《山大细胞生物学理论课教学教案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《山大细胞生物学理论课教学教案（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章：绪论第一章：绪论 l 细胞生物学（cell biology） 利用现代技术和方法从细胞的 整体、超微结构和分子水平研究细胞的结构、功能及其生命活动规律的科学。 6 研究内容（1）细胞膜与细胞器 生物膜和细胞器的结构与功能的研究是细胞 生物学研究的重要内容。（2）细胞骨架系统 细胞骨架是细胞内由蛋白纤维组 成的网状结构，它包括微丝、微管和中等纤维。细胞骨架的结构和功能与细胞 的形态、运动、物质运输、生长调控以及跨膜信息传递等功能密切相关。（3） 细胞核、染色体以及基因表达 细胞核由核被膜、染色质、核仁和核基质组成， 是细胞生命活动控制中心。 （4）细胞增殖及其调控 细胞的增殖是生命的基本
2、 特征之一，真核细胞的分裂方式主要有三种，即无丝分裂、有丝分裂和减数分 裂。从分子水平研究细胞的基本规律及其调控机理，对于揭示生物体生长、发 育、遗传和变异的机理以及研究细胞癌变发生和防治具有重要的意义。（5）细 胞分化、衰老与死亡 （6）细胞信号传导 细胞作为一个生命活动的基本单位， 如何识别周围环境中存在的各种信号，并将其转变成细胞内部各种分子功能上 的变化，从而影响细胞的代谢、发育、增殖、衰老、死亡等。搞清细胞信号转 导的机制，对生命活动将有着重要意义。（7）细胞工程 细胞工程是生物工程 的一个组成部分，它是指用细胞生物学和分子生物学方法，有计划地改变细胞 的结构或遗传物质，以产生特定的
3、生物产品、性状或新的物种。如利用细胞工 程技术生产胰岛素、单克隆抗体、转基因动物、克隆生物等。由于它在基础理 论研究和生产实际应用中具有重要意义，已经成为当今生命科学新技术革命的 前沿。 第二章第二章 细胞膜的分子生物学细胞膜的分子生物学 一、注意区分质膜、单位膜、生物膜三者 之间的关系与异同。生物膜(biomembrane)是细胞膜和细胞内膜的统称。细胞膜 (cell membrane)是包围在细胞质外周的一层界膜，又称质膜（plasma membrane）。它将细胞质与外环境分隔开，构成一道特殊屏障，使细胞有一个 相对独立而稳定的内环境，并通过它使细胞与外环境保持着密切的联系，在细 胞与外
4、环境间进行物质、能量的交换及信息传导等过程中起着十分重要的作用。细胞内膜是在真核细胞内，除了质膜以外的其他膜结构。它们构成了许多细胞 器的界膜，将各细胞器与胞质溶胶分隔开，以执行各自不同的功能。这些细胞 内膜可将不同功能的细胞器相互联系起来，在细胞合成、代谢、分泌等过程中 起着重要作用。透射电镜下生物膜呈现为“两暗夹一明“的三层结构，即内外两 个电子致密的“暗“层中间夹着电子密度低的“亮“层，其总厚度约为 7nm，称为 单位膜(unit membrane)。二、生物膜的化学组成生物膜的化学成分主要有脂类、 蛋白质和糖类，此外还含水、无机盐和少量的金属离子。膜中脂类和蛋白质构 成了膜的主体，糖类
5、多以复合糖的形式存在，与膜脂或膜蛋白结合分别形成膜 糖脂或膜糖蛋白。 1膜脂构成膜的脂类有磷脂、胆固醇和糖脂，其中以磷脂 为最多。这三种脂类都是双亲媒性分子，即它们都是由一个亲水的极性头部和 一个疏水的非极性尾部组成。由于膜脂的这一结构特点，它们在水溶液中能自 动聚拢形成脂双分子层，其游离端往往有自动闭合的趋势，形成一种自我封闭 而稳定的中空结构，称脂质体。磷脂 真核细胞膜中的磷脂主要有卵磷脂（磷脂 酰胆碱）、脑磷脂（磷脂酰乙醇胺）、磷脂酰丝氨酸、鞘磷脂合磷脂酰肌醇。 胆固醇 是细胞膜内的中性脂类。真核细胞膜中胆固醇含量较高，有的膜内胆固 醇与磷脂之比可达 11。胆固醇也是双亲媒性分子，包括三
6、部分：极性的羟基 团头部、非极性的固醇环和非极性的脂肪酸链尾部。在膜中，胆固醇分子散布 在磷脂分子之间，其极性的羟基头部紧靠磷脂的极性头部，将固醇环固定在近 磷脂头部的碳氢链上，其余部分分离。这种排列方式对膜的稳定性十分重要。糖脂 是含一个或几个糖基的脂类，也是双亲媒性分子，存在于所有的动物细胞 膜中，约占膜外层脂类分子的 50。动物细胞膜中的糖脂主要是鞘氨醇的衍生 物，结构与鞘磷脂相似，只是其头部以糖基替代了磷脂酰碱基。脑苷脂是最简 单的糖脂，只含一个糖基（半乳糖或葡萄糖）。在所有细胞中，糖脂均位于膜 的非胞质面单层，并将糖基暴露在细胞表面，其作用可能是作为某些大分子的 受体，与细胞识别及信
7、息传导有关。 2膜蛋白生物膜所含的蛋白叫膜蛋白， 是生物膜功能的主要承担者。根据蛋白分离的难易及在膜中分布的位置，膜蛋 白基本可分为两大类：外在膜蛋白和内在膜蛋白。外在膜蛋白约占膜蛋白的 2030，分布在膜的内外表面，主要在内表面，为水溶性蛋白，它通过离 子键、；氢键与膜脂分子的极性头部相结合，或通过与内在蛋白的相互作用， 间接与膜结合；内在蛋白约占膜蛋白的 7080，是双亲媒性分子，可不同 程度的嵌入脂双层分子中。有的贯穿整个脂双层，两端暴露于膜的内外表面， 这种类型的膜蛋白又称跨膜蛋白。内在膜蛋白露出膜外的部分含较多的极性氨 基酸，属亲水性，与磷脂分子的亲水头部邻近；嵌入脂双层内部的膜蛋白
8、由一 些非极性的氨基酸组成，与脂质分子的疏水尾部相互结合，因此与膜结合非常 紧密。 三、生物膜的两大特性生物膜具有两个明显的特性，即膜的流动性和膜 的不对称性。 1膜的流动性生物膜的流动性是膜脂与膜蛋白处于不断的运动 状态，它是保证正常膜功能的重要条件。 膜脂分子有以下几种运动方式：侧 向移动；旋转运动；左右摆动；翻转运动。膜蛋白分子的运动形式有侧 向运动和旋转运动二种。 2膜的不对称性以脂双层分子的疏水端为界，生物 膜可分为近胞质面和非胞质面内外两层，生物膜内外二层的结构和功能有很大 差异，这种差异称为生物膜的不对称性。膜脂分布的不对称主要体现在膜内外 两层脂质成分明显不同。如磷脂中的磷脂酰
9、胆碱和鞘磷脂多分布在膜的外层， 而磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇多分布在膜的内层，其中磷脂酰 乙醇胺和磷脂酰丝氨酸的头部基团均带负电，致使生物膜内侧的负电荷大于外 侧。膜蛋白分布的不对称主要体现在三个方面：即使是膜内在蛋白都贯穿膜 全层，但其亲水端的长度和氨基酸的种类与顺序也不同；外在蛋白分布在膜 的内外表面的定位也是不对称的，如具有酶活性的膜蛋白 Mg2-ATP 酶、5核 苷酸酶、磷酸二酯酶等均分布在膜的外表面，而腺苷酸环化酶分布在膜的内表 面；含低聚糖的糖蛋白，其糖基部分布在非胞质面。四、生物膜的分子结构 模型生物膜的主要化学成分是脂类和蛋白质，还有少量糖类。关于这些组分在 膜中是
10、如何排列和组织的、以及它们之间是如何相互作用的等问题，许多学者 进行了多方面的研究，先后提出了数十种不同的生物膜分子结构模型，下面介 绍公认的流动镶嵌模型。这一模型是 Singer 和 Nicolson 在 1972 年提出的。流 动镶嵌模型保留了夹层学说和单位膜模型中磷脂双层的排列方式，即流动的脂 双层分子构成膜的连续主体，蛋白质分子以不同程度镶嵌于脂质双层中。它的 主要特点是：强调了膜的流动性，膜中脂类分子既有固体分子排列的有序性， 又有液体的流动性，即流动的脂类分子层构成膜的连续整体；强调了膜的不 对称性和脂类与蛋白质分子的镶嵌关系。膜中球形蛋白质分子不同程度地镶嵌 在脂类双分子层中，蛋
11、白质分子的非极性部分嵌入脂类双分子层的疏水尾部去， 极性部分露于膜的表面，似一群岛屿一样，无规则地分散在脂类的海洋中。这 二模型的不足之处在于它忽视了蛋白质分子对脂类分子流动性的控制作用，忽 视了膜的各个部分流动性的不均匀性等等。五、小分子物质的跨膜运输每一个 活细胞要维持其正常的生命活动，必须通过细胞膜从外界及时地吸取营养物质，同时要不断地排出其代谢产物。这些营养物质和代谢产物进出生物膜的方式， 根据是否需要膜蛋白的介导分为单纯扩散和膜蛋白介导的跨膜运输两种。根据 运输过程中是甭消耗代谢能又把后者分为被动运输和主动运输两种方式。 1膜的选择性通透和单纯扩散一些物质不需要膜蛋白的帮助，能顺浓度
12、梯度自 由扩散，通过膜的脂双层，这种跨膜运输的形式，称为单纯扩散，又称为被动 扩散，它不需要消耗能量，是物质跨膜运输中最简单的一种形式。 2膜蛋白 介导的跨膜运输对一些相对较大的极性或带电的分子，如葡萄糖、氨基酸及离 子等物质均不能自由通过膜。这些物质的运输均需要有膜蛋白的介导，这些蛋 白称膜运输蛋白。根据膜蛋白介导物质运输的形式，又可分为载体蛋白介导和 通道蛋白介导两大类型。 六、大分子和颗粒物质的跨膜运输真核细胞中，一些 大分子如蛋白质、多糖、多肽之类的物质的跨膜运输是通过细胞质膜的变形运 动来完成的。这就是细胞内吞作用和细胞外吐作用。（一）内吞作用 （endocytosis）内吞作用又称
13、入胞作用，是通过质膜的变形运动将细胞外物质 转运入细胞内的过程。根据入胞物质的不同大小，以及入胞机制的不同可将内 吞作用分为三种类型：吞噬作用、吞饮作用、受体介导的内吞作用。 1、吞噬 作用（phagaocytosis） 是指摄入直径大于 1m 的颗粒物质的过程。在摄入颗 粒物质时，细胞部分变形，使质膜凹陷或形成伪足将颗粒包裹摄人细胞。伪足 的伸出是由肌动蛋白参与的，若用抑制肌动蛋白聚合的药物如细胞松弛素能抑 制细胞吞噬。 2、吞饮作用（pinocytosis） 是细胞摄入溶质或液体的过程。 细胞吞饮时局部质膜下陷形成一小窝，包围液体物质，然后小窝离开质膜形成 小泡，进入细胞。吞饮作用分为液相
14、内吞和吸附内吞。前一种方式为非特异性 细胞把细胞外液及其内可溶性物质摄入细胞内。后一种方式中，细胞外大分子 或颗粒物质先以某种方式吸附在细胞表面，随后被摄入细胞内。如阳离子铁蛋 白以静电作用先吸附在带负电荷的细胞表面，然后再被细胞摄入。吸附内吞有 一定的特异性。 3、受体介导的内吞作用（receptor mediated endocytosis） 是细胞依靠细胞表面的受体特异性地摄取细胞外蛋白或其他化合物的过程。细 胞表面的受体具有高度特异性，与相应配体(被内吞的分子)结合形成复合物， 继而此部分质膜凹陷形成有被小窝，小窝与质膜脱离形成有被小泡，将细胞外 物质摄入细胞内。有被小泡进入细胞后，脱
15、去外衣，与胞内体的小囊泡结合形 成大的内体，其内容呈酸性，使受体与配体分离。带有受体的部分膜结构芽生、 脱落，再与质膜融合，受体又回到质膜，完成受体的再循环。 （二）外吐作用 （exocytosis）外吐作用又称出胞作用，是一种与内吞作用相反的过程。细胞 内物质的分泌，细胞中的病毒、未消化的残渣等分子释放到细胞外都是细胞外 吐的过程。 细胞内物质外吐方式 1、组成型的胞吐途径(constitutive exocytosis pathway)真核细胞从高尔基体反面管网区分泌的囊泡向质膜流动并 与之融合的过程.通过这种组成型的胞吐途径,新合成的囊泡膜的蛋白和脂类不 断的供应质膜更新,正是这条途径确
16、保细胞分裂前质膜的生长。 2、调节型胞吐 途径(regulated exocytosis pathway)分泌细胞产生的分泌物（如激素、粘液 或消化酶）储存在消化泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时分泌物与质膜融合 并将内含物释放出去。 第三章第三章 细胞外基质（附加章）细胞外基质（附加章） （一）细胞外基质的概 念及类型 l 细胞外基质（extracellular matrix ECM） 是机体发育过程中由 细胞合成并分泌到细胞外的生物大分子所构成的纤维网络状物质，分布于细胞 与组织之间、细胞周围或形成上皮细胞的基膜，将细胞与细胞或细胞与基膜相 联系，构成组织与器官，使其连成有机整体。 功能主要有：1）对细胞组织起支持、保护作用，提供营养；在胚胎发育过程中有重要作用；在组织创 伤的再生修复过程中发挥重要作用。根据细胞外基质的化学组成可分为三大类， 即氨基聚糖和蛋白聚糖、胶原和弹性蛋白、纤粘连蛋白与层粘连蛋白等。（二） 氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG）和蛋白聚糖（proteoglycan，PG）
