细胞生物学知识点 绪论 一、 细胞生物学研究的内容和现状 1、 细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科 什么是细胞生物学？ 细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学，它是在不同层次（显微、亚显微与分子水平）上以研究细胞结构与功能、细胞增殖、分化、衰老与凋亡、细胞信号传递、真核细胞基因表达与调控、细胞起源与进化等为主要内容。核心问题是将遗传与发育在细胞水平上结合起来。

二、细胞生物学的主要研究内容 ¿ 1、细胞核、染色体以及基因表达的研究 ¿2、生物膜与细胞器的研究 ¿3、细胞骨架体系的研究 ¿4、细胞增殖及其调控 ¿5、细胞分化及其调控 ¿6、细胞的衰老与凋亡 ¿7、细胞的起源与进化 ¿8、细胞工程 三、细胞生物学的发展趋势 从分子水平→细胞水平，相互渗透交融 从细胞结构功能研究为主→细胞重大生命活动为主 分析→综合 功能基因组学研究是细胞生物学研究的基础与归宿 (应用)由基因治疗→细胞治疗 四、当前细胞生物学研究的重点领域 染色体DNA与蛋白质相互作用关系 细胞增殖、分化、衰老及凋亡的调控及其相互关系 细胞信号转导 五、最近几年诺贝尔奖与细胞生物学（2000-2010） 2000：神经系统中的信号传递 2001：控制细胞周期的关键物质 2002: 细胞凋亡调节机制 2003：细胞膜水通道及离子通道结构和机理 2004：泛素调节的蛋白质降解系统 2005：幽门螺旋杆菌 2006：
RNAi 2007：基因敲除小鼠 2008：绿色荧光蛋白 2009：端粒和端粒酶保护染色体的机理 2010：试管受精技术 2001年，美国人Leland Hartwell、英国人Paul Nurse、Timothy Hunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。

2002年，英国人悉尼·布雷诺尔、美国人罗伯特·霍维茨和英国人约翰·苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理学或医学奖。

2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。

2004年，美国人Richard Axel和Linda B. Buck获诺贝尔生理与医学奖，他们发现气味受体和嗅觉系统的组成。

2005年Barry J. Marshall 和J. Robin Warren 获诺贝尔生理与医学奖，他们发现幽门螺杆菌及其在胃炎和胃溃疡方面的作用。

2006年美国人Andrew Z. Fire和Craig C. Mello因对RNA干扰的研究而获诺贝尔生理与医学奖。

2009年美国人Elizabeth Blackburn、Carol Greider、Jack Szostak获诺贝尔医学和生理学奖，他们发现了端粒和端粒酶保护染色体的机理。

２０１０年度诺贝尔生理学或医学奖在瑞典首都斯德哥尔摩揭晓。被誉为“试管婴儿之父”的英国科学家罗伯特·爱德华兹 (Robert G. Edwards)，因“在试管受精技术方面的发展”而被授予该奖项。

　第二节 细胞学与细胞生物学发展简史 细胞的发现 细胞学说的建立其意义 细胞生物学的研究内容分三个层次：
1）显微水平，光学显微镜下可见的结构。

2）超微水平，电子显微镜下可见的结构。

3）分子水平，细胞结构的分子组成，及其在生命活动中的作用。

细胞生物学经历了四个主要发展阶段：
1）1665-1830s，细胞发现，显微生物学。

2）1830s-1930s，细胞学说，Cytology诞生 3）1930s-1970s，电镜技术应用， Cytology发展为细胞生物学。

4）1970s以来，分子细胞生物学时代。

一、细胞的发现 显微镜之于生物学，犹如望远镜之于天文学，细胞生物学的变革无不和显微技术的改进息息相关。

1590年J. 和Z. Janssen父子制作第一台复式显微镜，放大倍数不超过10倍。

1665年英国人Robert Hooke出版《显微图谱》。观察了软木，并首次用cells来描述“细胞” 1680年荷兰学者A. van Leuwenhoek当选为英国皇家学会会员。他观察过植物、原生动物、水、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌、唾液、血液、精液等等。

1830s消色差显微镜出现，人们才对细胞的结构和功能有了新的认识。

1831年R. Brown在兰科植物表皮细胞内发现了细胞核。

1836年GG. Valentin在动物神经细胞中发现了细胞核与核仁。这些工作对于细胞学说的诞生具有重要意义。

二、 细胞学说的建立及其意义 1838年Schleiden发表“植物发生论” ，认为无论怎样复杂的植物都由细胞构成。但他以free-cell formation理论来解释细胞形成。

Schwann提出了“细胞学说”（Cell Theory) ；
1939年发表了“关于动植物结构和生长一致性的显微研究”。

Schwann提出：
有机体是由细胞构成的；
细胞是构成有机体的基本单位。但他也采用了的Schleiden细胞形成理论。

1855 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。

细胞学说是19世纪的重大发现之一，其基本内容有三条：
1.认为细胞是有机体，一切动植物都是由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成；

2.每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它“自己的”生命,又对与其它细胞共同组成的整体的生命有所助益；

3. 新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。

三、 细胞学发展的经典时期 19世纪30年代至20世纪初，细胞学得到了蓬勃的发展。其研究方法主要是显微镜下细胞形态的描述。研究的主要特点是应用生物固定和染色技术，在光学显微镜下观察细胞的形态和细胞的分裂活动。

原生质理论的提出、细胞分裂活动的研究以及重要细胞器的发现等，构成了细胞学发展的经典时期。

四、实验细胞学与细胞学的分支及其发展 从20世纪初到中叶，为实验细胞学的发展时期。这一时期细胞学研究的特点是由对细胞形态结构的观察，深入到对其生理功能、生物化学、遗传发育机理的研究。

1932年德国人E. Ruska和M. Knoll发明透射电镜，人类视野进入超微领域 。

1939年Siemens公司生产商品电镜。

1940-50s用电镜观察了各类细胞超微结构。并结合超速离心、电泳、无细胞体系等分析技术研究这些结构的功能。Cytology发展为Cell Biology。

五、细胞生物学学科的形成和发展 从20世纪60年代起，细胞学发展成为细胞生物学。细胞生物学是随着分子生物学的发展而兴起的。

1869年瑞士人F. Miescher 从脓细胞中分离出核酸，但未引起重视。

1941年Beatle和Tatum提出了“一个基因一个酶”的理论。

1944年O. Avery等通过细菌转化试验，1952年M. Chase等通过噬菌体标记感染实验肯定了核酸与遗传的关系。

1952年RE. Franklin拍摄到清晰的DNA晶体的X-衍射照片。1953年她认为DNA是一种对称结构，可能是螺旋。

1953年，JD. Watson 和FHC. Crick提出DNA双螺旋模型。与Wilkins分享1962 年诺贝尔生理学与医学奖 。

1958 年Crick 提出分子遗传的“中心法则”。

1961-1964年Nirenberg 等破译遗传密码。

1972年DA. Jackson，RH. Symons和P. Berg创建DNA体外重组。

1973年SN. Cohen和HW. Boyer将外源基因拼接在质粒中，并在大肠杆菌中表达。

一系列技术和理论的提出，使细胞生物学与分子生物学的结合越来越紧密。

20世纪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，即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的规律，深刻性与综合性是细胞生物学进一步发展的特点。

1983年，KB. Mullis发明PCR仪，于1993年获诺贝尔化学奖。

1990年，美国国会正式批准的“人类基因组计划” （Human Genome Project）。

我国于1993年加入该计划，承担其中1%的任务，即人类3号染色体短臂上约30Mb的测序任务。

2000年6月27日科学家公布完成人类基因组草图。

2001年2月12日联合公布人类基因组图谱及分析结果。初步分析表明，人类基因组由31.647´108bp组成，共有3万～4万个基因。

同年，美国国立卫生研究院给一名患有先天性重度联合免疫缺陷病的4岁女孩实施了首例基因治疗。这种疾病因腺苷脱氨酶（ADA）基因变异引起。

1996年7月5日，世界上第一只克隆羊“多利”在英国苏格兰卢斯林研究所的试验基地诞生。

目前细胞生物学研究的基本特点和趋势可归纳如下：
细胞结构功能 细胞生命活动。

细胞中单一基因与蛋白 基因组与蛋白质组及其在细胞生命活动中的协同作用。

细胞信号转导途径 信号调控网络。

体外研究 体内研究。

静态已经 活细胞的动态研究。

研究为主 计算生物学更多地介入并与之结合。

细胞生物学与生物学其他学科的渗透 与数、理、化及纳米科学等多学科的交叉。

总的特点是从静态的分析到活细胞的动态综合，这在很大程度也反映了生命科学研究的趋势。

第二章 细胞的统一性与多样性 第一节 细胞的基本概念 一、细胞是生命活动的基本单位 二、细胞的基本共性 一、细胞是生命活动的基本单位 1、一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位. 2、细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢 与功能的基本单位 3、细胞是有机体生长与发育的基础 4、细胞是遗传的基本单位。细胞具有遗传的全能性 5、没有细胞就没有完整的生命 6. 细胞概念的一些新思考 ˜（1）细胞是多层次非线性的复杂结构体系 细胞具有高度复杂性和组织性 ˜（2）细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体 1、细胞完成各种化学反应；

2、细胞需要和利用能量；

3、细胞参与大量机械活动；

4、细胞对刺激作出反应；

˜（3）细胞是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。

¿1、细胞能进行自我调控；

2、繁殖和传留后代；

二、细胞的基本共性 1. 所有的细胞都有相似的化学组成 2. 脂-蛋白体系的生物膜 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。

3. DNA-RNA的遗传装置 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。

4. 蛋白质合成的机器——核糖体 一切细胞均存在合成蛋白质的基本结构体─核糖体。

5. 一分为二的分裂方式。

原核细胞与真核细胞基本特征的比较 原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较 细胞的体积受什么因素控制？ 可以从3个方面进行探讨：
1、不论细胞体积相差多大，各种细胞核的大小相差不大。

2、细胞的表面积限制了细胞的大小 （1）细胞体积相对细胞表面积呈反比关系,体积越大,表面积就越小 （2）细胞体积比表面积增大速度快 3、细胞内物质的交流运输与细胞体积有关，细胞内的物质从一端向另一端运输或扩散是有时间与空间关系的。

4. 细胞形态结构与功能的关系 细胞的形态有球形、星形、扁平、立方形、长柱形、梭形等。

细胞形态结构与功能的相关性与一致性是很多细胞的共同特点，在分化程度较高的细胞中更为明显，这是生物漫长进化过程的产物。

5. 植物细胞和动物细胞的比较 第四章 细胞质膜 Plasm membrane 细胞质膜（plasm membrane)曾称细胞膜(cell membrane)，是指围绕在细胞最外层，由脂质(lipid)和蛋白质(protein)组成的生物膜。

质膜不仅是细胞结构的边界，使细胞具有一个相对稳定的内环境，同时在细胞与环境之间的物质运输、能量转换及信息传递过程中也起着重要作用。

细胞内的膜与细胞质膜统称为生物膜（biomembrane)。

它是围绕细胞的保护层，一层薄而透明的油层，允许食物,氧气和水份进入细胞,废物排出细胞。

第一节 细胞质膜的结构模型 生物膜的结构模型 膜脂 膜蛋白 一、生物膜的结构模型 单位膜模型(Unit membrane model) 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，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，总厚约7.5nm。

“生物膜的流动镶嵌模型” 这种模型认为细胞膜是由流动的脂双分层子和嵌在其中的蛋白质构成的。

该模型主要强调：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。

K.Simons et al(1997): lipid rafts model（脂筏模型） 生物膜结构的特征 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。磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白；

u 蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面,膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者；

生物膜可看成是在双层脂分子中嵌有蛋白质的二维溶液。

二、膜的化学组成 Membrane Lipid（膜脂 ） Phospholipids (phosphoglycerides，磷脂) Glycolipid （糖脂类） Cholesterol（胆固醇） Membrane Protein(膜蛋白) Integral proteins （膜内在蛋白） Channel Proteins （通道蛋白） Carrier Proteins （载体蛋白） Peripheral proteins（膜外周蛋白） Lipid –anchored proteins（脂锚定蛋白） Membrane Carbohydrates (膜碳水化合物) 1. 膜脂(Membrane Lipid ) ：
膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型 磷脂（ phospholipids ）：膜脂的基本成分（50％以上） ²分为二类: 甘油磷脂(phosphoglycerides )和鞘磷脂（ sphingolipids） ²主要特征：
①具有一个极性头部和两个非极性的尾部（心磷脂除外）；

②脂肪酸碳链碳原子为偶数,大多数由16,18或20个组成；

③饱和脂肪酸(如软脂酸)及不饱和脂肪酸(如油酸)；

糖脂（glycolipids） ：
糖脂普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（5％以下）,神经细胞膜上糖脂含量较高；

胆固醇（Cholesterol）和中性脂质：
存在于真核细胞膜上，其含量不超过膜脂的1/3。细菌质膜不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂。

Features (特征): Found in animals , Smaller, Less amphipathic Functions(功能) : 维持膜的流动性，增加膜的稳定性 如没有胆固醇，膜很容易分开 small hydrophilic （亲水性）hydroxyl group （羟基）toward the membrane surface 亲水的羟基对着膜表面 the remainder of the molecule embedded in the lipid bilayer其余的部分埋在脂双层间 The Nature of the Lipid 膜脂的基本性质是两性物质, 能够自我装配成双层结构或自我封闭成球状。

膜脂的功能 ◆构成膜的基本骨架,去除膜脂，则使膜解体; ◆是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执行特殊的功能; ◆膜脂为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活性提供环境, 一般膜脂本身不参与反应(细菌的膜脂参与反应); ◆膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存在时才有功能。

2. 膜脂的运动方式 Four kinds of movement: 沿膜平面的侧向运动(Lateral diffusion by exchanging places):基本运动方式,其扩散系数为10-8cm2/s；

脂分子围绕轴心的自旋运动(Rotation about its long axis )；

脂分子尾部的摆动(Wave)；

双层脂分子之间的翻转运动( Transverse diffusion, or “flip-flop” from one monolayer to the other):发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10－10。但在内质网膜上,新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高。

3.Liposome脂质体 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。

脂质体的应用：
（1）研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；

（2）脂质体中裹入DNA可用于基因转移；

（3）在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体 (二) 膜蛋白（Membrane Protein） The “Mosaic” Part of the Model Functions: carry out most membrane functions Transporting particular nutrients 运输营养物质 Metabolites 代谢 Receptors 受体 Enzymes 酶 Ions across the lipid bilayer 离子通过脂双层 Anchor the membrane to macromolecules 将膜与大分子物质连接 Content: about 50% of the mass of most plasma membranes in animals 在动物细胞中占50%含量 Classification: according their relationship to lipid bilayer 按照它们和脂双层的关系划分 1. 膜蛋白的类型 根据膜蛋白分离的难易程度及其与脂分子的进化方式分为：
u外周膜蛋白(peripheral membrane protein )；

分布于细胞膜的内外表面，主要分布在细胞膜的内表面，约占膜蛋白总量的20％～30％。

为水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜表面的蛋白质分子或脂分子结合 易分离 整合膜蛋白(integral protein) 又称膜内在蛋白. （1） 全部或部分插入细胞膜内，直接与脂双层的疏水区域相互作用。

（2）两亲性(Amphipathic) 亲水性( Hydrophilic)：
forming functional domains outside of the bilayer 疏水性( Hydrophobic)：
anchoring them in the bilayer （3）水不溶性蛋白，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。

脂锚定蛋白(lipid anchored protein) 又称脂连接蛋白(lipid-linked proteins), 同脂的结合有两种方式：
●一种方式是通过一个糖分子间接同脂双层中的脂结合；

●一种是蛋白质直接与脂双层中的脂结合。

2. 内在膜蛋白与膜脂结合的方式 （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。 （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。

u（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。

3. 去垢剂（detergents) 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。

离子型去垢剂(the ionic detergent SDS)和非离子型去垢剂（ the nonionic detergent Triton X-100） 膜蛋白的研究方法 ◆用去垢剂分离小的跨膜蛋白, 是膜蛋白研究的重要手段：
■当它们与膜蛋白作用时,其疏水端与膜蛋白的疏水区域相结合,极性端指向水中,形成溶于水的去垢剂-膜蛋白复合物,从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀。

■当去除去垢剂并加入磷脂后,可使膜蛋白复性并恢复功能。

■有人用这种方法研究了膜中Na+-K+-ATP酶的功能 钠钾ATP酶功能的研究图 (三) 膜碳水化合物（Membrane Carbohydrates） 与脂类和蛋白质共价结合在脂双层的外表面 糖蛋白(Glycoproteins): have short , branched carbohydrates for interactions with other cells and structures outside the cell. 糖脂(Glycolipids):have larger carbohydrate chains that may be cell-to-cell recognition sites. Functions 与其它细胞和结构相互作用 细胞与细胞之间的识别位点 稳定细胞膜结构 识别激素和分子 第二节 生物膜基本特征与功能 (The properties and functions of membranes) 膜的流动性 膜的不对称性 细胞质膜的基本功能 一、 膜的流动性(Fluidity) 1. 膜脂的流动性(Membrane lipids fluidity) 影响膜流动性的因素（The factors affect on membrane fluidity）: 1)脂肪酸链长度和不饱和程度 膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的,脂肪酸链越短,不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。

2) 温度(Temperature): 温度对膜脂的运动有明显的影响。在细菌和动物细胞中常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的相变温度以维持膜脂的流动性。

相变温度（transition temperature） 在生理条件下, 膜脂多呈拟液态（liquid-like state）。温度下降至某点, 则变为晶态（frozen crystalline gel）。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。

◆相变(phase transition) 在不同温度下发生的膜脂状态的改变称为相变。

不同的膜脂由于成分不同而各有其相变温度。

3)胆固醇 (Cholesterol ) 在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起重要的双向调节作用。

■在相变温度以上,它可使磷脂分子的脂酰链末端的运动减小,即限制膜的流动性。

■在相变温度以下,可增加脂类分子脂酰链的运动,这样可以增强膜的流动性。

4）卵磷脂/鞘磷脂比值的影响 ■哺乳动物膜中,卵磷脂(phosphatidycholine)和鞘磷脂(sphingomyelin)的含量约占整个膜脂的50%; ■卵磷脂所含的脂肪酸链的不饱和程度高,链较短,相变温度低,因此卵磷脂含量高,流动性大; ■而鞘磷脂的脂肪酸链的饱和程度高,相变温度也高,因此,鞘磷脂的含量高,流动性低。

2. 膜蛋白的流动(Movement of integral membrane proteins)  荧光抗体免疫标记实验 内在膜蛋白的运动方式 影响膜蛋白移动的因素 ■整合蛋白相互间的影响 ■膜骨架的影响 ■细胞外基质的影响 ■相邻细胞的影响 ■细胞外配体、抗体、及药物大分子的影响 细胞外基质对整合蛋白移动的影响 膜骨架对膜蛋白流动性的影响 3. 荧光漂白恢复技术 研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。

程序：
根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。

The Importance of Membrane Fluidity ◆ 酶活性 ◆ 物质运输 ◆ 信号转导 ◆ 细胞周期 在M期, 膜的流动性最大, 而在G1期和S期, 膜流动性最低；

◆ 能量转换 二、不对称性(The asymmetry of membranes) 1. 细胞质膜各部分的名称 细胞质膜内外两个单层的组成、结构和功能有很大的差异，把这种差异称为膜的不对称性。膜脂、膜蛋白和复合糖在膜上均呈不对称性分布，导致膜功能的不对称性和方向性。

样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为：ES，细胞外表面（extrocytoplasmic surface）；
EF，细胞外小页断面（extrocytoplasmic face）；
PS，原生质表面（protoplasmic surface）；
PF，原生质小页断面（protoplasmic face） 。

2. 膜脂的不对称性(The asymmetry of membrane lipid ) ：
同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，组成膜两个单层的膜脂种类不同。

例如在红细胞膜中：
●外层含鞘磷脂SM 、磷脂酰胆碱PC较多；

●内层含磷脂酰乙醇胺PE 、磷脂酰丝氨酸PS较多。

3. 膜蛋白的不对称性(The asymmetry of membrane protein )：
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。各种生物膜的特征及功能主要由膜蛋白决定，膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上有序的各种生理功能的保证。

在膜两侧分布不对称，如：
●红细胞的血型糖蛋白分子伸向膜内、外侧面的氨基酸残基的数目不对称。

●血影蛋白分布在红细胞膜的内侧面。

■一般说,细胞质面的蛋白比外表面少,一些酶和受体多处于外表面,如：
●5’-核苷酸酶、磷酸脂酶、Mg2+ -ATP酶、激素受体、生长因子受体位于外表面；

●腺苷酸环化酶则处于膜的内表面。

4. 复合糖的不对称性(The asymmetry of membrane carbohydrates ): 糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。

糖脂的不对称分布是完成其生理功能的结构基础。

膜糖分布的不对称性 The biological role of asymmetry ◆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。

◆膜不仅内外两侧的功能不同, 不同区域的功能也不相同。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靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。

三、 细胞质膜的基本功能 ( Cell membrane Functions ) （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,并伴随着能量的传递; ˜ （3）提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递; ˜ （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）介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接; 质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。

膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。

扩散与渗透？ 上：在简单扩散中，膜允许 溶质通过；
溶质从浓度高 的一侧移向浓度低的一侧， 当达到平衡时，两侧的浓 度相等。下：在渗透中， 膜不允许溶质通过，但是， 水能够从溶质浓度低的一 侧向溶质浓度高的一侧扩 散；
当达到平衡时，两侧 溶质的浓度是相等的，但 含有过多水分的一侧具有 较高水压。

Diffusion and Osmosis 扩散(Diffusion) 是指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向浓度低的一侧移动的过程。

扩散(Diffusion) ■虽然这种移动不需要消耗ATP，主要是依靠扩散物质自身的力量，但从热力学考虑，它利用的是自由能。

■如果改变膜两侧的条件，如加热或加压，就有可能改变物质的流动方向，其原因是改变了自由能。

■严格地说，扩散是物质从自由能高的一侧向自由能低的一侧流动。

渗透(Osmosis) 是指水分子以及溶剂通过半透性膜的扩散。

渗透(Osmosis) ◆水的渗透同样是从自由能高的地方向自由能低的地方移动，如果考虑到溶质的浓度，水是从溶质浓度低的地方向溶质浓度高的地方流动。

例如：细胞的膨胀(Swell)或收缩(Shrink) 质壁分离（plasmolysis) ◆根据水与水中溶质在膜通透性上的差别，将膜称为半透性的（semipermeable)。

高渗（hypertonic) 低渗 (hypoosmotic) 等渗 (iso-osmotic) 动物细胞和植物细胞在不同浓度的蔗糖溶液中的行为 红细胞膨胀与收缩 1 .简单扩散（Simple diffusion） 也叫自由扩散（free diffusion）,特点：
①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；

②不需要提供能量；

③没有膜蛋白的协助。

质子通过电子转移而被移动 质子如何被泵过膜? 质子被三个复合物泵出膜外 在三个大的复合物处都有一个大的电位变化，释放的能量可以用于将质子泵出。

第七章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输 真核细胞在进化上一个显著特点就是形成了发达的细胞质膜系统，将细胞内环境分割成许多功能不同的区室。虽然这些区室具有各自独立的结构和功能，但它们有是密切相关的，尤其是它们的膜结构式相互转换的，转换的机制则是通过蛋白质分选和膜运输实现的。

细胞内区室化 细胞内区室化是真核细胞结构和功能的基本特征之一。

细胞内被膜区分为3类结构：细胞质基质(cytoplasmic matrix)、细胞内膜系统(endomembrane system)和其他由膜包被的各种细胞器(诸如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体和细胞核）。

一、 细胞质基质（cytoplasmic matrix or cytosol ） 细胞质基质是细胞的重要结构成分，其体积约占细胞质的一半。

表7-1 肝细胞中细胞质基质及细胞其他组分的数目及所占的体积比 (一)细胞质基质的涵义 1. 细胞质基质的概念 真核细胞的细胞质中除去细胞器和内含物以外的、较为均质半透明的液态胶状物质称为细胞质基质，也称胞质溶胶（cytosol)或细胞液。

2. 细胞质基质的组成 中间代谢有关的酶类、细胞质骨架结构 3. 特点 细胞质基质是一个高度有序的体系；
通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系。

(二) 细胞质基质的功能 1、 是细胞内物质代谢的重要场所 细胞内所有的中间代谢过程均发生在细胞质中，其中大部分是在细胞质基质中进行的，如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等. 2. 与细胞质骨架密切相关 维持细胞形态、运动、胞内物质运输及能量传递等. 3. 在蛋白质的修饰、蛋白质寿命的控制以及蛋白质 选择性的降解等方面有重要作用 ¿ 蛋白质的修饰 ：磷酸化和去磷酸化、糖基化、N-端甲基化、酰基化 控制蛋白质的寿命 降解变性和错误折叠的蛋白质 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠 二、膜结合细胞器(Membrane-bounded organelles) 在细胞内的分布 膜结合细胞器在细胞内是按功能、分层次分布的. 膜结合细胞器在细胞的生命活动中具有重要作用。

表7-2 真核细胞膜结合区室的主要功能 细胞器（区室） 主要功能 内质网 大多数脂的合成场所，蛋白质合成和集散地 高尔基体 蛋白质和脂的修饰、分选和包装 溶酶体 细胞内的降解作用 胞内体 内吞物质的分选 过氧化物酶体 毒性分子的氧化 线粒体 通过氧化磷酸化合成ATP 叶绿体 进行光合作用 在这些膜结合的细胞器中,线粒体、叶绿体、过氧化物酶体独立性很强,并且有特别的功能；
其他几种膜结合细胞器,如内质网、高尔基体、溶酶体和小泡,虽然有不同的结构和功能,但是它们都参与蛋白质的加工、分选和膜泡运输,形成了一个特别的细胞内系统。

三、 细胞内膜系统（Endomembrane System）及其功能 定义：位于细胞质内，在结构、功能和发生上相关的由膜围绕的细胞器或细胞结构称为细胞内膜系统，主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。

功能：区隔化；
增加内表面积，提高代谢和调节能力。

从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生。

从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂，具有核外遗传的特性。

（一） 内质网的形态结构与功能 K. R. Porter和A.D.Claude等于1945年发现于培养的小鼠成纤维细胞，因最初看到的是位于细胞质内部的网状结构，故名内质网（endoplasmic reticulum，ER）。

内质网是由封闭的管状或扁平囊状膜系统及其包被的腔形成互相沟通的三维网络结构。内质网通常占细胞膜系统的一半左右，体积约占细胞总体积的10％以上。

内质网是细胞内除核酸以外一系列重要的大分子如蛋白质、脂质和糖类合成的基地。

1、 内质网的两种基本类型 根据内质网上是否附有核糖体,将内质网分为两类:糙面内质网(Rough ER)和光面内质网(Smooth ER) 。

糙面内质网(rough endoplasmic reticulum, RER) 多呈大的扁平膜囊状, 在电镜下观察排列极为整齐。

它是核糖体和内质网共同构成的复合机能结构, 普遍存在于分泌蛋白质的细胞中, 主要功能是合成分泌性的蛋白质、多种膜蛋白和酶蛋白。

光面内质网(smooth endoplasmic reticulum, SER) 无核糖体附着的内质网称为光面内质网, 通常为小的膜管和小的膜囊状, 而非扁平膜囊状, 广泛存在于各种类型的细胞中，包括合成胆固醇的内分泌腺细胞、肌细胞、肾细胞等。

脂类合成的重要场所,它往往作为出芽的位点, 将内质网上合成的蛋白质或脂类转运到高尔基体。

2、 内质网的功能 ◆蛋白质的合成是糙面内质网的主要功能 细胞中的蛋白质都是在核糖体上合成的，并且起始于细胞质基质，但有些蛋白质在合成开始不久后便转在内质网膜上，继续进行蛋白质合成。

这些蛋白主要有：
①向细胞外分泌的蛋白，如抗体、激素；

②膜的整合蛋白；

③构成内膜系统细胞器中的可驻留蛋白；

④需要进行修饰的蛋白，如糖蛋白。

◆蛋白质的修饰与加工 包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。

糖基化的作用：
①使蛋白质能够抵抗消化酶的作用；

②赋予蛋白质传导信号的功能；

③某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。

糖基一般连接在4种氨基酸上，分为2种：
O-连接的糖基化（O-linked glycosylation）：与Ser、Thr和Hyp的-OH连接，连接的糖为半乳糖或N-乙酰半乳糖胺，在高尔基体上进行。

N-连接的糖基化（N-linked glycosylation）：与天冬酰胺残基的-NH2连接，糖为N-乙酰葡糖胺。

内质网上进行N-连接的糖基化。糖的供体为核苷糖，如CMP-唾液酸、GDP-甘露糖、UDP-N-乙酰葡糖胺。

糙面内质网的主要功能是进行膜结合核糖体合成的蛋白质的运输，并在运输的同时对这些蛋白质进行加工修饰和折叠，以帮助这些蛋白质准确到达目的地。

◆光面内质网是脂质合成的重要场所 细胞膜所需要的最重要的磷脂是在光面内质网上合成的。在光面内质网上合成的磷脂先作为内质网膜的构成部分，然后再转运给其他的膜。

内质网中的磷脂不断合成，使得内质网的膜面积越来越大，必须有一种机制将磷脂转运到其它的膜才能维持内质网膜的平衡, 这就是磷脂转运。

磷脂的转运有两种方式: 一种是凭借一种水溶性蛋白, 叫磷脂交换蛋白的作用在膜之间转移蛋白; 另一种是以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上 ◆光面内质网的其他功能 肝细胞的解毒作用 类固醇激素的合成 Ca2+ 的调节作用 糖原分解释放游离的葡萄糖 3. 内质网与基因表达的调控 三种不同的内质网—细胞核的信号转导途径：
① 内质网腔未折叠蛋白的超量积累 ② 折叠好的膜蛋白的超量积累 ③ 内质网膜上膜脂成分的变化—主要是固醇缺乏 （二） 高尔基体的形态结构与功能 高尔基体（Golgi body）又称高尔基器（Golgi apparatus）或高尔基复合体（Golgi complex） ，是比较普遍存在于真核细胞内的一种细胞器。

最早发现于1855年，1889年，Golgi用银染法，在猫头鹰的神经细胞内观察到了清晰的结构，因此定名为高尔基体。20世纪50年代以后才正确认识它的存在和结构。

1. 高尔基体（Golgi body）的形态结构与极性 电子显微镜所观察到的高尔基体最富有特征性的结构是由一些( 通常是4～8个) 排列较为整齐的扁平膜囊(saccules)堆叠在一起, 构成了高尔基体的主体结构。扁囊多呈弓形, 也有的呈半球形或球形,均由光滑的膜围绕而成, 膜表面无核糖体颗粒附着 ,膜囊周围有大量的大小不等的囊泡结构。

高尔基体是有极性的细胞器：位置、方向、物质转运与生化极性。

靠近细胞核的一面扁囊弯曲成凸面又称形成面或顺面（cis face），面向细胞膜的一面常成凹面又称成熟面或反面（trans face）。顺面和反面都有一些或大或小的运输小泡。

高尔基体的膜囊结构及其排列 功能区室 高尔基体至少由互相联系的3个部分组成，每一部分可能又分化出更精细的间隔。

① 高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体管网状结构（cis Golgi network,CGN) 位于高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊，是中间多孔而呈连续分支状的管网结构。

CGN接受来自内质网新合成的物质并将其分类后大部分转入高尔基体中间膜囊，小部分蛋白质（有KDEL或HDEL序列）与脂质再返回内质网。

②高尔基体中间膜囊（media Golgi） 由扁平膜囊与管道组成，形成不同的间隔，但功能上是连续的、完整的膜囊体系。

多数糖基化修饰、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成都发生在这。

③ 高尔基体反面膜囊以及反面高尔基体管网状结构（trans Golgi network,TGN) TGN位于反面的最外层，与反面的扁平膜囊相连，另一侧伸入反面的细胞质中，形态呈管网状，并有囊泡与之相连。

TGN的主要功能是参与蛋白质的分类与包装，最后从高尔基体中输出。

小泡(vesicle) 在扁平囊的周围有许多小囊泡, 直径400-800Å。这些小囊泡较多地集中在高尔基复合体的形成面。一般认为它是由附近的粗面内质网出芽形成的运输泡.它们不断地与高尔基体的扁平膜囊融合, 使扁平膜囊的膜成分不断得到补充。

高尔基体的极性 结构上的极性:高尔基体的结构可分为几个层次的区室; ①靠近内质网的一面称为顺面(cis face), 或称形成面(forming face)；
②高尔基体中间膜囊(medial Golgi); ③靠近细胞质膜的一面称为反面高尔基网络 (trans Golgi network，TGN)。

功能上的极性:高尔基体执行功能时是“流水式”操作,上一道工序完成了,才能进行下一道工序。

2. 高尔基体的功能 高尔基体的主要功能是将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装, 并分门别类地运送到细胞的特定部位或分泌到细胞外。内质网上合成的脂类一部分也要通过高尔基体向细胞质膜和溶酶体膜等部位运输。因此, 高尔基体是细胞内大分子运输的一个主要交通枢纽。

参与细胞分泌活动 RER上合成蛋白质→进入ER腔→COPII运输泡→进入CGN→在medial Gdgi中加工→在TGN形成运输泡→运输与质膜融合、排出。

高尔基体对蛋白质的分类，依据的是蛋白质上的信号肽或信号斑。

蛋白质的糖基化及其修饰 高尔基体对蛋白质的修饰与加工，主要是对糖蛋白寡糖链的修剪、蛋白质的糖基化和特异蛋白质水解等。

N-连接和O-连接的糖基化，是蛋白质两类不同的糖基化修饰。

N-连接的寡糖蛋白的合成起始于糙面内质网，完成于高尔基 O-连接的主要或全部是在高尔基体内进行的。

蛋白质糖基化类型 N-连接与O-连接的寡糖比较 特 征 N-连接 O-连接 1. 合成部位 糙面内质网 糙面内质网或高尔基体 2. 合成方式 来自同一个寡糖前体 一个个单糖加上去 3. 与之结合的 氨基酸残基 天冬酰胺 丝氨酸、苏氨酸、 羟赖氨酸、羟脯氨酸 4 最终长度 至少5个 糖残基 一般1～4个糖残基， 但ABO血型抗原较长 5.第一个糖残基  N—乙酰葡萄糖胺 N—乙酰半乳糖胺等 内质网和高尔基体中，所有与糖基化及寡糖的加工有关的酶都是整合膜蛋白。它们固定在细胞的不同间隔中，其活性部位均位于内质网或高尔基体的腔面。

脊椎动物细胞糖蛋白N-连接寡糖在内质网和高尔基体各膜囊区间的加工过程 ？ 蛋白聚糖(proteoglycan)的合成 除了蛋白质的糖基化以外，高尔基体中也可以进行多糖的合成。动物细胞中合成的多糖主要是透明质酸，这是一种氨基聚糖, 是细胞外基质的主要成分。植物细胞壁中的几种多糖，包括半纤维素、果胶也是在高尔基体中合成的。

◆蛋白酶的水解和其他加工过程 蛋白质在高尔基体中酶解加工的方式有三种：
一是将没有生物活性的蛋白原N端或两端的序列切除形成有活性的多肽，如胰岛素；

二是将含有重复氨基酸序列的前体切割成有活性的多肽，如神经肽；

三是根据前体中不同的信号序列或同一前体在不同细胞中的不同加工方式而加工成不同种的多肽 举例：
胰岛素是在胰岛B细胞中合成的, 刚从内质网合成的多肽在N- 末端有信号肽链, 称前胰岛素原(preproinsulin), 相对分子质量为12,000。随后在内质网的信号肽酶的作用下, 切除信号肽, 成为胰岛素原(proinsulin),相对分子质量9,000, 含84个氨基酸。运输到高尔基体后, 通过蛋白酶的水解作用, 生成一个分子由51个氨基酸残基组成的胰岛素和一个分子C肽。

Secretory Vesicles （分泌泡） Made in Golgi apparatus, ER, or from parts of the plasma membrane, Function: transport of materials between one membrane-bounded organelle and another (三)溶酶体的形态结构与功能 Christian de Duve等（1955）用生化手段分析大鼠肝细胞匀浆的梯度组分时发现的一种颗粒。溶酶体是由一层单位膜包着丰富的磷酸水解酶而构成，存在于所有的动物细胞中。溶酶体是细胞内消化的主要场所，在维持细胞正常代谢活动、防御及细胞的分化与衰老等方面起着重要的作用。

1.溶酶体（lysosome)的形态结构与类型 (1）溶酶体的形态 溶酶体（lysosome)是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。其主要功能是进行细胞内消化作用。

溶酶体是一种异质性(heterogeneous)的细胞器. 不同来源的溶酶体形态、大小, 甚至所含有酶的种类都有很大的不同。溶酶体呈小球状, 大小变化很大，直径一般0.25～0.8μm，最大的可超过1μm,最小的直径只有25～50nm。

溶酶体膜的稳定性 溶酶体的外被是一层单位膜, 内部没有任何特殊的结构。由于溶酶体中含有各种不同的水解酶类,所以溶酶体在生活细胞中必须是高度稳定的。

溶酶体膜的特征：
² 嵌有质子泵，形成和维持溶酶体中酸性的内环境；

² 具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运；

²膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解 溶酶体的酶类 溶酶体内含有60多种酶类,这些酶的最适pH值是5.0, 故均为酸性水解酶(acid hydrolases)。

溶酶体的酶都有一个共同的特点∶都是水解酶类，在酸性pH条件下具有最高的活性。溶酶体的酶包括∶蛋白酶、核酸酶、脂酶、糖苷酶等。

资料查找 酸性磷酸酶的定位研究与溶酶体的发现 ？ （2） 溶酶体的类型 由于溶酶体在形态上的多样性和异质性，曾发现各种不同类型的溶酶体。根据溶酶体处于完成其生理功能的不同阶段, 大致分为初级溶酶体（primary lysosome)、次级溶酶体(secondary lysosome)和残余体(residual body)。

◆初级溶酶体（primary lysosome） 呈球形，直径约0.2~0.5um，是高尔基体分泌形成的，有多种酸性水解酶，但没有底物，酶处于非活性状态，包括蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酶酶等60余种，反应的最适PH值为5左右。

◆ 次级溶酶体(secondary lysosome) 是初级溶酶体与细胞内的自噬泡、胞饮泡或吞噬泡融合形成的复合体，含有水解酶和相应的底物，是一种将要或正在进行消化作用的溶酶体。根据所消化的物质来源不同, 分为自噬溶酶体和异噬溶酶体。

自噬溶酶体(autolysosome) 是一种自体吞噬泡, 作用底物是内源性的,即细胞内的蜕变、破损的某些细胞器或局部细胞质。这种溶酶体广泛存在于正常的细胞内，在细胞内起“清道夫”作用。

异噬溶酶体(heterolysosome) 又称异体吞噬泡, 它的作用底物是外源性的, 即细胞经吞噬、胞饮作用所摄入的胞外物质。异噬性溶酶体实际上是初级溶酶体同内吞泡融合后形成的。

◆残体（residual body） 又称后溶酶体（post-lysosome）已失去酶活性，仅留未消化的残渣。残体可通过外排作用排出细胞，也可能留在细胞内逐年增多，如表皮细胞的老年斑，肝细胞的脂褐质。

2. 溶酶体的功能 溶酶体的基本功能是对生物大分子强烈的消化作用，这对于维持细胞的正常代谢活动及防御微生物的侵染都有重要的意义。

其消化底物的来源有三种途径: ①自体吞噬, 吞噬的是细胞内原有的物质; ② 通过吞噬形成的吞噬体提供的有害物质; ③通过内吞作用提供的营养物质。

由于吞噬作用和内吞作用提供的被消化的物质都是来自细胞外, 又将这两种来源的物质消化作用统称为异体吞噬(heterophagy)。

溶酶体的类型及在细胞消化过程中的作用 图中简示了溶酶体的四种消化作用:A.吞噬作用;B自噬作用;C.自溶作用;D.细胞外消化作用。

清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞 防御功能（病原体感染刺激单核细胞分化成巨噬细胞而吞噬、消化） 其它重要的生理功能 （1）作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养；

（2）分泌腺细胞中，溶酶体摄入分泌颗粒参与分泌过程的调节 （3）参与清除赘生组织或退行性变化的细胞；

（4）受精过程中的精子的顶体（acrosome）反应。

3. 溶酶体的发生 溶酶体酶是在糙面内质网上合成并经N-连接的糖基化修饰，然后转至高尔基体，在高尔基体的顺面膜囊中寡糖链上的甘露糖残基被磷酸化形成M6P，在高尔基体的反面膜囊和TGN膜上存在M6P受体，这样溶酶体的酶与其他蛋白质区分开来，并得以浓缩，最后以出芽的方式转运到溶酶体中。

溶酶体的酶寻靶过程、涉及的细胞器及机理发生途径 （1） 溶酶体酶蛋白的M6P标记 溶酶体的酶上都有一个特殊的标记∶6-磷酸甘露糖(mannose 6-phosphate, M6P)。这一标记是溶酶体酶合成后在粗面内质网和高尔基体通过糖基化和磷酸化添加上去的。？？ （2）溶酶体酶的M6P分选途径 这一途径的两个关键是:M6P标记和M6P受体蛋白。

M6P受体蛋白(M6P receptor protein) M6P受体蛋白是反面高尔基网络上的膜整合蛋白, 能够识别溶酶体水解酶上的M6P信号并与之结合, 从而将溶酶体的酶蛋白分选出来。

M6P受体蛋白主要存在于高尔基体的反面网络，但在一些动物细胞的质膜中发现有很多M6P受体蛋白的存在, 这是细胞的一种保护机制, 可防止溶酶体的酶不正确地分泌到细胞外。

分选过程？ 溶酶体酶的甘露糖6-磷酸分选途径和溶酶体形成的主要过程 M6P分选途径的特点 ①M6P作为分选信号; ②包埋在高尔基体中的受体能够被网格蛋白包装成分泌小泡; ③出芽形成的溶酶体酶的运输小泡只同酸性的次级内体融合; ④通过次级内体的分选作用使受体再循环。

（四）溶酶体与过氧化物酶体 过氧化物酶体(peroxisom)又称微体(microbody)，是由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的异质性细胞器。

Rhodin 1954年发现于小鼠肾近曲小管上皮细胞，称其为微体。C.de Dube建议把微体命名为过氧化物酶体。

1. 过氧化物酶体与溶酶体的区别 ¿ 过氧化物酶体和初级溶酶体的形态与大小类似，但过氧化物酶体中的尿酸氧化酶等常形成晶格状结构，可作为电镜下识别的主要特征。

¿ 通过离心可分离过氧化物酶体和溶酶体 ¿ 过氧化物酶体和溶酶体的差别 过氧化物酶体与初级溶酶体的特征比较 2. 过氧化物酶体的功能 解毒作用 动物细胞（肝细胞或肾细胞）中过氧化物酶体可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒作用。过氧化物酶体中常含有两种酶：
依赖于黄素（FAD）的氧化酶：其作用是将底物氧化形成H2O2；

过氧化氢酶，作用是将H2O2分解，形成水和氧气。

分解脂肪酸 过氧化物酶体分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热能。

参与植物细胞的光呼吸及脂肪酸转化 在植物细胞中，过氧化物酶体起着重要的作用：
²在绿色植物叶肉细胞中，它催化CO2固定反应副产物的氧化，即所谓光呼吸反应；

²乙醛酸循环的反应，在种子萌发过程中，过氧化物酶体降解储存的脂肪酸Ú乙酰辅酶AÚ琥珀酸Ú葡萄糖 3.过氧化物酶体的发生 过氧化物酶体经分裂后形成子代的细胞器，子代的过氧化物酶体还需要进一步装配形成成熟的细胞器。

¿ 组成过氧化物酶体的蛋白均由核基因编码，主要在细胞质基质中合成，然后转运到过氧化物酶体中。

¿ 过氧化物酶体的膜脂可能在内质网上合成后转运而来。

¿ 内质网也参与过氧化物酶体的发生 过氧化物酶体发生过程的示意图 四、蛋白质的分选（Protein Sorting ） 除线粒体和植物细胞叶绿体中能合成少量蛋白质外，绝大多数蛋白质均在细胞质基质中的核糖体上开始合成，然后转运至细胞的特定部位，也只有转运至正确的部位并组装成结构和功能的复合体，才能参与细胞的生命活动。这一过程称蛋白质的定向转运或蛋白质分选（protein sorting)。

Synthesis of Proteins polypeptides are synthesized at two distinct locales within the cell：
1）on “free “ ribosomes 自由核糖体 (a) proteins destined to remain in the cytosol 留在细胞质基质中的蛋白质 (b) peripheral proteins of the inner surface of the plasma membrane 细胞质内表面的外周蛋白 (c) proteins that are transported to the nucleus 转移到细胞核的蛋白质 (d) proteins to be incorporated into peroxisomes, chloroplasts, and mitochondria. 转移到过氧化物体,叶绿体和线粒体的蛋白质 2）on ribosomes attached to the RER membranes：粗面内质网上的核糖体 (a) proteins secreted from the cell (secretory proteins)分泌性蛋白 (b) integral membrane proteins 跨膜蛋白 (c) soluble proteins that reside within compartments of the endomembrane system 留在内膜系统的蛋白质 1.蛋白质的分选信号 由多肽链N-端的氨基酸序列决定 (1) 信号肽(singnal peptide)与共转运（ Cotranslational translocation） 例如: 分泌性蛋白在粗面内质网上的核糖体合成过程 “Signal Hypothesis”信号假说--G.Blobel & D.Sabatini,1975. “Signal Hypothesis”信号假说 1975年, G.Blobel和 D.Sabatini根据对信号序列的研究成果,正式提出了信号假说(signal hypothesis) ，即分泌性蛋白N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，然后再信号肽引导下蛋白质边合成边通过易位子蛋白复合体进入内质网腔，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。

现已确认，指导分泌性蛋白在糙面内质网上合成的决定因素是蛋白质N端的信号肽，信号识别颗粒和内质网膜上的信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白）等因子协助完成这一过程。

信号肽 位于蛋白质的N端，一般有16～26个氨基酸残基，其中包括疏水核心区、信号肽的C端和N端等三部分。

信号肽的一级序列 信号肽一级序列由疏水核心（h）、C端（c）和N端（n）三个区域构成。以血清白蛋白和HIV-1型病毒的糖蛋白gp160信号肽为例，显示出两者的n区长度明显不同 信号识别颗粒 （SRP) 1981年,发现了信号识别颗粒(signal recognition partical, SRP),是一种核糖核蛋白复合体,沉降系数为11S，含有分子量为72kDa、68kDa、54kDa、19kDa、14kDa及9kDa的6条多肽和一个由300个核苷酸组成的7SRNA, 它的作用是识别信号序列,并将核糖体引导到内质网上。

信号识别颗粒受体 (docking protein, DP) 即SRP在内质网膜上的受体蛋白,它能够与结合有信号序列的SRP牢牢地结合,使正在合成蛋白质的核糖体停靠到内质网上来。

表7-4 在非细胞系统中蛋白质的翻译过程与SRP、DP和微粒体的关系 实验 组别 含有编码信号 SRP DP 微粒体序列的mRNA 结 果   1 + - - - 产生含信号肽的完整多肽 2 + + - - 合成70～100氨基酸残基后， 肽链停止延伸 3 + + + - 产生含信号肽的完整多肽 4 + + + + 信号肽切除，多肽链进入 微粒体中 * “+”和“-”分别代表反应混合物中存在（+）或不存在（-）该物质。

分泌性蛋白在内质网上合成的共翻译转运过程：
信号肽与SRP结合→肽链延伸终止→SRP与受体结合→SRP脱离信号肽→肽链在内质网上继续合成，同时信号肽打开易位子通道→新生肽链进入内质网腔→信号肽切除→肽链延伸至终止→ 合成体系解散。

这种肽链边合成边向内质网腔转移的方式，称为共翻译转运（co-translational translocation）。

开始转移序列（start transfer sequence)和停止转移序列 （stop transfer sequence) ¿ 起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数 (2)导肽（leader peptide)与翻译后转运（post-translational translocation）。

线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装 线粒体、叶绿体中绝大多数蛋白质以及过氧化物酶体中的蛋白质也是在某种信号序列的指导下进入这些细胞器的。

在细胞质中合成的线粒体和叶绿体中的前体蛋白由成熟形式的蛋白质和N端的导肽（leader peptide)共同组成。

导肽（导向序列，导向信号，转运肽） 导肽的性质 长约20~80个氨基酸，通常带正电荷的碱性氨基酸，含量较为丰富 序列中不含有或基本不含有带负电荷的酸性氨基酸 羟基氨基酸如丝氨酸含量也较高 可形成既具亲水性又具疏水性的α螺旋结构，这种结构特征有利于穿越线粒体的双层膜。

导肽的特异性 具有细胞结构的特异性 前导肽的不同片段含有不同的信息 翻译后转运（post-translational translocation） 蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中，称翻译后转运（post-translational translocation）。

蛋白质跨膜转移过程需要ATP使多肽去折叠，还需要一些蛋白质的帮助（如热休克蛋白Hsp70）使其能够正确地折叠成有功能的蛋白。

线粒体蛋白质的运送与组装 ◆ 定位于线粒体基质的蛋白质的运送 ◆定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送 叶绿体蛋白质的运送及组装 summary 决定新合成的多肽转移到细胞的哪个部位的信息存在于多肽本身：
信号肽决定细胞质基质中开始合成的蛋白质转移到内质网膜上；

缺少信号肽的多肽，只能在细胞质基质中完成蛋白质的合成，然后再根据自身的信号转移到细胞的其他部位；

新合成的多肽如何正确折叠成为有功能的蛋白质？ 蛋白质氨基酸一级结构中的信号；

分子“伴侣”：细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位相结合，从而帮助这些多肽转运、折叠或组装，这一类分子本身并不参与最终产物的形成。

信号识别颗粒（SRP);热休克蛋白Hsp70家族 2. 蛋白质分选的基本途径与类型 （ 1） 分选途径 两条途径：
①翻译后转运途径：在细胞质基质游离核糖体中完成多肽链的合成，然后转运至膜围绕的细胞器，如线粒体、过氧化物酶体、细胞核及细胞质基质的特定部位；

②共翻译转运途径：蛋白质合成在游离核糖体上起始后由信号肽引导转移至糙面内质网，新 生肽边合成边转入糙面内质网腔中，随后经高尔基体运至溶酶体、细胞膜或分泌到细胞外。

（2）蛋白质分选机制：
¿ 跨膜转运 膜泡运输 门控运输 分选指令存在于多肽自身，继信号肽假说提出与确证后，人们又发现了一系列的信号序 列，指导蛋白质的定向转运。

五、膜泡运输Vesicular transport 膜泡运输是蛋白运输的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中。在转运过程中不仅涉及蛋白本身的修饰、加工和组装，还涉及到多种不同膜泡定向运输及其复杂的调控过程。

三种不同类型的包被小泡具有不同的物质运输作用 COPⅡ有被小泡(COPⅡ coated vesicle)的组装与运输 介导细胞内顺向运输，即负责从内质网到高尔基体的物质运输；

COPⅡ包被蛋白由五种蛋白亚基组成；

COPII有被小泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩 COPII包被小泡的装配 Sar-GTP与内质网膜的结合起始COPII亚基的装配，形成小泡的包被并出芽，跨膜受体在腔面捕获并富集被转运的可溶性蛋白 2. COPI有被小泡(COPI coated vesicle)的组装与运输 介导细胞内膜泡逆向运输，负责从顺面高尔基体网状区到内质网膜泡转运。

COPI包被含有7种蛋白亚基和一种调节膜泡转运的GTP结合蛋白ARF 细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制：
一是转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运；

二是对逃逸蛋白的回收机制，使之返回它们正常驻留的部位。

通过识别驻留蛋白C-端的回收信号的特异性受体，以 COPI-包被小泡的形式捕获逃逸蛋 白（escaped proteins）。

3. 网格蛋白有被小泡(clathrin-coated vesicles) 负责蛋白质从高尔基体TGN向质膜、胞内体或溶酶和植物液泡运输。

在受体介导的细胞内吞途径也负责将物质从质膜细胞质以及胞内体Ú溶酶体 的运输。

高尔基体的TGN区是网格蛋白有被小泡形成的发源地。

膜泡运输是特异性过程，涉及多种蛋白识别、组装、去组装的复杂调控 在细胞的膜泡运输中，糙面内质网相当于重要的物质供应站，而高尔基体是重要集散中心。由于内质网的驻留蛋白具有回收信号，即使有的蛋白发生逃逸，也会保留或回收回来，所以有人将内质网比喻成“开放的监狱”（open prison）。高尔基体在细胞的膜泡运输及其随之而形成的膜流中起枢纽作用.同样，内质网、溶酶体、分泌泡和细胞质膜及胞内体也都具有各自特异的成分，这是行使复杂的膜泡运输功能的物质基础，但是在膜泡中又必须保证各细胞器和细胞间隔本身成分特别是膜成分的相对恒定。

六、细胞结构体系的装配 生物大分子的装配方式 自我装配、协助装配、直接装配、细胞结构及结构体系之间的装配。

装配的生物学意义 减少和校正蛋白质合成中出现的错误 可大大减少所需的遗传物质信息量 通过装配与去装配更容易调节与控制多种生物学过程 第八章 细胞信号转导 第一节 概述 一、细胞通讯 二、信号转导系统及其特性 一、细胞通讯（cell communication） 是指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞并与靶细胞相应的受体相互作用，然后通过细胞信号转导产生胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长和分裂是必须的。 （一）细胞通讯方式 三种方式：
（1）分泌化学信号进行通讯 内分泌（endocrine） ²旁分泌（paracrine） 自分泌（autocrine） ²化学突触（chemical synapse） （2）细胞间接触依赖性的通讯: 细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白 （3）间隙连接实现代谢偶联或电偶联 细胞通讯基本过程：
①合成并释放信号分子；

②信号分子向靶细胞运输；

③信号分子与靶细胞受体特异性结合并导致受体激活；

④活化受体启动胞内一种或多种信号转导途径；

⑤引发细胞功能、代谢或发育的改变；

⑥信号分子的解除并导致细胞反应终止。

在信号传递中，细胞将细胞外信号分子携带的信息转变为细胞内信号的过程称为信号转导。

细胞信号传导（cell signaling）与信号转导（signal transduction) ? （二） 细胞的信号分子和受体 1.信号分子（signal molecule) 传递信号的分子，是与细胞受体结合，改变受体的性质,引起一系列反应。

亲脂性信号分子：(小分子) 甾类激素，甲状腺素 亲水性信号分子: (大分子) 神经递质、局部介质、大多数肽类激素等 2. 受体（receptor) 是一种能够识别和选择性结合某种配体的大分子，绝大多数受体都是蛋白质多为糖蛋白。

根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体区分为：
细胞内受体 (intracellular receptor):位于细胞质基质或核基质；

细胞表面受体 (cell-surface receptor)：位于细胞质膜上 细胞表面受体 据信号转导机制和受体蛋白类型的不同，细胞表面受体分属三大家族：
离子通道偶联的受体（ion-channel-linked receptor） G-蛋白偶联的受体（G-protein-linked receptor） 酶偶连的受体（enzyme-linked receptor） 受体具有两个功能区域 与配体结合的区域（结合特异性） 产生效应的区域（效应特异性） 受体与配体相互作用特性 特异性(specificity):受体与配体空间构象的互补; 高亲和力(high affinity):受体和信号分子的亲和力以解离常数Kd表示（10-11～10-9mol/L）; 饱和性(saturation）:生物效应与被配体占领的受体数成正比，受体数目有限，故呈饱和性; 可逆性（reversibility）：受体与配体非共价结合; 生理效应（physiological response) 信号分子与受体相互作用的复杂性 虽然一种信号分子只能同一种受体作用，但是却能作用于不同的靶细胞产生多种效应：如形态变化、运动性改变、代谢改变以及基因表达的变化。如：当心肌细胞暴露于神经递质乙酰胆碱时，它降低了收缩的频率；
但是唾液腺暴露于相同的信号分子中时，却能分泌唾液。

一个细胞表面有急事甚至上千种不同的受体同时与细胞外基质中的不同信号分子起作用，这些信号分子共同作用的影响比任何单个信号所起的作用都强得多。如存活、分裂、分化或死亡。

3. 第二信使与分子开关 第二信使cAMP的发现 1957年Sutherland及其同事们在研究狗肝组织中糖原是如何断裂时发现了cAMP，这是代谢研究的一个重要里程碑。

？ 第二信使学说(second messenger theory) 胞外化学物质（第一信使）不能进入细胞，它作用于细胞表面受体，而导致产生胞内第二信使，从而激发一系列的生化反应，最后产生一定的生理效应，第二信使的降解使其信号作用终止。

Sutherland因为阐明了cAMP的功能并提出第二信使学说而获得1971年诺贝尔医学和生理学奖。

第二信使(second messenger) 定义：在胞内产生的小分子，其浓度变化（增加或减少）应答于胞外信号与细胞表面受体的结合，并在细胞信号转导中行使功能。

两个基本特性：
是第一信使同期膜受体结合后最早在细胞膜内侧或胞浆中出现的仅在细胞内部起作用的信号分子；

能启动或调节细胞内稍晚出现的信号应答；

种类：cAMP、 cGMP、Ca2+、DAG、IP3等。

作用：能够激活级联系统中酶的活性以及非酶蛋白的活性。

分子开关（molecular switch)：
在细胞的信号通路中起正负反馈调节的蛋白。

GTPase开关蛋白 蛋白激酶和蛋白磷酸酶 1992年Edwin G.Krebs和Edmond H.Fischer因为发现蛋白质磷酸化与去磷酸化作为一种生物学调节机制而获得诺贝尔医学和生理学奖。

1994年Alfred G.Gilman和Martin Rodbell因为发现G蛋白及其在细胞信号转导中的作用而获得诺贝尔医学和生理学奖。

二、信号转导系统及其特性 1.信号转导系统的基本组成与信号蛋白 通过细胞表面的受体介导的信号途径由下列4个步骤组成：
（1）细胞通过特异性受体识别胞外信号分子 （2）信号跨膜转导 （3)信号放大 (4)由于信号分子失活，细胞反应终止或下调。

信号蛋白 转承蛋白，信使蛋白，接头蛋白，放大和转导蛋白，传感蛋白，分歧蛋白，整合蛋白，潜在基因调控蛋白等等。

2. 细胞内信号蛋白的相互作用 细胞内信号蛋白之间的相互作用是靠蛋白质模式结合域(modular binding domain)所特异性介导的。

靠信号蛋白具有的不同模式结合域与另一种相匹配的基序(motif)识别与结合，在细胞内组装成不同的信号转导复合物，构成细胞内信号传递通路的结构基础。

包括人类在内的多细胞动物基因组序列的发现为研究细胞内分子间相互作用提供了条件。现在我们需要解决的问题是要利用计算学和统计学的原理来归纳已知的分子间相互作用信息，并且利用他们来推测未知分子间的相互作用,从而更深入的研究细胞的生命活动. 2001年5月，Novartis公司研发的针对酪氨酸激酶的抑制剂GleevecTM (imatinib mesylate)由于对治疗慢性髓样白血病具有非常好的疗效，尚未完成Ⅲ期临床就被FDA批准提前上市，用于治疗费城染色体呈阳性（Philadelphia chromosome – positive, Ph+）的慢性髓样白血病患者，引起了巨大的轰动。

3.信号转导系统的主要特性 特异性 (specificity) 放大作用 (magnification) 信号终止或下调 (cessation or down-regulation) 信号的整合作用 (integration) 细胞必须整合不同的信息，对细胞外信号分子的特异性组合做出程序性反应，才能维持生命活动的有序性。

第二节 细胞内受体介导的信号转导 Signal transdution mediated by the intracellular receptors 与细胞内受体相互作用的信号分子是一些亲脂性小分子，可以通过疏水性的质膜进入细胞内与受体结合而传播信号。

一、细胞内核受体及其对基因表达的调节 1/细胞内受体超家族：是依赖激素激活的基因调控蛋白。

有三个功能结构域：
C端：激素结合位点；

中部：DNA或者Hsp90结合位点；

N端：转录激活结构域。

类固醇激素、视黄醛、维生素D和甲状腺素的受体在细胞核内。

该通路的细胞外界信号分子为亲脂性的小分子，分子量在300Da左右，如：甾类激素，可通过简单扩散跨越质膜进入细胞内，在膜上没有特异的受体；

激素与胞质受体结合形成复合体，能穿过核孔膜；

激素－受体复合体进入细胞核，与核内受体结合，形成激素－胞质受体－核质受体复合物，核内受体是一种依赖于激素的转录增强子，进而启动DNA的转录；

类固醇激素诱导的基因活化通常分为两个阶段：
A：直接激活少数特殊基因转录的初级反应阶段，快速发生。

B：初级反应的基因产物再活化其他基因，产生一种延迟的次级反应。这种反应对初级反应起放大效应。

类固醇激素的作用方式总结 二、 NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合 1980年R. Furchgott 提出血管舒张是因为血管内皮细胞产生一种信号分子引起血管平滑肌松弛所致。

1986年， R.Furchgott,Louis Ignarro, 研究证实，NO作为气体信号分子引起血管平滑肌舒张。

R.Furchgott,Louis Ignarro,Ferid Murad 因为发现NO是体内重要的信号分子获得1998年诺贝尔医学和生理学奖。

第三节 G蛋白藕联受体介导的信号转导 一、G蛋白耦联受体的结构与激活 1、G蛋白耦联受体(GPCRs) 结构：7个疏水残基肽段形成跨膜α螺旋区和相似的三维结构，N末端在细胞外侧,C末端在细胞胞质侧。胞外结构域识别信号分子，胞内结构域与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使。

G蛋白耦联受体介导无数胞外信号的细胞应答。

2. G蛋白（trimeric GTP-binding regulatory protein)的结构和功能 G蛋白的结构组成 是三聚体GTP结合调节蛋白的简称,位于质膜内胞浆一侧， 由Gα、Gβ、Gγ3个亚基组成， Gβ和Gγ亚基以异二聚体存在， Gα和Gβγ分别通过共价结合脂分子锚定于膜上。

鸟苷结合位点位于 α 亚基上，此外α亚基本身具有GTPase活性结构域和ADP核糖化位点，是分子开关蛋白。

Gα-GTP处于活化开启态， Gα-GDP处于失活的关闭态。

G蛋白是一个大家族，目前研究得较多的是Gs（转导激素对腺苷酸环化酶的活化过程）、Gi(转导激素对腺苷酸环化酶的抑制作用）。

G蛋白有多种调节功能，包括Gs和Gi对腺苷酸环化酶的激活和抑制、对cGMP磷酸二酯酶的活性调节、对磷脂酶C的调节、对细胞内Ca2+浓度的调节等。此外还参与闸门离子通道的调节。

G蛋白循环（G-protein cycle) G蛋白在G蛋白偶联信号转导系统中所起的作用相当于一个功能开关，因为G蛋白能够以两种不同的状态结合在细胞质膜上。一种是静息状态，即三体状态，此时的α亚基上结合的是GDP。另一种是活性状态，此时的α亚基上结合的是GTP。

G蛋白由非活性状态转变成活性状态，而后又恢复到非活性状态的过程称为G蛋白循环。

二、 G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路 由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：以cAMP为第二信使的信号通路、以肌醇-1，4，5-三磷酸（IP3）和二酰甘油（DAG）作为双信使的磷脂酰信号通路和G蛋白耦联离子通道的信号通路 （一）以cAMP为第二信使的信号通路( Cyclic AMP signaling pathway ) 腺苷酸环化酶 在该信号通路中，Gα亚基的首要效应酶是腺苷酸环化酶，通过腺苷酸环化酶活性的变化调节靶细胞内第二信使的水平，进而影响信号通路的下游事件。

腺苷酸环化酶是相对分子质量为1.5×105的12次跨膜蛋白，胞质侧具有2个大而相似的催化结构域，跨膜区有2组整合结构域，每组含6个跨膜α螺旋。

腺苷酸环化酶在Mg2+或Mn2+存在条件下，催化ATP生成cAMP。

腺苷酸环化酶受不同的受体-配体复合物的激活或抑制。

腺苷酸环化酶C 蛋白激酶A(protein kinaseA，PKA） 又称cAMP 依赖的蛋白激酶，是一种最简单、生化特性最清楚的蛋白激酶。一般认为，真核细胞几乎所有的cAMP 作用都是通过活化PKA，从而使其底物蛋白发生磷酸化而实现的。

　无活性的PKA是由2个调节亚基（R)和2个催化亚基(C)组成的四聚体，在每个调节亚基上有2个cAMP的结合位点。

　　PKA的功能是将ATP上的磷酸基团转移到特定蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上进行磷酸化，被蛋白激酶磷酸化了的蛋白质可以调节靶蛋白的活性。

PKA的细胞质功能与细胞核功能 　　 PKA被cAMP 激活后能够作用于多种底物，引起多种反应，既可直接修饰细胞质中的底物蛋白，使之磷酸化后立即起作用，也可以进入细胞核作用与基因表达的调控蛋白（如CREB)启动基因的表达，也就是说PKA既有细胞质功能又有细胞核功能。

PKA的细胞质功能：糖原分解 ？ PKA的细胞核功能：调节基因表达 反应链：
激素→G-蛋白偶联受体→G-蛋白→腺苷酸环化酶 →cAMP→ cAMP依赖的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录 　以cAMP为第二信使的信号通路的主要效应是通过活化cAMP依赖的PKA使下游靶蛋白磷酸化，从而影响细胞代谢和细胞行为，这是细胞快速应答胞外信号的过程。此外，还有一类细胞缓慢应答胞外信号的过程，这就是cAMP信号通路对细胞基因表达的影响。

cAMP信号的终止 　　有两种方式：
　　第一种方式是将cAMP迅速降解，主要是通过cAMP磷酸二酯酶将cAMP的环破坏，形成5’-AMP。

　　第二种方式是通过抑制型的信号作用于Ri,然后通过Gi起作用。

细菌毒素对G蛋白的修饰作用 霍乱毒素：具有ADP核糖转移酶活性，导致Gs的a亚基持续性活化。其结果使腺苷酸环化酶处于永久活性状态， cAMP的合成失去控制，引起Na+和水分泌到肠腔导致严重腹泻。作用 百日咳毒素：催化Gi的a亚基ADP－核糖基化，阻止了Gi蛋白a亚基上的GDP被GTP取代，使其失去对腺苷酸环化酶的抑制作用，其结果也是使cAMP浓度的增加。促使大量的体液分泌进入肺，引起严重的咳嗽。

总结 （二）磷脂酰肌醇双信使信号通路（phosphadylinositol signal pathway) “双信使系统”反应链：胞外信号分子→G-蛋白偶联受体→G-蛋白→ 　→IP3→胞内Ca2+浓度升高→Ca2+结合蛋白(CaM)→细胞反应 磷脂酶Cβ(PLCβ)→ →DAG→激活PKC→蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pHÓ 磷脂酶Cβ(PLCβ) 将磷脂酰肌醇二磷酸分解为两个细胞内的第二信使：二酰甘油（DAG)和肌醇三磷酸（IP3)。

双信使系统：IP3-Ca2+ pathway and DAG-PKC pathway IP3 水溶性的小分子，可以离开质膜并迅速在胞质溶胶中扩散。

主要功能是引发储存在内质网中Ca2+的转移到细胞质基质中，使胞质中游离Ca2+浓度提高。

Ca2+ 绝大多数Ca2+被储存在线粒体、内质网和其他膜泡中或泵出细胞外；
而细胞质基质中基态Ca2+浓度常维持在约10-7mol/L. 细胞质基质中的Ca2+浓度是严格受控的。细胞内Ca2+动员主要是依靠内质网膜上的IP3-门控Ca2+通道将储存的Ca2+释放到细胞质基质中。

Ca2+能够引起许多不同的细胞反应：激活或抑制各种靶酶和运输系统，改变膜的离子通透性，诱导膜的融合或者改变细胞骨架的结构与功能等。

　 　最直接的作用有两个：第一个是协同DAG激活蛋白激酶C，第二是Ca2+与钙调蛋白结合直接引起细胞的其他反应 钙调蛋白（calmodulin,CaM) 真核细胞中普遍存在的Ca2+应答蛋白，多肽链由148个氨基酸残基组成，含有4个结构域，每个结构域可结合一个Ca2+。钙调蛋白本身无活性，和Ca2+结合后活化靶酶的过程分两步：首先Ca2+与CaM结合形成活化态的Ca2+ - CaM复合体，然后再与靶酶结合将其活化。这是一个受Ca2+浓度控制的可逆反应。

The functions of increase the levels of cytosolic calcium-CaM : 1.启动受精后胚胎发育 2.兴奋肌细胞的收缩 3. 刺激内分泌细胞和神经元的分泌 DAG 脂溶性的，结合在质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（PKC)。

PKC 两个功能区：一个是亲水的催化活性中心，另一个是疏水的膜结合区。

是钙离子和磷脂酰丝氨酸依赖性激酶，具有广泛的作用底物，参与众多生理过程，在细胞的生长、分化、细胞代谢以及转录激活等方面具有非常重要的作用。

PKC的活化可增强特殊基因的转录。两条途径：一是PKC激活一条蛋白激酶的级联反应；
二是PKC的活化。

活化的PKC激活基因转录的两条细胞内途径: 一条是PKC激活一系列磷酸化级联反应,导致MAP激酶的磷酸化并使之活化，MAP激酶磷酸化并活化基因调控蛋白Elk-1。Elk-1与另一种DNA结合蛋白血清应答因子（SRF）共同结合在基因上短的DNA调控序列（血清应答元件，SRE）上。Elk-1的磷酸化和活化，即可调 节基因转录；
另一条途径是PKC的活化导致I - κB磷酸化，使基因调控蛋白NF- κB与I - κB解离并进入细胞核，与相应的基因调控序列结合激活基 因转录。

信号通路（双信使系统 IP3 / Ca2+、DG / PKC） 信号分子的灭活：
通过细胞内生化代谢完成。

IP3信号的解除：通过肌醇磷酸脂循环途径；

DG信号的解除：通过两种途径终止其信使作用；

被二酰基甘油激酶磷酸化为磷脂酸，进入肌醇磷脂循环， 被二酰基甘油脂酶水解成单脂酰甘油。

Ca2+ 信号的解除: IP3参与打开细胞质膜上的Ca2+通道，使细胞质中的Ca2+较为持久的增高，胞内Ca2+浓度持久的升高，可激活Ca2+ -ATP酶，从而降低胞质中的Ca2+ ，使胞质中Ca2+的迅速恢复到基态水平，并使活性CaM-酶复合物解离，酶失去活性，细胞反应终止。

（三） G蛋白耦联受体介导离子通道的调控 　　当受体与配体结合被激活后，通过耦联G-蛋白的分子开关作用，调控与跨膜离子通道的开启与关闭，进而调节耙细胞的活性，如心肌细胞的M-型乙酰胆碱受体和视杆细胞的光敏感受体，都属于这类调节离子通道的G-蛋白耦联受体。

第四节 酶联受体介导的信号转导 一、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路 1. 受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，RTKs） 　　又称酪氨酸蛋白激酶受体，是细胞表面一大类重要受体家族，目前对该受体的结构域功能了解最为清楚；

　　RTKs已有50多种，包括6个亚族; 　　RTKs主要功能是控制细胞生长、分化而不是调控细胞中间代谢。

受体酪氨酸激酶的6个亚族 1）RTKs家族的基本结构：
　　RTKs类除胰岛素受体外，其余受体都由一条单跨膜肽链组成。

可分为三个结构区：
细胞外的结构域（含有配体结合位点） 胞质结构域（一个具有蛋白酪氨酸激酶活性的催化位点） 连接这两个区的疏水的跨膜α螺旋 ２）RTKs的活化 以表皮生长因子受体（EGF-R）为例 EGF受体在膜上以无活性的单体形式存在；

与配体EGF结合后，聚合成二聚体，同时被活化；

被激活的受体往往发生自身磷酸化，继而对其他蛋白质底物进行磷酸化；

被激活的受体可因与其配体的解离而钝化，回到无活性的单体状态。

　　活化的RTKs通过磷酸酪氨酸残基可以结合多种细胞质中带有SH2结构域的结合蛋白或信号蛋白 　　SH3结构域选择性结合不同的富含脯氨酸的基序 信号转导：配体→受体→受体二聚化→受体的自磷酸化→激活RTK→胞内信号蛋白→启动信号传导 2. Ras蛋白的活化 Ras 蛋白：
　　在RTKs介导的信号通路中是一种关键组分，是由190个氨基酸残基组成的小的单体GTP结合蛋白，具有GTPase活性，分布于质膜胞质一侧。

也是GTPase开关蛋白， 　　 GEF和GAP都与Ras蛋白GTP-GDP的转换相关。

Ras 蛋白的活化是通过配体与RTK的结合而诱导的，而且Ras蛋白的活化对诱导不同类型 的细胞的分化或增殖又是必要而充分的。

RTK介导的信号通路具有广泛的功能，包括调节细胞的增殖和分化，促进细胞存活，以及 细胞代谢的调节和校正作用。

3. Ras-MAP激酶磷酸化级联反应 4. RTK- Ras信号通路：
配体→RTK→ 接头蛋白←GEF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→进入细胞核 →其它激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修钸，对基因表达产生多种效应。

二、细胞表面其它与酶偶联的受体 u受体丝氨酸/苏氨酸激酶 u受体酪氨酸磷酸酯酶 u受体鸟苷酸环化酶 u酪氨酸蛋白激酶联系的受体 三、细胞表面整联蛋白介导的信号转导 第五节 信号的整合与控制 一、细胞对信号的整合 （一）细胞对信号反应表现发散性（divergence)或收敛性(covergence)特征 对特定胞外信号产生多样性细胞反应的机制通常有3种情况：
① 信号的强度或持续的时间不同从而控制反应的性质。

② 在不同细胞中，因为有不同的转录因子组分，所以即使同样受体而其下游通路也是不同的。

③ 整合信号会聚其他信号通路的输入从而修正细胞对信号的反应。

（二） 蛋白激酶的网络整合信息 细胞信号转导最重要的特征之一是构成复杂的信号网络系统，它具有高度的非线性特点。人们对信号网络系统中各种信号通路之间的相互关系，形象地称之为“交叉对话”（cross talk）。

通过蛋白激酶的网络整合信息调控复杂的细胞行为是不同信号通路之间实现“交叉对话”的一种重要方式。

二、细胞对信号的控制 细胞对外界信号作出适度的反应既涉及信号的有效刺激和启动，也依赖信号通路本身的调节，还有另一个重要机制，那就是信号的解除并导致细胞反应终止。

解除和终止信号的重要方式是在信号浓度过高或细胞长时间暴露在一种信号刺激的情况下，细胞会以不同的机制使受体脱敏（desensitization)。

通过G蛋白耦联受体激酶（GRKs)使受体胞质域特定氨基酸残基磷酸化是G蛋白耦联受体脱敏的细胞以不同的方式产生对信号的适应：
一是逐渐降低表面受体的数目，游离受体的减少降低细胞对外界信号的敏感性， 二是快速使受体本身脱敏，从而降低受体和配体的亲和力，降低受体对胞外微量配体的敏感性， 三是在受体已被激活的情况下，其下游信号蛋白发生变化，使通路受阻，或者形成的受体-配体复合物不能诱导正常的细胞反应。

（五）减数分裂与有丝分裂的比较 共同点：都是通过纺锤体同染色体的相互作用进行细胞的分裂。

不同点：
（1）有丝分裂是体细胞的分裂方式，减数分裂是生殖细胞产生配子的过程。

（2）有丝分裂是一次细胞周期，DNA复制一次，分裂一次，染色体由2n 2n,减数分裂是两次细胞周期，DNA复制一次，细胞分裂两次，染色体由2n n. （3）有丝分裂中，每个染色体是独立活动的，在减数分裂中，染色体要配对、联会、交换和交叉。

（4）有丝分裂之前，经DNA合成，进入G2期后才进行有丝分裂，减数分裂之前，DNA合成时间很长（99.7%合成，0.3％未合成），一旦合成，即进入减数分裂期，G2期短或没有。

（5）有丝分裂时间短，1～2h，减数分裂时间长，几十小时至几年。