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细胞生物学
第一章概述
细胞的发现:
1665年英国人胡克用自制的显微镜观察切片的软木,看到组成软木的蜂窝状小室紧密地排列在一起,称之为“Cell”。
“细胞学说”的提出:
1838-1839年,德国的植物学家施莱登和动物学家施旺指出“动物和植物结构的基本单位都是细胞”,这便是细胞学说的提出
“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。
细胞生物学的研究内容
病毒的特征
Ø个体极小,能通过细菌滤器,只有在电子显微镜下才能看到。
Ø无细胞结构,仅含一种类型的核酸(或DNA或RNA),其主要成分为蛋白质与核酸。
Ø具有受体连结蛋白(receptorbindingprotein),与敏感细胞表面的病毒受体连结,进而感染细胞。
Ø既无完整的酶系,又无蛋白质合成系统,不能进行独立的代谢活动。
Ø严格的活细胞内寄生,以复制的方式增殖。
Ø在离体条件下,以无生命的化学大分子状态存在,并可形成结晶。
Ø对抗生素不敏感,但对干扰素敏感
真核细胞与原核细胞的共同点
功能上的共同点∶结构上的共同点:
都是生命的基本结构单位;都有细胞膜;
都能进行分裂;都有DNA和RNA;
都能遗传。
都有核糖体
真核细胞与原核细胞的区别
细胞膜系统的分化与演变细胞内部结构与职能的分工是真核细胞区别于原核细胞的重要标志。
遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化遗传信息重复序列与染色体多倍性的出现是真核细胞区别于原核细胞的另一重大标志。
原核细胞与真核细胞比较(不同点)
原核细胞
真核细胞
代表生物
细菌、蓝藻和支原体
原生生物、真菌、植物和动物
细胞大小
较小(1-10μm)
较大(一般5~100μm)
细胞膜
有(多功能性)
有
核糖体
70S(由50S和30S两个大小亚基组成)
80S(由60S和40S两个大小亚基组成)
细胞核
无核膜和核仁
有核膜和核仁
染色体
一个细胞只有一条双链DNA,DNA不与或很少与组蛋白结合
一个细胞有两条以上的染色,DNA与蛋白质联结在一起很少与组蛋白结合
DNA
环状,存在于细胞质
很长的线状分子,含有
很多非编码区,并被核
膜所包裹。
真核原核细胞的比较:
动物植物细胞的比较
Organelles
AnimalCells
PlantCellS
细胞壁
无
有
叶绿体
无
有
液泡
无
有
溶酶体
有
无
圆球体
无
有
乙醛酸循环体
无
有
通讯连接方式
间隙连接
胞间连丝
中心体
有
无
胞质分裂方式
收缩环
细胞板
第二章细胞生物学研究方法
离心分离技术
离心是研究如细胞核、线粒体、高尔基体、溶酶体和微体,以及各种大分子的基本手段。
一般认为,转速为10,000-25,000r/min的离心机称为高速离心机;
转速超过25,000r/min,离心力大于89Kg者称为超速离心机。
目前超速离心机的最高转速可达100,000r/min,离心力超过500Kg。
差速离心:
利用不同的离心速度所产生的不同离心力,将各种亚细胞组分和各种颗粒分开。
密度梯度离心:
根据沉降系数的不同,将生物大分子分离。
差速离心与密度梯度离心相结合可以达到更精细的分离。
细胞融合或细胞杂交技术
(CellfusionorCellhybridization)
Ø通过培养和介导,两个或多个真核细胞合并成一个双核或多核细胞的过程称为细胞融合或细胞杂交。
Ø基因型相同的细胞融合成的杂交细胞称为同核体;
Ø来自不同基因型的杂交细胞则称为异核体;
Ø同种细胞在培养时2个靠在一起的细胞自发合并,称自发融合;异种间的细胞必须经诱导剂处理才能融合,称诱发融合
细胞融合的方法
Ø诱导细胞融合的方法
•生物方法(仙台病毒、副流感病毒和新城鸡瘟病毒)
•化学方法(聚乙二醇PEG)
•物理方法(电击和激光)
单克隆抗体技术(MonocloneAntibody)
单克隆抗体技术是细胞杂交技术的成功应用。
正常淋巴细胞(如小鼠脾细胞)具有分泌抗体的能力,但不能在体外长期培养,瘤细胞(如骨髓瘤)可以在体外长期培养,但不分泌抗体。
单克隆抗体技术是将产生抗体的单个B淋巴细胞同肿瘤细胞杂交的技术。
第三章细胞质膜与跨膜运输
细胞膜的功能界膜和区室化调节运输:
膜对物质的运输具有选择性
功能定位与组织化信号的检测与传递参与细胞间的相互作用
膜的不对称性
膜的分子结构及特点
细胞质膜的不对称性是指细胞质膜脂双层中各种成分不是均匀分布的,包括种类和数量的不均匀。
膜脂的不对称性膜蛋白的不对称膜糖的不对称
不对称性的意义膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性。
保证了生命活动的高度有序性。
膜的流动性膜的流动性是指构成膜的脂和蛋白质分子的运动性。
膜的流动性不仅是膜的基本特性之一,也是细胞进行生命活动的必要条件。
膜的流动性的生理意义
•细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。
•酶活性与流动性有极大的关系,流动性大活性高。
•如果没有膜的流动性,细胞外的营养物质无法进入,细胞内合成的胞外物质及细胞废物也不能运到细胞外,这样细胞就要停止新陈代谢而死亡。
•膜流动性与信息传递有着极大的关系。
•如果没有流动性,能量转换是不可能的。
•膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。
细胞质膜与跨膜运输
被动运输
促进扩散(facilitateddiffusion)及特点
促进扩散又称易化扩散、协助扩散、或帮助扩散,是指非脂溶性物质或亲水性物质,如氨基酸、糖和金属离子等借助细胞膜上的膜蛋白的帮助顺浓度梯度或顺电化学浓度梯度,不消耗ATP进入膜内的一种运输方式
促进扩散同简单扩散相比,具有以下一些特点∶
促进扩散的速度要快几个数量级。
•具有饱和性:
当溶质的跨膜浓度差达到一定程度时,促进扩散的速度不再提高。
•具有高度的选择性:
如运输蛋白能够帮助葡萄糖快速运输,但不帮助与葡萄糖结构类似的糖类运输。
•膜运输蛋白的运输作用也会受到类似于酶的竞争性抑制,以及蛋白质变性剂的抑制作用。
•被动运输(passivetransport)
扩散与渗透
•细胞质膜具有两个基本的特性∶允许小分子物质通过扩散穿过细胞质膜,也可以让水通过渗透进出细胞质膜。
但是扩散和渗透是两个不同的概念。
•扩散(diffusion)是指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向低浓度一侧移动的过程,通常把这种过程称为简单扩散。
•渗透(osmosis)的含义则是指水分子以及溶剂通过半透性膜的扩散。
•它们都是从自由能高的部位向自由能低的部位移动。
被动运输
简单扩散(simplediffusion)及限制因素
Ø简单扩散是被动运输的基本方式,不需要膜蛋白的帮助,也不消耗ATP,而只靠膜两侧保持一定的浓度差,通过扩散发生的物质运输。
Ø简单扩散的限制因素是物质的脂溶性、分子大小和带电性。
Ø脂溶性:
脂溶性越强,通过脂双层膜的速率越快。
Ø相对分子质量:
相对分子质量小,脂溶性高的分子才能快速扩散。
根据实验结果,推测质膜的通透性孔径不会大于0.5~1.0nm,能够扩散的最小分子是水分子。
Ø物质的带电性:
Ø一般说来,气体分子(如O2、CO2、N2)、小的不带电的极性分子(如尿素、乙醇)、脂溶性的分子等易通过质膜,大的不带电的极性分子(如葡萄糖)和各种带电的极性分子都难以通过质膜。
主动运输(activetransport)
Ø主动运输的特点逆梯度运输;依赖于膜运输蛋白;需要代谢能,并对代谢毒性敏感;
具有选择性和特异性,不同的运输泵转运不同的离子
Ø建立浓度梯度或电化学梯度
细胞靠主动运输建立和维持各种离子在细胞内的不同浓度,这些离子的浓度差异对于细胞的生存和行使功能至关重要。
•消耗能量
主动运输是消耗代谢能的运输方式,有三种不同的直接能量来源。
不同运输机制的主要特性
Na+/K+泵的结构
Na+/K+ATPase由两个大亚基(α亚基)和两个小亚基(β亚基)组成。
α亚基是跨膜蛋白,在膜的内侧有ATP结合位点;在α亚基上有Na+和K+结合位点
Na+/K+ATPase的运输机制
每水解一个ATP,运出3个Na+,输入2个K+。
Na+/K+泵工作的结果,使细胞内的Na+浓度比细胞外低10-30倍,而细胞内的K+浓度比细胞外高10-30倍。
ØNa+/K+泵(Na+/K+pump,Na+/K+ATPase)
ØNa+/K+泵是动物细胞中由ATP驱动的将Na+输出到细胞外同时将K+输入细胞内的运输泵,又称Na+泵或Na+/K+交换泵。
Na+/K+ATPase的作用
Ø维持了细胞内适当的Na+/K+浓度,抵消了Na+/K+的扩散作用
Ø在建立细胞质膜两侧Na+浓度梯度的同时,为葡萄糖协同运输泵提供了驱动力;
ØNa+/K+泵建立的细胞膜电位,为神经和肌肉电脉冲传导提供了基础。
第四章细胞环境与互作
细胞外基质
大多数组织中,细胞要向细胞外分泌一群大分子(主要是一些多糖和蛋白,或蛋白聚糖),这些大分子分布在细胞表面或细胞之间,并在细胞间交织连接形成网状结构,将这种结构称为细胞外基质(extracellularmatrix,ECM)
Ø细胞识别(Cellrecognition)指细胞对同种或异种细胞、同源或异源细胞以及对自己和异已分子的认识和鉴别。
Ø细胞连接:
封闭连接、锚定连接、通讯连接
锚定连接通过细胞骨架系统将细胞与相邻细胞或细胞与基质之间连接起来,形成一个坚挺、有序的细胞群体。
第五章细胞通讯与信号传递
细胞通讯(cellcommunication)细胞通讯是指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。
细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织的构建,协调细胞的功能,控制细胞的生长、分裂、分化和凋亡是必须的。
细胞识别(cellrecognition)细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子(配体)选择性地相互作用,进而导致胞内一系列生理生化变化,最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。
胞外化学物质(第一信使)不能进入细胞,它作用于细胞表面受体,而导致产生胞内第二信使,从而激发一系列生化反应,最后产生一定的生理效应,第二信使的降解使其信号作用终止。
第二信使主要有:
cAMP、cGMP、IP3、DG。
第二信使的作用:
信号转换、信号放大。
受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路
受体酪氨酸激酶(receptortyrosinekinases,RTKs)又称酪氨酸蛋白激酶受体,包括6个亚族
信号转导:
配体→受体→受体二聚化→受体的自磷酸化→激活RTK→胞内信号蛋白→启动信号传导
◆RTK-Ras信号通路:
配体→RTK→adaptor←GRF→Ras→Raf(MAPKKK)→MAPKK→MAPK(有丝分裂原活化蛋白激酶)→进入细胞核→其它激酶或基因调控蛋白(转录因子)的磷酸化修饰。
◆RTK介导的信号通路的功能:
调节细胞的增殖与分化、促进细胞存活、细胞代谢过程中的调节与校正作用。
第六章核糖体与核酶
原核生物完整70s大亚基50s(核糖体RNA23S5S)小亚基30s(核糖体RNA16S)
真核生物完整80s大亚基60s(核糖体RNA28S5.8S5S)小亚基40s(核糖体RNA18s)
多聚核糖体(polyribosome或polysome)概念核糖体在细胞内并不是单个独立地执行功能,而是由多个甚至几十个核糖体串连在一条mRNA分子上高效地进行肽链的合成,这种具有特殊功能与形态结构的核糖体与mRNA的聚合体称为多聚核糖体。
反义RNA:
是指与mRNA互补的RNA分子,也包括与其他RNA互补的RNA分子。
核酶(ribosome):
具有催化作用的RNA。
第七章线粒体与氧化物酶体
线粒体功能
线粒体的功能:
氧化营养物生成ATP
过氧化物酶体的功能1.使毒性物质失活2.对氧浓度的调节作用ⁿ.脂肪酸的氧化
4.含氮物质的代谢
第八章叶绿体
光合作用就是自养型生物利用光能将碳进行还原。
光合作用反应式:
6CO2+6O2H+光→C6H12O6+6O2+化学能
有人将高等植物的光合作用分为三个阶段:
第一阶段是光能的吸收、传递和转化,第二阶段是电子传递和光合磷酸化,第三阶段是二氧化碳的同化。
实际上第一、第二阶段是光反应过程,在类囊体上进行,第三阶段是暗反应,进行CO2的固定,在叶绿体基质中进行
光反应是通过叶绿素等光合色素分子吸收传递光能,并将光能转化为化学能,形成ATP和NADPH的过程。
在此过程中水分子被光解,释放出氧。
光反应包括光能的吸收、传递和转换过程,即光合作用的原初反应、电子传递、光合磷酸化。
光反应的场所是类囊体。
暗反应是指叶绿体利用光反应产生的NADPH和ATP的化学能,将CO2还原合成糖。
CO2还原成糖的反应不需要光,故这一反应称为暗反应。
暗反应是在叶绿体基质中进行的。
第九章内膜系统与蛋白质分选和膜运输
内膜系统(endomembranesystems):
指内质网、高尔基体、溶酶体和液泡(包括内体和分泌泡)等四类膜结合细胞器,因为它们的膜是相互流动的,处于动态平衡,在功能上也是相互协同的。
广义上的内膜系统概念也包括线粒体、过氧化物酶体、细胞核等细胞内所有膜结合的细胞器。
光面内质网的功能1.糖原分解释放游离的葡萄糖2.类固醇激素的合成3.脂的合成与转运
4.解毒作用5.Ca2+的调节作用
6.分泌类固醇激素的细胞如肾上腺细胞、睾丸间质细胞和黄体细胞都有丰富的光面内质网,并在光面内质网上含有合成胆固醇和将胆固醇转化为激素的全套酶系;
粗面内质网的主要功能是帮助膜结合核糖体合成的蛋白质转运。
高尔基体的功能
主要功能是参与细胞的分泌活动,将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装,并分门别类地运送到细胞的特定部位或分泌到细胞外。
内质网上合成的脂类一部分也要通过高尔基体向细胞质膜等部位运输。
因此,高尔基体是细胞内物质运输的交通枢纽。
溶酶体的功能
Ø溶酶体的主要功能是消化作用。
Ø消化底物的来源有三种途径:
①自体吞噬,吞噬的是细胞内原有的物质;
②通过吞噬形成的吞噬体提供的有害物质;
③通过内吞作用提供的营养物质。
细胞分泌
●组成型分泌
•所有真核细胞
•连续分泌过程
•用于质膜更新(膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子)
•蛋白的转运途径:
粗面内质网→高尔基体→分泌泡→细胞
●调节型分泌
•特化的分泌细胞
•储存——刺激——释放
•产生的分泌物(如激素、粘液或消化酶)具有共同的分选机制,
•分选信号存在于蛋白本身。
胞吐作用是指真核细胞中含有待分泌物的包被小泡与质膜融合,从而将内含物排出胞外的过程。
吞噬作用(Phagocytosis):
细胞内吞较大的固体颗粒物质,如细菌、细胞碎片等,称为吞噬作用。
第十章细胞骨架和细胞运动
细胞骨架功能:
真核细胞的支撑定位结构;细胞运动、物质运输、信息传递、细胞分裂、细胞分化、基因表达等方面发挥作用
微丝功能:
维持细胞形态,赋予质膜机械强度
◆细胞运动
◆微绒毛(microvillus)
◆应力纤维(stressfiber)
◆参与胞质分裂
◆肌肉收缩(musclecontraction)
微丝遍及胞质各处,集中分布于质膜下,和其结合蛋白形成网络结构,维持细胞形状和赋予质膜机械强度,如哺乳动物红细胞膜骨架的作用。
•微管的功能:
维持细胞形态介导沿微管的细胞内运输
•色素颗粒的运输胞质内的膜泡运输胞质内的膜泡运输
•纺锤体和染色体运动
•中间纤维的功能与微管和微丝不同的是中间纤维没有运动的功能,
•现在认为中间纤维最重要功能是支撑功能,为质膜在与其它细胞或与细胞外基质的联系提供机械支撑。
第十一章细胞核与染色体
核被膜的功能
1基因表达的时空隔离便于DNA在核内活动的多样性,DNA转录形成RNA的多样性,从而导致细胞的多样性。
2构成核、质之间的天然选择性屏障为细胞遗传信息的保存、复制、传递及发挥其对细胞代谢和发育的指导作用创造了特定的微环境,提高了上述各项活动的效率;避免受细胞内其他各种生命活动的干扰保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤
3染色体的定位和酶分子的支架
4核与质之间的物质交换与信息交流
核孔复合体的功能
1核质交换的双向性亲水通道--被动运输
允许小分子的物质自由扩散出入细胞核,如离子、代谢物和分子质量小的蛋白质(在40kDa以下)可通过NPC的辐条之间的狭缝进出细胞核。
2通过核孔复合体的主动运输亲核蛋白与核定位信号核蛋白的输入
核内RNA和蛋白质的输出
分子伴侣:
是由不相关蛋白质组成的一个家庭,它们介导其他蛋白质的正确装配,但自己不成为最后功能结构中的组分。
Ø该概念有以下特点:
•凡具有“介导”功能的蛋白,都称为分子伴侣,可以是完全不同的蛋白质;
•作用机理尚不清楚,故用“介导”二字,伸缩性较大;
•分子伴侣一定不是最终结构的组成部分,但不一定是一个独立的实体;
•装配的涵意比较广,包括:
帮助新生肽的折叠,跨膜定位,亚基组装等。
常染色质和异染色质
常染色质(euchromatin)指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低,处于伸展状态(典型包装率750倍),用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。
异染色质(heterochromatin)指间期细胞核中,折叠压缩程度高,处于聚缩状态的染色质组分。
核仁的功能核仁是细胞制造核糖体的装置。
◆rRNA的合成
◆rRNA前体的加工
◆参与核糖体大小亚基的装配
◆控制蛋白质合成的速度
核基质的功能
核骨架与DNA复制
真核生物DNA通过在核骨架上的固定位点进行双向复制。
◆核骨架与基因表达
大量研究工作表明真核细胞中RNA的转录和加工均与核骨架有关。
具有转录活性的基因是结合在核骨架上的;RNA聚合酶在核骨架上具有结合位点。
◆核骨架与病毒复制
◆核骨架与染色体构建
第十二章细胞周期与细胞分裂
概念:
细胞周期是指连续分裂的细胞从一次有丝分裂结束后开始生长到下次有丝分裂终止所经历的全过程。
在这一过程中,细胞的遗传物质进行复制并均等地分配给两个子细胞
细胞周期中不同时相及其主要事件
G1期与DNA合成启动相关,开始合成细胞生长所
需要的多种蛋白质、RNA、碳水化合物、脂
等,同时染色质去凝集。
G2期DNA复制完成,在G2期合成一定数量的蛋白质和RNA分子
M期M期即细胞分裂期,真核细胞的细胞分裂主要包括两种方式,即有丝分裂(mitosis)和减数分裂(meiosis)。
遗传物质和细胞内其他物质分配给子细胞。
S期DNA复制与组蛋白合成同步,组成核小体串珠结构
概念:
减数分裂是细胞仅进行一次DNA复制,随后进行两次分裂,染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂
减数分裂与有丝分裂的比较
共同点:
通过纺锤体同染色体的相互作用进行细胞的分裂
有丝分裂
减数分裂
体细胞的分裂方式
生殖细胞产生配子的方式
一次细胞周期、DNA复制一次,分裂一次,染色体由2n2n
两次细胞周期、DNA复制一次,分裂两次,染色体由2n1n
每个染色体是独立活动的
染色体要配对、联会、交换和交叉
有丝分裂之前,经DNA合成,进入G2期后才进行有丝分裂
减数分裂之前,DNA合成时间很长,一旦合成,即进入减数分裂期,G2期短或没有。
有丝分裂时间短,1-2h
减数分裂时间长,几十小时至几年
第十三章细胞发育和细胞分化
细胞分化(differentiation)在个体发育中,细胞的后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化,其本质是基因选择性表达的结果,即基因表达调控的结果。
胚胎干细胞是从早期胚胎内细胞团或原始胚胎生殖细胞经体外分化抑制培养分离克隆的,能够发育成一个新个体的全能性二倍体细胞。
第十四章细胞衰老死亡和癌变
衰老是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现,是不可逆的生命过程。
人的衰老与细胞衰老相关联。
细胞凋亡是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程,所以也常常被称为细胞程序性死亡
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