南開大學翟中和細胞生物學考研筆記.doc

細胞生物學考研復(fù)習筆記-翟中和第一章 緒論第二章 細胞基本知識概要第三章 細胞生物學研究方法第四章 細胞質(zhì)膜與細胞表面第五章 物質(zhì)的跨膜運輸與信號傳遞第六章 細胞質(zhì)基質(zhì)與細胞內(nèi)膜系統(tǒng)第七章 細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體第八章 細胞核(nucleus)與染色體(chromosome) 第九章 核糖體(ribosome) 第十章 細胞骨架(Cytoskeleton)第十一章 細胞增殖及其調(diào)控第十二章 細胞分化與基因表達調(diào)控第十三章 細胞衰老與凋亡第一章 緒論 細胞生物學研究的內(nèi)容和現(xiàn)狀 細胞生物學是現(xiàn)代生命科學的重要基礎(chǔ)學科 細胞生物學的主要研究內(nèi)容 當前細胞生物學研究的總趨勢與重點領(lǐng)域 細胞重大生命活動的相互關(guān)系 細胞學與細胞生物學發(fā)展簡史 細胞的發(fā)現(xiàn) 細胞學說的建立其意義 細胞學的經(jīng)典時期 實驗細胞學與細胞學的分支及其發(fā)展 細胞生物學學科的形成與發(fā)展 細胞生物學的主要學術(shù)組織、學術(shù)刊物與教科書細胞生物學 生命體是多層次、非線性、多側(cè)面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，而細胞是生命體的結(jié)構(gòu)與生命活動的基本單位，有了細胞才有完整的生命活動。 細胞生物學是研究細胞基本生命活動規(guī)律的科學，它是在不同層次（顯微、亞顯微與分子水平）上以研究細胞結(jié)構(gòu)與功能、細胞增殖、分化、衰老與凋亡、細 胞信號傳遞、真核細胞基因表達與調(diào)控、細胞起源與進化等為主要內(nèi)容。核心問題是將遺傳與發(fā)育在細胞水平上結(jié)合起來。主要內(nèi)容 細胞結(jié)構(gòu)與功能、細胞重要生命活動： 細胞核、染色體以及基因表達的研究 生物膜與細胞器的研究 細胞骨架體系的研究 細胞增殖及其調(diào)控 細胞分化及其調(diào)控 細胞的衰老與凋亡 細胞的起源與進化 細胞工程總趨勢 細胞生物學與分子生物學(包括分子遺傳學與 生物化學) 相互滲透與交融是總的發(fā)展趨勢。重點領(lǐng)域 染色體DNA與蛋白質(zhì)相互作用關(guān)系 主要是非組蛋白對基因組的作用 細胞增殖、分化、凋亡的相互關(guān)系及其調(diào)控 細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究 細胞結(jié)構(gòu)體系的組裝 美國科學情報研究所（ISI）1997年SCI（Science Citation Index）收錄及引用論文檢索，全世界自然科學研究中論文發(fā)表最集中的三個領(lǐng)域分別是：細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（signal transduction）；細胞凋亡（cell apoptosis）；基因組與后基因組學研究（genome and post-genomic analysis）。美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）在1988年底發(fā)表的一份題為什麼是當今科研領(lǐng)域的熱門話題？（“What is popular in research today？”）的調(diào)查報告中指出，目前全球研究最熱門的是三種疾?。?癌癥（cancer） 心血管病（cardiovascular diseases） 愛滋病和肝炎等傳染病 （infectious diseases：AIDS，hepatitis）五大研究方向：細胞周期調(diào)控（cell cycle control）；細胞凋亡（ cell apoptosis）；細胞衰老（cellular senescence）；信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（signal transduction）； DNA的損傷與修復(fù)（DNA damage and repair）“細胞學說”的基本內(nèi)容 認為細胞是有機體，一切動植物都是由細胞 發(fā)育而來,并由細胞和細胞產(chǎn)物所構(gòu)成； 每個細胞作為一個相對獨立的單位，既有它“自己的” 生命,又對與其它細胞共同組成的整體的生命有所助益； 新的細胞可以通過老的細胞繁殖產(chǎn)生。Alberts B et al. Essential Cell Biology. New York and London：Garland publishing，Inc. 1998Alberts B et al. Molecuar Biology of the Cell, 3rd ed. New York and London：Garland Publishing，Inc. 1994Becker W.M. et al. The World of the Cell. Fourth Ed. The Benjamin/Cummings Publishing Company. 2000Gerald Karp. Cell and Molecular Biology：concepts and experiments，2nd Edition. Published by John Wiley & Sons,Inc. 1999 Lodish H. et al. Molecular Cell Biology. 4th Ed. Scientific American Books,Inc.2000.學習細胞生物學的注意點 抽象思維與動態(tài)觀點 結(jié)構(gòu)與功能統(tǒng)一的觀點 同一性(unity)和多樣性(diversity)的問題 細胞生物學的主要內(nèi)容： 基本概念與實驗證據(jù)；細胞器的動態(tài)特征； 化學能的產(chǎn)生與利用；細胞的活動及其調(diào)控等 實驗科學與實驗技術(shù)細胞真知源于實驗室 What we know/How we know.第二章 細胞基本知識概要細胞的基本概念非細胞形態(tài)的生命體 病毒及其與細胞的關(guān)系原核細胞與真核細胞第一節(jié) 細胞的基本概念細胞是生命活動的基本單位細胞概念的一些新思考細胞的基本共性第二節(jié) 非細胞形態(tài)的生命體 病毒及其與細胞的關(guān)系病毒的基本知識病毒在細胞內(nèi)增殖（復(fù)制）病毒與細胞在起源與進化中的關(guān)系第三節(jié) 原核細胞與真核細胞原核細胞（Prokaryotic cell）真核細胞（Eukaryotic cell）古細菌 （Archaebacteria）細胞是生命活動的基本單位一切有機體都由細胞構(gòu)成，細胞是構(gòu)成有機體的基本單位細胞具有獨立的、有序的自控代謝體系， 細胞是代謝與功能的基本單位細胞是有機體生長與發(fā)育的基礎(chǔ)細胞是遺傳的基本單位，細胞具有遺傳的全能性沒有細胞就沒有完整的生命細胞概念的一些新思考細胞是多層次非線性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系 細胞具有高度復(fù)雜性和組織性細胞是物質(zhì)（結(jié)構(gòu)）、能量與信息過程精巧結(jié)合的綜合體 細胞完成各種化學反應(yīng)； 細胞需要和利用能量； 細胞參與大量機械活動； 細胞對刺激作出反應(yīng)；細胞是高度有序的，具有自組裝能力與自組織體系。 細胞能進行自我調(diào)控； 繁殖和傳留后代；細胞的基本共性所有的細胞表面均有由磷脂雙分子層與鑲嵌 蛋白質(zhì)構(gòu)成的生物膜，即細胞膜。所有的細胞都含有兩種核酸：即DNA與RNA 作為遺傳信息復(fù)制與轉(zhuǎn)錄的載體。作為蛋白質(zhì)合成的機器核糖體，毫無例外地 存在于一切細胞內(nèi)。所有細胞的增殖都以一分為二的方式進行分裂。病毒的基本知識病毒（virus）核酸分子（DNA或RNA）與蛋白質(zhì)構(gòu) 成的核酸-蛋白質(zhì)復(fù)合體； 根據(jù)病毒的核酸類型可以將其分為兩大類： DNA病毒與RNA病毒 病毒的多樣性）類病毒（viroid）僅由感染性的RNA構(gòu)成；朊病毒（prion） 僅由感染性的蛋白質(zhì)亞基構(gòu)成；病毒在細胞內(nèi)增殖（復(fù)制）病毒侵入細胞，病毒核酸的侵染病毒核酸的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄與蛋白質(zhì)的合成病毒的裝配、成熟與釋放病毒與細胞在起源與進化中的關(guān)系 病毒是非細胞形態(tài)的生命體，它的主要生命活動必須要在細胞內(nèi)實現(xiàn)。病毒與細胞在起源上的關(guān)系，目前存在3種主要觀點：生物大分子病毒細胞 病毒生物大分子 細胞生物大分子細胞病毒原核細胞 基本特點： 遺傳的信息量小，遺傳信息載體僅由一個環(huán)狀DNA構(gòu)成； 細胞內(nèi)沒有分化為以膜為基礎(chǔ)的具有專門結(jié)構(gòu)與功能 的細胞器和細胞核膜。主要代表： 支原體（mycoplast）目前發(fā)現(xiàn)的最小最簡單的細胞； 細菌 藍藻又稱藍細菌（Cyanobacteria）真核細胞真核細胞的基本結(jié)構(gòu)體系細胞的大小及其分析原核細胞與真核細胞的比較真核細胞的基本結(jié)構(gòu)體系以脂質(zhì)及蛋白質(zhì)成分為基礎(chǔ)的生物膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)； 以核酸（DNA或RNA）與蛋白質(zhì)為主要成分的遺傳信息表達系統(tǒng) 由特異蛋白分子裝配構(gòu)成的細胞骨架系統(tǒng)。 細胞的大小及其分析各類細胞直徑的比較原核細胞與真核細胞的比較原核細胞與真核細胞基本特征的比較原核細胞與真核細胞的遺傳結(jié)構(gòu)裝置和基因表達的比較植物細胞與動物細胞的比較植物細胞與動物細胞的比較細胞壁 液泡 葉綠體 古細菌古細菌（archaebacteria）與真核細胞曾在進化上有過共同歷程 主要證據(jù) 進化系統(tǒng)樹主要證據(jù)（1）細胞壁的成分與真核細胞一樣，而非由含壁酸的肽聚糖構(gòu)成，因此抑制壁酸合成的鏈霉素， 抑制肽聚糖前體合成的環(huán)絲氨酸，抑制肽聚糖合成的青霉素與萬古霉素等對真細菌類有強的抑制生長作用，而對古細菌與真核細胞卻無作用。（2）DNA與基因結(jié)構(gòu)：古細菌DNA中有重復(fù)序列的存在。此外，多數(shù)古核細胞的基因組中存在內(nèi)含子。（3）有類核小體結(jié)構(gòu)：古細菌具有組蛋白，而且能與DNA構(gòu)建成類似核小體結(jié)構(gòu)。（4）有類似真核細胞的核糖體：多數(shù)古細菌類的核糖體較真細菌有增大趨勢，含有60種以上蛋白，介于真核細胞（7084）與真細菌（55）之間?？股赝瑯硬荒芤种乒藕思毎惖暮颂求w的蛋白質(zhì)合成。（5）5S rRNA：根據(jù)對5S rRNA的分子進化分析，認為古細菌與真核生物同屬一類，而真細菌卻與之差距甚遠。5S rRNA二級結(jié)構(gòu)的研究也說明很多古細菌與真核生物相似。 除上述各點外，根據(jù)DNA聚合酶分析，氨基酰tRNA合成酶的作用，起始氨基酰tRNA 與肽鏈延長因子等分析，也提供了以上類似依據(jù)，說明古細菌與真核生物在進化上的關(guān)系較真細菌類更為密切。因此近年來，真核細胞起源于古細菌的觀點得到了加強。第三章 細胞生物學研究方法如何學習細胞生物學？ 抽象思維與動態(tài)觀點 結(jié)構(gòu)與功能統(tǒng)一的觀點 同一性(unity)和多樣性(diversity)的問題 細胞生物學的主要內(nèi)容： 結(jié)構(gòu)與功能（動態(tài)特征）； 細胞的生命活動 ； 實驗科學與實驗技術(shù)細胞真知源于實驗室 What we know/How we know.第三章 細胞生物學研究方法 細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的觀察方法 細胞組分的分析方法 細胞培養(yǎng)、細胞工程與顯微操作技術(shù)第一節(jié) 細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的觀察方法 光學顯微鏡技術(shù)（light microscopy） 電子顯微鏡技術(shù) (Electro microscopy) 掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscope） 掃描遂道顯微鏡 (scanning tunneling microscope ) 第二節(jié) 細胞組分的分析方法 離心分離技術(shù) 細胞內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)、酶、糖與脂類等的顯示方法 特異蛋白抗原的定位與定性 細胞內(nèi)特異核酸的定位與定性 放射自顯影技術(shù) 定量細胞化學分析技術(shù)第三節(jié) 細胞培養(yǎng)、細胞工程與顯微操作技術(shù) 細胞的培養(yǎng) 細胞工程 一、光學顯微鏡技術(shù)（light microscopy) 普通復(fù)式光學顯微鏡技術(shù) 熒光顯微鏡技術(shù)（Fluorescence Microscopy） 激光共焦掃描顯微鏡技術(shù)（Laser Confocal Microscopy） 相差顯微鏡（phase-contrast microscope） 微分干涉顯微鏡 （differential interference contrast microscope, DIC） 錄像增差顯微鏡技術(shù)（video-enhance microscopy）二、 電子顯微鏡技術(shù) 電子顯微鏡的基本知識電鏡與光鏡的比較電鏡與光鏡光路圖比較電子顯微鏡的基本構(gòu)造 主要電鏡制樣技術(shù)負染色技術(shù)冰凍蝕刻技術(shù)超薄切片技術(shù)電鏡三維重構(gòu)技術(shù) 掃描電鏡 （Scanning electron microscope，SEM） SPM(Scanning probe microscope)三、 掃描遂道顯微鏡Scanning Probe Microscope,SPM (80年代發(fā)展起來的檢測樣品微觀結(jié)構(gòu)的儀器) 包括：STM、AFM、磁力顯微鏡、摩擦力顯微鏡等原理：掃描探針與樣品接觸或達到很近距離時，即產(chǎn)生彼此間相互作用力，如 量子力學中的隧道效應(yīng)（隧道電流）、原子間作用力、磁力、摩擦力等， 并在計算機顯示出來，從而反映出樣品表面形貌信息、電特性或磁特性等。 裝置：掃描的壓電陶瓷，逼近裝置，電子學反饋控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集、處理、顯示系統(tǒng)。特點：（1）可對晶體或非晶體成像，無需復(fù)雜計算，且分辨本領(lǐng)高。 （側(cè)分辨率為0.10.2nm，縱分辨率可達0.01nm）；（2）可實時得到樣品表面三維圖象，可測量厚度信息； （3）可在真空、大氣、液體等多種條件下工作；非破壞性測量。（4）可連續(xù)成像，進行動態(tài)觀察用途：納米生物學研究領(lǐng)域中的重要工具,在原子水平上揭示樣本表面的結(jié)構(gòu)。 普通復(fù)式光學顯微鏡技術(shù) 光鏡樣本制作分辨率是指區(qū)分開兩個質(zhì)點間的最小距離熒光顯微鏡技術(shù)（Fluorescence Microscopy）原理與應(yīng)用 直接熒光標記技術(shù) 間接免疫熒光標記技術(shù) 在光鏡水平用于特異蛋白質(zhì) 等生物大分子的定性定位： 如綠色熒光蛋白(GFP)的應(yīng)用 激光共焦掃描顯微鏡技術(shù)（Laser Scanning Confocal Microscopy）原理應(yīng)用：排除焦平面以外光的干擾，增強 圖像反差和提高分辨率(1.41.7)， 可重構(gòu)樣品的三維結(jié)構(gòu)。相差顯微鏡（phase-contrast microscope）將光程差或相位差轉(zhuǎn)換成振幅差，可用于觀察活細胞 微分干涉顯微鏡（differential-interference microscope） 偏振光經(jīng)合成后，使樣品中厚度上的微小區(qū)別轉(zhuǎn)化成 明暗區(qū)別，增加了樣品反差且具有立體感。適于研究 活細胞中較大的細胞器錄像增差顯微鏡技術(shù)（video-enhance microscopy） 計算機輔助的DIC顯微鏡可在高分辨率下研究活 細胞中的顆粒及細胞器的運動電鏡與光鏡的比較主要電鏡制樣技術(shù) 超薄切片技術(shù) 用于電鏡觀察的樣本制備示意圖 負染色技術(shù)（Negative staining）與金屬投影 染色背景，襯托出樣品的精細結(jié)構(gòu)冰凍蝕刻技術(shù)（Freeze etching） （技術(shù)示意圖） 冰凍斷裂與蝕刻復(fù)型：主要用來觀察膜斷裂面的蛋白質(zhì)顆粒 和膜表面結(jié)構(gòu)。 快速冷凍深度蝕刻技術(shù)（quick freeze deep etching）電鏡三維重構(gòu)技術(shù)電子顯微術(shù)、電子衍射與計算機圖象處理相結(jié)合而形成的 具有重要應(yīng)用前景的一門新技術(shù)。電鏡三維重構(gòu)技術(shù)與X-射線晶體衍射技術(shù)及核磁共振 分析技術(shù)相結(jié)合，是當前結(jié)構(gòu)生物學（Structural Biology） 主要研究生物大分子空間結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系的主要實驗手段。 掃描電鏡原理與應(yīng)用：電子“探針”掃描，激發(fā)樣品表面放出二次電子，探測器收集二次電子成象。 CO 2臨界點干燥法防止引起樣品變形的表面張 力問題一、 離心分離技術(shù) 用途：于分離細胞器與生物大分子及其復(fù)合物 差速離心：分離密度不同的細胞組分 密度梯度離心：精細組分或生物大分子的分離二、 細胞內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)、 酶、糖與脂類等的顯示方法原理：利用一些顯色劑與所檢測物質(zhì)中一些 特殊基團特異性結(jié)合的特征，通過顯 色劑在細胞中的定位及顏色的深淺來 判斷某種物質(zhì)在細胞中的分布和含量。 Feulgen Staining三、特異蛋白抗原的定位與定性免疫酶標技術(shù)免疫膠體金免疫熒光技術(shù)：快速、靈敏、有特異性，但其分辨率有限 （圖） 蛋白電泳(SDS-PAGE) 與免疫印跡反應(yīng)(Western-Blot) 免疫電鏡技術(shù)：免疫鐵蛋白技術(shù)技術(shù) 應(yīng)用：通過對分泌蛋白的定位，可以確定某種蛋白的分泌動態(tài)；胞內(nèi)酶的研究；膜蛋白的定位與骨架蛋白的定位等四、細胞內(nèi)特異核酸的定位與定性 光鏡水平的原位雜交技術(shù) （同位素標記或熒光素標記的探針） 電鏡水平的原位雜交技術(shù) （生物素標記的探針與抗生物素抗體相連的膠體金標記結(jié)合） PCR技術(shù) 五、放射自顯影技術(shù)原理及應(yīng)用：利用同位素的放射自顯影，對細胞內(nèi)生物大分子進行定性、定位與半定量研究；實現(xiàn)對細胞內(nèi)生物大分子進行動態(tài)和追蹤研究。步驟：前體物摻入細胞（標記：持續(xù)標記和脈沖標記） 放射自顯影六定量細胞化學分析技術(shù) 細胞顯微分光光度術(shù)（Microspectrophotometry）利用細胞內(nèi)某些物質(zhì)對特異光譜的吸收，測定這些物質(zhì) （如核酸與蛋白質(zhì)等）在細胞內(nèi)的含量。 包括： 紫外光顯微分光光度測定法 可見光顯微分光光度測定法 流式細胞儀（Flow Cytometry）主要應(yīng)用：用于定量測定細胞中的DNA、RNA或某一特異蛋白的含量；測定細胞群體中不同時相細胞的數(shù)量；從細胞群體中分離某些特異染色的細胞；分離DNA含量不同的中期染色體。 一、細胞的培養(yǎng) 動物細胞培養(yǎng) 類型：原代培養(yǎng)細胞（primary culture cell） 繼代培養(yǎng)細胞（sub-culture cell） 細胞株（cell strain） 正常二倍體，接觸抑制 細胞系（cell line） 亞二倍體，接觸抑制喪失植物細胞 類型： 原生質(zhì)體培養(yǎng) （體細胞培養(yǎng)） 單倍體細胞培養(yǎng)（花藥培養(yǎng)） 非細胞體系（cell-free system） 二、細胞工程 細胞融合（cell fusion）與細胞雜交（cell hybridization）技術(shù)單克隆抗體（monoclone antibody）技術(shù) 圖細胞拆合與顯微操作技術(shù)物理法結(jié)合顯微操作技術(shù)(圖1、圖2)化學法結(jié)合離心技術(shù)制備核體（karyoplast）和胞質(zhì)體（cytoplast）。 其它技術(shù) 遺傳分析（mutant, knock out, knock in） 對細胞生命活動的研究成為當今生命科學發(fā)展的瓶頸對細胞生命活動的研究成為當今生命科學發(fā)展的瓶頸第四章 細胞質(zhì)膜與細胞表面細胞質(zhì)膜與細胞表面特化結(jié)構(gòu) 細胞連接 細胞外被與細胞外基質(zhì) 第一節(jié) 細胞質(zhì)膜與細胞表面特化結(jié)構(gòu) 細胞質(zhì)膜(plasma membrane),又稱細胞膜(cell membrane)。 細胞內(nèi)膜(intracellular membrane); 生物膜(biomembrane) 細胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型 膜脂生物膜的基本組成成分 膜蛋白 確定膜蛋白方向的實驗程序 光脫色恢復(fù)技術(shù) 分子生物學技術(shù)在膜蛋白研究上的應(yīng)用生物膜結(jié)構(gòu)特征 細胞質(zhì)膜的功能 膜骨架與細胞表面的特化結(jié)構(gòu)第二節(jié) 細胞連接 細胞連接的功能分類 封閉連接 錨定連接通訊連接 細胞表面的粘連分子 一、胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型研究簡史結(jié)構(gòu)模型生物膜結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)模型 uE.Gorter和FGrendel（1925）: “蛋白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)”三夾板質(zhì)膜結(jié)構(gòu)模型 uJ.D.Robertson（1959年）： 單位膜模型(unit membrane model) uS.J.Singer和G.Nicolson（1972）： 生物膜的流動鑲嵌模型(fluid mosaic model)uK.Simons et al(1997): 脂筏模型（lipid rafts model） Functional rafts in Cell membranes. Nature 387:569-572生物膜結(jié)構(gòu)u磷脂雙分子層是組成生物膜的基本結(jié)構(gòu)成分, 尚未發(fā)現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)中起組織作用的蛋白；u蛋白分子以不同方式鑲嵌在脂雙層分子中或結(jié)合在其表面, 膜蛋白是賦予生物膜功能的主要決定者； u生物膜是磷脂雙分子層嵌有蛋白質(zhì)的二維流體。 “Central dogma ” of membrane biology膜的流動性膜脂的流動性 膜脂的流動性主要由脂分子本身的性質(zhì)決定的,脂肪酸鏈越短,不飽和程度越高,膜脂的流動性越大。溫度對膜脂的運動有明顯的影響。在細菌和動物細胞中常通過增加不飽和脂肪酸的含量來調(diào)節(jié)膜脂的相變溫度以維持膜脂的流動性。在動物細胞中，膽固醇對膜的流動性起重要的雙向調(diào)節(jié)作用。 膜蛋白的流動 熒光抗體免疫標記實驗 成斑現(xiàn)象(patching)或成帽現(xiàn)象(capping) 膜的流動性受多種因素影響；細胞骨架不但影響膜蛋白的運動， 也影響其周圍的膜脂的流動。膜蛋白與膜脂分子的相互作用也是 影響膜流動性的重要因素膜的不對稱性細胞質(zhì)膜各部分的名稱 膜脂與糖脂的不對稱性 糖脂僅存在于質(zhì)膜的ES面，是完成其生理功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)膜蛋白與糖蛋白的不對稱性 膜蛋白的不對稱性是指每種膜蛋白分子在細胞膜上都 具有明確的方向性； 糖蛋白糖殘基均分布在質(zhì)膜的ES面(GO+3HBH4 labeling)； 膜蛋白的不對稱性是生物膜完成復(fù)雜的在時間與空間上 有序的各種生理功能的保證。二、膜脂生物膜的基本組成成分成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固 醇三種類型。 膜脂的種熱運動方式 脂質(zhì)體（liposome）膜脂成分u磷脂：膜脂的基本成分（50以上）分為二類: 甘油磷脂和鞘磷脂 主要特征：具有一個極性頭和兩個非極性的尾(脂肪酸鏈)（心磷脂除外）；脂肪酸碳鏈碳原子為偶數(shù),多數(shù)碳鏈由 16,18或20個組成；飽和脂肪酸(如軟脂酸)及不飽和脂肪 酸(如油酸)； u糖脂：糖脂普遍存在于原核和真核細胞的質(zhì)膜上（5以下）,神經(jīng)細胞糖脂含量較高；u膽固醇：膽固醇存在于真核細胞膜上（30%以下），細菌質(zhì)膜不含有膽固醇，但某些細菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂類。運動方式u沿膜平面的側(cè)向運動（基本運動方式）,其擴散系數(shù)為10-8cm2/s；u脂分子圍繞軸心的自旋運動；u脂分子尾部的擺動； u雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運動，發(fā)生頻率還不到脂分子側(cè)向交換頻率的1010。但在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上,新合成的磷脂分子翻轉(zhuǎn)運動發(fā)生頻率很高。脂質(zhì)體（liposome）脂質(zhì)體是根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定的脂雙層膜的趨勢而制備的人工膜。u脂質(zhì)體的類型。u脂質(zhì)體的應(yīng)用脂質(zhì)體的應(yīng)用研究膜脂與膜蛋白及其生物學性質(zhì)；脂質(zhì)體中裹入DNA可用于基因轉(zhuǎn)移；在臨床治療中,脂質(zhì)體作為藥物或酶等載體三、膜蛋白基本類型內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式外在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式 去垢劑(detergent)u外在(外周)膜蛋白 (extrinsic/peripheral membrane proteins )； 水溶性蛋白,靠離子鍵或其它弱鍵與膜內(nèi)表 面的蛋白質(zhì)分子或脂分子極性頭部非共價結(jié)合， 易分離。 u內(nèi)在（整合）膜蛋白 (intrinsic/ integral membrane proteins)。 水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，與膜結(jié)合緊密， 需用去垢劑使膜崩解后才可分離。 u脂質(zhì)錨定蛋白（lipid-anchored proteins) 通過磷脂或脂肪酸錨定，共價結(jié)合。u膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域與脂雙層分子的疏水核心的相互作用。 u跨膜結(jié)構(gòu)域兩端攜帶正電荷的氨基酸殘基與磷脂分子帶 負電的極性頭形成離子鍵，或帶負電的氨基酸殘基通過 Ca2+、Mg2+等陽離子與帶負電的磷脂極性頭相互作用。 u某些膜蛋白在細胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)的半胱氨酸殘基上共價結(jié) 合脂肪酸分子,插入脂雙層之間,進一步加強膜蛋白與脂 雙層的結(jié)合力,還有少數(shù)蛋白與糖脂共價結(jié)合。u去垢劑是一端親水、另一端疏水的兩性小分子,是分離與研究膜蛋白的常用試劑。u離子型去垢劑(SDS)和非離子型去垢劑（Triton X-100） SDS: CH3-(CH2)11-OSO3-Na+ CH3 CH3 CH3 C CH2 C (O-CH2-CH2)10- OH CH3 CH3四、確定膜蛋白方向的實驗程序 胰酶消化法 同位素標記法五、光脫色恢復(fù)技術(shù)(fluorescence recovery after photobleaching, FRAP) 研究膜蛋白或膜脂流動性的基本實驗技術(shù)之一。 程序： 根據(jù)熒光恢復(fù)的速度可推算出膜蛋白或膜脂擴散速度。u膜的流動性：生物膜的基本特征之一, 細胞進行生命活動的必要條件。 u膜的不對稱性 u膜的分相現(xiàn)象。七、細胞質(zhì)膜的功能 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,包括代謝底物的輸入與代謝 產(chǎn)物的排除,其中伴隨著能量的傳遞; 提供細胞識別位點,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,使酶促反應(yīng)高效而有序地進行; 介導(dǎo)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)。八、膜骨架與細胞表面的特化結(jié)構(gòu) 細胞質(zhì)膜常常與膜下結(jié)構(gòu)(主要是細胞骨架系統(tǒng))相互聯(lián)系, 協(xié)同作用, 并形成細胞表面的某些特化結(jié)構(gòu)以完成特定的功能。 膜骨架u膜骨架的概念 指細胞質(zhì)膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu), 它參與維持細胞質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。 紅細胞的生物學特性u膜骨架賦予紅細胞質(zhì)膜既有很好的彈性又具有較高強度。 紅細胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架紅細胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架u紅細胞質(zhì)膜蛋白的SDS-PAGE u紅細胞膜骨架的結(jié)構(gòu) 一、細胞連接的功能分類封閉連接(occluding junctions)u緊密連接(tight junction)錨定連接(anchoring junctions)通訊連接(communicating junctions)u間隙連接(gap junction)；u神經(jīng)細胞間的化學突觸(chemical synapse)；u植物細胞中的胞間連絲(plasmodesmata)。錨定連接(anchoring junctions)u與中間纖維相關(guān)的錨定連接：橋粒(desmosome)半橋粒(hemidesm osome);u與肌動蛋白纖維相關(guān)的錨定連接：粘合帶(adhesion belt)；粘合斑(focal adhesion)二、封閉連接緊密連接是封閉連接的主要形式，存在于上皮細胞之間緊密連接的結(jié)構(gòu) 緊密連接的功能u形成滲漏屏障，起重要的封閉作用；u隔離作用，使游離端與基底面質(zhì)膜上的膜蛋白行使各自不同的膜功能；u支持功能緊密連接嵴線中的兩類蛋白：u封閉蛋白（occludin），跨膜四次的膜蛋白（60KD）；uclaudin蛋白家族（現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)15種以上） 三、錨定連接錨定連接在組織內(nèi)分布很廣泛,在上皮組織,心肌和子宮頸等組織中含量尤為豐富錨定連接的類型、結(jié)構(gòu)與功能錨定連接的結(jié)構(gòu)組成 錨定連接的類型、結(jié)構(gòu)與功能u與中間纖維相連的錨定連接橋粒: 鉚接相鄰細胞，提供細胞內(nèi)中間纖維的錨定位點，形成整體網(wǎng)絡(luò)，起支持和抵抗外界壓力與張力的作用。半橋粒: 半橋粒與橋粒形態(tài)類似,但功能和化學組成不同。它通過細胞質(zhì)膜上的膜蛋白整合素將上皮細胞固著在基底膜上, 在半橋粒中，中間纖維不是穿過而是終止于半橋粒的致密斑內(nèi)。u與肌動蛋白纖維相連的錨定連接 粘合帶： ,1520nm,(belt desmosome): 細胞通過肌動蛋白纖維和整連蛋白與細胞外基質(zhì)之間的連接方式。 錨定連接的結(jié)構(gòu)組成 通過錨定連接將相鄰細胞的骨架系統(tǒng)或?qū)⒓毎c基質(zhì)相連形 成一個堅挺、有序的細胞群體。錨定連接具有兩種不同形式: u與中間纖維相連的錨定連接主要包括橋粒和半橋粒； u與肌動蛋白纖維相連的錨定連接主要包括粘合帶與粘合斑。構(gòu)成錨定連接的蛋白可分成兩類: u細胞內(nèi)附著蛋白(attachment proteins),將特定的細胞骨架成分 (中間纖維或微絲)同連接復(fù)合體結(jié)合在一起 (desmoplakin) u跨膜連接的糖蛋白,其細胞內(nèi)的部分與附著蛋白相連, 細胞 外的部分與相鄰細胞的跨膜連接糖蛋白相互作用或與胞外 基質(zhì)相互作用。(desmoglein, desmocollin) 四、通訊連接 間隙連接：分布廣泛，幾乎所有的動物 組織中都存在間隙連接。 神經(jīng)細胞間的化學突觸 u存在于可興奮細胞之間的細胞連接方式, 它通過釋放神經(jīng)遞質(zhì)來傳導(dǎo)神經(jīng)沖動。胞間連絲：高等植物細胞之間通過胞間 連絲相互連接,完成細胞間的通訊聯(lián)絡(luò)。 u胞間連絲結(jié)構(gòu) u胞間連絲的功能間隙連接 u間隙連接結(jié)構(gòu) u間隙連接的蛋白成分u間隙連接的功能及其調(diào)節(jié)機制u間隙連接的通透性是可以調(diào)節(jié)的 間隙連接結(jié)構(gòu) 間隙連接處相鄰細胞質(zhì)膜間的間隙為23nm 。連接子(connexon) 是間隙連接的基本單位。 每個連接子由6個connexin分子組成。 連接子中心形成一個直徑約1.5nm的孔道。連接單位由兩個連接子對接構(gòu)成。間隙連接的蛋白成分 已分離20余種構(gòu)成連接子的蛋白,屬同一蛋白家族, 其分子量2660KD不等；連接子蛋白具有4個-螺旋的跨膜區(qū)，是該蛋白家 族最保守的區(qū)域。連接子蛋白的一級結(jié)構(gòu)都比較保守, 并有相似的抗原性。不同類型細胞表達不同的連接子蛋白，間隙連接的孔 徑與調(diào)控機制有所不同。 間隙連接的功能及其調(diào)節(jié)機制 間隙連接在代謝偶聯(lián)中的作用 間隙連接允許小分子代謝物和信號分子通過, 是細胞間代謝 偶聯(lián)的基礎(chǔ) 代謝偶聯(lián)現(xiàn)象在體外培養(yǎng)細胞中的證實 代謝偶聯(lián)作用在協(xié)調(diào)細胞群體的生物學功能方面起重要作用. 間隙連接在神經(jīng)沖動信息傳遞過程中的作用 電突觸(electronic junction) 快速實現(xiàn)細胞間信號通訊 間隙連接調(diào)節(jié)和修飾相互獨立的神經(jīng)元群的行為 間隙連接在早期胚胎發(fā)育和細胞分化過程中的作用 胚胎發(fā)育中細胞間的偶聯(lián)提供信號物質(zhì)的通路, 從而為某一 特定細胞提供它的“位置信息”，并根據(jù)其位置影響其分化。 腫瘤細胞之間間隙的連接明顯減少或消失，間隙聯(lián)接類似 “腫瘤抑制因子”。 間隙連接的通透性是可以調(diào)節(jié)的 降低胞質(zhì)中的pH值和提高自由Ca2+的濃度 都可以使其通透性降低間隙連接的通透性受兩側(cè)電壓梯度的調(diào) 控及細胞外化學信號的調(diào)控胞間連絲u胞間連絲結(jié)構(gòu) 相鄰細胞質(zhì)膜共同構(gòu)成的直徑20-40nm的管狀結(jié)構(gòu)u胞間連絲的功能 實現(xiàn)細胞間由信號介導(dǎo)的物質(zhì)有擇性的轉(zhuǎn)運； 實現(xiàn)細胞間的電傳導(dǎo)； 在發(fā)育過程中，胞間連絲結(jié)構(gòu)的改變可以調(diào)節(jié) 植物細胞間的物質(zhì)運輸。 五、細胞表面的粘連分子 同種類型細胞間的彼此粘連是許多組織結(jié)構(gòu)的基本特征。細胞與細胞間的粘連是由特定的細胞粘連分子所介導(dǎo)的。粘連分子的特征與類型 u粘連分子均為整合膜蛋白，在胞內(nèi)與 細胞骨架成分相連； u多數(shù)要依賴Ca2+或Mg2+才起作用。 u粘連分子類型及細胞間粘著方式類型 粘著方式 類型 鈣粘素（Cadherins） 選擇素（Selectin） 免疫球蛋白超家族的CAM(Ig-Superfamily，IgSF) 整合素（Integrins） 質(zhì)膜整合蛋白聚糖也介導(dǎo)細胞間的粘著。 Cadherins： 屬同親性依賴Ca2+的細胞粘連糖蛋白，介導(dǎo)依賴Ca2+的細胞粘著和從ECM到細胞質(zhì)傳遞信號。對胚胎發(fā)育中的細胞識別、遷移和組織分化以及成體組織器官構(gòu)成具有主要作用。（30多個成員的糖蛋白家族） E- Cadherins(epithelial), N- Cadherins(neural) ， P- Cadherins(placental)， 橋粒鈣粘素。 Selectin： 屬異親性依賴于Ca2+的能與特異糖基識 別并相結(jié)合的糖蛋白，其胞外部分具有凝 集素樣結(jié)構(gòu)域(lectin-like domain)。 主要參與白細胞與脈管內(nèi)皮細胞之間的 識別與粘著。 P(Platelet)選擇素、E(Endothelial)選擇素 和L(Leukocyte)選擇素。 Ig-Superfamily，IgSF： 分子結(jié)構(gòu)中具有與免疫球蛋白類似的結(jié)構(gòu)域的CAM超家族。介導(dǎo)同親性細胞粘著或介導(dǎo)異親性細胞粘著,但其粘著作用不依賴Ca2+，其中N-CAMs 在神經(jīng)組織細胞間的粘著中起主要作用。 粘著方式細胞中主要的粘連分子家族 與細胞錨定連接相關(guān)的粘連分子非錨定連接（nonjunctional adhesion）的細胞粘連分子及其作用部位 與細胞錨定連接相關(guān)的粘連分子 第三節(jié) 細胞外被與細胞外基質(zhì) 基本概念 膠原(collagen) 氨基聚糖和蛋白聚糖 層粘連蛋白和纖粘連蛋白 彈性蛋白(elastin) 植物細胞壁 一、基本概念細胞外被(cell coat)又稱糖萼(glycocalyx) 細胞外基質(zhì)(extracellular matrix) 真核細胞的細胞外結(jié)構(gòu)（extracellular structures） 二、膠原(collagen) 膠原是胞外基質(zhì)最基本結(jié)構(gòu)成份之一， 動物體內(nèi)含量最豐富的蛋白（總量的 30以上）。常見的膠原類型及其在組織中的分布 膠原及其分子結(jié)構(gòu) 膠原的合成與加工 膠原的功能 三、氨基聚糖和蛋白聚糖氨基聚糖(glycosaminoglycan,GAGs) 蛋白聚糖(proteoglycan) 四、層粘連蛋白和纖粘連蛋白層粘連蛋白(laminin) 纖粘連蛋白(fibronectin) 五、彈性蛋白(elastin)u彈性蛋白是彈性纖維的主要成分；主要 存在于脈管壁及肺。u彈性纖維與膠原纖維共同存在,分別賦予 組織以彈性及抗張性。u彈性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，具 有兩個明顯的特征:構(gòu)象呈無規(guī)則卷曲狀態(tài);通過Lys殘基相互交連成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 六、植物細胞壁 植物細胞壁的組成 植物細胞壁的功能 u增加細胞強度，提供支持功能； u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， 或作為細胞生長和發(fā)育的信號物質(zhì)。 細胞外基質(zhì)(extracellular matrix) u結(jié)構(gòu)組成： 指分布于細胞外空間, 由細胞分泌的蛋白和多糖所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) u主要功能： 構(gòu)成支持細胞的框架，負責組織的構(gòu)建； 胞外基質(zhì)三維結(jié)構(gòu)及成份的變化,改變細 胞微環(huán)境從而對細胞形態(tài)、生長、分裂、 分化和凋亡起重要的調(diào)控作用。 胞外基質(zhì)的信號功能 細胞外被(cell coat)又稱糖萼(glycocalyx)u結(jié)構(gòu)組成： 指細胞質(zhì)膜外表面覆蓋的一層粘多糖物質(zhì)，實際指細胞表面與質(zhì)膜中的蛋白或脂類分子共價結(jié)合的寡糖鏈。u功能：不僅對膜蛋白起保護作用,而且在細胞識別中起重要作用。 真核細胞的細胞外結(jié)構(gòu)（extracellular structures）常見的膠原類型及其在組織中的分布u膠原是細胞外基質(zhì)中最主要的水不溶性纖維蛋白； u型膠原含量最豐富,形成類似的纖維結(jié)構(gòu)； 但并非所有膠原都形成纖維；型膠原纖維束, 主要分布于皮膚、肌腱、 韌帶及骨中,具有很強的抗張強度;型膠原主要存在于軟骨中;型膠原形成微細的原纖維網(wǎng),廣泛分布于 伸展性的組織,如疏松結(jié)締組織; 型膠原形成二維網(wǎng)格樣結(jié)構(gòu),是基膜的主要 成分及支架。 膠原及其分子結(jié)構(gòu) u膠原纖維的基本結(jié)構(gòu)單位是原膠原；u原膠原是由三條肽鏈盤繞成的三股螺旋結(jié)構(gòu)；u原膠原肽鏈具有Gly-x-y重復(fù)序列，對膠原纖 維的高級結(jié)構(gòu)的形成是重要的； u在膠原纖維內(nèi)部,原膠原蛋白分子呈1/4交替平 行排列,形成周期性橫紋。 膠原的合成與加工 u前體a肽鏈在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成，并形成前原膠原(preprocollagen)； 前原膠原(preprocollagen)是原膠原的前體 和分泌形式， 在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成、加工與組裝， 經(jīng)高爾基體分泌； u前原膠原在細胞外由兩種專一性不同的蛋白水解酶 作用, 分別切去N-末端前肽及C-末端前肽, 成為原膠 原（procollagen）； u原膠原進而聚合裝配成膠原原纖維（collagen fibril） 和膠原纖維（collagen fiber）。 膠原的功能 u膠原在胞外基質(zhì)中含量最高,剛性及抗張力強度最 大,構(gòu)成細胞外基質(zhì)的骨架結(jié)構(gòu),細胞外基質(zhì)中的其 它組分通過與膠原結(jié)合形成結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)合體u在不同組織中，膠原組裝成不同的纖維形式,以適 應(yīng)特定功能的需要； u膠原可被膠原酶特異降解，而參入胞外基質(zhì)信號 傳遞的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中。 氨基聚糖u氨基聚糖是由重復(fù)的二糖單位構(gòu)成的長鏈多糖二糖單位之一是氨基己糖 (氨基葡萄糖或氨基半乳糖) + 糖醛酸;氨基聚糖: 透明質(zhì)酸、4-硫酸軟骨素、6-硫酸軟骨素、 硫酸皮膚素、硫酸乙酰肝素、肝素和硫酸角質(zhì)素等。u透明質(zhì)酸(hyaluronic acid)及其生物學功能透明質(zhì)酸是增殖細胞和遷移細胞的胞外基質(zhì)主要成 分,也是蛋白聚糖的主要結(jié)構(gòu)組分透明質(zhì)酸在結(jié)締組織中起強化、彈性和潤滑作用 透明質(zhì)酸使細胞保持彼此分離,使細胞易于運動遷 移和增殖并阻止細胞分化 蛋白聚糖u蛋白聚糖見于所有結(jié)締組織和細胞外基質(zhì)及許多細胞表面u蛋白聚糖由氨基聚糖與核心蛋白(core protein)的絲氨酸殘 基共價連接形成的巨分子u若干蛋白聚糖單體借連接蛋白以非共價鍵與透明質(zhì)酸結(jié)合 形成多聚體u蛋白聚糖的特性與功能顯著特點是多態(tài)性：不同的核心蛋白, 不同的氨基聚糖；軟骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一, 賦予軟骨以凝 膠樣特性和抗變形能力；蛋白聚糖可視為細胞外的激素富集與儲存庫，可與多 種生長因子結(jié)合，完成信號的傳導(dǎo)。 層粘連蛋白(laminin)u層粘連蛋白是高分子糖蛋白（820KD）,動物胚胎 及成體組織的基膜的主要結(jié)構(gòu)組分之一；u層粘連蛋白的結(jié)構(gòu)由一條重鏈和兩條輕鏈構(gòu)成細胞通過層粘連蛋白錨定于基膜上；層粘連蛋白中至少存在兩個不同的受體結(jié)合部位： 與型膠原的結(jié)合部位； 與細胞質(zhì)膜上的整合素結(jié)合的 Arg-Gly-Asp(R-G-D)序列。u層粘連蛋白在胚胎發(fā)育及組織分化中具有重要作用； 層粘連蛋白也與腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移有關(guān)。纖粘連蛋白(fibronectin)u纖粘連蛋白是高分子量糖蛋白（220-250KD）u纖粘連蛋白分型：u纖粘連蛋白的主要功能：介導(dǎo)細胞粘著，進而調(diào)節(jié)細胞的形狀和細胞骨 架的組織,促進細胞鋪展； 在胚胎發(fā)生過程中,纖粘連蛋白對于許多類型細 胞的遷移和分化是必須的； 在創(chuàng)傷修復(fù)中,纖粘連蛋白促進巨噬細胞和其它 免疫細胞遷移到受損部位； 在血凝塊形成中,纖粘連蛋白促進血小板附著于 血管受損部位。血漿纖粘連蛋白是二聚體,由兩條相似的A鏈及 鏈組成,整個分子呈V形。細胞纖粘連蛋白是多聚體。 纖粘連蛋白不同的亞單位為同一基因的表達產(chǎn) 物, 每個亞單位由數(shù)個結(jié)構(gòu)域構(gòu)成，RGD三肽 序列是為細胞識別的最小結(jié)構(gòu)單位纖粘連蛋白的膜蛋白受體為整合素家族成員之 一,在其細胞外功能區(qū)有與RGD高親和性結(jié)合部位。植物細胞壁的組成u纖維素分子纖維素微原纖維（microfibril）,為細胞壁提供了抗張強度u半纖維素（hemicellulose）: 木糖、半乳糖和葡萄糖 等組成的高度分支的多糖 介導(dǎo)微原纖維連接彼此連接或介導(dǎo)微原纖維與其 它基質(zhì)成分（果膠質(zhì)）連接u果膠質(zhì)（pectin）：含有大量攜帶負電荷的糖，結(jié)合 Ca2+等陽離子,被高度水化形成凝膠 果膠質(zhì)與半纖維素橫向連接,參與細胞壁復(fù)雜網(wǎng)架的形成。 u伸展蛋白(extensin