细胞生物学研究对象与任务

第一章绪论第一节细胞生物学研究对象与任务细胞生物学（CellBiology）及其研究的主要内容：生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系，而细胞是生命体的结构与生命活动的基本单位，有了细胞才有完整的生命活动。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。细胞生物学研究的主要内容有：细胞结构与功能、细胞重要生命活动：细胞核、染色体以及基因表达的研究细胞膜与细胞器的研究细胞骨架系统的研究细胞增殖及其调空细胞分化及其调控细胞的衰老与凋亡细胞的起源与进化细胞工程第二节细胞生物学发展简史一、细胞的发现和细胞学说的建立二、经典细胞学发展阶段三、实验细胞学发展阶段四、分子生物学发展阶段第三节医学细胞生物学在医学教育中的地位一、医学细胞生物学是医学科学的重要理论基础之一二、细胞生物学和医学的发展相互影响，相互促进。第四节细胞生物学常用的研究技术和方法一、细胞形态结构观察的技术和方法（一）细胞显微结构研究的技术与方法1.普通复式光学显微镜技术⑴光镜样本制作⑵分辨率是指区分开两个质点间的最小距离2.荧光显微镜技术（FluorescenceMicroscopy）◆原理◆应用：⑴直接荧光标记技术⑵间接免疫荧光标记技术⑶在光镜水平用于特异蛋白质等生物大分子的定性定位：如绿色荧光蛋白(GFP)的应用3.激光共焦扫描显微镜技术（LaserConfocalMicroscopy）◆原理◆应用：排除焦平面以外光的干扰，增强图像反差和提高分辨率(1.4—1.7)，可重构样品的三维结构。4.相差显微镜（phase-contrastmicroscope）将光程差或相位差转换成振幅差，可用于观察活细胞5.微分干涉显微镜（differentialinterferencecontrastmicroscope,DIC）明暗区别，增加了样品反差且具有立体感。适于研究活细胞中较大的细胞器6.录像增差显微镜技术（video-enhancemicroscopy）计算机辅助的DIC显微镜可在高分辨率下研究活细胞中的颗粒及细胞器的运动（二）细胞超微结构研究的技术与方法1.透射电子显微镜的基本知识电镜与光镜的比较电镜与光镜光路图比较电子显微镜的基本构造2.主要电镜制样技术⑴负染色技术负染色技术（Negativestaining）与金属投影染色背景，衬托出样品的精细结构⑵冰冻蚀刻技术冰冻蚀刻技术（Freezeetching）（技术示意图）冰冻断裂与蚀刻复型：主要用来观察膜断裂面的蛋白质颗粒和膜表面结构。快速冷冻深度蚀刻技术（quickfreezedeepetching）⑶超薄切片技术超薄切片技术用于电镜观察的样本制备示意图⑷电镜三维重构技术电子显微术、电子衍射与计算机图象处理相结合而形成的具有重要应用前景的一门新技术。电镜三维重构技术与X-射线晶体衍射技术及核磁共振分析技术相结合，是当前结构生物学（StructuralBiology）——主要研究生物大分子空间结构及其相互关系——的主要实验手段。3.扫描电镜（Scanningelectronmicroscope，SEM）电子“探针”扫描，激发样品表面放出二次电子，探测器收集二次电子成象。CO2临界点干燥法防止引起样品变形的表面张力问题。1.免疫荧光技术：快速、灵敏、有特异性，但其分辨率有限⑴蛋白电泳(SDS-PAGE)与免疫印迹反应(Western-Blot)⑵免疫电镜技术：2.免疫铁蛋白技术3.免疫酶标技术4.免疫胶体金技术应用：通过对分泌蛋白的定位，可以确定某种蛋白的分泌动态；胞内酶的研利用样品对光的吸收形成明暗反差和颜色变化利用样品对电子的散射和透射形成明暗反差要求真空不要求真空要求真空1.33x10-5～1.33x10-3Pa玻璃透镜玻璃透镜电磁透镜可见光（400-700）紫外光（约200nm)电子束（0.01-0.9）200nm100nmLMFMEM成像原理真空透镜光源分辨本领显微镜究；膜蛋白的定位与骨架蛋白的定位等1.细胞显微分光光度术（Microspectrophotometry）利用细胞内某些物质对特异光谱的吸收，测定这些物质（如核酸与蛋白质等）在细胞内的含量。包括：紫外光显微分光光度测定法；可见光显微分光光度测定法（FlowCytometry）主要应用：用于定量测定细胞中的DNA、RNA或某一特异蛋白的含量；测定细胞群体中不同时相细胞的数量；从细胞群体中分离某些特异染色的细胞；分离DNA含量不同的中期染色体。1.原理及应用：⑴利用同位素的放射自显影，对细胞内生物大分子进行定性、定位与半定量研究；⑵实现对细胞内生物大分子进行动态和追踪研究。2步骤：前体物掺入细胞（标记：持续标记和脉冲标记）——放射自显影三、细胞培养与细胞显微操作技术（一）体外细胞的培养动物细胞培养⑴类型：原代培养细胞（primaryculturecell）继代培养细胞（sub-culturecell）⑵细胞株（cellstrain）正常二倍体，接触抑制⑶细胞系（cellline）亚二倍体，接触抑制丧失（二）细胞融合（cellfusion）技术又称细胞杂交（cellhybridization）技术（三）细胞显微操作技术（cellmicromanipulation）复习思考题1．光学显微镜技术有哪些新发展？它们各有哪些突出优点？为什么电子显微镜不能完全替代光学显微镜2．为什么说细胞培养是细胞生物学研究的最基本技术之一？第二章细胞的分子基础及基本概念第一节细胞的基本概念细胞：是生命活动的基本单位，一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位。细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，是代谢与功能的基本单位细胞是有机体生长与发育的基础细胞是遗传的基本结构单位，细胞具有遗传的全能性没有细胞就没有完整的生命生物大分子：蛋白质和核酸等分子，分子结构复杂，分子量巨大，分子中载有生命活动的信息，是一切生命机体形态结构和生理功能的最重要的物质基础，在生命机体中担负着各种各样的生理功能，故称为生物大分子细胞的基本共性：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。3、作为遗传信息复制与转录的载体。4、作为蛋白质合成的机器─核糖体，毫无例外地。5、存在于一切细胞内。6、所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂原核细胞基本特点：遗传的信息量小，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。主要代表：支原体（mycoplast）——最小最简单的细胞；细菌真核细胞真核细胞的基本结构体系细胞的大小及其分析原核细胞与真核细胞的比较第二节生命现象的载体——蛋白质蛋白质（protein）H2N－CH－COOH1、组成单位：氨基酸（AminoAcid）2、分子结构(1)一级结构（primarystructrure）：蛋白质的一级结构决定了蛋白质的多样性。(2)二级结构（secondstructure）：一级结构的基础上借氢键使分子折曲(3)三级结构（tertiarystructure）：在二级结构的基础上进一步盘旋折叠产生特定的、不规则的球状构像(4)四级结构（quaternarystructure）：指各个亚基的空间排布和相互作用。3、蛋白质的种类：（1）按分子形状：球形蛋白：酶；纤维状蛋白：角蛋白（头发），胶原蛋白（2）按化学组成分：单纯蛋白质：分子组成全部为蛋白质结合蛋白质：糖蛋白，脂蛋白（3）按功能分：酶蛋白，运动蛋白，激素蛋白，运输蛋白结构蛋白。4、蛋白质的功能：（1）催化特定反应：酶－专一性，高效性；（2）细胞的组成成分；（3）转运物质：膜通道蛋白，转运蛋白；（4）调节代谢：膜受体；（5）收缩：肌纤维；（6）防御保护：免疫球蛋白，抗体等（7）能量储存第三节遗传信息的载体——核酸(nulieicacid)1、基本单位：核苷酸（nucleotide）每个核苷酸均由三类较简单的化合物组成，核糖（五碳糖），碱基及磷酸，由于核糖和碱基的不同构成5种不同的单核苷酸，即腺嘌呤核苷酸（A）,胞嘧啶核苷（C），鸟嘌呤核苷酸（G），胸腺嘧啶核苷酸（T），尿嘧啶核苷酸（U）。另外还有ATP，三磷酸腺苷，是细胞内化学能的载；cAMP，环磷酸腺苷，细胞内的信号分子。2、核酸的种类结构DNA：脱氧核糖核苷酸，两条走向相反的互补核苷酸链组成的双螺旋，互补的双链之间通过碱基间形成的氢键而结合在一起。RNA：核糖核酸，单链，三种RNA（mRNA，tRNA，rRNA）具有三种不同的功能。3、结构:DNA双螺旋结构4、DNA的功能为储存、复制遗传信息，并转录三种RNA即mRNA、tRNA与rRNA指导合成蛋白质。5、DNA与RNA区别复习思考题1、名词：细胞、原核细胞、真核细胞、生物大分子2、原核细胞与真核细胞的不同点。3.蛋白质四级结构模式要点有哪些？4.比较DNA与RNA在化学组成上的区别。5.DNA双螺旋结构模型要点。6.RNA的种类与功能。第三章细胞膜与细胞表面第一节细胞膜的化学组成和分子结构细胞膜的概念（cellmembrane,cytomembrane）：生物膜（biomembrane）,单位膜（unitmembrane）,细胞内膜，细胞膜一、细胞膜的化学组成：(一)膜脂:在真核细胞膜中主要有磷脂、胆固醇、糖脂等,其中以磷脂为最多。1.磷脂(phospholipid):主要是磷酸甘油脂和鞘磷脂2.胆固醇(cholesterol):是膜中的中性脂,在动物的真核细胞膜中含最高,与磷脂的碳氢链相互作用,增加质膜的强度,降低膜的流动性3.糖脂(glycolipid):含有糖的脂类,糖共价地与脂结合在一起。如脑苷酸(鞘磷脂中的硷酸和胆碱换成糖),为最简单的糖脂。4.膜脂的共同特点兼性分子(双亲媒性)、分子中含亲水部分(硷酸、胆碱)和疏水部份(脂肪酸链)。膜脂的结构特点:头部亲水面向水面,在水相中,可形成团粒或片状双层。(二)膜蛋白膜蛋白是膜功能主要的承担和执行者。膜功能的差异主要在于所含蛋白质的不同。根据膜蛋白与膜脂的结合方式不同,可分为两类:1.镶嵌蛋白:(mosaicprotein),又称内在蛋白大多数镶嵌蛋白含有疏水区相互作用,而结合在质膜上,内在蛋白不溶于水,分为部分嵌入及跨膜蛋白。2.周围蛋白(PeripheralProtein),又称外在蛋白外在蛋白一般为水溶性蛋白质,分布在质膜内外两侧,通过静电作用及离子键,氢键与膜脂分子的极性头部相结合。或通过与内在蛋白相互作用,间接与膜结合。(三)膜糖二、细胞膜的结构1.单位膜模型（unitmembranemodel）该模型认为“两暗夹一明”三层结构中的暗带,是对酸亲合力大的蛋白质层,而明带是双层脂类分子,蛋白质层并非是球形蛋白质(因为球形蛋白质的直径2nm)。而是由单层肽链的β折叠形式的蛋白质,通过静电作用与磷酸极性端相结合。该模型提出各种生物膜在形态上的共性,但无法说明膜的动态结构变化及功能特性的多样化,但该模型提出的单位膜的概念一直沿用至今。2.液态镶嵌模型(fluidmosaicmodel)该模型的主要论点是:流动的脂双层构成膜的连续主体,球形的膜蛋白质以各种镶嵌形式与脂双分子层相结合。构成膜的脂双层具有液晶态的特性,它既有晶体的分子排列的有序性,又有液体的流动性。该模型的突出特点是强调了膜的流动性和上述膜组分分布的不对称性,即膜的结构成份不是静止的,而是动态的。但该模型也有其不足之处,它忽视了蛋白质分子对脂类分子流动性的限制作用,忽视了膜各部分流动性的不均匀性等,从而使人们又提出了一些新的模型。3.晶格镶嵌模型(latticemosaicmodel)1975年提出,该模型认为细胞膜所以具有流动性是由于脂类可逆地进行无序(液态)和有序(晶态)的相变过程,镶嵌蛋白对脂类分子的运动有控制作用,可使其周围的脂质分子形成界面脂,而不发生单独活动,两