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细胞生物学教案（完整版）
细胞生物学教案

（来自）
目 录
前 言
第一章 绪论
第二章 细胞结构概观
第三章 研究方法
第四章 细胞膜
第五章 物质运输与信号传递
第六章 基质与内膜
第七章 线粒体与叶绿体
第八章 核与染色体
第九章 核糖体
第十章 细胞骨架
第十一章 细胞增殖及调控
第十二章 细胞分化
第十三章 细胞衰老与凋亡

前 言

依照高等师范院校生物学教学计划，我们开设细胞生物学。
一、学科本身的重要性
要最终阐明生命现象，必须在细胞水平上。细胞是生命有机体最基本的结构和功能单位，生命寓于细胞之中，只有把各种生命活动同细胞结构相联系，才能在细胞水平上阐明各种生命现象。世界著名生物学家Wilson（德国人）曾说过：“一切生物学问题的答案最终要到细胞中去寻找”。
二、学科发展特点
细胞生物学涉及知识面广、内容浩繁且更新迅速。它同生物化学、遗传学形成生命科学的鼎立三足，既是当代生命科学发展的前沿，又是生命科学赖以发展的基础。
三、欲达到的目的
通过系统地学习细胞生物学，丰富细胞学知识，以适应当代人类社会知识结构发展的需求，也是为考研做准备。

本课程讲授51学时，实验21学时，共72学时。

参考资料
1 De.Robertis，《细胞生物学》，1965年（第四版）；1980年（第七版）《细胞和分子生物学》
2 Avers， “Molecular Cell Biology”， 1986年
3 Alberts，《细胞的分子生物学》，“Molecular biology of the cell”，1989年
4 Darnell，《分子细胞生物学》，1986年（第一版）；1990年（第二版）“Molecular Cell Biology”
5郑国錩，细胞生物学，1980年，高教出版社；1992年，再版
6 郝水，细胞生物学教程，1983年，高教出版社
7 翟中和，细胞生物学基础，1987年，北京大学出版社
8 韩贻仁，分子细胞生物学，1988年，高等教育出版社；2000年由科学出版社再版
9 汪堃仁等，细胞生物学，1990年，北京师范大学出版社
10 翟中和，细胞生物学，1995年，高等教育出版社，2000年再版
11 郑国錩、翟中和主编《细胞生物学进展》，
12翟中和主编《细胞生物学动态》，从1997年起（1—3卷），北师大出版社
13徐承水等，《分子细胞生物学手册》1992，中国农业大学出版社
14徐承水等，《现代细胞生物学技术》1995，中国海洋大学出版社
15徐承水，《细胞超微结构研究》2000，中国国际教育出版社
学术期刊、杂志
国外：Cell、Science、Nature、J.Cell Biol.、J.Mol. Biol.
国内：中国科学、科学通报、实验生物学报、细胞生物学杂志等

第一章 绪 论

教学目的 1 掌握本学科的研究对象及内容；
2 了解本学科的来龙去脉（发展史及发展前景）；
3 掌握与本学科有关的重大事件和名词。
教学重点 本学科的研究对象及内容
教学方法 讲授法
教学过程
第一节 细胞生物学研究内容与现状
一、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科
（一）细胞学（Cytology）：是研究细胞的结构、功能和生活史的科学
（二）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。
二、细胞生物学的主要研究内容
1 细胞核、染色体及基因表达 基因表达与调控是目前细胞生物学、遗传学和发育生物学在细胞和分子水平相结合的最活跃领域。
2 生物膜与细胞器的研究 膜及细胞器的结构与功能问题（“膜学”）。
3 细胞骨架体系的研究 胞质骨架、核骨架的装配调节问题和对细胞行使多种功能的重要性。
4 细胞增殖及调控 控制生物生长和发育的机理是研究癌变发生和逆转的重要途径（“再教育细胞”）。
5 细胞分化及调控 一个受精卵如何发育为完整个体的问题。（细胞全能性）
6 细胞衰老、凋亡及寿命问题。
7 细胞的起源与进化。
8 细胞工程 改造利用细胞的技术。生物技术是信息社会的四大技术之一，而细胞工程又是生物技术的一大领域。目前已利用该技术取得了重大成就（培育新品种，单克隆抗体等），所谓21世纪是生物学时代，将主要体现在细胞工程方面。
三、当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域
1 染色体DNA与蛋白质相互作用关系；
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。

第二节 细胞生物学发展简史
1细胞学创立时期 19世纪以及更前的时期（1665—1875），是以形态描述为主的生物科学时期；
2 细胞学经典时期 20世纪前半世纪（1875—1900），主要是实验细胞学时期；
3 实验细胞学时期（1900—1953）；
4 分子细胞学时期（1953至今）。
总过程概括为：细胞发现→细胞学说建立→细胞学形成→细胞生物学的发展
（1665） （1838—1839） （1892） （1965）
R.Hooke Schleiden、Schwann Hertiwig DeRobertis
一、细胞的发现（discovery of cell）
二、细胞学说的建立及其意义（The cell theory）
1838年，德国植物学家施莱登（J.Schleiden）关于植物细胞的工作，发表了《植物发生论》一文（Beitrage zur Phytogenesis）.
1839年，德国动物学家施旺（T.Shwann）关于动物细胞的工作，发表了《关于动植物的结构和生长一致性的显微研究》一文，论证了所有动物体也是由细胞组成的，并作为一种系统地科学理论提出了细胞学说。
○1细胞是生物体的基本结构单位（单细胞生物，一个细胞就是一个个体）；
○2细胞是生物体最基本的代谢功能单位（动、植物的各种细胞具有共同的基本构造、基本特性，按共同规律发育，有共同的生命过程）；
○3细胞只能通过细胞分裂而来。
三、细胞学的诞生（细胞学的经典时期和实验细胞学时期）
1 原生质理论的提出
2 关于细胞分裂的研究
3 重要细胞器的发现
4 遗传学方面的成就
四、细胞生物学的兴起
1965年，D.Robetis将他原著的《普通细胞学》更名为《细胞生物学》（第四版），率先提出这一概念。
五、分子细胞生物学
参考资料
1 庄孝惠 从胡克到细胞生物学，细胞生物学杂志，1987，2
2 王亚辉 细胞生物学的发展历史和现状，细胞生物学杂志 1986，1
3 王亚辉 细胞生物学的趋向和发展战略，大自然探索，1987，6（27）12~17

第二章 细胞基本知识概要

教学目的 1 掌握有关细胞的几个概念（细胞、原生质、细胞器等）和几个问题；
2了解细胞的共同特征；各种化学成分在细胞中的造形等；
3 真、原核细胞的一般结构特点。
教学重点和难点 真、原核细胞的主要区别
讲授与讨论
第一节 细胞的基本概念
一、细胞和原生质的概念
（一）细胞： 细胞是由膜包围的，能进行独立繁殖的最小原生质团，是生命活动的基本单位，是生物体最基本的形态结构和功能活动单位。
（二）原生质（Protoplasm）：指细胞内所含有的生活物质（构成细胞的生活物质），真核细胞包括细胞膜、细胞质和细胞核。
细胞质（Cytoplasm），指质膜以内核以外的原生质。它不是匀质的，其结构大体划分为两部分，一部分是有形结构，称为细胞器（Organelle），另一部分是可溶相，称细胞质基质（Cytoplasmic miatrix）。
细胞器（Organelle）：指存在于细胞中，用光镜或电镜能够分辩出的，具有一定形态特点，并执行特定功能的结构。
细胞质基质（Gytoplasmic matrix），是细胞质的可溶相，是作为细胞器的环境而存在的。
细胞核（nucleus）：遗传物质的集中区域，在原核生物细胞称拟核（nucleoid）或类核区。

第二节 非细胞形态的生命体——病毒（略）

第三节 原核细胞与真核细胞
原核细胞（Prokaryotic cell）具有两大特点：
○1遗传信息量少（仅有一个环状DNA）○2无膜围细胞器及核膜
1、 最小、最简单的细胞——支原体（mycoplasma）
为何说支原体是最小的细胞？
2、原核细胞的两个代表——细菌和蓝藻
细菌（bacteria， bacterium）主要来自对大肠杆菌（E.coli）的研究。
细菌是原核细胞的典型代表，特点是：无典型的细胞核，有细胞壁，细胞质中除核糖体外无其它细胞器。
蓝藻（Blue-green algae）
又称蓝绿藻或蓝细菌，是绿色植物中最原始的自养类型，含有兰色素、红色素、黄色素、叶绿素等，故不一定都是兰色。
第四节 真核细胞基本知识概要
大约在12—16亿年前在地球上出现，是具有典型细胞核和核膜、核仁，体积较大，结构较复杂，进化程度较高的一类细胞。
一、真核细胞的基本结构体系
生物膜系统 以脂质及蛋白质成分为基础构建而成。
遗传信息表达结构系统 以核酸与蛋白质为主要成分构建而成。
细胞骨架系统 由特异蛋白质分子装配而成。
综合原核细胞和真核细胞的特点，二者的根本区别可归纳为下面两条：
第一，细胞膜系统的分化与演变
真核细胞以膜分化为基础，分化为结构更精细，功能更专一的单位——各种膜围细胞器，使细胞内部结构与职能分工。而原核细胞无此情况。
第二，遗传信息量大与遗传装置的复杂化
真核细胞的遗传信息可达上万个基因，并具重复序列，染色体功能具二倍性或多倍性。原核细胞为单倍性。仅为一条环状DNA分子，细菌只有几千个基因。
二、细胞的大小及其分析
原核细胞多在1—10或1—5μm，细菌多在3—4μm，支原体只有0.1μm。
动物细胞多在（10—100μm，20—30μm， 15—70μm）。最大的细胞要属鸵鸟卵，可达10 cm，卵黄只有5cm。隆鸟卵直径可达20 cm。
那么，细胞的大小是怎样决定的呢？
首先，细胞的核质比与细胞大小有关，决定细胞上限。
其次，细胞的相对表面积与细胞大小有关。
最后，细胞内物质的交流与细胞大小有关。
三、细胞形态结构与功能的关系
细胞的形态结构与功能的相关性和一致性是多数细胞的共性。
四、细胞的化学成分及在原生质中的造形
膜系统：主要以脂蛋白构成，包括细胞膜、核膜，以及一系列细胞器膜。
颗粒系统：由蛋白质或核蛋白组成，如存在于线粒体内膜上的基本颗粒（F因子），亦称内膜亚单位（inner membrane subunits ）和核糖核蛋白体，分别是氧化磷酸化和合成蛋白质的场所。
纤维系统：由蛋白质和核酸组成。

第三章 细胞生物学研究方法
（研究方法和工具）

教学目的 1 了解主要工具和常用方法，侧重掌握基本原理和基本应用；
2 认识工具和方法与学科发展的相关性。
教学重点 仪器方法的基本原理和基本应用
教学难点 电镜制样及分子杂交技术
教学方法 讲授、参观
第一节 细胞形态结构的观察方法
一、 光学显微镜技术
（一） 普通复式光学显微镜技术
（二）荧光显微镜（fluorescence microscope）
（三）暗视野显微镜（darkfield microscope）
（四）相差显微镜（phase contrast microscope）
（五）激光共焦点扫描显微镜（略）
（六）微分干涉显微镜（略）
二、电子显微镜技术
（一）电镜设计原理及分类
（二）电镜的种类
（三）透射式电子显微镜
（四）光镜与电镜的主要区别
综上可见，电镜与光镜区别主要在于：
（1） 光源不同 光镜为可见光或紫外线；电镜为电子束
（2） 透镜不同 光镜为玻璃；电镜为电磁透镜
（3） 真空
（4）显示记录系统
（五）扫描式电子显微镜
扫描电镜的特点
扫描电镜的基本结构
（六）电镜样品制备技术
1 超薄切片技术（详见光盘）
2 负染色（negative staining）技术
3 核酸大分子的制样技术（大分子铺展技术，Kleinschmidt法）
4 整装细胞电镜技术
5 电子显微镜细胞化学技术
是能过特殊的细胞化学反应，使待测物转变成某种不溶性的电子致密沉淀物，并利用电镜在超微结构水平上对产物进行定位和半定量。主要有各种酶的定位，其次是核酸、蛋白质、脂肪、碳水化合物等的定位。
酶的化学定位技术
免疫细胞化学电镜技术（见本编第十一章）。
6 冰冻蚀刻技术（freeze etching）
7 扫描式电镜制样技术

第二节 细胞组分的分析方法
（生化分析法）
一、超速离心技术分离细胞（组分）及生物大分子
（一） 各种离心技术——分离细胞器、生物大分子
离心方法：根据分离对象和目的不同，采用不同的离心方法，制备离心和分析离心。
（1）制备离心 (preparative centrifuge) 分离和纯化亚细胞成分和大分子，目的是制备样品。
差速离心法：是最常用的方法，根据不同离心速度所产生的不同离心力，将各种亚细胞组分和各种颗粒分离开来。
密度梯度离心（区带离心法）
a、速率区带离心法（蔗糖密度梯度离心）
b、等密度梯度离心法（氯化铯密度梯度离心）
（2）分析离心（analytical centrifuge） 分析和测定制剂中纯的大分子的种类和性质，如浮力密度和分子量、生物大分子的构象变化、分析样品的纯度等。此工作必须是在制备离心的基础上进行。
（二）细胞的选择性抽提（分离蛋白质、核酸大分子）
（三）柱层析的技术（分析蛋白质和核酸）
（四）电泳技术
（五）色谱分析技术（色谱学——分离纯化样品）
（六）氨基酸分析技术
二、细胞化学技术
（一）组织化学和细胞化学法
基本原理：利用某些化学物质和某些细胞成分发生化学结合，从而显示出一定的颜色，进行定性和定位研究的方法。
（二）免疫细胞化学法（特异蛋白抗原的定位与定性）
基本原理：此项技术是将免疫学中抗原、抗体以及补体间专一性反应结合显微或亚显微组织学的一些研究方法的统称。是免疫学原理与光镜或电镜技术的结合。
抗体的标记
抗体标记的方法很多，有铁蛋白标记法、免疫酶标记法、免疫金标记法、杂交抗体标记法、搭桥标记法、同位素标记法、荧光标记法等。
三、细胞内特异核酸序列的定位与定性
（一）DNA序列测定技术
（二） 核酸分子杂交技术（molecular gbridization technique）
（特异核酸的定性定位）
概念 两条具有互补核酸顺序的单链核酸分子片断，在适当的实验条件下，通过氢键结合，形成DNA-DNA、DNA-RNA或RNA-RNA双链分子的过程。
印迹杂交 (blot hybridization)
用已知的带有标记的特定核酸分子（或抗体、蛋白质分子）作为探针，与通过印迹被转移的核酸分子（或抗原、蛋白质分子）片段杂交的过程。
（1） Southern blotting （DNA印迹法） 将分离的DNA片段通过毛细管作用转移到硝基纤维素膜上，用DNA探针与之杂交的过程。是以发明此项技术的人名命名的（E?M?Southern）。是体外分析特异DNA序列的方法。
（2） RNA印迹术（Northern blotting）
（3） 蛋白质印迹术（Western blotting）
（4） 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）。
（5） DNA与蛋白质的体外吸附技术（Southwestern blotting） 结合了Western印迹与southern印迹两种实验方法的特点而设计的一种检测序列特异性DNA结合蛋白的实验方法（翟P51）。
（6） 原位杂交（Insitu hybridization） 用已知的带有标记的特定核酸分子作为探针，来测定与之成互补关系的染色体DNA区段的位置。
四、电镜放射自显影技术
原理 这是一种利用放射性同位素作为标记物对细胞化学物质进行超显微结构的定位、定性或定量的实验技术。
五、定量细胞化学分析技术
（一） 显微分光光度测定技术

第三节 细胞培养、细胞工程与显微操作技术

一、细胞培养
（一）动物细胞培养
（二）植物细胞的培养 包括单倍体细胞的培养和原生质体培养
“全能性”—指生物体的每一生活细胞，处于适当条件下，都具有进行独立生长发育，并形成一个完整生物个体的能力。
1单倍体细胞的培养
2原生质体培养
3植物细胞杂交（融合）
（三）突变株和非细胞体系在细胞生物学研究中的应用
二、细胞工程
概念 应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

第四章 细胞膜与细胞表面

教学目的 1 掌握质膜的分子模型
2 了解流动镶嵌模型的主要特点
3 掌握细胞连接的方式和特点
教学重点 流动镶嵌模型结构要点
教学难点 细胞连接的超微结构
教学方法 讲授、讨论
第一节 细胞膜与细胞表面的特化结构
一、细胞膜的结构模型
细胞膜（Cell membrane） 指围绕在细胞最外层，由脂类和蛋白质组成的薄膜。是所有细胞共有的包被（原生质，细胞质）的一层膜。又有原生质膜（Plasmalemma）之称，通常简称质膜（Plasma membrane）。
1、 双分子片层模型（bimolecular leaflet model）
这一模型是Danielli & Davson于1935年提出的，因此又称Danielli & davson模型。
2、 单位膜模型（The unit membrane model）
这个模型是1957~1959年，英国伦敦大学的罗伯逊（Robertson），通过电镜观察后提出的。
3、流动镶嵌模型（fluid mosaic model）
这个模型的主要内容可归纳为：
○1脂类物质以双分子层排列，构成膜的骨架；
○2镶嵌性 蛋白质分子镶嵌在脂双层的网架中。存在方式有内在蛋白（整体蛋白）和外在蛋白（边周蛋白）。○3不对称性 蛋白质分子和脂质分子在膜上的分布具不对称性，膜两侧的分子性质和结构不同。
○4流动性 脂质双分子层和蛋白质是可以流动或运动的
脂质分子的运动性：有实验表明，类脂分子的脂肪酸链部分在正常生理状态下，可作多种形式的运动：旋转、振荡、摆动、翻转，同时整个分子可作侧向扩散运动。
蛋白质分子的运动性：有侧向扩散和旋转两种方式，受周围膜质性质和相态的制约。荧光抗体免疫标记可观察。
综合流动镶嵌模型之内容，不难看出，其突出特点在于，流动性、镶嵌性、不对称性和蛋白质极性。由此造成各种膜的功能差异。
4、晶格镶嵌模型（蛋白液晶膜模型）
5、板块镶嵌模型
最近有人提出脂筏模型（Lipid rafts model）。目前认为，这些模型并无本质区别，只是对流动镶嵌模型的进一步补充说明，不能作为膜的通用模型。
二、质膜的化学组成
细胞膜几乎全都是脂类（50%）和蛋白质（40%），仅含少量糖类（2~10%糖脂和糖蛋白）和微量核酸（细菌质膜、核膜、mit、chl内膜），结合方式及存在意义尚不清楚。
（一）膜脂（Lipids）
（二）蛋白质（Protein）（膜蛋白）
（三）糖类（Carbohydrate）
三、质膜的功能（function of c.m）
质膜与外界环境隔离开，通过它保持着一个相对稳定的细胞内环境，在细胞生命活动中行使着多种重要功能，概括为：物质运输，能量转换，信息传递，细胞识别，细胞连接，代谢调控，膜电位维持等。
四、骨架与细胞表面的特化结构
膜骨架（membrane associated cytoskeleton）
指质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理机能。早期有人称膜下溶胶层，实质为膜骨架。
第二节 细胞连接
细胞连接可分为三大类：即

一、封闭连接
紧密连接（tightjunction ）为典型的封闭连接，又称结合小带或封闭小带（zonula oceludens），是相邻两细胞膜紧紧靠在一起的连接方式，中间无空隙，并且两质膜外表面互相融合，所以电镜下观察呈三暗夹两明的五层结构。
二、锚定连接
通过这种连接方式将相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连成一个坚挺、有序的细胞群体。
1、桥粒和半桥粒（与中间纤维有关）
○1桥粒（desmosme， maculae adherens） 指相邻细胞间形成的“钮扣”样结构，联结处约有30nm的间隙，间隙充满丝状的粘多糖性物质，其中有一层电子密度较高的接触层，或称中央层（桥粒蛋白）将间隙等分为二。
○2半桥粒：位于表皮基细胞与基膜接触的一面，由于相对应的为基膜而不是细胞，因而称半桥粒（hemides mosome）。
2、粘着带与粘着斑（与肌动蛋白丝有关）
○1粘着带 介于紧密连接与桥粒之间，亦称为中间连接。是相邻细胞间有较宽（15~20nm）间隙的一种联结方式。
○2粘着斑 是肌动蛋白纤维与细胞外基质之间的连接方式。如贴壁细胞的贴壁行为，通过粘着斑贴在瓶壁上。
三、通讯连接
1 间隙连接（gap junction）
又有缝隙联结或接合斑（nexus）、缝管连接或封闭筋膜（fascia occludens）之称，是相邻细胞间有2-3nm间隙的一种连接方式。电镜下观察联结处呈四暗夹三明的七层结构之称。
2 植物细胞的连接——胞间连丝（Plasmodesma）
在植物细胞，两相邻细胞的壁之间靠一层称作胞间层（中胶层middle tamella）的果胶类（Pectin）物质粘合在起，但在有些部位，细胞壁及胞间层并不连续，在此有原生质丝通过而勾通相邻两细胞，这便是植物细胞特有的连接方式——胞间连丝，是指相邻植物细胞穿通细胞壁的细胞质通路。
3 化学突触：是可兴奋细胞之间的连接方式，通过释放神经递质（如乙酰胆碱）来传导神经冲动，电信号→化学信号→电信号
（四）细胞表面的粘着因子

第三节 细胞外被与细胞外基质
一、细胞外被（Cell coat）
又称糖萼（glgcocalyx），指由细胞产生的、与细胞膜外表面联系密切的粘多糖类物质。由于它林立在细胞表面，与质膜中蛋白质和脂类结合，故可认为它是质膜的组成部分，但有其独立性。有人将细胞外被与质膜比喻成“毛”与“皮”的关系。
二、细胞外基质（extracellular matrix）
分布于细胞外空间（如细胞之间或细胞表面），由细胞分泌的蛋白和多糖构成的网络结构。与膜关系不密切，功能在于：○1细胞间粘着；○2保护作用；○3维持细胞外环境（调节细胞周围的物质浓度）；○4过滤作用等等。在形态发生中作用重大，包括：细胞迁移、增殖、形态变化、分化、保护、组建等。
主要包括四大类物质
（一）胶原（collagen）：属糖蛋白类物质，为纤维状蛋白多聚体，含量最高，具刚性，抗张强度大，构成细胞外基质的骨架体系。
（二）氨基聚糖（glycosaminoglycan GAC）和蛋白聚糖（proteoglycan，PG）（粘多糖，粘蛋白）
（三）层粘连蛋白（Lamimin，LN）（较大的糖蛋白分子）和纤粘连蛋白（fibronectin，FN）（由两条或更多的肽链及一些低聚糖组成。对细胞迁移作用大）。
（四）弹性蛋白

参考文献：
1、方思明 间隙连接和细胞间物质交流，细胞生物学杂志，1984.1
2、岳奎元 细胞连接，细胞生物学杂志，1985.4
3、岳奎元 细胞膜的不对称性和流动性，生物学通报，1986.8
4、岳奎元 细胞膜钠—钾泵生理学，生物通报，86.8
5、徐 信 细胞连结，生物学通报，86.7
6、林元藻 生物膜的主动转运功能，同上
7、杨福愉 生物膜的流动性，生物化学与生物物理进展，1981.5

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
一、 被动运输（Passive transport）
指通过简单扩散或协助扩散实现物质从浓度高处经质膜向浓度低处运输的方式。运输速率依赖于膜两侧被运送物质的浓度差及其分子大小、电荷性质等。不需要细胞代谢供应能量。
（一）简单扩散（simple diffusion）
指物质顺浓度梯度的扩散，不需要消耗细胞本身的代谢能，也不需专一的载体（膜蛋白），只要物质在膜两侧保持一定的浓度差，物质便扩散穿膜，又称自由扩散（free diffusion）。特点：
（二）协助扩散（facilitated diffusion）
又称促进扩散。绝大多数在细胞代谢上非常重要的生物分子，如各种极性分子和某些无机离子（糖、氨基酸、核苷酸及细胞代谢物等）是不溶于脂的（非脂溶性物质），但它们可以有效地进入细胞，只是扩散速度并不总是随浓度梯度的增大而加快，而是在一定限度内同物质浓度成正比，超过一定限度，即使提高浓度差，扩散速度也不会再高。分析知它们是通过另一种被动运输方式——协助扩散进行的。这种运输方式除了依赖物质浓度差以外，还必须依赖于专一性的膜运输蛋白（转运膜蛋白）。
膜运输蛋白（memberan transport pr.）: 镶嵌在质膜上的、与物质运输有关的跨膜蛋白质称膜运输蛋白，是一种横穿脂双层的跨膜分子，包括两类：
1隧道蛋白（channel pr.）（通道蛋白、槽蛋白）：以其亲水区构成亲水通道和离子通道，允许水及一定大小和电荷的离子通过。
离子通道（亦称门孔、门隧道）通常呈关闭状态，只有当膜电位或化学信号物质刺激后才开启通道。膜电位刺激开放的离子通道称电位门通道；化学信号物质刺激开放的通道称配体门通道。
2载体蛋白（carrier pr.）：识别结合特异性底物后通过构象变化实现物质转移。类似于酶与底物的作用，故又称“透性酶”（Permease）。
综上，凡是借助于载体蛋白和通道蛋白顺浓度梯度的物质运输方式称facilitated diffusion、或促进扩散或易化扩散。葡萄糖进入红细胞，进入小肠上皮细胞通常以这种方式。
协助扩散有三个特点：○1低浓度时比简单扩散速度快；○2存在最大转运速度；○3有转运膜蛋白存在，故具有选择性、特异性。
二、主动运输（active transport）
又称代谢关联运输（metabolically linked tramsport），是物质运输的主要方式。包括由ATP直接提供能量和间接提供能量两种运输方式。
（一）ATP直接提供能量的主动运输—离子泵
所谓离子泵是一种位于细胞膜上的ATP酶，是一（穿膜）内在蛋白，能将ATP水解成ADP+pi，同时释放能量，ATP酶构象发生变化，带来离子的转位，将物质逆浓度梯度运输。
在质膜上，作为“泵”的ATP酶很多，它们都具有专一性，不同的ATP酶运输不同的物质或离子，因此，我们可以分别称它们为某物质的泵。如运输Ca++，叫钙泵（肌质网膜）；运输H+，叫氢泵（细菌质膜）等等，质子泵又分为P型（真核质膜上）、V型（溶酶体膜）、H+—ATP酶（线、叶、细菌质膜）。现以钠—钾泵为例，说明离子泵的工作机制。
Na+—K+泵是存在于质膜上的由∝和β二个亚基组成的蛋白质。在有Na+、K+、Mg2+存在时就能把ATP水解成ADP+Pi，同时，把Na+和K+以反浓度梯度方向进行穿膜运输。可见Na+-K+泵是一种由Mg2+激活的Na+-K+-ATP酶。1957年，J.skou首先发现并阐述其机制，一般设想：
在膜内侧，Na+、Mg2+与酶（∝亚基）结合，促使酶与ATP反应，释放H3PO4，并与酶结合，引起酶构象变化，与Na+结合部位转向膜外侧。此时的构象亲K+排Na+，当与K+结合后，使酶脱去H3PO4，酶构象恢复，结合K+的一面转向膜内，此时构象亲Na+排K+，这样反复进行，不断在细胞内积累K+，将Na+排出细胞外。
（二） 间接利用ATP的主动运输——伴随运输（或称协同运输，co-transport）
指一种溶质的传递要同时依赖于另一种溶质的传递。如果两种溶质的传递方向相同，称同向运输（symport），如果方向彼此相反，则称反向运输（antiport）。
（三）基团转移
早见于细菌，也见于动物细胞。靠共价修饰（需能）
（四）物质的跨膜转运与膜电位
○1调节渗透压；○2某些物质的吸收；○3产生膜电位；○4激活某些生化反应；如细胞内高浓度K+是核糖体合成蛋白质及糖孝解过程中重要酶活动的必要条件。
三、胞吞与胞吐作用
还有一种物质运输的方式不同于此，是细胞膜将外来物包起来送入细胞或者把细胞产物包起来送出细胞。前者称胞吞作用，后者称胞吐作用，总称吞排作用（Cytosis）。这样的物质运输方式称膜泡运输（transport by vesicle formation），又称批量运输（bulk transport）。大分子物质及颗粒物质常以此方式进出细胞。
（一）胞饮作用与吞噬作用
某些物质与膜上特异蛋白质结合，然后质膜内陷形成囊泡，称胞吞泡（endocytic vesicle）。将物质包在里面，最后从质膜上分离下来形成小泡，进入细胞内部。根据内吞的物质性质，将其分为：
吞噬作用（Phagocytosis）吞噬泡，内吞较大固体物质，如颗粒白细胞、巨噬细胞。
胞饮作用（Pinocytosis）胞饮泡，内吞液体或极小颗粒，白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、植物根细胞。
（二） 胞吐作用（exocytosis）又称外卸
某些代谢废物及细胞分泌物形成小泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融合后将物质排出。如：小肠上皮的杯状细胞向肠腔中分泌粘液，经溶酶体消化处理后的残渣排向细胞外等过程。
关于衣被小泡运输（Coated vesicle）
存在于真核细胞中，具有毛刺状外表面的一类小泡（50—250nm）。可以是内膜系统的有关细胞器芽生而成，也可以是由质膜内陷，断裂形成，进行细胞器间的物质运输。
（三） 受体介导的胞吞作用（receptor—mediated endocytosis）
某些大分子的内吞往往首先同质膜上的受体结合，然后质膜内陷形成衣被小窝，继之形成衣被小泡，这种内吞方式称受体介导的胞吞作用。
需说明的是，膜泡运输时由于质膜内陷或外凸也需消耗能量，故可看作是一种主动运输方式。
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（cell communication）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。
（二）细胞识别与信号通路（cell recognition）
细胞识别的现代概念是：细胞识别是细胞通过其表面的特殊受体与胞外信号物质分子（配体）选择性的相互作用，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，这种现象或过程称为细胞识别。
可见，细胞识别是细胞通讯的一个重要环节。细胞接受外界信号，通过一整套特定机制，将胞外信号转化为胞内信号，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（Signaling pathway）。细胞识别正是通过各种不同的信号通路实现的。
（三）细胞的信号分子与受体
1 细胞的信号分子
信号分子，即配基 （Ligands）：指能够被受体识别的各种类型的大、小分子物质。又有信号分子（ Signal molecule ）和被识别子（cognon）之称。
亲脂性信号分子：甾类激素、甲状腺素。直接进入细胞与细胞质或核中受体结合，形成激素受体复合物，调节基因表达。
亲水性信号分子：神经递质、生长因子、多数激素等，不能直接进入细胞，先与膜上受体结合，再经信号转换机制，在细胞内产生→第二信使（cAMP和肌醇磷脂），或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶的活性，引起细胞的应答反应。
20世纪80年代发现一氧化氮（NO）是一种重要的信号分子和效应分子，它能进入细胞直接激活效应酶，参与体内重多的生理病理过程，成为人们关注的“明星分子”。
2 受体（receptor）
受体的概念最早是1910年Ehrlich提出的，近来有人建议改称“识别子”（cognor）。
受体都是蛋白质大分子（多为糖蛋白），一般至少包括两个结构功能区域，即与配体结合的区域及产生效应的区域。组成糖链的单糖种类、数量及排列方式不同，从而形成该细胞特定的“指纹”，是细胞之间、细胞与其他大分子之间联络的“文字”和“语言”。
根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为两类，即细胞内受体（受胞外亲脂性信号分子的激活）和细胞表面受体（受胞外亲水性信号分子的激活）。二着通过不同的机制介导不同的信号传递通路。
3 第二信使与分子开关
通过分泌化学信号进行细胞间通讯的过程：化学信号分子的合成→信号细胞释放化学信号分子→转移至靶细胞→被受体识别→信息跨膜传递→引起细胞内生物学效应。
第二信使（second messenger） 70年代初，Sutherland及其合作着提出激素作用的第二信使学说，认为胞外化学物质（第一信使）不能进入细胞，它作用于细胞表面受体，而导致产生胞内第二信使，从而激发一系列生化反应，最后产生一定的生理效应，第二信使降解使其信号作用终止。
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。
二、通过细胞内受体介导的信号传递
亲脂性小分子（甾类激素、甲状腺素）穿膜进入细胞，通过与细胞内（细胞质或核）受体结合传递信号。
这类受体有三个结构域：1、C末端区——结合激素；2、中部——结合DNA；3、N末端区——激活基因转录。
三、通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递
亲水性信号分子（神经递质、蛋白激素、生长因子等）一般不能直接进入细胞，而是通过与膜上特异受体结合对靶细胞产生效应。
根据信号转导机制和受体蛋白类型的不同，细胞表面受体分属三大家族：
1、 离子通道偶联的受体
是由多亚基组成的受体—离子通道复合体，本身既有信号结合位点，又是离子通道。
2、G蛋白偶联的受体
这类受体与酶或离子通道的作用要通过与GTP结合的调节蛋白（G蛋白）相耦联，在细胞内产生第二信使，从而将外界信号跨膜传递到细胞内进而影响细胞生物学效应。
由G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路主要包括两类：
Ⅰ、cAMP信号通路
激素（第一信使）→激活受体 →进一步激活腺苷酸环化酶，使ATP→cAMP（第二信