分離與純化對象之一：“亞細胞（細胞器）”的構造與功能

     上世紀20年代以Svedberg為首的歐洲科學家艱難研制的超速離心機原型主要目的是想分離和純化病毒、細胞和亞細胞構造（細胞器），然而50年代中期開始生產的*代及以后的各代超速離心機，在很長一段時期內（50年代—80年代）主要用于分離和純化生物大分子、細胞、細胞器、病毒、血液組份等生物體。但從90年代開始由于各種分離技術的研發（特別是電泳、層析等）和各種分離純化生物大分子的試調盒（kit）的問世（用這種試劑盒分離純化生物大分子組份只需要104 xg數量級離心加速度，大部分高速臺式離心機微量轉頭就可以滿足需要）使得超速離心機分離純化的主要對象又轉向細胞器、病毒和血液組份。
關于亞細胞構造的離心分離方法在文集的第5，6，7中已作了概括的說明，本文要進一步敘述的是：細胞器（亞細胞構造）是什么？有什么功能？（可以回答為什么這個多的科學家對它們高度重視的問題），下面作一些簡單講解。

亞細胞構造的組成與功能：
組成：

細胞
		膜相結構：質膜、內質網、高爾基體、核膜、線粒體、溶酶體
		非膜相結構：		質相結構：核蛋白體、中心體、微管、微絲、胞基質
				核相結構：核仁、染色質（間期）、染色體（有絲分裂期）、核基質

  一般分：細胞核、細胞膜、細胞質。 

細胞核：核膜		核內膜		核膜間隙、核孔、核內纖維層，染色質（常，異）、核仁
		核外膜

         

核內成分：	DNA（平時與protein結合以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。

      細胞膜：三層結構，二層深致密帶，中間夾一層淺色帶（綜合稱單位膜）
                 

	細胞外膜：質膜
	細胞內膜: 線粒體膜、內質網膜、溶酶體膜、核膜……。
	膜組成: 20%有形成份, 80%水
	有形成份：由蛋白質, 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11.8％，糖類3％
			高蛋白質膜：以線粒體膜為代表，蛋白質含量～75％、脂～25％和大量的酶
			普通膜：蛋白質與脂各半（近似）哺乳動物紅細胞膜蛋白∶脂 1.82∶1
			膜外胞衣（Cell coat）

     細胞質：
△   內質網：由膜圍成的管狀或扁平囊狀、及泡狀結構，吻合成網，交織分布在細胞質中形成一個相互聯通的管腔系統。 

內質網		粗面內質網：網膜表面含大量核糖體顆粒。
		滑面內質網：網膜表面不附有核糖體顆粒。

二種內質網可互相連接，一定條件下可轉換，但構成成分及酶系差別很大。
△   高爾基復合體：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： 
      結構： 線粒體外膜。外室、基粒（可溶性ATP）、核糖體、內膜、脊。又分為板狀脊與管狀脊二種結構形式。
△   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組成、由大亞基單位及小亞基單位組成。

●核糖體		真核細胞核糖體80S, M＝500萬		大亞單位：	60S，M＜300萬，占60％--70％  由35S RNA及40—50種蛋白質組成
				小亞單位：	40S， M＜150萬，由一個RNA分子及30種蛋白質組成
		原核細胞核糖體70S，M＝380萬		大亞單位：	50S （23S RNA和5S RNA及50個蛋白質組成）
				小亞單位：	30S （16S RNA及20個蛋白分子組成）
●核糖體		單核糖體：	一根長300—500nm的mRNA連接，不附著mRMA的核糖體不能合成蛋白質
		多聚核糖體		游離于細胞質中稱為游離核糖體。
				附著于內質網表面稱為結合型核糖體。

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

    溶酶體： 初級：單位膜包水解酶，無底物 
                     次級：單位膜包水解酶，含底物 

次級溶酶體		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

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

△ 微體： microbody （peroxisome） 在植物種子內稱為乙醛酸循環體（glyoxysome）0.5um，單位膜內包有中等致密顆粒，常見于肝、腎上皮細胞、支氣管無纖毛上皮細胞中。

種類：	● 有核樣微體
	● 有邊緣板或啞鈴樣微體
	● 無核樣微樣

△ 中心粒： centrosome 
      通常位于核旁，與核中心聯線可作為細胞中軸。 
      中心粒為圓筒狀小體，直徑0.1—0.5um，長0.3—0.7um，zui長2.0um，一端開放，一端封閉，成對存在，相互垂直，中心為多個A，B，C三聯微管，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salite）或稱中心粒周圍衛星體，隨體小球直徑70nm。，以細絲附著于三聯微管。
△ 微管：  microtubule
       尺寸：外徑φ21—27nm，平均25nm，內徑15nm，管厚5nm，長度變化不大（數個um）用梯度離心、電鏡負染技術，可見管壁由13根直徑為5nm的細絲直排而成，細絲是由φ5nm的管蛋白（tubulin）串成念珠狀。 
       管蛋白有二個微管蛋白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成原絲，zui后13根原絲串成一條微管。

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

  △ 微絲：   

按直徑分：	● 細微絲： φ5—7nm，長1um 是肌動蛋白（actin）
	● 粗微絲： φ10—14nm,長1.5um,是肌球蛋白（myosin）含ATP酶
	● 中微絲： φ9—12nm、很長，成束存在超微結構：

● 細微絲：由三種蛋白組成		肌動蛋白：300—400個球形單位串成纖維，每個球φ5nm，M＝42000-- 48000
		原肌球蛋白：（tropomyosin）,M=68000
		肌原蛋白：  （troponin）

● 粗微絲：由250—300個肌球分子蛋白組成，每個M＝480000，形如黃豆芽，頭部含ATP酶，是M＝12萬重酶解肌球蛋白的*段，頸部為M＝6萬的重酶解肌球蛋白的第二段，尾部是M＝15萬的輕酶解肌球蛋白。
● 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、神經中絲、神經膠質中絲等多種類型微絲。

△ 胞含體：指除細胞器外儲積在細胞質內具有一定形態的代謝物質，如糖原、脂類、蛋白質、色素顆粒和分泌顆粒，它們的存在與否、含量、形態與細胞類型及生理狀態有關。                                          
     糖原：供給細胞能量的一部分，在肝、肌細胞中zui豐富，線粒體、溶酶體中也有存在。 
     蛋白質包含物：以顆粒狀或結晶狀出現，細胞內合成的蛋白質被一層厚9nm的膜所包圍，成為顆粒狀蛋白質包含物。 
     脂類：以脂滴存在于細胞質內、含脂肪酸，甘油三脂和膽固醇等。

色素顆粒常見：	黑色素（melanin）
	脂褐質 （lipofuscin）
	鐵血黃素（hemosiderin）

  細胞器功能：

一. 核（nuclei）：
      在一定程度上控制著細胞的代謝、生長、分化和繁殖等活動，細胞的遺傳物也存在于核中，有些核細胞在丟失核后便失去活化機能并趨于死亡。 

● 核膜功能:	Ⅰ.調節細胞核與細胞質之間的物質交換：分子、離子進入核內，大分子物質由核孔移出；
	Ⅱ.穩定核的形態及其他化學成分：核膜的復雜結構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：細胞內RNA幾乎全在細胞核內合成，一部分在核內降解，部分通過核孔、破核膜釋出。
	Ⅰ.合成核糖體前體分子；蛋白在核糖體上合成；核仁與蛋白質合成密切相關；
● 核仁功能：	Ⅱ.合成核糖體核糖核酸（rRNA）；
	Ⅲ.與細胞表面抗原的形成有關；
	Ⅳ.控制RNA進入胞質；
	Ⅴ.保護信息核糖核酸（mRNA）免其在核內解、聚
●核質功能：	核液--某些種類核蛋白、染色質（chromatin）-- 在間期核中呈分散狀態的染色體。在細胞有絲分裂階段出現染色體（chromasome），分為異染色體和常染色質。

二． 細胞膜（質膜）（cell membrane或plasma membrane）：
     活細胞的許多重要生物學過程需借助膜來完成，如選擇性通透作用、合成與分解代謝、代謝調節、能量轉換與識別。 
       Ⅰ.通透作用：不是單純地起著支架和屏障作用，還嚴格控制著物質進出--選擇性的通透作用--被動擴散                          和主動運輸； 
       Ⅱ.受體：細胞膜上特殊的一類分子,它們有選擇性的和細胞中的一定活性物質結合產生一定效應、使細胞功能或物質代謝朝一定方向變化,與受體起作用的物質—激素、神經遞質、抗原藥物—生化中稱 這些為配體; 
       Ⅲ.調節代謝：在膜中的酶積極參與各種生化反應,并調節代謝; 
       Ⅳ.免疫作用：生物膜的抗原性意義重大，涉及胚胎發生中組織器官形成，器官移植、輸血、細胞免疫、腫瘤的發生和發展。 
抗原可以分為： 
       組織相容抗原：存在于各種細胞與血小板質膜上，40余種不同動物器官含不同的組織抗原，給器官移植帶來困難。 
       血型抗原：紅細胞膜上抗原不同決定了A，B，AB，O……14種血型系統，顯示60種以上血型。 
        Ⅴ.細胞衣：膜外表面均覆有一層細胞衣（cell coat） 
                        ● 參加免疫作用：與免疫有關的膜抗原、特異受體、酶藏于胞衣中。
                        ● 保護作用：防止致病性損害。
                        ● 通透作用：構成分子篩及細胞活動介質。   
                        ● 其他作用：胞衣受損、裂隙、部分脫落會導致細胞死亡。 
 

	Ⅵ.基板，細胞連接；		略
	Ⅶ.微絨毛；
	Ⅷ.纖毛；

三．內質網:（endoplasmic reticulum） 
        粗面內質網：zui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） 
        滑面內質網：多方面功能，不同細胞中功能不同。
        Ⅰ.脂質和固醇的合成；
        Ⅱ.蛋白質及脂類的運輸；
        Ⅲ.解毒：對脂溶性藥物有解毒作用（如對苯巴比妥）；
        Ⅳ.糖原代謝：糖原的合成、分解；
        Ⅴ.參與水和電解質代謝，膽汁生成….. 

四．高爾基復合體：（Golgi complex） 
        Ⅰ.高爾基體與細胞分泌活動的關系：主要是對分泌顆粒起著濃縮加工運輸和生成膜等作用； 
        Ⅱ.與多糖的合成與運輸之間關系：高爾基體內有糖酶，能合成多糖。糖蛋白在高爾基復合體中形成并運出；
         Ⅲ.高爾基體與溶酶體的形成：初級溶酶體的形成過程與分泌顆粒的形成類同，都起自高爾基體馕泡；
         Ⅳ.對脂質的運輸：動物進食后數小時肝細胞內有脂蛋白顆粒出現，它首先出現在滑面內質網的小管中，然后進入高爾基體小池，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）
      在細胞生命活動中所需能量95％來自線粒體，有關催化檸檬酸循環，氨基酸代謝，脂肪酸分解，電子傳遞，DNA復制，RNA合成等過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、內膜和基質；
	Ⅱ.線粒體是細胞氧化供能場所；
	細胞氧化：細胞在生命活動中進行各種生理生化反應時都要消耗能量，這些能量的來源是氧將細胞中各種供應物質氧化而釋放出來的，這就稱為細胞氧化（cellular oxidation）
	Ⅲ.線粒體內的電子傳遞系統和氧化磷酸化的偶聯作用。
	線粒體zui基本功能之一是將供能物質經氧化后脫下的成對的氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所組成的“鏈鎖”反應而逐步傳遞使之zui后與氧結合成水。這種氫氧化合鏈反應稱為“呼吸鏈”。ADP→ATP（磷酸化）在線粒體內膜上進行。
	Ⅳ.線粒體的半自主作用：線粒體能分離出DNA，但和核的DNA*不同，其遺傳信息量很少；線粒體有DNA聚合酶使線粒體DNA能轉錄自己的mRNA，rRNA，tRNA但它們的S值與核的*不一樣，線粒體內有自己的特異核蛋白體，但它與內質網上及細胞質內的核蛋白體在尺寸和化學性質上*不同（相似于原核細胞的核蛋白體）
	所以，線粒體是一個受到限制的有自主復制和再生能力的細胞器。

  六．核糖體：（ribosome）
          以亞單位、單體存在的核糖體處于休眠狀態，不能合成蛋白質，由mRNA細線聯在一起的多聚核糖體（polyribosome）是合成蛋白質的功能團。 
          游離于細胞中的游離核糖體（Free ribosome），與粗面內質網結合的膜旁核糖體：FR合成的是細胞本身需要的蛋白質（內源蛋白）；膜旁核糖體主要形成分泌蛋白（輸出蛋白）

七．溶酶體：（lysosome）
  初級溶酶體可與異噬泡，自噬泡以及細胞內多余分泌顆粒相結合形成各種次級溶酶體，發揮多種消化作用。

	Ⅰ.異噬作用：異噬物被溶酶體消化的過程：溶酶體可將蛋白質、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zui終可透過內膜進入胞質參與代謝或再應用、或作為廢物排出細胞。不能消化的部分留在細胞內成為殘體。
	Ⅱ.自噬作用：細胞內衰老變性的細胞器經內質網包容形成自噬泡，它與初級溶酶體結合成自溶酶體，這些變性細胞在溶酶體內被消化的過程稱為自噬作用。它防止細胞受損害，保證了細胞內各種成分的自然代謝。
	Ⅲ.在胚胎發育過程中某些結構的退化和消失與溶酶體相關。
	Ⅳ.其他作用：參與腎小管的重吸收；調節分泌細胞的活動；在骨發生和骨再生中發揮作用；在排卵，受精中發揮作用；參與免疫過程等等。

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

保護作用：	Ⅰ.這些酶可催化過氧化氫酶的形成，它能破壞氧化氫使其還原為水，消除細胞內過多的過氧化氫防止細胞中毒；
	Ⅱ.參與糖原異生、參與脂肪轉化為糖類，在兩棲類和鳥類細胞中參與嘌呤代謝過程；
	Ⅲ.70年代曾有人研究微體中存在DNA，提示它有可能自我復制（未確定）

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

十．微管：（microtubule） 
        Ⅰ.細胞骨架作用：保持細胞形狀； 
        Ⅱ.參與細胞內運動：參與細胞器的運動； 
         Ⅲ.對細胞內物質運輸起通道作用； 
         Ⅳ.促進細胞變態（需要時支撐、延長、變形）

十一．微絲：（microfilament） 
          三種微絲中，除中間絲是起支持作用外，細、粗微絲與完成細胞運動有關。
          微絲的運動形式可分為： 
          Ⅰ.收縮運動（如肌細胞）   
          Ⅱ.微絨毛運動（牽動微絨毛） 
          Ⅲ.分泌顆粒的移動與排除要有微絲參與 
          Ⅳ.變形運動（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：供給細胞能量的一種成份 
            脂類：（脂滴）細胞的能源或合成細胞內某些物質的原料
            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：
【1】、醫學生物學電鏡技術與細胞超微結構 應國華主編  香港現代出版社  1993年
【2】、細胞和組織的超微結構  鐘慈聲主編  北京人民衛生出版社，1984年
【3】、細胞的超微結構   張中益  吉林大學通訊 Vol.17     1973年

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