1、细胞生物学一、第一章绪论（一）细胞生物学研究的内容及现状主要说明细胞生物学是研究和揭示细胞基本生命活动规律的科学。因为细胞是生命体结构与功能的基本单位，一切疾病和发病机制也是以细胞病变为基础，所以细胞的研究即是生命科学的出发点，主要研究内容可归为生物膜与细胞器（生物膜是细胞重要的结构基础，细胞器是认识细胞结构与功能的重要组成部分）细胞信号传递了解基本生命活动的分子机制和揭示生命的本质有重要的理论意义，转导基础为蛋白质与蛋白质之间的复杂的相互作用，是通过复杂的信号转导网络系统而实现的，呈现高度的非线性关系。细胞骨架体系（包括细胞质骨架与核骨架），维持细胞形态，保持细胞内部结构。细胞核，染色体及基
2、因表达细胞核为遗传物质 DNA 储存和复制的场所和 RNA 转录与加工的场所；染色质为遗传物质的载体，核仁转录 rRNA 和组装核糖体亚单位。核孔复合体为核质之间物质交换与信息交流的门控通路，DNA 结合蛋白可分为组蛋白和非组蛋白。细胞增殖及调控是了解生物生长发育的基础，是研究癌变及逆转的重要途径。细胞分化及干细胞生物学实质在于信号介导下由组合调控引发的组织特异性基因的表达。细胞死亡为主动过程，主要有细胞凋亡，细胞坏死，自噬性细胞死亡三个方式，以维持生物体正常的生长发育，自稳态的维持，免疫耐受的形成及肿瘤监控等过程。细胞衰老-是研究人、动植物生命的基础细胞工程用人工方法使不同细胞基因或基因组重
3、组形成杂交细胞或将基因或基因组由一种细胞转移至另一种细胞中，使之跨越种间障碍，产生新的遗传性状，如动物体细胞杂交实验和哺乳生物体的克隆细胞的起源与进化。（二）细胞学与细胞生物学发展简史分为三个阶段（生物科学时期、实验生物学时期、现代生物学时期）胡克.英国第一次描述了植物细胞的构造；列文虎克观察了许多动植物的活细胞与原动物，并描述了细胞核结构；M.Malpighi 与 N.Grew 注意到了细胞壁与细胞质的区别；施旺和施莱登共同提出了细胞是一切动植物的基本单位为著名的“细胞学说”，使生物学科有了重大的促进和知道作用；普金耶和莫尔首次提出原生质理论；Estrasburger 在植物细胞中发现有丝分
4、裂，并证实其实质为核内丝状物（染色体）的形成向两个子细胞的平均分配；细胞器的发现：van Beneden 和 T.Boveri 发现中心体，Altmanna 发现线粒体 Golegi 发现高尔基体。（2）Hatwig 采用实验方法研究海胆和蛔虫卵发育中的核质关系，创立了实验细胞学。细胞遗传学核心为染色体基因学说，Hertnig 发现了动物的受精现象，Qverton 在植物体也发现受精现象并证明生殖细胞染色体数是体细胞的一半，Boveri 与Sutton 提出了遗传的染色体学说。（3)细胞生理学的研究细胞对周围环境的反应，生长与繁殖的机制等。（4)细胞化学成分DNA二、第二章 细胞的统一性和多样
5、性（一）细胞的基本特征（1）细胞是生命活动的基本单位（细胞=生命）细胞是构成有机体的基本单位（病毒是非细胞形态的生命体）细胞是代谢与功能的基本单位，单细胞生物依靠一个细胞完成运动、呼吸、排泄和生殖等一系列生理活动，多细胞生物则更多依靠之间的相互合作。细胞是有机体生长与发育的基础细胞是繁殖的基本单位，是遗传的桥梁细胞是生命起源的归宿，是生物进化的起点关于细胞概念的一些新思考：a.细胞是物质、能量与信息过程精巧结合的综合体 b.细胞是高度有序的，具有自组装能力的自组织体系。（2）细胞的基本共性具有相似的化学成分（C、H、O、N、P、S）脂蛋白体系的生物膜：细胞能量转换的基地，并形成相对稳定的细胞内
6、环境相同的遗传装置以 DNA 储存和传递遗传信息，以 RNA 为转录物指导蛋白质的合成，蛋白质的合成场所是核糖体。一分为二的分裂方式遗传物质在分裂前复制加倍，在分裂时均匀地分配到两个子细胞内。（二）原核细胞与古核细胞细胞结构都是由细胞质、细胞膜、细胞核组成，细胞质内有内质网、高尔基体、溶酶体和线粒体等细胞器；细胞核内有染色体。细菌、放线菌和支原体等微生物是肉眼看不到的，它们没有细胞核，也没有内质网等细胞器。由此，把细胞分为真核细胞和原核细胞两大类，所以生物界分为原核生物与真核生物。原核生物由单个原核细胞构成，而真核生物又可分为单细胞真核生物与多细胞真核生物。另一类群是古核细胞，它们的遗传信息表
7、达系统与其他的 原核细胞差异很大，而与真核细胞却更为接近，所以从原核细胞中分离出来，称为古核细胞，相应的生物称为古核生物。（1）原核细胞没有典型的核结构，如细菌。包括支原体、衣原体、立克次体、细菌、放线菌和蓝藻等。原核细胞的基因组很小，主要遗传物质仅为一个环状DNA，没有细胞器、细胞核膜，体积也很小。无法进行复杂的细胞分化，无法形成多细胞生命体。支原体-是能在无生命培基中生长繁殖的最小最简单的细胞，具备细胞的基本形态结构与功能，没有细胞壁，只有细胞膜，没有核区，主要以一分为二的方式进行分裂繁殖。总之，支原体体积小，仅为细菌的 1/10，可通过细胞滤器，可寄生在细胞内繁殖。最早发现的支原体是 P
8、PLO（拟胸膜肺炎病原体）。一个细胞生存与繁殖必须具备的结构装置与机能是细胞膜、DNA 与 RNA、核糖体以及酶。细菌和蓝藻-a.细菌是分布最广、个体数量最多、与人类关系极为密切的有机体，其细胞表面结构主要有细胞膜（最重要的结构）、细胞壁、中膜体、荚膜与鞭毛。细胞壁较厚、坚韧且有弹性，主要成分是肽聚糖，对细胞有保护作用。青霉素的抑菌作用主要是通过抑制壁酸的合成，从而抑制细胞壁的合成。阳性菌的壁酸含量极高，故对青霉素敏感，阴性菌则不敏感。细胞膜是由磷脂双分子层和镶嵌的蛋白质构成，为半透性膜。可进行选择性交换物质、代谢、有氧呼吸、分泌蛋白质等，还可参与对周围环境的应答反应。中膜体是由细胞膜内陷形成
9、的囊泡状，常见于分裂期细菌的隔或横壁旁，可能是 DNA 复制的支点。细菌细胞核区主要是一个环状 DNA 分子组成，没有核膜与核仁，称为拟核。细菌的基因组为作为有一个复制起点的独立单位而进行复制，遵循半保留复制。细菌细胞内除了核区 DNA，还存在可进行自主复制的质粒，是裸露的环状 DNA（核外 DNA)。每个细胞有 500050000 个核糖体，合成运输到胞外的蛋白质或质膜蛋白。与 mRNA 形成多核糖体，是翻译肽链的结构。G+细菌处于不利环境或营养耗尽时，形成内生孢子（芽孢)，其折光性很强，不易染色，可过滤恶劣环境。b.蓝藻是自养型原核生物，可进行光合作用，其光合作用系统中有叶绿素 a 和光系
10、统 II。其细胞结构主要有细胞膜、细胞壁（有纤维素层 )、类囊体、中心质。其细胞分裂是细胞中部向内生长出新横隔壁，将中心质与原生质分为两半，也可通过出芽、断裂和复分裂增殖。丝状蓝藻在氮源不足时，群体中5%10%的细胞转化为异性胞。个体大，细胞壁厚，并且丢弃了光系统，合成固氮酶。（2）古核细胞（古细菌）有细胞壁，染色为 G+或 G-，大小为 0.115，分裂方式为二分裂,出芽等，且能在高温或高盐环境中生存。古细菌的细胞壁没有胞壁酸和D-氨基酸，因此青霉素与万古素对古细菌没有作用。古细菌的质膜由脂质与蛋白质构成，其 DNA 也是环状。核糖体数为 70S。（三）真核细胞三大基本结构体系为生物膜系统（
11、脂质与蛋白质为基础），遗传信息传递与表达系统（DNA,RNA 和蛋白质组成的复合体）和细胞骨架系统（胞质骨架和核骨架，对细胞形态与内部结构的合理排布起支架作用）。细胞的尺寸大小由核糖体的活性，蛋白质与核糖体 RNA 的量所决定，原生动物细胞动植物细胞细菌细胞支原体细胞最小的病毒细胞=10 倍，植物细胞大小由中央液泡的膨胀决定。原核细胞以膜系统的分化为基础，首先分化为细胞核与细胞质，再分隔为各种细胞器。真核细胞的基因租大于原核细胞，DNA 为线状多倍性，原核细胞为环状多倍性;原核细胞基因表达调控主要以操纵子的形式进行，真核细胞的细胞周期分为细胞间期与分裂期，且在分裂出现纺锤丝，故称有丝分裂或间接
12、分裂，原核细胞则为无丝分裂或直接分裂。植物细胞有细胞壁（主要成分是纤维素，在细胞分裂过程中形成），液泡（调节细胞内环境）,叶绿体（进行光合作用）（四）病毒为非细胞形态的生命体，体积很小，结构极其简单，可通过细菌虑器;遗传载体具有多样性，含 DNA 与 RNA，为彻底的寄生性，没有独立的代谢与能量转化系统，以复制与装配的方式进行增殖。真病毒是核酸蛋白质复合体，亚病毒则仅有一个有感染性的环状 DNA 分子构成，只感染植物（如类病毒）。1982 年从羊瘙痒病的羊体中分离出的阮病毒不是入侵者，仅仅是机体自身某一种蛋白质的构想改变所致。病毒的基本结构是核酸和蛋白质组成，根据病毒感染的宿主范围，可分为动物
13、病毒,植物病毒与细菌病毒（噬菌体），含 DNA 与 RNA，为彻底的寄生性，没有独立的代谢与能量转化系统，以复制与装配的方式进行增殖。真病毒是核酸蛋白质复合体，亚病毒则仅有一个有感染性的环状 DNA 分子构成，只感染植物（如类病毒）。1982 年从羊瘙痒病的羊体中分离出的阮病毒不是入侵者，仅仅是机体自身某一种蛋白质的构想改变所致。病毒的基本结构是核酸和蛋白质组成，根据病毒感染的宿主范围，可分为动物病毒,植物病毒与细菌病毒（噬菌体），根据核酸类型不同可分为 DNA 病毒与 RNA 病毒（2003 年的 SARS 病毒属于正链 RNA 病毒），根据核壳体形态分为立体对称与螺旋对称两种类型。病毒可以
14、引起人类和动物的许多严重疾病，如 HPV 可引起妇女的宫颈癌。病毒是在宿主细胞内增殖，以病毒核酸为模板进行病毒核酸的复制与转录，并翻译病毒蛋白质，最后从细胞中释放出来。DNA 病毒侵染细胞后，利用宿主细胞代谢系统先后转录和翻译病毒的“早期蛋白”，“晚期蛋白”并进行 DNA 复制。RNA 病毒其本身就可以作为模板，利用宿主细胞代谢系统，翻译出病毒的早期蛋白。反转录病毒则以病毒 RNA 分子为模板，在反转录酶作用下合成DNA 分子。病毒的装配过程就是成熟过程，当核酸与蛋白质装配成核壳体后，就成为具有感染性的完整病毒粒子。而有囊膜的病毒，还需要以出芽的方式包上囊膜而发育为成熟的子代病毒。有囊膜的病毒
15、以出芽方式释放而一般病毒是逐步向细胞外释放。第三章 细胞生物学的研究方法（一）细胞形态结构的观察方法 这一节主要是介绍了观察细胞形态结构所使用的仪器和方法，主要有光镜，电镜,STM 及不同种类的显微镜的成像原理，仪器构造和使用方法。光镜的使用使人们第一次看见了细胞，进而建立了细胞学说，它可以直接用于观察单细胞生物或体外培养细胞。相差显微镜可看到活细胞显微结构的细节，微分干涉显微镜更试用于研究活细胞，能观察并记录活细胞中的颗粒及细胞器的运动，荧光显微镜可以对细胞内特异的蛋白质，核酸,糖类，脂质及某些离子等进行定性定位研究，激光扫描共焦显微镜以激光为光源，极大的提高了图像的分辨率。电镜可以观察到细
16、胞内部的精细结构，扫描隧道显微镜 STM 可以探测微观世界物质表面形貌。（2）细胞及其组分的分析方法当代细胞生物学研究常采用的实验方法是形态观察与细胞组分分析相结合，主要分为（1）用超离心技术分离细胞组分用低渗匀浆，超声破碎或研磨方法使细胞质膜破碎，形成细胞器和细胞组分组成的混合匀浆，再通过差速离心，将各种亚细胞组分和各种颗粒分开。密度剃度离心分为速度沉降（用于分离相近但大小不一的细胞组分）和等密度沉降（分离不同密度的细胞组分）。（2）细胞成分的细胞化学显示方法显色剂与一些特殊基因特异性结合，通过其在细胞中的定位及颜色的深浅可以判断某种物质在细胞中的分布及含量。如福尔根反应可特异显示呈紫红色的
17、 DNA 的分布；四氧化锇与不饱和脂肪酸反应呈黑色，氮汞试剂与蛋白质侧链上的酪氨酸残基反应，成红色沉淀。（3）特异蛋白抗原的定位与定性免疫荧光技术（将免疫学方法和荧光标记技术相结合研究特异蛋白抗原在细胞内的分布）和免疫电镜技术（在超微结构水平上研究特异蛋白抗原的定位）（4）细胞内特异核酸的定位与定性研究，通常用原位杂交技术。(5）定量细胞化学分析与细胞分选技术流式细胞术可定量测定细胞中 DNA,RNA 或特异标记的蛋白含量。（三）细胞培养与细胞工程（1）细胞培养是最基本的实验技术，主要有动物细胞培养（原代细胞和传代细胞）和植物细胞培养（单倍体细胞培养和原生质体培养）（2）细胞工程涉及的主要技术
18、有细胞培养，细胞分化的定向诱导,细胞融合和显微注射等细胞融合与单克隆抗体技术显微操作技术与动物的克隆细胞及生物大分子的动态变化荧光漂泊恢复技术（用亲脂性或亲水性的荧光分子与蛋白或脂质藕联，检测活体细胞分子运动速率）单分子技术（在细胞内实时观测单一生物分子运动规律）与细胞生命活动的研究酵母双杂交技术（在活细胞内研究蛋白质相互作用的实验技术）荧光共振能量转移技术检测活细胞内两种蛋白质分子是否直接相互作用。放射自显影技术模式生物与功能基因租的研究细胞生物学常用的模式生物:大肠杆菌（原核生物），酵母（单细胞真核生物），线虫,果蝇，斑马鱼，小鼠和拟南芥突变体制备技术（RNAi 和基因敲除即DNA 水平制
19、备突变体）蛋白质组学技术（包括蛋白质分离技术和蛋白质鉴定技术）双向凝胶电泳（高分辨率的蛋白质分离技术）色谱技术质谱蛋白质芯片（适用于蛋白质表达谱分析）生物信息学第四章 细胞质膜细胞质膜的结构模型与基本成分细胞质膜结构是蛋白质分子以不同方式镶嵌在脂双分子层或结合在表面。膜脂是生物膜的基本组成成分，包括甘油磷脂（内质网中合成），鞘脂（高尔基体中合成）和固醇。膜脂的运动方式有 4 种:侧向，自旋，尾部的摆动和翻转运动。膜蛋白分为外在膜蛋白,内在膜蛋白和脂锚定膜蛋白。内在膜蛋白均为跨膜蛋白，结构上可分为胞质外结构域，跨膜结构域和胞质内结构域。去垢剂是一端亲水一端疏水的两性小分子，分离与研究膜蛋白的常用
20、试剂。细胞质膜的基本特征与功能特征:膜的流动性（膜脂与膜蛋白的流动性）膜的不对称性细胞质膜相关的膜骨架基本功能:提供相对稳定的内环境选择性的物质运输提供细胞识别位点提供酶结合位点介导细胞之间，细胞与胞外基质间的连接等。第五章 物质的跨膜运输这一章节主要是讲细胞内物质的跨膜运输，主要有三种途径:被动运输、主动运输和胞吞与胞吐。（一）脂双层的不透性和膜转运蛋白-（1）细胞外最丰富的阳离子：Na+，细胞内最丰富的阳离子：Ka+。离子浓度差异取决于膜转运蛋白和脂双层的疏水性。膜转运蛋白分为载体蛋白（多次跨膜蛋白）和通道蛋白（离子通道） ，载体蛋白通过对自身构象的改变实现跨膜转运，通道蛋白通过形成亲水性
21、通道形成跨膜转运。（2）小分子物质的跨膜运输类型;简单扩散、被动运输、主动运输。 简单扩散不需要细胞提供能量，也无需膜转运蛋白；被动运输通过膜转运蛋白的协助，完成跨膜转运，如葡萄糖转运蛋白，水孔蛋白（水分子的跨膜通道）；主动运输分为 ATP 驱动泵，协同转运蛋白，光驱动泵（细菌细胞）三种类型。（二）ATP 驱动泵与主动运输分为四类P 型泵主要负责 Na,K,H+,Ca2+跨膜剃度的形成和维持。V 型质子泵和 F 型质子泵ABC 超家族（ABC 转运蛋白）能将天然毒物和代谢废物排出体外。离子跨膜转运与膜电位（三）胞吞与胞吐作用真核细胞通过胞吞与胞吐作用完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输（蛋白质,多
22、糖等）胞吞可分为吞噬和胞饮两类。吞噬作用是原生生物摄取食物的一种方式。胞饮作用发生于所有类型的真核细胞中，可分为网格蛋白依赖的胸吞作用，胞膜窖依赖的胞吞作用，大型胞饮作用以及非网格蛋白。胞吞作用参与细胞信号转导。胞吐是通过分泌泡或其他膜泡与质膜融合而将膜泡内的物质运出细胞的过程。第六章 线粒体与叶绿体这一章主要讲线粒体和叶绿体的基本形态、功能、来源及其半自主性。（一）线粒体与氧化磷酸化（1）线粒体是存在于真核细胞内的重要细胞器，呈颗粒或短线状，其在细胞内的分布与细胞内的能量需求密切相关，其数目与细胞的类型相关，并随着细胞的分化而变化。线粒体形态调控的基本方式是线粒体的融合与分裂，也是其数目调控
23、的基础。线粒体融合与分裂均依赖于特定的基因和蛋白质的调控（分子生物学基础） ，线粒体的融合与分裂是一个动的过程，需要特定的力学机制予以保障，需要所有蛋白质在细胞内组装而成的功能单位（细胞生物学基础）（2）线粒体的超微结构基本结构是由内外两层单位膜封闭包裹而成。外膜平展，是一层平滑单位膜结构，起膜界作用，内膜向内折叠延伸形成嵴，膜间隙是存在于外膜与内膜之间的空间，基质是内膜之内的空间，为富含可溶性蛋白质的胶装物质，有特定的 PH 和渗透性。 （3）氧化磷酸化线粒体的主要功能是合成细胞生命活动能源 ATP，通过氧化磷酸化作用进行能量转换，其内膜上的 ATP 合成酶、电子传递及内膜本身的理化特性为磷
24、酸化提供了必须的保障。ATP 合酶是最终生成 ATP 的装置，质子驱动力驱动 ATP 的生成，电子从一个载体传向下一个载体，沿呼吸链传递并释放能量（电子传递链） ，分布于线粒体内膜含有电子传递催化中心的膜蛋白复合物称为电子传递复合物。 （4）由线粒体功能障碍引起的疾病称为线粒体病，如脑坏死、心肌病、肿瘤等。线粒体病可能来源于线粒体 DNA 的突变或核 DNA 的突变。（二）叶绿体与光合作用（1）叶绿体存在于植物细胞中，其中含有叶绿素，体积较大，分布在细胞质膜与液泡间薄层的细胞质中，呈平层排列。其在细胞膜下的分布依光照情况而发生变化 （2）叶绿体的分化与去分化-叶绿体分化于幼叶的形成和生长阶段，
25、叶绿体的分化是可逆的，在形态上表现为体积增大、内膜系统的形成和叶绿素的积累，生化和分子生物学上表现为叶绿体功能所必需的酶、蛋白质、大分子的合成、运输及定位。 （3）叶绿体的分裂：质体和叶绿体是通过分裂而实现增殖的，分裂主要集中在生长的幼叶中，分裂环的缢缩是叶绿体分裂的细胞动力学基础。 （4）叶绿体的超微结构:叶绿体的超微结构可分为 3 个部分叶绿体被膜、类囊体及叶绿体基质，为光合作用提供了必须的结构支持。 （5）光合作用：叶绿体的主要功能是进行光合作用，光合作用是自然界将光能转换为化学能的主要途径，其本质可视为呼吸作用的逆过程。分为光反应（ 在类囊体膜上进行，包括原初反应、电子传递及光合磷酸化
26、）和固碳反应（在叶绿体基质中进行，是光反应的产物）（三）线粒体和叶绿体的半自主性及其起源（1）线粒体和叶绿体 DNA：线粒体DNA 呈双链环状，分子结构与细菌的 DNA 相似，叶绿体 DNA 亦呈环状，分子大小依物种的不同呈现较大差异。它们均已半保留方式复制，复制所需要的 DNA 聚合酶、解旋酶等均由核基因组编码。线粒体和叶绿体的 DNA 具有与核 DNA 一样的编码功能，它们的基因组编码的蛋白质在线粒体和叶绿体的生命活动中是重要和不可缺少的。线粒体的生命活动受到细胞核及它们自身基因组的双重调控（2）起源:线粒体和叶绿体为内共生起源，分别是行有氧呼吸的细菌和行光能自养的蓝细菌。因为它们的基因组与细菌基因组具有明显的相似性，均为单条环状双链 DNA 分子；都具备独立完整的蛋白质合成系统，类似于细菌而有别于真核生物，分裂方式都为缢裂的方式分裂增殖，类似于细菌。第七章 细胞质基质与内膜系统
