1 細胞生物學 講稿

1、生物奧賽輔導授課人：楊化濤l細胞學部分比值：細胞學部分比值：20%l 主要內(nèi)容：細胞的化學成分主要內(nèi)容：細胞的化學成分l 細胞的結(jié)構(gòu)與功能細胞的結(jié)構(gòu)與功能l 細胞代謝細胞代謝l 細胞分裂。細胞分裂。 l 學習方法：掌握運用必修學習方法：掌握運用必修1內(nèi)容內(nèi)容l 掌握理解奧賽教材內(nèi)容掌握理解奧賽教材內(nèi)容細胞部分內(nèi)容介紹1 1細胞的發(fā)現(xiàn)細胞的發(fā)現(xiàn) 16651665年年英國物理學家英國物理學家羅伯特羅伯特虎克虎克用他用他自制的顯微鏡觀察自制的顯微鏡觀察栓皮栓皮櫟的軟木切片時，看櫟的軟木切片時，看到了一個個蜂窩狀的小室。他把這樣的到了一個個蜂窩狀的小室。他把這樣的“小小室室”稱為細胞（稱為細胞（死細胞

2、）死細胞）。2 2細胞學說的建立細胞學說的建立l德國植物學家德國植物學家施萊登施萊登于于18381838年提出了細胞學年提出了細胞學說的主要論點，次年又經(jīng)德國動物學家說的主要論點，次年又經(jīng)德國動物學家施旺施旺加以充實，最終創(chuàng)立了細胞學說。加以充實，最終創(chuàng)立了細胞學說。l細胞學說的主要內(nèi)容是：細胞是動、植物有細胞學說的主要內(nèi)容是：細胞是動、植物有機體的基本結(jié)構(gòu)單位，也是生命活動的基本機體的基本結(jié)構(gòu)單位，也是生命活動的基本單位單位（一）細胞生物學的發(fā)展（三）細胞的形態(tài)與大小1.細胞概念：細胞概念：細胞是由膜包圍的，能進行細胞是由膜包圍的，能進行獨立繁殖的最小原生質(zhì)團，是生命活獨立繁殖的最小原生質(zhì)團

3、，是生命活動的基本單位，是生物體最基本的形動的基本單位，是生物體最基本的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能活動單位。態(tài)結(jié)構(gòu)和功能活動單位。 2細胞的大?。杭毎拇笮。簃m（顯微結(jié)構(gòu)和亞顯（顯微結(jié)構(gòu)和亞顯微結(jié)構(gòu)）微結(jié)構(gòu)） l在顯微技術和電鏡技術中常用的單位在顯微技術和電鏡技術中常用的單位有：微米（有：微米（mm或或）、納米（）、納米（nmnm）和）和埃三種。埃三種。 1m1m10102 2cmcm10106 6mm10109 9 nm nm 101010 10 l影響細胞大小的因素：影響細胞大小的因素：l1.細胞的核質(zhì)比與細胞大小有關，決定細胞的核質(zhì)比與細胞大小有關，決定細胞上限；細胞上限；l2.細胞的相對表面積與

4、細胞大小有關；細胞的相對表面積與細胞大小有關；l3.細胞內(nèi)物質(zhì)的交流與細胞大小有關。細胞內(nèi)物質(zhì)的交流與細胞大小有關。l3.原生質(zhì)原生質(zhì)：細胞內(nèi)所含有的生活物質(zhì)，真核細胞包括細胞質(zhì)和細胞核。（注意與原生質(zhì)層的區(qū)別）l57 細胞膜細胞膜(cell membrane)又稱質(zhì)膜又稱質(zhì)膜（plasma membrane），），是指圍繞在細胞最是指圍繞在細胞最外層，由外層，由脂質(zhì)脂質(zhì)和和蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)組成的生物膜。細胞膜組成的生物膜。細胞膜只是真核細胞生物膜的一部分，真核細胞的生只是真核細胞生物膜的一部分，真核細胞的生物膜（物膜（biomembrane）包括細胞的包括細胞的內(nèi)膜系統(tǒng)內(nèi)膜系統(tǒng)（ 細 胞 器 膜

5、 和 核 膜（ 細 胞 器 膜 和 核 膜 ） 和和 細 胞 膜細 胞 膜 （ c e l l membrane）。）。1 1細胞膜細胞膜/ /生物膜生物膜（1 1）質(zhì)膜的化學組成）質(zhì)膜的化學組成l細胞膜主要由脂類和蛋白質(zhì)組成，l蛋白質(zhì)約占膜干重的20%70%，l脂類約占30%80%，l此外還有少量的糖類。l比例的不同與其功能相適應。（四）真核細胞的亞顯微結(jié)構(gòu)（2 2）質(zhì)膜的分子結(jié)構(gòu)模型）質(zhì)膜的分子結(jié)構(gòu)模型三明治模型三明治模型流動鑲嵌模型流動鑲嵌模型 脂質(zhì)體脂質(zhì)體脂質(zhì)體（脂質(zhì)體（liposome）是根據(jù)磷脂分子在水相中形成穩(wěn)定的是根據(jù)磷脂分子在水相中形成穩(wěn)定的脂雙層膜的趨勢而制備的一種人工膜。

6、脂質(zhì)體可用于細胞膜脂雙層膜的趨勢而制備的一種人工膜。脂質(zhì)體可用于細胞膜的研究；轉(zhuǎn)基因；疾病的診斷及治療。的研究；轉(zhuǎn)基因；疾病的診斷及治療。二、二、 膜蛋白膜蛋白膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。核基因組編碼的蛋白質(zhì)中膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。核基因組編碼的蛋白質(zhì)中30%左右的為膜蛋白。根據(jù)與膜脂的結(jié)合方式以及在膜中的左右的為膜蛋白。根據(jù)與膜脂的結(jié)合方式以及在膜中的位置的不同，膜蛋白分為內(nèi)在（位置的不同，膜蛋白分為內(nèi)在（integral protein）、）、外周蛋外周蛋白（白（peripheral protein）和脂錨定蛋白（和脂錨定蛋白（lipid-anchored protein）。）。（一

7、）內(nèi)在蛋白（一）內(nèi)在蛋白（integral proteins） 內(nèi)在蛋白又稱為整合蛋白，以不同程度嵌入脂雙層的內(nèi)部內(nèi)在蛋白又稱為整合蛋白，以不同程度嵌入脂雙層的內(nèi)部，有的為全跨膜蛋白（，有的為全跨膜蛋白（tansmembrane proteins）。）。它與膜結(jié)它與膜結(jié)合非常緊密，只有用去垢劑（合非常緊密，只有用去垢劑（detergent）才能從膜上洗滌下來才能從膜上洗滌下來，常用，常用SDS和和Triton-X100。 內(nèi)在蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域形成親水通道有兩種形式，一是由多內(nèi)在蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域形成親水通道有兩種形式，一是由多個個螺旋組成親水通道；而是由螺旋組成親水通道；而是由折疊組成親水通道折

8、疊組成親水通道。 細胞膜的結(jié)構(gòu)模型及特點細胞膜的結(jié)構(gòu)模型及特點一、細胞膜結(jié)構(gòu)的研究歷史一、細胞膜結(jié)構(gòu)的研究歷史1. E. Overton 1895 推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。2. E. Gorter & F. Grendel 1925 推測細胞膜由雙推測細胞膜由雙 層脂分子組成。層脂分子組成。3. J. Danielli & H. Davson 1935 提出了提出了”蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-脂類脂類-蛋蛋白白 質(zhì)質(zhì)”的三明治模型。認為質(zhì)膜由雙層脂類分子及其內(nèi)外表的三明治模型。認為質(zhì)膜由雙層脂類分子及其內(nèi)外表 面附著的蛋白質(zhì)構(gòu)成的。面附著的蛋白質(zhì)構(gòu)成

9、的。1959年提出了修正模型，認為膜年提出了修正模型，認為膜 上還具有貫穿脂雙層的蛋白質(zhì)通道，供親水物質(zhì)通過。上還具有貫穿脂雙層的蛋白質(zhì)通道，供親水物質(zhì)通過。4. J. D. Robertson 1959 用超薄切片技術獲得了清晰的細用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片，顯示胞膜照片，顯示暗暗-明明-暗暗三層結(jié)構(gòu)，厚約三層結(jié)構(gòu)，厚約7.5nm。這就是所這就是所謂的謂的“單位膜單位膜”模型。它由厚約模型。它由厚約3.5nm的雙層脂分子的雙層脂分子和內(nèi)外和內(nèi)外表面各厚約表面各厚約2nm的蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)構(gòu)成。構(gòu)成。5. S. J. Singer & G. Nicolson 1972根據(jù)免疫熒

10、根據(jù)免疫熒光技術、冰凍蝕刻技術的研究結(jié)果，在光技術、冰凍蝕刻技術的研究結(jié)果，在”單位膜單位膜”模型的基礎上提出模型的基礎上提出”流動鑲嵌模型流動鑲嵌模型”。二、質(zhì)膜的流動鑲嵌模型的特點二、質(zhì)膜的流動鑲嵌模型的特點組成成分組成成分：主要組成成分為：主要組成成分為脂類脂類和和蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)，還含有少量的糖類。，還含有少量的糖類。不對稱性不對稱性：蛋白質(zhì)或嵌在脂雙層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨：蛋白質(zhì)或嵌在脂雙層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨 整個脂雙層，表現(xiàn)出分布的不對稱性。整個脂雙層，表現(xiàn)出分布的不對稱性。流動性流動性：膜蛋白和膜脂可作各向運動。：膜蛋白和膜脂可作各向運動。膜脂的分子運動膜脂的分子運動1

11、 側(cè)向擴散運動側(cè)向擴散運動 2 旋轉(zhuǎn)運動旋轉(zhuǎn)運動 3 擺動運動擺動運動 4 伸縮震蕩運動伸縮震蕩運動5 翻轉(zhuǎn)運動翻轉(zhuǎn)運動 6 旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運動旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運動2. 影響膜流動的因素影響膜流動的因素規(guī)律點撥主要有主要有側(cè)向擴散側(cè)向擴散和和旋轉(zhuǎn)擴散旋轉(zhuǎn)擴散兩種運動方式。兩種運動方式。旋轉(zhuǎn)擴散旋轉(zhuǎn)擴散指膜蛋白圍繞與膜平面垂直的軸進行旋轉(zhuǎn)運動。膜蛋指膜蛋白圍繞與膜平面垂直的軸進行旋轉(zhuǎn)運動。膜蛋白的側(cè)向運動受細胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如白的側(cè)向運動受細胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細胞松弛素細胞松弛素B能促進膜蛋白的側(cè)向運動?？捎媚艽龠M膜蛋白的側(cè)向運動。可用熒光標記熒光標記技術技術檢測膜蛋白的流動性。檢

12、測膜蛋白的流動性。3膜蛋白的流動膜蛋白的流動細胞融合技術觀察蛋白質(zhì)運動細胞融合技術觀察蛋白質(zhì)運動質(zhì)膜的流動性是保證其正常功能的必要條件質(zhì)膜的流動性是保證其正常功能的必要條件。例如。例如跨膜物質(zhì)運輸、細胞信息傳遞、細胞識別、細胞免疫跨膜物質(zhì)運輸、細胞信息傳遞、細胞識別、細胞免疫、細胞分化以及激素的作用等等都與膜的流動性密切、細胞分化以及激素的作用等等都與膜的流動性密切相關。相關。當膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活當膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運輸將停止，反之如果流動性過高，又會造動和跨膜運輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。成膜的溶解。4膜流動性的意義膜流動性

13、的意義膜的不對稱性膜的不對稱性l亦稱冰凍斷裂。標本置于干冰或液氮中冰凍。然后斷開，升溫后，冰升華，暴露出了斷面結(jié)構(gòu)。向斷裂面上噴涂一層蒸汽碳和鉑。然后將組織溶掉，把碳和鉑的膜剝下來，此膜即為復膜（replica）。A Yeast Cell 為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境; ; 選擇性的物質(zhì)運輸選擇性的物質(zhì)運輸, ,包括代謝底物的輸入與代謝包括代謝底物的輸入與代謝 產(chǎn)物的排除產(chǎn)物的排除, ,其中伴隨著能量的傳遞其中伴隨著能量的傳遞; ; 提供細胞識別位點提供細胞識別位點, ,并完成細胞內(nèi)外信息跨膜傳遞并完成細胞內(nèi)外信息跨膜傳遞; ; 為多種酶提供結(jié)合位點

14、為多種酶提供結(jié)合位點, ,使酶促反應高效而有序地進行；使酶促反應高效而有序地進行； 介導細胞與細胞、細胞與基質(zhì)之間的連接介導細胞與細胞、細胞與基質(zhì)之間的連接; ; 質(zhì)膜參與形成具有不同功能的細胞表面特化結(jié)構(gòu)。質(zhì)膜參與形成具有不同功能的細胞表面特化結(jié)構(gòu)。Fig. Fig. cAMPcAMP信號通路對基因信號通路對基因轉(zhuǎn)錄的激活轉(zhuǎn)錄的激活信號分子與受體結(jié)合通過信號分子與受體結(jié)合通過G G蛋蛋白活化腺苷酸環(huán)化酶，導致白活化腺苷酸環(huán)化酶，導致細胞內(nèi)細胞內(nèi)cAMPcAMP濃度增高激活蛋濃度增高激活蛋白激酶白激酶A A，被活化的蛋白激酶被活化的蛋白激酶A A（催化亞基）轉(zhuǎn)為進入細胞催化亞基）轉(zhuǎn)為進入細胞核

15、，使基因調(diào)控蛋白（核，使基因調(diào)控蛋白（cAMPcAMP應答結(jié)合蛋白，應答結(jié)合蛋白，CREBCREB）磷酸磷酸化，磷酸化的基因調(diào)控蛋白化，磷酸化的基因調(diào)控蛋白與靶基因調(diào)控序列結(jié)合，增與靶基因調(diào)控序列結(jié)合，增強靶基因的表達。強靶基因的表達。細胞表面的特化結(jié)構(gòu)細胞表面的特化結(jié)構(gòu)是為適應某種環(huán)境而形成的特殊表是為適應某種環(huán)境而形成的特殊表面結(jié)構(gòu)，如：膜骨架、鞭毛、纖毛及微絨毛等，分別與面結(jié)構(gòu)，如：膜骨架、鞭毛、纖毛及微絨毛等，分別與細胞形態(tài)細胞形態(tài)的維持、的維持、細胞運動細胞運動、細胞的、細胞的物質(zhì)交換物質(zhì)交換等功能有等功能有關。關。 骨架與細胞表面的特化結(jié)構(gòu)骨架與細胞表面的特化結(jié)構(gòu)膜骨架指細胞膜下與

16、膜蛋白相連的由纖維蛋白組成膜骨架指細胞膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)( meshwork)，它參與維持質(zhì)膜的形狀并它參與維持質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。它的特點是粘質(zhì)性高，協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。它的特點是粘質(zhì)性高，有較強的抗拉能力。有較強的抗拉能力。一、膜骨架一、膜骨架二、紅細胞二、紅細胞（一）紅細胞的生物學特性（一）紅細胞的生物學特性哺乳動物成熟的紅細胞沒有哺乳動物成熟的紅細胞沒有細胞核細胞核和和內(nèi)膜系統(tǒng)內(nèi)膜系統(tǒng)，細胞膜既有，細胞膜既有良好的彈性又有較高的強度，并且細胞膜和膜骨架的蛋白比較良好的彈性又有較高的強度，并且細胞膜和膜骨架的蛋白比較容易純化、分析

17、。紅細胞經(jīng)過低滲處理，質(zhì)膜破裂，內(nèi)容物容易純化、分析。紅細胞經(jīng)過低滲處理，質(zhì)膜破裂，內(nèi)容物釋放，留下一個保持原形的殼，稱為釋放，留下一個保持原形的殼，稱為血影血影。因此，是研究膜骨。因此，是研究膜骨架的理想材料。架的理想材料。（二）紅細胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架（二）紅細胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架血影血影SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳分析聚丙烯酰胺凝膠電泳分析：血影蛋白主要成分包括：血影蛋白、錨蛋白、帶3蛋白、帶4.1蛋白、帶4.1蛋白、肌動蛋白和血型糖蛋白。改變處理的離子強度改變處理的離子強度：血影蛋白和肌動蛋白條帶消失，血影的形狀改變，膜的流動性增強。用用Triton100處理處理：帶3蛋白和一些血型糖蛋白消失

18、，血影的形狀基本不變。用非離子去垢劑處理用非離子去垢劑處理：所有的脂質(zhì)和血型糖蛋白及大部分帶3蛋白消失，血影的形狀基本不變。膜骨架蛋白膜骨架蛋白主要成分包括：血影蛋白、肌動蛋白、錨蛋白和主要成分包括：血影蛋白、肌動蛋白、錨蛋白和 帶帶4.1蛋白等。蛋白等。植物細胞壁（植物細胞壁（cell wall）植物細胞壁的植物細胞壁的組成組成 植物細胞壁的功能植物細胞壁的功能 增加細胞強度，提供支持功能；增加細胞強度，提供支持功能； 信息儲存庫的功能：產(chǎn)生多種寡糖信息儲存庫的功能：產(chǎn)生多種寡糖 素作為信號物質(zhì)，或抵抗病、蟲害，素作為信號物質(zhì)，或抵抗病、蟲害， 或作為細胞生長和發(fā)育的信號物質(zhì)?；蜃鳛榧毎L和發(fā)育的信號物質(zhì)。 纖維素分子纖維素微原纖維（microfibril）,