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细胞生物学讲稿细胞生物学讲稿 推荐使用教材 沈振国 崔德才主编 细胞生物学 中国农业出版社 2003 年 主要参考教材 郑国倡主编 细胞生物学 高等教育出版社 第二版 翟中和主编 细胞生物学 高等教育出版社 2000 年版 韩贻仁主编 分子细胞生物学 科学出版社 2000 年版 第一章第一章 绪论关于细胞生物学绪论关于细胞生物学 一、细胞生物学研究的对象、目的和主要内容 细胞生物学是现代生物学中的一个重要分支学科，它所研究的主要对象就是生活的细胞。 主要目的是用动态的观点从研究细胞的结构和功能入手，通过对细胞结构和功能的研究来探索细胞各 种生命活动的过程、本质及相互之间的联系，揭示生命的奥秘，进而达到调节、控制和利用这些生命活动 为人们的生产实践服务，为人类造福的目的。 细胞生物学是当代生物学教育的主体课程之一 进入 20 世纪 70 年代以来，特别是 90 年代以来，人 们在生物各个研究领域中获得成果的速度不断加快（5 年一个周期） ，积累的知识迅速增加，已经不再满足 于只是孤立的去认识和了解个别生命活动的现象，而是希望通过这些现象去认识整个生命过程，揭开生命 活动的奥秘。比如，人们不再满足于只是看到细胞的一种结构，找到或分离到一个基因，而是希望知道这 种结构是怎么来的，怎样变化的？这个基因在生物体内是怎样存在的？又是怎样工作的？在寻求这些问题 的答案中，细胞是一个主攻目标，所以细胞生物学便显得空前的重要，被公认为是当代生物学教育的主体 课程之一。因为，它是从细胞水平、亚细胞水平和分子水平三个层次上对细胞生长、分裂与分化、个体发 育、遗传与变异、运动和兴奋传导、衰老与死亡等过程进行全方位的研究，这正是揭示生命奥秘的关键所 在。 分子生物学离不开细胞生物学 从几个权威性的杂志（pnas，cell，nature，science，plant cell， embo，等）上所发表的文章看动向 二、细胞生物学的主要内容 第一部分 细胞的结构及各部分的主要功能 1、细胞结构概观 2、细胞表面与细胞连接 3、细胞质及内膜系统 4、线粒体 5、质体（主要是叶绿体） 6、核糖体与蛋白质合成 7、细胞骨架（微梁系统） 8、细胞核 第二部分 细胞的繁殖、分化、衰老与凋亡；细胞通讯；生物进化 三、细胞生物学发展简史及与其它学科的关系 讲授这一部分的目的有二： 1、生物科学研究成果的取得和进步与研究所用仪器和手段的发展有直接联系。 2、生物科学的发展使学科愈分愈细，但又互相联系、互相渗透，不可分割。 细胞生物学发展简史可归纳为如下几个阶段 -细胞的发现（1665 年） -细胞学说的建立（1838-1840 年） -细胞学的兴起（1870-1930 年） -细胞生物学（1940 年） -细胞与分子生物学（1953） 由上可以看出，细胞生物学是在细胞学的基础上建立和发展起来的。现代细胞生物学与分子生物学可 算做孪生兄弟。 1 细胞的发现 与显微镜的发明紧密相连 1604 年，荷兰眼镜商詹森（jansen）研制出了世界上第一台显微镜，第一次使人们看到了原先肉眼看 不到的东西。 1665 年英国物理学家罗伯特.胡克（robert hook）用自制的显微镜观察软木时，发现它是由一个个蜂 窝状的小室组成的，小室的英文名叫“cell” ，我们译为“细胞” 。胡克在观察芜菁和萝卜等植物的不同部 分时也发现了类似的结构。 1677 年荷兰生物学家列文虎克（antonie van leeuwenhoek）在动物方面进行了观察和研究，证明了动 物也具有细胞的结构。 但是，由于显微镜性能在很长一段时间内没有多大改进，致使在此后的近 200 年内，对细胞的认识基 本上没有突破性的进展。 直到十九世纪 30 年代， 显微镜的制作技术有了明显改进， 使其分辨力提高到 1um 以内，同时也由于切片机的制作成功，使得对于细胞的研究有了突飞猛进的发展。 1831 年，英国植物学家 robert brown 在兰科植物细胞中发现了细胞核；法国学者 valentin 在动物结蒂 组织细胞中发现了核仁； 1835 年， 法国的 e。 dujardin 对低等动物根足虫和有孔虫进行活体观察， 发现了细胞内的胶状物质 （肉 样汁）即原生质的存在。从此，人们对细胞的概念有了新的认识，为细胞学说的创立打下了基础。 由此可以看出实验仪器的改进对细胞研究的进展起了决定性的作用。 2、细胞学说的创立和细胞学的兴起 在总结前人研究工作的基础上，德国植物学家施莱登（m. schleiden）于 1838 年证明了所有植物体都 是由细胞构成的，提出了“细胞是任何一个植物体的基本单位，最简单的植物是由一个细胞构成的，而大 多数植物是由细胞和细胞变态构成的” 。 动物学家施旺（t. schwan）从动物材料上不仅证实了 schleiden 的论点，而且有所发展，首次提出“细 胞学说”这一名词，指出“细胞结构是几乎一切生物体共有的特征，所有动植物的组织都是由细胞组成的， 细胞是动、植物有机体结构和发育的基础。一切多细胞有机体都遵循细胞分裂和分化的规律。 ”从而创立 了细胞学说。 现代细胞学说包括三个方面的内容： （1）细胞是多细胞生物的最小结构单位，对单细胞生物来说，一 个细胞就是一个个体。 （2）多细胞生物的每一个细胞为一代谢活动单位，执行特定的功能。 （3）细胞来自 于细胞（其中第三点为 r。virchow（微尔和）的贡献） 。 细胞学说的创立使人们由原来神创论的认识中解放出来，开始向进化论转变，于是对细胞的研究空前 高涨，很多生物学家的注意力被吸引到细胞上来。 “细胞学”在 1892 年由德国胚胎学和解剖学家赫特维格 发表的“细胞与组织”论文而宣告确立，并逐渐进入了兴旺时期。 十九世纪下半叶是对细胞研究与收获的黄金时代，1866 年 mendel 提出了基因学说；1898 年高尔基体 被发现；1899 年发现了植物的双受精作用；还有细胞的无丝分裂（amitosis） 、有丝分裂（mitosis）与染色 体、减数分裂（meiosis） 、中心粒、线粒体等都是在这一时期看到的。德国胚胎和解剖学家 o。hertwig“细 胞和组织”一书的出版（1892）标志着细胞学作为一门独立学科的建立。在细胞学获得一系列成就的基础 上，一些有关的学科也应运而生，胚胎学、细胞遗传学、细胞生理学、细胞化学、组织学等相继建立起来。 直至 20 世纪 30-40 年代，由于电子显微镜的问世和其它一些实验技术的发展（如 x-ray ） ，使人们对细 胞的认识大大突破了原有细胞学的范围，从单纯描述性向动态性研究发展，于是便诞生了以动态研究为主 的细胞生物学。 实验仪器和实验技术的发展为细胞学说的建立与完善奠定了基础，也为相关学科的建立与联系创造了 条件。 3、细胞生物学的建立与兴起 电子显微镜的问世为细胞生物学的建立奠定了基础。20 世纪 30 年代，德国科学家 ruska 在 siemens 公司设计制造了世界上第一架电子显微镜，使人们的视野一下子提高到了纳米水平（毫微米） 。人们发现 了许多在光镜下无法看到的东西，如内质网、高尔基体膜层、叶绿体膜层、线粒体膜层、核糖体、溶酶体 等。使人们对细胞的认识进入了一个更深的层次，纠正或重新确立了一些概念。与此同时，遗传学、生物 化学、生理学、胚胎学也相继有了许多新的发现。把各个方面的知识拼接在一起，使人们几乎看到了一个 活生生的细胞，看到了生命的活动不再是一个个细胞零件，而是一部完整的生命机器,于是以描述细胞整体 结构与功能的动态变化为主体的科学细胞生物学便取代了原来的细胞学。从 30 年代至今，细胞生物 学蓬勃发展，内容更加丰富和完善，作用也越来越大，与分子生物学一起被视为当今生物学中的主干。 4、dna 双螺旋结构与分子生物学 1953 年，watson 和 crick 总结了前人在细胞生物学、生物化学、遗传学等领域的成就，根据 x-ray 衍 射的结果，提出了 dna 双螺旋模型（1962 年 获得诺贝尔医学和生理奖） ，为人类认识生命的遗传物质的 结构与组成带来了新的观念，把生物学研究推向了一个新的高度，于是诞生了分子生物学（也可叫做细胞 分子生物学） 。 三、与细胞生物学有关的生物学研究的重要成就 1、生物大分子方面 dna a、结构类型：至少有 3 种类型（族）dna 的被发现 ：b 型、a 型和 z 型。 b、核苷 酸的顺序分析：应用限制性内切酶、凝胶电泳和快速测序的方法，已经确定了 sv40 病毒、许多种质粒、 细菌乃至高等动（线虫）植物（拟南芥）基因组的全部核苷酸顺序，建立了基因图谱、基因文库，人类基 因组物理图谱的完成更是为二十世纪的结束画上了一个完美的句号。通过核苷酸序列分析发现，真核细胞 生物的 dna 至少有 2 个区域组成，一是为蛋白质编码的外显子区；另一个是不为蛋白质编码但影响和调 控基因表达的内含子区；由此表明 dna 上的基因是不连续的。 c、分子杂交与基因转化：利用限制性内 切酶和 dna 连接酶可以把 dna 长链切割成不同长短、大小的片段，然后把两种不同来源的 dna（一为 目的 dna，一为载体 dna）连接在一起，通过转化细胞（细菌）把目的基因转移到受体（动植物）细胞 当中去，这就是所谓的基因转化技术。用目的基因的互补 dna 片段进行放射性标记，然后再用这种已标 记的 dna 做探针对转化后的细胞进行检测， 以确定目的基因是否已经进入受体 dna 中去， 这就是分子杂 交。这种技术现在已经达到相当完善的程度，且为社会做出了巨大贡献，如抗菌素的工厂化生产、抗病虫 害或特异优质的转基因植物（烟草、棉花等）的培育成功、特异生态类型（巨型小鼠）出现、特种功能的 生物问世。d、新的 dna 分析技术不断出现，如 flp、rflp、rapd、pcr、rt-pcr 等为揭示生命活动 的奥秘提供了有效手段。 rna a、真核生物之中 rna 经转录后需先进行加工（剪切）才能成为功能 rna（见图） 。原核 生物的 rna 不经加工即可直接工作。b、某些 rna 还具有酶（核酶）的功能。 蛋白质 a、对蛋白质氨基酸序列分析方法的改变：20 世纪 5060 年代采用直接分析的方法，即将 蛋白质的氨基酸一次一个的切下来进行分析鉴定，慢而且有限，并且很容易出错。70-80 年代，由于解决 了 dna 核苷酸序列分析的方法， 从对 dna 序列的分析结果来推断蛋白质的氨基酸序快而且准确， 所以进 展很快，已搞清的多肽链达数万个。b、结构域-蛋白质的核心 # 、 70 年代后期， 丹麦奥胡斯大学的 staffan magmisson 和他的同事们测定了抗凝血酶 iii （antithrombin iii） （脊椎动 物血浆中的一种蛋白质）的顺序。 #、大约与此同时，另一研究小组发表了血浆中另一种蛋白酶抑制剂-1 抗胰蛋白酶的顺序。 #、70-80 年代初，乔治敦大学全国生物化学研究基金会的工作者们分析了鸡蛋中富含的卵清蛋白的顺 序。这三种蛋白有 30%的顺序相同性。 #、1983 年，日本一个研究小组发表了血管紧张素原的顺序（虽然这个激素本身只有 10 几个氨基酸， 但它的前体大约有 4000 个氨基酸长） 。 #、1985 年，丹麦另一个研究小组在这个出乎意料的亲缘蛋白谱系上加上了第五个分支，它就是存在 于大麦种子中功能不明的 z 蛋白。虽然其大小只有其它蛋白质的一半（-2000 个氨基酸） ，但它却与其它蛋 白质有明显的亲缘关系（在 z 蛋白家族中的蛋白都有两个主要的结构域。 ） 后两者与前三者有 20%的相似 临界值。 从以上的分析中发现了结构域（domain） ，即这五种蛋白中都有一些相同的区段。这五种既不相同而 又互相联系的蛋白质中结构域的发现给了我们两点启示：第一，不管目前所知的 4000 多种氨基酸顺序是 否代表所有蛋白质的绝大部分，但是已足以使任何新测出的顺序都有相当大的机会在这些顺序中找出与其 相似的顺序。第二，某些大规模的氨基酸的排列在生物化学中非常有用，它已被频繁地应用在许多方面， 这些功能单位往往可从结构研究中看到的结构域来鉴定。 结论：古老的蛋白质只有几个类型，他们都是由几个起功能作用的结构域组成，以后的蛋白质是在几 种古老蛋白质类型的基础上形成的。在新的组合中这些结构域不断地重新组装，导致各种新的碰巧有用的 蛋白质的产生。 2、胞间通讯与胞内通讯 胞间通讯的化学信使是长距离激素通讯和神经细胞间短 距离通讯的中间体。绝大多数高等生物有两 种主要的胞间通讯方式：激素系统和神经元系统。最近知道这两种通讯方式间有着密切的联系：在一个系 统中起作用的信息分子，有很多也在另一个系统中起作用，如去甲肾上腺素，既是一种激素又是一种神经 递质。 起激素作用的分子一般可分为两大类：肽类，水溶性，如胰岛素等和甾类，脂溶性，如人体内的皮质 醇和皮质酮等。充当神经递质的胺或氨基酸总共不超过 10 种：如乙酰胆碱、邻苯二酚多巴胺、去甲肾上 腺素、肾上腺素、y-氨基丁酸、谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸等。 胞内通讯 已知的作为细胞内信使的物质为数极少，每一种这样的“次级信使”都对细胞反应起着 决定性的指导作用，帮助细胞决定如何根据机体的需要做出反应。由次级信使的种类极少这一点可以断定 细胞内的信号通路是普遍通用的，在不同的生物和不同的细胞中可用同样的信使或同一条通路，但同一种 信使可调节多种生物生化过程或引起多种细胞反应。现在已知有两条主要的信号通路：一条是用环腺磷 （camp）作为次级信使；另一条则用一组次级信使，其中包括钙离子（ca） 、三磷酸肌醇（ip3）和二脂 酰甘油（dg）几种物质，后两种物质（ip3，dg）由质膜本身的磷脂分解而来。新的研究发现，钙调蛋白 可以作为胞间通讯的信使，由此推断胞间胞内通讯可能有一条完整连续的途径。 3、细胞周期及其人工调控 延缓生命进程 4、细胞分化与个体发育 在种类繁多的生物中已发现了一小段称为同源框（homebox）的 dna，这 个小片段可能就是揭示细胞分化与个体发育机理的关键所在。 5、克隆技术与生物复制 克隆人 第二章第二章 细胞生物学的研究方法细胞生物学的研究方法 细胞生物学的研究方法很多，在此先介绍一些大体轮廓，每种方法的具体过程将结合实验进行详细叙 述。 i. 一、形态结构的观察： （一）光学显微镜（以普通可见光或紫外光做光源的） 1、 亮视野显微镜 即经常广泛应用的一种显微镜，视野是明亮的，被检物体由于染色等原因而呈现 各种颜色，用于观察细胞与组织的基本结构（内部结构为主） 。 （图） 2、 暗视野显微镜 照明光线被阻断，视野是黑暗的，而被检物体是明亮的，可以看到其形态和运动 状态，但看不到内部结构。 （图） 3、 相差显微镜与微分干涉差显微镜 形态观察，主要是活细胞的形态。 （图） 4、 紫外光显微镜与荧光显微镜 提高分辨率，做某些化学 成分的定位、定性与定量分析。 （二）电子显微镜 细胞亚微结构及形态观察。 （图） 1、透射电子显微镜 主要用于细胞亚微结构及成分的分析 2、扫描电子显微镜 主要用于观察表面形态结构 电镜分辨率大大超过光镜，因此可看到更细微的结构，细胞内部的许多结构都是在使用电镜之后才发 现的。 二、x-射线衍射技术 其原理是当一束单波长的 x-射线通过某一物质的晶体时，该物质的空间结构 就会衍射投放到其后面的照相底片上，形成衍射图，从图上可测定分子的方位，测量分子之间的距离，以 及它们的原子结构。 （图） 三、放射自显影技术 当细胞中的某种化学成分被放射性物质，如 p32、h3、s35 等标记后，把样品 与乳胶片放在一起，就会使胶片感光，用显微镜或电子显微镜观察感光后的胶片，便可看到该化学成分在 细胞中分布的位置及含量。 四、细胞流式测定技术 主要用于测定细胞中的染色体数目，dna 含量，培养细胞的密度等。 五、生化与生理测定技术（略） 六、分子生物学方法 包括细胞组分的分离与纯化，生物大分子的分离与纯化，分子杂交，基因转 移等。 七、细胞与组织培养技术 八、克隆与复制技术 第二篇 细胞结构与功能 第三章第三章 细胞基本知识概述细胞基本知识概述 一、细胞的基本概念 细胞是由膜包围的、能进行独立繁殖的最小原生质团，是单细胞和多细胞有机体结构的基本单位，是 生命活动的基本单位，是一切有机体生长发育的基础。这里特别强调能进行独立繁殖，不能进行独立繁殖 的则不能算是细胞。如病毒虽然比支原体大，但它不能进行独立繁殖，所以不能算作细胞，可称之为“半 生命” 。支原体虽然其直径只有 0.1um，但它能进行独立繁殖，因此可看作生物界中最小的细胞。由于细胞 是生物体最基本的结构与功能单位，所以它要有进行生命活动所必须的基本条件，这些条件是： a）具有一套遗传信息的储存、复制与转录系统； b）具有一层细胞膜，通过细胞膜与周围环境相对隔离并可进行物质、能量交换和信息传递； c）具有一套完整的代谢机构（包括蛋白质合成和运转系统、细胞增殖与繁衍系统等） ，以维持基本的 生命活动 有了这些要素，细胞便能独立生活，表现出各种生命现象。 细胞大小 下限可能决定于能安置最低数目和大小的必要细胞组分，使细胞独立存活的最小体积， 上限决定于细胞核能控制细胞质的程度。 二、细胞的基本结构 根据经典分类法把生物划分为动物界和植物界两大类，这种方法对大部分生物来说是合适的，但有一 些生物则很难归类，比如：动物和植物的最大区别是有或无细胞壁，可是眼虫（euglena）是一种单细胞生 物，含有叶绿体，却没有细胞壁；细菌和真菌则有壁而无叶绿体；支原体既无壁也无叶绿体。对细胞的认 识也就随着这些问题的提出和研究的深入而使一些观念发生了改变。 在 60 年代，hans ris 提出了原核细胞和真核细胞的概念，指出：一类只有核的物质而无核膜包围的细 胞称为原核细胞，比如细菌和兰绿藻等；有核膜包围同时又具有核物质的称为真核细胞。这一概念已被大 家所普遍接受，于是对生物界的分类也由经典的分类法提出了新的分类法。dodson 1971 年提出将生物界 分为原生生物（原核生物）界、植物界和动物界三大类，这一分类系统已被广泛接受。 究竟原核生物和真核生物有哪些主要差别呢？ 一、原核细胞（原核生物）主要由 7 部分组成（下面兰字所示） （图） 原核细胞主要的特征之一是没有由膜包围的细胞核，其遗传物质分散于细胞质中（如支原体）或相对 集中于中央的区域，称为核区，在其中可见有一些盘绕的细丝，这就是 dna 双螺旋分子，多呈环状， 直径约为 25，长约几百 ，dna 分子不结合或结合少量蛋白质。细胞外包有质膜，也是单位膜，厚约 100。在质膜外还可有细胞壁，壁的成分主要是肽聚糖、蛋白质，多糖垣酸或脂多糖等组分。壁外还可 有一层纤丝状物质，称为荚膜，是一种多糖构成的结构。荚膜的作用一是防御不良环境的危害，二是攻 击宿主细胞，与细菌毒性有关。细胞内无恒定的膜系统把细胞质分隔开，但质膜在一定的部位可以内折 （中体） ，内折的质膜上也常结合有色素和酶。细胞质内含有高浓度的核糖体颗粒，一般为 150200， 略小于真核细胞内的核糖体（200250a） ，核糖体内有三种 rna 和几十种蛋白质。原核生物常以单细胞形 式存在，也可连接成链状或丝状。其他结构。 细胞一般通过二分裂方式繁殖，少数可产生孢子，亦可通过出芽生殖。 二、真核细胞 有人提出真核细胞大约是十亿年前由两种或两种以上的细菌细胞融合而成的，分子 树分析的结果支持这一学说。真核细胞内含有 dna 的部位是细胞核、线粒体和叶绿体。各部位基因组都 有一套编码 rna 分子结构的极保守的基因，这些 rna 分子分别存在于该部位的核糖体中。顺序比较研究 证明，细胞核中的核糖体 rna 基因起源于细菌树四条大分支中的一支，而叶绿体和线粒体中的 rna 基因 则起源于其中之另一支。有关这一问题的详情，将在进化一部分中叙述。 真核细胞最主要的特点是细胞内有膜，把细胞区分成了许多功能区核和各种细胞器等，这是细胞 进化的表现。把细胞质分隔成区的内膜具有一定的连续性，形成了细胞内膜系统（endomembrane system） 。 内膜系统主要包括内质网、溶酶体、圆球体、液泡和高尔基复合体等。真核细胞的主要结构是（图） ： 1.细胞（质）膜（plasma memberane） 在电镜下呈暗明暗式的三层结构，1959 年 robertson 把这种形式称为单位膜（unite membrane） 。 2.细胞核（nucleus） 又由四部分组成，核被膜（nuclear envelope） ，为双层单位膜（膜上有核孔复合 体， nuclear pore complex） ； 染色 （质） 体 （chromosomes） ， 为由dna和蛋白质组成的复杂结构； 核仁 （nucleoli） ， 1 个细胞中有 1 至数个，折光率很强，与染色体的某些特定区域相连，与核糖体的组装有关；核内的无定 形成分称为核基质（nucleoplasm） 。 3.细胞质（cytoplasm） 早期的研究认为细胞质为细胞内无定型结构的胶体部分，现代的研究表明它 又分化产生膜系统、细胞器和胞基质等组分。 膜系统有 内质网 endoplasmic reticulum 由单位膜围成的细胞内纵横交错的管道或分支系统，可分为粗糙型 （rough）和光滑型（smoth）两种。 高尔基体（golgicomplex） 被认为是平滑内质网的特化区域，其作用之一是对外排放的蛋白质进行处 理和包装。有一些包装好的膜泡仍留在细胞质内，这些膜泡称为溶酶体（lysosome） ，内含有消化酶。 线粒体（mitochondrion） 除了一些厌氧原生物外，真核细胞都含有双层膜的线粒体，能制造 atp， 是细胞的动力站，含有自己的 dna（环状） 、rna、核糖体等。 微梁（骨架）系统（microtubule and microfilament） 5、在细胞运动、胞内运输、细胞形状的维持及细胞分裂中起作用，主要有三种形式（微管、微丝和 中间纤维） ，总称为细胞骨架或微梁系统。 中心体（粒） （centriole） 位于动物细胞近核处两相对的极点，由两个互相垂直的微管组成，称为中 心粒，与细胞分裂活动和纤毛形成有关。 叶绿体（chloroplast） 为绿色植物细胞所特有，光合作用的主要场所。 液泡（vaculus） 为成熟的生活植物细胞所具有，往往把它归为细胞质的组分；早时认为动物细胞无 液泡，现在确定动物细胞也存在液泡，但形式与植物不同。 4.细胞壁（cell wall） 植物细胞和菌类有。植物细胞的壁和细菌细胞的壁在化学组成上是不一样的， 植物的主要由纤维素、半纤维素、果胶等组成，细菌的是由单糖和三、四种氨基酸组成。 三、病毒与类病毒（viruse （光面内质网膜中含有葡萄糖-6-磷酸酶，细胞质中的糖原在激素 的调控下由磷酸化酶降解为葡萄糖-1-磷酸，再转化为葡萄糖-6-磷酸，内质网膜中的葡萄糖-6-磷酸酶可将 葡萄糖-6-磷酸中的磷酸根脱中，再输送掉使之降解为葡萄糖，葡萄糖再穿过内质网膜进入内质网腔到血液 中，供其他细胞使用。 ）图（内质网 a） 与肌肉收缩有关 心肌、骨骼肌。 对一些脂溶性药物的解毒作用 （光面内质网中含有标记性酶即细胞色素 p-450，是一种末端氧 化酶，可通过羟基化使脂溶性物质（药物、农药、胞内代谢物）降解失活并溶于水，排出细胞后进入尿液。 ） 合成脂类和胆固醇 如磷脂、胆固醇、中性脂肪等 与蛋白质、脂类的运输有关。 与植物新细胞壁的形成有关。 二、高尔基体 1、 概念 高尔基体（golgi body）又称高尔基器（g apparature）或高尔基复合体（g complex） ） 。意 大利医生 camillo golgi 于 1898 年首次发现。 一般认为高尔基体由 4 个互相联系的部分组成：顺面膜囊，中间膜囊，反面膜囊和周围囊泡 2、 高尔基体的功能（图） 主要为细胞提供一个内部的分选、加工、包装和运输系统，用来完成蛋白质、脂类等物质的加工、 运输等。 蛋白的加工主要有：o 连接的寡糖主要是在高尔基体内合成的，n 连接的寡糖在高尔基体内修饰；切 除蛋白 n 端或两端的部分序列，使成有活性的分子（如胰岛素和血清蛋白） ；将一串联的多个小肽分子切 割成有活性的多个分子（如神经肽） ；除去蛋白原上的信号序列；蛋白聚糖的硫酸化。 高尔基体如何区分和调节分泌蛋白、膜蛋白、结构蛋白以及溶酶体酶几种类型的蛋白质，并把它们运 送到不同的部位，这里存在一个区隔化问题。现在较为同一的观点认为是高尔基体的潴泡静止（模型）不 动，周围的小泡进行转运， （成熟面）反面区隔网络（tgntrans golgi network） 。 合成运输多糖 细胞壁 形成初级溶酶体 关于蛋白质专一性合成问题尚留下许多为什么？是在内质网上专一合成的，还是在高尔基体中加工为 主？如果是在内质网上合成，为什么还要经过高尔基体的加工？而高尔基体本身的结构又不能完成这样一 个复杂的过程，因为迄今为止还没有发表有关的证据。 三、液泡系 凡由单层膜包围的大泡和小泡都可统称为液泡系。 （图） 1、类型 液泡 植物细胞 溶酶体 圆球体 微体 其它泡状结构 2、液泡功能 动、植物细胞内都有，但植物细胞特别是成熟的植物细胞中尤为明显。动物细胞中多 为小液泡，是一个比较含糊的概念，因为至今为止还没有统一的认为其功能是什么。酶原粒、卵黄粒、顶 体等。 植物细胞中液泡比较明显，也有比较一致的功能 储存、维持细胞渗透压等 主要成分是有机物、 无机盐、色素、蛋白、脂类、糖、水等；还有一些细胞代谢物碎片；树胶、树脂、黏液、植物碱、多种酶 （溶酶体功能） 。 3、溶酶体（常作为独立的一种细胞器看待） （图） 含有种类繁多的水解酶，如酸性磷酸酶、核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、蛋白酶、脂酶、磷脂酶、硫 酸脂酶、葡萄糖酸酶等等，与细胞的消化和自溶有关，在溶酶体膜不破裂的情况下，其内的许多酶不具活 性，只能消化一些外来的物质；当膜破裂后，其内的酶释放出来，具有了活性，可分解细胞内的 dna、 rna、protein、lipids 等，引起细胞自溶（276 页图 103） ，根据溶酶体是否含有消化产物而往往将它分 为： 初级溶酶体（原溶酶体，前溶酶体，无活性溶酶体） 只含有酶类，不含有底物，一般认为是从 高尔基体分泌产生出来。 次级溶酶体 结合了底物的溶酶体，但还没有完成消化过程，自体吞噬泡和异体吞噬泡。 剩余小体 已完成消化过程，残留下来的结构，也称后溶酶体。 溶酶体的功能 正常消化作用 胞吞-溶酶体-消化泡-剩余小体-胞吐 自体吞噬 细胞碎片-溶酶体-消化泡-剩余小体-胞吐 细胞自溶 自杀 器官改造 溶 酶体与细胞病理学 药物、细菌、病毒 植物细胞中的圆球体和糊粉粒可视为一种特化的溶酶体。 4、包被小泡（受体介导的胞吞作用，胞吐作用与胞内运输，参与膜的循环等，笼形蛋白图） （郑，284 页） 5、圆球体 0.5-1.0um，可用脂肪染料苏丹 iii、苏丹黑或尼尔兰染色,存在于大多数植物细胞中, 含 40%脂类. 圆球体可用锇酸和高锰酸钾固定染色， 而油滴无此反应;圆球体中有细微颗粒而油滴中则似空 无所有。 （图） 功能 为贮藏性细胞器，是甘油三酯积聚的场所，同时也具有溶酶体的性质，含油组织的圆球体含有 水解酶与脂肪酶，非含油组织的圆球体含有酸性磷酸酶和其他一些水解酶。 圆球体来自于内质网，内质网的一端先积累一些脂类物质，然后膨大，再收缩成小泡，脱离内质网， 逐渐扩大成前圆球体（此时可见颗粒状物质） ，继续长大成圆球体（内部结构无变化） 。在发育过程中可因 失去蛋白质，积累脂肪而成为油滴。 6、微体 单层膜所包围，可分为过氧化物酶体（peroxisome）和乙醛酸循环体（glyoxysome） ，亦可 视为同物异名。常与叶绿体、线粒体紧密联系在一起。在高等植物叶肉细胞中，过氧化物酶体是乙醇酸 （glycollic acid）氧化的场所，与叶绿体一起完成光呼吸过程（摄取氧和释放二氧化碳） （郑，300 页图 10 27） 。直径 0.2-1.5 微米，圆球形、椭圆形、卵圆形、哑铃形或小管状 仅在植物中发现乙醛酸体（动物中尚未证实） ，它与线粒体、圆球体三者一起完成乙醛酸循环（郑， 298 页图 1025） 。 在种子萌发期间，贮存的脂肪在圆球体内被分解产生脂肪酸；脂肪酸进入乙醛酸体，经-氧化循 环生成乙酰辅酶 a（乙酰 coa） ，再经乙醛酸循环产生琥珀酸，转到线粒体中；在线粒体中经三羧酸循 环产生草酰乙酸，再回到细胞质中；在细胞质中形成磷酸-烯醇式丙酮酸，酵解的倒转合成己糖。 过氧化物酶体存在于动物细胞和高等植物的叶肉细胞中，是一种异质性细胞器（不同生物细胞，甚至 单细胞生物的不同个体中所含的酶类及行使的功能都有所不同） ，其功能在动物细胞中尚不清楚， 在植物细胞中是乙醇酸氧化的场所，与光呼吸有关。过程：叶绿体固定二氧化碳时的副产物乙醇酸 从叶绿体转入过氧化物酶体 ，在过氧化物酶体内，乙醇酸经乙醛酸，转变成甘氨酸，甘氨酸进入线 粒体，转变产生丝氨酸，丝氨酸再回到过氧化物酶体，转化形成甘油酸，甘油酸进入叶绿体参与卡尔 文循环。 微体来自于内质网。 第六章第六章 线粒体和质体线粒体和质体 第一节 线粒体 线粒体是细胞内的动力站，只有真核生物的细胞才具有，是一种高效地将有机物逐级分解转换为细胞 生命活动所需的各种物质并为生命活动提供直接能源 atp 的细胞器。人体内的细胞每天要合成几千克的 atp，且 95%的 atp 是由线粒体中的呼吸链所产生，因此被称为细胞内的“能量工厂” 。在本节中我们将 介绍线粒体的形态、结构、功能及与线粒体有关的遗传问题。 一、线粒体的形态与结构 1、线粒体的形态、大小、数目与细胞生活状态有关 一般为线状、粒状或杆状（也有环状、分枝状、 哑铃型或蠕虫状） ， 直径 0.5-1.0um，长 1.5-3.0 um，最大如人的成纤维细胞中可达 40um。 1（利什曼原 虫） -30 万 （海胆卵母细胞） 或 50 万个 （巨大变形虫） /细胞， 大鼠肝平均 800 个/细胞， 玉米根冠细胞 100-3000 个。植物少于动物。 数量与不同细胞、不同组织有关，同种细胞、同种组织与不同时期有关183 页表 7 1，环境条件亦可影响线粒体的形态与数量。同一细胞中线粒体的分布也是不均匀的，如肠上皮细胞中 成两极分布，集中于顶部和基部，这往往与细胞内微管的状态有关。可在细胞内运动、变形和分裂，在代 谢活跃的细胞中数量较多。 （图） 2、线粒体结构 由外膜（平滑而有弹性，厚约 6nm，其上有排列整齐的筒状圆柱体，其成分为孔蛋 白，小分子物质的通道） 、内膜（厚约 6-8nm，具有“不透性” ，能严格地控制分子和离子通过，h+、atp 、 丙酮酸等都不能自由通过，必须在载体或通透酶系统的协助下才能通过，含有的大量心磷脂（cadiolipin） 是形成通透性屏障的原因。内折成嵴（cristae） ，有板层状和管状两种主要类型，亦可由此衍生出其他类型， 数量可变，分布有多种酶，其中最明显的是在内膜表面排列规则的球状基粒即 atpase 复合体） 、基质（以 可溶性蛋白质为主组成的胶状物）和膜间腔（宽约 6-8nm，充满无定型液体，含有可溶性酶、底物和辅助 因子）四部分组成 （图） 二、线粒体的化学组成 脂类占 1/3-1/4 ，其中磷脂占 90%，有磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、心磷脂、磷脂酰肌醇等，主要在 膜上；胆固醇和中性脂占 6-10%，在膜上。蛋白占 2/3-3/4，其中 15%-50%在基质中和膜内空间（基质和膜 内空间中的蛋白多为可溶性蛋白） ，其余为膜结构蛋白和酶（不溶性蛋白） ，大部分酶与呼吸链有关，且全 部分布在内膜上。 （188 页表 73 列出呼吸链涉及的大部分酶） 。其他 有核酸（dna、rna） 、无机盐等。 线粒体内外膜在化学组成上的根本区别是脂质和蛋白质的比值不同，内为 0.3：1，外为 1：1，这预示它们 的来源可能不同。 三、线粒体的功能及功能的定位 叶绿体主要是进行光合作用，将光能（太阳能）转变成化学能储存在有机物之中，线粒体则是通过氧 化磷酸化，合成 atp，把储存在有机物中的化学能释放出来，为各个生命活动过程提供能量，同时将有机 物转变成无机物co2 等。线粒体是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释能的场所。糖类和脂肪等营养物质 在细胞质中经过降解作用产生丙酮酸和脂肪酸，进入线粒体中经过一系列分解代谢形成乙酰 coa，进入三 羧酸循环。三羧酸循环脱下的 h 经内膜上的电子传递链（呼吸链） ，与氧结合生成水。在此过程中释放的 能量通过 adp 的磷酸化，生成 atp，供机体各种生命活动的需要。 功能定位 （见“细胞世界”一书 328 页图，202 页图 719） 。 酶定位 外膜 含有 14 种蛋白，如辅酶 i（nap） ，nadh-细 色素 c 还原酶，单胺氧化酶等 膜间腔 腺苷酸激酶，二 p 酸核苷激酶，一 p 酸核苷激和肌酸激酶等 内膜 呼吸链的许多酶都在内膜上，如 atp 酶(即复合体 v)，复合体 i（nadh 脱氢酶，也叫 nadh-coq 还原酶，是呼吸链中最大最复杂的酶复合体，其作用是催化 nadh 的 2 个电子传给 coq，同 时进行质子的跨膜运输） ，复合体 ii（琥珀酸脱氢酶，又叫琥珀酸-coq 还原酶，其作用是催化电子从琥珀 酸通过黄素腺嘌呤二核苷酸（fad）和铁硫蛋白（fes）传给 coq，复合体 iii（coq-细胞色素 c 还原酶， 其作用是催化电子从 coq 传给细胞色素 c，同时进行质子的跨膜运输，该酶含有两个细胞色素 b，一个细 胞色素 c1 和一个铁硫蛋白） ，复合体（细胞色素氧化酶，其作用是 催化电子从细胞色素 c 传给氧，该 酶含有细胞色素 a 和 a3 及两个铜原子） 。氧化磷 酸化酶系如瑚珀酸脱氢酶、丙酮酸氧化酶、nadh 脱氢 酶等。 基质 a、所有柠檬酸循环的酶（柠檬酸合成酶、延胡索酸酶、乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶、l-苹果酸 脱氢酶等） ；b、与氨基酸代谢有关的酶（l-谷氨酸脱氢酶、天冬氨酸转氨酶、脂肪酸降解用的脂肪酸氧化 酶等） ；c、dna 复制，rna 转录和翻译编码在线粒体 dna 上的各种酶。 四.蛋白质如何穿膜运输进入线粒体 引导肽（讲义 195 导肽的性质及作用） 五.线粒体的自主性问题 线粒体无论在形态、染色反应、化学组成、物理性质和活动状况等方面都与细菌很相似，因此推测它 是一种外来细胞器，能自我复制、遗传。 线粒体内有 dna、rna、dna 聚合酶、rna 聚合酶、trna、 核糖体、 氨基酸活化酶等， 具备生命存在的基本条件。 线粒体 dna 很小， 长度 5um 左右， 分子量 1107d， 核苷酸数1000-几百万个， 不足以编码其自身生命活动所需的全部protein。 实际上， 动物线粒体中只有5-10% 的 protein 是自己编码合成的，其它大部分蛋白质是由核编码合成的，故线粒体的自主性是有限的，因此称 为半自主性细胞器。 六.线粒体基因组（dna、mtdna）的结构与功能 （一）线粒体基因组 1、不同物种间线粒体基因组的大小差别很大，总的是植物大于微生物大于动物，但在功能上没有多 大差别，说明植物中非编码区较多，调控序列较多。例如，黄瓜 1500kb ， 酵母 84kb，人 16.5kb，但 编码的功能区基本相同。人的 mtdna 顺序已完全排列出来，其中 2 个编码核糖体亚基 rna 的基因，22 个 trna 基因，56 个膜蛋白基因，细胞色素 c 氧化酶的 3 个亚单位，12 个 atp 酶亚单位 6/8，1 个细 胞色素 b，8 个阅读框（不经 mrna 而直接编码氨基酸） 。人 mtdna 基因之间非编码区很少，几乎没有内 含子。 2、形态多样性 环状（大、小环） ，线状，亚分子和多分子 3、有漫游 dna 存在 （三）线粒体基因 1、为线粒体核糖体 rna 编码的基因，2、为线粒体 trna 编码的基因，3、为 mrna 编码的基因，4、为蛋白质编码的基因等 （四）rna 编辑（rna editing） rna editing 是指经修饰或轻微修饰以改变 mrna 的核苷酸顺序， 使它们与对应的模板 dna 的顺序有 所不同的过程，它提供了基因表达修正的一种机制。rna editing 包括 rna processing，rna editing and rnasplicing。 第二节 质 体 质体是植物细胞内所特有的一类细胞器，在植物的有机物合成、有机物积累、颜色的形成等生命活动 中起重要作用,对整个生物界也很重要。 一、质体的形态结构与功能（图） 前质体-白色体-叶绿体-有色体 质体的形态、数量等与植物细胞所处的生理状态有密切关系。 功能 ：光合，淀粉、脂类、蛋白，颜色 二、叶绿体形态与结构（图） 高等植物的叶绿体大多数呈香蕉形，直径 36um，厚 23um。叶绿体 有被膜、类囊体和基质三部分。被膜双层，外层透性大，核苷、无机磷、磷酸衍生物、羧酸类化合物等均 能透过；内层选择性强，是细胞质和叶绿体基质间的功能屏障，许多物质需要由特殊载体协助才能通过。 类囊体由一层单位膜围成，扁平状，分基粒类囊体和基质类囊体，一个叶绿体含 4060 个基粒，每个基粒 有 530 个类囊体。基质的主要成分是可溶性蛋白和其他代谢活性物质如核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶 （rubpase）等。叶绿体数、基粒数、类囊体数都是动态可变的。 （图） （见讲义 220221 页） 三、叶绿体的功能 光合作用 四、叶绿体的自主性问题 1、植物细胞内有三套基因组：核基因组、线粒体基因组和叶绿体基因组。 叶绿体也象线粒体一样 属于半自主性的细胞器，它有 dna、rna 和核糖体，其 dna 的碱基组成与兰藻相似，g+c 占 37.5%； dna 的分子量与细菌内的相似，1.2-6109kd（细菌 4109） ，环状 85-292kb。 叶绿体 dna 编 码 100 多个基因（水稻 130） ，其中有 4 种 rrna 基因（5s、16s、23s、4.5s） ，30 种 trna 分子，12 种核 糖体大亚基多肽，8 种核糖体小亚基多肽，5 种光系统 i 的多肽，14 种光系统 ii 的多肽，4 种 cytb/f 复合 物的多肽，6 种 h+-atpase 的亚基。rubpase 全酶由 8 个大亚基和 8 个小亚基组成，大亚基为活性中心， 小亚基具调节功能，8 个大亚基全由叶绿体基因组编码，小亚基则由核基因组编码。rna 聚合酶的 3 个亚 基， 起始因子 if1 以及 nadh 脱氢酶的 6 个 （或 8 个） 亚基； 还有 50 个左右未被破译的开放读码框 （orf） 。 反向重复顺序问题。 许多叶绿体基因属于光诱导基因。 2、叶绿体基因的表达： a 转录 需一种 rna 聚合酶，同原核生物。 b 剪接 类似于真核生物。 c 翻译 与原核生物相似。 3、叶绿体的来源 内共生学说占多数，蓝细菌。分化学说（非内共生学说） 4、叶绿体是半自主性的细胞器，其所需蛋白质、脂类、酶等大多数都由核基因所编码。 第七章第七章 细胞骨架细胞骨架 细胞骨架为细胞提供一种支撑和胞内运输线。 细胞骨架可分为：胞质骨架与核骨架 胞质骨架(cytoskeleton)，广泛分布于细胞的各个部位 三种类型 微管 (microtubule), 微丝 (microfilament) 中间纤维(intermediate filament) 核骨架 也叫核纤层体系或核基质（nuclear lamina，nucleamatrix，nucleoskeleton ，karyoskeleton） 。 核骨架纤维在结构上与胞质骨架的中间纤维相连接，贯穿于细胞核和细胞质的网架体系。 gujia,gujia5 给我们以启示，细胞器并不是悬浮在细胞质基质当中，而是被固定在一定的位置，这一点 凭我们现在的思维能力和知识水平似乎是可以理解的，但真实的情况是怎样的？现在尚无明确的结论，因 为我们所看到的细胞结构多是经固定后的图象，不能完全反映生活状态的细胞。 三种细胞质骨架组分的结构和功能如下： 一、微管（图） 1、 形态结构与化学组成 笔直、 坚硬， 圆管状， 外径 22-25nm， 内径 12-15nm， 管壁厚 10-13nm(gujia1)。 管壁由微管蛋白组成，微管蛋白有两种类型即和，有 450 个氨基酸残基，分子量 50x103，有 455 个氨基酸残基，分子量也是 50x103。和均含酸性 c 端序列，二者有 42%的氨基酸顺序相同。每个亚 单位上都有与另外一些化学成分相结合的位点，为微管与微管之间的连接提供了作用位点，也为其它细胞 器与微管连接提供了作用位点。和结合为异二聚体，异二聚体上有 2 个鸟嘌呤核苷酸（gtp）的结合 位点，其中一个为秋水仙素结合位点，一个为长春花碱结合位点。微管可装配成单管，二联管（纤毛和鞭 毛中） ，三联管（中心粒和基体中） 。 2、微管的组装与去组装（图） 微管具有自组装特性和有微管组织中心。两种亚单位、先结 合成形成 8nm 异二聚体，有极性，-即为头-尾的方向，异二聚体是微管装配的基本单位，然后彼 此连接成原纤维，再连成片，至 13 根原纤维时再围成圆筒即一段微管(gujia2),就是说微管的每个圆周有 13 个亚单位，新的二聚体再不断加到微管的端点使之延长。微管具有极性(gujia3)，远组织中心（中心体）端 为（+） ，近组织中心端为（-） ，新微管蛋白的添加或延长主要发生在（+）末端，解聚或缩短多发生在 （-）末端,但亦可在两端同时进行组装或去组装（讲义 329，10-11） 。 微管的装配与去装配特征,共有三点 微管是一种动态结构，在它的两端二聚体微管蛋白经常在添加和减少。 微管蛋白两端的结构是不同的，即具有极性。 在一个非细胞的系统内，游离微管蛋白浓度的高低可决定微管的伸长、缩短或保持原长度，其浓 度达到某一点时，出现“轮回”现象。秋水仙素能阻止微管蛋白的加入，阻断微管组装，紫杉醇（taxol） 能促进微管的装配，并使已形成的微管稳定（但却使细胞周期停止于有丝分裂期） 。 3、微管的功能（图） 支撑作用 维持细胞的形状(图 gujia4)。 与细胞的运动有关 纤毛和鞭毛运动（郑，333：10-13。 与胞内物质运输有关 细胞器在胞内移动(图 gujia14) 与植物细胞壁的形成有关 校准纤维素纤丝的方向。 与有丝分裂有关 染色体移动。 构成动物细胞中的中心体（两个相互垂直的中心粒） 。 二、微丝（图） 又称肌动蛋白纤维，