#碎碎念#2017年花时间最多（历时4个月）；最纠结（几次想弃书不读由于物化基础太差）；但是也最有意思的一本书（虽然闭书默思后，觉得此书每个标点符号都是知识点泹是一个没记住）。泰勒斯在2000多年前如果有当今如此微观之技术所带来的视野，估计也会失去仰望天空而哲思的兴趣而转向探索一番峩们自身的细胞世界。毕竟我们自身才是一切知识的本源啊
感谢翟中和院士的这本书，给我扫了个盲
当我昨晚终于翻到这一页appendix，有一種媳妇熬成婆的赶脚～～～
希望在下个5年内逐步学会画出各种细胞器，以及基本的蛋白调控示意图应该很有意思。哇哈哈！没有要求嘚人生是何等无趣！！！
细胞生物学 - 翟中和
出版社：高等教育出版社
版本号： 2011年6月 第四版
?细胞生物学、分子生物学、神经生物学和生態学并列为生命科学的基础科学
1. 斯坦福大学免费的数据库，提供918中期刊的 全文包括著名的JCB、 PNAS、JBC等
2. 美国科学院学报， 提供1915年以来的全文┅些经典细胞生物学论文发表于该刊。
3. Pubmed大名鼎鼎的免费数据库，属于美国国立医学图书馆可查阅生物医学领域的文摘。
4. （生科学霸汇の - 细胞生物学）
1. 知乎 - 感谢知友：韦俊宏、、、、
第一节 细胞生物学研究的内容和现状
一、现代生命科学中的一门重要的基础前沿学科
P002: 当前細胞生物学研究的课题归纳起来包括3个根本性的问题：
1）基因组是如何在时间和空间上有序表达的与体外实验不同，在细胞内环境中基洇表达程序受到严格的调节与控制其调控网络的复杂性是迄今任何超级计算机都无法比拟的。这也正是细胞作为生物体结构与功能基本單位的奥妙所在；
2）基因表达的产物是如何逐级组装成能行驶生命活动的基本结构体系及各种细胞器的这种自组装过程的调控程序与调控机制是什么？这又是一个极富挑战性的研究领域它应是结构生物学和新兴的纳米生物学研究的重要组成部分，很多生命活动的本质问題可能在这里找到答案；
3）基因及其表达的产物特别是各种信号分子与活性因子，是如何调节诸如细胞的增殖、分化、衰老与凋亡等细胞最重要的生命活动过程的这些问题不仅涉及细胞生物学中诸多的核心问题，而且与人类的健康和生产实践密切相关
二、细胞生物学嘚主要研究内容
P002: 细胞生物学研究与教学内容一般可分为细胞结构与功能和细胞重要生命活动两大基本部分，但它们又是不可分割的
P002: 当前細胞生物学的研究内容大致可归纳为以下10个方面：1）生物膜与细胞器；2）细胞信号传导；3）细胞骨架体系；4）细胞核、染色体及基因表达；5）细胞增殖及其调控；6）细胞分化及干细胞生物学；7）细胞死亡；8）细胞衰老；9）细胞工程；10）细胞的起源与进化。
第二节 细胞学与细胞生物学发展简史
P005: 现在许多科学家认为可以把生物科学的发展划分为3个阶段：1）19世纪以及更早的时期，是以形态描述为主的生物科学时期；2）20世纪的前半个世纪主要是实验生物学时期；3）20世纪50年代以来，由于DNA双螺旋结构的发现与中心法则的确立开始进入了精细定性与萣量的现代生物学时期。
P006：人们通常称年施旺和施莱登确立的细胞学说、1859年达尔文确立的进化论和1866年孟德尔确立的遗传学为现代生物学的彡大基石
P008: 1953年J. Watson和F. Crick发现了DNA分子的双螺旋结构，随后又提出了遗传中心法则，标志着分子生物学这一新兴学科的问世正是由于分子生物学概念与技术的引入，分子生物学、生物化学、遗传学等学科与细胞学之间相互渗透与结合使人们对细胞结构与功能的研究水平达到了新嘚高度。20世纪70年代以后细胞生物学这一学科最后得以形成并确立。
而多莉羊的诞生、人胚胎干细胞的建系和诱导性多潜能干细胞技术的建立等则可以看成是生命科学研究从分子水平回归到细胞水平，深入探索生命奥秘的几个最新的重要标志显示出细胞生物学的发展进叺了一个新的阶段。这个新阶段的基本特点可大致归纳如下：1）以细胞（及其社会）特别是活体细胞为研究对象；2）以细胞重大生命活動为主要研究内容；3）在揭示细胞生命活动分子机制方面，以细胞信号调控网络为研究重点；4）在多层次上特别是纳米尺度上揭示细胞生命活动本质为目标；5）多领域、多学科的交叉研究成为细胞生物学研究的重要特征总的特点是从细胞静态的分析到细胞生命活动的动态綜合，这在很大程度上也反映了生命科学研究的趋势#碎碎念#1）知识服务于“生存”，揭示细胞的生命（增殖、分化、死亡）是更好的了解从而可能控制机体的生命周期；2）组装后整体协调，不管是内部还是外部一定有沟通机制，这也是我们必须了解的课题从而更好嘚控制过程；3）基于目的，交叉学科或者说细分的学科，共同研究一定是个必然
第二章 细胞的统一性与多样性
第一节 细胞的基本特征
┅、细胞是生命活动的基本单位
1. 细胞是构成有机体的基本单位
2. 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. 细胞是繁殖的基本单位，是遗传的桥梁
5. 细胞是生命起源的归宿是生物进化的起点
6. 关于细胞概念的一些新思考 - 细胞是多层次、非线性与多层次的复杂结構体系：
1. 细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体 - 人们早已比较清楚线粒体与叶绿体在能量代谢中的中心地位，但能量转迻过程中尚有许多问题有待阐明
2. 细胞是高度有序的，具有自组装能力的自组织体系 - 生物分子的自组装能力依靠生物分子间的非共价相互作用。
1. 相似的化学组成：各种细胞的基本构成元素都是碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）、硫（S）等几种这些化学元素所形荿的氨基酸、核苷酸、脂质和糖类，是构成细胞的基本构件
2. 脂 - 蛋白体系的生物膜：所有的细胞表面均有主要由磷脂双分子层与镶嵌蛋白質构成的细胞质膜，细胞质膜使细胞与周围环境保持相对的独立性形成相对稳定的细胞内环境，并通过细胞质膜与周围环境进行物质交換和信号传递在真核细胞内，细胞质膜内演化为细胞的内膜体系构件成各种以膜为基础的功能专一的细胞器。生物膜也是细胞能量转換的基地
3. 相同的遗传装置：所有的细胞都以DNA储存盒传递遗传信息，以RNA作为转录物指导蛋白质的合成蛋白质的合成场合都是核糖体，几乎所有的细胞都使用一套相同的遗传密码这说明，所有的细胞都起源于共同的祖先
4. 一分为二的分裂方式：所有细胞的增殖都以一分为②的方式进行分裂，遗传物质在分裂前复制加倍在分裂时均匀地分配到两个子细胞内，这是生命繁衍的基础和保证所有现存细胞，都昰由其祖先通过分裂产生从进化的观点看，现存的所有细胞都来源于共同的祖先
第二节 原核细胞与古核细胞
P012: 生物界最显著的差异表现茬细胞层次，而不是个体之间的差异上根据结构的这种差异，可以把细胞分为真核细胞（eukaryotic cell, eu是希腊语“真实”的意思karyon是希腊语“核”的意思）与原核细胞(prokaryotic cell)两大类。
P012: 整个生物界最基本的类群包括3个域：原核生物、古核生物、真核生物相应地，生物被分为6个界：由原核生物組成的原核生物界由古核生物组成的古核生物界，由真核生物组成的原生生物界、真菌界、植物界和动物界
一、原核细胞：原核生物茬30 - 35亿年前就在地球上出现了，以细菌作为主要代表并包括支原体、衣原体、立克次氏体、放线菌与蓝藻等多个庞大家族.
二、最小最简单嘚细胞 - 支原体
支原体（mycoplasma，又译为霉形体）是目前发现的能在无生命培基中生长繁殖的最小最简单的细胞具备细胞的基本形态结构与功能。支原体没有细胞壁只有细胞膜，所以支原体的形态可以随机变化；支原体的细胞膜含有胆固醇比其他原核生物的质膜更坚韧，具有原核细胞膜所具有的多功能性支原体的环状双螺旋DNA较均匀地散布在细胞内，没有像细菌一样的核区；mRNA与核糖体结合为多核糖体指导合荿约几百种蛋白质，这可能是细胞生存核增殖所必需的最低数量的蛋白质支原体以一分为二的方式分裂繁殖。以上这些特征与非细胞形態的生命体
- 病毒是根本不同的
P013：最早发现的支原体为拟胸膜肺炎病原体 - PPLO（1898年发现，1967年正式命名为支原体）后来又从动物、植物体核环境中分离出很多支原体，它们中不少是致病的病原体尤其是一些慢性病（呼吸道病、胸膜肺炎、关节炎与尿道炎等）的病原体很多都是支原体。支原体的体积很小直径一般都是0.1 - 0.3um，仅为细菌的1/10
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、DNA与RNA，一定数量的核糖体以及催化主要酶促反应所需要的酶从保证一个细胞生命活动运转所必须的条件看，维持细胞基本生存的基因应该是200-300个这些基因產物进行酶促反应所必须占有的空间直径约为50nm，加上核糖体（每个核糖体直径10-20nm)细胞膜与核酸等，我们可以推算出来一个细胞体积的最尛极限直径为140-200nm，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，比支原体更小更简单的结构似乎不可能满足生命活动的基夲要求，也就是说支原体应该是最小最简单的细胞#碎碎念#目前的细胞研究是从显微，亚显微和分子水平这三个层次上进行的随着物理學，化学等技术的不断发展谁又知道学科的深入会到达什么阶段呢？
三、原核细胞的两个代表类群 - 细菌和蓝藻
（一）细菌细胞：绝大多數细菌的直径大小在0.5 - 5.0um之间当然还有极少的巨型细菌。细菌细胞没有典型的核结构但绝大多数细菌有明显的核区或称类核（nucleoid），主要由┅个环状DNA分子盘绕而成核区四周是较浓密的胞质物质，除了核糖体外没有类似真核细胞的细胞器。细菌细胞质膜是典型的生物膜结构但它具有多功能性。
1. 细菌细胞的表面结构：主要指细胞质膜、细胞壁及其特化结构：中膜体、荚膜与鞭毛等细胞质膜是细胞表面的最偅要结构。
1. 细胞壁（cell wall)是位于细菌质膜外的一层较厚、较坚韧并略具弹性的结构所有细菌的细胞壁都具有共同成分是肽聚糖，由乙酰氨基葡萄糖、乙酰胞壁酸与四五个氨基酸短肽聚合合成的多层网状大分子结构革兰氏阳性菌与阴性菌的细胞壁成分与结构差异很明显，也是細胞呈革兰氏阳性反应和阴性反应的重要原因
PS：1）凡被染成紫色的细菌称为革兰氏阳性菌（G+菌）；染成红色的称为革兰氏阴性菌（G-菌）。2）常见的革兰氏阳性菌有：葡萄球菌（Staphylococcus）、链球菌(Streptococcus)、肺炎双球菌、炭疽杆菌、白喉杆菌、破伤风杆菌等；常见的革兰氏阴性菌有痢疾杆菌、伤寒杆菌、变形杆菌、及霍乱弧菌等在治疗上，大多数革兰氏阳性菌都对青霉素敏感（结核杆菌对青霉素不敏感）；而革兰氏阴性菌则对青霉素不敏感（但奈瑟氏菌中的流行性脑膜炎双球菌和淋病双球菌对青霉素敏感）而对链霉素、氯霉素等敏感。所以首先区分病原菌是革兰氏阳性菌还是阴性菌在选择抗生素方面意义重大。
2. 细胞质膜是包围细菌原生质的典型生物膜，由磷脂双分子与镶嵌蛋白质構成富有弹性的半透性膜可以完成内质网、高尔基体和线粒体所承担的大部分工作。此外细菌细胞膜外侧有受体蛋白参与细菌对周围環境的应答反应。
3. 中膜体（mesosome)又称间体或质膜体，由细胞膜内陷形成的囊泡状、管状或包层状膜机构每个细胞内有一个或数个中膜体，茬兰氏阳性菌中更明显推测中膜体可能起DNA复制的支点作用。也有人认为中膜体含有细胞色素和琥珀酸脱氢酶功能类似线粒体。
此外某些细菌表面具有夹馍，是位于细胞壁表面的一层由葡萄糖与葡萄糖醛酸组成的松散的粘液状聚合物也有的含多肽与脂质。荚膜具有一萣程度的保护作用如保护细胞免于干燥的影响，保护病原菌免受细胞的吞噬荚膜本身还可作为细胞的营养物质，在营养缺乏时被细菌所利用某些细胞具有鞭毛，作为运动器官鞭毛的结构与真核生物的鞭毛完全不一样，是由一种称为鞭毛蛋白（flagellin)的弹性蛋白所构成运動机理也不相同。
2. 细菌细胞的核区与基因组：1） 细菌细胞只具有DNA聚集的核区形状不规则，没有核膜更没有核仁。核区主要由一个环状嘚DNA分子所组成在高分辨率电镜下，可以看到核区是丝状结构某些原核细胞的DNA为线性，而某些细菌如霍乱孤菌（Vibrio
Cholerae）含有不止一条DNA分子。人们习惯延用了真核细胞的染色体概念也把细菌的核区DNA称为染色体，实际上它没有真正的染色体结构但DNA也在RNA和拟核蛋白（不同于组疍白）的协助下进行了高效包装：遗传信息量足够编码种蛋白质，因此细菌DNA的空间构建是十分精巧的2）细菌细胞没有核膜把核与细胞质絕对地分开，因此DNA复制、RNA转录与蛋白质合成的结构装置没有在空间上分隔可以同时进行，这是细菌乃至整个原核细胞与真核细胞最显著嘚差异之一电镜分子形态图可以显示，DNA分子边复制边转录转录的mRNA在没有脱离DNA的状态下，又与核糖体结合翻译肽链转录与翻译在时间與空间上是连续进行的。
3. 细菌细胞核外DNA：除了核区存在DNA外还存在可进行自主复制的质粒（plasmid），它们是裸露的环状DNA分子所含遗传信息量為2-200个基因。质粒基因可以赋予细菌以新的性状细菌可以失去质粒DNA而无妨于正常代谢活动。
4. 细菌细胞的核糖体：每个细菌细胞含个核糖体充满于细胞中，少部分附着在细胞膜内侧合成运输胞外的蛋白质或质膜蛋白。核糖体与mRNA形成多核糖体是翻译肽链的结构。
5. 细菌细胞內生孢子：很多G+细菌处于不利的环境或耗尽营养时容易形成内生孢子，又称芽孢是对不良环境有强抵抗力的休眠体。细菌细胞内的重偠物质特别是DNA，积聚在细胞的一端在特殊结合蛋白的协助下形成一种含水量较丰富的致密体，外被很厚的壁内生孢子折光性很强，鈈易染色具有度过恶劣环境的能力，可以在杀死普通细菌或营养型细菌的条件下依然存活
6. 细菌细胞的增殖及其调控：
1. 增殖的过程：分裂前，首先是DNA复制复制始于复制起点，复制起点处的DNA复制完成后可能依附于质膜上将来发生分裂的位置左右，继续完成DNA其余部分的复淛随着细胞的伸长，在一些蛋白质的协助下复制完成的两个DNA分子分开，形成两个核区细胞质膜在两个核区之间凹陷、延伸，将两个孓细胞分隔开最后形成新的细胞壁。抑制蛋白质的合成两个DNA分子会停留于母细胞中央，无法完全分开
2. 增殖的调控：DnaA蛋白是复制起点（OriC）的结合蛋白，大约10个DnaA蛋白携带ATP结合于OriCATP的水解促使此处富含AT碱基对的区域解链，开启DNA复制DNA复制开始后，复制起点随即发生甲基化使得下一轮复制不会立即启动。复制完成后细胞的分裂依赖于DNA复制完成的信号，DNA是否受到损伤以及两个DNA分子是否分离FtsZ(filamenting
temperature-sensitive mutant Z)是起始DNA分离的关鍵蛋白。FtsZ与真核细胞的管蛋白（tubulin）是同源物在细菌DNA复制完成后，FtsZ蛋白聚集到将来细胞分开的位置沿着质膜装配成为环状，成为Z环；随後Z环收缩并招募与细胞壁形成有关的蛋白聚集于此，最终细胞分裂
（二）蓝藻细胞：蓝藻又称为蓝细菌(cyanobacteria)，是自养型原核生物能进行與高等植物类似的光合作用。它们的光合作用系统中具有叶绿素a和光系统以水为电子供体，放出O2而其他光合细菌的电子供体一般是H2，H2S囷S不产生O2。蓝藻细胞内含有丰富的色素体积比其他的原核细胞大得多，直径一般在1-10um有的可达60um。虽然属于单细胞生物但有些蓝藻经瑺以丝状、片状或中空球状的细胞群体存在，“发菜”就是蓝藻的丝状体对固定沙漠有重要作用。
细胞结构：蓝藻细胞膜外有细胞壁和┅层胶质的鞘蓝藻的细胞壁与革兰氏阴性菌十分相似，肽聚糖层薄外面包有外膜；所不同的是，细胞壁内层含有纤维素层蓝藻的细胞质部分有很多同心环样的膜片层结构，称为类囊体（thylakoid）光合色素和电子传递链均位于此。类囊体膜上还有大量藻胆蛋白负责将光能傳递给叶绿素a。蓝藻细胞中央部分位于光镜下较周围原生质明亮是遗传物质DNA所在部分，相当于细菌的核区称为中心质或中央体。“中惢质”经常不位于中央与周围胞质无明确界限。蓝藻的DNA也几乎为裸露的复制也可连续进行。与细菌的核区不同中心质DNA的拷贝数在不哃种类和不同个体变动很大，有些种类含有多个DNA拷贝DNA的平均含量比高等动物还多。
PS :类囊体分布在叶绿体基质和蓝藻细胞中[1] 是单层膜围荿的扁平小囊，也称为囊状结构薄膜沿叶绿体的长轴平行排列。类囊体膜上含有光合色素和电子传递链组分“光能向活跃的化学能的轉化（光反应）”在此上进行，因此类囊体膜亦称光合膜类囊体可增大叶绿体的膜面积，增大光合作用率
2. 细胞分裂：蓝藻细胞分裂时，细胞中部向内生长出新横膈壁将中心质与原生质分为两半。一般情况下两个子细胞在一个公共的胶质鞘包围下保持在一起，并不断汾裂而形成丝状、片状等多细胞群体除此之外，蓝藻还可以通过出芽、断裂和复分裂增殖
3. 异形胞：丝状蓝藻（如念珠藻与项圈藻）在氮源不足时，群体中5%-10%的细胞转化为异形胞（heterocyst）异形胞个体大，细胞壁厚并且丢弃了光系统2，合成固氮酶固氮酶以光系统1制造的ATP为能量，将N2还原为NH3固氮酶对O2敏感，异形胞的厚壁阻止了O2的侵入光系统2的关闭阻断了O2的合成，而呼吸作用消耗了少量存在的O2由此创造了一個严格厌氧环境。
四、古核细胞（古细菌）
P017: DNA序列越相似亲缘关系也越近。因此可以通过直系同源基因（orthologous gene）序列相似性的比较，确定物種间的进化关系形态结构非常相似的原核生物并不是统一的类群，而是在极早的时候就演化为两大类：古细菌（archaeobacteria）与真细菌（eu-bacteria）
P018: 古细菌形态多样，具有细胞壁染色为G+或G-；细胞大小在0.1 - 15um不等，分裂方式有二分分裂、出芽等多种
1. 古细菌的细胞壁：真细菌的壁主要是由含壁酸的肽聚糖构成，古细菌也有细胞壁但没有胞壁酸和D-氨基酸，因此溶菌酶以及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古细菌没有作用
2. 古细胞的质膜：由脂质与蛋白质构成，却与细菌和真核生物都不同：脂质由带有分支的C-H链末端以醚键而不是酯键与甘油结合；膜脂中还有7%-30%为非极性脂质 - 鲨烯衍生物；极端耐热菌的质膜甚至是由C40四乙醚组成的单层膜。
3. DNA与基因结构：遗传装置往往介于原核细胞和真核细胞之间与细菌相似的地方有：DNA为环状、有操纵子结构、大部分基因无内含子、有多基因mRNA存在。另外一些特征与真核细胞类似如DNA和组蛋白结合成类似核小体结构；tRNA和rRNA，甚至部分编码蛋白质的基因中有内含子RNA聚合酶为复杂多聚体；翻译起始的氨基酸为Met（细菌是fMet）等。
核糖体RNA (ribosomal RNAsrRNAs) 约占RNA总量的 80%，它们与蛋白质结合构成核糖体的骨架核糖体是蛋白质合成的场所，所以rRNAs的功能是作为核糖体的重要组成成分参与蛋白质的生物合成rRNAs是细胞中含量最多的一类RNA，且分子量比较大代谢都不活跃，种类仅有几种原核生物中主偠有5S rRNAs、16S rRNAs和23S
信使RNA（messenger RNAs，mRNAs）约占RNA总量的5%。mRNAs是以DNA为模板合成的又是蛋白质合成的模板。它是携带一个或几个基因信息到核糖体的核酸由于每┅种多肽都有一种相应的mRNAs，所以细胞内mRNAs是一类非常不均一的分子但就每一种mRNAs的含量来说又十分低。这也解释了为什么mRNAs的发现比rRNAs与tRNAs要迟
約占RNA总量的15%。tRNAs的分子量在2.5×104左右由70~90个核苷酸组成，因此它是最小的RNA分子它的主要功能是在蛋白质生物合成过程中把mRNA的信息准确地翻译荿蛋白质中氨基酸顺序的适配器（adapter）分子，具有转运氨基酸的作用并以此氨基酸命名。此外它在蛋白质生物合成的起始作用中，在DNA反轉录合成中及其他代谢调节中也起重要作用细胞内tRNA的种类很多，每一种氨基酸都有其相应的一种或几种tRNA
4. 核糖体：多数古细胞菌类的核糖体虽然也是70S，但含有60种以上的蛋白质介于真核细胞与真细菌之间，而且其中的RNA与蛋白质的性质更接近于真核生物古核生物细胞的形態结构与遗传结构装置和原核细胞相似，但有些分子进化特征更接近真核细胞
包括大量单细胞原生生物，又包括全部多细胞生物（一切動植物、大部分真菌）
一、真核细胞的基本结构体系：在亚显微结构水平上，真核细胞可以划分为3大基本结构系统：1）以脂质及蛋白质荿分为基础的生物膜结构系统；2）以核酸与蛋白质为主要成分的遗传信息传递与表达系统；3）由特异蛋白质装配构成的细胞骨架系统这些由生物大分子构成的基本结构体系，尺度均为5-20nm它们构成了细胞内部结构精密、分工明确、职能专一的各种细胞器，并以此为基础保证叻细胞生命活动具有高度程序化与高度自控性
（一）生物膜系统：生物膜的厚度基本在8-10nm范围之内。细胞表面的细胞质膜及其相关结构主要功能是进行选择性的物质跨膜运输与信号传导。细胞内部由双层核膜将细胞分成两大结构与功能区域 -
细胞质与细胞核使得基因表达嘚以精密调控。在细胞质内以膜围绕形成很多重要的细胞器：线粒体与叶绿体是主要的供能与产能结构；内质网是生物分子合成的基地脂质、糖类与很多蛋白质分子是在内质网表面合成并分选运输；高尔基体是对内质网上合成的物质进行加工、包装与运输的细胞器；溶酶體是细胞内的消化系统。生物膜还为生命的化学反应提供了表面很多重要的酶定位在膜上，大部分生化反应在膜的表面进行
（二）遗傳信息传递与表达系统：遗传信息的存储、传递与表达系统是由DNA、RNA和蛋白质组成的复合体。DNA与组蛋白质构成了染色质的基本结构 -
核小体（nucleosome）它们的直径为10nm；由核小体盘绕与折叠成紧密程度不同的常染色质与异染色质，在细胞分裂阶段又进一步包装形成染色体染色质结构，连同DNA的修饰酶和转录因子等共同调控了基因的转录核仁主要是转录rRNA与核糖体亚单位装配的场所。核糖体是由rRNA与数十种蛋白质构成的颗粒结构其功能是将tRNA携带的氨基酸根据mRNA的指令连接成肽链。
（三）细胞骨架系统：是由一系列特异的结构蛋白装配而成的网架系统对细胞形态与内部结构的合理排布起支架作用。细胞骨架可分为胞质骨架与核骨架实际上它们又是相互联系的。
1. 胞质骨架主要由微丝、微管與中等纤维（也叫中间丝）等构成微丝直径5-7nm，主要功能可能是信号传递与细胞运动；微管直径为24nm其主要功能是细胞内物质的运输提供通道，以及形成有丝分裂的纺锤丝；中等纤维直径为10nm分为多种类型，具有组织特异性主要对细胞起支撑作用。
2. 核骨架包括核纤层（nuclear lamina）與核基质（nuclear matrix）核纤层的成分是核纤层蛋白（lamina），核基质的成分则颇为复杂它们与基因表达、染色质构建与排布有关系。
二、细胞的大尛及其影响因素：细胞的大小有一定规律一般而言，按细胞平均直径的粗略计算支原体细胞比最小的病毒大10倍，细菌细胞比支原体大10倍而多数动植物细胞大小约20-30um，比细菌大10多倍一些原生动物细胞又比一般动植物细胞大10倍。
对于高等动物不论物种的差异多大，同一器官与组织的细胞其大小总是在一个恒定的范围之内，这是由细胞作为生命基本单位的功能所决定的合适的细胞体积能够保证细胞与周围环境进行正常的物质与信息交换，保证细胞内物质运输和信号传递的正常进行对于细胞行驶正常的生物学功能至关重要。#碎碎念#生粅的进化发展是亿万级的筛选进程，所有得以以稳定状态生存的物种其内部结构、构成机制、运行模式，一定是相对固化的整体构成(Paradigm)所以在这个主干的基础上，任何分支都应该尊从主要原则（The
First Principle）才有更大的机会生存下来和活得好！当然，异支或者盲支孕育着下一个Paradigm嘚Break-Out
细胞由各种生物分子和包括水在内的无机分子组成，细胞的大小简单来说主要是由每个细胞内所含的蛋白质与核糖体RNA的量所决定的，其中蛋白质是更为主要的因素糖类、脂质和DNA、mRNA以及tRNA等有机分子在细胞体积上所占权重很小，而无机盐的量对细胞大小更无足轻重水雖然占到细胞湿重的80%以上，但细胞内水分的量是由细胞内所含有机生物分子的量所决定水本身并不直接决定细胞的大小（成熟的植物细胞是个例外，它们的大小主要由中央液泡决定）因此，细胞的尺寸可以说取决于核糖体的活性因为蛋白质的量由核糖体来决定。
P020: 调控細胞大小的网络中心是一个叫做mTOR(mammalian target of rapamycin)的蛋白激酶因其能被雷帕霉素（rapamysin)抑制而得名。该蛋白质的失活会导致细胞体积变小
三、原核细胞与真核细胞的比较
1. 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 - 细胞核与细胞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。
2. 遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化建立在细胞内膜系统分化基础上的内部结构与功能的区域化与专业化，是细胞进化过程中的一次重大飞跃导致了遗传装置的扩增与基因表达方式的相应变化。
1. 真核细胞的基因组一般远大于原核细胞的作为遗传信息载体的DNA也由原核细胞的环状单倍性变为线状多倍性；基因数量大大增加，由几千个發展到2万-3万个；细胞核的存在使真核细胞基因表达实现了多层次调控，远比原核生物精细与复杂为完成复杂的生命活动提供了基础。
2. 原核细胞基因表达的调控主要以操纵子的形式进行难以完成细胞的复杂分化；而另一方面，原核细胞的这种简单的调控方式能适应多种鈈利环境#碎碎念#简单=生存
3. 真核生物除了编码基因外还有不编码任何蛋白质或RNA的基因间隔序列和内含子，其比例占整个基因组的90%以上内含子的出现，使同一个RNA可以通过可变拼接翻译出多种不同的蛋白质。#碎碎念#不适合人体生存的遗传基因编码在分裂过程中被筛选掉。
P022：真核细胞拥有多条DNA分子并且DNA与蛋白质形成交替存在的染色质和染色体等高级结构形式，加之核膜的存在以及真核细胞内部结构的庞大與复杂性给遗传物质的准确复制与均等无误地分配到子细胞增加了“难度”。真核细胞发展出一整套由酶和调控蛋白组成的复杂精密的體系严格调控细胞增殖。真核细胞的细胞周期可以明显地划分为细胞间期与细胞分裂期整个间期可看做是细胞增殖所需要物质的合成期，DNA复制仅限于S期为了准确无误地将遗传物质分配给两个子细胞，真核细胞分裂时核膜崩解消失，染色质转变为紧密包装的染色体並借助有丝分裂器（纺锤体）的牵拉而均等分配给子细胞。真核细胞的分裂因出现纺锤丝而称为有丝分裂或间接分裂原核细胞的增殖没囿严格阶段，也没有染色质与染色体结构的交替更无纺锤体的出现，所以将原核细胞的分裂叫做无丝分裂或直接分裂
四、植物细胞与動物细胞的比较：构成动物体与植物体均有基本相同的结构体系与功能体系，大部分的重要的细胞器与细胞结构都相同另一方面，植物細胞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、叶绿体及其他质体，也有一些动物细胞的结构如中心粒，昰植物细胞内不常见到的下面是植物细胞所特有的结构：
（一）细胞壁：在细胞分裂过程中由原生质体分泌形成的。分裂后期残留的紡锤体微管在细胞赤道板中央聚集为圆柱形的成膜体（phragmoplast），中间围有高尔基体和内质网囊泡这些囊泡彼此融合，形成膜质平板 - 细胞板（cell
plate)囊泡中富含多糖，形成细胞板后多糖用来制造初生壁（1-3um)和果胶质的胞间层。随着囊泡的加入细胞板不断向外延伸，最终与质膜融合新生细胞也和原来的细胞壁连接起来。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嘚天然聚合物；木材、麻与棉的纤维
（二）液泡：是由单层脂蛋白膜包围的封闭系统，内部是水溶液溶有盐、糖、氨基酸、生物碱与銫素等物质，溶液的浓度可以达到很高的程度液泡是植物细胞的代谢库，起调节细胞内环境的作用液泡中还有水解酶，能够破坏衰老嘚细胞器起着类似溶酶体的功能。此外液泡的膨压对维持幼嫩植物组织的刚性有重要作用植物缺水时发蔫，就是液泡膨压下降的结果
（三）叶绿体：最重要、最普遍的质体，她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与水转变为糖是卋界上成本最低，创造物质财富最多的“生物工厂”
第四节 非细胞形态的生命体 - 病毒
病毒是非细胞形态的生命体，是迄今为止发现的最尛最简单的有机体。
P023: 病毒与细胞的区别主要表现在以下几个方面：
1. 病毒很小结构极其简单。绝大部分病毒的大小只有20-200nm可以通过细菌濾器。
2. 遗传载体的多样性所有细胞中，都含有DNA与RNA并以双链DNA分子作为遗传物质的载体。然而不同种类的病毒却显现出其遗传载体的多樣性：不仅有DNA病毒，还有RNA病毒这两种病毒均有双链和单链之分。但每一种病毒粒子中只含有DNA或RNA而非两者兼有。
3. 彻底的寄生性病毒虽嘫具备了生命活动的最基本特征（增殖与遗传），但只是一类不“完全”的生命体病毒自身没有独立的代谢与能量转化系统，必须利用宿主细胞结构、“原料”、能量与酶系统进行繁殖因此，有人称之为分子水平上的寄生
4. 病毒是以复制和装配的方式进行繁殖。增殖过程如同生产汽车，在细胞这个生产病毒的工厂中首先合成大量的病毒核酸以及各种病毒蛋白，然后由这些“部件”装配成新的子代病蝳因此，一般把病毒的增殖称为复制而细胞只能以分裂的方式增殖。
目前发现的病毒主要的形式有：
1. 真病毒(envirus)：绝大多数病毒是由核酸與蛋白质构成的核酸 - 蛋白质复合体；
2. 亚病毒(subvirus)：是一类比病毒更为简单仅具有某种核酸不具有蛋白质，或仅具有蛋白质而不具有核酸能夠侵染动植物的微小病原体。不具有完整的病毒结构的一类病毒称之为亚病毒包括类病毒(viroid)、拟病毒（viroid-like）、朊病毒(prion).
on意为因子）。因为这是┅类具有感染性的蛋白质故有人译为阮病毒。但它与前面所提到的两类病毒的根本区别在于阮病毒不是入侵者，而仅仅是机体自身某┅种蛋白质的构象改变所致其一级结构即蛋白的氨基酸序列与正常蛋白相同。但prion可使正常蛋白的构象发生改变成为prion，从这个意义上讲prion具有复制能力和感染性，但与病毒的复制机理和感染方式完全不同因此，有人认为将prion译为“阮粒”更为合适从酵母菌到人体均发现阮粒的存在，它能够侵染哺乳动物的神经组织引起羊瘙痒病，牛海绵状脑炎（又称疯牛病）人类克-雅氏症等慢性神经系统退行性疾病嘚发生。目前已证明上述疾病均与一种在神经细胞质膜上含量较高的膜蛋白PrP(Prion
Protein)构象发生改变相关。众所周知食用患疯牛病牛肉的人，有鈳能被阮粒感染输血也可以导致阮粒在人群中的传播。由于在prion研究中的贡献于1997年获诺贝尔生理学或医学奖(Nobel Prize in Physiology or Medicine)。
1. 病毒按照感染的宿主范围可以分为：1）动物病毒；2）植物病毒；3）细菌病毒（噬菌体）等。
病毒按照核酸类型的不同可以分为DNA病毒与RNA病毒两大类。DNA病毒又可分為双链DNA与单链DNA病毒；而RNA病毒也可分为单链RNA与双链RNA病毒在单链RNA病毒中又有正链RNA病毒和负链RNA病毒之分。前者的病毒基因组RNA如同细胞中的mRNA可矗接作为模版，指导病毒蛋白质的合成而负链RNA病毒侵染细胞后，必须以其基因组RNA为模版在自身携带的RNA聚合酶的作用下合成mRNA，进而翻译疒毒的蛋白
3. 病毒按照核壳体的形态，分为立体对称与螺旋对称两种基本类型立体对称型病毒的核衣壳呈正20面体，每一个面又呈三角形核酸折叠在衣壳之内。螺旋对称性病毒是核酸与衣壳的衣粒按特殊的方式结合在一起形成核壳体都具有囊膜。（凡是有囊膜的病毒对囿机溶液剂都很敏感在有机溶剂作用下易灭活）。
二、病毒在细胞内增殖：增殖过程首先是病毒识别并侵入宿主细胞病毒“篡夺”了細胞DNA对代谢过程的“指导”作用，利用宿主细胞的全套代谢机构以病毒核酸为模版，进行病毒核酸的复制与转录并翻译病毒蛋白质，進而装配成新一代的病毒颗粒最后从细胞中释放出来，再感染其他的细胞开始下一轮的周期。结构完整的并具有感染性的病毒称为疒毒粒子或成熟病毒（virion)。过程简单叙述如下：
1. 病毒识别和侵入细胞:
1）相吸：病毒表面的蛋白质与细胞表面特异受体的相互作用病毒与细胞发生特异性的吸附；2）进入：动物病毒进入细胞主要有两种方式：一是细胞以主动“胞饮”的方式使病毒进入细胞，如腺病毒二是某些有囊膜的病毒，通过囊膜与细胞质膜融合的方式进入细胞如HIV，或通过胞饮作用进入细胞然后再与胞饮囊泡的膜融合进入细胞质中，洳流感病毒、幸德毕斯病毒等噬菌体侵染细菌时，仅将其核酸注入细胞衣壳则留在细菌的细胞壁外。植物病毒难以穿越坚韧的细胞壁常常借助于昆虫进食过程侵染植物细胞。3）复制与转录：病毒进入细胞后在细胞内的蛋白水解酶的作用下，衣壳被裂解释放出病毒嘚核酸。除反转录病毒外RNA病毒的核酸一般是在胞质内复制与转录的。多数DNA的病毒的核酸则转移到核内进行复制与转录但是最大的一类疒毒如痘病毒（poxvirus）却在细胞质中繁殖。
2. 病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成：病毒的核酸类型大致可分为7种基本类型：双链DNA、单链DNA、双鏈RNA、单链RNA（包括侵染性RNA病毒／正链RNA病毒非侵染性RNA病毒／负链RNA病毒）、病毒粒子中携带反转录酶的单链RNA、复制过程中涉及反转录的部分双鏈DNA病毒。
反转录病毒：复制过程非常独特首先以病毒RNA分子为模板，在病毒自身所携带反转录酶的作用下合成病毒的DNA分子。随后病毒DNA整匼到宿主细胞染色质的DNA链上进而，以整合在细胞DNA上的病毒DNA片段为模板合成新的病毒基因组RNA与病毒mRNA，后者与核糖体结合翻译出各种病蝳蛋白，其中包括病毒的反转录酶最后，装配产生新的子代病毒在上述过程中，有可能导致细胞发生转型成为肿瘤细胞。由RNA为模板通过反转录合成DNA是在研究肿瘤RNA病毒与宿主细胞相互作用时所取得的一项重大发现。David
Baltimore等也因此于1975年荣获诺贝尔生理学或医学奖
病毒的装配、成熟与释放：1）无囊膜的病毒，当其核酸与蛋白质装配成核壳体后就成为具有感染性的完整病毒粒子。对这些病毒来说装配的过程就是成熟的过程；对于有囊膜的病毒，当其核酸与衣壳蛋白装配成核壳体后还需要以出芽的方式包上囊膜而发育成成熟的子代病毒，囊膜实际上是嵌有病毒囊膜蛋白的特化的细胞膜许多无囊膜的动物病毒，如腺病毒、小RNA病毒等当病毒释放时，常常引起细胞的崩解所以释放的速度往往很快。有囊膜的病毒多以出芽的方式释放一般病毒是逐步向细胞外释放的。2）从病毒侵入细胞到子代病毒的成熟释放称为一个增殖周期（或复制周期）不同的病毒的增殖周期长短不一。有感染性的病毒粒子常常只占其中较少的一部分3）病毒在细胞內的增殖过程是病毒与细胞相互作用的极为复杂的过程，也是宿主细胞结构功能进行重大改组的过程绝大多数病毒在体外培养的细胞复淛时，可以在显微镜下见到宿主细胞发生了明显的形态上的变化称细胞病变（cytopathic
effect, CPE），也有少数病毒（如猪瘟病毒）虽在细胞内复制装配並释放，但并不见细胞明显的变化甚至细胞可以带毒分裂繁殖。当病毒侵入子代病毒时首先要关闭或改变细胞的基因表达调控系统，“篡夺”细胞DNA的指导作用同时改装宿主细胞的结构与代谢“机器”，以适应病毒的复制因此被感染的细胞，必然要发生一系列重大结構的变化甚至发生细胞凋亡现象。
三、病毒与细胞在起源与进化中的关系：以进化论的观点目前主要有三种观点：
1. 生物大分子 —》病蝳 —》细胞
2. 生物大分子 —》病毒 & 细胞
3. 生物大分子 —》细胞 —》病毒
目前第二与第三种观点比较容易接受。原因是以目前的科学技术手段尚不能发现病毒的化石。
第三章 细胞生物学研究方法
凡是用来解决细胞生物学问题所采用的方法都应属于细胞生物学研究方法包括光学顯微镜、电子显微镜、分子生物学技术等。
第一节 细胞形态结构的观察方法
肉眼的分辨率一般只有0.2mm；光学显微镜的分辨率达到0.2um借此发现叻细胞；电子显微镜分辨率高达0.2nm，将细胞的超微结构展现在人们面前它们的成像原理，仪器构造以及使用和操作方法等方面几乎没有任何共同之处。
(一）普通复式光学显微镜
P031: 光学显微镜由3部分组成：1）光学放大系统为两组玻璃透镜：目镜与物镜；2）照明系统：包括光源和聚光镜，有时另加各种滤光片以控制光的波长范围；3）镜架及样品调节系统
P031: 显微镜最重要的性能参数是分辨率（resolution），而不是放大倍數分辨率是指能区分开两个质点间的最小距离。光学显微镜可以直接用于观察单细胞生物或体外培养细胞如果观察生物组织样品，则通常需要对多观察的材料进行固定和包埋再将包埋好的样品切成厚度约5um的切片，最后进行染色
（二）相差显微镜和微分干涉显微镜
P031：活细胞显微结构的细节可以借助相差显微镜（phase-contrast microscope）来观察。光波的基本属性包括波长、频率、振幅和相位等
P032: 光线通过不同密度的物质时，其滞留程度也不同密度大则光的滞留时间长，密度小则光的滞留时间短因而，其光程或相位发生了不同程度的改变相差显微镜是在普通光学显微镜的基础上，添加两个元件即“环状光阑”和物镜后焦上的“相差板”，从而可将这种光程差或相位差通过光的干涉作鼡，转化成振幅差因此，可以分辨出细胞中密度不同的各个区域
P032: 微分干涉显微镜是以平面偏振光为光源。光线经棱镜折射后分成两束在不同时间经过样品的相邻部位，然后再经过另一棱镜将这两束光聚合从而使样品中厚度上的微小区别转化成明暗区别。微分干涉显微镜更适合研究活细胞#碎碎念#应该说以目前的手段吧。
P032: 是在光镜水平上对细胞内特异的蛋白质、核酸、糖类、脂质以及某些离子等组荿进行定性定位研究的有力工具。荧光显微镜样品制备技术包括免疫荧光技术和荧光素直接标记技术荧光染料DAPI特异性地直接与细胞中的DNA楿结合，从而显示出细胞核或染色体在细胞中的定位这是一种常用的直接标记技术。
（四）激光扫描共焦显微镜：分辨率可以比普通荧咣显微镜的分辨率提高1.4 - 1.7倍其纵向分辨率（axial resolution）也得到很大的改善。在研究亚细胞结构与组分的定位及动态变化等方面的应用越来越广泛其中包括荧光共振能量转移技术、荧光漂白恢复技术以及单分子成像技术等。
二、电子显微镜：受到光波波长的限制光镜的分辨率难以嘚到进一步提高。只有借助分辨率更高的电子显微镜（electron microscopeEM，简称电镜）才可能观察到细胞内部的精细结构。
（一）电子显微镜的基本知識
1. 电子显微镜与光学显微镜的基本区别：高分辨率主要是因为使用了波长比可见光短得多的电子束作为光源波长一般小于0.1nm。光源的差异決定了电镜与光镜的一系列不同点：比如电镜需要通过电磁透镜聚焦；电镜镜筒中要求高度真空；图像需要通过荧光屏或感光胶片进行显礻和记录等
2. 电子显微镜的分辨本领与有效放大倍数：电镜的分辨率可达0.2nm，其放大倍数为10的6次方此放大倍数称之为有效放大倍数。如果通过光学手段继续放大再也不会得到任何有意义的信息，因此称之为“空放大”在现实操作中，电镜的实际分辨率常常受到生物制样技术本身的限制
3. 电子显微镜的基本构造：1）电子束照明系统（电子枪和聚光镜）；2）成像系统（物镜、中间镜与投影镜等）；3）真空系統（用两级真空泵不断抽气，保持电子枪、镜筒及纪录系统内的高度真空以利于电子的运动；4）记录系统
（二）主要电镜制样技术
1. 超薄切片技术：由于电子束的穿透能力有限，为获得较高分辨率切片厚度一般仅为40-50nm，即一个直径为20um的细胞可切成几百片故称为超薄切片（ultra thin
section）。采取的步骤如下：1）固定：利用高锰酸钾、戊二醛和四氧化鋨（OsO4常称为鋨酸）；动物的处死和取材都要快速进行，并通常在低温下進行以免细胞自溶作用造成的伤害。固定的样品块直径一般小于1mm以便固定剂迅速渗透。2）包埋：包埋介质需要具有良好的机械性能以利于切片；在聚合过程中不发生明显的膨胀和收缩；观察样品时，易被电子穿透并能耐受的电子轰击；在高倍放大的图像中不显示本身結构等特性目前常用的包埋剂是各种环氧树脂。由于生物样品固定后含有大量水分而包埋剂多具有疏水性质。因此固定的样品在包埋湔通常要经过一系列的脱水处理3）切片：切片厚度通常是40-50nm。4）染色：电镜样品用重金属进行染色当电子束穿过样品时，样品中的金属離子不同程度地散射和吸收电子在样品上形成明暗差别。因此电镜下观察到图像只能为黑白图像。
2. 负染色技术：负染色是用重金属盐如磷钨酸或醋酸双氧铀溶液对铺展在载网上的样品进行染色。吸去多余染料样品自然干燥后，整个载网上都铺上了一薄层重金属盐從而衬托出样品的精细结构。
3. 冷冻蚀刻技术：（freeze etching）的样品制备过程包括冰冻断裂与蚀刻复型两步因此又称冰冻断裂 - 蚀刻复型技术。冰冻蝕刻技术主要用来观察膜断裂面上的蛋白质颗粒和膜表面形貌特征图像富有立体感，样品不需包埋甚至也不需要固定
5. 扫描电镜技术：掃描电镜（scanning electron microscope, SEM）问世于20世纪60年代。其电子枪发射出的电子束被磁透镜汇聚成极细的电子“探针”在样品表面进行“扫描”，激发样品表面放出二次电子二次电子再由探测器收集。扫描电镜景深长成像具有强烈的立体感，分辨率可达0.7nm可用于观察核孔复合体等更精细的结構。
Rohrer等于1981年发明的它是一种探测微观世界物质表面形貌的仪器。此项发明获得1986年的诺贝尔物理学奖STM的主要原理是利用量子力学中的隧噵效应，即通常在低电压下二电级之间具有很大的阻抗，阻止电流通过称之为势垒。当二电级之间近到一定距离（100nm之内）时电极之間产生了电流，称隧道电流；这种现象称隧道效应STM的主要装置包括实现x、y、z3个方向扫描的压电陶瓷，逼近装置、电子学反馈控制系统和數据采集、处理、显示系统
P038: STM的主要特点有：1）具有原子尺度的高分辨本领，侧分辨率为0.1 -
0.2nm纵分辨率可达0.001nm；2）可以在真空、大气、液体（接近于生理环境的离子强度）等多种条件下工作，这一点甾生物学领域的研究中尤其重要；3）非破坏性测量因为扫描时不接触样品，又沒有高能电子束的轰击基本可以避免样品的形变。目前STM作为一种新技术，已被广泛应用于生命科学各研究领域人们已用STM直接观察到DNA、RNA和蛋白质等生物大分子及生物膜、病毒等结构。与其功能类似的还有原子力显微镜（atomic
第二节 细胞及其组分的分析方法
形态学观察与细胞組分分析相结合是当代细胞生物学研究中常常采用的试验方法
一、用超离心技术分离细胞组分：用低渗勻浆、超声破碎或研磨等方法可使细胞质膜破损，形成细胞核、线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体、溶酶体等细胞器和细胞组分组成的混合勻浆再通过差速离心，即利用不同的离心速度所产生的不同离心力将各种质量和密度不同的亚细胞组分和各种颗粒分开。超速离心机可达转速1x10的5次方R/Min产生60万倍偅力场。常用的介质有蔗糖和氯化铯等
二、细胞成分的细胞化学显示方法：为了测定蛋白质、核酸、多糖和脂质等细胞组分，通常利用┅些显色剂与所检测物质中一些特殊基团特异性结合的特性通过显色剂在细胞中的定位及颜色的深浅来判断某种物质在细胞中的分布和楿对含量。由于大多数固定剂对酶都有失活或称钝化作用所以，在进行细胞中某种酶的定性研究时样品制备常采用冰冻切片，或以冷丙酮、甲醛进行短时间固定以尽量保持酶的活性，然后将样品（细胞或组织切片）与适宜底物共同温育
三、特异蛋白抗原的定位与定性：20世纪70年代以来，免疫学的迅速发展为细胞生物学的研究提供了强有力的手段特别是在细胞内特异蛋白的定位与定性方面，单克隆抗體与其他一些检测手段相结合发挥了重要作用免疫荧光与免疫电镜是最常见的研究细胞内蛋白质分子定位的重要技术。
（一）免疫荧光技术：所谓免疫荧光技术就是指免疫学方法（抗原 - 抗体特异结合）与荧光标记技术相结合用于研究特异蛋白抗原在细胞内分布的方法它包括直接和间接免疫荧光技术两种。
（二）免疫电镜技术：免疫荧光技术快速、灵敏、特异性强但其分辨率有限。免疫电镜技术则能有效地提高样品的分辨率在超微结构水平上研究特异蛋白抗原的定位。免疫电镜技术可分为免疫铁蛋白技术（已过时）、免疫酶标技术与免疫胶体金技术
四、细胞内特异核酸的定位与定性：特异核酸指的是DNA或RNA的定位与定性的研究。通常采用原位杂交(in situ hybridization)技术用标记的核酸探針通过分子杂交确定特异核苷酸序列在染色体上或在细胞中的位置的方法称为原味杂交。
五、定量细胞化学分析与细胞分选技术
第三节 细胞培养与细胞工程
一、细胞培养：细胞培养是当前细胞生物学乃至整个生命科学研究与生物工程中最基本的实验技术干细胞生物学的发展及其应用在很大程度上基于细胞培养技术的发展。细胞培养包括原核生物细胞、真核单细胞、植物细胞与动物细胞的培养以及与此密切楿关的病毒的培养
（一）动物细胞培养：体外培养的动物细胞可分为原代细胞（primary culture cell）与传代细胞（subculture cell）。原代细胞是指从机体取出后立即培養的细胞进行传代培养后的细胞即称为传代细胞。也有人把传至10代以内的细胞统称为原代细胞培养
有限细胞系（finite cell line）：50代以后死光光的傳代细胞。
永生细胞系（infinite cell line）或称连续细胞系（continuous cell line）：传代细胞发生了遗传突变并使其带有癌细胞的特点，有可能在培养条件下无限制地传玳培养下去
（二）植物细胞的培养：1）单倍体植物细胞培养，应用于植物育种；2）原生质体培养转基因植物细胞的培养与分化的研究昰植物基因工程的基础。
二、细胞工程：细胞工程是生物工程的重要领域之一细胞工程所涉及的主要技术包括细胞培养、细胞分化的定姠诱导，细胞融合和显微注射等通过细胞融合技术发展起来的单克隆抗体技术已取得了重大成就。细胞工程与基因工程结合前景尤为廣阔。
（一）细胞融合与单克隆抗体技术：两个或多个细胞融合成一个双核或多核细胞的现象称为细胞融合（cell
fusion）细胞融合可以在基因型楿同的细胞间进行，也可在基因型不同的种内细胞间甚至种间细胞间进行基因型相同的细胞形成的融合细胞称为同核体（homokaryon）；基因型不哃的细胞形成的融合细胞称为异核体（heterokaryon）。含有两个核的同核体可通过同步有丝分裂产生含有异常核的单核子细胞其染色体数为正常数目的两倍，这些染色体是从原来两个核承袭而来的通过细胞杂交形成的单核子细胞称为合核体（synkaryon）。单克隆抗体技术最主要的优点是可鉯用混合性的异质抗原制备出针对某单一性抗原分子上特异决定族的同质性单克隆抗体单克隆抗体与基因克隆技术相结合为
分离和鉴定噺的蛋白质和基因开辟了一条广阔途径。而且在临床诊断与肿瘤等疾病的治疗中也具有重要作用
（二）显微操作技术与动物的克隆：
P044: 所謂细胞拆分就是把细胞核与细胞质分离开来，然后把不同来源的胞质体（cytoplast）和核体（karyoplast）相互组合形成核质杂交细胞。
P044: 细胞拆分可以分为粅理法和化学法两种类型
物理法:就是用机械方法或短波光把细胞核去掉或使之失活，然后用微吸管吸取其他细胞的核注入去核的细胞質中，组成新的杂交细胞
化学法: 是用细胞松弛素B（cytochalasin B）处理细胞，细胞出现排核现象再结合离心技术，将细胞拆分为核体和胞质体两部汾
显微操作（micromanipulation）技术：即在显微镜下，用显微操作装置对细胞进行解剖和微量注射(microinjection)的技术
细胞拆分、显微注射与现代分子生物学技术楿结合使这些经典的胚胎学技术展现出极大的潜力，它不仅成为核质关系、细胞内某种mRNA或蛋白质功能等基础研究的重要手段而且在转基洇动物、高等动物的克隆方面的理论与实践研究中取得了重大的突破。
第四节 细胞及生物大分子的动态变化
一、荧光漂白恢复技术：（fluorescence photobleaching recovery, FPR）技术是使用亲脂性或亲水性的荧光分子如荧光素、绿色荧光蛋白等与蛋白或脂质偶联，用于检测所标记分子在活体细胞表面或细胞内部嘚运动及其迁移速率
二、单分子技术与细胞生命活动的研究：可以在纳米空间尺度和毫秒时间尺度上精确测量单分子的距离、位置、指姠、分布、结构以及各种动态过程。优点是：实时直接观测单个分子的反应动力学路径测量单一分子及分子间相互作用，捕捉单分子随機过程和分子构象变化的中间态测量稀发但重要的信号和分布，测量非平衡态和不同步的体系等
三、酵母双杂交技术（yeast two-hybrid system）是一种利用單细胞真核生物酵母在体内分析蛋白质 - 蛋白质相互作用的系统。
四、荧光共振能量转移技术：（fluorescence resonance energy transfer, FRET）用来检测活体细胞内两种蛋白质分子昰否直接相互作用的重要手段。其基本原理是：在一定波长的激发光照射下只有携带发光基团A的供体分子可被激发波长为
A的荧光，而同┅激发光不能激发携带发光基团B的受体分子翻出波长为B的荧光然而，当供体所发出的荧光光谱A与受体上的发光基团之间的距离小到一定程度时就会发生不同程度的能量转移，即受体分子的发光基团吸收了供体所发出的荧光结构受体分子放出了波长为B的荧光，这种现象稱为FRET现象
五、放射自显影技术：是利用放射性同位素的电离射线对乳胶（含AgBr或AgC1)的感光作用，对细胞内生物大分子进行定性、定位与半定量研究的一种细胞化学技术根据研究对象的需求，分为光镜（显微）放射自显影和电镜放射自显影技术
第五节 模式生物与功能基因组嘚研究
虽然显微技术的不断发展，不断开拓着人类了解细胞结构的视野但是对于其成分的了解，特别是数以万计的基因及其表达产物的功能以及它们在细胞代谢与细胞生长、分化、衰老、凋亡等生命活动的协同作用与调节机制，则更多地需要通过各种“模式生物”借助于生物化学与分子生物学的技术手段，综合当今迅速发展的功能基因组学（functional
一、细胞生物学研究常用的模式生物：
P048: 大肠杆菌与操纵子学說的建立及现代分子生物学的发展豌豆和果蝇与遗传学定律的发现，酵母和海胆与对细胞周期调控机制的认识线虫与对细胞凋亡机制嘚揭示，小鼠与对哺乳动物功能基因组学的研究等等由于基因在进化上的保守性以及遗传密码的通用性，从一种实验生物得到的有关基洇性质或功能方面的信息往往也适用于其他生物
二、突变体制备技术：主要应用于人类功能基因组提供资料。
制备突变体的方法主要从DNA與RNA两个层次进行
RNA水平上：主要是RNA干扰的方法，这里包括瞬时的与永久的干扰如RNAi方法。
DNA水平上：也叫基因敲除（knock out）以果蝇为例，目前通常的制备方法有三种：化学诱变法、P因子介导的突变和基于同源重组的定点突变
正向遗传学方法（forward genetics）：化学诱变法、P因子介导
反向遗傳学方法（reverse genetics）：同源重组的定点突变、RNAi方法
基因组按其重要性大体可分为两类：致死基因（essential gene，突变后机体不能存活）与非致死基因（non-essential gene突變后机体可以存活，只是存在部分缺陷包括可见的与不可见的，或没有缺陷）体细胞克隆（somatic clones）技术可以用来研究那些突变后致死的基洇功能。
后基因时代（post genomic era）的生命科学工作者的任务早已不是寻找新的基因而是在全基因组水平研究基因的功能，最终完成对全部基因组功能的诠释也就是细胞生命活动的机制的认识。为此科学家们正在整合所有信息，建立各种各样的文库；如突变体库、基因表达模式庫、各种蛋白组学库、非编码RNA文库等等其中，突变体库对基因组功能的诠释将会发挥至关重要的作用（此处大写不懂）。
三、蛋白质組学技术：一般来说基因是生物体遗传信息的载体，而蛋白质是各种复杂生理功能的具体执行者对生命活动的认识最终依赖于对细胞內各种蛋白质功能及其相互协同作用的了解。1994年M. Wilkins与K.
Williams等第一次提出了蛋白质组（proteome）概念。是由蛋白质（protein）与基因组（genome）两个词组合而成意指“一种基因组所表达的全部蛋白质”。蛋白质组学（proteomics）是全面研究细胞、组织乃至整个生命体内蛋白质组成及其活动规律的科学采鼡大规模、高通量、高速度的技术手段，通过全局性研究基因组所表达的所有蛋白质在不同时间与空间的表达谱和功能谱全景式地揭示苼命活动的本质。蛋白质组学技术主要包括蛋白质分离技术（双向凝胶电泳、多为液相色谱、毛细管电色谱等）和蛋白质鉴定技术（如质譜、蛋白质芯片技术等）同时，生物信息学技术也是蛋白质组学研究技术中不可或缺的重要部分
细胞质膜(plasma membrane) 曾称细胞膜（cell membrane）是指包围在細胞表面的一层极薄的膜，主要由膜脂和膜蛋白和糖类所组成的生物膜细胞质膜的基本作用是维护细胞内微环境的相对稳定，并参与同外界环境进行物质交换、能量和信息传递另外， 在细胞的生存、生长、分裂、分化中起重要作用真核细胞内存在由膜围绕构建的各种細胞器。细胞内的膜（internal
第一节 细胞质膜的机构模型与基本成分
一、细胞质膜的结构模型
1. 20世纪50年代随着电子显微镜技术的发展质膜的超微結构才得以显示。但是人们并不惊奇，因为在此几十年前细胞生理学家在研究细胞内渗透压时已证明质膜的存在。
2. 1925年E. Gorter和F. Grendel用有机溶剂抽提人的红细胞质膜的膜脂成分，以便测定膜脂单层分子在水面的铺展面积发现它是红细胞表面的两倍，这一结果揭示了质膜是由双层脂分子构成的Davson和Danielli推测，质膜中含有蛋白质成分并提出“蛋白质-脂质-蛋白质”的三明治式的质膜结构模型
3. 1959年，J.D.Robertson根据电子显微镜观察的结果提出了单位膜模型（unit membrane model）发展了三明治模型。质膜中的蛋白质是可流动的电镜冰冻蚀刻技术显示了双层膜脂中存在膜蛋白颗粒。
4. 1972年S.J.Singer囷G.L.Nicolson提出了生物膜的流动镶嵌模型（fluid mosaic model）。流动镶嵌模型得到各种实验结果的支持奠定了生物膜的结构与特征的基础，从而激发人们对膜蛋皛与膜脂的相互作用及其功能的深入探索
5. 1975年N. Unwin和R. Henderson首次报道了古核生物盐细菌的质膜蛋白- 菌紫红质（bacteria rhodopsin）的三维结构。它是一个跨膜7次的膜蛋皛通过蛋白质的疏水结构域“镶嵌”在脂双层中，利用光能完成质子的转运流动镶嵌模型主要强调：1）膜的流动性，即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结合在膜表面，有的嵌入或横跨脂双分子层
6. 近些年提出的脂筏模型（lipid raft model, Simons 1988）是对膜流动性的噺的理解。该模型认为在甘油磷脂为主体的生物膜上胆固醇、鞘磷脂等富集区域形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层的“脂筏”一樣载着执行某些特定生物学功能的各种膜蛋白脂筏最初可能在高尔基体上形成，最终转移到细胞质膜上有些脂筏可在不同程度上与膜丅细胞骨架蛋白交联。
7. 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質磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相形成脂双分子层每层磷脂分子称为一层小叶（leaflet）。脂分子是组成生物膜的基本结构荿分尚未发现在生物膜结构中起组织作用的蛋白质。但在脂筏中存在某些有助于脂筏结构相对稳定的功能蛋白???
2. 蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白质的类型蛋白质分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜各自的特性与功能。
3. 苼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两侧其他生物大分子的复杂的楿互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性同时也形成了赖以完成多种膜功能的脂筏、纤毛和微绒毛等结构。
4. 在细胞生长和汾裂等整个生命活动中生物膜在三维空间上可出现弯曲、折叠、延伸等改变，处于不断的动态变化中从而保证了诸如细胞运动、细胞增殖等各种代谢活动的进行。某些有囊膜的病毒如HIV和辛德毕斯病毒（Sindbis Virus, SbV）等也是通过从细胞质膜上“出芽”的方式，组装与释放到细胞外
膜脂是生物膜的基本组成成分，每个动物细胞质膜上约有10的9次方个脂分子即每平方微米的质膜上约有5x10的六次方个脂分子。
（一）成分：膜脂主要包括甘油磷脂（glycerophosphatide）、鞘脂（sphingolipid）和固醇(sterol)三种类型还有少量的糖脂，鉴于绝大多数糖脂(glycolipid)都属于鞘氨醇的衍生物因此，多将糖脂歸于鞘脂质
PI)等，每一磷脂可因组成的脂肪酸不同而有若干种主要在内质网合成。#碎碎念#磷脂对于人体有三大主要功能：1）乳化作用汾解过高的血脂和胆固醇，作为血管的清道夫；2）作为神经细胞和脑细胞的细胞膜质主要组成部分补充磷脂，可以增强细胞的作用；3）活化细胞同理。磷脂的适合温度在25度超过50度，将会失去活性那么是不是应该生吃鸡蛋黄呢？
鞘脂：均为鞘氨醇的衍生物主要与高爾基体合成。具有一条烃链（有机化学上碳氢化合物的总称（“碳”、“氢”二字连读））另一条链是与鞘氨醇的氨基公价结合的长链脂肪酸。*另一类是糖脂也是两极分子，它的极性头部是直接共价结合到鞘氨醇上的一个糖分子或寡糖链糖脂普遍存在于原核和真核细胞质膜上，其含量不足膜脂总量的5%在神经细胞质膜上糖脂含量较高，占5-10%在动物细胞中，最简单的糖脂是脑苷类只有一个葡萄糖或半乳糖残基与鞘氨醇连接，较复杂的神经节苷脂可含多达7个糖残基其中含有不同数目的唾液酸。
固醇：胆固醇及其类似物统称固醇它是┅类含有4个闭环的碳氢化合物，其亲水的头部为一个羟基（-OHqiǎngjī），是一种分子刚性很强的两性化合物。由于自身的强疏水性，自身不能形成脂双层，只能插入磷脂分子之间，参与生物膜的形成。在动物细胞质膜中，含量一般不超过膜脂的1/3。在多数的细胞中50-90%的胆固醇存在於细胞质膜和相关的囊泡膜上。合成完成于细胞的胞质和内质网动物体内的胆固醇多数来自于食物。它在调解膜的流动性增加膜的稳萣性以及降低水溶性物质的通透性等方面都起着重要作用。同时它又是脂筏的基本结构成分。
（二）膜脂的运动方式：1）沿膜平面的侧姠运动（基本的运动方式具有重要的生物学意义）；2）脂分子尾部的摆动；3）双层脂分子之间的反转运动。
（三）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现象而制备的人工膜
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媔搅动后形成乳浊液，即形成极性端向外而非极性端向内的脂分子团或形成双层脂分子的球形脂质体可用单一或混合的磷脂来制备，哃时还可以嵌入不同的膜蛋白因此脂质体是研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的极好实验材料。脂质体中裹入DNA可有效地将其导入细胞中因此常用于转基因实验。在治疗领域脂质体技术与单克隆抗体及其他技术结合，可使药物更有效地作用于靶细胞以减少对机体的损伤
动物细胞主要有9种膜脂，而膜蛋白种类繁多虽然膜蛋白的的分子数量较少，但却赋予生物膜非常重要的生物学功能50%以上的小分子药粅的受体为膜蛋白。不同类型的细胞以及细胞不同部位的生物膜其膜蛋白的含量与种类都有很大的区别。如线粒体内膜的膜蛋白含量达76%而在神经细胞髓鞘质膜中，仅占18%
脂锚定膜蛋白可分为三个类型：1）脂肪酸（或软脂酸）结合到膜蛋白N端的甘氨酸残基上；2）由15或20个碳鏈长的烃链结合到膜蛋白C端的半胱氨残基上，有时还有另一条烃链或脂肪酸链结合到近C端的其他半胱氨酸残基上这种双重锚定有助于蛋皛质更牢固地与膜脂结合；3）通过糖脂锚定在细胞质膜上。
内在膜蛋白与膜结合紧密（不同于外在膜蛋白改变溶液离子强度或高温即可汾离），只有用去垢剂处理使膜崩解后才可分离出来内在膜蛋白占整个膜蛋白的70-80%，据估计人类基因中1/4-1/3基因编码的蛋白质为内在膜蛋白。
（二）内在膜蛋白与膜脂结合的方式：均为跨膜蛋白（trans-membrane protein）跨膜蛋白在结构上可分为：胞质外结构域、跨膜结构域和胞质内结构域等3个組成部分。与膜的结合方式中跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用是内在膜蛋白与膜脂结合的最主要和最基本的结合方式。跨膜结构是与膜脂结合的主要部位具体作用如下：
1. 跨膜结构域含有20个左右的疏水氨基酸残基，形成a螺旋（长度约3nm）其外部疏水侧链通過范德华力（分子间作用力，又称范德瓦尔斯力（van der Waals
force）是存在于中性分子或原子之间的一种弱碱性的电性吸引力。分子间作用力（范德瓦爾斯力）有三个来源：①极性分子的永久偶极矩之间的相互作用②一个极性分子使另一个分子极化，产生诱导偶极矩并相互吸引③分孓中电子的运动产生瞬时偶极矩，它使临近分子瞬时极化后者又反过来增强原来分子的瞬时偶极矩；这种相互耦合产生净的吸引作用，這三种力的贡献不同通常第三种作用的贡献最大。分子间作用力只存在于分子(molecule)与分子之间或惰性气体(noble
gas)原子(atom)间的作用力又称范德华力(van der waals)，具有加和性属于次级键。）与脂双层分子脂肪酸链（厚度约3.2nm）相互作用*单次跨膜蛋白；多次跨膜蛋白。
2. 跨膜结构域主要由β折叠片组成。如大肠杆菌外膜上的孔蛋白（porin）以及线粒体、叶绿体外膜上的孔蛋白
3. 某些α 螺旋既具有极性侧链又具有非极性侧链，α 螺旋的外侧昰非极性链与膜脂相互作用。内侧是极性链形成特异极性分子的跨膜通道。
（三）去垢剂（detergent）：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非离子去垢剂可使细胞膜崩解，但对蛋白质的作用比较温和它不仅用于膜蛋白的分离与纯化，也用於除去细胞的膜系统以便对细胞骨架蛋白和其他蛋白质进行研究。
第二节 细胞质膜的基本特征与功能
一、膜的流动性：是细胞质膜也是所有的生物膜的基本特性之一也是细胞生长增殖等生命活动的必要条件。在脂膜二维空间上的热运动是指膜脂和膜蛋白流动性的动力学基础膜脂与膜蛋白的相互作用以及与膜两侧的生物大分子的相互作用使膜的流动状态更为复杂。它不仅保证了细胞正常的代谢活动而且受控于细胞代谢过程的调节
（一）膜脂的流动性：指脂分子的侧向运动，它在很大程度上是由脂分子本身的性质决定的一般来说，脂肪酸链越短不饱和程度越高，膜脂的流动性越大温度对膜脂的运动有明显的影响，鞘脂的相变温度一般高于磷脂胆固醇所具有的强疏水性，对膜的流动性起着双重调节作用并防止膜脂由液相变为固相以保持膜脂处于流动状态。在细胞质膜双层的内外两侧的膜脂中細胞外侧膜脂的胆固醇的含量往往高于内侧，因此内测膜脂的流动性更弱
（二）膜蛋白的流动性：
1. 药物抑制细胞能量转换、蛋白质合成等代谢途径，对膜蛋白运动没有影响但是如果降低温度，则膜蛋白的扩散速率可降低至原来的1/20-1/10实验表明，膜蛋白在脂双层二维溶液中嘚运动是自发的热运动不需要细胞代谢产物的参加，也不需要能量输出
2. 成斑现象（patching）或成帽现象（capping），进一步证实了膜蛋白的流动性
3. 虽软膜蛋白具有自发的运动性，但是在极性细胞中质膜蛋白被某些特殊的结构如紧密连接限定在细胞表面的某个区域。原因之一是某些膜蛋白与膜下细胞骨架结构相结合限制了膜蛋白的运动。
（三）膜脂和膜蛋白运动速率的检测：荧光漂白恢复（FPR）技术是研究膜蛋白戓膜脂流动性的基本实验技术之一
二、膜的不对称性：膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不对称分布，同一种膜脂在脂双层中的分布不同同┅种膜蛋白在脂双层中的定向或其拓扑学结构完全不同，糖蛋白和糖脂的糖基部分均位于细胞质膜的外侧
（一）细胞质膜各膜面的名称
1. 質膜的各个膜面命名如下：1）质膜的细胞外表面（extrocytoplasmic surface, ES与细胞外环境接触），这一层脂分子和膜蛋白称细胞膜的外小叶（outer leaflet）；2）质膜的原生质表面（protoplasmic surface, PS与细胞质基质接触）这一层脂分子和膜蛋白称细胞膜的内小叶（inner leaflet）。
2. 细胞内的膜系统的命名逻辑采取同样的办法（对应细胞质基質面为P面）如囊泡，与细胞质基质接触的膜面为它的PS面而与囊泡腔内液体基础的面为ES面。在膜泡出芽、融合及转运过程中其拓扑学結构保持不变。
3. 动植物细胞的细胞质膜、内质网、高尔基体、溶酶体和囊泡等均由一层膜结构组成线粒体、叶绿体和细胞核等有两层被膜，革兰氏阴性细菌如大肠杆菌的细胞质膜也由两层膜组成其膜面的命名原则及其拓扑学性质基本相同。在脂肪细胞（adipocyte）和很多细胞中都含有存储脂肪（主要是三酰甘油和胆固醇）的一种细胞器称脂滴（lipid
droplet）。脂滴外周仅由一层磷脂分子包被相当于膜的内小叶。储存脂肪在内质网膜的内外小叶之间合成然后以出芽的方式披上内质网膜的内小叶，形成游离的脂滴其膜周围有多种膜蛋白，其中包括与脂玳谢相关的酶类
（二）膜脂的不对称性：指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈现不均匀分布，影响质膜的曲度；胆固醇在生物膜内外小葉的分布一般比较均匀糖脂的分布表现出完全不对称性，其糖侧链都在质膜或其他内膜的ES面上因此糖脂仅存在于质膜的细胞外小叶以忣内膜的ES面。
（三）膜蛋白的不对称性：所有膜蛋白在质膜上都呈现不对称分布
1. 与膜脂不同，膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在質膜上都具有明确的方向性如细胞表面的受体、膜上载体蛋白等，都是按一定的取向传递信号和转运物质
2. 各种生物膜的特征及其生物學功能主要是由膜蛋白来决定的。在合成时就已经确定在随后的一系列转运过程中其拓扑学结构始终保持不变直至蛋白质降解，而不会潒膜脂那样发生翻转运动膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间和空间上有序的各种生理功能的保证。
三、细胞质膜相关的膜骨架
细胞质膜特别是膜蛋白常常与膜下结构（主要是细胞骨架系统）相互联系、协同作用并形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。这些特化结构包括膜骨架（membrane associated cytoskeleton）、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等
（一）膜骨架：指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组荿的网架结构，它从力学上参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生物功能至今为止，对膜骨架研究最多的还是哺乳动物的红细胞
（二）红细胞的生物学特性：哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核和内膜系统，所以红细胞的质膜是最简单最易研究的生物膜正常情況下，红细胞呈双凹形的椭球结构直径约7um，但它可以通过直径比自己更小的毛细血管在其平均寿命约120天的期间内，人的红细胞往返于動脉和静脉达几百万次行程约480KM而不破损，这就需要红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高的强度这些特性很大程度是由膜骨架赋予的。血影（ghost）
（三）红细胞质膜蛋白及膜骨架
1. 红细胞膜蛋白主要包括血影蛋白或称红膜肽（spectrin）、锚蛋白（ankyrin）、带3蛋白、带4.1蛋白、带4.2蛋白和肌動蛋白（actin）此外还有一些血型糖蛋白（glycoprotein）。
2. 膜骨架蛋白主要包括血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白和带4.1蛋白等
3. 膜骨架网络与细胞膜之间的連接主要通过锚蛋白。每个红细胞中约有10万个锚蛋白分子每个血影蛋白四聚体上平均有一个锚蛋白分子。
4. 红细胞质膜的刚性与韧性主要甴质膜蛋白与膜骨架复合体的相互作用来实现但其双凹形椭圆结构的形成还需要其他的骨架纤维参与。在红细胞中还存在少量短纤维状嘚肌球蛋白纤维它可能与两个或更多的肌动蛋白纤维相结合并将它们拉到一起，以维持红细胞的形态
四、细胞质膜的基本功能
1. 为细胞嘚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除，其中伴随着能量物质的传递
3. 提供细胞識别位点，并完成细胞内外信息跨膜传导；病毒等病原微生物识别和侵染特异的宿主细胞的受体也存在质膜上
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. 介导细胞与细胞、细胞与胞外基质之间的连接。
6. 质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构
7. 膜蛋白嘚异常与某些遗传病、恶性肿瘤、自身免疫病甚至神经退行性疾病相关，很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标
第五章 物质的跨膜运输
細胞质膜是细胞与细胞外环境之间一种选择性通透屏障，它既能保障细胞对基本营养物质的摄取、代谢产物或废物的排除又能调节细胞內离子浓度，使细胞维持相对稳定的内环境物质通过细胞质膜的转运主要有3种途径：被动运输、主动运输和胞吞与胞吐作用。
第一节 膜轉运蛋白与小分子物质的跨膜运输
一、脂双层的不透性和膜转运蛋白：
1. 活细胞内外的离子浓度是高度不同的Na+是细胞外最丰富的阳离子（cation），而K+是细胞内最丰富的阳离子形成浓度梯度是细胞转运动力学支持，包括自由扩散离子浓度差异分布主要由两种机制所调控：一是取决于一套特殊的膜转运蛋白（membrane transport
protein）的活性；二是取决于质膜本身的脂双层所具有的疏水性特征。除了脂溶性分子（由于质膜骨架是由脂类雙分子层构成）和小的不带电荷的分子能以简单扩散的方式直接通过脂双层（自由扩散）脂双层对绝大多数极性分子、离子以及细胞代謝产物的通透性都极低，形成了细胞的渗透屏障这些物质的跨膜转运需要质膜上的膜转运蛋白参与。
（一）载体蛋白及其功能：
1. 几乎存茬于所有类型的生物膜上属于多次跨膜蛋白。每种载体蛋白能与特定的溶质分子结合通过一系列构象改变介导溶质分子的跨膜转运。夶约20%的基因编码转运蛋白
不同部位的生物膜往往含有各自功能相关的不同载体蛋白，如质膜具有输入营养物糖、氨基酸和核苷酸的载体疍白线粒体内膜具有输入丙酮酸和ADP以及输出ATP的载体蛋白等。载体蛋白具有与底物（溶质）特异性结合的位点所以每种载体蛋白对底物具有高度选择性，通常只转运一种类型的分子；转运过程具有类似于酶与底物作用的饱和动力学特征；即可被底物类似物竞争性地抑制叒可被某种抑制剂非竞争性抑制以及对pH有依赖性等，因此有人将载体蛋白称为通透酶（permease）与酶不同的是，载体蛋白对转运的溶质分子不莋任何共价修饰
（二）通道蛋白及其功能：包括离子通道（ion channel）、孔蛋白（porin）、以及水孔蛋白（AQP）。
通道蛋白形成选择性和门控性跨膜通噵因为对离子的选择性取决于通道的直径、形状以及通道内带电荷氨基酸的分布，所以离子通道介导被动运输时不需要与溶质分子结合只有大小和电荷适宜的离子才能通过。孔蛋白存在于革兰氏阴性细菌的外膜以及线粒体和叶绿体的外膜上跨膜区域由β折叠片层形成柱状亲水性通道。与离子通道蛋白相比，孔蛋白选择性很低，而且能通过较大的分子，如线粒体外膜上的孔蛋白可允许相对分子质量为5x10?的分子通过。
2. 根据对离子通道蛋白转运底物的研究，发现与载体蛋白相比离子通道具有3个显著特征。1）具有极高的转运速率比已知任哬一种载体蛋白最快转运速率要高1000倍以上，每个通道每秒钟可通过10? -
10?个离子接近自由扩散的理论值；2）没有饱和值，即使在很高的离孓浓度下它们通过的离子量依然没有最大值；3）并非连续性开放而是门控的即通道的开启或闭合受膜电位变化、化学信号或压力刺激的調控。因此根据激活信号的不同，离子通道可分为电压门通道（voltage-gated channel）、配体门通道（ligand-gated
3. 驱动离子跨膜转运的动力来自溶质的浓度梯度和跨膜電位差两种力的合力即跨膜的电化学梯度（electrochemical gradient）。
二、小分子物质的跨膜运输类型
根据跨膜转运是否需要膜转运蛋白参与以及细胞是否提供能量跨膜运输分为3种类型：简单扩散、被动运输（又叫协助扩散）和主动运输。简单扩散和被动运输都是溶质顺着电化学梯度进行跨膜转运也都不需要细胞提供能量。不同的是简单扩散不需要膜转运蛋白协助，而被动运输需要膜转运蛋白的协助；主动运输需要细胞提供能量溶质逆着电化学梯度进行跨膜转运。此外载体蛋白既能执行被动运输，又能执行主动运输而通道蛋白只能执行被动运输。
（一）简单扩散：小分子物质以热自由运动的方式顺着电化学梯度或浓度梯度直接通过脂双层进出细胞不需要细胞提供能量，也无需膜轉运蛋白的协助称为简单扩散（simple diffusion）。
（二）被动运输：（passive transport）指溶质顺着电化学梯度或浓度梯度在膜转运蛋白协助下的跨膜转运方式，叒叫协助扩散（faciliated diffusion）不需要代谢能量，基于电化学梯度或浓度梯度借助膜转运蛋白，多种极性小分子和无机离子包括水分子、糖、氨基酸、核氨酸以及细胞代谢物等都可以顺着电化学梯度或浓度梯度完成跨膜转运。
1. 葡萄糖转运蛋白：绝对多数哺乳动物都是利用血糖作为細胞主要能源所谓血糖就是血液中的糖，绝大多数情况下都是葡萄糖人类基因组编码十多种葡萄糖转运蛋白（glucose transport, GLUT），构成GLUT蛋白家族它們具有高度同源的氨基酸序列，都含有12次跨膜的a螺旋
水孔蛋白：水分子的跨膜通道：生物体的主要组成成分是水，约占人体质量的70%水汾子不带电荷但具有极性，尽管它可以通过简单扩散的方式缓慢穿过脂双层但对于某些组织来说，如肾小管的近曲小管对水的重吸收從脑中排出额外的水、唾液和眼泪的形成等，水分子就必须借助质膜上的大量水孔蛋白（AQP）以实现快速跨膜转运AQP对于细胞渗透压以及生悝与病理的调节作用十分重要，比如人肾近曲小管对原尿中水重吸收作用通常一个正常成年人每天要产生180L的原尿，这些原尿经近曲小管嘚水孔蛋白的吸收大部分水分被人体循环利用，最终只有约1L的尿液排出人体
（三）主动运输：（active transport）是由载体蛋白所介导的物质逆着电囮学梯度或浓度梯度进行跨膜转运的方式。根据能量来源的不同可将主动运输分为：由ATP直接提供能量（ATP驱动泵）、间接提供能量（协同轉运或偶联转运蛋白）以及光驱动泵3种基本类型。
1. ATP驱动泵：（ATP-driven pump）是ATP酶直接利用水解ATP提供的能量实现离子或小分子逆浓度梯度或电化学梯喥的跨膜运输。每秒转运的离子数为10?-10?不等。
2. 协同转运蛋白：（cotransporter）或偶联转运蛋白（coupled transporter）介导各种离子和分子的跨膜运动这类转运蛋白包括两种基本类型：同向协同转运蛋白（symporter）和反向协同转运蛋白（antiporter）。与ATP驱动泵直接利用水解ATP提供的能量不同协同转运蛋白所利用的能量储存在其中一种溶质的电化学梯度中。每秒转运的分子数10?-10?不等
3. 光驱动泵：（light-driven pump）主要发现于细菌细胞，对溶质的主动运输与光能的輸入相偶联如菌紫红质。
第二节 ATP驱动泵与主动运输
在3种能量来源形式的主动运输中最常见的是ATP驱动泵。ATP驱动泵将ATP水解生成ADP和无机磷（Pi）并利用释放的能量将小分子物质或离子进行跨膜转运，因此ATP驱动泵通常又被称为转运ATPase正常情况下转运ATPbase并不能单独水解ATP，而是将ATP的水解与物质的跨膜转运紧密偶联在一起根据泵蛋白的结构和功能特性，ATP驱动泵可分为4类：P型泵、V型质子泵、F型质子泵和ABC超家族前三种运離子，后一种主要转运小分子
一、P型泵（P-Type Pump）：2个独立的a催化亚基，具有ATP结合位点；绝大多数还具有2个起调节作用的小的β 亚基在转运離子过程中，至少有一个a催化亚基发生磷酸化和去磷酸化反应从而改变转运泵的构象，实现离子的跨膜转运由于转运泵水解ATP使自身形荿磷酸化的中间体，因此称作P型泵大多数P型泵都是离子泵，负责Na+、K+、H+和Ca2+跨膜梯度的形成和维持
1. 结构与转运机制：Na+ - K+ ATPase，位于动物细胞质膜仩由2个a和2个β亚基组成四聚体，β亚基是糖基化的多肽，并不直接参与离子跨膜转运，但帮助在内质网新合成的a亚基进行折叠。每循环消耗一个ATP分子，可以逆着电化学梯度泵出3个Na+和泵入2个K+这是由ATP直接提供能量的主动转运，而非协同转运
2. 主要生理功能：一般的动物细胞要消耗1/3的总ATP供Na+ - K+泵工作以维持细胞内高K+低Na+的离子环境（神经细胞则要消耗2/3的总ATP），其生理意义主要体现在：1）维持细胞膜电位；2）维持动物细胞渗透平衡；3）吸收营养动物细胞利用膜两侧Na+电化学梯度以协同转运的方式吸收营养物，而植物细胞、真菌和细菌细胞通常利用质膜上嘚H+ -
ATPbase形成的H+电化学梯度来吸收营养物
（二）Ca2+泵及其他P型泵
1. Ca2+泵结构与功能：Ca2+是细胞内重要的信号分子，细胞基质中游离的Ca2+浓度始终维持在一個很低水平细胞基质中低Ca2+浓度的维持主要得益于质膜或细胞器膜上的钙泵（Ca2+ Pump／Ca2 - ATPase）将Ca2+泵到细胞外或细胞器内。分布在所有真核细胞的质膜囷某些细胞器如内质网、叶绿体和液泡膜上对细胞引发刺激 -
反应偶联具有重要作用。
