1、细胞生物学细胞生物学生物奥赛辅导使用者：南丰中学细胞生物学部分竞赛考试纲要细目细胞生物学部分竞赛考试纲要细目 I.I.细胞的结构和功能细胞的结构和功能化学成分化学成分v- - 单糖、双糖、多糖单糖、双糖、多糖v- - 脂类脂类v- - 蛋白质：氨基酸、遗传密码子、蛋白质结构蛋白质：氨基酸、遗传密码子、蛋白质结构v 蛋白质的化学分类：简单蛋白质和结合蛋白质蛋白质的化学分类：简单蛋白质和结合蛋白质v 蛋白质的功能分类：结构蛋白和酶蛋白质的功能分类：结构蛋白和酶v- - 酶类：酶类：v 化学结构、酶作用的模型、变性、命名化学结构、酶作用的模型、变性、命名v- - 核酸：核酸：DNA, RNADNA,
2、 RNAv- - 其他重要化合物其他重要化合物v ADPADP和和ATPATPv NAD+ NAD+和和NADHNADHv NADP+ NADP+和和NADPHNADPH细胞器细胞器v 细胞核细胞核 - -核膜核膜v - -（核透明质）（核透明质）v - -染色体染色体v - -核仁核仁v 细胞质细胞质 - -细胞膜细胞膜v - -透明质透明质v - -线粒体线粒体v - -内质网内质网v - -核糖体核糖体v - -高尔基体高尔基体v - -溶酶体溶酶体v - -液泡膜液泡膜v - -前质体前质体v - -质体质体 叶绿体叶绿体v 有色体有色体v 白色体（如造粉体）白色体（如造粉体）细胞的化
3、学成分介绍v一，细胞的化学成分v尽管细胞形态多样，功能各异，但其化学成分基本上是相似的。这里所提化学成分主要是指构成细胞的各种化合物，包括水，无机盐，糖类，脂类，蛋白质和核酸等。v（一）糖类v 糖类含C，H，O三种元素，其比例一般为1：2：1，其分子式为（CH2O)n，例如葡萄糖为C6H12O6。对大多数糖来说，（CH2O)n的通式是适用的。也有例外的情况，如乙酸的分子式为C2H4O2，符合（CH2O)n，但并不是糖，而鼠李糖C6H12O5不符合该通式，但是糖。糖类分为单糖，双糖，多糖三大类。糖类是细胞生命活动的重要能源物质，又是重要的生物的啊分子的结构成分，具有重要功能。1，单糖v 单糖是最
4、简单的糖，不能再被水解为更小的单位。单糖通常含3，4，5，6或7个碳原分子，分别称为丙糖，丁糖，戊糖，己糖和庚糖。 细胞中重要的单糖有：（1）丙糖 如甘油醛和二羟丙酮。它们的磷酸脂是细胞呼吸作用及光合作用及光合作用中的重要的中间代谢物。 （2）戊糖 戊糖中最重要的有核糖，脱氧核糖和核酮糖。核糖和脱氧核糖的重要部分，核酮糖是重要的部分，核酮糖是重要的中间代谢物。 （3）己糖 葡萄糖，果糖，半乳糖等都是己糖。所有己糖的分子市均为C6H12O6，但结构各不相同。其中葡萄糖是植物光合作用的产物，也是细胞的重要能源物质之一。 2，双糖，寡糖，低聚糖 v双糖是由两分子单糖缩合脱水生成的。例如两分子葡萄糖：
5、C6H12O6+C6H12O6C12H22O11+H2O。麦芽糖和蔗糖以及纤维二糖是植物细胞中重要的双糖。麦芽糖是淀粉的基本结构，纤维二糖是纤维素的基本结构单位。动物细胞中重要的双糖是乳糖，存在于哺乳动物的乳汁中。v 寡糖是少数单糖（110个）缩合成的聚合物。v低聚糖是指20个以下的单糖缩合成的聚合物。 3.多糖 v 多糖由多个单糖分子缩合而成。n个单糖缩合多糖时将脱去（n-1个）个水。植物细胞中重要的多糖是淀粉和纤维素。动物细胞中最重要的多糖是糖原（或称动物淀粉）。淀粉和糖原是储藏能量的物质，纤维素是植物细胞壁的组成物质。淀粉遇碘变为色、深兰色，糖原遇到变为红褐色。v 多糖有纯多糖，杂多糖之
6、别。纯多糖由一种单糖构成，如淀粉，糖原，纤维素均为来源不同或糖苷键不同的低聚糖。杂多糖如半纤维素，动物结缔组织的透明质酸，则均由两种以上的单糖构成。v 其他如几丁质，细胞壁的多糖链，果胶也属多糖。其中，几丁质是昆虫和甲克类外骨骼的主要组成部分；肽聚糖是细菌细胞壁的主要成分；果胶存在于相邻植物细胞壁之间的中层内。v 糖类与脂类或蛋白质结合在一起分别形成糖脂或糖蛋白。细胞的许多生物学作用与糖脂或糖蛋白有关。糖脂是构成生物膜的物质。细胞膜表面的糖脂和糖蛋白是细胞识别的分子基础。 （1）脂类 v脂类的化学成分结构差异很大，但具有共同的特性，即均不溶于水，而溶于非极性有机溶剂。脂类主要组成元素也是C、H
7、、O，但氢氧元素之比远大于2，所以不同于糖类。生物体含有的脂类主要有脂肪、磷脂、糖脂、固醇等。v 脂肪是生物体储存能量的主要形式。1g脂肪储存的能量是1g葡萄糖或1g氨基酸所储存能量的2倍。v 磷脂是由1分子甘油和2分子脂肪酸以及1分子磷酸结合而成。磷脂分子是构成生物膜的脂双分子层结构的基本物质，由于其头部具有亲水性而尾部具有疏水性，因而在细胞结构中具有重要意义。磷脂的种类很多，如脑磷脂、神经磷脂，存在于动物的神经组织中；卵磷脂又称蛋黄素，在蛋黄中的含量可达810。v 固醇主要包括胆固醇、性激素和维生素D等。胆固醇存在于动物体类，参与生物膜的组成。固醇对维持生物体正常的新陈代谢具有积极作用。（
8、三）蛋白质 v蛋白质是细胞结构的重要成分，其含量占细胞干重的50以上。它是细胞生命活动所依赖的物质基础。各种蛋白质是由C、H、O、N和S等元素组成的，蛋白质中N的含量约占16。 1，氨基酸v 氨基酸是蛋白质的基本结构的重要组成单位。目前天然蛋白质中已知的氨基酸共有20种，其结构通式（环状的脯氨酸例外）为：v Hv v RCCOOHv vNH2 v R基团的不同决定各种氨基酸在溶解度以及其他特性上的不同。根据R基团的特性，氨基酸可分为5类：vR基团无极性，疏水。蛋白质分子中含有这些疏水氨基酸的部分在水中往往折叠到大分子的内部而远离水相；在强疏水环境中，列如在细胞膜的脂类层中就暴露在大分子的外面而
9、与脂类分子相邻。vR级团为芳香族，无极性，较疏水。vR基团有极性，不带电荷，亲水。蛋白质分子中具有这类氨基酸的部分在水相中大多露在蛋白质分子的表面与水接触。vR基团带负电（酸性）。vR基团带正电（碱性）。 v 20种氨基酸的名称及三字字母缩写分别是：丝氨酸（Ser），苏氨酸（Thr）， 天冬酰胺（Asn）， 谷氨酰胺（Gln）， 酪氨酸（Tyr）， 半光氨酸（Cys）， 天冬氨酸（Asp）， 谷氨酸（Glu）， 组氨酸（His）， 赖氨酸（Lys）， 精氨酸（Arg）， 甘氨酸（Gly）， 丙氨酸（Ala）， 缬氨酸（Val）， 亮氨酸（Leu）， 异亮氨酸（Ile）， 苯亮氨酸（Phe），
10、甲硫氨酸（Met）， 脯氨酸（Pro）， 色氨酸（Trp）。v 生物界也存在少量的D型氨基酸。它们主要存在于原核细胞和一些植物细胞中，但不能参与蛋白质的组成 v（三）核酸v1生物学功能v核酸是遗传信息的载体，存在于每一个细胞中。核酸也是一切生物的遗传物质，对于生物体的遗传性、变异性和蛋白质的生物合成有极其重要的作用。v2种类v核酸分DNA和RNA两大类。所有生物细胞都含有这两大类核酸（病毒只含有DNA或RNA）。v3组成元素及基本组成单位v核酸是由C、H、O、N、P等元素组成的高分子化合物。其基本组成单位是核苷酸。每个核酸分子是由几百个到几千个核苷酸互相连接而成的。每个核苷酸含一分子碱基、一分
11、子戊糖（核糖或脱氧核糖）及一分子的磷酸组成。如下图所示：v5腺瞟吟核苷酸（5AMP）3胞嘧啶脱氧核苷酸（3dCMP )vDNA的碱基有四种（A、T、G、C），RNA的碱基也有四种（A、U、G、C）。这五种碱基的结构式如下图所示：DNA中碱基的百分含量一定是AT、GC，不同种生物的碱基含量不同。RNA中AU、GC之间并没有等当量的关系。 腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）胞嘧啶（C） v4结构vDNA一级结构中核苷酸之间唯一的连接方式是3、5磷酸二酯键，如下图所示。所以DNA的一级结构是直线形或环形的结构。DNA的二级结构是由两条反向平行的多核音酸链绕同一中心轴构成双螺旋结构。v
12、第二节其他重要化合物v【知识概要】v一、细胞内能合流通的物质ATPv1ATP的结构vATP（三磷酸腺苷）是各种活细胞内普遍存在的一种高磷酸化合物（水解时释放的能量在2092kJmol的磷酸化合物）。ATP的分子简写成APPP，A代表由腺嘌呤和核糖组成的腺苷，P代表磷酸基团，代表高能磷酸键。ATP中大量化学能就贮存在高能磷酸键中。ATP结构中的3个磷酸（Pi）可依次移去而生成二磷酸腺苷（ADP）和一磷酸腺苷（AMP），如下图：v2ATP的作用vATP水解时释放出的能量，是生物体维持细胞分裂、根吸收矿质元素离子和肌肉收缩等生命活动所需能量的直接来源，是细胞内能量代谢的“流通货币”。在动物肌肉或其他
13、兴奋性组织中，还有一种高能磷酸化合物即磷酸肌酸，它也是高能磷酸基的贮存者，其中的能量要兑换成“流通货币”才能发挥作用。如图下图所示磷酸肌酸与ATP关系 磷酸肌酸肌酸 v二、NAD和NADPvNAD又叫辅酶，全称烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；NADP又叫辅酶，全称烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。它们都是递氢体，能从底物里取得电子和氢。NAD和NADP都是以分子中的烟酰胺部分来接受电子的，所以烟酰胺是它们的作用中心。接受电子的过程如下图所示：v这里虽然从底物脱下来的两个电子都被接受了，但脱下来的两个氢原子却只有一个被接受，剩下的一个质子H暂时被细胞的缓冲能力接纳下来，留待参与其他反应。因此，NAD和NADP的还
14、原形式被写作NADH和NADPH。 细胞代谢细胞代谢v- - 碳水化合物的异化碳水化合物的异化v 无氧呼吸：糖酵解无氧呼吸：糖酵解v 有氧呼吸：糖酵解有氧呼吸：糖酵解 柠檬酸循环柠檬酸循环 氧化磷酸化氧化磷酸化v- - 脂肪和蛋白质的异化脂肪和蛋白质的异化v- - 同化作用同化作用v 光合作用光合作用v 光反应光反应v 暗反应（卡尔文循环）暗反应（卡尔文循环）蛋白质合成蛋白质合成v- - 转录转录v- - 转译转译v- - 遗传密码遗传密码通过膜的转运通过膜的转运v- - 扩散扩散v- - 渗透，质壁分离渗透，质壁分离v- - 主动转运主动转运有丝分裂和减数分裂有丝分裂和减数分裂v- - 细胞
15、周期：间期和有丝分裂细胞周期：间期和有丝分裂v- - 染色单体、赤道板、单倍体和二倍体、基因组、体细胞和生殖细胞、配子、交换染色单体、赤道板、单倍体和二倍体、基因组、体细胞和生殖细胞、配子、交换v- - 减数分裂减数分裂和减数分裂和减数分裂II.II.微生物学微生物学v * * 原核细胞的组成原核细胞的组成v * * 形态学形态学v * * 光养和化养光养和化养III.III.生物工程学生物工程学v * * 发酵发酵v * * 生物体的遗传操纵生物体的遗传操纵1细胞的发现细胞的发现16651665年年英国物理学家英国物理学家罗伯罗伯特特虎克虎克用他自制的显微镜观察栓皮用他自制的显微镜观察栓皮栎
16、的软木切片时，看到了一个个蜂窝状的小室。他把这样的栎的软木切片时，看到了一个个蜂窝状的小室。他把这样的“小室小室”称为细胞。其实，他所看到的是植物细胞死亡后留下称为细胞。其实，他所看到的是植物细胞死亡后留下来的细胞空腔，是一个死细胞。尽管如此，虎克的工作还是使来的细胞空腔，是一个死细胞。尽管如此，虎克的工作还是使生物学的研究进入了微观领域。此后，许多人在动、植物中都生物学的研究进入了微观领域。此后，许多人在动、植物中都看到和记载了细胞构造的轮廓。看到和记载了细胞构造的轮廓。2细胞学说的建立细胞学说的建立自虎克发现细胞之后约自虎克发现细胞之后约170170年，到年，到18391839年创立了细胞
17、学说年创立了细胞学说。在。在这期间内，人们对动物、植物细胞及其内含物进行了较为广泛这期间内，人们对动物、植物细胞及其内含物进行了较为广泛的研究，积累了大量的资料。直到的研究，积累了大量的资料。直到1919世纪世纪3030年代已有人注意到年代已有人注意到植物和动物在结构上存在某种一致性，它们都是由细胞所组成植物和动物在结构上存在某种一致性，它们都是由细胞所组成的。在这一背景下，德国植物学家的。在这一背景下，德国植物学家施莱登施莱登于于18381838年提出了细胞年提出了细胞学说的主要论点，次年又经德国动物学家学说的主要论点，次年又经德国动物学家施旺施旺加以充实，最终加以充实，最终创立了细胞学说。
18、创立了细胞学说。细胞学说的主要内容是：细胞是动、植物有机体的基本结构单细胞学说的主要内容是：细胞是动、植物有机体的基本结构单位，也是生命活动的基本单位。这样，就论证了整个生物界在位，也是生命活动的基本单位。这样，就论证了整个生物界在结构上的统一性，细胞把生物界的所有物种都联系起来了，生结构上的统一性，细胞把生物界的所有物种都联系起来了，生物彼此之间存在着亲缘关系。这是对生物进化论的一个巨大的物彼此之间存在着亲缘关系。这是对生物进化论的一个巨大的支持。细胞学说的建立有力地推动了生物学的发展，为辩证唯支持。细胞学说的建立有力地推动了生物学的发展，为辩证唯物论提供了重要的自然科学依据，恩格斯对此评价
19、很高，把细物论提供了重要的自然科学依据，恩格斯对此评价很高，把细胞学说誉为胞学说誉为1919世纪自然科学的三大发现之一。世纪自然科学的三大发现之一。（一）细胞生物学的发展（一）细胞生物学的发展3细胞学的发展细胞学的发展进入本世纪以来，染色方法的改进，高进入本世纪以来，染色方法的改进，高速离心机的应用，特别是电镜的问世和速离心机的应用，特别是电镜的问世和放射性同位素的应用等，已使细胞生物放射性同位素的应用等，已使细胞生物学发展进入了较高的层次。从学发展进入了较高的层次。从19531953年开年开始，逐渐兴起在分子水平上探讨生命奥始，逐渐兴起在分子水平上探讨生命奥秘的分子生物学。分子生物学取得的卓
20、秘的分子生物学。分子生物学取得的卓越成就对细胞学的发展是一个巨大的推越成就对细胞学的发展是一个巨大的推动。细胞学逐渐发展成从动。细胞学逐渐发展成从显微水平、亚显微水平、亚显微水平和分子水平显微水平和分子水平三个层次上深入探三个层次上深入探讨细胞生命活动的学科。讨细胞生命活动的学科。（二）细胞的形态与大小1细胞的形状细胞的形状v一个细胞与其他细胞分离而单独存在时，称游离细胞。游离细胞常呈一个细胞与其他细胞分离而单独存在时，称游离细胞。游离细胞常呈球形或近于球形。但实际上由于细胞表面张力或原生质粘度的不均一球形或近于球形。但实际上由于细胞表面张力或原生质粘度的不均一性等原因，很多单独存在的游离细胞
21、并不呈球状。例如，动物的卵细性等原因，很多单独存在的游离细胞并不呈球状。例如，动物的卵细胞、植物的花粉母细胞是球状或近于球状的细胞，人的红细胞呈扁圆胞、植物的花粉母细胞是球状或近于球状的细胞，人的红细胞呈扁圆状，某些细菌呈螺旋状，精子和许多原生动物具有鞭毛或纤毛，变形状，某些细菌呈螺旋状，精子和许多原生动物具有鞭毛或纤毛，变形虫和白血球等为不定形细胞。虫和白血球等为不定形细胞。v许多细胞构成组织，这样的细胞称组织细胞。组织细胞的形状受相邻许多细胞构成组织，这样的细胞称组织细胞。组织细胞的形状受相邻细胞的制约，并和细胞的生理功能有关。例如肌肉细胞适于伸缩，神细胞的制约，并和细胞的生理功能有关。例
22、如肌肉细胞适于伸缩，神经细胞适于接受刺激、产生兴奋、传导兴奋。经细胞适于接受刺激、产生兴奋、传导兴奋。2细胞的大小细胞的大小v细胞的体积很小，肉眼一般是看不见的，需要借助显微镜才能看到。细胞的体积很小，肉眼一般是看不见的，需要借助显微镜才能看到。在显微技术和电镜技术中常用的单位有：微米（在显微技术和电镜技术中常用的单位有：微米（mm或或）、纳米（又）、纳米（又叫毫微米叫毫微米nmnm）和埃三种。）和埃三种。 1m1m10102 2cmcm10106 6mm10109 9nm=10nm=101010A Av细胞的直径多在细胞的直径多在10m10m100m100m之间。有的很小，如枝原体，其直径为
23、之间。有的很小，如枝原体，其直径为0.1m0.1m0.2m0.2m，是最小的细胞。细菌的直径一般只有，是最小的细胞。细菌的直径一般只有1m1m2m2m。有的细胞较大，如番茄、西瓜的果肉细胞直径可达有的细胞较大，如番茄、西瓜的果肉细胞直径可达1mm1mm；棉花纤维细胞；棉花纤维细胞长约长约1cm1cm5cm5cm；最大的细胞是鸟类的卵（鸟类的蛋只有其中的蛋黄才；最大的细胞是鸟类的卵（鸟类的蛋只有其中的蛋黄才是它的细胞，卵白是供发育用的营养物质，不屑于细胞部分），如鸵是它的细胞，卵白是供发育用的营养物质，不屑于细胞部分），如鸵鸟蛋卵黄的直径可达鸟蛋卵黄的直径可达5cm5cm。v细胞的大小与生物体的
24、大小没有相关性。参天的大树与新生的小苗；细胞的大小与生物体的大小没有相关性。参天的大树与新生的小苗；大象与昆虫，它们的细胞大小相差无几。鲸是最大的动物，但是它的大象与昆虫，它们的细胞大小相差无几。鲸是最大的动物，但是它的细胞并不大，生物体积的加大，主要是细胞数目的增多造成的。细胞并不大，生物体积的加大，主要是细胞数目的增多造成的。（三）原核细胞和真核细胞1 1原核细胞原核细胞原核细胞外部由质膜包围，质膜的结构与化学组成和其核细胞相似。原核细胞外部由质膜包围，质膜的结构与化学组成和其核细胞相似。在质膜之外还有一层坚固的细胞壁保护。原核细胞壁的化学组成与在质膜之外还有一层坚固的细胞壁保护。原核细胞
25、壁的化学组成与真核细胞不同，是由一种叫胞壁质的蛋白多糖所组成，少数原核细真核细胞不同，是由一种叫胞壁质的蛋白多糖所组成，少数原核细胞的壁还含有其他多糖和类脂，有的原核细胞壁外还有胶质层。胞的壁还含有其他多糖和类脂，有的原核细胞壁外还有胶质层。原核细胞内有一个含原核细胞内有一个含DNADNA的区域，称类核或拟核。类核外面没有核的区域，称类核或拟核。类核外面没有核膜，只由一条膜，只由一条DNADNA构成。这种构成。这种DNADNA不与蛋白质结合形成核蛋白。原核不与蛋白质结合形成核蛋白。原核细胞中没有内质网、高尔基体、线粒体和质体等，但有核糖体和中细胞中没有内质网、高尔基体、线粒体和质体等，但有核糖
26、体和中间体。核糖体分散在原生质中，是蛋白质合成的场所。中间体是质间体。核糖体分散在原生质中，是蛋白质合成的场所。中间体是质膜内陷形成的复杂的褶叠构造，其中有小泡和细管样结构。有些原膜内陷形成的复杂的褶叠构造，其中有小泡和细管样结构。有些原核细胞含有类囊体等结构。类囊体具有光合作用功能。在原核细胞核细胞含有类囊体等结构。类囊体具有光合作用功能。在原核细胞中还有糖原颗粒、脂肪滴和蛋白颗粒等内含物（见下图）。中还有糖原颗粒、脂肪滴和蛋白颗粒等内含物（见下图）。1DNA 2核糖体 3细胞壁 4细胞膜蓝藻细胞模式图蓝藻细胞模式图（三）原核细胞和真核细胞2 2真核细胞真核细胞真核细胞结构比原核细胞复杂，在
27、同一个真核细胞结构比原核细胞复杂，在同一个多细胞体内，功能不同的细胞，其形态结多细胞体内，功能不同的细胞，其形态结构也有不同。在真核细胞中，动物细胞和构也有不同。在真核细胞中，动物细胞和植物细胞也有重要区别。动物细胞质膜外植物细胞也有重要区别。动物细胞质膜外无细胞壁，无明显的液泡。此外，在细胞无细胞壁，无明显的液泡。此外，在细胞核的附近有中心粒，在细胞有丝分裂时，核的附近有中心粒，在细胞有丝分裂时，发出星状细丝，称为星体。发出星状细丝，称为星体。植物细胞和动物细胞的主要区别是：植物植物细胞和动物细胞的主要区别是：植物细胞具有质体；其次，植物细胞的质膜外细胞具有质体；其次，植物细胞的质膜外被细胞
28、壁，相邻细胞间有一层胶状物粘合被细胞壁，相邻细胞间有一层胶状物粘合作用，称中层或胞间层。在两个相邻细胞作用，称中层或胞间层。在两个相邻细胞间的壁上，有原生质丝相连，称胞间连丝，间的壁上，有原生质丝相连，称胞间连丝，使细胞间互相沟通。最后在植物的分化细使细胞间互相沟通。最后在植物的分化细胞中往往有大液泡。胞中往往有大液泡。（三）原核细胞和真核细胞3 3原核细胞和真核细胞的主要区别比较如下：原核细胞和真核细胞的主要区别比较如下：原核细胞真核细胞细胞大小很小（110微米）较大（10100微米）细胞核无膜（称“类核”）有膜遗传系统DNA不与蛋白质结合一个细胞只有一条DNA核内的DNA与蛋白质结合，形成
29、染色质（染色体）一个细胞有两条以上染色体细胞质无内质网无高尔基体无溶酶体无线粒体仅有功能上相近的中间体无叶绿体，但有的原核细胞有类囊体一般无微管、无微丝无中心粒有内质网有高尔基体有溶酸体有线粒体有叶绿体(植物细胞）有微管、微丝在中心粒(动物细胞）细胞壁主要由胞壁质组成主要由纤维素组成（四）真核细胞的亚显微结构1 1细胞膜细胞膜 细胞膜即细胞质膜，它不仅是细胞与外界环境的分界层，而重要细胞膜即细胞质膜，它不仅是细胞与外界环境的分界层，而重要的是它控制着细胞内外的物质交换。此外，在真核细胞内还有丰富的是它控制着细胞内外的物质交换。此外，在真核细胞内还有丰富的膜系统。它们组成具有各种特定功能的细胞器
30、和亚显微结构。例的膜系统。它们组成具有各种特定功能的细胞器和亚显微结构。例如，线粒体、叶绿体、高尔基体、溶酶体、细胞核、内质网等都是如，线粒体、叶绿体、高尔基体、溶酶体、细胞核、内质网等都是由膜围成的，有的并由膜构成内部的复杂结构。细胞膜和内膜系统由膜围成的，有的并由膜构成内部的复杂结构。细胞膜和内膜系统以及线粒体膜、叶绿体膜等统称为以及线粒体膜、叶绿体膜等统称为“生物膜生物膜”。生物膜对细胞的一。生物膜对细胞的一系列催化过程的有序反应和整个细胞的区域化提供了一个必需的结系列催化过程的有序反应和整个细胞的区域化提供了一个必需的结构基础。构基础。（1 1）质膜的化学组成）质膜的化学组成细胞膜主要
31、由脂类和蛋白质组成，蛋白质约占膜干重的20%70%，脂类约占30%80%，此外还有少量的糖类。不同细胞的细胞膜中各成分的含量出膜的功能而有所不同。构成质膜的脂类中有磷脂、糖脂和类固醇等，其中以磷脂为主要组分。磷脂主要由脂肪酸、磷酸和甘油组成。（见下图）它是兼性分子，既有亲水的极性部分，又有流水的非极性部分，磷脂分子的构形是一个头部和两条尾巴。这种一头亲水，一头疏水的分子称为兼性分子。（四）真核细胞的亚显微结构糖脂和胆固醇也都属于兼性分子。一般地说，功能多而复杂的生物膜蛋白质比例大。相反，膜功能越简单，所含蛋白质的种类越少。例如，神经髓鞘主要起绝缘作用，蛋白质的只有三种，与类脂的重量比仅为0.2
32、3。线粒体内膜则功能复杂，因此含有蛋白质的种类约30种40种，蛋白质与类脂的比值达3.2之多。构成质膜的蛋白质（包括酶）的种类很多，这和不同种类细胞的质膜功能有关，少者几种，多者可能有数十种。由于分离提纯困难，迄今提纯的膜蛋白还为数不多。从分布位置看，质膜的蛋白质可分为两大类。一类只是与膜的内外表面相连，称为外在性蛋白或周缘蛋白。另一类嵌入双脂质内部，有的甚至还穿透膜的内外表面，称为内在性蛋白。分离外在性蛋白比较容易，但内在性蛋白不易分，一般外在性蛋白占全部膜蛋白的比例较小，而内在性蛋白所占的比例较大。质膜中的多糖主要以糖蛋白和糖脂的形式存在。一般认为，多糖在接受外界刺激的信息方面有重要作用。
33、（四）真核细胞的亚显微结构（2 2）质膜的分子结构模型）质膜的分子结构模型关于质膜的分子结构，有许多不同的模型，其中受到广泛支持的是“流动镶嵌模型”。其主要特点有两个：一是强调了膜的流动性。认为脂类的双分子层或者膜的蛋白质都是可以流动或运动的。二是显示了膜脂和膜蛋白分布的不对称性。如有的蛋白质分子镶在类脂双分子层表面，有的则部分或全部嵌入其内部，有的则横跨膜层。在类脂层外面的蛋白质称为外在性蛋白，嵌入类脂层中的蛋白质和横跨类脂层的蛋白质称为内在性蛋白。各种生物膜在功能上的差别可以用镶嵌在类脂层中的蛋白质的种类和数量的不同得到解释。外在性蛋白主要处于水的介质中，而内在性蛋白只是部分暴露于水中，而
34、主要处于油脂介质中，内在蛋白在这种双相环境中所以能保持稳定，是因为它也像磷脂分子那样具有亲水和疏水两个部分。暴露在水介质中的部分由亲水性氨基酸组成，而嵌在脂质在的蛋白质部分主要是由疏水性氨基酸组成的。现在已能分离出某些内在性蛋白，发现它们的疏水性氨基酸含量显著多于亲水性氨基酸，而外在性蛋白的这两类氨基酸的比例是大体相等的。多糖只分布于膜和外侧，表现出不对称性。脂质在膜中的分布也是不完全对称的，例如不饱和脂肪酸和固醇在膜的外侧较多。流动镶嵌模型认为质膜的结构成分不是静止的，而是可以流动的。许多试验证明，质膜中类眼分子的脂肪酸键部分在正常生理情况下处于流动状态。一般认为膜脂所含脂肪酸的碳链愈长或不
35、饱和度愈高，流动性愈大。环境温度下降膜脂的流动性减弱，相反，在一定限度内温度升高则脂质的流动性增加。 （四）真核细胞的亚显微结构质膜中的蛋白质也是能够运动的。人们常提到的一个实验证据是1970年FryeLD和EddidinM的工作（见下图）。他们用不同的荧光染料标记的抗体分别与小鼠细胞和人细胞的膜抗原相结合，它们能分别产生绿色和红色荧光。当这两种细胞融合后形成一个杂交细胞时，开始一半呈绿色，一半呈红色，说明它们的抗原（蛋白质）是在融合细胞膜中互相分开存在的。但在37下保温40分钟后，两种颜色的荧光点就呈均匀分布。这说明抗原蛋白质可以在细胞膜中移动而重新分布。这一过程基本上不需能量，因为它不因缺
36、乏ATP而受抑制。膜蛋白的运动受很多因素影响。膜中蛋白质与脂类的相互作用、内在蛋白与外在蛋白相互作用、膜蛋白复合体的形成、膜蛋白与细胞骨架的作用等都影响和限制蛋白质的流动。质膜中蛋白质的移动显然应和质膜的功能变化有关。（四）真核细胞的亚显微结构（3 3）物质通过质膜进出细胞）物质通过质膜进出细胞自由扩散自由扩散指物质指物质顺浓度梯度顺浓度梯度直接穿过脂双层进行运输的方式。既不需直接穿过脂双层进行运输的方式。既不需要细胞提供能量也不需要膜蛋白协助。一般来说，影响物质进行自由扩要细胞提供能量也不需要膜蛋白协助。一般来说，影响物质进行自由扩散速度的因素主要是物质本身分子大小、物质极性大小、膜两侧物质
37、的散速度的因素主要是物质本身分子大小、物质极性大小、膜两侧物质的浓度差及环境温度等。浓度差及环境温度等。由于膜主要由类脂和蛋白质组成，双层类脂分子构成质膜的基本骨架，由于膜主要由类脂和蛋白质组成，双层类脂分子构成质膜的基本骨架，所以物质通过膜的扩散和它的脂溶性程度有直接关系。大量实验证明，所以物质通过膜的扩散和它的脂溶性程度有直接关系。大量实验证明，许多物质通过膜的扩散都和它们在脂肪中的溶解度成正比。许多物质通过膜的扩散都和它们在脂肪中的溶解度成正比。水几乎是不溶于脂的，但它经常能够迅速通过细胞膜。有人推测膜上有水几乎是不溶于脂的，但它经常能够迅速通过细胞膜。有人推测膜上有许多小孔，膜蛋白的亲
38、水基团嵌在小孔表面，因此水可通过质膜自由进许多小孔，膜蛋白的亲水基团嵌在小孔表面，因此水可通过质膜自由进出细胞。出细胞。（四）真核细胞的亚显微结构 促进扩散促进扩散 这也是一种顺浓度梯度的运动，但扩散是通过镶嵌在质膜上的蛋白质的协助来进行的。有实验说明，K不能通过磷脂双分子层的人工膜，但如在人工膜中加入少量缬氨霉素时，K便可通过。激氨霉素是一种多肽，是含有十二个氨基酸的脂溶性抗生素。缬氨霉素和K有特异的亲和力，在它的帮助下K可以透过膜由高浓度处向低浓度处扩散。缬氨霉素就相当于质膜中起载体作用的蛋白质。葡萄糖过红细胞膜进入细胞的过程也是以这种促进扩散的方式进行的。但葡萄糖通过膜进入细胞的过程，特
39、别是在小肠上皮细胞，往往是以主动运输方式进行的。 主动运输主动运输 物质由低浓度向高浓度（逆浓度梯度）进行的物质运输。主动运输过程中，需要细胞提供能量。 一般动物细胞和植物细胞的细胞内K的浓度远远超过细胞外的浓度，相反，Na的含量一般远远低于周围环境。为了细胞逆浓度梯度排出Na，吸收K的机制，发展了一种离子泵的概念，即靠这种泵的作用在排出Na的同时抽进K。现在已经知道离子泵的能量来源是ATP。凡是具有离子泵的组织细胞，其质膜中都有ATP酶系。有实验证明，当注射ATP给枪乌贼（由于中了毒不能合成自己的ATP）巨大神经细胞时，细胞膜立即开始抽排钠和钾离子，并且一直继续到ATP全部用完为止。 关于泵
40、的作用机制，有各种解释。例如，一个存在于神经和肌肉细胞中的离子泵的模型，要求有一个蛋白质的载体，它横跨质膜，在质膜外侧一端和Na结合，而在内侧一端和Na结合。在有ATP提供情况下，载体蛋白内外旋转，使K转入内侧，而Na转入外侧。这样离子脱离载体蛋白后，K即积累于细胞内，而Na进入细胞外的环境中。整个过程可以反复进行。 （四）真核细胞的亚显微结构 伴随运输伴随运输 也是物质逆浓度梯度进入细胞的过程，又叫协同运输。在此过程中物质运动并不直接需要ATP，而是借助其他物质的浓度梯度为动力进行的。后一种物质是通过载体和前一种物质相伴随运动的。比如动物细胞对氨基酸和葡萄糖的主动运输，就是伴随Na的协同运输
41、。 内吞作用和外排作用内吞作用和外排作用 大分子物质要以形成小泡的方式才能进入细胞。它们先与膜上某种蛋白质进行特异性结合，然后这部分质膜内陷形成小囊，将该物质包在里面。随后从质膜上分离下来形成小泡，进入细胞内部。这个过程称做内吞作用。内吞的物质为固体者称为吞噬作用，若为液体则称为胞饮作用。变形虫利用吞噬作用来获取食物。吞噬后的小泡再与细胞质的溶酶体融合逐步将其吞进的物质分解。哺乳动物的多形核白细胞和巨噬细胞利用吞噬作用来消灭侵入的病菌。 与内吞作用相反，有些物质通过形成小泡从细胞内部逐步移到细胞表面，与质膜融合而把物质向外排出。这种运送方式称为外排作用。分泌蛋白颗粒就是通过这种方式排出体外的。
42、内吞作用和外排作用与其他主动运输一样也需要能量供应。如果氧化酸化作用被抑制，那么吞噬作用应就会被阻止；如果分泌细胞中的ATP合成受阻，则外排作用也不能继续进行。（四）真核细胞的亚显微结构（4 4）细胞膜与细胞的识别）细胞膜与细胞的识别 细胞识别是指生物细胞对同种和异种细胞的认识，对自己和异己物质的认识。无论单细胞生物和高等动植物，许多重要的生命活动都和细胞的识别能力有关。比如，草履虫有性生殖过程中的细胞接合，开花植物的雌蕊能否接受花粉进行受精，都要靠细胞识别的能力。高等动物和人类的免疫功能更要依靠细胞的识别能力。细胞识别的功能是和细胞膜分不开的。因为细胞膜是细胞的外表面，自然对外界因素的识别过
43、程发生在细胞膜。如哺乳动物和人类的细胞识别：当外来物质（例如大分子、细菌或病毒，在免疫学上称它们为抗原）进入动物和人体，免疫系统以两种方式发生反应，一是制造抗体，一是产生敏感细胞。抗体和敏感细胞与抗原相结合，通过一系列反摧毁抗原，把抗原从体内消除掉。抗原与抗体的识别，主要取决于细胞膜上表面的某些受体。 （四）真核细胞的亚显微结构（5 5）细胞膜与细胞连接）细胞膜与细胞连接 在多细胞生物体内，细胞与细胞之间通过细胞膜相互联系，形成一个密切相关，彼此协调一致的统一体，称为细胞连接。动物细胞间的连接方式有紧密连接、桥粒、粘合带以及间隙连接等（见下图）。 （四）真核细胞的亚显微结构植物细胞间则通过胞间
44、连丝连接。 紧密连接：亦称结合小带，这是指两个相邻细胞的质膜紧靠在一起，中间没有空隙，而且两个质膜的外侧电子密度高的部分互相融合，成一单层，这类连接多见于胃肠道上皮细胞之间的连接部位。 间隙连接：是两个细胞的质膜之间有2nm4nm的间隙的一种连接方式。在间隙与两层质膜中含有许多颗粒。这些颗粒的直径大约有8nm左右，它们互相以9nm的距离规则排列。间隙连接为细胞间的物质交换。化学信息的传递提供了直接通道。间隙连接主要分布于上皮、平滑肌及心肌等组织细胞间。 粘合带：是相邻细胞膜之间有较大间隙的一种连接方式，连接处相邻细胞膜间存在着15nm20nm的间隙。在这部分细胞膜下方的细胞质增浓，由肌动蛋白组
45、成的环形微丝穿行其中。粘合带一般位于紧密连接的下方，又称中间连接，具有机械支持作用。见于上皮细胞间。 桥粒：指相邻细胞间的纽扣样连接方式。在桥位处两个细胞质膜之间隔有宽约250的间隙，其中有一层电子密度稍高的接触层，将间隙等分为二。在桥粒处内侧的细胞质呈板样结构，汇集很多微丝。这种结构与加强桥粒的坚韧性有关。桥拉多见于上皮，尤以皮肤、口腔、食管等处的复层扁平上皮细胞间较多。桥粒能被胰蛋白酶、胶原酶及透明质酸酶所破坏，故其化学成分中可能含有很多蛋白质。 胞间连丝：植物细胞间特有的连接方式，在胞间连丝连接处的细胞壁不连续，相邻细胞的细胞膜形成直径约20nm40nm的管状结构，使相邻细胞的细胞质互相
46、连通。胞间连丝是植物细胞物质与信息交流的通道，对于调节植物体的生长与发育具有重要作用。总的来讲，细胞间连接的主要作用在于加强细胞间的机械连接机械连接。此外对细胞间的物质交换物质交换起重要作用。一般认为，间隙连接在细胞间物质交换中起明显的作用；中间连接部分也是相邻细胞间易于物质交流的场所；紧密连接是不易进行细胞间物质交换的部分；桥粒的作用看来也只是在于细胞间的粘着。 （四）真核细胞的亚显微结构2 2细胞质细胞质 真核细胞质膜以内核膜以外的结构称为细胞质。细胞质主要包括细胞质基质和细胞器。（1）细胞质的基质u细胞质基质亦称透明质，是细胞质中除去所有细胞器和各种颗粒以外的部分，呈均质半透明的胶体状物
47、质。其中包含了许多物质，如小分子的水、无机离子，中等分子的脂类、氨基酸、核苷酸，大分子的蛋白质、核酸、脂蛋白、多糖。u细胞质的基质主要有两个方面的功能：一是含有大量的酶，生物代谢的中间代谢过程大多是在细胞质基质中完成，如糖酵解途径、磷酸戊糖途径、脂肪酸合成等；二是细胞质基质作为细胞器的微环境，为维护细胞器正常结构和生理活动提供所需的环境，也为细胞器的功能活动提供底物。（四）真核细胞的亚显微结构（2）细胞器 线粒体 线粒体是一种普遍存在于真核细胞中的细胞器，各种生命活动所需的能量大部分都是靠线粒体中合成的ATP提供的，因此有细胞的“动力工厂”之称。线粒体主要由蛋白质和脂类组成，其中蛋白质占线粒体
48、干重的一半以上。此外还有少量的DNA、RNA、辅酶等。线粒体含有许多种酶类，其中有的酶是线粒体某一结构特有的（标记酶），比如线粒体外膜的标记酶为单胺氧化酶，内膜为细胞色素氧化酶，膜间隙为腺苷酸激酶，线粒体基质的为苹果酸脱氢酶。在大多数情况下，线粒体呈圆形、近似圆形、棒状或线状。在电子显微镜下，线粒体为内外两层单位膜构成的封闭的囊状结构。可分为以下四个部分： 外膜 为一个单位膜，膜中蛋白质与脂类含量几乎均等。物质通透性较高。 内膜 也是一个单位膜，膜蛋白质含量高，占整个膜的80%左右。内膜对物质有高度地选择通透性。部分内膜向线粒体腔内突出形成嵴。同时内膜内表面排列着一些颗粒状的结构，称为基粒。(
49、又称ATP合成酶复合体)基粒包括三个部分：头部（F1因子，为水溶性蛋白质，具有ATP酶活性）、腹部（F0因子，由疏水性蛋白质组成）、柄部（位于F1与F0之间）。 膜间隙 为内外膜之间围成的腔隙。其内充满无定形物，主要是可溶性酶、反应底物以及辅助因子等。 基质 由内膜封闭形成的空间，其中含有脂类、蛋白质、核糖体、RNA及DNA。（四）真核细胞的亚显微结构研究表明，内外膜的通透性差别很大。外膜容许电解物质、水、蔗糖和大至10 000道尔顿的分子自由透入。外膜上可能有2030 的小孔，便于小分子的通过。内膜与外膜相反，离子各分子的通过要有特殊的载体帮助才能实现。在线粒体内膜上存在的电子传递链，能将代
50、谢脱下的电子最终传给氧并生成水，同时释放能量，这种电子传送链又称呼吸链。它的各组分多以分子复合物形式存在于线粒体内膜中。在线粒体内膜中，各组分按严格的排列顺序和方向（氧还电位由低到高），参与电子传递。糖、脂肪、氨基酸的中间代谢产物在线粒体基质中经三羧酸循环进行最终氧化分解。在氧化分解过程中，产生NADH和FADH2两种高还原性的电子载体。在有氧条件下，经线粒体内膜上呼吸链的电子传递作用，将O2还原为H2O；同时利用电子传递过程中释放的能量将ADP合成ATP。 （四）真核细胞的亚显微结构关于ATP形成，即氧化磷酸化作用的机制，目前，最为公认的是化学渗透假说。它认为，电子在线粒体内膜上传递过程中，
