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1、第一节 细胞膜,一、细胞形态结构的观察方法,光学显微镜技术（light microscopy）电子显微镜技术(Electron microscopy)扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope),（一）、光学显微镜技术（light microscopy),普通复式光学显微镜技术 荧光显微镜技术（Fluorescence Microscopy）激光共焦扫描显微镜技术（Laser Confocal Microscopy）相差显微镜（phase-contrast microscope,普通复式光学显微镜技术,双重因素 普通光镜的主要结构分辨率是指区分开两个质点间的最小
2、距离,荧光显微镜技术（Fluorescence Microscopy）,结构特点 光源 第一滤光镜 第二滤光镜原理制样 直接荧光标记技术 间接免疫荧光标记技术 用途 在光镜水平用于特异蛋白质等生物大分子的定性定位,激光共焦扫描显微镜技术（Laser Scanning Confocal Microscopy）,形态结构 原理应用：排除焦平面以外光的干扰，增强图像反差和提高分辨率(比普通荧光镜提高1.41.7倍)，可重构样品的三维结构。,相差显微镜（phase-contrast microscope）相位差 光的干涉 相长干涉 相消干涉 合成光的振幅 明反差 暗反差 制样用途 将光程差或相位差转换
3、成振幅差，可用于观察活细胞,二、电子显微镜技术,电子显微镜的基本知识透射电子显微镜（Transmission electron microscope TEM）扫描电镜（Scanning electron microscope SEM）,电子显微镜的基本构造,透射电镜的工作原理：电子枪的阴极通电加热到一定温度后，发射电子，由于阴阳极之间有很高的电位差（约-10万伏），引起了电子的快速流动，形成了一束强的照明电子流。经阳极孔的汇聚，形成了一束很细的但密度很高的电子流，经磁透镜的会聚，打在样品片上。高速的电子与样品中原子的电子发生碰撞，发生散射，散射角小的电子与透射电子参与成像，它们经过物镜、中间镜
4、、投影镜的逐级发散、放大，最后投射到荧光屏上。由于切片中各部分的密度有差异，透过切片的电子就有了疏密之别，电子激发荧光物质所产生的荧光就有了强弱之别。,扫描电镜的成像原理：电子枪阴极发射的电子束受到阴阳极之间加速电压的作用快速射向镜筒，经聚光镜汇聚成直径为几十埃的细电子束，再经物镜的汇聚，形成更细的、密度更大的电子束（即电子探针），在样品表面作光栅状扫描。样品经入射电子轰击后，其表面原子产生各种电子信号，这些信号分别被相应的检测器捕捉，经转换（将电信号的强弱变为亮度的强弱）、放大（光电倍增管），变为电压信号，来控制荧光屏上扫描的电子束的强度，使其与上述电子束的扫描严格同步，并使其衬度（对比度）
5、与接收信号的强度相对应。这样我们就在荧光屏上看到了样品的扫描像。,（三）、扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）由IBM公司瑞士苏黎世研究所的Binnig和Rohrer于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。1986年曾获诺贝尔物理奖。1988年中国科学院白春礼和姚俊恩研制出了我国的第一台扫描隧道显微镜。扫描隧道显微镜是另一种研究物质微观结构的全新技术，其放大倍数可达上亿倍，它采用尖端只有一个原子大小的特殊探针对物质表面进行逐行扫描，来获得原子尺度的样品图像，它也可以用探针对单个原子和分子进行操纵，对材料表面进行微加工。,ST
6、M的工作原理 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（2mV2V），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，即可显示出样品在原子水平的表面凹凸形态。,STM的特点：高分辨率 扫描隧道显微镜的分辨率很高，横向为0.10.2nm，纵向可达0.001nm。观察环境宽松 可在真空、常压空气，甚至液体中探测物质的结构，对样品表面没有热损伤作用。直接探测样品表面，得到立
7、体图像。STM的适用范围 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。,质膜是细胞与周围环境以及细胞与细胞之间进行物质交换和信息传递的重要通道(一道可调控的动态屏障)。,细胞膜（cell membrane）：又称质膜（plasma membrane）是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的膜结构。,生物膜（biomembrane）：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，故总称生物膜。,生物膜是细胞进行生命活动的重要结构基础，能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递
8、、细胞运动等活动都与膜的作用有着密切的关系。,各种膜所含的蛋白质与脂类的比例大小同膜的功能有关(膜的功能主要由蛋白质承担)：机能活动较旺盛的膜，蛋白质含量就高。,约占膜干重的3070,约占膜干重的2070,约膜干重的10,(糖蛋白和糖脂向质膜外表面伸出的寡糖链),脂质构成了膜的结构骨架，约占膜重的50,一、膜脂,主要动物生物膜,膜脂成分,磷脂：膜脂的基本成分（50以上）分为二类:甘油磷脂和鞘磷脂 主要特征：具有一个极性头和两个非极性的尾(脂肪酸链)（心磷脂除外）；脂肪酸碳链碳原子为偶数,多数碳链由 16,18或20个碳组成；饱和脂肪酸(如软脂酸)及不饱和脂肪酸(如油酸)；糖脂：糖脂普遍存在于原
9、核和真核细胞的质膜上（5以下）,神 经细胞糖脂含量较高；胆固醇：胆固醇存在于真核细胞膜上（30%以下），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类。,含磷酸质脂,含糖质脂,胆固醇,1.为双性分子：具有1个极性头部和2条疏水性碳氢尾。绝大多数脂类在水溶液中可自然形成脂双层结构。,3.脂双层的不对称性：组成两个脂单层的脂分子极为不同,4.普遍有糖脂（质膜外表面）：质膜脂双层分子的不对称性还表现在糖脂的不对称性分布上。,2.做二维流动（沿膜平面）。,外脂单层主要由磷脂酰胆碱和鞘磷脂组成；内脂单层则是由磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺组成,膜脂分子的特性,膜的流动性,膜脂的流动性 膜脂的流
10、动性主要由脂质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。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。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。膜蛋白的流动 荧光抗体免疫标记实验 成斑现象(patching)或成帽现象(capping)膜的流动性受多种因素影响；细胞骨架不但影响膜蛋白的运动，也影响其周围的膜脂的流动。膜蛋白与膜脂分子的相互作用也是 影响膜流动性的重要因素,镰刀状贫血病糖尿病红细胞未分化肿瘤细胞等疾病,膜脂双层的不对称性的维持有着重要的生理意义！,如有一些疾病，在膜脂双层
11、的不对称方面有所反映：,膜脂双层要靠脂分子的不断的动态变化来维持这种脂双层的不对称性。,运动方式,沿膜平面的侧向运动（基本运动方式）,其扩散系数为10-8cm2/s；脂质分子围绕其分子的轴心的自旋运动；脂质分子尾部的摆动；双层脂质分子之间的翻转运动，发生频率还不到脂质分子侧向交换频率的1010。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。,脂质体:,是一种人工膜。在水中磷脂分子亲水头部插入水中，疏水尾部伸向空气，搅动后形成双层脂分子的球形脂质体，直径251000nm不等。,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。,脂质体的类型,(a)水
12、溶液中的磷脂分子团；(b)球形脂质体；(c)平面脂质体膜；(d）用于疾病治疗的脂质体的示意图,脂质体:,膜脂构成了膜的基本框架，但膜的许多功能是由膜蛋白来执行的蛋白质是构成膜的另一种主要成分。,二、膜蛋白,各种膜因性质和功能不同，其膜蛋白的含量有所不同(2580)。,运输蛋白,连接蛋白,受体蛋白,蛋白酶,外在(外周)膜蛋白(extrinsic/peripheral membrane proteins)；水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜内表面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离。内在（整合）膜蛋白(intrinsic/integral membrane proteins)。水溶性蛋白
13、，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。脂质锚定蛋白（lipid-anchored proteins)通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。,基本类型,膜蛋白的两种存在形式：整合蛋白和周边蛋白,1、膜蛋白的存在形式,跨膜蛋白，有的是一次穿膜，有的是多次穿膜，其穿膜部分的肽链大都以-螺旋构象插在脂双层内部。,2.整合蛋白的穿膜构象,细菌视紫红质,也有的跨膜蛋白是以-折叠片构象穿膜，-折叠片多次穿膜，并围成筒状结构，称为筒(barrel)，例如孔蛋白(porin)的穿膜结构即是如此。,大多数整合蛋白在质膜外表面结合有寡糖链糖蛋白,3、整合蛋白的糖基化,(glycoprotein),4
14、、膜蛋白的种类,有的膜蛋白兼具两种功能,(1)运输蛋白(2)受体蛋白(3)酶(4)连接蛋白,运输蛋白,连接蛋白,受体蛋白,蛋白酶,主要为寡糖，以寡糖链的形式与脂类和蛋白质共价形成糖脂和糖蛋白。,三、膜糖:,细胞外被的分子结构图解,膜糖主要为中性糖(D-半乳糖，D-甘露糖，L-岩藻糖)和氨基糖(D-半乳糖胺，D-葡萄糖苷，唾液酸 或氨基糖酸)。,膜糖与质膜的结构关系图解,一、质膜结构研究历史,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
15、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，推测膜中含有蛋白质，从而提出了“蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型。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。,plasma membrane,这就是所谓的“单位膜”模型。,4.J.D.Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的红细胞细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，厚约7.5nm。,单位膜：各种细胞的细胞膜以
16、及各种细胞内膜在电镜下都呈“暗-明-暗”的三层式结构：,单位膜现指在EM下呈现“暗-明-暗”三层式结构、由脂蛋白构成的任何一层膜。,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。,认为：构成膜的蛋白质和脂类分子具有镶嵌关系，膜蛋白分布的不对称性，而且膜的结构处于流动变化之中。,荣获1972年诺贝尔奖！,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”。,1、双层脂类分子构成了质膜的基本结构骨架,膜中的脂类分子为双性分子（分为亲水头端和疏水尾端）：头端朝向水相，疏水尾端埋藏在膜的内部呈双分
17、子层排列，构成了膜的结构骨架。,二、质膜流动镶嵌模型,(一)膜的镶嵌性,2、膜的另一种主要成份是蛋白质,蛋白质分子或嵌插在脂双层网架中，或粘附在脂双层表面，根据在膜上的存在部位，膜蛋白可分为两类：,示膜蛋白以不同深度嵌插在脂双层中,另一类蛋白质附着于膜的表层，称为膜周边蛋白(peripheral protein)或外在蛋白(extrinsic protein)。,一类蛋白质以不同深度嵌插在脂双层中，称为膜整合蛋白(integral protein)或膜内在蛋白(intrinsic protein)。,ES,EF,PS,PF,周边蛋白与膜的结合比较疏松，用温和的方法即可将其分离下来。在人的红细胞
18、内表面有一种红细胞膜蛋白血影蛋白(spectrin)即为周边蛋白。,有的则附着在其它膜蛋白上：,无论是整合蛋白还是周边蛋白，至少有一端露出膜表面，没有完全埋在膜内部的蛋白质分子。,除了强调脂类分子与蛋白质分子的镶嵌关系外，还强调了膜的流动性。主张膜总是处于流动变化之中，脂类分子和蛋白质分子均可做侧向流动。,用冰冻蚀刻法可显示出蛋白质颗粒在脂双层中的分布状况。,二、质膜流动镶嵌模型,(二)膜的流动性,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膜脂分子的运动,侧向 旋转 摆动 伸缩 翻转 旋转扩散 运动 运动 震荡 运动 异构,脂肪酸链的不饱和程度(不饱和脂肪酸越多,流动性越大),影响
19、膜脂分子流动性的因素,脂肪酸链的长度(脂肪酸链短，相变温度低，流动性大),膜蛋白的影响(结合蛋白质，影响其流动性),此外，膜脂的极性基团、环境温度、离子强度、金属离子等均可对膜脂的流动性产生一定的影响。,卵磷脂/鞘磷脂比值(鞘磷脂含量高，流动性低),胆固醇/磷脂的比值(胆固醇含量增加，膜脂流动性降低),2膜蛋白的分子运动,1970年Larry Frye等人将人和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合。,主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用细胞融合技术检测侧向扩散。,第二节 质膜的分子结构,周围膜脂的性质和相态：处于晶态脂质之滞流区中的膜蛋白不易运动；处于液态脂质区的膜蛋白则易于发
20、生运动。,膜蛋白的运动性的制约因素：,质膜相关结构的作用：膜蛋白在膜中的运动并不是随脂质随机漂流，它还要受膜相关结构的影响。,细胞骨架的作用：细胞质中的细胞骨架对膜蛋白的运动性具有动态控制作用（微管可固定膜蛋白的位置；而微丝可引起膜蛋白的运动）。,在膜蛋白运动方面必然存在着一种跨膜的控制系统!,光脱色恢复技术（fluorescence recovery after photobleaching,FRAP）可以研究膜蛋白也可以研究膜脂的流动性。,后来有许多实验结果支持了膜具有流动性的观点。,淋巴细胞的成斑和成帽反应,膜的流动性不是质膜所独有的属性，细胞内的各种膜，如内质网膜、线粒体膜等也都具有流
21、动性。,膜流动性的生理意义：,质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件,跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。,二、质膜流动镶嵌模型,(三)质膜的不对称性,质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异，称为膜的不对称性。,在人RBC质膜中，卵磷脂(lecithin)(磷脂酰胆碱)和鞘磷脂(sphingomyelin)存在于脂双层的外单层。,脂双分子层的内外两层是不对称的：,而含氨基的脂类（如磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸）则主要存在于质膜脂双层的内单层。,(三)质膜的不对称性,1.膜脂的不对称,质膜的内外两侧分布的磷脂的含量比例不同。,2.膜蛋白的不
22、对称性,某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能，如：线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。,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。,膜蛋白分子在细胞膜上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。,(三)质膜的不对称性,3.膜糖的不对称,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。,膜的特征可归纳为以下几点：,生物膜的三大特征,1.流动性,2.镶嵌性,3.不对称性,提供相对稳定的内环境,三、质膜的功能,提供细胞识别位点,为多种酶提供结合位点,介导细胞的连接,参
23、与形成细胞表面特化结构,选择性的物质运输,三、细胞壁,细胞壁作用:保护和支持细胞的作用。1.细胞壁的分层：分为胞间层、初生壁、次生壁三层。2.纹孔和胞间连丝：纹孔有单纹孔、具缘纹孔、半具缘纹孔三种。3.细胞壁的特化：有木质化、木栓化、角质化、粘液化和矿质化五种。,细胞壁是植物细胞特有的结构之一。,第三节 细胞壁Cell Wall,细胞壁(cell wall)是植物细胞外围的一层壁，具一定弹性和硬度，界定细胞形状和大小。,一、细胞壁的结构与功能（Structure and Function of Cell Wall）,（一）细胞壁的结构,典型的细胞壁是由胞间层、初生壁及次生壁组成（图1-6）,图
24、1-6 细胞壁的亚显微结构图,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,再在胞间层的两侧形成有弹性的初生壁，有些细胞还形成坚硬的次生壁。,（二）细胞壁的化学组成,构成细胞壁的成分中，90%左右是多糖，10%左右是蛋白质、酶类以及脂肪酸等。细胞壁中的多糖主要是纤维素、半纤维素和果胶类，它们是由葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖醛酸等聚合而成。次生细胞壁中还有大量木质素。,1.纤维素(cellulose)纤维素是植物细胞壁的主要成分，它是由1，00010，000个-D-葡萄糖残基以-1,4-糖苷键相连的无分支的长链。分子量在50，000400，000（u）之间。纤维素内葡
25、萄糖残基间形成大量氢键，而相邻分子间氢键使带状分子彼此平行地连在一起，这些纤维素分子链都具有相同的极性，排列成立体晶格状，可称为分子团，又叫微团。微团组合成微纤丝，微纤丝又组成大纤丝，因而纤维素的这种结构非常牢固，使细胞壁具有高强度和抗化学降解的能力（图1-7）。,图1-7 纤维素微纤丝结构模型,2.半纤维素(hemicellulose)半纤维素往往是指除纤维素和果胶物质以外的，溶于碱的细胞壁多糖类的总称。半纤维素的结构比较复杂，它在化学结构上与纤维素没有关系。不同来源的半纤维素，它们的成分也各不相同。有的由一种单糖缩合而成，如聚甘露糖和聚半乳糖。有的由几种单糖缩合而成，如木聚糖、阿拉伯糖、半
26、乳聚糖等。,3.果胶类 果胶物质是由半乳糖醛酸组成的多聚体。根据其结合情况及理化性质，可分为三类：即果胶酸、果胶和原果胶。(1)果胶酸 由约100个半乳糖醛酸通过-1，4-键连接而成的直链。是水溶性的，很容易与钙起作用生成果胶酸钙的凝胶。它主要存在于胞间层中。,(2)果胶 由半乳糖醛酸酯及少量半乳糖醛酸通过-1，4-糖苷键连接而成的长链高分子化合物，分子量在25，00050，000之间，每条链含200个以上的半乳糖醛酸残基。果胶能溶于水，存在于胞间层和初生壁中，甚至存在于细胞质或液泡中。(3)原果胶 分子量比果胶酸和果胶高，主要存在于初生壁中，不溶于水，在稀酸和原果胶酶的作用下转变为可溶性的果
27、胶。,4.木质素(lignin)木质素不是多糖，是由苯基丙烷衍生物的单体所构成的聚合物，在木本植物成熟的木质部中，其含量达18%38%，主要分布于纤维、导管和管胞中。木质素可以增加细胞壁的抗压强度，正是细胞壁木质化的导管和管胞构成了木本植物坚硬的茎干，并作为水和无机盐运输的输导组织。,5.蛋白质与酶 细胞壁中最早被发现的蛋白质是伸展蛋白，它是一类富含羟脯氨酸的糖蛋白，大约由300个氨基酸残基组成，这类蛋白质中羟脯氨酸含量特别高，一般为蛋白质的30%40%。其它含量较高的氨基酸是丝氨酸、缬氨酸、苏氨酸、组氨酸和酪氨酸等。迄今已在细胞壁中发现数十种酶，大部分是水解酶类，其余则多属于氧化还原酶类。比
28、如果胶甲酯酶、酸性磷酸酯酶、过氧化物酶、多聚半乳糖醛酸酶等。,6.矿质 细胞壁的矿质元素中最重要的是钙。据研究,壁中Ca2+浓度远远大于胞内,估计为10-510-4molL-1，所以细胞壁为植物细胞最大的钙库。钙调素(calmodulin,CaM)在细胞壁中也被发现，如在小麦细胞壁中已检测出水溶性及盐溶性两种钙调素。,（三）细胞壁的功能,1.维持细胞形状，控制细胞生长。,2.物质运输与信息传递：细胞壁允许离子、多糖等小分子和低分子量的蛋白质通过，而将大分子或微生物等阻于其外。,3.防御与抗性：细胞壁中一些寡糖片段能诱导植保素的形成。,4.其他功能：研究发现，细胞壁还参与了植物与根瘤菌共生固氮的
29、相互识别作用，此外，细胞壁中的多聚半乳糖醛酸酶和凝集素还可能参与了砧木和接穗嫁接过程中的识别反应。,应当指出的是，并非所有细胞的细胞壁都具有上述功能，每一类细胞的细胞壁功能都是由其特定的组成和结构决定的。,二、胞间连丝（plasmodesma）,胞间连丝是穿越细胞壁，连接相邻细胞原生质（体）的管状通道，其通道可由质膜或内质网膜或连丝微管所构成（图1-8）。,图1-8 胞间连丝的亚显微结构（a.纵剖面 b.横剖面）,（一）胞间连丝的结构,胞间连丝使植物体中的细胞连成一个整体，所以植物体可分成两个部分：由于胞间连丝使组织的原生质体具有连续性，因而将由胞间连丝把原生质体连成一体的体系称为共质体；而将细胞壁、质膜与细胞壁间的间隙以及细胞间隙等空间称为质外体。共质体与质外体都是植物体内物质运输和信息传递的通路。胞间连丝的数量和分布与细胞的类型，所处的相对位置和细胞的生理功能密切相关（图1-9）。一般每1m2面积的细胞壁上有115条胞间连丝，而筛管分子和某些传递细胞之间，胞间连丝特别多。,图1-9 柿属胚乳细胞的胞间连丝,
