细胞生物学翟中和第四版教案

1第一章绪论一．细胞生物学研究的内容和现状1．细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学，它是在不同层次（显微、亚显微与分子水平）上以研究细胞结构与功能、细胞增殖、分化、衰老与凋亡、细胞信号传递、真核细胞基因表达与调控、细胞起源与进化等为主要内容。核心问题是将遗传与发育在细胞水平上结合起来。细胞生物学的主要研究内容一般可分为细胞结构功能与细胞重要生命活动两大基本部分：大致归纳为下面几个领域：1）细胞核、染色体以及基因表达的研究2）生物膜与细胞器的研究3）细胞骨架体系的研究4）细胞增殖及其调控5）细胞分化及其调控6）细胞的衰老与凋亡7）细胞的起源与进化8）细胞工程当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域1）细胞生物学与分子生物学(包括分子遗传学与生物化学)相互渗透与交融是总的发展趋势2）当前研究的重点领域：I：染色体DNA与蛋白质相互作用关系——主要是非组蛋白对基因组的作用II：细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控III：细胞信号转导的研究IV：细胞结构体系的组装二．细胞学与细胞生物学发展简史1．细胞的发现2．细胞学说的建立其意义1838～1839年，德国植物学家施莱登和动物学家施旺提出了“细胞学说”。3．细胞学的经典时期4．实验细胞学时期5．细胞生物学学科的形成与发展第二章细胞基本知识概要细胞的基本概念1．细胞是生命活动的基本单位。1）一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位2）细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位3）细胞是有机体生长与发育的基础4）细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性5）没有细胞就没有完整的生命2．细胞概念的一些新思考细胞是多层次非线性的复杂结构体系：细胞具有高度复杂性和组织性22）细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体细胞是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。3．细胞的基本共性1）所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜，即细胞膜。2）所有的细胞都含有两种核酸：即DNA与RNA作为遗传信息复制与转录的载体。3)作为蛋白质合成的机器——核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内。4）所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。二．非细胞形态的生命体——病毒及其与细胞的关系1．病毒的基本知识1）病毒（virus）——核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体；（1）根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：DNA病毒与RNA病毒（2）根据病毒的宿主范围，可以分为：动物病毒、植物病毒与细菌病毒（噬菌体）等；2）类病毒（viroid）——仅由感染性的RNA构成；3）朊病毒（prion）——仅由感染性的蛋白质亚基构成；2．病毒在细胞内增殖（复制）病毒的增殖（复制）必须在细胞内进行。病毒侵入细胞，病毒核酸的侵染病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成病毒的装配、成熟与释放3．病毒与细胞在起源与进化中的关系病毒是非细胞形态的生命体，它的主要生命活动必须要在细胞内实现。病毒与细胞在起源上的关系，目前存在3种主要观点：1．生物大分子→病毒→细胞病毒2．生物大分子细胞3．生物大分子→细胞→病毒第第三三种种观观点点主主要要依依据据（1）病毒的彻底寄生性（2）有些病毒（如腺病毒）的核酸与哺乳动物细胞DNA某些片段的碱基序列十分相似（3）病毒可以看做DNA与蛋白质或RNA与蛋白质的复合大分子，与细胞内核蛋白分子有相似之处3第第三三种种观观点点主主要要论论点点l由此推论：病毒可能是细胞在特定条件下“扔出”的一个基因组，或者是具有复制与转录能力的mRNA。这些游离的基因组，只有回到它们原来的细胞内环境中才能进行复制与转录。三．原核细胞与真核细胞原核细胞（Prokaryoticcell）1）基本特点：遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜。2）主要代表：支原体（mycoplast）——目前发现的最小最简单的细胞；细菌蓝藻又称蓝细菌（Cyanobacteria）最小最简单的细胞—支原体（mycoplast，近年又译为霉形体）是目前发现的最小最简单的细胞2．真核细胞（Eukaryoticcell）1）真核细胞的基本结构体系I：以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统；II：以核酸（DNA或RNA）与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。2）细胞的大小及其分析3）原核细胞与真核细胞的比较（1）原核细胞与真核细胞基本特征的比较（2）原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较（3）植物细胞与动物细胞的比较细胞壁、液泡、叶绿体3．古细菌（Archaebacteria）古细菌（archaebacteria）与真核细胞曾在进化上有过共同历程1）主要证据（1）细胞壁的成分与真核细胞一样，而非由含壁酸的肽聚糖构成，因此抑制壁酸合成的链霉素，抑制肽聚糖前体合成的环丝氨酸，抑制肽聚糖合成的青霉素与万古霉素等对真细菌类有强的抑制生长作用，而对古细菌与真核细胞却无作用。（2）DNA与基因结构：古细菌DNA中有重复序列的存在。此外，多数古核细胞的基因组中存在内含子。（3）有类核小体结构：古细菌具有组蛋白，而且能与DNA构建成类似核小体结构。（4）有类似真核细胞的核糖体：多数古细菌类的核糖体较真细菌有增大趋势，含有60种以上蛋白，介于真核细胞（70～84）与真细菌（55）之间。抗生素同样不能抑制古核细胞类的核糖体的蛋白质合成。（5）5SrRNA：根据对5SrRNA的分子进化分析，认为古细菌与真核生物同属一类，而真细4菌却与之差距甚远。5SrRNA二级结构的研究也说明很多古细菌与真核生物相似。除上述各点外，根据DNA聚合酶分析，氨基酰tRNA合成酶的作用，起始氨基酰tRNA与肽链延长因子等分析，也提供了以上类似依据，说明古细菌与真核生物在进化上的关系较真细菌类更为密切。因此近年来，真核细胞起源于古细菌的观点得到了加强。第三章（略）第四章细胞膜与细胞表面第一节细胞膜与细胞表面特化结构细胞膜（cellmembrane）又称质膜（plasmamembrane），是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。细胞膜：在内环境稳定；物质、能量交换；信息传递中起着很重要的作用。（—）细胞膜结构模型的认识过程晶格镶嵌模型脂质双分子层—→三明治模型—→单位膜模型—→流动镶嵌模型—→板块镶嵌模型脂筏模型（二）生物膜的特点1．有磷脂双分子层。磷脂双分子层是生物膜的基本构型。2．不对称性，膜蛋白不对称性的镶嵌或结合于表面。3．流动性，膜蛋白和膜脂都具有一定的流动性4．是不断更新代谢的动态活性结构。二．膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇3种类型。（一）成分1．磷脂磷脂占整个膜脂的50％以上。又分为：甘油磷脂和鞘磷脂。分子特征：磷脂分子有一个极性的头部（胆碱、磷脂、甘油）和两个非极性的尾部（脂肪酸链）。脂肪酸链的弯曲与不饱和脂肪酸有关，因为不饱和脂肪酸的双键在烃链中容易产生弯曲。2．糖脂由寡糖链和脂质分子组成。53．胆固醇存在于真核细胞膜上，含量不超过膜脂的1/3。胆固醇在调节膜的流动性、增加膜的稳定性、降低水溶性物质的通透性等起着重要的作用。细菌质膜和植物的质膜不含胆固醇。（二）膜脂的运动方式沿膜平面的侧向运动、脂分子围绕轴心的自旋运动、脂分子尾部的摆动、双层脂分子之间的翻转运动。（三）脂质体脂质体（Liposome）是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势制备的人工膜。脂质体中裹入不同的药物或酶等具有特殊功能的大分子，可治疗多种疾病。三．膜蛋白1．类型根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可将膜蛋白分为：膜周边蛋白（peripheralproteins）或称外在膜蛋白（extrinsicproteins）膜内在蛋白（integralproteins）或称整合膜蛋白。2．膜内在蛋白与膜脂结合的方式：（1）α螺旋（2）β折叠：形成跨膜通道，与跨膜运输有关。（3）跨膜结构域两端携带带正电荷的氨基酸残基，Arg+等与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，Cys+共价结合脂质分子。3．去垢剂去垢剂是分离与研究膜蛋白的常用试剂。可分为离子去垢剂（SDS）和非离子去垢剂（TritonX－100）。离子型:SDS非离子型：TritonX－100分子四．膜的流动性膜脂的流动性取决于脂分子本身的性质。脂肪酸链越短（尾部越短），不饱和程度越高，膜脂的流动性越大。流动越快，对细胞的生理功能调节有关。细胞生理功能有利。胆固醇对膜的流动性也起着重要的调节作用。膜蛋白流动性的证明实验：1．荧光抗体免疫标记法6用仙台病毒(Sendaivirus)可诱导两种细胞融合成异核细胞。证明了膜具有流动性。用结合有绿色荧光染料的专一抗体标记在小鼠培养细胞的表面上，用结合有红色荧光染料的专一抗体标记在培养的人体细胞表面上，然后将两种细胞经灭活的仙台病毒诱导融合。最初一半显红色，另一半显绿色。在37oC下培养，10分钟后，荧光在融合表面开始扩散，40分钟后，则两种染色标记物完全混匀。2．光脱色恢复技术用荧光素标记膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射细胞表面某一区域，使被照射区的荧光猝灭变暗。由于膜的流动性，猝灭区域的亮度逐渐增强，最后恢复到与周围的荧光猝灭强度相等。根据荧光恢复的速度可推算膜蛋白或膜脂的扩散速率。五．膜的不对称性生物膜经冷冻蚀刻显示的4个面。ES：与细胞外环境接触的膜面PS：与细胞质基质接触的膜面EF：冷冻蚀刻技术处理后的细胞外小页断裂面PF：冷冻蚀刻技术处理后的原生质小页断裂面寡糖一定是朝向细胞膜外。膜脂的不对称性：指同一种膜脂分子在膜的脂双层中不均匀分布，糖侧链都在质膜的ES面上。磷脂分子的不对称分布可能与膜蛋白的不对称分布有关。膜蛋白的不对称性：不论膜周边蛋白还是膜内在蛋白在质膜上都呈不对称分布，具有一定的方向性。如：细胞表面的受体、膜上载体蛋白、质膜上的糖蛋白。按一定的方向传递信号和转运物质。六．细胞膜的功能：1．稳定内涵2．物质选择运输3．能量传递4．信号传导5．细胞连接及特化七．骨架与细胞表面的特化结构（一）红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞膜蛋白主要包括：血影蛋白（Spectrin）、锚蛋白、带4.1蛋白、肌动蛋白、带3蛋7白和血型糖蛋白。前4种蛋白为骨架成分，后两种是膜整合蛋白，在维持膜的形状及固定其他膜蛋白的位置方面起重要作用。带3蛋白是红细胞膜上的载体蛋白。膜骨架网络与细胞膜之间的连接主要通过锚蛋白。（二）细胞表面特化结构：鞭毛、纤毛、微绒毛、变形足、膜骨架等，是质膜与细胞骨架纤维构成的复合结构，对维持细胞形态、运动及与外界物质交换功能有关。第二节细胞连接按功能分：封闭连接、锚定连接、通讯连接一．封闭连接指相邻细胞的质膜紧密的连在一起，阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内。其典型形式是上皮细胞之间的紧密连接。无间隙并有嵴线衔接为网络，阻止水分子和其它可溶性物质渗透。二．锚定连接通过锚定连接将相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连形成一个细胞群体。1．与中间纤维相连的锚定连接：桥粒和半桥粒2．与肌动纤维相连的锚定连接：粘着带、粘着斑1．桥粒：两个细胞之间形成钮扣式的结构，即细胞间钮扣式的连接。中间纤维象订钮扣的线。2．半桥粒：另一边不是固定在细胞上，而是固定在基底膜上。即通过细胞膜上的膜蛋白——整联蛋白将上皮细胞固着在基底膜上。3．粘着带：相邻上皮细胞间的钙粘素粘着形成的带状结构，与其胞内相连的是肌动蛋白纤维。在相连细胞之间形成连续底带状结构。粘着带处的相邻细胞膜的相互作用依赖域Ca2+，因此粘着带中的跨膜连接糖蛋白被认为是钙粘素家族。小肠上皮细胞微绒毛中的肌动蛋白纤维束就结合在与钙粘着带相连的纤维网络上。4．粘着斑：与胞外基质之间形成的斑点状连接结构（肌动蛋白纤维——整联蛋白——纤连蛋白）。是细胞与基底膜的连接，是肌动蛋白纤维与细胞外基质之间的连接方式。三．通讯连接间隙连接8神经细胞间的化学突触植物细胞间的胞间连丝（一）间隙连接广泛分布在动物各组织细胞之间，相邻细胞膜上两个连接子对接