武汉大学 - 细胞生物学 - 课件整理

第一章 绪 论

第 一 节 细胞生物学的研究内容和概况

一、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科

1、什么是细胞生物学（cell biology）？

细胞生物学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、细胞是所有生物体（不包括病毒）结构和生命活动的基本单位

特点：自我复制、自我装配和自我调控；

通过与外界物质和信息交流，保持自身动态平衡；

多层次、非线性、多侧面性。

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”

补充 2008 Osamu Shimomura，Martin Chalfie，Roger Y. Tsien。Chemistry，绿色荧光蛋白

2007 Mario R. Capecchi, Martin J. Evans,Oliver Smithies。M&P， 基因靶向技术

二、细胞生物学的主要研究内容(P3)

1）细胞核、染色体以及基因表达

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。

2）生物膜 与 细胞器

生物膜——细胞质膜和细胞内膜的总称，细胞物质交换、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。

3）细胞骨架体系

4）细胞的增殖与调控

5）细胞的分化与调控

6）细胞的衰老与凋亡

7）细胞的起源与进化

8）细胞工程

三、细胞生物学研究的总趋势p5

生命科学的基本问题

基本问题 : 遗传 发育 进化

主要内容 :细胞的生命活动

切入点 :　功能基因组

动物学 植物学（微生物学）----整体水平

细胞生物学 ---细胞水平

分子生物学 ----分子水平

总的趋势 ：从分子水平-------细胞水平

20世纪 21世纪

结构与功能-------细胞生命活动

生物大分子-------复合物

单一基因与蛋白------基因组与蛋白质组

调控途径------调控网络

静态------动态

in vitro------in vivo(模式生物，人）

生物学------多学科交叉（理论和技术）

理论------应用

分析------综合

一）细胞生物学总趋势：

细胞生物学与分子生物学相 互渗透和交融 ——分子细胞生物学

二）细胞学研究重点领域：

3大基本问题（p5）；

若干重大课题（p6）。

本节小结

一、什么是细胞生物学

二、细胞生物学的研究内容

三、细胞生物学研究的总趋势、重点领域

功能基因组学

基因组学genomics ：1986年Thomas Roderick （美）提出。指对所有基因进行基因组作图（包括遗传图谱、物理图谱、转录本图谱）、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一门科学。

功能基因组学：又往往被称为后基因组学（postgenomics），它利用结构基因组所提供的信息和产物，发展和应用新的实验手段，通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能，使得生物学研究从对单一基因（蛋白质）的研究转向多个基因（蛋白质）同时进行系统的研究。

结构基因组学（structural genomics）

基因组研究 以全基因组测序为目标

功能基因组学（functional genomics)

以基因功能鉴定为目标

近十年的回顾与展望p7

美国科学情报研究所（ISI）1997年以来SCI（Science Citation Index）收录及引用论文检索，全世界自然科学研究中论文发表最集中的三个领域分别是：

细胞信号转导（signal transduction）；细胞凋亡（cell apoptosis）；基因组与后基因组学研究

（genome and post-genomic analysis）

----------- genomics 和 proteomics：What is popular in research today

美国国立卫生研究院（NIH）在1988年底发表的一份题为《什麽是当今科研领域的热门课题？》的调查报告中指出：三种主要疾病：

癌症（cancer）心血管病（cardiovascular diseases）爱滋病和肝炎等传染病（infectious diseases：AIDS， hepatitis）

五个主要研究方向

细胞周期调控（cell cycle control）；细胞凋亡（ cell apoptosis）；

细胞衰老（cellular senescence）；信号转导（signal transduction）；

DNA的损伤与修复（DNA damage and repair）---染色质水平的研究

第 二 节 细胞生物学发展简史

五个阶段

一、细胞的发现p8

1665年 Robert Hooke（英）(30×)“cellar”——cell

1677年Leeuwen Hoek（荷兰）（300×）活细胞观察，第一次观察到人和动物的精子。

二、细胞学说的建立p9

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。

三、细胞学经典时期——19世纪的后25年(P10)

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。

四、实验细胞学、细胞学分支及发展（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

五、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，DP．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(本节小结)

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～）

附：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——重视《细胞生物学》

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。

第二章 细胞的统一性和多样性

本 章 内 容

一、几个重要名词；

二、细胞的基本概念(非细胞形态的生命体—病毒)；

三、原核细胞和古核细胞；

四、真核细胞；

一、几个重要的名词概念

细胞膜 cell membrane（或称质膜plasma membrane）＋细胞质 cytoplasm

＋细胞核 nucleus（或拟核 nuleoid）= 细 胞 cell

原生质 protoplasm 被质膜包裹在细胞内的所有的生活物质，包括细胞核和细胞质。

细胞质cell plasma 是指细胞内除核以外的原生质, 即细胞中细胞核以外和细胞膜以内的原生质部分。

原生质体protoplast “细胞”的同义词，多专指除去细胞壁的植物细胞和细菌。(工程性概念)

内膜系统 endomembrane system 细胞内部的膜相结构，包括细胞器膜和核膜。

细胞器cell organelle 细胞质中具有一定形态、固定化学组成和特定生理功能的结构物。

外质 ectoplasm 细胞内靠近质膜的细胞质部分。

内质 endoplasm 细胞内靠近核膜的细胞质部分。

细胞质基质 cytoplasm matrix / cytomatrix 又称为胞质溶胶( cytosol), 指细胞质中除去细胞器以外的胶体液态部分。

二、细胞的基本概念(P19)

1、细胞是生命活动的基本单位。

2、细胞的基本共性：p21

相似的化学组成、生物膜（脂－蛋白体系）、DNA—RNA遗传装置、核糖体、一分为二的分裂方式。

上述4个特征也是判断是否细胞的特征。

病毒不是细胞，因为：

①病毒没有质膜；

②病毒仅有一种核酸；

③病毒没有核糖体蛋白合成体系；

④病毒不分裂，靠宿主细胞复制增殖。

病毒与细胞的起源关系P44

生物大分子——细胞——病毒

由于：病毒的寄生性；

某些病毒的核酸同细胞DNA的序列相似性；

病毒同核蛋白分子的相似性；

第二类反转录转座子两端LTR与反转录病毒的相似性。

三、原核细胞和古核细胞

1、最小最简单的细胞——支原体

最小的细胞：拟胸膜肺炎支原体PPLO（Φ0.1μm）；

鸡蛋结构

2、细菌和蓝藻

细菌：拟核（nucleoid）、细胞质膜的多功能性、中膜体、细胞壁、核糖体、质粒。

蓝藻：中心质、光合片层。

3、古核生物（古核细胞、古细菌）(P29)

如产甲烷球菌、盐细菌、热原质体、硫氧化菌等；

现认为归并为原核生物和真核生物外的第三界，有可能是真核细胞的祖先；

与真核细胞相似处：

①细胞壁成分；②DNA中的重复序列、基因中的内含子；③组蛋白和DNA组成核小体类似结构；④核糖体对抗生素的反应；⑤5s rRNA序列及二级结构

四、真核细胞p31

1、真核细胞的基本结构体系

1）蛋白质和脂质构建的膜相结构体系 （细胞膜、核膜、各种细胞器膜）；

2）蛋白质和核酸构建的遗传信息结构体系（染色体、核仁、核糖体）；

3）蛋白质和蛋白质构建的细胞骨架结构体系（微管、微丝、中间纤维）。

2、细胞的大小

细胞表面积与体积的关系，为何细胞体积微小？

①相对较大的表面积，有利于物质的交换和保持新陈代谢；②保证遗传指令的对细胞的控制；③保证细胞中物质的传递。

同类型细胞的体积一般是相近的,不依生物个体的大小而增大或缩小。

如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同；

“细胞体积的守恒定律”——

器官的大小主要决定于细胞的数量,与细胞的数量成正比,而与细胞的大小无关。

4、原核细胞和真核细胞的比较

原核细胞 prokaryotic cell （原核生物prokaryote）如细菌、蓝藻、衣原体、立克次氏体、螺旋体等；

真核细胞eukaryotic cell （真核生物eukaryote）如真菌、藻类、原生生物、高等植物、高等动物等。

原核细胞和真核细胞基本特征的比较p35

①生物膜系统的分化和演变，使细胞内部结构和功能更复杂和高级，形成核和质两大区域，并形成多种细胞器，保证各种物质代谢过程互不干扰，有序进行，各区域分工明确精细、专一；

②遗传物质和遗传结构装置的扩增和复杂化，使遗传信息更加稳定，基因转录和翻译有严格的阶段性和区域性，基因表达调控有多层次性；

核膜、染色体、内含子、重复序列、间隔序列、假基因……转录前、转录、转录后、翻译、翻译后水平的调控。

总之，真核细胞是更高级的细胞类型

表2－2补充 原核细胞和真核细胞的比较P36

5、植物细胞和动物细胞的比较(P44)

植物细胞特有的细胞结构： 细胞壁、液泡、叶绿体

膜相结构 双膜：核膜、线粒体、叶绿体

单膜：内质网、高尔基体、溶酶体、液泡、圆球体、微体等

非膜相结构 颗粒结构：核糖体、中心体、基体

线状结构：染色质纤维、核仁纤丝、微管、微丝、中间纤维、微梁网架。

关于纳米细菌（nanobacteria）

过去认为纳米细菌可能参与人类肾结石形成、心血管疾病以及癌症，它们不仅是活的，而且和疾病相关联；

台湾长庚大学杨定一实验发现：体外CaCO3 沉淀在大小、膜泡形状、类细胞分裂行为、群体集合等方面同纳米细菌非常相似；

培养的人类血清中纳米细菌状的颗粒正如 CaCO3 一样，其外观如大小、形状都会受到CO2和 NaHCO3 水平的影响；

Western blotting 显示，对纳米细菌特异的单克隆抗体，实际上是同血清白蛋白相反应；

人血中获得的纳米细菌样颗粒，可以耐受高达30 kGy的同位素照射；各种广泛的PCR扩增未发现DNA。因此，纳米细菌可能是一种非生命体。

现存动物中最大的卵，是海洋中的鲸鲨的卵。据记载1953年，在墨西哥湾的海底，捕到一颗鲸鲨卵，长30.5厘米，宽14厘米，高89厘米（比篮球还大）是目前已知最大的卵。内有一条长36厘米长的鲸鲨胎儿。

动物受精卵发育方式：卵生；卵胎生；胎生

Pr i on 朊

第三章 细胞生物学研究方法

第一节 细胞形态结构的观察方法

一、光学显微技术(P49)

1、普通复式光学显微镜技术

①组成：光学放大系统、照明系统、机械系统；

②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。该距离越小，则分辨力越高。

显微镜的分辨力计算公式：

③普通光镜分辨极限

α最大值140°；λ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。（称为瑞利极限，Rayleigh limit）

普通光镜有效放大倍数（经验值）＝物镜最大镜口率×1000

④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。

光学显微镜样品制备

固定（fixation）：使用固定剂（fixative）杀死细胞，并使细胞结构尽可能接近活细胞；

脱水：乙醇 包埋：石蜡 切片：切片机 脱蜡、染色：多种染料 封片：长期保存

显微镜技术和计算机技术结合 倒置显微镜

2、相差和微分干涉显微镜技术(P51)

①相差显微镜：（phase contrast microscope, Ph ）

1935年荷兰物理学家Frits Zernicke发明；它利用光的衍射和干涉原理，将光的相位差（人眼无法感受） →振幅差（人眼可以感受）；

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 。

两束光波之间的相互干涉

普通光学显微镜 相差显微镜

②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 荐阅读《细胞实验指南》下册，科学出版社，P896

3、荧光显微镜技术（fluorescence microscopy）

①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。

②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

4、激光扫描共聚焦显微技术(P53)（laser scanning confocal microscope，LSCM）

5、荧光共振能量转移技术(P54)（FRET）

二、电子显微镜技术(P56)

1、透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）

电子显微镜是模仿光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 。

表3－1电子显微镜和光学显微镜的基本区别

HITACHI H-8100透射电子显微镜

电子显微镜基本构造(P57) 超薄切片制备

2、透射电镜特点：

①“照明”光源——电子束

②放大倍数调节方式——改变磁透镜电流强度

③高电压工作——几万～十几万伏

④内部高真空——10－4托

⑤样品厚度<90nm——电子穿透力有限，产热

⑥标本染色技术不同——重金属盐（正染，负染）

⑦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

冰冻蚀刻

2、扫描电子显微镜（P62）（scanning electron microscope，SEM）

SEM发明于1965年；工作原理：利用电子束逐点扫描样品表面，通过检测样品表面散发的二次电子，将样品表面的形貌逐点成像，并合成为放大的图像。

扫描电镜的特点：

①可观察较大较厚的样品；

②景深大，获得的是清晰逼真的三维立体图像；

③放大倍数在20～20万倍间连续变换，无需多次聚焦；

④样品可在样品室内多方位移动和转动；

⑤分辨力不太高：3～10nm

⑥只能观察标本表面，不能观察内部。

三、扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）（P63）

1981年发明；用于探测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：

①具有原子尺度的高分辨本领；

②真空、大气、液体环境中都能工作；

③非破坏性测量，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（P64）

离心技术原理：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（P65）

①速度沉降——分离密度接近大小不一的组分

②等密度沉降——分离不同密度的组分

将介质形成一涵盖所有组分密度的密度梯度，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。

速度沉降和等密度沉降的比较

二、组织化学和细胞化学（P65）

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、特异蛋白抗原的定位与定性P66

原理：抗体能够自行识别并结合对应的抗原

目的：检测特定蛋白质在细胞内的分布状况和含量。

（一）免疫荧光技术

（二）免疫电镜技术

人成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

研究对象：细胞内特异核酸（DNA或RNA）

目的：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

光谱核型分析（spectral karyotype， SKY）SKY of Human

五、放射自显影研究生物大分子（略）

六、定量细胞化学分析技术P69

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）、德克萨斯红（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PI（碘化丙啶, propidium iodide）或DAPI，对固定处理过的细胞(核)直接进行染色

第三节 细胞培养、细胞工程与显微操作技术

一、细胞培养P70

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。

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：

①原代培养（primary culture）

②继代培养（secondary culture）/传代培养（subculture）

①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。

②继代培养（secondary 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（多）个容器中接种所进行的再培养，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，并且可以持续存在。

二、细胞工程（cell engineering）

细胞水平的生物工程。

（一）细胞融合与细胞杂交

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。

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

基因敲除（knock out）

模式生物p76：个体较小，容易培养，操作简单，生长繁殖快速

第四章 细胞质膜

第一节 细胞质膜的结构模型

一、 生物膜的结构模型P83

1、Ernest Overton （1895） 发现：溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜；

不溶于脂肪的物质则不易透过。——推测细胞膜由连续的脂类物质组成。

2、E. Gorter 和 F. Grendel（1925）发现：

红细胞质膜的脂类成分在水面展开的面积是红细胞表面积的2倍——推测细胞膜由双层脂分子组成。

3、三明治式质膜结构模型P83

J. Danielli 和 H. Davson（1935） 发现：质膜的表面张力<油-水界面，推测膜中含有蛋白质。1959年提出了“蛋白质－脂质－蛋白质”的三明治式的质膜结构模型

4、单位膜模型（unit membrane model）

J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构

5、流动镶嵌模型（fluid mosaic model）

S. J. Singer 和 G. Nicolson 1972 根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。

6、液晶态模型Wallach（1975）

① 生物膜含有的“流动性脂质”进行可逆地无序(流动性)到有序(晶态)的相变。

② 在大多数动物细胞的膜系统中,这种“流动性脂质”呈小片的点状分布,面积小于100 nm2。

7、板块镶嵌模型

1977年,Jain和White提出了板块镶嵌模型。

在流动的类脂双分子层中存在许多大小不同,刚度较大的彼此独立移动的类脂板块(有序结构板块)。

8、脂筏（lipid rafts）和质膜微囊（caveolae）（补充）

①1988年。脂筏——富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域 ， 约100nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页；介于无序液体与液晶之间，称为有序液体（Lo）；如同一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。

②1995年。质膜微囊——细胞表面内陷小孔结构，以鞘脂和胆固醇为主，以微囊素/内陷素（caveolin）为标志蛋白。

③脂筏和质膜微囊（胞膜窖）的功能P96：

信号转导——中心

物质的运输——内吞、外排

疾病关联——HIV、癌、动脉粥样硬化、糖尿病、老年性痴呆……

质膜应该视为脂质、蛋白质和糖组成的一个不均匀的超分子体系，膜脂以甘油酯为主体，大小不一的、以鞘脂和胆固醇为主要成分的微区分散在主体中。主体和微区都含有数量不等的膜蛋白。

二、细胞膜的化学组成p85

综述：质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量的糖。

膜脂——膜的基本骨架；

膜蛋白——膜功能的主要体现者。

（一）膜脂（membrane lipid）P85

分类：生物膜的基本成分。

（修改）主要包括磷酸甘油酯、神经鞘酯和胆固醇三种类型。

1、磷酸甘油酯（甘油磷脂）：

是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50％以上。

主要类型有：

① 磷脂酰胆碱(PC)，旧称卵磷脂

② 磷脂酰丝氨酸(PS)

③ 磷脂酰乙醇胺(PE), 旧称脑磷脂

④ 磷脂酰肌醇(PI)

⑤ 双磷脂酰甘油( DPG) , 旧称心磷脂

磷酸甘油酯的分子结构特征：

1）头尾： “一头二尾”（心磷脂4尾）；

2）碳链：碳原子多为16~20，偶数。

3）饱和性：饱和、单不饱和、多不饱和。

30o——转角

2、神经鞘酯（sphingolipids）

是一类含量较少的膜脂，是鞘胺醇的衍生物。

①鞘磷脂（sphingomyelin）

鞘胺醇的衍生物——以鞘胺醇为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，与含胆碱的磷酸基团组成亲水头部；在神经系统中含量特别丰富。原核细胞、植物中无鞘磷脂。

②糖脂（glycolipid）

鞘胺醇的衍生物——以鞘胺醇为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，与一个或多个糖残基组成亲水头部，在神经细胞膜上糖脂含量较高。

最简单的糖脂——半乳糖脑苷脂，在髓鞘的多层膜中含量丰富；

变化最多、最复杂的糖脂——神经节苷脂。

3、胆固醇（cholesterol）

动物中含量最丰富的固醇类化合物； 植物和细菌中少；

在脑、神经组织及肾上腺中含量丰富，其次是在肝、肾、脾、皮肤和脂肪组织中。

胆固醇对细胞膜流动性的影响：

在相变温度以上,它可使磷脂分子的脂酰链末端的运动减小,即限制膜的流动性。

在相变温度以下,可增加脂类分子脂酰链的运动,这样可以增强膜的流动性。

膜脂的特性

厚度约6nm；连续广泛的网络；可变形；自组装（self assemble）。

膜脂的运动方式（P87）

1、沿膜平面的侧向运动；*

2、脂分子围绕轴心的自旋运动；

3、脂分子尾部的摆动；

4、双层脂分子之间的翻转运动。

脂质体（liposome）p88

本质：利用了脂双分子层的自组装性，是一种人工膜。

在水中，搅动磷脂形成的双层脂分子球形体，直径25~1000nm不等。

人工脂质体的用途：

1.研究生物膜的特性 2.药物和DNA的载体

隐形脂质体（stealth liposomes）

（二）膜糖

共价连接在膜脂和膜蛋白上的糖类（2～8％）

90％以共价键与蛋白质——糖蛋白；10％连接到脂类——糖脂。

膜糖的功能：

◆细胞与环境的相互作用 ◆接触抑制 ◆信号转导

◆蛋白质分选 ◆保护作用等。

（三）膜蛋白 P88

种类繁多, 是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中约30%为膜蛋白。

1、分类：根据膜蛋白与脂分子的结合方式，分为三类：

––外在膜蛋白 （peripheral protein）外周

––内在膜蛋白 （integral protein ）整合

––脂锚定膜蛋白（lipid－anchored protein）

①外在膜蛋白

水溶性，暴露在脂双层的外侧或内侧；与质膜以弱键形式连接；容易从膜上分离下来。

②膜内在蛋白 p90多数为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），是两性分子；

与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来，如SDS（离子型），TritonX-10

（非离子型）p91。膜内在蛋白与膜脂的结合方式 p89

本节小结

1、生物膜的结构模型

2、细胞膜的化学组成

第二节、生物膜的基本特征和功能

一、膜的流动性（P92）

（一） 膜脂的流动性：“刚柔并济”

影响膜脂流动性的因素

①胆固醇含量：含量增加，膜的流动性降低；

②脂肪酸链的饱和度：饱和度越低，膜流动性越强。

③脂肪酸链的长度：长链，相变温度高，膜流动性低；

④卵磷脂/鞘磷脂比例：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂；

⑤ 其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。

（二） 膜蛋白的流动性 （P92）

膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动（主要为侧向流动），不需要代谢产物的参加和能量的提供。

膜蛋白的流动性是相对的：某些膜蛋白分布有区域性；有的蛋白不流动的——因与膜下的细胞骨架相结合，流动受限。

整合膜蛋白的运动方式

影响膜蛋白移动的因素

■整合蛋白相互间的影响

■膜骨架的影响

■细胞外基质的影响

■相邻细胞的影响

■细胞外配体、抗体、及药物大分子的影响

研究膜蛋白流动的实验技术1 P92

荧光抗体免疫标记细胞融合

研究膜流动性的实验技术2 P93

光脱色荧光恢复技术 FRAP（fluorescence recovery after photobleaching）

膜蛋白或者膜脂被荧光素标记，再用激光照射某一区域，被照射区的荧光因为淬灭而变弱。由于膜的流动性，粹灭区域亮度会逐渐增加，最后与周围亮度等同。荧光恢复的速度间接反映出膜蛋白或者膜脂扩散的速度。

（三） 质膜流动性的意义

1）有利于酶的侧向扩散和旋转运动；

2）保证了物质的运输；

3）与信号转导有关；

4）和能量转换有关；

5）与细胞的发育和衰老。

二、细胞膜的不对称性 P93

质膜内外两层的组分和功能的差异，

（一） 细胞膜各部分的名称ES EF PF PS

小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻

（二）膜的不对称性 p93

1）膜脂的不对称性： 2）复合糖的不对称性： 3）膜蛋白的不对称性：

三、细胞膜的功能 p95

1、内环境——排除干扰，独立调节；

2、选择性物质运输；

3、细胞识别位点、信号跨膜转导；

5、生化活动框架；

6、连接细胞——细胞/细胞、细胞/基质的连接；

7、能量转换——光合作用；

8、特化结构

9、药物标靶

本节内容小结

膜的流动性，膜的不对称性，质膜的基本功能

第三节 膜骨架

膜骨架（membrane associated cytoskeleton）

定义：膜骨架是质膜下与膜蛋白相连的纤维蛋白组成的网架结构。

作用：维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。

研究材料：成熟的哺乳动物血红细胞

红细胞——研究质膜的良好材料不贵，可大量获得；游离，无需从复杂组织中分离；

无核膜和内膜，避免膜样品的污染；简单处理——溶血，就能获得血影。红细胞血影

二、红细胞质膜蛋白及膜骨架

红细胞膜骨架：在红细胞膜的内侧，由膜蛋白和纤维蛋白组成的网架。

人红细胞膜蛋白SDS－PAGE电泳分布

1、 红细胞膜内存在的蛋白质

约15种蛋白，其中主要的有3种:

血影蛋白（spectrin）：又叫收缩蛋白，是膜骨架主要成分，α、β亚基构成，非膜蛋白；

血型糖蛋白A（glycophorin A）：红细胞膜蛋白，富含唾液酸，类似的还有血型糖蛋白B、C、D，单次跨膜蛋白；带3蛋白（band 3 protein）：膜蛋白， “阴离子通道”；多次跨膜（12－14次）

肌动蛋白（actin）：又称带5蛋白，是膜骨架的主要成分，肌动蛋白纤维上有多个与血影蛋白结合的位点。

锚定蛋白（ankyrin）：又称带2.1蛋白，一方面连接血影蛋白，一方面连接带3蛋白；

带4.1蛋白（band 4.1 protein）：膜骨架成分，促使血影蛋白和肌动蛋白结合；

2、红细胞膜骨架的组成：

①血影蛋白在带4.1蛋白的协助下与肌动蛋白结合成膜骨架基本网络；

②锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白相互作用。

第十五章 细胞社会的联系：

第一节 细胞连接 cell junction

细胞连接（cell junction）p87/505

定义：细胞连接是细胞与细胞间或细胞与细胞外基质（97/522页）间的联结结构。

分类：分为三大类，即：

紧密连接（tight junction）

锚定连接（anchoring junction）

通讯连接（communicating junction）

一、紧密连接 （tight junction，TJ）

分布：脊椎动物上皮细胞之间；

形态：网络状蛋白质焊接线——嵴线；

成分：成串的跨膜蛋白；

特点：相邻质膜紧密结合。隔离、支持。

嵴线：相互交联，封闭细胞间空隙，甚至可阻止水分子的通过。

紧密连接作用：

①阻止溶液中的分子沿间隙进入体内；隔离和支持的功能；血－脑屏障

②维持上皮细胞极性。

二、锚定连接（anchoring junction）P88

分布：在机体中广泛分布， 在上皮组织、心肌和肌肉等组织中含量尤为丰富， 以细胞质骨架为锚定基础。

作用：将相邻细胞的骨架系统或者将细胞与基质相连，形成坚挺有序的细胞群体。

分类：与中间纤维相连——桥粒和半桥粒

与肌动蛋白纤维相连——粘着带和粘着斑

（一）桥粒和半桥粒（P89/507）（desmosome & hemidesmosome）

1、桥粒（desmosome）

桥粒是中间纤维连接相邻细胞的方式。细胞间形成的纽扣状结构，将相邻细胞膜铆接在一起（间隙约30nm）。

分布：承受强拉力的组织中，主要是上皮组织，如皮肤、口腔、食管、心肌中。

– 中间纤维直接与质膜下的盘状致密斑 连接；

相邻两细胞之间的盘状致密斑由跨膜连接糖蛋白相互连接。

2、半桥粒（ hemidesmosome ）

是中间纤维连接细胞外基质的方式，形如半个桥粒。它将上皮细胞固着在基膜上。

半桥粒的功能和组成：

通过整联蛋白将上皮细胞固着在基底膜上。

（二）粘着带与粘着斑 P89

1、粘着带（adhesion belt） ：

是肌动蛋白纤维连接细胞的方式。呈连续带状环绕细胞，位于某些细胞紧密连接的下方。

细胞间隙为15～20nm，介于紧密连接和桥粒之间，（中间连接/带状桥粒，belt desmosome）。

–与粘着带相连的微丝在细胞中形成平行于细胞膜的可收缩的纤维束。

2、粘着斑

是肌动蛋白纤维与细胞外基质之间的连接方式。

参与连接的是整联蛋白。

三、通讯连接（P90）（ communicating junction）

分布：位于具有细胞间通讯作用的细胞。

双重功能：①机械连接；②电偶联或代谢偶联。

分类：包括 间隙连接（动物） 化学突触（可兴奋细胞）胞间连丝（植物）

（一）间隙连接（P90/509）

1、结构与成分

分布：非常广泛，几乎存在于所有动物组织，连接处有2~3nm的缝隙。

连接结构的基本单位——连接子（connexon），由6个connexin环绕而成，中间是直径1.5nm的孔道。可允许MW<1000的分子通过，但通透性受调节。

2、功能和调节机制

允许小分子（无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸、维生素）通过（MW<1000），而蛋白质、核酸和多糖等大分子不能通过。

1）间隙连接在代谢偶联中的作用（P92/511）

合用和互喂营养物质；

代谢偶联——允许小分子代谢物和信号分子（如cAMP、Ca2＋、磷酸肌醇）通过，一处细胞接受信号分子，就可以使整个组织产生反应。

2）间隙连接在神经冲动传递过程中的作用

突触 ：电突触（electronic junction）构成细胞之间的低电阻通路，神经电冲动可以通过间隙连接从突触前向突触后传导，动作电位可以迅速从一个细胞传到另一个细胞，实现细胞间的快速通讯。

3）间隙连接在早期胚胎发育和细胞分化过程中的作用

a. 出现在脊索动物、大多数无脊椎动物胚胎发育的早期；

b. 连接子蛋白抗体 可以使胚胎发育出现缺陷；

c. 可能为细胞在胚胎中的“位置信息”的传递提供通路，从而影响其分化。

d. 肿瘤细胞之间的间隙连接明显减少或者消失。

（二）胞间连丝（plasmodesmata）

1、胞间连丝的功能 P94/514

1）与动物细胞的间隙连接类似。允许MW<1000、半径<0.7～0.8nm的分子通过;

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 P94/514

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

第二节 细胞粘着及其分子基础（P94/515）（Cell Adhesion Molecule，CAM）

功能：同种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

细胞粘附分子的作用机制有三种模式：

1.同亲性结合；

2.异亲性结合；

3. 衔接分子（linker）依赖性结合。

1、钙粘蛋白（cadherin）P96/516

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：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） P96/517

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：各种白细胞中表达。

3、免疫球蛋白超家族的CAM（Ig－superfamily，IgSF）

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）（P97/519）

多为异亲性细胞粘附分子。作用依赖于Ca2＋。

一般由是α 、β亚单位形成异二聚体。

目前发现有24种α亚单位和9种β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：

介导细胞与胞外基质的粘着,“RGD序列”；

介导从细胞外环境到胞内的信号转导（由外向内，由内向外）。

第三节 细胞外基质（cell coat & extracellular matrix）

细胞外基质（extracellular matrix，ECM） P97/522

定义： 指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白质和多糖所构成的网络结构。

细胞外基质主要成分和结构

ECM功能：

1、为组织的构建提供框架；

2、对细胞的存活、分化、迁移、增殖、形态起到重要的调控作用。

细胞外基质的分类

分类： 胶原，弹性蛋白，糖胺聚糖和蛋白聚糖，层粘连蛋白和纤连蛋白，植物细胞壁

（一）胶原（collagen）P99

胶原是细胞外基质的骨架，也是动物体内含量最丰富的蛋白，约占人体蛋白质总量的25％以上。

成分：水不溶性纤维蛋白，在胞外基质中形成半晶体的纤维;

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

①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α链卷曲的左手螺旋；

三股链再绕成右手超螺旋。

②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。胶原纤维的TEM图像

2.胶原的分类：

胶原类型多达26种,分为六种（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α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α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）。

皮肤过度松弛症

（二）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

随着年龄增长

胶原：交联度越来越大；弹性纤维：逐渐消失

（三）糖胺聚糖和蛋白聚糖P101/528

1、糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG） GAG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）

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。

功能：形成多孔、吸水的胶状物，保护细胞，抗挤压。

1、纤连蛋白（fibronectin，FN）

结构：高分子量糖蛋白，由2个亚单位在C端形成两个二硫键交联形成“V”形分子。

每条FN有数个特定功能的结构域，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 二聚体

纤连蛋白的功能：

1）、介导细胞的粘着，维持细胞的形状；增强细胞间的粘连及细胞与基质的粘连；

2）、促进细胞的迁移、参与胚胎发育；

3）、血液凝固和参与创伤修复。

2、层粘连蛋白（laminin，LN) P103

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（ α、β、γ）借二硫键交联成的十字形分子。

层粘连蛋白的功能：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。

（五）基膜与细胞外被略（P533）

（六）植物细胞壁 P105/533

由纤维素、半纤维素、果胶质等几种大分子组成；相当于动物细胞的细胞外基质；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

前 言 为什么要进行运输？（P101）

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。

一、脂双层的不透性和膜转运蛋白；

二、被动运输与主动运输；

三、主动运输。

一、脂双层的不透性和物质的跨膜运输

除了脂溶性分子和不带电荷的小分子可以简单扩散的方式进入细胞；

脂双层对绝大多数溶质分子和离子是高度不透的，都需要膜转运蛋白的协助。

不同的小分子自由扩散的速率差异

膜转运蛋白的分类：载体蛋白（carrier proteins）通道蛋白（channel proteins）

（一）载体蛋白及功能

几乎存在于所有的生物膜上；多次跨膜的蛋白质分子；

与特定的溶质分子结合，通过改变构象介导溶质分子的跨膜转运。

又称“通透酶”；需/不需 能量。

图5－1 载体蛋白通过构象变化介导被动运输的模型

载体蛋白的特点：具有高度选择性；饱和动力学特征；可被竞争性抑制。

（二）通道蛋白及功能

离子选择性通道；依赖通道的直径和形状选择离子；

特点： 极高的转运速率（107个离子/秒）（浓度梯度和跨膜电位差驱动）；

没有饱和值；门控性——电压门,配体门,应力激活通道。

图5－2 三种类型门控离子通道

离子通道研究方法 膜片钳（patch－clamp）

二、被动运输passive transport

定义：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，无需细胞提供代谢能量。

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：①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；②不消耗ATP； ③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。

不同的小分子自由扩散的速率差异

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。

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）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。

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。

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：Ⅰ型：合成胰岛素缺陷

Ⅱ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。

三、主动运输active transport

表5－1 典型哺乳类细胞内外离子浓度比较

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（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：①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；②需要能量；③需要载体蛋白（构象改变）；

– ④具有选择性和特异性。

分类：按照能量来源分为①ATP驱动泵——ATP供能； ②偶联转运——同时转运两种不同的溶质，同向、反向；③光驱动泵（见于细菌）。

脂双层的不透性和膜转运蛋白： 载体蛋白 通道蛋白

物质运输方式 被动运输：简单扩散 协助扩散 主动运输：

ATP驱动泵的分类：

1、P－型离子泵（磷酸化） 2、V－型质子泵（膜泡等）

3、F－型质子泵（F亚基） 4、ABC超家族——转运小分子

一、P－型离子泵（P－class ion pump）

都有2个α亚基——催化；部分具有2个β亚基——调节；伴随α 的磷酸化和去磷酸化

（一）钠钾泵

细胞内低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+的输入和输出通过钠钾泵来完成的。表5－1 典型哺乳类细胞内外离子浓度比较The Nobel Prize in Chemistry 1997

1、Na+-K+ pump的分子结构：

实际上就是Na+-K+ ATP酶；由2个α亚基、2个β亚基组成的四聚体；分布于动物细胞的质膜上。α亚基是多次跨膜蛋白，具有ATP酶活性和Na+、K+结合位点；β亚基是糖基化的多肽（折叠、调节）

2、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。

3、Na+-K+泵的作用

①维持细胞的渗透平衡,保持细胞的体积；

②维持低Na+高K+的细胞内环境，为协同运输提供驱动力；

③维持细胞的静息电位

4、Na+-K+泵的影响因子：

乌本苷（ouabain）、毛地黄（digitalis）可抑制Na+-K+泵活性；

(二) 钙泵等其他P—型离子泵

1、钙泵（Ca2+pump）又称为Ca2+-ATPase，跨膜蛋白，进化上与Na+-K+泵的α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10-3M）。

分布：质膜、细胞器膜（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

2、P型质子泵

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）

P型质子泵的功能： 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。转运溶质（细菌培养环境酸化、对糖和氨基酸摄取）； H+-K+泵：将H+泵出细胞，K＋泵入细胞，哺乳动物胃酸分泌；

①P-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”

②V-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。

ATP驱动泵：

一、P－型离子泵（磷酸化）

二、V－型H＋泵和F－型H＋泵

V－型H＋泵：膜泡质子泵（vacuolar proton pump），分布于动物细胞胞内体、溶酶体膜、破骨细胞、某些肾小管细胞质膜、植物酵母真菌细胞液泡膜上。

F－型H＋泵

（F－class proton pump）位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上。

特点：不形成磷酸化中间体；

功能：V－型泵维持细胞质基质的pH中性和细胞器内的酸性；

F－型泵利用H＋顺浓度梯度运动，将释放的能量合成ATP。

三、ABC超家族（P113）略

ATP驱动泵：

一、P－型离子泵

二、V－型H＋泵和F－型H＋泵

三、ABC超家族

共同特点：ATP直接供能

四、协同转运（cotransport）

1、定义：是由Na+-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、协同转运的分类：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：

同向转运（ symport ）——物质运输方向和离子转移方向相同

反向转运（antiport）——物质运输方向和离子转移方向相反

①同向转运（symport）

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；某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+ 的进入。

②反向转运（antiport）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。

五、离子跨膜转运与膜电位 略

第三节 胞吞和胞吐作用endocytosis & exocytosis

概述(P118)：胞吞和胞吐作用

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。

耗能：运输过程涉及膜泡的融合和断裂，要消耗能量，属主动运输。

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）

定义：通过细胞膜内陷形成胞吞泡（endocytic vesicle），将外界物质输入细胞。

分类：胞饮作用（pinocytosis）吞噬作用（phagocytosis）

1、胞饮作用（pinocytosis）

吞入液体或者溶解物；囊泡较小——胞饮泡；发生细胞：大多数细胞都可以连续进行。

2、 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——吞噬泡。发生细胞类型：变形虫、单细胞生物、巨噬细胞、中性粒细胞。

吞噬和胞饮作用的比较

3、受体介导的胞吞作用（p120/119）

①原理：是一种选择浓缩机制，既可摄入特定的大分子，同时避免吸入大量胞外液体。通过网格蛋白有被小泡完成摄取。图5-14 网格蛋白有被小泡介导的选择性运输

②胆固醇的摄取：胆固醇+磷脂+蛋白质（LDL）

受体－LDL复合物——内化进入细胞——进入胞内体降解

冠状动脉粥样硬化

胞内体

膜泡运输的分选站，酸性环境，受体与物质在此分离。

受体的去向：大部分返回质膜，循环使用； 有些进入溶酶体，被降解；跨细胞转运（transcytosis）

母乳喂养的原理：跨细胞转运（transcytosis）

又称转胞吞作用，受体和配体不作任何处理，内吞物从极性细胞一侧转到相反的方向。

二、胞吐作用（exocytosis）

定义：细胞内某些膜泡（如分泌泡）中的物质通过细胞质膜运送出细胞的过程。

可运送：酶、激素、神经递质、局部介质、血清蛋白、抗体、细胞外基质、植物细胞壁等。

分类组成型胞吐途径；调节型胞吐途径

1、组成型胞吐途径（constitutive exocytosis pathway）

分布：存在于所有真核细胞中；高尔基体反面管网区分泌的囊泡持续不断地向质膜流动并与之融合；

功能：①囊泡膜的蛋白和脂类不断供应质膜的更新；

②囊泡内可溶性蛋白分泌到细胞外，成为质膜外周蛋白、胞外基质组分、营养成分或者信号分子。

2、调节型胞吐途径（regulated exocytosis pathway）又称诱导型分泌；

分布：存在于特化分泌细胞；

作用：分泌物（激素、粘液或者消化酶等）储存在分泌泡中；当细胞受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合，释放内含物。

第六章 细胞的能量转换——线粒体和叶绿体

第一节 线粒体与氧化磷酸化

一、线粒体(mitochondrion,mt)的形态结构（P127）

（一）形状、大小、数量和分布

线形、颗粒形、香肠状等；直径0.5～1 μm, 长1.5～3 μm ；

数目：少则数个（或无）～数十万个， 成熟哺乳动物的红细胞中一般无；

分布：新陈代谢旺盛的细胞中，线粒体数目多。如心肌、小肠和肝脏细胞；

可以在细胞中运动、变形和分裂增殖；

往往在需能旺盛的部位比较集中，如分泌细胞的合成区域、精子细胞的鞭毛区。

线粒体的超微结构

（二）线粒体的超微结构（P128）

由两层单位膜套叠而成的封闭囊状结构；

1、外膜(outer membrane)(P128)

含脂类和蛋白各占约50％，具有孔蛋白（porin）构成的亲水通道，允许MW5000 以下的分子通过（ATP、NAD、辅酶A等）。

2、内膜(inner membrane)(P129)

1）不透性（impermeability）——

缺乏胆固醇，富含心磷脂（20％），与细菌质膜相似；通透性很低，H＋、ATP、丙酮酸要载体的协助才能通过；标志酶——细胞色素氧化酶。

2)内膜向基质折叠形成“嵴”（cristae），增大了内膜的面积，为生化反应提供了场所；

需能多的细胞，线粒体多，嵴也多。嵴的形状：板层状 和 管状；

3）基粒（particle）：头部称F1，基部称F0，又称F0-F1因子或者ATP合酶；

3、膜间隙（p130）

宽约6～8nm，充满液体，内含许多可溶性酶、底物和辅助因子，标志酶——腺苷酸激酶；

包括嵴内间隙

4、基质（内室）

腔内充满胶状物质，含有多种酶、核糖体、环状DNA、RNA和转录、翻译成分 具有一定的pH和渗透压；

二、线粒体的功能

主要功能：进行三羧酸循环、氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量。是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释能的场所。

其他略（P130）

（一）线粒体中的氧化代谢

细胞呼吸的三个阶段：

第一阶段：葡萄糖→→丙酮酸→乙酰CoA

脂肪酸 → 乙酰CoA

氨基酸 → 乙酰CoA ；

发生在细胞质基质、线粒体基质中；

第二阶段：乙酰CoA进入柠檬酸代谢途径，被酶促转变为CO2，同时产生还原性的电子载体NADH和FADH2。

发生在线粒体基质中；

第三阶段：NADH和FADH2重新被氧化，形成氧化型的辅酶。电子进入呼吸链（电子传递链），最终使O2还原为H2O，电子在传递过程中释放的能量以ATP的形式贮存起来。

发生于线粒体内膜上

（二）电子传递链与电子传递

定义：线粒体内膜上存在的一系列能够可逆地接受和释放电子或者H＋的化学物质，它们相互关联有序排列——电子传递链（呼吸链）。电子沿着呼吸链的流动——电子传递。

1、 电子载体

与释放的电子结合并传递下去

1 素蛋白——FMN、FAD辅基 ②细胞色素——铁血红素辅基 ③泛醌（辅酶 Q）

④铁硫蛋白——铁硫中心 ⑤铜原子

2、电子载体排列顺序

呼吸链中电子载体有严格的排列顺序和方向，电子按照氧化还原电位从低向高传递；

氧化还原电位越低，提供电子的能力越强。如NAD＋/NADH，E0’＝－0.32V；

氧化还原电位越高，获得电子的能力越强。 O2/H2O， E0’＝＋0.82V。

3、电子转运复合物

电子传递链的各组分，分布于4种膜蛋白复合物中：

复合物Ⅰ（NADH脱氢酶） 复合酶Ⅱ（琥珀酸脱氢酶）

复合酶Ⅲ（细胞色素还原酶） 复合酶IV（细胞色素氧化酶）

a.复合物Ⅰ（NADH-CoQ 还原酶/NADH脱氢酶）

组成： “L”形，42条肽链组成的大型酶复合物，含有1分子的 FMN 和 6～7个铁硫中心，是呼吸链中最大、最复杂的酶复合物；

作用：催化1对电子从NADH传递给泛醌，同时将4个H+由基质转移至膜间隙。既是电子传递体又是质子移位体（质子泵）。

b.复合物Ⅱ（琥珀酸-CoQ还原酶/琥珀酸脱氢酶）

组成：包括1个FAD、2个铁硫蛋白和一个细胞色素b。

作用：催化一对低能电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋白传输给泛醌。不发生H＋跨膜转移，不能合成ATP 。

c.复合物 Ⅲ（ CoQ-细胞色素c还原酶/……）

组成：10条多肽链，含1个细胞色素b、1个细胞色素c1和1个铁硫蛋白。

作用：催化电子从泛醌传给细胞色素c，每转移2个电子，同时将4个H+由线粒体基质泵至膜间隙。“Q循环”。既是电子传递体，又是质子转移体。

d.复合物Ⅳ（细胞色素c氧化酶）

组成：13条肽链，含有细胞色素a、a3和2个铜离子；

作用：催化电子从细胞色素c传递给氧，每转移2个电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。 既是电子传递体，又是质子转移体。

两条呼吸链：

四种复合物在电子传递过程中协同作用；

复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成主要的 NADH 呼吸链；催化 NADH 的氧化；

复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成 FADH2 呼吸链，催化 琥珀酸 的氧化。

（三）质子转移与质子驱动力的形成

可以把呼吸链视为质子泵；

H＋不能通过内膜，造成膜间隙H＋的浓度高于基质，构成质子驱动力，驱动ATP的合成。

（四）ATP形成机制——氧化磷酸化

ATP合成的两条途径：

底物水平的磷酸化；

氧化磷酸化(Oxidative phosphorylation )

——呼吸链上与电子传递相偶联的ADP被磷酸化形成ATP的过程。

发生于复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ三个位点。

1、ATP合酶的结构和组成

又称F1F0-ATP酶（H＋-ATP酶），状如蘑菇，广泛存在于线粒体、叶绿体、异养菌和光合细菌质膜上。

参与氧化磷酸化和光合磷酸化，在跨膜质子动力势的推动下催化合成ATP；

“印钞机”

ATP合酶：F1头部和F0基部组成

ATP合酶的组成：F1因子：水溶性球蛋白复合体，突出于基质内，由9个亚基（α3β3γδε）组成。3α、3β组成“橘瓣”结构，结合在一起才表现出酶活性；其中β亚基可以催化ATP合成/水解。γ、ε亚基形成“转子（rotor）” 。F0因子 ： 嵌在内膜上，形成一个跨膜质子通道；亚基形成环形结构；a、b、δ亚基组成“定子（stator）”。

2、ATP合酶的作用机制

化学渗透假说（chemiosmotic coupling hypothesis）

化学渗透假说的基本要点：

在电子传递过程中，所释放的能量将H＋从线粒体内膜基质泵至膜间隙。由于内膜对H＋是不通透的， 从而使膜间隙的H＋浓度高于基质，在内膜两侧形成质子动力势；该动力势驱动H＋穿过内膜的ATP合成酶流回基质，其能量促使ADP→ATP

ATP酶的作用机制——结合变构机制

F1上3个β亚基与核苷酸结合有三种构象（P141）

空置状态 （O态） 松弛结合态（L态） 紧密结合态（T态）

γ亚基在α3β3形成的圆筒中单向转动，使得3个β亚基轮流在O态、L态和T态三种状态之间转换，完成空位、ADP结合和ATP合成过程。

四、线粒体与疾病（P142）

克山病，是一种心肌线粒体病，因缺硒导致心肌线粒体膨胀、结构破坏。

已知的有100多种，都是mtDNA异常（突变、缺失、重排）引起的遗传疾病，表现为电子传递酶系和氧化磷酸化酶系的异常。

线粒体与细胞衰老和细胞凋亡有关：机体95％ 的氧自由基来自于线粒体。另外，通过释放成熟的细胞色素c参与细胞凋亡。

自由基和衰老

DNA的改变可导致产生错误的遗传信息并促使渐进的细胞退化（deterioration）。

自由基：原子或者分子的外层轨道上只有单个未配对电子时，倾向于极不稳定，这种原子或者分子成为自由基。

H2O→HO＋H

自由基成因：共价键断裂；原子和分子在氧化还原反应中接受转移的单个电子。

1969年，超氧化物岐化酶（SOD）的发现

O2?－＋O2?－＋2H＋→H2O2＋O2长寿？ 产生更少的自由基；

或者更强的破坏自由基的能力； 或者修复自由基造成的损伤。

果蝇实验：小鼠节食实验：

抗氧化物：谷光甘肽、VE，VC，β胡萝卜素，苯叔丁硝酸盐（PBN）

第二节 叶绿体和光合作用

概念：质体——植物特有的细胞器；

包括叶绿体、有色体和白色体三类；

叶绿体是植物细胞特有的能量转换细胞器，主要功能是进行光合作用。

光合作用是地球上一切生命活动的初级能源。

一、叶绿体的形态结构 p144

（一）形状、大小和数目

凸透镜形、香蕉形，宽2～4、长5～10微米

叶肉细胞一般含有数十到数百个叶绿体，占细胞质体积的40％～90％。

（二）叶绿体的结构和化学组成

叶绿体由三部分组成：

叶绿体膜（被膜）（chloroplast membrane）

类囊体（thylakoid）

基质

1、叶绿体膜（chloroplast membrane）

由外膜和内膜双层单位膜组成；中间形成膜间隙（20nm）；

主要成分为蛋白质和脂类；

外膜通透性大，很多化合物可透过（MW<104），而内膜的选择性强（水、氧、CO2），许多物质需要通过转运体的协助才能通过。

2、类囊体（thylakoid）（P145）

①类囊体的结构

在基质中，有许多由单位膜封闭而成的扁平小囊，称为类囊体（ thylakoid ）；多个类囊体叠置成垛，称为基粒（grana）；

一个叶绿体一般含有40~60个基粒，一个基粒约由5～30个类囊体组成;所有的类囊体彼此相通——大大增加膜片层的面积，更有效地捕获光能。

②类囊体的化学组成

含极少的磷脂和较高的半乳糖糖脂，脂肪酸以亚麻酸为主，因而富于流动性。

3、叶绿体基质

主要成分为：

ctDNA：裸露环形双链，每个叶绿体含有20~60个DNA拷贝；

ct核糖体：与原核细胞的类似，70 S；

RuBP颗粒：核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶，是暗反应固定CO2第一步反应的关键酶。由8个大亚基和8个小亚基组成。大亚基由叶绿体基因组编码，小亚基由核基因组编码。

其他组分：淀粉粒、RNA、脂滴、植物铁蛋白等。

二、叶绿体的主要功能——光合作用

原初反应 光反应——电子传递和光合磷酸化

暗反应——碳同化

（一）原初反应（primary reaction）

光能被捕光色素分子吸收，传递至反应中心并发生最初的光化学反应，是将光能转化为电能的过程。

反应中心由三部分组成：中心色素分子Chl；原初电子供体D； 原初电子受体A

PS Ⅱ 的中心色素为P680，最大吸收峰为680nm，PSⅠ的中心色素为P700，吸收峰为700nm。

反应过程如图6－14所示 ，通过原初反应，原初电子供体D不断被氧化为D＋，而原初电子受体A不断被还原为A—

（二）电子传递和光合磷酸化

1、光合电子传递：

光合电子传递链由一系列电子载体构成，包括细胞色素、黄素蛋白、醌和铁氧还蛋白等，构成PSⅠ、PSⅡ和细胞色素b6f复合物。

光系统（PS）：光合作用中光吸收的功能单位，是由色素、脂类、蛋白质组成的复合物。

①电子在光合系统Ⅱ中的传递（P150）

PS Ⅱ的反应中心经过光子激发，产生强氧化剂P680＋，P680＋从水中再夺取电子被还原为P680。H＋被释放到类囊体腔中，放出O2。

电子→原初电子受体Ph－ →质体醌QA →质体醌QB → PQH2 （QB2-＋2H＋）解离 → Cytbf （H＋释放到类囊体腔） → 质体蓝素（PC） → P700＋ (PSⅠ)

②电子在光合系统Ⅰ中的传递（P151）

P700 → A0 → A1 → FeS(铁硫蛋白) → Fd（铁氧还蛋白） → NADPH（NADP-＋H＋+2e-）

综合①②两个光合系统将一对电子从H2O传递给NADP＋

2、光合磷酸化（photophosphorylation）

电子传递和磷酸化相偶联生成ATP的过程称为光合磷酸化。

1 CF0-CF1ATP合酶

位于类囊体膜外表面。由CF0、CF1部分组成。与线粒体ATP合酶结构类似，但是需要SH化合物和Mg2＋

②光合磷酸化的类型：

按照电子传递方式，分为非循环式和循环式两种类型。

A、非循环式光合磷酸化

电子单向传递，经过PSⅠ、PSⅡ，产物有ATP和NADPH。

B、循环式光合磷酸化

电子的传递是一个闭合回路，由PSⅠ单独完成，产物仅有ATP，不产生NADPH和O2。

③光合磷酸化的作用机制

质子来源：

A、PQ既是电子载体，又是质子载体，每循环一次，将两个H＋从基质转入类囊体膜内侧；

B、H2O的光解产生H＋也留在膜内侧；膜两侧的H＋电动势差，推动CF1-CF0ATP合酶，合成ATP。

补：氧化磷酸化和光合磷酸化的比较

（三）光合碳同化

将光反应产生的ATP和NADPH中的活跃化学能贮存为糖类中稳定的化学能——碳同化

三条途径：卡尔文循环* （C3途径）； C4循环；景天科酸代谢途径（CAM）

卡尔文循环（Calvin cycle）

1、卡尔文循环

最初产物为三碳化合物（甘油酸-3-磷酸），因此又称C3循环；该类植物也被称为C3植物；

该反应的酶系都在叶绿体基质中，无需光照，因此也被称为暗反应；

包括3阶段：羧化、还原、RuBP再生。每循环一次，固定一个CO2 。

①CO2的羧化： RuBP 作为CO2的受体（ CO2被固定形成羧基），然后裂解成2分子的甘油酸-3-磷酸（PGA）；

②还原阶段：PGA被还原为甘油醛-3-磷酸，光合作用合成的ATP和NADPH在此阶段被利用；

③ RuBP的再生（更新阶段）：甘油醛-3-磷酸经过一系列的转变，再生成RuBP。

2、C4途径

独特的CO2固定途径，存在于甘蔗、玉米、高梁等热带、亚热带草本植物——C4植物；

固定的初产物为四碳化合物（草酰乙酸），发生于叶肉细胞中，固定产物最终运输到维管束鞘细胞，将高浓度的CO2传递给卡尔文循环；固定效率高，快速，高产

3、景天酸代谢（CAM）

景天科植物中发现；夜间吸入CO2，固定为草酰乙酸，进一步还原为苹果酸，白天CO2从苹果酸中释放出来，参与卡尔文循环。与C4途径类似， CO2 要固定两次，但有机酸产物有明显的日夜变化特征，无需两种类型的细胞协同工作。

第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器

一、线粒体和叶绿体的半自主性

1、自主性 (P156)

1）二者都有自己的遗传系统：

线粒体和叶绿体中都含有DNA、RNA（mRNA、tRNA、rRNA）；

线粒体基因组能编码合成20种蛋白；叶绿体可以合成60多种蛋白质；

2）二者都有自己的蛋白质合成系统：

线粒体和叶绿体都有自己的核糖体（70S型），合成自身的一部分蛋白质。

2、依赖性：

线粒体和叶绿体所需要的绝大多数蛋白质是由细胞核基因编码的，在细胞质核糖体上合成，再转运到线粒体和叶绿体中。

细胞核的功能是主要的，一方面提供了绝大部分遗传信息，另一方面具有关键的控制功能。

线粒体和叶绿体的自主程度的有限的，对核遗传有很大的依赖性，称为半自主性细胞器（semiautonomous organelle）。

二、线粒体和叶绿体的DNA

三、线粒体和叶绿体的蛋白质合成

由核基因编码、在细胞质合成的蛋白质，需要经过“后转移” （post－translation）

过程，运送到线粒体和叶绿体的功能部位；

1、蛋白质向线粒体的运送：

1）前导肽

线粒体前体蛋白质在运输以前，以未折叠的形式存在，N端有一段信号序列称为导肽或前导肽（leader sequence），完成转运后被信号肽酶（signal peptidase）切除，就成为成熟蛋白，这种现象就叫做“后转移”.

前导肽的特点：

①多位于肽链的N端，由20～80个氨基酸构成，含丰富的带正电荷的碱性氨基酸残基；

②可形成两性α螺旋，带正电荷、不带电荷的氨基酸残基分别位于螺旋的两侧；

③对所牵引的蛋白质没有特异性要求。

线粒体内外膜的接触点

2)蛋白质的运送

①前体蛋白（连有导肽），首先被mt表面的受体识别，在GIP蛋白的参与下，从内外膜的接触点通过内膜。

②线粒体基质中的Hsp70与导肽交联，防止多肽链退缩，并且更多的Hsp70结合到肽链上，在紧缩→松弛两种构象间变换，将多肽分子拖入线粒体内。

③导肽被基质中的MPP和PEP水解，前体蛋白折叠成为成熟的蛋白分子。

④导肽上携带的信息不同，决定了蛋白质在线粒体内存在于基质中还是膜上。

2、蛋白质向叶绿体的运送(P160)

过程同线粒体蛋白质的运送类；都具有“后转移”过程；都依赖接触点（contact site）；

都需要能量；前体蛋白N端都有引导序列——转运肽，使用后被信号肽酶切除。

转运肽：N端含有的额外的氨基酸序列，称为转运肽（transit peptides/sequences）

蛋白质前体在转运肽的牵引下进入叶绿体，经过酶切除去转运肽，成为成熟的蛋白质。

定位于类囊体膜的蛋白，C端含有跨膜区域。

第四节 线粒体和叶绿体的增殖与起源

一、线粒体和叶绿体的增殖——分裂（略）

二、线粒体和叶绿体的起源

两种截然相反的观点：内共生起源学说和非共生起源学说。

（一）内共生起源学说

1、主要内容：真核细胞的祖先吞噬了一种原始的好氧革兰氏阴性菌和营光合作用原始蓝藻，又未能将其消化，久而久之形成了彼此共生的关系。真核细胞为它们提供营养，细菌和蓝藻为细胞提供能量和合成营养物质。

在进化过程中，这些细菌和蓝藻逐渐丢失了原有的一些特征，关闭、丢失、向核内转移了一些基因，逐渐演变为现在的线粒体和叶绿体。

2、 主要论据：

1）线粒体、叶绿体与细菌的相似之处；

2）线粒体、叶绿体的内膜结构、成分与外膜差异很大，而外膜与细胞的内膜系统相似；

3）线粒体和叶绿体能在异源细胞内长期存活；

4）自然界尚存胞内共生现象，如蓝藻与真菌的共生，细菌和草履虫共生。

3、内共生学说遇到的问题：

1）线粒体和叶绿体中基因的内含子从何而来？

2）线粒体的遗传密码中，有三种密码子既不同于真核细胞，也不同于原核细胞，如何解释？（如，UGA一般是终止信号，在线粒体中却代表色氨酸）

（二）非共生起源说

要点：真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好氧细菌，通过细胞膜的内陷、扩张和分化，形成了线粒体和叶绿体的雏形。最初基因组的复制并未伴随细胞的分裂，基因组被包含到内陷的质膜中，形成了原始的线粒体、叶绿体和细胞核。

在进化过程中，mt和ct丢失了一部分基因，而细胞核的基因组则有了高度的发展。

质体发展了光合作用，线粒体演变为专具呼吸功能的细胞器。

第七章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输

第一节 细胞质基质的涵义和功能

一、细胞质基质的涵义

概念：经典细胞学：

光镜下，细胞除去可见的细胞器和内含颗粒的透明部分——细胞液

细胞生物学：

1、电镜下，除去可见的细胞器及亚微结构以外的细胞质部分——细胞质基质；

2、分级离心后，除去所有的细胞器和颗粒剩下的清液部分——胞质溶胶

过去存在争议:有人认为细胞骨架不属于细胞质基质，是细胞器；

有人认为细胞骨架是细胞质基质的主要结构体系，是其他成分锚定的骨架，经常处于装配和解聚的动态平衡中，解聚的亚单位仍保持在液相中。

1、细胞质基质的成分： (p171)（图7－2）

2、细胞质基质是高度有序的体系(p172)

细胞质骨架纤维贯穿于蛋白质胶体中；

蛋白质与骨架直（间）接结合，或与生物膜结合，完成特定的生物学功能；

功能相关的酶通过弱键结合在一起形成多酶复合物，定位在特定部位，催化一系列反应；

大分子之间通过弱键相互作用，并处于动态平衡之中。

二、细胞质基质的功能

1、中间代谢

2、蛋白质分选

3、细胞骨架

4、蛋白质修饰、修复、降解。

第二节 细胞内膜系统及其功能

内膜：细胞质内的膜相结构，区分于质膜（细胞质膜）。

内膜系统：细胞内结构、功能、发生上相互联系，由膜包被的细胞器或者细胞结构。

内膜系统（endomembrane system）：包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡。

它们的膜是相互流动的，处于动态平衡之中；功能上也相互协同。内膜系统的共同结构特点：

都是单位膜结构；仅存在于真核细胞中；处于动态平衡中，膜之间有转化现象。

内膜系统和质膜的结构区别：

单位膜的层次不如质膜明显；厚度稍薄，6~7nm；膜上的抗原不同。

一、 内质网 ER概述(P175)

K. R. Porter(1945)发现于培养的小鼠成纤维细胞，是位于细胞质内质部分的网状结构，故名内质网。

ER是由封闭的膜系统及其围成的腔形成的互相沟通的网状结构。

存在于真核细胞中，占细胞膜系统总面积的一半左右。

（一）内质网的两种基本类型——

糙面内质网和光面内质网

1、糙面内质网（rER）(P176)

排列整齐的扁囊状结构，表面分布大量的核糖体。可视为内质网和核糖体的复合体。

rER的主要功能(P178)

合成分泌性的蛋白和多种膜蛋白。在分泌细胞和浆细胞中非常发达。

易位子结构（translocon）——位于rER膜上的蛋白复合物，是新合成的多肽进入内质网的通道。

2、光面内质网（sER）(P177)

表面无核糖体，常为分支管状，形成复杂的立体结构；

sER的主要功能：

①脂类合成的主要场所；

②作为出芽的位点，将内质网合成的蛋白质和脂类转移到高尔基体中。

3、rER和sER的结构关系

rER包含20余种与sER不同的蛋白；

两者都是内质网的不同区域，并不混合；

4、ER与质膜、核膜的联系

有时质膜向内折叠并与ER相连接，二者相通——ER从质膜起源；

rER常与外层核膜相连，ER腔和核周隙沟通，外核膜上也常附有核糖体颗粒——ER膜与核膜的同源性。

5、两个概念：

微粒体（microsome）：（P176）实验过程中破碎的ER自我融合形成的近似球形的膜泡结构，包含内质网膜和核糖体组分。具有ER的某些基本功能。

肌质网（sarcoplasmic reticulum）

心肌、骨骼肌细胞中特殊的ER，内贮存高浓度的Ca2+，受到神经冲动刺激后释放Ca2+，参与肌肉收缩功能。

6、核糖体循环

7、ER和高尔基体、线粒体关系

sER与高尔基体关系密切；

rER与线粒体紧密联系：能量、细胞凋亡。

8、外界因素对ER的作用（P178）

ER对饥饿、缺氧、辐射、化学毒物、病毒非常敏感，往往表现出囊泡化，网腔扩大、形成空泡，核糖体脱落，蛋白合成受阻。

（二）ER的功能——合成蛋白质和脂质的基地

1、蛋白质的合成（P178）

所有蛋白质的合成都起始于细胞质基质；

以下蛋白质在合成开始不久后便转到ER上继续合成：

① 向细胞外分泌的蛋白，如抗体、激素、细胞外基质成分等；

② 膜整合蛋白，运到质膜或者其他内膜系统；

③ 内膜系统细胞器中可溶性驻留蛋白，如溶酶体中的水解酶；

④ 需要进行修饰的蛋白，如糖蛋白。

2、脂质的合成（P178）

合成几乎全部的膜脂（磷脂、胆固醇）；

合成磷脂的部位在ER膜的细胞质基质一侧，一旦合成，很快在转位酶的作用下转向ER腔面；

合成的磷脂向其他膜转运的方式：

①出芽→高尔基体、溶酶体、细胞膜上

②借助PEP → 线粒体、过氧化物酶体上

3、蛋白质的修饰与加工

修饰和加工包括：“三化”、二硫键的形成；

其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终都被糖基化。

N—连接的糖基化

4、新生肽的折叠与装配 蛋白二硫键异构酶

结合蛋白（binding protein，Bip）

5、ER的其他功能（P181）

肝细胞中光面内质网的解毒功能；

参与胆固醇和固醇类激素的合成；

肌细胞中特化的光面内质网——肌质网；

储存Ca2+，作为细胞内信号物质；

提供酶附着的位点和机械支撑作用。

内质网-细胞核信号转导途径。

二、 高尔基体的形态结构和功能Golgi complex

概 述Camillo Golgi（意大利，1898 ）在猫头鹰的神经细胞中发现一种网状结构，上世纪50年代才确认其存在和结构，命名为高尔基体。

高尔基体（Golgi body）、高尔基器（ Golgi apparatus），高尔基复合体（ Golgi complex）。

存在于真核细胞中

（一）高尔基体的形态结构、极性（P182）

由一些排列较为整齐的、堆叠的扁平膜囊和周围大小囊泡组成。具有极性，具有恒定的位置和方向，物质运输也具有方向性；分泌旺盛的细胞中含量高。（P183）

靠近细胞核的膜囊凸面，称形成面（forming face）或顺面（cis face）；

面朝细胞膜的凹面，称成熟面（mature face）或反面（trans face）。

高尔基体内的功能区隔

3 面管网（cis Golgi network）②中间膜囊（medial Golgi）

③反面膜囊（trans Golgi） ④反面管网（trans Golgi network ）

1、顺面膜囊（cis Golgi）

分布：高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊，又称顺面网状结构（cis Golgi network，CGN）。

功能：接受来自内质网新合成的物质，分类后大部分转入高尔基体的中间膜囊，少部分蛋白质（具有KDEL/HDEL序列）返回并驻留于ER。

2、中间膜囊（medial Golgi）

分布：中部由扁平膜囊和管道组成，功能连续完整的膜囊系统；

功能：表面积大，进行糖基化修饰、糖脂的形成、有关多糖的合成。

3、反面膜囊（trans Golgi）和反面管网结构（TGN）

分布：TGN位于反面的最外层，与反面膜囊相连，外侧伸入细胞质中，管网状，并有囊泡与之相连；

功能：参与蛋白质的分类、包装和转运，最后从高尔基体输出，形态不断变化。

高尔基体周围的囊泡：

顺面一侧的为ER和高尔基体之间的物质运输小泡，称为ERGIC或VTCs；

反面一侧的为分泌泡和分泌颗粒，将分类和包装的物质运输到细胞特定部位。

（二）高尔基体的功能——交通枢纽(P186)

将内质网合成的多种蛋白质(分泌性蛋白、细胞膜蛋白、溶酶体酸性水解酶、胶原纤维等)进行加工、分类和包装，然后分别运送到细胞特定的部位或者细胞外。

内质网合成的部分脂类也需要经过高尔基体运送到细胞膜和溶酶体膜。

1、高尔基体与细胞的分泌活动

分泌蛋白、膜蛋白、溶酶体中的酸性水解酶、胶原纤维等细胞外基质，都在高尔基体内完成定向转运。

例如：溶酶体酶在高尔基体中的分选：带有6－磷酸甘露糖（M6P）标志。

蛋白质在高尔基内的分选转运信息存在于蛋白质氨基酸序列本身。

2、蛋白质的糖基化及其修饰（P187）

rER合成的蛋白质在ER和高尔基体中发生糖基化，并且在从rER向高尔基体转运的过程中，发生一系列的修饰和加工。

糖基化的意义（P187）：

①为各种蛋白质加上不同的标志，以利于高尔基体的分类和包装；

②影响多肽的构象；

③增强构象的稳定性；

④影响蛋白质的水溶性和电荷；

糖基化的方式（P188）

N－连接：连接到天冬酰胺的酰胺N原子上

O－连接：连接到丝氨酸、苏氨酸或胶原纤维的羟脯氨酸、羟赖氨酸上糖的供体——核苷酸单糖；

表7－2 N－连接和O－连接的比较

3、蛋白质的水解和其他加工过程（P190）

切除蛋白原N端或两端的序列（如胰岛素、胰高血糖素）；

将前体切割成多段同种有活性的多肽（某些神经肽）；

相同的前体经过不同的加工可以形成不同的多肽，增加了细胞信号分子的多样性。

4、在细胞分泌中起主要作用：

消化道分泌物、呼吸道分泌物、皮脂腺、汗腺

5、是酶原粒和初级溶酶体的发源地：

酶原：无活性的蛋白酶前体，如胃蛋白酶原、胰蛋白酶原

加工包装 细胞外排

高尔基体 → 酶原粒 → 胰管 →胰蛋白酶

6、在植物细胞中参与分裂末期多糖的合成；

7、细胞中“膜流”的调控枢纽：“膜流” membrane flow

维持质膜及内膜系统动态平衡的循环途径。

三、溶酶体的形态与功能 溶酶体（lysosome）

（一）溶酶体的形态结构和类型

1、形态结构

单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器；

主要功能——细胞内消化。 标志酶——酸性水解酶。

几乎存在于所有动物细胞中（植物中同等功能的细胞器为圆球体、中央液泡）；

异质性（heterogenous）

2、分类：

按照完成生理功能的阶段分为：

初级溶酶体(primary lysosome)；次级溶酶体(secondary lysosome)；残余体（residual body）

（1）初级溶酶体（primary lysosome）

刚刚形成的溶酶体，不含底物；

圆球形，内容物均一，有多种酸性水解酶（蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酸酶等50余种酸性水解酶），反应最适pH值5。

膜上嵌有H＋泵，将H＋泵入溶酶体内，维持酸性内环境；

膜脂中胆固醇含量高，促进膜的稳定性。

膜上具有多种转运蛋白用于水解产物的转运；膜蛋白高度糖基化，有利于防止自身被降解。

酶结构相似，可能有共同起源。

（2）次级溶酶体（secondary lysosome）

含有水解酶和底物，是将要、正在进行消化作用的溶酶体。形状不规则，可能包含多种生物大分子、细胞器、细菌等，成分非常复杂。

分类：

自噬溶酶体（autophagolysosome）：与自噬泡形成的复合体

异噬溶酶体（phagolysosome）： 与异噬泡、胞饮泡、吞噬泡形成的复合体

（3）残余体（residual body）

未被消化的物质残留在溶酶体中，又称为溶酶后体；残余体内的物质最终以胞吐的方式排出细胞。

(二)溶酶体的功能（P193）

1） “清道夫” ——清除无用的生物大分子、衰老的细胞器、衰老死亡的细胞

降解不再需要的酶或某些代谢产物；清除衰老的细胞器和生物大分子.

2）防御功能

颗粒白细胞和巨噬细胞可以吞噬抗原－抗体复合物、细菌和病毒，在溶酶体中将其杀死。

3）细胞内消化;

参与分泌过程的调节;清除凋亡细胞;精子的顶体（acrosome）,类似于溶酶体，实现受精过程。

（三）溶酶体的发生（P195）

各种溶酶体酶在rER上合成

N－连接的糖基化修饰转运到高尔基体。甘露糖残基磷酸化为6—磷酸甘露糖（M6p），浓缩，出芽方式转运到溶酶体中、

TGN将溶酶体酶转运到前溶酶体（prelysosome），其膜上的H＋泵，使内部呈酸性环境，引起M6P去磷酸化，与受体分离，M6P受体穿梭于高尔基体和溶酶体之间，重复使用。

5、溶酶体和疾病

1） 矽肺：二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬细胞吞噬，不能被消化，颗粒表面形成硅酸，导致吞噬细胞溶酶体破裂，水解酶释放，细胞崩解，矽尘释出。释放的矽尘又被其他巨噬细内吞噬，如此反复进行。激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化，呼吸功能下降。

2） 肺结核：结核杆菌不产生内、外毒素, 也无荚膜和侵袭性酶。但是菌体成分硫酸脑苷脂能抵抗溶酶体的杀伤作用,使结核杆菌在肺泡内大量生长繁殖, 导致巨噬细胞裂解,释放出的结核杆菌再被吞噬而重复上述过程，引起肺组织钙化和纤维化。

3）台—萨氏病（Tay Sachs）（P194）

病人溶酶体中天生缺乏β-氨基己糖酯酶A，不能分解神经细胞中的神经节苷脂（GM2），导致GM2在脑细胞内的积累，造成精神呆滞和死亡。

4）类风湿性关节炎

5）肿瘤

四、过氧化物酶体（peroxisome）

概述（P197）Rhodin 1954发现于鼠肾小管上皮细胞。

异质性。又称微体（microbody）；

普遍存在于真核生物的各类细胞中，在肝脏和肾脏细胞中数量较多。

特点：含过氧化氢酶（标志酶）和一至多种依赖黄素（FAD）的氧化酶；

氧化酶：将底物氧化，并生成H2O2。

过氧化氢酶:将H2O2氧化为水和氧气。

二者偶联，保护细胞。

1、溶酶体与过氧化物酶体的比较（P198表7－3）

2、过氧化物酶体的功能：

1）在动物细胞中：氧化分解有毒成分； 可能分解脂肪酸等高能分子对细胞直接供热；

2）在植物细胞中： 催化光呼吸反应；在萌发的种子中——乙醛酸循环体。

3、过氧化物酶体的发生（P199）

过氧化物酶体分裂产生子代的过氧化物酶体；

（P199）过氧化物酶体蛋白分选信号（PTS）PTS1， PTS2

第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输

蛋白质的合成地点?蛋白质的命运?（P174）

定向转运（protein targeting）

又称分选（protein sorting），在细胞质基质核糖体上合成的蛋白质经过转运到达正确的部位并装配成具有结构和功能的复合体，参与细胞的生命活动。

1999年G.Blobel的关于信号序列控制蛋白质的转移和定位成果获得了诺贝尔医学和生理学奖。

一、信号假说与蛋白质分选信号 P200

蛋白运输途径中：①没有障碍： 细胞质基质→细胞质基质

②完全封闭膜障碍： 叶绿体、线粒体、溶酶体、内质网、高尔基体等

③有膜障碍，但具孔：细胞核

蛋白质分子上的信号序列决定运输方向：

①入核信号：指导核蛋白的运输；

②引导肽：引导叶绿体、线粒体、过氧化物酶体蛋白运输；

③信号肽：指导内膜系统的蛋白质运输。

1、指导分泌蛋白在rER上合成的因素（P200）

信号肽序列 决定因素 信号识别颗粒 信号识别颗粒受体

1）信号肽序列（signal sequence）

位于蛋白质N端，长16～26个氨基酸残基，包括疏水核心区、C端和N端三部分。

是决定该蛋白在rER上合成的决定因素。

2）信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）

是6种多肽和1个7S的RNA组成的复合物， MW＝325×103；既可与新生肽信号序列和核糖体结合，又能和停泊蛋白结合。

3）停泊蛋白（docking protein，DP）

MW＝72×103，存在于内质网上，特异地与信号识别颗粒结合。

2、分泌蛋白的合成过程（P201）

蛋白质的合成起始于细胞质基质中的游离核糖体上，当多肽链延伸到80个氨基酸残基时，N端的信号序列和SPR结合，延伸暂时停止；

SPR与内质网上的停泊蛋白（SPR受体）结合，核糖体与内质网膜上的易位子（translocon）结合。SPR脱离信号序列和核糖体，返回细胞质基质，肽链恢复延伸；

信号肽引导肽链以袢环的形式进入内质网腔。信号肽酶切除信号肽。肽链持续延伸直到完成。

这种边合成肽链边转移到内质网腔中的方式称为共转移（cotranslocation）。

3、蛋白质在膜上的位置决定

①有信号肽序列的肽链， 在rER上合成，无此序列的，注定在细胞质基质中合成；

②只有起始转移序列，没有停止转移序列的肽链，合成后的肽链进入内质网腔；

③肽链中部如果有一个停止转移序列，合成的肽链最终成为单次跨膜蛋白；

④如果有多个停止转移序列，合成的肽链最终成为多次跨膜蛋白。

蛋白质分子上的信号序列决定运输方向：

①入核信号：指导核蛋白的运输；

②引导肽：引导叶绿体、线粒体、过氧化物酶体蛋白运输；

③信号肽：指导内膜系统的蛋白质运输。

2、指导蛋白质进入线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的因素（P202）

这些细胞器内的大多数蛋白是合成好之后在导肽（前导肽）（lead peptide）的指导下进入细胞器内部，称为后转移（post translocation）。

二、蛋白质分选的基本途径和类型（P203）

蛋白质分选途径

①“三体”——跨膜转运

②ER、高尔基体、细胞膜（外）、溶酶体——膜泡运输

③细胞核——选择性门控

④细胞基质内——细胞骨架定向运输

1、蛋白质的跨膜转运（P203）

细胞质基质中合成的蛋白质转运到线粒体、质体（叶绿体）、过氧化物酶体，需要运输蛋白的帮助。

2、膜泡运输

蛋白质从ER→高尔基体→溶酶体、分泌泡、细胞质膜、细胞外。

3、选择性的门控转运

蛋白质在细胞质基质和核之间通过核孔复合物进行的选择性输入和输出。

4、细胞质基质中的蛋白质转运

依靠在细胞骨架上的定向运输。

三、膜泡运输（vesicular transport）（P205）

真核细胞特有的蛋白转运方式，各种蛋白通过转运泡，从高尔基体TGN区→细胞各部位；

（一）膜泡的形成

目前发现的三种不同类型的有被小泡：网格蛋白有被小泡，COPⅡ 有被小泡，COPⅠ 有被小泡

1、网格蛋白有被小泡

小泡从高尔基体被转运到溶酶体、胞内体、液泡或质膜，小泡的结构同内吞作用。

2、COPⅡ有被小泡

由内质网向高尔基体的物质运输；跨膜受体在内质网腔中捕获并浓缩转运物质，COPⅡ蛋白、Sar蛋白和内质网膜受体装配小泡，并出芽；

3、COPⅠ有被小泡（P207）

负责将逃逸蛋白（escaped proteins）返回内质网。

内质网内正常的驻留蛋白的C端都有一段

回收信号序列（retrieval signals ），如KDEL。转运泡一般将其排斥在外；如果有少数意外逃逸到高尔基体的CGN，会被CGN膜结合受体识别并形成COPⅠ小泡将其送回内质网。

凡是送往高尔基体的蛋白质，如果没有回收信号序列，则不会返回内质网。

（二）膜泡和靶膜的融合（P209）

特点：选择性融合。通过两类膜蛋白v-SNARE（膜泡上）和t-SNARE（靶膜上）互补作用，决定膜泡的锚定和融合。

源于内质网的膜泡只能与高尔基体CGN融合，不会与中间膜囊融合，而中间膜囊膜泡只能和TGN融合。

（三）蛋白质的分选

蛋白质在细胞内的去向决定于蛋白质本身携带的信号：某些信号可使其长期驻留在ER或者高尔基体中；另外一些信号可使蛋白质不断从一个间隔转移到另外一个间隔；

补充概念：分子伴侣（molecular chaperones）

细胞中的某些蛋白质分子，可以识别正在合成的、或者部分折叠的多肽，并与之相结合，帮助这些多肽的转运、折叠、装配。但不是最终功能结构的组分。

分子伴侣的特点：分布广泛：细菌、人、动植物，细胞质基质、细胞器中，是一类蛋白的总称——具有这种功能的蛋白都称为分子伴侣，结构可能完全不同；

作用机制复杂；

一定不是最终结构组分，不一定是可分离实体。

分子伴侣家族，家族成员具有高度保守性；家族成员结构上具有相似性；

组成型表达：大部分在体内组成型表达，但在一定刺激条件下会被进一步诱导。

具有可被底物激活的弱ATP酶活性。

分子伴侣的功能：

1、帮助蛋白质的折叠和装配

2、帮助蛋白质的转运和定位

3、参与细胞器结构的发生

4、应激反应

5、参与信号转导

第九章 细胞骨架cytoskeleton

细胞骨架（cytoskeleton）是指真核细胞中的蛋白纤维网架体系。

细胞核骨架；细胞质骨架；细胞膜骨架；细胞外基质

包括三类蛋白质纤丝——

微丝（microfilament，MF）；微管（microtubule，MT）； 中间丝（intemediate filament，IF）

成分：微丝、微管和中间丝均由单体蛋白以较弱的非共价键结合在一起，构成纤维型多聚体。

微丝多分布在细胞质膜的内侧，确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩。

微管主要分布在核周围，确定膜性细胞器的位置和作为膜泡运输的导轨。

中间丝分布在整个细胞中，使细胞具有张力和抗剪切力。

细胞骨架的特点：

1. 是动态结构，可以快速装配、去装配、再装配，是高速动态的组织；

2.功能复杂。支撑、定位、运动、运输等。

细胞骨架的功能：

支架：维持细胞的形态，如红细胞膜骨架；

细胞内框架：为各种细胞器提供附着位点；

运输轨道：运输膜泡、细胞器、染色体运动；

细胞运动动力：伪足、纤毛、鞭毛运动；

参与蛋白质翻译：锚定mRNA翻译复合体；

参与信号转导：

参与细胞分裂：核分裂和胞质分裂。

第一节 微丝与细胞运动 p265

微丝，又称肌动蛋白丝（actin filament），是指真核细胞中由肌动蛋白（actin）组成的骨架纤维，直径7nm。

一、微丝的组成及其组装266

（一）结构与成分——肌动蛋白（actin）

1、形状、分布：肌动蛋白单体呈哑铃形，由375个氨基酸残基组成，MW＝43×103，存在于所有真核细胞中。肌动蛋白是真核细胞中含量最丰富的蛋白质。

2、分类：序列高度保守，目前发现6种：

α肌动蛋白 横纹肌 心肌 血管平滑肌 肠道平滑肌

β肌动蛋白

γ肌动蛋白

（二）微丝的组装和动力学特征——G-actin形成F-actin（P267）

1、条件：ATP、Mg2+、高浓度的Na+、K+条件下， G-actin装配成F-actin 。

2、过程：三个阶段

成核 → 快速延长 → 稳定期

成核： G-actin形成短的寡聚体；

延长：新的G-actin加到微丝末端，使得微丝延伸；微丝具有极性， (+)极延长的速度要比(-)极快5～10倍。

稳定期： G-actin达到临界浓度，约0.1μM。

一定条件下，肌动蛋白在(+)端添加，而从(-)端缩短，表现出“踏车”现象。

3、装配的控制

有的微丝是永久性结构；有的微丝是动态结构，持续进行装配和解聚，参与细胞形态维持和运动。装配的调节因素：

①游离G-actin的浓度；

②微丝横向连接成束或者成网的程度；

③微丝结合蛋白的调节。

（三）影响微丝装配的特异性药物

①细胞松弛素B（P267）（cytochalasins B）

真菌分泌的生物碱，切断微丝，并结合于微丝的末端，阻止肌动蛋白亚基的进一步聚合。

活细胞加入细胞松弛素B后，肌动蛋白纤维消失，移动、吞噬、胞质分裂消失。

对微管、肌肉中的肌动蛋白丝无作用。

②鬼笔环肽（philloidin）

毒蕈产生的双环杆肽，是剧毒的生物碱，与微丝（F肌动蛋白）有强亲和力，抑制解聚。

带有荧光标记的鬼笔环肽可以在荧光显微镜下显示细胞中的微丝。

二、微丝网络动态结构的调节与细胞运动

微丝结合蛋白（miceofilament-associated protein）参与形成微丝纤维高级结构，执行不同的功能。

种类繁多，目前已经分离出100多种。

非肌肉细胞中的微丝结合蛋白

肌肉收缩系统中的微丝结合蛋白

（一）非肌肉细胞中的微丝结合蛋白（P268）

种类繁多；

功能：涉及微丝的装配和功能。

（二）细胞皮层cell cortex

概念：P270紧贴质膜的细胞质区域，微丝交联形成的凝胶状三维网络结构。与质膜流动、质膜强度韧性、细胞运动有关。

细胞运动：胞质环流运动（cyclosis）

轮藻和丽藻中典型；

流动的内质和静止的外质界面上，成束的微丝平行排列，控制细胞质流动的方向和动力。

细胞运动：阿米巴运动（amoiboid movement）

变形虫、中性白细胞、巨噬细胞的移动方式，由微丝调控；

细胞前端伸出伪足，后端向内收缩，胞内原生质也随之向前流动，细胞质在凝胶和溶胶（gel & sol）之间转变。

（三）应力纤维 （略）

（四） 细胞伪足的形成和迁移运动

细胞伸出片状伪足——肌动蛋白成核、组装、分支，推动质膜伸出

SEM显示的细胞片状伪足和丝状伪足

（五）微绒毛（microvilli）

微丝束平行排列，无收缩功能。

（六）胞质分裂环

内吞、外排膜泡形状的变化；

细胞分裂末期细胞中部的缢缩——胞质分裂环；是非肌肉系统中具有收缩功能的微丝束的代表。

三、肌球蛋白

分子马达：分子发动机P274 驱动蛋白、动力蛋白、肌球蛋白

微管结合 微丝结合

肌球蛋白：是ATPase，将化学能（ATP）转变为机械能，沿微丝轨道运动；15种。

分类：目前发现的有15种，研究较多的为Ⅰ、Ⅱ、V型；

Ⅱ型——参与肌丝滑动；Ⅰ、V——参与膜和骨架之间的作用，如膜泡运输等

（一）Ⅱ型肌球蛋白（传统的肌球蛋白）（conventional myosin）

结构：由2个重链和4个轻链组成，包含3个结构域：

头部结构域：最保守，含有与肌动蛋白和ATP结合的位点，负责产生力；α螺旋颈区：通过钙调素（或类似）来调节头部的活性；尾部结构域：决定尾部的结合对象。

（二）非传统类型的肌球蛋白

I型、V型等肌球蛋白自学，略

四、肌细胞的收缩运动

（一）肌纤维的结构（P276）

肌肉→ 肌纤维束 → 肌纤维（肌细胞） →肌原纤维

肌原纤维（myofibrils）是骨骼肌的收缩单位。

肌原纤维由粗肌丝和细肌丝装配而成；

粗肌丝——肌球蛋白

细肌丝——肌动蛋白（辅以原肌球蛋白和肌钙蛋白）

原肌球蛋白（tropomyosin，Tm）

形态、分布：由两条平行的多肽链形成α螺旋构型，位于肌动蛋白螺旋沟内，跨度为7个肌动蛋白。

功能：调节肌动蛋白和肌球蛋白头部的结合。

肌钙蛋白（troponin，Tn）含3个亚基：

肌钙蛋白C（Tn－C）：与Ca2+结合

肌钙蛋白T（Tn－T）：与原肌球蛋白结合

肌钙蛋白 I（Tn－I）：抑制肌球蛋白ATPase活性

神经冲动使肌膜去极化，经T小管传至肌质网

↓

肌质网去极化后释放Ca2+到肌浆中

↓

Ca2+与肌钙蛋白结合解除原肌球蛋白的抑制作用

↓

肌动蛋白丝与肌球蛋白丝相对滑动

↓

神经冲动停止，肌质网回收Ca2+ ，收缩停止

肌动蛋白丝与肌球蛋白丝相对滑动。

①肌球蛋白结合ATP，引起头部与肌动蛋白纤维分离；

②ATP水解，引起头部与肌动蛋白弱结合；

③Pi释放，头部与肌动蛋白强结合，头部向M线方向弯曲，引起细肌丝向M线移动；

④ADP释放，ATP结合上去，头部与肌动蛋白纤维分离。

如此循环

第二节 微管及其功能

微管（microtubule,MT）P280：由微管蛋白（tubulin）装配成的长管状结构，外径24nm，内径15nm。存在于一切真核生物中。

一、MT的结构组成、极性

1、结构组成

微管装配的单位——α、β形成的异二聚体；

α、β微管蛋白亚基分子在进化上极为稳定,并且二者有一定同源性；

微管壁由13根原纤维排列构成；可以装配成单管、二联管、三联管。

单管：在低温、Ca2＋和秋水仙素作用下容易解聚；

双联管：构成纤毛和鞭毛，对低温、Ca2＋和秋水仙素稳定；

三联管：见于中心粒和基体，对低温、Ca2＋和秋水仙素稳定；

2、微管的极性

微管蛋白的添加和释放主要发生在（＋）极，（—）极生长速度慢。

(+)极的最外端是β球蛋白，(-)极的最外端是α球蛋白。

二、微管的组装和去组装

（一）微管的体外装配和踏车行为

α、β

↓

αβ二聚体

↓

原纤维

↓

13根原纤维片层

↓

合拢成管状

↓

新二聚体添加到末端

微管也具有踏车行为（tread milling）

体外微管装配条件

（1）微管蛋白浓度：>约1mg/ml；

（2）pH＝6.9；

（3）离子：需要Mg2+，Ca2+除去；

（4）温度：高于20℃装配，0℃解聚；

（5）GTP

体内微管装配动态

大多数微管处于动态组装和去组装状态，

间期：微管 微管蛋白亚单位

分裂期：微管 纺锤体

细胞中某些微管结构非常稳定，如纤毛、鞭毛；

（二）作用于微管的特异性药物（P284）

秋水仙素（colchicine）——生物碱，能与未聚合的微管二聚体结合，一旦加到微管的末端，就阻止其它微管蛋白的组装。

低浓度——阻断细胞于中期； 高浓度——所有的微管解聚。

紫杉醇（taxol）——阻止去组装，从而促进微管的装配和稳定，不会解聚。

三、微管组织中心（MTOC）(P285)

具有起始微管组装和延伸的细胞结构。动物的MTOC是中心体(centrosome)和基体（basal body）

MTOC的主要功能是帮助微管装配过程中的成核反应，微管从MTOC开始生长； MTOC提供了微管的起点和方向性。

基体是鞭毛和纤毛的MTOC；

植物细胞没有MTOC。

中心体——动物细胞中主要的微管组织中心，由一对中心粒组成；

基粒——位于鞭（纤）毛根部的微管组织中心结构。

中心粒和基粒均为微管性结构，由9组三联体微管组成，二者同源；

可以自我复制，基粒中含有DNA，可以编码自身蛋白。

四、微管的功能

1、维持细胞形态

（1）维持细胞不对称形状；如：秋水仙素处理使细胞变圆；

（2）细胞突起部分的形成和维持，如纤毛、鞭毛、轴突等。

2、维持细胞结构

秋水仙素处理细胞后，内质网缩回细胞核周围、高尔基体分散成膜泡样结构、突起停止生长等。

3、细胞内运输——作为运输轨道（P290下）

物质从合成部位 → 功能部位；

以神经元轴突运输和鱼色素细胞中色素颗粒运输为例。

（1）神经元轴突运输

微管可以作为高尔基和其他小泡和颗粒运输的轨道，速度2微米/秒；

双向性；2种引擎蛋白—— 驱动蛋白（向＋极运输）、 胞质动力蛋白（向—极运输）；

（2）色素颗粒的运输

通过色素颗粒在色素细胞中的运输改变分布，从而改变体色，适应环境

3、鞭毛、纤毛运动(P296）

鞭毛（flagellae）和纤毛（cilia）是具有运动功能的细胞表面特化结构；都具有“9＋2”排列的微管束结构。

4、纺锤体和染色体运动（P299）

纺锤体微管的来源：分裂期胞质微管网架崩解，微管蛋白重新组装；

纺锤体微管的组成：

①动粒微管——连接动粒和两极；

②极性微管——两极发出，在中部交错；

③星体微管——构成星体

染色体运动的分子机制：

第三节 中间丝

中间丝（intermediate filament，IF）:直径10nm左右，直径介于微丝和微管之间；

IF是最稳定的细胞骨架成分，主要起支撑作用；

IF在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结。

一、IF的类型和组成成分：

分为6类:具有组织特异性，不同类型细胞含有不同IF。

通常一种细胞含有一种中间纤维，少数含有2种以上。肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF。

二、IF的装配

①两个单体形成超螺旋二聚体（角蛋白为异二聚体）

②两个二聚体反向平行组装成四聚体；

③四聚体组成原纤维；

④8根原纤维组成中间纤维。

特点： IF无极性；无动态蛋白库；装配与温度和蛋白浓度无关；无需ATP、GTP或结合蛋白的辅助，不受秋水仙素、细胞松弛素B的干扰。在细胞分裂过程中也出现解聚和聚合，是磷酸化和去磷酸化的结果。

第十章 细胞核与染色体

细胞核（nuleus ）概述（P308）

1781年Trontana发现于鱼类细胞；1831年，Brown发现于植物。

细胞核大小：植物5~20μm，动物5～10μm。形状、数目不等。

细胞核的组成（P308上）

核被膜+染色质+核仁+核骨架+核体

第一节 核被膜与核孔复合体

nuclear envelope & nuclear pore complex

一、核被膜（nuclear envelop）

分布：位于间期细胞核的最外层，是细胞核与细胞质之间的界膜。

功能： 1、基因表达的时空隔离；

2、为遗传信息的保存、复制和转录提供特定的环境；

3、染色质和酶分子的支架和固着部位。

（一）结构组成（P309中）

双层核膜

核被膜 核孔复合体（核纤层）

1、双层核膜

两层平行的单位膜构成，两层膜间为相距20～40nm的空间，称为核周间隙或者核周池

①外核膜：通常附有核糖体颗粒，且常常与糙面内质网（rER）相连，使核周隙与内质网腔彼此相通。

②内核膜：表面光滑，无核糖体附着，但内表面附着有致密的核纤层和特有蛋白质成分【如核纤层蛋白B受体（LBR）】

2、核孔复合体（NPC）nuclear pore complex是间期细胞核表面普遍存在的结构；

转录功能越活跃的细胞，核孔复合体的数量越多。一般在3k～4k个。

（二）核被膜在细胞周期中的崩解和装配(P309)

分裂期：双层核膜崩解为单层膜泡，核孔复合体解体，核纤层去装配；

分裂末期：核被膜围绕染色质重新生成。

新核膜的成分来自于旧核膜；

核被膜的去装配、重建受细胞周期调控因子的调节，该过程可能通过对核纤层蛋白、核孔复合体蛋白磷酸化、去磷酸化修饰来实现。

二、核孔复合体

（一）NPC结构模型（P310）

NPC镶嵌于核孔上，直径略大于核孔；

横向结构：从外向内依次分为环－辐－栓三种结构亚单位；

纵向结构：从核外向核内依次分为胞质环－辐－核质环 三种结构亚单位。

a.胞质环（cytoplasmic ring）又称外环，环上有8条短纤维伸向胞质；

b.核质环（nuclear ring）又称内环，环上也有8根较长纤维（50－70nm）的纤维伸入核内，并在末端连接一个直径60nm的小环（8个颗粒组成）——核篮（nuclear basket）

c.辐（spoke）

核孔边缘伸向中心，8重对称结构。进一步分为三个结构域：

柱状亚单位——位于核孔边缘，连接内外环，支撑作用；

腔内亚单位——伸入核间腔；

环带亚单位——在柱状亚单位之内，靠近NPC中心。

d.栓（plug）又称中央栓、中央颗粒，位于核孔中央。与物质运输有关，又称transporter。

(二)NPC组分的研究（P312）

主要由蛋白质组成，约1000多个蛋白质分子，统一命名为核孔蛋白（nucleoporin ，Nup）；

其中以gp210和p62最具代表性。

（三）NPC的功能（P313）

——核质交换的双向选择性亲水通道

NPC可视为特殊的跨膜运输蛋白复合体

双功能：被动扩散和主动运输；

双向性：核→质；质→核

1、通过NPC的被动扩散

NPC作为亲水通道（有效直径9～10nm），离子、小分子、直径10nm以下的物质理论上都可自由通过；物质的扩散速度和分子大小成反比；

并非所有的小分子都能经过NPC运输，如有的蛋白的运输需要信号序列；有的被限制在细胞核或者细胞质内不能移动。

2、通过NPC的主动运输（P315）

主动运输的对象：（特点：双向性)

质→核：DNA聚合酶、RNA聚合酶、组蛋白、核糖体蛋白等；

核→质：RNA、核糖体亚单位等

主动运输特征：运输颗粒可以大于NPC直径； 运输需要信号识别、载体介导、耗能和表现出饱和动力学特征；

NPC怎样进行主动运输？（P315）

亲核蛋白（karyophilic protein）的转运机制

亲核蛋白都含有特殊的氨基酸序列——核定位序列（信号）（NLS），保证了蛋白质能通过NPC运输到核内。

核定位序列（nuclear localization sequence，NLS）（P256中）：又称核定位信号，是存在于亲核蛋白内的一段（几段）氨基酸序列，富含碱性氨基酸Arg、Lys、Pro等。可位于蛋白的不同部位，序列并不保守；亲核蛋白完成输入后，NLS不被切除；NLS只是亲核蛋白入核的必要条件之一，还存在多种综合调节因素。

c、 亲核蛋白的主动运输过程（运入核）（P317）：

Ⅰ 结合（binding）——亲核蛋白首先结合到NPC的胞质面，依赖NLS；

Ⅱ 亲核蛋白与importinα/importinβ形成转运复合物；

Ⅲ 转运复合物和NPC的胞质纤维结合；

Ⅳ NPC改变构象，转运复合体从胞质面被转到核质面；

Ⅴ 转运复合体与Ran-GTP结合，导致复合体解散，亲核蛋白释放；

Ⅵ 亚基和Ran-GTP返回胞质， Ran-GTP水解成Ran-GDP，并与inprotinβ解离， Ran-GDP返回核内，转换成Ran-GTP

d、RNA的主动运输（运出核）（P318）：

rRNA（RNA酶Ⅰ转录）以核糖核蛋白颗粒（RNP）的形式运出核；

5S rRNA、tRNA （RNA酶Ⅲ转录）的转运由蛋白质介导；

hnRNA （RNA酶Ⅱ转录）需要5’加帽、3’加多聚A尾、剪接，形成成熟的mRNA 运出核。

RNA的核输出都需要蛋白质的参与，这些蛋白质带有特殊的序列——核输出信号。

第二节 染 色 质chromatin

染色质的概念和化学组成（P318）

定义：间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构，是间期细胞遗传物质存在的形式。

染色质的化学组成

染色质DNA 组蛋白 非组蛋白 少量RNA

一、染色质是细胞生命活动的基础P319略

二、染色质DNA（P319）

（一）基因组

（二）染色质DNA

分类：

三、染色质蛋白质（P322）

组蛋白（histone）——与DNA非特异结合；

非组蛋白（nonhistone）——与DNA特异结合。

(一)组蛋白（histone）

1、组成：富含Arg和Lys等碱性氨基酸残基，带正电荷，可以与DNA紧密结合，对核苷酸通常无选择性。

2、分类：经过电泳分成5种组分—— H1、H2A、H2B、H3 和 H4；

分为两组：核小体组蛋白（ H2A、H2B、H3和 H4）；H1 组蛋白

核小体组蛋白：H2A、H2B、H3 、H4组装成核小体（nucleosome），进化上十分保守（H3、H4是已知最为保守的蛋白质）；

H1组蛋白变异较大，有种属、组织特异性。

功能：连接核小体。

（二）非组蛋白（nonhistone）（P323）

又称序列特异性DNA结合蛋白（sequence specific DNA binding proteins），是染色体上与特异DNA序列相结合的蛋白质；

1、非组蛋白的特性（P323）：

①多样性、异质性：占染色质蛋白的60～70％，不同组织细胞中种类、数量不同；

包括：参与核酸代谢修饰的酶、HMG蛋白、染色体支架蛋白、肌动蛋白、基因调控表达蛋白等。

②识别的DNA具有特异性：识别特异DNA序列、靠氢键、离子键结合于DNA大沟；

③功能多样：基因表达的调控和染色质高级结构的形成。

2、非组蛋白的结构模式：

模式一：α螺旋-转角-α螺旋（helix-turn-helix motif）

最简单最普遍；两个α螺旋组成一个β转角；羧基端的螺旋负责识别DNA序列

模式二：锌指模式；

模式三：亮氨酸拉链模式；

模式四：螺旋-环-螺旋模式；

模式五：HMG框结构模式（P264）。SRY

四、染色质的基本结构单位——核小体

核小体（necleosome）

染色质包装的基本结构单位，是由核心颗粒和连结线DNA组成的“串珠”状结构。

核小体的结构要点：P327

1、每个核小体单位包括：200bp左右的DNA； 1个组蛋白八聚体；1个组蛋白H1

2、组蛋白八聚体组成：2 H2A、2 H2B、2 H3、2 H4

构成核小体的核心，通过离子键和氢键和DNA结合。

3、146bp的DNA绕核心1.75圈；H1组蛋白锁住DNA进出端20bp。

4、相邻核小体之间以60bp左右的连接DNA（linker DNA）相连；随物种不同而变：0～80bp

5、核小体具有自装配性质（self-assemble）

组蛋白同DNA之间的结合与DNA序列无关。

6、（P328）核小体在DNA上的定位受到不同因素的影响，如非组蛋白的结合；碱基组成。

7、组蛋白密码

组蛋白密码（histon code）

组蛋白尾的转录后修饰包括lys乙酰化、lys Arg甲基化，Ser磷酸化，单多泛素化及ADP 核糖基化等。

这些组蛋白尾巴的不同修饰相互作用，构成了对其DNA 活性进行调节的“组蛋白密码”， 从而大大地扩展了遗传密码的潜在信息。

组蛋白尾巴的转录后修饰很大程度上决定了染色质的高级组装，同时影响到真核生物遗传信息的组织结构。

增加的H3、H4的乙酰化总是和转录激活偶联，而去乙酰化往往导致转录抑制。

异染色质和组蛋白修饰

组蛋白H3和H4的低乙酰化，是异染色质的特征。

如H3 Lys9 甲基化（受到乙酰化的抑制）促进异染色质的形成，它是异染色质装配的保守性标致，是异染色质蛋白（如HP1、SWi6）的特异结合位点；

H3 Lys4 甲基化抑制异染色质的形成。

五、染色质包装的结构模型

总长约2m的DNA盘绕在直径仅5～8微米的细胞核内。

（一）多级螺旋模型

1、DNA在组蛋白的介导下，形成核小体串珠结构——一级结构；

2、核小体以6个/圈进行螺旋盘绕，形成螺线管（solenoid）——二级结构；

3、螺线管进一步螺旋化，形成超螺线管（supersolenoid）——三级结构。

4、超螺线管进一步螺旋折叠，形成染色单体（chromatid）——四级结构。

DNA

↓

核小体 （一级结构）压缩7倍

↓

螺线管 （二级结构）压缩6倍

↓

超螺线管（三级结构）压缩40倍

↓

染色单体（四级结构）压缩5倍

总压缩： 7×6×40×5＝8400（倍）