细胞生物学知识点(最终版).doc

细胞生物学知识点绪论1、 细胞生物学研究的内容和现状1、 细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科 什么是细胞生物学？ 细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学，它是在不同层次（显微、亚显微与分子水平）上以研究细胞结构与功能、细胞增殖、分化、衰老与凋亡、细胞信号传递、真核细胞基因表达与调控、细胞起源与进化等为主要内容。核心问题是将遗传与发育在细胞水平上结合起来。二、细胞生物学的主要研究内容 1、细胞核、染色体以及基因表达的研究 2、生物膜与细胞器的研究 3、细胞骨架体系的研究 4、细胞增殖及其调控 5、细胞分化及其调控 6、细胞的衰老与凋亡 7、细胞的起源与进化8、细胞工程三、细胞生物学的发展趋势 从分子水平细胞水平，相互渗透交融 从细胞结构功能研究为主细胞重大生命活动为主 分析综合 功能基因组学研究是细胞生物学研究的基础与归宿 (应用)由基因治疗细胞治疗 四、当前细胞生物学研究的重点领域 染色体DNA与蛋白质相互作用关系 细胞增殖、分化、衰老及凋亡的调控及其相互关系 细胞信号转导五、最近几年诺贝尔奖与细胞生物学（2000-2010）2000：神经系统中的信号传递2001：控制细胞周期的关键物质2002: 细胞凋亡调节机制2003：细胞膜水通道及离子通道结构和机理2004：泛素调节的蛋白质降解系统2005：幽门螺旋杆菌2006： RNAi2007：基因敲除小鼠2008：绿色荧光蛋白2009：端粒和端粒酶保护染色体的机理2010：试管受精技术 2001年，美国人LelandHartwell、英国人Paul Nurse、TimothyHunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。 2002年，英国人悉尼布雷诺尔、美国人罗伯特霍维茨和英国人约翰苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理学或医学奖。 2003年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。 2004年，美国人Richard Axel和Linda B. Buck获诺贝尔生理与医学奖，他们发现气味受体和嗅觉系统的组成。 2005年Barry J. Marshall 和J. Robin Warren 获诺贝尔生理与医学奖，他们发现幽门螺杆菌及其在胃炎和胃溃疡方面的作用。 2006年美国人Andrew Z. Fire和Craig C. Mello因对RNA干扰的研究而获诺贝尔生理与医学奖。 2009年美国人Elizabeth Blackburn、Carol Greider、Jack Szostak获诺贝尔医学和生理学奖，他们发现了端粒和端粒酶保护染色体的机理。 年度诺贝尔生理学或医学奖在瑞典首都斯德哥尔摩揭晓。被誉为“试管婴儿之父”的英国科学家罗伯特爱德华兹 (Robert G. Edwards)，因“在试管受精技术方面的发展”而被授予该奖项。第二节 细胞学与细胞生物学发展简史 细胞的发现 细胞学说的建立其意义 细胞生物学的研究内容分三个层次： 1）显微水平，光学显微镜下可见的结构。 2）超微水平，电子显微镜下可见的结构。 3）分子水平，细胞结构的分子组成，及其在生命活动中的作用。细胞生物学经历了四个主要发展阶段： 1）1665-1830s，细胞发现，显微生物学。 2）1830s-1930s，细胞学说，Cytology诞生 3）1930s-1970s，电镜技术应用， Cytology发展为细胞生物学。 4）1970s以来，分子细胞生物学时代。一、细胞的发现 显微镜之于生物学，犹如望远镜之于天文学，细胞生物学的变革无不和显微技术的改进息息相关。 1590年J. 和Z. Janssen父子制作第一台复式显微镜，放大倍数不超过10倍。 1665年英国人Robert Hooke出版显微图谱。观察了软木，并首次用cells来描述“细胞” 1680年荷兰学者A. van Leuwenhoek当选为英国皇家学会会员。他观察过植物、原生动物、水、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌、唾液、血液、精液等等。 1830s消色差显微镜出现，人们才对细胞的结构和功能有了新的认识。 1831年R. Brown在兰科植物表皮细胞内发现了细胞核。 1836年GG. Valentin在动物神经细胞中发现了细胞核与核仁。这些工作对于细胞学说的诞生具有重要意义。 2、 细胞学说的建立及其意义 1838年Schleiden发表“植物发生论” ，认为无论怎样复杂的植物都由细胞构成。但他以free-cell formation理论来解释细胞形成。 Schwann提出了“细胞学说”（Cell Theory) ；1939年发表了“关于动植物结构和生长一致性的显微研究”。 Schwann提出： 有机体是由细胞构成的；细胞是构成有机体的基本单位。但他也采用了的Schleiden细胞形成理论。 1855 德国人R. Virchow 提出“一切细胞来源于细胞”（omnis cellula e cellula）的著名论断；进一步完善了细胞学说。 细胞学说是19世纪的重大发现之一，其基本内容有三条： 1.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； 2.每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它“自己的”生命,又对与其它细胞共同组成的整体的生命有所助益； 3. 新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。三、 细胞学发展的经典时期 19世纪30年代至20世纪初，细胞学得到了蓬勃的发展。其研究方法主要是显微镜下细胞形态的描述。研究的主要特点是应用生物固定和染色技术，在光学显微镜下观察细胞的形态和细胞的分裂活动。 原生质理论的提出、细胞分裂活动的研究以及重要细胞器的发现等，构成了细胞学发展的经典时期。四、实验细胞学与细胞学的分支及其发展 从20世纪初到中叶，为实验细胞学的发展时期。这一时期细胞学研究的特点是由对细胞形态结构的观察，深入到对其生理功能、生物化学、遗传发育机理的研究。 1932年德国人E. Ruska和M. Knoll发明透射电镜，人类视野进入超微领域 。 1939年Siemens公司生产商品电镜。 1940-50s用电镜观察了各类细胞超微结构。并结合超速离心、电泳、无细胞体系等分析技术研究这些结构的功能。Cytology发展为Cell Biology。五、细胞生物学学科的形成和发展 从20世纪60年代起，细胞学发展成为细胞生物学。细胞生物学是随着分子生物学的发展而兴起的。 1869年瑞士人F. Miescher 从脓细胞中分离出核酸，但未引起重视。 1941年Beatle和Tatum提出了“一个基因一个酶”的理论。 1944年O. Avery等通过细菌转化试验，1952年M. Chase等通过噬菌体标记感染实验肯定了核酸与遗传的关系。 1952年RE. Franklin拍摄到清晰的DNA晶体的X-衍射照片。1953年她认为DNA是一种对称结构，可能是螺旋。 1953年，JD. Watson 和FHC. Crick提出DNA双螺旋模型。与Wilkins分享1962 年诺贝尔生理学与医学奖 。 1958 年Crick 提出分子遗传的“中心法则”。 1961-1964年Nirenberg 等破译遗传密码。 1972年DA. Jackson，RH. Symons和P. Berg创建DNA体外重组。 1973年SN. Cohen和HW. Boyer将外源基因拼接在质粒中，并在大肠杆菌中表达。一系列技术和理论的提出，使细胞生物学与分子生物学的结合越来越紧密。 20世纪80年代以来，细胞生物学的主要发展方向是细胞的分子生物学，即在分子水平上探索细胞的基本生命规律，把细胞看成是物质、能量、信息过程的结合，并在分子水平上深入探索其生命活动的规律，深刻性与综合性是细胞生物学进一步发展的特点。 1983年，KB. Mullis发明PCR仪，于1993年获诺贝尔化学奖。 1990年，美国国会正式批准的“人类基因组计划” （Human Genome Project）。 我国于1993年加入该计划，承担其中1%的任务，即人类3号染色体短臂上约30Mb的测序任务。 2000年6月27日科学家公布完成人类基因组草图。 2001年2月12日联合公布人类基因组图谱及分析结果。初步分析表明，人类基因组由31.647108bp组成，共有3万4万个基因。 同年，美国国立卫生研究院给一名患有先天性重度联合免疫缺陷病的4岁女孩实施了首例基因治疗。这种疾病因腺苷脱氨酶（ADA）基因变异引起。 1996年7月5日，世界上第一只克隆羊“多利”在英国苏格兰卢斯林研究所的试验基地诞生。 目前细胞生物学研究的基本特点和趋势可归纳如下： 细胞结构功能 细胞生命活动。 细胞中单一基因与蛋白 基因组与蛋白质组及其在细胞生命活动中的协同作用。 细胞信号转导途径 信号调控网络。 体外研究 体内研究。 静态已经 活细胞的动态研究。 研究为主 计算生物学更多地介入并与之结合。 细胞生物学与生物学其他学科的渗透 与数、理、化及纳米科学等多学科的交叉。 总的特点是从静态的分析到活细胞的动态综合，这在很大程度也反映了生命科学研究的趋势。第2章 细胞的统一性与多样性第1节 细胞的基本概念一、细胞是生命活动的基本单位二、细胞的基本共性一、细胞是生命活动的基本单位 1、一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位.2、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3、细胞是有机体生长与发育的基础 4、细胞是遗传的基本单位。细胞具有遗传的全能性 5、没有细胞就没有完整的生命 6. 细胞概念的一些新思考（1）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（2）细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体 1、细胞完成各种化学反应； 2、细胞需要和利用能量； 3、细胞参与大量机械活动； 4、细胞对刺激作出反应；（3）细胞是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。 1、细胞能进行自我调控； 2、繁殖和传留后代； 二、细胞的基本共性 1. 所有的细胞都有相似的化学组成 2. 脂-蛋白体系的生物膜 所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜，即细胞膜。 3. DNA-RNA的遗传装置 所有的细胞都有两种核酸，即DNA-与RNA，作为遗传信息复制与转录的载体。 4. 蛋白质合成的机器核糖体 一切细胞均存在合成蛋白质的基本结构体核糖体。 5. 一分为二的分裂方式。 原核细胞与真核细胞基本特征的比较原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较细胞的体积受什么因素控制？ 可以从3个方面进行探讨： 1、不论细胞体积相差多大，各种细胞核的大小相差不大。 2、细胞的表面积限制了细胞的大小 （1）细胞体积相对细胞表面积呈反比关系,体积越大,表面积就越小 （2）细胞体积比表面积增大速度快 3、细胞内物质的交流运输与细胞体积有关，细胞内的物质从一端向另一端运输或扩散是有时间与空间关系的。4. 细胞形态结构与功能的关系 细胞的形态有球形、星形、扁平、立方形、长柱形、梭形等。 细胞形态结构与功能的相关性与一致性是很多细胞的共同特点，在分化程度较高的细胞中更为明显，这是生物漫长进化过程的产物。5. 植物细胞和动物细胞的比较第四章 细胞质膜Plasm membrane 细胞质膜（plasm membrane)曾称细胞膜(cell membrane)，是指围绕在细胞最外层，由脂质(lipid)和蛋白质(protein)组成的生物膜。 质膜不仅是细胞结构的边界，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的物质运输、能量转换及信息传递过程中也起着重要作用。 细胞内的膜与细胞质膜统称为生物膜（biomembrane)。它是围绕细胞的保护层，一层薄而透明的油层，允许食物,氧气和水份进入细胞,废物排出细胞。第一节 细胞质膜的结构模型 生物膜的结构模型 膜脂 膜蛋白一、生物膜的结构模型单位膜模型(Unit membrane model) 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成，总厚约7.5nm。“生物膜的流动镶嵌模型” 这种模型认为细胞膜是由流动的脂双分层子和嵌在其中的蛋白质构成的。 该模型主要强调：1）膜的流动性，膜蛋白和膜脂均可侧向运动；2）膜蛋白分布的不对称性，有的镶在膜表面 ，有的嵌入或横跨脂双分子层。K.Simons et al(1997): lipid rafts model（脂筏模型） 生物膜结构的特征 具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质。磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白；u 蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面,膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者； 生物膜可看成是在双层脂分子中嵌有蛋白质的二维溶液。 二、膜的化学组成 Membrane Lipid（膜脂 ） Phospholipids (phosphoglycerides，磷脂) Glycolipid （糖脂类） Cholesterol（胆固醇） Membrane Protein(膜蛋白) Integral proteins （膜内在蛋白） Channel Proteins （通道蛋白） Carrier Proteins （载体蛋白） Peripheral proteins（膜外周蛋白） Lipid anchored proteins（脂锚定蛋白） Membrane Carbohydrates (膜碳水化合物) 1. 膜脂(Membrane Lipid ) ：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型磷脂（ phospholipids ）：膜脂的基本成分（50以上） 分为二类: 甘油磷脂(phosphoglycerides )和鞘磷脂（ sphingolipids） 主要特征： 具有一个极性头部和两个非极性的尾部（心磷脂除外）； 脂肪酸碳链碳原子为偶数,大多数由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（glycolipids） ： 糖脂普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（5以下）,神经细胞膜上糖脂含量较高；胆固醇（Cholesterol）和中性脂质： 存在于真核细胞膜上，其含量不超过膜脂的1/3。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。Features (特征): Found in animals , Smaller, Less amphipathic Functions(功能) : 维持膜的流动性，增加膜的稳定性 如没有胆固醇，膜很容易分开small hydrophilic （亲水性）hydroxyl group （羟基）toward the membrane surface 亲水的羟基对着膜表面the remainder of the molecule embedded in the lipid bilayer其余的部分埋在脂双层间The Nature of the Lipid 膜脂的基本性质是两性物质, 能够自我装配成双层结构或自我封闭成球状。膜脂的功能构成膜的基本骨架,去除膜脂，则使膜解体;是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执行特殊的功能;膜脂为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活性提供环境, 一般膜脂本身不参与反应(细菌的膜脂参与反应); 膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存在时才有功能。2. 膜脂的运动方式Four kinds of movement: 沿膜平面的侧向运动(Lateral diffusion by exchanging places):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(Rotation about its long axis )； 脂分子尾部的摆动(Wave)； 双层脂分子之间的翻转运动( Transverse diffusion, or “flip-flop” from one monolayer to the other):发生频率还不到脂分子侧向交换频率的1010。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。3.Liposome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。 脂质体的应用： （1）研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质； （2）脂质体中裹入DNA可用于基因转移； （3）在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体(二) 膜蛋白（Membrane Protein）The “Mosaic” Part of the ModelFunctions: carry out most membrane functions Transporting particular nutrients 运输营养物质Metabolites 代谢 Receptors 受体 Enzymes 酶Ions across the lipid bilayer 离子通过脂双层Anchor the membrane to macromolecules 将膜与大分子物质连接Content: about 50% of the mass of most plasma membranes in animals 在动物细胞中占50%含量Classification: according their relationship to lipid bilayer 按照它们和脂双层的关系划分1. 膜蛋白的类型根据膜蛋白分离的难易程度及其与脂分子的进化方式分为：u外周膜蛋白(peripheral membrane protein )； 分布于细胞膜的内外表面，主要分布在细胞膜的内表面，约占膜蛋白总量的2030。 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结合 易分离 整合膜蛋白(integral protein) 又称膜内在蛋白. （1） 全部或部分插入细胞膜内，直接与脂双层的疏水区域相互作用。 （2）两亲性(Amphipathic) 亲水性( Hydrophilic)： forming functional domains outside of the bilayer 疏水性( Hydrophobic)： anchoring them in the bilayer （3）水不溶性蛋白，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。脂锚定蛋白(lipid anchored protein)又称脂连接蛋白(lipid-linked proteins), 同脂的结合有两种方式：一种方式是通过一个糖分子间接同脂双层中的脂结合；一种是蛋白质直接与脂双层中的脂结合。2. 内在膜蛋白与膜脂结合的方式 （1）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。 （2）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。u（3）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。3. 去垢剂（detergents) 去垢剂是一端亲水一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。 离子型去垢剂(the ionic detergent SDS)和非离子型去垢剂（ the nonionic detergent Triton X-100） 膜蛋白的研究方法用去垢剂分离小的跨膜蛋白, 是膜蛋白研究的重要手段：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。 有人用这种方法研究了膜中Na+-K+-ATP酶的功能钠钾ATP酶功能的研究图(3) 膜碳水化合物（Membrane Carbohydrates） 与脂类和蛋白质共价结合在脂双层的外表面糖蛋白(Glycoproteins): have short , branched carbohydrates for interactions with other cells and structures outside the cell. 糖脂(Glycolipids):have larger carbohydrate chains that may be cell-to-cell recognition sites. Functions 与其它细胞和结构相互作用 细胞与细胞之间的识别位点 稳定细胞膜结构 识别激素和分子第二节 生物膜基本特征与功能(The properties and functions of membranes) 膜的流动性 膜的不对称性 细胞质膜的基本功能1、 膜的流动性(Fluidity)1. 膜脂的流动性(Membrane lipids fluidity) 影响膜流动性的因素（The factors affect on membrane fluidity）: 1)脂肪酸链长度和不饱和程度 膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的,脂肪酸链越短,不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。 2) 温度(Temperature):温度对膜脂的运动有明显的影响。在细菌和动物细胞中常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的相变温度以维持膜脂的流动性。相变温度（transition temperature） 在生理条件下, 膜脂多呈拟液态（liquid-like state）。温度下降至某点, 则变为晶态（frozen crystalline gel）。一定温度下, 晶态又可熔解再变成液晶态，这种临界温度称为相变温度。相变(phase transition) 在不同温度下发生的膜脂状态的改变称为相变。 不同的膜脂由于成分不同而各有其相变温度。 3)胆固醇 (Cholesterol ) 在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起重要的双向调节作用。在相变温度以上,它可使磷脂分子的脂酰链末端的运动减小,即限制膜的流动性。在相变温度以下,可增加脂类分子脂酰链的运动,这样可以增强膜的流动性。 4）卵磷脂/鞘磷脂比值的影响哺乳动物膜中,卵磷脂(phosphatidycholine)和鞘磷脂(sphingomyelin)的含量约占整个膜脂的50%;卵磷脂所含的脂肪酸链的不饱和程度高,链较短,相变温度低,因此卵磷脂含量高,流动性大;而鞘磷脂的脂肪酸链的饱和程度高,相变温度也高,因此,鞘磷脂的含量高,流动性低。2. 膜蛋白的流动(Movement of integral membrane proteins) 荧光抗体免疫标记实验 内在膜蛋白的运动方式影响膜蛋白移动的因素整合蛋白相互间的影响膜骨架的影响细胞外基质的影响相邻细胞的影响细胞外配体、抗体、及药物大分子的影响细胞外基质对整合蛋白移动的影响膜骨架对膜蛋白流动性的影响3. 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。程序： 根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。The Importance of Membrane Fluidity 酶活性 物质运输 信号转导 细胞周期 在M期, 膜的流动性最大, 而在G1期和S期, 膜流动性最低； 能量转换二、不对称性(The asymmetry of membranes)1. 细胞质膜各部分的名称 细胞质膜内外两个单层的组成、结构和功能有很大的差异，把这种差异称为膜的不对称性。膜脂、膜蛋白和复合糖在膜上均呈不对称性分布，导致膜功能的不对称性和方向性。 样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为：ES，细胞外表面（extrocytoplasmic surface）；EF，细胞外小页断面（extrocytoplasmic face）；PS，原生质表面（protoplasmic surface）；PF，原生质小页断面（protoplasmic face） 。 2. 膜脂的不对称性(The asymmetry of membrane lipid ) ： 同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，组成膜两个单层的膜脂种类不同。例如在红细胞膜中：外层含鞘磷脂SM 、磷脂酰胆碱PC较多；内层含磷脂酰乙醇胺PE 、磷脂酰丝氨酸PS较多。 3. 膜蛋白的不对称性(The asymmetry of membrane protein )： 每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性和分布的区域性。各种生物膜的特征及功能主要由膜蛋白决定，膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上有序的各种生理功能的保证。 在膜两侧分布不对称，如：红细胞的血型糖蛋白分子伸向膜内、外侧面的氨基酸残基的数目不对称。 血影蛋白分布在红细胞膜的内侧面。一般说,细胞质面的蛋白比外表面少,一些酶和受体多处于外表面,如：5-核苷酸酶、磷酸脂酶、Mg2+ -ATP酶、激素受体、生长因子受体位于外表面；腺苷酸环化酶则处于膜的内表面。4. 复合糖的不对称性(The asymmetry of membrane carbohydrates ): 糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。 糖脂的不对称分布是完成其生理功能的结构基础。膜糖分布的不对称性The biological role of asymmetry膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性,保证了生命活动的高度有序性。膜不仅内外两侧的功能不同, 不同区域的功能也不相同。造成这种功能上的差异,主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持就靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。3、 细胞质膜的基本功能 ( Cell membrane Functions ) （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,并伴随着能量的传递; （3）提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递; （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; 质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。 膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。扩散与渗透？上：在简单扩散中，膜允许溶质通过；溶质从浓度高的一侧移向浓度低的一侧，当达到平衡时，两侧的浓度相等。下：在渗透中，膜不允许溶质通过，但是，水能够从溶质浓度低的一侧向溶质浓度高的一侧扩散；当达到平衡时，两侧溶质的浓度是相等的，但含有过多水分的一侧具有较高水压。Diffusion and Osmosis扩散(Diffusion) 是指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向浓度低的一侧移动的过程。扩散(Diffusion)虽然这种移动不需要消耗ATP，主要是依靠扩散物质自身的力量，但从热力学考虑，它利用的是自由能。 如果改变膜两侧的条件，如加热或加压，就有可能改变物质的流动方向，其原因是改变了自由能。 严格地说，扩散是物质从自由能高的一侧向自由能低的一侧流动。渗透(Osmosis) 是指水分子以及溶剂通过半透性膜的扩散。渗透(Osmosis)水的渗透同样是从自由能高的地方向自由能低的地方移动，如果考虑到溶质的浓度，水是从溶质浓度低的地方向溶质浓度高的地方流动。 例如：细胞的膨胀(Swell)或收缩(Shrink) 质壁分离（plasmolysis)根据水与水中溶质在膜通透性上的差别，将膜称为半透性的（semipermeable)。高渗（hypertonic)低渗 (hypoosmotic)等渗 (iso-osmotic)动物细胞和植物细胞在不同浓度的蔗糖溶液中的行为红细胞膨胀与收缩1 .简单扩散（Simple diffusion）也叫自由扩散（free diffusion）,特点：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。质子通过电子转移而被移动质子如何被泵过膜?质子被三个复合物泵出膜外在三个大的复合物处都有一个大的电位变化，释放的能量可以用于将质子泵出。第七章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输 真核细胞在进化上一个显著特点就是形成了发达的细胞质膜系统，将细胞内环境分割成许多功能不同的区室。虽然这些区室具有各自独立的结构和功能，但它们有是密切相关的，尤其是它们的膜结构式相互转换的，转换的机制则是通过蛋白质分选和膜运输实现的。 细胞内区室化 细胞内区室化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(cytoplasmic matrix)、细胞内膜系统(endomembrane system)和其他由膜包被的各种细胞器(诸如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体和细胞核）。一、 细胞质基质（cytoplasmic matrix or cytosol ） 细胞质基质是细胞的重要结构成分，其体积约占细胞质的一半。表7-1 肝细胞中细胞质基质及细胞其他组分的数目及所占的体积比(一)细胞质基质的涵义1. 细胞质基质的概念 真核细胞的细胞质中除去细胞器和内含物以外的、较为均质半透明的液态胶状物质称为细胞质基质，也称胞质溶胶（cytosol)或细胞液。2. 细胞质基质的组成 中间代谢有关的酶类、细胞质骨架结构3. 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。(2) 细胞质基质的功能1、 是细胞内物质代谢的重要场所 细胞内所有的中间代谢过程均发生在细胞质中，其中大部分是在细胞质基质中进行的，如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等.2. 与细胞质骨架密切相关 维持细胞形态、运动、胞内物质运输及能量传递等.3. 在蛋白质的修饰、蛋白质寿命的控制以及蛋白质 选择性的降解等方面有重要作用 蛋白质的修饰 ：磷酸化和去磷酸化、糖基化、N-端甲基化、酰基化 控制蛋白质的寿命 降解变性和错误折叠的蛋白质 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠二、膜结合细胞器(Membrane-bounded organelles) 在细胞内的分布 膜结合细胞器在细胞内是按功能、分层次分布的.膜结合细胞器在细胞的生命活动中具有重要作用。 表7-2 真核细胞膜结合区室的主要功能细胞器（区室） 主要功能内质网大多数脂的合成场所，蛋白质合成和集散地高尔基体蛋白质和脂的修饰、分选和包装溶酶体细胞内的降解作用胞内体内吞物质的分选过氧化物酶体毒性分子的氧化线粒体通过氧化磷酸化合成ATP叶绿体进行光合作用 在这些膜结合的细胞器中,线粒体、叶绿体、过氧化物酶体独立性很强,并且有特别的功能；其他几种膜结合细胞器,如内质网、高尔基体、溶酶体和小泡,虽然有不同的结构和功能,但是它们都参与蛋白质的加工、分选和膜泡运输,形成了一个特别的细胞内系统。3、 细胞内膜系统（Endomembrane System）及其功能 定义：位于细胞质内，在结构、功能和发生上相关的由膜围绕的细胞器或细胞结构称为细胞内膜系统，主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。功能：区隔化；增加内表面积，提高代谢和调节能力。 从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生。 从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂，具有核外遗传的特性。（1） 内质网的形态结构与功能 K. R. Porter和A.D.Claude等于1945年发现于培养的小鼠成纤维细胞，因最初看到的是位于细胞质内部的网状结构，故名内质网（endoplasmic reticulum，ER）。内质网是由封闭的管状或扁平囊状膜系统及其包被的腔形成互相沟通的三维网络结构。内质网通常占细胞膜系统的一半左右，体积约占细胞总体积的10以上。内质网是细胞内除核酸以外一系列重要的大分子如蛋白质、脂质和糖类合成的基地。1、 内质网的两种基本类型根据内质网上是否附有核糖体,将内质网分为两类:糙面内质网(Rough ER)和光面内质网(Smooth ER) 。 糙面内质网(rough endoplasmic reticulum, RER) 多呈大的扁平膜囊状, 在电镜下观察排列极为整齐。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, 主要功能是合成分泌性的蛋白质、多种膜蛋白和酶蛋白。光面内质网(smooth endoplasmic reticulum, SER) 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, 而非扁平膜囊状, 广泛存在于各种类型的细胞中，包括合成胆固醇的内分泌腺细胞、肌细胞、肾细胞等。 脂类合成的重要场所,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。2、 内质网的功能蛋白质的合成是糙面内质网的主要功能 细胞中的蛋白质都是在核糖体上合成的，并且起始于细胞质基质，但有些蛋白质在合成开始不久后便转在内质网膜上，继续进行蛋白质合成。这些蛋白主要有： 向细胞外分泌的蛋白，如抗体、激素； 膜的整合蛋白； 构成内膜系统细胞器中的可驻留蛋白； 需要进行修饰的蛋白，如糖蛋白。蛋白质的修饰与加工 包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。 糖基化的作用： 使蛋白质能够抵抗消化酶的作用； 赋予蛋白质传导信号的功能； 某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。 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。 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。 内质网上进行N-连接的糖基化。糖的供体为核苷糖，如CMP-唾液酸、GDP-甘露糖、UDP-N-乙酰葡糖胺。 糙面内质网的主要功能是进行膜结合核糖体合成的蛋白质的运输，并在运输的同时对这些蛋白质进行加工修饰和折叠，以帮助这些蛋白质准确到达目的地。 光面内质网是脂质合成的重要场所 细胞膜所需要的最重要的磷脂是在光面内质网上合成的。在光面内质网上合成的磷脂先作为内质网膜的构成部分，然后再转运给其他的膜。 内质网中的磷脂不断合成，使得内质网的膜面积越来越大，必须有一种机制将磷脂转运到其它的膜才能维持内质网膜的平衡, 这就是磷脂转运。磷脂的转运有两种方式: 一种是凭借一种水溶性蛋白, 叫磷脂交换蛋白的作用在膜之间转移蛋白; 另一种是以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上光面内质网的其他功能 肝细胞的解毒作用类固醇激素的合成Ca2+ 的调节作用糖原分解释放游离的葡萄糖3. 内质网与基因表达的调控三种不同的内质网细胞核的信号转导途径： 内质网腔未折叠蛋白的超量积累 折叠好的膜蛋白的超量积累 内质网膜上膜脂成分的变化主要是固醇缺乏（2） 高尔基体的形态结构与功能 高尔基体（Golgi body）又称高尔基器（Golgi apparatus）或高尔基复合体（Golgi complex） ，是比较普遍存在于真核细胞内的一种细胞器。 最早发现于1855年，1889年，Golgi用银染法，在猫头鹰的神经细胞内观察到了清晰的结构，因此定名为高尔基体。20世纪50年代以后才正确认识它的存在和结构。1. 高尔基体（Golgi body）的形态结构与极性 电子显微镜所观察到的高尔基体最富有特征性的结构是由一些( 通常是48个) 排列较为整齐的扁平膜囊(saccules)堆叠在一起, 构成了高尔基体的主体结构。扁囊多呈弓形, 也有的呈半球形或球形,均由光滑的膜围绕而成, 膜表面无核糖体颗粒附着 ,膜囊周围有大量的大小不等的囊泡结构。 高尔基体是有极性的细胞器：位置、方向、物质转运与生化极性。 靠近细胞核的一面扁囊弯曲成凸面又称形成面或顺面（cis face），面向细胞膜的一面常成凹面又称成熟面或反面（trans face）。顺面和反面都有一些或大或小的运输小泡。 高尔基体的膜囊结构及其排列功能区室 高尔基体至少由互相联系的3个部分组成，每一部分可能又分化出更精细的间隔。 高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体管网状结构（cis Golgi network,CGN) 位于高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊，是中间多孔而呈连续分支状的管网结构。 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（有KDEL或HDEL序列）与脂质再返回内质网。 高尔基体中间膜囊（media Golgi） 由扁平膜囊与管道组成，形成不同的间隔，但功能上是连续的、完整的膜囊体系。 多数糖基化修饰、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成都发生在这。 高尔基体反面膜囊以及反面高尔基体管网状结构（trans Golgi network,TGN) TGN位于反面的最外层，与反面的扁平膜囊相连，另一侧伸入反面的细胞质中，形态呈管网状，并有囊泡与之相连。 TGN的主要功能是参与蛋白质的分类与包装，最后从高尔基体中输出。小泡(vesicle) 在扁平囊的周围有许多小囊泡, 直径400-800。这些小囊泡较多地集中在高尔基复合体的形成面。一般认为它是由附近的粗面内质网出芽形成的运输泡.它们不断地与高尔基体的扁平膜囊融合, 使扁平膜囊的膜成分不断得到补充。高尔基体的极性 结构上的极性:高尔基体的结构可分为几个层次的区室; 靠近内质网的一面称为顺面(cis face), 或称形成面(forming face)；高尔基体中间膜囊(medial Golgi); 靠近细胞质膜的一面称为反面高尔基网络 (trans Golgi network，TGN)。 功能上的极性:高尔基体执行功能时是“流水式”操作,上一道工序完成了,才能进行下一道工序。2. 高尔基体的功能 高尔基体的主要功能是将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装, 并分门别类地运送到细胞的特定部位或分泌到细胞外。内质网上合成的脂类一部分也要通过高尔基体向细胞质膜和溶酶体膜等部位运输。因此, 高尔基体是细胞内大分子运输的一个主要交通枢纽。参与细胞分泌活动 RER上合成蛋白质进入ER腔COPII运输泡进入CGN在medial Gdgi中加工在TGN形成运输泡运输与质膜融合、排出。 高尔基体对蛋白质的分类，依据的是蛋白质上的信号肽或信号斑。蛋白质的糖基化及其修饰 高尔基体对蛋白质的修饰与加工，主要是对糖蛋白寡糖链的修剪、蛋白质的糖基化和特异蛋白质水解等。 N-连接和O-连接的糖基化，是蛋白质两类不同的糖基化修饰。 N-连接的寡糖蛋白的合成起始于糙面内质网，完成于高尔基 O-连接的主要或全部是在高尔基体内进行的。蛋白质糖基化类型N-连接与O-连接的寡糖比较 特 征 N-连接 O-连接1. 合成部位 糙面内质网糙面内质网或高尔基体2. 合成方式 来自同一个寡糖前体一个个单糖加上去3. 与之结合的 氨基酸残基 天冬酰胺 丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸4 最终长度 至少5个 糖残基一般14个糖残基，但ABO血型抗原较长5.第一个糖残基N乙酰葡萄糖胺N乙酰半乳糖胺等 内质网和高尔基体中，所有与糖基化及寡糖的加工有关的酶都是整合膜蛋白。它们固定在细胞的不同间隔中，其活性部位均位于内质网或高尔基体的腔面。 脊椎动物细胞糖蛋白N-连接寡糖在内质网和高尔基体各膜囊区间的加工过程 ？蛋白聚糖(proteoglycan)的合成 除了蛋白质的糖基化以外，高尔基体中也可以进行多糖的合成。动物细胞中合成的多糖主要是透明质酸，这是一种氨基聚糖, 是细胞外基质的主要成分。植物细胞壁中的几种多糖，包括半纤维素、果胶也是在高尔基体中合成的。 蛋白酶的水解和其他加工过程蛋白质在高尔基体中酶解加工的方式有三种： 一是将没有生物活性的蛋白原N端或两端的序列切除形成有活性的多肽，如胰岛素； 二是将含有重复氨基酸序列的前体切割成有活性的多肽，如神经肽； 三是根据前体中不同的信号序列或同一前体在不同细胞中的不同加工方式而加工成不同种的多肽 举例： 胰岛素是在胰岛B细胞中合成的, 刚从内质网合成的多肽在N- 末端有信号肽链, 称前胰岛素原(preproinsulin), 相对分子质量为12,000。随后在内质网的信号肽酶的作用下, 切除信号肽, 成为胰岛素原(proinsulin),相对分子质量9,000, 含84个氨基酸。运输到高尔基体后, 通过蛋白酶的水解作用, 生成一个分子由51个氨基酸残基组成的胰岛素和一个分子C肽。Secretory Vesicles （分泌泡） Made in Golgi apparatus, ER, or from parts of the plasma membrane, Function: transport of materials between one membrane-bounded organelle and another(三)溶酶体的形态结构与功能 Christian de Duve等（1955）用生化手段分析大鼠肝细胞匀浆的梯度组分时发现的一种颗粒。溶酶体是由一层单位膜包着丰富的磷酸水解酶而构成，存在于所有的动物细胞中。溶酶体是细胞内消化的主要场所，在维持细胞正常代谢活动、防御及细胞