第一讲绪论
一．细胞生物学研究的内容与现状
1． 研究对象――细胞（cell)
细胞是一切生物体的形态结构和生命活动的基本单位，在生命物质进化中处于中心地位。生命进化示意：粒子－原子－分子－大分子－细胞器－细胞－组织－器官－系统－个体－群体
2． 学科名称的演变
50-60 年代，称为细胞学（cytology)， 利用光学显微镜对细胞的结构、功能和生活史进行研究，主要集中于静态描述；70 年代以来，发展成为系统学科--细胞生物学（cell biology)
， 利用光学显微镜、电子显微镜和冰冻蚀刻等方法，从细胞的整体活动水平、亚细胞水平和分子水平对细胞和细胞器的结构与功能，进行研究，以动态的观点来探索细胞的基本生命活动。
1976 年， 在美国波士顿召开了第一次“细胞生物学”会议，标志了细胞生物学的诞生。
当前，逐渐与分子生物学结合，向分子水平发展。二．细胞生物学的发展简史
细胞大小：≤30μm
肉眼观察：≥100μm
1． 细胞的发现
1590 年，第一架复式显微镜由荷兰眼镜制造商詹森
（H.和Z.Janssen )父子制造，放大倍数为10-30 倍，能观察昆虫跳蚤之类的生物，故俗称“跳蚤镜”；1665 年，英国人罗勃特·胡克（Robert.Hooke) 发表了《显微图谱》一书，书中第一次描绘了细胞的形态，他所用的自制显微镜放大倍数为40-140 倍，观察到了植物死细胞的壁（cell-小室)；1674 年,荷兰人列文胡克（A.V.Leeuwenhoek )第一次观察到了活细胞，他所用的显微镜放大倍数为250-500 倍。
2． 细胞学说的创立19 世纪30 年代，显微技术提高至1μm 以内，同时切片机的研制成功，促进了显微解剖学
的发展，提高了人们对细胞的认识。
1831 年，Robert Brown 发现了细胞核；
1833 年，施莱登（M.J.sehleiden )提出了细胞核核仁的概念；
1839 年，浦金野（Purkinji )提出了细胞原生质的概念；
1838-1839 年， 施莱登和施旺提出了细胞学说，主要内容为：（1) 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--结构单位；（2) 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生命有所助益--功能单位；（3) 新的细胞可通过老的细胞繁殖产生。
细胞学说、1859 年达尔文确立的进化论和1866 年孟德尔的确立的遗传学被认为是现代生物学的三大基石。
3． 细胞超显微结构的兴起光学显微镜时代，分辨率：0.2μm， 细胞结构中发现了高尔基器、线粒体、中心体等， 对细胞结构的复杂性有了更深入了了解。
1933 年， 西门子公司制造了第一架电子显微镜，分辨率：50nm ，该分辨率下不仅描绘了细胞的超微结构， 也反映出细胞活动的动态观点。电镜技术的发展， 使科学家侧重于细胞的超微结构和分子结构水平的研究，细胞学发展到一新阶段--细胞生物学。
4． 现代细胞生物学和分子生物学的兴起
1983 年，原子直观超高分辨率分析电子显微镜，放大倍数达1 亿倍，可观察到细胞基质（cell matrix) 中的结构如细胞骨架、微管、微丝等。而1990 年研制成功的扫描隧道显微镜则可直接观察到噬菌体（phage)DNA 的三链瓣状缠绕结构。伴随着这些技术的发展，人们越来越重视从分子结构来揭示细胞生命活动的机理，即形成了“分子生物学”这一学科。分子生物学和细胞生物学的相结合，把细胞的生命活动同亚细胞成分的分子结构变化联系起来，是现代细胞生物学的基本特征。三．细胞生物学与其他学科的关系
细胞生物学是生物学是生物学的一门分支学科，它联系着生物学科的许多分支学科，也是这些学科的基础。四．细胞的基本概念
1． 细胞的基本特征生命活动最基本三要素：基因组；质膜；完整代谢机构细胞区别于无机界的最主要特征：结构上的自我装配；生理活动中的自我调节； 增殖上的自
我复制。
2． 原核细胞与真核细胞（Prokaryotic cell and Eucaryotic cell) 原核细胞：拟核；DNA；单细胞生物；无特化功能区；三类：支原体、蓝藻和细菌。真核细胞：核；DNA ，基因组；膜性细胞器；功能区隔化；植物和动物。原核细胞和真核细胞基本特征的比较（A 为原核细胞，B 为真核细胞)
细胞壁：A. 细菌细胞壁的主要成份为氨基酸与壁酸；B. 动物细胞无，植物细胞有。主要成份为纤维素与果胶。细胞膜：A. 有（功能性)；B. 有。内质网：A. 无；B. 有。高尔基器：A. 无；B. 有。核糖体:A. 70S(50S 和30S)；B. 有。溶酶体：A.无；B.有。光合作用结构：A. 蓝藻有叶绿素a 的膜层结构,细菌有菌色素；B. 植物有叶绿体。线粒体：A.无；B.有。细胞骨架：A.无；B.有。核膜：A.无；B.有。核仁：A.无；B.有。染色体：A. 单个环状分子；B. 2 个以上，DNA 与蛋白质以核小体形成染色体(质)。细胞分裂方式：A. 无丝（直接)分裂；B. 有丝分裂和减数分裂。DNA 分子结构与数量:A. 环状，1 个；B. 线状，2 个以上。DNA 复制周期:A. 无明显周期；B. 有。基因组：A. 1n；B. 2n 或多倍。基因数:A. 少；B.多。基因表达调控：A. 操纵子,转录和翻译偶联；B. 多层次，核内转录，细胞质中翻译，阶段性和区域性。
3．病毒构成：芯：核酸； 壳： 蛋白； 特点：无自主代谢能力，寄生。分类：病毒在细胞内的活动：裂解；整合。类病毒（仅RNA 构成) 蛋白感染因子(Prion protein,PrP, 朊病毒) 1982 年 S.B.Prusiner 五．细胞的化学组成水(结合态和游离态)； 无机离子(Ca2+ ，Mg2+ ，Fe3+ ，Na+ ，PO43-)；有机分子(蛋白质， 脂类，糖类)。
第二讲细胞质膜与细胞表面
细胞质膜（plasma membrane)：又称细胞膜（cell membrane)， 是包围在所有细胞表面一层极薄的膜，具有独立的结构与功能，起着和环境分开，维持细胞内环境，物质交换， 能量和信息的传递等作用， 对细胞的生存、生长、分裂、分化等都极其重要。在真核生物中的细胞器也具有膜结构，这一类膜与细胞体内的物质合成、分泌、运输、降解等有关， 被称为细胞内膜，它们与细胞质膜统称为生物膜（biology membrane)。
细胞表面（cell surface)，又称细胞外被（cell coat)，是指细胞质膜外表面覆盖的一层与质膜中蛋白质或脂类分子共价结合的粘多糖，对膜蛋白起保护作用，并且在细胞识别中起重要作用。在哺乳动物小肠上皮细胞的细胞被称为糖萼（glycocalyx)。一．细胞膜的组成：膜脂、膜蛋白和膜糖
1．膜脂约占细胞干重的50％，主要有磷脂、胆固醇和糖脂三种，均为双型性分子。
磷脂因所带的碱基不同而分许多类，如磷脂酰胆碱、卵磷脂、鞘磷脂等，而每一类因脂肪酸链长短和饱和程度不同又分许多种，在膜中磷脂含量是比较高的。
胆固醇在真核生物的质膜中含量较多(1/3)， 结构如左图。该化合物对调节膜的流动性有重要意义。在细菌的质膜中则无胆固醇。
糖脂的结构与磷脂相似。糖脂决定了红细胞的ABO 血型，A 型血糖脂较O 型多一个N－乙酰半乳糖胺残基，B 型仅多一个半乳糖残基(B 型转为O 型，去乳糖)。
大部分磷脂和糖脂分子在水环境中能自发的形成双层。
其中磷脂极性很强,在水环境中分子聚焦，其极性头部与水接触，疏水尾部避开水向分子团的内面，形成小球形的分子团（micelles),或成球状体的脂质体（liposome)（ 人工膜)。
磷脂的这种特性在生物膜的体外研究种有重要意义。
而胆固醇在膜中插入与磷脂内部，极性头部与磷脂的极性头部结合，主要功能：A.固定磷脂
中部分脂肪酸链，保持细胞形态，降低水溶性分子通透性(细菌无胆固醇有细胞壁)。B.防止脂肪酸链的凝固，维持细胞膜的相变。
2． 膜蛋白
约占细胞干重的40％， 根据其与膜脂的相互作用方式及在膜中的排列部位不同，分为：外在性或边周蛋白（extrinsic or peripheral protein )与内在性或整合蛋白（intrinsic or integral protein)。
边周蛋白与整合蛋白的比较（A 为边周蛋白，B 为整合蛋白) 分布：A.在膜表面；B.分布在膜中或穿膜。表面活性剂（有机溶剂)洗脱：A.易；B. 剧烈条件。游离特性：A.呈水溶性，不再与膜脂成膜；
B.能自我聚合，能与膜脂成膜。二、细胞膜的分子结构
1． 流动镶嵌模型Ⅰ细胞膜结构发现简史Ⅱ主要特点：
⑴流动的脂质双分子构成膜的连续体；
⑵蛋白质分子象一群岛屿般无规则的分散在脂质的海洋中。
2． 膜的分子不对称性膜脂：同一种膜脂分子在膜的双分子中分布不均糖：糖侧链都分布在质膜的外表面（ES) 膜蛋白：每种膜蛋白分子在膜上都具有明确的方向性细胞外表面（extrocyoplasmic surface，ES) 原生质表面（protoplasmic surface,PS)
3． 膜的流动性膜脂分子的流动：侧向扩散(lateral shift)； 旋转运动(flex) ；左右摆动(flex) ；翻转运动（flip-flop) 膜蛋白的流动：侧向扩散－成斑(patching), 成帽(capping)； 旋转运动。影响膜的流动性的因素：膜本身的组成成份、遗传因子、环境的理化因素，其中膜的组成成份中膜脂的影响较明显：胆固醇、不饱和键含量和链的长度、卵磷脂/鞘磷脂的比值。
4． 膜流动性的生理意义物质运输；信息传递；酶活性；激素与药物的作用；细胞增值与发育。三、细胞质膜的功能主要功能：⑴ 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境； ⑵选择性的物质运输， 其中伴随着能量的传递；⑶ 提供细胞识别位点，完成细胞内外信息跨膜传递；⑷为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效有序进行；⑸介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接； ⑹质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。
1． 物质运输按运输物质类型分:
膜泡运输 --蛋白质、RNA； 穿膜运输 -- Na+、K+ 。
穿膜运输
物质穿膜的基本特点: 脂溶性、分子大小、电荷性。不同机制的穿膜运输特点
⑴被动运输( Passive transport ) 物质：高→低动力：浓度梯度(电或化学能)。
①简单扩散( simple diffusion ) 无蛋白参与决定因素：分子大小，分子极性；物质对象：H2O, CO2, O2..
②协助扩散( facilitated diffusion ) 蛋白参与决定因素：特异膜蛋白协助；物质对象：极性分子, 部分无机离子、部分糖、氨基酸。
K＋通道：同源四聚体，孔道，中央孔道φ=0.3nm， 闸门，电压感受器，选择性滤器。葡萄糖输运载体(glucose transporter) ：大多数哺乳动物细胞质膜上存在，保证葡萄糖从血液中扩散入细胞；五种异构体；红血球中：分子量约为45KD ，含有12 个跨膜α-螺旋，形成一个中央孔道，不对称地插入质膜中，葡萄糖输运方向取决于膜两侧的葡萄糖浓度，胞浆存在的己糖激酶能迅速使之磷酸化，输运载体再生。
⑵主动运输 (Active transport) ATP-driven active transport, coupling pump to ATP hydrolysis 物质：低→高；动力：ATP 、间接、光能
①离子泵 (ATPase)
从结构上主要分为P、V 和F 三类：
P 类：P 表示磷酸化，由于ATP 水解，使得输
运蛋白磷酸化导致构象变化，改变载体蛋白与
被运离子间亲和力。
Large catalytic α subunits (often two) become phosphorylated during solute transport; Smaller β subunits may regulae transport 。质膜Na+/K+泵；质膜Ca2+泵(把Ca2+排出细胞)； 内质网Ca2+泵(把胞浆中的游离Ca2+泵入内质网囊腔中)； 胃上皮酸分泌细胞H+/ K+泵(把H+ 排到细胞外而把K+泵入细胞)。Na+-K+泵：膜内在蛋白四聚体，ββαα 亚基ATP→ADP+Pi Pi 结合到α 亚基的天门氨酸残基上。3 个Na+被跨膜泵出细胞，2 个K+被反向泵入细胞。Na+和K+都是逆浓度梯度跨膜转运。该类离子泵是一偶联系统。大多数细胞产能的三分之一，神经细胞产能的三分之二，被消耗在Na+/K+泵的运行上。膜两侧该两离子不均分布，有利维持细胞两侧的渗透平衡。Ca2+泵：单亚基膜内在蛋白10 个a 螺旋与前a 亚基同源细胞膜和内质网膜维持细胞胞质中低浓度的游离Ca2+
②伴随运输电化学梯度共运输和对向运输钠钾泵或质子泵为基础
2．细胞间信号转导㈠细胞通讯与细胞识别
⑴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。通讯方式：①分泌化学信号进行通讯，包括内分泌（endocrine)、自分泌（autocrine)、旁分泌（paracrine)、化学突触（chemical synapse)
；
②接触性依赖的通讯；③间隙连接实现代谢偶联或电偶联。
⑵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，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。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，这种反应系列称之为细胞信号通路。细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的。㈡细胞的信号分子与受体
⑴信号分子（signal molecule)（见表5-3) 亲脂性信号分子、亲水性信号分子、气体性信号分子(NO) 。
⑵受体（receptor)：多为糖蛋白
①细胞内受体：胞外亲脂性信号分子所激活。
②细胞表面受体：胞外亲水性信号分子所激活。分属三大家族：
A ．离子通道偶联的受体（ion-channel-linked receptor)
B．G-蛋白偶联的受体（G-protein-linked receptor)
C．酶偶连的受体（enzyme-linked receptor)
⑶第二信使（second messenger)
⑷分子开关（molecular switches )
㈢通过细胞内受体介导的信号传递
⑴甾类激素介导的信号通路两步反应阶段：①初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录的，发生迅速；
②次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用。
⑵一氧化氮介导的信号通路㈣通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递
⑴离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递
①信号途径：
②特点：A、受体/离子通道复合体，四次/六次跨膜蛋白；B、跨膜信号转导无需中间步骤；C、主要存在于神经细胞或其他可兴奋细胞间的突触信号传递；D、有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性。⑵G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递①cAMP 信号通路
A．反应链激素→G-蛋白偶联受体→G-蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→cAMP 依赖的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录
B．组分激活型激素受体Rs，与GDP 结合的活化型调节蛋白Gs， 抑制型激素受体Ri，与GDP 结合的抑制型调节蛋白Gi，腺苷酸环化酶。
C．分析G-蛋白活化与调节（如左图所示)
②磷脂酰肌醇信号通路“双信使系统”反应链
③受体酪氨酸激酶及RTK-Ras 蛋白信号通路
A．受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，
RTKs)
B．反应链配体→受体→受体二聚化→受体的自磷酸化→激活RTK →胞内信号蛋白→启动信号传导C．RTK- Ras 信号通路配体→RTK→adaptor←GRF→Ras→ Raf（MAPKKK)→MAPKK→MAPK →进入细胞核→其它激酶或基因调控蛋白（转录因子)的磷酸化修钸
⑶细胞表面其它与酶偶联的受体
①受体丝氨酸/苏氨酸激酶；②受体酪氨酸磷酸酯酶；
③受体鸟苷酸环化酶；④酪氨酸蛋白激偶联系的受体。两大家族：①一是与Src 蛋白家族相联系的受体；②二是与Janus 激酶家族联系的受体。信号转导子和转录激活子（STAT )与JAK-STAT 途径。㈤由细胞表面整合蛋白介导的信号传递
⑴整合蛋白与粘着斑。
⑵导致粘着斑装配的信号通路有两条。
⑶粘着斑的功能：①一是机械结构功能；②二是信号传递功能。
⑷通过粘着斑由整合蛋白介导的信号传递通路：①由细胞表面到细胞核的信号通路；②由细胞表面到细胞质核糖体的信号通路。㈥细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息
⑴细胞信号传递的基本特征：
①具有收敛（convergence )或发散（divergence) 的特点；
②细胞的信号传导既具有专一性又有作用机制的相似性；
③信号的放大作用和信号所启动的作用的终止并存；
④细胞以不同的方式产生对信号的适应。
⑵蛋白激酶的网络整合信息与信号网络系统中的cross talk。
第三讲 细胞质基质与内膜系统
一、细胞质基质(cytoplasmic matrix or cytomatrix )
1．基本涵义
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。中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。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。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。肝细胞中细胞质基质及细胞其它组分的数目及所占的体积比（引自Albert.1998)
细胞组分 数目 体积比
细胞质基质 1 54
细胞核 1 6
内质网 1 12
高尔基体 Several 3
溶酶体 300 1
胞内体 200 1
过氧化物酶体 400 1
线粒体 1700 22
2．细胞质基质的功能
⑴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。
⑵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。
⑶蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解：①蛋白质的修饰；②控制蛋白质的寿命；③降解变性和错误折叠的蛋白质；④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（endomembrane system) 定义：功能上连续统一的细胞内膜，包括核被膜、内质网、高尔基器、液泡等，是合成蛋白质、脂类、糖类的主要场所，也具有包装和运输合成产物和分泌产物的功能，是真核细胞所特有的结构，而原核生物中其质膜或某些类似结构完成相应的生理功能。特点：①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；②真核细胞细胞内的区域化（compartmentalization)。
1．内质网（endoplasmic reticulum) 发现：1945 年，小鼠成纤维细胞，内质中的网状结构形态：封闭的膜系统及其围成的腔形成相互沟通的网状管道结构，增加了内膜表面积。类型：粗面内质网(rough ER) ：附着核糖体，扁囊，蛋白质合成加工；
光面内质网(smooth ER) ：无核糖体，小管小囊，脂类合成。化学组成：质膜类似，蛋白质含量较高，标志酶:葡萄糖-6-磷酸酶功能： ①蛋白质的合成、加工修饰和转运（rER 、信号肽假说)； ②脂类的合成（合成膜及运输、肝细胞、sER 腔面)；③糖类的代谢（肝细胞、sER 、细胞色素450)；④解毒作用。
信号肽假说
信号识别蛋白(signal recognition particle) 信号识别蛋白受体(SRP receptor) 或停靠蛋白信号肽水解酶(signal peptidase)
过程：识别→合成停止结合→合成重新开始剪切→蛋白成熟
2.高尔基器（golgi apparatus) 发现：1898 年，意大利,Golgi 。
3．核糖体（ribosome)
分布：rER， 线粒体，叶绿体，游离。
组成与类型:颗粒状，无膜，蛋白质40%，rRNA60%，70S( 原核)，80S( 真核)
核糖体二聚体，多核糖体
原核生物与真核生物核糖体的比较
原核生物(S) 真核生物(S)
完整核糖体 70S 80S
大亚单位 50S 60S
rRNA 23S 5S 28S 5.8S 5S
蛋白质 L1-34 约49 种
小亚单位 30S 40S
rRNA 16S 18S
蛋白质 S1-21 约33 种
掺入AA 的最适[Mg 2+] 10-15mmol/L 1.5mmol/L
S:沉降系数，测量某一物质在离心力作用时的沉降速度。
4．液泡（vacuole) 特点：一层膜围成的球状，与质膜、高尔基器、内质网等关系密切类型：
①高尔基液泡(golgi vacuole) ：高尔基反面高尔基池边缘的小泡，含水解酶。
②溶酶体(lysosome) ：内质网或高尔基体形成，含水解酶。
③圆球体(spherosome)： 植物细胞的溶酶体，由内质网形成。
④微体(microbody) ：按所含的酶命名，如过氧化物酶体和乙醛酸循环体。
⑤消化泡(digestive vacuole) ：溶酶体与吞噬小体融合后形成的小泡。
⑥自噬小体(autophagic vacuole)： 一层膜将部分细胞质包围而成，消化碎片。
⑦微体(microbody) ：按所含的酶命名，如过氧物酶体。
⑧胞饮液泡(pinocytosis vacuole)： 质膜内陷吞饮溶液或营养物质。
⑨吞噬小体(phagic vacuole) ：质膜内陷吞噬异体营养颗粒。
⑩中央液泡(central vacuole) ：植物细胞特有，起源于内质网。
⑾衣被小泡(coated vesicles) ：质膜内陷形成。溶酶体：概述：1955 年，鼠肝细胞，20-50nm， 酸性，溶解或消化。初级溶酶体：内质网或高尔基腔边缘突出膨大分离而来，未开始进行消化。次级溶酶体：正在进行或已经进行消化作用的液泡。后溶酶体：小体已失掉酶，仅余未消化的残渣。
溶酶体的形成：
1.溶酶体酶蛋白的成熟
2.溶酶体酶蛋白的富集
3.溶酶体的形成
溶酶体的功能：
1.内吞消化作用
2.自体吞噬作用
3.自溶作用溶酶体的作用过程： 溶酶体类疾病： LDLrecptor（ 低密度脂受体)与心脏病
总结：
第四讲细胞的能量单位
本讲任务：了解细胞两大能量单位线粒体和叶绿体的典型结构及其生理功能。
A.线粒体（Mitochondria)
发现
1850 年，光镜、动物细胞、小颗粒结构；
1890 年，系统细胞学研究：生命小体→小颗粒与细菌相似、“内共生”；
1898 年，命名线粒体（mitos ：线，chondria ：颗粒)；
1904 年，植物细胞、活体染色进行氧化还原反应研究；
1950 年，能量代谢的两大发现：三羧酸循环、三羧酸循环与ATP 产生偶联；提出能量细胞
器的概念，认为它是能量代谢的中心；
1963-1964 年，线粒体内有自身的核酸等物质；热点：能量代谢→半自主性（结构)；
形态与结构
(1) 直径：0.5-1μm；长:1-2μm。
(2) 数目：不同细胞中差别。
(3) 分布：需能较多的区域。
(4) 结构：内外膜构成的封闭的囊状结构。外膜：包被线粒体内膜：外膜内侧嵴(cristae) ：内膜内陷；扩增膜表面积；表面不光滑，含基粒。膜间隙：空隙基质：内部胶状物，酶等。
化学组成
干重中：蛋白质65-70%： 可溶性→基质中的酶类、外膜上的外周蛋白等不溶性→镶嵌蛋白、内膜上的部分酶、结构蛋白等脂类30-35% ：卵磷脂多些，胆固醇极少其它物质：金属离子，DNA 物质等
功能
目前研究发现，动物细胞中80％ATP 来源于线粒体内，线粒体是糖脂肪和氨基酸最终氧化释放能量的场所。糖、脂肪在基质中酵解产生丙酮酸和脂肪酸→线粒体中成为2 碳TCA 。TCA 与氧化磷酸化偶联。
线粒体氧化磷酸化的物质基础和ATP 的产生
物质基础线粒体呼吸链的组分
酶复合物 辅基 分子量 作用
I NADH-CoQ 还原酶NADH 脱氢酶 FMN FeS(6) 850kD，25 种肽 质子位移递氢
II 琥珀酸-CoQ 还原酶(琥珀酸脱氢酶) FMN FeS(2) Hemeb 140kD，4 种肽 递氢
III CoQ 细胞色素c 还原酶 Hemb(2) Hemc1 FeS 500kD，9 种肽 质子位移递氢
细胞色素c 游离处于内膜胞质面 13kD 递氢
IV 细胞色素c 氧化酶 Hem a3(2)Hema(2) Cu(2) 300kD， 9-13 质子位移递氢
V ATP 合酶 F0 F1 OSCP 480-500kD
ATP 合酶（F0 - F1 ATPase)
真核生物：头部、膜部、柄部；原核生物：头部、膜部。
化学渗透假说
通过内膜上的呼吸链组分间氢与电子的交替传递，使质子从内膜向胞质中转移；因膜对质子不能自由通过，形成的质子动力势能量经ATP 合酶催化驱动ADP 形成ATP 。
(见书P218 图7-7) 电子供体电子受体质体排放H+浓度差→ATP 产生构象假说
电子传递过程中产生的能量不是形成含高能磷酸键的中间产物，而是通过蛋白质载体（ATP 合酶)构象变化形成ATP 。
半自主性
发现：1960 年前，DNA 存在于细胞核中；1963 年，M.Nass 和S.Nass 发现线粒体中的DNA； 深入研究RNA 核糖体。自主性体现： mtDNA ：裸露的环状结构。RNA： 基质中的各类RNA 来源于mtDNA ；转录的RNA 聚合酶来源于细胞核；合成的蛋白质不是很多，5-10%；mRNA 半衰期短。蛋白质：合成元件核糖体小；AA 与tRNA 专一作用的酶与胞质中的不同；密码子的偏爱性不同；起始密码子与终止密码子也不同。自主性限制：
1.合成的蛋白质只占少量,绝大部分来源于胞质；
2.某些核基因活性抑制会导致线粒体不能形成完整的呼吸链。两套遗传系统的相互作用
1.核质体系合成线粒体内膜的大部分蛋白,与线粒体遗传装置有关的酶系,运至线粒体中；
2.在上述基础上线粒体DNA开始转录转译,同时合成反调节细胞核DNA转录的物质,终止细胞核对线粒体的作用。
细胞核中合成的蛋白质转运过程
导肽：1.20-80 个AA；2.正电荷碱性AA；3.不含负电荷酸性AA；4.含较高的羟基氨基酸；
5.具有双性的螺旋结构。受体：可与不同的导肽结合,无特异性要求,移位至线粒体内外膜接触点。分类：1.进入外膜；2.进入基质；3.进入膜间隙和内膜。
线粒体的来源
增殖：与细胞分裂相似：1.间壁分离；2.收缩后分离；3.出芽分离。起源：内共生假说：原始真核细胞中共生细菌，支持证据：1.DNA 、mtDNA 单个裸露的环状双链分子，真核细胞多个染色体；2.蛋白质合成机制；3.形态结构类似。分化假说：进化角度(真核细胞的产生)
B. 叶绿体（Chloroplast)
概述
仅存在于植物细胞中，严格意义上
讲植物中存在的应是质体。
前质体：植物分生组织中，多次分裂后能成为白色体或叶绿体；
白色体：造粉质体、造蛋白体、造油体；
叶绿体：含有叶绿素，能进行活跃的光合作用；
有色体：叶绿素退化，类囊体结构消失，积累淀粉等。
形态
因不同种类的植物细胞差异显著，一般叶细胞中50-200 个， 可占细胞质体的40-90% ，外形透镜形；直径：4-10mm ，厚：2-3mm 。
结构
叶绿体外被(膜)：双层膜包被，膜间隙，外膜通透性大，内膜选择作用。类囊体(Thylakoid)：叶绿体基质中的封闭扁平小囊，沿叶绿体长轴排列。基粒(grana) ：在叶绿体某些部位许多圆盘状的类囊体叠置成垛的结构。类囊体有关超微结构：
1.多形颗粒：核酮糖-1.5-二磷酸羧化酶(RuBPcase) 。
2.球形颗粒：ATP 合酶。
3.叶绿素-蛋白质复合颗粒--聚光色素复合物：PSⅠ P700；PSⅡ P680 。基质：
化学组成
叶绿体外被(膜)的化学组成：蛋白质和脂类，糖脂与磷脂较多。类囊体：蛋白质：脂类＝60:40 ；脂类中不饱和脂肪酸较多，膜的流动性较强；蛋白质分布与线粒体蛋白质分布比较相似。基质：
光合作用中电子传递及光合磷酸化
吸收光能在PSⅡ和PSⅠ的配合下,把一对电子从H2O 传递给NADP+,电子传递呈Z 型。光合磷酸化的类型：非循环式，循环式。
光合磷酸化与氧化磷酸化的区别
光合作用中暗反应
利用光合反应中产生的ATP 及NADPH 来生成糖类.(CO2 的固定)
叶绿体的半自主性和起源
均于线粒体相似；植物细胞的三套遗传系统。
第五讲细胞核的结构与功能
概述
1831 年，Brown 发现，胞内最大的细胞器。真核细胞：均有，除了成熟的筛管和红细胞。原核细胞：拟核。细胞生活周期形态结构不是一成不变。
形态
圆球状，卵形，形态也会变化。核质系数(NP)=V 核/(Vcell-V 核) 比值变大→细胞分裂。
构成单位
核被膜；遗传物质；核仁。
A．核被膜（Nuclear envelope)
组成
外膜内质网特化区。内膜核周池 20-40nm，与内质网相通。核纤层网状纤维蛋白，30-160nm， laminaA B C。维持细胞核的形状；与细胞分裂相关；核被膜的破裂与重构。核孔两层核膜融合区域。间期细胞普遍存在 60 个/μm； 每核达3000 万。
核孔复合物
孔环颗粒Annular granules；
边围颗粒Peripheral granules；
中央颗粒centre granules。
功能 核质物质交换双向选择性通道
核孔形成柱状通道 9nm 15nm 蛋白质运输:核定位信号(Nuclear localization signal) RNA 特殊机理
B. 遗传物质
几对名词
染色质与染色体chromatin and chromosome:编码基因,重复序列(DNA 指纹技术) 常染色质与异染色质euchromatin and heterochromatin:细胞分裂间期存在形态结构异染色质与功能异染色质constitutive and faculative ... B. 遗传物质
染色质的基本结构单位核小体
核小体结构
(nucleosome)
1.核心结构：四种组蛋白；
2.左手螺旋缠绕1.75 圈，147bp；
3.H1
位于两核小体中间，与DNA 双链结合，成2 圈，共165bp；
4.连接两核小体的DNA 长度为35bp，故形成200bp 的结构单位；
5.染色质上的核小体成念珠状。
组蛋白 分子量(kDa) 氨基酸组成 保守性 每200bpDNA 的分子数
H1 20 富含Lys 差 N、C 端变化大 1
H2A 137 Lys 中等，中部C 端，疏水 种间差异 2
H2B 137 Lys 中等，中部，疏水 种间差异 2
H3 157 富含Arg、Cys 进化保守 2
H4 112 富含Arg 最保守 2 个AA 2
组蛋白富含碱性氨基酸，易与酸性的DNA 紧密结合。
染色体的四级模型
10nm→30nm 形成过程
10nm 及30nm 螺线管示意图(见上页核小体结构左图)
中期染色体的形态结构
依据形态分类
metacentric chromosome；submetacentric chromosome ；
subtelocentric chromosome；telocentric chromosome 。
基本构成着丝粒（centromere) or 动粒（kinetochore)：主缢痕；动粒结构域（kinetochore domain)；中央结构域（centre domain)
； 配对结构域（pairing domain)；次缢痕（secondary constriction)
； 端粒（telomere)。
C. 核仁（Necleolus)的结构与功能
概述
核仁的超微结构
纤维中心(fibrillar centers FC)：染色浅，低电子密度，不活跃的rDNA；
致密纤维中心(dense fibrillar component DFC)：染色深，电子密度高，活跃
的rDNA；
颗粒组分(grannlar component GC)：核糖体亚单位前体颗粒。
结论：FSc:非转录状态的沉默rRNA 基因储存位点；
DFC:rRNA 基因进行活跃转录位点；
GS:核糖体亚单位装配成熟位点。
核仁的功能－－核糖体的生物发生
核仁周期
第六讲细胞骨架
发现
最初,基质(cytosol)均质溶液相,细胞运动形态等?
1928 年,Klotzoff 原始概念锇酸或高锰酸钾染色电镜无。
1963 年,戊二醛常温染色电镜下有网状骨架。
概论
细胞骨架：真核细胞胞质中的蛋白纤维网架体系。
狭义 (cytoskeleton)
三种蛋白纤维：微丝(microfilament，MF)；微管(microtubule，MT)； 中间纤维
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(intermediate filament,IF)。
广义 (cell skeleton)
胞质骨架(cytoskeleton)； 核骨架或核基质(karyoskeleton or nuclear matrix)
目前通俗,细胞骨架--cytoskeleton:真核细胞胞质中由三类纤维蛋白微丝、
微管和中间纤维组成的蛋白纤维网状骨架体系，对于维持细胞形态、细胞运动、
物质与能量交换、信息传递等生命活动有重要作用。
本讲主要介绍cytoskeleton 的三种蛋白纤维及相关的生理功能，同时对核
基质作简单学习。
A．微管（microtubule)
存在于真核细胞中，由微管蛋白(tubulin)组装成的长管状细胞器结构，通
过亚单位的组装与去组装，能改变其长度，对低温与秋水仙素敏感，在细胞内呈
网状或束状分布，并能与其它蛋白共同组成纺锤体，基体，中心粒，鞭毛和纤毛
等，维持细胞形态、细胞运动等，原核细胞中无此结构。
形态与组成
外径24－26nm；内径15nm；壁厚6nm；管状纤维。
管蛋白a 和b 少量微管结合蛋白(microtubule associated proteins,MAPs)
a 和b 形成二聚体，13 根原纤维
管蛋白a 和b；50kDa 种间保守性非常强；管蛋白a 有N(nonexchangeable site)
位点；管蛋白b 有E(exchangeable site)位点
管蛋白相关因子
*GTP：能与N、E 位点相结合
*二价阳离子：Ca2+解聚 Mg2+ 促进装配
*作用药物：秋水仙素：疏水凹槽，二聚体不能聚合；紫杉醇和重水：促进微管
装配，但对细胞有毒。
动态装配
体外装配
体外装配条件：
微管蛋白浓度>临界浓度。
最适pH：pH6.9
离子：无Ca2+, Mg2+适当，1M
温度：37℃，低温解聚；
临界浓度：微管蛋白必须高于
某一浓度，低于则不发生装配，该浓度称为临界浓度。微管两端的临界浓度和平
衡常数均是不同，正极和负极。
GTP 的重要作用
*GTP 与二聚体的N，E 位点结合，装配到微管的b 亚单位上；
*装配完成后，E 位点的GTP 会水解成GDP，这种二聚体不稳定，会解聚；
*当GTP-tubulin 聚合速度远大于GTP 的水解速度时，末端不断加入大量
GTP-tubulin，使微管稳定延长，出现“GTP-cap”现象；
*随着GTP-tubulin 的消耗，末端聚合速度会下降，则GTP 水解成GDP，因而
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GTP-cap 会变小直至消失，暴露出GDP-tubulin，微管开始解聚；
*踏车行为：在某中GTP-tubulin 下，表现出微管的(+)极聚合，(－)极解聚，并
且速度相等，从而微管长度保持不变。（整个结果是表现为微管在移动)。
体内装配
自我调节
微管组织中心(microtubule organizing centre,MTOC)
在生理或实验处理解聚后，微管重新发生装配的区域。动物中的中心体，鞭毛和
纤毛的基体，硅三藻的纺锤极体均是MTOC，MTOC 决定了微管的极性。
微管结合蛋白(microtubule associated proteins,MAPs)
MAP1 MAP2 tau 蛋白促进微管组装，抑制解聚
功能
维持细胞形态
秋水仙素处理的细胞变球形，微管破坏，表面张力最小。
胞内运输
驱动蛋白(kinesin)：利用ATP 水解释放的能量向正极运输小泡；
动力蛋白(dyenin)：能反向向负极运输物质。
鞭毛与纤毛的运动
鞭毛与纤毛的区别：
结构：细长毛状与基体；轴线结构：9+2 结构，A-13，B-10
鞭毛与纤毛的运动机理
基体与中心体
中心体(centrosome)：动物细胞中的主要微管
组织中心，纺锤体与胞质微管均有中心体放射
出来，中心体有一对垂直的中心粒构成。通常
鞭毛与纤毛的基体也是有中心粒构成。
三种微管区别
染色体运动功能
B. 微丝（microfilament)
成份
肌动蛋白：43kD， 三种异构体 a、b、g， 进化上极其保守，平滑肌、心肌等，375
个AA，只差4-6 个AA。
动态装配
由球形肌动蛋白(G-actin)单体形成的多聚体螺旋状纤维，37nm；G-actin 有极
性，装配成纤维时，头尾相连，微丝(MF)有极性。
装配条件：Mg2+ G-actin ATP →装配；Ca2+ 较低Na+或K+→解聚成G-actin；
Mg2+ Na+或K+高浓度→成纤维。
装配过程：种子形成，延长阶段，延迟时间，微丝极性。
ATP 的作用：ATP→G-actin 1:1；ATP-actin 装配；装配后，actin 构象会改变，
使ATP→ADP+Pi；ADP-actin 易解聚；ATP-cap；踏车行为。
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微丝结合蛋白
在微丝结合蛋白的参与下形成许多亚细胞结构如应力纤维等，肌肉细丝等。
主要的微丝结合蛋白及功能如下：
特异性药物
细胞松弛素；鬼笔环肽。
功能
肌肉收缩
微绒毛
应力纤维
胞质溶胶与阿米巴运动
胞质分裂环
C．中间纤维（Intermediate filamnet)
成份
中间纤维的类型：
角质蛋白纤维（keratins)
：分子量（kD)40-68； 多肽数19； 细胞类型：上皮，
包括各种角蛋白丝；(头皮指甲)神经胶质细胞。
波形蛋白纤维（vimentin)：分子量（kD)54；多肽数1；细胞类型：成纤维细
胞，上皮细胞，软骨细胞淋巴细胞。
结蛋白纤维（desmin)
：分子量（kD)53；多肽数1； 细胞类型：骨骼肌，心肌，
平滑肌。
神经元纤维蛋白：细胞类型：神经元。
神经胶质蛋白纤维(GFAP)：分子量（kD)51； 多肽数1； 细胞类型：神经胶质细
胞。
组织特异性，应用于临床诊断肿瘤发生部位。
特征
杆形区：310 AA，a 螺旋，7 个AA 重复排列，a 和d 位为疏水AA。
头尾部：非螺旋区，高度可变。
装配
相邻亚基螺旋区→二聚体；
二聚体→四聚体，中间纤维的最小亚单位；
八个四聚体或四个八聚体进一步螺旋成中间纤维；
整个装配过程中IF 是不具有极性的，两端是对称的。
核纤层与IF 结合蛋白
核纤层蛋白与IF 蛋白有相似结构：350AA 的内部区段与IF 蛋白螺旋区高度同源；
类似大小的非螺旋头尾部；也为10nm 左右的纤维并且具有25nm 的纵向周期。
IF 结合蛋白：与IF 功能密切相关，紧密或疏松结合于IF 上或两端。
功能
无特异性药物的作用，故功能研究不如前两者透彻，主要：外与细胞膜和细胞外
基质直接联系；向内与核表面，核基质联系；中间与MT、MF 及其他细胞器相联。
总结
细胞骨架主要成份比较
微管微丝中间纤维
主要组成成份 ab 结合蛋白
G-actin
结合蛋白
多种类型
分子量 50kD 43kD 40-200kD
亚单位管蛋白球蛋白线状蛋白
结合核苷酸 2GTP/二聚体 1ATP/单体无
纤维直径 -22nm -7nm -10nm
结构
13 根原丝组成的空心
管状纤维
单股a 螺旋多级a 螺旋
极性有有无
可溶性
亚单位库
有有无
踏车行为有有无
特异性药物
秋水仙素、长春花碱
紫杉醇
细胞松弛素
鬼笔环肽
无
与运动有关的
结合蛋白
动力蛋白
驱动蛋白
肌球蛋白无
D．核骨架
存在于真核细胞核内，以蛋白成份为主的纤维网架体系。
核骨架与DNA 复制
染色质DNA 以放射环形式与DNA 复制的酶及其他因子锚定于核骨架，形成DNA
复合体进行复制。
核骨架是DNA 复制的空间支架。
核骨架与基因表达
染色质DNA 上发现有核骨架结合序列，一般位于活性转录基因的两端，富含AT。
与核骨架结合后能使该区段的染色质空间解聚，从而有利于RNA 聚合酶的识别与
移动，保证基因处于高活性状态。
E．细胞骨架功能
细胞形态支撑与形态的建成；细胞内转运或运动；膜相关的性质和功能；吞噬作
用；信息传递。
