分離與純化對(duì)象之一：“亞細(xì)胞（細(xì)胞器）”的構(gòu)造與功能

上世紀(jì)20年代以Svedberg為首的歐洲科學(xué)家艱難研制的超速離心機(jī)原型主要目的是想分離和純化病毒、細(xì)胞和亞細(xì)胞構(gòu)造（細(xì)胞器），然而50年代中期開(kāi)始生產(chǎn)的第一代及以后的各代超速離心機(jī)，在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)（50年代—80年代）主要用于分離和純化生物大分子、細(xì)胞、細(xì)胞器、病毒、血液組份等生物體。但從90年代開(kāi)始由于各種分離技術(shù)的研發(fā)（特別是電泳、層析等）和各種分離純化生物大分子的試調(diào)盒（kit）的問(wèn)世（用這種試劑盒分離純化生物大分子組份只需要104 xg數(shù)量級(jí)離心加速度，大部分高速臺(tái)式離心機(jī)微量轉(zhuǎn)頭就可以滿足需要）使得超速離心機(jī)分離純化的主要對(duì)象又轉(zhuǎn)向細(xì)胞器、病毒和血液組份。
關(guān)于亞細(xì)胞構(gòu)造的離心分離方法在文集的第5，6，7中已作了概括的說(shuō)明，本文要進(jìn)一步敘述的是：細(xì)胞器（亞細(xì)胞構(gòu)造）是什么？有什么功能？（可以回答為什么這個(gè)多的科學(xué)家對(duì)它們高度重視的問(wèn)題），下面作一些簡(jiǎn)單講解。

亞細(xì)胞構(gòu)造的組成與功能：
組成：

細(xì)胞
膜相結(jié)構(gòu)：質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、核膜、線粒體、溶酶體
非膜相結(jié)構(gòu)： 質(zhì)相結(jié)構(gòu)：核蛋白體、中心體、微管、微絲、胞基質(zhì)


核相結(jié)構(gòu)：核仁、染色質(zhì)（間期）、染色體（有絲分裂期）、核基質(zhì)


一般分：細(xì)胞核、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)。
細(xì)胞核：核膜 核內(nèi)膜 核膜間隙、核孔、核內(nèi)纖維層，染色質(zhì)（常，異）、核仁

核外膜
核內(nèi)成分： DNA（平時(shí)與protein結(jié)合以DNP存在，占核干重70％--80％；
RNA（以RNP存在）；
核蛋白：主要是堿性蛋白（組蛋白、精蛋白），和少量中性及酸性蛋白。
30多種酶：如DNA、RNA酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶。
細(xì)胞膜：三層結(jié)構(gòu)，二層深致密帶，中間夾一層淺色帶（綜合稱單位膜）
細(xì)胞外膜：質(zhì)膜
細(xì)胞內(nèi)膜: 線粒體膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、溶酶體膜、核膜……。
膜組成: 20%有形成份, 80%水
有形成份：由蛋白質(zhì), 脂類(主要是磷脂), 少量是糖類（糖蛋 白、糖脂）
膜分類： 高脂性膜：脂占75％--80％，蛋白質(zhì)11.8％，糖類3％
高蛋白質(zhì)膜：以線粒體膜為代表，蛋白質(zhì)含量～75％、脂～25％和大量的酶
普通膜：蛋白質(zhì)與脂各半（近似）哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞膜蛋白∶脂 1.82∶1
膜外胞衣（Cell coat）
細(xì)胞質(zhì)：
△ 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：由膜圍成的管狀或扁平囊狀、及泡狀結(jié)構(gòu)，吻合成網(wǎng)，交織分布在細(xì)胞質(zhì)中形成一個(gè)相互聯(lián)通的管腔系統(tǒng)。
內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：網(wǎng)膜表面含大量核糖體顆粒。

滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：網(wǎng)膜表面不附有核糖體顆粒。

二種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)可互相連接，一定條件下可轉(zhuǎn)換，但構(gòu)成成分及酶系差別很大。
△ 高爾基復(fù)合體：一般位于核附近
組成：扁平囊泡、大囊泡（又稱分泌泡或濃縮泡）、小囊泡
△ 線粒體：
結(jié)構(gòu)： 線粒體外膜。外室、基粒（可溶性ATP）、核糖體、內(nèi)膜、脊。又分為板狀脊與管狀脊二種結(jié)構(gòu)形式。
△ 核糖體：又稱核蛋白體或核糖核蛋白體、由核糖核酸與蛋白質(zhì)組成、由大亞基單位及小亞基單位組成。
●核糖體 真核細(xì)胞核糖體80S, M＝500萬(wàn) 大亞單位： 60S，M＜300萬(wàn)，占60％--70％ 由35S RNA及40—50種蛋白質(zhì)組成
小亞單位： 40S， M＜150萬(wàn)，由一個(gè)RNA分子及30種蛋白質(zhì)組成
原核細(xì)胞核糖體70S，M＝380萬(wàn) 大亞單位： 50S （23S RNA和5S RNA及50個(gè)蛋白質(zhì)組成）
小亞單位： 30S （16S RNA及20個(gè)蛋白分子組成）
●核糖體 單核糖體： 一根長(zhǎng)300—500nm的mRNA連接，不附著mRMA的核糖體不能合成蛋白質(zhì)

多聚核糖體 游離于細(xì)胞質(zhì)中稱為游離核糖體。

附著于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)表面稱為結(jié)合型核糖體。


△ 溶酶體：由單位膜包圍成的微小細(xì)胞器，25nm—800nm，膜厚6nm為脂蛋白和鱗脂，含多達(dá)50種水解酶。

溶酶體： 初級(jí)：?jiǎn)挝荒ぐ饷福瑹o(wú)底物
次級(jí)：?jiǎn)挝荒ぐ饷?，含底?
次級(jí)溶酶體 自溶酶體：胞溶酶體或胞隔小體
異溶酶體：
混合型酶體
終末酶體
多泡小體


其他次級(jí)溶酶體：多泡小體—含酸性磷酸酶
● 脂褐素—隨人年齡增長(zhǎng)而增長(zhǎng)—退變的細(xì)胞器、糖原和脂類
● 髓樣結(jié)構(gòu)—磷脂類化合物組成。
● 噬紅細(xì)胞小體（吞噬衰老及變性紅細(xì)胞）
● 含鐵小體：正常為少量，含鐵顆粒+酸性磷酸酶

△ 微體： microbody (peroxisome) 在植物種子內(nèi)稱為乙醛酸循環(huán)體（glyoxysome）0.5um，單位膜內(nèi)包有中等致密顆粒，常見(jiàn)于肝、腎上皮細(xì)胞、支氣管無(wú)纖毛上皮細(xì)胞中。

種類： ● 有核樣微體
● 有邊緣板或啞鈴樣微體
● 無(wú)核樣微樣

△ 中心粒： centrosome
通常位于核旁，與核中心聯(lián)線可作為細(xì)胞中軸。
中心粒為圓筒狀小體，直徑0.1—0.5um，長(zhǎng)0.3—0.7um，最長(zhǎng)2.0um，一端開(kāi)放，一端封閉，成對(duì)存在，相互垂直，中心為多個(gè)A，B，C三聯(lián)微管，13（A）+11（B）+11（C）共35根直徑為5nm的原絲組成。主要成分是微管蛋白和鳥苷酸 。微管附近有很多致密小體（隨體satellite）或稱中心粒周圍衛(wèi)星體，隨體小球直徑70nm。，以細(xì)絲附著于三聯(lián)微管。
△ 微管： microtubule
尺寸：外徑φ21—27nm，平均25nm，內(nèi)徑15nm，管厚5nm，長(zhǎng)度變化不大（數(shù)個(gè)um）用梯度離心、電鏡負(fù)染技術(shù)，可見(jiàn)管壁由13根直徑為5nm的細(xì)絲直排而成，細(xì)絲是由φ5nm的管蛋白（tubulin）串成念珠狀。
管蛋白有二個(gè)微管蛋白α及β，α，M為55000，β為60000，微管蛋白含蛋白連接酶，由α及β形成異二聚體（heterodimer） 由很多異聚體首尾串聯(lián)成原絲，最后13根原絲串成一條微管。

●微管分 單微管：對(duì)秋水仙素、長(zhǎng)春花堿、低溫（0－4℃）及流體靜壓敏感。
二聯(lián)管：存在于纖毛和鞭毛內(nèi)，由A/B/二微管組成、共用三微絲。
三聯(lián)管：存在于中心粒和基體中，各共用三根微絲。

△ 微絲：

按直徑分： ● 細(xì)微絲： φ5—7nm，長(zhǎng)1um 是肌動(dòng)蛋白（actin）
● 粗微絲： φ10—14nm,長(zhǎng)1.5um,是肌球蛋白（myosin）含ATP酶
● 中微絲： φ9—12nm、很長(zhǎng)，成束存在超微結(jié)構(gòu)：
● 細(xì)微絲：由三種蛋白組成 肌動(dòng)蛋白：300—400個(gè)球形單位串成纖維，每個(gè)球φ5nm，M＝42000-- 48000
原肌球蛋白：（tropomyosin）,M=68000
肌原蛋白： （troponin）

● 粗微絲：由250—300個(gè)肌球分子蛋白組成，每個(gè)M＝480000，形如黃豆芽，頭部含ATP酶，是M＝12萬(wàn)重酶解肌球蛋白的第一段，頸部為M＝6萬(wàn)的重酶解肌球蛋白的第二段，尾部是M＝15萬(wàn)的輕酶解肌球蛋白。
● 中間絲：由富含氨基酸的蛋白絲組成（脯基酸，甲流氨酸，氨酸）
有張力微絲：波形中絲、連接中絲、神經(jīng)中絲、神經(jīng)膠質(zhì)中絲等多種類型微絲。

△ 胞含體：指除細(xì)胞器外儲(chǔ)積在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)具有一定形態(tài)的代謝物質(zhì)，如糖原、脂類、蛋白質(zhì)、色素顆粒和分泌顆粒，它們的存在與否、含量、形態(tài)與細(xì)胞類型及生理狀態(tài)有關(guān)。
糖原：供給細(xì)胞能量的一部分，在肝、肌細(xì)胞中最豐富，線粒體、溶酶體中也有存在。
蛋白質(zhì)包含物：以顆粒狀或結(jié)晶狀出現(xiàn)，細(xì)胞內(nèi)合成的蛋白質(zhì)被一層厚9nm的膜所包圍，成為顆粒狀蛋白質(zhì)包含物。
脂類：以脂滴存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)、含脂肪酸，甘油三脂和膽固醇等。 色素顆粒常見(jiàn)： 黑色素（melanin）
脂褐質(zhì) (lipofuscin)
鐵血黃素（hemosiderin）


細(xì)胞器功能：

一. 核（nuclei）：
在一定程度上控制著細(xì)胞的代謝、生長(zhǎng)、分化和繁殖等活動(dòng)，細(xì)胞的遺傳物也存在于核中，有些核細(xì)胞在丟失核后便失去活化機(jī)能并趨于死亡。
● 核膜功能: Ⅰ.調(diào)節(jié)細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間的物質(zhì)交換：分子、離子進(jìn)入核內(nèi)，大分子物質(zhì)由核孔移出；
Ⅱ.穩(wěn)定核的形態(tài)及其他化學(xué)成分：核膜的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及所含酶系在一定程度上控制核代謝；
Ⅲ.選擇性的釋放RNA：細(xì)胞內(nèi)RNA幾乎全在細(xì)胞核內(nèi)合成，一部分在核內(nèi)降解，部分通過(guò)核孔、破核膜釋出。
Ⅰ.合成核糖體前體分子；蛋白在核糖體上合成；核仁與蛋白質(zhì)合成密切相關(guān)；
● 核仁功能： Ⅱ.合成核糖體核糖核酸（rRNA）；
Ⅲ.與細(xì)胞表面抗原的形成有關(guān)；
Ⅳ.控制RNA進(jìn)入胞質(zhì)；
Ⅴ.保護(hù)信息核糖核酸（mRNA）免其在核內(nèi)解、聚
●核質(zhì)功能： 核液--某些種類核蛋白、染色質(zhì)（chromatin）-- 在間期核中呈分散狀態(tài)的染色體。在細(xì)胞有絲分裂階段出現(xiàn)染色體（chromasome），分為異染色體和常染色質(zhì)。




二． 細(xì)胞膜（質(zhì)膜）(cell membrane或plasma membrane)：
活細(xì)胞的許多重要生物學(xué)過(guò)程需借助膜來(lái)完成，如選擇性通透作用、合成與分解代謝、代謝調(diào)節(jié)、能量轉(zhuǎn)換與識(shí)別。
Ⅰ.通透作用：不是單純地起著支架和屏障作用，還嚴(yán)格控制著物質(zhì)進(jìn)出--選擇性的通透作用--被動(dòng)擴(kuò)散 和主動(dòng)運(yùn)輸；
Ⅱ.受體：細(xì)胞膜上特殊的一類分子,它們有選擇性的和細(xì)胞中的一定活性物質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生一定效應(yīng)、使細(xì)胞功能或物質(zhì)代謝朝一定方向變化,與受體起作用的物質(zhì)—激素、神經(jīng)遞質(zhì)、抗原藥物—生化中稱 這些為配體;
Ⅲ.調(diào)節(jié)代謝：在膜中的酶積極參與各種生化反應(yīng),并調(diào)節(jié)代謝;
Ⅳ.免疫作用：生物膜的抗原性意義重大，涉及胚胎發(fā)生中組織器官形成，器官移植、輸血、細(xì)胞免疫、腫瘤的發(fā)生和發(fā)展。
抗原可以分為：
組織相容抗原：存在于各種細(xì)胞與血小板質(zhì)膜上，40余種不同動(dòng)物器官含不同的組織抗原，給器官移植帶來(lái)困難。
血型抗原：紅細(xì)胞膜上抗原不同決定了A，B，AB，O……14種血型系統(tǒng)，顯示60種以上血型。
Ⅴ.細(xì)胞衣：膜外表面均覆有一層細(xì)胞衣（cell coat）
● 參加免疫作用：與免疫有關(guān)的膜抗原、特異受體、酶藏于胞衣中。
● 保護(hù)作用：防止致病性損害。
● 通透作用：構(gòu)成分子篩及細(xì)胞活動(dòng)介質(zhì)。
● 其他作用：胞衣受損、裂隙、部分脫落會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。


Ⅵ.基板，細(xì)胞連接； 略
Ⅶ.微絨毛；
Ⅷ.纖毛；

三．內(nèi)質(zhì)網(wǎng):(endoplasmic reticulum)
粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：最重要的功能是合成輸出蛋白（或稱分泌蛋白：包括各種肽類、激素、酶類和抗體）
滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：多方面功能，不同細(xì)胞中功能不同。
Ⅰ.脂質(zhì)和固醇的合成；
Ⅱ.蛋白質(zhì)及脂類的運(yùn)輸；
Ⅲ.解毒：對(duì)脂溶性藥物有解毒作用（如對(duì)苯巴比妥）；
Ⅳ.糖原代謝：糖原的合成、分解；
Ⅴ.參與水和電解質(zhì)代謝，膽汁生成…..

四．高爾基復(fù)合體：(Golgi complex)
Ⅰ.高爾基體與細(xì)胞分泌活動(dòng)的關(guān)系：主要是對(duì)分泌顆粒起著濃縮加工運(yùn)輸和生成膜等作用；
Ⅱ.與多糖的合成與運(yùn)輸之間關(guān)系：高爾基體內(nèi)有糖酶，能合成多糖。糖蛋白在高爾基復(fù)合體中形成并運(yùn)出；
Ⅲ.高爾基體與溶酶體的形成：初級(jí)溶酶體的形成過(guò)程與分泌顆粒的形成類同，都起自高爾基體馕泡；
Ⅳ.對(duì)脂質(zhì)的運(yùn)輸：動(dòng)物進(jìn)食后數(shù)小時(shí)肝細(xì)胞內(nèi)有脂蛋白顆粒出現(xiàn)，它首先出現(xiàn)在滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的小管中，然后進(jìn)入高爾基體小池，積累在池邊膨出部分然后脫離高爾基體形成分泌液泡。

五．線粒體：(mitochondria)
在細(xì)胞生命活動(dòng)中所需能量95％來(lái)自線粒體，有關(guān)催化檸檬酸循環(huán)，氨基酸代謝，脂肪酸分解，電子傳遞，DNA復(fù)制，RNA合成等過(guò)程所需要的各種酶和輔酶都分布在線粒體中。

Ⅰ.酶分布：分布在線粒體外膜、外室、內(nèi)膜和基質(zhì)；
Ⅱ.線粒體是細(xì)胞氧化供能場(chǎng)所；
細(xì)胞氧化：細(xì)胞在生命活動(dòng)中進(jìn)行各種生理生化反應(yīng)時(shí)都要消耗能量，這些能量的來(lái)源是氧將細(xì)胞中各種供應(yīng)物質(zhì)氧化而釋放出來(lái)的，這就稱為細(xì)胞氧化（cellular oxidation）
Ⅲ.線粒體內(nèi)的電子傳遞系統(tǒng)和氧化磷酸化的偶聯(lián)作用。
線粒體最基本功能之一是將供能物質(zhì)經(jīng)氧化后脫下的成對(duì)的氫原子（2H）通過(guò)多種酶和輔酶所組成的“鏈鎖”反應(yīng)而逐步傳遞使之最后與氧結(jié)合成水。這種氫氧化合鏈反應(yīng)稱為“呼吸鏈”。ADP→ATP（磷酸化）在線粒體內(nèi)膜上進(jìn)行。
Ⅳ.線粒體的半自主作用：線粒體能分離出DNA，但和核的DNA完全不同，其遺傳信息量很少；線粒體有DNA聚合酶使線粒體DNA能轉(zhuǎn)錄自己的mRNA，rRNA，tRNA但它們的S值與核的完全不一樣，線粒體內(nèi)有自己的特異核蛋白體，但它與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上及細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的核蛋白體在尺寸和化學(xué)性質(zhì)上完全不同（相似于原核細(xì)胞的核蛋白體）

所以，線粒體是一個(gè)受到限制的有自主復(fù)制和再生能力的細(xì)胞器。

六．核糖體：（ribosome）
以亞單位、單體存在的核糖體處于休眠狀態(tài)，不能合成蛋白質(zhì)，由mRNA細(xì)線聯(lián)在一起的多聚核糖體（polyribosome）是合成蛋白質(zhì)的功能團(tuán)。
游離于細(xì)胞中的游離核糖體（Free ribosome），與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合的膜旁核糖體：FR合成的是細(xì)胞本身需要的蛋白質(zhì)（內(nèi)源蛋白）；膜旁核糖體主要形成分泌蛋白（輸出蛋白）

七．溶酶體：(lysosome)
初級(jí)溶酶體可與異噬泡，自噬泡以及細(xì)胞內(nèi)多余分泌顆粒相結(jié)合形成各種次級(jí)溶酶體，發(fā)揮多種消化作用。

Ⅰ.異噬作用：異噬物被溶酶體消化的過(guò)程：溶酶體可將蛋白質(zhì)、碳水化合物和核酸分解為小分子的肽、AA、糖類、核苷和磷酸等。這些小分子最終可透過(guò)內(nèi)膜進(jìn)入胞質(zhì)參與代謝或再應(yīng)用、或作為廢物排出細(xì)胞。不能消化的部分留在細(xì)胞內(nèi)成為殘?bào)w。
Ⅱ.自噬作用：細(xì)胞內(nèi)衰老變性的細(xì)胞器經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)包容形成自噬泡，它與初級(jí)溶酶體結(jié)合成自溶酶體，這些變性細(xì)胞在溶酶體內(nèi)被消化的過(guò)程稱為自噬作用。它防止細(xì)胞受損害，保證了細(xì)胞內(nèi)各種成分的自然代謝。
Ⅲ.在胚胎發(fā)育過(guò)程中某些結(jié)構(gòu)的退化和消失與溶酶體相關(guān)。
Ⅳ.其他作用：參與腎小管的重吸收；調(diào)節(jié)分泌細(xì)胞的活動(dòng)；在骨發(fā)生和骨再生中發(fā)揮作用；在排卵，受精中發(fā)揮作用；參與免疫過(guò)程等等。

八．微體：（microbody，peroxisome，microperoxisome）
在植物種子的胚乳細(xì)胞內(nèi)稱為乙醛酸循環(huán)體（glyoxesome）
含各種酶20種以上，主要是氧化酶。


保護(hù)作用： Ⅰ.這些酶可催化過(guò)氧化氫酶的形成，它能破壞氧化氫使其還原為水，消除細(xì)胞內(nèi)過(guò)多的過(guò)氧化氫防止細(xì)胞中毒；

Ⅱ.參與糖原異生、參與脂肪轉(zhuǎn)化為糖類，在兩棲類和鳥類細(xì)胞中參與嘌呤代謝過(guò)程；
Ⅲ.70年代曾有人研究微體中存在DNA，提示它有可能自我復(fù)制（未確定）

九．中心粒：（centrosome）
Ⅰ.與微管形成有關(guān)即組成所謂“微管形成中心”
Ⅱ.構(gòu)成微管的蛋白質(zhì)可能由中心粒合成，也可能是中心粒將胞脂質(zhì)內(nèi)前存的亞單位集合形成微管。

十．微管：（microtubule）
Ⅰ.細(xì)胞骨架作用：保持細(xì)胞形狀；
Ⅱ.參與細(xì)胞內(nèi)運(yùn)動(dòng)：參與細(xì)胞器的運(yùn)動(dòng)；
Ⅲ.對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸起通道作用；
Ⅳ.促進(jìn)細(xì)胞變態(tài)（需要時(shí)支撐、延長(zhǎng)、變形）

十一．微絲：(microfilament)
三種微絲中，除中間絲是起支持作用外，細(xì)、粗微絲與完成細(xì)胞運(yùn)動(dòng)有關(guān)。
微絲的運(yùn)動(dòng)形式可分為：
Ⅰ.收縮運(yùn)動(dòng)（如肌細(xì)胞）
Ⅱ.微絨毛運(yùn)動(dòng)（牽動(dòng)微絨毛）
Ⅲ.分泌顆粒的移動(dòng)與排除要有微絲參與
Ⅳ.變形運(yùn)動(dòng)（類似微管）

十二．胞含體：（inclusion）
（糖原、蛋白、脂類、色素顆粒、分泌顆粒）
糖原：供給細(xì)胞能量的一種成份
脂類：（脂滴）細(xì)胞的能源或合成細(xì)胞內(nèi)某些物質(zhì)的原料
病理診斷：某些疾病可引起脂滴大量堆積造成脂肪性病變

參考文獻(xiàn)：
【1】、醫(yī)學(xué)生物學(xué)電鏡技術(shù)與細(xì)胞超微結(jié)構(gòu) 應(yīng)國(guó)華主編 香港現(xiàn)代出版社 1993年
【2】、細(xì)胞和組織的超微結(jié)構(gòu) 鐘慈聲主編 北京人民衛(wèi)生出版社，1984年
【3】、細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu) 張中益 吉林大學(xué)通訊 Vol.17 No.1 1973年

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