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细胞生物学教学课件 第一章 第七章 第一章绪论 第一节细胞生物学研究的内容与现状第二节细胞学与细胞生物学发展简史 第一节细胞生物学研究的内容与现状 一 现代生命科学中的一门重要的基础前沿学科二 细胞生物学的主要研究内容 细胞重大生命活动及其关系示意图 图1 1 第二节细胞学与细胞生物学发展简史 一 细胞的发现二 细胞学的建立及其意义三 细胞学的经典时期四 实验细胞学与细胞学的分支及其发展五 细胞生物学学科的形成与发展 重要概念与学说 原生质体 protoplast 去掉细胞壁的植物细胞或其他去壁细胞 细胞学说 celltheory 生物科学的重要学说之一 包括三个基本内容 所有生命体均由单个或多个细胞组成 细胞是生命的结构基础和功能单位 细胞只能由原有细胞分裂产生 本章概要 细胞生物学是研究细胞生命活动基本规律的学科 它是现代生命科学的基础学科之一 细胞生物学研究的主要方面包括 生物膜与细胞器 细胞信号转导 细胞骨架体系 细胞核 染色体及基因表达 细胞增殖及其调控 细胞分化及干细胞 细胞死亡 细胞衰老 细胞工程 细胞的起源与进化 本章回顾了细胞学与细胞生物学发展的简史 阐述了细胞学说的建立及其重要意义 分析了细胞生物学学科形成的基础与条件 细胞学与细胞生物学发展的历史大致可以划分为以下几个阶段 细胞的发现 细胞学说的建立 细胞学的经典时期 实验细胞学时期 细胞生物学学科的形成与发展 当今的细胞生物学是以细胞作为生命活动的基本单位这一概念为出发点 在各层次上探索生命现象的最基本 最核心问题的一门重要的学科 第二章细胞的统一性与多样性 第一节细胞的基本特征第二节原核细胞与古核细胞第三节真核细胞第四节病毒 非细胞形态的生命体 第一节细胞的基本特征 一 细胞是生命活动的基本单位二 细胞的基本共性 人体由200多种不同的细胞组成 图2 1 第二节原核细胞与古核细胞 一 原核细胞二 支原体 最小最简单的细胞三 细菌和蓝藻 原核细胞的两个代表类群四 古核细胞 古细菌 生物界的基本类群 图2 2 支原体 A 及其模式图 B 图2 3 细菌的结构 图2 4 革兰氏阳性菌 A 与革兰氏阴性菌 B 的细胞壁 图2 5 细菌的复制 转录和翻译同时进行 图2 6 蓝藻 图2 7 古细菌的细胞膜脂 图2 8 第三节真核细胞 一 真核细胞的基本结构体系二 细胞的大小及其影响因素三 原核细胞与真核细胞的比较四 植物细胞与动物细胞的比较 细胞的大小及其调控 图2 9 原核细胞与真核细胞基本特征的比较 表2 1 定殖于小鼠回肠末端的分节丝状菌 图2 10 动物细胞 A 和植物细胞 B 模式图 图2 11 第四节病毒 非细胞形态的生命体 一 病毒的基本知识二 病毒在细胞内增三 病毒与细胞在起源于进化中的关系 牛传染性鼻气管炎病毒的超微结构 图2 12 类病毒的电镜照片 图2 13 病毒的基本类型 图2 14 病毒结构的示意图 图2 15 戊型肝炎病毒的冷冻电镜图片 图2 16 在细胞核内增殖的腺病毒 图2 17 病毒在细胞中的增殖过程 图2 18 电镜超微切片下的山羊痘病毒 图2 19 病毒的核酸类型及其代表科 表2 2 本章概要 一 细胞是一切生命活动的基本单位 包括以下几个方面的涵义 1 一切有机体都由细胞构成 细胞是构成有机体的形态结构单位 构成多细胞生物体的细胞虽然是 社会化 的细胞 但它们又保持着形态结构的独立性 每一个细胞具有自己完整的结构体系 2 细胞是有机体代谢与执行功能的基本单位 在细胞内的一切生化过程与试管内的生化过程的根本不同点 是细胞有严格自动控制的代谢体系 并且有保证完成生命过程有序性的独立的结构装置 3 有机体的生长与发育是依靠细胞增殖 分化与凋亡来实现的 细胞是研究有机体生长与发育的基础 4 细胞是遗传的基本单位 每一个细胞都具有遗传的全能性 除少数特化细胞 构成各种生物机体的细胞的种类繁多 结构与功能各异 但它们都具有基本共性 细胞膜 两种核酸 DNA与RNA 蛋白质合成的机器 核糖体与一分为二的增殖方式 这些是细胞结构与生存不可缺少的基础 种类繁多的细胞可以分为原核细胞与真核细胞两大类 近年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 作为比支原体更小更简单的细胞 又要维持细胞生命活动的基本要求 似乎不大可能 本章概要 二 细菌与蓝藻是原核细胞的两个重要代表 原核细胞的共同特征 没有核膜 遗传信息载体仅仅是一个裸露的环状DNA分子 除核糖体与细胞质膜及其特化结构外 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 双层核膜将细胞分隔为细胞核与细胞质两个基本部分 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 细胞内部出现精密的网架结构 细胞骨架 古核细胞在形态结构 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 真核细胞的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建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 细胞体积的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 病毒是非细胞形态的生命体 但所有的病毒 必须在细胞内才能表现它们的基本生命活动 复制与增殖 病毒是最小 最简单的生命体 主要是由一个核酸分子 DNA或RNA 与蛋白质构成的复合结构 类病毒仅由一条有感染性的RNA构成 病毒在细胞内的复制 增殖 过程大致可分为 侵染 脱衣壳 早基因复制与表达 晚基因复制 结构蛋白合成 装配与释放等过程 第三章细胞生物学研究方法 第一节细胞形态结构的观察方法第二节细胞及其组分的分析方法第三节细胞培养与细胞工程第四节细胞及生物大分子的动态变化第五节模式生物与功能基因组的研究 第一节细胞形态结构的观察方法 一 光学显微镜二 电子显微镜三 扫描隧道显微镜 几种显微镜可观察的样品大小 箭头之间的范围 及其分辨能力 右侧箭头所指位置 图3 1 分辨率 能区分开两个质点间的最小距离眼睛 光学显微镜和电子显微镜的分辨率分别为 0 2mm 0 2 m和0 2nm 一 光学显微镜 一 普通复式光学显微镜 二 相差显微镜和微分干涉显微镜 三 荧光显微镜 四 激光扫描共焦显微镜 一 普通复式光学显微镜 普通光学显微镜成像示意图 图3 2 决定光学显微镜的分辨率的要素 图3 3 D 0 61 N sin 2 D 分辨率 入射光的波长N 介质的折射率 1或1 5 物镜的镜口角 石蜡切片的制备程序 图3 4 二 相差显微镜和微分干涉显微镜 相差显微镜 一种将相位差转变成振幅差 明暗差 的显微镜 可观察不染色的活细胞 微分干涉显微镜 一种将样品厚度上的微小区别转化成明暗区别相差显微镜 两束光波之间的相互干涉 图3 5 A 相位相同时B 相位相反时 两种不同类型的光学显微镜所拍摄的图像比较 图3 6 体外培养的MDCK细胞的图像A 普通显微镜所拍B 相差显微镜所拍 三 荧光显微镜 由于荧光显微镜的暗视野为荧光信号提供了强反差背景 非常微弱的荧光信号亦可得以分辨 荧光显微镜的基本原理及其应用 图3 7 A 基本原理B 不同荧光素所需激发波长与所产生的荧光波长比较C 在有丝分裂中期中 四 激光扫描共焦显微镜 激光扫描共焦显微镜 用聚焦极好的激光束对样品单一景深的层面进行快速扫描 从而获得 光学切片 效果的显微镜 激光扫描共焦显微镜的原理图 图3 8 荧光显微镜 A 和激光扫描共焦显微镜 B 所观察图像的比较 图3 9 二 电子显微镜 一 电子显微镜的基本知识1 电子显微镜与光学显微镜的基本区别2 电子显微镜的分辨本领与有效放大倍数3 电子显微镜的基本构造 二 主要电镜制样技术1 超薄切片技术2 负染色技术3 冷冻蚀刻技术4 电镜三维重构与低温电镜技术5 扫描电镜技术 一 电子显微镜的基本知识 1 电子显微镜与光学显微镜的基本区别2 电子显微镜的分辨本领与有效放大倍数3 电子显微镜的基本构造 电子显微镜的基本结构 A 和成像原理 B 图3 10 电子显微镜与普通光学显微镜的基本区别 表3 1 二 主要电镜制样技术 1 超薄切片技术 切片厚度一般仅为40 50nm2 负染色技术 用重金属盐对电镜样品进行染色的技术 使得重金属盐沉积在样品周围 而样品不被染色 从而衬托出样品的精细结构 3 冷冻蚀刻技术 样品经冷冻断裂后 在真空中短暂暴露 使断裂面上的一层薄冰升华 暴露出蚀刻面 以便在电子显微镜下进行观察 4 电镜三维重构与低温电镜技术5 扫描电镜技术 利用电子在样品表面扫描产生二次电子成像的显微镜 几种固定剂对细胞不同成分的固定效果的比较 表3 2 电镜超薄切片样本制备示意图 图3 11 超薄切片技术显示的动物细胞超微结构 图3 12 家蚕细小病毒负染色电镜照片 病毒直径20nm 图3 13 冰冻蚀刻技术示意图 图3 14 冷冻断裂复型 样品组织冷冻后 用刀口撞击 使样品沿阻力最小的面断裂 通常在脂双层两小叶之间发生断裂 产生两个断裂面 用金属喷镀获得断裂面的投影复制品 用于电子显微镜分析 电子扫描断层成像技术显示细菌的部分鞭毛及其复杂的基部结构 箭头所指 图3 15 扫描电镜原理示意图 A 扫描电镜下可清晰地显示原生动物四膜虫表面的纤毛和口器 B 图3 16 三 扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜 一种利用隧道效应来探测微观世界物质表面形貌的显微镜 第二节细胞及其组分的分析方法 一 用超离心技术分离细胞组分二 细胞成分的细胞化学显示方法三 特异蛋白抗原的定位与定性四 细胞内特异核酸的定位与定性五 定量细胞化学分析与细胞分选技术 一 用超离心技术分离细胞组分 用差速离心法分离细胞匀浆中的各种细胞组分 图3 17 用密度梯度离心分离细胞组分示意图 图3 18 二 细胞成分的细胞化学显示方法 为了测定蛋白质 核酸 多糖和脂质等细胞组分 通常利用一些显色剂与所检测物质中一些特殊基团特异性结合 反应 的特征 通过显色剂在细胞中的定位及颜色的深浅来判断某种物质在细胞中的分布和相对含量 三 特异蛋白抗原的定位与定性 一 免疫荧光技术 二 免疫电镜技术 直接免疫荧光标记与间接免疫荧光标记技术 图3 19 直接免疫荧光标记技术 利用偶联荧光分子的抗体与细胞或细胞切片进行孵育 使抗体和相应抗原结合 在荧光显微镜下对抗原进行定位的技术 间接免疫荧光标记技术 即不带荧光标记的第一抗体与相应抗原孵育形成复合物后 再用荧光标记的第二抗体识别第一抗体 从而显示抗原所在位置 免疫胶体金电镜原位杂交技术的基本原理与应用 膀胱上皮细胞膜蛋白的分布 箭头所指 图3 20 四 细胞内特异核酸的定位与定性 原位杂交 insituhybridization 通过单链RNA或DNA探针对细胞或组织中的基因或mRNA进行定位的技术 用原位杂交技术显示Z13基因在受精后1d的斑马鱼胚胎的体节 眼和松果体中的表达 箭头所指 图3 21 五 定量细胞化学分析与细胞分选技术 流式细胞术 一种用于核酸 蛋白质 染色体和细胞等的定量 分离和分选的技术 流式细胞仪的工作原理 图3 22 第三节细胞培养与细胞工程 一 细胞培养二 细胞工程 一 细胞培养 一 动物细胞培养 二 植物细胞培养原代培养 用直接从生物体获得的细胞所进行的培养 传代培养 在体外培养条件下对细胞一代接一代的持续培养 细胞系 来源于动物或植物细胞 能够在体外培养过程中无限增殖的细胞群体 体外培养的细胞 图3 23 A 正在生长分裂的HeLe 宫颈瘤 细胞B 长满单层的CHO 中国仓鼠卵巢 原代细胞 二 细胞工程 一 细胞融合与单克隆抗体技术 二 显微操作技术与动物的克隆细胞融合 两个细胞通过质膜的接触并相互融合形成一个细胞的过程 融合后的细胞只有一个连续的细胞质膜 单克隆抗体 来自单个细胞克隆所分泌的抗体分子 杂交瘤技术 由一个正常的产生抗体的B淋巴细胞与一个恶性骨髓瘤细胞融合产生的杂种细胞系 具有无限增殖和产生单克隆抗体的特性 细胞拆合 即先把细胞核与细胞质分离开来 然后把不同来源的核体和胞质体相互融合 形成核 质杂交细胞 单克隆抗体制备过程示意图 图3 24 应用显微注射技术进行细胞核移植 图3 25 第四节细胞及生物大分子的动态变化 一 荧光漂白恢复技术二 单分子技术与细胞生命活动的研究三 酵母双杂交技术四 荧光共振能量转移技术五 放射自显影技术 一 荧光漂白恢复技术 荧光漂白恢复技术 一种研究膜组分流动性的技术 通过膜组分与荧光染料连接 用激光不可逆地漂白膜上的某一荧光区域 然后根据漂白区荧光恢复的速度 研究膜的流动性 荧光漂白恢复技术原理示意图 图3 26 二 单分子技术与细胞生命活动的研究 单分子技术 一种在细胞内实时观测单一生物分子运动规律的技术 可在纳米空间尺度和毫秒时间尺度上精确测量单分子的距离 位置 指向 分布 结构以及各种动态过程 利用光镊来研究生物单分子体系 图3 27 三 酵母双杂交技术 酵母双杂交技术 一种利用酵母基因表达系统在体内分析蛋白质 蛋白质相互作用的技术 用于检测蛋白质 蛋白质互作的酵母双杂交技术原理示意图 图3 28 四 荧光共振能量转移技术 荧光共振能量转移技术 一种用来检测活细胞内两种蛋白质分子是否直接相互作用的技术 荧光共振能量转移原理图 图3 29 五 放射自显影技术 放射自显影技术 通过检测放射性标记物质在细胞内的定位来观察某一特定生化反应过程的技术 在含有放射性同位素的组织切片上涂一薄层感光乳胶 乳胶经组织发出的射线曝光 显影 在显微镜下通过观察银颗粒定位 可以获知细胞中有放射性信号的位点 常用放射性同位素的基本特点 表3 3 电镜放射自显影图片 显示RNA合成部位 图3 30 N 细胞核Nu 核仁SG 银颗粒 第五节模式生物与功能基因组的研究 一 细胞生物学研究常用的模式生物二 突变体制备技术三 蛋白质组学技术 一 细胞生物学研究常用的模式生物 一 大肠杆菌 二 酵母 三 线虫 四 果蝇 五 斑马鱼 六 小鼠 七 拟南芥 二 突变体制备技术 RNA干扰 RNAi 一种把双链小分子 或单链反义 RNA导入细胞或模式生物体中使某mRNA降解或抑制其翻译活性的技术 基因敲除 一种同源替代技术 RNAi原理的示意图 图3 31 三 蛋白质组学技术 一 双向凝胶电泳 二 色谱技术 三 质谱 四 蛋白质芯片 五 生物信息学 本章概要 一 细胞生物学的研究不仅涉及多种实验手段 而且较其他生命学科更多地依赖于其研究方法和实验技术 从发现细胞所使用的光学显微镜 到将细胞超微结构呈现在人们面前的电子显微镜 直至达到原子尺度分辨率的扫描隧道显微镜等仪器的出现 使细胞形态结构与细胞组分的研究手段发生了革命性的改变 这种改变不仅限于仪器分辨率水平的提高 而且包含大量实验技术的涌现 就仪器本身而言 如光学显微镜 也经历了前所未有的改进和发展 因此了解各种仪器的基本原理 相关实验技术的操作要点和所能解决的问题就显得十分重要 如活体细胞可以用相差显微镜及微分干涉显微镜观察 荧光显微镜技术和扫描共焦显微镜与现代图像处理技术相结合在蛋白质与核酸等生物大分子的定性与定位方面发挥了重要作用 超薄切片技术是观察细胞超微结构的基础 扫描电镜技术则是观察细胞表面形貌的有力工具 扫描隧道显微镜技术在纳米生物学的研究领域具有独特的优越性 细胞组分的分离与纯化可以用超速离心等技术 成分分析与细胞结构观察的结合依赖于细胞化学技术 免疫荧光技术 免疫电镜技术 原位杂交技术等 本章概要 二 细胞培养技术是生命科学研究中的一项基本技术 也是当今细胞工程乃至基因工程的应用基础 干细胞的体外培养与定向分化的研究 也都是基于细胞体外培养技术的建立与发展 生物大分子之间的相互作用 特别是在活体细胞中的相互作用与动态变化是了解细胞生命活动机理的核心课题之一 因此单分子技术及相关技术也就受到了密切的关注和越来越广泛的应用 这里需要强调一下在解决细胞生物学诸多问题中 最基本的 最为有效的途径之一 就是利用模式生物进行遗传分析的方法 经典遗传分析的方法是从表型到基因型的研究 通过大量突变株的诱变 从而了解特定基因的生物学功能 细胞生物学中很多知识都是应用这一方法获得的 基因克隆与转基因技术的发展使由基因型到表型的研究成为可能 即功能基因组学 如在基因层面上的基因敲除 在RNA层面上的RNA干涉等研究 借此 人们可以从基因突变到表型分析 快速 系统地了解基因的功能 进而结合蛋白质组学和生物信息学的分析手段 深入研究细胞生命活动 逐步揭示生命本质和运动规律 见下图 本章概要 三 细胞生物学研究的基本思路 第四章细胞质膜 第一节细胞质膜的结构模型与基本成分第二节细胞质膜的基本特征与功能 细胞质膜与生物膜 细胞质膜 plasmamembrane 细胞与其外部环境之间的生物膜 构成细胞的界膜和选择性渗透屏障 质膜在物质运输 能量转换和信息传递过程中起着重要作用 生物膜 biomembrane 细胞质膜和细胞内的膜系统统称为生物膜 第一节细胞质膜的结构模型与基本成分 一 细胞质膜的结构模型二 膜脂三 膜蛋白 一 细胞质膜的结构模型 脂双层 lipidbilayer 生物膜的膜脂分子基于亲水和疏水相互作用而自我组装形成的一种双分子层结构 其疏水尾部在内 而亲水性头部朝向水相 流动镶嵌模型 fluidmosaicmodel 一种关于生物膜的动态结构模型 脂双层上镶嵌着蛋白质是膜的基本结构 脂质和膜蛋白是可流动的和不对称分布的 它们通过在膜内的运动与其他膜分子发生相互作用 脂筏 lipidraft 生物膜上富含鞘磷脂和胆固醇的相对有序的微小区域 与生物膜某些特定功能的发挥有关 电镜超薄切片技术显示的细胞质膜结构 图4 1 生物膜的模型 图4 2 A 流动镶嵌模型示意图B 生物膜结构示意图 细胞膜的脂筏模型示意图 图4 3 病毒出芽过程中细胞质膜的动态变化 图4 4 二 膜脂 一 成分 二 膜脂的运动方式 三 脂质体 一 成分 1 甘油磷脂2 鞘脂3 胆固醇 膜脂的基本类型 图4 5 A 甘油磷脂B 鞘磷脂与糖脂C 胆固醇两亲性分子 amphipathicmolecule 一种重要的生物学特性 分子中同时含有亲水区和疏水区 脂分子极性头的空间占位对脂双层曲度的影响 图4 6 PC 磷脂酰胆碱 卵磷脂 PE 磷脂酰胆胺 脑磷脂 不同膜脂成分的脂双层厚度的比较 图4 7 A 卵磷脂B 鞘磷脂 二 膜脂的运动方式 沿膜平面的侧向运动围绕轴心的自旋运动尾部的摆动在脂双层上的翻转运动 一般极少发生 三 脂质体 脂质体 liposome 在水溶液环境中 一种由人工形成的球形脂双层结构 几种类型的脂质体 图4 8 三 膜蛋白 一 膜蛋白的类型 二 内在膜蛋白与膜脂结合的方式 三 去垢剂 一 膜蛋白的类型 外周膜蛋白 peripheralprotein 位于磷脂双分子层表面 通过非共价键与膜脂或膜蛋白发生相互作用的一种膜结合蛋白 内在膜蛋白 intrinsicmembraneprotein 或整合膜蛋白 integralprotein 镶嵌或横跨脂双层的膜结合蛋白 脂锚定膜蛋白 lipidanchoredprotein 位于脂双层表面 与脂双层内的脂分子共价连接的膜结合蛋白 膜蛋白的基本类型 图4 9 脂锚定膜蛋白的3种类型 1 脂肪酸 豆蔻酸或软脂酸 结合到膜蛋白N端的Gly残基上 2 由15或20个碳链长的烃链结合到膜蛋白C端的Cys残基上 有时还有另一条烃链或脂肪酸链结合到近C端的Cys残基上 3 通过糖脂锚定在质膜 外侧 上 如GPI 磷脂酰肌醇糖脂 锚定方式 脂锚定膜蛋白的3种基本类型 图4 10 二 内在膜蛋白与膜脂结合的方式 内在膜蛋白是跨膜蛋白 由胞质外结构域 跨膜结构域和胞质内结构域3部分组成 其中跨膜结构域是与膜脂结合的主要部位 具体作用方式如下 1 跨膜结构域是由含有20个左右的疏水氨基酸残基的 螺旋组成 如单次跨膜或多次跨膜 由多个 螺旋形成的特异极性分子跨膜通道内侧是极性的 而外侧是非极性的 2 跨膜结构域主要是由多个含有10 12个氨基酸残基的 折叠片组成 如孔蛋白 porin 孔蛋白存在于线粒体和叶绿体外膜上的内在膜蛋白 形成非选择性的通道 内在膜蛋白与膜脂结合方式示意图 图4 11 转运甘油的水孔蛋白G1pf的三维结构图像 图4 12 水孔蛋白 aquaporin 动植物细胞质膜上转运水分子的特异蛋白 为水分子的快速跨膜运动提供通道 3 磷酸甘油转运蛋白的三维结构图像 图4 13 三 去垢剂 去垢剂 detergent 一端亲水 另一端疏水的两性分子 是分离和研究膜蛋白的常用试剂 去垢剂分为离子型去垢剂和非离子型去垢剂 前者如十二烷基硫酸钠 SDS 后者如TritonX 100 利用去垢剂萃取和研究膜蛋白 图4 14 B 用不同的去垢剂处理膀胱上皮细胞质膜所萃取的膜蛋白的SDS凝胶电泳图谱 第二节细胞质膜的基本特征与功能 一 膜的流动性二 膜的不对称性三 细胞质膜相关的膜骨架四 细胞质膜的基本功能 一 膜的流动性 一 膜脂的流动性 二 膜蛋白的流动性 三 膜脂和膜蛋白运动速率的检测 一 膜脂的流动性 脂肪酸链越短 不饱和程度越高 则膜脂的流动性越大 鞘脂的相变温度一般高于磷脂 胆固醇起束尾和疏开的双重作用 但通常胆固醇是起到防止膜脂由液相变成固相以保证膜脂处于流动状态的作用 二 膜蛋白的流动性 荧光抗体免疫标记实验 两种荧光标记 细胞融合 对半 均匀 成斑 成帽膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动细胞骨架既限制膜蛋白的运动 也影响其周围的膜脂的流动常用非离子去垢剂把膜蛋白溶解下来 三 膜脂和膜蛋白运动速率的检测 在荧光漂白恢复技术中 根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂的扩散速度 脂分子与蛋白质分子及蛋白质分子之间的相互作用束缚膜蛋白的自由扩散 二 膜的不对称性 一 细胞质膜各膜面的名称 二 膜脂的不对称性 三 膜蛋白的不对称性 一 细胞质膜各膜面的名称 生物膜各膜面的名称 图4 15 ES 质膜的细胞外表面PS 质膜的原生质表面EF 质膜的细胞外小叶断裂面PF 质膜的原生质小叶断裂面 细胞膜系统拓扑学结构的示意图 图4 16 图中显示 细胞的膜系统在膜泡出芽 融合及转运过程中 其拓扑学结构保持不变 二 膜脂的不对称性 同一种膜脂在脂双层中的分布不同糖脂仅存在于质膜的外小叶中及内膜的ES面 内面 磷脂在人红细胞质膜上分布的示意图 图4 17 在外小叶中多者 SM 鞘磷脂PC 卵磷脂在内小叶中多者 PE 脑磷脂PS 磷脂酰丝氨酸PI 磷脂酰肌醇无偏重者 CI 胆固醇 三 膜蛋白的不对称性 同一种膜蛋白在脂双层中的分布具有特定的方向或拓扑学特征糖蛋白的糖基位于质膜的ES面各种生物膜的特征和功能主要是由膜蛋白来决定的 人的ABO血型抗原寡糖链结构的比较 图4 18 三 细胞质膜相关的膜骨架 一 膜骨架膜骨架是指质膜下与膜蛋白相连的纤维蛋白网架 参与维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能 二 红细胞的生物学特性血影是指红细胞 既无细胞核又无内膜系统 经低渗处理 释放出血红蛋白和胞内其它可溶性蛋白后 留下的仍保持原来基本形状和大小的红细胞结构 血影是研究质膜结构及其与膜骨架关系的理想材料 三 红细胞的质膜蛋白及膜骨架 红细胞膜骨架的基本结构与成分 图4 19 A 红细胞血影C 血影的负染照片 显示膜骨架 B SDS PAGE对血影成分分析D 膜骨架与膜蛋白结合的示意图 深度蚀刻电镜图片显示小鼠耳部外毛细胞的细胞质膜与膜骨架 图4 20 四 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3 提供细胞识别位点 并完成细胞内外信息跨膜传导 4 为多种酶提供结合位点5 介导细胞与细胞 细胞与胞外基质之间的连接6 参与形成细胞表面特化结构7 膜蛋白的异常常与某些遗传病 癌 自身免疫病甚至是将推行性疾病相关 很多膜蛋白可作治疗的药物靶标 脂筏和胞膜窖具有特殊功能 本章概要 细胞质膜与其他生物膜一样都是由膜脂与膜蛋白构成的 膜蛋白可分为膜内在蛋白与膜周边蛋白 脂双分子层构成了膜的基本结构 其中包括脂筏结构 各种不同的膜蛋白与膜脂分子的协同作用不仅为细胞的生命活动提供了稳定的内环境 而且还行使着物质转运 信号传递 细胞识别等多种复杂的功能 流动性和不对称性是生物膜的基本特征 也是完成其生理功能的必要保证 膜骨架是细胞质膜与膜内的细胞骨架纤维形成的复合结构 它参与维持细胞的形态并协助细胞质膜完成多种生理功能 第五章物质的跨膜运输 第一节膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输第二节ATP驱动泵与主动运输第三节胞吞作用与胞吐作用 第一节膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输 一 脂双层的不透性与膜转运蛋白二 小分子物质的跨膜运输类型 一 脂双层的不透性与膜转运蛋白 一 载体蛋白及其功能 二 通道蛋白及其功能 典型哺乳动物细胞内外离子浓度的比较 表5 1 细胞内最丰富的阳离子是K 细胞外最丰富的阳离子是Na 离子浓度差异分布由脂双层的疏水特征和膜转运蛋白的活性来调控 膜转运蛋白 membranetransportprotein 即参与质膜上物质跨膜转运的蛋白质 包括载体蛋白 transporter carrierprotein 和通道蛋白 channelprotein 两类 一 载体蛋白及其功能 载体蛋白 carrierproteintransporter 与特异的溶质结合 通过自身构象的改变介导物质的跨膜转运 不同部位的生物膜含有与各自功能相关的载体蛋白 载体蛋白即可介导被动运输 又可介导主动运输 载体蛋白通过构象改变介导溶质 葡萄糖 被动运输的模型 图5 1 载体蛋白的举例 表5 2 二 通道蛋白及其功能 通道蛋白 channelprotein 通过形成亲水性通道介导特异溶质的跨膜转运 通道蛋白包括3种类型 离子通道 ionchannel 孔蛋白 porin 和水孔蛋白 AQP 通道蛋白形成高效性 选择性和门控性的跨膜通道 3种类型的离子通道示意图 图5 2 A 电压门通道B C 配体门通道D 应力激活通道 二 小分子物质的跨膜运输类型 一 简单扩散 simplediffusion 二 被动运输 passivetransport 三 主动运输 activetransport 跨膜运输类型 图5 3 一 简单扩散 简单扩散 simplediffusion 小分子物质以热自由运动的方式顺着电化学梯度或浓度梯度直接通过脂双层进出细胞 既不需要细胞供能 也不需要膜转运蛋白的协助 电化学梯度 electrochemicalgradient 离子的电荷和浓度的总差异 决定物质在两个区域之间的运动扩散能力 不同性质的小分子物质跨膜运动的速率差异极大 不同性质的分子通过无膜转运蛋白的人工脂双层 图5 4 二 被动运输 被动运输 passivetransport 在膜转运蛋白的协助下 物质从高电化学势或高浓度一侧向低电化学势或低浓度一侧的跨膜运输形式 又称协助扩散 facilitateddiffusion 水孔蛋白 AQP1 分布与结构示意图 图5 5 A 豚鼠质膜电镜照片B 水孔蛋白 AQP1 C 水孔蛋白一个亚基 由3对同源的跨膜 螺旋组成 D 一个亚基三维结构的示意图 部分水孔蛋白举例 表5 3 三 主动运输 主动运输 activetransport 由载体蛋白所介导的物质逆着电化学梯度或浓度梯度进行跨膜运输的方式 它是一种需要消耗能量的物质跨膜运输过程 主动运输常可分为3种类型 ATP驱动泵 由ATP直接供能 协同转运蛋白 由ATP间接供能 和光驱动泵 主动运输3种类型 1 ATP驱动泵 ATP drivenpump 能直接把ATP水解 ATPase 并利用该能量介导离子或小分子物质逆电化学梯度或浓度梯度进行跨膜运输的载体蛋白 泵 2 协同转运蛋白 cotransporter 介导两种物质协同 偶联 跨膜运输的两类跨膜转运蛋白 是一种间接消耗ATP的主动运输过程 一般前一种跨膜转运蛋白负责逆梯度跨膜运输一种物质 后一种跨膜转运蛋白则负责顺梯度跨膜运输另一种物质 两者偶联起来进行 两种物质运输方向相同者称为同向协同转运蛋白 symporter 相反者则称为反向协同转运蛋白 antiporter 光驱动泵 light drivenpump 对物质的主动运输与光能的吸收相偶联 如菌紫红质 主动运输3种类型 图5 6 第二节ATP驱动泵与主动运输 一 P型泵二 V型质子泵和F型质子泵三 ABC超家族四 离子跨膜转运与膜电位 4种类型的ATP驱动泵 图5 7 前3种转运离子 后一种转运小分子 一 P型泵 P型泵 P typepump 所有P型泵都有2个独立的 催化亚基 具有ATP结合位点 绝大多数还具有2个起调节作用的小的 亚基 由于这类转运泵水解ATP使自身形成磷酸化 phosphorylation 的中间体 因此称为P型泵 大多数P型泵都是离子泵 一 Na K 泵 Na K pump 二 Ca2 泵 Ca2 pump 和P型H 泵 P typeH pump 一 Na K 泵 Na K 泵 Na K pump 又称Na K ATPase 能水解ATP 使 亚基磷酸化或去磷酸化 将3个Na 泵出细胞 而将2个K 泵入细胞的膜转运载体蛋白 1 Na K 泵结构与转运机制2 Na K 泵主要生理功能 Na K 泵的结构 A 与工作模式 B 示意图 图5 8 Na 依赖性的磷酸化和K 依赖性的去磷酸化引起Na K 泵构象发生有序变化每个工作循环消耗1个ATP分子 可以逆着电化学梯度泵出3个Na 和泵入2个K 小肠上皮细胞吸收葡萄糖的示意图 图5 9 Na K 泵主要生理功能 一般动物细胞要消耗1 3 神经细胞消耗2 3 的总ATP供Na K 泵工作以维持细胞内高K 低Na 的离子环境 其意义如下 1 维持细胞膜电位 2 维持动物细胞渗透平衡 3 吸收营养 见左图 二 Ca2 泵和P型H 泵 1 Ca2 泵 Ca2 pump Ca2 泵工作与ATP水解相偶联 每消耗1分子ATP 从细胞质基质中泵走2个Ca2 细胞质基质中低Ca2 浓度的维持主要得益于质膜或内质网膜上的Ca2 泵将Ca2 泵到细胞外或内质网腔内 如在肌细胞中 Ca2 泵将Ca2 从细胞质基质泵到肌质网内 2 P型H 泵 P typeH pump 植物细胞 真菌和细菌细胞质膜上虽无Na K 泵 但有P型H 泵 P型H 泵将H 泵出细胞 建立和维持跨膜的H 电化学梯度 并用来驱动协同转运或使得细胞周围环境呈酸性 肌质网Ca 泵转运Ca 前 A 和后 B 的工作模型 图5 10 N 核苷酸结合部位P 磷酸化部位A 活化部位 二 V型质子泵和F型质子泵 V型质子泵 V typeprotonpump 广泛存在于动物细胞的胞内体膜 溶酶体膜 破骨细胞和某些肾小管细胞的质膜 以及植物和真菌细胞的液泡 首字母为v 膜上 V型质子泵H 将从细胞质基质中泵入细胞器 F型质子泵 F typeprotonpump F1F0 ATPase 广泛存在于细菌质膜 线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上 F为factor的首字母 F型质子泵常利用质子动力势合成ATP V型质子泵和F型质子泵比P型泵结构更复杂 在功能上都只转运H 但在转运过程中不形成磷酸化的中间体 三 ABC超家族 ABC超家族 ABC超家族 ATPbindingcassettesuper family 即ATP结合盒超家族 又叫ABC转运蛋白 也是一类ATP驱动泵 利用ATP水解释放的能量将糖 氨基酸 磷脂 胆固醇 肽和其它多种小分子物质进行跨膜转运 ABC转运蛋白是分布最广的一类转运蛋白 从细菌到人类都有 ABC转运蛋白结构 所有ABC转运蛋白 1条到多条肽链 共享一种由4个 核心 结构域组成的结构模式 2个跨膜结构域 T 每个含6个跨膜 螺旋 形成底物运输的通路并决定底物的特异性 2个凸向胞质侧的ATP结合域 A 具有ATPase活性 每种ABC转运蛋白对于底物或底物的某些基团有特异性 有些ABC转运蛋白能够将抗生素或其它亲脂性抗癌药物泵出细胞 赋予细胞抗药性 遗传病囊性纤维化 肺 汗腺和胰腺等中 的发生也是ABC转运蛋白突变引起 原核细胞 A 和真核细胞 B ABC超家族结构与工作示意图 图5 11 ABC转运蛋白工作模式 1 ATP结合前 ABC转运蛋白的底物结合位点暴露于一侧 原核细胞胞外一侧或真核细胞胞内一侧 2 ATP结合 ATP结合域二聚化并转运底物到ABC转运蛋白通路的另一侧内 3 ATP水解及ADP解离 ATP结合域解离 恢复原状 同时释放底物 四 离子跨膜转运与膜电位 膜电位 membranepotential 细胞质膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和 静息电位 restingpotential 可兴奋细胞在其不受外来刺激时测得的膜电位差 30 70mV 静息电位是细胞质膜内外相对稳定的电位差质膜内为负值 质膜外为正值 这种现象又称极化 polarization 动作电位 activepotential 指细胞在刺激作用下产生的行使通讯功能的快速变化的膜电位 静息电位的形成 动物细胞质膜对K 的通透性大于Na 是产生静息电位的主要原因 静息膜允许K 通过开放的非门控的渗漏通道顺电化学梯度流向胞外 此时Na 和K 电压门控通道都关闭 Na K 泵不工作 产生外正内负的静息电位 动作电位的形成 极化 静息 K 渗漏出 去极化 Na 通道流入 反极化 Na 通道关闭 K 通道流出 再极化 K 通道流出 超极化 K 通道关闭 见图5 12 详见生理学有关内容 离子流与动作电位的关系示意图 图5 12 A 动作电位的产生和膜电位改变B 动作电位产生过程中 膜通透性改变C 动作电位产生过程中 离子通道开启与关闭示意图 第三节胞吞作用与胞吐作用 一 胞吞作用的类型二 胞吞作用与细胞信号转导三 胞吐作用 一 胞吞作用的类型 膜泡运输 vesiculartransport 以膜泡的形式将蛋白质 脂分子等物质从细胞一个区间转运到另一个区间 胞吞作用 endocytosis 通过质膜内陷形成膜泡 将细胞外或细胞质膜表面的物质包裹到膜泡内并转运到细胞内 吞噬作用和胞饮作用 一 吞噬作用 phagocytosis 二 胞饮作用 pinocytosis 胞吞作用的类型 图5 13 一 吞噬作用 吞噬作用 phagocytosis 针对胞外生物大分子和颗粒性物质的胞吞作用 在原生生物中 吞噬作用是摄取食物的一种方式 在高等多细胞生物体中 吞噬作用往往发生于巨噬细胞和中性粒细胞 其作用不仅仅是摄取营养物 主要是清除侵染机体的病原体以及衰老或凋亡的细胞 胞吞泡 endocyticvesicle 与吞噬体 phagosome 胞吞时质膜内陷脱落形成的囊泡 称胞吞泡 通过吞噬作用形成的胞吞泡称吞噬体 抗体诱发的吞噬作用 图5 14 二 胞饮作用 1 胞饮作用 pinocytosis 针对胞外生物大分子或液体物质的胞吞作用 胞饮作用可以分为网格蛋白依赖的胞吞作用 胞膜窖依赖的胞吞作用 大型胞饮作用和非网格蛋白 胞膜窖依赖的胞吞作用4种类型 胞饮作用可分为受体介导型 具有专一性和浓缩性 和非受体介导型 1 网格蛋白依赖的胞吞作用 clathrindependentendocytosis 网格蛋白 clathrin 又称笼形蛋白 是一类包被蛋白 由3个二聚体 1条重链和1条轻链 组成三腿蛋白 triskelion 作为包被的结构单位 组装形成多面体笼形结构 当配体与膜上受体结合后 网格蛋白聚集在膜下 逐渐形成直径50 100nm的质膜凹陷 即网格蛋白包被小窝 clathrin coatedpit 网格蛋白介导高尔基体到溶酶体的小泡以及胞吞泡等的形成过程 衔接蛋白 adaptin 对转运分子有特异性选择作用 它既能结合网格蛋白 又能识别跨膜受体胞质面的尾部肽信号 从而通过网格蛋白包被泡介导跨膜受体及其结合配体的选择性运输 发动蛋白 dynamin 一种小G蛋白 在深陷的包被小窝的颈部组装成环 水解与其结合的GTP 引起颈部缢缩 最终脱离质膜形成网格蛋白包被膜泡 网格蛋白依赖的胞吞作用 被转运分子 受体 内化 网格蛋白包被膜泡 脱包被膜泡 胞内体 分选 被转运分子到溶酶体降解 受体返回质膜 通过网格蛋白包被膜泡介导的选择性运输示意图 图5 15 受体介导的胞吞作用 受体 receptor 受体是任何能与特定信号分子 配体 结合的 膜 蛋白分子 通常导致细胞摄取反应或细胞信号转导 受体介导的胞吞作用 receptormediatedendocytosis 通过网格蛋白有被小泡从胞外基质摄取特定大分子的途径 被转运的大分子物质与细胞表面互补性的受体结合 形成受体 配体复合物并引发细胞质膜局部内化作用 然后小窝脱离质膜形成有被小泡而将物质吞入细胞内 胞内体 endosome 动物细胞内由膜包围的细胞器 其作用是转运由胞吞作用新摄取的物质到溶酶体被降解 胞内体 具有质子泵 被认为是胞吞物质的主要分选站 其中的酸性环境在分选过程中起着关键作用 被吞物到溶酶体降解 受体返回质膜 入溶酶体或运至另一侧质膜 跨细胞转运 LDL 低密度脂蛋白 通过受体介导的胞吞作用进入细胞 图5 16 受体介导的胞吞作用 receptormediatedendocytosis 通过网格蛋白有被小泡从胞外基质摄取特定大分子的途径 被转运的大分子物质与细胞表面互补性的受体结合 形成受体 配体复合物并引发细胞质膜局部内化作用 然后小窝脱离质膜形成有被小泡而将物质吞入细胞内 二 胞饮作用 2 其它类型的胞饮作用 图5 13 1 胞膜窖依赖的胞吞作用 caveoladependentendocytosis 被转运分子 胞膜窖 脂筏区 膜泡 窖蛋白包被 膜窖体 胞内体样细胞器 分选 质膜另一侧胞膜窖的形成部位位于质膜的脂筏区域 胞膜窖所在部位含大量信号转导的受体和蛋白激酶 暗示胞膜窖很可能发挥一种信号转导平台的作用 2 大型胞饮作用 macropinocytosis 通过质膜皱褶包裹内吞物形成囊泡完成胞饮作用 质膜皱褶形成依赖微丝及其结合蛋白 胞吞泡比较大 启动大型胞饮作用和其它生理功能的受体位于很多类型的细胞表面 3 非网格蛋白 胞膜窖依赖的胞吞作用 clathrinandcaveolaindependentendocytosis 如位于淋巴细胞膜上的白介素 2 interleukin 2 IL 2 受体介导的胞吞作用属于此类 二 胞吞作用与细胞信号转导 胞吞作用不仅调控细胞对营养物的摄取 病原菌的吞噬 质膜构成 还参与细胞信号转导 一 胞吞作用对信号转导的下调当引起下游信号级联反应后 细胞通过胞吞作用将EGF 表皮生长因子 和EGF受体吞入细胞内降解 从而导致细胞信号转导活性下调 这种调节作用称为受体下行调节 这种调控与受体的泛素化 ubiquitination 有关 二 胞吞作用对信号转导的激活 图5 17 Notch信号是细胞与细胞间相互作用的主要信号通路之一 对多细胞生物中细胞分化命运 旁侧抑制 的决定起关键作用 在信号转导过程中 除了配体 DSL 与Notch受体结合外 信号通路的激活还依赖于DSL和Notch的胞吞作用 胞吞作用对Notch信号转导的激活 图5 17 Notch及其配体DSL的胞吞作用对Notch活化是必需的 其中DSL的胞吞依赖泛素 DSL Delta Serrate Lag2家族NICD Notch受体胞内活性片段 三 胞吐作用 胞吐作用 exocytosis 携带有细胞内内容物的分泌泡或其它膜泡与质膜融合 将内容物释放到胞外的过程 组成型胞吐途径 constitutiveexocytosispathway 新合成的蛋白质和脂质在高尔基体反面管网区 TGN 形成分泌泡后 连续不断地稳定地流向质膜 并与之融合 供应质膜更新 囊泡内可溶性蛋白则分泌到细胞外 有的成为质膜外周蛋白 有的形成胞外基质组分 有的作为营养成分或信号分子扩散到胞外液 调节型胞吐途径 regulatedexocytosispathway 特化分泌细胞产生的分泌物 如激素 消化酶或黏液 先储存在细胞质周边的分泌泡内 当细胞在受到适宜的胞外信号刺激后 分泌泡才与质膜融合并将内含物释放到细胞表面或细胞外 有关胞吐作用的其它内容 详见第八章 跨细胞转运 跨细胞转运 transcytosis 以胞吞作用从细胞的一侧摄取物质 形成膜泡在细胞内运输 并以胞吐作用从细胞的另一侧释放出去的膜泡转运方式 本章概要 细胞膜是细胞与细胞外环境之间选择性通透屏障 几乎所有小分子 无机离子的跨膜转运都需要膜转运蛋白参与 膜转运蛋白可分为两类 一类称载体蛋白 另一类称通道蛋白 载体蛋白能通过一系列构象改变介导溶质分子的跨膜转运 而通道蛋白形成跨膜亲水性通道 有离子通道 孔蛋白以及水孔蛋白三大类型 小分子物质跨膜运输有3种类型 即简单扩散 被动运输与主动运输 主动运输需要与能量释放相偶联 有ATP直接提供能量和间接提供能量以及光能驱动的3种基本类型 而ATP驱动泵可分为4类 P型泵 V型质子泵 F型质子泵和ABC超家族 前3种只转运离子 后一种主要是转运小分子 Na K 泵是典型的P型泵 对维持动物细胞渗透平衡 摄取营养以及膜电位有重要生理意义 V型质子泵是利用ATP水解供能从细胞质基质中将H 逆着电化学梯度泵入细胞器 以维持细胞质基质pH中性和细胞器内的pH酸性 F型质子泵以相反的方式发挥其生理作用 ABC超家族是一类ATP驱动泵 在正常生理条件下 ABC蛋白是细菌质膜上糖 氨基酸 磷脂和肽的转运蛋白 是哺乳类细胞质膜上磷脂 亲脂性药物 胆固醇和其他小分子的转运蛋白 真核细胞通过胞吞作用和胞吐作用完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输 胞吞作用又可分为两种类型 胞饮作用和吞噬作用 胞饮作用可以分为网格蛋白依赖的胞吞作用 胞膜窖依赖的胞吞作用 非网格蛋白 胞膜窖依赖的胞吞作用以及大型胞饮作用 其中 了解最多的胞饮作用就是网格蛋白依赖的胞吞作用 胞吞作用与信号转导过程相互调节 彼此整合 在细胞生长 发育 代谢以及增殖等过程中发挥着重要作用 胞吞作用既可以下调信号转导活性 也可以激活信号转导活性 胞吐作用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 第六章线粒体和叶绿体 第一节线粒体与氧化磷酸化第二节叶绿体与光合作用第三节线粒体和叶绿体的半自主性及其起源 第一节线粒体与氧化磷酸化 一 线粒体的基本形态及动态特征二 线粒体的超微结构三 氧化磷酸化四 线粒体与疾病 洋葱表皮细胞内线粒体在1min时间内相继发生融合与分裂的偶联图 图6 1 频繁的融合与分裂可能帮助线粒体共享遗传信息 跨膜GTPase的模式结构 图6 2 发动蛋白纤维组装及分解驱动线粒体分裂的模式图 图6 4B 人淋巴细胞线粒体 A 拟南芥幼叶线粒体 B 的超微结构及线粒体超微结构的模式图 C 图6 6 亚线粒体小泡形成 A 及ATP合酶的分子结构模型 B 图6 7 ATP合酶的 结合变构 模型 图6 8 L 松弛构象T 紧密构象O 开放构象 线粒体产能 ATP 的原理示意图 图6 9 线粒体内膜电子传递复合物的排列及电子和质子传递示意图 图6 10 第二节叶绿体与光合作用 一 叶绿体的基本形态及动态特征二 叶绿体的超微结构三 光合作用 光学显微镜及荧光显微镜下观察到的叶绿体 图6 11 光照强度对叶绿体分布及位置影响的示意图 图6 12 WT 野生型Chup1 一种叶绿体定位异常的突变体 叶绿体分化及分化异常的表现 图6 14 高等植物叶绿体分裂相关蛋白的定位 图6 16B ARC 叶绿体积聚与复制蛋白PDV 质体分裂蛋白Z环 在叶绿体分裂的早期 FtsZ蛋白先于叶绿体膜的缢陷汇集于叶绿体的内膜下 组装成一个FtsZ环 电子显微镜下观察到的叶绿体 图6 17 A 拟南芥幼叶中的叶绿体B 水稻幼芒中的叶绿体S 淀粉粒 光合作用原初反应的能量吸收 传递与转换图解 图6 18 叶绿体中的光系统及电子传递途径 图6 19 PS 结构示意图 图6 20 PS 结构示意图 图6 21 叶绿体类囊体膜中进行的电子传递和H 跨膜转移 图6 22 卡尔文循环的3个阶段示意图 图6 23 第三节线粒体和叶绿体的半自主性及其起源 一 线粒体和叶绿体的半自主性二 线粒体和叶绿体的起源 拟南芥RNA编辑障碍导致的白化苗 图6 24B 不同真核生物线粒体基因组 DNA 大小及其表达产物 表6 1 本章概要 一 线粒体和叶绿体是真核细胞内两种重要的能量转换细胞器 线粒体广泛存在于各类真核细胞中 而叶绿体仅存在于植物细胞中 线粒体和叶绿体都是高度动态的细胞器 除了细胞内的分布接受动态的调控以外 线粒体通过频繁的融合和分裂实现遗传信息的互补 而叶绿体则通过基质小管达到个体之间的互相联系 线粒体和叶绿体都具有封闭的两层单位膜结构 外膜通透性高 内膜通透性低且向内折叠 构成多酶体系的空间分布框架 线粒体和叶绿体的基质中包含一些酶 DNA RNA和核糖体等生命活动的基本物质 线粒体是细胞中糖类 蛋白质 脂质等物质最终彻底氧化代谢的场所 通过三羧酸循环和经氧化磷酸化合成ATP 线粒体承担的能量转换实质上就是把H 跨膜电位差和质子浓度梯度 pH差 形成的质子驱动力转换为ATP分子中的高能磷酸键 催化ATP生成的ATP合酶由F1头部和F0基部构成 F1头部含有催化位点 F0基部形成一个质子通道 ATP生成的结合变构假说认为质子有控制地通过ATP合酶的F0部分 引起F0c亚基环并带动与其相连的 亚基的旋转 亚基的旋转引发F1催化位点的构象改变 从而驱动ATP的生成 本章概要 二 叶绿体的主要功能是进行光合作用 光合作用由类囊体膜上进行的 光反应 和叶绿体基质中进行的 固碳反应 两部分组成 光反应的产物是ATP和NADPH 固碳反应则利用光反应产生的ATP和NADPH中的化学能使CO2还原合成糖 光合作用的电子传递是在光系统 和光系统 中进行 这两个光系统互相配合 利用吸收的光能把1对电子从H2O传递给NADP 按照电子传递的方式光合磷酸化可分为非循环和循环两种类型 高等植物碳同化有卡尔文循环 C4途径和景天酸代谢3条途径 其中卡尔文循环是碳同化最重要和最基本的途径 化学渗透假说认为 电子在传递过程中所释放的能量转换成了跨膜的质子浓度势能 驱动氧化磷酸化和光合磷酸化反应合成ATP 线粒体和叶绿体都是半自主性细胞器 它们的基质中存在DNA和蛋白质合成的必要酶类 但线粒体和叶绿体自身合成的蛋白质十分有限 绝大多数功能蛋白质依赖细胞核编码并在细胞质核糖体上合成 最后转移至线粒体和叶绿体 线粒体和叶绿体被普遍认为起源于内共生的呼吸细菌和蓝细菌 第七章细胞质基质与内膜系统 第一节细胞质基质及其功能第二节细胞内膜系统及其功能 细胞内区室化与内膜系统 细胞内区域化 compartmentalization 真核细胞细胞内具有发达的膜相结构 将细胞质区分成不同的隔室 称为细胞内区室化 这是真核细胞结构和功能的基本特征之一 细胞内被膜区分为3类结构 细胞质基质 内膜系统和其它由膜所包被的细胞器 细胞器 organelle 真核细胞内各种膜包被的功能性结构 内膜系统 endomembranesystem 细胞内膜系统是指在结构 功能乃至发生上相互关联的由单层膜包被的细胞器或细胞结构的总称 主要包括内质网 高尔基体 溶酶体 胞内体 分泌泡和液泡等 真核细胞内典型区室化特征示意图 A 与小鼠回肠Paneth细胞超微结构的一部分 B 图7 1 第一节细胞质基质及其功能 一 细胞质基质的含义二 细胞质基质的功能 一 细胞质基质的含义 细胞质基质 cytoplasmicmatrix cytosol 在真核细胞的细胞质中 除去