南开大学翟中和细胞生物学考研笔记.docx
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南开大学翟中和细胞生物学考研笔记
细胞生物学考研复习笔记
------------翟中和
第一章绪论
第二章细胞基本知识概要
第三章细胞生物学研究方法
第四章细胞质膜与细胞表面
第五章物质的跨膜运输与信号传递
第六章细胞质基质与细胞膜系统
第七章细胞的能量转换──线粒体和叶绿体
第八章细胞核（nucleus）与染色体（chromosome）
第九章核糖体（ribosome）
第十章细胞骨架（Cytoskeleton）
第十一章细胞增殖及其调控
第十二章细胞分化与基因表达调控
第十三章细胞衰老与凋亡
第一章绪论
细胞生物学研究的容和现状
细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科
细胞生物学的主要研究容
当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域
细胞重大生命活动的相互关系
细胞学与细胞生物学发展简史
细胞的发现
细胞学说的建立其意义
细胞学的经典时期
实验细胞学与细胞学的分支及其发展
细胞生物学学科的形成与发展
细胞生物学的主要学术组织、学术刊物与教科书
细胞生物学
生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系，而细胞是生命体的结构与生命活动的基本单位，有了细胞才有完整的生命活动。
细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学，它是在不同层次（显微、亚显微与分子水平）上以研究细胞结构与功能、细胞增殖、分化、衰老与凋亡、细
胞信号传递、真核细胞基因表达与调控、细胞起源与进化等为主要容。
核心问题是将遗传与发育在细胞水平上结合起来。
主要容
细胞结构与功能、细胞重要生命活动：
细胞核、染色体以及基因表达的研究
生物膜与细胞器的研究
细胞骨架体系的研究
细胞增殖及其调控
细胞分化及其调控
细胞的衰老与凋亡
细胞的起源与进化
细胞工程
总趋势
细胞生物学与分子生物学（包括分子遗传学与
生物化学）相互渗透与交融是总的发展趋势。
重点领域
染色体DNA与蛋白质相互作用关系
—主要是非组蛋白对基因组的作用
细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控
细胞信号转导的研究
细胞结构体系的组装
美国科学情报研究所（ISI）1997年SCI（ScienceCitationIndex）收录及引用论文检索，全世界自然科学研究中论文发表最集中的三个领域分别是：
细胞信号转导（signaltransduction）；
细胞凋亡（cellapoptosis）；
基因组与后基因组学研究（genomeandpost-genomicanalysis）。
美国国立卫生研究院（NIH）在1988年底发表的一份题为《什麽是当今科研领域的热门话题？
》（“Whatispopularinresearchtoday？
”）的调查报告中指出，目前全球研究最热门的是
三种疾病：
癌症（cancer）
心血管病（cardiovasculardiseases）
爱滋病和肝炎等传染病
（infectiousdiseases：
AIDS，hepatitis）
五大研究方向：
细胞周期调控（cellcyclecontrol）；
细胞凋亡（cellapoptosis）；
细胞衰老（cellularsenescence）；
信号转导（signaltransduction）；
DNA的损伤与修复（DNAdamageandrepair）
“细胞学说”的基本容
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。
AlbertsBetal.EssentialCellBiology.NewYorkandLondon：
Garlandpublishing，Inc.1998
AlbertsBetal.MolecuarBiologyoftheCell,3rded.NewYorkandLondon：
GarlandPublishing，Inc.1994
BeckerW.M.etal.TheWorldoftheCell.FourthEd.TheBenjamin/CummingsPublishingCompany.2000
GeraldKarp.CellandMolecularBiology：
conceptsandexperiments，2ndEdition.PublishedbyJohnWiley&Sons,Inc.1999
LodishH.etal.MolecularCellBiology.4thEd.ScientificAmericanBooks,Inc.2000.
学习细胞生物学的注意点
•抽象思维与动态观点
•结构与功能统一的观点
•同一性（unity）和多样性（diversity）的问题
•细胞生物学的主要容：
基本概念与实验证据；细胞器的动态特征；
化学能的产生与利用；细胞的活动及其调控等
•实验科学与实验技术——细胞真知源于实验室
——Whatweknow//Howweknow.
第二章细胞基本知识概要
细胞的基本概念
非细胞形态的生命体
——病毒及其与细胞的关系
原核细胞与真核细胞
第一节细胞的基本概念
细胞是生命活动的基本单位
细胞概念的一些新思考
细胞的基本共性
第二节非细胞形态的生命体
—病毒及其与细胞的关系
病毒的基本知识
病毒在细胞增殖（复制）
病毒与细胞在起源与进化中的关系
第三节原核细胞与真核细胞
原核细胞（Prokaryoticcell）
真核细胞（Eukaryoticcell）
古细菌（Archaebacteria）
细胞是生命活动的基本单位
一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位
细胞具有独立的、有序的自控代体系，
细胞是代与功能的基本单位
细胞是有机体生长与发育的基础
细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性
没有细胞就没有完整的生命
细胞概念的一些新思考
细胞是多层次非线性的复杂结构体系
细胞具有高度复杂性和组织性
细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体
细胞完成各种化学反应；
细胞需要和利用能量；
细胞参与大量机械活动；
细胞对刺激作出反应；
细胞是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。
细胞能进行自我调控；
繁殖和传留后代；
细胞的基本共性
所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌
蛋白质构成的生物膜，即细胞膜。
所有的细胞都含有两种核酸：
即DNA与RNA
作为遗传信息复制与转录的载体。
作为蛋白质合成的机器─核糖体，毫无例外地
存在于一切细胞。
所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。
病毒的基本知识
病毒（virus）——核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体；
根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：
DNA病毒与RNA病毒
病毒的多样性）
类病毒（viroid）——仅由感染性的RNA构成；
朊病毒（prion）——仅由感染性的蛋白质亚基构成；
病毒在细胞增殖（复制）
病毒侵入细胞，病毒核酸的侵染
病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成
病毒的装配、成熟与释放
病毒与细胞在起源与进化中的关系
病毒是非细胞形态的生命体，它的主要生命活动必须要在细胞实现。
病毒与细胞在起源上的关系，目前存在3种主要观点：
生物大分子→病毒→细胞
病毒
生物大分子
细胞
生物大分子→细胞→病毒
原核细胞
基本特点：
遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；
细胞没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能
的细胞器和细胞核膜。
主要代表：
支原体（mycoplast）——目前发现的最小最简单的细胞；
细菌
蓝藻又称蓝细菌（Cyanobacteria）
真核细胞
真核细胞的基本结构体系
细胞的大小及其分析
原核细胞与真核细胞的比较
真核细胞的基本结构体系
以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统；
以核酸（DNA或RNA）与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统
由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。
细胞的大小及其分析
各类细胞直径的比较
原核细胞与真核细胞的比较
原核细胞与真核细胞基本特征的比较
原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较
植物细胞与动物细胞的比较
植物细胞与动物细胞的比较
细胞壁
液泡
叶绿体
古细菌
古细菌（archaebacteria）与真核细胞曾在进化上有过共同历程
主要证据
进化系统树
主要证据
（1）细胞壁的成分与真核细胞一样，而非由含壁酸的肽聚糖构成，因此抑制壁酸合成的链霉素，抑制肽聚糖前体合成的环丝氨酸，抑制肽聚糖合成的青霉素与万古霉素等对真细菌类有强的抑制生长作用，而对古细菌与真核细胞却无作用。
（2）DNA与基因结构：
古细菌DNA中有重复序列的存在。
此外，多数古核细胞的基因组中存在含子。
（3）有类核小体结构：
古细菌具有组蛋白，而且能与DNA构建成类似核小体结构。
（4）有类似真核细胞的核糖体：
多数古细菌类的核糖体较真细菌有增大趋势，含有60种以上蛋白，介于真核细胞（70～84）与真细菌（55）之间。
抗生素同样不能抑制古核细胞类的核糖体的蛋白质合成。
（5）5SrRNA：
根据对5SrRNA的分子进化分析，认为古细菌与真核生物同属一类，而真细菌却与之差距甚远。
5SrRNA二级结构的研究也说明很多古细菌与真核生物相似。
除上述各点外，根据DNA聚合酶分析，氨基酰tRNA合成酶的作用，起始氨基酰tRNA与肽链延长因子等分析，也提供了以上类似依据，说明古细菌与真核生物在进化上的关系较真细菌类更为密切。
因此近年来，真核细胞起源于古细菌的观点得到了加强。
第三章细胞生物学研究方法
如何学习细胞生物学？
•抽象思维与动态观点
•结构与功能统一的观点
•同一性（unity）和多样性（diversity）的问题
•细胞生物学的主要容：
结构与功能（动态特征）；
细胞的生命活动；
•实验科学与实验技术——细胞真知源于实验室
——Whatweknow//Howweknow.
第三章细胞生物学研究方法
细胞形态结构的观察方法
细胞组分的分析方法
细胞培养、细胞工程与显微操作技术
第一节细胞形态结构的观察方法
光学显微镜技术（lightmicroscopy）
电子显微镜技术（Electromicroscopy）
扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscope）
扫描遂道显微镜（scanningtunnelingmicroscope）
第二节细胞组分的分析方法
离心分离技术
细胞核酸、蛋白质、酶、糖与脂类等的显示方法
特异蛋白抗原的定位与定性
细胞特异核酸的定位与定性
放射自显影技术
定量细胞化学分析技术
第三节细胞培养、细胞工程与显微操作技术
细胞的培养
细胞工程
一、光学显微镜技术（lightmicroscopy）
普通复式光学显微镜技术
荧光显微镜技术（FluorescenceMicroscopy）
激光共焦扫描显微镜技术（LaserConfocalMicroscopy）
相差显微镜（phase-contrastmicroscope）
微分干涉显微镜
（differentialinterferencecontrastmicroscope,DIC）
录像增差显微镜技术（video-enhancemicroscopy）
二、电子显微镜技术
电子显微镜的基本知识
电镜与光镜的比较
电镜与光镜光路图比较
电子显微镜的基本构造
主要电镜制样技术
负染色技术
冰冻蚀刻技术
超薄切片技术
电镜三维重构技术
扫描电镜（Scanningelectronmicroscope，SEM）
SPM（Scanningprobemicroscope）
三、扫描遂道显微镜
ScanningProbeMicroscope,SPM
（80年代发展起来的检测样品微观结构的仪器）
包括：
STM、AFM、磁力显微镜、摩擦力显微镜等
原理：
扫描探针与样品接触或达到很近距离时，即产生彼此间相互作用力，如
量子力学中的隧道效应（隧道电流）、原子间作用力、磁力、摩擦力等，
并在计算机显示出来，从而反映出样品表面形貌信息、电特性或磁特性等。
装置：
扫描的压电瓷，逼近装置，电子学反馈控制系统和数据采集、处理、显示系统。
特点：
（1）可对晶体或非晶体成像，无需复杂计算，且分辨本领高。
（侧分辨率为0.1～0.2nm，纵分辨率可达0.01nm）；
（2）可实时得到样品表面三维图象，可测量厚度信息；
（3）可在真空、大气、液体等多种条件下工作；非破坏性测量。
（4）可连续成像，进行动态观察
用途：
纳米生物学研究领域中的重要工具,在原子水平上揭示样本表面的结构。
普通复式光学显微镜技术
光镜样本制作
分辨率是指区分开两个质点间的最小距离
荧光显微镜技术（FluorescenceMicroscopy）
原理与应用
直接荧光标记技术
间接免疫荧光标记技术
在光镜水平用于特异蛋白质
等生物大分子的定性定位：
如绿色荧光蛋白（GFP）的应用
激光共焦扫描显微镜技术
（LaserScanningConfocalMicroscopy）
原理
应用：
排除焦平面以外光的干扰，增强
图像反差和提高分辨率（1.4—1.7），
可重构样品的三维结构。
相差显微镜（phase-contrastmicroscope）
将光程差或相位差转换成振幅差，可用于观察活细胞
微分干涉显微镜（differential-interferencemicroscope）
偏振光经合成后，使样品中厚度上的微小区别转化成
明暗区别，增加了样品反差且具有立体感。
适于研究
活细胞中较大的细胞器
录像增差显微镜技术（video-enhancemicroscopy）
计算机辅助的DIC显微镜可在高分辨率下研究活
细胞中的颗粒及细胞器的运动
电镜与光镜的比较
主要电镜制样技术
超薄切片技术用于电镜观察的样本制备示意图
负染色技术（Negativestaining）与金属投影
染色背景，衬托出样品的精细结构
冰冻蚀刻技术（Freezeetching）（技术示意图）
冰冻断裂与蚀刻复型：
主要用来观察膜断裂面的蛋白质颗粒
和膜表面结构。
快速冷冻深度蚀刻技术（quickfreezedeepetching）
电镜三维重构技术
电子显微术、电子衍射与计算机图象处理相结合而形成的
具有重要应用前景的一门新技术。
电镜三维重构技术与X-射线晶体衍射技术及核磁共振
分析技术相结合，是当前结构生物学（StructuralBiology）
——主要研究生物大分子空间结构及其相互关系的主要实验手段。
扫描电镜
原理与应用：
电子“探针”扫描，激发样品表面放出二次电子，探测器收集二次电子成象。
CO2临界点干燥法防止引起样品变形的表面
力问题
一、离心分离技术
用途：
于分离细胞器与生物大分子及其复合物
差速离心：
分离密度不同的细胞组分
密度梯度离心：
精细组分或生物大分子的分离
二、细胞核酸、蛋白质、
酶、糖与脂类等的显示方法
原理：
利用一些显色剂与所检测物质中一些
特殊基团特异性结合的特征，通过显
色剂在细胞中的定位及颜色的深浅来
判断某种物质在细胞中的分布和含量。
FeulgenStaining
三、特异蛋白抗原的定位与定性
免疫酶标技术
免疫胶体金免疫荧光技术：
快速、灵敏、有特异性，但其分辨率有限（图）
蛋白电泳（SDS-PAGE）
与免疫印迹反应（Western-Blot）
免疫电镜技术：
免疫铁蛋白技术
技术
应用：
通过对分泌蛋白的定位，可以确定某种蛋白的分泌动态；胞酶的研究；膜蛋白的定位与骨架蛋白的定位等
四、细胞特异核酸的定位与定性
光镜水平的原位杂交技术
（同位素标记或荧光素标记的探针）
电镜水平的原位杂交技术
（生物素标记的探针与抗生物素抗体相连的胶体金标记结合）
PCR技术
五、放射自显影技术
原理及应用：
利用同位素的放射自显影，对细胞生物大分子进行定性、定位与半定量研究；
实现对细胞生物大分子进行动态和追踪研究。
步骤：
前体物掺入细胞（标记：
持续标记和脉冲标记）
———放射自显影
六．定量细胞化学分析技术
细胞显微分光光度术（Microspectrophotometry）
利用细胞某些物质对特异光谱的吸收，测定这些物质
（如核酸与蛋白质等）在细胞的含量。
包括：
紫外光显微分光光度测定法
可见光显微分光光度测定法
流式细胞仪（FlowCytometry）
主要应用：
用于定量测定细胞中的DNA、RNA或某一特异蛋白的含量；
测定细胞群体中不同时相细胞的数量；
从细胞群体中分离某些特异染色的细胞；
分离DNA含量不同的中期染色体。
一、细胞的培养
动物细胞培养
类型：
原代培养细胞（primaryculturecell）
继代培养细胞（sub-culturecell）
细胞株（cellstrain）正常二倍体，接触抑制
细胞系（cellline）亚二倍体，接触抑制丧失
植物细胞
类型：
原生质体培养（体细胞培养）
单倍体细胞培养（花药培养）
非细胞体系（cell-freesystem）
二、细胞工程
细胞融合（cellfusion）与细胞杂交（cellhybridization）技术
单克隆抗体（monocloneantibody）技术图
细胞拆合与显微操作技术
物理法结合显微操作技术（图1、图2）
化学法结合离心技术
制备核体（karyoplast）和胞质体（cytoplast）。
其它技术
遗传分析（mutant,knockout,knockin）
对细胞生命活动的研究成为当今生命科学发展的瓶颈
对细胞生命活动的研究成为当今生命科学发展的瓶颈
第四章细胞质膜与细胞表面
细胞质膜与细胞表面特化结构
细胞连接
细胞外被与细胞外基质
第一节细胞质膜与细胞表面特化结构
细胞质膜（plasmamembrane）,又称细胞膜（cellmembrane）。
细胞膜（intracellularmembrane）;生物膜（biomembrane）
细胞质膜的结构模型
膜脂——生物膜的基本组成成分
膜蛋白
确定膜蛋白方向的实验程序
光脱色恢复技术
分子生物学技术在膜蛋白研究上的应用
生物膜结构特征
细胞质膜的功能
膜骨架与细胞表面的特化结构
第二节细胞连接
细胞连接的功能分类
封闭连接
锚定连接
通讯连接
细胞表面的粘连分子
一、胞质膜的结构模型
研究简史
结构模型
生物膜结构
结构模型
E.Gorter和F．Grendel（1925）:
“蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板质膜结构模型
J.D.Robertson（1959年）：
单位膜模型（unitmembranemodel）
S.J.Singer和G.Nicolson（1972）：
生物膜的流动镶嵌模型（fluidmosaicmodel）
K.Simonsetal（1997）:
脂筏模型（lipidraftsmodel）
FunctionalraftsinCellmembranes.Nature387:
569-572
生物膜结构
磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,
尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白；
蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面,膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者；
生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。
“Centraldogma”ofmembranebiology
膜的流动性
膜脂的流动性
膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的,脂肪酸链越短,
不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。
温度对膜脂的运动有明显的影
响。
在细菌和动物细胞中常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜
脂的相变温度以维持膜脂的流动性。
在动物细胞中，胆固醇对膜的
流动性起重要的双向调节作用。
膜蛋白的流动
荧光抗体免疫标记实验
成斑现象（patching）或成帽现象（capping）
膜的流动性受多种因素影响；细胞骨架不但影响膜蛋白的运动，
也影响其周围的膜脂的流动。
膜蛋白与膜脂分子的相互作用也是
影响膜流动性的重要因素
膜的不对称性
细胞质膜各部分的名称
膜脂与糖脂的不对称性
糖脂仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功能的结构基础
膜蛋白与糖蛋白的不对称性
膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都
具有明确的方向性；
糖蛋白糖残基均分布在质膜的ES面（GO+3HBH4labeling）；
膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上
有序的各种生理功能的保证。
二、膜脂——生物膜的基本组成成分
成分：
膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。
膜脂的４种热运动方式
脂质体（liposome）
膜脂成分
磷脂：
膜脂的基本成分（50％以上）
分为二类:
甘油磷脂和鞘磷脂
主要特征：
①具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链）
（心磷脂
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