细胞生物学全套(共277张).ppt

　　主要内容 细胞结构与功能： ?生物膜与细胞器的研究 细胞质膜、内膜系统、线粒体等 ?细胞骨架体系的研究 微丝、微管、中间纤维、Septin ?细胞核、染色体 ? 细胞连接与细胞外基质 细胞重要生命活动： ?细胞增殖及其调控 ?细胞分化与肿瘤细胞 ?细胞凋亡

　　第一章 绪 论 细胞生物学概念: 细胞生物学是以细胞为研究对象, 从显微水平、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、细胞的起源与进化和各种生命活动规律的学科。 细胞学说的建立和内容: 一切生物体都是由细胞组成的; 细胞是生命的基本组成单位; 一切细胞只能来自原来的细胞(的分裂) 第一个利用显微镜观察细胞的人：英国人胡克/Robert Hooke 第一个利用显微镜观察到活细胞的人：荷兰学者列文虎克/Leeuwenhoek 提出者：德国的植物学家施莱登/Schleiden、动物学家施旺/Schwann 病理学家魏尔肖/Rudolf Virchow进行补充。

　　细胞是生命活动的基本单位： 一切有机体都是由细胞构成，细胞是生命体的基本构成单位; 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; 细胞是有机体生长与发育的基础; 细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性; 没有细胞就没有完整的生命。

　　支原体是最小最简单的细胞，只有唯一的细胞器核糖体，直径只有0.1-0.3μm。自然界中最小最简单的生命体是病毒。蓝细菌是已知的世界上最古老的生命体 根据核酸类型不同，病毒可以分为两大类：DNA病毒、RNA病毒 根据宿主范围可分为: 动物病毒、植物病毒、细菌病毒(噬菌体)等。 一个细胞生存和增殖必须具备的结构装置与机能是： 1). 生物膜系统; 2). 遗传信息表达结构体系; 3). 细胞骨架系统。 细胞体积大小上限一般为数百微米，下限为100nm ，其决定因素有： 1. 核质比; 2. 物质交流和运输的效率; 3. 体积表面积比。

　　第二章 细胞生物学研究方法

　　普通光学显微镜以可见光为光源，荧光显微镜的光源是以紫外线为光源，而电子显微镜是以电子束为光源。 电子显微镜按工作原理和用途的不同可分为透射电镜和扫描电镜。扫描电镜：观察样品表面的结构特征; 透射电镜：观察样品的内部精细结构。

　　一、显微成像技术：

　　R = 0.61 λ/n Sinα= 0.61 λ/NA

　　分辨率: 指能分辨出的相邻两个质点间最小距离的能力，这种距离称为分辨距离，它受到光衍射性质的限制。分辨率由光源的波长、物镜的镜口角、介质折射率三种因素决定。 λ=照明光源的波长。 n=聚光镜和物镜之间介质的折射率。 α=样品对物镜角孔径的半角。 数值孔径(又叫镜口率) 是物镜和聚光镜聚光能力的主要技术参数，是判断两者(尤其对物镜而言)性能高低的重要标志。 数值孔径越大，进入物镜的光越多;介质的折射率越大，则数值孔径越大，这些都可以使分辨率提高。 放大率：最终成像的大小与原物体大小的比值。 对显微镜来说，最重要的性能参数是分辨率，而不是放大倍数。

　　(Gp:) 显微镜类型 分辨本领 光源 透镜 成像原理

　　(Gp:) 光学显微镜 200nm 可见光 玻璃透镜 利用样本对光的吸收形成 明暗反差和颜色变化

　　(Gp:) 电子显微镜 0.2nm 电子束 电磁透镜 利用样品对电子的散射和 投射形成明暗反差

　　荧光显微镜技术： (包括激光扫描共聚焦显微镜、超高分辨率显微镜)

　　荧光显微镜技术包括免疫荧光技术和荧光素直接标记技术。

　　荧光共振能量转移： 荧光共振能量转移是指两个荧光发色基团在足够靠近时，当供体分子吸收一定频率的光子后被激发到更高的电子能态，在该电子回到基态前，通过偶极子相互作用，实现了能量向邻近的受体分子转移(即发生能量共振转移)。可用于研究活细胞生理条件下研究蛋白质-蛋白质间相互作用及其发生的时空性。如果两个蛋白质分子的距离在10nm之内，一般认为这两个蛋白质分子存在直接相互作用。 荧光漂白恢复技术： 以高能量激光束的照射使细胞特定区域的荧光发生不可逆的淬灭(漂白)，随后其它区域的荧光标记分子会运动到漂白区(恢复)，可以用来检测活细胞表面或细胞内部分子的运动以及在各种结构上分子动态变化率。

　　主要电镜制样技术： 超薄切片技术(ultrathin section) 分辨率5nm 负染技术(negative staining) 分辨率1.5nm 冰冻蚀刻技术(freeze etching) 快速冷冻深度蚀刻技术(quick freeze deep etching) 低温电镜技术(cryoelectron microscopy)

　　超薄切片： 电子束穿透力很弱，须将标本制成40-50nm(小于100nm)的超薄切片。 方法： 透射电镜观察的组织细胞样本在超薄切片之前常用戊二醛和四氧化锇双重固定;丙酮逐渐脱水;环氧树脂包埋;切片;采用柠檬酸铅和醋酸双氧铀等进行染色。 透射电镜的样品制备包括固定、脱水、包埋、切片、染色五个步骤。

　　冰冻蚀刻技术/Freeze etching： 首先用快速低温冷冻法将样品迅速冷冻，然后在低温下使相对脆弱部位断裂，用铂、金等金属进行倾斜喷镀，再垂直于断面进行碳真空喷镀，形成一层连续的碳膜，最后将样品本身消化，在电镜下观察碳膜和金属“铸型”。冰冻蚀刻技术主要用于观察膜断裂面的蛋白质颗粒和膜面结构。 深度蚀刻主要用于观察胞质中的细胞骨架纤维及其结合蛋白。 负染技术/negative staining ： 用重金属盐对铺展在载网上的样品染色，吸取多余染料，干燥后，使样品凹陷处铺上一层重金属盐，从而出现负染效果，分辨率可达1.5nm左右。

　　植物叶绿体内膜表面结构

　　微丝负染

　　二、细胞组分的分析方法：

　　一)离心分离方法： 利用超速离心机对细胞组分进行分级分离的常用方法有：差速离心法、密度梯度离心法。

　　1000g, 10min

　　20000g, 20min

　　80000g, 1h

　　150000g, 3h

　　差速离心： 利用不同离心速度所产生的不同离心力，将亚细胞组分和各种颗粒进行分开的方法。

　　密度梯度离心：利用各组分在介质中的沉降系数不同，使各组分形成区带。介质溶液是具有密度梯度、高溶解性和化学惰性的溶液。分为速度沉降和等密度沉降两种，前者主要用于分离密度相近而大小不一的组分，后者用于分离不同密度的细胞成分。

　　速度沉降或平衡沉降.

　　介质在离心管内形成一连续或不连续的密度梯度，将细胞混悬液或匀浆置于介质的顶部，通过离心力场的作用使细胞分层、分离。

　　常用介质：氯化铯、蔗糖、多聚蔗糖。

　　速度沉降：分离密度相近而大小不等的细胞或细胞器。

　　平衡沉降：分离密度不等的颗粒。

　　二)细胞内物质显示方法：

　　原理：利用一些显色剂与所检测的物质中一些特殊基团特异性结合或反应的特征，通过显色剂在细胞内的定位和颜色深浅来判断某种物质在细胞中分布和含量。

　　三)细胞内特异核苷酸序列的定位与定性： 原位杂交技术(定义或原理)： 用带有标记的特定核酸分子作探针，通过分子杂交(碱基互补配对原理)确定特殊核苷酸序列在染色体上或在细胞中的位置的方法，称为原位杂交。在光镜水平，探针可用放射性核素或荧光标记;在电镜水平，与免疫胶体金技术结合，探针可用生物小分子标记。

　　四)特异性蛋白或抗原的定位与定性： 蛋白质分子定位最常用的研究技术：免疫荧光与免疫电镜技术。 免疫荧光技术： 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。先将已知的抗原或抗体标记上荧光素制成荧光标记物，再用这种荧光抗体(或抗原)作为分子探针检查细胞或组织内的相应抗原(或抗体)。在细胞或组织中形成的抗原抗体复合物上含有荧光素。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。 免疫电镜技术： 免疫电镜技术是免疫化学技术与电镜技术结合的产物，是在超微结构水平研究和观察抗原、抗体结合定位的一种方法学。它是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。

　　五)放射自显影技术/autoradiography： 概念： 利用核素的电离辐射使含AgBr或AgCl的乳胶感光的作用，对细胞内生物大分子进行定性、定位与半定量研究，对细胞内生物大分子进行动态和追踪研究，主要包含前体物掺入和放射显影两个步骤。 研究DNA、RNA、蛋白质在细胞中的代谢，常用的同位素标记物有： DNA: 3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷 RNA：3H标记的尿嘧啶核苷 Protein: 35S标记的甲硫氨酸和半胱氨酸，3H或14C标记的甲硫氨酸或亮氨酸

　　三、细胞培养、细胞工程与显微操作技术： 原代培养(primary culture cell): 从机体取出后立即培养的细胞。一般传代不超过10代。 传代培养(subculture cell)： 适应在体外培养条件下持续培养的细胞。 细胞株(Cell Strain): 通过选择法或克隆形成法从原代培养物或细胞系中获得具有特殊性质或标志物的培养物，亦即由单细胞增殖形成的细胞群，称为细胞株。是具有相同的遗传性状的细胞群体。 细胞系(cell line)： 经第一代传代成功后，可顺利地传40-50代，且保持原来的染色体的二倍体数量和接触抑制行为的传代细胞。

　　细胞工程： 应用细胞生物学和分子生物学原理和方法，通过某种工程学手段，在细胞整体水平或细胞器水平上，依照人们的需要和设计来改变细胞内遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。 细胞融合/cell fusion： 在自然条件下或通过人工诱导的方法使两个或多个细胞融合成一个双核或多核细胞的现象。 人工诱导细胞融合方法： 化学诱导：PEG; 病毒诱导：仙台病毒 ; 电融合技术 细胞拆合： 就是把细胞核与细胞质分离开来，然后把不同来源的细胞质和细胞核相互结合，形成核质杂交细胞的过程。

　　单克隆抗体技术： 将一种来自于脾脏且产生抗体的B淋巴细胞与小鼠骨髓瘤细胞融合杂交，获得既能产生抗体，又能无限增殖的杂种细胞，经选择性培养后可制备大量单克隆抗体的技术。

　　基因打靶： 又称为基因敲除, 是指从分子水平上将一个基因去除或替代, 然后从整体观察实验动物,推测相应基因功能的实验方法。 转基因动物： 指以人工方法导入外源基因，在染色体内稳定整合并能遗传给后代的一类动物。转基因动物是在胚胎和重组DNA技术发展的基础上产生的。能在生物体中接近真实地再现某一特定基因的表达和所导致的后果，把复杂系统简化进行研究，是目前层次最高的实验体系。

　　模式生物： 由于基因在进化上的保守性和遗传密码的通用性，从某一种生物得到的有关基因性质或功能方面的信息往往也适用于其他生物。因此，可利用一些个体较小、容易培养、操作简单、生长繁殖快的生物来研究某一生物学问题，这类生物称为模式生物。 在进化上最接近于人的模式生物是小鼠。 在显微镜下通体透明的是线虫。 作为单细胞真核生物的代表，用于生物学研究的酵母主要有两种：芽殖酵母和裂殖酵母。

　　第三章 细胞质膜

　　一、细胞质膜的概念与功能： 细胞膜(cell membrane) 定义：又称质膜(plasma membrane)，是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质等组成的膜结构体系。 功能：细胞膜不仅是细胞结构上的边界，使细胞具有一个相对稳定的内环境，同时在细胞与环境之间进行物质、能量的交换及信息传递过程中也起着决定性的作用。 真核细胞内部存在着由膜围绕构建的各种细胞器。细胞内的膜系统与细胞膜统称为生物膜(biomembrane)，它们具有共同的结构特征。

　　细胞质膜的基本功能 1、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，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出，其中伴随着能量的传递。 3、提供细胞识别位点，并完成细胞内外信号跨膜传递。 4、为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行。 5、介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接; 6、参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构(膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等)。 7、膜蛋白的异常与某些疾病相关，很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。

　　二、细胞质膜的结构模型： 单位膜： 流动镶嵌模型(内容)： ●膜蛋白以不连续的颗粒形式嵌入膜层中。 ●细胞膜是一个动态结构，其组分可以运动，还能聚集以便参与各种瞬时的或非永久性的相互作用。 ●主要强调膜的流动性和膜蛋白的不对称性。 脂筏模型(内容)： 脂筏是指膜脂双层内，含有特殊脂质的微区，以鞘脂和胆固醇为主，载体特殊的蛋白质，微区内陷可形成囊泡，部分脂筏与细胞骨架蛋白交联。这一模型可解释生物膜的某些性质与功能。

　　目前对生物膜的认识： 磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分。它以疏水性尾部相对，亲水性头部朝向水相，在水相中自发形成封闭的膜系统; 蛋白分子以不同方式不对称地镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，膜蛋白决定生物膜功能; 生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。

　　三、细胞质膜的组成成分及特点： 主要由脂质(主要是磷脂和胆固醇)、蛋白质(包括酶)和多糖类组成，水和金属离子等。 1. 膜脂

　　There are three main types of membrane lipids: ● Phospholipid/磷脂 : Phosphoglyceride/磷酸甘油酯(甘油磷脂) 磷脂酰胆碱/卵磷脂(Phosphatidyl cholines, PC) 磷脂酰丝氨酸(Phosphatidyl serines, PS) 磷脂酰乙醇胺/脑磷脂(Phosphatidyl ethanolamines, PE) 磷脂酰肌醇(Phosphatidyl inositols, PI) ………… Sphingolipids / 鞘磷脂 ● Cholesterol /胆固醇 ● Glycolipid /糖脂

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　　Cholesterol/胆固醇

　　调节膜的流动性 增加膜的稳定性 降低水溶性物质的通透性 脂筏的基本结构成分

　　蛋白质 ◆生物膜的特定功能主要是由蛋白质完成的; ◆膜蛋白约占膜的40%～50%;在不同细胞中膜蛋白的种类及含量有很大差异。 ◆一般来说,功能越复杂的膜，其上的蛋白质含量越多，种类越多。 整合膜蛋白: 部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧的蛋白质; 外周膜蛋白: 水溶性蛋白，占膜蛋白总量的20%～30%; 脂锚定蛋白：以共价方式与膜脂结合的蛋白。

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　　◆用去垢剂分离小的跨膜蛋白，是膜蛋白研究的重要手段. ■去垢剂(detergent)是一种一端亲水一端疏水的两性小的脂分子。 ■当它们与膜蛋白作用时,其疏水端与膜蛋白的疏水区域相结合,极性端指向水中,形成溶于水的去垢剂-膜蛋白复合物,从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀。 ■当去除去垢剂并加入磷脂后,可使膜蛋白复性并恢复功能。

　　膜蛋白的研究方法

　　1、离子型去垢剂: 可使细胞膜崩解，并与膜蛋白疏水部分结合使其分离，作用较 为剧烈，引起蛋白质变性。 十二烷基磺酸钠(SDS) 2、非离子型去垢剂： Triton X-100、Tween-20、NP-40

　　膜糖的存在方式： ●N-连接：即糖链与肽链中天冬酰胺残基相连，发生起始于内质网内; ●O-连接：糖链与肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基相连，发生在高尔基体内; ■O-连接糖链较短，约含4个糖基，而N-连接糖链一般有10个以上的糖基。

　　3. 膜糖： 细胞质膜上的膜糖都位于细胞质膜的外表面，内膜系统中的膜糖则面向膜的腔面(非胞质面)。

　　四、生物膜基本特征： 一)膜的流动性 1. 膜脂的流动性： 1)运动方式： ◆侧向扩散运动 (lateral diffusion): 基本运动方式. ◆旋转运动 (rotation) ◆摆动 (flexion): ◆翻转运动 (flip-flop): 2)影响其流动性的因素： ●膜脂肪酸链对流动性的影响主要是不饱和程度和链的长短; ●脂肪酸越短，不饱和程度越高，膜脂的流动性越大。 ●与卵磷脂/鞘磷脂的比值呈正比; ●胆固醇的特殊作用。

　　随机运动; B. 固定的; C. 定向运动 D. 运动受到周围相互作用蛋白的限制 E. 运动受到膜骨架的限制 F. 运动受到胞外物质的制约

　　2. 膜蛋白的流动性：

　　3. 流动性的实验证据： 1) 细胞融合实验：

　　(Gp:) 小鼠细胞

　　(Gp:) 绿色荧光染料标记的膜蛋白

　　(Gp:) 细胞融合

　　(Gp:) 40min

　　(Gp:) 37 ℃

　　(Gp:) 杂交细胞

　　(Gp:) 红色荧光染料标记的膜蛋白

　　(Gp:) 人细胞

　　2) 淋巴细胞的成帽效应 3) 荧光漂白恢复实验

　　二)膜的不对称性 细胞质膜各部分的名称： 细胞外表面(ES)，原生质表面(PS) 细胞外小页断裂片(EF)， 原生质小页断裂面(PF) 2. 膜脂的不对称性 指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。 磷脂酰胆碱 和 鞘磷脂多分布在细胞膜的外层(非胞质面) 磷脂酰乙醇胺 和 磷脂酰丝氨酸多分布在细胞膜内层(胞质面) 3. 膜蛋白的不对称性 ●在膜两侧分布不对称。 ●各种生物膜的特征及其生物学功能主要是由膜蛋白决定的; 膜蛋白的不对称性是生物膜执行复杂的、在时间上和空间上有序的各种生理功能的保证。

　　五、膜骨架 一)膜骨架 概念： 膜骨架是指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持细胞膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。 光镜下人们曾发现细胞膜下存在约0.2μm厚的溶胶层，电镜出现以后，人们才逐渐认识到膜下溶胶层的实质，其中含有丰富的细胞骨架纤维(如微丝、微管等)，这些骨架纤维通过膜骨架与质膜相连。 迄今为止，对膜骨架研究最多的还是哺乳动物的红细胞。

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　　二)红细胞的生物学特征： 成熟的红细胞没有核和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料。 ◆Red Blood Cells是结构最简单的细胞: ■成熟的红细胞没有细胞器; ■质膜是红细胞惟一的膜结构; 血影：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。

　　生物膜不仅是半透膜，还是选择性通透屏障.

　　不同分子通过脂双层的扩散速率不同，主要取决于分子的大小和它在脂质中的相对溶解度，一般来说，分子量越小，脂溶性越强，速率越快。

　　第四章 膜泡运输

　　定义： 指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向低浓度一侧移动的过程，通常把这种过程称为简单扩散。 特点： 从高浓度到低浓度; 不需要转运蛋白的协助; 不消耗能量。 如：水、氧气、二氧化碳等。

　　自由扩散/简单扩散

　　影响非电解质跨膜运输速度的因素: 分子的大小: 分子越小穿膜越快。 溶质的极性: 脂溶性越强穿膜越快。

　　定义： 各种极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等在转运蛋白的协助下顺着浓度梯度或电化学梯度减小的方向的跨膜转运。 特点： 从高浓度到低浓度; 需要转运蛋白的协助; 不需要能量。 如：葡萄糖进入红细胞等

　　协助扩散/易化扩散

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　　膜转运蛋白/膜运输蛋白:

　　载体蛋白和通道蛋白的差异： 通道蛋白主要是根据溶质大小和电荷进行辨别。 载体蛋白只允许与自己结合部位相适应的溶质分子通过, 而且其自身构象在转运过程中须发生变化。

　　载体蛋白的特性： 对转运的物质不作共价修饰; 对运输物质具有高度选择性，有特异性结合位点; 具有类似于酶和底物作用的饱和动力学; 即可被底物类似物竞争性抑制，也可被某些抑制剂非竞争性抑制; 对pH有依赖性.

　　通道蛋白主要特征： 通道蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子结合，它横跨膜形成亲水通道，允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过; 转运效率高; 没有饱和值; 并非连续性开放而是门控的。

　　协同转运/cotransport ：它是一类由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。物质跨膜运输的直接动力是来自膜两侧离子的电化学梯度，而维持这种电化学梯度则是通过钠钾泵或质子泵消耗ATP所实现的。

　　通道蛋白分类： 1)电压门控通道：通过膜电位的变化使其构型发生改变, 从而将“门”打开。 2)配体-门控通道：细胞内或外的特定配体(ligand)与膜受体结合时发生反应, 引起门通道蛋白的一种成分发生构型变化, 结果使“门”打开。 3)应力激活通道：通道的打开受一种力的作用。 溶质均顺着浓度梯度自由扩散通过细胞膜。

　　定义： 由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度的由低浓度一侧向高浓度一侧进行跨膜运输的方式，是一种耗能的运输方式。 特点： 从低浓度到高浓度; 需要载体蛋白的协助; 直接或间接需要能量(ATP)。 如：Na+ 、K+、Ca2+、Mg2+等离子通过细胞膜;葡萄糖、氨基酸通过小肠上皮细胞。

　　主动运输(active transport)

　　K+： 细胞内100mM，细胞外5mM; Na+： 细胞内10-20mM，细胞外150mM; Ca2+： 胞外高出胞内1000倍以上。

　　主动运输的类型： ATP直接提供能量的主动运输，由ATP驱动泵(如钠钾泵、钙泵、质子泵)完成; ATP间接提供能量的协同运输，由耦联转运蛋白完成; 同向转运，反向转运。 3. 光能驱动的主动运输，由光驱动泵完成。 细菌视紫红质

　　ATP驱动泵的分类：

　　The Na+-K+-ATPase requires K+ outside, Na+ and ATP inside, and is inhibited by ouabain/乌本苷. The ratio of Na+:K+ pumped is 3:2 for each ATP hydrolyzed. The Na+-K+-ATPase is a P-type pump. This ATPase sequentially phosphorylates and dephosphorylates itself during the pumping cycle. The Na+-K+-ATPase is found only in animals.

　　小分子物质跨膜运输三种方式的比较

　　不需要

　　需要

　　需要

　　不消耗

　　不消耗

　　消耗

　　(Gp:) 顺浓度梯度 高浓度 低浓度

　　(Gp:) 顺浓度梯度 高浓度 低浓度

　　(Gp:) 逆浓度梯度 低浓度 高浓度

　　O2、CO2、H2O、甘油、乙醇、苯

　　葡萄糖进入红细胞

　　Na+ 、K+、Ca2+等离子; 小肠吸收葡萄糖、氨基酸。

　　内吞作用/endocytosis： 它是细胞通过质膜的内陷和包裹形成囊泡，将外界物质内化而转运进入胞内的过程。 胞吐作用/exocytosis： 将细胞内的分泌泡或其他膜泡中的物质通过质膜转运出细胞的过程。 组成型胞吐途径 调节型胞吐途径

　　受体介导的内吞作用： 细胞通过受体的介导摄取细胞外专一蛋白质或其他化合物的过程 。 细胞外溶质或配体同有被小窝的受体结合形成配体-受体复合物，网格蛋白聚集在有被小窝的胞质侧，有被小窝形成后进一步内陷，与质膜断离后形成有被小泡进入细胞。

　　协助扩散

　　自由扩散

　　物质的运输方式

　　主动运输(逆浓度梯度)

　　小分子物质 (跨膜运输)

　　大分子物质 (膜泡运输)

　　胞吞

　　胞吐

　　(Gp:) 消耗能量

　　顺浓度梯度

　　被动运输

　　(Gp:) 载体蛋白

　　小结

　　第五章 线粒体

　　一、线粒体的形态结构：

　　线粒体是双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构。

　　基质/matrix：

　　含大量可溶性蛋白(脂肪酸氧化、氨基酸降解、三羧酸循环、氨基酸分解等有关酶类) 含线粒体独特的双链环状DNA，核糖体，构成线粒体相对独立的遗传信息复制、转录和翻译系统。 线粒体是人体细胞除细胞核以外唯一含有DNA的细胞器。

　　内膜/inner membrane：

　　内膜高度不透性，几乎所有的离子和分子进出基质都必须通过转运蛋白。 线粒体内膜通常要向基质折褶形成嵴，其上有ATP合酶，又叫F0 F1 ATP酶复合体，是一个多组分的复合物，能催化ADP磷酸化生成ATP。 蛋白质和脂类的比例高于3:1 。蛋白的种类很多，主要是: (1) 电子传递链; (2) ATP合成酶; (3) 转运蛋白. 转位接触点：为内膜与外膜相互接触的地方，是蛋白质等物质进出线粒体的通道。 内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的主要部位。

　　管状嵴

　　层状嵴

　　真核细胞内碳水化合物代谢途径

　　发 酵

　　二、线粒体功能： 1. 电子传递链： 在线粒体内膜上存在传递电子的一组酶的复合物，由一系列能可逆地接受和释放电子或H+的化学物质所组成，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(electron transport chain)或呼吸链(respiratory chain)。利用电子传递所释放的自由能将线粒体基质中的H+转移到膜间隙。 电子传递链的物质基础：电子载体 在电子传递过程中，与释放的电子结合并将电子传递下去的化合物称为电子载体。

　　◆主呼吸链∶ 复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ构成主呼吸链，从NADH来的电子依次经过这三个复合物, 进行传递。 ◆次呼吸链∶ 复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ构成次呼吸链，来自FADH2的电子不经过Ⅰ。

　　2. 氧化磷酸化： 定义： 当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化形成ATP，这一酶促过程叫氧化磷酸化。 膜电位：由于质子跨线粒体内膜的转移而形成了膜两侧的质子浓度差，即pH梯度及电位差，即膜电位。 磷氧比(P/O)：是指底物氧化时，每消耗1个氧原子所消耗的用于ADP磷酸化的无机磷的原子数。 ATP酶作用机制——结合变构机制：

　　※ 线粒体内膜上的呼吸链同时起质子泵的作用，可以在传 递电子的同时将质子从线粒体基质腔转移到膜间腔; ※ 当膜间腔存在大量质子使线粒体内膜内外存在足够的电 化学H+梯度时，质子则从膜间腔通过线粒体内膜上的ATP 合成酶复合物上的质子通道进入基质，同时驱动ATP合成酶 合成ATP; ※ 线粒体内膜本身具有离子不透过性，能隔绝包括H+、 OH-在内的各种正负离子。

　　化学渗透假说内容：

　　头部 (耦联因子F1)：圆球形，突入内腔， 具有酶活性，催化ADP→ATP ; 柄部：连接头部和基部，调控质子通道; 基部 (F0耦联因子) ：嵌于内膜中，有物种差异，连接 F1和内膜，质子流向F1的穿膜通道。

　　α和β亚基均具有核苷酸结合位点，其中β亚基具有催化ATP合成或水解的活性。

　　生物体能量转换的核心酶，在线粒体内膜、叶绿体的类囊体膜和好氧菌的质膜上。

　　线粒体中由自身合成的蛋白质仅占10%,其余均为细胞核基因组编码。因此，线粒体有自己的DNA和蛋白质合成体系，即独立的遗传系统，但又受核基因组遗传系统的控制，其生长和增殖受核基因组和自身基因组两套遗传系统的控制，故为半自主性细胞器。

　　三、线粒体的半自主性：

　　(Gp:) ATPase subunit 8

　　编码细胞色素b、细胞色素氧化酶的3个亚基、ATP酶的2个亚基以及NADH脱氢酶的7个亚基。另外还有16SrRNA和12SrRNA以及22个tRNA的DNA序列.

　　线粒体内蛋白来源： 1)胞质内游离核糖体合成 2)线粒体自身合成 线粒体蛋白质合成: 1)有自己的蛋白质翻译系 统; 2)所编码的蛋白质是在线 粒体内的核糖体上进行的; 3)所编码的RNA和蛋白质 并不运出线粒体外; 4)用于蛋白质合成的所有 tRNA都是由mtDNA编码的;

　　编码细胞色素b、细胞色素氧化酶的3个亚基、ATP酶的2个亚基以及NADH脱氢酶的7个亚基.

　　运至基质的蛋白：含有一个定位信号肽

　　运至内膜或膜间隙的蛋白：含两个信号肽

　　第六章 叶绿体

　　一、叶绿体的形态结构：

　　背阳处：

　　同一植物

　　向阳处：

　　叶绿体小，数目多.

　　叶绿体大，数目少。

　　(Gp:) 叶绿体外被

　　(Gp:) 内膜

　　(Gp:) 外膜

　　(Gp:) 基质类囊体 (基质片层)

　　(Gp:) 基质

　　(Gp:) 类囊体腔

　　(Gp:) 基粒类囊体

　　(Gp:) 膜间隙

　　(Gp:) 叶绿体超微结构的模式图解

　　(Gp:) 基粒

　　(Gp:) 类囊体

　　叶绿体膜： ◆外膜/outer membrane: 通透性大，含有孔蛋白，允许分子量小于10000的分子通过。如，如核苷、无机磷(Pi)、蔗糖等均可自由通过。 ◆内膜/inner membrane： 通透性差，选择性强，仅有O2、H2O和CO2可以自由通过。含很多转运蛋白(靠浓度梯度驱使，非主动运输)。 ※ 磷酸交换载体/phosphate exchange carrier： 将胞质中的无机磷转运到叶绿体基质，同时将叶绿体基质中产生的磷酸甘油醛释放到细胞质。 ※ 二羧酸交换载体/dicarboxylate exchange carrier： 交换含有2个羧基的酸：苹果酸、延胡索酸等。 ※ 葡萄糖载体

　　膜间隙/intermembrane space： 内、外两层膜之间厚约10~ 20nm的空隙。 基质/stroma: 被叶绿体内膜所包围了除了类囊体以外的区域; 光合作用固定CO2的场所。 可溶性蛋白质、酶类和其它代谢产物; Rubisco/RuBPcase颗粒 70S核糖体 环状DNA RNA

　　类囊体/thylakoid： 叶绿体内部由内膜发展而来的封闭的扁平膜囊。 ◆ 基粒类囊体/granum thylakoid 基粒/grana 垛叠是动态的;大大增加了膜片层的总面积。 一个叶绿体含有40-60个甚至更多的基粒，一个基粒由5-30个基粒类囊体组成，最多可达上百个。 ◆ 基质类囊体/stroma thylakoid/基质片层/stroma lamella 网管状或扁平状。 ◆ 类囊体腔/thylakoid lumen

　　类囊体是一个完整连续的封闭膜囊。

　　二、叶绿体的化学组成： 外膜：孔蛋白 内膜：转运蛋白 类囊体： ◆蛋白约占60% 、脂类约占40%。 ◆脂中以含半乳糖的糖脂为主，磷脂极少，且脂中的脂肪酸含较多双键，如不饱和的亚麻酸，约占总脂肪酸的87%，使得脂双分子层具有很大的流动性。 。

　　高等植物光合作用涉及两个反应过程： 光反应/light reaction： 依赖光的反应，只在光照条件下才发生。 在类囊体膜上通过叶绿素等光合色素分子吸收、传递光能，并将光能转化为电能，进而转换为活跃的化学能，形成ATP和NADPH，同时也产生氧气。 它包括原初反应、电子传递和光合磷酸化. 碳同化反应/固碳反应/暗反应： 在光反应产物的驱动下进行。 在叶绿体基质中进行的酶促化学反应，利用光反应产生的ATP和NADPH，将二氧化碳还原为糖，即将活跃的化学能转换为稳定的化学能，最终储存于有机物中。

　　三、叶绿体的功能：

　　光合作用全过程各个阶段示意图 光合作用的光反应在类囊体中进行;暗反应(碳固定反应)在叶绿体基质中进行 。

　　(基质中)

　　C3途径： CO2还原生成糖的途径称为还原戊糖磷酸(reductive pentose phosphate,RPP)循环，或C3途径。在C3途径中，由于反应的最初产物3-磷酸甘油酸是三碳化合物，因此又称三碳循环或卡尔文循环(Calvin cycle)。它含可分为三个阶段: RuBP的羧化(CO2固定)、PGA( 3-磷酸甘油酸)的还原、RuBP的再生。 C4途径： C4植物的叶中有两种类型的细胞：叶肉细胞和维管束鞘细胞，CO2的固定发生在叶肉细胞中，而卡尔文循环系统位于维管束鞘细胞。

　　三碳循环是靠光反应形成的ATP和NADPH作为能源，推动CO2的固定、还原，每循环一次只能固定一个CO2，循环6次，才能把6个CO2分子同化成一个己糖。 实际上，通过卡尔文循环将6分子CO2转变成葡萄糖通常需要消耗18分子的ATP和12分子的NADPH。 六碳糖(蔗糖)的合成发生在细胞质基质中，而淀粉的合成发生在叶绿体基质中。

　　6CO2+18ATP+12NADPH C6H12O6+12NADP++18ADP+18Pi

　　卡尔文循环净反应：

　　通过卡尔文循环将6分子CO2转变成葡萄糖通常需要消耗18分子的ATP和12分子的NADPH。

　　几个概念： 原初反应：光反应的最初始的反应，指叶绿体分子从被光激发至引起第一个光化学反应为止的过程，包括光能的吸收、传递和转换。 光合作用单位：叶绿体中不是所有的叶绿素分子都直接参与光化学反应将光能转换为化学能。大约300个叶绿素分子组成一个功能单位才能进行光子的吸收，该功能单位成为光合单位/photosynthetic unit，它是进行光合作用的最小结构单位。由反应中心色素和捕光色素组成。 反应中心色素：由一种叶绿素a分子组成，能够接受捕光色素传递来的共振能，激发出电子并且传递给原初电子受体，同时接受原初电子供体传来的电子，将光能转化成化学能。 捕光色素：又称吸光色素或天线色素，它位于类囊体膜上，只具有吸收、聚集光能和传递共振能给反应中心色素分子的作用，无光化学活性。包括全部的叶绿素b、大部分叶绿素a，以及胡萝卜素和叶黄素等。

　　细胞色素b6 /f复合物的结构和功能

　　把电子从PS Ⅱ传递给PS Ⅰ

　　H+移动的方向是从基质到类囊体腔，每传递一对电子转移4个H+，在内囊膜两侧产生质子梯度。

　　概念：在叶绿体进行的光合作用过程中，会产生H+电化学梯度，因而能够驱动ADP磷酸化合成ATP，这一总过程由于是光驱动的，故叫光合磷酸化。 光合磷酸化同线粒体的氧化磷酸化的主要差别是∶ 氧化磷酸化是由高能分子(NADH, FADH2)氧化驱动的，而光合磷酸化是由光子驱动的。

　　光合磷酸化：

　　noncyclic photophosphorylation/非循环式光合磷酸化： 电子从水经过PSII、载体中间链、PSI，最终抵达NADP+。其电子的传递经过PSⅡ和PSⅠ两个光系统!并在传递过程中产生H+梯度并同磷酸化相偶联，产生ATP。电子的传递是一个开放的通道。 产物：ATP + NADPH + 分子氧。

　　Cyclic photophosphorylation:

　　循环式光合磷酸化： PSI吸收光能发出激发电子，传至铁硫蛋白和细胞色素b6f和质体醌，返回P700+。其电子的传递只经过pSⅠ一个光系统!用来调控ATP和NADPH的比值。 产物：ATP。

　　半自主性细胞器

　　四、叶绿体的半自主性：

　　一、由ctDNA编码,在叶绿体核糖体上合成; 二、由核DNA编码,在叶绿体核糖体上合成; 三、由核DNA编码,在细胞质核糖体上合成。

　　叶绿体蛋白的来源

　　定位于类囊体膜或腔的蛋白运输

　　叶绿体基质蛋白的转运

　　叶绿体基质导向序列 类囊体导向序列

　　Origin: The endosymbiont theory/内共生理论

　　Compare the ribosomal RNA with the base sequence of various bacterial rRNAs: Purple bactria/紫细菌-Mitochondria/线粒体 Cyanobacteria/蓝细菌-Chloroplasts/叶绿体

　　内共生

　　内共生

　　蓝细菌

　　紫细菌

　　原始真核生物

　　原始细菌

　　真细菌

　　原真核细胞

　　第七章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输

　　细胞质基质 概念： 在真核细胞的细胞质中，除可分辨的细胞器以外的胶状物质，称为细胞质基质。它是一种高度有序且又不断变化的结构体系。在确保与协调各种代谢反应、胞内物质运输与信息传递等方面起重要作用。 主要特点： 细胞质基质是一个高度有序的体系;通过弱键而相互作用处于 动态平衡的结构体系。

　　细胞内膜系统 是指细胞内在结构、功能及发生上相关的、由膜包绕形成的细胞器或细胞结构。包括内质网、高尔基体、溶酶体和分泌泡等。

　　内膜系统的特征： ◆具有质膜的共性 ◆独立性 ●相对封闭的区室 ●执行独立的功能 ◆协作性:动态性质

　　内质网： 细胞质中由膜围成的管状或扁平囊状的结构，互相连通成网，构成细胞质中的扁平囊状系统。(微粒体——破碎的内质网)。 内质网形成完整的封闭体系，将内质网上合成的物质与细胞质基质中合成的物质分隔开来，更有利于物质的加工和运输。 肌质网: 肌细胞中含有发达的特化的光面内质网。

　　多呈大的扁平膜囊状。它是核糖体和内质网共同构成的复合机能结构, 普遍存在于分泌蛋白质的细胞中, 越是分泌旺盛的细胞(如浆细胞)越多。其主要功能是合成分泌性的蛋白质、多种膜蛋白和酶蛋白。粗面内质网与细胞核的外层膜相连通。

　　粗面内质网：

　　●无核糖体附着的内质网称为光面内质网, 通常为小的膜管和小的膜囊状。 ●光面内质网是脂类合成的重要场所。 ●光面内质网所占的区域通常较小，它合成的磷脂主要由两种方式由内质网向其它膜转运： 1. 它往往作为出芽的位点, 将内质网上合成的蛋白质或脂类转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上; 2. 凭借一种水溶性的载体蛋白，称为磷脂转换蛋白/PEP在膜之间转移磷脂。

　　光面内质网：

　　葡萄糖-6-磷酸酶，普遍存在于内质网，被认为是标志酶。

　　内质网的主要功能： 1.蛋白质的合成; 2.脂类的合成; 3.蛋白质修饰和加工：糖基化、酰基化、二硫键形成等; 4.新生多肽的折叠和组装;

　　糖基一般连接在4种氨基酸上，分为2种： O-连接的糖基化(O-linked glycosylation)：与Ser、Thr和Hyp/羟脯氨酸的OH连接，连接的糖为半乳糖或N-乙酰半乳糖胺，在高尔基体上进行O-连接的糖基化。 N-连接的糖基化(N-linked glycosylation)：与天冬酰胺残基的NH2连接，糖为N-乙酰葡糖胺。

　　葡萄糖苷酶

　　钙连蛋白，分子伴侣

　　质量控制： 确保错误折叠的蛋白不离开内质网。 错误折叠的蛋白由葡糖糖苷酶识别，在寡糖链末端添加一个葡萄糖。寡糖含有单个葡萄糖的糖蛋白被分子伴侣Calnexin识别，获得一次重新正确折叠的机会。如果多次重复仍未正确折叠，蛋白质被转移到细胞质基质中并被降解。

　　葡萄糖基转移酶

　　分子伴侣： 细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位相结合，从而帮助这些多肽转运、折叠或装配，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”。

　　泛素蛋白酶体降解途径： 泛素蛋白酶体途径介导的蛋白降解是机体调节细胞内蛋白水平与功能的一个重要机制。负责执行这个调控过程的组成成分包括泛素及其启动酶系统和26S蛋白酶体系统。泛素启动酶系统(泛素活化酶 E1，泛素结合酶E2，泛素连接酶E3)负责活化泛素，并将其结合到待降解的蛋白上，形成靶蛋白多聚泛素链，即泛素化。蛋白酶体系统可以识别已泛素化的蛋白并将其降解。

　　高尔基体是一个复杂的由许多功能不同的间隔所组成的连续的完整体系或结构。 由一些(常常4-8个)排列较为整齐的扁平膜囊(saccules)堆叠在一起，构成高尔基体的主体结构，膜囊多呈弓形，也有呈半球形或球形。膜囊在不同细胞中数目差异较大，少至1-2个，多至10几个。 高尔基复合体的标志酶是糖基转移酶。

　　一般情况下，高尔基体靠近细胞核的一面，膜囊弯曲成凸面，又称形成面(forming face)或顺面(cis face)，面向细胞质膜的一面常呈凹面(concave)，又称成熟面(mature face)或反面(trans face)。 高尔基体是一种极性细胞器。

　　顺面膜囊： 中间多孔而呈连续分支状的管网结构。 一般认为CGN接受来自内质网新合成的物质并将其分类后大部分转入高尔基体中间膜囊，小部分蛋白质与脂类再返回内质网。 中间膜囊： 由扁平膜囊与管道组成，形成不同间隔，但功能上是连续的、完整的膜囊体系。多数糖基修饰、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成都发生在中间膜囊中。 反面膜囊： 管网状结构; pH较其它地方低; 参与蛋白质的分类和包装，最后从高尔基体中输出。

　　?蛋白质运输 ◆ER到高尔基体内侧的运输 ◆ER蛋白的逆向运输 ◆高尔基体内侧到高尔基体外侧运输 ?蛋白质的修饰：糖基化等 ?蛋白质的分选 ?蛋白质的水解：将蛋白质N端或C端切除，成为有活性的物质(胰岛素C端)或将含有多个相同氨基序列的前体水解为有活性的多肽，如神经肽。

　　高尔基体功能：

　　溶酶体：

　　※ 溶酶体几乎存在于所有的动物细胞中一种异质性细胞器。 ※ 溶酶体是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。 ※ 其主要功能是进行细胞内的消化作用。 标志酶：酸性水解酶

　　根据溶酶体的不同生理阶段，可分为初级溶酶体(primary lysosome)、次级溶酶体(secondary lysosome)和残余小体(residual body)。

　　溶酶体膜在成分上也与其它生物膜不同，富含： ◆ H+-pumps/质子泵: internal proton concentration is kept high by H+-ATPase(保持溶酶体基质内的酸性环境)。 ◆ Glycosylated proteins/糖蛋白: may protect the lysosome from self-digestion(防止自身被水解消化。 ). ◆ Transport proteins/转运蛋白: transporting digested materials(可运输溶酶体消化水解的产物。 ).

　　1.清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞 2.防御功能: 入侵病毒或细菌等。 3.其它重要的生理功能 如：精子的顶体(acrosome)相当于特化的溶酶体，在受精过程中的能溶解卵细胞膜。

　　溶酶体的功能：

　　(Gp:) 溶酶体与疾病

　　(Gp:) 溶酶体膜失常与疾病: 矽肺 、痛风。

　　(Gp:) 先天性溶酶体病：糖原贮积病、脂质沉积病、粘多糖沉积病。

　　………….

　　溶酶体酶的合成及N-连接的糖基化修饰(rER)

　　高尔基体cis膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化

　　M6P

　　N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶

　　高尔基体trans-膜囊和TGN膜(M6P受体)

　　溶酶体酶分选与局部浓缩

　　以出芽的方式转运到前溶酶体

　　磷酸葡萄糖苷酶

　　磷酸化识别信号：信号斑

　　溶酶体的发生途径

　　过氧化物酶体(peroxisome)又称微体(microbody)，是由单层膜围绕的、内含一种或几种氧化酶类、高电子密度、圆形或卵圆形的细胞器。

　　过氧化物酶体的特征： ⑴和溶酶体形态大小类似; ⑵含有氧化酶类，将底物氧化形成H2O2; ⑶内环境pH值为7左右; ⑷酶在细胞质基质中合成，经分选与装配形成; ⑸识别的标志酶为过氧化氢酶。

　　过氧化酶体的功能

　　(Gp:) 2H2O2

　　(Gp:) 过氧化氢酶

　　(Gp:) 2H2O +O2

　　(Gp:) 防止H2O2在细胞内堆积，起保护细胞的作用。

　　降解生物大分子,最终产生H2O2

　　蛋白质的分选(protein sorting)：又称蛋白质的定向转运(protein targeting): 指绝大多数的蛋白质均在细胞质基质中游离的或粗面内质网上的核糖体开始合成，然后转运到细胞的特定部位，装配成具有特定结构与功能的复合体，才能参与细胞的各种生命活动过程。

　　Proteins are imported into organelles by three mechanisms: Gated Transport: Transport through nuclear pores Transmembrane transport: ER, Mit, Chl, Per Vesicular transport: ER to Golgi, PM, Lysosome, Endosome.

　　Signal Hypothesis/信号假说------ A model for the Signal Mechanism of cotranslational Import/共翻译转运