武汉大学细胞生物学.doc

武汉大学细胞生物学笔记第一章 绪 论一、细胞生物学概况二、细胞生物学简史三、细胞生物学研究内容四、细胞生物学学习方法一、细胞生物学概况(P1)1、什么是细胞生物学？细胞生物学（cell biology）是研究细胞基本生命活动规律的科学，是现代生命科学的重要基础学科之一；它从显微、亚显微和分子三个层次以动态的观点来研究细胞和细胞器结构与功能，探讨细胞的各种生命活动规律。2、细胞是所有生物体（不包括病毒）一切生命活动的基本单位具有自我复制、自我装配和自我调控的能力，通过与外界物质和信息交流，保持自身动态平衡。病毒、生物大分子和细胞的关系“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找”“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找”3、细胞生物学分支细胞形态学 细胞遗传学 细胞化学 细胞生理学 细胞分类学 细胞免疫学二、细胞生物学发展简史（P8）五个阶段1、细胞的发现1665年 Robert Hooke（英）(30)“cellar”cell1677年Leeuwen Hoek（荷兰）（300）活细胞观察，第一次观察到原生动物、人类和 动物的精子。2、细胞学说的建立18381839 Schleiden和Schwann（德）分别提出了细胞学说（cell theory）；基本内容:所有生物都是由一个或者多个细胞构成的；细胞是生命的基本单位。1858年Rodulf Virchow（德）对细胞学说进行了重要补充：细胞只能来自细胞。意义：19世纪自然科学三大发现之一； 现代生物学三大基石之一。3、细胞学经典时期19世纪的后25年(P9)原生质理论的提出：protoplasm 1861年，Max Schultze： 有机体的单位是一小团原生质，这种物质在一般有机体是相似的。细胞分裂的研究：有丝、减数分裂；重要细胞器的发现。4、实验细胞学及发展（19001953）(P10)experimental cytology用实验的手段研究细胞学的问题,即从形态结构的观察深入到生理功能、生物化学及遗传发育机理的研究。细胞遗传学 细胞生理学 细胞化学5、细胞生物学学科形成、发展（20世纪50年代）(P12)1953年DNA结构的发现分子生物学诞生；1965年，DPDerobetis将普通细胞学改为细胞生物学，标志着细胞生物学的诞生。新研究技术手段的促进：电子显微镜、超薄切片、扫描隧道显微镜、细胞化学、分子生物学80年代：分子细胞生物学（Molecular Cell Biology）细胞生物学发展历史(总结)1、细胞的发现、细胞学说的创立（16651874）；2、细胞学的经典时期（18751900）；3、实验细胞学时期（19001953）；4、细胞生物学的诞生和发展（1953）三、细胞生物学的研究内容(P2)1、膜学和细胞器学生物膜细胞质膜和细胞内膜的总称，细胞物质交换、能量转换、信息交流的关键功能部位。细胞器学探讨细胞器的结构和功能2、核学和染色体学细胞生物学、分子遗传学、发育生物学共同关注的焦点之一，研究染色体结构动态变化与基因表达及其调控的关系。3、细胞骨架体系4、细胞分裂和细胞分化5、细胞凋亡6、细胞工程学四、细胞生物学学习方法1、细胞是生命结构和功能的基本单位，细胞生物学在生命科学研究领域具有重要地位；2、明确细胞的结构和功能的一致性；3、从显微、亚微和分子三个层次来认识细胞的结构与功能；4、和多学科知识相结合，同分子生物学、生物化学、遗传学、生理学等课程紧密联系；5、注意细胞生物学各章节之间内容的相互关联；6、关注学科前沿；关注新技术方法进展；学习一点科技史。本 章 完一、细胞生物学概况二、细胞生物学简史三、细胞生物学研究内容四、细胞生物学学习方法一、光学显微技术(P49)1、普通复式光学显微镜技术组成：光学放大系统、照明系统、机械系统；性能参数：放大倍数、分辨力、清晰度、焦点深度、镜像亮度等，其中最重要的是分辨力。分辨力（分辨率、分辨本领）：能分辨两个物点之间最短距离的能力。该距离越小，则分辨力越高。显微镜的分辨力计算公式：普通光镜分辨极限最大值140；最小波长450nm； N最大值1.5；因此普通光镜的分辨力极限为0.2微米，此数值亦为显微水平和亚微水平的分界点。普通光镜有效放大倍数（经验值）物镜最大镜口率1000提高光学显微镜分辨力的手段a、缩短照明光线波长；b、应用特殊光学效应，增强反差。显微镜技术和计算机技术结合倒置显微镜2、荧光显微镜技术(P49)（fluorescence microscopy）原理：以紫外光为光源，激发标本中的荧光物质产生荧光，从而对某些物质进行定性和定位分析。荧光种类： 自发荧光：细胞内某些天然物质被UV激发产生的荧光，如叶绿素产生血红色荧光。 诱发荧光：细胞中加入荧光染料，与特定成分结 合，经过UV照射发出荧光。荧光显微镜的工作原理Olympus BX51荧光显微镜3、激光共聚焦扫描显微镜(P50)（laser scanning confocal microscope，LSCM）4、相差和微分干涉显微镜技术(P50)相差显微镜：phase contrast microscope, Ph ） 1935年荷兰物理学家Frits Zernicke发明了相差显微镜，它利用光的衍射和干涉原理，将人眼无法感受到的光的相位差转换成为人眼可以感受到的振幅差，从而将无色透明物体中的细节表现为明与暗的对比，适合观察活细胞和未染色的样品 。 普通光学显微镜相差显微镜微分干涉显微镜(P51)（differentialinterference microscope ，DIM）DIM获得的反差取决于光线穿过样品折射率变化的速率。样品边缘结构反差增大（相对小的距离内折射率发生明显变化）。Nomarski microscope二、电子显微镜技术(P51)1、透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）电子显微镜是模仿光学显微镜的工作原理，用电子束来代替可见光束，用电磁线圈代替玻璃透镜汇聚电子束，通过荧光屏或者胶片捕获图像的观察工具，理论分辨率可达0.2nm 。HITACHI H-8100透射电子显微镜电子显微镜基本构造(P52)电子显微镜基本构造电子显微镜基本构造电子显微镜基本构造超薄切片制备2、透射电镜特点“照明”光源电子束放大倍数调节方式改变磁透镜电流强度高电压工作几万十几万伏内部高真空104托样品厚度90nm电子穿透力有限，产热标本染色技术不同重金属盐（正染，负染）冰冻蚀刻（冰冻断裂）技术 freezeetching（freezefracture）样品于-190快速冰冻在真空中用冷却刀切割撕裂真空中冰升华暴露出的断裂面喷碳膜或者碳-铂膜（表面复型膜）用有机溶剂或酶去除样品将膜金属喷镀后在电镜下观察2、扫描电子显微镜（P58）（scanning electron microscope，SEM）SEM发明于1965年，它是利用电子束扫描样品表面，再通过检测样品表面逐点散发的二次电子，将样品表面的形貌逐点成像并合成为放大的图像。 PHILIPS XL20扫描电子显微镜扫描电镜的特点：可观察较大较厚的样品；景深大，获得的是清晰逼真的三维立体图像；放大倍数在2020万倍间连续变换，无需多次聚焦；样品可在样品室内多方位移动和转动；分辨力不太高：310nm只能观察标本表面，不能观察内部。3、扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）（P59）1981年发明的用于探测微观世界物质表面形貌的仪器。利用量子力学中的隧道效应。扫描隧道电镜下的DNA双螺旋STM的特点：具有原子尺度的高分辨本领；真空、大气、液体环境中都能工作，不接触样品，保持样品原貌。原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）第二节 细胞组分的分析方法一、超速离心技术（P60）离心技术原理 由于不同的细胞器具有不同的密度和体积，因此，可以利用离心方法加以分离和纯化。1、差速离心（differential centrifugation）利用不同的离心速度产生的不同的离心力，将各种亚细胞组分和各种颗粒分离开来。适合分离沉降速率差别较大的亚微结构颗粒。多次离心达到纯化的目的2、密度梯度离心（P61）蔗糖密度梯度离心氯化铯密度梯度离心将介质形成一函盖所有组分密度的密度梯度，不同的样品由于其密度差异，在离心过程中进入到等密度介质区域即不再移动，从而实现分离的目的。蔗糖密度梯度离心和氯化铯密度梯度离心的比较二、组织化学和细胞化学（P61）利用一些显色剂与被测物质中的某些基团特异性结合，来判断核酸、蛋白质（酶）、糖类、脂类在细胞中的分布和含量。福尔根（Feulgen）反应显示DNA格莫瑞（Gomori）反应显示碱性磷酸酶三、免疫细胞化学（P62）（Immunocytochemistry，ICC）根据抗体能与对应的抗原自行识别结合的免疫学原理，来检测特定蛋白质在细胞内的分布状况和含量。人成纤维细胞中肌动蛋白束（800）BHK细胞中的微管蛋白（500）四、细胞内特异核酸序列的定位和定性研究对象：细胞内特异核酸（DNA或RNA）目的：进行定位、定量分析方法：原位杂交（in situ hybridization，ISH）以目标核酸的互补序列为探针，对细胞或者组织标本进行杂交处理，使目标核酸可视呈现的技术。是细胞生物学、细胞遗传学、分子生物学相互交融的研究手段。构建DNA分子物理图谱光谱核型分析（spectral karyotype， SKY）SKY of Human五、定量细胞化学分析技术P65细胞分选（cell sorting） 是细胞生物学中较新技术，是利用流式细胞仪（flow cytometery，FCM）对细胞或者其他生物微粒（如染色体）进行分选，并对其进行定量分析（大小、形状、核酸含量和蛋白质含量等）的技术。1、流式细胞仪（FCM）是集合了流体喷射、激光、伽马射线能谱、电子计算机、显微荧光光度计量等技术于一体的设备;可以定性和定量分析生物颗粒（包括细胞）的物理化学特性并将之分离纯化;目前的FCM已经运用于细胞生物学、肿瘤学、免疫学、血清学、药物学等研究领域，可以用来分析免疫复合物、病毒、脂质体、细胞器、原核细胞、真核细胞、简单多细胞生物等等。流式细胞仪结构和工作原理2、标记细胞：免疫荧光染色 荧光素标记抗体：异硫氰酸荧光素（FITC）、 藻红素（PE）、Texas红（Texas Red） 荧光染色分为：直接染色和间接染色荧光染料直接染色 使用碘化丙啶（propidium iodide，PI）或者DAPI，对固定处理过的细胞或者细胞核直接进行染色，利用这些荧光染料嵌合入双螺旋结构堆积的碱基之间，使得所有双链区域均被染色。再利用FCM根据细胞激发的荧光的差异对细胞加以分离。第三节 细胞培养、细胞工程与显微操作技术一、细胞培养P661、什么是细胞培养是指从机体内取出某种组织或者细胞，模拟机体内的生理条件使其在体外生存、生长和繁殖的过程。细胞培养示意图2、细胞培养分类：按照培养过程中培养物是否经过了分割，分类为：原代培养（primary culture）继代培养（secondary culture）或者再培养（subculture）原代培养（primary culture）直接从机体取出组织或者细胞后所进行的首次培养。继代培养（secondary culture）/传代培养（subculture） 当原代培养的细胞增殖到一定的密度后，将其从原培养容器中取出，按照一定的比例向另外一个或者多个容器中所进行的再培养，简称传代。传代的累计次数就是细胞的代数。两个概念细胞系（cell line）：通过原代培养并且经过传代后所形成的细胞群体，由于来源于原代培养物，故一个细胞系往往由多个生物学性状不同的细胞群体组成。如HeLa、CHO等。细胞株（cell strain）：利用单细胞分离培养法或者克隆形成法从原代培养物或者细胞系中选择出来的细胞群体，一个细胞株往往具有特殊的生物学性状或者标记，并且可以持续存在。二、细胞工程（cell engineering）细胞水平的生物工程。（一）细胞融合1、细胞融合（cell fusion）两个或者多个细胞融合成双核或者多核细胞的现象。产生的细胞称为融合细胞。2、细胞融合的应用：动物和植物的不同种、属之间的细胞可以融合，并且动植物之间的细胞可以融合，从而培养成各种性状的杂种细胞。细胞融合被广泛应用于研究核质关系、绘制染色体基因图谱、制备单克隆抗体、研究肿瘤发生机制等领域。3、人工诱导细胞融合： 病毒诱导融合：灭活的仙台病毒等。 化学诱导融合：PEG 电激诱导融合：（二）单克隆抗体技术（三）细胞显微操作技术第四章 细胞膜和细胞表面Plasma Membrane & its Surface Structures第一节 主要内容一、细胞膜的研究历史和结构模型（model）二、细胞膜的化学组成（膜脂、膜蛋白）三、细胞膜的性质（膜的流动性、不对称性）四、细胞膜的功能五、膜骨架与细胞表面特化结构一、 细胞膜的研究历史和结构模型P731、Ernest Overton （1895） 发现：溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜；不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜。推测细胞膜由连续的脂类物质组成。2、E. Gorter 和 F. Grendel（1925）发现：红细胞质膜的脂类成分在水面展开的面积是红细胞表面积的2倍推测细胞膜由双层脂分子组成。3、三明治式质膜结构模型P74J. Danielli 和 H. Davson（1935） 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年提出了“蛋白质脂质蛋白质”的三明治式的质膜结构模型4、单位膜模型（unit membrane model）J. D. Robertson 1959 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5、流动镶嵌模型（fluid mosaic model）S. J. Singer 和 G. Nicolson 1972 根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。6、晶格镶嵌模型Wallach（1975） 生物膜含有的”流动性脂质“进行可逆地无序(流动性)到有序(晶态)的相变。 在大多数动物细胞的膜系统中,这种“流动性脂质”呈小片的点状分布,面积小于100 nm2。7、板块镶嵌模型1977年,Jain和White提出了板块镶嵌模型。在流动的类脂双分子层中存在许多大小不同,刚度较大的彼此独立移动的类脂板块(有序结构板块)。8、脂筏（lipid rafts）和质膜微囊（caveolae）（补充）1997年。脂筏富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域 ， 约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页；介于无序液体与液晶之间，称为有序液体（Lo）；如同一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。1995年。质膜微囊细胞表面内陷小孔结构，以鞘脂和胆固醇为主，以微囊素/内陷素（caveolin）为标志蛋白。脂筏和质膜微囊的功能：信号转导中心？膜的运送内吞、外排疾病关联癌、动脉粥样硬化、糖尿病、老年性痴呆质膜应该视为脂质、蛋白质和糖组成的一个不均匀的超分子体系，膜脂以甘油酯为主体，大小不一的、以鞘脂和胆固醇为主要成分的微区分散在主体中。主体和微区都含有数量不等的膜蛋白。1、微区的功能机制？2、微区小，难以分离3、信号分子与微区的关系？4、微区在医药的应用？二、细胞膜的化学组成 p76综述： 质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量的糖。 膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。（一）膜脂（membrane lipid）分类：膜脂是生物膜的基本成分，主要包括磷酸甘油酯、神经鞘酯和胆固醇三种类型。1、磷酸甘油酯：是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50以上。 磷酸甘油酯phosphoglycerides O O CH2 OCR1 R2COCH O CH2OPOX O-主要类型有： 磷脂酰胆碱(PC)，旧称卵磷脂 磷脂酰丝氨酸(PS) 磷脂酰乙醇胺(PE), 旧称脑磷脂 磷脂酰肌醇(PI) 双磷脂酰甘油( DPG) , 旧称心磷脂磷脂的分子结构特征1）头尾： “一头二尾”（心磷脂4尾）；2）碳链：碳原子多为1620，偶数。3） 饱和性：饱和、单不饱和、多不饱和。2、神经鞘酯（sphingolipids）是一类含量较少的膜脂，是鞘胺醇的衍生物。鞘磷脂（sphingomyelin）鞘胺醇的衍生物以鞘胺醇为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，与含胆碱的磷酸基团组成亲水头部；在神经系统中含量特别丰富。 原核细胞、植物中无鞘磷脂。糖脂（glycolipid）鞘胺醇的衍生物以鞘胺醇为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，与一个或多个糖残基组成亲水头部，在神经细胞膜上糖脂含量较高；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。3、胆固醇（cholesterol）动物中含量最丰富的固醇类化合物； 植物和细菌中少；在脑、神经组织及肾上腺中含量丰富，其次是在肝、肾、脾、皮肤和脂肪组织中。胆固醇对细胞膜流动性的影响在相变温度以上,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。膜脂的特性：厚度约6nm；连续广泛的网络；可变形；自组装（self assemble）。膜脂的运动方式（P7677）1、沿膜平面的侧向运动；*2、脂分子围绕轴心的自旋运动；3、脂分子尾部的摆动；4、双层脂分子之间的翻转运动。脂质体（liposome）p77本质：利用了脂双分子层的自组装性，是一种人工膜。在水中，搅动磷脂形成的双层脂分子球形体，直径251000nm不等。人工脂质体的用途： 1.研究生物膜的特性 2. 药物和DNA的载体 隐形脂质体（stealth liposomes）（二）膜糖共价连接在膜脂和膜蛋白上的糖类（28）。90以共价键与蛋白质糖蛋白；10连接到脂类糖脂。膜糖的功能： 细胞与环境的相互作用 接触抑制 信号转导蛋白质分选 保护作用等。（三）膜蛋白 P78 种类繁多, 是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中约30%为膜蛋白。1、分类：根据膜蛋白与脂分子的结合方式，分为三类：外周蛋白（peripheral protein）膜内在蛋白（integral protein ）或整合蛋白脂锚定蛋白（lipidanchored protein）外周蛋白是水溶性蛋白，暴露在脂双层的外侧或内侧；与质膜以非共价键形式连接；改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来。膜内在蛋白 p78整合蛋白多数为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），是两性分子；与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来，如SDS（离子型），TritonX-100（非离子型）。膜内在蛋白与膜脂的结合方式 p78三、细胞膜的性质 （一）细胞膜的流动性（P81）1、 膜脂的流动：“刚柔并济”影响膜脂流动性的因素 胆固醇含量：含量增加，降低膜的流动性；脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多，越不饱和，膜流动性越强。脂肪酸链的长度：长链，相变温度高，膜流动性低；卵磷脂/鞘磷脂比例：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂； 其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。2、 膜蛋白的流动性 （P82）膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动（主要为侧向流动），不需要代谢产物的参加和能量的提供。膜蛋白的流动性是相对的。表现为某些膜蛋白在细胞膜表面的分布有一定的区域性，甚至有的蛋白是不流动的，原因是某些蛋白与细胞膜下的细胞骨架相结合，流动受到限制。整合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研究膜蛋白流动的实验技术1 P82荧光抗体免疫标记细胞融合研究膜流动性的实验技术2P83光脱色荧光恢复技术 FRAPfluorescence recovery after photobleaching 膜蛋白或者膜脂被荧光素标记，再用激光照射某一区域，被照射区的荧光因为淬灭而变弱。由于膜的流动性，粹灭区域亮度会逐渐增加，最后与周围两度等同。荧光恢复的速度间接反映出膜蛋白或者膜脂扩散的速度。3、 质膜流动性的意义 1） 膜的流动性有利于酶的侧向扩散和旋转运动； 2）膜的流动性保证了物质的运输； 3）膜流动性与信号转导； 4）膜的流动性和能量转换； 5）膜的流动性与细胞的发育和衰老。（二）细胞膜的不对称性 P83 质膜内外两层的组分和功能的差异，1、 细胞膜各部分的名称ES EF PF PS 小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻2、膜的不对称性 p831）膜脂的不对称性：2）复合糖的不对称性：糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。3）膜蛋白的不对称性：每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的方向性和分布的区域性。如各种激素的受体具有极性，细胞色素C位于线粒体内膜内侧。四、细胞膜的功能 p841、区域化排除干扰，独立调节；2、选择性通透屏障；3、物质运输选择性的物质运输（输入与排出）；4、应答信号感受外界刺激；5、生化活动框架为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；6、连接细胞介导细胞/细胞、细胞/基质的连接；7、能量转换光合作用；8、特化结构五 、膜骨架与细胞表面的特化结构 P85（一）膜骨架（membrane associated cytoskeleton）定义：膜骨架是质膜下与膜蛋白相连的纤维蛋白组成的网架结构。作用：维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。研究材料：成熟的哺乳动物血红细胞红细胞研究质膜的良好材料不贵，可大量获得；游离，无需从复杂组织中分离；无核膜和内膜，避免膜样品的污染；简单处理溶血，就能获得血影。红细胞血影（二）红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞膜骨架：在红细胞膜的内侧，由膜蛋白和纤维蛋白组成的网架。人红细胞膜蛋白SDSPAGE电泳分布1、红细胞膜内存在的蛋白质约15种蛋白，其中主要的有3种:血影蛋白（spectrin）：又叫收缩蛋白，是膜骨架主要成分，、亚基构成，非膜蛋白；血型糖蛋白A（glycophorin A）：红细胞膜蛋白，富含唾液酸，类似的还有血型糖蛋白B、C、D，单次跨膜蛋白；带3蛋白（band 3 protein）：膜蛋白， “阴离子通道”；多次跨膜（1214次）肌动蛋白（actin）：又称带5蛋白，是膜骨架的主要成分，肌动蛋白纤维上有多个与血影蛋白结合的位点。锚定蛋白（ankyrin）：又称带2.1蛋白，一方面连接血影蛋白，一方面连接带3蛋白；带4.1蛋白（band 4.1 protein）：膜骨架成分，促使血影蛋白和肌动蛋白结合；2、红细胞膜骨架的组成：血影蛋白在带4.1蛋白的协助下与肌动蛋白结合成膜骨架基本网络；锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白相互作用。（三）细胞表面特化结构包括鞭毛、纤毛、微绒毛、细胞的变形足等；与细胞运动、细胞的物质交换有关。第二节 细胞连接 cell junction本节内容 一、封闭连接；二、锚定连接；三、通讯连接；四、细胞表面的粘着因子；细胞连接（cell junction）p87定义：细胞连接是细胞与细胞间或细胞与细胞外基质间（97页）的联结结构。分类：分为三大类，即：紧密连接（tight junction）锚定连接（anchoring junction） 通讯连接（communicating junction）一、紧密连接 （tight junction，TJ）分布：脊椎动物上皮细胞之间；形态：网络状蛋白质焊接线嵴线；成分：成串的跨膜蛋白；特点：相邻质膜紧密结合。隔离、支持。嵴线：相互交联，封闭细胞间空隙，甚至可阻止水分子的通过。作用：阻止溶液中的分子沿间隙进入体内；同时具有隔离和支持的功能血脑屏障Tight Junction in Epithelia of RabbitTight junction二、锚定连接（anchoring junction）P88分布：在机体中广泛分布， 在上皮组织、心肌和子宫颈等组织中含量尤为丰富。 以细胞质骨架为锚定基础。作用：将相邻细胞的骨架系统或者将细胞与基质相连，形成坚挺有序的细胞群体。分类： 与中间纤维相连桥粒和半桥粒 与肌动蛋白纤维相连粘着带和粘着斑（一）桥粒和半桥粒（P89）（desmosome & hemidesmosome）1、桥粒（desmosome）桥粒是中间纤维连接相邻细胞的方式。细胞间形成的纽扣状结构，将相邻细胞膜铆接在一起（间隙约30nm）。分布：承受强拉力的组织中，主要是上皮组织， 如皮肤、口腔、食管、心肌中。桥粒模式图30nm间隙 desmosome2 中间纤维直接与质膜下的盘状致密斑 连接；相邻两细胞之间的盘状致密斑由跨膜连接糖蛋白相互连接。2、半桥粒（ hemidesmosome ） 是中间纤维连接细胞外基质的方式，形如半个桥粒。它将上皮细胞固着在基膜上。半桥粒的功能和组成：通过整联蛋白将上皮细胞固着在基膜上。（二）粘着带与粘着斑1、粘着带（adhesion belt） ：是肌动蛋白纤维连接细胞的方式。呈连续带状环绕细胞，位于某些细胞紧密连接的下方。细胞间隙为1520nm，介于紧密连接和桥粒之间，也称为中间连接或者带状桥粒（belt desmosome）。粘着带与粘着带相连的微丝在细胞中形成平行于细胞膜的可收缩的纤维束。2、粘着斑是肌动蛋白纤维与细胞外基质之间的连接方式。参与连接的是整联蛋白。粘着斑锚定连接（小结）三、通讯连接（P90）（ communicating junction）分布：位于具有细胞间通讯作用的细胞。双重功能：机械连接 电偶联或代谢偶联。分类：包括 间隙连接（动物） 化学突触（可兴奋细胞） 胞间连丝（植物） （一）间隙连接（P90）1、结构与成分分布：非常广泛，几乎存在于所有动物组织，连接处有23nm的缝隙。间隙连接（图）连接结构的基本单位连接子（connexon），由6个connexin环绕而成，中间是直径1.5nm的孔道。可允许MW1000的分子通过，但通透性受调节。2、功能和调节机制 允许小分子（无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸、维生素）通过（MW1000），而蛋白质、核酸和多糖等大分子不能通过。 1）间隙连接在代谢偶联中的作用 合用和互喂营养物质； 代谢偶联允许小分子代谢物和信号分子（如cAMP、Ca2、磷酸肌醇）通过，一处细胞接受信号分子，就可以使整个组织产生反应。 2）间隙连接在神经冲动传递过程中的作用突触 电突触（electronic junction） 构成细胞之间的低电阻通路，神经电冲动可以通过间隙连接从突触前向突触后传导，动作电位可以迅速从一个细胞传到另一个细胞，实现细胞间的快速通讯。3）间隙连接在早期胚胎发育和细胞分化过程中的作用a. 出现在脊索动物、大多数无脊椎动物胚胎发育的早期；b. 连接子蛋白抗体 可以使胚胎发育出现缺陷；c. 可能为细胞在胚胎中的“位置信息”的传递提供通路，从而影响其分化。d. 肿瘤细胞之间的间隙连接明显减少或者消失。（二）胞间连丝（plasmodesmata）2、胞间连丝的功能1）与动物细胞的间隙连接类似。允许MW1000、半径0.70.8nm的分子通过;2） 通透性可调节。某些植物病毒能制造特殊的蛋白质，使胞间连丝的有效孔径扩大。3）某些细胞蛋白和核酸能够通过胞间连丝进入另外一个细胞。（三）化学突触化学突触是可兴奋细胞之间的细胞连接方式，它通过释放神经递质来传递神经冲动。电信号 化学信号 电信号四、细胞表面的粘着因子（P94）（Cell Adhesion Molecule，CAM）功能：同种类型细胞粘连在一起形成组织；细胞彼此粘连、锚定连接本质：都是整合膜蛋白，在胞内与细胞骨架相连；分类：钙粘素、选择素、免疫球蛋白超家族的CAM、整联蛋白。几个概念细胞粘附分子的作用机制有三种模式：1.同亲性粘附；2.异亲性粘附；3. 通过连接分子（linker）相互结合。1、钙粘素（cadherin）同亲性依赖于Ca2的细胞粘连糖蛋白。胞外部分形成5个结构域，均含Ca2结合部位。分类：分布广泛，家族 成员众多，如：E 钙粘素（表皮）N 钙粘素（神经）P 钙粘素（胎盘）等。作用： 细胞连接；参与细胞分化。 2、选择素（selectin）定义：异亲性CAM，能识别并结合另一细胞表面伸出的特异糖基团（依赖于Ca2）；结构：细胞外片段末端具有凝集素结构域；作用：参与白细胞在炎症（或血块）部位与血管壁细胞之间的识别与粘合；分类：已知选择素有三种： P（platelet）选择素：在血小板、内皮细胞中表达； E（endothelial）选择素：内皮细胞表达； L（leukocyte）选择素：各种白细胞中表达。3、免疫球蛋白超家族的CAM（Igsuperfamily）Ig-SF包括分子结构中含有免疫球蛋白（Ig）样结构域的所有分子一般不依赖于Ca2，包括同亲性或亲异性CAM作用：介导淋巴细胞和需要进行免疫反应的细胞之间的粘着。4、整联蛋白（integrin）多为异亲性细胞粘附分子。作用依赖于Ca2。一般由是 、亚单位形成异二聚体。目前发现有18种亚单位和8种亚单位，相互配合形成24种不同的二聚体整联蛋白；整联蛋白的功能：介导细胞与基质或者其他细胞的粘着；介导从细胞外环境到胞内的信号转导。第三节 细胞外被与细胞外基质（cell coat & extracellular matrix）一、细胞外被（cell coat）1、定义：质膜、膜蛋白一般不是裸露在外的，而是被一层多糖物质包裹着。这层物质就是细胞外被（cell coat） 。2、成分：糖蛋白和糖脂，因此又称糖萼（glycocalyx）3、形成：在细胞内合成，然后分泌出来并附着到质膜上。4、细胞外被的功能：保护功能防止机械、化学损伤；参与细胞增殖的接触抑制；参与细胞识别等。二、细胞外基质（extracellular matrix，ECM） p97 定义： 指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白质和多糖所构成的网络结构。细胞外基质主要成分和结构ECM功能：1、将细胞粘连成组织；2、提供细胞外网架，在组织中或组织之间起支持作用；3、三维结构、成分的变化，可以通过改变细胞微环境对细胞形态、生长、分裂、分化和凋亡起到调控作用。细胞外基质的分类分类： 胶原 糖胺聚糖和蛋白聚糖 层粘连蛋白和纤连蛋白 弹性蛋白 植物细胞壁（一）胶原（collagen）胶原是细胞外基质的骨架，也是动物体内含量最丰富的蛋白，约占人体蛋白质总量的25以上。成分：水不溶性纤维蛋白，在胞外基质中形成半晶体的纤维;分布：在各种动物中都存在，肌腱、软骨和骨中的胶原非常丰富，含量接近1/2。1、胶原的分子结构胶原的基本结构单位原胶原（tropocollagen）。 原胶原是三条肽链形成的三股螺旋； 一级结构具有GlyProy重复序列 yHypro 或 Hylys 原胶原（tropocollagen） 每条链盘绕成呈链卷曲的左手螺旋； 三股链再绕成右手超螺旋。胶原的结构原胶原分子间共价交联，呈1/4交替平行排列，形成胶原纤维，在电镜下可见间隔67nm的周期性横纹。2.胶原的分类：胶原类型多达20种,分为六种（IVI），具有不同的化学结构和免疫性能，是不同基因的表达产物；了解较为详细的有IIV型 3、胶原的合成、装配由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、上皮细胞分泌；合成：胶原肽链的翻译在糙面内质网（rER）核糖体上进行。装配：前体进入内质网，先后在内质网和高尔基体中进行修饰和加工，最终分泌到细胞外基质中；膜结合核糖体合成含有信号肽的原链（早前胶原）；早前胶原进入内质网，切去信号肽，三股前体肽装配成前胶原（procollagen）；前胶原进入高尔基体，经过修饰加工，被包进分泌小泡，与质膜融合，分泌到细胞外；在细胞外，前胶原被切去N、C端的前肽（propeptide），成为原胶原，然后进一步聚合成为胶原纤维（collagen fiber）。原链（早前胶原）前胶原原胶原胶原纤维4、胶原的功能（P101）参与形成结缔组织，如骨、韧带、基膜、皮肤；含量高，刚性和抗张强度最大，构成细胞外基质的骨架结构，并与其他组分结合形成结构与功能的复合体；在不同的组织中，胶原装配成不同的纤维形式，以适应功能的需要（肌腱、角膜）；参与细胞外基质信号传递。皮肤过度松弛症（二）糖胺聚糖和蛋白聚糖1、糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG） GAG是重复二糖单位构成的长链多糖。二糖单位：氨基已糖（氨基葡萄糖或氨基半乳糖）和糖醛酸。 常见的GAG：透明质酸、4硫酸软骨素、 6硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素和硫酸角质素。糖胺聚糖的功能：在细胞外创立水合、胶状的材料，形成细胞外基质的基质。透明质酸（hyaluronic acid，HA）一种重要的糖胺聚糖，是增殖细胞和迁移细胞的胞外基质的主要成分，可结合大量水分子，赋予组织一定的抗压性。HA使细胞保持彼此分离，并易于迁移和增殖，且阻止细胞分化。2、蛋白聚糖（proteoglycan） 组成：由糖胺聚糖和核心蛋白（core protein）共价连接形成的巨分子，是糖和蛋白质的复合物。 分布：细胞表面、所有结缔组织和细胞外基质。蛋白聚糖的功能：形成多孔、吸水的胶状物，保护细胞，抗挤压。（三）层粘连蛋白和纤连蛋白1、层粘连蛋白（laminin，LN) 是各种动物胚胎和成体组织基膜的主要构成组分。是一种高分子糖蛋白。是胚胎发育中最早出现的细胞外基质成分。 分子结构：由三条肽链（ 、）借二硫键交联成的十字形分子。 已知有8种亚单位（1-3、1-3、1-2）构成7种LN分子 。这8种亚单位由不同基因编码。 Laminin Structure层粘连蛋白的功能LN的主要功能：组装基膜，在细胞表面形成网络结构并将细胞固定在基膜上。在胚胎发育、细胞迁移、生长、分化中具有重要作用。同肿瘤细胞的转移有关。2、纤连蛋白（fibronectin，FN）结构：高分子量糖蛋白，由2个亚单位组成，在C端形成两个二硫键交联。分类： 血浆FN：V字形二聚体，可溶，存在于血 浆、体液。 细胞FN：多聚体，不溶，存在于ECM及细胞 表面。纤连蛋白二聚体已鉴定的FN亚单位20种以上，是由同一基因编码，转录后不同方式拼接而形成的多种异型分子。结构： 每条FN有57个有特定功能的结构域，具有与细胞表面受体、胶原、血纤蛋白、硫酸蛋白多糖的高亲合性的结合部位。纤连蛋白的功能1、介导细胞的粘着 增强细胞间的粘连及细胞与基质的粘连；参与胚胎发育； 参与创伤修复；2、促进细胞的迁移（四）弹性蛋白（elastin）是弹性纤维（elastic fiber）的主要成分。主要存在于脉管壁和肺，少量存在于皮肤、肌腱和疏松结缔组织中。 弹性纤维弹性 胶原纤维抗张性是高度疏水的非糖基化蛋白，富含甘氨酸和脯氨酸 1、构象呈无规则卷曲状态 2、通过Lys残基相互交联成网状结构（五）植物细胞壁由纤维素、半纤维素、果胶质等几种大分子组成；为细胞提供胞外支架，对细胞起到支持作用；某些寡糖成分可作为信号物质。第五章 物质的跨膜运输 与信号传递第一节 物质的跨膜运输MEMBRANE TRANSPORT前 言为什么要进行运输？（P108）1、摄取营养物质；2、排出代谢废物；3、调节细胞内离子浓度；4、维持细胞内环境的稳定。运输的方式： 1、被动运输； 2、主动运输； 3、胞吞和胞吐作用。一、被动运输(passive transport)P108定义：是指通过简单扩散或者协助扩散实现的物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。特点：转运的动力来自于物质的浓度梯度，无需细胞提供能量。分类：简单扩散 协助扩散（一）简单扩散（simple diffusion）1、定义：小分子的热运动使分子以扩散的方式，从膜的一侧沿浓度梯度降低的方向进入另一侧，也叫自由扩散（free diffusion）。2、特点： 沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散； 无需能量； 无需膜蛋白的协助。3、过程：物质先溶解在膜脂中，再从一侧扩散到另外一侧，最后进入水相。4、物质通透性决定于分子的脂溶性、极性、分子大小和带电性：脂溶性越高，通透性越强；水溶性越高，通透性越弱； 非极性分子比极性更易透过。 H2O、O2等可以透过，但速度较慢； 小分子比大分子更易透过； 对带电荷的物质是高度不通透。？（二）协助扩散（facilitated diffusion）1、定义：各种极性分子和无机离子顺浓度梯度减小的方向跨膜转运，运输过程中无需能量，但是需要特异的膜蛋白协助转运 又称为促进扩散、易化扩散、帮助扩散。2、协助扩散的特点： 转运效率高；转运具有特异性和饱和性；由膜转运蛋白（membrane transport proteins）负责转运。可以被抑制。3、膜转运蛋白的分类：载体蛋白（carrier proteins） 通道蛋白（channel proteins） 载体蛋白（carrier proteins）分子结构：多次跨膜蛋白，能与特定的溶质分子结合，通过改变构象介导跨膜转运。功能：既可介导被动运输，也可介导逆浓度梯度或者电化学梯度的主动运输；有的需要能量驱动（如各类ATP驱动的离子泵）；有的则不需要（如缬氨酶素）。又称 通透酶（permease）和转运器（transporter），具有酶的部分特性。 有专一性； 存在竞争性抑制和非竞争性抑制； 葡萄糖的运输是典型的载体蛋白介导的协助扩散。血糖升高促进胰岛素的分泌促进各种靶细胞内膜泡膜上的葡萄糖载体蛋白转移到质膜上提高葡萄糖的吸收糖尿病：型：合成胰岛素缺陷型：胰岛素水平正常，但是靶细胞对其不应答？受体或者运输蛋白出现问题。通道蛋白（channel proteins）分子结构：是亲水性的跨膜通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。功能：只能介导顺浓度梯度（电化学梯度）的被动运输。离子通道的特征： 选择性 转运效率高106个离子/秒 门控可开/关控制其活性；少数通道长期开放，如K+泄漏通道；多数通道关闭，只在一定条件刺激下开启。膜片钳（patchclamp）水的运输 ： （非脂溶性、极性）大多数是通过简单扩散进入细胞； 小部分通过水通道蛋白（aquaporin，AQP）进行扩散。AQP持续开放，水的转运无需能量，不受门控机制影响。目前在动、植物中已经分离到11个水通道蛋白家族成员。二、主动运输active transport为什么要进行主动运输？1、保证了细胞（器）从低浓度环境中摄取必要的营养物质；2、能够向高浓度环境中排出废物、分泌物、离子；3、维持细胞内离子的适当浓度（H+、Ca2+、K+ ）。主动运输定义：是由载体蛋白所介导的逆物质浓度梯度（电化学梯度）进行跨膜转运的方式。特点： 逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； 需要能量； 需要载体蛋白（结构可变）； 具有选择性和特异性。分类：按照能量来源分为 ATP直接供能； 协同运输(ATP间接供能)； 光能（见于细菌）。（一）Na+-K+泵ATP直接供能1、细胞内的Na+、K+环境低Na+高K+的离子环境动物细胞一般要消耗1/3（神经细胞消耗2/3）的总ATP来维持这种环境。Na+、K+的输入和输出是典型的主动运输，是通过钠钾泵来完成的。The Nobel Prize in Chemistry 19972、Na+-K+泵（ Na+-K+ pump）Na+- K+泵的分子结构：实际上就是Na+-K+ ATP酶，由2个亚基、2个亚基组成，分布于动物细胞的质膜上。亚基是多次跨膜蛋白，具有ATP酶活性和Na+、K+结合位点；亚基是具有组织特异性的糖蛋白。 Na+- K+泵的工作方式在膜内侧，3 Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶自身被磷酸化；酶构象发生改变，与Na+结合的部位转向膜外侧；向胞外释放3 Na+并与2 K+结合，K+与磷酸化的酶结合后促使酶去磷酸化；酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧；向胞内释放K+，并又重新与Na+结合。1000次/秒高速运转。总的结果是每一消耗一个ATP；输出3个Na+ ，输入 2个K+ 。使细胞外带正电荷。Na+-K+泵的作用 维持细胞的渗透平衡，保持细胞的体积； 抵消了细胞内外的Na+、K+扩散，维持低Na+高K+的细胞内环境，为协同运输提供驱动力； 维持细胞的静息电位。 渗透作用 Na+-K+泵的影响因子：乌本苷（ouabain）、毛地黄（digitalis）可抑制Na+-K+泵活性；Mg2+ 、少量的膜脂有助于提高Na+-K+泵的活性；氰化物抑制生物氧化，最终导致Na+-K+泵停止工作。(二) Ca2+泵ATP直接供能钙泵（Ca2+pump）又称为Ca2+-ATP酶，跨膜蛋白，进化上与Na+-K+泵的亚基同源。作用：维持细胞内较低的Ca2+浓度（胞内浓度10-7M，胞外10-3M）。分布：质膜和肌细胞内质网膜。作用机制： 原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP，泵出2个Ca2+，将Ca2+输出细胞或泵入内质网腔中储存起来。Ca2+- ATP酶工作过程（三）H+泵ATP直接供能1、质子泵的分布： 植物细胞、真菌和细菌的质膜上没有 Na+-K+泵，只有质子泵（H+ ATPase）2、质子泵的功能：质子泵将H+泵出细胞，建立跨膜的H+电化学梯度（相当于动物细胞膜上的Na+电化学梯度），从而驱动一些溶质的转运。3、质子泵的分类（P115）P-type：利用ATP 自磷酸化导致的构象改变来转移H+ 。如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。“胃酸”V-type：位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量