高中生物《细胞概述》文字素材3 浙教版必修1

1 细胞概述细胞概述 1 细胞概述 1 细胞 cell 细胞是由膜包围着含有细胞核 或拟核 的原生质所组成 是生物体的结构和功能的基本单 位 也是生命活动的基本单位 细胞能够通过分裂而增殖 是生物体个体发育和系统发育 的基础 细胞或是独立的作为生命单位 或是多个细胞组成细胞群体或组织 或器官和机 体 细胞还能够进行分裂和繁殖 细胞是遗传的基本单位 并具有遗传的全能性 2 细胞质 cell plasma 是细胞内除核以外的原生质 即细胞中细胞核以外和细胞膜以内的原生质部分 包括透明 的粘液状的胞质溶胶及悬浮于其中的细胞器 3 原生质 protoplasm 生活细胞中所有的生活物质 包括细胞核和细胞质 4 原生质体 potoplast 脱去细胞壁的细胞叫原生质体 是一生物工程学的概念 如植物细胞和细菌 或其它有细胞 壁的细胞 通过酶解使细胞壁溶解而得到的具有质膜的原生质球状体 动物细胞就相当于原 生质体 5 细胞生物学 cell biology 细胞生物学是以细胞为研究对象 从细胞的整体水平 亚显微水平 分子水平等三个层次 以动态的观点 研究细胞和细胞器的结构和功能 细胞的生活史和各种生命活动规律的学 科 细胞生物学是现代生命科学的前沿分支学科之一 主要是从细胞的不同结构层次来研 究细胞的生命活动的基本规律 从生命结构层次看 细胞生物学位于分子生物学与发育生 物学之间 同它们相互衔接 互相渗透 6 细胞学说 cell theory 细胞学说是 1838 1839 年间由德国的植物学家施莱登和动物学家施旺所提出 直到 1858 年 才较完善 它是关于生物有机体组成的学说 主要内容有 细胞是有机体 一切动植物都是由单细胞发育而来 即生物是由细胞和细胞的产物所 组成 所有细胞在结构和组成上基本相似 新细胞是由已存在的细胞分裂而来 生物的疾病是因为其细胞机能失常 7 原生质理论 protoplasm theory 1861 年由舒尔策 Max Schultze 提出 认为有机体的组织单位是一小团原生质 这种物质 在一般有机体中是相似的 并把细胞明确地定义为 细胞是具有细胞核和细胞膜的活物质 1880 年 Hanstain 将细胞概念演变成由细胞膜包围着的原生质 分化为细胞核和细胞质 8 细胞遗传学 cytogenetics 遗传学和细胞学结合建立了细胞遗传学 主要是从细胞学的角度 特别是从染色体的结构 和功能 以及染色体和其他细胞器的关系来研究遗传现象 阐明遗传和变异的机制 9 细胞生理学 cytophysiology 细胞学同生理学结合建立了细胞生理学 主要研究内容包括细胞从周围环境中摄取营养的 能力 代谢功能 能量的获取 生长 发育与繁殖机理 以及细胞受环境的影响而产生适 应性和运动性的活动 细胞的离体培养技术对细胞生理学的研究具有巨大贡献 10 细胞化学 cytochemistry 细胞学和化学的结合产生了细胞化学 主要是研究细胞结构的化学组成及化学分子的定位 2 分布及其生理功能 包括定性和定量分析 如 1943 年克劳德 Claude 用高速离心法从细胞 匀浆液中分离线粒体 然后研究它的化学组成和生理功能并得出结论 线粒体是细胞氧化 中心 1924 年 Feulgen 发明的 DNA 的特殊染色方法 Feulgen 反应开创了 DNA 的定性和定 量分析 11 分子生物学 molecular biology 在分子水平上研究生命现象的科学 研究生物大分子 核酸 蛋白质 的结 构 功能和生物 合成等方面来阐明各种生命现象的本质 研究内容包括各种生命过程如光合作用 发育的 分子机制 神经活动的机理 癌的发生等 12 分子细胞生物学 molecular biology of the cell 以细胞为对象 主要在分子水平上研究细胞生命活动的分子机制 即研究细胞器 生物大 分子与生命活动之间的变化发展过程 研究它们之间的相互关系 以及它们与环境之间的 相互关系 13 支原体 mycoplasma 又称霉形体 是最简单的原核细胞 支原体的大小介于细菌与病毒之间 直径为 0 1 0 3 um 约为细菌的十分之一 能够通过滤菌器 支原体形态多变 有圆形 丝状或梨形 光镜 下难以看清其结构 支原体具有细胞膜 但没有细胞壁 它有一环状双螺旋 DNA 没有类 似细菌的核区 拟核 能指导合成 700 多种蛋白质 支原体细胞中惟一可见的细胞器是核 糖体 每个细胞中约有 800 1500 个 支原体可以在培养基上培养 也能在寄主细胞中繁 殖 支原体没有鞭毛 无活动能力 可以通过分裂法繁殖 也有进行出芽增殖的 14 结构域 domain 生物大分子中具有特异结构和独立功能的区域 特别指蛋白质中这样的区域 在球形蛋白中 结构域具有自己特定的四级结构 其功能部依赖于蛋白质分子中的其余部分 但是同一种蛋 白质中不同结构域间常可通过不具二级结构的短序列连接起来 蛋白质分子中不同的结构 域常由基因的不同外显子所编码 15 模板组装 template assembly 由模板指导 在一系列酶的催化下 合成新的 与模板完全相同的分子 这是细胞内一种极 其重要的组装方式 DNA 和 RNA 的分子组装就属于此类 16 酶效应组装 enzymatic assembly 相同的单体分子在不同的酶系作用下 生成不同的产物 如以葡萄糖为原料既可合成纤维 素 也可合成淀粉 就看进入那条酶促反应途径 17 自体组装 self assembly 生物大分子借助本身的力量自行装配成高级结构 现代的概念应理解为不需要模板和酶系 的催化 以别于模板组装和酶效应组装 其实 这种组装也需要一种称为分子伴侣的蛋白 介导 如核小体的组装就需要核质素的介导 18 引发体 primosome 是蛋白复合体 主要成份是引物酶和 DNA 解旋酶 是在合成用于 DNA 复制的 RNA 引物时装配 的 引发体与 DNA 结合后随即由引物酶合成 RNA 引物 19 剪接体 splicesome 进行 hnRNA 剪接时形成的多组分复合物 主要是有小分子的核 RNA 和蛋白质组成 20 原核细胞 prokaryotic cell 组成原核生物的细胞 这类细胞主要特征是没有明显可见的细胞核 同时也没有核膜和核 仁 只有拟核 进化地位较低 21 古细菌 archaebacteria 3 一类特殊细菌 在系统发育上既不属真核生物 也不属原核生物 它们具有原核生物的某 些特征 如无细胞核及细胞器 也有真核生物的特征 如以甲硫氨酸起始蛋白质的合成 核 糖体对氯霉素不敏感 还具有它们独有的一些特征 如细胞壁的组成 膜脂质的类型 因 之有人认为古细菌代表由一共同祖先传来的第三界生物 古细菌 原核生物 真核生物 它们包括酸性嗜热菌 极端嗜盐菌及甲烷微生物 可能代表了活细胞的某些最早期的形式 22 真细菌 Bacteria eubacteria 除古细菌以外的所有细菌均称为真细菌 最初用于表示 真 细菌的名词主要是为了与其 他细菌相区别 23 中膜体 mesosome 中膜体又称间体或质膜体 是细菌细胞质膜向细胞质内陷折皱形成的 每个细胞有一个或 数个中膜体 其中含有细胞色素和琥珀酸脱氢酶 为细胞提供呼吸酶 具有类似线粒体的 作用 故又称为拟线粒体 24 真核细胞 eucaryotic cell 构成真核生物的细胞称为真核细胞 具有典型的细胞结构 有明显的细胞核 核膜 核仁 和核基质 遗传信息量大 并且有特化的膜相结构 真核细胞的种类繁多 既包括大量的 单细胞生物和原生生物 如原生动物和一些藻类细胞 又包括全部的多细胞生物 一切动植 物 的细胞 25 生物膜结构体系 biomembrane system 细胞内具有膜包被结构的总称 包括细胞质膜 核膜 内质网 高尔基体 溶酶体 线粒 体和叶绿体等 膜结构体系的基本作用是为细胞提供保护 质膜将整个细胞的生命活动保护起来 并进行 选择性的物质交换 核膜将遗传物质保护起来 使细胞核的活动更加有效 线粒体和叶绿 体的膜将细胞的能量发生同其它的生化反应隔离开来 更好地进行能量转换 膜结构体系为细胞提供较多的质膜表面 使细胞内部结构区室化 由于大多数酶定位在膜 上 大多数生化反应也是在膜表面进行的 膜表面积的扩大和区室化使这些反应有了相应 的隔离 效率更高 另外 膜结构体系为细胞内的物质运输提供了特殊的运输通道 保证了各种功能蛋白及时 准确地到位而又互不干扰 例如溶酶体的酶合成之后不仅立即被保护起来 而且一直处于 监护之下被运送到溶酶体小泡 26 遗传信息表达结构系统 genetic expression system 该系统又称为颗粒纤维结构系统 包括细胞核和核糖体 细胞核中的染色质是纤维结构 由 DNA 和组蛋白构成 染色体的一级结构是由核小体组成的串珠结构 其直径为 10nm 又 称为 10 纳米纤维 核糖体是由 RNA 和蛋白质构成的颗粒结构 直径为 15 25nm 由大小 两个亚基组成 它是细胞内合成蛋白质的场所 27 细胞骨架系统 cytoskeletonic system 细胞骨架是由蛋白质与蛋白质搭建起的骨架网络结构 包括细胞质骨架和细胞核骨架 细 胞骨架系统的主要作用是维持细胞的一定形态 使细胞得以安居乐业 细胞骨架对于细胞 内物质运输和细胞器的移动来说又起交通动脉的作用 细胞骨架还将细胞内基质区域化 此外 细胞骨架还具有帮助细胞移动行走的功能 细胞骨架的主要成分是微管 微丝和中 间纤维 28 细胞社会学 cell sociology 细胞社会学是从系统论的观点出发 研究细胞整体和细胞群体中细胞间的社会行为 包括细 胞间识别 通讯 集合和相互作用等 以及整体和细胞群对细胞的生长 分化和死亡等活 4 动的调节控制 细胞社会学主要是在体外研究细胞的社会行为 用人工的细胞组合研究不 同发育时期的相同细胞或不同细胞的行为 研究细胞之间的识别 粘连 通讯以及由此产 生的相互作用 作用本质 以及对形态发生的影响等 2 细胞生物学研究方法 1 分辨率 resolution 分辨率是指能分辨出的相邻两个物点间最小距离的能力 这种距离称为分辨距离 分辨距 离越小 分辨率越高 一般规定 显微镜或人眼在 25cm 明视距离处 能清楚地分辨被检 物体细微结构最小间隔的能力 称为分辨率 人眼的分辨率是 100 m 光学显微镜的最 大分辨率是 0 2 m 2 荧光 fluorescence 分子由激发态回到基态时 由于电子跃迁而由被激发分子发射的光 物质经过紫外线照射 后发出荧光的现象可分为两种情况 第一种是自发荧光 如叶绿素 血红素等经紫外线照 射后 能发出红色的荧光 称为自发荧光 第二种是诱发荧光 即物体经荧光染料染色后再 通过紫外线照射发出荧光 称为诱发荧光 3 荧光显微镜 Fluorescence microscope 以紫外线为光源 用以照射被检物体 使之发出荧光 然后在显微镜下观察物体的形状及 其所在位置 荧光显微镜用于研究细胞内物质的吸收 运输 化学物质的分布及定位等 4 相差显微镜 Phase contrast microscope 相差显微镜是荷兰科学家 Zermike 于 1935 年发明的 用于观察未染色标本的显微镜 活细 胞和未染色的生物标本 因细胞各部细微结构的折射率和厚度的不同 光波通过时 波长 和振幅并不发生变化 仅相位发生变化 振幅差 这种振幅差人眼无法观察 而相差显微 镜通过改变这种相位差 并利用光的衍射和干涉现象 把相差变为振幅差来观察活细胞和 未染色的标本 相差显微镜和普通显微镜的区别是 用环状光阑代替可变光阑 用带相板的 物镜代替普通物镜 并带有一个合轴用的望远镜 相差显微镜具有两个其他显微镜所不具有的功能 将直射的光 视野中背景光 与经物体衍 射的光分开 将大约一半的波长从相位中除去 使之不能发生相互作用 从而引起强度的 变化 5 放射自显影 autoradiography 放射自显影的原理是利用放射性同位素所发射出来的带电离子 或 粒子 作用于感光 材料的卤化银晶体 从而产生潜影 这种潜影可用显影液显示 成为可见的 像 因此 它是利用卤化银乳胶显像检查和测量放射性的一种方法 放射性核素的原子不断衰变 当衰变掉一半时所需要的时间称为半衰期 各种放射性核素 的半衰期长短不同 表 在自显影实验中多选用半衰期较长者 对于半衰期较短的核素 应选用较快的样品制备方法 所用剂量也应加大 表 自显影实验中常用核素的半衰期与能量 名称 半寿期粒子类型 能量 MeV 名称 半寿期 粒子类型 能量 MeV 3H 12 3 yr 0 018 45Ca 152 d 0 26 11C 20 min 0 981 59Fe 45 d 0 46 14C 5700 yr 0 155 1 30 32P 14 3 d 1 71 60Co 5 3 yr 0 308 35S 87 2 d 0 167 64Cu 12 8 hr 0 657 131I 8 0 d 0 25 1 35 6 扫描电子显微镜 scanning electron microscopy SEM 扫描电子显微镜是 1965 年发明的较现代的细胞生物学研究工具 主要是利用二次电子信号 5 成像来观察样品的表面形态 即用极狭窄的电子束去扫描样品 通过电子束与样品的相互 作用产生各种效应 其中主要是样品的二次电子发射 二次电子能够产生样品表面放大的 形貌像 这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的 即使用逐点成像的方法获得放大像 7 扫描透射电子显微镜 scanning transmission electron microscopy STEM 既有透射电子显微镜又有扫描电子显微镜的显微镜 象 SEM 一样 STEM 用电子束在样品的 表面扫描 但又象 TEM 通过电子穿透样品成像 STEM 能够获得 TEM 所不能获得的一些关 于样品的特殊信息 STEM 技术要求较高 要非常高的真空度 并且电子学系统比 TEM 和 SEM 都要复杂 8 高压电子显微镜 high voltage electron microscopy HVEM 同透射电子显微镜基本相同 只是电压特别高 TEM 使用的加速电压是 50 100kV 而 HVEM 使用的电压是 200 1000kV 由于电压高 就会大大减少造成染色体畸变的可能 因 此 可以用较厚的细胞切片研究细胞的结构 切片的厚度最大可达 1 m 相当于普通 TEM 样品厚度的 10 倍 9 负染色 negative stainning 用重金属盐 如磷钨酸钠 醋酸铀等 对铺展在载网上的样品进行染色 使整个载网都铺上 一层重金属盐 而有凸出颗粒的地方则没有染料沉积 由于电子密度高的重金属盐包埋了 样品中低电子密度的背景 增强了背景散射电子的能力以提高反差 这样 在图像中背景 是黑暗的 而未被包埋的样品颗粒则透明光亮 这种染色称为负染技术 负染色是只染背 景而不染样品 与光学显微镜样品的染色正好相反 10 铸型技术 shadow casting 铸型技术是电子显微镜中一种重要的增强背景和待观察样品反差的方法 基本过程包括 将样品置于云母的表面 然后干燥 在真空装置中将样品镀上一层重金属 金或铂金 喷镀时的加热丝具有一定的角度 将样品镀上一层碳原子 以增加铸型的强度和稳定性 将铸型置于酸池中 破坏样品 只留下金属铸型 将铸型漂洗后置于载网上进行电子显 微镜观察 11 冰冻断裂复型 freeze fracture replication 技术 先将生物样品在液氮中 196 进行快速冷冻 防止形成冰晶 然后将冷冻的样品迅速转 移到冷冻装置中 并迅速抽成真空 在真空条件下 用冰刀横切冰冻样品 使样品内层被 分开露出两个表面 如用冰刀切开细胞膜时 分开的两个面分别称为 P 面 protoplasmic face 和 E 面 exoplasmic face P 面是靠近细胞质一面的半层膜 而 E 面则是靠近细胞 外基质面的半层膜 可清楚地观察到镶嵌蛋白 12 冰冻蚀刻 freeze etching 技术 是在冰冻断裂技术的基础上发展起来的更复杂的复型技术 如果将冰冻断裂的样品的温度 稍微升高 让样品中的冰在真空中升华 而在表面上浮雕出细胞膜的超微结构 当大量的 冰升华之后 对浮雕表面进行铂 碳复型 并在腐蚀性溶液中除去生物材料 复型经重蒸 水多次清洗后 置于载网上作电镜观察 13 扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope STM 扫描隧道显微镜使用电子学的方法 用一个金属针尖在在样品表面扫描 当针尖和样品表 面距离很近时 1nm 以下 针尖和样品表面之间会产生电压 当针尖沿 X 和 Y 方向在样品 表面扫描时 就会在针尖和样品表面第一层电子之间产生电子隧道 该显微镜设计的沿 Z 字形扫描 可保持电流的恒定 因此 针尖的移动是隧道电流的作用 并且可以反映在荧 光幕上 连续的扫描可以建立起原子级分辨率的表面像 与电子显微镜或 X 线衍射技术研究生物结构相比 扫描隧道显微镜具有以下特点 6 高分辨率 扫描隧道显微镜具有原子级的空间分辨率 其横向空间分辨率为 l 纵向分 辨率达 0 1 扫描隧道显微镜可直接探测样品的表面结构 可绘出立体三维结构图像 扫描隧道显微镜可在真空 常压 空气 甚至溶液中探测物质的结构 由于没有高能电 子束 对表面没有破坏作用 如辐射 热损伤等 所以能对生理状态下生物大分子和活细 胞膜表面的结构进行研究 样品不会受到损伤而保持完好 扫描隧道显微镜的扫描速度快 获取数据的时间短 成像也快 有可能开展生命过程的 动力学研究 不需任何透镜 体积小 有人称之为 口袋显微镜 pocket microscope 14 酶细胞化学技术 enzyme cytochemistry 将细胞内的酶与底物相互作用 再将酶反应的产物作为反应物质 在酶的作用部位进行捕 捉 使其在显微镜下具有可见性 这种在酶作用下产生反应产物 经捕捉反应来间接证明 酶定位的反应称为酶的细胞化学反应 酶的细胞化学反应包括两个反应 第一反应是酶作用于底物的反应 称酶反应 形成的产 物称为初级反应产物 第二反应是捕捉剂与初级反应产物的作用 称捕捉反应 产生最终反 应产物 15 免疫荧光技术 immunofluorescence 将免疫学方法 抗原抗体特异结合 与荧光标记技术结合起来研究特异蛋白抗原在细胞内分 布的方法 由于荧光素所发的荧光可在荧光显微镜下检出 从而可对抗原进行细胞定位 16 免疫电镜 immunoelectron microscopy 将抗体进行特殊标记后用电子显微镜观察免疫反应的结果 根据标记方法的不同 分为免 疫铁蛋白技术 免疫酶标技术和免疫胶体金技术 如免疫铁蛋白技术是将含铁蛋白通过一 种低分子量的双功能试剂与抗体结合 成为一种双分子复合物 它既保留抗体的免疫活性 又具有电镜下可见的高电子密度铁离子核心 因此用铁蛋白标记的抗体可通过电镜免疫化 学的方法在电镜下定位细胞中的抗原 由于某些固定技术 如锇酸固定 对抗体抗原的结合 有干扰 因此应采取较为温和的样品制备方法 17 染色体分选 chromosome sorting 用流式细胞计分选特定的染色体 基本过程与细胞分选相似 不同的是 要用带有荧光标 记的 DNA 探针同特异染色体结合 使待分选的染色体带上标记 在染色体分选中 使用的 探针是同所感兴趣染色体互补的寡聚核苷酸 这种探针也可同荧光染料偶联 将结合有荧 光染料的探针同染色体一起温育 使探针同特异染色体杂交 形成稳定的杂交体 这样染 色体就被带上了荧光标记 稀释后送入流式细胞计的流室 然后与细胞分选过程一样将特 异的染色体分选出来 18 显微分光光度术 microspectrophotometry 将显微镜技术与分光光度计结合起来的技术 它以物质分子的光吸收 荧光发射和光反射 特性作为测定基础 可用来分析生物样品细微结构中的化学成分 同时进行定位 定性和 定量 19 显微荧光光度术 microfluorometry 利用显微分光光度计对细胞内原有能发光的物质或对细胞内各种化学成分用不同的荧光经 荧光探针标记后进行定位 定性和定量地测定 称为显微荧光光度术 也称细胞荧光光度 术 cytofluorometry 它是一种微观而灵敏的方法 对于研究细胞的结构 功能及其变化 具有重要意义 20 核磁共振技术 nuclear magnetic resonance NMR 核磁共振技术可以直接研究溶液和活细胞中相对分子质量较小 20 000 道尔顿以下 的蛋 7 白质 核酸以及其它分子的结构 而不损伤细胞 核磁共振的基本原理是 原子核有自旋运动 在恒定的磁场中 自旋的原子核将绕外加磁 场作回旋转动 叫进动 precession 进动有一定的频率 它与所加磁场的强度成正比 如在此基础上再加一个固定频率的电磁波 并调节外加磁场的强度 使进动频率与电磁 波频率相同 这时原子核进动与电磁波产生共振 叫核磁共振 核磁共振时 原子核吸 收电磁波的能量 记录下的吸收曲线就是核磁共振谱 NMR spectrum 由于不同分子中原 子核的化学环境不同 将会有不同的共振频率 产生不同的共振谱 记录这种波谱即可 判断该原子在分子中所处的位置及相对数目 用以进行定量分析及分子量的测定 并对 有机化合物进行结构分析 21 细胞工程技术 cell engineering 细胞工程技术是细胞生物学与遗传学的交叉领域 主要利用细胞生物学的原理和方法 结 合工程学的技术手段 按照人们预先的设计 有计划地改变或创造细胞遗传性的技术 包 括体外大量培养和繁殖细胞 或获得细胞产品 或利用细胞体本身 主要内容包括 细胞 融合 细胞生物反应器 染色体转移 细胞器移植 基因转移 细胞及组织培养 22 原代培养 primary culture 原代培养是指直接从机体取下细胞 组织和器官后立即进行培养 因此 较为严格地说是 指成功传代之前的培养 此时的细胞保持原有细胞的基本性质 如果是正常细胞 仍然保 留二倍体数 但实际上 通常把第一代至第十代以内的培养细胞统称为原代细胞培养 最 常用的原代培养有组织块培养和分散细胞培养 组织块培养是将剪碎的组织块直接移植在培养瓶壁上 加入培养基后进行培养 分散培养则是将组织块用机械法或化学法使细胞分散 如欲从胎儿或新生儿的组织分离到 活性最好的游离细胞 经典的方法是用蛋白水解酶 如胰蛋白酶和胶原酶 消化细胞间的 结合物 或用金属离子螯合剂 如 EDTA 除去细胞互相粘着所依赖的 Ca2 再经机械 轻度振荡 使之成为单细胞 23 愈伤组织 callus culli 植物受创伤后 在伤面新生的组织称为愈伤组织 其原因是由于受创伤的刺激后 伤面附 近的生活组织恢复了分裂机能 加速增生而将伤面愈合 在植物组织培养中的愈伤组织是 指植物细胞在组织培养过程中形成的无一定结构的组织团块 在适宜的条件下 愈伤组织 可再分化 形成芽 根 再生成植株 24 细胞融合 cell fusion 在自发或人工诱导下 两个不同基因型的细胞或原生质体融合形成一个杂种细胞 基本过 程包括细胞融合形成异核体 heterokaryon 异核体通过细胞有丝分裂进行核融合 最终 形成单核的杂种细胞 有性繁殖时发生的精卵结合是正常的细胞融合 即由两个配子融合 形成一个新的的二倍体 自发的动物细胞融合机率很低 1962 年 Okada 和 Tadokoro 发现灭活的仙台病毒有促进细 胞融合的作用 这是由于病毒的磷脂外衣与动物细胞的膜十分相似的缘故 病毒外壳上的 某些糖蛋白可能还有促进细胞融合的功能 此外 用聚乙二醇 polyethylene glycol PEG 作 为细胞融合剂 它可引起邻近的细胞膜的粘合 继而使细胞融合成为一个细胞 25 单克隆抗体技术 monoclonal antibody technique 1975 年英国科学家 Milstein 和 Kohler 所发明 并获得 1984 年诺贝尔医学奖 它是将产 生抗体的单个 B 淋巴细胞同肿瘤细胞杂交 获得既能产生抗体 又能无限增殖将杂种细 胞 并以此生产抗体的技术 其原理是 B 淋巴细胞能够产生抗体 但在体外不能进行无 限分裂 而瘤细胞虽然可以在体外进行无限传代 但不能产生抗体 将这两种细胞融合后 得到的杂交瘤细胞具有两种亲本细胞的特性 8 26 显微操作术 micromanipulation 在显微镜下 用显微操作装置对细胞进行解剖手术和微量注射的技术属显微操作技术 显 微操作仪是在显微镜下对细胞进行显微操作的装置 可用于细胞核移植 基因注入 染色 体微切和胚胎切割等手术 27 差速离心 differential centrifugation 主要是采取逐渐提高离心速度的方法分离不同大小的细胞器 起始的离心速度较低 让较 大的颗粒沉降到管底 小的颗粒仍然悬浮在上清液中 收集沉淀 改用较高的离心速度离 心悬浮液 将较小的颗粒沉降 以此类推 达到分离不同大小颗粒的目的 28 移动区带离心 moving zone centrifugation 这一方法需要用蔗糖或甘油制备轻微的连续密度 然后将待分离的样品加在离心管的最上 层 形成一狭窄的带 再通过较长时间的离心 在离心过程中 大小 形状 密度不同的 颗粒就会分开 最后收集各区带得到要分离的物质 在此方法中 分离介质对被分离的物 质必须是中性无害的 并且密度梯度较低 底部的密度比管顶部的密度大 建立密度梯度 的目的是防止扩散 重要的是 待分离颗粒的密度比离心管中任何部分介质的密度都要大 常用的是蔗糖密度梯度离心 sucrose density gradient centrifugation 29 等密度离心 isodensity centrifugation 等密度离心分离样品主要是根据被分离样品的密度 在这种离心分离方法中 要用介质产 生一种密度梯度 这种密度梯度覆盖了待分离物质的密度 这样 通过离心使不同密度的 颗粒悬浮到相应的介质密度区 在这种梯度离心中 颗粒的密度是影响最终位置的惟一因 素 因此用这种方法分离颗粒 主要是根据被分离颗粒的密度差异 只要被分离颗粒间的 密度差异大于 1 就可用此法分离 蔗糖或者甘油 它们的最大密度是 1 3g cm3 通常可用于分离膜结合的细胞器 如高尔基体 内质网 溶酶体和线粒体 在等密度梯度离心中蔗糖或甘油的梯度的作用与移动区带离心 中梯度原理是不同的 在移动区带离心中梯度的惟一目的是减少样品的扩散 即使是在离 心管的底部 颗粒的密度也比介质大 相反 在等密度梯度离心中 使用的密度是足以阻 止颗粒移动的密度 当颗粒达到与本身密度相同的密度区时就会停留在该区域 离心分离密度大于 1 3g cm3 的样品 如 DNA RNA 需要使用密度比蔗糖和甘油大的介质 重金属盐氯化铯 CsCl 是目前使用的最好的离心介质 它在离心场中可自行调节形成浓度 梯度 并能保持稳定 在氯化铯形成的密度梯度中 离心管顶部的密度为 1 65g cm3 底 部为 1 75g cm3 因为 DNA 的密度是 1 70g cm3 会停留在离心管的中部 30 层析分离技术 chromatography 根据蛋白质的形态 大小和电荷的不同而设计的物理分离方法 各种不同的层析方法都涉 及共同的基本特点 有一个固定相和流动相 当蛋白质混合溶液 流动相 通过装有珠状或基 质材料的管或柱 固定相 时 由于混合物中各组份在物理化学性质 如吸引力 溶解度 分 子的形状与大小 分子的电荷性与亲和力 等方面的差异使各组分在两相间进行反复多次的 分配而得以分开 流动相的流动取决于引力和压力 而不需要电流 用层析法可以纯化得 到非变性的 天然状态的蛋白质 层析的方法很多 其中凝胶过滤层析 离子交换层析 亲和层析等是目前最常用的层析方法 31 凝胶过滤层析 gel filtration chromatography 凝胶过滤层析法又称排阻层析或分子筛方法 主要是根据蛋白质的大小和形状 即蛋白质 的质量进行分离和纯化 层析柱中的填料是某些惰性的多孔网状结构物质 多是交联的聚 糖 如葡聚糖或琼脂糖 类物质 使蛋白质混合物中的物质按分子大小的不同进行分离 32 亲和层析 affinity chromatography 将具有特殊结构的亲和分子制成固相吸附剂放置在层析柱中 当要被分离的蛋白混合液通 9 过层析柱时 与吸附剂具有亲和能力的蛋白质就会被吸附而滞留在层析柱中 那些没有亲 和力的蛋白质由于不被吸附 直接流出 从而与被分离的蛋白质分开 然后选用适当的洗 脱液 改变结合条件将被结合的蛋白质洗脱下来 这种分离纯化蛋白质的方法称为亲和层 析 在生物分子中有些分子的特定结构部位能够同其他分子相互识别并结合 如酶与底物的识 别结合 受体与配体的识别结合 抗体与抗原的识别结合 这种结合既是特异的 又是可 逆的 改变条件可以使这种结合解除 生物分子间的这种结合能力称为亲和力 亲和层析 就是根据这样的原理设计的蛋白质分离纯化方法 33 基因工程 gene engineering 基因工程是以分子遗传学为理论基础 以分子生物学和微生物学的现代方法为手段 将 不同来源的基因 DNA 分子 按预先设计的蓝图 在体外构建杂种 DNA 分子 然后导入 活细胞 以改变生物原有的遗传特性 获得新品种 生产新产品 基因工程技术为基因 的结构和功能的研究提供了有力的手段 34 基因克隆 gene cloning 是 70 年代发展起来的一项具有革命性的研究技术 可概括为 分 切 连 转 选 分 是指分离制备合格的待操作的 DNA 包括作为运载体的 DNA 和欲克隆的目的 DNA 切 是指 用序列特异的限制性内切酶切开载体 DNA 或者切出目的基因 连 是指用 DNA 连接酶将 目的 DNA 同载体 DNA 连接起来 形成重组的 DNA 分子 转 是指通过特殊的方法将重组的 DNA 分子送入宿主细胞中进行复制和扩增 选 则是从宿主群体中挑选出携带有重组 DNA 分子的个体 基因工程技术的两个最基本的特点是分子水平上的操作和细胞水平上的表达 而分子水平上的操作即是体外重组的过程 实际上是利用工具酶对 DNA 分子进行 外科手术 35 基因敲除 gene knockout 是指一个有功能的基因通过基因工程方法完全被剔除的人工突变技术 人为的将小鼠的某 一种有功能的基因完全缺失的技术就称为基因敲除技术 这项技术是 Marrio Capecchi 于 八十年代末在 Utah 大学发展起来的 实验的动物通常是小鼠 被敲除了功能基因的小鼠就 称为敲除小鼠 knockout mice 基因敲除技术已成功地应用于几种遗传病的研究 还可用 于研究特定基因的细胞生物学活性以及研究发育调控的基因作用等 因此是研究基因功能 的一项非常有用的技术 基因敲除是一套组合技术 包括基因重组 细胞分离培养 转基因等 3 细胞质膜与跨膜运输 1 膜 membrane 通常是指分割两个隔间的一层薄薄的结构 可以是自然形成的或是人造的 有时很柔软 存 在于细胞结构中的膜不仅薄 而且具有半透性 semipermeable membrane 允许一些不带电 的小分子自由通过 2 细胞膜 cell membrane 细胞膜是细胞膜结构的总称 它包括细胞外层的膜和存在于细胞质中的膜 有时也特指细胞 质膜 3 胞质膜 cytoplasmic membrane 存在于细胞质中各膜结合细胞器中的膜 包括核膜 内质网膜 高尔基体膜 溶酶体膜 线粒体膜 叶绿体膜 过氧化物酶体膜等 4 细胞质膜 plasma membrane 是指包围在细胞表面的一层极薄的膜 主要由膜脂和膜蛋白所组成 质膜的基本作用是维 护细胞内微环境的相对稳定 并参与同外界环境进行物质交换 能量和信息传递 另外 在 10 细胞的生存 生长 分裂 分化中起重要作用 真核生物除了具有细胞表面膜外 细胞质中还有许多由膜分隔成的各种细胞器 这些细胞 器的膜结构与质膜相似 但功能有所不同 这些膜称为内膜 internal membrane 或胞质 膜 cytoplasmic membrane 内膜包括细胞核膜 内质网膜 高尔基体膜等 由于细菌没 有内膜 所以细菌的细胞质膜代行胞质膜的作用 5 生物膜 biomembrane or biological membrane 是细胞内膜和质膜的总称 生物膜是细胞的基本结构 它不仅具有界膜的功能 还参与全部 的生命活动 6 膜骨架 membrane skeleton 细胞质膜的一种特别结构 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 这种结构称为膜骨架 膜骨架首先是通过红细胞膜研究出 来的 红细胞的外周蛋白主要位于红细胞膜的内表面 并编织成纤维状的骨架结构 以维持 红细胞的形态 限制膜整合蛋白的移动 7 血影蛋白 spectrin 又称收缩蛋白 是红细胞膜骨架的主要成份 但不是红细胞膜蛋白的成份 约占膜提取蛋白 的 30 血影蛋白属红细胞的膜下蛋白 这种蛋白是一种长的 可伸缩的纤维状蛋白 长约 100 nm 由两条相似的亚基 亚基 相对分子质量 220kDa 和 亚基 相对分子质量 200kDa 构成 两个亚基链呈现反向平行排列 扭曲成麻花状 形成异二聚体 两个异二聚 体头 头连接成 200nm 长的四聚体 5 个或 6 个四聚体的尾端一起连接于短的肌动蛋白纤维 并通过非共价键与外带 4 1 蛋白结合 而带 4 1 蛋白又通过非共价键与跨膜蛋白带 3 蛋白 的细胞质面结合 形成 连接复合物 这些血影蛋白在整个细胞膜的细胞质面下面形成可 变形的网架结构 以维持红细胞的双凹圆盘形状 8 血型糖蛋白 glycophorin 血型糖蛋白又称涎糖蛋白 sialo glycoprotein 因它富含唾液酸 血型糖蛋白是第一个被 测定氨基酸序列的蛋白质 有几种类型 包括 A B C D 血型糖蛋白 B C D 在红细胞 膜中浓度较低 血型糖蛋白 A 是一种单次跨膜糖蛋白 由 131 个氨基酸组成 其亲水的氨 基端露在膜的外侧 结合 16 个低聚糖侧链 血型糖蛋白的基本功能可能是在它的唾液酸中 含有大量负电荷 防止了红细胞在循环过程中经过狭小血管时相互聚集沉积在血管中 9 带 3 蛋白 band 3 protein 与血型糖蛋白一样都是红细胞的膜蛋白 因其在 PAGE 电泳分部时位于第三条带而得名 带 3 蛋白在红细胞膜中含量很高 约为红细胞膜蛋白的 25 由于带 3 蛋白具有阴离子转运功 能 所以带 3 蛋白又被称为 阴离子通道 带 3 蛋白是由两个相同的亚基组成的二聚体 每条亚基含 929 个氨基酸 它是一种糖蛋白 在质膜中穿越 12 14 次 因此 是一种多次跨 膜蛋白 10 锚定蛋白 ankyrin 又称 2 1 蛋白 锚定蛋白是一种比较大的细胞内连接蛋白 每个红细胞约含 10 万个锚定蛋 白 相对分子质量为 215 000 锚定蛋白一方面与血影蛋白相连 另一方面与跨膜的带 3 蛋白的细胞质结构域部分相连 这样 锚定蛋白借助于带 3 蛋白将血影蛋白连接到细胞膜 上 也就将骨架固定到质膜上 11 带 4 1 蛋白 band 4 1 protein 是由两个亚基组成的球形蛋白 它在膜骨架中的作用是通过同血影蛋白结合 促使血影蛋 白同肌动蛋白结合 带 4 1 蛋白本身不同肌动蛋白相连 因为它没有与肌动蛋白连接的位 点 12 内收蛋白 adducin 11 是由两个亚基组成的二聚体 每个红细胞约有 30 000 个分子 它的形态似不规则的盘状 物 高 5 4nm 直径 12 4nm 内收蛋白可与肌动蛋白及血影蛋白复合体结合 并且通过 Ca2 和钙调蛋白的作用影响骨架蛋白的稳定性 从而影响红细胞的形态 13 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 动 植物细胞膜上都 有磷脂 是膜脂的基本成分 约占膜脂的 50 以上 磷脂分子的极性端是各种磷脂酰碱基 称作头部 它们多数通过甘油基团与非极性端相连 磷脂又分为两大类 甘油磷脂和鞘磷 脂 甘油磷脂包括磷脂酰乙醇胺 磷脂酰胆碱 卵磷脂 磷脂酰肌醇等 磷脂分子的疏水端是两条长短不一的烃链 称为尾部 一般含有 14 24 个偶数碳原子 其 中一条烃链常含有一个或数个双键 双键的存在造成这条不饱和链有一定角度的扭转 磷脂烃链的长度和不饱和度的不同可以影响磷脂的相互位置 进而影响膜的流动性 各种 磷脂头部基团的大小 形状 电荷的不同则与磷脂 蛋白质的相互作用有关 14 胆固醇 cholesterol 胆固醇存在于真核细胞膜中 胆固醇分子由三部分组成 极性的头部 非极性的类固醇环 结构和一个非极性的碳氢尾部 胆固醇的分子较其他膜脂要小 双亲媒性也较低 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 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 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 15 脂质体 liposome 将少量的磷脂放在水溶液中 它能够自我装配成脂双层的球状结构 这种结构称为脂质体 所以脂质体是人工制备的连续脂双层的球形脂质小囊 脂质体可作为生物膜的研究模型 并可作为生物大分子 DNA 分子 和药物的运载体 因此脂质体是研究膜脂与膜蛋白及其生 物学性质的极好材料 在构建导弹人工脂质体时 不仅要将被运载的分子或药物包入脂质体 的内部水相 同时要在脂质体的膜上做些修饰 如插入抗体便于脂质体进入机体后寻靶 16 整合蛋白 integral protein 又称内在蛋白 intrinsic protein 跨膜蛋白 transmembrane protein 部分或全部镶 嵌在细胞膜中或内外两侧 以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性疏水区相互作用而结合 在质膜上 实际上 整合蛋白几乎都是完全穿过脂双层的蛋白 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的疏水尾部相互作用 整合蛋白所含疏水氨基酸的成分较高 跨膜蛋白可再分为单次跨膜 多次跨膜 多亚基跨膜等 跨膜蛋白一般含 25 50 的 螺旋 也有 折叠 如线粒体外膜和细菌质膜中的孔蛋白 17 外周蛋白 peripheral protein 又称附着蛋白 protein attached 这种蛋白完全外露在脂双层的内外两侧 主要是通过 非共价健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 外周蛋白可用高盐或碱性 pH 条件分离 实际上 有时外周蛋白与整合蛋白是难以区分的 因 为许多膜蛋白是由多亚基组成的 其中有的亚基插入在脂双层 有些亚基则是外周蛋白 外周蛋白为水溶性 占膜蛋白总量的 20 30 在红细胞中占 50 如红细胞的血影蛋白 和锚定蛋白都是外周蛋白 外周蛋白可以增加膜的强度 或是作为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 18 脂锚定蛋白 lipid anchored 又称脂连接蛋白 lipid linked protein 通过共价健的方式同脂分子结合 位于脂双层的 外侧 同脂的结合有两种方式 一种是蛋白质直接结合于脂双分子层 另一种方式是蛋白 12 并不直接同脂结合 而是通过一个糖分子间接同脂结合 通过与糖的连接被锚定在膜脂上的蛋白质主要是通过短的寡糖与包埋在脂双层外叶中的糖 基磷脂酰肌醇 glycosylphophatidylionositol GPI 相连而被锚定在质膜的外侧 之所以 能够在膜上发现这类脂锚定蛋白 是因为用特异识别和切割含有肌醇磷脂的磷脂酶处理细胞 膜能释放出蛋白质 这类脂锚定蛋白通常是膜受体 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 另一类存在于细胞质面脂锚定蛋白是通过长的包埋在脂双层中的碳氢链进行锚定的 目前 至少发现两种蛋白 Src 和 Ras 是通过这种方式被锚定在质膜的细胞质面 提示这种锚定方 式与细胞从正常状态向恶性状态转化有关 19 片层结构模型 Lamella structure model 1935 年 James Danielli 和 Hugh Davson 所提出 又称或三明治式模型 该模型认为膜的 骨架是脂肪形成的脂双层结构 脂双层的内外两侧都是由一层蛋白质包被 即蛋白质 脂 蛋 白质的三层结构 内外两层的蛋白质层都非常薄 并且 蛋白层是以非折叠 完全伸展的肽 链形式包在脂双层的内外两侧 1954 年对该模型进行了修改 膜上有一些二维伸展的孔 孔的表面也是由蛋白质包被的 这样使孔具有极性 可提高水对膜的通透性 这一模型是第一次用分子术语描述的结构 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 20 单位膜模型 unit membrane model 1959 年 J D Robertson 所提出 主要是根据电子显微镜的观察 发现细胞膜是类似铁轨结 构 railroad track 两条暗线被一条明亮的带隔开 显示暗 明 暗的三层 总厚 度为 7 5 nm 中间层为 3 5 nm 内外两层各为 2 nm 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 单位膜模型是在片层结构模型的基础上发展起来的另一个重要模型 它与片层结构模型有 许多相同之处 最重要的修改是膜脂双分子层内外两侧蛋白质存在的方式不同 单位膜模 型强调的是蛋白质为单层伸展的 折叠片状 而不是球形蛋白 另外 单位膜模型还认为 膜的外侧表面的膜蛋白是糖蛋白 而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 一般在 5 10 nm 之间 其三 如果蛋白质是 伸展的 则不能解释酶的活性同构型的关系 还有 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 21 流动镶嵌模型 fluid mosaic model 1972 年 Singer 和 Nicolson 总结了当时有关膜结构模型及各种研究新技术的成就 提出 了流动镶嵌模型 认为球形膜蛋白分子以各种镶嵌形式与脂双分子层相结合 有的附在内 外表面 有的全部或部分嵌入膜中 有的贯穿膜的全层 这些大多是功能蛋白 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 第二个特点就是膜具有一 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由性和不对称性 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 后来又发现碳水化合物是以糖脂或糖蛋白的形式存在于膜的外侧表面 22 孔蛋白 porin 孔蛋白是存在于细菌质膜的外膜 线粒体和叶绿体的外膜上的通道蛋白 它们允许较大的分