细胞生物学复习知识点全翟中和细胞生物学第四版

第第1页共33页细胞生物学♦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。重点领域⑥染色体DNA与蛋白质相互作用关系一主要是非组蛋白对基因组的作用⑥细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控⑥细胞信号转导的研究⑥细胞结构体系的组装美国科学情报研究所(61)1997年SCI(ScienceCitationIndex)收录及引用论文检索，全世界自然科学研究中论文发表最集中的三个领域分别是：♦细胞信号转导(signaltransduction)；♦细胞凋亡(cellapoptosis)；基因组与后基因组学研究(genomeandpost-genomicanalysis)0美国国立卫生研究院(NIH)在1988年底发表的一份题为《什麽是当今科研领域的热门话题？》(“Whatispopularinresearchtoday?”)的调查报告中指出，目前全球研究最热门的是三种疾病： ⑥癌症(cancer)⑥心血管病(cardiovasculardiseases)⑥爱滋病和肝炎等传染病五大研究方向：⑥细胞周期调控(cellcyclecontrol)；♦细胞凋亡(cellapoptosis)；⑥细胞衰老(cellularsenescence)；⑥信号转导(signaltransduction)；SDNA的损伤与修复(DNAdamageandrepair)“细胞学说”的基本内容♦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；♦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；♦新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。第二章细胞基本知识概要细胞是生命活动的基本单位•一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位•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•细胞是有机体生长与发育的基础•细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性・没有细胞就没有完整的生命细胞概念的一些新思考•细胞是多层次非线性的复杂结构体系♦细胞具有高度复杂性和组织性•细胞是物质(结构)、能量与信息过程精巧结合的综合体细胞完成各种化学反应；细胞需要和利用能量；细胞参与大量机械活动；细胞对刺激作出反应；细胞是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。细胞能进行自我调控；♦繁殖和传留后代；细胞的基本共性♦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。♦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。♦作为蛋白质合成的机器一核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内。♦所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。病毒的基本知识•病毒(virus)——核酸分子(DNA或RNA)与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体；根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：DNA病毒与RNA病毒病毒的多样性)类病毒(viroid)——仅由感染性的RNA构成；肮病毒(prion)——仅由感染性的蛋白质亚基构成；病毒在细胞内增殖(复制)病毒侵入细胞，病毒核酸的侵染病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成病毒的装配、成熟与释放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：生物大分子一病毒一细胞病毒♦生物大分子细胞生物大分子一细胞一病毒原核细胞基本特点：♦遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；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。主要代表：♦支原体(mycoplast)——目前发现的最小最简单的细胞；♦细菌♦蓝藻又称蓝细菌(Cyanobacteria)真核细胞•真核细胞的基本结构体系•细胞的大小及其分析•原核细胞与真核细胞的比较真核细胞的基本结构体系♦以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统；♦以核酸(DNA或RNA)与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统♦由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。细胞的大小及其分析各类细胞直径的比较原核细胞与真核细胞的比较♦原核细胞与真核细胞基本特征的比较♦原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较♦植物细胞与动物细胞的比较植物细胞与动物细胞的比较・细胞壁•液泡•叶绿体古细菌古细菌(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^人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)5SrRNA：根据对5SrRNA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。5SrRNA二级结构的研究也说明很多古细菌与真核生物相似。除上述各点外，根据DNA聚合酶分析，氨基酰tRNA合成酶的作用，起始氨基酰tRNA与肽链延长因子等分析，也提供了以上类似依据，说明古细菌与真核生物在进化上的关系较真细菌类更为密切。因此近年来，真核细胞起源于古细菌的观点得到了加强。第三章细胞生物学研究方法

如何学习细胞生物学？抽象思维与动态观点结构与功能统一的观点同一性(unity)和多样性(diversity)的问题细胞生物学的主要内容：结构与功能(动态特征)； 细胞的生命活动；实验科学与实验技术一一细胞真知源于实验室第一节细胞形态结构的观察方法肉眼分辨率0.2mm、光学显微镜分辨率0.2um、电子显微镜分辨率0.2nm。一、光学显微镜技术(lightmicroscopy)•普通复式光学显微镜技术(1)3部分：光学放大系统(目镜+物镜)、照明系统(光源、聚光镜)、镜架及样品调节系统(2)显微镜最重要的参数：分辨率①分辨率的定义：能区分开两个质点间的最小距离。分辨率高低取决于光源的波长入、物镜镜口角a和介质折射率N,它们的关系为0.61AQ= (a/2)荧光显微镜技术(FluorescenceMicroscopy)：核心部件是滤光片系统以及专用的物镜镜头激光共焦扫描显微镜技术(LaserConfocalMicroscopy)相差显微镜(phase-contrastmicroscope)：观察活细胞结构原理：当两束光通过光学系统时，会发生相互干涉。若它们相位相同，干涉结果为光的振幅加大，亮度增强，反之就会相互抵消而亮度变暗。微分干涉显微镜录像增差显微镜技术(video-enhancemicroscopy)二、电子显微镜技术・电子显微镜的基本知识电镜与光镜的基本区别①电镜的高分辨率主要是因为使用了波长比可见光短得多的电子束作为光源电子*地力耳・・同事芷鼻牛乳良甘即HR**AM・VW曜fJt旦及交只用It革回片卡*tc忐第班H无吊同・传.■槐□inmJfccatsom-c-siwin1孙a-1XIe1UL电子显微镜的分辨本领与有效放大倍数①电镜的分辨率与分辨本领并不等同，电镜的分辨本领是指电镜处于最佳状态下的分辨率。②如前所述，人眼的分辨率一般为0.2mm,光学显微镜的分辨率为0.2um左右，其放大倍数为0.2mm/0.2um,即1000倍。而电子显微镜的分辨率可达0.2nm,其放大倍数为106倍。上述放大倍数称之为有效放大倍数。如果通过光学手段继续放大，再也不会得到任何有意义的信息，因此称之为“空放大”。电子显微镜的基本构造电子束照明系统：包括电子枪和聚光镜。成像系统：包括物镜、中间镜与投影镜等。真空系统：保持真空利于电子运动。记录系统・主要电镜制样技术负染色技术用重金属盐对铺展在载网上的样品染色，吸取多余染料，样品自然干燥后整个载网上都铺上了一层重金属盐，衬托出样品的精细结构。冰冻蚀刻技术冰冻断裂一一蚀刻复型超薄切片技术固定 包埋 切片 染色电镜三维重构与低温电镜技术扫描电镜技术三、扫描遂道显微镜♦英文：ScanningTunnelMicroscope,STM(80年代发展起来的检测样品微观结构的仪器)包括：STM、AFM、磁力显微镜、摩擦力显微镜等原理：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)、原子间作用力、磁力、摩擦力等，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。装置：扫描的压电陶瓷，逼近装置，电子学反馈控制系统和数据采集、处理、显示系统。特点：(1)可对晶体或非晶体成像，无需复杂计算，且分辨本领高。(侧分辨率为0.1〜0.2nm,纵分辨率可达0.01nm)；(2)可实时得到样品表面三维图象，可测量厚度信息；(3)可在真空、大气、液体等多种条件下工作；非破坏性测量。(4)可连续成像，进行动态观察用途：纳米生物学研究领域中的重要工具，在原子水平上揭示样本表面的结构。普通复式光学显微镜技术光镜样本制作分辨率是指区分开两个质点间的最小距离荧光显微镜技术(FluorescenceMicroscopy)原理与应用♦直接荧光标记技术♦间接免疫荧光标记技术♦在光镜水平用于特异蛋白质等生物大分子的定性定位：如绿色荧光蛋白(GFP)的应用激光共焦扫描显微镜技术(LaserScanningConfocalMicroscopy)原理应用：排除焦平面以外光的干扰，增强图像反差和提高分辨率(1.4—1.7),可重构样品的三维结构。相差显微镜(phase-contrastmicroscope)将光程差或相位差转换成振幅差，可用于观察活细胞微分干涉显微镜(differential-interferencemicroscope)偏振光经合成后，使样品中厚度上的微小区别转化成明暗区另必增加了样品反差且具有立体感。适于研究活细胞中较大的细胞器录像增差显微镜技术(video-enhancemicroscopy)计算机辅助的DIC显微镜可在高分辨率下研究活细胞中的颗粒及细胞器的运动第2页共33页第2页共33页主要电镜制样技术超薄切片技术 用于电镜观察的样本制备示意图负染色技术(Negativestaining)与金属投影染色背景，衬托出样品的精细结构冰冻蚀刻技术(Freezeetching) (技术示意图)冰冻断裂与蚀刻复型：主要用来观察膜断裂面的蛋白质颗粒和膜表面结构。快速冷冻深度蚀刻技术(quickfreezedeepetching)电镜三维重构技术电子显微术、电子衍射与计算机图象处理相结合而形成的具有重要应用前景的一门新技术。电镜三维重构技术与X-射线晶体衍射技术及核磁共振分析技术相结合，是当前结构生物学(StructuralBiology)—主要研究生物大分子空间结构及其相互关系的主要实验手段。扫描电镜原理与应用：电子''探针〃扫描，激发样品表面放出二次电子，探测器收集二次电子成象。co2临界点干燥法防止引起样品变形的表面张力问题第二节细胞及其组分的分析方法一、离心分离技术分离细胞组分用途：于分离细胞器与生物大分子及其复合物差速离心：分离密度不同的细胞组分密度梯度离心：精细组分或生物大分子的分离密度梯度离心又可以分为速度沉降和等密度沉降两种速度沉降：用于分离密度相近大小不一的细胞组分。离心前，将要分离的细胞匀浆物放置在蔗糖浓度梯度(通常为5-40g/100mL)溶液的上层，各种细胞组分根据它们的大小以不同的速度沉降，形成不同的沉降带,然后分别收集不同的沉降带中的组分，用于分析。等密度沉降：用于分离不同密度的细胞组分。细胞组分在连续梯度的高密度介质中经离心力场长时间的作用沉降或漂浮到与自身密度相等的位置，形成不同的密度区带。二、细胞内核酸、蛋白质、酶、糖与脂类等化学成分的细胞化学显示方法原理：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三、特异蛋白抗原的定位与定性免疫酶标技术免疫胶体金免疫荧光技术：快速、灵敏、有特异性，但其分辨率有限(图)蛋白电泳(SDS)与免疫印迹反应(Western-Blot)免疫电镜技术免疫铁蛋白技术技术应用：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：通常采用原位杂交技术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)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)♦PCR技术五、放射自显影技术•原理及应用：♦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；♦实现对细胞内生物大分子进行动态和追踪研究。・步骤：♦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•细胞显微分光光度术(Microspectrophotometry)♦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•流式细胞术：流式细胞仪(FlowCytometry)♦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。第三节细胞培养与细胞工程一、细胞的培养动物细胞培养类型：原代培养细胞(primaryculturecell)继代培养细胞(sub-culturecell)细胞株(cellstrain)正常二倍体，接触抑制细胞系(cellline)亚二倍体，接触抑制丧失细胞贴壁：分散的细胞悬液在培养瓶中很快就贴附在瓶壁上，称为细胞贴壁。单层细胞：分散呈圆球形的细胞一经贴壁就迅速铺展并开始有丝分裂，逐渐形成致密的细胞单层，称为单层细胞。植物细胞类型：原生质体培养(体细胞培养)单倍体细胞培养(花药培养)非细胞体系(cell-freesystem)二、细胞工程•细胞融合(cellfusion)与单克隆抗体(monocloneantibody)技术轴曲格也3化垮作用J-24甲梵篝反修制就过程示器皿第3页共33第3页共33页细胞拆合：把细胞核与细胞质分离开来，然后把不同来源的胞质体和核体相互组合，形成核质杂交细胞。细胞拆合可以分为物理法和化学法两种类型。♦物理法结合显微操作技术：用机械方法或短波光把细胞核去掉或使之失活，然后用微管吸取其它细胞的核，注入去核的细胞质中，组成新的杂交细胞。♦化学法结合离心技术：用细胞松弛素B处理细胞，细胞出现排核现象，再结合离心技术，将细胞拆分为核体和胞质体两部分。♦制备核体（karyoplast）和胞质体（cytoplast）。•其它技术遗传分析（mutant,knockout,knockin）第四节细胞及生物大分子的动态变化荧光漂白恢复技术单分子技术酵母双杂交技术荧光共振能量转移技术放射自显影技术第五节模式生物细生常用的模式生物：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠、拟南芥突变体制备技术蛋白质组学技术：双向凝胶电泳、色谱技术、蛋白质芯片、生物信息学、质谱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细胞质膜（plasmamembrane）,又称细胞膜（cellmembrane）o细胞内膜（intracellularmembrane）;生物膜（biomembrane）•细胞质膜的结构模型流动镶嵌模型：流动镶嵌模型主要强调:①膜的流动性，即膜蛋白和膜脂均可侧向运动；②膜蛋白分布的不对称性，有的结合在膜表面，有的嵌入或横跨脂双分子层。脂筏模型：该模型认为在甘油、磷脂为主体的生物膜上，胆固醇、鞘磷脂等富集区域形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的“脂筏”一样载着执行某些特定生物学功能的各种膜蛋白。脂筏最初可能在高尔基体上形成，最终转移到细胞质膜上。目前对生物膜结构的认识可归纳如下：①具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质。②蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白质的类型，蛋白质分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜各自的特性与功能。③生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。然而膜蛋白与膜脂之间、膜蛋白与膜蛋白之间及其与膜两侧其他生物大分子的复杂的相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性。④在细胞生长和分裂等整个生命活动中，生物膜在三维空间上可出现弯曲、折叠、延伸等改变，处于不断的动态变化中。•膜脂一生物膜的基本组成成分成分：主要包括甘油磷脂、鞘脂和固醇三种类型磷脂：膜脂的基本成分（50%以上）⑥分为二类：甘油磷脂和鞘磷脂⑥主要特征：①具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链）（心磷脂除外）；②脂肪酸碳链碳原子为偶数，多数碳链由16,18或20个组成；③饱和脂肪酸（如软脂酸）及不饱和脂肪酸（如油酸）；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；胆固醇：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。膜脂的4种运动方式：沿膜侧向运动、脂分子围绕轴心的自旋运动、脂分子尾部的摆动、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）。脂质体：根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的现象而制备的人工膜。脂质体的应用⑥研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；⑥脂质体中裹入DNA可用于基因转移；⑥在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体•膜蛋白：类型：外在膜蛋白（外周膜蛋白）、内在膜蛋白（整合膜蛋白）、脂锚定膜蛋白。外在（外周）膜蛋白：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。内在（整合）膜蛋白：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。脂质锚定蛋白：通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。内在膜蛋白与膜脂结合的方式：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。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。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。去垢剂：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。分为离子型去垢剂（SDS）和非离子型去垢剂（TritonX-100）离子型去垢剂（SDS）和非离子型去垢剂（TritonX-100）。确定膜蛋白方向的实验程序胰酶消化法同位素标记法光脱色恢复技术（fluorescencerecoveryafterphotobleaching,FRAP）研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。程序：根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。分子生物学技术在膜蛋白研究上的应用生物膜基本特征♦膜的流动性：膜脂的流动性：主要指脂分子的侧向运动。影响因素：①脂肪酸链越短，不饱和程度越高，流动性越大；②温度对流动性也有一定的影响；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，既与磷脂疏水尾部相结合限制其运动，也将磷脂分子隔开使其更易流动；⑤细胞骨架影响膜蛋白周围膜脂的运动。膜蛋白的流动性：①膜蛋白运动不需要能量，但温度降低，膜蛋白运动速率显著降低；②膜蛋白与膜下骨架系统的相互作用以及质膜与细胞内膜系统之间膜泡运输有关；③膜蛋白与膜脂的相互作用也是影响膜流动性的重要因素。一荧光抗体免疫标记实验证明膜蛋白的流动性：用抗鼠细胞质膜蛋白的荧光抗体（显绿色荧光）和抗人细胞质膜蛋白的荧光抗体（显红色荧光）分别标记小鼠和人的细胞表面，然后用灭活的仙台病毒介导两种细胞融合。10min后不同颜色的荧光在融合细胞表面开始扩散，40min后第4页共33页已分辨不出融合细胞表面绿色荧光或红色荧光区城。如加上不同的滤光片则显示红色荧光或绿色荧光都均匀地分布在融合细胞表面。在某些细胞中，当荧光抗体标记时间继续延长，已均匀分布在细胞表面的标记荧光会重新排布，聚集在细胞表面的某些部位，即所谓成斑现象,第4页共33页♦膜的不对称性膜脂与糖脂的不对称性:指同一种膜脂和糖脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。糖脂仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功能的结构基础。膜蛋白和糖蛋白的不对称性:指每种膜蛋白和糖蛋白分子在质膜上都具有明确的方向性。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；糖蛋白糖残基均分布在质膜的ES面；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。•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，其中伴随着能量物质的传递。③提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息跨膜传导，病毒等病原微生物识别和侵染特异的宿主细胞的受体也存在于质膜上。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、细胞与胞外基质之间的连接。⑥质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。⑦膜蛋白的异常与某些遗传病、恶性肿瘤、自身免疫病甚至神经退行性疾病相关，很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。•膜骨架与细胞表面的特化结构膜骨架：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。特化的结构包括膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛以及细胞变形足等，分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换和信息传递等功能有关。红细胞的膜骨架：红细胞膜骨架蛋白主要成分包括血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白和带4.1蛋白等。红细胞膜骨架功能：赋予红细胞质膜的很好的弹性又具有较高的强度。第五章物质的跨膜运输物质通过细胞质膜的转运主要有3种途径:被动运输、主动运输和胞吞与胞吐作用。第一节膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输一、脂双层的不透性和膜转运蛋白•细胞内外的离子浓度差异对于细胞的存活和功能至关重要。这种离子浓度差异分布主要由两种机制所调控：一是取决于一套特殊的膜转运蛋白的活性；二是取决于质膜本身的脂双层所具有的疏水性特征。膜转运蛋白可分为两类:一类是载体蛋白；另一类是通道蛋白。载体蛋白与通道蛋白对溶质的转运机制不同，前者与特异的溶质结合后，通过自身构象的改变以实现物质的跨膜转运，而后者通过形成亲水性通道实现对特异溶质的跨膜转运。载体蛋白及其功能载体蛋白具有与底物（溶质）特异性结合的位点，所以每种载体蛋白对底物具有高度选择性，通常只转运一种类型的分子；转运过程具有类似于酶与底物作用的饱和动力学特征，既可被底物类似物竞争性地抑制，又可被某种抑制剂非竞争性抑制以及对pH有依赖性等。载体蛋白通过构象改变介导溶质（葡萄糖）被动运输载体蛋白以两种构象状态存在：状态A，溶质结合位点在膜外侧暴露；状态B,同样的溶质结合位点在膜内侧暴露。两种构象状态的转变随机发生而不依赖于是否有溶质结合和是否完全可逆。若膜外侧溶质浓度高，则与状态A载体蛋白结合的溶质就比与状态B载体蛋白结合的多，净效果表现为溶质顺浓度梯度进入细胞。载体蛋白既介导被动运输，也介导主动转运•通道蛋白及其功能通道蛋白有3种类型：离子通道、孔蛋白以及水孔蛋白（AQP）。通道蛋白形成选择性和门控性跨膜通道。因为对离子的选择性取决于通道的直径、形状以及通道内带电荷氨基酸的分布，所以离子通道介导被动运输时不需要与溶质分子结合，只有大小和电荷适宜的离子才能通过。与载体蛋白相比，离子通道具有3个显著特征⑥具有极高的转运速率。驱动离子跨膜转运的动力来自溶质的浓度梯度和跨膜电位差两种力的合力，即跨膜的电化学梯度。运输的方向顺电化学梯度进行。⑥离子通道没有饱和值，即使在很高的离子浓度下它们通过的离子量依然没有最大值。⑥离子通道并非连续性开放而是门控的，即通道的开启或关闭受膜电位变化、化学信号或压力刺激的调控。根据激活信号的不同，离子通道可分为电压门通道、配体通道和应力激活通道。通道蛋白只介导被动转运二、小分子物质的跨膜运输类型一一被动运输（课本上把被动运输=协助扩散，简单扩散不属于被动运输）•特点运输方向、跨膜动力、能量消耗、膜转运蛋白•类型简单扩散（simplediffusion）、协助扩散（facilitateddiffusion）・简单扩散⑥定义小分子物质以热自由运动的方式顺着电化学梯度或浓度梯度直接通过脂双层进出细胞，不需要细胞提供能量，也无需膜转运蛋白的协助，称为简单扩散。⑥在简单扩散的跨膜运动中，脂双层对溶质的通透性大小主要取决于分子大小和分子的极性。小分子比大分子更容易穿膜，非极性分子比极性分子更容易穿膜，而带电荷的离子跨膜运动则需要更高的自由能，所以没有膜转运蛋白的人工脂双层对带电荷的离子是高度不透的。•协助扩散⑥协助扩散是指溶质顺着电化学梯度或浓度梯度，在膜转运蛋白协助下的跨膜转运方式。⑥动力：物质的电化学梯度或浓度梯度。⑥葡萄糖转运蛋白⑥水孔蛋白（AQP）：水分子的跨膜通道血红细胞是研究水孔蛋白的一一个理想模型。三、主动运输•定义与被动运输不同，主动运输是由载体蛋白所介导的物质逆着电化学梯度或浓度梯度进行跨膜转运的方式。•特点运输方向、能量消耗、膜转运蛋白被动与主动运输的比较•根据能量来源分类由ATP直接提供能量（ATP驱动泵）、间接提供能量（协同转运或偶联转运蛋白）以及光驱动泵。ATP驱动泵⑥定义ATP驱动泵是ATP酶直接利用水解ATP提供的能量，实现离子或小分子逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运输。这种主动运输是一种能量偶联的化学反应过程，即离子或小分子逆电化学梯度运动（需要能量）与ATP水解（释放能量）相偶联。协同转运蛋白⑥类型同向协同转运蛋白和反向协同转运蛋白光驱动泵对溶质的主动运输与光能的输人相偶联，主要发现于细菌细胞第二节ATP驱动泵与主动运输第5页共第5页共33页所有P型泵都有2个独立的a催化亚基，具有ATP结合位点；绝大多数还具有2个起调节作用的小的B亚基。在转运离子过程中，至少有一个a催化亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，从而改变转运泵的构象，实现离子的跨膜转运。由于转运泵水解ATP使自身形成磷酸化的中间体，因此称作P型泵。大多数P型泵都是离子泵，负责Na+、K+、H+和Ca2+跨膜梯度的形成和维持。•定义ATP驱动泵将ATP水解生成ADP和无机磷（Pi）,并利用释放的能量将小分子物质或离子进行跨膜转运，因此ATP驱动泵通常又被称为转运ATPase。正常情况下转运ATPase并不能单独水解ATP,而是将ATP的水解与物质的跨膜转运紧密偶联在一起。•分类根据泵蛋白的结构和功能特性，ATP驱动泵可分为4类：P型泵、V.型质子泵、F.型质子泵和ABC超家族。前三种:转运离子，后一种主要转运小分子。一、P型泵・Na+-K+泵运转机制在细胞内侧a亚基与Na+相结合促进ATP水解，a亚基上的一个天冬氨酸残基磷酸化引起a亚基构象发生变化，将Na+泵出细胞，同时细胞外的K+与a亚基的另位点结合，使其去磷酸化，a亚基构象再度发生变化将K+泵人细胞，完成整个循环。每个循环消耗一个ATP分子可以逆着电化学梯度泵出3个Na和泵入2个K+。主要生理功能⑥维持细胞膜电位⑥维持动物细胞渗透平衡⑥吸收营养•Ca2+泵及其他P型泵♦分布在所有真核细胞的质膜和某些细胞器如内质网、叶绿体和液泡膜上。♦Ca2+泵工作与ATP的水解相偶联，每消耗1分子ATP从细胞质基质泵出2个Ca2+。Ca2+泵主要将Ca2+输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，以维持细胞质基质中低浓度的游离Ca2+。Ca2+泵将CaZ+泵入肌质网，对调节肌细胞的收缩运动很重要。•P型H+泵二、V型质子泵和F型质子泵在功能上都是只转运质子，并且在转运H+过程中不形成磷酸化的中间体。•V型质子泵利用ATP水解供能从细胞质基质中逆H+电化学梯度将H+泵入细胞器，以维持细胞质基质pH中性和细胞器内的pH酸性。•F型质子泵当H+顺着电化学梯度通过质子泵时，所释放的能量驱动F型质子泵合成ATP,如线粒体的氧化磷酸化和叶绿体光合磷酸化作用，因此又称为H+-ATP酶。第三节胞吞、胞吐与主动运输•定义在转运过程中，物质包裹在脂双层膜包被的囊泡中，因此又称膜泡运输。这种运输方式常常可同时转运一种或一种以上数量不等的大分子甚至颗粒性物质，因此也有人称之为批量运输。•作用完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，胞吞定义所谓胞吞作用，就是细胞通过质膜内陷形成囊泡，将胞外的生物大分子、颗粒性物质或液体等摄取到细胞内，以维持细胞正常的代谢活动•胞吐定义胞吐作用则是细胞内合成的生物分子（蛋白质和脂质等）和代谢物以分泌泡的形式与质膜融合而将内含物分泌到细胞表面或细胞外的过程。一、胞吞作用的类型根据胞吞泡形成的分子机制不同和胞吞泡的大小差异，胞吞作用可分为两种类型：吞噬作用和胞饮作用。所有真核细胞都能通过胞饮作用连续摄入溶液及可溶性分子，而吞噬作用往往发生于一些特化的吞噬细胞如巨噬细胞。吞噬作用通过吞噬作用形成的胞吞泡叫做吞噬体。阴574吞理作用由唯细胞体用仍足，包哀痫原诫生物脂成吞碑体，吞肆体与点睛体融合.在君科酸性水新酹的件用K将病原油生物分解•未被分端的底物形成我余小体，可通过脂吐作用的方式将残余底把释放到细肥外，胞饮作用几乎发生在所有真核细胞中胞饮作用可以分为网格蛋白依赖的胞吞作用、胞膜窖依赖的胞吞作用、大型胞饮作用以及非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用。网格蛋白依赖的胞吞作用♦机制当配体与膜上受体结合后，网格蛋白聚集在膜下，逐渐形成质膜凹陷，称网格蛋白包被小窝。一种小分子GTP结合蛋白一一发动蛋白在深陷的包被小窝的颈部组装成环，发动蛋白水解与其结合的GTP引起颈部缢缩，最终月脱离质膜形成网格蛋白包被膜泡。几秒钟后，网格蛋白便月脱离包被膜泡返回质膜附近区域以便重复使用，月兑包被的囊泡与早胞内体融合，从而将转运分子及胞外液体摄入细胞。⑥特异性网格蛋白不具有特异性，有特异性选择作用的是包被中另一类衔接蛋白，它既能结合网格蛋白，又能识别跨膜受体胞质面的尾部肽信号，从而通过网格蛋白包被膜泡介导跨膜受体及其结合配体的选择性运输。♦根据胞吞的物质是否具有专一性，可将胞吞作用分为受体介导的胞吞作用和非特异性的胞吞作用。二、胞吞作用功能・胞吞作用对信号转导的下调胞外信号与膜上配体结合激活下游通道后细胞可通过胞吞作用将胞外信号及其膜配体吞入细胞内降解从而导致细胞信号转导活性下调。・胞吞作用对信号转导的激活第6页共33页胞吞作用激活信号转导最典型的例子就是Notch信号通路。就是Notch信号通路。Notch信号是细胞与细胞间相互作用的主要信号通路之一，对多细胞生物中细胞分化命运的决定起关键作用。果蝇正常发育的神经系统通过一种旁侧抑制机制抑制其他上皮细胞发育成神经细胞，即前体神经细胞（信号细胞）通过在自身质膜上表达单次跨膜信号蛋白Delta,当该信号蛋白与邻近上皮细胞（靶细胞）表面的受体Notch结合

后，通过Notch信号通路调控，邻近靶细胞就无法分化成神经细胞而仍然保持为上皮细胞。首先，配体DSL与Notch受体结合，导致Notch暴露出其胞外S2切割位点并被裂解，胞外部分与配体被信号细胞内吞，然后，Notch受体被靶细胞内吞至胞内体并在S3位点被Y第6页共33页三、胞吐作用•组成型的外排途径（constitutiveexocytosispathway）所有真核细胞连续分泌过程用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子）defaultpathway：除某些有特殊标志的融留蛋白和调节型分泌泡外，其余蛋白的转运途径：粗面内质网一高尔基体一分泌泡一细胞表面・调节型外排途径特化的分泌细胞储存——刺激——释放产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）具有共同的分选机制，分选信号存在于蛋白本身，分选主要由高尔基体TGN上的受体类蛋白来决定•膜流：动态过程对质膜更新和维持细胞的生存与生长是必要的第六章细胞的能量转换一线粒体和叶绿体・线粒体与氧化磷酸化•叶绿体与光合作用・线粒体和叶绿体是半自主性细胞器・线粒体和叶绿体的增殖与起源第一节 线粒体与氧化磷酸化・线粒体的形态结构•线粒体的超微结构•氧化磷酸化・线粒体与疾病一、线粒体的形态结构•形态颗粒或短线状，直径为0.3-1.0um,长度为1.5-3.0um,大小形态可随细胞生命活动变化呈现很大变化。•分布与细胞内能量需求密切相关。能量需求集中的区域线粒体分布密集，反之分布密度较小。已有证据表明，动、植物细胞中的线粒体时刻处于依赖细胞骨架和马达蛋白的运动之中。・数量细胞中线粒体的数目受到物种遗传信息的调控，随细胞分化而变化。•形态、数目调控频繁的线粒体融合与分裂是调控线粒体形态和数目的基本方式・形态、数目调控的生物学意义♦体积较小的线粒体易于依赖细胞骨架动态运输，体积较大的线粒体适合在细胞特定的区域呈现相对静态的分布。这样，线粒体的融合与分裂可能是细胞应对生命活动的需求对线粒体进行合理“排兵布阵〃的手段之一。♦频繁的线粒体融合与分裂实际上把细胞中所有的线粒体联系成一个不连续的动态整体。频繁的融合与分裂可能是线粒体间共享遗传信息的重要途径。•线粒体片段化细胞内出现线粒体数目增加和体积减小的现象被称作线粒体片段化。・线粒体的化学组成♦蛋白质（线粒体干重的65〜70%）♦脂类（线粒体干重的25〜30%）：・磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。•线粒体脂类和蛋白质的比值：0.3:1（内膜）；1:1（外膜）二、线粒体的超微结构・外膜（outermembrane）平展，起界膜作用，含孔蛋白（porin）,可逆性地开闭，通透性较高。还分布有一些特殊的酶，参与肾上腺素氧化、色氨酸降解、脂肪酸链延长，表明外膜不仅参与膜磷脂的合成，还可对将在线粒体基质中彻底氧化的物质进行初步分解。外膜的标志酶是单胺氧化酶。・内膜（innermembrane）向内折叠形成嵴，含有与能量转换相关的蛋白。高度不通透性，是质子电化学梯度的建立及ATP合成所必需的。内膜是氧化磷酸化的关键场所。内膜嵴上有线粒体基质，即ATP合酶。内膜的标志酶是细胞色素氧化酶。・膜间隙（intermembranespace）含许多可溶性酶、底物及辅助因子。由于外膜通透性较高，膜间隙离子环境几乎与细胞质相同。•基质（matrix）内膜之内空间，富含可溶性蛋白质的胶状物质。含三竣酸循环酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA,RNA,核糖体。三、氧化磷酸化线粒体主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP,为细胞生命活动提供直接能量；与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态平衡的调控有关。♦氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程，即有机分子中储藏的能量"高能电子”质子动力势”ATP♦氧化（电子传递、消耗氧，放能）与磷酸化（ADP+Pi,储能）同时进行，密切偶连，分别由两个不同的结构体系执行♦电子传递链（electron-transportchain）的四种复合物，组成两种呼吸链：NADH呼吸链，FADH2呼吸链・电子传递链♦概念⑥来自TCA（三竣酸循环）的高能电子在到达02之前在线粒体内抹上有序地经过多步转移，释放多余的能量，称为电子转移。⑥在电子转移过程中，接受和释放电子的分子和原子称为电子载体，电子载体组成的电子传递序列称为电子传递链。⑥由于ATP合成时的磷酸化过程以电子传递中的氧化过程为基础并依托线粒体内膜同时进行，因此，线粒体中的ATP合成被称为氧化磷酸化。♦参与电子传递链的5种类型电子载体黄素蛋白、细胞色素（含血红素辅基）、铁硫蛋白、泛醌和铜原子。它们的共同特征是具有氧化还原作用。♦电子传递是一个由高能态到低能态顺序进行的放能过程，呼吸链中电子载体严格按照氧化还原电位从低向高排列，其中NAD+/NADH氧化还原电位最低，02/H20的最高。氧化还原电位值越低，提供电子的能力越强。・电子传递链的四种复合物（哺乳类）♦定义分布于线粒体内膜、含有电子传递催化中心的膜蛋白复合物被称作电子传递复合物。♦功能复合物I和H分别催化电子从两种不同的供体NADH和FADH,传递到泛醌（UQ）,复合物I使电子从泛醌传递到细胞色素c（Cytc）;复合物IV将电子从Cytc转移到02。♦复合物I：NADH-CoQ还原酶复合物（既是电子传递体又是质子移位体），是一种由电子传递释放能量驱动的质子泵。组成：含42个蛋白亚基，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白。作用：催化NADH氧化，从中获得2高能电子，传递给辅酶Q；每传递2个电子伴随着4个H+从基质转移到膜间隙。♦复合物H：琥珀酸-CoQ还原酶（是电子传递体而非质子移位体）组成：由4种不同的蛋白质组成，是TCA循环中唯一一个结合在膜上的酶。含FAD辅基，2Fe-S中心，第7页共33页作用：催化来自琥珀酸的2个低能电子"FAD"Fe-S”辅酶Q第7页共33页令复合物m：即CoQ-Cytc还原酶，又称细胞色素bc1复合物（既是电子传递体又是质子移位体）组成：包括1cytcl、1cytb、1Fe-S蛋白作用：催化电子从泛醌“cytc；泵出4H+（2个来自泛醌，2个来自基质）令复合物W：细胞色素氧化酶（既是电子传递体又是质子移位体）组成：二聚体，每一单体含13个亚基，有4个氧化还原中心，cyta,cyta3,2个Cu（CuA、CuB）作用：催化电子从cytc”分子02形成水。每传递1对电子从基质中摄取4个H+,2H+泵出，2H+参与形成水♦在电子传递过程中，有几点需要说明⑥电子传递起始于NADH月兑氢酶催化NADH氧化，形成高能电子（能量转化），终止于02形成水。⑥高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物（H+-泵）将H+从基质侧泵到膜间隙，形成跨线粒体内膜H+梯度（能量转化）⑥电子传递链各组分在膜上不对称分布•ATP合成酶（磷酸化的分子基础）♦结构电子显微镜下，ATP合酶的分子由球形的头部和基部组成，头部朝向线粒体基质，规则性地排布在内膜下并以基部与内膜相连。ATP合酶头部被称为偶联因子1（F1）,功能为催化ATP合成，缺乏质子梯度情况下呈现水解ATP活性；基部结构称为偶联因子0（F0）,作用是将跨膜质子驱动力转换成扭力矩，驱动“转子”旋转。♦质子驱动力膜间隙与基质之间质子浓度梯度的形成与保持是线粒体合成ATP的基本前提。线粒体内膜上的电子传递为膜间隙与基质之间的质子梯度提供了保证。在电子传递的过程中，高能电子的能量逐级释放。而基质中的质子则借助高能电子释放的能量被不断地定向转运到膜间隙。细胞内生物大分子经TCA循环氧化时产生NADH,在NADH脱氢酶作用下脱氢形成H+和高能电子，H+跨内膜定向位移，产生跨膜质子电化学梯度，高能电子进入内膜电子传递链。因此线粒体承担的能量转换实质上就是把H+跨膜电位差和质子浓度梯度（pH差）形成的质子驱动力转换为ATP分子中的高能磷酸键。♦线粒体ATP合成系统的解离与重建实验证明电子传递与ATP合成是由两个不同的结构体系执行，F1颗粒具有ATP酶活性♦工作特点可逆性复合酶，即既能利用质子电化学梯度储存的能量合成ATP,又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙♦ATP合成机制—BandingChangeMechanism（Boyer1979）⑥质子梯度的作用并不是生成ATP,而是使ATP从酶分子上解脱下来。ATP合酶上的3个B亚基的氨基酸序列是相同的，但它们的构象却不同。即在任一时刻，3个B催化亚基以3种不同的构象存在，从而使它们对核昔酸具有不同的亲和性。ATP通过旋转催化而生成。在此过程中，通过F0“通道”的质子流引起“转子”旋转。旋转的动力来自于F0质子通道中的质子跨膜运动。由于在外侧有“定子”（外周柄）的固定作用，和酶的外周部分相对于膜表面是静止的。“转子”的旋转使每一一个B亚基都经历3种不同的构象改变，导致3个ATP生成并从酶表面释放。ATP合酶中使化学能转换成机械能的效率几乎达100%,是迄今发现的自然界最小的“分子马达”。♦氧化磷酸化的偶联机制-化学渗透假说电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子沿其传递时，所释放的能量将H+从基质泵到膜间隙，形成H+电化学梯度。在这个梯度驱使下，H+穿过ATP合成酶回到基质，同时合成ATP,电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键。♦支持化学渗透假说的实验证据该实验表明质子动力势乃ATP合成的动力膜应具有完整性电子传递与ATP合成是两件相关而又不同的事件第二节叶绿体与光合作用

一、叶绿体的基本形态及动态特征•形态、大小高等植物叶肉细胞中，叶绿体呈凸透镜或铁饼状，直径为5〜10um,厚2〜4pm。•分布在细胞质膜和液泡间薄层的细胞质中，平层排列・动态特征♦高等植物的叶片生长平整后，叶肉细胞内叶绿体的体积和数目相对稳定。♦位置变化叶绿体在细胞膜下的分布依光照情况而变化，光照较弱时，叶绿体汇集到细胞顶面，最大限度地吸收光能，称为积聚效应；光照较强时，叶绿体移动到细胞侧面，防止强光伤害，称为躲避响应。叶绿体的运动和位置维持需要借助微丝骨架的作用。♦叶绿体之间的动态连接：叶绿体可以通过其内外膜延伸形成的管状凸出（基质小管）的融合与分断实现叶绿体之间的相互联系。♦叶绿体的分化与去分化叶绿体分化于幼叶的形成和生长阶段。在形态上，叶绿体的分化表现为体积的增大、内膜系统的形成和叶绿素的积累。而在生化和分子生物学上，则体现为叶绿体功能所必需的酶、蛋白质、大分子的合成、运输及定位。在特定情况下，叶绿体的分化是可逆的。叶肉细胞经组织培养形成愈伤组织细胞时，叶绿体去分化再次形成原质体。二、叶绿体的超微结构叶绿体的超微结构可以被分为3个部分：叶绿体被膜或称叶绿体膜、类囊体以及叶绿体基质。•叶绿体膜双层单位膜，内、外膜之间的腔隙称为膜间隙。外膜通透性大，含有孔蛋白；内膜通透性较低，仅允许02、C02、电0自由通过。内膜上有很多转运蛋白，选择性转运较大分子进出叶绿体。•类囊体叶绿体内部由内膜衍生而来的封闭的扁平膜囊称类囊体，类囊体囊内的空间称为类囊体腔，许多圆饼状的类囊体有序叠置成垛，称为基粒。组成基粒的类囊体称为基粒类囊体，不形成垛叠的片层结构称为基质片层或基质类囊体，在光照等因素的调节下，基粒类囊体与基质类囊体之间可发生动态的相互转换。叶绿体内的全部类囊体之间实际上是一一个完整连续的封闭膜囊。•叶绿体基质叶绿体内膜与类囊体之间的液态胶体物质，称为叶绿体基质。基质的主要成分是可溶性蛋白质和其他代谢活跃物质。三、光合作用高等植物的光合作用由两步反应协同完成，分别被称为依赖光的反应或称“光反应”和碳同化反应或称固碳反应。・光反应光反应包括原初反应和电子传递及光合磷酸化两个步骤，指叶绿素等光合色素分子吸收、传递光能并其转换为电能，进而转换为活跃的化学能，形成ATP和NADPH,同时产生02的一系列过程。光反应在类囊体膜上进行。♦原初反应⑥捕获光能是光合作用的初始步骤。⑥原初反应指光合色素分子被光能激发而引起第一个光化学反应的过程。该过程包括光能的吸收、传递和转换，即光能被天线色素分子（或称捕光色素）吸收并传递至反应中心，继而诱发最初的光化学反应，使光能转换为电能的过程。第8页共33页⑥叶绿体内的色素可分为3类：叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素。叶绿素是光合作用的主要色素，在光吸收中起核心作用。高等植物的叶绿体含有叶绿素a和叶绿素b第8页共33页⑥能量传递顺序：从需能较高的天线色素分子传递到需能较低的色素分子。换言之，能量从吸收短波长光波的天线色素分子传向吸收长波长光波的的天线色素分子。反应中心的叶绿素分子是吸收最长波长光的色素。所有天线色素分子吸收的光能必然和不可逆转地传递给反应中心色素。反应中心色素在直接吸收光能或接受从天线色素分子传递来的光能后被激发，产生电荷分离和能量转换。⑥光化学反应是指反应中心色素分子吸收光能而引发的氧化还原反应。♦电子传递和光合磷酸化原初反应将光能转换为电能，完成了光反应的第一步。电子随后在电子传递体之间的传递，导致ATP和NADPH的形成，即电能转换为活跃的化学能。这一过程涉及水的裂解、电子传递及NADP还原。其中H2O是原初电子供体；NADP+是最终电子受体。水裂解释放的电子在沿着光合电子传递链传递的同时，在类囊体膜的两侧建立质子电化学梯度，驱动ATP的合成。⑥光合电子传递链由一系列的电子载体构成，包括细胞色素、黄素蛋白、醌和铁氧还蛋白等。⑥光系统（PS）指光合作用中光吸收的功能单位，由叶绿素、类胡萝卜素、脂质和蛋白质组成。每一个光系统复合物含两个组分：捕光复合物和反应中心复合物。光系统驱动1个电子从H2O传递到NADP+需要2个光子（每个光系统各吸收1个）。每形成1分子的O2需要4个电子从2个H2O传递到2个NADP+,共需吸收8个光子（每个光系统各吸收4个）。类囊体膜上有光系统I和光系统II。PSII的功能：利用光能在类囊体膜腔面一侧裂解水并在基质侧还原质体醌，使类囊体膜的两侧形成质子梯度。PSI的功能：利用吸收的光能或传递来的激发能在类囊体膜的基质侧将NADP+还原为NADPH。⑥光合磷酸化由光照所引起的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程称为光合磷酸化。光合作用通过光合磷酸化形成ATP,再通过CO2同化将能量储存在有机物中。♦光合磷酸化和氧化磷酸化的相同之处：ATP的形成都由H+流所驱动；叶绿体的CF1因子与线粒体的F1,因子都具有催化ADP和Pi形成ATP的作用；在光合磷酸化和氧化磷酸化中都需要完整的膜;等等。♦光合磷酸化和氧化磷酸化之间的不同：叶绿体中1对电子的2次穿膜传递，导致基质中的3个H+被摄取进入类囊体腔，同时类囊体腔内产生4个H+。此后平均每3个H+穿过叶绿体ATP合酶驱动合成1个ATP分子。而线粒体中1对在电子3次跨膜传递的过程中将5对H+由基质摄入膜间隙，之后每2个H+穿过线粒体ATP合酶驱动1个ATP分子的合成。•光合碳同化二氧化碳同化是光合作用过程中的固碳反应。从能量转换角度看，碳同化的本质是将光反应产物ATP和NADPH中的活跃化学能转换为糖分子中高稳定性化学能的过程。高等植物的碳同化有3条途径：卡尔文循环（C3途径）、C4途径和景天酸代谢（CAM）。其中卡尔文循环是碳同化的基本途径，具备合成糖类等产物的能力。其他两条途径只能起到固定、浓缩和转运CO2的作用，不能单独形成糖类等产物。♦卡尔文循环包括3个主要的阶段，竣化（CO2固定）、还原和RuBP再生。卡尔文循环每次只固定1个CO2分子，6次循环才能把6个CO2分子同化成I个己糖分子。在能量使用上，循环每固定1个CO2分子需要3分子ATP和2分子NADPHo♦卡尔文循环净反应6CO2+18ATP+12NADPH-C6H2O6+12NADP++18ADP+18Pi第三节线粒体和叶绿体是半自主性细胞器・线粒体和叶绿体携带遗传物质DNA,以原核细胞的编码方式转录合成一些自身需要的RNA与蛋白质；两种细胞器都通过分裂方式而增殖，其遗传信息以非孟德尔方式遗传给子代。这些结构、行为和遗传学特征表明线粒体和叶绿体是一类特殊的半自主性细胞器。•半自主性细胞器的概念：自身含有遗传表达系统（自主性）；但编码的遗传信息（自主性有限）十分有限，其RNA转录、蛋白质翻译、自身构建和功能发挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息。一、线粒体和叶绿体的DNA・线粒体DNA（mtDNA）/叶绿体DNA（cpDNA）mtDNA：双链环状，分子结构与细菌DNA相似，大小在动物中变化不大，但在植物中变化较大高等植物，120kbp〜200kbpcpDNA：环状，分子大小依物种不同呈现较大差异mtDNA和ctDNA均以半保留方式进行自我复制mtDNA复制的时间主要在细胞周期的S期及G2期，DNA先复制，随后线粒体分裂。ctDNA复制的时间在G1期。复制仍受核控制二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限・线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性（7-4）・不同来源的线粒体基因，其表达产物既有共性，也存在差异•参加叶绿体组成的蛋白质来源有3种情况：♦由ctDNA编码，在叶绿体核糖体上合成；♦由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成；♦由核DNA编码，在叶绿体核糖体上合成。三、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装•线粒体蛋白质的运送与组装♦定位于线粒体基质的蛋白质的运送♦定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送•叶绿体蛋白质的运送及组装四、线粒体、叶绿体基因组与细胞核的关系・核质互作在真核细胞中，细胞核与线粒体、叶绿体之间在遗传信息和基因表达调控等层次上建立的分子协作机制，被称为核质互作。・核质冲突当核质互作相关的细胞核或线粒体、叶绿体基因单方面发生突变，引起细胞中的分子协作机制出现严重障碍时细胞或真核生物个体通常会表现出一些异常的表型。这类表型背后的分子机制被统称为核质冲突。•胞核基因组与线粒体、叶绿体基因组之间相互依赖又相互制约。第四节线粒体和叶绿体的增殖与起源

一、线粒体和叶绿体的增殖・线粒体的增殖：由原来的线粒体分裂或出芽而来。•叶绿体的发育和增殖♦个体发育：由前质体（proplastid）分化而来。♦增殖：分裂增殖二、线粒体和叶绿体的起源•内共生起源学说♦内共生起源学说认为，线粒体和叶绿体分别起源于原始真核细胞内共生的行有氧呼吸的细菌和行光能自养的蓝细菌。进一步完善后内共生起源学说认为♦真核细胞的祖先是一种体积较大、不需氧具有吞噬能力的细胞，通过糖酵解获取能量。而线粒体的祖先则是一种革兰氏阴性菌，具备三竣酸循环所需的酶和电子传递链系统，可利用氧气把糖酵解的产物丙酮酸进一步分解，获得比酵解更多的能量。当这种细菌被原始真核细胞吞噬后，即与宿主细胞间形成互利的共生关系：原始真核细胞利用这种细菌获得更充分的能量，而这种细菌则从宿主细胞获得更适宜的生存环境。与此类似，叶绿体的祖先可能是原核生物蓝细菌。当这种蓝细菌被原始真核细胞摄入后，为宿主细胞进行光合作用：而宿主细胞则为其提供其他的生存条件。•内共生起源学说的主要论据：第9页共第9页共33页细菌或蓝细菌的遗传信息，说明最初的呼吸细菌和蓝细菌的大部分基因组在漫长的共进化过程中发生了向细胞核的转移。♦线粒体和叶绿体基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。♦线粒体和叶绿体基因组有自己完整的蛋白质合成系统，能独立合成蛋白质，蛋白质合成机制有很多类似细菌而不同于真核生物。♦两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统相似，内膜与细菌质膜相似。♦线粒体和叶绿体基因组以缢裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同。♦线粒体和叶绿体能在异源细胞内长期生存，说明线粒体和叶绿体具有的自主性与共生性的特征。♦线粒体的磷脂成分、呼吸类型和Cytc的初级结构与反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌接近，暗示线粒体的祖先可能是这两种菌中的一种。♦发现介于胞内共生蓝藻与叶绿体之间的结构一蓝小体，其特征在很多方面可作为原始蓝藻向叶绿体演化的佐证。•内共生起源学说的不足之处♦从进化角度，如何解释在代谢上明显占优势的共生体反而将大量的遗传信息转移到宿主细胞中？♦不能解释细胞核是如何进化来的，即原核细胞如何演化为真核细胞？♦线粒体和叶绿体的基因组中存在内含子，而真细菌原核生物基因组中不存在内含子，如果同意内共生起源学说的观点，那么线粒体和叶绿体基因组中的内含子从何发生？•非共生起源学说♦主要内容：真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好氧细菌。♦成功之处：解释了真核细胞核被膜的形成与演化的渐进过程。第七章 细胞质基质与细胞内膜系统第一节 细胞质基质细胞质基质(cytoplasmicmatrixorcytomatrix)细胞内膜系统(endomembranesystem)第二节内质网内质网(endoplasmicreticulum,ER)的形态结构ER的功能内质网与基因表达的调控第三节 高尔基体高尔基体的形态结构高尔基体的功能高尔基体与细胞内的膜泡运输第四节溶酶体与过氧化物酶体第五节细胞内蛋白质的分选与细胞结构的组装分泌蛋白合成的模型…信号假说蛋白质分选与分选信号膜泡运输细胞结构体系的组装一、细胞质基质细胞质基质是细胞的重要的结构成分，其体积约占细胞质的一半基本概念：用差速离心法分离细胞匀浆物组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分。生物化学家多称之为胞质溶胶。主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。主要特点：细胞质基质是一个高度有序的体系；通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系。完成各种中间代谢过程如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等蛋白质的分选与运输与细胞质骨架相关的功能维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递等蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解蛋白质的修饰控制蛋白质的寿命降解变性和错误折叠的蛋白质帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正确的分子构象二、细胞内膜系统(endomembranesystem)■细胞内膜系统概述■细胞内膜系统的研究方法细胞内膜系统概述♦细胞内膜系统是指细胞内在结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构。♦真核细胞细胞内的区域化(compartmentalization)：⑥细胞骨架纤维为组织者的Cytomatrix形成有序的动态结构；⑥细胞内的膜相结构细胞器(organelles)。细胞内膜系统的研究方法⑥放射自显影(Autoradiography);⑥生化分析(Biochemicalanalysis);⑥遗传突变分析(Geneticmutants)一、内质网的形态结构内质网的两种基本类型粗面内质网(roughendoplasmicreticulum,rER)光面内质网(smoothendoplasmicreticulum,sER)微粒体(microsome)二、ER的功能ER是细胞内蛋白质与脂类合成的基地，几乎全部脂类和多种重要蛋白都是在内质网合成的。rER的功能蛋白质合成蛋白质的修饰与加工新生肽的折叠与组装脂类的合成sER的功能类固醇激素的合成(生殖腺内分泌细胞和肾上腺皮质)肝的解毒作用(Detoxification)Systemofoxygenasescytochromep450family；肝细胞葡萄糖的释放(G-6PG)储存钙离子：肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中Ca2+泵入肌质网腔中蛋白质合成分泌蛋白；整合膜蛋白；内膜系统各种细胞器内的可溶性蛋白(需要隔离或修饰)。其它的多肽是在细胞质基质中“游离”核糖体上合成的：包括：细胞质基质中的驻留蛋白、质膜外周蛋白、核输入蛋白、转运到线粒体、叶绿体和过氧物酶体的蛋白。注意：细胞中蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质中“游离”核糖体。蛋白质的修饰与加工修饰加工：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等♦糖基化在glycosyltransferase作用下发生在ER腔面N-linkedglycosylation(Asn)O-linkedglycosylation(Ser/ThrorHylys/Hypro)♦酰基化发生在ER的细胞质基质侧：软脂酸一Cys新生肽的折叠与组装♦新生肽的折叠组装：非还原性的内腔，易于二硫键形成;⑥正确折叠涉及驻留蛋白：具有KDELorHDEL信号蛋白二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase,PDI)切断二硫键，帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处于正确折叠的状态第10页共33页⑥结合蛋白(Bindingprotein,Bip第10页共33页装配。脂类的合成ER合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇）。两种例外： 鞘磷脂和糖脂（ER开始一Golgicomplex完成）；Mit/Chl某些单一脂类是在它们的膜上合成的。各种不同的细胞器具有明显不同的脂类组成：phosphatidylcholine（PC）：ER^GC^PM（高一低）phosphatidylserine（PS）：PM^GC^ER（高一低）phospholipdtranslocator/flippase与膜质转位磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位点朝向cytosol；磷脂的转运：transportbybudding：ERfGC、Ly、PMtransportbyphospholipidexchangeproteins（PEP）：ERfotherorganelles（includingMitandChl）。三、内质网与基因表达的调控内质网蛋白质的合成、加工、折叠、组装、转运及向高尔基体转运的复杂过程显然是需要有一个精确调控的过程。影响内质网—细胞核信号转导的三种因素：内质网腔内未折叠蛋白的超量积累。折叠好的膜蛋白的超量积累。内质网膜上膜脂成份的变化——主要是固醇缺乏不同的信号转导途径，最终调节细胞核内特异基因表达一、高尔基体的形态结构电镜下高尔基体结构是由扁平膜囊和大小不等的囊泡构成高尔基体是有极性的细胞器：位置、方向、物质转运与生化极性高尔基体各部膜囊的4种标志细胞化学反应：高尔基体至少由互相联系的4个部分组成，每一部分又可能划分出更精细的间隔高尔基体与细胞骨架关系密切，在非极性细胞中，高尔基体分布在MTOC（负端）高尔基的膜囊上存在微管的马达蛋白（cytoplasmicdynein和kinesin）和微丝的马达蛋白（myosin）。最近还发现特异的血影蛋白（spectrin）网架。它们在维持高尔基体动态的空间结构以及复杂的膜泡运输中起重要的作用。♦扁囊弯曲成凸面又称形成面（formingface）或顺面（cisface）♦面向质膜的凹面（concave）又称成熟面（matureface）或反面（transface）高尔基体各部膜囊的4种标志细胞化学反应⑥嗜锇反应的高尔基体cis面膜囊；令焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）细胞化学反应，显示trans面1〜2层膜囊；⑥胞嘧啶单核昔酸酶（CMP酶）细胞化学反应，显示靠近trans面膜囊状和管状结构GERL结构：60年代初，Novikoff发现CMP和酸性磷酸酶存在于高尔基体的一侧，称这种结构为GERL,意为与高尔基体（G）密切相关，但它是内质网（ER）的一部分，参与溶酶体（L）的生成。⑥烟酰胺腺嘌呤二核昔磷酸酶（NADP酶）的细胞化学反应，显示中间扁平囊♦高尔基体顺面网状结构（cis-Golginetwork,CGN）又称cis膜囊♦高尔基体中间膜囊（medialGolgi）多数糖基修饰；糖脂的形成；与高尔基体有关的多糖的合成高尔基体反面网状结构（transGolginetwork,TGN）周围大小不等的囊泡顺面囊泡称ERGIC/VTC——ERGIC53/58蛋白（结合Mn）反面体积较大的分泌泡与分泌颗粒高尔基体顺面网状结构⑥RER（蛋白质和脂类）—土—（蛋白质KDEL或HDEL）CGN；⑥蛋白丝氨酸残基发生O--连接糖基化；⑥跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化；⑥日冕病毒的装配高尔基体反面网状结构TGN中的低pH值；标志酶CMP酶阳性TGN的主要功能：⑥参与蛋白质的分类与包装、运输；⑥某些''晚期〃的蛋白质修饰（如唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基的硫酸化及蛋白原的水解加工）在蛋白质与脂类的转运过程中的“瓣膜”作用，保证单向转运二、高尔基体的功能高尔基体与细胞的分泌活动蛋白质的糖基化及其修饰蛋白酶的水解和其它加工过程高尔基体与细胞的分泌活动⑥蛋白质的分选及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质的基因本身流感病毒囊膜蛋白特异性地转运分上皮细胞游离端的质膜水泡性口炎病毒囊膜蛋白特异性地转运分上皮细胞基底面的质膜水泡性口炎病毒囊膜蛋白等膜蛋白在胞质基质侧的双酸分选信号Asp-X-Gln或DXE）起重要的作用⑥溶酶体酶的分选：M6P1反面膜囊M6P受体在肝细胞中溶酶体酶还存在不依赖于M6P的另一种分选途径。蛋白质的糖基化及其修饰蛋白质糖基化类型蛋白质糖基化的特点及其生物学意义蛋白聚糖在高尔基体中组装植物细胞中高尔基体合成和分泌多种多糖蛋白质糖基化类型蛋白质糖基化的特点及其生物学意义♦糖蛋白寡糖链的合成与加工都没有模板，靠不同的酶在细胞不同间隔中经历复杂的加工过程才能完成。♦糖基化的主要作用是蛋白质在成熟过程中折叠成正确构象和增加蛋白质的稳定性；多羟基糖侧链影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质。对多数分选的蛋白质来说，糖基化并非作为蛋白质的分选信号。♦进化上的意义：寡糖链具有一定的刚性，从而限制了其它大分子接近细胞表面的膜蛋白，这就可能使真核细胞的祖先具有一个保护性的外被，同时又不象细胞壁那样限制细胞的形状与运动。蛋白聚糖在高尔基体中组装一个或多个糖胺聚糖（通过木糖）结合到核心蛋白的Ser残基上植物细胞高尔基体合成和分泌多种多糖.蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型⑥无生物活性的蛋白原（proprotein）＞高尔基体分切除N-端或两端的序列分成熟的多肽。如胰岛素、胰高血糖素及血清白蛋白等。⑥蛋白质前体〉高尔基体〉水解〉同种有活性的多肽，如神经肽⑥含有不同信号序列的蛋白质前体＞高尔基体1加工成不同的产物。⑥同一种蛋白质前体＞不同细胞、以不同的方式加工分不同的多肽。加工方式多样性的可能原因：⑥确保小肽分子的有效合成；⑥弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号；⑥有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。在高尔基体中进行的肽链酪氨酸残基的硫酸化作用三、高尔基体与细胞内的膜泡运输高尔基体在细胞内膜泡蛋白运输中起重要的枢纽作用一、溶酶体的结构类型溶酶体膜的特征：⑥嵌有质子泵，形成和维持溶酶体中酸性的内环境；⑥具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运；⑥膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。溶酶体的标志酶：酸性磷酸酶（acidphosphatase）类型初级溶酶体（primarylysosome）次级溶酶体（secondarylysosome）第11页共33页受体蛋白。受体蛋白。♦过氧化物酶体的膜脂可能在内质网上合成后转运而来。♦内质网也参与过氧化物酶体的发生一、分泌蛋白合成的模型—信号假说♦信号假说(Signalhypothesis)♦信号肽(Signalpeptide)与共转移(Cotranslocation)♦导肽(Leaderpeptide)与后转移(Posttranslocation)

信号假说信号假说内容指导因子：蛋白质N-端的信号肽(signalpeptide)信号识别颗粒(signalrecognitionparticle，SRP)信号识别颗粒的受体(又称停泊蛋白dockingprotein，DP)等在非细胞系统中蛋白质的翻译过程与SRP、DP和微粒体的关系信号肽与共转移♦信号肽(Signalpeptides)与信号斑(Signalpatches)起始转移序列和终止转移序列起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数跨膜蛋