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生物医学美容教材分子细胞生物学基础

生物医学美容教材

分子细胞生物学基础

陈执中编

朗斯国际生物医学美容健康研究学院

二○○一年十二月

第一章分子细胞生物学的发展

一、细胞与细胞学说

二、细胞学

三、生物化学的研究

四、生物化学与细胞生物学

五、分子细胞生物学

第二章细胞的基本结构与功能

一、细胞是机体的基本结构单位

二、细胞核

三、细胞质

四、细胞膜

五、质膜外结构

六、细胞骨架系统

七、细胞透性

八、细胞衰老

第三章细胞分子结构

一、蛋白质

二、酶

三、核酸

四、脂质与生物膜

五、碳水化合物

参考文献

第四章真核细胞的基因调控

一、基因

二、真核细胞基因调控的含义

三、真核细胞基因调控的信号

四、基因调控的机理

五、基因空变

六、DNA的修复机制

分子细胞生物学基础

20世纪90年代以来，生物医学及基相关学科的迅速发展使生命科学的研究领域不断扩大且日益广阔。

“美容”也已从采用美容霜、护肤霜、防晒霜、深层洁面露等系列化妆品的洁肤、护肤提高到细胞水平和分子生物学水平。

所以学习分子细胞生物学的基本知识对从事业生物医学美容的高级美容师、美容师以及从事生物医学美容行业的工作人员来说，不仅具有非常重要的意义而且也是学习生物医学美容的基础。

具有非常重要的意义而且也是学习生物医学美容的基础。

第一章分子细胞生物学的发展

分子细胞生物学（molecularcellbiology）是一门知识面广、内容浩繁且更新和发展迅速的学科。

自第一次发现细胞迄今已有300多年的历史，经历了细胞水平、亚细胞水平和分子水平等具有时代特征的研究层次，人们从细胞这个小小单位里揭示出众多的生命现象，积累了极其丰富的知识资料。

为掌握分子细胞生物学的基本知识和主干内容必须了解分子细胞生物学的发展和现状。

一、细胞与细胞学说

17世纪中叶1665年英国的RobertHook用自己设计的显微镜观察了软木组织，发表了显微图谱（Micrographic）的专著，并称其发现的组成单位为“细胞”（Cell）。

后来又有人发现了细胞核、细胞质等。

到19世纪30年代，德国植物学家MatlhiasJakobSchleiden和动物学家TheadorSchwann将对细胞的观察研究进行了理论的概括，指明了动物、植物都是由细胞组成的，细胞是有机体，按照一定规律排列在动植物体内。

并且在前人工作的基础上根据他们自己的认识提出了细胞组成生物体理论称为细胞学说（Celltheory）。

其主要内容包括：

（1）细胞是生物体的基本结构和功能单位；

（2）细胞是生物体最基本的代谢功能单位；（3）细胞只能通过细胞分裂而来。

最后一点是由维也纳的病理学家（rudolphVirchow于1855年补充完善的。

细胞学说的创立，对当时生物学发展起了巨大促进和指导作用，明确了整个生物学界在结构上的统一性，推动了人类对整个然界的认识；有力促进了自然科学和哲学的进步，促进了现代生物学的发展。

二、细胞学

19世纪下半叶（1892—1896）形成了研究细胞的结构、功能和生活史的科学—细胞学（Cytology）。

1892年德国胚胎学家Hertivig发表了“细胞和组织”（ThecellandtheTissue）的专著，被认为是细胞学作为一门独立学科的开始。

1896年德国另一位胚胎学家Wilson发表了“发育与遗传中的细胞”（ThecellinDevelopmentandsteredity）被认为是第一部较系统的细胞学该书于1925年再版，书中描绘了一幅能反映光镜时代对细胞结构的认识模式图，被认为是细胞学史上第二个具有代表意义的模型。

三、生物化学的研究

随着细胞学说和细胞学的发展，生物学出现了两个独立发展的分枝，一个是细胞成分的分离和化学标定即生物化学，另一个是以整体动物和植物为特征的遗体研究即遗传学（Genetics）的出现。

出物化学（Biochemistry）这门科学在一开始出现的时候就有着双重的目标，一方面是对细胞组成成分的化学分析，另一方面是对这些成分进行化学反应和分析。

四、分子生物学与细胞生物学

1953年JamesD.weteson和FrancisH.C.Crick根据脱氧核糖酸（DNA）纤维X射线晶体衍射图及其他试验资料，创造了DNA分子的双螺旋结构。

从1961年以来，两位法国科学家FrancoisJacob和JacquesMonod发表了他们对调控基因研究的成就，出现了三个重要意义的进展：

（1）证实了信使核糖核酸（mRNA）携带着DNA到蛋白质合成机制所需要的信息；

（2）发现遗传密码，信息贮存于核酸之中；（3）发现了蛋白质是靠传递核糖核酸（RNA）和核糖体的帮助翻译的。

20世纪60年代，对哺乳动物细胞在体外成功培养和动物病毒定量技术的发展促进了分子生物学的发展。

随着电子显微镜（CellBiology），即运用近代物理学和化学技术成就，以及分子生物学的方法概念，从细胞上研究细胞的结构、功能和各种生命活动规律的科学。

最先提出这一概念的是DeRobertis教授。

他于1965年将所著的《普通细胞学》更名为《细胞生物学》。

五、分子细胞生物学

随着生物化学、遗传学和细腻包生物学的进一步发展，形成了将生物化学、遗传学和细胞生物学有机联系起来，完整而系统地从分子水平深入了解细胞的结构和功能的学科—分子细胞生物学（Molecwlarcellbiology）。

新的生物技术，如蛋白质和核酸的顺序分析和合成，基因重组、细胞融合与单克隆抗体技术及细胞因子等的基因工程药物的不断涌现，崭新的分子细胞生物学时代将为人们认识自然，改造自然展现出更加光辉的前景。

参考文献

1、关国昌等。

细胞生学进展、高等教育出版社，1989

2、韩贻仁。

分子细胞生物学、高等教育出版社，1988

3、SchwartyL.M.etal.,AdvancecellBiologyVanNostrandReinboldCD.,Newyork.1981

4、DarnellJ.etal.,MolecularcellBiologyScientificAmericanBooksInc.1986

第二章细胞的基本结构和功能

一、细胞是机体的基本结构单位

1、细胞的起源

举世公认，在几百万年前，生命起源于微小的单细胞生物，有些早期的有机体通过光合作用从阳光中获得能量，随着地球环境的变化，这些原始的细胞随之变化。

但是，当多细胞生物出现的时候，它的细胞成分仍保持着游离的单个活细胞的基本结构，每个细胞是独立的，并具有一种潜在能力，作为一种自主的自给自足的单位，为了生存，细胞变得越来越相依赖。

所有这些有机体，从简单的海藻复杂的哺乳动物海和植物，都是由单个细胞形成组织再构成的。

每一类型的细胞具有独特的功能。

2、细胞的组织

细胞（Cell）由膜图成的，能进行单独繁殖的最小厚生质团，是生物体最基本的形态结构和生理功能单位。

可概括如下：

纤毛、鞭毛—后成质

质膜外结构负质、木质—异质

细胞壁

生活物质——原生质细胞膜

细胞细胞质细胞器

（Cell）细胞质基质

细胞核

非生活物质——代谢产物（副质）

从进化观点将生物界中的细胞分为原核细胞和真核细胞两大类。

真核细胞又分为动物细胞和植物细胞。

3、细胞的大小

细胞的大小以微米（micrometer,μm）作度量单位。

一般讲来，真核细胞大于原核细胞。

多细胞动物的细胞的平均大小为20—30μm。

细胞大小的下限决定于得容纳于细胞独立生自学成才所需最重本的成分，基上限受多方面因素制约，如细胞的核质化，细胞膜的相对表面积以及细胞内物质的交流等。

4、扩散与细胞及单细胞生物的大小

扩散是一个熵增大的过程，在这个过程中，分子分布到任何一个它可占据的空间。

因为每个细胞只有通过扩散来协调它自身的代谢活性，所以分子在整个细胞内扩散的速率把细胞的大小限制在30—50μm之间。

更特别的是，在绝大多数细胞，无论其形态怎样，其代谢活跃的部分离细胞表面不超过25μm。

细胞外循环系统使细胞获得营养物质，排除代谢废物简单扩散的速度很慢，因此，所有的多细胞动物和植物都由循环系统来快速转运简单的化学物质，大分子和化学信号，清除代谢废物。

5、分子以扩散的方式通过细胞膜或由特殊的通透酶转运进入细胞

分子进入或离开细胞的速率是决定细胞大小的一个决定因素，所有细胞的表面都是由磷脂双层分子组成的单层细胞膜，这层膜限定了细胞的界限，磷脂双层膜可通透一些重要的气体，如氧气、二氧化碳和水分并使这些物质通过细胞膜自由扩散。

但是，绝大多数物质，如糖、氨基酸、蛋白质及无机离子，如K

、Na

、Cl

不能透过磷脂膜。

籽使这些分子能够进入细胞，细胞膜必须利用许多称之为通透酶（Permeases）或运载体（Transporter）的膜蛋白。

这些蛋白镶嵌在磷脂双层中，形成通道，使特定的分子能够出入细胞。

二、细胞核

细胞核（Nucleus）一般是呈圆球形或卵圆形，通常是一个细胞内有一个核，也有两个或多个的，在某些特定化的细胞中无核。

在固定和染色的细胞中，可观察到间期细胞核由核被膜、染体质、核仁和核液四大部分构成。

真核细胞的核有两层磷脂双层膜包裹着，内层紧贴着细胞核，外层与广泛存在的称为粗面由质网的细胞质腔系统相延续，两层之间的间隙与粗面内质网的腔相延续。

核孔呈环状，可能是由特殊蛋白质组成的。

核孔可能是作为一个胞核与胞浆的通道，允许有调节作用的物质通过。

细胞核是细胞的遗传性和细胞代谢、生长、繁殖的控制中心，是遗传物质贮存，复制和表达的主要场所，对细胞的结构和活动具有调节控制作用。

细胞核的主要生理功能是指导RNA的合成，在生长或分化的细胞，细胞核是代谢极其旺盛的部位。

三、细胞质

细胞质（Cytoplasm）是细胞中除了核以外，质膜（包括质膜）以内的原生质，其结构大体分为细胞器和细胞质基质两大部分。

紧贴细胞膜，处于细胞边周的细胞质为细胞外质简称外质（ectoplasm），相对于外质的，处于细胞中央部分的细胞质为细胞内质，简称内质（endoplasm）。

细胞外质粘度较高（呈凝胶态），含有大量的微管和微丝，丝保持细胞的形状有重要作用；细胞内质呈流动态县态度较低，内含多种细胞器和各种内含物质及各种折光不同的颗粒。

真核细胞质中由大小不同的囊状、泡状和管状组成的并有一层单位膜围绕相互连通的结构构成了细胞质中的一个连续网状膜系统，内容物与细胞质中其它部分隔开，与核相连。

1945年Porter在电镜下观察体外培养的鸡胚胎成纤维细胞时发现了这样一个结构多存于细胞的内质部分，并定名为内质网（endoplasmicreticulum，简称ER）。

内质网系使不同的功能。

具有机构支持作用，并与蛋白质、脂类的合成、物质运输、糖原的分解和解毒作用有关。

根据内质网膜细胞质面是否附有核糖体，可分为糙面内质网和滑面内质网两类：

（1）糙面内质网（roughendoplasmicreticulum，简称RER），又称颗粒内质网（granularendoplasmicreticulum，简称GER）。

在内质网膜外表面附有核糖核蛋的颗粒。

RER的功能在于：

蛋白质合成、细胞内的一些蛋白质主要在这里合成；此外，组成内质网膜的一些蛋白质如细胞色素b5、细胞色素P450等都主要在内质网的核糖核蛋白体上进行合成；

提供物质运输通道。

（2）滑面内质网（Smoothendoplasmicreticulum，简称SER）又称光面内质网或无颗粒内质网（agranularendoplasmicreticulum，简称AER）。

内质网膜外表面光滑不含有核糖核蛋白颗粒。

1、细胞器

细胞器（CellOrganelle）是存在细胞中，用光镜、电镜或其他工具能够分辩出的，具有一定形态特点，并执行特定机能的结构。

在已知的细胞器中，有的具有双层膜，有的具有双层膜，有的具有单层膜；有颗粒状的，还有纤维状的。

细胞器的大小差别也比较大，从0.1μm到+μm不等。

在真核细胞的膜层细胞器中普通存在一种呈显色的网状结构，由意大利医生、神经学家高尔基（Golgi）于1898年发现，命名为内网器（internalreticularapparatus），后改称为高称基体（Golgibody）。

进入50年代，通过冰冻蚀剂及电子显微镜技术弄清了这种细胞器的微细结构是由几部分组成的，因此现在多称为高乐基复合体（GolgiComplex）。

而高尔基体则用来指只有扁平膜囊组成的主体结构。

一个典型的高尔基复合体是由扁平囊泡—高尔基囊、高尔基小泡和高尔基液泡三部分组成的。

高尔基囊（GolgiSac）：

为扁平囊状又称潴泡，由两层光面膜围成，膜厚约6—8μm，成弓形，两端常呈膨大状，膜间隙为15μm，其内充满液体。

高尔基小泡（GolgiVesicle）：

位于主体结构成形面周围的泡状结构，又称小泡或移行小泡。

一般认为小泡是由附近的由质网以“出芽”方式形成的，相互间融合成新高尔其囊，同时把内质网中的半成品物质带到高尔基体。

高尔基液泡（GolgiVacuole）：

位于主体结构分泌面周围的泡状结构，又称大泡或浓缩泡（CondensingVacuole）。

高尔基复合体的功能是多方面的，不仅参与分泌的贮存、浓缩、加工、转运及排出细胞的过程，而且还是糖蛋白形成的场所。

目前，倾向性的观点认为高尔基复合体是由内质网转变而来的。

溶酶体（Lissome）是细胞质内由单位膜围成的，内含高浓度的各种酸性水解酸，且有酶反应的一种细胞器。

溶酶体广泛存在于动、植物细胞。

在细腻包内是一多形态性细胞器。

溶酶体的功能在于：

（1）正常消化和防御作用；

（2）自体吞噬作用，以度暂时“危机”；（3）细胞的自溶作用，以保证个体的正常发育。

一般认为溶酸体来自高尔基复合体。

2、细胞质基质

细胞质中除去所有细胞器和各种颗粒以外的部分，呈复杂的胶体系统。

此概念在不同时期有不同的叫法，如称为透明质（hyaloplasm）、细胞液（Cellsap）和细胞溶质（Cytosol）等。

目前多称为细胞质基质（Cytoplasmicmatrix）简称细胞基质（groundplasm）。

在细胞基质中进行着许多生化反应，脂肪合成，糖酵解和磷酸或糖途径，被认为是胞基质中三个主要的代谢途径。

此外，胞基质为各种细胞器提供稳定的离子环境，并以细胞器行使功能提供充足的底物。

四、细胞膜

细胞膜（Cellmembrane）又称质膜（PlasmamembraneorPlasmolemma）是指所有细胞共有的包被细胞质的一层膜。

是生物膜的一部分，属单位膜结构。

细胞膜使细胞内部与外界环境分子分开，起着调节和维持细胞内环境相对稳定作用。

同时物质运输、能量转换、信息传递、细胞识别、细胞速接、代谢调控、膜电位维持等诸方面起着重要作用。

五、质膜外结构

质膜外结构又称细胞外被（Cellenvelope），是细胞膜外所有表面成分的总和。

由细胞产生的，堆积于细胞膜外表面的一层物质，多为糖蛋白、糖脂及多糖类。

这一概念是指动物外表面林立的糖链称为糖萼（glycocalyx）在功能上至少具有：

（1）保护及调节作用；

（2）分子识别作用；（3）代谢调节作用；（4）血型决定作用；（5）参与免疫反应等等。

质膜外结构包括：

纤毛、鞭毛、角质、木质及细腻包壁。

1、纤毛：

真核细胞的纤毛（Cilia）是细胞表面的特化结构，具运动的功能。

纤毛的整体结构包括三个部分：

（1）纤毛本体，又称鞭杆（shaft）是向外伸出的柱状突起，外表为质膜，其内部是由微管组成的芯，称为转丝（axoneme），结构相当精密，9组二联体微管位于边周，两条微管位于中央，形成一个“9×2+2”型结构。

（2）基体，是纤毛基部质膜下方园筒状结构，结构与中心粒相同。

（3）纤毛小根，是有固定纤毛和收缩双重作用。

纤毛的化学组成，主要是蛋白质，目前分析出三种，一是微管蛋组；二是动力蛋白（dynein），为A亚丝上的短臂成分；三是连接蛋白（nexin），位于二联丝间连桥之中。

纤毛运动的机制，目前有微管滑动假说得到大家共认。

2、鞭毛

在某些原核细胞和真核细胞表面伸出的能运动的细长鞭状突起，称为鞭毛（flagella）。

真核细胞的鞭毛，其化学成分也同纤毛一样，所不同的是，就一个细胞而论，鞭毛少（1至数根）而长（可达50μm），纤毛多（成有上千根）而短（只有5—10μm）。

3、细胞壁

经胞壁（CellWall）是指存在于原核细胞，真菌、藻类和植物细胞质膜外的一层由细胞分泌物组成的，主要起保护作用的原壁。

六、细胞骨架系统

细胞骨架系统（CellularSkeletonSystem）是真核细胞质内普遍存在的蛋白质纤维构成的网架系统。

电子显微镜的研究表明，所有真核细胞都包含三种主要类型的细胞骨架纤维：

直径为7nm肌动蛋白微丝（Microfilaments），直径为24nm的微管（Microtubules）和直径为11nm的居间纤维（intermediatedfilaments）。

肌动蛋白纤维和微管纤维都是由叫做G肌动蛋白的微管蛋白亚单位聚合形成的。

大多数真核细胞都含有一种或多种居间纤维，它们分别由某些特殊的蛋白组成。

细胞骨架在细胞形态、细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递以及细胞分化、细胞转化等一系列重要方面都有突出作用。

七、细胞透性

细胞透性（Cellpermeability）是细胞通过质膜和周围环境进行物质交换的性质。

细胞透性是质膜的最主要生理功能之一。

质膜对物质的透性最显著的特点是具有选择性。

不同的细胞在不同的条件下，对不同的物质，具有不同的透性。

通透的物质包括水、电解质和非电解质。

其中有些是能源物质，例如糖；有些是合成生物大分子的前身，如氨基酸；有些是维持细胞内特殊条件必需的物质，如各种离子等。

八、细胞衰老

每一个细胞都要经历它的自身的新生，生长、分化、成熟、衰老和死亡。

细胞在各方面的退行性变化即为细胞衰老（CellSenescence）。

细胞衰老时，出现一系列变化，其基本特征归纳如下：

（1）膜的变化：

衰老或功能缺陷的细胞膜通常处于凝胶相或固相，运行性降。

被认为是细胞衰老的先兆。

此外，与膜有关的间隙连接显著减少；膜内颗粒由向原生质的一面（P）转至北离原生质的一面（E）；膜外表面突起增加；膜外负电荷减少。

（2）细胞内结构的变化：

首先是细胞体积增大；核膜内折；染色质固缩；核仁不规划，内质网及线粒体排列紊乱且数量减少。

高尔基体和溶酶体数量增多，褐质积累。

关于细胞衰老的机理问题，从古至今已提出了许多假说和理论，综合20世纪50—60年代以来出现的一系列衰老大体有下面几种：

（1）程序死亡说：

1961年Hayflick根据人胚胎细胞的传代培养实验提出的，认为DNA链上有一种“衰老基因”或“死亡基因”这便是“自我摧毁计划”的物质基础。

（2）衰老因子积累说：

1962年Megbegeeb和1973年Orgel先后提出的，又称“蛋白质会成差错成灵说”。

（3）衰老的自由基理论：

1956年美国内布拉斯卡大学（UniversityofNebraska）Harman教授提出了自基造成细胞损伤，导致衰老。

（4）基因调节假说：

1983年Smith根据细胞中可能产生的DNA合成抑制剂，提出了关于细胞衰老的可能机理。

他认为：

正常二倍体细胞具有产生阻断DNA合成的蛋质的遗传信息—基因。

在培养的二倍体细胞到达基增殖界限之前，这种基因不表达，即受阻遏。

阻遏抑制剂基因表达的物质为阻遏物，编码阻遏物基因的拷贝，随倍增次数增加，阻遏物基因的拷贝数越来越少，结果产生的阻遏物浓度降低，阻遏效率下降，取后当阻遏物浓度不足以阻遏抑制剂基因表达时，抑制蛋白形成，最终导致细胞分裂的停止和衰老的出现。

参考文献

1、SheelerP,BianchiD.E.CellandMolecularBiology,JohnWileyandSons,Inc.,NewYork,1989

2、Frankewwetal.,J.CellBiol,1981,91:

31—50

3、GevaceL.etal.,QuantBiol,1981,46:

967—978

4、FultonAB.Cell,1980,30:

345—347

5、FarguharM.etal.,JCellBiol,1982,92:

846—857

6、DarnellJetal.,MolecularCellBiologyScientificAmericanBooks,Inc.1986

7、鲁润龙等，细胞生物学，中国科学技术大学出版社，1992

第三章细胞的分子结构

所有的细胞都是由两种不同类型的化学物质构成的，即多聚体和小分子。

小分子通常由少于50个原子构成的，每种小分子都有其结构特征。

多聚体是由许多相同的小分子通过共价键连结起来的。

多聚体的亚单位叫做单体或残基（residues）。

细胞内的多聚体有：

核酸、蛋白质、多糖。

核酸是由4种不同的核苷酸单体连在一起构成的，其长度可达数百万单位。

这些亚单位可以任何一种顺序排列。

因此，长度的为n单位的可能不同的核酸数为4

。

一个为10单位长的核酸能有4

种结构；一个为100个单位的核酸可能有4

种结构。

蛋白质是由单个的氨基酸构成的。

蛋白质中有20种不同的氨基酸。

因此，一个有100单位的蛋白质可能有20

种结构。

多糖是由糖类的单体，或称单糖形成的。

至少有15种不同的单糖参与形成各种多糖。

糖类单体可以多种方式形成键。

因此，许多多糖是非线性的，带有分支的分子。

除了多聚体中的单体外，还有另一类小分子，例如脂类。

这是一类非常重要的小分子，因为它们形成细胞膜的基本结构。

在大量非线性的复合物中脂酸分子以非共价键形成相互作用，这样形成的膜与多聚体一种，对有机体是很重要的。

一、蛋白质

在机体内，蛋白质在细胞中约占干重的70%以上，几乎无处不在，无处不发挥各种蛋白质特有的功能。

蛋白质是细胞的功能分子，它们能催化许多化学反应；维持结构的刚性；控制膜的通透性；调节所需化谢物质的浓度；识别并结合其它生物分子；引起运动并调控的功能。

无论何种蛋白质，其基本组成成分是α氨基酸。

根据1969年国际纯化学与应用化学联合会（IUPAC）的规定，蛋白质一级结构是指蛋白质肽链中各种氨基酸的排列顺序。

COOH

H2N—CH—CH2—CH2—CH2—CH2……

αβγδε

组成蛋白质的20种氨基酸通常根据侧链的结构与性质的不同分为：

脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸、羟基氨基酸与含硫氨基酸、酸性氨基酸及酰胺、碱性氨基酸。

哺乳动物细胞内含有成千上万种蛋白质分子。

它们在多聚核糖体中合成后，细胞根据这些蛋白质分子中的分拣信号把它们准确地运输到有关的膜结构、细胞器或细胞外。

某些细胞外的蛋白质可通过受体介导的内吞进入细胞，运输到内体（endosome），并可再运输到溶酶体。

蛋白质分子中的分拣信号分两种：

一种称靶向序列（targetingsequence），是蛋白质分子中一小段特导的氨基酸序列，它包含有该蛋白质运输到那里去的信息。

另一种称为靶向斑块（targetingpatch），是蛋白质分子中由肽链折叠而使互不连续的肽段相互靠拢而构成的局部立