细胞生物学讲义

1、CELL BIOLOGY第一章 绪论大纲要求理解：细胞生物学的概念了解：研究对象和任务, 细胞学说建立和经典时期, 细胞生物学与医学的联系和研究热点。知道：细胞生物学的分支学科，实验细胞学的发展，分子生物学的兴起, 细胞生物学研究热点。讨论德国媒体2001年沸沸扬扬地传播着一条惊人消息：加拿大一个名叫UFO（飞碟）的邪教组织，正在酝酿一个秘密计划克隆纳粹头子阿道夫·希特勒。 克隆人能成功吗？ 他俩的好恶将是相同的？ 克隆人，真的如潘多拉盒子里的魔鬼一样可怕吗？ 技术浪潮v 天文学（天问）推动农业、航海业v 物理化学（物问）推动能源、材料、信息技术v 生物学（命问）推动基因农业和基因药

2、物v 脑科学（脑问）推动下一轮智能技术浪潮生物经济 预防、控制疾病: 糖尿病、心血管疾病、肿瘤等 转基因技术与可持续农业发展：抗旱 、抗病抗虫品种 生物质能源：生物乙醇等，可再生 治理、保护生态环境：微生物技术 、环境生物技术、生物材料 主要内容第一节 细胞生物学一、细胞、细胞学及细胞生物学 cytology在光学显微镜水平上研究细胞的化学组成、形态、结构及功能的学科。Cell biology是在不同层次（显微、亚显微与分子水平）研究细胞基本生命活动规律的科学。 Three different levels At microscopic level At submicroscopic leve

3、lAt molecular level 二、细胞生物学研究的主要任务 细胞核、染色体以及基因表达生物膜、细胞器、细胞骨架细胞增殖及其调控 细胞分化及其调控 细胞的衰老与凋亡 细胞的起源与进化 细胞工程三、细胞生物学的分支学科 基因组学（genomics）蛋白质组学（proteomics）细胞组学（cytomics）定义： 以基因组数据库为基础，结合基因组学和蛋白质组学的技术，在单细胞水平上获取细胞分子表型的信息，进而研究细胞系统的结构以及内部分子功能的学科。 两大系列技术：细胞组分离技术；分离后再分析技术。 细胞遗传学（cytogenetics）从细胞的角度，特别是从染色体的结构与功能和其他细

4、胞器的关系来研究遗传与变异的规律。细胞生理学（cytophysiology）研究细胞如何从环境中摄取营养，经代谢而获得能量，进行生长、分裂和其他功能活动，以及对环境因子产生反应的学科。 细胞化学（cytochemistry）以化学方法来研究细胞各化学组成及其分布，并寻找它们的特性的科学。定位、定性研究定量研究细胞社会学（cytosociology ）从系统论的观点出发，研究整体和细胞群中细胞间的社会行为，包括：细胞识别：如精卵识别细胞通讯：整体和细胞群对细胞行为的调节等细胞形态学（cytomorphology）研究细胞形态及亚微结构的科学。细胞器的起源、形成机制及发展过程等分子细胞学（mole

5、cular cytology）从细胞遗传信息流的角度研究细胞内遗传物质的结构和表达的调控。第三节 细胞生物学与医学一、细胞生物学与医学关系 二、细胞生物学的重要研究领域 一、 细胞生物学与医学关系细胞生物学是基础医学的基础。细胞生物学是临床医学的基础。如：膜受体异常：家族性高胆固醇血症干细胞移植治疗帕金森病 医学新课题需从细胞生物学角度进行研究抗衰老 肿瘤（tumor or cancer）基础医学支柱课程老五大支柱：解剖、生理、生化、病理、药理新五大支柱：细胞生物学、分子生物学、医学遗传学、神经生物学、免疫学、第二节 细胞生物学的发展史一、细胞的发现与细胞学说建立二、光镜下的细胞学研究（19世

6、纪末）三、实验细胞学阶段（20世纪初中叶）多学科渗透与细胞生物学 四、亚显微与分子水平的相比生物学（一）细胞亚微结构 （二）分子生物学 Cell1665年，Hooke发现Cell theory一切生物都是由细胞组成；细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位。细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位Cytology研究细胞形态、结构、功能及生活史 Mitosis Miosis实验细胞学阶段细胞学与遗传学、生理学生物化学融合实验技术：染色技术、组织培养技术、离心技术Submicroscopic structure电镜下发现内质网、溶酶体、核糖体、线粒体高压电镜下发现细胞骨架扫描探针显微镜研究超微结构（

7、一）Submicroscopic structureMolecular biology1953，DNA double helix structure1958，the central lawMolecular cell biology细胞行为的分子机制20世纪后期的一些重要发现细胞膜：液态镶嵌模型蛋白质分选：信号肽能量转换：化学渗透假说细胞内运动：驱动蛋白基因表达与调控：内含子细胞社会性：细胞信号转导20世纪后期的一些重要发现细胞周期：MPF、cyclin细胞分化：克隆技术细胞衰老与死亡：PCD干细胞人类基因组计划：HGP二、 细胞生物学研究动态与医学 （一）细胞通讯和细胞信号转导 （二）细胞的

8、生长和分化 （三）细胞增殖及其调控 （四）细胞的衰老与凋亡 （五）基因组学、蛋白质组学 （六）细胞工程 （七）未来展望 （一）细胞通讯和细胞信号转导细胞间相互反映和作用的机制。是疾病机制、药物研发的研究基础。受体信号分子信号转导通路（二）细胞分化与干细胞研究细胞分化与潜能胚胎干细胞用于医学干细胞及其应用干细胞移植（stem cell transplant）造血干细胞移植胚胎干细胞移植神经干细胞移植（三）细胞增殖及其调控 Cell cycle的研究是机体生长发育、细胞癌变的研究基础。调控机制：三类调控因子checkpoint（四）细胞的衰老与凋亡失巢凋亡失巢凋亡” 是由于细胞与细胞外基质或相邻细

9、胞脱离接触而诱发的。 （五）基因组学、蛋白质组学基因组学研究热点：表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因表达了可遗传的变化的一门遗传学分支学科。表观遗传的现象如DNA甲基化、基因组印记、母体效应、基因沉默、核仁显性，休眠转座子激活和RNA编辑等。蛋白质组研究：亚细胞蛋白质组学比较蛋白质组学（六）细胞工程（cell project）在细胞水平上的遗传操作，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法改造细胞的某些生物学特性，从而创造新物种，以获得有价值的生物产品。具高效率的特点。包括：上游工程：基础操作下游工程：应用（七）未来展望18世纪60年代，英国进入

10、工业经济，20世纪50美国进入信息时代。 生物经济时代特点：生产干扰素（440亿$/kg）；改造物种，开始二次“创世纪”。人类遗传病的基因治疗成为常规技术。人工组织、器官用于医学治疗的目的。生物芯片应用于医疗、农业、司法等。网络系统管理生物经济的遗传信息。第四节细胞生物学的学习方法 细胞的结构与功能的统一掌握理论的同时注重实验课理论：80分平时成绩20分了解相关研究进展参考书 杂志 References 细胞生物学。翟中和，高教出版社，2000细胞生物学。汪堃仁，北师大出版社，1998Alberts. Molecuar Biology of the Cell, 3rd ed. 1994Lodi

11、sh. Molecular Cell Biology. 4th ed. 2000.Gerald Karp. Cell and Molecular Biology：concepts and experiments，3rd ed. 1999Bast. Cancer Medicine. 5th ed. 2000. Becker. The World of the Cell. 4th ed. 2000ReferencesJournals The end第二章 细胞的概念与分子基础 第一节 细胞的基本概念第二节 细胞的起源与进化第三节 细胞的分子基础大纲要求基本要求：理解：核酸，比较原核细胞与真核细胞了

12、解：蛋白质知道：细胞的形成与进化重点和难点：蛋白质和核酸等生物大分子的结构和功能第一节 细胞的基本概念一、细胞是生命活动的基本单位二、原核细胞三、真核细胞四、非细胞生命形态病毒 原核细胞和真核细胞的比较 一、细胞是生命活动的基本单位1、构成有机体的基本单位2、具有独立完整的代谢系统3、是有机体生长发育的基础4、是遗传的基本单位5、没有细胞就没有完整的生命生物的分界（ kingdom ）生物的分界（ kingdom ）二界系统：三界系统：植物、动物、原生生物五界系统：原核生物总界真核生物总界：植物、动物、真菌、原生生物六界系统：无细胞生物总界、原核生物总界、真核生物总界生物的分界（ kingdo

13、m ）二、原核细胞（ prokaryotic cell ）1、支原体是最小最简单的细胞2、细菌（bacteria）3、古细菌：1、支原体是最小最简单的细胞直径约0.10.3um是脑炎、肺炎和尿道炎的病原体2、细菌（bacteria）细胞壁（cell wall,含肽聚糖）荚膜（capsula） 中间体拟核有环状DNA质粒（plasmid）核糖体：50S+30S三、真核细胞（ eukaryotic cell ）（一）形态大小（二）基本结构（一）细胞形态大小一般直径1020um（二）基本结构生物膜结构： 细胞核： 细胞骨架： 细胞质溶胶:生物膜结构细胞骨架系统细胞核原核细胞和真核细胞比较结构差异：真

14、核细胞具内膜系统、细胞骨架、80S核糖体原核细胞无内膜系统、细胞骨架、70S核糖体遗传系统差异：DNA含量：DNA分子结构：染色质或染色体：基因结构：基因表达：细胞增殖差异：四、病毒（virus）DNA病毒RNA病毒类病毒（ viroid ）拟病毒朊病毒（ prion ）天花病毒狂犬病病毒烟草花叶病毒受病毒侵染的郁金香第三节 细胞的分子基础一、生物小分子二、生物大分子一、 生物小分子（一）无机化合物水无机盐（二）有机小分子：单糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸二、 生物大分子（一）核酸（二）蛋白质（三）多糖（四）脂类（一）核酸（nucleic acid）化学组成 （一）DNA（ deoxyribonu

15、cleic acid ）（二）RNA （ribonucleic acid ）（三）核酶和脱氧核酶（一）核酸的化学组成核苷酸 碱基（A、T/U、G、C）戊糖磷酸35磷酸二脂键 核苷酸核苷酸35磷酸二脂键2、DNADNA的结构：一级结构、二级结构DNA双螺旋结构 A、B、Z型 DNA的功能：储存、复制和传递遗传信息DNA双螺旋结构A、B、Z型遗传信息的储存通过碱基对数和排列顺序的不同储存遗传信息。问题：10个碱基的DNA分子有多少种？（三）RNAmRNA rRNA tRNA snRNA miRNA 核酶 mRNA密码子tRNA反密码子rRNAsnRNA形成剪接体加工基因转录产物miRNARNA干扰

16、：mi RNA、siRNA以序列同源互补的mRNA为靶点，通过促使特定基因的mRNA降解来高效、特异地阻断体内特定基因表达的现象。核酶和脱氧核酶核酶（ribozyme）：具有酶活性的RNA脱氧核酶（deoxyribozyme）：具有催化功能的DNA分子核酶（ribozyme）（二）蛋白质1、化学组成2、分子结构3、折叠机制4、结构与功能的关系5、酶1、化学组成2、分子结构一级结构：氨基酸顺序二级结构：主链内相互作用而折叠三级结构：侧链间相互作用进一步折叠四级结构：多个亚单位组装复杂空间结构一级结构二级结构三级结构四级结构3、折叠机制分子伴侣（molecular chaperone）参与折叠4、

17、结构与功能的关系一级结构是基础空间结构决定功能 结构域（三级结构）5、酶（enzyme）（三）糖类糖蛋白糖脂携带细胞信息等功能细胞的形成和进化从分子到细胞多核苷酸的形成多肽的形成原始细胞的形成从原核细胞到真核细胞从单细胞到多细胞第三章 细胞生物学技术大纲要求 主要内容 大纲要求基本要求： 理解：显微镜技术，细胞培养细胞分级技术了解：分子生物学技术知道：细胞内分子示踪重点和难点：重点：显微镜技术和细胞培养技术难点：分子细胞生物学技术。主要内容第一节 显微镜技术 第二节 细胞分离和培养技术 第三节 细胞组分的分离纯化和分析 第四节 细胞化学技术（分子示踪）第五节 细胞功能基因组学研究技术 第一节

18、显微镜技术一、光学显微镜技术 二、电子显微镜技术 三、X射线衍射技术 四、核磁共振技术五、活细胞内分子检测技术六、扫描探针显微术 一、光学显微镜技术（一）普通光学显微镜 （二）荧光显微镜 （三）相差显微镜 （四）暗视野显微镜技术（五）显微摄影技术（六）激光扫描共焦显微镜 （一）普通光学显微镜技术分辨率 极限发大倍数人眼分辨率/光镜分辨率生物样品制备 显微镜史 分辨率分辨率（resolution）:在25cm的明视距离将邻近两点清晰地区分辨认的能力。人眼：0.1mm光学显微镜：0.2um电镜：0.2nm扫描隧道显微镜：侧向0.1nm;纵向0.001nm计算分辨率的公式 计算分辨率的公式R0.61

19、 /(n sin)/2 光镜 R0.2um 当两点相距小于/2时难以区分。提高分辨率的方法：提高折射系数（n）降低波长（）(wavelength)分辨能力与波长（ ）负相关高速电子的波长很短n sin n：折射率（11.5）：1/2*孔径张角 (A) 生物样品制备涂片、滴片：液态材料（血液、骨髓）、表皮、黏膜切片：固态材料（肝、脑、肾）固定、脱水、包埋、切片、染色染色：苏木精（核酸）、伊红（细胞质）、苏丹（脂肪）、吉姆萨（染色体）不同细胞或结构用不同染料显示。显微镜史（二）荧光显微镜（Fluorescence M）以紫外线为光源激发生物标本的荧光物质产生能观察到的荧光的光学显微镜。特点：光源为

20、紫外光 ；有滤光片 荧光染料(三)相差显微镜（Phase contrast M）将相位差转变成振幅差，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。 环形光阑（annular  diaphragm）：位于光源与聚光器之间，形成空心光锥，焦聚到标本上。相位板（annular phase plate）：加在物镜中，可将直射光或衍射光的相位推迟1/4。常见倒置相差显微镜（inverted phase contrast microscope）.annular  diaphragm and phase plateannular  diaphragm and phas

21、e platephase image inverted phase contrast microscope光源和聚光镜在载物台上方相差物镜在载物台下方可观察培养瓶底部的活细胞暗视野显微镜只允许被标本反射和衍射的光线进入物镜，因而视野的背景是黑的，物体的边缘是亮的。（六）激光扫描共焦显微镜（Laser scanning confocal microscope）照明针孔：形成点光源检测器：焦平面的点分别在检测针孔成像扫描马达：改变焦平面以形成三维图像LSCM排除焦平面以外光的干扰，增强图像反差和提高分辨率，可重构样品的三维结构LSCM二、电子显微镜技术（Electron microscope）（一

22、）透射电镜（transmission EM, TEM） （二）扫描电镜(scanning EM, SEM) 其他：分析电镜(analytic, AEM)、高压电镜 （三）电镜样品制备技术 附：不同显微镜结构特征 不同显微镜的结构特征电镜与光镜的比较1、透射电镜（TEM）Transmission electron microscope镜体系统照明系统：电子枪，聚光镜成像系统：电子透镜观察系统真空系统电子系统2、扫描电镜（SEM）10nm电子探针冲击样品表面，激发出次级电子，次级电子信号被收集、放大成像。3、分析电镜带有特殊附件。如波谱仪、能谱仪如：X射线衍射电镜4、高压电镜一般加速电压200kV

23、，可穿透37um切片500kV可穿透10um切片。(三)电镜样品制备技术（1）超薄切片术 （2）冷冻制样技术 （3）负染色技术 （4）真空镀膜技术 （5）冷冻蚀刻技术 （6）扫描电镜样品的制备 （1）超薄切片术固定：锇酸脱水：递增浓度包埋：环氧树脂切片：4050nm染色：醋酸铀（2）冷冻制样技术快速冷冻固定：104 /s致冷剂：液氮（liquid nitrogen, -196）、氟利昂（3）负染色技术（negative stain）磷钨酸（4倍标本密度）（4）真空镀膜技术replica and shadowing technique碳膜和金属（Pt）膜（5）冷冻蚀刻技术冷冻：断裂：蚀刻：冰升华

24、复型：剥膜：（6）扫描电镜样品的制备固定干燥（临界点干燥法） ：临界状态（临界温度和压力）下，固液两相界面消失，气体不会液化。含水标本在临界状态后缓慢放气减压，水分会气化干燥。复膜三、X射线衍射技术五、活细胞内分子检测技术膜片钳技术向细胞内导入分子的技术显微注射法电休克法脂质体导入法转染法导入DNA六、扫描探针显微术（Scanning Probe Microscope）基本原理 基本结构 应用纳米生物学研究,在原子水平上揭示样本表面的结构。DNA、蛋白质分子结构的研究SPM的基本原理原理：扫描探针与样品接触或达到很近距离时，即产生彼此间相互作用力，如量子力学中的隧道效应（隧道电流）、原子间作用

25、力、磁力等，并在计算机显示出来，从而反映出样品表面形貌信息、电特性或磁特性等。如：原子力显微镜：AFM 模式 扫描隧道显微镜：STM 模式磁力显微镜：MFM模式电力显微镜： EFM模式Scanning Tunneling M, STM SPM的基本结构扫描装置探针探针位移传感器其他第二节 细胞培养技术一、细胞分离技术 （一）离心法（二）流式细胞技术 （三）激光显微切割（四）吸附法、免疫磁珠法等。二、细胞培养技术（一）体外细胞培养技术 （二）原代培养和传代培养 （三）细胞株的建立 （四）细胞融合技术 （五）胚胎干细胞培养技术 流式细胞技术（Flow cytometry）结构及其工作原理细胞流动室

26、光源和聚光装置信号检测器计算机系统应用细胞分选（cell sorting）参数分析细胞分离技术实体组织细胞的分离胰蛋白酶EDTA操作原则：等渗低温无菌细胞培养无菌、培养箱培养基血清等体外细胞培养技术 原代培养（primary culture）：从机体取出后立即进行的培养。传代培养（secondary culture）：将原代培养的细胞从培养瓶取出后进行的培养。细胞系（cell line）：原代培养物成功传代后，则称之为细胞系 实验室中常用的几种细胞系 （三）细胞株的建立细胞系（cell line）：原代培养物成功传代后，则称之为细胞系。细胞株（cell strain）：通过选择法或克隆形成法从

27、原代培养物或细胞系中获得具有特殊性质或标志物称为细胞株。克隆（clone）：无性繁殖系或简称无性系。对细胞来说，克隆是指由同一个祖先细胞通过有丝分裂产生的遗传性状一致的细胞群。 （三）细胞融合技术细胞融合(cell fusion)异核细胞（异核体）杂种细胞（合核体）杂交瘤技术：单克隆抗体（Monoclonal antibody ）B淋巴细胞与瘤细胞融合，形成的杂种细胞克隆既分泌抗体又可无限增殖。（四）胚胎干细胞培养技术胚胎干细胞（embryonic stem cell, ESC）培养时需加入分化抑制物：饲养层（feed layer）条件培养基（conditional medium）分化抑制因子

28、（differentiation inhibitor）培养步骤：应用：用于研究细胞增殖、分化等ESC培养图解第三节 细胞及其组分的分离纯化和分析一、离心技术：分离细胞亚微结构和大分子二、非细胞体系：分级分离得到的具有生物功能的细胞抽提物三、层析法：分离蛋白质四、电泳：检测大分子的分子量五、质谱技术：短肽测序和蛋白鉴定六、氨基酸测序一、离心（centrifugation）（一）差速离心沉降速度法根据颗粒的体积、质量、大小、形态 （二）速度沉降：根据颗粒的沉降系数（颗粒大小与形态）（三）平衡沉降等密度离心法，根据颗粒密度差异 密度梯度离心 差速离心密度梯度离心electrophoresis第四节

29、细胞化学技术（cytochemistry）一、酶细胞化学技术二、免疫细胞化学技术 三、放射自显影技术 四、活细胞内分子示踪一、放射自显影技术利用同位素（3H, 14C, 32P, 35S , 125I）的放射自显影，对细胞内生物大分子进行定性、定位或半定量研究； 基本步骤：前体物掺入细胞（持续标记或脉冲标记） 放射自显影（涂乳胶、曝光、显影、定影）例：用3H-TTP研究细胞DNA合成及增殖 放射自显影二、免疫细胞化学技术（immunochemistry）基本原理：直接法和间接法：单克隆抗体技术 基本原理利用抗原和抗体的结合具有高度敏感性和特异性的特点，用已知的经过标记的抗体来检测组织或细胞中是

30、否存在相应抗原的方法。标记物：荧光素：酶：铁蛋白：胶体金：常用标记方法直接法和间接法1、直接法标记的特异性抗体直接检测样品中相应抗原2、间接法先用未标记一抗与样品中的抗原结合，再用标记的二抗与一抗结合来检测样品中的抗原单克隆抗体技术 第五节 细胞功能基因组学研究技术一、基因的基本研究技术 二、RNA干扰三、蛋白质相互作用研究技术四、生物芯片技术 五、蛋白质组学研究技术 一、基因的基本研究技术（一）限制性内切酶：分子刀（二）凝胶电泳：分离DNA分子（三）聚合酶链反应技术：体外DNA扩增（四）基因（DNA）克隆、基因文库（五）DNA测序 （六）分子杂交技术：（二）凝胶电泳（三）PCR反应体系：缓冲

31、液、待扩增DNA模板、dNTP、Mg2+、引物、耐热DNA聚合酶。步骤：变性、退火、延伸应用：克隆基因、疾病诊断步骤（四）基因（DNA）克隆基因组DNA克隆基因文库（gene library）：包含人染色体的全部基因的克隆。cDNA克隆：全部cDNA的克隆cDNA：将mRNA通过逆转录酶合成的与mRNA互补的DNA单链。（五）DNA测序12（六）hybridization杂交技术DNA变性与复性（杂交）探针（marked probe）：带有标记物的已知核苷酸序列。In situ hybridization：核酸的定位分析 Northern blot ：对RNA的分析Southern blot：

32、对DNA的分析 In situ hybridization步骤：组织细胞或染色体的固定和置片预处理：除去蛋白质、DNA变性标记探针杂交检测二、RNA干扰技术RNAi，基因敲除术四、生物芯片技术信息芯片DNA芯片（基因芯片）：用于杂交的基因探针固定在固相支持物上成而为阵列。蛋白质芯片：大量蛋白或多肽固定在支持物上功能芯片五、蛋白质组（proteome）蛋白质组：指在特定时空条件下某种细胞、组织或器官所含有的全部蛋白质。技术：双向电泳、质谱技术END 第四章 细胞膜与物质的运输 PLASMA MEMBRANE 第五章 细胞膜与物质的运输第一节：细胞膜的化学组成和分子结构第二节：小分子物质的运输第三

33、节：大分子和颗粒物质的跨膜运输第四节：细胞表面及其特化结构 第五节：细胞膜异常与癌变小结 第一节：细胞膜的化学组成和分子结构 基本概念： 一、细胞膜的化学组成二、细胞膜的特征三、细胞膜的分子结构模型 基本概念 细胞膜：胞质与外界环境相隔的界膜。 内膜系统（endo-membrane system） 生物膜（biomembrane）： 单位膜（unit membrane）： endo-membrane system 细胞质内在结构、功能以及发生上具有一定联系的膜性结构的总称。包括内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体以及核膜等。 生物膜（biomembrane） 质膜和细胞内膜系统在起源、结构和

34、化学组成的等方面具有相似性，故总称为。 单位膜（unit membrane） 在电子显微镜下观察，细胞膜可分为三层，内外两层为致密层，中间为一层不太致密的层，称单位膜。 一、 质膜的化学组成 （一）膜脂： （二）膜蛋白： （三）糖脂和糖蛋白： 生膜的化学组成 （一）膜脂构成细胞膜的骨架 膜脂是两亲性分子 1、磷脂构成膜脂的基本成分 2、胆固醇能够稳定膜和调节流动性 3、糖脂位于质膜非胞质面 膜脂在水溶液中自动形成双层膜： 1、磷脂 占膜脂的50以上。 分类：甘油磷脂(举例)和鞘磷脂 主要特征是：(1)具有一个极性头和两个非极性尾。(2)脂肪酸碳链为偶数(多为1424）(3)常含有不饱和脂肪酸（

35、如油酸）。 甘油磷脂 含甘油、脂肪酸链和磷脂酰碱基。包括 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 磷脂酰乙醇胺 2、胆固醇 两亲性分子 功能：提高膜的稳定性，调节膜的流动性，降低水溶性物质的通透性。 验证实验：在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快自溶。 3、糖脂 占脂总量5， 两性分子，由糖残基与鞘氨醇结合。 最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，在髓鞘中含量丰富； 最复杂的糖脂是神经节苷脂，是神经元质膜的特征性成分。 Glycolipids Glycolipids （二）自发形成脂质体（li

36、posome） 脂质体：是一种人工膜，由磷脂双层膜构成的中空小球。可用于： 转基因 制备药物 研究生物膜的特性 liposome （二）膜蛋白是膜功能的体现者 根据其与脂分子结合方式分为：1、整合蛋白（integral protein） 2、外周蛋白（peripheral protein） 3、脂锚定蛋白（lipid-anchored protein） 膜蛋白的分类 , integral protein； , , peripheral protein； 1、整合蛋白 多为两性分子，为跨膜蛋白，与膜紧密结合，需去垢剂才能从膜上洗涤下来。 2、外周蛋白 靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质或脂类

37、的亲水部分结合。 改变溶液的离子强度、温度就可分离。 3、脂锚定蛋白 一类与糖磷脂酰肌醇结合 如引起羊瘙痒病 一类与长碳氢链结合 三、糖脂和糖蛋白 动物细胞表面一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被或糖萼。（模型） 作用：保护，细胞通信，抗原性。 如ABO血型系统的血型抗原。 细胞外被 cell coat ABO血型系统的血型抗原 A型血：N-乙酰半乳糖 B型血：半乳糖 O型血：无 二、 细胞膜的特性（一）细胞膜的不对称性（二）质膜的流动性 1、脂双层是一种二维流体 2、膜脂分子的多种运动 3、影响膜脂运动的因素 4、脂蛋白分子在质膜中的运动 5、 膜流动性的生理意义 （一）膜的不对称性 质膜内

38、外两层的组分和功能的差异。 1、膜脂的不对称性：2、膜蛋白的不对称性：3、复合糖的不对称性： 小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻 ES，细胞外表面；EF，细胞外小页断面；PS，原生质表面；PF，原生质小页断面。 1、膜脂的不对称性： 同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布 如磷脂酶处理完整的人类红细胞实验。 还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域脂筏。 脂酶处理研究膜脂分布 2、膜蛋白的不对称性： 膜蛋白分子在细胞膜上具有方向性和分布的区域性，如受体。 3、复合糖的不对称性 只分布于细胞膜的外表面。 2、膜脂分子的运动： 侧向扩散运动 翻转运动、 旋转运动、 伸缩震荡运动： 烃链的旋转异构运动 3、影

39、响膜脂流动性的因素 脂肪酸链的饱和度： 脂肪酸链的链长： 胆固醇： 卵磷脂/鞘磷脂： 膜蛋白的影响：与胆固醇类似 其他因素：温度、酸碱度、离子强度等 4、膜蛋白的分子运动 主要有侧向扩散和旋转扩散。 实验：细胞融合技术检测侧向扩散。 侧向运动受细胞骨架的限制。（图） 实验：细胞松弛素B破坏微丝证实。 膜骨架对膜流动性的影响 观察蛋白质运动实验 膜流动性的生理意义 质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。 流动性过低：酶活性和跨膜运输停止， 流动性过高，造成膜的溶解。 三、 质膜的分子结构模型早期研究： E. Overton 1895 E. Gorter & F. Grendel 192

40、5 一、片层结构模型二、单位膜模型三、液态镶嵌模型四、脂筏模型 E. Overton 1895推测细胞膜由连续的脂类物质组成。 E. Gorter & F. Grendel 1925 推测细胞膜由双层脂分子组成。 一、片层结构（三夹板）模型 Danielli & Davson 1935年提出。1959年提出有蛋白质通道。 定义：膜的骨架是脂肪形成的脂双层结构，脂双层的内外两侧由一层蛋白质包被，即蛋白质-脂-蛋白质的三层结构。 片层结构（三夹板）模型 （二）单位膜模型 Robertson 1959年提出。 定义：电子显微镜下显示暗-明-暗三层结构，由厚约3.5nm的双层脂分子和内

41、外表面各厚约2nm的蛋白质构成，总厚约7.5nm。 Unit membrane model 三、液态镶嵌模型 Singer & Nicolson 1972提出。 模型要点；其他修正模型1；2 Fluid-mosaic model 定义：镶嵌有球形蛋白的脂类二维排列的液晶态体。 强调膜的特点：流动性；不对称性 缺点：不能解释流动性的质膜怎样保持膜的相对完整和稳定性。 晶格镶嵌模型 流动的膜脂是在可逆地进行无序（液态）和有序（晶态）的相变，膜蛋白对脂类分子的运动具有限制作用。镶嵌蛋白和其周围的脂类分子形成膜中的晶态部分，而具有流动性的脂类分子呈小片的点状分布。 板块镶嵌模型 流动的脂双层中

42、存在许多大小不同、刚性较大的能独立移动的脂类板块（有序板块），有序板块之间被流动的脂类区（无序板块）分开。两者之间处于连续的动态平衡状态之中。 （四）脂筏（lipid raft） 定义：膜中富含胆固醇和鞘磷脂的微区聚集一些特定的蛋白。这些区域较厚、更有序且较少流动。 特点： 脂筏的特点 就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有关。 特点： 1、许多蛋白聚集利于相互作用 2、提供一个环境有利于蛋白质的变构 小结 两亲性分子 内膜系统、生物膜、单位膜的比较 膜的流动性和不对称性 片层结构模型、单位膜模型、液态镶嵌模型、脂筏模型的 比较 第二节 小分子的跨膜运输 一、膜的选择性通透和

43、简单扩散二、膜转运蛋白介导的跨膜运输 一、膜的选择性通透和简单扩散 细胞膜的选择透过性总结 脂溶性越高通透性越大，水溶性高通透性小； 非极性分子比极性易透过，极性不带电荷小分子，如H2O、O2等慢透过人工脂双层； 小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过； 带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。 脂溶性与通过细胞膜能力的关系 简单扩散又称被动扩散 膜运输小分子物质方式： 被动运输：速度取决分子大小和脂溶性 简单扩散（自由扩散、被动扩散）；易化扩散 主动运输 简单扩散的特点 沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散； 不需要提供能量； 没有膜蛋白的协助 主要运输非极性分子、不带电荷

44、的小极性分子、水等 二、膜转运蛋白介导的跨膜运输（一）离子通道高效转运各种离子（二）载体蛋白介导的易化扩散（三）载体蛋白介导的主动运输 膜转运蛋白 载体蛋白（carrier protein），有的需要能量驱动，如离子泵；有的则不需要能量，如缬氨酶素。 通道蛋白（channel protein）形成亲水的通道，允许特定的溶质通过，均为被动运输。 Membrane Transport Proteins 离子泵 缬氨酶素 （一）离子通道高效转运各种离子 channel protein的特点 类型：配体门通道、电位门通道、应力激活通道、环核苷酸门通道、机械门通道、水通道 神经肌肉接头处离子通道 特点

45、特点： 转运速度快 高度选择性 多数非持续开放 均为被动扩散 Ion Channels 1、配体门通道(ligand gated channel) 受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生构象变化， “门”打开。又称离子通道型受体。 阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受体；阴离子通道，如甘氨酸和氨基丁酸受体。 Ach受体为2的梅花状通道样结构。 模型 Nicotinic acetylcholine receptor 2、电位门通道(voltage gated channel) 特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时，致使其构象变化，“门”打开。 K+电位门有四个亚单位。 K+

46、通道具有三种状态：开启、关闭和失活。 Na+、K+、Ca2+三种电压门通道结构相似，在进化上是由同一个远祖基因演化而来。 Voltage gated K+ channel Ion-channel linked receptors in neurotransmissionVoltage gated Ca2+ channel 3、环核苷酸门通道 CNG通道与电压门钾通道结构相似， CNG通道分布于化学感受器和光感受器中，与膜外信号的转换有关。 如气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道（cAMP-gated cation chann

47、el），引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。 4、机械门通道 感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。细胞将机械刺激的信号转化为电化学信号，引起细胞反应的过程称为机械信号转导。 如牵拉活化或失活的离子通道（几乎存在于所有的细胞膜），剪切力敏感的离子通道（仅发现于内皮细胞和心肌细胞）。 5、水通道 水扩散通过人工膜的速率很低，推测膜上有水通道。 1991年Agre将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，5 分钟内破裂。 2003年获诺贝尔化学奖。 命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP） 2003年，美国科学家彼得

48、3;阿格雷和罗德里克·麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。 （二）载体介导的易化扩散 运输极性分子和无机离子；如葡萄糖 比自由扩散转运速率高； 运输速率同物质浓度成非线性关系； 特异性；饱和性。 易化扩散速率同物质浓度的关系 载体蛋白促进葡萄糖扩散示意图 （三）载体蛋白介导的主动运输： 1、离子泵直接水解ATP进行主动运输（1）钠钾泵（2）钙离子泵其他：质子泵、ABC 转运器2、离子梯度驱动的主动运输（协同运输） 主动运输的特点逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量；能量来源主要有： ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量； 协同运输中的离子梯度动力；都有载体蛋白。 （1）钠钾泵（Na+-K+ATP酶） 构成： 工作图解1；离子结合与释放图解2， 总结 Na+-K+泵的作用 Na+-K+ATP酶的构成 2个亚基、2个亚基组成的4聚体 Na+-K+ATP PUMP图解 图解 Na+-K+泵的作用 维持细胞的渗透性，保持细胞的体积； 维持低Na+高K+的细胞内环境； 维持细胞的静息电位。 地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。 Na+/K+ ATPase运输过程:在静息