第一章 绪论

 

细胞生物学从显微水平、超微水平和分子水平等不同层次研究细胞结构、功能及生活史。
细胞生物学由细胞学Cytology发展而来，Cytology是指对细胞形态（特别是染色体形态）的观察。
在我国的基础学科发展规划中，细胞生物学与分子生物学，神经生物学和生态学并列为生命科学的四大基础学科。
    第一章 绪论
本章内容提要:

第一节  细胞生物学研究的内容与现状

一、 细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科
二、细胞生物学的主要研究内容
三、当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域
第二节 细胞学与细胞生物学发展简史
附录 细胞生物学参考书:
第一节  细胞生物学研究的内容与现状
一、 细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科
  生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系，而细胞是生命体的结构与生命活动的基本单位，有了细胞才有完整的生命活动。
   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、当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域
1、细胞生物学研究的总趋势
  细胞生物学与分子生物学(包括分子遗传学与生物化学) 相互渗透与交融是总的发展趋势；
当前细胞生物学研究中的三大基本问题:
（1）、细胞内基因组是如何在时间和空间上有序表达的？
（2）、基因表达产物----主要是结构蛋白、核酸、脂质、多糖及其复合物，他们如何逐级装备成能行使生命活动的基本结构体系及各种细胞器？
（3）、基因表达产物----主要是大量活性因子与信号分子，他们是如何调节细胞最重要的生命活动过程的？
2 、当前细胞基本生命活动研究中的重要领域:
（1）、染色体DNA与蛋白质相互作用关系-----主要是非组蛋白对基因组的作用；
（2）、细胞增值、分化、凋亡的相互关系及其调控；
（3）、细胞信号转导的研究；
（4）、细胞结构体系的装配。
3、细胞重大生命活动的相互关系

  第二节 细胞学与细胞生物学发展简史

一、生物科学发展的三个阶段:
  1.形态描述生物学时期，19世纪以前；
  2.实验生物学时期，20世纪前半世纪；
  3.分子生物学时期，20世纪50-60年代至今。
二、细胞生物学发展简史
1.  细胞的发现
2.  细胞学说的建立其意义
    细胞学说内容: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。
3. 细胞学的经典时期
1）原生质理论的提出2）细胞分裂的研究3）重要细胞器的发现
4.  实验细胞学与细胞学的分支及其发展
1）细胞遗传学的发展
2）细胞生理学的研究
3）细胞化学
5. 细胞生物学学科的形成与发展
三、细胞学说
Jean-Baptiste de Lamark （1744~1829)，获得性遗传理论的创始人，法国退伍陆军中尉，50岁成为巴黎动物学教授，1809年他认为只有具有细胞的机体，才有生命。“It has been recognized for a long time that the membranes which form the envelopes of the brain，of the nerves，of vessels，of all kinds of glands，of viscera(内脏)，of muscles and their fibers，and even the skin of the body are in general the productions of cellular tissue。 But no one，so far as I know， has yet perceived that cellular tissue is the general matrix of all organization and that without this tissue no living body would be able to exist，nor could it have been formed。”
Charles Brisseau Milbel（1776~1854)，法国植物学家，1802年认为植物的每一部分都有细胞存在，“the plant is wholly formed of a continuous cellular membranous tissue。Plants are made up of cells，all parts of which are in continuity and form one and the same membranous tissue”。
Henri Dutrochet （1776~1847），法国生理学家，1824年进一步描述了细胞的原理，他认为 “All organic tissues are actually globular cells of exceeding smallness，which appear to be united only by simple adhesive forces; thus all tissues， all animal (and plant) organs, are actually only a cellular tissue variously modified。This uniformity of finer structure proves that organs actually differ among themselves merely in the nature of the substances contained in the vesicular cells of which they are composed” 。

Matthias Jacob Schleiden（1804~1881)，德国植物学教授，1838年发表“植物发生论”(Beiträge zur Phytogenesis)，认为无论怎样复杂的植物都有形形色色的细胞构成。
Theodor Schwann（1810~1882)，德国解剖学教授，一开始就研究Schleiden的细胞形成学说，并于1838年提出了“细胞学说”（Cell Theory)这个术语；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。
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。
把细胞作为生命的一般单位，以及作为动植物界生命现象的共同基础的这种概念立即受到了普遍的接受。
恩格斯将细胞学说誉为19世纪的三大发现之一。
1、1839年，捷克人J. E. Pukinye 用protoplasm这一术语描述细胞物质，“Protoplast”为神学用语，指人类始祖亚当。
2、1879年，德国人W. Flemming观察了蝾螈细胞的有丝分裂，于1882年提出了mitosis 这一术语。德国人E. Strasburger (1876~80)在植物细胞中发现有丝分裂。
3、1883年，比利时人E. van Beneden 发现马蛔虫Ascaris megalocephala的减数分裂现象。
7、1953年，美国人J. D. Watson 和英国人F. H. C. Crick提出DNA双螺旋模型。
13、1973年，美国人S. Cohen和H. Boyer将外源基因拼接在质粒中，在大肠杆菌中表达，揭开基因工程的序幕。
14、1975年，英国人F.Sanger设计出DNA测序的双脱氧法，1980年获诺贝尔化学奖。此外Sanger还由于1953年测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年诺贝尔化学奖。
15、1975年，德国人G.J.F.Kohler、阿根廷人C.Milstein和丹麦科学家N.K.Jerne发展了单克隆抗体技术，荣获1984年度诺贝尔生理医学奖。
16、1981年，美国首次发现艾滋病，1983年，法国巴斯德研究所的Luc Montagbier 发现AIDS病毒。艾滋病的全称为Acquired ImmunoDeficiency Syndrome ，由人类免疫缺陷病毒HIV引起。20年来全球共有约5800万人受到艾滋病病毒感染，2200万人死于艾滋病。我国于1985年发现。
HIV有以下特点:
1嗜T淋巴细胞；2整合宿主细胞终身难以消除；3多变性，基因变异是艾滋病病毒致病能力增强之原因；④广泛存在于感染者的血液、精液、阴道分泌物以及唾液、尿液、脑脊液及有神经症状者的脑组织中；⑤较乙肝病毒对外界的抵抗力低，56℃30分钟就可以使其灭活；⑥感染者潜伏期长、病死率高；⑦基因组比已知的任何逆转录酶病毒基因都复杂。
17、1982年，美国人S.B.Prusiner 在患羊瘙痒病的羊体内发现蛋白质感染因子（prion）。更新了医学感染的概念，获1997年诺贝尔生理医学奖。
18、1983年，美国人K.B.Mullis发明PCR仪，于1993年获诺贝尔化学奖。1988年美国Cetus公司获PCR技术专利，1990年其诊断试剂盒和仪器的销售额达2600万美元。
19、1990年，美国国会正式批准的“人类基因组计划” （Human Genome Project）,计划在15年内投入30亿美元以上的资金进行人类基因组分析。
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28日人类基因组工作草图完成。
20、1990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。
1991年12月，复旦大学遗传所薛京伦主持对一例血友病患者进行了基因治疗试验，并获得成功。
EMBRYO COLONING
2002年，英国人悉尼&S226;布雷诺尔、美国人罗伯特&S226;霍维茨和英国人约翰&S226;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。
Sydney Brenner
2003年，美国科学家彼得&S226;阿格雷和罗德里克&S226;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10月4日，瑞典卡罗林斯卡医学院决定，把2004年的诺贝尔生理学或医学奖授予两名美国科学家:现年58岁的理查德&S226;阿克塞尔和现年57岁的琳达&S226;巴克，以表彰两人在气味受体和嗅觉系统组织方式研究中作出的贡献。
2005年10月3日，瑞典卡罗林斯卡医学院在瑞典首都斯德哥尔摩举行新闻发布会，宣布将2005年诺贝尔生理学或医学奖授予澳大利亚科学家巴里&S226;马歇尔和罗宾&S226;沃伦，以表彰他们发现了导致胃炎和胃溃疡的细菌。

第二章   细胞基本知识概要

 

本章内容提要:
第一节  细胞的基本概念
第二节  非细胞形态的生命体
          -------病毒及其与细胞的关系
第三节 原核细胞与古核细胞
第四节 真核细胞基本知识概要

第一节  细胞的基本概念

What is a cell?
Cells are structural units that make up plants and animals, also there many single cell organisms. What cells all have in common is they are small 'sacks' composed mostly of water. The 'sacks' are made from a phospholipid bilayer. The membrane is semi-permeable (allowing some things to pass in or out of the cell and blocking others), there are also other methods of transport that we will get into later.
So what is in a cell? The cell as we mentioned is a fluid like membrane that surrounds the contents of the cell. Each component will be discussed in more detail later.
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
二、细胞的基本共性
1.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。
2.所有的细胞都含有两种核酸:即DNA与RNA作为遗传信息复制与转录的载体。
3.作为蛋白质合成的机器─核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内。
4.所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。

 第二节 非细胞形态的生命体            —病毒及其与细胞的关系

一、Basic characteristics of viruses
Simply stated, viruses are merely genetic information surrounded by a protein coat. They may contain external structures and a membrane. Viruses are obligate（专性的） intracellular parasites--meaning that they require host cells to reproduce.
In the viral life cycle, a virus infects a cell, allowing the viral genetic information to direct the synthesis of new virus particles by the cell.
  There are many kinds of viruses. Those infecting humans include polio（脊髓灰质炎）, influenza, herpes（疱疹）, and human immunodeficiency virus (HIV) causing AIDS. 
二、viral reproduction(i.e. the course of viral infection, e.g. HIV infection)
1、Attachment(getting in)
  On the surface membrane of all living
cells are complex protein structures called
"receptors". A receptor is often compared to
  a lock into which a specific key or "ligand" will fit. There are at least two receptors on T-lymphocytes to which the human immunodeficiency virus (HIV) sticks. The primary receptor, called "CD4", is shown on the right in the diagram. But a second receptor that loops through the cell membrane 7 times is critical for infection to occur.
HIV infection of a lymphocyte requires attachment of the virus to the cell membrane through both of these "ligand-receptor" links. In cells whose "7-transmembrane receptor" is different, the HIV "key" no longer matches the lymphocyte "lock" and attachment is incomplete. Those cells may avoid infection by HIV.
Tight attachment of the viral particle to receptors on the lymphocyte membrane enables fusion with the cell membrane. The viral contents, including viral RNA (shown in yellow) then empty into the cell's cytoplasm.
Like other viruses that infect human cells, HIV commandeers the host's machinery to make multiple copies of itself.
2、Reverse Transcription: Converting viral RNA into DNA
An enzyme (protein) that's part of the human immunodeficiency virus reads the sequence of viral RNA nucleic acids that have entered the host cell and transcribes the sequence into a complementary DNA sequence. That enzyme is called "reverse transcriptase" . Without reverse transcriptase, the viral genome couldn't become incorporated into the host cell, and couldn't reproduce.
Reverse transcriptase sometimes makes mistakes reading the RNA sequence. The result is that not all viruses produced in a single infected cell are alike.
3、Integration of Viral DNA
    Once the viral RNA has been reverse-transcribed into a strand of DNA, the DNA can then be integrated (inserted) into the DNA of the lymphocyte. The virus has its own enzyme called "integrase" that facilitates incorporation of the viral DNA into the host cells DNA. The integrated DNA is called a provirus.
4、Transcription: Back to RNA
As long as the lymphocyte is not activated or "turned-on", nothing happens to the viral DNA. But if the lymphocyte is activated, transcription of the viral DNA begins, resulting in the production of multiple copies of viral RNA. This RNA codes for the production of the viral proteins and enzymes (translation) and will also be packaged later as new viruses.
5、Translation: RNA -> Proteins
There are only 9 genes in the HIV RNA. Those genes have the code necessary to produce structural proteins such as the viral envelope and core plus enzymes like reverse transcriptase, integrase, and a crucial enzyme called a protease.
6、Viral Protease
When viral RNA is translated into a polypeptide sequence, that sequence is assembled in a long chain that includes several individual proteins (reverse transcriptase, protease, integrase). Before these enzymes become functional, they must be cut from the longer polypeptide chain. Viral protease cuts the long chain into its individual enzyme components which then facilitate the production of new viruses.
7、Assembly and Budding （release)
  Finally, viral RNA and associated proteins are packaged and released from the lymphocyte surface, taking with them a swatch(样品, 样本 )of lymphocyte membrane containing viral surface proteins. These proteins will then bind to the receptors on other immune cells, facilitating continued infection.
   Budding viruses are often exactly like the original particle that initially infected the host. In the case of HIV, however, the resulting viruses exhibit a range of variations which makes treatment difficult.
三、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:
1.生物大分子→病毒→细胞
                            病毒
2.生物大分子
           细胞
3.生物大分子→细胞→病毒
        现在来说，第二种观点和第三种观点比较容易接受，而且第三种观点越来越有说服力。
 
  认为病毒是细胞演化的产物的观点主要依据如下:
彻底的寄生性；
病毒核酸与哺乳动物细胞DNA某些片断的相似性；
病毒可以看成是核酸与蛋白质形成的复合大分子。

第三节 原核细胞与古核细胞

一、Cell types
Living cells are divided into two types - prokaryotic and eukaryotic (sometimes spelled procaryotic and eucaryotic). This division is based on internal complexity.
      Eukaryotic  cell
Cell 
      Prokaryotic cell
二、Basic characteristics of  Prokaryotic cell
  1. 遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA或RNA构成；
  2. 细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜。
三、原核细胞的主要代表
1、支原体
为什么说支原体是一个细胞
（1）能在培养基上生长，具有典型的细胞膜；
（2）具有环状的双螺旋DNA作为遗传信息量的载体；
（3）mRNA与核糖体结合形成多聚核糖体，指导蛋白质的合成；
（4）以一分为二的方式分裂繁殖。
支原体是最小、最简单的细胞。
2、细菌
     1）、细菌的三种形态:球状、杆状和螺旋状
     2)、细菌细胞的核区与基因组:细菌的核区实际主要由一个环状的DNA分子组成；现在也可以把细菌的环状DNA理解为细菌基因组。
     3）、细菌细胞的表面结构:
             A. 细胞膜:主要功能是选择性的交换物质----吸收营养物质，排出代谢废物，并且有分泌与运输蛋白的作用。
             B. 细胞壁: 所有细菌的细胞壁的共同成分是肽聚糖，由乙酰氨基葡萄糖、乙酰胞壁酸与四五个氨基酸短肽聚合而成的多层网状大分子结构。
            C. 细胞壁特化结构:a. 中膜体-----细胞膜内陷而形成的；b. 荚膜-----是一层松散的粘液物质，有一定程度的保护作用；c. 鞭毛-----细菌的运动器官，与真核生物的鞭毛不同，它是由一种称为鞭毛蛋白的弹性蛋白所构成。
          4）、细菌细胞的核糖体——部分附着在细胞膜内侧，大部分游离于细胞质中，与蛋白质的合成密切相关。
          5）、细菌细胞核外DNA------质粒，是裸露环状DNA，在遗传工程研究中很重要。
          6）、细菌细胞的内生孢子，即芽孢，是细菌对不良环境或营养耗尽时的反应。
3. 蓝藻细胞:是最简单的自养植物类型之一。
基本特征:1）中心质------相当于细菌的核区，是遗传物质DNA所在部位。
       2）光合片层-----位于细胞质部分，是同心环状的膜片层结构，上边附着有藻胆蛋白体（包括藻蓝蛋白，一藻蓝蛋白和藻红蛋白），能够把光能传递给叶绿素a，进行原始光和作用。 
      3）细胞质内含物
      4）细胞表面结构
      5）细胞分裂
四、原核细胞与真核细胞的比较
1、原核细胞与真核细胞最根本的区别 :
（1）、细胞膜系统的分化和演变。  细胞内部结构和职能的分工是真核细胞区别于原核细胞的重要标志。
（2）、遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化。  遗传信息重复序列与染色体多倍性的出现是真核细胞区别于原核细胞的另一重要标志。
（3）、真核细胞内，遗传信息的转录与翻译有严格的阶段性和区域性，而在原核细胞内则是转录与翻译可以同时发生
五、原核细胞与真核细胞基本特征的比较（p36)
六、原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较(p37)
七、古细菌
古细菌（archaebacteria）与真核细胞曾在进化上有过共同历程
主要证据
（1）细胞壁的成分与真核细胞一样，而非由含壁酸的肽聚糖构成，因此抑制壁酸合成的链霉素，   抑制肽聚糖前体合成的环丝氨酸，抑制肽聚糖合成的青霉素与万古霉素等对真细菌类有强的抑制生长作用，而对古细菌与真核细胞却无作用。
（2）DNA与基因结构:古细菌DNA中有重复序列的存在。此外，多数古核细胞的基因组中存在内含子。
（3）有类核小体结构:古细菌具有组蛋白，而且能与DNA构建成类似核小体结构。
（4）有类似真核细胞的核糖体:多数古细菌类的核糖体较真细菌有增大趋势，含有60种以上蛋白，介于真核细胞（70～84）与真细菌（55）之间。抗生素同样不能抑制古核细胞类的核糖体的蛋白质合成。
（5）5S rRNA:根据对5S rRNA的分子进化分析，认为古细菌与真核生物同属一类，而真细菌却与之差距甚远。5S rRNA二级结构的研究也说明很多古细菌与真核生物相似。
  
  第四节  真核细胞基本知识概要

一、真核细胞的基本结构体系
        1.生物膜系统:以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统；
        2.遗传信息表达结构系统:以核酸（DNA或RNA）与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统
        3.细胞骨架系统:由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。
二、细胞的大小及其分析
各类细胞直径的比较
三、植物细胞与动物细胞的比较
植物细胞特有的结构:
1. 细胞壁 
2. 液泡 
3. 叶绿体

第三章  细胞生物学研究方法

 

本章内容提要：

第一节  细胞形态结构的观察方法

第二节  细胞组分的分析方法

第三节   细胞培养、细胞工程与显微操作技术
 

第一节  细胞形态结构的观察方法

一、光学显微镜技术
（一）普通光学显微镜
&O1548;      1. 构成：
&O1548;          ①照明系统
&O1548;          ②光学放大系统
&O1548;          ③机械装置
&O1548;      2. 原理：经物镜形成倒立实像，经目镜进一步放大成像。
&O1548;      3. 分辨率：指分辨物体最小间隔的能力。

 

（二）荧光显微镜 Fluorescence microscope
&S226;      特点：光源为紫外线，波长较短，分辨力高于普通显微镜；
&S226;      有两个特殊的滤光片；
&S226;      照明方式通常为落射式。

&S226;      用于观察能激发出荧光的结构。用途：免疫荧光观察、基因定位、疾病诊断。

（三）激光共聚焦扫描显微境
Laser confocal scanning microscope, LCSM
&S226;      用激光作光源，逐点、逐行、逐面快速扫描。
&S226;      能显示细胞样品的立体结构。
&S226;      分辨力是普通光学显微镜的3倍。
&S226;      用途类似荧光显微镜，但能扫描不同层次，形成立体图像。

（四）相差显微镜
&S226;      把透过标本的可见光的光程差变成振幅差，从而提高了各种结构间的对比度，使各种结构变得清晰可见。在构造上，相差显微镜有不同于普通光学显微镜两个特殊之处。
&S226;      环形光阑（annular diaphragm）：位于光源与聚光器之间。
&S226;      相位板（annular phaseplate）：物镜中加了涂有氟化镁的相位板，可将直射光或衍射光的相位推迟1/4λ。
原理
用途：观察未经染色的玻片标本
（五）微分干涉差显微镜 Differential interference contrast microscope （DIC）
&S226;      1952年，Nomarski发明，利用两组平面偏振光的干涉，加强影像的明暗效果，能显示结构的三维立体投影。标本可略厚一点，折射率差别更大，故影像的立体感更强。
二、电子显微镜
1、电子显微镜的基本知识
      电镜与光镜的比较

 

显微镜     分辨本领            光源                     透镜            真空                 成像原理

LM          200nm       可见光（400-700）   玻璃透镜     不要求真空      利用样品对光的
                                                                                                              吸收形成明暗反差
                                                                                                              和颜色变化

               100nm       紫外光（约200nm)    玻璃透镜     不要求真空

TEM        0.1nm        电子束（0.01-0.9）   电磁透镜     要求真空          利用样品对电子的
                                                                                                               散射和透射形成明
                                                                                                                 暗反差

 

 

2、 原理
&S226;      以电子束作光源，电磁场作透镜。电子束的波长短，并且波长与加速电压(通常50~120KV)的平方根成反比。
&S226;      由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成。
&S226;      分辨力0.2nm，放大倍数可达百万倍。
&S226;      用于观察超微结构（ultrastructure），即小于0.2µm、光学显微镜下无法看清的结构，又称亚显微结构（submicroscopic structures）。

3、主要电镜制样技术
&S226;      1）超薄切片
&S226;      电子束穿透力很弱，用于电镜观察的标本须制成厚度仅50nm的超薄切片，用超薄切片机（ultramicrotome）制作。
&S226;      通常以锇酸和戊二醛固定样品，丙酮逐级脱水，环氧树脂包埋，以热膨胀或螺旋推进的方式切片，重金属（铀、铅）盐染色。

 

&S226;      2）负染技术

&S226;      用重金属盐(如磷钨酸)对铺展在载网上的样品染色；吸去染料，干燥后，样品凹陷处铺了一层重金属盐，而凸的出地方没有染料沉积，从而出现负染效果，分辨力可达1.5nm左右。
3）冰冻蚀刻 freeze-etching
&S226;      亦称冰冻断裂。标本置于干冰或液氮中冰冻。然后断开，升温后，冰升华，暴露出了断面结构。向断裂面上喷涂一层蒸汽碳和铂。然后将组织溶掉，把碳和铂的膜剥下来，此膜即为复膜（replica）。
三、扫描隧道显微镜
scanning tunneling microscope，STM
&S226;      原理：根据隧道效应而设计，当原子尺度的针尖在不到一个纳米的高度上扫描样品时，此处电子云重叠，外加一电压（2mV~2V），针尖与样品之间形成隧道电流。电流强度与针尖和样品间的距离有函数关系，将扫描过程中电流的变化转换为图像，即可显示出原子水平的凹凸形态。
&S226;      分辨率：横向为0.1~0.2nm，纵向可达0.001nm。
&S226;      用途：三态（固态、液态和气态）物质均可进行观察。

第二节  细胞组分的分析方法

一、离心分离技术
用途：于分离细胞器与生物大分子及其复合物
    转速为10~25kr/min的离心机称为高速离心机。
    转速>25kr/min，离心力>89Kｇ者称为超速离心机。
     目前超速离心机的最高转速可达100000r/min，离心力超过500Kg。

（一）差速离心 Differential centrifugation
&S226;      特点：
–      介质密度均一；
–      速度由低向高，逐级离心。
&S226;      用途：分离大小相差悬殊的细胞和细胞器。
&S226;      沉降顺序：核——线粒体——溶酶体与过氧化物酶体——内质网与高基体——核蛋白体。
&S226;      可将细胞器初步分离，常需进一步通过密度梯离心再行分离纯化。

（二）密度梯度离心
&S226;      用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。
&S226;      类型：速度沉降（velocity sedimentation）、等密度沉降（isopycnic sedimentation）。
&S226;      常用介质：氯化铯、蔗糖、多聚蔗糖。
&S226;      分离活细胞的介质要求：
–      1）能产生密度梯度，且密度高时，粘度不高；
–      2）PH中性或易调为中性；
–      3）浓度大时渗透压不大；
–      4）对细胞无毒。

二、 细胞内核酸、蛋白质、酶、糖与脂类等的显示方法
&O1592;原理：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含量。
              
         Feulgen Staining
三、特异蛋白抗原的定位与定性
1、免疫荧光技术：
            快速、灵敏、有特异性，但其分辨率有限 
2、蛋白电泳(SDS-PAGE)与免疫印迹反应(Western-Blot)
3、免疫电镜技术：
&O1631;免疫铁蛋白技术
&O1631;免疫酶标技术
应用：通过对分泌蛋白的定位，可以确定某种蛋白的分泌动态；胞内酶的研究；膜蛋白的定位与骨架蛋白的定位等
四、细胞内特异核酸的定位与定性
             &O1631;光镜水平的原位杂交技术
      （同位素标记或荧光素标记的探针）
     
             &O1631;电镜水平的原位杂交技术
（生物素标记的探针与抗生物素抗体相连的胶体金标记结合）

　　　　　　 &O1631;PCR技术 

五、放射自显影技术
1、原理及应用：
&O1631;利用同位素的放射自显影，对细胞内生物大分子进行定性、定位与半定量研究；
&O1631;实现对细胞内生物大分子进行动态和追踪研究。
2、步骤：
&O1631;前体物掺入细胞（标记：持续标记和脉冲标记）
    ———放射自显影
六、定量细胞化学分析技术
1、显微分光光度术（Microspectrophotometry）
&O1631;利用细胞内某些物质对特异光谱的吸收，测定这些物质
             （如核酸与蛋白质等）在细胞内的含量。
             包括：
                 紫外光显微分光光度测定法
                可见光显微分光光度测定法
&O1592; 流式细胞仪（Flow Cytometry）
&O1631;主要应用：
用于定量测定细胞中的DNA、RNA或某一特异蛋白的含量；
            测定细胞群体中不同时相细胞的数量；
            从细胞群体中分离某些特异染色的细胞；
            分离DNA含量不同的中期染色体。

第三节   细胞培养、细胞工程与显微操作技术

一、细胞的培养
1、动物细胞培养
   （1） 类型：A  原代培养细胞（primary culture cell)---从机体取出后立即   培养的细胞。1-10代以内的细胞培养称为原代培养细胞。
                   B  继代培养细胞（sub-culture cell）---适宜在体外培养条件下持续传代培养的细胞称为传代培养细胞
   (2)  细胞株（cell strain） 正常二倍体，接触抑制.10~50代
(3) 细胞系（cell line） 亚二倍体或非整倍体，接触抑制丧失，容易传代培养。50代以后。                         

2、植物细胞
       （1）、 原生质体培养 （体细胞培养）     
    （2）、单倍体细胞培养（花药培养）
3、非细胞体系（cell-free system）：
    只来源于细胞，而不具有完整的细胞结构，但包含了进行正常生物学反应所需的物质组成体系。
 

 二、细胞工程
1、细胞工程：
      在细胞水平上有计划的保存、改变和创造细胞遗传物质，以产生新的物种和品系，或大规模培养组织细胞以获得生物产品。
     其所使用的技术主要是：细胞培养、细胞分化的定向诱导、细胞融合与显微注射。
2、细胞融合（cell fusion）与细胞杂交（cell hybridization）技术
&O1548;      用人工方法把同种或不同种的两个或两个以上的细胞，通过介导物作用，融合成一个细胞的技术。亦称细胞杂交（cell hybridization）

&O1548;          同核融合细胞
&O1548;          异核融合细胞

3、单克隆抗体（monoclone antibody）技术
   单克隆抗体技术
&O1548;      正常淋巴细胞（如小鼠脾细胞）具有分泌抗体的能力，但不能长期培养，瘤细胞（如骨髓瘤）可以在体外长期培养，但不分泌抗体。于是英国人Kohler和Milstein 1975将两种细胞杂交而创立了单克隆抗体技术，获1984年诺贝尔奖。

第四章  细胞质膜与细胞表面

 

第一节  细胞质膜与细胞表面特化结构

&S226;      细胞膜(cell membrane)又称质膜（plasma membrane），是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。细胞膜只是真核细胞生物膜的一部分，真核细胞的生物膜（biomembrane）包括细胞的内膜系统（细胞器膜和核膜）和细胞膜（cell membrane）。

&S226;        The cell membrane is the thin nearly invisible structure that surrounds the cytoplasm of the cell.
&S226;         it is a continuous membrane that completely surrounds the cell.
&S226;      It also connects the the endoplasmic reticulum, and the nuclear membrane. In the image below we have colored the membrane to highlight its composition. The yellow represents the phospholipids. The purple represents the membrane proteins

一、细胞膜的结构模型
 1、结构模型
  1） 三明治质膜结构模型: E.Gorter和F．Grendel（1925）, 提出 “protein-lipid-protein”三夹板或三明治质膜结构模型，这一模型影响20年之久。
  2） 单位膜模型(unit membrane model)：J.D.Robertson（1959年），提出单位膜模型，大胆的推断所有的生物膜都是由蛋白质-脂类-蛋白质单位膜构成，在电镜下观察，细胞膜显示出 暗---亮----暗三条带，两侧的暗带的厚度约2nm, 推测是蛋白质，中间的亮带厚度约3.5nm，推测是脂双层分子。整个膜的厚度约是7.5nm。
  3） 流动镶嵌模型(fluid mosaic model)： S.J.Singer和G.Nicolson（1972），提出生物膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model)，这种模型认为细胞膜是由脂质双分子层组成，蛋白质以不同的方式，镶嵌，覆盖或横跨双分子层。流动镶嵌模型强调了，a 膜的流动性，b 膜蛋白分布的不对称性。
 4） 脂筏模型（lipid rafts model）： K.Simons et al(1997)，提出了脂筏模型（lipid rafts model）Functional rafts in Cell membranes. Nature 387:569-572。

2、生物膜结构

目前对生物膜结构的认识可以归纳如下:
1）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；

2）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；

3）生物膜可以看成是蛋白质在双层脂分子的二维溶液。
2、Cell Membrane Structure
        Here we see a cross section of the cell membrane you should notice two different structures: The phospholipids are the round yellow structures with the blue tails, the proteins are the lumpy structures that are scattered around among the phospholipids.

二、生物膜的组成成分
（一）、膜脂成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。
&S226;         1、磷脂：1）膜脂的基本成分（50％以上）
&S226;                     2）分为二类: a 甘油磷脂（磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇）
&S226;            b 鞘磷脂
&S226;                     3) 主要特征：①具有一个极性头和两个非极性的尾(脂肪酸链)
&S226;                                      （心磷脂除外）；
&S226;            ②脂肪酸碳链为偶数,多数碳链由16,18或20个组成；
&S226;            ③既具有饱和脂肪酸(如软脂酸)又有不饱和脂肪酸(如油酸)；
&S226;      1、Phospholipid：This is a simple representation of a phospholipid. the yellow structure represents the hydrophillic or water loving section of the phospholipid. The blue tails that come off of the sphere represent the hydrophobic or water fearing end of the Phospholipid. 
&S226;           lipid composition influences membrane fluidity: unsaturated fatty acid tails are kinked, limit close packing of the hydrophobic tails and so increase fluidity.

&S226;      2、糖脂：糖脂普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（5％以下）,神经细胞糖脂含量较高；
&S226;      3、胆固醇： 1）胆固醇存在于真核细胞膜上（30%以下），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类。
&S226;                           2）胆固醇的作用：
&S226;            ① 调节膜的流动性；
&S226;            ② 增加膜的稳定性；
&S226;            ③ 降低水溶性物质的通透性。
2、Glycolipid:  located on the cell membrane of  Prokaryotes and Eukaryotes,  are usually oligosaccharides which are positioned to aid in cell recognition functions.
3、Cholesterol: Cholesterol is a necessary component of biological membranes. Cholesterol may interfere with lateral movement of phospholipid tails and close packing of the phospholipid tails. This disruption makes the membrane more fluid. Therefore, one way for a cell to control the fluidity of its membrane is by regulating its level of cholesterol in the cell membrane.

 
（二）、膜脂的运动方式
&S226;      1、侧向运动： 沿膜平面的侧向运动（基本运动方式）
&S226;      2、自旋运动： 脂分子围绕轴心的自旋运动；
&S226;      3、 摆   动： 脂分子尾部的摆动；
&S226;      4、 翻转运动：双层脂分子之间的翻转运动，发生频率还不到脂分子侧向交换频率的
&S226;      10－10。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。
1、lateral movement
2、Spinning motion
3、Swaying motion
4、tilting motion

（三）Liposome（脂质体）
&S226;      1、定义：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。
&S226;      2、脂质体的类型：
&S226;                 (a) 水溶液中的磷脂分子团；
&S226;               (b)  球形脂质体；
&S226;               (c)  平面脂质体膜；
&S226;               (d）用于疾病治疗的脂质体的示意图

 

3、脂质体的应用

研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；

脂质体中裹入DNA可用于基因转移；

在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体
三、膜蛋白
（一）、基本类型
1、外在(膜周边)膜蛋白(extrinsic/peripheral membrane proteins )；
    &O1618;水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜内表面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离。
    2、内在（整合）膜蛋白
        (intrinsic/ integral membrane proteins)。
             &O1618;水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，
                 需用去垢剂使膜崩解后才可分离。
    3、脂质锚定蛋白（lipid-anchored proteins)
             &O1618; 通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。

（二）、膜内在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。
 
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。

（三）、去垢剂
1、定义：去垢剂是一端亲水、另一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。

&O1557;离子型去垢剂(SDS)和非离子型去垢剂（Triton X-100）
  SDS:  CH3-(CH2)11-OSO3-Na+    
          CH3           CH3
 CH3 – C – CH2 – C –       (O-CH2-CH2)10- OH
      CH3            CH3
四、膜的流动性(sk)
（一）、膜脂的流动性
       膜脂的流动性主要由
     1 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 温度对膜脂的运动有明显的影
响。
    3 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。
    4 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。

（二）、 膜蛋白的流动
荧光抗体免疫标记实验成斑现象(patching)或成帽现象(capping)
        
（三）、膜的流动性受多种因素影响；细胞骨架不但影响膜蛋白的运动，
  也影响其周围的膜脂的流动。膜蛋白与膜脂分子的相互作用也是
  影响膜流动性的重要因素

（四）、光脱色恢复技术
(fluorescence recovery after photobleaching, FRAP)
   

   研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。 
            根据荧光恢复的速度可推算出
            膜蛋白或膜脂扩散速度。

 

五、膜的不对称性
（一）、细胞质膜各部分的名称 
&O1548;                1、细胞外表面（ES）
&O1548;                2、原生质表面（PS）
&O1548;                3、细胞外小叶断裂面（EF）
&O1548;          4、原生质小叶断裂面（PF）

（二）、膜脂与糖脂的不对称性
          1、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；
       2、糖脂的不对称性：糖脂分子仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功能的结构基础
（三）、膜蛋白与糖蛋白的不对称性
1、膜蛋白的不对称性：是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性；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。
2、 糖蛋白的不对称性：糖蛋白糖残基均分布在质膜的ES面。
六、、细胞质膜的功能
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除,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;
6、 质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。

七、膜骨架与细胞表面的特化结构
              细胞质膜常常与膜下结构(主要是细胞骨架系统)相互联系,
   协同作用, 并形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。
      1 、膜骨架
            &O1557;膜骨架的概念
                &O1618;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,
                     它参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。
       2 、红细胞的生物学特性
            &O1557;膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度。 
       3 、红细胞质膜蛋白及膜骨架

第二节  细胞连接

一、封闭连接（occluding junctions）
1、封闭连接是将相邻的质膜紧密连接在一起阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内。 紧密连接（tight junction）是封闭连接的主要形式，存在于脊椎动物的上皮细胞。
2、紧密连接功能：
     （1）、封闭（阻止可溶性物质的扩散）、  
     （2）、隔离（将上表皮细胞的游离端与基底面细胞膜上的膜蛋白相互隔离）
     （3）、支持功能。
3、紧密连接嵴线中的两类蛋白：
      （1）封闭蛋白（occludin），跨膜四次的膜蛋白（60KD）；
      （2）、claudin蛋白家族（现已发现15种以上）

 

二、锚定连接（anchoring junctions）
     锚定连接将相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连形成一个坚挺、有序的细胞群体。
&O1548;                   
&O1548;                     中间纤维有关的：       桥粒（desmosome）

&O1548;      类型                                              半桥粒（hemidesmosome）

&O1548;                     肌动蛋白纤维有关的：粘着带（adhesion belt）
&O1548;                                                             粘着斑（focal adhesion）

&O1548;      连接蛋白：细胞内附着蛋白（attachment proteins）
&O1548;                          跨膜连接的糖蛋白

（一）、与中间纤维相连的锚定连接
      1、桥粒: 铆接相邻细胞，提供细胞内中间纤维的锚定位点，形成整体网络，起支持和抵抗外界压力与张力的作用。
      2、半桥粒: 半桥粒与桥粒形态类似,但功能和化学组成不同。它通过细胞质膜上的膜蛋白整联蛋白将上皮细胞固着在基底膜上, 在半桥粒中，中间纤维不是穿过而是终止于半桥粒的致密斑内。
（二）、与肌动蛋白纤维相连的锚定连接
  1、粘合带： 位于紧密连接下方,相邻细胞间形成一个连续的带状结构。间隙约15～20nm,也称带状桥粒(belt desmosome)。
      2、粘合斑:  细胞通过肌动蛋白纤维和整连蛋白与细胞外基质之间的连接方式。

三、通讯连接（communicating junctions）

&O1592;间隙连接(gap junction)：分布广泛，几乎所有的动物组织中都  存在间隙连接。

&O1592;化学突触(chemical synapse) ：神经细胞间的化学突触 ，存在于可兴奋细胞  之间的细胞连接方式,它通过释放神经递质来传导神经冲动。

&O1592;胞间连丝(plasmodesmata)：高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接,完成细胞间的通讯联络。
   
（一）、间隙连接
1、结构与成分
结构：
   （1）、间隙连接处相邻细胞质膜间的间隙为2～3nm 。
   （2）、连接子(connexon) 是间隙连接的基本单位。每个连接子由6个connexin分子组成。
   （3）、连接子中心形成一个直径约1.5nm的孔道。
    （4）、连接单位由两个连接子对接构成。

成分：
   （1）、已分离20余种构成连接子的蛋白,属同一蛋白家族,其分子量26—60KD不等；
 （2）、连接子蛋白具有4个α-螺旋的跨膜区，是该蛋白家族最保守的区域。
 （3）、连接子蛋白的一级结构都比较保守, 并有相似的抗原性。
 （4）、不同类型细胞表达不同的连接子蛋白，间隙连接的孔
    径与调控机制有所不同。

2、间隙连接的功能及其调节机制

1）间隙连接在代谢偶联中的作用
      a. 间隙连接允许小分子代谢物和信号分子通过, 是细胞间代谢
          偶联的  基础
      b.代谢偶联现象在体外培养细胞中的证实(缺乏胸苷激酶的突变细胞株，
          不  能利用 胸苷合成DNA.)      
   c.代谢偶联作用在协调细胞群体的生物学功能方面起重要作用.(第二信使的作用）

2) 间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用
       a.电突触(electronic junction) 快速实现细胞间信号通讯
       b.间隙连接调节和修饰相互独立的神经元群的行为

3) 间隙连接在早期胚胎发育和细胞分化过程中的作用
       a. 胚胎发育中细胞间的偶联提供信号物质的通路, 从而为某一
           特定细胞提供它的“位置信息”，并根据其位置影响其分化。
       b. 肿瘤细胞之间间隙的连接明显减少或消失，间隙联接类似
          “肿瘤抑制因子”。

3、间隙连接的通透性是可以调节的
 
&O1548;            1）降低胞质中的pH值和提高自由Ca2+的浓度都可以使其通透性降低

&O1548;          2）间隙连接的通透性受两侧电压梯度的调控及细胞外化学信号的调控
（二）、化学突触(chemical synapse)
（三）、胞间连丝(plasmodesmata)
1、胞间连丝结构 
    相邻细胞质膜共同构成的直径20-40nm的管状结构
2、胞间连丝的功能
   1）实现细胞间由信号介导的物质有择性的转运；
   2）实现细胞间的电传导；
   3）在发育过程中，胞间连丝结构的改变可以调节植物细胞间的物质运输。

四、细胞表面的粘连分子
    
              同种类型细胞间的彼此粘连是许多组织结构的基本特征。细胞与细胞间的粘连是由特定的细胞粘连分子所介导的。
           
             细胞粘附分子（cell adhesion molecule，CAM）是参与细胞与细胞之间及细胞与细胞外基质之间相互作用的分子。可大致分为五类：钙粘素、选择素、免疫球蛋白超家族、整合素及透明质酸粘素。
&O1548;         
&O1548;      细胞粘附分子都是跨膜糖蛋白，分子结构由三部分组成：①胞外区，肽链的N端部分，带有糖链，负责与配体的识别；②跨膜区，多为一次跨膜；③胞质区，肽链的C端部分，一般较小，或与质膜下的骨架成分直接相连，或与胞内的化学信号分子相连，以活化信号转导途径。

      粘连分子的特征与类型
    ① 粘连分子均为整合膜蛋白，在胞内与细胞骨架成分相连；
    ② 多数要依赖Ca2+或Mg2+才起作用。
 
（一）、钙粘素（cadherin）
&O1548;      钙粘素（cadherin）属亲同性 依赖于Ca2＋细胞粘连糖蛋白。至今已鉴定出30种以上钙粘素，分布于不同的组织。

&O1548;      钙粘素的作用：
&O1548;      1．介导细胞连接，在成年脊椎动物，E-钙粘素是保持上皮细胞相互粘合的主要CAM，是粘合带的主要构成成分。
&O1548;      2．参与细胞分化，钙粘素对于胚胎细胞的早期分化及成体组织的构筑有重要作用。在发育过程中通过调控钙粘素表达的种类与数量可决定胚胎细胞间的相互作用，从而通过细胞的微环境，影响细胞的分化，参与器官形成过程。
&O1548;      3．抑制细胞迁移，很多种癌组织中细胞表面的E钙粘素减少或消失，以致癌细胞易从瘤块脱落，成为侵袭与转移的前提。因而有人将E钙粘素视为转移抑制分子。
&O1548;     

（二）、选择素（Selectin）
&O1548;      选择素（selectin）属异亲性依赖于Ca2＋能与特异糖基识别并相结合的糖蛋白。主要参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘合。

&O1548;       已知选择素有三种：L选择素、E选择素及P选择素。

（三）、免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily，Ig-SF）
&O1548;      免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily，Ig-SF），分子结构中含有免疫球蛋白（Ig）的类似结构域CAM超家族，一般不依赖于Ca2＋。免疫球蛋白结构域是指借二硫键维系的两组反向平行β折叠结构。

（四）、整联蛋白（Integrins）
            整联蛋白（Integrins） 其作用依赖于Ca2＋。介导细胞与细胞间的相互作用及细胞与细胞外基质间的相互作用。几乎所有动植物细胞均表达整合素。
           由&O1537;和&O1538;两个亚基形成异源二聚体糖蛋白。人体细胞中已发现16种&O1537;链和8种&O1538;链，它们相互配合形成22种不同的二聚体整合素，可与不同的配基结合，从而介导细胞与基质、细胞与细胞之间的粘着。

第三节    细胞外被与细胞外基质

一、基本概念
&O1548;      1、细胞外被(cell coat)
&O1557;结构组成：
           指细胞质膜外表面覆盖的一层粘多糖物质，实际指细胞表面与质膜中的蛋白或脂类分子共价结合的寡糖链。
&O1557;功能：
      不仅对膜蛋白起保护作用,而且在细胞识别中起重要作用。

2、细胞外基质(extracellular matrix)
  &O1557;结构组成：
            指分布于细胞外空间, 由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络结构
   
  &O1557;主要功能：
            &O1618;构成支持细胞的框架，负责组织的构建；
            &O1618;胞外基质三维结构及成份的变化,改变细胞微环境从而对细胞形态、生长、分裂、分化和凋亡起重要的调控作用。
            &O1618;胞外基质的信号功能

二、胶原（collagen）
1、胶原是胞外基质最基本结构成份之一，动物体内含量最丰富的蛋白（总量的30％以上）。
2、类型：胶原是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维蛋白；Ⅰ～Ⅲ型胶原含量最丰富,形成类似的纤维结构；但并非所有胶原都形成纤维；
1）Ⅰ型胶原纤维束, 主要分布于皮肤、肌腱、 韧带及骨中,具有很强的抗张强度;
2）Ⅱ型胶原主要存在于软骨中;
3）Ⅲ型胶原形成微细的原纤维网,广泛分布于伸展性的组织,如疏松结缔组织;
4）Ⅳ型胶原形成二维网格样结构,是基膜的主要成分及支架。

 

3、分子结构
1）胶原纤维的基本结构单位是原胶原；
2）原胶原是由三条肽链盘绕成的三股螺旋结构；
3）原胶原肽链具有Gly-x-y重复序列，对胶原纤维的高级结构的形成是重要的；
4）在胶原纤维内部,原胶原蛋白分子呈1/4交替平行排列,形成周期性横纹。

 

&O1548;      4、 合成
  1）前体&O1537;肽链在粗面内质网合成，并形成前原胶原；前原胶原(preprocollagen)是原胶原的前体和分泌形式；
  2）前原胶原在粗面内质网合成、加工与组装，经高尔基体分泌；
  3）前原胶原在细胞外由两种专一性不同的蛋白水解酶作用, 分别切去N-末端前肽及C-末端前肽, 成为原胶原（procollagen）；
    4）原胶原进而聚合装配成胶原胶原纤维（collagen fibril）和胶原纤维（collagen fiber）。
 
合成：基因—mRNA－前胶原－原胶原－原胶原纤维

5、功能：骨架结构；参与信号传递。
三、氨基聚糖和蛋白聚糖
1、氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG）
   1）氨基聚糖是由重复的二糖单位构成的长链多糖
      &O1618;二糖单位之一是氨基己糖(氨基葡萄糖或氨基半乳糖) + 糖醛酸;
      &O1618;氨基聚糖: 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、肝素和硫酸角质素等。
  2）透明质酸(hyaluronic acid)及其生物学功能
      &O1618;透明质酸是增殖细胞和迁移细胞的胞外基质主要成分,也是蛋白聚糖的主要结构组分
      &O1618;透明质酸在结缔组织中起强化、弹性和润滑作用
      &O1618;透明质酸使细胞保持彼此分离,使细胞易于运动迁移和增殖并阻止细胞分化

2．蛋白聚糖（proteoglycan）
&O1548;      1）分布：蛋白聚糖见于所有结缔组织和细胞外基质及许多细胞表面
&O1548;      2）组成：蛋白聚糖由氨基聚糖与核心蛋白(core protein)的丝氨酸残基共价连接形成的巨分子;若干蛋白聚糖单体借连接蛋白以非共价键与透明质酸结合形成多聚体
&O1548;      3）蛋白聚糖的特性与功能：
&O1548;            a 显著特点是多态性：不同的核心蛋白, 不同的氨基聚糖；
&O1548;            b 软骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一, 赋予软骨以凝胶样特性和抗变形能力；
&O1548;            c 蛋白聚糖可视为细胞外的激素富集与储存库，可与多种生长因子结合，完成信号的传导。

四、层粘连蛋白和纤粘连蛋白
1、层粘连蛋白(laminin)
  1）层粘连蛋白是高分子糖蛋白（820KD）,动物胚胎及成体组织的基膜的主要结构组分之一；
  2）层粘连蛋白的结构：由一条重链和两条轻链构成
     
      &O1618;层粘连蛋白中至少存在两个不同的受体结合部位：
             &O1592;与Ⅳ型胶原的结合部位；
             &O1592;与细胞质膜上的整合素结合的
                Arg-Gly-Asp(R-G-D)序列。
 3）层粘连蛋白作用：
   a 细胞通过层粘连蛋白锚定于基膜上；
      b  在胚胎发育及组织分化中具有重要作用；
      c  层粘连蛋白也与肿瘤细胞的转移有关。

2、纤粘连蛋白(fibronectin)

1）纤粘连蛋白是高分子量糖蛋白（220-250KD）
3）纤粘连蛋白的主要功能：
      a 介导细胞粘着，进而调节细胞的形状和细胞骨架的组织,促进细胞铺展；
   b 在胚胎发生过程中,纤粘连蛋白对于许多类型细胞的迁移和分化是必须的；
   c 在创伤修复中,纤粘连蛋白促进巨噬细胞和其它免疫细胞迁移到受损部位；
   d 在血凝块形成中,纤粘连蛋白促进血小板附着于血管受损部位。
        

五、弹性蛋白(elastin)
1、弹性蛋白是弹性纤维的主要成分；主要存在于脉管壁及肺。
2、弹性纤维与胶原纤维共同存在,分别赋予组织以弹性及抗张性。
3、弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，具有两个明显的特征:
      1）构象呈无规则卷曲状态;
      2）通过Lys残基相互交连成网状结构。
六、植物细胞壁（cell wall）
1、植物细胞壁的组成
&O1548;      1）纤维素分子&O1658;纤维素微原纤（microfibril）,
&O1548;            &O1618;为细胞壁提供了抗张强度
&O1548;      2）半纤维素（hemicellulose）: 木糖、半乳糖和葡萄糖等组成的高度分支的多糖
&O1548;             &O1618;介导微原纤维连接彼此连接或介导微原纤维与其它基质成分（果胶质）连接
&O1548;      3）果胶质（pectin）：含有大量携带负电荷的糖，结合Ca2+等阳离子,被高度水化形成凝胶
&O1548;                &O1618;果胶质与半纤维素横向连接,参与细胞壁复杂网架的形成。 
&O1548;      4）伸展蛋白(extensin)：糖蛋白,在初生壁中含量可多达15％， 糖的总量约占65％。
&O1548;      5）木质素(lignin)：由酚残基形成的水不溶性多聚体。
&O1548;            &O1618;参与次生壁形成,并以共价键与细胞壁多糖交联,大大增 加了细胞壁的强度与抗降解

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

一、被动运输（passive transport）
 1、概念：是通过简单扩散或 协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜运转。
  2、特点：
     1）运输方向：高          低；         2）跨膜动力：物质的浓度梯度；
     3）能量消耗：无  
                      简单扩散：不需要
     4）膜转运蛋白 ：  
                      协助扩散：需要
   3、类型：简单扩散、协助扩散

4、简单扩散（Simple diffusion）
    1）概念：又称为自由扩散（free diffusion），是疏水小分子或小的不带电荷的极性分子，不需要能量也不需要膜蛋白参与的跨膜运输方式。
     2）特点：
      ①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；
     ②不需要提供能量；
     ③没有膜蛋白的协助。

&S226;      Simple diffusion means that the molecules can pass directly through the membrane. Diffusion is always down a concentration gradient. This limits the maximum possible concentration of the molecule inside the cell (or outside the cell if it is a waste product). The effectiveness of diffusion is also limited by the diffusion rate of the molecule. Therefore, though diffusion is an effective enough transport mechanism for some substances (such as H2O), the cell must utilize other mechanisms for many of its transport needs.

5、协助扩散（facilitated diffusion）
  1） 概念：也称促进扩散，是极性分子和无机离子在膜转运蛋白协助下顺浓度梯度（或电化学梯度）的跨膜运输。
  2）特点：
    ①转运速率高；
    ②存在最大转运速率；
    ③有膜转运蛋白参与，有特异性.
&S226;             
&S226;      Facilitated diffusion utilizes membrane protein channels to allow charged molecules (which otherwise could not diffuse across the cell membrane) to freely diffuse in a nd out of the cell. These channels comes into greatest use with small ions like K+, Na+, and Cl-. The speed of facilitated transport is limited by the number of protein channels available, whereas the speed of diffusion is dependent only on the concentration gradient.

6、膜转运蛋白(Transport Protein)
    1）载体蛋白（carrier proteins）——通透酶（permease）性质；介导被动运输与主动运输。
   2）通道蛋白（channel proteins）——具有离子选择性，转运速率高； 离子通道是门控的；只介导被动运输
         类型：a  电压门通道（voltage-gated     channel）
                 b  配体门通道（ligand-gated channel）
               c压力激活通道（stress-activated channel）
Transport Proteins come in two forms:
1)  Carrier proteins: These are carrier proteins. They do not extend through the membrane. They bond and drag molecules through the bilipid layer and release them on the opposite side.

2) Channel proteins :extend through the bilipid layer. They form a pore through the membrane that can move molecules in several ways.In some cases the channnel proteins simply act as a passive pore. Molecules will randomly move through the opening in a process called diffusion. This requires no energy, molecules move from an area of high concentration to an area of low concentration.

二、主动运输（active transport）
1、概念：载体蛋白所介导的的物质逆浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向高浓度的一侧在耗能状态进行跨膜转运的方式。
2、特点：
     1）运输方向：低          高；           2）跨膜动力：ATP 
     3）能量消耗：需要     
     4）膜转运蛋白 ：需要  
3、类型：
     1）ATP间接供能的类型   
     2）ATP直接供能类型
     3）光能驱动的类型

&S226;      Active transport is the pumping of molecules or ions through a membrane against their concentration gradient(i.e. from area of low concentration to areas of high concentration) .
&S226;       It requires:
        1) a transmembrane protein (usually a complex of them) called a transporter 
        2) energy.The source of this energy is ATP. The energy of ATP may be used directly or indirectly.
&S226;      Category:
        1) Coupled transporter( Indirect Active   Transport)        
       2) ATP-driven pump(Direct Active Transport) 
       3) Light-driven pump
   
（一）、ATP直接提供能量驱动的主动运输
1、钠钾泵（sodium/potassium pump）
 1）结构组成：
       ① α-亚基：多次跨膜的整合蛋白，具有ATP酶的活性。
       ②β-亚基：是具有特异性的糖蛋白
 2）机制：细胞膜内侧α-亚基与Na+
      结合  α-亚基在耗能情况下磷酸化  α-亚基构象发生变化  Na+泵出细胞              同时胞外K+  与α-亚基另一结合位点结合   α-亚基去磷酸化   α-亚基构象再次发生变化      K+   离子泵入细胞
 3）特征：
  ① 维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；
 ②维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细胞的静息电位。
  &O1571;存在于一切动物细胞上，每消耗一个ATP，泵入泵出3个Na+，泵入2个K+   离子
作用机制

2、钙泵（Ca2+ pump or Ca2+ ATPases)
 1) 结构组成：由1000个氨基酸组成的多次跨膜蛋白，与钠钾泵α-亚基同源，有10个跨膜α-螺旋。
 2）机制：细胞内钙调蛋白与钙泵结合调节钙泵活性，钙泵工作与ATP水解相偶联，每消耗1个ATP分子转运出2个Ca2+ 。
 3）作用：
      ①  存在于细胞膜和内质网膜上；
      ②维持细胞内低浓度的游离子的Ca2+ 环境
&S226;      In resting skeletal muscle, there is a much higher concentration of calcium ions (Ca2+) in the sarcoplasmic reticulum than in the cytosol. Activation of the muscle fiber allows some of this Ca2+ to pass by facilitated diffusion into the cytosol where it triggers contraction.
&S226;      After contraction, this Ca2+ is pumped back into the sarcoplasmic reticulum. This is done by a Ca2+ ATPases that uses the energy from each molecule of ATP to pump 2 Ca2+ ions.
    A Ca2+ ATPases is also located in the plasma membrane of all eukaryotic cells. It pumps Ca2+ out of the cell helping to maintain the low concentration 
&S226;      
3、质子泵（H+泵）
（二）、ATP间接提供能量的主动运输
                                   ----协同运输（cotransport）
1、定义：协同运输（cotransport是一类由钠钾泵（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。
2、跨膜动力：膜两侧电化学梯度
  1) 动物细胞：膜两侧Na+电化学梯度
  2) 植物细胞：膜两侧H+电化学梯度
3、分类:
    1) 共运输(Symport Pumps): 物质跨膜运输方向与离子转移方向相同;
     2) 对运输(Antiport Pumps):物质跨膜运输方向与离子转移方向相反.
1、Indirect active transport uses the downhill flow of an ion to pump some other molecule or ion against its gradient. The driving ion is usually sodium (Na+) with its gradient established by the Na+/K+ ATPase.
2、Category
   1) Symport Pumps
        In this type of indirect active transport, the driving ion (Na+) and the pumped molecule pass through the membrane pump in the same direction.
    2) Antiport Pumps
         In antiport pumps, the driving ion (again, usually sodium) diffuses through the pump in one direction providing the energy for the active transport of some other molecule or ion in the opposite direction.
 
协同运输
作用机制
(三)、物质的跨膜运输和膜电位
&S226;      膜电位：细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和。
&S226;      静息电位（resting potential）：细胞在静息状态�