细胞的结构与功能（MCG）

概述

细胞是生物体的基本结构与功能单位

1665，Robert Hooke “小室” Cell

1925 EB Wilson《The Cell in Development and Heredity》

根据细胞的结构或复杂程度：

类型	细胞核	其他特征	代表
原核细胞 prokaryotic	无细胞核，DNA 无核膜包裹、存在于拟核 nucleoid 区域	无内膜系统、无细胞骨架系统、转录和翻译同时进行	细菌、古菌
真核细胞 eukaryotic	有细胞核，DNA 储存于核膜包裹形成的细胞核中	有内膜系统、有细胞骨架系统、先转录后翻译	原生生物、酵母、动物、植物

细胞型生物体的分类：三域 Domains 六界 Kingdoms

型	域	界
原核生物 procaryotes	细菌 bacteria	细菌
	古菌 archaea	古细菌
真核生物 eucaryotes	真核生物	动物、植物、真菌、原生生物界

人体细胞种类与数量具有多样性。

细胞膜的结构与功能

概述

细胞膜 / 质膜 cell/plasma membrane：

• 包围在细胞外表的界膜
• 维护细胞内环境的相对稳定
• 参与物质运输、能量转换、信息传递、代谢调控、细胞识别等
• 参与细胞运动、增殖等多种生命活动

生物膜 biomembrane：

• 细胞内所有膜相结构统称，具有相同的结构特征。
• eg. 质膜、内膜系统、双层膜包绕的细胞器

一、细胞膜的化学组成和分子结构

（一）膜脂的种类、结构与功能

• 构成生物膜的基本结构骨架
• 保障细胞内环境稳定
• 实现选择性物质运输

磷脂 phospholipids：膜脂中含量最多。

• 尾部脂肪酸烃链、疏水、非极性端
• 头部磷酸基团 + 极性基团，亲水、极性端
• 双亲性 amphipathic/amphiphilic；在水中形成脂双层；脂双层自动闭合，形成能量最低、最稳定的结构

种类	说明
甘油磷脂 phosphoglycerides	动物细胞中最基础的磷脂，以甘油为骨架（磷脂酰基 + 头部基团 X：磷脂酸/胆碱/乙醇胺/丝氨酸/肌醇）
鞘磷脂 sphingomyelin	鞘氨醇为基本骨架；神经酰胺 ceramide（一条脂肪酸链通过酰胺键与鞘氨醇相连）；鞘磷脂 = 神经酰胺 + 头部

• 鞘磷脂：羟基氧原子结合的物质 X 为糖类时形成鞘糖脂
• （动物细胞中糖脂的主要存在形式）

胆固醇 cholesterol：主要存在于动物的细胞膜。

• 双亲性分子，极性头：羟基；非极性尾：甾环和烃链
• 功能：调节膜的流动性；在人的生理环境，中加强膜的稳定性

（二）膜蛋白的种类、结构与功能

膜蛋白 membrane protein：

• 细胞膜功能的主要执行者
• 功能多种多样：
  • 通道蛋白、骨架蛋白、受体、酶、粘附分子等；
  • 维持细胞特异的形态结构与功能

根据蛋白质与膜脂结合方式的不同，分为：

类型	说明
内在膜蛋白 intrinsic / 整合蛋白 integral	穿膜蛋白；一个或多个疏水性片段插入脂质双分子层；占膜蛋白 70～80%；不易从膜上分离
外周膜蛋白 peripheral / 膜外在蛋白 extrinsic	不插入脂双层，通过与其他膜组分的非共价结合分布在膜双层的内/外侧。离子键/氢键/亲水相互作用；20～30%，易分离
脂锚定蛋白 lipid-anchored	膜蛋白的肽链不嵌入膜中，通过共价连接的烃链插入脂双层的内侧或外侧

• 内在膜蛋白：胞外区 / 跨膜区 / 胞内区
• 跨膜区多为 α 螺旋：20～30 疏水氨基酸构成；单次跨膜 / 多次跨膜
• 跨膜区为 β 片层 / β 折叠：反平行 β 片层的方式围成筒状结构，β-barrel；多见于细菌、线粒体/叶绿体的膜
• 脂锚定蛋白 examples：GPI 锚定蛋白（glycosylphosphatidylinositol，GPI）、脂酰化蛋白、异戊烯化蛋白
• 这类蛋白的脂质修饰是其发挥功能的关键环节之一

（三）膜糖的组成与功能

• 所有真核细胞的表面均含有糖类
• 细胞外被（cell coat）：质膜外表面的覆盖物，富含糖类物质，也称为糖萼（glycocalyx）
• 存在方式：糖缀合物 / 糖复合物（glycoconjugates）
  • 糖类与非糖分子通过糖苷键共价结合而成
  • 包括：糖脂、糖蛋白、蛋白聚糖
• 特点：糖链变化多样；富含带负电荷的糖基（唾液酸、硫酸化糖基、糖醛酸等）
  • （唾液酸化修饰）含唾液酸的鞘糖脂称为神经节苷脂
• 功能：保护与屏障作用；识别与黏附
  • 细胞识别：与微环境间的相互作用；糖链是识别的分子基础；发生黏附、建立连接的前提
  • 凝集素（lectin）特异性识别糖链：介导白细胞在血管内皮细胞的游走及穿行

二、细胞膜的生物学特性

（一）细胞膜的流动性（构成膜的主要成分的流动性）

膜脂的流动性：

• 生理温度下，脂质双层具有液晶态性质——既有固体分子排列的有序性，又有液体的流动性
• 温度对膜流动性的影响：温度 < 25 ℃ 时，脂双层由液晶态转变为晶态 / 晶状凝胶
• 相变：温度变化导致膜状态改变的现象
• 膜的流动性是膜功能活动的保证；是细胞进行生命活动的必要条件

膜脂分子的运动方式： - A 旋转运动 - B 烃链的旋转异构化运动 - C 侧向扩散 - D 钟摆运动 - E 伸缩振荡 - F 翻转运动

膜蛋白的运动性：

• 侧向扩散
• 利用细胞融合和间接免疫荧光法证明
• 膜蛋白侧向扩散速度的测定：光漂白荧光恢复法（Fluorescence recovery after photobleaching，FRAP）
• 旋转扩散
• 围绕与膜平面垂直的轴进行旋转
• 其速度比侧向扩散更慢

影响膜的流动性的因素

• 脂肪酸链的长度及不饱和度对膜脂流动性的作用
• 卵磷脂与鞘磷脂的比例对膜脂流动性的影响
• 胆固醇含量对膜脂流动性的作用
• 膜蛋白与膜脂分子相互作用对膜脂流动性的影响
• 影响膜蛋白分子运动性的因素
• 温度、pH值、离子浓度等对膜流动性的影响

（二）细胞膜的不对称性

成分	特点
膜脂	SM、PC、糖脂位于外叶；PS、PE、PI 位于内叶；胆固醇在内、外叶
膜蛋白	各种膜蛋白质在膜上都有特定排布方向；决定了膜蛋白功能的方向性
膜糖	糖链分布在非胞质面 / 质膜的外表面

膜脂分布具有一定的生理、病理意义 - PI在细胞质面参与细胞的信号转导 - PS外翻作为凋亡细胞的分子标志

三、细胞膜的分子结构模型

流动镶嵌模型 / 流体镶嵌模型（fluid mosaic model）

• Singer, S. J. and Nicolson, G. L., Science 1972; 175: 720-731
• 脂质双分子层作为基本结构骨架
• 蛋白质嵌入或附着在脂质层中，非均匀覆盖
• 分子间排列有序，且具有流动性和不对称性

脂筏模型 (lipid rafts model)

• K. Simons & E. Ikonen, Nature 387:569-572, 1997.
• 是流动镶嵌模型的重要补充，强调质膜的流动性并非绝对的，而是有相对静止、稳定的区域 “lipid rafts”
• 脂筏(lipid rafts)：脂双分子层中由富含胆固醇、鞘磷脂及糖脂的区域聚集而成的有序的微区(microdomain)
• 微区较厚，流动性较低
• 脂筏上载着不同类型的蛋白质

四、细胞膜与疾病

• 红细胞膜骨架分子异常与遗传性球形红细胞增多症（hereditary spherocytosis，HS）
• Spectrin 基因突变
• Band 3 基因突变
• 影响膜骨架的组装或稳定性，导致形态异常和溶血性贫血
• 肿瘤细胞异常表达唾液酸化的糖缀合物
• Carolyn R. Bertozzi：Bioorthogonal Chemistry（生物正交化学）用于糖生物学的研究，获 2022 年 Nobel 化学奖

附：红细胞的膜蛋白

类别	蛋白
跨膜蛋白	单次跨膜蛋白：血型糖蛋白 A（glycophorin A）；多次跨膜蛋白：带 3 蛋白（Band 3；anion-exchange protein，AE1）
外周膜蛋白	血影蛋白（spectrin）

三、细胞质 cytoplasm

1. 细胞质的亚细胞结构

• 区室化 compartmentalization / 膜限区室 membrane-bound compartments
• 细胞器（organelles）：有明确形态特征、分子标志和功能的亚细胞结构

类别	种类
有膜细胞器 / 膜性细胞器	细胞核、内质网、高尔基体、溶酶体、膜性小泡、过氧化物酶体、线粒体
无膜细胞器	核糖核蛋白体、蛋白酶体

• 无膜细胞器：相分离产生的无膜细胞器 / 大分子凝集颗粒

• 相分离 phase separation：液-液相分离（liquid-liquid phase separation，LLPS）——特定的生物大分子（蛋白质、核酸），一定条件下，通过分子间弱相互作用聚集在一起，当达到临界浓度时，形成液滴（droplet）

  • 核仁：rRNA+ RBP
  • P-body: mRNA+ RBP
  • 应激颗粒

• 细胞骨架体系：微管、微丝、中间纤维

2. 胞质溶胶 cytosol

细胞器和细胞骨架之外的细胞质空间,是一个凝胶环境，高度拥挤.

组成：

• 小分子：水、无机离子
• 中分子：脂肪酸、糖、氨基酸、核苷酸等
• 大分子：
  • 蛋白质，蛋白质占20-30%
  • RNA: mRNA、tRNA、rRNA、ncRNA等

获取

• 将细胞裂解液通过差速离心，去除细胞核、线粒体、溶酶体和高尔基体等细胞器后，保留上清液中的胶状物质
• 细胞质基质

3. 细胞质的主要功能

胞质溶胶相关：

• 细胞器存在的凝胶环境，是各类生化反应、中间代谢的场所（糖酵解过程；糖原的合成与降解过程；脂肪酸的合成等）
• mRNA 储存、翻译和降解的场所

细胞器执行的生命活动：

功能	场所
蛋白质/脂质合成、分选和运输的场所	核糖体、内质网、高尔基体、溶酶体、膜性小泡
蛋白质的降解场所	溶酶体、蛋白酶体
能量供应、氧化应激的主要场所	线粒体、过氧化物酶体
与细胞骨架体系相关的功能	细胞器的定位、形态维持、运动、物质运输等

4. 核糖体 ribosome

核糖核蛋白体，无膜细胞器 / 颗粒。

• 组成：核糖核蛋白复合物
• 结构：体积大、结构复杂；rRNA 占 2/3，蛋白质占 1/3；rRNA 发挥核酶作用，蛋白质辅助维持整体结构
• 功能：蛋白质合成的场所，识别 mRNA、翻译、解码；翻译起始、延伸（大亚基 rRNA）、终止
• 游离核糖体 / 附着核糖体：合成的蛋白质的目的地 / 去向不同

核糖体上的结合位点：

• A 位：接收新的氨酰-tRNA
• P 位：结合携带正在延伸多肽链的 tRNA
• E 位：释放空载 tRNA

5. 线粒体 mitochondria

结构：外膜、内膜、嵴 crista、膜间隙、基质 matrix

结构	说明
外膜	含孔蛋白，通透性较高，小分子和离子的入口
内膜	通透性小，有高度选择性，借助转运蛋白控制物质交换
嵴 crista	内膜向内突起形成，执行氧化反应的电子转运复合体、ATP 合酶、转运蛋白
膜间隙	——
基质 matrix	各种酶（三羧酸循环等）、mtDNA、RNA、ribosome

mtDNA：双链环状 DNA、裸露不与组蛋白结合、37 个基因

• 2 种编码 rRNA（12S 和 16S）基因
• 22 种编码 tRNA 基因
• 13 种编码蛋白质基因：氧化磷酸化蛋白（线粒体内膜）
• 半自主性细胞器

功能：通过氧化磷酸化合成 ATP、参与细胞凋亡、参与应激反应、参与钙稳态调节

形状、大小、数目、分布处于动态变化中。

来源：内共生学说 endosymbiosis，与真核共生古细菌

• 内膜组分更接近细菌细胞膜：心磷脂
• 拥有环状双链 mtDNA
• 含有 16S rRNA，翻译可被细菌类抗生素抑制
• 类似细菌的分裂方式

6. 蛋白酶体 proteasome

• 结构：26S 蛋白酶体，圆筒状蛋白质复合体；1 个 20S 核心颗粒与 1～2 个 19S 调节颗粒组成（26S / 30S），存在于质 / 核
• 20S 核心颗粒 core particle，CP
• 19S 调节颗粒 regulate particle，RP

7. 蛋白质的泛素化与泛素-蛋白酶体途径

泛素 ubiquitin，Ub：高度保守、76 个残基、作为标签标记要被降解的靶蛋白。

酶促反应过程：依赖 ATP、需要泛素活化酶 E1、泛素偶联酶 E2、泛素连接酶 E3

酶	作用
E1	激活泛素分子：催化泛素 C 末端与 E1 的 Cys-SH 形成高能硫酯键中间体
E2	将活化的 Ub 转移到 E2 特异的 Cys 残基上，形成 E2-泛素复合物
E3	特异性识别靶蛋白的降解信号，泛素分子从 E2 或 E2-E3 复合体转移到靶蛋白的赖氨酸残基（Lys，K）上

• 蛋白质的多聚泛素化 polyubiquitination：在靶蛋白的 Lys（K）残基上加上多个串联的泛素分子，形成结合 4 个以上泛素分子的多聚泛素链
• 蛋白质的去泛素化：蛋白质泛素化修饰的逆向调控过程，由去泛素化酶（deubiquitinating enzymes，DUBs）介导

泛素-蛋白酶体途径的生物学功能：

• 靶蛋白的泛素化需要 E1、E2、E3 等多种酶参与，E3 在选择靶蛋白的特异性中起关键作用
• 目前鉴定出 E3 有 800 多种，靶蛋白的种类广泛涉及细胞周期调节因子、转录因子、细胞骨架调节因子及细胞表面受体等
• 泛素-蛋白酶体途径几乎参与所有细胞生命过程