2014细胞生物学讲授提纲

细胞生物学讲授提纲

第一章绪论

一、细胞生物学研究的内容与现状

（一）定义

细胞是高度动态的耗散结构体系，是生命结构与功能的基本单位。

细胞生物学是现代生命科学的重要前沿基础学科，是今后相当一段时间的主流学科方向。

当前细胞生物学研究的三大基本问题：

●细胞内的基因组如何在时间与空间上有序表达？

●基因表达的产物如何逐级装配成能行使生命活动的基本结构体系及各种细胞器？

●基因表达的产物（主要是大量活性因子与信号分子）如何调节细胞最重要的生命活动过程？Cell Biology：广泛采用现代物理学与化学的技术成就和分子生物学的概念与方法，将细胞的整体活动水平，亚细胞水平和分子水平三方面的研究有机地结合起来，以动态的观点观察细胞和细胞器的结构和功能，以期最终阐明生命的基本规律。

（二）细胞生物学的主要研究内容

两大基本部分：

●细胞结构与功能，如各种亚细胞结构及其作用。

●细胞重要生命活动，如细胞增殖、分化、衰老与凋亡等。

1. 生物膜与细胞器

●生物膜是细胞和大部分细胞器的结构基础

●磷脂双分子层与膜蛋白的相互关系；膜蛋白与物质的跨膜运输、信息跨膜传递、能量转换

和细胞识别等。

●线粒体与叶绿体的换能机制和半自主性；内质网、高尔基体与溶酶体在结构和功能上的相

互关联等。

2. 细胞信号转导

●细胞间信号传递：信号分子与受体相互作用机制

●受体与信号跨膜转导

●细胞内信号传递途径与网络调控

3. 细胞骨架体系

●广义的细胞骨架概念包括细胞质骨架与核骨架两大部分。

●细胞骨架与维持细胞形态、保持细胞运动和细胞内部的合理布局、细胞内大分子的运输与

细胞器的运动、细胞信息的传递、基因表达与大分子加工等均有密切关系。

4. 细胞核、染色体及基因表达

●细胞核是遗传物质DNA贮存的场所，也是mRNA、rRNA与tRNA转录的场所。

●染色体结构动态变化与基因表达及其调节的关系。

●DNA分子甲基化与组蛋白的修饰在基因表达调控中的作用。

5. 细胞增殖及其调控

●一切动植物的生长与发育都是通过细胞的增殖与分化来实现。

●从环境与有机体中寻找控制细胞增殖的因子，并阐明其作用机制。

●深入研究控制细胞增殖周期进程的主要检验点相关的周期蛋白与周期蛋白激酶的调控机

理。

6. 细胞分化及干细胞生物学

●细胞分化是生物发育的基础，是细胞生物学、发育生物学与遗传学的重要会合点。

●细胞定向分化的调控机制。

●干细胞的基本生物学属性。

●微环境对干细胞及其分化的影响。

●组织工程与再生医学。

7. 细胞死亡

●包括凋亡、坏死和自噬性死亡

●涉及生物体的正常生长发育、自稳态的维持、免疫耐受的形成、肿瘤监控等。

●研究重点在于死亡过程的分子机制及调控机理。

8. 细胞衰老

●是研究人与动植物寿命的基础。但细胞的衰老与有机体的衰老又是不同的概念。

●动物二倍体细胞在体外分裂与传代次数有限。

●体内细胞衰老的机制：衰老基因及相关信号传导途径。

9. 细胞工程

●细胞生物学与遗传学的交叉领域。

●人工使不同细胞的基因或基因组重组形成杂交细胞，或者使基因与基因组由一种细胞转移

到另一种细胞中，并越过种的障碍，产生新的遗传性状。

●哺乳动物细胞克隆与干细胞工程是热点。

10. 细胞的起源与进化

●细胞起源与进化的学说在很大程度上还是推理性的。

●近年来，分子生物学方法已引入研究。

二、细胞学与细胞生物学发展简史

从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为4个主要的阶段：

①从16世纪末—19世纪30年代，是细胞发现和细胞知识的积累阶段。

②从19世纪30年代—20世纪初期，细胞学说形成后，主要进行细胞显微形态的研究。

③从20世纪30年代—70年代，以细胞超微结构、核型、带型研究为主要内容。

④从20世纪80年代分子克隆技术的成熟到当前，细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密，基因调控、信号转导、细胞分化和凋亡、肿瘤生物学等领域成为当前的主流研究内容。

（一）细胞的发现

1590年荷兰眼镜制造商J.Janssen和Z.Janssen父子制作了第一台复式显微镜，放大倍数不超过10倍。

英国人胡克（Robert Hooke，1635-1702）

1665年发表《显微图谱》

―能非常清楚地看到软木片充满了气孔，是一个多孔的结构，型如蜂房…‖

提出细胞―cell‖一词因而沿用至今。

荷兰列文虎克（A. V. Leeuwenhoek）1632-1763

●1680 成为皇家学会会员，一生中制作了200多台显微镜和500多个镜头。

●他是第一个看到活细胞的人，观察过池塘水中的原生动物，鱼和蛙的红血球，人的牙垢、

唾液、猫、狗和人的精液等

●对细胞发现做出过贡献的其他人：

●马尔比基（M. Malpighi），1628-1694

●医生、大学教师，动植物材料显微技术的创始人。血液循环和毛细血管、肺和肾的细微结

构、无脊椎动物生物学，特别是蚕从卵到蛹演化的结构和生活史。

●施旺丹麦（J. Swammerdam），1637-1680

●尸体解剖，蜗牛受精，昆虫的形态分类。

●格鲁（N. Grew），1628-1712

●主要是植物解剖，也做些动物的比较解剖。

（二）细胞学说(cell theory)的建立及其意义

●1838年德国植物学家施莱登(M.J. Schleiden)

●1839年德国动物学家施旺(M.J. Schwann)

●一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位。

●All organisms are composed of one or more cells.

●The cell is the structure unit of life.

●Cell can arise only by division from a preexisting cell.

●1855年德国病理学家魏尔肖（Virchow）指出：细胞只能来自细胞。

●早期的其他科学家还包括：

●米尔贝尔（C. B. Mirbel），法国植物学家，认为植物每个部分都存在细胞。

●奥肯（L. Oken），认为生命起源于―原始海洋胶状物‖，纤毛虫是最简单的生命体，动物和植

物都是纤毛虫的群体。

●普金野（J. E. Purkinje），神经细胞的分类研究；发明了原始的切片刀，可以切骨骼和牙齿。

●弥勒（J. P. Muller），胚胎学、生理学、病理学、比较解剖学家。

●细胞学说（1838-1839）、进化论（1859）和孟德尔（1866）的遗传学是现代生物学的三大基

石。

●细胞学说也是后两者的基石。

（三）细胞学的经典时期

1. 原生质理论的提出

●1840年普金耶（Pukinje）和1846年冯·莫尔（Van Molh）首次将动植物细胞的内含物称为―原

生质‖（protoplasm）。

●1861年舒尔策（Max Schultze）认为有机体的组织单位是一小团原生质。

●1880年Hanstein提出―原生质体‖（protoplast）的概念，认为细胞是由细胞膜包围的一团原

生质，分化为细胞核与细胞质。

2. 细胞分裂的研究

●1841年Remark发现鸡胚血细胞的直接分裂。

●1883-1886 年分别在动植物细胞中发现有丝分裂（mitosis）和减数分裂（meiosis）。

3. 细胞器的发现

●1883年Van Benneden和Boveri发现中心体；Benda发现线粒体。

●1898年Golgi发现高尔基体。

●在这短短的25年里，取得如此多的成果，技术革新起着重要的作用。细胞染色技术、切片

技术、显微技术等的不断改进和创新。

（四）实验细胞学与细胞学的分支及发展

●1876年，O.Hertwig发现受精细胞核合并的现象。采用实验的方法研究海胆和蛔虫卵发育中

的核质关系，建立了实验细胞学。

●组织与细胞体外培养技术的建立和运用，使实验细胞学得到迅速发展。

1. 细胞遗传学：德国的T.Boveri和美国的W.Suton提出的遗传的染色体学说；T.H.Morgan证明了基因是决定遗传性状的基本单位，而且直线排列在染色体上。

●主要从染色体的结构和功能，以及染色体和其它细胞器的关系来研究遗传现象。

●染色体结构功能与基因表达关系的研究是今后长期的主题。

2. 细胞生理学：得益于组织培养技术的建立，可研究细胞的各种生理活动。

●主要研究内容：细胞的刺激反应、增殖与生长、兴奋性、收缩性、分泌性等。物质的跨膜

运输、信号的跨膜转导是当前的重点。

3. 细胞化学：用生化手段分析细胞各组分的性质与含量。

●得益于最早对细胞内DNA和RNA的定性定量检测方法的建立。目前，已发展到细胞组分

分离技术、流式细胞技术、原位杂交技术、免疫荧光技术和扫描共聚焦显微技术等。（五）细胞生物学学科的形成与发展

●在20世纪50年代，学者们利用电镜观察了细胞的各种超微结构，如内质网、核糖体、溶

酶体、核孔复合体、细胞骨架和膜单位

●1961年布拉舍(J. Brachet)根据电镜下观察到的结构，绘制了一幅细胞超微结构模式图。

●20世纪50年代，随着DNA双螺旋结构的解析和遗传中心法则的问世，分子生物学兴起，

其概念与技术的引入，使其与生物化学、遗传学和细胞学相互渗透结合，对细胞结构与功能的研究达到新的高度，促进了―细胞生物学‖的产生。

●二十世纪70年代以后，转基因技术和单克隆抗体技术的建立；80年代各种模式生物的构建

及大量突变株的分析；90年代基因打靶技术、DNA测序技术以及生物芯片技术的快速发展；

―蛋白组‖等组学的兴起，极大地拓展了对生物分子的研究视野，使得细胞生物学与分子生物学更加密不可分，开始赋予细胞生物学以―分子细胞生物学‖或―细胞分子生物学‖等名称。

重要概念：

●细胞中的染色体，线粒体、中心体、核仁等大于0.2μm，在光学显微镜中能观察到，这种结

构称显微结构(microscopic structure)。

●内质网膜、核膜，微管、微丝等因小于0.2μm，在普通光学显微镜下看不到，称亚显微结构

(submicroscopic structure)。有不少学者称此水平为―微细结构‖(fine structure)，指显微镜观察能力以上，分子结构以下这一水平的结构。

●20世纪70年代以来由于超高分辩本领电镜的问世(接近0.1nm)，加上免疫电镜，电镜放射

自显影术的不断提高；扫描电镜的深入开展以及冰冻刻蚀技术的应用，特别是电镜技术与生化研究及近代生物物理研究手段(如X射线衍射、中子衍射、波谱子研究等)相结合，使电镜观察进行入到超微结构境界(严格地说ultrastructure指分子结构而言，不过现在书刊中往往将亚微结构也称之为超微结构，二者无严格的界线)。

●原生质（Protoplasm）：泛指细胞的全部生命物质，包括细胞膜、质、核三部分。

主要参考书：

1.《基础细胞生物学》艾伯茨等著，赵寿元等译。上海科学技术出版社，2002年。

2.《细胞生物学》（第二版）汪堃仁、薛绍白、柳惠图主编。北京师范大学出版社，1990年。

3.《分子细胞生物学》韩贻仁（第二版），科学出版社，2001年。

4.《细胞生物学》沈振国、催德才（第二版），中国农业出版社，2011年。

5. Cell and Molecular Biology (Third Edition). Gerald Karp. 2002.

6. Molecular Cell Biology (Second Edition). Harvey Lodish et al.1995.

第二章细胞的统一性与多样性

一、细胞的基本特征

（一）细胞是生命活动的基本单位

1.细胞是构成有机体的基本单位

①一切有机体均由细胞构成(病毒例外)

②变形虫、眼虫是单细胞机体→盘藻是多细胞聚合体，细胞未分化→高等动植物细胞分化→组织→器官→系统→机体

2.细胞是代谢与功能的基本单位

①机体的一切代谢活动都以细胞为基本单位，单细胞生物独立完成一系列生理活动；多细胞生物依靠细胞之间的相互合作。

②细胞的形态结构与功能是一致相关的。

3.细胞是有机体生长与发育的基础

●机体的发育依靠细胞的分裂、生长、分化和凋亡来实现。

4.细胞是繁殖的基本单位，是遗传的桥梁

①细胞含全套的遗传信息，具遗传的全能性

②单细胞生物的繁殖表现为细胞一分为二；多细胞生物依靠细胞分裂形成特殊的生殖细胞。

5.细胞是生命起源的归属，生物进化的起点

●经过漫长的化学进化，由非生命物质形成原始细胞标志着生命的出现；生物进化形成了纷

繁多样的生命世界。

●细胞具有高度的复杂性与组织性

●细胞具有遗传程序并能付诸实施

●细胞能产生更多的―自己‖

●细胞获取和利用能量

●细胞开展许多的化学反应

●细胞可实施一系列机械运动

●细胞能感应刺激

●细胞能自我调节

(二)细胞的基本共性

1. 相似的化学组成

●常量元素：C、H、O、N、S、P、Na、Ca、K、Cl、Mg、Fe；

●微量元素：B(硼)、Si(硅)、V(钒)、Mn(锰)、Co(钴)、Cu(铜)、Zn(锌)、Mo(钼)等。

●小分子：核苷酸、氨基酸、脂肪酸与单糖。

●大分子：核酸、蛋白质、脂质和多糖。

●复合分子：核蛋白、脂蛋白、糖蛋白和糖脂。

●平均来说，细胞的组成中水占85%、蛋白质10%、DNA 0.4%、RNA 0.7%、脂类2%、糖和

其它有机物2 %、无机物1.5%。

2. 脂-蛋白体系的生物膜

●磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜─质膜；质膜内陷演化为细胞的内膜体系─细胞

器。

3. 相同的遗传装置

●两种核酸作为遗传信息复制与转录的载体；蛋白质的合成场所是核糖体；一套通用遗传密

码。

4.一分为二的分裂方式

●都以一分为二的方式进行分裂增殖。

二、原核细胞与古核细胞

●肉眼可见的物种：动物150万种；植物50万种；真菌8万种。具有大致相同的细胞结构

●肉眼不可见的细菌、放线菌支原体等微生物的细胞没有细胞核和内膜系统。

●生物界最显著的差别表现在细胞层次。

●细胞分为原核细胞(prokaryocyte)和真核细胞(eukaryocyte)，相应地把生物界划分为原核生物

和真核生物。

●原核细胞和真核细胞的差异不止是形态结构，在代谢方式、遗传信息表达及调控、信号转

导等各方面都有显著差异。

●随着基因和基因组的深入研究，原来的原核细胞中有一类群的遗传信息表达系统与其它的

原核细胞有很大差异，更接近于真核细胞，于是另分一群称古核细胞，又叫古细菌（archaebacteria）

（一）原核细胞

●支原体、衣原体、立克次氏体、细菌、放线菌和蓝藻。

●基本特点可概括为：①遗传信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；②细胞内

没有分化成以膜为基础的细胞器和核膜。

1.支原体（mycoplasma）

大小通常为0.2-0.3μm，可通过滤菌器。无细胞壁，不能维持固定的形态而呈现多形性。

支原体基因组为一环状双链DNA，分子量小（仅有大肠杆菌的五分之一），合成与代谢很有限。

2.衣原体和立克次氏体

●衣原体(Chlamydia)，直径0.2-0.5 μm ，能通过细菌滤膜。

●立克次氏体（Rickettsia）略大，大多不能通过滤菌膜。

●都有DNA和RNA，有含肽聚糖的细胞壁。因酶系统不完全，必须在寄主细胞内生活。

3.细菌

●细菌由细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体等部分构成，有的还有夹膜、鞭毛、菌毛等特殊

结构。

●绝大多数细菌的直径大小在0.5-5.0 μm。可根据形状分为球菌、杆菌和螺旋菌（包括弧形菌）。（1）细胞壁

●一般厚度为15-30nm。主要成分是肽聚糖。

（2）细胞膜

●单位膜结构，厚约8-10nm。除核糖体外，没有其它类似真核细胞的细胞器，呼吸和光合作

用的电子传递链位于细胞膜上。

（3）细胞质与核质体

●无核膜，DNA集中在细胞质中的低电子密度区，称核区或核质体（nuclear body）。

●细菌一般具有1-4个核质体，多的可达20余个。核质体是环状的双链DNA分子，所含的

遗传信息量可编码2000～3000种蛋白质，没有内含子。

（3）细胞质与核质体

●无核膜，DNA集中在细胞质中的低电子密度区，称核区或核质体（nuclear body）。

●细菌一般具有1-4个核质体，多的可达20余个。核质体是环状的双链DNA分子，所含的

遗传信息量可编码2000～3000种蛋白质，没有内含子。

（4）细菌细胞核外DNA

●质粒（plasmid），裸露的环状DNA分子，可编码2-200个基因。可以传给后代，也可整合

到核DNA。

●质粒基因可以赋予细菌新的性状：如大肠杆菌的f因子，col因子以及抗药因子γ等。（5）其它结构

●许多细菌的最外表还覆盖着一层多糖类物质，称为荚膜(capsule)，或粘液层(slime layer)。

●鞭毛由鞭毛蛋白（flagellin）构成，结构上不同于真核生物的鞭毛。

●菌毛是菌体表面极细的蛋白纤维，须用电镜观察。功能与细菌吸附和侵染宿主有关。（6）繁殖

●细菌以二分裂的方式繁殖。某些细菌处于不利的环境，或耗尽营养时，形成内生孢子，又

称芽孢，是对不良环境有强抵抗力的休眠体。

4.蓝藻

●又称蓝细菌（cyanobacterium），能进行与高等植物类似的光合作用（以水为电子供体，放出

O２），因此被认为是最简单的植物。但没有叶绿体，仅有十分简单的光合作用结构装置。

●蓝藻细胞遗传信息载体是一个环状DNA分子，有约3000个编码蛋白的潜在基因。

（二）古细菌（archaebacteria）

●又称古核生物（archaeon）,多生活在极端的生态环境中。包括产甲烷细菌、盐细菌、热原质

体、硫氧化菌等。

●古细菌形态多样，具细胞壁，染色为G+或G-；细胞大小0.1-0.5 m ，繁殖以二分分裂或

出芽。

（1）细胞壁

●无胞壁酸和D-氨基酸，溶菌酶、青霉素等对古细菌无作用。

（2）质膜

●由脂质和蛋白质构成，但C-H链以醚键而不是酯键与甘油结合；膜脂的7-30%为非极性脂

质鲨烯衍生物；极端耐热菌是由C40四乙醚组成的单层膜。

（3）DNA与基因结构

●介于原核与真核细胞之间

●与细菌相似：环状DNA，操纵子结构，大部分基因无内含子，多基因mRNA。

●与真核细胞类似：DNA与组蛋白结合成类似核小体；编码RNA和部分蛋白质的基因有内

含子；RNA聚合酶为复杂多聚体；翻译起始氨基酸为Met。

（4）核糖体

●70S，含60种以上的蛋白质，其性质接近于真核生物。

●对氯霉素等抗生素不敏感。

●极端嗜热菌（themophiles）：能生长在90℃以上的高温环境。如德国的斯梯特（K. Stetter）

研究组在意大利海底发现的一族古细菌，能生活在110℃以上高温中，最适生长温度为98℃，降至84℃即停止生长。美国的J.A. Baross发现一些从火山口中分离出的细菌可以生活在250℃的环境中。

●嗜热菌的营养范围很广，多为异养菌，其中许多能将硫氧化以取得能量。

●极端嗜盐菌（extremehalophiles）：生活在高盐度环境中，盐度可达25%，如死海和盐湖中。

●极端嗜酸菌（acidophiles）：能生活在pH值1以下的环境中，往往也是嗜高温菌，生活在火

山地区的酸性热水中，能氧化硫，硫酸作为代谢产物排出体外。

●极端嗜碱菌（alkaliphiles）：多数生活在盐碱湖或碱湖、碱池中，生活环境pH值可达11.5

以上，最适pH值8～10。

●产甲烷菌（metnanogens）：是严格厌氧的生物，能利用CO2使H2氧化，生成甲烷，同时释

放能量。

CO2＋4H2→CH4＋2H2O＋能量

●由于古细菌所栖息的环境和地球发生的早期有相似之处，如：高温、缺氧，而且由于古细

菌在结构和代谢上的特殊性，它们可能代表最古老的细菌。

●它们保持了古老的形态，很早就和其它细菌分手了。

三、真核细胞

真核细胞包括大量的单细胞生物和全部的多细胞生物，出现于12-16亿年前，在起源上和古核细胞的关系更密切。

真核细胞结构复杂，种类繁多，出现了以膜为边界的真正细胞核及多种细胞器。

（一）真核细胞的基本结构体系

1. 生物膜系统：磷脂与蛋白质，厚8-10nm。

●表面：质膜及其相关结构进行选择性的物质跨膜运输和信号转导。

●内部：双层核膜分隔核质区；线粒体和叶绿体供能；内质网是物质合成和分选运输基地；

高尔基体是加工、包装和运输枢纽；溶酶体是胞内消化系统；重要的酶定位于膜表面。

2. 遗传信息传递与表达系统：DNA-组蛋白质组成染色质的基本结构─核小体，直径10nm ；

●染色质结构、DNA修饰酶和转录因子共同调控基因转录；

●核仁转录rRNA并组装核糖体亚单位。

3. 细胞骨架系统：由一系列特异的结构蛋白装配成纤维网状结构，直径5-24nm。对细胞形态与内部结构的合理分布起支架作用。

●细胞质骨架：微丝、微管与中间丝，主要对细胞起支撑作用。

●细胞核骨架：核纤层与核基质，与基因表达、染色质构建与排布有关。

（二）细胞的大小及其影响因素

●支原体是最小的cell(0.1-0.3μm)比最小的病毒大10倍；

●细菌(1-2μm)比支原体大10倍；

●多数动、植物(20-30μm)比细菌大10倍；

●原生动物数百-数千微米：大变形虫200－600μm，眼虫长60μm。

●一根棉花纤维由一个cell构成，长4cm。

●N cell直径100μm，突起可达1m以上

●人卵200μm ；鸵鸟蛋黄直径5cm

●鼠鲨卵径达22cm(最大的cell)

①细胞体积越大，相对表面积越少，与环境交换物质的能力越小。

②核、质有一定比例,核内所含遗传信息所控制的细胞体积须有一定限度。

③细胞体积与细胞内物质交流的速度成反比。

●对于高等动植物，无论物种差异多大，对同类组织来说，细胞的体积是恒定的，器官的大

小与细胞的数量成正比。

●简单地说细胞的大小由所含蛋白质与核糖体RNA的量来决定。

●多细胞生物都应用一套相同的信号网络来调控细胞大小(PI3K-mTOR-S6K和4E-BP)

●细胞大小的决定也受其他因素的影响，例如植物细胞在旺盛分裂期的大小取决于蛋白质等

的积累，完成分裂后体积伸展增加数倍甚至成千上万倍，这个过程取决于中央液泡的膨胀。

●DNA含量影响细胞的大小，如多倍体。

理论上最小的细胞:

●必须具备细胞膜、DNA与RNA、核糖体以及至少需要100种酶。

●酶促反应所必须占有的空间直径约为50nm；核糖体（直径10-20nm），细胞膜与核酸等所需

空间。

●推算出一个细胞体积的最小极限直径不可能小于100nm。

（三）原核细胞与真核细胞的比较

1. 细胞膜系统的分化与演变：膜的分隔作用使细胞结构更精细，功能更专一。细胞骨架起支撑作用。

2. 遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化：基因组由环状单倍型变为线状多倍型；基因数量由

几千个发展到2-3万个；表达调控多层次，更精细。

（四）植物细胞与动物细胞的比较

植物细胞：

●细胞壁cell wall，纤维素与果胶质；胞间连丝。

●液泡Vacuole，调节细胞内环境。

●叶绿体Chloroplast，光合作用。

动物细胞：

●溶酶体和中心体

四、非细胞形态的生命体─病毒Virus

（一）病毒的基本知识

①个体微小(20-200nm)，结构简单，可通除滤菌器，大多数必须用电镜才可见。

②仅具有一种类型的核酸，或DNA或RNA，单链或双链。

③彻底的寄生性：无独立的代谢与能量转化系统，分子水平的寄生。

④以复制和装配的方式增殖：分别合成大量的核酸和蛋白，再装配。

●自1892年以来，已发现4000余种病毒。

1.病毒的形态结构

●由核酸（DNA或RNA）芯和蛋白质衣壳(capsid)所构成。衣壳有保护病毒核酸不受酶消化

的作用。有些病毒还含有一定量的脂质、糖复合物与聚氨类化合物。

●各种病毒所含的遗传信息量不同，少的只含有3个基因，多的可达300个基因。

电镜观察有5种形态:

①球形：大多数人类和动物病毒，如脊髓灰质炎病毒、疱疹病毒及腺病毒等；

②丝形：多为植物病毒，如烟草花叶病毒；

③弹形：形似子弹头，如狂犬病毒、疱疹性口炎病毒等；其它多为植物病毒。

④砖形：如天花病毒、牛痘苗病毒等；

⑤蝌蚪形：如噬菌体。

2.病毒在细胞内增殖

病毒的生活周期可分为两个阶段：

①细胞外阶段，以成熟的病毒粒子形式存在；

②细胞内阶段，即感染阶段。感染阶段开始时，病毒的遗传物质由衣壳中释放出来，注入宿主细胞中，然后在病毒核酸信息的指导控制下，形成新的病毒粒子。

3.病毒的起源与进化

生物大分子→病毒→细胞

病毒

生物大分子

细胞

生物大分子→细胞→病毒

（二）类病毒Viroid

●没有蛋白质外壳，仅为一裸露的RNA或DNA分子，多数只有300-400个核苷酸，不编码

蛋白质。由于具有感染作用，类似于病毒，故名。

●目前已发现18种，都感染植物:马铃薯锤管类病毒。

●能耐受紫外线和作用于蛋白质的各种理化因素，在90℃下仍能存活（真病毒在50～60℃下

失活）。

（三）蛋白质感染因子

●1982年S．B．Prusiner以叙利亚仓鼠为实验材料，发现羊瘙痒病（scrapie）的病原体是一

种蛋白质，不含核酸，命名为prion，意即Proteinaceous Infection Only，译为蛋白质感染因子或朊病毒，Prusiner因此项发现更新了医学感染的概念，获1997年的诺贝尔生理与医学奖。

●Prion是一种结构变异的蛋白质，对高温和蛋白酶均具有较强的抵抗力。它能转变细胞内的

此类正常的蛋白PrPC（cellular prion protein），使PrPC发生结构变异，变为具有致病作用的PrPSc（scrapie-associated prion protein）。

●PrPC存在于神经元、神经胶质细胞和其它一些细胞，属于糖磷脂酰肌醇锚定蛋白，集中在

膜上的脂筏中，对蛋白酶和高温敏感，可能和细胞信号转导有关。

●蛋白质感染因子的增殖方式有两种解释：

①重折叠模型（refolding model），认为PrPSc分子起分子伴侣（molecular chaperone）的作用，能与PrPc分子相结合，诱使PrPc转变成PrPSc，从而形成了PrPSc二聚体，于是一个PrPSc分子就变成了2个PrPSc分子，如此倍增不已。

②晶种模型（Seeding model）：认为PrPc分子本身有向PrPSc转变的倾向（一种平衡反应），PrPSc 能像晶种一样，稳定PrPc的构象，形成淀粉样蛋白沉淀，然后碎裂后又变成新的晶种。

目前已知的人类PRION疾病主要有：

1.克-雅二氏病（Creutzfeldt–Jakob disease，CJD）：Cruetzfeldt和Jakob 1920年发现，大多发生于60岁以上的人，是自身PrP蛋白发生变异引起的。

2.变异型克-雅氏病（vCJD）：患者为十几岁至三十岁的年轻人，取食病牛产品而感染。首先出现忧郁症的病状，继而不能行走，并呈现精神障碍等痴呆症状，最后死亡。

3.GSS综合征（Gerstmann-Straussler Scheinker disease）：是一种遗传的的慢性脑病，由Prnp基因缺陷引起，PrP蛋白的102位亮氨酸被脯氨酸取代或117位的缬氨酸被丙氨酸取代。

4.克鲁病（Kuru）：发现于新几内亚一个叫Fore的部落，当地人称作kuru，意即颤抖。病症有言语含糊及无意识地狂笑，最后不省人事并死亡。一名美国医生发现那里的妇女及小孩具有吃死者尸体的习惯，结果受到感染。

5.致死性家族性失眠症（Fatal familial insomnia，FFI）：也是一种遗传性疾病，Prnp基因变异，PrP蛋白178位的天冬酰胺被天冬氨酸取代。患者的主要症状是失眠，并有CJD的症状。

●对于蛋白质感染因子引起的疾病，目前尚没有有效的治疗措施。这类蛋白具有很强的抵抗

力，对抗生素和消毒剂不敏感，134-138℃持续1h的病牛脑组织匀浆，以及10%福尔马林固定过的病羊脑组织，仍有感染性。

●据报道，自1996年以来，共有106人得了疯牛病，其中仅有7人还活着。

第三章细胞生物学研究方法

一、细胞形态结构的观察方法

●没有显微镜就没有细胞的发现和细胞学说的建立。

●光学显微镜、电子显微镜和扫描隧道显微镜是展现细胞结构的重要工具。

（一）光学显微镜

●用于研究细胞的结构与功能，特别是生物大分子在活细胞中的定位及其动态变化。

1.普通复式光学显微镜

●观察生物组织样品（需一系列取材制样流程），单细胞生物或体外培养细胞。

●重要参数为分辨率(resolution)：能区分开两个质点间的最小距离。

●分辨率的大小取决于光的波长和镜口率以及介质的折射率，用公式表示为：

●R=0.61λ/N.A. N.A＝ｎsinα/2

●式中：n=介质折射率；α=镜口角（标本对物镜镜口的张角），N.A.=镜口率（numeric aperture）。

镜口角总是要小于180?，所以sina/2的最大值必然小于1。

●普通光学显微镜的最大分辨率为0.2 m

2.相差显微镜和微分干涉显微镜

●相差显微镜由P．Zernike于1932年发明，其最大的特点是可以观察未经染色的标本和活细

胞。

●微分干涉显微镜是1952年在相差显微镜的基础上发展的，它使用偏振光做光源，更适合研

究活细胞。

●使光程差变成振幅差，从而提高结构间的对比度，使其清晰可见。

●相差显微镜有两个特殊之处：

①环形光阑（annular diaphragm）位于光源与聚光器之间，作用是使透过聚光器的光线形成空心光锥，焦聚到标本上。

②相位板（annular phaseplate）在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。

●微分干涉差显微镜与高分辨率的录像装置相结合，在计算机图像分析软件的协助下，可以

使图像背景―噪音‖降低，使单根微管也可以分辨，分辨率比普通显微镜提高了一个数量级。

●DIC显微镜与相差显微镜相比，其标本可略厚一点，折射率差别更大，故影像的立体感更

强。

3.荧光显微镜

●对细胞内特异的蛋白质、核酸、糖类、脂质以及某些离子等组分定性定位。

●细胞中有些物质，如叶绿素等，受紫外线照射后可发荧光；另有一些物质本身虽不能发荧

光，但如果用荧光染料或荧光抗体染色后，经紫外线照射亦可发荧光。

●荧光显微镜和普通显微镜有以下的区别：

①照明方式通常为落射式；

②光源为紫外光，波长较短，分辨力高；

③有两个特殊的滤光片，光源前的用以滤除可见光，目镜和物镜之间的用于滤除紫外线，以保护人目。

4. 激光扫描共焦显微境

●相当于在荧光显微镜上安装了一套激光共焦成像系统，用激光作扫描光源，逐点、逐行、

逐面快速扫描成像，极大地提高了分辨率（1.4-1.7倍）。

●可用于观察亚细胞结构，细胞组分的定位及动态变化，也用于细胞内生化成分的定量分析、

光密度统计以及细胞形态的测量。

（二）电子显微镜

1. 透射电子显微镜用电子束作光源，用电磁场作透镜。分辨率可达0.2nm,放大倍数最高可达近百万倍。

●由于电子束的穿透力很弱，观察标本须制成厚度约50nm的超薄切片。需要用超薄切片机

（ultramicrotome）制作。

●生物样品的实际分辨率约为超薄切片厚度的1/10。

2.扫描电子显微镜

●工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少

与样品的表面结构有关。次级电子由探测体收集，转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。

●扫描电镜对生物样品的分辨率为6-10nm

3.扫描隧道显微镜（STM）

●根据量子力学原理中的隧道效应而设计。

●由于电流强度和针尖与样品间的距离的函数关系，随着探针与物质表面间的距离不断发生

改变，从而引起电流不断发生改变，这样即可显示出原子水平的凹凸形态。

●可直接观察DNA、RNA、蛋白质、细胞膜和病毒等的结构。

●扫描隧道显微镜的分辨率很高，横向为0.1-0.2nm，纵向可达0.001nm。它的优点是三态（固

态、液态和气态）物质均可进行观察，而普通电镜只能观察制作好的固体标本。

●相似功能的还有原子力显微镜，不但能测出样品形貌，还能测量样品的微观力学性质。二、细胞及其组分的分析方法

（一）超离心技术分离细胞组分

●离心是研究如细胞核、线粒体、高尔基体、溶酶体和微体，以及各种大分子基本手段。一

般认为，转速为10-25kr/min的离心机称为高速离心机；转速超过25kr/min，离心力大于89kg 者称为超速离心机。目前超速离心机的最高转速可达100kr/min，离心力超过500kg。

1.差速离心（differential centrifugation）

●在密度均一的介质中由低速到高速逐级离心，用于分离不同大小的细胞和细胞器。

●差速离心只用于分离大小悬殊的细胞，更多用于分离细胞器。通过差速离心可将细胞器初

步分离，常需进一步通过密度梯离心再行分离纯化。

2.密度梯度离心(density gradient centrifugation)

●用一定的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，通过重力或离心力场的作用使细胞分层、分离。这类分离又可分为速度沉降和等密度沉降平衡两种。

●密度梯度离心常用的介质为氯化铯，蔗糖和多聚蔗糖。

（二）细胞成分的生物化学显示方法

1、细胞化学技术

●组织化学或细胞化学染色（histochemical or cytochemical staining）是利用染色剂可同细胞的

某种成分发生反应而着色的原理，对某种成分进行定性或定位研究的技术。利用这种方法对细胞的各种成分几乎都能显示，包括有无机物、醛、蛋白质、糖类、脂类、核酸、酶等。（1）脂溶染色法：借苏丹染料溶于脂类而使脂类显色。

（2）茚三酮反应：显示蛋白质。

（3）Schiff反应：细胞中的醛基可使Schiff试剂中的无色品红变为红色。这种反应通常用于显示糖和脱氧核糖核酸（Feulgen 反应）。

2. 显微光谱分析技术

●细胞中一些成分具有特定的吸收光谱，例如，核酸的吸收波长为260nm，而蛋白质的则为

280nm。有的成分经组织化学染色后，对可见光也产生特定的吸收光谱。

●利用显微分光光度计对某些成分进行定位、定性，甚至定量测定。

（三）特异蛋白抗原的定位与定性

1.免疫荧光技术

●根据免疫学原理，利用抗体同特定抗原专一结合，对抗原进行定位测定的技术。

●常用的标记物有荧光素和酶。

2.免疫电镜技术

●能有效地提高样品的分辨率，在超微结构水平上研究特异蛋白抗原的定位。

①免疫铁蛋白技术

②免疫酶标技术

③免疫胶体金技术

（四）细胞内特异核酸的定位与定性

●用标记的核酸探针通过分子杂交确定特异核苷酸序列在染色体或在细胞中的位置。

●最早采用放射性同位素标记或荧光标记，目前更多采用生物素等小分子标记。

●显微与亚显微水平上研究基因定位、特异mRNA表达等问题。

（五）定量细胞化学与细胞分选技术

●流式细胞术（flow cytometry）可定量测定单个细胞中的DNA、RNA或某一特异的标记蛋

白质的含量。并可根据这些含量或细胞形态性质分选出高纯度的细胞亚群，分离纯度可达99%。

三、细胞培养与细胞工程

（一）细胞培养生命科学研究最基本的技术。

1.动物细胞培养

●原代培养：1-10代，原代细胞。

●传代培养：10-50代，传代细胞，有限细胞系。

●50代以后称―永生细胞系‖，失去接触抑制。

●单克隆培养，细胞株。

2.植物细胞培养

①单倍体细胞培养：花药人工培养或小孢子发育成植株。

②原生质体培养：植物二倍体细胞，去细胞壁，人工培养基上发育；不同植物的原生质体融合称“体细胞杂交”。

（二）细胞工程

●涉及的主要技术包括细胞培养、细胞分化的定向诱导、细胞融合和显微注射等。

●用细胞生物学和分子生物学的理论、方法和技术，按人们的预定设计蓝图有计划的保存、

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。

1.细胞融合与单克隆抗体

●两个或多个细胞融合成一个双核或多核细胞的现象。

●杂交细胞在培养过程中常产生染色体丢失。

●B淋巴细胞杂交瘤技术制备单克隆抗体：用混合型的异质抗原制备出针对某单一性抗原分

子的同质抗体。

2.显微操作技术

●显微操作技术（micromanipulation technique）是指在高倍复式显微镜下，利用显微操作器

（micromanipulator）进行细胞或早期胚胎操作的一种方法。

●显微操作器是用以控制显微注射针在显微镜视野内移动的机械装置。

●显微操作技术包括细胞核移植、显微注射、嵌合体技术、胚胎移植以及显微切割等。

●细胞拆合、核质杂交细胞等技术为核质关系、胞内某种mRNA或蛋白质功能等基础研究的

重要手段。

四、细胞及生物大分子的动态变化

（一）荧光漂白恢复技术

●利用高能激光照射特定区域标记的荧光分子，使其发生不可逆的淬灭；随后，周围标记的

荧光分子不断向该区域运动，结果使得该区域的荧光强度恢复到原有水平。

●研究膜脂和蛋白质的运动。

（二）单分子技术与细胞生命活动的研究

●观测单一生物分子的运动规律，测量分子间的相互作用、分子空间变化的中间态、稀有但

重要的信号和分布、非平衡态或不同步的体系等。

●光镊、磁镊、原子力显微镜等。应用于分子马达、细胞骨架、酶结构、信号通路、离子通

道等研究。

（三）酵母双杂交技术

●一种具有高灵敏度，在活细胞内研究蛋白质相互作用的实验技术。既可以研究哺乳动物，

也可以研究高等植物蛋白的相互作用。

（四）荧光共振能量转移（FRET）技术

●用于检测活细胞内两种蛋白质是否直接相互作用。在细胞内，如果两个蛋白质分子的距离

在10nm之内，就可能发生FRET。

●荧光共振能量转移的效率反映了细胞内两种蛋白相互作用的可能性与作用的强弱。

（五）放射自显影技术

●利用放射性同位素的电离射线对乳胶的感光作用，对细胞内生物大分子进行定性、定位与

半定量研究。

●显微放射自显影

●电镜放射自显影：曝光时间更长。

五、模式生物与功能基因组的研究

●模式生物（model organism）：生物学家对选定的生物物种进行科学研究，揭示某种具有普

遍规律的生命现象，此时，这种被选定的生物物种就是模式生物。比如，孟德尔在揭示生物界遗传规律时选用豌豆，而摩尔根选用果蝇作为实验材料，在他们的研究中，豌豆和果蝇就是研究生物体遗传规律的模式生物。

●模式生物的特点：

①有利于回答研究者关注的问题，能够代表生物界的某一大类群；

②对人体和环境无害，容易获得并易于在实验室内饲养和繁殖；

③世代短、子代多、遗传背景清楚；

④容易进行实验操作，特别是具有遗传操作的手段和表型分析的方法。

（一）细胞生物学研究常用的模式生物

1.大肠杆菌：原核生物的代表。早期基因表达调控的研究大多以此为材料。

2.酵母：单细胞真核生物的代表。常用作细胞周期调控、蛋白质相互作用、基因表达调控、膜泡运输、细胞分化和衰老等研究。

3.秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)

●常用于发育中细胞分裂、分化及死亡等研究。

4.果蝇(Drosophila melanogaster)

●经典遗传学的模式生物，用于遗传分析、染色体特性、胚胎发育基因调控和细胞分化机制

研究。

5.斑马鱼(Danio rerio)

●小型脊椎动物的代表，用于发育与基因调控研究。

6.小鼠(Mus musculus)

●小型哺乳动物的代表，常用于遗传学、组织学、胚胎学和细胞生物学研究。

7.拟南芥(Arabidopsis thaliana)

●植物遗传学、发育生物学、细胞生物学和分子生物学

●其它的模式生物：四膜虫、黏菌、海胆、爪蟾、鸡。

（二）突变体制备技术

●RNA水平：RNA干扰，实现功能基因的失活。

●DNA水平：基因敲除，化学诱变、P因子介导和基于同源重组的定点突变。（三）蛋白质组学技术

●基因是生物体遗传信息的载体，蛋白质是生物体各种复杂生理功能的具体执行者。

●蛋白质组（Proteome）：基因组表达的全部蛋白质。

●蛋白质分离技术和鉴定技术、生物信息学技术。

第四章细胞质膜

●细胞质膜(plasma membrane)又称细胞膜(cell membrane)

●细胞内膜(endomembrane)。

●生物膜(biomembrane):外周膜和细胞内膜的统称。

●生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础，细胞的能量转换、蛋白质合成、物质运输、

信息传递、细胞运动等活动都与膜的作用有密切的关系。

一、细胞质膜的结构模型与基本成分

(一)细胞质膜的结构模型

●1895年E. Overton 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物

质则不易透过，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。

●1925年E. Gorter & F. Grendel 用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在

水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。

●J. Danielli & 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，从而提出了‖蛋白质-脂类-蛋白质‖的三明治模型:质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。

●1959年在上述基础上提出了修正模型:膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通

过。

●1959年J. D. Robertson 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，

厚约7.5nm，称为―单位膜‖ (unit membrane)。

●单位膜由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成。

●1972年S. Jon Singer和Garth Nicolson提出流动镶嵌模型（fluid mosaic model）：脂类双分

子层作为膜的支撑架构，是阻挡水溶性物质自由进出细胞的屏障；膜蛋白作为不连续的颗粒镶嵌在脂双层，由它们完成膜的大部分特定功能。

●流动镶嵌模型强调：①强调膜的流动性。无论类脂的双分子层或者膜的Pr都是可以流动或

运动的；②蛋白质镶嵌在脂类中表现出分布的不对称性。

●脂类双分子层是膜的―构架‖，球Pr分子有的镶在脂双分子层的表面，有的部分或全部嵌入

其内，有的横跨整个脂类层。

●脂筏模型（lipid raft model）

●脂筏是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域,大小约50nm，位于质膜的外小叶。由于鞘磷

脂具有较长的饱和脂肪酸链，分子间的作用力较强，所以这些区域结构致密，介于无序液体与液晶之间，称为有序液体。

●脂筏与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。

当前对生物膜结构的认识可归纳如下：

（1）脂分子是组成生物膜的基本成分。磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相形成脂双分子层。

（2）蛋白质分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面。蛋白质的类型、分布的不对称性以及与脂分子的协同作用赋予生物膜各自的特型与功能。

（3）生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。

（4）生物膜在三维空间上课出现弯曲、折叠、延伸等改变，处于不断的动态变化中。

（二）膜脂

●膜脂是生物膜的基本组成成分，每个动物细胞质膜上约有109个脂分子。

● 1.成分

●主要为甘油磷脂、鞘脂和胆固醇，还有少量的糖脂

（1）甘油磷脂（glycerophosphatide）：

●占整个膜脂50%以上，为3-磷酸甘油的衍生物，主要在内质网上合成。

●特征：①具有一个与磷酸基团结合的极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链）；②脂肪酸链为

偶数，多数为16或18个碳原子组成；③不饱和脂肪酸多为顺式，双键在烃链中产生约30 角。

●主要类型有：磷脂酰胆碱（phosphatidyl choline，PC，旧称卵磷脂）、磷脂酰丝氨酸（phosphatidyl

serine，PS）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine ，PE，旧称脑磷脂）磷脂酰肌醇（phosphatidyl inositol，PI）和双磷脂酰甘油（DPG，旧称心磷脂）等。

（2）鞘脂（sphingolipid）：为鞘氨醇的衍生物，主要在高尔基体合成。具有一条烃链，另一条链是与鞘胺醇的氨基共价结合的长链脂肪酸；亲水头部也含胆碱与磷酸结合。神经醇磷脂在脑和神经细胞膜中特别丰富。

●原核细胞和植物细胞中没有鞘磷脂。

●另一类鞘脂为糖脂（glycolipid），也是两性分子，其结构与SM很相似，只是由一个或多个

糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。

●糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总

量的5％以下，在神经细胞膜上含量较高，约占5-10％。目前已发现有40余种。

●ABO血型抗原是一种糖脂，其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用：

●A型：膜脂寡糖链的末端是N-乙酰半乳糖胺，GalNAc。

●B型：末端是半乳糖，Gal。

●O型：末端没有这两种糖基。

●AB型：末端同时具有这两种糖基。

（3）固醇（sterol），为胆固醇及其类似物的统称。仅存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。亲水头部是一个羟基，尾部疏水性强，不能独立形成脂双层。与甘油磷脂相互作用可提高磷脂分子的有序性及脂双层的厚度，但对鞘脂没有明显影响。

●在调节膜的流动性、增加膜的稳定性以及降低水溶性物质的通透性方面有重要作用。

2、膜脂的运动方式

（1）沿膜平面的侧向运动（扩散或迁移），即同一平面上相邻的脂分子交换位置，是膜脂分子最基本的运动方式。37℃每秒移动约2微米。

（2）旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴快速旋转。

（3）摆动运动：围绕与膜平面相垂直的轴左右摆动。

（4）翻转运动：膜脂分子从双脂层的一层翻转至另一层的运动，效率很低，但ER例外，新合成的磷脂分子几分钟后，有一半要翻转，是在酶的催化下完成的。

（5）伸缩振荡：脂肪酸链沿着与膜平面相垂直的轴伸缩、振荡。

（6）旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。

3、脂质体（Liposomes）

●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。

●球形脂质体25-1000nm,可以嵌入膜蛋白，用于研究膜脂膜蛋白及其生物学性质，还可用于

转基因、制备药物导入细胞等。

（三）膜蛋白

●种类繁多，约占细胞总蛋白类的30%。

1.膜蛋白的类型

●根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为外周蛋白（peripheral protein）、整合蛋白（integral

protein）和脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。

（1）外周蛋白(Peripheral protei)，又称外在蛋白(Extrinsic protein)。水溶性蛋白，完全外露在脂双层

的内侧或外侧，主要是通过非共价键附着在脂的极性头部，或附在整合蛋白亲水区的一侧，间接与膜结合。

●膜外周蛋白可用高盐或碱性PH条件分离。

（2）整合蛋白（integral protein），又称内在蛋白（intrinsic protein），水不溶性蛋白，跨膜蛋白（transmembrane protein），部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性疏水区相互作用而结合在质膜上。结合紧密，需用去垢剂处理，使膜崩解后才能采可分离出来。

（3）脂锚定蛋白(lipid-anchored protein)又称脂连接蛋白(lipid-linked protein)，通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧或内侧。

分为3种类型：①脂肪酸结合到膜蛋白N端的甘氨酸残基；②结合到膜蛋白C端的半胱氨酸残基，常为双锚定；③通过糖脂锚定。由于都含有磷脂酰肌醇，因此称为磷脂酰肌醇糖脂锚定，简称GPI 锚定。

2.内在膜蛋白与膜脂结合的方式

●均为跨膜蛋白质：胞质外结构域、跨膜结构域和胞质内结构域。

（1）膜蛋白跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心相互作用。

（2）跨膜结构域两端的氨基酸残基与磷脂的极性头部形成离子键。

（3）胞质内结构域的半胱氨酸残基可共价结合脂肪酸分子。

3.去垢剂（detergent）

●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，为人工合成物。

●去垢剂可插入膜脂，与膜脂或膜蛋白的跨膜结构域等疏水部位结合，形成可溶性的微粒。

●离子型去垢剂与非离子型去垢剂。

二、细胞质膜的基本特征与功能

（一）膜的流动性

●是所有生物膜的基本特征之一，其力学基础就是膜二维空间上热运动，具体表现在膜脂和

蛋白质分子的运动性。

●膜的流动性是细胞进行生命活动的必要条件，同时也受控于细胞代谢过程的调节。

1.膜脂的流动性

●主要指膜脂分子的侧向运动。

●在生理条件下，膜脂多呈液晶态，温度下降至某点，则变为晶态。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，在不同温度下发生的膜脂状态的改变称为相变（Phase transition）。

●膜脂由于成分不同而各有其不同的相变温度。在某一温度下，有些脂处于晶态，另一些脂

仍处于液态。处于这两种不同状态的磷脂分子分别各自汇集，形成了相的分离。

●胆固醇对动物细胞膜的流动性起双重调节作用。相变温度以上，限制；相变温度以下，增

强。稳定膜结构、保证流动性。

●卵磷脂/鞘磷脂的比值：两者的含量约占整个膜脂的50%。卵磷脂所含脂肪酸的不饱和程度

高，相变温度较低；鞘磷脂相反（25-35℃），微粘度比前者大5-6倍。细胞衰老，比值下降，流动性降低。

●其它因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。

2.膜蛋白的流动性

●由于膜脂的流动，给膜蛋白提供了可以流动的环境，加上膜蛋白自身构型的变化，使膜蛋

白处于动态之中。属于自发热运动，无需细胞提供能量。

（1）侧向扩散：可用荧光漂白技术和细胞融合技术检测侧向扩散。

（2）旋转扩散：围绕与膜平面垂直的轴旋转。

膜Pr的运动受到许多因素的限制：

● A 被膜骨架固定

● B 在Motor protein的牵引下定向运动

● C 其运动受其它膜蛋白的限制或影响

● D 被膜骨架(或其它膜结构)限制在一定范围内运动

● E 其运动受细胞外基质限制

3. 膜流动性的生理意义

（1）酶活性与膜的流动性有关：在一定范围内，流动性大，使酶活性增加。

（2）与物质的运输有关：一些载体Pr分子的运动性，取决于脂类分子的流动性。

（3）细胞的信息传递、激素、药物的作用等与膜流动性密切相关。

（4）细胞在分裂期(M)流动性高；在G1期和S期膜流动性最低。

（5）随年龄增加，细胞中饱和脂肪酸增多，膜流动性较低。

（6）耐寒性与膜的流动性有关：耐寒品种中脂肪的不饱和程度较高，膜的流动性较大。

（二）膜的不对称性

●同一种膜脂分子在脂双层中呈不均匀分布。

●蛋白质分子在膜上的分布具有明确的方向性。

●糖脂和糖蛋白只分布于细胞质膜的外侧。

1.细胞质膜各膜面的名称

●细胞外表面ES；细胞膜外小叶。

●外小叶断面EF。

●原生质表面PS；细胞膜内小叶。

●原生质小叶断面PF。

●细胞内膜系统根据类似的原理命名。

2.膜脂的不对称性

●鞘磷脂和卵磷脂多分布在细胞膜的外小叶

●磷脂酰乙醇胺、肌醇和丝氨酸多分布在质膜的内小叶；

●胆固醇的内外小叶的分布比较均匀；

●糖脂都在质膜或其它内膜的ES面。

3. 膜蛋白的不对称性

●细胞表面受体、膜上载体蛋白等，都按一定的取向传递信号和转运物质；糖蛋白的糖残基

均分布在质膜的ES面。

●膜蛋白的不对称性是在合成时就决定的；亦不会发生翻转运动。

（三）细胞质膜相关的膜骨架

●细胞质膜与膜下的细胞骨架系统相互作用，形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功

能。这些结构包括膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及变形足等。

●与细胞的形态维持、运动和物质交换等功能有关。

（一）膜骨架membrane associated skeleton

●细胞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。

●对红细胞来说，膜支架蛋白主要是血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白和带4.1蛋白。

●大多数细胞也发现存在膜骨架结构。

（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，完成信息跨膜传递。

④为多种酶提供结合位点。

⑤介导细胞之间、细胞与基质之间的连接。

⑥参与形成不同功能的细胞表面特化结构。

⑦膜蛋白的异常与一些疾病相关。

（五）细胞表面特化结构

●细胞表面是一个复合的结构体系，是细胞质膜与细胞外被（cell coat）的总称。

●另有一些对细胞表面的定义：

●┌─cell coat

●cell surface-----质膜（包括各种特化结构）

●└─质膜下的胞质溶胶

（1）细胞外被：广义是指质膜外的所有覆盖物。对cell有保护作用，参与物质交换、cell增殖的接触抑制、cell识别等。

●植物的细胞外被是由果胶和纤维素构成的细胞壁；细菌的是脂多糖；动物的为一薄层复合

糖，厚约200nm，包括糖蛋白、糖脂及蛋白聚糖。

●哺乳动物小肠上皮细胞的外被又称糖萼glycocalyx。

（2）胞质溶胶（cytosol）

●指邻近质膜的一层无结构的液体物质，具有一定粘滞性，也称细胞皮层或凝胶层。该区域

含丰富肌动蛋白纤维，为细胞膜提供强度和韧性，帮助维持细胞形状。

●光镜下厚0.1-0.2μ。电镜下就是指端网区(terminal web)，既是在带状桥粒这一平面上由大量

纤维交织成的网层。

（3）微绒毛（microvilli）

●细胞表面伸出的细长指状突起，直径约为0.1μm，广泛存在于动物细胞表面。

●微绒毛的内芯由肌动蛋白丝束组成，肌动蛋白丝之间由许多微绒毛蛋白（villin）和丝束蛋

白（fimbrin）组成的横桥相连。

（4）皱褶（ruffle）

●在细胞表面的一种扁形突起，称为皱褶或片足（lamellipodia）。在形态上不同于微绒毛，它

宽而扁，宽度不等，厚度与微绒毛直径相等，约0.1μm，高达几微米。

●巨噬细胞的表面普遍存在着皱褶结构，与吞噬颗粒物质有关。

（5）内褶（infolding）

●细胞质膜向细胞质内陷形成的结构，同样具有扩大了细胞表面积的作用。

●这种结构常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。

（6）纤毛（cilium）和鞭毛（flagellium）

●细胞表面伸出的条状运动装置。二者在发生和结构上并没有什么差别，均由9+2微管构成。

与细胞的运动，物质运送等功能有关。