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1、细胞生物学第一章 细胞概述细胞是生物体结构和功能的基本单位，也是生命活动的基本单位。1665年胡克首先发现细胞。170年后，施莱登和施旺厂里了细胞学说，从而解决的生命的同一性和共同起源。细胞生物学发展经历了四个阶段。1965年，Derobetis将起编著的普通生物学改名为细胞生物学，标志着细胞生物学的诞生，研究细胞及其生物学功能的科学成为细胞生物学。细胞都具有膜屏蔽、遗传物质和核糖体，都能进行自我增殖。细胞形态多样，组成细胞的化合物有水、无机盐、小分子有机物以及核酸、蛋白质、多糖、脂类等生物大分子。细胞是物质的，生命是物质的特殊运动形式。细胞分为原核细胞和真核细胞两大类，真核细胞主要有植物细胞
2、和动物细胞两种类型。真核细胞有三大结构体系：生物膜体系、遗传信息表达体系、细胞骨架体系。病毒是非细胞的生命体。本章还介绍了我国细胞生物学的发展战略。细胞生物学将会在新的生命科学世纪中发挥重要作用。第二章 细胞生物学研究的方法显微镜成像包括直接成像和间接成像。显微技术是细胞生物学最基本的研究技术，包括光学显微镜技术和电子显微镜技术。几种常用的光学显微镜包括普通双筒显微镜、荧光显微镜、相差显微镜、暗视野显微镜、倒置显微镜。电子显微镜是研究亚显微结构的主要工具，投射和扫描电镜是两类主要的电子显微镜。细胞化学技术包括酶细胞化学技术、免疫细胞化学技术等。流式细胞分选技术是细胞生物学和现代生物技术中的重要
3、技术，不仅用于分选细胞，也可分选染色体。细胞工程技术是细胞生物学与遗传学的交叉领域，主要利用细胞生物学的原理和方法，结合工程学的技术手段，按照人们预选的设计，有计划的改变或创造细胞遗传性的技术，主要内容包括：细胞融合、细胞生物反应器染色体转移、细胞器移植、基因转移、细胞及组织培养。分离技术是一大类技术的总称，包括细胞组分和生物大分子的分离。本章对分子生物学方法做了简要介绍。第三章 细胞质膜与跨莫运输细胞质膜是细胞的基本结构，生物膜具有界膜和区室化、调节运输、功能定位和组织化、信号检测与传递、能量转化等功能。红细胞结构简单，是研究膜结构的最好材料。红细胞质膜内侧有膜蛋白和纤维蛋白组成的膜骨架，它
4、参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。膜的主要成分是膜脂、膜蛋白、膜糖3大类。磷脂、鞘脂、胆固醇是主要的膜酯，具有双亲媒性。根据膜蛋白的存在方式可分为整合蛋白、膜周边蛋白质、脂锚定蛋白，细胞质膜的生物学功能主要是由膜蛋白来执行的；可以采用离子型和非离子型的去垢剂来分离膜蛋白。膜糖一般以糖脂或糖蛋白的形式存在，存在于质膜的外侧面。流动镶嵌模型是目前被广泛接受的细胞质膜的结构模型，它强调了膜的不对称性 和流动性。膜质、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称和方向性，保证了生命活动的高度有序性。流动性包括膜脂的侧向扩散、旋转运动、翻转运动和膜蛋白的随机移动、定向运动、局部扩散等，
5、膜的流动性与细胞质膜的酶活性、物质运输、信号转导、能量转换、细胞周期、发育及衰老等过程有很大关系。可以通过人鼠细胞融合实验、淋巴细胞的成斑成帽反应、光脱色荧光恢复技术、电子自旋共振谱技术研究膜的流动性。温度、脂肪酸链长度、不饱和度、胆固醇含量、卵磷脂/鞘磷脂比值以及影响膜蛋白运动的因素都能够影响膜的流动性。物质跨膜运输是细胞质膜的基本功能，分为被动运输和主动运输。被动运输不消耗ATP，且顺浓度梯度，可分为简单扩散和促进扩散，后者需要载体蛋白或通道蛋白的帮助。通道蛋白有电位闸门通道、配体闸门通道、机械闸门通道等。水可以通过扩散方式跨膜，也可以通过水通道蛋白协助跨膜。主动运输的4个基本特点是：逆浓
6、度运输、依靠膜运输蛋白、需要消耗ATP、具有选择性和特异性。参与主动运输的ATPase可分为P型泵。V型泵、F型泵和ABC运输蛋白，Na2+/k+泵和Ca2+泵均属于典型的P型离子泵。细菌的主动运输有磷酸化运输、细菌视紫红质质子泵、ABC运输蛋白等。第四章 细胞环境与互作多细胞生命有机体中的细胞组成不同的组织，在这些组织中，通过细胞相互间以及细胞与细胞外环境的相互作用调节着细胞的迁移、生长以及组织的三维结构。动物是由多种类型的细胞组成 的有机体，而且不同类型的细胞通常要组成固定的组织。在多数组织中，细胞要向细胞外分泌一群大分子，这些大分子在细胞间交织连接形成网状结构，将这种结构称为细胞外基质。
7、细胞外基质的组成可分为3大类：蛋白聚糖，它们能够形成水性的胶状物；结构蛋白，如胶原和弹性蛋白，它们赋予细胞外基质一定的强度和韧性；黏着蛋白，如纤维蛋白和层黏连蛋白，它们促使细胞间基质结合。细胞识别，是指细胞对同种或异种细胞、同源或异源细胞以及对自己和异己物质分子的认识和鉴别。细胞黏着则是指相邻细胞或细胞与细胞外基质以某种方式黏合在一起，组成组织或与其它组织分开，这种黏合的方式比较疏松。另外从事件发生次序来说，细胞识别在先，细胞黏着在后，识别是黏着的基础。细胞在识别和黏着的基础上进行细胞连接。细胞连接有3种方式：紧密连接、斑块连接、通讯连接。比较复杂的是斑块连接，它又可分为4种连接方式：黏着带、
8、黏着斑、桥粒、半桥粒。对它们的区别主要是根据连接蛋白与细胞骨架的关系以及是否是细胞与细胞的连接，还是细胞与细胞外基质的连接。第五章 细胞通讯细胞通讯是指多细胞生物细胞间或细胞内通过高度精确和高度有效的接受信息的通讯机制并通过放大引起快速的细胞生理反应，或者引起基因活动，从而发生一系列的细胞活动来协调各组织行动，使之成为统一的生命体对外界环境变化做出总和应答。细胞有3种通讯方式：通过信号分子、相邻细胞表面分子的相互作用、细胞与细胞外基质的作用。信号分子可分为水溶性和脂溶性两种，按信号传导方式又可以分为3种类型：激素、局部介质、神经递质。受体分为细胞表面受体和细胞内受体两种。表面受体可分为单次跨膜
9、、7次跨膜和多亚基跨膜3个家族，主要有离子通道偶联受体、G-蛋白偶联受体、酶连受体等3种类型。受体与配体相互作用具有特异性、高亲和力、饱和型、可逆性等特点，并可一发生理反应。研究受体与配体的相互作用通常采用单克隆抗体标记法、亲和标记法等。PKA系统是以cAMP作为 第二信使激活蛋白激酶A（PKA）进行信号放大，包括激活型和抑制型两种类型。在激活型中，G蛋白偶联受体与信号分子结合后，G蛋白被激活，活性亚基与其它两个亚基分离并激活腺苷酸环化酶（AC），产生第二信使cAMP，cAMP激活PKA，PKA再作用于靶蛋白，产生细胞应答。在抑制型中，激活的G蛋白则抑制AC的活性。通过对cAMP的降解可解除P
10、KA系统的信号作用。PKC系统是以三磷酸肌醇（IP3）、二酰甘油（DAG）为第二信使，并通过蛋白激酶C（PKC）引起级联发反应。PKC系统中，磷脂酶C相当于PKA系统的AC，经G蛋白激活后的磷脂酶C水解质膜上的4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2），产生IP3，和DAG。IP3的作用是释放出内质网中的Ca2+，DAG和Ca2+共同作用激活PKC，PKC参与多种生化反应的催化。DAG和IP3的信号解除都可以通过水解和磷酸化来完成，Ca2+的信号解除则需要通过IP3磷酸化生成的IP4与质膜、内质网膜上的Ca2+-ATP酶共同作用。酶联受体信号转导系统有以cGMP作为第二信使激活蛋白激酶G的系统以及受
11、体酪氨酸激酶/Ras途径。胰岛素受体信号转导途径和表皮生长因子受体信号转导途径的典型的受体酪氨酸激酶途径。Ras蛋白活性受到GAP和GEF的控制，其激活亦涉及Grb2蛋白Sos蛋白。整连蛋白介导的黏着斑的装配、黏着斑的信号转导也是细胞表面受体介导的信号转导的重要方式。细胞信号转导系统具有趋同、趋异与串话等现象。信号的终止通过信号水分子水解、受体钝化、受体减量调节以及磷酸酶的作用来实现。第六章 核糖体与核酶核糖体是细胞内一种核糖核蛋白颗粒，含有rRNA和r蛋白。核糖体可分为真核生物核糖体和原核生物核糖体，前者有细胞质的和核糖体、线粒体核糖体和叶绿体核糖体3种类型。核糖体均由大小两个亚基组成，进行
12、蛋白质合成时才结合在一起。原核生物核糖体沉降系数为70S，由50S大亚基（含33种不同的蛋白质以及23S和5SrRNA）和30S小亚基（含21种蛋白质以及16SrRNA）组成；真核生物核糖体沉降系数为80S，由60S大亚基（含大约49种蛋白质以及28S、5S和5.8rRNA）和40S小亚基（含大约33种蛋白质以及18SrRNA）组成。核糖体的生物发生包括蛋白质和rRNA的合成、核糖体亚基的组装等。真核生物的18S、5.8S、28SrRNA基因组成一个转录单位，转录成一个45S的前体。原核生物的16S、23S、5S 3种rRNA基因组成一个转录单位。真核生物核糖体亚基在核仁中装配，原核生物核糖体
13、亚基在细胞质中装配。核糖体的功能是进行蛋白质多肽链的合成。核糖体中有一个mRNA结合位点和3个tRNA结合位点：A位点、P位点、E位点。原核生物mRNA同归5端的SD序列与核糖体16SrRNA结合，真核生物则依赖于mRNA 5端甲基化帽子结构将mRNA与核糖体小亚基结合。多肽链的合成分为起始、延伸和终止3个不同过程。蛋白质合成过程中可以形成多聚核糖体。小分子RNA可分为snRNA和scRNA，前者存在于细胞核中，后者存在于细胞质中。反义RNA是与mRNA或其它RNA互补的RNA分子，来源于反向转录的产物或是不同基因的产物。可分为类、类、类反义RNA。核酶是具有催化活性的RNA，分为RNA和蛋白
14、质复合物、小分子的RNA和、组内含子三种类型。核剪接涉及核酶的作用，具有GU-AG规则、装配成剪接体、形成套索结构等3个特点。、组内含子的剪接机制完全不同。RNA编辑是指在mRNA水平上改变遗传信息的过程，涉及指导RNA的作用。第七章 线粒体与过氧化物酶体线粒体是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所，是细胞的“动力工厂”。线粒体有内外两层膜，外膜含有孔蛋白，通透性高。内膜通透性较低，通常向基质折褶形成嵴，嵴上有许多规则排列的基位。内膜上有许多参与运输、合成、电子传递和ATP合成的酶类。内外膜之间有膜间间隙，其化学组成接近细胞质溶胶。线粒体基质中含有与三磷酸循环、线粒体DNA合成等相关的酶类。
15、线粒体中绝大多数蛋白质由核基因编码，在细胞质游离核糖体上合成后通过转运肽运输到线粒体中，转运过程需要受体、消耗能量以及分子伴侣的帮助等。线粒体是真核生物氧化代谢的部位。糖酵解生成的丙酮酸进入线粒体基质，经过三羧酸循环生成FADH2和NADH，再进入呼吸连进行氧化磷酸化，最后生成ATP和水。呼吸连上的电子载体有黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白和辅酶Q。主呼吸链由复合物、构成，传递氧化NADH释放的电子，次呼吸链由复合物、构成，传递氧化FADH2释放的电子。呼吸链通过3个氧化磷酸化偶联位点即复合物 、建立质子动力势，驱动ATP合酶合成ATP。英国生化学家Mitchell于1961年提出化学渗透假说，合
16、理解释了线粒体氧化磷酸化的机制。线粒体是一种半自主性的细胞器，具有有限的遗传物质以及蛋白质合成系统等。线粒体通过二裂法进行增殖。关于线粒体的起源有内共生学说和非内生学说两种假说。过氧化物酶体是由一层单位膜包裹的囊泡，含40余种酶类，主要是氧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶。过氧化物酶体具有解毒、氧化脂肪酸、进行含氮物质代谢等功能。过氧化物酶体也是通过二裂法进行增殖，其酶类和蛋白质均为核基因编码并于细胞质游离核糖体上合成后转运而来。第八章 叶绿体与光合作用叶绿体由叶绿体被膜、类囊体和基质组成。类囊体分基粒类囊体和基质类囊体，是光合作应光反应的场所。叶绿体的主要功能是进行光合作用，分两个阶段进行。光合作用第一个阶段是光反应，包括光能的吸收、电子的传递、光和磷酸化3个主要
