細胞生物學(翟中和完美版)筆記.doc

細 胞 生 物 學 教 案. 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第一節(jié) 細胞生物學研究內容與現狀一、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(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)展簡史一 細胞生物學研究簡史1.細胞學創(chuàng)立時期 19世紀以及更前的時期（16651875），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（18751900），主要是實驗細胞學時期；3. 實驗細胞學時期（19001953）；4. 分子細胞學時期（1953至今）?？傔^程概括為：細胞發(fā)現細胞學說建立細胞學形成細胞生物學的發(fā)展（1665） （18381839） （1892） （1965）R.Hooke Schleiden、Schwann Hertiwig DeRobertis二、 細胞的發(fā)現（discovery of cell）以及細胞學說的建立及其意義（The cell theory）1.1838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（Beitrage zur Phytogenesis）.2.1839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)別教學內容：第一節(jié) 細胞的基本概念一、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(tài)結構和功能活動單位。2.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（Cytoplasmic miatrix）。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（Gytoplasmic matrix），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（Prokaryotic cell）具有兩大特點：1遺傳信息量少（僅有一個環(huán)狀DNA）,無膜圍細胞器及核膜2最小、最簡單的細胞支原體（mycoplasma）為何說支原體是最小的細胞？3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-green algae）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1216億年前在地球上出現，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 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 以核酸與蛋白質為主要成分構建而成。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(qū)別可歸納為下面兩條：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110或15m，細菌多在34m，支原體只有0.1m。動物細胞多在（10100m，2030m， 1570m）。最大的細胞要屬鴕鳥卵，可達10 cm，卵黃只有5cm。隆鳥卵直徑可達20 cm。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：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：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（inner membrane subunits ）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：由蛋白質和核酸組成。第三章 細胞生物學研究方法教學目的 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（fluorescence microscope）（三）暗視野顯微鏡（darkfield microscope）（四）相差顯微鏡（phase contrast microscope）（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（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（negative staining）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（freeze etching）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 (preparative centrifuge) 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（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稱。是免疫學原理與光鏡或電鏡技術的結合?？贵w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（molecular gbridization technique）（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 (blot hybridization)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） Southern blotting （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（Northern blotting）（3） 蛋白質印跡術（Western blotting）（4） Eastern blotting（Western blotting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（Southwestern blotting） 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（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(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)：in vivo 在體、活體、生物體內in vitro 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（Cell 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 & Davson于1935年提出的，因此又稱Danielli & davson模型。2、 單位膜模型（The unit membrane model） 這個模型是19571959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 mosaic model）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）。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(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（Lipid rafts model）。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（210%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（function of c.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（membrane associated cytoskeleton）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（zonula oceludens），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（desmosme， 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（hemides mosome）。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（1520nm）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（nexus）、縫管連接或封閉筋膜（fascia occludens）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middle tamella）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（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”與“皮”的關系。二、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(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（glycosaminoglycan GAC）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，FN）（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）彈性蛋白第五章 物質的跨膜運輸與信號傳遞教學目的 ：1 掌握物質跨膜運輸的方式2 掌握細胞通訊的基礎知識3 掌握細胞信號轉導的具體方式教學重點物質跨膜運輸的方式，教學難點 大分子的運輸機理，細胞信號轉導的具體方式第一節(jié) 物質的跨膜運輸一、 被動運輸（Passive 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。（一）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）。特點：（二）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（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（memberan transport pr.）: 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（channel pr.）（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（carrier pr.）：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）。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facilitated diffusion、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），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）?，F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?？梢奛a+-K+泵是一種由Mg2+激活的Na+-K+-ATP酶。1957年，J.skou首先發(fā)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+排出細胞外。（二） 間接利用ATP的主動運輸伴隨運輸（或稱協同運輸，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（transport by vesicle formation），又稱批量運輸（bulk transport）。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（endocytic vesicle）。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（Coated vesicle）存在于真核細胞中，具有毛刺狀外表面的一類小泡（50250nm）。可以是內膜系統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（receptormediated endocytosis）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（cell communication）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（cell recognition）細胞識別的現代概念是：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，最終表現為細胞整體的生物學效應，這種現象或過程稱為細胞識別?？梢?，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（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。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（second messenger） 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（molecular 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。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(jié)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：、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(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。、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?；视停―G）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（outer 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10000 doldon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（23nm）。（二）內膜（inner membrane）也是一單位膜，約厚68nm。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”（mitochondria cristae），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（outer space）（膜間隙）指內、外膜之間的窄小空隙，寬約68 nm，又稱膜間隙（intermembrane space）。（四）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）。三、線粒體的化學組成及定位（chemical composition）（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mtDNA四、線粒體的功能生物氧化（biological oxidation）亦稱細胞呼吸（cellular respiration），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）（electron transport chain， respiration chain）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I NADHQ還原酶，催化NADH的2個電子輔酶Q（2）復合物 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 細胞色素還原酶，催化電子從輔酶Q傳至CytC（4）復合物 細胞色素氧化酶，將電子從CytC氧。2 基粒（F1FO復合物）的超微結構F1FO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 氧化磷酸化的偶聯機制（1）化學偶聯假說（Chemieal coupling hypothesis）（2）構象偶聯假說（Conformational coupling hypothesis）（3）化學滲透學說（Chemiosmotic coupling hypothesis）亦稱電化學偶聯學說，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F1FO復合物時，ATP酶利用這一勢能合成ATP。（5）F1FO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的超微結構。1 葉綠體膜（chl membrane）是兩層光滑的單位膜（內、外膜）6-8nm，也稱外被（outer envelope），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530（10100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4080個基粒。組成基粒的類囊體稱基粒類囊體（granum-thylakoid）或基粒片層（grana lamella）。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（stroma lamella）。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?？梢娀hylokoid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（Cytb559，Cytf553，Cytb6563等）、4鐵硫蛋白（鐵氧還蛋白ferrdoxin，Fd）、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?？傔^程分為兩個階段：光反應和暗反應。（一） 光反應（Light reaction）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（primary reaction）：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NADPH NADP+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（dark reaction）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?？栁难h(huán)是最基本、最普通