细胞生物学的定义

第一章绪论细胞生物学的定义细胞生物学的三个研究水平我国基础科学发展规划中生命科学的四大基础学科：细胞生物学、分子生物学、神经科学、生态学当前细胞生物学的研究领域：1．细胞膜与细胞器的研究；细胞骨架体系的研究；细胞核、染色体及基因表达的研究2．细胞通讯和细胞信号转导3．细胞增殖及其调控4．细胞分化及其调控5．细胞的衰老与凋亡6．干细胞及其应用7.细胞工程第二章细胞的起源与进化从原核细胞到真核细胞的演进一、原核细胞(prokaryoctyt)1、结构——细胞壁、细胞膜、细胞质、荚膜特点：没有细胞核、无膜性细胞器DNA存在于拟核区，为双链环状，不与组蛋白结合细胞体积较小（1-10um）含有核糖体2、原核生物：支原体、细菌、放线菌、蓝细菌几乎所有的原核生物都是由单个原核细胞构成二、真核细胞（eukaryocyte）1、特点：有细胞核，核内含大部分DNA，有核膜可与细胞质分开胞质内有许多膜性细胞器，如内质网、高尔基复合体等体积比原核细胞大1000倍。有细胞骨架。2、真核细胞进化过程中的一个关键步骤是：膜性细胞器的出现。2、真核生物：单细胞生物（酵母、绿藻）、真菌、动、植物三、原核细胞和真核细胞的比较1、在基因组组成上有显著差异1）真核细胞含有更多的DNA，蕴藏更多的遗传信息。DNA呈线状，并包装成高度凝集的染色质结构。2）真核细胞的细胞器中也含有DNA3）真核细胞的mRNA在合成后，必须在核内剪接加工，然后运到胞浆中翻译成蛋白质。DNA转录与翻译分开进行。特征原核细胞真核细胞细胞结构核膜无有核仁无有线粒体无有内质网无有高尔基复合体无有溶酶体无有细胞骨架无有核糖体有，70S有，80S基因组DNA量（信息量）少大DNA分子结构环状线状染色质或染色体仅有一条DNA，DNA裸露有2个以上DNA分子，DNA不与组蛋白结合，但可与少与组蛋白和部分酸性蛋白结合量组蛋白结合。以核小体及各级高级结构构成染色质与染色体。基因结构特点无内含子，无大量DNA重有内含子和大量DNA重复序列复序列。转录与翻译同时进行（在胞质内）核内转录，胞质内翻译转录与翻译后大分子的加工与修饰无有第三章细胞生物学的研究方法和手段第一节显微镜技术（microscopy）介绍几个相关概念：1、分辨率（resolution,也称分辨本领resolvingpower）：区分开两个质点间的最小距离。2、极限分辨率：能清楚分辨出两点之间的最小间隔。数值越小，分辨本领越强。人眼的极限分辨率为100um,而动物细胞的大小在10-20um之间。一、光学显微镜：分辨率为0.2um（一）普通光学显微镜（lightmicroscope）1、应用最早、广。2、光源——自然光、灯光。3、最大放大倍数——极限放大倍数为500倍4、可见结构：细胞、细菌、细胞器（线粒体、细胞核等）、少数病毒。5、观察前的处理：固定、包埋、切片、染色。（二）荧光显微镜：分辨率高于普通光镜目前在光镜水平对特异蛋白质等生物大分子进行定性定位的最有力的工具。（三）相差显微镜技术1、特点：观察活细胞、未染色的生物标本避免在样品制作过程中细胞成分的丢失或失真。2、应用：细胞培养中观察细胞的生长情况等。（四）激光共聚焦扫描显微镜（自学）：分辨率是普通光镜的1.4倍。二、电子显微镜技术1、光源：电子束波长与电子运动快慢有关，越快，波长越短，分辨力越强。2、分辨本领高：3、可以观察：细胞的亚显微结构和生物大分子。4、样品制备复杂：需要真空；要求样品很薄，一般在数十纳米，要求有超薄技术。一般用重金属染色。5、常用的电镜透射电镜(TEM):观察细胞的微细结构扫描电镜（SEM）：观察细胞表面的三维形态第二节细胞的分离和培养一、从组织中分离不同类型的细胞1、制备单细胞悬液：蛋白水解酶（胰蛋白酶、胶原酶EDTA:金属螯合剂机械方法2、分离出不同类型的细胞离心抗体偶联法流式细胞仪（FCM、flowcytometer）：最精密的细胞分离技术3、生化分析或细胞培养二、细胞培养（cellculture）1、定义：从活体组织中分离出特定的细胞，在一定条件下进行培养，使之能够继续生存、生长以至增殖的一种方法。2、是研究不同细胞功能的一种有力的手段。所得的结果不能完全代表体内情况。3、几个相关的概念invitro:——用培养的细胞进行的实验（离体的）。invivo——在完整肌体内进行的实验（在体）。原代培养(primaryculture)：指直接从机体取下细胞、组织和器官后立即进行培养。传代培养：是指把增殖的原代培养的细胞从培养瓶中取出，以1：2以上的比例扩大培养。细胞系：从肿瘤组织培养建立的细胞群或培养过程中发生突变或转化的细胞，可无限繁殖、传代。三、细胞融合１、定义：通过培养和诱导，两个或多个细胞合并成一个双核或多核细胞的过程2、应用：研究不同细胞间的相互作用证明膜蛋白的运动制备单克隆抗体（B淋巴细胞与肿瘤细胞相融合，融合细胞既有肿瘤细胞无限传代的特性，又有淋巴细胞产生抗体的职能。人染色体上特定基因的定位第五章细胞膜的结构生物膜和单位膜的定义第一节细胞膜的化学组成脂类——双层、构成膜的主体蛋白质——膜功能的担负者糖类——分布在细胞表面其他：水、无机盐、金属离子在不同类型的生物膜中各种成分比例有差异。一般说来，功能复杂的膜中蛋白质的比例较高。一、膜脂1、种类磷脂——卵磷脂、鞘磷脂、磷脂酰肌醇等结构特征亲水头——磷脂酰碱基疏水尾——脂肪酸链胆固醇——调节膜的流动性加强膜的稳定性糖脂——存在于一切动物的细胞膜中有种属和组织差异性位于所有膜的非胞质面单层将糖基暴露在细胞表面，可作为受体，参与细胞识别和信息传导2、特点：双亲性分子3、存在方式（水溶液中）球状的胶态分子团脂质双分子层脂质体：根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层的趋势而制备的人工膜分成平面脂质体膜球形脂质体——直径1微米作用：质膜功能实验性研究基因转移疾病治疗二、膜蛋白1、膜功能的主要承担者2、不同类型的膜中含量差别很大3、分类：外在膜蛋白内在膜蛋白占20%-30%膜的内外表面，内表面为主不与脂质的疏水区连接水溶性蛋白结合力较弱：离子键静电作用分离条件：温和，不破坏膜结构改变离子强度浓度提高温度占70%-80%多数为跨膜蛋白多见于功能复杂的细胞膜嵌入或贯穿脂双层，直接与脂质的疏水区相作用双亲性分子与膜结合紧密去垢剂使膜崩解后才能分离出来4、功能：物质转运、受体、支持连接、催化作用三、膜中的糖类1、存在与所有真核细胞的表面，形成细胞外被（cellcoat）或糖萼2、细胞外被：膜上的糖蛋白和糖脂中的所有糖类都位于膜的非胞质面一侧，在大多数真核细胞膜的表面，富含糖类的周缘区称为细胞外被，保护细胞表面免受机械和化学损伤3、含量：一般少于10%4、形式：糖蛋白、糖脂5、种类：半乳糖、甘露糖、唾液酸等9种6、作用：保护、细胞识别、细胞黏附第二节、生物膜的特征生物膜的两个显著的特征：1、流动性、2、不对称性一、流动性1、流动性：膜脂和膜蛋白处于不断的运动状态2、是细胞进行生命活动的必要条件3、生理常温时生物膜为液晶态4、膜脂分子的运动：侧向、翻转、旋转、弯曲、伸缩震荡5、膜蛋白在质膜中的运动1）方式：侧向——细胞融合实验证实旋转——不需要消耗能量2）特点：速度慢、区域性、3）并非所有的蛋白分子都能在膜上运动。6、影响膜流动性的因素1）脂肪酸链的饱和程度和长度——不饱和脂肪酸越多烃链越短2）胆固醇的含量——有双重作用：与磷脂结合，限制磷脂的运动将磷脂隔开，使其更易流动正常含量，防止烃链的凝集防止在温度降低时流动性突然降低增加膜的稳定性3）卵磷脂和鞘磷脂的比值：比值越高，流动性越强。4）膜蛋白的影响：嵌入疏水区，降低流动性5）其他：环境温度、离子强度、酸碱度等。二、膜的不对称性1、不对称性：质膜内外两层的结构和功能有很大差异2、膜脂分布的不对称性：相对性不对称，含量上的差别3、膜蛋白分布的不对称性：4、糖基均分布在非胞质面：绝对的不对称一、片层结构模型二、单位膜模型三、液态镶嵌模型(fluidmosaicmodel)1、膜中的脂双层构成膜的连续主体——有序的分子排列液体的流动性2、蛋白质分子以各种形式与脂双层结合。3、膜是一种动态的、不对称的、具有流动性的结构4、不足：无法解释质膜在变化过程中怎样保持膜的相对完整和稳定。四、脂筏模型1、膜各部分脂质的分布不均一。2、脂筏(lipidrafts)：膜中富含胆固醇和鞘磷脂的微区中聚集一些特定的蛋白质，这些区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动，称为脂筏。3、脂筏存在于质膜和高尔基体膜上。4、质膜上的脂筏与caveolin-1结合后形成小窝caveole。5、作用：在膜内形成一个有效的平台在信号转导、细胞蛋白质转运等方面起作用。第四节细胞膜与癌变1、将肿瘤称为膜分子病流动性越大2、生物膜在癌变中的作用1）膜表面糖链残缺，黏着力下降，接触抑制的丧失。2）纤连蛋白等糖蛋白消失，肿瘤细胞易脱落，浸润并转移。3）含唾液酸的糖蛋白明显增加，逃避免疫监视4）通透性增加，受体介导的胞吞作用增强，物质转运活性增强5）表面常有所改变（微绒毛、变形等）3、接触抑制：离体的细胞培养时，正常细胞生长到彼此相互接触的密度时铺满成层后便停止生长分裂，称为接触抑制。细胞失去接触抑制。第六章物质的跨膜运输与信号转导第一节小分子物质的跨膜转运一、细胞膜是选择性半透膜二、被动扩散1、不需要膜蛋白协助，将物质顺浓度梯度（由高到低）进行跨膜转运的方式，不需要细胞提供能量。2、运输物质：非极性小分子（如H2O、尿素、甘油）不带电的极性小分子（如O2、CO2、乙醇）。3、分子量越小，脂溶性越强，越容易通过脂双层。三、膜运输蛋白1、膜运输蛋白：细胞中负责转运各种极性分子和离子如葡萄糖、氨基酸、核苷酸及细胞代谢产物的膜蛋白称膜运输蛋白。2、通常每种膜转运蛋白只转运一种特定类型的物质3、都是跨膜蛋白4、分两类：载体蛋白（carrierprotein）——改变构象介导被动和主动运输通道蛋白(channelprotein)——形成水性通道只介导被动运输。四、易化扩散（一）、载体蛋白介导的1、定义：不耗能，需要膜运输蛋白的帮助，顺浓度梯度或电化学梯度方向向低浓度方向的跨膜转运过程。2、运输物质：极性分子和离子，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等。3、特点：特异性饱和现象竞争性抑制4、举例：红细胞膜上葡萄糖（G）转运蛋白（二）、通道蛋白介导的1、典型的通道蛋白——离子通道2、转运的物质：Na+、、、K+等3、离子通道的特点：快速高度的选择性非持续性开放不需要消耗能量4、离子通道的类型配体闸门通道——神经递质、信号分子电压闸门通道——膜电位变化时开放五、主动运输1、定义：消耗细胞代谢所产生的能量，借助细胞膜上载体蛋白的帮助，将物质逆浓度梯度或电化学梯度运输的方式。2、特点：逆浓度或化学梯度需要消耗能量需要特异性载体蛋白介导3、Na+-K+泵（Na+-K+ATP酶）1）是一种离子泵，是细胞膜上进行主动运输的一种载体蛋白。它能主动地逆电化学梯度把Na+泵出细胞外，把K+摄入细胞内以维持细胞内高K＋低Na＋的离子梯度。水解一个ATP分子可排出3个Na+，摄入2个K+。2）维持细胞内高K＋低Na＋的离子梯度3）间接效应：a.调节细胞容积b.物质吸收c.维持细胞内高浓度的K＋（核糖体合成蛋白质和糖酵解的必要条件）d.产生膜电位4、Ca2+泵（Ca2+-ATP酶）5、H+-ATP酶六、协同运输1、协同运输：一些转运蛋白在转运一种溶质分子时，同时或随后伴随转运另一种溶质分子。2、分为同向运输逆向运输3、同向运输：见于从肠腔和肾小管主动转运葡萄糖，同时伴有Na+的同向转运葡萄糖的主动运输是由其他物质如Na+的离子梯度中贮存的能量驱动的。而不是直接由ATP水解来驱动的。Na+-K+泵间接驱动这种转运过程。4、上皮细胞中载体蛋白在细胞膜上的分布是不对称的。第九章细胞的内膜系统1、内膜系统：细胞内膜构成了多种形态各异、功能不同的膜性细胞器。其中有些膜性细胞器在结构、功能和形态发生上具有一定联系，构成一个完整系统的一些膜性细胞器，相对于细胞膜而言，将它们统