细胞及分子生物学.docx

1、细胞及分子生物学细胞及分子生物学 总学时： 54 +18 =72 实验6次 共讲课16周，中间1周期中考试，最后1周期末复习第一部分 绪论 1 细胞生物学的研究对象 2 主要研究内容 3 该学科的发展简史 4 该学科的主要 特点 5 主要研究方法 6 生命进化的几种形式 7 真核细胞与原核细胞的主要区别 8 真核细胞的主要结构体系1.1 细胞生物学的主要研究对象 细胞 生命活动规律 细胞内基因组的表达 基因表达的产物如何装配成基本的结构体系及各种细胞器 基因表达产物如何调节细胞的生命活动 1.2 主要研究内容 结构 质膜、内膜系统、细胞核、细胞骨架 功能 物质运输、信号传递 蛋白质分选和运输

2、细胞周期，细胞分化，细胞衰亡1.3 细胞生物学的发展简史 细胞的发现 1665年胡克 细胞学说的建立 1838-1839 施旺和施莱登 细胞生物学的经典时期 19世纪后25年 细胞器的发现，细胞分裂现象，原生质理论 实验细胞学阶段 细胞遗传学，细胞生理，细胞生化 细胞超微结构学的发展 分子生物学的发展 分子细胞生物学：分子、细胞、细胞超微结构水平 1.4 该学科的主要特点 与人类的生命活动关系密切 实验性的科学 不断发展的学科, 当今生命科学发展的基础和瓶颈1.5主要研究方法（一） 细胞形态结构的观察 显微镜 电子显微镜 细胞组分分析方法 离心技术 细胞器、亚细胞结构等 显色技术 DNA、RN

3、A、多糖等 细胞内特异蛋白的定位与定性 免疫荧光、免疫电镜、免疫印迹等技术 细胞内核酸的定位与定性 原位杂交、SOUTHERN杂交，NORTHERN杂交1.5 主要研究方法（二） 同位素技术的应用 生物大分子在细胞内的合成动态 各种杂交技术上 定量细胞化学分析技术 显微分光光度测定技术 流式细胞仪 细胞工程的有关技术 细胞培养、细胞融合、单克隆抗体技术、细胞拆合、显微操作技术、繁殖生物学技术等1.6 生命进化的几个阶段 非细胞形态 病毒 生物大分子-细胞-病毒 原核生物 真细菌 细菌 蓝藻 古核生物 古细菌(生长在极端特殊环境中的细菌） 如：产甲烷的细菌类、硫氧化菌、盐生菌等 真核生物 单细胞

4、 酵母 多细胞生物 高等动植物细胞的基本知识 细胞膜 遗传信息载体DNA与RNA 核糖体 酶 支原体可能是最小、最简单的细胞1.8 真核细胞的基本结构体系 生物膜系统 遗传信息表达结构系统 细胞骨架系统第二部分质膜及细胞表面 细胞膜概述 结构模型 组成组分及主要特点 细胞表面的特化结构 细胞连接 细胞外被及细胞外基质 物质运输 信号传递 总结质膜的功能1. 细胞膜的概述 位于细胞最外层的由脂质和蛋白质组成的生物膜 是最重要的细胞器之一 与细胞基本的生命活动有关 进化上 质膜的形成是非细胞生命与细胞生命的一个重要分界点 细胞内膜系统的发展是细胞生物由低级到高级发展的反映2.质膜(plasma m

5、embrane)的结构模型 红细胞在质膜研究中的作用 蛋白质脂类蛋白质的三明治式 Davson Danielli 1925 单位膜模型 1959 Robertson图2-2、2-3 流动镶嵌模型 1972 Singer Nicolson 极性头部和非极性尾部的磷脂双分子层 蛋白质分子 镶嵌 脂双分子层或结合在其表面 细胞膜是一个相对稳定的动态结构3. 质膜的组成组分 膜脂 磷脂 50% 1个极性头部和两个非极性尾; 脂肪酸链多为偶数; 还具有不饱和脂肪酸 糖脂 5% 如:决定红细胞的ABO血型物质 胆固醇 1/3 调节流动性,增加稳定性 特点：流动性( 温度, 脂肪酸链的长短和饱和程度 )不对

6、称性(同一膜脂分子在脂双分子层中分布不均匀,糖脂更是如此) 膜蛋白 内在膜蛋白，外在膜蛋白 主要区别 特点：流动性(patching, capping)，不对称性(分布不对称,有方向性)膜蛋白以不同方式镶嵌在脂双分子层中, 分布也具有不对称性膜蛋白的流动性 成斑现象光脱色恢复技术研究膜脂与膜蛋白流动性的基本技术研究膜常用的试剂或方法 去垢剂(detergent) 离子型去垢剂 SDS 作用剧烈,易使蛋白变性 非离子型去垢剂 TritonX-100 作用温和,可得到有生物活性的膜蛋白 脂质体(liposome) 根据磷脂分子在水相中形成稳定的脂双层膜的特性制备人工膜. 应用: 研究膜脂与膜蛋白及

7、其生物学性质的实验材料 用于基因转移 用于诊断和临床治疗4. 细胞表面的特化结构 膜骨架 鞭毛，纤毛 微绒毛 细胞的变形足 放在细胞骨架一章讲5. 细胞外被与细胞外基质 细胞外被 cell coat 或glycocalyx 质膜外表面 粘多糖物质，与质膜中的蛋白质和脂类以共价键相连，形成糖蛋白和糖脂，是组成细胞质膜的正常结构组分 功能：保护膜蛋白，参与细胞识别 细胞外基质 extracellular matrix 特点：细胞外空间，分泌蛋白和多糖，网络结构 功能：抗张力，弹力，支持，提供信号，参与形态建成等 类型：胶原、氨基聚糖、蛋白聚糖、粘连蛋白、弹性蛋白、细胞粘连分子等、植物细胞壁6. 细

8、胞连接 细胞连接：多细胞有机体中相邻细胞之间通过细胞质膜相互联系，协同作用的组织方式。 类型： 封闭连接-紧密连接 锚定连接 桥粒和半桥粒 - 与中间纤维相关的 粘合带（中间连接）和粘合斑 - 与肌动蛋白纤维相关的 通讯连接 间隙连接 化学突触 胞间连丝-PLANT封闭连接（图略）桥粒和半桥粒（图略）粘着带与粘着斑（图略）间隙连接（图略）7. 物质的跨膜运输 7.1 小分子物质的运输 被动运输简单扩散、协助扩散 主动运输由直接提供能量、间接提供能量和光能驱动的主动运输等 7.2 大分子颗粒的运输 胞吐作用组成型、可调节型 胞吞作用胞饮作用、吞噬作用 受体介导的内吞、非特异性的内吞 跨细胞运输（

9、图略）主动运输 （ATP直接提供能量）（图略）协同运输（ATP间接提供能量）（图略）7.2 大分子颗粒的运输胞吐作用 胞吞作用7.2.1 胞吐作用（图略）分组成型和可调节型两种类型7.2.2 胞吞作用 根据胞吞泡的大小: 胞饮作用 小于150nm 连续发生 网格蛋白 吞噬作用 大于250nm 信号触发 微丝及结合蛋白 根据胞吞物质的专一性: 非特异性的胞吞作用 受体介导的特异性的胞吞作用受体介导的胞吞作用 被转运的物质与膜上的受体特异性结合 有被小窝内化，凹陷，从膜上脱落下来，形成包被小泡（需要网格蛋白，接合素等蛋白质的帮助） 去包被，与其他内吞泡融合 pH降低，配基与受体分离，受体返回，重复

10、利用；转运物质通过水解释放出来，供细胞利用。（图略）网格蛋白的结构特点 结合素与受体的特异性结合转运囊泡膜与靶膜的融合 图5-148. 信号跨膜传递 8.1 信号 8.2 细胞识别 8.3 胞间通讯的方式(8.3.1)及过程(8.3.2) 8.3.2.1 信号分子的合成及释放 8.3.2.2 受体 类型，特点 8.3.2.3 c信号通路 8.3.2.4 肌醇磷脂信号通路 8.4 蛋白质磷酸化 8.5 不同信号体系之间的相互作用8.1 信号 信号: 信息的物质体现形式及物理过程 类型: 8.1.1 生物大分子的结构信号 蛋白质( 形状，构象；氨基酸序列决定的） 多糖，糖蛋白及糖脂类 （糖萼，细胞

11、识别） 核酸 （遗传信息，可进行简单的分子识别） 8.1.2 物理信号 8.1.3 化学信号8.1.2 物理信号 电信号：指细胞静息电位改变时所引起动作电位的定向传播，在外界刺激-细胞反应偶联中起关键作用。 静息电位：在静息状态下，由质膜上相对稳定的离子跨膜运输或离子流形成的膜电位。 内负外正 极化现象 动作电位：在刺激作用下，细胞发生一定程度的去极化，产生的膜电位的变化。 内正外负，去极化 已证明：电波的传递在高等植物中是普遍存在的各种电波传递都可以产生生理学效应 光信号：被光受体吸收， 传至胞内产生 胞内信使，调节各种光形态建成反应等。 磁场等：相隔一定距离的细胞，当其中之一给以电刺激，可

12、在另一细胞中产生电效应，这种信号传播可能与电场效应有关。8.1.3 化学信号 细胞间通讯的信号分子 内分泌激素（甾类激素，肽类激素等） 神经递质：神经元末梢在神经动作电位刺激时的分泌物 如乙酰胆碱等 局部化学介导因子 只能对临近细胞起作用 如：神经生长因子等 气体信号分子 如NO等 细胞内的信号分子 环腺甘酸 钙离子 IP3, DG等8. 2 细胞识别细胞识别：邻近细胞之间通过质膜表面特性而相互接受或排斥，相识的细胞可发生进一步的粘合。类型细胞表面受体与信号分子的识别-胞间通讯细胞与细胞间的识别同种异类细胞 动植物性细胞受粉，受精同种同类细胞 低等生物细胞聚集，高等生物血小板凝集异种同类细胞

13、输血，器官移植异种异类细胞 病原微生物对寄主细胞的侵染8.3 胞间通讯8.3.1 胞间通讯的方式直接接触型：借助细胞质膜表面结合的分子直接进行胞间联系。如：接触抑制现象可能与糖被结构有关。直接联系型：通过间隙连接进行信号的传递间接联系型：通过分泌化学信号， 特异性，复杂性，时间效应（图略）8.3.2 胞间通讯的过程1 信号分子合成 2 释放3 运输（游离方式或与其他载体蛋白想结合方式）4 信号分子被靶细胞表面的受体识别受体5 跨膜信号传递（产生胞内信使，酶促信号直接跨膜转换，内在化作用）cAMP信号通路肌醇磷脂信号通路6 作用完后信号被灭活8.3.2.1信号分子的合成与释放一般先在内质网上合成

14、无活性的前激素包装成转运小泡，运到高尔基体，经浓缩，修饰形成分泌颗粒脱落下来由微丝，微管收缩引导到质膜以胞吐方式，分泌颗粒与质膜融合，融合点形成开口，将激素释放出去.可以先储存在分泌细胞内，当接受外界信号时，再将多肽激素释放出去。8.3.2.2受体（一）受体：一种能够识别和选择性结合某种配基的大分子，与配基结合后，产生化学的或物理的信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。它一般包含两个功能区域：与配基结合的区域和产生效应的区域类型胞内受体-存在与胞质或胞核中，约400-900个氨基酸-含有三个功能区：N端（转录激活区），中部（DNA结合区），C端（激素结合区）-甾类激素或甲状腺素受体，转

15、录因子细胞膜表面的受体 图5-16 5-188.3.2.2受体（二）细胞膜表面的受体离子通道型受体 既有信号接受部位，又是离子通道 跨膜信号转导无需中间步骤，反应快 常见于可兴奋细胞间的突触信号传递如：nAchRG蛋白偶联型受体 G蛋白 必须与G蛋白偶联才能产生胞内信使，传递信号 是受体中最重要的一类具有酶活性的受体 跨膜结构的酶蛋白，有3个结构区， 常见生长因子受体，具有酪氨酸蛋白激酶活性图5-208.3.2.3 cAMP 信号通路 信号分子与受体结合 受体构象改变, 活化腺苷酸环化酶,产生cAMP 信号灭活 活化蛋白激酶A, 一些特殊的蛋白磷酸化, 引起一系列生物学反应.图5-23 5-2

16、6 5-27 5-28 5-29 5-308.3.2.4 肌醇磷脂信号通路 信号分子与受体结合 活化的受体通过Gp蛋白偶联的途径 激活磷酸脂酶C，PIP2 IP3 DG 从Ca2+库中释放Ca2+ 活化蛋白激酶C 调节一系列生物学反应 使蛋白磷酸化，引起生物反应8.3.2.5 与酶连接的受体及有关的信号通路（图略）目前发现至少有五类：受体酪氨酸激酶受体丝氨酸/苏氨酸激酶受体酪氨酸磷酸酯酶受体鸟苷酸环化酶酪氨酸蛋白激酶联系的受体8.3.2.6 整联蛋白介导的信号传递（图略）8.3.2.7 Ca2+ -重要的胞内信使(1)1 . Ca2+的多功能性：-促进细胞粘合和胞间通讯-影响酶活性-调节膜透性

17、-调节细胞分裂-控制细胞代谢-调节细胞溶质的状态-高浓度Ca2+ 导致细胞死亡60年代末，钙调素的发现8.3.2.7 Ca2+ -重要的胞内信使(2)2. Ca2+ 在细胞内的分布-存在状态：结合态，自由离子态-分布：细胞溶质 10 -8-10 -7 mol/L钙库（高容量，低亲和力的储Ca2+蛋白）线粒体 基本同上内质网 微摩尔水平 细胞外 高3 -4个数量级钙泵 Ca2+ 离子通道3 钙信号的产生及终止外界信号 钙离子通道开放 从胞外或钙库释放Ca2+ 溶质内 Ca2+浓度提高 钙信号产生（钙震荡，钙波，时空性） 传递信息 生理反应 质膜或钙库中的钙泵 信号终止4 信息传递的方式Ca2+与

18、钙结合蛋白多种类型钙调素（二者先结合为活性的复合体）直接诱导靶酶活性通过活化依赖Ca2+。钙调素的蛋白激酶间接磷酸化一些靶酶调节的酶共达30余种8.4 蛋白质的磷酸化（一）意义生物体内一种普遍的调节方式几乎涉及所有的生理及病理过程，在信号转导作用中尤为重要基本内容 nNTP 蛋白激酶 nNDP 蛋白质 蛋白质-nPi nPi 蛋白磷酸酶 H2O 蛋白磷酸化在信号传递中一个最重要的特点是对外界信号具有级联放大反应。8.4 蛋白质的磷酸化（二）蛋白磷酸化的作用特点-酶的活性部位-远离酶活性部位的氨基酸残基上-对非酶蛋白质的影响，如：改变位置，提高对水解酶的耐受力等-一个分子多点磷酸化-蛋白激酶和磷

19、酸酶的活性受到严格的调控8.4 蛋白质的磷酸化（三）蛋白激酶-丝氨酸/苏氨酸激酶 -酪氨酸激酶-双重激酶 磷酸蛋白磷酸酶-磷酸丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶 -磷酸酪氨酸磷酸酶- 双重磷酸蛋白磷酸酶8.5 不同信号体系间的相互调节（一）图5-39细胞信号传递的基本特征-多途径、多层次的细胞信号传递通路具有收敛或发散的特点-信号转导既具有专一性也具有作用机制的相似性-信号的转导过程具有信号放大的作用-细胞对长期刺激的反应具有适应性8.5 不同信号体系间的相互调节（二） 刺激 刺激反应 A 反应 B8.5 不同信号体系间的crosstalking（三）图5-409. 总结质膜的主要特点和功能结构特点结构

20、模型，组成组分，主要功能-介导细胞连接-介导细胞识别-物质运输-信号传递第二讲 细胞质基质与细胞内膜系统1. 细胞质基质2. 细胞内膜系统-内质网-高尔基体-溶酶体3.其他重要的细胞器微体、线粒体、叶绿体、核糖体* 蛋白质的分选与运输1.细胞质基质 结构特点酶类、细胞质骨架结构 功能-许多中间代谢的场所（糖代谢、蛋白质和脂肪的合成）-为细胞质中的成分或细胞器提供锚定位点-蛋白质修饰（蛋白质的可逆磷酸化、糖基化、酰基化、甲基化等） -蛋白质选择性降解-控制蛋白质寿命 - 泛素降解途径p11-38-降解变性和错误折叠的蛋白质 - 启动形成N端不稳定的氨基酸-帮助形成正确的构象 -热休克蛋白2细胞内

21、膜系统（一）内质网 ER 发现 Porter 等1945年发现 1954年证实 结构特点类型p 粗面内质网 rER 光面内质网 sER 功能-蛋白质合成、脂类合成-r ER 合成分泌性的蛋白和多种膜蛋白，膜上有易位子可能与多肽进入内质网有关-s ER是脂质合成的重要场所，如磷脂酰胆碱， 磷脂转位因子或转位酶，基质侧到内质网腔面；内质网到其他膜，出芽；磷脂转换蛋白PEP-蛋白质修饰加工（糖基化）、肽链折叠与组装（蛋白二硫键异构酶，Bip）-其他（解毒，储钙，酶的附着位点等）糖基化：在糖基转移酶的作用下，将寡糖基由磷酸多萜醇转移到相应的天冬酰胺残基上的过程。pb6-2磷脂酰胆碱在内质网膜上合成过程

22、示意图p内质网与基因表达的调控目前发现至少有三种不同的内质网-细胞核的信号转导途径。-内质网腔内未折叠蛋白的超量积累-折叠好的膜蛋白的超量积累-内质网膜上膜质成分的变化 - 固醇缺乏2细胞内膜系统（二）高尔基体 发现 1898年，Golgi；50年代，电镜证实，4种标志反应 结构特点 扁平膜囊，大量囊泡，极性，MTOC附近 p-顺面网状结构（接受外来新物质，部分返回内质网）-中间膜囊 （糖基修饰，糖脂合成等）-反面膜囊及反面管网结构（蛋白质的分类包装，输出） 功能-将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，然后分门别类地运送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。-与细胞的分泌活动有关，溶酶体发生

23、-蛋白质糖基化（标记，增加稳定性等）及其修饰-蛋白酶的水解 - 无活性状态变为有活性的状态-膜泡运输-枢纽作用p6-102细胞内膜系统（三）溶酶体 发现 1949年发现，1955年电镜证实 结构特点 单层膜， 内含酸性水解酶类膜结构的特殊性-有质子泵，以维持酸性的内环境-有多种载体蛋白，利用水解产物外运-膜蛋白高度糖基化，利于自身的保护溶酶体酶特性-60余种，多为可溶性酶，具有某些特征的同源序列-催化相关反应的溶酶体酶和非溶酶体酶之间蛋白质一级结构相似，推测在进化上有共同的起源。根据溶酶体所处的不同生理阶段分为： -初级溶酶体 内容物均一，还没有进行消化作用-次级溶酶体 正进行消化作用；内含多

24、种生物大分子、颗粒性物质、线粒体等细胞器及细菌等； 膜上的载体蛋白外运-残余小体， 未被消化的物质，胞吐方式外运 功能 -消化，清除无用的生物大分子、衰老的细胞器等-防御，可识别并吞噬入侵的病毒和细菌，并将其杀死降解-其他 为细胞提供营养； 参与分泌过程的调控；动物器官的退化 ；促进精卵融合等 -如果溶酶体酶缺失或酶外渗，则会导致一些疾病。溶酶体酶的发生p6-13依赖于M-6-P的途径不依赖于M-6-P的途径3其他重要细胞器 （一）微体 发现 1954年，Rhodin首次发现， 结构特点 单层膜，氧化酶类 功能 -解毒，使细胞免受过氧化氢的毒害-依赖于黄素FAD的氧化酶 底物 过氧化氢-过氧化

25、氢酶 过氧化氢 水和氧气-通过分解脂肪酸向细胞提供能量;植物：光呼吸，可使脂肪酸转化为糖，等 乙醛酸循环体 发生 分裂；酶由核基因编码 与溶酶体的主要区别p6-15 b6-34蛋白质的分选4.1 蛋白质的定向转运或分选蛋白质合成后或合成过程中按照自身的指令进一步合成或运输到细胞的特定部位，并装配成结构与功能的复合体参与细胞的生命活动的过程。4.2 信号假说p6-16 b6-4 -1972年 C.Milstein，骨髓瘤细胞的免疫球蛋白分子 -信号肽 N端；16-26个氨基酸残基；有疏水的核心区 -分子伴娘，如信号识别颗粒 -非唯一的4.3 蛋白质分选的途径和类型p-跨膜转运-膜泡运输-网格有被

26、小泡-COPII有被小泡-COPI有被小泡-选择性的门控转运-核输入或核输出-细胞质基质中蛋白质的转运选择性融合：需要在膜融合蛋白（NSF及SNAPs等）与两种受体结合，启动融合复合物的装配，催化囊泡膜与靶膜的融合 p3其他重要细胞器 （二）线粒体 主要结构特点 线粒体膜（外膜和内膜-嵴），膜间隙，基质， 内含约140种酶 半自主性细胞器，有自己的DNA及核糖体 核DNA和线粒体DNA共同编码 主要功能 氧化磷酸化，为细胞提供能量 蛋白质的转运方式p7-163其他重要细胞器 （三）叶绿体 主要结构特点p-叶绿体膜-类囊体-基质 光合作用 半自主性细胞器-叶绿体中也有核糖体-叶绿体DNA和核DN

27、A编码其蛋白质3其他重要细胞器 （三）核糖体 发现1953年Robinsin 和 Brown 用电镜观察植物细胞时发现的，1958年正式命名 结构特点-无被膜包裹，直径25nm的颗粒状结构-主要成分 ： RNA 和蛋白质 功能-按照m RNA的指令由氨基酸高效且精确地合成多肽链核糖体的基本类型与成分b9-1核糖体的结构特点p9-4-装配过程中，不同的核糖体蛋白具有先后层次的。-不需其他大分子参与，一个自我装配的过程-不同物种核糖体蛋白之间有很高的同源性，进化上非常保守。-核糖体RNA的结构也非常保守-16SrRNA的一级结构非常保守，二级结构保守性更高。核糖体的功能-蛋白质的合成， 多聚核糖体

28、-核糖体上有与蛋白质合成有关的结合位点和催化位点-与m RNA的结合位点-与新掺入的 氨酰t RNA的结合位点-A位点-与延伸中的肽酰t RNA的结合位点-P位点-肽酰转移后与即将释放的t RNA的结合位点-E位点-肽酰转移酶结合位点-肽酰转移酶的催化位点r蛋白质与r RNA p9-9-在核糖体中r RNA是起主要作用的结构成分-提供多种结合位点：A，P，E等位点-具有肽酰转移酶活性-为多种蛋白质因子提供结合位点-合成起始及过程中参与m RNA的结合-r蛋白质的作用也很重要-对r RNA折叠成有功能的三维结构非常重要-对核糖体的构象起微调的作用-与r RNA共同执行功能5细胞结构体系的装配 生物大分子的装配意义-减少和校正蛋白质合成中出现的错误-大大减少所需的遗传物质信息量-容易调节和控制多种生物学过程 生物大分子的装配方式-自我装配，协助装配，直接装配-细胞内