细胞生物学讲义（翟中和-高教版）

Chapter Ⅰ Introduction 一、教学目的和要求：

通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细胞生物学的研究内容和现状；细胞生物学研究的总趋势和重点领域；细胞学与细胞生物学发展简史；细胞生物学的学习方法。

让学生适应从宏观和微观两种思维视角看待生物科学；认识到应以联系地眼光看待生物科学的各学科。 激发学生对本学科的喜爱、对科学的探索及奋发向上的精神。 二、教材分析：

1. 概述：绪论部分的教学在整个学期的教学中有着关键的地位，它决定着学生能否科学的态度认识本学科、能否以科学的方法学习本学科。选用教材在绪论部分内容较为丰满但稍显枯燥；偏重于对本学科认识方面的介绍，略于对科学精神的激发。

2. 教学重点：细胞生物学的研究内容和现状；细胞生物学研究的总趋势和重点领域；细胞学与细胞生物学发展简史。

3. 教学难点：细胞生物学研究的总趋势和重点领域。 三、教学设想：

1. 教材处理：综合其它国内外教材补充相应内容；教学过程中加强科学史的介绍；引入本学科最新的发展动态：

2. 教学方法：主要采用讲授法，辅以讨论、提问。 3. 教具：CAI课件 四、教学内容：（2学时）

1 Content & Actuality of Cell Biology

1.1 Cell Biology & Biological Science

细胞生物学（Cell Biology）：运用近代物理学和化学的技术成就以及分子生物学的概念与方法，从显微水平、亚显微水平和分子水平三个层次上，研究细胞的结构、功能及各种生命活动规律。 生命的层次:

1925,生物学大师E.B.Wilson说：“许久以来，大家就明确，一切生物学问题的答案最终都要到细胞中去寻找。因为所有生物体都是，或曾经是，一个细胞。”

细胞不同于非生命界的任何结构单位，细胞最独特的属性就是它是一个能独立生存，进行自我调节的开放体系，它在同外界进行物质、能量、信息交换的条件下，处于动态平衡之中。因此，所谓生命实质上即是细胞属性的体现。摘之《分子细胞生物学》第二版，韩贻仁主编，1。（Ａ）

细胞是生活有机体的一个结构和功能的基本单位，正像原子是化学结构的基本单位一样。细胞以下层次的结构，只能表现出生命现象，而不能单独构成生命单位。摘自《细胞生物学》第二版，汪堃仁，薛绍白，柳惠图主编（Ｂ）

细胞生物学在现代生物学中的地位：

细胞生物学是现代生物学的基础学科，是生物学各学科在细胞水平的统一。它的研究对象是细胞，恰恰由于细胞在生命界中的独特属性，这就不能不使Cell Biology在生命科学中占有核心地位。

我国基础科学发展规划中，把细胞生物学、分子生物学、神经生物学、生态学并列为生命科学的四大基础学科。

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讨论：Cell Biology & Molecular Biology 1.2 Main conten

细胞生物学研究和教学内容一般可分为细胞结构功能与细胞重要生命活动两个基本部分，但它们又是不能截然分开的。在现代生物学的教科书中细胞重要生命活动的知识所占比重越来越大。

当前，细胞生物学的研究内容主要包括以下诸方面： （－）细胞核、染色体以及基因表达的研究

细胞核是遗传物质DNA贮存的场所，也是遗传信息转录为mRNA、rRNA与tRNA的场所。染色质与染色体是遗传物质的载体，核仁是转录rRNA与装配核糖体亚单位的具体场所。细胞核、染色体与核仁的结构与功能的研究是揭示基因表达及其调节的基础。

（二）生物膜与细胞器的研究

几十年来，生物膜研究的主要内容是膜的结构模型与物质的跨膜运输机理。磷脂双分子层与膜蛋白的相互关系是研究生物膜结构与功能的重要内容。近年来，在膜的识别与受体效应、蛋白质分子跨膜运动等方面取得了巨大进展。

（三）细胞骨架体系的研究

细胞骨架体系的研究在细胞生物学中是一个比较新的、发展中的研究领域。广义的细胞骨架概念应该包括细胞质骨架与核骨架两大部分。

近来发现细胞骨架与一系列重要生命活动，诸如细胞内大分子的运输与细胞器的运动、细胞信息的传递、基因表达与大分子加工等均有密切关系。

（四）细胞增殖及其调控

一切动植物的生长与发育都是通过细胞的增殖与分化来实现的。研究细胞增殖的基本规律及其调控机理不仅是控制生物生长与发育的基础，而且是研究癌变发生及逆转的重要途径。目前国际上研究细胞增殖的调控主要从两方面进行：一是从环境中与有机体中寻找控制细胞增殖的因子，以及阐明它们的作用机制。二是寻找控制细胞增殖的关键性基因，并通过调节基因产物来控制细胞的增殖。

（五）细胞分化及其调控

细胞分化是生物发育的基础。近年，细胞分化的研究已愈来愈显示其重要性，也是细胞生物学、发育生物学与遗传学的重要会合点。近代生物科学的发展，尤其是分子生物学技术的建立已为细胞分化机理的研究准备了良好的基础，也是近年发育生物学蓬勃发展的重要原因．

（六）细胞的衰老与凋亡

细胞衰老的研究是研究人与动植物寿命的基础，但细胞的衰老与有机体的衰老又是不同的概念。 （七）细胞的起源与进化

细胞起源与进化的研究是重要的理论问题，也是难度很大的研究课题，我们应该十分尊重先驱科学家在这一领域所取得的成果。

（八）细胞工程

细胞工程是细胞生物学与遗传学的交叉领域，这种改造细胞的技术是生物工程技术的重要组成部分。它不仅对工农业生产和医药实践有重要意义，而且对细胞生命活动规律的认识也是一种重要途径与手段。

细胞工程能使不同种细胞的基因或基因组用人工方法重组到杂交细胞中，或者使基因与基因组由一种细胞转移到另一种细胞中，并使越过种的障碍的转移成为可能，由此人们开始探索人工创造新的遗传型细胞的尝试。

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还应该说明，当前细胞生物学研究的范畴远不止以上的内容，如细胞外基质、细胞通讯、细胞社会学与细胞免疫学等研究近年也有较快的发展。

1.3 Research direction & main domain （一）当前细胞生物学研究中的三大基本问题

1. 细胞内的基因组是如何在时间与空间上有序表达的？

2. 基因表达的产物（主要是结构蛋白）是如何逐级装配成能行使生命活动的基本结果体系及各种细胞

器的？

3. 基因表达的产物（主要是活性蛋白）如何调节细胞最重要的生命活动过程的？ （二）当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题

1. 染色体DNA与蛋白质相互作用关系——主要是非组蛋白对基因组的作用。 2. 细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控。 3. 细胞信号转导的研究。 4. 细胞结构体系的装配。

2 History of Cytology & Cell Biology

从研究内容来看细胞生物学的发展可分为三个层次，即：显微水平、超微水平和分子水平。从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段：

第一阶段：从16世纪末—19世纪30年代，是细胞发现和细胞知识的积累阶段。

第二阶段：从19世纪30年代—20世纪中期，细胞学说形成后，主要进行细胞显微形态的研究。 第三阶段：从20世纪30年代—70年代，以细胞超微结构、核型、带型研究为主要内容。

第四阶段：从20世纪70年代分子克隆技术的成熟到当前，细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密，基因调控、信号转导、细胞分化和凋亡、肿瘤生物学等领域成为当前的主流研究内容。

细胞学与细胞生物学发展的历史大致可以划分为以下几个阶段： 2.1 Discovery of cell & Foundation of Cell Theory 2.1.1 显微镜的发明与细胞的发现

1. 1590 荷兰眼镜制造商J.Janssen和Z.Janssen父子制作了第一台复式显微镜，尽管其放大倍数不超过10倍，但具有划时代的意义。

2. 1665 英国人Robert Hook用自己设计与制造的显微镜（放大倍数为40-140倍，)观察了软木（栎树皮)的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，并首次用拉丁文cella（小室)这个词来称呼他所看到的类似蜂巢的极小的封闭状小室（实际上只是观察到到纤维质的细胞壁)。胡克有关细胞的首次描述是在他的著作《显微图谱》一书中于1665年发表的。因此人们也就认为细胞的发现是在1665年。

3. 1672，1682英国人Nehemaih Grew出版了两卷植物显微图谱，注意到了植物细胞中细胞壁与细胞质的区别。

4. 1680 荷兰人A. van Leeuwenhoek成为皇家学会会员，一生中制作了200多台显微镜和500多个镜头。他是第一个看到活细胞的人，观察过原生动物、人类精子、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌等等。

5. 1752 英国望远镜商人J. Dollond 发明消色差显微镜。

6. 1812 苏格兰人D. Brewster 发明油浸物镜，并改进了体视显微镜。

7. 1886 德国人Ernst Abbe 发明复消差显微镜，并改进了油浸物镜，至此普通光学显微镜技术基本成

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熟。

8. 1932 德国人M. Knoll和E. A. F. Ruska描述了一台最初的电子显微镜，1940年美国和德国制造出分辨力为0.2nm的商品电镜。

9. 1932 荷兰籍德国人F. Zernike成功设计了相差显微镜（phasecontrast microscope) ，并因此获1953年诺贝尔物理奖。

10. 1981瑞士人G. Binnig和H. RoherI在BM苏黎世实验中心（Zurich Research Center）发明了扫描隧道显微镜而与电镜发明者Ruska同获1986年度的诺贝尔物理学奖。

2.1.2 细胞学说的创立及其意义

在十九世纪以前许多学者的工作都着眼于细胞的显微结构方面，从事形态上的描述，而对各种有机体中出现细胞的意义一直没有作出理论的概括，直到19世纪30年代德国人施莱登Matthias Jacob Schleiden 、施旺Theodar Schwann提出：一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位。这一学说即“细胞学说（Cell Theory)”，在19世纪已有不少科学家的工作对细胞学说的创立做出了很大的贡献，如：

1. Jean-Baptiste de Lamark （1744~1829)，获得性遗传理论的创始人，法国退伍陆军中尉，50岁成为巴黎动物学教授，1909年他认为只有具有细胞的机体，才有生命。“It has been recognized for a long time that the membranes which form the envelopes of the brain，of the nerves，of vessels，of all kinds of glands，of viscera，of muscles and their fibers，and even the skin of the body are in general the productions of cellular tissue。 But no one，so far as I know， has yet perceived that cellular tissue is the general matrix of all organization and that without this tissue no living body would be able to exist，nor could it have been formed。”

2. Charles Brisseau Milbel（1776~1854)，法国植物学家，1802年认为植物的每一部分都有细胞存在，“the plant is wholly formed of a continuous cellular membranous tissue。Plants are made up of cells，all parts of which are in continuity and form one and the same membranous tissue。”。

3. Henri Dutrochet （1776~1847），法国生理学家，1824年进一步描述了细胞的原理，他认为 “All organic tissues are actually globular cells of exceeding smallness，which appear to be united only by simple adhesive forces; thus all tissues， all animal (and plant) organs, are actually only a cellular tissue variously modified。This uniformity of finer structure proves that organs actually differ among themselves merely in the nature of the substances contained in the vesicular cells of which they are composed” 。

4. Matthias Jacob Schleiden（1804~1881)，德国植物学教授[1]，1938年发表“植物发生论”(Beitr?ge zur Phytogenesis)，认为无论怎样复杂的植物都有形形色色的细胞构成。他认识到了Brown发现细胞核的重要意义，这一点Brown本人并未做到，他试图重建细胞发育的过程，为此他聪明地选择了胚胎细胞作为他研究的起点，他还在细胞中发现了核仁。

5. Theodor Schwann（1810~1882)，德国解剖学教授，一开始就研究Schleiden的细胞形成学说，他完全接受了这个学说，并把它扩展为所有生命现象的起源和基础的一般理论。他把Schleiden在植物中的发现应用到动物中去，并于1838年提出了“细胞学说”（Cell Theory)这个术语；1939年发表了“关于动植物结构和生长一致性的显微研究”。因此细胞学说的创立被认为归功于Schleiden和Sehwann两个人，而且年份也被定到1839年。

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Schwann提出：

1) 有机体是由细胞构成的； 2) 细胞是构成有机体的基本单位。

1855 （而非1858）德国人R. Virchow 提出“一切细胞来源于细胞”（omnis cellula e cellula）的著名论断，进一步完善了细胞学说。

把细胞作为生命的一般单位，以及作为动植物界生命现象的共同基础的这种概念立即受到了普遍的接受。恩格斯将细胞学说誉为19世纪的三大发现之一。

2.2 Period of Classical Cytology

19世纪的最后25年，即1875～1900年，是细胞学的经典时期。这个时期在细胞学说的推动下，应用固定和染色技术，在光学显微镜下观察细胞的形态结构和细胞的分裂活动，取得了极为丰硕的成果，代表性的成就有如下几点。

原生质理论的提出 1840年．Pukinje在动物、1846年von Mohl在植物中分别看到了“肉样质”的物质，并将其命名为“原生质”（protoplasm）。1861年Schultze认为动植物细胞中的原生质具有同样的意义，并提出了原生质理论：有机体的组织单位是一小团原生质，这种物质在一般有机体中是相似的，并把细胞明确地定义为：“细胞是具有细胞核和细胞膜的活物质”。1880年Hanstain提出“原生质体”（protoplast）概念，把细胞概念演变成由细胞膜包围着的原生质，原生质分化为细胞核和细胞质。

细胞受精和分裂的研究 1875年Hertwig发现受精卵中两亲本核的合并；1877年Strasburger发现动物的受精现象；1883年 van Beneden在动物、1886年Strasburger在植物分别发现了减数分裂现象； 1880一1882年Flemming在媒蟋幼虫的组织细胞中发现了有丝分裂。

一些重要细胞器的发现 1883年van Beneden和 Boveri在动物细胞中发现了中心体；1888年Waldeyer提出染色体概念； 1898年Go哈发现了高尔基体；同年，线粒体也被正式命名。

在这短短的25年里，取得如此多的成果，除了细胞学说本身的贡献外，技术革新起着重要的作用。细胞染色技术、切片技术、显微技术等的不断改进和创新保证了科学研究的进步。当然，更重要的是这一时期人才辈出，他们不断追求和探索的精神才是细胞学得以发展的原动力。 －－王

2.3 Period of Experimental cytology

实验细胞学时期从1900年到1953年的半个世纪里，细胞学的发展主要是采用实验的手段研究细胞学的问题，将这一时期称为实验细胞学（experimental cytology）时期，其特点是从形态结构的观察深入到生理功能、生物化学、遗传发育机制的研究。由于实验研究不断同相邻学科结合、渗透，导致了一些重要分支学科的建立和发展：

细胞遗传学（cytogenetics）。遗传学和细胞学结合建立了细胞遗传学，主要是从细胞学的角度，特别是从染色体的结构和功能以及染色体和其他细胞器的关系来研究遗传现象，阐明遗传和变异的机制。

细胞生理学（Cytophysiology）。细胞学同生理学结合建立了细胞生理学，主要研究内容包括细胞从周围环境中摄取营养的能力、代谢功能、能量的获取、生长、发育与繁殖机制以及细胞受环境的影响而产生适应性和运动性的活动。细胞的离体培养技术对细胞生理学的研究具有巨大贡献。

细胞化学（cytochemistry）。细胞学和化学的结合产生了细胞化学，主要是研究细胞结构的化学组成及化学分子的定位、分布及其生理功能。如 1943年Claude用高速离心法从细胞匀浆液中分离线粒体，然后研究它的化学组成和生理功能并得出结论：线粒体是细胞氧化中心。1924年Feulgen发明的DNA特殊染色方法—

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—Feulgen反应开创了DNA的定性和定量分析。此后发展了一系列进行细胞内RNA和蛋白质定量分析的方法，对细胞的核酸和蛋白质代谢活动研究起了极大的促进作用。 －－王

2.4 Naissance of Cell Biology and its development

50年代以来，电子显微镜与超薄切片技术相结合，产生了细胞超微结构学这一新兴领域。从50年代中期至60年代末，细胞超微结构研究所积累的资料，使细胞结构的知识在很大程度上得到了更新，大大加深与拓宽了对细胞的认识。不仅对已知的细胞结构，诸如线粒体、高尔基体、细胞膜、核膜、核仁、染色质与染色体结构的了解出现了全新的面貌，而且发现了一些新的重要的细胞结构，如内质网、核糖体、溶酶体、核孔复合体与细胞骨架体系等等，为细胞生物学学科早期的形成奠定了良好的基础。更由于70年代以来，科学家将分子生物学的概念与技术引进细胞学，为细胞生物学这门学科的最后形成与建立创造了全新的局面。“细胞生物学”这个词终于在60年代出现了。

80年代以来，细胞生物学的主要发展方向是细胞的分子生物学（或称分子细胞生物学），也就是说，在分子水平上探索细胞的基本生命规律，把细胞看成是物质、能量、信息过程的结合，并在分子水平上深入探索其生命活动规律，深刻性与综合性是细胞生物学进一步发展的特点。

1953年 Watson和 Crick提出 DNA双螺旋结构模型，标志着分子生物学（molecular biology）的诞生。到底是何时产生了细胞生物学，没有肯定的答案，一般的看法是1965年，Derobetis将其编著的《普通细胞学》改为《细胞生物学》，标志着细胞生物学的诞生。由于不断将分子生物学的研究成果和方法引进细胞学，使细胞学的知识得到了极大的更新。此后，细胞生物学和分子生物学之间相互渗透，相得益彰。

20世纪80年代开始出现的分子细胞生物学（molecular cell biology），是细胞生物学的主要发展方向。 3 The way you can learn better

兴趣 Interest－－兴趣是最好的老师

预习 Preparation－－请带着“ ？”来上课！

怀疑Skeptical－Don’t accept everything you read as being true. 抽象Abstract思维与动态Dynamic思维 同一性Unity和多样性Diversity的问题 结构Structure和功能Function的关系 Reference :

Gerald Karp. Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments 3rd. Wiley & Sons, 2002 韩贻仁. 分子细胞生物学科学出版社. 2001年03月 翟中和. 细胞生物学. 高等教育出版社.1995年1月 翟中和. 细胞生物学.高等教育出版社.2000年8月

汪堃仁. 细胞生物学（第二版). 北京师范大学出版社.1998年11月 王金发.细胞生物学.科学出版社.2003年8月 辛华. 细胞生物学实验.科学出版社. 2001年02月

杨汉民. 细胞生物学实验（第二版）. 高等教育出版社.1997年07月

Chapter Ⅱ Basic Properties of cells

一、教学目的和要求：

通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细胞的基本概念；病毒基本知识概要；原核细胞与古核细胞；真核细胞基本知识概要。

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引导学生从科学和哲学两方面来思索生命和细胞的关系，介绍对细胞概念的一些新思考。 逐渐引导学生用本学科的所学来阐明一些生命现象。 二、教材分析：

概述：本章内容涉及真核细胞、原核细胞、病毒的基本知识的介绍，选用教材在总体内容上编排恰当，但在个别内容有知识性错误和印刷错误，在教学中值得注意。

教学重点：真核细胞基本知识概要；真、原核细胞的主要区别；细胞结构和功能的辩证关系。 教学难点：真、原核细胞的比较。 三、教学设想：

教材处理：对新、难内容重点讲解(如：真核细胞的三大结构体系、真核和原核细胞的比较)，简略讲解基础内容（如病毒和细菌的结构特点）；改正教材错误。

教学方法：主要采用讲授法和例证法，辅以讨论、提问。 教具：CAI课件

四、教学内容：（4学时）

1 Basic concepts of Cell

1.1 Cell, the basic unit of life

Purkinje（1839）用原生质一词指细胞的全部活性物质，从现代概念来说它包括质膜、细胞质和细胞核（或拟核）。

1880年Hanstain提出“原生质体”（protoplast）概念，把细胞概念演变成由细胞膜包围着的原生质，原生质分化为细胞核和细胞质。

细胞区别于无机界的主要特征：1.在结构上具有自我装配的能力；2.在生理活动中具有自我调节能力；3.在增殖上具有自我复制的能力。这些特征也可以说是生命的特征，它们的丧失即意味着死亡。－韩p43

我们认为应从以下一些角度去认识细胞作为生命活动基本单位这一概念： （一）一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位

（二）细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位 （三）细胞是有机体生长与发育的基础

（四）细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性 （五）没有细胞就没有完整的生命

除了上述的认识外，我们还必须强调，病毒虽然是非细胞形态均生命体，但它们必须在细胞内才能表现基本的生命特征（繁殖与遗传）。因此，就病毒而言，细胞是生命活动的基本单位这一概念也是完全合适的。

1.2 Commonness of all Cells 细胞结构的共性：

（l）所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜，即细胞膜。细胞膜使细胞与周围环境保持相对的独立性，造成相对稳定的细胞内环境，并通过细胞膜与周围环境进行物质交换和信号传递。在较高等的细胞内，细胞膜内陷演化为细胞的内膜体系，构建成各种以膜为基础的功能专一的细胞器。

（2）所有的细胞都有两种核酸：即DNA与RNA作为遗传信息复制与转录的载体。而非细胞形态生命体病毒只有一种核酸，即DNA或RNA作为遗传信息的载体。

（3）作为蛋白质合成的机器——核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内，是任何细胞（除个别非常特化

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的细胞外）不可缺少的基本结构，它们在翻译多肽链时，与mRNA形成多聚核糖体。

细胞功能的共性

（1） 细胞能够进行自我增殖和遗传细胞能够以一分为二的分裂方式进行增殖，动植物细胞、细菌细胞都是如此。

（2） 细胞都能进行新陈代谢 细胞内有机分子的合成和分解反应都是由酶催化的，即细胞的代谢作用是由酶控制的。细胞代谢包括物质代谢和能量代谢，这也是细胞的基本特性。

（3） 细胞都具有运动性所有细胞都具有一定的运动性，包括细胞自身的运动和细胞内的物质运动。

2 Viruses

2.1 Viruses , lives smaller than cells

病毒（Virus）是一类非细胞形态的介于生命与非生命形式之间的物质。有以下主要特征：

① 个体微小，可通除滤菌器，大多数必须用电镜才能看见；

② 仅具有一种类型的核酸，或DNA或RNA，没有含两种核酸的病毒； ③ 专营细胞内寄生生活；

④ 具有受体连结蛋白（receptor binding protein），与敏感细胞表面的病毒受体连结，进而感染细

胞。

病毒的形态和结构：病毒的大小一般在10~30nm之间。结构简单，由核酸（DNA或RNA）芯和蛋白质衣壳（capsid）所构成，称核衣壳（nucleocapsid），衣壳有保护病毒核酸不受酶消化的作用。各种病毒所含的遗传信息量不同，少的只含有3个基因，多的可达300个不同的基因。

病毒衣壳由一至几种蛋白组成，组成病毒衣壳的亚单位称壳微粒（capsomer）。病毒的形成不需要酶的参加，只要条件具备，核酸和蛋白质便可自我装配（self assembly）成病毒。其装配形式有二十面体对称、螺旋对称和复合对称三种类型。二十面体对称型的衣壳蛋白形成二十面体，核酸包在其中；螺旋对称型的衣壳蛋白与核酸呈螺旋形排列，核酸交织在其中；复合对称型为同时具有或不具有两种对称性形式的病毒 2.2 Viruses can reproduce only in Cells

吸附（adsorption）：病毒对细胞的感染起始于病毒蛋白质外壳同宿主细胞表面特殊的受体结合，受体分子是宿主细胞膜或细胞壁的正常成分。因此，病毒的感染具有特异性。

侵入（penetration）：病毒吸附到宿主细胞表面之后，将它的核酸注入到宿主细胞内。病毒感染细菌时，用酶将细菌的细胞壁穿孔后注入病毒核酸；对动物细胞的感染，则是通过胞吞作用，病毒完全被吞入。

复制（replication）：病毒核酸进入细胞后有两种去向，一是病毒的遗传物质整合到宿主的基因组中，形成溶原性病毒；第二种情况是病毒DNA（或RNA）利用宿主的酶系进行复制和表达。

成熟（maturation）：一旦病毒的基因进行表达就可合成病毒装配所需的蛋白质外壳，并将病毒的遗传物质包裹起来，形成成熟的病毒颗粒。

释放（release）：病毒颗粒装配之后，它们就可从被感染的细胞中释放出来进入细胞外，并感染新的细胞。有些病毒释放时要将被感染的细胞裂解，有些则是通过分泌的方式进入到细胞外。 2.3 Its types

根据寄生的宿主不同，病毒可分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒（即噬菌体）三大类。根据病毒所含的核酸的性质和状态不同，可将病毒分为6类：

1)双链±DNA→+mRNA→蛋白质，如天花病毒、T-偶数噬菌体。

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2)单链+DNA→±DNA→+RNA→蛋白质,如细小DNA病毒。 3)双链±RNA→+mRNA→蛋白质，如呼肠孤病毒。 4)单链+RNA→－RNA→+RNA→蛋白质脊髓灰质炎病毒。

5)单链-RNA→+RNA→蛋白质，如流感病毒、副流感病毒、狂犬病毒。

6)单链+RNA→－DNA→±DNA→+mRNA→蛋白质，即逆转录病毒（retrovirus）又称RNA肿瘤病毒（oncornavirus）。

2.3 Relationships between Virus and cell in Evolution

现在，比较容易接受的观点是：生物大分子——细胞——病毒。其依据主要有： 1. 所有病毒均为彻底的寄生性。

2. 有些病毒的核酸与哺乳动物细胞DNA某些片段的碱基序列十分相似。

3. 病毒可以看作是DNA与蛋白质或RNA与蛋白质形成的复合大分子，与细胞内核蛋白分子有相似之

处。 Addition：

(1)冠状病毒与SARS：

2003年春在我国和世界20多个国家发生了一种传染性病毒病，导致严重急性呼吸道综合症 （sever acute respiratory syndrome， SARS），即我国所说的非典型肺炎。同年4月 16日，WHO正式确认SARS病毒是SARS的病因，这是一种新型的冠状病毒。

冠状病毒科（Coronaviridae）的病毒成员仅感染脊椎动物，可引起人和动物呼吸道卜肖化道、肝脏和神经系统产生疾病。冠状病毒最早于1937年从鸡中分离，1965年Tyrrell和Bynoe首次用有纤毛的胚状气管在体外培养了人的冠状病毒，约有15个种，不仅感染人，也感染牛、猪、猫、狗等。

冠状病毒粒子呈球状，形似冠状而得名。其直径为60～220urn，有包膜。包膜上有2～3种糖蛋白。 M蛋白（membrane protein），是糖蛋白，横穿包膜，其 N端的丝氨酸或苏氨酸残基上可以产生糖基化。M蛋白的作用是出芽和病毒包膜的形成。

S蛋白（spike protein），构成长的杆状包膜突起， S蛋白突起具有多方面的功能，它负责结合敏感细胞受体，诱导病毒包膜和细胞膜以及细胞之间的膜融合，作为主要抗原刺激机体产生中和抗体和介导细胞免疫反应。

E蛋白属包膜蛋白，是一种小的与包膜形成相关的蛋白。

核衣壳蛋白N是一种碱性磷蛋白，具有3个结构域，其中央区同基因组RNA结合，形成卷曲的核衣壳螺旋。N蛋白有两个方面的功能：一方面与病毒RNA复制有关，另一方面通过与M糖蛋白C端相互作用，可引起病毒出芽。

HE蛋白即血凝素一酯酶（hemagglutinin－estemse，H），HE蛋白构成包膜的短突起。现在认为HE可能与冠状病毒早期吸附有关。

冠状病毒基因组为（＋）SSRNA长约27～31kb其基因组5’端有帽子结构，3’端有poly(A)尾，紧接帽子结构之后是60～80个碱基的先导RNA序列和200～500个碱基的非编码区。

SARS病毒是一种新型的冠状病毒，目前已发现有十几个变种。这种病毒潜伏期2～7天。患者通常有高于38t的发热，并会伴有寒战，或者其他如头痛、倦怠和肌痛。潜伏期后进入下呼吸道期，患者伴有包括发热、干咳无痰、呼吸困难，甚至低氧血症（呼吸困难、紫错。缺氧早期心动过速、血压升高、严重时出现心动过缓、

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血压下降，甚至休克）等综合征，严重患者通常都需要气管插管或者呼吸机维持。

95％感染 SARS病毒的人能够治愈。人体可以针对病毒产生抗体，表明 SARS是可治的，同时也是可控和可防的。只要依靠科学、保持良好的心态，人类一定能够最终战胜SARS

从细胞生物学的角度，用SAJIS（smile and remain smile）去战胜SARS（severe acute respiratory syndrome）不失为一种有效的抗击疾病的好方法。―――王

(2) viroid

类病毒在结构上比病毒还要简单，没有蛋白质外壳，仅为一裸露的RNA分子。由于它们具有感染作用，类似于病毒，故称为类病毒（viroid）。它们不能像病毒那样感染细胞，只有当植物细胞受到损伤，失去了膜屏障，它们才能在供体植株与受体植株间传染。例如，马铃薯锤管类病毒仅由一个含359个核苷酸的单链环状RNA分子组成，链内有一些互补序列。分子长约40~50nm，不能制造衣壳蛋白。－－绍兴

（3）蛋白质感染因子 Prion

1982年S．B．Prusiner以叙利亚仓鼠为实验材料，发现羊瘙痒病（scrapie）的病原体是一种蛋白质，不含核酸，命名为prion，意即PROteinnaceous Infection ONly，译为蛋白质感染因子或朊病毒，Prusiner因此项发现更新了医学感染的概念，获1997年的诺贝尔生理与医学奖。

羊瘙痒病发现已有200年的历史，羊得了这种病就会浑身发痒，不断在坚硬物质上搓擦身体，最后死亡。它是一类传染性海绵状脑病（transmissible spongiform encephalopathies，TSE）。疯牛病，即牛海绵状脑病（bovine spongiform encephalopathy，BSE）也属于此类疾病，发现于1986年，是由于牛被喂以由死羊骨粉制造的饲料而被感染，病牛脑内灰质及神经元都有典型的海绵状退化，出现淀粉样（amyloid）蛋白沉淀，与羊瘙痒病相似。同类型的prion也会使鹿、貂及猴子患病，人类也具有类似的疾病。

Prion是一种结构变异的蛋白质，对高温和蛋白酶均具有较强的抵抗力。它能转变细胞内的此类正常的蛋白PrPC（cellular prion protein），使PrPC发生结构变异，变为具有致病作用的PrPSc（scrapie-associated prion protein）。

PrPC存在于神经元、神经胶质细胞和其它一些细胞，属于糖磷脂酰肌醇锚定蛋白，集中在膜上的脂筏中，对蛋白酶和高温敏感，可能和细胞信号转导有关。

PrPSc与PrPc的一级结构相似，均由253-4个氨基酸组成，分子量约33-37KD。纯化的Prion经傅里叶变换红外光谱分析，发现PrPc的高级结构中具有43%的α螺旋，极少的β折叠（3%），而PrPsc具有34%α螺旋，43%的β折叠。动物被感染后，发生错误折叠的PrPSc蛋白堆积在脑组织中，形成不溶的淀粉样蛋白沉淀，无法被蛋白酶分解，引起神经细胞凋亡（Apoptosis）。

编码PrP蛋白的基因称为Prnp，该基因位于人第20号染色体的短臂，小鼠第2号染色体。敲除小鼠的Prnp基因，小鼠仍能正常发育，并对瘙痒病完全免疫，但出生后很快会出现共济失调、小脑皮层颗粒细胞退化。

目前对蛋白质感染因子的增殖方式有两种解释，一是重折叠模型（refolding model），认为PrPSc分子起分子伴侣（molecular chaperone）的作用，能与PrPc分子相结合，诱使PrPc转变成PrPSc，从而形成了PrPSc二聚体，于是一个PrPSc分子就变成了2个PrPSc分子，如此倍增不已。另一种解释是晶种模型（Seeding model），认为PrPc分子本身有向PrPSc转变的倾向（一种平衡反应），PrPSc能像晶种一样，稳定PrPc的构象，形成淀粉样蛋白沉淀，然后碎裂后又变成新的晶种。

蛋白质感染因子的增殖既不是由于基因过分表达，也不是因翻译量增加，而是由于正常分子的构象发生转变造成的，所以亦称朊病毒。目前已知的人类PRION疾病主要有：

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1. 克-雅二氏病（Creutzfeldt–Jakob disease，CJD）：Cruetzfeldt和Jakob 1920年发现于六例患者，大多发生于60岁以上的人，是自身PrP蛋白发生变异引起的。

2. 变异型克-雅氏病（vCJD）：患者都处于以往CJD未曾出现的年龄段，为十几岁至三十岁的年轻人，是由于取食病牛产品而感染。患者首先出现忧郁症的病状，继而不能行走，并呈现精神障碍等痴呆症状，最后死亡。

3.GSS综合征（Gerstmann-Straussler Scheinker disease））：是一种遗传的的慢性脑病，由Prnp基因缺陷引起，PrP蛋白的102位亮氨酸被脯氨酸取代或117位的缬氨酸被丙氨酸取代。

4. 克鲁病（Kuru）：发现于新几内亚一个叫Fore的部落，当地人称作kuru，意即颤抖。病人大多数是妇女及小孩，病症有言语含糊及无意识地狂笑，最后不省人事并死亡。一名美国医生D. C. Gajdusek到了当地，发现那里的妇女及小孩具有吃死者尸体的习惯，结果受到感染。

5.致死性家族性失眠症（Fatal familial insomnia，FFI）：也是一种遗传性疾病，Prnp基因变异，PrP蛋白178位的天冬酰胺被天冬氨酸取代。患者的主要症状是失眠，并有CJD的症状。

对于蛋白质感染因子引起的疾病，目前尚没有有效的治疗措施。这类蛋白具有很强的抵抗力，对抗生素和消毒剂不敏感，134-138℃持续1h的病牛脑组织匀浆，以及10%福尔马林固定过的病羊脑组织，仍有感染性。

据报道，自1996年以来，共有106人得了疯牛病，其中仅有七人还活着。

3 Prokaryotic cells & Archaebacteria

3.1 Classse of Cells mycoplasma

20世纪60年代，H.Ris提出将细胞分为两大类：

原核细胞（prokaryotic cell）和真核细胞（eukaryotic cell）。 Prokaryotic cell，最基本的特点是：

1)遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；

2)细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜。 包括支原体、衣原体、立克次体、细菌、放线菌与蓝藻等多种庞大的家族。 3.2 Mycoplasma, the simplest & smallest cell

支原体是目前发现的最简单、体积最小的原核细胞，也是唯一一种没有细胞壁的原核细胞。

支原体的大小介于细菌与病毒之间，一般直径为0．1～0．3Pm，能够通过滤菌器，并能独立生活。原体形态多变，有圆形、丝状或梨形，光镜下难以看清其结构。电镜下观察支原体的细胞膜为三层结构。它有一环状双螺旋DNA并且均匀地分布在细胞内，没有类似细菌的核区（拟核），能指导合成750多种蛋白质。电镜下支原体细胞中惟一可见的细胞器是核糖体，每个细胞中约有800一1500个。支原体感细胞时，多吸附在细胞表面，或分散在细胞之间。

支原体没有鞭毛，无活动能力，可以通过分裂法繁殖，也有进行出芽增殖的。

支原体是动物细胞培养的大敌，由于支原体寄生在细胞中，所以培养细胞很容易被支原体污染，污染源主要是血清。 －－－－王

支原体（mycoplasma）的大小通常为0.2~0.3μm，可通过滤菌器。无细胞壁，不能维持固定的形态而呈现多形性。细胞膜中胆固醇含量较多，约占36%，这对保持细胞膜的完整性是必需的，凡能作用于胆固醇的物质（如二性霉素B、皂素等）均可引起支原体膜的破坏而使支原体死亡。-----------绍兴 3.3 Bacteria & Cyanobacteria

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细菌细胞只具有原始形态的核，没有核膜，更没有核仁，结构简单，为了与真核细胞典型的核有所区别，称为核区或类核。细菌细胞DNA主要盘绕在核区，细菌的核区实际主要由一个环状的DNA分子组成。由于细菌基因的排列与DNA有对应的结构关系，延用了真核细胞的染色体概念，又习惯地称之谓细菌染色体，然而它比真正的染色体结构简单得多，没有或只有极少的组蛋白与DNA结合。正常情况下，一个细菌细胞内只有一个核区，在细菌处在生长增殖状态时，由于DNA的复制次数与细胞分裂次数并不同步，一个细胞内可以同时存在几个DNA分子，往往出现几个核区。

由于细菌细胞没有核膜把核与细胞质绝对的分开，DNA复制、RNA转录与蛋白质合成的结构装置没有在位置上截然分开，因此基因复制、转录与表达过程没有严格的时间上的阶段性与位置上的区域性。 ------翟

（一）细胞壁

细胞壁厚度因细菌不同而异，一般为15-30nm。主要成分是肽聚糖，由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸构成双糖单元，以β（1-4）糖苷键连接成大分子。N-乙酰胞壁酸分子上有四肽侧链，相邻聚糖纤维之间的短肽通过肽桥（革兰氏阳性菌）或肽键（革兰氏阴性菌）桥接起来，形成了肽聚糖片层，像胶合板一样，粘合成多层。

肽聚糖中的多糖链在各物种中都一样，而横向短肽链却有种间差异。革兰氏阳性菌细胞壁厚约20～80nm，有15-50层肽聚糖片层，每层厚1nm，含20-40％的磷壁酸（teichoic acid），有的还具有少量蛋白质。革兰氏阴性菌细胞壁厚约10nm，仅2-3层肽聚糖，其他成分较为复杂，由外向内依次为脂多糖、细菌外膜和脂蛋白。此外，外膜与细胞之间还有间隙。

肽聚糖是革兰阳性菌细胞壁的主要成分，凡能破坏肽聚糖结构或抑制其合成的物质，都有抑菌或杀菌作用。如溶菌酶是N-乙酰胞壁酸酶，青霉素抑制转肽酶的活性，抑制肽桥形成。

细菌细胞壁的功能包括：保持细胞外形；抑制机械和渗透损伤（革兰氏阳性菌的细胞壁能耐受20kg/cm2的压力）；介导细胞间相互作用（侵入宿主）；防止大分子入侵；协助细胞运动和分裂。

脱壁的细胞称为细菌原生质体（bacterial protoplast）或球状体（spheroplast，因脱壁不完全），脱壁后的细菌原生质体，生存和活动能力大大降低。

（二）细胞膜

是典型的单位膜结构，厚约8~10nm，外侧紧贴细胞壁，某些革兰氏阴性菌还具有细胞外膜。通常不形成内膜系统，除核糖体外，没有其它类似真核细胞的细胞器，呼吸和光合作用的电子传递链位于细胞膜上。某些行光合作用的原核生物（蓝细菌和紫细菌），质膜内褶形成结合有色素的内膜，与捕光反应有关。某些革兰氏阳性细菌质膜内褶形成小管状结构，称为中膜体（mesosome）或间体，中膜体扩大了细胞膜的表面积，提高了代谢效率，有拟线粒体（Chondroid）之称，此外还可能与DNA的复制有关。

（三）细胞质与核质体

细菌和其它原核生物一样，没有核膜，DNA集中在细胞质中的低电子密度区，称核区或核质体（nuclear body）。细菌一般具有1-4个核质体，多的可达20余个。核质体是环状的双链DNA分子，所含的遗传信息量可编码2000～3000种蛋白质，空间构建十分精简，没有内含子。由于没有核膜，因此DNA的复制、RNA的转录与蛋白的质合成可同时进行，而不像真核细胞那样这些生化反应在时间和空间上是严格分隔开来的。

每个细菌细胞约含5000～50000个核糖体，部分附着在细胞膜内侧，大部分游离于细胞质中。细菌核糖体的沉降系数为70S，由大亚单位（50S）与小亚单位（30S）组成，大亚单位含有23SrRNA，5SrRNA与30多种蛋白质，小亚单位含有16SrRNA与20多种蛋白质。30S的小亚单位对四环素与链霉素很敏感，50S的

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大亚单位对红霉素与氯霉素很敏感。

细菌核区DNA以外的，可进行自主复制的遗传因子，称为质粒（plasmid）。质粒是裸露的环状双链DNA分子，所含遗传信息量为2~200个基因，能进行自我复制，有时能整合到核DNA中去。质粒DNA在遗传工程研究中很重要，常用作基因重组与基因转移的载体。

胞质颗粒是细胞质中的颗粒，起暂时贮存营养物质的作用，包括多糖、脂类、多磷酸盐等。 （四）其他结构

许多细菌的最外表还覆盖着一层多糖类物质，边界明显的称为荚膜（capsule），如肺炎球菌，边界不明显的称为粘液层（slime layer），如葡萄球菌。荚膜对细菌的生存具有重要意义，细菌不仅可利用荚膜抵御不良环境；保护自身不受白细胞吞噬；而且能有选择地粘附到特定细胞的表面上，表现出对靶细胞的专一攻击能力。例如，伤寒沙门杆菌能专一性地侵犯肠道淋巴组织。细菌荚膜的纤丝还能把细菌分泌的消化酶贮存起来，以备攻击靶细胞之用。

鞭毛是某些细菌的运动器官，由一种称为鞭毛蛋白（flagellin）的弹性蛋白构成，结构上不同于真核生物的鞭毛。细菌可以通过调整鞭毛旋转的方向（顺和逆时针）来改变运动状态。

菌毛是菌体表面极其的蛋白纤细，须用电镜观察。特点是：细、短、直、硬、多，菌毛与细菌运动无关，根据形态、结构和功能，可分为普通菌毛和性菌毛两类。前者与细菌吸附和侵染宿主有关，后者为中空管子，与传递遗传物质有关。－－－－绍兴

蓝藻,又称蓝细菌（cyanobacterium），能进行与高等植物类似的光合作用（以水为电子供体，放出O２），与光合细菌的光合作用的机制不一样，因此被认为是最简单的植物。蓝藻没有叶绿体，仅有十分简单的光合作用结构装置。蓝藻细胞遗传信息载体与其它原核细胞一样，是一个环状DNA分子，但遗传信息量很大，可与高等植物相比。蓝藻细胞的体积比其它原核细胞大得多，直径一般在士10um，甚至可达70μm（颤藻）。蓝藻属单细胞生物，有些蓝藻经常以丝状的细胞群体存在，如：属蓝藻门念珠藻类的发菜（nostoc commune var.flagtlliforme）就是蓝藻的丝状体；做绿肥的红萍实际上是一种固氮蓝藻与水生蕨类满江红的共生体。--------绍兴

3.4 Archaebacteria & The there kingdoms of organisms

是一类很持殊的细菌，多生活在极端的生态环境中。具有原核生物的某些特征，如无核膜及内膜系统；也有真核生物的特征，如以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白；此外还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征，如：细胞膜中的脂类是不可皂化的；细胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白质为主，有的含杂多糖，有的类似于肽聚糖，但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。

极端嗜热菌（themophiles）：能生长在90℃以上的高温环境。如斯坦福大学科学家发现的古细菌，最适生长温度为100℃，80℃以下即失活，德国的斯梯特（K. Stetter）研究组在意大利海底发现的一族古细菌，能生活在110℃以上高温中，最适生长温度为98℃，降至84℃即停止生长；美国的J. A. Baross发现一些从火山口中分离出的细菌可以生活在250℃的环境中。嗜热菌的营养范围很广，多为异养菌，其中许多能将硫氧化以取得能量。

极端嗜盐菌（extremehalophiles）：生活在高盐度环境中，盐度可达25%，如死海和盐湖中。

极端嗜酸菌（acidophiles）：能生活在pH值1以下的环境中，往往也是嗜高温菌，生活在火山地区的酸性热水中，能氧化硫，硫酸作为代谢产物排出体外。

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极端嗜碱菌（alkaliphiles）：多数生活在盐碱湖或碱湖、碱池中，生活环境pH值可达11.5以上，最适pH值8～10。

产甲烷菌（metnanogens）：是严格厌氧的生物，能利用CO2使H2氧化，生成甲烷，同时释放能量。 CO2＋4H2→CH4＋2H2O＋能量

由于古细菌所栖息的环境和地球发生的早期有相似之处，如：高温、缺氧，而且由于古细菌在结构和代谢上的特殊性，它们可能代表最古老的细菌。它们保持了古老的形态，很早就和其它细菌分手了。所以人们提出将古细菌从原核生物中分出，成为与原核生物（即真细菌eubacteria）、真核生物并列的一类。------绍兴 The there kingdoms of organisms

1970年C. Woese根据对16SrRNA核苷酸顺序的同源性比较，提出将生命划分为三界，即：真细菌（Eubacteria）、真核生物Eucaryotes、古细菌（Archaes）。1996年Bult领导的研究小组在Science上发表了詹氏甲烷球菌（Methanococcus jannaschii）的全基因组序列，进一步证明它既不是典型的细菌也不是典型的真核生物，而是介于两者之间的生命体，即生命的第三形式。

4 Eukaryotic Cells

4.1 Basic structure system

真核细胞内的结构体系归纳起来可分为三大系统：生物膜体系、遗传信息表达体系、细胞骨架体系。 1 Biomembrane system

真核生物在进化过程中，细胞体积木断增大，因而出现了细胞内部结构的分化，最主要的特征是以质膜为基础的既独立又相互联系的膜结构系统。这些结构及细胞器包括细胞质膜。核膜、内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体和叶绿体等。

生物膜体系（biomembrane system）的基本作用是为细胞提供保护。质膜将整个细胞的生命活动保护起来，并进行选择性的物质交换；核膜将遗传物质保护起来，使细胞核的活动更加有效；线粒体和叶绿体的膜将细胞的能量发生同其他的生化反应隔离开来，更好地进行能量转换。

生物膜体系为细胞提供较多的质膜表面，使细胞内部结构区室化。由于大多数酶定位在膜上，大多数生化反应也是在膜表面进行的，膜表面积的扩大和区室化使这些反应有了相应的隔离，效率更高。

另外，生物膜体系为细胞内的物质运输提供了特殊的运输通道，保证了各种功能蛋白及时准确地到位而又互不干扰。例如溶酶体的酶合成之后不仅立即被保护起来，而且一直处于监护之下被运送到溶酶体小泡。

2 genetic expression system

遗传信息表达体系（genetic expression system）又称为颗粒纤维结构体系，包括细胞核和核糖体。细胞核中的染色质是纤维结构，由DNA和组蛋白构成。染色体的一级结构是由核小体组成的串珠结构，其直径为10urn，又称为10纳米纤维。核糖体是由RNA和蛋白质构成的颗粒结构，直径为15一25urn，由大小两个亚基组成，它是细胞内合成蛋白质的场所。

3 cytoskeleto system

细胞的体积虽小，细胞内却是热闹非凡，各种生化反应瞬息万变，为了保证细胞生命活动的有序进行，细胞必需维持立体结构，这就需要依靠细胞骨架体系 （cytoskeleto system）。细胞骨架是由蛋白质与蛋白质搭建起的骨架网络结构，包括细胞质骨架和细胞核骨架。细胞骨架体系的主要作用是维持细胞的一定形态，使细胞得以安居乐业。细胞骨架对于细胞内物质运输和细胞器的移动来说又起交通动脉的作用；细胞骨架还将细胞内基质区域化；此外，细胞骨架还具有帮助细胞移动行走的功能。细胞骨架的主要成分是微管、微丝和中间纤维。 ----王p19。

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4.2 Eukaryotic cells VS Prokaryotic Cells 4.2.1 Their commonness

1.都具有类似的细胞质膜结构；

2.都以DNA作为遗传物质，并使用相同的遗传密码； 3.都以一分为二的方式进行细胞分裂；

4.具有相同的遗传信息转录和翻译机制，有类似的核糖体结构； 5.代谢机制相同（如糖酵解和TCA循环）；

6.具有相同的化学能贮能机制，如ATP合成酶（原核位于细胞质膜上，真核位于线粒体膜L）； 7.光合作用机制相同（蓝细菌与植物相比较）； 8.膜蛋白的合成和插入机制相同；

9.都是通过蛋白酶体（蛋白质降解结构）降解蛋白质（古细菌与真核细胞相比较）。 4.2.2 Their difference 区别 大小 细胞核 形状 染色体 数目 组成 DNA序列 基因表达 细胞分裂 内膜 鞭毛构成 1~10μm 无核膜 环状DNA分子 一个基因连锁群 DNA裸露或结合少量蛋白质 无或很少有重复序列 RNA和蛋白质在同一区间合成 二分或出芽 无独立的内膜 鞭毛蛋白 原核细胞 10~100μm 有双层的核膜 线性DNA分子 2个以上基因连锁群 DNA同组蛋白和非组蛋白结合 有重复序列 RNA在核中合成和加工；蛋白质在细胞质中合成 有丝分裂和减数分裂，少数出芽生殖。 有，分化成各种细胞器 微管蛋白 线粒体和叶绿体 80S（60S+40S） 吸收，光合作用，内吞 纤维素（植物细胞） 真核细胞 光合与呼吸酶分布 质膜 核糖体 营养方式 细胞壁 70S（50S+30S） 吸收，有的行光合作用 肽聚糖、蛋白质、脂多糖、脂蛋白 真核细胞与原核细胞最根本的区别可以归纳为两条：第一是细胞膜系统的分化与演变。真核细胞以膜系统的分化为基础，首先分化为两个独立的部分——核与质，细胞质内又以膜系统为基础分隔为结构更精细，功能更专一的单位——各种重要的细胞器。细胞内部结构与职能的分工是真核细胞区别于原核细胞的重要标志。第二是遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化。这与第一点相互密切联系，由于真核细胞结构与功能的复杂化，遗传信息量相应随之扩增，即编码结构蛋白质与功能蛋白质的基因数首先大大增多。遗传信息重复序列与染色体多信性的出现是真核细胞区别于原核细胞的另一重大标志。遗传信息的复制、转录与翻译的装置和程序也相应复杂化，真核细胞内遗传信息的转录与翻译有严格的阶段性与区域性，而在原核细胞内转录与翻译可同时进行，这也是两者区别的重要特征。

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4.3 Plant Cells VS Animal Cells

细胞器 细胞壁 叶绿体 液泡 溶酶体 圆球体 乙醛酸循环体 通讯连接方式 中心体 胞质分裂方式 动物细胞 无 无 无 有 无 无 间隙连接 有 收缩环 植物细胞 有 有 有 无 有 有 胞间连丝 无 细胞板 构成动物与植物机体的细胞均有基本相同的结构体系与功能体系。很多重要的细胞器与细胞结构，如细胞膜、核膜、染色质、核仁、线粒体、高尔基体、内质网与核糖体、微管与微丝等等，在不同细胞中不仅其形态结构与成分相同，功能也一样。近年在植物细胞内也发现了类似动物细胞的中等纤维与溶酶体的结构，植物细胞的圆球体与糊粉粒具有类似溶酶体的功能。

植物细胞却有一些特有的细胞结构与细胞器是动物细胞所没有的，如细胞壁、液泡与叶绿体吸其它质体。植物细胞在有丝分裂以后，普遍有一个体积增大与成熟的过程，这一点比动物细胞表现明显。在这一过程中，细胞的结构要经历一个发育的阶段，如细胞壁的初生壁与次生壁的形成，液泡的形成与增大，有色体的发育等。下面我们简单介绍一下植物细胞所特有的细胞器。

（1）细胞壁 细胞壁是在细胞分裂过程中形成的，先在分裂细胞之间形成胞间层，主要成分是果胶质，再在胞间层之间形成有弹性的初生壁（l～3μm），有些细胞还形成坚硬的次生壁（5～10μm），细胞壁的主要成分是纤维素，还有果胶质、半纤维素与木质素等。植物细胞壁产生了地球上最多的天然聚合物：木材、纸与布的纤维。细胞壁的某些部位有间隙，原生质可以由此沟通，形成胞间连丝。

（2）液泡 液泡是植物细胞的代谢库，起调节细胞内环境的作用。它是由脂蛋白膜包围的封闭系统，内部是水溶液，溶有盐、糖与色素等物质，溶液的浓度可以达到很高的程度。液泡是随着细胞的生长，由小液泡合并与增大而成为大液泡。液泡的另一功能可能具有压力渗透计（osmometer）的作用，使细胞保持膨胀的状态。

（3）叶绿体 叶绿体是植物细胞内最重要与最普遍的质体，它是进行光合作用的细胞器。叶绿体利用其叶绿素将光能转变为化学能，把CO2与水转变为糖。叶绿体是世界上成本最低，创造物质财富最多的“生物工厂”。

4.4 The sizes of Cells

胞的体积很小，通常需要借助显微镜才能看见。因此必须用微观的度量单位来测量细胞的大小。常用的细胞和生物大分子的度量单位有微米（μm）、纳米（nm）。人们用微米作为光学显微镜下观察细胞结构的测量单位；用纳米作为电子显微镜下观察细胞结构的测量单位；肉眼的分辨率为0.1毫米,观察对象为器官、系统。光

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学显微镜的分辨率在100―0.2微米,称微观,观察对象为组织、细胞。电子显微镜的分辨率在2100―1纳米，称亚微观，观察对象为细胞内部结构。高级电子显微镜和X射线衍射，分辨率小于1纳米，称超微观，观察对象为分子结构。1990年11月28日中国科学院化学研究所在世界上首次借助其扫描隧道显微镜，直接观察到辫子般的三链状脱氧核糖核酸新结构。这种原子级分辨率的精密仪器，是化学所等单位于1987年靠自力更生在我国首次研制成功的。由此获得国家科技进步二等奖。这一发现，不仅说明扫描隧道显微镜在研究生物物质方面具有极大的前途，而且在了解脱氧核糖核酸螺旋结构上找到了一个重大突破口，从而为生物信息、生命起源等问题的研究开辟了一条新途径。

细胞大小悬殊。大多数细胞的直径在10-100微米之间。一般而言，真核细胞大于原核细胞（原核细胞结构简单，没有由膜包围的细胞核，只有核区、细胞质、细胞膜和细胞壁），高等动物的卵细胞大于体细胞，最小的细胞是支原体，直径只有100纳米。最大的细胞是鸟类的卵细胞，鸡蛋的整个蛋黄就是一个卵细胞，直径约2-3厘米。驼鸟蛋是最大的鸟蛋，卵黄直径可达5-7厘米，可谓是最大的细胞了。人的卵细胞直径为120微米，肉眼勉强可见。

细胞的大小和细胞的机能是相适应的。神经细胞体直径一般不过100微米，但伸出的神经纤维却可达1米，这显然和神经的传导功能是一致的。鸟卵之所以大，是因为细胞中储藏大量营养物质之故。精子很小巧，适于游泳寻找卵子。

细胞的大小和多细胞生物个体的大小没有相关性，参天大树和幼小树苗，在细胞大小上并无差别。器官的大小与细胞数量成正比，多细胞生物个体的体积长大，是由于细胞数目的增多。

如果是受精的鸡蛋，产出的时候已经不是一个细胞，而是一个早期的胚胎（原肠期），具有很多细胞，处于休眠期，条件适宜时，又开始胚胎发育。如果没有受精的话，卵黄部分就相当于一个卵母细胞。

4.4.1 lower limit

一个细胞生存与增殖必须具备的结构装置与机能是：细胞膜、遗传信息载体DNA与RNA、进行蛋白质合成的一定数量的核糖体以及催化主要酶促反应所需要的酶，这些在支原体细胞内已基本具备。从保证一个细胞生命活动运转所必须的条件看，有人估计完成细胞功能至少需要 100种酶，这些分子进行酶促反应所必须占有的空间直径约为 50um，加上核糖体（每个核糖体直径约10～20um），细胞膜与核酸等，我们可以推算出来，一个细胞体积的最小极限直径不可能小于100um，而现在发现的最小支原体细胞的直径已接近这个极限。因此，作为比支原体更小更简单的细胞，又要维持细胞生命活动的基本要求，似乎是不可能存在的，所以说支原体是最小最简单的细胞。

4.4.2 upper limit

细胞最为典型的特点是在一个极小的体积中形成极为复杂而又高度组织化的结构。典型的原核细胞的直径平均大小在1－10pm之间，而真核细胞的直径平均为3一30pm，一般为10一20pm。

某些不同来源的同类细胞的大小变化很大，如人的卵细胞的直径只有0．lmm，而鸵鸟的卵细胞的直径则有0．scm。但是，来自不同物种的多数同类型细胞的体积一般是相近的，不依生物个体的大小而增大或缩小。如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同。因此，器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关。

细胞本身的大小并非是随意改变的，细胞体积要维持相对恒定。哺乳动物细胞的体积大小受几个因素的限制，其中一个主要限制因素是体积与表面积的关系。以球形细胞为例（身体内的细胞并非都是球形）计算体积与表面积的关系，结果表明，球形细胞增大，其体积的增加要比表面积的增加大得多。这样，当细胞增大到一

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定程度时，质膜的表面积就的表声积，从而限制了体积的无限增大。

另一个限制细胞体积的因素是细胞内关键分子的浓度。一些重要的分子在细胞球形细胞内的拷贝数是很少的，当细胞体积增大时，这些分子的浓度就越来越稀，一些重要的生化反应需要一定的分子浓度才能进行，所以细胞内分子浓度就成了限制细胞体积无限增大的另一个因素。真核细胞的体积一般是原核细胞的1000倍，真核细胞为了解决细胞内重要分子的浓度问题，出现了特化的内膜系统，使一些反应局限于特定的膜结合的细胞器内，这样，一些重要反应的分子浓度并没有被稀释。

细胞不仅对其体积的增大有限制，而细胞体积与表面积间的关系且对体积减小也有限制。据研究，一个生活细胞要维持正常的独立生活功能，最低限度需要500～1000种不同类型的酶和蛋白质，这是目前在支原体（mycoplasma）中所发现的酶和蛋白质的量。而支原体是目前所知最小的原核细胞，它的体积只有，仍能完全独立地生存。很显然，细胞体积的最小化受制于维持细胞生命活动所需的酶和蛋白质种类的最低量。 －－－－王p6

器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关，这种关系有人称之为“细胞体积的守恒定律”。

细胞最大体积的极限与什么因素有关？细胞的体积受什么因素控制？我们认为有3个方面应该指出来： 1．细胞的相对表面积与体积的关系： 2．细胞的核与质之间有一定的比例关系 3．细胞内物质的交流与细胞体积的关系：

由于上述种种因素的影响，细胞作为生命活动的基本单位，其体积必然要适应其代谢活动的要求，应有一定的限度，因此数百微米直径的细胞应被认为是上限了。

4.5 The relationship between cells’ form and its function

由于结构、功能和所处的环境不同，各类细胞形态千差万别，有圆形、椭圆形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形，甚至不定形。

原核细胞的形状常与细胞外沉积物（如细胞壁）有关，如细菌细胞呈棒形，球形，弧形、螺旋形等不同形状。单细胞的动物或植物形状更复杂一些，如草履虫像鞋底状，眼虫呈梭形且带有长鞭毛，钟形虫呈袋状。

生物的细胞形状与细胞功能和细胞间的相互关系有关。如动物体内具有收缩功能的肌肉细胞呈长条形或长梭形；红细胞为圆盘状，有利于O2和CO2的气体交换。植物叶表皮的保卫细胞成半月形，2个细胞围成一个气孔，以利于呼吸和蒸腾。细胞离开了有机体分散存在时，形状往往发生变化，如平滑肌细胞在体内成梭形，而在离体培养时则可成多角形。

Chapter Ⅲ Techniques in Cell Biology

一、教学目的和要求：

通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细细胞形态结构的观察方法；细胞组分的分析方法；细胞培养与细胞工程技术；分子生物学方法。

向学生介绍细胞生物学的技术史和思想史，使之认识工具和方法与学科发展的相关性。 使学生了解本学科基本的研究方法。 二、教材分析：

概述：本章细胞生物学研究方法和技术在传统教学中属“次要”内容，所以教材深度不大，内容单薄，图表有待丰富。随着细胞生物学的发展，其研究方法和基本技术原理越来越为人们重视，在考研试题中也频繁出

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现。

教学重点：仪器方法的基本原理和基本应用。 教学难点：电镜制样及分子生物学方法。 三、教学设想：

教材处理：针对其薄弱的环节增加相应内容，如对各仪器、实验方法的原理；在CAI课件中加入大量的照片、示意图以助学生学习。

教学方法：主要采用讲授法和讨论法。 教具：CAI课件

四、教学内容：（4学时）

1 Light Microscope & Electron Microscope

1.1 Light Microscope （一） 普通光学显微镜

1. 构成：普通生物显微镜由3部分构成，即：①照明系统，包括光源和聚光器；②光学放大系统，由物镜和目镜组成，是显微镜的主体，为了消除球差和色差，目镜和物镜都由复杂的透镜组构成；③机械装置，用于固定材料和观察方便。

比较高级的显微镜上都设有倾斜式的双目镜筒。在物镜转换器上方装有四个棱镜，使经过物镜的光线平分为两路到达目镜，故双筒显微镜（ binocular microscope）的亮度要比单筒者为暗。双筒显微镜的优点为同时用两眼观察，有较强的立体感。

2. 原理：经物镜形成倒立实像，经目镜进一步放大成像

3. 分辨率 Resolution：区分两质点间最小距离的能力。显微镜物象是否清楚不仅决定于放大倍数，还与显微镜的分辨力（resolution）有关，分辨力是指显微镜（或人的眼睛距目标25cm处）能分辨物体最小间隔的能力，分辨力的大小决定于光的波长和镜口率以及介质的折射率，用公式表示为：

R=0.61λ /N．A． N．A．＝ｎsinα/2

式中：n=介质折射率；α=镜口角（标本对物镜镜口的张角），N.A.=镜口率（numeric aperture）。镜口角总是要小于180?，所以sina/2的最大值必然小于1。

讨论：Magnification versus Resolution分辨极限与放大率

一般地说，一定波长的射线不能用以探查比它本身波长短得多的结构细节，这是一切显微镜的一个基本限度。因此，光学显微镜的最高分辨极限（limit resolution）受可见光的波长（0.4－0.7μm）的限制。细菌和线粒体约0.5μm大小，是光学显微镜能够清晰可见的最小物体；比这更小的细节，由于光的衍射效应而不能分辨。通常将光镜下所见物体的结构称为显微结构（microscopic structure），如线粒体、中心体、核仁等可以在光镜下观察，均属于显微结构。

光并非是完全直线前进的，光波以各种稍微不同的路程通过一个光学系统，以致互相干涉产生光衍射效应。例如，用同一波长的光照射一条直边，其放大影像是一组平行线，如照射一个小圆孔，其放大影像是一组同心圆的线。同样原理，通过显微镜观察一个点，就像一个模糊的圆盘，相邻两点的像则重叠而分辨木开。对可见光来说，能清楚地分辨出相邻两点之间的最小间隔是0.2μm，称之为分辨极限。无论怎样改善透镜，也不可能克服光波本身所造成的这种限制，尽管可以将图像放大，例如投影到屏幕上，但也不可能在光镜下看清楚比0.2μm更细微的物体。

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最终成像的大小与原物体大小的比值称为放大率（magnification）。总放大率二物镜放大率X目镜放大率，放大率同样受分辨极限的限制。一般来说，光学显微镜的最大放大率只能是透镜的数值孔径的1000倍。由于透镜的数值孔径的范围是1.0～1.4，所以光学显微镜在用空气作介质时最大放大倍数为1000倍，用油镜则为1400倍。

讨论：显微镜的分辨率能否无限提高？如何提高光学显微镜的分辨能力？

分辨率表示的是能够区别两个点间最近距离的能力，所以广值越小，分辨率越高。从分辨率的表达式来看，NA越大，分辨率越高，或者波长越短，分辨率越高。

当以可见光作光源，玻璃透镜的最大分辨率是多少呢？应从以下几个方面来考虑这一问题。首先应如何尽可能地缩短波长。可见光的波长范围是400～700urn，而可见光中的蓝色光的波长最短，为450urn，所以光镜使用时应滤去其他杂色光。第二是使NA的数值尽可能大，因为最好的玻璃透镜的镜口角是70o，所以sina的最大值为0．94，空气的折光率（n）为1，因此玻璃透镜的最大数值孔径为0．94。这样，我们可以计算光镜的最大分辨率了：假定用最好的玻璃透镜，角孔径为70”，用最短的可见光——蓝色光的波长为450urn，用空气作为光的折射介质，则最大分辨率为 r＝ 0．61×λ／NA＝ 0．61× 450／0．94＝ 292urn。0．3μm 。

光镜中的油镜可用油作为光折射的介质，由于油的折光率为1．5，所以用油镜时，分辨率 r＝ 0．61λ／NA＝0．61× 450／1＝5 × 0．94＝ 196μrn＝0.2μm。

在光学显微镜中，用紫外光作光源可使分辨率提高到0．lpm。紫外光的波长较短，约为200～300urn。但是，紫外光是肉眼不可见的，必须通过照相。另外，用紫外光源时需用石英透镜，价格较高。 －－－－王p33

（二）、荧光显微镜Fluorescence microscope 特点：

? 照明方式通常为落射式，即光源通过物镜投射于样品上 ； ?光源为紫外光，波长较短，分辨力高于普通显微镜；

?有两个特殊的滤光片，光源前的用以滤除可见光，目镜和物镜之间的用于滤除紫外线，用以保护人目。 细胞中有些物质，如叶绿素等，受紫外线照射后可发荧光；另有一些物质本身虽不能发荧光，但如果用荧光染料或荧光抗体染色后，经紫外线照射亦可发荧光，荧光显微镜可对这类物质进行定性和定量研究。

用途：用于观察能激发出荧光的结构：免疫荧光观察、基因定位、疾病诊断。 （三）、激光共聚焦扫描显微境Laser confocal scanning microscope, LCSM

激光共聚焦扫描显微镜（laser confocal scanning microscope，）用激光作扫描光源，逐点、逐行、逐面快速扫描成像，扫描的激光与荧光收集共用一个物镜，物镜的焦点即扫描激光的聚焦点，也是瞬时成像的物点。由于激光束的波长较短，光束很细，所以共焦激光扫描显微镜有较高的分辨力，大约是普通光学显微镜的3倍。系统经一次调焦，扫描限制在样品的一个平面内，调焦深度不一样时，就可以获得样品不同深度层次的图像，这些图像信息都储于计算机内，通过计算机重新组合，就能显示细胞样品的立体结构，给出细胞内各部分之间的定量关系及各种结构线度。

激光共聚焦扫描显微镜既可以用于观察细胞形态，也可以用于细胞内生化成分的定量分析、光密度统计以及细胞形态的定量。－－－绍兴

（四）、暗视野显微镜Dark field microscope

? 聚光镜中央有挡光片，照明光线不直接进人物镜，只允许被标本反射和衍射的光线进入物镜，因而视野

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的背景是黑的，物体的边缘是亮的。

? 可观察4~200nm的微粒子，分辨率比普通显微镜高50倍。

在日常生活中，当人的眼睛处于暗处观察光线斜射到的尘埃，由于光的反射和衍射，使尘埃颗粒似乎增大体积而可辨别。但当光线很强或有衍射存在的情况下则看不出尘埃的颗粒。根据此原理使光木直接通过样品而是斜射到样品上，即可在暗视野下观察细微粒子。

暗视野显微镜（dark field microscope）使用了一种特殊的照明方法，使光线不能直接进入物镜和目镜，这样，在观察样品时就不能直接看到照明光线，而只能观察被检物体所反射或衍射的光线，因而使被检物体在黑暗的视野中呈现明亮的像。这种照明方式，使反差增大，分辨率提高，用以观察未经染色的活体或胶体粒子。

暗视野显微镜主要观察的是物体的轮廓，分辨不清内部的微细构造，适合于观察活细胞内的细胞核、线粒体、液体介质中的细菌和霉菌等。 ----------------王p36 （五）、相差显微镜 Phase-contrast microscope，PCM

把透过标本的可见光的光程差变成振幅差，从而提高了各种结构间的对比度，使各种结构变得清晰可见。 在构造上，相差显微镜有不同于普通光学显微镜两个特殊之处。 1. 环形光阑（annular diaphragm）:位于光源与聚光器之间。

2. 相位板（annular phaseplate）:物镜中加了涂有氟化镁的相位板，可将直射光或衍射光的相位推迟1/4λ。

相差显微镜（phase contrast microscop）是荷兰科学家 Zermike于 1935年发明的，用于观察未染色样品。相差显微镜的优点是能观察无色、透明、活细胞中的结构。它是利用光的衍射和干涉特性使相位差变成振幅差，表现为明与暗的对比，使肉眼得以观察到无色透明物体中的细节。

相差显微镜在结构上进行了特别设计，尤其是光学系统有很大的不同。

小的、未经染色的样品（如活细胞）是难以用普通光学显微镜进行观察的，而相差显微镜使得高通透性的物体变得可见。在普通光学显微镜中，我们之所以能够区别一个物体的不同部分，是因为它们对光产生不同的影响，影响的根本原因就是光的衍射。细胞器是由各种不同的分子，如 DNA、 RNA。蛋白质、脂、糖类、盐和水构成的，不同成分的不同部分很可能有不同的光衍射系数。在正常情况下，不同衍射系数的差异不能被我们的肉眼所区别，但是相差显微镜能够将这种衍射差异转变成明与暗的差异，这样就可以用肉眼区分了。这种转变要依靠光波的相互作用的能力即干涉（interference）。

相差显微镜具有两个其他显微镜所不具有的功能：①将直射的光（视野中背景光）与经物体衍射的光分开；②能将大约一半的波长从相位中除去，使之不能发生相互作用，从而引起强度的变化。假定将某一物体悬浮在相同的介质中，也就是说它们的各个部分的衍射系数完全相同，此时到达物体上的所有光都有一半被改变了相位，相互之间的干涉是一致的，强度的减少也是一致的。

为了更好地理解相差显微镜的工作原理，首先必须明白一束光是由许多单个的射线组成的。当来自于光源的射线通过样品时，它们各自的速度将会受到样品的物理性质的影响。尤其是射线衍射时，它们到达样品上的相位就会发生某种程度的改变，结果是由于相位的改变，使那些已经通过了样品的射线同那些本来就没有通过样品的射线一起离开了相位。

所谓相位是光波在前进时，电振动呈现的交替的波形变化。由于光是电磁波，其电振动与磁振动垂直，又与波的传播方向垂直，导致了传播时波形的变化。同一种光波通过折射率不同的物质时，光的相位就会发生变化，波长和振幅也会发生变化。所谓相差是指两束光波在某一位置时，由于波峰和波谷不一致，即存在着相位

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上的差异，叫相差。同一种光通过细胞时，由于细胞不同部分的折射率木同，通过细胞的光线比末通过细胞的光线相位落后，而通过细胞核的光线比通过细胞其他部位的相位落后，这就是相位差。

另外，光通过物体后形成两束光，一束直行，称为直射光，另一束斜行或绕行称为衍射光，衍射光相位落后，振幅小。两束光继续前进，当直射光和衍射光相遇时又产生干涉，此时如两者相位相同则两束光的合光振幅加大，若两者相位相反，则两束光的合光振幅减小。合光振幅大意味着物体变亮，合光振幅小则物体变暗，结果是物体在显微镜下呈现明暗对比，因而能藉以辨认无色透明物体内的细微结构。

（六）、微分干涉差显微镜Differential interference contrast microscope （DIC）

1952年，Nomarski在相差显微镜原理的基础上发明了微分干涉差显微镜（differential interference contrast（DIC） microscope）。DIC显微镜又称Nomarski相差显微镜（Nomarki contrast microscope），其优点是能显示结构的三维立体投影影像。与相差显微镜相比，其标本可略厚一点，折射率差别更大，故影像的立体感更强。

DIC显微镜的物理原理完全不同于相差显微镜，技术设计要复杂得多。首先DIC利用的是偏振光，有四个特殊的光学组件：偏振器（polarizer）、DIC棱镜、DIC滑行器和检偏器（analyzer）。偏振器直接装在聚光系统的前面，使光线发生线性偏振。在聚光器中则安装了石英Wollaston棱镜，即DIC棱镜，此棱镜可将一束光分解成偏振方向不同的两束光（x和y），二者成一小夹角。聚光器将两束光调整成与显微镜光轴平行的方向。最初两束光相位一致，在穿过标本相邻的区域后，由于标本的厚度和折射率不同，引起了两束光发生了光程差。在物镜的后焦面处安装了第二个Wollaston棱镜，即DIC滑行器，它把两束光波合并成一束。这时两束光的偏振面（x和y）仍然存在。最后光束穿过第二个偏振装置，即检偏器。在光束形成目镜DIC影像之前，检偏器与偏光器的方向成直角。检偏器将两束垂直的光波组合成具有相同偏振面的两束光，从而使二者发生干涉。x和y波的光程差决定着透光的多少。光程差值为0时，没有光穿过检偏器；光程差值等于波长一半时，穿过的光达到最大值。于是在灰色的背景上，标本结构呈现出亮暗差。为了使影像的反差达到最佳状态，可通过调节DIC滑行器的纵行微调来改变光程差，光程差可改变影像的亮度。调节DIC滑行器可使标本的细微结构呈现出正或负的投影形象，通常是一侧亮，而另一侧暗，这便造成了标本的人为三维立体感，类似大理石上的浮雕。－－－－绍兴

（七）、倒置显微镜Inverse microscope

物镜与照明系统颠倒，前者在载物台之下，后者在载物台之上，用于观察培养的活细胞，通常具有相差物镜，有的还具有荧光装置。

当代显微镜的发展趋势：采用组合方式，集普通光镜加相差、荧光、暗视野、DIC、摄影装置于一体；自动化与电子化。

1.2 Electron Microscope

1.2.1Transmission electron microscope, TEM 1、基本原理

光显的分辨率主要是受照明光线的波长限制，在可见光源下无法分辨小干0.2μm的细微结构，即使改用紫外光源，也只能是0.1μm。提高分辨率的最好办法就是缩短照明光源的波长，这导致了电子显微镜（electron microscope）的发明。光源与分辨率的关系同样适于电子束，由于电子束的波长比光的波长短100 000倍，因而用电子束代替光波，可大大提高显微镜的分辨率。1932年德国学者Knolls和Ruska发明了第一台电子显微镜，开拓了超微世界．发现了许多光镜下看不到的结 构．如细胞膜、线粒体、细胞核、高尔基体、中心粒等

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细胞器的细微结构。将在光学显微镜中观察不到而只能在电子显微镜下观察的结构称为亚显微结构(submicroscopic structure)．或超微结构。电子显微镜与光学显微镜在总体结构的设计上有很大的差别）。在种类上，电镜可分为两大类：透射电子显微镜和扫描电子显微镜。还有在这两类电子显微镜的基础上发展起来的具有特别功能的电子显微镜，如透光学员微镜电子显微镜射扫描电子显微镜、免疫电子显微镜、高压电子显微镜等。 －－－－－－－－王p39

在光学显微镜下无法看清小于0.2μm的细微结构，这些结构称为亚显微结构（submicroscopic structures）或超微结构（ultramicroscopic structures；ultrastructures）。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM），目前TEM的分辨力可达0.2nm。

电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子束作光源，用电磁场作透镜。另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度仅有50nm的超薄切片。这种切片需要用超薄切片机（ultramicrotome）制作。电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍、由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成。－－－绍兴

（1） 透射电子显微镜与光学显微镜的基本区别

显微 分辨本领 200nm LM 100nm 紫外光（约200nm） 玻璃透镜 不要求真空 真空 TEM 0.1nm 电子束（0.01-0.9） 电磁透镜 1.33x10-5光源 透镜 真空 不要求真空 成像原理 利用样品对光的吸收形成明暗反差和颜色变化 利用样品对电子的散射和透射形～成明暗反差 可见光（400-700） 玻璃透镜 1.33x10P -3 23

（2）TEM特点：

?以电子束作光源，电磁场作透镜。电子束的波长短，并且波长与加速电压(通常50~120KV)的平方根成反比。

? 由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成。 ? 分辨率0.2nm，放大倍数可达百万倍。

? 用于观察超微结构（ultrastructure），即小于0.2μm、光学显微镜下无法看清的结构， 又称亚显微结构（submicroscopic structures）。 2制样技术

1）超薄切片技术：Ultrathin section

? 电子束穿透力很弱，用于电镜观察的标本须制成厚度仅50nm的超薄切片，用超薄切片机(ultramicrotome)制作。

? 通常以锇酸和戊二醛固定样品，丙酮逐级脱水，环氧树脂包埋，以热膨胀或螺旋推进的方式切片，重金属(铀、铅)盐染色。

2）负染色技术：Negative staining

?用重金属盐（如磷钨酸钠）对铺展在载网上的样品进行染色，使整个载网都铺上一层重金属盐，而有凸出颗粒的地方则没有染料沉积。由于电子密度高的重金属盐包埋了样品中低电子密度的背景，增强了背景散射电子的能力以提高反差。这样，在图像中背景是黑暗的，而未被包理的样品颗粒则透明光亮，从而出现负染效果，分辨率可达1.5nm左右。

3）冷冻断裂复型技术和冷冻蚀刻：Freeze-fracture replication,Freeze etching

是专门观察样品外表面的投影复型术。冷冻断裂复型（ freeze－fracture replication）技术是先将生物样品在液氮中（－196℃）进行快速冷冻，防止形成冰晶。然后将冷冻的样品迅速转移到冷冻装置中，并迅速抽成真空。在真空条件下，用冰刀横切冷冻样品，使样品的内层被分开露出两个表面。如用冰刀切开细胞膜时，分开的两个面分别称为 P面（protoplasmic face）和 E面（exoplasmic face）， P面是靠近细胞质一面的半层膜，而E面则是靠近细胞外基质一I面的半层膜，可清楚地观察到镶嵌蛋白。

冷冻蚀刻（freeze－etching）技术是在冷冻断裂技术的基础上发展起来的更复杂的复型技术。如果将冷冻断裂的样品的温度稍微升高，让样品中的冰在真空中升华，而在表面上浮雕出细胞膜的超微结构。当大量的冰升华之后，对浮雕表面进行铂一碳复型，并在腐蚀性溶液中除去生物材料，复型经重蒸水多次清洗后，捞在载网上作电镜观察

1.2.2 扫描电子显微镜Scanning electron microscope, CEM

?20世纪60年代问世，用来观察标本表面结构。

? 分辨力为6~10nm，由于人眼的分辨力（区别荧光屏上距离最近两个光点的能力）为0.2mm，扫描电镜的有效放大倍率为0.2mm/10nm=20000X。

工作原理：是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与样品表面结构有关，次级电子由探测器收集，信号经放大用来调制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。

? 为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，要喷涂上一层重金属膜，重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号。

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1.2.3扫描隧道显微镜Scanning tunneling microscope，STM

扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope， STM）由 IBM公司瑞士苏黎世研究所的两位学者Binning和Rohrer等在1981年发明的具有原子显像力的显微镜，是根据量子力学中的隧道效应原理而制成的。这种显微镜对生物学、物理学、化学等学科均有推动作用，可用于研究表面的原子结构和电子结构，故于1986年获得了诺贝尔物理学奖。 -----王

扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM） 由Binnig等1981年发明，是根据量子力学原理中的隧道效应而设计制造的。当原子尺度的针尖在不到一个纳米的高度上扫描样品时，此处电子云重叠，外加一电压（2mV~2V），针尖与样品之间产生隧道效应而有电子逸出，形成隧道电流。电流强度和针尖与样品间的距离有一指数关系，当探针沿物质表面按给定高度扫描时，因样品表面原子凹凸不平，使探针与物质表面间的距离不断发生改变，从而引起电流不断发生改变。将电流的这种改变图像化即可显示出原子水平的凹凸形态。扫描隧道显微镜的分辨率很高，横向为0.1~0.2nm，纵向可达0.001nm。它的优点是三态（固态、液态和气态）物质均可进行观察，而普通电镜只能观察制作好的固体标本。

利用扫描隧道显微镜直接观察生物大分子，如DNA、RNA和蛋白质等分子的原子布阵，和某些生物结构，如生物膜、细胞壁等的原子排列。－－－－－绍兴

(Scanning Tunnelling Microscopy)是利用电子穿隧效应而发展出来的。如果两电极(一极为金属探针（一般为钨针），另一极为导电样品)相距很近，并在其间加上微小电压，则探针所在的位置便有穿隧电流产生。

利用探针与样品表面的间距和穿隧电流有十分灵敏的关系，当探针以设定的高度扫描样品表面时，由于表面的高低变化，导致探针和样品表面的间距时大时小，穿隧电流值也随之改变。藉探针在样品表面上来回扫描，并记录在每一位置点上的穿遂电流值，便可得知样品表面原子排列的情形。因此，扫描穿隧显微镜是研究导电样品表面原子性质的有利工具。 ?特点：

a．高分辨率。

b．扫描隧道显微镜可直接探测样品的表面结构，可绘出立体三维结构图像。 c．扫描隧道显微镜可在真空、常压、空气，甚至溶液中探测物质的结构。

d．扫描隧道显微镜的扫描速度快，获取数据的时间短，成像也快，有可能开展生命过程的动力学研究。 e.不需任何透镜，体积小，携带方便。 2 Analysis of Cellular Component 2.1 Centrifugation

离心是研究如细胞核、线粒体、高尔基体、溶酶体和微体，以及各种大分子基本手段。一般认为，转速为10~25Kr/min的离心机称为高速离心机；转速超过25Kr/min，离心力大于89Kｇ者称为超速离心机。目前超速离心机的最高转速可达100Kr/min，离心力超过500Kg。

（一）、差速离心（differential centrifugation）

在密度均一的介质中由低速到高速逐级离心，用于分离不同大小的细胞和细胞器）。

在差速离心中细胞器沉降的顺序依次为：核、线粒体、溶酶体与过氧化物酶体、内质网与高基体、最后为核蛋白体。

由于各种细胞器在大小和密度上相互重叠，而且某些慢沉降颗粒常常被快沉降颗粒裹到沉淀块中，一般重

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复2～3次效果会好一些。

差速离心只用于分离大小悬殊的细胞，更多用于分离细胞器。通过差速离心可将细胞器初步分离，常需进一步通过密度梯离心再行分离纯化。

（二）、密度梯度离心（density gradient centrifugation）

用一定的介质在离心管内形成一连续或不连续的密度梯度，将细胞混悬液或匀浆置于介质的顶部，通过重力或离心力场的作用使细胞分层、分离。这类分离又可分为速度沉降和等密度沉降平衡两种。密度梯度离心常用的介质为氯化铯，蔗糖和多聚蔗糖。分离活细胞的介质要求：1）能产生密度梯度，且密度高时，粘度不高；2）PH中性或易调为中性；3）浓度大时渗透压不大；4）对细胞无毒。

1、速度沉降

速度沉降（velocity sedimentation）主要用于分离密度相近而大小不等的细胞或细胞器。这种降方法所采用的介质密度较低，介质的最大密度应小于被分离生物颗粒的最小密度。

生物颗粒（细胞或细器）在十分平缓的密度梯度介质中按各自的沉降系数以不同的速度沉降而达到分离。 2、等密度沉降

等密度沉降（isopycnic sedimentation）适用于分离密度不等的颗粒。

细胞或细胞器在连续梯度的介质中经足够大离心力和是够长时间则沉降或漂浮到与自身密度相等的介质处，并停留在那里达到平衡，从而将不同密度的细胞或细胞器分离。

等密度沉降通常在较高密度的介质中进行。介质的最高密度应大于被分离组分的最大密度，而且介质的梯度要求较高的陡度，不能太平缓。再者，这种方法所需要的力场通常比速率沉降法大10~100倍，故往往需要高速或超速离心，离心时间也较长。大的离心力、长的离心时间都对细胞不利。大细胞比小细胞更易受高离心力的损伤，而且停留在等密度介质中的细胞比处在移动中的细胞受到更大的损伤。因此，这种方法适于分离细胞器，而不太适于分离和纯化细胞。 2.2 显示方法

1.金属沉淀法：利用金属化合物在反应过程中生成有色沉淀，借以辨认所检查的物质或酶活性。如磷酸酶分解磷酸酯底物后，反应产物最终生成CoS或PbS有色沉淀，而显示出酶活性。

2. 偶氮偶联法：酚类化合物与偶氮染料结合后可以形成耐晒染料。

3. Schiff反应：细胞中的醛基可使Schiff试剂中的无色品红变为红色。这种反应通常用于显示糖和脱氧核糖核酸（Feulgen反应）。

4. 联苯胺反应：过氧化物酶分解H202。产生新生氧，后者再将无色的联苯胺氧化成联苯胺蓝，进而变成棕色化合物。

5. 普鲁士蓝反应：三价铁与酸性亚铁氰化钾作用，形成普鲁士蓝。 6. Formazane反应：显示脱氢酶。 7. “Nadi”反应：显示细胞色素氧化酶。

8. 脂溶染色法：借苏丹染料溶于脂类而使脂类显色。 9. 茚三酮反应：显示蛋白质。 2.3 Immunocyto chemistry

? 根据免疫学原理，利用抗体同特定抗原专一结合，对抗原进行定位测定的技术。常用的标记物有荧光素和酶。

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? 免疫荧光法（immunofluorescent technique）：常用的萤光素有异硫氰酸荧光素、罗丹明等。 ? 酶标免疫法（enzyme-labeled antibody method）：用酶代替荧光素代替荧光素与抗体耦联。常用的酶有辣根过氧化物酶，酶与底物发生反应后形成不透明的沉积物，从而显示出抗原存在的部位。

疫细胞化学（immunocyto chemistry）是根据免疫学原理，利用抗体同特定抗原专一结合，对抗原进行定位测定的技术。抗原主要为大分子或与大分子相结合的小分子；抗体则是由浆细胞针对特定的抗原分泌的γ球蛋白。如果将抗体结合上标记物，再与组织中的抗原发生反应，即可在光镜或电镜下显示出该抗原存在于组织中的部位。

常用的标记物有荧光素和酶。荧光素标记的称为免疫荧光法（immunofluorescent technique）常用的萤光素有异硫氰酸荧光素（fluorescein isothiocyanate）、罗丹明（rhodamine）等。酶标记的称为酶标免疫法（enzyme-labeled antibody method），常用的酶有辣根过氧化物酶（horseradish peroxidase），酶与底物发生反应后形成不透明的沉积物，从而显示出抗原存在的部位。

抗体与抗原的结合方法可分为直接法和间接法两种，直接法是将带有标记的抗体与抗原反应，显示出抗原存在的部位。而间接法则是在抗体抗原初级反应的基础上，再用带标记的次级抗体同初级抗体反应，从而使初级反应得到放大，显示增强。 2.4 Molecular hybridization

分子杂交技术（molecular hybridization）是在研究DNA分子复性变化基础上发展起来的一种技术。其原理是，具有互补核苷酸序列的两条单链核苷酸分子片段，在适当条件下，通过氢键结合，形成DNA-DNA，DNA-RNA或RNA-RNA杂交的双链分子。这种技术可用来测定单链分子核苷酸序列间是否具有互补关系。 （一）、原位杂交（in situ hybridization）。

用来检测染色体上的特殊DNA序列。最初是使用带放射性的DNA探针，通过放射自显影来显示位置。后来又发明了免疫探针法，将探针核苷酸的侧链加以改造，探针杂交后，其侧链可被带有荧光标记的抗体所识别，从而显示出位置。 （二）、Southern杂交

是体外分析特异DNA序列的方法，操作时先用限制性内切酶将核DNA或线粒体DNA切成DNA片段，经凝胶电泳分离后，转移到醋酸纤维薄膜上，再用标记的探针杂交，通过放射自显影，即可辨认出与探针互补的特殊核苷序列。

将RNA转移到薄膜上，用探针杂交，则称为Northern杂交，RNA印迹术；蛋白质印迹术（Western blotting）；Eastern blotting（Western blotting的变形） 当用凝胶进行抗原抗体反应，再进行印迹的方法）。 2.5 Radioautography/autoradiography

放射自显影术（radioautography；autoradiography）用于研究标记化合物在机体、组织和细胞中的分布、定位、排出以及合成、更新、作用机理、作用部位等等。

原理：将放射性同位素（如14C和3H）标记的化合物导入生物体内，经过一段时间后，将标本制成切片或涂片，涂上卤化银乳胶，经一定时间的放射性曝光，组织中的放射性即可使乳胶感光。

实验室一般常选用14C和3H标记。一般常用3H胸腺嘧啶脱氧核苷（3H-TDR）来显示DNA，用3H尿嘧啶核苷（3H-UDR）显示RNA；用3H氨基酸研究蛋白质，研究多糖则用3H甘露糖、3H岩藻糖等。 2.6 Flow cytometer

用途：对单个细胞进行快速定量分析与分选的一门技术。

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原理：包在鞘液中的细胞通过高频振荡控制的喷嘴，形成包含单个细胞的液滴，在激光束的照射下，这些细胞发出散射光和荧光，经探测器检测，转换为电信号，送入计算机处理，输出统计结果，并可根据这些性质分选出高纯度的细胞亚群，分离纯度可达99%。包被细胞的液流称为鞘液，所用仪器称为流式细胞计（flow cytometer）。

Addition:细胞电泳

各种细胞或处于不同生理状态的同种细胞荷电量有所不同，故在一定的电场中的泳动速度不同。在恒定的电场条件下，同种细胞的电泳速度相当稳定，因而可通过测定电泳速度来推算出细胞的ξ电位。ξ电位常因细胞生理状态和病理状态而异，因此在诊断疾病上有一定价值。此外由于不同类型的细胞在电场中的泳动速度不同，细胞电泳尚可用来分离不同种类的细胞，例如可把淋巴样细胞与造血细胞分开。

3 Cell Culture & Cell Engineering

3.1 Cell culture

细胞培养技术（cell culture）就是在体外模拟体内的生理环境，培养从机体中取出的细胞，并使之生长和生存的技术。

高等生物是由多细胞构成的整体，在整体条件下要研究单个细胞或某一群细胞在体内（in vivo）的功能活动是十分困难的。但是如果把活细胞拿到体外（in vitro）培养进行观察和研究，则要方便得多。活细胞离体后要在一定的生理条件下才能存活和进行生理活动，特别是高等动植物细胞要求的生存条件极其严格，稍有不适就要死亡。所以细胞培养技术（cell culture）就是选用最佳生存条件对活细胞进行培养和研究的技术。

动物细胞的生存环境与植物细胞差别很大，因而二者的培养方法很不相同。 （一）动物细胞培养

细胞培养方式大致可分为两种：一种是群体培养（mass culture），将含有一定数量细胞的悬液置于培养瓶中，让细胞贴壁生长，汇合（confluence）后形成均匀的单细胞层；另一种是克隆培养（clonal culture），将高度稀释的游离细胞悬液加入培养瓶中，各个细胞贴壁后，彼此距离较远，经过生长增殖每一个细胞形成一个细胞集落，称为克隆（clone）。一个细胞克隆中的所有细胞均来源于同一个祖先细胞。此外，为了制取细胞产品而设计了转鼓培养法，使用大容量的圆培养瓶，在培养过程中不断地转动，使培养的细胞始终处于悬浮状态之中而不贴壁。

正常细胞培养的世代数有限，只有癌细胞和发生转化的细胞才能无限生长下去。所谓转化即是指正常细胞在某种因子的作用下发生突变而具有癌性的细胞。目前世界上许多实验室所广泛传用的HeLa细胞系就是1951年从一位名叫Henrietta Lacks的妇女身上取下的宫颈癌细胞培养而成。此细胞系一直延用至今。

1．原代培养 （primary culture）：从动物机体取出的进行培养的细胞群。原代培养的细胞生长比较缓慢，而且繁殖一定的代数后（一般10代以内）停止生长，需要从更换培养基。将细胞从一个培养瓶转移到另外一个培养瓶即称为传代或传代培养（Passage）。

2．细胞株（cell strain）：从原代培养细胞群中筛选出的具有特定性质或标志的细胞群，能够繁殖50代左右，在培养过程中其特征始终保持。

3． 细胞系（cell line）：从肿瘤组织培养建立的细胞群或培养过程中发生突变或转化的细胞，在培养条件下可无限繁殖

4．克隆（clone）：亦称无性繁殖系或简称无性系。对细胞来说，克隆是指由同一个祖先细胞通过有丝分裂产生的遗传性状一致的细胞群。

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（二）植物细胞培养

植物细胞培养主要有如下几种技术：

1． 组织培养：诱发产生愈伤组织，如果条件适宜，可培养出再生植株。用于研究植物的生长发育、分化和遗传变异；进行无性繁殖；制取代谢产物。

2． 悬浮细胞培养：在愈伤组织培养技术基础上发展起来的一种培养技术。适合于进行产业化大规模细胞培养，制取植物代谢产物。

3． 原生质体培养：脱壁后的植物细胞称为原生质体（protoplast），其特点是：①比较容易摄取外来的遗传物质，如DNA；②便于进行细胞融合，形成杂交细胞；③与完整细胞一样具有全能性，仍可产生细胞壁，经诱导分化成完整植株：

4． 单倍体培养：通过花药或花粉培养可获得单倍体植株，经人为加倍后可得到完全纯合的个体。 Addition: 非细胞体系Cell free system,来源于细胞，而不具有完整的细胞结构，但包含了进行正常生物学反应所需的物质组成。（如功能体系和酶反应体系等）的体系即为非细胞体系。 3.2 Cell engineering

用细胞生物学和分子生物学的理论、方法和技术，按人们的预定设计蓝图有计划的保存、改变和创造细胞遗传物质，以产生新的物种和品系，或大规模培养组织细胞以获得生物产品。

该技术在细胞和亚细胞水平上开辟了基因重组的新途径，不需分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，只需将遗传物质直接转入受体细胞，就可形成杂交细胞。 主要技术领域

细胞(组织、器官)培养：in vivo在体、活体、生物体内；in vitro离体、生物体外。 细胞融合（体细胞杂交、细胞并合） 细胞拆合（细胞质工程、细胞器移植） 染色体（组）工程：

繁殖生物学技术，胚胎冷冻技术、试管婴儿、生物复制、胚胎移植、发育工程、胚胎工程、胚胎分割技术、胚胎融合技术、嵌合体。

组分移植技术，将细胞的组分（核、质、染色体、甚至基因）直接移植到另一个细胞中去的技术 3.2.1 细胞融合

通过培养和诱导，两个或多个细胞合并成一个双核或多核细胞的过程称为细胞融合（cell fusion）或细胞杂交（cell hybridization）。

诱导细胞融合的方法：生物方法（仙台病毒、副流感病毒和新城鸡瘟病毒）、化学方法（聚乙二醇PEG）、物理方法（电击和激光）。

? 同核体 homokaryon：相同基因型的细胞融合而成。 ? 异核体 heterokaryon：不同基因型的细胞融合而成。

? 融合核细胞 synkaryon：通过细胞杂交形成的单核子细胞称融合核细胞 3.2.2 单克隆抗体 Monoclonal antibody

正常淋巴细胞（如小鼠脾细胞）具有分泌抗体的能力，但不能长期培养，瘤细胞（如骨髓瘤）可以在体外长期培养，但不分泌抗体。于是英国人Kohler和Milstein 1975将两种细胞杂交而创立了单克隆抗体技术，Monoclonal antibody，获1984年诺贝尔医学及生理学奖（M & P）。

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3.2.3 显微操作技术 Micromanipulation

Micromanipulation,用显微操作装置对细胞进行解剖和显微注射（micro injection）的技术。 Chapter Ⅳ Plasma Membrane & Cell Surface

一、教学目的和要求：

通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细胞质膜的结构、功能；细胞膜骨架的结构特征；细胞表面的特化结构；细胞外被和细胞外基质；细胞连接和细胞表面粘着因子。

培养学生认识细胞的微观性和动态性特征；将本节所学内容和其他学科的知识融会贯通，提高综合分析问题的能力。 二、教材分析：

概述：本章内容在全部课程中都占有重要地位，学生能否对“生物膜”有正确、清晰的认识关系到能否学习好多个后续章节，所用教材在主要知识点方面阐述清晰，在少数知识点过于珍惜笔墨，学生在自学过程中会有较多疑问。

教学重点：流动镶嵌模型的主要特点；生物膜的流动性和不对称性；细胞连接的方式和特点；细胞外基质的主要成分和功能。

教学难点：流动镶嵌模型的主要特点；生物膜的流动性和不对称性；膜骨架的结构和功能。 三、教学设想：

教材处理：尊重教材编排，制作课件时主要以选用教材为蓝本，以免使学生感到有较大的跳跃；对教材的薄弱环节加入内容；针对其微观结构添加大量的示范图片。

教学方法：主要采用讲授法和例证法，辅以提问和讨论。 教具：CAI课件

四、教学内容：（8学时）

细胞膜（cell membrane）又称质膜（plasma membrane），是指围绕在细胞最外层，由脂类和蛋白质组成的薄膜。

它不仅是区分细胞内部与周围环境的动态屏障，更是细胞物质交换和信息传递的通道。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜。质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜（biomembrane）。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础，细胞的能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递、细胞运动等活动都与膜的作用有密切的关系。

质膜表面寡糖链形成细胞外被（cell coat）或糖萼（glycocalyx）；质膜下的表层溶胶中具有细胞骨架成分组成的网络结构，除对质膜有支持作用外，还与维持质膜的功能有关，所以这部分细胞骨架又称为膜骨架。

细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。

1 Plasma membrane

1.1 A history of studies on plasma membrane

1. E. Overton 1895 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。

2. E. Gorter & F. Grendel 1925 用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。

3. J. Danielli & H. Davson 1935 发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白

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质，从而提出了”蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。1959年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。

4. J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，厚约7.5nm。这就是所谓的“单位膜”模型。它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成。单位膜模型的不足之处在于把膜的动态结构描写成静止的不变的。

5. S. J. Singer & G. Nicolson 1972 根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在”单位膜”模型的基础上提出”流动镶嵌模型”。强调膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。

流动镶嵌模型主要强调：（1）膜的流动性，膜蛋白和膜脂均可侧向运动。（2）膜蛋白分布的不对称性，有的镶在膜表面，有的嵌入或横跨脂双分子层。 目前对生物膜结构的认识可归纳如下：

1.具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质，以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相的磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分，尚未发现在生物膜结构中起组织作用的蛋白。

2.蛋白分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白的类型，蛋白分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜具有各自的特性与功能。

3.生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。然而膜蛋白与膜脂之间，膜蛋白与膜蛋白之间及其与膜二侧其它生物大分子的复杂的相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性。 1.2 The chemical composition of membranes

质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。

一般，脂类约占50％，蛋白质约40％，糖类约2％－10％，不同的膜含量不同。蛋白质与脂的多少与膜的功能密切相关，膜的功能主要由蛋白质承担，所以功能活动较旺盛的膜，蛋白质含量就高，如，线粒体内膜是电子传递链所在；反之亦然，如神经鞘主要起对神经元的保护、绝缘作用，所以蛋白质含量低。

1.2.1 Membrane Lipids （1）磷脂 Phospholipids

大多数膜脂都含有磷酸基团，这种脂称为磷脂（phospholipid），是细胞膜中含量最丰富和最具特性的脂。动、植物细胞膜上都有磷脂，是膜脂的基本成分，约占膜脂的 50％以上。磷脂分子的极性端是各种磷脂酸碱基，称作头部。它们多数通过甘油基团与非极性端相连。

磷脂又分为两大类：甘油磷脂和鞘磷脂。甘油磷脂包括磷脂酸乙醇胺、磷脂酸胆碱（卵磷脂）、磷脂酸肌醇等。

甘油磷脂

以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。

主要类型有：磷脂酰胆碱（phosphatidyl choline，PC，旧称卵磷脂）、磷脂酰丝氨酸（phosphatidyl serine，PS）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine ，PE，旧称脑磷脂）磷脂酰肌醇（phosphatidyl inositol，PI）和双磷脂酰甘油（DPG，旧称心磷脂）等。

鞘磷脂

鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在脑和神经细胞膜中特别丰富，亦称神经醇磷脂，它是以鞘胺醇（sphing

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oine）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞和植物中没有鞘磷脂。

磷脂特征：1. 具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），位于线粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性局部。

2. 脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成。 3. 常含有不饱和脂肪酸（如油酸），多为顺式，在烃链中产生30o弯曲。 （2）胆固醇 Cholesterol

胆固醇仅存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。如：在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。

（3）糖脂 Glycolipids

糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10％。糖脂也是两性分子。其结构与SM很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。

最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作为极性头部，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。儿童所患的家族性白痴病（Tay-sachs disease）就是因为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂GM2 加工成为GM3，结果大量的GM2累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退化。神经节苷脂本身就是一类膜上的受体，已知破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素和5-羟色胺等的受体就是不同的神经节苷脂。 Addition: ABO Blood group antigens

ABO血型抗原是一种糖脂，其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用： A型：膜脂寡糖链的末端是N-乙酰半乳糖胺，GalNAc。 B型：末端是半乳糖，Gal。 O型：末端没有这两种糖基。 AB型：末端同时具有这两种糖基。 （4）脂质体 Liposomes

脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。单层脂分子铺展在水面上时，其极性端插入水相而非极性尾部面向空气界面，搅动后形成乳浊液，即形成极性端向外而非极性端在内部的脂分子团或形成双层脂分子的球形脂质体。

脂质体可用于转基因，或制备的药物，利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。 可用于：1. 转基因 2. 制备的药物 3. 研究生物膜的特性。 1.2.2 Membrane Proteins （一）类型

膜蛋白是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为整合蛋白（integral protein）、外周蛋白（peripheral protein）和脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。

1.整合蛋白（Integral protein），又称内在蛋白（Intrinsic protein）:水不溶性蛋白，部分或全部镶嵌在细

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胞膜中或内外两侧，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性流水区相互作用而结合在质膜上。

整合蛋白可能全为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），为两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。

蛋白跨膜区域有两种组成形式，一是由多个两性α螺旋组成亲水通道；而是由两性β折叠组成亲水通道。 整合蛋白（integral protein），又称内在蛋白（intrinsic protein）跨膜蛋白（transmembrane protein），部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性流水区相互作用而结合在质膜上。实际上，整合蛋白几乎都是完全穿过脂双层的蛋白质，亲水部分暴露在膜的一侧或两侧表面；疏水区同脂双分子层的疏水尾部相互作用；整合蛋白所含疏水氨基酸的成分较高。跨膜蛋白可再分为单次跨膜、多次跨膜、多亚基跨膜等

2.外周蛋白(Peripheral protei)，又称外在蛋白(Extrinsic protein)。水溶性蛋白，完全外露在脂双层的内侧或外侧，主要是通过非共价键附着在脂的极性头部，或整合蛋白亲水区的一侧，间接与膜结合。

外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。

膜外周蛋白可用高盐或碱性PH条件分离。实际上，有时外周蛋白与整合蛋白是难以区分的，因为许多膜蛋白是由多亚基组成的，其中有的亚基插入在脂双层，有的亚基则是外周蛋白。

外周蛋白为水溶性，占膜蛋白总量的20％～ 30％，在红细胞中占50％，如红细胞的血影蛋白和锚定蛋白都是外周蛋白。外周蛋白可以增加膜的强度。

3.外脂锚定蛋白(lipid-anchored protein)又称脂连接蛋白(lipid-linked protein)，通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧或内侧。

早期，人们主要根据蛋白质在质膜的相对位置分为外周、整合蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，还有一种：

脂锚定蛋白又称脂连接蛋白（lipid-linked protein），通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧。

脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）可以分为两类，一类是糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)连接（GPI-anchored protein）的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。

（二）内在蛋白与膜脂的结合方式

1.膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。 A 1至多个疏水的α螺旋形成跨膜结构域。

B β折叠片组成β折叠片桶(β barrel)，形成亲水通道 。

2.跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带 负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过 Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。

3.某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合脂肪酸分子,插入脂双层之间,进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。

（三）去垢剂 Detergent

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去垢剂是一端亲水一端疏水的两性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂。去垢剂可分离子型去垢剂和非离子型去垢剂二类。常用的离子型去垢剂如十二烷基磺酸钠（SDS）；常用的非离子去垢剂为 Triton X－100。

1.3 Membrane fluidity

膜是一种动态的结构，具有膜脂的流动性（fluidity）和膜蛋白的运动性（mobility)膜的流动性概念是指膜内部的脂和蛋白质分子的运动性。膜的流动性不仅是膜的基本特性之一，也是细胞进行生命活动的必要条件。 膜的流动性主要是由膜脂双层的状态变化引起的。在生理条件下，膜脂多呈液晶态，温度下降至某点，则变为晶态。一定温度下，晶态又可熔解再变成液晶态。这种临界温度称为相变温度，在不同温度下发生的膜脂状态的改变称为相变（Phase transition）。

膜脂由于成分不同而各有其不同的相变温度。在某一温度下，有些脂处于晶态，另一些脂仍处于液态。处于这两种不同状态的磷脂分子分别各自汇集，形成了相的分离，从而形成一些流动性木一的微区（domain）。由于膜脂的流动，给膜蛋白提供了可以流动的环境，加上膜蛋白自身构型的变化，使膜蛋白处于动态之中。 质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。 1.3.1 Fluidity of membrane lipids 膜脂分子的运动

1. 侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。

2. 旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。 3. 摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。 4. 伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。

5. 翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶（flippase）的催化下完成。 6. 旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。 影响膜脂流动性的因素

影响膜流动的因素主要来自膜本身的组分，遗传因子及环境因子等。包括： 1. 胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。

2. 脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。 3. 脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。

4. 卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。 5. 其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。 1.3.2 Fluidity of membrane proteins

主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用荧光漂白技术和细胞融合技术检测侧向扩散。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动，膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。 膜蛋白的运动：

由于膜蛋白分子质量较大，它不可能像膜脂那样运动。利用现代分子生物学研究技术和摄像观察，发现依据所研究蛋白的不同，运动方式也不同，可以归纳为以下几种运动形式：①随机移动。有些蛋白质能够在整个膜上随机移动。移动的速率比用人工脂双层测得的要低。②走向移动。有些蛋白比较特别，在膜中做定向移动。例如，有些膜蛋白在膜上可以从细胞的一端移向另一端。③局部扩散。有些蛋白虽然能够在膜上自由扩散，但只能在局部范围内做旋转扩散和侧向扩散。 限制膜蛋白(内在蛋白)分子运动的因素： A被膜骨架固定

B 在Motor protein的牵引下定向运动 C其运动受其它膜蛋白的限制或影响

D 被膜骨架(或其它膜结构)限制在一定范围内运动 E其运动受细胞外基质限制 1.3.3 Experimental pathways （一）细胞融合 Cell fusion

1970年Larry Frye等人将人和和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。 （二）成斑和成帽现象 Patching & Capping

淋巴细胞通过产生抗体对外源蛋白进行应答,抗体分子位于细胞质膜上。蛋白质能够在不同的动物中诱导产生抗体，如果将小鼠的抗体注入兔子中,兔子将会产生抗小鼠抗体的抗体。可以从兔子的血液中分离这种抗体,并将这种抗体共价连接到荧光染料上,就可以通过荧光显微镜进行观察。

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当兔子的抗小鼠的抗体与小鼠的淋巴细胞混合时,带有标记的抗体就会同小鼠淋巴细胞质膜上的抗体结合,并分布在整个淋巴细胞的表面,但很快就会成块或成斑。导致这种现象的原因是抗体是多价的,每一个兔子的抗体能够同小鼠细胞质膜表面的多个抗体分子反应,也就是说小鼠的每一个膜抗体将同多个兔子的抗体反应。这样, 在小鼠淋巴细胞的细胞质膜表面形成“兔抗小鼠抗体分子-小鼠膜结合抗体”的斑。斑逐渐聚集扩大,当小鼠淋巴细胞质膜表面抗体全部同兔子的抗小鼠抗体结合后,将会在细胞表面的一侧形成“帽子”结构,最后通过内吞作用进入细胞。很显然,如果小鼠细胞质膜中的抗体蛋白不能自由的进行侧向扩散的话,斑和帽都是不能形成的。 （三） 光脱色荧光恢复技术 FRAP

FRAP :fluorescence recovery after photobleaching. 不仅能够证明膜的流动性，同时也能测量膜蛋白扩散的速率。

脱色恢复技术是研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。用荧光素标记膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射细胞表面某一区域，使被照射区的荧光淬灭变暗。由于膜的流动性，淬灭区域的亮度逐渐增加，最后恢复到与周围的荧光强度相等。根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。

研究膜流动性的一种方法。首先用荧光物质标记膜蛋白或膜脂, 然后用激光束照射细胞表面某一区域, 使被照射区域的荧光淬灭变暗形成一个漂白斑。由于膜的流动性,漂白斑周围的荧光物质随着膜蛋白或膜脂的流动逐渐将漂白斑覆盖，使淬灭区域的亮度逐渐增加, 最后恢复到与周围的荧光光强度相等。

细胞膜蛋白的标记方法有很多种。可以用非特异性的染料,如异硫氰酸荧光素(fluorescein isothiocyanate,FITC)将细胞膜蛋白全部进行标记。也可用特异性的探针,如荧光抗体,标记特异的膜蛋白。膜蛋白一旦被标记就可用激光束进行局部照射处理,使荧光脱色,形成直径约为1μm的白斑。若是可移动的膜蛋白,则会因蛋白的移动,使白斑消失,若是不能移动的蛋白.则白斑不会消失。

根据荧光恢复的速度, 可推算膜脂的扩散速度为每秒钟为几个微米，而膜蛋白的扩散速度变化幅度较大，少数膜蛋白的扩散速度可达到膜脂的速度，大多数蛋白的扩散速度都比膜脂慢，还有一些膜蛋白完全限于某一个区域。正是这种限制，使膜形成一些特定的膜微区(membrane domain),这些微区具有不同的蛋白组成和功能。这实际上是膜蛋白不对称分布带来膜功能的不对称。

FRAP技术也有它的不足之处。第一,它只能检测膜蛋白的群体移动,而不能观察单个蛋白的移动。其次,它不能证明膜蛋白在移动时是否受局部条件的限制。为了克服这些不足,发展了单颗粒示综(single-particle tracking,SPT)技术,可以用抗体金(直径15～40 nm)来标记单个膜蛋白,然后通过计算机控制的摄像显微镜进行观察。 思考：膜的流动性有何生物学意义？

质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。 ① 细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。 ② 酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。

③ 如果没有膜的流动性，细胞外的营养物质无法进入，细胞内合成的胞外物质及细胞废物也不能运到细胞外，这样细胞就要停止新陈代谢而死亡。

④ 膜流动性与信息传递有着极大的关系。 ⑤ 如果没有流动性，能量转换是不可能的。

⑥ 膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。 1.4 Membrane asymmetry

样品经冰冻断裂处理后，细胞膜往往从脂双层中央断开，为了便于研究，各部分都有固定的名称： ES，质膜的细胞外表面（extrocytopasmic surface）； PS，质膜的原生质表面（protoplasmic surface）；EF（extrocytopasmic face），质膜的细胞外小页断裂面；PF（protoplasmic face），原生质小页断裂面。

1.4.1 Asymmetry of membrane lipids

脂分子在脂双层中呈不均匀分布，质膜的内外两侧分布的磷脂的含量比例也不同。PC和SM主要分布在外小页，而PE和PS主要分布在质膜内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的PC降解，而PE和PS分别只有20%和10%的被解。

膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域——脂筏 1.4.2 Asymmetry of membrane proteins

膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性和分布的区域性。各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。

某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能，如：蛋白激酶C结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。

每种膜蛋白在膜中都有特定的排布方向，与其功能相适应，这是膜蛋白不对称性的主要因素。膜蛋白的不对称性包括外周蛋白分布的不对称以及整合蛋白内外两侧氨基酸残基数目的不对称 1.4.3 Asymmetry of membrane Carbohydrate

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无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。

思考：膜的不对称性有何生物学意义？

膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性。保证了生命活动的高度有序性。 膜脂在膜中的分布是不对称的，虽然这种不对称性的生物学作用还了解得很少，但已经取得了不少进展。如糖脂是位于脂双层的外侧，其作用可能作为细胞外配体(ligand)的受体。磷脂酰丝氨基主要集中在脂双层的内叶，在生理pH下带负电荷，这种带电性使得它能够同带正电的物质结合，如同血型糖蛋白A跨膜α螺旋邻近的赖氨酸、精氨酸结合。磷脂酰胆碱出现在衰老的淋巴细胞外表面，作为让吞噬细胞吞噬的信号。磷脂酰胆碱也出现在血小板的外表面，此时作为血凝固的信号。磷脂酰肌醇主要集中在内叶，它们在将细胞质膜的刺激向细胞质传递中起关键作用。

膜不仅内外两侧的功能不同， 分布的区域对功能也有影响。造成这种功能上的差异， 主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。

细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持就是靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。

1.5 The function of plasma membrane 细胞质膜的主要功能概括如下：

1.为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；

2.选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出； 3.提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递； 4.为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行； 5. 导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接； 6. 参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。

■ 界膜和区室化(delineation and compartmentalization) 细胞膜最重要的作用就是勾划了细胞的边界，并且在细胞质中划分了许多以膜包被的区室。

如何理解细胞膜作为界膜对细胞生命活动所起的作用?

界膜的涵义包括两个方面:细胞界膜和内膜结构的界膜， 作为界膜的膜结构对于细胞生命的进化具有重要意义，这种界膜不仅使生命进化到细胞的生命形式，也保证了细胞生命的正常进行，它使遗传物质和其他参与生命活动的生物大分子相对集中在一个安全的微环境中，有利于细胞的物质和能量代谢。细胞内空间的区室化，不仅扩大了表面积，还使细胞的生命活动更加高效和有序。

■ 调节运输(regulation of transport) 膜为两侧的分子交换提供了一个屏障，一方面可以让某些物质\自由通透\，另一方面又作为某些物质出入细胞的障碍。

■ 功能区室化 细胞膜的另一个重要的功能就是通过形成膜结合细胞器，使细胞内的功能区室化。例如细胞质中的内质网、高尔基体等膜结合细胞器的基本功能是参与蛋白质的合成、加工和运输；而溶酶体的功能是起消化作用，酸性水解酶主要集中在溶酶体。

■ 信号的检测与传递(detection and transmission of signals) 细胞质膜中具有各种不同的受体，能够识别并结合特异的配体，进行信号的传递。

■ 参与细胞间的相互作用(intercellular interaction) 在多细胞的生物中， 细胞通过质膜（包括膜中的一些蛋白）进行细胞间的多种相互作用，包括细胞识别、细胞粘着、细胞连接等。

■ 能量转换(energy transduction) 细胞膜的另一个重要功能是参与细胞的能量转换。例如叶绿体利用类囊体膜上的结合蛋白进行光能的捕获和转换，最后将光能转换成化学能储存在碳水化合物中。

细胞膜的这些基本功能也是生命活动的基本特征，没有膜的这些功能， 细胞不能形成，细胞的生命活动就会停止。

1.6 The red blood cell & membrane skeleton (1)An example of plasma membrane structure

首先是红细胞数量大，取材容易(体内的血库)，极少有其它类型的细胞污染; 其次成熟的哺乳动物的红细胞中没有细胞核和线粒体等膜相细胞器，细胞膜是它的惟一膜结构， 所以分离后不存在其它膜污染的问题。 Ghost :红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影（ghost） (2) SDS-PAGE 血影蛋白(spectrin) 锚定蛋白(ankyrin)

带3蛋白(band 3 protein) 血型糖蛋白A(glycophorin A) 带4.1蛋白(band 4.1 protein) 肌动蛋白(actin)

血影蛋白：由结构相似的α链、β链组成一个异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成一四聚体。

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锚蛋白（ankyrin）：与血影蛋白和带3蛋白的胞质部相连，将血影蛋白网络连接到质膜上。

带三蛋白：是阴离子载体，通过交换Cl－，使HCO－3进入红细胞。为二聚体。每个单体含929个氨基酸，穿膜12次。

血型糖蛋白：单次穿膜糖蛋白，约有131个氨基酸， N端在膜外侧，结合16条寡糖链；C-端在胞质面，链较短，与带4.1蛋白相连。血型糖蛋白与MN血型有关，其功能尚不明确。 (3) The Erythrocyte membrane skeleton 课本的带4.1蛋白指示错误！

红细胞膜骨架的网状支架的形成及与膜的结合过程大致分为三步： 首先是血影蛋白与4.1蛋白、肌动蛋白的相互作用 4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用

是锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白的相互作用 红细胞膜骨架的装配过程: 分为三步:

① 首先是血影蛋白与4.1蛋白、肌动蛋白的相互作用:血影蛋白的α和β亚基形成二聚体，在红细胞膜内，血影蛋白多以4聚体形式存在(也有6聚体、8聚体)。血影蛋白4聚体在4.1蛋白的帮助下同肌动蛋白寡聚体结合组成骨架的基本网络。一般认为，12～17个肌动蛋白寡聚体及4.1蛋白和原肌球蛋白组成一个基本结构蛋白，这种结构蛋白再结合到血影蛋白和4.1蛋白复合体上。4.1蛋白和原肌球蛋白可稳定肌动蛋白寡聚体。

② 4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用:4.1蛋白的N端，35000的区域在生理状态下带正电荷，而血型糖蛋白带负电荷，所以4.1蛋白能够以静电稳定性同血型糖蛋白结合。

③ 锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白的相互作用:锚定蛋白N端90000区可与带3蛋白结合，而72000区可与血影蛋白结合，由于带3蛋白是膜整合蛋白、血影蛋白是膜骨架蛋白，所以锚定蛋白起媒介作用将骨架蛋白与质膜相连。

血影蛋白四聚体游离端与短肌动蛋白纤维（约13~15单体）相连，形成血影蛋白网络。并通过带4.1蛋白与血型糖蛋白连结，通过锚蛋白与带3蛋白相连。这一骨架系统赋与了红细胞质膜的刚性与韧性，得以几百万次地通过比它直径还小的微血管、动脉、静脉。至于红细胞的双凹型可能还与肌球蛋白的作用有关。 Addition:质膜的特化结构

质膜常带有许多特化的附属结构。如：微绒毛、褶皱、纤毛、鞭毛等等，这些特化结构在细胞执行特定功能方面具有重要作用。由于其结构细微，多数只能在电镜下观察到。 （一）微绒毛

微绒毛（microvilli）是细胞表面伸出的细长指状突起，广泛存在于动物细胞表面。微绒毛直径约为0.1μm。长度则因细胞种类和生理状况不同而有所不同。小肠上皮细胞刷状缘中的微绒毛，长度约为0.6-0.8μm。微绒毛的内芯由肌动蛋白丝束组成，肌动蛋白丝之间由许多微绒毛蛋白（villin）和丝束蛋白（fimbrin）组成的横桥相连。微绒毛侧面质膜有侧臂(含有myosin I和钙调蛋白)与肌动蛋白丝束相连，从而将肌动蛋白丝束固定。 微绒毛的存在扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交换。如小肠上的微绒毛，使细胞的表面积扩大了30倍，大大有利于大量吸收营养物质。不论微绒毛的长度还是数量，都与细胞的代谢强度有着相应的关系。例如肿瘤细胞，对葡萄糖和氨基酸的需求量都很大，因而大都带有大量的微绒毛。 （二）皱褶

在细胞表面还有一种扁形突起，称为皱褶（ruffle）或片足（lamellipodia）。皱褶在形态上不同于微绒毛，它宽而扁，宽度不等，厚度与微绒毛直径相等，约0.1μm，高达几微米。在巨噬细胞的表面上，普遍存在着皱褶结构，与吞噬颗粒物质有关。 （三）内褶

内褶（infolding）是质膜由细胞表面内陷形成的结构，同样具有扩大了细胞表面积的作用。这种结构常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。 （四）纤毛和鞭毛

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纤毛（cilium）和鞭毛（flagellium）是细胞表面伸出的条状运动装置。二者在发生和结构上并没有什么差别，均由9+2微管构成。有的细胞靠纤毛（如草履虫）或鞭毛（如精子和眼虫）在液体中穿行；有的细胞，如动物的某些上皮细胞，虽具有纤毛，但细胞本体不动，纤毛的摆动可推动物质越过细胞表面，进行物质运送，如气管和输卵管上皮细胞的表面纤毛。纤毛和鞭毛都来源于中心粒。关于纤毛和鞭毛的详细结构和功能可参见第八章细胞骨架。

2 Cell junctions

细胞与细胞间或细胞与细胞外基质的联结结构称为细胞连接（cell junction）。细胞连接的体积很小，只有在电镜下才能观察到。可分为三大类，即：封闭连接（occluding junction）、锚定连接（anchoring junction）和通讯连接（communicating junction）：

（1）封闭连接：紧密连接是这种连接的典型代表，它将相邻细胞的质膜密切地连接在一起阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内。

（2）锚定连接：通过骨架系统将细胞与相邻细胞或细胞与基质之间连接起来。根据直接参与细胞连接的骨架纤维的性质不同，锚定连接又分为与中间纤维相关的锚定连接和与肌动蛋白纤维相关的锚定连接。前者包括桥粒和半桥粒；后者主要有粘合带和粘合斑。

（3）通讯连接：这类连接主要包括间隙连接、神经细胞间的化学突触和植物细胞中的胞间连丝。 2.1 Occluding junctions 2.1.1 Tight junction 紧密连接

又称封闭小带（zonula occludens），存在于脊椎动物的上皮细胞间，长度约50-400nm，相邻细胞之间的质膜紧密结合，没有缝隙。在电镜下可以看到连接区域具有蛋白质形成的焊接线网络，焊接线也称嵴线，封闭了细胞与细胞之间的空隙。上皮细胞层对小分子的透性与嵴线的数量有关，有些紧密连接甚至连水分子都不能透过。

紧密连接的焊接线由跨膜细胞粘附分子构成，主要的跨膜蛋白为claudin和occludin，另外还有膜的外周蛋白ZO。

紧密连接的主要作用是封闭相邻细胞间的接缝，防止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内，从而保证了机体内环境的相对稳定；消化道上皮、膀胱上皮、脑毛细血管内皮以及睾丸支持细胞之间都存在紧密连接。后二者分别构成了脑血屏障和睾血屏障，能保护这些重要器官和组织免受异物侵害。在各种组织中紧密连接对一些小分子的密封程度有所不同，例如小肠上皮细胞的紧密连接对Na+的渗漏程度比膀胱上皮大1万倍。

2.1.2 Septate junctions 间壁连接

间壁连接（septate junctions）是存在于无脊椎动物上皮细胞的紧密连接。连接蛋白呈梯子状排列，形状非常规则，连接的细胞内骨架成分为肌动蛋白纤维。在果蝇中一种叫做discs-large的蛋白参与形成间壁连接，突变品种不仅不能形成间壁连接，还产生瘤突。

2.2 Anchoring junctions （一）粘合带与粘合斑

粘合带（adhesion belt）呈带状环绕细胞，一般位于上皮细胞顶侧面的紧密连接下方。在粘合带处相邻细胞的间隙约15～20nm。

间隙中的粘合分子为E-钙粘素。在质膜的内侧有几种附着蛋白与钙粘素结合在一起，这些附着蛋白包括：α-，β-，γ-连锁蛋白（catenin）、粘着斑蛋白（vinculin）、α-辅肌动蛋白（α-actinin）和片珠蛋白（plako

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slobin）。

粘合带处的质膜下方有与质膜平行排列的肌动蛋白束，钙粘蛋白通过附着蛋白与肌动蛋白束相结合。于是，相邻细胞中的肌动蛋白丝束通过钙粘蛋白和附着蛋白编织成了一个广泛的网络，把相邻细胞联合在一起。

粘合斑（adhesion plaque）位于细胞与细胞外基质间，通过整合素（integrin）把细胞中的肌动蛋白束和基质连接起来。连接处的质膜呈盘状，称为粘合斑。

（二）桥粒与半桥粒

桥粒（desmosome）存在于承受强拉力的组织中，如皮肤、口腔、食管等处的复层鳞状上皮细胞之间和心肌中。相邻细胞间形成纽扣状结构，细胞膜之间的间隙约30nm，质膜下方有细胞质附着蛋白质，如片珠蛋白（plakoglobin）、桥粒斑蛋白（desmoplakin）等，形成一厚约15～20nm的致密斑。斑上有中间纤维相连，中间纤维的性质因细胞类型而异，如：在上皮细胞中为角蛋白丝（keratin filaments），在心肌细胞中则为结蛋白丝（desmin filaments）。桥粒中间为钙粘素（desmoglein及desmocollin）。因此相邻细胞中的中间纤维通过细胞质斑和钙粘素构成了穿胞细胞骨架网络。

半桥粒（hemidesmosome）在结构上类似桥粒，位于上皮细胞基面与基膜之间，它桥粒的不同之处在于：①只在质膜内侧形成桥粒斑结构，其另一侧为基膜；②穿膜连接蛋白为整合素（integrin）而不是钙粘素，整合素是细胞外基质的受体蛋白；③细胞内的附着蛋白为角蛋白（keratin）。

锚定连接在机体组织内分布很广泛，在上皮组织，心肌和子宫颈等组织中含量尤为丰富。通过锚定连接将相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连形成一个坚挺、有序的细胞群体。

2.3 Communicating junctions 2.3.1 Gap junctions

间隙连接（gap junction） 存在于大多数动物组织。在连接处相邻细胞间有2～4nm的缝隙，而且连接区域比紧密连接大得多，最大直径可达0.3μm。在间隙与两层质膜中有大量蛋白质颗粒，是构成间隙连接的基本单位，称连接子（connexon），由6个相同或相似的跨膜蛋白亚单位环绕而成，直径8nm，中心形成一个直径约1.5nm的孔道。通过向细胞内注射分子量不同的染料，证明间隙连接的通道可以允许分子量小于1.5KD的分子通过。这表明细胞内的小分子，如无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸和维生素等有可能通过间隙连接的孔隙。

间隙连接的通透性是可调节的。在实验条件下，降低细胞PH值，或升高钙离子浓度均可降低间隙连接的通透性。当细胞破损时，大量钙离子进入，导致间隙连接关闭，以免正常细胞受到伤害。

间隙连接的功能包括：

1．参与细胞分化：胚胎发育的早期，细胞间通过间隙连接相互协调发育和分化。小分子物质即可在一定细胞群范围内，以分泌源为中心，建立起递变的扩散浓度梯度，以不同的分子浓度为处于梯度范围内的细胞提供”位置信息”（positional information），从而诱导细胞按其在胚胎中所处的局部位置向着一定方向分化。

2．协调代谢：例如，在体外培养条件下，把不能利用外源次黄嘌呤合成核酸的突变型成纤维细胞和野生型成纤维细胞共同培养，则两种细胞都能吸收次黄嘌呤合成核酸。如果破坏细胞间的间隙连接，则突变型细胞不能吸收次黄嘌呤合成核酸。

3、构成电紧张突触：平滑肌、心肌、神经末梢间均存在的这种间隙连接，称为电紧张突触（electronic synapses）。电紧张突触无须依赖神经递质或信息物质即可将一些细胞的电兴奋活动传递到相邻的细胞。

2.3.2 Plasmodesmata

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胞间连丝（plasmodesmata）是植物细胞特有的通讯连接。是由穿过细胞壁的质膜围成的细胞质通道，直径约20～40nm。因此植物体细胞可看作是一个巨大的合胞体（syncytium）。通道中有一由膜围成的筒状结构，称为连丝小管（desmotubule）。连丝小管由光面内质网特化而成，管的两端与内质网相连。连丝小管与胞间连丝的质膜内衬之间，填充有一圈细胞质溶质（cytosol）。一些小分子可通过细胞质溶质环在相邻细胞间传递。

胞间连丝在功能上与动物细胞间的间隙连接类似，它允许分子量小于800Da的分子通过，在相邻细胞间起通讯作用。但通过胞间连丝的分子运输也要受到调节。实验证明，在胞间连丝正常的情况下，有些低分子量的染料分子却不能通过。然而某些植物病毒能制造特殊的蛋白质，这种蛋白质同胞间连丝结合后，可使胞间连丝的有效孔径扩大，使病毒粒子得以通过胞间连丝在植物体内自由播散和感染。

胞间连丝还对细胞分化起一定作用。在高等植物中，顶端分生组织的细胞分化与胞间连丝的分布有着相应的关系。随着细胞的生长和延长，侧壁上的胞间连丝逐渐减少，而横壁上的却仍保持很多。植物相邻细胞间的细胞核可经胞间连丝穿壁。

2.3.3 Chemical synapse

化学突触（synapse）是存在于可兴奋细胞间的一种连接方式，其作用是通过释放神经递质来传导兴奋。由突触前膜(presynaptic membrane)、突触后膜(postsynaptic membrane)和突触间隙(synaptic cleft)三部分组成。

突触前神经元的突起末梢膨大呈球形，称突触小体(synaptic knob)。突触小体贴附在突触后神经元的胞体或突起的表面形成突触。突触小体的膜称突触前膜，与突触前膜相对的胞体膜或突起的膜称突触后膜，两膜之间称为突触间隙。间隙的宽度约20-30nm，内含有粘多糖和糖蛋白等物质。

突触小体内有许多囊泡，称突触小泡(synaptic vesicle)，内含神经递质。当神经冲动传到突触前膜，突触小泡释放神经递质，为突触后膜的受体接受（配体门通道），引起突触后膜离子通透性改变，膜去极化或超极化。

Sum up: 几种细胞连接的比较。

紧密连接 封闭连接 间壁连接 粘合带 连接肌动蛋白 粘合斑 锚定连接 桥粒 连接中间纤维 半桥粒 间隙连接 通讯连接 化学突触 胞间连丝

上皮细胞基部 大多数动物组织中 神经细胞间和神经—肌肉间 植物细胞间 心肌、表皮 上皮细胞基部 只存在于无脊椎动物中 上皮组织 上皮组织 40

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