细胞生物学翟中和第四版教案.doc

第一章 绪论
一．细胞生物学研究的内容和现状
1． 细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科
细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学，它是在不同层次（显微、亚显微与分子水平）上以研究细胞结构与功能、细胞增殖、分化、衰老与凋亡、细胞信号传递、真核细胞基因表达与调控、细胞起源与进化等为主要内容。
核心问题是将遗传与发育在细胞水平上结合起来。
2． 细胞生物学的主要研究内容
一般可分为细胞结构功能与细胞重要生命活动两大基本部分：
大致归纳为下面几个领域：
1）细胞核、染色体以及基因表达的研究
2）生物膜与细胞器的研究
3）细胞骨架体系的研究
4）细胞增殖及其调控
5）细胞分化及其调控
6）细胞的衰老与凋亡
7）细胞的起源与进化
8）细胞工程
3． 当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域
1） 细胞生物学与分子生物学(包括分子遗传学与生物化学)相互渗透与交融是总的发展趋势
2）当前研究的重点领域：
I：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
II：细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控
III：细胞信号转导的研究
IV：细胞结构体系的组装

二．细胞学与细胞生物学发展简史
1．细胞的发现
2．细胞学说的建立其意义
1838～1839年，德国植物学家施莱登和动物学家施旺提出了“细胞学说”。
3．细胞学的经典时期
4． 实验细胞学时期
5． 细胞生物学学科的形成与发展

第二章 细胞基本知识概要
一． 细胞的基本概念
1．细胞是生命活动的基本单位。
1）一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位
2）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
3）细胞是有机体生长与发育的基础
4）细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性
5）没有细胞就没有完整的生命
2．细胞概念的一些新思考
1） 细胞是多层次非线性的复杂结构体系：细胞具有高度复杂性和组织性
2） 细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体
3） 细胞是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。
3．细胞的基本共性
1）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。
2）所有的细胞都含有两种核酸：即DNA与RNA作为遗传信息复制与转录的载体。
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。
4）所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。

二．非细胞形态的生命体——病毒及其与细胞的关系
1．病毒的基本知识
1）病毒（virus）——核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体；
（1）根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：
DNA病毒与RNA病毒
（2）根据病毒的宿主范围，可以分为：动物病毒、植物病毒与细菌病毒（噬菌体）等；
2）类病毒（viroid）——仅由感染性的RNA构成；
3）朊病毒（prion） ——仅由感染性的蛋白质亚基构成；

2．病毒在细胞内增殖（复制）
病毒的增殖（复制）必须在细胞内进行。
病毒侵入细胞，病毒核酸的侵染
病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成
病毒的装配、成熟与释放
3．病毒与细胞在起源与进化中的关系
病毒是非细胞形态的生命体，它的主要生命活动必须要在细胞内实现。病毒与细胞在起源上的关系，目前存在3种主要观点：
1．生物大分子→病毒→细胞
病毒
2．生物大分子
细胞
3．生物大分子→细胞→病毒
第三种观点主要依据
（1）病毒的彻底寄生性
（2）有些病毒（如腺病毒）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）病毒可以看做DNA与蛋白质或RNA与蛋白质的复合大分子，与细胞内核蛋白分子有相似之处
第三种观点主要论点
l由此推论：病毒可能是细胞在特定条件下“扔出”的一个基因组，或者是具有复制与转录能力的mRNA。这些游离的基因组，只有回到它们原来的细胞内环境中才能进行复制与转录。
三．原核细胞与真核细胞
1． 原核细胞（Prokaryotic cell）
1）基本特点：
遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜。
2）主要代表：
支原体（mycoplast）——目前发现的最小最简单的细胞；
细菌
蓝藻又称蓝细菌（Cyanobacteria）
最小最简单的细胞—支原体（mycoplast，近年又译为霉形体）是目前发现的最小最简单的细胞
2．真核细胞（Eukaryotic cell）
1） 真核细胞的基本结构体系
I：以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统；
II：以核酸（DNA或RNA）与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统
III：由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。
2）细胞的大小及其分析
3）原核细胞与真核细胞的比较
（1）原核细胞与真核细胞基本特征的比较
（2）原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较
（3）植物细胞与动物细胞的比较
细胞壁、液泡、叶绿体
3．古细菌 （Archaebacteria）
古细菌（archaebacteria）与真核细胞曾在进化上有过共同历程
1）主要证据
（1）细胞壁的成分与真核细胞一样，而非由含壁酸的肽聚糖构成，因此抑制壁酸合成的链霉素，抑制肽聚糖前体合成的环丝氨酸，抑制肽聚糖合成的青霉素与万古霉素等对真细菌类有强的抑制生长作用，而对古细菌与真核细胞却无作用。
（2）DNA与基因结构：古细菌DNA中有重复序列的存在。此外，多数古核细胞的基因组中存在内含子。
（3）有类核小体结构：古细菌具有组蛋白，而且能与DNA构建成类似核小体结构。
（4）有类似真核细胞的核糖体：多数古细菌类的核糖体较真细菌有增大趋势，含有60种以上蛋白，介于真核细胞（70～84）与真细菌（55）之间。抗生素同样不能抑制古核细胞类的核糖体的蛋白质合成。
（5）5S rRNA：根据对5S rRNA的分子进化分析，认为古细菌与真核生物同属一类，而真细菌却与之差距甚远。5S rRNA二级结构的研究也说明很多古细菌与真核生物相似。
除上述各点外，根据DNA聚合酶分析，氨基酰tRNA合成酶的作用，起始氨基酰tRNA 与肽链延长因子等分析，也提供了以上类似依据，说明古细菌与真核生物在进化上的关系较真细菌类更为密切。因此近年来，真核细胞起源于古细菌的观点得到了加强。

第三章（略）
第四章 细胞膜与细胞表面

第一节 细胞膜与细胞表面特化结构
细胞膜（cell membrane）又称质膜（plasma membrane），是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。
细胞膜：在内环境稳定；物质、能量交换；信息传递中起着很重要的作用。
（—）细胞膜结构模型的认识过程
晶格镶嵌模型
脂质双分子层 —→ 三明治模型—→单位膜模型 —→流动镶嵌模型—→ 板块镶嵌模型
脂筏模型
（二）生物膜的特点
1． 有磷脂双分子层。磷脂双分子层是生物膜的基本构型。
2． 不对称性，膜蛋白不对称性的镶嵌或结合于表面。
3． 流动性，膜蛋白和膜脂都具有一定的流动性
4． 是不断更新代谢的动态活性结构。
二．膜脂
膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇3种类型。
（一）成分
1．磷脂
磷脂占整个膜脂的50％以上。又分为：甘油磷脂和鞘磷脂。
分子特征：磷脂分子有一个极性的头部（胆碱、磷脂、甘油）和两个非极性的尾部（脂肪酸链）。脂肪酸链的弯曲与不饱和脂肪酸有关，因为不饱和脂肪酸的双键在烃链中容易产生弯曲。
2．糖脂
由寡糖链和脂质分子组成。
3．胆固醇
存在于真核细胞膜上，含量不超过膜脂的1/3。胆固醇在调节膜的流动性、增加膜的稳定性、降低水溶性物质的通透性等起着重要的作用。细菌质膜和植物的质膜不含胆固醇。
（二）膜脂的运动方式
沿膜平面的侧向运动、脂分子围绕轴心的自旋运动、脂分子尾部的摆动、双层脂分子之间的翻转运动。
（三）脂质体
脂质体（Liposome）是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势制备的人工膜。
脂质体中裹入不同的药物或酶等具有特殊功能的大分子，可治疗多种疾病。
三．膜蛋白
1．类型
根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可将膜蛋白分为：
膜周边蛋白（peripheral proteins）或称外在膜蛋白（extrinsic proteins）
膜内在蛋白（integral proteins）或称整合膜蛋白。
2．膜内在蛋白与膜脂结合的方式：
（1） α螺旋
（2） β折叠：形成跨膜通道，与跨膜运输有关。
（3） 跨膜结构域两端携带带正电荷的氨基酸残基，Arg+等与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，Cys+共价结合脂质分子。
3．去垢剂
去垢剂是分离与研究膜蛋白的常用试剂。可分为离子去垢剂（SDS）和非离子去垢剂（Triton X－100）。
离子型: SDS
非离子型：Triton X－100分子
四．膜的流动性
膜脂的流动性取决于脂分子本身的性质。脂肪酸链越短（尾部越短），不饱和程度越高，膜脂的流动性越大。流动越快，对细胞的生理功能调节有关。细胞生理功能有利。
胆固醇对膜的流动性也起着重要的调节作用。
膜蛋白流动性的证明实验：
1． 荧光抗体免疫标记法
用仙台病毒(Sendai virus)可诱导两种细胞融合成异核细胞。证明了膜具有流动性。用结合有绿色荧光染料的专一抗体标记在小鼠培养细胞的表面上，用结合有红色荧光染料的专一抗体标记在培养的人体细胞表面上，然后将两种细胞经灭活的仙台病毒诱导融合。最初一半显红色，另一半显绿色。在37oC下培养，10分钟后，荧光在融合表面开始扩散，40分钟后，则两种染色标记物完全混匀。
2． 光脱色恢复技术
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，使被照射区的荧光猝灭变暗。由于膜的流动性，猝灭区域的亮度逐渐增强，最后恢复到与周围的荧光猝灭强度相等。根据荧光恢复的速度可推算膜蛋白或膜脂的扩散速率。
五．膜的不对称性
生物膜经冷冻蚀刻显示的4个面。
ES：与细胞外环境接触的膜面
PS：与细胞质基质接触的膜面
EF：冷冻蚀刻技术处理后的细胞外小页断裂面
PF：冷冻蚀刻技术处理后的原生质小页断裂面
寡糖一定是朝向细胞膜外。
膜脂的不对称性：指同一种膜脂分子在膜的脂双层中不均匀分布，糖侧链都在质膜的ES面上。磷脂分子的不对称分布可能与膜蛋白的不对称分布有关。
膜蛋白的不对称性：不论膜周边蛋白还是膜内在蛋白在质膜上都呈不对称分布，具有一定的方向性。如：细胞表面的受体、膜上载体蛋白、质膜上的糖蛋白。按一定的方向传递信号和转运物质。
六．细胞膜的功能：
1． 稳定内涵
2． 物质选择运输
3．能量传递
4．信号传导
5．细胞连接及特化

七．骨架与细胞表面的特化结构
（一）红细胞质膜蛋白及膜骨架
红细胞膜蛋白主要包括：血影蛋白（Spectrin）、锚蛋白、带4.1蛋白、肌动蛋白、带3蛋白和血型糖蛋白。前4种蛋白为骨架成分，后两种是膜整合蛋白，在维持膜的形状及固定其他膜蛋白的位置方面起重要作用。带3蛋白是红细胞膜上的载体蛋白。
膜骨架网络与细胞膜之间的连接主要通过锚蛋白。
（二）细胞表面特化结构：
鞭毛、纤毛、微绒毛、变形足、膜骨架等，是质膜与细胞骨架纤维构成的复合结构，对维持细胞形态、运动及与外界物质交换功能有关。
第二节 细胞连接
按功能分：封闭连接、锚定连接、通讯连接
一． 封闭连接
指相邻细胞的质膜紧密的连在一起，阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内。
其典型形式是上皮细胞之间的紧密连接。无间隙并有嵴线衔接为网络，阻止水分子和其它可溶性物质渗透。
二． 锚定连接
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细胞群体。
1． 与中间纤维相连的锚定连接：桥粒和半桥粒
2． 与肌动纤维相连的锚定连接：粘着带、粘着斑
1．桥粒：两个细胞之间形成钮扣式的结构，即细胞间钮扣式的连接。中间纤维象订钮扣的线。
2．半桥粒：另一边不是固定在细胞上，而是固定在基底膜上。即通过细胞膜上的膜蛋白——整联蛋白将上皮细胞固着在基底膜上。
3．粘着带：相邻上皮细胞间的钙粘素粘着形成的带状结构，与其胞内相连的是肌动蛋白纤维。在相连细胞之间形成连续底带状结构。
粘着带处的相邻细胞膜的相互作用依赖域Ca2+，因此粘着带中的跨膜连接糖蛋白被认为是钙粘素家族。
小肠上皮细胞微绒毛中的肌动蛋白纤维束就结合在与钙粘着带相连的纤维网络上。
4．粘着斑：与胞外基质之间形成的斑点状连接结构（肌动蛋白纤维——整联蛋白——纤连蛋白）。是细胞与基底膜的连接，是肌动蛋白纤维与细胞外基质之间的连接方式。

三． 通讯连接
间隙连接
神经细胞间的化学突触
植物细胞间的胞间连丝
（一） 间隙连接
广泛分布在动物各组织细胞之间，相邻细胞膜上两个连接子对接，隧道相通，离子键中小分子物质可通过，因此可在细胞间物质运输和直接通讯，对调控细胞生长、发育、分化起重大作用。
1．结构成分
间隙连接处相邻的细胞膜间间隙为2～3nm，构成间隙连接的基本单位称为连接子（connexon）。每个连接子由6个相同或相似的跨膜蛋白亚单位connexin环绕，中心形成一个直径约1.5nm的孔道。相邻细胞膜上的俩个连接子对接形成一个间隙连接单位。
2．功能及其调节机制
间隙连接 间隙连接中断
例子1：早期胚胎发育———→传递分化信号—————→分化细胞“位置信息”

间隙连接
例2：分泌细胞之间 ———→交流cAMP、Ca2+等信号分子———→代谢偶联

例（1）：促胰腺素—→胰腺腺泡细胞—→胰蛋白酶
（2）：胰高血糖素—→肝细胞—→分解糖原
例3：突触：
胚胎细胞 间隙连接 ——→电突触——→信号传导
心肌细胞 ———→K+传递电兴奋信号 ——→电耦联——→严格网格同步化反应（如心脏的正常跳动）

例：肿瘤细胞之间间隙连接明显减少或消失，有人认为间隙连接起类似“肿瘤抑制因子”的作用。
间隙连接中断
癌细胞 ————→细胞通讯障碍—→恶性肿瘤

（二） 胞间连丝
相邻植物细胞之间由胞间连丝穿越细胞壁相通，形成管状孔道，直径为20～40nm。管状，完成细胞间的通讯联络。
有内质网分支连通，在细胞分裂时形成细胞壁上密度可达15个/μm2,可传递电刺激，分泌调控因子（生长素、激动素）化学信号等、代谢产物、营养物质的重要渠道。
很多植物病毒编码一种特殊的运动蛋白（movement proteins），可以使胞间连丝的通透性增大而使病毒蛋白和核酸通过胞间连丝感染相邻的细胞。因而带病毒植株的顶端分生组织细胞通常无病毒。由此可实现马铃薯的无毒培育——脱毒。
（三）化学突触
化学突触是存在于可兴奋细胞之间的细胞连接方式，它通过释放神经递质（乙酰胆碱、琥珀酸胆碱）来传导神经冲动。在信息传递中，有一个将电信号转化为化学信号，再将化学信号转化为电信号的过程。
四．细胞表面的粘着因子
1．钙粘素（cadherins）
是一种细胞粘连糖蛋白，对胚胎发育中的细胞识别、迁移和组织分化以及成体组织器官构成具有主要作用。
2．选择素（selectin）
主要参与白细胞对脉管内皮细胞的识别和粘着。
3．免疫球蛋白超家族的CAM（Ig－superfamily）
它在神经组织细胞间的粘着中起主要作用。
4．整联蛋白（整合素）
可与不同的配体结合，从而介导细胞与基质、细胞与细胞之间的粘着。整联蛋白识别的主要部位是配体上的RGD三肽结构。此外，整联蛋白在细胞内外信号转导中起着十分重要的作用。
第三节 细胞外被与细胞外基质

细胞外被（cell coat）,又称糖萼，是由质膜外糖蛋白和糖脂构成起保护作用和识别作用的覆盖层。
细胞外基质（extracellular matrix）,是指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络结构。
一．胶原
胶原是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维蛋白。胶原分布较广，主要分布于基膜及间隙组织中，构成胞外基质中具刚性和抗张力的主要骨架结构。
二．糖胺聚糖和蛋白聚糖
是粘多糖和糖蛋白组成的水合胶体，是在结缔组织及胞外基质中的主要粘性物质，具抗压和润滑作用，使细胞易于运动迁移和增殖。
三．层粘连蛋白和纤连蛋白
层粘连蛋白和纤连蛋白都是高分子蛋白，前者分子呈不对称十字形，后者呈V形。层粘连蛋白是各种动物胚胎及成体组织的基膜的主要结构组分之一，能将细胞固定在基膜上，它在早期胚胎发育及组织分化中具有重要作用，也与肿瘤细胞的转移有关。
纤连蛋白是高分子量糖蛋白，介导细胞间粘连及细胞与基质粘连的胞外基质，其上的RGD三肽序列是与跨膜蛋白——整联蛋白结合部位，起介导细胞粘连及细胞信号转导途径作用。对早期胚胎中的细胞迁移和分化是必需的。
纯化的纤连蛋白可增强细胞间粘连及细胞与基质的粘连。通过粘连，纤连蛋白可以通过细胞信号转导途径调节细胞的形状和细胞骨架的组织，促进细胞铺展。纤连蛋白对于许多类型细胞的迁移和分化是必需的。
四．弹性蛋白
弹性蛋白（elastin）是弹性纤维的主要成分。弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白。主要存在于脉管壁及肺，弹性蛋白是构成脉管壁及肺泡的弹性纤维。弹性纤维与胶原纤维共同维持组织的弹性及抗张性。
五．植物细胞壁
植物细胞壁由纤维素、半纤维素、果胶质、木质素和伸展蛋白构成的植物细胞的外框架结构，维持其抗张压和支持保护的作用。初生细胞壁上允许水和分子物质自由扩散。
第五章 物质的跨膜运输与信号传递
第一节 物质的跨膜运输
细胞膜是选择性透性膜，能调节物质进出的精密装置。物质通过细胞膜的转运主要有三种途径：被动运输、主动运输和胞吞与胞吐作用。
一．被动运输
被动运输（passive transport）是指通过简单扩散或协助扩散实现物质由高难度向低浓度方向的跨膜转运。不消耗细胞能量，运输方向是顺浓度梯度或顺电化学梯度。
（一）简单扩散
也叫自由扩散，不需要膜蛋白协助。疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子以简单扩散的方式跨膜转运，如：O2、N2、水分子和尿素等。带电荷的离子不能简单扩散。细胞膜的通透性主要取决于分子大小和分子的极性。小分子比大分子容易穿膜，非极性分子比极性分子容易穿膜，而带电荷的离子跨膜运动则需更高的自有能。
(二)协助扩散
协助扩散（facilitated diffusion）是各种极性分子和无机离子，如：糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等顺其浓度梯度或电化学梯度减少方向的跨膜转运，该过程不需要细胞提供能量，这与简单扩散相同，因此两者都称为被动运输。
膜转运蛋白可分为两类：一类称载体蛋白（carrier proteins），它既可介导被动运输，又可介导逆浓度梯度或电化学梯度的主动运输，如：氨基酸、核糖等通过载体蛋白选择结合跨膜转运；另一类称为通道蛋白（channel proteins），只能介导顺浓度梯度或电化学梯度的被动运输。
1．载体蛋白
每种载体蛋白只能与特定的溶质分子结合。
2．通道蛋白
选择性开启离子通道。通过蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子结合，横跨形成亲水通道，允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过。
离子通道的两个特征：1）离子选择性
2）离子通道是门控的
三种类型的门控离子通道示意图：
电压门控形、配体门控形（胞外配体、胞内配体）、压力激活性
二．主动运输
主动运输是逆浓度梯度或逆电化学梯度运输。是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由浓度低一侧向高难度的一侧进行跨膜转运的方式。消耗细胞能量。
1． 离子泵、质子泵、直接消耗ATP运输
2． 协同运输
根据主动运输过程所需能量来源的不同可归纳为：
1） 由ATP直接提供能量的主动运输——钠钾泵
2） 由ATP直接提供能量的主动运输——钙泵和质子泵
3） 协同运输（间接消耗细胞内ATP）
1）钠钾泵：（Na＋—K＋泵）
v在细胞内侧a亚基与Na结合促进ATP水解， a亚基上的一个天门冬氨基酸残基磷酸化引起a亚基构象发生变化，将Na泵出细胞；
v同时细胞外的K与a亚基的另一个位点结合，使其去磷酸化，a亚基构象再度发生变化将K泵进细胞，完成整个循环。
v每消耗一个ATP分子，泵出3个Na和泵进1个K

2）钙泵、质子泵：
钙泵，又称Ca2＋－ATP酶，每一泵单位中约10个跨膜α螺旋。细胞内钙调蛋白与之结合以调节Ca2＋泵的活性。Ca2＋泵工作与ATP的水解相偶联，每消耗一个ATP分子转运出两个Ca2＋。钙泵主要存在于细胞膜和内质网膜上，它将Ca2＋输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离Ca2＋。钙泵在肌质网内储存Ca2＋，对调节肌细胞的收缩与舒张是至关重要的。
3）质子泵：
H＋泵：H＋-ATP酶，植物细胞、真菌、细菌的质膜皆无钠钾泵，而以H＋泵输出H＋，建立跨膜的H＋电化学梯度。
可分为三种：
（1）P型质子泵：在转运过程中涉及磷酸化和去磷酸化。存在于真核细胞的细胞膜上。
（2）V型质子泵：在转运H＋过程中不形成磷酸化的中间体，存在于动物细胞溶酶体膜和植物细胞液泡膜上。从细胞基质中泵出H进入细胞器，有助于保持细胞质中性pH和细胞器内的酸性pH。
（3）第三种存在于线粒体内膜、植物内囊体膜和多数细菌质膜上。顺H+浓度梯度，与ATP偶联，如氧化磷酸化和光合磷酸化。

4）协同运输：待运物质在载体蛋白上与某种离子相伴跨膜转运，是由Na－K＋泵（或H＋泵）所维持的离子浓度梯度驱动，间接消耗细胞内的ATP。
动物细胞的协同运输是利用膜两侧的Na＋电化学梯度来驱动的，而植物细胞和细菌常利用H＋电化学梯度来驱动。
共运输：物质运输方向与离子转移方向相同。
对向运输：物质跨膜转运的方向与离子转移的方向相反。

(四)膜电位
质膜上对带电荷物质的跨膜运输引起膜内外的电位差，称为膜电位。当细胞处于静息状态时，膜电位是外正内负，这是静息电位，被称为“极化”现象。动物细胞的静息电位是在-20mV～-200 mV之间。
静息电位的产生：质膜上Na＋－K＋泵工作造成K＋浓度内高外低，Na＋浓度外高内低，胞内高浓度K＋是与胞内有机分子所带负电荷保持平衡的主要成分，然而质膜上还有K＋通道和Na＋通道，静息时K＋通道处于开启状态，而Na＋通道多数关闭，于是有一些K＋顺浓度梯度由内流向胞外，所以随着正电荷转移到胞外而留下胞内非平衡负电荷。结果是膜外正离子过量和膜内负离子过量，从而产生膜内外的电位差（静息电位），当电位差达到一定值时，便阻碍K＋进一步向外扩散。当质膜受到电刺激或化学刺激时，膜上通道蛋白的构象会出现瞬间变化，引起大量Na＋流入胞内，（致使静息电位减小乃至消失），造成去极化，进而出现内正外负的膜电位，此时变为动作电位（即反极化），这个由去极化到反极化阿过程非常短暂，有的仅1毫秒。随后蛋白的构象迅速还原，膜电位又变成静息电位（即复极化）。

四． 胞吞作用和胞吐作用
1．穿胞吞排的跨细胞运输
出现在某些组织、器官分界面的细胞中。其细胞的分布呈极性，在一极的质膜内形成微胞饮小泡，小泡穿越细胞质区域，在另一极的质膜上又将吞饮物质释放交给另一种细胞。转运的主要是蛋白质。在转运的过程中，不与溶酶体发生联系。
2．受体介导的胞吞作用
微胞饮小泡：1）衣被小泡
2）无被小泡
前者以网格蛋白作为胞外衣被（以受体介导对特定大分子的选择性摄取浓缩）。后者是非特异性的胞饮形式。
衣被小泡的形成过程：特定大分子物质在质膜外表被受体结合，然后该处质膜部位在网格蛋白参与下凹陷形成衣被小窝，随后进一步内陷脱离质膜，形成衣被小泡进入细胞质。其衣被的结构单位是网格蛋白三聚体，有三条重链和三条轻链组成的三叉网车型结构，若干个网格蛋白结合在一起形成六边形的网格特征。衣被内由接合素蛋白分别衔接网格蛋白和受体，在内陷的衣被小窝的颈部还有一种GTP结合蛋白呈环状，其水解GTP引起颈部缢缩。

衣被的主要作用：1）在衣被小窝形成阶段，使膜上受体集中，有利于选择富集内吞特定大分子。2）为衣被小泡的形成提供泡外结构骨架。所以，一旦衣被进入细胞后，衣被作用即已完成，就自行解聚成网格蛋白脱离小泡返回质膜，重新参与其它衣被小泡的形成。
Eg:低密脂蛋白（LDL）的选择性胞吞就是典型例子。

三．胞吐作用：
是将细胞内的分泌泡或其它膜泡中的物质运出质膜外的途径。
1． 组成型的胞吐途径：
2． 调节型的胞吐途径：（特化的分泌细胞）……胞外信号刺激
1． 组成型的胞吐途径
主要是由高尔基体成熟面的网状区（TGN）分泌的囊泡移动到质膜与之融合，以囊泡形式外排。为质膜更新提供新合成的膜蛋白和膜脂；并分泌外排新合成的可溶性蛋白，在胞外形成质膜外周蛋白、胞内基质、胞外营养成分和信息分子。
2． 调节型的胞吐途径
存在于某些特化的分泌细胞，这些分泌细胞产生的分泌物（eg激素、粘液或消化酶）储存在分泌泡内，当细胞受到胞外信号分子（激素、神经递质）刺激后，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。
第二节 细胞通讯与信号传递

一．细胞通讯与细胞识别
（一）细胞通讯
间隙连接
不接触 内分泌
分泌化学信号 旁分泌
接触 ：接触抑制 自分泌
化学突触传递信号
1．细胞识别
细胞识别（cell recognition）：细胞通过其表面的受体接受胞外信号分子（配体），通过信号通路，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞应答反应，这称为细胞识别。
2．信号分子与受体
亲脂性的信号分子、亲水性的信号分子、气体性信号分子
受体与信号（配体）的关系具多样性。
3．第二信使与分子开关
第二信使学说（1991年诺贝尔奖）：第一信使（胞外化合物）—→细胞表面受体—→第二信使（胞内信号分子）—→细胞应答生理反应
第二信使：cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3）、二酰基甘油（DG）
第三信使：Ca2+
分子开关（molecular switches）
1）由蛋白激酶使其磷酸化而开启，由蛋白磷酸脂酶使其去磷酸化而关闭。
2）GTP结合蛋白，结合GTP时活化开启，而结合GDP则失活而关闭。

二．通过细胞内受体介导的信号传递
胞内受体是一类超家族，本质是能被亲脂性激素激活的基因调控蛋白。这类受体一般有三个结构域：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。
当抑制性蛋白（例如：Asp90）与受体结合后，使其处于非活化状态，而当配体（Eg甾体、激素）与受体结合时，导致抑制性蛋白脱离，暴露出受体上DNA结合位点而被激活。受体结合的DNA序列是转录增强子，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两个阶段:
1）初级反应阶段：直接活化少数特殊基因，发生迅速
2）延迟的次级反应：由初级反应的基因产物，再活化其他基因，对初级反应起放大作用。
NO是自由基性质的气体，具脂溶性，可快速扩散透过细胞膜，对邻近靶细胞起作用。血管内皮细胞和神经细胞中有一氧化氮合酶（NOS），能催化合成NO，当血管神经末释放乙酰胆碱作用于血管内皮，使其合成释放NO，所以才快速缓解心绞痛。

三．通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递
细胞表面受体分为三类：
1）离子通道偶联的受体：主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞间的突触信号传递。
2）G蛋白偶联的受体 存在于几乎所有类型的细胞。
3）酶偶联的受体
（一）离子通道偶联的受体
本身具信号结合点，又是离子通道，其跨膜信号转导无需中间步骤。神经递质（胞外化学信号）与受体结合而引起通道蛋白变构，导致离子通道开启，使突触后细胞膜出现过膜离子流（如Na＋和Ca2＋），从而将胞外化学信号转换成胞内电信号，导致突触出后细胞的兴奋。当胆碱脂酶将神经递质水解后，离子通道关闭，信号传递中断。
（二）G蛋白偶联受体
1．是指胞外信号跨膜传递过程：配体—→受体—→G蛋白（分子开关）—→第二信使—→靶蛋白（酶或离子通道）—→细胞应答
G蛋白由α、β、γ三亚基组成，β、γ二聚体锚定于质膜内侧，稳定α亚基，α亚基具GTP酶活性。当它与GDP结合时，处于失活状态，而当它与GTP结合后，处于开启态，从而传递信号。
2．其信号通路有两类：
1） cAMP信号通路
2） 磷脂酰肌醇信号通路
1）cAMP信号通路
是真核细胞应答激素反应的主要机制之一，其信号通路的效应酶是腺苷酸环化酶，起调节细胞内第二信使cAMP水平。cAMP信号通路上包括激活和抑制腺苷酸环化酶两种方式，前者有激活型激素受体（Rs）和激活型G蛋白复合物（Gs），后者有抑制型激素受体（Ri）和抑制型G蛋白复合物（Gi）。所以激活型的激素（eg肾上腺素β型）和抑制型的激素（eg肾上腺素α型）可同时协调作用于腺苷酸环化酶，来调节cAMP水平。
此信号通路有三个特点：
① Gs蛋白结合GTP后，由其α亚基结合腺苷酸环化酶，产生cAMP，但其活化的β、γ亚基也能开启质膜上K+通道的信号传递作用。
② Gi可由活化的Giα亚基直接结合来抑制腺苷酸环化酶，也可由活化的Giβγ与Gsα结合，阻断其激活效应。
③ CAMP在细胞内的浓度迅速调节决定了细胞快速应答胞外信号，即信号放大和信号终止快速转变，终止是由环腺苷酸磷酸二脂酶来降解cAMP。

cAMP信号通路的主要效应是通过蛋白激酶A（PKA）来激活下游靶酶和开启基因表达。前者是快速反应（几秒至几分钟），后者是慢速反应（几分钟到几小时）。前者是活化的PKA导致下游靶酶蛋白磷酸化，从而快速影响细胞代谢和细胞行为（如：由肾上腺素刺激，骨骼肌细胞导致糖原分解，脂肪细胞导致甘油三脂分解）。而后者是：激素－→G蛋白偶联受体－→G蛋白－→腺苷酸环化酶－→cAMP－→cAMP依赖的蛋白激酶A（PKA）－→基因调控蛋白－→基因转录。
2）磷脂酰肌醇信号通路
胞外信号－→G蛋白偶联受体
－→G蛋白－→磷脂酶C（PLC）
－→磷脂酰肌醇（PIP2） →三磷酸肌醇－→开启Ca2＋通道－→钙调蛋白结合－→细胞反应
（两种第二信使） →二酰基甘油－→蛋白激酶C（PKC）－→系列磷酸化级联反应
↓ ↓激活
使得抑制蛋白的磷酸化 调节基因转录
↓脱离
基因调控蛋白
↓活化
基因转录

PIP2普遍存在于真核细胞的质膜中，由此产生IP3－Ca2+和DG—PKC双信使。IP3作为胞内配体打开内质网膜的Ca2＋通道，使细胞质中游离Ca2＋升高，引起PKC转位到质膜内表面，被DG活化，进而使各种底物蛋白的丝氨酸和苏氨酸基磷酸化，从而导致了细胞分泌、收缩等短期生理效应，也导致了细胞增殖、分化等长期生理效应。IP3和DG的信号终止是分别由去磷酸化和磷酸化（或水解）进入PIP2循环。Ca2＋的信号终止是由质膜Ca2＋泵（或Na＋－Ca2＋交换器）及内质网膜Ca2＋泵来降低细胞质中Ca2+浓度，以免细胞中毒。
（三）酶联受体
1．酪氨酸激酶受体RIK及RTK－Ras信号通路
是细胞表面一大类重要受体，是一次跨膜蛋白，其胞外配体是胰岛素和多种生长因子，配体结合导致受体的二聚化构象变化和自磷酸化，而磷酸化的酪氨酸残基可被含SH2结构域的胞内信号蛋白所识别结合，由此启动胞内信号转导。
配体－→RTK－→adaptor←－GRF－→Ras－→Raf（MAPKKK）－→MAPKK－→MAPK－→进入细胞核内－→磷酸化基因调控蛋白－→细胞效应
RTK介导的信号通路是具有调节细胞增殖分化、存活、凋亡等多向性效应，不需G蛋白参与，而由Ras蛋白起分子开关作用，RTK－Ras信号通路向下游传导是扳动丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的磷酸化级联反应，起增强、放大和延长效应。Ras结合GTP时为活化态，结合GDP时为失活态。
2．其它酶联受体
1） 丝氨酸/苏氨酸激酶受体：其配体是转化生长因子βs，是调节细胞增殖等功能。
2） 酪氨酸磷酸脂酶受体：作用与RTK相反。
3） 鸟苷酸环化酶受体：以cGMP作为第二信使的通路，能使血管平滑肌松弛，血压下降。
4） 酪氨酸蛋白激酶关联受体：通过非受体性的酪氨酸激酶来传递信号的。致癌基因Src家族和Janus家族表达产物都是此类。

四．由细胞表面整联蛋白介导的信号传递
质膜上的整联蛋白外联纤连蛋白等胞外配体，内联肌动蛋白纤维，介导了两条信号通路：一是到细胞核的信号通路，即通过酪氨酸激酶Src和粘着斑激酶FAK的活化，以Ras蛋白为分子开关，沿MAPK级联反应途径传递生长促进信号进入细胞核，激活有关生长增殖的基因转录；二是到核糖体的信号通路，导致翻译特定mRNA，指导合成细胞周期所需特定蛋白质。
五．细胞信号传递的基本特征：
1． 多途径、多层次
2． 信号收敛、发散和交谈
3． 专一性、相似性
4． 信号放大与信号终止并存
5． 对细胞刺激的适应
6． 蛋白激酶的网络整合信息

第六章 细胞质基质与细胞内膜系统
第一节 细胞质基质和内膜系统
一．细胞质基质的涵义
经典细胞学：光镜下，除去可见的细胞器及内含颗粒的透明质部分，称为细胞液。
细胞生物学：电镜下，除去可见的细胞器及亚微结构以外的细胞质部分，称为细胞质基质。分级离心后，除去所有细胞和颗粒剩下的清液部分，称为胞质溶胶。
二．细胞质基质的化学组分
成分复杂，不易分析。所以反映了大部分细胞的生化成分，即是许多细胞器生化反应的底物和产物的运输通道，本身又涉及了几种细胞代谢途径。
离心分离中，易发生混杂与丢失。破碎细胞器及液泡内含物可能混入可溶相，在另一些本属基质的物质，如可溶性酶又可能附在细胞器上被分离。
三．细胞质基质的功能
1． 是进行某些生化活动的场所。
2． 为维持细胞器稳定，提供适宜的离子环境
3．供应细胞器内发生反应的底物
4．对蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解和构象修正
1） 磷酸化与去磷酸化、糖基化、甲基化、酰基化
2） 依赖泛素标记到蛋白质酶体中的蛋白质降解途径
3） 热休克蛋白Hsp帮助变性或畸形蛋白质重新折叠
5．物质贮存和运输。
五． 内膜和内膜系统
1． 内膜：电镜下可见的在细胞质内的膜相结构。
内膜系统：由内膜围成泡状、扁囊状的亚微结构和细胞器，构成复杂且精密的胞内系统。主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体、过氧化物酶体以及衍生的小泡和液泡。
2． 内膜的共同特征：
1） 都是单位膜结构
2） 仅存在于真核细胞中
3） 处于动态平衡中，膜之间有转化现象
3． 内膜与质膜的结构差别
1） 单位膜的层次结构差别不如质膜明显
2） 内膜厚度稍薄，