细胞生物学
生物奥赛辅导
教师：薛嬿
二、细胞质
细胞膜
质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。
1、膜脂
膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。
磷脂是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50％以上。磷脂分子的主要特征是：具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链）。
胆碱
磷酸
甘油基团
脂肪酸链
磷脂
A.甘油磷脂
磷脂酰胆碱（PC、卵磷脂） 磷脂酰丝氨酸（PS） 磷脂酰乙醇胺（PE、脑磷脂）磷脂酰肌醇（PI） 双磷脂酰甘油（DPG，心磷脂）
B.鞘磷脂
在脑和神经细胞膜中特别丰富，亦称神经醇磷脂，它是以鞘胺醇为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞和植物中没有鞘磷脂
糖 脂 类
glucose
脂 肪 酸
鞘氨醇的碳氢链
D—葡萄糖或D—半乳糖
糖脂是含糖而不含磷酸的脂类:极性头部为糖基,非极性尾部是鞘氨醇的碳氢链和连于鞘氨醇酰氨基上的脂肪酸侧链，头尾通过鞘氨醇的羟基相连接，在神经细胞膜上糖脂含量较高。
不同细胞中所含糖脂种类不同。如人红细胞表面的ABO血型糖脂。血型物质的化学本质是指构成血型抗原的糖蛋白或糖脂，而血型的特异性主要取决于血型抗原糖链的组成（即血型抗原的决定簇在糖链上）。
胆固醇广泛存在与动物细胞膜中，植物和原核细胞中不含。其功能是提高脂双层的稳定性。分子结构包括羟基（极性头部）、类固醇环（环戊烷多氢菲）、一条碳氢链（非极性尾部）。
环戊烷多氢菲
脂质体（liposome）
是一种人工膜。
在水中，搅动后磷脂形成双层脂分子的球形脂质体，直径25~1000nm不等。
（可裹入DNA 用于转基因，裹入药物用于诊断和治疗）
2、膜蛋白
是膜功能的主要体现者。根据在膜中的位置以及与脂分子的结合方式，可分为：
整合蛋白：分布在膜脂双分子层中，结合 紧密，难以分离
外周蛋白：细胞的内外表面，容易从膜上分离
①②整合蛋白；③④⑤⑥外周的蛋白
整合蛋白（内在蛋白或跨膜蛋白)分布于膜脂双分子层中，是两性分子。与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来。
外周蛋白（外在蛋白）分布于细胞膜的内外表面，为水溶性蛋白质，靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，与膜脂和膜蛋白结合松散，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度等比较温和的方法就可以从膜上分离下来。
膜的结构模型
三明治结构模型
(蛋白质－脂质－蛋白质)
单位膜模型
（所有的生物膜）
流动镶嵌模型
（脂和蛋白可侧向运动；蛋白分布的不对称性，即表面和内部）
脂筏模型 （推测100nm的脂筏可载600个蛋白质分子）
在生物膜上胆固醇富集而形成有序脂相，如同脂筏一样载着各种蛋白
Robertson 1959 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，它由双层脂分子和内外表面的蛋白质构成，总厚约7.5nm。
S. J. Singer（桑格） & G. Nicolson （尼克森）于1972根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。
质膜的流动镶嵌模型
根据Fluid-mosaic model：
细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。
磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架；
蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。
膜的不对称性
质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性。
样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为：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。
ES
EF
PS
PF
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：卵磷脂和鞘磷脂主要分布在外小页，脑磷脂和磷脂酰丝氨酸分布在内小页。
②复合糖的不对称性：糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。
③膜蛋白的不对称性：每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的方向性和分布的区域性。
质膜的流动性
由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。
1、膜脂分子的运动
侧向扩散运动
旋转
运动
摆动
运动
伸缩振荡运动
翻转
运动
旋转异
构化运动
侧向扩散运动：同一平面上相邻的脂分子交换位置（基本运动方式）。
旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。
摆动运动：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。
伸缩震荡运动：脂肪酸链进行伸缩震荡运动。
翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。
旋转异构化运动：脂肪酸链围绕C-C键旋转。
膜蛋白的运动性
膜蛋白的运动是自发的布朗运动
细胞膜的功能
1，提供稳定的内环境
2，选择性的物质运输
3，信息识别位点
4，多种酶的结合位点
5，介导细胞与细胞、细胞与基质间的连接
6，参与具有不同功能的细胞表面特化结构
物质的跨膜运输
一、被动运输（passive transport）
（一）简单扩散 simple diffusion
（二）协助扩散 facilitated diffusion
二、主动运输（active transport）
ATP直接供能
ATP间接提供能量
三、胞吞与胞吐作用
定义：是指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转运。转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要细胞提供代谢能量。
特点：运输方向、跨膜动力、能量消耗
类型：简单扩散、协助扩散
一、被动运输（passive transport）
1.被动运输
A.简单扩散
特点：
①沿浓度梯度扩散
②不需要提供能量
③没有膜蛋白的协助
物质：
非极性的小分子如O2、CO2、N2
不带电荷的极性小分子，如水、尿素
、甘油
B.协助扩散
特点：
①比自由扩散转运速率高
②存在最大转运速率
③有特异性，需特异膜蛋白协助
物质：极性分子和无机离子
载体蛋白
膜转运蛋白
通道蛋白
1.载体蛋白及其功能
载体蛋白（carrier proteins）：存在于细胞膜上的一种具有特异性传导功能的蛋白质，它能与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质分子的跨膜转运。
2.通道蛋白及其功能
通道蛋白（channel proteins）：存在于细胞膜上的一种跨膜蛋白质，其跨膜部分形成亲水性的通道，当这些孔道开放时允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过，通道蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子结合。
有些通道蛋白长期开放，如钾泄漏通道；
有些通道蛋白平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，又称为门通道（gated channel）。
2.主动运输
特点：
①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；
②需要能量；
③都有载体蛋白。

能量来源：　① 协同运输中的离子梯度动力——协同运输
　② ATP直接提供能量——钠钾泵
Fig. Na+-K+泵的结构与工作模式示意图
由ATP直接提供能量的主动运输——钠钾泵
工作原理：
五、协同运输cotransport
是一类靠Na-K泵或质子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。
物质跨膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子的浓度梯度，而维持这种浓度梯度的是钠钾泵或质子泵消耗ATP实现的。
动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。
植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。
根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向协同与反向协同 。
协同运输
同向协同　　物质运输方向与离子转移方向相同,每转移一个Na+吸收一个葡萄糖分子.
反向协同　物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，质子泵可直接利用ATP运输H+来调节细胞PH值,动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的方式来转运H+以调节细胞内的PH值，即Na+的进入胞内伴随者H+的排出。
内吞作用与外排作用
真核细胞通过内吞作用（endocytosis）和外排作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。在转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输。细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用（cytosis）。
细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。
一、吞噬作用
细胞吞入液体或极小的颗粒物质。
二、胞饮作用
三、外排作用
exocytosis
包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融，将物质排出细胞之外。
细胞连接是细胞与细胞间或细胞与细胞外基质间的联结结构。
分为三大类：
封闭连接：紧密连接
锚定连接：粘着带与粘着斑、桥粒与半桥粒
通讯连接：间隙连接
细胞连接
细胞外基质
细胞外基质指分布细胞外，由细胞分泌的蛋白和多糖构成的网络结构，在组织中或组织之间起支持作用。
一般存在于脊椎动物的上皮细胞间。相邻细胞的连接区域具有蛋白质焊接线（嵴线），由跨膜的蛋白分子构成。
相邻细胞之间的嵴线相互交联封闭了细胞之间的空隙。
主要作用：封闭相邻细胞间的接缝，防止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内，如脑血屏障等。
1.紧密连接
上皮细胞的紧密连接
2.锚定连接
锚定连接在机体组织内分布很广泛，在上皮组织、心肌和子宫颈等组织中含量尤为丰富。通过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。
①桥粒与半桥粒——与中间纤维相连
桥粒是在两个细胞间形成纽扣式的结构将相邻细胞铆接在一起，是 中间纤维锚定位点。半桥粒通过细胞的膜蛋白－整合蛋白固着细胞于基底膜上，中间纤维终止于半桥粒的致密斑内。
②粘着带与粘着斑——与肌动蛋白纤维相连
粘着带位于紧密连接细胞的下方，相邻细胞间形成连续的带状结构，跨膜蛋白为钙粘素家族。粘着斑是肌动蛋白纤维与细胞外基质之间的连接方式（培养细胞的贴壁）
桥粒是相邻细胞间形成的纽扣状结构：通过质膜下的致密斑连接中间纤维；承受强拉力的组织中，如皮肤、心肌。
半桥粒
半桥粒通过细胞的膜蛋白－整合蛋白固着细胞于基底膜上，中间纤维终止于半桥粒的致密斑内。
粘着带位于紧密连接的下方，相邻细胞间形成连续的带状结构，跨膜蛋白为钙粘素家族。
粘合带结构
小肠上皮细胞间的粘着带，与粘着带相连的纤维为肌动蛋白纤维。
３.通讯连接
（１）间隙连接：连接处相邻细胞膜间的间隙为２～３nm，以连接子为基本单位。允许小分子物质通过。
　（２）胞间连丝：高等植物，相邻细胞的细胞膜相互连接，共同组成的管状结构，中央有内质网穿过。
　（３）化学突触：神经细胞之间
间隙连接

存在于大多数动物组织。连接处有2~4nm的缝隙。
基本单位称连接子，由6个相同或相似的跨膜蛋白环绕而成。
注射染料证明间隙连接可允许相对分子量小于1000的分子通过，但通透性是可调节的。如蔗糖、cAMP等。
间隙连接
Gap junction
胞间连丝
高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接，完成细胞间的通讯连接。胞间连丝处细胞壁不连续，相邻的细胞膜共同组成直径为20-40nm的管状结构，中央由内质网延伸形成的链管结构。在链管与管状脂膜之间是胞液构成的环带。
功能上与动物细胞间的间隙连接类似。允许分子量小于800的分子通过，在相邻细胞间起通讯作用。
通透性可调节。某些植物病毒能制造特殊的蛋白质，使胞间连丝的有效孔径扩大，植物病毒能扩大感染。
胞间层
初生壁
次生壁
连丝微管
胞质环带
C.化学突触
存在于可兴奋细胞间的一种连接方式，其作用是通过释放神经递质来传导兴奋。
突触前膜
突触间隙
突触后膜
当神经冲动传到突触前膜，突触小泡释放神经递质，为突触后膜的受体接受，引起突触后膜电位改变。
突触
化学突触结构
化学突触结构模型
几种连接的比较
细胞膜与细胞通信
多细胞生物有赖于细胞通讯与信号传递, 以协调各种
细胞的功能，维持一个繁忙而有序的细胞社会。
单细胞生物有时也需要细胞通讯与信号传递。
（一）细胞通讯 （cell communication）
一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。
1、细胞通过分泌化学信号进行细胞间通讯
2、细胞间接触性依赖的通讯
3、细胞间形成间隙连接使细胞质相互沟通，通过交换小分子。
三种方式：
Fig. 不同的细胞间通讯方式
autocrine
Gap junction
细胞识别与信号通路
细胞识别cell recognition：细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性地相互作用，从而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。（受精、免疫）
与细胞表面的糖蛋白、糖脂等有关。
信号通路signaling pathway：细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，是细胞信号系统的主线，这种反应系列称为信号通路。
细胞的信号分子与受体
1.细胞的信号分子
2.受体receptor
一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子，当与配体结合后，通过信号转导(signal transduction)作用将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。
两个功能区域：配体结合区、效应区
两种类型：细胞内受体、细胞表面受体
3.第二信使
第一信使：细胞外信号分子，不能穿过靶细胞膜，只能经膜上的信号转换机制实现信号传递。

第二信使(Second massenger) ：第一信使与受体作用
后在细胞内最早产生的信号分子。包括cAMP（环腺苷酸）、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、二酰基甘油(DG)等。
功能: 启动和协助细胞内信号的逐级放大。
。
腺苷酸环化酶
cAMP信号途径可表示为：
激素→ G蛋白（ＧＴＰ---三聚体结合调节蛋白的简称）耦联受体→腺苷酸环化酶→cAMP→基因调控蛋白磷酸化→基因表达。
Fig. cAMP信号通路对基因转录的激活
信号分子与受体结合通过G蛋白活化腺苷酸环化酶，导致细胞内cAMP浓度增高激活蛋白激酶A，被活化的蛋白激酶A（催化亚基）转为进入细胞核，使基因调控蛋白（cAMP应答结合蛋白，CREB）磷酸化，磷酸化的基因调控蛋白与靶基因调控序列结合，增强靶基因的表达。