细胞生物学(翟中和)笔记
细胞生物学(翟中和)笔记
第一章
绪论
?细胞生物学研究的内容和现状
?细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科
?
细胞生物学的主要研究内容
?
当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域
?
细胞重大生命活动的相互关系
?细胞学与细胞生物学发展简史
?
细胞的发现
?
细胞学说的建立其意义
?
细胞学的经典时期
?
实验细胞学与细胞学的分支及其发展
?
细胞生物学学科的形成与发展
?
细胞生物学的主要学术组织、学术刊物与教科书
细胞生物学
?
生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系，
而细胞是生命体的结构与生命活动的基本单位，有
了细胞才有完整的生命活动。
?
细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学，它
是在不同层次（显微、亚显微与分子水平）上以研究
细胞结构与功能、细胞增殖、分化、衰老与凋亡、细
胞信号传递、真核细胞基因表达与调控、细胞起源与
进化等为主要内容。核心问题是将遗传与发育在细胞
水平上结合起来。
主要内容
细胞结构与功能、细胞重要生命活动：
?细胞核、染色体以及基因表达的研究
?生物膜与细胞器的研究
?细胞骨架体系的研究
?细胞增殖及其调控
?细胞分化及其调控
?细胞的衰老与凋亡
?细胞的起源与进化
?细胞工程
总趋势
?细胞生物学与分子生物学(包括分子遗传学与
生物化学)
相互渗透与交融是总的发展趋势。
重点领域
?染色体DNA与蛋白质相互作用关系
—主要是非组蛋白对基因组的作用
?细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控
?细胞信号转导的研究
?细胞结构体系的组装
美国科学情报研究所（ISI）1997年SCI（Science
Citation
Inde*）收录及引用论文检索，全世界自然科学研究中论文发表最集中的三个领域分别是：
?细胞信号转导（signal
transduction）；
?细胞凋亡（cell
apoptosis）；
?基因组与后基因组学研究（genome
and
post-genomic
analysis）。
美国国立卫生研究院（NIH）在1988年底发表的一份题为《什麽是当今科研领域的热门话题？》（“What
is
popular
in
research
today？”）的调查报告中指出，目前全球研究最热门的是
?三种疾病：
?癌症（cancer）
?心血管病（cardiovascular
diseases）
?爱滋病和肝炎等传染病
（infectious
diseases：AIDS，hepatitis）
?五大研究方向：
?细胞周期调控（cell
cycle
control）；
?细胞凋亡（
cell
apoptosis）；
?细胞衰老（cellular
senescence）；
?信号转导（signal
transduction）；
?DNA的损伤与修复（DNA
damage
and
repair）
“细胞学说”的基本内容
?
认为细胞是有机体，一切动植物都是由细胞
发育而来,并由细胞和细胞产物所构成；
?
每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它“自己的”
生命,又对与其它细胞共同组成的整体的生命有所助益；
?
新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。
Alberts
B
et
al.
Essential
Cell
Biology.
New
York
and
London：Garland
publishing，Inc.
1998
Alberts
B
et
al.
Molecuar
Biology
of
the
Cell,3rd
ed.
New
York
and
London：Garland
Publishing，Inc.
1994
Becker
W.M.
et
al.
The
World
of
the
Cell.
Fourth
Ed.
The
Benjamin/Cummings
Publishing
Company.
2000
Gerald
Karp.
Cell
and
Molecular
Biology：concepts
and
e*periments，2nd
Edition.
Published
by
John
Wiley
生物膜(biomembrane)
?
细胞质膜的结构模型
?
膜脂——生物膜的基本组成成分
?
膜蛋白
?
确定膜蛋白方向的实验程序
?
光脱色恢复技术
?
分子生物学技术在膜蛋白研究上的应用
?生物膜结构特征
?
细胞质膜的功能
?
膜骨架与细胞表面的特化结构
第二节
细胞连接
?
细胞连接的功能分类
?
封闭连接
?
锚定连接
?通讯连接
?细胞表面的粘连分子
一、胞质膜的结构模型
?研究简史
?结构模型
?生物膜结构
结构模型
?E.Gorter和F．Grendel（1925）:
“蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板质膜结构模型
?J.D.Robertson（1959年）：
单位膜模型(unit
membrane
model)
?S.J.Singer和G.Nicolson（1972）：
生物膜的流动镶嵌模型(fluid
mosaic
model)
?K.Simons
et
al(1997):
脂筏模型（lipid
rafts
model）
Functional
rafts
in
Cell
membranes.
Nature
387:569-572
生物膜结构
?磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白；
?蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面,膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者；
?生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。
“Central
dogma”
of
membrane
biology
膜的流动性
?膜脂的流动性
膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的,脂肪酸链越短,不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。温度对膜脂的运动有明显的影
响。在细菌和动物细胞中常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜
脂的相变温度以维持膜脂的流动性。在动物细胞中，胆固醇对膜的
流动性起重要的双向调节作用。
?膜蛋白的流动
荧光抗体免疫标记实验
成斑现象(patching)或成帽现象(capping)
?膜的流动性受多种因素影响；细胞骨架不但影响膜蛋白的运动，
也影响其周围的膜脂的流动。膜蛋白与膜脂分子的相互作用也是
影响膜流动性的重要因素
膜的不对称性
?细胞质膜各部分的名称
?膜脂与糖脂的不对称性
糖脂仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功能的结构基础
?膜蛋白与糖蛋白的不对称性
膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都
具有明确的方向性；
糖蛋白糖残基均分布在质膜的ES面(GO+3HBH4
labeling)；
膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上
有序的各种生理功能的保证。
二、膜脂——生物膜的基本组成成分
?成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固
醇三种类型。
?
膜脂的４种热运动方式
?
脂质体（liposome）
膜脂成分
?磷脂：膜脂的基本成分（50％以上）
?分为二类:
甘油磷脂和鞘磷脂
?主要特征：①具有一个极性头和两个非极性的尾(脂肪酸链)
（心磷脂除外）；②脂肪酸碳链碳原子为偶数,多数碳链由
16,18或20个组成；③饱和脂肪酸(如软脂酸)及不饱和脂肪
酸(如油酸)；
?糖脂：糖脂普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（5％以下）,神经细胞糖脂含量较高；
?胆固醇：胆固醇存在于真核细胞膜上（30%以下），细菌质膜不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂类。
运动方式
?沿膜平面的侧向运动（基本运动方式）,其扩散系数为10-8cm2/s；
?脂分子围绕轴心的自旋运动；
?脂分子尾部的摆动；
?双层脂分子之间的翻转运动，发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10－10。但在内质网膜上,新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高。
脂质体（liposome）
脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。
?脂质体的类型。
?脂质体的应用
脂质体的应用
?研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；
?脂质体中裹入DNA可用于基因转移；
?在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体
三、膜蛋白
?基本类型
?内在膜蛋白与膜脂结合的方式
?外在膜蛋白与膜脂结合的方式
?去垢剂(detergent)
?外在(外周)膜蛋白
(extrinsic/peripheral
membrane
proteins
)；
?水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜内表
面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，
易分离。
?内在（整合）膜蛋白
(intrinsic/
integral
membrane
proteins)。
?水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，
需用去垢剂使膜崩解后才可分离。
?脂质锚定蛋白（lipid-anchored
proteins)
?
通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。
?膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。
?跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带
负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过
Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。
?某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结
合脂肪酸分子,插入脂双层之间,进一步加强膜蛋白与脂
双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。
?去垢剂是一端亲水、另一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。
?离子型去垢剂(SDS)和非离子型去垢剂（Triton
*-100）
SDS:
CH3-(CH2)11-OSO3-Na+
CH3
CH3
CH3
–
C
–
CH2
–
C
–
(O-CH2-CH2)10-
OH
CH3
CH3
四、确定膜蛋白方向的实验程序
?
胰酶消化法
?
同位素标记法
五、光脱色恢复技术
(fluorescence
recovery
after
photobleaching,FRAP)
?
研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。
?
程序：
根据荧光恢复的速度可推算出
膜蛋白或膜脂扩散速度。
?膜的流动性：生物膜的基本特征之一,细胞进行生命活动的必要条件。
?膜的不对称性
?膜的分相现象。
七、细胞质膜的功能
?
为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境;
?
选择性的物质运输,包括代谢底物的输入与代谢
产物的排除,其中伴随着能量的传递;
?
提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递;
?
为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行;
?
介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接;
?
质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。
八、膜骨架与细胞表面的特化结构
细胞质膜常常与膜下结构(主要是细胞骨架系统)相互联系,协同作用,并形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。
?膜骨架
?膜骨架的概念
?指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构,它参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。
?红细胞的生物学特性
?膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度。
?红细胞质膜蛋白及膜骨架
红细胞质膜蛋白及膜骨架
?红细胞质膜蛋白的SDS-PAGE
?红细胞膜骨架的结构
一、细胞连接的功能分类
?封闭连接(occluding
junctions)
?紧密连接(tight
junction)
?锚定连接(anchoring
junctions)
?通讯连接(communicating
junctions)
?间隙连接(gap
junction)；
?神经细胞间的化学突触(chemical
synapse)；
?植物细胞中的胞间连丝(plasmodesmata)。
锚定连接(anchoring
junctions)
?与中间纤维相关的锚定连接：
?桥粒(desmosome)
?半桥粒(hemidesm
osome);
?与肌动蛋白纤维相关的锚定连接：
?粘合带(adhesion
belt)；
?粘合斑(focal
adhesion)
二、封闭连接
?紧密连接是封闭连接的主要形式，存在于上皮细胞之间
?紧密连接的结构
?紧密连接的功能
?形成渗漏屏障，起重要的封闭作用；
?隔离作用，使游离端与基底面质膜上的膜蛋白行使各自不同的膜功能；
?支持功能
?紧密连接嵴线中的两类蛋白：
?封闭蛋白（occludin），跨膜四次的膜蛋白（60KD）；
?claudin蛋白家族（现已发现15种以上）
三、锚定连接
?锚定连接在组织内分布很广泛,在上皮组织,心肌和子宫颈等组织中含量尤为丰富
?锚定连接的类型、结构与功能
?锚定连接的结构组成
锚定连接的类型、结构与功能
?与中间纤维相连的锚定连接
?桥粒:
铆接相邻细胞，提供细胞内中间纤维的锚定位点，形成整体网络，起支持和抵抗外界压力与张力的作用。
?半桥粒:
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