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1、第二章细胞的统一性与多样性 本章要点：1、掌握原核细胞与真核细胞的区别。2、理解为什么支原体是最小的细胞。3、了解病毒的生活史和进化地位。第一节细胞的基本概念一、细胞是生命活动的基本单位1.一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位2.细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位3.细胞是有机体生长与发育的基础4.细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性5.没有细胞就没有完整的生命二、细胞概念的一些新思考细胞是多层次非线性的复杂结构体系细胞具有高度复杂性和组织性细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体细胞完成各种化学反应；细胞需要和利用能量；细胞参与大量机
2、械活动；细胞对刺激作出反应；细胞是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。细胞能进行自我调控；繁殖和传留后代；三、细胞的基本共性1.所有的细胞都有相似的化学组成。2.所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜，即细胞膜。3.所有的细胞都含有两种核酸：即DNA与RNA作为遗传信息复制与转录的载体。4.作为蛋白质合成的机器一核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内。5.所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。第二节原核细胞与真核细胞一、原 核 细 胞基本特点：1、遗传的信息量小，一个环状DNA构成；2、细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜。主要代表：1 支原体
3、(mycoplast)-最小最简单的细胞；2、细菌3、蓝藻又称蓝细菌(Cyanobacteria)1、支原体支原体是目前发现的最简单、最小的原核细胞，也是惟一一种没有细胞壁的原核细胞。1、大小：是原核细胞生物中最小的，一般0.1o.3|im；2、结构：最外层为细胞膜，三层结构，内外层为蛋白质，中间层为脂质；少数有荚膜，有的有特殊的顶端结构；3、增殖方式：以二分裂繁殖为主；4、基因组：为一分子量小的环状双股DNA；5、形态与染色：多形性，革兰染色阴性但不易着染。为什么说支原体是最小的细胞？1.质膜、DNA、RNA、核糖体和某些必须的酶是一个细胞生存与繁殖必须具备的物质基础。支原体均已具备。2.从
4、保证一个细胞生命活动运转所必须的条件来看，至少需要100种酶(占据空间约直径50nm)、数目不等的核糖体(10 20nm/个)和核酸、质膜。这样，一个细胞的极限直径不能小于lOOnmo3.目前发现的最小支原体直径已经接近这个极限。2、细菌(1)是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体。(2)可分为：球菌、杆菌和螺旋菌(弧形菌)。(3)绝大多数细菌的直径在0.55Hm之间。细菌的界膜，由一层坚硬的细胞壁包裹起来，壁 厚 约 15 100nm,有些细菌的表面还有一层荚膜。荚膜：细菌最外表的一层多糖类物质，边界明显的称荚膜(capsule),如肺炎球菌，边界不明显的称粘液层(slime layer)
5、,如葡萄球菌。功能：抵御不良环境；保护自身不受吞噬；选择性的粘附到特定细胞的表面上。原核细胞的细胞质膜是多功能的，其最重要的功能就是运输作用，包括营养物质的吸收、废物的排除、能量代谢等。细菌的细胞质膜往往会内陷折皱形成中膜体(mesosome),具有类似线粒体的作用，故称为拟线粒体。细菌质膜还参与遗传物质的复制和分配，因为细菌没有细胞核，所以细菌的DNA在复制时只能结合在质膜上，然后进行细胞的分裂。翱想分费宠成图1 7 7 细菌质膜参与DNA的复制与分配 细菌的核结构：仅 为DNA与少量RNA或蛋白质结合物，也没有核仁和有丝分裂器。E.coli的DNA是环状的，长为4.2xl06kb,约400
6、0个基因。细菌除了具有染色体DNA外，还有核外D N A,即质粒DNA。质粒是比染色体小的遗传物质，为 环 状 的 双 链D N A,常常赋予细胞对抗生素的抗性。细菌体表还有菌毛和鞭毛。菌毛有两种，一种短而细，具有呼吸作用；另一种是数量少但细长的性纤毛，为雄性菌所特有。鞭毛是细菌的运动 器 官，鞭毛蛋白的氨基酸组成与横纹肌中的肌动蛋白相似。菌 毛：细菌运动无关，分为普通菌毛和鞭毛：是某些细菌的运动器 官，由一性菌毛两类。前者与细菌吸附和侵染宿种称为鞭毛蛋白的弹性蛋白构成，结主 有 关，后者为中空管子，与传递遗传构上不同于真核生物的鞭毛。物质有关。3、蓝藻细胞1.又称蓝细菌，是最简单的自养生物。
7、它的光合作用类似于高等植物，而不同于光合细菌。没有叶绿体，但有质膜内陷形成的捕光装置。2.DNA分子环状，但遗传信息量很大，可与高等植物相比。3.体积比其它原核细胞大得多，直 径 约10pm左右，甚 至 可 达70pm4.属单细胞生物，但有些蓝藻经常以丝状的细胞群体存在，如：属蓝藻门念珠藻类的发菜就是蓝藻的丝状体。二、古 细 菌 (archaebacteria)分布进化地位及主要证据进化证据(1)细胞壁成分：(2)DNA与基因结构：重复序列、内含子。(3)有类核小体结构：(4)有类似真核细胞的核糖体：(5)5S rRNA分子进化分析：除上述各点外，还有其他一些类似依据，说明古细菌与真核生物在进
8、化上的关系较真细菌类更为密切。三、真 核 生 物 真核细胞的基本结构体系 细胞的大小及其分析 原核细胞与真核细胞的比较1、真核细胞的基本结构体系 以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统；以核酸(DNA或 RN A)与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统；由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。2、细胞的大小分析各类细胞直径的比较细胞类型直 径 大 小(um)最小的病毒0.02支原体细胞0.10.3细菌细胞12动植物细胞20-30(10-50)原生动物细胞数百至数千细胞体积为什么不能无限大？1.随着直径的增加，细胞体积与表面的增长速度不一样，从而限制体积的无限增大。2.更重要的是，胞内重要分子浓度
9、的维持是细胞生命活动的基础。体积太大会造成浓度的降低。真核细胞通过内膜系统造成细胞隔室，维持特定分子的浓度。四、原核细胞与真核细胞的比较原核细胞与真核细胞基本特征的比较特 征原核细胞真核细胞细胞膜有（多功能性）有核膜无有染色体由一个环状DNA分子构成的单个染邑2个染色体以上，染色体由线状DNA与蛋白质能成体，DNA不与或很少与蛋白质结合核仁无有线粒体无有内廉网无有高尔基体无有溶 体无有核粮体70S（包括50S与30S的大小丑单位）80S（包括60S与40S的大小W单位）光合作用结构蓝灌含有叶绿素a的膜层结构，细菌植物叶绿体具有叶绿素a与b具有苗色素核外DHA细菌具有裸就的质粒DNA线粒体DNA
10、,叶绿体DNA细胞壁主要成分是氨基I f与壁酸动物细胞无细胞壁，情物细胞壁的主要成分为纤维素与果胶细胞置架无有细袍曾地（分裂）方式无线分裂（直接分裂）以有丝分裂（间接分裂）为主原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较特征原 核 细 胞H核细胞DNA量（信 息t ）少多DNA分 子 数12个以上DNA分 子 结 构环状线状基 因 组 数In2 n,多 n基 因 数几千大 于 几 万，十万大 量“多 余”的“重 复”的十DHA序列基 因 中 插 入 内 含 子十DNA与 组 蛋 白 结 合不 与 或 与 少 量 类 组 很 日 结 合与5种 组 参 白结合DKA与 组 蛋 白 以 核 小
11、体 及 各十级 高 级 结 构 构 成 染 色 质 与 染 色 体DNA复 制 的 明 显 周 期 性+基 因 表 达 的 调 控主 要 以 操 纵 子 方 式复 杂 性，多层次性转 录 与 翻 理 的 时 空 关 系转 录 与 翻 逐 同 时 同 地 进 行核 内 转 录，细胞质内部运转 录 后 与 翻 逢 后 大 分 子 的 加严格的阶段性与区域性+工与修饰细 胞 复 制 与 分 裂（DHA传递_ 与 分 配）-无丝分裂有 丝 分 裂，减野分裂五、植物细胞与动物细胞的比较 细胞壁 液泡叶 绿体第三节病毒一、病毒的基本知识1.病毒（virus）核酸分子（DNA或 RNA）与蛋白质构成的核酸-
12、蛋白质复合体；根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：DNA病毒与RNA病毒 病毒的多样性2类病毒（viroid）仅由感染性的RNA构成；3.肮病毒（prion）仅由感染性的蛋白质亚基构成；二、病毒的生活史蛋层被被曲包包双核毒舄侵入、感染细胞核酸复制、表达病毒成熟、释放二、病毒与细胞在起源与进化中的关系病毒是非细胞形态的生命体，它的主要生命活动必须要在细胞内实现。病毒与细胞在起源上的关系，目前存在3种主要观点：生物大分子一病毒一细胞生物大分子：（1）病毒（2）细胞生物大分子一细胞一病毒思考题1、为什么说支原体是最小的细胞？2、原核细胞和真核的主要区别？3、你认为病毒的进化地位如何？为什么？第三章
13、细胞生物学的研究方法1、了解细胞形态结构的观察方法；2、了解细胞组分的分析方法；3、了解细胞培养与细胞工程技术；4、分子生物学方法。第一节 显微镜技术一、显微镜与分辨率(1)、明视距离：物体在人眼视网膜上成像的大小和物体与眼睛的距离有关。物体离眼睛的距离越近，视网膜上的物像就大，但眼睛的曲光度就随之增大,眼部肌肉就越发疲劳。经测试在物体离人眼25cm时-，看物体又清楚，眼肌也不疲劳，因此把人眼正常工作距离定为25cm,称之为明视距离。(2)、分辨力和光镜的分辨极限分 辨 力(R es o l u t io n)：又叫分辨本领，是指将邻近两点清晰区分辨认的能力。分 辨 极 限(L im it o
14、 f r es o l u t io n)对可见光来说，能清楚分辨出相邻两点之间的最小间隔为0.2 m oR=0.6 1 /n .s in=0.6 1 x 0.5 m/1.5 x 1=0.2 m二、光学显微镜技术1、普通光学显微镜技术显微镜结构：机械部分：镜座、镜柱、镜臂镜筒、调焦装置、载 物 台（物镜转换器）照 明 部 分：反光镜、聚光镜 光学部分：目镜、物镜放大倍数：目镜的放大倍数X物镜的放大倍数2、荧光显微镜技术（fl u o r es c en c e m ic r o s c o p y）是以紫外线为光源来激发生物标本中的荧光物质，产生能观察到各种颜色荧光的一种光学显微镜。利用它可研
15、究荧光物质在组织和细胞内的分布。荧光（Fl u o r es c en c e）：细胞中的某些物质（如叶绿素）经紫外线照射后能发出可见光线,称为荧光。自发荧光：由细胞本身存在的物质经紫外线照射后发出的荧光。诱发荧光：一些细胞成分本身经紫外线照射后不发荧光，但用荧光染料（酸性品红、甲基绿、口丫叮橙等荧光色素）进行活体染色或固定后切片染色，就能在荧光镜下看见荧光，这种荧光叫诱发荧光。用于观察能激发出荧光的结构。用途：免疫荧光观察、基因定位、疾病诊断。3、相差显微镜技术有光线通过染色标本时其波长、振幅发生变化，人眼才能看见，但活细胞和未染色的标本由于光波长和振幅不发生变化，人眼看不到，但其相位有变化
16、，因此利用光的干涉和衍射效应把透过标本不同区域的光波光程差转变成振幅差，使细胞内各种结构之间呈现清晰可见的明暗对比。相差显微镜比普通光镜多了 2 个部件：1）在聚光器上增加一个环形光阑；2）在物镜后焦面增加一个相板，相板上有一个环形区，通过环形区的光比从其它区域透过的光超前或滞后1/4 ,这样就使通过标本不同区域光波的相位差转变为振幅差。相 差 显 微 线 的 光 砧 田光通过标本致密区时发生衍射，产生偏折光，相位和未受影响的直射光相比被推迟了 1/4 o 只有未发生偏折的的直射光可通过相位板的环形区，其它的偏折光在物镜的后焦面上产生了一个与通过相位板的环形区的光不同的1/4的光程差。两组光在
17、平面上成像。如相板的环形区使直射光超前1/4,加上开始直射光超前的1/4,直射光共超前1/2,直射光和偏折光叠加形成的合成波振幅减少，产生暗反差。如相板的环形区使直射光滞后1/4,加上开始直射光超前的1/4,两者相抵直射光不发生变化，直射光和偏折光无相位变化，形成的合成波振幅增加，产生明反差。果未经染色的活细胞内的各种组织就可显现不同的明暗对比。相差显微镜可观察活细胞的各种活动，如细胞迁移、分裂，运动等。3、共焦激光扫描显微镜技术共焦激光扫描显微镜技术是在荧光显微镜成像的基础上装有激光扫描装置，以单色激光作为光源，使样品被激发出荧光，利用计算机进行图像处理，从而得到细胞或组织内部微细结构的荧光
18、图像。共焦显微镜利用激光扫描束经照明孔形成点光源对标本内焦平面上的每一点扫描，由于照明孔与检测孔相对于物镜焦平面是共辄的，焦平面上的点同时聚焦于照明孔和检测孔，焦平面以外的点不会在检测孔处成像，这样就得到了标本清晰的光学切面图，克服了普通光镜图像模糊的缺点。在显微镜载物台上加一个微量步进马达，使载物台上下移动，改变焦平面，不同层次的光切面图像经计算机图像三维重组，就能获得样品的立体结构图像。用 激光作光源，逐点、逐行、逐面快速扫描。能显示细胞样品的立体结构。分 辨力是普通光学显微镜的3倍。用 途类似荧光显微镜，但能扫描不同层次，形成立体图像。三、电子显微镜技术光镜分辩极限为0.2 m,小 于0
19、.2 m的微细结构的光波可产生衍射现象，这种光波经过物体时可绕过物体就象无物体经过一样，因此无法用光镜观察。这就需要一种更大分辫力的仪器来观察比0.2 m更小的物体的微细结构。电子波长比光波短得多，用电子波代替光波可提高显微镜的分辩力。电镜就是根据这样的原理产生的。r=0.61X/N.A.名称可 见 光紫 外 光X 射 线C（射 线电子束0.1 Kv10Kv波 长(n m)390 76013 3900.05-130.005-10.1230.0122、透 射 电 镜（TEM）1.原理 以 电子束作光源，电磁场作透镜。电子束的波长短，并且波长与加速电压（通 常50120KV）的平方根成反比。由 电
20、子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成。分辨力0.2 nm,放大倍数可达百万倍。用于观察超微结构(u l t r a s t r u c t u r e),即 小 于0.2|a m、光学显微镜下无法看清的结构，又称亚显微结构(s u b m i c r o s c o p i c s t r u c t u r e s)。1)、透射电镜标本制备过程：取材:尽可能保持生活状态，避免损伤必须耐真空。固定:常用戊二醛和四氧化饿固定戊二醛在蛋白质分子之间形成共价键,将它们交联在一起。脱水:电镜不能观察含水的生物标本，需经脱水处理。包埋:常用环氧树脂。切片:电子穿透力弱，
21、需制成5 0 1 0 0 nm厚的薄片。染色:常用的染色剂：醋酸铀、枸椽酸铅。2)、提高样品反差的方法负染法：将病毒、纤维、核糖体或分离的生物大分子样品放于覆有亲水性支持膜的载网上，滴加磷鸨酸，样品干燥后重金属盐沉积于样品周围使样品和背景形成显著的明暗对比,这种染背景而不染样品的方法叫负染。冷冻蚀刻复型电镜技术亦称冰冻断裂。标本置于干冰或液氮中冰冻。然后断开，升温后，冰升华，暴露出了断面结构。向断裂面上喷涂一层蒸汽碳和粕。然后将组织溶掉，把碳和箱的膜剥下来，此膜即为复膜（replica）。冷冻：制 冷 剂（一般为液态氮）快速冷冻，使样品固定。断裂：在低温真空中将样品劈开，断裂面上可见各种细胞内
22、结构。三、扫描隧道显微镜原理：根据隧道效应而设计，当原子尺度的针尖在不到一个纳米的高度上扫描样品时，此处电子云重叠，外加一电压（2mV2V）,针尖与样品之间形成隧道电流。电流强度与针尖和样品间的距离有函数关系，将扫描过程中电流的变化转换为图像，即可显示出原子水平的凹凸形态。分辨率：横向为0.横0.2nm,纵向可达O.OOlnm。用途：三 态（固态、液态和气态）物质均可进行观察。第二节细胞组分的分离方法一、细胞组分的分级分离原理：1）利用颗粒大小的不同：差速离心法速度区带离心法2）利用颗粒密度的不同：等密度离心法1、差速离心法：用于分离大小、形状不同显著的组分，根据颗粒沉降速度不同得以分离2、速
23、度区带离心法：用于分离密度相近而大小不一的组分3、等密度离心法：细胞组分的浮力密度不同进行分离的方法。适用于大小、形态相似而密度不同的组分。常将样品通过高浓度的蔗糖或氯化钠的密度梯度沉降在达到与自身密度相等的位置就停滞不再向下沉降。此方法直接证明了 DNA的不保留复制。Ny必降通沉置杵的位细菌的DNA双链曲线代表含好）（细线代表含“N）含“N-DNA的细菌培养于普通培养液第一代继续培养于普通培养液第二代H-普通DNA一 重 DNA口U*内 膜(internal membrane)，习惯上把细胞所有膜结构统称为生物膜(biomembrane)。15pm虽然细胞很早就在光镜下被发现，但其是否有明确
24、的边界结构,尚未可知,直到电镜发明发现质膜的超微结构，但人们并不惊奇，因为在此之前已侦知。1、关于膜的化学组成的早期研究：18世 纪90年代，Overton用植物的根毛作实验，发现脂溶性物质很容易进入细胞，而水溶性的物质却不能。实际上他发现了亲脂性(lipophilic)物质与细胞的关系。根据这一研究结果，Overton认为在细胞的外被中有脂的存在，他还进一步推测，细胞的外被中很可能有胆固醇和卵磷脂的存在，这种推测后来被证明是完全正确的。2、脂单层(lipid monolayer)的发现：Irving Langmuir将红细胞的膜脂提取后铺展在水盘的水面上，研究了脂的展层行为，提出脂单层的设想
25、3、脂双层(lipid bilayer)的发现：1925年，荷兰科学家E.Gorter和F.Grendel用丙酮抽提人红细胞膜按Langmuir的方法铺展在水相上，发现展层后脂单层的面积和根据体积所推算的总面积(显微镜下红细胞为直径约为7Hm的扁平状，据此推测红细胞的表面积约为100Pm2)之 比 为1.8 2.2：1 ,为了解释这一结果，他们提出红细胞膜的基本结构是脂双层。4、片层结构模型1935年James Daniellie和Hugh Davson发现质膜的表面张力比单纯油水界面的要低得多,而当时就已知若脂滴吸附有蛋白质会降低其表面张力，从而提出“双分子片层”结构模型。该模型是第一次用分
26、子术语描述的结构，并将膜结构同所观察到的生物学理化性质联系起来，对后来的研究有很大的启发。5、单位膜模型(unit membrane model)1959年，J.D.Robertson在电子显微镜下发现细胞膜是类似铁轨结构,两条暗线被一条明亮的带隔开，显示暗一明一暗三层，总厚度为7.5nm,中间层为3.5nm,内外两层各为2nm。并推测:暗层是蛋白质,透明层是脂，并建议将这种结构称为单位膜。单位膜模型的评价单位膜模型与片层结构模型相似，但它认为膜脂两侧蛋白质为P 折叠片状，另外，还认为膜外侧表面蛋白是糖蛋白,且膜蛋白在两侧的分布是不对称的。这一模型能够解释细胞质膜的一些基本特性，例如质膜有很高
27、的电阻，这是由于膜脂的非极性端的碳氢化合物是不良导体的缘故；再如由于膜脂的存在，使它对脂溶性强的非极性分子有较高的通透性，而脂溶性弱的小分子则不易透过膜。单位膜也有一些不足：首先该模型把膜看成是静止的，无法说明膜如何适应细胞生命活动的变化；其二，不同的膜其厚度不都是7.5 nm,般在5 10 nm 之间；其三，若蛋白质是伸展的，则不能解释酶的活性同构型的关系。最后，该模型也不能解释为什么有的膜蛋白很容易被分离，有些则很难。6、流动镶嵌模型1972年Singer和Nicolson总结了当时有关膜结构模型及各种研究的新成就，提出了流动镶嵌模型。这一模型强调了膜的流动性和不对称性，认为球形膜蛋白分子
28、以各种镶嵌形式与脂双分子层相结合，且这些蛋白大多是功能蛋白。流动镶嵌模型的主要内容细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成膜骨架；蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。流动镶嵌模型评价流动相嵌模型有两个主要特点。其一，蛋白质不是伸展的片层,而是以折叠的球形镶嵌在脂双层中，蛋白质与膜脂的结合程度取决于膜蛋白中氨基酸的性质。其二膜有一定的流动性，不再是封闭的片状结构，以适应细胞各种功能的需要。这一模型强调了膜的流动性和不对称性，较好地体现细胞的功能特点,被广泛接受，也得到许多实验的支持。7、脂 筏(lipid
29、 raft)模型脂筏：是富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域，大 小70nm左右，是一种动态结构，该结构介于无序液体与液晶之间，称为有序液体，位于质膜的外小页。该模型认为细胞膜主要由不同类型的脂筏组成，脂筏上的蛋白质少数用以维持“筏”结构的稳定，多数功能蛋白则借助“筏”的漂流，使脂筏就像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。二、细胞膜的成分脂和蛋白质是膜的主要成分，同时还有少量的糖类。构成膜的蛋白质与脂的比例依据膜的类型（如质膜、内质网膜、高尔基体膜）、细胞类型（肌细胞、肝细胞）、生物类型（动物、植物和原核生物）的不同而不同。一般而言，膜脂占5 0%,蛋白质占4 0%,碳水化
30、合物约1-10%1、膜脂膜脂都具有双亲性，这种性质使生物膜具有屏障作用，大多数水溶性物质不能自由通过，只允许亲脂性物质通过。膜脂是生物膜的基本组成成分，主要有三大类型:磷脂、糖脂、胆固醇。（1）磷脂（phospholipids）含有磷酸基团的脂称为磷脂，是细胞膜中含量最丰富和最具特性的脂。它有一个极性的头部和一个疏水的尾部。磷脂分子的主要特点：一个极性头部，两个非极性尾部。脂肪酸链为偶数,一般如16、18、20尾部常含有不饱和脂肪酸，造成尾部小角度的弯曲。磷脂与脂质体膜脂都是两性物质，都具有亲水的极性头和疏水的非极性的尾，大多数磷脂和糖脂在水溶液中能够自动形成双分子层结构。当这些兼性分子被水环
31、境包围时，它们就聚集起来，将疏水的尾部埋在里面，亲水的头部露在外面与水接触。可能有两种形式：形成球状的分子团(m icelles),把尾部包在里面；或者形成双分子层(bilayers),把疏水的尾部夹在头部的中间，或形成脂质体(liposome)。(2)糖脂膜中的碳水化合物约占膜重量的1 10%,糖含量的多少依细胞的不同而不同。细胞质膜上所有的膜糖都位于质膜的外表面，内膜系统中的膜糖则位于内表面。膜糖的种类自然界存在的单糖及其衍生物有200多种，但存在于膜的糖类只有其中的9种，而在动物细胞膜上的主要是7种。糖脂的功能细 胞的信号识别、细胞粘着。如膜蛋白中的糖基是细菌和病毒感染时的识别和结合位点
32、。人的血型是A型、B型、AB型还是O型，是由红细胞膜脂或膜蛋白中的糖基决定的。A血 型 的 人 红 细 胞 膜 脂 寡 糖 链 的 末 端 是N-乙酰半乳糖胺(GalNAc),B血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是半乳糖(Gal),O型则没有这两种糖基，而AB型的人则在末端同时具有这两种糖。糖脂与血型ABO血型是由ABO血型抗原决定的，它是一种糖脂，其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用。(3)胆固醇细胞膜上另一类脂是固醇类的胆固醇，胆固醇存在于真核细胞膜中。动物细胞膜胆固醇的含量较高，有的占膜脂的50%,大多数植物细胞和细菌细胞质膜中没有胆固醇，酵母细胞膜中是麦角固醇。胆固醇的分子较其他膜脂要小，双
33、亲媒性也较低。胆固醇的亲水头部朝向膜的外侧，疏水的尾部埋在脂双层的中央。功能：胆固醇分子是扁平和环状的，对磷脂的脂肪酸尾部的运动具有干扰作用，所以胆固醇对调节膜的流动性、加强膜的稳定性有重要作用。(4)膜脂的运动方式膜脂的几种主要流动方式2、膜蛋白由膜脂构成膜的基本结构，但是生物膜的特定功能主要是由蛋白质决定的。功能越复杂的膜，其上的蛋白质种类越多。分类(1)整合蛋白(integral protein)含疏水氨基酸成分较高，亲水部分暴露在膜的一侧或两侧表面，疏水区同脂双分子层尾部相互作用。可分为单次跨膜、多次跨膜、多亚基跨膜等。跨膜蛋白一般含25%50%的 a 螺旋，也 有 B折叠，如孔蛋白。
34、整合蛋白与膜的结合方式1、跨膜结构域与脂双层疏水核心的相互作用。跨膜区a 螺 旋(20aa)外部疏水侧链与脂双层脂肪酸侧链通过范德华力作用相互作用，这是绝大多数跨膜蛋白的共同特征。有的跨膜蛋白a 螺旋外侧是非极性链，而螺旋内侧为极性链，形成水溶性通道。有的跨膜蛋白(约10aa)通过反向平行的。折叠相互作用形成非特异性的跨膜通道。2、通过蛋白质aa侧链电荷与膜脂带负电的极性头部相结合。3、通过胞质侧Cys上的脂肪酸分子，插入到膜双层中。(2)、外周蛋白这种蛋白完全外露在脂双层的内外两侧，主要是通过非共价键附着在脂的极性头部，或整合蛋白亲水区的一侧，间接与膜结合。外周蛋白可以增加膜的强度，或是作为
35、酶起某种特定的反应，或是参与信号分子的识别和信号转导。(3)、脂锚定蛋白脂锚定蛋白(lipid-anchored),通过共价键与脂分子结合。一是蛋白质直接结合于脂双分子层。二是通过一个糖分子间接同脂结合。前 者 如 S rc 和 R as通过长的包埋在脂双层中的碳氢链进行锚定。与细胞从正常状态向恶性状态转化有关。后者如糖基磷脂酰肌醇(GPI)主要是通过短的寡糖锚定在质膜的外侧，是膜受体、酶和细胞粘着分子。一种很少见的贫血-阵发性血红蛋白夜尿就是GPI合成缺陷，导致红细胞容易破裂所至。(4)、膜蛋白与去垢剂整合蛋白与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂S D S,非离
36、子型去垢剂Triton-XIOOo外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。第二节细胞膜的特征与功能一、膜的流动性(membrane fluidity)膜的流动性是指构成膜的脂和蛋白质分子的运动性。膜的流动性不仅是膜的基本特性之一，也是细胞进行生命活动的必要条件。1、膜脂的流动性(1)、膜脂的运动方式：(2)、影响膜脂流动性的因素：温度：是影响膜流动性的最主要的因素。膜脂的组成(脂肪酸链的长
37、度、脂肪酸链的饱和程度)。胆固醇的影响：加强膜脂双层的稳定性，增加膜脂有序性并降低其流动性，调节膜的机械性能。蛋白质分子的影响：胆固醇脂对膜流动性的影响2、膜蛋白的流动性(1)、膜蛋白的运动方式：随机移动：定向移动：局部扩散：3、膜的流动性的生理意义1.细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。2.酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。3.如果没有膜的流动性，细胞外的营养物质无法进入，细胞内合成的胞外物质及细胞废物也不能运到细胞外，这样细胞就要停止新陈代谢而死亡。4.膜流动性与信息传递有着极大的关系。5.膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。二、膜的不对称性(membrane
38、 asymmetry)细胞质膜的不对称性是指细胞质膜脂双层中各种成分不是均匀分布的，包括种类和数量的不均匀。1、膜脂的不对称性：膜脂的不对称性表现在脂双层中分布的各类脂的比例不同，各种细胞的膜脂不对称性差异很大（图3-29）。2、膜蛋白的不对称性：主要指每种膜蛋白在膜中都有特定的排布方向，与其功能相适应。膜蛋白的不对称性包括外周蛋白分布的不对称和整合蛋白内外两侧氨基酸残基数目的不对称。3、膜糖的不对称性：膜糖以糖蛋白或糖脂的形式存在，无论是糖蛋白还是糖脂的糖基都是位于膜的非胞质面。4、膜不对称性的意义膜成分分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性，保证了生命活动的高度有序性。如：/糖脂位于
39、脂双层的外侧，可作为细胞外配体的受体。/磷脂酰胆碱出现在衰老的淋巴细胞外表面，作为让吞噬细胞吞噬的信号。磷 脂 酰se r也出现在血小板的外表面，可作为血凝固的信号。/磷脂酰肌醇主要集中在内叶，它们在将细胞质膜的刺激向细胞质传递中起关键作用。/细 胞 间 的 识 别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持就是靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。第三节红细胞膜骨架红细胞的寿命约为120天，在生存期中大约行程500,000米。在血液循环中，红细胞要穿过小于自身直径一半的微小通道(脾窦)、在脾脏内要经受氧少、低pH值等不利环境的考验、在心脏内又要受到瓣膜涡流冲击。不难想像，红细
40、胞在这样长而艰险的运输途径中保持结构的完好，它的质膜起了重要作用，可以推测，红细胞的质膜一定有非常特别的结构，仅仅是双脂层可能难以解释。红细胞膜骨架(membrane associated cytoskeleten)：红细胞质膜的内侧有一种特殊的结构，是由膜蛋白和纤维蛋白组成的网架，它参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。红细胞膜蛋白的组成分离红细胞膜后可用阴离子去垢剂溶解膜蛋白，并 通 过SDS和聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)分离膜蛋白。通过单向SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析，发现大约有15种主要的蛋白带，相对分子质量为15kDa到 250kDao几种主要的红细胞膜蛋白是(其中血
41、影蛋白、血型糖蛋白、带3蛋白约占膜蛋白的60%以上)：血影蛋白(spectrin)血型糖蛋白A(glycophorin A)带 3 蛋白(band 3 protein)肌动蛋白(actin)锚定蛋白(ankyrin)带 4.1 蛋白(band 4.1 protein)第五章物质的跨膜运输本章重点：1、理解两种类型膜转运蛋白转运物质的原理与特点。2、理解和掌握以钠钾泵的工作原理。3、理解协同运输是一种间接耗能的主动运输过程的原理。4、掌握受体介导的胞吞作用的运输过程和原理。5、了解两种形式胞吐作用的过程。第一节膜转运蛋白与物质跨膜运输一、脂双层的不透性和膜转运蛋白膜的不透性：细胞膜能进行某些脂溶
42、性分子和不带电小分子的简单运输，而对绝大多数溶质分子和离子是高度不通透的。膜转运蛋白：某些阴、阳离子在细胞内外的分布有差异，而膜又是脂溶性屏障，故这种差异的形成还需要由一套膜转运蛋白来运转，尤其是很多有机小分子和带电荷的无机离子。膜转运蛋：一类称载体蛋白(carrier Proteins),如转运葡萄糖分子的膜蛋白；另一类称通道蛋白(channel Proteins),它可形成亲水的通道，允许一定大小和一定电荷的离子通过。1、载体蛋白载体蛋白的类型：P103：表 5-2。载体蛋白的运输特点是：与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质的跨膜转运；对所转运的物质具有高度选择性；载体蛋白又称
43、为通透酶：对物质的转运过程具有被类似物竞争性抑制、具有竞争性抑制等酶的特性。但它不对转运分子作任何共价修饰。2、通道蛋白通道蛋白(channel protein)是一类横跨质膜，它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排，形成水性通道，允许适宜的分子通过。通道蛋白只参与被动运输，转运速度高，无饱和性。其运输特点是：1)离子选择性：不同离子有不同的通道蛋白。2)门控性：电压门通道、配体门通道、应力激活通道等。(1)、电压门通道：特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时，致使其构象变化，“门”打开。(2)、配体门通道：特点：受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生构象变化，“门”打开。又称离子通
44、道型受体。可分为阳离子通道，如 乙 酰 胆 碱(Ach)、谷氨酸和五羟色胺受体，和阴离子通道，如甘氨酸和Y-氨基丁酸受体。Ach受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成一个结构为。2的6的梅花状通道样结构，其中的两个a亚单位是同两分子Ach相结合的部位。(3)、应力激活通道(4)、水通道水扩散通过人工膜的速率很低，人们推测膜上有水通道。1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28(28 KD)，他将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，5分钟内破裂。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。2003年Agre与离子通道的研究者MacKinn
45、on同获诺贝尔化学奖。目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水通道蛋 白(Aquaporin,AQP)。二、被动运输与主动运输(一)、简单扩散也叫自由扩散（free diffusion）特点：沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；不需要提供能量；没有膜蛋白的协助。人工膜对各类物质的通透率：脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；非极性分子比极性容易透过，极性不带电荷小分子，如H2O、0 2等可以透过人工脂双层，但速度较慢；小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过；人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。（二）、协助扩散也称促进扩散特点：比自由扩散转运
46、速率高；运输速率同物质浓度成非线性关系；特异性；饱和性。载体：离子载体和通道蛋白两种类型。（三）、主动运输主动运输的特点是：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量；都有载体蛋白。主动运输所需的能量来源主要有：由 ATP直接或间接供能；光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。第二节离子泵和协同转运离子泵：一种A PTase,可以通过水解APT供能，逆浓度梯度转运离子或某些小分子。可分为以下四种：P-型离子泵V-型质子泵F-型质子泵ABC超家族一、P-型离子泵（一）、钠钾泵构成：由 2 个大亚基、2 个 小 亚 基 组 成 的 4 聚体，实际上就是Na+-K+-ATP酶，分布于动物细胞的质膜。工作原
47、理：Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。在膜内侧Na+与酶结合，激 活 ATP酶活性，使 ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于 是 与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对 K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+、而 与 K+结合。K+与磷酸化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，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与N a+结合。其总的结果是每一循环消耗一个A T P；转运出三个N a+,转进两个K+o钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程（A T P
48、上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象变化），所以这类离子泵叫做P-t y p e oN a+-K+泵的作用：维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；维持细胞低N a+高K+环境，维持细胞的静息电位（1/1 0）；与某些物质（如葡萄糖）的跨膜运输有关。地高辛、乌本甘等强心剂抑制其活性；M g 2+和少量膜脂有助提高于其活性。（二）、钙泵C a 2+-A T P a s e有1 0个跨膜结构域，膜内侧有第一个环有C a 2+离子结合位点；第二个上有激活位点，包 括A T P的结合位点。在静息状态，竣基端的抑制区域同环2的激活位点结合，使泵失去功能。C a 2+-A T P a s
49、e泵有两种激活机制：C a 2+浓度升高-C a 2+/钙调蛋白复合物 同抑制区结合，释放激活位点，泵开始工作。反之泵处于静息状态。蛋白激 酶C使抑制区磷酸化，从而失去抑制作用；当磷酸酶使抑制区脱磷酸，抑制区又同激活位点结合，起抑制作用。胞质溶胶tbN质 膜 嬲 口 嬲 嬲质膜Ca-ATP睥泵C aM 结一/合结构域激活位点 Z-L激活的C#7钙惆蛋白复合物Ca2+-ATPase的结构和功能位点二、V-型和F-型质子泵1.V-型质子泵：存在于动物细胞内体、溶酶体膜以及植物、酵母和其他真菌细胞膜上。利用ATP水解供能从细胞质基质中逆 H+转运到细胞器中。2.F-型质子泵：主要存在于线粒体内膜等上
50、。三、ABC超家族ABC：ATP-binding cassette超家族：一大类家族成员，均在胞质侧含2个高度保守的A B C,可通过结合ATP发生二聚化并水解结合的A TP,造成构象变化从而转运 物 质（主要是aa、肽等小分子）。MDR1是第一个被发现的ABC转运器，常在肝癌患者肝中过表达，造成多药抗性。四、协同转运是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为