《细胞生物学》教案2014.05

细胞生物学 任课教师 邵 玲 教授短号：662816） 本课程的主要内容： 第一章 绪论 第二章 细胞的统一性与多样性 第三章 细胞生物学研究方法 第四章 细胞质膜 第五章 物质的跨膜运输 第六章 线粒体和叶绿体 第七、八章 细胞质基质与内膜系统；蛋白质的分选与膜泡运输 第九章 细胞信号转导 第一章 绪 论 本章教学目标及要求： 1. 掌握细胞生物学的概念； 2. 了解细胞生物学研究的基本内容、发展简史及其在生命科学中的重要地位。 教学重点： 细胞的发现，细胞学说的内容及其意义。 考核要求： 细胞生物学的概念，细胞的发现， 细胞学说的内容和意义。 第一节 细胞生物学研究的内容与现状 什么是细胞：细胞是生命现象的物质结构基础，生命是细胞所独有的运动方式，有了 细胞才有完整的生命活动。 2 细胞 = 生命（生命特征） 1）早在 1925 年，生物学大师 Wilson 就提出：“一切生命的关键问题都要到细胞中去 寻找，因为所有的生物体都是或曾经是一个细胞。 ” 2）我国高等学校在生物学的教学中，将细胞生物学定位为基础课程。 一、细胞生物学是现代生命科学的一门重要基础学科 生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系，而细胞是生命体的结构与生命活 动的基本单位，有了细胞才有完整的生命活动。 1、细胞生物学：是研究和揭示细胞基本生命活动规律的科学，它从显微、亚显微与 分子水平上研究细胞结构与功能，细胞增殖、分化、代谢、运动、衰老、死亡，以及 细胞信号转导，细胞基因表达与调控，细胞起源和进化等重大生命过程。 2、细胞生物学的研究对象细胞：1976 年，在美国波斯顿召开了第 1 次“细胞生物 学”会议，标志了细胞生物学的诞生。 3、地位：与分子生物学、神经生物学和生态学并列为生命科学的四大基础学科。细 胞生物学与分子生物学相互渗透与交融是总的发展趋势。 4.当前细胞生物学研究中的三大基本问题： （1）细胞内的基因组是如何在时间与空间上有序表达的？ （2）基因表达的产物-主要是结构蛋白质与核酸、脂质、多糖及其复合物，它们是如 何逐级装配成能行使生命活动的基本结构体系及各种细胞器？其自组装过程的调控程 序与调控机制是什么？ （3）基因表达的产物-主要是大量活性因子与信号分子，是如何调节细胞最重要的生 命活动（增殖、分化、衰老、凋亡）过程的？ 二、 细胞生物学的主要研究内容 （一）生物膜与细胞器 （二）细胞信号转导 （三）细胞骨架体系 （四）细胞核、染色体以及基因表达 （五）细胞增殖及其调控 （六）细胞分化及干细胞生物学 3 （七）细胞死亡（凋亡） （八）细胞衰老 （九）细胞工程 （十）细胞的起源与进化 第二节 细胞学 与 细胞生物学发展简史 1、细胞学： 利用光学显微镜对细胞的结构、功能和生活史进行研究，主要集中于静态描述。 2、细胞生物学： 利用光学显微镜、电子显微镜和分子技术等方法，从细胞的整体生命活动水平、亚细 胞水平和分子水平对细胞和细胞器的结构与功能进行研究，以动态的观点来探索细胞 的基本生命活动。 细胞生物学发展划分为以下 4 个阶段： 1、1665s-1830s，细胞发现和细胞学说的建立，以形态描述为主。 2、1830s-1930s，细胞学发展的经典时期。 3、1930s-1970s，电镜技术应用，细胞实验生物学发展时期。 4、1970s 以来，DNA 双螺旋结构的发现与中心法则的确立，进入分子细胞生物学时 代。 4 一、细胞的发现 细胞生物学的变革和显微技术的改进息息相关。 1590 年第一台复式显微镜。 1610 年用显微镜观察昆虫。 1665 年英国人 Robert Hooke 出版显微图谱 。观察了软木，并首次用 cells 来描述 “细胞” 。 二、 细胞学说的建立及其意义 1、1838 年 Schleiden 发表 “植物发生论” ，认为无论怎样复杂的植物都由细胞构成。 但他以 free-cell formation 理论来解释细胞形成。 2、1839 年 Schwann 提出了“细胞学说” （Cell Theory) ；发表了“ 关于动植物结构和 生长一致性的显微研究” 。 Schwann 提出： a.有机体是由细胞构成的； b.细胞是构成有机体的基本单位。但他也采用了的 Schleiden 细胞形成理论。 3、Cell Theory 的基本内容 : 19 世纪 30 年代由德国的植物学家施莱登和动物学家施旺共同提出的。1） 细胞是有 机体，一切动植物都是由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成；2）每个细胞作 为一个相对独立的单位，既有它“自己的” 生命,又对与其它细胞共同组成的整体的生命 有所助益；3）新的细胞可以通过老的（已存在的）细胞繁殖产生。 4、通常认为施莱登（MJ. Schleiden）和施旺（T. Schwann）正式提出了细胞学说： 实际上它是 19 世纪许多科学家共同努力的结果。包括:BC. Dumortier、JB. de Lamark、CB. Milbel、H. Dutrochet、R. Brown、JE. Purkyne、R. Remak、R.Virchow 等 许多著名科学家。 5、Rudolf Virchow： 1858 年德国病理学魏尔肖概括为“一切细胞来自细胞” 的著名论断，这不仅在更深的层 次上揭示细胞作为生命活动的基本单位的本质，而且通常被认为是对细胞学说的重要 补充，甚至有人认为直至于此细胞学说才全部完成。 5 细胞学说的重要意义： 1）论证了整个生物界在结构上的统一性，以及在进化上的共同起源。这一学说的建 立推动了生物学的发展，并为辩证唯物论提供了重要的自然科学依据。 恩格斯曾把细胞学说誉为 19 世纪最重大的发现之一。 2）然而，他们虽然正确地指出新的细胞可以由老的细胞产生，却提出了一个错误的 概念即新细胞在老细胞的核中产生，并且由非细胞物质产生新细胞，并通过老细胞崩 解而完成。由于这两位科学家的权威，使得这种错误观点统治了许多年。 3）许多研究者的观察表明，细胞的产生只能通过由原先存在的细胞经过分裂的方式 来完成。 三、 细胞学发展的经典时期（主要指 19 世纪最后 25 年） 1、原生质理论的提出 19 世纪 30 年代后发现活细胞并不是空的而是充满粘稠的液体。 JE. Purkinje（1839）和 von Mohl（1846）将之称作原生质“protoplasm” 。 如今“原生质 ”一词已从生物学文献中消失了，但在当时具有十分重要的意义。 2、细胞分裂的研究 有丝分裂、减数分裂相继发现。 3、重要细胞器的发现 中心体、线粒体、高尔基体的相继发现。 四、实验细胞学与细胞学的分支及其发展 1.细胞遗传学的发展 2.细胞生理学的研究 3.细胞化学的发展 五、细胞学学科的形成与发展 1932 年德国人 E. Ruska 和 M. Knoll 发明透射电镜，人类视野进入超微领域 。 1939 年 Siemens 公司生产商品电镜。 1940-50s 用电镜观察了各类细胞超微结 构。Cytology 发展为 Cell Biology。 6 20 世纪 80 年代进入分子细胞生物学时代 分子细胞生物学时代： 1、1952 年 Franklin 拍摄到清晰的 DNA 晶体 X-衍射照片。1953 年她认为 DNA 是一 种对称结构，可能是螺旋。 2、1953 年，JD. Watson 和 FHC. Crick 提出 DNA 双螺旋模型。与 Wilkins 分享 1962 年诺贝尔生理学与医学奖 。 3、1996 年 7 月 5 日， 世界上第一只克隆羊“多利” 由英国爱丁堡大学的苏格兰卢斯林 研究所的试验基地诞生。 （严格说属于细胞遗传学范畴） 4、人类基因组计划 Gene Chip 小结 本章学习要求： 了解细胞生物学的研究对象、研究内容与现状、学科体系的产生与发展、细胞生 物学的重要性及其与其他学科的关系。 本章重要内容： 1）细胞生物学的概念和研究内容。 2）细胞学说的内容和意义。 3）当前细胞基本生命活动研究的重大问题？ 第二章 细胞的统一性和多样性 教学目标及要求： 1. 理解“细胞是生命活动的基本单位“ 。 2. 掌握原核细胞与真核细胞的区别，以及它们的进化上的关系。 3. 为什么说支原体可能是最小、最简单的细胞存在形式？ 教学重点： 细胞是生命活动的基本单位。 考核要求： 1.细胞及病毒的概念以及二者之间的区别。 7 2.原核细胞与真核细胞的区别。 3.原核细胞、古核细胞和真核细胞在进化上关系。 生命的特征 在结构上具有自我装配的能力； 在生理活动中具有自我调节的能力； 在增殖上具有自我复制的能力。 第一节 细胞的基本特征 一、细胞是生命活动的基本单位 （一）细胞是构成有机体的基本单位。 （二）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。 （三）细胞是有机体生长与发育的基础。 （四）细胞是繁殖的基本单位，是遗传的桥梁。 （五）细胞是生命起源的归宿，是生物进化的起点。 （六）关于细胞概念的一些新思考？ 二、细胞的基本共性（Basic properties of cells） 1.相似的化学组成 2.脂-蛋白体系的生物膜 3.相同的遗传装置（ DNA 与 RNA 是遗传信息复制与转录的载体，相同的遗传密码） 4.一分为二的分裂方式，保证了遗传的稳定性。 第二节 原核细胞与古核细胞 细胞的分类（classification ）： 最小最简单的细胞支原体 原核细胞的两个代表细菌和蓝藻 古核细胞（古细菌） 原核细胞（没有核膜） 原核生物 细胞 古核细胞(古细菌 ) 古核生物 （三界）生命界 8 真核细胞（典型细胞核） 真核生物（原生生物、 真菌、动植物） 早在 30 亿年前，地球上就出现了原核细胞。 一、原核细胞（prokaryotic cells）基本特点： 1）遗传的信息量小，由环状 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。 二、最小、最简单的细胞支原体？ 直径:0.10.3 微米，可通过滤菌器。 没有细胞壁，有磷脂和蛋白质构成的细胞膜，形态多样。 胞质内有分散的环状 DNA 分子，无蛋白质结构，更无核膜包围。 核糖体是胞内唯一可见的细胞器（图 2-1） 。 支原体是最小、最简单的细胞？ 1、具有细胞生存与增殖必须具备的条件：细胞膜、DNA 和 RNA、核糖体和代谢酶； 2、从保证细胞生命活动运转必须条件看，至少所需的体积不可能小于 140-200nm，而支原体直径 已接近这个极限。 因此，比支原体更小、更简单的又能维持细胞基本生命活动的基本要求的细胞是不可能存在的。 三、原核细胞的两个代表类群-细菌和蓝藻 细 菌：1）细菌是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体。 2）绝大多数细菌的直径在 0.5-5m 之间。 蓝 藻（蓝细菌，cyanobacterium）没有叶绿体，但有由质膜内陷形成的捕光装置（光合作用片层） ，进行光合作用。最简单的植物？ 遗传物质是一个环状 DNA 分子。 体积比其它原核细胞大得多，约 10m 左右。 属单细胞生物，有些以丝状细胞群体存在，如：发菜。 四、古核细胞（古细菌，archaebacteria） 9 概念：是 20 世纪 80 年代出现的名称，是指一些生长在极端特殊环境中的细菌，形态上与原核细 胞相似，但并不意味着它们是最古老的细胞类型。 多生活在极端（高温、高盐、高寒）的生态环境中。 细胞壁、质膜、核糖体、DNA 与基因结构具有原核生物某些特征，也有真核生物的特征， 还有自己的独特特征。 与真核细胞曾在进化上有过共同历程- 可能是真核细胞的祖先。 各类生物能忍受的上限温度： 古细菌 113 细菌 90 真菌 60 藻类 55-60 原生动物 56 维管束植物 49 鱼类和其他水生脊椎动物 38 五、生命界进化系统树生命分三界 原核生物 古核生物（古细菌） 真核生物（单细胞原生生物、真菌、 动植物） 第三节 真核细胞 真核细胞是遗传信息量大、结构相对复杂的细胞，原始真核细胞大约在 12-16 亿年前在地球上出 现。真核细胞的起源和古核细胞的关系密切。 一、真核细胞的基本结构体系 （一）生物膜系统细胞质膜、核膜、内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体和叶绿体（以脂质 及蛋白质成分为基础） 。 （二）遗传信息传递与表达系统细胞核和核糖体（以核酸 DNA 或 RNA 与蛋白质为主要成分） 。 （三）细胞骨架系统细胞质骨架和细胞核骨架（微管、微丝和中间纤维，由特异蛋白分子装 配构成的） 10 二、细胞的大小及其影响因素 各类细胞直径的比较： 细胞类型 直径大小 (m) 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 2030 （1050） 原生动物细胞 （如草履虫、眼虫） 数百至数千 影响细胞大小的因素：受 DNA、核糖体 RNA、蛋白质、分裂期。 原核细胞与真核细胞基本特征比较 P21 原核细胞 真核细胞 代表生物 细菌、蓝藻和支原体 原生生物、植物和动物 细胞壁 主要成分是氨基酸与壁酸 动物无，植物的为纤维素与果胶 细胞质膜 有(多功能性) 有 核糖体 70S(由 50S 和 30S 两个大小亚 基组成) 80S(由 60S 和 40S 两个大小亚基组成 ) 质膜细胞器 无 有细胞核、线粒体、叶绿体、内质网、 溶酶体等 细胞核 无核膜和核仁 有核膜和核仁 染色体 由环状 DNA 分子构成的单个 染色体, DNA 不与或很少与组 蛋白结合 两条染色体以上，染色体由线状 DNA 与 蛋白质组成 细胞骨架 无 有 11 原核细胞与真核细胞最根本区别： 1. 细胞膜系统的分化与演变，结果导致细胞内部结构与职能的分工的区别； 2. 遗传信息量与遗传装置的扩增及复杂化，导致真核细胞遗传信息重复序列与染色体多倍性的出 现，以及转录与翻译的时空区别； 3. 真核细胞有复杂的骨架系统； 4. 细胞体积增大，适应不利环境能力较差。 三、植物细胞与动物细胞的比较 细胞器 动物细胞 植物细胞 细胞壁 无 有 叶绿体 无 有 液泡 无 有 溶酶体 有 无 乙醛酸循环体 无 有 通讯连接方式 间隙连接 胞间连丝 中心体 有 无 胞质分裂方式 收缩环 细胞板 第四节 非细胞形态的生命体病毒 病毒的发现：1892 年俄国的植物病理学家 D.Ivanovsky 发现了烟草花叶病的病原, 认为它是一 种能通过细菌滤器的“细菌毒素”或极小的“ 细菌”。 1898 年荷兰学者 M.W.Berijerinck 首次提出其病原体是一种“ 传染性的活性液体”或称“病毒”。从此, 许多学者陆续发现了各种植物病毒、动物病毒和细菌病毒噬菌体。 一、 病毒的基本知识 1. 结构：壳体（蛋白质）+ 核酸 = 核壳体 + 包膜 2. 分类：动物病毒、植物病毒、细菌病毒（噬菌体） 。DNA 病毒（单链与双链） 、RNA 病毒（单 链与双链） 。 病毒各有一定的宿主范围，对感染的宿主具有专一性。 3. 其它病毒形式： 12 3.1 类病毒(viroid) 仅由感染性的 RNA 构成（H5N1（禽流感)。 3.2 朊病毒（prion）仅由感染性的蛋白质亚基构成，引发正常分子的构象发生转变。 （ 羊瘙 痒病、疯牛病与克雅氏病 15min） /news/society/201105/0c98bbe0-7b1c-47dc-8c33-db0a7199e788.shtml 羊瘙痒病、疯牛病 与 克一雅氏病 羊瘙痒病是一种在绵羊和山羊发生的自然感染性神经变性病。动物发病是以经常刮擦栅栏的瘙痒 动作开始，故名羊瘙痒病。病羊逐渐出现震颤和运动失调，多在发病 6 周至 6 个月内死亡。 疯牛病是由于健康牛食入含有致病性朊粒的人工蛋白质饲料所致，这种人工蛋白质饲料含有病 牛、病羊的脑和脊髓等脏器成分。 克雅氏病则是由于人吃了患疯牛病的牛肉及其制品以及牛脑、脊髓、扁桃体、胸腺、脾脏和小 肠而传染发病，它是致命的海绵状脑病的一种，使患者脑组织的某些部位出现空洞。 3. 其它病毒形式： Addition: SARS（非典） 、H5N1（禽流感) SARS 是新型冠状病毒（coronavirus)，电镜下呈不规则状，直径约 60220nm,有包膜，表面梅花 形的膜粒状如日冕，故称为冠状病毒。 世界卫生组织指出，目前的 H5N1 型病毒株仅能通过禽类传染给人体，但是这种病毒很容易变 种，必须防范它与人类的流行性感冒病毒株接触进行基因重组，突变出“人传人”的禽流感病毒。 禽流感一旦在人际传播，数亿人生命将受到威胁。 二、病毒在细胞内增殖过程 1、病毒和细胞识别，病毒核酸侵染细胞。 2、病毒核酸的复制、转录与翻译（蛋白质的合成） 。 3、病毒的装配、成熟与释放。 三、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，其主要生命活动必须要在细胞内实现。 关于起源，目前存在 3 种个观点： 1、生物大分子病毒细胞 病毒 2、生物大分子 13 细胞 3、生物大分子细胞 病毒 目前大多认同第三种观点，其理由：P29 小结 本章学习要求： 了解细胞的统一性和多样性，生命体的三大基本类型 病毒（非细胞生物） 、原核生物和真 核生物 以及他们的基本结构和基本生命活动等基础知识。 本章重要内容： 1）掌握“细胞是生命活动的基本单位“ 的要点。 2）原核细胞、古核细胞和真核细胞在进化上关系。 3）理解“病毒是非细胞形态的生命体”。 第三章 细胞生物学研究方法 教学目标及要求： 1.了解显微技术的概念及其应用。 2.掌握光学显微镜的分别率和放大倍数的区别。 3.模式生物学的概念及其在细胞生物学中的应用。 教学重点： 掌握光学显微镜的结构组成及其分辨率。 考核要求： 1.光学显微镜技术和荧光显微镜的区别。 2.暗视场显微镜的原理。 3.细胞生物学研究常用的模式生物是什么。 第一节 细胞形态结构的观察方法 显微技术，是进行细胞形态结构观察的方法，包括光学显微技术、荧光显微技术、电子显微技 术和扫描显微技术等。 目前的分辨本领已能达到 0.1 nm 的水平，可以直接观察到 DNA、RNA 和蛋白质等生物大分子 及生物膜、病毒等结构。 14 包括： 一、光学显微镜技术 (Light Microscopy) 暗视场显微镜技术(Dark Field Microscopy)以可见光为光源。 二、荧光显微镜 （Fluorescence microscope）以短波光（或紫外线）为光源。 三、电子显微镜技术(Electron Microscopy)以电子束为光源。 几种显微镜分辨率的比较 分辨 本领 光 源 透 镜 真 空 成像原理 人 眼 0.2 mm 可见光 普通光学 显微镜 200 nm 可见光，波 长 400700 nm 玻璃透镜 不要求真空 利用样品对光的吸收形 成明暗反差和颜色变化 荧光 显微镜 100 nm 短波光， 波 长约 200 nm 玻璃透镜 不要求真空 利用样品对紫外光的反 应发射出可见的荧光形 成颜色变化 电子 显微镜 接近 0.1 nm 电子束， 波 长 0.010.9 nm 电子透镜 1.33x10-5 1.33x10-5 Pa 利用样品对电子的散射 和投射形成明暗反差 (一) 普通复式光学显微镜技术 包括：光学放大系统（目镜和物镜） 、照明系统（光源、折光镜和聚光镜）和机械支架系统三部分 组成。 显微镜的质量决定于放大倍数和分辨率。 分辨率( )是指区分开两个质点间的最小距离。 = 0.61 /N sin 其中： 代表光波波长；N 为物镜与标本间的介质折射率，空气的 N=1，香柏油的 N=1.5； 为 镜口率（样品对物镜镜口的张角） 。 N sin 的量称为数值孔径，简写为 N.A.，其数值刻在物镜上。 暗视场显微镜（Dark Field Microscopy ） 15 原理：在普通光镜的聚光器中央加一块遮光板，使照明的直射光不能进入物镜，只有经过 标本的折射和散射的光才能进入物镜，使被检标本得以显现的显微技术。 聚光镜的中央有挡光板，照明光不能直接进入物镜，只允许被标本反射和折射的光进入物镜形成 亮的像。这样就观察到暗背景中发亮的细胞结构。 可观察 4200nm 的微粒子，分辨率比普通显微镜高 50 倍。 （二）荧光显微镜技术（Fluorescence Microscopy） 原理：以较高能量的短波长（紫外光和蓝光）作为光源，激发标本中的荧光物质使其发射荧光， 从而观察细胞的某些结构或特殊物质的一种显微技术。 应用：是在光学显微镜水平对特异蛋白质等生物大分子定性及定位的最有力工具之一。 生物光的真谛：绿色荧光蛋白2008 年诺贝尔化学奖获奖成果 1、1962 年，下村修和助手从一种水母体内提取生物发光蛋白水母素时，意外发现一种能在 紫外光下发出强烈绿色的蛋白，便命名为绿色蛋白（GP） 。 2、1974 年，下村修纯化这种绿色蛋白，并正式命名为绿色荧光蛋白（GFP） 。 3、1994 年，钱永健探索 GFP 的结构，从而找到 GFP 发光基因。1995 年，钱永健的研究取得重 大突破发明了多色荧光探针技术。 通过基因操纵手段，用荧光蛋白标记相关目标蛋白，可以跟踪目标蛋白的时间、空间变化，提 供了以前不能达到的时间和空间分辨率，而且可以在活细胞甚至活体动物中观察到一些分子变化。 三、 电子显微镜技术 (Electron Microscopy) 1、电子显微镜的基本知识：以电子束为光源，分辨率可达到纳米水平。 2、电子显微镜标本要用重金属物质进行电子染色以增加反差。利用透过标本的透射电子成像称为 透射电子显微镜（TEM） ；利用标本表面散射出的次级电子成像的称为扫描电子显微镜（SEM） 。 四、细胞生物学研究常用的模式生物 研究模式生物的本质为：不同物种享有共同分子机制。 秀丽隐杆线虫- 是发育生物学研究领域的模式生物。 细胞生物学研究常用的模式生物 大肠杆菌-操纵子学说建立 16 豌豆和果蝇-遗传学定律 酵母和海胆-细胞周期调控机制 线虫-细胞凋亡机制 小鼠-哺乳动物基因组学研究 小结 本章学习要求： 了解显微技术的概念及其应用。模式生物学的概念及其在细胞生物学中的应用 。 本章考核要求： 1）光学显微镜技术和荧光显微镜的区别。 2）暗视场显微镜的原理。 3）细胞生物学研究常用的模式生物是什么？ 第四章 细胞质膜 教学目标及要求： 1.了解细胞质膜的结构模型和基本成分。 2.掌握细胞质膜的基本特征与功能。 教学重点： 掌握生物膜的结构特征与功能。 考核要求： 1.细胞质膜的结构模型。 2.掌握细胞质膜的基本特征与功能。 第一节 细胞质膜的结构模型和基本成分 细胞质膜（plasma membrane） ：是指围绕在细胞最外层，由脂质、蛋白质和糖类组成的生物 膜。 生物膜（biomembrane） ：细胞内的膜系统与细胞质膜的统称。 生物膜是细胞进行生命活动 17 的重要物质基础。 细胞表面：由细胞外被、质膜和质膜下的表层胞质溶胶和特化结构 构成。 细胞膜与细胞表面的区分： 细胞外被（或糖萼） 特化结构（鞭毛、纤毛、微绒毛） 细胞表面 细胞壁 细胞膜（质膜） 膜下溶胶层(膜骨架） 一、细胞质膜的结构模型和基本成分 1. E. Overton 1895 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易 透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。 2. E. Gorter & F. Grendel 1925 用有机溶剂提取了人的红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面， 测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。 3. J. Danielli & H. Davson 1935 发现质膜的表面张力比油水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋 白质，初步提出了“蛋白质- 脂质- 蛋白质” 三明治式的质膜结构模型。 4. 1959 年，Robertson 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明- 暗三层结构，总厚约 7.5nm， 认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。正式提出了所有的生物膜 都由“蛋白质-脂质-蛋白质” 的单位膜构成的单位膜模型。 5. 1972 年，Singer & Nicolson 提出了“流动镶嵌模型”。 生物膜的结构特征： 1、磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架。 2、蛋白质类型、分布的不对称性，赋予生物膜各自的特性与功能。 3、膜的流动性是生物膜的基本特征之一, 是细胞进行生命活动的必要条件。 4、在细胞的生命活动中，生物膜在三维空间上处于不断的动态变化中，从而保证了细胞运动、增 殖等代谢活动。 二、细胞质膜的组成成分：膜脂和膜蛋白 （一）膜脂 18 主要成分：甘油磷脂、鞘磷脂和固醇。其中： 胆固醇：存在于真核细胞膜上，不超过 1/3。在调节膜的流动性、增加稳定性及降低水溶性物 质通透性方面起重要作用。 脂质体：是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的现象而制备的人工膜。 (a)水溶液中的磷脂分子团； (b)球形脂质体； (c)平面脂质体膜； (d）用于靶向药物治疗的脂质体（肿瘤治疗） 分子靶向治疗： 是在细胞分子水平上，针对已经明确的致癌位点（该位点可以是肿瘤细胞内部的一个蛋白 分子，也可以是一个基因片段） ，来设计相应的脂质体治疗药物，脂质体进入体内会特异 地选择致癌位点来相结合发生作用，使肿瘤细胞特异性死亡，而不会波及肿瘤周围的正常 组织细胞，所以分子靶向治疗又被称为“ 生物导弹”。 （二）膜蛋白 根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为： 1、外在膜蛋白； 2、内在膜蛋白和脂锚定膜蛋白：全部或部分插入细胞膜内，与膜结合紧密，使用去垢剂处理才能 从膜上分离。 （三）去垢剂： 1、概念：是一端亲水一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。分为： 离子型：如十二烷基硫酸钠（SDS） ，可使细胞膜崩解，或引起蛋白质变性。 非离子型：TritonX-100 ，作用温和，用于膜蛋白的分离纯化（如植物原生质体培养） 。 第二节 细胞质膜的基本特征与功能 一、膜的流动性 1. 膜脂的流动性： 侧向扩散(lateral diffusion) 旋转运动(rotation movement) 19 弯曲运动(flex movement) 翻转运动(flip-flop) 2. 膜蛋白的流动性： 主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药 物如细胞松弛素 B 能促进膜蛋白的侧向运动。 例子：（1）荧光抗体标记实验。 （2）成斑或成帽现象。 二、膜的不对称性 细胞质膜内外两个单层的组成、结构和功能的差异，称为膜的不对称性。 1. 细胞膜各部分的名称 ES，质膜的细胞外表面（extrocytoplasmic surface） ； PS，质膜的原生质表面（protoplasmic surface） ； EF，质膜的细胞外小叶断裂面（extrocytoplasmic face） ； PF，质膜的原生质小叶断裂面（protoplasmic face） 。 2. 膜脂的不对称性：糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，是完成其生理功能的结构基础。 3. 膜蛋白的不对称性：每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性和区域分布；其不对称性 分布是生物膜完成各种复杂生理功能的保证。 三、细胞质膜相关的膜骨架 细胞质膜特别膜蛋白常常与膜下结构（主要是细胞骨架系统）相互联系、协同作用，并形成细胞 表面的某些特化结构，以完成特定的功能。 细胞表面的特化结构：膜骨架、鞭毛、纤毛、微绒毛、细胞变形足等。 膜骨架位于细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构,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。 1. 红细胞的生物学特性 成熟的哺乳动物血红细胞没有核和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料。 膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度。 2. 红细胞的膜骨架 红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影（ghost） 。 20 四、细胞质膜的基本功能P66 1. 膜的区室化：为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境。 2. 选择性的物质运输，伴随着能量物质的传递。 3. 提供细胞的识别位点，完成细胞内外信息的跨膜传导；病原微生物的识别和侵染特异的宿主细 胞的受体也存在于质膜上。 4. 为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效有序进行。 5. 介导细胞与细胞、细胞与胞外基质间的多种相互作用。 6. 质膜参与形成不同功能的细胞表面特化结构。 7. 膜蛋白的异常与某些遗传病、恶性肿瘤等疾病相关，很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标 第五章 物质的跨膜运输 细胞膜是细胞与细胞外环境之间的一种选择性通透屏障，物质的跨膜运输和信息传递对细胞的生 存和生长至关重要。 物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一。 主要有 3 种途径： （一）被动运输 （二）主动运输 （三）胞吞作用与胞吐作用（囊泡运输 ） 一、脂双层的不透性和膜转运蛋白 典型哺乳类动物细胞内外离子浓度的比较 低钠盐与其他食用盐有何区别？ 普通食盐的氯化钠含量为 97%以上，而低钠盐是用食盐、食用氯化钾或食用硫酸镁（食用 氯化镁）为原料，经科学合理配比加工而成的食盐，其氯化钠含量为 6080，还有 21 2030的氯化钾或 812的硫酸镁（氯化镁） 。维持了人体细胞内外离子浓度的 平衡。 据估计细胞膜上的膜转运蛋白占核基因编码蛋白的 1530%，细胞用在物质转运方面的能 量达细胞总耗能 2/3。包括： 1）载体蛋白（P69 表 5-2） ； 2）通道蛋白（离子通道、孔蛋白、水孔蛋白） 。 二、小分子物质的跨膜运输类型 根据跨膜转运是否需要膜转运蛋白参与以及细胞是否提供能量，分为简单扩散、被动运输（协助 扩散）和主动运输。 （一）简单扩散 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，但不同分子具有不同的跨膜运动速率。 （二）被动运输（协助扩散） 是各种极性分子和无机离子，如糖，氨基酸，核苷酸及细胞代谢物主要运输方式。不需要能量， 但需要膜蛋白协助，有转运特异性。 特征： （1）转运速率高 （2）存在最大转运速率（Vmax） （3）转运存在特异性 （4）存在膜转运蛋白 动、植物细胞的协同运输（cotransport）：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。 （三） 主动运输 是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向高的一侧进行跨膜转运 的方式。 主动运输的特点是： 逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； 22 需要能量； 有载体蛋白。 主动运输所需的能量来源主要有： ATP 水解直接获得能量； 协同运输间接提供能量（Na+-K+ 泵） ； 光驱动泵利用光能运输物质（光合细菌） 。 ATP 驱动泵与主动运输（Na+-K+ 泵） ； Na+-K+ 泵结构： 结构：由 和 二个亚基各两个组成。 亚基具有 Na+、K+ 和 ATP 结合位点。 功能： 维持细胞的膜电位，为神经和肌肉电传导提供了基础； 维持动物细胞渗透平衡，保持细胞的体积； 驱动细胞营养物 (如葡萄糖、氨基酸 )的运输。 三、胞吞作用与胞吐作用 真核细胞通过胞吞作用（endocytosis）和胞吐作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的 跨膜运输，如蛋白质、多核苷酸、多糖 。二者均属于主动运输。 在转运过程中，质双层膜围绕物质，形成包围细胞物质的囊泡，因此又称膜泡运输或批量运 输（bulk transport ） 。 1、吞噬作用与胞饮作用 根据胞吞物质性质（固体或液体） ，分为： a. 吞噬作用（phagocytosis ） 细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。 b. 胞饮作用(pinocytosis) 细胞吞入液体或极小的颗粒物质。 2、胞吐作用 指细胞通过分泌泡或其他膜泡与质膜融合将膜泡内的物质运出细胞的过程。 4. 主动运输的意义： 保证了细胞或细胞器从周围环境中或表面摄取必需的营养物质； 23 能够将细胞内的各种物质，如分泌物、代谢废物以及一些离子排到细胞外； 能够维持一些无机离子在细胞内恒定和最适的浓度，特别是 K+、Na+、Ca+、H+的浓度； 维持一定的膜电位和渗透压，是细胞生命活动的基础。 小结 本章学习要求： 了解生物膜结构模型的演化过程，理解生物膜的基本特征与其生理功能的联系 。理解物质跨 膜运输的类型和意义， Na+-K+泵的运转功能。 本章考核要求： 1）生物膜的基本特征与其生理功能。 2）细胞表面有哪几种常见的特化结构。 3）理解物质跨膜运输的类型和意义。 第六章 线粒体 和 叶绿体 两者共性：高效产能的、半自主性的细胞器。 教学重点: 1. 线粒体和叶绿体的超微结构、分布特点、细胞内能量转换的特点。 2. 线粒体与人类疾病的关系。 3. 线粒体与叶绿体是半自主性细胞器。 考核要求: 1. 掌握线粒体和叶绿体的超微结构、细胞内能量转换的特点。 2. 了解线粒体与叶绿体是半自主性细胞器的原因 第一节 线粒体与氧化磷酸化 线粒体的发现史： 1890 年 R. Altaman 首次发现线粒体，命名为生命小体（bioblast） ； Mitchell（ 19611980）提出了氧化磷酸化偶联机制的化学渗透学说。 专一染色剂：詹纳斯绿 B 24 一、线粒体的基本形态及动态特征 （一）线粒体的形状、大小、数目与分布 1、线粒体的形状、大小、数目 粒状或杆状，随生物种类和生理状态而变化。 直径 0.5 1m，长 23.0m，在胰脏外分泌细胞中可长达 8 10m，称巨型线粒 体。 数目一般数百到数千个。植物因有叶绿体的缘故，线粒体数目相对较少；肝细胞约 1700 个线粒体，占细胞体积的 20%；许多哺乳动物成熟的红细胞无线粒体。 2、线粒体的分布 通常分布在细胞功能旺盛的区域。可向细胞功能旺盛的区域迁移。 （二）线粒体的融合和分裂 动、植物细胞中线粒体进行频繁的融合与分裂现象，是线粒体形态调控和数目调控的基础。 线粒体的增殖： 线粒体通过已有线粒体的生长与分裂进行繁殖。 主要的分裂方式： 间壁分离：常见于肝细胞和植物分生组织中 收缩后分离：通过中部收缩分裂为两个；如蕨类和酵母等。 出芽：见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。 二、线粒体的超微结构 由两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构。主要由外膜、内膜、膜间隙及基质组成。 1、外膜 (out membrane) 膜上有孔蛋白，是小分子物质的进出膜间隙的通道。可对物质进行初步分解。 2、内膜 （inner membrane） 通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过。大分子和离子通过内膜时需要特殊的转 运系统。 氧化磷酸化的电子传递链位于内膜。标志酶为细胞色素 C 氧化酶。 内膜向线粒体内室褶入形成嵴（cristae） ，能扩大内膜表面积达 510 倍。嵴上覆有基粒， 也称 ATP 合酶。 3、膜间隙 (intermembrane space)： 25 是内外膜之间的腔隙，内含许多可溶性酶、底物和辅助因子等。 4、基质（matrix） 为内膜和嵴包围的空间。除糖酵解在细胞质中进行外，三羧酸循环过程都在线粒体中进行。 基质具有一套完整的转录和翻译体系。包括线粒体 DNA（mtDNA） ，70S 型核糖体，DNA 聚合酶、氨基酸活化酶 三、线粒体的功能-氧化磷酸化 线粒体主要功能是合成 ATP，为细胞生命活动提供直接能量。 同时，线粒体还与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜 转运及电解质稳态平衡的调控有关。 （一）氧化磷酸化的分子结构基础 1、电子传递链 是指在线粒体内膜上由呼吸传递体组成的电子传递总轨道。 主要是与氧化磷酸化有关的脂蛋白复合物，能可逆地接受和释放电子或 H+。 （1）呼吸链电子载体 主要有：黄素单核苷酸(FMN)、铁硫蛋白(Fd) 、辅酶 Q、细胞色素(Cytb,c,aa3)等。 （2）呼吸链的复合物 按氧化还原电位由低向高的方向排列。 由：NADH 脱氢酶（复合物 I ） ；琥珀酸脱氢酶（复合物 II） ；细胞色素 c 还原酶（复合物 III ） ；细胞色素 c 氧化酶（复合物 IV）组成。 2、ATP 合成酶的分子结构与组成 （1）ATP 合成酶（ATP synthase） 又称 F1F0ATP 酶，广泛存在于线粒体、叶绿体和光合细菌中，是生物体能量转换的核 心酶。 分别位于质膜、类囊体膜和线粒体内膜上，参与氧化磷酸化和光合磷酸化，在跨膜质子动 力势的推动下催化合成 ATP。 组成：F1（偶联因子 F1）：转子，为水溶性球蛋白，从内膜突出于基质内，较易从膜上脱落。 F0（偶联因子 F0）：定子，是嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道。 工作特点：可逆性复合酶，即能利用质子的电化学梯度产生的能量合成 ATP， 又能水解 ATP 将 26 质子从基质泵到膜间隙。 （二）氧化磷酸化的偶联机制 1、化学渗透假说内容： 电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子沿其传递时，所释放的能量将 H+ 从基质泵到膜间隙，形成 H+电化学梯度。在这个梯度驱使下，H+穿过 ATP 合成酶回到基质，同 时合成 ATP，电化学梯度中蕴藏的能量储存到 ATP 高能磷酸键。 四、线粒体与疾病、衰老及细胞凋亡关系 线粒体病是遗传缺损引起线粒体代谢酶缺陷，致使 ATP 合成障碍、能量来源不足导致的一组异质 性病变。 1、自由基对线粒体 DNA 的影响 。随着年龄的增长，损伤的线粒体 DNA 的积累会愈来愈多。 2、线粒体与非胰岛素依赖性糖尿病。 1992 年发现线粒体基因的某些片段缺失或位点的突变与糖 尿病发病有关，而且此类糖尿病具有母系遗传特征。1997 年美国糖尿病协会正式把该类糖尿病确 定为线粒体糖尿病。 3、线粒体与肿瘤 。线粒体 DNA 是致癌物作用的重要靶点，因此，不可忽视线粒体 DNA 的突变 在导致细胞癌变中的作用。 4、线粒体与心脏疾病(硒元素 )。心脏是人体内最大的耗能器官，线粒体是能量的主要来源。其功 能的稳定对于心脏正常生理功能的维持尤为重要。 5、线粒体与帕金森氏症。线粒体与神经细胞死亡现象，与长寿有关。 第二节 叶绿体与光合作用 一、叶绿体的基本形状和分布 （一）形状和分布 状如透镜，长径 510 um，短径 24 um，厚 23 um。叶肉细胞含 50200 个叶绿体，占细 胞质的 40-90%。 （二）叶绿体的分化和去分化 1、 分化：原质体-叶绿体（光照） -白色体（叶片）或造粉质体（贮藏组织） 2、去分化：植物叶片组织培养过程 3、叶绿体的增殖 27 在个体发育中叶绿体由原质体发育分化而来。 原质体存在于根和芽的分生组织中，为双层膜包被的小体，内有 DNA、核糖体等，但无 片层，内膜内折形成小泡或小管状的类囊体原基。 在光照下，小泡或小管连结成链状，并与内膜断开，在基质中逐渐生长、融合与重排，形 成扁平的小囊即基质类囊体；基质类囊体叠置成多层形成基粒类囊体。 质体和叶绿体通过分裂而实现增殖： 叶绿体是通过分裂而增殖的。 叶绿体近中部处向内收缩，最后分开称为两个子叶绿体。 主要靠幼龄叶绿体分裂增殖，成熟叶绿体通常不再分裂。 二、叶绿体的超微结构 由叶绿体膜、类囊体（thylakoid）和基质（stroma）3 部分组成。 含有 3 种不同的叶绿体膜：外膜、内膜、类囊体膜。 3 种彼此分开的腔：膜间隙、基质 和 类囊体腔 。 1、叶绿体膜 双层单位膜组成，膜间为 1020 nm 的间隙。 外膜的渗透性大。 内膜对通过物质的选择性很强，CO2、O2、Pi 、H2O 、等可以透过内膜，ADP 、ATP 、 NADP+、葡萄糖等不能透过内膜，需要特殊的转运体（translocator ）才能通过内膜。 2、类囊体 是单层膜围成的扁平小囊，亦称光合膜。 基粒类囊体：是构成内膜系统的基粒片层（grana lamella） 。 基质类囊体：是形成了内膜系统的基质片层（stroma lamella） 。 两者形成完整连续的封闭膜囊系统，独立存在于基质中。 3、叶绿体基质 是内膜与类囊体之间的液态胶状物质。 主要成分包括： 碳同化 相关的酶类：如 RuBP 羧化酶。 叶绿体 DNA、蛋白质合成体系。 一些颗粒成分：淀粉粒、质体小球 和 植物铁蛋白等。 28 三、叶绿体的功能光合作用 (photosynthesis) 光合作用是能量及物质的转化过程。首先光能转化成电能，经电子传递产生 ATP 和 NADPH 形式 的不稳定化学能，最终转化成稳定的化学能储存在糖类化合物中。分为 光反应 和 碳反应，前者 需要光，涉及水的光解和光合磷酸化，后者涉及 CO2 的固定。 1、光反应 原初反应 电子传递 光合磷酸化 2、碳反应 (碳固定，分为 C3、C4 和 CAM 途径 3 类) （一）原初反应 部位：叶绿体内囊体膜 1光合色素 叶绿素和类胡萝卜素，全部叶绿素和几乎所有的类胡萝卜素都包埋在类囊体膜中，有利于能量 传递。 2集光复合体（light harvesting complex，LHC） 叶绿体中全部叶绿素 b 和大部分叶绿素 a 都是天线色素。另外类胡萝卜素和叶黄素分子也起捕 获光能的作用，叫做辅助色素。 （二）电子传递和光合磷酸化（部位：叶绿体类囊体膜） -类囊体腔的质子梯度比叶绿体基质高，该梯度产生的原因归功于：H2O 光解、cytbf 的 H+- pump、NADPH 的形成。 最初电子供体是 H2O，最终电子受体是 NADP+。 光合磷酸化包括：非循环式光合磷酸化和循环式光合磷酸化。 （三）光合碳同化 利用光反应产生的 ATP 和 NADPH，使 CO2 还原为糖类等有机物，即将活跃的化学能最后转换 为稳定的化学能，积存于有机物中。这一过程在叶绿体基质中进行。 1、卡尔文循环（Calvin