動植物的基本單位。

Allorganismsarecomposedofoneormorecells.

Thecellisthestructureunitoflife.

1855年德國病理學家魏爾肖(Virchow)指出：細胞只能來自細胞。

早期的其他科學家還包括：

米爾貝爾(C.B.Mirbel),法國植物學家，認為植物每個部分都存在細胞。

奧肯(L.Oken),認為生命起源于“原始海洋膠狀物”，纖毛蟲是最簡單的生命體，動物和植物都是纖毛

蟲的群體。

普金野(J.E.Purkinje),神經(jīng)細胞的分類研究；發(fā)明了原始的切片刀，可以切骨骼和牙齒；還制成了第

一張顯微照片。

彌勒(J.P.Muller),胚胎學、生理學、病理學、比較解剖學家。

細胞學說(1838-1839)、進化論(1859)和孟德爾(1866)的遺傳學是現(xiàn)代生物學的三大基石。

細胞學說也是后兩者的基石。

(三)細胞學的經(jīng)典時期

1、原生質概念的提出

1840年普金耶(Pukinje)和1846年馮?莫爾(VanMolh)首次將動植物細胞的內(nèi)含物稱為“原生質”

(protoplasm)。

1861年舒爾策(MaxSchultze)認為有機體的組織單位是一小團原生質。

1880年Hanstein提出“原生質體"(protoplast)的概念，認為細胞是山細胞膜包圍的一團原生質，分化為

細胞核與細胞質。

2、細胞受精和細胞分裂的研究

1841年Remark發(fā)現(xiàn)雞胚血細胞的直接分裂。1875年Hertwig發(fā)現(xiàn)受精卵中兩親本核的合并；1877年

Strasburger發(fā)現(xiàn)動物的受精現(xiàn)象。其后，F(xiàn)lemming。883)和Strasburger(1886)分別在動植物細胞中發(fā)現(xiàn)

有絲分裂(mitosis)；VanBenneden(1883)和Strasburger(1886)分別在動植物細胞中發(fā)現(xiàn)減數(shù)分裂(meiosis)。

3、重要細胞器的發(fā)現(xiàn)

1883年VanBenneden和Boveri發(fā)現(xiàn)中心體;Benda發(fā)現(xiàn)線粒體，1898年Altmann命名。1898年Golgi發(fā)

現(xiàn)高爾基體。

在這短短的25年里，取得如此多的成果，除了細胞學說本身的貢獻外，技術革新起著重要的作用。細

胞染色技術、切片技術、顯微技術等的不斷改進和創(chuàng)新保證了科學研究的進步。更重要的是這一時期人

才輩出，他們不斷追求和探索的精神才是細胞學得以發(fā)展的原動力。

(四)細胞學的分支及發(fā)展

?細胞遺傳學：染色體結構功能與基因表達

?細胞生理學：細胞的各種生理活動

?細胞化學：用生化手段研究細胞各組分的功能

(五)細胞生物學的形成及發(fā)展

1933年，德國科學家魯斯卡(ErnstRuska)在西門子公司設計了世界上第一架電子顯策鏡，最初的分辯力

為50nm,此后改進達幾個nm,放大倍數(shù)達幾十萬倍。在50年代，學者們利用電鏡觀察了細胞的各種

超微結構，如內(nèi)質網(wǎng)、核糖體、溶酶體、核孔復合體、細胞骨架和膜單位

1961年布拉舍。.Brachet)根據(jù)電鏡下觀察到的結構，集40-50年代之大成繪制了一幅細胞模式圖。該圖

比魏爾遜的模式圖已大為改觀，不僅描出了細胞的超微結構，而且反映出細胞活動的動態(tài)觀點。

上世紀60年代，由于電鏡標本固定技術的改進，顯示出基質中還有微管、微絲和中等纖維的存在。

70年代，由于使用了高壓電鏡，能顯示出細胞的立體結構。這些技術和方法的進步為細胞生物學的發(fā)展

起到極大的推動作用。

重要概念：

細胞中的染色體，線粒體、中心體、核仁等大于0.2pm,在光學顯微鏡中能觀察到，這種結構稱顯微結

構(microscopicstructure)o

內(nèi)質網(wǎng)膜、核膜，微管、微絲等因小于OQm,在普通光學顯微鏡下看不到，稱亞顯微結構(submicroscopic

structure)?有不少學者稱此水平為“微細結構”(finestructure),指顯微鏡觀察能力以上，分子結構以下這

一水平的結構。

20世紀70年代以來由于超高分辯本領電鏡的問世(接近O.lnm),加上免疫電鏡，電鏡放射自顯影術的不

斷提高；掃描電鏡的深入開展以及冰凍刻蝕技術的應用，特別是電鏡技術與生化研究及近代生物物理研

究手段(如X射線衍射、中子衍射、波譜子研究等)相結合，使電鏡觀察進行入到超微結構境界(嚴格地說

ultrastructure指分子結構而言，不過現(xiàn)在書刊中往往將亞微結構也稱之為超微結構，二者無嚴格的界線)。

原生質(Prot叩lasm)：泛指細胞的全部生命物質，包括細胞膜、質、核三部分。

第二章細胞基本知識概要

一、細胞的基本概念

（-）細胞是生命活動的基本單位

I、細胞是構成有機體的基本形態(tài)單位

（1）?切有機體均由細胞構成（病毒例外）

（2）變形蟲、眼蟲是單細胞機體一盤藻是多細胞聚合體，細胞未分化T高等動植物細胞分化->組織T器

官T?系統(tǒng)->機體

2、細胞是有機體的基本功能單位

（1）機體的?切代謝活動都以細胞為基本單位，表現(xiàn)出高度的有序性、獨立性和自控性。

（2）機體發(fā)生退行性變化（衰老、疾病）也是始于細胞。

3、細胞是有機體生長與發(fā)育的基礎

機體的發(fā)育依靠細胞的分裂、生長、分化和凋亡來實現(xiàn)。

4、細胞是遺傳的基本單位，具有遺傳的全能性

（1）細胞含全套的遺傳信息，具遺傳的全能性

（2）單個植物細胞可經(jīng)人工誘發(fā)成完整的植株

（3）人工將體細胞核植入動物受精卵細胞質亦能發(fā)育成正常的個體。

5、沒有細胞就沒有完整的生命

（1）任何細胞組分都不能在體外培養(yǎng)持續(xù)生存

（2）病毒須在細胞內(nèi)才能表現(xiàn)基本生命特征。

二、細胞的基本共性

構成細胞最主要的化學元素為C、H、0、N,占細胞全重90%：其次的八種元素是S、P、Na、Ca、K、

Cl、Mg、Fe,這十二種元素占細胞全重的99%以上，此外還有極微量的其它化學元素，如B（硼）、Si（硅）、

V的、Mn（銃）、Co（鉆）、Cu（銅卜Zn（鋅）、Mo（鋁）等。

最基礎的生物小分子：核苜酸、氨基酸、脂肪酸與單糖。

重要生物大分子：核酸、蛋白質、脂質和多糖。

復合分子：核蛋白、脂蛋白、糖蛋白和糖脂。

平均來說，細胞的組成中水占85%、蛋白質10%、DNA0.4%、RNA0.7%、脂類2%、糖和其它有機物2

%、無機物1.5%。

1,所有的細胞表面均有磷脂雙分子層與鑲嵌蛋白質構成的生物膜一質膜。真核細胞的質膜內(nèi)陷演化為

細胞的內(nèi)膜體系，構建成以膜為基礎的功能專--的細胞器。

2、所有細胞都有兩種核酸：即DNA和RNA,作為遺傳信息復制與轉錄的載體。

3、所有細胞都含有蛋白質的合成機器一核糖體。

4、所有細胞的增殖都以一分為二的方式進行分裂。

二、非細胞形態(tài)的生命體一病毒與蛋白質感染因子

（一）病毒Virus

是一類非細胞形態(tài)的介于生命與非生命形式之間的物質。有以下主要特征：①個體微小，可通除濾菌器,

大多數(shù)必須用電鏡才能看見；②僅具有一種類型的核酸，或DNA或RNA；③專營細胞內(nèi)寄生生活；④

具有受體連結蛋白（receptorbindingprotein）,與敏感細胞表面的病毒受體連結，進而感染細胞。

1、病毒的形態(tài)結構

病毒的大小一般在10-30nm之間。結構簡單，由核酸（DNA或RNA）芯和蛋白質衣殼（capsid）所構成,

稱核殼體或核衣殼（nucleocapsid）,核殼體有保護病毒核酸不受酶消化的作用。有些病毒還含有一定量

的脂質、糖復合物與聚氨類化合物。各種病毒所含的遺傳信息量不同，少的只含有3個基因，多的可達

300個不同的基因。

電鏡觀察有五種形態(tài)；①球形(Sphericity)：大多數(shù)人類和動物病毒為球形，如脊髓灰質炎病毒、皰疹

病毒及腺病毒等；②絲形(Filament)：多見于植物病毒，如煙草花葉病病毒，人類流感病毒有時也是絲

形；③彈形(Bullet-shape)：形似子彈頭，如狂犬病毒、皰疹性口炎病毒等，其他多為植物病毒。④病

形(Brick-shape)：如天花病毒、牛痘苗病毒等;⑤蝌蚪形(Tadpoleshape)：由一卵圓形的頭及?條細長

的尾組成，如噬菌體。

2、病毒的增殖

病毒只有在侵入細胞以后才表現(xiàn)出生命現(xiàn)象。病毒的生活周期可分為兩個階段：一個是細胞外階段，以

成熟的病毒粒子形式存在；另一個是細胞內(nèi)階段，即感染階段。感染階段開始時，病毒的遺傳物質由衣

殼中釋放出來，注入宿主細胞中，然后在病毒核酸信息的指導控制下，形成新的病毒粒子。

根據(jù)寄生的宿主不同，病毒可分為動物病毒、植物病毒和細菌病毒(即噬菌體)三大類。

(二)類病毒Viroid

類病毒在結構上比病毒還要簡單，沒有蛋白質外殼，僅為一裸露的RNA或DNA分子，多數(shù)只有300400

個核甘酸。由于它們具有感染作用，類似于病毒，故稱為類病毒。不過，它們的復制需要真病毒的協(xié)助。

例如，馬鈴薯錘管類病毒僅由一個含359個核甘酸的單鏈環(huán)狀RNA分子組成，分子長約40-50nm,不能

制造衣殼蛋白。

(三)蛋白質感染因子

1982年S.B.Prusiner以敘利亞倉鼠為實驗材料，發(fā)現(xiàn)羊瘙癢病(scrapie)的病原體是一種蛋白質，不

含核酸，命名為prion,意即ProteinaceousInfectionOnly,譯為蛋白質感染因子或骯病毒，Prusiner因此

項發(fā)現(xiàn)更新了醫(yī)學感染的概念，獲1997年的諾貝爾生理與醫(yī)學獎。

Prion是一種結構變異的蛋白質，對高溫和蛋白醐均具有較強的抵抗力。它能轉變細胞內(nèi)的此類正常的蛋

白PrPC(cellularprionprotein),使PrPC發(fā)生結構變異，變?yōu)榫哂兄虏∽饔玫腜rPScCscrapie-associatedprion

protein)?

PrPC存在于神經(jīng)元、神經(jīng)膠質細胞和其它一些細胞，屬于糖磷脂酰肌醇錨定蛋白，集中在膜上的脂筏中，

對蛋白酶和高溫敏感，可能和細胞信號轉導有關。

目前對蛋白質感染因子的增殖方式有兩種解釋，一是重折疊模型(refoldingmodel),認為PrPSc分子起

分子伴侶(molecularchaperone)的作用，能與PrPc分子相結合，誘使PrPc轉變成PrPSc,從而形成了

PrPSc二聚體，于是一個PrPSc分子就變成了2個PrPSc分子，如此倍增不已。另一種解釋是晶種模型

(Seedingmodel),認為PrPc分子本身有向PrPSc轉變的傾向(一種平衡反應)，PrPSc能像晶種一樣,

穩(wěn)定PrPc的構象，形成淀粉樣蛋白沉淀，然后碎裂后又變成新的晶種。

目前已知的人類PRION疾病主要有：

1.克-雅二氏病(Creutzfeldt-Jakobdisease,CJD)：Cruetzfeldt和Jakob1920年發(fā)現(xiàn)于六例患者，大多發(fā)

生于60歲以上的人，是自身PrP蛋白發(fā)生變異引起的。

2.變異型克-雅氏病(vCJD)：患者都處于以往CJD未曾出現(xiàn)的年齡段，為十幾歲至三十歲的年輕人，

是由于取食病牛產(chǎn)品而感染?；颊呤紫瘸霈F(xiàn)憂郁癥的病狀，繼而不能行走，并呈現(xiàn)精神障礙等癡呆癥狀,

最后死亡。

3.GSS綜合征(Gerstmann-StrausslerScheinkerdisease)：是一種遺傳的的慢性腦病，由Pmp基因缺陷引

起，PrP蛋白的102位亮氨酸被脯氨酸取代或117位的緞氨酸被丙氨酸取代。

4.克魯病(Kuru)：發(fā)現(xiàn)于新幾內(nèi)亞一個叫Fore的部落，當?shù)厝朔Q作kuru,意即顫抖。病人大多數(shù)是婦

女及小孩，病癥有言語含糊及無意識地狂笑，最后不省人事并死亡。一名美國醫(yī)生D.C.Gajdusek到了

當?shù)?，發(fā)現(xiàn)那里的婦女及小孩具有吃死者尸體的習慣，結果受到感染。

5.致死性家族性失眠癥(Fatalfamilialinsomnia,FFI)：也是一種遺傳性疾病，Prnp基因變異，PrP蛋白

178位的天冬酰胺被天冬氨酸取代?；颊叩闹饕Y狀是失眠，并有CJD的癥狀。

對于蛋白質感染因子引起的疾病，目前尚沒有有效的治療措施。這類蛋白具有很強的抵抗力，對抗生素

和消毒劑不敏感，134-138℃持續(xù)lh的病牛腦組織勻漿，以及10%福爾馬林固定過的病羊腦組織，仍有

感染性。

據(jù)報道，自1996年以來，共有106人得了瘋牛病，其中僅有7人還活著。

三、原核細胞與古核細胞

20世紀60年代，H.Ris提出將細胞分為兩大類：(1)原核細胞(prokaryocyteorprokaryoticcell)：(2)真核

細胞(eukaryoticcelloreukaryocyte)。

原核細胞大約在35億年前就出現(xiàn)在地球匕它結構簡單，種類較少，體積較小，直徑0.2-10)jm不等；

沒有典型的細胞核。細菌、蘭藻等屬這一類。原核細胞基本特點可概括為(1)遺傳信息量小，遺傳信

息載體僅由一個環(huán)狀DNA構成；(2)細胞內(nèi)沒有分化成以膜為基礎的細胞器和核膜。

(一)細菌

細菌是在自然界分布最廣、個體數(shù)量最多的有機體，是大自然物質循環(huán)的主要參與者。細菌主要由細胞

壁、細胞膜、細胞質、核質體等部分構成，有的細菌還有夾膜、鞭毛、菌毛等特殊結構。絕大多數(shù)細菌

的直徑大小在0.5-5Um之間?？筛鶕?jù)形狀分為三類，即：球菌、桿菌和螺旋菌(包括弧形菌)。

1、細胞壁

細胞壁厚度因細菌不同而異，一般為15-30nm。主要成分是肽聚糖，由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸構

成雙糖單元，以B(1-4)糖昔鍵連接成大分子。

2、細胞膜

是典型的單位膜結構，厚約8-lOnm,外側緊貼細胞壁。通常不形成內(nèi)膜系統(tǒng)，除核糖體外，沒有其它

類似真核細胞的細胞器，呼吸和光合作用的電子傳遞鏈位于細胞膜上。

3、細胞質與核質體

細菌和其它原核生物一樣，沒有核膜，DNA集中在細胞質中的低電子密度區(qū)，稱核區(qū)或核質體(nuclear

body).細菌一般具有1-4個核質體，多的可達20余個。核質體是環(huán)狀的雙鏈DNA分子，所含的遺傳

信息量可編碼2000?3000種蛋白質，空間構建十分精簡，沒有內(nèi)含子。

4、其他結構

許多細菌的最外表還覆蓋著一層多糖類物質，邊界明顯的稱為莢膜(capsule),如肺炎球菌，邊界不明

顯的稱為粘液層(slimelayer),如葡萄球菌。

鞭毛是某些細菌的運動器官，由一種稱為鞭毛蛋白(flagellin)的彈性蛋白構成，結構上不同于真核生物

的鞭毛。

菌毛是菌體表面極其的蛋白纖維，須用電鏡觀察。特點是：細、短、直、硬、多，菌毛與細菌吸附和侵

染宿主有關。

5、繁殖

細菌以二分裂的方式繁殖，某些細菌處于不利的環(huán)境，或耗盡營養(yǎng)時，形成內(nèi)生抱子，又稱芽抱，是對

不良環(huán)境有強抵抗力的休眠體，由于芽胞在細菌細胞內(nèi)形成，故常稱為內(nèi)生池子。

(-)支原體

支原體(mycoplasma)的大小通常為020.3pn,可通過濾菌器。無細胞壁，不能維持固定的形態(tài)而呈

現(xiàn)多形性。

支原體基因組為一環(huán)狀雙鏈DNA,分子量小(僅有大腸桿菌的五分之)，合成與代謝很有限。

(三)衣原體和立克次氏體

衣原體(Chlamydia),直徑200-500nm,能通過細菌濾膜。立克次氏體(Rickettsia)略大，大多不能通過

濾菌膜。它們都有DNA和RNA,有革蘭氏陰性細菌特征的含肽聚糖的細胞壁，但酶系統(tǒng)不完全，必須

在寄主細胞內(nèi)生活，有攝能寄生物(energyparasite)之稱。

(四)藍藻

藍藻又稱藍細菌(cyanobacterium),能進行與高等植物類似的光合作用(以水為電子供體，放出02),

與光合細菌的作用機制不一樣，因此被認為是最簡單的植物。藍藻沒有葉綠體，僅有十分簡單的光合作

用結構裝置。藍藻細胞遺傳信息載體與其它原核細胞一樣，是?個環(huán)狀DNA分子，但遺傳信息量很大，

有約3000個編碼蛋白的潛在基因。

（五）古細菌（archaebacteria）

是一類很持殊的細菌，多生活在極端的生態(tài)環(huán)境中。具有原核生物的某些特征，如無核膜及內(nèi)膜系統(tǒng)：

也有真核生物的特征，如以甲硫氨酸起始蛋白質的合成、核糖體對氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核細

胞的相似、DNA具有內(nèi)含子并結合組蛋白。

此外還具有既不同于原核細胞也不同于真核細胞的特征，如：細胞膜中的脂類是不可皂化的：細胞壁不

含肽聚糖，有的以蛋白質為主，有的含雜多糖，有的類似于肽聚糖，但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二

氨基庚二酸。

極端嗜熱菌（themophiles）：能生長在90℃以上的高溫環(huán)境。如德國的斯梯特（K.Stetter）研究組在意大

利海底發(fā)現(xiàn)的一族古細菌，能生活在110"C以上高溫中，最適生長溫度為98℃,降至84℃即停止生長。

美國的J.A.Baross發(fā)現(xiàn)一些從火山口中分離出的細菌可以生活在250℃的環(huán)境中。

嗜熱菌的營養(yǎng)范圍很廣，多為異養(yǎng)菌，其中許多能將硫氧化以取得能量。

極端嗜鹽菌（extremehalophiles）：生活在高鹽度環(huán)境中，鹽度可達25%,如死海和鹽湖中。

極端嗜酸菌（acidophiles）：能生活在pH值1以下的環(huán)境中，往往也是嗜高溫菌，生活在火山地區(qū)的酸

性熱水中，能氧化硫，硫酸作為代謝產(chǎn)物排出體外。

極端嗜堿菌（alkaliphiles）：多數(shù)生活在鹽堿湖或堿湖、堿池中，生活環(huán)境pH值可達11.5以上，最適pH

值8?10。

產(chǎn)甲烷菌（metnanogens）：是嚴格厭氧的生物，能利用CO2使H2氧化，生成甲烷，同時釋放能量。

CO2+4H2-CH4+2H2O+能量

由于古細菌所棲息的環(huán)境和地球發(fā)生的早期有相似之處，如：高溫、缺氧，而且由于古細菌在結構和代

謝上的特殊性，它們可能代表最古老的細菌。它們保持了古老的形態(tài)，很早就和其它細菌分手了。所以

人們提出將古細菌從原核生物中分出，成為與原核生物（即真細菌eubacteria）、真核生物并列的一類。

（1）細胞壁的成分不同于細菌。

（2）DNA含重復序列和內(nèi)含子。

（3）有組蛋白，構成類似核小體的結構。

（4）核糖體大小介于真細菌與真核細胞之間，對抗生素的反應類似于真核。

（5）5SrRNA的分子結構在進化上更相似于真核細胞。

（6）DNA聚合酷、氨?；鵷RNA合成酶、肽鏈延長因子等相似于真核細胞。

四、真核細胞基本知識概要

真核細胞包括大量的單細胞生物和全部的多細胞生物，出現(xiàn)于12-16億年前，在起源上和古核細胞的關

系更密切。真核細胞結構復雜，種類繁多，出現(xiàn)了以膜為邊界的真正細胞核。

（-）真核細胞的基本結構體系

1、生物膜系統(tǒng)：磷脂與蛋白質，厚度8-10nm。

2、遺傳信息表達結構系統(tǒng)：DNA-蛋白質、RNA-蛋白質，顆粒與纖維直徑10-20nm。

3、細胞骨架系統(tǒng)：纖維網(wǎng)狀結構，直徑5-24nm。

（二）細胞的大小及其分析

支原體（最小的cell）0.1~0.3jim

細菌1?2|im

動、植物20?30|im

原生動物幾百到幾千微米，大變形蟲200—600同11,眼蟲長60Hm。

-根棉花纖維由一個cell構成，長4cnio

Ncell直徑lOOjim,突起可達1m以上

人卵200pn；鴕鳥蛋黃直徑5cm

鼠鯊卵徑達22cm（最大的cell）

理論上：①細胞體積越大，相對表面枳越少，與環(huán)境交換物質的能力越小。

②核、質有一定比例，核內(nèi)所含遺傳信息所控制的c體積須有一定限度。

③細胞體積與C內(nèi)物質交流的速度成反比。

理論上最小的細胞：

一個細胞生存與增殖必須具備細胞膜、遺傳信息載體DNA與RNA、進行蛋白質合成的核糖體以及催化

主要的促反應所需要的酶。估計完成細胞功能至少需要100種酶，這些分子進行能促反應所必須占有的

空間直徑約為50nm,加上核糖體(每個核糖體直徑約10-20nm),細胞膜與核酸等，我們可以推算出來,

一個細胞體積的最小極限直徑不可能小于100nm?

對同類組織來說，細胞的體積是恒定的，器官的大小與細胞的數(shù)量成正比。

(三)細胞的形態(tài)結構與功能的關系

游離細胞呈球形或近于球狀，例如動物的卵細胞、植物的花粉母細胞。但也有例外(由于表面張力或原生

質粘度不均一)，如人的紅血球、精子，變形蟲和白血球等為不定形細胞。

組織細胞既受相鄰細胞的制約也與細胞的生理功能有關。例如肌肉細胞適應于收縮，Ncell適應于傳導

刺激。

七、植物細胞與動物細胞的比較

植物細胞：

細胞壁cellwall,中層或胞間層(middlelamella),胞間連絲。

質體(plastids)

較大液泡(Vacuole)。

動物細胞：

溶酶體

中心體

第三章細胞生物學研究方法

一、細胞形態(tài)結構的觀察方法

(-)光學顯微鏡技術

1、普通光學顯微鏡

普通生物顯微鏡由3部分構成，即：①照明系統(tǒng)，包括光源和聚光器；②光學放大系統(tǒng)，由物鏡和目鏡

組成，是顯微鏡的主體，為了消除球差和色差，目鏡和物鏡都由復雜的透鏡組構成；③機械裝置，用于

固定材料和觀察方便。

顯微鏡物象是否清楚決定于顯微鏡的分辨力(resolution)。分辨力是指顯微鏡(或人的眼睛距目標25cm

處)能分辨物體最小間隔的能力，分辨力的大小決定于光的波長和鏡口率以及介質的折射率，用公式表

小為：

R=0.61XIN.A.N4=nsina/2

式中：n=介質折射率；a=鏡口角(標本對物鏡鏡口的張角)，N.A.=鏡口率(numericaperture)。鏡口角

總是要小于180°,所以sina/2的最大值必然小于1。

制作光學鏡頭所用的玻璃折射率為1.65-1.78,所用介質的折射率越接近玻璃的越好。對于干燥物鏡來說,

介質為空氣(折射率為1),鏡口率一般可達0.95；水的折射率為1.33；油鏡頭用香柏油為介質(折射率

為1.52),鏡口率可接近1.5。

普通光線的波長為400-700nm,因此顯微鏡分辨力數(shù)值不會小于0.2gm,人眼的分辨力是0.2mm,所以

一般顯微鏡設計的最大放大倍數(shù)通常為lOOOXo

2、熒光顯微鏡

細胞中有些物質，如葉綠素等，受紫外線照射后可發(fā)熒光；另有一些物質本身雖不能發(fā)熒光，但如果用

熒光染料或熒光抗體染色后，經(jīng)紫外線照射亦可發(fā)熒光。

熒光顯微鏡和普通顯微鏡有以下的區(qū)別：

(1)照明方式通常為落射式，即光源通過物鏡投射于樣品上：

(2)光源為紫外光，波長較短，分辨力高于普通顯微鏡；

(3)有兩個特殊的濾光片，光源前的用以濾除可見光，目鏡和物鏡之間的用于濾除紫外線，以保護人

目。

3、激光共聚焦掃描顯微境

激光共聚焦掃描顯微鏡(laserconfocalscanningmicroscope)用激光作掃描光源，逐點、逐行、逐面快速

掃描成像，掃描的激光與熒光收集共用一個物鏡，物鏡的焦點即掃描激光的聚焦點，也是瞬時成像的物

點。

激光共聚焦掃描顯微鏡既可以用于觀察細胞形態(tài)，也可以用于細胞內(nèi)生化成分的定量分析、光密度統(tǒng)計

以及細胞形態(tài)的測量。

4、暗視野顯微鏡

暗視野顯微鏡(darkfieldmicroscope)的聚光鏡中央有當光片，使照明光線不直接進人物鏡，只允許被

標本反射和衍射的光線進入物鏡，因而視野的背景是黑的，物體的邊緣是亮的。利用這種顯微鏡能見到

小至4-200nm的微粒子，分辨率可比普通顯微鏡高50倍。

5、相差顯微鏡

相差顯微鏡(phasecontrastmicroscope)山P.Zernike于1932年發(fā)明，并因此獲1953年諾貝爾物理獎。

這種顯微鏡最大的特點是可以觀察未經(jīng)染色的標本和活細胞。

基本原理是把透過標本的可見光的光程差變成振幅差，從而提高了各種結構間的對比度，使各種結構變

得清晰可見。在構造上，相差顯微鏡有不同于普通光學顯微鏡兩個特殊之處：

1.環(huán)形光闌(annulardiaphragm)位于光源與聚光器之間，作用是使透過聚光器的光線形成空心光錐,

焦聚到標本上。

2.相位板(annularphaseplate)在物鏡中加了涂有氟化鎂的相位板，可將直射光或衍射光的相位推遲1/4

入。

6、偏光顯微鏡

偏光顯微鏡(polarizingmicroscope)用于檢測具有雙折射性的物質，如纖維絲、紡錘體、膠原、染色體

o

7、微分干涉差顯微鏡

1952年，Nomarski在相差顯微鏡原理的基礎上發(fā)明了微分干涉差顯微鏡(differentialinterferencecontrast

microscope)?DIC顯微鏡的優(yōu)點是能顯示結構的三維立體投影影像。與相差顯微鏡相比，其標本可略厚

一點，折射率差別更大，故影像的立體感更強。

8、倒置顯微鏡

組成和普通顯微鏡一樣，只不過物鏡與照明系統(tǒng)顛倒，前者在載物臺之下，后者在載物臺之上，用于觀

察培養(yǎng)的活細胞，具有相差物鏡。

(二)電子顯微鏡

1、透射電子顯微鏡(transmissionelectronmicroscope,TEM)

基本原理與光學顯微鏡的成像原理基本一樣，所不同的是前者用電子束作光源，用電磁場作透鏡。由電

子照明系統(tǒng)、電磁透鏡成像系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等5部分構成。

另外，由于電子束的穿透力很弱，因此用于電鏡的標本須制成厚度約50nm左右的超薄切片。這種切片

需要用超薄切片機(ultramicrotome)制作。電子顯微鏡的放大倍數(shù)最高可達近百萬倍。

2、掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡(scanningelectronmicroscope,SEM)

工作原理是用一束極細的電子束掃描樣品，在樣品表面激發(fā)出次級電子，次級電子的多少與電子束入射

角有關，也就是說與樣品的表面結構有關，次級電子由探測體收集，并在那里被閃爍器轉變?yōu)楣庑盘枺?/p>

再經(jīng)光電倍增管和放大器轉變?yōu)殡娦盘杹砜刂茻晒馄辽想娮邮膹姸?，顯示出與電子束同步的掃描圖

像。

目前掃描電鏡的分辨力為6-lOnm

3、掃描隧道顯微鏡(scanningtunnelingmicroscope,STM)

根據(jù)量子力學原理中的隧道效應而設計。當原子尺度的針尖在不到一個納米的高度上掃描樣品時，此處

電子云重疊，外加?電壓(2mV~2V),針尖與樣品之間有電子逸出，形成隧道電流。電流強度和針尖與

樣品間的距離有函數(shù)關系，使探針與物質表面間的距離不斷發(fā)生改變，從而引起電流不斷發(fā)生改變。將

電流的這種改變圖像化即可顯示出原子水平的凹凸形態(tài)。

掃描隧道顯微鏡的分辨率很高，橫向為0.1-0.2nm,縱向可達0.001nm。它的優(yōu)點是三態(tài)(固態(tài)、液態(tài)和

氣態(tài))物質均可進行觀察，而普通電鏡只能觀察制作好的固體標本。

利用掃描隧道顯微鏡直接觀察生物大分子，如DNA、RNA和蛋白質等分子的原子布陣，和某些生物結

構，如生物膜、細胞壁等的原子排列。

(三)顯微操作技術

顯微操作技術(micromanipulationtechnique)是指在高倍復式顯微鏡下，利用顯微操作器

(micromanipulator)進行細胞或早期胚胎操作的一種方法。顯微操作器是用以控制顯微注射針在顯微鏡

視野內(nèi)移動的機械裝置。

顯微操作技術包括細胞核移植、顯微注射、戰(zhàn)合體技術、胚胎移植以及顯微切割等。細胞核移植技術已

有幾卜年的歷史，Gordon等人(1962)對非洲爪蟾進行核移植獲得成功。我國著名學者童第周等在魚類

細胞核移植方面進行了許多工作，并取得了豐碩成果。

二、細胞組分的分析方法

(一)離心技術

離心是研究如細胞核、線粒體、高爾基體、溶酶體和微體，以及各種大分子基本手段。一般認為，轉速

為10-25kr/min的離心機稱為高速離心機；轉速超過25kr/min,離心力大于89kg者稱為超速離心機。目

前超速離心機的最高轉速可達lOOkr/min,離心力超過500kg。

1、差速離心(differentialcentrifugation)

在密度均,的介質中由低速到高速逐級離心，用于分離不同大小的細胞和細胞器。

在差速離心中細胞器沉降的順序依次為：核、線粒體、溶酶體與過氧化物酶體、內(nèi)質網(wǎng)與高基體、最后

為核蛋白體。

差速離心只用于分離大小懸殊的細胞，更多用于分離細胞器。通過差速離心可將細胞器初步分離，常需

進一步通過密度梯離心再行分離純化。

2、密度梯度離心(densitygradientcentrifugation)

用一定的介質在離心管內(nèi)形成一連續(xù)或不連續(xù)的密度梯度，將細胞混懸液或勻漿置于介質的頂部，通過

重力或離心力場的作用使細胞分層、分離。這類分離又可分為速度沉降和等密度沉降平衡兩種。密度梯

度離心常用的介質為氯化的，蔗糖和多聚蔗糖。

(-)生物大分子顯示方法

1、細胞化學技術

組織化學或細胞化學染色(histochemicalorcytochemicalstaining)是利用染色劑可同細胞的某種成分發(fā)

生反應而著色的原理，對某種成分進行定性或定位研究的技術。利用這種方法對細胞的各種成分幾乎都

能顯示，包括有無機物、醛、蛋白質、糖類、脂類、核酸、酶等。

(1)脂溶染色法：借蘇丹染料溶于脂類而使脂類顯色。

(2)前三酮反應：顯示蛋白質。

(3)Schiff反應：細胞中的醛基可使Schiff試劑中的無色品紅變?yōu)榧t色。這種反應通常用于顯示糖和脫

氧核糖核酸(Feulgen反應)。

2、顯微光譜分析技術

細胞中有一些成分具有特定的吸收光譜，核酸、蛋白質、細胞色素、維生素等都有自己特征性的吸收曲

線。例如，核酸的吸收波長為260nm，而蛋白質的則為280nm。有的成分經(jīng)組織化學染色后，對可見光

有特定的吸收光譜。根據(jù)細胞成分所具有的這種特性，可利用顯微分光光度計對某些成分進行定位、定

性，甚至定量測定。

(三)特異蛋白抗原的定位與定性

根據(jù)免疫學原理，利用抗體同特定抗原專一結合，對抗原進行定位測定的技術。常用的標記物有熒光素

和酶。

免疫熒光法(immunofluorescenttechnique)：常用的螢光素有異硫氟酸熒光素、羅丹明等。

酶標免疫法(enzyme-labeledantibodymethod)：用酶代替熒光素代替熒光素與抗體耦聯(lián)。常用的酶有辣

根過氧化物酶，的與底物發(fā)生反應后形成不透明的沉積物，從而顯示出抗原存在的部位。

(四)流式細胞術

流式細胞術是對單個細胞進行快速定量分析與分選的一門技術。在分析或分選過程中，包在鞘液中的細

胞通過高頻振蕩控制的噴嘴，形成包含單個細胞的液滴，在激光束的照射下，這些細胞發(fā)出散射光和熒

光，經(jīng)探測器檢測，轉換為電信號，送入計算機處理，輸出統(tǒng)計結果，并可根據(jù)這些性質分選出高純度

的細胞亞群，分離純度可達99%。包被細胞的液流稱為鞘液，所用儀器稱為流式細胞計(flowcytometer)。

(五)細胞電泳

在一定PH值下細胞表面帶有凈的正或負電荷，能在外加電場的作用下發(fā)生泳動，這種現(xiàn)象稱為細胞電

泳(cellelectrophoresis)?引起細胞電泳的電位值稱為&電位。W電位常因細胞生理狀態(tài)和病理狀態(tài)而異，

因此在診斷疾病上有一定價值。

此外由于不同類型的細胞在電場中的泳動速度不同，細胞電泳尚可用來分離不同種類的細胞，例如可把

淋巴樣細胞與造血細胞分開。

(六)放射自顯影術

放射自顯影術(autoradiography)用于研究標記化合物在機體、組織和細胞中的分布、定位、排出以及

合成、更新、作用機理、作用部位等等。

原理是將放射性同位素(如14c和3H)標記的化合物導入生物體內(nèi)，經(jīng)過一段時間后，將標本制成切

片或涂片，涂上鹵化銀乳膠，經(jīng)一定時間組織中的放射性即可使乳膠感光。然后經(jīng)過顯影、定影處理顯

示還原的黑色銀顆粒，即可得知標本中標記物的準確位置和數(shù)量，放射自顯影的切片還可再用染料染色,

這樣便可在顯微鏡下對標記上放射性的化合物進行定位或相對定量測定。

(七)分子雜交技術

分子雜交技術(molecularhybridization)是在研究DNA分子復性變化基礎上發(fā)展起來的一種技術。其原

理是，具有互補核苜酸序列的兩條單鏈核甘酸分子片段，在適當條件下，通過氫鍵結合，形成DNA-DNA,

DNA-RNA或RNA-RNA雜交的雙鏈分子。這種技術可用來測定單鏈分子核甘酸序列間是否具有互補關

系。

(八)PCR技術

聚合酶鏈式反應(polymerasechainreaction,PCR)用于在體外將微量的目標DNA大量擴增，以便進行

分析。

三、細胞工程Cellengineering

用細胞生物學和分子生物學的理論、方法和技術，按人們的預定設計藍圖有計劃的保存、改變和創(chuàng)造細

胞遺傳物質，以產(chǎn)生新的物種和品系，或大規(guī)模培養(yǎng)組織細胞以獲得生物產(chǎn)品。

第四章細胞膜與細胞表面

細胞膜(cellmembrane)或質膜(plasmamembrane)

細胞內(nèi)膜(intracellularmembrane)?

生物膜(biomembrane):外周膜和細胞內(nèi)膜的統(tǒng)稱。

生物膜是細胞進行生命活動的重要物質基礎，細胞的能量轉換、蛋白質合成、物質運輸、信息傳遞、細

胞運動等活動都與膜的作用有密切的關系。

-、細胞膜與細胞表面特化結構

(一)細胞膜的結構模型

1.E.Overton1895發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質很容易透過植物的細胞膜，而不溶于脂肪的物質則不易透

過，因此推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質組成。

2.E.Gorter&F.Grendel1925用有機溶劑提取了人類紅細胞質膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測出膜

脂展開的面積二倍于細胞表面積，因而推測細胞膜由雙層脂分子組成。

3.J.Danielli&H.Davson1935發(fā)現(xiàn)質膜的表面張力比汕一水界面的張力低得多，推測膜中含有蛋白質，

從而提出了‘‘蛋白質-脂類-蛋白質''的三明治模型。認為質膜由雙層脂類分子及其內(nèi)外表面附著的蛋白質

構成的。1959年在上述基礎上提出了修正模型，認為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質通道，供親水物質

通過。

4.J.D.Robertson1959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(圖4-1),厚約

7.5nm?這就是所謂的“單位膜”(unitmembrane)模型。它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內(nèi)外表面各厚約

2nm的蛋白質構成。單位膜模型的不足之處在于把膜的動態(tài)結構描寫成靜止不變的。

5、S.JonSinger和GarthNicolson于1972年提出流體鑲嵌模型(fluidmosaicmodel)。在該模型中，脂類

雙分子層主要作為膜的支撐架構，是阻擋水溶性物質自由進出細胞的屏障，膜蛋白作為不連續(xù)的顆粒鑲

嵌在脂雙層，山它們完成膜的大部分特定功能。

其主要特點有二：--是強調膜的流動性。無論類脂的雙分子層或者膜的Pr都是可以流動或運動的；

二是蛋白質鑲嵌在脂類中表現(xiàn)出分布的不對稱性。脂類雙分子層是膜的“構架”，球Pr分子有的鑲在脂雙

分子層的表面，有的部分或全部嵌入其內(nèi)，有的橫跨整個脂類層。

6、脂筏模型(lipidraftmodel)

脂筏(lipidraft)是質膜上富含膽固醉和鞘磷脂的微結構域(microdomain)。大小約70nm左右，是?種

動態(tài)結構，位于質膜的外小葉。由于鞘磷脂具有較長的飽和脂肪酸鏈，分子間的作用力較強，所以這些

區(qū)域結構致密，介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體(Liquid-ordered)。脂筏就像一個蛋白質停泊

的平臺，與膜的信號轉導、蛋白質分選均有密切的關系。

從脂筏的角度來看，膜蛋白可以分為三類：

①存在于脂筏中的蛋白質；包括糖磷脂酰肌醇錨定蛋白(GPIanchoredprotein),某些跨膜蛋白，Hedgehog

蛋白，雙乙?；鞍?doublyacylatedprotein)如：非受體酪氨酸激酶Src、G蛋白的Ga亞基、血管內(nèi)

皮細胞的一氧化氮合酶(NOS)；

②存在于脂筏之外無序液相的蛋白質；

③介于兩者之間的蛋白質，如某些蛋白在沒有接受到配體時，對脂筏的親和力低，當結合配體，發(fā)生寡

聚化時就會轉移到脂筏中。

脂筏中的膽固醇就像膠水一樣，它對具有飽和脂肪酸鏈的鞘磷脂親和力很高，而對不飽和脂肪酸鏈的親

和力低，用甲基-6-環(huán)糊精(methyl-P-cyclodextrin)去除膽固醇，抗去垢劑的蛋白就變得易于提取。膜

中的鞘磷脂主要位于外小葉，而且大部分都參與形成脂筏。

據(jù)估計脂筏的面積可能占膜表面積的一半以上。脂筏的大小是可以調節(jié)的，小的獨立脂筏可能在保持信

號蛋白呈關閉狀態(tài)方面具有重要作用，當必要時，這些小的脂筏聚集成大一個大的平臺，在那里信號分

子(如受體)將利它們的配件相遇，啟動信號傳遞途徑。如致敏原(allergen)能夠將過敏患者體內(nèi)肥大

細胞或嗜堿性細胞表面的IgE抗體及其受體橋聯(lián)起來，形成較大的脂筏，受體被脂筏中的Lyn(一種非

受體酪氨酸激酚)磷酸化，啟動下游的信號轉導，最終引發(fā)過敏反應。

當前對生物膜結構的認識可歸納如下：

(1)磷脂分子在水中可自發(fā)形成封閉的膜系統(tǒng)。

(2)蛋白質鑲嵌在脂雙層或結合于表面。

(3)生物膜可看成是蛋白質在雙層脂分子中的二維溶液。

(-)質膜的化學組成

質膜主要由膜脂和膜蛋白組成，另外還有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。

一般，脂類約占50%,蛋白質約40%,糖類約2%—10%,不同的膜含量不同。

1、膜脂：

大多數(shù)膜脂都含有磷酸基團，這種脂稱為磷脂(phospholipid)(>50%)o

(1)磷脂又分為甘油磷脂和鞘磷脂。

甘油磷脂以甘油為骨架的磷脂類，在骨架上結合兩個脂肪酸鏈和一個磷酸基團，膽堿、乙醇胺、絲氨酸

或肌醇等分子籍磷酸基團連接到脂分子上。

主要類型有：磷脂酰膽堿(phosphatidylcholine,PC,舊稱卵磷脂)、磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine,

PS)、磷脂酰乙醇胺(phosphatidylelhanolamine.PE,舊稱腦磷脂)磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,

PI)和雙磷脂酰甘油(DPG,舊稱心磷脂)等。

鞘磷脂(sphingomyelin,SM)在腦和神經(jīng)細胞膜中特別豐富,亦稱神經(jīng)醇磷脂。它是以鞘胺醉(sphingoine)

為骨架，與一條脂肪酸鏈組成疏水尾部，親水頭部也含膽堿與磷酸結合。

原核細胞和植物細胞中沒有鞘磷脂。

磷脂特征：

①具有?個極性頭和兩個非極性的尾(脂肪酸鏈)，位于線粒體內(nèi)膜上的心磷脂具有4個非極性局部。

②脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，多數(shù)碳鏈山16,18或20個碳原子組成。

③常含有不飽和脂肪酸(如油酸)，多為順式，在煌鏈中產(chǎn)生30。彎曲。

(2)膽固醇(sterol)

膽固醉僅存在真核細胞膜匕含量一般不超過膜脂的1/3,植物細胞膜中含量較少，其功能是提高脂雙

層的力學穩(wěn)定性，調節(jié)脂雙層流動性，降低水溶性物質的通透性。如：在缺少膽固醇培養(yǎng)基中，不能合

成膽固醉的突變細胞株很快發(fā)生自溶。

(3)糖脂(glycolipid)

糖脂是含糖而不含磷酸的脂類，普遍存在于原核和真核細胞的質膜上，其含量約占膜脂總量的5%以卜

在神經(jīng)細胞膜上含量較高，約占5-10%。

糖脂也是兩性分子。其結構與SM很相似，只是由一個或多個糖殘基代替了磷脂酰膽堿而與鞘氨醇的羥

基結合。

ABO血型抗原是一種糖脂，其寡糖部分具有決定抗原特異性的作用：

A型：膜脂寡糖鏈的末端是N-乙酰半乳糖胺，GalNAco

B型:末端是半乳糖,GaL

O型：末端沒有這兩種糖基。

AB型：末端同時具有這兩種糖基。

(4)脂質體(Liposomes)

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。單層脂分子鋪展在水面

上時，其極性端插入水相而非極性尾部面向空氣界面，攪動后形成乳濁液，即形成極性端向外而非極性

端在內(nèi)部的脂分子團或形成雙層脂分子的球形脂質體。

可用于轉基因、制備的藥物、研究生物膜的特性等。

2、膜蛋白

根據(jù)膜蛋白與脂分子的結合方式，可分為外周蛋白(peripheralprotein)、整合蛋白(integralprotein)

和脂錨定蛋白(lipid-anchoredprotein)?

早期，人們主要根據(jù)蛋白質在質膜的相對位置分為外周、整合蛋白。根據(jù)膜蛋白與脂分子的結合方式，

又分出脂錨定蛋白。

(1)外周蛋白(Peripheralprotei),又稱外在蛋白(Extrinsicprotein)。水溶性蛋白，完全外露在脂雙層的內(nèi)

側或外側，主要是通過非共價鍵附著在脂的極性頭部，或附在整合蛋白親水區(qū)的一?側，間接與膜結合。

膜外周蛋白可用高鹽或堿性PH條件分離。

(2)整合蛋白(integralprotein),又稱內(nèi)在蛋白(intrinsicprotein),水不溶性蛋白，跨膜蛋白(transmembrane

protein),部分或全部鑲嵌在細胞膜中或內(nèi)外兩側，以非極性氨基酸與脂雙分子層的非極性疏水區(qū)相互作

用而結合在質膜上。

實際上，整合蛋白幾乎都是完全穿過脂雙層的蛋白質，親水部分暴露在膜的一側或兩側表面；疏水區(qū)同

脂雙分子層的疏水尾部相互作用；整合蛋白所含疏水氨基酸的成分較高。

(3)脂錨定蛋白(lipid-anchoredprotein)又稱脂連接蛋白(lipid-linkedprotein),通過共價鍵的方式同脂分

子結合，位于脂雙層的外側或內(nèi)側。

整合蛋白與膜脂結合的方式：

(1)膜蛋白的跨膜結構域與脂雙層分子的疏水核心相互作用。

(2)氨基酸殘基與磷脂的極性頭部形成離子鍵。

(3)半胱氨酸殘基可共價結合脂肪酸分子。

3、糖類：主要與膜脂，膜Pr以共價鍵形成糖脂和糖Pr,分布在膜的表面。

糖類主要是中性糖，如D一半乳糖，D—甘露糖、L一巖藻糖等；氨基糖有如D一半乳糖胺、D一

葡糖胺以及唾液酸等。

(三)膜的流動性

膜是?種動態(tài)的結構，具有膜脂的流動性(fluidity)和膜蛋白的運動性(mobility)膜的流動性概念是指

膜內(nèi)部的脂和蛋白質分子的運動性。膜的流動性不僅是膜的基本特性之一，也是細胞進行生命活動的必

要條件。

膜的流動性主要是由膜脂雙層的狀態(tài)變化引起的。在生理條件下，膜脂多呈液晶態(tài)，溫度下降至某點，

則變?yōu)榫B(tài)。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，在不同溫度下發(fā)

生的膜脂狀態(tài)的改變稱為相變(Phasetransition)?

膜脂由于成分不同而各有其不同的相變溫度。在某一溫度下，有些脂處于晶態(tài)，另一些脂仍處于液態(tài)。

處于這兩種不同狀態(tài)的磷脂分子分別各自匯集，形成了相的分離，從而形成一些流動性不一的微區(qū)

(domain)o山于膜脂的流動，給膜蛋白提供了可以流動的環(huán)境，加上膜蛋白自身構型的變化，使膜蛋

白處于動態(tài)之中。

1、膜脂的流動

(1)側向擴散或側向遷移：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。

(2)旋轉運動圍繞與膜平面垂直的軸快速旋轉。

(3)擺動運動圍繞與膜平面相垂直的軸左右擺動。

(4)伸縮振蕩脂肪酸鏈沿著與膜平面相垂直的軸伸縮、振蕩。

(5)翻轉運動膜脂分子從雙脂層的?層翻轉至另一層的運動，效率很低，但ER例外，新合成的磷脂

分子幾分鐘后,有一半要翻轉。是在酶的催化下完成的。

(6)旋轉異構：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉，導致異構化運動。

2、膜蛋白的流動

(1)側向擴散：可用熒光漂白技術和細胞融合技術檢測側向擴散。

(2)旋轉擴散：圍繞與膜平面垂直的軸旋轉。

由于膜蛋白分子質量較大，它不可能像膜脂那樣運動。

膜蛋白有以下幾種運動形式：①隨機移動。有些蛋白質能夠在整個膜上隨機移動。移動的速率比用人工

脂雙層測得的要低。②定向移動。有些蛋白比較特別，在膜中做定向移動，可以從細胞的一端移向另一

端。③局部擴散。有些蛋白只能在局部范圍內(nèi)做旋轉擴散和側向擴散。

膜Pr在脂雙層中的運動受到許多因素的限制：

A被膜骨架固定

B在Motorprotein的牽引下定向運動

C其運動受其它膜蛋白的限制或影響

D被膜骨架（或其它膜結構）限制在一定范圍內(nèi)運動

E其運動受細胞外基質限制

3、影響膜流動性的因素

組分、遺傳及理化因素如pH、離子強度、藥物等

（1）膽固醇：相變溫度以上，限制；相變溫度以下，增強。穩(wěn)定膜結構、保證流動性。

（2）不飽和鍵含量和鏈的長度：不飽和鍵多、鏈短，流動性增強。

（3）卵磷脂/鞘磷脂的比值：兩者的含量約占整個膜脂的50%。卵磷脂所含脂肪酸的不飽和程度高，相

變溫度較低；鞘磷脂相反（25-35℃）,微粘度比前者大5-6倍。細胞衰老，比值下降，流動性降低。

（4）其它因素：膜蛋白和膜脂的結合方式、溫度、酸堿度、離子強度等。

4、膜流動性的生理意義

（1）能活性與膜的流動性有關。在一定范圍內(nèi)，流動性大，有利于膜中的分子側向擴散和旋轉運動，

使酶活性增加。

（2）與物質的運輸有關：一些載體Pr分子的運動性，取決于脂類分子的流動性。

（3）細胞的信息傳遞、激素、藥物的作用等與膜流動性密切相關

（4）細胞周期中膜的流動性有變化：分裂期（M）流動性高；在G1期和S期膜流動性最低。

（5）在發(fā)育過程中細胞膜的流動性有明顯變化，隨年齡增加，細胞中飽和脂肪酸增多，膜流動性較低。

（6）生物的耐寒性與膜的流動性有關。耐寒品種中脂肪的不飽和程度較高，流動性較大。

（四）膜的不對稱性

1、膜脂的不對稱性：同種膜脂分子在脂雙層中呈不均勻分布。

2、膜蛋白的不對稱性：蛋白質分子在膜上的分布具有明確的方向性。

3、糖脂和糖蛋白只分布于細胞膜的外表面，這些成分可能是細胞表面受體，并且與細胞的抗原性有關。

（五）細胞膜的功能

1.為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境

2.選擇性的物質運輸。

3.提供細胞識別位點，并完成信息跨膜傳遞

4.為多種酶提供結合位點。

5.介導細胞之間、細胞與基質之間的連接。

6.參與形成細胞表面特化結構。

界膜和區(qū)室化（delineationandcompartmentalization）：細胞膜最重要的作用就是勾劃了細胞的邊界,

并且在細胞質中劃分了許多以膜包被的區(qū)室。

作為界膜不僅使生命進化到細胞的生命形式，也保證了遺傳物質和其他參與生命活動的生物大分

子相對集中在一個安全的微環(huán)境中，有利于細胞的物質和能量代謝。

細胞內(nèi)空間的區(qū)室化，不僅擴大了表面積，還使細胞的生命活動更加高效和有序。

調節(jié)運輸（regulationoftransport）：膜為兩側的分子交換提供了一個屏障，一方面可以讓某些物質"

自由通透"，另一方面又作為某些物質出入細胞的障礙。

功能區(qū)室化細胞膜的另一個重要的功能就是通過形成膜結合細胞器，使細胞內(nèi)的功能區(qū)室化。例

如細胞質中的內(nèi)質網(wǎng)、高爾基體等膜性細胞器的基本功能是參與蛋白質的合成、加工和運輸；而溶酸體

的功能是起消化作用，酸性水解酶主要包裹在溶酶體內(nèi)。

信號的檢測與傳遞(detectionandtransmissionofsignals)：細胞質膜中具有各種不同的受體，能夠

識別并結合特異的配體，進行信號的傳遞。

參與細胞間的相互作用(intercellularinteraction)：在多細胞的生物中，細胞通過質膜(包括膜中的

一些蛋白)進行細胞間的多種相互作用，包括細胞識別、細胞粘著、細胞連接等。

能量轉換(energytransduction)：例如葉綠體利用類囊體膜上的結合蛋白進行光能的捕獲和轉換，

最后將光能轉換成化學能儲存在碳水化合物中。

細胞膜的這些基本功能也是生命活動的基本特征，沒有膜的這些功能，細胞不能形成，細胞的生

命活動就會停止。

(六)膜骨架與細胞表面的特化結構

1、膜骨架(membraneskeleton)：細胞膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網(wǎng)架結構，它參與維

持細胞膜的形狀并協(xié)助質膜完成多種生理功能。

對紅細胞來說，膜上的血影蛋白和錨蛋白起到很重要的作用。

其它細胞也發(fā)現(xiàn)類似蛋白結構。

2、細胞表面及其特化結構

細胞表面是一個復合的結構體系，是細胞膜與細胞外被(cellcoat)的總稱。

另有一些對細胞表面的定義：