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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流生物联赛细胞生物学辅导细胞生物学全国生物学联赛辅导教案细胞生物学主编：吴 波（东北师范大学生命科学学院遗传研究室）第一节 绪论一、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科1.细胞学（Cytology）：是研究细胞的结构、功能和生活史的科学。2.细胞生物学（Cell Biology）：运用近代物理学和化学的技术成就以及分子生物学的概念与方法，从显微水平、亚显微水平和分子水平三个层次上，研究细胞的结构、功能及各种生命活动规律。二、细胞生物学的主要研究内容1.细胞核、染色体及基因表达；2.生物膜与细胞器的研究；3.细胞骨架体系的研究；4.细胞增殖及调
2、控；5.细胞分化及调控；6.细胞衰老、凋亡及寿命问题；7.细胞的起源与进化；8.细胞工程。三、当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域1.染色体DNA与蛋白质相互作用关系；2.细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控；3.细胞信号转导的研究；4.细胞结构体系的装配。四、细胞生物学发展简史1.细胞学创立时期：19世纪以及更前的时期（1665-1875），是以形态描述为主的生物科学时期；2.细胞学经典时期：20世纪前半世纪（1875-1900），主要是实验细胞学时期；3.实验细胞学时期（1900-1953）；4.分子细胞学时期（1953至今）。五、细胞的发现（discovery of cell）六、细胞
3、学说的建立及其意义（the cell theory）1838年，德国植物学家施莱登（J. Schleiden）关于植物细胞的工作，发表了植物发生论一文（Beitrage zur Phytogenesis）。1839年，德国动物学家施旺（T.Shwann）关于动物细胞的工作，发表了关于动植物的结构和生长一致性的显微研究一文，论证了所有动物体也是由细胞组成的，并作为一种系统地科学理论提出了细胞学说。细胞学说的内容是：1.细胞是生物体的基本结构单位（单细胞生物，一个细胞就是一个个体）；2.细胞是生物体最基本的代谢功能单位（动、植物的各种细胞具有共同的基本构造、基本特性，按共同规律发育，有共同的生命过
4、程）；3.细胞只能通过细胞分裂而来。第二节：细胞基本知识概要一、细胞和原生质的概念1.细胞：细胞是由膜包围的，能进行独立繁殖的最小原生质团，是生命活动的基本单位，是生物体最基本的形态结构和功能活动单位。2.原生质（protoplasm）：细胞内所含有的生活物质，真核细胞包括细胞质和细胞核。3.细胞质（cytoplasm）：指质膜以内核以外的原生质。它不是匀质的，其结构大体划分为两部分，一部分是有形结构，称为细胞器（Organelle），另一部分是可溶相，称细胞质基质（cytoplasmic miatrix）。（1）细胞器（organelle）：指存在于细胞中，用光镜或电镜能够分辩出的，具有一定
5、形态特点，并执行特定功能的结构。（2）细胞质基质（gytoplasmic matrix）：是细胞质的可溶相，是作为细胞器的环境而存在的。（3）细胞核（nucleus）：遗传物质的集中区域，在原核生物细胞称拟核（nucleoid）或类核区。二、原核细胞（Prokaryotic cell）原核生物的细胞具有两大特点：（1）遗传信息量少（仅有一个环状DNA）；（2）无膜围细胞器及核膜。1.最小、最简单的细胞支原体（mycoplasma）2.原核细胞的两个代表细菌和蓝藻细菌（bacteria）：主要来自对大肠杆菌（E. coli）的研究。细菌是原核细胞的典型代表，特点是：无典型的细胞核，有细胞壁，细胞
6、质中除核糖体外无其它细胞器。蓝藻（blue-green algae）：又称蓝绿藻或蓝细菌，是绿色植物中最原始的自养类型，含有蓝色素、红色素、黄色素、叶绿素等，故不一定都是蓝色。三、真核细胞的基本结构体系1.生物膜系统：以脂质及蛋白质成分为基础构建而成；2.遗传信息表达结构系统：以核酸与蛋白质为主要成分构建而成；3.细胞骨架系统：由特异蛋白质分子装配而成。综合原核细胞和真核细胞的特点，二者的根本区别可归纳为：1.细胞膜系统的分化与演变：真核细胞以膜分化为基础，分化为结构更精细，功能更专一的单位各种膜围细胞器，使细胞内部结构与职能分工。而原核细胞无此情况。2.遗传信息量大与遗传装置的复杂化：真核细
7、胞的遗传信息可达上万个基因，并具重复序列，染色体功能具二倍性或多倍性。原核细胞为单倍性。仅为一条环状DNA分子，细菌只有几千个基因。四、细胞的大小及其分析原核细胞多在1-10m或1-5m，细菌多在3-4m，支原体只有0.1m。动物细胞多在（10-100m，20-30m，15-70m）。最大的细胞要属鸵鸟卵，可达10cm，卵黄只有5cm。隆鸟卵直径可达20cm。影响细胞大小的因素：1.细胞的核质比与细胞大小有关，决定细胞上限；2.细胞的相对表面积与细胞大小有关；3.细胞内物质的交流与细胞大小有关。第三节：细胞生物学研究方法一、细胞形态结构的观察方法（一）光学显微镜技术1.普通复式光学显微镜技术2
8、.荧光显微镜（fluorescence microscope）3.暗视野显微镜（darkfield microscope）4.相差显微镜（phase contrast microscope）5.激光共焦点扫描显微镜6.微分干涉显微镜（二）电子显微镜技术1.电镜设计原理及分类2.电镜的种类3.透射式电子显微镜光镜与电镜的主要区别：1.光源不同：光镜为可见光或紫外线，电镜为电子束；2.透镜不同：光镜为玻璃，电镜为电磁透镜；3.真空；4.显示记录系统。（三）扫描式电子显微镜1.扫描电镜的特点2.扫描电镜的基本结构（四）电镜样品制备技术1.超薄切片技术2.负染色（negative staining）技
9、术3.核酸大分子的制样技术（大分子铺展技术，Kleinschmidt法）4.整装细胞电镜技术5.电子显微镜细胞化学技术：是能过特殊的细胞化学反应，使待测物转变成某种不溶性的电子致密沉淀物，并利用电镜在超微结构水平上对产物进行定位和半定量。主要有各种酶的定位，其次是核酸、蛋白质、脂肪、碳水化合物等的定位。6.冰冻蚀刻技术（freeze etching）7.扫描式电镜制样技术二、细胞组分的分析方法（一）超速离心技术分离细胞（组分）及生物大分子1.制备离心（preparative centrifuge）：分离和纯化亚细胞成分和大分子，目的是制备样品。（1）差速离心法：是最常用的方法，根据不同离心速度
10、所产生的不同离心力，将各种亚细胞组分和各种颗粒分离开来。（2）密度梯度离心（区带离心法）速率区带离心法（蔗糖密度梯度离心）；等密度梯度离心法（氯化铯密度梯度离心）。2.分析离心（analytical centrifuge）：分析和测定制剂中纯的大分子的种类和性质，如浮力密度和分子量、生物大分子的构象变化、分析样品的纯度等。此工作必须是在制备离心的基础上进行。（二）细胞化学技术1.组织化学和细胞化学法：利用某些化学物质和某些细胞成分发生化学结合，从而显示出一定的颜色，进行定性和定位研究的方法。2.免疫细胞化学法（特异蛋白抗原的定位与定性）：将免疫学中抗原、抗体以及补体间专一性反应结合显微或亚显微
11、组织学的一些研究方法的统称。是免疫学原理与光镜或电镜技术的结合。（三）细胞内特异核酸序列的定位与定性1.DNA序列测定技术2.核酸分子杂交技术（molecular gbridization technique）：两条具有互补核酸顺序的单链核酸分子片断，在适当的实验条件下，通过氢键结合，形成DNA-DNA、DNA-RNA或RNA-RNA双链分子的过程。印迹杂交：用已知的带有标记的特定核酸分子（或抗体、蛋白质分子）作为探针，与通过印迹被转移的核酸分子（或抗原、蛋白质分子）片段杂交的过程。（1）DNA印迹法（Southern blotting）：将分离的DNA片段通过毛细管作用转移到硝基纤维素膜上，
12、用DNA探针与之杂交的过程。（2）RNA印迹术（Northern blotting）（3）蛋白质印迹术（Western blotting）（4）Eastern blotting：当用凝胶进行抗原抗体反应，再进行印迹的方法）。（5）DNA与蛋白质的体外吸附技术：结合了Western印迹与southern印迹两种实验方法的特点而设计的一种检测序列特异性DNA结合蛋白的实验方法。（6）原位杂交（Insitu hybridization）：用已知的带有标记的特定核酸分子作为探针，来测定与之成互补关系的染色体DNA区段的位置。（四）电镜放射自显影技术：一种利用放射性同位素作为标记物对细胞化学物质进行超显
13、微结构的定位、定性或定量的实验技术。三、细胞培养（一）动物细胞培养（二）植物细胞的培养：包括单倍体细胞的培养和原生质体培养。全能性：指生物体的每一生活细胞，处于适当条件下，都具有进行独立生长发育，并形成一个完整生物个体的能力。1.单倍体细胞的培养；2.原生质体培养；3.植物细胞杂交（融合）。四、细胞工程应用细胞生物学和分子生物学的理论、方法和技术，按人们的预定设计蓝图有计划的保存、改变和创造细胞遗传物质，以产生新的物种和品系，或大规模培养组织细胞以获得生物产品。该技术在细胞和亚细胞水平上开辟了基因重组的新途径，不需分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，只需将遗传物质直接转入受体细胞，就可形成杂交细
14、胞。第四节：细胞膜与细胞表面一、细胞膜的结构模型细胞膜（Cell membrane）：指围绕在细胞最外层，由脂类和蛋白质组成的薄膜。是所有细胞共有的包被（原生质，细胞质）的一层膜。又有原生质膜（Plasmalemma）之称，通常简称质膜（Plasma membrane）。1.双分子片层模型（bimolecular leaflet model）：这一模型是Danielli and Davson于1935年提出的，因此又称Danielli and davson模型。2.单位膜模型（The unit membrane model）：这个模型是1957-1959年，英国伦敦大学的罗伯逊（Roberts
15、on），通过电镜观察后提出的。3.流动镶嵌模型（fluid mosaic model）（1）脂类物质以双分子层排列，构成膜的骨架。（2）镶嵌性：蛋白质分子镶嵌在脂双层的网架中。存在方式有内在蛋白（整体蛋白）和外在蛋白（边周蛋白）。（3）不对称性：蛋白质分子和脂质分子在膜上的分布具不对称性，膜两侧的分子性质和结构不同。（4）流动性：脂质双分子层和蛋白质是可以流动或运动的。脂质分子的运动性：有实验表明，类脂分子的脂肪酸链部分在正常生理状态下，可作多种形式的运动，如旋转、振荡、摆动、翻转，同时整个分子可作侧向扩散运动。蛋白质分子的运动性：有侧向扩散和旋转两种方式，受周围膜质性质和相态的制约。荧光抗体
16、免疫标记可观察。综合流动镶嵌模型之内容，不难看出，其突出特点在于：流动性、镶嵌性、不对称性和蛋白质极性。由此造成各种膜的功能差异。4.晶格镶嵌模型（蛋白液晶膜模型）5.板块镶嵌模型二、质膜的化学组成细胞膜几乎全都是脂类（50%）和蛋白质（40%），含少量糖类（2-10%糖脂和糖蛋白）和微量核酸（细菌质膜、核膜、线粒体内膜、叶绿体内膜），结合方式及存在意义不清。三、质膜的功能质膜与外界环境隔离开，通过它保持着一个相对稳定的细胞内环境，在细胞生命活动中行使着多种重要功能，概括为：物质运输，能量转换，信息传递，细胞识别，细胞连接，代谢调控，膜电位维持等。四、骨架与细胞表面的特化结构膜骨架（membr
17、ane associated cytoskeleton）：指质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理机能。早期有人称膜下溶胶层，实质为膜骨架。五、细胞连接（一）封闭连接紧密连接（tight junction）为典型的封闭连接，又称结合小带或封闭小带，是相邻两细胞膜紧紧靠在一起的连接方式，中间无空隙，并且两质膜外表面互相融合，所以电镜下观察呈三暗夹两明的五层结构。（二）锚定连接：通过这种连接方式将相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连成一个坚挺、有序的细胞群体。1.桥粒和半桥粒（与中间纤维有关）（1）桥粒（maculae adherens）：指相邻
18、细胞间形成的“钮扣”样结构，联结处约有30nm的间隙，间隙充满丝状的粘多糖性物质，其中有一层电子密度较高的接触层，或称中央层（桥粒蛋白）将间隙等分为二。（2）半桥粒（hemides mosome）：位于表皮基细胞与基膜接触的一面，由于相对应的为基膜而不是细胞，因而称半桥粒。2.粘着带与粘着斑（与肌动蛋白丝有关）（1）粘着带：介于紧密连接与桥粒之间，亦称为中间连接，是相邻细胞间有较宽（15-20nm）间隙的一种联结方式。（2）粘着斑：是肌动蛋白纤维与细胞外基质之间的连接方式，如贴壁细胞的贴壁行为，通过粘着斑贴在瓶壁上。（三）通讯连接1.间隙连接（gap junction）：又有缝隙联结或接合斑、
19、缝管连接或封闭筋膜之称，是相邻细胞间有2-3nm间隙的一种连接方式。电镜下观察联结处呈四暗夹三明的七层结构之称。2.胞间连丝：在植物细胞，两相邻细胞的壁之间靠一层称作胞间层的果胶类物质粘合在起，但在有些部位，细胞壁及胞间层并不连续，在此有原生质丝通过而勾通相邻两细胞，是指相邻植物细胞穿通细胞壁的细胞质通路。3.化学突触：是可兴奋细胞之间的连接方式，通过释放神经递质（如乙酰胆碱）来传导神经冲动，电信号化学信号电信号。六、细胞外被（cell coat）又称糖萼（glgcocalyx），指由细胞产生的、与细胞膜外表面联系密切的粘多糖类物质。由于它林立在细胞表面，与质膜中蛋白质和脂类结合，故可认为它是
20、质膜的组成部分，但有其独立性。有人将细胞外被与质膜比喻成“毛”与“皮”的关系。七、细胞外基质（extracellular matrix）分布于细胞外空间（如细胞之间或细胞表面），由细胞分泌的蛋白和多糖构成的网络结构。与膜关系不密切，功能在于：（1）细胞间粘着；（2）保护作用；（3）维持细胞外环境（调节细胞周围的物质浓度）；（4）过滤作用。细胞外物质主要包括：胶原（collagen），属糖蛋白类物质，为纤维状蛋白多聚体，含量最高，具刚性，抗张强度大，构成细胞外基质的骨架体系；氨基聚糖（GAC）、蛋白聚糖（PG）、粘多糖和粘蛋白；层粘连蛋白（LN）和纤粘连蛋白（FN）和弹性蛋白。第五节：物质的跨膜
21、运输与信号传递一、物质的跨膜运输（一）被动运输（Passive transport）：指通过简单扩散或协助扩散实现物质从浓度高处经质膜向浓度低处运输的方式。运输速率依赖于膜两侧被运送物质的浓度差及其分子大小、电荷性质等。不需要细胞代谢供应能量。1.简单扩散（simple diffusion）：指物质顺浓度梯度的扩散，不需要消耗细胞本身的代谢能，也不需专一的载体（膜蛋白），只要物质在膜两侧保持一定的浓度差，物质便扩散穿膜，又称自由扩散（free diffusion）。2.协助扩散（facilitated diffusion）：又称促进扩散。绝大多数在细胞代谢上非常重要的生物分子，如各种极性分子和
22、某些无机离子（糖、氨基酸、核苷酸及细胞代谢物等）是不溶于脂的（非脂溶性物质），但它们可以有效地进入细胞，只是扩散速度并不总是随浓度梯度的增大而加快，而是在一定限度内同物质浓度成正比，超过一定限度，即使提高浓度差，扩散速度也不会再高。分析知它们是通过另一种被动运输方式协助扩散进行的。这种运输方式依赖物质浓度差，依赖于专一性的膜运输蛋白（转运膜蛋白）。膜运输蛋白（memberan transport protein）是镶嵌在质膜上的、与物质运输有关的跨膜蛋白质称膜运输蛋白，是一种横穿脂双层的跨膜分子，包括两类：（1）通道蛋白：以其亲水区构成亲水通道和离子通道，允许水及一定大小和电荷的离子通过。离子
23、通道（亦称门孔、门隧道）通常呈关闭状态，只有当膜电位或化学信号物质刺激后才开启通道。膜电位刺激开放的离子通道称电位门通道；化学信号物质刺激开放的通道称配体门通道。（2）载体蛋白：识别结合特异性底物后通过构象变化实现物质转移。类似于酶与底物的作用，故又称“透性酶”（permease）。凡是借助于载体蛋白和通道蛋白顺浓度梯度的物质运输方式称促进扩散或易化扩散。葡萄糖进入红细胞，进入小肠上皮细胞通常以这种方式。协助扩散有三个特点：（1）低浓度时比简单扩散速度快；（2）存在最大转运速度；（3）有转运膜蛋白存在，故具有选择性、特异性。（二）主动运输（active transport）又称代谢关联运输（m
24、etabolically linked tramsport），是物质运输的主要方式。包括由ATP直接提供能量和间接提供能量两种运输方式。1.ATP直接提供能量的主动运输离子泵所谓离子泵是一种位于细胞膜上的ATP酶，是穿膜内在蛋白，能将ATP水解成ADP+Pi，同时释放能量，ATP酶构象发生变化，带来离子的转位，将物质逆浓度梯度运输。在质膜上，作为“泵”的ATP酶很多，它们都具有专一性，不同的ATP酶运输不同的物质或离子，因此，我们可以分别称它们为某物质的泵。如运输Ca2+，叫钙泵（肌质网膜）；运输H+，叫氢泵（细菌质膜）等。质子泵又分为P型（真核质膜上）、V型（溶酶体膜）、H+-ATP酶（线、
25、叶、细菌质膜）。现以Na+-K+泵为例，说明离子泵的工作机制。Na+-K+泵是存在于质膜上的由和二个亚基组成的蛋白质。在有Na+、K+、Mg2+存在时就能把ATP水解成ADP+Pi，同时，把Na+和K+以反浓度梯度方向进行穿膜运输。可见Na+-K+泵是一种由Mg2+激活的Na+-K+-ATP酶。1957年，J. Skou首先发现并阐述其机制，一般设想：在膜内侧，Na+、Mg2+与酶（亚基）结合，促使酶与ATP反应，释放H3PO4，并与酶结合，引起酶构象变化，与Na+结合部位转向膜外侧。此时的构象亲K+排Na+，当与K+结合后，使酶脱去H3PO4，酶构象恢复，结合K+的一面转向膜内，此时构象亲N
26、a+排K+，这样反复进行，不断在细胞内积累K+，将Na+排出细胞外。2.间接利用ATP的主动运输伴随运输指一种溶质的传递要同时依赖于另一种溶质的传递。如果两种溶质的传递方向相同，称同向运输（symport），如果方向彼此相反，则称反向运输（antiport）。（三）基团转移：早见于细菌，也见于动物细胞；靠共价修饰；需能。（四）物质的跨膜转运与膜电位1.调节渗透压；2.某些物质的吸收；3.产生膜电位；4.激活某些生化反应。（五）胞吞与胞吐作用细胞膜将外来物包起来送入细胞或者把细胞产物包起来送出细胞。前者称胞吞作用，后者称胞吐作用，总称吞排作用。这样的物质运输方式称膜泡运输，又称批量运输。大分子物
27、质及颗粒物质常以此方式进出细胞。1.胞饮作用与吞噬作用某些物质与膜上特异蛋白质结合，然后质膜内陷形成囊泡，称胞吞泡。将物质包在里面，最后从质膜上分离下来形成小泡，进入细胞内部。根据内吞的物质性质，将其分为：（1）吞噬作用（phagocytosis）：内吞较大固体物质，如颗粒白细胞、巨噬细胞。（2）胞饮作用（pinocytosis）：内吞液体或极小颗粒，白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、植物根细胞。2.胞吐作用（exocytosis）：某些代谢废物及细胞分泌物形成小泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融合后将物质排出。如：小肠上皮的杯状细胞向肠腔中分泌粘液，经溶酶体消化处理后的残渣排向细胞外等过程。3.
28、受体介导的胞吞作用某些大分子的内吞往往首先同质膜上的受体结合，然后质膜内陷形成衣被小窝，继之形成衣被小泡，这种内吞方式称受体介导的胞吞作用。膜泡运输时由于质膜内陷或外凸也需消耗能量，可看作是一种主动运输方式。二、细胞通讯与细胞识别（一）细胞通讯（cell communication）：指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。（二）细胞识别与信号通路（cell recognition）细胞识别是细胞通过其表面的特殊受体与胞外信号物质分子（配体）选择性的相互作用，从而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应。细胞识别是细胞通讯的一个重要环节。细胞接受外界信号，
29、通过一整套特定机制，将胞外信号转化为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称之为细胞信号通路（signaling pathway）。细胞识别正是通过各种不同的信号通路实现的。（三）细胞的信号分子与受体1.细胞的信号分子信号分子，即配基（ligands）：指能够被受体识别的各种类型的大、小分子物质。又有信号分子（signal molecule）和被识别子（cognon）之称。（1）亲脂性信号分子：甾类激素、甲状腺素。直接进入细胞与细胞质或核中受体结合，形成激素受体复合物，调节基因表达。（2）亲水性信号分子：神经递质、生长因子、多数激素等，不能直接进入细胞，先与膜上受体
30、结合，再经信号转换机制，在细胞内产生第二信使（cAMP和肌醇磷脂），或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶的活性，引起细胞的应答反应。（3）气体信号分子：20世纪80年代发现一氧化氮（NO）是一种重要的信号分子和效应分子，它能进入细胞直接激活效应酶，参与体内重多的生理过程，成为人们关注的“明星分子”。2.受体（receptor）受体的概念最早是1910年Ehrlich提出的，近来有人建议改称“识别子”（cognor）。受体都是蛋白质大分子（多为糖蛋白），一般至少包括两个结构功能区域，即与配体结合的区域及产生效应的区域。组成糖链的单糖种类、数量及排列方式不同，从而形成该细胞特定的“指纹”，是细胞之间、细胞与
31、其他大分子之间联络的“文字”和“语言”。根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为两类，即细胞内受体（受胞外亲脂性信号分子的激活）和细胞表面受体（受胞外亲水性信号分子的激活）。二着通过不同的机制介导不同的信号传递通路。3.第二信使与分子开关通过分泌化学信号进行细胞间通讯的过程：化学信号分子的合成信号细胞释放化学信号分子转移至靶细胞被受体识别信息跨膜传递引起细胞内生物学效应。（1）第二信使：70年代初，Sutherland及其合作着提出激素作用的第二信使学说，认为胞外化学物质（第一信使）不能进入细胞，它作用于细胞表面受体，而导致产生胞内第二信使，从而激发一系列生化反应，最后产生一定的生理效应，第二
32、信使降解使其信号作用终止。（2）分子开关（molecular switches）：在细胞内一系列信号传递的级联反应中，必须有正、负两种相反相成的反馈机制进行精确控制，即对每一步反应既要求有激活机制又必然要求有相应的失活机制。三、细胞内的信号传导（一）通过细胞内受体介导的信号传递亲脂性小分子（甾类激素、甲状腺素）穿膜进入细胞，通过与细胞内（细胞质或核）受体结合传递信号。这类受体有三个结构域：C末端区结合激素；中部结合DNA；N末端区激活基因转录。（二）通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递亲水性信号分子（神经递质、蛋白激素、生长因子等）一般不能直接进入细胞，而是通过与膜上特异受体结合对靶细胞产生效应
33、。根据信号转导机制和受体蛋白类型的不同，细胞表面受体分属三大家族：1.离子通道偶联的受体：是由多亚基组成的受体-离子通道复合体，本身既有信号结合位点，又是离子通道。2.G蛋白偶联的受体：这类受体与酶或离子通道的作用要通过与GTP结合的调节蛋白（G蛋白）相耦联，在细胞内产生第二信使，从而将外界信号跨膜传递到细胞内进而影响细胞生物学效应。由G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路主要包括两类：（1）cAMP信号通路：激素（第一信使）激活受体进一步激活腺苷酸环化酶，使ATPcAMP（第二信使），然后通过激活一种或几种蛋白激酶来促进蛋白酶的合成，促进细胞分化，抑制细胞分裂。受体和腺苷酸环化酶由G蛋白耦连在一
34、起，并使细胞外信号跨膜转换成细胞内信号-cAMP。（2）磷脂酰肌醇信号通路：外界信号分子识别并结合膜表面受体，激活磷酸二酯酶（PIC）催化使4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2，存在于真核细胞膜的成分）水解成1，4，5-三磷酸肌醇和（IP3）和二酰基甘油（DG）两个第二信使，IP3可引起胞内Ca2+升高，通过结合钙调素并使之构象改变，进而与受体酶结合形成钙调素-酶复合物，进一步调节受钙调素调节的酶的活性，最后引起对胞外信号的应答。DG可激活蛋白激酶C（PKC），使细胞内pH升高，进而引起对胞外信号的应答。3.与酶偶联的受体：这类受体一旦被配基（信号分子）活化即具有酶的活性。这类受体均为跨膜蛋白质
35、。第六节：细胞质基质与细胞内膜系统一、细胞质基质细胞质基质的概念在不同阶段从不同角度有不同叫法，概念包括的内容也随观察工具的发展有所变化和完善。反映出对细胞质的认识不断深入。最早的概念称透明质，指细胞质中除线粒体、质体等在光镜下所能看到的所有细胞器以外的部分。（一）化学组成细胞质基质是细胞真正的内环境，其组成成分复杂。主要含有与中间代谢有关的数千种酶类。故认为它呈复杂的胶体性质，可随环境条件的改变由溶胶变为凝胶状态或者相反，这成为某些细胞运动方式的动力。（二）功能1.参与各种生化活动（中间代谢过程）：（1）蛋白质合成；（2）脂肪酸合成；（3）糖的酵解；（4）糖原代谢；（5）核苷酸代谢。2.提供
36、离子环境：以维持各细胞器的实体完整性。3.提供底物（原料）：以供细胞器行使功能（物质库）。4.提供物质运输的通路：细胞与环境、细胞质与细胞核、细胞器之间的物质运输、能量交换、信息传递等都需通过细胞质基质来完成。5.影响细胞分化：如卵子细胞质对于分化起重要作用。在细胞质中存有形形色色的细胞器，其中有一些膜围细胞器，它们在结构及功能上彼此相关，甚至连通，共同组成一个庞大而精密复杂的系统内膜系统。二、内膜系统（eudomembrane system）细胞质中由膜围成的、在结构、功能，乃至发生上有密切关系的小管、小泡和扁囊共同组成的膜系统。主要包括核膜、内质网、高尔基体三大结构以及它们的产物各种小泡和
37、液泡。内膜系统的出现是真核细胞区别于原核细胞的显著特点之一，其意义在于：大大增加了细胞内膜的表面积，为多种酶特别是多酶体系提供了大面积的结合部位。（1）酶系统的隔离与连接；（2）蛋白质、糖、脂肪的合成；（3）加工包装运输分泌物；（4）扩散屏障及膜电位建立；（5）离子梯度的维持等。（一）内质网（endoplasmic reticulum，ER）1945年，著名超微结构学家K. B. Porter，在电镜下观察组织培养的鸡胚成纤维细胞时，发现有各种大小的管道相连成网状，并多处在细胞质的内质部位，故定名为内质网。虽然以后发现这种细胞器不尽在内质部位，但仍延用至今。这种结构与细胞内物质合成有关，故有细
38、胞的生物合成“工厂”之称。1.形态结构特点：ER是交织分布在细胞质中的由膜围成的扁囊或小管状管道系统。内质网膜结构与质膜相同，但比质膜薄（5-6nm），有些部位可与核膜和某些细胞器膜相连，少数能与质膜相连。2.类型及分布特点根据内质网的细胞质面是否附有核糖体将ER分为二类。即：（1）粗面内质网（rough endoplasmic reticulum，RER）：由于它似与细胞核一样能为碱性染料染色，在历史上曾有过所谓核外染色质的叫法。意指内质网膜及附在其上的核糖体。（2）光（滑）面内质网（smooth endoplasmic reticulum，SER）：表面光滑，无核糖体附着，嗜酸性，在形态上
39、常呈分枝状，小管或小泡的网状结构，很少象RER那样扩大成池，其膜也不如RER膜厚。另外，SER的一端常与RER相连，有时还和高尔基复合体或核膜相连。3.内质网的化学组成：蛋白质约占2/3（比质膜多）主要是酶类，其中CytP-450是内质网的标记酶。脂类1/3（比质膜少）在滑面内质网高于粗面内质网，主要为磷脂和胆固醇。4.内质网的功能：ER是细胞内生物合成的“工厂”，执行一系列的功能，有些功能是由RER或SER单独行使的，有些则是它们共同行使的。（1）粗面内质网的功能：蛋白质合成；蛋白质改造及运输。糖蛋白的合成过程：在细胞中形成的一些分泌颗粒（酶原颗粒），它们的成分多为糖蛋白，蛋白质部分如上所述
40、是在RER膜上的核糖体上合成的。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，然后在糖基转移酶作用下将其寡糖芯整批移交给合成中的多肽链天冬酰胺的N原子上（N-连接）。在ER和高尔基池的转运过程中以上寡糖芯被切除只剩下最近端的两个N-乙酰葡糖胺和3个甘露糖。在Golgibody上，修剪后依次添加上岩藻糖、半乳糖、N-乙酰葡糖胺、唾液酸，多是加在肽链的丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸侧链的OH基上（O-连接）。通过放射性同位素示踪证明，这些物质必须经过内质网向外运输，从这方面看，RER是物质运输的通道。分泌蛋白的运输：关于分泌蛋白的运输，Palade做了系统
41、的研究，并提出了一般的运输模型Palade model。Palade采用了3H-亮氨酸做脉冲标记追踪实验，表明在RER上合成的分泌蛋白，是经由内质网池进入高尔基复合体池，再包装成分泌颗粒排往胞外。少量可溶性蛋白的运输：这种蛋白质在RER上合成后便转入细胞质基质中。膜蛋白：这种蛋白质在RER上合成后，有两条可能途径，一是先进入ER腔中，再靠一定机制入膜，二是不经ER腔而直接入膜，这两种可能都在探讨中。（2）滑面内质网的功能：解毒作用；脂类合成；糖代谢；作为分泌蛋白运输的通路。5.内质网的发生内质网是一种非常容易解体，也容易重新形成。关于它的发生目前来说还是个悬而未决的问题，有种种猜测或设想。例如
42、，有人主张ER膜来自核膜，也有人意见相反。肌质网是存在于高度特化的细胞肌纤维中的特化滑面内质网（含有几个细胞核，是一个大的合胞体），是分布于肌原纤维之间的纵行小管状结构，功能是贮积钙离子，在肌肉收缩中起一定作用。当受到冲动刺激时，可向肌浆中释放钙离子，达到一定浓度，引起肌肉收缩。（二）高尔基复合体（Golgi complex）高尔基体是内膜系统的一部分，结构复杂，由许多扁囊、小泡、大泡组成，现在称这种复杂的结构为高尔基复合体。1.形态结构：一个典型的高尔基复合体是由扁平囊泡、小泡和大泡组成的。（1）扁平囊泡：扁囊的凸面靠近核侧，称形成面或未成熟面，又称顺面（cis）；扁囊的凹面远离核侧，称分泌
43、面或成熟面，又称反面（trans）。（2）高尔基小泡：又称微泡或过度小泡。位于主体结构的形成面周围。直径在30-80nm左右，膜厚6nm，有两种类型，一种表面光滑，较多；另一种小泡膜表面有绒毛样层，特称衣被小泡数量较少。（3）高尔基液泡：又称浓缩泡或大泡、分泌泡、分泌颗粒。位于主体结构的分泌面周围，直径约在100-500nm。一般认为它们是由扁平泡宽大的末端或成熟面局部膨大而形成，是高尔基复合体加工、包装的分泌产物，由于这些产物的成熟程度不同，造成不同的大泡其内物质的电子密度不同。2.化学组成：蛋白质约占60%，多为酶类。例如，硫氨素焦磷酸酶（TPP酶）、糖基转移酶（glycosyl tran
44、sferase）、酸性磷酸酶及其他溶酶体酶，其中糖基转移酶是高尔基复合体的特征酶，它可以将低聚糖转移到蛋白质上形成糖蛋白。脂类约占40%，主要为胆固醇，甘油三酯。3.高尔基复合体的功能（1）作为细胞内的加工运输系统，形成分泌物：实验表明，高尔基复合体类似一个加工厂，对来自内质网的蛋白质、脂类加工改造，然后装配起来，运出细胞。这一运输途径是目前为多数人接受的，称为膜流动理论。酶原颗粒在细胞表面将内容物排出后，其膜泡可返回高尔基体。这种内膜系统在细胞内移动运转的现象称为膜流。（2）合成糖蛋白和糖鞘脂，对糖蛋白寡糖链进行修饰：两类糖基化修饰：糖一般结合在多肽链的4种残基上，N-连接连在天冬酰胺的氮原
45、子上。O-连接连在丝、苏、羟脯、羟赖氨酸的羟基上。（3）蛋白质的加工改造：有些蛋白质（酶）合成是先形成无生物活性的前体物，再经过加工改造才具备活性，高尔基复合体具备这方面的功能。（4）膜的转变功能（5）参与植物细胞壁的形成（6）参与溶酶体的形成4.高尔基复合体的发生高尔基体是一种易变结构，随时可解体和产生。关于它的发生有不同的说法，倾向性看法（普遍认为）它是由内质网或核膜转变而来的，即RER失去核糖体，分离成光面膜小泡，由此合并成高尔基池；或者由SER分离出小泡，合并成高尔基池。（三）溶酶体（lysosome）溶酶体几乎存在于所有的动物细胞，植物细胞内的溶酶体，目前意见不一，有人认为植物细胞内
46、有类似溶酶体的结构，而单独称为植物溶酶体，如圆球体、糊粉粒和蛋白质体。液泡也具此功能。溶酶体在各种细胞内的数量与形态差异很大，这是由于各溶酶体分别处于其生理功能的不同发展阶段的缘故。1.结构及化学组成：电镜下观察，溶酶体是外包一层单位膜的圆泡状结构，平均大小约在0.25-0.8m（0.2-0.5m）之间，介于线粒体和微体之间。溶酶体膜是一典型的单位膜，其化学成分主要是脂蛋白，磷脂含量也较多。这层膜对溶酶体本身所含酶具有抗性，膜一旦破裂，则消化细胞，危及组织，故溶酶体有“自杀袋”之称。2.溶酶体的类型（1）初级溶酶体（primary lysosome）：是指刚从高尔基的边缘膨大分离出来，还未同消
47、化物融合的潜伏状态的溶酶体（不含作用底物）。内容物为均一的酶液，无活性。（2）次级溶酶体（Secondary lysosome）：指初级溶酶体同消化物融合后，正在进行消化或已经消化后的泡状结构，又称消化泡（digestive vacuole）。次级溶酶体又因所消化物质的来源和消化程度不同，分为：异体吞噬泡（heterophagic vacuole）：是初级溶酶体与吞噬小体融合后形成的泡状结构。吞噬小体（phago some）是细胞内吞异物后形成的泡状结构，又称初级内吞小泡。自体吞噬泡（autophagic vacuole）：是初级溶酶体含有细胞自身的部分物质，细胞器进行消化的泡状结构。这部分细胞器可能是衰老的或多余的，这是一种自我保护作用。残余小体（residual body）次级溶酶体中的物质被消化完毕后，其残渣存在的泡状结构。这时已失去酶活性或酶活性极弱。异噬小体和自噬小体是正行使消化功能的次级溶酶体，而后溶酶体则是已经行使完消化功能的结构。3.溶酶体功能：正常消化和防御作用；自体吞噬作用暂渡“危机”；细胞的自溶作用保证发育；溶酶体与细胞病理（实属溶酶体功能异常）。4.溶酶体的发生：多数学者认为，溶酶体和其它