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医学细胞生物学复习资料

第一章细胞生物学概述

一、细胞生物学及其研究对象与目的

•细胞（cell）是有机体形态、结构和功能的基本单位。

•细胞生物学（cellbiology）是运用近代物理、化学技术和分子生物学方法，从不同层次研究细胞生命活动规律的学科。

（细胞整体——亚微结构——分子水平）

•研究的主要任务:

•以细胞作为生命活动的基本单位为出发点

•探索生命活动基本规律

•阐明生物生命活动的基本规律

•阐明细胞生命活动的结构基础

•研究内容:

•在不同层次（显微、亚显微与分子水平）上研究细胞结构与功能

•细胞核、染色体以及基因表达

•细胞骨架体系

•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

二、细胞生物学的发展历史

（一）细胞生物学发展的萌芽阶段

（从显微镜的发明到十九世纪初叶，开始了细胞学的研究）

•1665RobertHook——Cell概念

•1677Leeuwenhoek——观察到纤毛虫、人和哺乳动物的精子、细菌等。

（二）细胞学说的创立阶段

（从十九世纪初叶到十九世纪中叶，这一阶段创立了细胞学说）

•1838-1839Schleiden，Schwan——细胞学说

•1855Virchow——细胞只能来自细胞

（三）经典细胞学阶段

（从十九世纪中叶到二十世纪初叶，这一阶段细胞学有了蓬勃的发展）

•1841Remark——鸡胚血细胞直接分裂

•1861Schultze——原生质

•1880Flemming——无丝分裂

•1883VanBeneden；

•1886Strasburger——减数分裂

•1883VanBeneden，Boveri——中心体

•1898Benda——线粒体

•1898Golgi——高尔基复合体

（四）实验细胞学阶段

（从二十世纪初叶到二十世纪中叶）

•1902Boveri，Sutton——染色体遗传理论

•1909Harrison——组织培养

•1910Morgen——基因－染色体学说

•1924Feulgen——Feulgen染色测定DNA

•1933Ruska——电子显微镜

•1940Brachet——Unna染色测定RNA

•1943Cloude——高速离心提取细胞器

（五）细胞生物学阶段

（从二十世纪初叶到二十世纪中叶60年代～）

•1953Watson，Crick——DNA双螺旋模型

•1958Meselson，Matthaei——半保留复制

•1958Crick——中心法则

•1961Nirengerg，Matthaei——确定遗传密码

•1972Jackson，Symons——DNA体外重组

•1996英国苏格兰卢斯林研究所——“多利羊”诞生。

•1987——人类基因组计划

•2003——后基因组计划

三、细胞生物学与医学

•细胞是人体正常结构和功能的基本单位，也是病理发生的基本单位，细胞结构与功能的异常是疾病发生的基本原因或结构基础。

•细胞生物学实验技术运用到医学研究中，引起广大学者的普遍关注。

•细胞生物学与多门基础医学课程密切相关，也是临床医学有关学科的重要基础之一。

复习思考题

œ什么是细胞生物学？

它与医学科学的关系如何？

œ细胞生物学的历史发展对我们有什么启示？

第二章细胞生物学的研究技术和方法

第一节细胞形态结构研究技术

一、细胞的显微结构观察

•分辨率（resolution，R），即极限分辨率，指能够区分相近两点的最小距离。

•R光镜=0.2μm

•R人眼=0.07mm（70μm）

•R电镜=0.2nm

普通动物细胞d=10～20μm

最大的人类细胞人卵d=0.2mm

最小的细胞支原体d=0.1μm

•显微结构:

是指通过光学显微镜所观察到的细胞结构。

•光学显微镜是利用光线照明，将微小物体形成放大影像的仪器。

（一）普通光学显微镜

1、构成：

①照明系统

②光学放大系统

③机械装置

2、基本原理

利用颜色（光的波长）和亮度（光波的振幅）的差别，达到观察被检物的目的。

3、基本应用

主要用于染色标本的观察。

细胞内的许多结构选择性染色后都可被观察。

根据标本的不同及需观察目的物的不同常选用不同的显色方法。

（二）相差显微镜

•用途：

观察未经染色的标本和活细胞。

（三）暗视野显微镜

•用途：

主要是观察物体的轮廓形态及其变化，但看不清内部的微细结构，适合于观察活细胞内的细胞核、线粒体、液体介质中的细菌和真菌等。

（四）荧光显微镜

•运用：

成像反差强、检测灵敏度高

•定性、定位和定量的研究组织内荧光标记物质

•对活细胞内分子的动态变化进行实时观察

（五）共聚焦激光扫描显微镜

二、细胞的亚微结构观察

•细胞中直径小于0.2µm的结构统称为亚微结构。

•亚微结构需用电子显微镜进行观察。

•电子显微镜分辨率一般为0.2nm，最高达0.08nm。

（一）电子显微镜

1.透射电镜

•原理：

当电子束透射样品时，根据标本各部位密度的不同，部分电子发生散射，只有剩余电子成像，经物镜和投射镜等放大后投射到照相底片上或荧光屏上。

散射的电子不参加成像，故标本中密度大的部分成像后形成电子流量减少的暗区，相反，标本密度小的部位散射的电子少而形成明区。

•由于透射电镜的电子穿透力较弱，所以观察样品需特殊制备成超薄切片（其厚度一般为50-100nm）。

2.扫描电镜（scanningelectronmicroscope，SEM）

•分辨力一般在3nm，观察细胞等生物标本可得到富有真实立体感的三维结构图像。

•原理：

通过电子束照射在标本（标本表面喷涂上一层重金属微粒）后产生的二次电子成像，二次电子产生的多少与电子束在标本表面的投射角有关，即与样品的表面结构有关。

经标本表面所发射的二次电子由探测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。

图像为立体形象，反映了标本的表面结构。

•应用：

可直接观察标本表面的三维形态。

3.高压电子显微镜

•加速电压大于120kV的电镜称为高压电镜。

•加速电压超过500kV的高压电镜称为超高压电镜

（1）穿透力强，分辨力高，可观察10μm厚的样品。

不需进行超薄切片。

（2）景深大，厚样品在不同高度上的细节都能同时清楚成像在同一平面上。

（3）若加上特殊信号处理系统，可以得到细胞内部的三维精细结构图像。

第二节细胞分离和培养

•细胞的分离和培养是细胞生物学的基本研究技术。

一、不同类型细胞的分离

•将组织制备成游离的细胞悬液——通过破坏细胞外基质和细胞间连接来获得。

•遵守的基本原则：

•分离体系所用的溶液必须是等渗的，具有缓冲性的离子强度；

•分离体系保持低温，降低细胞的代谢活动；

•无菌操作；

•所用试剂、器皿必须灭菌。

（一）差速离心或密度梯度离心

1、差速离心

•原理：

根据细胞的大小不同进行细胞的分离

•方法：

从低速到高速逐级沉降

•分离对象：

体积、质量差别较大的颗粒

2、密度梯度离心

•原理：

分离的细胞组分放在已形成密度梯度的物质（如蔗糖）溶液的表面，在这种条件下进行离心，不同组分以不同的沉降速度沉降，形成不同的沉降带。

（二）流式细胞技术

•利用流式细胞仪从多细胞悬液中分离目的细胞。

•样品处理：

用带有荧光的特异抗

体标记待分离的细胞

•分离速度：

2万个细胞/S

•分离纯度：

>95%

二、细胞培养

•细胞培养：

是指细胞在体外的培养技术，即在无菌条件下，从机体中取出组织或细胞，模拟机体内正常生理状态下生存的基本条件，让它在培养器皿中继续生存、生长和繁殖的方法。

（一）细胞培养的条件

1、营养条件：

•培养基：

体外培养细胞要生存需要与其在体内生存基本相同的营养物质。

人工培养基（商品化）：

各种营养物质经过一定的搭配、组合，形成了适合各种体外培养细胞生长人工培养基。

常用：

PRMI-1640、DMEM等。

•血清：

提供生长因子和细胞所需物质的很好来源。

2、支持物：

培养瓶或培养皿

3、5%CO2：

多数细胞的最适PH值为7.2-7.4,生

存PH值为6-8

4、温度：

37℃。

5、无菌环境

（二）原代培养与传代培养

•原代培养：

直接从体内获取的组织或细胞进行的首次培养。

•传代培养：

当原代细胞经增殖达到一定密度后，将细胞分散，从一个培养器以一定比例移到另一个或几个容器中的扩大培养。

（三）细胞建系

•细胞系：

原代培养物经首次传代成功即称为细胞系，因此细胞系可泛指一般可能传代的细胞。

•有限细胞系：

不能连续培养的称为有限细胞系，大多数二倍体细胞为有限细胞系。

•无限细胞系：

能够连续传代的细胞叫做无限细胞系，通常来源于恶性肿瘤组织的细胞能够在体外无限繁殖、传代，称为无限细胞系。

•细胞系中有多种细胞混合存在。

•细胞株：

从一个经过生物学鉴定的细胞系用单细胞分离培养或通过筛选的方法，由单细胞增殖形成的细胞群，称细胞株。

（四）细胞融合

•细胞融合：

是指细胞彼此接触时，两个或两个以上的细胞合并形成一个细胞的现象。

①自然融合

②人工诱导融合

诱导方法：

生物法——灭活的仙台病毒

化学法——聚乙二醇PEG

物理法——电融合

同核体、异核体

•细胞融合时，首先形成双核或多核的异核体，通过有丝分裂，形成杂交细胞（hybridcell）。

•应用：

①膜蛋白流动性

②单克隆抗体制备

B淋巴细胞+小鼠骨髓瘤细胞=杂交细胞（细胞融合）

——具B分泌抗体功能，具瘤细胞无限增殖能力

——不断从上清中获得mAb。

第三章细胞的分子基础

1．原生质：

细胞中的生命物质，由细胞质（包括质膜）和细胞核组成。

2．元素组成

•主要元素：

C.H.O.N4种

•少量元素：

S.P.Na.K.Ca.Cl.Mg.Fe8种

•微量元素：

Cu.Zn.Mn.Co.I.Br.F.Si.Sr.Ba10种

3．分子组成

•无机化合物：

水、无机盐

•有机化合物：

糖、脂、维生素、蛋白质（酶）、核酸。

第一节细胞的小分子物质

一、水

•水是细胞内最重要的无机小分子，占细胞总重量的70%。

•大多数代谢过程都需要水参与。

二、无机盐

•占细胞总重量的19%左右，以离子形式存在。

•维持细胞内的渗透压和酸碱平衡。

•作为酶的辅助因子。

三、有机小分子

•是细胞代谢过程中的中间产物，也是构成生物大分子的基本单位。

•主要包括：

单糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸。

•单糖

•脂肪酸功能：

1、构成细胞膜的主要成分。

2、能量

•氨基酸功能：

组成蛋白质的基本结构单位。

•核苷酸

第二节细胞的大分子物质

一、蛋白质

•构成细胞的主要成分，是各种生命物质的主要结构基础。

•基本结构单位：

氨基酸

•基本化学键：

肽键

•氨基酸：

•组成蛋白质的氨基酸有20种，主要以侧链（R）区别----蛋白质特异性和多样性。

•氨基酸通过肽键相连形成多肽链。

（一）蛋白质的分子结构

1.蛋白质的一级结构

•组成蛋白质多肽链的氨基酸的种类、数量和排列顺序。

•是蛋白质的基本结构和功能基础。

•主键：

肽键，少量二硫键

2.蛋白质的二级结构

•在一级结构基础上，肽链上相邻近氨基酸残基间主要靠氢键维系的有规律、

重复有序的空间结构。

•有三种类型：

α螺旋（右手螺旋），β折叠，三股螺旋。

（1）α螺旋肽链以右手螺旋盘绕而成的空心筒状构象

（2）β折叠一条肽链自身回折而成的平行排列构象

（3）三股螺旋是胶原蛋白特有的结构，是动物重要的纤维蛋白

3.蛋白质的三级结构

4.蛋白质的四级结构（血红蛋白四级结构）

注意：

•并非所有蛋白质都有四级结构；

•蛋白质必须在三级结构基础上才能表现出生物活性。

（二）蛋白质的功能

二、核酸

•细胞内贮存和传递遗传信息的生物大分子物质。

•基本结构单位：

核苷酸

•基本化学键：

3’，5’——磷酸二酯键

1．脱氧核糖核酸（DNA）

2．核糖核酸（RNA）：

信使RNA（mRNA）

转运RNA（tRNA）

核糖体RNA（rRNA）

（一）DNA

1.DNA的结构：

1953年Watson和Crick提出B-DNA分子的双螺旋结构模型。

2.DNA的功能

•携带和传递遗传信息。

•核酶（ribozyme）

•具有酶活性的RNA分子。

•功能：

核酶的底物是RNA分子，它们通过与序列特异性的靶RNA分子配对而发挥作用。

DNA和RNA的比较

DNA

RNA

戊糖

脱氧核糖

核糖

碱基

A、G、C、T

A、G、C、U

磷酸

相

同

结构

双螺旋

单链或假双链

分布

细胞核为主

细胞质为主

功能

储存遗传信息

传递和调控遗传信息

第四章细胞的基本结构

第二节细胞结构的一般特征

一、细胞的基本共性

•所有细胞表面都有脂质双分子层与镶嵌蛋白构成的生物膜。

•所有细胞都具有DNA和RNA两种核酸，作为遗传信息储存、复制与转录的载体。

•所有细胞都有核糖体。

•所有细胞都是以一分为二的方式进行分裂增殖的。

二、细胞的大小、形态和数目（自学）

四、细胞的一般结构

•亚微结构（电镜）：

膜相结构

非膜相结构

•膜相结构：

由单位膜参加形成的所有结构。

包括：

一网两膜四体

•意义：

区域化作用

•非膜相结构

•单位膜：

电镜下观察，膜相结构的膜由两侧致密深色带（各2nm）和中间一层疏松浅色带（3.5nm）构成，把这三层结构形式作为一个单位，称为单位膜。

第三节原核细胞和真核细胞

原核细胞与真核细胞的比较

特征

原核细胞

真核细胞

细胞大小

较小，1μm～10μm

较大，10μm～100μm

细胞核（根本区别）

无核膜、核仁（拟核）

有核膜、核仁（真核）

DNA

环状双链，不与组蛋白结合

线状双链，与组蛋白结合成染色质

细胞壁

不含纤维素、主要由肽聚糖组成

不含肽聚糖，主要由纤维素组成

细胞器

无（除核糖体外）

有

核糖体

70S

80S

内膜系统

无

复杂

细胞骨架

无

有

转录与翻译

转录与翻译同时进行

转录在核内，翻译在胞质中进行

细胞分裂

无丝分裂

有丝分裂，减数分裂

第五章细胞膜的分子结构和特性

几个重要的概念：

•单位膜（unitmembrane）

•细胞膜：

构成细胞外层界膜的单位膜，又称质膜。

•细胞内膜：

核膜和构成各种细胞器的膜。

•生物膜：

细胞膜和细胞内膜统称为生物膜。

第一节膜的化学组成

概述：

•主要由蛋白质、脂类和糖类组成，此外还有水、无机盐和金属离子等。

•功能越复杂的膜其蛋白质所占的比例越大，反之则小。

一、膜脂（MembraneLipids）

•细胞膜上的脂类，是细胞的基本组成成分，形成膜的基本骨架。

•Therearethreemajorclassesoflipids:

•磷脂、胆固醇和糖脂

•磷脂为主

（一）磷脂（phospholipid）

•包括：

磷酸甘油酯——最简单的磷酸甘油脂是磷脂酸、鞘磷脂

磷脂酸：

磷酸+甘油+脂肪酸

鞘磷脂：

脂肪酸+鞘氨醇+胆碱

（二）胆固醇（cholesterol）

•Cholesterolisonlyfoundinanimals.

•极性羟基－固醇环－非极性脂肪酸链

•胆固醇与磷脂的碳氢链相互作用，可阻止磷脂凝集成晶体结构，对膜脂的物理状态具有调节作用。

（三）糖脂（Glycolipids）

•为含一个或几个糖基的脂类。

•大约占外层脂类分子的5%左右。

•脂的特点：

（头部——亲水尾部——疏水）

均含有极性基团和非极性基团，形成亲水头部和疏水尾部，称为双亲媒性分子或兼性分子。

•脂在水环境中存在的三种形式：

单分子团、双分子层、脂质体

二、膜蛋白（Membraneproteins）

•细胞膜最重要组成。

•功能越复杂的膜蛋白质所占的比例越大，反之则小。

•分类：

•膜内在蛋白质：

又称镶嵌蛋白，具有受体、载体、酶的作用；

•膜周边蛋白质：

又称周围蛋白，具有支架、收缩、调节作用。

•膜内在蛋白和膜周边蛋白比较

名称

含量

分布

解离方法

功能

膜内在蛋白

70%~80%

镶嵌于膜脂双分子层中

去垢剂

受体、载体、酶等作用

膜周边蛋白

20%~30%

主要分布于膜内侧

改变溶液的离子强度或PH值及加入金属螯合剂等

起细胞支架、收缩、调节等作用

三、膜糖类

•糖蛋白（glycoprotein）•糖脂（glycolipid）•构成细胞外被。

•细胞外被（cellcoat）P82（第六章）

•细胞外被又称糖萼，伸展于质膜的外表面，是质膜中糖蛋白和糖脂向外表面延伸出的寡糖链部分。

•作用：

保护；细胞物质运输；决定细胞识别、形态形成和分化时选择性。

•细胞表面（cellsurface）P82（第六章）

•包围在细胞质外层的一个复合结构体系和多功能体系，是细胞与外环境物质相互作用，并产生各种复杂功能的部位。

包括细胞膜、细胞外被和胞质溶胶。

•胞质溶胶（cytosol）P83

•质膜下方的一层厚0.01～0.02μm的较黏滞无结构的液体物质。

•维持细胞的极性和形态，调节膜蛋白的分布和运动。

•细胞膜的基本骨架:

•膜脂生物膜基本骨架

磷脂

胆固醇

糖脂

•膜蛋白多种方式与脂双层结合

膜内在蛋白（镶嵌蛋白）

膜外在蛋白（周边蛋白）

•膜糖质膜外表面

与脂类结合-糖脂

与蛋白结合-糖蛋白

第二节膜的分子结构

液态镶嵌模型:

（S.J.SingerandG.Nicolson（1972））

脂双层构成膜的连贯主体，它具有晶体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。

膜中蛋白质分子以不同形式与脂双分子层结合。

强调了膜的流动性和膜蛋白的不对称性。

•该模型优点：

强调了膜的流动性以及球形蛋白质与脂双分子层的镶嵌关系，可以解释许多膜中所发生的现象。

•该模型缺点：

没有说明具有流动性的细胞膜在变化过程中怎样保持膜的相对完整性和稳定性。

•“晶格镶嵌模型”和“板块镶嵌模型”对其补充。

第三节膜的特性

一、膜的不对称性（asymmetry）

•膜蛋白分布的不对称性

•膜脂分布的不对称性 

二、膜的流动性（fluidity）

（一）膜脂的流动性（Fluidityofmembranelipid）

1、膜脂双分子层是二维流体

•生理条件下，膜脂既有固体分子排列的有序性，又具有液体的流动性，是居于晶态和液态之间的液晶态。

•温度的改变可以在液晶态和晶态之间转换，这种膜脂状态的改变称为相变。

发生相变的临界温度称为膜的相变温度。

2、膜脂分子的运动

（二）膜蛋白的运动性（motilityofmembraneprotein）

（1）侧向扩散：

膜蛋白在膜脂中可以自由漂浮和在膜表面扩散

（2）旋转运动：

膜蛋白能围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动

（三）影响膜流动性的因素（effectfactorsofmembranefluidity）

•脂双层中的不饱和脂肪酸越多，膜脂流动性越大。

•脂肪酸链越短，膜脂流动性越大。

•胆固醇与磷脂比值：

相变温度以上，胆固醇含量增加，增加膜脂的有序性；

相变温度以下，胆固醇含量增加，防止脂肪酸链相互凝聚，干扰晶态的形成。

•卵磷脂/鞘磷脂：

比值越大，膜脂流动性越大

•脂双层中嵌入的蛋白质越多，膜脂流动性越小

•膜脂中的极性基团、环境温度、PH值、离子强度及金属离子等均对膜脂的流动性产生一定的影响。

小结:

•细胞膜的化学组成

•细胞膜的液态镶嵌模型

•细胞膜的特性（不对称性和流动性）

第七章细胞膜与物质转运

概述：

•与细胞膜有关的物质运输活动包括两类：

•穿膜运输：

小分子和离子

•膜泡运输：

大分子和颗粒物质

第一节穿膜运输

•穿膜运输是小分子物质和离子穿过细胞膜的运输方式。

•膜的选择性通透

•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

•根据是否消耗细胞代谢能，穿膜运输可分为：

•被动运输

•主动运输

一、被动运输

•指物质从浓度高的一侧，穿过膜运输到浓度低的一侧，即顺浓度梯度穿膜扩散，不消耗细胞代谢能的运输方式。

•依据是否需要膜运输蛋白的协助，可分为：

•简单扩散

•离子通道扩散

•易化扩散

（一）简单扩散

•指不需要消耗细胞代谢能，不依靠膜运输蛋白，顺浓度梯度运输小分子物质的运输方式。

•特点：

•顺浓度梯度运输

•不消耗细胞的代谢能

•不依靠膜运输蛋白（直接穿过膜的脂双层）

•条件：

•溶质在膜两侧保持一定的浓度差

•溶质能透过膜（脂溶性小分子）

•决定扩散速度的因素：

•浓度梯度；

•通过物质的分子大小；

•通过物质在脂质中的相对溶解度。

•以简单扩散的方式通过的物质包括：

一些脂溶性物质，如：

苯、乙醚、氯仿、甾类激素等。

不带电荷的极性小分子物质，如：

H2O、CO2、N2、尿素等。

（二）离子通道扩散

•Na＋、K＋、Ca2+等极性很强的水化离子，借助膜上的离子通道由高浓度一侧向低浓度一侧扩散。

•离子通道为膜上的跨膜蛋白。

包括三类：

•电压闸门通道

•配体闸门通道

•机械闸门通道

1.电压闸门通道

•这类通道依据细胞内外带电离子的状态，主要是通过膜电位的变化使其构型发生改变，从而将"门"打开。

2.配体门通道

•这类通道在细胞内外的特定配体与其表面受体结合时，引起门通道蛋白发生构象变化，结果使“门”打开。

3.机械闸门通道

•这类通道在细胞内外的机械压力发生改变时，引起门通道蛋白发生构象变化，结果使“门”打开。

•离子通道蛋白介导的离子转运的主要特征：

•转运速度很快；

•高度的选择性；

•都是被动运输。

（三）易化扩散

•一些非脂溶性的物质，需要借助细胞膜上的载体蛋白顺浓度梯度的物质运输方式。

•特点：

•顺浓度梯度运输

•不消耗细胞的代谢能

•依靠膜载体蛋白协助

•通过物质：

非脂溶性物质或亲水性物质：

葡萄糖、氨基酸、核苷酸、金属离子以及细胞代谢物等。

•过程：

例：

葡萄糖载体蛋白介导红细膜上葡萄糖的被动转运。

•载体蛋白介导的协助扩散具有以下主要特征:

•高度特异性•饱和现象•可抑制性

•决定因素：

载体蛋白的饱和状态。

二、主动运输

•通过消耗细胞代谢能，将物质从低浓度一侧向高浓度一侧运输，即逆浓度梯度运输的过程叫主动运输。

•特点：

逆浓度梯度或电化学梯度运输、要消耗细胞的代谢能、需运输蛋白的帮助。

•影响因素：

细胞代谢状态。

•分类：

•离子泵——由ATP直接提供能量；

•伴随运输——由ATP间接提供能量。

（一）离子泵

•离子泵：

是膜上的一种能将离子逆浓度梯度转运的载体蛋白，实质是一种ATP酶。

•离子泵具有载体和酶的两重作用。

•种类：

•钠钾泵•钙泵（Ca2+-ATP酶）•质子泵：

H+-ATP酶

•以Na+—K+泵（Na+—K+pump）为例说明离子泵的作用机制。

①组