翟中和细胞生物学笔记全整理打印版.docx
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翟中和细胞生物学笔记全整理打印版
第一章绪论
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内容。
核心问题是将遗传与发育在细胞水平上结合起来。
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。
“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。
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
•细胞生物学的主要内容：
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.
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、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位
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内。
所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。
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内实现。
病毒与细胞在起源上的关系，目前存在3种观
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；细胞内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
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。
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
（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内含子。
（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
•细胞生物学的主要内容：
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
细胞内核酸、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
细胞内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）
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：
扫描的压电陶瓷，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张力问题
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、细胞内核酸、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；胞内酶的研究；膜蛋白的定位与骨架蛋白的定位等
四、细胞内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，对细胞内生物大分子进行定性、定位与半定量研究；
实现对细胞内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）
利用细胞内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）在细胞内的含量。
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。
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）。
细胞内膜（intracellularmembrane）;生物膜（biomembrane）
一、胞质膜的结构模型
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）（心磷脂除外）；②脂肪酸碳链碳原子为偶数,多数碳链由16,18或20个组成；③饱和脂肪酸（如软脂酸）及不饱和脂肪酸（如油酸）；
糖脂：
糖脂普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（5％以下）,神经细胞糖脂含量较高；
胆固醇：
胆固醇存在于真核细胞膜上（30%以下），细菌质膜不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂类。
运动方式
沿膜平面的侧向运动（基本运动方式）,其扩散系数为10-8cm2/s；
脂分子围绕轴心的自旋运动；
脂分子尾部的摆动；
双层脂分子之间的翻转运动，发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10－10。
但在内质网膜上,新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高。
脂质体（liposome）脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。
脂质体的类型。
脂质体的应用
脂质体的应用
研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；
脂质体中裹入DNA可用于基因转移；
在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体
三、膜蛋白
基本类型
内在膜蛋白与膜脂结合的方式
外在膜蛋白与膜脂结合的方式
去垢剂（detergent）
外在（外周）膜蛋白（extrinsic/peripheralmembraneproteins）；
水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜内表面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离。
内在（整合）膜蛋白（intrinsic/integralmembraneproteins）。
水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。
脂质锚定蛋白（lipid-anchoredproteins）
通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。
膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。
跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。
某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结
合脂肪酸分子,插入脂双层之间,进一步加强膜蛋白与脂
双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。
去垢剂是一端亲水、另一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。
离子型去垢剂（SDS）和非离子型去垢剂（TritonX-100）
四、确定膜蛋白方向的实验程序
胰酶消化法
同位素标记法
五、光脱色恢复技术（fluorescencerecoveryafterphotobleaching,FRAP）
研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。
程序：
根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。
膜的流动性：
生物膜的基本特征之一,
细胞进行生命活动的必要条件。
膜的不对称性
膜的分相现象。
七、细胞质膜的功能
为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境;
选择性的物质运输,包括代谢底物的输入与代谢
产物的排除,其中伴随着能量的传递;
提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递;
为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行;
介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接;
质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。
八、膜骨架与细胞表面的特化结构
细胞质膜常常与膜下结构（主要是细胞骨架系统）相互联系,协同作用,并形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。
膜骨架：
指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构,它参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。
红细胞的生物学特性
膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度。
一、细胞连接的功能分类
1封闭连接
紧密连接是封闭连接的主要形式，存在于上皮细胞之间
紧密连接的功能
形成渗漏屏障，起重要的封闭作用；
隔离作用，使游离端与基底面质膜上的膜蛋白行使各自不同的膜功能；
支持功能
紧密连接嵴线中的两类蛋白：
封闭蛋白（occludin），跨膜四次的膜蛋白（60KD）；
claudin蛋白家族（现已发现15种以上）
2锚定连接
锚定连接在组织内分布很广泛,在上皮组织,心肌和子宫颈等组织中含量尤为丰富
锚定连接的类型、结构与功能
与中间纤维相连的锚定连接
桥粒:
铆接相邻细胞，提供细胞内中间纤维的锚定位点，形成整体网络，起支持和抵抗外界压力与张力的作用。
半桥粒:
半桥粒与桥粒形态类似,但功能和化学组成不同。
它通过细胞质膜上的膜蛋白整合素将上皮细胞固着在基底膜上,在半桥粒中，中间纤维不是穿过而是终止于半桥粒的致密斑内。
与肌动蛋白纤维相连的锚定连接
粘合带：
粘着斑:
细胞通过肌动蛋白纤维和整连蛋白与细胞外基质之间的连接方式。
锚定连接的结构组成
●通过锚定连接将相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连形成一个坚挺、有序的细胞群体。
锚定连接具有两种不同形式:
与中间纤维相连的锚定连接主要包括桥粒和半桥粒；
与肌动蛋白纤维相连的锚定连接主要包括粘合带与粘合斑。
●构成锚定连接的蛋白可分成两类:
细胞内附着蛋白（attachmentproteins）,将特定的细胞骨架成分（中间纤维或微丝）同连接复合体结合在一起（desmoplakin）
跨膜连接的糖蛋白,其细胞内的部分与附着蛋白相连,细胞外的部分与相邻细胞的跨膜连接糖蛋白相互作用或与胞外基质相互作用。
（desmoglein,desmocollin）
3通讯连接
间隙连接：
分布广泛，几乎所有的动物组织中都存在间隙连接。
神经细胞间的化学突触
存在于可兴奋细胞之间的细胞连接方式,它通过释放神经递质来传导神经冲动。
胞间连丝：
高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接,完成细胞间的通讯联络。
胞间连丝结构
胞间连丝的功能
间隙连接
间隙连接结构
间隙连接的蛋白成分
间隙连接的功能及其调节机制
间隙连接的通透性是可以调节的
间隙连接结构
间隙连接处相邻细胞质膜间的间隙为2～3nm。
连接子（connexon）是间隙连接的基本单位。
每个连接子由6个connexin分子组成。
连接子中心形成一个直径约1.5nm的孔道。
连接单位由两个连接子对接构成。
间隙连接的蛋白成分
已分离20余种构成连接子的蛋白,属同一蛋白家族,其分子量26—60KD不等；
连接子蛋白具有4个α-螺旋的跨膜区，是该蛋白家族最保守的区域。
连接子蛋白的一级结构都比较保守,并有相似的抗原性。
不同类型细胞表达不同的连接子蛋白，间隙连接的孔径与调控机制有所不同。
间隙连接的功能及其调节机制
间隙连接在代谢偶联中的作用
间隙连接允许小分子代谢物和信号分子通过,是细胞间代谢偶联的基础
代谢偶联现象在体外培养细胞中的证实
代谢偶联作用在协调细胞群体的生物学功能方面起重要作用.
间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用
电突触（electronicjunction）快速实现细胞间信号通讯
间隙连接调节和修饰相互独立的神经元群的行为
间隙连接在早期胚胎发育和细胞分化过程中的作用
胚胎发育中细胞间的偶联提供信号物质的通路,从而为某一特定细胞提供它的“位置信息”，并根据其位置影响其分化。
肿瘤细胞之间间隙的连接明显减少或消失，间隙联接类似“肿瘤抑制因子”。
间隙连接的通透性是可以调节的
降低胞质中的pH值和提高自由Ca2+的浓度都可以使其通透性降低
间隙连接的通透性受两侧电压梯度的调
控及细胞外化学信号的调控
胞间连丝
胞间连丝结构
相邻细胞质膜共同构成的直径20-40nm的管状结构
胞间连丝的功能
实现细胞间由信号介导的物质有择性的转运；
实现细胞间的电传导；
在发育过程中，胞间连丝结构的改变可以调节
植物细胞间的物质运输。
五、细胞表面的粘连分子
同种类型细胞间的彼此粘连是许多组织结构的基本特征。
细胞与细胞间的粘连是由特定的细胞粘连分子所介导的。
粘连分子的特征与类型
粘连分子均为整合膜蛋白，在胞内与细胞骨架成分相连；
多数要依赖Ca2+或Mg2+才起作用。
粘连分子类型及细胞间粘着方式
类型
钙粘素（Cadherins）
选择素（Selectin）
免疫球蛋白超家族的CAM（Ig-Superfamily，IgSF）
整合素（Integrins）
质膜整合蛋白聚糖也介导细胞间的粘着。
Cadherins：
属同亲性依赖Ca2+的细胞粘连糖蛋白，介导依赖Ca2+的细胞粘着和从ECM到细胞质传递信号。
对胚胎发育中的细胞识别、迁移和组织分化以及成体组织器官构成具有主要作用。
（30多个成员的糖蛋白家族）
E-Cadherins（epithelial）,
N-Cadherins（neural），
P-Cadherins（placental），
桥粒钙粘素。
Selectin：
属异亲性依赖于Ca2+的能与特异糖基识
别并相结合的糖蛋白，其胞外部分具有凝
集素样结构域（lectin-likedomain）。
主要参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘着。
P（Platelet）选择素、E（Endothelial）选择素和L（Leukocyte）选择素。
Ig-Superfamily，IgSF：
分子结构中具有与免疫球蛋白类似的结构域的CAM超家族。
介导同亲性细胞粘着或介导异亲性细胞粘着,但其粘着作用不依赖Ca
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