王金發(fā)細(xì)胞生物學(xué)網(wǎng)絡(luò)課件講義全集

王金發(fā)《細(xì)胞生物學(xué)》網(wǎng)絡(luò)課件講義全集1.1細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)及細(xì)胞學(xué)說(shuō)的創(chuàng)立1.1.3細(xì)胞學(xué)理論對(duì)細(xì)胞學(xué)發(fā)展的推動(dòng)作用1.4.2真核細(xì)胞的兩種主要類(lèi)型:動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞1.7.1細(xì)胞生物學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容和發(fā)展方向?qū)W習(xí)指導(dǎo)所有的生物都是由細(xì)胞(cell)構(gòu)成的。除了病毒、類(lèi)病毒等是非細(xì)胞的生命體以外，其它生命有機(jī)體的結(jié)構(gòu)和功能單位都是細(xì)胞。細(xì)菌、酵母等微生物是以單細(xì)胞的形式存在，而高等動(dòng)、植物則是由多細(xì)胞構(gòu)成的，如人大約有3研究細(xì)胞及其生物學(xué)功能的科學(xué)稱為細(xì)胞生物學(xué)(cellbiology)。1.1細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)及細(xì)胞學(xué)說(shuō)的創(chuàng)立蜂窩，稱為"cella"，這是人類(lèi)第一次發(fā)現(xiàn)細(xì)胞，不過(guò)，胡克發(fā)現(xiàn)的只是死的細(xì)胞壁(圖1-1)。胡克的發(fā)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞學(xué)的建立和發(fā)展具有開(kāi)創(chuàng)性的意義，其后，生物學(xué)家就用"cell"一詞來(lái)描述生物體的基本結(jié)構(gòu)。倍左右)，并觀察到了血細(xì)胞、池塘水滴中的原生動(dòng)物、人類(lèi)和哺乳類(lèi)動(dòng)物的精子，這是人類(lèi)第一次觀察到完整的活細(xì)胞。列文虎克把他的觀察結(jié)果寫(xiě)信報(bào)告給了英國(guó)皇家學(xué)會(huì)，得到英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的充分肯定，并很快成為世界圖1-1胡克所用的顯微鏡及觀察的櫟樹(shù)細(xì)胞壁植物是由細(xì)胞構(gòu)成的，植物的胚是由單個(gè)細(xì)胞產(chǎn)生的。是由細(xì)胞構(gòu)成的;②所有的生活細(xì)胞在結(jié)構(gòu)上都是類(lèi)似的。有細(xì)胞的分裂，即細(xì)胞來(lái)自于細(xì)胞。細(xì)胞學(xué)說(shuō)的創(chuàng)立大大推進(jìn)了人類(lèi)對(duì)生命自然界的認(rèn)識(shí)，有力地促進(jìn)了生命科學(xué)的進(jìn)步。恩格斯對(duì)細(xì)胞學(xué)說(shuō)給予極高的評(píng)價(jià)，把它與進(jìn)化論和能量守恒定律并列為19世紀(jì)的三大發(fā)明。為什么恩格斯對(duì)細(xì)胞學(xué)說(shuō)給予與此高的評(píng)價(jià)?1.1.3細(xì)胞學(xué)理論對(duì)細(xì)胞學(xué)發(fā)展的推動(dòng)作用細(xì)胞科學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，而實(shí)驗(yàn)科學(xué)的發(fā)展既依賴于實(shí)驗(yàn)觀察，又有待于理論的升華。盡管細(xì)胞是1665年發(fā)現(xiàn)的，但在其后的170年的時(shí)間里細(xì)胞學(xué)的研究沒(méi)有什么大的發(fā)展，究其原因主要是沒(méi)有將這一發(fā)現(xiàn)上升為理論，因而也就沒(méi)有指導(dǎo)意義。但是，細(xì)胞學(xué)理論創(chuàng)立之后，在這一理論的指導(dǎo)下，細(xì)胞學(xué)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展?！鲈|(zhì)理論的提出1840年普金耶(Pukinje)在動(dòng)物、1846■細(xì)胞受精和分裂的研究■一些重要細(xì)胞器的發(fā)現(xiàn)在這短短的25年里，取得如此多的成果，除了細(xì)胞學(xué)說(shuō)本身的貢獻(xiàn)外，技術(shù)革新起著重要的作用。細(xì)胞染色技術(shù)、切片技術(shù)、顯微技術(shù)等的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新保證了科學(xué)研究的進(jìn)步。當(dāng)然，更重要的是這一時(shí)期人才輩出，他們的不斷追求和探索的精神才是細(xì)胞學(xué)得以發(fā)展的原動(dòng)力。如何理解人才、理論和技術(shù)在科技發(fā)展中的作用?對(duì)細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展階段劃分不一，本書(shū)分為四個(gè)時(shí)期：段研究細(xì)胞學(xué)的問(wèn)題，其特點(diǎn)是從形態(tài)結(jié)構(gòu)的觀察深入到生理功能、生物化學(xué)、遺傳發(fā)育機(jī)理的研究。由于實(shí)驗(yàn)研究不斷同相鄰學(xué)科結(jié)合、相互滲透，導(dǎo)致了一些重要分支學(xué)科的建立和發(fā)展：分子細(xì)胞生物學(xué)階段。雖然細(xì)胞學(xué)說(shuō)是根據(jù)光學(xué)顯微鏡對(duì)不同類(lèi)型的細(xì)胞進(jìn)行形態(tài)觀察得出的結(jié)論，但是它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)和功能上的相似性甚至超過(guò)形態(tài)上的相似性。無(wú)論何種來(lái)源的細(xì)胞，都具有基本相似的功能。●細(xì)胞能夠進(jìn)行自我增殖和遺傳細(xì)胞能夠以一分為二的分裂方式進(jìn)行增殖，動(dòng)植物細(xì)胞、細(xì)菌細(xì)胞都是如此。●細(xì)胞都能進(jìn)行新陳代謝細(xì)胞內(nèi)有機(jī)分子的合成和分解反應(yīng)都是由酶催化的，即細(xì)胞的代謝作用是由酶控制的。細(xì)胞代謝包括物質(zhì)代謝和能量代謝，這也是細(xì)胞的基本特性?！窦?xì)胞都具有運(yùn)動(dòng)性所有細(xì)胞都具有一定的運(yùn)動(dòng)性，包括細(xì)胞自身的運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)。不同類(lèi)型的細(xì)胞不僅具有功能上的相似性，而且還具有結(jié)構(gòu)上的相似性?！黾?xì)胞都具有選擇透性的膜結(jié)構(gòu)細(xì)胞都具有一層界膜，將細(xì)胞內(nèi)的環(huán)境與外環(huán)境隔開(kāi)。膜有兩個(gè)基本的作用，一是在細(xì)胞內(nèi)外起障礙作用，即不允許物質(zhì)隨意進(jìn)出細(xì)胞，二是要在細(xì)胞內(nèi)構(gòu)筑區(qū)室，形成各功能特區(qū)。植物細(xì)胞與動(dòng)物細(xì)胞的一個(gè)重要差別是在植物細(xì)胞質(zhì)膜的外面還有一層細(xì)胞結(jié)構(gòu)，即細(xì)胞壁。在離體條件下細(xì)胞壁很容易被酶水解掉，脫去細(xì)胞壁的細(xì)胞就稱為原生質(zhì)體(protoplast)。■細(xì)胞都具有遺傳物質(zhì)和遺傳體系細(xì)胞內(nèi)最重要的物質(zhì)就是遺傳物質(zhì)DNA?，F(xiàn)有的研究表明，在生命的進(jìn)化過(guò)程中，最早的遺傳物質(zhì)是RNA而不是DNA，也就是說(shuō)先出現(xiàn)RNA，后逐漸進(jìn)化形成DNA。證明最早的遺傳物質(zhì)是RNA而不是DNA的證據(jù)是什么?由于DNA儲(chǔ)存遺傳信息較之RNA更穩(wěn)定，復(fù)制更精確，并且易于修復(fù)，所以它取代RNA成為遺傳信息的主要載體。為了保證遺傳信息的準(zhǔn)確傳遞，RNA被保留下來(lái)，專司遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。所以，無(wú)論是原核生物還是真核生物都具有DNA和RNA。不過(guò)，少數(shù)原始生命形式的病毒，仍然保留RNA作為遺傳信息的■細(xì)胞都具有核糖體所有類(lèi)型的細(xì)胞，包括最簡(jiǎn)單的支原體都含有核糖體。真核細(xì)胞和原核細(xì)胞的核糖體不僅功能相同，在結(jié)構(gòu)上也十分相似，都是由大小兩個(gè)亞基組成的，只不過(guò)原核細(xì)胞的核糖體比真核細(xì)胞的核糖體稍小一些。細(xì)胞具有多種多樣的形態(tài)(圖1-2)，有球形、桿狀、星形、多角形、梭形、圓柱形等。多細(xì)胞生物體，依照細(xì)胞在各種組織和器官中所承擔(dān)的不同功能，分化形成了各種不同的形狀。這些不同的形狀一方面取決于對(duì)功能的適應(yīng)，另一方面亦受細(xì)胞的表面張力、胞質(zhì)的粘滯性、細(xì)胞膜的堅(jiān)韌程度，以及微管和微絲骨架等因素的影響。舉例說(shuō)明細(xì)胞的形態(tài)與功能是相關(guān)的。細(xì)胞最為典型的特點(diǎn)是在一個(gè)極小的體積中形成極為復(fù)雜而又高度組織化的結(jié)構(gòu)。典型的原核細(xì)胞的平均大小在圖1-3典型的原核、真核、病毒和分子的大小■細(xì)胞體積的守恒定律不同細(xì)胞的大小變化很大，如人的卵細(xì)胞的直徑只有0.1mm，而鴕鳥(niǎo)的卵細(xì)胞的直徑細(xì)胞的體積一般是相近的，不依生物個(gè)體的大小而增大或縮小。如人、牛、馬、鼠、象的腎細(xì)胞、肝細(xì)胞的大小基本相同。因此，器官的大小主要決定于細(xì)胞的數(shù)量，與細(xì)胞的數(shù)量成正比，而與細(xì)胞的大小無(wú)關(guān)，把這種現(xiàn)象稱之為"細(xì)胞體積的守恒定律"?！鱿拗萍?xì)胞體積大小的因素●體積同表面積的關(guān)系以球形細(xì)胞為例(體內(nèi)的細(xì)胞并非都是球形)，計(jì)算體積同表面積的關(guān)系(圖1-4)。結(jié)果表明，球形細(xì)胞增大，其體積增加的比例要比表面積增加得多。這樣，當(dāng)細(xì)胞增大到一定程度時(shí)，質(zhì)膜的表面積就不適應(yīng)細(xì)胞進(jìn)行內(nèi)外物質(zhì)的交換，細(xì)胞為了維持一個(gè)最佳的生存條件，必需維持最佳的表面積，從而限制了體積的無(wú)限增大?！窦?xì)胞內(nèi)關(guān)鍵分子的濃度一些重要的分子在細(xì)胞內(nèi)的拷貝數(shù)是很少的，當(dāng)細(xì)胞體積增大時(shí)，這些分子的濃度就越來(lái)越稀釋，一些重要的生化反應(yīng)需要一定的濃度才能進(jìn)行，所以細(xì)胞內(nèi)分子濃度就成了限制細(xì)胞體積無(wú)限增大的另一個(gè)因素。真核細(xì)胞的體積一般是原核細(xì)胞的1000倍，真核細(xì)胞如何解決細(xì)胞內(nèi)重要分子的濃度問(wèn)題?●酶蛋白質(zhì)種類(lèi)的限制細(xì)胞不僅對(duì)體積的增大有限制，而且對(duì)體積的減少也有限制。一個(gè)生活細(xì)胞要維持正常的獨(dú)立生活功能，最低限體是目前所知最小原核細(xì)胞，很顯然，細(xì)胞體積最小化受制于維持細(xì)胞生命活動(dòng)所需的酶和蛋白質(zhì)種類(lèi)的最低限生命是物質(zhì)的，所有的細(xì)胞都是由水、蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、脂類(lèi)、核酸、鹽類(lèi)和各種微量的有機(jī)化合物所組成(表1-1)。蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、核酸和脂類(lèi)等化合物也被稱為生物分子(biom化學(xué)成份占細(xì)胞的重量(%)每種分子的類(lèi)型數(shù)所以水是細(xì)胞生命的活動(dòng)介質(zhì)。相鄰水分子間的關(guān)系是靠氫鍵維系的(圖1-7)，這種氫鍵賦予水分子哪些獨(dú)特的性質(zhì)，對(duì)于生活細(xì)胞有什么重要水在細(xì)胞中既是反應(yīng)物也是溶劑。水分子參與了生命活動(dòng)的一些重要反應(yīng)，在大分子的合成過(guò)程中水是產(chǎn)物，而在分解反應(yīng)中水是反應(yīng)劑。除了作為反應(yīng)劑外，由于水是極性分子，所以是各種極性有機(jī)分子和離子的最好溶劑，主要是靠氫鍵的形成使這細(xì)胞中的水以兩種形式存在:游離水和結(jié)合水。游離水是細(xì)胞代謝反應(yīng)的溶劑;結(jié)合水則是以氫鍵和蛋白質(zhì)結(jié)合的■無(wú)機(jī)鹽的作用分類(lèi)主要分為四大類(lèi)●各種酶反應(yīng)所需的主要離子，包括Ca2+、Cu2+、M●某些生物需要的特殊微量元素，如碘、銫、溴等?！鰺o(wú)機(jī)離子的功能有:維持細(xì)胞內(nèi)的pH和滲透壓，以保持細(xì)胞的正常生理活動(dòng);同蛋白質(zhì)或脂類(lèi)結(jié)合組成具有特定功能的結(jié)合蛋白，參與細(xì)胞的生命活動(dòng)；作為酶反應(yīng)的輔助因子。細(xì)胞內(nèi)有四類(lèi)有機(jī)小分子:單糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸。細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)小分子約占細(xì)胞總有機(jī)物的十分之一，但卻有許多不同的種類(lèi)。糖是細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物，包括單糖、二糖、低聚糖(2～6個(gè)糖)和多糖(由幾百到幾千個(gè)單糖分子組成)，其中多糖屬于生單純的多糖由許多葡萄糖殘基組成，在動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)主要是糖原，在植物細(xì)胞內(nèi)主要是淀粉。它們是細(xì)胞內(nèi)貯存的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提供細(xì)胞代謝所需的能源(圖1-9)。脂肪酸是脂的主要成分。細(xì)胞內(nèi)幾乎所有的脂肪酸分子都是通過(guò)它們的羧酸基團(tuán)與其它分子共價(jià)連接。各種脂肪酸的碳?xì)滏滈L(zhǎng)度及所含碳—碳雙鍵的數(shù)目和位置的不同，決定了它們不同的化學(xué)特性。脂肪酸是營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高的營(yíng)養(yǎng)物，按重量比計(jì)算，脂肪酸分解產(chǎn)生的能量，相當(dāng)于葡萄糖所產(chǎn)生能量的兩倍。脂肪酸在細(xì)胞內(nèi)最重要的功能是構(gòu)成細(xì)胞結(jié)構(gòu)。核苷酸是組成核酸的基本單位，每個(gè)核苷酸分子由一個(gè)戊糖(核糖或脫氧核糖)、一個(gè)含氮堿基(嘧啶或嘌呤)和一個(gè)細(xì)胞內(nèi)主要有20種氨基酸，它們的差別主要是R側(cè)鏈不同，決定了氨基酸不同的化學(xué)性質(zhì)。氨基酸是組成蛋白質(zhì)的基本單位，蛋白質(zhì)是長(zhǎng)的線性的氨基酸多聚體，這些氨基酸通過(guò)一個(gè)氨基酸的羧基與另一個(gè)氨基酸的氨基之間形成的肽鍵而首尾相連，構(gòu)成多肽鏈(圖1-12)。細(xì)胞中的有機(jī)分子，根據(jù)它們?cè)诩?xì)胞代謝活動(dòng)中的作用可分為四種不同類(lèi)型。構(gòu)成細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)，并且執(zhí)行細(xì)胞基本功能的巨大的、高度組織起來(lái)的生物分子稱為生物大分子。細(xì)胞內(nèi)有四種類(lèi)型的生物大分子:核酸、蛋白質(zhì)、多糖，以及某些類(lèi)型的脂類(lèi)，前三種是由單體構(gòu)成的多聚體。細(xì)胞內(nèi)大約有3000種大分子。生物大分子的功能取決于構(gòu)成它們亞單位的種類(lèi)和排列順序。細(xì)胞內(nèi)大多數(shù)生物大分子的半壽期都很短，它們不斷地被降解，并被新的生物大分子所取代。所以細(xì)胞內(nèi)有許多構(gòu)成大分子的構(gòu)件，如單糖、氨基酸、核苷、脂肪酸等?！翊x物細(xì)胞內(nèi)的分子具有十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，通常要一步一步地合成。細(xì)胞中有許多不同的代謝途徑，發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)。在不同的代謝途徑中，通常先合成的物質(zhì)是后合成物質(zhì)的前體?！穹羌?xì)胞功能的分子這是非常廣泛的一類(lèi)分子，但是量并非很大。這類(lèi)分子包括各種維生素、蛋白類(lèi)激素、能量?jī)?chǔ)存分子(如ATP)、某些磷酸化的物質(zhì)，以及代謝廢物等。多糖是細(xì)胞的重要支持材料，是細(xì)胞壁的主要結(jié)構(gòu)成分。糖同蛋白質(zhì)結(jié)合形成糖蛋白。蛋白質(zhì)的糖基化不僅對(duì)蛋白分子的理化性質(zhì)有很大影晌，而且對(duì)蛋白質(zhì)的生物功能也有很大影響。在迄今已知的上千種蛋白質(zhì)中，50％以上是糖基化的。許多糖蛋白具有酶、激素、抑制劑等各不相同的生物活性，相當(dāng)一部分糖蛋白，其分子中糖鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)生物功能所必需的，去除或破壞糖鏈會(huì)使它們失去生物功能。■核糖核酸與脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸即是DNA分子，是遺傳物質(zhì)，只有一種類(lèi)型，其結(jié)構(gòu)是雙螺旋的(圖1-13)。RNA即是核糖核酸，種類(lèi)較多，有tRNA、rRNA、mRNA，還有一些存在于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中的小分子RNA，它們具有在不同的功能，在某些病毒中也是遺傳物質(zhì)。蛋白質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)行使各種生物功能的生物大分子，估計(jì)在一個(gè)典型哺乳動(dòng)物細(xì)胞中有10,000種不同的蛋白質(zhì)執(zhí)行功能舉例功能舉例結(jié)構(gòu)材料膠原、角蛋白運(yùn)動(dòng)肌動(dòng)蛋白、肌球蛋白營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)存酪蛋白、鐵蛋白激素胰島素、生長(zhǎng)激素物質(zhì)運(yùn)輸Na+-K+泵信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)乙酰膽堿受體基因調(diào)控Lac操縱子滲透壓調(diào)節(jié)血清白蛋白免疫作用抗體毒素白喉和霍亂毒素電子轉(zhuǎn)移細(xì)胞色素酶(催化作用)氧化還原酶、連接酶等組成蛋白質(zhì)的基本構(gòu)件只是20種氨基酸。為什么蛋白質(zhì)卻具有如此廣泛的功能?近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，很多大的蛋白質(zhì)分子都是由兩個(gè)或兩個(gè)以上結(jié)合緊密的功能區(qū)域構(gòu)成的，這種區(qū)域稱為結(jié)構(gòu)域(domain)，結(jié)構(gòu)域在功能上具有半獨(dú)立性，它可與不同的因子結(jié)合。圖1-14顯示了從馬肌細(xì)胞中分離的磷酸甘細(xì)胞是由化學(xué)物質(zhì)物質(zhì)組成的。由于細(xì)胞的生命活動(dòng)是高度有序的，所以細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)不可能雜亂無(wú)章地堆集在一起，而是有規(guī)則地分級(jí)組裝成復(fù)雜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，如核糖體、細(xì)胞核、高爾基體和細(xì)胞骨架等。不僅如此，在多細(xì)胞有機(jī)體中，細(xì)胞要組成不同的組織，再由組織形成器官(圖1-15)。由生物分子組裝成細(xì)胞，可以粗略地分成四級(jí)∶●第一級(jí)是構(gòu)成細(xì)胞的小分子有機(jī)物的形成，包括堿基、氨基酸、葡萄糖、軟脂酸，這些構(gòu)成了細(xì)胞的基石；●第二級(jí)由基石組裝成生物大分子，包括DNA、RNA、蛋白質(zhì)、多糖;●第三級(jí)由生物大分子進(jìn)一步組裝成細(xì)胞的高級(jí)結(jié)構(gòu)，如細(xì)胞膜、核糖體、染色體、微管、微絲等;●第四級(jí)由生物大分子組裝成具有空間結(jié)構(gòu)和生物功能的細(xì)胞器，如細(xì)胞核、線粒體、葉綠體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基復(fù)合體、溶酶體、微體等。最后再由細(xì)胞器組成細(xì)胞。各種生物大分子到底如何組裝成有功能的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和組織是當(dāng)前細(xì)胞生物學(xué)所要研究的基本問(wèn)題。曾經(jīng)對(duì)組裝的■反應(yīng)復(fù)合物的組裝隨著分子生物學(xué)研究的深入，人們更多地注意反應(yīng)復(fù)合物的組裝及其在生命活動(dòng)中的作用。如DNA復(fù)制的引發(fā)體為什么解決生命科學(xué)的問(wèn)題不能僅靠分子生物學(xué)而要靠細(xì)胞生物學(xué)?細(xì)胞分為兩大類(lèi):原核細(xì)胞和真核細(xì)胞。細(xì)菌是原核細(xì)胞的主要類(lèi)群。細(xì)菌細(xì)胞的基本特點(diǎn)是:遺傳信息量少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別是沒(méi)有分化成以膜為●細(xì)菌的細(xì)胞通常很小，只有幾個(gè)微米。細(xì)菌細(xì)胞的界膜，即細(xì)胞質(zhì)膜的外側(cè)都是被一層堅(jiān)硬的細(xì)胞壁包裹起●原核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)膜是多功能的，其最重要的功能就是運(yùn)輸作用，包括營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收、廢物的排除、能量細(xì)菌質(zhì)膜還參與遺傳物質(zhì)的復(fù)制和分配，因?yàn)榧?xì)菌沒(méi)有細(xì)胞核，所以細(xì)菌的DNA在復(fù)制時(shí)只能結(jié)合在質(zhì)膜上，然●細(xì)菌沒(méi)有細(xì)胞核結(jié)構(gòu)，僅為DNA與少量RNA或蛋白質(zhì)結(jié)合物，也沒(méi)有核仁和有絲分裂器。E.coli的DNA所以細(xì)菌的RNA轉(zhuǎn)錄與蛋白質(zhì)翻譯幾乎是同步進(jìn)行的，這是原核與真核生物的最主要的差別。細(xì)菌除了具有染色體DNA外，還有核外DNA，即質(zhì)粒DNA。質(zhì)粒是比染色體小的遺傳物質(zhì)，為環(huán)狀的雙鏈DNA，常常賦予細(xì)胞●細(xì)菌體表還有菌毛和鞭毛。菌毛有兩種，一種短而細(xì)，具有呼吸作用；另一種是數(shù)量少但細(xì)長(zhǎng)的性纖毛，為雄性菌所特有。鞭毛是細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)器官，鞭毛蛋白的氨基酸組成與橫紋肌中的肌動(dòng)蛋白相似。1.4.2真核細(xì)胞的兩種主要類(lèi)型:動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞真核細(xì)胞的主要特點(diǎn)是以生物膜為基礎(chǔ)進(jìn)一步分化，使細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生許多功能區(qū)室，它們各自分工負(fù)責(zé)又相互協(xié)調(diào)和協(xié)作。動(dòng)物細(xì)胞是真核細(xì)胞的主要類(lèi)動(dòng)物細(xì)胞具有的結(jié)構(gòu)，植物細(xì)胞基本都有，但是植物細(xì)胞還有一些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，包括細(xì)胞壁、質(zhì)體、中央液泡表1-3動(dòng)物細(xì)胞與植物細(xì)胞的比較細(xì)胞器動(dòng)物細(xì)胞植物細(xì)胞細(xì)胞壁無(wú)有溶酶體有無(wú)乙醛酸循環(huán)體無(wú)有通訊連接方式間隙連接胞間連絲胞質(zhì)分裂方式收縮環(huán)細(xì)胞板將真核細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)體系歸納起來(lái)可分為三大系統(tǒng):生物膜結(jié)構(gòu)體系、遺傳信息表達(dá)結(jié)構(gòu)體系、細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)體系。原核細(xì)胞和真核細(xì)胞無(wú)論在結(jié)構(gòu)上還是在功能上都有許多相同之處（表1-4但真核細(xì)胞具有許多原核細(xì)胞所沒(méi)表1-4原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的相同點(diǎn)1.都具有類(lèi)似的細(xì)胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)2.都以DNA作為遺傳物質(zhì)，并使用相同的遺傳密碼3.都是以一分為二的方式進(jìn)行細(xì)胞分裂4.具有相同的遺傳信息轉(zhuǎn)錄和翻譯機(jī)制，有類(lèi)似的核糖體結(jié)構(gòu)5.代謝機(jī)制相同(如糖酵解和TCA循環(huán))6.具有相同的化學(xué)能貯能機(jī)制，如ATP合成酶(原核位于細(xì)胞質(zhì)膜，真核位于線粒體膜上)7.光合作用機(jī)制相同(藍(lán)細(xì)菌與植物相比較)8.膜蛋白的合成和插入機(jī)制相同9.都是通過(guò)蛋白酶體(蛋白質(zhì)降解結(jié)構(gòu))降解蛋白質(zhì)(古細(xì)菌與真核細(xì)胞相比較)1.細(xì)胞分裂分為核分裂和細(xì)胞質(zhì)分裂，并且分開(kāi)進(jìn)行2.DNA和蛋白質(zhì)結(jié)合壓縮成染色體結(jié)構(gòu)，形成有絲分裂的結(jié)構(gòu)3.具有復(fù)雜的內(nèi)膜系統(tǒng)和細(xì)胞內(nèi)的膜結(jié)構(gòu)(如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、過(guò)氧化物酶體、乙醛酸循環(huán)體、胞內(nèi)體等)4.具有特異的進(jìn)行有氧呼吸的細(xì)胞器(線粒體)和光合作用的細(xì)胞器(葉綠體)5.具有復(fù)雜的骨架系統(tǒng)(包括微絲、中間纖維和微管)6.有復(fù)雜的鞭毛和纖毛7.具有小泡運(yùn)輸系統(tǒng)(胞吞作用和胞吐作用)8.含有纖維素的細(xì)胞壁(如植物細(xì)胞)9.利用微管形成的紡錘體進(jìn)行細(xì)胞分裂和染色體分離10.每個(gè)細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)成雙存在，二倍體分別來(lái)自于兩個(gè)親本11.通過(guò)減數(shù)分裂和受精作用進(jìn)行有性生殖細(xì)胞雖然是地球上主要的生命形式，但并非是惟一的生命形式，病毒也是生命體，但它卻不具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)。病毒是19世紀(jì)末通過(guò)對(duì)疾病的研究發(fā)現(xiàn)的，無(wú)法用光學(xué)顯微鏡觀察。病毒沒(méi)有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，不能在體外獨(dú)立生活。在電子顯微鏡下可觀察到病毒顆粒的體積大約在10～100nm之間，比細(xì)胞小得多。分組成∶蛋白質(zhì)外殼和遺傳物質(zhì)的核。病毒的遺傳物質(zhì)可以是DNA，也可是RNA，前者稱為DNA病毒，后者稱為RNA病毒。病毒的形態(tài)各異，有正二十面體的、有柱形的、也有絲狀的(圖1-23)。病毒不僅沒(méi)有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，而且也不能獨(dú)立生存，只能在活細(xì)胞中進(jìn)行增殖。病毒的生活史包括五個(gè)基本過(guò)程(圖請(qǐng)簡(jiǎn)述病毒的生活史。人們對(duì)細(xì)胞的認(rèn)識(shí)是在實(shí)驗(yàn)室里將細(xì)胞打開(kāi)，然后分離各種細(xì)胞器和生物分子，分別研究它們的功能，但是我們能夠打開(kāi)的細(xì)胞只是當(dāng)今生活的細(xì)胞，是進(jìn)化到十分高級(jí)的細(xì)胞而無(wú)法獲得遠(yuǎn)古時(shí)期的活細(xì)胞。在進(jìn)化的過(guò)程中細(xì)胞生命活動(dòng)的分子是如何形成的?最早的細(xì)胞是如何產(chǎn)生的?真核細(xì)胞又是如何起源的?導(dǎo)致細(xì)胞生命形成的關(guān)鍵因素是地球的形成及地球大氣層條件的變化。一般將細(xì)胞生命的起源分為五個(gè)階段：①地球和原始大氣層的形成；②有機(jī)分子的自發(fā)形成；③分子聚合體的形成；④生命初級(jí)聚合體的形成；⑤原始細(xì)根據(jù)化石資料分析，地球上最早的細(xì)胞出現(xiàn)在35億年前。關(guān)于地球上細(xì)胞生命起源有兩種假說(shuō)，一種假說(shuō)認(rèn)為細(xì)胞是由已存在于地球上的分子產(chǎn)生的，另一種假說(shuō)則認(rèn)為細(xì)胞是從別的宇宙空間來(lái)到地球的。這一假說(shuō)得到了實(shí)驗(yàn)的支持。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者是StanleyMiller，當(dāng)時(shí)是一位研究生，他設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，證明在合適的物理化學(xué)條件下可以自動(dòng)合成有機(jī)分子。Miller如何證明在合適的物理化學(xué)條件中可以自動(dòng)合成有機(jī)分子？真核細(xì)胞是由原核細(xì)胞進(jìn)化而來(lái)，這是生物學(xué)家的基本共識(shí)。原核細(xì)胞向真核細(xì)胞進(jìn)化的主要事件是呼吸代謝的發(fā)展和內(nèi)膜系統(tǒng)的形成。細(xì)胞內(nèi)兩個(gè)與能量轉(zhuǎn)換有關(guān)的細(xì)胞器線粒體和葉綠體的起源主要是通過(guò)內(nèi)共生機(jī)制，而內(nèi)膜系統(tǒng)則是通過(guò)質(zhì)膜的內(nèi)陷形成的(圖1-26)。細(xì)胞在向多細(xì)胞機(jī)體進(jìn)化過(guò)程中，最重要的特點(diǎn)是出現(xiàn)細(xì)胞的分化，即在多細(xì)胞的機(jī)體內(nèi)，各種細(xì)胞向不同方向發(fā)展，形成結(jié)構(gòu)和功能各異的不同組織，但又互相協(xié)調(diào)成為一個(gè)有機(jī)的整體。在多細(xì)胞的機(jī)體內(nèi)，有一部分細(xì)胞高度特化，成為下一代機(jī)體的起源，這些細(xì)胞稱為生殖細(xì)胞(germcell)，以1.7.1細(xì)胞生物學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容和發(fā)展方向從生命結(jié)構(gòu)層次來(lái)看，細(xì)胞生物學(xué)位于分子生物學(xué)和個(gè)體生物學(xué)之間，同它們互相銜接、互相滲透。因此，從這一意義上來(lái)說(shuō)，細(xì)胞生物學(xué)是一門(mén)承上啟下的學(xué)科，和分子生物學(xué)一起同是現(xiàn)代生命科學(xué)的基礎(chǔ)，并廣泛滲透到遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、生殖生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和免疫生物學(xué)等的研究中，和農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物高新技術(shù)的發(fā)展有密切的關(guān)系，是生命科學(xué)的重要支柱之一。90年代中期，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)組織一批細(xì)胞生物學(xué)方面的專家就我國(guó)的細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展的13個(gè)方面的研2l世紀(jì)人類(lèi)將面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，細(xì)胞生物學(xué)作為生命科學(xué)中的重要基礎(chǔ)學(xué)科，是連接整體與分子的重要一環(huán)，將會(huì)在新的生命科學(xué)世紀(jì)中發(fā)揮其重要的作用。展望未來(lái)，細(xì)胞生物學(xué)的前景無(wú)限廣闊。課程學(xué)習(xí)：2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法>2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法2.1.1光學(xué)和電子顯微鏡成像原理2.1.3光學(xué)顯微鏡的樣品制備與觀察2.3.2細(xì)胞融合與單克隆抗體技術(shù)2.5.3選擇性基因敲除與轉(zhuǎn)基因鼠學(xué)習(xí)指導(dǎo)課程學(xué)習(xí)：2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法生命科學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，它的很多成果都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得以發(fā)現(xiàn)和發(fā)展的。方法上的突破，對(duì)于理論和應(yīng)用上的發(fā)展具有巨大的推動(dòng)作用。20世紀(jì)30年代發(fā)展起來(lái)的電子顯微鏡導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能研究發(fā)生了一次革命，使生物學(xué)家得以從亞顯微水平上圖2-1光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡下的細(xì)胞結(jié)構(gòu)2.1.1光學(xué)和電子顯微鏡成像原理不管是何種顯微鏡，鏡像的形成都需要三個(gè)基本要素:①照明系統(tǒng)，②被觀察的樣品，③聚焦和成像的透鏡系統(tǒng)(圖圖2-2光學(xué)和電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)在光學(xué)顯微鏡中，照明系統(tǒng)是可見(jiàn)光，使用的是玻璃透鏡系統(tǒng)，可直接通過(guò)目鏡觀察鏡像。在電子顯微鏡中，照明系統(tǒng)為電子束，使用電磁透鏡，通過(guò)熒光屏觀察樣品的鏡像。照明系統(tǒng)的波長(zhǎng)是顯微鏡成像的一個(gè)重要因素，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)決定能被檢測(cè)樣品的最小極限。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，波幅的跨度就越大，所能觀察到的物體極限就越大(圖2-3)?！窆鈱W(xué)和電子顯微鏡成像的光學(xué)原理是相同的，其中最重要的是光子和電子都具有波的行為。當(dāng)光子和電子穿過(guò)透鏡到達(dá)聚焦點(diǎn)時(shí)，由于波的干涉(interference)性質(zhì)而成像。實(shí)際上通過(guò)透鏡觀察到的樣品的鏡像是通過(guò)透鏡波的干涉累加或消除，即衍射(diffraction)的結(jié)果。●焦距與角孔徑半角α(圖2-5)，因此角孔徑實(shí)際表示有多少光離開(kāi)樣品通過(guò)透鏡，最好的光學(xué)顯微鏡的角孔徑大約是700。角孔徑是光從樣品進(jìn)入透鏡的半角α。(a)小孔徑透鏡;(b)大角孔徑透鏡。角孔徑越大，透過(guò)透鏡的信息越多，最好的玻璃透鏡的角孔徑大約是700透鏡最重要的性質(zhì)就是它的分辨率，分辨率(R)可用以下公式計(jì)算:0.61是一個(gè)恒定的參數(shù)，表示成像的點(diǎn)雖被重疊但仍能被區(qū)別的程度。從上式可知，角孔徑越大，進(jìn)入物鏡的光越多；介質(zhì)的折射率越大，則數(shù)值孔徑越大，這些都可以使分辨率提高。由于分辨率表示的是能夠區(qū)別兩個(gè)點(diǎn)間最近距離的能力，所以R值越小，分辨率越高。從分辨率的表達(dá)式來(lái)看，NA越大，分辨率越高，或者波長(zhǎng)越短，分辨率越高?！褚话愕卣f(shuō)，一定波長(zhǎng)的射線不能用以探查比它本身波長(zhǎng)短得多的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，這是一切顯微鏡的一個(gè)基本限度。對(duì)可見(jiàn)光來(lái)說(shuō)，能清楚地分辨出相鄰兩點(diǎn)之間的最小間隔是0.2μm，稱之為分辨極限(limitresolution)?！褡罱K成像的大小與原物體大小的比值稱為放大率?？偡糯舐?物鏡放大率×目鏡放大率，放大率同樣受分辨極限的限制。一般來(lái)說(shuō)，光學(xué)顯微鏡的最大放大率只能是透鏡的數(shù)值孔徑的1000倍。由于透鏡的數(shù)值孔徑的范●增大角孔徑或縮短波長(zhǎng)可提高光學(xué)顯微鏡的分辨率。如果用波長(zhǎng)比普通波長(zhǎng)短得多的電子波代替光波，分辨率可大大提高，電子顯微鏡就是在這種需求下被發(fā)明的。表2-1是光學(xué)顯微鏡與電子顯微鏡某些特性的比較。表2-2電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡的基本區(qū)別分辨本領(lǐng)光源透鏡真空光學(xué)顯微鏡300nm可見(jiàn)光玻璃透鏡不需真空光學(xué)顯微鏡(lightmicroscope)是光學(xué)顯微技術(shù)的主要工具，自問(wèn)世以來(lái)已有400多年歷史。光學(xué)顯微鏡是利用光線照明，使微小物體形成放大影像的儀器?，F(xiàn)今使用的光學(xué)顯微鏡都是由幾個(gè)透鏡組合而成，所以又稱為復(fù)合顯微比較高級(jí)的顯微鏡上都設(shè)有傾斜式的雙目鏡筒(圖2-7)。在物鏡轉(zhuǎn)換器上方裝有四個(gè)棱鏡，使經(jīng)過(guò)物鏡的光線平分為兩路到達(dá)目鏡，故雙筒顯微鏡的亮度要比單筒者為暗。雙筒顯微鏡的優(yōu)點(diǎn)為同時(shí)用兩眼觀察，有較強(qiáng)的立體感。熒光顯微鏡的工作原理是利用紫外線發(fā)生裝置(如弧光燈、水銀燈等)發(fā)出強(qiáng)烈的紫外線光源，通過(guò)照明設(shè)備把顯微固定的切片或活染的細(xì)胞透視出來(lái)，基本成像原理示于圖2-8。相差顯微鏡在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了特別設(shè)計(jì)，尤其是光學(xué)系統(tǒng)有很大的不同(圖2-9)，可用于觀察未染色的活細(xì)胞(圖圖2-9相差顯微鏡的光學(xué)部件及光線通路暗視野顯微鏡是利用特殊的聚光器使照明光線不能進(jìn)入物鏡被放大，在黑暗的背景下呈現(xiàn)明亮的像。這種特殊的照明方式，使反差增大，分辨率提高，用以觀察未經(jīng)染色的活體或膠體粒子(圖2-11)。暗視野顯微鏡主要觀察的是物體的輪廓，分辨不清內(nèi)部的微細(xì)構(gòu)造，適合于觀察活細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞核、線粒體、液體介質(zhì)中的細(xì)菌和霉菌等。倒置顯微鏡的結(jié)構(gòu)組成與普通顯微鏡一樣，所不同的只是它的物鏡與照明系統(tǒng)的位置顛倒過(guò)來(lái)。前者置于載物臺(tái)之下，而后者在載物臺(tái)的上方。集光器與載物臺(tái)之間的工作距離提高，可以放置培養(yǎng)皿、培養(yǎng)瓶等容器，直接對(duì)培養(yǎng)的細(xì)胞進(jìn)行照明和觀察(圖2-12)課程學(xué)習(xí)：2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法>>2.1.3光學(xué)顯微鏡的樣品制備與觀察2.1.3光學(xué)顯微鏡的樣品制備與觀察由于大多數(shù)細(xì)胞的成分不影響光線的穿透，無(wú)法形成反差，所以在一般光學(xué)顯微鏡下，幾乎看不清未經(jīng)處理的細(xì)胞。為了看清細(xì)胞內(nèi)含物，就必須對(duì)細(xì)胞樣品進(jìn)行一些特殊的處理，為此建立和發(fā)展了樣品的各種制備技術(shù)?！鰳悠返墓潭?fixation)●目的:生物組織在染色前先進(jìn)行固定的目的是殺死細(xì)胞，穩(wěn)定細(xì)胞的化學(xué)成份，并且使樣品硬化以便在進(jìn)一步的處理和切片時(shí)不會(huì)受到破壞?！褡龇?樣品固定的最簡(jiǎn)單做法是將樣品直接浸泡在固定液中。固定使得大分子交聯(lián)而保持在一定的位置上，不致于在以后的染色等處理過(guò)程中移位或丟失而產(chǎn)生人工假象。一般用具有緩沖作用的醛類(lèi)固定液，用甲醛或戊二醛作固定劑，能夠與蛋白質(zhì)的游離氨基形成共價(jià)鍵，從而將鄰近的蛋白質(zhì)分子牢固地交聯(lián)在一起。樣品制備的第二步是將固定的組織制備成切片。為此，樣品首先要被包埋在介質(zhì)中，通常用液態(tài)的石蠟或樹(shù)脂做包埋劑，使之滲入整塊組織，然后將之硬化成固體的包埋塊，隨后用專門(mén)的切片機(jī)切割包埋塊，制備成薄切片(圖2-13)。適用于光學(xué)顯微鏡觀察的切片厚度為l～10μm。大多數(shù)細(xì)胞總重量的70%是水，對(duì)可見(jiàn)光幾乎是透明的，只有很少的內(nèi)含物不透光。染色的目的就是給細(xì)胞的不同組分帶上可區(qū)別的顏色特征。19世紀(jì)初，發(fā)現(xiàn)某些有機(jī)染料可染生物組織，并對(duì)細(xì)胞特殊部位的著色具有選擇性。如蘇木精(hematoxylin)對(duì)負(fù)電荷分子有親和性，能顯示出細(xì)胞內(nèi)核酸的分布；酸性染料如伊紅(eosin)可使細(xì)胞質(zhì)染色；蘇丹染料(Sudandyes)在脂肪中的溶解度比在乙醇中大，所以蘇丹染料的乙醇飽和溶液能使脂肪著色。但對(duì)許多染料的特異性染色機(jī)理尚不清楚?！癫捎帽扔袡C(jī)染料更為特異的染色劑及酶細(xì)胞化學(xué)方法，可以了解細(xì)胞和組織中大致的化學(xué)組成，及某些活性基●為了測(cè)定蛋白質(zhì)、核酸、多糖和脂類(lèi)，常利用一些顯色劑與所檢測(cè)物質(zhì)中特殊基團(tuán)的特異性結(jié)合，通過(guò)顯色劑在細(xì)胞中出現(xiàn)的部位和顏色顯示的程度，從而判斷被檢物質(zhì)在細(xì)胞中的分布和含量。例如，利用Feulgen反應(yīng)(圖2-14)可特異性檢測(cè)細(xì)胞中的DNA，PAS反應(yīng)可用于檢測(cè)植物中的淀粉、纖維素及動(dòng)物細(xì)胞中的糖原、粘蛋白等?！駥⒓?xì)胞或組織切片與適宜的底物共同溫育，切片中的酶會(huì)水解底物，再將所釋放物質(zhì)轉(zhuǎn)變成不后者所在部位即是組織細(xì)胞中酶的活性部位。放射自顯影技術(shù)是用感光膠片測(cè)定細(xì)胞內(nèi)某種被放射性標(biāo)記的物質(zhì)在細(xì)胞固定時(shí)所在的位置，基本過(guò)程如圖2-15大大提高顯微鏡的分辨率。的結(jié)構(gòu)，如細(xì)胞膜、線粒體、細(xì)胞核、高爾基體、中心粒等細(xì)胞器的細(xì)微結(jié)構(gòu)。將在光學(xué)顯微鏡中觀察不到而只電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡在總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上有很大的差別(圖2-16)。在種類(lèi)上，電鏡可分為兩大類(lèi):透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡。透射電子顯微鏡主要是讓電子束穿透樣片而成像。電子顯微鏡基本結(jié)構(gòu)由三大部分組成∶電子光學(xué)系統(tǒng)(鏡筒)、真由于電子顯微鏡必需在高度真空條件下進(jìn)行工作，陰極與陽(yáng)極之間會(huì)放電，燈絲也會(huì)因受到氧化或被陽(yáng)離子轟擊而縮短壽命，所以設(shè)計(jì)了真空系統(tǒng)。電子學(xué)系統(tǒng)即供電系統(tǒng)，需要高壓穩(wěn)壓。為什么電子顯微鏡需要真空系統(tǒng)?掃描電子顯微鏡(圖2-17)使用與透射電子顯微鏡完全不同的方式成像，即用電視的方式成像。掃描電子顯微鏡主要由電子光學(xué)系統(tǒng)和顯示單元組成，它的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示于圖2-18。如同光學(xué)顯微鏡，電子顯微鏡的樣品也需固定、包埋、切片、染色等(圖2-21)。與光鏡相比，用于電子顯微鏡的組織固定有什么特殊的要求?一些生物大分子組成的結(jié)構(gòu)，如病毒、線粒體基粒、核糖體和蛋白質(zhì)組成的纖維等可以通過(guò)負(fù)染色電鏡技術(shù)觀察其精細(xì)結(jié)構(gòu)，還可以從不同角度觀察三維結(jié)構(gòu)(圖2-22)。鑄型技術(shù)是電子顯微鏡中一種重要的增強(qiáng)背景和待觀察樣品反差的方法(圖2-23)?！癖鶅鰯嗔褟?fù)型和冰凍蝕刻光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡是利用質(zhì)子和電子使樣品直接成像的技術(shù)，還有一些顯微方法是間接成像。所謂間接成像，舉一個(gè)例子，假定你拿起一個(gè)物體，非?？拷愕难劬M(jìn)行觀察，你或許覺(jué)得該物體有六個(gè)平面、十二條邊和八個(gè)角，然后將你感覺(jué)到的畫(huà)出來(lái)，可能是一個(gè)盒子，這就是間接成像。下面討論的是幾種間接成像的方法，這些方法都具有原子級(jí)分辨力，它們的分辨率比最好的電子顯微鏡還高10倍。雖然這些方法目前都還有一定的缺陷限制著在生物學(xué)中的應(yīng)用，但具有發(fā)展?jié)摿?。掃描隧道顯微鏡由IBM公司瑞士蘇黎世研究所的兩位學(xué)者BinningG.和RohrerH.等在1981年發(fā)明的具有原子顯像力的顯微鏡，是根據(jù)量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)原理而制成的。這種顯微鏡對(duì)生物、物理、化學(xué)等學(xué)科均有推動(dòng)作用，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的建立是根據(jù)X射線衍射結(jié)果推導(dǎo)出來(lái)的，至今還沒(méi)有直接觀察DNA結(jié)構(gòu)的方法，所以對(duì)其中的微細(xì)結(jié)構(gòu)還不夠了解。用STM觀察了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，見(jiàn)到DNA分子上的大溝(majorgroove)和小溝圖2-26掃描隧道顯微鏡觀察的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)■X-射線衍射(X-raydiffraction)X-衍射技術(shù)并不涉及顯微鏡，但是能夠根據(jù)X-射線通過(guò)結(jié)晶樣品形成的衍射樣式成像。這一技術(shù)可用于在原子分辨的水平上推測(cè)分子的結(jié)構(gòu)。實(shí)際上X-射線衍射技術(shù)是目前在原子水平上分析蛋白質(zhì)、核酸和其他生物分子的惟一方法。Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的主要依據(jù)之一就是根據(jù)Franklin對(duì)DNA晶體衍射的結(jié)果(圖細(xì)胞生物學(xué)的一個(gè)主要特點(diǎn)是將細(xì)胞形態(tài)觀察與細(xì)胞成分分析結(jié)合起來(lái)，其中一個(gè)重要的研究手段就是細(xì)胞化學(xué)技術(shù)。細(xì)胞化學(xué)技術(shù)不是單一的技術(shù)，而是一整套有關(guān)聯(lián)的技術(shù)，包括酶細(xì)胞化學(xué)技術(shù)、免疫細(xì)胞化學(xué)技術(shù)、放射自顯影技術(shù)、示蹤細(xì)胞化學(xué)技術(shù)等。酶細(xì)胞化學(xué)技術(shù)就是通過(guò)酶的特異細(xì)胞化學(xué)反應(yīng)來(lái)顯示酶在細(xì)胞內(nèi)的定位。由于酶的細(xì)胞化學(xué)定位對(duì)研究細(xì)胞的生理功能和病理過(guò)程具有重要作用，而且很多酶可以作為細(xì)胞膜和各種細(xì)胞器的標(biāo)志酶，這為研究細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)與功能、細(xì)胞器的相互關(guān)系以及細(xì)胞的鑒別等提供有力的手段，這一技術(shù)越來(lái)越受到重視。免疫細(xì)胞化學(xué)技術(shù)是利用免疫反應(yīng)定位組織或細(xì)胞中抗原成分分布的一類(lèi)技術(shù)。主要分為兩大類(lèi):免疫熒光技術(shù)和將免疫學(xué)方法(抗原抗體特異結(jié)合)與熒光標(biāo)記技術(shù)結(jié)合起來(lái)研究特異蛋白抗原在細(xì)胞內(nèi)分布的方法。由于熒光素所發(fā)的熒光可在熒光顯微鏡下檢出，從而可對(duì)抗原進(jìn)行細(xì)胞定位。細(xì)胞分選技術(shù)是細(xì)胞生物學(xué)研究中一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，主要用流式細(xì)胞計(jì)(flowcytometer，F(xiàn)CM)對(duì)細(xì)胞(圖2-28)或染色體(圖2-29)進(jìn)行分選，并進(jìn)行定量分析。流式細(xì)胞計(jì)主要由以下幾部分組成∶●激光光源：可發(fā)出合適波長(zhǎng)的光?！窳魇?flowchamber):生物顆粒在此與鞘液(sheathflui流至適當(dāng)位置，受激光照射可發(fā)射出不同的光訊號(hào)。●訊號(hào)分析部件∶為微型電子計(jì)算機(jī)裝置，對(duì)訊號(hào)作出分析。什么是細(xì)胞分選?原理是什么?圖2-29用于染色體分選的染色體熒光探針標(biāo)記主要內(nèi)容包括：細(xì)胞融合、細(xì)胞生物反應(yīng)器、染色體轉(zhuǎn)移、細(xì)胞器移植、基因轉(zhuǎn)移、細(xì)胞及組織培養(yǎng)。在體外模擬體內(nèi)的生理環(huán)境，培養(yǎng)從機(jī)體中取出的細(xì)胞，并使之生存和生長(zhǎng)的技術(shù)為細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)。培養(yǎng)中的細(xì)胞不受體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的影響，人為改變培養(yǎng)條件(如物理、化學(xué)、生物等外界因素的變化)即可進(jìn)一步觀察細(xì)胞在單因素或多因素的影響下的生理功能變化。體外細(xì)胞培養(yǎng)的條件●廢物的排除原代培養(yǎng)是指直接從機(jī)體取下細(xì)胞、組織和器官后立即進(jìn)行培養(yǎng)。細(xì)胞培養(yǎng)的一般過(guò)程如圖2-30所示?！窦?xì)胞系:原代培養(yǎng)物經(jīng)首次傳代成功后即為細(xì)胞系，有無(wú)限的傳代能力?！窦?xì)胞株:通過(guò)原代培養(yǎng)或經(jīng)過(guò)細(xì)胞克隆與選擇而建立的、具有特異的性質(zhì)或標(biāo)記的細(xì)胞系，但是它們具有有限■動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)方法分散的細(xì)胞懸浮在培養(yǎng)瓶中很快(幾十分鐘至幾小時(shí))就貼附在瓶壁上，稱為細(xì)胞貼壁，貼壁后的細(xì)胞形態(tài)形成多態(tài)性，呈單層生長(zhǎng)，所以此法又叫單層細(xì)胞培養(yǎng)。單層培養(yǎng)的細(xì)胞保持接觸抑制(contactinhibition)的特性。懸浮培養(yǎng)的細(xì)胞在培養(yǎng)過(guò)程中不貼壁，一直懸浮在培養(yǎng)液中生長(zhǎng)，如T細(xì)胞的培養(yǎng)就是如此。懸浮培養(yǎng)的條件較為復(fù)雜，難度也大一些，但是容易同時(shí)獲得大量的培養(yǎng)細(xì)胞。物組織培養(yǎng)是根據(jù)植物細(xì)胞的全能性發(fā)展起來(lái)的利用植物植株的不同組織培養(yǎng)成完整植株方法。例如葉片、莖段、根等都可以通過(guò)誘導(dǎo)形成愈傷組織，而后培養(yǎng)成植株(圖2-231)。用打孔器將植物的葉片打成小圓片，然后與農(nóng)桿菌進(jìn)行共培養(yǎng)，接著放在誘導(dǎo)生芽的培養(yǎng)基上進(jìn)行誘導(dǎo)培養(yǎng)，待芽長(zhǎng)出后再轉(zhuǎn)移到生根培養(yǎng)基上，誘導(dǎo)生根，最后移植到土壤中培養(yǎng)成完整的再生植株。一般采用植物的體細(xì)胞(二倍體細(xì)胞)，先經(jīng)纖維素酶處理去掉細(xì)胞壁，這種脫去細(xì)胞壁的細(xì)胞稱為原生質(zhì)體。將原生質(zhì)體放在合適的培養(yǎng)基上，經(jīng)過(guò)誘導(dǎo)分化可以重新長(zhǎng)成植株。原生質(zhì)體也可用于植物細(xì)胞融合，然后誘導(dǎo)形課程學(xué)習(xí)：2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法>>2.3.2細(xì)胞融合與單克隆抗體技術(shù)2.3.2細(xì)胞融合與單克隆抗體技術(shù)指自發(fā)或人工誘導(dǎo)下，兩個(gè)不同基因型的細(xì)胞或原生質(zhì)體融合形成一個(gè)雜種細(xì)胞(圖2-33)。有性繁殖時(shí)發(fā)生的精卵結(jié)合是正常的細(xì)胞融合，即由兩個(gè)配子融合形成一個(gè)新的的二倍體。1975年英國(guó)科學(xué)家Milstein和Kohler發(fā)明了單克隆抗體技術(shù)，圖2-34所示是單克隆抗體制備流程。一旦有了抗體就可以從事多種研究。例如，抗體可用于蛋白質(zhì)的純化。將抗體添加到蛋白質(zhì)的粗提取液中，相應(yīng)的蛋白就會(huì)同抗體結(jié)合，然后一起沉淀下來(lái)?？贵w還可用于許多免疫反應(yīng)，在顯微鏡下，用顯微操作裝置對(duì)細(xì)胞進(jìn)行解剖手術(shù)和微量注射的技術(shù)屬顯微操作技術(shù)。顯微操作儀是在顯微鏡下對(duì)細(xì)胞進(jìn)行顯微操作的裝置(圖2-35)，可用于細(xì)胞核移植、基因注入、染色體微切和胚胎切割等手術(shù)。課程學(xué)習(xí)：2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法>>2.3.3動(dòng)物細(xì)胞核移植克隆技術(shù)1997年，英國(guó)蘇格蘭羅斯林研究所I.WI.Wilmut等首次成功通過(guò)細(xì)胞融合技術(shù)利用成年動(dòng)物徹底分化的體細(xì)胞克隆出子代個(gè)體，開(kāi)創(chuàng)了動(dòng)物體細(xì)胞克隆的新時(shí)代。I.Wilmut等從成年個(gè)體母羊的乳腺組織分離單個(gè)乳腺細(xì)胞，然后與去核的羊的卵細(xì)胞融合，克隆得到一頭綿羊體細(xì)胞克隆技術(shù)有什么意義？分離技術(shù)是一大類(lèi)技術(shù)的總稱，包括細(xì)胞組分的分離和生物大分子的分離。離心分離細(xì)胞組分和生物分子是最常用的分離方法，因?yàn)椴煌募?xì)胞器和分子有不同的體積和密不同離心力的作用下沉降分離。常用的兩類(lèi)離心分離方法是速度離心(velocitycentrifugation)和等密度離心圖2-37不同的細(xì)胞器、大分子和病毒的密度及相應(yīng)的沉降系數(shù)■速度離心分離細(xì)胞器和大分子在速度離心分離中有兩種不同的方法:將含有兩種體積稍微不同的顆粒樣品小心加在有輕微梯度的離心管介質(zhì)的液面上(蔗糖或甘油)。離心適當(dāng)時(shí)間，樣品中的顆粒向管底部移動(dòng)(不能離心太久，太久了兩種顆粒都會(huì)沉淀到底部)，由于體積的不同，移動(dòng)的區(qū)帶速度不同。然后收集不同區(qū)帶的樣品進(jìn)行分析。圖2-40密度梯度離心分離溶酶體、線粒體和微體是目前使用的最好的離心介質(zhì)，它在離心場(chǎng)中可自行調(diào)節(jié)形成濃度梯度，并能保持穩(wěn)定(圖2-41)。在速度離心時(shí)，被分離的分子越小，需要的離心速度越高。但是，離心機(jī)中影響速度高低的是轉(zhuǎn)子的半徑。離心力(g)是表示某種顆粒沉淀的最好方式，一般根據(jù)離心力和離心機(jī)轉(zhuǎn)子的半徑?jīng)Q定離心速度。常見(jiàn)細(xì)胞器離心沉淀所需的離心力列于表2-3。表2-3不同的細(xì)胞結(jié)構(gòu)分離所需的離心力層析是廣泛使用的分離蛋白質(zhì)的方法，它是根據(jù)蛋白質(zhì)的形態(tài)、大小和電荷的不同而設(shè)計(jì)的物理分離方法。凝膠過(guò)濾層析、離子交換層析、親和層析等是目前最常用的層析方法。三種不同的蛋白質(zhì)根據(jù)它們大小的不同在層析柱中被分離。在生物分子中有些分子的特定結(jié)構(gòu)部位能夠同其他分子相互識(shí)別并結(jié)合，如酶與底物的識(shí)別結(jié)合、受體與配體的識(shí)別結(jié)合、抗體與抗原的識(shí)別結(jié)合，這種結(jié)合既是特異的，又是可逆的，改變條件可以使這種結(jié)合解除。生物分子間的這種結(jié)合能力稱為親和力。親和層析就是根據(jù)這樣的原理設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)分離純化方法(圖2-43)。(a)瓊脂糖珠的表面吸附劑(如胰島素配體)只能同特異的受體結(jié)合(胰島素);(b)親和層析的基本步驟。離子交換層析是根據(jù)蛋白質(zhì)所帶電荷的差異進(jìn)行分離純化的一種方法(圖2-44)。通過(guò)DEAE-纖維素將兩種不同帶電性的蛋白質(zhì)分離開(kāi)。圖中顯示的是帶正電的離子交換樹(shù)脂結(jié)合帶負(fù)電的蛋白。分子生物學(xué)是用于在分子水平上研究生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能的一系列方法，包括基因重組技術(shù)、基因轉(zhuǎn)移、分基因克隆(genecloning)技術(shù)是70年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)具有革命性的研究技術(shù)，它的發(fā)明和發(fā)展，使生物學(xué)家能夠在體外進(jìn)行基因操作、基因轉(zhuǎn)移、基因定點(diǎn)突變等研究。這項(xiàng)技術(shù)可概括為∶分、切、連、轉(zhuǎn)、選?；蚬こ碳夹g(shù)的兩個(gè)最基本的特點(diǎn)是分子水平上的操作和細(xì)胞水平上的表達(dá)，而分子水平上的操作即是體外重組的過(guò)程，實(shí)際上是利用工具酶對(duì)DNA分子進(jìn)行"外科手術(shù)"(圖2-45)。課程學(xué)習(xí)：2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法>>2.5.3選擇性基因敲除與轉(zhuǎn)基因鼠基因工程技術(shù)的建立使人們能夠?qū)NA先進(jìn)行克隆，隨后篩選鑒定特定功能的基因，而不必預(yù)先知道所克隆的DNA具有何種功能，基因敲除是最有效的方法之一。基因敲除是一套組合技術(shù)，包括基因重組、細(xì)胞分離、轉(zhuǎn)基因等。圖2-47顯示了獲得敲除CFTR(cysticfibrosis課程學(xué)習(xí)：2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法>>乳腺生物反應(yīng)器是根據(jù)細(xì)胞生物學(xué)中蛋白質(zhì)合成與分選的機(jī)理，結(jié)合基因工程技術(shù)、動(dòng)物轉(zhuǎn)基因技術(shù)等，利用動(dòng)物的乳腺分泌某些具有重要價(jià)值的基因產(chǎn)物(圖2-48)圖2-48用轉(zhuǎn)基因綿羊生產(chǎn)重要的醫(yī)用蛋白質(zhì)課程學(xué)習(xí)：3.細(xì)胞質(zhì)膜與跨膜運(yùn)輸>3.細(xì)胞質(zhì)膜與跨膜運(yùn)輸3.4膜的分子結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)3.5.4主動(dòng)與被動(dòng)運(yùn)輸、動(dòng)物與植物主動(dòng)運(yùn)輸?shù)谋容^學(xué)習(xí)指導(dǎo)3.細(xì)胞質(zhì)膜與跨膜運(yùn)輸定，并參與同外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換、能量和信息傳遞。另外，細(xì)胞質(zhì)膜在細(xì)胞的生存、生長(zhǎng)、分裂、分化中請(qǐng)比較質(zhì)膜、內(nèi)膜和生物膜在概念上的異同細(xì)胞膜是多功能的結(jié)構(gòu)體系，圖3-4勾畫(huà)出它的主要功能:中劃分了許多以膜包被的區(qū)室。如何理解細(xì)胞膜作為界膜對(duì)細(xì)胞生命活動(dòng)所起的作用?一方面又作為某些物質(zhì)出入細(xì)胞的障礙?！龉δ軈^(qū)室化細(xì)胞膜的另一個(gè)重要的功能就是通過(guò)形成膜結(jié)合細(xì)胞器，使細(xì)胞內(nèi)的功能區(qū)室化。例如細(xì)胞質(zhì)中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等膜結(jié)合細(xì)胞器的基本功能是參與蛋白質(zhì)的合成、加工和運(yùn)輸；而溶酶體的功能是起消化作用，酸性水解酶主要集中在溶酶體?！鰠⑴c細(xì)胞間的相互作用(intercellularinteraction)在多細(xì)胞的生物中，細(xì)胞通過(guò)質(zhì)膜行細(xì)胞間的多種相互作用，包括細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞粘著、細(xì)胞連接等。結(jié)合蛋白進(jìn)行光能的捕獲和轉(zhuǎn)換，最后將光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲(chǔ)存在碳水化合物中。簡(jiǎn)述細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的基本功能及對(duì)細(xì)胞生命活動(dòng)的影響并且易于提純和分離，是研究膜結(jié)構(gòu)的最好材料?！黾t細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)14.5μm2，表面積與體積的比值較大，有利于細(xì)胞變形、氣體交換和攜帶。有人說(shuō)紅細(xì)胞是研究膜結(jié)構(gòu)的最好材料，你能說(shuō)說(shuō)理由嗎?紅細(xì)胞的主要功能是將肺吸進(jìn)的氧運(yùn)送到身體的其他組織，并帶走呼出的CO2(圖3-6)。將紅細(xì)胞分離后放入低滲溶液中，水很快滲入到細(xì)胞內(nèi)部，使紅細(xì)胞膨脹、破裂，從而釋放出血紅蛋白(是紅細(xì)胞中惟一一種非膜蛋白)，此時(shí)的紅細(xì)胞就變成了沒(méi)有內(nèi)容物的空殼，由于紅細(xì)胞膜具有很大的變形性、柔韌性和可塑性，當(dāng)紅細(xì)胞的內(nèi)容物滲漏之后，它的膜可以重新封閉起來(lái)(圖3-7)，此時(shí)的紅細(xì)胞被稱為血影(ghost)。圖3-7紅細(xì)胞血影及封閉、未封閉小泡的形成課程學(xué)習(xí)：3.細(xì)胞質(zhì)膜與跨膜運(yùn)輸>>■關(guān)于膜的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的早期研究18世紀(jì)90年代，Overton用植物的根毛作實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)脂溶性物質(zhì)很容易進(jìn)入細(xì)胞，而水溶性的物質(zhì)卻不能。實(shí)際還進(jìn)一步推測(cè)，細(xì)胞的外被中很可能有膽固醇和卵磷脂的存在，這種推測(cè)后來(lái)被證明是完全正確的。(lipidmonolayer)的設(shè)想。脂單層概念是20世紀(jì)初膜結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)，導(dǎo)致了脂雙層的發(fā)現(xiàn)。IrvingLangmuir如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出脂單層的設(shè)想？■紅細(xì)胞膜脂雙層概念的提出展后所測(cè)的面積同實(shí)際測(cè)量的紅細(xì)胞的表面積之比約為1.8～2.2∶1，為了解釋這一結(jié)果，他們提出紅細(xì)胞膜的基紅細(xì)胞的壽命約為120天，在生存期中大約行程500，000米。在血液循環(huán)中，紅細(xì)胞要穿過(guò)小于自身直徑一半的微小通道(脾竇)、在脾臟內(nèi)要經(jīng)受氧少、低pH值等不利環(huán)境的考驗(yàn)、在心臟內(nèi)又要受到瓣膜渦流沖擊。不紅細(xì)胞在這樣長(zhǎng)而艱險(xiǎn)的運(yùn)輸途徑中保持結(jié)構(gòu)的完好，它的質(zhì)膜起了重要作用，可以推測(cè)，紅細(xì)胞的質(zhì)膜一定有非常特別的結(jié)構(gòu)，僅僅是雙脂層可能難以解釋。研究發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)有一種特殊的結(jié)構(gòu)，是由膜蛋白和纖維蛋白組成的網(wǎng)架，它參與維持細(xì)胞質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。■紅細(xì)胞膜蛋白的組成分離紅細(xì)胞膜后可用陰離子去垢劑溶解膜蛋白，并通過(guò)SDS和聚丙烯酰胺凝膠電泳(PAGE)分離膜蛋白。通過(guò)單向(A)是考馬斯藍(lán)染色的膠;(B)表示凝膠上主要蛋白質(zhì)的位置。幾種主要的紅細(xì)胞膜蛋白是(其中血影蛋白、血型糖蛋白、帶3蛋白約占膜蛋白的60%以上):■紅細(xì)胞膜骨架的形成紅細(xì)胞膜骨架蛋白的主要成分包括:血影蛋白、肌動(dòng)蛋白、錨定蛋白、帶3蛋白、帶4.1蛋白等。紅細(xì)胞膜骨架的網(wǎng)狀支架的形成及與膜的結(jié)合過(guò)程大致分為三步：●首先是血影蛋白與4.1蛋白、肌動(dòng)蛋白的相互作用●4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用●第三是錨定蛋白與血影蛋白、帶3蛋白的相互作用請(qǐng)簡(jiǎn)述紅細(xì)胞膜骨架的裝配過(guò)程構(gòu)成膜的蛋白質(zhì)與脂的比例依據(jù)膜的類(lèi)型(如質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、高爾基體膜)、細(xì)胞類(lèi)型(肌細(xì)胞、肝細(xì)胞)、生物類(lèi)表3-1不同生物膜中的蛋白、脂和碳水化合物的量干重的百分比(%)膜蛋白質(zhì)脂碳水化合物線粒體所有的膜脂都具有雙親媒性(amphipathic)，即這些分子都有一個(gè)親水末端(極性端)和一個(gè)疏水末端(非極性端)。這種性質(zhì)使生物膜具有屏障作用，大多數(shù)水溶性物質(zhì)不能自由通過(guò)，只允許親脂性物質(zhì)通過(guò)。有人說(shuō)膜脂的功能僅作為膜的骨架，并作為非脂溶性物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的障礙，你認(rèn)為此說(shuō)有何不妥？■膜脂的主要類(lèi)型膜脂是生物膜的基本組成成分，約占膜的50%，主要有三大類(lèi):磷脂、糖脂、膽固醇。含有磷酸基團(tuán)的脂稱為磷脂，是細(xì)胞膜中含量最豐富和最具特性的脂。它有一個(gè)極性的頭部和一個(gè)疏水的尾部(圖●膽固醇(cholesterol)細(xì)胞膜上另一類(lèi)脂是固醇類(lèi)的膽固醇(圖3-13)，膽固醇存在于真核細(xì)胞膜中。動(dòng)物細(xì)胞膜膽固醇的含量較高，有的占膜脂的50%，大多數(shù)植物細(xì)胞和細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)膜中沒(méi)有膽固醇，酵母細(xì)胞膜中是麥角固膽固醇的分子較其他膜脂要小，雙親媒性也較低。膽固醇的親水頭部朝向膜的外側(cè)，疏水的尾部埋在脂雙層的中■膜脂的特性和功能●不同類(lèi)型的膜含有不同類(lèi)型的膜脂，使這些膜具有不同的特性(表3-2)。表3-2某些生物膜膜脂的組成(脂總重量百分?jǐn)?shù))脂人的紅細(xì)胞人的髓鞘牛心臟線粒體E.coli心磷脂鞘磷脂糖脂膽固醇●膜脂都是兩性物質(zhì)，都具有親水的極性頭和疏水的非極性的尾，大多數(shù)磷脂和糖脂在水溶液中能夠自動(dòng)形成雙分子層結(jié)構(gòu)。當(dāng)這些兼性分子被水環(huán)境包圍時(shí)，它們就聚集起來(lái)，將疏水的尾部埋在里面，親水的頭部露在膜脂的主要功能是構(gòu)成膜的基本骨架，此外還有其他一些重要功能(表3-30)。脂存在的膜功能主要磷脂磷脂酰膽堿存在于大多數(shù)膜中形成脂雙層磷脂酰乙醇胺存在于大多數(shù)膜中起界膜的作用，防止水磷脂酰絲氨基存在于大多數(shù)膜中溶性物質(zhì)的自由擴(kuò)散次要磷脂心磷脂線粒體內(nèi)膜激活染色體磷脂酰肌醇(PI)存在于大多數(shù)膜作為三磷酸肌醇的供體鞘脂大多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞，特別是神經(jīng)細(xì)胞屏障作用，激活某些酶糖脂葉綠體類(lèi)囊體的膜的主要脂類(lèi)屏障作用膽固醇大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞膜大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞膜膜的流動(dòng)性膜中的碳水化合物約占膜重量的1～10%，糖含量的多少依細(xì)胞的不同而不同。細(xì)胞質(zhì)膜上所有的膜糖都位于質(zhì)膜的外表面，內(nèi)膜系統(tǒng)中的膜糖則位于內(nèi)表面?！瞿ぬ堑姆N類(lèi)自然界存在的單糖及其衍生物有200多種，但存在于膜的糖類(lèi)只有其中的9種，而在動(dòng)物細(xì)胞膜上的主要是7■膜糖的存在方式真核細(xì)胞質(zhì)膜中的糖類(lèi)是通過(guò)共價(jià)鍵同膜脂或膜蛋白相連，即以糖脂或糖蛋白的形式存在于細(xì)胞質(zhì)膜上。糖同氨基酸的連接主要有兩種形式，即O-連接和N-連接(圖3-17)?！馧-連接:是糖鏈與肽鏈中天冬酰胺殘基相連■膜糖的功能膜糖在細(xì)胞的生命活動(dòng)中具有重要作用，它們可以提高膜的穩(wěn)定性，增強(qiáng)膜蛋白對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)中蛋白酶的抗性，幫助膜蛋白進(jìn)行正確的折疊和維持正確的三維構(gòu)型。同時(shí)膜糖也參與細(xì)胞的信號(hào)識(shí)別、細(xì)胞的粘著。如同某些糖脂一樣，膜蛋白中的糖基是細(xì)菌和病毒感染時(shí)的識(shí)別和結(jié)合位點(diǎn)。另外，糖蛋白中的糖基還幫助新合成蛋白質(zhì)進(jìn)行正確的運(yùn)輸和定位?！馎BO血型決定子(determinant)，即ABO血型抗原，它是一人的血型是A型、B型、AB型還是O型，是由紅細(xì)胞膜脂或膜蛋白中的糖基決定的。A血型的人紅細(xì)胞膜脂寡糖鏈的末端是N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)，B血型的人紅細(xì)胞膜脂寡糖鏈的末端是半乳糖(Gal)，O型則沒(méi)有這兩種糖基，而AB型的人則在末端同時(shí)具有這兩種糖。由膜脂構(gòu)成膜的基本結(jié)構(gòu)，但是生物膜的特定功能主要是由蛋白質(zhì)決定的。功能越復(fù)雜的膜，其上的蛋白質(zhì)種類(lèi)■膜蛋白的分類(lèi)據(jù)膜蛋白與膜脂的關(guān)系分為整合蛋白、外周蛋白、脂錨定蛋白。非共價(jià)鍵附著在脂的極性頭部，或整合蛋白親水區(qū)的一側(cè)，間接與膜結(jié)合(圖3-20)。脂錨定蛋白(lipid-anchored)又稱脂連接蛋白(lipid-linkedprotein)，通過(guò)共價(jià)鍵的方式同脂分子結(jié)合，位于脂雙層的外側(cè)。同脂的結(jié)合有兩種方式，一種是蛋白質(zhì)直接結(jié)合于脂雙分子層，另一種方式是蛋白并不直接同脂結(jié)合，而是通過(guò)一個(gè)糖分子間接同脂結(jié)合(圖3-21)?！瞿さ鞍椎墓δ馨|(zhì)膜有著許多重要的生物學(xué)功能，這些功能大多數(shù)是由膜蛋白來(lái)執(zhí)行的(圖3-22，表3-4)。表3-4某些膜蛋白及其功能功能蛋白示例作用方式運(yùn)輸?shù)鞍譔a＋泵主動(dòng)將Na+泵出細(xì)胞，K+泵入細(xì)胞連接蛋白整合素將細(xì)胞內(nèi)肌動(dòng)蛋白與細(xì)胞外基質(zhì)蛋白相連酶腺苷酸環(huán)化酶在細(xì)胞外信號(hào)作用下，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)cAMP產(chǎn)生■膜蛋白的研究方法●膜蛋白的分離●去垢劑的作用機(jī)理去垢劑是一端親水一端疏水的雙親媒性分子，它們具有極性端和非極性的碳?xì)滏?。?dāng)它們與膜蛋白作用時(shí)，可以用非極性端同蛋白質(zhì)的疏水區(qū)作用，取代膜脂，極性端指向水中，形成溶于水的去垢劑-膜蛋白復(fù)合物，從而使膜蛋白在水中溶解、變性、沉淀(圖3-23)。(a)去垢劑分子，具有極性和非極性端;(b)去垢劑包裹在膜蛋白的疏水區(qū)，極性區(qū)朝向外側(cè)，使蛋白質(zhì)成為水溶性，●膜蛋白在膜中位置測(cè)定請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一種方法檢測(cè)跨膜蛋白的哪一部分位于膜的外側(cè)，哪一部分位于膜的內(nèi)側(cè)?3.4膜的分子結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)雖然細(xì)胞質(zhì)膜是包裹在細(xì)胞最外層的界膜，但由于細(xì)胞的新陳代謝活動(dòng)必須同細(xì)胞外進(jìn)行物質(zhì)交換，這就要求細(xì)胞質(zhì)膜具有特殊的結(jié)構(gòu)，以保證生命活動(dòng)的正常進(jìn)行。結(jié)構(gòu)，并將膜結(jié)構(gòu)同所觀察到的生物學(xué)理化性質(zhì)聯(lián)系起來(lái)，對(duì)后來(lái)的研究有很大的啟發(fā)。1959年，J.D.Robertson利用電子顯微鏡技術(shù)對(duì)各種膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)研究，在電子軌結(jié)構(gòu)("railroadtrack")，兩條暗線被一條明亮的帶隔開(kāi)，顯示暗——明——暗的三層，總厚度為7.5nm，中間層為3.5nm，內(nèi)外兩層各為2nm。并推測(cè):暗層是蛋白質(zhì)，透明層是脂，并建議將這種結(jié)構(gòu)稱為單位膜（這一模型強(qiáng)調(diào)了膜的流動(dòng)由性和不對(duì)稱性，較好地體現(xiàn)細(xì)胞的功能特點(diǎn)，被廣泛接受，也得到許多實(shí)驗(yàn)的支持。■大腸桿菌細(xì)胞質(zhì)膜●流動(dòng)鑲嵌模型同樣適合原核生物?！窬哂须p層膜結(jié)構(gòu)的只是革藍(lán)氏陰性菌，如大腸桿菌（圖3-27）。對(duì)于革藍(lán)氏陽(yáng)性菌，如鏈球菌、葡萄球菌等只●在革藍(lán)氏陰性菌的外膜上有豐富的孔蛋白。細(xì)胞質(zhì)膜的不對(duì)稱性是指細(xì)胞質(zhì)膜脂雙層中各種成分不是均勻分布的，包括種類(lèi)和數(shù)量的不均勻?！霾粚?duì)稱性的表現(xiàn)膜的主要成分是蛋白、脂和糖，膜的不對(duì)稱性主要是指這些成分分布的不對(duì)稱以及這些分子在方向上的不對(duì)稱?！衲ぶ牟粚?duì)稱性膜脂的不對(duì)稱性表現(xiàn)在脂雙層中分布的各類(lèi)脂的比例不同，各種細(xì)胞的膜脂不對(duì)稱性差異很●膜蛋白的不對(duì)稱每種膜蛋白在膜中都有特定的排布方向，與其功能相適應(yīng)，這是膜蛋白不對(duì)稱性的主要因素。膜蛋白的不對(duì)稱性包括外周蛋白分布的不對(duì)稱以及整合蛋白內(nèi)外兩側(cè)氨基酸殘基數(shù)目的不對(duì)稱（圖3-30）。圖3-30紅細(xì)胞血型糖蛋白A在質(zhì)膜中不對(duì)稱分布●膜糖的不對(duì)稱膜糖以糖蛋白或糖脂的形式存在，無(wú)論是糖蛋白還是糖脂的糖基都是位于膜的外表面（圖3-31、■不對(duì)稱性的意義膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不對(duì)稱性導(dǎo)致了膜功能的不對(duì)稱性和方向性。保證了生命活動(dòng)的高度有序性?！霾粚?duì)稱性的研究方法研究膜結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性的方法有很多種，其中最重要的就是冰凍斷裂技術(shù)，此外還有同位素標(biāo)記法、酶水解法等。●冰凍斷裂(freezefracture)法冰凍斷裂法不僅可用于研究膜組份分布的不對(duì)稱，也是膜的脂雙層結(jié)構(gòu)的直接證據(jù)圖3-33冰凍斷裂技術(shù)顯示的脂雙層及膜蛋白分布的不對(duì)稱性實(shí)驗(yàn)中首先要分離細(xì)胞膜，然后用乳過(guò)氧化物酶進(jìn)行膜蛋白標(biāo)記。過(guò)氧化物酶的分子較大而不能透過(guò)細(xì)胞膜，這樣可以用于標(biāo)記膜外表面的蛋白，標(biāo)記后，分離膜蛋白，電泳分離和放射自顯影進(jìn)行鑒定。圖3-34放射性標(biāo)記法測(cè)定膜蛋白分布的不對(duì)稱性在酶法標(biāo)記測(cè)定膜蛋白的定向?qū)嶒?yàn)中若是要標(biāo)記膜內(nèi)側(cè)的蛋白，該如何處理？●脂酶處理法既可以用胰蛋白酶處理法研究膜蛋白的定位，也可以用磷脂酶處理法來(lái)研究膜脂在脂雙層中的定圖3-35用脂酶處理法研究膜脂分布的不對(duì)稱性請(qǐng)說(shuō)明用磷脂酶處理法研究紅細(xì)胞膜脂在脂雙層中定位的原理膜的流動(dòng)性是指構(gòu)成膜的脂和蛋白質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)性。膜的流動(dòng)性不僅是膜的基本特性之一，也是細(xì)胞進(jìn)行生命活■流動(dòng)性的表現(xiàn)形式●膜脂的運(yùn)動(dòng)方式脂的流動(dòng)是造成膜流動(dòng)性的主要因素，概括起來(lái)，膜脂的運(yùn)動(dòng)方式主要有四種。③伸縮運(yùn)動(dòng)（flex●膜蛋白的運(yùn)動(dòng)由于膜蛋白的相對(duì)分子質(zhì)量較大，同時(shí)受到細(xì)胞骨架的影響，它不可能象膜脂那樣運(yùn)動(dòng)。主要有以下幾種運(yùn)動(dòng)形式（圖3-37）:①隨機(jī)移動(dòng)有些蛋白質(zhì)能夠在整個(gè)膜上隨機(jī)移動(dòng)。移動(dòng)的速率比用人工脂雙層測(cè)得的要低。②定向移動(dòng)有些蛋白比較特別，在膜中作定向移動(dòng)。例如，有些膜蛋白在膜上可以從細(xì)胞的頭部移向尾部。③局部擴(kuò)散有些蛋白雖然能夠在膜上自由擴(kuò)散，但只能在局部范圍內(nèi)擴(kuò)散?！瞿ち鲃?dòng)性的研究方法●人、鼠細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)●淋巴細(xì)胞的成斑和成帽反應(yīng)通過(guò)抗體交聯(lián)膜蛋白分子聚集成斑(patching)、成帽(capping)的現(xiàn)象也是證明膜蛋白在膜平面?zhèn)认驍U(kuò)散的例子。這種方法不僅能夠證明膜的流動(dòng)性，同時(shí)也能測(cè)量膜蛋白擴(kuò)散的速率。圖3-40光脫色熒光恢復(fù)技術(shù)檢測(cè)膜流動(dòng)性得的。他們先標(biāo)記非膜脂肪，然后讓這種脂分別處于室溫和零下65℃去檢測(cè)共振譜，同時(shí)將標(biāo)記的脂插入到細(xì)胞膜中再檢測(cè)共振譜。圖3-41電子自旋共振譜技術(shù)檢測(cè)膜脂的移動(dòng)■影響流動(dòng)性的因素影響膜流動(dòng)性的因素主要來(lái)自膜本身的組成成分、遺傳因子及環(huán)境的理化因素(如溫度、pH、離子強(qiáng)度、藥物等)?！駵囟?temperature)溫度是影響膜流動(dòng)性的最主要的因素。膜的骨架成份是脂，如同其他的物質(zhì)一樣，既可以晶態(tài)，又可以液態(tài)存在，主要是根據(jù)溫度的變化而定。●膜脂的組成對(duì)流動(dòng)性的影響脂的組成對(duì)膜流動(dòng)性的影響主要在三個(gè)方面:脂肪酸鏈的長(zhǎng)度、脂肪酸鏈的飽和程度、脂雙層中膽固醇的含量?！衲懝檀嫉挠绊懻婧思?xì)胞膜中有大量的膽固醇插在膜磷脂之間，可以加強(qiáng)膜脂雙層的穩(wěn)定性，增加膜脂有序性并降低其流動(dòng)性，●影響膜蛋白運(yùn)動(dòng)的因素常見(jiàn)的限制膜蛋白運(yùn)動(dòng)的因素有：①細(xì)胞質(zhì)膜下的骨架結(jié)構(gòu)與膜整合蛋白結(jié)合限制膜蛋白移動(dòng)（圖3-44）;②細(xì)胞外基質(zhì)中的某些分子與膜整合蛋白結(jié)合限制列膜蛋白的移動(dòng);③膜蛋白與另一細(xì)胞的膜蛋白作用限制了自身的移動(dòng);④膜中其他不動(dòng)蛋白限制了膜蛋白的移動(dòng)。細(xì)胞質(zhì)膜不僅僅作為物質(zhì)出入細(xì)胞的障礙，還要具有控制分子和離子通過(guò)的能力(圖3-45)。換句話說(shuō)，細(xì)胞質(zhì)膜必須具有選擇性地進(jìn)行物質(zhì)跨膜運(yùn)輸、調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)和離子的平衡及滲透壓平衡的能力?！鑫镔|(zhì)運(yùn)輸?shù)姆懂牸?xì)胞進(jìn)行的物質(zhì)運(yùn)輸有三種不同的范疇:●胞內(nèi)運(yùn)輸(intracellulartransport)是真核生物細(xì)胞內(nèi)膜結(jié)合細(xì)胞器與細(xì)胞內(nèi)環(huán)境進(jìn)行的物質(zhì)交換;■膜運(yùn)輸機(jī)制:被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸●被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸?shù)牟町愑腥齻€(gè)主要的差異(圖3-46):起始條件不同、運(yùn)輸方式不同、產(chǎn)生的結(jié)果不同。請(qǐng)從起始條件、運(yùn)輸方式、產(chǎn)生的結(jié)果等三個(gè)方面對(duì)主動(dòng)運(yùn)輸和被動(dòng)運(yùn)輸進(jìn)行比較●物質(zhì)輸入細(xì)胞的四種方式溶質(zhì)分子可通過(guò)四種不同的方式跨膜運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)(圖3-47)。圖中用較大號(hào)字母表示溶液的高濃度。(a)通過(guò)脂雙層的簡(jiǎn)單擴(kuò)散；(b)通過(guò)膜整合蛋白形成的水性通道進(jìn)行的被動(dòng)運(yùn)輸;(c)通過(guò)同膜蛋白的結(jié)合進(jìn)行的幫助擴(kuò)散，也同(a)和(b)一樣，只能從高濃度向低濃度運(yùn)輸;(d)通過(guò)載體介導(dǎo)的主動(dòng)運(yùn)輸，這種載體主要是酶，能夠催化物質(zhì)從低濃度向高濃度運(yùn)輸。無(wú)論是被動(dòng)還是主動(dòng)運(yùn)輸，都有膜蛋白的參與，這些蛋白被稱為膜運(yùn)輸?shù)鞍住Ｉ?親和標(biāo)記法，在此法中常常用到特異的運(yùn)輸系統(tǒng)的抑制劑。下:膜重建法?！鲭x子載體在膜運(yùn)輸?shù)鞍坠δ苎芯恐械膽?yīng)用人們對(duì)自然狀態(tài)下的膜運(yùn)輸特性的認(rèn)識(shí)主要來(lái)自離子載體(ionophore)●短桿菌肽A(gramicidinA)是一種形成通道的離子載體，它具有疏水的側(cè)鏈，兩個(gè)分子在一起形成跨膜的通道。它能夠有選擇地將單價(jià)陽(yáng)離子順電化學(xué)梯度通過(guò)膜(圖3-49)，可被短桿菌肽A離子通道運(yùn)輸?shù)年?yáng)離子有∶H+〉●纈氨霉素(valinomycin)是一種由12個(gè)氨基酸組成的環(huán)形小肽。將纈氨霉素插入脂質(zhì)體后，通過(guò)環(huán)的疏水面與脂雙層相連，極性的內(nèi)部能精確地固定K+。它在一側(cè)結(jié)合K+，然后向內(nèi)側(cè)移動(dòng)通過(guò)脂雙層，在另一側(cè)將K+釋放從上面介紹的兩個(gè)離子載體的例子可以得到兩個(gè)基本結(jié)論:①膜運(yùn)輸?shù)鞍拙哂羞x擇性;②膜運(yùn)輸?shù)鞍淄ㄟ^(guò)兩種機(jī)制進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸，一是形成水性通道，二是同被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)結(jié)合，以可動(dòng)的形式穿膜，即可動(dòng)載體(mobilecarrier)非電解質(zhì)通過(guò)擴(kuò)散跨過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜必須具備兩個(gè)條件:第一，該物質(zhì)在細(xì)胞外的濃度很高;第二，細(xì)胞質(zhì)膜必須對(duì)這種物質(zhì)具有通透性。膜對(duì)某種溶質(zhì)具有透性，必須滿足兩個(gè)條件之一：(1)這種物質(zhì)能夠直接穿過(guò)脂雙層，或是(2)膜中有可允許該溶質(zhì)通過(guò)的跨膜孔道?！鰯U(kuò)散與滲透細(xì)胞質(zhì)膜具有兩個(gè)基本的特性∶允許小分子物質(zhì)通過(guò)擴(kuò)散穿過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜，也可以讓水通過(guò)滲透進(jìn)出細(xì)胞質(zhì)膜。但是擴(kuò)散和滲透是兩個(gè)不同的概念(圖3-51)?！駭U(kuò)散(diffusion)是指物質(zhì)沿著濃度梯度從半透性膜濃度高的一側(cè)向低濃度一側(cè)移動(dòng)的過(guò)程，通常把這種過(guò)程稱為它們都是從自由能高的部位向自由能低的部位置ATP移動(dòng)。簡(jiǎn)單擴(kuò)散是被動(dòng)運(yùn)輸?shù)幕痉绞剑恍枰さ鞍椎膸椭?，也不消耗ATP，而只靠膜兩側(cè)保持一定的濃度差，通過(guò)擴(kuò)散發(fā)生的物質(zhì)運(yùn)輸。簡(jiǎn)單擴(kuò)散的限制因素是物質(zhì)的脂溶性、分子大小和帶電性。圖3-52溶質(zhì)的脂溶性與通過(guò)細(xì)胞膜能力的關(guān)系●相對(duì)分子質(zhì)量:相對(duì)分子質(zhì)量小，脂溶性高的分子才能快速擴(kuò)散。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)質(zhì)膜的通透性孔徑不會(huì)大●物質(zhì)的帶電性:為什么所有帶電荷的分子(離子)，不管它多小，都不能自由擴(kuò)散?大的不帶電的極性分子（如葡萄糖）和各種帶電的極性分子都難以通過(guò)質(zhì)膜(圖3-53)。促進(jìn)擴(kuò)散是指非脂溶性物質(zhì)或親水性物質(zhì)，如氨基酸、糖和金屬離子等借助細(xì)胞膜上的膜蛋白的幫助順濃度梯度或順電化學(xué)濃度梯度，不消耗ATP進(jìn)入膜內(nèi)的一種運(yùn)輸方式。促進(jìn)擴(kuò)散同樣不需要消耗能量，并且也是從高濃度促進(jìn)擴(kuò)散同簡(jiǎn)單擴(kuò)散相比，具有以下一些特點(diǎn)∶●促進(jìn)擴(kuò)散的速度要快幾個(gè)數(shù)量級(jí)?！窬哂酗柡托?當(dāng)溶質(zhì)的跨膜濃度差達(dá)到一定程度時(shí)，促進(jìn)擴(kuò)散的速度不再提高(圖3-54)。●具有高度的選擇性:如運(yùn)輸?shù)鞍啄軌驇椭咸烟强焖龠\(yùn)輸，但不幫助與葡萄糖結(jié)構(gòu)類(lèi)似的糖類(lèi)運(yùn)輸。●膜運(yùn)輸?shù)鞍椎倪\(yùn)輸作用也會(huì)受到類(lèi)似于酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制，以及蛋白質(zhì)變性劑的抑制作用?！鐾ǖ赖鞍着c促進(jìn)擴(kuò)散并且是從高濃度向低濃度運(yùn)輸，所以不消耗能量。(a)由單亞基膜蛋白形成的通道;(b)由多亞基蛋白形成的通道?，F(xiàn)已鑒定過(guò)的離子通道蛋白在膜中都有開(kāi)和關(guān)兩種構(gòu)型相當(dāng)于門(mén)，所以將通道蛋白形成的通道稱為門(mén)控通道(gated這類(lèi)通道的構(gòu)型變化依據(jù)細(xì)胞內(nèi)外帶電離子的狀態(tài)，主要是通過(guò)膜電位的變化使其構(gòu)型發(fā)生改變，從而將"門(mén)"打含羞草的葉片在觸摸時(shí)發(fā)生的葉卷曲就是通過(guò)電位-門(mén)控通道傳遞信號(hào)的(圖3-57)。圖3-57含羞草展開(kāi)與收縮受電位-門(mén)控通道的控制這類(lèi)通道在其細(xì)胞內(nèi)外的特定配體(ligand)與其表面受體結(jié)合時(shí)發(fā)生反應(yīng)。這種通道的打開(kāi)受一種力的作用，聽(tīng)覺(jué)毛狀細(xì)胞的離子通道就是一個(gè)極好的例子(圖3-58)。圖3-58聽(tīng)覺(jué)毛狀細(xì)胞的機(jī)械敏感門(mén)通道作用原理載體蛋白需要同被運(yùn)輸?shù)碾x子和分子結(jié)合，然后通過(guò)自身的構(gòu)型變化或移動(dòng)完成物質(zhì)運(yùn)輸。葡萄糖可通過(guò)載體蛋白進(jìn)行促進(jìn)擴(kuò)散。運(yùn)輸葡萄糖的載體蛋白主要是通過(guò)構(gòu)型的變化進(jìn)行葡萄糖的運(yùn)輸(圖3-59)。圖3-59紅細(xì)胞質(zhì)膜載體蛋白促進(jìn)葡萄糖擴(kuò)散示意圖水是一種特別的物質(zhì)，之所以特別是因?yàn)樗肿与m然不溶于脂，并且具有極性，但也很容易通過(guò)膜。大多數(shù)水是直接通過(guò)脂雙層進(jìn)入細(xì)胞的，也有些水是通過(guò)水通道蛋白進(jìn)行擴(kuò)散的。動(dòng)物和植物細(xì)胞中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾種不同的水通道蛋白。水通道蛋白AQP1是人的紅細(xì)胞膜的一種主要蛋白。它能夠讓水自由通過(guò)(不必結(jié)合)，但是不允許離子或是其他的小分子(包括蛋白質(zhì))通過(guò)(圖3-60)。AQP1是由四個(gè)相同的亞基構(gòu)成，每個(gè)亞基的相對(duì)分子質(zhì)量為28kDa，每個(gè)亞基有六個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，在跨膜結(jié)構(gòu)域主動(dòng)運(yùn)輸涉及物質(zhì)輸入和輸出細(xì)胞和細(xì)胞器，并且能夠逆濃度梯度或電化學(xué)梯度。如何理解"被動(dòng)運(yùn)輸是減少細(xì)胞與周?chē)h(huán)境的差別，主動(dòng)運(yùn)輸則是努力創(chuàng)造差別"?■主動(dòng)運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)主動(dòng)運(yùn)輸具有四個(gè)基本的特點(diǎn):①逆梯度運(yùn)輸;②依賴于膜運(yùn)輸?shù)鞍?③需要代謝能，并對(duì)代謝毒性敏感;④具有選擇●建立濃度梯度或電化學(xué)梯度細(xì)胞靠主動(dòng)運(yùn)輸建立和維持各種離子在細(xì)胞內(nèi)的不同濃度(表3-5)，這些離子的濃度差異對(duì)于細(xì)胞的生存和行使功表3-5典型動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)外離子濃度的比較成份細(xì)胞內(nèi)濃度(mM)細(xì)胞外濃度(mM)固定的陰離子**高0*表中給出的Ca2+和Mg2+的濃度是游離存在于胞質(zhì)溶膠中的濃度;Mg2+在細(xì)胞中的總濃度為2mM，Ca2+則是1-2mM。但它們大多是與蛋白質(zhì)結(jié)合在一起的，C**指細(xì)胞內(nèi)存在的帶負(fù)電的有機(jī)分子，它們不能通過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜。●消耗能量主動(dòng)運(yùn)輸是消耗代謝能的運(yùn)輸方式，有三種不同的直接能量來(lái)源（表3-7）表3-7主動(dòng)運(yùn)輸中能量來(lái)源載體蛋白功能能量來(lái)源直接能源Na+-K+泵Na+的輸出和K+的輸入ATP細(xì)菌視紫紅質(zhì)H+從細(xì)胞中主動(dòng)輸出光能磷酸化運(yùn)輸?shù)鞍准?xì)菌對(duì)葡萄糖的運(yùn)輸磷酸烯醇式丙酮酸間接能源Na+、葡萄糖泵協(xié)同運(yùn)輸?shù)鞍譔a+、葡萄糖同時(shí)進(jìn)入細(xì)胞Na+離子梯度●選擇性和特異性不同的運(yùn)輸泵轉(zhuǎn)運(yùn)不同的離子。泵，運(yùn)輸時(shí)需要ATP供能，但不需要磷酸化。在范圍很廣，包括細(xì)菌和人。四種運(yùn)輸ATPase在結(jié)■主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆较颉鯬-型離子運(yùn)輸泵的作用機(jī)理P型泵的主要特點(diǎn):都是跨膜蛋白，并且是由一條多肽完成所有與運(yùn)輸有關(guān)的功能，包括ATP的水解、磷酸化和離Na+/K+泵是動(dòng)物細(xì)胞中由ATP驅(qū)動(dòng)的將Na+輸出到細(xì)胞外同時(shí)將K+輸入細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)輸泵，又稱Na協(xié)同運(yùn)輸又稱偶聯(lián)運(yùn)輸，它不直接消耗ATP，但要依賴離子泵建立的電化學(xué)梯度，所以又將離子泵稱為初級(jí)主動(dòng)物細(xì)胞中，質(zhì)膜上的鈉泵和載體協(xié)作完成葡萄糖、氨基酸等的逆濃度梯度的協(xié)同運(yùn)輸(圖3-67)?！黾?xì)菌中的主動(dòng)運(yùn)輸在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)一些特殊的主動(dòng)運(yùn)輸方式，如磷酸化運(yùn)輸、運(yùn)輸ATP酶、細(xì)菌的視紫紅質(zhì)等，這些運(yùn)輸方式的能量又稱為基團(tuán)轉(zhuǎn)運(yùn)。其機(jī)理是通過(guò)對(duì)被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)的分子進(jìn)行共價(jià)修飾（主要是進(jìn)行磷酸化）使其在細(xì)胞中始終維持"較低"的濃度，從而保證這種物質(zhì)不斷地沿濃度梯度從細(xì)胞外向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)(圖3-68)。請(qǐng)簡(jiǎn)述細(xì)菌細(xì)胞中葡萄糖的磷酸化運(yùn)輸機(jī)理。該蛋白含有七個(gè)α螺旋，每個(gè)螺旋長(zhǎng)3-4nm，在蛋白的中部有幾個(gè)能夠吸收光的視黃醛基團(tuán)，又稱發(fā)色基團(tuán)；當(dāng)該基團(tuán)被一個(gè)光量子激活時(shí)，就能引起整個(gè)分子的構(gòu)型發(fā)生變化，導(dǎo)致兩個(gè)H+從細(xì)胞內(nèi)運(yùn)送到細(xì)胞外(圖3-69)。圓柱形代表α螺旋區(qū)，視黃醛基團(tuán)吸收光質(zhì)子，誘導(dǎo)了構(gòu)型的變化，驅(qū)使H+通過(guò)蛋白的中央通道運(yùn)輸?！馎BC運(yùn)輸?shù)鞍着c主動(dòng)運(yùn)輸ABC運(yùn)輸?shù)鞍资且淮箢?lèi)運(yùn)輸?shù)鞍?，最早在?xì)菌中發(fā)現(xiàn)。E.coli具有兩層膜，ABC運(yùn)輸?shù)鞍孜挥诩?xì)菌的內(nèi)膜。ABC運(yùn)輸?shù)鞍字饕獏⑴c運(yùn)輸糖、氨基酸和小肽，運(yùn)輸時(shí)需要水解ATP提供能量(圖3-70)。ABC運(yùn)輸?shù)鞍字饕獏⑴c運(yùn)輸糖、氨基酸和小肽，運(yùn)輸時(shí)需要水解ATP提供能量(圖3-70)。簡(jiǎn)述ABC運(yùn)輸?shù)鞍讓?duì)甘露糖運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理課程學(xué)習(xí)：3.細(xì)胞質(zhì)膜與跨膜運(yùn)輸>>3.5.4主動(dòng)與被動(dòng)運(yùn)輸、動(dòng)物與植物主動(dòng)