1、生物學基礎知識復習學案細胞生物學全國生物學聯賽輔導教案細胞生物學主編：吳波（東北師范大學生命科學學院遺傳研究室）第一節緒論一、細胞生物學是現代生命科學的重要基礎學科1.細胞學（Cytology）：是研究細胞的結構、功能和生活史的科學。2.細胞生物學（Cell Biology）：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；2.生物膜與細胞器的研究；3.細胞骨架體系的研究；4.細胞增殖及調控；5.細胞分化及調控；6.細胞衰老、凋亡及壽命問題；7

2、.細胞的起源與進化；8.細胞工程。三、當前細胞生物學研究的總趨勢與重點領域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。四、細胞生物學發展簡史1.細胞學創立時期：19世紀以及更前的時期（1665-1875），是以形態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）。五、細胞的發現（discovery of cell）六、細胞學說的建立及其意義（the cell theory）18

3、38年，德國植物學家施萊登（J.Schleiden）關于植物細胞的工作，發表了植物發生論一文（Beitrage zur Phytogenesis）。1839年，德國動物學家施旺（T.Shwann）關于動物細胞的工作，發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，并作為一種系統地科學理論提出了細胞學說。細胞學說的內容是：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，按共同規律發育，有共同的生命過程）；3.細胞只能通過細胞分裂而來。第二節：細胞基本知識概

4、要一、細胞和原生質的概念1.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結構和功能活動單位。2.原生質（protoplasm）：細胞內所含有的生活物質，真核細胞包括細胞質和細胞核。3.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（cytoplasmic miatrix）。（1）細胞器（organelle）：指存在于細胞中，用光鏡或電鏡能夠分辯出的，具有一定形態特點，并執行特定功能的結構。（2）細胞質基質（gyto

5、plasmic matrix）：是細胞質的可溶相，是作為細胞器的環境而存在的。（3）細胞核（nucleus）：遺傳物質的集中區域，在原核生物細胞稱擬核（nucleoid）或類核區。二、原核細胞（Prokaryotic cell）原核生物的細胞具有兩大特點：（1）遺傳信息量少（僅有一個環狀DNA）；（2）無膜圍細胞器及核膜。1.最小、最簡單的細胞支原體（mycoplasma）2.原核細胞的兩個代表細菌和藍藻細菌（bacteria）：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-green al

6、gae）：又稱藍綠藻或藍細菌，是綠色植物中最原始的自養類型，含有藍色素、紅色素、黃色素、葉綠素等，故不一定都是藍色。三、真核細胞的基本結構體系1.生物膜系統：以脂質及蛋白質成分為基礎構建而成；2.遺傳信息表達結構系統：以核酸與蛋白質為主要成分構建而成；3.細胞骨架系統：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，二者的根本區別可歸納為：1.細胞膜系統的分化與演變：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。2.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

7、或多倍性。原核細胞為單倍性。僅為一條環狀DNA分子，細菌只有幾千個基因。四、細胞的大小及其分析原核細胞多在1-10m或1-5m，細菌多在3-4m，支原體只有0.1m。動物細胞多在（10-100m，20-30m，15-70m）。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。影響細胞大小的因素：1.細胞的核質比與細胞大小有關，決定細胞上限；2.細胞的相對表面積與細胞大小有關；3.細胞內物質的交流與細胞大小有關。第三節：細胞生物學研究方法一、細胞形態結構的觀察方法（一）光學顯微鏡技術1.普通復式光學顯微鏡技術2.熒光顯微鏡（fluorescence microscope

8、）3.暗視野顯微鏡（darkfield microscope）4.相差顯微鏡（phase contrast microscope）5.激光共焦點掃描顯微鏡6.微分干涉顯微鏡（二）電子顯微鏡技術1.電鏡設計原理及分類2.電鏡的種類3.透射式電子顯微鏡光鏡與電鏡的主要區別：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。（三）掃描式電子顯微鏡1.掃描電鏡的特點2.掃描電鏡的基本結構（四）電鏡樣品制備技術1.超薄切片技術2.負染色（negative staining）技術3.核酸大分子的制樣技術（大分子鋪展技術，Kleinsch

9、midt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。6.冰凍蝕刻技術（freeze etching）7.掃描式電鏡制樣技術二、細胞組分的分析方法（一）超速離心技術分離細胞（組分）及生物大分子1.制備離心（preparative centrifuge）：分離和純化亞細胞成分和大分子，目的是制備樣品。（1）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。（2

10、）密度梯度離心（區帶離心法）速率區帶離心法（蔗糖密度梯度離心）；等密度梯度離心法（氯化銫密度梯度離心）。2.分析離心（analytical centrifuge）：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）細胞化學技術1.組織化學和細胞化學法：利用某些化學物質和某些細胞成分發生化學結合，從而顯示出一定的顏色，進行定性和定位研究的方法。2.免疫細胞化學法（特異蛋白抗原的定位與定性）：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稱。是免疫學原理與光鏡或電鏡技術的結

11、合。（三）細胞內特異核酸序列的定位與定性1.DNA序列測定技術2.核酸分子雜交技術（molecular gbridization technique）：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：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）DNA印跡法（Southern blotting）：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。（2）RNA印跡術（Northe

12、rn blotting）（3）蛋白質印跡術（Western blotting）（4）Eastern blotting：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：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。（6）原位雜交（Insitu hybridization）：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區段的位置。（四）電鏡放射自顯影技術：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。三、細胞培養（一）動物細

13、胞培養（二）植物細胞的培養：包括單倍體細胞的培養和原生質體培養。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育，并形成一個完整生物個體的能力。1.單倍體細胞的培養；2.原生質體培養；3.植物細胞雜交（融合）。四、細胞工程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、改變和創造細胞遺傳物質，以產生新的物種和品系，或大規模培養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。第四節：細胞膜與細胞表面一、細胞膜的結構模型細胞膜（Ce

14、ll membrane）：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（Plasma membrane）。1.雙分子片層模型（bimolecular leaflet model）：這一模型是Danielli and Davson于1935年提出的，因此又稱Danielli and davson模型。2.單位膜模型（The unit membrane model）：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（fluid

15、mosaic model）（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）。（3）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下，可作多種形式的運動，如旋轉、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

16、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.板塊鑲嵌模型二、質膜的化學組成細胞膜幾乎全都是脂類（50%）和蛋白質（40%），含少量糖類（2-10%糖脂和糖蛋白）和微量核酸（細菌質膜、核膜、線粒體內膜、葉綠體內膜），結合方式及存在意義不清。三、質膜的功能質膜與外界環境隔離開，通過它保持著一個相對穩定的細胞內環境，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（membrane associated cytoskeleton）：指

17、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。五、細胞連接（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，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（maculae adherens）：指相鄰細胞間形成的“鈕扣”樣結構，聯結處約有30nm的間隙，間隙充滿

18、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（hemides mosome）：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。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（gap junction）：又有縫隙聯結或接合斑、縫管連接或封閉筋膜之稱，是相鄰細胞間有2-3nm間隙的一種連接

19、方式。電鏡下觀察聯結處呈四暗夾三明的七層結構之稱。2.胞間連絲：在植物細胞，兩相鄰細胞的壁之間靠一層稱作胞間層的果膠類物質粘合在起，但在有些部位，細胞壁及胞間層并不連續，在此有原生質絲通過而勾通相鄰兩細胞，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。六、細胞外被（cell coat）又稱糖萼（glgcocalyx），指由細胞產生的、與細胞膜外表面聯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”

20、與“皮”的關系。七、細胞外基質（extracellular matrix）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）維持細胞外環境（調節細胞周圍的物質濃度）；（4）過濾作用。細胞外物質主要包括：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；氨基聚糖（GAC）、蛋白聚糖（PG）、粘多糖和粘蛋白；層粘連蛋白（LN）和纖粘連蛋白（FN）和彈性蛋白。第五節：物質的跨膜運輸與信號傳遞一、物質的跨膜運輸（一）被動運輸（Passive

21、 transport）：指通過簡單擴散或協助擴散實現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。1.簡單擴散（simple diffusion）：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（free diffusion）。2.協助擴散（facilitated diffusion）：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（

22、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助擴散進行的。這種運輸方式依賴物質濃度差，依賴于專一性的膜運輸蛋白（轉運膜蛋白）。膜運輸蛋白（memberan transport protein）是鑲嵌在質膜上的、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）通道蛋白：以其親水區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，只有當膜電位或化學信號

23、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：識別結合特異性底物后通過構象變化實現物質轉移。類似于酶與底物的作用，故又稱“透性酶”（permease）。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（active transport）又稱代謝關聯運輸（metabolically linked tramsport），

24、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。1.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為某物質的泵。如運輸Ca2+，叫鈣泵（肌質網膜）；運輸H+，叫氫泵（細菌質膜）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）。現以Na+-K+泵為例，說明離子泵的工作機制。

25、Na+-K+泵是存在于質膜上的由和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首先發現并闡述其機制，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

26、胞外。2.間接利用ATP的主動運輸伴隨運輸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；靠共價修飾；需能。（四）物質的跨膜轉運與膜電位1.調節滲透壓；2.某些物質的吸收；3.產生膜電位；4.激活某些生化反應。（五）胞吞與胞吐作用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。這樣的物質運輸方式稱膜泡運輸，又稱批量運輸。大分子物質及顆粒物質常以此方式進出細胞。1.胞飲作用與吞噬作用某些物質

27、與膜上特異蛋白質結合，然后質膜內陷形成囊泡，稱胞吞泡。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：（1）吞噬作用（phagocytosis）：內吞較大固體物質，如顆粒白細胞、巨噬細胞。（2）胞飲作用（pinocytosis）：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。2.胞吐作用（exocytosis）：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。3.受體介導的胞吞作用某些大分子的內吞往往首先同質膜上的受體結合，

28、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。膜泡運輸時由于質膜內陷或外凸也需消耗能量，可看作是一種主動運輸方式。二、細胞通訊與細胞識別（一）細胞通訊（cell communication）：指一個細胞發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（cell recognition）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，最終表現為細胞整體的生物學效應。細胞識別是細胞通訊的一個重要環節。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，最終調節特定基因

29、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（signaling pathway）。細胞識別正是通過各種不同的信號通路實現的。（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（signal molecule）和被識別子（cognon）之稱。（1）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，調節基因表達。（2）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

30、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。（3）氣體信號分子：20世紀80年代發現一氧化氮（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域，即與配體結合的區域及產生效應的區域。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絡的“文字”和“語言”。根據靶細胞上受體存在的

31、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。（1）第二信使：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。（2）分子開關（molecular

32、switches）：在細胞內一系列信號傳遞的級聯反應中，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。三、細胞內的信號傳導（一）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：C末端區結合激素；中部結合DNA；N末端區激活基因轉錄。（二）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

33、族：1.離子通道偶聯的受體：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結合的調節蛋白（G蛋白）相耦聯，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蛋白偶聯受體所介導的細胞信號通路主要包括兩類：（1）cAMP信號通路：激素（第一信使）激活受體進一步激活腺苷酸環化酶，使ATPcAMP（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。（2）磷脂酰

34、肌醇信號通路：外界信號分子識別并結合膜表面受體，激活磷酸二酯酶（PIC）催化使4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2，存在于真核細胞膜的成分）水解成1，4，5-三磷酸肌醇和（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，進一步調節受鈣調素調節的酶的活性，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。第六節：細胞質基質與細胞內膜系統一、細胞質基質細胞質基質的概

35、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，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。（一）化學組成細胞質基質是細胞真正的內環境，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，可隨環境條件的改變由溶膠變為凝膠狀態或者相反，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.提供離子環境：以維持各細胞器的實體完整性。3.提供底物（原料）：以

36、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內膜系統。二、內膜系統（eudomembrane system）細胞質中由膜圍成的、在結構、功能，乃至發生上有密切關系的小管、小泡和扁囊共同組成的膜系統。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。內膜系統的出現是真核細胞區別于原核細胞的顯著特點之一，其

37、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。（1）酶系統的隔離與連接；（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（endoplasmic reticulum，ER）1945年，著名超微結構學家K.B.Porter，在電鏡下觀察組織培養的雞胚成纖維細胞時，發現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。雖然以后發現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。1.形態結構特點：ER是交織分布在細胞質

38、中的由膜圍成的扁囊或小管狀管道系統。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。2.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（rough endoplasmic reticulum，RER）：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（smooth endoplasmic reticulum，SER）：表面光滑，無核糖體附著，嗜酸性，在形態上常呈分枝狀，小管或小泡的網狀結構，很少象RER那樣擴大成池，其膜也

39、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。3.內質網的化學組成：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。4.內質網的功能：ER是細胞內生物合成的“工廠”，執行一系列的功能，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。（1）粗面內質網的功能：蛋白質合成；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。在ER腔面，首先在ER膜的多萜醇磷

40、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-連接）。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。分泌蛋白的運輸：關于分泌蛋白的運輸，Palade做了系統的研究，并提出了一般的運輸模型Palade model。Palad

41、e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。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。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）滑面內質網的功能：解毒作用；脂類合成；糖代謝；作為分泌蛋白運輸的通路。5.內質網的發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。肌質網是存在于高度特化的

42、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，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。（二）高爾基復合體（Golgi complex）高爾基體是內膜系統的一部分，結構復雜，由許多扁囊、小泡、大泡組成，現在稱這種復雜的結構為高爾基復合體。1.形態結構：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：扁囊的凸面靠近核側，稱形成面或未成熟面，又稱順面（cis）；扁囊的凹面遠離核側，稱分泌面或成熟面，又稱反面（trans）。（2）高爾基小泡：又稱微泡或過

43、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，特稱衣被小泡數量較少。（3）高爾基液泡：又稱濃縮泡或大泡、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。2.化學組成：蛋白質約占60%，多為酶類。例如，硫氨素焦磷酸酶（TPP酶）、糖基轉移酶（glycosyl transferase）、酸性磷酸酶及其他溶酶體酶，其中糖基轉移酶是高爾基

44、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。3.高爾基復合體的功能（1）作為細胞內的加工運輸系統，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。這種內膜系統在細胞內移動運轉的現象稱為膜流。（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

45、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4.高爾基復合體的發生高爾基體是一種易變結構，隨時可解體和產生。關于它的發生有不同的說法，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。（三）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

46、體。液泡也具此功能。溶酶體在各種細胞內的數量與形態差異很大，這是由于各溶酶體分別處于其生理功能的不同發展階段的緣故。1.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0.25-0.8m（0.2-0.5m）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。2.溶酶體的類型（1）初級溶酶體（primary lysosome）：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的溶酶體（不含作用底物）。內容物為均一的酶液，無

47、活性。（2）次級溶酶體（Secondary lysosome）：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（digestive vacuole）。次級溶酶體又因所消化物質的來源和消化程度不同，分為：異體吞噬泡（heterophagic vacuole）：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（phago some）是細胞內吞異物后形成的泡狀結構，又稱初級內吞小泡。自體吞噬泡（autophagic vacuole）：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。殘余小體（resi

48、dual body）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。3.溶酶體功能：正常消化和防御作用；自體吞噬作用暫渡“危機”；細胞的自溶作用保證發育；溶酶體與細胞病理（實屬溶酶體功能異常）。4.溶酶體的發生：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，包上膜游離下來便成為溶酶體。（四）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

49、化氫酶的細胞器，在形態上有卵圓形、啞鈴形、圓球形。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。其主要功能表現在：（1）解毒作用：主要體現在動物細胞，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）執行光呼吸（乙醇酸代謝）：這一功能體現在植物細胞。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

50、粒體聯合進行，稱為光呼吸（photorespiration）。2.乙酰酸循環體（glyoxysome）僅存在于高等植物細胞中，參與脂類代謝過程，含有同乙酰酸循環有關的酶，也含有過氧化物酶中的酶。種子萌發時，乙酰酸循環體降解脂肪糖。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。三、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，高度疏水性。靠此與細

51、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。四、膜泡運輸1.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。2.COPII有被小泡：負責從ER到高爾基體的物質運輸。3.COPI有被小泡：負責回收轉運內質網逃逸蛋白返回內質網（“開放的監獄”）。第七節：細胞的能量轉換線粒體和葉綠體一、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。線粒體是由雙層單位膜套疊成的所謂“囊中之囊”，在空間結構上人為劃分為四大部分，即外膜、內膜、外室、內室。1.外膜（ou

52、ter membrane）：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10KD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）。2.內膜（inner membrane）：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”，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。3.外室（outer space）：指內、外膜之間的窄小空隙，寬約6-8nm，又稱膜間隙（intermembrane space）。4

53、.內室（mner space）：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（mitochondria matrix）。二、線粒體的化學組成及定位（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）。1.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；2.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；3.外室：腺苷酸激酶（標記酶）、核苷二磷酸激酶；4.內室：三羧酸循環酶系（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%）

54、。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。二、線粒體和葉綠體是半自主性細胞器（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RNA、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

55、。綜上所述，線粒體有自身的DNA，有一整套蛋白質合成系統，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。無論是線粒體還是葉綠體，它們的自主性是有限的。核質蛋白質合成系統通過合成某些酶類來調節線粒體的蛋白質合成系統。在有氯霉素存在的條件下培養鏈孢霉細胞，這時線粒體的蛋白質合成受抑制，但線粒體的三羧酸循環酶類、電子傳遞鏈中的NADH脫氫酶、CytC、以及DNA-poly

56、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（或者說核-質蛋白質合成系統）通過合成某些酶類來調節線粒體的蛋白質合成系統。在有放線菌酮存在下培養鏈孢霉細胞，由于細胞質蛋白質合成系統受抑制，結果培養一段時間后，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

57、體基因組兩套遺傳系統的共同控制，故稱線粒體為半自主性細胞器。三、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，在葉綠體特稱為“轉運肽”）共同組成。導肽含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；3.N-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。第八節：細胞核與染色體間期細胞核形態多樣，一般為圓形或卵形。其形態與生物的種類、細胞的形狀、細胞類型、發育時期以及機能狀態有關。多數細胞核在5-30m。小的不到1m，大的可達500-600m（蘇鐵科某植物的卵細胞核）。通常一個細胞只有一個核，也有兩個以上的多核現象及在某一發育時期的無核現象。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