王金發(fā)細胞生物學網絡課件講義全集

王金發(fā)《細胞生物學》網絡課件講義全集1.1細胞的發(fā)現及細胞學說的創(chuàng)立1.1.3細胞學理論對細胞學發(fā)展的推動作用1.4.2真核細胞的兩種主要類型:動物細胞和植物細胞1.7.1細胞生物學的主要研究內容和發(fā)展方向學習指導所有的生物都是由細胞(cell)構成的。除了病毒、類病毒等是非細胞的生命體以外，其它生命有機體的結構和功能單位都是細胞。細菌、酵母等微生物是以單細胞的形式存在，而高等動、植物則是由多細胞構成的，如人大約有3研究細胞及其生物學功能的科學稱為細胞生物學(cellbiology)。1.1細胞的發(fā)現及細胞學說的創(chuàng)立蜂窩，稱為"cella"，這是人類第一次發(fā)現細胞，不過，胡克發(fā)現的只是死的細胞壁(圖1-1)。胡克的發(fā)現對細胞學的建立和發(fā)展具有開創(chuàng)性的意義，其后，生物學家就用"cell"一詞來描述生物體的基本結構。倍左右)，并觀察到了血細胞、池塘水滴中的原生動物、人類和哺乳類動物的精子，這是人類第一次觀察到完整的活細胞。列文虎克把他的觀察結果寫信報告給了英國皇家學會，得到英國皇家學會的充分肯定，并很快成為世界圖1-1胡克所用的顯微鏡及觀察的櫟樹細胞壁植物是由細胞構成的，植物的胚是由單個細胞產生的。是由細胞構成的;②所有的生活細胞在結構上都是類似的。有細胞的分裂，即細胞來自于細胞。細胞學說的創(chuàng)立大大推進了人類對生命自然界的認識，有力地促進了生命科學的進步。恩格斯對細胞學說給予極高的評價，把它與進化論和能量守恒定律并列為19世紀的三大發(fā)明。為什么恩格斯對細胞學說給予與此高的評價?1.1.3細胞學理論對細胞學發(fā)展的推動作用細胞科學是實驗科學，而實驗科學的發(fā)展既依賴于實驗觀察，又有待于理論的升華。盡管細胞是1665年發(fā)現的，但在其后的170年的時間里細胞學的研究沒有什么大的發(fā)展，究其原因主要是沒有將這一發(fā)現上升為理論，因而也就沒有指導意義。但是，細胞學理論創(chuàng)立之后，在這一理論的指導下，細胞學得到了突飛猛進的發(fā)展?！鲈|理論的提出1840年普金耶(Pukinje)在動物、1846■細胞受精和分裂的研究■一些重要細胞器的發(fā)現在這短短的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。當然，更重要的是這一時期人才輩出，他們的不斷追求和探索的精神才是細胞學得以發(fā)展的原動力。如何理解人才、理論和技術在科技發(fā)展中的作用?對細胞生物學的發(fā)展階段劃分不一，本書分為四個時期：段研究細胞學的問題，其特點是從形態(tài)結構的觀察深入到生理功能、生物化學、遺傳發(fā)育機理的研究。由于實驗研究不斷同相鄰學科結合、相互滲透，導致了一些重要分支學科的建立和發(fā)展：分子細胞生物學階段。雖然細胞學說是根據光學顯微鏡對不同類型的細胞進行形態(tài)觀察得出的結論，但是它們在結構和功能上的相似性甚至超過形態(tài)上的相似性。無論何種來源的細胞，都具有基本相似的功能?！窦毎軌蜻M行自我增殖和遺傳細胞能夠以一分為二的分裂方式進行增殖，動植物細胞、細菌細胞都是如此?！窦毎寄苓M行新陳代謝細胞內有機分子的合成和分解反應都是由酶催化的，即細胞的代謝作用是由酶控制的。細胞代謝包括物質代謝和能量代謝，這也是細胞的基本特性。●細胞都具有運動性所有細胞都具有一定的運動性，包括細胞自身的運動和細胞內的物質運動。不同類型的細胞不僅具有功能上的相似性，而且還具有結構上的相似性。■細胞都具有選擇透性的膜結構細胞都具有一層界膜，將細胞內的環(huán)境與外環(huán)境隔開。膜有兩個基本的作用，一是在細胞內外起障礙作用，即不允許物質隨意進出細胞，二是要在細胞內構筑區(qū)室，形成各功能特區(qū)。植物細胞與動物細胞的一個重要差別是在植物細胞質膜的外面還有一層細胞結構，即細胞壁。在離體條件下細胞壁很容易被酶水解掉，脫去細胞壁的細胞就稱為原生質體(protoplast)。■細胞都具有遺傳物質和遺傳體系細胞內最重要的物質就是遺傳物質DNA?，F有的研究表明，在生命的進化過程中，最早的遺傳物質是RNA而不是DNA，也就是說先出現RNA，后逐漸進化形成DNA。證明最早的遺傳物質是RNA而不是DNA的證據是什么?由于DNA儲存遺傳信息較之RNA更穩(wěn)定，復制更精確，并且易于修復，所以它取代RNA成為遺傳信息的主要載體。為了保證遺傳信息的準確傳遞，RNA被保留下來，專司遺傳信息的轉錄和指導蛋白質的合成。所以，無論是原核生物還是真核生物都具有DNA和RNA。不過，少數原始生命形式的病毒，仍然保留RNA作為遺傳信息的■細胞都具有核糖體所有類型的細胞，包括最簡單的支原體都含有核糖體。真核細胞和原核細胞的核糖體不僅功能相同，在結構上也十分相似，都是由大小兩個亞基組成的，只不過原核細胞的核糖體比真核細胞的核糖體稍小一些。細胞具有多種多樣的形態(tài)(圖1-2)，有球形、桿狀、星形、多角形、梭形、圓柱形等。多細胞生物體，依照細胞在各種組織和器官中所承擔的不同功能，分化形成了各種不同的形狀。這些不同的形狀一方面取決于對功能的適應，另一方面亦受細胞的表面張力、胞質的粘滯性、細胞膜的堅韌程度，以及微管和微絲骨架等因素的影響。舉例說明細胞的形態(tài)與功能是相關的。細胞最為典型的特點是在一個極小的體積中形成極為復雜而又高度組織化的結構。典型的原核細胞的平均大小在圖1-3典型的原核、真核、病毒和分子的大小■細胞體積的守恒定律不同細胞的大小變化很大，如人的卵細胞的直徑只有0.1mm，而鴕鳥的卵細胞的直徑細胞的體積一般是相近的，不依生物個體的大小而增大或縮小。如人、牛、馬、鼠、象的腎細胞、肝細胞的大小基本相同。因此，器官的大小主要決定于細胞的數量，與細胞的數量成正比，而與細胞的大小無關，把這種現象稱之為"細胞體積的守恒定律"?！鱿拗萍毎w積大小的因素●體積同表面積的關系以球形細胞為例(體內的細胞并非都是球形)，計算體積同表面積的關系(圖1-4)。結果表明，球形細胞增大，其體積增加的比例要比表面積增加得多。這樣，當細胞增大到一定程度時，質膜的表面積就不適應細胞進行內外物質的交換，細胞為了維持一個最佳的生存條件，必需維持最佳的表面積，從而限制了體積的無限增大?！窦毎麅汝P鍵分子的濃度一些重要的分子在細胞內的拷貝數是很少的，當細胞體積增大時，這些分子的濃度就越來越稀釋，一些重要的生化反應需要一定的濃度才能進行，所以細胞內分子濃度就成了限制細胞體積無限增大的另一個因素。真核細胞的體積一般是原核細胞的1000倍，真核細胞如何解決細胞內重要分子的濃度問題?●酶蛋白質種類的限制細胞不僅對體積的增大有限制，而且對體積的減少也有限制。一個生活細胞要維持正常的獨立生活功能，最低限體是目前所知最小原核細胞，很顯然，細胞體積最小化受制于維持細胞生命活動所需的酶和蛋白質種類的最低限生命是物質的，所有的細胞都是由水、蛋白質、糖類、脂類、核酸、鹽類和各種微量的有機化合物所組成(表1-1)。蛋白質、糖類、核酸和脂類等化合物也被稱為生物分子(biom化學成份占細胞的重量(%)每種分子的類型數所以水是細胞生命的活動介質。相鄰水分子間的關系是靠氫鍵維系的(圖1-7)，這種氫鍵賦予水分子哪些獨特的性質，對于生活細胞有什么重要水在細胞中既是反應物也是溶劑。水分子參與了生命活動的一些重要反應，在大分子的合成過程中水是產物，而在分解反應中水是反應劑。除了作為反應劑外，由于水是極性分子，所以是各種極性有機分子和離子的最好溶劑，主要是靠氫鍵的形成使這細胞中的水以兩種形式存在:游離水和結合水。游離水是細胞代謝反應的溶劑;結合水則是以氫鍵和蛋白質結合的■無機鹽的作用分類主要分為四大類●各種酶反應所需的主要離子，包括Ca2+、Cu2+、M●某些生物需要的特殊微量元素，如碘、銫、溴等?！鰺o機離子的功能有:維持細胞內的pH和滲透壓，以保持細胞的正常生理活動;同蛋白質或脂類結合組成具有特定功能的結合蛋白，參與細胞的生命活動；作為酶反應的輔助因子。細胞內有四類有機小分子:單糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸。細胞內的有機小分子約占細胞總有機物的十分之一，但卻有許多不同的種類。糖是細胞的營養(yǎng)物，包括單糖、二糖、低聚糖(2～6個糖)和多糖(由幾百到幾千個單糖分子組成)，其中多糖屬于生單純的多糖由許多葡萄糖殘基組成，在動物細胞內主要是糖原，在植物細胞內主要是淀粉。它們是細胞內貯存的營養(yǎng)物質，提供細胞代謝所需的能源(圖1-9)。脂肪酸是脂的主要成分。細胞內幾乎所有的脂肪酸分子都是通過它們的羧酸基團與其它分子共價連接。各種脂肪酸的碳氫鏈長度及所含碳—碳雙鍵的數目和位置的不同，決定了它們不同的化學特性。脂肪酸是營養(yǎng)價值較高的營養(yǎng)物，按重量比計算，脂肪酸分解產生的能量，相當于葡萄糖所產生能量的兩倍。脂肪酸在細胞內最重要的功能是構成細胞結構。核苷酸是組成核酸的基本單位，每個核苷酸分子由一個戊糖(核糖或脫氧核糖)、一個含氮堿基(嘧啶或嘌呤)和一個細胞內主要有20種氨基酸，它們的差別主要是R側鏈不同，決定了氨基酸不同的化學性質。氨基酸是組成蛋白質的基本單位，蛋白質是長的線性的氨基酸多聚體，這些氨基酸通過一個氨基酸的羧基與另一個氨基酸的氨基之間形成的肽鍵而首尾相連，構成多肽鏈(圖1-12)。細胞中的有機分子，根據它們在細胞代謝活動中的作用可分為四種不同類型。構成細胞的基本結構，并且執(zhí)行細胞基本功能的巨大的、高度組織起來的生物分子稱為生物大分子。細胞內有四種類型的生物大分子:核酸、蛋白質、多糖，以及某些類型的脂類，前三種是由單體構成的多聚體。細胞內大約有3000種大分子。生物大分子的功能取決于構成它們亞單位的種類和排列順序。細胞內大多數生物大分子的半壽期都很短，它們不斷地被降解，并被新的生物大分子所取代。所以細胞內有許多構成大分子的構件，如單糖、氨基酸、核苷、脂肪酸等?！翊x物細胞內的分子具有十分復雜的結構，通常要一步一步地合成。細胞中有許多不同的代謝途徑，發(fā)生不同的化學反應。在不同的代謝途徑中，通常先合成的物質是后合成物質的前體?！穹羌毎δ艿姆肿舆@是非常廣泛的一類分子，但是量并非很大。這類分子包括各種維生素、蛋白類激素、能量儲存分子(如ATP)、某些磷酸化的物質，以及代謝廢物等。多糖是細胞的重要支持材料，是細胞壁的主要結構成分。糖同蛋白質結合形成糖蛋白。蛋白質的糖基化不僅對蛋白分子的理化性質有很大影晌，而且對蛋白質的生物功能也有很大影響。在迄今已知的上千種蛋白質中，50％以上是糖基化的。許多糖蛋白具有酶、激素、抑制劑等各不相同的生物活性，相當一部分糖蛋白，其分子中糖鏈是實現生物功能所必需的，去除或破壞糖鏈會使它們失去生物功能?！龊颂呛怂崤c脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸即是DNA分子，是遺傳物質，只有一種類型，其結構是雙螺旋的(圖1-13)。RNA即是核糖核酸，種類較多，有tRNA、rRNA、mRNA，還有一些存在于細胞核和細胞質中的小分子RNA，它們具有在不同的功能，在某些病毒中也是遺傳物質。蛋白質是細胞內行使各種生物功能的生物大分子，估計在一個典型哺乳動物細胞中有10,000種不同的蛋白質執(zhí)行功能舉例功能舉例結構材料膠原、角蛋白運動肌動蛋白、肌球蛋白營養(yǎng)儲存酪蛋白、鐵蛋白激素胰島素、生長激素物質運輸Na+-K+泵信號轉導乙酰膽堿受體基因調控Lac操縱子滲透壓調節(jié)血清白蛋白免疫作用抗體毒素白喉和霍亂毒素電子轉移細胞色素酶(催化作用)氧化還原酶、連接酶等組成蛋白質的基本構件只是20種氨基酸。為什么蛋白質卻具有如此廣泛的功能?近年來的研究發(fā)現，很多大的蛋白質分子都是由兩個或兩個以上結合緊密的功能區(qū)域構成的，這種區(qū)域稱為結構域(domain)，結構域在功能上具有半獨立性，它可與不同的因子結合。圖1-14顯示了從馬肌細胞中分離的磷酸甘細胞是由化學物質物質組成的。由于細胞的生命活動是高度有序的，所以細胞內的化學物質不可能雜亂無章地堆集在一起，而是有規(guī)則地分級組裝成復雜的細胞結構，如核糖體、細胞核、高爾基體和細胞骨架等。不僅如此，在多細胞有機體中，細胞要組成不同的組織，再由組織形成器官(圖1-15)。由生物分子組裝成細胞，可以粗略地分成四級∶●第一級是構成細胞的小分子有機物的形成，包括堿基、氨基酸、葡萄糖、軟脂酸，這些構成了細胞的基石；●第二級由基石組裝成生物大分子，包括DNA、RNA、蛋白質、多糖;●第三級由生物大分子進一步組裝成細胞的高級結構，如細胞膜、核糖體、染色體、微管、微絲等;●第四級由生物大分子組裝成具有空間結構和生物功能的細胞器，如細胞核、線粒體、葉綠體、內質網、高爾基復合體、溶酶體、微體等。最后再由細胞器組成細胞。各種生物大分子到底如何組裝成有功能的細胞結構和組織是當前細胞生物學所要研究的基本問題。曾經對組裝的■反應復合物的組裝隨著分子生物學研究的深入，人們更多地注意反應復合物的組裝及其在生命活動中的作用。如DNA復制的引發(fā)體為什么解決生命科學的問題不能僅靠分子生物學而要靠細胞生物學?細胞分為兩大類:原核細胞和真核細胞。細菌是原核細胞的主要類群。細菌細胞的基本特點是:遺傳信息量少，內部結構簡單，特別是沒有分化成以膜為●細菌的細胞通常很小，只有幾個微米。細菌細胞的界膜，即細胞質膜的外側都是被一層堅硬的細胞壁包裹起●原核細胞的細胞質膜是多功能的，其最重要的功能就是運輸作用，包括營養(yǎng)物質的吸收、廢物的排除、能量細菌質膜還參與遺傳物質的復制和分配，因為細菌沒有細胞核，所以細菌的DNA在復制時只能結合在質膜上，然●細菌沒有細胞核結構，僅為DNA與少量RNA或蛋白質結合物，也沒有核仁和有絲分裂器。E.coli的DNA所以細菌的RNA轉錄與蛋白質翻譯幾乎是同步進行的，這是原核與真核生物的最主要的差別。細菌除了具有染色體DNA外，還有核外DNA，即質粒DNA。質粒是比染色體小的遺傳物質，為環(huán)狀的雙鏈DNA，常常賦予細胞●細菌體表還有菌毛和鞭毛。菌毛有兩種，一種短而細，具有呼吸作用；另一種是數量少但細長的性纖毛，為雄性菌所特有。鞭毛是細菌的運動器官，鞭毛蛋白的氨基酸組成與橫紋肌中的肌動蛋白相似。1.4.2真核細胞的兩種主要類型:動物細胞和植物細胞真核細胞的主要特點是以生物膜為基礎進一步分化，使細胞內部產生許多功能區(qū)室，它們各自分工負責又相互協調和協作。動物細胞是真核細胞的主要類動物細胞具有的結構，植物細胞基本都有，但是植物細胞還有一些獨特的結構，包括細胞壁、質體、中央液泡表1-3動物細胞與植物細胞的比較細胞器動物細胞植物細胞細胞壁無有溶酶體有無乙醛酸循環(huán)體無有通訊連接方式間隙連接胞間連絲胞質分裂方式收縮環(huán)細胞板將真核細胞內的結構體系歸納起來可分為三大系統:生物膜結構體系、遺傳信息表達結構體系、細胞骨架結構體系。原核細胞和真核細胞無論在結構上還是在功能上都有許多相同之處（表1-4但真核細胞具有許多原核細胞所沒表1-4原核細胞與真核細胞的相同點1.都具有類似的細胞質膜結構2.都以DNA作為遺傳物質，并使用相同的遺傳密碼3.都是以一分為二的方式進行細胞分裂4.具有相同的遺傳信息轉錄和翻譯機制，有類似的核糖體結構5.代謝機制相同(如糖酵解和TCA循環(huán))6.具有相同的化學能貯能機制，如ATP合成酶(原核位于細胞質膜，真核位于線粒體膜上)7.光合作用機制相同(藍細菌與植物相比較)8.膜蛋白的合成和插入機制相同9.都是通過蛋白酶體(蛋白質降解結構)降解蛋白質(古細菌與真核細胞相比較)1.細胞分裂分為核分裂和細胞質分裂，并且分開進行2.DNA和蛋白質結合壓縮成染色體結構，形成有絲分裂的結構3.具有復雜的內膜系統和細胞內的膜結構(如內質網、高爾基體、溶酶體、過氧化物酶體、乙醛酸循環(huán)體、胞內體等)4.具有特異的進行有氧呼吸的細胞器(線粒體)和光合作用的細胞器(葉綠體)5.具有復雜的骨架系統(包括微絲、中間纖維和微管)6.有復雜的鞭毛和纖毛7.具有小泡運輸系統(胞吞作用和胞吐作用)8.含有纖維素的細胞壁(如植物細胞)9.利用微管形成的紡錘體進行細胞分裂和染色體分離10.每個細胞中的遺傳物質成雙存在，二倍體分別來自于兩個親本11.通過減數分裂和受精作用進行有性生殖細胞雖然是地球上主要的生命形式，但并非是惟一的生命形式，病毒也是生命體，但它卻不具有細胞結構。病毒是19世紀末通過對疾病的研究發(fā)現的，無法用光學顯微鏡觀察。病毒沒有細胞結構，不能在體外獨立生活。在電子顯微鏡下可觀察到病毒顆粒的體積大約在10～100nm之間，比細胞小得多。分組成∶蛋白質外殼和遺傳物質的核。病毒的遺傳物質可以是DNA，也可是RNA，前者稱為DNA病毒，后者稱為RNA病毒。病毒的形態(tài)各異，有正二十面體的、有柱形的、也有絲狀的(圖1-23)。病毒不僅沒有細胞結構，而且也不能獨立生存，只能在活細胞中進行增殖。病毒的生活史包括五個基本過程(圖請簡述病毒的生活史。人們對細胞的認識是在實驗室里將細胞打開，然后分離各種細胞器和生物分子，分別研究它們的功能，但是我們能夠打開的細胞只是當今生活的細胞，是進化到十分高級的細胞而無法獲得遠古時期的活細胞。在進化的過程中細胞生命活動的分子是如何形成的?最早的細胞是如何產生的?真核細胞又是如何起源的?導致細胞生命形成的關鍵因素是地球的形成及地球大氣層條件的變化。一般將細胞生命的起源分為五個階段：①地球和原始大氣層的形成；②有機分子的自發(fā)形成；③分子聚合體的形成；④生命初級聚合體的形成；⑤原始細根據化石資料分析，地球上最早的細胞出現在35億年前。關于地球上細胞生命起源有兩種假說，一種假說認為細胞是由已存在于地球上的分子產生的，另一種假說則認為細胞是從別的宇宙空間來到地球的。這一假說得到了實驗的支持。實驗的設計者是StanleyMiller，當時是一位研究生，他設計了一個實驗裝置，證明在合適的物理化學條件下可以自動合成有機分子。Miller如何證明在合適的物理化學條件中可以自動合成有機分子？真核細胞是由原核細胞進化而來，這是生物學家的基本共識。原核細胞向真核細胞進化的主要事件是呼吸代謝的發(fā)展和內膜系統的形成。細胞內兩個與能量轉換有關的細胞器線粒體和葉綠體的起源主要是通過內共生機制，而內膜系統則是通過質膜的內陷形成的(圖1-26)。細胞在向多細胞機體進化過程中，最重要的特點是出現細胞的分化，即在多細胞的機體內，各種細胞向不同方向發(fā)展，形成結構和功能各異的不同組織，但又互相協調成為一個有機的整體。在多細胞的機體內，有一部分細胞高度特化，成為下一代機體的起源，這些細胞稱為生殖細胞(germcell)，以1.7.1細胞生物學的主要研究內容和發(fā)展方向從生命結構層次來看，細胞生物學位于分子生物學和個體生物學之間，同它們互相銜接、互相滲透。因此，從這一意義上來說，細胞生物學是一門承上啟下的學科，和分子生物學一起同是現代生命科學的基礎，并廣泛滲透到遺傳學、發(fā)育生物學、生殖生物學、神經生物學和免疫生物學等的研究中，和農業(yè)、醫(yī)學、生物高新技術的發(fā)展有密切的關系，是生命科學的重要支柱之一。90年代中期，國家自然科學基金委員會組織一批細胞生物學方面的專家就我國的細胞生物學發(fā)展的13個方面的研2l世紀人類將面臨嚴重的挑戰(zhàn)，細胞生物學作為生命科學中的重要基礎學科，是連接整體與分子的重要一環(huán)，將會在新的生命科學世紀中發(fā)揮其重要的作用。展望未來，細胞生物學的前景無限廣闊。課程學習：2.細胞生物學研究方法>2.細胞生物學研究方法2.1.1光學和電子顯微鏡成像原理2.1.3光學顯微鏡的樣品制備與觀察2.3.2細胞融合與單克隆抗體技術2.5.3選擇性基因敲除與轉基因鼠學習指導課程學習：2.細胞生物學研究方法2.細胞生物學研究方法生命科學是實驗科學，它的很多成果都是通過實驗得以發(fā)現和發(fā)展的。方法上的突破，對于理論和應用上的發(fā)展具有巨大的推動作用。20世紀30年代發(fā)展起來的電子顯微鏡導致細胞結構和功能研究發(fā)生了一次革命，使生物學家得以從亞顯微水平上圖2-1光學顯微鏡和電子顯微鏡下的細胞結構2.1.1光學和電子顯微鏡成像原理不管是何種顯微鏡，鏡像的形成都需要三個基本要素:①照明系統，②被觀察的樣品，③聚焦和成像的透鏡系統(圖圖2-2光學和電子顯微鏡的基本結構在光學顯微鏡中，照明系統是可見光，使用的是玻璃透鏡系統，可直接通過目鏡觀察鏡像。在電子顯微鏡中，照明系統為電子束，使用電磁透鏡，通過熒光屏觀察樣品的鏡像。照明系統的波長是顯微鏡成像的一個重要因素，因為波長決定能被檢測樣品的最小極限。波長越長，波幅的跨度就越大，所能觀察到的物體極限就越大(圖2-3)?！窆鈱W和電子顯微鏡成像的光學原理是相同的，其中最重要的是光子和電子都具有波的行為。當光子和電子穿過透鏡到達聚焦點時，由于波的干涉(interference)性質而成像。實際上通過透鏡觀察到的樣品的鏡像是通過透鏡波的干涉累加或消除，即衍射(diffraction)的結果。●焦距與角孔徑半角α(圖2-5)，因此角孔徑實際表示有多少光離開樣品通過透鏡，最好的光學顯微鏡的角孔徑大約是700。角孔徑是光從樣品進入透鏡的半角α。(a)小孔徑透鏡;(b)大角孔徑透鏡。角孔徑越大，透過透鏡的信息越多，最好的玻璃透鏡的角孔徑大約是700透鏡最重要的性質就是它的分辨率，分辨率(R)可用以下公式計算:0.61是一個恒定的參數，表示成像的點雖被重疊但仍能被區(qū)別的程度。從上式可知，角孔徑越大，進入物鏡的光越多；介質的折射率越大，則數值孔徑越大，這些都可以使分辨率提高。由于分辨率表示的是能夠區(qū)別兩個點間最近距離的能力，所以R值越小，分辨率越高。從分辨率的表達式來看，NA越大，分辨率越高，或者波長越短，分辨率越高?！褚话愕卣f，一定波長的射線不能用以探查比它本身波長短得多的結構細節(jié)，這是一切顯微鏡的一個基本限度。對可見光來說，能清楚地分辨出相鄰兩點之間的最小間隔是0.2μm，稱之為分辨極限(limitresolution)?！褡罱K成像的大小與原物體大小的比值稱為放大率?？偡糯舐?物鏡放大率×目鏡放大率，放大率同樣受分辨極限的限制。一般來說，光學顯微鏡的最大放大率只能是透鏡的數值孔徑的1000倍。由于透鏡的數值孔徑的范●增大角孔徑或縮短波長可提高光學顯微鏡的分辨率。如果用波長比普通波長短得多的電子波代替光波，分辨率可大大提高，電子顯微鏡就是在這種需求下被發(fā)明的。表2-1是光學顯微鏡與電子顯微鏡某些特性的比較。表2-2電子顯微鏡與光學顯微鏡的基本區(qū)別分辨本領光源透鏡真空光學顯微鏡300nm可見光玻璃透鏡不需真空光學顯微鏡(lightmicroscope)是光學顯微技術的主要工具，自問世以來已有400多年歷史。光學顯微鏡是利用光線照明，使微小物體形成放大影像的儀器?，F今使用的光學顯微鏡都是由幾個透鏡組合而成，所以又稱為復合顯微比較高級的顯微鏡上都設有傾斜式的雙目鏡筒(圖2-7)。在物鏡轉換器上方裝有四個棱鏡，使經過物鏡的光線平分為兩路到達目鏡，故雙筒顯微鏡的亮度要比單筒者為暗。雙筒顯微鏡的優(yōu)點為同時用兩眼觀察，有較強的立體感。熒光顯微鏡的工作原理是利用紫外線發(fā)生裝置(如弧光燈、水銀燈等)發(fā)出強烈的紫外線光源，通過照明設備把顯微固定的切片或活染的細胞透視出來，基本成像原理示于圖2-8。相差顯微鏡在結構上進行了特別設計，尤其是光學系統有很大的不同(圖2-9)，可用于觀察未染色的活細胞(圖圖2-9相差顯微鏡的光學部件及光線通路暗視野顯微鏡是利用特殊的聚光器使照明光線不能進入物鏡被放大，在黑暗的背景下呈現明亮的像。這種特殊的照明方式，使反差增大，分辨率提高，用以觀察未經染色的活體或膠體粒子(圖2-11)。暗視野顯微鏡主要觀察的是物體的輪廓，分辨不清內部的微細構造，適合于觀察活細胞內的細胞核、線粒體、液體介質中的細菌和霉菌等。倒置顯微鏡的結構組成與普通顯微鏡一樣，所不同的只是它的物鏡與照明系統的位置顛倒過來。前者置于載物臺之下，而后者在載物臺的上方。集光器與載物臺之間的工作距離提高，可以放置培養(yǎng)皿、培養(yǎng)瓶等容器，直接對培養(yǎng)的細胞進行照明和觀察(圖2-12)課程學習：2.細胞生物學研究方法>>2.1.3光學顯微鏡的樣品制備與觀察2.1.3光學顯微鏡的樣品制備與觀察由于大多數細胞的成分不影響光線的穿透，無法形成反差，所以在一般光學顯微鏡下，幾乎看不清未經處理的細胞。為了看清細胞內含物，就必須對細胞樣品進行一些特殊的處理，為此建立和發(fā)展了樣品的各種制備技術?！鰳悠返墓潭?fixation)●目的:生物組織在染色前先進行固定的目的是殺死細胞，穩(wěn)定細胞的化學成份，并且使樣品硬化以便在進一步的處理和切片時不會受到破壞?！褡龇?樣品固定的最簡單做法是將樣品直接浸泡在固定液中。固定使得大分子交聯而保持在一定的位置上，不致于在以后的染色等處理過程中移位或丟失而產生人工假象。一般用具有緩沖作用的醛類固定液，用甲醛或戊二醛作固定劑，能夠與蛋白質的游離氨基形成共價鍵，從而將鄰近的蛋白質分子牢固地交聯在一起。樣品制備的第二步是將固定的組織制備成切片。為此，樣品首先要被包埋在介質中，通常用液態(tài)的石蠟或樹脂做包埋劑，使之滲入整塊組織，然后將之硬化成固體的包埋塊，隨后用專門的切片機切割包埋塊，制備成薄切片(圖2-13)。適用于光學顯微鏡觀察的切片厚度為l～10μm。大多數細胞總重量的70%是水，對可見光幾乎是透明的，只有很少的內含物不透光。染色的目的就是給細胞的不同組分帶上可區(qū)別的顏色特征。19世紀初，發(fā)現某些有機染料可染生物組織，并對細胞特殊部位的著色具有選擇性。如蘇木精(hematoxylin)對負電荷分子有親和性，能顯示出細胞內核酸的分布；酸性染料如伊紅(eosin)可使細胞質染色；蘇丹染料(Sudandyes)在脂肪中的溶解度比在乙醇中大，所以蘇丹染料的乙醇飽和溶液能使脂肪著色。但對許多染料的特異性染色機理尚不清楚?！癫捎帽扔袡C染料更為特異的染色劑及酶細胞化學方法，可以了解細胞和組織中大致的化學組成，及某些活性基●為了測定蛋白質、核酸、多糖和脂類，常利用一些顯色劑與所檢測物質中特殊基團的特異性結合，通過顯色劑在細胞中出現的部位和顏色顯示的程度，從而判斷被檢物質在細胞中的分布和含量。例如，利用Feulgen反應(圖2-14)可特異性檢測細胞中的DNA，PAS反應可用于檢測植物中的淀粉、纖維素及動物細胞中的糖原、粘蛋白等?！駥⒓毎蚪M織切片與適宜的底物共同溫育，切片中的酶會水解底物，再將所釋放物質轉變成不后者所在部位即是組織細胞中酶的活性部位。放射自顯影技術是用感光膠片測定細胞內某種被放射性標記的物質在細胞固定時所在的位置，基本過程如圖2-15大大提高顯微鏡的分辨率。的結構，如細胞膜、線粒體、細胞核、高爾基體、中心粒等細胞器的細微結構。將在光學顯微鏡中觀察不到而只電子顯微鏡與光學顯微鏡在總體結構的設計上有很大的差別(圖2-16)。在種類上，電鏡可分為兩大類:透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡。透射電子顯微鏡主要是讓電子束穿透樣片而成像。電子顯微鏡基本結構由三大部分組成∶電子光學系統(鏡筒)、真由于電子顯微鏡必需在高度真空條件下進行工作，陰極與陽極之間會放電，燈絲也會因受到氧化或被陽離子轟擊而縮短壽命，所以設計了真空系統。電子學系統即供電系統，需要高壓穩(wěn)壓。為什么電子顯微鏡需要真空系統?掃描電子顯微鏡(圖2-17)使用與透射電子顯微鏡完全不同的方式成像，即用電視的方式成像。掃描電子顯微鏡主要由電子光學系統和顯示單元組成，它的光學系統結構示于圖2-18。如同光學顯微鏡，電子顯微鏡的樣品也需固定、包埋、切片、染色等(圖2-21)。與光鏡相比，用于電子顯微鏡的組織固定有什么特殊的要求?一些生物大分子組成的結構，如病毒、線粒體基粒、核糖體和蛋白質組成的纖維等可以通過負染色電鏡技術觀察其精細結構，還可以從不同角度觀察三維結構(圖2-22)。鑄型技術是電子顯微鏡中一種重要的增強背景和待觀察樣品反差的方法(圖2-23)。●冰凍斷裂復型和冰凍蝕刻光學顯微鏡和電子顯微鏡是利用質子和電子使樣品直接成像的技術，還有一些顯微方法是間接成像。所謂間接成像，舉一個例子，假定你拿起一個物體，非?？拷愕难劬M行觀察，你或許覺得該物體有六個平面、十二條邊和八個角，然后將你感覺到的畫出來，可能是一個盒子，這就是間接成像。下面討論的是幾種間接成像的方法，這些方法都具有原子級分辨力，它們的分辨率比最好的電子顯微鏡還高10倍。雖然這些方法目前都還有一定的缺陷限制著在生物學中的應用，但具有發(fā)展?jié)摿?。掃描隧道顯微鏡由IBM公司瑞士蘇黎世研究所的兩位學者BinningG.和RohrerH.等在1981年發(fā)明的具有原子顯像力的顯微鏡，是根據量子力學中的隧道效應原理而制成的。這種顯微鏡對生物、物理、化學等學科均有推動作用，DNA雙螺旋結構的建立是根據X射線衍射結果推導出來的，至今還沒有直接觀察DNA結構的方法，所以對其中的微細結構還不夠了解。用STM觀察了DNA的雙螺旋結構，見到DNA分子上的大溝(majorgroove)和小溝圖2-26掃描隧道顯微鏡觀察的DNA雙螺旋結構■X-射線衍射(X-raydiffraction)X-衍射技術并不涉及顯微鏡，但是能夠根據X-射線通過結晶樣品形成的衍射樣式成像。這一技術可用于在原子分辨的水平上推測分子的結構。實際上X-射線衍射技術是目前在原子水平上分析蛋白質、核酸和其他生物分子的惟一方法。Watson和Crick提出DNA雙螺旋結構模型的主要依據之一就是根據Franklin對DNA晶體衍射的結果(圖細胞生物學的一個主要特點是將細胞形態(tài)觀察與細胞成分分析結合起來，其中一個重要的研究手段就是細胞化學技術。細胞化學技術不是單一的技術，而是一整套有關聯的技術，包括酶細胞化學技術、免疫細胞化學技術、放射自顯影技術、示蹤細胞化學技術等。酶細胞化學技術就是通過酶的特異細胞化學反應來顯示酶在細胞內的定位。由于酶的細胞化學定位對研究細胞的生理功能和病理過程具有重要作用，而且很多酶可以作為細胞膜和各種細胞器的標志酶，這為研究細胞器的結構與功能、細胞器的相互關系以及細胞的鑒別等提供有力的手段，這一技術越來越受到重視。免疫細胞化學技術是利用免疫反應定位組織或細胞中抗原成分分布的一類技術。主要分為兩大類:免疫熒光技術和將免疫學方法(抗原抗體特異結合)與熒光標記技術結合起來研究特異蛋白抗原在細胞內分布的方法。由于熒光素所發(fā)的熒光可在熒光顯微鏡下檢出，從而可對抗原進行細胞定位。細胞分選技術是細胞生物學研究中一個全新的技術領域，主要用流式細胞計(flowcytometer，FCM)對細胞(圖2-28)或染色體(圖2-29)進行分選，并進行定量分析。流式細胞計主要由以下幾部分組成∶●激光光源：可發(fā)出合適波長的光。●流室(flowchamber):生物顆粒在此與鞘液(sheathflui流至適當位置，受激光照射可發(fā)射出不同的光訊號?！裼嵦柗治霾考脼槲⑿碗娮佑嬎銠C裝置，對訊號作出分析。什么是細胞分選?原理是什么?圖2-29用于染色體分選的染色體熒光探針標記主要內容包括：細胞融合、細胞生物反應器、染色體轉移、細胞器移植、基因轉移、細胞及組織培養(yǎng)。在體外模擬體內的生理環(huán)境，培養(yǎng)從機體中取出的細胞，并使之生存和生長的技術為細胞培養(yǎng)技術。培養(yǎng)中的細胞不受體內復雜環(huán)境的影響，人為改變培養(yǎng)條件(如物理、化學、生物等外界因素的變化)即可進一步觀察細胞在單因素或多因素的影響下的生理功能變化。體外細胞培養(yǎng)的條件●廢物的排除原代培養(yǎng)是指直接從機體取下細胞、組織和器官后立即進行培養(yǎng)。細胞培養(yǎng)的一般過程如圖2-30所示?！窦毎?原代培養(yǎng)物經首次傳代成功后即為細胞系，有無限的傳代能力。●細胞株:通過原代培養(yǎng)或經過細胞克隆與選擇而建立的、具有特異的性質或標記的細胞系，但是它們具有有限■動物細胞培養(yǎng)方法分散的細胞懸浮在培養(yǎng)瓶中很快(幾十分鐘至幾小時)就貼附在瓶壁上，稱為細胞貼壁，貼壁后的細胞形態(tài)形成多態(tài)性，呈單層生長，所以此法又叫單層細胞培養(yǎng)。單層培養(yǎng)的細胞保持接觸抑制(contactinhibition)的特性。懸浮培養(yǎng)的細胞在培養(yǎng)過程中不貼壁，一直懸浮在培養(yǎng)液中生長，如T細胞的培養(yǎng)就是如此。懸浮培養(yǎng)的條件較為復雜，難度也大一些，但是容易同時獲得大量的培養(yǎng)細胞。物組織培養(yǎng)是根據植物細胞的全能性發(fā)展起來的利用植物植株的不同組織培養(yǎng)成完整植株方法。例如葉片、莖段、根等都可以通過誘導形成愈傷組織，而后培養(yǎng)成植株(圖2-231)。用打孔器將植物的葉片打成小圓片，然后與農桿菌進行共培養(yǎng)，接著放在誘導生芽的培養(yǎng)基上進行誘導培養(yǎng)，待芽長出后再轉移到生根培養(yǎng)基上，誘導生根，最后移植到土壤中培養(yǎng)成完整的再生植株。一般采用植物的體細胞(二倍體細胞)，先經纖維素酶處理去掉細胞壁，這種脫去細胞壁的細胞稱為原生質體。將原生質體放在合適的培養(yǎng)基上，經過誘導分化可以重新長成植株。原生質體也可用于植物細胞融合，然后誘導形課程學習：2.細胞生物學研究方法>>2.3.2細胞融合與單克隆抗體技術2.3.2細胞融合與單克隆抗體技術指自發(fā)或人工誘導下，兩個不同基因型的細胞或原生質體融合形成一個雜種細胞(圖2-33)。有性繁殖時發(fā)生的精卵結合是正常的細胞融合，即由兩個配子融合形成一個新的的二倍體。1975年英國科學家Milstein和Kohler發(fā)明了單克隆抗體技術，圖2-34所示是單克隆抗體制備流程。一旦有了抗體就可以從事多種研究。例如，抗體可用于蛋白質的純化。將抗體添加到蛋白質的粗提取液中，相應的蛋白就會同抗體結合，然后一起沉淀下來?？贵w還可用于許多免疫反應，在顯微鏡下，用顯微操作裝置對細胞進行解剖手術和微量注射的技術屬顯微操作技術。顯微操作儀是在顯微鏡下對細胞進行顯微操作的裝置(圖2-35)，可用于細胞核移植、基因注入、染色體微切和胚胎切割等手術。課程學習：2.細胞生物學研究方法>>2.3.3動物細胞核移植克隆技術1997年，英國蘇格蘭羅斯林研究所I.WI.Wilmut等首次成功通過細胞融合技術利用成年動物徹底分化的體細胞克隆出子代個體，開創(chuàng)了動物體細胞克隆的新時代。I.Wilmut等從成年個體母羊的乳腺組織分離單個乳腺細胞，然后與去核的羊的卵細胞融合，克隆得到一頭綿羊體細胞克隆技術有什么意義？分離技術是一大類技術的總稱，包括細胞組分的分離和生物大分子的分離。離心分離細胞組分和生物分子是最常用的分離方法，因為不同的細胞器和分子有不同的體積和密不同離心力的作用下沉降分離。常用的兩類離心分離方法是速度離心(velocitycentrifugation)和等密度離心圖2-37不同的細胞器、大分子和病毒的密度及相應的沉降系數■速度離心分離細胞器和大分子在速度離心分離中有兩種不同的方法:將含有兩種體積稍微不同的顆粒樣品小心加在有輕微梯度的離心管介質的液面上(蔗糖或甘油)。離心適當時間，樣品中的顆粒向管底部移動(不能離心太久，太久了兩種顆粒都會沉淀到底部)，由于體積的不同，移動的區(qū)帶速度不同。然后收集不同區(qū)帶的樣品進行分析。圖2-40密度梯度離心分離溶酶體、線粒體和微體是目前使用的最好的離心介質，它在離心場中可自行調節(jié)形成濃度梯度，并能保持穩(wěn)定(圖2-41)。在速度離心時，被分離的分子越小，需要的離心速度越高。但是，離心機中影響速度高低的是轉子的半徑。離心力(g)是表示某種顆粒沉淀的最好方式，一般根據離心力和離心機轉子的半徑決定離心速度。常見細胞器離心沉淀所需的離心力列于表2-3。表2-3不同的細胞結構分離所需的離心力層析是廣泛使用的分離蛋白質的方法，它是根據蛋白質的形態(tài)、大小和電荷的不同而設計的物理分離方法。凝膠過濾層析、離子交換層析、親和層析等是目前最常用的層析方法。三種不同的蛋白質根據它們大小的不同在層析柱中被分離。在生物分子中有些分子的特定結構部位能夠同其他分子相互識別并結合，如酶與底物的識別結合、受體與配體的識別結合、抗體與抗原的識別結合，這種結合既是特異的，又是可逆的，改變條件可以使這種結合解除。生物分子間的這種結合能力稱為親和力。親和層析就是根據這樣的原理設計的蛋白質分離純化方法(圖2-43)。(a)瓊脂糖珠的表面吸附劑(如胰島素配體)只能同特異的受體結合(胰島素);(b)親和層析的基本步驟。離子交換層析是根據蛋白質所帶電荷的差異進行分離純化的一種方法(圖2-44)。通過DEAE-纖維素將兩種不同帶電性的蛋白質分離開。圖中顯示的是帶正電的離子交換樹脂結合帶負電的蛋白。分子生物學是用于在分子水平上研究生物大分子的結構和功能的一系列方法，包括基因重組技術、基因轉移、分基因克隆(genecloning)技術是70年代發(fā)展起來的一項具有革命性的研究技術，它的發(fā)明和發(fā)展，使生物學家能夠在體外進行基因操作、基因轉移、基因定點突變等研究。這項技術可概括為∶分、切、連、轉、選?；蚬こ碳夹g的兩個最基本的特點是分子水平上的操作和細胞水平上的表達，而分子水平上的操作即是體外重組的過程，實際上是利用工具酶對DNA分子進行"外科手術"(圖2-45)。課程學習：2.細胞生物學研究方法>>2.5.3選擇性基因敲除與轉基因鼠基因工程技術的建立使人們能夠對DNA先進行克隆，隨后篩選鑒定特定功能的基因，而不必預先知道所克隆的DNA具有何種功能，基因敲除是最有效的方法之一?；蚯贸且惶捉M合技術，包括基因重組、細胞分離、轉基因等。圖2-47顯示了獲得敲除CFTR(cysticfibrosis課程學習：2.細胞生物學研究方法>>乳腺生物反應器是根據細胞生物學中蛋白質合成與分選的機理，結合基因工程技術、動物轉基因技術等，利用動物的乳腺分泌某些具有重要價值的基因產物(圖2-48)圖2-48用轉基因綿羊生產重要的醫(yī)用蛋白質課程學習：3.細胞質膜與跨膜運輸>3.細胞質膜與跨膜運輸3.4膜的分子結構及特點3.5.4主動與被動運輸、動物與植物主動運輸的比較學習指導3.細胞質膜與跨膜運輸定，并參與同外界環(huán)境進行物質交換、能量和信息傳遞。另外，細胞質膜在細胞的生存、生長、分裂、分化中請比較質膜、內膜和生物膜在概念上的異同細胞膜是多功能的結構體系，圖3-4勾畫出它的主要功能:中劃分了許多以膜包被的區(qū)室。如何理解細胞膜作為界膜對細胞生命活動所起的作用?一方面又作為某些物質出入細胞的障礙?！龉δ軈^(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，使細胞內的功能區(qū)室化。例如細胞質中的內質網、高爾基體等膜結合細胞器的基本功能是參與蛋白質的合成、加工和運輸；而溶酶體的功能是起消化作用，酸性水解酶主要集中在溶酶體?！鰠⑴c細胞間的相互作用(intercellularinteraction)在多細胞的生物中，細胞通過質膜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。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。簡述細胞膜結構的基本功能及對細胞生命活動的影響并且易于提純和分離，是研究膜結構的最好材料?！黾t細胞的形態(tài)結構14.5μm2，表面積與體積的比值較大，有利于細胞變形、氣體交換和攜帶。有人說紅細胞是研究膜結構的最好材料，你能說說理由嗎?紅細胞的主要功能是將肺吸進的氧運送到身體的其他組織，并帶走呼出的CO2(圖3-6)。將紅細胞分離后放入低滲溶液中，水很快滲入到細胞內部，使紅細胞膨脹、破裂，從而釋放出血紅蛋白(是紅細胞中惟一一種非膜蛋白)，此時的紅細胞就變成了沒有內容物的空殼，由于紅細胞膜具有很大的變形性、柔韌性和可塑性，當紅細胞的內容物滲漏之后，它的膜可以重新封閉起來(圖3-7)，此時的紅細胞被稱為血影(ghost)。圖3-7紅細胞血影及封閉、未封閉小泡的形成課程學習：3.細胞質膜與跨膜運輸>>■關于膜的化學組成和結構的早期研究18世紀90年代，Overton用植物的根毛作實驗，發(fā)現脂溶性物質很容易進入細胞，而水溶性的物質卻不能。實際還進一步推測，細胞的外被中很可能有膽固醇和卵磷脂的存在，這種推測后來被證明是完全正確的。(lipidmonolayer)的設想。脂單層概念是20世紀初膜結構研究的基礎，導致了脂雙層的發(fā)現。IrvingLangmuir如何通過實驗提出脂單層的設想？■紅細胞膜脂雙層概念的提出展后所測的面積同實際測量的紅細胞的表面積之比約為1.8～2.2∶1，為了解釋這一結果，他們提出紅細胞膜的基紅細胞的壽命約為120天，在生存期中大約行程500，000米。在血液循環(huán)中，紅細胞要穿過小于自身直徑一半的微小通道(脾竇)、在脾臟內要經受氧少、低pH值等不利環(huán)境的考驗、在心臟內又要受到瓣膜渦流沖擊。不紅細胞在這樣長而艱險的運輸途徑中保持結構的完好，它的質膜起了重要作用，可以推測，紅細胞的質膜一定有非常特別的結構，僅僅是雙脂層可能難以解釋。研究發(fā)現紅細胞質膜的內側有一種特殊的結構，是由膜蛋白和纖維蛋白組成的網架，它參與維持細胞質膜的形狀并協助質膜完成多種生理功能?！黾t細胞膜蛋白的組成分離紅細胞膜后可用陰離子去垢劑溶解膜蛋白，并通過SDS和聚丙烯酰胺凝膠電泳(PAGE)分離膜蛋白。通過單向(A)是考馬斯藍染色的膠;(B)表示凝膠上主要蛋白質的位置。幾種主要的紅細胞膜蛋白是(其中血影蛋白、血型糖蛋白、帶3蛋白約占膜蛋白的60%以上):■紅細胞膜骨架的形成紅細胞膜骨架蛋白的主要成分包括:血影蛋白、肌動蛋白、錨定蛋白、帶3蛋白、帶4.1蛋白等。紅細胞膜骨架的網狀支架的形成及與膜的結合過程大致分為三步：●首先是血影蛋白與4.1蛋白、肌動蛋白的相互作用●4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用●第三是錨定蛋白與血影蛋白、帶3蛋白的相互作用請簡述紅細胞膜骨架的裝配過程構成膜的蛋白質與脂的比例依據膜的類型(如質膜、內質網膜、高爾基體膜)、細胞類型(肌細胞、肝細胞)、生物類表3-1不同生物膜中的蛋白、脂和碳水化合物的量干重的百分比(%)膜蛋白質脂碳水化合物線粒體所有的膜脂都具有雙親媒性(amphipathic)，即這些分子都有一個親水末端(極性端)和一個疏水末端(非極性端)。這種性質使生物膜具有屏障作用，大多數水溶性物質不能自由通過，只允許親脂性物質通過。有人說膜脂的功能僅作為膜的骨架，并作為非脂溶性物質進入細胞的障礙，你認為此說有何不妥？■膜脂的主要類型膜脂是生物膜的基本組成成分，約占膜的50%，主要有三大類:磷脂、糖脂、膽固醇。含有磷酸基團的脂稱為磷脂，是細胞膜中含量最豐富和最具特性的脂。它有一個極性的頭部和一個疏水的尾部(圖●膽固醇(cholesterol)細胞膜上另一類脂是固醇類的膽固醇(圖3-13)，膽固醇存在于真核細胞膜中。動物細胞膜膽固醇的含量較高，有的占膜脂的50%，大多數植物細胞和細菌細胞質膜中沒有膽固醇，酵母細胞膜中是麥角固膽固醇的分子較其他膜脂要小，雙親媒性也較低。膽固醇的親水頭部朝向膜的外側，疏水的尾部埋在脂雙層的中■膜脂的特性和功能●不同類型的膜含有不同類型的膜脂，使這些膜具有不同的特性(表3-2)。表3-2某些生物膜膜脂的組成(脂總重量百分數)脂人的紅細胞人的髓鞘牛心臟線粒體E.coli心磷脂鞘磷脂糖脂膽固醇●膜脂都是兩性物質，都具有親水的極性頭和疏水的非極性的尾，大多數磷脂和糖脂在水溶液中能夠自動形成雙分子層結構。當這些兼性分子被水環(huán)境包圍時，它們就聚集起來，將疏水的尾部埋在里面，親水的頭部露在膜脂的主要功能是構成膜的基本骨架，此外還有其他一些重要功能(表3-30)。脂存在的膜功能主要磷脂磷脂酰膽堿存在于大多數膜中形成脂雙層磷脂酰乙醇胺存在于大多數膜中起界膜的作用，防止水磷脂酰絲氨基存在于大多數膜中溶性物質的自由擴散次要磷脂心磷脂線粒體內膜激活染色體磷脂酰肌醇(PI)存在于大多數膜作為三磷酸肌醇的供體鞘脂大多數哺乳動物細胞，特別是神經細胞屏障作用，激活某些酶糖脂葉綠體類囊體的膜的主要脂類屏障作用膽固醇大多數動物細胞膜大多數動物細胞膜膜的流動性膜中的碳水化合物約占膜重量的1～10%，糖含量的多少依細胞的不同而不同。細胞質膜上所有的膜糖都位于質膜的外表面，內膜系統中的膜糖則位于內表面?！瞿ぬ堑姆N類自然界存在的單糖及其衍生物有200多種，但存在于膜的糖類只有其中的9種，而在動物細胞膜上的主要是7■膜糖的存在方式真核細胞質膜中的糖類是通過共價鍵同膜脂或膜蛋白相連，即以糖脂或糖蛋白的形式存在于細胞質膜上。糖同氨基酸的連接主要有兩種形式，即O-連接和N-連接(圖3-17)?！馧-連接:是糖鏈與肽鏈中天冬酰胺殘基相連■膜糖的功能膜糖在細胞的生命活動中具有重要作用，它們可以提高膜的穩(wěn)定性，增強膜蛋白對細胞外基質中蛋白酶的抗性，幫助膜蛋白進行正確的折疊和維持正確的三維構型。同時膜糖也參與細胞的信號識別、細胞的粘著。如同某些糖脂一樣，膜蛋白中的糖基是細菌和病毒感染時的識別和結合位點。另外，糖蛋白中的糖基還幫助新合成蛋白質進行正確的運輸和定位?！馎BO血型決定子(determinant)，即ABO血型抗原，它是一人的血型是A型、B型、AB型還是O型，是由紅細胞膜脂或膜蛋白中的糖基決定的。A血型的人紅細胞膜脂寡糖鏈的末端是N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)，B血型的人紅細胞膜脂寡糖鏈的末端是半乳糖(Gal)，O型則沒有這兩種糖基，而AB型的人則在末端同時具有這兩種糖。由膜脂構成膜的基本結構，但是生物膜的特定功能主要是由蛋白質決定的。功能越復雜的膜，其上的蛋白質種類■膜蛋白的分類據膜蛋白與膜脂的關系分為整合蛋白、外周蛋白、脂錨定蛋白。非共價鍵附著在脂的極性頭部，或整合蛋白親水區(qū)的一側，間接與膜結合(圖3-20)。脂錨定蛋白(lipid-anchored)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。同脂的結合有兩種方式，一種是蛋白質直接結合于脂雙分子層，另一種方式是蛋白并不直接同脂結合，而是通過一個糖分子間接同脂結合(圖3-21)?！瞿さ鞍椎墓δ馨|膜有著許多重要的生物學功能，這些功能大多數是由膜蛋白來執(zhí)行的(圖3-22，表3-4)。表3-4某些膜蛋白及其功能功能蛋白示例作用方式運輸蛋白Na＋泵主動將Na+泵出細胞，K+泵入細胞連接蛋白整合素將細胞內肌動蛋白與細胞外基質蛋白相連酶腺苷酸環(huán)化酶在細胞外信號作用下，導致細胞內cAMP產生■膜蛋白的研究方法●膜蛋白的分離●去垢劑的作用機理去垢劑是一端親水一端疏水的雙親媒性分子，它們具有極性端和非極性的碳氫鏈。當它們與膜蛋白作用時，可以用非極性端同蛋白質的疏水區(qū)作用，取代膜脂，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(圖3-23)。(a)去垢劑分子，具有極性和非極性端;(b)去垢劑包裹在膜蛋白的疏水區(qū)，極性區(qū)朝向外側，使蛋白質成為水溶性，●膜蛋白在膜中位置測定請設計一種方法檢測跨膜蛋白的哪一部分位于膜的外側，哪一部分位于膜的內側?3.4膜的分子結構及特點雖然細胞質膜是包裹在細胞最外層的界膜，但由于細胞的新陳代謝活動必須同細胞外進行物質交換，這就要求細胞質膜具有特殊的結構，以保證生命活動的正常進行。結構，并將膜結構同所觀察到的生物學理化性質聯系起來，對后來的研究有很大的啟發(fā)。1959年，J.D.Robertson利用電子顯微鏡技術對各種膜結構進行了詳細研究，在電子軌結構("railroadtrack")，兩條暗線被一條明亮的帶隔開，顯示暗——明——暗的三層，總厚度為7.5nm，中間層為3.5nm，內外兩層各為2nm。并推測:暗層是蛋白質，透明層是脂，并建議將這種結構稱為單位膜（這一模型強調了膜的流動由性和不對稱性，較好地體現細胞的功能特點，被廣泛接受，也得到許多實驗的支持?！龃竽c桿菌細胞質膜●流動鑲嵌模型同樣適合原核生物?！窬哂须p層膜結構的只是革藍氏陰性菌，如大腸桿菌（圖3-27）。對于革藍氏陽性菌，如鏈球菌、葡萄球菌等只●在革藍氏陰性菌的外膜上有豐富的孔蛋白。細胞質膜的不對稱性是指細胞質膜脂雙層中各種成分不是均勻分布的，包括種類和數量的不均勻?！霾粚ΨQ性的表現膜的主要成分是蛋白、脂和糖，膜的不對稱性主要是指這些成分分布的不對稱以及這些分子在方向上的不對稱?！衲ぶ牟粚ΨQ性膜脂的不對稱性表現在脂雙層中分布的各類脂的比例不同，各種細胞的膜脂不對稱性差異很●膜蛋白的不對稱每種膜蛋白在膜中都有特定的排布方向，與其功能相適應，這是膜蛋白不對稱性的主要因素。膜蛋白的不對稱性包括外周蛋白分布的不對稱以及整合蛋白內外兩側氨基酸殘基數目的不對稱（圖3-30）。圖3-30紅細胞血型糖蛋白A在質膜中不對稱分布●膜糖的不對稱膜糖以糖蛋白或糖脂的形式存在，無論是糖蛋白還是糖脂的糖基都是位于膜的外表面（圖3-31、■不對稱性的意義膜脂、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?！霾粚ΨQ性的研究方法研究膜結構不對稱性的方法有很多種，其中最重要的就是冰凍斷裂技術，此外還有同位素標記法、酶水解法等。●冰凍斷裂(freezefracture)法冰凍斷裂法不僅可用于研究膜組份分布的不對稱，也是膜的脂雙層結構的直接證據圖3-33冰凍斷裂技術顯示的脂雙層及膜蛋白分布的不對稱性實驗中首先要分離細胞膜，然后用乳過氧化物酶進行膜蛋白標記。過氧化物酶的分子較大而不能透過細胞膜，這樣可以用于標記膜外表面的蛋白，標記后，分離膜蛋白，電泳分離和放射自顯影進行鑒定。圖3-34放射性標記法測定膜蛋白分布的不對稱性在酶法標記測定膜蛋白的定向實驗中若是要標記膜內側的蛋白，該如何處理？●脂酶處理法既可以用胰蛋白酶處理法研究膜蛋白的定位，也可以用磷脂酶處理法來研究膜脂在脂雙層中的定圖3-35用脂酶處理法研究膜脂分布的不對稱性請說明用磷脂酶處理法研究紅細胞膜脂在脂雙層中定位的原理膜的流動性是指構成膜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■流動性的表現形式●膜脂的運動方式脂的流動是造成膜流動性的主要因素，概括起來，膜脂的運動方式主要有四種。③伸縮運動（flex●膜蛋白的運動由于膜蛋白的相對分子質量較大，同時受到細胞骨架的影響，它不可能象膜脂那樣運動。主要有以下幾種運動形式（圖3-37）: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，在膜中作定向移動。例如，有些膜蛋白在膜上可以從細胞的頭部移向尾部。③局部擴散有些蛋白雖然能夠在膜上自由擴散，但只能在局部范圍內擴散?！瞿ち鲃有缘难芯糠椒ā袢?、鼠細胞融合實驗●淋巴細胞的成斑和成帽反應通過抗體交聯膜蛋白分子聚集成斑(patching)、成帽(capping)的現象也是證明膜蛋白在膜平面?zhèn)认驍U散的例子。這種方法不僅能夠證明膜的流動性，同時也能測量膜蛋白擴散的速率。圖3-40光脫色熒光恢復技術檢測膜流動性得的。他們先標記非膜脂肪，然后讓這種脂分別處于室溫和零下65℃去檢測共振譜，同時將標記的脂插入到細胞膜中再檢測共振譜。圖3-41電子自旋共振譜技術檢測膜脂的移動■影響流動性的因素影響膜流動性的因素主要來自膜本身的組成成分、遺傳因子及環(huán)境的理化因素(如溫度、pH、離子強度、藥物等)?！駵囟?temperature)溫度是影響膜流動性的最主要的因素。膜的骨架成份是脂，如同其他的物質一樣，既可以晶態(tài)，又可以液態(tài)存在，主要是根據溫度的變化而定?！衲ぶ慕M成對流動性的影響脂的組成對膜流動性的影響主要在三個方面:脂肪酸鏈的長度、脂肪酸鏈的飽和程度、脂雙層中膽固醇的含量?！衲懝檀嫉挠绊懻婧思毎ぶ杏写罅康哪懝檀疾逶谀ち字g，可以加強膜脂雙層的穩(wěn)定性，增加膜脂有序性并降低其流動性，●影響膜蛋白運動的因素常見的限制膜蛋白運動的因素有：①細胞質膜下的骨架結構與膜整合蛋白結合限制膜蛋白移動（圖3-44）;②細胞外基質中的某些分子與膜整合蛋白結合限制列膜蛋白的移動;③膜蛋白與另一細胞的膜蛋白作用限制了自身的移動;④膜中其他不動蛋白限制了膜蛋白的移動。細胞質膜不僅僅作為物質出入細胞的障礙，還要具有控制分子和離子通過的能力(圖3-45)。換句話說，細胞質膜必須具有選擇性地進行物質跨膜運輸、調節(jié)細胞內外物質和離子的平衡及滲透壓平衡的能力?！鑫镔|運輸的范疇細胞進行的物質運輸有三種不同的范疇:●胞內運輸(intracellulartransport)是真核生物細胞內膜結合細胞器與細胞內環(huán)境進行的物質交換;■膜運輸機制:被動運輸與主動運輸●被動運輸與主動運輸的差異有三個主要的差異(圖3-46):起始條件不同、運輸方式不同、產生的結果不同。請從起始條件、運輸方式、產生的結果等三個方面對主動運輸和被動運輸進行比較●物質輸入細胞的四種方式溶質分子可通過四種不同的方式跨膜運輸到細胞內(圖3-47)。圖中用較大號字母表示溶液的高濃度。(a)通過脂雙層的簡單擴散；(b)通過膜整合蛋白形成的水性通道進行的被動運輸;(c)通過同膜蛋白的結合進行的幫助擴散，也同(a)和(b)一樣，只能從高濃度向低濃度運輸;(d)通過載體介導的主動運輸，這種載體主要是酶，能夠催化物質從低濃度向高濃度運輸。無論是被動還是主動運輸，都有膜蛋白的參與，這些蛋白被稱為膜運輸蛋白。上:親和標記法，在此法中常常用到特異的運輸系統的抑制劑。下:膜重建法?！鲭x子載體在膜運輸蛋白功能研究中的應用人們對自然狀態(tài)下的膜運輸特性的認識主要來自離子載體(ionophore)●短桿菌肽A(gramicidinA)是一種形成通道的離子載體，它具有疏水的側鏈，兩個分子在一起形成跨膜的通道。它能夠有選擇地將單價陽離子順電化學梯度通過膜(圖3-49)，可被短桿菌肽A離子通道運輸的陽離子有∶H+〉●纈氨霉素(valinomycin)是一種由12個氨基酸組成的環(huán)形小肽。將纈氨霉素插入脂質體后，通過環(huán)的疏水面與脂雙層相連，極性的內部能精確地固定K+。它在一側結合K+，然后向內側移動通過脂雙層，在另一側將K+釋放從上面介紹的兩個離子載體的例子可以得到兩個基本結論:①膜運輸蛋白具有選擇性;②膜運輸蛋白通過兩種機制進行物質運輸，一是形成水性通道，二是同被運輸的物質結合，以可動的形式穿膜，即可動載體(mobilecarrier)非電解質通過擴散跨過細胞質膜必須具備兩個條件:第一，該物質在細胞外的濃度很高;第二，細胞質膜必須對這種物質具有通透性。膜對某種溶質具有透性，必須滿足兩個條件之一：(1)這種物質能夠直接穿過脂雙層，或是(2)膜中有可允許該溶質通過的跨膜孔道?！鰯U散與滲透細胞質膜具有兩個基本的特性∶允許小分子物質通過擴散穿過細胞質膜，也可以讓水通過滲透進出細胞質膜。但是擴散和滲透是兩個不同的概念(圖3-51)。●擴散(diffusion)是指物質沿著濃度梯度從半透性膜濃度高的一側向低濃度一側移動的過程，通常把這種過程稱為它們都是從自由能高的部位向自由能低的部位置ATP移動。簡單擴散是被動運輸的基本方式，不需要膜蛋白的幫助，也不消耗ATP，而只靠膜兩側保持一定的濃度差，通過擴散發(fā)生的物質運輸。簡單擴散的限制因素是物質的脂溶性、分子大小和帶電性。圖3-52溶質的脂溶性與通過細胞膜能力的關系●相對分子質量:相對分子質量小，脂溶性高的分子才能快速擴散。根據實驗結果，推測質膜的通透性孔徑不會大●物質的帶電性:為什么所有帶電荷的分子(離子)，不管它多小，都不能自由擴散?大的不帶電的極性分子（如葡萄糖）和各種帶電的極性分子都難以通過質膜(圖3-53)。促進擴散是指非脂溶性物質或親水性物質，如氨基酸、糖和金屬離子等借助細胞膜上的膜蛋白的幫助順濃度梯度或順電化學濃度梯度，不消耗ATP進入膜內的一種運輸方式。促進擴散同樣不需要消耗能量，并且也是從高濃度促進擴散同簡單擴散相比，具有以下一些特點∶●促進擴散的速度要快幾個數量級?！窬哂酗柡托?當溶質的跨膜濃度差達到一定程度時，促進擴散的速度不再提高(圖3-54)?！窬哂懈叨鹊倪x擇性:如運輸蛋白能夠幫助葡萄糖快速運輸，但不幫助與葡萄糖結構類似的糖類運輸?！衲み\輸蛋白的運輸作用也會受到類似于酶的競爭性抑制，以及蛋白質變性劑的抑制作用?！鐾ǖ赖鞍着c促進擴散并且是從高濃度向低濃度運輸，所以不消耗能量。(a)由單亞基膜蛋白形成的通道;(b)由多亞基蛋白形成的通道?，F已鑒定過的離子通道蛋白在膜中都有開和關兩種構型相當于門，所以將通道蛋白形成的通道稱為門控通道(gated這類通道的構型變化依據細胞內外帶電離子的狀態(tài)，主要是通過膜電位的變化使其構型發(fā)生改變，從而將"門"打含羞草的葉片在觸摸時發(fā)生的葉卷曲就是通過電位-門控通道傳遞信號的(圖3-57)。圖3-57含羞草展開與收縮受電位-門控通道的控制這類通道在其細胞內外的特定配體(ligand)與其表面受體結合時發(fā)生反應。這種通道的打開受一種力的作用，聽覺毛狀細胞的離子通道就是一個極好的例子(圖3-58)。圖3-58聽覺毛狀細胞的機械敏感門通道作用原理載體蛋白需要同被運輸的離子和分子結合，然后通過自身的構型變化或移動完成物質運輸。葡萄糖可通過載體蛋白進行促進擴散。運輸葡萄糖的載體蛋白主要是通過構型的變化進行葡萄糖的運輸(圖3-59)。圖3-59紅細胞質膜載體蛋白促進葡萄糖擴散示意圖水是一種特別的物質，之所以特別是因為水分子雖然不溶于脂，并且具有極性，但也很容易通過膜。大多數水是直接通過脂雙層進入細胞的，也有些水是通過水通道蛋白進行擴散的。動物和植物細胞中已經發(fā)現幾種不同的水通道蛋白。水通道蛋白AQP1是人的紅細胞膜的一種主要蛋白。它能夠讓水自由通過(不必結合)，但是不允許離子或是其他的小分子(包括蛋白質)通過(圖3-60)。AQP1是由四個相同的亞基構成，每個亞基的相對分子質量為28kDa，每個亞基有六個跨膜結構域，在跨膜結構域主動運輸涉及物質輸入和輸出細胞和細胞器，并且能夠逆濃度梯度或電化學梯度。如何理解"被動運輸是減少細胞與周圍環(huán)境的差別，主動運輸則是努力創(chuàng)造差別"?■主動運輸的特點主動運輸具有四個基本的特點:①逆梯度運輸;②依賴于膜運輸蛋白;③需要代謝能，并對代謝毒性敏感;④具有選擇●建立濃度梯度或電化學梯度細胞靠主動運輸建立和維持各種離子在細胞內的不同濃度(表3-5)，這些離子的濃度差異對于細胞的生存和行使功表3-5典型動物細胞內外離子濃度的比較成份細胞內濃度(mM)細胞外濃度(mM)固定的陰離子**高0*表中給出的Ca2+和Mg2+的濃度是游離存在于胞質溶膠中的濃度;Mg2+在細胞中的總濃度為2mM，Ca2+則是1-2mM。但它們大多是與蛋白質結合在一起的，C**指細胞內存在的帶負電的有機分子，它們不能通過細胞質膜?！裣哪芰恐鲃舆\輸是消耗代謝能的運輸方式，有三種不同的直接能量來源（表3-7）表3-7主動運輸中能量來源載體蛋白功能能量來源直接能源Na+-K+泵Na+的輸出和K+的輸入ATP細菌視紫紅質H+從細胞中主動輸出光能磷酸化運輸蛋白細菌對葡萄糖的運輸磷酸烯醇式丙酮酸間接能源Na+、葡萄糖泵協同運輸蛋白Na+、葡萄糖同時進入細胞Na+離子梯度●選擇性和特異性不同的運輸泵轉運不同的離子。泵，運輸時需要ATP供能，但不需要磷酸化。在范圍很廣，包括細菌和人。四種運輸ATPase在結■主動運輸的方向■P-型離子運輸泵的作用機理P型泵的主要特點:都是跨膜蛋白，并且是由一條多肽完成所有與運輸有關的功能，包括ATP的水解、磷酸化和離Na+/K+泵是動物細胞中由ATP驅動的將Na+輸出到細胞外同時將K+輸入細胞內的運輸泵，又稱Na協同運輸又稱偶聯運輸，它不直接消耗ATP，但要依賴離子泵建立的電化學梯度，所以又將離子泵稱為初級主動物細胞中，質膜上的鈉泵和載體協作完成葡萄糖、氨基酸等的逆濃度梯度的協同運輸(圖3-67)?！黾毦械闹鲃舆\輸在細菌中發(fā)現一些特殊的主動運輸方式，如磷酸化運輸、運輸ATP酶、細菌的視紫紅質等，這些運輸方式的能量又稱為基團轉運。其機理是通過對被轉運到細胞內的分子進行共價修飾（主要是進行磷酸化）使其在細胞中始終維持"較低"的濃度，從而保證這種物質不斷地沿濃度梯度從細胞外向細胞內轉運(圖3-68)。請簡述細菌細胞中葡萄糖的磷酸化運輸機理。該蛋白含有七個α螺旋，每個螺旋長3-4nm，在蛋白的中部有幾個能夠吸收光的視黃醛基團，又稱發(fā)色基團；當該基團被一個光量子激活時，就能引起整個分子的構型發(fā)生變化，導致兩個H+從細胞內運送到細胞外(圖3-69)。圓柱形代表α螺旋區(qū)，視黃醛基團吸收光質子，誘導了構型的變化，驅使H+通過蛋白的中央通道運輸?！馎BC運輸蛋白與主動運輸ABC運輸蛋白是一大類運輸蛋白，最早在細菌中發(fā)現。E.coli具有兩層膜，ABC運輸蛋白位于細菌的內膜。ABC運輸蛋白主要參與運輸糖、氨基酸和小肽，運輸時需要水解ATP提供能量(圖3-70)。ABC運輸蛋白主要參與運輸糖、氨基酸和小肽，運輸時需要水解ATP提供能量(圖3-70)。簡述ABC運輸蛋白對甘露糖運輸的機理課程學習：3.細胞質膜與跨膜運輸>>3.5.4主動與被動運輸、動物與植物主動