第二章 细胞生物学分析.docx
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第二章细胞生物学分析
一、独立的生命单位
细胞是包含了全部生命信息和体现所有基本特点的独立的生命单位。
细胞包含3个体系：
●遗传信息的复制、维持和表达体系
●新陈代谢体系
●构成维持生命结构有序性体系，如细胞骨架系统
真核细胞是如何进化来的？
共生假说：
认为真核细胞是一种复合体,它是若干原核细胞与真核细胞祖先的胞质共生的结果
渐进式进化：
认为原核细胞到真核细胞是一种渐进、直接进化的过程。
根据分子分类研究结果，却认为真核细胞、原核细胞和古细菌细胞同属于由共同祖先平行进化而来的种类。
二、限制细胞大小的自然规律
●RelationshipBetweenCellsVolume（细胞体积）
一个生活细胞要维持正常的独立生活功能，最低限度需要容纳下为自身生存和繁殖所必须的足够的DNA、蛋白质分子以及其他内部结构的空间（最低限度需要500～1000种不同类型的酶和蛋白质）。
●CellSurfaceArea（表面积）
细胞必须有足够的表面积才能从环境中获得充足的营养和水分。
◆细胞维持体积的相对恒定
典型的原核细胞直径平均在1～10μm之间，而真核细胞的直径平均为3～30μm;
某些不同来源的细胞大小变化很大,如人的卵细胞直径只有0.1mm,而鸵鸟的卵细胞的直径则有5cm;
同类型细胞的体积一般是相近的,不依生物个体的大小而增大或缩小。
如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同;
器官的大小主要决定于细胞的数量,与细胞的数量成正比,而与细胞的大小无关,把这种现象为“细胞体积的守恒定律”。
细胞化学成分
水:
85%无机盐:
1.5%蛋白质:
10%脂质:
2%糖类:
0.4%DNA:
0.4%RNA:
0.7%
三、原核细胞
主要特点
1.遗传物质仅一个环状DNA
2.无核膜，有细胞壁
3.无细胞器,无细胞骨架
4.以无丝分裂或出芽繁殖
代表生物：
支原体、细菌、蓝藻
四、真核细胞
三大结构体系
生物膜系统质膜、内膜系统（细胞器）
遗传信息表达系统染色质（体）、核糖体、mRNA、tRNA等等
细胞骨架系统胞质骨架、核骨架
植物细胞特有的结构
●细胞壁（cellwall）
●叶绿体（chloroplast）
●大液泡（vacuole）
●胞间连丝（plasmodesmata）
（一）生物膜系统
●质膜（plasmamembrane）
●内质网（endoplasmicreticulum）
●高尔基体（Golgibody）
●溶酶体（lysosome）
●线粒体（mitochondria）
●叶绿体（chloroplast）
1.质膜
膜蛋白
●膜蛋白：
与磷脂双分子层结合，执行各种功能，分为：
●运输载体
●酶
●受体蛋白
●连接蛋白
流动镶嵌模型
糖萼
脂双层
蛋白质
流动镶嵌模型的特征
●不对称性膜蛋白分布不对称
●流动性膜蛋白的运动
●流动性膜脂的运动
膜脂的运动方式
2.内质网
内质网基本类型
●糙面内质网光面内质网
粗面内质网的功能
●合成蛋白质
分泌性蛋白质
膜蛋白
内质网、高尔基体、溶酶体中的蛋白质
●合成蛋白质的糖基化修饰
●合成蛋白质的折叠与装配
由于光面内质网与粗面内质网是相通的，因此前者合成的脂类和后者合成的蛋白质能够相遇而产生脂蛋白。
光面内质网的功能
●合成脂类
内质网的功能
●蛋白质的合成
●蛋白质的修饰
●新生多肽的折叠与组装
●脂质的合成
内质网的信号假说
●分泌蛋白的形成
●膜蛋白的形成（P49图2-21、2-22）
●新生肽链的折叠
参与新生肽链折叠的蛋白有两大类：
●分子伴侣（molecularchaperone）
①定义：
分子伴侣是指可以帮助内质网上合成的多肽转运、折叠与装配，而本身并不参与最终产物形成的一类蛋白质。
②分子伴侣的作用（p49）
IntegralProteins膜内在蛋白
PeripheralProteins膜周边蛋白
催化与折叠直接有关的化学反应的酶
①蛋白质二硫键异构酶
●存在部位：
在内质网管腔内含量极高
●作用：
该酶能催化形成二硫键，二硫键与新生肽的折叠密切相关，因此该酶对维系蛋白质分子空间结构的稳定性和功能发挥重要的作用。
催化与折叠直接有关的化学反应的酶
②肽基辅氨酸顺反异构酶
●存在部位：
在内质网管腔内含量极高
●作用：
该酶能催化辅氨酸的肽键由反式到顺式
有活性Pr的
空间结构中
该肽键应为
顺式
因此，分子伴侣和这两种酶
使肽链能够通过正确的折叠而
形成具有生理活性的空间结构。
3.高尔基体
形态结构功能
高尔基体的形态结构
高尔基体的功能
●蛋白质修饰与加工（糖基化等）
●蛋白质的分选
●蛋白质和脂质的运输
●蛋白质分泌等
4.溶酶体
●溶酶体（lysome）是胞质中一类包着多种水解酶（60多种）的小泡
溶酶体的类型
根据溶酶体处于完成其生理功能的不同阶段，大致可分为：
●初级溶酶体（primarylysosome）
●次级溶酶体（secondarylysosome）
●残余小体（residualbody）
溶酶体的功能
溶酶体的标志酶是酸性水解酶
●消化细胞内吞的食物，为细胞提供营养
●清除衰老的细胞器
●防御功能
例如：
1.两栖类发育过程中蝌蚪尾巴的退化
2.哺乳动物断奶后乳腺的退化性的变化等
内质网、高尔基体、溶酶体的功能衔接
内吞小泡→溶酶体➝质膜➝细胞核➝内质网➝运输小泡➝高尔基体➝分泌小泡
5.线粒体—能量转换器
●形态结构功能半自主性
线粒体的形态结构
线粒体的主要功能
线粒体是细胞进行氧化呼吸，产生能量的地方，在线粒体中进行的代谢途径主要有：
●三羧酸循环
●氧化磷酸化
●参与脂肪酸代谢
6.叶绿体—能量转换器
叶绿体基本结构
叶绿体的光合作用
光合作用绿色植物和光合细菌摄取太阳光，使二氧化碳固定成为有机物
光合作用是一切生命得以生存的基础
光合作用的光反应
光反应光合色素吸收、传递光能，并将光能转化成化学能，形成ATP的过程
●
（1）原初反应
●
（2）电子传递
●（3）光合磷酸化
光合作用的暗反应
暗反应利用光反应产生的ATP，使CO2还原并合成糖，分为三步
●
（1）CO2的固定
●
（2）还原反应
●（3）二磷酸核酮糖的再生
（二）遗传信息表达系统
核被膜染色质和染色体核仁核糖体
核被膜
●核外膜面向胞质，表面附有核糖体颗粒，与内质网相连
●核内膜面向核质，表面无核糖体颗粒，有核纤层的结合位点
●核孔复合体核膜上的选择性双向亲水通道
染色质与染色体
●染色质（chromatin）间期细胞内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构
●染色体（chromosome）细胞在分裂过程中，由染色质聚缩而成的棒状结构
染色质的分类
●常染色质低度折叠压缩的染色质，处于常染色质状态是基因转录的必要条件。
●异染色质压缩程度高,处于凝集状态，碱性染料染色时着色深的染色质.
染色质的基本结构单位—核小体
染色体
短臂着丝粒DNA长臂染色单体
中期染色体
中期染色体的两条姐妹染色单体以着丝粒相连。
由着丝粒在染色体上的位置可分为:
●中着丝粒染色体
●近中着丝粒染色体
●近端着丝粒染色体
●端着丝粒染色体
染色体DNA的关键序列
●复制起点确保染色体能够自我复制
●着丝粒使复制了的染色体能够平均分配到子细胞中
●端粒使DNA能够完成复制，保持染色体的独立性与稳定性
核糖体
核糖体是合成蛋白质的细胞器
主要成分——蛋白质RNA
功能按照mRNA的指令合成多肽链
（三）细胞骨架系统
●首要作用是维持细胞的一定形态
细胞质骨架：
微丝微管中间纤维
微丝
微丝是指真核细胞中由肌动蛋白单体组成的骨架纤维
微丝的装配
●微丝的装配肌动蛋白（G-actin）单体形成蛋白（F-actin）多聚体
●装配的条件
在含ATP和Ca2+及低浓度Na+、K+溶液中，F解聚成G。
在Mg2+和高浓度的Na+、K+中,G则装配成F。
●微丝马达蛋白——肌球蛋白（肌肉收缩）
微管的成分
微管由α、β微管蛋白亚基组成，二者形成二聚体，是微管装配的基本单位（P53）。
微管的形态
微管的自装配和去装配
自装配
r-微管蛋白首先聚合到微管组织（MTOC）上
异二聚体中的β-微管蛋白结合到r-微管蛋白上
微管
原纤维
β-微管蛋白GTP帽子的丢失就会使原纤维变为不稳定结构，导致微管逐渐破裂，最终原纤维就解聚为游离的微管蛋白二聚体
去
装
配
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微管马达蛋白
微管马达蛋白是指能使微管运动，或者使细胞质中颗粒沿着微管运输的一类蛋白质。
目前发现的微管马达蛋白有三类：
动蛋白
力蛋白
动力蛋白
他们是机械化学酶，或ATP酶，或GTP酶
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幻灯片72
微管运动示意图
由于微管的动态装配而带动小泡的运动
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幻灯片73
中间纤维
中间纤维具有组织特异性，且在不同发育时期有不同的中间纤维蛋白表达。
特
性
●角蛋白纤维
●波形纤维
●结蛋白纤维
●神经元纤维
●神经胶质纤维
分
类
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幻灯片74
中间纤维
装
配
每两条中间纤维蛋白多态链
双链超螺旋二聚体
中间纤维解聚
的最小亚单位
反向平行
半交叠
四聚体（原纤维）
八聚体
中间纤维（4个八聚体）
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幻灯片75
中间纤维
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五、纳米生物大分子复合体
1.概念
●在真核细胞中，由生物大分子构成的基本结构单位，其直径或厚度一般都稳定在5-20nm范围内，当它们装配成一级结构时，具有十分规整的几何图形。
这些纳米量级的基本结构单位，称为纳米生物大分子复合物。
●在物理学上把直径或长度在10nm以下视为微观
●把直径或长度在1000nm以上视为宏观
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幻灯片77
由于纳米生物大分子复合物基本介于微观和宏观之间，因而也就具有了特殊的量子力学和量子化学特点，如：
超级可塑性、具有滑动性、坚固性、稳定性以及自装配-去装配等特性。
●在纳米水平上进行的生物学研究，称为纳米生物学（nanobiology），它是介于细胞生物学和分子生物学之间的学科。
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六、细胞连接
（一）动物细胞间的连接
●紧密连接（tightjunctions）
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六、细胞连接
（一）动物细胞间的连接
●桥粒（desmomosomes）：
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幻灯片80
六、细胞连接
（一）动物细胞间的连接
●间隙连接（gapjunctions）
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六、细胞连接
（二）植物细胞间的连接
●胞间连丝（plasmodesmate）
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幻灯片82
六、细胞连接
（二）植物细胞间的连接
●胞间连丝（plasmodesmate）的功能
①可以使水和其他小分子物质，如营养成分和化学信使等从一个细胞进入另一个细胞；
②可以对其运输的物质进行调节；
③传递电刺激信号；
④控制细胞分化
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七癌细胞
肿瘤与癌（cancer）
癌细胞的基本特征
细胞生长与分裂失去控制，分化程度低
具有侵润性和扩散性：
良性肿瘤和恶性肿瘤
细胞间相互作用改变
蛋白表达谱系或蛋白活性改变
mRNA转录谱系的改变
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幻灯片84
癌转移与扩散
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癌症是由携带遗传信息的DNA的病理变化引起的疾病
与遗传病不同的是，癌症主要是体细胞DNA突变，而不是生殖细胞DNA突变
癌基因（oncogenes）是控制细胞生长和分裂的正常基因的一种突变形式，能引起正常细胞癌变
细胞正常增殖通过增殖相关基因和抑制增殖相关基因的协同作用；肿瘤细胞是这两类基因的突变导致增殖失控
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癌基因（oncogenes）：
v-oncandc-onc
Rous（1910）发现鸡的致癌RNA病毒
它携带Src基因（v-oncogene），该基因对病毒繁殖是不必要的，但当病毒感染鸡后可引起细胞癌变。
1976年病毒学家迈克尔·毕肖普（MichaelBishop）和他的博士后哈罗尔德·沃尔姆斯（HaroldVarmus）发现，
鸡的正常细胞基因组中也有一个与病毒Src基因同源性很高的基因，编码一种与细胞分裂调控相关的蛋白激酶。
它不具有致癌能力，被称为细胞原癌基因（proto-oncogene）,或C-oncogene。
（1989年的诺贝尔医学奖）
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抑癌基因（tumor-suppressorgene）Rb
抑癌基因（tumorsuppressorgene）
Harris（1968）:
癌细胞系与同组织正常细胞融合杂交细胞无恶性表型，也不致癌；随着染色体丢失则可能恢复致癌.
特点原癌基因抑癌基因
基因属性细胞增殖必需细胞分化必需
致癌方式基因突变激活、异常表达基因缺失或失活
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抑癌基因
原癌基因
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七癌细胞
肿瘤发生的遗传现象：
遗传型：
家族性、多发性、双侧性和早发性；
非遗传型：
散发性、单发性、单侧性和晚发性。
细胞癌变是多次基因突变的结果
癌症是典型的老年性疾病
癌症可以治疗
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全世界每年死于癌症人数500万！
人的一生细胞大约分裂1016次，基因碱基自然突变概率为10-6，
由此推断：
一生中人的基因组中每个基因都可能发生突变，然而，事实上人的癌症发病率并没有预想的那样高。
据统计，一个细胞转化需要3～7次单独的随机突变。
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七、细胞凋亡
（一）概念
1.细胞凋亡（apoptosis）
细胞凋亡是指细胞在一定的生理或病理条件下,受内在遗传机制的控制自动结束生命的过程。
2.细胞程序性死亡（programmedcelldeath,PCD）
细胞程序性死亡是指生物在发育过程中对一定生理刺激的反应性死亡,它需要一定基因表达。
凋亡是细胞死亡过程中一系列固定模式的形态变化的描述,PCD则侧重功能上的概念.
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七、细胞凋亡
（一）概念
3.细胞凋亡的意义
发生凋亡的细胞有在正常发育过程中多余的细胞、无用的细胞，或发育不正常细胞、有害细胞，或已完成使命衰老的细胞。
机体通过细胞凋亡以维持器官、组织的细胞数目相对平衡，保证个体正常发育和生长。
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七、细胞凋亡
（二）特征
细胞凋亡
细胞死亡
的形式
细胞坏死
1.细胞凋亡的特点
●①细胞的形态变化
●细胞质收缩,但细胞器无明显变化
●染色质固缩在核膜周边，并伴随染色质降解
●以出芽方式形成凋亡小体
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幻灯片94
七、细胞凋亡
凋亡小体
（二）特征
指细胞膜内陷将细胞分割成多个由膜包裹着内涵物（染色质碎块和部分细胞质）不外溢的小体,它可被吞噬细胞和邻周细胞识别、吞噬,或自然脱落而离开生物体.
②核酸内切酶被激活,染色质在H1处被切割成不同倍数的200bp的片段.
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凋亡小体
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细胞凋亡举例
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幻灯片97
七、细胞凋亡
（二）特征
2.细胞坏死
细胞坏死是指细胞受到严重的物理、化学因素刺激或严重的病理性刺激，所造成的细胞损伤或死亡。
在这个过程中，由于溶酶体等细胞器发生破裂，细胞内容物向内释放，引起炎症反应。
（有别于凋亡或PCD）
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幻灯片98
细胞凋亡和细胞坏死有明显区别:
细胞凋亡细胞坏死
细胞变圆,与周围细胞脱开细胞外形不规则变化
核染色质凝聚溶酶体破坏
细胞膜内陷细胞膜破裂
细胞分为一个个小体胞浆外溢
被周围细胞吞噬引起周围炎症反应
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幻灯片99
坏死细胞
凋亡细胞
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a正常T细胞杂b凋亡细胞；c凋亡细胞（透射电镜）
交瘤细胞；
幻灯片101
七、细胞凋亡
（三）凋亡相关基因
与凋亡或PCD相关的基因可分为两大类
生存基因:
维持细胞生存,但不促使细胞
数目增加
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幻灯片102
●课外科普读物
●温伯格著：
细胞叛逆者
●刘易斯·托马斯博士：
细胞生命的礼赞
●库克：
佛克曼：
无痛治癌不是梦
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细胞分裂
●无丝分裂
●有丝分裂
●减数分裂
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幻灯片104
有丝分裂周期
G0期：
休眠期
G1期：
DNA合成前期
S期：
DNA合成期
G2期:
DNA合成后期
M期：
有丝分裂期
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幻灯片105
有丝分裂（mitosis）
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幻灯片106
前期前中期中期后期末期胞质分裂期
●染色质开始浓缩，
●着丝粒处装配动粒，
●中心体周围微管大量装配
●核膜破裂，
●染色体进一步浓缩（X形），
●纺锤体装配，
●星体微管捕获染色体
●所有染色体排列到赤道板
●染色单体分离向两极运动，
●动粒微管变短，
●极性微管变长
●染色体到达两极并开始去浓缩
●动粒微管消失，
●极性微管继续增长，
●核膜重装配
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幻灯片108
有丝分裂
子细胞
前期
中期
后期
末期
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幻灯片109
减数分裂
前期I
中期I
后期I
末期I
子细胞
107
幻灯片110
减数分裂
前期II
中期II
后期II
末期II
子细胞
108
幻灯片111
细胞的有丝分裂（mitosis）与减数分裂（meiosis）
四分体
联会
幻灯片112
雌雄配子的发生
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