细胞生物学讲义(瞿中和。高教版)打印版
Chapter Ⅰ Introduction
一、教学目的和要求：
通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细胞生物学的研究内容和现状；细胞生物学研究的总趋势和重点领域；细胞学与细胞生物学发展简史；细胞生物学的学习方法。
让学生适应从宏观和微观两种思维视角看待生物科学；认识到应以联系地眼光看待生物科学的各学科。
激发学生对本学科的喜爱、对科学的探索及奋发向上的精神。
二、教材分析：
1. 概述：绪论部分的教学在整个学期的教学中有着关键的地位，它决定着学生能否科学的态度认识本学科、能否以科学的方法学习本学科。选用教材在绪论部分内容较为丰满但稍显枯燥；偏重于对本学科认识方面的介绍，略于对科学精神的激发。
2. 教学重点：细胞生物学的研究内容和现状；细胞生物学研究的总趋势和重点领域；细胞学与细胞生物学发展简史。
3. 教学难点：细胞生物学研究的总趋势和重点领域。
三、教学设想：
1. 教材处理：综合其它国内外教材补充相应内容；教学过程中加强科学史的介绍；引入本学科最新的发展动态：
2. 教学方法：主要采用讲授法，辅以讨论、提问。
3. 教具：CAI课件四、教学内容：（2学时）
1 Content & Actuality of Cell Biology
1.1 Cell Biology & Biological Science
细胞生物学（Cell Biology）：运用近代物理学和化学的技术成就以及分子生物学的概念与方法，从显微水平、亚显微水平和分子水平三个层次上，研究细胞的结构、功能及各种生命活动规律。
生命的层次:
1925,生物学大师E.B.Wilson说：“许久以来，大家就明确，一切生物学问题的答案最终都要到细胞中去寻找。因为所有生物体都是，或曾经是，一个细胞。”
细胞不同于非生命界的任何结构单位，细胞最独特的属性就是它是一个能独立生存，进行自我调节的开放体系，它在同外界进行物质、能量、信息交换的条件下，处于动态平衡之中。因此，所谓生命实质上即是细胞属性的体现。摘之《分子细胞生物学》第二版，韩贻仁主编，1。（Ａ）
细胞是生活有机体的一个结构和功能的基本单位，正像原子是化学结构的基本单位一样。细胞以下层次的结构，只能表现出生命现象，而不能单独构成生命单位。摘自《细胞生物学》第二版，汪堃仁，薛绍白，柳惠图主编（Ｂ）
细胞生物学在现代生物学中的地位：
细胞生物学是现代生物学的基础学科，是生物学各学科在细胞水平的统一。它的研究对象是细胞，恰恰由于细胞在生命界中的独特属性，这就不能不使Cell Biology在生命科学中占有核心地位。
我国基础科学发展规划中，把细胞生物学、分子生物学、神经生物学、生态学并列为生命科学的四大基础学科。
讨论：Cell Biology & Molecular Biology
1.2 Main conten
细胞生物学研究和教学内容一般可分为细胞结构功能与细胞重要生命活动两个基本部分，但它们又是不能截然分开的。在现代生物学的教科书中细胞重要生命活动的知识所占比重越来越大。
当前，细胞生物学的研究内容主要包括以下诸方面：
（－）细胞核、染色体以及基因表达的研究细胞核是遗传物质DNA贮存的场所，也是遗传信息转录为mRNA、rRNA与tRNA的场所。染色质与染色体是遗传物质的载体，核仁是转录rRNA与装配核糖体亚单位的具体场所。细胞核、染色体与核仁的结构与功能的研究是揭示基因表达及其调节的基础。
（二）生物膜与细胞器的研究几十年来，生物膜研究的主要内容是膜的结构模型与物质的跨膜运输机理。磷脂双分子层与膜蛋白的相互关系是研究生物膜结构与功能的重要内容。近年来，在膜的识别与受体效应、蛋白质分子跨膜运动等方面取得了巨大进展。
（三）细胞骨架体系的研究细胞骨架体系的研究在细胞生物学中是一个比较新的、发展中的研究领域。广义的细胞骨架概念应该包括细胞质骨架与核骨架两大部分。
近来发现细胞骨架与一系列重要生命活动，诸如细胞内大分子的运输与细胞器的运动、细胞信息的传递、基因表达与大分子加工等均有密切关系。
（四）细胞增殖及其调控一切动植物的生长与发育都是通过细胞的增殖与分化来实现的。研究细胞增殖的基本规律及其调控机理不仅是控制生物生长与发育的基础，而且是研究癌变发生及逆转的重要途径。目前国际上研究细胞增殖的调控主要从两方面进行：一是从环境中与有机体中寻找控制细胞增殖的因子，以及阐明它们的作用机制。二是寻找控制细胞增殖的关键性基因，并通过调节基因产物来控制细胞的增殖。
（五）细胞分化及其调控细胞分化是生物发育的基础。近年，细胞分化的研究已愈来愈显示其重要性，也是细胞生物学、发育生物学与遗传学的重要会合点。近代生物科学的发展，尤其是分子生物学技术的建立已为细胞分化机理的研究准备了良好的基础，也是近年发育生物学蓬勃发展的重要原因．
（六）细胞的衰老与凋亡细胞衰老的研究是研究人与动植物寿命的基础，但细胞的衰老与有机体的衰老又是不同的概念。
（七）细胞的起源与进化细胞起源与进化的研究是重要的理论问题，也是难度很大的研究课题，我们应该十分尊重先驱科学家在这一领域所取得的成果。
（八）细胞工程细胞工程是细胞生物学与遗传学的交叉领域，这种改造细胞的技术是生物工程技术的重要组成部分。它不仅对工农业生产和医药实践有重要意义，而且对细胞生命活动规律的认识也是一种重要途径与手段。
细胞工程能使不同种细胞的基因或基因组用人工方法重组到杂交细胞中，或者使基因与基因组由一种细胞转移到另一种细胞中，并使越过种的障碍的转移成为可能，由此人们开始探索人工创造新的遗传型细胞的尝试。
还应该说明，当前细胞生物学研究的范畴远不止以上的内容，如细胞外基质、细胞通讯、细胞社会学与细胞免疫学等研究近年也有较快的发展。
1.3 Research direction & main domain
（一）当前细胞生物学研究中的三大基本问题
1. 细胞内的基因组是如何在时间与空间上有序表达的？
2. 基因表达的产物（主要是结构蛋白）是如何逐级装配成能行使生命活动的基本结果体系及各种细胞器的？
3. 基因表达的产物（主要是活性蛋白）如何调节细胞最重要的生命活动过程的？
（二）当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题
1. 染色体DNA与蛋白质相互作用关系——主要是非组蛋白对基因组的作用。
2. 细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控。
3. 细胞信号转导的研究。
4. 细胞结构体系的装配。
2 History of Cytology & Cell Biology
从研究内容来看细胞生物学的发展可分为三个层次，即：显微水平、超微水平和分子水平。从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段：
第一阶段：从16世纪末—19世纪30年代，是细胞发现和细胞知识的积累阶段。
第二阶段：从19世纪30年代—20世纪中期，细胞学说形成后，主要进行细胞显微形态的研究。
第三阶段：从20世纪30年代—70年代，以细胞超微结构、核型、带型研究为主要内容。
第四阶段：从20世纪70年代分子克隆技术的成熟到当前，细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密，基因调控、信号转导、细胞分化和凋亡、肿瘤生物学等领域成为当前的主流研究内容。
细胞学与细胞生物学发展的历史大致可以划分为以下几个阶段：
2.1 Discovery of cell & Foundation of Cell Theory
2.1.1 显微镜的发明与细胞的发现
1,1590 荷兰眼镜制造商J.Janssen和Z.Janssen父子制作了第一台复式显微镜，尽管其放大倍数不超过10倍，但具有划时代的意义。
2,1665 英国人Robert Hook用自己设计与制造的显微镜（放大倍数为40-140倍，)观察了软木（栎树皮)的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，并首次用拉丁文cella（小室)这个词来称呼他所看到的类似蜂巢的极小的封闭状小室（实际上只是观察到到纤维质的细胞壁)。胡克有关细胞的首次描述是在他的著作《显微图谱》一书中于1665年发表的。因此人们也就认为细胞的发现是在1665年。
3,1672，1682英国人Nehemaih Grew出版了两卷植物显微图谱，注意到了植物细胞中细胞壁与细胞质的区别。
4,1680? 荷兰人A,van Leeuwenhoek成为皇家学会会员，一生中制作了200多台显微镜和500多个镜头。他是第一个看到活细胞的人，观察过原生动物、人类精子、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌等等。
5,1752 英国望远镜商人J,Dollond 发明消色差显微镜。
6. 1812 苏格兰人D,Brewster 发明油浸物镜，并改进了体视显微镜。
7. 1886 德国人Ernst Abbe 发明复消差显微镜，并改进了油浸物镜，至此普通光学显微镜技术基本成熟。
8. 1932 德国人M,Knoll和E,A,F,Ruska描述了一台最初的电子显微镜，1940年美国和德国制造出分辨力为0.2nm的商品电镜。
9. 1932 荷兰籍德国人F,Zernike成功设计了相差显微镜（phasecontrast microscope),并因此获1953年诺贝尔物理奖。
10. 1981瑞士人G,Binnig和H,RoherI在BM苏黎世实验中心（Zurich Research Center）发明了扫描隧道显微镜而与电镜发明者Ruska同获1986年度的诺贝尔物理学奖。
2.1.2 细胞学说的创立及其意义
在十九世纪以前许多学者的工作都着眼于细胞的显微结构方面，从事形态上的描述，而对各种有机体中出现细胞的意义一直没有作出理论的概括，直到19世纪30年代德国人施莱登Matthias Jacob Schleiden,施旺Theodar Schwann提出：一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位。这一学说即“细胞学说（Cell Theory)”，在19世纪已有不少科学家的工作对细胞学说的创立做出了很大的贡献，如：
1,Jean-Baptiste de Lamark （1744~1829)，获得性遗传理论的创始人，法国退伍陆军中尉，50岁成为巴黎动物学教授，1909年他认为只有具有细胞的机体，才有生命。“It has been recognized for a long time that the membranes which form the envelopes of the brain，of the nerves，of vessels，of all kinds of glands，of viscera，of muscles and their fibers，and even the skin of the body are in general the productions of cellular tissue。 But no one，so far as I know,has yet perceived that cellular tissue is the general matrix of all organization and that without this tissue no living body would be able to exist，nor could it have been formed。”
2,Charles Brisseau Milbel（1776~1854)，法国植物学家，1802年认为植物的每一部分都有细胞存在，“the plant is wholly formed of a continuous cellular membranous tissue。Plants are made up of cells，all parts of which are in continuity and form one and the same membranous tissue。”。
3,Henri Dutrochet （1776~1847），法国生理学家，1824年进一步描述了细胞的原理，他认为,All organic tissues are actually globular cells of exceeding smallness，which appear to be united only by simple adhesive forces; thus all tissues,all animal (and plant) organs,are actually only a cellular tissue variously modified。This uniformity of finer structure proves that organs actually differ among themselves merely in the nature of the substances contained in the vesicular cells of which they are composed” 。
4,Matthias Jacob Schleiden（1804~1881)，德国植物学教授[1]，1938年发表“植物发生论”(Beitr?ge zur Phytogenesis)，认为无论怎样复杂的植物都有形形色色的细胞构成。他认识到了Brown发现细胞核的重要意义，这一点Brown本人并未做到，他试图重建细胞发育的过程，为此他聪明地选择了胚胎细胞作为他研究的起点，他还在细胞中发现了核仁。
5,Theodor Schwann（1810~1882)，德国解剖学教授，一开始就研究Schleiden的细胞形成学说，他完全接受了这个学说，并把它扩展为所有生命现象的起源和基础的一般理论。他把Schleiden在植物中的发现应用到动物中去，并于1838年提出了“细胞学说”（Cell Theory)这个术语；1939年发表了“关于动植物结构和生长一致性的显微研究”。因此细胞学说的创立被认为归功于Schleiden和Sehwann两个人，而且年份也被定到1839年。
Schwann提出：
1) 有机体是由细胞构成的；
2) 细胞是构成有机体的基本单位。
1855 （而非1858）德国人R,Virchow 提出“一切细胞来源于细胞”（omnis cellula e cellula）的著名论断，进一步完善了细胞学说。
把细胞作为生命的一般单位，以及作为动植物界生命现象的共同基础的这种概念立即受到了普遍的接受。恩格斯将细胞学说誉为19世纪的三大发现之一。
2.2 Period of Classical Cytology
19世纪的最后25年，即1875～1900年，是细胞学的经典时期。这个时期在细胞学说的推动下，应用固定和染色技术，在光学显微镜下观察细胞的形态结构和细胞的分裂活动，取得了极为丰硕的成果，代表性的成就有如下几点。
原生质理论的提出 1840年．Pukinje在动物、1846年von Mohl在植物中分别看到了“肉样质”的物质，并将其命名为“原生质”（protoplasm）。1861年Schultze认为动植物细胞中的原生质具有同样的意义，并提出了原生质理论：有机体的组织单位是一小团原生质，这种物质在一般有机体中是相似的，并把细胞明确地定义为：“细胞是具有细胞核和细胞膜的活物质”。1880年Hanstain提出“原生质体”（protoplast）概念，把细胞概念演变成由细胞膜包围着的原生质，原生质分化为细胞核和细胞质。
细胞受精和分裂的研究 1875年Hertwig发现受精卵中两亲本核的合并；1877年Strasburger发现动物的受精现象；1883年 van Beneden在动物、1886年Strasburger在植物分别发现了减数分裂现象； 1880一1882年Flemming在媒蟋幼虫的组织细胞中发现了有丝分裂。
一些重要细胞器的发现 1883年van Beneden和 Boveri在动物细胞中发现了中心体；1888年Waldeyer提出染色体概念； 1898年Go哈发现了高尔基体；同年，线粒体也被正式命名。
在这短短的25年里，取得如此多的成果，除了细胞学说本身的贡献外，技术革新起着重要的作用。细胞染色技术、切片技术、显微技术等的不断改进和创新保证了科学研究的进步。当然，更重要的是这一时期人才辈出，他们不断追求和探索的精神才是细胞学得以发展的原动力。 －－王
2.3 Period of Experimental cytology
实验细胞学时期从1900年到1953年的半个世纪里，细胞学的发展主要是采用实验的手段研究细胞学的问题，将这一时期称为实验细胞学（experimental cytology）时期，其特点是从形态结构的观察深入到生理功能、生物化学、遗传发育机制的研究。由于实验研究不断同相邻学科结合、渗透，导致了一些重要分支学科的建立和发展：
细胞遗传学（cytogenetics）。遗传学和细胞学结合建立了细胞遗传学，主要是从细胞学的角度，特别是从染色体的结构和功能以及染色体和其他细胞器的关系来研究遗传现象，阐明遗传和变异的机制。
细胞生理学（Cytophysiology）。细胞学同生理学结合建立了细胞生理学，主要研究内容包括细胞从周围环境中摄取营养的能力、代谢功能、能量的获取、生长、发育与繁殖机制以及细胞受环境的影响而产生适应性和运动性的活动。细胞的离体培养技术对细胞生理学的研究具有巨大贡献。
细胞化学（cytochemistry）。细胞学和化学的结合产生了细胞化学，主要是研究细胞结构的化学组成及化学分子的定位、分布及其生理功能。如 1943年Claude用高速离心法从细胞匀浆液中分离线粒体，然后研究它的化学组成和生理功能并得出结论：线粒体是细胞氧化中心。1924年Feulgen发明的DNA特殊染色方法——Feulgen反应开创了DNA的定性和定量分析。此后发展了一系列进行细胞内RNA和蛋白质定量分析的方法，对细胞的核酸和蛋白质代谢活动研究起了极大的促进作用。 －－王
2.4 Naissance of Cell Biology and its development
50年代以来，电子显微镜与超薄切片技术相结合，产生了细胞超微结构学这一新兴领域。从50年代中期至60年代末，细胞超微结构研究所积累的资料，使细胞结构的知识在很大程度上得到了更新，大大加深与拓宽了对细胞的认识。不仅对已知的细胞结构，诸如线粒体、高尔基体、细胞膜、核膜、核仁、染色质与染色体结构的了解出现了全新的面貌，而且发现了一些新的重要的细胞结构，如内质网、核糖体、溶酶体、核孔复合体与细胞骨架体系等等，为细胞生物学学科早期的形成奠定了良好的基础。更由于70年代以来，科学家将分子生物学的概念与技术引进细胞学，为细胞生物学这门学科的最后形成与建立创造了全新的局面。“细胞生物学”这个词终于在60年代出现了。
80年代以来，细胞生物学的主要发展方向是细胞的分子生物学（或称分子细胞生物学），也就是说，在分子水平上探索细胞的基本生命规律，把细胞看成是物质、能量、信息过程的结合，并在分子水平上深入探索其生命活动规律，深刻性与综合性是细胞生物学进一步发展的特点。
1953年 Watson和 Crick提出 DNA双螺旋结构模型，标志着分子生物学（molecular biology）的诞生。到底是何时产生了细胞生物学，没有肯定的答案，一般的看法是1965年，Derobetis将其编著的《普通细胞学》改为《细胞生物学》，标志着细胞生物学的诞生。由于不断将分子生物学的研究成果和方法引进细胞学，使细胞学的知识得到了极大的更新。此后，细胞生物学和分子生物学之间相互渗透，相得益彰。
20世纪80年代开始出现的分子细胞生物学（molecular cell biology），是细胞生物学的主要发展方向。
3 The way you can learn better
兴趣 Interest－－兴趣是最好的老师预习 Preparation－－请带着,？”来上课！
怀疑Skeptical－Don’t accept everything you read as being true.
抽象Abstract思维与动态Dynamic思维同一性Unity和多样性Diversity的问题结构Structure和功能Function的关系
Reference,
Gerald Karp,Cell and Molecular Biology,Concepts and Experiments 3rd,Wiley & Sons,2002
韩贻仁,分子细胞生物学科学出版社,2001年03月翟中和,细胞生物学,高等教育出版社.1995年1月翟中和,细胞生物学.高等教育出版社.2000年8月汪堃仁,细胞生物学（第二版),北京师范大学出版社.1998年11月王金发.细胞生物学.科学出版社.2003年8月辛华,细胞生物学实验.科学出版社,2001年02月杨汉民,细胞生物学实验（第二版）,高等教育出版社.1997年07月
Chapter Ⅱ Basic Properties of cells
一、教学目的和要求：
通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细胞的基本概念；病毒基本知识概要；原核细胞与古核细胞；真核细胞基本知识概要。
引导学生从科学和哲学两方面来思索生命和细胞的关系，介绍对细胞概念的一些新思考。
逐渐引导学生用本学科的所学来阐明一些生命现象。
二、教材分析：
概述：本章内容涉及真核细胞、原核细胞、病毒的基本知识的介绍，选用教材在总体内容上编排恰当，但在个别内容有知识性错误和印刷错误，在教学中值得注意。
教学重点：真核细胞基本知识概要；真、原核细胞的主要区别；细胞结构和功能的辩证关系。
教学难点：真、原核细胞的比较。
三、教学设想：
教材处理：对新、难内容重点讲解(如：真核细胞的三大结构体系、真核和原核细胞的比较)，简略讲解基础内容（如病毒和细菌的结构特点）；改正教材错误。
教学方法：主要采用讲授法和例证法，辅以讨论、提问。
教具：CAI课件四、教学内容：（4学时）
1 Basic concepts of Cell
1.1 Cell,the basic unit of life
Purkinje（1839）用原生质一词指细胞的全部活性物质，从现代概念来说它包括质膜、细胞质和细胞核（或拟核）。
1880年Hanstain提出“原生质体”（protoplast）概念，把细胞概念演变成由细胞膜包围着的原生质，原生质分化为细胞核和细胞质。
细胞区别于无机界的主要特征：1.在结构上具有自我装配的能力；2.在生理活动中具有自我调节能力；3.在增殖上具有自我复制的能力。这些特征也可以说是生命的特征，它们的丧失即意味着死亡。－韩p43
我们认为应从以下一些角度去认识细胞作为生命活动基本单位这一概念：
（一）一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位
（二）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
（三）细胞是有机体生长与发育的基础
（四）细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性
（五）没有细胞就没有完整的生命除了上述的认识外，我们还必须强调，病毒虽然是非细胞形态均生命体，但它们必须在细胞内才能表现基本的生命特征（繁殖与遗传）。因此，就病毒而言，细胞是生命活动的基本单位这一概念也是完全合适的。
1.2 Commonness of all Cells
细胞结构的共性：
（l）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。细胞膜使细胞与周围环境保持相对的独立性，造成相对稳定的细胞内环境，并通过细胞膜与周围环境进行物质交换和信号传递。在较高等的细胞内，细胞膜内陷演化为细胞的内膜体系，构建成各种以膜为基础的功能专一的细胞器。
（2）所有的细胞都有两种核酸：即DNA与RNA作为遗传信息复制与转录的载体。而非细胞形态生命体病毒只有一种核酸，即DNA或RNA作为遗传信息的载体。
（3）作为蛋白质合成的机器——核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内，是任何细胞（除个别非常特化的细胞外）不可缺少的基本结构，它们在翻译多肽链时，与mRNA形成多聚核糖体。
细胞功能的共性
（1） 细胞能够进行自我增殖和遗传细胞能够以一分为二的分裂方式进行增殖，动植物细胞、细菌细胞都是如此。
（2） 细胞都能进行新陈代谢 细胞内有机分子的合成和分解反应都是由酶催化的，即细胞的代谢作用是由酶控制的。细胞代谢包括物质代谢和能量代谢，这也是细胞的基本特性。
（3） 细胞都具有运动性所有细胞都具有一定的运动性，包括细胞自身的运动和细胞内的物质运动。
2 Viruses
2.1 Viruses,lives smaller than cells
病毒（Virus）是一类非细胞形态的介于生命与非生命形式之间的物质。有以下主要特征：
① 个体微小，可通除滤菌器，大多数必须用电镜才能看见；
② 仅具有一种类型的核酸，或DNA或RNA，没有含两种核酸的病毒；
③ 专营细胞内寄生生活；
④ 具有受体连结蛋白（receptor binding protein），与敏感细胞表面的病毒受体连结，进而感染细胞。
病毒的形态和结构：病毒的大小一般在10~30nm之间。结构简单，由核酸（DNA或RNA）芯和蛋白质衣壳（capsid）所构成，称核衣壳（nucleocapsid），衣壳有保护病毒核酸不受酶消化的作用。各种病毒所含的遗传信息量不同，少的只含有3个基因，多的可达300个不同的基因。
病毒衣壳由一至几种蛋白组成，组成病毒衣壳的亚单位称壳微粒（capsomer）。病毒的形成不需要酶的参加，只要条件具备，核酸和蛋白质便可自我装配（self assembly）成病毒。其装配形式有二十面体对称、螺旋对称和复合对称三种类型。二十面体对称型的衣壳蛋白形成二十面体，核酸包在其中；螺旋对称型的衣壳蛋白与核酸呈螺旋形排列，核酸交织在其中；复合对称型为同时具有或不具有两种对称性形式的病毒
2.2 Viruses can reproduce only in Cells
吸附（adsorption）：病毒对细胞的感染起始于病毒蛋白质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蛋白质外壳，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。
2.3 Its types
根据寄生的宿主不同，病毒可分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒（即噬菌体）三大类。根据病毒所含的核酸的性质和状态不同，可将病毒分为6类：
1)双链±DNA→+mRNA→蛋白质，如天花病毒、T-偶数噬菌体。
2)单链+DNA→±DNA→+RNA→蛋白质,如细小DNA病毒。
3)双链±RNA→+mRNA→蛋白质，如呼肠孤病毒。
4)单链+RNA→－RNA→+RNA→蛋白质脊髓灰质炎病毒。
5)单链-RNA→+RNA→蛋白质，如流感病毒、副流感病毒、狂犬病毒。
6)单链+RNA→－DNA→±DNA→+mRNA→蛋白质，即逆转录病毒（retrovirus）又称RNA肿瘤病毒（oncornavirus）。
2.3 Relationships between Virus and cell in Evolution
现在，比较容易接受的观点是：生物大分子——细胞——病毒。其依据主要有：
1. 所有病毒均为彻底的寄生性。
2. 有些病毒的核酸与哺乳动物细胞DNA某些片段的碱基序列十分相似。
3. 病毒可以看作是DNA与蛋白质或RNA与蛋白质形成的复合大分子，与细胞内核蛋白分子有相似之处。
Addition：
(1)冠状病毒与SARS：
2003年春在我国和世界20多个国家发生了一种传染性病毒病，导致严重急性呼吸道综合症 （sever acute respiratory syndrome,SARS），即我国所说的非典型肺炎。同年4月 16日，WHO正式确认SARS病毒是SARS的病因，这是一种新型的冠状病毒。
冠状病毒科（Coronaviridae）的病毒成员仅感染脊椎动物，可引起人和动物呼吸道卜肖化道、肝脏和神经系统产生疾病。冠状病毒最早于1937年从鸡中分离，1965年Tyrrell和Bynoe首次用有纤毛的胚状气管在体外培养了人的冠状病毒，约有15个种，不仅感染人，也感染牛、猪、猫、狗等。
冠状病毒粒子呈球状，形似冠状而得名。其直径为60～220urn，有包膜。包膜上有2～3种糖蛋白。
M蛋白（membrane protein），是糖蛋白，横穿包膜，其 N端的丝氨酸或苏氨酸残基上可以产生糖基化。M蛋白的作用是出芽和病毒包膜的形成。
S蛋白（spike protein），构成长的杆状包膜突起,S蛋白突起具有多方面的功能，它负责结合敏感细胞受体，诱导病毒包膜和细胞膜以及细胞之间的膜融合，作为主要抗原刺激机体产生中和抗体和介导细胞免疫反应。
E蛋白属包膜蛋白，是一种小的与包膜形成相关的蛋白。
核衣壳蛋白N是一种碱性磷蛋白，具有3个结构域，其中央区同基因组RNA结合，形成卷曲的核衣壳螺旋。N蛋白有两个方面的功能：一方面与病毒RNA复制有关，另一方面通过与M糖蛋白C端相互作用，可引起病毒出芽。
HE蛋白即血凝素一酯酶（hemagglutinin－estemse，H），HE蛋白构成包膜的短突起。现在认为HE可能与冠状病毒早期吸附有关。
冠状病毒基因组为（＋）SSRNA长约27～31kb其基因组5’端有帽子结构，3’端有poly(A)尾，紧接帽子结构之后是60～80个碱基的先导RNA序列和200～500个碱基的非编码区。
SARS病毒是一种新型的冠状病毒，目前已发现有十几个变种。这种病毒潜伏期2～7天。患者通常有高于38t的发热，并会伴有寒战，或者其他如头痛、倦怠和肌痛。潜伏期后进入下呼吸道期，患者伴有包括发热、干咳无痰、呼吸困难，甚至低氧血症（呼吸困难、紫错。缺氧早期心动过速、血压升高、严重时出现心动过缓、血压下降，甚至休克）等综合征，严重患者通常都需要气管插管或者呼吸机维持。
95％感染 SARS病毒的人能够治愈。人体可以针对病毒产生抗体，表明 SARS是可治的，同时也是可控和可防的。只要依靠科学、保持良好的心态，人类一定能够最终战胜SARS
从细胞生物学的角度，用SAJIS（smile and remain smile）去战胜SARS（severe acute respiratory syndrome）不失为一种有效的抗击疾病的好方法。―――王
(2) viroid
类病毒在结构上比病毒还要简单，没有蛋白质外壳，仅为一裸露的RNA分子。由于它们具有感染作用，类似于病毒，故称为类病毒（viroid）。它们不能像病毒那样感染细胞，只有当植物细胞受到损伤，失去了膜屏障，它们才能在供体植株与受体植株间传染。例如，马铃薯锤管类病毒仅由一个含359个核苷酸的单链环状RNA分子组成，链内有一些互补序列。分子长约40~50nm，不能制造衣壳蛋白。－－绍兴
（3）蛋白质感染因子 Prion
1982年S．B．Prusiner以叙利亚仓鼠为实验材料，发现羊瘙痒病（scrapie）的病原体是一种蛋白质，不含核酸，命名为prion，意即PROteinnaceous Infection ONly，译为蛋白质感染因子或朊病毒，Prusiner因此项发现更新了医学感染的概念，获1997年的诺贝尔生理与医学奖。
羊瘙痒病发现已有200年的历史，羊得了这种病就会浑身发痒，不断在坚硬物质上搓擦身体，最后死亡。它是一类传染性海绵状脑病（transmissible spongiform encephalopathies，TSE）。疯牛病，即牛海绵状脑病（bovine spongiform encephalopathy，BSE）也属于此类疾病，发现于1986年，是由于牛被喂以由死羊骨粉制造的饲料而被感染，病牛脑内灰质及神经元都有典型的海绵状退化，出现淀粉样（amyloid）蛋白沉淀，与羊瘙痒病相似。同类型的prion也会使鹿、貂及猴子患病，人类也具有类似的疾病。
Prion是一种结构变异的蛋白质，对高温和蛋白酶均具有较强的抵抗力。它能转变细胞内的此类正常的蛋白PrPC（cellular prion protein），使PrPC发生结构变异，变为具有致病作用的PrPSc（scrapie-associated prion protein）。
PrPC存在于神经元、神经胶质细胞和其它一些细胞，属于糖磷脂酰肌醇锚定蛋白，集中在膜上的脂筏中，对蛋白酶和高温敏感，可能和细胞信号转导有关。
PrPSc与PrPc的一级结构相似，均由253-4个氨基酸组成，分子量约33-37KD。纯化的Prion经傅里叶变换红外光谱分析，发现PrPc的高级结构中具有43%的α螺旋，极少的β折叠（3%），而PrPsc具有34%α螺旋，43%的β折叠。动物被感染后，发生错误折叠的PrPSc蛋白堆积在脑组织中，形成不溶的淀粉样蛋白沉淀，无法被蛋白酶分解，引起神经细胞凋亡（Apoptosis）。
编码PrP蛋白的基因称为Prnp，该基因位于人第20号染色体的短臂，小鼠第2号染色体。敲除小鼠的Prnp基因，小鼠仍能正常发育，并对瘙痒病完全免疫，但出生后很快会出现共济失调、小脑皮层颗粒细胞退化。
目前对蛋白质感染因子的增殖方式有两种解释，一是重折叠模型（refolding model），认为PrPSc分子起分子伴侣（molecular chaperone）的作用，能与PrPc分子相结合，诱使PrPc转变成PrPSc，从而形成了PrPSc二聚体，于是一个PrPSc分子就变成了2个PrPSc分子，如此倍增不已。另一种解释是晶种模型（Seeding model），认为PrPc分子本身有向PrPSc转变的倾向（一种平衡反应），PrPSc能像晶种一样，稳定PrPc的构象，形成淀粉样蛋白沉淀，然后碎裂后又变成新的晶种。
蛋白质感染因子的增殖既不是由于基因过分表达，也不是因翻译量增加，而是由于正常分子的构象发生转变造成的，所以亦称朊病毒。目前已知的人类PRION疾病主要有：
1,克-雅二氏病（Creutzfeldt–Jakob disease，CJD）：Cruetzfeldt和Jakob 1920年发现于六例患者，大多发生于60岁以上的人，是自身PrP蛋白发生变异引起的。
2,变异型克-雅氏病（vCJD）：患者都处于以往CJD未曾出现的年龄段，为十几岁至三十岁的年轻人，是由于取食病牛产品而感染。患者首先出现忧郁症的病状，继而不能行走，并呈现精神障碍等痴呆症状，最后死亡。
3.GSS综合征（Gerstmann-Straussler Scheinker disease））：是一种遗传的的慢性脑病，由Prnp基因缺陷引起，PrP蛋白的102位亮氨酸被脯氨酸取代或117位的缬氨酸被丙氨酸取代。
4,克鲁病（Kuru）：发现于新几内亚一个叫Fore的部落，当地人称作kuru，意即颤抖。病人大多数是妇女及小孩，病症有言语含糊及无意识地狂笑，最后不省人事并死亡。一名美国医生D,C,Gajdusek到了当地，发现那里的妇女及小孩具有吃死者尸体的习惯，结果受到感染。
5.致死性家族性失眠症（Fatal familial insomnia，FFI）：也是一种遗传性疾病，Prnp基因变异，PrP蛋白178位的天冬酰胺被天冬氨酸取代。患者的主要症状是失眠，并有CJD的症状。
对于蛋白质感染因子引起的疾病，目前尚没有有效的治疗措施。这类蛋白具有很强的抵抗力，对抗生素和消毒剂不敏感，134-138℃持续1h的病牛脑组织匀浆，以及10%福尔马林固定过的病羊脑组织，仍有感染性。
据报道，自1996年以来，共有106人得了疯牛病，其中仅有七人还活着。
3 Prokaryotic cells & Archaebacteria
3.1 Classse of Cells mycoplasma
20世纪60年代，H.Ris提出将细胞分为两大类：
原核细胞（prokaryotic cell）和真核细胞（eukaryotic cell）。
Prokaryotic cell，最基本的特点是：
1)遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；
2)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。
包括支原体、衣原体、立克次体、细菌、放线菌与蓝藻等多种庞大的家族。
3.2 Mycoplasma,the simplest & smallest cell
支原体是目前发现的最简单、体积最小的原核细胞，也是唯一一种没有细胞壁的原核细胞。
支原体的大小介于细菌与病毒之间，一般直径为0．1～0．3Pm，能够通过滤菌器，并能独立生活。原体形态多变，有圆形、丝状或梨形，光镜下难以看清其结构。电镜下观察支原体的细胞膜为三层结构。它有一环状双螺旋DNA并且均匀地分布在细胞内，没有类似细菌的核区（拟核），能指导合成750多种蛋白质。电镜下支原体细胞中惟一可见的细胞器是核糖体，每个细胞中约有800一1500个。支原体感细胞时，多吸附在细胞表面，或分散在细胞之间。
支原体没有鞭毛，无活动能力，可以通过分裂法繁殖，也有进行出芽增殖的。
支原体是动物细胞培养的大敌，由于支原体寄生在细胞中，所以培养细胞很容易被支原体污染，污染源主要是血清。 －－－－王支原体（mycoplasma）的大小通常为0.2~0.3μm，可通过滤菌器。无细胞壁，不能维持固定的形态而呈现多形性。细胞膜中胆固醇含量较多，约占36%，这对保持细胞膜的完整性是必需的，凡能作用于胆固醇的物质（如二性霉素B、皂素等）均可引起支原体膜的破坏而使支原体死亡。-----------绍兴
3.3 Bacteria & Cyanobacteria
细菌细胞只具有原始形态的核，没有核膜，更没有核仁，结构简单，为了与真核细胞典型的核有所区别，称为核区或类核。细菌细胞DNA主要盘绕在核区，细菌的核区实际主要由一个环状的DNA分子组成。由于细菌基因的排列与DNA有对应的结构关系，延用了真核细胞的染色体概念，又习惯地称之谓细菌染色体，然而它比真正的染色体结构简单得多，没有或只有极少的组蛋白与DNA结合。正常情况下，一个细菌细胞内只有一个核区，在细菌处在生长增殖状态时，由于DNA的复制次数与细胞分裂次数并不同步，一个细胞内可以同时存在几个DNA分子，往往出现几个核区。
由于细菌细胞没有核膜把核与细胞质绝对的分开，DNA复制、RNA转录与蛋白质合成的结构装置没有在位置上截然分开，因此基因复制、转录与表达过程没有严格的时间上的阶段性与位置上的区域性。 ------翟
（一）细胞壁细胞壁厚度因细菌不同而异，一般为15-30nm。主要成分是肽聚糖，由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸构成双糖单元，以β（1-4）糖苷键连接成大分子。N-乙酰胞壁酸分子上有四肽侧链，相邻聚糖纤维之间的短肽通过肽桥（革兰氏阳性菌）或肽键（革兰氏阴性菌）桥接起来，形成了肽聚糖片层，像胶合板一样，粘合成多层。
肽聚糖中的多糖链在各物种中都一样，而横向短肽链却有种间差异。革兰氏阳性菌细胞壁厚约20～80nm，有15-50层肽聚糖片层，每层厚1nm，含20-40％的磷壁酸（teichoic acid），有的还具有少量蛋白质。革兰氏阴性菌细胞壁厚约10nm，仅2-3层肽聚糖，其他成分较为复杂，由外向内依次为脂多糖、细菌外膜和脂蛋白。此外，外膜与细胞之间还有间隙。
肽聚糖是革兰阳性菌细胞壁的主要成分，凡能破坏肽聚糖结构或抑制其合成的物质，都有抑菌或杀菌作用。如溶菌酶是N-乙酰胞壁酸酶，青霉素抑制转肽酶的活性，抑制肽桥形成。
细菌细胞壁的功能包括：保持细胞外形；抑制机械和渗透损伤（革兰氏阳性菌的细胞壁能耐受20kg/cm2的压力）；介导细胞间相互作用（侵入宿主）；防止大分子入侵；协助细胞运动和分裂。
脱壁的细胞称为细菌原生质体（bacterial protoplast）或球状体（spheroplast，因脱壁不完全），脱壁后的细菌原生质体，生存和活动能力大大降低。
（二）细胞膜是典型的单位膜结构，厚约8~10nm，外侧紧贴细胞壁，某些革兰氏阴性菌还具有细胞外膜。通常不形成内膜系统，除核糖体外，没有其它类似真核细胞的细胞器，呼吸和光合作用的电子传递链位于细胞膜上。某些行光合作用的原核生物（蓝细菌和紫细菌），质膜内褶形成结合有色素的内膜，与捕光反应有关。某些革兰氏阳性细菌质膜内褶形成小管状结构，称为中膜体（mesosome）或间体，中膜体扩大了细胞膜的表面积，提高了代谢效率，有拟线粒体（Chondroid）之称，此外还可能与DNA的复制有关。
（三）细胞质与核质体细菌和其它原核生物一样，没有核膜，DNA集中在细胞质中的低电子密度区，称核区或核质体（nuclear body）。细菌一般具有1-4个核质体，多的可达20余个。核质体是环状的双链DNA分子，所含的遗传信息量可编码2000～3000种蛋白质，空间构建十分精简，没有内含子。由于没有核膜，因此DNA的复制、RNA的转录与蛋白的质合成可同时进行，而不像真核细胞那样这些生化反应在时间和空间上是严格分隔开来的。
每个细菌细胞约含5000～50000个核糖体，部分附着在细胞膜内侧，大部分游离于细胞质中。细菌核糖体的沉降系数为70S，由大亚单位（50S）与小亚单位（30S）组成，大亚单位含有23SrRNA，5SrRNA与30多种蛋白质，小亚单位含有16SrRNA与20多种蛋白质。30S的小亚单位对四环素与链霉素很敏感，50S的大亚单位对红霉素与氯霉素很敏感。
细菌核区DNA以外的，可进行自主复制的遗传因子，称为质粒（plasmid）。质粒是裸露的环状双链DNA分子，所含遗传信息量为2~200个基因，能进行自我复制，有时能整合到核DNA中去。质粒DNA在遗传工程研究中很重要，常用作基因重组与基因转移的载体。
胞质颗粒是细胞质中的颗粒，起暂时贮存营养物质的作用，包括多糖、脂类、多磷酸盐等。
（四）其他结构许多细菌的最外表还覆盖着一层多糖类物质，边界明显的称为荚膜（capsule），如肺炎球菌，边界不明显的称为粘液层（slime layer），如葡萄球菌。荚膜对细菌的生存具有重要意义，细菌不仅可利用荚膜抵御不良环境；保护自身不受白细胞吞噬；而且能有选择地粘附到特定细胞的表面上，表现出对靶细胞的专一攻击能力。例如，伤寒沙门杆菌能专一性地侵犯肠道淋巴组织。细菌荚膜的纤丝还能把细菌分泌的消化酶贮存起来，以备攻击靶细胞之用。
鞭毛是某些细菌的运动器官，由一种称为鞭毛蛋白（flagellin）的弹性蛋白构成，结构上不同于真核生物的鞭毛。细菌可以通过调整鞭毛旋转的方向（顺和逆时针）来改变运动状态。
菌毛是菌体表面极其的蛋白纤细，须用电镜观察。特点是：细、短、直、硬、多，菌毛与细菌运动无关，根据形态、结构和功能，可分为普通菌毛和性菌毛两类。前者与细菌吸附和侵染宿主有关，后者为中空管子，与传递遗传物质有关。－－－－绍兴蓝藻,又称蓝细菌（cyanobacterium），能进行与高等植物类似的光合作用（以水为电子供体，放出O２），与光合细菌的光合作用的机制不一样，因此被认为是最简单的植物。蓝藻没有叶绿体，仅有十分简单的光合作用结构装置。蓝藻细胞遗传信息载体与其它原核细胞一样，是一个环状DNA分子，但遗传信息量很大，可与高等植物相比。蓝藻细胞的体积比其它原核细胞大得多，直径一般在士10um，甚至可达70μm（颤藻）。蓝藻属单细胞生物，有些蓝藻经常以丝状的细胞群体存在，如：属蓝藻门念珠藻类的发菜（nostoc commune var.flagtlliforme）就是蓝藻的丝状体；做绿肥的红萍实际上是一种固氮蓝藻与水生蕨类满江红的共生体。--------绍兴
3.4 Archaebacteria & The there kingdoms of organisms
是一类很持殊的细菌，多生活在极端的生态环境中。具有原核生物的某些特征，如无核膜及内膜系统；也有真核生物的特征，如以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白；此外还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征，如：细胞膜中的脂类是不可皂化的；细胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白质为主，有的含杂多糖，有的类似于肽聚糖，但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。
极端嗜热菌（themophiles）：能生长在90℃以上的高温环境。如斯坦福大学科学家发现的古细菌，最适生长温度为100℃，80℃以下即失活，德国的斯梯特（K,Stetter）研究组在意大利海底发现的一族古细菌，能生活在110℃以上高温中，最适生长温度为98℃，降至84℃即停止生长；美国的J,A,Baross发现一些从火山口中分离出的细菌可以生活在250℃的环境中。嗜热菌的营养范围很广，多为异养菌，其中许多能将硫氧化以取得能量。
极端嗜盐菌（extremehalophiles）：生活在高盐度环境中，盐度可达25%，如死海和盐湖中。
极端嗜酸菌（acidophiles）：能生活在pH值1以下的环境中，往往也是嗜高温菌，生活在火山地区的酸性热水中，能氧化硫，硫酸作为代谢产物排出体外。
极端嗜碱菌（alkaliphiles）：多数生活在盐碱湖或碱湖、碱池中，生活环境pH值可达11.5以上，最适pH值8～10。
产甲烷菌（metnanogens）：是严格厌氧的生物，能利用CO2使H2氧化，生成甲烷，同时释放能量。
CO2＋4H2→CH4＋2H2O＋能量由于古细菌所栖息的环境和地球发生的早期有相似之处，如：高温、缺氧，而且由于古细菌在结构和代谢上的特殊性，它们可能代表最古老的细菌。它们保持了古老的形态，很早就和其它细菌分手了。所以人们提出将古细菌从原核生物中分出，成为与原核生物（即真细菌eubacteria）、真核生物并列的一类。------绍兴
The there kingdoms of organisms
1970年C,Woese根据对16SrRNA核苷酸顺序的同源性比较，提出将生命划分为三界，即：真细菌（Eubacteria）、真核生物Eucaryotes、古细菌（Archaes）。1996年Bult领导的研究小组在Science上发表了詹氏甲烷球菌（Methanococcus jannaschii）的全基因组序列，进一步证明它既不是典型的细菌也不是典型的真核生物，而是介于两者之间的生命体，即生命的第三形式。
4 Eukaryotic Cells
4.1 Basic structure system
真核细胞内的结构体系归纳起来可分为三大系统：生物膜体系、遗传信息表达体系、细胞骨架体系。
1 Biomembrane system
真核生物在进化过程中，细胞体积木断增大，因而出现了细胞内部结构的分化，最主要的特征是以质膜为基础的既独立又相互联系的膜结构系统。这些结构及细胞器包括细胞质膜。核膜、内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体和叶绿体等。
生物膜体系（biomembrane system）的基本作用是为细胞提供保护。质膜将整个细胞的生命活动保护起来，并进行选择性的物质交换；核膜将遗传物质保护起来，使细胞核的活动更加有效；线粒体和叶绿体的膜将细胞的能量发生同其他的生化反应隔离开来，更好地进行能量转换。
生物膜体系为细胞提供较多的质膜表面，使细胞内部结构区室化。由于大多数酶定位在膜上，大多数生化反应也是在膜表面进行的，膜表面积的扩大和区室化使这些反应有了相应的隔离，效率更高。
另外，生物膜体系为细胞内的物质运输提供了特殊的运输通道，保证了各种功能蛋白及时准确地到位而又互不干扰。例如溶酶体的酶合成之后不仅立即被保护起来，而且一直处于监护之下被运送到溶酶体小泡。
2 genetic expression system
遗传信息表达体系（genetic expression system）又称为颗粒纤维结构体系，包括细胞核和核糖体。细胞核中的染色质是纤维结构，由DNA和组蛋白构成。染色体的一级结构是由核小体组成的串珠结构，其直径为10urn，又称为10纳米纤维。核糖体是由RNA和蛋白质构成的颗粒结构，直径为15一25urn，由大小两个亚基组成，它是细胞内合成蛋白质的场所。
3 cytoskeleto system
细胞的体积虽小，细胞内却是热闹非凡，各种生化反应瞬息万变，为了保证细胞生命活动的有序进行，细胞必需维持立体结构，这就需要依靠细胞骨架体系 （cytoskeleto system）。细胞骨架是由蛋白质与蛋白质搭建起的骨架网络结构，包括细胞质骨架和细胞核骨架。细胞骨架体系的主要作用是维持细胞的一定形态，使细胞得以安居乐业。细胞骨架对于细胞内物质运输和细胞器的移动来说又起交通动脉的作用；细胞骨架还将细胞内基质区域化；此外，细胞骨架还具有帮助细胞移动行走的功能。细胞骨架的主要成分是微管、微丝和中间纤维。 ----王p19。
4.2 Eukaryotic cells VS Prokaryotic Cells
4.2.1 Their commonness
1.都具有类似的细胞质膜结构；
2.都以DNA作为遗传物质，并使用相同的遗传密码；
3.都以一分为二的方式进行细胞分裂；
4.具有相同的遗传信息转录和翻译机制，有类似的核糖体结构；
5.代谢机制相同（如糖酵解和TCA循环）；
6.具有相同的化学能贮能机制，如ATP合成酶（原核位于细胞质膜上，真核位于线粒体膜L）；
7.光合作用机制相同（蓝细菌与植物相比较）；
8.膜蛋白的合成和插入机制相同；
9.都是通过蛋白酶体（蛋白质降解结构）降解蛋白质（古细菌与真核细胞相比较）。
4.2.2 Their difference
区别
原核细胞
真核细胞
大小
1~10μm
10~100μm
细胞核
无核膜
有双层的核膜
染色体
形状
环状DNA分子
线性DNA分子
数目
一个基因连锁群
2个以上基因连锁群
组成
DNA裸露或结合少量蛋白质
DNA同组蛋白和非组蛋白结合
DNA序列
无或很少有重复序列
有重复序列
基因表达
RNA和蛋白质在同一区间合成
RNA在核中合成和加工；蛋白质在细胞质中合成
细胞分裂
二分或出芽
有丝分裂和减数分裂，少数出芽生殖。
内膜
无独立的内膜
有，分化成各种细胞器
鞭毛构成
鞭毛蛋白
微管蛋白
光合与呼吸酶分布
质膜
线粒体和叶绿体
核糖体
70S（50S+30S）
80S（60S+40S）
营养方式
吸收，有的行光合作用
吸收，光合作用，内吞
细胞壁
肽聚糖、蛋白质、脂多糖、脂蛋白
纤维素（植物细胞）
真核细胞与原核细胞最根本的区别可以归纳为两条：第一是细胞膜系统的分化与演变。真核细胞以膜系统的分化为基础，首先分化为两个独立的部分——核与质，细胞质内又以膜系统为基础分隔为结构更精细，功能更专一的单位——各种重要的细胞器。细胞内部结构与职能的分工是真核细胞区别于原核细胞的重要标志。第二是遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化。这与第一点相互密切联系，由于真核细胞结构与功能的复杂化，遗传信息量相应随之扩增，即编码结构蛋白质与功能蛋白质的基因数首先大大增多。遗传信息重复序列与染色体多信性的出现是真核细胞区别于原核细胞的另一重大标志。遗传信息的复制、转录与翻译的装置和程序也相应复杂化，真核细胞内遗传信息的转录与翻译有严格的阶段性与区域性，而在原核细胞内转录与翻译可同时进行，这也是两者区别的重要特征。
4.3 Plant Cells VS Animal Cells
细胞器
动物细胞
植物细胞
细胞壁
无
有
叶绿体
无
有
液泡
无
有
溶酶体
有
无
圆球体
无
有
乙醛酸循环体
无
有
通讯连接方式
间隙连接
胞间连丝
中心体
有
无
胞质分裂方式
收缩环
细胞板
构成动物与植物机体的细胞均有基本相同的结构体系与功能体系。很多重要的细胞器与细胞结构，如细胞膜、核膜、染色质、核仁、线粒体、高尔基体、内质网与核糖体、微管与微丝等等，在不同细胞中不仅其形态结构与成分相同，功能也一样。近年在植物细胞内也发现了类似动物细胞的中等纤维与溶酶体的结构，植物细胞的圆球体与糊粉粒具有类似溶酶体的功能。
植物细胞却有一些特有的细胞结构与细胞器是动物细胞所没有的，如细胞壁、液泡与叶绿体吸其它质体。植物细胞在有丝分裂以后，普遍有一个体积增大与成熟的过程，这一点比动物细胞表现明显。在这一过程中，细胞的结构要经历一个发育的阶段，如细胞壁的初生壁与次生壁的形成，液泡的形成与增大，有色体的发育等。下面我们简单介绍一下植物细胞所特有的细胞器。
（1）细胞壁 细胞壁是在细胞分裂过程中形成的，先在分裂细胞之间形成胞间层，主要成分是果胶质，再在胞间层之间形成有弹性的初生壁（l～3μm），有些细胞还形成坚硬的次生壁（5～10μm），细胞壁的主要成分是纤维素，还有果胶质、半纤维素与木质素等。植物细胞壁产生了地球上最多的天然聚合物：木材、纸与布的纤维。细胞壁的某些部位有间隙，原生质可以由此沟通，形成胞间连丝。
（2）液泡 液泡是植物细胞的代谢库，起调节细胞内环境的作用。它是由脂蛋白膜包围的封闭系统，内部是水溶液，溶有盐、糖与色素等物质，溶液的浓度可以达到很高的程度。液泡是随着细胞的生长，由小液泡合并与增大而成为大液泡。液泡的另一功能可能具有压力渗透计（osmometer）的作用，使细胞保持膨胀的状态。
（3）叶绿体 叶绿体是植物细胞内最重要与最普遍的质体，它是进行光合作用的细胞器。叶绿体利用其叶绿素将光能转变为化学能，把CO2与水转变为糖。叶绿体是世界上成本最低，创造物质财富最多的“生物工厂”。
4.4 The sizes of Cells
胞的体积很小，通常需要借助显微镜才能看见。因此必须用微观的度量单位来测量细胞的大小。常用的细胞和生物大分子的度量单位有微米（μm）、纳米（nm）。人们用微米作为光学显微镜下观察细胞结构的测量单位；用纳米作为电子显微镜下观察细胞结构的测量单位；肉眼的分辨率为0.1毫米,观察对象为器官、系统。光学显微镜的分辨率在100―0.2微米,称微观,观察对象为组织、细胞。电子显微镜的分辨率在2100―1纳米，称亚微观，观察对象为细胞内部结构。高级电子显微镜和X射线衍射，分辨率小于1纳米，称超微观，观察对象为分子结构。1990年11月28日中国科学院化学研究所在世界上首次借助其扫描隧道显微镜，直接观察到辫子般的三链状脱氧核糖核酸新结构。这种原子级分辨率的精密仪器，是化学所等单位于1987年靠自力更生在我国首次研制成功的。由此获得国家科技进步二等奖。这一发现，不仅说明扫描隧道显微镜在研究生物物质方面具有极大的前途，而且在了解脱氧核糖核酸螺旋结构上找到了一个重大突破口，从而为生物信息、生命起源等问题的研究开辟了一条新途径。
细胞大小悬殊。大多数细胞的直径在10-100微米之间。一般而言，真核细胞大于原核细胞（原核细胞结构简单，没有由膜包围的细胞核，只有核区、细胞质、细胞膜和细胞壁），高等动物的卵细胞大于体细胞，最小的细胞是支原体，直径只有100纳米。最大的细胞是鸟类的卵细胞，鸡蛋的整个蛋黄就是一个卵细胞，直径约2-3厘米。驼鸟蛋是最大的鸟蛋，卵黄直径可达5-7厘米，可谓是最大的细胞了。人的卵细胞直径为120微米，肉眼勉强可见。
细胞的大小和细胞的机能是相适应的。神经细胞体直径一般不过100微米，但伸出的神经纤维却可达1米，这显然和神经的传导功能是一致的。鸟卵之所以大，是因为细胞中储藏大量营养物质之故。精子很小巧，适于游泳寻找卵子。
细胞的大小和多细胞生物个体的大小没有相关性，参天大树和幼小树苗，在细胞大小上并无差别。器官的大小与细胞数量成正比，多细胞生物个体的体积长大，是由于细胞数目的增多。
如果是受精的鸡蛋，产出的时候已经不是一个细胞，而是一个早期的胚胎（原肠期），具有很多细胞，处于休眠期，条件适宜时，又开始胚胎发育。如果没有受精的话，卵黄部分就相当于一个卵母细胞。
4.4.1 lower limit
一个细胞生存与增殖必须具备的结构装置与机能是：细胞膜、遗传信息载体DNA与RNA、进行蛋白质合成的一定数量的核糖体以及催化主要酶促反应所需要的酶，这些在支原体细胞内已基本具备。从保证一个细胞生命活动运转所必须的条件看，有人估计完成细胞功能至少需要 100种酶，这些分子进行酶促反应所必须占有的空间直径约为 50um，加上核糖体（每个核糖体直径约10～20um），细胞膜与核酸等，我们可以推算出来，一个细胞体积的最小极限直径不可能小于100um，而现在发现的最小支原体细胞的直径已接近这个极限。因此，作为比支原体更小更简单的细胞，又要维持细胞生命活动的基本要求，似乎是不可能存在的，所以说支原体是最小最简单的细胞。
4.4.2 upper limit
细胞最为典型的特点是在一个极小的体积中形成极为复杂而又高度组织化的结构。典型的原核细胞的直径平均大小在1－10pm之间，而真核细胞的直径平均为3一30pm，一般为10一20pm。
某些不同来源的同类细胞的大小变化很大，如人的卵细胞的直径只有0．lmm，而鸵鸟的卵细胞的直径则有0．scm。但是，来自不同物种的多数同类型细胞的体积一般是相近的，不依生物个体的大小而增大或缩小。如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同。因此，器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关。
细胞本身的大小并非是随意改变的，细胞体积要维持相对恒定。哺乳动物细胞的体积大小受几个因素的限制，其中一个主要限制因素是体积与表面积的关系。以球形细胞为例（身体内的细胞并非都是球形）计算体积与表面积的关系，结果表明，球形细胞增大，其体积的增加要比表面积的增加大得多。这样，当细胞增大到一定程度时，质膜的表面积就的表声积，从而限制了体积的无限增大。
另一个限制细胞体积的因素是细胞内关键分子的浓度。一些重要的分子在细胞球形细胞内的拷贝数是很少的，当细胞体积增大时，这些分子的浓度就越来越稀，一些重要的生化反应需要一定的分子浓度才能进行，所以细胞内分子浓度就成了限制细胞体积无限增大的另一个因素。真核细胞的体积一般是原核细胞的1000倍，真核细胞为了解决细胞内重要分子的浓度问题，出现了特化的内膜系统，使一些反应局限于特定的膜结合的细胞器内，这样，一些重要反应的分子浓度并没有被稀释。
细胞不仅对其体积的增大有限制，而细胞体积与表面积间的关系且对体积减小也有限制。据研究，一个生活细胞要维持正常的独立生活功能，最低限度需要500～1000种不同类型的酶和蛋白质，这是目前在支原体（mycoplasma）中所发现的酶和蛋白质的量。而支原体是目前所知最小的原核细胞，它的体积只有，仍能完全独立地生存。很显然，细胞体积的最小化受制于维持细胞生命活动所需的酶和蛋白质种类的最低量。 －－－－王p6
器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关，这种关系有人称之为“细胞体积的守恒定律”。
细胞最大体积的极限与什么因素有关？细胞的体积受什么因素控制？我们认为有3个方面应该指出来：
1．细胞的相对表面积与体积的关系,
2．细胞的核与质之间有一定的比例关系
3．细胞内物质的交流与细胞体积的关系,
由于上述种种因素的影响，细胞作为生命活动的基本单位，其体积必然要适应其代谢活动的要求，应有一定的限度，因此数百微米直径的细胞应被认为是上限了。
4.5 The relationship between cells’ form and its function
由于结构、功能和所处的环境不同，各类细胞形态千差万别，有圆形、椭圆形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形，甚至不定形。
原核细胞的形状常与细胞外沉积物（如细胞壁）有关，如细菌细胞呈棒形，球形，弧形、螺旋形等不同形状。单细胞的动物或植物形状更复杂一些，如草履虫像鞋底状，眼虫呈梭形且带有长鞭毛，钟形虫呈袋状。
生物的细胞形状与细胞功能和细胞间的相互关系有关。如动物体内具有收缩功能的肌肉细胞呈长条形或长梭形；红细胞为圆盘状，有利于O2和CO2的气体交换。植物叶表皮的保卫细胞成半月形，2个细胞围成一个气孔，以利于呼吸和蒸腾。细胞离开了有机体分散存在时，形状往往发生变化，如平滑肌细胞在体内成梭形，而在离体培养时则可成多角形。
Chapter Ⅲ Techniques in Cell Biology
一、教学目的和要求：
通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细细胞形态结构的观察方法；细胞组分的分析方法；细胞培养与细胞工程技术；分子生物学方法。
向学生介绍细胞生物学的技术史和思想史，使之认识工具和方法与学科发展的相关性。
使学生了解本学科基本的研究方法。
二、教材分析：
概述：本章细胞生物学研究方法和技术在传统教学中属“次要”内容，所以教材深度不大，内容单薄，图表有待丰富。随着细胞生物学的发展，其研究方法和基本技术原理越来越为人们重视，在考研试题中也频繁出现。
教学重点：仪器方法的基本原理和基本应用。
教学难点：电镜制样及分子生物学方法。
三、教学设想：
教材处理：针对其薄弱的环节增加相应内容，如对各仪器、实验方法的原理；在CAI课件中加入大量的照片、示意图以助学生学习。
教学方法：主要采用讲授法和讨论法。
教具：CAI课件四、教学内容：（4学时）
1 Light Microscope & Electron Microscope
1.1 Light Microscope
（一） 普通光学显微镜
1,构成：普通生物显微镜由3部分构成，即：①照明系统，包括光源和聚光器；②光学放大系统，由物镜和目镜组成，是显微镜的主体，为了消除球差和色差，目镜和物镜都由复杂的透镜组构成；③机械装置，用于固定材料和观察方便。
比较高级的显微镜上都设有倾斜式的双目镜筒。在物镜转换器上方装有四个棱镜，使经过物镜的光线平分为两路到达目镜，故双筒显微镜（ binocular microscope）的亮度要比单筒者为暗。双筒显微镜的优点为同时用两眼观察，有较强的立体感。
2,原理：经物镜形成倒立实像，经目镜进一步放大成像
3,分辨率 Resolution：区分两质点间最小距离的能力。显微镜物象是否清楚不仅决定于放大倍数，还与显微镜的分辨力（resolution）有关，分辨力是指显微镜（或人的眼睛距目标25cm处）能分辨物体最小间隔的能力，分辨力的大小决定于光的波长和镜口率以及介质的折射率，用公式表示为：
R=0.61λ /N．A,N．A．＝ｎsinα/2
式中：n=介质折射率；α=镜口角（标本对物镜镜口的张角），N.A.=镜口率（numeric aperture）。镜口角总是要小于180?，所以sina/2的最大值必然小于1。
讨论：Magnification versus Resolution分辨极限与放大率一般地说，一定波长的射线不能用以探查比它本身波长短得多的结构细节，这是一切显微镜的一个基本限度。因此，光学显微镜的最高分辨极限（limit resolution）受可见光的波长（0.4－0.7μm）的限制。细菌和线粒体约0.5μm大小，是光学显微镜能够清晰可见的最小物体；比这更小的细节，由于光的衍射效应而不能分辨。通常将光镜下所见物体的结构称为显微结构（microscopic structure），如线粒体、中心体、核仁等可以在光镜下观察，均属于显微结构。
光并非是完全直线前进的，光波以各种稍微不同的路程通过一个光学系统，以致互相干涉产生光衍射效应。例如，用同一波长的光照射一条直边，其放大影像是一组平行线，如照射一个小圆孔，其放大影像是一组同心圆的线。同样原理，通过显微镜观察一个点，就像一个模糊的圆盘，相邻两点的像则重叠而分辨木开。对可见光来说，能清楚地分辨出相邻两点之间的最小间隔是0.2μm，称之为分辨极限。无论怎样改善透镜，也不可能克服光波本身所造成的这种限制，尽管可以将图像放大，例如投影到屏幕上，但也不可能在光镜下看清楚比0.2μm更细微的物体。
最终成像的大小与原物体大小的比值称为放大率（magnification）。总放大率二物镜放大率X目镜放大率，放大率同样受分辨极限的限制。一般来说，光学显微镜的最大放大率只能是透镜的数值孔径的1000倍。由于透镜的数值孔径的范围是1.0～1.4，所以光学显微镜在用空气作介质时最大放大倍数为1000倍，用油镜则为1400倍。
讨论：显微镜的分辨率能否无限提高？如何提高光学显微镜的分辨能力？
分辨率表示的是能够区别两个点间最近距离的能力，所以广值越小，分辨率越高。从分辨率的表达式来看，NA越大，分辨率越高，或者波长越短，分辨率越高。
当以可见光作光源，玻璃透镜的最大分辨率是多少呢？应从以下几个方面来考虑这一问题。首先应如何尽可能地缩短波长。可见光的波长范围是400～700urn，而可见光中的蓝色光的波长最短，为450urn，所以光镜使用时应滤去其他杂色光。第二是使NA的数值尽可能大，因为最好的玻璃透镜的镜口角是70o，所以sina的最大值为0．94，空气的折光率（n）为1，因此玻璃透镜的最大数值孔径为0．94。这样，我们可以计算光镜的最大分辨率了：假定用最好的玻璃透镜，角孔径为70”，用最短的可见光——蓝色光的波长为450urn，用空气作为光的折射介质，则最大分辨率为 r＝ 0．61×λ／NA＝ 0．61× 450／0．94＝ 292urn。0．3μm 。
光镜中的油镜可用油作为光折射的介质，由于油的折光率为1．5，所以用油镜时，分辨率 r＝ 0．61λ／NA＝0．61× 450／1＝5 × 0．94＝ 196μrn＝0.2μm。
在光学显微镜中，用紫外光作光源可使分辨率提高到0．lpm。紫外光的波长较短，约为200～300urn。但是，紫外光是肉眼不可见的，必须通过照相。另外，用紫外光源时需用石英透镜，价格较高。 －－－－王p33
（二）、荧光显微镜Fluorescence microscope
特点：
照明方式通常为落射式，即光源通过物镜投射于样品上 ；
光源为紫外光，波长较短，分辨力高于普通显微镜；
有两个特殊的滤光片，光源前的用以滤除可见光，目镜和物镜之间的用于滤除紫外线，用以保护人目。
细胞中有些物质，如叶绿素等，受紫外线照射后可发荧光；另有一些物质本身虽不能发荧光，但如果用荧光染料或荧光抗体染色后，经紫外线照射亦可发荧光，荧光显微镜可对这类物质进行定性和定量研究。
用途：用于观察能激发出荧光的结构：免疫荧光观察、基因定位、疾病诊断。
（三）、激光共聚焦扫描显微境Laser confocal scanning microscope,LCSM
激光共聚焦扫描显微镜（laser confocal scanning microscope，）用激光作扫描光源，逐点、逐行、逐面快速扫描成像，扫描的激光与荧光收集共用一个物镜，物镜的焦点即扫描激光的聚焦点，也是瞬时成像的物点。由于激光束的波长较短，光束很细，所以共焦激光扫描显微镜有较高的分辨力，大约是普通光学显微镜的3倍。系统经一次调焦，扫描限制在样品的一个平面内，调焦深度不一样时，就可以获得样品不同深度层次的图像，这些图像信息都储于计算机内，通过计算机重新组合，就能显示细胞样品的立体结构，给出细胞内各部分之间的定量关系及各种结构线度。
激光共聚焦扫描显微镜既可以用于观察细胞形态，也可以用于细胞内生化成分的定量分析、光密度统计以及细胞形态的定量。－－－绍兴
（四）、暗视野显微镜Dark field microscope
聚光镜中央有挡光片，照明光线不直接进人物镜，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。
可观察4~200nm的微粒子，分辨率比普通显微镜高50倍。
在日常生活中，当人的眼睛处于暗处观察光线斜射到的尘埃，由于光的反射和衍射，使尘埃颗粒似乎增大体积而可辨别。但当光线很强或有衍射存在的情况下则看不出尘埃的颗粒。根据此原理使光木直接通过样品而是斜射到样品上，即可在暗视野下观察细微粒子。
暗视野显微镜（dark field microscope）使用了一种特殊的照明方法，使光线不能直接进入物镜和目镜，这样，在观察样品时就不能直接看到照明光线，而只能观察被检物体所反射或衍射的光线，因而使被检物体在黑暗的视野中呈现明亮的像。这种照明方式，使反差增大，分辨率提高，用以观察未经染色的活体或胶体粒子。
暗视野显微镜主要观察的是物体的轮廓，分辨不清内部的微细构造，适合于观察活细胞内的细胞核、线粒体、液体介质中的细菌和霉菌等。 ----------------王p36
（五）、相差显微镜 Phase-contrast microscope，PCM
把透过标本的可见光的光程差变成振幅差，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。
在构造上，相差显微镜有不同于普通光学显微镜两个特殊之处。
1,环形光阑（annular diaphragm）:位于光源与聚光器之间。
2,相位板（annular phaseplate）:物镜中加了涂有氟化镁的相位板，可将直射光或衍射光的相位推迟1/4λ。
相差显微镜（phase contrast microscop）是荷兰科学家 Zermike于 1935年发明的，用于观察未染色样品。相差显微镜的优点是能观察无色、透明、活细胞中的结构。它是利用光的衍射和干涉特性使相位差变成振幅差，表现为明与暗的对比，使肉眼得以观察到无色透明物体中的细节。
相差显微镜在结构上进行了特别设计，尤其是光学系统有很大的不同。
小的、未经染色的样品（如活细胞）是难以用普通光学显微镜进行观察的，而相差显微镜使得高通透性的物体变得可见。在普通光学显微镜中，我们之所以能够区别一个物体的不同部分，是因为它们对光产生不同的影响，影响的根本原因就是光的衍射。细胞器是由各种不同的分子，如 DNA,RNA。蛋白质、脂、糖类、盐和水构成的，不同成分的不同部分很可能有不同的光衍射系数。在正常情况下，不同衍射系数的差异不能被我们的肉眼所区别，但是相差显微镜能够将这种衍射差异转变成明与暗的差异，这样就可以用肉眼区分了。这种转变要依靠光波的相互作用的能力即干涉（interference）。
相差显微镜具有两个其他显微镜所不具有的功能：①将直射的光（视野中背景光）与经物体衍射的光分开；②能将大约一半的波长从相位中除去，使之不能发生相互作用，从而引起强度的变化。假定将某一物体悬浮在相同的介质中，也就是说它们的各个部分的衍射系数完全相同，此时到达物体上的所有光都有一半被改变了相位，相互之间的干涉是一致的，强度的减少也是一致的。
为了更好地理解相差显微镜的工作原理，首先必须明白一束光是由许多单个的射线组成的。当来自于光源的射线通过样品时，它们各自的速度将会受到样品的物理性质的影响。尤其是射线衍射时，它们到达样品上的相位就会发生某种程度的改变，结果是由于相位的改变，使那些已经通过了样品的射线同那些本来就没有通过样品的射线一起离开了相位。
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木同，通过细胞的光线比末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。
另外，光通过物体后形成两束光，一束直行，称为直射光，另一束斜行或绕行称为衍射光，衍射光相位落后，振幅小。两束光继续前进，当直射光和衍射光相遇时又产生干涉，此时如两者相位相同则两束光的合光振幅加大，若两者相位相反，则两束光的合光振幅减小。合光振幅大意味着物体变亮，合光振幅小则物体变暗，结果是物体在显微镜下呈现明暗对比，因而能藉以辨认无色透明物体内的细微结构。
（六）、微分干涉差显微镜Differential interference contrast microscope （DIC）
1952年，Nomarski在相差显微镜原理的基础上发明了微分干涉差显微镜（differential interference contrast（DIC） microscope）。DIC显微镜又称Nomarski相差显微镜（Nomarki contrast microscope），其优点是能显示结构的三维立体投影影像。与相差显微镜相比，其标本可略厚一点，折射率差别更大，故影像的立体感更强。
DIC显微镜的物理原理完全不同于相差显微镜，技术设计要复杂得多。首先DIC利用的是偏振光，有四个特殊的光学组件：偏振器（polarizer）、DIC棱镜、DIC滑行器和检偏器（analyzer）。偏振器直接装在聚光系统的前面，使光线发生线性偏振。在聚光器中则安装了石英Wollaston棱镜，即DIC棱镜，此棱镜可将一束光分解成偏振方向不同的两束光（x和y），二者成一小夹角。聚光器将两束光调整成与显微镜光轴平行的方向。最初两束光相位一致，在穿过标本相邻的区域后，由于标本的厚度和折射率不同，引起了两束光发生了光程差。在物镜的后焦面处安装了第二个Wollaston棱镜，即DIC滑行器，它把两束光波合并成一束。这时两束光的偏振面（x和y）仍然存在。最后光束穿过第二个偏振装置，即检偏器。在光束形成目镜DIC影像之前，检偏器与偏光器的方向成直角。检偏器将两束垂直的光波组合成具有相同偏振面的两束光，从而使二者发生干涉。x和y波的光程差决定着透光的多少。光程差值为0时，没有光穿过检偏器；光程差值等于波长一半时，穿过的光达到最大值。于是在灰色的背景上，标本结构呈现出亮暗差。为了使影像的反差达到最佳状态，可通过调节DIC滑行器的纵行微调来改变光程差，光程差可改变影像的亮度。调节DIC滑行器可使标本的细微结构呈现出正或负的投影形象，通常是一侧亮，而另一侧暗，这便造成了标本的人为三维立体感，类似大理石上的浮雕。－－－－绍兴
（七）、倒置显微镜Inverse microscope
物镜与照明系统颠倒，前者在载物台之下，后者在载物台之上，用于观察培养的活细胞，通常具有相差物镜，有的还具有荧光装置。
当代显微镜的发展趋势：采用组合方式，集普通光镜加相差、荧光、暗视野、DIC、摄影装置于一体；自动化与电子化。
1.2 Electron Microscope
1.2.1Transmission electron microscope,TEM
1、基本原理光显的分辨率主要是受照明光线的波长限制，在可见光源下无法分辨小干0.2μm的细微结构，即使改用紫外光源，也只能是0.1μm。提高分辨率的最好办法就是缩短照明光源的波长，这导致了电子显微镜（electron microscope）的发明。光源与分辨率的关系同样适于电子束，由于电子束的波长比光的波长短100 000倍，因而用电子束代替光波，可大大提高显微镜的分辨率。1932年德国学者Knolls和Ruska发明了第一台电子显微镜，开拓了超微世界．发现了许多光镜下看不到的结 构．如细胞膜、线粒体、细胞核、高尔基体、中心粒等细胞器的细微结构。将在光学显微镜中观察不到而只能在电子显微镜下观察的结构称为亚显微结构(submicroscopic structure)．或超微结构。电子显微镜与光学显微镜在总体结构的设计上有很大的差别）。在种类上，电镜可分为两大类：透射电子显微镜和扫描电子显微镜。还有在这两类电子显微镜的基础上发展起来的具有特别功能的电子显微镜，如透光学员微镜电子显微镜射扫描电子显微镜、免疫电子显微镜、高压电子显微镜等。 －－－－－－－－王p39
在光学显微镜下无法看清小于0.2μm的细微结构，这些结构称为亚显微结构（submicroscopic structures）或超微结构（ultramicroscopic structures；ultrastructures）。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM），目前TEM的分辨力可达0.2nm。
电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子束作光源，用电磁场作透镜。另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度仅有50nm的超薄切片。这种切片需要用超薄切片机（ultramicrotome）制作。电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍、由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成。－－－绍兴
（1） 透射电子显微镜与光学显微镜的基本区别显微
分辨本领
光源
透镜
真空
成像原理
LM
200nm
可见光（400-700）
玻璃透镜
不要求真空
利用样品对光的吸收形成明暗反差和颜色变化
100nm
紫外光（约200nm）
玻璃透镜
不要求真空
TEM
0.1nm
电子束（0.01-0.9）
电磁透镜
真空
1.33x10-5～1.33x10-3P
利用样品对电子的散射和透射形成明暗反差
（2）TEM特点：
以电子束作光源，电磁场作透镜。电子束的波长短，并且波长与加速电压(通常50~120KV)的平方根成反比。
由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成。
分辨率0.2nm，放大倍数可达百万倍。
用于观察超微结构（ultrastructure），即小于0.2μm、光学显微镜下无法看清的结构,又称亚显微结构（submicroscopic structures）。
2制样技术
1）超薄切片技术：Ultrathin section
电子束穿透力很弱，用于电镜观察的标本须制成厚度仅50nm的超薄切片，用超薄切片机(ultramicrotome)制作。
通常以锇酸和戊二醛固定样品，丙酮逐级脱水，环氧树脂包埋，以热膨胀或螺旋推进的方式切片，重金属(铀、铅)盐染色。
2）负染色技术：Negative staining
用重金属盐（如磷钨酸钠）对铺展在载网上的样品进行染色，使整个载网都铺上一层重金属盐，而有凸出颗粒的地方则没有染料沉积。由于电子密度高的重金属盐包埋了样品中低电子密度的背景，增强了背景散射电子的能力以提高反差。这样，在图像中背景是黑暗的，而未被包理的样品颗粒则透明光亮，从而出现负染效果，分辨率可达1.5nm左右。
3）冷冻断裂复型技术和冷冻蚀刻：Freeze-fracture replication,Freeze etching
是专门观察样品外表面的投影复型术。冷冻断裂复型（ freeze－fracture replication）技术是先将生物样品在液氮中（－196℃）进行快速冷冻，防止形成冰晶。然后将冷冻的样品迅速转移到冷冻装置中，并迅速抽成真空。在真空条件下，用冰刀横切冷冻样品，使样品的内层被分开露出两个表面。如用冰刀切开细胞膜时，分开的两个面分别称为 P面（protoplasmic face）和 E面（exoplasmic face）,P面是靠近细胞质一面的半层膜，而E面则是靠近细胞外基质一I面的半层膜，可清楚地观察到镶嵌蛋白。
冷冻蚀刻（freeze－etching）技术是在冷冻断裂技术的基础上发展起来的更复杂的复型技术。如果将冷冻断裂的样品的温度稍微升高，让样品中的冰在真空中升华，而在表面上浮雕出细胞膜的超微结构。当大量的冰升华之后，对浮雕表面进行铂一碳复型，并在腐蚀性溶液中除去生物材料，复型经重蒸水多次清洗后，捞在载网上作电镜观察
1.2.2 扫描电子显微镜Scanning electron microscope,CEM
20世纪60年代问世，用来观察标本表面结构。
分辨力为6~10nm，由于人眼的分辨力（区别荧光屏上距离最近两个光点的能力）为0.2mm，扫描电镜的有效放大倍率为0.2mm/10nm=20000X。
工作原理：是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与样品表面结构有关，次级电子由探测器收集，信号经放大用来调制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。
为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，要喷涂上一层重金属膜，重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号。
1.2.3扫描隧道显微镜Scanning tunneling microscope，STM
扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope,STM）由 IBM公司瑞士苏黎世研究所的两位学者Binning和Rohrer等在1981年发明的具有原子显像力的显微镜，是根据量子力学中的隧道效应原理而制成的。这种显微镜对生物学、物理学、化学等学科均有推动作用，可用于研究表面的原子结构和电子结构，故于1986年获得了诺贝尔物理学奖。 -----王扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM） 由Binnig等1981年发明，是根据量子力学原理中的隧道效应而设计制造的。当原子尺度的针尖在不到一个纳米的高度上扫描样品时，此处电子云重叠，外加一电压（2mV~2V），针尖与样品之间产生隧道效应而有电子逸出，形成隧道电流。电流强度和针尖与样品间的距离有一指数关系，当探针沿物质表面按给定高度扫描时，因样品表面原子凹凸不平，使探针与物质表面间的距离不断发生改变，从而引起电流不断发生改变。将电流的这种改变图像化即可显示出原子水平的凹凸形态。扫描隧道显微镜的分辨率很高，横向为0.1~0.2nm，纵向可达0.001nm。它的优点是三态（固态、液态和气态）物质均可进行观察，而普通电镜只能观察制作好的固体标本。
利用扫描隧道显微镜直接观察生物大分子，如DNA、RNA和蛋白质等分子的原子布阵，和某些生物结构，如生物膜、细胞壁等的原子排列。－－－－－绍兴
(Scanning Tunnelling Microscopy)是利用电子穿隧效应而发展出来的。如果两电极(一极为金属探针（一般为钨针），另一极为导电样品)相距很近，并在其间加上微小电压，则探针所在的位置便有穿隧电流产生。
利用探针与样品表面的间距和穿隧电流有十分灵敏的关系，当探针以设定的高度扫描样品表面时，由于表面的高低变化，导致探针和样品表面的间距时大时小，穿隧电流值也随之改变。藉探针在样品表面上来回扫描，并记录在每一位置点上的穿遂电流值，便可得知样品表面原子排列的情形。因此，扫描穿隧显微镜是研究导电样品表面原子性质的有利工具。
特点：
a．高分辨率。
b．扫描隧道显微镜可直接探测样品的表面结构，可绘出立体三维结构图像。
c．扫描隧道显微镜可在真空、常压、空气，甚至溶液中探测物质的结构。
d．扫描隧道显微镜的扫描速度快，获取数据的时间短，成像也快，有可能开展生命过程的动力学研究。
e.不需任何透镜，体积小，携带方便。
2 Analysis of Cellular Component
2.1 Centrifugation
离心是研究如细胞核、线粒体、高尔基体、溶酶体和微体，以及各种大分子基本手段。一般认为，转速为10~25Kr/min的离心机称为高速离心机；转速超过25Kr/min，离心力大于89Kｇ者称为超速离心机。目前超速离心机的最高转速可达100Kr/min，离心力超过500Kg。
（一）、差速离心（differential centrifugation）
在密度均一的介质中由低速到高速逐级离心，用于分离不同大小的细胞和细胞器）。
在差速离心中细胞器沉降的顺序依次为：核、线粒体、溶酶体与过氧化物酶体、内质网与高基体、最后为核蛋白体。
由于各种细胞器在大小和密度上相互重叠，而且某些慢沉降颗粒常常被快沉降颗粒裹到沉淀块中，一般重复2～3次效果会好一些。
差速离心只用于分离大小悬殊的细胞，更多用于分离细胞器。通过差速离心可将细胞器初步分离，常需进一步通过密度梯离心再行分离纯化。
（二）、密度梯度离心（density gradient centrifugation）
用一定的介质在离心管内形成一连续或不连续的密度梯度，将细胞混悬液或匀浆置于介质的顶部，通过重力或离心力场的作用使细胞分层、分离。这类分离又可分为速度沉降和等密度沉降平衡两种。密度梯度离心常用的介质为氯化铯，蔗糖和多聚蔗糖。分离活细胞的介质要求：1）能产生密度梯度，且密度高时，粘度不高；2）PH中性或易调为中性；3）浓度大时渗透压不大；4）对细胞无毒。
1、速度沉降速度沉降（velocity sedimentation）主要用于分离密度相近而大小不等的细胞或细胞器。这种降方法所采用的介质密度较低，介质的最大密度应小于被分离生物颗粒的最小密度。
生物颗粒（细胞或细器）在十分平缓的密度梯度介质中按各自的沉降系数以不同的速度沉降而达到分离。
2、等密度沉降等密度沉降（isopycnic sedimentation）适用于分离密度不等的颗粒。
细胞或细胞器在连续梯度的介质中经足够大离心力和是够长时间则沉降或漂浮到与自身密度相等的介质处，并停留在那里达到平衡，从而将不同密度的细胞或细胞器分离。
等密度沉降通常在较高密度的介质中进行。介质的最高密度应大于被分离组分的最大密度，而且介质的梯度要求较高的陡度，不能太平缓。再者，这种方法所需要的力场通常比速率沉降法大10~100倍，故往往需要高速或超速离心，离心时间也较长。大的离心力、长的离心时间都对细胞不利。大细胞比小细胞更易受高离心力的损伤，而且停留在等密度介质中的细胞比处在移动中的细胞受到更大的损伤。因此，这种方法适于分离细胞器，而不太适于分离和纯化细胞。
2.2 显示方法
1.金属沉淀法：利用金属化合物在反应过程中生成有色沉淀，借以辨认所检查的物质或酶活性。如磷酸酶分解磷酸酯底物后，反应产物最终生成CoS或PbS有色沉淀，而显示出酶活性。
2.?偶氮偶联法：酚类化合物与偶氮染料结合后可以形成耐晒染料。
3.?Schiff反应：细胞中的醛基可使Schiff试剂中的无色品红变为红色。这种反应通常用于显示糖和脱氧核糖核酸（Feulgen反应）。
4.?联苯胺反应：过氧化物酶分解H202。产生新生氧，后者再将无色的联苯胺氧化成联苯胺蓝，进而变成棕色化合物。
5.?普鲁士蓝反应：三价铁与酸性亚铁氰化钾作用，形成普鲁士蓝。
6.?Formazane反应：显示脱氢酶。
7.?“Nadi”反应：显示细胞色素氧化酶。
8.脂溶染色法：借苏丹染料溶于脂类而使脂类显色。
9.茚三酮反应：显示蛋白质。
2.3 Immunocyto chemistry
根据免疫学原理，利用抗体同特定抗原专一结合，对抗原进行定位测定的技术。常用的标记物有荧光素和酶。
免疫荧光法（immunofluorescent technique）：常用的萤光素有异硫氰酸荧光素、罗丹明等。
酶标免疫法（enzyme-labeled antibody method）：用酶代替荧光素代替荧光素与抗体耦联。常用的酶有辣根过氧化物酶，酶与底物发生反应后形成不透明的沉积物，从而显示出抗原存在的部位。
疫细胞化学（immunocyto chemistry）是根据免疫学原理，利用抗体同特定抗原专一结合，对抗原进行定位测定的技术。抗原主要为大分子或与大分子相结合的小分子；抗体则是由浆细胞针对特定的抗原分泌的γ球蛋白。如果将抗体结合上标记物，再与组织中的抗原发生反应，即可在光镜或电镜下显示出该抗原存在于组织中的部位。
常用的标记物有荧光素和酶。荧光素标记的称为免疫荧光法（immunofluorescent technique）常用的萤光素有异硫氰酸荧光素（fluorescein isothiocyanate）、罗丹明（rhodamine）等。酶标记的称为酶标免疫法（enzyme-labeled antibody method），常用的酶有辣根过氧化物酶（horseradish peroxidase），酶与底物发生反应后形成不透明的沉积物，从而显示出抗原存在的部位。
抗体与抗原的结合方法可分为直接法和间接法两种，直接法是将带有标记的抗体与抗原反应，显示出抗原存在的部位。而间接法则是在抗体抗原初级反应的基础上，再用带标记的次级抗体同初级抗体反应，从而使初级反应得到放大，显示增强。
2.4 Molecular hybridization
分子杂交技术（molecular hybridization）是在研究DNA分子复性变化基础上发展起来的一种技术。其原理是，具有互补核苷酸序列的两条单链核苷酸分子片段，在适当条件下，通过氢键结合，形成DNA-DNA，DNA-RNA或RNA-RNA杂交的双链分子。这种技术可用来测定单链分子核苷酸序列间是否具有互补关系。
（一）、原位杂交（in situ hybridization）。
用来检测染色体上的特殊DNA序列。最初是使用带放射性的DNA探针，通过放射自显影来显示位置。后来又发明了免疫探针法，将探针核苷酸的侧链加以改造，探针杂交后，其侧链可被带有荧光标记的抗体所识别，从而显示出位置。
（二）、Southern杂交是体外分析特异DNA序列的方法，操作时先用限制性内切酶将核DNA或线粒体DNA切成DNA片段，经凝胶电泳分离后，转移到醋酸纤维薄膜上，再用标记的探针杂交，通过放射自显影，即可辨认出与探针互补的特殊核苷序列。
将RNA转移到薄膜上，用探针杂交，则称为Northern杂交，RNA印迹术；蛋白质印迹术（Western blotting）；Eastern blotting（Western blotting的变形） 当用凝胶进行抗原抗体反应，再进行印迹的方法）。
2.5 Radioautography/autoradiography
放射自显影术（radioautography；autoradiography）用于研究标记化合物在机体、组织和细胞中的分布、定位、排出以及合成、更新、作用机理、作用部位等等。
原理：将放射性同位素（如14C和3H）标记的化合物导入生物体内，经过一段时间后，将标本制成切片或涂片，涂上卤化银乳胶，经一定时间的放射性曝光，组织中的放射性即可使乳胶感光。
实验室一般常选用14C和3H标记。一般常用3H胸腺嘧啶脱氧核苷（3H-TDR）来显示DNA，用3H尿嘧啶核苷（3H-UDR）显示RNA；用3H氨基酸研究蛋白质，研究多糖则用3H甘露糖、3H岩藻糖等。
2.6 Flow cytometer
用途：对单个细胞进行快速定量分析与分选的一门技术。
原理：包在鞘液中的细胞通过高频振荡控制的喷嘴，形成包含单个细胞的液滴，在激光束的照射下，这些细胞发出散射光和荧光，经探测器检测，转换为电信号，送入计算机处理，输出统计结果，并可根据这些性质分选出高纯度的细胞亚群，分离纯度可达99%。包被细胞的液流称为鞘液，所用仪器称为流式细胞计（flow cytometer）。
Addition:细胞电泳各种细胞或处于不同生理状态的同种细胞荷电量有所不同，故在一定的电场中的泳动速度不同。在恒定的电场条件下，同种细胞的电泳速度相当稳定，因而可通过测定电泳速度来推算出细胞的ξ电位。ξ电位常因细胞生理状态和病理状态而异，因此在诊断疾病上有一定价值。此外由于不同类型的细胞在电场中的泳动速度不同，细胞电泳尚可用来分离不同种类的细胞，例如可把淋巴样细胞与造血细胞分开。
3 Cell Culture & Cell Engineering
3.1 Cell culture
细胞培养技术（cell culture）就是在体外模拟体内的生理环境，培养从机体中取出的细胞，并使之生长和生存的技术。
高等生物是由多细胞构成的整体，在整体条件下要研究单个细胞或某一群细胞在体内（in vivo）的功能活动是十分困难的。但是如果把活细胞拿到体外（in vitro）培养进行观察和研究，则要方便得多。活细胞离体后要在一定的生理条件下才能存活和进行生理活动，特别是高等动植物细胞要求的生存条件极其严格，稍有不适就要死亡。所以细胞培养技术（cell culture）就是选用最佳生存条件对活细胞进行培养和研究的技术。
动物细胞的生存环境与植物细胞差别很大，因而二者的培养方法很不相同。
（一）动物细胞培养细胞培养方式大致可分为两种：一种是群体培养（mass culture），将含有一定数量细胞的悬液置于培养瓶中，让细胞贴壁生长，汇合（confluence）后形成均匀的单细胞层；另一种是克隆培养（clonal culture），将高度稀释的游离细胞悬液加入培养瓶中，各个细胞贴壁后，彼此距离较远，经过生长增殖每一个细胞形成一个细胞集落，称为克隆（clone）。一个细胞克隆中的所有细胞均来源于同一个祖先细胞。此外，为了制取细胞产品而设计了转鼓培养法，使用大容量的圆培养瓶，在培养过程中不断地转动，使培养的细胞始终处于悬浮状态之中而不贴壁。
正常细胞培养的世代数有限，只有癌细胞和发生转化的细胞才能无限生长下去。所谓转化即是指正常细胞在某种因子的作用下发生突变而具有癌性的细胞。目前世界上许多实验室所广泛传用的HeLa细胞系就是1951年从一位名叫Henrietta Lacks的妇女身上取下的宫颈癌细胞培养而成。此细胞系一直延用至今。
1．原代培养 （primary culture）：从动物机体取出的进行培养的细胞群。原代培养的细胞生长比较缓慢，而且繁殖一定的代数后（一般10代以内）停止生长，需要从更换培养基。将细胞从一个培养瓶转移到另外一个培养瓶即称为传代或传代培养（Passage）。
2．细胞株（cell strain）：从原代培养细胞群中筛选出的具有特定性质或标志的细胞群，能够繁殖50代左右，在培养过程中其特征始终保持。
3,细胞系（cell line）：从肿瘤组织培养建立的细胞群或培养过程中发生突变或转化的细胞，在培养条件下可无限繁殖
4．克隆（clone）：亦称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。
（二）植物细胞培养植物细胞培养主要有如下几种技术：
1． 组织培养：诱发产生愈伤组织，如果条件适宜，可培养出再生植株。用于研究植物的生长发育、分化和遗传变异；进行无性繁殖；制取代谢产物。
2． 悬浮细胞培养：在愈伤组织培养技术基础上发展起来的一种培养技术。适合于进行产业化大规模细胞培养，制取植物代谢产物。
3． 原生质体培养：脱壁后的植物细胞称为原生质体（protoplast），其特点是：①比较容易摄取外来的遗传物质，如DNA；②便于进行细胞融合，形成杂交细胞；③与完整细胞一样具有全能性，仍可产生细胞壁，经诱导分化成完整植株：
4． 单倍体培养：通过花药或花粉培养可获得单倍体植株，经人为加倍后可得到完全纯合的个体。
Addition,非细胞体系Cell free system,来源于细胞，而不具有完整的细胞结构，但包含了进行正常生物学反应所需的物质组成。（如功能体系和酶反应体系等）的体系即为非细胞体系。
3.2 Cell engineering
用细胞生物学和分子生物学的理论、方法和技术，按人们的预定设计蓝图有计划的保存、改变和创造细胞遗传物质，以产生新的物种和品系，或大规模培养组织细胞以获得生物产品。
该技术在细胞和亚细胞水平上开辟了基因重组的新途径，不需分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，只需将遗传物质直接转入受体细胞，就可形成杂交细胞。
主要技术领域细胞(组织、器官)培养：in vivo在体、活体、生物体内；in vitro离体、生物体外。
细胞融合（体细胞杂交、细胞并合）
细胞拆合（细胞质工程、细胞器移植）
染色体（组）工程：
繁殖生物学技术，胚胎冷冻技术、试管婴儿、生物复制、胚胎移植、发育工程、胚胎工程、胚胎分割技术、胚胎融合技术、嵌合体。
组分移植技术，将细胞的组分（核、质、染色体、甚至基因）直接移植到另一个细胞中去的技术
3.2.1 细胞融合通过培养和诱导，两个或多个细胞合并成一个双核或多核细胞的过程称为细胞融合（cell fusion）或细胞杂交（cell hybridization）。
诱导细胞融合的方法：生物方法（仙台病毒、副流感病毒和新城鸡瘟病毒）、化学方法（聚乙二醇PEG）、物理方法（电击和激光）。
同核体 homokaryon：相同基因型的细胞融合而成。
异核体 heterokaryon：不同基因型的细胞融合而成。
融合核细胞 synkaryon：通过细胞杂交形成的单核子细胞称融合核细胞
3.2.2 单克隆抗体 Monoclonal antibody
正常淋巴细胞（如小鼠脾细胞）具有分泌抗体的能力，但不能长期培养，瘤细胞（如骨髓瘤）可以在体外长期培养，但不分泌抗体。于是英国人Kohler和Milstein 1975将两种细胞杂交而创立了单克隆抗体技术，Monoclonal antibody，获1984年诺贝尔医学及生理学奖（M & P）。
3.2.3 显微操作技术 Micromanipulation
Micromanipulation,用显微操作装置对细胞进行解剖和显微注射（micro injection）的技术。
Chapter Ⅳ Plasma Membrane & Cell Surface
一、教学目的和要求：
通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细胞质膜的结构、功能；细胞膜骨架的结构特征；细胞表面的特化结构；细胞外被和细胞外基质；细胞连接和细胞表面粘着因子。
培养学生认识细胞的微观性和动态性特征；将本节所学内容和其他学科的知识融会贯通，提高综合分析问题的能力。
二、教材分析：
概述：本章内容在全部课程中都占有重要地位，学生能否对“生物膜”有正确、清晰的认识关系到能否学习好多个后续章节，所用教材在主要知识点方面阐述清晰，在少数知识点过于珍惜笔墨，学生在自学过程中会有较多疑问。
教学重点：流动镶嵌模型的主要特点；生物膜的流动性和不对称性；细胞连接的方式和特点；细胞外基质的主要成分和功能。
教学难点：流动镶嵌模型的主要特点；生物膜的流动性和不对称性；膜骨架的结构和功能。
三、教学设想：
教材处理：尊重教材编排，制作课件时主要以选用教材为蓝本，以免使学生感到有较大的跳跃；对教材的薄弱环节加入内容；针对其微观结构添加大量的示范图片。
教学方法：主要采用讲授法和例证法，辅以提问和讨论。
教具：CAI课件四、教学内容：（8学时）
细胞膜（cell membrane）又称质膜（plasma membrane），是指围绕在细胞最外层，由脂类和蛋白质组成的薄膜。
它不仅是区分细胞内部与周围环境的动态屏障，更是细胞物质交换和信息传递的通道。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜。质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜（biomembrane）。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础，细胞的能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递、细胞运动等活动都与膜的作用有密切的关系。
质膜表面寡糖链形成细胞外被（cell coat）或糖萼（glycocalyx）；质膜下的表层溶胶中具有细胞骨架成分组成的网络结构，除对质膜有支持作用外，还与维持质膜的功能有关，所以这部分细胞骨架又称为膜骨架。
细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。
1 Plasma membrane
1.1 A history of studies on plasma membrane
1,E,Overton 1895 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。
2,E,Gorter & F,Grendel 1925 用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。
3,J,Danielli & H,Davson 1935 发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质，从而提出了”蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。1959年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。
4,J,D,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，厚约7.5nm。这就是所谓的“单位膜”模型。它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成。单位膜模型的不足之处在于把膜的动态结构描写成静止的不变的。
5,S,J,Singer & G,Nicolson 1972 根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在”单位膜”模型的基础上提出”流动镶嵌模型”。强调膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。
流动镶嵌模型主要强调：（1）膜的流动性，膜蛋白和膜脂均可侧向运动。（2）膜蛋白分布的不对称性，有的镶在膜表面，有的嵌入或横跨脂双分子层。
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，以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相的磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分，尚未发现在生物膜结构中起组织作用的蛋白。
2.蛋白分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白的类型，蛋白分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜具有各自的特性与功能。
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二侧其它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。
1.2 The chemical composition of membranes
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。
一般，脂类约占50％，蛋白质约40％，糖类约2％－10％，不同的膜含量不同。蛋白质与脂的多少与膜的功能密切相关，膜的功能主要由蛋白质承担，所以功能活动较旺盛的膜，蛋白质含量就高，如，线粒体内膜是电子传递链所在；反之亦然，如神经鞘主要起对神经元的保护、绝缘作用，所以蛋白质含量低。
1.2.1 Membrane Lipids
（1）磷脂 Phospholipids
大多数膜脂都含有磷酸基团，这种脂称为磷脂（phospholipid），是细胞膜中含量最丰富和最具特性的脂。动、植物细胞膜上都有磷脂，是膜脂的基本成分，约占膜脂的 50％以上。磷脂分子的极性端是各种磷脂酸碱基，称作头部。它们多数通过甘油基团与非极性端相连。
磷脂又分为两大类：甘油磷脂和鞘磷脂。甘油磷脂包括磷脂酸乙醇胺、磷脂酸胆碱（卵磷脂）、磷脂酸肌醇等。
甘油磷脂以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。
主要类型有：磷脂酰胆碱（phosphatidyl choline，PC，旧称卵磷脂）、磷脂酰丝氨酸（phosphatidyl serine，PS）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine,PE，旧称脑磷脂）磷脂酰肌醇（phosphatidyl inositol，PI）和双磷脂酰甘油（DPG，旧称心磷脂）等。
鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）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（sphingoine）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。
磷脂特征：1,具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），位于线粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性局部。
2,脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成。
3,常含有不饱和脂肪酸（如油酸），多为顺式，在烃链中产生30o弯曲。
（2）胆固醇 Cholesterol
胆固醇仅存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。如：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发生自溶。
（3）糖脂 Glycolipids
糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10％。糖脂也是两性分子。其结构与SM很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。
最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作为极性头部，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。儿童所患的家族性白痴病（Tay-sachs disease）就是因为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂GM2 加工成为GM3，结果大量的GM2累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退化。神经节苷脂本身就是一类膜上的受体，已知破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素和5-羟色胺等的受体就是不同的神经节苷脂。
Addition,ABO Blood group antigens
ABO血型抗原是一种糖脂，其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用：
A型：膜脂寡糖链的末端是N-乙酰半乳糖胺，GalNAc。
B型：末端是半乳糖，Gal。
O型：末端没有这两种糖基。
AB型：末端同时具有这两种糖基。
（4）脂质体 Liposomes
脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。单层脂分子铺展在水面上时，其极性端插入水相而非极性尾部面向空气界面，搅动后形成乳浊液，即形成极性端向外而非极性端在内部的脂分子团或形成双层脂分子的球形脂质体。
脂质体可用于转基因，或制备的药物，利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。
可用于：1,转基因 2,制备的药物 3,研究生物膜的特性。
1.2.2 Membrane Proteins
（一）类型膜蛋白是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为整合蛋白（integral protein）、外周蛋白（peripheral protein）和脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。
1.整合蛋白（Integral protein），又称内在蛋白（Intrinsic protein）:水不溶性蛋白，部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性流水区相互作用而结合在质膜上。
整合蛋白可能全为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），为两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。
蛋白跨膜区域有两种组成形式，一是由多个两性α螺旋组成亲水通道；而是由两性β折叠组成亲水通道。
整合蛋白（integral protein），又称内在蛋白（intrinsic protein）跨膜蛋白（transmembrane protein），部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性流水区相互作用而结合在质膜上。实际上，整合蛋白几乎都是完全穿过脂双层的蛋白质，亲水部分暴露在膜的一侧或两侧表面；疏水区同脂双分子层的疏水尾部相互作用；整合蛋白所含疏水氨基酸的成分较高。跨膜蛋白可再分为单次跨膜、多次跨膜、多亚基跨膜等
2.外周蛋白(Peripheral protei)，又称外在蛋白(Extrinsic protein)。水溶性蛋白，完全外露在脂双层的内侧或外侧，主要是通过非共价键附着在脂的极性头部，或整合蛋白亲水区的一侧，间接与膜结合。
外周蛋白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，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。
膜外周蛋白可用高盐或碱性PH条件分离。实际上，有时外周蛋白与整合蛋白是难以区分的，因为许多膜蛋白是由多亚基组成的，其中有的亚基插入在脂双层，有的亚基则是外周蛋白。
外周蛋白为水溶性，占膜蛋白总量的20％～ 30％，在红细胞中占50％，如红细胞的血影蛋白和锚定蛋白都是外周蛋白。外周蛋白可以增加膜的强度。
3.外脂锚定蛋白(lipid-anchored protein)又称脂连接蛋白(lipid-linked protein)，通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧或内侧。
早期，人们主要根据蛋白质在质膜的相对位置分为外周、整合蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，还有一种：
脂锚定蛋白又称脂连接蛋白（lipid-linked protein），通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧。
脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）可以分为两类，一类是糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)连接（GPI-anchored protein）的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。
（二）内在蛋白与膜脂的结合方式
1.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。
A 1至多个疏水的α螺旋形成跨膜结构域。
B β折叠片组成β折叠片桶(β barrel)，形成亲水通道 。
2.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。
3.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。
（三）去垢剂 Detergent
去垢剂是一端亲水一端疏水的两性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂。去垢剂可分离子型去垢剂和非离子型去垢剂二类。常用的离子型去垢剂如十二烷基磺酸钠（SDS）；常用的非离子去垢剂为 Triton X－100。
1.3 Membrane fluidity
膜是一种动态的结构，具有膜脂的流动性（fluidity）和膜蛋白的运动性（mobility)膜的流动性概念是指膜内部的脂和蛋白质分子的运动性。膜的流动性不仅是膜的基本特性之一，也是细胞进行生命活动的必要条件。
膜的流动性主要是由膜脂双层的状态变化引起的。在生理条件下，膜脂多呈液晶态，温度下降至某点，则变为晶态。一定温度下，晶态又可熔解再变成液晶态。这种临界温度称为相变温度，在不同温度下发生的膜脂状态的改变称为相变（Phase transition）。
膜脂由于成分不同而各有其不同的相变温度。在某一温度下，有些脂处于晶态，另一些脂仍处于液态。处于这两种不同状态的磷脂分子分别各自汇集，形成了相的分离，从而形成一些流动性木一的微区（domain）。由于膜脂的流动，给膜蛋白提供了可以流动的环境，加上膜蛋白自身构型的变化，使膜蛋白处于动态之中。
质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。
1.3.1 Fluidity of membrane lipids
膜脂分子的运动
1.? 侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。
2.旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。
3.? 摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。
4,伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。
5,翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶（flippase）的催化下完成。
6.? 旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。
影响膜脂流动性的因素影响膜流动的因素主要来自膜本身的组分，遗传因子及环境因子等。包括：
1.胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。
2.脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。
3.脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。
4.? 卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。
5.? 其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。
1.3.2 Fluidity of membrane proteins
主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用荧光漂白技术和细胞融合技术检测侧向扩散。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动，膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。
膜蛋白的运动：
由于膜蛋白分子质量较大，它不可能像膜脂那样运动。利用现代分子生物学研究技术和摄像观察，发现依据所研究蛋白的不同，运动方式也不同，可以归纳为以下几种运动形式：①随机移动。有些蛋白质能够在整个膜上随机移动。移动的速率比用人工脂双层测得的要低。②走向移动。有些蛋白比较特别，在膜中做定向移动。例如，有些膜蛋白在膜上可以从细胞的一端移向另一端。③局部扩散。有些蛋白虽然能够在膜上自由扩散，但只能在局部范围内做旋转扩散和侧向扩散。
限制膜蛋白(内在蛋白)分子运动的因素：?
A被膜骨架固定
B 在Motor protein的牵引下定向运动
C其运动受其它膜蛋白的限制或影响
D 被膜骨架(或其它膜结构)限制在一定范围内运动
E其运动受细胞外基质限制
1.3.3 Experimental pathways
（一）细胞融合 Cell fusion
1970年Larry Frye等人将人和和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。
（二）成斑和成帽现象 Patching & Capping
淋巴细胞通过产生抗体对外源蛋白进行应答,抗体分子位于细胞质膜上。蛋白质能够在不同的动物中诱导产生抗体，如果将小鼠的抗体注入兔子中,兔子将会产生抗小鼠抗体的抗体。可以从兔子的血液中分离这种抗体,并将这种抗体共价连接到荧光染料上,就可以通过荧光显微镜进行观察。
当兔子的抗小鼠的抗体与小鼠的淋巴细胞混合时,带有标记的抗体就会同小鼠淋巴细胞质膜上的抗体结合,并分布在整个淋巴细胞的表面,但很快就会成块或成斑。导致这种现象的原因是抗体是多价的,每一个兔子的抗体能够同小鼠细胞质膜表面的多个抗体分子反应,也就是说小鼠的每一个膜抗体将同多个兔子的抗体反应。这样,在小鼠淋巴细胞的细胞质膜表面形成“兔抗小鼠抗体分子-小鼠膜结合抗体”的斑。斑逐渐聚集扩大,当小鼠淋巴细胞质膜表面抗体全部同兔子的抗小鼠抗体结合后,将会在细胞表面的一侧形成“帽子”结构,最后通过内吞作用进入细胞。很显然,如果小鼠细胞质膜中的抗体蛋白不能自由的进行侧向扩散的话,斑和帽都是不能形成的。
（三） 光脱色荧光恢复技术 FRAP
FRAP,fluorescence recovery after photobleaching,不仅能够证明膜的流动性，同时也能测量膜蛋白扩散的速率。
脱色恢复技术是研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。用荧光素标记膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射细胞表面某一区域，使被照射区的荧光淬灭变暗。由于膜的流动性，淬灭区域的亮度逐渐增加，最后恢复到与周围的荧光强度相等。根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。
研究膜流动性的一种方法。首先用荧光物质标记膜蛋白或膜脂,然后用激光束照射细胞表面某一区域,使被照射区域的荧光淬灭变暗形成一个漂白斑。由于膜的流动性,漂白斑周围的荧光物质随着膜蛋白或膜脂的流动逐渐将漂白斑覆盖，使淬灭区域的亮度逐渐增加,最后恢复到与周围的荧光光强度相等。
细胞膜蛋白的标记方法有很多种。可以用非特异性的染料,如异硫氰酸荧光素(fluorescein isothiocyanate,FITC)将细胞膜蛋白全部进行标记。也可用特异性的探针,如荧光抗体,标记特异的膜蛋白。膜蛋白一旦被标记就可用激光束进行局部照射处理,使荧光脱色,形成直径约为1μm的白斑。若是可移动的膜蛋白,则会因蛋白的移动,使白斑消失,若是不能移动的蛋白.则白斑不会消失。
根据荧光恢复的速度,可推算膜脂的扩散速度为每秒钟为几个微米，而膜蛋白的扩散速度变化幅度较大，少数膜蛋白的扩散速度可达到膜脂的速度，大多数蛋白的扩散速度都比膜脂慢，还有一些膜蛋白完全限于某一个区域。正是这种限制，使膜形成一些特定的膜微区(membrane domain),这些微区具有不同的蛋白组成和功能。这实际上是膜蛋白不对称分布带来膜功能的不对称。
FRAP技术也有它的不足之处。第一,它只能检测膜蛋白的群体移动,而不能观察单个蛋白的移动。其次,它不能证明膜蛋白在移动时是否受局部条件的限制。为了克服这些不足,发展了单颗粒示综(single-particle tracking,SPT)技术,可以用抗体金(直径15～40 nm)来标记单个膜蛋白,然后通过计算机控制的摄像显微镜进行观察。
思考：膜的流动性有何生物学意义？
质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。
① 细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。
② 酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。
③ 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。
④ 膜流动性与信息传递有着极大的关系。
⑤ 如果没有流动性，能量转换是不可能的。
⑥ 膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。
1.4 Membrane asymmetry
样品经冰冻断裂处理后，细胞膜往往从脂双层中央断开，为了便于研究，各部分都有固定的名称,ES，质膜的细胞外表面（extrocytopasmic surface）； PS，质膜的原生质表面（protoplasmic surface）；EF（extrocytopasmic face），质膜的细胞外小页断裂面；PF（protoplasmic face），原生质小页断裂面。
1.4.1 Asymmetry of membrane lipids
脂分子在脂双层中呈不均匀分布，质膜的内外两侧分布的磷脂的含量比例也不同。PC和SM主要分布在外小页，而PE和PS主要分布在质膜内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的PC降解，而PE和PS分别只有20%和10%的被解。
膜脂的不对称性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
1.4.2 Asymmetry of membrane proteins
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和分布的区域性。各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。
某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能，如：蛋白激酶C结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。
每种膜蛋白在膜中都有特定的排布方向，与其功能相适应，这是膜蛋白不对称性的主要因素。膜蛋白的不对称性包括外周蛋白分布的不对称以及整合蛋白内外两侧氨基酸残基数目的不对称
1.4.3 Asymmetry of membrane Carbohydrate
无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。
思考：膜的不对称性有何生物学意义？
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α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。
1.5 The function of plasma membrane?
细胞质膜的主要功能概括如下：
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出；
3.提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；
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.?导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；
6.?参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。
■ 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。
如何理解细胞膜作为界膜对细胞生命活动所起的作用?
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。
■ 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，酸性水解酶主要集中在溶酶体。
■ 信号的检测与传递(detection and transmission of signals) 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，进行信号的传递。
■ 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（包括膜中的一些蛋白）进行细胞间的多种相互作用，包括细胞识别、细胞粘着、细胞连接等。
■ 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。
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。
1.6 The red blood cell & membrane skeleton
(1)An example of plasma membrane structure
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。
Ghost,红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影（ghost）
(2) SDS-PAGE
血影蛋白(spectrin)
锚定蛋白(ankyrin)
带3蛋白(band 3 protein)
血型糖蛋白A(glycophorin A)
带4.1蛋白(band 4.1 protein)
肌动蛋白(actin)
血影蛋白：由结构相似的α链、β链组成一个异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成一四聚体。
锚蛋白（ankyrin）：与血影蛋白和带3蛋白的胞质部相连，将血影蛋白网络连接到质膜上。
带三蛋白：是阴离子载体，通过交换Cl－，使HCO－3进入红细胞。为二聚体。每个单体含929个氨基酸，穿膜12次。
血型糖蛋白：单次穿膜糖蛋白，约有131个氨基酸,N端在膜外侧，结合16条寡糖链；C-端在胞质面，链较短，与带4.1蛋白相连。血型糖蛋白与MN血型有关，其功能尚不明确。
(3) The Erythrocyte membrane skeleton
课本的带4.1蛋白指示错误！
红细胞膜骨架的网状支架的形成及与膜的结合过程大致分为三步,
首先是血影蛋白与4.1蛋白、肌动蛋白的相互作用
4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用是锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白的相互作用红细胞膜骨架的装配过程:
分为三步,
① 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α和β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，12～17个肌动蛋白寡聚体及4.1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。4.1蛋白和原肌球蛋白可稳定肌动蛋白寡聚体。
② 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。
③ 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。
血影蛋白四聚体游离端与短肌动蛋白纤维（约13~15单体）相连，形成血影蛋白网络。并通过带4.1蛋白与血型糖蛋白连结，通过锚蛋白与带3蛋白相连。这一骨架系统赋与了红细胞质膜的刚性与韧性，得以几百万次地通过比它直径还小的微血管、动脉、静脉。至于红细胞的双凹型可能还与肌球蛋白的作用有关。
Addition:质膜的特化结构质膜常带有许多特化的附属结构。如：微绒毛、褶皱、纤毛、鞭毛等等，这些特化结构在细胞执行特定功能方面具有重要作用。由于其结构细微，多数只能在电镜下观察到。
（一）微绒毛微绒毛（microvilli）是细胞表面伸出的细长指状突起，广泛存在于动物细胞表面。微绒毛直径约为0.1μm。长度则因细胞种类和生理状况不同而有所不同。小肠上皮细胞刷状缘中的微绒毛，长度约为0.6-0.8μm。微绒毛的内芯由肌动蛋白丝束组成，肌动蛋白丝之间由许多微绒毛蛋白（villin）和丝束蛋白（fimbrin）组成的横桥相连。微绒毛侧面质膜有侧臂(含有myosin I和钙调蛋白)与肌动蛋白丝束相连，从而将肌动蛋白丝束固定。
微绒毛的存在扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交换。如小肠上的微绒毛，使细胞的表面积扩大了30倍，大大有利于大量吸收营养物质。不论微绒毛的长度还是数量，都与细胞的代谢强度有着相应的关系。例如肿瘤细胞，对葡萄糖和氨基酸的需求量都很大，因而大都带有大量的微绒毛。
（二）皱褶在细胞表面还有一种扁形突起，称为皱褶（ruffle）或片足（lamellipodia）。皱褶在形态上不同于微绒毛，它宽而扁，宽度不等，厚度与微绒毛直径相等，约0.1μm，高达几微米。在巨噬细胞的表面上，普遍存在着皱褶结构，与吞噬颗粒物质有关。
（三）内褶内褶（infolding）是质膜由细胞表面内陷形成的结构，同样具有扩大了细胞表面积的作用。这种结构常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。
（四）纤毛和鞭毛纤毛（cilium）和鞭毛（flagellium）是细胞表面伸出的条状运动装置。二者在发生和结构上并没有什么差别，均由9+2微管构成。有的细胞靠纤毛（如草履虫）或鞭毛（如精子和眼虫）在液体中穿行；有的细胞，如动物的某些上皮细胞，虽具有纤毛，但细胞本体不动，纤毛的摆动可推动物质越过细胞表面，进行物质运送，如气管和输卵管上皮细胞的表面纤毛。纤毛和鞭毛都来源于中心粒。关于纤毛和鞭毛的详细结构和功能可参见第八章细胞骨架。
2 Cell junctions
细胞与细胞间或细胞与细胞外基质的联结结构称为细胞连接（cell junction）。细胞连接的体积很小，只有在电镜下才能观察到。可分为三大类，即：封闭连接（occluding junction）、锚定连接（anchoring junction）和通讯连接（communicating junction）：
（1）封闭连接：紧密连接是这种连接的典型代表，它将相邻细胞的质膜密切地连接在一起阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内。
（2）锚定连接：通过骨架系统将细胞与相邻细胞或细胞与基质之间连接起来。根据直接参与细胞连接的骨架纤维的性质不同，锚定连接又分为与中间纤维相关的锚定连接和与肌动蛋白纤维相关的锚定连接。前者包括桥粒和半桥粒；后者主要有粘合带和粘合斑。
（3）通讯连接：这类连接主要包括间隙连接、神经细胞间的化学突触和植物细胞中的胞间连丝。
2.1 Occluding junctions
2.1.1 Tight junction 紧密连接又称封闭小带（zonula occludens），存在于脊椎动物的上皮细胞间，长度约50-400nm，相邻细胞之间的质膜紧密结合，没有缝隙。在电镜下可以看到连接区域具有蛋白质形成的焊接线网络，焊接线也称嵴线，封闭了细胞与细胞之间的空隙。上皮细胞层对小分子的透性与嵴线的数量有关，有些紧密连接甚至连水分子都不能透过。
紧密连接的焊接线由跨膜细胞粘附分子构成，主要的跨膜蛋白为claudin和occludin，另外还有膜的外周蛋白ZO。
紧密连接的主要作用是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，从而保证了机体内环境的相对稳定；消化道上皮、膀胱上皮、脑毛细血管内皮以及睾丸支持细胞之间都存在紧密连接。后二者分别构成了脑血屏障和睾血屏障，能保护这些重要器官和组织免受异物侵害。在各种组织中紧密连接对一些小分子的密封程度有所不同，例如小肠上皮细胞的紧密连接对Na+的渗漏程度比膀胱上皮大1万倍。
2.1.2 Septate junctions 间壁连接间壁连接（septate junctions）是存在于无脊椎动物上皮细胞的紧密连接。连接蛋白呈梯子状排列，形状非常规则，连接的细胞内骨架成分为肌动蛋白纤维。在果蝇中一种叫做discs-large的蛋白参与形成间壁连接，突变品种不仅不能形成间壁连接，还产生瘤突。
2.2 Anchoring junctions
（一）粘合带与粘合斑粘合带（adhesion belt）呈带状环绕细胞，一般位于上皮细胞顶侧面的紧密连接下方。在粘合带处相邻细胞的间隙约15～20nm。
间隙中的粘合分子为E-钙粘素。在质膜的内侧有几种附着蛋白与钙粘素结合在一起，这些附着蛋白包括：α-，β-，γ-连锁蛋白（catenin）、粘着斑蛋白（vinculin）、α-辅肌动蛋白（α-actinin）和片珠蛋白（plakoslobin）。
粘合带处的质膜下方有与质膜平行排列的肌动蛋白束，钙粘蛋白通过附着蛋白与肌动蛋白束相结合。于是，相邻细胞中的肌动蛋白丝束通过钙粘蛋白和附着蛋白编织成了一个广泛的网络，把相邻细胞联合在一起。
粘合斑（adhesion plaque）位于细胞与细胞外基质间，通过整合素（integrin）把细胞中的肌动蛋白束和基质连接起来。连接处的质膜呈盘状，称为粘合斑。
（二）桥粒与半桥粒桥粒（desmosome）存在于承受强拉力的组织中，如皮肤、口腔、食管等处的复层鳞状上皮细胞之间和心肌中。相邻细胞间形成纽扣状结构，细胞膜之间的间隙约30nm，质膜下方有细胞质附着蛋白质，如片珠蛋白（plakoglobin）、桥粒斑蛋白（desmoplakin）等，形成一厚约15～20nm的致密斑。斑上有中间纤维相连，中间纤维的性质因细胞类型而异，如：在上皮细胞中为角蛋白丝（keratin filaments），在心肌细胞中则为结蛋白丝（desmin filaments）。桥粒中间为钙粘素（desmoglein及desmocollin）。因此相邻细胞中的中间纤维通过细胞质斑和钙粘素构成了穿胞细胞骨架网络。
半桥粒（hemidesmosome）在结构上类似桥粒，位于上皮细胞基面与基膜之间，它桥粒的不同之处在于：①只在质膜内侧形成桥粒斑结构，其另一侧为基膜；②穿膜连接蛋白为整合素（integrin）而不是钙粘素，整合素是细胞外基质的受体蛋白；③细胞内的附着蛋白为角蛋白（keratin）。
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。
2.3 Communicating junctions
2.3.1 Gap junctions
间隙连接（gap junction） 存在于大多数动物组织。在连接处相邻细胞间有2～4nm的缝隙，而且连接区域比紧密连接大得多，最大直径可达0.3μm。在间隙与两层质膜中有大量蛋白质颗粒，是构成间隙连接的基本单位，称连接子（connexon），由6个相同或相似的跨膜蛋白亚单位环绕而成，直径8nm，中心形成一个直径约1.5nm的孔道。通过向细胞内注射分子量不同的染料，证明间隙连接的通道可以允许分子量小于1.5KD的分子通过。这表明细胞内的小分子，如无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸和维生素等有可能通过间隙连接的孔隙。
间隙连接的通透性是可调节的。在实验条件下，降低细胞PH值，或升高钙离子浓度均可降低间隙连接的通透性。当细胞破损时，大量钙离子进入，导致间隙连接关闭，以免正常细胞受到伤害。
间隙连接的功能包括：
1．参与细胞分化：胚胎发育的早期，细胞间通过间隙连接相互协调发育和分化。小分子物质即可在一定细胞群范围内，以分泌源为中心，建立起递变的扩散浓度梯度，以不同的分子浓度为处于梯度范围内的细胞提供”位置信息”（positional information），从而诱导细胞按其在胚胎中所处的局部位置向着一定方向分化。
2．协调代谢：例如，在体外培养条件下，把不能利用外源次黄嘌呤合成核酸的突变型成纤维细胞和野生型成纤维细胞共同培养，则两种细胞都能吸收次黄嘌呤合成核酸。如果破坏细胞间的间隙连接，则突变型细胞不能吸收次黄嘌呤合成核酸。
3、构成电紧张突触：平滑肌、心肌、神经末梢间均存在的这种间隙连接，称为电紧张突触（electronic synapses）。电紧张突触无须依赖神经递质或信息物质即可将一些细胞的电兴奋活动传递到相邻的细胞。
2.3.2 Plasmodesmata
胞间连丝（plasmodesmata）是植物细胞特有的通讯连接。是由穿过细胞壁的质膜围成的细胞质通道，直径约20～40nm。因此植物体细胞可看作是一个巨大的合胞体（syncytium）。通道中有一由膜围成的筒状结构，称为连丝小管（desmotubule）。连丝小管由光面内质网特化而成，管的两端与内质网相连。连丝小管与胞间连丝的质膜内衬之间，填充有一圈细胞质溶质（cytosol）。一些小分子可通过细胞质溶质环在相邻细胞间传递。
胞间连丝在功能上与动物细胞间的间隙连接类似，它允许分子量小于800Da的分子通过，在相邻细胞间起通讯作用。但通过胞间连丝的分子运输也要受到调节。实验证明，在胞间连丝正常的情况下，有些低分子量的染料分子却不能通过。然而某些植物病毒能制造特殊的蛋白质，这种蛋白质同胞间连丝结合后，可使胞间连丝的有效孔径扩大，使病毒粒子得以通过胞间连丝在植物体内自由播散和感染。
胞间连丝还对细胞分化起一定作用。在高等植物中，顶端分生组织的细胞分化与胞间连丝的分布有着相应的关系。随着细胞的生长和延长，侧壁上的胞间连丝逐渐减少，而横壁上的却仍保持很多。植物相邻细胞间的细胞核可经胞间连丝穿壁。
2.3.3 Chemical synapse
化学突触（synapse）是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。由突触前膜(presynaptic membrane)、突触后膜(postsynaptic membrane)和突触间隙(synaptic cleft)三部分组成。
突触前神经元的突起末梢膨大呈球形，称突触小体(synaptic knob)。突触小体贴附在突触后神经元的胞体或突起的表面形成突触。突触小体的膜称突触前膜，与突触前膜相对的胞体膜或突起的膜称突触后膜，两膜之间称为突触间隙。间隙的宽度约20-30nm，内含有粘多糖和糖蛋白等物质。
突触小体内有许多囊泡，称突触小泡(synaptic vesicle)，内含神经递质。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（配体门通道），引起突触后膜离子通透性改变，膜去极化或超极化。
Sum up,几种细胞连接的比较。
封闭连接
紧密连接
上皮组织
间壁连接
只存在于无脊椎动物中
锚定连接
连接肌动蛋白
粘合带
上皮组织
粘合斑
上皮细胞基部
连接中间纤维
桥粒
心肌、表皮
半桥粒
上皮细胞基部
通讯连接
间隙连接
大多数动物组织中
化学突触
神经细胞间和神经—肌肉间
胞间连丝
植物细胞间
2.4 Cell adhesion molecule
细胞识别 （cell recognition）
在多细胞的生命有机体中，不同类型的细胞必须组成不同的组织，如脊椎动物中的肌肉组织、上皮组织、神经组织、结缔组织等。
细胞识别 （cell recognition）指细胞对同种或异种细胞、同源或异源细胞以及对自己和异己分子的认识和鉴别。细胞粘着 （cell adhesion）则是指相邻细胞或细胞与细胞外基质以某种方式劾合在一起，组成组织或与其他组织分开，这种融合的方式比较松散。另外从事件发生的次序来说，细胞识别在先，细胞粘着在后，识别是粘着的基础。就细胞组成组织而言，组织内各细胞间更为紧密的结合则是靠各种形式的连接。
在多细胞生物中，单个细胞要组成精密的组织和器官以及器官体系，首先必须具有相互识别的能力，然后通过粘着和连接将细胞组织起来。生物学家早在1907年就发现细胞具有相互识别的能力，从那以后，科学家们不断认识细胞间选择性的识别、粘着，对参与细胞识别和就着的细胞表面分子的认识和了解越来越深入。
多细胞生物有机体中有3种识别系统：抗原一抗体的识别，酶与底物的识别，细胞间的识别。第三类包括通过细胞表面受体与胞外信号分子的选择性相互作用，从而导致一系列的生理生化反应的信号传递。无论是哪一种识别系统，都有一个共同的基本特性，就是具有选择性，或是说具有特异性。
细胞识别是细胞发育和分化过程中一个十分重要的环节，细胞通过识别和部着形成不同类型的组织，由于不同组织的功能是不同的，所以识别本身就意味着选择。
为了研究细胞的识别和粘着，1907年 Wilson通过实验研究两种不同颜色的海绵细胞的行为。分别从黄色海绵和红色海绵中分离单细胞，然后将两种不同颜色的细胞类群混合在一起。但是，这两种类型的海绵细胞很快就各自分开聚集，红色海绵细胞聚集到一起，黄色海绵细胞也是如此，二者互不混淆。这是人类最早通过实验认识到细胞具有识别和选择性结合的能力。此后，在许多生物中都发、现了细胞的识别和融着，不仅是简单的多细胞生物，也包括复杂的有各种组织分化的多细胞生物中不同组织的细胞都具有这种能力和特性。
有人用两栖类胚性细胞做实验，研究细胞的识别、分别用蛋白酶将外胚层和中胚层水解成单细胞，并分别标记上不同的颜色，然后将这两种细胞混合。在混合之初，它们混合得很好，但是随着时间的推移，外胚层的细胞移向外侧，并聚集在一起，这也是它们在胚胎中的正确位置；来自中胚层的细胞移向内侧，这也是它们在胚胎中的正确位置。这两种游离的细胞迅速重新聚集成团后，同种细胞形成独立的聚合体，每种聚合体只含一种颜色的细胞，这种现象称为拣出（sorting out人这一实验说明了细胞的识别具有选择性，非同类的细胞不会混合聚集。
识别反应细胞识别引起的细胞反应，大致有3种类型：内吞、细胞粘着和信号反应。
红细胞衰老并被脾脏细胞吞噬是细胞识别后引起吞噬反应的典型例子。红细胞膜中糖脂的糖基除了与血型有关外，还决定着红细胞的寿命。血型糖蛋白含有大量的唾液酸，糖链末端唾液酸的存在状况与红细胞的寿命相关，可作为被吞噬的信号。红细胞寿命一般为3～4个月，然后在脾脏中被吞噬。用唾液酸酶处理分离的红细胞，除去红细胞中的唾液酸，然后将这种红细胞更新注入到原来的动物体内，发现注入的红细胞很快在脾脏中被吞噬，而没有除去唾液酸的正常的红细胞则相安无事。究其原因，当唾液酸被除去之后，暴露出的半乳糖残基可能是红细胞衰老的标记被脾脏细胞识别，并将之吞噬，这个例子既说明了细胞识别后的反应，又说明了糖在识别过程中的作用。
识别后的第二种反应则是发生粘着，包括细胞同细胞外基质的粘着以及细胞与细胞的动着。进一步发展就成为细胞连接。
识别后的第三种反应就是引起信号转导，发生一系列的生理生化反应，使细胞更好地适应环境。
细胞粘附分子（cell adhesion molecule，CAM）是参与细胞与细胞之间及细胞与细胞外基质之间相互作用的分子。可大致分为五类：钙粘素、选择素、免疫球蛋白超家族、整联蛋白及透明质酸粘素（即质膜整合的蛋白聚糖）。
为糖蛋白，分子结构由三部分组成：
1,胞外区，N端部分，负责与配体识别；
2,跨膜区，多为一次跨膜；
3,胞质区，C端部分，与质膜下的骨架成分直接相连，或与胞内信号分子相连。
可以这样设想：细胞的粘着主要靠粘着蛋白，而细胞识别则是糖的作用，特别是糖被在细胞识别过程中起着十分重要的作用。糖被中糖蛋白和糖脂的侧链虽然很短（有些还不足15个糖单位），但是由于它们能以不同的方式结合，所以能够形成不同的识别基团。在多细胞的生物中，细胞的糖被可作为识别的标志，如同警察的制服，赋予细胞的某种特征，并让其他与之相互作用的细胞识别，例如精细胞对卵细胞的识别。
多数细胞粘附分子依赖二价阳离子，如Ca2＋，Mg2＋。
细胞粘附分子的作用机制有三种模式：
1.同亲性粘附：两相邻细胞表面的同种CAM分子间的相互识别与结合；
2.异亲性粘附：两相邻细胞表面的不同种CAM分子间的相互识别与结合；
3,通过胞外连接分子相互识别与结合。
2.4.1 Cadherins 钙粘素钙粘素（cadherin）属亲同性CAM，其作用依赖于Ca2＋。至今已鉴定出30种以上钙粘素（表10-2），分布于不同的组织。
钙粘素分子结构同源性很高，其胞外部分形成5个结构域，其中4个同源，均含Ca2＋结合部位。决定钙粘素结合特异性的部位在靠N末端的一个结构域中，只要变更其中2个氨基酸残基即可使结合特异性由E-钙粘素转变为P-钙粘素。钙粘素分子的胞质部分是最高度保守的区域，参与信号转导。
钙粘素的作用主要有以下几个方面：
1．介导细胞连接，在成年脊椎动物，E-钙粘素是保持上皮细胞相互粘合的主要CAM，是粘合带的主要构成成分。桥粒中的钙粘素就是desmoglein及desmocollin。
2．参与细胞分化，钙粘素对于胚胎细胞的早期分化及成体组织（尤其是上皮及神经组织）的构筑有重要作用。在发育过程中通过调控钙粘素表达的种类与数量可决定胚胎细胞间的相互作用（粘合、分离、迁移、再粘合），从而通过细胞的微环境，影响细胞的分化，参与器官形成过程。
3．抑制细胞迁移，很多种癌组织中细胞表面的E钙粘素减少或消失，以致癌细胞易从瘤块脱落，成为侵袭与转移的前提。因而有人将E钙粘素视为转移抑制分子。
2.4.2 Selectins 选择素选择素的胞外区由三个结构域构成：N端的C型凝集素结构域，EGF样结构域、重复次数不同的补体结合蛋白结构域；通过凝集素结构域来识别糖蛋白及糖脂分子上的糖配体。
E选择素及P选择素所识别与结合的糖配体为唾液酸化及岩藻糖化的N乙酰氨基乳糖结构（sLeX及sLeA）。sLeA结构存在于髓系白细胞表面（其中包括L选择素）分子中。多种肿瘤细胞表面也存在sLeX及sLeA结构。
P选择素贮存于血小板的α颗粒及内皮细胞的Weibel-Palade小体。炎症时活化的内皮细胞表面首先出现P选择素，随后出现E选择素。它们对于召集白细胞到达炎症部位具有重要作用。
E选择素存在于活化的血管内皮细胞表面。炎症组织释放的白细胞介素I（IL-1）及肿瘤坏死因子（TNF）等细胞因子可活化脉管内皮细胞，刺激E选择素的合成。
L选择素广泛存在于各种白细胞的表面，参与炎症部位白细胞的出脉管过程。白细胞表面L选择素分子上的sLeA与活化的内皮细胞表面的P选择素及E选择素之间的识别与结合，可召集血液中快速流动的白细胞在炎症部位的脉管内皮上减速滚动（即通过粘附、分离、再粘附……，如此循环往复），最后穿过血管进入炎症部位。
2.4.3 Ig-SF 免疫球蛋白超家族免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily，Ig-SF）包括分子结构中含有免疫球蛋白（Ig）样结构域的所有分子，一般不依赖于Ca2＋。免疫球蛋白样结构域系指借二硫键维系的两组反向平行β折叠结构除免疫球蛋白外，还包括T细胞受体，B细胞受体，MHC及细胞粘附分子（Ig-CAM）等。有的属于亲同性CAM，如各种神经细胞粘附分子（N-CAM）及血小板-内皮细胞粘附分子（Pe-CAM）；有的属于亲异性CAM，如细胞间粘附分子（I-CAM）及脉管细胞粘附分子（V-CAM）等。I-CAM及V-CAM的配体都是整合素。
N-CAM有20余种异型分子，它们在神经发育及神经细胞间相互作用上有重要作用。
I-CAM及V-CAM在活化的血管内皮细胞表达。炎症时，活化的内皮细胞表面的I-CAM可与白细胞表面的αLβ2及巨噬细胞表面的αMβ2相结合；V-CAM则可与白细胞的α4β1整合素相结合。它们继上述选择素介导的白细胞与内皮细胞的粘合作用之后使在内皮上滚动的白细胞固着于炎症部位的脉管内皮，并发生铺展，进而分泌水解酶而穿出脉管壁。
同亲性时是非Ca2＋依赖；异亲性时是Ca2＋依赖。
2.4.4 Integrins 整联蛋白，整合素整合素是由α （120~185kD）和β（90~110kD）两个亚单位形成的异二聚体。迄今已发现16种α亚单位和9种β亚单位。它们按不同的组合构成20余种整合素。
α亚单位的N端有结合二价阳离子的结构域，胞质区近膜处都有一个非常保守的KXGFFKR序列，与整合素活性的调节有关。
含β1亚单位的整合素主要介导细胞与细胞外基质成分之间的粘附。含β2亚单位的整合素主要存在于各种白细胞表面，介导细胞间的相互作用。β3亚单位的整合素主要存在于血小板表面，介导血小板的聚集，并参与血栓形成。除β4可与肌动蛋白及其相关蛋白质结合，α6β4整合素以层粘连蛋白为配体，参与形成半桥粒
2.4.5 Hyaladherin 透明质酸粘素透明质酸粘素（hyaladherin）包括可结合透明质酸糖链的一类分子，具有相似的氨基酸序列和空间构象。CD44族是其中的一个成员，分子量范围为85 KD~250KD，介导细胞与细胞间及细胞与细胞外基质间的相互作用，同样是由胞外，跨膜及胞质三个部分构成的糖蛋白，糖链为硫酸软骨素及硫酸乙酰肝素。CD44肽链的N端可结合透明质酸，故CD44也被视为透明质酸的受体。
CD44的功能包括,①与透明质酸、纤粘连蛋白及胶原结合，介导细胞与细胞外基质之间的粘附；②参与细胞对透明质酸的摄取及降解；③参与淋巴细胞归巢；④参与T细胞的活化；⑤促进细胞迁移。
CD44在很多种肿瘤细胞的表达比相应正常组织为高，并与肿瘤细胞的成瘤性、侵袭性及淋巴结转移性有关。
知识扩展：细胞粘着与炎症反应
1、炎症部位的细胞释放信号分子，诱发炎症部位的血管内皮细胞(Endothelial)表达P、E-selectin;
2、Selectin与中性白细胞(Neutrophil)表面的糖蛋白作用，形成较松散的细胞粘着。中性白细胞与内皮细胞粘着－分离，再粘着－再分离，呈滚动方式运动trapping;
3、在2的同时，另一些活化因子（如血小板活化因子等）被释放出来，使中性白细胞表面的整联蛋白(integrin)被活化;
4、活化的整联蛋白与内皮细胞表面的Ig-SF(如ICAM)作用，形成牢固的细胞粘着，使中性白细胞停留在炎症部位;
5、中性白细胞变形，穿过血管内皮到达炎症部位;
3 Cell coat & ECM
cell coat
动物细胞表面存在着一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被（cell coat）或糖萼（glycocalyx）。用重金属染料如：钌红染色后，在电镜下可显示厚约10~20nm的结构，边界不甚明确。细胞外被是由构成质膜的糖蛋白和糖脂伸出的寡糖链组成的，实质上是质膜结构的一部分细胞外被的作用有：
1、保护作用：细胞外被具有一定的保护作用，去掉细胞外被，并不直接损伤质膜。
2、细胞识别：细胞识别与构成细胞外被的寡糖链密切相关。寡糖链由质膜糖蛋白和糖脂伸出，每种细胞寡糖链的单糖残基具有一定的排列顺序，编成了细胞表面的密码，它是细胞的”指纹”，为细胞的识别形成了分子基础。同时细胞表面尚有寡糖的专一受体，对具有一定序列的寡糖链具有识别作用。因此，细胞识别实质上是分子识别。Townes和Holtfreter（1955）把两栖类动物的原肠胚3个胚层的细胞分散后，混合培养，结果3个胚层的细胞均自行分类聚集，分别参加其来源胚层的组建。如果将鸡胚细胞和小鼠胚细胞分散后相混培养，各种细胞仍按来源组织分别聚集，但相聚细胞只具有组织的专一性，而没有物种的分辨能力。
3、决定血型：血型实质上是不同的红细胞表面抗原，人有20几种血型，最基本的血型是AB0血型。红细胞质膜上的糖鞘脂是AB0血型系统的血型抗原，血型免疫活性特异性的分子基础是糖链的糖基组成。A、B、O三种血型抗原的糖链结构基本相同，只是糖链末端的糖基有所不同。A型血的糖链末端为N-乙酰半乳糖；B型血为半乳糖；AB型两种糖基都有，O型血则缺少这两种糖基。
细胞被的基本功能是起保护作用，如消化道、呼吸道、生殖腺等上皮组织细胞的外被有助于润滑、防止机械损伤，同时又可保护上皮组织不受消化酶的作用和细菌的侵袭。植物和细菌的细胞壁不仅可以保护细胞质膜，同时还赋予细胞以特定的形状。
多年来，一直认为细胞被仅仅是起保护作用，防止机械和化学损伤，使细胞保持相对独立。随着细胞生物学研究方法的发展，发现细胞被除对细胞具有保护作用外，还参与细胞与环境的相互作用，参与细胞与环境的物质交换，细胞增殖的接触抑制、细胞识别等。
细胞被之所以在细胞生命活动中起重要作用，原因是糖链具有惊人数目的异构体。有人计算过：3个同样的己糖（葡萄糖或半乳糖）可以构成176个不同的三糖。3个不同种类的单糖，所能构成的异构体的数目达1056个。若以血浆糖蛋白中一些常见的糖链为例，则更能说明问题：由1个岩藻糖、2个半乳糖、2个神经氨酸、3个甘露糖和4个N一乙酸氨基葡萄糖等12个单糖组成的一条糖链，可以有10“个异构体，1个异构体可携带1个信息，那么一条多糖链所携带的信息竟可多至天文数字！
Extracellular matrix / ECM
细胞外基质（extracellular matrix）是指分布于细胞外空间，由细胞分泌蛋白和多糖所构成的网络结构。
细胞外基质（extracellular matrix，ECM）是由大分子构成的错综复杂的网络。为细胞的生存及活动提供适宜的场所，并通过信号转导系统影响细胞的形状、代谢、功能、迁移、增殖和分化。
构成细胞外基质的大分子种类繁多，可大致归纳为四大类：胶原、非胶原糖蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖、以及弹性蛋白。
上皮组织、肌组织及脑与脊髓中的ECM含量较少，而结缔组织中ECM含量较高。细胞外基质的组分及组装形式由所产生的细胞决定，并与组织的特殊功能需要相适应。例如，角膜的细胞外基质为透明柔软的片层，肌腱的则坚韧如绳索。细胞外基质不仅静态的发挥支持、连接、保水、保护等物理作用，而且动态的对细胞产生全方位影响。
3.1 Collagen 胶原胶原是动物体内含量最丰富的蛋白质，约占人体蛋白质总量的30％以上。它遍布于体内各种器官和组织，是细胞外基质中的框架结构，可由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞及某些上皮细胞合成并分泌到细胞外。
目前已发现的胶原至少有19种，由不同的结构基因编码，具有不同的化学结构及免疫学特性。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ及Ⅺ型胶原为有横纹的纤维形胶原。
3.1.1 Types
Ⅰ～Ⅲ型胶原含量最丰富,形成类似的纤维结构； 但并非所有胶原都形成纤维；
Ⅰ型胶原纤维束,主要分布于皮肤、肌腱、韧带及骨中,具有很强的抗张强度;
Ⅱ型胶原主要存在于软骨中;
Ⅲ型胶原形成微细的原纤维网,广泛分布于伸展性的组织,如疏松结缔组织;
Ⅳ型胶原形成二维网格样结构,是基膜的主要成分及支架。
3.1.2 Molecular structure (Example,type Ⅰ)
胶原纤维的基本结构单位是原胶原tropocollagen,是三条α肽链形成的三股螺旋。
每条链由重复的Gly-X-Y序列构成。通常X=pro，Y=hyp或hyl。Gly-X-Y序列使α链卷曲为左手螺旋。三股链再绕成右手超螺旋在胶原纤维内部,原胶原蛋白分子呈1/4交替平行排列,形成周期性横纹。
3.1.3 Synthesize
1.在rER起始合成合成N、C端含有前肽的前α 链（又称前原胶原、早前胶原preprocollagen）。
2.前α 链在内质网腔中,在pro及lys残基上进行羟基化修饰；通过分子内交联，三股前α 链自我装配成三股螺旋，即前胶原procollagen。
3,前胶原进入高尔基体经加工修饰，被包进分泌小泡，分泌到细胞外。
4,在细胞外，前胶原由两种专一性不同的蛋白水解酶作用,分别切去N-末端前肽及C-末端前肽,成为原胶原tropocollagen 。原胶原进而聚合成胶原纤维。
Addition:胶原与疾病
1.坏血病：pro的羟化反应是在与脯氨酰-4羟化酶及脯氨酰-3羟化酶的催化下进行的。维生素C是这两种酶所必需的辅助因子。维生素C缺乏导致胶原的羟化反应不能充分进行，不能形成正常的胶原原纤维，结果非羟化的前α链在细胞内被降解。因而，膳食中缺乏维生素C可导致血管、肌腱、皮肤变脆，易出血，称为坏血病。
2.皮肤过度松弛症 (Ehlers-Danlos):胶原纤维的不能正常装配，皮肤和其他结缔组织降低强度而变得非常松弛。
3.1.4 Function of collagen
1.为ECM提供了水不溶性框架，决定了ECM的机械强度。例如：肌腱。
2.促进细胞生长（如：肝细胞等在含有胶原的培养基中生长较快；参与ECM信号传递网络调控）
3.2 Elastin 弹性蛋白
Elastin 是弹性纤维elastic fiber 的主要成分，主要存在于韧带和脉管壁。
和Collagen 同属ECM中的结构组分，Elastin主要赋予组织以弹性。
结构特征：富含Gly和Lys，少羟基化，无G-x-y序列；
构象呈无规则卷曲状；
通过Lys交联呈网状结构。
3.3 GAG & PG
3.3.1 糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）
氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG）
GAG是由重复二糖单位构成的无分枝长链多糖。其二糖单位通常由氨基已糖（氨基葡萄糖或氨基半乳糖）和糖醛酸组成，但硫酸角质素中糖醛酸由半乳糖代替。氨基聚糖依组成糖基、连接方式、硫酸化程度及位置的不同可分为六种，即：透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角质素。
透明质酸（hyaluronic acid,HA）是唯一不发生硫酸化的氨基聚糖，其糖链特别长。氨基聚糖一般由不到300个单糖基组成，而HA可含10万个糖基。在溶液中HA分子呈无规则卷曲状态。如果强行伸长，其分子长度可达20μm。HA整个分子全部由葡萄糖醛酸及乙酰氨基葡萄糖二糖单位重复排列构成。由于HA分子表面有大量带负电荷的亲水性基团，可结合大量水分子，因而即使浓度很低也能形成粘稠的胶体，占据很大的空间，产生膨压。
细胞表面的HA受体为CD44及其同源分子，属于hyaladherin族。所有能结合HA的分子都具相似的结构域。
HA虽不与蛋白质共价结合，但可与许多种蛋白聚糖的核心蛋白质及连接蛋白质借非共价键结合而参加蛋白聚糖多聚体的构成，在软骨基质中尤其如此。
除HA及肝素外，其他几种氨基聚糖均不游离存在，而与核心蛋白质共价结合构成蛋白聚糖。
3.3,2 蛋白聚糖（proteoglycan，PG）
蛋白聚糖（proteoglycan）
蛋白聚糖是氨基聚糖（除透明质酸外）与核心蛋白质（coreprotein）的共价结合物。核心蛋白质的丝氨酸残基（常有Ser-Gly-X-Gly序列）可在高尔基复合体中装配上氨基聚糖（GAG）链。其糖基化过程为通过逐个转移糖基首先合成由四糖组成的连接桥（Xyl-Gal-Gal-GlcUA），然后再延长糖链，并对所合成的重复二糖单位进行硫酸化及差向异构化修饰。一个核心蛋白质分子上可以连接1至100个以上GAG链。与一个核心蛋白质分子相连的GAG链可以是同种或不同种的。
许多蛋白聚糖单体常以非共价键与透明质酸形成多聚体。核心蛋白质的N端序列与CD44分子结合透明质酸的结构域具有同源性，故亦属hyaladherin族。
蛋白聚糖多聚体分子量可达108KD以上。其体积可超过细菌。如构成软骨的Aggrecan，其GAG主要是硫酸软骨素（chondroitin sulfate，CS），但还有硫酸角质素（keratan sulfate，KS）。其含量不足或代谢障碍可引起长骨发育不良，四肢短小。
3.3.3 GAG & PG的功能
GAG和PG构成了ECM的基质，高度酸性，且带副电荷因此能结合大量的阳离子，阳离子又可以结合大量的水分子，因此PG形成多孔、吸水的胶状物填充在ECM。
使细胞表面具有较大的可塑性，抗压能力。
作为细胞黏着位点。
对信号传导、细胞分化、细胞癌变有一定联系。
3.4 LN & FN
3.4.1 层粘连蛋白（laminin，LN）
层粘连蛋白（laminin，LN）
LN也是一种大型的糖蛋白，与Ⅳ型胶原一起构成基膜，是胚胎发育中出现最早的细胞外基质成分。
LN分子由一条重链（α）和二条轻链（β、γ）借二硫键交联而成，外形呈十字形，三条短臂各由三条肽链的N端序列构成。每一短臂包括二个球区及二个短杆区，长臂也由杆区及球区构成。
LN分子中至少存在8个与细胞结合的位点。例如，在长臂靠近球区的。链上有IKVAV五肽序列可与神经细胞结合，并促进神经生长。鼠LNα1链上的RGD序列，可与αvβ3整合素结合。
现已发现7种LN分子，8种亚单位（α1,α2,α3,β1,β2,β3,γ1,γ2），与FN不同的是，这8种亚单位分别由8个结构基因编码。
LN是含糖量很高（占15-28％）的糖蛋白，具有50条左右N连接的糖链，是迄今所知糖链结构最复杂的糖蛋白。而且LN的多种受体是识别与结合其糖链结构的。
LN的主要功能参与基膜构建，将细胞固定在基膜上；还包括刺激细胞黏着、细胞运动、生长、迁移和分化。
基膜是上皮细胞下方一层柔软的特化的细胞外基质，也存在于肌肉、脂肪和许旺细胞（schwann cell）周围。它不仅仅起保护和过滤作用，还决定细胞的极性，影响细胞的代谢、存活、迁移、增殖和分化。
基膜中除LN和Ⅳ型胶原外，还具有entactin、perlecan、decorin等多种蛋白，其中LN与entactin (also called nidogen)形成1:1紧密结合的复合物，通过nidogen与Ⅳ型胶原结合）。
3.4.2 纤粘连蛋白（fibronectin，FN）
FN是一种大型的糖蛋白，存在于所有脊椎动物，分子含糖4.5－9.5％，糖链结构依组织细胞来源及分化状态而异。FN可将细胞连接到细胞外基质上。
FN以可溶形式存在于血浆（0．3mg/ml）及各种体液中；以不溶形式存在于细胞外基质及细胞表面。前者总称血浆FN；后者总称细胞FN。
各种FN均由相似的亚单位（220KD左右）组成。血浆FN（450KD）是由二条相似的肽链在C端借二硫键联成的V字形二聚体。细胞FN为多聚体。在人体中目前已鉴定的FN亚单位就有20种以上。它们都是由同一基因编码的产物。转录后由于拼接上的不同而形成多种异型分子。
每条FN肽链约含2450个氨基酸残基，整个肽链由三种类型（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）的模块（module）重复排列构成。具有5－7个有特定功能的结构域，由对蛋白酶敏感的肽段连接。这些结构域中有些能与其它ECM（如胶原、蛋白聚糖）结合，使细胞外基质形成网络；有些能与细胞表面的受体结合，使细胞附着与ECM上。
FN肽链中的一些短肽序列为细胞表面的各种FN受体识别与结合的最小结构单位。例如，在肽链中央的与细胞相结合的模块中存在RGD（Arg-Gly-Asp）序列，为与细胞表面某些整合素受体识别与结合的部位。化学合成的RGD三肽可抑制细胞在FN基质上粘附。
细胞表面及细胞外基质中的FN分子间通过二硫键相互交联，组装成纤维。与胶原不同，FN不能自发组装成纤维，而是通过细胞表面受体指导下进行的，只存在于某些细胞（如成纤维细胞）表面。转化细胞及肿瘤细胞表面的FN纤维减少或缺失系因细胞表面的FN受体异常所致。
FN的功能：
1.介导细胞粘着，FN的分子上既有与胶原结合的结构域又有与细胞结合的结构域，可介导ECM与细胞结合。
2.影响细胞迁移和分化。
3.5 Cell Walls
3.5.1 Composition
1.纤维素 cellulose
2.半纤维素 hemicellulose
3.果胶 pectin
4.木质素 lignin
5.糖蛋白 glycoprotein，最重要的是伸展蛋白 extensin
3.5.2 Function
1.决定植物细胞的形状，提供机械强度，抗张力、压力；
2.控制物质交换，容许小分子、离子通过，限制大分子通过；
3.保护植物细胞免受病原菌、机械和化学损害；
4.影响植物细胞生长、分化；
Chapter Ⅴ Membrane transport & Cell signaling
一、教学目的和要求：
通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：物质跨膜运输的主要方式，代表类型、特点；细胞信号转导的概念、受体和配体的概念、代表性的信号途径。
使学生更好的理解细胞的复杂性和有序性，同一性和多样性；引导学生从分子、细胞及组织等不同层次来认识物质和信息跨膜的过程及意义。
二、教材分析：
概述：本章内容同样属于本课程重点章节。2003年诺贝尔化学奖内容既为物质跨膜转运部分，即有经典内容又有教新的进展内容；而信号转导部分则是重重之重，在这一领域集中了多个学科的研究成果，是当前生物学的研究热点，学习内容中概念多、过程复杂。这些都决定了，本章内容对于学生的学和教师的教都是一个挑战。
教学重点：协助扩散、主动运输；信号转导相关概念，细胞内受体介导的信号通路。
教学难点：载体蛋白和通道蛋白的特点及比较；主动运输的几个代表类型；受体介导的膜泡运输；G蛋白偶联受体介导的信号转导，RTK-Ras信号通路。
三、教学设想：
教材处理：尊重教材编排，制作课件时主要以选用教材为蓝本，以免使学生感到有较大的跳跃；在教材的基础上适当增加其深度和广度；对难度较大的部分用多种方式引导学生以多方面理解。
教学方法：主要采用讲授法和例证法，辅以提问和讨论。
教具：CAI课件四、教学内容：（8学时）
1 Membrane transport
细胞质膜不仅仅作为物质出入细胞的障碍，还要具有控制分子和离子通过的能力。换句话说，细胞质膜必须具有选择性地进行物质跨膜运输、调节细胞内外物质和离子的平衡及渗透压平衡的能力。
1.1 Passive transport
1.1.1 Simple diffusion
小分子的热运动可使分子以自由扩散的方式从膜的一侧通过细胞质膜进入膜的另一侧，其结果是分子由浓度高的一侧转运到浓度低的一侧，即沿着浓度梯度降低的方向转运。对于离子来说，同样是从离子浓度高的一侧向离子浓度低的一侧转运。离子转运既是沿着浓度梯度也是沿着电化学梯度转运。分子或离子以自由扩散的方式跨膜转运中，不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助，因此称为简单扩散。
也叫自由扩散（free diffusion）
特点是：
①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；
②不需要提供能量；
③没有膜蛋白的协助。
某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数（D）来计算,P=KD/t,t为膜的厚度。
通透性：? 脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；
非极性分子比极性容易透过，极性不带电荷小分子，如H2O、O2等可以透过人工脂双层，但速度较慢；
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；
人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。
脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；非极性分子比极性容易透过，小分子比大分子容易透过。具有极性的水分子容易透过是因水分子小，可通过由膜脂运动而产生的间隙。
非极性的小分子如O2、CO2、N2可以很快透过脂双层，不带电荷的极性小分子，如水、尿素、甘油等也可以透过人工脂双层，尽管速度较慢，分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过，而膜对带电荷的物质如：H+、Na+、K+、Cl—、HCO3—是高度不通透的。
事实上细胞的物质转运过程中，透过脂双层的简单扩散现象很少，绝大多数情况下，物质是通过载体或者通道来转运的。离子、葡萄糖、核苷酸等物质有的是通过质膜上的运输蛋白的协助，按浓度梯度扩散进入质膜的，有的则是通过主动运输的方式进行转运。
Diffusion Vs Osmosis
扩散(diffusion)是指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向低浓度一侧移动的过程，通常把这种过程称为简单扩散。
渗透(osmosis) 则是指水分子以及溶剂通过半透性膜的扩散。
1.1.2 Facilitated diffusion
协助扩散也是小分子物质沿其浓度梯度（或电化学梯度）减小方向的跨膜运动，不需要细胞提供能量，从这一点上看，它与简单扩散相同，因此二者都称为被动运输。但在协助扩散中，特异的膜蛋白“协助”物质转运使其转运速率增加，转运特异性增强。
其运输特点是,①比自由扩散转运速率高； ②存在最大转运速率； 在一定限度内运输速率同物质浓度成正比。如超过一定限度，浓度再增加，运输也不再增加。因膜上载体蛋白的结合位点已达饱和； ③有特异性，即与特定溶质结合。这类特殊的载体蛋白主要有离子载体和通道蛋白两种类型。
膜转运蛋白可分为两类：一类称载体蛋白（carrier Proteins），如前面提到的转运葡萄糖分子的膜蛋白；另一类称通道蛋白（channelProteins），它可形成亲水的通道，允许一定大小和一定电荷的离子通过。
载体蛋白 Carrier Protein 其运输特点是：
①与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质的跨膜转运；
②对所转运的物质具有高度选择性；
③载体蛋白又称为通透酶(Permease),对物质的转运过程具有类似于酶与底物作用的动力学曲线、可被类似物竞争性抑制、具有竞争性抑制等酶的特性。但与酶不同的是,载体蛋白不对转运分子作任何共价修饰。
通道蛋白(channel protein)是一类横跨质膜，它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排，形成水性通道,允许适宜的分子通过。通道蛋白具有选择性，所以在细胞膜中有各种不同的通道蛋白。通道蛋白参与的只是被动运输,并且是从高浓度向低浓度运输，所以不消耗能量。
其运输特点是：
①蛋白不与溶质分子结合，形成跨膜通道介导离子顺浓度梯度通过；
②有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态，如钾泄漏通道，允许钾离子不断外流；
③有些通道蛋白具有选择性和门控性平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，又称为门通道（gated channel）。主要有：电压门通道、配体门通道、机械门通道。
电压门通道 Voltage-gated channel：：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。
配体门通道 Ligand-gated channel：特点：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。
压力激活门通道 Stress-activated channel：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（mechanotransduction ）
水通道water channel,
水扩散通过人工膜的速率很低，人们推测膜上有水通道。
1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 （28 KD ），他将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。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。
2003年Agre与离子通道的研究者MacKinnon同获诺贝尔化学奖。
目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。
长期以来,普遍认为细胞内外的水分子是以简单扩散的方式透过脂双层膜。后来发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高,很难以简单扩散来解释。如将红细胞移入低渗溶液后，很快吸水膨胀而溶血，而水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀。因此，人们推测水的跨膜转运除了简单扩散外,还存在某种特殊的机制,并提出了水通道的概念。
1988年Agre在分离纯化红细胞膜上的Rh血型抗原时，发现了一个28 KD 的疏水性跨膜蛋白，称为CHIP28 (Channel-Forming integral membrane protein)，1991年得到CHIP28的cDNA 序列，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，并于5 分钟内破裂，纯化的CHIP28置入脂质体，也会得到同样的结果。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制，而这是已知的抑制水通透的处理措施。这一发现揭示了细胞膜上确实存在水通道，Agre因此而与离子通道的研究者Roderick MacKinnon共享2003年的诺贝尔化学奖。
目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP），均具有选择性的让水分子通过的特性。在实验植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）中已发现35个这类水通道。
水通道的活性调节可能具有以下途径：通过磷酸化使AQP的活性增强；通过膜跑运输改变膜上AQP的含量，如血管加压素(抗利尿激素) 对肾脏远曲小管和集合小管上皮细胞水通透性调节；通过调节基因表达，促进AQP的合成。
1.2 Active transport
又称代谢关联运输（metabolically linked tramsport），是物质运输的主要方式。
主动运输（active transPort）是物质由浓度低的一侧向浓度高的一侧跨膜运动的方式，或物质逆浓度梯度或电化学梯度运输的跨膜运动方式。转运分子的自由能变化为正值，因此需要与某种释放能量的过程相耦联。
主动运输的特点是：
– 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。
– ④具有选择性和特异性。
主动运输所需的能量来源主要有：
– ①协同运输中的离子梯度动力；
– ② ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量；
– ③光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。
根据主动运输过程所需能量来源的不同可归纳为由ATP直接提供能量和间接提供能量两种基本类型。
1.2.1 Na+-K+ PUMP
构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，实际上就是Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。
Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+、而与K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。
钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程，所以这类离子泵叫做P-type。(P是phosphorylation的缩写。
Na+-K+泵的作用：
①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；
②维持低Na+高K+的细胞内环境；
③维持细胞的静息电位。
1.2.2 Ca2+ PUMP/ Ca2+ ATPase
作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子浓度10-7M，细胞外10-3M）。
位置：质膜和内质网膜。
类型：
– P型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。
– 钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。
钙离子泵对于细胞是非常重要的，因为钙离子通常与信号转到有关，钙离子浓度的变化会引起细胞内信号途径的反应，导致一系列的生理变化。通常细胞内钙离子浓度（10-7M）显著低于细胞外钙离子浓度（10-3M），主要是因为质膜和内质网膜上存在钙离子转运体系，细胞内钙离子泵有两类：其一是P型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。另一类叫做钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同运输体系（antiporter），通过钠钙交换来转运钙离子。
位于肌质网（sarcoplasmic reticulum）上的钙离子泵是了解最多的一类P型离子泵，占肌质网膜蛋白质的90%。肌质网是一类特化的内质网，形成网管状结构位于细胞质中，具有贮存钙离子的功能。肌细胞膜去极化后引起肌质网上的钙离子通道打开，大量钙离子进入细胞质，引起肌肉收缩之后由钙离子泵将钙离子泵回肌质网。
1.2.3 H+ PUMP
质子泵有三类：P-type、V-type、F-type。
1、P-type：载体蛋白利用ATP使自身磷酸化（phosphorylation），发生构象的改变来转移质子或其它离子，如植物细胞膜上的H+泵、动物细胞的Na+-K+泵、Ca2+离子泵，H+-K+ATP酶（位于胃表皮细胞，分泌胃酸）。
2、V-type：位于小泡（vacuole）的膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、动物细胞的内吞体、高尔基体的囊泡膜、植物液泡膜上。
3、F-type：是由许多亚基构成的管状结构，H＋沿浓度梯度运动，所释放的能量与ATP合成耦联起来，所以也叫ATP合酶（ATP synthase），F是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子（factor）的缩写。F型质子泵位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上，其详细结构将在线粒体与叶绿体一章讲解。F型质子泵不仅可以利用质子动力势将ADP转化成ATP，也可以利用水解ATP释放的能量转移质子。
1.2.4 ABC 转运器
ABC转运器（ABC transporter）最早发现于细菌，是细菌质膜上的一种运输ATP酶（transport ATPase），属于一个庞大而多样的蛋白家族，每个成员都含有两个高度保守的ATP结合区（ATP binding cassette），故名ABC转运器，他们通过结合ATP发生二聚化，ATP水解后解聚，通过构象的改变将与之结合的底物转移至膜的另一侧。
在大肠杆菌中78个基因（占全部基因的5%）编码ABC转运器蛋白，在动物中可能更多。虽然每一种ABC转运器只转运一种或一类底物，但是其蛋白家族中具有能转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质的成员。ABC转运器还可催化脂双层的脂类在两层之间翻转，这在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。
第一个被发现的真核细胞的ABC转运器是多药抗性蛋白（multidrug resistance protein,MDR），该基因通常在肝癌患者的癌细胞中过表达，降低了化学治疗的疗效。约40%的患者的癌细胞内该基因过度表达。
ABC转运器还与病原体对药物的抗性有关，如临床常用的抗真菌药物有氟康唑,酮康唑、伊曲康唑等，真菌对这些药物产生耐药性的一个重要机制是通过MDR蛋白降低了细胞内的药物浓度。
1.2.5 Cotransport
协同运输（cotransport）是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。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（symport）与反向协同（antiport）。
1、共运输同向协同（symport）指物质运输方向与离子转移方向相同。如动物小肠细胞对对葡萄糖的吸收就是伴随着Na+的进入，细胞内的Na+离子又被钠钾泵泵出细胞外，细胞内始终保持较低的钠离子浓度，形成电化学梯度。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入，每转移一个H+吸收一个乳糖分子。
2、对向运输反向协同（antiport）物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过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。此外质子泵可直接利用ATP运输H+来调节细胞PH值。
还有一种机制是Na+驱动的Cl--HCO3-交换，即Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流，如红细胞膜上的带3蛋白。
钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。讨论：主动与被动运输的比较。
性质?
简单扩散?
促进扩散?
主动运输?
参与运输的膜成份?
脂?
蛋白?
蛋白
被运输的物质是否需要结合?
否?
(载体蛋白)是?
是?
能量来源?
浓度梯度?
浓度梯度?
ATP水解或浓度梯度?
运输方向?
顺浓度梯度?
顺浓度梯度?
逆浓度梯度?
特异性?
无?
有
有
运输的分子高浓度时的饱和性?
无?
有
有
1.3 Vesicle transport
膜泡运输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）。又称批量运输（bulk transport）。
根据物质的运输方向分为：胞吞作用（endocytosis）胞吐作用（exocytosis）。
1.3.1 Endocytosis
概念：胞吞作用通过细胞膜内陷形成囊泡（胞吞泡），将外界物质裹进并输入细胞的过程。
类型：胞饮作用（pinocytosis）吞噬作用（phagocytosis）
细胞吞入的物质为液体或极小的颗粒物质，这种内吞作用称为胞饮作用（pinocytosis）。胞饮作用存在于白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植物细胞。
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（phagocytosis）。吞噬现象是原生动物获取营养物质的主要方式，在后生动物中亦存在吞噬现象。如：在哺乳动物胞饮作用和吞噬作用的区别特征
物质
胞吞泡的大小
转运方式
胞吞泡形成机制
胞饮作用
溶液
小于150nm
连续的过程
网格蛋白和接合素蛋白
吞噬作用
大颗粒
大于250nm
受体介导的信号触发过程
微丝和结合蛋白
中，具有极强的吞噬能力，以保护机体免受异物侵害。
网格蛋白有被小泡 Clathrin coated vesicle
Clathrin：由3个重链和3个轻链组成，形成一个具有3个曲臂的形状。许多笼形蛋白的曲臂部分交织在一起，形成具有5边形网孔的笼子。
衔接蛋白(adaptin)：介于笼形蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。目前至少发现4种，分别结合不同类型的受体，形成不同性质的转运小泡。
Clathrin衣被小泡的掐断过程:当笼形蛋白衣被小泡形成时，可溶性蛋白dynamin聚集成一圈围绕在芽的颈部，将小泡柄部的膜尽可能地拉近（小于1.5nm），从而导致膜融合，掐断（pinch off）衣被小泡。
1.3.2 Receptor mediated endocytosis,RME
细胞的内吞可分为两类，批量内吞（Bulk-phase endocytosis）和受体介导的内吞(Receptor mediated endocytosis,RME)，批量内吞是非特异性的摄入细胞外物质，如培养细胞摄入辣根过氧化物酶。细胞表面的内陷（caveolae）是发生非特异性内吞的部位。
受体介导的内吞作用是一种选择浓缩机制 Selective concentrating mechanism，既可保证细胞大量地摄入特定的大分子，同时又避免了吸入细胞外大量的液体。低密脂蛋白、运铁蛋白、生长因子、胰岛素等蛋白类激素、糖蛋白等，都是通过受体介导的内吞作用进行的。
衣被小窝（coated pits）是质膜向内凹陷的部位，约占肝细胞和成纤维细胞膜表面积的2%。受体大量集中于此处，凹陷的胞质侧具有大量的笼形蛋白和衔接蛋白，类似的结构也存在于高尔基体的TGN区。受体在衣被小窝处的集中与是否结合配体无关。衣被小窝就相当一个分子过滤器（molecular filter），帮助细胞获取所需要的大分子物质。
运输小泡的衣被中，除笼形蛋白外，还有衔接蛋白（adaptin）。它介于笼形蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。衔接蛋白存在有不同的种类，可分别结合不同类型的受体。
跨膜受体蛋白的胞质端有一个由4个氨基酸残基组成的序列（Tyr-X-X-Φ），此序列是发生内吞作用的信号，X表示任何一种氨基酸，Φ为分子较大的疏水氨基酸，如Phe、Leu、Met等，衔接蛋白对此序列有识别能力。
受体同配体结合后启动内化作用，笼形蛋白开始组装。在dynamin的作用下掐断后形成衣被小泡（coated vesicles）。衣被小泡进入胞质后，衣被蛋白随即脱去，分子返回到质膜下方，重又参与形成新的衣被小泡。其过程和高尔基体的TGN区形成溶酶体小泡的过程相似。
LDL的吸收：
胆固醇主要在肝细胞中合成，随后与磷脂和蛋白质形成低密脂蛋白（low-density lipoproteins，LDL），释放到血液中。LDL颗粒的质量为3X106Da，直径20~30nm，芯部含有大约1500个胆固醇分子，这些胆固醇分子被酯化成长链脂肪酸。芯部周围由一脂单层包围，脂单层包含磷脂分子和未酯化的胆固醇以及一个非常大的单链糖蛋白质 (apolipoprotein B-100)，这个蛋白质分子可以和靶膜上的受体结合。
过程：
当细胞进行膜合成需要胆固醇时，细胞即合成LDL跨膜受体蛋白，并将其嵌插到质膜中。受体与LDL颗粒结合后，形成衣被小泡；进入细胞质的衣被小泡随即脱掉笼形蛋白衣被，成为平滑小泡，同早期内体融合，内体中PH值低，使受体与LDL颗粒分离；再经晚期内体将LDL送人溶酶体。在溶酶体中，LDL颗粒中的胆固醇酯被水解成游离的胆固醇而被利用。
细胞对胆固醇的利用具有调节能力，当细胞中的胆固醇积累过多时，细胞即停止合成自身的胆固醇，同时也关闭了LDL受体蛋白的合成途径，暂停吸收外来的胆固醇。有的人因为LDL受体蛋白编码的基因有遗传缺陷，造成血液中胆固醇含量过高，因而会过早地患动脉粥样硬化症（atherosclerosis），这种人往往因易患冠心病而英年早逝。
在受体介导的内吞作用过程中，不同类型的受体具有不同的胞内体分选途径：①大部分受体返回它们原来的质膜结构域，如LDL受体又循环到质膜再利用；②有些受体不能再循环而是最后进入溶酶体，在那里被消化，如与表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）结合的细胞表面受体，大部分在溶酶体被降解，从而导致细胞表面EGF受体浓度降低，称为受体下行调节（receptor down-regulation）；③有些受体被运至质膜不同的结构域，该过程称作穿胞运输（transcytosis）。在具有极性的上皮细胞，这是一种将内吞作用与外排作用相结合的物质跨膜转运方式，即转运的物质通过内吞作用从上皮细胞的一侧被摄人细胞，再通过外排作用从细胞的另一侧输出。如母鼠的抗体从血液通过上皮细胞进入母乳中，乳鼠肠上皮细胞将抗体摄人体内，都是通过跨细胞的转运完成的。
受体回收途径：
在受体介导的内吞作用过程中，不同类型的受体具有不同的胞内体分选途径：①大部分受体返回它们原来的质膜结构域，如LDL受体又循环到质膜再利用；②有些受体不能再循环而是最后进入溶酶体，在那里被消化，如与表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）结合的细胞表面受体，大部分在溶酶体被降解，从而导致细胞表面EGF受体浓度降低，称为受体下行调节（receptor down-regulation）；③有些受体被运至质膜不同的结构域，该过程称作穿胞运输（transcytosis）。在具有极性的上皮细胞，这是一种将内吞作用与外排作用相结合的物质跨膜转运方式，即转运的物质通过内吞作用从上皮细胞的一侧被摄人细胞，再通过外排作用从细胞的另一侧输出。如母鼠的抗体从血液通过上皮细胞进入母乳中，乳鼠肠上皮细胞将抗体摄人体内，都是通过跨细胞的转运完成的。
1.3.3 Exocytosis
与细胞的内吞作用相反，外排作用是将细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。
组成型的外排途径（constitutive exocytosis pathway）：所有真核细胞都有从高尔基体TGN区分泌囊泡向质膜运输的过程，其作用在于更新膜蛋白和膜脂、形成质膜外周蛋白、细胞外基质、或作为营养成分和信号分子。
调节型外排途径（regulated exocytosis pathway）：分泌细胞产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。调节型的外排途径存在于特化的分泌细胞。其蛋白分选信号存在于蛋白本身，由高尔基体TGN上特殊的受体选择性地包装为运输小泡。
组成型的外排途径通过default pathway完成蛋白质的转运过程。在粗面内质网中合成的蛋白质除了某些有特殊标志的蛋白驻留在ER或高尔基体中或选择性地进入溶酶体和调节性分泌泡外，其余的蛋白均沿着粗面内质网→高尔基体→分泌泡→细胞表面这一途径完成其转运过程。
2 Cell Communication
生命与非生命物质最显著的区别在于生命是一个完整的自然的信息处理系统。一方面生物信息系统的存在使有机体得以适应其内外部环境的变化，维持个体的生存；另一方面信息物质如核酸和蛋白质信息在不同世代间传递维持了种族的延续。生命现象是信息在同一或不同时空传递的现象，生命的进化实质上就是信息系统的进化。
单细胞生物通过反馈调节，适应环境的变化。多细胞生物则是由各种细胞组成的细胞社会，除了反馈调节外，更有赖于细胞间的通讯与信号传导，以协调不同细胞的行为，如：①调节代谢，通过对代谢相关酶活性的调节，控制细胞的物质和能量代谢；②实现细胞功能，如肌肉的收缩和舒张，腺体分泌物的释放； ③调节细胞周期，使DNA复制相关的基因表达，细胞进入分裂和增殖阶段； ④控制细胞分化，使基因有选择性地表达，细胞不可逆地分化为有特定功能的成熟细胞； ⑤影响细胞的存活
2.1 Basic Conceptions
2.1.1 Cell communication
细胞通讯(cell communication)是指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。细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长和分裂是必须的。
一般以三种方式进行通讯：
B、 通过分泌化学信息进行相互通讯；
C、 细胞间接触性依赖的通讯（细胞直接接触，通过与质膜结合的信号分子影响其他细胞）
D、 通过细胞间隙连接的细胞通讯。
（一） By Gap Junction：是细胞间的直接通讯方式。两个相邻的细胞以连接子（connexon）相联系。连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道。允许小分子物质如Ca2+、cAMP通过，有助于相邻同型细胞对外界信号的协同反应，如可兴奋细胞的电耦联现象。
（二） Contact-dependent Signaling
依赖细胞间的直接接触，通过与质膜结合的信号分子影响其他细胞。
是指细胞通过其表面信号分子（受体）与另一细胞表面的信号分子（配体）选择性地相互作用，最终产生细胞应答的过程，即细胞识别（cell recognition）。可分为：①同种同类细胞间的识别，如胚胎分化过程中神经细胞对周围细胞的识别，输血和植皮引起的反应可以看作同种同类不同来源细胞间的识别；②同种异类细胞间的识别，如精子和卵子之间的识别，T与B淋巴细胞间的识别；③异种异类细胞间的识别，如病原体对宿主细胞的识别，④异种同类细胞间的识别，仅见于实验条件下。
（三 ）By Secreted Signal Molecule
化学通讯是间接的细胞通讯，指细胞分泌一些化学物质（如激素）至细胞外，作为信号分子作用于靶细胞，调节其功能。根据化学信号分子可以作用的距离范围，可分为以下4类：
1.?内分泌（endocrine）：内分泌细胞分泌的激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。其特点是：①低浓度，仅为10-8-10-12M；②全身性，随血液流经全身，但只能与特定的受体结合而发挥作用；③长时效，激素产生后经过漫长的运送过程才起作用，而且血流中微量的激素就足以维持长久的作用。
2.旁分泌（paracrine）：细胞分泌的信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。包括：①各类细胞因子；②气体信号分子（如：NO）
3.突触信号发放：神经递质（如乙酰胆碱）由突触前膜释放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。
4.自分泌（autocrine）：与上述三类不同的是，信号发放细胞和靶细胞为同类或同一细胞，常见于癌变细胞。如：大肠癌细胞可自分泌产生胃泌素，介导调节c-myc、c-fos和ras p21等癌基因表达，从而促进癌细胞的增殖。
2.1.2 Cell Recognition
细胞识别(cell recognition)是指细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（或配基）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。可见细胞识别是细胞通讯的一个重要环节。
细胞识别 （cell recognition）指细胞对同种或异种细胞、同源或异源细胞以及对自己和异己分子的认识和鉴别。
多细胞生物有机体中有3种识别系统：抗原一抗体的识别，酶与底物的识别，细胞间的识别。第三类包括通过细胞表面受体与胞外信号分子的选择性相互作用，从而导致一系列的生理生化反应的信号传递。无论是哪一种识别系统，都有一个共同的基本特性，就是具有选择性，或是说具有特异性。
细胞识别是细胞发育和分化过程中一个十分重要的环节，细胞通过识别和部着形成不同类型的组织，由于不同组织的功能是不同的，所以识别本身就意味着选择。
识别反应细胞识别引起的细胞反应，大致有3种类型：内吞、细胞粘着和信号反应。
红细胞衰老并被脾脏细胞吞噬是细胞识别后引起吞噬反应的典型例子。红细胞膜中糖脂的糖基除了与血型有关外，还决定着红细胞的寿命。血型糖蛋白含有大量的唾液酸，糖链末端唾液酸的存在状况与红细胞的寿命相关，可作为被吞噬的信号。红细胞寿命一般为3～4个月，然后在脾脏中被吞噬。用唾液酸酶处理分离的红细胞，除去红细胞中的唾液酸，然后将这种红细胞更新注入到原来的动物体内，发现注入的红细胞很快在脾脏中被吞噬，而没有除去唾液酸的正常的红细胞则相安无事。究其原因，当唾液酸被除去之后，暴露出的半乳糖残基可能是红细胞衰老的标记被脾脏细胞识别，并将之吞噬，这个例子既说明了细胞识别后的反应，又说明了糖在识别过程中的作用。
识别后的第二种反应则是发生粘着，包括细胞同细胞外基质的粘着以及细胞与细胞的动着。进一步发展就成为细胞连接。
识别后的第三种反应就是引起信号转导，发生一系列的生理生化反应，使细胞更好地适应环境。
细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的。
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。
2.1.3 Signal Molecule
从化学性质来看：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）以及氨基酸、核苷酸、脂类和胆固醇衍生物等等
特点：①特异性；②高效性；③可被灭活。
脂溶性信号分子（如甾类激素和甲状腺素）可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。
水溶性信号分子（如神经递质）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，所以这类信号分子又称为第一信使（primary messenger）。
生物细胞所接受的信号既可以使物理信号（光、热、电流），也可以是化学信号，但是在有机体间和细胞间的通讯中最广泛的信号是化学信号。
从化学结构来看细胞信号分子包括：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）以及氨基酸、核苷酸、脂类和胆固醇衍生物等等，其共同特点是：①特异性，只能与特定的受体结合；②高效性，几个分子即可发生明显的生物学效应，这一特性有赖于细胞的信号逐级放大系统；③可被灭活，完成信息传递后可被降解或修饰而失去活性，保证信息传递的完整性和细胞免于疲劳。
从产生和作用方式来看可分为内分泌激素、神经递质、局部化学介导因子和气体分子等四类。
从溶解性来看又可分为脂溶性和水溶性两类。脂溶性信号分子，如甾类激素和甲状腺素，可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。水溶性信号分子，如神经递质、细胞因子和水溶性激素，不能穿过靶细胞膜，只能与膜受体结合，经信号转换机制，通过胞内信使（如cAMP）或激活膜受体的激酶活性（如受体酪氨酸激酶），引起细胞的应答反应。所以这类信号分子又称为第一信使（primary messenger），而cAMP这样的胞内信号分子被称为第二信使（secondary messenger）。目前公认的第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG），Ca2+被称为第三信使是因为其释放有赖于第二信使。第二信使的作用是对胞外信号起转换和放大的作用。
2.1.4 Ligand & Receptor
Receptor广义：意指任何能够同激素、神经递质、药物或细胞内的信号分子结合并能引起细胞功能变化的生物大分子。
Ligand：在细胞通讯中,由信号传导细胞送出的信号分子必须被靶细胞接收才能触发靶细胞的应答,此时的信号分子被称为配体(ligand)，接收信息的分子称为受体。
Receptor:能够识别和选择性结合配体（signal molecule）的大分子，当与配体结合后，通过信号转导（Signal Transduction）作用将细胞外信号转换为细胞内的物理和化学信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。
在细胞通讯中,由信号传导细胞送出的信号分子必须被靶细胞接收才能触发靶细胞的应答,接收信息的分子称为受体,此时的信号分子被称为配体(ligand)。在细胞通讯中受体通常是指位于细胞膜表面或细胞内与信号分子结合的蛋白质。
受体（receptor）是一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，一般至少包括两个功能区域，与配体结合的区域和产生效应的区域，当受体与配体结合后，构象改变而产生活性，启动一系列过程，最终表现为生物学效应。受体与配体间的作用具有三个主要特征：①特异性；②饱和性；③高度的亲和力。
根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为细胞内受体（intracellular receptor）和细胞表面受体。细胞内受体介导亲脂性信号分子的信息传递，如胞内的甾体类激素受体。细胞表面受体介导亲水性信号分子的信息传递，可分为：①离子通道型受体、②G蛋白耦联型受体和③酶耦联型受体。
每一种细胞都有其独特的受体和信号转导系统，细胞对信号的反应不仅取决于其受体的特异性，而且与细胞的固有特征有关。有时相同的信号可产生不同的效应，如Ach可引起骨骼肌收缩、降低心肌收缩频率，引起唾腺细胞分泌。有时不同信号产生相同的效应，如肾上腺素、胰高血糖素，都能促进肝糖原降解而升高血糖。
细胞持续处于信号分子刺激下的时候，细胞通过多种途径使受体钝化，产生适应。如：
①修饰或改变受体，如磷酸化，使受体与下游蛋白隔离，即受体失活(receptor inactivation)。
②暂时将受体移到细胞内部，即受体隐蔽（receptor sequestration）
③通过内吞作用，将受体转移到溶酶体中降解，即受体下行调节（receptor down-regulation）
2.1.5 Second Messenger & Molecular Switches
Second Messenger
第二信使学说（second messenger theory）由Sutherland于70年代提出，并因此而获得诺贝尔奖。
Second Messenger：细胞外信号分子与受体作用后在胞内最早产生的信号分子称为第二信使。
至少有两个基本特性,①是第一信使同其受体结合后最早在细胞膜内侧或胞浆中出现、仅在细胞内部起作用的信号分子；②能启动或调节细胞内稍晚出现的反应信号应答。
第二信使都是小的分子或离子。细胞内有五种最重要的第二信使:cAMP、cGMP、1,2-二酰甘油(diacylglycerol,DAG)、1,4,5-三磷酸肌醇(inosositol 1,4,5-trisphosphate,IP3)、Ca2+ 等。
第二信使在细胞信号转导中起重要作用，它们能够激活级联系统中酶的活性,以及非酶蛋白的活性。第二信使在细胞内的浓度受第一信使的调节,它可以瞬间升高、且能快速降低,并由此调节细胞内代谢系统的酶活性,控制细胞的生命活动,包括:葡萄糖的摄取和利用、脂肪的储存和移动以及细胞产物的分泌。第二信使也控制着细胞的增殖、分化和生存,并参与基因转录的调节。
cAMP是如何发现的?科学家是如何证明腺苷酸环化酶在信号转导中的作用?
答,1957年Earl Sutherland 及其同事们在研究狗肝组织中糖原是如何断裂时发现了cAMP，这是代谢研究的一个重要里程碑。Sutherland 和他的同事们利用离体系统研究激素的生理反应,经过多次努力后,他们发现胰高血糖素或肾上腺素与细胞一起温育能够激活磷酸化酶。破碎细胞并经离心分离后,分别收集颗粒和溶液,发现磷酸化酶只存在于上清液中；但是,如果要对激素作出应答,颗粒是必不可少的。后来的实验表明,对激素的应答至少涉及两个不同的过程。如果分离肝的匀浆液中的颗粒部分,并将分离的颗粒与激素一起温育,然后将与激素温育过的颗粒添加到上清液中,发现有某种物质的产生,这种物质能够激活磷酸化酶。
Sutherland 鉴定了从膜颗粒中释放出的物质是一种小分子的环状单磷酸腺苷,即cAMP。由于cAMP是激素作用膜受体后释放出来的,并且能激活磷酸化酶的活性,所以cAMP被称为第二信使。
虽然cAMP是第一信使作用于膜颗粒后产生的第二信使,至于cAMP是如何产生的却有几种推测。最简单的推测是与激素结合的受体本身就有催化ATP生成cAMP的能力,即cAMP是受体催化的。如此解释,就同G蛋白和腺苷酸酸环化酶毫无关系了。
为了证明cAMP的产生与第一信使及G蛋白偶联受体膜机器的三个成员密切相关,科学家们进行了一系列实验获得了证据，证明它们是独立的三个成员，共同完成信号转导。
Joseph Orly 和Micheal Schramm通过细胞融合实验首先证明了受体与腺苷酸环化酶是不同的两种蛋白。用于融合实验的两个细胞中一个是带有肾上腺激素受体但缺少腺苷酸环化酶的红细胞，另一个是带有腺苷酸环化酶但缺少肾上腺激素受体的肿瘤细胞。细胞融合以后，加入肾上腺激素能够产生cAMP，而在未融合的细胞中加入肾上腺激素则不会有cAMP的产生。
虽然证明了激素受体和腺苷酸环化酶是两个独立的成员，但是，同受体结合的激素又是如何激活腺苷酸环化酶? 最早是通过一种称为cyc�突变的肿瘤细胞系发现GTP能够增强激素对腺苷酸环化酶的激发作用。这种突变细胞具有正常的腺苷酸环化酶和肾上腺激素受体，但是用肾上腺素处理不能促进cAMP的生成。如果在该细胞培养基中加入从正常细胞分离的G蛋白,就能够恢复对cAMP合成的激发作用。由于这种G蛋白能促进(stimulating) cAMP的合成，故称之称为Gs。
上述实验结果令人信服地证明该系统中三个成员的存在和各自独立的作用。
Molecular Switches
分子开关（molecular switches） 在细胞内一系列信号传递的级联反应中，必须有正、负两种相反相成的反馈机制进行精确控制，即对每一步反应既要求有激活机制又必然要求有相应的失活机制。
A:磷酸化或去磷酸化开关 B:GTP或GDP结合开关
2.2 Signaling by Intracellular receptor
与细胞内受体结合的信号分子的主要代表是大部分亲脂性信号分子，eg：甾类激素、甲状腺激素、维甲酸和维生素D等通过简单扩散即可跨越细胞质膜进入细胞，与细胞质或细胞核中的受体结合。
受体与配体结合形成复合物，导致受体蛋白构象变化，暴露了受体于基因DNA调节序列结合的部位，配体－受体复合物进入细胞核，与基因调节序列结合，从而调节基因的表达。
2.2.1 甾类激素及其受体细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白。在细胞内，受体与抑制性蛋白（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化状态。配体（如皮质醇）与受体结合，将导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，从而使受体暴露出DNA结合位点而被激活。
这类受体一般都有三个结构域：位于C端的激素结合位点，位于中部富含Cys、具有锌指结构的DNA或Hsp90结合位点，以及位于N端的转录激活结构域。
甾类激素分子是化学结构相似的亲脂性小分子，分子相对质量为300Da左右，可以通过简单扩散跨越质膜进入细胞内。每种类型的甾类激素与细胞质内各自的受体蛋白结合，形成激素-受体复合物，并能穿过核孔进入细胞核内，激素和受体的结合导致受体蛋白构象的改变，提高了受体与DNA的结合能力，激活的受体通过结合于特异的DNA序列调节基因表达。
受体与DNA序列的结合已得到实验证实，结合序列是受体依赖的转录增强子，这种结合可增加某些相邻基因的转录水平。
甾类激素诱导的基因活化分为两个阶段：①直接活化少数特殊基因转录的初级反应阶段，发生迅速；②初级反应的基因产物再活化其他基因产生延迟的次级反应，对初级反应起放大作用。如果蝇注射蜕皮激素后仅5～10min便可诱导唾腺染色体上6个部位的RNA转录，再过一段时间至少有100个部位合成RNA，致使大量合成次级反应所特有的蛋白质产物。这类激素作用通常表现为如影响细胞分化等长期的生物学效应。
甲状腺素和雌激素也是亲脂性小分子，其受体位于细胞核内，作用机理与甾类激素相同。也有个别的亲脂性小分子，如前列腺素，其受体在细胞膜上。
2.2.2 NO 及其受体
NO可快速扩散透过细胞膜，作用于邻近细胞。
血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，NO的生成由一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）催化，以L精氨酸为底物，以NADPH作为电子供体，生成NO和L瓜氨酸。
NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上NO的多少直接与NO的合成有关。
NO是另一种可进入细胞内部的信号分子，能快速透过细胞膜，作用于邻近细胞。R．Furchgott等三位美国科学家因发现NO作为信号分子而获得1998年诺贝尔医学与生理学奖。
血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，NO的生成由一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）催化，以L精氨酸为底物，以还原型辅酶Ⅱ（NADPH）作为电子供体，生成NO和L瓜氨酸。NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上NO的多少直接与NO的合成有关。
NO作用机理,? 乙酰胆碱→血管内皮→Ca2+浓度升高→一氧化氮合酶→NO→平滑肌细胞→鸟苷酸环化酶→cGMP→血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降→平滑肌舒张→血管扩张、血流通畅。
硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量。
血管内皮细胞接受乙酰胆碱，引起胞内Ca2+浓度升高，激活一氧化氮合酶，细胞释放NO，NO扩散进入平滑肌细胞，与胞质鸟苷酸环化酶（GTP-cyclase，GC）活性中心的Fe2＋结合，改变酶的构象，导致酶活性的增强和cGMP合成增多。cGMP可降低血管平滑肌中的Ca2+离子浓度。引起血管平滑肌的舒张，血管扩张、血流通畅。
1998年R．Furchgott等三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖。
2.3 Signaling by Cell-surface receptor
亲水性化学信号分子（包括神经递质、蛋白激素、生长因子等）不能直接进入细胞，只能通过膜表面的特异受体传递信号，使靶细胞产生效应。
概念区分：
信号传导（cell signaling）：细胞释放信号分子，将信息传递给其它细胞。强调信号的产生、分泌与传送,即信号分子从合成的细胞中释放出来,然后进行传递。
信号转导（signal transduction）,指外界信号（如光、电、化学分子）作用于细胞表面受体，引起胞内信使的浓度变化，进而导致细胞应答反应的一系列过程。
膜表面受体主要有三类：①离子通道型受体（ion-channel-linked receptor）；②G蛋白耦联型受体（G-protein-linked receptor）；③酶耦联的受体（enzyme-linked receptor）。第一类存在于可兴奋细胞。后两类存在于大多数细胞，在信号转导的早期表现为激酶级联（kinase cascade）事件，即为一系列蛋白质的逐级磷酸化，籍此使信号逐级传送和放大。
2.3.1 Ion-channel-linked Receptor
受体本身为离子通道,即配体门通道（ ligand-gated channel）。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。
有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性。
离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体，即配体门通道（ligand-gated channel）。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。
神经递质通过与受体的结合而改变通道蛋白的构象，导致离子通道的开启或关闭，改变质膜的离子通透性，在瞬间将胞外化学信号转换为电信号，继而改变突触后细胞的兴奋性。如：乙酰胆碱受体以三种构象存在，两分子乙酰胆碱的结合可以使之处于通道开放构象，但该受体处于通道开放构象状态的时限仍十分短暂，在几十毫微秒内又回到关闭状态。然后乙酰胆碱与之解离，受体则恢复到初始状态，做好重新接受配体的准备。
离子通道型受体分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸的受体。
2.3.2 G-protein-linked receptor
配体－受体复合物与靶细胞的作用要通过与G蛋白的偶联，在细胞内产生第二信使，从而将细胞外信号跨膜传递到胞内以影响细胞的行为。
配体与受体结导致使受体构象改变，使受体与G蛋白结合共同活化细胞膜上的靶蛋白（酶或离子通道）。离子通道通过改变质膜对离子的通透性，酶通过影响胞内底物及其他蛋白来影响细胞的行为,cAMP和磷脂酰肌醇信号通路的受体即属于此类。
三聚体GTP结合调节蛋白（trimeric GTP-binding regulatory protein）简称G蛋白，位于质膜胞质侧，由α、β、γ三个亚基组成，α 和γ亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上，G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，当α亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态，α亚基具有GTP酶活性，能催化所结合的ATP水解，恢复无活性的三聚体状态，其GTP酶的活性能被RGS（regulator of G protein signaling）增强。RGS也属于GAP（GTPase activating protein）。
G-protein-linked receptor /G蛋白耦联受体,G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白，受体胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与G蛋白耦联。通过与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。G蛋白耦联型受体包括多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体，在味觉、视觉和嗅觉中接受外源理化因素的受体亦属G蛋白耦联型受体。
由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。
2.3.2.1 cAMP Signaling Pathway
在cAMP信号途径中，细胞外信号与相应受体结合，调节腺苷酸环化酶活性，通过第二信使cAMP水平的变化，将细胞外信号转变为细胞内信号。
1、cAMP信号的组分
①,激活型激素受体（Rs）或抑制型激素受体（Ri）；
激活型配体：如，肾上腺素、胰高血糖素、促肾上腺皮质激素抑制型配体：PGE1、腺苷
②,活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）；
③,腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase）：是相对分子量为150KD的糖蛋白，跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP。
Gs调节模型当细胞没有受到激素刺激，Gs处于非活化态，α亚基与GDP结合，此时腺苷酸环化酶没有活性；当激素配体与Rs结合后，导致Rs构象改变，暴露出与Gs结合的位点，使激素-受体复合物与Gs结合，Gs的α亚基构象改变，从而排斥GDP，结合GTP而活化，使三聚体Gs蛋白解离出α亚基和βγ基复合物，并暴露出α亚基与腺苷酸环化酶的结合位点；结合GTP的α亚基与腺苷酸环化酶结合，使之活化，并将ATP转化为cAMP。随着GTP的水解α亚基恢复原来的构象并导致与腺苷酸环化酶解离，终止腺苷酸环化酶的活化作用。α亚基与βγ亚基重新结合，使细胞回复到静止状态。
活化的βγ亚基复合物也可直接激活胞内靶分子，具有传递信号的功能，如心肌细胞中G蛋白耦联受体在结合乙酰胆碱刺激下，活化的βγ亚基复合物能开启质膜上的K+通道，改变心肌细胞的膜电位。此外βγ亚基复合物也能与膜上的效应酶结合，对结合GTP的α亚基起协同或拮抗作用。
Gi调节模型
Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过两个途径：①通过α亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；②通过βγ亚基复合物与游离Gs的α亚基结合，阻断Gs的α亚基对腺苷酸环化酶的活化。
细菌毒素对G蛋白的修饰作用:
霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上，致使α亚基丧失GTP酶的活性，结果GTP永久结合在Gs的α亚基上，使α亚基处于持续活化状态，腺苷酸环化酶永久性活化。导致霍乱病患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。
百日咳毒素催化Gi的α亚基ADP-核糖基化，结果降低了GTP与Gi的α亚基结合的水平，使Gi的α亚基不能活化，从而阻断了Ri受体对腺苷酸环化酶的抑制作用，但尚不能解释百日咳症状与这种作用机理有关。
④,蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成，在没有cAMP时，以钝化复合体形式存在。cAMP与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基。活化的蛋白激酶A催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性，进一步影响到相关基因的表达。
cAMP信号途径又称PKA系统，是蛋白激酶A系统的简称(protein kinase A system,PKA)；
⑤.环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase）：可降解cAMP生成5‘-AMP，起终止信号的作用。
cAMP信号途径可表示为：
不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同，在肌肉细胞1秒钟之内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原的合成。在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA 进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE（cAMP response element ）是DNA上的调节区域。
A、快速应答:– 激素→ G蛋白耦联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP– →依赖cAMP的蛋白激酶A→磷酸化级联反应激活靶酶→细胞应答。
– 在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。
反应伊始,胰高血糖素或肾上腺素同受体结合,通过G蛋白激活腺苷酸环化酶,激活的腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP,cAMP扩散进入细胞质。在细胞质中cAMP同蛋白激酶A的调节亚基的别构部位(allsoteric site)结合,将蛋白激酶A激活。在肝细胞中,激活的PKA有很多作用底物,包括磷酸化酶激酶和糖原合成酶。糖原合成酶的磷酸化抑制了酶的催化活性,阻止了由葡萄糖合成糖原。与此相反,磷酸化酶激酶通过磷酸化激活自身的酶活性,从而催化磷酸化酶的磷酸化(将磷酸基团加到磷酸化酶特异的苏氨酸残基上)。被激活的磷酸化酶可将糖原磷酸化而分解成1-磷酸葡萄糖,最后生成葡萄糖进入血液循环。
B、慢速应答:– 激素→ G蛋白耦联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→基因调控蛋白磷酸化→基因转录→细胞应答。
在某些分泌细胞，需要几个小时,激活的PKA 进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。cAMP activate protein kinase A,which phosphorylate CREB
（CRE binding protein ）protein and initiate gene transcription.
CRE is cAMP response element in DNA.
2.3.2.2 Phosphatidyinositol /PI Signaling Pathway
在磷脂酰肌醇信号通路中胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-β），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）两个第二信使，胞外信号转换为胞内信号，这一信号系统又称为“双信使系统”（double messenger system）。
IP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca2+浓度升高。激活各类依赖钙离子的蛋白。用Ca2+载体离子霉素（ionomycin）处理细胞会产生类似的结果。
DG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（Protein Kinase C，PKC）。PKC以非活性形式分布于细胞溶质中，当细胞接受刺激，产生IP3，使Ca2+浓度升高，PKC便转位到质膜内表面，被DG活化，PKC可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化是不同的细胞产生不同的反应，如细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等。DG的作用可用佛波醇酯（phorbol ester）模拟。
Ca2+活化各种Ca2+结合蛋白引起细胞反应，钙调素（calmodulin，CaM）由单一肽链构成，具有四个钙离子结合部位。结合钙离子发生构象改变，可激活钙调素依赖性激酶（CaM-Kinase）。细胞对Ca2+的反应取决于细胞内钙结合蛋白和钙调素依赖性激酶的种类。如：在哺乳类脑神经元突触处钙调素依赖性激酶Ⅱ十分丰富，与记忆形成有关。该蛋白发生点突变的小鼠表现出明显的记忆无能。
钙调蛋白（calmodulin，CaM）可结合钙离子将靶蛋白（如：CaM-Kinase）活化。
蛋白激酶C/PKC:位于细胞质，Ca2+浓度升高时，PKC转位到质膜内表面，被DG活化，PKC属蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶。
IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2，或被磷酸化形成IP4。Ca2+由质膜上的Ca2+泵和Na+-Ca2+交换器将抽出细胞，或由内质网膜上的钙泵抽进内质网。
DG通过两种途径终止其信使作用：一是被DG-激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油。由于DG代谢周期很短，不可能长期维持PKC活性，而细胞增殖或分化行为的变化又要求PKC长期活性所产生的效应。现发现另一种DG生成途径，即由磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生的DG，用来维持PKC的长期效应。
DAG信号的解除
DAG只是由PIP2水解得到的暂时性产物,寿命只有几秒钟,靠两种方式进行降解:①被DAG磷酸激酶磷酸化,生成磷脂酸(PA),随后PA被CTP磷酸化为CMP-磷脂酸,再与肌醇作用合成磷脂肌醇(PI)。②DAG被DAG酯酶水解生成单脂酰甘油,再进一步水解成游离的多不饱和脂肪酸和花生四烯酸甘油,花生四烯酸甘油再被氧化成许多生物活性代谢物,如前列腺素、白三烯等。从细胞中释放出来的这些生物活性代谢物可作用于自身或邻近细胞上的受体,引起细胞应答。
①IP3被水解,即IP3在5'-磷酸酶的作用下,水解为I(1,4)P2,并且进一步水解成肌醇。5'磷酸酶是一种膜结合的酶。②在胞浆的肌醇磷酸脂3-激酶的作用下,IP3被ATP磷酸化生成肌醇-1,3,4,5-四磷酸(inositol-1,3,4,5-tetraphosphate,IP4),然后被水解成无活性的肌醇-1,3,4-三磷酸(inositol-1,3,4-trisphosphate)从而解除IP3的作用。
线粒体膜上也有Ca2+转运蛋白,在Ca2+信号的解除中有作用吗?
虽然线粒体也是细胞的Ca2+库,线粒体膜上也有Ca2+转运蛋白并能将细胞质中的Ca2+转运到线粒体基质。但是,线粒体Ca2+运输蛋白与Ca2+的亲和力很低,常在5～10μmol/L时才能显示出对Ca2+的运输能力,所以在终止细胞中Ca2+的信号作用方面,线粒体只是起辅助作用,因为只有在细胞内的Ca2+浓度很高时，线粒体膜的Ca2+转运蛋白才起作用。
Addition:其它G蛋白偶联型受体
1．化学感受器中的G蛋白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 channel），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。
2．视觉感受器中的G蛋白黑暗条件下视杆细胞(或视锥细胞)中cGMP浓度较高，cGMP门控钠离子通道开放，钠离子内流，引起膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。
视紫红质（rhodopsin,Rh）为7次跨膜蛋白，含一个11顺-视黄醛。是视觉感受器中的G蛋白偶联型受体，光照使Rh视黄醛的构象变为反式，Rh分解为视黄醛和视蛋白（opsin），构象改变的视蛋白激活G蛋白（transducin,Gt），G蛋白激活cGMP磷酸二酯酶，将细胞中的cGMP水解。从而关闭钠通道，引起细胞超极化，产生视觉。可见胞内cGMP水平下降的负效应信号起传递光刺激的作用。
视觉感受器的换能反映可表述为：
光信号→Rh激活→Gt活化→cGMP磷酸二酯酶激活→胞内cGMP减少→Na+离子通道关闭→离子浓度下降→膜超极化→神经递质释放减少→视觉反应。
2.3.3 Enzyme-linked receptor
分为两种情况：
– 本身具有激酶活性，如EGF，PDGF，CSF等的受体；
– 本身没有酶活性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。
》至少五类：①受体酪氨酸激酶、②受体丝氨酸/苏氨酸激酶、③受体酪氨酸磷脂酶、④ 酪氨酸激酶连接的受体、⑤受体鸟苷酸环化酶。
与G蛋白偶联受体相比，酶联受体信号转导的反应比较慢(通常要几小时)，并且需要许多细胞内的转换步骤。这类受体的共同点是：①通常为单次跨膜蛋白；②接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。
2.3.3.1 RTKs / Receptor Tyrosine Kinases
酪氨酸激酶分三大类：
①胞质酪氨酸激酶：如Src、Tec、ZAP70、JAK；
②核内酪氨酸激酶：如：Abl、Wee；
③受体酪氨酸激酶（RTKs）,为单次跨膜蛋白，配体（如EGF） 与受体结合。导致二聚化，二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基。
已发现50多种不同的RTKs，主要的几种类型包括,表皮生长因子受体、血小板生长因子受体、胰岛素和胰岛素样生长因子-1 受体等。
结构特点:有的RTKs都是由三个部分组成的:含有配体结合位点的细胞外结构域、单次跨膜的疏水α螺旋区、含有酪氨酸蛋白激酶(RTK)活性的细胞内结构域受体酪氨酸激酶的激活受体酪氨酸激酶的激活是一个相当复杂的过程，大多数受体都要先由两个单体形成一个二聚体，并在细胞内结构域的尾部磷酸化，然后在二聚体的细胞内结构域装配成一个信号转导复合物受体酪氨酸激酶（receptor protein tyrosine kinases，RPTKs）的胞外区是结合配体结构域，配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。胞内段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点。
配体（如EGF）在胞外与受体结合并引起构象变化，导致受体二聚化（dimerization）形成同源或异源二聚体，在二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性。这类受体主要有EGF、PDGF、FGF等受体酪氨酸激酶在没有同信号分子结合时是以单体存在的，并且没有活性;一旦有信号分子同细胞外结构域结合，两个单体受体分子在膜上形成二聚体，两个受体的细胞内结构域的尾部相互接触，激活它们的蛋白激酶的功能，结果使尾部的酪氨酸残基磷酸化。磷酸化导致受体细胞内结构域的尾部装配成一个信号复合物(signaling complex)。磷酸化的酪氨酸部位立即成为细胞内信号蛋白(signaling protein)的结合位点，可能有10～20种不同的细胞内信号蛋白同受体尾部磷酸化部位结合后被激活。信号复合物通过几种不同的信号转导途径,扩大信息，激活细胞内一系列的生化反应；或者将不同的信息综合起来引起细胞进行综合性的应答（如细胞增殖）。
信号分子间的识别结构域:
①SH2结构域（Src Homology 2 结构域）：介导信号分子与含磷酸酪氨酸蛋白分子(如：自磷酸化后的RTKs)的结合。
②SH3结构域（Src Homology 3 结构域）：介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子的结合。
受体酪氨酸激酶介导的信号途径主要有RTK-Ras途径、PI3K 途径、磷脂酰肌醇途径等。
RTK-Ras Signaling Pathway:
Ras Protein:Ras是大鼠肉瘤(rat sarcoma,Ras)的英文缩写。Ras蛋白是原癌基因c-ras的表达产物，系单体 GTP结合蛋白，具有弱的 GTP酶活性。其活性则是通过与GTP或GDP的结合进行调节，起分子开关的作用。
RTKs结合信号分子，形成二聚体，并发生自磷酸化，活化的RTK激活RAS，RAS引起蛋白激酶的磷酸化级联反应,最终产生细胞应答。
Ras蛋白要释放GDP，结合GTP的才能激活，GDP的释放需要鸟苷酸交换因子（GEF，如Sos）参与；Sos有SH3结构域，但没有SH2结构域，因此不能直接和受体结合，需要接头蛋白（如Grb2）的连接，接头蛋白通过SH2与受体的磷酸酪氨酸残基结合，再通过SH3与Sos结合，Sos与膜上的Ras接触，从而活化Ras。
Ras 的失活：Ras本身的GTP酶活性不强，需要GTP酶活化蛋白（GAP）的参与，使Ras结合的GTP水解而失活，GAP具有SH2结构域可直接与活化的受体结合。
Ras本身的GTP酶活性不强，需要GTP酶活化蛋白（GAP）的参与，使Ras结合的GTP水解而失活，GAP具有SH2结构域可直接与活化的受体结合。
Ras蛋白与Raf的N端结构域结合并使其激活，Raf是丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶（又称MAPKKK）
活化的Raf结合并磷酸化另一种蛋白激酶MAPKK，使其活化。
MAPKK又使MAPK的苏氨酸和酪氨酸残基使之激活。
MAPK为有丝分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK），属丝氨酸/苏氨酸残激酶。活化的MAPK进入细胞核，可使许多转录因子活化，如将Elk-1激活，促进c-fos，c-jun的表达。
RPTK-Ras信号通路可概括如下：
配体→RPTK→adaptor→GEF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→进入细胞核→转录因子→基因表达。
Addition:Ras 蛋白与恶性肿瘤
RTK-Ras信号通路的信号分子多为生长因子，即其最终的细胞应答反应多为刺激细胞增殖或控制细胞分化。研究表明30％的恶性肿瘤与ras基因（是原癌基因）突变有关，因为突变的Ras蛋白能够与GTP结合，但不能将其水解，所以Ras蛋白被组成型活化，被锁定在“活化”状态，引起细胞赘生性转化、增殖。
通过RTKs介导的信号通路还包括：PI3K途径、磷脂酰肌醇途径等。
2.3.3.2 Receptor Ser / Thr Kinases
配体是转化生长因子-βs。（transforming growth factor-βs，TGF-βs。）家族成员。包括TGF-β1-5。
依细胞类型不同，可抑制细胞增殖、刺激胞外基质合成、刺激骨骼的形成、通过趋化性吸引细胞、作为胚胎发育过程中的诱导信号等。
受体酪氨酸磷酯酶（receptor tyrosine phosphatases）为单次跨膜蛋白受体，受体胞内区具有蛋白酪氨酸磷酯酶的活性，胞外配体与受体结合激发该酶活性，使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，其作用是控制磷酸酪氨酸残基的寿命，使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基的水平。它的作用不是简单的与RPTK相反，可能与酪氨酸激酶一起协同工作，如参与细胞周期调控。白细胞表面的CD45属这类受体，对具体配体的尚不了解。
和酪氨酸激酶一样存在胞质酪氨酸磷酯酶。胞质酪氨酸磷酯酶胞内段具有两个SH结构域，称作SHP1和SHP2，通过SHP1可以与细胞因子受体连接，使Jak去磷酸化，SHP1结构域缺陷的老鼠，各类血细胞异常。说明胞质酪氨酸磷酯酶与血细胞分化有关。
2.3.3.3 Receptor tyrosine phosphatases
可以使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，其作用是控制磷酸酪氨酸残基的寿命，使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基的水平。
与酪氨酸激酶一起协同工作，如参与细胞周期调控。
白细胞表面的CD45属这类受体，对具体配体尚不了解。
和酪氨酸激酶一样存在胞质酪氨酸磷酯酶。
受体酪氨酸磷酯酶（receptor tyrosine phosphatases）是单次跨膜蛋白受体，受体胞内区具有蛋白酪氨酸磷酯酶的活性，胞外配体与受体结合激发该酶活性，使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，因而在静止的细胞内维持被磷酸化的酪氨酸残基水平很低。它的作用似乎与RPTK相反，不仅持续地逆转RPTK的效应，在细胞信号系统中发挥特殊的调节作用，而且在细胞周期调控中发挥重要作用。存在于白细胞表面的抗原CD45被认为是这类受体，对具体配体的了解不多。
2.3.3.4 Receptor guanylate cyclase
分布在肾和血管平滑肌细胞表面，配体为心房排钠肽（atrial natriuretic peptide，ANP）或BNP。
当血压升高时，心房肌细胞分泌ANP，促进肾细胞排水、排钠，同时导致血管平滑肌细胞松弛，结果使血压下降。
信号途径为：
配体→受体鸟苷酸环化酶→cGMP→依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG）→靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化。
2.3.3.5 Tyrosine kinase associated receptor
》包括各类细胞因子（如干扰素）的受体，在造血细胞和免疫细胞通讯上起作用。受体本身不具有酶活性，但可连接胞内酪氨酸蛋白激酶（如JAK）。其活性依赖于非受体酪氨酸激酶（Nonreceptor Tyr Kinases）。
受体分两大家族：
2一是与Src蛋白家族相联系的受体；
2二是与Janus激酶（JAK）家族联系的受体。
JAK-STAT Signaling Pathway
》JAK（just another kinase或janus kinase）是一类非受体酪氨酸激酶家族。
》JAK的底物为STAT，即信号转导子和转录激活子（signaltransducer and activator of transcription） 。
JAK（just another kinase或janus kinase）是一类非受体酪氨酸激酶家族，已发现四个成员，即JAK1,JAK2,JAK3 和TYK1，其结构不含SH2,SH3，C段具有两个相连的激酶区。
JAK的底物为STAT，即信号转导子和转录激活子（signal transducer and activator of transcription，STAT），具有SH2和SH3两类结构域。STAT被JAK磷酸化后发生二聚化，然后穿过核膜进入核内调节相关基因的表达，这条信号通路称为JAK-STAT途径，可概括如下：
1,配体与受体结合导致受体二聚化；
2,二聚化受体激活JAK；
3,JAK将STAT磷酸化；
4,STAT形成二聚体，暴露出入核信号；
5,STAT进入核内，调节基因表达。
2.4 Signaling by Integrin
正常细胞与恶性细胞的一个明显的差别是恶性细胞能够在培养条件下不需要ＥＭＣ成分就能附着到培养器皿上,而正常组织的细胞离体培养世，若不加EMC成分则不能贴壁生长。
另外正常细胞在悬浮培养中也不能生长、分裂，必须依赖于细胞表面和EMC之间建立接触，因为正常细胞需要互相接触,相互传递生长和分裂的信号。integrin不仅介导细胞附着到EMC，更重要的是提供了一种细胞外环境调控细胞内活性的途径。 Integrin的胞外结构域与胞外配体相互作用，可产生多种信号，如Ca2+释放进入细胞质基质、肌醇第二信使的合成、酪氨酸残基的磷酸化等。这些信号影响到细胞生长、迁移、分化乃至生存。所以，正常细胞不能悬浮培养，因为细胞丧失接受必要的生长促进信号。
所以细胞与细胞的识别和粘着、细胞与细胞外基质的相互作用不仅是组织分化的需要,也是信号转导的重要途径。
粘着斑（Focal adhesion）的功能：
》机械结构功能：其装配受信号控制；
》信号传递功能：通过Src和FAK来实现信号转导与粘着斑装配:
,Rho蛋白是一种小分子的G蛋白，在形态和结构上与Ras蛋白相似; 在功能上,Rho蛋白也是一种分子开关，决定信号是沿哪一条途径传递。
》配体与整联蛋白结合后，激活了Rho蛋白(Rho中的GDP被GTP取代)，Rho-GTP激活两条不同的信号转导途径导致粘着斑的装配。
研究发现，粘着斑的装配也是通过信号控制的。当质膜上的整联蛋白与细胞外基质中配体结合时就开始了粘着斑的装配。粘着斑装配的信号从整联蛋白传递到Rho蛋白。Rho是一种小分子的G蛋白，在形态和结构上与Ras蛋白相似; 在功能上,Rho蛋白也是一种分子开关，决定信号是沿哪一条途径传递。在粘着斑的装配中，信号转导主要是调节应力纤维的装配
Rho蛋白是一种小分子的G蛋白，在形态和结构上与Ras蛋白相似; 在功能上,Rho蛋白也是一种分子开关，决定信号是沿哪一条途径传递。在粘着斑的装配中，信号转导主要是调节应力纤维的装配。
配体与整联蛋白结合后，激活了Rho蛋白(Rho中的GDP被GTP取代)，Rho-GTP激活两条不同的信号转导途径:一条是Rho-GTP激活磷脂酰肌醇5-激酶[PI(5)K],PI(5)K将磷酸基团转移给PI(4)P的5’位，生成PI(4，5)P2,PI(4，5)P2能够与很多靶蛋白结合。 当PI(4，5)P2同凝溶胶蛋白(gelsolin)、抑制蛋白(profilin)结合时，促使它们与所结合的蛋白�F-肌动蛋白、G-肌动蛋白分离。G-肌动蛋白的释放可导致F-肌动蛋白进一步聚合。在另一个途径中,Rho-GTP同Rho激酶结合，使之激活，激活的激酶使肌球蛋白轻链磷酸酶磷酸化并使其失去磷酸酶的抑制作用，使肌球蛋白以一种活性的、磷酸化的状态参与应力纤维的装配。
通过粘着斑的信号传递
（1）由细胞表面到细胞核；Src,FAK,Grb2+Sos,Ras,Raf,MAP kinases cascade.
（2）由细胞表面到核糖体；Src,FAK,PI3K,PI(3,4)P2 +PI(3,4,5)P3,p70s6k》进入核糖体磷酸化S6蛋白》特定mRNA的翻译粘着斑具有两大功能:(1)通过肌动蛋白纤维形成的网络起机械结构的作用;(2)信号转导作用，主要是通过酪氨酸蛋白激酶Src和FAK进行的。Src将FAK磷酸化，磷酸化的FAK与Grb2-Sos连接起来，然后去激活Ras，将信号沿MAP激酶途径进行转导。信号最后可进入细胞核，激活与生长和增殖相关基因的转录。
粘着斑中一些与信号转导相关的关键蛋白与受体酪氨酸激酶途径是相同的，其信号转导途径也很相似。当Src磷酸化FAK时，在FAK分子中形成一个磷酸酪氨酸，可作为接头蛋白Grb2的SH2结构域的结合位点。Grb2与FAK结合后能够激活Ras蛋白，然后将生长相关的信号传递给细胞核。这就是细胞通过表面的接触导致细胞增殖的原因所在。由粘着斑介导的信号转导不仅会启动基因的表达，也会影响细胞质的代谢和蛋白质合成。
2.5 Properties of Cell Signaling
细胞信号传递的基本特征：
》具有收敛（convergence）或发散（divergence）的特点；
u》细胞的信号传导既具有专一性又有作用机制的相似性；
u》信号的放大作用和信号所启动的作用的终止并存；
u》细胞以不同的方式产生对信号的适应。
号的整合、调节与终止细胞从环境中得到的不是单一的信号，细胞最后作出的应答也是综合性的。细胞内的信号接收和处理系统相当于神经细胞的网络或计算机的微处理器，破译信息，作出综合反应。
Signal network system & Cross Talking
信号的汇集、趋异与窜扰细胞内的各种信号途径并非都是单一的通向某一方向而是相互转化的。有些细胞外的信号分子与受体结合后，不仅仅引起一种应答，而是有可能激活许多不同的效应物，引起细胞的不同反应。另外，外来的信号有可能汇集后相互协作，共同作用于同一效应物，但也有可能相互抑制。细胞信号转导各途径的这些关系可分为三大类:信号汇集、信号趋异和窜扰。总结了细胞信号转导的这些特点。
图中两种途径通过激活不同的磷脂酶C异构体汇集到一起,产生相同的第二信使IP3和DAG。由EGF或PDGF激活的受体酪氨酸激酶的信号沿三条不同的信号转导途径传递,即趋异转导。由IP3的激活作用释放的Ca2+ 不仅激活蛋白激酶C,也可以激活其他一些蛋白,包括促细胞分裂相关的蛋白和蛋白激酶,这就是不同信号转导途径间的通讯。
■ 信号转导途径的汇集(convergent )
信号传导途径的汇集是指不同的信号分子分别作用于不同的受体，但是最后的效应物是相同的。
图中所示是将来自G蛋白偶联受体、整联蛋白、受体酪氨酸激酶的信号通过Grb2-Sos汇集到Ras，然后沿着MAP激酶级联系统进行传递。
■ 信号趋异(divergence )
信号趋异是指同一种信号与受体作用后在细胞内分成几个不同的信号途径进行传递，最典型的是受体酪氨酸激酶的信号转导。
■ 信号途径间的窜扰(crosstalk)
信号转导途径间的"窜扰"是指不同信号转导途径间的相互影响。如PKA系统与受体酪氨酸激酶系统间的相互干扰。
在某些细胞中，G蛋白偶联系统的受体在肾上腺素等细胞外信使的作用下，产生第二信使cAMP，cAMP激活PKA，然后通过PKA抑制Raf，从而阻断了从Ras到Raf的信号传导。
Chapter Ⅵ Cytomatrix & Endomembrane system
一、教学目的和要求：
通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细胞质基质的结构和功能、细胞内膜系统各组分的结构和功能、细胞蛋白质的合成和分选原理和相关概念。
通过对相关细胞器的学习认识，使学生理解内膜系统的“系统性”，理解其生命活动的复杂性，要求学生把蛋白质合成、分选过程和内膜系统相联系。
二、教材分析：
概述：本章内容的知识点很具连贯性，学生结合生物化学、分子生物学的知识自学，是能够理解大部分内容的。但在“蛋白质分选”、“膜泡运输”这部分内容上，教材的条理性不好，是值得注意的地方。
教学重点：细胞质基质、ＥＲ、Golgi,lysosome的结构和功能；蛋白质分选和膜泡运输。
教学难点：两种蛋白质糖基化修饰的基本过程、溶酶体的生物发生、信号假说与蛋白质分选、膜泡运输。
三、教学设想：
教材处理：绝大部分内容以选用教材为授课线索，在部分内容上，如膜泡运输，作适当补充使之更完整和条理。
教学方法：主要采用讲授法和例证法，辅以提问和讨论。
教具：CAI课件四、教学内容：（6学时）
关于真核细胞中具有膜结构的细胞器的总体描述通常有三个概念:
内膜系统是指内质网、高尔基体、溶酶体和液泡(包括内体和分泌泡)等四类膜结合细胞器,因为它们的膜是相互流动的,处于动态平衡,在功能上也是相互协同的。广义上的内膜系统概念也包括线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核等细胞内所有膜结合的细胞器。
细胞质膜系统(cytoplasmic membrane system),细胞质膜系统是指细胞内那些在生物发生上与质膜相关的细胞器,显然不包括线粒体、叶绿体和过氧化物酶体,因为这几种细胞器的膜是逐步长大的,而不直接利用质膜。
膜结合细胞器(membrane-bound organelles)或膜结合区室(membrane-bound compartments),指细胞质中所有具有膜结构的细胞器,包括细胞核、内质网、高尔基体、溶酶体、分泌泡、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等。由于它们都是封闭的膜结构,内部都有一定的空间,所以又称为膜结合区室。
1 Cytoplasmic Matrix
1.1 The meaning of Cytomatrix
》Cytoplasm(细胞质)：细胞核以外，质膜以内的原生质部分。
》Cytomatrix:在细胞质中除了膜性细胞器以外的胶状物质，称为细胞质基质，可发生溶胶和凝胶态变化。
》Cytosol:现在多与cytomatrix等同，出自生化研究：用差速离心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，存留在上清液中的胶质成分。
》成分：中间代谢有关的酶类、细胞骨架结构、水分等。
》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。
在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质，称细胞质基质（cytoplasmic matrix or cytomatrix）。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。细胞与环境，细胞质与细胞核，以及细胞器之间的物质运输、能量交换、信息传递等都要通过细胞质基质来完成，很多重要的中间代谢反应也在细胞质基质中进行。近年来发现细胞质基质还担负着多种重要的功能。
在细胞质基质中主要含有与中间代谢有关的数千种酶类以及与维持细胞形态和细胞内物质运输有关的细胞质骨架结构，从物质代谢与形态结构的角度考虑，有人还把糖原和脂滴等内含物也看作细胞质基质的组分。
细胞质基质的化学组分：小分子物质eg：水分子、无机离子等；生物中等分子eg：脂类、糖类、aa、核苷酸等；生物大分子eg：蛋白质、RNA、脂蛋白、多糖等。
细胞质基质中含大量的酶：几乎所以参加蛋白质合成的酶、合成核酸所需的部分酶、大部分合成脂肪酸的酶以及糖酵解所需的酶等等。蛋白质含量较高可达20%－30%，形成一种粘稠的胶体；对于H2O子，多数H2O是以水化物的形式结合在蛋白质或其他大分子表面的活性部位，仅有少部分H2O游离存在，起溶剂作用。
最近人们注意到在细胞质基质中多数蛋白质，其中包括水溶性蛋白，并不是以溶解状态存在的。用免疫荧光技术显示了与酵解过程有关的一些酶就是结合在微丝上，在骨骼肌细胞中则结合在肌原纤维的某些特殊位点上。这种特异性的结合不仅与细胞的生理状态有关，而且也与组织发育和细胞分化的程度有关。酶与微丝结合后，酶的动力学参数也发生了明显的变化。用原位杂交技术还显示，在卵母细胞中不同种的mRNA定位于细胞质基质的不同部位。在非肌肉细胞中肌动蛋白的mRNA主要分布在细胞质外周。
蛋白质之间或蛋白质与其他大分子之间可通过非常弱的键进行相互作用。例如，与糖酵解有关的酶类，彼此间可能以弱键结合形成多酶复合体，定位于细胞质基质的特定部位，以催化葡萄糖到丙酮酸的一系列反应。前一个反应的产物即为下一个反应的底物，二者间的距离仅为几个纳米。其他反应途径可能也以类似方式互相联系，高效有序的完成各种复杂的代谢活动。这说明细胞质基质是一中复杂而有序结构体系。这种结构体系只能在高浓度的蛋白质溶胶及特定的离子环境条件下实现。一旦细胞破裂，在稀释的溶液中这种结构体系就会被破坏，这也是研究细胞质基质比其他细胞器更困难的原因。
1.2 The Functions of Cytomatrix
A.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.
细胞质基质担负着一系列重要的功能，人们了解最多的是许多中间代谢过程都在细胞质基质中进行，如糖酵解过程，磷酸戊糖途径，糖醛酸途径，糖原的合成与部分分解过程等。蛋白质的合成与脂肪酸的合成也都是在细胞质基质中进行的。
B.与细胞质骨架相关的功能：维持细胞形态、运动、胞内物质运输及能量传递等.
细胞质基质另一方面的功能是与细胞质骨架相关的。细胞质骨架作为细胞质基质的主要结构成分，不仅与维持细胞的形态、细胞的运动、细胞内的物质运输及能量传递有关（将在第九章介绍细胞骨架），而且也作为细胞质基质这一结构体系的组织者，为细胞质基质中的其它成分和细胞器提供锚定位点
C.蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解
细胞质基质在蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解等方面也起了重要作用。已发现100余种的蛋白质侧链修饰，绝大多数的修饰都是由专一的酶作用于蛋白质侧链特定位点，在细胞质基质中发生的蛋白质修饰的类型主要有：
(1)蛋白质的修饰,辅酶或辅基与酶的共价结合； 磷酸化与去磷酸化； 糖基化（添加GlcNAc到Ser）; N－端甲基化; 酰基化。
(2)控制蛋白质的寿命:N端第一个aa残基：MTVCSGAP,则蛋白质稳定；否则不稳定，通过依赖于泛素的降解途径（Ubiquitin-dependent Pathway）降解。
(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，形成正确构象。（需Hsp,heat shock protein蛋白的帮助）
2 Endoplasimic Reticulum
》K,R,Porter等于1945年发现于培养的小鼠成纤维细胞，因最初看到的是位于细胞质内部的网状结构，故名内质网（endoplasmic reticulum，ER）。
由K,R,Porter、A,Claude 和 E,F,Fullam等人于1945年发现，他们在观察培养的小鼠成纤维细胞时，发现细胞质内部具有网状结构，建议叫做内质网endoplasmic reticulum，ER，后来发现内质网不仅仅存在于细胞的“内质”部，通常还有质膜和核膜相连，并且与高尔基体关系密切，并且常伴有许多线粒体。
》微粒体Microsome,实际上是在细胞匀浆和离心过程中，由破碎的ER形成的小囊泡。
2.1 Structure of ER
约占细胞总膜面积的一半，是封闭的网络系统。
分为粗面型内质网（ rough endoplasmic reticulum,RER ） 和光面型内质网（ smooth endoplasmic reticulum，SER）。
粗面内质网(rough endoplasmic reticulum,RER)多呈大的扁平膜囊状,在电镜下观察排列极为整齐。它是核糖体和内质网共同构成的复合机能结构,普遍存在于分泌蛋白质的细胞中,其主要功能是合成分泌性的蛋白质、多种膜蛋白和酶蛋白。
光面内质网(smooth endoplasmic reticulum,SER)：无核糖体附着的内质网称为光面内质网,通常为小的膜管和小的膜囊状,而非扁平膜囊状,广泛存在于各种类型的细胞中，包括合成胆固醇的内分泌腺细胞、肌细胞、肾细胞等。光面内质网是脂类合成的重要场所,它往往作为出芽的位点,将内质网上合成的蛋白质或脂类转运到高尔基体。
RER呈扁平囊状，排列整齐，有核糖体附着。
SER呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。
细胞不含纯粹的RER或SER，它们分别是ER连续结构的一部分。
内质网膜约占细胞总膜面积的一半，是真核细胞中最多的膜。内质网是内膜构成的封闭的网状管道系统。具有高度的多型性。可分为粗面型内质网（rough endoplasimic reticulum，RER，）和光面型内质网（smooth endoplasimic reticulum，SER，）两类。RER呈扁平囊状，排列整齐，膜围成的空间称为ER腔（lumen），膜外有核糖体附着。SER呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。肌肉细胞中的肌质网是一种特化的SER，称为肌质网，可贮存Ca2+，引起肌肉收缩。细胞不含纯粹的RER或SER，它们分别是ER连续结构的一部分。
ER主要功能是合成蛋白质和脂类，分泌性蛋白和跨膜蛋白都是在ER中合成的。ER合成的脂类除满足自身需要外，还提供给高尔基体、溶酶体、内体、质膜、线粒体、叶绿体等膜性细胞结构。
ER膜中含大约60%的蛋白和40%的脂类，脂类主要成分为磷脂，磷脂酰胆碱含量较高，鞘磷脂含量较少，没有或很少含胆固醇。ER约有30多种膜结合蛋白，另有30多种位于内质网腔，这些蛋白的分布具有异质性，如：葡糖-6-磷酸酶，普遍存在于内质网，被认为是标志酶，核糖体结合糖蛋白（ribophorin）只分布在RER，P450酶系只分布在SER。
2.2 Function of ER
ER在细胞中具有多种重要功能，内质网是细胞内蛋白质和脂类合成的基地，几乎全部的脂类和多种重要的蛋白质都是在内质网上合成的。ER是大部分细胞器以及质膜的所有跨膜蛋白及脂类合成的场所。此外，ER与糖类代谢、解毒作用关系密切。
ER主要功能是合成蛋白质和脂类，分泌性蛋白和跨膜蛋白都是在ER中合成的。
(一)蛋白质的合成粗面内质网的主要功能是帮助膜结合核糖体合成的蛋白质转运。
》蛋白质都是在核糖体上合成的，并且起始于细胞质基质，但是有些蛋白质在合成开始不久后便转在内质网上合成，这些蛋白主要有：
1,向细胞外分泌的蛋白、如抗体、激素；
2,膜的整合蛋白；
3,需要与其它细胞组合严格分开的酶，如溶酶体的各种水解酶；
4,需要进行修饰的蛋白，如糖蛋白。
(二)蛋白质的修饰与加工
》包括糖基化、羟基化、酰基化(形成脂连接蛋白)、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。
》糖基化的作用：
– ①使蛋白质能够抵抗消化酶的作用；
– ②赋予蛋白质传导信号的功能；
– ③某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。
包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。糖基化的作用是,①使蛋白质能够抵抗消化酶的作用；②赋予蛋白质传导信号的功能；③某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。
糖基一般连接在4种氨基酸上，分为2种：
1,O-连接的糖基化（O-linked glycosylation）：与Ser、Thr和Hyp的OH连接，连接的糖为半乳糖或N乙酰半乳糖胺。
2,N-连接的糖基化（N-linked glycosylation）：与天冬酰胺残基的NH2连接，连接的糖为N-乙酰葡糖胺。
内质网上进行的为N-连接的糖基化。糖的供体为核苷糖(nucleotide sugar)，如CMP-唾液酸、GDP-甘露糖、UDP-N-乙酰葡糖胺等。糖分子首先被糖基转移酶转移到膜上的磷酸长醇（dolichol phosphate）分子上，装配成寡糖链。再被寡糖转移酶转到新合成肽链特定序列（Asn-X-Ser或Asn-X-Thr）的天冬酰胺残基上。
新生肽进入ER腔之后除了要进行正确的折叠之外，还要经过各种不同的修饰之后才能运送到其它的部位。
● N-连接糖基化(N-linked glycosylation)
糖基化的第一步是将一个14糖的核心寡聚糖添加到新形成多肽链的天冬氨酸上，其氨基酸的特征序列是Asn-X-Ser/Thr(X代表任何一种氨基酸),由于糖是同天冬酰胺的自由NH2连接，所以将这种糖基化称为N-连接的糖基化。
● 羟基化(hydroxylation)
除了N-连接糖基化以外，新生肽的脯氨酸和赖氨酸要进行羟基化，形成羟脯氨酸和羟赖氨酸，不过这种反应只是在少数蛋白上发生。在合成胶原的细胞中,脯氨酸和赖氨酸羟基化则是一个主要的反应。
● 形成脂锚定蛋白新合成的蛋白质除了成为跨膜蛋白或ER腔中的游离蛋白外，还会通过酰基化同ER膜上的糖脂结合,将自己锚定在ER膜上。是新合成的ER蛋白被信号肽酶从ER上切割之后,立即通过羧基端与已存在于ER膜上的糖基磷脂酰肌醇共价结合,形成脂锚定蛋白的简化过程。形成的脂锚定糖蛋白通过进一步的运输成为质膜外侧的膜蛋白。
● 翻译后跨ER膜运输某些蛋白质也可通过翻译后跨ER膜运输,由于这些蛋白的信号序列太短而无法与SRP相互作用,它们主要是靠分子伴侣维持非折叠状态进行跨膜转运。关于翻译后跨ER膜运输的详细机理还不太清楚。
(三)新生肽链的折叠和装配
》不同的蛋白质在内质网腔中停留的时间不同，这主要取决于蛋白质完成正确折叠和组装的时间。
》正确折叠涉及驻留蛋白：具有KDEL（-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-） or HDEL（-His-Asp-Glu-Leu-COO-）信号。
蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，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。
Bip，识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进重新折叠与装配，属于hsp70家族。
研究发现进入内质网腔中的蛋白质片段很快被一些称为Bip的蛋白结合。
Bip蛋白是重链结合蛋白 (heavy-chain binding protein) 的简称,因为它能够同IgG抗体的重链结合。Bip是一类分子伴侣,属于Hsp70家族,在内质网中有两个作用。
Bip同进入内质网的未折叠蛋白质的疏水氨基酸结合，防止多肽链不正确地折叠和聚合。
Bip与转运到ER中蛋白的疏水部分结合,防止蛋白质的变性或降解,使其正确地折叠。结合有蛋白质的Bip在ATP水解后释放被结合的蛋白,如果释放的蛋白仍然是未折叠的,Bip将重新与这种蛋白结合。Bip还可帮助两种不同的蛋白共同装配。
Bip的第二个作用是防止新合成的蛋白质在转运过程中变性或断裂。通过重组DNA技术,将酵母中编码Bip蛋白的基因突变成温度敏感型后，当提高细胞培养温度时，Bip的功能就会丧失，蛋白质向ER的转移也会停止，推测由于Bip功能的丧失，导致蛋白质在ER中的聚集，抑制了新生肽向ER的转移。
(四)脂质的合成
》由sER合成，包括磷脂和胆固醇各种膜脂（除少数几种线粒体和叶绿体膜脂在它们自己的膜上合成）。
》催化磷脂合成的酶其活性部位朝向胞质基质一侧，因此，磷脂的合成只发生在ER膜临近胞质的一半。翻转酶Flippase,能把含胆碱的磷脂从膜的胞质侧翻转到邻ER腔的一半，但翻转酶对含乙醇胺、丝氨酸、肌醇的磷脂无效，所以造成膜两半脂分布不对称。
细胞膜所需要的最重要的磷脂也是在光面内质网上合成的。在光面内质网上合成的磷脂先作为内质网膜的构成部分，然后再转运给其他的膜。
是光面内质网合成磷脂酰胆碱的过程,反应中最先形成的磷脂被包埋在内质网的膜中,但朝向胞质溶胶；合成的终产物磷脂酰胆碱仍然存在于内质网膜中。催化反应的酶类既有存在于胞质溶胶中的,也有存在于内质网中的膜蛋白。
首先，内质网膜中脂肪酸与胞质溶胶中的磷酸甘油结合,然后脱磷,并内质网膜中胆碱磷脂转移酶的作用下,将胞质溶胶中的CDP-胆碱与内质网膜中的甘油脂肪酸结合形成磷脂酰胆碱。新合成的磷脂酰胆碱朝向胞质溶胶一侧,但可在内质网膜中磷脂转位酶的作用下翻转到内质网的腔面。
磷脂转位蛋白与翻转酶(flippase)：磷脂的合成都是在内质网的胞质溶胶面，但在内质网上合成的磷脂几分钟之后就由胞质溶胶面转向膜的另一面，即内质网腔面,磷脂的转位是由内质网膜中磷脂转位蛋白(phospholipid translocator)或称翻转酶帮助的。翻转酶催化的磷脂移动也是有选择性的,如能够翻转磷脂酰胆碱的翻转酶则不能催化其他的磷脂翻转,这样保证了膜中磷脂分布的不对称。
磷脂交换蛋白(phospholipid exchang proteins,PEP)与磷脂转运：
内质网中的磷脂不断合成，使得内质网的膜面积越来越大，必须有一种机制将磷脂转运到其它的膜才能维持内质网膜的平衡,这就是磷脂转运。
磷脂的转运有两种方式。一种是凭借一种水溶性蛋白,叫磷脂交换蛋白的作用; 另一种是以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上，详细机制在后面介绍。
(五)内质网的其它功能
》解毒，如肝细胞的细胞色素P450酶系。
》类固醇激素的合成（生殖腺内分泌细胞和肾上腺皮质）。
》肝细胞葡萄糖的释放（使葡糖6-磷酸水解，释放糖至血液中）
》储存钙离子：如肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中Ca2+ 泵入肌质网腔中。
》提供酶附着的位点和机械支撑作用。
解毒作用：SER中的P450酶系属于单加氧酶（monooxygenase），又称为多功能氧化酶 (mixed function oxidase)、羟化酶(hydroxylase)，因其还原态的吸收峰在450nm处，故名。主要分布在SER中，但也存在于质膜、线粒体、高尔基体、过氧化物酶体、核膜等细胞器的膜中，具有解毒作用，通常可将脂溶性有毒物质，代谢为水溶性物质，使有毒物质排出体外。有时也会将致癌物代谢为活性致癌物。P450种类繁多，但都是与其他辅助成分组成一个呼吸链来实现其功能，呼吸链中的P450还原酶实际就是一种黄素蛋白。P450催化O2分子中的一个原子加到底物分子上使之羟化，另一个氧原子被NADH或NADPH提供的氢还原生成水，在此氧化过程中无高能磷酸化合物生成。
甾体类激素的合成：在生殖腺和肾上腺的内分泌细胞中，SER、线粒体，可能还有高尔基体上的一些酶共同参与甾体类激素的合成。
调节血糖浓度：使葡糖6-磷酸水解为磷酸和葡萄糖，释放糖至血液中。细胞中的糖元可被酶转化为葡糖1-磷酸，再转变为葡糖6-磷酸，但由于膜对磷酸化的糖是高度不通透的，葡糖6-磷酸只有在去磷酸化以后才能通过质膜，进入血液。
形成一些特殊结构：如肌细胞中的SER特化成的肌质网可储存钙离子，作为细胞内信号物质。
支撑作用：内质网是细胞内最丰富的膜，形成了一种网络结构，提供机械支撑作用，并成为细胞质中酶附着的支架。
3 Golgi Complex
》1889年，Golgi用银染法，在猫头鹰的神经细胞内观察到了清晰的结构，因此定名为高尔基体。20世纪50年代以后才正确认识它的存在和结构。
》又称Golgi body 或Golgi apparatus.
人们花费了半个世纪的时间才确认高尔基体的存在，这不仅是由于当时主要研究手段——光学显微镜的局限性，而且也反映了高尔基体的自身结构特征。高尔基体是由大小不一、形态多变的囊泡体系组成，在不同的细胞中，甚至细胞生长的不同阶段都有很大的区别。有时不易辨认，而且更难分离与纯化，再加上一般动物细胞中数目较少，在含量丰富的肝细胞中也仅有50个左右的高尔基体。因此对高尔基体的结构与功能的研究一直是细胞生物学家面临的挑战性的难题之一。
3.1 The Shape & Structure of Golgi
》常分布于内质网与细胞膜之间，呈弓形或半球形。
》是由数个扁平囊泡堆在一起形成的高度有极性的细胞器。凸出的一面对着内质网称为形成面或顺面cis face,凹进的一面对着质膜称为成熟面或反面trans face。顺面和反面都有一些或大或小的运输小泡。
》扁平囊直径约1um，单层膜构成，中间为囊腔，周缘多呈泡状，4~8个扁平囊在一起(某些藻类可达一二十个) 。
●数量：物体中高尔基复合体的数量不等,平均为每细胞20个。在低等真核细胞中,高尔基复合体有时只有1～2个，有的可达一万多个。在分泌功能旺盛的细胞中,高尔基复合体都很多。如胰腺外分泌细胞、唾液腺细胞和上皮细胞等。而肌细胞和淋巴细胞中高尔基复合体较少见。
●分布：尔基复合体只存在于真核细胞中,原核细胞中则无。在一定类型的细胞中,高尔基复合体的位置比较恒定,如外分泌细胞中高尔基体常位于细胞核上方，其反面朝向细胞质膜；神经细胞的高尔基体有很多膜囊堆分散于细胞核的周围。
高尔基体的功能隔区：
1,高尔基体顺面的网络结构（ cis Golgi network,CGN）是高尔基体的入口区域。
2,高尔基体中间膜囊（medial Golgi），多数糖基修饰，糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成均发生此处。
3,高尔基体反面的网络结构（ trans Golgi network,TGN），是高尔基体的出口区域，功能是参与蛋白质的分类与包装，最后输出。
● 结构上的极性:高尔基体的结构可分为几个层次的区室; ①靠近内质网的一面称为顺面(cis face),或称形成面(forming face)；②高尔基体中间膜囊(medial Golgi); ③靠近细胞质膜的一面称为反面高尔基网络 (trans Golgi network，TGN)。
● 功能上的极性:高尔基体执行功能时是“流水式”操作,上一道工序完成了,才能进行下一道工序。
高尔基体各部分膜囊具有不同的细胞化学反应：
①嗜锇反应：cis面膜囊被特异地染色；
②焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)：可特异显示高尔基体的trans面的1～2层膜囊；
③烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)：可显示高尔基体中间几层扁平囊；
④胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)：可显示靠近trans面上的一些膜囊状和管状结构，CMP酶也是溶酶体的标志酶。
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。
3.2 Functions of Golgi
高尔基体的主要功能将内质网合成的蛋白质进行加工、分类、与包装，然后分门别类地送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。
(一)参与细胞分泌活动
RER上合成蛋白质→进入ER腔→COPII运输泡→进入CGN→在medial Gdgi中加工→在TGN形成运输泡→运输与质膜融合、排出。
高尔基体对蛋白质的分类，依据的是蛋白质上的信号肽或信号斑。
》细胞内合成的多种蛋白（质膜蛋白、溶酶体中的酸性水解酶、ECM蛋白成分等）都是通过Golgi分类、运输。
》高尔基体对蛋白质的分类，依据的是蛋白质上的信号序列（如KDEL序列），或信号斑，而这种信息仅存在于编码该蛋白质的基因本身。
》溶酶体酶的分选：M6P ú反面膜囊M6P受体。
(二)蛋白质的糖基化及其修饰
》蛋白质的N-连接糖基化是在rER中进行的,而对糖基的修饰则是在高尔基体中完成的。
》O-连接的糖基化主要在高尔基体中进行，糖的供体为核苷糖。
》蛋白聚糖的合成及植物细胞壁中的几种多糖，包括半纤维素、果胶也是在高尔基体中合成的。
N-连接的糖链合成起始于内质网，完成与高尔基体。在内质网形成的糖蛋白具有相似的糖链，由Cis面进入高尔基体后，在各膜囊之间的转运过程中，发生了一系列有序的加工和修饰，原来糖链中的大部分甘露糖被切除，但又被多种糖基转移酶依次加上了不同类型的糖分子，形成了结构各异的寡糖链。糖蛋白的空间结构决定了它可以和那一种糖基转移酶结合，发生特定的糖基化修饰。
许多糖蛋白同时具有N-连接的糖链和O-连接的糖链。O-连接的糖基化在高尔基体中进行，通常的一个连接上去的糖单元是N-乙酰半乳糖，连接的部位为Ser、Thr和Hyp的OH基团，然后逐次将糖基转移到上去形成寡糖链，糖的供体同样为核苷糖，如UDP-半乳糖。糖基化的结果使不同的蛋白质打上不同的标记，改变多肽的构象和增加蛋白质的稳定性。
在高尔基体上还可以将一至多个氨基聚糖链通过木糖安装在核心蛋白的丝氨酸残基上，形成蛋白聚糖。这类蛋白有些被分泌到细胞外形成细胞外基质或粘液层，有些锚定在膜上。
N-连接的糖基化
》第一步是将一个14糖的核心寡聚糖添加到新形成多肽链的Asn上，其氨基酸的特征序列是Asn-X-Ser/Thr(X代表任何一种氨基酸)。
》3分子葡萄糖和部分甘露糖在ER中即被切除，转移到Golgi中继续加工，切除或添加其它糖残基。根据加工方式又分为：
a:高甘露糖N-连接的糖基化High Mannose N-linked glycosylation；
b:复杂的N-连接的糖基化Complex N-linked glycosylation。
,Complex N-linked glycosylation，除含有GlcNAc和Man之外，还添加岩藻糖、半乳糖和唾液酸。
,N-linked glycosylation最终都含有相同的2个GlcNAc和3个Man 残基。
糖基化的第一步是将一个14糖的核心寡聚糖添加到新形成多肽链的天冬氨酸上，其氨基酸的特征序列是Asn-X-Ser/Thr(X代表任何一种氨基酸),由于糖是同天冬酰胺的自由NH2连接，所以将这种糖基化称为N-连接的糖基化。
新合成蛋白进行糖基化修饰的一种方式。糖通过与蛋白质的天冬氨酸的自由NH2基连接，所以将这种糖基化称为N-连接的糖基化。这一过程在在内质网中进行的。糖基化的第一步是将一个14糖的核心寡聚糖添加到新形成多肽链的天冬酰胺上，其氨基酸的特征序列是Asn-X-Ser/Thr(X代表任何一种氨基酸),天冬酰胺作为受体。
核心寡聚糖是由N-乙酰葡萄糖胺、甘露糖和葡萄糖组成。这种寡聚糖同ER膜中的磷酸多萜醇(dolichol phosphate)紧紧相连。被转移到新生肽上的寡聚糖在ER中会进一步加工，主要是切除三分子葡萄糖和一分子甘露糖。多萜醇是长链的醇,具有很长的疏水尾部能够紧紧的结合在膜的双脂层上。核心寡聚糖链是结合在多萜醇的磷酸基上,当ER膜上有蛋白质合成时,整个糖链一起转移。
●N-连接糖基化的修饰蛋白质的N-连接糖基化是在内质网中进行的,而对糖基的修饰则是在高尔基体中完成的。
对于进入到高尔基体的糖蛋白来说,形成高甘露糖基寡聚糖侧链所需的修饰比较简单,只要切除3 分子的葡萄糖即可,这一过程是在RER中完成的。
而形成复合寡聚糖则比较复杂,要切除5分子甘露糖,加上2分子N-乙酰葡萄糖胺、2分子半乳糖、2分子唾液酸,有时还要加上岩藻糖。
O-linked glycosylation
》O-连接的糖基化是将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基的氧原子上。O-连接的糖基化是由不同的糖基转移酶催化的,每次加上一个单糖。同复杂的N-连接的糖基化一样,最后一步是加上唾液酸残基,这一反应发生在高尔基体反面膜囊和TGN中。
● O-连接的糖基化(O-linked glycosylation)
特征
N-连接
O-连接
合成部位
糙面内质网
糙面内质网或高尔基体
合成方式
来自同一个寡糖前体
一个个单糖加上去
与之结合的氨基酸残基
天冬酰胺
丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸
最终长度
至少5个糖残基
一般1-4个糖残基，但ABO血型抗原较长
第一个糖残基
N-乙酰葡萄糖胺
N-乙酰半乳糖胺等
高尔基体中进行的另一种蛋白质的糖基化是O-连接的糖基化,将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基的氧原子上。
(三)蛋白酶的水解和其它加工过程
》如将蛋白质N端或C端切除，成为有活性的物质，如胰岛素（C端）、胰高血糖素、血清蛋白。
》将含有多个相同氨基序列的前体水解为有活性的多肽，如神经肽。
》含有不同信号序列的蛋白质前体在高尔基体加工成不同的产物。或同一种蛋白质前体在不同细胞、以不同的方式加工成不同的多肽。
》加工还包括肽链酪氨酸残基的硫酸化作用。
加工方式多样性的可能原因：
》确保小肽分子的有效合成；
》弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号；
》有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。
(四)参与细胞内的膜泡运输、蛋白质的分选分泌性的蛋白质、多数质膜的膜蛋白在rER合成，经高尔基体的加工，分装通过膜泡运输的方式输送到细胞表面或其他部位。同样，细胞表面的大分子和颗粒性物质及质膜的膜蛋白也会通过胞饮或吞噬作用以膜泡运输的方式进入细胞。高尔基体无论不论向细胞外运输的膜泡转移还是在内吞形成的膜泡转移中起重要作用。伴随各种膜泡运输，细胞内形成复杂的“膜流”，高尔基体在“膜流”的调控过程中起中枢作用。
其它功能：
参与形成溶酶体。
与植物细胞壁的形成。
合成植物细胞壁中的纤维素和果胶质。
4 Lysosome & Microbody
,溶酶体（lysosome）为C,de Duve与B,Novikoff 1955年首次发现。
》是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要功能是进行细胞内消化。
1955年de Duve与Novikoff首次发现溶酶体（lysosome）。它是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要功能是进行细胞内消化。
具有异质性，形态大小及内含的水解酶种类都可能有很大的不同，标志酶为酸性磷酸酶。根据完成其生理功能的不同阶段可分为初级溶酶体（primary lysosome），次级溶酶体（secondary lysosome）和残体（residual body）。
溶酶体是动物细胞中一种膜结合细胞器,含有多种水解酶类,在细胞内起消化和保护作用,可与吞噬泡或胞饮泡结合,消化和利用其中的物质。也可以消化自身细胞破损的细胞器或残片,有利于细胞器的重新组装、成分的更新及废物的消除。
4.1 The Structure & Types of Lysosome
》具有异质性Heterogenous，形态大小及内含的水解酶种类都可能有很大的不同。酸性磷酸酶是标志酶。
》膜有质子泵(V Type)，将H+泵入溶酶体，使其PH值降低；
》具有多种载体蛋白用于水解产物向外转运；
》膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解。
溶酶体是一种异质性（heterogenous）的细胞器，这是指不同的溶酶体的形态大小，甚至其中所包含的水解酶的种类都可能有很大的不同，电镜细胞化学方法观察可见溶酶体由一个单位膜包围，一般为球形。直径在0.2－0.8μm，溶酶体内含有多种水解酶，现已发现60余种酸性水解酶，这些酶的最适PH为5.0，概括起来包括：
蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、脂酶、磷酸酶、硫酸酶、磷脂酶等六大类。
用溶酶体的标志酶反应，可辨认出不同形态与大小的溶酶体来。酸性磷酸酶（acid phosphatase）是常用的标志酶，用这种方法不仅有助于研究溶酶体的发生与成熟过程，而且还发现了多泡体、线状溶酶体等多种类型的溶酶体。
溶酶体的酶蛋白在rER的核糖体上合成，有证据指出溶酶体可在ER形成，但一般认为溶酶体形成的主要位置是高尔基体，根据溶酶体处于完成其生理功能的不同阶段，大致可分为：
初级溶酶体（前溶酶体）、次级溶酶体、三级溶酶体（残余小体）
Primary lysosome
》直径约0.2~0.5um，有多种酸性水解酶，但没有活性，包括蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酶酶等60余种，反应的最适PH值为5左右。
直径约0.2~0.5um膜厚7.5nm，内含物均一，无明显颗粒。含有多种水解酶，但没有活性，只有当溶酶体破裂，或其它物质进入，才有酶活性。其水解酶包括蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酶酶等60余种，这些酶均属于酸性水解酶，反应的最适PH值为5左右，溶酶体膜虽然与质膜厚度相近，但成分不同主要区别是①膜有质子泵，将H+泵入溶酶体，使其PH值降低。②膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解。
Secondary lysosome
这些都是消化泡，正在进行或完成消化作用的溶酶体，内含水解酶和相应的底物，可分为自噬溶酶体（autophagolysosome）和异噬溶酶体（phagolysosome），前者消化的物质来自外源，后者消化的物质来自细胞本身的各种组分。
异体吞噬泡（heterophagic vacuole），异噬小体（heterophagosome）：是初级溶酶体与吞噬小体融合后形成的泡状结构。吞噬小体（phago some）是细胞内吞异物后形成的泡状结构，又称初级内吞小泡。
自体吞噬泡（autophagic vacuole），自噬小体（autophagosome）：是初级溶酶体含有细胞自身的部分物质，（细胞器）进行消化的泡状结构。这部分细胞器可能是衰老的或多余的，这是一种自我保护作用。
Residual body
又称后溶酶体（post-lysosome）已失去酶活性，仅留未消化的残渣故名，残体可通过外排作用排出细胞，也可能留在细胞内逐年增多。
次级溶酶体中的物质被消化完毕后，其残渣存在的泡状结构。这时已失去酶活性或酶活性极弱。异噬小体和自噬小体是正行使消化功能的次级溶酶体，而后溶酶体则是已经行使完消化功能的结构。
4.2 The Function of Lysosome
1,细胞内消化：对高等动物而言细胞的营养物质主要来源于血液中的水分子物质，而一些大分子物质通过内吞作用进入细胞，如内吞低密脂蛋白获得胆固醇，对一些单细胞真核生物，溶酶体的消化作用就更为重要了。
2,细胞凋亡：个体发生过程中往往涉及组织或器官的改造或重建，如昆虫和蛙类的变态发育等等。这一过程是在基因控制下实现的，溶酶体可清除不需要的细胞。
3,自噬作用(autophagy)：清除细胞中无用的生物大分子，衰老的细胞器等，如许多生物大分子的半衰期只有几小时至几天，肝细胞中线粒体的平均寿命约10天左右。
4,防御作用：如巨噬细胞可吞入病原体，在溶酶体中将病原体杀死和降解。
5,参与分泌过程的调节，如将甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素。
6,形成精子的顶体 。
Addition:溶酶体与疾病
1．矽肺二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬细内吞噬，含有矽尘的吞噬小体与溶酶体合并成为次级溶酶体。二氧化硅的羟基与溶酶体膜的磷脂或蛋白形成氢键，导致吞噬细胞溶酶体崩解，细胞本身也被破坏，矽尘释出，后又被其他巨噬细内吞噬，如此反复进行。受损或已破坏的巨噬细胞释放“致纤维化因子”，并激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化。
2．肺结核结核杆菌不产生内、外毒素，也无荚膜和侵袭性酶。但是菌体成分硫酸脑苷脂能抵抗胞内的溶菌杀伤作用，使结核杆菌在肺泡内大量生长繁殖，导致巨噬细胞裂解，释放出的结核杆菌再被吞噬而重复上述过程，最终引起肺组织钙化和纤维化。
3．各类贮积症贮积症（storage disease）是由于遗传缺陷引起的，由于溶酶体的酶发生变异，功能丧失，导致底物在溶酶体中大量贮积，进而影响细胞功能，常见的贮积症主要有以下几类。
台-萨氏综合征（Tay-Sachs diesease）：要叫黑蒙性家族痴呆症，溶酶体缺少氨基已糖酯酶A（β-N-hexosaminidase），导致神经节甘脂GM2积累，影响细胞功能，造成精神痴呆，2~6岁死亡。患者表现为渐进性失明、病呆和瘫痪，该病主要出现在犹太人群中。
II型糖原累积病（Pompe病）：溶酶体缺乏α-1,4-葡萄糖苷酶，糖原在溶酶体中积累，导致心、肝、舌肿大和骨骼肌无力。属常染色体缺陷性遗传病，患者多为小孩，常在两周岁以前死亡。
Gaucher病：又称脑苷脂沉积病,是巨噬细胞和脑神经细胞的溶酶体缺乏β- 葡萄糖苷酶造成的。大量的葡萄糖脑苷脂沉积在这些细胞溶酶体内,巨噬细胞变成Gaucher 细胞，患者的肝、脾、淋巴结等肿大，中枢神经系统发生退行性变化，常在1 岁内死亡。
细胞内含物病（inclusion-cell disease，I-cell disease）：一种更严重的贮积症，是N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶单基因突变引起的。由于基因突变，高尔基体中加工的溶酶体前酶上不能形成M6P分选信号，酶被运出细胞（default pathway）。这类病人成纤维细胞的溶酶体中没有水解酶，导致底物在溶酶体中大量贮积，形成所谓的“包涵体（inclusion）”。另外这类病人肝细胞中有正常的溶酶体，说明溶酶体形成还具有M6P之外的途径。
4．类风湿性关节炎溶酶体膜很易脆裂，其释放的酶导致关节组织损伤和发炎 。
4.3 The Arise of Lysosome
》初级溶酶体是在高尔基体的trans面以出芽的形式形成。目前了解的比较清楚的是M-6P途径。
其形成过程如下。
Signal Patch
信号斑(signal patch):是由几个肽段形成的一个三维结构的表面,这几段信号肽聚集在一起形成一个斑点被磷酸转移酶识别。信号斑是溶酶体酶的特征性信号。
M6P标志的形成
rER合成溶酶体蛋白→进入内质网腔进行N-连接的糖基化修饰→进入高尔基体cis面膜囊→磷酸转移酶识别溶酶体水解酶的信号斑→将乙酰葡糖胺磷酸转移在多个个甘露糖残基上→在中间膜囊l磷酸葡萄糖苷酶切去N-乙酰葡糖胺形成M6P标志
M6P并非是溶酶体酶的唯一分选途径
》依赖于M6P 的分选途径的效率不高，部分溶酶体酶通过运输小泡直接分泌到细胞外。
》在细胞质膜上存在依赖于钙离子的M6P受体，同样可与胞外的溶酶体酶结合，通过受体介导的内吞作用，将酶送至前溶酶体中，M6P受体返回细胞质膜，反复使用。
》还存在不依赖于M6P的分选途径（如酸性磷酸酶、分泌溶酶体(Secretory Lysosome)的穿孔素和粒酶。
4.4 Microbody
》Rhodin 1954发现于鼠肾小管上皮细胞。
》是一种具有异质性的细胞器。直径通常0.5um，呈圆形，椭圆形或哑呤形不等，由单层膜围绕而成。分为过氧化物酶体（peroxisome）及乙醛酸循环体（glyoxysome），后者见于植物。
》特点：含过氧化氢酶（标志酶）和一至多种依赖黄素（flavin）的氧化酶，已发现40多种氧化酶，各类氧化酶的共性是将底物氧化后生成过氧化氢。而过氧化氢酶又将H2O2氧化分解为H2O。
微体的功能
1,在动物中,①参与脂肪酸的β-氧化； ②具有解毒作用，过氧化氢酶利用H2O2将酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质氧化，饮入的酒精1/4是在微体中氧化为乙醛。
2,在植物中：①参与光呼吸，将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢，②在萌发的种子中，进行脂肪的β-氧化，产生乙酰辅酶A，经乙醛酸循环，由异柠檬酸裂解为乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循环，因涉及乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体。
解毒作用：主要体现在动物细胞，这种微体含有与生成H2O2有关的酶，也含有分解H2O2的过氧化氢酶，将代谢过程中产生的对细胞有毒害的H2O2分解。
分解脂肪酸等高能分子，向细胞直接提供热能。
与胆固醇代谢有关。
执行光呼吸（乙醇酸代谢）：这一功能体现在植物细胞。过氧化物酶体是乙醇酸氧化的场所，氧化的结果是摄取氧，释放CO2，这一过程只能在光照下，与叶绿体、线粒体联合进行，称为光呼吸（photorespiration））
微体的发生
》已有的过氧化物酶体在细胞分裂时，以分裂方式传给子代细胞,再进行进一步的装配。
》微体中所有的酶都由核基因编码，在细胞质基质中合成，在信号肽的引导下，进入过氧化物酶体。
》引导蛋白质进入微体的信号序列过氧化物酶体蛋白分选的信号序列（Peroxisomal-targeting signal，PTS）：PTS1为Ser-lys-leu，多存在于基质蛋白的C端。PTS2为Arg/Lys-Leu/lle-5X-His/Gln-leu，存在于某些基质蛋白N-端。膜脂在内质网上合成后，通过磷脂转移蛋白PTP转移而来。
Microbody VS Lysosome
Characters
Lysosome
Microbody
形态、大小
多球形，直径0.2-0.5μm，无酶晶体
球形，直径0.15-0.25μm，多有酶晶体
酶种类
酸性水解酶
氧化酶类、过氧化氢酶
PH
5左右
7左右
是否需O2
不需要
需要
功能
细胞内消化
多种功能
发生
高尔基体出芽形成
分裂和装配形成，酶在细胞质基质中合成
标志酶
酸性磷酸酶
过氧化氢酶
5 Protein Sorting
从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生（线粒体、叶绿体），从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂。当细胞进行分裂时，不仅要进行染色体和细胞核的复制，同时各种细胞器通过吸收新合成的成分长大，然后随着细胞的分裂分配到子细胞中去。细胞不能从无到有产生所有膜性细胞器，新的膜性细胞器来源于已存在细胞器的分裂。如果彻底移除细胞内所有的过氧化物酶体，细胞根本不能重建新的过氧化物酶体，因为过氧化物酶体中具有选择性地接受细胞质内合成的蛋白质的转位因子（translocator）。细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面：其一是蛋白质中包含特殊的信号序列（signal sequence or targeting sequence ），其二是细胞器上具特定的信号识别装置（分选受体，sorting receptor），因此内膜系统的发生具有核外遗传（epigenetic）的特性。
为什么说蛋白质的合成和分选运输是细胞中最重要的生命活动之一?
这是因为在细胞生命周期的各个阶段都需要不断补充和更新蛋白质(或酶); 细胞中的线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器都是通过已存在细胞器的分裂增殖的，新形成的细胞器的生长需要大量的蛋白质。细胞本身也是通过分裂增殖的,新形成的细胞为了增大体积，需要不断地补充蛋白。即使是不进行分裂的细胞，由于细胞内蛋白质的寿命限制和降解，也需要不断地补充蛋白质，取代细胞器中丧失功能的蛋白,所以蛋白质的合成和分选运输是细胞中最重要的生命活动之一。
5.1 蛋白质分选和运输的基本原理蛋白质是由核糖体合成的，合成之后必须准确无误地运送到细胞的各个部位。在进化过程中每种蛋白形成了一个明确的地址签(address target),细胞通过对蛋白质地址签的识别进行运送,这就是蛋白质的分选(protein sorting)。细胞中蛋白质的运输有两种方式:共翻译运输和翻译后运输,内膜系统参与共翻译运输,是分泌蛋白质分选的主要系统。
5.1.1 蛋白质分选的两条基本途径
A:翻译后转移Post-translation translocation：在细胞质基质中完成多肽链的合成（翻译），再转运至膜结合的细胞器（如，线粒体、叶绿体、微体、细胞核等）或细胞质基质的特定部位。
B:共翻译转移Co-translation translocation：在细胞质基质中多肽链的合成起始后，边合成边转入内质网腔中，随后经高尔基体运至溶酶体、质膜、分泌到细胞外（还包括内质网和高尔基体中的蛋白质）。
5.1.2 蛋白质分选定位的空间障碍及运输方式
》从蛋白质定位的细胞内空间部位结构来看,可分三种类型:
①没有膜障碍的,如细胞质基质,包括细胞质基质中的细胞骨架蛋白和各种酶及蛋白分子；
②有完全封闭的膜障碍,如线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体等；
③有膜障碍,但是膜上有孔,如细胞核。
蛋白质分选的运输方式：
1,门控运输（gated transport）：如通过核孔复合体的运输，具有选择性。
2.跨膜运输（transmembrane transport）：蛋白质通过跨膜通道进入目的地。如细胞质中合成的蛋白质通过线粒体上的转位因子（translocator）进入线粒体。
3.膜泡运输（vesicular transport）：被运输的物质在内质网或高尔基体中加工成衣被小泡，选择性地运输到靶细胞器。
蛋白质在核孔运输和小泡运输中可保持折叠的形式,但在跨膜运输中必须解折叠,定位后再进行折叠。无论是何种运输方式都需要消耗能量。
4.细胞质基质中的蛋白质运输：从胞质基质的合成部位运输到特定的功能部位。
蛋白质分选定位的时空概念所谓蛋白质分选定位的时空概念包括两种含义:①合成的蛋白质何时转运?②合成蛋白质在细胞中定位空间及转运中所要逾越的空间障碍是什么?
● 从时间上考虑,蛋白质的合成分选有两种情况:先合成,再分选和一边合成一边分选。为了适于蛋白质分选的时间上的需要,核糖体在合成蛋白质时就有两种存在状态:游离的或与内质网结合的。
● 从蛋白质定位的空间看,包括了细胞内各个部分,即使是具有蛋白质合成机器的线粒体和叶绿体也需要从细胞质中获取所需蛋白质。
5.2 蛋白质分选的信号机制
5.2.1 Signal hypothesis
》G．Blobel et al：Signal hypothesis,1975.获1999年Nobel prize(M&P).
》核心内容：分泌性蛋白质在N端具有信号肽（Signal peptide），指导它到内质网膜上合成。
》这一过程涉及：
信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）；
信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白docking protein，DP）；
ER膜上的易位子（Translocon）等。
5.2.2 分选信号
①信号序列（signal sequence）：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常15-60个氨基酸残基，有些在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶（signal peptidase）切除；通常信号序列对所引导的蛋白质没有特异性要求，每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向。（如分泌蛋白的signal peptide、线粒体蛋白的leader peptide、ER的K/HDEL序列）
②信号斑（signal patch）：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。
虽然蛋白质可通过不同的方式和机制克服空间障碍,定位到膜结合的细胞器中,但就其定位的准确性来说,无论何种运输机制都是通过信号引导实现的,换句话说,信号序列决定蛋白质的正确运输方向。
(a)具有ER定位信号序列的蛋白质被运输到ER中,而没有引导序列的蛋白质存在于胞质溶胶中。(b)通过重组DNA技术将引导序列与胞质溶胶的蛋白基因重组,表达的胞质溶胶蛋白被定位到ER,相反,被剥夺了ER定位信号的蛋白质则只能存在于胞质溶胶中。该实验说明引导序列对所引导的蛋白质没有特异性。
● 信号序列特性通常为15-60个氨基酸长度，位于新生肽的N端。通过基因工程的方法证明信号序列指导的蛋白质运输和定位对蛋白质没有特异性,但不同的膜结合细胞器具有不同的蛋白质定位的信号序列(表9-3)。
功能 信号序列组成
输入内质网 +H3 N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val- Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu- Gln-Leu-Thr- Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln
滞留内质网 -Lys-Asp-Glu-Leu-COO——
输入线粒体 +H3 N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe- Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser- Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-
输入细胞核输入过氧化物酶体 -Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val--Ser-Lys-Leu-
说明,+H3N 代表氨基端; COO——代表羧基端。
● 信号序列的类型根据信号序列运输方向的不同分为三种类型，即入核信号、引导肽和信号肽。入核信号指导核蛋白的运输，引导肽指导线粒体、叶绿体和过氧化物酶体蛋白的运输，信号肽则指导内膜系统的蛋白质运输。
5.2.3 跨膜蛋白的形成机制
》Start transfer sequence,起始转移序列：引导穿过ER膜。
》Stop transfer sequence：和ER膜有较强亲和力而结合在脂双层中，使之不再转入ER腔。
5.3 Vesicular transport
共翻译转移的蛋白质进入内质网后是通过膜泡（visicle）转运的，其机理涉及三个基本问题：
》①小泡是怎样装配（assembly）形成的?
》②不同类型小泡如何识别靶膜（targeting）?
》③膜泡如何和靶膜融合（fusion）?
5.3.1 Types of Coated Vesicles，and its Assembly
在细胞分泌和内吞过程中,从膜上形成的小泡通常由不同的蛋白质包被，因此称为有被小泡(coated vesicles),有三种类型的有被小泡：
1,网格（笼形）蛋白 clathrin coated vesicles
2,COPI coated vesicles
3,COPII coated vesicles
大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的。其表面具有一个笼子状的由蛋白质构成的衣被（coat）。这种衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。衣被具有两个主要作用：①选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡；②如同模具一样决定运输小泡的外部特征，相同性质的运输小泡之所以具有相同的形状和体积，与衣被蛋白的组成有关。
（1） Clathrin Coated Vesicles
》相关运输途径：质膜→内体（选择性胞吞作用），高尔基体→内体，高尔基体→溶酶体、植物液泡。
》结构：由3个重链和3个轻链组成，形成一个具有3个曲臂的形状。许多笼形蛋白的曲臂部分交织在一起，形成具有5边形网孔的笼子。
》衔接蛋白，又称接合素蛋白(adaptin /AP)：介于笼形蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。
目前至少发现4种不同类型的衔接蛋白，可分别结合不同类型的受体，形成不同性质的转运小泡，如AP1参与高尔基体→内体的运输、AP2参与质膜→内体的运输、AP3参与高尔基体→溶酶体的运输。
》发动蛋白(dynamin)：小泡最后与膜的脱离还需要发动蛋白。当网格蛋白衣被小泡形成时。作用是在被膜小窝的颈部聚合,通过水解GTP调节自己收缩,最后将小泡与质膜割开。
Dynamin,是一种单体GTP结合蛋白（有别于三聚体GTP结合蛋白，即G蛋白），也是网格蛋白有被小泡形成的装配反应因子(Assembly Reaction Factor,ARF)
高尔基体TGN是网格蛋白包被小泡形成的发源地.
（2） COPI Coated Vesicles
》功能：负责回收、转运内质网逃逸蛋白（ escaped proteins）返回内质网(逆行转运，Retrograde Transport);还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。
》由多种蛋白亚基(COPαββ’γδεζ)组成，装配与去装配有赖于ARF。
》装配反应因子(assembly reaction factor,ARF)
一种单体GTPase。当ARF同GDP结合时，游离存在于胞质溶胶中,若同GTP结合，GTP使ARF的构型发生改变，暴露出它的脂肪酸链，并随即插入到供体膜中。同膜结合后的ARF——GTP可以同COPI结合，形成被膜小泡。
》回收信号retrieval signal：Lys-Asp-Glu-Leu(KDEL)。 内质网的膜蛋白（如SRP受体）在C端有一个不同的回收信号Lys-Lys-X-X。
》细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制：
a.转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运；
b,以COPI-包被小泡的形式捕获逃逸蛋白。?
,ER→Golgi:顺行转运Anterograde Transport;
Golgi → ER,逆行转运，Retrograde Transport.
负责回收、转运内质网逃逸蛋白（escaped proteins）返回内质网。起初发现于高尔基体碎片，在含有ATP的溶液中温育时，能形成非笼形蛋白包被的小泡。进一步的研究发现这种衣被蛋白复合体包含多达7种肽链。
内质网向高尔基体输送运输小泡时，一部分自身的蛋白质也不可避免的被运送到了高尔基体，如不进行回收则内质网因为磷脂和某些蛋白质的匮乏而停止工作。内质网通过两种机制维持蛋白质的平衡,一是转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，例如有些驻留蛋白参与形成大的复合物，因而不能被包装在出芽形成的转运泡中，结果被保留下来；二是通过对逃逸蛋白的回收机制，使之返回它们正常驻留的部位。
内质网的正常驻留蛋白，不管在腔中还是在膜上，它们在C端含有一段回收信号序列（retrieval signals），如果它们被意外地逃逸进入转运泡从内质网运至高尔基体cis面，则cis面的膜结合受体蛋白将识别并结合逃逸蛋白的回收信号，形成COPI衣被小泡将它们返回内质网。内质网腔中的蛋白，如蛋白二硫键异构酶和协助折叠的分子伴侣，均具有典型的回收信号Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）。内质网的膜蛋白（如SRP受体）在C端有一个不同的回收信号，通常是Lys-Lys-X-X（KKXX，X：任意氨基酸），同样可保证它们的回收。
COP I衣被小泡还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。
（3） COPII Coated Vesicles
》介导从内质网到高尔基体的物质运输。
,由5蛋白质亚基构成：Sec23/Sec24复合体，Sec 13/31复合体,Sec 16。
》大多数跨膜蛋白是直接结合在COP II衣被上，少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与COP II衣被结合。
》分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结构域，形式多样，有些包含双酸性基序[DE]X[DE],如Asp-X-Glu序列。
》装配：Sar-GTP与内质网膜的结合起始COPII亚基的装配，形成小泡的包被并出芽，跨膜受体在腔面捕获并富集被转运的可溶性蛋白 。
衣被是在一类叫作衣被召集GTP酶（coat-recruitment GTPase）作用下形成的。衣被召集GTP酶通常为单体GTP酶（monomeric GTPase），也叫G蛋白，起分子开关的作用，结合GDP的形式没有活性，位于细胞质中，结合GTP而活化，转位至膜上，能与衣被蛋白结合，促进核化和组装。
G蛋白具有两类重要的调节蛋白，即：鸟苷酸交换因子（guanine-nucleotide exchange factor,GEF）和GTP酶激活蛋白（GTPase activating protein,GAP）。GEF的作用是使G蛋白释放GDP，结合GTP而激活。GAP的作用是激活G蛋白的酶活性，使GTP水解，G蛋白失活，G蛋白本身的GTP酶活性不高。除单体G蛋白以外，三聚体G蛋白也起分子开关的作用，控制衣被小泡的形成。
衣被召集GTP酶包括Arf蛋白和Sar 1蛋白，Arf参与高尔基体上笼形蛋白衣被与COP I衣被的形成，Sar 1参与内质网上COP II衣被的形成，两者的作用方式大体相似。质膜上笼形蛋白衣被的形成也与GTP酶有关，但其成分尚不明确。
衣被召集GTP酶大量存在于细胞质中，但处于结合GDP的失活状态。当内质网上要形成COPII衣被小泡时，Sar 1释放GDP结合GTP而激活，激活的Sar 1暴露出一条脂肪酸的尾巴，插入内质网膜，然后开始召集衣被蛋白，以衣被蛋白为模型形成运输小泡。活化的衣被召集GTP酶还可以激活磷脂酶D（phospholipase D），将一些磷脂水解，使形成衣被的蛋白质牢固地结合在膜上。
衣被召集GTP酶对衣被的形成其动态调节作用，当多数衣被召集GTP酶处于结合GTP的状态时，它催化衣被的形成；反之当多数衣被召集GTP酶处于结合GDP的状态时，它催化衣被的解体。因此衣被的形成过程是边形成便解体的动态过程，只有在组装速率大于解体速率时，才能形成衣被小泡。
5.3.2 Mechanism of Targeting & fusion
(1)Targeting：SNARE hypothesis
James Rothman和他的同事根据对动物细胞融合研究的发现,提出有关小泡寻靶的SNARE假说(SNARE hypothesis)。
》NSF和SNAPs：他们发现动物细胞融合需要一种可溶性的细胞质蛋白,叫做N-乙基顺丁烯二酰亚胺敏感的融合蛋白(N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein,NSF)以及其它几种可溶性的NSF附着蛋白(soluble NSF attachment protein,SNAPs)。NSF是一种四聚体，四个亚基都相同。SNAPs 有α-、β-和γ- SNAPs等。
》SNARE hypothesis:
由于NSF/ SNAPs能够介导不同类型小泡的融合,说明它没有特异性。据此Rothman提出:膜融合的特异性是由另外的膜蛋白提供的，把这种蛋白称为SNAP受体蛋白(soluble NSF attachment protein receptor，SNAREs)，这种蛋白可以作为膜融合时SNAPs的附着点。
》不同的小泡具有不同的SNAREs
按照SNARE假说，每一种运输小泡都有一个特殊的V-SNARE(vesicle-SNAP receptor)标志，能够同适当的靶膜上的T-SNARE(target-SNAP receptor)标志相互作用。
(2)Fusion Model
① 运输小泡通过小泡膜中的V-SNARE与靶膜T-SNARE/SNAP25复合物的细胞质结构域相互作用,形成螺旋结构,使运输小泡附着到受体膜。
② 通过多个V-SNARE与靶膜T-SNRE相互作用以及ATP的水解形成预融合复合物；
③ 预融合开始之后立即进行融合,但详细机理不清；
④ 在融合过程中,相互作用的蛋白进行解离,如T-SNARE/V-SNARE/SNAP25相互分开,促进了进一步的融合；
⑤ 含有V-SNARE小泡的形成并回到原始膜中。
衣被小泡沿着细胞内的微管被运输到靶细胞器，马达蛋白水解ATP提供运输的动力。各类运输小泡之所以能够被准确地和靶膜融合，是因为运输小泡表面的标志蛋白能被靶膜上的受体识别，其中涉及识别过程的两类关键性的蛋白质是SNAREs（soluble NSF attachment protein receptor）和Rabs（targeting GTPase）。其中SNARE介导运输小泡特异性停泊和融合，Rab的作用是使运输小泡靠近靶膜。
（一）SNAREs
SNAREs的作用是保证识别的特异性和介导运输小泡与目标膜的融合，动物细胞中已发现20多种SNAREs，分别分布于特定的膜上，位于运输小泡上的叫作v-SNAREs，位于靶膜上的叫作t-SNAREs。v-SNAREs和 t-SNAREs都具有一个螺旋结构域，能相互缠绕形成跨SNAREs复合体（trans-SNAREs complexes），并通过这个结构将运输小泡的膜与靶膜拉在一起，实现运输小泡特异性停泊和融合。实验证明包含了SNARE的脂质体和包含匹配SNARE的脂质体间可发生融合，尽管速度较慢。这说明除了SNARE之外，还有其他的蛋白参与运输泡与目的膜的融合。
在SNAREs接到新一轮的运输小泡停泊之前，SNAREs必须以分离的状态存在，NSF（N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein,NSF）催化 SNAREs的分离，它是一种类似分子伴娘的ATP酶，能够利用ATP作为能量通过插入几个适配蛋白（adaptor protein）将SNAREs复合体的螺旋缠绕分开。
在神经细胞中SNAREs负责突触小泡的停泊和融合，破伤风毒素和肉毒素等细菌分泌的神经性毒素实际上是一类特殊的蛋白酶，能够选择性地降解SNAREs，从而阻断神经传导。
精卵的融合、成肌细胞的融合均涉及SNAREs，另外病毒融合蛋白的工作原理与SNAREs相似，介导病毒与宿主质膜的融合。
（二）Rabs
Rab也叫targeting GTPase，属于单体GTP酶，结构类似于Ras，已知30余种。不同膜上具有不同的Rab，每一种细胞器至少含有一种以上的Rab。Rabs的作用是促进和调节运输小泡的停泊和融合。与衣被召集GTP酶相似的是，起分子开关作用，结合GDP失活，位于细胞质中，结合GTP激活，位于细胞膜、内膜和运输小泡膜上，调节SNAREs复合体的形成。Rabs的调节蛋白与其它G蛋白的相似。Rabs还有许多效应因子（effector），其作用是帮助运输小泡聚集和靠近靶膜，触发SNAREs释放它的抑制因子。许多运输小泡只有在包含了特定的Rabs和SNAREs之后才能形成。
阅读及思考：
1、内质网和高尔基体在膜泡运输中各起什么作用？如何理解“Open prison”？
2、微管和膜泡运输有何关系？
3、有些具包膜的病毒是通过膜融合出芽或向胞质释放核酸的，其机制如何？
5.4 Assembly of Cell structure systems
生物大分子的装配方式：
》自我装配（self-assembly）：装配信息存在于装配亚基本身；
》协助装配（aided-assembly）：其装配除装配亚基外还需其它成分的介入；
》直接装配（direct-assembly）；亚基直接装配到已形成的结构上。
Molecular Chaporone 分子伴侣：细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位相结合，从而帮助这些多肽转运、折叠或装配，这一类分子本身并不参与最终产物的形成，因此称为分子伴侣。
生物大分子装配的生物学意义,
》减少和校正蛋白质合成中出现的错误；
》减少所需的遗传物质信息量；
》通过装配与去装配更容易调节与控制多种生物学过程 。
Chapter Ⅶ Mitochondrion & Chloroplast
一、教学目的和要求：
本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：线粒体的结构和功能，氧化磷酸化的机理；叶绿体的结构和功能，光合磷酸化的机理；线粒体和叶绿体的半自主性，以及其起源。
二、教材分析：
概述：线粒体和叶绿体的知识点在其它课程中都或多或少的涉及过，所以学生的自学难度较小。但在部分内容，例如“线粒体和叶绿体蛋白质的运送和装配”，具有具有一定的难度。
教学重点：线粒体亚显微结构，氧化磷酸化；叶绿体亚显微结构；线粒体和叶绿体蛋白质的运送和装配；线粒体和叶绿体的半自主性，以及其起源。
教学难点：氧化磷酸化，线粒体和叶绿体的半自主性。
三、教学设想：
教材处理：对先行课程已涉及的内容略讲，如“呼吸链”、“光合作用”等；对部分分子部分内容重点讲述。
教学方法：主要采用讲授法和例证法，辅以提问和讨论。
教具：CAI课件四、教学内容：（6学时）
1 Mitochondrion
1890年R,Altaman首次发现线粒体，命名为bioblast，以为它可能是共生于细胞内独立生活的细菌。
1898年Benda首次将这种颗命名为mitochondrion。
1900年L,Michaelis用Janus Green B对线粒体进行染色，发现线粒体具有氧化作用。
Green（1948）证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，Kennedy和Lehninger（1949）发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内完成的，Hatefi等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体。Mitchell（1961－1980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。
1.1 Structure
1.1.1 Shape,Size,Amount & Distributing
》粒状或杆状最常见，也可呈环形、哑铃形、枝状。
》直径0.5~1μm，长1.5~3.0μm，在胰脏外分泌细胞中可长达10~20μm，称巨线粒体。
》在不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大,但在同一类型的细胞中数目相对稳定。有些细胞中只有一个线粒体，有些则有几十、几百、甚至几千个线粒体。
》肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的20%，许多哺乳动物成熟的红细胞无线粒体。
线粒体一般呈粒状或杆状，但因生物种类和生理状态而异，可呈环形，哑铃形、线状、分杈状或其它形状。主要化学成分是蛋白质和脂类，其中蛋白质占线粒体干重的65-70%，脂类占25-30%。
一般直径0.5~1μm，长1.5~3.0μm，在胰脏外分泌细胞中可长达10~20μm，称巨线粒体。
数目一般数百到数千个，植物因有叶绿体的缘故，线粒体数目相对较少；肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的20%；单细胞鞭毛藻仅1个，酵母细胞具有一个大型分支的线粒体，巨大变形中达50万个；许多哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体。
通常结合在维管上，分布在细胞功能旺盛的区域。如在肝细胞中呈均匀分布，在肾细胞中靠近微血管，呈平行或栅状排列，肠表皮细胞中呈两极性分布，集中在顶端和基部，在精子中分布在鞭毛中区。线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨，由马达蛋白提供动力。
1.1.2 Ultrastructure
线粒体由内外两层膜封闭，包括外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区隔。在肝细胞线粒体中各功能区隔蛋白质的含量依次为：基质67%，内膜21%，外8%膜，膜间隙4%。
1、外膜 (out membrane)
含40%的脂类和60%的蛋白质，具有孔蛋白（porin）构成的亲水通道，允许分子量为5KD以下的分子通过，1KD以下的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。
2、内膜 （inner membrane）
含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。心磷脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。如：丙酮酸和焦磷酸是利用H+梯度协同运输。
线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜，因此从能量转换角度来说，内膜起主要的作用。内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。
内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cristae），嵴能显著扩大内膜表面积（达5~10倍），嵴有两种类型：①板层状、②管状，但多呈板层状。
嵴上覆有基粒（elementary particle），基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F0偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。
3、膜间隙(intermembrane space)
是内外膜之间的腔隙，延伸至嵴的轴心部，腔隙宽约6-8nm。由于外膜具有大量亲水孔道与细胞质相通，因此膜间隙的pH值与细胞质的相似。标志酶为腺苷酸激酶。
4、基质（matrix）
为内膜和嵴包围的空间。除糖酵解在细胞质中进行外，其他的生物氧化过程都在线粒体中进行。催化三羧酸循环，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于基质中，其标志酶为苹果酸脱氢酶。
基质具有一套完整的转录和翻译体系。包括线粒体DNA（mtDNA），70S型核糖体，tRNAs,rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。
基质中还含有纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质，内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子。
1.2 Chemical Composition
线粒体组分的分离：利用由于线粒体外膜的通透性比内膜高这一性质。
先将线粒体置于低渗溶液中使外膜破裂，此时线粒体内膜和基质(线粒体质)仍结合在一起，通过离心可将线粒体质分离。用去垢剂毛地黄皂苷处理线粒体质，破坏线粒体内膜，释放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合形成小泡，其表面有F1颗粒。
1.2.1 化学组分
》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）
1.2.2 各部分的标志酶外膜,单胺氧化酶内膜,细胞色素c氧化酶膜间隙,腺苷酸激酶基质,苹果酸脱氢酶
1.3 Mitochondrial Functions
最主要的功能：氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)，动物细胞中80%的ATP来源于线粒体，糖、脂肪和氨基酸彻底氧化，电子经过一系列的传递，传至氧分子，逐级释放能量，合成ATP。
1.3.1 氧化磷酸化的分子基础
(一)电子传递链电子载体主要：NAD、黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶Q、铜原子等。
1、NAD：即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide），连接三羧酸循环和呼吸链，将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。
2、黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白，可接受2个电子2个质子。黄素相关的脱氢酶类主要有：①以FMN为辅基的NADH脱氢酶。②以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。
3、细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。
4、铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。
5、辅酶Q：是脂溶性小分子量醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有3种氧化还原形式，即：氧化型醌Q，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（QH）。
6、铜原子：位于线粒体内膜的一个蛋白质上，形成类似于铁硫蛋白的结构，通过Cu2+、Cu1+的变化传递电子。
(二) 呼吸链的复合物
》呼吸链组分按氧化还原电位由低向高的方向排列。
》利用deoxycholate处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物。辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。
1、复合物I：NADH脱氢酶。
组成：42条肽链组成，呈L型，含一个FMN和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在。
作用：催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。即是电子传递体又是质子移位体。
NADH→（FMN→Fe-S）→Q
2、复合物II：琥珀酸脱氢酶
组成：至少由4条肽链，含有一个FAD，2个铁硫蛋白。
作用：催化琥珀酸的低能量电子转至辅酶Q，但不转移质子。
– 琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。
3、复合物III：细胞色素c还原酶。
组成：至少11条不同肽链，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个铁硫蛋白和一个细胞色素c1 。
作用：催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。即是电子传递体又是质子移位体。
复合物Ⅲ的电子传递比较复杂，和“Q循环,Q Cycle”有关。
4、复合物IV：细胞色素c氧化酶
组成：为二聚体，每个单体含至少13条肽链，分为三个亚单位。
作用：将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。即是电子传递体又是质子移位体。
cyt c→CuA→heme a→a3- CuB→O2
反应式：
4还原态cyt c + 8 H+M + O2→4氧化态cyt c + 4H+C + 2H2O
（三）主、次呼吸链
（1）主呼吸链：由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。
（2）次呼吸链：由复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ构成，催化琥珀酸的脱氢氧化，来自FADH2的电子不经过复合物Ⅰ。
》对应于每个复合物Ⅰ，大约需要3个复合物Ⅲ，7个复合物Ⅳ，任何两个复合物之间没有稳定的连接结构，而是由辅酶Q和细胞色素c这样的可扩散性分子连接。
1.3.2 氧化磷酸化的机理氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指在活细胞中伴随着呼吸链的氧化作用所发生的能量转换和ATP的形成过程。
（一）偶联机制
P,Mitchell（1961）提出“化学渗透假说chemiosmotic coupling hypothesis”，获得1978年诺贝尔化学奖。认为：
》电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧（M侧）泵至膜间隙（C侧），形成质子动力势（ △P），这种势能驱动下，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。
支撑实验：
》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
（二）ATP synthetase
ATP合酶（ATP synthetase），分子量500KD，状如蘑菇。分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子，属于F型质子泵。每个肝细胞线粒体通常含15000个ATP合酶、每个酶每秒钟可产生100个ATP。
F1由5种多肽组成α3β3γδε复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个β亚基具有一个）。α和β单位交替排列，状如桔瓣。γ贯穿αβ复合体（相当于发电机的转子），并与F0接触，ε帮助γ与F0结合。δ与F0的两个b亚基形成固定αβ复合体的结构（相当于发电机的定子）。
F0由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形结构，具有质子通道，可使质子由膜间隙流回基质。
1979年代Boyer P提出构象耦联假说，一些有力的实验证据使这一学说得到广泛的认可。其要点如下：
1．ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP。
2．F1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同、因而与核苷酸的亲和力不同。在L构象（loose），ADP,Pi与酶疏松结合在一起；在T构象（tight）底物（ADP,Pi）与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在O构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。
3．质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动γ亚基旋转，由于γ亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起β亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP。
1979年代Boyer P提出结合变构模型(binding-change model)：
F1中的γ亚基作为C亚基旋转中心中固定的转动杆,旋转时会引起αβ复合物构型的改变。有三种不同的构型，对ATP和ADP具有不同的结合能力,①O型几乎不与ATP、ADP和Pi结合;②L型同ADP和Pi的结合较强;③T型与ADP和Pi的结合很紧，并能自动形成ATP，并能与ATP牢牢结合。当γ亚基旋转并将αβ复合物转变成O型则会释放ATP。
支持构象耦联假说的实验有：
1．日本的吉田（Massasuke Yoshida）等人将α3β3γ固定在玻片上，在γ亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有ATP的溶液中温育时，在显微镜下可观察到γ亚基带动肌动蛋白纤维旋转。
2．在另外一个实验中，将荧光标记的肌动蛋白连接到ATP合酶的F0亚基上，在ATP存在时同样可以观察到肌动蛋白的旋转。
1.3.3 氧化磷酸化的抑制剂
1．电子传递抑制剂
抑制NADH→CoQ的电子传递。阿米妥、鱼藤酮。
抑制复合物III。抗霉素A 。
抑制复合物IV。如：CO、CN、NaN3、H2S。
2．磷酸化抑制剂
与F0结合结合，阻断H+通道。如：寡霉素。
3．解偶联剂（uncoupler）
解偶联蛋白(uncoupling proteins,UCPs)：位于动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体，与维持体温有关。
质子载体,DNP、FCCP。
质子通道：增温素（thermogenin）。
其它离子载体：如缬氨霉素。
某些药物：如过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升高。
2 Chloroplast
》质体Plastid：植物细胞中特有的一类膜结合细胞器的总称，这类细胞器都是由共同的前体：前质体Proplatid分化发育而来。包括：
－白色体 leucoplast;
－有色体 chromoplast;
－叶绿体 chloroplast;
－蛋白质体、油质体、淀粉质体等。
绿色植物通过叶绿体（Chloroplast）完成能量转换，利用光能同化二氧化碳和水，合成糖，同时产生氧。绿色植物年产干物质达1014公斤。
光合作用是地球上有机体生存和发展的根本源泉。
2.1 Shape & Structure
》象双凸或平凸透镜,长径5~10um,短径2~4um,厚2~3um。叶肉细胞一般含50~200个叶绿体，占细胞质的40%。
在高等植物中叶绿体象双凸或平凸透镜，长径5~10um，短径2~4um，厚2~3um。高等植物的叶肉细胞一般含50～200个叶绿体，可占细胞质的40%，叶绿体的数目因物种细胞类型，生态环境，生理状态而有所不同。
在藻类中叶绿体形状多样，有网状、带状、裂片状和星形等等，而且体积巨大，可达100um。
叶绿体由叶绿体外被（chloroplast envelope）、类囊体（thylakoid）和基质（stroma）3部分组成，叶绿体含有3种不同的膜：外膜、内膜、类囊体膜和3种彼此分开的腔：膜间隙、基质和类囊体腔
》其形状、大小、数目因植物种类而异，在同种植物不同组织中也有不同，如分生组织无叶绿体。
2.1.1 Chloroplast Envelope
,双层膜组成，膜间为10~20nm的间隙。
》外膜的渗透性大。
》内膜对通过物质的选择性很强，CO2、O2、Pi、H2O、等可以透过内膜，ADP、ATP、NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透过内膜，需要特殊的转运体（translator）才能通过内膜。
叶绿体外被由双层膜组成，膜间为10~20nm的膜间隙。外膜的渗透性大，如核苷、无机磷、蔗糖等许多细胞质中的营养分子可自由进入膜间隙。
内膜对通过物质的选择性很强，CO2、O2、Pi、H2O、磷酸甘油酸、丙糖磷酸，双羧酸和双羧酸氨基酸可以透过内膜，ADP、ATP已糖磷酸，葡萄糖及果糖等透过内膜较慢。蔗糖、C5糖双磷酸酯，C糖磷酸酯，NADP+及焦磷酸不能透过内膜，需要特殊的转运体（translator）才能通过内膜。
2.1.2 Thylakoid 类囊体
》是膜围成的扁平囊。主要成分是蛋白质和脂类（60：40），不饱含脂肪酸含量高（约87%），膜流动性高。
》基粒Granum,扁平小囊堆叠而成，每个叶绿体含40~60个。
》基质类囊体 Stroma thylakoid:连接基粒的没有堆叠的类囊体.
是单层膜围成的扁平小囊，沿叶绿体的长轴平行排列。膜上含有光合色素和电子传递链组分，又称光合膜。
许多类囊体象圆盘一样叠在一起，称为基粒，组成基粒的类囊体，叫做基粒类囊体，构成内膜系统的基粒片层（grana lamella）。基粒直径约0.25~0.8μm，由10~100个类囊体组成。每个叶绿体中约有40~60个基粒。
Chapter Ⅰ Introduction
一、教学目的和要求：
通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细胞生物学的研究内容和现状；细胞生物学研究的总趋势和重点领域；细胞学与细胞生物学发展简史；细胞生物学的学习方法。
让学生适应从宏观和微观两种思维视角看待生物科学；认识到应以联系地眼光看待生物科学的各学科。
激发学生对本学科的喜爱、对科学的探索及奋发向上的精神。
二、教材分析：
1. 概述：绪论部分的教学在整个学期的教学中有着关键的地位，它决定着学生能否科学的态度认识本学科、能否以科学的方法学习本学科。选用教材在绪论部分内容较为丰满但稍显枯燥；偏重于对本学科认识方面的介绍，略于对科学精神的激发。
2. 教学重点：细胞生物学的研究内容和现状；细胞生物学研究的总趋势和重点领域；细胞学与细胞生物学发展简史。
3. 教学难点：细胞生物学研究的总趋势和重点领域。
三、教学设想：
1. 教材处理：综合其它国内外教材补充相应内容；教学过程中加强科学史的介绍；引入本学科最新的发展动态：
2. 教学方法：主要采用讲授法，辅以讨论、提问。
3. 教具：CAI课件四、教学内容：（2学时）
1 Content & Actuality of Cell Biology
1.1 Cell Biology & Biological Science
细胞生物学（Cell Biology）：运用近代物理学和化学的技术成就以及分子生物学的概念与方法，从显微水平、亚显微水平和分子水平三个层次上，研究细胞的结构、功能及各种生命活动规律。
生命的层次:
1925,生物学大师E.B.Wilson说：“许久以来，大家就明确，一切生物学问题的答案最终都要到细胞中去寻找。因为所有生物体都是，或曾经是，一个细胞。”
细胞不同于非生命界的任何结构单位，细胞最独特的属性就是它是一个能独立生存，进行自我调节的开放体系，它在同外界进行物质、能量、信息交换的条件下，处于动态平衡之中。因此，所谓生命实质上即是细胞属性的体现。摘之《分子细胞生物学》第二版，韩贻仁主编，1。（Ａ）
细胞是生活有机体的一个结构和功能的基本单位，正像原子是化学结构的基本单位一样。细胞以下层次的结构，只能表现出生命现象，而不能单独构成生命单位。摘自《细胞生物学》第二版，汪堃仁，薛绍白，柳惠图主编（Ｂ）
细胞生物学在现代生物学中的地位：
细胞生物学是现代生物学的基础学科，是生物学各学科在细胞水平的统一。它的研究对象是细胞，恰恰由于细胞在生命界中的独特属性，这就不能不使Cell Biology在生命科学中占有核心地位。
我国基础科学发展规划中，把细胞生物学、分子生物学、神经生物学、生态学并列为生命科学的四大基础学科。
讨论：Cell Biology & Molecular Biology
1.2 Main conten
细胞生物学研究和教学内容一般可分为细胞结构功能与细胞重要生命活动两个基本部分，但它们又是不能截然分开的。在现代生物学的教科书中细胞重要生命活动的知识所占比重越来越大。
当前，细胞生物学的研究内容主要包括以下诸方面：
（－）细胞核、染色体以及基因表达的研究细胞核是遗传物质DNA贮存的场所，也是遗传信息转录为mRNA、rRNA与tRNA的场所。染色质与染色体是遗传物质的载体，核仁是转录rRNA与装配核糖体亚单位的具体场所。细胞核、染色体与核仁的结构与功能的研究是揭示基因表达及其调节的基础。
（二）生物膜与细胞器的研究几十年来，生物膜研究的主要内容是膜的结构模型与物质的跨膜运输机理。磷脂双分子层与膜蛋白的相互关系是研究生物膜结构与功能的重要内容。近年来，在膜的识别与受体效应、蛋白质分子跨膜运动等方面取得了巨大进展。
（三）细胞骨架体系的研究细胞骨架体系的研究在细胞生物学中是一个比较新的、发展中的研究领域。广义的细胞骨架概念应该包括细胞质骨架与核骨架两大部分。
近来发现细胞骨架与一系列重要生命活动，诸如细胞内大分子的运输与细胞器的运动、细胞信息的传递、基因表达与大分子加工等均有密切关系。
（四）细胞增殖及其调控一切动植物的生长与发育都是通过细胞的增殖与分化来实现的。研究细胞增殖的基本规律及其调控机理不仅是控制生物生长与发育的基础，而且是研究癌变发生及逆转的重要途径。目前国际上研究细胞增殖的调控主要从两方面进行：一是从环境中与有机体中寻找控制细胞增殖的因子，以及阐明它们的作用机制。二是寻找控制细胞增殖的关键性基因，并通过调节基因产物来控制细胞的增殖。
（五）细胞分化及其调控细胞分化是生物发育的基础。近年，细胞分化的研究已愈来愈显示其重要性，也是细胞生物学、发育生物学与遗传学的重要会合点。近代生物科学的发展，尤其是分子生物学技术的建立已为细胞分化机理的研究准备了良好的基础，也是近年发育生物学蓬勃发展的重要原因．
（六）细胞的衰老与凋亡细胞衰老的研究是研究人与动植物寿命的基础，但细胞的衰老与有机体的衰老又是不同的概念。
（七）细胞的起源与进化细胞起源与进化的研究是重要的理论问题，也是难度很大的研究课题，我们应该十分尊重先驱科学家在这一领域所取得的成果。
（八）细胞工程细胞工程是细胞生物学与遗传学的交叉领域，这种改造细胞的技术是生物工程技术的重要组成部分。它不仅对工农业生产和医药实践有重要意义，而且对细胞生命活动规律的认识也是一种重要途径与手段。
细胞工程能使不同种细胞的基因或基因组用人工方法重组到杂交细胞中，或者使基因与基因组由一种细胞转移到另一种细胞中，并使越过种的障碍的转移成为可能，由此人们开始探索人工创造新的遗传型细胞的尝试。
还应该说明，当前细胞生物学研究的范畴远不止以上的内容，如细胞外基质、细胞通讯、细胞社会学与细胞免疫学等研究近年也有较快的发展。
1.3 Research direction & main domain
（一）当前细胞生物学研究中的三大基本问题
1. 细胞内的基因组是如何在时间与空间上有序表达的？
2. 基因表达的产物（主要是结构蛋白）是如何逐级装配成能行使生命活动的基本结果体系及各种细胞器的？
3. 基因表达的产物（主要是活性蛋白）如何调节细胞最重要的生命活动过程的？
（二）当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题
1. 染色体DNA与蛋白质相互作用关系——主要是非组蛋白对基因组的作用。
2. 细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控。
3. 细胞信号转导的研究。
4. 细胞结构体系的装配。
2 History of Cytology & Cell Biology
从研究内容来看细胞生物学的发展可分为三个层次，即：显微水平、超微水平和分子水平。从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段：
第一阶段：从16世纪末—19世纪30年代，是细胞发现和细胞知识的积累阶段。
第二阶段：从19世纪30年代—20世纪中期，细胞学说形成后，主要进行细胞显微形态的研究。
第三阶段：从20世纪30年代—70年代，以细胞超微结构、核型、带型研究为主要内容。
第四阶段：从20世纪70年代分子克隆技术的成熟到当前，细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密，基因调控、信号转导、细胞分化和凋亡、肿瘤生物学等领域成为当前的主流研究内容。
细胞学与细胞生物学发展的历史大致可以划分为以下几个阶段：
2.1 Discovery of cell & Foundation of Cell Theory
2.1.1 显微镜的发明与细胞的发现
1,1590 荷兰眼镜制造商J.Janssen和Z.Janssen父子制作了第一台复式显微镜，尽管其放大倍数不超过10倍，但具有划时代的意义。
2,1665 英国人Robert Hook用自己设计与制造的显微镜（放大倍数为40-140倍，)观察了软木（栎树皮)的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，并首次用拉丁文cella（小室)这个词来称呼他所看到的类似蜂巢的极小的封闭状小室（实际上只是观察到到纤维质的细胞壁)。胡克有关细胞的首次描述是在他的著作《显微图谱》一书中于1665年发表的。因此人们也就认为细胞的发现是在1665年。
3,1672，1682英国人Nehemaih Grew出版了两卷植物显微图谱，注意到了植物细胞中细胞壁与细胞质的区别。
4,1680? 荷兰人A,van Leeuwenhoek成为皇家学会会员，一生中制作了200多台显微镜和500多个镜头。他是第一个看到活细胞的人，观察过原生动物、人类精子、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌等等。
5,1752 英国望远镜商人J,Dollond 发明消色差显微镜。
6. 1812 苏格兰人D,Brewster 发明油浸物镜，并改进了体视显微镜。
7. 1886 德国人Ernst Abbe 发明复消差显微镜，并改进了油浸物镜，至此普通光学显微镜技术基本成熟。
8. 1932 德国人M,Knoll和E,A,F,Ruska描述了一台最初的电子显微镜，1940年美国和德国制造出分辨力为0.2nm的商品电镜。
9. 1932 荷兰籍德国人F,Zernike成功设计了相差显微镜（phasecontrast microscope),并因此获1953年诺贝尔物理奖。
10. 1981瑞士人G,Binnig和H,RoherI在BM苏黎世实验中心（Zurich Research Center）发明了扫描隧道显微镜而与电镜发明者Ruska同获1986年度的诺贝尔物理学奖。
2.1.2 细胞学说的创立及其意义
在十九世纪以前许多学者的工作都着眼于细胞的显微结构方面，从事形态上的描述，而对各种有机体中出现细胞的意义一直没有作出理论的概括，直到19世纪30年代德国人施莱登Matthias Jacob Schleiden,施旺Theodar Schwann提出：一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位。这一学说即“细胞学说（Cell Theory)”，在19世纪已有不少科学家的工作对细胞学说的创立做出了很大的贡献，如：
1,Jean-Baptiste de Lamark （1744~1829)，获得性遗传理论的创始人，法国退伍陆军中尉，50岁成为巴黎动物学教授，1909年他认为只有具有细胞的机体，才有生命。“It has been recognized for a long time that the membranes which form the envelopes of the brain，of the nerves，of vessels，of all kinds of glands，of viscera，of muscles and their fibers，and even the skin of the body are in general the productions of cellular tissue。 But no one，so far as I know,has yet perceived that cellular tissue is the general matrix of all organization and that without this tissue no living body would be able to exist，nor could it have been formed。”
2,Charles Brisseau Milbel（1776~1854)，法国植物学家，1802年认为植物的每一部分都有细胞存在，“the plant is wholly formed of a continuous cellular membranous tissue。Plants are made up of cells，all parts of which are in continuity and form one and the same membranous tissue。”。
3,Henri Dutrochet （1776~1847），法国生理学家，1824年进一步描述了细胞的原理，他认为,All organic tissues are actually globular cells of exceeding smallness，which appear to be united only by simple adhesive forces; thus all tissues,all animal (and plant) organs,are actually only a cellular tissue variously modified。This uniformity of finer structure proves that organs actually differ among themselves merely in the nature of the substances contained in the vesicular cells of which they are composed” 。
4,Matthias Jacob Schleiden（1804~1881)，德国植物学教授[1]，1938年发表“植物发生论”(Beitr?ge zur Phytogenesis)，认为无论怎样复杂的植物都有形形色色的细胞构成。他认识到了Brown发现细胞核的重要意义，这一点Brown本人并未做到，他试图重建细胞发育的过程，为此他聪明地选择了胚胎细胞作为他研究的起点，他还在细胞中发现了核仁。
5,Theodor Schwann（1810~1882)，德国解剖学教授，一开始就研究Schleiden的细胞形成学说，他完全接受了这个学说，并把它扩展为所有生命现象的起源和基础的一般理论。他把Schleiden在植物中的发现应用到动物中去，并于1838年提出了“细胞学说”（Cell Theory)这个术语；1939年发表了“关于动植物结构和生长一致性的显微研究”。因此细胞学说的创立被认为归功于Schleiden和Sehwann两个人，而且年份也被定到1839年。
Schwann提出：
1) 有机体是由细胞构成的；
2) 细胞是构成有机体的基本单位。
1855 （而非1858）德国人R,Virchow 提出“一切细胞来源于细胞”（omnis cellula e cellula）的著名论断，进一步完善了细胞学说。
把细胞作为生命的一般单位，以及作为动植物界生命现象的共同基础的这种概念立即受到了普遍的接受。恩格斯将细胞学说誉为19世纪的三大发现之一。
2.2 Period of Classical Cytology
19世纪的最后25年，即1875～1900年，是细胞学的经典时期。这个时期在细胞学说的推动下，应用固定和染色技术，在光学显微镜下观察细胞的形态结构和细胞的分裂活动，取得了极为丰硕的成果，代表性的成就有如下几点。
原生质理论的提出 1840年．Pukinje在动物、1846年von Mohl在植物中分别看到了“肉样质”的物质，并将其命名为“原生质”（protoplasm）。1861年Schultze认为动植物细胞中的原生质具有同样的意义，并提出了原生质理论：有机体的组织单位是一小团原生质，这种物质在一般有机体中是相似的，并把细胞明确地定义为：“细胞是具有细胞核和细胞膜的活物质”。1880年Hanstain提出“原生质体”（protoplast）概念，把细胞概念演变成由细胞膜包围着的原生质，原生质分化为细胞核和细胞质。
细胞受精和分裂的研究 1875年Hertwig发现受精卵中两亲本核的合并；1877年Strasburger发现动物的受精现象；1883年 van Beneden在动物、1886年Strasburger在植物分别发现了减数分裂现象； 1880一1882年Flemming在媒蟋幼虫的组织细胞中发现了有丝分裂。
一些重要细胞器的发现 1883年van Beneden和 Boveri在动物细胞中发现了中心体；1888年Waldeyer提出染色体概念； 1898年Go哈发现了高尔基体；同年，线粒体也被正式命名。
在这短短的25年里，取得如此多的成果，除了细胞学说本身的贡献外，技术革新起着重要的作用。细胞染色技术、切片技术、显微技术等的不断改进和创新保证了科学研究的进步。当然，更重要的是这一时期人才辈出，他们不断追求和探索的精神才是细胞学得以发展的原动力。 －－王
2.3 Period of Experimental cytology
实验细胞学时期从1900年到1953年的半个世纪里，细胞学的发展主要是采用实验的手段研究细胞学的问题，将这一时期称为实验细胞学（experimental cytology）时期，其特点是从形态结构的观察深入到生理功能、生物化学、遗传发育机制的研究。由于实验研究不断同相邻学科结合、渗透，导致了一些重要分支学科的建立和发展：
细胞遗传学（cytogenetics）。遗传学和细胞学结合建立了细胞遗传学，主要是从细胞学的角度，特别是从染色体的结构和功能以及染色体和其他细胞器的关系来研究遗传现象，阐明遗传和变异的机制。
细胞生理学（Cytophysiology）。细胞学同生理学结合建立了细胞生理学，主要研究内容包括细胞从周围环境中摄取营养的能力、代谢功能、能量的获取、生长、发育与繁殖机制以及细胞受环境的影响而产生适应性和运动性的活动。细胞的离体培养技术对细胞生理学的研究具有巨大贡献。
细胞化学（cytochemistry）。细胞学和化学的结合产生了细胞化学，主要是研究细胞结构的化学组成及化学分子的定位、分布及其生理功能。如 1943年Claude用高速离心法从细胞匀浆液中分离线粒体，然后研究它的化学组成和生理功能并得出结论：线粒体是细胞氧化中心。1924年Feulgen发明的DNA特殊染色方法——Feulgen反应开创了DNA的定性和定量分析。此后发展了一系列进行细胞内RNA和蛋白质定量分析的方法，对细胞的核酸和蛋白质代谢活动研究起了极大的促进作用。 －－王
2.4 Naissance of Cell Biology and its development
50年代以来，电子显微镜与超薄切片技术相结合，产生了细胞超微结构学这一新兴领域。从50年代中期至60年代末，细胞超微结构研究所积累的资料，使细胞结构的知识在很大程度上得到了更新，大大加深与拓宽了对细胞的认识。不仅对已知的细胞结构，诸如线粒体、高尔基体、细胞膜、核膜、核仁、染色质与染色体结构的了解出现了全新的面貌，而且发现了一些新的重要的细胞结构，如内质网、核糖体、溶酶体、核孔复合体与细胞骨架体系等等，为细胞生物学学科早期的形成奠定了良好的基础。更由于70年代以来，科学家将分子生物学的概念与技术引进细胞学，为细胞生物学这门学科的最后形成与建立创造了全新的局面。“细胞生物学”这个词终于在60年代出现了。
80年代以来，细胞生物学的主要发展方向是细胞的分子生物学（或称分子细胞生物学），也就是说，在分子水平上探索细胞的基本生命规律，把细胞看成是物质、能量、信息过程的结合，并在分子水平上深入探索其生命活动规律，深刻性与综合性是细胞生物学进一步发展的特点。
1953年 Watson和 Crick提出 DNA双螺旋结构模型，标志着分子生物学（molecular biology）的诞生。到底是何时产生了细胞生物学，没有肯定的答案，一般的看法是1965年，Derobetis将其编著的《普通细胞学》改为《细胞生物学》，标志着细胞生物学的诞生。由于不断将分子生物学的研究成果和方法引进细胞学，使细胞学的知识得到了极大的更新。此后，细胞生物学和分子生物学之间相互渗透，相得益彰。
20世纪80年代开始出现的分子细胞生物学（molecular cell biology），是细胞生物学的主要发展方向。
3 The way you can learn better
兴趣 Interest－－兴趣是最好的老师预习 Preparation－－请带着,？”来上课！
怀疑Skeptical－Don’t accept everything you read as being true.
抽象Abstract思维与动态Dynamic思维同一性Unity和多样性Diversity的问题结构Structure和功能Function的关系
Reference,
Gerald Karp,Cell and Molecular Biology,Concepts and Experiments 3rd,Wiley & Sons,2002
韩贻仁,分子细胞生物学科学出版社,2001年03月翟中和,细胞生物学,高等教育出版社.1995年1月翟中和,细胞生物学.高等教育出版社.2000年8月汪堃仁,细胞生物学（第二版),北京师范大学出版社.1998年11月王金发.细胞生物学.科学出版社.2003年8月辛华,细胞生物学实验.科学出版社,2001年02月杨汉民,细胞生物学实验（第二版）,高等教育出版社.1997年07月
Chapter Ⅱ Basic Properties of cells
一、教学目的和要求：
通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细胞的基本概念；病毒基本知识概要；原核细胞与古核细胞；真核细胞基本知识概要。
引导学生从科学和哲学两方面来思索生命和细胞的关系，介绍对细胞概念的一些新思考。
逐渐引导学生用本学科的所学来阐明一些生命现象。
二、教材分析：
概述：本章内容涉及真核细胞、原核细胞、病毒的基本知识的介绍，选用教材在总体内容上编排恰当，但在个别内容有知识性错误和印刷错误，在教学中值得注意。
教学重点：真核细胞基本知识概要；真、原核细胞的主要区别；细胞结构和功能的辩证关系。
教学难点：真、原核细胞的比较。
三、教学设想：
教材处理：对新、难内容重点讲解(如：真核细胞的三大结构体系、真核和原核细胞的比较)，简略讲解基础内容（如病毒和细菌的结构特点）；改正教材错误。
教学方法：主要采用讲授法和例证法，辅以讨论、提问。
教具：CAI课件四、教学内容：（4学时）
1 Basic concepts of Cell
1.1 Cell,the basic unit of life
Purkinje（1839）用原生质一词指细胞的全部活性物质，从现代概念来说它包括质膜、细胞质和细胞核（或拟核）。
1880年Hanstain提出“原生质体”（protoplast）概念，把细胞概念演变成由细胞膜包围着的原生质，原生质分化为细胞核和细胞质。
细胞区别于无机界的主要特征：1.在结构上具有自我装配的能力；2.在生理活动中具有自我调节能力；3.在增殖上具有自我复制的能力。这些特征也可以说是生命的特征，它们的丧失即意味着死亡。－韩p43
我们认为应从以下一些角度去认识细胞作为生命活动基本单位这一概念：
（一）一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位
（二）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
（三）细胞是有机体生长与发育的基础
（四）细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性
（五）没有细胞就没有完整的生命除了上述的认识外，我们还必须强调，病毒虽然是非细胞形态均生命体，但它们必须在细胞内才能表现基本的生命特征（繁殖与遗传）。因此，就病毒而言，细胞是生命活动的基本单位这一概念也是完全合适的。
1.2 Commonness of all Cells
细胞结构的共性：
（l）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。细胞膜使细胞与周围环境保持相对的独立性，造成相对稳定的细胞内环境，并通过细胞膜与周围环境进行物质交换和信号传递。在较高等的细胞内，细胞膜内陷演化为细胞的内膜体系，构建成各种以膜为基础的功能专一的细胞器。
（2）所有的细胞都有两种核酸：即DNA与RNA作为遗传信息复制与转录的载体。而非细胞形态生命体病毒只有一种核酸，即DNA或RNA作为遗传信息的载体。
（3）作为蛋白质合成的机器——核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内，是任何细胞（除个别非常特化的细胞外）不可缺少的基本结构，它们在翻译多肽链时，与mRNA形成多聚核糖体。
细胞功能的共性
（1） 细胞能够进行自我增殖和遗传细胞能够以一分为二的分裂方式进行增殖，动植物细胞、细菌细胞都是如此。
（2） 细胞都能进行新陈代谢 细胞内有机分子的合成和分解反应都是由酶催化的，即细胞的代谢作用是由酶控制的。细胞代谢包括物质代谢和能量代谢，这也是细胞的基本特性。
（3） 细胞都具有运动性所有细胞都具有一定的运动性，包括细胞自身的运动和细胞内的物质运动。
2 Viruses
2.1 Viruses,lives smaller than cells
病毒（Virus）是一类非细胞形态的介于生命与非生命形式之间的物质。有以下主要特征：
① 个体微小，可通除滤菌器，大多数必须用电镜才能看见；
② 仅具有一种类型的核酸，或DNA或RNA，没有含两种核酸的病毒；
③ 专营细胞内寄生生活；
④ 具有受体连结蛋白（receptor binding protein），与敏感细胞表面的病毒受体连结，进而感染细胞。
病毒的形态和结构：病毒的大小一般在10~30nm之间。结构简单，由核酸（DNA或RNA）芯和蛋白质衣壳（capsid）所构成，称核衣壳（nucleocapsid），衣壳有保护病毒核酸不受酶消化的作用。各种病毒所含的遗传信息量不同，少的只含有3个基因，多的可达300个不同的基因。
病毒衣壳由一至几种蛋白组成，组成病毒衣壳的亚单位称壳微粒（capsomer）。病毒的形成不需要酶的参加，只要条件具备，核酸和蛋白质便可自我装配（self assembly）成病毒。其装配形式有二十面体对称、螺旋对称和复合对称三种类型。二十面体对称型的衣壳蛋白形成二十面体，核酸包在其中；螺旋对称型的衣壳蛋白与核酸呈螺旋形排列，核酸交织在其中；复合对称型为同时具有或不具有两种对称性形式的病毒
2.2 Viruses can reproduce only in Cells
吸附（adsorption）：病毒对细胞的感染起始于病毒蛋白质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蛋白质外壳，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。
2.3 Its types
根据寄生的宿主不同，病毒可分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒（即噬菌体）三大类。根据病毒所含的核酸的性质和状态不同，可将病毒分为6类：
1)双链±DNA→+mRNA→蛋白质，如天花病毒、T-偶数噬菌体。
2)单链+DNA→±DNA→+RNA→蛋白质,如细小DNA病毒。
3)双链±RNA→+mRNA→蛋白质，如呼肠孤病毒。
4)单链+RNA→－RNA→+RNA→蛋白质脊髓灰质炎病毒。
5)单链-RNA→+RNA→蛋白质，如流感病毒、副流感病毒、狂犬病毒。
6)单链+RNA→－DNA→±DNA→+mRNA→蛋白质，即逆转录病毒（retrovirus）又称RNA肿瘤病毒（oncornavirus）。
2.3 Relationships between Virus and cell in Evolution
现在，比较容易接受的观点是：生物大分子——细胞——病毒。其依据主要有：
1. 所有病毒均为彻底的寄生性。
2. 有些病毒的核酸与哺乳动物细胞DNA某些片段的碱基序列十分相似。
3. 病毒可以看作是DNA与蛋白质或RNA与蛋白质形成的复合大分子，与细胞内核蛋白分子有相似之处。
Addition：
(1)冠状病毒与SARS：
2003年春在我国和世界20多个国家发生了一种传染性病毒病，导致严重急性呼吸道综合症 （sever acute respiratory syndrome,SARS），即我国所说的非典型肺炎。同年4月 16日，WHO正式确认SARS病毒是SARS的病因，这是一种新型的冠状病毒。
冠状病毒科（Coronaviridae）的病毒成员仅感染脊椎动物，可引起人和动物呼吸道卜肖化道、肝脏和神经系统产生疾病。冠状病毒最早于1937年从鸡中分离，1965年Tyrrell和Bynoe首次用有纤毛的胚状气管在体外培养了人的冠状病毒，约有15个种，不仅感染人，也感染牛、猪、猫、狗等。
冠状病毒粒子呈球状，形似冠状而得名。其直径为60～220urn，有包膜。包膜上有2～3种糖蛋白。
M蛋白（membrane protein），是糖蛋白，横穿包膜，其 N端的丝氨酸或苏氨酸残基上可以产生糖基化。M蛋白的作用是出芽和病毒包膜的形成。
S蛋白（spike protein），构成长的杆状包膜突起,S蛋白突起具有多方面的功能，它负责结合敏感细胞受体，诱导病毒包膜和细胞膜以及细胞之间的膜融合，作为主要抗原刺激机体产生中和抗体和介导细胞免疫反应。
E蛋白属包膜蛋白，是一种小的与包膜形成相关的蛋白。
核衣壳蛋白N是一种碱性磷蛋白，具有3个结构域，其中央区同基因组RNA结合，形成卷曲的核衣壳螺旋。N蛋白有两个方面的功能：一方面与病毒RNA复制有关，另一方面通过与M糖蛋白C端相互作用，可引起病毒出芽。
HE蛋白即血凝素一酯酶（hemagglutinin－estemse，H），HE蛋白构成包膜的短突起。现在认为HE可能与冠状病毒早期吸附有关。
冠状病毒基因组为（＋）SSRNA长约27～31kb其基因组5’端有帽子结构，3’端有poly(A)尾，紧接帽子结构之后是60～80个碱基的先导RNA序列和200～500个碱基的非编码区。
SARS病毒是一种新型的冠状病毒，目前已发现有十几个变种。这种病毒潜伏期2～7天。患者通常有高于38t的发热，并会伴有寒战，或者其他如头痛、倦怠和肌痛。潜伏期后进入下呼吸道期，患者伴有包括发热、干咳无痰、呼吸困难，甚至低氧血症（呼吸困难、紫错。缺氧早期心动过速、血压升高、严重时出现心动过缓、血压下降，甚至休克）等综合征，严重患者通常都需要气管插管或者呼吸机维持。
95％感染 SARS病毒的人能够治愈。人体可以针对病毒产生抗体，表明 SARS是可治的，同时也是可控和可防的。只要依靠科学、保持良好的心态，人类一定能够最终战胜SARS
从细胞生物学的角度，用SAJIS（smile and remain smile）去战胜SARS（severe acute respiratory syndrome）不失为一种有效的抗击疾病的好方法。―――王
(2) viroid
类病毒在结构上比病毒还要简单，没有蛋白质外壳，仅为一裸露的RNA分子。由于它们具有感染作用，类似于病毒，故称为类病毒（viroid）。它们不能像病毒那样感染细胞，只有当植物细胞受到损伤，失去了膜屏障，它们才能在供体植株与受体植株间传染。例如，马铃薯锤管类病毒仅由一个含359个核苷酸的单链环状RNA分子组成，链内有一些互补序列。分子长约40~50nm，不能制造衣壳蛋白。－－绍兴
（3）蛋白质感染因子 Prion
1982年S．B．Prusiner以叙利亚仓鼠为实验材料，发现羊瘙痒病（scrapie）的病原体是一种蛋白质，不含核酸，命名为prion，意即PROteinnaceous Infection ONly，译为蛋白质感染因子或朊病毒，Prusiner因此项发现更新了医学感染的概念，获1997年的诺贝尔生理与医学奖。
羊瘙痒病发现已有200年的历史，羊得了这种病就会浑身发痒，不断在坚硬物质上搓擦身体，最后死亡。它是一类传染性海绵状脑病（transmissible spongiform encephalopathies，TSE）。疯牛病，即牛海绵状脑病（bovine spongiform encephalopathy，BSE）也属于此类疾病，发现于1986年，是由于牛被喂以由死羊骨粉制造的饲料而被感染，病牛脑内灰质及神经元都有典型的海绵状退化，出现淀粉样（amyloid）蛋白沉淀，与羊瘙痒病相似。同类型的prion也会使鹿、貂及猴子患病，人类也具有类似的疾病。
Prion是一种结构变异的蛋白质，对高温和蛋白酶均具有较强的抵抗力。它能转变细胞内的此类正常的蛋白PrPC（cellular prion protein），使PrPC发生结构变异，变为具有致病作用的PrPSc（scrapie-associated prion protein）。
PrPC存在于神经元、神经胶质细胞和其它一些细胞，属于糖磷脂酰肌醇锚定蛋白，集中在膜上的脂筏中，对蛋白酶和高温敏感，可能和细胞信号转导有关。
PrPSc与PrPc的一级结构相似，均由253-4个氨基酸组成，分子量约33-37KD。纯化的Prion经傅里叶变换红外光谱分析，发现PrPc的高级结构中具有43%的α螺旋，极少的β折叠（3%），而PrPsc具有34%α螺旋，43%的β折叠。动物被感染后，发生错误折叠的PrPSc蛋白堆积在脑组织中，形成不溶的淀粉样蛋白沉淀，无法被蛋白酶分解，引起神经细胞凋亡（Apoptosis）。
编码PrP蛋白的基因称为Prnp，该基因位于人第20号染色体的短臂，小鼠第2号染色体。敲除小鼠的Prnp基因，小鼠仍能正常发育，并对瘙痒病完全免疫，但出生后很快会出现共济失调、小脑皮层颗粒细胞退化。
目前对蛋白质感染因子的增殖方式有两种解释，一是重折叠模型（refolding model），认为PrPSc分子起分子伴侣（molecular chaperone）的作用，能与PrPc分子相结合，诱使PrPc转变成PrPSc，从而形成了PrPSc二聚体，于是一个PrPSc分子就变成了2个PrPSc分子，如此倍增不已。另一种解释是晶种模型（Seeding model），认为PrPc分子本身有向PrPSc转变的倾向（一种平衡反应），PrPSc能像晶种一样，稳定PrPc的构象，形成淀粉样蛋白沉淀，然后碎裂后又变成新的晶种。
蛋白质感染因子的增殖既不是由于基因过分表达，也不是因翻译量增加，而是由于正常分子的构象发生转变造成的，所以亦称朊病毒。目前已知的人类PRION疾病主要有：
1,克-雅二氏病（Creutzfeldt–Jakob disease，CJD）：Cruetzfeldt和Jakob 1920年发现于六例患者，大多发生于60岁以上的人，是自身PrP蛋白发生变异引起的。
2,变异型克-雅氏病（vCJD）：患者都处于以往CJD未曾出现的年龄段，为十几岁至三十岁的年轻人，是由于取食病牛产品而感染。患者首先出现忧郁症的病状，继而不能行走，并呈现精神障碍等痴呆症状，最后死亡。
3.GSS综合征（Gerstmann-Straussler Scheinker disease））：是一种遗传的的慢性脑病，由Prnp基因缺陷引起，PrP蛋白的102位亮氨酸被脯氨酸取代或117位的缬氨酸被丙氨酸取代。
4,克鲁病（Kuru）：发现于新几内亚一个叫Fore的部落，当地人称作kuru，意即颤抖。病人大多数是妇女及小孩，病症有言语含糊及无意识地狂笑，最后不省人事并死亡。一名美国医生D,C,Gajdusek到了当地，发现那里的妇女及小孩具有吃死者尸体的习惯，结果受到感染。
5.致死性家族性失眠症（Fatal familial insomnia，FFI）：也是一种遗传性疾病，Prnp基因变异，PrP蛋白178位的天冬酰胺被天冬氨酸取代。患者的主要症状是失眠，并有CJD的症状。
对于蛋白质感染因子引起的疾病，目前尚没有有效的治疗措施。这类蛋白具有很强的抵抗力，对抗生素和消毒剂不敏感，134-138℃持续1h的病牛脑组织匀浆，以及10%福尔马林固定过的病羊脑组织，仍有感染性。
据报道，自1996年以来，共有106人得了疯牛病，其中仅有七人还活着。
3 Prokaryotic cells & Archaebacteria
3.1 Classse of Cells mycoplasma
20世纪60年代，H.Ris提出将细胞分为两大类：
原核细胞（prokaryotic cell）和真核细胞（eukaryotic cell）。
Prokaryotic cell，最基本的特点是：
1)遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；
2)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。
包括支原体、衣原体、立克次体、细菌、放线菌与蓝藻等多种庞大的家族。
3.2 Mycoplasma,the simplest & smallest cell
支原体是目前发现的最简单、体积最小的原核细胞，也是唯一一种没有细胞壁的原核细胞。
支原体的大小介于细菌与病毒之间，一般直径为0．1～0．3Pm，能够通过滤菌器，并能独立生活。原体形态多变，有圆形、丝状或梨形，光镜下难以看清其结构。电镜下观察支原体的细胞膜为三层结构。它有一环状双螺旋DNA并且均匀地分布在细胞内，没有类似细菌的核区（拟核），能指导合成750多种蛋白质。电镜下支原体细胞中惟一可见的细胞器是核糖体，每个细胞中约有800一1500个。支原体感细胞时，多吸附在细胞表面，或分散在细胞之间。
支原体没有鞭毛，无活动能力，可以通过分裂法繁殖，也有进行出芽增殖的。
支原体是动物细胞培养的大敌，由于支原体寄生在细胞中，所以培养细胞很容易被支原体污染，污染源主要是血清。 －－－－王支原体（mycoplasma）的大小通常为0.2~0.3μm，可通过滤菌器。无细胞壁，不能维持固定的形态而呈现多形性。细胞膜中胆固醇含量较多，约占36%，这对保持细胞膜的完整性是必需的，凡能作用于胆固醇的物质（如二性霉素B、皂素等）均可引起支原体膜的破坏而使支原体死亡。-----------绍兴
3.3 Bacteria & Cyanobacteria
细菌细胞只具有原始形态的核，没有核膜，更没有核仁，结构简单，为了与真核细胞典型的核有所区别，称为核区或类核。细菌细胞DNA主要盘绕在核区，细菌的核区实际主要由一个环状的DNA分子组成。由于细菌基因的排列与DNA有对应的结构关系，延用了真核细胞的染色体概念，又习惯地称之谓细菌染色体，然而它比真正的染色体结构简单得多，没有或只有极少的组蛋白与DNA结合。正常情况下，一个细菌细胞内只有一个核区，在细菌处在生长增殖状态时，由于DNA的复制次数与细胞分裂次数并不同步，一个细胞内可以同时存在几个DNA分子，往往出现几个核区。
由于细菌细胞没有核膜把核与细胞质绝对的分开，DNA复制、RNA转录与蛋白质合成的结构装置没有在位置上截然分开，因此基因复制、转录与表达过程没有严格的时间上的阶段性与位置上的区域性。 ------翟
（一）细胞壁细胞壁厚度因细菌不同而异，一般为15-30nm。主要成分是肽聚糖，由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸构成双糖单元，以β（1-4）糖苷键连接成大分子。N-乙酰胞壁酸分子上有四肽侧链，相邻聚糖纤维之间的短肽通过肽桥（革兰氏阳性菌）或肽键（革兰氏阴性菌）桥接起来，形成了肽聚糖片层，像胶合板一样，粘合成多层。
肽聚糖中的多糖链在各物种中都一样，而横向短肽链却有种间差异。革兰氏阳性菌细胞壁厚约20～80nm，有15-50层肽聚糖片层，每层厚1nm，含20-40％的磷壁酸（teichoic acid），有的还具有少量蛋白质。革兰氏阴性菌细胞壁厚约10nm，仅2-3层肽聚糖，其他成分较为复杂，由外向内依次为脂多糖、细菌外膜和脂蛋白。此外，外膜与细胞之间还有间隙。
肽聚糖是革兰阳性菌细胞壁的主要成分，凡能破坏肽聚糖结构或抑制其合成的物质，都有抑菌或杀菌作用。如溶菌酶是N-乙酰胞壁酸酶，青霉素抑制转肽酶的活性，抑制肽桥形成。
细菌细胞壁的功能包括：保持细胞外形；抑制机械和渗透损伤（革兰氏阳性菌的细胞壁能耐受20kg/cm2的压力）；介导细胞间相互作用（侵入宿主）；防止大分子入侵；协助细胞运动和分裂。
脱壁的细胞称为细菌原生质体（bacterial protoplast）或球状体（spheroplast，因脱壁不完全），脱壁后的细菌原生质体，生存和活动能力大大降低。
（二）细胞膜是典型的单位膜结构，厚约8~10nm，外侧紧贴细胞壁，某些革兰氏阴性菌还具有细胞外膜。通常不形成内膜系统，除核糖体外，没有其它类似真核细胞的细胞器，呼吸和光合作用的电子传递链位于细胞膜上。某些行光合作用的原核生物（蓝细菌和紫细菌），质膜内褶形成结合有色素的内膜，与捕光反应有关。某些革兰氏阳性细菌质膜内褶形成小管状结构，称为中膜体（mesosome）或间体，中膜体扩大了细胞膜的表面积，提高了代谢效率，有拟线粒体（Chondroid）之称，此外还可能与DNA的复制有关。
（三）细胞质与核质体细菌和其它原核生物一样，没有核膜，DNA集中在细胞质中的低电子密度区，称核区或核质体（nuclear body）。细菌一般具有1-4个核质体，多的可达20余个。核质体是环状的双链DNA分子，所含的遗传信息量可编码2000～3000种蛋白质，空间构建十分精简，没有内含子。由于没有核膜，因此DNA的复制、RNA的转录与蛋白的质合成可同时进行，而不像真核细胞那样这些生化反应在时间和空间上是严格分隔开来的。
每个细菌细胞约含5000～50000个核糖体，部分附着在细胞膜内侧，大部分游离于细胞质中。细菌核糖体的沉降系数为70S，由大亚单位（50S）与小亚单位（30S）组成，大亚单位含有23SrRNA，5SrRNA与30多种蛋白质，小亚单位含有16SrRNA与20多种蛋白质。30S的小亚单位对四环素与链霉素很敏感，50S的大亚单位对红霉素与氯霉素很敏感。
细菌核区DNA以外的，可进行自主复制的遗传因子，称为质粒（plasmid）。质粒是裸露的环状双链DNA分子，所含遗传信息量为2~200个基因，能进行自我复制，有时能整合到核DNA中去。质粒DNA在遗传工程研究中很重要，常用作基因重组与基因转移的载体。
胞质颗粒是细胞质中的颗粒，起暂时贮存营养物质的作用，包括多糖、脂类、多磷酸盐等。
（四）其他结构许多细菌的最外表还覆盖着一层多糖类物质，边界明显的称为荚膜（capsule），如肺炎球菌，边界不明显的称为粘液层（slime layer），如葡萄球菌。荚膜对细菌的生存具有重要意义，细菌不仅可利用荚膜抵御不良环境；保护自身不受白细胞吞噬；而且能有选择地粘附到特定细胞的表面上，表现出对靶细胞的专一攻击能力。例如，伤寒沙门杆菌能专一性地侵犯肠道淋巴组织。细菌荚膜的纤丝还能把细菌分泌的消化酶贮存起来，以备攻击靶细胞之用。
鞭毛是某些细菌的运动器官，由一种称为鞭毛蛋白（flagellin）的弹性蛋白构成，结构上不同于真核生物的鞭毛。细菌可以通过调整鞭毛旋转的方向（顺和逆时针）来改变运动状态。
菌毛是菌体表面极其的蛋白纤细，须用电镜观察。特点是：细、短、直、硬、多，菌毛与细菌运动无关，根据形态、结构和功能，可分为普通菌毛和性菌毛两类。前者与细菌吸附和侵染宿主有关，后者为中空管子，与传递遗传物质有关。－－－－绍兴蓝藻,又称蓝细菌（cyanobacterium），能进行与高等植物类似的光合作用（以水为电子供体，放出O２），与光合细菌的光合作用的机制不一样，因此被认为是最简单的植物。蓝藻没有叶绿体，仅有十分简单的光合作用结构装置。蓝藻细胞遗传信息载体与其它原核细胞一样，是一个环状DNA分子，但遗传信息量很大，可与高等植物相比。蓝藻细胞的体积比其它原核细胞大得多，直径一般在士10um，甚至可达70μm（颤藻）。蓝藻属单细胞生物，有些蓝藻经常以丝状的细胞群体存在，如：属蓝藻门念珠藻类的发菜（nostoc commune var.flagtlliforme）就是蓝藻的丝状体；做绿肥的红萍实际上是一种固氮蓝藻与水生蕨类满江红的共生体。--------绍兴
3.4 Archaebacteria & The there kingdoms of organisms
是一类很持殊的细菌，多生活在极端的生态环境中。具有原核生物的某些特征，如无核膜及内膜系统；也有真核生物的特征，如以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白；此外还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征，如：细胞膜中的脂类是不可皂化的；细胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白质为主，有的含杂多糖，有的类似于肽聚糖，但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。
极端嗜热菌（themophiles）：能生长在90℃以上的高温环境。如斯坦福大学科学家发现的古细菌，最适生长温度为100℃，80℃以下即失活，德国的斯梯特（K,Stetter）研究组在意大利海底发现的一族古细菌，能生活在110℃以上高温中，最适生长温度为98℃，降至84℃即停止生长；美国的J,A,Baross发现一些从火山口中分离出的细菌可以生活在250℃的环境中。嗜热菌的营养范围很广，多为异养菌，其中许多能将硫氧化以取得能量。
极端嗜盐菌（extremehalophiles）：生活在高盐度环境中，盐度可达25%，如死海和盐湖中。
极端嗜酸菌（acidophiles）：能生活在pH值1以下的环境中，往往也是嗜高温菌，生活在火山地区的酸性热水中，能氧化硫，硫酸作为代谢产物排出体外。
极端嗜碱菌（alkaliphiles）：多数生活在盐碱湖或碱湖、碱池中，生活环境pH值可达11.5以上，最适pH值8～10。
产甲烷菌（metnanogens）：是严格厌氧的生物，能利用CO2使H2氧化，生成甲烷，同时释放能量。
CO2＋4H2→CH4＋2H2O＋能量由于古细菌所栖息的环境和地球发生的早期有相似之处，如：高温、缺氧，而且由于古细菌在结构和代谢上的特殊性，它们可能代表最古老的细菌。它们保持了古老的形态，很早就和其它细菌分手了。所以人们提出将古细菌从原核生物中分出，成为与原核生物（即真细菌eubacteria）、真核生物并列的一类。------绍兴
The there kingdoms of organisms
1970年C,Woese根据对16SrRNA核苷酸顺序的同源性比较，提出将生命划分为三界，即：真细菌（Eubacteria）、真核生物Eucaryotes、古细菌（Archaes）。1996年Bult领导的研究小组在Science上发表了詹氏甲烷球菌（Methanococcus jannaschii）的全基因组序列，进一步证明它既不是典型的细菌也不是典型的真核生物，而是介于两者之间的生命体，即生命的第三形式。
4 Eukaryotic Cells
4.1 Basic structure system
真核细胞内的结构体系归纳起来可分为三大系统：生物膜体系、遗传信息表达体系、细胞骨架体系。
1 Biomembrane system
真核生物在进化过程中，细胞体积木断增大，因而出现了细胞内部结构的分化，最主要的特征是以质膜为基础的既独立又相互联系的膜结构系统。这些结构及细胞器包括细胞质膜。核膜、内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体和叶绿体等。
生物膜体系（biomembrane system）的基本作用是为细胞提供保护。质膜将整个细胞的生命活动保护起来，并进行选择性的物质交换；核膜将遗传物质保护起来，使细胞核的活动更加有效；线粒体和叶绿体的膜将细胞的能量发生同其他的生化反应隔离开来，更好地进行能量转换。
生物膜体系为细胞提供较多的质膜表面，使细胞内部结构区室化。由于大多数酶定位在膜上，大多数生化反应也是在膜表面进行的，膜表面积的扩大和区室化使这些反应有了相应的隔离，效率更高。
另外，生物膜体系为细胞内的物质运输提供了特殊的运输通道，保证了各种功能蛋白及时准确地到位而又互不干扰。例如溶酶体的酶合成之后不仅立即被保护起来，而且一直处于监护之下被运送到溶酶体小泡。
2 genetic expression system
遗传信息表达体系（genetic expression system）又称为颗粒纤维结构体系，包括细胞核和核糖体。细胞核中的染色质是纤维结构，由DNA和组蛋白构成。染色体的一级结构是由核小体组成的串珠结构，其直径为10urn，又称为10纳米纤维。核糖体是由RNA和蛋白质构成的颗粒结构，直径为15一25urn，由大小两个亚基组成，它是细胞内合成蛋白质的场所。
3 cytoskeleto system
细胞的体积虽小，细胞内却是热闹非凡，各种生化反应瞬息万变，为了保证细胞生命活动的有序进行，细胞必需维持立体结构，这就需要依靠细胞骨架体系 （cytoskeleto system）。细胞骨架是由蛋白质与蛋白质搭建起的骨架网络结构，包括细胞质骨架和细胞核骨架。细胞骨架体系的主要作用是维持细胞的一定形态，使细胞得以安居乐业。细胞骨架对于细胞内物质运输和细胞器的移动来说又起交通动脉的作用；细胞骨架还将细胞内基质区域化；此外，细胞骨架还具有帮助细胞移动行走的功能。细胞骨架的主要成分是微管、微丝和中间纤维。 ----王p19。
4.2 Eukaryotic cells VS Prokaryotic Cells
4.2.1 Their commonness
1.都具有类似的细胞质膜结构；
2.都以DNA作为遗传物质，并使用相同的遗传密码；
3.都以一分为二的方式进行细胞分裂；
4.具有相同的遗传信息转录和翻译机制，有类似的核糖体结构；
5.代谢机制相同（如糖酵解和TCA循环）；
6.具有相同的化学能贮能机制，如ATP合成酶（原核位于细胞质膜上，真核位于线粒体膜L）；
7.光合作用机制相同（蓝细菌与植物相比较）；
8.膜蛋白的合成和插入机制相同；
9.都是通过蛋白酶体（蛋白质降解结构）降解蛋白质（古细菌与真核细胞相比较）。
4.2.2 Their difference
区别
原核细胞
真核细胞
大小
1~10μm
10~100μm
细胞核
无核膜
有双层的核膜
染色体
形状
环状DNA分子
线性DNA分子
数目
一个基因连锁群
2个以上基因连锁群
组成
DNA裸露或结合少量蛋白质
DNA同组蛋白和非组蛋白结合
DNA序列
无或很少有重复序列
有重复序列
基因表达
RNA和蛋白质在同一区间合成
RNA在核中合成和加工；蛋白质在细胞质中合成
细胞分裂
二分或出芽
有丝分裂和减数分裂，少数出芽生殖。
内膜
无独立的内膜
有，分化成各种细胞器
鞭毛构成
鞭毛蛋白
微管蛋白
光合与呼吸酶分布
质膜
线粒体和叶绿体
核糖体
70S（50S+30S）
80S（60S+40S）
营养方式
吸收，有的行光合作用
吸收，光合作用，内吞
细胞壁
肽聚糖、蛋白质、脂多糖、脂蛋白
纤维素（植物细胞）
真核细胞与原核细胞最根本的区别可以归纳为两条：第一是细胞膜系统的分化与演变。真核细胞以膜系统的分化为基础，首先分化为两个独立的部分——核与质，细胞质内又以膜系统为基础分隔为结构更精细，功能更专一的单位——各种重要的细胞器。细胞内部结构与职能的分工是真核细胞区别于原核细胞的重要标志。第二是遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化。这与第一点相互密切联系，由于真核细胞结构与功能的复杂化，遗传信息量相应随之扩增，即编码结构蛋白质与功能蛋白质的基因数首先大大增多。遗传信息重复序列与染色体多信性的出现是真核细胞区别于原核细胞的另一重大标志。遗传信息的复制、转录与翻译的装置和程序也相应复杂化，真核细胞内遗传信息的转录与翻译有严格的阶段性与区域性，而在原核细胞内转录与翻译可同时进行，这也是两者区别的重要特征。
4.3 Plant Cells VS Animal Cells
细胞器
动物细胞
植物细胞
细胞壁
无
有
叶绿体
无
有
液泡
无
有
溶酶体
有
无
圆球体
无
有
乙醛酸循环体
无
有
通讯连接方式
间隙连接
胞间连丝
中心体
有
无
胞质分裂方式
收缩环
细胞板
构成动物与植物机体的细胞均有基本相同的结构体系与功能体系。很多重要的细胞器与细胞结构，如细胞膜、核膜、染色质、核仁、线粒体、高尔基体、内质网与核糖体、微管与微丝等等，在不同细胞中不仅其形态结构与成分相同，功能也一样。近年在植物细胞内也发现了类似动物细胞的中等纤维与溶酶体的结构，植物细胞的圆球体与糊粉粒具有类似溶酶体的功能。
植物细胞却有一些特有的细胞结构与细胞器是动物细胞所没有的，如细胞壁、液泡与叶绿体吸其它质体。植物细胞在有丝分裂以后，普遍有一个体积增大与成熟的过程，这一点比动物细胞表现明显。在这一过程中，细胞的结构要经历一个发育的阶段，如细胞壁的初生壁与次生壁的形成，液泡的形成与增大，有色体的发育等。下面我们简单介绍一下植物细胞所特有的细胞器。
（1）细胞壁 细胞壁是在细胞分裂过程中形成的，先在分裂细胞之间形成胞间层，主要成分是果胶质，再在胞间层之间形成有弹性的初生壁（l～3μm），有些细胞还形成坚硬的次生壁（5～10μm），细胞壁的主要成分是纤维素，还有果胶质、半纤维素与木质素等。植物细胞壁产生了地球上最多的天然聚合物：木材、纸与布的纤维。细胞壁的某些部位有间隙，原生质可以由此沟通，形成胞间连丝。
（2）液泡 液泡是植物细胞的代谢库，起调节细胞内环境的作用。它是由脂蛋白膜包围的封闭系统，内部是水溶液，溶有盐、糖与色素等物质，溶液的浓度可以达到很高的程度。液泡是随着细胞的生长，由小液泡合并与增大而成为大液泡。液泡的另一功能可能具有压力渗透计（osmometer）的作用，使细胞保持膨胀的状态。
（3）叶绿体 叶绿体是植物细胞内最重要与最普遍的质体，它是进行光合作用的细胞器。叶绿体利用其叶绿素将光能转变为化学能，把CO2与水转变为糖。叶绿体是世界上成本最低，创造物质财富最多的“生物工厂”。
4.4 The sizes of Cells
胞的体积很小，通常需要借助显微镜才能看见。因此必须用微观的度量单位来测量细胞的大小。常用的细胞和生物大分子的度量单位有微米（μm）、纳米（nm）。人们用微米作为光学显微镜下观察细胞结构的测量单位；用纳米作为电子显微镜下观察细胞结构的测量单位；肉眼的分辨率为0.1毫米,观察对象为器官、系统。光学显微镜的分辨率在100―0.2微米,称微观,观察对象为组织、细胞。电子显微镜的分辨率在2100―1纳米，称亚微观，观察对象为细胞内部结构。高级电子显微镜和X射线衍射，分辨率小于1纳米，称超微观，观察对象为分子结构。1990年11月28日中国科学院化学研究所在世界上首次借助其扫描隧道显微镜，直接观察到辫子般的三链状脱氧核糖核酸新结构。这种原子级分辨率的精密仪器，是化学所等单位于1987年靠自力更生在我国首次研制成功的。由此获得国家科技进步二等奖。这一发现，不仅说明扫描隧道显微镜在研究生物物质方面具有极大的前途，而且在了解脱氧核糖核酸螺旋结构上找到了一个重大突破口，从而为生物信息、生命起源等问题的研究开辟了一条新途径。
细胞大小悬殊。大多数细胞的直径在10-100微米之间。一般而言，真核细胞大于原核细胞（原核细胞结构简单，没有由膜包围的细胞核，只有核区、细胞质、细胞膜和细胞壁），高等动物的卵细胞大于体细胞，最小的细胞是支原体，直径只有100纳米。最大的细胞是鸟类的卵细胞，鸡蛋的整个蛋黄就是一个卵细胞，直径约2-3厘米。驼鸟蛋是最大的鸟蛋，卵黄直径可达5-7厘米，可谓是最大的细胞了。人的卵细胞直径为120微米，肉眼勉强可见。
细胞的大小和细胞的机能是相适应的。神经细胞体直径一般不过100微米，但伸出的神经纤维却可达1米，这显然和神经的传导功能是一致的。鸟卵之所以大，是因为细胞中储藏大量营养物质之故。精子很小巧，适于游泳寻找卵子。
细胞的大小和多细胞生物个体的大小没有相关性，参天大树和幼小树苗，在细胞大小上并无差别。器官的大小与细胞数量成正比，多细胞生物个体的体积长大，是由于细胞数目的增多。
如果是受精的鸡蛋，产出的时候已经不是一个细胞，而是一个早期的胚胎（原肠期），具有很多细胞，处于休眠期，条件适宜时，又开始胚胎发育。如果没有受精的话，卵黄部分就相当于一个卵母细胞。
4.4.1 lower limit
一个细胞生存与增殖必须具备的结构装置与机能是：细胞膜、遗传信息载体DNA与RNA、进行蛋白质合成的一定数量的核糖体以及催化主要酶促反应所需要的酶，这些在支原体细胞内已基本具备。从保证一个细胞生命活动运转所必须的条件看，有人估计完成细胞功能至少需要 100种酶，这些分子进行酶促反应所必须占有的空间直径约为 50um，加上核糖体（每个核糖体直径约10～20um），细胞膜与核酸等，我们可以推算出来，一个细胞体积的最小极限直径不可能小于100um，而现在发现的最小支原体细胞的直径已接近这个极限。因此，作为比支原体更小更简单的细胞，又要维持细胞生命活动的基本要求，似乎是不可能存在的，所以说支原体是最小最简单的细胞。
4.4.2 upper limit
细胞最为典型的特点是在一个极小的体积中形成极为复杂而又高度组织化的结构。典型的原核细胞的直径平均大小在1－10pm之间，而真核细胞的直径平均为3一30pm，一般为10一20pm。
某些不同来源的同类细胞的大小变化很大，如人的卵细胞的直径只有0．lmm，而鸵鸟的卵细胞的直径则有0．scm。但是，来自不同物种的多数同类型细胞的体积一般是相近的，不依生物个体的大小而增大或缩小。如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同。因此，器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关。
细胞本身的大小并非是随意改变的，细胞体积要维持相对恒定。哺乳动物细胞的体积大小受几个因素的限制，其中一个主要限制因素是体积与表面积的关系。以球形细胞为例（身体内的细胞并非都是球形）计算体积与表面积的关系，结果表明，球形细胞增大，其体积的增加要比表面积的增加大得多。这样，当细胞增大到一定程度时，质膜的表面积就的表声积，从而限制了体积的无限增大。
另一个限制细胞体积的因素是细胞内关键分子的浓度。一些重要的分子在细胞球形细胞内的拷贝数是很少的，当细胞体积增大时，这些分子的浓度就越来越稀，一些重要的生化反应需要一定的分子浓度才能进行，所以细胞内分子浓度就成了限制细胞体积无限增大的另一个因素。真核细胞的体积一般是原核细胞的1000倍，真核细胞为了解决细胞内重要分子的浓度问题，出现了特化的内膜系统，使一些反应局限于特定的膜结合的细胞器内，这样，一些重要反应的分子浓度并没有被稀释。
细胞不仅对其体积的增大有限制，而细胞体积与表面积间的关系且对体积减小也有限制。据研究，一个生活细胞要维持正常的独立生活功能，最低限度需要500～1000种不同类型的酶和蛋白质，这是目前在支原体（mycoplasma）中所发现的酶和蛋白质的量。而支原体是目前所知最小的原核细胞，它的体积只有，仍能完全独立地生存。很显然，细胞体积的最小化受制于维持细胞生命活动所需的酶和蛋白质种类的最低量。 －－－－王p6
器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关，这种关系有人称之为“细胞体积的守恒定律”。
细胞最大体积的极限与什么因素有关？细胞的体积受什么因素控制？我们认为有3个方面应该指出来：
1．细胞的相对表面积与体积的关系,
2．细胞的核与质之间有一定的比例关系
3．细胞内物质的交流与细胞体积的关系,
由于上述种种因素的影响，细胞作为生命活动的基本单位，其体积必然要适应其代谢活动的要求，应有一定的限度，因此数百微米直径的细胞应被认为是上限了。
4.5 The relationship between cells’ form and its function
由于结构、功能和所处的环境不同，各类细胞形态千差万别，有圆形、椭圆形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形，甚至不定形。
原核细胞的形状常与细胞外沉积物（如细胞壁）有关，如细菌细胞呈棒形，球形，弧形、螺旋形等不同形状。单细胞的动物或植物形状更复杂一些，如草履虫像鞋底状，眼虫呈梭形且带有长鞭毛，钟形虫呈袋状。
生物的细胞形状与细胞功能和细胞间的相互关系有关。如动物体内具有收缩功能的肌肉细胞呈长条形或长梭形；红细胞为圆盘状，有利于O2和CO2的气体交换。植物叶表皮的保卫细胞成半月形，2个细胞围成一个气孔，以利于呼吸和蒸腾。细胞离开了有机体分散存在时，形状往往发生变化，如平滑肌细胞在体内成梭形，而在离体培养时则可成多角形。
Chapter Ⅲ Techniques in Cell Biology
一、教学目的和要求：
通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细细胞形态结构的观察方法；细胞组分的分析方法；细胞培养与细胞工程技术；分子生物学方法。
向学生介绍细胞生物学的技术史和思想史，使之认识工具和方法与学科发展的相关性。
使学生了解本学科基本的研究方法。
二、教材分析：
概述：本章细胞生物学研究方法和技术在传统教学中属“次要”内容，所以教材深度不大，内容单薄，图表有待丰富。随着细胞生物学的发展，其研究方法和基本技术原理越来越为人们重视，在考研试题中也频繁出现。
教学重点：仪器方法的基本原理和基本应用。
教学难点：电镜制样及分子生物学方法。
三、教学设想：
教材处理：针对其薄弱的环节增加相应内容，如对各仪器、实验方法的原理；在CAI课件中加入大量的照片、示意图以助学生学习。
教学方法：主要采用讲授法和讨论法。
教具：CAI课件四、教学内容：（4学时）
1 Light Microscope & Electron Microscope
1.1 Light Microscope
（一） 普通光学显微镜
1,构成：普通生物显微镜由3部分构成，即：①照明系统，包括光源和聚光器；②光学放大系统，由物镜和目镜组成，是显微镜的主体，为了消除球差和色差，目镜和物镜都由复杂的透镜组构成；③机械装置，用于固定材料和观察方便。
比较高级的显微镜上都设有倾斜式的双目镜筒。在物镜转换器上方装有四个棱镜，使经过物镜的光线平分为两路到达目镜，故双筒显微镜（ binocular microscope）的亮度要比单筒者为暗。双筒显微镜的优点为同时用两眼观察，有较强的立体感。
2,原理：经物镜形成倒立实像，经目镜进一步放大成像
3,分辨率 Resolution：区分两质点间最小距离的能力。显微镜物象是否清楚不仅决定于放大倍数，还与显微镜的分辨力（resolution）有关，分辨力是指显微镜（或人的眼睛距目标25cm处）能分辨物体最小间隔的能力，分辨力的大小决定于光的波长和镜口率以及介质的折射率，用公式表示为：
R=0.61λ /N．A,N．A．＝ｎsinα/2
式中：n=介质折射率；α=镜口角（标本对物镜镜口的张角），N.A.=镜口率（numeric aperture）。镜口角总是要小于180?，所以sina/2的最大值必然小于1。
讨论：Magnification versus Resolution分辨极限与放大率一般地说，一定波长的射线不能用以探查比它本身波长短得多的结构细节，这是一切显微镜的一个基本限度。因此，光学显微镜的最高分辨极限（limit resolution）受可见光的波长（0.4－0.7μm）的限制。细菌和线粒体约0.5μm大小，是光学显微镜能够清晰可见的最小物体；比这更小的细节，由于光的衍射效应而不能分辨。通常将光镜下所见物体的结构称为显微结构（microscopic structure），如线粒体、中心体、核仁等可以在光镜下观察，均属于显微结构。
光并非是完全直线前进的，光波以各种稍微不同的路程通过一个光学系统，以致互相干涉产生光衍射效应。例如，用同一波长的光照射一条直边，其放大影像是一组平行线，如照射一个小圆孔，其放大影像是一组同心圆的线。同样原理，通过显微镜观察一个点，就像一个模糊的圆盘，相邻两点的像则重叠而分辨木开。对可见光来说，能清楚地分辨出相邻两点之间的最小间隔是0.2μm，称之为分辨极限。无论怎样改善透镜，也不可能克服光波本身所造成的这种限制，尽管可以将图像放大，例如投影到屏幕上，但也不可能在光镜下看清楚比0.2μm更细微的物体。
最终成像的大小与原物体大小的比值称为放大率（magnification）。总放大率二物镜放大率X目镜放大率，放大率同样受分辨极限的限制。一般来说，光学显微镜的最大放大率只能是透镜的数值孔径的1000倍。由于透镜的数值孔径的范围是1.0～1.4，所以光学显微镜在用空气作介质时最大放大倍数为1000倍，用油镜则为1400倍。
讨论：显微镜的分辨率能否无限提高？如何提高光学显微镜的分辨能力？
分辨率表示的是能够区别两个点间最近距离的能力，所以广值越小，分辨率越高。从分辨率的表达式来看，NA越大，分辨率越高，或者波长越短，分辨率越高。
当以可见光作光源，玻璃透镜的最大分辨率是多少呢？应从以下几个方面来考虑这一问题。首先应如何尽可能地缩短波长。可见光的波长范围是400～700urn，而可见光中的蓝色光的波长最短，为450urn，所以光镜使用时应滤去其他杂色光。第二是使NA的数值尽可能大，因为最好的玻璃透镜的镜口角是70o，所以sina的最大值为0．94，空气的折光率（n）为1，因此玻璃透镜的最大数值孔径为0．94。这样，我们可以计算光镜的最大分辨率了：假定用最好的玻璃透镜，角孔径为70”，用最短的可见光——蓝色光的波长为450urn，用空气作为光的折射介质，则最大分辨率为 r＝ 0．61×λ／NA＝ 0．61× 450／0．94＝ 292urn。0．3μm 。
光镜中的油镜可用油作为光折射的介质，由于油的折光率为1．5，所以用油镜时，分辨率 r＝ 0．61λ／NA＝0．61× 450／1＝5 × 0．94＝ 196μrn＝0.2μm。
在光学显微镜中，用紫外光作光源可使分辨率提高到0．lpm。紫外光的波长较短，约为200～300urn。但是，紫外光是肉眼不可见的，必须通过照相。另外，用紫外光源时需用石英透镜，价格较高。 －－－－王p33
（二）、荧光显微镜Fluorescence microscope
特点：
照明方式通常为落射式，即光源通过物镜投射于样品上 ；
光源为紫外光，波长较短，分辨力高于普通显微镜；
有两个特殊的滤光片，光源前的用以滤除可见光，目镜和物镜之间的用于滤除紫外线，用以保护人目。
细胞中有些物质，如叶绿素等，受紫外线照射后可发荧光；另有一些物质本身虽不能发荧光，但如果用荧光染料或荧光抗体染色后，经紫外线照射亦可发荧光，荧光显微镜可对这类物质进行定性和定量研究。
用途：用于观察能激发出荧光的结构：免疫荧光观察、基因定位、疾病诊断。
（三）、激光共聚焦扫描显微境Laser confocal scanning microscope,LCSM
激光共聚焦扫描显微镜（laser confocal scanning microscope，）用激光作扫描光源，逐点、逐行、逐面快速扫描成像，扫描的激光与荧光收集共用一个物镜，物镜的焦点即扫描激光的聚焦点，也是瞬时成像的物点。由于激光束的波长较短，光束很细，所以共焦激光扫描显微镜有较高的分辨力，大约是普通光学显微镜的3倍。系统经一次调焦，扫描限制在样品的一个平面内，调焦深度不一样时，就可以获得样品不同深度层次的图像，这些图像信息都储于计算机内，通过计算机重新组合，就能显示细胞样品的立体结构，给出细胞内各部分之间的定量关系及各种结构线度。
激光共聚焦扫描显微镜既可以用于观察细胞形态，也可以用于细胞内生化成分的定量分析、光密度统计以及细胞形态的定量。－－－绍兴
（四）、暗视野显微镜Dark field microscope
聚光镜中央有挡光片，照明光线不直接进人物镜，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。
可观察4~200nm的微粒子，分辨率比普通显微镜高50倍。
在日常生活中，当人的眼睛处于暗处观察光线斜射到的尘埃，由于光的反射和衍射，使尘埃颗粒似乎增大体积而可辨别。但当光线很强或有衍射存在的情况下则看不出尘埃的颗粒。根据此原理使光木直接通过样品而是斜射到样品上，即可在暗视野下观察细微粒子。
暗视野显微镜（dark field microscope）使用了一种特殊的照明方法，使光线不能直接进入物镜和目镜，这样，在观察样品时就不能直接看到照明光线，而只能观察被检物体所反射或衍射的光线，因而使被检物体在黑暗的视野中呈现明亮的像。这种照明方式，使反差增大，分辨率提高，用以观察未经染色的活体或胶体粒子。
暗视野显微镜主要观察的是物体的轮廓，分辨不清内部的微细构造，适合于观察活细胞内的细胞核、线粒体、液体介质中的细菌和霉菌等。 ----------------王p36
（五）、相差显微镜 Phase-contrast microscope，PCM
把透过标本的可见光的光程差变成振幅差，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。
在构造上，相差显微镜有不同于普通光学显微镜两个特殊之处。
1,环形光阑（annular diaphragm）:位于光源与聚光器之间。
2,相位板（annular phaseplate）:物镜中加了涂有氟化镁的相位板，可将直射光或衍射光的相位推迟1/4λ。
相差显微镜（phase contrast microscop）是荷兰科学家 Zermike于 1935年发明的，用于观察未染色样品。相差显微镜的优点是能观察无色、透明、活细胞中的结构。它是利用光的衍射和干涉特性使相位差变成振幅差，表现为明与暗的对比，使肉眼得以观察到无色透明物体中的细节。
相差显微镜在结构上进行了特别设计，尤其是光学系统有很大的不同。
小的、未经染色的样品（如活细胞）是难以用普通光学显微镜进行观察的，而相差显微镜使得高通透性的物体变得可见。在普通光学显微镜中，我们之所以能够区别一个物体的不同部分，是因为它们对光产生不同的影响，影响的根本原因就是光的衍射。细胞器是由各种不同的分子，如 DNA,RNA。蛋白质、脂、糖类、盐和水构成的，不同成分的不同部分很可能有不同的光衍射系数。在正常情况下，不同衍射系数的差异不能被我们的肉眼所区别，但是相差显微镜能够将这种衍射差异转变成明与暗的差异，这样就可以用肉眼区分了。这种转变要依靠光波的相互作用的能力即干涉（interference）。
相差显微镜具有两个其他显微镜所不具有的功能：①将直射的光（视野中背景光）与经物体衍射的光分开；②能将大约一半的波长从相位中除去，使之不能发生相互作用，从而引起强度的变化。假定将某一物体悬浮在相同的介质中，也就是说它们的各个部分的衍射系数完全相同，此时到达物体上的所有光都有一半被改变了相位，相互之间的干涉是一致的，强度的减少也是一致的。
为了更好地理解相差显微镜的工作原理，首先必须明白一束光是由许多单个的射线组成的。当来自于光源的射线通过样品时，它们各自的速度将会受到样品的物理性质的影响。尤其是射线衍射时，它们到达样品上的相位就会发生某种程度的改变，结果是由于相位的改变，使那些已经通过了样品的射线同那些本来就没有通过样品的射线一起离开了相位。
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木同，通过细胞的光线比末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。
另外，光通过物体后形成两束光，一束直行，称为直射光，另一束斜行或绕行称为衍射光，衍射光相位落后，振幅小。两束光继续前进，当直射光和衍射光相遇时又产生干涉，此时如两者相位相同则两束光的合光振幅加大，若两者相位相反，则两束光的合光振幅减小。合光振幅大意味着物体变亮，合光振幅小则物体变暗，结果是物体在显微镜下呈现明暗对比，因而能藉以辨认无色透明物体内的细微结构。
（六）、微分干涉差显微镜Differential interference contrast microscope （DIC）
1952年，Nomarski在相差显微镜原理的基础上发明了微分干涉差显微镜（differential interference contrast（DIC） microscope）。DIC显微镜又称Nomarski相差显微镜（Nomarki contrast microscope），其优点是能显示结构的三维立体投影影像。与相差显微镜相比，其标本可略厚一点，折射率差别更大，故影像的立体感更强。
DIC显微镜的物理原理完全不同于相差显微镜，技术设计要复杂得多。首先DIC利用的是偏振光，有四个特殊的光学组件：偏振器（polarizer）、DIC棱镜、DIC滑行器和检偏器（analyzer）。偏振器直接装在聚光系统的前面，使光线发生线性偏振。在聚光器中则安装了石英Wollaston棱镜，即DIC棱镜，此棱镜可将一束光分解成偏振方向不同的两束光（x和y），二者成一小夹角。聚光器将两束光调整成与显微镜光轴平行的方向。最初两束光相位一致，在穿过标本相邻的区域后，由于标本的厚度和折射率不同，引起了两束光发生了光程差。在物镜的后焦面处安装了第二个Wollaston棱镜，即DIC滑行器，它把两束光波合并成一束。这时两束光的偏振面（x和y）仍然存在。最后光束穿过第二个偏振装置，即检偏器。在光束形成目镜DIC影像之前，检偏器与偏光器的方向成直角。检偏器将两束垂直的光波组合成具有相同偏振面的两束光，从而使二者发生干涉。x和y波的光程差决定着透光的多少。光程差值为0时，没有光穿过检偏器；光程差值等于波长一半时，穿过的光达到最大值。于是在灰色的背景上，标本结构呈现出亮暗差。为了使影像的反差达到最佳状态，可通过调节DIC滑行器的纵行微调来改变光程差，光程差可改变影像的亮度。调节DIC滑行器可使标本的细微结构呈现出正或负的投影形象，通常是一侧亮，而另一侧暗，这便造成了标本的人为三维立体感，类似大理石上的浮雕。－－－－绍兴
（七）、倒置显微镜Inverse microscope
物镜与照明系统颠倒，前者在载物台之下，后者在载物台之上，用于观察培养的活细胞，通常具有相差物镜，有的还具有荧光装置。
当代显微镜的发展趋势：采用组合方式，集普通光镜加相差、荧光、暗视野、DIC、摄影装置于一体；自动化与电子化。
1.2 Electron Microscope
1.2.1Transmission electron microscope,TEM
1、基本原理光显的分辨率主要是受照明光线的波长限制，在可见光源下无法分辨小干0.2μm的细微结构，即使改用紫外光源，也只能是0.1μm。提高分辨率的最好办法就是缩短照明光源的波长，这导致了电子显微镜（electron microscope）的发明。光源与分辨率的关系同样适于电子束，由于电子束的波长比光的波长短100 000倍，因而用电子束代替光波，可大大提高显微镜的分辨率。1932年德国学者Knolls和Ruska发明了第一台电子显微镜，开拓了超微世界．发现了许多光镜下看不到的结 构．如细胞膜、线粒体、细胞核、高尔基体、中心粒等细胞器的细微结构。将在光学显微镜中观察不到而只能在电子显微镜下观察的结构称为亚显微结构(submicroscopic structure)．或超微结构。电子显微镜与光学显微镜在总体结构的设计上有很大的差别）。在种类上，电镜可分为两大类：透射电子显微镜和扫描电子显微镜。还有在这两类电子显微镜的基础上发展起来的具有特别功能的电子显微镜，如透光学员微镜电子显微镜射扫描电子显微镜、免疫电子显微镜、高压电子显微镜等。 －－－－－－－－王p39
在光学显微镜下无法看清小于0.2μm的细微结构，这些结构称为亚显微结构（submicroscopic structures）或超微结构（ultramicroscopic structures；ultrastructures）。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM），目前TEM的分辨力可达0.2nm。
电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子束作光源，用电磁场作透镜。另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度仅有50nm的超薄切片。这种切片需要用超薄切片机（ultramicrotome）制作。电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍、由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成。－－－绍兴
（1） 透射电子显微镜与光学显微镜的基本区别显微
分辨本领
光源
透镜
真空
成像原理
LM
200nm
可见光（400-700）
玻璃透镜
不要求真空
利用样品对光的吸收形成明暗反差和颜色变化
100nm
紫外光（约200nm）
玻璃透镜
不要求真空
TEM
0.1nm
电子束（0.01-0.9）
电磁透镜
真空
1.33x10-5～1.33x10-3P
利用样品对电子的散射和透射形成明暗反差
（2）TEM特点：
以电子束作光源，电磁场作透镜。电子束的波长短，并且波长与加速电压(通常50~120KV)的平方根成反比。
由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成。
分辨率0.2nm，放大倍数可达百万倍。
用于观察超微结构（ultrastructure），即小于0.2μm、光学显微镜下无法看清的结构,又称亚显微结构（submicroscopic structures）。
2制样技术
1）超薄切片技术：Ultrathin section
电子束穿透力很弱，用于电镜观察的标本须制成厚度仅50nm的超薄切片，用超薄切片机(ultramicrotome)制作。
通常以锇酸和戊二醛固定样品，丙酮逐级脱水，环氧树脂包埋，以热膨胀或螺旋推进的方式切片，重金属(铀、铅)盐染色。
2）负染色技术：Negative staining
用重金属盐（如磷钨酸钠）对铺展在载网上的样品进行染色，使整个载网都铺上一层重金属盐，而有凸出颗粒的地方则没有染料沉积。由于电子密度高的重金属盐包埋了样品中低电子密度的背景，增强了背景散射电子的能力以提高反差。这样，在图像中背景是黑暗的，而未被包理的样品颗粒则透明光亮，从而出现负染效果，分辨率可达1.5nm左右。
3）冷冻断裂复型技术和冷冻蚀刻：Freeze-fracture replication,Freeze etching
是专门观察样品外表面的投影复型术。冷冻断裂复型（ freeze－fracture replication）技术是先将生物样品在液氮中（－196℃）进行快速冷冻，防止形成冰晶。然后将冷冻的样品迅速转移到冷冻装置中，并迅速抽成真空。在真空条件下，用冰刀横切冷冻样品，使样品的内层被分开露出两个表面。如用冰刀切开细胞膜时，分开的两个面分别称为 P面（protoplasmic face）和 E面（exoplasmic face）,P面是靠近细胞质一面的半层膜，而E面则是靠近细胞外基质一I面的半层膜，可清楚地观察到镶嵌蛋白。
冷冻蚀刻（freeze－etching）技术是在冷冻断裂技术的基础上发展起来的更复杂的复型技术。如果将冷冻断裂的样品的温度稍微升高，让样品中的冰在真空中升华，而在表面上浮雕出细胞膜的超微结构。当大量的冰升华之后，对浮雕表面进行铂一碳复型，并在腐蚀性溶液中除去生物材料，复型经重蒸水多次清洗后，捞在载网上作电镜观察
1.2.2 扫描电子显微镜Scanning electron microscope,CEM
20世纪60年代问世，用来观察标本表面结构。
分辨力为6~10nm，由于人眼的分辨力（区别荧光屏上距离最近两个光点的能力）为0.2mm，扫描电镜的有效放大倍率为0.2mm/10nm=20000X。
工作原理：是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与样品表面结构有关，次级电子由探测器收集，信号经放大用来调制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。
为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，要喷涂上一层重金属膜，重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号。
1.2.3扫描隧道显微镜Scanning tunneling microscope，STM
扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope,STM）由 IBM公司瑞士苏黎世研究所的两位学者Binning和Rohrer等在1981年发明的具有原子显像力的显微镜，是根据量子力学中的隧道效应原理而制成的。这种显微镜对生物学、物理学、化学等学科均有推动作用，可用于研究表面的原子结构和电子结构，故于1986年获得了诺贝尔物理学奖。 -----王扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM） 由Binnig等1981年发明，是根据量子力学原理中的隧道效应而设计制造的。当原子尺度的针尖在不到一个纳米的高度上扫描样品时，此处电子云重叠，外加一电压（2mV~2V），针尖与样品之间产生隧道效应而有电子逸出，形成隧道电流。电流强度和针尖与样品间的距离有一指数关系，当探针沿物质表面按给定高度扫描时，因样品表面原子凹凸不平，使探针与物质表面间的距离不断发生改变，从而引起电流不断发生改变。将电流的这种改变图像化即可显示出原子水平的凹凸形态。扫描隧道显微镜的分辨率很高，横向为0.1~0.2nm，纵向可达0.001nm。它的优点是三态（固态、液态和气态）物质均可进行观察，而普通电镜只能观察制作好的固体标本。
利用扫描隧道显微镜直接观察生物大分子，如DNA、RNA和蛋白质等分子的原子布阵，和某些生物结构，如生物膜、细胞壁等的原子排列。－－－－－绍兴
(Scanning Tunnelling Microscopy)是利用电子穿隧效应而发展出来的。如果两电极(一极为金属探针（一般为钨针），另一极为导电样品)相距很近，并在其间加上微小电压，则探针所在的位置便有穿隧电流产生。
利用探针与样品表面的间距和穿隧电流有十分灵敏的关系，当探针以设定的高度扫描样品表面时，由于表面的高低变化，导致探针和样品表面的间距时大时小，穿隧电流值也随之改变。藉探针在样品表面上来回扫描，并记录在每一位置点上的穿遂电流值，便可得知样品表面原子排列的情形。因此，扫描穿隧显微镜是研究导电样品表面原子性质的有利工具。
特点：
a．高分辨率。
b．扫描隧道显微镜可直接探测样品的表面结构，可绘出立体三维结构图像。
c．扫描隧道显微镜可在真空、常压、空气，甚至溶液中探测物质的结构。
d．扫描隧道显微镜的扫描速度快，获取数据的时间短，成像也快，有可能开展生命过程的动力学研究。
e.不需任何透镜，体积小，携带方便。
2 Analysis of Cellular Component
2.1 Centrifugation
离心是研究如细胞核、线粒体、高尔基体、溶酶体和微体，以及各种大分子基本手段。一般认为，转速为10~25Kr/min的离心机称为高速离心机；转速超过25Kr/min，离心力大于89Kｇ者称为超速离心机。目前超速离心机的最高转速可达100Kr/min，离心力超过500Kg。
（一）、差速离心（differential centrifugation）
在密度均一的介质中由低速到高速逐级离心，用于分离不同大小的细胞和细胞器）。
在差速离心中细胞器沉降的顺序依次为：核、线粒体、溶酶体与过氧化物酶体、内质网与高基体、最后为核蛋白体。
由于各种细胞器在大小和密度上相互重叠，而且某些慢沉降颗粒常常被快沉降颗粒裹到沉淀块中，一般重复2～3次效果会好一些。
差速离心只用于分离大小悬殊的细胞，更多用于分离细胞器。通过差速离心可将细胞器初步分离，常需进一步通过密度梯离心再行分离纯化。
（二）、密度梯度离心（density gradient centrifugation）
用一定的介质在离心管内形成一连续或不连续的密度梯度，将细胞混悬液或匀浆置于介质的顶部，通过重力或离心力场的作用使细胞分层、分离。这类分离又可分为速度沉降和等密度沉降平衡两种。密度梯度离心常用的介质为氯化铯，蔗糖和多聚蔗糖。分离活细胞的介质要求：1）能产生密度梯度，且密度高时，粘度不高；2）PH中性或易调为中性；3）浓度大时渗透压不大；4）对细胞无毒。
1、速度沉降速度沉降（velocity sedimentation）主要用于分离密度相近而大小不等的细胞或细胞器。这种降方法所采用的介质密度较低，介质的最大密度应小于被分离生物颗粒的最小密度。
生物颗粒（细胞或细器）在十分平缓的密度梯度介质中按各自的沉降系数以不同的速度沉降而达到分离。
2、等密度沉降等密度沉降（isopycnic sedimentation）适用于分离密度不等的颗粒。
细胞或细胞器在连续梯度的介质中经足够大离心力和是够长时间则沉降或漂浮到与自身密度相等的介质处，并停留在那里达到平衡，从而将不同密度的细胞或细胞器分离。
等密度沉降通常在较高密度的介质中进行。介质的最高密度应大于被分离组分的最大密度，而且介质的梯度要求较高的陡度，不能太平缓。再者，这种方法所需要的力场通常比速率沉降法大10~100倍，故往往需要高速或超速离心，离心时间也较长。大的离心力、长的离心时间都对细胞不利。大细胞比小细胞更易受高离心力的损伤，而且停留在等密度介质中的细胞比处在移动中的细胞受到更大的损伤。因此，这种方法适于分离细胞器，而不太适于分离和纯化细胞。
2.2 显示方法
1.金属沉淀法：利用金属化合物在反应过程中生成有色沉淀，借以辨认所检查的物质或酶活性。如磷酸酶分解磷酸酯底物后，反应产物最终生成CoS或PbS有色沉淀，而显示出酶活性。
2.?偶氮偶联法：酚类化合物与偶氮染料结合后可以形成耐晒染料。
3.?Schiff反应：细胞中的醛基可使Schiff试剂中的无色品红变为红色。这种反应通常用于显示糖和脱氧核糖核酸（Feulgen反应）。
4.?联苯胺反应：过氧化物酶分解H202。产生新生氧，后者再将无色的联苯胺氧化成联苯胺蓝，进而变成棕色化合物。
5.?普鲁士蓝反应：三价铁与酸性亚铁氰化钾作用，形成普鲁士蓝。
6.?Formazane反应：显示脱氢酶。
7.?“Nadi”反应：显示细胞色素氧化酶。
8.脂溶染色法：借苏丹染料溶于脂类而使脂类显色。
9.茚三酮反应：显示蛋白质。
2.3 Immunocyto chemistry
根据免疫学原理，利用抗体同特定抗原专一结合，对抗原进行定位测定的技术。常用的标记物有荧光素和酶。
免疫荧光法（immunofluorescent technique）：常用的萤光素有异硫氰酸荧光素、罗丹明等。
酶标免疫法（enzyme-labeled antibody method）：用酶代替荧光素代替荧光素与抗体耦联。常用的酶有辣根过氧化物酶，酶与底物发生反应后形成不透明的沉积物，从而显示出抗原存在的部位。
疫细胞化学（immunocyto chemistry）是根据免疫学原理，利用抗体同特定抗原专一结合，对抗原进行定位测定的技术。抗原主要为大分子或与大分子相结合的小分子；抗体则是由浆细胞针对特定的抗原分泌的γ球蛋白。如果将抗体结合上标记物，再与组织中的抗原发生反应，即可在光镜或电镜下显示出该抗原存在于组织中的部位。
常用的标记物有荧光素和酶。荧光素标记的称为免疫荧光法（immunofluorescent technique）常用的萤光素有异硫氰酸荧光素（fluorescein isothiocyanate）、罗丹明（rhodamine）等。酶标记的称为酶标免疫法（enzyme-labeled antibody method），常用的酶有辣根过氧化物酶（horseradish peroxidase），酶与底物发生反应后形成不透明的沉积物，从而显示出抗原存在的部位。
抗体与抗原的结合方法可分为直接法和间接法两种，直接法是将带有标记的抗体与抗原反应，显示出抗原存在的部位。而间接法则是在抗体抗原初级反应的基础上，再用带标记的次级抗体同初级抗体反应，从而使初级反应得到放大，显示增强。
2.4 Molecular hybridization
分子杂交技术（molecular hybridization）是在研究DNA分子复性变化基础上发展起来的一种技术。其原理是，具有互补核苷酸序列的两条单链核苷酸分子片段，在适当条件下，通过氢键结合，形成DNA-DNA，DNA-RNA或RNA-RNA杂交的双链分子。这种技术可用来测定单链分子核苷酸序列间是否具有互补关系。
（一）、原位杂交（in situ hybridization）。
用来检测染色体上的特殊DNA序列。最初是使用带放射性的DNA探针，通过放射自显影来显示位置。后来又发明了免疫探针法，将探针核苷酸的侧链加以改造，探针杂交后，其侧链可被带有荧光标记的抗体所识别，从而显示出位置。
（二）、Southern杂交是体外分析特异DNA序列的方法，操作时先用限制性内切酶将核DNA或线粒体DNA切成DNA片段，经凝胶电泳分离后，转移到醋酸纤维薄膜上，再用标记的探针杂交，通过放射自显影，即可辨认出与探针互补的特殊核苷序列。
将RNA转移到薄膜上，用探针杂交，则称为Northern杂交，RNA印迹术；蛋白质印迹术（Western blotting）；Eastern blotting（Western blotting的变形） 当用凝胶进行抗原抗体反应，再进行印迹的方法）。
2.5 Radioautography/autoradiography
放射自显影术（radioautography；autoradiography）用于研究标记化合物在机体、组织和细胞中的分布、定位、排出以及合成、更新、作用机理、作用部位等等。
原理：将放射性同位素（如14C和3H）标记的化合物导入生物体内，经过一段时间后，将标本制成切片或涂片，涂上卤化银乳胶，经一定时间的放射性曝光，组织中的放射性即可使乳胶感光。
实验室一般常选用14C和3H标记。一般常用3H胸腺嘧啶脱氧核苷（3H-TDR）来显示DNA，用3H尿嘧啶核苷（3H-UDR）显示RNA；用3H氨基酸研究蛋白质，研究多糖则用3H甘露糖、3H岩藻糖等。
2.6 Flow cytometer
用途：对单个细胞进行快速定量分析与分选的一门技术。
原理：包在鞘液中的细胞通过高频振荡控制的喷嘴，形成包含单个细胞的液滴，在激光束的照射下，这些细胞发出散射光和荧光，经探测器检测，转换为电信号，送入计算机处理，输出统计结果，并可根据这些性质分选出高纯度的细胞亚群，分离纯度可达99%。包被细胞的液流称为鞘液，所用仪器称为流式细胞计（flow cytometer）。
Addition:细胞电泳各种细胞或处于不同生理状态的同种细胞荷电量有所不同，故在一定的电场中的泳动速度不同。在恒定的电场条件下，同种细胞的电泳速度相当稳定，因而可通过测定电泳速度来推算出细胞的ξ电位。ξ电位常因细胞生理状态和病理状态而异，因此在诊断疾病上有一定价值。此外由于不同类型的细胞在电场中的泳动速度不同，细胞电泳尚可用来分离不同种类的细胞，例如可把淋巴样细胞与造血细胞分开。
3 Cell Culture & Cell Engineering
3.1 Cell culture
细胞培养技术（cell culture）就是在体外模拟体内的生理环境，培养从机体中取出的细胞，并使之生长和生存的技术。
高等生物是由多细胞构成的整体，在整体条件下要研究单个细胞或某一群细胞在体内（in vivo）的功能活动是十分困难的。但是如果把活细胞拿到体外（in vitro）培养进行观察和研究，则要方便得多。活细胞离体后要在一定的生理条件下才能存活和进行生理活动，特别是高等动植物细胞要求的生存条件极其严格，稍有不适就要死亡。所以细胞培养技术（cell culture）就是选用最佳生存条件对活细胞进行培养和研究的技术。
动物细胞的生存环境与植物细胞差别很大，因而二者的培养方法很不相同。
（一）动物细胞培养细胞培养方式大致可分为两种：一种是群体培养（mass culture），将含有一定数量细胞的悬液置于培养瓶中，让细胞贴壁生长，汇合（confluence）后形成均匀的单细胞层；另一种是克隆培养（clonal culture），将高度稀释的游离细胞悬液加入培养瓶中，各个细胞贴壁后，彼此距离较远，经过生长增殖每一个细胞形成一个细胞集落，称为克隆（clone）。一个细胞克隆中的所有细胞均来源于同一个祖先细胞。此外，为了制取细胞产品而设计了转鼓培养法，使用大容量的圆培养瓶，在培养过程中不断地转动，使培养的细胞始终处于悬浮状态之中而不贴壁。
正常细胞培养的世代数有限，只有癌细胞和发生转化的细胞才能无限生长下去。所谓转化即是指正常细胞在某种因子的作用下发生突变而具有癌性的细胞。目前世界上许多实验室所广泛传用的HeLa细胞系就是1951年从一位名叫Henrietta Lacks的妇女身上取下的宫颈癌细胞培养而成。此细胞系一直延用至今。
1．原代培养 （primary culture）：从动物机体取出的进行培养的细胞群。原代培养的细胞生长比较缓慢，而且繁殖一定的代数后（一般10代以内）停止生长，需要从更换培养基。将细胞从一个培养瓶转移到另外一个培养瓶即称为传代或传代培养（Passage）。
2．细胞株（cell strain）：从原代培养细胞群中筛选出的具有特定性质或标志的细胞群，能够繁殖50代左右，在培养过程中其特征始终保持。
3,细胞系（cell line）：从肿瘤组织培养建立的细胞群或培养过程中发生突变或转化的细胞，在培养条件下可无限繁殖
4．克隆（clone）：亦称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。
（二）植物细胞培养植物细胞培养主要有如下几种技术：
1． 组织培养：诱发产生愈伤组织，如果条件适宜，可培养出再生植株。用于研究植物的生长发育、分化和遗传变异；进行无性繁殖；制取代谢产物。
2． 悬浮细胞培养：在愈伤组织培养技术基础上发展起来的一种培养技术。适合于进行产业化大规模细胞培养，制取植物代谢产物。
3． 原生质体培养：脱壁后的植物细胞称为原生质体（protoplast），其特点是：①比较容易摄取外来的遗传物质，如DNA；②便于进行细胞融合，形成杂交细胞；③与完整细胞一样具有全能性，仍可产生细胞壁，经诱导分化成完整植株：
4． 单倍体培养：通过花药或花粉培养可获得单倍体植株，经人为加倍后可得到完全纯合的个体。
Addition,非细胞体系Cell free system,来源于细胞，而不具有完整的细胞结构，但包含了进行正常生物学反应所需的物质组成。（如功能体系和酶反应体系等）的体系即为非细胞体系。
3.2 Cell engineering
用细胞生物学和分子生物学的理论、方法和技术，按人们的预定设计蓝图有计划的保存、改变和创造细胞遗传物质，以产生新的物种和品系，或大规模培养组织细胞以获得生物产品。
该技术在细胞和亚细胞水平上开辟了基因重组的新途径，不需分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，只需将遗传物质直接转入受体细胞，就可形成杂交细胞。
主要技术领域细胞(组织、器官)培养：in vivo在体、活体、生物体内；in vitro离体、生物体外。
细胞融合（体细胞杂交、细胞并合）
细胞拆合（细胞质工程、细胞器移植）
染色体（组）工程：
繁殖生物学技术，胚胎冷冻技术、试管婴儿、生物复制、胚胎移植、发育工程、胚胎工程、胚胎分割技术、胚胎融合技术、嵌合体。
组分移植技术，将细胞的组分（核、质、染色体、甚至基因）直接移植到另一个细胞中去的技术
3.2.1 细胞融合通过培养和诱导，两个或多个细胞合并成一个双核或多核细胞的过程称为细胞融合（cell fusion）或细胞杂交（cell hybridization）。
诱导细胞融合的方法：生物方法（仙台病毒、副流感病毒和新城鸡瘟病毒）、化学方法（聚乙二醇PEG）、物理方法（电击和激光）。
同核体 homokaryon：相同基因型的细胞融合而成。
异核体 heterokaryon：不同基因型的细胞融合而成。
融合核细胞 synkaryon：通过细胞杂交形成的单核子细胞称融合核细胞
3.2.2 单克隆抗体 Monoclonal antibody
正常淋巴细胞（如小鼠脾细胞）具有分泌抗体的能力，但不能长期培养，瘤细胞（如骨髓瘤）可以在体外长期培养，但不分泌抗体。于是英国人Kohler和Milstein 1975将两种细胞杂交而创立了单克隆抗体技术，Monoclonal antibody，获1984年诺贝尔医学及生理学奖（M & P）。
3.2.3 显微操作技术 Micromanipulation
Micromanipulation,用显微操作装置对细胞进行解剖和显微注射（micro injection）的技术。
Chapter Ⅳ Plasma Membrane & Cell Surface
一、教学目的和要求：
通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细胞质膜的结构、功能；细胞膜骨架的结构特征；细胞表面的特化结构；细胞外被和细胞外基质；细胞连接和细胞表面粘着因子。
培养学生认识细胞的微观性和动态性特征；将本节所学内容和其他学科的知识融会贯通，提高综合分析问题的能力。
二、教材分析：
概述：本章内容在全部课程中都占有重要地位，学生能否对“生物膜”有正确、清晰的认识关系到能否学习好多个后续章节，所用教材在主要知识点方面阐述清晰，在少数知识点过于珍惜笔墨，学生在自学过程中会有较多疑问。
教学重点：流动镶嵌模型的主要特点；生物膜的流动性和不对称性；细胞连接的方式和特点；细胞外基质的主要成分和功能。
教学难点：流动镶嵌模型的主要特点；生物膜的流动性和不对称性；膜骨架的结构和功能。
三、教学设想：
教材处理：尊重教材编排，制作课件时主要以选用教材为蓝本，以免使学生感到有较大的跳跃；对教材的薄弱环节加入内容；针对其微观结构添加大量的示范图片。
教学方法：主要采用讲授法和例证法，辅以提问和讨论。
教具：CAI课件四、教学内容：（8学时）
细胞膜（cell membrane）又称质膜（plasma membrane），是指围绕在细胞最外层，由脂类和蛋白质组成的薄膜。
它不仅是区分细胞内部与周围环境的动态屏障，更是细胞物质交换和信息传递的通道。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜。质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜（biomembrane）。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础，细胞的能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递、细胞运动等活动都与膜的作用有密切的关系。
质膜表面寡糖链形成细胞外被（cell coat）或糖萼（glycocalyx）；质膜下的表层溶胶中具有细胞骨架成分组成的网络结构，除对质膜有支持作用外，还与维持质膜的功能有关，所以这部分细胞骨架又称为膜骨架。
细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。
1 Plasma membrane
1.1 A history of studies on plasma membrane
1,E,Overton 1895 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。
2,E,Gorter & F,Grendel 1925 用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。
3,J,Danielli & H,Davson 1935 发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质，从而提出了”蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。1959年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。
4,J,D,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，厚约7.5nm。这就是所谓的“单位膜”模型。它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成。单位膜模型的不足之处在于把膜的动态结构描写成静止的不变的。
5,S,J,Singer & G,Nicolson 1972 根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在”单位膜”模型的基础上提出”流动镶嵌模型”。强调膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。
流动镶嵌模型主要强调：（1）膜的流动性，膜蛋白和膜脂均可侧向运动。（2）膜蛋白分布的不对称性，有的镶在膜表面，有的嵌入或横跨脂双分子层。
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，以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相的磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分，尚未发现在生物膜结构中起组织作用的蛋白。
2.蛋白分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白的类型，蛋白分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜具有各自的特性与功能。
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二侧其它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。
1.2 The chemical composition of membranes
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。
一般，脂类约占50％，蛋白质约40％，糖类约2％－10％，不同的膜含量不同。蛋白质与脂的多少与膜的功能密切相关，膜的功能主要由蛋白质承担，所以功能活动较旺盛的膜，蛋白质含量就高，如，线粒体内膜是电子传递链所在；反之亦然，如神经鞘主要起对神经元的保护、绝缘作用，所以蛋白质含量低。
1.2.1 Membrane Lipids
（1）磷脂 Phospholipids
大多数膜脂都含有磷酸基团，这种脂称为磷脂（phospholipid），是细胞膜中含量最丰富和最具特性的脂。动、植物细胞膜上都有磷脂，是膜脂的基本成分，约占膜脂的 50％以上。磷脂分子的极性端是各种磷脂酸碱基，称作头部。它们多数通过甘油基团与非极性端相连。
磷脂又分为两大类：甘油磷脂和鞘磷脂。甘油磷脂包括磷脂酸乙醇胺、磷脂酸胆碱（卵磷脂）、磷脂酸肌醇等。
甘油磷脂以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。
主要类型有：磷脂酰胆碱（phosphatidyl choline，PC，旧称卵磷脂）、磷脂酰丝氨酸（phosphatidyl serine，PS）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine,PE，旧称脑磷脂）磷脂酰肌醇（phosphatidyl inositol，PI）和双磷脂酰甘油（DPG，旧称心磷脂）等。
鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）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（sphingoine）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。
磷脂特征：1,具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），位于线粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性局部。
2,脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成。
3,常含有不饱和脂肪酸（如油酸），多为顺式，在烃链中产生30o弯曲。
（2）胆固醇 Cholesterol
胆固醇仅存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。如：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发生自溶。
（3）糖脂 Glycolipids
糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10％。糖脂也是两性分子。其结构与SM很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。
最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作为极性头部，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。儿童所患的家族性白痴病（Tay-sachs disease）就是因为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂GM2 加工成为GM3，结果大量的GM2累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退化。神经节苷脂本身就是一类膜上的受体，已知破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素和5-羟色胺等的受体就是不同的神经节苷脂。
Addition,ABO Blood group antigens
ABO血型抗原是一种糖脂，其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用：
A型：膜脂寡糖链的末端是N-乙酰半乳糖胺，GalNAc。
B型：末端是半乳糖，Gal。
O型：末端没有这两种糖基。
AB型：末端同时具有这两种糖基。
（4）脂质体 Liposomes
脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。单层脂分子铺展在水面上时，其极性端插入水相而非极性尾部面向空气界面，搅动后形成乳浊液，即形成极性端向外而非极性端在内部的脂分子团或形成双层脂分子的球形脂质体。
脂质体可用于转基因，或制备的药物，利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。
可用于：1,转基因 2,制备的药物 3,研究生物膜的特性。
1.2.2 Membrane Proteins
（一）类型膜蛋白是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为整合蛋白（integral protein）、外周蛋白（peripheral protein）和脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。
1.整合蛋白（Integral protein），又称内在蛋白（Intrinsic protein）:水不溶性蛋白，部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性流水区相互作用而结合在质膜上。
整合蛋白可能全为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），为两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。
蛋白跨膜区域有两种组成形式，一是由多个两性α螺旋组成亲水通道；而是由两性β折叠组成亲水通道。
整合蛋白（integral protein），又称内在蛋白（intrinsic protein）跨膜蛋白（transmembrane protein），部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性流水区相互作用而结合在质膜上。实际上，整合蛋白几乎都是完全穿过脂双层的蛋白质，亲水部分暴露在膜的一侧或两侧表面；疏水区同脂双分子层的疏水尾部相互作用；整合蛋白所含疏水氨基酸的成分较高。跨膜蛋白可再分为单次跨膜、多次跨膜、多亚基跨膜等
2.外周蛋白(Peripheral protei)，又称外在蛋白(Extrinsic protein)。水溶性蛋白，完全外露在脂双层的内侧或外侧，主要是通过非共价键附着在脂的极性头部，或整合蛋白亲水区的一侧，间接与膜结合。
外周蛋白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，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。
膜外周蛋白可用高盐或碱性PH条件分离。实际上，有时外周蛋白与整合蛋白是难以区分的，因为许多膜蛋白是由多亚基组成的，其中有的亚基插入在脂双层，有的亚基则是外周蛋白。
外周蛋白为水溶性，占膜蛋白总量的20％～ 30％，在红细胞中占50％，如红细胞的血影蛋白和锚定蛋白都是外周蛋白。外周蛋白可以增加膜的强度。
3.外脂锚定蛋白(lipid-anchored protein)又称脂连接蛋白(lipid-linked protein)，通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧或内侧。
早期，人们主要根据蛋白质在质膜的相对位置分为外周、整合蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，还有一种：
脂锚定蛋白又称脂连接蛋白（lipid-linked protein），通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧。
脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）可以分为两类，一类是糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)连接（GPI-anchored protein）的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。
（二）内在蛋白与膜脂的结合方式
1.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。
A 1至多个疏水的α螺旋形成跨膜结构域。
B β折叠片组成β折叠片桶(β barrel)，形成亲水通道 。
2.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。
3.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。
（三）去垢剂 Detergent
去垢剂是一端亲水一端疏水的两性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂。去垢剂可分离子型去垢剂和非离子型去垢剂二类。常用的离子型去垢剂如十二烷基磺酸钠（SDS）；常用的非离子去垢剂为 Triton X－100。
1.3 Membrane fluidity
膜是一种动态的结构，具有膜脂的流动性（fluidity）和膜蛋白的运动性（mobility)膜的流动性概念是指膜内部的脂和蛋白质分子的运动性。膜的流动性不仅是膜的基本特性之一，也是细胞进行生命活动的必要条件。
膜的流动性主要是由膜脂双层的状态变化引起的。在生理条件下，膜脂多呈液晶态，温度下降至某点，则变为晶态。一定温度下，晶态又可熔解再变成液晶态。这种临界温度称为相变温度，在不同温度下发生的膜脂状态的改变称为相变（Phase transition）。
膜脂由于成分不同而各有其不同的相变温度。在某一温度下，有些脂处于晶态，另一些脂仍处于液态。处于这两种不同状态的磷脂分子分别各自汇集，形成了相的分离，从而形成一些流动性木一的微区（domain）。由于膜脂的流动，给膜蛋白提供了可以流动的环境，加上膜蛋白自身构型的变化，使膜蛋白处于动态之中。
质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。
1.3.1 Fluidity of membrane lipids
膜脂分子的运动
1.? 侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。
2.旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。
3.? 摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。
4,伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。
5,翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶（flippase）的催化下完成。
6.? 旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。
影响膜脂流动性的因素影响膜流动的因素主要来自膜本身的组分，遗传因子及环境因子等。包括：
1.胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。
2.脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。
3.脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。
4.? 卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。
5.? 其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。
1.3.2 Fluidity of membrane proteins
主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用荧光漂白技术和细胞融合技术检测侧向扩散。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动，膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。
膜蛋白的运动：
由于膜蛋白分子质量较大，它不可能像膜脂那样运动。利用现代分子生物学研究技术和摄像观察，发现依据所研究蛋白的不同，运动方式也不同，可以归纳为以下几种运动形式：①随机移动。有些蛋白质能够在整个膜上随机移动。移动的速率比用人工脂双层测得的要低。②走向移动。有些蛋白比较特别，在膜中做定向移动。例如，有些膜蛋白在膜上可以从细胞的一端移向另一端。③局部扩散。有些蛋白虽然能够在膜上自由扩散，但只能在局部范围内做旋转扩散和侧向扩散。
限制膜蛋白(内在蛋白)分子运动的因素：?
A被膜骨架固定
B 在Motor protein的牵引下定向运动
C其运动受其它膜蛋白的限制或影响
D 被膜骨架(或其它膜结构)限制在一定范围内运动
E其运动受细胞外基质限制
1.3.3 Experimental pathways
（一）细胞融合 Cell fusion
1970年Larry Frye等人将人和和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。
（二）成斑和成帽现象 Patching & Capping
淋巴细胞通过产生抗体对外源蛋白进行应答,抗体分子位于细胞质膜上。蛋白质能够在不同的动物中诱导产生抗体，如果将小鼠的抗体注入兔子中,兔子将会产生抗小鼠抗体的抗体。可以从兔子的血液中分离这种抗体,并将这种抗体共价连接到荧光染料上,就可以通过荧光显微镜进行观察。
当兔子的抗小鼠的抗体与小鼠的淋巴细胞混合时,带有标记的抗体就会同小鼠淋巴细胞质膜上的抗体结合,并分布在整个淋巴细胞的表面,但很快就会成块或成斑。导致这种现象的原因是抗体是多价的,每一个兔子的抗体能够同小鼠细胞质膜表面的多个抗体分子反应,也就是说小鼠的每一个膜抗体将同多个兔子的抗体反应。这样,在小鼠淋巴细胞的细胞质膜表面形成“兔抗小鼠抗体分子-小鼠膜结合抗体”的斑。斑逐渐聚集扩大,当小鼠淋巴细胞质膜表面抗体全部同兔子的抗小鼠抗体结合后,将会在细胞表面的一侧形成“帽子”结构,最后通过内吞作用进入细胞。很显然,如果小鼠细胞质膜中的抗体蛋白不能自由的进行侧向扩散的话,斑和帽都是不能形成的。
（三） 光脱色荧光恢复技术 FRAP
FRAP,fluorescence recovery after photobleaching,不仅能够证明膜的流动性，同时也能测量膜蛋白扩散的速率。
脱色恢复技术是研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。用荧光素标记膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射细胞表面某一区域，使被照射区的荧光淬灭变暗。由于膜的流动性，淬灭区域的亮度逐渐增加，最后恢复到与周围的荧光强度相等。根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。
研究膜流动性的一种方法。首先用荧光物质标记膜蛋白或膜脂,然后用激光束照射细胞表面某一区域,使被照射区域的荧光淬灭变暗形成一个漂白斑。由于膜的流动性,漂白斑周围的荧光物质随着膜蛋白或膜脂的流动逐渐将漂白斑覆盖，使淬灭区域的亮度逐渐增加,最后恢复到与周围的荧光光强度相等。
细胞膜蛋白的标记方法有很多种。可以用非特异性的染料,如异硫氰酸荧光素(fluorescein isothiocyanate,FITC)将细胞膜蛋白全部进行标记。也可用特异性的探针,如荧光抗体,标记特异的膜蛋白。膜蛋白一旦被标记就可用激光束进行局部照射处理,使荧光脱色,形成直径约为1μm的白斑。若是可移动的膜蛋白,则会因蛋白的移动,使白斑消失,若是不能移动的蛋白.则白斑不会消失。
根据荧光恢复的速度,可推算膜脂的扩散速度为每秒钟为几个微米，而膜蛋白的扩散速度变化幅度较大，少数膜蛋白的扩散速度可达到膜脂的速度，大多数蛋白的扩散速度都比膜脂慢，还有一些膜蛋白完全限于某一个区域。正是这种限制，使膜形成一些特定的膜微区(membrane domain),这些微区具有不同的蛋白组成和功能。这实际上是膜蛋白不对称分布带来膜功能的不对称。
FRAP技术也有它的不足之处。第一,它只能检测膜蛋白的群体移动,而不能观察单个蛋白的移动。其次,它不能证明膜蛋白在移动时是否受局部条件的限制。为了克服这些不足,发展了单颗粒示综(single-particle tracking,SPT)技术,可以用抗体金(直径15～40 nm)来标记单个膜蛋白,然后通过计算机控制的摄像显微镜进行观察。
思考：膜的流动性有何生物学意义？
质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。
① 细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。
② 酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。
③ 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。
④ 膜流动性与信息传递有着极大的关系。
⑤ 如果没有流动性，能量转换是不可能的。
⑥ 膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。
1.4 Membrane asymmetry
样品经冰冻断裂处理后，细胞膜往往从脂双层中央断开，为了便于研究，各部分都有固定的名称,ES，质膜的细胞外表面（extrocytopasmic surface）； PS，质膜的原生质表面（protoplasmic surface）；EF（extrocytopasmic face），质膜的细胞外小页断裂面；PF（protoplasmic face），原生质小页断裂面。
1.4.1 Asymmetry of membrane lipids
脂分子在脂双层中呈不均匀分布，质膜的内外两侧分布的磷脂的含量比例也不同。PC和SM主要分布在外小页，而PE和PS主要分布在质膜内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的PC降解，而PE和PS分别只有20%和10%的被解。
膜脂的不对称性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
1.4.2 Asymmetry of membrane proteins
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和分布的区域性。各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。
某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能，如：蛋白激酶C结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。
每种膜蛋白在膜中都有特定的排布方向，与其功能相适应，这是膜蛋白不对称性的主要因素。膜蛋白的不对称性包括外周蛋白分布的不对称以及整合蛋白内外两侧氨基酸残基数目的不对称
1.4.3 Asymmetry of membrane Carbohydrate
无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。
思考：膜的不对称性有何生物学意义？
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α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。
1.5 The function of plasma membrane?
细胞质膜的主要功能概括如下：
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出；
3.提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；
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.?导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；
6.?参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。
■ 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。
如何理解细胞膜作为界膜对细胞生命活动所起的作用?
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。
■ 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，酸性水解酶主要集中在溶酶体。
■ 信号的检测与传递(detection and transmission of signals) 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，进行信号的传递。
■ 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（包括膜中的一些蛋白）进行细胞间的多种相互作用，包括细胞识别、细胞粘着、细胞连接等。
■ 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。
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。
1.6 The red blood cell & membrane skeleton
(1)An example of plasma membrane structure
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。
Ghost,红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影（ghost）
(2) SDS-PAGE
血影蛋白(spectrin)
锚定蛋白(ankyrin)
带3蛋白(band 3 protein)
血型糖蛋白A(glycophorin A)
带4.1蛋白(band 4.1 protein)
肌动蛋白(actin)
血影蛋白：由结构相似的α链、β链组成一个异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成一四聚体。
锚蛋白（ankyrin）：与血影蛋白和带3蛋白的胞质部相连，将血影蛋白网络连接到质膜上。
带三蛋白：是阴离子载体，通过交换Cl－，使HCO－3进入红细胞。为二聚体。每个单体含929个氨基酸，穿膜12次。
血型糖蛋白：单次穿膜糖蛋白，约有131个氨基酸,N端在膜外侧，结合16条寡糖链；C-端在胞质面，链较短，与带4.1蛋白相连。血型糖蛋白与MN血型有关，其功能尚不明确。
(3) The Erythrocyte membrane skeleton
课本的带4.1蛋白指示错误！
红细胞膜骨架的网状支架的形成及与膜的结合过程大致分为三步,
首先是血影蛋白与4.1蛋白、肌动蛋白的相互作用
4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用是锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白的相互作用红细胞膜骨架的装配过程:
分为三步,
① 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α和β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，12～17个肌动蛋白寡聚体及4.1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。4.1蛋白和原肌球蛋白可稳定肌动蛋白寡聚体。
② 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。
③ 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。
血影蛋白四聚体游离端与短肌动蛋白纤维（约13~15单体）相连，形成血影蛋白网络。并通过带4.1蛋白与血型糖蛋白连结，通过锚蛋白与带3蛋白相连。这一骨架系统赋与了红细胞质膜的刚性与韧性，得以几百万次地通过比它直径还小的微血管、动脉、静脉。至于红细胞的双凹型可能还与肌球蛋白的作用有关。
Addition:质膜的特化结构质膜常带有许多特化的附属结构。如：微绒毛、褶皱、纤毛、鞭毛等等，这些特化结构在细胞执行特定功能方面具有重要作用。由于其结构细微，多数只能在电镜下观察到。
（一）微绒毛微绒毛（microvilli）是细胞表面伸出的细长指状突起，广泛存在于动物细胞表面。微绒毛直径约为0.1μm。长度则因细胞种类和生理状况不同而有所不同。小肠上皮细胞刷状缘中的微绒毛，长度约为0.6-0.8μm。微绒毛的内芯由肌动蛋白丝束组成，肌动蛋白丝之间由许多微绒毛蛋白（villin）和丝束蛋白（fimbrin）组成的横桥相连。微绒毛侧面质膜有侧臂(含有myosin I和钙调蛋白)与肌动蛋白丝束相连，从而将肌动蛋白丝束固定。
微绒毛的存在扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交换。如小肠上的微绒毛，使细胞的表面积扩大了30倍，大大有利于大量吸收营养物质。不论微绒毛的长度还是数量，都与细胞的代谢强度有着相应的关系。例如肿瘤细胞，对葡萄糖和氨基酸的需求量都很大，因而大都带有大量的微绒毛。
（二）皱褶在细胞表面还有一种扁形突起，称为皱褶（ruffle）或片足（lamellipodia）。皱褶在形态上不同于微绒毛，它宽而扁，宽度不等，厚度与微绒毛直径相等，约0.1μm，高达几微米。在巨噬细胞的表面上，普遍存在着皱褶结构，与吞噬颗粒物质有关。
（三）内褶内褶（infolding）是质膜由细胞表面内陷形成的结构，同样具有扩大了细胞表面积的作用。这种结构常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。
（四）纤毛和鞭毛纤毛（cilium）和鞭毛（flagellium）是细胞表面伸出的条状运动装置。二者在发生和结构上并没有什么差别，均由9+2微管构成。有的细胞靠纤毛（如草履虫）或鞭毛（如精子和眼虫）在液体中穿行；有的细胞，如动物的某些上皮细胞，虽具有纤毛，但细胞本体不动，纤毛的摆动可推动物质越过细胞表面，进行物质运送，如气管和输卵管上皮细胞的表面纤毛。纤毛和鞭毛都来源于中心粒。关于纤毛和鞭毛的详细结构和功能可参见第八章细胞骨架。
2 Cell junctions
细胞与细胞间或细胞与细胞外基质的联结结构称为细胞连接（cell junction）。细胞连接的体积很小，只有在电镜下才能观察到。可分为三大类，即：封闭连接（occluding junction）、锚定连接（anchoring junction）和通讯连接（communicating junction）：
（1）封闭连接：紧密连接是这种连接的典型代表，它将相邻细胞的质膜密切地连接在一起阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内。
（2）锚定连接：通过骨架系统将细胞与相邻细胞或细胞与基质之间连接起来。根据直接参与细胞连接的骨架纤维的性质不同，锚定连接又分为与中间纤维相关的锚定连接和与肌动蛋白纤维相关的锚定连接。前者包括桥粒和半桥粒；后者主要有粘合带和粘合斑。
（3）通讯连接：这类连接主要包括间隙连接、神经细胞间的化学突触和植物细胞中的胞间连丝。
2.1 Occluding junctions
2.1.1 Tight junction 紧密连接又称封闭小带（zonula occludens），存在于脊椎动物的上皮细胞间，长度约50-400nm，相邻细胞之间的质膜紧密结合，没有缝隙。在电镜下可以看到连接区域具有蛋白质形成的焊接线网络，焊接线也称嵴线，封闭了细胞与细胞之间的空隙。上皮细胞层对小分子的透性与嵴线的数量有关，有些紧密连接甚至连水分子都不能透过。
紧密连接的焊接线由跨膜细胞粘附分子构成，主要的跨膜蛋白为claudin和occludin，另外还有膜的外周蛋白ZO。
紧密连接的主要作用是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，从而保证了机体内环境的相对稳定；消化道上皮、膀胱上皮、脑毛细血管内皮以及睾丸支持细胞之间都存在紧密连接。后二者分别构成了脑血屏障和睾血屏障，能保护这些重要器官和组织免受异物侵害。在各种组织中紧密连接对一些小分子的密封程度有所不同，例如小肠上皮细胞的紧密连接对Na+的渗漏程度比膀胱上皮大1万倍。
2.1.2 Septate junctions 间壁连接间壁连接（septate junctions）是存在于无脊椎动物上皮细胞的紧密连接。连接蛋白呈梯子状排列，形状非常规则，连接的细胞内骨架成分为肌动蛋白纤维。在果蝇中一种叫做discs-large的蛋白参与形成间壁连接，突变品种不仅不能形成间壁连接，还产生瘤突。
2.2 Anchoring junctions
（一）粘合带与粘合斑粘合带（adhesion belt）呈带状环绕细胞，一般位于上皮细胞顶侧面的紧密连接下方。在粘合带处相邻细胞的间隙约15～20nm。
间隙中的粘合分子为E-钙粘素。在质膜的内侧有几种附着蛋白与钙粘素结合在一起，这些附着蛋白包括：α-，β-，γ-连锁蛋白（catenin）、粘着斑蛋白（vinculin）、α-辅肌动蛋白（α-actinin）和片珠蛋白（plakoslobin）。
粘合带处的质膜下方有与质膜平行排列的肌动蛋白束，钙粘蛋白通过附着蛋白与肌动蛋白束相结合。于是，相邻细胞中的肌动蛋白丝束通过钙粘蛋白和附着蛋白编织成了一个广泛的网络，把相邻细胞联合在一起。
粘合斑（adhesion plaque）位于细胞与细胞外基质间，通过整合素（integrin）把细胞中的肌动蛋白束和基质连接起来。连接处的质膜呈盘状，称为粘合斑。
（二）桥粒与半桥粒桥粒（desmosome）存在于承受强拉力的组织中，如皮肤、口腔、食管等处的复层鳞状上皮细胞之间和心肌中。相邻细胞间形成纽扣状结构，细胞膜之间的间隙约30nm，质膜下方有细胞质附着蛋白质，如片珠蛋白（plakoglobin）、桥粒斑蛋白（desmoplakin）等，形成一厚约15～20nm的致密斑。斑上有中间纤维相连，中间纤维的性质因细胞类型而异，如：在上皮细胞中为角蛋白丝（keratin filaments），在心肌细胞中则为结蛋白丝（desmin filaments）。桥粒中间为钙粘素（desmoglein及desmocollin）。因此相邻细胞中的中间纤维通过细胞质斑和钙粘素构成了穿胞细胞骨架网络。
半桥粒（hemidesmosome）在结构上类似桥粒，位于上皮细胞基面与基膜之间，它桥粒的不同之处在于：①只在质膜内侧形成桥粒斑结构，其另一侧为基膜；②穿膜连接蛋白为整合素（integrin）而不是钙粘素，整合素是细胞外基质的受体蛋白；③细胞内的附着蛋白为角蛋白（keratin）。
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。
2.3 Communicating junctions
2.3.1 Gap junctions
间隙连接（gap junction） 存在于大多数动物组织。在连接处相邻细胞间有2～4nm的缝隙，而且连接区域比紧密连接大得多，最大直径可达0.3μm。在间隙与两层质膜中有大量蛋白质颗粒，是构成间隙连接的基本单位，称连接子（connexon），由6个相同或相似的跨膜蛋白亚单位环绕而成，直径8nm，中心形成一个直径约1.5nm的孔道。通过向细胞内注射分子量不同的染料，证明间隙连接的通道可以允许分子量小于1.5KD的分子通过。这表明细胞内的小分子，如无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸和维生素等有可能通过间隙连接的孔隙。
间隙连接的通透性是可调节的。在实验条件下，降低细胞PH值，或升高钙离子浓度均可降低间隙连接的通透性。当细胞破损时，大量钙离子进入，导致间隙连接关闭，以免正常细胞受到伤害。
间隙连接的功能包括：
1．参与细胞分化：胚胎发育的早期，细胞间通过间隙连接相互协调发育和分化。小分子物质即可在一定细胞群范围内，以分泌源为中心，建立起递变的扩散浓度梯度，以不同的分子浓度为处于梯度范围内的细胞提供”位置信息”（positional information），从而诱导细胞按其在胚胎中所处的局部位置向着一定方向分化。
2．协调代谢：例如，在体外培养条件下，把不能利用外源次黄嘌呤合成核酸的突变型成纤维细胞和野生型成纤维细胞共同培养，则两种细胞都能吸收次黄嘌呤合成核酸。如果破坏细胞间的间隙连接，则突变型细胞不能吸收次黄嘌呤合成核酸。
3、构成电紧张突触：平滑肌、心肌、神经末梢间均存在的这种间隙连接，称为电紧张突触（electronic synapses）。电紧张突触无须依赖神经递质或信息物质即可将一些细胞的电兴奋活动传递到相邻的细胞。
2.3.2 Plasmodesmata
胞间连丝（plasmodesmata）是植物细胞特有的通讯连接。是由穿过细胞壁的质膜围成的细胞质通道，直径约20～40nm。因此植物体细胞可看作是一个巨大的合胞体（syncytium）。通道中有一由膜围成的筒状结构，称为连丝小管（desmotubule）。连丝小管由光面内质网特化而成，管的两端与内质网相连。连丝小管与胞间连丝的质膜内衬之间，填充有一圈细胞质溶质（cytosol）。一些小分子可通过细胞质溶质环在相邻细胞间传递。
胞间连丝在功能上与动物细胞间的间隙连接类似，它允许分子量小于800Da的分子通过，在相邻细胞间起通讯作用。但通过胞间连丝的分子运输也要受到调节。实验证明，在胞间连丝正常的情况下，有些低分子量的染料分子却不能通过。然而某些植物病毒能制造特殊的蛋白质，这种蛋白质同胞间连丝结合后，可使胞间连丝的有效孔径扩大，使病毒粒子得以通过胞间连丝在植物体内自由播散和感染。
胞间连丝还对细胞分化起一定作用。在高等植物中，顶端分生组织的细胞分化与胞间连丝的分布有着相应的关系。随着细胞的生长和延长，侧壁上的胞间连丝逐渐减少，而横壁上的却仍保持很多。植物相邻细胞间的细胞核可经胞间连丝穿壁。
2.3.3 Chemical synapse
化学突触（synapse）是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。由突触前膜(presynaptic membrane)、突触后膜(postsynaptic membrane)和突触间隙(synaptic cleft)三部分组成。
突触前神经元的突起末梢膨大呈球形，称突触小体(synaptic knob)。突触小体贴附在突触后神经元的胞体或突起的表面形成突触。突触小体的膜称突触前膜，与突触前膜相对的胞体膜或突起的膜称突触后膜，两膜之间称为突触间隙。间隙的宽度约20-30nm，内含有粘多糖和糖蛋白等物质。
突触小体内有许多囊泡，称突触小泡(synaptic vesicle)，内含神经递质。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（配体门通道），引起突触后膜离子通透性改变，膜去极化或超极化。
Sum up,几种细胞连接的比较。
封闭连接
紧密连接
上皮组织
间壁连接
只存在于无脊椎动物中
锚定连接
连接肌动蛋白
粘合带
上皮组织
粘合斑
上皮细胞基部
连接中间纤维
桥粒
心肌、表皮
半桥粒
上皮细胞基部
通讯连接
间隙连接
大多数动物组织中
化学突触
神经细胞间和神经—肌肉间
胞间连丝
植物细胞间
2.4 Cell adhesion molecule
细胞识别 （cell recognition）
在多细胞的生命有机体中，不同类型的细胞必须组成不同的组织，如脊椎动物中的肌肉组织、上皮组织、神经组织、结缔组织等。
细胞识别 （cell recognition）指细胞对同种或异种细胞、同源或异源细胞以及对自己和异己分子的认识和鉴别。细胞粘着 （cell adhesion）则是指相邻细胞或细胞与细胞外基质以某种方式劾合在一起，组成组织或与其他组织分开，这种融合的方式比较松散。另外从事件发生的次序来说，细胞识别在先，细胞粘着在后，识别是粘着的基础。就细胞组成组织而言，组织内各细胞间更为紧密的结合则是靠各种形式的连接。
在多细胞生物中，单个细胞要组成精密的组织和器官以及器官体系，首先必须具有相互识别的能力，然后通过粘着和连接将细胞组织起来。生物学家早在1907年就发现细胞具有相互识别的能力，从那以后，科学家们不断认识细胞间选择性的识别、粘着，对参与细胞识别和就着的细胞表面分子的认识和了解越来越深入。
多细胞生物有机体中有3种识别系统：抗原一抗体的识别，酶与底物的识别，细胞间的识别。第三类包括通过细胞表面受体与胞外信号分子的选择性相互作用，从而导致一系列的生理生化反应的信号传递。无论是哪一种识别系统，都有一个共同的基本特性，就是具有选择性，或是说具有特异性。
细胞识别是细胞发育和分化过程中一个十分重要的环节，细胞通过识别和部着形成不同类型的组织，由于不同组织的功能是不同的，所以识别本身就意味着选择。
为了研究细胞的识别和粘着，1907年 Wilson通过实验研究两种不同颜色的海绵细胞的行为。分别从黄色海绵和红色海绵中分离单细胞，然后将两种不同颜色的细胞类群混合在一起。但是，这两种类型的海绵细胞很快就各自分开聚集，红色海绵细胞聚集到一起，黄色海绵细胞也是如此，二者互不混淆。这是人类最早通过实验认识到细胞具有识别和选择性结合的能力。此后，在许多生物中都发、现了细胞的识别和融着，不仅是简单的多细胞生物，也包括复杂的有各种组织分化的多细胞生物中不同组织的细胞都具有这种能力和特性。
有人用两栖类胚性细胞做实验，研究细胞的识别、分别用蛋白酶将外胚层和中胚层水解成单细胞，并分别标记上不同的颜色，然后将这两种细胞混合。在混合之初，它们混合得很好，但是随着时间的推移，外胚层的细胞移向外侧，并聚集在一起，这也是它们在胚胎中的正确位置；来自中胚层的细胞移向内侧，这也是它们在胚胎中的正确位置。这两种游离的细胞迅速重新聚集成团后，同种细胞形成独立的聚合体，每种聚合体只含一种颜色的细胞，这种现象称为拣出（sorting out人这一实验说明了细胞的识别具有选择性，非同类的细胞不会混合聚集。
识别反应细胞识别引起的细胞反应，大致有3种类型：内吞、细胞粘着和信号反应。
红细胞衰老并被脾脏细胞吞噬是细胞识别后引起吞噬反应的典型例子。红细胞膜中糖脂的糖基除了与血型有关外，还决定着红细胞的寿命。血型糖蛋白含有大量的唾液酸，糖链末端唾液酸的存在状况与红细胞的寿命相关，可作为被吞噬的信号。红细胞寿命一般为3～4个月，然后在脾脏中被吞噬。用唾液酸酶处理分离的红细胞，除去红细胞中的唾液酸，然后将这种红细胞更新注入到原来的动物体内，发现注入的红细胞很快在脾脏中被吞噬，而没有除去唾液酸的正常的红细胞则相安无事。究其原因，当唾液酸被除去之后，暴露出的半乳糖残基可能是红细胞衰老的标记被脾脏细胞识别，并将之吞噬，这个例子既说明了细胞识别后的反应，又说明了糖在识别过程中的作用。
识别后的第二种反应则是发生粘着，包括细胞同细胞外基质的粘着以及细胞与细胞的动着。进一步发展就成为细胞连接。
识别后的第三种反应就是引起信号转导，发生一系列的生理生化反应，使细胞更好地适应环境。
细胞粘附分子（cell adhesion molecule，CAM）是参与细胞与细胞之间及细胞与细胞外基质之间相互作用的分子。可大致分为五类：钙粘素、选择素、免疫球蛋白超家族、整联蛋白及透明质酸粘素（即质膜整合的蛋白聚糖）。
为糖蛋白，分子结构由三部分组成：
1,胞外区，N端部分，负责与配体识别；
2,跨膜区，多为一次跨膜；
3,胞质区，C端部分，与质膜下的骨架成分直接相连，或与胞内信号分子相连。
可以这样设想：细胞的粘着主要靠粘着蛋白，而细胞识别则是糖的作用，特别是糖被在细胞识别过程中起着十分重要的作用。糖被中糖蛋白和糖脂的侧链虽然很短（有些还不足15个糖单位），但是由于它们能以不同的方式结合，所以能够形成不同的识别基团。在多细胞的生物中，细胞的糖被可作为识别的标志，如同警察的制服，赋予细胞的某种特征，并让其他与之相互作用的细胞识别，例如精细胞对卵细胞的识别。
多数细胞粘附分子依赖二价阳离子，如Ca2＋，Mg2＋。
细胞粘附分子的作用机制有三种模式：
1.同亲性粘附：两相邻细胞表面的同种CAM分子间的相互识别与结合；
2.异亲性粘附：两相邻细胞表面的不同种CAM分子间的相互识别与结合；
3,通过胞外连接分子相互识别与结合。
2.4.1 Cadherins 钙粘素钙粘素（cadherin）属亲同性CAM，其作用依赖于Ca2＋。至今已鉴定出30种以上钙粘素（表10-2），分布于不同的组织。
钙粘素分子结构同源性很高，其胞外部分形成5个结构域，其中4个同源，均含Ca2＋结合部位。决定钙粘素结合特异性的部位在靠N末端的一个结构域中，只要变更其中2个氨基酸残基即可使结合特异性由E-钙粘素转变为P-钙粘素。钙粘素分子的胞质部分是最高度保守的区域，参与信号转导。
钙粘素的作用主要有以下几个方面：
1．介导细胞连接，在成年脊椎动物，E-钙粘素是保持上皮细胞相互粘合的主要CAM，是粘合带的主要构成成分。桥粒中的钙粘素就是desmoglein及desmocollin。
2．参与细胞分化，钙粘素对于胚胎细胞的早期分化及成体组织（尤其是上皮及神经组织）的构筑有重要作用。在发育过程中通过调控钙粘素表达的种类与数量可决定胚胎细胞间的相互作用（粘合、分离、迁移、再粘合），从而通过细胞的微环境，影响细胞的分化，参与器官形成过程。
3．抑制细胞迁移，很多种癌组织中细胞表面的E钙粘素减少或消失，以致癌细胞易从瘤块脱落，成为侵袭与转移的前提。因而有人将E钙粘素视为转移抑制分子。
2.4.2 Selectins 选择素选择素的胞外区由三个结构域构成：N端的C型凝集素结构域，EGF样结构域、重复次数不同的补体结合蛋白结构域；通过凝集素结构域来识别糖蛋白及糖脂分子上的糖配体。
E选择素及P选择素所识别与结合的糖配体为唾液酸化及岩藻糖化的N乙酰氨基乳糖结构（sLeX及sLeA）。sLeA结构存在于髓系白细胞表面（其中包括L选择素）分子中。多种肿瘤细胞表面也存在sLeX及sLeA结构。
P选择素贮存于血小板的α颗粒及内皮细胞的Weibel-Palade小体。炎症时活化的内皮细胞表面首先出现P选择素，随后出现E选择素。它们对于召集白细胞到达炎症部位具有重要作用。
E选择素存在于活化的血管内皮细胞表面。炎症组织释放的白细胞介素I（IL-1）及肿瘤坏死因子（TNF）等细胞因子可活化脉管内皮细胞，刺激E选择素的合成。
L选择素广泛存在于各种白细胞的表面，参与炎症部位白细胞的出脉管过程。白细胞表面L选择素分子上的sLeA与活化的内皮细胞表面的P选择素及E选择素之间的识别与结合，可召集血液中快速流动的白细胞在炎症部位的脉管内皮上减速滚动（即通过粘附、分离、再粘附……，如此循环往复），最后穿过血管进入炎症部位。
2.4.3 Ig-SF 免疫球蛋白超家族免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily，Ig-SF）包括分子结构中含有免疫球蛋白（Ig）样结构域的所有分子，一般不依赖于Ca2＋。免疫球蛋白样结构域系指借二硫键维系的两组反向平行β折叠结构除免疫球蛋白外，还包括T细胞受体，B细胞受体，MHC及细胞粘附分子（Ig-CAM）等。有的属于亲同性CAM，如各种神经细胞粘附分子（N-CAM）及血小板-内皮细胞粘附分子（Pe-CAM）；有的属于亲异性CAM，如细胞间粘附分子（I-CAM）及脉管细胞粘附分子（V-CAM）等。I-CAM及V-CAM的配体都是整合素。
N-CAM有20余种异型分子，它们在神经发育及神经细胞间相互作用上有重要作用。
I-CAM及V-CAM在活化的血管内皮细胞表达。炎症时，活化的内皮细胞表面的I-CAM可与白细胞表面的αLβ2及巨噬细胞表面的αMβ2相结合；V-CAM则可与白细胞的α4β1整合素相结合。它们继上述选择素介导的白细胞与内皮细胞的粘合作用之后使在内皮上滚动的白细胞固着于炎症部位的脉管内皮，并发生铺展，进而分泌水解酶而穿出脉管壁。
同亲性时是非Ca2＋依赖；异亲性时是Ca2＋依赖。
2.4.4 Integrins 整联蛋白，整合素整合素是由α （120~185kD）和β（90~110kD）两个亚单位形成的异二聚体。迄今已发现16种α亚单位和9种β亚单位。它们按不同的组合构成20余种整合素。
α亚单位的N端有结合二价阳离子的结构域，胞质区近膜处都有一个非常保守的KXGFFKR序列，与整合素活性的调节有关。
含β1亚单位的整合素主要介导细胞与细胞外基质成分之间的粘附。含β2亚单位的整合素主要存在于各种白细胞表面，介导细胞间的相互作用。β3亚单位的整合素主要存在于血小板表面，介导血小板的聚集，并参与血栓形成。除β4可与肌动蛋白及其相关蛋白质结合，α6β4整合素以层粘连蛋白为配体，参与形成半桥粒
2.4.5 Hyaladherin 透明质酸粘素透明质酸粘素（hyaladherin）包括可结合透明质酸糖链的一类分子，具有相似的氨基酸序列和空间构象。CD44族是其中的一个成员，分子量范围为85 KD~250KD，介导细胞与细胞间及细胞与细胞外基质间的相互作用，同样是由胞外，跨膜及胞质三个部分构成的糖蛋白，糖链为硫酸软骨素及硫酸乙酰肝素。CD44肽链的N端可结合透明质酸，故CD44也被视为透明质酸的受体。
CD44的功能包括,①与透明质酸、纤粘连蛋白及胶原结合，介导细胞与细胞外基质之间的粘附；②参与细胞对透明质酸的摄取及降解；③参与淋巴细胞归巢；④参与T细胞的活化；⑤促进细胞迁移。
CD44在很多种肿瘤细胞的表达比相应正常组织为高，并与肿瘤细胞的成瘤性、侵袭性及淋巴结转移性有关。
知识扩展：细胞粘着与炎症反应
1、炎症部位的细胞释放信号分子，诱发炎症部位的血管内皮细胞(Endothelial)表达P、E-selectin;
2、Selectin与中性白细胞(Neutrophil)表面的糖蛋白作用，形成较松散的细胞粘着。中性白细胞与内皮细胞粘着－分离，再粘着－再分离，呈滚动方式运动trapping;
3、在2的同时，另一些活化因子（如血小板活化因子等）被释放出来，使中性白细胞表面的整联蛋白(integrin)被活化;
4、活化的整联蛋白与内皮细胞表面的Ig-SF(如ICAM)作用，形成牢固的细胞粘着，使中性白细胞停留在炎症部位;
5、中性白细胞变形，穿过血管内皮到达炎症部位;
3 Cell coat & ECM
cell coat
动物细胞表面存在着一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被（cell coat）或糖萼（glycocalyx）。用重金属染料如：钌红染色后，在电镜下可显示厚约10~20nm的结构，边界不甚明确。细胞外被是由构成质膜的糖蛋白和糖脂伸出的寡糖链组成的，实质上是质膜结构的一部分细胞外被的作用有：
1、保护作用：细胞外被具有一定的保护作用，去掉细胞外被，并不直接损伤质膜。
2、细胞识别：细胞识别与构成细胞外被的寡糖链密切相关。寡糖链由质膜糖蛋白和糖脂伸出，每种细胞寡糖链的单糖残基具有一定的排列顺序，编成了细胞表面的密码，它是细胞的”指纹”，为细胞的识别形成了分子基础。同时细胞表面尚有寡糖的专一受体，对具有一定序列的寡糖链具有识别作用。因此，细胞识别实质上是分子识别。Townes和Holtfreter（1955）把两栖类动物的原肠胚3个胚层的细胞分散后，混合培养，结果3个胚层的细胞均自行分类聚集，分别参加其来源胚层的组建。如果将鸡胚细胞和小鼠胚细胞分散后相混培养，各种细胞仍按来源组织分别聚集，但相聚细胞只具有组织的专一性，而没有物种的分辨能力。
3、决定血型：血型实质上是不同的红细胞表面抗原，人有20几种血型，最基本的血型是AB0血型。红细胞质膜上的糖鞘脂是AB0血型系统的血型抗原，血型免疫活性特异性的分子基础是糖链的糖基组成。A、B、O三种血型抗原的糖链结构基本相同，只是糖链末端的糖基有所不同。A型血的糖链末端为N-乙酰半乳糖；B型血为半乳糖；AB型两种糖基都有，O型血则缺少这两种糖基。
细胞被的基本功能是起保护作用，如消化道、呼吸道、生殖腺等上皮组织细胞的外被有助于润滑、防止机械损伤，同时又可保护上皮组织不受消化酶的作用和细菌的侵袭。植物和细菌的细胞壁不仅可以保护细胞质膜，同时还赋予细胞以特定的形状。
多年来，一直认为细胞被仅仅是起保护作用，防止机械和化学损伤，使细胞保持相对独立。随着细胞生物学研究方法的发展，发现细胞被除对细胞具有保护作用外，还参与细胞与环境的相互作用，参与细胞与环境的物质交换，细胞增殖的接触抑制、细胞识别等。
细胞被之所以在细胞生命活动中起重要作用，原因是糖链具有惊人数目的异构体。有人计算过：3个同样的己糖（葡萄糖或半乳糖）可以构成176个不同的三糖。3个不同种类的单糖，所能构成的异构体的数目达1056个。若以血浆糖蛋白中一些常见的糖链为例，则更能说明问题：由1个岩藻糖、2个半乳糖、2个神经氨酸、3个甘露糖和4个N一乙酸氨基葡萄糖等12个单糖组成的一条糖链，可以有10“个异构体，1个异构体可携带1个信息，那么一条多糖链所携带的信息竟可多至天文数字！
Extracellular matrix / ECM
细胞外基质（extracellular matrix）是指分布于细胞外空间，由细胞分泌蛋白和多糖所构成的网络结构。
细胞外基质（extracellular matrix，ECM）是由大分子构成的错综复杂的网络。为细胞的生存及活动提供适宜的场所，并通过信号转导系统影响细胞的形状、代谢、功能、迁移、增殖和分化。
构成细胞外基质的大分子种类繁多，可大致归纳为四大类：胶原、非胶原糖蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖、以及弹性蛋白。
上皮组织、肌组织及脑与脊髓中的ECM含量较少，而结缔组织中ECM含量较高。细胞外基质的组分及组装形式由所产生的细胞决定，并与组织的特殊功能需要相适应。例如，角膜的细胞外基质为透明柔软的片层，肌腱的则坚韧如绳索。细胞外基质不仅静态的发挥支持、连接、保水、保护等物理作用，而且动态的对细胞产生全方位影响。
3.1 Collagen 胶原胶原是动物体内含量最丰富的蛋白质，约占人体蛋白质总量的30％以上。它遍布于体内各种器官和组织，是细胞外基质中的框架结构，可由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞及某些上皮细胞合成并分泌到细胞外。
目前已发现的胶原至少有19种，由不同的结构基因编码，具有不同的化学结构及免疫学特性。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ及Ⅺ型胶原为有横纹的纤维形胶原。
3.1.1 Types
Ⅰ～Ⅲ型胶原含量最丰富,形成类似的纤维结构； 但并非所有胶原都形成纤维；
Ⅰ型胶原纤维束,主要分布于皮肤、肌腱、韧带及骨中,具有很强的抗张强度;
Ⅱ型胶原主要存在于软骨中;
Ⅲ型胶原形成微细的原纤维网,广泛分布于伸展性的组织,如疏松结缔组织;
Ⅳ型胶原形成二维网格样结构,是基膜的主要成分及支架。
3.1.2 Molecular structure (Example,type Ⅰ)
胶原纤维的基本结构单位是原胶原tropocollagen,是三条α肽链形成的三股螺旋。
每条链由重复的Gly-X-Y序列构成。通常X=pro，Y=hyp或hyl。Gly-X-Y序列使α链卷曲为左手螺旋。三股链再绕成右手超螺旋在胶原纤维内部,原胶原蛋白分子呈1/4交替平行排列,形成周期性横纹。
3.1.3 Synthesize
1.在rER起始合成合成N、C端含有前肽的前α 链（又称前原胶原、早前胶原preprocollagen）。
2.前α 链在内质网腔中,在pro及lys残基上进行羟基化修饰；通过分子内交联，三股前α 链自我装配成三股螺旋，即前胶原procollagen。
3,前胶原进入高尔基体经加工修饰，被包进分泌小泡，分泌到细胞外。
4,在细胞外，前胶原由两种专一性不同的蛋白水解酶作用,分别切去N-末端前肽及C-末端前肽,成为原胶原tropocollagen 。原胶原进而聚合成胶原纤维。
Addition:胶原与疾病
1.坏血病：pro的羟化反应是在与脯氨酰-4羟化酶及脯氨酰-3羟化酶的催化下进行的。维生素C是这两种酶所必需的辅助因子。维生素C缺乏导致胶原的羟化反应不能充分进行，不能形成正常的胶原原纤维，结果非羟化的前α链在细胞内被降解。因而，膳食中缺乏维生素C可导致血管、肌腱、皮肤变脆，易出血，称为坏血病。
2.皮肤过度松弛症 (Ehlers-Danlos):胶原纤维的不能正常装配，皮肤和其他结缔组织降低强度而变得非常松弛。
3.1.4 Function of collagen
1.为ECM提供了水不溶性框架，决定了ECM的机械强度。例如：肌腱。
2.促进细胞生长（如：肝细胞等在含有胶原的培养基中生长较快；参与ECM信号传递网络调控）
3.2 Elastin 弹性蛋白
Elastin 是弹性纤维elastic fiber 的主要成分，主要存在于韧带和脉管壁。
和Collagen 同属ECM中的结构组分，Elastin主要赋予组织以弹性。
结构特征：富含Gly和Lys，少羟基化，无G-x-y序列；
构象呈无规则卷曲状；
通过Lys交联呈网状结构。
3.3 GAG & PG
3.3.1 糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）
氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG）
GAG是由重复二糖单位构成的无分枝长链多糖。其二糖单位通常由氨基已糖（氨基葡萄糖或氨基半乳糖）和糖醛酸组成，但硫酸角质素中糖醛酸由半乳糖代替。氨基聚糖依组成糖基、连接方式、硫酸化程度及位置的不同可分为六种，即：透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角质素。
透明质酸（hyaluronic acid,HA）是唯一不发生硫酸化的氨基聚糖，其糖链特别长。氨基聚糖一般由不到300个单糖基组成，而HA可含10万个糖基。在溶液中HA分子呈无规则卷曲状态。如果强行伸长，其分子长度可达20μm。HA整个分子全部由葡萄糖醛酸及乙酰氨基葡萄糖二糖单位重复排列构成。由于HA分子表面有大量带负电荷的亲水性基团，可结合大量水分子，因而即使浓度很低也能形成粘稠的胶体，占据很大的空间，产生膨压。
细胞表面的HA受体为CD44及其同源分子，属于hyaladherin族。所有能结合HA的分子都具相似的结构域。
HA虽不与蛋白质共价结合，但可与许多种蛋白聚糖的核心蛋白质及连接蛋白质借非共价键结合而参加蛋白聚糖多聚体的构成，在软骨基质中尤其如此。
除HA及肝素外，其他几种氨基聚糖均不游离存在，而与核心蛋白质共价结合构成蛋白聚糖。
3.3,2 蛋白聚糖（proteoglycan，PG）
蛋白聚糖（proteoglycan）
蛋白聚糖是氨基聚糖（除透明质酸外）与核心蛋白质（coreprotein）的共价结合物。核心蛋白质的丝氨酸残基（常有Ser-Gly-X-Gly序列）可在高尔基复合体中装配上氨基聚糖（GAG）链。其糖基化过程为通过逐个转移糖基首先合成由四糖组成的连接桥（Xyl-Gal-Gal-GlcUA），然后再延长糖链，并对所合成的重复二糖单位进行硫酸化及差向异构化修饰。一个核心蛋白质分子上可以连接1至100个以上GAG链。与一个核心蛋白质分子相连的GAG链可以是同种或不同种的。
许多蛋白聚糖单体常以非共价键与透明质酸形成多聚体。核心蛋白质的N端序列与CD44分子结合透明质酸的结构域具有同源性，故亦属hyaladherin族。
蛋白聚糖多聚体分子量可达108KD以上。其体积可超过细菌。如构成软骨的Aggrecan，其GAG主要是硫酸软骨素（chondroitin sulfate，CS），但还有硫酸角质素（keratan sulfate，KS）。其含量不足或代谢障碍可引起长骨发育不良，四肢短小。
3.3.3 GAG & PG的功能
GAG和PG构成了ECM的基质，高度酸性，且带副电荷因此能结合大量的阳离子，阳离子又可以结合大量的水分子，因此PG形成多孔、吸水的胶状物填充在ECM。
使细胞表面具有较大的可塑性，抗压能力。
作为细胞黏着位点。
对信号传导、细胞分化、细胞癌变有一定联系。
3.4 LN & FN
3.4.1 层粘连蛋白（laminin，LN）
层粘连蛋白（laminin，LN）
LN也是一种大型的糖蛋白，与Ⅳ型胶原一起构成基膜，是胚胎发育中出现最早的细胞外基质成分。
LN分子由一条重链（α）和二条轻链（β、γ）借二硫键交联而成，外形呈十字形，三条短臂各由三条肽链的N端序列构成。每一短臂包括二个球区及二个短杆区，长臂也由杆区及球区构成。
LN分子中至少存在8个与细胞结合的位点。例如，在长臂靠近球区的。链上有IKVAV五肽序列可与神经细胞结合，并促进神经生长。鼠LNα1链上的RGD序列，可与αvβ3整合素结合。
现已发现7种LN分子，8种亚单位（α1,α2,α3,β1,β2,β3,γ1,γ2），与FN不同的是，这8种亚单位分别由8个结构基因编码。
LN是含糖量很高（占15-28％）的糖蛋白，具有50条左右N连接的糖链，是迄今所知糖链结构最复杂的糖蛋白。而且LN的多种受体是识别与结合其糖链结构的。
LN的主要功能参与基膜构建，将细胞固定在基膜上；还包括刺激细胞黏着、细胞运动、生长、迁移和分化。
基膜是上皮细胞下方一层柔软的特化的细胞外基质，也存在于肌肉、脂肪和许旺细胞（schwann cell）周围。它不仅仅起保护和过滤作用，还决定细胞的极性，影响细胞的代谢、存活、迁移、增殖和分化。
基膜中除LN和Ⅳ型胶原外，还具有entactin、perlecan、decorin等多种蛋白，其中LN与entactin (also called nidogen)形成1:1紧密结合的复合物，通过nidogen与Ⅳ型胶原结合）。
3.4.2 纤粘连蛋白（fibronectin，FN）
FN是一种大型的糖蛋白，存在于所有脊椎动物，分子含糖4.5－9.5％，糖链结构依组织细胞来源及分化状态而异。FN可将细胞连接到细胞外基质上。
FN以可溶形式存在于血浆（0．3mg/ml）及各种体液中；以不溶形式存在于细胞外基质及细胞表面。前者总称血浆FN；后者总称细胞FN。
各种FN均由相似的亚单位（220KD左右）组成。血浆FN（450KD）是由二条相似的肽链在C端借二硫键联成的V字形二聚体。细胞FN为多聚体。在人体中目前已鉴定的FN亚单位就有20种以上。它们都是由同一基因编码的产物。转录后由于拼接上的不同而形成多种异型分子。
每条FN肽链约含2450个氨基酸残基，整个肽链由三种类型（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）的模块（module）重复排列构成。具有5－7个有特定功能的结构域，由对蛋白酶敏感的肽段连接。这些结构域中有些能与其它ECM（如胶原、蛋白聚糖）结合，使细胞外基质形成网络；有些能与细胞表面的受体结合，使细胞附着与ECM上。
FN肽链中的一些短肽序列为细胞表面的各种FN受体识别与结合的最小结构单位。例如，在肽链中央的与细胞相结合的模块中存在RGD（Arg-Gly-Asp）序列，为与细胞表面某些整合素受体识别与结合的部位。化学合成的RGD三肽可抑制细胞在FN基质上粘附。
细胞表面及细胞外基质中的FN分子间通过二硫键相互交联，组装成纤维。与胶原不同，FN不能自发组装成纤维，而是通过细胞表面受体指导下进行的，只存在于某些细胞（如成纤维细胞）表面。转化细胞及肿瘤细胞表面的FN纤维减少或缺失系因细胞表面的FN受体异常所致。
FN的功能：
1.介导细胞粘着，FN的分子上既有与胶原结合的结构域又有与细胞结合的结构域，可介导ECM与细胞结合。
2.影响细胞迁移和分化。
3.5 Cell Walls
3.5.1 Composition
1.纤维素 cellulose
2.半纤维素 hemicellulose
3.果胶 pectin
4.木质素 lignin
5.糖蛋白 glycoprotein，最重要的是伸展蛋白 extensin
3.5.2 Function
1.决定植物细胞的形状，提供机械强度，抗张力、压力；
2.控制物质交换，容许小分子、离子通过，限制大分子通过；
3.保护植物细胞免受病原菌、机械和化学损害；
4.影响植物细胞生长、分化；
Chapter Ⅴ Membrane transport & Cell signaling
一、教学目的和要求：
通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：物质跨膜运输的主要方式，代表类型、特点；细胞信号转导的概念、受体和配体的概念、代表性的信号途径。
使学生更好的理解细胞的复杂性和有序性，同一性和多样性；引导学生从分子、细胞及组织等不同层次来认识物质和信息跨膜的过程及意义。
二、教材分析：
概述：本章内容同样属于本课程重点章节。2003年诺贝尔化学奖内容既为物质跨膜转运部分，即有经典内容又有教新的进展内容；而信号转导部分则是重重之重，在这一领域集中了多个学科的研究成果，是当前生物学的研究热点，学习内容中概念多、过程复杂。这些都决定了，本章内容对于学生的学和教师的教都是一个挑战。
教学重点：协助扩散、主动运输；信号转导相关概念，细胞内受体介导的信号通路。
教学难点：载体蛋白和通道蛋白的特点及比较；主动运输的几个代表类型；受体介导的膜泡运输；G蛋白偶联受体介导的信号转导，RTK-Ras信号通路。
三、教学设想：
教材处理：尊重教材编排，制作课件时主要以选用教材为蓝本，以免使学生感到有较大的跳跃；在教材的基础上适当增加其深度和广度；对难度较大的部分用多种方式引导学生以多方面理解。
教学方法：主要采用讲授法和例证法，辅以提问和讨论。
教具：CAI课件四、教学内容：（8学时）
1 Membrane transport
细胞质膜不仅仅作为物质出入细胞的障碍，还要具有控制分子和离子通过的能力。换句话说，细胞质膜必须具有选择性地进行物质跨膜运输、调节细胞内外物质和离子的平衡及渗透压平衡的能力。
1.1 Passive transport
1.1.1 Simple diffusion
小分子的热运动可使分子以自由扩散的方式从膜的一侧通过细胞质膜进入膜的另一侧，其结果是分子由浓度高的一侧转运到浓度低的一侧，即沿着浓度梯度降低的方向转运。对于离子来说，同样是从离子浓度高的一侧向离子浓度低的一侧转运。离子转运既是沿着浓度梯度也是沿着电化学梯度转运。分子或离子以自由扩散的方式跨膜转运中，不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助，因此称为简单扩散。
也叫自由扩散（free diffusion）
特点是：
①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；
②不需要提供能量；
③没有膜蛋白的协助。
某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数（D）来计算,P=KD/t,t为膜的厚度。
通透性：? 脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；
非极性分子比极性容易透过，极性不带电荷小分子，如H2O、O2等可以透过人工脂双层，但速度较慢；
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；
人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。
脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；非极性分子比极性容易透过，小分子比大分子容易透过。具有极性的水分子容易透过是因水分子小，可通过由膜脂运动而产生的间隙。
非极性的小分子如O2、CO2、N2可以很快透过脂双层，不带电荷的极性小分子，如水、尿素、甘油等也可以透过人工脂双层，尽管速度较慢，分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过，而膜对带电荷的物质如：H+、Na+、K+、Cl—、HCO3—是高度不通透的。
事实上细胞的物质转运过程中，透过脂双层的简单扩散现象很少，绝大多数情况下，物质是通过载体或者通道来转运的。离子、葡萄糖、核苷酸等物质有的是通过质膜上的运输蛋白的协助，按浓度梯度扩散进入质膜的，有的则是通过主动运输的方式进行转运。
Diffusion Vs Osmosis
扩散(diffusion)是指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向低浓度一侧移动的过程，通常把这种过程称为简单扩散。
渗透(osmosis) 则是指水分子以及溶剂通过半透性膜的扩散。
1.1.2 Facilitated diffusion
协助扩散也是小分子物质沿其浓度梯度（或电化学梯度）减小方向的跨膜运动，不需要细胞提供能量，从这一点上看，它与简单扩散相同，因此二者都称为被动运输。但在协助扩散中，特异的膜蛋白“协助”物质转运使其转运速率增加，转运特异性增强。
其运输特点是,①比自由扩散转运速率高； ②存在最大转运速率； 在一定限度内运输速率同物质浓度成正比。如超过一定限度，浓度再增加，运输也不再增加。因膜上载体蛋白的结合位点已达饱和； ③有特异性，即与特定溶质结合。这类特殊的载体蛋白主要有离子载体和通道蛋白两种类型。
膜转运蛋白可分为两类：一类称载体蛋白（carrier Proteins），如前面提到的转运葡萄糖分子的膜蛋白；另一类称通道蛋白（channelProteins），它可形成亲水的通道，允许一定大小和一定电荷的离子通过。
载体蛋白 Carrier Protein 其运输特点是：
①与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质的跨膜转运；
②对所转运的物质具有高度选择性；
③载体蛋白又称为通透酶(Permease),对物质的转运过程具有类似于酶与底物作用的动力学曲线、可被类似物竞争性抑制、具有竞争性抑制等酶的特性。但与酶不同的是,载体蛋白不对转运分子作任何共价修饰。
通道蛋白(channel protein)是一类横跨质膜，它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排，形成水性通道,允许适宜的分子通过。通道蛋白具有选择性，所以在细胞膜中有各种不同的通道蛋白。通道蛋白参与的只是被动运输,并且是从高浓度向低浓度运输，所以不消耗能量。
其运输特点是：
①蛋白不与溶质分子结合，形成跨膜通道介导离子顺浓度梯度通过；
②有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态，如钾泄漏通道，允许钾离子不断外流；
③有些通道蛋白具有选择性和门控性平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，又称为门通道（gated channel）。主要有：电压门通道、配体门通道、机械门通道。
电压门通道 Voltage-gated channel：：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。
配体门通道 Ligand-gated channel：特点：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。
压力激活门通道 Stress-activated channel：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（mechanotransduction ）
水通道water channel,
水扩散通过人工膜的速率很低，人们推测膜上有水通道。
1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 （28 KD ），他将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。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。
2003年Agre与离子通道的研究者MacKinnon同获诺贝尔化学奖。
目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。
长期以来,普遍认为细胞内外的水分子是以简单扩散的方式透过脂双层膜。后来发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高,很难以简单扩散来解释。如将红细胞移入低渗溶液后，很快吸水膨胀而溶血，而水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀。因此，人们推测水的跨膜转运除了简单扩散外,还存在某种特殊的机制,并提出了水通道的概念。
1988年Agre在分离纯化红细胞膜上的Rh血型抗原时，发现了一个28 KD 的疏水性跨膜蛋白，称为CHIP28 (Channel-Forming integral membrane protein)，1991年得到CHIP28的cDNA 序列，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，并于5 分钟内破裂，纯化的CHIP28置入脂质体，也会得到同样的结果。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制，而这是已知的抑制水通透的处理措施。这一发现揭示了细胞膜上确实存在水通道，Agre因此而与离子通道的研究者Roderick MacKinnon共享2003年的诺贝尔化学奖。
目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP），均具有选择性的让水分子通过的特性。在实验植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）中已发现35个这类水通道。
水通道的活性调节可能具有以下途径：通过磷酸化使AQP的活性增强；通过膜跑运输改变膜上AQP的含量，如血管加压素(抗利尿激素) 对肾脏远曲小管和集合小管上皮细胞水通透性调节；通过调节基因表达，促进AQP的合成。
1.2 Active transport
又称代谢关联运输（metabolically linked tramsport），是物质运输的主要方式。
主动运输（active transPort）是物质由浓度低的一侧向浓度高的一侧跨膜运动的方式，或物质逆浓度梯度或电化学梯度运输的跨膜运动方式。转运分子的自由能变化为正值，因此需要与某种释放能量的过程相耦联。
主动运输的特点是：
– 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。
– ④具有选择性和特异性。
主动运输所需的能量来源主要有：
– ①协同运输中的离子梯度动力；
– ② ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量；
– ③光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。
根据主动运输过程所需能量来源的不同可归纳为由ATP直接提供能量和间接提供能量两种基本类型。
1.2.1 Na+-K+ PUMP
构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，实际上就是Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。
Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+、而与K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。
钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程，所以这类离子泵叫做P-type。(P是phosphorylation的缩写。
Na+-K+泵的作用：
①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；
②维持低Na+高K+的细胞内环境；
③维持细胞的静息电位。
1.2.2 Ca2+ PUMP/ Ca2+ ATPase
作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子浓度10-7M，细胞外10-3M）。
位置：质膜和内质网膜。
类型：
– P型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。
– 钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。
钙离子泵对于细胞是非常重要的，因为钙离子通常与信号转到有关，钙离子浓度的变化会引起细胞内信号途径的反应，导致一系列的生理变化。通常细胞内钙离子浓度（10-7M）显著低于细胞外钙离子浓度（10-3M），主要是因为质膜和内质网膜上存在钙离子转运体系，细胞内钙离子泵有两类：其一是P型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。另一类叫做钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同运输体系（antiporter），通过钠钙交换来转运钙离子。
位于肌质网（sarcoplasmic reticulum）上的钙离子泵是了解最多的一类P型离子泵，占肌质网膜蛋白质的90%。肌质网是一类特化的内质网，形成网管状结构位于细胞质中，具有贮存钙离子的功能。肌细胞膜去极化后引起肌质网上的钙离子通道打开，大量钙离子进入细胞质，引起肌肉收缩之后由钙离子泵将钙离子泵回肌质网。
1.2.3 H+ PUMP
质子泵有三类：P-type、V-type、F-type。
1、P-type：载体蛋白利用ATP使自身磷酸化（phosphorylation），发生构象的改变来转移质子或其它离子，如植物细胞膜上的H+泵、动物细胞的Na+-K+泵、Ca2+离子泵，H+-K+ATP酶（位于胃表皮细胞，分泌胃酸）。
2、V-type：位于小泡（vacuole）的膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、动物细胞的内吞体、高尔基体的囊泡膜、植物液泡膜上。
3、F-type：是由许多亚基构成的管状结构，H＋沿浓度梯度运动，所释放的能量与ATP合成耦联起来，所以也叫ATP合酶（ATP synthase），F是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子（factor）的缩写。F型质子泵位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上，其详细结构将在线粒体与叶绿体一章讲解。F型质子泵不仅可以利用质子动力势将ADP转化成ATP，也可以利用水解ATP释放的能量转移质子。
1.2.4 ABC 转运器
ABC转运器（ABC transporter）最早发现于细菌，是细菌质膜上的一种运输ATP酶（transport ATPase），属于一个庞大而多样的蛋白家族，每个成员都含有两个高度保守的ATP结合区（ATP binding cassette），故名ABC转运器，他们通过结合ATP发生二聚化，ATP水解后解聚，通过构象的改变将与之结合的底物转移至膜的另一侧。
在大肠杆菌中78个基因（占全部基因的5%）编码ABC转运器蛋白，在动物中可能更多。虽然每一种ABC转运器只转运一种或一类底物，但是其蛋白家族中具有能转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质的成员。ABC转运器还可催化脂双层的脂类在两层之间翻转，这在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。
第一个被发现的真核细胞的ABC转运器是多药抗性蛋白（multidrug resistance protein,MDR），该基因通常在肝癌患者的癌细胞中过表达，降低了化学治疗的疗效。约40%的患者的癌细胞内该基因过度表达。
ABC转运器还与病原体对药物的抗性有关，如临床常用的抗真菌药物有氟康唑,酮康唑、伊曲康唑等，真菌对这些药物产生耐药性的一个重要机制是通过MDR蛋白降低了细胞内的药物浓度。
1.2.5 Cotransport
协同运输（cotransport）是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。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（symport）与反向协同（antiport）。
1、共运输同向协同（symport）指物质运输方向与离子转移方向相同。如动物小肠细胞对对葡萄糖的吸收就是伴随着Na+的进入，细胞内的Na+离子又被钠钾泵泵出细胞外，细胞内始终保持较低的钠离子浓度，形成电化学梯度。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入，每转移一个H+吸收一个乳糖分子。
2、对向运输反向协同（antiport）物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过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。此外质子泵可直接利用ATP运输H+来调节细胞PH值。
还有一种机制是Na+驱动的Cl--HCO3-交换，即Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流，如红细胞膜上的带3蛋白。
钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。讨论：主动与被动运输的比较。
性质?
简单扩散?
促进扩散?
主动运输?
参与运输的膜成份?
脂?
蛋白?
蛋白
被运输的物质是否需要结合?
否?
(载体蛋白)是?
是?
能量来源?
浓度梯度?
浓度梯度?
ATP水解或浓度梯度?
运输方向?
顺浓度梯度?
顺浓度梯度?
逆浓度梯度?
特异性?
无?
有
有
运输的分子高浓度时的饱和性?
无?
有
有
1.3 Vesicle transport
膜泡运输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）。又称批量运输（bulk transport）。
根据物质的运输方向分为：胞吞作用（endocytosis）胞吐作用（exocytosis）。
1.3.1 Endocytosis
概念：胞吞作用通过细胞膜内陷形成囊泡（胞吞泡），将外界物质裹进并输入细胞的过程。
类型：胞饮作用（pinocytosis）吞噬作用（phagocytosis）
细胞吞入的物质为液体或极小的颗粒物质，这种内吞作用称为胞饮作用（pinocytosis）。胞饮作用存在于白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植物细胞。
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（phagocytosis）。吞噬现象是原生动物获取营养物质的主要方式，在后生动物中亦存在吞噬现象。如：在哺乳动物胞饮作用和吞噬作用的区别特征
物质
胞吞泡的大小
转运方式
胞吞泡形成机制
胞饮作用
溶液
小于150nm
连续的过程
网格蛋白和接合素蛋白
吞噬作用
大颗粒
大于250nm
受体介导的信号触发过程
微丝和结合蛋白
中，具有极强的吞噬能力，以保护机体免受异物侵害。
网格蛋白有被小泡 Clathrin coated vesicle
Clathrin：由3个重链和3个轻链组成，形成一个具有3个曲臂的形状。许多笼形蛋白的曲臂部分交织在一起，形成具有5边形网孔的笼子。
衔接蛋白(adaptin)：介于笼形蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。目前至少发现4种，分别结合不同类型的受体，形成不同性质的转运小泡。
Clathrin衣被小泡的掐断过程:当笼形蛋白衣被小泡形成时，可溶性蛋白dynamin聚集成一圈围绕在芽的颈部，将小泡柄部的膜尽可能地拉近（小于1.5nm），从而导致膜融合，掐断（pinch off）衣被小泡。
1.3.2 Receptor mediated endocytosis,RME
细胞的内吞可分为两类，批量内吞（Bulk-phase endocytosis）和受体介导的内吞(Receptor mediated endocytosis,RME)，批量内吞是非特异性的摄入细胞外物质，如培养细胞摄入辣根过氧化物酶。细胞表面的内陷（caveolae）是发生非特异性内吞的部位。
受体介导的内吞作用是一种选择浓缩机制 Selective concentrating mechanism，既可保证细胞大量地摄入特定的大分子，同时又避免了吸入细胞外大量的液体。低密脂蛋白、运铁蛋白、生长因子、胰岛素等蛋白类激素、糖蛋白等，都是通过受体介导的内吞作用进行的。
衣被小窝（coated pits）是质膜向内凹陷的部位，约占肝细胞和成纤维细胞膜表面积的2%。受体大量集中于此处，凹陷的胞质侧具有大量的笼形蛋白和衔接蛋白，类似的结构也存在于高尔基体的TGN区。受体在衣被小窝处的集中与是否结合配体无关。衣被小窝就相当一个分子过滤器（molecular filter），帮助细胞获取所需要的大分子物质。
运输小泡的衣被中，除笼形蛋白外，还有衔接蛋白（adaptin）。它介于笼形蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。衔接蛋白存在有不同的种类，可分别结合不同类型的受体。
跨膜受体蛋白的胞质端有一个由4个氨基酸残基组成的序列（Tyr-X-X-Φ），此序列是发生内吞作用的信号，X表示任何一种氨基酸，Φ为分子较大的疏水氨基酸，如Phe、Leu、Met等，衔接蛋白对此序列有识别能力。
受体同配体结合后启动内化作用，笼形蛋白开始组装。在dynamin的作用下掐断后形成衣被小泡（coated vesicles）。衣被小泡进入胞质后，衣被蛋白随即脱去，分子返回到质膜下方，重又参与形成新的衣被小泡。其过程和高尔基体的TGN区形成溶酶体小泡的过程相似。
LDL的吸收：
胆固醇主要在肝细胞中合成，随后与磷脂和蛋白质形成低密脂蛋白（low-density lipoproteins，LDL），释放到血液中。LDL颗粒的质量为3X106Da，直径20~30nm，芯部含有大约1500个胆固醇分子，这些胆固醇分子被酯化成长链脂肪酸。芯部周围由一脂单层包围，脂单层包含磷脂分子和未酯化的胆固醇以及一个非常大的单链糖蛋白质 (apolipoprotein B-100)，这个蛋白质分子可以和靶膜上的受体结合。
过程：
当细胞进行膜合成需要胆固醇时，细胞即合成LDL跨膜受体蛋白，并将其嵌插到质膜中。受体与LDL颗粒结合后，形成衣被小泡；进入细胞质的衣被小泡随即脱掉笼形蛋白衣被，成为平滑小泡，同早期内体融合，内体中PH值低，使受体与LDL颗粒分离；再经晚期内体将LDL送人溶酶体。在溶酶体中，LDL颗粒中的胆固醇酯被水解成游离的胆固醇而被利用。
细胞对胆固醇的利用具有调节能力，当细胞中的胆固醇积累过多时，细胞即停止合成自身的胆固醇，同时也关闭了LDL受体蛋白的合成途径，暂停吸收外来的胆固醇。有的人因为LDL受体蛋白编码的基因有遗传缺陷，造成血液中胆固醇含量过高，因而会过早地患动脉粥样硬化症（atherosclerosis），这种人往往因易患冠心病而英年早逝。
在受体介导的内吞作用过程中，不同类型的受体具有不同的胞内体分选途径：①大部分受体返回它们原来的质膜结构域，如LDL受体又循环到质膜再利用；②有些受体不能再循环而是最后进入溶酶体，在那里被消化，如与表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）结合的细胞表面受体，大部分在溶酶体被降解，从而导致细胞表面EGF受体浓度降低，称为受体下行调节（receptor down-regulation）；③有些受体被运至质膜不同的结构域，该过程称作穿胞运输（transcytosis）。在具有极性的上皮细胞，这是一种将内吞作用与外排作用相结合的物质跨膜转运方式，即转运的物质通过内吞作用从上皮细胞的一侧被摄人细胞，再通过外排作用从细胞的另一侧输出。如母鼠的抗体从血液通过上皮细胞进入母乳中，乳鼠肠上皮细胞将抗体摄人体内，都是通过跨细胞的转运完成的。
受体回收途径：
在受体介导的内吞作用过程中，不同类型的受体具有不同的胞内体分选途径：①大部分受体返回它们原来的质膜结构域，如LDL受体又循环到质膜再利用；②有些受体不能再循环而是最后进入溶酶体，在那里被消化，如与表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）结合的细胞表面受体，大部分在溶酶体被降解，从而导致细胞表面EGF受体浓度降低，称为受体下行调节（receptor down-regulation）；③有些受体被运至质膜不同的结构域，该过程称作穿胞运输（transcytosis）。在具有极性的上皮细胞，这是一种将内吞作用与外排作用相结合的物质跨膜转运方式，即转运的物质通过内吞作用从上皮细胞的一侧被摄人细胞，再通过外排作用从细胞的另一侧输出。如母鼠的抗体从血液通过上皮细胞进入母乳中，乳鼠肠上皮细胞将抗体摄人体内，都是通过跨细胞的转运完成的。
1.3.3 Exocytosis
与细胞的内吞作用相反，外排作用是将细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。
组成型的外排途径（constitutive exocytosis pathway）：所有真核细胞都有从高尔基体TGN区分泌囊泡向质膜运输的过程，其作用在于更新膜蛋白和膜脂、形成质膜外周蛋白、细胞外基质、或作为营养成分和信号分子。
调节型外排途径（regulated exocytosis pathway）：分泌细胞产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。调节型的外排途径存在于特化的分泌细胞。其蛋白分选信号存在于蛋白本身，由高尔基体TGN上特殊的受体选择性地包装为运输小泡。
组成型的外排途径通过default pathway完成蛋白质的转运过程。在粗面内质网中合成的蛋白质除了某些有特殊标志的蛋白驻留在ER或高尔基体中或选择性地进入溶酶体和调节性分泌泡外，其余的蛋白均沿着粗面内质网→高尔基体→分泌泡→细胞表面这一途径完成其转运过程。
2 Cell Communication
生命与非生命物质最显著的区别在于生命是一个完整的自然的信息处理系统。一方面生物信息系统的存在使有机体得以适应其内外部环境的变化，维持个体的生存；另一方面信息物质如核酸和蛋白质信息在不同世代间传递维持了种族的延续。生命现象是信息在同一或不同时空传递的现象，生命的进化实质上就是信息系统的进化。
单细胞生物通过反馈调节，适应环境的变化。多细胞生物则是由各种细胞组成的细胞社会，除了反馈调节外，更有赖于细胞间的通讯与信号传导，以协调不同细胞的行为，如：①调节代谢，通过对代谢相关酶活性的调节，控制细胞的物质和能量代谢；②实现细胞功能，如肌肉的收缩和舒张，腺体分泌物的释放； ③调节细胞周期，使DNA复制相关的基因表达，细胞进入分裂和增殖阶段； ④控制细胞分化，使基因有选择性地表达，细胞不可逆地分化为有特定功能的成熟细胞； ⑤影响细胞的存活
2.1 Basic Conceptions
2.1.1 Cell communication
细胞通讯(cell communication)是指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。细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长和分裂是必须的。
一般以三种方式进行通讯：
B、 通过分泌化学信息进行相互通讯；
C、 细胞间接触性依赖的通讯（细胞直接接触，通过与质膜结合的信号分子影响其他细胞）
D、 通过细胞间隙连接的细胞通讯。
（一） By Gap Junction：是细胞间的直接通讯方式。两个相邻的细胞以连接子（connexon）相联系。连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道。允许小分子物质如Ca2+、cAMP通过，有助于相邻同型细胞对外界信号的协同反应，如可兴奋细胞的电耦联现象。
（二） Contact-dependent Signaling
依赖细胞间的直接接触，通过与质膜结合的信号分子影响其他细胞。
是指细胞通过其表面信号分子（受体）与另一细胞表面的信号分子（配体）选择性地相互作用，最终产生细胞应答的过程，即细胞识别（cell recognition）。可分为：①同种同类细胞间的识别，如胚胎分化过程中神经细胞对周围细胞的识别，输血和植皮引起的反应可以看作同种同类不同来源细胞间的识别；②同种异类细胞间的识别，如精子和卵子之间的识别，T与B淋巴细胞间的识别；③异种异类细胞间的识别，如病原体对宿主细胞的识别，④异种同类细胞间的识别，仅见于实验条件下。
（三 ）By Secreted Signal Molecule
化学通讯是间接的细胞通讯，指细胞分泌一些化学物质（如激素）至细胞外，作为信号分子作用于靶细胞，调节其功能。根据化学信号分子可以作用的距离范围，可分为以下4类：
1.?内分泌（endocrine）：内分泌细胞分泌的激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。其特点是：①低浓度，仅为10-8-10-12M；②全身性，随血液流经全身，但只能与特定的受体结合而发挥作用；③长时效，激素产生后经过漫长的运送过程才起作用，而且血流中微量的激素就足以维持长久的作用。
2.旁分泌（paracrine）：细胞分泌的信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。包括：①各类细胞因子；②气体信号分子（如：NO）
3.突触信号发放：神经递质（如乙酰胆碱）由突触前膜释放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。
4.自分泌（autocrine）：与上述三类不同的是，信号发放细胞和靶细胞为同类或同一细胞，常见于癌变细胞。如：大肠癌细胞可自分泌产生胃泌素，介导调节c-myc、c-fos和ras p21等癌基因表达，从而促进癌细胞的增殖。
2.1.2 Cell Recognition
细胞识别(cell recognition)是指细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（或配基）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。可见细胞识别是细胞通讯的一个重要环节。
细胞识别 （cell recognition）指细胞对同种或异种细胞、同源或异源细胞以及对自己和异己分子的认识和鉴别。
多细胞生物有机体中有3种识别系统：抗原一抗体的识别，酶与底物的识别，细胞间的识别。第三类包括通过细胞表面受体与胞外信号分子的选择性相互作用，从而导致一系列的生理生化反应的信号传递。无论是哪一种识别系统，都有一个共同的基本特性，就是具有选择性，或是说具有特异性。
细胞识别是细胞发育和分化过程中一个十分重要的环节，细胞通过识别和部着形成不同类型的组织，由于不同组织的功能是不同的，所以识别本身就意味着选择。
识别反应细胞识别引起的细胞反应，大致有3种类型：内吞、细胞粘着和信号反应。
红细胞衰老并被脾脏细胞吞噬是细胞识别后引起吞噬反应的典型例子。红细胞膜中糖脂的糖基除了与血型有关外，还决定着红细胞的寿命。血型糖蛋白含有大量的唾液酸，糖链末端唾液酸的存在状况与红细胞的寿命相关，可作为被吞噬的信号。红细胞寿命一般为3～4个月，然后在脾脏中被吞噬。用唾液酸酶处理分离的红细胞，除去红细胞中的唾液酸，然后将这种红细胞更新注入到原来的动物体内，发现注入的红细胞很快在脾脏中被吞噬，而没有除去唾液酸的正常的红细胞则相安无事。究其原因，当唾液酸被除去之后，暴露出的半乳糖残基可能是红细胞衰老的标记被脾脏细胞识别，并将之吞噬，这个例子既说明了细胞识别后的反应，又说明了糖在识别过程中的作用。
识别后的第二种反应则是发生粘着，包括细胞同细胞外基质的粘着以及细胞与细胞的动着。进一步发展就成为细胞连接。
识别后的第三种反应就是引起信号转导，发生一系列的生理生化反应，使细胞更好地适应环境。
细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的。
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。
2.1.3 Signal Molecule
从化学性质来看：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）以及氨基酸、核苷酸、脂类和胆固醇衍生物等等
特点：①特异性；②高效性；③可被灭活。
脂溶性信号分子（如甾类激素和甲状腺素）可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。
水溶性信号分子（如神经递质）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，所以这类信号分子又称为第一信使（primary messenger）。
生物细胞所接受的信号既可以使物理信号（光、热、电流），也可以是化学信号，但是在有机体间和细胞间的通讯中最广泛的信号是化学信号。
从化学结构来看细胞信号分子包括：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）以及氨基酸、核苷酸、脂类和胆固醇衍生物等等，其共同特点是：①特异性，只能与特定的受体结合；②高效性，几个分子即可发生明显的生物学效应，这一特性有赖于细胞的信号逐级放大系统；③可被灭活，完成信息传递后可被降解或修饰而失去活性，保证信息传递的完整性和细胞免于疲劳。
从产生和作用方式来看可分为内分泌激素、神经递质、局部化学介导因子和气体分子等四类。
从溶解性来看又可分为脂溶性和水溶性两类。脂溶性信号分子，如甾类激素和甲状腺素，可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。水溶性信号分子，如神经递质、细胞因子和水溶性激素，不能穿过靶细胞膜，只能与膜受体结合，经信号转换机制，通过胞内信使（如cAMP）或激活膜受体的激酶活性（如受体酪氨酸激酶），引起细胞的应答反应。所以这类信号分子又称为第一信使（primary messenger），而cAMP这样的胞内信号分子被称为第二信使（secondary messenger）。目前公认的第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG），Ca2+被称为第三信使是因为其释放有赖于第二信使。第二信使的作用是对胞外信号起转换和放大的作用。
2.1.4 Ligand & Receptor
Receptor广义：意指任何能够同激素、神经递质、药物或细胞内的信号分子结合并能引起细胞功能变化的生物大分子。
Ligand：在细胞通讯中,由信号传导细胞送出的信号分子必须被靶细胞接收才能触发靶细胞的应答,此时的信号分子被称为配体(ligand)，接收信息的分子称为受体。
Receptor:能够识别和选择性结合配体（signal molecule）的大分子，当与配体结合后，通过信号转导（Signal Transduction）作用将细胞外信号转换为细胞内的物理和化学信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。
在细胞通讯中,由信号传导细胞送出的信号分子必须被靶细胞接收才能触发靶细胞的应答,接收信息的分子称为受体,此时的信号分子被称为配体(ligand)。在细胞通讯中受体通常是指位于细胞膜表面或细胞内与信号分子结合的蛋白质。
受体（receptor）是一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，一般至少包括两个功能区域，与配体结合的区域和产生效应的区域，当受体与配体结合后，构象改变而产生活性，启动一系列过程，最终表现为生物学效应。受体与配体间的作用具有三个主要特征：①特异性；②饱和性；③高度的亲和力。
根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为细胞内受体（intracellular receptor）和细胞表面受体。细胞内受体介导亲脂性信号分子的信息传递，如胞内的甾体类激素受体。细胞表面受体介导亲水性信号分子的信息传递，可分为：①离子通道型受体、②G蛋白耦联型受体和③酶耦联型受体。
每一种细胞都有其独特的受体和信号转导系统，细胞对信号的反应不仅取决于其受体的特异性，而且与细胞的固有特征有关。有时相同的信号可产生不同的效应，如Ach可引起骨骼肌收缩、降低心肌收缩频率，引起唾腺细胞分泌。有时不同信号产生相同的效应，如肾上腺素、胰高血糖素，都能促进肝糖原降解而升高血糖。
细胞持续处于信号分子刺激下的时候，细胞通过多种途径使受体钝化，产生适应。如：
①修饰或改变受体，如磷酸化，使受体与下游蛋白隔离，即受体失活(receptor inactivation)。
②暂时将受体移到细胞内部，即受体隐蔽（receptor sequestration）
③通过内吞作用，将受体转移到溶酶体中降解，即受体下行调节（receptor down-regulation）
2.1.5 Second Messenger & Molecular Switches
Second Messenger
第二信使学说（second messenger theory）由Sutherland于70年代提出，并因此而获得诺贝尔奖。
Second Messenger：细胞外信号分子与受体作用后在胞内最早产生的信号分子称为第二信使。
至少有两个基本特性,①是第一信使同其受体结合后最早在细胞膜内侧或胞浆中出现、仅在细胞内部起作用的信号分子；②能启动或调节细胞内稍晚出现的反应信号应答。
第二信使都是小的分子或离子。细胞内有五种最重要的第二信使:cAMP、cGMP、1,2-二酰甘油(diacylglycerol,DAG)、1,4,5-三磷酸肌醇(inosositol 1,4,5-trisphosphate,IP3)、Ca2+ 等。
第二信使在细胞信号转导中起重要作用，它们能够激活级联系统中酶的活性,以及非酶蛋白的活性。第二信使在细胞内的浓度受第一信使的调节,它可以瞬间升高、且能快速降低,并由此调节细胞内代谢系统的酶活性,控制细胞的生命活动,包括:葡萄糖的摄取和利用、脂肪的储存和移动以及细胞产物的分泌。第二信使也控制着细胞的增殖、分化和生存,并参与基因转录的调节。
cAMP是如何发现的?科学家是如何证明腺苷酸环化酶在信号转导中的作用?
答,1957年Earl Sutherland 及其同事们在研究狗肝组织中糖原是如何断裂时发现了cAMP，这是代谢研究的一个重要里程碑。Sutherland 和他的同事们利用离体系统研究激素的生理反应,经过多次努力后,他们发现胰高血糖素或肾上腺素与细胞一起温育能够激活磷酸化酶。破碎细胞并经离心分离后,分别收集颗粒和溶液,发现磷酸化酶只存在于上清液中；但是,如果要对激素作出应答,颗粒是必不可少的。后来的实验表明,对激素的应答至少涉及两个不同的过程。如果分离肝的匀浆液中的颗粒部分,并将分离的颗粒与激素一起温育,然后将与激素温育过的颗粒添加到上清液中,发现有某种物质的产生,这种物质能够激活磷酸化酶。
Sutherland 鉴定了从膜颗粒中释放出的物质是一种小分子的环状单磷酸腺苷,即cAMP。由于cAMP是激素作用膜受体后释放出来的,并且能激活磷酸化酶的活性,所以cAMP被称为第二信使。
虽然cAMP是第一信使作用于膜颗粒后产生的第二信使,至于cAMP是如何产生的却有几种推测。最简单的推测是与激素结合的受体本身就有催化ATP生成cAMP的能力,即cAMP是受体催化的。如此解释,就同G蛋白和腺苷酸酸环化酶毫无关系了。
为了证明cAMP的产生与第一信使及G蛋白偶联受体膜机器的三个成员密切相关,科学家们进行了一系列实验获得了证据，证明它们是独立的三个成员，共同完成信号转导。
Joseph Orly 和Micheal Schramm通过细胞融合实验首先证明了受体与腺苷酸环化酶是不同的两种蛋白。用于融合实验的两个细胞中一个是带有肾上腺激素受体但缺少腺苷酸环化酶的红细胞，另一个是带有腺苷酸环化酶但缺少肾上腺激素受体的肿瘤细胞。细胞融合以后，加入肾上腺激素能够产生cAMP，而在未融合的细胞中加入肾上腺激素则不会有cAMP的产生。
虽然证明了激素受体和腺苷酸环化酶是两个独立的成员，但是，同受体结合的激素又是如何激活腺苷酸环化酶? 最早是通过一种称为cyc�突变的肿瘤细胞系发现GTP能够增强激素对腺苷酸环化酶的激发作用。这种突变细胞具有正常的腺苷酸环化酶和肾上腺激素受体，但是用肾上腺素处理不能促进cAMP的生成。如果在该细胞培养基中加入从正常细胞分离的G蛋白,就能够恢复对cAMP合成的激发作用。由于这种G蛋白能促进(stimulating) cAMP的合成，故称之称为Gs。
上述实验结果令人信服地证明该系统中三个成员的存在和各自独立的作用。
Molecular Switches
分子开关（molecular switches） 在细胞内一系列信号传递的级联反应中，必须有正、负两种相反相成的反馈机制进行精确控制，即对每一步反应既要求有激活机制又必然要求有相应的失活机制。
A:磷酸化或去磷酸化开关 B:GTP或GDP结合开关
2.2 Signaling by Intracellular receptor
与细胞内受体结合的信号分子的主要代表是大部分亲脂性信号分子，eg：甾类激素、甲状腺激素、维甲酸和维生素D等通过简单扩散即可跨越细胞质膜进入细胞，与细胞质或细胞核中的受体结合。
受体与配体结合形成复合物，导致受体蛋白构象变化，暴露了受体于基因DNA调节序列结合的部位，配体－受体复合物进入细胞核，与基因调节序列结合，从而调节基因的表达。
2.2.1 甾类激素及其受体细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白。在细胞内，受体与抑制性蛋白（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化状态。配体（如皮质醇）与受体结合，将导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，从而使受体暴露出DNA结合位点而被激活。
这类受体一般都有三个结构域：位于C端的激素结合位点，位于中部富含Cys、具有锌指结构的DNA或Hsp90结合位点，以及位于N端的转录激活结构域。
甾类激素分子是化学结构相似的亲脂性小分子，分子相对质量为300Da左右，可以通过简单扩散跨越质膜进入细胞内。每种类型的甾类激素与细胞质内各自的受体蛋白结合，形成激素-受体复合物，并能穿过核孔进入细胞核内，激素和受体的结合导致受体蛋白构象的改变，提高了受体与DNA的结合能力，激活的受体通过结合于特异的DNA序列调节基因表达。
受体与DNA序列的结合已得到实验证实，结合序列是受体依赖的转录增强子，这种结合可增加某些相邻基因的转录水平。
甾类激素诱导的基因活化分为两个阶段：①直接活化少数特殊基因转录的初级反应阶段，发生迅速；②初级反应的基因产物再活化其他基因产生延迟的次级反应，对初级反应起放大作用。如果蝇注射蜕皮激素后仅5～10min便可诱导唾腺染色体上6个部位的RNA转录，再过一段时间至少有100个部位合成RNA，致使大量合成次级反应所特有的蛋白质产物。这类激素作用通常表现为如影响细胞分化等长期的生物学效应。
甲状腺素和雌激素也是亲脂性小分子，其受体位于细胞核内，作用机理与甾类激素相同。也有个别的亲脂性小分子，如前列腺素，其受体在细胞膜上。
2.2.2 NO 及其受体
NO可快速扩散透过细胞膜，作用于邻近细胞。
血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，NO的生成由一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）催化，以L精氨酸为底物，以NADPH作为电子供体，生成NO和L瓜氨酸。
NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上NO的多少直接与NO的合成有关。
NO是另一种可进入细胞内部的信号分子，能快速透过细胞膜，作用于邻近细胞。R．Furchgott等三位美国科学家因发现NO作为信号分子而获得1998年诺贝尔医学与生理学奖。
血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，NO的生成由一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）催化，以L精氨酸为底物，以还原型辅酶Ⅱ（NADPH）作为电子供体，生成NO和L瓜氨酸。NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上NO的多少直接与NO的合成有关。
NO作用机理,? 乙酰胆碱→血管内皮→Ca2+浓度升高→一氧化氮合酶→NO→平滑肌细胞→鸟苷酸环化酶→cGMP→血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降→平滑肌舒张→血管扩张、血流通畅。
硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量。
血管内皮细胞接受乙酰胆碱，引起胞内Ca2+浓度升高，激活一氧化氮合酶，细胞释放NO，NO扩散进入平滑肌细胞，与胞质鸟苷酸环化酶（GTP-cyclase，GC）活性中心的Fe2＋结合，改变酶的构象，导致酶活性的增强和cGMP合成增多。cGMP可降低血管平滑肌中的Ca2+离子浓度。引起血管平滑肌的舒张，血管扩张、血流通畅。
1998年R．Furchgott等三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖。
2.3 Signaling by Cell-surface receptor
亲水性化学信号分子（包括神经递质、蛋白激素、生长因子等）不能直接进入细胞，只能通过膜表面的特异受体传递信号，使靶细胞产生效应。
概念区分：
信号传导（cell signaling）：细胞释放信号分子，将信息传递给其它细胞。强调信号的产生、分泌与传送,即信号分子从合成的细胞中释放出来,然后进行传递。
信号转导（signal transduction）,指外界信号（如光、电、化学分子）作用于细胞表面受体，引起胞内信使的浓度变化，进而导致细胞应答反应的一系列过程。
膜表面受体主要有三类：①离子通道型受体（ion-channel-linked receptor）；②G蛋白耦联型受体（G-protein-linked receptor）；③酶耦联的受体（enzyme-linked receptor）。第一类存在于可兴奋细胞。后两类存在于大多数细胞，在信号转导的早期表现为激酶级联（kinase cascade）事件，即为一系列蛋白质的逐级磷酸化，籍此使信号逐级传送和放大。
2.3.1 Ion-channel-linked Receptor
受体本身为离子通道,即配体门通道（ ligand-gated channel）。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。
有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性。
离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体，即配体门通道（ligand-gated channel）。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。
神经递质通过与受体的结合而改变通道蛋白的构象，导致离子通道的开启或关闭，改变质膜的离子通透性，在瞬间将胞外化学信号转换为电信号，继而改变突触后细胞的兴奋性。如：乙酰胆碱受体以三种构象存在，两分子乙酰胆碱的结合可以使之处于通道开放构象，但该受体处于通道开放构象状态的时限仍十分短暂，在几十毫微秒内又回到关闭状态。然后乙酰胆碱与之解离，受体则恢复到初始状态，做好重新接受配体的准备。
离子通道型受体分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸的受体。
2.3.2 G-protein-linked receptor
配体－受体复合物与靶细胞的作用要通过与G蛋白的偶联，在细胞内产生第二信使，从而将细胞外信号跨膜传递到胞内以影响细胞的行为。
配体与受体结导致使受体构象改变，使受体与G蛋白结合共同活化细胞膜上的靶蛋白（酶或离子通道）。离子通道通过改变质膜对离子的通透性，酶通过影响胞内底物及其他蛋白来影响细胞的行为,cAMP和磷脂酰肌醇信号通路的受体即属于此类。
三聚体GTP结合调节蛋白（trimeric GTP-binding regulatory protein）简称G蛋白，位于质膜胞质侧，由α、β、γ三个亚基组成，α 和γ亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上，G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，当α亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态，α亚基具有GTP酶活性，能催化所结合的ATP水解，恢复无活性的三聚体状态，其GTP酶的活性能被RGS（regulator of G protein signaling）增强。RGS也属于GAP（GTPase activating protein）。
G-protein-linked receptor /G蛋白耦联受体,G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白，受体胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与G蛋白耦联。通过与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。G蛋白耦联型受体包括多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体，在味觉、视觉和嗅觉中接受外源理化因素的受体亦属G蛋白耦联型受体。
由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。
2.3.2.1 cAMP Signaling Pathway
在cAMP信号途径中，细胞外信号与相应受体结合，调节腺苷酸环化酶活性，通过第二信使cAMP水平的变化，将细胞外信号转变为细胞内信号。
1、cAMP信号的组分
①,激活型激素受体（Rs）或抑制型激素受体（Ri）；
激活型配体：如，肾上腺素、胰高血糖素、促肾上腺皮质激素抑制型配体：PGE1、腺苷
②,活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）；
③,腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase）：是相对分子量为150KD的糖蛋白，跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP。
Gs调节模型当细胞没有受到激素刺激，Gs处于非活化态，α亚基与GDP结合，此时腺苷酸环化酶没有活性；当激素配体与Rs结合后，导致Rs构象改变，暴露出与Gs结合的位点，使激素-受体复合物与Gs结合，Gs的α亚基构象改变，从而排斥GDP，结合GTP而活化，使三聚体Gs蛋白解离出α亚基和βγ基复合物，并暴露出α亚基与腺苷酸环化酶的结合位点；结合GTP的α亚基与腺苷酸环化酶结合，使之活化，并将ATP转化为cAMP。随着GTP的水解α亚基恢复原来的构象并导致与腺苷酸环化酶解离，终止腺苷酸环化酶的活化作用。α亚基与βγ亚基重新结合，使细胞回复到静止状态。
活化的βγ亚基复合物也可直接激活胞内靶分子，具有传递信号的功能，如心肌细胞中G蛋白耦联受体在结合乙酰胆碱刺激下，活化的βγ亚基复合物能开启质膜上的K+通道，改变心肌细胞的膜电位。此外βγ亚基复合物也能与膜上的效应酶结合，对结合GTP的α亚基起协同或拮抗作用。
Gi调节模型
Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过两个途径：①通过α亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；②通过βγ亚基复合物与游离Gs的α亚基结合，阻断Gs的α亚基对腺苷酸环化酶的活化。
细菌毒素对G蛋白的修饰作用:
霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上，致使α亚基丧失GTP酶的活性，结果GTP永久结合在Gs的α亚基上，使α亚基处于持续活化状态，腺苷酸环化酶永久性活化。导致霍乱病患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。
百日咳毒素催化Gi的α亚基ADP-核糖基化，结果降低了GTP与Gi的α亚基结合的水平，使Gi的α亚基不能活化，从而阻断了Ri受体对腺苷酸环化酶的抑制作用，但尚不能解释百日咳症状与这种作用机理有关。
④,蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成，在没有cAMP时，以钝化复合体形式存在。cAMP与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基。活化的蛋白激酶A催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性，进一步影响到相关基因的表达。
cAMP信号途径又称PKA系统，是蛋白激酶A系统的简称(protein kinase A system,PKA)；
⑤.环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase）：可降解cAMP生成5‘-AMP，起终止信号的作用。
cAMP信号途径可表示为：
不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同，在肌肉细胞1秒钟之内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原的合成。在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA 进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE（cAMP response element ）是DNA上的调节区域。
A、快速应答:– 激素→ G蛋白耦联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP– →依赖cAMP的蛋白激酶A→磷酸化级联反应激活靶酶→细胞应答。
– 在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。
反应伊始,胰高血糖素或肾上腺素同受体结合,通过G蛋白激活腺苷酸环化酶,激活的腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP,cAMP扩散进入细胞质。在细胞质中cAMP同蛋白激酶A的调节亚基的别构部位(allsoteric site)结合,将蛋白激酶A激活。在肝细胞中,激活的PKA有很多作用底物,包括磷酸化酶激酶和糖原合成酶。糖原合成酶的磷酸化抑制了酶的催化活性,阻止了由葡萄糖合成糖原。与此相反,磷酸化酶激酶通过磷酸化激活自身的酶活性,从而催化磷酸化酶的磷酸化(将磷酸基团加到磷酸化酶特异的苏氨酸残基上)。被激活的磷酸化酶可将糖原磷酸化而分解成1-磷酸葡萄糖,最后生成葡萄糖进入血液循环。
B、慢速应答:– 激素→ G蛋白耦联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→基因调控蛋白磷酸化→基因转录→细胞应答。
在某些分泌细胞，需要几个小时,激活的PKA 进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。cAMP activate protein kinase A,which phosphorylate CREB
（CRE binding protein ）protein and initiate gene transcription.
CRE is cAMP response element in DNA.
2.3.2.2 Phosphatidyinositol /PI Signaling Pathway
在磷脂酰肌醇信号通路中胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-β），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）两个第二信使，胞外信号转换为胞内信号，这一信号系统又称为“双信使系统”（double messenger system）。
IP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca2+浓度升高。激活各类依赖钙离子的蛋白。用Ca2+载体离子霉素（ionomycin）处理细胞会产生类似的结果。
DG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（Protein Kinase C，PKC）。PKC以非活性形式分布于细胞溶质中，当细胞接受刺激，产生IP3，使Ca2+浓度升高，PKC便转位到质膜内表面，被DG活化，PKC可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化是不同的细胞产生不同的反应，如细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等。DG的作用可用佛波醇酯（phorbol ester）模拟。
Ca2+活化各种Ca2+结合蛋白引起细胞反应，钙调素（calmodulin，CaM）由单一肽链构成，具有四个钙离子结合部位。结合钙离子发生构象改变，可激活钙调素依赖性激酶（CaM-Kinase）。细胞对Ca2+的反应取决于细胞内钙结合蛋白和钙调素依赖性激酶的种类。如：在哺乳类脑神经元突触处钙调素依赖性激酶Ⅱ十分丰富，与记忆形成有关。该蛋白发生点突变的小鼠表现出明显的记忆无能。
钙调蛋白（calmodulin，CaM）可结合钙离子将靶蛋白（如：CaM-Kinase）活化。
蛋白激酶C/PKC:位于细胞质，Ca2+浓度升高时，PKC转位到质膜内表面，被DG活化，PKC属蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶。
IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2，或被磷酸化形成IP4。Ca2+由质膜上的Ca2+泵和Na+-Ca2+交换器将抽出细胞，或由内质网膜上的钙泵抽进内质网。
DG通过两种途径终止其信使作用：一是被DG-激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油。由于DG代谢周期很短，不可能长期维持PKC活性，而细胞增殖或分化行为的变化又要求PKC长期活性所产生的效应。现发现另一种DG生成途径，即由磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生的DG，用来维持PKC的长期效应。
DAG信号的解除
DAG只是由PIP2水解得到的暂时性产物,寿命只有几秒钟,靠两种方式进行降解:①被DAG磷酸激酶磷酸化,生成磷脂酸(PA),随后PA被CTP磷酸化为CMP-磷脂酸,再与肌醇作用合成磷脂肌醇(PI)。②DAG被DAG酯酶水解生成单脂酰甘油,再进一步水解成游离的多不饱和脂肪酸和花生四烯酸甘油,花生四烯酸甘油再被氧化成许多生物活性代谢物,如前列腺素、白三烯等。从细胞中释放出来的这些生物活性代谢物可作用于自身或邻近细胞上的受体,引起细胞应答。
①IP3被水解,即IP3在5'-磷酸酶的作用下,水解为I(1,4)P2,并且进一步水解成肌醇。5'磷酸酶是一种膜结合的酶。②在胞浆的肌醇磷酸脂3-激酶的作用下,IP3被ATP磷酸化生成肌醇-1,3,4,5-四磷酸(inositol-1,3,4,5-tetraphosphate,IP4),然后被水解成无活性的肌醇-1,3,4-三磷酸(inositol-1,3,4-trisphosphate)从而解除IP3的作用。
线粒体膜上也有Ca2+转运蛋白,在Ca2+信号的解除中有作用吗?
虽然线粒体也是细胞的Ca2+库,线粒体膜上也有Ca2+转运蛋白并能将细胞质中的Ca2+转运到线粒体基质。但是,线粒体Ca2+运输蛋白与Ca2+的亲和力很低,常在5～10μmol/L时才能显示出对Ca2+的运输能力,所以在终止细胞中Ca2+的信号作用方面,线粒体只是起辅助作用,因为只有在细胞内的Ca2+浓度很高时，线粒体膜的Ca2+转运蛋白才起作用。
Addition:其它G蛋白偶联型受体
1．化学感受器中的G蛋白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 channel），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。
2．视觉感受器中的G蛋白黑暗条件下视杆细胞(或视锥细胞)中cGMP浓度较高，cGMP门控钠离子通道开放，钠离子内流，引起膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。
视紫红质（rhodopsin,Rh）为7次跨膜蛋白，含一个11顺-视黄醛。是视觉感受器中的G蛋白偶联型受体，光照使Rh视黄醛的构象变为反式，Rh分解为视黄醛和视蛋白（opsin），构象改变的视蛋白激活G蛋白（transducin,Gt），G蛋白激活cGMP磷酸二酯酶，将细胞中的cGMP水解。从而关闭钠通道，引起细胞超极化，产生视觉。可见胞内cGMP水平下降的负效应信号起传递光刺激的作用。
视觉感受器的换能反映可表述为：
光信号→Rh激活→Gt活化→cGMP磷酸二酯酶激活→胞内cGMP减少→Na+离子通道关闭→离子浓度下降→膜超极化→神经递质释放减少→视觉反应。
2.3.3 Enzyme-linked receptor
分为两种情况：
– 本身具有激酶活性，如EGF，PDGF，CSF等的受体；
– 本身没有酶活性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。
》至少五类：①受体酪氨酸激酶、②受体丝氨酸/苏氨酸激酶、③受体酪氨酸磷脂酶、④ 酪氨酸激酶连接的受体、⑤受体鸟苷酸环化酶。
与G蛋白偶联受体相比，酶联受体信号转导的反应比较慢(通常要几小时)，并且需要许多细胞内的转换步骤。这类受体的共同点是：①通常为单次跨膜蛋白；②接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。
2.3.3.1 RTKs / Receptor Tyrosine Kinases
酪氨酸激酶分三大类：
①胞质酪氨酸激酶：如Src、Tec、ZAP70、JAK；
②核内酪氨酸激酶：如：Abl、Wee；
③受体酪氨酸激酶（RTKs）,为单次跨膜蛋白，配体（如EGF） 与受体结合。导致二聚化，二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基。
已发现50多种不同的RTKs，主要的几种类型包括,表皮生长因子受体、血小板生长因子受体、胰岛素和胰岛素样生长因子-1 受体等。
结构特点:有的RTKs都是由三个部分组成的:含有配体结合位点的细胞外结构域、单次跨膜的疏水α螺旋区、含有酪氨酸蛋白激酶(RTK)活性的细胞内结构域受体酪氨酸激酶的激活受体酪氨酸激酶的激活是一个相当复杂的过程，大多数受体都要先由两个单体形成一个二聚体，并在细胞内结构域的尾部磷酸化，然后在二聚体的细胞内结构域装配成一个信号转导复合物受体酪氨酸激酶（receptor protein tyrosine kinases，RPTKs）的胞外区是结合配体结构域，配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。胞内段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点。
配体（如EGF）在胞外与受体结合并引起构象变化，导致受体二聚化（dimerization）形成同源或异源二聚体，在二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性。这类受体主要有EGF、PDGF、FGF等受体酪氨酸激酶在没有同信号分子结合时是以单体存在的，并且没有活性;一旦有信号分子同细胞外结构域结合，两个单体受体分子在膜上形成二聚体，两个受体的细胞内结构域的尾部相互接触，激活它们的蛋白激酶的功能，结果使尾部的酪氨酸残基磷酸化。磷酸化导致受体细胞内结构域的尾部装配成一个信号复合物(signaling complex)。磷酸化的酪氨酸部位立即成为细胞内信号蛋白(signaling protein)的结合位点，可能有10～20种不同的细胞内信号蛋白同受体尾部磷酸化部位结合后被激活。信号复合物通过几种不同的信号转导途径,扩大信息，激活细胞内一系列的生化反应；或者将不同的信息综合起来引起细胞进行综合性的应答（如细胞增殖）。
信号分子间的识别结构域:
①SH2结构域（Src Homology 2 结构域）：介导信号分子与含磷酸酪氨酸蛋白分子(如：自磷酸化后的RTKs)的结合。
②SH3结构域（Src Homology 3 结构域）：介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子的结合。
受体酪氨酸激酶介导的信号途径主要有RTK-Ras途径、PI3K 途径、磷脂酰肌醇途径等。
RTK-Ras Signaling Pathway:
Ras Protein:Ras是大鼠肉瘤(rat sarcoma,Ras)的英文缩写。Ras蛋白是原癌基因c-ras的表达产物，系单体 GTP结合蛋白，具有弱的 GTP酶活性。其活性则是通过与GTP或GDP的结合进行调节，起分子开关的作用。
RTKs结合信号分子，形成二聚体，并发生自磷酸化，活化的RTK激活RAS，RAS引起蛋白激酶的磷酸化级联反应,最终产生细胞应答。
Ras蛋白要释放GDP，结合GTP的才能激活，GDP的释放需要鸟苷酸交换因子（GEF，如Sos）参与；Sos有SH3结构域，但没有SH2结构域，因此不能直接和受体结合，需要接头蛋白（如Grb2）的连接，接头蛋白通过SH2与受体的磷酸酪氨酸残基结合，再通过SH3与Sos结合，Sos与膜上的Ras接触，从而活化Ras。
Ras 的失活：Ras本身的GTP酶活性不强，需要GTP酶活化蛋白（GAP）的参与，使Ras结合的GTP水解而失活，GAP具有SH2结构域可直接与活化的受体结合。
Ras本身的GTP酶活性不强，需要GTP酶活化蛋白（GAP）的参与，使Ras结合的GTP水解而失活，GAP具有SH2结构域可直接与活化的受体结合。
Ras蛋白与Raf的N端结构域结合并使其激活，Raf是丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶（又称MAPKKK）
活化的Raf结合并磷酸化另一种蛋白激酶MAPKK，使其活化。
MAPKK又使MAPK的苏氨酸和酪氨酸残基使之激活。
MAPK为有丝分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK），属丝氨酸/苏氨酸残激酶。活化的MAPK进入细胞核，可使许多转录因子活化，如将Elk-1激活，促进c-fos，c-jun的表达。
RPTK-Ras信号通路可概括如下：
配体→RPTK→adaptor→GEF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→进入细胞核→转录因子→基因表达。
Addition:Ras 蛋白与恶性肿瘤
RTK-Ras信号通路的信号分子多为生长因子，即其最终的细胞应答反应多为刺激细胞增殖或控制细胞分化。研究表明30％的恶性肿瘤与ras基因（是原癌基因）突变有关，因为突变的Ras蛋白能够与GTP结合，但不能将其水解，所以Ras蛋白被组成型活化，被锁定在“活化”状态，引起细胞赘生性转化、增殖。
通过RTKs介导的信号通路还包括：PI3K途径、磷脂酰肌醇途径等。
2.3.3.2 Receptor Ser / Thr Kinases
配体是转化生长因子-βs。（transforming growth factor-βs，TGF-βs。）家族成员。包括TGF-β1-5。
依细胞类型不同，可抑制细胞增殖、刺激胞外基质合成、刺激骨骼的形成、通过趋化性吸引细胞、作为胚胎发育过程中的诱导信号等。
受体酪氨酸磷酯酶（receptor tyrosine phosphatases）为单次跨膜蛋白受体，受体胞内区具有蛋白酪氨酸磷酯酶的活性，胞外配体与受体结合激发该酶活性，使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，其作用是控制磷酸酪氨酸残基的寿命，使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基的水平。它的作用不是简单的与RPTK相反，可能与酪氨酸激酶一起协同工作，如参与细胞周期调控。白细胞表面的CD45属这类受体，对具体配体的尚不了解。
和酪氨酸激酶一样存在胞质酪氨酸磷酯酶。胞质酪氨酸磷酯酶胞内段具有两个SH结构域，称作SHP1和SHP2，通过SHP1可以与细胞因子受体连接，使Jak去磷酸化，SHP1结构域缺陷的老鼠，各类血细胞异常。说明胞质酪氨酸磷酯酶与血细胞分化有关。
2.3.3.3 Receptor tyrosine phosphatases
可以使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，其作用是控制磷酸酪氨酸残基的寿命，使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基的水平。
与酪氨酸激酶一起协同工作，如参与细胞周期调控。
白细胞表面的CD45属这类受体，对具体配体尚不了解。
和酪氨酸激酶一样存在胞质酪氨酸磷酯酶。
受体酪氨酸磷酯酶（receptor tyrosine phosphatases）是单次跨膜蛋白受体，受体胞内区具有蛋白酪氨酸磷酯酶的活性，胞外配体与受体结合激发该酶活性，使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，因而在静止的细胞内维持被磷酸化的酪氨酸残基水平很低。它的作用似乎与RPTK相反，不仅持续地逆转RPTK的效应，在细胞信号系统中发挥特殊的调节作用，而且在细胞周期调控中发挥重要作用。存在于白细胞表面的抗原CD45被认为是这类受体，对具体配体的了解不多。
2.3.3.4 Receptor guanylate cyclase
分布在肾和血管平滑肌细胞表面，配体为心房排钠肽（atrial natriuretic peptide，ANP）或BNP。
当血压升高时，心房肌细胞分泌ANP，促进肾细胞排水、排钠，同时导致血管平滑肌细胞松弛，结果使血压下降。
信号途径为：
配体→受体鸟苷酸环化酶→cGMP→依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG）→靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化。
2.3.3.5 Tyrosine kinase associated receptor
》包括各类细胞因子（如干扰素）的受体，在造血细胞和免疫细胞通讯上起作用。受体本身不具有酶活性，但可连接胞内酪氨酸蛋白激酶（如JAK）。其活性依赖于非受体酪氨酸激酶（Nonreceptor Tyr Kinases）。
受体分两大家族：
2一是与Src蛋白家族相联系的受体；
2二是与Janus激酶（JAK）家族联系的受体。
JAK-STAT Signaling Pathway
》JAK（just another kinase或janus kinase）是一类非受体酪氨酸激酶家族。
》JAK的底物为STAT，即信号转导子和转录激活子（signaltransducer and activator of transcription） 。
JAK（just another kinase或janus kinase）是一类非受体酪氨酸激酶家族，已发现四个成员，即JAK1,JAK2,JAK3 和TYK1，其结构不含SH2,SH3，C段具有两个相连的激酶区。
JAK的底物为STAT，即信号转导子和转录激活子（signal transducer and activator of transcription，STAT），具有SH2和SH3两类结构域。STAT被JAK磷酸化后发生二聚化，然后穿过核膜进入核内调节相关基因的表达，这条信号通路称为JAK-STAT途径，可概括如下：
1,配体与受体结合导致受体二聚化；
2,二聚化受体激活JAK；
3,JAK将STAT磷酸化；
4,STAT形成二聚体，暴露出入核信号；
5,STAT进入核内，调节基因表达。
2.4 Signaling by Integrin
正常细胞与恶性细胞的一个明显的差别是恶性细胞能够在培养条件下不需要ＥＭＣ成分就能附着到培养器皿上,而正常组织的细胞离体培养世，若不加EMC成分则不能贴壁生长。
另外正常细胞在悬浮培养中也不能生长、分裂，必须依赖于细胞表面和EMC之间建立接触，因为正常细胞需要互相接触,相互传递生长和分裂的信号。integrin不仅介导细胞附着到EMC，更重要的是提供了一种细胞外环境调控细胞内活性的途径。 Integrin的胞外结构域与胞外配体相互作用，可产生多种信号，如Ca2+释放进入细胞质基质、肌醇第二信使的合成、酪氨酸残基的磷酸化等。这些信号影响到细胞生长、迁移、分化乃至生存。所以，正常细胞不能悬浮培养，因为细胞丧失接受必要的生长促进信号。
所以细胞与细胞的识别和粘着、细胞与细胞外基质的相互作用不仅是组织分化的需要,也是信号转导的重要途径。
粘着斑（Focal adhesion）的功能：
》机械结构功能：其装配受信号控制；
》信号传递功能：通过Src和FAK来实现信号转导与粘着斑装配:
,Rho蛋白是一种小分子的G蛋白，在形态和结构上与Ras蛋白相似; 在功能上,Rho蛋白也是一种分子开关，决定信号是沿哪一条途径传递。
》配体与整联蛋白结合后，激活了Rho蛋白(Rho中的GDP被GTP取代)，Rho-GTP激活两条不同的信号转导途径导致粘着斑的装配。
研究发现，粘着斑的装配也是通过信号控制的。当质膜上的整联蛋白与细胞外基质中配体结合时就开始了粘着斑的装配。粘着斑装配的信号从整联蛋白传递到Rho蛋白。Rho是一种小分子的G蛋白，在形态和结构上与Ras蛋白相似; 在功能上,Rho蛋白也是一种分子开关，决定信号是沿哪一条途径传递。在粘着斑的装配中，信号转导主要是调节应力纤维的装配
Rho蛋白是一种小分子的G蛋白，在形态和结构上与Ras蛋白相似; 在功能上,Rho蛋白也是一种分子开关，决定信号是沿哪一条途径传递。在粘着斑的装配中，信号转导主要是调节应力纤维的装配。
配体与整联蛋白结合后，激活了Rho蛋白(Rho中的GDP被GTP取代)，Rho-GTP激活两条不同的信号转导途径:一条是Rho-GTP激活磷脂酰肌醇5-激酶[PI(5)K],PI(5)K将磷酸基团转移给PI(4)P的5’位，生成PI(4，5)P2,PI(4，5)P2能够与很多靶蛋白结合。 当PI(4，5)P2同凝溶胶蛋白(gelsolin)、抑制蛋白(profilin)结合时，促使它们与所结合的蛋白�F-肌动蛋白、G-肌动蛋白分离。G-肌动蛋白的释放可导致F-肌动蛋白进一步聚合。在另一个途径中,Rho-GTP同Rho激酶结合，使之激活，激活的激酶使肌球蛋白轻链磷酸酶磷酸化并使其失去磷酸酶的抑制作用，使肌球蛋白以一种活性的、磷酸化的状态参与应力纤维的装配。
通过粘着斑的信号传递
（1）由细胞表面到细胞核；Src,FAK,Grb2+Sos,Ras,Raf,MAP kinases cascade.
（2）由细胞表面到核糖体；Src,FAK,PI3K,PI(3,4)P2 +PI(3,4,5)P3,p70s6k》进入核糖体磷酸化S6蛋白》特定mRNA的翻译粘着斑具有两大功能:(1)通过肌动蛋白纤维形成的网络起机械结构的作用;(2)信号转导作用，主要是通过酪氨酸蛋白激酶Src和FAK进行的。Src将FAK磷酸化，磷酸化的FAK与Grb2-Sos连接起来，然后去激活Ras，将信号沿MAP激酶途径进行转导。信号最后可进入细胞核，激活与生长和增殖相关基因的转录。
粘着斑中一些与信号转导相关的关键蛋白与受体酪氨酸激酶途径是相同的，其信号转导途径也很相似。当Src磷酸化FAK时，在FAK分子中形成一个磷酸酪氨酸，可作为接头蛋白Grb2的SH2结构域的结合位点。Grb2与FAK结合后能够激活Ras蛋白，然后将生长相关的信号传递给细胞核。这就是细胞通过表面的接触导致细胞增殖的原因所在。由粘着斑介导的信号转导不仅会启动基因的表达，也会影响细胞质的代谢和蛋白质合成。
2.5 Properties of Cell Signaling
细胞信号传递的基本特征：
》具有收敛（convergence）或发散（divergence）的特点；
u》细胞的信号传导既具有专一性又有作用机制的相似性；
u》信号的放大作用和信号所启动的作用的终止并存；
u》细胞以不同的方式产生对信号的适应。
号的整合、调节与终止细胞从环境中得到的不是单一的信号，细胞最后作出的应答也是综合性的。细胞内的信号接收和处理系统相当于神经细胞的网络或计算机的微处理器，破译信息，作出综合反应。
Signal network system & Cross Talking
信号的汇集、趋异与窜扰细胞内的各种信号途径并非都是单一的通向某一方向而是相互转化的。有些细胞外的信号分子与受体结合后，不仅仅引起一种应答，而是有可能激活许多不同的效应物，引起细胞的不同反应。另外，外来的信号有可能汇集后相互协作，共同作用于同一效应物，但也有可能相互抑制。细胞信号转导各途径的这些关系可分为三大类:信号汇集、信号趋异和窜扰。总结了细胞信号转导的这些特点。
图中两种途径通过激活不同的磷脂酶C异构体汇集到一起,产生相同的第二信使IP3和DAG。由EGF或PDGF激活的受体酪氨酸激酶的信号沿三条不同的信号转导途径传递,即趋异转导。由IP3的激活作用释放的Ca2+ 不仅激活蛋白激酶C,也可以激活其他一些蛋白,包括促细胞分裂相关的蛋白和蛋白激酶,这就是不同信号转导途径间的通讯。
■ 信号转导途径的汇集(convergent )
信号传导途径的汇集是指不同的信号分子分别作用于不同的受体，但是最后的效应物是相同的。
图中所示是将来自G蛋白偶联受体、整联蛋白、受体酪氨酸激酶的信号通过Grb2-Sos汇集到Ras，然后沿着MAP激酶级联系统进行传递。
■ 信号趋异(divergence )
信号趋异是指同一种信号与受体作用后在细胞内分成几个不同的信号途径进行传递，最典型的是受体酪氨酸激酶的信号转导。
■ 信号途径间的窜扰(crosstalk)
信号转导途径间的"窜扰"是指不同信号转导途径间的相互影响。如PKA系统与受体酪氨酸激酶系统间的相互干扰。
在某些细胞中，G蛋白偶联系统的受体在肾上腺素等细胞外信使的作用下，产生第二信使cAMP，cAMP激活PKA，然后通过PKA抑制Raf，从而阻断了从Ras到Raf的信号传导。
Chapter Ⅵ Cytomatrix & Endomembrane system
一、教学目的和要求：
通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细胞质基质的结构和功能、细胞内膜系统各组分的结构和功能、细胞蛋白质的合成和分选原理和相关概念。
通过对相关细胞器的学习认识，使学生理解内膜系统的“系统性”，理解其生命活动的复杂性，要求学生把蛋白质合成、分选过程和内膜系统相联系。
二、教材分析：
概述：本章内容的知识点很具连贯性，学生结合生物化学、分子生物学的知识自学，是能够理解大部分内容的。但在“蛋白质分选”、“膜泡运输”这部分内容上，教材的条理性不好，是值得注意的地方。
教学重点：细胞质基质、ＥＲ、Golgi,lysosome的结构和功能；蛋白质分选和膜泡运输。
教学难点：两种蛋白质糖基化修饰的基本过程、溶酶体的生物发生、信号假说与蛋白质分选、膜泡运输。
三、教学设想：
教材处理：绝大部分内容以选用教材为授课线索，在部分内容上，如膜泡运输，作适当补充使之更完整和条理。
教学方法：主要采用讲授法和例证法，辅以提问和讨论。
教具：CAI课件四、教学内容：（6学时）
关于真核细胞中具有膜结构的细胞器的总体描述通常有三个概念:
内膜系统是指内质网、高尔基体、溶酶体和液泡(包括内体和分泌泡)等四类膜结合细胞器,因为它们的膜是相互流动的,处于动态平衡,在功能上也是相互协同的。广义上的内膜系统概念也包括线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核等细胞内所有膜结合的细胞器。
细胞质膜系统(cytoplasmic membrane system),细胞质膜系统是指细胞内那些在生物发生上与质膜相关的细胞器,显然不包括线粒体、叶绿体和过氧化物酶体,因为这几种细胞器的膜是逐步长大的,而不直接利用质膜。
膜结合细胞器(membrane-bound organelles)或膜结合区室(membrane-bound compartments),指细胞质中所有具有膜结构的细胞器,包括细胞核、内质网、高尔基体、溶酶体、分泌泡、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等。由于它们都是封闭的膜结构,内部都有一定的空间,所以又称为膜结合区室。
1 Cytoplasmic Matrix
1.1 The meaning of Cytomatrix
》Cytoplasm(细胞质)：细胞核以外，质膜以内的原生质部分。
》Cytomatrix:在细胞质中除了膜性细胞器以外的胶状物质，称为细胞质基质，可发生溶胶和凝胶态变化。
》Cytosol:现在多与cytomatrix等同，出自生化研究：用差速离心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，存留在上清液中的胶质成分。
》成分：中间代谢有关的酶类、细胞骨架结构、水分等。
》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。
在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质，称细胞质基质（cytoplasmic matrix or cytomatrix）。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。细胞与环境，细胞质与细胞核，以及细胞器之间的物质运输、能量交换、信息传递等都要通过细胞质基质来完成，很多重要的中间代谢反应也在细胞质基质中进行。近年来发现细胞质基质还担负着多种重要的功能。
在细胞质基质中主要含有与中间代谢有关的数千种酶类以及与维持细胞形态和细胞内物质运输有关的细胞质骨架结构，从物质代谢与形态结构的角度考虑，有人还把糖原和脂滴等内含物也看作细胞质基质的组分。
细胞质基质的化学组分：小分子物质eg：水分子、无机离子等；生物中等分子eg：脂类、糖类、aa、核苷酸等；生物大分子eg：蛋白质、RNA、脂蛋白、多糖等。
细胞质基质中含大量的酶：几乎所以参加蛋白质合成的酶、合成核酸所需的部分酶、大部分合成脂肪酸的酶以及糖酵解所需的酶等等。蛋白质含量较高可达20%－30%，形成一种粘稠的胶体；对于H2O子，多数H2O是以水化物的形式结合在蛋白质或其他大分子表面的活性部位，仅有少部分H2O游离存在，起溶剂作用。
最近人们注意到在细胞质基质中多数蛋白质，其中包括水溶性蛋白，并不是以溶解状态存在的。用免疫荧光技术显示了与酵解过程有关的一些酶就是结合在微丝上，在骨骼肌细胞中则结合在肌原纤维的某些特殊位点上。这种特异性的结合不仅与细胞的生理状态有关，而且也与组织发育和细胞分化的程度有关。酶与微丝结合后，酶的动力学参数也发生了明显的变化。用原位杂交技术还显示，在卵母细胞中不同种的mRNA定位于细胞质基质的不同部位。在非肌肉细胞中肌动蛋白的mRNA主要分布在细胞质外周。
蛋白质之间或蛋白质与其他大分子之间可通过非常弱的键进行相互作用。例如，与糖酵解有关的酶类，彼此间可能以弱键结合形成多酶复合体，定位于细胞质基质的特定部位，以催化葡萄糖到丙酮酸的一系列反应。前一个反应的产物即为下一个反应的底物，二者间的距离仅为几个纳米。其他反应途径可能也以类似方式互相联系，高效有序的完成各种复杂的代谢活动。这说明细胞质基质是一中复杂而有序结构体系。这种结构体系只能在高浓度的蛋白质溶胶及特定的离子环境条件下实现。一旦细胞破裂，在稀释的溶液中这种结构体系就会被破坏，这也是研究细胞质基质比其他细胞器更困难的原因。
1.2 The Functions of Cytomatrix
A.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.
细胞质基质担负着一系列重要的功能，人们了解最多的是许多中间代谢过程都在细胞质基质中进行，如糖酵解过程，磷酸戊糖途径，糖醛酸途径，糖原的合成与部分分解过程等。蛋白质的合成与脂肪酸的合成也都是在细胞质基质中进行的。
B.与细胞质骨架相关的功能：维持细胞形态、运动、胞内物质运输及能量传递等.
细胞质基质另一方面的功能是与细胞质骨架相关的。细胞质骨架作为细胞质基质的主要结构成分，不仅与维持细胞的形态、细胞的运动、细胞内的物质运输及能量传递有关（将在第九章介绍细胞骨架），而且也作为细胞质基质这一结构体系的组织者，为细胞质基质中的其它成分和细胞器提供锚定位点
C.蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解
细胞质基质在蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解等方面也起了重要作用。已发现100余种的蛋白质侧链修饰，绝大多数的修饰都是由专一的酶作用于蛋白质侧链特定位点，在细胞质基质中发生的蛋白质修饰的类型主要有：
(1)蛋白质的修饰,辅酶或辅基与酶的共价结合； 磷酸化与去磷酸化； 糖基化（添加GlcNAc到Ser）; N－端甲基化; 酰基化。
(2)控制蛋白质的寿命:N端第一个aa残基：MTVCSGAP,则蛋白质稳定；否则不稳定，通过依赖于泛素的降解途径（Ubiquitin-dependent Pathway）降解。
(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，形成正确构象。（需Hsp,heat shock protein蛋白的帮助）
2 Endoplasimic Reticulum
》K,R,Porter等于1945年发现于培养的小鼠成纤维细胞，因最初看到的是位于细胞质内部的网状结构，故名内质网（endoplasmic reticulum，ER）。
由K,R,Porter、A,Claude 和 E,F,Fullam等人于1945年发现，他们在观察培养的小鼠成纤维细胞时，发现细胞质内部具有网状结构，建议叫做内质网endoplasmic reticulum，ER，后来发现内质网不仅仅存在于细胞的“内质”部，通常还有质膜和核膜相连，并且与高尔基体关系密切，并且常伴有许多线粒体。
》微粒体Microsome,实际上是在细胞匀浆和离心过程中，由破碎的ER形成的小囊泡。
2.1 Structure of ER
约占细胞总膜面积的一半，是封闭的网络系统。
分为粗面型内质网（ rough endoplasmic reticulum,RER ） 和光面型内质网（ smooth endoplasmic reticulum，SER）。
粗面内质网(rough endoplasmic reticulum,RER)多呈大的扁平膜囊状,在电镜下观察排列极为整齐。它是核糖体和内质网共同构成的复合机能结构,普遍存在于分泌蛋白质的细胞中,其主要功能是合成分泌性的蛋白质、多种膜蛋白和酶蛋白。
光面内质网(smooth endoplasmic reticulum,SER)：无核糖体附着的内质网称为光面内质网,通常为小的膜管和小的膜囊状,而非扁平膜囊状,广泛存在于各种类型的细胞中，包括合成胆固醇的内分泌腺细胞、肌细胞、肾细胞等。光面内质网是脂类合成的重要场所,它往往作为出芽的位点,将内质网上合成的蛋白质或脂类转运到高尔基体。
RER呈扁平囊状，排列整齐，有核糖体附着。
SER呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。
细胞不含纯粹的RER或SER，它们分别是ER连续结构的一部分。
内质网膜约占细胞总膜面积的一半，是真核细胞中最多的膜。内质网是内膜构成的封闭的网状管道系统。具有高度的多型性。可分为粗面型内质网（rough endoplasimic reticulum，RER，）和光面型内质网（smooth endoplasimic reticulum，SER，）两类。RER呈扁平囊状，排列整齐，膜围成的空间称为ER腔（lumen），膜外有核糖体附着。SER呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。肌肉细胞中的肌质网是一种特化的SER，称为肌质网，可贮存Ca2+，引起肌肉收缩。细胞不含纯粹的RER或SER，它们分别是ER连续结构的一部分。
ER主要功能是合成蛋白质和脂类，分泌性蛋白和跨膜蛋白都是在ER中合成的。ER合成的脂类除满足自身需要外，还提供给高尔基体、溶酶体、内体、质膜、线粒体、叶绿体等膜性细胞结构。
ER膜中含大约60%的蛋白和40%的脂类，脂类主要成分为磷脂，磷脂酰胆碱含量较高，鞘磷脂含量较少，没有或很少含胆固醇。ER约有30多种膜结合蛋白，另有30多种位于内质网腔，这些蛋白的分布具有异质性，如：葡糖-6-磷酸酶，普遍存在于内质网，被认为是标志酶，核糖体结合糖蛋白（ribophorin）只分布在RER，P450酶系只分布在SER。
2.2 Function of ER
ER在细胞中具有多种重要功能，内质网是细胞内蛋白质和脂类合成的基地，几乎全部的脂类和多种重要的蛋白质都是在内质网上合成的。ER是大部分细胞器以及质膜的所有跨膜蛋白及脂类合成的场所。此外，ER与糖类代谢、解毒作用关系密切。
ER主要功能是合成蛋白质和脂类，分泌性蛋白和跨膜蛋白都是在ER中合成的。
(一)蛋白质的合成粗面内质网的主要功能是帮助膜结合核糖体合成的蛋白质转运。
》蛋白质都是在核糖体上合成的，并且起始于细胞质基质，但是有些蛋白质在合成开始不久后便转在内质网上合成，这些蛋白主要有：
1,向细胞外分泌的蛋白、如抗体、激素；
2,膜的整合蛋白；
3,需要与其它细胞组合严格分开的酶，如溶酶体的各种水解酶；
4,需要进行修饰的蛋白，如糖蛋白。
(二)蛋白质的修饰与加工
》包括糖基化、羟基化、酰基化(形成脂连接蛋白)、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。
》糖基化的作用：
– ①使蛋白质能够抵抗消化酶的作用；
– ②赋予蛋白质传导信号的功能；
– ③某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。
包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。糖基化的作用是,①使蛋白质能够抵抗消化酶的作用；②赋予蛋白质传导信号的功能；③某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。
糖基一般连接在4种氨基酸上，分为2种：
1,O-连接的糖基化（O-linked glycosylation）：与Ser、Thr和Hyp的OH连接，连接的糖为半乳糖或N乙酰半乳糖胺。
2,N-连接的糖基化（N-linked glycosylation）：与天冬酰胺残基的NH2连接，连接的糖为N-乙酰葡糖胺。
内质网上进行的为N-连接的糖基化。糖的供体为核苷糖(nucleotide sugar)，如CMP-唾液酸、GDP-甘露糖、UDP-N-乙酰葡糖胺等。糖分子首先被糖基转移酶转移到膜上的磷酸长醇（dolichol phosphate）分子上，装配成寡糖链。再被寡糖转移酶转到新合成肽链特定序列（Asn-X-Ser或Asn-X-Thr）的天冬酰胺残基上。
新生肽进入ER腔之后除了要进行正确的折叠之外，还要经过各种不同的修饰之后才能运送到其它的部位。
● N-连接糖基化(N-linked glycosylation)
糖基化的第一步是将一个14糖的核心寡聚糖添加到新形成多肽链的天冬氨酸上，其氨基酸的特征序列是Asn-X-Ser/Thr(X代表任何一种氨基酸),由于糖是同天冬酰胺的自由NH2连接，所以将这种糖基化称为N-连接的糖基化。
● 羟基化(hydroxylation)
除了N-连接糖基化以外，新生肽的脯氨酸和赖氨酸要进行羟基化，形成羟脯氨酸和羟赖氨酸，不过这种反应只是在少数蛋白上发生。在合成胶原的细胞中,脯氨酸和赖氨酸羟基化则是一个主要的反应。
● 形成脂锚定蛋白新合成的蛋白质除了成为跨膜蛋白或ER腔中的游离蛋白外，还会通过酰基化同ER膜上的糖脂结合,将自己锚定在ER膜上。是新合成的ER蛋白被信号肽酶从ER上切割之后,立即通过羧基端与已存在于ER膜上的糖基磷脂酰肌醇共价结合,形成脂锚定蛋白的简化过程。形成的脂锚定糖蛋白通过进一步的运输成为质膜外侧的膜蛋白。
● 翻译后跨ER膜运输某些蛋白质也可通过翻译后跨ER膜运输,由于这些蛋白的信号序列太短而无法与SRP相互作用,它们主要是靠分子伴侣维持非折叠状态进行跨膜转运。关于翻译后跨ER膜运输的详细机理还不太清楚。
(三)新生肽链的折叠和装配
》不同的蛋白质在内质网腔中停留的时间不同，这主要取决于蛋白质完成正确折叠和组装的时间。
》正确折叠涉及驻留蛋白：具有KDEL（-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-） or HDEL（-His-Asp-Glu-Leu-COO-）信号。
蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，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。
Bip，识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进重新折叠与装配，属于hsp70家族。
研究发现进入内质网腔中的蛋白质片段很快被一些称为Bip的蛋白结合。
Bip蛋白是重链结合蛋白 (heavy-chain binding protein) 的简称,因为它能够同IgG抗体的重链结合。Bip是一类分子伴侣,属于Hsp70家族,在内质网中有两个作用。
Bip同进入内质网的未折叠蛋白质的疏水氨基酸结合，防止多肽链不正确地折叠和聚合。
Bip与转运到ER中蛋白的疏水部分结合,防止蛋白质的变性或降解,使其正确地折叠。结合有蛋白质的Bip在ATP水解后释放被结合的蛋白,如果释放的蛋白仍然是未折叠的,Bip将重新与这种蛋白结合。Bip还可帮助两种不同的蛋白共同装配。
Bip的第二个作用是防止新合成的蛋白质在转运过程中变性或断裂。通过重组DNA技术,将酵母中编码Bip蛋白的基因突变成温度敏感型后，当提高细胞培养温度时，Bip的功能就会丧失，蛋白质向ER的转移也会停止，推测由于Bip功能的丧失，导致蛋白质在ER中的聚集，抑制了新生肽向ER的转移。
(四)脂质的合成
》由sER合成，包括磷脂和胆固醇各种膜脂（除少数几种线粒体和叶绿体膜脂在它们自己的膜上合成）。
》催化磷脂合成的酶其活性部位朝向胞质基质一侧，因此，磷脂的合成只发生在ER膜临近胞质的一半。翻转酶Flippase,能把含胆碱的磷脂从膜的胞质侧翻转到邻ER腔的一半，但翻转酶对含乙醇胺、丝氨酸、肌醇的磷脂无效，所以造成膜两半脂分布不对称。
细胞膜所需要的最重要的磷脂也是在光面内质网上合成的。在光面内质网上合成的磷脂先作为内质网膜的构成部分，然后再转运给其他的膜。
是光面内质网合成磷脂酰胆碱的过程,反应中最先形成的磷脂被包埋在内质网的膜中,但朝向胞质溶胶；合成的终产物磷脂酰胆碱仍然存在于内质网膜中。催化反应的酶类既有存在于胞质溶胶中的,也有存在于内质网中的膜蛋白。
首先，内质网膜中脂肪酸与胞质溶胶中的磷酸甘油结合,然后脱磷,并内质网膜中胆碱磷脂转移酶的作用下,将胞质溶胶中的CDP-胆碱与内质网膜中的甘油脂肪酸结合形成磷脂酰胆碱。新合成的磷脂酰胆碱朝向胞质溶胶一侧,但可在内质网膜中磷脂转位酶的作用下翻转到内质网的腔面。
磷脂转位蛋白与翻转酶(flippase)：磷脂的合成都是在内质网的胞质溶胶面，但在内质网上合成的磷脂几分钟之后就由胞质溶胶面转向膜的另一面，即内质网腔面,磷脂的转位是由内质网膜中磷脂转位蛋白(phospholipid translocator)或称翻转酶帮助的。翻转酶催化的磷脂移动也是有选择性的,如能够翻转磷脂酰胆碱的翻转酶则不能催化其他的磷脂翻转,这样保证了膜中磷脂分布的不对称。
磷脂交换蛋白(phospholipid exchang proteins,PEP)与磷脂转运：
内质网中的磷脂不断合成，使得内质网的膜面积越来越大，必须有一种机制将磷脂转运到其它的膜才能维持内质网膜的平衡,这就是磷脂转运。
磷脂的转运有两种方式。一种是凭借一种水溶性蛋白,叫磷脂交换蛋白的作用; 另一种是以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上，详细机制在后面介绍。
(五)内质网的其它功能
》解毒，如肝细胞的细胞色素P450酶系。
》类固醇激素的合成（生殖腺内分泌细胞和肾上腺皮质）。
》肝细胞葡萄糖的释放（使葡糖6-磷酸水解，释放糖至血液中）
》储存钙离子：如肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中Ca2+ 泵入肌质网腔中。
》提供酶附着的位点和机械支撑作用。
解毒作用：SER中的P450酶系属于单加氧酶（monooxygenase），又称为多功能氧化酶 (mixed function oxidase)、羟化酶(hydroxylase)，因其还原态的吸收峰在450nm处，故名。主要分布在SER中，但也存在于质膜、线粒体、高尔基体、过氧化物酶体、核膜等细胞器的膜中，具有解毒作用，通常可将脂溶性有毒物质，代谢为水溶性物质，使有毒物质排出体外。有时也会将致癌物代谢为活性致癌物。P450种类繁多，但都是与其他辅助成分组成一个呼吸链来实现其功能，呼吸链中的P450还原酶实际就是一种黄素蛋白。P450催化O2分子中的一个原子加到底物分子上使之羟化，另一个氧原子被NADH或NADPH提供的氢还原生成水，在此氧化过程中无高能磷酸化合物生成。
甾体类激素的合成：在生殖腺和肾上腺的内分泌细胞中，SER、线粒体，可能还有高尔基体上的一些酶共同参与甾体类激素的合成。
调节血糖浓度：使葡糖6-磷酸水解为磷酸和葡萄糖，释放糖至血液中。细胞中的糖元可被酶转化为葡糖1-磷酸，再转变为葡糖6-磷酸，但由于膜对磷酸化的糖是高度不通透的，葡糖6-磷酸只有在去磷酸化以后才能通过质膜，进入血液。
形成一些特殊结构：如肌细胞中的SER特化成的肌质网可储存钙离子，作为细胞内信号物质。
支撑作用：内质网是细胞内最丰富的膜，形成了一种网络结构，提供机械支撑作用，并成为细胞质中酶附着的支架。
3 Golgi Complex
》1889年，Golgi用银染法，在猫头鹰的神经细胞内观察到了清晰的结构，因此定名为高尔基体。20世纪50年代以后才正确认识它的存在和结构。
》又称Golgi body 或Golgi apparatus.
人们花费了半个世纪的时间才确认高尔基体的存在，这不仅是由于当时主要研究手段——光学显微镜的局限性，而且也反映了高尔基体的自身结构特征。高尔基体是由大小不一、形态多变的囊泡体系组成，在不同的细胞中，甚至细胞生长的不同阶段都有很大的区别。有时不易辨认，而且更难分离与纯化，再加上一般动物细胞中数目较少，在含量丰富的肝细胞中也仅有50个左右的高尔基体。因此对高尔基体的结构与功能的研究一直是细胞生物学家面临的挑战性的难题之一。
3.1 The Shape & Structure of Golgi
》常分布于内质网与细胞膜之间，呈弓形或半球形。
》是由数个扁平囊泡堆在一起形成的高度有极性的细胞器。凸出的一面对着内质网称为形成面或顺面cis face,凹进的一面对着质膜称为成熟面或反面trans face。顺面和反面都有一些或大或小的运输小泡。
》扁平囊直径约1um，单层膜构成，中间为囊腔，周缘多呈泡状，4~8个扁平囊在一起(某些藻类可达一二十个) 。
●数量：物体中高尔基复合体的数量不等,平均为每细胞20个。在低等真核细胞中,高尔基复合体有时只有1～2个，有的可达一万多个。在分泌功能旺盛的细胞中,高尔基复合体都很多。如胰腺外分泌细胞、唾液腺细胞和上皮细胞等。而肌细胞和淋巴细胞中高尔基复合体较少见。
●分布：尔基复合体只存在于真核细胞中,原核细胞中则无。在一定类型的细胞中,高尔基复合体的位置比较恒定,如外分泌细胞中高尔基体常位于细胞核上方，其反面朝向细胞质膜；神经细胞的高尔基体有很多膜囊堆分散于细胞核的周围。
高尔基体的功能隔区：
1,高尔基体顺面的网络结构（ cis Golgi network,CGN）是高尔基体的入口区域。
2,高尔基体中间膜囊（medial Golgi），多数糖基修饰，糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成均发生此处。
3,高尔基体反面的网络结构（ trans Golgi network,TGN），是高尔基体的出口区域，功能是参与蛋白质的分类与包装，最后输出。
● 结构上的极性:高尔基体的结构可分为几个层次的区室; ①靠近内质网的一面称为顺面(cis face),或称形成面(forming face)；②高尔基体中间膜囊(medial Golgi); ③靠近细胞质膜的一面称为反面高尔基网络 (trans Golgi network，TGN)。
● 功能上的极性:高尔基体执行功能时是“流水式”操作,上一道工序完成了,才能进行下一道工序。
高尔基体各部分膜囊具有不同的细胞化学反应：
①嗜锇反应：cis面膜囊被特异地染色；
②焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)：可特异显示高尔基体的trans面的1～2层膜囊；
③烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)：可显示高尔基体中间几层扁平囊；
④胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)：可显示靠近trans面上的一些膜囊状和管状结构，CMP酶也是溶酶体的标志酶。
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。
3.2 Functions of Golgi
高尔基体的主要功能将内质网合成的蛋白质进行加工、分类、与包装，然后分门别类地送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。
(一)参与细胞分泌活动
RER上合成蛋白质→进入ER腔→COPII运输泡→进入CGN→在medial Gdgi中加工→在TGN形成运输泡→运输与质膜融合、排出。
高尔基体对蛋白质的分类，依据的是蛋白质上的信号肽或信号斑。
》细胞内合成的多种蛋白（质膜蛋白、溶酶体中的酸性水解酶、ECM蛋白成分等）都是通过Golgi分类、运输。
》高尔基体对蛋白质的分类，依据的是蛋白质上的信号序列（如KDEL序列），或信号斑，而这种信息仅存在于编码该蛋白质的基因本身。
》溶酶体酶的分选：M6P ú反面膜囊M6P受体。
(二)蛋白质的糖基化及其修饰
》蛋白质的N-连接糖基化是在rER中进行的,而对糖基的修饰则是在高尔基体中完成的。
》O-连接的糖基化主要在高尔基体中进行，糖的供体为核苷糖。
》蛋白聚糖的合成及植物细胞壁中的几种多糖，包括半纤维素、果胶也是在高尔基体中合成的。
N-连接的糖链合成起始于内质网，完成与高尔基体。在内质网形成的糖蛋白具有相似的糖链，由Cis面进入高尔基体后，在各膜囊之间的转运过程中，发生了一系列有序的加工和修饰，原来糖链中的大部分甘露糖被切除，但又被多种糖基转移酶依次加上了不同类型的糖分子，形成了结构各异的寡糖链。糖蛋白的空间结构决定了它可以和那一种糖基转移酶结合，发生特定的糖基化修饰。
许多糖蛋白同时具有N-连接的糖链和O-连接的糖链。O-连接的糖基化在高尔基体中进行，通常的一个连接上去的糖单元是N-乙酰半乳糖，连接的部位为Ser、Thr和Hyp的OH基团，然后逐次将糖基转移到上去形成寡糖链，糖的供体同样为核苷糖，如UDP-半乳糖。糖基化的结果使不同的蛋白质打上不同的标记，改变多肽的构象和增加蛋白质的稳定性。
在高尔基体上还可以将一至多个氨基聚糖链通过木糖安装在核心蛋白的丝氨酸残基上，形成蛋白聚糖。这类蛋白有些被分泌到细胞外形成细胞外基质或粘液层，有些锚定在膜上。
N-连接的糖基化
》第一步是将一个14糖的核心寡聚糖添加到新形成多肽链的Asn上，其氨基酸的特征序列是Asn-X-Ser/Thr(X代表任何一种氨基酸)。
》3分子葡萄糖和部分甘露糖在ER中即被切除，转移到Golgi中继续加工，切除或添加其它糖残基。根据加工方式又分为：
a:高甘露糖N-连接的糖基化High Mannose N-linked glycosylation；
b:复杂的N-连接的糖基化Complex N-linked glycosylation。
,Complex N-linked glycosylation，除含有GlcNAc和Man之外，还添加岩藻糖、半乳糖和唾液酸。
,N-linked glycosylation最终都含有相同的2个GlcNAc和3个Man 残基。
糖基化的第一步是将一个14糖的核心寡聚糖添加到新形成多肽链的天冬氨酸上，其氨基酸的特征序列是Asn-X-Ser/Thr(X代表任何一种氨基酸),由于糖是同天冬酰胺的自由NH2连接，所以将这种糖基化称为N-连接的糖基化。
新合成蛋白进行糖基化修饰的一种方式。糖通过与蛋白质的天冬氨酸的自由NH2基连接，所以将这种糖基化称为N-连接的糖基化。这一过程在在内质网中进行的。糖基化的第一步是将一个14糖的核心寡聚糖添加到新形成多肽链的天冬酰胺上，其氨基酸的特征序列是Asn-X-Ser/Thr(X代表任何一种氨基酸),天冬酰胺作为受体。
核心寡聚糖是由N-乙酰葡萄糖胺、甘露糖和葡萄糖组成。这种寡聚糖同ER膜中的磷酸多萜醇(dolichol phosphate)紧紧相连。被转移到新生肽上的寡聚糖在ER中会进一步加工，主要是切除三分子葡萄糖和一分子甘露糖。多萜醇是长链的醇,具有很长的疏水尾部能够紧紧的结合在膜的双脂层上。核心寡聚糖链是结合在多萜醇的磷酸基上,当ER膜上有蛋白质合成时,整个糖链一起转移。
●N-连接糖基化的修饰蛋白质的N-连接糖基化是在内质网中进行的,而对糖基的修饰则是在高尔基体中完成的。
对于进入到高尔基体的糖蛋白来说,形成高甘露糖基寡聚糖侧链所需的修饰比较简单,只要切除3 分子的葡萄糖即可,这一过程是在RER中完成的。
而形成复合寡聚糖则比较复杂,要切除5分子甘露糖,加上2分子N-乙酰葡萄糖胺、2分子半乳糖、2分子唾液酸,有时还要加上岩藻糖。
O-linked glycosylation
》O-连接的糖基化是将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基的氧原子上。O-连接的糖基化是由不同的糖基转移酶催化的,每次加上一个单糖。同复杂的N-连接的糖基化一样,最后一步是加上唾液酸残基,这一反应发生在高尔基体反面膜囊和TGN中。
● O-连接的糖基化(O-linked glycosylation)
特征
N-连接
O-连接
合成部位
糙面内质网
糙面内质网或高尔基体
合成方式
来自同一个寡糖前体
一个个单糖加上去
与之结合的氨基酸残基
天冬酰胺
丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸
最终长度
至少5个糖残基
一般1-4个糖残基，但ABO血型抗原较长
第一个糖残基
N-乙酰葡萄糖胺
N-乙酰半乳糖胺等
高尔基体中进行的另一种蛋白质的糖基化是O-连接的糖基化,将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基的氧原子上。
(三)蛋白酶的水解和其它加工过程
》如将蛋白质N端或C端切除，成为有活性的物质，如胰岛素（C端）、胰高血糖素、血清蛋白。
》将含有多个相同氨基序列的前体水解为有活性的多肽，如神经肽。
》含有不同信号序列的蛋白质前体在高尔基体加工成不同的产物。或同一种蛋白质前体在不同细胞、以不同的方式加工成不同的多肽。
》加工还包括肽链酪氨酸残基的硫酸化作用。
加工方式多样性的可能原因：
》确保小肽分子的有效合成；
》弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号；
》有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。
(四)参与细胞内的膜泡运输、蛋白质的分选分泌性的蛋白质、多数质膜的膜蛋白在rER合成，经高尔基体的加工，分装通过膜泡运输的方式输送到细胞表面或其他部位。同样，细胞表面的大分子和颗粒性物质及质膜的膜蛋白也会通过胞饮或吞噬作用以膜泡运输的方式进入细胞。高尔基体无论不论向细胞外运输的膜泡转移还是在内吞形成的膜泡转移中起重要作用。伴随各种膜泡运输，细胞内形成复杂的“膜流”，高尔基体在“膜流”的调控过程中起中枢作用。
其它功能：
参与形成溶酶体。
与植物细胞壁的形成。
合成植物细胞壁中的纤维素和果胶质。
4 Lysosome & Microbody
,溶酶体（lysosome）为C,de Duve与B,Novikoff 1955年首次发现。
》是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要功能是进行细胞内消化。
1955年de Duve与Novikoff首次发现溶酶体（lysosome）。它是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要功能是进行细胞内消化。
具有异质性，形态大小及内含的水解酶种类都可能有很大的不同，标志酶为酸性磷酸酶。根据完成其生理功能的不同阶段可分为初级溶酶体（primary lysosome），次级溶酶体（secondary lysosome）和残体（residual body）。
溶酶体是动物细胞中一种膜结合细胞器,含有多种水解酶类,在细胞内起消化和保护作用,可与吞噬泡或胞饮泡结合,消化和利用其中的物质。也可以消化自身细胞破损的细胞器或残片,有利于细胞器的重新组装、成分的更新及废物的消除。
4.1 The Structure & Types of Lysosome
》具有异质性Heterogenous，形态大小及内含的水解酶种类都可能有很大的不同。酸性磷酸酶是标志酶。
》膜有质子泵(V Type)，将H+泵入溶酶体，使其PH值降低；
》具有多种载体蛋白用于水解产物向外转运；
》膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解。
溶酶体是一种异质性（heterogenous）的细胞器，这是指不同的溶酶体的形态大小，甚至其中所包含的水解酶的种类都可能有很大的不同，电镜细胞化学方法观察可见溶酶体由一个单位膜包围，一般为球形。直径在0.2－0.8μm，溶酶体内含有多种水解酶，现已发现60余种酸性水解酶，这些酶的最适PH为5.0，概括起来包括：
蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、脂酶、磷酸酶、硫酸酶、磷脂酶等六大类。
用溶酶体的标志酶反应，可辨认出不同形态与大小的溶酶体来。酸性磷酸酶（acid phosphatase）是常用的标志酶，用这种方法不仅有助于研究溶酶体的发生与成熟过程，而且还发现了多泡体、线状溶酶体等多种类型的溶酶体。
溶酶体的酶蛋白在rER的核糖体上合成，有证据指出溶酶体可在ER形成，但一般认为溶酶体形成的主要位置是高尔基体，根据溶酶体处于完成其生理功能的不同阶段，大致可分为：
初级溶酶体（前溶酶体）、次级溶酶体、三级溶酶体（残余小体）
Primary lysosome
》直径约0.2~0.5um，有多种酸性水解酶，但没有活性，包括蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酶酶等60余种，反应的最适PH值为5左右。
直径约0.2~0.5um膜厚7.5nm，内含物均一，无明显颗粒。含有多种水解酶，但没有活性，只有当溶酶体破裂，或其它物质进入，才有酶活性。其水解酶包括蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酶酶等60余种，这些酶均属于酸性水解酶，反应的最适PH值为5左右，溶酶体膜虽然与质膜厚度相近，但成分不同主要区别是①膜有质子泵，将H+泵入溶酶体，使其PH值降低。②膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解。
Secondary lysosome
这些都是消化泡，正在进行或完成消化作用的溶酶体，内含水解酶和相应的底物，可分为自噬溶酶体（autophagolysosome）和异噬溶酶体（phagolysosome），前者消化的物质来自外源，后者消化的物质来自细胞本身的各种组分。
异体吞噬泡（heterophagic vacuole），异噬小体（heterophagosome）：是初级溶酶体与吞噬小体融合后形成的泡状结构。吞噬小体（phago some）是细胞内吞异物后形成的泡状结构，又称初级内吞小泡。
自体吞噬泡（autophagic vacuole），自噬小体（autophagosome）：是初级溶酶体含有细胞自身的部分物质，（细胞器）进行消化的泡状结构。这部分细胞器可能是衰老的或多余的，这是一种自我保护作用。
Residual body
又称后溶酶体（post-lysosome）已失去酶活性，仅留未消化的残渣故名，残体可通过外排作用排出细胞，也可能留在细胞内逐年增多。
次级溶酶体中的物质被消化完毕后，其残渣存在的泡状结构。这时已失去酶活性或酶活性极弱。异噬小体和自噬小体是正行使消化功能的次级溶酶体，而后溶酶体则是已经行使完消化功能的结构。
4.2 The Function of Lysosome
1,细胞内消化：对高等动物而言细胞的营养物质主要来源于血液中的水分子物质，而一些大分子物质通过内吞作用进入细胞，如内吞低密脂蛋白获得胆固醇，对一些单细胞真核生物，溶酶体的消化作用就更为重要了。
2,细胞凋亡：个体发生过程中往往涉及组织或器官的改造或重建，如昆虫和蛙类的变态发育等等。这一过程是在基因控制下实现的，溶酶体可清除不需要的细胞。
3,自噬作用(autophagy)：清除细胞中无用的生物大分子，衰老的细胞器等，如许多生物大分子的半衰期只有几小时至几天，肝细胞中线粒体的平均寿命约10天左右。
4,防御作用：如巨噬细胞可吞入病原体，在溶酶体中将病原体杀死和降解。
5,参与分泌过程的调节，如将甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素。
6,形成精子的顶体 。
Addition:溶酶体与疾病
1．矽肺二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬细内吞噬，含有矽尘的吞噬小体与溶酶体合并成为次级溶酶体。二氧化硅的羟基与溶酶体膜的磷脂或蛋白形成氢键，导致吞噬细胞溶酶体崩解，细胞本身也被破坏，矽尘释出，后又被其他巨噬细内吞噬，如此反复进行。受损或已破坏的巨噬细胞释放“致纤维化因子”，并激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化。
2．肺结核结核杆菌不产生内、外毒素，也无荚膜和侵袭性酶。但是菌体成分硫酸脑苷脂能抵抗胞内的溶菌杀伤作用，使结核杆菌在肺泡内大量生长繁殖，导致巨噬细胞裂解，释放出的结核杆菌再被吞噬而重复上述过程，最终引起肺组织钙化和纤维化。
3．各类贮积症贮积症（storage disease）是由于遗传缺陷引起的，由于溶酶体的酶发生变异，功能丧失，导致底物在溶酶体中大量贮积，进而影响细胞功能，常见的贮积症主要有以下几类。
台-萨氏综合征（Tay-Sachs diesease）：要叫黑蒙性家族痴呆症，溶酶体缺少氨基已糖酯酶A（β-N-hexosaminidase），导致神经节甘脂GM2积累，影响细胞功能，造成精神痴呆，2~6岁死亡。患者表现为渐进性失明、病呆和瘫痪，该病主要出现在犹太人群中。
II型糖原累积病（Pompe病）：溶酶体缺乏α-1,4-葡萄糖苷酶，糖原在溶酶体中积累，导致心、肝、舌肿大和骨骼肌无力。属常染色体缺陷性遗传病，患者多为小孩，常在两周岁以前死亡。
Gaucher病：又称脑苷脂沉积病,是巨噬细胞和脑神经细胞的溶酶体缺乏β- 葡萄糖苷酶造成的。大量的葡萄糖脑苷脂沉积在这些细胞溶酶体内,巨噬细胞变成Gaucher 细胞，患者的肝、脾、淋巴结等肿大，中枢神经系统发生退行性变化，常在1 岁内死亡。
细胞内含物病（inclusion-cell disease，I-cell disease）：一种更严重的贮积症，是N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶单基因突变引起的。由于基因突变，高尔基体中加工的溶酶体前酶上不能形成M6P分选信号，酶被运出细胞（default pathway）。这类病人成纤维细胞的溶酶体中没有水解酶，导致底物在溶酶体中大量贮积，形成所谓的“包涵体（inclusion）”。另外这类病人肝细胞中有正常的溶酶体，说明溶酶体形成还具有M6P之外的途径。
4．类风湿性关节炎溶酶体膜很易脆裂，其释放的酶导致关节组织损伤和发炎 。
4.3 The Arise of Lysosome
》初级溶酶体是在高尔基体的trans面以出芽的形式形成。目前了解的比较清楚的是M-6P途径。
其形成过程如下。
Signal Patch
信号斑(signal patch):是由几个肽段形成的一个三维结构的表面,这几段信号肽聚集在一起形成一个斑点被磷酸转移酶识别。信号斑是溶酶体酶的特征性信号。
M6P标志的形成
rER合成溶酶体蛋白→进入内质网腔进行N-连接的糖基化修饰→进入高尔基体cis面膜囊→磷酸转移酶识别溶酶体水解酶的信号斑→将乙酰葡糖胺磷酸转移在多个个甘露糖残基上→在中间膜囊l磷酸葡萄糖苷酶切去N-乙酰葡糖胺形成M6P标志
M6P并非是溶酶体酶的唯一分选途径
》依赖于M6P 的分选途径的效率不高，部分溶酶体酶通过运输小泡直接分泌到细胞外。
》在细胞质膜上存在依赖于钙离子的M6P受体，同样可与胞外的溶酶体酶结合，通过受体介导的内吞作用，将酶送至前溶酶体中，M6P受体返回细胞质膜，反复使用。
》还存在不依赖于M6P的分选途径（如酸性磷酸酶、分泌溶酶体(Secretory Lysosome)的穿孔素和粒酶。
4.4 Microbody
》Rhodin 1954发现于鼠肾小管上皮细胞。
》是一种具有异质性的细胞器。直径通常0.5um，呈圆形，椭圆形或哑呤形不等，由单层膜围绕而成。分为过氧化物酶体（peroxisome）及乙醛酸循环体（glyoxysome），后者见于植物。
》特点：含过氧化氢酶（标志酶）和一至多种依赖黄素（flavin）的氧化酶，已发现40多种氧化酶，各类氧化酶的共性是将底物氧化后生成过氧化氢。而过氧化氢酶又将H2O2氧化分解为H2O。
微体的功能
1,在动物中,①参与脂肪酸的β-氧化； ②具有解毒作用，过氧化氢酶利用H2O2将酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质氧化，饮入的酒精1/4是在微体中氧化为乙醛。
2,在植物中：①参与光呼吸，将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢，②在萌发的种子中，进行脂肪的β-氧化，产生乙酰辅酶A，经乙醛酸循环，由异柠檬酸裂解为乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循环，因涉及乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体。
解毒作用：主要体现在动物细胞，这种微体含有与生成H2O2有关的酶，也含有分解H2O2的过氧化氢酶，将代谢过程中产生的对细胞有毒害的H2O2分解。
分解脂肪酸等高能分子，向细胞直接提供热能。
与胆固醇代谢有关。
执行光呼吸（乙醇酸代谢）：这一功能体现在植物细胞。过氧化物酶体是乙醇酸氧化的场所，氧化的结果是摄取氧，释放CO2，这一过程只能在光照下，与叶绿体、线粒体联合进行，称为光呼吸（photorespiration））
微体的发生
》已有的过氧化物酶体在细胞分裂时，以分裂方式传给子代细胞,再进行进一步的装配。
》微体中所有的酶都由核基因编码，在细胞质基质中合成，在信号肽的引导下，进入过氧化物酶体。
》引导蛋白质进入微体的信号序列过氧化物酶体蛋白分选的信号序列（Peroxisomal-targeting signal，PTS）：PTS1为Ser-lys-leu，多存在于基质蛋白的C端。PTS2为Arg/Lys-Leu/lle-5X-His/Gln-leu，存在于某些基质蛋白N-端。膜脂在内质网上合成后，通过磷脂转移蛋白PTP转移而来。
Microbody VS Lysosome
Characters
Lysosome
Microbody
形态、大小
多球形，直径0.2-0.5μm，无酶晶体
球形，直径0.15-0.25μm，多有酶晶体
酶种类
酸性水解酶
氧化酶类、过氧化氢酶
PH
5左右
7左右
是否需O2
不需要
需要
功能
细胞内消化
多种功能
发生
高尔基体出芽形成
分裂和装配形成，酶在细胞质基质中合成
标志酶
酸性磷酸酶
过氧化氢酶
5 Protein Sorting
从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生（线粒体、叶绿体），从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂。当细胞进行分裂时，不仅要进行染色体和细胞核的复制，同时各种细胞器通过吸收新合成的成分长大，然后随着细胞的分裂分配到子细胞中去。细胞不能从无到有产生所有膜性细胞器，新的膜性细胞器来源于已存在细胞器的分裂。如果彻底移除细胞内所有的过氧化物酶体，细胞根本不能重建新的过氧化物酶体，因为过氧化物酶体中具有选择性地接受细胞质内合成的蛋白质的转位因子（translocator）。细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面：其一是蛋白质中包含特殊的信号序列（signal sequence or targeting sequence ），其二是细胞器上具特定的信号识别装置（分选受体，sorting receptor），因此内膜系统的发生具有核外遗传（epigenetic）的特性。
为什么说蛋白质的合成和分选运输是细胞中最重要的生命活动之一?
这是因为在细胞生命周期的各个阶段都需要不断补充和更新蛋白质(或酶); 细胞中的线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器都是通过已存在细胞器的分裂增殖的，新形成的细胞器的生长需要大量的蛋白质。细胞本身也是通过分裂增殖的,新形成的细胞为了增大体积，需要不断地补充蛋白。即使是不进行分裂的细胞，由于细胞内蛋白质的寿命限制和降解，也需要不断地补充蛋白质，取代细胞器中丧失功能的蛋白,所以蛋白质的合成和分选运输是细胞中最重要的生命活动之一。
5.1 蛋白质分选和运输的基本原理蛋白质是由核糖体合成的，合成之后必须准确无误地运送到细胞的各个部位。在进化过程中每种蛋白形成了一个明确的地址签(address target),细胞通过对蛋白质地址签的识别进行运送,这就是蛋白质的分选(protein sorting)。细胞中蛋白质的运输有两种方式:共翻译运输和翻译后运输,内膜系统参与共翻译运输,是分泌蛋白质分选的主要系统。
5.1.1 蛋白质分选的两条基本途径
A:翻译后转移Post-translation translocation：在细胞质基质中完成多肽链的合成（翻译），再转运至膜结合的细胞器（如，线粒体、叶绿体、微体、细胞核等）或细胞质基质的特定部位。
B:共翻译转移Co-translation translocation：在细胞质基质中多肽链的合成起始后，边合成边转入内质网腔中，随后经高尔基体运至溶酶体、质膜、分泌到细胞外（还包括内质网和高尔基体中的蛋白质）。
5.1.2 蛋白质分选定位的空间障碍及运输方式
》从蛋白质定位的细胞内空间部位结构来看,可分三种类型:
①没有膜障碍的,如细胞质基质,包括细胞质基质中的细胞骨架蛋白和各种酶及蛋白分子；
②有完全封闭的膜障碍,如线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体等；
③有膜障碍,但是膜上有孔,如细胞核。
蛋白质分选的运输方式：
1,门控运输（gated transport）：如通过核孔复合体的运输，具有选择性。
2.跨膜运输（transmembrane transport）：蛋白质通过跨膜通道进入目的地。如细胞质中合成的蛋白质通过线粒体上的转位因子（translocator）进入线粒体。
3.膜泡运输（vesicular transport）：被运输的物质在内质网或高尔基体中加工成衣被小泡，选择性地运输到靶细胞器。
蛋白质在核孔运输和小泡运输中可保持折叠的形式,但在跨膜运输中必须解折叠,定位后再进行折叠。无论是何种运输方式都需要消耗能量。
4.细胞质基质中的蛋白质运输：从胞质基质的合成部位运输到特定的功能部位。
蛋白质分选定位的时空概念所谓蛋白质分选定位的时空概念包括两种含义:①合成的蛋白质何时转运?②合成蛋白质在细胞中定位空间及转运中所要逾越的空间障碍是什么?
● 从时间上考虑,蛋白质的合成分选有两种情况:先合成,再分选和一边合成一边分选。为了适于蛋白质分选的时间上的需要,核糖体在合成蛋白质时就有两种存在状态:游离的或与内质网结合的。
● 从蛋白质定位的空间看,包括了细胞内各个部分,即使是具有蛋白质合成机器的线粒体和叶绿体也需要从细胞质中获取所需蛋白质。
5.2 蛋白质分选的信号机制
5.2.1 Signal hypothesis
》G．Blobel et al：Signal hypothesis,1975.获1999年Nobel prize(M&P).
》核心内容：分泌性蛋白质在N端具有信号肽（Signal peptide），指导它到内质网膜上合成。
》这一过程涉及：
信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）；
信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白docking protein，DP）；
ER膜上的易位子（Translocon）等。
5.2.2 分选信号
①信号序列（signal sequence）：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常15-60个氨基酸残基，有些在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶（signal peptidase）切除；通常信号序列对所引导的蛋白质没有特异性要求，每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向。（如分泌蛋白的signal peptide、线粒体蛋白的leader peptide、ER的K/HDEL序列）
②信号斑（signal patch）：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。
虽然蛋白质可通过不同的方式和机制克服空间障碍,定位到膜结合的细胞器中,但就其定位的准确性来说,无论何种运输机制都是通过信号引导实现的,换句话说,信号序列决定蛋白质的正确运输方向。
(a)具有ER定位信号序列的蛋白质被运输到ER中,而没有引导序列的蛋白质存在于胞质溶胶中。(b)通过重组DNA技术将引导序列与胞质溶胶的蛋白基因重组,表达的胞质溶胶蛋白被定位到ER,相反,被剥夺了ER定位信号的蛋白质则只能存在于胞质溶胶中。该实验说明引导序列对所引导的蛋白质没有特异性。
● 信号序列特性通常为15-60个氨基酸长度，位于新生肽的N端。通过基因工程的方法证明信号序列指导的蛋白质运输和定位对蛋白质没有特异性,但不同的膜结合细胞器具有不同的蛋白质定位的信号序列(表9-3)。
功能 信号序列组成
输入内质网 +H3 N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val- Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu- Gln-Leu-Thr- Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln
滞留内质网 -Lys-Asp-Glu-Leu-COO——
输入线粒体 +H3 N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe- Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser- Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-
输入细胞核输入过氧化物酶体 -Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val--Ser-Lys-Leu-
说明,+H3N 代表氨基端; COO——代表羧基端。
● 信号序列的类型根据信号序列运输方向的不同分为三种类型，即入核信号、引导肽和信号肽。入核信号指导核蛋白的运输，引导肽指导线粒体、叶绿体和过氧化物酶体蛋白的运输，信号肽则指导内膜系统的蛋白质运输。
5.2.3 跨膜蛋白的形成机制
》Start transfer sequence,起始转移序列：引导穿过ER膜。
》Stop transfer sequence：和ER膜有较强亲和力而结合在脂双层中，使之不再转入ER腔。
5.3 Vesicular transport
共翻译转移的蛋白质进入内质网后是通过膜泡（visicle）转运的，其机理涉及三个基本问题：
》①小泡是怎样装配（assembly）形成的?
》②不同类型小泡如何识别靶膜（targeting）?
》③膜泡如何和靶膜融合（fusion）?
5.3.1 Types of Coated Vesicles，and its Assembly
在细胞分泌和内吞过程中,从膜上形成的小泡通常由不同的蛋白质包被，因此称为有被小泡(coated vesicles),有三种类型的有被小泡：
1,网格（笼形）蛋白 clathrin coated vesicles
2,COPI coated vesicles
3,COPII coated vesicles
大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的。其表面具有一个笼子状的由蛋白质构成的衣被（coat）。这种衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。衣被具有两个主要作用：①选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡；②如同模具一样决定运输小泡的外部特征，相同性质的运输小泡之所以具有相同的形状和体积，与衣被蛋白的组成有关。
（1） Clathrin Coated Vesicles
》相关运输途径：质膜→内体（选择性胞吞作用），高尔基体→内体，高尔基体→溶酶体、植物液泡。
》结构：由3个重链和3个轻链组成，形成一个具有3个曲臂的形状。许多笼形蛋白的曲臂部分交织在一起，形成具有5边形网孔的笼子。
》衔接蛋白，又称接合素蛋白(adaptin /AP)：介于笼形蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。
目前至少发现4种不同类型的衔接蛋白，可分别结合不同类型的受体，形成不同性质的转运小泡，如AP1参与高尔基体→内体的运输、AP2参与质膜→内体的运输、AP3参与高尔基体→溶酶体的运输。
》发动蛋白(dynamin)：小泡最后与膜的脱离还需要发动蛋白。当网格蛋白衣被小泡形成时。作用是在被膜小窝的颈部聚合,通过水解GTP调节自己收缩,最后将小泡与质膜割开。
Dynamin,是一种单体GTP结合蛋白（有别于三聚体GTP结合蛋白，即G蛋白），也是网格蛋白有被小泡形成的装配反应因子(Assembly Reaction Factor,ARF)
高尔基体TGN是网格蛋白包被小泡形成的发源地.
（2） COPI Coated Vesicles
》功能：负责回收、转运内质网逃逸蛋白（ escaped proteins）返回内质网(逆行转运，Retrograde Transport);还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。
》由多种蛋白亚基(COPαββ’γδεζ)组成，装配与去装配有赖于ARF。
》装配反应因子(assembly reaction factor,ARF)
一种单体GTPase。当ARF同GDP结合时，游离存在于胞质溶胶中,若同GTP结合，GTP使ARF的构型发生改变，暴露出它的脂肪酸链，并随即插入到供体膜中。同膜结合后的ARF——GTP可以同COPI结合，形成被膜小泡。
》回收信号retrieval signal：Lys-Asp-Glu-Leu(KDEL)。 内质网的膜蛋白（如SRP受体）在C端有一个不同的回收信号Lys-Lys-X-X。
》细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制：
a.转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运；
b,以COPI-包被小泡的形式捕获逃逸蛋白。?
,ER→Golgi:顺行转运Anterograde Transport;
Golgi → ER,逆行转运，Retrograde Transport.
负责回收、转运内质网逃逸蛋白（escaped proteins）返回内质网。起初发现于高尔基体碎片，在含有ATP的溶液中温育时，能形成非笼形蛋白包被的小泡。进一步的研究发现这种衣被蛋白复合体包含多达7种肽链。
内质网向高尔基体输送运输小泡时，一部分自身的蛋白质也不可避免的被运送到了高尔基体，如不进行回收则内质网因为磷脂和某些蛋白质的匮乏而停止工作。内质网通过两种机制维持蛋白质的平衡,一是转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，例如有些驻留蛋白参与形成大的复合物，因而不能被包装在出芽形成的转运泡中，结果被保留下来；二是通过对逃逸蛋白的回收机制，使之返回它们正常驻留的部位。
内质网的正常驻留蛋白，不管在腔中还是在膜上，它们在C端含有一段回收信号序列（retrieval signals），如果它们被意外地逃逸进入转运泡从内质网运至高尔基体cis面，则cis面的膜结合受体蛋白将识别并结合逃逸蛋白的回收信号，形成COPI衣被小泡将它们返回内质网。内质网腔中的蛋白，如蛋白二硫键异构酶和协助折叠的分子伴侣，均具有典型的回收信号Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）。内质网的膜蛋白（如SRP受体）在C端有一个不同的回收信号，通常是Lys-Lys-X-X（KKXX，X：任意氨基酸），同样可保证它们的回收。
COP I衣被小泡还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。
（3） COPII Coated Vesicles
》介导从内质网到高尔基体的物质运输。
,由5蛋白质亚基构成：Sec23/Sec24复合体，Sec 13/31复合体,Sec 16。
》大多数跨膜蛋白是直接结合在COP II衣被上，少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与COP II衣被结合。
》分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结构域，形式多样，有些包含双酸性基序[DE]X[DE],如Asp-X-Glu序列。
》装配：Sar-GTP与内质网膜的结合起始COPII亚基的装配，形成小泡的包被并出芽，跨膜受体在腔面捕获并富集被转运的可溶性蛋白 。
衣被是在一类叫作衣被召集GTP酶（coat-recruitment GTPase）作用下形成的。衣被召集GTP酶通常为单体GTP酶（monomeric GTPase），也叫G蛋白，起分子开关的作用，结合GDP的形式没有活性，位于细胞质中，结合GTP而活化，转位至膜上，能与衣被蛋白结合，促进核化和组装。
G蛋白具有两类重要的调节蛋白，即：鸟苷酸交换因子（guanine-nucleotide exchange factor,GEF）和GTP酶激活蛋白（GTPase activating protein,GAP）。GEF的作用是使G蛋白释放GDP，结合GTP而激活。GAP的作用是激活G蛋白的酶活性，使GTP水解，G蛋白失活，G蛋白本身的GTP酶活性不高。除单体G蛋白以外，三聚体G蛋白也起分子开关的作用，控制衣被小泡的形成。
衣被召集GTP酶包括Arf蛋白和Sar 1蛋白，Arf参与高尔基体上笼形蛋白衣被与COP I衣被的形成，Sar 1参与内质网上COP II衣被的形成，两者的作用方式大体相似。质膜上笼形蛋白衣被的形成也与GTP酶有关，但其成分尚不明确。
衣被召集GTP酶大量存在于细胞质中，但处于结合GDP的失活状态。当内质网上要形成COPII衣被小泡时，Sar 1释放GDP结合GTP而激活，激活的Sar 1暴露出一条脂肪酸的尾巴，插入内质网膜，然后开始召集衣被蛋白，以衣被蛋白为模型形成运输小泡。活化的衣被召集GTP酶还可以激活磷脂酶D（phospholipase D），将一些磷脂水解，使形成衣被的蛋白质牢固地结合在膜上。
衣被召集GTP酶对衣被的形成其动态调节作用，当多数衣被召集GTP酶处于结合GTP的状态时，它催化衣被的形成；反之当多数衣被召集GTP酶处于结合GDP的状态时，它催化衣被的解体。因此衣被的形成过程是边形成便解体的动态过程，只有在组装速率大于解体速率时，才能形成衣被小泡。
5.3.2 Mechanism of Targeting & fusion
(1)Targeting：SNARE hypothesis
James Rothman和他的同事根据对动物细胞融合研究的发现,提出有关小泡寻靶的SNARE假说(SNARE hypothesis)。
》NSF和SNAPs：他们发现动物细胞融合需要一种可溶性的细胞质蛋白,叫做N-乙基顺丁烯二酰亚胺敏感的融合蛋白(N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein,NSF)以及其它几种可溶性的NSF附着蛋白(soluble NSF attachment protein,SNAPs)。NSF是一种四聚体，四个亚基都相同。SNAPs 有α-、β-和γ- SNAPs等。
》SNARE hypothesis:
由于NSF/ SNAPs能够介导不同类型小泡的融合,说明它没有特异性。据此Rothman提出:膜融合的特异性是由另外的膜蛋白提供的，把这种蛋白称为SNAP受体蛋白(soluble NSF attachment protein receptor，SNAREs)，这种蛋白可以作为膜融合时SNAPs的附着点。
》不同的小泡具有不同的SNAREs
按照SNARE假说，每一种运输小泡都有一个特殊的V-SNARE(vesicle-SNAP receptor)标志，能够同适当的靶膜上的T-SNARE(target-SNAP receptor)标志相互作用。
(2)Fusion Model
① 运输小泡通过小泡膜中的V-SNARE与靶膜T-SNARE/SNAP25复合物的细胞质结构域相互作用,形成螺旋结构,使运输小泡附着到受体膜。
② 通过多个V-SNARE与靶膜T-SNRE相互作用以及ATP的水解形成预融合复合物；
③ 预融合开始之后立即进行融合,但详细机理不清；
④ 在融合过程中,相互作用的蛋白进行解离,如T-SNARE/V-SNARE/SNAP25相互分开,促进了进一步的融合；
⑤ 含有V-SNARE小泡的形成并回到原始膜中。
衣被小泡沿着细胞内的微管被运输到靶细胞器，马达蛋白水解ATP提供运输的动力。各类运输小泡之所以能够被准确地和靶膜融合，是因为运输小泡表面的标志蛋白能被靶膜上的受体识别，其中涉及识别过程的两类关键性的蛋白质是SNAREs（soluble NSF attachment protein receptor）和Rabs（targeting GTPase）。其中SNARE介导运输小泡特异性停泊和融合，Rab的作用是使运输小泡靠近靶膜。
（一）SNAREs
SNAREs的作用是保证识别的特异性和介导运输小泡与目标膜的融合，动物细胞中已发现20多种SNAREs，分别分布于特定的膜上，位于运输小泡上的叫作v-SNAREs，位于靶膜上的叫作t-SNAREs。v-SNAREs和 t-SNAREs都具有一个螺旋结构域，能相互缠绕形成跨SNAREs复合体（trans-SNAREs complexes），并通过这个结构将运输小泡的膜与靶膜拉在一起，实现运输小泡特异性停泊和融合。实验证明包含了SNARE的脂质体和包含匹配SNARE的脂质体间可发生融合，尽管速度较慢。这说明除了SNARE之外，还有其他的蛋白参与运输泡与目的膜的融合。
在SNAREs接到新一轮的运输小泡停泊之前，SNAREs必须以分离的状态存在，NSF（N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein,NSF）催化 SNAREs的分离，它是一种类似分子伴娘的ATP酶，能够利用ATP作为能量通过插入几个适配蛋白（adaptor protein）将SNAREs复合体的螺旋缠绕分开。
在神经细胞中SNAREs负责突触小泡的停泊和融合，破伤风毒素和肉毒素等细菌分泌的神经性毒素实际上是一类特殊的蛋白酶，能够选择性地降解SNAREs，从而阻断神经传导。
精卵的融合、成肌细胞的融合均涉及SNAREs，另外病毒融合蛋白的工作原理与SNAREs相似，介导病毒与宿主质膜的融合。
（二）Rabs
Rab也叫targeting GTPase，属于单体GTP酶，结构类似于Ras，已知30余种。不同膜上具有不同的Rab，每一种细胞器至少含有一种以上的Rab。Rabs的作用是促进和调节运输小泡的停泊和融合。与衣被召集GTP酶相似的是，起分子开关作用，结合GDP失活，位于细胞质中，结合GTP激活，位于细胞膜、内膜和运输小泡膜上，调节SNAREs复合体的形成。Rabs的调节蛋白与其它G蛋白的相似。Rabs还有许多效应因子（effector），其作用是帮助运输小泡聚集和靠近靶膜，触发SNAREs释放它的抑制因子。许多运输小泡只有在包含了特定的Rabs和SNAREs之后才能形成。
阅读及思考：
1、内质网和高尔基体在膜泡运输中各起什么作用？如何理解“Open prison”？
2、微管和膜泡运输有何关系？
3、有些具包膜的病毒是通过膜融合出芽或向胞质释放核酸的，其机制如何？
5.4 Assembly of Cell structure systems
生物大分子的装配方式：
》自我装配（self-assembly）：装配信息存在于装配亚基本身；
》协助装配（aided-assembly）：其装配除装配亚基外还需其它成分的介入；
》直接装配（direct-assembly）；亚基直接装配到已形成的结构上。
Molecular Chaporone 分子伴侣：细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位相结合，从而帮助这些多肽转运、折叠或装配，这一类分子本身并不参与最终产物的形成，因此称为分子伴侣。
生物大分子装配的生物学意义,
》减少和校正蛋白质合成中出现的错误；
》减少所需的遗传物质信息量；
》通过装配与去装配更容易调节与控制多种生物学过程 。
Chapter Ⅶ Mitochondrion & Chloroplast
一、教学目的和要求：
本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：线粒体的结构和功能，氧化磷酸化的机理；叶绿体的结构和功能，光合磷酸化的机理；线粒体和叶绿体的半自主性，以及其起源。
二、教材分析：
概述：线粒体和叶绿体的知识点在其它课程中都或多或少的涉及过，所以学生的自学难度较小。但在部分内容，例如“线粒体和叶绿体蛋白质的运送和装配”，具有具有一定的难度。
教学重点：线粒体亚显微结构，氧化磷酸化；叶绿体亚显微结构；线粒体和叶绿体蛋白质的运送和装配；线粒体和叶绿体的半自主性，以及其起源。
教学难点：氧化磷酸化，线粒体和叶绿体的半自主性。
三、教学设想：
教材处理：对先行课程已涉及的内容略讲，如“呼吸链”、“光合作用”等；对部分分子部分内容重点讲述。
教学方法：主要采用讲授法和例证法，辅以提问和讨论。
教具：CAI课件四、教学内容：（6学时）
1 Mitochondrion
1890年R,Altaman首次发现线粒体，命名为bioblast，以为它可能是共生于细胞内独立生活的细菌。
1898年Benda首次将这种颗命名为mitochondrion。
1900年L,Michaelis用Janus Green B对线粒体进行染色，发现线粒体具有氧化作用。
Green（1948）证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，Kennedy和Lehninger（1949）发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内完成的，Hatefi等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体。Mitchell（1961－1980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。
1.1 Structure
1.1.1 Shape,Size,Amount & Distributing
》粒状或杆状最常见，也可呈环形、哑铃形、枝状。
》直径0.5~1μm，长1.5~3.0μm，在胰脏外分泌细胞中可长达10~20μm，称巨线粒体。
》在不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大,但在同一类型的细胞中数目相对稳定。有些细胞中只有一个线粒体，有些则有几十、几百、甚至几千个线粒体。
》肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的20%，许多哺乳动物成熟的红细胞无线粒体。
线粒体一般呈粒状或杆状，但因生物种类和生理状态而异，可呈环形，哑铃形、线状、分杈状或其它形状。主要化学成分是蛋白质和脂类，其中蛋白质占线粒体干重的65-70%，脂类占25-30%。
一般直径0.5~1μm，长1.5~3.0μm，在胰脏外分泌细胞中可长达10~20μm，称巨线粒体。
数目一般数百到数千个，植物因有叶绿体的缘故，线粒体数目相对较少；肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的20%；单细胞鞭毛藻仅1个，酵母细胞具有一个大型分支的线粒体，巨大变形中达50万个；许多哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体。
通常结合在维管上，分布在细胞功能旺盛的区域。如在肝细胞中呈均匀分布，在肾细胞中靠近微血管，呈平行或栅状排列，肠表皮细胞中呈两极性分布，集中在顶端和基部，在精子中分布在鞭毛中区。线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨，由马达蛋白提供动力。
1.1.2 Ultrastructure
线粒体由内外两层膜封闭，包括外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区隔。在肝细胞线粒体中各功能区隔蛋白质的含量依次为：基质67%，内膜21%，外8%膜，膜间隙4%。
1、外膜 (out membrane)
含40%的脂类和60%的蛋白质，具有孔蛋白（porin）构成的亲水通道，允许分子量为5KD以下的分子通过，1KD以下的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。
2、内膜 （inner membrane）
含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。心磷脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。如：丙酮酸和焦磷酸是利用H+梯度协同运输。
线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜，因此从能量转换角度来说，内膜起主要的作用。内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。
内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cristae），嵴能显著扩大内膜表面积（达5~10倍），嵴有两种类型：①板层状、②管状，但多呈板层状。
嵴上覆有基粒（elementary particle），基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F0偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。
3、膜间隙(intermembrane space)
是内外膜之间的腔隙，延伸至嵴的轴心部，腔隙宽约6-8nm。由于外膜具有大量亲水孔道与细胞质相通，因此膜间隙的pH值与细胞质的相似。标志酶为腺苷酸激酶。
4、基质（matrix）
为内膜和嵴包围的空间。除糖酵解在细胞质中进行外，其他的生物氧化过程都在线粒体中进行。催化三羧酸循环，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于基质中，其标志酶为苹果酸脱氢酶。
基质具有一套完整的转录和翻译体系。包括线粒体DNA（mtDNA），70S型核糖体，tRNAs,rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。
基质中还含有纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质，内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子。
1.2 Chemical Composition
线粒体组分的分离：利用由于线粒体外膜的通透性比内膜高这一性质。
先将线粒体置于低渗溶液中使外膜破裂，此时线粒体内膜和基质(线粒体质)仍结合在一起，通过离心可将线粒体质分离。用去垢剂毛地黄皂苷处理线粒体质，破坏线粒体内膜，释放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合形成小泡，其表面有F1颗粒。
1.2.1 化学组分
》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）
1.2.2 各部分的标志酶外膜,单胺氧化酶内膜,细胞色素c氧化酶膜间隙,腺苷酸激酶基质,苹果酸脱氢酶
1.3 Mitochondrial Functions
最主要的功能：氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)，动物细胞中80%的ATP来源于线粒体，糖、脂肪和氨基酸彻底氧化，电子经过一系列的传递，传至氧分子，逐级释放能量，合成ATP。
1.3.1 氧化磷酸化的分子基础
(一)电子传递链电子载体主要：NAD、黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶Q、铜原子等。
1、NAD：即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide），连接三羧酸循环和呼吸链，将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。
2、黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白，可接受2个电子2个质子。黄素相关的脱氢酶类主要有：①以FMN为辅基的NADH脱氢酶。②以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。
3、细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。
4、铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。
5、辅酶Q：是脂溶性小分子量醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有3种氧化还原形式，即：氧化型醌Q，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（QH）。
6、铜原子：位于线粒体内膜的一个蛋白质上，形成类似于铁硫蛋白的结构，通过Cu2+、Cu1+的变化传递电子。
(二) 呼吸链的复合物
》呼吸链组分按氧化还原电位由低向高的方向排列。
》利用deoxycholate处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物。辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。
1、复合物I：NADH脱氢酶。
组成：42条肽链组成，呈L型，含一个FMN和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在。
作用：催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。即是电子传递体又是质子移位体。
NADH→（FMN→Fe-S）→Q
2、复合物II：琥珀酸脱氢酶
组成：至少由4条肽链，含有一个FAD，2个铁硫蛋白。
作用：催化琥珀酸的低能量电子转至辅酶Q，但不转移质子。
– 琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。
3、复合物III：细胞色素c还原酶。
组成：至少11条不同肽链，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个铁硫蛋白和一个细胞色素c1 。
作用：催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。即是电子传递体又是质子移位体。
复合物Ⅲ的电子传递比较复杂，和“Q循环,Q Cycle”有关。
4、复合物IV：细胞色素c氧化酶
组成：为二聚体，每个单体含至少13条肽链，分为三个亚单位。
作用：将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。即是电子传递体又是质子移位体。
cyt c→CuA→heme a→a3- CuB→O2
反应式：
4还原态cyt c + 8 H+M + O2→4氧化态cyt c + 4H+C + 2H2O
（三）主、次呼吸链
（1）主呼吸链：由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。
（2）次呼吸链：由复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ构成，催化琥珀酸的脱氢氧化，来自FADH2的电子不经过复合物Ⅰ。
》对应于每个复合物Ⅰ，大约需要3个复合物Ⅲ，7个复合物Ⅳ，任何两个复合物之间没有稳定的连接结构，而是由辅酶Q和细胞色素c这样的可扩散性分子连接。
1.3.2 氧化磷酸化的机理氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指在活细胞中伴随着呼吸链的氧化作用所发生的能量转换和ATP的形成过程。
（一）偶联机制
P,Mitchell（1961）提出“化学渗透假说chemiosmotic coupling hypothesis”，获得1978年诺贝尔化学奖。认为：
》电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧（M侧）泵至膜间隙（C侧），形成质子动力势（ △P），这种势能驱动下，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。
支撑实验：
》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
（二）ATP synthetase
ATP合酶（ATP synthetase），分子量500KD，状如蘑菇。分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子，属于F型质子泵。每个肝细胞线粒体通常含15000个ATP合酶、每个酶每秒钟可产生100个ATP。
F1由5种多肽组成α3β3γδε复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个β亚基具有一个）。α和β单位交替排列，状如桔瓣。γ贯穿αβ复合体（相当于发电机的转子），并与F0接触，ε帮助γ与F0结合。δ与F0的两个b亚基形成固定αβ复合体的结构（相当于发电机的定子）。
F0由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形结构，具有质子通道，可使质子由膜间隙流回基质。
1979年代Boyer P提出构象耦联假说，一些有力的实验证据使这一学说得到广泛的认可。其要点如下：
1．ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP。
2．F1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同、因而与核苷酸的亲和力不同。在L构象（loose），ADP,Pi与酶疏松结合在一起；在T构象（tight）底物（ADP,Pi）与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在O构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。
3．质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动γ亚基旋转，由于γ亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起β亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP。
1979年代Boyer P提出结合变构模型(binding-change model)：
F1中的γ亚基作为C亚基旋转中心中固定的转动杆,旋转时会引起αβ复合物构型的改变。有三种不同的构型，对ATP和ADP具有不同的结合能力,①O型几乎不与ATP、ADP和Pi结合;②L型同ADP和Pi的结合较强;③T型与ADP和Pi的结合很紧，并能自动形成ATP，并能与ATP牢牢结合。当γ亚基旋转并将αβ复合物转变成O型则会释放ATP。
支持构象耦联假说的实验有：
1．日本的吉田（Massasuke Yoshida）等人将α3β3γ固定在玻片上，在γ亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有ATP的溶液中温育时，在显微镜下可观察到γ亚基带动肌动蛋白纤维旋转。
2．在另外一个实验中，将荧光标记的肌动蛋白连接到ATP合酶的F0亚基上，在ATP存在时同样可以观察到肌动蛋白的旋转。
1.3.3 氧化磷酸化的抑制剂
1．电子传递抑制剂
抑制NADH→CoQ的电子传递。阿米妥、鱼藤酮。
抑制复合物III。抗霉素A 。
抑制复合物IV。如：CO、CN、NaN3、H2S。
2．磷酸化抑制剂
与F0结合结合，阻断H+通道。如：寡霉素。
3．解偶联剂（uncoupler）
解偶联蛋白(uncoupling proteins,UCPs)：位于动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体，与维持体温有关。
质子载体,DNP、FCCP。
质子通道：增温素（thermogenin）。
其它离子载体：如缬氨霉素。
某些药物：如过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升高。
2 Chloroplast
》质体Plastid：植物细胞中特有的一类膜结合细胞器的总称，这类细胞器都是由共同的前体：前质体Proplatid分化发育而来。包括：
－白色体 leucoplast;
－有色体 chromoplast;
－叶绿体 chloroplast;
－蛋白质体、油质体、淀粉质体等。
绿色植物通过叶绿体（Chloroplast）完成能量转换，利用光能同化二氧化碳和水，合成糖，同时产生氧。绿色植物年产干物质达1014公斤。
光合作用是地球上有机体生存和发展的根本源泉。
2.1 Shape & Structure
》象双凸或平凸透镜,长径5~10um,短径2~4um,厚2~3um。叶肉细胞一般含50~200个叶绿体，占细胞质的40%。
在高等植物中叶绿体象双凸或平凸透镜，长径5~10um，短径2~4um，厚2~3um。高等植物的叶肉细胞一般含50～200个叶绿体，可占细胞质的40%，叶绿体的数目因物种细胞类型，生态环境，生理状态而有所不同。
在藻类中叶绿体形状多样，有网状、带状、裂片状和星形等等，而且体积巨大，可达100um。
叶绿体由叶绿体外被（chloroplast envelope）、类囊体（thylakoid）和基质（stroma）3部分组成，叶绿体含有3种不同的膜：外膜、内膜、类囊体膜和3种彼此分开的腔：膜间隙、基质和类囊体腔
》其形状、大小、数目因植物种类而异，在同种植物不同组织中也有不同，如分生组织无叶绿体。
2.1.1 Chloroplast Envelope
,双层膜组成，膜间为10~20nm的间隙。
》外膜的渗透性大。
》内膜对通过物质的选择性很强，CO2、O2、Pi、H2O、等可以透过内膜，ADP、ATP、NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透过内膜，需要特殊的转运体（translator）才能通过内膜。
叶绿体外被由双层膜组成，膜间为10~20nm的膜间隙。外膜的渗透性大，如核苷、无机磷、蔗糖等许多细胞质中的营养分子可自由进入膜间隙。
内膜对通过物质的选择性很强，CO2、O2、Pi、H2O、磷酸甘油酸、丙糖磷酸，双羧酸和双羧酸氨基酸可以透过内膜，ADP、ATP已糖磷酸，葡萄糖及果糖等透过内膜较慢。蔗糖、C5糖双磷酸酯，C糖磷酸酯，NADP+及焦磷酸不能透过内膜，需要特殊的转运体（translator）才能通过内膜。
2.1.2 Thylakoid 类囊体
》是膜围成的扁平囊。主要成分是蛋白质和脂类（60：40），不饱含脂肪酸含量高（约87%），膜流动性高。
》基粒Granum,扁平小囊堆叠而成，每个叶绿体含40~60个。
》基质类囊体 Stroma thylakoid:连接基粒的没有堆叠的类囊体.
是单层膜围成的扁平小囊，沿叶绿体的长轴平行排列。膜上含有光合色素和电子传递链组分，又称光合膜。
许多类囊体象圆盘一样叠在一起，称为基粒，组成基粒的类囊体，叫做基粒类囊体，构成内膜系统的基粒片层（grana lamella）。基粒直径约0.25~0.8μm，由10~100个类囊体组成。每个叶绿体中约有40~60个基粒。
