《細(xì)胞生物學(xué)》課件1細(xì)胞分類和共性

1、地球上現(xiàn)有細(xì)胞有哪些基本類型？細(xì)胞有哪些基本共性？真核細(xì)胞與原核細(xì)胞細(xì)胞膜：細(xì)胞質(zhì)膜、物質(zhì)跨膜運輸核糖體：第一部分：細(xì)胞的分類和共性第二部分：真核細(xì)胞主要的細(xì)胞器及細(xì)胞骨架真核細(xì)胞的細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)和功能？細(xì)胞器在細(xì)胞生命活動過程中的聯(lián)系？線粒體、葉綠體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體細(xì)胞核細(xì)胞骨架第三部分：細(xì)胞的生活細(xì)胞的生活歷程及其調(diào)控？細(xì)胞如何調(diào)節(jié)其行為？細(xì)胞的生活史：生長、分裂、分化、衰老、死亡細(xì)胞之間的聯(lián)系： 細(xì)胞的社會性 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第四部分：細(xì)胞生物學(xué)的研究方法細(xì)胞如何被發(fā)現(xiàn)？細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用經(jīng)典技術(shù)-顯微及亞顯微結(jié)構(gòu)的觀察：細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞工程等相關(guān)技術(shù)：細(xì)胞生物學(xué)與其他學(xué)科交叉的

2、技術(shù)：現(xiàn)代分子細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)：細(xì)胞的分類和共性第一部分內(nèi)容提要細(xì)胞的共性真核細(xì)胞與原核細(xì)胞的比較細(xì)胞膜及其功能核糖體一、細(xì)胞的共性生物的遺傳信息儲存在DNA序列中（偶爾是RNA），并通過復(fù)制傳遞給子代細(xì)胞。儲存在DNA序列中的信息編碼RNA和蛋白質(zhì)的一級和三維結(jié)構(gòu)。亞單位可以通過組裝形成大分子結(jié)構(gòu)。膜結(jié)構(gòu)在細(xì)胞內(nèi)不是從頭合成的，而是通過延伸預(yù)先存在的磷脂雙層完成的。蛋白質(zhì)和核酸中的特定的識別信號被受體分子識別，引導(dǎo)它們進(jìn)行正確的胞內(nèi)定位。物質(zhì)的跨膜運輸方式多樣；細(xì)胞器和膜泡在細(xì)胞內(nèi)的運輸則需要馬達(dá)分子的通過特定的方式、消耗ATP進(jìn)行。細(xì)胞的行為和生命活動因環(huán)境的變化而變化，其中一些選擇是受遺傳

3、物質(zhì)控制的程序性的?；罴?xì)胞是動態(tài)的，其成分和活性在外界刺激、營養(yǎng)條件和內(nèi)部信號的變化下改變，但細(xì)胞通過協(xié)調(diào)合成和分解的平衡達(dá)到優(yōu)化，總體上保持穩(wěn)定。二、真核細(xì)胞與原核細(xì)胞的比較真核細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)體系：1 以脂質(zhì)及蛋白質(zhì)成分為基礎(chǔ)的生物膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；2 以核酸（DNA或RNA）與蛋白質(zhì)為主要成分的 遺傳信息表達(dá)系統(tǒng)；3 由特異蛋白分子裝配構(gòu)成的細(xì)胞骨架系統(tǒng)。1 結(jié)構(gòu)和功能的比較： 真核細(xì)胞中生物膜系統(tǒng)的分化和演變，將細(xì)胞分化為核與質(zhì)兩部分，從而將遺傳物質(zhì)的儲存、復(fù)制和轉(zhuǎn)錄局限在特定的微環(huán)境（核內(nèi)）中，而翻譯、代謝過程均在胞質(zhì)中進(jìn)行，與此適應(yīng)的是胞質(zhì)中各種細(xì)胞器的特化。 2 遺傳裝置和基因表達(dá)方式的

4、比較： 雙層核膜的出現(xiàn)為遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)的演化提供了良好的微環(huán)境，出現(xiàn)了真核細(xì)胞遺傳結(jié)構(gòu)裝置的復(fù)雜性、基因組的多倍性、基因表達(dá)程序嚴(yán)格的階段性和區(qū)域性、基因表達(dá)調(diào)節(jié)的多層次性，以及在遺傳信息從親代向子代傳遞的特定規(guī)律性。三、細(xì)胞膜及其功能“流動鑲嵌模型”（一）細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和成分細(xì)胞膜的化學(xué)成分 膜脂（50%）細(xì)胞膜 膜蛋白（40%-50%） 膜糖（1%-10%） 1. 脂雙層膜脂的組成能夠決定生物膜的物理狀態(tài)，以及影響特殊膜蛋白的活性。膜脂還提供具有高度活性的化學(xué)信使前體，以調(diào)節(jié)細(xì)胞的功能。脂雙層具有自組裝能力。（脂質(zhì)體）2. 膜蛋白外周蛋白又叫外在蛋白，為水溶性蛋白，在胞質(zhì)側(cè)和胞外側(cè)都有分布。整

5、合蛋白又叫鑲嵌蛋白，其中貫穿膜的類型稱為跨膜蛋白。脂錨定蛋白與脂分子呈共價連接，在胞質(zhì)側(cè) 和胞外側(cè)都有分布。整合膜蛋白的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究冷凍斷裂復(fù)型整合膜蛋白一般都含有一個或者多個疏水跨膜螺旋，很難以可溶形式分離。從膜上出去這些蛋白質(zhì)需要去垢劑。離子型去垢劑：SDS使蛋白質(zhì)變性 非離子型去垢劑： Triton X100 不改變蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)整合膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域形成親水通道有兩種形式:1 由多個螺旋組成親水通道;2 由折疊組成親水通道 脂錨定蛋白與磷脂或包埋在脂雙層小葉中的脂肪酸共價成鍵膜蛋白主要承擔(dān)和執(zhí)行生物膜的功能。不同功能的細(xì)胞，其膜蛋白的含量和種類有顯著差異。按照功能劃分為： 催化代

6、謝類：參與催化的酶 物質(zhì)運輸類：泵、載體、通道 信息的感受和傳遞類：受體、抗原、粘附分子（二）細(xì)胞膜的特點1 膜的流動性： 生物膜是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)，其組分處于運動狀態(tài)，具有膜脂的流動性（fluidity）和膜蛋白的運動性（mobility），總稱為膜的流動性。影響因素： 脂肪酸鏈飽和度、磷脂組分、蛋白類型、溫度、pH值、離子強度（1）膜脂的流動性： 膜脂分子的運動方式 沿膜平面的側(cè)向運動：基本運動方式 圍繞軸心的自旋運動 脂分子尾部的擺動 雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運動（在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上發(fā)生的頻率很高）溫度影響膜脂的狀態(tài)（2）膜蛋白的流動性 細(xì)胞融合是證實膜蛋白在膜平面運動的第一個實驗（1970年Larr

7、y Frye和Michael Edidin）。Experiment demonstrating the mixing of plasma membrane proteins on mouse-human hybrid cells. The mouse and human proteins are initially confined to their own halves of the newly formed heterocaryon plasma membrane, but they intermix with time. The two antibodies used to visual

8、ize the proteins can be distinguished in a fluorescence microscope because fluorescein is green whereas rhodamine is red. Antibody-induced patching and capping of a cell-surface protein on a white blood cell. The bivalent（二價的） antibodies cross-link the protein molecules to which they bind. This caus

9、es them to cluster into large patches, which are actively swept to the tail end of the cell to form a cap. The centrosome, which governs the head-tail polarity of the cell, is shown in orange. 有些膜蛋白在整個膜中隨機(jī)運動，有些則不能運動。膜蛋白在脂雙層二維溶液中的運動是自發(fā)的熱運動，不需提供能量。多數(shù)研究中，大部分種類的蛋白質(zhì)在膜中以自由擴(kuò)散的速率隨機(jī)運動，移動距離僅十分之幾微米。膜蛋白并非完全自由的隨

10、機(jī)漂浮在脂“海”上，對整合膜蛋白最強的影響來自膜下細(xì)胞骨架的限制。2 膜的不對稱性： （1 ）膜脂的不對稱性： 與膜的內(nèi)側(cè)成分相比，膜的外側(cè)含有相對較高濃度的磷脂酰膽堿（PC），而含有較低濃度的磷脂酰乙醇胺（PE）和磷脂酰絲氨酸（PS）。所有的糖脂都分布在胞外側(cè)（ES）。（2 ）膜蛋白的不對稱性： 所有類型的膜蛋白在質(zhì)膜上的分布都不對稱，在質(zhì)膜上的分布具有確定的方向性。Diagram of an epithelial cell showing how a plasma membrane protein is restricted to a particular domain of the me

11、mbrane. Protein A (in the apical membrane) and protein B (in the basal and lateral membranes) can diffuse laterally in their own domains but are prevented from entering the other domain, at least partly by the specialized cell junction called a tight junction. Lipid molecules in the outer (noncytopl

12、asmic) monolayer of the plasma membrane are likewise unable to diffuse between the two domains; lipids in the inner (cytoplasmic) monolayer, however, are able to do so. （三）膜的研究技術(shù)熒光漂白恢復(fù)技術(shù) Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP). （四）細(xì)胞膜的功能為細(xì)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)運輸為酶提供結(jié)合位點，使酶促反應(yīng)高效有序進(jìn)行提供細(xì)胞識別位

13、點，完成信號的跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)介導(dǎo)細(xì)胞間、細(xì)胞與基質(zhì)之間的連接能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞膜功能之物質(zhì)運輸跨膜運輸被動運輸協(xié)助擴(kuò)散主動運輸簡單擴(kuò)散 ATP驅(qū)動泵：ATP直接供能的主動運輸耦聯(lián)轉(zhuǎn)運蛋白： ATP間接供能的主動運輸光驅(qū)動泵膜泡運輸胞吞胞吐吞噬胞飲受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用組成型胞吐調(diào)節(jié)型胞吐細(xì)胞內(nèi)外的離子差異對細(xì)胞的存活和功能至關(guān)重要，細(xì)胞內(nèi)外的離子差別怎樣調(diào)控？2 特殊的膜轉(zhuǎn)運蛋白的活性 1 脂雙層的疏水特征色氨酸怎樣證明某物質(zhì)可以自由通過細(xì)胞膜？（自由擴(kuò)散）低滲溶液高滲溶液等滲溶液參與物質(zhì)運輸?shù)哪さ鞍子心男╊愋秃吞攸c？1 載體蛋白：普遍存在于生物膜上的多次跨膜蛋白。（1）具有高度選擇性，通常只轉(zhuǎn)運一種類型的分

14、子。（2）細(xì)胞的不同膜結(jié)構(gòu)上分別含有一套與該膜功能相關(guān) 的不同的載體蛋白。2 離子通道：允許離子通過的親水通道。（1）離子通道介導(dǎo)的跨膜運輸不需要和溶質(zhì)分子結(jié)合。（2）轉(zhuǎn)運速率極高，接近自由擴(kuò)散的理論值。（3）離子通道是門控的，一般是關(guān)閉的。包括電壓門 通道、配體門通道和應(yīng)力激活通道。 通道與載體蛋白Channel and carrier proteins 配體門通道電壓門通道兩種主要的門控通道水分子的跨膜運輸方式一：簡單擴(kuò)散方式二：水孔蛋白（aquaporin,AQP）介導(dǎo)的快速跨膜運輸，對水具有高度特異性。水通道涉及許多生理過程涉及體液的流動，例如出汗、排尿、發(fā)炎紅腫以及流淚等。2003年

15、諾貝爾化學(xué)獎協(xié)助擴(kuò)散對同一種物質(zhì)而言，協(xié)助擴(kuò)散比自由擴(kuò)散有哪些優(yōu)勢？轉(zhuǎn)運速率增加，轉(zhuǎn)運特異性增強主動運輸?shù)念愋?、ATP驅(qū)動泵鈉鉀泵是存在于一切動物細(xì)胞的細(xì)胞膜上的 典型的P型離子泵分布在植物細(xì)胞、真菌和細(xì)菌細(xì)胞的質(zhì)膜上的P型離子泵 H 泵(質(zhì)子泵)2、協(xié)同轉(zhuǎn)運是一類由鈉鉀泵（或質(zhì)子泵）與載體蛋白協(xié)同作用，靠間接消耗ATP所完成的主動運輸方式。動力來源：膜兩側(cè)的離子電化學(xué)梯度（由鈉鉀泵或質(zhì)子泵消耗ATP維持） 動物細(xì)胞利用的是Na+的電化學(xué)梯度 植物細(xì)胞和細(xì)菌利用的是H電化學(xué)梯度同向轉(zhuǎn)運小腸上皮細(xì)胞吸收葡萄糖伴隨著Na從細(xì)胞外流入細(xì)胞內(nèi)。一些細(xì)菌中，乳糖的吸收和H相伴。反向轉(zhuǎn)運1 Na+/Ca

16、2+交換器： 調(diào)節(jié)胞內(nèi)Ca2+濃度2 Na+/H+對向運輸： 調(diào)節(jié)pH值跨膜運輸被動運輸協(xié)助擴(kuò)散主動運輸簡單擴(kuò)散 ATP驅(qū)動泵：ATP直接供能的主動運輸耦聯(lián)轉(zhuǎn)運蛋白： ATP間接供能的主動運輸光驅(qū)動泵 核糖體是合成蛋白質(zhì)的場所，其唯一的功能是按照mRNA的指令，由氨基酸高效且精確地合成多肽鏈。 四、核糖體（一）核糖體的基本類型與成分基本類型附著核糖體游離核糖體主要成分r蛋白質(zhì)：40%，核糖體表面 rRNA: 60%, 核糖體內(nèi)部原核生物與真核生物核糖體成分的比較 （二）核糖體的結(jié)構(gòu)與功能的研究方法1 離子交換樹脂可分離純化各種r蛋白；純化的r蛋白與純化的rRNA進(jìn)行核糖體的重組裝，顯示核糖體中

17、r蛋白與rRNA的結(jié)構(gòu)關(guān)系。生化分離結(jié)合體外重建2 雙向電泳技術(shù)可顯示出E.coli核糖體在裝配各階段中， 與rRNA結(jié)合的蛋白質(zhì)的類型。雙功能的交聯(lián)劑和雙向電泳分離可用于研究r蛋白在結(jié)構(gòu)上的相互關(guān)系 分子生物學(xué)方法3 電鏡負(fù)染色與免疫標(biāo)記技術(shù)結(jié)合，研究r蛋白在核糖體的亞單位上的定位。 對rRNA，特別是對16S rRNA結(jié)構(gòu)的研究 70S核糖體的小亞單位中rRNA與全部的r蛋白關(guān)系的空間模型 電鏡及相關(guān)技術(shù)4 X射線晶體學(xué)研究核糖體晶體結(jié)構(gòu)。 1980年獲得核糖體晶體?；瘜W(xué)方法萊馬克里斯南施泰茨尤納斯2009年諾貝爾化學(xué)獎得主瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾化學(xué)獎評委莫恩斯艾倫貝里介紹2009年諾貝爾化

18、學(xué)獎得主成就 萬卡特拉曼-萊馬克里斯南(Venkatraman Ramakrishnan) 、托馬斯-施泰茨(Thomas Steitz) 和阿達(dá)-尤納斯(Ada Yonath)因?qū)Α昂颂求w結(jié)構(gòu)和功能的研究”做出突出貢獻(xiàn)而獲得2009年諾貝爾化學(xué)獎。 1 同一生物中不同種類的r蛋白的一級結(jié)構(gòu) 均不相同，在免疫學(xué)上幾乎沒有同源性；不同生物同一種類r蛋白之間具有很高的同源性，并在進(jìn)化上非常保守。 2 蛋白質(zhì)結(jié)合到rRNA上具有先后層次性，核糖體的重組裝是自我裝配過程。 （三）目前對核糖體認(rèn)識的要點3 核糖體上具有許多重要位點，包括：（1）與mRNA的結(jié)合位點（2）與新?lián)饺氲陌滨?tRNA的結(jié)合位點（氨?；稽c），即A位點（3）與延伸中的肽酰-tRNA的結(jié)合位點（肽?；稽c），即P位點（4）肽酰轉(zhuǎn)移后與即將釋放的tRNA的結(jié)合位點，即E位點（5）與肽酰tRNA從A位點轉(zhuǎn)移到P位點有關(guān)的轉(zhuǎn)移酶 (即延伸因子EF-G)的結(jié)合位點。（6）肽酰轉(zhuǎn)移酶的催化位點。（7）與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的其它起始因子、延伸因子和終止因子的結(jié)合位點 。4 在核糖體中rRNA是起主要作用的結(jié)構(gòu)成分具有肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性；為tRNA提