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一切生物,从单细胞生物到高等动、植物都是由细胞组成的;
细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位。
•1855年R.Virchow提出“一切细胞只能来自原来的细胞”,完善了细胞学说。
细胞学说创立的意义:
推动作用
19世纪自然科学的三大发现之一
二、光学显微镜下的细胞学研究
19世纪中叶到20世纪初期
技术:
固定和染色
发现:
无丝分裂中心体
有丝分裂线粒体
减数分裂高尔基体
三、实验细胞学阶段
20世纪初期到20世纪中叶
主要特点:
采用多种实验手段研究细胞的生化代谢和生理功能
主要工作:
•Morgan“基因学说”:
基因是遗传性状的基本单位
•组织培养技术
•检测细胞中核酸的方法
•从活细胞中分离出细胞核和各种细胞器
四、细胞生物学的诞生与发展
电子显微镜的发明和20世纪中叶分子生物学的发展,标志着亚显微结构与分子水平相结合的细胞生物学的开端
4.1电子显微镜的应用使细胞学研究深入到亚显微水平
•1933年:
德国E.Ruska等人发明了电子显微镜(透射电镜)
•1940-1980:
电镜的技术不断革新,明确了过去在光镜下看到的高尔基体和线粒体;
发现了过去在光镜下看不到的细胞器:
内质网、溶酶体、核糖体、细胞骨架结构
4.2分子生物学的研究进展促进了细胞生物学的形成与发展
•1952年RE.Franklin拍摄到清晰的DNA晶体的X-衍射照片。
1953年她认为DNA是一种对称结构,可能是螺旋。
•1953年,Watson和Crick提出DNA双螺旋模型。
与Wilkins分享1962年诺贝尔生理学与医学奖。
1953-1970:
分子生物学进入一个快速的发展时期:
•证明DNA复制为半保留复制
•发现“中心法则”(centraldogma:
DNA→RNA→蛋白质
•发表三联体密码假说、确定了DNA中编码氨基酸的“密码子”
•建立了DNA重组技术和DNA序列分析技术
以上理论和技术的建立,使细胞的形态结构和生理功能研究深入到分子水平,形成了从分子水平、亚细胞水平和细胞整体水平来探讨细胞生命活动的学科,即细胞生物学(Cytology发展为CellBiology开始于20世纪60年代)。
DNA双螺旋模型提出之后,伴随一系列分子生物学技术的建立,使细胞生物学与分子生物学紧密结合。
让人们能够在分子水平上探索细胞的各种生命活动。
从此细胞生物学的研究进入分子细胞生物学时代。
五、细胞生物学的发展趋势
单个细胞显微、亚显微、生物个体水平研究细胞功能的分子基础,分子水平的研究研究细胞间相互作用、分工协作的社会关系。
第三节细胞生物学与医学
1.细胞生物学是现代医学的基础和支柱学科
•医学要解决的问题:
是阐明人的生、老、病、死等生命现象的机制和规律,并对疾病进行诊断、治疗和预防
•细胞是体现人类生、老、病、死之单位:
人类生命从受精卵开始,经过胎儿、新生儿、幼年、成年、老年直至死亡等过程,这些
过程都是以细胞为单位进行的
•细胞的结构损伤和功能紊乱是的疾病的本质所在:
癌症:
是正常细胞癌变的结果
糖尿病:
是胰岛细胞受损或机体细胞失去对胰岛素的反应
阿尔茨海默病(老年痴呆症):
胆碱能神经元进行性死亡
帕金森病:
多巴胺能神经元受损
2.医学细胞生物学的概念
医学细胞生物学作为细胞生物学的一个重要分支,所要探讨的主要是与医学相关的细胞生物学问题,这些问题往往是疾病发生发展的基础。
以揭示人体各种细胞在生理和病理过程中的生命活动规律为目的,期望能对人体各种疾病的发病机制予以深入阐明,为疾病的诊断、治疗和预防提供理论依据和策略,这就是医学细胞生物学的主要研究内容。
细胞生物学是转化医学研究的基石:
转化医学强调将基础研究与解决患者实际问题相结合,实现从“实验室到床边”的转化。
【第二章---细胞的概念与分子基础】
一、原核细胞与真核细胞的区别?
二、细胞的化学组成是什么?
三、如何理解细胞组分及其表现形式的动态变化
第一节细胞的基本概念
自然界中的生物:
可区分为3个域
细菌域生物(prokaryoticcell):
原核细胞
古菌域生物(archaeon):
古核细胞
真核域生物(eukaryoticcell):
真核细胞
一、原核细胞
种类:
支原体---最小最简单的细胞;
细菌---原核细胞的典型代表。
原核细胞的特点:
•结构简单,仅由细胞膜包绕;
细胞质内含有DNA区域,但无被膜包围。
•胞质内没有细胞器,但有核糖体(70S,大亚基50、小亚基30)。
•在裸露的环状DNA分子中,基因的编码序列排列在一起,无内含子。
•蛋白质合成特点:
转录与翻译同时进行。
细菌结构示意图
二、真核细胞
•高等生物由真核细胞组成
•真核细胞的形态:
多样
•真核细胞的大小:
10-20µ
m,但卵细胞大。
真核细胞的基本结构:
细胞膜
光学显微镜下细胞质
细胞核(可看到核仁)
(光镜下的结构称显微结构)
胞质中可看到:
膜性细胞器:
内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物
电子显微镜下酶体、线粒体;
细胞骨架:
微管、微丝、中间纤维.
胞核中可看到:
染色体、核骨架.
(电镜下的结构称亚显微结构)
三、原核细胞与真核细胞的比较
第二节细胞的分子基础(细胞的化学组成)
细胞中的化学元素
基本元素:
C、H、O、N(占90%)、S、P、Cl、K、Na、Ca、Mg、Fe(此12种占99.9%)
微量元素:
Cu、Zn、Mn、Mo、Co、Cr、Si、F、Br、I、Li、Ba
一、组成细胞的生物小分子
1.无机化合物:
水和无机盐
(1)水:
含量最多(70%)
存在形式:
•游离水,细胞代谢反应的良好溶剂
•结合水,与蛋白质分子结合,是细胞结构的重要成分。
水的结构特点:
水分子由1个氧原子和2个氢原子组成,呈V字形,尾端带负电,两翼带正电,从而表现出极性。
A.水分子具有极性,因而是极性分子的良好溶剂。
但不能溶解非极性物质(脂类)。
B.水分子可同蛋白质中的正、负电荷结合。
(2)无机盐:
含量:
细胞干重的2%—5%
离子状态:
Cl-、HPO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+
功能:
维持细胞内外的渗透压和pH
维持神经、肌肉应激性
维持酶的活性
与蛋白质或脂类结合
2.有机小分子:
是组成生物大分子的亚单位
单糖多糖
脂肪酸脂类
氨基酸蛋白质
核苷酸核酸
(1)单糖
小分子—单糖:
(CH2O)n
五碳糖(戊糖):
核糖
六碳糖(己糖):
葡萄糖
(2)脂肪酸
小分子:
脂肪酸
无分支的具有偶数碳原子的脂肪族羧酸。
结构特点:
由两部分组成,一端是疏水性的长烃链,另一端是亲水性的羧基(-COOH)。
分类:
短链(2—4C)饱和(所有的碳原子均与氢原子结合)
中链(6—10C)
长链(12—26C)不饱和(碳原子间含有一个或多个双键)
(3)氨基酸——蛋白质的基本组成单位
(4)核苷酸
•磷酸P-
P-P-
P-P-P-
•戊糖核糖
脱氧核糖
•碱基嘌呤AG
嘧啶CTU
二、组成细胞的生物大分子
•DNA——携带遗传信息
•RNA——遗传信息表达与调控
•蛋白质——构成细胞的主要组分(占细胞干重的50%)、维持细胞的形状结构、细胞功能的主要执行者
•多糖——存在于细胞表面和细胞间质
•脂类——细胞膜结构的主要组分(占膜成分的50%)
(1)DNA:
由几十个~几百万个单核苷酸聚合而成,核苷酸为其组成单位。
(2)RNA:
由DNA转录而来、与DNA上的区别仅在于RNA中的U替代了DNA中的T,RNA种类繁多。
(3)蛋白质:
由几十个~几百个氨基酸组成的多聚体,氨基酸为蛋白质组成单位,氨基酸之间以肽键连接。
1蛋白质的一级结构:
蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。
2蛋白质的二级结构:
多肽链局部区域的氨基酸的规则排列。
α-螺旋(α-helix)、
β-折叠(β-sheet)
•
α-螺旋(α-helix):
特点:
右手螺旋
螺旋一圈有3.6个氨基酸残基
螺距为0.54nm
氨基酸侧链伸向螺旋外侧
螺旋的走向都为顺时针方向
•β-折叠(β-sheet):
多肽链充分伸展,两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段可平行排列,两条肽链走向可相同,也可相反。
并通过肽链间的肽键羰基氧和亚氨基氢形成氢键从而巩固β-折叠结构。
3蛋白质的三级结构:
三级结构是由不同侧链间相互作用形成的肽链折叠,相互作用的方式有氢键、离子键和疏水键等。
具有三级结构的蛋白质即表现出生物学活性。
4蛋白质的四级结构:
是在三级结构基础上形成的,在四级结构中每个独立的三级结构的肽链成为亚基,多肽链亚基之间通过氢键等非共价键的相互作用,即形成了更为复杂的空间结构。
5
多糖
(4)
大分子糖(动物细胞)
(5)
双糖
寡糖(植物细胞)
多糖糖原(动物细胞)
淀粉(植物细胞)
“单糖分子通过脱水作用以糖苷键结合形成多糖。
”
糖类的功能:
1.储存能量(糖原和淀粉)
2.构成细胞的结构物质(如糖蛋白和糖脂是细胞膜的构成成分)
3.在细胞识别、细胞粘附及信息传递中发挥重要作用(如免疫球蛋白IgG、粘附分子整合素等)
(6)脂类
大分子—脂类
甘油三酯(脂肪)
磷脂甘油磷脂(四种)
鞘磷脂
•甘油三酯:
3分子脂肪酸与1分子甘油以酯键相连构成。
•磷脂:
是细胞膜脂类的主要组分(见第四章)
【第四章--细胞膜与物质的穿膜运输】
1.掌握细胞膜的化学组成分子、生物学特性及细胞膜的分子结构模型。
2.掌握小分子物质穿膜运输方式及特点,大分子和颗粒物质运输的胞吞与胞吐作用,受体介导的胞吞作用。
3.熟悉细胞表面的特化结构,细胞膜异常时与某些疾病发生的关系。
细胞膜又称质膜(Plasmamembrane),是包围在细胞质表面的一层薄膜,是生命进化的关键一步。
作用:
✓与外界环境分隔,形成特有的内环境
✓物质转运
✓细胞外感受器:
信号传递、细胞识别
质膜
生物膜——单位膜(电镜下呈“两暗夹一明”)
内膜
脂类脂质双层
共价键
非共价键
结构组成蛋白质转运蛋白、连接体、受体、酶……
糖脂
糖类细胞外被
糖蛋白
转运小分子
大分子、大颗粒
第一节细胞膜的化学组成与生物学特性
一、质膜的化学组成
(一)膜脂(细胞膜上的脂类)
1.膜脂的组成成分:
(1)磷脂(phospholipid)---膜脂分子中含有磷酸基团
是膜脂的基本成分,含量最高50%以上
甘油磷脂---以甘油为骨架
磷脂酰胆碱(卵磷脂)
磷脂酰乙醇胺(脑磷脂)
磷脂酰丝氨酸(负电荷)
磷脂酰肌醇
鞘磷脂
(2)胆固醇Cholesterol——散布在磷脂分子之间
结构特点:
羟基/甾环/烃链
(3)糖脂glycolipid----分布在质膜的非胞质面
脂类+寡糖
在植物、细菌:
磷脂酰胆碱的衍生物
动物:
鞘氨醇衍生物,称鞘糖脂
2.膜脂的特征:
均为两性分子P72-73
亲水(hydrophilic)头部极性基团
疏水(hydrophobic)尾部C-H链
(二)膜蛋白
1.含量
髓鞘膜25%
线粒体内膜75%
一般膜50%
2.存在方式---根据膜蛋白与脂质双层结合的方式不同分类
(1)膜内在蛋白(穿膜蛋白),占70%-80%
单次穿膜(下图A)
多次穿膜(下图B)
多亚基穿膜(下图C)
(2)膜外在蛋白(周边蛋白)占20%-30%
位于膜两侧,结合弱
①蛋白质:
借α螺旋与脂单层互作(胞质一侧,下图D)
②蛋白质:
附着在穿膜蛋白上(两侧,下图G、H)
(3)脂锚定蛋白(脂连接蛋白)
脂质分子+蛋白质(共价键)
①脂肪酸链+蛋白质(胞质侧,下图E)
②与磷脂酰肌醇分子相连的寡糖链+蛋白质(质膜外,下图F),称为“糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白”。
(三)膜糖
1.组成及存在形式
①糖脂:
脂类+寡糖
②糖蛋白:
蛋白质+寡糖
多糖
糖基化位点N-连接(天冬酰胺)
O-连接(丝氨酸、苏氨酸)
糖种类:
葡萄糖\半乳糖\甘露糖\岩藻糖\唾液酸\N-乙酰半乳糖胺\N-乙酰葡萄糖胺
2.含量2-10%
3.存在部位非细胞质一侧
细胞外被(糖萼)
二、质膜的特性
1.不对称性
(1)膜脂的不对称性
RBC外层磷脂酰胆碱、鞘磷脂糖脂
内层磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺负电荷
(2)膜蛋白的不对称性
(3)膜糖的不对称性非细胞质一侧
2.二维流动性
(1)脂类的流动性
•运动方式
侧向扩散:
107times/sec
翻转运动:
<
once/month
旋转运动:
弯曲运动:
伸缩振荡运动:
•影响膜流动性的因素
1
脂双层的液晶态特性
液态晶态
*相变:
温度的变化导致膜状态的改变
*相变温度:
温度的下降可导致流动的液晶态转变为“冰冻的晶状凝胶”,当温度上升
到某一点时又可转变为液晶态,该临界温度谓之相变温度。
2脂肪酸链(C-H链)的饱和度:
含不饱和碳氢链的膜流动性大
3C-H链的长度:
含短碳氢链的膜流动性大
4胆固醇的含量:
双重调节作用
相变温度以上:
胆固醇含量高,膜稳定性好
相变温度以下:
干扰晶态形成
5卵磷脂与鞘磷脂的比例
卵磷脂比例高,膜流动性好
6膜蛋白的结合方式
(2)膜蛋白的流动性
1侧向扩散
实验证实:
细胞融合实验、光致漂白荧光恢复法(光脱色恢复技术)
2旋转运动
三、生物膜的分子结构模型
1.流动镶嵌模型——是目前普遍接受的模型
脂质双层内在、外在蛋白流动性/不对称性
晶格镶嵌模型、板块模型——是对该模型的有效补充
2.脂筏模型——是在流动镶嵌模型基础上的新进展
脂筏(lipidraft):
由特殊脂质和蛋白质组成的微区,富含胆固醇和鞘磷脂,聚集一些特定种类的膜蛋白。
该微区比膜的其他部分厚且较少流动。
利于:
蛋白质相互作用、蛋白质变构
参与信号转导、受体介导的胞吞
第二节小分子物质和离子的穿膜运输
物质跨膜运输可以分为被动运输和主动运输两大类
被动运输简单扩散
易化扩散
一、简单扩散(simplediffusion)
⑴特点
溶质分子通过质膜进行自由扩散,不需要膜转运蛋白协助。
转运是由高浓度向低浓度方向进行,所需要的能量来自高浓度本身所包含的势能,不需要细胞提供能量。
膜的选择通透性
•易于通过膜的物质脂溶性物质
不带电荷小分子物质
•不易通过膜的物质带电荷物质
大分子物质
⑵条件
溶质必须能透过膜;
溶质在膜两侧保持一定的浓度差。
二、易化扩散(facilitateddiffusion)
1.定义
在特异性的膜运输蛋白介导下,一些非脂溶性
(或亲水性)的物质顺电化学梯度的跨膜转运。
不消耗细胞的代谢能,属于被动运输。
膜运输蛋白(membranetransportprotein)是指细
胞膜上负责转运不能通过简单扩散穿膜的物质的
蛋白质。
如负责转运各种离子、葡萄糖、氨基酸、
核苷酸及各种代谢产物的载体蛋白和通道蛋白。
•载体蛋白(carrier):
与特定溶质分子结合,通过构象改变进行物质转运,既介导被动运输又介导主动运输。
2.特点
具有选择性、特异性
转运速率远高于直接穿膜的简单扩散,但低于通道
具有饱和性,存在最大转运速度
门控通道的类型
1配体门控通道
•离子通道型受体
•与胞外特定配体结合后构象改变,“闸门”打开,允许某种离子快速跨膜转运。
如乙酰胆碱受体是典型的配体门控通道。
2电压门控通道
•跨膜电位的改变诱发通道蛋白构象变化,使通道开放,离子顺浓度梯度自由扩散通过细胞膜。
•通道开放时间只有几毫秒,随即迅速自发关闭。
•电压门控通道主要存在于可兴奋细胞,如神经元、肌细胞及腺上皮细胞等。
3应力激活通道
•通道蛋白受应力作用,引起构象改变而开启“闸门”,离子通过亲水通道进入细胞,引起膜电位变化,产生电信号。
•如内耳毛细胞感受声波震动——听觉的产生
离子通道的特点介导被动运输;
对离子有高度选择性;
转运速率高;
不持续开放,受“闸门”控制。
水通道介导水的快速转运
1.定义:
细胞膜上由水孔蛋白(aquaporin,AQP)形成的专一性转运水分子的通道。
2.水通道蛋白的结构
水通道在质膜上是由四个对称排列的圆筒状亚基包绕而成的四聚体,每个亚基(即一个AQP1分子)的中心存在一个只允许水分子通过的中央孔,孔的直径约0.28nm,稍大于水分子直径。
3.水通道的特点
(1)持续开放的膜通道蛋白。
(2)转运速度快:
一个AQP1通道蛋白每秒钟可允许3×
109个水分子通过。
(3)水分子移动方向完全由膜两侧的渗透压差决定。
被动运输(passivetransport)小结
比较简单扩散和易化扩散
运输方式
主动or被动运输?
运输方向
是否需要膜运输蛋白?
是否消耗能量?
溶质
转运速度
简单扩散
易化扩散
三、主动运输
✧主动运输定义
载体蛋白介导的物质逆电化学梯度、由低浓度一侧向高浓度一侧进行的穿膜转运方式。
与某种释放能量的过程相偶联,能量来源包括ATP水解、光吸收、电子传递、顺浓度梯度的离子运动等。
✧主动运输的特点
(1)低浓度→高浓度运输。
(2)需要能量。
主动运输所需的能量来源主要有:
通过水解ATP获得能量或离子浓度梯度势能
(3)都由载体蛋白介导。
✧
主动运输的分类原发性主动运输
继发性主动运输
1、原发性主动运输(primaryactivetransport):
原发性主动转运是指细胞直接利用代谢产生的能量将物质(通常是带电离子)逆浓度梯度或电位梯度进行跨膜转运的过程。
介导这一过程的膜蛋白称为离子泵(ionpump)。
✧ATP驱动泵
特点:
•属穿膜蛋白,在膜的胞质侧有一个或多个ATP结合位点,能够水解ATP使自身磷酸化,利用ATP水解所释放的能量将被转运分子或离子从低浓度向高浓度转运,所以常称之为“泵”。
•具有专一性,如钠钾泵、氢泵、钙泵等。
ATP驱动泵类型P-型离子泵:
驱动阳离子跨膜转运,如钠钾泵。
V-型质子泵:
需ATP供能,对H+的转运。
F-型质子泵:
合成ATP,在能量转换中起重要作用,如线粒体ATP酶。
ABC转运体:
参与糖、氨基酸及小分子物质的运输。
✧Na+-K+泵(Na+-K+-ATP酶)
结构组成:
由2个α亚基(大亚基)和2个β亚基(小亚基)组成。
α亚基是一个多次穿膜的膜整合蛋白,具有ATP酶活性,β亚基具有组织特异性,功能不清楚。
功能1°
水解一个ATP分子
2°
向细胞外输出3个Na+,转入2个K+
3°
维持渗透压平衡、保持细胞容积恒定、产生和维持膜电位、为某些物质的吸收提供驱动力。
4°
为蛋白质合成及代谢活动提供必要的离子浓度。
2、继发性主动运输(secondaryactivetransport)
间接利用ATP能量的主动转运过程。
即逆浓度梯度或逆电位梯度的转运时,能量非直接来自ATP的分解。
由Na+-K+泵(或H+泵)建立离子电化学梯度,载体蛋白间接消耗ATP所完成的主动运输方式。
物质穿膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子的电化学梯度的势能。
⑵协同运输类型
共运输(symport):
物质运输方向与离子转移方向相同,如:
小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。
对向运输(antiport):
物质运输方向与离子转移的方向相反,如动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的方式来转运H+以调节细胞内的pH值。
第三节大分子和颗粒物质的穿膜运输
小泡运输(vesiculartransport)
定义:
大分子和颗粒物质被运输时并不穿过细胞膜,物质进出是由膜包围,形成囊泡,通过一系列膜囊泡的形成和融合来完成转运过程。
发生位点:
质膜及胞内各种膜性细胞器之间的物质运输。
促进细胞内外物质交换、信息交流等。
胞吞(endocytosis)
指质膜内陷,包围细胞外物质形成胞吞泡,脱离质膜进入细胞内的转运过程,又称入胞或内吞。
类型:
根据胞吞物质的大小、状态及特异程度不同分为吞噬、胞
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