细胞生物学1-5章问答题.doc

一、 细胞概述 1. 胡克和列文虎克发现细胞的动机是不同的， 你对此有何感想?（答案） 答：胡克当时的目的只是想弄清楚为什么软木塞吸水后能够膨胀，并且能够堵塞住暖水瓶中的气体溢出而保温。列文虎克是为了保证售出的布匹质量，用显微镜检查布匹是否发霉。正是由于他们的观察力和对自然现象的好奇心， 以及对事业的责任感才导致细胞的发现。 2. 为什么恩格斯对细胞学说给予与此高的评价?（答案） 答：因为细胞学说的提出解决了生命的共同起源， 即生命的同一性问题。 3. 如何理解人才、理论和技术在科技发展中的作用?（答案） 答：从细胞的发展史可看出: 人才是关键，是原动力， 理论是指导， 指引方向， 技术是突破点。 4. 证明最早的遗传物质是RNA而不是DNA的证据是什么?（答案） 答：核酶的发现。所谓核酶就是具有催化活性的RNA分子。 5. 举例说明细胞的形态与功能相适应。（答案） 答：细胞的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。如红细胞呈扁圆形的结构，有利于O2和CO2的交换;高等动物的卵细胞和精细胞不仅在形态、而且在大小方面都是截然不同的，这种不同与它们各自的功能相适应。卵细胞之所以既大又圆，是因为卵细胞受精之后， 要为受精卵提供早期发育所需的信息和相应的物质， 这样， 卵细胞除了带有一套完整的基因组外，还有很多预先合成的mRNA和蛋白质， 所以体积就大; 而圆形的表面是便于与精细胞结合。精细胞的形态是既细又长， 这也是与它的功能相适应的。精细胞对后代的责任仅是提供一套基因组，所以它显得很轻装; 至于精细胞的细尾巴则是为了运动寻靶，尖尖的头部，是为了更容易将它携带的遗传物质注入卵细胞。 6. 真核细胞的体积一般是原核细胞的1000倍，真核细胞如何解决细胞内重要分子的浓度问题?（答案） 答：出现了特化的内膜系统，这样，体积增大了，表面积也大大增加， 并使细胞内部结构区室化，一些重要分子的浓度并没有被稀释。 7. 相邻水分子间的关系是靠氢键维系的， 这种氢键赋予水分子哪些独特的性质， 对于生活细胞有什么重要性?（答案） 答：首先，氢键能够吸收较多的热能，将氢键打断需要较高的温度，所以氢键可维持细胞温度的相对稳定。第二是相邻水分子间形成的氢键使水分子具有一定的粘性，这样使水具有较高的表面密度。第三，水分子间的氢键可以提高水的沸点，这样使它不易从细胞中挥发掉。 8. 蛋白质的糖基化对蛋白质的理化性质有哪些影响?（答案） 答：溶解度。糖基化往往使蛋白质在水中的溶解度增大。但是，若糖链增长到一定程度，由于相对分子质量增大和形成高级结构，亦会出现憎水性增加的现象。电荷。氨基糖解离后，应带正电荷。但是，天然存在的氨基糖的氨基都被N-乙酰基取代，实际上相当于中性糖。许多糖链上有唾液酸，或糖醛酸，解离后带负电荷。所以，糖基化可能使蛋白质增加许多负电荷。 9. 组成蛋白质的基本构件只是20种氨基酸。为什么蛋白质却具有如此广泛的功能? （答案） 答：根本原因是蛋白质具有几乎无限的形态结构，因此蛋白质仅仅是一类分子的总称。换句话说，蛋白质之所以有如此广泛的作用，是因为蛋白质具有各种不同的结构，特别是在蛋白质高级结构中具有不同的结构域，而这种不同的空间构型使得蛋白质能够有选择地同其它分子进行相互作用，这就是蛋白质结构决定功能的特异性。正是由于蛋白质具有如此广泛不同特异性才维持了生命的高度有序性和复杂性。 10.为什么解决生命科学的问题不能仅靠分子生物学而要靠细胞生物学?（答案） 答：在生命活动中，随着细胞周期的进行和细胞代谢状态的不同，各种反应复合物，包括细胞器乃至整个细胞要不断进行组装和去组装。因此，细胞生命活动的基础是细胞组装活动，而这些组装活动又不能简单地归结于分子水平的活动，这就是为什么不能仅靠分子生物学而要靠细胞生物学解决生命科学问题的缘由。 11.请简述病毒的生活史（答案） 答：病毒的生活史分为5个基本过程: 吸附(absorption): 病毒对细胞的感染起始于病毒蛋白外壳同宿主细胞表面特殊的受体结合，受体分子是宿主细胞膜或细胞壁的正常成分。因此，病毒的感染具有特异性。 侵入(penetration): 病毒吸附到宿主细胞表面之后，将它的核酸注入到宿主细胞内。病毒感染细菌时，用酶将细菌的细胞壁穿孔后注入病毒核酸；对动物细胞的感染，则是通过胞吞作用，病毒完全被吞入。 复制(replication): 病毒核酸进入细胞后有两种去向，一是病毒的遗传物质整合到宿主的基因组中，形成溶原性病毒；第二种情况是病毒DNA(或RNA)利用宿主的酶系进行复制和表达。 成熟(maturation): 一旦病毒的基因进行表达就可合成病毒装配所需的外壳蛋白，并将病毒的遗传物质包裹起来，形成成熟的病毒颗粒。 释放(release): 病毒颗粒装配之后，它们就可从被感染的细胞中释放出来进入细胞外，并感染新的细胞。有些病毒释放时要将被感染的细胞裂解，有些则是通过分泌的方式进入到细胞外。 二、细胞生物学研究方法 1. 图2-3的解释（答案） 答：两个儿童共同振动一根绳子产生的波动类似于光子光子和电子形成的波，以此说明物体的大小对波的干扰。(a)两个儿童振动绳子产生的特征波长;(b)向绳子波中扔进一个球或一个物体，如果扔进物体的直径与绳子波长相近，就会干扰绳子波的移动;(3)如果扔进一个垒球或其他物体比绳子波长小得多，对绳子波的移动只有很小或没有干扰;(d)如果将绳子快速振动，波长就会大大缩短;(e)此时扔进垒球就会干扰绳子波的移动。 2. 为什么电子显微镜需要真空系统(vacuum system)?（答案） 答：由于电子在空气中行进的速度很慢，所以必须由真空系统保持电镜的真空度，否则，空气中的分子会阻挠电子束的发射而不能成像。用两种类型的真空泵串连起来获得电子显微镜镜筒中的真空，当电子显微镜启动时，第一级旋转式真空泵(rotary pump)获得低真空，作为二级泵的预真空；第二级采用油扩散泵(oil diffusion pump)获得高真空。 3. 什么是相位和相差?（答案） 答：所谓相位是光波在前进时，电振动呈现的交替的波形变化。由于光是电磁波，其电振动与磁振动垂直，又与波的传播方向垂直，导致了传播时波形的变化。同一种光波通过折射率不同的物质时，光的相位就会发生变化，波长和振幅也会发生变化。所谓相差是指两束光波在某一位置时，由于波峰和波谷不一致，即存在着相位上的差异，叫相差。同一种光通过细胞时，由于细胞不同部分的折射率不同，通过细胞的光线比未通过细胞的光线相位落后，而通过细胞核的光线比通过细胞其他部位的相位落后， 这就是相位差。 4. 与光镜相比， 用于电子显微镜的组织固定有什么特殊的要求?（答案） 答：比光镜的要求更高。首先是样品要薄，这是因为电子的穿透能力十分有限，即使是100200kV高压，电子穿透厚度仅为1m。通常把样品制成50100nm厚的薄片(一个细胞切成100200片)，称超薄切片(ultrathin section)。其次是要求很好地保持样品的精细结构，特别是在组织固定时要求既要终止细胞生命，又不破坏细胞的结构。第三是要求样品要具有一定的反差。电子显微镜的样品切片最后被放置在载网上而不是玻片上。 5. 什么是细胞分选？基本原理是什么？（答案） 答：用流式细胞计将特定的细胞分选分选出来的技术， 分选前， 细胞要被戴上特殊的标记。所用的标记细胞的探针是能够同待分选细胞表面特征性蛋白(抗原)结合的抗体，而这种抗体又能够同某种荧光染料结合。当结合有荧光染料的探针与细胞群温育时，探针就会同具有特异表面抗原的细胞紧紧结合，由于抗体的结合，被结合的细胞带上了荧光标记。细胞被标记之后，除去游离的抗体，并将细胞进行稀释。当稀释的细胞进入超声波振荡器时，极稀的细胞悬浮液形成很小的液滴，一个液滴中只含有一个细胞。液滴一旦形成并通过激光束时，激光束激发结合在细胞表面抗体分子成为一种标签。当液滴逐个通过激光束时，受到两种检测器的检测:如果液滴中含有细胞就会激活干涉检测器(interference detector)，只有带有荧光标记细胞的液滴才会激活荧光检测器(fluorescence detector)。当带有荧光标记的液滴通过激光束时，将两种检测器同时激活，引起液滴充电信号使鞘液带上负电荷。由于液滴带有负电荷，移动时就会向正极移动，进入到荧光标记细胞收集器中。如果是含有非荧光标记细胞的液滴进入激光束，只会被干涉检测器检测到，结果使充电信号将液滴的鞘液带上正电荷，从而在移动时偏向负极，被非荧光标记细胞收集器所收集。如果是不含有细胞的液滴进入激光束，则不会被任何检测器所检测，因而不会产生充电信号，液滴的鞘液不会带上任何电荷，所以在移动时不受任何影响直接进入非检测的收集器。 6. 什么是细胞培养， 应注意哪些问题?（答案） 答：在体外模拟体内的生理环境，培养从机体中取出的细胞，并使之生存和生长的技术为细胞培养技术。细胞培养技术是细胞生物学研究方法中最有价值的技术，通过细胞培养可以获得大量的细胞，也可通过细胞培养研究细胞的运动、细胞的信号传导、细胞的合成代谢等。细胞培养的突出特点是在离体条件下观察和研究细胞生命活动的规律。培养中的细胞不受体内复杂环境的影响，人为改变培养条件(如物理、化学、生物等外界因素的变化)即可进一步观察细胞在单因素或多因素的影响下的生理功能变化。然而，细胞在体外环境的局限性，又使细胞的形态与功能不能与体内的同类细胞完全等同。 体外培养细胞必需注意三个环节物质营养、生存环境和废物的排除。 体外培养细胞所需的营养是由培养基提供的。培养基通常含有细胞生长所需的氨基酸、维生素和微量元素。一般培养细胞所用的培养基是合成培养基，它含有细胞生长必需的营养成分，但是在使用合成培养基时需要添加一些天然成分，其中最重要的是血清，以牛血清为主。这是因为血清中含有多种促细胞生长因子和一些生物活性物质。 由于血清中含有一些不明成分，对于特殊目的细胞培养是不利的。为此，研究人员正在探索无血清培养细胞的条件，并已经取得一些进展。由于机体内的细胞生长通常需要不同的细胞因子进行调节，所以在无血清培养时仍然需要添加必要的因子，包括：促细胞生长因子(如EGF)、促贴附物(如层粘连蛋白)和其它活性物质(如转铁蛋白)。无血清培养排除了有血清培养时血清中不明因素的干扰，使实验结果更加可靠。 体外细胞培养必需模拟体内细胞生长的环境。环境因素主要是指无菌环境、合适的温度、一定的渗透压和气体环境。气体主要有两种O2和CO2。后者对于维持细胞培养液的酸碱度十分重要。 活体内生长的细胞所产生的代谢物和废物通过一定的系统进行利用和排除。体外培养细胞产生的代谢物和废物积累在培养液中，所以定期更换培养液，对于体外细胞培养也是至关重要的。 7. 什么是细胞系和细胞株?（答案） 答：原代培养物经首次传代成功后即为细胞系(cell line)， 由原先存在于原代培养物中的细胞世系所组成。如果不能继续传代，或传代次数有限， 可称为有限细胞系(finite cell line)， 如可以连续培养， 则称为连续细胞系(continuous cell line)， 培养50代以上并无限培养下去。 从一个经过生物学鉴定的细胞系由单细胞分离培养或通过筛选的方法由单细胞增殖形成的细胞群称细胞株(cell strain)。所以细胞株是通过选择法或克隆形成法从原代培养物或细胞系中获得的具有特殊性质或标志的培养细胞。从培养代数来讲，可培养到40-50代。 8. 动物体细胞克隆有什么意义?（答案） 答：动物体细胞克隆技术的成功对生命科学的发展具有重要的推动作用，不仅证明了动物的体细胞具有全能性， 而且有巨大的应用前景。例如结合转基因技术生产药物。现在很多药物如胰岛素、生长激素、表皮生长因子等都是动物细胞体内正常的代谢物，某些病人由于产生这些物质的功能发生缺陷，导致了相应疾病的发生，目前的治疗方法就是给这些病人注射这类药物。由于这类药物本身是来自动物的某些脏器，制备这种药物就需要大量的动物提供脏器，因此成本就很高，如果通过转基因技术把相应的基因转入到哺乳动物，让动物的乳汁生产具有疗效的蛋白质就会降低成本，再结合动物体细胞克隆技术，将这种转基因动物大量无性繁殖克隆，就可以大大提高产量，大幅度降低成本，同时也保证了所转基因的稳定。该项技术也可以生产供动物本身和人类器官移植的动物， 解决器官捐赠长期缺乏的问题。另外，动物体细胞克隆技术在基因结构和功能、基因治疗、遗传病及人类衰老等的研究方面都具有巨大的潜力。 9. 蔗糖、甘油和氯化铯都是密度离心分离中的介质， 它们在性质上和使用上有什么不同?（答案） 答：CsCl可自行形成密度梯度，所以不必特别制备密度梯度，只要将待分离的样品与之混匀即可。在离心的过程中，具有不同密度的颗粒随CsCl密度梯度的形成重新分配;而蔗糖和甘油要人工置备密度梯度。 蔗糖和甘油的最大密度为1.3g/cm3 ，所以只能用于分离密度在 1.3g/cm3以下的细胞器或细胞结构;而氯化铯的最大密度可达1.9g/cm3以上， 可用于分离密度大于1.3g/cm3的DNA分子。 在原理上， 由于具有不同密度的颗粒随CsCl密度梯度的形成重新分配，所以又称为浮力密度离心(buoyant density centrifugation); 而蔗糖和甘油则是在被离心的物质在下降的过程中由于密度的不同而被阻止在不同的部位，故是重力密度离心。 10. 离子交换层析的原理是什么?（答案） 答：离子交换层析是根据蛋白质所带电荷的差异进行分离纯化的一种方法。蛋白质的带电性是由蛋白质多肽中带电氨基酸决定的。由于蛋白质中氨基酸的电性又取决于介质中的pH，所以蛋白质的带电性也就依赖于介质的pH。当pH较低时，负电基团被中和，而正电基团就很多; 在pH较高时，蛋白质的电性与低pH时相反。当蛋白质所处的pH，使蛋白质的正负电荷相等，此时的pH称为等电点。 离子交换层析所用的交换剂是经酯化、氧化等化学反应引入阳性或阴性离子基团制成的，可与带相反电荷的蛋白质进行交换吸附。带有阳离子基团的交换剂可置换吸附带负电荷的物质，称为阴离子交换剂，如DEAE-纤维素树脂;反之称为阳离子交换剂，如CM-纤维素树脂。不同的蛋白质有不同的等电点，在一定的条件下解离后所带的电荷种类和电荷量都不同，因而可与不同的离子交换剂以不同的亲和力相互交换吸附。当缓冲液中的离子基团与结合在离子交换剂上的蛋白质相竞争时，亲和力小的蛋白质分子首先被解吸附而洗脱，而亲和力大的蛋白质则后被解吸附和洗脱。因此，可通过增加缓冲液的离子强度和/或改变酸碱度，便可改变蛋白质的吸附状况，使不同亲和力的蛋白质得以分离。 11. 何谓乳腺生物反应器， 它的出现有什么意义?（答案） 答：乳腺生物反应器是根据细胞生物学中蛋白质合成与分选的机理，结合基因工程技术、动物转基因技术等，利用动物的乳腺分泌某些具有重要价值的基因产物。 乳腺生物反应器是一项综合技术，发展乳腺生物反应器不仅需要基因工程技术，也需要动物胚胎技术，转基因技术，蛋白质提纯技术和常规畜牧技术。 乳腺生物反应器有特殊优点。乳腺生物反应器生产药品，基本上是一个畜牧业过程。 三、细胞质膜与跨膜运输 1. 请比较质膜、内膜和生物膜在概念上的异同（答案） 答：细胞质膜(plasma membrane)是指包围在细胞表面的一层极薄的膜，主要由膜脂和膜蛋白所组成。质膜的基本作用是维护细胞内微环境的相对稳定，并参与同外界环境进行物质交换、能量和信息传递。另外， 在细胞的生存、生长、分裂、分化中起重要作用。 真核生物除了具有细胞表面膜外，细胞质中还有许多由膜分隔成的各种细胞器，这些细胞器的膜结构与质膜相似，但功能有所不同，这些膜称为内膜(internal membrane)，或胞质膜(cytoplasmic membrane)。内膜包括细胞核膜、内质网膜、高尔基体膜等。由于细菌没有内膜，所以细菌的细胞质膜代行胞质膜的作用。 生物膜(biomembrane，or biological membrane)是细胞内膜和质膜的总称。生物膜是细胞的基本结构，它不仅具有界膜的功能，还参与细胞的全部生命活动。 2. 如何理解细胞膜作为界膜对细胞生命活动所起的作用?（答案） 答：界膜的涵义包括两个方面:细胞界膜和内膜结构的界膜， 作为界膜的膜结构对于细胞生命的进化具有重要意义，这种界膜不仅使生命进化到细胞的生命形式，也保证了细胞生命的正常进行，它使遗传物质和其他参与生命活动的生物大分子相对集中在一个安全的微环境中，有利于细胞的物质和能量代谢。细胞内空间的区室化，不仅扩大了表面积，还使细胞的生命活动更加高效和有序。 3. 简述细胞膜结构的基本功能及对细胞生命活动的影响（答案） 答：细胞膜结构的基本功能包括以下几个方面: 界膜和区室化(delineation and compartmentalization) 细胞膜最重要的作用就是勾划了细胞的边界，并且在细胞质中划分了许多以膜包被的区室。 调节运输(regulation of transport) 膜为两侧的分子交换提供了一个屏障，一方面可以让某些物质"自由通透"，另一方面又作为某些物质出入细胞的障碍。 功能区室化 细胞膜的另一个重要的功能就是通过形成膜结合细胞器，使细胞内的功能区室化。例如细胞质中的内质网、高尔基体等膜结合细胞器的基本功能是参与蛋白质的合成、加工和运输；而溶酶体的功能是起消化作用，与分解相关的酶主要集中在溶酶体。又如线粒体的内膜主要功能是进行氧化磷酸化，与该功能有关的酶和蛋白复合体集中排列在线粒体内膜上。另一个细胞器叶绿体的类囊体是光合作用的光反应场所，所以在类囊体膜中聚集着与光能捕获、电子传递和光合磷酸化相关的功能蛋白和酶。 信号的检测与传递(detection and transmission of signals) 细胞通常用质膜中的受体蛋白从环境中接收化学和电信号。细胞质膜中具有各种不同的受体，能够识别并结合特异的配体，产生一种新的信号激活或抑制细胞内的某些反应。如细胞通过质膜受体接收的信号决定对糖原的合成或分解。膜受体接收的某些信号则与细胞分裂有关。 参与细胞间的相互作用(intercellular interaction) 在多细胞的生物中， 细胞通过质膜进行多种细胞间的相互作用，包括细胞识别、细胞粘着、细胞连接等。如动物细胞可通过间隙连接，植物细胞则通过胞间连丝进行相邻细胞间的通讯， 这种通讯包括代谢偶联和电偶联。 能量转换(energy transduction) 细胞膜的另一个重要功能是参与细胞的能量转换。例如叶绿体利用类囊体膜上的结合蛋白进行光能的捕获和转换，最后将光能转换成化学能储存在碳水化合物中。同样，膜也能够将化学能转换成可直接利用的高能化合物ATP，这是线粒体的主要功能。 细胞膜的这些基本功能也是生命活动的基本特征，没有膜的这些功能， 细胞不能形成， 细胞的生命活动就会停止。 4. 有人说红细胞是研究膜结构的最好材料，你能说说理由吗?（答案） 答：首先是红细胞数量大，取材容易(体内的血库)，极少有其它类型的细胞污染; 其次成熟的哺乳动物的红细胞中没有细胞核和线粒体等膜相细胞器，细胞膜是它的惟一膜结构， 所以分离后不存在其它膜污染的问题。 5. 红细胞如何进行O2和CO2的运输作用?（答案） 答：红细胞对O2和CO2的运输与膜的性质有关。氧是一种小分子，它能够自由扩散通过红细胞膜进入红细胞内，并被血红蛋白结合。红细胞膜的这种性质使得红细胞能够从肺中摄取氧，因为在肺毛细管中O2的压力高， O2就很容易透过红细胞膜进入红细胞；又由于肺毛细管中CO2的压力很低，红细胞中的CO2就会释放出来。红细胞从肺组织中获得O2后通过循环系统进入体毛细管，在体毛细管中由于O2的压力低、CO2压力高，O2就会从红细胞中释放出来，而CO2则会进入红细胞。 由于气体CO2难溶于水溶液，进入红细胞后就难以溶解到红细胞的细胞质中。这要依赖于红细胞质中的碳酸酐酶(carbonic anhydrase)，它可将CO2转变成水溶性的碳酸氢根阴离子(HCO3-)。水溶性的碳酸氢根阴离子通过红细胞膜中的带3蛋白，同Cl-离子进行交换排出红细胞，所以将带3蛋白称为阴离子交换蛋白。 6. 请简述红细胞膜骨架的装配过程（答案） 答：分为三步; 首先是血影蛋白与4.1蛋白、肌动蛋白的相互作用:血影蛋白的和亚基形成二聚体，在红细胞膜内，血影蛋白多以4聚体形式存在(也有6聚体、8聚体)。血影蛋白4聚体在4.1蛋白的帮助下同肌动蛋白寡聚体结合组成骨架的基本网络。一般认为，1217个肌动蛋白寡聚体及4.9蛋白和原肌球蛋白组成一个基本结构蛋白，这种结构蛋白再结合到血影蛋白和4.1蛋白复合体上。4.9蛋白和原肌球蛋白可稳定肌动蛋白寡聚体。 4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用:4.1蛋白的N端，35000的区域在生理状态下带正电荷，而血型糖蛋白带负电荷，所以4.1蛋白能够以静电稳定性同血型糖蛋白结合。 锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白的相互作用:锚定蛋白N端90000区可与带3蛋白结合，而72000区可与血影蛋白结合，由于带3蛋白是膜整合蛋白、血影蛋白是膜骨架蛋白，所以锚定蛋白起媒介作用将骨架蛋白与质膜相连。 7. 有人说膜脂的功能仅作为膜的骨架，并作为非脂溶性物质进入细胞的障碍， 你认为此说有何不妥?（答案） 答：膜脂的主要功能是构成膜的基本骨架。去除膜脂，则使膜解体。另外膜脂也是膜蛋白的溶剂，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。有研究表明，膜脂为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活性提供环境，一般情况下，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。如果去掉脂类， 酶蛋白即失去活性，加上脂类， 又可使活性恢复。有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存在时才有功能。 8. 糖脂是如何决定血型的?（答案） 答：ABO血型是由ABO血型抗原决定的， 称为ABO血型决定子(determinant)，它是一种糖脂， 其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用。 ABO血型决定子是短的、分支寡糖链，如A血型的人具有一种酶，这种酶能够将N-乙酰半乳糖胺添加到糖链的末端；B血型的人具有在糖链末端添加半乳糖的酶，AB血型的人具有上述两种酶；O血型的人则缺少上述两种酶，在抗原的末端既无N-乙酰氨基半乳糖，又无半乳糖。 也就是说 人的血型是A型、B型、AB型还是O型，是由红细胞膜脂或膜蛋白中的糖基决定的。A血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)，B血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是半乳糖(Gal)，O型则没有这两种糖基，而AB型的人则在末端同时具有这两种糖。 9. 十二烷基磺酸钠(SDS)和Triton X-100都是去垢剂，哪一种可用于分离有生物功能的膜蛋白?（答案） 答：去垢剂可分为离子型和非离子型两种。十二烷基磺酸钠(SDS)是常用的离子型去垢剂，它不仅可使细胞膜崩溃，并与膜蛋白的疏水部分结合使其分离，而且还破坏膜蛋白内部的非共价键，使蛋白变性，所以不宜用于分离有功能的膜蛋白。Triton X-100是温和性去垢剂，它可以使膜脂溶解，又不使蛋白变性，可分离到有生物功能的膜蛋白。 10. 膜结构不对称性的意义是什么?（答案） 答：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。 膜脂在膜中的分布是不对称的，虽然这种不对称性的生物学作用还了解得很少，但已经取得了不少进展。如糖脂是位于脂双层的外侧，其作用可能作为细胞外配体(ligand)的受体。磷脂酰丝氨基主要集中在脂双层的内叶，在生理pH下带负电荷，这种带电性使得它能够同带正电的物质结合，如同血型糖蛋白A跨膜螺旋邻近的赖氨酸、精氨酸结合。磷脂酰胆碱出现在衰老的淋巴细胞外表面，作为让吞噬细胞吞噬的信号。磷脂酰胆碱也出现在血小板的外表面，此时作为血凝固的信号。磷脂酰肌醇主要集中在内叶，它们在将细胞质膜的刺激向细胞质传递中起关键作用。 膜不仅内外两侧的功能不同， 分布的区域对功能也有影响。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是靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。 11. 孔蛋白只存在于双层膜的外膜中，为什么？（答案） 答：由于孔蛋白的孔径大，所以只能存在于外膜，而不能存在于内膜。内膜有界膜的作用，如果有孔蛋白，则失去界膜的功能。 12. 在酶法标记测定膜蛋白的定向实验中若是要标记膜内侧的蛋白，该如何处理？（答案） 答：将人工脂质体放入低渗溶液中，这样， 乳过氧化物酶就能进入脂质体进行内侧蛋白质标记(Q3-1)。 图Q3-1 乳过氧化物酶就能进入脂质体进行内侧蛋白质标记 13. 请说明磷脂酶处理法研究红细胞膜脂在脂双层中定位的原理（答案） 答：由于红细胞具有血影现象，只要将红细胞置于低离子浓度的溶液中，红细胞就会发生渗漏释放出内含物，得到只有红细胞膜的空壳。然后调整溶液中的Mg2+离子浓度，改变红细胞小泡的状态。若是从溶液中除去Mg2+， 则形成外翻的小泡，若是加入Mg2+则是正常方向的小泡， 然后用脂酶分别处理这两种红细胞膜。常用的脂酶是磷脂酶(phospholipase)，这种酶也是因为相对分子质量大而不通过细胞膜，所以磷脂酶只能附着在膜泡的外表面，能够被磷脂酶水解的就是位于外表面的磷脂，然后再根据它原来的状态，确定在红细胞膜脂中的定向。 14. 膜的流动性的生理意义何在？（答案） 答： 细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。 酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。 如果没有膜的流动性，细胞外的营养物质无法进入，细胞内合成的胞外物质及细胞废物也不能运到细胞外，这样细胞就要停止新陈代谢而死亡。 膜流动性与信息传递有着极大的关系。 如果没有流动性，能量转换是不可能的。 膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。 15. 请从起始条件、运输方式、产生的结果等三个方面进行主动运输和被动运输的比较。（答案） 答：将比较结果列于表Q3-1中: 表Q3-1 被动运输与主动运输在起始条件、运输方式和产生的结果的比较 被动运输 主动运输 起始条件 细胞外被运输的物质浓度大大高于细胞内的浓度 细胞外被运输的物质的浓度可能高于、也可能低于细胞内的浓度 运输方式 通过扩散或运输蛋白形成的通道进入细胞 通过具有酶活性的运输蛋白(泵)，在能量的驱动下进出细胞 产生的结果 最后使细胞内外的浓度达到平衡 最后细胞内外的浓度处于稳定，建立了浓度梯度 16. 如何根据细胞的渗透现象解释植物细胞的质壁分离(plasmolysis)?（答案） 答：由于细胞的渗透现象，使得细胞在不同浓度的溶液中，会发生膨胀(swell)或收缩(shrink)。实际上这种现象取决于溶液中的溶质和细胞中该物质的浓度。若将动物细胞置于高渗溶液中，水则会从细胞中渗出，细胞发生收缩。细胞在低渗溶液中会吸水膨胀和破裂。若将植物细胞置于高渗溶液中，细胞脱水发生质壁分离(plasmolysis)。若是在低渗溶液中，植物的细胞壁保护细胞防止过度膨胀而破裂，此时由于水的进入，细胞内的压力升高，使细胞变得坚硬(图Q3-2)。 图Q3-2动物细胞和植物细胞在不同浓度的蔗糖溶液中的行为 17. 为什么所有带电荷的分子(离子)， 不管它多小， 都不能自由扩散?（答案） 答: 带电的物质通常同水结合形成一个水合的外壳，这不仅增加了它们的分子体积，同时也大大降低了脂溶性。因此说，所有带电荷的分子(离子)，不管它多小， 都不能自由扩散。 18. 如何理解被动运输是减少细胞与周围环境的差别，而主动运输则是努力创造差别，维持生命的活力？（答案） 答：主要是从创造差异对细胞生命活动的意义方面来理解这一说法。主动运输涉及物质输入和输出细胞和细胞器，并且能够逆浓度梯度或电化学梯度。这种运输对于维持细胞和细胞器的正常功能来说起三个重要作用: 保证了细胞或细胞器从周围环境中或表面摄取必需的营养物质，即使这些营养物质在周围环境中或表面的浓度很低; 能够将细胞内的各种物质，如分泌物、代谢废物以及一些离子排到细胞外，即使这些物质在细胞外的浓度比细胞内的浓度高得多; 能够维持一些无机离子在细胞内恒定和最适的浓度，特别是K+、Ca2+和H+的浓度。概括地说，主动运输主要是维持细胞内环境的稳定，以及在各种不同生理条件下细胞内环境的快速调整， 这对细胞的生命活动来说是非常重要的。 19. 四种运输ATPase在结构、存在部位和功能上有什么不同?（答案） 答：四种运输ATPase的差异列于表Q3-2中。 表Q3-2 四类ATP驱动的离子和小分子运输泵的比较 类型 运输物质 结构与功能特点 存在的部位 P型 H+，Na+，K+，Ca2+ 通常有大小两个亚基，大亚基被磷酸化，小亚基调节运输。 H+泵:存在于植物、真菌和细菌的质 膜;Na+/K+:动物细胞的质膜;H+/K+泵:哺乳动物胃细胞表层质膜;Ca2+泵:所有真核生物的质膜; 肌细胞的肌质网膜。 F型 只是H+ 有多个跨膜亚基，建立H+的电化学梯度，合成ATP。 细菌的质膜、线粒体内膜、叶绿体的类囊体膜。 V型 只是H+ 多个跨膜亚基， 亚基的细胞质部分可将ATP水解， 并利用释放的能量将H+运输到囊泡中，使之成为酸性环境。 植物、酵母和其它真菌的液泡膜;动物细胞的溶酶体和内体的膜;某些分泌酸性物质的动物细胞质膜(如破骨细胞和肾管状细胞)。 ABC型 离子和各种小分子 两个膜结构域形成水性通道，两个细胞质ATP结合结构域与ATP水解及物质运输相偶联。不同结构域可以位于同一个亚基，也可位于不同的亚基。 细菌质膜(运输氨基酸、糖和肽);哺乳动物内质网膜(运输与MHC 蛋白相关的抗原肽);哺乳动物细胞质膜(运输小分子、 磷脂、小的类脂分子) 20. 简述 Na+/K+泵(Na+/K+ pump， Na+/K+ ATPase)的结构和作用机制（答案） 答：Na+/K+泵是动物细胞中由ATP驱动的将Na+ 输出到细胞外同时将K+输入细胞内的运输泵，又称Na+泵或Na+/K+交换泵。实际上是一种Na+ /K+ ATPase。Na+ /K+ ATPase是由两个大亚基(亚基)和两个小亚基(亚基)组成。亚基是跨膜蛋白，在膜的内侧有ATP结合位点，细胞外侧有乌本苷(ouabain)结合位点;在亚基上有Na+和K+结合位点。 Na+/K+ ATPase运输分为六个过程: 在静息状态，Na+/K+泵的构型使得Na+ 结合位点暴露在膜内侧。当细胞内Na+浓度升高时，3个 Na+ 与该位点结合； 由于Na+的结合，激活了ATP酶的活性， 使ATP分解， 释放ADP，亚基被磷酸化; 由于亚基被磷酸化， 引起酶发生构型变化， 于是与Na+ 结合的部位转向膜外侧，并向胞外释放3个Na+ ；膜外的两个K+同亚基结合; K+ 与磷酸化的Na+/K+ ATPase结合后， 促使酶去磷酸化; 去磷酸化后的酶恢复原构型， 于是将结合的K+ 释放到细胞内。每水解一个ATP， 运出3个Na+ ， 输入2个K+ 。Na+ /K+泵工作的结果，使细胞内的Na+浓度比细胞外低1030倍，而细胞内的K+浓度比细胞外高1030倍。由于细胞外的Na+浓度高，且Na+是带正电的，所以Na+ /K+泵使细胞外带上正电荷。 意义: Na+/K+ 泵具有三个重要作用， 一是维持了细胞Na+离子的平衡，抵消了Na+离子的渗透作用;二是在建立细胞质膜两侧Na+离子浓度梯度的同时，为葡萄糖协同运输泵提供了驱动力;三是Na+泵建立的细胞外电位，为神经和肌肉电脉冲传导提供了基础。 21. 简述Ca2+ 泵(Ca2+ pump， Ca2+ ATPase)的结构和作用机理（答案） 答：Ca2+-ATPase有10个跨膜结构域，在细胞膜内侧有两个大的细胞质环状结构，第一个环位于跨膜结构域2和3之间，第二个环位于跨膜结构域4和5之间。在第一个环上有Ca2+离子结合位点;在第二个环上有激活位点，包括ATP的结合位点。Ca2+-ATPase的氨基端和羧基端都在细胞膜的内侧，羧基端含有抑制区域。在静息状态，羧基端的抑制区域同环2的激活位点结合，使泵失去功能，这就是自我抑制。 Ca2+-ATPase泵有两种激活机制，一种是受激活的Ca2+/钙调蛋白(CaM)复合物的激活，另一种是被蛋白激酶C激活。当细胞内Ca2+浓度升高时，Ca2+同钙调蛋白结合，形成激活的Ca2+/钙调蛋白复合物，该复合物同抑制区结合，释放激活位点，泵开始工作。当细胞内Ca2+浓度下降时，CaM同抑制区脱离，抑制区又同激活位点结合，使泵处于静息状态。在另一种情况下，蛋白激酶C使抑制区磷酸化，从而失去抑制作用；当磷酸酶使抑制区脱磷酸，抑制区又同激活位点结合，起抑制作用。 Ca2+ 泵的工作原理类似于Na+/K+ ATPase。在细胞质膜的一侧有同 Ca2+结合的位点，一次可以结合两个 Ca2+， Ca2+结合后使酶激活，并结合上一分子ATP，伴随ATP的水解和酶被磷酸化，Ca2+泵构型发生改变，结合 Ca2+的一面转到细胞外侧，由于结合亲和力低Ca2+离子被释放，此时酶发生去磷酸化，构型恢复到原始的静息状态。 Ca2+ -ATPase每水解一个ATP将两个Ca2+离子从胞质溶胶输出到细胞外。 22. 请简述细菌细胞中葡萄糖的磷酸化运输机理（答案） 答：细菌细胞中葡萄糖的磷酸化运输过程是:首先将供体磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸基团转移到细胞质的酶I(E-I)，然后将磷酸基团转移给HPr蛋白，起始步骤对于各种糖的运输都是相同的。第二步要根据被转运的糖而定，如运输的是葡萄糖，HPr蛋白要将磷酸基转给酶(E-)，再转给位于质膜中的酶(E-)，但对于甘露糖的转运则不需酶的参与，所以可直接将磷酸基团转给位于质膜中的酶(E-)；最后由酶将磷酸基团转给被运输的糖。酶和酶对于不同的糖具有特异性。 该运输方式中，被转运进到细胞中的糖浓度，从形式上看没有提高，但实质上是提高了，只不过通过磷酸化作用进行了修饰。 23. 什么是细菌视紫红质质子泵(bacteriorhodopsin proton pump)? 如何工作?（答案） 答：嗜盐的厌氧菌halobacterium halobium 生活在阳光充足的盐水池中。在进化过程中，这种菌的细胞质膜上出现了多种能被光线激活的蛋白质，“紫膜”是该菌质膜上一些特化的区域(斑块)，上面只含一种蛋白质，就是细菌视紫红质(bacteriorhodopsin)。该蛋白含有七个螺旋，每个螺旋长3-4nm，在蛋白的中部有几个能够吸收光的视黄醛基团，又称发色基团；当该基团被一个光量子激活时，就能引起整个分子的构型发生变化，导致两个H+从细胞内运送到细胞外。结果造成了细胞内外的质子浓度差：细胞外部高内部低，这种浓度梯度可被另一种膜蛋白用于ATP的合成。在这个系统中，H+的运输是由光提供能量。 24. 简述说明ABC运输蛋白对甘露糖运输的机理。（答案） 答：甘露糖先通过外膜的选择性孔蛋白进入膜间腔，然后被一种结合蛋白(周质结合蛋白)所结合。结合蛋白有两个结构域，一个同甘露糖结合，该结构域与甘露糖等物质结合后，会引起另一个结构域发生构型变化并同ABC运输蛋白结合。这样，被运输的物质就得以同ABC运输蛋白结合，在水解ATP供能的情况下，ABC运输蛋将糖等运入细胞内。 25. 请比较动物细胞和植物细胞主动运输的差异（答案） 答：动物细胞和植物细胞不仅结构有所差别，载体蛋白也有所不同。动物细胞质膜上有Na+-K+ ATPase，并通过对Na+、K+ 的运输建立细胞的电化学梯度；但是在植物细胞(包括细菌细胞)的质膜中没有Na+-K+ATPase，代之的是H+-ATP酶，并通过对H+的运输建立细胞的电化学梯度，使细胞外H+的浓度比细胞内高；与此同时H+泵在周围环境中创建了酸性pH，然后通过H+质子梯度驱动的同向运输，将糖和氨基酸等输入植物的细胞内。在动物细胞溶酶体膜和植物细胞的液泡膜上都有H+-ATP酶，它们作用都一样，保持这些细胞器的酸性。 四、 细胞环境与互作 1. 植物细胞被的主要成分有哪些? 各起什么作用?（答案） 答: 主要成分包括:纤维素、半纤维素、果胶、木质素和糖蛋白。 纤维素是由葡萄糖构成的，在细胞壁中，由5060个纤维素分子形成一束，并且相互平行排列，形成长的、坚硬的微纤维。纤维素则相当于动物细胞外基质中的胶原。 半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿伯糖、甘露糖和半乳糖等。半纤维素木聚糖在木质组织中占总量的50%，它结合在纤维素微纤维的表面，并且相互连接，这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网络。 果胶(pectin) 是由半乳糖醛酸和它的衍生物组成的多聚体。类似动物细胞的粘多糖，很容易形成水合胶。果胶在细胞壁中的作用主要是连接相邻细胞壁，并且形成细胞外基质，将纤维素包埋在水合胶中。 木质素(lignin)是由聚合的芳香醇构成的一类物质，主要存在于木质组织中，主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁。木质素主要存在于纤维素纤维之间， 它的作用是抵抗压力。 糖蛋白(glycoprotein) 在植物细胞壁中占总量10%。最重要的一种糖蛋白叫伸展蛋白(extensin)，这种蛋白同其它的相关蛋白一起，与纤维素等形成交叉网络，产生一种加固蛋白质-多糖复合物的力。 2. 初生壁和次生壁是如何形成的?（答案） 答: 细胞壁的分泌合成是逐步、分层次进行的，合成越早，最后离开质膜越远。首先形成的是中间层(middle lamella)，其构成成份主要是果胶。果胶是相邻两细胞壁所共有的，并且起到将两个细胞连接在一起的作用。 分泌合成的第二个区带称为初生壁，是在细胞生长时期形成的。初生壁的厚度约为100200nm，与动物细胞的基膜相当。初生壁由纤维素、半纤维素、果胶和糖蛋白等松散组成。在初生壁中，果胶对于初生壁的弹性是十分重要的，使细胞在生长过程中进一步扩展。 次生壁是在细胞停止生长后分泌形成的，主要是增加细胞壁的厚度和强度。次生壁位于初生壁的内层， 纤维素和木质素是次生壁的主要成份，但基本不含果胶，这样使得次生壁非常的坚硬。次生壁是由几层纤维素微纤维组成，各自形成密集结实的层。 3. 如何证明革兰氏阳性菌细胞壁中胞壁质还具有骨架作用决定细胞的形态?（答案） 答: 用溶菌酶水解细胞壁的胞壁质的实验可证明这一点，因为用溶菌酶水解了细菌细胞壁中的胞壁质之后，细菌就全部变成了球形。 4. 为什么青霉素对革兰氏阳性菌具有抑制作用?（答案） 答: 青霉素是由真菌产生的一种抗生素，它能够抑制参与细菌细胞壁肽聚糖装配后形成肽侧链的酶的活性，没有了侧链，细菌细胞就不能够抵抗正常的渗透压， 其结果被处理的细菌细胞就会破裂。青霉素主要是对革兰氏阳性菌起作用，因为革兰氏阴性菌的细胞壁中肽聚糖含量较少，所以对青霉素不太敏感。 5. 动物细胞的细胞外基质和植物细胞的细胞壁的共同特征是什么?（答案） 答: 动物细胞的细胞外基质的主要成份是胶原，而植物细胞壁的主要成份是纤维素。共同的特征是:它们都是长长的坚硬的纤维，并且这些纤维都是包埋在两性的基质中，在基质中充满了糖蛋白或多糖。 6. 细胞外基质具有哪些功能?（答案） 答: 细胞外基质具有下列功能: 对细胞的形态和细胞活性的维持起重要作用。 例如，若用酶将培养的软骨细胞或哺乳动物的胰腺表皮细胞的ECM水解掉，细胞的合成和分泌活动就会显著下降；此时将细胞外基质材料再添加到处理的培养瓶，可使细胞恢复活力并分泌产物。 帮助某些细胞完成特有的功能。 如肝细胞(hepatocytes)作为肝组织的主要细胞必须同基膜或其他的细胞外基质接触才能合成细胞型(cell-type)的蛋白质。将肝细胞分离并放在塑料培养皿中培养，即使加有某种胶原纤维，它们也会停止翻译肝组织特异蛋白(如白蛋白)的mRNA，并停止合成这些mRNA。如果在培养细胞的培养液中添加了合适的细胞外基质的成份，mRNA的合成和翻译就会恢复。 同一些生长因子和激素结合进行信号传导。 此外， 某些特殊的细胞外基质也是细胞分化所必需的。胚胎发育的最后阶段形态建成(morphogenesis)也需要某些细胞外基质的成份。 7. 透明质酸在细胞外基质中的存在方式和作用是什么?（答案） 答: 在细胞外基质中， 透明质酸既能参与蛋白聚糖的形成，又能游离存在。在软骨组织的细胞外基质中，透明质酸同糖胺聚糖和核心蛋白组成软骨组织的蛋白聚糖复合物，称为透明质酸-蛋白聚糖复合物。在这种复合物中，透明质酸作为一个长轴，将蛋白聚糖连接在一起，形成更大的更复杂的蛋白聚糖，使细胞外基质具有更大的抗压性。透明质酸是一种重要的糖胺聚糖，是增殖细胞和迁移细胞的细胞外基质的主要成分， 一旦迁移细胞停止移动，透明质酸就会从细胞外基质中消失，此时细胞间开始接触。 8. 蛋白聚糖在细胞外基质中的功能是什么?（答案） 9. 胶原的合成、装配和分泌的过程怎样?何时成为水不溶性的?（答案） 答: 首先在粗面内质网的核糖体上合成仅含有信号肽的原链(pro-chain)， 又称前原胶原（preprocollagen），原链进入内质网。然后在内质网腔中通过分子内交联， 三股前体肽自我装配形成三股螺旋， 即前胶原(procollagen)。前胶原进入高尔基体， 经过加工修饰，并在高尔基体反面网络被包进分泌小泡，然后通过与质膜的融合，分泌到细胞外。在细胞外，前胶原被两种专一性不同的蛋白水解酶作用， 切除N端和C端的前肽， 两端各保留部分非螺旋区，称为端肽区(telopeptide region)，此时形成的是胶原(collagen)。胶原通过分子间交联进而聚合成胶原原纤维(collagen fibrills)，最后装配成胶原纤维（collagen fibers)。原胶原是可溶性的， 但是， 聚合成胶原纤维就成为水不溶的了。 10. 举例说明某一特定组织的性能通常与胶原分子的三维结构有关（答案） 答: 例如腱，它起着连接肌肉和骨的作用，因此在肌肉收缩时必须能够承受巨大的拉力。腱具有细胞外基质，并且在E