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医学细胞生物学
第1章 绪论
1.1.3细胞的类型和基本结构
原核细胞(ProkaryoticCells)
◆没有明显可见的细胞核,同时也没有核膜和核仁,只有拟核,进化地位较低。
◆原核细胞的基本特点:
、
■遗传信息量少;
■内部结构简单,特别是没有分化为以膜为基础的专门结构和功能的细胞器和细胞核膜。
?
支原体(mycoplasma)
◆是最简单的原核细胞,直径为0.1~0.3μm;
◆具有细胞膜,但没有细胞壁;
◆环状双螺旋DNA,能指导合成750多种蛋白质;
◆惟一的细胞器是核糖体,每个细胞中约有800~1500个;
◆具感染性,可在培养基上培养;
◆培养细胞很容易被支原体污染,污染源主要是血清。
真核细胞(EukaryoticCells)
◆有完整细胞核,有核膜、核仁。
◆真核细胞的基本特点:
■遗传系统复杂;
■有膜性细胞器,有细胞骨架。
酵母是最简单的真核细胞。
真核细胞与原核细胞
@体积大(10-100μm)@体积小(1-10μm)
@有完整细胞核;@无核结构;
@有膜性细胞器;@无膜性细胞;
@有细胞骨架;@无细胞骨架;
@遗传系统复杂;@遗传系统简单;
@核糖体80S;@核糖体70S;
@分裂方式多样。
@无丝分裂。
1.2细胞生物学
1.2.1细胞生物学的形成和发展
细胞学说时期
?
1838年,德国植物学家施来登(MathiasSchleiden)发表论文指出∶植物是由细胞构成的;
?
1839年,德国动物学家施旺(TheodorSchwan)首次提出细胞学这个名称,并提出了细胞学说的前两条原理∶
◆所有的生物都是由一个或多个细胞组成的;
◆细胞是生命的基本单位;
?
1858年,德国病理医生魏尔肖(RudolfVirchow)对细胞学说进行了重要补充并提出∶◆一切细胞产自细胞。
细胞学说(celltheory)
①地球上的生物都是由细胞构成的;
②所有活细胞在结构上相似;③生物体通过细胞的活动反映其功能;
④所有细胞都来自已有细胞的分裂,即细胞来自细胞。
?
经典细胞学时期(1875-1900)重要细胞器的发现
?
实验细胞学时期(1900-1953)
◆实验细胞学(experimentalcytology)
是指采用实验手段研究细胞学的问题,即从形态结构的观察深入到生理功能、生物化学及遗传发育机理的研究。
3细胞生物学时期
细胞生物学诞生的标志
1965Robertis《普通细胞学》→《细胞生物学》
1976Boston 第一届国际细胞生物学大会。
20世纪80年代以来,高技术手段大量应用,
→分子细胞生物学(molecularcellbiology)
∴细胞水平→超微结构水平→分子水平
细胞生物学定义
应用现代科技手段,从整体、超微结构和分子等3个水平上研究细胞的结构
和功能、探索细胞生命活动规律的科学。
1.2.2细胞生物学研究内容和范围
4个方面:
@细胞结构和化学组成;
@细胞及细胞器功能;
@细胞增殖与分化;
@细胞衰老与死亡。
1.2.3研究技术和方法
光学显微技术-----利用光镜观察细胞的技术(光学显微镜技术+显微制片技术)。
光学显微镜(LM)是利用光线照明使微小物体形成放大影象的仪器(机械系统+光学系统)
可提高人眼分辨力(率)-----在25cm明视距离处分辩被检物体细微结构最小间距能力。
光学显微镜(OlympusCX21)
常用光镜的类型
1.普通显微镜
————用于组织和细胞一般形态结构观察。
2.暗视野显微镜
————在聚光器上加遮光板,使直射光不进物镜,形成暗视野,散射光进入视野。
3.荧光显微镜
————紫外线光源。
标本中荧光物质受激发产生荧光。
微小结构、微量物质观察。
4.倒置显微镜
————光源和聚光镜在上,物镜在下。
显微制片技术:
玻片标本制备技术、染色技术
液态材料(血液、骨髓)————涂片、滴片。
固态材料(肝、脑、肾)————切片。
制片:
固定、脱水、包埋、切片、染色
染色:
苏木精、伊红、硝酸银、吉姆萨…
光学显微技术:
应用于细胞学、病理学、组织学、微生物学。
2电子显微技术=电镜技术+制片技术
电子显微镜------利用电子流使物体成像的仪器。
在电磁透镜作用下,电子流照射标本后形成不同密度的透射或反射电子流,多级放大后在荧屏成像。
特点:
1、放大倍数高:
可达100万倍以上。
2、分辨率高:
电镜0.2nm;光镜0.2μm;人眼0.2mm;
3、两种类型:
透射式电镜、扫描式电镜。
1、透射电镜transmissionelectronmicroscope,TEM
①样品超薄切片②观察内部结构
③分辨力高④放大倍数高
2、扫描电镜scanningelectronmicroscope,SEM
①样品不用切片;②观察表面或断面形态;
③景深大、立体感;④分辨力、放大倍数稍低。
TEM样品制备:
固定脱水包埋超薄切片特殊染色
样品要切成50~100nm的薄片,
一个细胞要被切成100~200个薄片。
电镜应用于细胞生物学和医学的许多领域是研究细胞和病毒的强有力工具。
3显微分光光度术和显微荧光光度术
显微分光光度术用显微分光光度计对细胞成分(DNA、RNA、蛋白?
-)定量检测的技术
显微荧光光度术用显微荧光光度计对细胞内能发荧光的物质进行定性、定位、定量测量的技术
显微分光光度术和显微荧光光度术均为静态测定物质含量的方法。
1980s出现流式细胞光度术。
这一技术通过流式细胞仪(FCM)(flowcytometer),可对流动的活细胞进行分类检测,并且可对细胞中DNA、RNA、蛋白质含量、细胞体积等多项指标同时测量,提供可靠参数。
流式细胞仪(FCM)
集合了流体力学、激光技术、电子工程学、计算机技术、显微荧光计量等技术于一体的高技术仪器,可以定性和定量分析细胞的物理化学特性,特别适合于测定细胞内各种成分的含量以及细胞的生活状态,还可对不同细胞进行分离。
FCM已经运用于细胞生物学、肿瘤学、免疫学、血液学、药物学等领域。
4细胞培养技术
什么是细胞培养:
使机体细胞在体外合适条件下继续生长、发育、增殖的技术。
原代培养(primaryculture)——直接从机体取出细胞或组织所进行的首次培养。
传代培养(subculture)——当原代培养细胞增殖到一定密度后,分装到几个容器中再培养。
接触抑制现象----培养的细胞,要经常传代,否则,会发生接触抑制→衰老。
人的正常细胞可传代50次退化而不能再传。
体外培养而成的细胞群体称为细胞株或细胞系。
细胞株与细胞系
细胞系(cellline):
通过原代培养并且经过传代后所形成的细胞群体,由于来源于原代培养物,故一个细胞系往往由多个性状不同的细胞群体组成。
细胞株(cellstrain):
利用单细胞分离培养法从原代培养物或细胞系中选择出来的细胞群,一个细胞株往往具有特殊的生物学性状或标记,并可持续存在。
1.3医学细胞生物学
1.3.1医学细胞生物学的研究对象与目的
1.对象:
人体细胞
2.目的:
为重大医学问题提供理论依据
1.3.2细胞生物学在医学教育中的地位和作用
基础医学(组织学、胚胎学、病理学、药理学、生化、微生物)和临床医学的共同基础。
细胞生物学已渗透到基础医学和临床医学的各学科,作为医学生,应掌握其基本理论和技能。
新五大支柱课程(基础医学教育):
细胞生物学、分子生物学、医学遗传学、经生物学、免疫学。
老五大支柱课程:
解剖、生理、生化、病理、药理
1.3.3细胞生物学的学习方法
1、相关知识预习和复习
2、着重理解,善于比较
3、立体思维与抽象思维
4、动态观与整体观
5、理论与实验并重
实验
1、光镜的使用及细胞形态结构的观察
2、细胞生理活动的观察
3、小鼠骨髓细胞染色体标本的制备
4、细胞的原代培养与小鼠骨髓细胞染色体标本的观察
本章小节
重点内容:
1、原核细胞与真核细胞的结构特点比较;
2、细胞生物学的研究对象与范围;
3、透射电镜与扫描电镜的特点与用途;
4、细胞培养的相关概念;
5、流式细胞仪的用途;
第2章
细胞的化学组成
2.1组成细胞的化学元素
?
宏量元素:
C、H、O、N.P、S、Ca、Mg、Na、K、Cl
?
微量元素:
Zn、Cu、Mn、Co、F、I
2.2组成细胞的化学分子
无机化合物:
水、无机盐
有机化合物:
◆有机小分子
氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸
◆生物大分子
蛋白质、酶、核酸、多糖
2.2.1水---细胞含量最多的成分
◆水在细胞中以两种形式存在:
游离水(95%)和结合水(5%)
◆水在细胞中的作用:
主要是溶剂作用
2.2.2无机盐---在细胞中以离子状态存在
含量多的离子:
◆阳离子?
a?
aNa+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe3+
◆阴离子?
a?
aCl-、SO42-、PO43-、HCO3-
虽然无机盐的含量不到细胞总量的1%,但它在维持细胞正常功能方面是不可缺少的。
?
无机离子在细胞内的作用,主要有以下四个方面:
◆构成生物体某些结构的重要成分。
如Ca、P、Mg是构成骨骼和牙齿的重要成分。
◆构成酶、激素或者维生素的重要成分。
◆维持细胞内外渗透压的平衡、pH平衡、离子平衡等;
◆参与细胞内的物质运输和信号转导。
2.2.3糖类碳水化合物
?
单糖----葡萄糖(6C)、核糖(5C)、脱氧核糖(5C)
?
低聚糖----含2~10个单糖分子的糖。
其中含两个单糖分子的糖又称为二糖或双糖,如蔗糖(G+果糖)、乳糖(G+半乳糖)、麦芽糖(G+G)
?
多糖----淀粉由G组成。
植物细胞特有。
糖原---人和动物体的多糖(肝糖原,肌糖原)人体糖原含5000个G。
2.2.4脂类
细胞膜主成分、能量贮存形式
◆脂肪甘油三酯(1甘油+3脂肪酸)
◆类脂:
磷脂脂肪中一个脂肪酸被磷酸取代。
糖脂a由糖基取代磷脂的磷酸胆碱。
类固醇脂肪衍生物,eg:
胆固醇。
■胆固醇:
①性激素和维生素D的原料
②细胞膜成分。
2.2.5蛋白质----最重要、含量最多的大分子
◆protein约占人体干重的50%。
◆种类繁多(人体约3万种)。
细胞生命活动的基础。
◆执行细胞一切生命活动、机体一切生理功能。
运输、收缩、调节、免疫、催化?
-
蛋白质的分子组成
?
蛋白质的元素组成
◆C、H、O、N(所有蛋白)
◆S、P、Fe、Mn、Zn、Cu、I(部分蛋白)
?
蛋白质组成特点:
含氮量接近,平均16%
1、蛋白质结构的基本单位
氨基酸(aminoacid,aa或AA)组成蛋白质的AA:
20种
◆蛋白质分子结构
?
a?
a分为4个层次:
一级结构?
a?
a基本结构
二级结构?
a?
a高级结构
三级结构?
a?
a更高级结构
四级结构?
a?
a最高级结构(并非都有)
肽键与肽链
肽键
——由一个AA的羧基与另一AA的氨基脱水形成的化学键。
肽链的形成
蛋白质一级结构
◆蛋白质的一级结构由AA种类、数目、
排列顺序等因素决定。
◆不同蛋白,一级结构不同---AA顺序不同。
◆一个蛋白分子可由多个肽链组成;
◆维持一级结构的力:
肽键(主键)、二硫键
◆一级结构是空间结构的基础;
◆AA种类、排列与功能相关。
举例:
胰岛素的一级结构
A链:
21个AAB链:
30个AA
蛋白质二级结构
◆指蛋白分子某一段肽链局部的空间结构。
◆在一级结构基础上,肽链在AA残基之间氢键作用下弯曲、折叠成的结构。
α螺旋(alphahelix)
β折叠
β折叠
二级结构的维持?
a?
a氢键
肽链中一个AA残基的亚氨基(-NH)上的H与另一AA残基羰基(-CO)上的O之间的静电吸引力(较弱)。
蛋白质三级结构
在二级结构基础上,多肽链进一步
盘曲折叠成的空间结构。
氢键------H和O之间的静电吸引力。
离子键------带正、负电的侧链基团间的静电吸引力。
疏水键------非极性基团(疏水)在避水时形成的力。
范德华力------侧链基团很近时形成的很弱作用力。
维持蛋白质三级结构的力
三级结构示意
蛋白质四级结构
指几个具有三级结构的肽链(亚基)
以特定方式聚合而成的空间结构。
注意:
四级结构中的每个蛋白质分子称为亚基,亚基单独存在时无活性。
维持力:
氢键、离子键、疏水键、范德华力
2.2.6酶
◆酶是由活细胞合成,对其特异底物
起高效催化作用的大分子物质。
◆酶是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂。
?
酶的特性:
◆催化效率高
◆专一性强
◆反应条件温和
◆稳定性差
2.2.7核酸(nucleicacid)
蛋白质核酸
组成单位氨基酸核苷酸
连接方式肽键磷酸二酯键
一级结构氨基酸排列顺序核苷酸排列顺序
空间结构二、三、四级结构双螺旋、超螺旋、核小体
主要功能所有生命活动贮存、传递信息
1、核酸的化学组成
基本单位——核苷酸
DNA——dAMP、dTMP、dGMP、dCMP
RNA——AMP、UMP、GMP、CMP
核酸→核苷酸→磷酸+核苷(戊糖+碱基)
戊糖(核糖、脱氧核糖)、碱基(嘌呤、嘧啶)
核苷酸形成:
①戊糖+碱基→核苷
②核苷+磷酸→核苷酸
碱基分为嘌呤碱和嘧啶碱两大类
嘌呤碱:
鸟嘌呤(G)和腺嘌呤(A)
嘧啶碱:
胞嘧啶(C)、尿嘧啶(U),胸腺嘧啶(T)
DNA:
A、T、G、C
RNA:
A、U、G、C
戊糖
核苷结构式
核苷与磷酸形成核苷酸
2.核酸的种类
(1)DNA
商品DNA(试剂)
DNA的一级结构
◆由多个核苷酸首尾相连聚合而成(多聚核苷酸)。
◆核苷酸3′5′磷酸二酯键
DNA的二级结构
DNA的二级结构?
a?
a双螺旋
?
Watson和Crick的伟大发现,发表在
1953的一期Nature杂志上。
◆提出DNA是双螺旋结构的依据
■Chargaff规则(A配T;G配C)
■碱基间可形成氢键(Jerry发现)
■X线衍射照片(Franklin直接依据)
显示DNA为螺旋形。
DNA双螺旋结构发现者
DNA双螺旋结构的特点
1、反向平行的双链结构。
亲水的脱氧核糖和磷酸骨架位于外侧;碱基朝向内侧。
2、双链的碱基间固定配对(A=T;G=C)
两条单链互补配对(互补链)。
3、右手螺旋(每一周10bp)
走上DNA螺旋梯,则脱氧核糖-磷酸骨架位于你的右侧。
DNA双螺旋结构
DNA的三级结构
?
在双螺旋基础上盘成更高级结构
(超螺旋、核小体)。
?
不同物种间DNA分子的大小和复杂程度差别极大,生物越高等,DNA越复杂。
◆超螺旋——原核细胞DNA的三级结构。
原核DNA:
共价闭合环状,以此为基础
拧成麻花状(超螺旋)
◆核小体?
a?
a真核细胞DNA的三级结构。
DNA→核小体→染色质→染色体。
RNA
动物细胞内RNA的种类与功能
---------------------------------------------------------------------------------------------------------
胞质和细胞核线粒体功能
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
核糖体RNArRNAmtrRNA核糖体成分
信使RNAmRNAmtmRNA蛋白合成模板
转运RNAtRNAmttRNA转运氨基酸
不均一核RNAhnRNA成熟mRNA前体
小核RNAsnRNA参与hnRNA剪接转运
小核仁RNAsnoRNArRNA的加工修饰
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
mRNA、rRNA、tRNA的比较
tRNA的结构与功能
?
分子小
◆存在局部双链。
◆二级结构:
三叶草形
◆三级结构:
倒L形。
◆有AA臂、反密码环。
tRNA分子的空间结构
DNA与RNA的比较
DNA与RNA的比较
本章重点内容
1、蛋白质的结构特点;
2、DNA双螺旋结构的特点;
3、mRNA、rRNA、tRNA的比较;
4、DNA与RNA的比较;
CB第4章
细胞膜的结构与功能
质膜与细胞内膜
细胞的生物膜体系
电镜下的细胞膜
细胞膜的结构模式图
与细胞膜相关的概念
细胞被(cellcoat)-----糖蛋白、糖脂的糖链向膜外伸展、交织而成的毯状构造。
也称糖被(glycocalyx)。
细胞表面(cellsurface)------由细胞被、细胞膜和胞质溶胶构成的复合结构。
广义上,还包括鞭毛、纤毛、微绒毛等表面特化结构&细胞连接。
细胞膜(cellmembrane)
细胞表面(cellsurface)
细胞表面的范畴
本章内容
4.1细胞膜的化学组成
4.2细胞膜的分子结构模型与特性
4.3细胞表面及其功能
4.4细胞表面的特化结构
4.1细胞膜的化学组成
膜脂---------构成膜的主体。
蛋白---------参与构成膜主体。
糖类---------3%~10%(糖脂、糖蛋白)
水--------膜的内外表面,80%自由水。
无机盐--------少量,为膜蛋白组分。
不同细胞的膜,三种主要物质比例相差大。
膜中各成分的比例
膜结构研究的好材料
TheErythrocyteMembrane
◆RedBloodCell是结构最简单的细胞:
■成熟的红细胞没有细胞器;
■质膜是红细胞惟一的膜结构;
■红细胞质膜易于提纯和分离;
◆人们对膜结构的认识,大多来自于对
红细胞膜结构的研究。
红细胞膜超微结构
4.1.1膜脂(磷脂、胆固醇、糖脂)
1、磷脂
磷脂酰胆碱(卵磷脂)磷脂酰乙醇胺(脑磷脂)鞘磷脂------神经鞘磷脂
磷脂酰肌醇
磷脂酰丝氨酸
卵磷脂的结构
l?
头部:
胆碱+磷酸+甘油
极性、亲水
l?
尾部:
脂肪酸
非极性、疏水
磷脂分子的性质
脂质体(Liposome)
除作为生物膜的研究模型,更重要的用途是作为临床上各种药物的载体;遗传性疾病基因疗法中靶基因的运载体,可将靶基因高效率地导入待治疗的细胞。
脂质体的形成
膜中磷脂分子的排列
2、胆固醇(结构、分布、功能)
胆固醇与磷脂的关系
3、糖脂的结构与功能
结构:
磷脂衍生物
糖基取代磷酸胆碱。
神经细胞富含。
eg:
半乳糖脑苷脂
——最简单、半乳糖头
神经节苷脂
——最复杂、糖链末端为唾液酸(NANA)
功能:
膜受体。
4.1.2膜蛋白种类、分布和功能
膜蛋白——约占细胞总蛋白25%
膜各种功能的执行者。
功能上,分为:
运输蛋白、催化蛋白、
连接蛋白、受体蛋白……
分布上,分为:
外周蛋白——膜内外表面,非共价结合
镶嵌蛋白——嵌在脂双分子层中or跨膜
(跨膜蛋白),共价结合。
膜蛋白的分布
膜蛋白的6种类型:
1-单次跨膜蛋白、2-多次跨膜蛋白、3-膜内表面的外在蛋白、4-膜外表面的外在蛋白、5-膜内表面非共价结合的外周蛋白、6-膜外表面非共价结合的外周蛋白
膜蛋白的功能分类
4.1.3膜糖与细胞被
细胞被(糖被)-------糖蛋白与糖脂分子上的糖基在膜外表面形成的覆盖性构造。
细胞被的功能:
保护作用、细胞识别、细胞通讯、物质转运
本章内容
4.1细胞膜的化学组成
4.2细胞膜的分子结构模型与特性
4.3细胞表面及其功能
4.4细胞表面的特化结构
4.2细胞膜结构模型及特性
4.2.1膜的分子结构模型
eg:
单位膜模型、流动镶嵌模型…
流动镶嵌模型
4.2.2细胞膜的特性
1、膜的不对称性(膜脂、膜蛋白不对称)
2、细胞膜的流动性
膜的动态结构,由膜分子的运动决定。
*磷脂双分子层具流动性。
生理温度下,处于液态与晶态间的过渡状态----液晶态(由磷脂的各种运动引起)。
温度下降,可转变成晶态(相变)。
膜脂的运动:
①旋转运动②钟摆运动
③测向扩散④翻转运动
膜的相变
膜脂的流动性示意
膜蛋白的运动
运动方式:
转动、侧向扩散
膜蛋白——漂浮在磷脂海洋中的冰山。
证明膜蛋白流动性的实验:
人鼠细胞融合实验
人鼠细胞融合实验
3.细胞膜的选择透性
选择透性(半透性):
让部分物质通过。
细胞膜对不同性质物质的通透性差异大
一般地:
脂溶性、分子小、不带电物质易透过。
eg:
水分子、磺胺药,易透过膜
本章内容
4.1细胞膜的化学组成
4.2细胞膜的分子结构模型与特性
4.3细胞表面及其功能
4.4细胞表面的特化结构
4.3细胞膜的功能
保护屏障、物质和信号交换的门户
物质转运、信息传递、能量转换、
细胞识别、细胞免疫、细胞分裂、
细胞分化、细胞凋亡…
4.3.1细胞表面的概念
功能:
支撑保护、物质交换、信息传导、
细胞识别、细胞通信、细胞连接、
…
4.3.2物质转运功能
不同物质(小分子、大分子)
以不同方式转运。
跨膜转运:
主动转运、被动转运
膜泡转运:
入胞作用、出胞作用
物质的跨膜转运概况
1、跨膜转运(被动、主动)
(1)被动运输:
不需ATP,顺浓度梯度
*简单扩散(自由扩散)-----仅要浓度梯度
*易化扩散(帮助扩散)-----还要载体蛋白
*通道扩散------------------还要通道蛋白
小分子穿膜转运图解
自由扩散(Freediffusion)
又称简单扩散(simplediffusion)。
它不要膜蛋白的帮助,也不消耗ATP,仅靠膜的两侧被转运的物质保持一定的浓度差。
扩散与渗透
红细胞的膨胀与收缩
膜简单扩散转运图解
易化扩散(帮助扩散)图解
载体蛋白(carrier
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