細胞生物學教案(完整版)

第1頁共55頁細胞生物學教案前言第一章緒論第二章細胞結構概觀第三章研究方法第四章細胞膜第五章物質運輸與信號傳遞第六章基質與內膜第七章線粒體與葉綠體第八章核與染色體第九章核糖體第十章細胞骨架第十一章細胞增殖及調控第十二章細胞分化第十三章細胞衰老與凋亡前言

依照高等師范院校生物學教學計劃，我們開設細胞生物學。

一、學科本身的重要性

要最終闡明生命現(xiàn)象，必須在細胞水平上。細胞是生命有機體最基本的結構和功能單位，生命寓于細胞之中，只有把各種生命活動同細胞結構相聯(lián)系，才能在細胞水平上闡明各種生命現(xiàn)象。世界著名生物學家Wilson（德國人）曾說過：“一切生物學問題的答案最終要到細胞中去尋找”。

二、學科發(fā)展特點

細胞生物學涉及知識面廣、內容浩繁且更新迅速。它同生物化學、遺傳學形成生命科學的鼎立三足，既是當代生命科學發(fā)展的前沿，又是生命科學賴以發(fā)展的基礎。

三、欲達到的目的

通過系統(tǒng)地學習細胞生物學，豐富細胞學知識，以適應當代人類社會知識結構發(fā)展的需求，也是為考研做準備。

本課程講授51學時，實驗21學時，共72學時。

第一章緒論

教學目的1掌握本學科的研究對象及內容；

2了解本學科的來龍去脈（發(fā)展史及發(fā)展前景）；

3掌握與本學科有關的重大事件和名詞。

教學重點本學科的研究對象及內容

教學方法講授法

教學過程

第一節(jié)細胞生物學研究內容與現(xiàn)狀

一、細胞生物學是現(xiàn)代生命科學的重要基礎學科

（一）細胞學（Cytology）：是研究細胞的結構、功能和生活史的科學

（二）細胞生物學（CellBiology）：運用近代物理學和化學的技術成就以及分子生物學的概念與方法，從顯微水平、亞顯微水平和分子水平三個層次上，研究細胞的結構、功能及各種生命活動規(guī)律。

二、細胞生物學的主要研究內容

1細胞核、染色體及基因表達基因表達與調控是目前細胞生物學、遺傳學和發(fā)育生物學在細胞和分子水平相結合的最活躍領域。

2生物膜與細胞器的研究膜及細胞器的結構與功能問題（“膜學”）。

3細胞骨架體系的研究胞質骨架、核骨架的裝配調節(jié)問題和對細胞行使多種功能的重要性。

4細胞增殖及調控控制生物生長和發(fā)育的機理是研究癌變發(fā)生和逆轉的重要途徑（“再教育細胞”）。

5細胞分化及調控一個受精卵如何發(fā)育為完整個體的問題。（細胞全能性）

6細胞衰老、凋亡及壽命問題。

7細胞的起源與進化。

8細胞工程改造利用細胞的技術。生物技術是信息社會的四大技術之一，而細胞工程又是生物技術的一大領域。目前已利用該技術取得了重大成就（培育新品種，單克隆抗體等），所謂21世紀是生物學時代，將主要體現(xiàn)在細胞工程方面。

三、當前細胞生物學研究的總趨勢與重點領域

1染色體DNA與蛋白質相互作用關系；

2細胞增殖、分化、凋亡的相互關系及其調控；

3細胞信號轉導的研究；

4細胞結構體系的裝配。

第二節(jié)細胞生物學發(fā)展簡史

1細胞學創(chuàng)立時期19世紀以及更前的時期（1665—1875），是以形態(tài)描述為主的生物科學時期；

2細胞學經典時期20世紀前半世紀（1875—1900），主要是實驗細胞學時期；

3實驗細胞學時期（1900—1953）；

4分子細胞學時期（1953至今）。

總過程概括為：細胞發(fā)現(xiàn)→細胞學說建立→細胞學形成→細胞生物學的發(fā)展

（1665）（1838—1839）（1892）（1965）

R.HookeSchleiden、SchwannHertiwigDeRobertis

一、細胞的發(fā)現(xiàn)（discoveryofcell）

二、細胞學說的建立及其意義（Thecelltheory）

1838年，德國植物學家施萊登（J.Schleiden）關于植物細胞的工作，發(fā)表了《植物發(fā)生論》一文（BeitragezurPhytogenesis）.

1839年，德國動物學家施旺（T.Shwann）關于動物細胞的工作，發(fā)表了《關于動植物的結構和生長一致性的顯微研究》一文，論證了所有動物體也是由細胞組成的，并作為一種系統(tǒng)地科學理論提出了細胞學說。

○1細胞是生物體的基本結構單位（單細胞生物，一個細胞就是一個個體）；

○2細胞是生物體最基本的代謝功能單位（動、植物的各種細胞具有共同的基本構造、基本特性，按共同規(guī)律發(fā)育，有共同的生命過程）；

○3細胞只能通過細胞分裂而來。

三、細胞學的誕生（細胞學的經典時期和實驗細胞學時期）

1原生質理論的提出

2關于細胞分裂的研究

3重要細胞器的發(fā)現(xiàn)

4遺傳學方面的成就

四、細胞生物學的興起

1965年，D.Robetis將他原著的《普通細胞學》更名為《細胞生物學》（第四版），率先提出這一概念。

五、分子細胞生物學

參考資料

1莊孝惠從胡克到細胞生物學，細胞生物學雜志，1987，2

2王亞輝細胞生物學的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，細胞生物學雜志1986，1

3王亞輝細胞生物學的趨向和發(fā)展戰(zhàn)略，大自然探索，1987，6（27）12~17

第二章細胞基本知識概要

教學目的1掌握有關細胞的幾個概念（細胞、原生質、細胞器等）和幾個問題；

2了解細胞的共同特征；各種化學成分在細胞中的造形等；

3真、原核細胞的一般結構特點。

教學重點和難點真、原核細胞的主要區(qū)別

講授與討論

第一節(jié)細胞的基本概念

一、細胞和原生質的概念

（一）細胞：細胞是由膜包圍的，能進行獨立繁殖的最小原生質團，是生命活動的基本單位，是生物體最基本的形態(tài)結構和功能活動單位。

（二）原生質（Protoplasm）：指細胞內所含有的生活物質（構成細胞的生活物質），真核細胞包括細胞膜、細胞質和細胞核。

細胞質（Cytoplasm），指質膜以內核以外的原生質。它不是勻質的，其結構大體劃分為兩部分，一部分是有形結構，稱為細胞器（Organelle），另一部分是可溶相，稱細胞質基質（Cytoplasmicmiatrix）。

細胞器（Organelle）：指存在于細胞中，用光鏡或電鏡能夠分辯出的，具有一定形態(tài)特點，并執(zhí)行特定功能的結構。

細胞質基質（Gytoplasmicmatrix），是細胞質的可溶相，是作為細胞器的環(huán)境而存在的。

細胞核（nucleus）：遺傳物質的集中區(qū)域，在原核生物細胞稱擬核（nucleoid）或類核區(qū)。

第二節(jié)非細胞形態(tài)的生命體——病毒（略）

第三節(jié)原核細胞與真核細胞

原核細胞（Prokaryoticcell）具有兩大特點：

○1遺傳信息量少（僅有一個環(huán)狀DNA）○2無膜圍細胞器及核膜

1、最小、最簡單的細胞——支原體（mycoplasma）

為何說支原體是最小的細胞？

2、原核細胞的兩個代表——細菌和藍藻

細菌（bacteria，bacterium）主要來自對大腸桿菌（E.coli）的研究。

細菌是原核細胞的典型代表，特點是：無典型的細胞核，有細胞壁，細胞質中除核糖體外無其它細胞器。

藍藻（Blue-greenalgae）

又稱藍綠藻或藍細菌，是綠色植物中最原始的自養(yǎng)類型，含有蘭色素、紅色素、黃色素、葉綠素等，故不一定都是蘭色。

第四節(jié)真核細胞基本知識概要

大約在12—16億年前在地球上出現(xiàn)，是具有典型細胞核和核膜、核仁，體積較大，結構較復雜，進化程度較高的一類細胞。

一、真核細胞的基本結構體系

生物膜系統(tǒng)以脂質及蛋白質成分為基礎構建而成。

遺傳信息表達結構系統(tǒng)以核酸與蛋白質為主要成分構建而成。

細胞骨架系統(tǒng)由特異蛋白質分子裝配而成。

綜合原核細胞和真核細胞的特點，二者的根本區(qū)別可歸納為下面兩條：

第一，細胞膜系統(tǒng)的分化與演變

真核細胞以膜分化為基礎，分化為結構更精細，功能更專一的單位——各種膜圍細胞器，使細胞內部結構與職能分工。而原核細胞無此情況。

第二，遺傳信息量大與遺傳裝置的復雜化

真核細胞的遺傳信息可達上萬個基因，并具重復序列，染色體功能具二倍性或多倍性。原核細胞為單倍性。僅為一條環(huán)狀DNA分子，細菌只有幾千個基因。

二、細胞的大小及其分析

原核細胞多在1—10或1—5μm，細菌多在3—4μm，支原體只有0.1μm。

動物細胞多在（10—100μm，20—30μm，15—70μm）。最大的細胞要屬鴕鳥卵，可達10cm，卵黃只有5cm。隆鳥卵直徑可達20cm。

那么，細胞的大小是怎樣決定的呢？

首先，細胞的核質比與細胞大小有關，決定細胞上限。

其次，細胞的相對表面積與細胞大小有關。

最后，細胞內物質的交流與細胞大小有關。

三、細胞形態(tài)結構與功能的關系

細胞的形態(tài)結構與功能的相關性和一致性是多數細胞的共性。

四、細胞的化學成分及在原生質中的造形

膜系統(tǒng)：主要以脂蛋白構成，包括細胞膜、核膜，以及一系列細胞器膜。

顆粒系統(tǒng)：由蛋白質或核蛋白組成，如存在于線粒體內膜上的基本顆粒（F因子），亦稱內膜亞單位（innermembranesubunits）和核糖核蛋白體，分別是氧化磷酸化和合成蛋白質的場所。

纖維系統(tǒng)：由蛋白質和核酸組成。

第三章細胞生物學研究方法

（研究方法和工具）

教學目的1了解主要工具和常用方法，側重掌握基本原理和基本應用；

2認識工具和方法與學科發(fā)展的相關性。

教學重點儀器方法的基本原理和基本應用

教學難點電鏡制樣及分子雜交技術

教學方法講授、參觀

第一節(jié)細胞形態(tài)結構的觀察方法

一、光學顯微鏡技術

（一）普通復式光學顯微鏡技術

（二）熒光顯微鏡（fluorescencemicroscope）

（三）暗視野顯微鏡（darkfieldmicroscope）

（四）相差顯微鏡（phasecontrastmicroscope）

（五）激光共焦點掃描顯微鏡（略）

（六）微分干涉顯微鏡（略）

二、電子顯微鏡技術

（一）電鏡設計原理及分類

（二）電鏡的種類

（三）透射式電子顯微鏡

（四）光鏡與電鏡的主要區(qū)別

綜上可見，電鏡與光鏡區(qū)別主要在于：

（1）光源不同光鏡為可見光或紫外線；電鏡為電子束

（2）透鏡不同光鏡為玻璃；電鏡為電磁透鏡

（3）真空

（4）顯示記錄系統(tǒng)

（五）掃描式電子顯微鏡

掃描電鏡的特點

掃描電鏡的基本結構

（六）電鏡樣品制備技術

1超薄切片技術（詳見光盤）

2負染色（negativestaining）技術

3核酸大分子的制樣技術（大分子鋪展技術，Kleinschmidt法）

4整裝細胞電鏡技術

5電子顯微鏡細胞化學技術

是能過特殊的細胞化學反應，使待測物轉變成某種不溶性的電子致密沉淀物，并利用電鏡在超微結構水平上對產物進行定位和半定量。主要有各種酶的定位，其次是核酸、蛋白質、脂肪、碳水化合物等的定位。

酶的化學定位技術

免疫細胞化學電鏡技術（見本編第十一章）。

6冰凍蝕刻技術（freezeetching）

7掃描式電鏡制樣技術

第二節(jié)細胞組分的分析方法

（生化分析法）

一、超速離心技術分離細胞（組分）及生物大分子

（一）各種離心技術——分離細胞器、生物大分子

離心方法：根據分離對象和目的不同，采用不同的離心方法，制備離心和分析離心。

（1）制備離心(preparativecentrifuge)分離和純化亞細胞成分和大分子，目的是制備樣品。

差速離心法：是最常用的方法，根據不同離心速度所產生的不同離心力，將各種亞細胞組分和各種顆粒分離開來。

密度梯度離心（區(qū)帶離心法）

a、速率區(qū)帶離心法（蔗糖密度梯度離心）

b、等密度梯度離心法（氯化銫密度梯度離心）

（2）分析離心（analyticalcentrifuge）分析和測定制劑中純的大分子的種類和性質，如浮力密度和分子量、生物大分子的構象變化、分析樣品的純度等。此工作必須是在制備離心的基礎上進行。

（二）細胞的選擇性抽提（分離蛋白質、核酸大分子）

（三）柱層析的技術（分析蛋白質和核酸）

（四）電泳技術

（五）色譜分析技術（色譜學——分離純化樣品）

（六）氨基酸分析技術

二、細胞化學技術

（一）組織化學和細胞化學法

基本原理：利用某些化學物質和某些細胞成分發(fā)生化學結合，從而顯示出一定的顏色，進行定性和定位研究的方法。

（二）免疫細胞化學法（特異蛋白抗原的定位與定性）

基本原理：此項技術是將免疫學中抗原、抗體以及補體間專一性反應結合顯微或亞顯微組織學的一些研究方法的統(tǒng)稱。是免疫學原理與光鏡或電鏡技術的結合。

抗體的標記

抗體標記的方法很多，有鐵蛋白標記法、免疫酶標記法、免疫金標記法、雜交抗體標記法、搭橋標記法、同位素標記法、熒光標記法等。

三、細胞內特異核酸序列的定位與定性

（一）DNA序列測定技術

（二）核酸分子雜交技術（moleculargbridizationtechnique）

（特異核酸的定性定位）

概念兩條具有互補核酸順序的單鏈核酸分子片斷，在適當的實驗條件下，通過氫鍵結合，形成DNA-DNA、DNA-RNA或RNA-RNA雙鏈分子的過程。

印跡雜交(blothybridization)

用已知的帶有標記的特定核酸分子（或抗體、蛋白質分子）作為探針，與通過印跡被轉移的核酸分子（或抗原、蛋白質分子）片段雜交的過程。

（1）Southernblotting（DNA印跡法）將分離的DNA片段通過毛細管作用轉移到硝基纖維素膜上，用DNA探針與之雜交的過程。是以發(fā)明此項技術的人名命名的（E?M?Southern）。是體外分析特異DNA序列的方法。

（2）RNA印跡術（Northernblotting）

（3）蛋白質印跡術（Westernblotting）

（4）Easternblotting（Westernblotting的變形）當用凝膠進行抗原抗體反應，再進行印跡的方法）。

（5）DNA與蛋白質的體外吸附技術（Southwesternblotting）結合了Western印跡與southern印跡兩種實驗方法的特點而設計的一種檢測序列特異性DNA結合蛋白的實驗方法（翟P51）。

（6）原位雜交（Insituhybridization）用已知的帶有標記的特定核酸分子作為探針，來測定與之成互補關系的染色體DNA區(qū)段的位置。

四、電鏡放射自顯影技術

原理這是一種利用放射性同位素作為標記物對細胞化學物質進行超顯微結構的定位、定性或定量的實驗技術。

五、定量細胞化學分析技術

（一）顯微分光光度測定技術

第三節(jié)細胞培養(yǎng)、細胞工程與顯微操作技術

一、細胞培養(yǎng)

（一）動物細胞培養(yǎng)

（二）植物細胞的培養(yǎng)包括單倍體細胞的培養(yǎng)和原生質體培養(yǎng)

“全能性”—指生物體的每一生活細胞，處于適當條件下，都具有進行獨立生長發(fā)育，并形成一個完整生物個體的能力。

1單倍體細胞的培養(yǎng)

2原生質體培養(yǎng)

3植物細胞雜交（融合）

（三）突變株和非細胞體系在細胞生物學研究中的應用

二、細胞工程

概念應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品。

該技術在細胞和亞細胞水平上開辟了基因重組的新途徑，不需分離、提純、剪切、拼接等基因操作，只需將遺傳物質直接轉入受體細胞，就可形成雜交細胞。

主要技術領域

細胞（組織、器官）培養(yǎng)：invivo在體、活體、生物體內

invitro離體、生物體外

細胞融合（體細胞雜交、細胞并合）

細胞拆合（細胞質工程、細胞器移植）

染色體（組）工程

繁殖生物學技術（胚胎冷凍技術、試管嬰兒、生物復制、胚胎移植、發(fā)育工程、胚胎工程、胚胎分割技術、胚胎融合技術、嵌合體）

組分移植技術將細胞的組分（核、質、染色體、甚至基因）直接移植到另一個細胞中去的技術

第四章細胞膜與細胞表面

教學目的1掌握質膜的分子模型

2了解流動鑲嵌模型的主要特點

3掌握細胞連接的方式和特點

教學重點流動鑲嵌模型結構要點

教學難點細胞連接的超微結構

教學方法講授、討論

第一節(jié)細胞膜與細胞表面的特化結構

一、細胞膜的結構模型

細胞膜（Cellmembrane）指圍繞在細胞最外層，由脂類和蛋白質組成的薄膜。是所有細胞共有的包被（原生質，細胞質）的一層膜。又有原生質膜（Plasmalemma）之稱，通常簡稱質膜（Plasmamembrane）。

1、雙分子片層模型（bimolecularleafletmodel）

這一模型是Danielli&Davson于1935年提出的，因此又稱Danielli&davson模型。

2、單位膜模型（Theunitmembranemodel）

這個模型是1957~1959年，英國倫敦大學的羅伯遜（Robertson），通過電鏡觀察后提出的。

3、流動鑲嵌模型（fluidmosaicmodel）

這個模型的主要內容可歸納為：

○1脂類物質以雙分子層排列，構成膜的骨架；

○2鑲嵌性蛋白質分子鑲嵌在脂雙層的網架中。存在方式有內在蛋白（整體蛋白）和外在蛋白（邊周蛋白）?！?不對稱性蛋白質分子和脂質分子在膜上的分布具不對稱性，膜兩側的分子性質和結構不同。

○4流動性脂質雙分子層和蛋白質是可以流動或運動的

脂質分子的運動性：有實驗表明，類脂分子的脂肪酸鏈部分在正常生理狀態(tài)下，可作多種形式的運動：旋轉、振蕩、擺動、翻轉，同時整個分子可作側向擴散運動。

蛋白質分子的運動性：有側向擴散和旋轉兩種方式，受周圍膜質性質和相態(tài)的制約。熒光抗體免疫標記可觀察。

綜合流動鑲嵌模型之內容，不難看出，其突出特點在于，流動性、鑲嵌性、不對稱性和蛋白質極性。由此造成各種膜的功能差異。

4、晶格鑲嵌模型（蛋白液晶膜模型）

5、板塊鑲嵌模型

最近有人提出脂筏模型（Lipidraftsmodel）。目前認為，這些模型并無本質區(qū)別，只是對流動鑲嵌模型的進一步補充說明，不能作為膜的通用模型。

二、質膜的化學組成

細胞膜幾乎全都是脂類（50%）和蛋白質（40%），僅含少量糖類（2~10%糖脂和糖蛋白）和微量核酸（細菌質膜、核膜、mit、chl內膜），結合方式及存在意義尚不清楚。

（一）膜脂（Lipids）

（二）蛋白質（Protein）（膜蛋白）

（三）糖類（Carbohydrate）

三、質膜的功能（functionofc.m）

質膜與外界環(huán)境隔離開，通過它保持著一個相對穩(wěn)定的細胞內環(huán)境，在細胞生命活動中行使著多種重要功能，概括為：物質運輸，能量轉換，信息傳遞，細胞識別，細胞連接，代謝調控，膜電位維持等。

四、骨架與細胞表面的特化結構

膜骨架（membraneassociatedcytoskeleton）

指質膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網架結構，參與維持細胞質膜的形狀并協(xié)助質膜完成多種生理機能。早期有人稱膜下溶膠層，實質為膜骨架。

第二節(jié)細胞連接

細胞連接可分為三大類：即

一、封閉連接

緊密連接（tightjunction）為典型的封閉連接，又稱結合小帶或封閉小帶（zonulaoceludens），是相鄰兩細胞膜緊緊靠在一起的連接方式，中間無空隙，并且兩質膜外表面互相融合，所以電鏡下觀察呈三暗夾兩明的五層結構。

二、錨定連接

通過這種連接方式將相鄰細胞的骨架系統(tǒng)或將細胞與基質相連成一個堅挺、有序的細胞群體。

1、橋粒和半橋粒（與中間纖維有關）

○1橋粒（desmosme，maculaeadherens）指相鄰細胞間形成的“鈕扣”樣結構，聯(lián)結處約有30nm的間隙，間隙充滿絲狀的粘多糖性物質，其中有一層電子密度較高的接觸層，或稱中央層（橋粒蛋白）將間隙等分為二。

○2半橋粒：位于表皮基細胞與基膜接觸的一面，由于相對應的為基膜而不是細胞，因而稱半橋粒（hemidesmosome）。

2、粘著帶與粘著斑（與肌動蛋白絲有關）

○1粘著帶介于緊密連接與橋粒之間，亦稱為中間連接。是相鄰細胞間有較寬（15~20nm）間隙的一種聯(lián)結方式。

○2粘著斑是肌動蛋白纖維與細胞外基質之間的連接方式。如貼壁細胞的貼壁行為，通過粘著斑貼在瓶壁上。

三、通訊連接

1間隙連接（gapjunction）

又有縫隙聯(lián)結或接合斑（nexus）、縫管連接或封閉筋膜（fasciaoccludens）之稱，是相鄰細胞間有2-3nm間隙的一種連接方式。電鏡下觀察聯(lián)結處呈四暗夾三明的七層結構之稱。

2植物細胞的連接——胞間連絲（Plasmodesma）

在植物細胞，兩相鄰細胞的壁之間靠一層稱作胞間層（中膠層middletamella）的果膠類（Pectin）物質粘合在起，但在有些部位，細胞壁及胞間層并不連續(xù)，在此有原生質絲通過而勾通相鄰兩細胞，這便是植物細胞特有的連接方式——胞間連絲，是指相鄰植物細胞穿通細胞壁的細胞質通路。

3化學突觸：是可興奮細胞之間的連接方式，通過釋放神經遞質（如乙酰膽堿）來傳導神經沖動，電信號→化學信號→電信號

（四）細胞表面的粘著因子

第三節(jié)細胞外被與細胞外基質

一、細胞外被（Cellcoat）

又稱糖萼（glgcocalyx），指由細胞產生的、與細胞膜外表面聯(lián)系密切的粘多糖類物質。由于它林立在細胞表面，與質膜中蛋白質和脂類結合，故可認為它是質膜的組成部分，但有其獨立性。有人將細胞外被與質膜比喻成“毛”與“皮”的關系。

二、細胞外基質（extracellularmatrix）

分布于細胞外空間（如細胞之間或細胞表面），由細胞分泌的蛋白和多糖構成的網絡結構。與膜關系不密切，功能在于：○1細胞間粘著；○2保護作用；○3維持細胞外環(huán)境（調節(jié)細胞周圍的物質濃度）；○4過濾作用等等。在形態(tài)發(fā)生中作用重大，包括：細胞遷移、增殖、形態(tài)變化、分化、保護、組建等。

主要包括四大類物質

（一）膠原（collagen）：屬糖蛋白類物質，為纖維狀蛋白多聚體，含量最高，具剛性，抗張強度大，構成細胞外基質的骨架體系。

（二）氨基聚糖（glycosaminoglycanGAC）和蛋白聚糖（proteoglycan，PG）（粘多糖，粘蛋白）

（三）層粘連蛋白（Lamimin，LN）（較大的糖蛋白分子）和纖粘連蛋白（fibronectin，F(xiàn)N）（由兩條或更多的肽鏈及一些低聚糖組成。對細胞遷移作用大）。

（四）彈性蛋白

參考文獻：

1、方思明間隙連接和細胞間物質交流，細胞生物學雜志，1984.1

2、岳奎元細胞連接，細胞生物學雜志，1985.4

3、岳奎元細胞膜的不對稱性和流動性，生物學通報，1986.8

4、岳奎元細胞膜鈉—鉀泵生理學，生物通報，86.8

5、徐信細胞連結，生物學通報，86.7

6、林元藻生物膜的主動轉運功能，同上

7、楊福愉生物膜的流動性，生物化學與生物物理進展，1981.5第五章物質的跨膜運輸與信號傳遞

第一節(jié)物質的跨膜運輸

一、被動運輸（Passivetransport）

指通過簡單擴散或協(xié)助擴散實現(xiàn)物質從濃度高處經質膜向濃度低處運輸的方式。運輸速率依賴于膜兩側被運送物質的濃度差及其分子大小、電荷性質等。不需要細胞代謝供應能量。

（一）簡單擴散（simplediffusion）

指物質順濃度梯度的擴散，不需要消耗細胞本身的代謝能，也不需專一的載體（膜蛋白），只要物質在膜兩側保持一定的濃度差，物質便擴散穿膜，又稱自由擴散（freediffusion）。特點：

（二）協(xié)助擴散（facilitateddiffusion）

又稱促進擴散。絕大多數在細胞代謝上非常重要的生物分子，如各種極性分子和某些無機離子（糖、氨基酸、核苷酸及細胞代謝物等）是不溶于脂的（非脂溶性物質），但它們可以有效地進入細胞，只是擴散速度并不總是隨濃度梯度的增大而加快，而是在一定限度內同物質濃度成正比，超過一定限度，即使提高濃度差，擴散速度也不會再高。分析知它們是通過另一種被動運輸方式——協(xié)助擴散進行的。這種運輸方式除了依賴物質濃度差以外，還必須依賴于專一性的膜運輸蛋白（轉運膜蛋白）。

膜運輸蛋白（memberantransportpr.）:鑲嵌在質膜上的、與物質運輸有關的跨膜蛋白質稱膜運輸蛋白，是一種橫穿脂雙層的跨膜分子，包括兩類：

1隧道蛋白（channelpr.）（通道蛋白、槽蛋白）：以其親水區(qū)構成親水通道和離子通道，允許水及一定大小和電荷的離子通過。

離子通道（亦稱門孔、門隧道）通常呈關閉狀態(tài)，只有當膜電位或化學信號物質刺激后才開啟通道。膜電位刺激開放的離子通道稱電位門通道；化學信號物質刺激開放的通道稱配體門通道。

2載體蛋白（carrierpr.）：識別結合特異性底物后通過構象變化實現(xiàn)物質轉移。類似于酶與底物的作用，故又稱“透性酶”（Permease）。

綜上，凡是借助于載體蛋白和通道蛋白順濃度梯度的物質運輸方式稱facilitateddiffusion、或促進擴散或易化擴散。葡萄糖進入紅細胞，進入小腸上皮細胞通常以這種方式。

協(xié)助擴散有三個特點：○1低濃度時比簡單擴散速度快；○2存在最大轉運速度；○3有轉運膜蛋白存在，故具有選擇性、特異性。

二、主動運輸（activetransport）

又稱代謝關聯(lián)運輸（metabolicallylinkedtramsport），是物質運輸的主要方式。包括由ATP直接提供能量和間接提供能量兩種運輸方式。

（一）ATP直接提供能量的主動運輸—離子泵

所謂離子泵是一種位于細胞膜上的ATP酶，是一（穿膜）內在蛋白，能將ATP水解成ADP+pi，同時釋放能量，ATP酶構象發(fā)生變化，帶來離子的轉位，將物質逆濃度梯度運輸。

在質膜上，作為“泵”的ATP酶很多，它們都具有專一性，不同的ATP酶運輸不同的物質或離子，因此，我們可以分別稱它們?yōu)槟澄镔|的泵。如運輸Ca++，叫鈣泵（肌質網膜）；運輸H+，叫氫泵（細菌質膜）等等，質子泵又分為P型（真核質膜上）、V型（溶酶體膜）、H+—ATP酶（線、葉、細菌質膜）。現(xiàn)以鈉—鉀泵為例，說明離子泵的工作機制。

Na+—K+泵是存在于質膜上的由∝和β二個亞基組成的蛋白質。在有Na+、K+、Mg2+存在時就能把ATP水解成ADP+Pi，同時，把Na+和K+以反濃度梯度方向進行穿膜運輸。可見Na+-K+泵是一種由Mg2+激活的Na+-K+-ATP酶。1957年，J.skou首先發(fā)現(xiàn)并闡述其機制，一般設想：

在膜內側，Na+、Mg2+與酶（∝亞基）結合，促使酶與ATP反應，釋放H3PO4，并與酶結合，引起酶構象變化，與Na+結合部位轉向膜外側。此時的構象親K+排Na+，當與K+結合后，使酶脫去H3PO4，酶構象恢復，結合K+的一面轉向膜內，此時構象親Na+排K+，這樣反復進行，不斷在細胞內積累K+，將Na+排出細胞外。

（二）間接利用ATP的主動運輸——伴隨運輸（或稱協(xié)同運輸，co-transport）

指一種溶質的傳遞要同時依賴于另一種溶質的傳遞。如果兩種溶質的傳遞方向相同，稱同向運輸（symport），如果方向彼此相反，則稱反向運輸（antiport）。

（三）基團轉移

早見于細菌，也見于動物細胞?？抗矁r修飾（需能）

（四）物質的跨膜轉運與膜電位

○1調節(jié)滲透壓；○2某些物質的吸收；○3產生膜電位；○4激活某些生化反應；如細胞內高濃度K+是核糖體合成蛋白質及糖孝解過程中重要酶活動的必要條件。

三、胞吞與胞吐作用

還有一種物質運輸的方式不同于此，是細胞膜將外來物包起來送入細胞或者把細胞產物包起來送出細胞。前者稱胞吞作用，后者稱胞吐作用，總稱吞排作用（Cytosis）。這樣的物質運輸方式稱膜泡運輸（transportbyvesicleformation），又稱批量運輸（bulktransport）。大分子物質及顆粒物質常以此方式進出細胞。

（一）胞飲作用與吞噬作用

某些物質與膜上特異蛋白質結合，然后質膜內陷形成囊泡，稱胞吞泡（endocyticvesicle）。將物質包在里面，最后從質膜上分離下來形成小泡，進入細胞內部。根據內吞的物質性質，將其分為：

吞噬作用（Phagocytosis）吞噬泡，內吞較大固體物質，如顆粒白細胞、巨噬細胞。

胞飲作用（Pinocytosis）胞飲泡，內吞液體或極小顆粒，白細胞、腎細胞、小腸上皮細胞、植物根細胞。

（二）胞吐作用（exocytosis）又稱外卸

某些代謝廢物及細胞分泌物形成小泡從細胞內部移至細胞表面，與質膜融合后將物質排出。如：小腸上皮的杯狀細胞向腸腔中分泌粘液，經溶酶體消化處理后的殘渣排向細胞外等過程。

關于衣被小泡運輸（Coatedvesicle）

存在于真核細胞中，具有毛刺狀外表面的一類小泡（50—250nm）。可以是內膜系統(tǒng)的有關細胞器芽生而成，也可以是由質膜內陷，斷裂形成，進行細胞器間的物質運輸。

（三）受體介導的胞吞作用（receptor—mediatedendocytosis）

某些大分子的內吞往往首先同質膜上的受體結合，然后質膜內陷形成衣被小窩，繼之形成衣被小泡，這種內吞方式稱受體介導的胞吞作用。

需說明的是，膜泡運輸時由于質膜內陷或外凸也需消耗能量，故可看作是一種主動運輸方式。

第二節(jié)細胞通訊與信號傳遞

一、細胞通訊與細胞識別

（一）細胞通訊（cellcommunication）指一個細胞發(fā)出的信息通過介質傳遞到另一個細胞產生相應的反應。

（二）細胞識別與信號通路（cellrecognition）

細胞識別的現(xiàn)代概念是：細胞識別是細胞通過其表面的特殊受體與胞外信號物質分子（配體）選擇性的相互作用，從而導致胞內一系列生理生化變化，最終表現(xiàn)為細胞整體的生物學效應，這種現(xiàn)象或過程稱為細胞識別。

可見，細胞識別是細胞通訊的一個重要環(huán)節(jié)。細胞接受外界信號，通過一整套特定機制，將胞外信號轉化為胞內信號，最終調節(jié)特定基因的表達，引起細胞的應答反應，這種反應系列稱之為細胞信號通路（Signalingpathway）。細胞識別正是通過各種不同的信號通路實現(xiàn)的。

（三）細胞的信號分子與受體

1細胞的信號分子

信號分子，即配基（Ligands）：指能夠被受體識別的各種類型的大、小分子物質。又有信號分子（Signalmolecule）和被識別子（cognon）之稱。

親脂性信號分子：甾類激素、甲狀腺素。直接進入細胞與細胞質或核中受體結合，形成激素受體復合物，調節(jié)基因表達。

親水性信號分子：神經遞質、生長因子、多數激素等，不能直接進入細胞，先與膜上受體結合，再經信號轉換機制，在細胞內產生→第二信使（cAMP和肌醇磷脂），或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶的活性，引起細胞的應答反應。

20世紀80年代發(fā)現(xiàn)一氧化氮（NO）是一種重要的信號分子和效應分子，它能進入細胞直接激活效應酶，參與體內重多的生理病理過程，成為人們關注的“明星分子”。

2受體（receptor）

受體的概念最早是1910年Ehrlich提出的，近來有人建議改稱“識別子”（cognor）。

受體都是蛋白質大分子（多為糖蛋白），一般至少包括兩個結構功能區(qū)域，即與配體結合的區(qū)域及產生效應的區(qū)域。組成糖鏈的單糖種類、數量及排列方式不同，從而形成該細胞特定的“指紋”，是細胞之間、細胞與其他大分子之間聯(lián)絡的“文字”和“語言”。

根據靶細胞上受體存在的部位，可將受體分為兩類，即細胞內受體（受胞外親脂性信號分子的激活）和細胞表面受體（受胞外親水性信號分子的激活）。二著通過不同的機制介導不同的信號傳遞通路。

3第二信使與分子開關

通過分泌化學信號進行細胞間通訊的過程：化學信號分子的合成→信號細胞釋放化學信號分子→轉移至靶細胞→被受體識別→信息跨膜傳遞→引起細胞內生物學效應。

第二信使（secondmessenger）70年代初，Sutherland及其合作著提出激素作用的第二信使學說，認為胞外化學物質（第一信使）不能進入細胞，它作用于細胞表面受體，而導致產生胞內第二信使，從而激發(fā)一系列生化反應，最后產生一定的生理效應，第二信使降解使其信號作用終止。

分子開關（molecularswitches）在細胞內一系列信號傳遞的級聯(lián)反應中，必須有正、負兩種相反相成的反饋機制進行精確控制，即對每一步反應既要求有激活機制又必然要求有相應的失活機制。

二、通過細胞內受體介導的信號傳遞

親脂性小分子（甾類激素、甲狀腺素）穿膜進入細胞，通過與細胞內（細胞質或核）受體結合傳遞信號。

這類受體有三個結構域：1、C末端區(qū)——結合激素；2、中部——結合DNA；3、N末端區(qū)——激活基因轉錄。

三、通過細胞表面受體介導的信號跨膜傳遞

親水性信號分子（神經遞質、蛋白激素、生長因子等）一般不能直接進入細胞，而是通過與膜上特異受體結合對靶細胞產生效應。

根據信號轉導機制和受體蛋白類型的不同，細胞表面受體分屬三大家族：

1、離子通道偶聯(lián)的受體

是由多亞基組成的受體—離子通道復合體，本身既有信號結合位點，又是離子通道。

2、G蛋白偶聯(lián)的受體

這類受體與酶或離子通道的作用要通過與GTP結合的調節(jié)蛋白（G蛋白）相耦聯(lián)，在細胞內產生第二信使，從而將外界信號跨膜傳遞到細胞內進而影響細胞生物學效應。

由G蛋白偶聯(lián)受體所介導的細胞信號通路主要包括兩類：

Ⅰ、cAMP信號通路

激素（第一信使）→激活受體→進一步激活腺苷酸環(huán)化酶，使ATP→cAMP（第二信使），然后通過激活一種或幾種蛋白激酶來促進蛋白酶的合成，促進細胞分化，抑制細胞分裂。

受體和腺苷酸環(huán)化酶由G蛋白耦連在一起，并使細胞外信號跨膜轉換成細胞內信號—cAMP。

Ⅱ、磷脂酰肌醇信號通路

外界信號分子識別并結合膜表面受體，激活PIP2磷酸二酯酶（PIC）催化使4，5一二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2，存在于真核細胞膜的成分）水解成1，4，5一三磷酸肌醇和（IP3）和二酰基甘油（DG）兩個第二信使，IP3可引起胞內Ca2+升高，通過結合鈣調素并使之構象改變，進而與受體酶結合形成鈣調素—酶復合物，進一步調節(jié)受鈣調素調節(jié)的酶的活性，最后引起對胞外信號的應答。

DG可激活蛋白激酶C（PKC），使細胞內PH升高，進而引起對胞外信號的應答。

3、與酶偶聯(lián)的受體

這類受體一旦被配基（信號分子）活化即具有酶的活性。這類受體均為跨膜蛋白質。

第六章細胞質基質與細胞內膜系統(tǒng)

教學目的：1了解細胞質基質的內容

2掌握內膜系統(tǒng)包括的結構及功能

教學重點：1內質網、高爾基體的結構特點

2溶酶體的發(fā)生及功能

教學難點：內膜系統(tǒng)各結構之間的關系

講授法

第一節(jié)細胞質基質（Cytoplasmicmatrix）

概念：此概念在不同階段從不同角度有不同叫法，概念包括的內容也隨觀察工具的發(fā)展有所變化和完善。反映出對細胞質的認識不斷深入。最早的概念稱透明質（hyaloplasm），指細胞質中除線粒體、質體等在光鏡下所能看到的所有細胞器以外的部分，又稱細胞液（Cellsap）。

透明質（細胞液）—→胞質溶膠—→細胞質基質

光鏡下可見結構以外的部分離心沉淀物以外部分可分辯結構以外的膠狀物質

Cytoplasmicmatrix或growndcytoplasm：指除去能分辯的細胞器和顆粒以外的細胞質部分，是一復雜的高度有組織的膠體系統(tǒng)。

一、化學組成

細胞質基質是細胞真正的內環(huán)境，其組成成分復雜。主要含有與中間代謝有關的數千種酶類。故認為它呈復雜的膠體性質，可隨環(huán)境條件的改變由溶膠變?yōu)槟z狀態(tài)或者相反，這成為某些細胞運動方式的動力。

二、功能

1、參與各種生化活動（中間代謝過程）

○1蛋白質合成○2脂肪酸合成○3糖的酵解○4糖原代謝○5核苷酸代謝

2、提供離子環(huán)境以維持各細胞器的實體完整性。

3、提供底物（原料）以供細胞器行使功能（物質庫）。

4、提供物質運輸的通路細胞與環(huán)境、細胞質與細胞核、細胞器之間的物質運輸、能量交換、信息傳遞等都需通過細胞質基質來完成。

5、影響細胞分化如卵子細胞質對于分化起重要作用。

在細胞質中存有形形色色的細胞器，其中有一些膜圍細胞器，它們在結構及功能上彼此相關，甚至連通，共同組成一個龐大而精密復雜的系統(tǒng)——內膜系統(tǒng)。

第二節(jié)內膜系統(tǒng)（eudomembranesystem）

概念細胞質中由膜圍成的、在結構、功能，乃至發(fā)生上有密切關系的小管、小泡和扁囊共同組成的膜系統(tǒng)。主要包括核膜、內質網、高爾基體三大結構以及它們的產物——各種小泡和液泡。

意義內膜系統(tǒng)的出現(xiàn)是真核細胞區(qū)別于原核細胞的顯著特點之一，其意義在于：大大增加了細胞內膜的表面積，為多種酶特別是多酶體系提供了大面積的結合部位?！?酶系統(tǒng)的隔離與連接○2蛋白質、糖、脂肪的合成○3加工包裝運輸分泌物○4擴散屏障及膜電位建立○5離子梯度的維持等。

一、內質網（endoplasmicreticulum，ER）

概述1945年，著名超微結構學家K.B.Porter，在電鏡下觀察組織培養(yǎng)的雞胚成纖維細胞時，發(fā)現(xiàn)有各種大小的管道相連成網狀，并多處在細胞質的內質部位，故定名為內質網。雖然以后發(fā)現(xiàn)這種細胞器不盡在內質部位，但仍延用至今。這種結構與細胞內物質合成有關，故有細胞的生物合成“工廠”之稱。

（一）形態(tài)結構特點

ER是交織分布在細胞質中的由膜圍成的扁囊或小管狀管道系統(tǒng)?；窘Y構分為三部分：

內質網膜：結構與質膜相同，但比質膜薄（5-6nm），有些部位可與核膜和某些細胞器膜相連，少數能與質膜相連。

（二）類型及分布特點

根據內質網的細胞質面是否附有核糖體將ER分為二類。即：

1粗面內質網（roughendoplasmicreticulum，RER）又稱顆粒內質網（Granulare-r-GER），由于它似與細胞核一樣能為堿性染料染色，在歷史上曾有過所謂核外染色質的叫法。意指內質網膜及附在其上的核糖體。

2光（滑）面內質網（smoothendoplasmicreticulum，SER）表面光滑，無核糖體附著，嗜酸性，在形態(tài)上常呈分枝狀，小管或小泡的網狀結構，很少象RER那樣擴大成池，其膜也不如RER膜厚。另外，SER的一端常與RER相連，有時還和高爾基復合體或核膜相連。

（三）內質網的化學組成

分析表明：蛋白質約占2/3（比質膜多），主要是酶類，其中CytP-450是內質網的標記酶。脂類1/3（比質膜少）在滑面內質網高于粗面內質網，主要為磷脂和膽固醇。

（四）內質網的功能

ER是細胞內生物合成的“工廠”，執(zhí)行一系列的功能，有些功能是由RER或SER單獨行使的，有些則是它們共同行使的，為講述方便，我們分開介紹。

1粗面內質網的功能

（1）蛋白質合成

（2）蛋白質改造及運輸

糖蛋白的合成過程：

在細胞中形成的一些分泌顆粒（酶原顆粒），它們的成分多為糖蛋白，蛋白質部分如上所述是在RER膜上的核糖體上合成的，那么蛋白質合成之后，糖鏈部分是如何添加上去的呢？

在ER腔面：

首先在ER膜的多萜醇磷酸上添加形成（N-乙酰葡糖胺）2—（甘露糖）9—（葡萄糖）3，然后在糖基轉移酶作用下將其寡糖芯整批移交給合成中的多肽鏈天冬酰胺的N原子上（N-連接）。在ER和高爾基池的轉運過程中以上寡糖芯被切除只剩下最近端的兩個N-乙酰葡糖胺和3個甘露糖。

在Golgibody上：

修剪后依次添加上巖藻糖、半乳糖、N-乙酰葡糖胺、唾液酸，多是加在肽鏈的絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸側鏈的OH基上，（O一連接）。

蛋白質的運輸：合成改造過的蛋白質如何運送出去呢？通過放射性同位素示蹤證明，這些物質必須經過內質網向外運輸，從這方面看，RER是物質運輸的通道。

○1分泌蛋白的運輸——Palademodel

關于分泌蛋白的運輸，Palade做了系統(tǒng)的研究，并提出了一般的運輸模型——Palademodel。Palade采用了3H-亮氨酸做脈沖標記追蹤實驗，表明在RER上合成的分泌蛋白，是經由內質網池進入高爾基復合體池，再包裝成分泌顆粒排往胞外。

○2少量可溶性蛋白的運輸：這種蛋白質在RER上合成后便轉入細胞質基質中。

○3膜蛋白：這種蛋白質在RER上合成后，有兩條可能途徑，一是先進入ER腔中，再靠一定機制入膜，二是不經ER腔而直接入膜，這兩種可能都在探討中。

（2）膜的形成RER膜可不斷地進行自身裝配和生成。在RER首先合成膜脂和內在蛋白，然后添加上酶、專一性糖和脂類，成為各種功能不同的膜。這一過程稱為膜分化（membranedifferentiation）。

2滑面內質網的功能

（1）解毒作用

（2）脂類合成

（3）糖代謝

（4）作為分泌蛋白運輸的通路

另外，內質網具有貯積Ca2+的功能。

（五）內質網的發(fā)生

內質網是一種非常容易解體，也容易重新形成。關于它的發(fā)生目前來說還是個懸而未決的問題，有種種猜測或設想；例如，有人主張ER膜來自核膜，也有人意見相反；

肌質網（Sarcoplasmicreticulum）

是存在于高度特化的細胞——肌纖維中的特化滑面內質網（含有幾個細胞核，是一個大的合胞體）。是分布于肌原纖維之間的縱行小管狀結構，主要功能是貯積鈣離子，在肌肉收縮中起一定作用。（當受到沖動刺激時，可向肌漿中釋放鈣離子，達到一定濃度，引起肌肉收縮）。

第三節(jié)高爾基復合體（Golgicomplex）

高爾基體是內膜系統(tǒng)的一部分，結構復雜，由許多扁囊、小泡、大泡組成，現(xiàn)在稱這種復雜的結構為高爾基復合體（Golgicomplex）。

一、形態(tài)結構

一個典型的高爾基復合體是由扁平囊泡、小泡和大泡組成的。

1扁平囊泡（saccules）——高爾基囊（Golgisac）

扁囊的凸面靠近核側，稱形成面（formingface）或未成熟面（immatureface），又稱順面（cis）

扁囊的凹面遠離核側，稱分泌面（secretingface）或成熟面（maturingface），又稱反面（trans）

2高爾基小泡（Golgivesicle）又稱微泡或過度小泡。位于主體結構的形成面周圍。直徑在30~80nm左右，膜厚6nm，有兩種類型：一種表面光滑，較多；另一種小泡膜表面有絨毛樣層，特稱衣被小泡（coatedveside）數量較少。

3高爾基液泡（Golgivacuole）又稱濃縮泡（condensingvacuole）或大泡、分泌泡、分泌顆粒。位于主體結構的分泌面周圍，直徑約在100—500nm。一般認為它們是由扁平泡寬大的末端或成熟面局部膨大而形成，是高爾基復合體加工、包裝的分泌產物，由于這些產物的成熟程度不同，造成不同的大泡其內物質的電子密度不同。

二、化學組成

通常：蛋白質約占60%：多為酶類，如：硫氨素焦磷酸酶（TPP酶）（thiaminepyrophosphatase）、糖基轉移酶（glycosyltransferase）、酸性磷酸酶及其他溶酶體酶。其中糖基轉移酶是高爾基復合體的特征酶，它可以將低聚糖轉移到蛋白質上形成糖蛋白。脂類約占40%，主要為膽固醇，甘油三酯等。

三、高爾基體在細胞中的分布特點

四、高爾基復合體的功能

1作為細胞內的加工運輸系統(tǒng)，形成分泌物。

實驗表明，高爾基復合體類似一個加工廠，對來自內質網的蛋白質、脂類加工改造，然后裝配起來，運出細胞。

這一運輸途徑是目前為多數人接受的，稱為膜流動理論。酶原顆粒在細胞表面將內容物排出后，其膜泡可返回高爾基體。這種內膜系統(tǒng)在細胞內移動運轉的現(xiàn)象稱為膜流（m.flow）

2合成糖蛋白和糖鞘脂，對糖蛋白寡糖鏈進行修飾。

兩類糖基化修飾：糖一般結合在多肽鏈的4種αα殘基上，N—連接連在天冬酰胺的氮原子上。O—連接連在絲、蘇、羥脯、羥賴氨酸的羥基上。

3蛋白質的加工改造

有些蛋白質（酶）合成是先形成無生物活性的前體物，再經過加工改造才具備活性，高爾基復合體具備這方面的功能。

4膜的轉變功能

5參與植物細胞壁的形成

6參與溶酶體的形成

五、高爾基復合體的發(fā)生

Golgjcomplex是一種易變結構，隨時可解體和產生。關于它的發(fā)生有不同的說法，傾向性看法（普遍認為）：它是由內質網或核膜轉變而來的，即：RER失去核糖體，分離成光面膜小泡，由此合并成高爾基池；或者由SER分離出小泡，合并成高爾基池。

第四節(jié)溶酶體（Lysosome）

溶酶體幾乎存在于所有的動物細胞，植物細胞內的溶酶體，目前意見不一，有人認為植物細胞內有類似溶酶體的結構，而單獨稱為植物溶酶體，如圓球體、糊粉粒和蛋白質體。液泡也具此功能。溶酶體在各種細胞內的數量與形態(tài)差異很大，這是由于各溶酶體分別處于其生理功能的不同發(fā)展階段的緣故。

一、結構及化學組成

電鏡下觀察，溶酶體是外包一層單位膜的圓泡狀結構，平均大小約在0.25~0.8μm（0.2~0.5μm）之間，介于線粒體和微體之間。

溶酶體膜是一典型的單位膜，其化學成分主要是脂蛋白，磷脂含量也較多。這層膜對溶酶體本身所含酶具有抗性，膜一旦破裂，則消化細胞，危及組織，故溶酶體有“自殺袋”之稱。

二、溶酶體的類型

第一類：初級溶酶體（Primarylysosome）是指剛從高爾基的邊緣膨大分離出來，還未同消化物融合的潛伏狀態(tài)的溶酶體（不含作用底物）。內容物為均一的酶液，無活性。

第二類：次級溶酶體（Secondarylysosome）指初級溶酶體同消化物融合后，正在進行消化或已經消化后的泡狀結構，又稱消化泡（digestivevacuole）。

次級溶酶體又因所消化物質的來源和消化程度不同，分為：

○1異體吞噬泡（heterophagicvacuole），異噬小體（heterophagosome）：是初級溶酶體與吞噬小體融合后形成的泡狀結構。吞噬小體（phagosome）是細胞內吞異物后形成的泡狀結構，又稱初級內吞小泡。

○2自體吞噬泡（autophagicvacuole），自噬小體（autophagosome）：是初級溶酶體含有細胞自身的部分物質，（細胞器）進行消化的泡狀結構。這部分細胞器可能是衰老的或多余的，這是一種自我保護作用。

○3終末溶酶體（telolysome）、殘余小體（residualbody）或殘質體，后溶酶體（postlysosome）

次級溶酶體中的物質被消化完畢后，其殘渣存在的泡狀結構。這時已失去酶活性或酶活性極弱。異噬小體和自噬小體是正行使消化功能的次級溶酶體，而后溶酶體則是已經行使完消化功能的結構。

三、溶酶體功能

1正常消化和防御作用

2自體吞噬作用——暫渡“危機”

3細胞的自溶作用——保證發(fā)育

4溶酶體與細胞病理（實屬溶酶體功能異常）

四、溶酶體的來源（發(fā)生）

關于溶酶體的來源，目前有兩種觀點：

○1來自ER和Golgibody

多數學者認為，溶酶體和其它分泌顆粒一樣，其內含物是在RER上合成，輸入到Golgi區(qū)，包上膜游離下來便成為溶酶體。

五、微體（microbody）

微體也是一種由單位膜圍成的細胞器，在大小上很難與溶酶體相區(qū)別，只是所含酶類不同。

微體是一類含有氧化酶、過氧化物酶或過氧化氫酶的細胞器，在形態(tài)上有卵圓形、啞鈴形、圓球形等。

在動、植物細胞中，普遍存在兩種微體，即過氧化物酶和乙醛酸循環(huán)體。

1過氧化物酶體（Peroxisome）

存在于動物細胞和高等植物的葉肉細胞中，含較多氧化酶。其主要功能表現(xiàn)在：

（1）解毒作用：主要體現(xiàn)在動物細胞，這種微體含有與生成H2O2有關的酶，也含有分解H2O2的過氧化氫酶，將代謝過程中產生的對細胞有毒害的H2O2分解。

（2）分解脂肪酸等高能分子，向細胞直接提供熱能。

（3）與膽固醇代謝有關。

（4）執(zhí)行光呼吸（乙醇酸代謝）：這一功能體現(xiàn)在植物細胞。過氧化物酶體是乙醇酸氧化的場所，氧化的結果是攝取氧，釋放CO2，這一過程只能在光照下，與葉綠體、線粒體聯(lián)合進行，稱為光呼吸（photorespiration））

2乙酰酸循環(huán)體（glyoxysome）

僅存在于高等植物細胞中，參與脂類代謝過程，含有同乙酰酸循環(huán)有關的酶，也含有過氧化物酶中的酶。

種子萌發(fā)時，乙酰酸循環(huán)體降解→脂肪→糖

這一微體的主要功能是蔗糖異生作用，整個過程涉及三個細胞器、兩個主要過程。

第五節(jié)細胞內蛋白質的分選及細胞結構的裝配

一、信號假說與蛋白質分選信號

分泌蛋白合成的信號假說（Signalhypothesis）

這一假說是1975年正式提出的，但近幾年來有不同學者（美國Blobel，西德Meyer）對其進行修改補充，下面將這方面問題加以綜合介紹。

（1）編碼分泌蛋白的mRNA，在起始密碼子AUG之后，緊跟著一組特定的信號密碼子（約有45-90、48-78個核苷酸）。編碼一段多肽的mRNA

（2）多肽鏈的開始合成在游離核糖體上，信號密碼子轉譯信號肽（signalpeptide，疏水性āā占優(yōu)勢），約有15-30個氨基酸（16-26）。

（3）在RER膜上有信號識別蛋白（signalrecognitionprotein，SRP），可以釋放到細胞質中去，識別正在合成信號肽的核糖體，并與之結合，合成暫停，引導核糖體與ER膜結合，合成繼續(xù)。其上有核糖體親合蛋白Ⅰ、Ⅱ（實際上是核糖體受體蛋白）以及SRP受體，又稱停泊蛋白（docking.P）。

（4）核糖體-SRP復合物與RER膜上的核糖體受體蛋白（SRP受體）有識別能力，并相互作用，使RER形成隧道，SRP受體重新啟動暫時終止的肽鏈繼續(xù)合成，SRP釋放。合成的多肽鏈通過隧道進入內質網池。

（5）信號肽已無用，被位于RER膜內表面的信號肽酶切掉（Signalpeptidase）。

（6）多肽鏈繼續(xù)生長，直至合成完畢。

（7）在一種分離因子作用下，核糖體脫離開膜，隧道封閉。

二、蛋白質分選的基本途徑與類型（核編碼蛋白質如何進入線粒體、葉綠體）

（1）在細胞質基質中合成多肽前體物；

（2）前體物同細胞器表面受體結合；

（3）穿膜進入細胞器內；

（4）前體物被加工成成熟多肽。

前體物的穿膜活動也符合信號假說原理。即，這些前體物具有氨基端順序或肽鏈內部順序——信號肽（特稱導肽，Leaderpeptide，高度疏水性），靠此與細胞器膜上的信號肽順序受體結合，穿膜進入細胞器，被信號肽酶切除信號肽，參與細胞器建成或功能活動。

從以上看出，決定新合成的多肽轉移到細胞的哪個部位，是存在于多肽本身的某種信息。如信號肽，導肽等。但只有這一條還不夠，還必須有能識別正在合成多肽的某些蛋白質分子，以幫助多肽的轉運，折疊或裝配，這一類分子本身并不參與最終產物的形成，特稱為分子伴娘（molecularchaperones），如信號識別顆粒（SRP）。

三、膜泡運輸

（一）網格蛋白有被小泡

負責蛋白質從高爾基體的TGN向質膜、胞內體或溶酶體和植物液泡運輸。另外，受體介導的內吞負責將胞外物質運往胞內等。

（二）COPII有被小泡

負責從ER到高爾基體的物質運輸。

（三）COPI有被小泡

負責回收轉運內質網逃逸蛋白返回內質網（“開放的監(jiān)獄”）。第七章細胞的能量轉換—線粒體和葉綠體

教學目的：掌握線粒體、葉綠體的超微結構及功能

教學重點：1線粒體、葉綠體的超微結構

2化學滲透學說

3線粒體、葉綠體的半自主性

教學難點：線粒體、葉綠體的超微結構及功能的關系

講授與討論

第一節(jié)線粒體與氧化磷酸化

一、線粒體形態(tài)、大小、數目和分布

二、線粒體的超微結構

本世紀50年代后，在電鏡下觀察研究線粒體的結構問題。是由雙層單位膜套疊成的所謂“囊中之囊”，在空間結構上人為地劃分為四大部分，即外膜、內膜、外室、內室。

（一）外膜（outermembrane）

指包圍在線粒體最外面的一層膜，看上去平整光滑而具有彈性，膜厚約6nm。對各種小分子物質（分子量在10000doldon以內，如電解質、水、蔗糖等）的通透性較高，有人認為外膜上具有小孔（ф2~3nm）。

（二）內膜（innermembrane）

也是一單位膜，約厚6~8nm。內膜不同于外膜。首先是在結構上，內膜不是平滑的，而是由許多向線粒體腔內的突起（褶疊或小管），被稱為“線粒體嵴”（mitochondriacristae），是線粒體最富有標志性的結構，它的存在大大擴大了內膜的表面積，增加了內膜的代謝效率。

（三）外室（outerspace）（膜間隙）

指內、外膜之間的窄小空隙，寬約6~8nm，又稱膜間隙（intermembranespace）。

（四）內室（mnerspace）

指由內膜包圍的空間，其內充滿蛋白質性質的物質，稱線粒體基質（mitochondriamatrix）。

三、線粒體的化學組成及定位（chemicalcomposition）

（一）蛋白質外膜含量（60%）低于內膜含量（80%），主要為酶類（約120余種）。

外膜：單胺氧化酶（標記酶）、NADH—細胞色素C還原酶、脂肪酸輔酶A連接酶等等；

內膜：呼吸鏈酶系（細胞色素氧化酶為標記酶）、ATP合成酶、琥珀酸脫H酶等等；

外室：腺苷酸激酶（標記酶）、核苷二磷酸激酶；

內室：三羧酸循環(huán)酶系（其中蘋果酸脫H酶是標記酶）、脂肪酸氧化酶、蛋白質合成酶系等等

（二）脂類外膜中含量（40%）高于內膜中的含量（20%）。其中內膜不含膽固醇，而含心磷脂較多。

（三）核酸基質中有DNA，稱mt—DNA

四、線粒體的功能——生物氧化（biologicaloxidation）

亦稱細胞呼吸（cellularrespiration），指各類有機物質在細胞內進行氧化分解，最終產生CO2和H2O，同時釋放能量（ATP）的過程。包括TCA環(huán)、電子傳遞和氧化磷酸化三個步驟，分別是在線粒體的不同部位進行的。

（一）生物氧化的分區(qū)和定位

（二）電子傳遞和氧化磷酸化的結構基礎

雖然電子傳遞和氧化磷酸化偶連在一起，但它們又是通過不同的結構完成的。1968年，E.Racker等的亞線粒體小泡重建實驗說明了這一問題（圖示）。

由此可見，電子傳遞是在線粒體內膜上，氧化磷酸化由基粒承擔。

1電子傳遞鏈（呼吸鏈）（electrontransportchain，respirationchain）

呼吸鏈是由存在于線粒體內膜上的眾多酶系和其它分子組成的電子傳遞鏈。

（1）復合物INADH—Q還原酶，催化NADH的2個電子→輔酶Q

（2）復合物Ⅱ琥珀酸—Q還原酶，催化電子從琥珀酸通過FAD和鐵硫蛋白傳至輔酶Q

（3）復合物Ⅲ細胞色素還原酶，催化電子從輔酶Q傳至CytC

（4）復合物Ⅳ細胞色素氧化酶，將電子從CytC→氧。

2基粒（F1—FO復合物）的超微結構

F1—FO復合物，又稱內膜亞單位、呼吸集合體、ATP酶復合物、ATP合成酶等。這一結構最初是在1962年，由Fernadezmoran經負染色在電鏡下觀察到的，后來D.Green將其稱為線粒體基粒，后改稱基粒，實際上是一種ATP酶復合體，分子量約在448000。

它是由多條多肽鏈構成的復合結構，可分為三部分，即頭、柄、膜三部。在ATP形成過程中共同發(fā)揮作用。

3氧化磷酸化的偶聯(lián)機制

（1）化學偶聯(lián)假說（Chemiealcouplinghypothesis）

（2）構象偶聯(lián)假說（Conformationalcouplinghypothesis）

（3）化學滲透學說（Chemiosmoticcouplinghypothesis）

亦稱電化學偶聯(lián)學說，是1961年英國生化學家P.Mitchell提出的。對電子傳遞和氧化磷酸化問題作了較為另人信服的解釋，故普遍為人接受，米切爾因此而獲1978年諾貝爾化學獎。

這一假說的中心思想是：在電子傳遞過程中所釋放的能量轉化成了跨膜的氫離子濃度梯度的勢能，這種勢能驅動氧化磷酸化反應，合成ATP。

（1）NADH提供一對電子，經電子傳遞鏈，最后為O2所接受。

（2）電子傳遞鏈中的載氫體和電子傳遞體相間排列，每當電子由載氫體傳向電子傳遞體時，載氫體的H+便釋放到內膜外。一對電子在呼吸鏈三次穿膜運動，向外室排放三對H+。

（3）內膜對H+具有不可透性，故隨電子傳遞過程的不斷進行，H+在外室中積累，造成膜兩側的質子濃度差。

（4）外室中H+有順濃度梯度返回基質的傾向，當H+通過F1—FO復合物時，ATP酶利用這一勢能合成ATP。

（5）F1—FO復合物需2個質子合成一個ATP。

第二節(jié)葉綠體與光合作用（chloroplast&photosynthesis）

葉綠體是植物細胞特有的雙層膜圍成的細胞器，它對生物界的存在和進化有著重大貢獻（三個最初：一是人類、動物、多數微生物的食物的最初來源；二是人類社會利用的古生物燃料——煤、石油、天然氣的最初來源；三是地球上氧氣的最初來源），主要功能在于：吸收光能，合成碳水化合物，同時產生分子氧，總稱為光合作用（photosynthesis）

一、葉綠體的形狀、大小、數目、分布

二、超微結構

近年來，先后有許多學者采用超薄切片、負染色和冰凍蝕刻等先進技術，研究葉綠體的形態(tài)和組成，揭示葉綠體囊狀膜系統(tǒng)的超微結構。

1葉綠體膜（chlmembrane）

是兩層光滑的單位膜（內、外膜）6-8nm，也稱外被（outerenvelope），是一個有選擇的屏障，控制著葉綠體代謝物質的進入和排出。

2基質（stroma）

指葉綠體膜包圍的，無結構，呈流動狀態(tài)的物質。即葉綠體內膜與類囊體之間無定形物質，在基質中存在：

（1）葉綠體DNA環(huán)狀，每一葉綠體內可含有幾十個拷貝；（2）70S核糖體；（3）mRNA、tRNA；（4）酶類；（5）RUBP羧化酶；（6）各種離子。

3類囊體

類囊體在基質中有兩種形式存在，一種是較小的扁囊，多個5—30（10—100個）相互疊置成一摞，形成的結構稱基粒（grana）。每一葉綠體中約含有40—80個基粒。組成基粒的類囊體稱基粒類囊體（granum-thylakoid）或基粒片層（granalamella）。另一種是較大的扁囊，貫穿于基粒之間，稱基粒間類囊體或基質類囊體（stroma-thylakoid）或基質片層（stromalamella）。它們順著葉綠體的縱軸彼此平行排列。其存在意義在于，使膜片層的總面積大大超出葉綠體的面積。

可見基粒thylokoid中有PSI和PSII的機能單位，并分布在膜內表面，是PSII核心顆粒和捕光復合物結合成的。

而基質thylokoid中多有PSI的機能單位，多布于膜外側。

除上述內在蛋白外，還有組成電子傳遞鏈的眾多載體，包括○1PQ（質體醌）、○2PC（質體蘭素，plastcyanin）、○3細胞素（Cytb—559，Cytf—553，Cytb6—563等）、○4鐵硫蛋白（鐵氧還蛋白ferrdoxin，F(xiàn)d）、○5黃素蛋白。故將類囊體稱為光合膜。

三、化學組成

四、葉綠體的功能——光合作用（photosynthesis）

綠色植物細胞，吸收光能，還原CO2，并利用水提供氫合成碳水化合物，同時放出分子氧的過程，稱為光合作用。總過程分為兩個階段：光反應和暗反應。

（一）光反應（Lightreaction）

葉綠素等色素分子捕獲光能，將光能轉化為ATP和NADPH的化學能，并放出氧的過程，是在類囊體膜上進行的，為能量轉換過程。

光反應包括三個基本反應：原初反應、電子傳遞反應、光合磷酸化。

（1）原初反應（primaryreaction）：指聚光色素分子吸收光量子傳到反應中心進行光化學反應的物理過程。包括光能的吸收、傳遞與轉換。

（2）電子傳遞反應：包括三個階段：NADP+的還原反應；PSII與PSI之間的傳遞；放氧反應。

（3）光合磷酸化反應：在有光存在下，當電子沿電子傳遞鏈傳遞時，形成ATP的過程稱為光合磷酸化（photophosphorylation）。

當電子從還原勢高處（Q）向還原勢低的PSI傳遞時，能量下降，利用這一能量將ADP磷酸化形成ATP，這一過程稱非循環(huán)式光合磷酸化（電子通路是開放的）。

當NADPHNADP+比值大時（缺少NADP+時），鐵氧還蛋白（Fd）則將電子通過cytb6、cytf、pc傳給P700+，利用這一能量使ADP磷酸化形成ATP，稱循環(huán)式光合磷酸化（電子通路是閉合的）。

（4）光合磷酸化機制在一對電子的傳遞過程中，膜外消耗了三個質子，膜內則增加了四個質子，隨著過程的不斷進行，膜內外便建立了質子梯度，有向膜外穿出的趨勢，當每3對H+通過CF1-FO復合物時，在CF1的催化下，合成一個ATP。

（二）暗反應（darkreaction）

利用光反應產生的ATP和NADPH還原CO2形成碳水化合物，將活躍化學能變?yōu)榉€(wěn)定化學能，是在葉綠體基質中進行的。為物質代謝過程。

在高等植物固定CO2有三條途徑：卡爾文循環(huán)（C3途徑）、C4途徑（Hatch-slack途徑）和景天科酸代謝。卡爾文循環(huán)是最基本、最普通的，只有這一途徑具備合成淀粉之能力，又稱C3途徑。

第三節(jié)線粒體和葉綠體是半自主性細胞器

一、線粒體與葉綠體的DNA

（一）線粒體DNA（mt-DNA）

（二）葉綠體DNA（ct-DNA）

二、線粒體和葉綠體的蛋白質合成

（一）線粒體的蛋白質合成

線粒體基質中除有DNA外，還有各種RNA、核糖體、氨基酸活化酶等，說明它能合成自我繁殖所需的某些成分，但數量不多，只占線粒體全部蛋白質的10%，約有13種（20個分子）左右。有人估算：

×10（每周10個核苷酸）=14705對核苷酸，能編碼4902個氨基酸（除以3），假設一個蛋白質分子由150個氨基酸組成，則能編碼30個左右蛋白質分子，如果除去編碼ｍRNA、rRNA、tRNA的信息量（占總信息量的30%），余下的信息量只能編碼約20個左右的蛋白質分子。

綜上所述，線粒體有自身的DNA，有一整套蛋白質合成系統(tǒng)，能夠復制和再生，使其一代代傳下去，所以具有一定的自主性。

（二）葉綠體蛋白質的合成

葉綠體中的蛋白質（酶）一部分是在葉綠體中由它自己的DNA編碼，經過mRNA轉錄和翻譯形成的，有一部分則是由核基因編碼，在細胞質中形成后轉入葉綠體的。還有一部分是由核基因編碼，在葉綠體的核糖體上合成。

三、對細胞核和細胞質的依賴性大

無論是線粒體還是葉綠體，它們的自主性是有限的，下面以線粒體為例說明之。

核質蛋白質合成系統(tǒng)通過合成某些酶類來調節(jié)線粒體的蛋白質合成系統(tǒng)。在有氯霉素存在的條件下培養(yǎng)鏈孢霉細胞，這時線粒體的蛋白質合成受抑制，但線粒體的三羧酸循環(huán)酶類、電子傳遞鏈中的NADH脫氫酶、CytC、以及DNA-Poly-merase、RNA-Polymerase、核糖體蛋白質、各種氨基酸活化酶等有關線粒體DNA復制和基因表達的酶類依然存在。而這些酶是由核基因編碼，在細胞質中合成，然后轉移到線粒體的。這說明細胞質的蛋白質合成系統(tǒng)（或者說核——質蛋白質合成系統(tǒng)）通過合成某些酶類來調節(jié)線粒體的蛋白質合成系統(tǒng)。

又：在有放線菌酮存在下培養(yǎng)鏈孢霉細胞，由于細胞質蛋白質合成系統(tǒng)受抑制，結果培養(yǎng)一段時間后，線粒體的合成活性也顯著下降。這足以說明線粒體對細胞核和其他細胞質部分有很大依賴性。實際上也是這樣，線粒體DNA所編碼的蛋白質只有它自身全部蛋白質的10%，絕大部分是由核DNA編碼的。

從上述看出，線粒體的生長增殖是受核基因組和線粒體基因組兩套遺傳系統(tǒng)的共同控制，故稱線粒體為半自主性細胞器。

四、物質進出線粒體的穿膜機制

細胞質中合成的蛋白質運送至線粒體，大多數以前體的形式存在，而且是需能過程。

前體蛋白質包括有功能的“成熟”形式和氨基未端引伸出的一段導肽（引肽，Leaderseguences，在葉綠體特稱為“轉運肽”）共同組成。導肽約含20~80個氨基酸，又叫氨基末端指導肽。進入線粒體的過程大致為：○1帶有N-末端導肽的前體蛋白質首先與外膜上受體結合；○2蛋白質橫跨外、內膜；○3N-末端導肽被基質中的蛋白酶切制；○4活化的成熟蛋白質進入基質。

五、線粒體、葉綠體的增殖與起源

（一）線粒體的增殖

（二）葉綠體的發(fā)育、增殖和起源第八章細胞核與染色體

Nucleus&chromosome教學目的：1、掌握細胞核的結構與功能

2、掌握染色體的結構與功能

教學重點：1核膜及核孔復合體

2、染色體的空間結構

教學難點：核孔復合體與核仁的結構與功能

講授法

一、形態(tài)、大小、數目、分布

1形態(tài)間期細胞核形態(tài)多樣，一般為圓形或卵形。其形態(tài)與生物的種類、細胞的形狀、細胞類型、發(fā)育時期以及機能狀態(tài)有關。

2大小多數細胞核在5—30μm。小的不到1μm，大的可達500—600μm（蘇鐵科某植物的卵細胞核）。通常：低等生物1—4μm

高等動物5—10μm

高等植物5—20μm

3數目通常一個細胞只有一個核，也有兩個以上的多核現(xiàn)象及在某一發(fā)育時期的無核現(xiàn)象。

4分布細胞核多位于細胞中央，但也有各種不同情況，如上皮細胞的核偏于基底側；橫紋肌的細胞核靠近質膜；植物細胞成熟后若有較大液泡，核則被擠在一邊。

二、細胞核的結構

在固定和染色的細胞中，可觀察到細胞有下列結構：核被膜、染色質、核仁、核液（質）四部分。

第一節(jié)核被膜與核孔復合體

一、核被膜（nuclearenvelope）

亦稱核膜（nuclearmembrane），由此