细胞生物学课件

,第一章复习题,复习题1.细胞生物学的研究内容有哪几个方面、包含哪几个层次？2.简述细胞学说的主要内容。3.纵观细胞生物学发展史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？,第一章习题解析：1.简要说明细胞生物学的研究内容及其发展方向。细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的学科，其研究的对象是各种细胞及其相关的各个方面。它不仅研究细胞各个部分的结构和功能，而且研究细胞的增殖、分化、衰老与死亡、细胞信号传递等各个方面的生命活动，以及细胞的起源和进化等各种生命现象。因此，理论上讲其研究内容涵盖了细胞的各种层次和各个方面。目前，细胞生物学的发展方向有两个（1）是在分子水平上不断深入地解析细胞及其各个部分的结构和功能；（2）是在系统综合的向度上将细胞整体水平、亚细胞水平和分子水平三个方面的研究成果有机地结合起来，以动态的观点来考察细胞和细胞器的结构与功能，全面深入地解读细胞的各项生命活动。深刻性与综合性是当代细胞生物学及其进一步发展的特点。,2.简述细胞学与细胞生物学的发展历史。细胞学开始孕育于细胞的发现之时。经过200多年的资料积累，特别是19世纪上半叶，随着显微镜质量的提高和切片机的发明，细胞学说于18381839年创立，这是细胞学的第一次飞跃。到1892年，Hertwig的细胞与组织一书出版，使细胞学作为一个独立的学科正式诞生。随后又经过几十年的发展，到20世纪40年代，细胞学已发展成为一门内容丰富、学科体系比较完整的学科。然而，细胞学主要是一门描述性学科。20世纪50年代开始，电子显微镜与超薄切片技术相结合，产生了细胞超微结构学，使对细胞结构的认识得到了很大程度的更新和拓展；生物化学与细胞学的相互渗透和结合，使细胞生化得到了快速发展；70年代以来，科学家们将分子生物学的概念与技术引进了细胞学，为细胞生物学的最后形成与建立奠定了坚实的基础。目前细胞生物学与分子生物学在许多领域仍互相交汇和融合，其研究内容与范畴与生命科学的其它学科往往交错在一起，以致目前很难为细胞生物学划出一个明确范围。,3.当前细胞基本生命活动研究又那些重大问题？可大致分为以下几个方面（1）染色体DNA与蛋白质相互作用的关系-主要是非组蛋白对基因的作用；（2）细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控；（3）细胞信号转导的研究；（4）细胞结构体系的装配；（5）蛋白质的合成、分选与跨膜转运；（6）真核细胞的起源等等。4.纵观细胞生物学发展史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？从细胞的发展至今已有300多年的历史了。纵观细胞生物学的发展历史，其进步的主要原因有两点：一是仪器设备的改进和技术方法的进步，推动了学科的发展。科学的发展总是和工具的改进分不开的，每当有重大的工具和技术发明时，科学也就在孕育着重大的飞跃。细胞生物学也不例外，对细胞的观察、解剖和分析手段的发明和不断的进步，促使细胞生物学不断地向更高的水平发展。,例如，电子显微镜的发明和超薄切片技术的发展，产生了细胞超微结构学，在短短的十多年的时间里，它所积累的资料使细胞结构的知识在很大程度上得到了更新。大大深化和拓展了对细胞的认识。二是学科间的相互渗透与促进也有一定的作用。如细胞学与生化结合产生细胞化学，解读了大量的科学事实，对细胞生物学的诞生和发展起了巨大的推动作用。5.简述细胞学说的主要内容。一切生物体，包括单细胞生物、植物和动物，都是由细胞组成的。所有细胞在结构、组成上基本相似；生物体通过细胞的活动反映其功能；新细胞是由已存在的细胞分裂而来。6.简述细胞学发展的四个主要阶段。细胞学发展的四个主要阶段是：细胞的发现和细胞学说的创立、细胞学的经典时期、实验细胞学时期和细胞生物学阶段。,第二章复习题,复习题1为什么说“细胞是一切生命活动的基本单位”？2比较真核细胞与原核细胞的异同.3.简述真核细胞的基本结构体系。,第二章习题解析名词解释：亚显微结构：指在普通光学显微镜下观察不到，经电子显微镜方法处理，在电子显微镜下细胞被放大几千倍以至几十万背后所观察到的细胞结构。如高尔基体在电子显微镜下可见是由成摞的扁囊和小泡组成的细胞器。真核生物：有真核细胞构成的有机体称真核生物，分为单细胞真核生物和多核真核细胞。其细胞基本特点是：具有发达的内膜系统，典型结构的细胞核和细胞骨架系统；遗传信息量大，遗传信息系统结构复杂。真核生物的主要代表是原生动物，某些单细胞藻类和所有动植物。原核生物：由原核细胞构成的有机体称原核生物。几乎所有原核生物都由单个原核细胞构成。其基本特点是：细胞内没有分化的内膜系统和典型的细胞核结构，遗传信息量小，遗传信息载体仅为一环状DNA构成，原核生物的主要代表是细菌和蓝藻。,问答题：1.原核生物、真核生物的基本结构和基本生命活动特点及其相互之间的比较。细胞可分为原核细胞和真核细胞两大类。近年来认为原核细胞并不是统一的一大类，建议将细胞划分为原核细胞、古核细胞与真核细胞三大类。支原体是迄今发现的最小最简单的细胞，它却已具备细胞的基本结构，并且有作为生命活动基本单位存在的主要特征。原核细胞的共同特征为：没有核膜，遗传信息载体仅仅是一个裸露的环状DNA分子，除核糖体与细胞膜及其特化结构外，几乎不存在其他复杂的细胞器。将原核细胞与真核细胞进行比较，从进化与动态的观点分析，主要有两个基本差异：一是以生物膜系统的分化与演变为基础，真核细胞形成了复杂的内膜系统，构建成各种具有独立功能的细胞器，双层核膜将细胞分割为核与质两个基本部分。,二是遗传结构装置的扩增与基因表达方式的相应变化。由于上述的根本差异，真核细胞的体积也相应增大，内部结构更趋复杂化，生命活动的时间与空间的布局更为严格，细胞内部出现更精密的网架结构-细胞骨架。古核细胞的形态结构、遗传装置虽与原核细胞相似，但一些基本分子生物学特点又与真核细胞接近。真核细胞结构可以概括为三大体系（1）生物膜体系以及以生物膜为基础构件的各种独立的细胞器；（2）遗传信息表达的结构体系；（3）细胞骨架体系。此外，细胞体积达到守恒规律及其制约因素的分析，细胞的形态结构和功能的相关性与一致性，动植物细胞的差异等均是真核细胞知识的重要组成部分。,2.什么是细胞学说？细胞学说是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来的，其基本内容是：认为细胞是有机体，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；所有细胞在结构、组成上基本相似；生物体通过细胞的活动反映其功能；新细胞可以通过老的的细胞繁殖产生。近年来，对细胞学说有了更深刻的认识，比较普遍的提法是：细胞是生命的基本单位，而且认为应从以下一些角度来认识这一概念：一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位；细胞具有独立的、有序的自控答谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位；细胞是有机体生长和发育的基础；细胞是遗传的基本单位，具有遗传的全能性；没有细胞就没有完整的生命。,3.比较真核细胞和原核细胞的异同？1.都具有类似的细胞质膜结构2.都以DNA作为遗传物质，并使用相同的遗传密码3.都以一分为二的方式进行细胞分裂4.具有相同的遗传信息转录和翻译机制，有类似的核糖体结构5.代谢机制相同（如糖酵解和TCA循环）6.具有相同的化学能贮能机制，如ATP合成酶（原核位于细胞质膜上，真核位于线粒体膜上）7.光合作用机制相同（蓝细菌与植物相比较）8.膜蛋白的合成和插入机制相同9.都是通过蛋白酶体（蛋白质降解结构）降解蛋白质如古细菌与真核细胞,真核细胞特有，而原核细胞没有的特点：1.细胞分裂为核分裂和细胞质分裂，并且分开进行2.DNA和蛋白质结合压缩成染色体结构，形成有丝分裂的结构3.具有复杂的内膜系统和细胞内的膜结构4.具有特异的进行有氧呼吸的细胞器（线粒体）和光合作用的细胞器（叶绿体）5.具有复杂的骨架系统6.有复杂的鞭毛和纤毛7.具有小泡运输系统（胞吞和胞吐）8.含有纤维素的细胞壁9.利用微管形成的纺锤体进行细胞分裂和染色体分离10.每个细胞中的遗传物质成双存在，二倍体分别来自两个亲本11.通过减数分裂和受精作用进行有性生殖,6.3真核细胞的结构体系将真核细胞内的结构体系归纳起来可分为三大系统：生物膜体系、遗传信息表达体系、细胞骨架体系。,6.3.1生物膜体系以脂质及蛋白质为主要成分。真核生物在进化过程中，细胞体积不断增大，因而出现了细胞内部结构的分化，最主要的特征是以膜为基础的既独立又相互联系的膜结构系统。这些结构及细胞器包括细胞质膜、核膜、内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体和叶绿体等。生物膜体系的基本作用是为细胞提供保护。,首先，生物膜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，膜表面的扩大和区室化使这些反应有了相应的隔离，效率更高。其次，生物膜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。,A.真核细胞中有各种以膜为边界的区室。每一个区室执行着不同的功能。B.除细胞器以外，其余部分称为胞质溶胶，为细胞提供了许多重要活动的场所。,6.3.2遗传信息表达体系,以核酸和蛋白质为主要成分。遗传信息表达体系又称为颗粒纤维结构体系，包括细胞核和核糖体。细胞核中染色质是纤维结构，由DNA和组蛋白构成。染色体的一级结构是有核小体组成的串珠结构，其直径为10nm,又称为10nm纤维。核糖体是由RNA和蛋白质构成的颗粒结构，直径为1525nm，由大小两个亚基组成，它是细胞内合成蛋白质的场所。,纤维结构,颗粒结构,6.3.3细胞骨架体系,细胞骨架是以特异蛋白质分子搭建的骨架网络结构。主要分为三种：微管、微丝和中间纤维。细胞的体积虽小，但是，各种生化反应瞬息万变。为了保证细胞生命活动的有序进行，细胞必须维持立体结构，即维持细胞的一定形态，这就需要依靠细胞骨架体系。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走的功能。,一切真核细胞都有一套由蛋白质丝组成的细胞内部的构架，它不仅有助于细胞内部活动的条理化，并且是运动及形态变化的基础。,A.微管B.微丝C.中间纤维,这三种基本结构体系在细胞内部结构精密，分工明确,职能专一，从而保证了细胞生命活动具有高度程序化与高度自控性。如：内质网是生物分子合成的基地，脂类，糖类与很多蛋白质分子是在内质网表面合成的。高尔基体是合成物加工、包装和运输的细胞器。,第三章复习题,第四章复习题,名词解释生物膜脂质体内在膜蛋白外周膜蛋白去垢剂荧光漂白恢复技术膜骨架简答题流动镶嵌模型和脂筏模型的主要内容是什么？膜脂的基本成分和运动方式分别是什么？内在膜蛋白与膜脂结合的方式有哪些？生物膜的基本结构特征是什么？细胞质膜的主要功能有哪些？列举主要的红细胞膜骨架蛋白，哪些是内在膜蛋白，哪些是膜支架蛋白，如何通过实验证明？其膜骨架的基本结构与功能是什么？,生物膜：把细胞所有膜相结构称为生物膜。真核细胞内存在着由膜围绕构建的各种细胞器。各种细胞器的膜称为细胞内膜，相对于内膜，细胞质膜也称为外周膜，二者统称为生物膜。脂质体：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趋势而制备的人工膜。内在蛋白：水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。外周蛋白：为水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜表面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离。膜骨架：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。,去垢剂是一端亲水、另一端疏水的两性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂。荧光漂白恢复技术:研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。,流动镶嵌模型和脂筏模型的主要内容是什么？,流动镶嵌模型主要强调：(1)膜的流动性。蛋白质和膜脂均可侧向运动。,（2）膜蛋白分布的不对称性。有的镶嵌在脂双分子层表面，有的则全部或部分嵌入其内，有的横跨整个脂双分子层。,“脂筏模型”（lipidraftmodel）即，在膜上胆固醇富集而形成有序的脂相，如同脂筏一样载着各种蛋白。推测一个100nm大小的脂筏可载600个蛋白分子。并推测脂筏可能是在内质网上形成，然后转运到细胞膜上。并且和膜下的细胞骨架蛋白交联，形成一个有序的脂相。,膜脂的基本成分和运动方式分别是什么？,膜脂成分,磷脂：膜脂的基本成分（50以上）分为二类:甘油磷脂和鞘磷脂主要特征：具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链）（心磷脂除外）；脂肪酸碳链碳原子为偶数，多数碳链由16，18或20个组成；饱和脂肪酸（如软脂酸）及不饱和脂肪酸（如油酸）。糖脂：糖脂普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（5以下），神经细胞糖脂含量较高；胆固醇：胆固醇存在于真核细胞膜上（30%以下），细菌质膜不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂类。,运动方式,沿膜平面的侧向运动（基本运动方式），其扩散系数为10-8cm2/s；脂分子围绕轴心的自旋运动；脂分子尾部的摆动；双层脂分子之间的翻转运动，发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10-10。但在内质网膜上，新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高。,内在膜蛋白与膜脂结合的方式有哪些？,膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合脂肪酸分子，插入脂双层之间，进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力，还有少数蛋白与糖脂共价结合。,内在膜蛋白与膜脂结合的方式,生物膜的基本结构特征是什么？,生物膜基本特征与功能,膜的流动性：生物膜的基本特征之一，细胞进行生命活动的必要条件。膜的不对称性细胞质膜的基本功能,细胞质膜的主要功能有哪些？,细胞质膜的基本功能,为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排除，其中伴随着能量的传递；提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息跨膜传递；为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。,列举主要的红细胞膜骨架蛋白，哪些是内在膜蛋白，哪些是膜支架蛋白，如何通过实验证明？其膜骨架的基本结构与功能是什么？,红细胞质膜蛋白及膜骨架,红细胞质膜蛋白的SDS-PAGE红细胞膜骨架的结构膜骨架蛋白：血影蛋白、肌动蛋白、带4.1蛋白、锚蛋白等；膜蛋白：带3蛋白、血型糖蛋白。血影蛋白以四聚体形式存在，与肌动蛋白纤维（13个肌动蛋白单体+1个原肌球蛋白分子）相连，形成网络状的膜骨架结构。带4.1蛋白和adducin（内收蛋白）加强血影蛋白和肌动蛋白的结合。带4.1蛋白还可与血型糖蛋白或带3蛋白结合。锚蛋白通过与血影蛋白和带3蛋白作用负责膜骨架网络与细胞质膜之间的连接。红细胞质膜的刚性和韧性主要由质膜蛋白与膜骨架复合体的相互作用实现，但其双凹形圆盘结构的形成还需要其他骨架纤维参与。,第五章复习题,作业题,名词解释载体蛋白通道蛋白主动运输被动运输简单扩散协助扩散水孔蛋白协同转运静息电位动作电位极化去极化超极化胞吞作用胞吐作用,载体蛋白（carrierprotein）又称做载体（carrier）、通透酶（permease）或转运器（transporter）。是普遍存在、多次跨膜的蛋白质分子。通道蛋白（channelprotein）是横跨质膜的亲水性通道，由它所介导的跨膜运通道输不需要与溶质分子结合，因为这些通道蛋白几乎都与离子的转运有关，故又称离子通道。被动运输是指物质顺浓度梯度由高浓度向低浓度方向的跨膜转运，运动的动力来自物质的浓度梯度，不需要由细胞提供代谢能量。被动运输通过简单扩散或协助扩散实现，在协助扩散中，参与被动运输的膜转运蛋白有通道蛋白和载体蛋白两种。,主动运输：经过多年的研究认为：细胞具有逆浓度梯度运输物质的能力，即在这种运输中，细胞膜不仅起被动的屏障作用，而且还有主动运输的作用。主动运输和协助扩散一样需要有载体蛋白参加，不同的是还需要消耗代谢能（ATP）。细胞膜的这种利用代谢能来驱动物质的逆浓度梯度方向的运输，称为主动运输。简单扩散：也叫自由扩散（freediffusing），是指物质从高浓度向低浓度的穿膜运动，不需要消耗细胞本身的代谢能，也不需要专一的膜蛋白分子协助。简单扩散是一种最简单的运输方式，只要物质在膜两侧保持一定的浓度差，即可发生这种运输。协助扩散：也称促进扩散（faciliatieddiffusion），是借助于膜转运蛋白进出细胞的被动运输方式。有些物质尽管在膜两侧存在浓度差，但还必须借助细胞膜上的转运蛋白的帮助才能通过细胞膜。凡是借助于跨膜蛋白并顺浓度梯度进行物质运输而不消耗代谢能的方式称为协助扩散。大多数代谢所需的物质，尤其是不溶于脂类的物质，如糖、氨基酸、金属离子等都以这种方式进行运输。,水孔蛋白：内在膜蛋白，由4个亚基组成四聚体，每个亚基由6个跨膜螺旋组成，单独形成一个供水分子运动的中央孔，孔的直径稍大于水分子直径，只容许水而不容许离子或其他小分子溶质通过。协同转运：由Na+-K+泵（或H+-泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。分为同向转运和反向转运,细胞质膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和叫膜电位。细胞在静息状态下的膜电位称静息电位，在刺激作用下快速变化的膜电位称动作电位。极化与去极化细胞在静息状态下，质膜内外存在内负、外正的相对稳定的电位差，这种现象称为极化。在多数细胞中，极化状态主要由Na+在膜两侧的不同浓度分布所决定（胞外Na+多）。当细胞膜受到的刺激信号超过一定的阈值时，会引起膜对Na+的通透性的大幅度增加，在瞬间有大量Na+流入细胞内，使静息膜电位减少甚至消失，这种现象就称为质膜的去极化。,反极化：当细胞内Na+进一步增加达到Na+平衡电位，形成瞬间的内正外负的动作电位，称为质膜的反极化，动作电位随即达到最大值。只有达到一定的刺激阈值，动作电位才出现，是一种“全或无”的正反馈阈值。超极化：在Na+大量进入细胞时，K+通透性也逐渐增加，随着动作电位的出现，Na+通道从失活到关闭，电压门K+通道完全打开，K+流出细胞使质膜再度极化，以致超过原来的静息电位，此时称为超极化。超极化时膜电位使K+通道关闭，膜电位又慢慢恢复至静息状态。胞吞作用：通过细胞质膜内陷形成囊泡（胞吞泡），将外界物质裹进并输入细胞的过程。胞吐作用：与胞吞作用相反，是将细胞内的分泌泡或其他膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。,作业题,简答题比较载体蛋白和通道蛋白的特点。比较主动运输与被动运输的特点及其生物学意义。比较小分子物质运输和大分子物质运输的区别。简述Na+-K+泵的工作原理及其生物学意义。以肝细胞吸取LDL为例说明受体介导的胞吞作用。比较组成型胞吐途径和调节型胞吐途径的特点及其生物学意义。,比较载体蛋白和通道蛋白的特点。通道蛋白与载体蛋白相比，具有3个特征：（1）极高的转运速率；（2）没有饱和值；（3）并非连续性开放而是门控的。,比较主动运输与被动运输的特点及其生物学意义。,被动运输（passivetransport）,是指物质顺浓度梯度由高浓度向低浓度方向的跨膜转运，运动的动力来自物质的浓度梯度，不需要由细胞提供代谢能量。被动运输通过简单扩散或协助扩散实现，在协助扩散中，参与被动运输的膜转运蛋白有通道蛋白和载体蛋白两种。类型：简单扩散（simplediffusion）水孔蛋白（aquaporin，AQP）协助扩散（facilitateddiffusion）,简单扩散,也叫自由扩散（freediffusing），是指物质从高浓度向低浓度的穿膜运动，不需要消耗细胞本身的代谢能，也不需要专一的膜蛋白分子协助。简单扩散是一种最简单的运输方式，只要物质在膜两侧保持一定的浓度差，即可发生这种运输。,运输特点是：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。某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数（D）来计算：P=KD/t，t为膜的厚度。,各种分子通过人工脂双层的通透系数,高通透性,低通透性,扩散速率根据分子的大小和溶解度有极其明显的差异。通常，分子越小，而且在油中溶解度越大，则分子扩散通过屏障越迅速，因此：1.小的非极性分子O2、CO2、2容易溶解在脂双层中，很快通过脂双层。2.不带电荷的极性分子，如果它们很小，如水（分子量18）也可迅速通过。,3.大的不带电荷的极性分子有的扩散速度要慢，有的如葡萄糖（分子量180）几乎全然不能扩散穿过脂双层。4.相比之下，不管所有离子和带电分子怎样小，脂双层对它们都高度不通透。离子、葡萄糖、核苷酸等物质有的是通过质膜上的运输蛋白的协助，按浓度梯度协助扩散进入质膜的，有的则主要是通过主动运输。,水孔蛋白,水分子可通过简单扩散缓慢地穿过生物膜，但对于某些组织和特殊功能，水分子的快速跨膜运动非常重要水孔蛋白。内在膜蛋白，由4个亚基组成四聚体，每个亚基由6个跨膜螺旋组成，单独形成一个供水分子运动的中央孔，孔的直径稍大于水分子直径，只容许水而不容许离子或其他小分子溶质通过。水孔蛋白严格的选择性源于通道内高度保守的氨基酸残基（Arg、His、Asp）侧链与通过的水分子形成氢键，其次源于非常狭窄的孔径。,协助扩散,也称促进扩散（faciliatieddiffusion），是借助于膜转运蛋白进出细胞的被动运输方式。有些物质尽管在膜两侧存在浓度差，但还必须借助细胞膜上的转运蛋白的帮助才能通过细胞膜。凡是借助于跨膜蛋白并顺浓度梯度进行物质运输而不消耗代谢能的方式称为协助扩散。大多数代谢所需的物质，尤其是不溶于脂类的物质，如糖、氨基酸、金属离子等都以这种方式进行运输。,运输特点是：比简单扩散转运速率高；存在最大转运速率；在一定限度内，运输速率同物质浓度成正比。如超过一定限度，浓度再增加，运输也不再增加。这是因为膜上载体蛋白的结合位点已达饱和；有特异性，即与特定溶质结合。,简单扩散与协助扩散的比较,主动运输（activetransport）,有些离子在细胞内外的浓度差别很大。如：人红细胞内与血浆中Na+浓度比为1：101：30。红细胞内与血浆中K+浓度之比约为10：130：1。这么大差异K+仍能由血浆进入细胞内，而Na+能由细胞内透到血浆中。上述这些明显的浓度差异的形成和维持，不能用被动运输的机制来解释。经过多年的研究认为：细胞具有逆浓度梯度运输物质的能力，即在这种运输中，细胞膜不仅起被动的屏障作用，而且还有主动运输的作用。主动运输和协助扩散一样需要有载体蛋白参加，不同的是还需要消耗代谢能（ATP）。细胞膜的这种利用代谢能来驱动物质的逆浓度梯度方向的运输，称为主动运输。,主动运输（activetransport）,特点：逆浓度梯度或电化学势梯度运输；依赖于膜转运蛋白（载体蛋白）；需要代谢能（由ATP水解直接提供能量）或与释放能量的过程相偶联（协同运输）并对代谢毒性敏感；具有选择性和特异性。被动与主动运输的比较,主动运输（activetransport）,类型：三种基本类型ATP驱动泵：直接利用水解ATP提供的能量，实现离子或小分子逆浓度梯度或电化学梯度跨膜运动。耦联转运蛋白：又称协同转运蛋白，同时转运两种不同溶质，所利用的能量储存在其中一种溶质的电化学梯度中。使一种离子或分子逆浓度梯度的运动与一种或多种离子顺浓度梯度的运动耦联。光驱动泵：对溶质的主动运输与光能的输入耦联，主要在细菌细胞中存在。,主动运输（activetransport）,意义：1）保证细胞或细胞器从周围环境中或表面摄取必要的营养物质，即使这些营养物质在周围环境中或表面的浓度低；2）能够将细胞内的各种物质，如分泌物、代谢物以及一些离子排到细胞外，即使这些营养物质在细胞外的浓度比细胞内的浓度高得多；3）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+、Ca2+和H+的浓度。,比较小分子物质运输和大分子物质运输的区别。,各种分子通过人工脂双层的通透系数,高通透性,低通透性,扩散速率根据分子的大小和溶解度有极其明显的差异。通常，分子越小，而且在油中溶解度越大，则分子扩散通过屏障越迅速，因此：1.小的非极性分子O2、CO2、2容易溶解在脂双层中，很快通过脂双层。2.不带电荷的极性分子，如果它们很小，如水（分子量18）也可迅速通过。,3.大的不带电荷的极性分子有的扩散速度要慢，有的如葡萄糖（分子量180）几乎全然不能扩散穿过脂双层。4.相比之下，不管所有离子和带电分子怎样小，脂双层对它们都高度不通透。离子、葡萄糖、核苷酸等物质有的是通过质膜上的运输蛋白的协助，按浓度梯度协助扩散进入质膜的，有的则主要是通过主动运输。,简述Na+-K+泵的工作原理及其生物学意义。,（一）钠钾泵（Na+-K+Pump)（结构与机制）Na+-K+泵具有ATP酶活性，又称Na+-K+ATP酶。是膜中的内在蛋白。这种载体蛋白在动物细胞的能量转换中起主要作用，它通过水解ATP不停的排出Na+以保持胞质溶胶中的Na+浓度为胞外液体中的1/301/10，而K+的浓度比胞外液体中的高1030倍。在正常条件下，大多数的细胞内相当于胞外呈负电位，这样阳离子趋向于被吸引进细胞。因此，Na+得到很大的向内电化学驱动力，并且是由浓度梯度产生的驱动力和电位梯度产生的同向驱动力的总和（电化学梯度）。它可以逆浓度梯度把细胞内Na+泵出细胞外，同时又把细胞外的K+泵入细胞内，建立细胞的电化学梯度。,Na+-K+ATP酶由2个亚单位构成，大亚单位为跨膜的催化亚单位（分子量为120KD）；小的亚单位为糖蛋白（分子量为55KD）。在催化亚单位的细胞质侧有Na+和ATP结合部位，外侧面有K+和乌本苷（Na+-K+泵抑制剂）的结合部位，它可反复进行磷酸化和去磷酸化，由此逆浓度梯度将Na+排除细胞外，将K+泵入细胞内。每个循环消耗一个ATP分子，泵出3个Na+和泵进2个K+。,K+与乌本苷的结合部位,胞内Na+结合部位,应用乌本苷以及抑制生物氧化的药物都能抑制Na+-K+泵，乌本苷能与Na+-K+ATP酶结合，影响K+与ATP酶特异结合点结合，使Na+-K+泵失去作用。Mg2+和少量膜脂有助于Na+-K+泵活性的提高。另外，生物氧化剂如氰化物能使ATP供应中断，Na+-K+泵失去能源以致停止工作。,在动物细胞膜上存在大量的Na+-K+泵，一般的动物细胞要消耗1/3的总ATP来维持细胞内低Na+高K+的离子环境，神经细胞要消耗2/3总ATP。这种特殊离子环境的维持有很重要的生理意义：a.形成跨膜电势。由于K+由内向外泄露建立跨膜电势，对电压门通道，神经冲动起传递作用。b.维持渗透压。细胞内生物大分子物质水解，产生电离，带负电荷，从而吸引胞外Na+进入；细胞内Na+升高后，使水分进入细胞，由此引起细胞的膨胀，然后再通过Na+-K+泵，泵出Na+，维持渗透压。c.可以协助其它物质运输。,以肝细胞吸取LDL为例说明受体介导的胞吞作用,一个重要的例子是动物细胞通过受体介导的胞吞作用摄入合成细胞膜所需的大部分胆固醇。由于胆固醇是脂溶性物质，血中胆固醇多以胆固醇复合体形式存在和运输，这个复合体称为低密度脂蛋白，简称LDL。当动物细胞需要胆固醇进行细胞膜合成或合成类固醇激素时，它就产生LDL受体蛋白并插入于质膜内。这些受体蛋白能自发地与有被小窝结合。（图）,比较组成型胞吐途径和调节型胞吐途径的特点及其生物学意义,胞吐作用,组成型的外排途径（constitutiveexocytosispathway）所有真核细胞连续分泌过程用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子）蛋白质转运过程：除某些有特殊标志的驻留蛋白和调节型分泌泡外，其余蛋白的转运途径：粗面内质网高尔基体分泌泡细胞表面。,胞吐作用,调节型外排途径（regulatedexocytosispathway）特化的分泌细胞需要胞外信号刺激储存刺激释放产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）具有共同的分选机制，分选信号存在于蛋白本身，分选主要由高尔基体TGN上的受体类蛋白来决定。,第六章复习题,作业题,名词解释嵴基粒ATP合成酶电子呼吸链氧化磷酸化简答题1.简述线粒体的结构特征。2.简述线粒体嵴上的基粒的结构和功能。3.试述线粒体的氧化磷酸化耦联机制的化学渗透假说的主要论点是什么？有哪些证据？4.由核基因编码、在细胞质核糖体上合成的蛋白质是如何运送至线粒体的功能部位上的？5.为何说线粒体是半自主性细胞器？6.简述线粒体起源的两种学说。,内膜向线粒体内室褶叠形成嵴（cristae），从而增加了内膜的表面积，例如：一般肝细胞内有300个线粒体，线粒体内膜表面积为质膜的17倍，提高了内膜的功能，即合成ATP的效率。嵴上有许多带柄的颗粒，称为基粒ATP合酶(ATPsynthase)广泛分布于线粒体内膜，叶绿体类囊体，异养菌和光合菌的质膜上，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合成ATP。分子结构由突出于膜外的F1亲水头部和嵌入膜内的Fo疏水尾部组成。在线粒体内膜上存在传递电子的一组酶的复合体，由一系列能可逆地接受和释放电子或H+的化学物质组成，它们在内膜上相互关联地有序排列成传递链，称为电子传递链或呼吸链，当电子从还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）或黄素腺嘌呤二核苷酸（FADH2）经呼吸链将氢传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化形成ATP，这一过程称为氧化磷酸化,简述线粒体的结构特征,外膜,内膜,基质,膜间隙,嵴,基粒,核糖体,膜间隙,核糖体,颗粒,基质,DNA,ATP合成酶,外膜,内膜,嵴,大量扩增的内膜不仅为线粒体的氧化磷酸化反应提供了结构框架，而且，它围成了一个包含能催化细胞其它生命化学反应的多种酶的内腔（基质）。因此，内膜在能量转换功能中起着主要作用。,孔蛋白,肽聚糖,1.外膜：首先线粒体外面有一层光滑有弹性的外膜，厚约6nm。外膜中蛋白质和脂质各占50%。用磷钨酸负染时，可观察到外膜上有排列整齐的筒状圆柱体，高56nm，直径6nm，其成份为孔蛋白，圆柱体中心是一直,径为23nm的小孔，即内部通道。孔蛋白通道并非一个静态结构，可对细胞的不同状态做出反应，从而可逆的关闭。通道完全打开时，分子量小于5kDa的分子及质子（H+）都可自由通过。由于这种高通透性，使得膜间隙中的环境几乎与胞质溶胶相似。,2.内膜：内膜是线粒体真正的功能基础膜，厚约68nm。内膜有很高的蛋白质/脂质比（质量比3：1），缺乏胆固醇，富含心磷脂。内膜具有高度不通透性，物质的进出必须由膜蛋白运送，这种高度不透性对建立质子电化学梯度，驱动ATP合成起重要作用。内膜向线粒体内室褶叠形成嵴（cristae），从而增加了内膜的表面积，例如：一般肝细胞内有300个线粒体，线粒体内膜表面积为质膜的17倍，提高了内膜的功能，即合成ATP的效率。嵴上有许多带柄的颗粒，称为基粒。估计每个线粒体约有104105个基粒。基粒由头部和基部组成。头部又称F1，为球形，直径9nm，基部又称F0，嵌入线粒体内膜。内膜的标志酶是细胞色素氧化酶。,基粒ATP合成酶,基粒也称为F0F1ATP酶复合体，是一个多组分的复合物，在结构上分为两部分即：头部和基部。嵌入内膜的基部称为F0，由疏水蛋白质组成，有a、b、c3种亚基，是H+质子载体。球状的F1头部为水溶性球蛋白，从内膜突出于基质内，容易从膜上脱落。由9个亚基组成，和均具有核苷酸结,头部,基部,合位点，其中具有催化ATP合成或水解的活性。和有很强的亲和力，结合在一起形成“转子”，位于33的中央，共同旋转以调节三个亚基的催化位点的开放和关闭。,3.膜间腔（膜间隙）由内膜和外膜共同围成，宽6-8nm，内含许多可溶性酶、底物和辅助因子。嵴的两层膜之间的空隙称为嵴内隙，与膜间腔相通。腺苷酸激酶是膜间隙的标志酶。4.基质腔或内室是指内膜包围的嵴外空间。内含多种物质，如各种蛋白质、脂类和多种酶，包括催化三羧酸循环、丙酮酸氧化以及DNA、RNA和蛋白质合成所需要的酶等。基质中还存在一些电子致密的基质颗粒，内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子。此外，基质中还含有线粒体的遗传系统，包括特有的环形封闭超螺旋的DNA分子，70S核糖体等。,简述线粒体嵴上的基粒的结构和功能。,基粒ATP合成酶,基粒也称为F0F1ATP酶复合体，是一个多组分的复合物，在结构上分为两部分即：头部和基部。嵌入内膜的基部称为F0，由疏水蛋白质组成，有a、b、c3种亚基，是H+质子载体。球状的F1头部为水溶性球蛋白，从内膜突出于基质内，容易从膜上脱落。由9个亚基组成，和均具有核苷酸结,头部,基部,合位点，其中具有催化ATP合成或水解的活性。和有很强的亲和力，结合在一起形成“转子”，位于33的中央，共同旋转以调节三个亚基的催化位点的开放和关闭。,试述线粒体的氧化磷酸化耦联机制的化学渗透假说的主要论点是什么？有哪些证据？,化学渗透假说认为，线粒体内膜中的呼吸链起着质子泵的作用。NADH和FADH2的氢原子具有高能电子，当高能电子沿,呼吸链从一个复合物传递至另一个复合物时，释放的能量使质子（H+）通过质子泵从线粒体内膜的基质侧泵至膜间腔。因为内膜对H+不能自由通透，因此在内膜两侧形成电化学质子梯度，膜内（基质）侧（-），膜（间腔）外侧（+），在电化学梯度中蕴藏了能量。泵出的H+有顺浓度差返回基质的趋向，当它们通过ATP酶复合体中的质子通道进入基质时，ATP酶利用电化学质子梯度的能量催化ADP与Pi合成ATP，使释放的能量以高能磷酸键的形式储存于ATP中。,化学渗透假说图解,支持化学渗透假说的实验证据,细菌视紫红质和线粒体的ATP合成酶共同组装在脂质体内，经光照由光能产生质子梯度，促使ATP合成。,这两个实验表明：（1）质子动力势乃ATP合成的动力；（2）膜应具有完整性；（3）电子传递与ATP合成是两件相关而又不同的事件。,解耦联剂二硝基苯（毒素）可作为质子的穿梭载体,说明线粒体内膜的完整性和对质子的高度不通透性是其功能所必须的。,化学渗透假说的最大特点是强调了膜结构的完整性，如果膜不完整，H+能自由出入，则无法形成线粒体内膜两侧的电化学质子梯度，那么氧化磷酸化就会解偶联。一些解偶联试剂的作用就在于使膜具有对H+通透的性质。,由核基因编码、在细胞质核糖体上合成的蛋白质是如何运送至线粒体的功能部位上的？,核编码线粒体蛋白质的运送与组装,1.是什么信号指引蛋白质进入线粒体？2.蛋白质合成后是折叠状态的，它以什么状态进入线粒体？3.定位到细胞质基质的蛋白怎样跨越线粒体的双层膜？,进入线粒体膜的蛋白质在运输之前大多数以前体蛋白形式存在，即在蛋白质多肽链N-端引伸出一段肽链，这段肽链分子含2080个氨基酸残基，称为导肽。各种导肽不仅长度不一，而且所带的信息量也有差异。不同导肽所含信息量不同可使不同的线粒体蛋白质运送至线粒体的不同部位，有的运至基质，有的运至内膜或膜间腔。导肽有两性分子性质（既有亲水又有疏水部分），能形成两性分子的螺旋样结构，这种结构特征有利于穿越线粒体的双层膜。,导肽的特性：,1.富含带正电荷的氨基酸（特别是精氨酸含量丰富）；2.不含或几乎不含带负电的氨基酸；3.羟基氨基酸含量丰富，特别是丝氨酸含量高；4.可形成既具亲水性又具疏水性的-螺旋结构。,嵌合蛋白实验发现导肽还有一个特性：,导肽对其后面引导的蛋白没有特别要求。,含导肽的前体蛋白在跨膜运输时，首先被线粒体表面受体识别，同时还需要位于外膜上的GIP（generalinsertionprotein）蛋白的参与，GIP蛋白能在线粒体内外膜之间形成接触点，从而促进线粒体前体蛋白从内外膜的接触点通过内膜。,示由GIP蛋白参与形成的接触点,前体蛋白在跨膜运输之前解折叠为松散的结构，以利于跨膜运输。通过内膜之后，其导肽即被线粒体基质中的酶水解除去，蛋白质重新卷曲折叠，形成成熟的蛋白质，它不能再通过膜。跨膜转运的蛋白质在解折叠和重折叠的过程中都需要某些被称为“分子伴侣”的分子参与。分子伴侣具有解折叠酶的功能，并能识别蛋白质折叠后暴露出的疏水面并与之结合，防止相互作用产生凝聚或错误折叠，同时还参与蛋白质跨膜运送后分子的重折叠及组装过程。,导肽,前体蛋白,前体蛋白解折叠,需GIP蛋白,分子伴侣,蛋白质重折叠/组装,成熟蛋白,线粒体加工肽酶,定位于线粒体基质的蛋白质的运送,定位于线粒体外膜上的蛋白质，一般不含有特殊的导肽，其N-末端的氨基酸序列即具有导肽的功能，可使其直接定位于外膜上。在细胞质基质与线粒体之间蛋白质的转运是单向的，一些线粒体特异蛋白质只从细胞质基质输送到线粒体，而线粒体不输出蛋白质。另外，线粒体与细胞质基质之间没有DNA和RNA分子的交换，如果线粒体遗失了它们的遗传系统，细胞就无法为之补偿。,为何说线粒体是半自主性细胞器？,第二节线粒体的半自主性,1960年以前，普遍认为DNA只存在于细胞核中。1963年M.Nass和S.Nass在鸡胚肝细胞线粒体中发现DNA。1964年Luck等从红色面包酶的线粒体中分离出DNA，后来从许多动、植物细胞线粒体中也分离出DNA。进一步研究发现，线粒体中还有各种RNA（mRNA、tRNA、rRNA）、DNA聚合酶、RNA聚合酶、氨基酸活化酶及核糖体，表明线粒体具有自我繁殖所必需的基本组分。迄今已知，线粒体DNA分子能自我复制，并编码线粒体的部分蛋白质。但是，构成线粒体大部分蛋白质仍需要依赖细胞核基因编码，所以，线粒体具有一定的自主性，但自主性是有限的。,6.简述线粒体起源的两种学说。,二、线粒体的起源线粒体的起源主要有两种截然相反的观点，即内共生起源学说和非共生起源学说。两个学说各有其实验证据和支持者。,（一）内共生起源学说1918年Porteir和1922年Wallin明确提出线粒体来自细胞内共生的细菌。1970年，Margulis提出线粒体的祖先原线粒体是一种革兰氏阴性细菌。当这种细菌被原始真核细胞吞噬后，即与宿主细胞形成互利的共生关系，原始真核细胞利用这种细菌获得充分能量，而细菌从宿主细胞获得更多的生存条件。,内共生起源学说认为线粒体来源于细菌，即细菌被真核生物吞噬后，在长期的内共生过程中，通过演变，形成了线粒体。该学说认为：线粒体祖先原始线粒体（一种可进行三羧酸循环和电子传递的革兰氏阴性菌）被原始真核生物吞噬后与宿主细胞间形成互利的共生关系，在长期的进化过程中，演化为线粒体。,内共生学说的主要论据,线粒体基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。线粒体有自己完整的蛋白质合成系统，能独立合成蛋白质，蛋白质合成机制有很多类似细菌而不同于真核生物。（真核起始于甲硫氨基酸，而细菌起始于N-甲酰甲硫氨基酸）两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统相似，可与内质网和高尔基体膜相通，内膜与细菌质膜相似。以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同。能在异源细胞内长期生存，说明线粒体具有的自主性与共生性的特征。,（二）非共生起源学说,主要内容：真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好氧细菌。成功之处：解释了真核细胞核被膜的形成与演化的渐进过程。,又称细胞内分化学说。认为线粒体的发生是质膜内陷的结果。有几种模型，其中一种模型认为，在进化的最初阶段，原核细胞基因组进行复制，并不伴有细胞分裂，而是在基因组附近的质膜内陷形成双层膜，将分离的基因组包围在其中，从而形成结构相似的原始的细胞核和线粒体、叶绿体等细胞器。后来在进化过程中，增强分化，核膜失去了呼吸和光合作用，线粒体分化成细胞的呼吸器官。,第七章复习题,复习题,一、名词解释胞质溶胶细胞质基质内膜系统微粒体粗面内质网TGNCGN分子伴侣共翻译转运翻译后转运信号肽导肽信号假说,用差速离心分离细胞匀浆物组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的主要是细胞质基质成分。生物化学家称之为胞质溶胶（cytosol）。在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质称为细胞质基质。细胞内膜系统（endomembranesystem）是指在结构、功能乃至发生上相关的，由膜包被的细胞器或细胞结构。主要包括：内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。,内质网断裂后形成许多封闭小泡，称为微粒体，其直径约100nm，仍保持着内质网的部分基本特征，是研究内质网的理想材料。粗面内质网是内质网与核糖体共同构成的复合结构。高尔基体的TGN区是网格蛋白有被小泡形成的发源地，负责蛋白质从高尔基体的TGN向质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输。另外，在受体介导的细胞内吞途径中也负责将物质从质膜运往细胞质，以及从胞内体到溶酶体的运输。CGN：高尔基体顺面膜囊获顺面网状结构，位于高尔基体顺面最外侧的顺面膜囊。呈中间多空而连续分支装的网状结构，与内质网膜厚度接近，接受来自内质网新和成的物质并将其分类后大部分转入高尔基体中间膜囊，少部分蛋白质脂质再返回内质网,具有解折叠酶的功能，能识别蛋白质解折叠之后暴露出的疏水面并与之结合，防止相互作用产生凝聚或错误折叠，同时还参与蛋白质跨膜运送后分子重折叠以及装配过程。这一类分子本身并不参与最终产物的形成，因此称为分子“伴侣”。信号肽序列是分泌蛋白进入分泌途径所必须的：分泌蛋白去除信号肽序列则不能进入分泌途径，胞质蛋白N端连接上信号肽序列并与内质网膜的某种受体结合才可分泌到细胞外，这种转运称为共翻译转运。蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中，称翻译后转运在细胞质基质中的游离核糖体上，由信号密码翻译出一段由626个疏水氨基酸组成的肽链，叫信号肽。,线粒体、叶绿体中绝大多数蛋白质以及过氧化物媒体中的蛋白质也是在某种信号序列的指导下进入这些细胞器中。这种信号序列称为导肽。1975年，G.Blobel和D.Sabatini等根据进一步实验依据，提出了信号假说（signalhypothesis），即分泌蛋白N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网上合成，在蛋白质合成结束之前信号肽被切除。,复习题,二、简答题1简述细胞质基质的主要功能。2什么是内膜系统？它包括哪些细胞器？3比较粗面内质网和光面内质网的形态结构与功能。4简述高尔基复合体的超微结构和功能。5溶酶体分为几类，各有何特点？6简述溶酶体的功能。7简述过氧化物酶体的功能。,复习题,8论述蛋白质合成的信号肽假说。9简要说明细胞内蛋白质运输的3个基本途径，并说明分选信号如何指导蛋白质的运输。10在rER上蛋白质合成后从ER运输至高尔基体，并从高尔基体到细胞表面或其他部位都是通过运输囊泡进行的。为什么ER驻留蛋白被排出到运输囊泡后会被遣返回ER？,1,简述细胞质基质的主要功能。,完成各种中间代谢过程如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等。与细胞质骨架相关的功能维持细胞形态、运动、胞内物质运输及能量传递等。蛋