1、细胞生物学第一章 细胞生物学基本知识第一节 基本知识一.细胞生物学的发展1. 死细胞的发现 1665。罗伯 特.虎克，软木切片，植物死细胞2. 活细胞的发现 1674. 列文虎克，观察了许多动植物的活细胞与原生动物，并于1674 年描述了鱼的红细胞细胞核的结构。3. 细胞学说的建立，1838，施莱登提出主要论点，1939 由施旺充实，形成细胞学说，一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位。4. 魏尔肖（virchow）1858 年指出， “细胞只能来自细胞” 。5. 细胞学的发展 本世纪以来，研究方法的改进（电镜、同位素等） ，已使细胞学的研究进入亚显微结构；1953 年以后
2、，兴起分子生物学，细胞学发展成为显微水平，亚显微水平和分子水平三个层次上探讨细胞生命活动的细胞生物学。二.细胞的形态与大小1. 形状多样2. 细胞的大小 一般 10100m,最小 0.10.2m（支原体） ，细菌 12m，鸟卵（黄） ，最大的细胞。大象的细胞与昆虫的细胞大小几乎一样。生物的体积增大，主要是细胞数目的增多造成。三.原核细胞、古核细胞和真核细胞原核细胞：细菌、蓝藻、支原体、放线菌是原核细胞。原核细胞 细胞壁（胞壁质 -蛋白多糖） ， 质膜，类核（拟核） ，1 条 DNA（裸露） ，无细胞器，有核糖体和中间体。古核细胞（细菌）：古核生物是一些生长在地球上 特殊环境中的细菌，它们可能代
3、表了原始地球环境中生命存在与繁衍的特定形式真核细胞：大多数生物由真核细胞构成。真核细胞复杂得多。原核细胞和真核细胞主要区别动物细胞和植物细胞的主要区别：质体、细胞壁、胞间层、胞间连丝、大液泡第二章生物膜和细胞表面第一节 生物膜的结构和特性一.细胞膜及生物膜 化学组成 （蛋白质 2070%，脂类， 3080%，以磷脂为主，糖少量）；磷脂、固醇和糖脂都有极性分子头（亲水） ，非极性的两条尾（疏水） ，两性分子。功能多而复杂的生物膜蛋白质的种类多，比例大：主要起绝缘作用的神经髓鞘，蛋白质与脂类比值为 0.23，而线粒体膜因功能复杂此比例达 3.2。二.细胞膜结构模型流 动性，膜蛋白（外在蛋白和内在蛋
4、白）和膜脂分布的不对称性三. 生物膜的特性和功能（一）双分子层中磷脂有 4 种运动方式：1. 沿膜平面的侧向运动 ；2脂分子围绕轴心的自旋运动；3脂分子尾部的摆动 ；4双层脂分子之间的翻转运动（二）外在膜蛋白，内在蛋白和与脂分子连接的膜蛋白 （三）内在蛋白有一个以上由 螺旋构成的跨膜结构域（四）膜孔蛋白：含跨膜的折叠结构，构成桶装通道（五）外在膜蛋白与内在膜蛋白或磷脂极性头部联系（相互作用） ，也可插入磷脂双分子层中（六）某些酶连接到模表面，可失活或被活化（往往是含碱性 AA 的酶）（七）膜脂的不对称性指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布；膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具
5、有明确的方向性。（八）细胞膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白（微丝，微管）组成的网架结构，它参与维持细胞膜的形状，并协助质膜完成多种生理功能（九）膜功能（1）为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；（2）选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排除，其中伴随着能量的传递；（3）提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息跨膜传递；（4）为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；（5）介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；第二节 细胞表面特化结构一动物细胞外被和胞外基质1. 细胞外被；2. 胞外基质A.ECM; B 基底膜二.植物细胞壁三.细胞连接动物细胞有 紧密连接 桥粒 粘着带 间隙连接 ；
6、植物细胞 有胞间连丝。细胞表面沾着因子：CAMs，如钙粘素、选择素、整联蛋白等第三章 物质通过质膜进出细胞第一节 转运蛋白和转运机制一转运蛋白ATP-动力泵，离子通道白，载体蛋白 二.四种转运机制1）简单（自由）扩散：物质过膜的扩散与其脂溶性呈正比2）促进扩散：也顺浓度梯度进行，但需要膜上载体的协助，例：葡糖进入红细胞。3）伴随运输（协同运输）：物质跨膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子浓度梯度，而维持这种离子电化学梯度则是通过 NaK 泵消耗 ATP 所实现的。例：动物细胞吸收氨基酸。4）主动运输：逆浓度梯度进行，耗能，N a-K 泵（维持细胞内 K 离子的高浓度，N a 离子的低浓度）第二
7、节 ATP 动力泵的种类一.四种 ATP 动力泵 P 型质子泵 、V 型质子泵 、F 型质子泵和 ABC 超家族 二. Na K 十 ATP 泵（图）三. Ca 2 十 ATP 酶Ca2 十 泵工作需 ATP，每消耗一个 ATP 分子转运出两个 Ca2 十。细胞内钙调蛋白与之结合以调节 Ca2 十泵的活性。第三节 胞吞和胞吐（内吞和外排）：胞吞作用是细胞膜内陷形成囊泡，称胞吞泡将外界物质裹进并输人细胞的过程。根据形成的胞吞泡的大小和胞吞物质的性质，胞吞作用又可分为两种类型：胞饮作用（pinocytosis）：胞吞物为溶液，形成的襄泡较小；又称胞饮泡。吞噬作用（phagocytosis）：胞吞物
8、为大的颗粒性物质（如微生物和细胞碎片） ，形成的囊泡较大，称吞噬泡。胞吐作用是将细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。一. 胞饮泡的形成机制当配体与膜上受体结合后，网格蛋白聚集在膜下的一侧，逐渐形成直径 50100 nm 的质膜凹陷，称网格蛋白有被小窝；一种小分子 GTP 结合蛋白（dynamin）在深陷有被小窝的颈部装配成环，dynamin 蛋白水解与其结合的 GTP 引起颈部缢缩，最终脱离质膜形成网格蛋白有被小泡；几秒钟后，网格蛋白便脱离有被小泡返回质膜附近重复使用，去被的囊泡与早胞内体融合，将转运分子与部分胞外液体摄入细胞（图 3-8，3-9 ） 。 二.受体介
9、导的胞吞作用 被转运的大分子物质（配体）首先与细胞表面互补性的受体相结合，形成受体一大分子复合物并启动内化作用;随之是该处质膜部位在网格蛋白参与下形成有被小窝（coated pits） ，然后是深陷的小窝脱离质膜形成有被小泡（图 3-9） 。 三.组成型胞吐途径和调节型胞吐径 组成型胞吐途径：从高尔基体反面管网区分泌的囊泡，向质膜流动并与之融合的稳定过程。该途径保证新合成的囊泡膜的蛋白和脂类不断地供应质膜更新，确保细胞分裂前质膜的生长；囊泡内可溶性蛋白分泌到细胞外，有的成为质膜外周蛋白，有的形成胞外基质组分，有的作为营养成分或信号分子扩散到胞外液。 所有真核细胞都有组成型胞吐途径。糙面内质网高
10、尔基体分泌泡细胞表面调节型胞吐途径：分泌细胞产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。第四章 细胞信号转导第一节细胞通讯与信号分子一. 细胞通讯的三种方式： 通过分泌化学信号进行细胞间相互通讯：内分泌信号（激素） 旁分泌信号， 自分泌信号，化学突触 细胞间接触性依赖的通讯 细胞间形成间隙连接（胞间连丝）使细胞质相互沟通二.细胞信号传导的概念三.信号分子四信号传导的过程五.信号分子进入细胞的途径1.疏水分子（脂溶性分子）：自由扩散进入，与胞内受体结合，导致一系列化学反应，细胞应答。2.亲水分子： 与膜受体结合，使之构象转变
11、，产生第二信使，导致一系列化学反应，细胞应答。内分泌信号通讯举例：旁分泌信号通讯举例：创伤或感染组织可分泌信号物质，刺激其细胞增殖以恢复功能细胞间接触性依赖通讯举例：在胚胎发育过程中，神经系统来源于胚胎上皮细胞层。在发育过程中，单个细胞通过独立分化成为神经元，而与此神经元其相邻的细胞则受到抑制保持非神经细胞状态。这是因为已分化形成神经元的细胞，通过膜结合的抑制信号分子（称为 Delta，）与其相接触的相邻细胞的膜受体结合，从而阻止它们也分化为神经元细胞。 第二节. 细胞表面受体一.G 蛋白偶连受体G 蛋白是三聚体 GTP 结合调节蛋白的简称，位于质膜内胞浆一侧，由 、 三个亚基组成， 二聚体通
12、过共价结合锚于膜上,起稳定 亚基的作用，而 亚基本身具有GTP 酶活性。G 蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用（图 4-3）二. cAMP 信号途径（图 4-4）激素G 蛋白偶联受体G 蛋白腺苷酸环化酶cAMPcAMP 依赖的蛋白激酶 A 不同的靶蛋白磷酸化 基因调控蛋白（快速应答过程 ） 基因转录（缓慢应答过程 ）三. 磷脂酰肌醇信号通路该信号通路的最大特点是胞外信号被膜受体接受后，同时产生两个胞内信使，分别激动两个信号传递途径，即 lP3-Ca2 十 和 DG-PKC 途径（图 45） ，实现细胞对外界信号的应答。因此把这一信号系统又称之为“双信使系统”第三节 细胞内受体疏水分子（脂溶
13、性分子）：自由扩散进入胞内一.胞质受体和核内受体胞质受体作用机制（图 4.6）二.所有细胞内受体都有共同的结构域位于 C 端的激素结合位点，位于中部富含 Cys、具有锌指结构的 DNA 结合位点，以及位于 N 端的异变位点。 三.位于细胞质中的 NO 受体 NO 是一种自由基性质的气体，具脂溶性，可快速扩散透过细胞膜，到达邻近靶细胞发挥作用。RFurchgott 等三位美国科学家关于 NO 作为信号分子的研究，获得 1998 年诺贝尔医学和生理学奖。NO 受体作用机制（图 4.7）第五章 细胞基质和内膜系统第一节细胞基质 细胞基质：主要含有与中间代谢有关的数千种酶类，与维持细胞形态和细胞内物质
14、运输有关的细胞质骨架结构。胞质溶胶：含大量的酶，反应底物， 是细胞生活的微环境，代谢过程进行之处细胞基质的特殊功能：蛋白质的修饰、蛋白质的选择性降解等方面起着重要作用在细胞质基质中，有一个很复杂的机制，识别蛋白质 N 端不稳定的氨基酸信号并准确地将这种蛋白质降解，这就是依赖于泛素的降解途径。变性蛋白、错误折叠的蛋白等非正常蛋白的清除，同样依赖于泛素的蛋白降解途径。第二节 内织网和核糖体一.要点内织网：粗燥内织网和光滑内织网，主要功能分泌蛋白质的合成加工与转运内质网中的蛋白质发生的主要加工作用有糖基化、羟基化、酰基化与二硫键的形成等。糖基化是内质网中最常见的蛋白质修饰。 磷脂和胆固醇几乎全部在光
15、面内质网上合成，部分糖代谢也在此进行。光面内质网具有解毒功能。核糖体： rRNA40%, 蛋白质 60% ；无膜的细胞器 附着在内织网上（原核细胞附着于质膜）和游离于细胞质 大亚基和小亚基 多聚核糖体二.信号假说（一）.分泌蛋白的合成（图 5.1）（二）ER 跨膜蛋白的合成I.N 端位于 ER 腔内（图 5.2）II. N 端位于细胞基质（图 5.3）（三）磷脂在光面内质网上合成（图 5.4）第三节 高尔基体一结构和功能结构：电镜所观察到的高尔基体最有代表性的结构是一些（常常 48 个）排列较为整齐，堆叠在一起的扁平膜囊（图） 。扁囊多呈弓形。膜囊周围有大量的大小不等的囊泡。高尔基体是一种极性
16、细胞器，它在细胞中往往有比较恒定的位置与方向，而且物质从高尔基体的一侧进入，从另一侧输出。极性-形成面（CGN, 凸面，结构与内织网相似）中间膜囊和成熟面（TGN,凹面，结构与质膜相似）主要功能：将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，然后分门别类地运送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。一部分脂质也要通过高尔基体向细胞膜和溶酶体膜等部位运输，因此是细胞内大分子运输的一个主要交通枢纽。 高尔基体还是细胞内糖类合成加工的工厂。蛋白质分选：溶酶体酶，M6p糖基化：N 连接，O 连接，二. 溶酶体酶在高尔基体中的分选M6P 是酶在内质网上合成时进行的 N连接的糖基化修饰形成，即把 M6P 共价结合
17、到溶酶体酶分子中的天冬酰氨残基上。在高尔基体反面膜囊上结合着 M6P 受体，由于溶酶体酶的许多位点上都可形成 M6P ，因而大大增加了与受体的亲和力。这种特异的亲和力使溶酶体的酶与其他蛋白质分离并起到局部浓缩的作用。第四节 溶酶体、过氧化物酶体和液泡一.溶酶体：富含酸性水解酶. 初级溶酶体 次级溶酶体（初级溶酶体+吞噬泡） ，后溶酶体 溶酶体是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。其主要功能是进行细胞内的消化作用（图 5-7） 。 酸性环境维持：H +-泵植物细胞内与溶酶体功能类似的细胞器圆球体及中央液泡，植物细胞内与溶酶体功能类似的细胞器圆球体及中央液泡二. 微体又称过氧化物酶体，
18、不同生物的细胞，甚至单细胞生物不同个体的过氧化物酶体所含酶的种类及其功能都有所不同。1. 含氧化酶和过氧化氢酶，可将细胞内有害的 H2O2 转化为 H2O 和 O2。在叶片细胞中，行光呼吸的功能。2. 降解脂肪酸3. 解毒，4.植物中称乙醛酸循环体：，还含有乙醛酸循环酶系（异柠檬酸裂合酶和苹果酸合成酶），除有分解过氧化物外，还参与糖异生作用三. 液泡和液泡系：植物细胞中有大小不同的许多液泡，成熟植物细胞有一个很大的中央液泡（占细胞体积的 90%） 。动物细胞的液泡较小。液泡由一层单位膜构成，主要成分是水。还含有无机盐、有机物、水解酶、生物碱等。膜上有许多载体，运入水、离子和营养物质。H +-泵
19、维持酸性环境。功能：维持细胞的紧张度；贮藏各种物质，如甜菜中的蔗糖即贮存于其中。所含的水解酶可吞噬消化细胞器；衰老细胞，水解酶释放，导致细胞自溶。第五节 细胞器间蛋白的转运以膜泡的形式；主要的膜泡： 1.网格蛋白有被小泡 2. COPII 有被小泡 3. COPI 有被小泡 第六章 线粒体和叶绿体第一节 线粒体：一.结构和功能1.结构：外膜 内膜（呼吸链酶系） 膜间隙 基质（三羧酸循环酶系） 与细菌相似的DNA 分子（多个） ，2.功能：半自主性细胞器：Cyt C 与细胞凋亡mt DNA 的遗传特点3.起源：起源的内共生假说和分化假说二.ATP 合成酶合成 ATP旋转催化三.细胞质蛋白进入线粒
20、体1.到内膜（图 6-3）2.到基质（图 6-4）第二节 叶绿体一.形态结构和功能：外被 内膜（通透性小 基质（富含暗反应酶） 片层结构 类囊体（基质类囊体和基粒类囊体，膜上有光合磷酸化酶）与蓝藻相似的 DNA 分子（多个） ，起源的内共生假说和分化假说二.细胞质蛋白进入叶绿体（图 6-6）第七章 细胞核和染色质第一节 核和核孔复合体一. 概况二.核的结构核膜：即核被膜，间期细胞的细胞核与细胞质之间的界膜。为双层膜。离子、较小的分子可以过膜，但大分子需通过其上的核孔复合体。核孔复合体的结构（图 7-2） ：功能：构成核、质之间的选择性屏障，将细胞分成核与质两大结构与功能区域：DNA复制、RNA
21、 转录与加工在核内进行，蛋白质翻译则局限在细胞质中。保护核内的 DNA 分子免受由于细胞骨架运动所产生的机械力的损伤。核被膜并不是完全封闭的，核质之间有频繁的物质交换与信息交流，主要是通过核膜上的核孔复合体进行。一个典型的哺乳动物细胞,其核膜上的核孔复合体总数约 30004000个，相当于 1060 个um2 。 。三.亲核蛋白进入细胞核（图 7-3四. 核蛋白进入细胞质（图 7-4）五.mRNA 进入细胞质（图 7-5）第二节 染色质一.相关名词染色质：是指间期细胞核内由 DNA、组蛋白、非组蛋白及少量 RNA 组成的线性复合结构，是间期细胞遗传物质存在的形式。染色体：是有丝分裂或减数分裂过
22、程中，由染色质聚缩而成的棒状结构。染色质的基本结构单位核小体（DNA 和组蛋白构成） 常染色质和异染色质着丝粒和着丝点次缢痕和核仁组织区基因和基因组：多线染色体和灯刷染色体组蛋白和非组蛋白二.染色质结构（图 7-6）第三节 核仁和核骨架一.核仁的功能二.核骨架核骨架，核纤层，染色体骨架核骨架的功能第八章 细胞骨架蛋白质纤维构成的网架体系，其主要功能是维持细胞的形态、细胞运动、胞内物质运输、细胞增殖和分化。包括 ：1. 细胞膜骨架2.细胞质骨架（微管、微丝和中间纤微）3.核骨架（狭义：核基质；广义：核基质，核纤层，核孔复合体）4.鞭毛和纤毛 鞭杆9（2）+2 ； 基体 9（3）+0，与中心粒相同；第一节 微管微管的结构和功能微管马达蛋白的功能第二节 微丝 微丝的结构和功能微丝马达蛋白的功能
