1、德州大学 生命科学院细胞生物学考研复习笔记-翟中和第一章 绪论第二章 细胞基本知识概要第三章 细胞生物学研究方法第四章 细胞质膜与细胞表面第五章 物质的跨膜运输与信号传递第六章 细胞质基质与细胞内膜系统第七章 细胞的能量转换线粒体和叶绿体第八章 细胞核(nucleus)与染色体(chromosome) 第九章 核糖体(ribosome) 第十章 细胞骨架(Cytoskeleton)第十一章 细胞增殖及其调控第十二章 细胞分化与基因表达调控第十三章 细胞衰老与凋亡第一章 绪论细胞生物学研究的内容和现状 细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科 细胞生物学的主要研究内容 当前细胞生物学研究的总趋势与
2、重点领域 细胞重大生命活动的相互关系细胞学与细胞生物学发展简史 细胞的发现 细胞学说的建立其意义 细胞学的经典时期 实验细胞学与细胞学的分支及其发展 细胞生物学学科的形成与发展 细胞生物学的主要学术组织、学术刊物与教科书细胞生物学 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。核心问题是将遗传与发育在细胞水平上结合起来。主要
3、内容细胞结构与功能、细胞重要生命活动：细胞核、染色体以及基因表达的研究生物膜与细胞器的研究细胞骨架体系的研究细胞增殖及其调控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总趋势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。重点领域染色体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细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控细胞信号转导的研究细胞结构体系的组装美国科学情报研究所（ISI）1997 年SCI（Science Citation Index）收录及引用论文检索，全世界自然科学研究中论文发表最集中的三个领域分别是：细胞信号转导（sign
4、al transduction）；细胞凋亡（cell apoptosis）；基因组与后基因组学研究（genome and post-genomic analysis）。美国国立卫生研究院（NIH）在1988年底发表的一份题为什麽是当今科研领域的热门话题？（“What is popular in research today？”）的调查报告中指出，目前全球研究最热门的是三种疾病：癌症（cancer）心血管病（cardiovascular diseases）爱滋病和肝炎等传染病（infectious diseases：AIDS ，hepatitis ）五大研究方向：细胞周期调控（cell cycl
5、e control）；细胞凋亡（ cell apoptosis）；细胞衰老（cellular senescence）；信号转导（signal transduction）；DNA的损伤与修复（DNA damage and repair）“细胞学说”的基本内容 认为细胞是有机体，一切动植物都是由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成； 每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它“自己的”生命,又对与其它细胞共同组成的整体的生命有所助益； 新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。Alberts B et al. Essential Cell Biology. New York and London：Garla
6、nd publishing，Inc. 1998Alberts B et al. Molecuar Biology of the Cell, 3rd ed. New York and London：Garland Publishing， Inc. 1994Becker W.M. et al. The World of the Cell. Fourth Ed. The Benjamin/Cummings Publishing Company. 2000Gerald Karp. Cell and Molecular Biology：concepts and experiments，2nd Editi
7、on. Published by John Wiley 生物膜(biomembrane) 细胞质膜的结构模型 膜脂生物膜的基本组成成分 膜蛋白 确定膜蛋白方向的实验程序 光脱色恢复技术 分子生物学技术在膜蛋白研究上的应用生物膜结构特征 细胞质膜的功能 膜骨架与细胞表面的特化结构第二节 细胞连接 细胞连接的功能分类 封闭连接 锚定连接通讯连接 细胞表面的粘连分子 一、胞质膜的结构模型研究简史结构模型生物膜结构 结构模型E.Gorter和FGrendel（1925）:“蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板质膜结构模型J.D.Robertson（1959年）：单位膜模型(unit membrane mode
8、l) S.J.Singer和G.Nicolson（1972 ）：生物膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model)K.Simons et al(1997): 脂筏模型（lipid rafts model）Functional rafts in Cell membranes. Nature 387:569-572生物膜结构磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白；蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面, 膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者；生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。“Central dogma ” of membrane bi
9、ology膜的流动性膜脂的流动性膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的,脂肪酸链越短,不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。温度对膜脂的运动有明显的影响。在细菌和动物细胞中常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的相变温度以维持膜脂的流动性。在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起重要的双向调节作用。 膜蛋白的流动荧光抗体免疫标记实验成斑现象(patching)或成帽现象(capping) 膜的流动性受多种因素影响；细胞骨架不但影响膜蛋白的运动，也影响其周围的膜脂的流动。膜蛋白与膜脂分子的相互作用也是影响膜流动性的重要因素膜的不对称性细胞质膜各部分的名称 膜脂与糖脂的不对称性糖脂仅存在于质膜的ES面，是
10、完成其生理功能的结构基础膜蛋白与糖蛋白的不对称性 膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性；糖蛋白糖残基均分布在质膜的ES面( GO+3HBH4 labeling)；膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上有序的各种生理功能的保证。二、膜脂生物膜的基本组成成分成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固 醇三种类型。 膜脂的种热运动方式 脂质体（ liposome）膜脂成分磷脂：膜脂的基本成分（50以上）分为二类: 甘油磷脂和鞘磷脂 主要特征：具有一个极性头和两个非极性的尾( 脂肪酸链)（心磷脂除外）；脂肪酸碳链碳原子为偶数,多数碳链由16,18或20个组成； 饱和脂肪酸(
11、如软脂酸)及不饱和脂肪酸(如油酸 )； 糖脂：糖脂普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（5以下）,神经细胞糖脂含量较高；胆固醇：胆固醇存在于真核细胞膜上（30% 以下），细菌质膜不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂类。运动方式沿膜平面的侧向运动（基本运动方式）,其扩散系数为10 -8cm2/s；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，发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10 10 。但在内质网膜上,新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高。脂质体（liposome）脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。脂质体的类型。脂质体的应
12、用脂质体的应用研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；脂质体中裹入DNA可用于基因转移；在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体三、膜蛋白基本类型内在膜蛋白与膜脂结合的方式外在膜蛋白与膜脂结合的方式去垢剂( detergent)外在( 外周)膜蛋白(extrinsic/peripheral membrane proteins )；水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜内表面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离。内在（整合）膜蛋白(intrinsic/ integral membrane proteins)。 水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。脂质锚定蛋白（li
13、pid-anchored proteins) 通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg 2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合脂肪酸分子,插入脂双层之间 ,进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。去垢剂是一端亲水、另一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。离子型去垢剂(SDS)和非离子型去垢剂（ Triton X-100）SDS: CH3-(CH2)11-
14、OSO3-Na+ CH3 CH3CH3 C CH2 C (O-CH2-CH2)10- OHCH3 CH3四、确定膜蛋白方向的实验程序 胰酶消化法 同位素标记法五、光脱色恢复技术(fluorescence recovery after photobleaching, FRAP) 研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。 程序： 根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。膜的流动性：生物膜的基本特征之一, 细胞进行生命活动的必要条件。膜的不对称性膜的分相现象。七、细胞质膜的功能 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境; 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
15、递; 提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递; 为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行; 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接; 质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。八、膜骨架与细胞表面的特化结构细胞质膜常常与膜下结构(主要是细胞骨架系统)相互联系,协同作用, 并形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。 膜骨架 膜骨架的概念指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构,它参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。红细胞的生物学特性膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度。 红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞质膜蛋白的SDS-PA
16、GE 红细胞膜骨架的结构一、细胞连接的功能分类封闭连接(occluding junctions)紧密连接(tight junction)锚定连接(anchoring junctions)通讯连接(communicating junctions)间隙连接(gap junction)；神经细胞间的化学突触(chemical synapse)；植物细胞中的胞间连丝(plasmodesmata)。锚定连接(anchoring junctions)与中间纤维相关的锚定连接：桥粒(desmosome)半桥粒(hemidesm osome);与肌动蛋白纤维相关的锚定连接：粘合带(adhesion belt)
17、；粘合斑(focal adhesion)二、封闭连接紧密连接是封闭连接的主要形式，存在于上皮细胞之间紧密连接的结构 紧密连接的功能形成渗漏屏障，起重要的封闭作用；隔离作用，使游离端与基底面质膜上的膜蛋白行使各自不同的膜功能；支持功能紧密连接嵴线中的两类蛋白：封闭蛋白（occludin），跨膜四次的膜蛋白（60KD）；claudin蛋白家族（现已发现 15种以上） 三、锚定连接锚定连接在组织内分布很广泛, 在上皮组织,心肌和子宫颈等组织中含量尤为丰富锚定连接的类型、结构与功能锚定连接的结构组成 锚定连接的类型、结构与功能与中间纤维相连的锚定连接桥粒: 铆接相邻细胞，提供细胞内中间纤维的锚定位点，
18、形成整体网络，起支持和抵抗外界压力与张力的作用。半桥粒: 半桥粒与桥粒形态类似,但功能和化学组成不同。它通过细胞质膜上的膜蛋白整合素将上皮细胞固着在基底膜上, 在半桥粒中，中间纤维不是穿过而是终止于半桥粒的致密斑内。与肌动蛋白纤维相连的锚定连接粘合带： ,1520nm,(belt desmosome): 细胞通过肌动蛋白纤维和整连蛋白与细胞外基质之间的连接方式。 锚定连接的结构组成 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坚挺、有序的细胞群体。锚定连接具有两种不同形式:与中间纤维相连的锚定连接主要包括桥粒和半桥粒；与肌动蛋白纤维相连的锚定连接主要包括粘合带与粘合斑。构成锚定连
19、接的蛋白可分成两类:细胞内附着蛋白(attachment proteins),将特定的细胞骨架成分(中间纤维或微丝) 同连接复合体结合在一起 (desmoplakin)跨膜连接的糖蛋白,其细胞内的部分与附着蛋白相连, 细胞外的部分与相邻细胞的跨膜连接糖蛋白相互作用或与胞外基质相互作用。(desmoglein, desmocollin)四、通讯连接 间隙连接：分布广泛，几乎所有的动物组织中都存在间隙连接。 神经细胞间的化学突触 存在于可兴奋细胞之间的细胞连接方式,它通过释放神经递质来传导神经冲动。胞间连丝：高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接,完成细胞间的通讯联络。胞间连丝结构 胞间连丝的功能间
20、隙连接 间隙连接结构 间隙连接的蛋白成分间隙连接的功能及其调节机制间隙连接的通透性是可以调节的 间隙连接结构 间隙连接处相邻细胞质膜间的间隙为2 3nm 。连接子( connexon) 是间隙连接的基本单位。每个连接子由6个 connexin分子组成。连接子中心形成一个直径约1.5 nm的孔道。连接单位由两个连接子对接构成。间隙连接的蛋白成分 已分离20余种构成连接子的蛋白, 属同一蛋白家族,其分子量26 60KD不等；连接子蛋白具有4个-螺旋的跨膜区，是该蛋白家族最保守的区域。连接子蛋白的一级结构都比较保守, 并有相似的抗原性。不同类型细胞表达不同的连接子蛋白，间隙连接的孔径与调控机制有所不
21、同。 间隙连接的功能及其调节机制 间隙连接在代谢偶联中的作用间隙连接允许小分子代谢物和信号分子通过, 是细胞间代谢偶联的基础代谢偶联现象在体外培养细胞中的证实 代谢偶联作用在协调细胞群体的生物学功能方面起重要作用.间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用电突触(electronic junction) 快速实现细胞间信号通讯 间隙连接调节和修饰相互独立的神经元群的行为间隙连接在早期胚胎发育和细胞分化过程中的作用胚胎发育中细胞间的偶联提供信号物质的通路, 从而为某一特定细胞提供它的“位置信息”，并根据其位置影响其分化。肿瘤细胞之间间隙的连接明显减少或消失，间隙联接类似“肿瘤抑制因子”。 间隙连接的通透性是可以调节的 降低胞质中的pH 值和提高自由 Ca2+的浓度都可以使其通透性降低间隙连接的通透性受两侧电压梯度的调控及细胞外化学信号的调控胞间连丝胞间连丝结构 相邻细胞质膜共同构成的直径20-40nm的管状结构胞间连丝的功能实现细胞间由信号介导的物质有择性的转运；实现细胞间的电传导；在发育过程中，胞间连丝结构的改变可以调节植物细胞间的物质运输。 五、细胞表面的粘连分子
