《细胞生物学》全套教学课件

Chapter1INTRODUCTION第一章绪论第1章绪论第2章细胞生物学的研究方法第3章细胞的基本概念第4章细胞质膜第5章物质跨膜运输第6章细胞的能量转换第7章细胞质基质与内膜系统第8章信号传导第9章细胞骨架与细胞运动第10章间期细胞核和染色体第11章细胞分裂与细胞周期第12章细胞分化第13章细胞凋亡第14章细胞连接和细胞外基质全套可编辑PPT课件第2节细胞生物学的发展简史第1节

细胞生物学的研究对象、内容和范围本章讲授提纲第3节

细胞生物学的研究进展Aristotle(384-322B.C.):“Allanimalsandplants,howevercomplicated,areconstitutedofafewelementswhicharerepeatedineachofthem.”生物界有4

106种生物，其形态结构和生命活动各不相同。它们有无一个共同的基本结构单位呢？第一节细胞生物学的研究对象、内容和范围elements

植物：根、茎、叶等；动物：体节、器官等一、研究对象细胞是一切生物的基本结构单位，它是由膜围成的能独立进行生长繁殖的原生质团。第一节研究对象、内容和范围

E.B.Wilson(1925):“每一个生物科学问题的答案都必须到细胞中去寻找！”研究和揭示细胞基本生命活动规律的科学，从显微、亚显微和分子水平上研究细胞的结构和功能，细胞增殖、分化、代谢、运动、衰老、死亡，以及细胞信号转导基因表达与调控，细胞起源与进化等重大生命过程。细胞生物学的定义细胞生物学她们均须从细胞水平上来阐明各自研究领域中生命现象的机理!!细胞研究对象生理学解剖学遗传学免疫学组织胚胎学发育生物学分子生物学生物化学动物学植物学微生物学基因组学蛋白质组学生态学第一节研究对象、内容和范围研究细胞结构和生命活动规律在生命科学中占居核心地位相互促进相互渗透相互汇融相互促进相互渗透相互汇融其他兄弟学科细胞生物学生物化学细胞化学(Cytochemistry)可以毫不夸张地说：脱离开细胞，现代生物学的所有分支学科都将失去意义

！第一节研究对象、内容和范围细胞生理学(Cytophysiology)生理学细胞遗传学(Cytogenetics)遗传学CellBiologyRevealstheSize,Shape,andLocationofCellComponentsBiochemistryRevealstheMolecularStructureandChemistryofPurifiedCellConstituentsGeneticsRevealstheConsequencesofDamagedGenesGenomics

RevealsDifferencesintheStructureandExpressionofEntireGenomesDevelopmentalBiologyRevealsChangesinthePropertiesofCellsasTheySpecialize二、研究内容及其范围细胞生物学的研究内容与范围不仅涉及到生命现象的各个方面，如生理、生化、遗传、应激、运动等。它不仅仅是孤立地研究一个个的细胞器和生物大分子，而是研究它们之间的变化过程、它们之间的相互关系以及它们与生存环境之间的相互关系。而且把各种生命现象及其机理同细胞的各级结构联系起来加以阐述。第一节研究对象、内容和范围主要内容

细胞核、染色体以及基因表达的研究

生物膜与细胞器的研究

细胞骨架体系的研究

细胞信号转导

细胞增殖及其调控

细胞分化及干细胞生物学

细胞死亡

细胞的衰老与凋亡

细胞的起源与进化

细胞工程第二节分子细胞生物学的发展简史四、实验细胞学与细胞学的分支及其发展三、细胞学的经典时期一、细胞的发现二、细胞学说的建立及其意义五、细胞生物学学科的组成与发展一、细胞的发现一般，细胞非常微小（动物细胞为10~20

m，植物细胞为20~30

m，支原体最小仅为0.1

m），肉眼(0.1~0.2mm)无法看到。因此，细胞的发现必须依靠放大工具！光镜电镜第二节分子细胞生物学的发展简史1.1604年,

H&Z.Janssen荷兰眼镜商10~30

1604年,Janssen父子设计的放大镜只能用来观察跳蚤等一些小的昆虫第二节分子细胞生物学的发展简史镜筒长约46cm双凸透镜自然光光源——“跳蚤镜”他在此所用的“cell”一词实际上是指由植物细胞壁所围成的空腔，并无现代的“细胞”涵义。在Hooke开始使用“cell”一词后的一百多年中，学者们一直把注意力集中到细胞壁上，而对完整细胞内部的观察没有任何进展。R.Hooke在书中使用“cell”一词来表示所观察到的空洞。第二节分子细胞生物学的发展简史2.1665年：RobertHooke3.1671年,

A.V.Leeuwenhoek(荷兰):270~500

布店学徒：为检查布的质量，才开始磨制显微镜他用自制显微镜观察到了池塘水中的原生动物,

人和哺乳动物的精子，也看到了鲑鱼红细胞的核,还看到了细菌。甚至对一些细胞的大小也进行了测量。第二节分子细胞生物学的发展简史他是历史上第一个观察到活细胞的人！1838年，德国植物学家M.Schleidon根据自己的观察，论证了所有的植物体都是由细胞组合而成的。1839年，德国动物学家T.Schwann认为，动物体也是由细胞所组成。T.Schwann总结了前人的工作，正式提出了细胞学说(CellTheory)，肯定了一切生物体均由细胞组成。第二节分子细胞生物学的发展简史二、细胞学说的创立及其意义1858年，德国病理学家R.Virchow明确指出：“新细胞来自原有的细胞”。完善“细胞学说”。第二节分子细胞生物学的发展简史⑴细胞是多细胞生物的最小结构单位，而原生生物本身即是一个细胞单位；⑵多细胞生物的每一个细胞即是一个活动单位，执行特定的功能；⑶细胞只能由原有细胞分裂而来。解剖学家Purkinje(1840)和VonMohl把细胞的内容物称为原生质(protoplasm)。1861年MaxSchultze认为，动/植物细胞中的肉样质与原生质实质上是同一种物质。1892年O.Hertiwig把这一理论称之为“原生质学说”细胞的基本概念就这样初步形成了，“细胞是有膜包围的原生质团”。第二节分子细胞生物学的发展简史三、细胞学的经典时期（一）原生质理论的提出（二）细胞分裂的研究1841年，R.Remak发现鸡胚血细胞的直接分裂W.Flemming在动物细胞E.Strasburger在植物细胞发现有丝分裂（三）细胞器的发现1893年，发现中心体（VanBeneden

和T.Boveri1894年，发现线粒体（R.Altmann）1898年，发现高尔基体（C.Golgi）1925年该书的第三版中发表了E.B.Wilson绘制的一幅细胞模式图。这幅模式图反映了光学时代对细胞结构的认识水平，是细胞学史上的第一个具有代表意义的细胞模型第一幅细胞模式图第二节分子细胞生物学的发展简史图中描绘的细胞含有核、核仁、染色丝、中心粒、质体、高尔基体、液泡和油滴等四、实验细胞学与细胞学的分支及其发展（一）细胞遗传学Hertewig、E.Strasburger和1893年Overton发现动植物的受精现象，证明生殖细胞染色体数是体细胞的一半G.Mendel发现的遗传法则被重新发现E.B.Wilson发现性别与染色体的关系Weissman推测遗传单位有序排列在染色体上，T.Boveri和W.Suton同时提出遗传的染色体学说T.H.Morgan证明基因是决定遗传性状的基本单位，并提出基因学说。（二）细胞生理学1909年，R.Harrison和A.Carrel创立了组织培养技术1943年，A.Claude用高速离心机进行细胞器的分离细胞生理学的研究内容：

细胞对周围环境的反应

细胞生长与繁殖机制

细胞从环境中摄取营养的能力

细胞的兴奋性、收缩性、分泌性

细胞膜的物质运输与生物电等（三）细胞化学1924年，R.Feulgen等首先建立DNA的检测方法1940年，J.Brachet用甲基绿-派洛宁染色法测定DNA和RNA。T.Casperson用紫外显微分光计测定DNA含量。五、电镜的应用及分子生物学的发展电镜的发明，大大提高了分辨能力，又促成了对一些细胞超微结构的发现:内质网(Porter等,1945);叶绿体(Porter等,1947);高尔基体(Deltond,1950);核膜(Callan&Tombin,1950);线粒体(Palade,Porter等,1951);溶酶体(DeDave,1952);核糖体(Palade,1953);单位膜(Robertson,1958)1961年，J.Brachet据电镜下观察到的结构，并集40、50年代的研究成就，在“LivingCell”

一文中绘制了一幅细胞模式图细胞学发展史上的第二幅细胞模式图

(动态超微结构)第二节分子细胞生物学的发展简史1965年，E.D.P.DeRobertis率先将其编著《GeneralCytology》(普通细胞学)教科书的第4版更名为《CellBiology》(细胞生物学)。第二节分子细胞生物学的发展简史细胞生物学不同于细胞学主要有两点：⑴深刻性：它从细胞的整体、超微和分子各个结构层次对细胞进行剖析，并把细胞的生命活动同分子水平和超分子水平的结构变化联系起来。⑵综合性：它所研究的内容极其广泛，涉及到许多领域，并同生理学、遗传学、发育生物学和生物化学相互融汇在一起。至60年代，由于电镜标本固定技术的改进，显示出基质中还有微管和微丝等的存在。第二节分子细胞生物学的发展简史至此人们才认识到，所谓的细胞质溶质并不像过去想象的那样是简单而匀质的溶液，而是含有具有一定秩序的立体网络结构，这些结构形成了纵横交错的“骨架”，总称为细胞骨架(cytoskeleton)。细胞骨架的发现细胞骨架系统1976年：K.B.Porter第二节分子细胞生物学的发展简史Nobel'sPrize(1962)DNA双螺旋结构第二节分子细胞生物学的发展简史Wilkins(物理专业)DNA的X-光衍射图像J.D.Watson(27岁;生物专业)H.C.Crick(物理专业)英国剑桥大学Cawendish实验室Pauling(量子化学)Franklin(化学专业)英国皇家学院美国加州理工大学分子生物学的诞生：1953年,J.D.Watson&H.C.Crick:1958年Crick又提出了遗传信息传递的“中心法则”(centraldogma)：1960年Jacob和Monod：蛋白质合成调控的操纵子学说(operontheory)；1970年Baltimore在肿瘤病毒的研究中发现了逆转录酶。Nobel’sPrize(1975)Nobel’sPrize(1965)实事求是ProteinRNADNA翻译转录反转录引以为戒！分子生物学的发展：1977年底，第1次把高等动物的生长激素释放抑制素(somatostatin,SRIF)基因引入大肠杆菌，并得到了表达，大肠杆菌合成了生长激素释放抑制素。1979年，美国哈佛大学一研究组把小鼠胰岛素基因引入大肠杆菌，成功地合成了胰岛素。70年代以来由于DNA重组、剪接技术的迅速发展。遗传工程的兴起据报道，1985年日本一研究组在高压电镜下已观察到了DNA分子的三维双螺旋结构。1986年有的学者在纽约IBM的实验室发明了分辨力为1nm扫描干扰显微镜(SIAM)，可以识别分子。1986年美国、日本又研制成功了扫描隧道显微镜。当前，细胞生物学已进入了研究大分子结构变化与细胞生理活动的关系的阶段，正面临着分子解剖的艰巨任务。新型电镜的发展1997年瑞士学者Luger等利用高分辨力（0.28nm）X射线显示了染色质核小体核心组蛋白8聚体的原子水平结构。新技术的应用，使人们有可能用直接显示的方法查清细胞生理活动过程中分子结构的细微变化，为细胞生物学的发展带来新的飞跃。1981年，中国科学院上海生物化学研究所、中国科学院上海细胞生物研究所、北京大学等单位合作，经过13年的努力，人工合成了酵母丙氨酸转移核糖核酸，这项成果是我国继在世界上领先人工合成牛胰岛素之后，又取得的一项世界性的重大成就。1990年美国启动了“人类基因组规划”(HumanGenomeProject)的浩大工程，计划利用15年的时间完成人类单倍体数染色体所含全部基因的测序工作。继美国之后，欧共体、意大利、日本、俄罗斯、法国、加拿大、澳大利亚和中国亦先后开展了人类基因组的基因克隆和测序研究。“人类基因组计划”已经圆满完成超级小鼠大鼠生长激素基因受精卵小鼠超级小鼠动物克隆Dolly(多利)克隆羊卵细胞乳腺细胞1997年，Wilmut等多莉羊与寄母多莉羊与生母克隆猴——1998年

人类面临最重大的问题和挑战人口膨胀；粮食短缺；疾病危害；环境污染；能源危机；资源匮乏；生态平衡破坏；生物物种大量消亡。

解决人类生存与发展所面临的一系列重大问题，在很大程度上将依赖于生命科学的发展。生命科学对人类经济、科技、政治和社会发展的作用是全方位的。第3节

细胞生物学的研究进展2012年国际十大科学进展

（美国《科学》）

◆排在首位的是希格斯玻色子被证实存在。

◆丹尼索瓦人是与现代人类存在亲缘关系的人种之一。

◆日本科学家利用从成年小鼠身上提取的胚胎干细胞，生成了能够产生卵子的卵细胞。

◆美国航天局（NASA）的工程师利用一种创新的着陆系统，让“好奇”号火星探测器悬挂在缆绳上，缓缓在红色星球上着陆。

◆利用比传统的同步辐射光源亮10亿倍的X射线激光，科学家确定了与非洲昏睡病的传播相关的一种蛋白质的结构。

◆一种新的技术手段让研究人员可以修改实验动物的基因，或使其处于非活跃状态。

◆科学家证实存在着马约拉纳费米子，这种粒子可以充当自己的反物质粒子，并自我毁灭。

◆“DNA元素百科全书”计划表明，80%的人类基因组都是活跃的，可以打开或关闭特定的基因。

◆人脑—机器接口让瘫痪病人可以用思维意识来移动机械臂，并进行立体空间活动。

◆中国的科研人员发现了一个模型的最后一个未知参数，该模型用来描述中微子如何在以接近光速的速度移动时从一个形态转化为另一个形态（通常称为中微子震荡）。1.人类探测器历史性地飞出太阳系2.首次3D打印出“活体组织”研究人员创造出一种水滴网络，能够模仿生物组织中的细胞的一些特性。3.世界第一台碳纳米管计算机建成2013世界十大科技进展

4.首次发现人类DNA存在四链螺旋结构巴拉苏布拉马尼安说，能够证实在人类细胞ＤＮＡ中存在四链螺旋结构，是一个里程碑式的成就，对这一结构的研究将来也许会成为控制癌细胞增生的关键。5.首次捕捉到太阳系外高能中微子

6.成功培育出人类胚胎干细胞去除人体卵母细胞内包含DNA的细胞核，然后将这些细胞与胎儿皮肤细胞或8个月大婴儿的皮肤细胞融合，产生出的胚胎携带着来自皮肤细胞的DNA。之后科学家能够使用这些胚胎衍生出胚胎干细胞，理论上这些胚胎干细胞能够分化成这个婴儿的所有类型的细胞。7.世界最大地面天文观测装置正式启用8.首张人脑超清三维图谱问世9.首次实现两个人脑之间的远程控制10.“一箭32星”发射创新纪录2014年世界十大科技进展

欧洲“罗塞塔”人造探测器首次登陆彗星被选为本年度最重要的科学突破。

从恐龙到鸟的转变：一系列论文揭示了恐龙如何进化成鸟类，以及这些鸟类祖先如何在6500万年前恐龙大灭绝事件中存活下来。

年轻血液有“返老还童”功效：研究表明，高龄小鼠体内注射年轻小鼠的血液可以“返老还童”，而原因可能在于血液中一种叫GDF11的蛋白。机器人“自主”合作：受白蚁启发，科学家开发出新型机器人，可在无人监督的情况下一同工作，完成搭积木式的简单结构搭建工作。

仿人脑芯片：

可治糖尿病的细胞：β细胞是胰脏中产生胰岛素的细胞，今年两个研究小组用两种不同方法在实验室中培养出酷似β细胞的细胞，为研究糖尿病提供了新的途径。印尼洞穴艺术：

操纵记忆：研究人员利用光遗传学技术操纵小鼠的特定记忆，如删除记忆或植入虚假记忆。立方体卫星：生命基因密码“添丁”：自然界的DNA（脱氧核糖核酸）只有4种碱基：G、T、C和A，但科学家设计制造的一种大肠杆菌的DNA新添两个成员：X和Y实现单光子多自由度量子隐形传态理论预言并实验验证外尔半金属的存在揭示埃博拉病毒演化及遗传多样性特征实现对反物质间相互作用力的测量探测到宇宙早期最亮、中心黑洞质量最大的类星体发现东亚最早的现代人化石实现对单个蛋白质分子的磁共振探测揭示人类原始生殖细胞基因表达与表观遗传调控特征解析细胞炎性坏死的关键分子机制和研制出碳基高效光解水催化剂。2015年中国十大科学进展《科学》公布2016十大进展1.时空涟漪撼动科学界2.邻居系外行星现行踪3、人工智能围棋场显身手4、杀死老细胞永葆年轻5、会“读心”的类人猿6、计算软件设计人工蛋白7、实验室制出小鼠卵子8、单次非洲移民潮让人类走向全球9、纳米孔基因测序技术领风骚10、超透镜带来大前景低温电子显微镜（cryo-EM）技术2017中国十大科学进展实现星地千公里级量子纠缠和密钥分发及隐形传态将病毒直接转化为活疫苗及治疗性药物首次探测到双粲重子实验发现三重简并费米子实现氢气的低温制备和存储研发出基于共格纳米析出强化的新一代超高强钢利用量子相变确定性制备出多粒子纠缠态中国发现新型古人类化石酵母长染色体的精准定制合成研制出可实现自由状态脑成像的微型显微成像系统。学什么部分内容选学与自学第1章

绪论第2章细胞生物学的研究方法第3章细胞的基本概念第4章细胞质膜与细胞表面第5章物质跨膜运输与信号传递

第6章核糖体第7章细胞内膜系统和细胞质基质第8章细胞的能量转换第9章

细胞骨架与细胞运动第10章间期细胞核和染色体第11章细胞分裂与细胞周期调控第12章细胞分化与真核细胞基因表达调控

第13章细胞衰老与凋亡如何学习兴趣是最好的老师

人人热爱生命

热爱生命而喜爱生命科学感觉:神秘，神妙，神圣主动探索提出问题富于想象

儿童爱因斯坦保持天性好奇和经常思考提问自学把握生命的层次

个体

器官

组织

细胞

细胞器

分子

原子分子生物学；进化生态宏观生物学微观与宏观领域相互联系

既见树木又见森林请随时提出你的宝贵意见!本章内容到此结束谢谢大家

！第二章细胞生物学的研究方法Chapter2Howcellsarestudied第四类研究方法技术第三类研究方法第二类研究方法CellV生化化学分析技术细胞工程技术细胞生理学技术第一类研究方法形态观察技术第一节形态观察技术普通光镜特殊光镜形态观察扫描式电子显微镜扫描隧道电子显微镜透射式电子显微镜冰冻蚀刻技术紫外光显微镜暗视野显微镜相差显微镜微分干涉差显微镜荧光显微镜激光共聚焦显微镜光学显微镜电子显微镜1.普通光镜的结构:（一）普通光学显微镜一、光学显微镜第一节形态观察技术目镜物镜集光器载物台光源2.普通光镜的成像原理2

图像样品光线聚光器物镜光学显微镜的光路图第一节形态观察技术1.紫外光显微镜紫外线显微镜以紫外线(波长介于400nm与X射线之间)为光源，分辨率可提高1倍，可以看到许多在普通光学显微镜下看不到的胶体颗粒。此外，核酸和有些蛋白质可吸收一定波长的紫外线，因而这种显微镜可用来测定细胞核中的核酸含量。（二）特殊光学显微镜第一节形态观察技术2.暗视野显微镜这种显微镜使照明光线不能直接进入物镜，只允许被标本反射和衍射的光线进入物镜。第一节形态观察技术中央遮光板暗视野聚光器的设计原理第一节形态观察技术视野的背景黑物体的边缘亮利用这种显微镜能见到小至5nm的质点，分辨率比普通显微镜高了40倍，有一些细胞器，如核、线粒体，均清晰可见。3.相差显微镜荷兰物理学家F.Zernike(1932)：提高了活细胞结构的反差，从而解决了对活细胞观察的难题。获诺贝尔物理奖(1953)第一节形态观察技术(phasecontrastmicroscope)特点：在聚光器或光源上加了一环形光阑(annulardiaphragm),在物镜中加了一环形相板(annularphaseplate)。相差显微镜的构造:上有一环形区，制成凹槽或凸起（亦可涂上特殊物质）：环形区的设计深度（或高度）恰好可使通过此区的光线提前或延后1/4λ光程差。环形光阑环形相板使透过聚光器的光线形成空心光锥，焦聚到标本上。第一节形态观察技术相差显微镜的光路图解第一节形态观察技术根据设计，只有未透过标本的直射光可通过相板环形区，而透过标本的偏折光则由相板其他部分通过。两组光线和轴后发生干涉现象。两组光线合轴后光波相减，振幅变小，形成暗反差（正反差）——结构比周围介质更加变暗。未透过标本的直射光（通过相板环形区）与透过标本的偏折光（由相板其他部分通过）和轴后发生干涉：第一节形态观察技术S-DSD如果为凹形相板：通过样品的光线延后1/4λ-1/4λ-1/4λ则两组光波相加，振幅加大，形成亮反差（负反差）——标本结构比周围介质更加变亮。第一节形态观察技术S+DSD如果为凸性相板：由于标本的各种结构的厚度和折射系数不同，在相差显微镜下显示出不同的明暗度。-1/4λ+1/4λ4.微分干涉差显微镜Nomarski(1952)在相差显微镜原理的基础上发明的：又称Nomarski相差显微镜，其优点是能显示结构的三维立体投影影像。第一节形态观察技术(differentialinterferencecontrast(DIC)microscope)与相差显微镜相比，其标本可略厚一点，折射率差别更大。DIC显微镜首先DIC利用的是偏振光。此外，除了物镜外，还增加了四个光学组件：偏振器(polarizer)、DIC棱镜、DIC滑行器和检偏器(analyzer)。DIC显微镜使细胞的细微结构立体感特别强，适合于显微操作。目前像基因注入、核移植等生物工程的显微操作常在这种显微镜下进行。第一节形态观察技术DIC显微镜暗视野显微镜相差显微镜普通显微镜5.荧光显微镜第一节形态观察技术荧光显微镜的成象原理分裂细胞的免疫荧光图像不同荧光染料标记抗体抗原(细胞的蛋白质成分)特异性结合6.激光共聚焦显微镜第一节形态观察技术(LaserConfocalMicroscope,LCM)光源：通过共聚焦可进行光学切片对固相、液相物体均可进行观察特点：激光4.冰冻蚀刻技术2.扫描式电子显微镜3.扫描隧道电子显微镜1.透射式电子显微镜二、电子显微镜第一节形态观察技术电镜问世的必然性分辨力的概念及其提高方法分辨力(resolution)是指显微镜能将近邻的两个质点分辨清楚的能力，通常是用相邻两点间的距离来表示，可通过公式换算出：可见光波长为400~700nm，显微镜分辨率的最小数值不会小于0.2

m，这一数值是光学显微镜分辨率的极限。镜口率的大小决定于镜口角的大小和物镜与标本间介质折射率的大小第一节形态观察技术电镜问世的必然性限制显微镜分辨率的关键因素是光的波长，一般光学显微镜的最大放大倍数为1000~1500

。小于0.2

m的一些细微结构，称为亚显微结构(submicroscopicstructure)或超微结构(ultrastructure)，在光学显微镜下无法看清。

0.2

m放大倍数=显微镜的分辨率人肉眼的分辨率0.2

m镜口率折射率光源波长(nm)第一节形态观察技术表

各种光及电子束的波长Ruska(1933~1938)便选择了电子束为光源来突破光学显微镜分辨率的极限，发明了透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscope,TEM)。电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。第一节形态观察技术V1λµ电子显微镜与光镜的主要区别电镜光镜电子束可见光电磁透镜玻璃透镜电磁聚焦机械聚焦超薄切片(0.05

m)石蜡切片(1~10

m)光源透镜聚焦方式切片厚度图像彩色图像黑白图像第一节形态观察技术由于电子束不能透过玻璃，因此用于电镜的标本须制成厚度仅有0.05

m的超薄切片，并放在铜网上。这种切片需要用超薄切片机制作。电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍。1.透射电子显微镜超薄切片铜网第一节形态观察技术透射式电子显微镜(TEM)第一节形态观察技术它是将标本表面上发射出的次级电子，被带样电荷的栅极收集后，即向电子显象管发送信号，在荧光屏上显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象，反映了标本表面的真实结构。2.扫描电子显微镜用来观察标本的表面形态结构。第一节形态观察技术(scanningelectronmicroscope,SEM)扫描式电子显微镜第一节形态观察技术3.扫描隧道显微镜其关键部件是有一个加上一定电压的精密探针，当探针接近物质时，由于‘隧道效应’而有电子飞出，从而在探针与物质之间有电流通过。Binnig、Rohrer等(1981)发明：荣获1986年诺贝尔奖！据量子力学中隧道效应设计，用来显示晶体表面原子布阵第一节形态观察技术(scanningtunnelingmicroscope,STM)扫描隧道显微镜的分辨率很高（横向为0.1-0.2nm,纵向可达0.001nm）。扫描隧道显微镜能直接观察生物大分子(如DNA、RNA和蛋白质等)的原子布阵，也能观察一些生物结构(如生物膜、细胞壁等)的原子排列。在生物学研究中发挥着重要作用，将把生物学研究推进到纳米科学水平。其优越之处：三态（固态、液态和气态）物质均可进行观察。第一节形态观察技术扫描隧道电子显微镜下金原子的晶格排列图像第一节形态观察技术亦称冰冻断裂(freeze-fracture)，是研究生物膜内部结构的一种有用的技术，关于膜结构的许多资料即是利用这种方法取得的。4.

冰冻蚀刻技术冰冻断裂技术也是研究细胞内部各种细胞器结构的有用手段。第一节形态观察技术(freeze-etching)①将标本于-100℃干冰中或-196℃液氮中，超低温冰冻。②然后用冷刀骤然将标本冲断开，升温后冰在真空条件下迅即升华，暴露出了断裂面结构——蚀刻(etching)。蚀刻断裂(2)冰冻蚀刻技术的操作步骤:第一节形态观察技术③蚀刻后，再向断裂上喷涂一层蒸汽碳和铂。然后将组织溶掉，把碳和铂的膜剥下，此膜即为复膜(replica)。复膜④复膜显示出了标本蚀刻面的形态，可置于透射电镜下观察。电镜下的影像即代表标本中细胞断裂面处的结构。第一节形态观察技术(3)细胞冰冻断裂后的电镜图像第一节形态观察技术第二节生物化学分析技术二、免疫细胞化学三、显微光谱分析技术四、放射自显影术五、超离心技术六、分子杂交技术七、PCR技术一、组织化学与细胞化学技术八、层析技术FACS技术免疫细胞化学是根据免疫学原理，利用抗体同特定抗原结合，对抗原进行专一定位测定的技术。如果将抗体结合上标记物，再与组织中的抗原发生反应，即可在光镜或电镜下显示出该抗原存在于组织中的部位。二、免疫细胞化学(immunocytochemistry)第二节生物化学分析技术常用的标记物有荧光素和酶：标记荧光素的称为免疫荧光法(immunofluorescenttechnique)，常用的萤光素有异硫氰酸荧光素(FITC)、罗丹明(rhodamine)等。标记酶的称为酶标免疫法(enzyme-labelledantibodymethod)，常用的酶有辣根过氧化物酶(horseradishperoxidase)等，酶与底物发生反应后形成不透明的沉积物或有色物，从而显示出抗原的存在部位。第二节生物化学分析技术抗体与抗原的结合方法可分为以下两种：第二节生物化学分析技术直接法间接法将带有标记的抗体与抗原反应，显示出抗原存在的部位在抗体抗原初级反应的基础上，再用带标记的次级抗体与初级抗体反应，从而使初级反应得到放大，增强显示效果间接免疫细胞化学法的原理示意图次级抗体初级抗体标记物第二节生物化学分析技术第一抗体（一抗）第二抗体（二抗）用荧光素标记抗体所显示出的细胞中几种蛋白质的分布状态第二节生物化学分析技术IRS-1IRS-1+Bcl-2Bcl-2放射性同位素发射出的各种射线能使照相乳胶中的溴化银晶体还原(感光)。利用放射性物质使照相乳胶膜产生该物质自身影像的技术，称为放射自显影术。放射自显影的切片用染料染色后，便可在显微镜下对标记上放射性的化合物进行定位或定量测定。四、放射自显影术第二节生物化学分析技术(autoradiography)由于有机大分子均含有碳、氢原子，故实验室一般常选用14C和3H标记(14C和3H均为弱β放射性同位素，半衰期长:14C为5730年;3H为12.26年)。一般常用3H胸腺嘧啶脱氧核苷来显示DNA，用3H-尿嘧啶核苷显示RNA。在研究蛋白质和粘多糖时，则分别选用3H-氨基酸和3H-甘露糖、3H-岩藻糖等。第二节生物化学分析技术常用3H胸腺嘧啶脱氧核苷显示DNA的放射自显影图像第二节生物化学分析技术放射自显影技术与电镜技术结合，也可进行电镜自显影（electron-microscopicautoradiography）。电镜自显影照片六、分子杂交技术原理：具有互补核苷酸序列的两条单链核苷酸分子片段，在适当条件下，通过氢键结合，形成DNA-DNA、DNA-RNA或RNA-RNA杂交的双链分子。这种技术可用来测定单链分子核苷酸序列间是否具有互补关系。第二节生物化学分析技术(molecularhybridization)荧光原位杂交

(fluorescenceinsituhybridization,

FISH):FISH技术的原理图解主要介绍几种对细胞进行整体或局部进行手术处理的技术，这些技术在细胞工程领域中有很重要的应用价值。一、细胞培养技术二、显微操作术三、细胞融合技术第四节细胞工程技术一、细胞培养细胞培养技术(cellculture)或称组织培养技术即是选用各种最佳生存条件对活细胞进行培养和研究的技术。第四节其它实验性操作技术

细胞培养在细胞生物学中是一项极为重要的实验技术，也是生物工程中不可缺少的重要手段。细胞生物学中有大量的生理生化方面的研究成果，都是通过细胞培养再结合其他技术取得的。群体培养：将含有一定数量细胞的悬液置于培养瓶中，让细胞贴壁生长，汇合后形成均匀的单细胞层；克隆培养：将高度稀释的游离细胞悬液加入培养瓶中，经过生长增殖每一个细胞形成一个细胞集落，此种集落即称为克隆(clone)。一个细胞克隆中的所有细胞均来源于同一个祖先细胞。此外，为了制取细胞产品而设计了规模培养法，如转鼓培养法、发酵罐培养。细胞培养方式大致可分为两种：第四节其它实验性操作技术1.动物细胞培养针对不同种类的细胞，学者们设计出了许多细胞培养基配方，目前使用比较广泛的化学合成培养基(chemicallydefinedmedium)有TC-199、MEM、L-15和RPMI-1640等。但是在工作中要针对不同的培养对象来选择最适培养基，培养基选择恰当与否是细胞培养是否成功的关键。第四节其它实验性操作技术正常组织的初级培养物，细胞传代培养均有一定的限度，只有癌细胞和发生转化的细胞才能无限生长下去。所谓转化(transformation)即是指正常细胞在某种因子的作用下发生突变而具有癌性的细胞。如HeLa细胞系（1951年从HenriettaLacks的宫颈癌细胞培养而成）。迄今我国业已建立了上百个细胞系，为细胞生物学和医学做出了重大贡献。通过细胞培养，世界上已建立了大量细胞株或细胞系。第四节其它实验性操作技术(1)外植体培养，诱发产生愈伤组织：如果条件适宜，尚可培养出再生植株。(2)悬浮细胞培养：在愈伤组织培养技术基础上发展起来的一种培养技术。植物细胞培养大体有如下几种技术:(3)原生质体培养：细胞杂交，转基因等(4)单倍体培养：通过花药或花粉培养获得单倍体植株。第四节其它实验性操作技术2.

植物细胞培养二、显微操作术所谓显微操作术(micromanipulation)就是在显微镜下，用显微操作装置对细胞进行解剖手术和微量注射的技术。第四节其它实验性操作技术现在显微操作装置的设计越来越精密，已经有可能对细胞核进行解剖和注入微量物质（如核酸分子片段）。NT-88NE-N型显微操纵仪(日本Nikon)第四节其它实验性操作技术

山东省海洋生物工程重点实验室注射吸管固定吸管细胞显微解剖手术图解第四节其它实验性操作技术三、细胞融合真核细胞通过介导和培养，两个或多个细胞合并成一个双核或多核细胞的过程称为细胞融合(cellfusion)或细胞杂交(cellhybridization)。基因型相同的细胞融合成的杂交细胞称为同核体(homokaryon)；来自不同基因型的杂交细胞则称为异核体(heterokaryon)。第四节其它实验性操作技术目前诱导细胞融合的方法有三种：

1.病毒介导的细胞融合（如仙台病毒）2.化学介导的细胞融合（如PEG）3.电激介导的细胞融合第四节其它实验性操作技术细胞融合不仅可用于基础研究，而且还有重要的应用价值，如动植物育种和制取单克隆抗体等。ABAB杂交细胞低产抗倒伏高产易倒伏高产抗倒伏长命无分泌物短命分泌抗体长命分泌抗体细胞融合(杂交)第四节其它实验性操作技术复习思考题1.阐明光学显微镜的成像原理。为什么说光学显微镜的放大倍数不能无限提高？2.透射电镜与普通光学显微镜的成像原理有何异同？3.放射自显影技术的原理根据是什么？为何常用3H、14C、32P标记物做放射自显影？用60Co是否可以？4.何谓免疫荧光技术？可自发荧光的细胞物质是否可在普通显微镜下看到荧光？5.细胞融合有那几种方法？病毒诱导与PEG的作用机制有何不同？6.请你设计一个显示DNA在细胞中分布的实验。本章内容到此结束谢谢大家！第三章细胞的基本概念Chapter3BasicConceptofTheCell本章内容提要第一节细胞的基本特征第二节原核细胞与真核细胞概念的确立第三节病毒第四节细胞的形状和大小第五节细胞的化学组成第六节细胞的能量代谢与生物催化剂复习思考题第一节细胞的基本特征定义：细胞是有膜包围的能独立进行繁殖的原生质团。

质膜

细胞质(cytoplasm)

核质(nucleoplasm;karyoplasm)

核膜(nuclearenvelope)原生质(protoplasm)：指活细胞的全部活物质，包括质膜、细胞质和细胞核（或类核）。质膜外结构原生质体细胞质质膜细胞核（或类核）细胞器细胞质溶质细胞骨架细胞外基质细胞壁细胞的结构组成图解：细胞第一节细胞的基本特征(2)具有一层细胞质膜(3)具有一套完整的代谢机构(1)具有一套基因组1.细胞进行生命活动应具有的最基本的要素：使细胞能进行独立的代谢活动通过质膜与周围环境进行物质和信息交流控制细胞的遗传活动第一节细胞的基本特征枝原体(mycoplast)：最小Φ0.1

m，具备了进行生命活动最基本的三项要素。病毒：体积小（多小于Φ0.1

m），缺少进行独立代谢的某些基因和机构（单独存在时不能自我繁殖，必须依赖于宿主细胞）。第一节细胞的基本特征病毒不是细胞，只是具有部分生命特征的感染物，最多只能被称为“半生命”。枝原体是细胞！2.细胞区别于无机界的最主要的特性：①在结构上具有自我装配的能力；②在生理活动中具有自我调节的能力；③在增殖上具有自我复制的能力。这些特性也可以说是生命的特征，它们的丧失即意味着死亡。第一节细胞的基本特征

细胞是多层次非线性的复杂结构体系

细胞具有高度复杂性和组织性

细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体

细胞完成各种化学反应；

细胞需要和利用能量；

细胞参与大量机械活动；

细胞对刺激作出反应；

细胞是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。

细胞能进行自我调控；

繁殖和传留后代；细胞概念的一些新思考第二节原核细胞与真核细胞概念的确立具有细胞壁和叶绿体对于某些生物来说却遇到了分类上的困难：眼虫(Euglena)有叶绿体却无细胞壁;细菌和真菌虽有细胞壁但无叶绿体;枝原体既无叶绿体也无细胞壁。400余万种生物：一切生物动物界植物界没有细胞壁和叶绿体早期营养方式运动能力细胞结构Chatton(1925年)把细胞中无由膜包围的细胞核的生物称为原核生物(prokaryote)。自从原核生物概念提出之后，H.Ris则把含有由核被膜包围的核的细胞称为真核细胞(eukaryote)。代表性原核生物：枝原体(mycoplasma)、细菌(bacterium)和蓝细菌(cyanobacterium)等第二节原核细胞与真核细胞概念的确立第二节原核细胞与真核细胞概念的确立表3-1生物界两类分类系统的比较传统分类系统植物界细菌蓝藻金藻绿藻红藻褐藻粘菌真正真菌苔藓维管植物动物界原生动物后生动物按细胞结构的分类系统类型原核生物真核生物

Whittaker(1969)原核生物界(monera)细菌蓝藻(蓝细菌)原生生物界(protista)金藻原生动物真菌界粘菌真正真菌植物界绿藻红藻褐藻苔藓维管植物动物界后生动物Dodson(1971)原核生物界

细菌蓝藻(蓝细菌)植物界金藻绿藻红藻褐藻粘菌真正真菌苔藓维管植物动物界原生动物后生动物枝原体的遗传物质分布于整个细胞中；细菌的遗传物质则集中在一个无明确界限的低电子密度的拟核(nucleoid)区中。原核细胞中的DNA为裸露的直径2.5nm的环状双螺旋分子（长约几十nm）。原核细胞构成的生物称为原核生物，为单细胞生物一、原核细胞

(Prokaryoticcells)1.原核细胞最主要的特征是没有由膜包围的细胞核第二节原核细胞与真核细胞概念的确立拟核原核细胞-细菌的电镜照片（示拟核）第二节原核细胞与真核细胞概念的确立细菌的三维模式图大多数原核细胞比较小，平均只有1~10

m。枝原体、立克次体和鹦鹉热菌最小只有0.1~0.3

m。大的原核细胞如蓝细菌中的颤藻(Oscilatoliaprinceps)，直径可达60

m。有的物种，细胞分裂后可连成链或丝，也有的形成群体。它们的繁殖方式一般为二分裂，也有的产生孢子，少数行出芽生殖。2.大多数原核细胞比较小、繁殖方式简单第二节原核细胞与真核细胞概念的确立质膜内为细胞质和拟核，多数在质膜外还有一层硬的细胞壁。枝原体(mycoplasma)的质膜外面没有细胞壁，为原生质体(protoplast)。如人体中的类胸膜炎球菌(pleuropneumonia-likeorganism)和植物细胞中的螺原体(spiroplasma,citrii)。3.原核细胞的形态和结构比较简单第二节原核细胞与真核细胞概念的确立第二节原核细胞与真核细胞概念的确立螺原体(一种枝原体)类胸膜炎球菌原核细胞的质膜具有单位膜的典型特征，厚约10nm。某些原核生物的质膜在有的部位发生内褶，形成间体(mesosome)(与细胞呼吸和分裂有关)。大多数原核生物没有恒定的内膜系统，没有分区化（原核细胞区别于真核细胞的重要特征之一）。原核生物的核糖体较小(70S)，直径约15~20nm，其所含的RNA和蛋白质亦不同于真核细胞。质膜是细胞进行生命活动的一种基本结构，质膜遭到破坏后任何细胞都不能存活。第二节原核细胞与真核细胞概念的确立细菌鞭毛细菌荚膜真核细胞最主要的特点是，细胞内由膜间隔成了许多功能区。二、真核细胞(eukaryoticcells)第二节原核细胞与真核细胞概念的确立其中，核膜、内质网、高尔基体在结构上形成了一个连续的体系，称为内膜系统。内膜系统将细胞质分隔成了一些区间，即所谓的分区化(compartmentalization)。最明显的是含有由膜围成的细胞核和细胞器（线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体、溶酶体等）。质膜、溶酶体和分泌泡均可看作是内膜系统的产物。分区化是细胞进化高等的特征，它使细胞的代谢活动的效率比原核细胞大为提高。线粒体和叶绿体则承担了一些特殊功能：氧化磷酸化作用主要集中在线粒体中进行；第二节原核细胞与真核细胞概念的确立植物细胞的光合作用则集中在叶绿体中进行。细胞表面的一层单位膜，特称为质膜真核细胞的主要结构有如下几种：1.质膜

(plasmamembrane)：第二节原核细胞与真核细胞概念的确立核表面是由双层膜构成的核被膜(nuclearenvelope)，核内包含有由DNA和蛋白质构成的染色质(chromatin)。分裂期染色质凝缩成短棒状，称为染色体(chromosome)。2.细胞核核仁

核孔

染色质

内膜

外膜第二节原核细胞与真核细胞概念的确立(nucleus)存在于质膜与核被膜之间的原生质称为细胞质，各种细胞器与细胞骨架均存在于细胞质中。除膜围细胞器和细胞骨架外，细胞质的其余部分称为细胞质溶质(cytosol)或胞质溶胶（过去曾称为细胞质基质，cytoplasmicmatrix)。3.细胞质第二节原核细胞与真核细胞概念的确立(cytoplasm)表原核细胞与真核细胞的主要区别两类细胞在结构、代谢和遗传活动上有很大的差异第二节原核细胞与真核细胞概念的确立要点原核细胞真核细胞大小大多数很小(1~10

m)大多数较大(10~100

m)细胞核无膜包围的细胞核,为拟核有双层膜包围的细胞核染色体形状环状DNA分子核DNA为线性分子；线粒体和叶绿体DNA为环状分子数目1个基因连锁群2个或多个基因连锁群组成DNA裸露或结合少量蛋白质核DNA同组蛋白结合;线粒体和叶绿体中的DNA裸露DNA序列无或很少重复序列有重复序列内膜无独立的内膜有,分化成细胞器细胞骨架无普遍存在运动细胞器由鞭毛蛋白丝构成简单鞭毛由微管构成纤毛和鞭毛光合酶的分布质膜线粒体和叶绿体（植物）核糖体70S（50S＋30S）80S（60S＋40S）细胞壁肽聚糖,蛋白质,脂多糖,脂蛋白植物细胞具有纤维素壁基因表达RNA和蛋白质在同一区间合成RNA在核中合成和加工;蛋白质在细胞质中合成营养方式吸收,有的行光合作用吸收,光合作用,内吞细胞分裂二分裂或出芽增殖有丝分裂或减数分裂古细菌古细菌（archaebacteria）与真核细胞曾在进化上有过共同历程:

（1）细胞壁的成分:与真核细胞一样。（2）DNA与基因结构：古细菌DNA中有重复序列的存在。存在内含子。（3）有类核小体结构：古细菌具有组蛋白,有类似核小体结构。（4）核糖体：介于真核细胞（70-84）与真细菌（55）之间。（5）5SrRNA：古细菌与真核生物同属一类，而真细菌却与之差距甚远。5SrRNA二级结构的研究也说明很多古细菌与真核生物相似。

除上述各点外，根据DNA聚合酶分析，氨基酰tRNA合成酶的作用，起始氨基酰tRNA与肽链延长因子等分析，也提供了以上类似依据，说明古细菌与真核生物在进化上的关系较真细菌类更为密切。因此近年来，真核细胞起源于古细菌的观点得到了加强。三、植物细胞与动物细胞动物细胞的模式图植物细胞的模式图第二节原核细胞与真核细胞概念的确立表3-4植物细胞与动物细胞的主要区别第二节原核细胞与真核细胞概念的确立要点植物细胞动物细胞溶酶体圆球体与糊粉粒溶酶体叶绿体有无液泡有无细胞壁有无病毒(virus)尽管不是细胞，然而①病毒的某些属性与细胞又有一定的共同性(如具有共同的遗传基础)，研究病毒活动可获得一些有价值的资料，有助于对细胞活动机理的理解。②病毒是寄生性感染物，其宿主是细胞，病毒的活动与细胞有着密切的关系。第三节病毒需在全面介绍细胞之前先对病毒进行概括性介绍。动物病毒植物病毒细菌病毒——噬菌体双链

DNA病毒单链

DNA病毒双链

RNA病毒单链

RNA病毒(侵染性）单链

RNA病毒（非侵染性）单链

RNA病毒（逆转录）据宿主分据结构分据遗传物质分病毒的分类真病毒类病毒蛋白质感染子蛋白外壳核酸芯子(核酸)(蛋白)第三节病毒Prusiner获得1997年诺贝尔奖几种病毒脊髓灰质炎病毒烟草花叶病毒痘病毒狂犬病毒T4噬菌体流感病毒病毒在细胞内增殖（复制）

病毒侵入细胞，病毒核酸的侵染

病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成

病毒的装配、成熟与释放

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，它的主要生命活动必须要在细胞内实现。病毒与细胞在起源上的关系，目前存在3种主要观点：

生物大分子→病毒→细胞 病毒

生物大分子细胞

生物大分子→细胞→病毒第四节细胞的形状和大小不同细胞的形态千差万别：呈圆形、椭圆形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形，甚至不定形。一、细胞的形状各类细胞结构、功能和所处环境不同形状和大小千差万别单细胞原核生物往往是单个细胞独立生活（即使成群体存在，细胞间的关系也不密切），每种生物的细胞往往有自己特有的形状：如杆菌——杆状球菌——球状弧菌——圆弧状；螺旋体——螺旋状等第四节细胞的形状和大小单细胞动物或植物的细胞形状更复杂：如草履虫——鞋底状；第四节细胞的形状和大小眼虫——梭形且有长鞭毛；游扑虫和钟形虫——袋状；阿米巴——不定形等高等生物是多细胞有机体，其细胞多构成了组织，各种细胞发生了结构和功能上的分化：细胞的形状往往与细胞执行的功能及存在的位置有一定的关系。高等动物：肌肉细胞：长条形或长梭形骨骼肌细胞红细胞：双面凹圆盘状有利于O2和CO2气体的交换第四节细胞的形状和大小红血细胞利于收缩功能高等植物：筛管细胞：条形叶表皮保卫细胞：半月形第四节细胞的形状和大小以利于呼吸和蒸腾2个保卫细胞围成一个气孔于植物茎部起支持和输导作用骨细胞结缔组织细胞卵细胞精子毛细胞视杆细胞神经细胞立方上皮柱状上皮细胞形状的多样性巨噬细胞神经元细胞骨细胞成纤维细胞软骨细胞脂肪细胞平滑肌细胞第四节细胞的形状和大小结缔组织中的几种细胞类型活细胞的形状并不是固定不变的形态结构与功能的统一是生物体细胞的一个重要特征!上述细胞形状是指活细胞在体内时的形态，一旦细胞离开了有机体分散存在，形状就要发生很大的变化。如平滑肌细胞：离体培养在体内呈梭形离体培养时则呈多角形第四节细胞的形状和大小细胞发生病变后，也会发生形态结构上的变化：镰刀型贫血病人的镰刀型红血细胞正常红血细胞如鸵鸟蛋的卵黄,直径可达5cm；枝原体却只有0.1

m；人的坐骨神经细胞可长达1m。二、细胞的大小一般说来，真核细胞的体积要大于原核细胞，高等动物的卵细胞要大于体细胞。[卵细胞是一种特殊类型的细胞（含有大量卵黄）]大多数动植物细胞：体积一般在20~30

m间。生物体各种细胞的大小差别很大：第四节细胞的形状和大小细胞体积的最小极限取决于维持细胞独立生活所需的最基本的成分须占的体积。根推算，枝原体的体积（直径0.3

m）接近于容纳必需成份的极限。几种细胞的大小多细胞生物，细胞的大小与生物个体的体积无关!第四节细胞的形状和大小1.

水:

85.0%2.

无机盐:

1.5%

3.

糖类：

0.4%

4.

脂类：

2.0%

5.

蛋白质：

10.0%6.

核酸：DNA

0.4%;RNA

0.7%90%C,H,O,N1%微量元素(如B,Si,V,Mn,Co,Cu,Zn,Mo等)9%:S,P,Na,Ca,K,Cl,Mg,Fe等第五节细胞的化学组成第五节细胞的化学组成一、细胞能量代谢的特点二、酶--生命的催化剂三、细胞的RNA催化剂第六节细胞的能量代谢与生物催化剂第六节细胞的能量代谢与生物催化剂1.

说明原核细胞与真核细胞的主要差别。2.

分析生命、生命活动、生物、有机体和细胞几个概念的相互关系。3.

为什么说病毒不是细胞？蛋白质感染因子是病毒吗？4.

酶是细胞中的主要催化剂，与无机催化剂相比它有哪些优越性？5.

细胞活动自我调控的物质基础什么？6.RNA催化剂的发现有何重大意义？复习思考题本章到此结束谢谢大家!第四章细胞质膜Chapter4PlasmaMembraneandCellSurface细胞的外侧包有一层由脂双层分子和蛋白质构成的单位膜称为细胞膜(cellmembrane)，特称为质膜(plasmamembrane)。质膜是细胞与周围环境以及细胞与细胞之间进行物质交换和信息传递的重要通道(一道可调控的动态屏障)。质膜和细胞内各种膜在结构、化学组成和活动属性等方面有一定的共性，故总称为生物膜(biomembrane)。生物膜是细胞进行生命活动的重要结构基础，能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递、细胞运动等活动都与膜的作用有着密切的关系。随对膜研究的不断深入，形成了一门新学科─膜生物学

(MembraneBiology)。一、质膜的分子结构哺乳动物的血红细胞血影(ghost)质膜化学组成与分子结构方面的早期资料，主要来源于对哺乳动物血红细胞的研究。第一节质膜的分子结构1.E.Overton1895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.Grendel1925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.Davson1935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。1959年在上述基础上提出了修正模型，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。荣获1972年诺贝尔奖！脂筏（lipidraft）是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域（microdomain）。大小约100nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分子间的作用力较强。脂筏中的胆固醇就像胶水一样，它对具有饱和脂肪酸链的鞘磷脂亲和力很高膜中的鞘磷脂主要位于外小页，而且大部分都参与形成脂筏。脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，有蛋白分子600个左右，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。

K.Simonsetal(1997):脂筏模型（lipidraftsmodel）各种膜所含的蛋白质与脂类的比例大小同膜的功能有关(膜的功能主要由蛋白质承担)：机能活动较旺盛的膜，蛋白质含量就高。二、细胞膜的化学组成:——约占膜干重的30~70％——约占膜干重的20~70％细胞膜脂类蛋白质碳水化合物——约膜干重的10％(糖蛋白和糖脂向质膜外表面伸出的寡糖链)第一节质膜的分子结构脂质构成了膜的结构骨架，约占膜重的50％（一）膜脂卵磷脂脑磷脂(cephalin)鞘脂(带有一个氨基)糖脂(结合有寡糖链)膜脂磷脂胆固醇总膜脂的约55~75％第一节质膜的分子结构在人RBC质膜中，卵磷脂(lecithin)(磷脂酰胆碱)和鞘磷脂(sphingomyelin)存在于脂双层的外单层。脂双分子层的内外两层是不对称的：而含氨基的脂类（如磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸）则主要存在于质膜脂双层的内单层。外层内层脂双层磷脂酰胆碱鞘磷脂磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺第一节质膜的分子结构一、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。（一）、磷脂是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50％以上。磷脂分子的主要特征是：1.具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），线粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性局部。2.脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成。3.常含有不饱和脂肪酸（如油酸）1、甘油磷脂以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。主要类型有：①磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC，旧称卵磷脂②磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS③磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE，旧称脑磷脂④磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI⑤双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG，旧称心磷脂（二）、糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，含量约占脂总量的5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10％。糖脂也是两性分子，其结构与SM很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。（三）、胆固醇•

主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流动性，降低水溶性物质的通透性。·在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。性，调节双脂层流动性，降低水溶性物质的通透性。·在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。（四）、脂质体（liposome）是一种人工膜。在水中，搅动后磷脂形成双层脂分子的球形脂质体，直径25~1000nm不等。人工脂质体可用于：1.转基因2.制备的药物3.研究生物膜的特性1.为双性分子：具有1个极性头部和2条疏水性碳氢尾。绝大多数脂类在水溶液中可自然形成脂双层结构。膜脂分子的特性3.脂双层的不对称性：组成两个脂单层的脂分子极为不同4.普遍有糖脂（质膜外表面）：质膜脂双层分子的不对称性还表现在糖脂的不对称性分布上。2.做二维流动（沿膜平面）。外脂单层主要由磷脂酰胆碱和鞘磷脂组成；内脂单层则是由磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺组成第一节质膜的分子结构膜脂构成了膜的基本框架，但膜的许多功能是由膜蛋白来执行的——蛋白质是构成膜的另一种主要成分。（二）膜蛋白各种膜因性质和功能不同，其膜蛋白的含量有所不同(25％~80％)。运输蛋白连接蛋白受体蛋白蛋白酶第一节质膜的分子结构蛋白质分子或嵌插在脂双层网架中，或粘附在脂双层表面，根据在膜上的存在部位，膜蛋白可分为两类：一类蛋白质以不同深度嵌插在脂双层中，称为膜整合蛋白(integralprotein)或膜内在蛋白(intrinsicprotein)。示膜蛋白以不同深度嵌插在脂双层中另一类蛋白质附着于膜的表层，称为膜周边蛋白(peripheralprotein)或外在蛋白(extrinsicprotein)。第一节质膜的分子结构整合蛋白分子均为双性分子：非极性区（疏水区）插在脂双层分子之间，极性区（亲水区）则朝向膜的表面。

疏水性穿膜区亲水区亲水区非极性区通过很强的疏水或亲水作用力同膜脂牢固结合，一般不易分离开来，除非采用破坏膜结构或使用去垢剂的强烈方法才能被提出。第一节质膜的分子结构跨膜蛋白，有的是一次穿膜，有的是多次穿膜，其穿膜部分的肽链大都以

-螺旋构象插在脂双层内部。整合蛋白的穿膜构象细菌视紫红质也有的跨膜蛋白是以

-折叠片构象穿膜，

-折叠片多次穿膜，并围成筒状结构，称为

筒(

barrel)，例如孔蛋白(porin)的穿膜结构即是如此。一次穿膜多次穿膜脂双层跨膜

-螺旋第一节质膜的分子结构大多数整合蛋白在质膜外表面结合有