分子细胞生物学.docx

分子细胞生物学 50学时（理论课50） 3学分一、课程性质、地位和任务分子细胞生物学是由于分子生物学技术的出现而诞生的一门新学科。它是一门在分子水平上研究基因对细胞活动调控以及各种细胞结构的形成和功能执行的科学，是现代生命科学研究的基础。因为只有在分子水平上了解了细胞的基本活动规律, 才能更好地学习掌握生命科学的其他知识, 从而利用现代生物学技术对各种生命活动现象和发展规律加以利用, 造福人类。本课程是生命科学学类本科生的专业基础课。其先修课程主要有：遗传学、生物化学和细胞生物学等。二、课程教学基本要求1 分子细胞生物学的研究方法；2 近年来蛋白质和核酸的结构和功能研究进展；3 生物膜运输物质的分子机理；4 细胞各部位蛋白质的合成和定向运输的分子机理；5 细胞核的分子结构以及细胞核和细胞质之间物质运输的分子基础；6 细胞信号传导的分子机理。三、课程教学大纲与学时分配第一章 分子细胞生物学学科简介和研究方法（10学时）本章重点难点：分子水平上的操作技术。一、 分子细胞生物学的研究对象和内容二、 分子细胞生物学与其他学科的关系三、 分子细胞生物学的研究方法（一）、研究细胞的组成和结构1. 荧光显微镜下鉴别细胞的组成和结构（1） 免疫荧光法（2） 活细胞研究（3） 检测局部Ca2+浓度和细胞内的pH（4） 共聚焦扫描显微镜展示细胞内物质的立体分布2. 在电子显微镜下鉴别细胞中的各种蛋白质和超微结构（二）、细胞的分类和细胞器的分离1. 流向细胞分类器分离细胞2. 细胞亚微结构的分级分离（1） 差速离心法（2） 密度梯度离心法（3） 激光剪（三）、生物大分子的操作1. 放射性同位素是跟踪生物大分子活动必不可少的工具（1） 放射自显影术（2） 放射性同位素的定量测定（3） Pulse-chase实验2. 确定核酸和蛋白质分子的大小以及分离和纯化核酸和蛋白质（1） 电泳法（2） 离心法（3） 色谱法（4） 透析（5） PCR技术3. 确定蛋白质的氨基酸成分（1） 蛋白质的氨基酸组成（2） 蛋白质的氨基酸序列（3） 用抗体检测蛋白质并作定量分析4. 确定DNA序列（四）、生物芯片技术1. 主动式芯片技术（1） PCR芯片（2） 心脏内置芯片（3） 胎儿异常红细胞分离芯片2. 被动式芯片技术（1） 寡核苷酸芯片技术（2） 基因芯片技术（3） 蛋白质芯片技术（五）、生物信息学分析方法1. 分析核苷酸序列和结构2. 分析蛋白质序列和结构3. 分析蛋白质的三维结构（六）、分离克隆基因1. 同源序列法2. 差异筛选法3. 转座子标签法4. 突变体法5. 图位克隆法（七）、蛋白质组学的研究方法1. 鉴定蛋白质的功能2. 研究蛋白质的功能状态3. 研究蛋白质的相互作用第二章 细胞的分子组成（10学时）本章重点难点：蛋白质和核酸的结构特点和与此相关的功能。一、蛋白质（一）、蛋白质的基本结构特点1. Motif（模体）（1） Helix-loop-helix（2） Zinc finger motif（3） Coiled-coil motif2. Domain（结构域）3. 三维结构相似的蛋白质多有相似的氨基酸序列4. 伴侣蛋白5. 蛋白质具有传染疾病的能力（二）、酶（三）、抗体1. 抗体可区分非常相似的分子2. 抗体可用来分离和纯合蛋白质3. 单克隆抗体及其应用4. 抗体可催化化学反应二、核酸（一）、核酸研究的新技术给染色体着色（二）、反义链技术在生产和医疗上的应用（三）、基因表达的调控1. 发育过程中基因表达的调控甲基化2. RNA水平上的基因沉默（1） 抑制基因的活性（2） 发育过程中调控基因的表达3. RNA引导的DNA甲基化4. 依赖于RNAi的异染色质形成（四）、RNA在医学临床上的应用1. RNA介导的基因表达抑制（1） 反义RNA技术（2） Trans-cleaving ribozymes（3） RNA干扰技术2. RNA介导的基因修复3. RNA与蛋白质相互作用（五）、RNA在特殊位置被降解或沉默（六）、植物染色体的共线性1. 不同物种间染色体上基因排列顺序相似2. 水稻不同染色体之间也具有一定程度的共线性三、脂类（一）、生物膜的主要组成成分1. 微团2. 脂质双层3. 脂质体（二）、Leptin调控脂类代谢四、 糖（一）、细胞表面糖类性质的变化与细胞的生长发育和病变密切相关（二）、糖分子参于细胞中大分子的定向输送以及细胞细胞识别过程1. 大分子定向输送2. 细胞间相互识别第三章 细胞膜和物质运输（8学时）本章重点难点：生物膜对各种物质的运输机制。一、 细胞膜的结构特点（一）、细胞膜的脂质双层由不同脂类分子构成（二）、构成细胞膜的脂类和蛋白质可在细胞膜中运动（三）、细胞膜蛋白质与细胞骨骼的连接影响蛋白质的排列和可动性（四）、细胞膜的流动性取决于组成细胞膜的脂类成分和温度1. 温度2. 脂类成分（五）、细胞外被使大多数细胞的表面带负电荷二、 细胞膜的物质运输（一）、膜运输蛋白分类1. 泵2. 通道蛋白3. 运输子（1） Uniporter（2） Symporter（3） Antiporter（二）、被动运输1. 简单扩散（1） 借助于脂质双层扩散（2） 借助于通道蛋白扩散2. 协助扩散3. 细胞细胞通道（1） 缝隙连接中的通道（2） 胞间连丝中的通道（三）、主动运输1. 泵类运输蛋白的分类（1） P类（2） V类（3） F类（4） ABC类2. 钠钾离子泵3. 钙离子泵4. 氢离子泵5. ABC运输蛋白6. 癌细胞的细胞膜对多种药物的运输（四）、伴随运输1. 同向伴随运输（1） 葡萄糖和氨基酸与钠离子伴随运输（2） 含氢离子的同向伴随运输2. 反向伴随运输（1） 钙离子钠离子反向伴随运输（2） 反向伴随运输调节细胞中的pH（3） 含阴离子的反向伴随运输（4） 植物和真菌细胞中的液泡上存在多个反向伴随运输系统（五）、代谢过程伴随物质运输（六）、蛋白质的运输1. NH2末端信号肽2. 膜受体3. 跨膜蛋白质通道4. 蛋白质移动装置马达蛋白（1） 热激蛋白70（2） Sec A（3） 与核蛋白体有关联的蛋白质合成因子5. 蛋白质折叠形成三维结构（七）、水的运输（渗透压作用）和细胞体积的调节1. 动物细胞可通过调节细胞内渗透压维持其正常体积2. 植物细胞通过改变细胞内的渗透压控制叶片气孔的开关（八）、内吞作用1. 受体调节的内吞作用（1） 被运输物质与受体结合和内吞作用（2） Clathrin在内吞进细胞中的膜泡外形成网络样外套（3） 酸性环境使被内吞的物种与受体分开（4） 大多数膜受体和形成内吞小体的生物膜被再利用（5） 细胞对高密度脂蛋白（HDL）的内吞作用2. 依赖于小窝（caveolae）的内吞作用（九）、病毒和毒素入侵细胞1. 许多病毒通过内吞作用进入细胞2. HIV和其它膜包病毒通过与细胞膜融合进入细胞第四章 生物膜、分泌蛋白质、溶酶体蛋白质的生物合成和分配（6学时）本章重点难点：蛋白质合成、修饰和定向分配的分子机制。一、细胞膜脂类物质的合成（一）、磷脂在生物膜的界面合成（二）、蛋白质flippase使新合成的磷脂分子分布到生物膜的两脂质层（三）、动、植物细胞中其它生物膜的磷脂来源于滑面内质网二、膜蛋白质、分泌蛋白质和溶酶体蛋白质的合成（一）、新合成肽链的信号肽引导核蛋白体附着在内质网上（二）、肽链穿过内质网膜进入内质网腔1. 信号识别蛋白2. 信号识别蛋白受体3. 膜通道蛋白质4. 伴侣蛋白Bip（三）、合成结束的分泌蛋白质穿过内质网膜进入内质网腔（四）、膜蛋白质合成1. 跨膜一次，NH3+端在内质网中，COO-端在细胞基质中2. 跨膜一次，NH3+端在细胞基质中，COO-端在内质网中3. 跨膜几次4. 蛋白质的一端镶嵌在生物膜中5. 膜附着蛋白质（五）、内质网中蛋白质的修饰1. 二硫键在肽链合成过程中或合成刚结束就形成2. 形成多聚体蛋白质（六）、内质网中蛋白质的定向输送1. 只有正常三维结构的蛋白质才能被送到高尔基复合体2. N连接糖链在定向输送中的作用3. 内质网中异常三维结构蛋白质的降解4. 内质网中蛋白质的聚集5. 内质网蛋白质被选择性地留在内质网中（七）、高尔基复合体中蛋白质的修饰1. O连接糖蛋白的形成2. N连接糖蛋白的形成（八）、高尔基复合体中蛋白质的定向输送1. 甘露糖6磷酸是溶酶体蛋白质的标志2. 前肽引导蛋白质到液泡3. 蛋白质的调节分泌和连续分泌4. 细胞膜不同部位蛋白质的定向输送（九）、高尔基复合体是循环使用细胞膜的主要位点（十）、蛋白质合成中的最后修饰从前体蛋白质到成熟蛋白质（十一）、运输小泡和蛋白质的定向输送1. 蛋白质外套和运输小泡的形成（1） Clathrin（2） Coatomer（3） COPII蛋白质2. 运输小泡和受体膜融合3. 蛋白质的定向输送（1） 带运输信号的蛋白质被运输到指定部位（2） 带滞留信号的蛋白质被留在原处（3） 即无运输信号又无滞留信号的蛋白质通过bulk flow被运输4. 高尔基复合体囊泡间的运输小泡流向5. 磷酸肌醇参于调节运输小泡的形成和运输第五章 细胞核、线粒体、叶绿体、过氧化物酶体的形成（4学时）本章重点难点：细胞核的分子结构以及细胞核、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体蛋白质的跨膜运输机理。一、细胞核的形成（一）、核膜的形成和分解1. 板层状蛋白质是决定核结构的主要因素2. 板层状蛋白质磷酸化与核膜解体相关3. 染色质解聚和板层状蛋白质的去磷酸化使核膜再形成（二）、核质运输1. 多数蛋白质是有选择性地进入细胞核2. 不同氨基酸序列引导不同蛋白质的核质运输（1） 蛋白质输入进细胞核（2） 蛋白质跨膜运输3. Ran在核质运输以及核中的其它作用4. 蛋白质的输出5. RNA蛋白质复合体的输出6. 磷酸肌醇在核质运输和基因调控中的作用（三）、核的分子结构1. 间期核的结构2. 核内染色体的运动3. 异染色质调控基因表达二、 线粒体的形成（一）、线粒体DNA和RNA1. 动植物线粒体DNA来源于单亲2. 不同细胞中的线粒体DNA差别悬殊（二）、多数线粒体蛋白质在细胞基质中合成三、叶绿体的形成（一）、叶绿体DNA和RNA（二）、叶绿体蛋白质的合成和运输四、过氧化物酶体的形成第六章 细胞通讯（12学时）本章重点难点：各种细胞通讯的分子机理。一、 细胞通讯的基本概念（一）、细胞通讯的方式1. 细胞间通道2. 细胞间直接的物理接触3. 细胞间不接触，通过信号分子通讯（二）、信号分子和受体（三）、细胞通讯中其它保守的蛋白质功能1. G蛋白酶开关2. 连接蛋白质3. 蛋白激酶和蛋白磷酸化酶4. 通过O连接的N乙酰葡萄糖胺使蛋白质糖基化二、 信号分子通过细胞膜受体通讯的机制（一）、通过第二信使的作用1. cAMP作为第二信使（1） 形成cAMP（2） cAMP调控细胞的活动（3） cAMP的新功能守门（gating）2. Ca2+作为第二信使3. 1,2甘油二酯和1,4,5三磷酸肌醇作为第二信使4. cGMP作为第二信使（1） 膜鸟苷酸环化酶（2） 细胞质鸟苷酸环化酶（二）、作用于酪氨酸蛋白激酶系统1. 激活受体酪氨酸蛋白激酶2. Ras在酪氨酸蛋白激酶体系中的作用（1） 激活Ras（2） Ras激活丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶3. 受体酪氨酸蛋白激酶的分解4. 胰岛素受体和血糖浓度的调节（三）、作用于酪氨酸蛋白激酶链接的受体（四）、作用于整联蛋白（integrin）1. 激活依赖于Ras的信号传导路径2. 激活依赖于3-磷酸肌醇激酶（PI3K）的信号传导路径3. 调控focal adhesion的组成（五）、蛋白激酶与细胞通讯（六）、引发基因活动改变1. 激活调控含cAMP反应成分基因的转录因子2. 激活调控c-fos基因的转录因子3. 激活转录因子STATs（七）、受体的调节（1） 细胞的内吞作用造成膜受体的数量减少（2） 磷酸化作用调节膜受体的活性三、信号分子通过细胞内受体的作用机制四、微生物中由激素引发的细胞通讯（一）外激素引起酵母细胞交配（二）特异性的信号传导路径复合体（三）细胞分化过程中的细胞聚集依赖于细胞间通讯五、植物激素与植物的生长和分化（一）生长激素的作用机制1. 引起高等植物细胞变长2. 影响基因表达（二）赤霉素通过加速特殊mRNA的合成激发种子发芽（三）脱落酸在细胞应激反应中的作用机制（四）植物的组氨酸天门冬氨酸双组分系统1. 信号传导方式2. 乙稀和细胞激动素引发的信号传导六、植物抗病反应中的细胞通讯四、教学方式及课程考试办法本课程以课堂讲授为主。本课程有一次随堂课程练习，每次练习时间1015分钟；课程练习采用开卷、独立完成形式；课程练习的成绩占课程成绩的10。本课程结束后，根据课程基本要求，采取笔试、课堂开卷、独立完成的方式进行期末考核；期末考核成绩占课程成绩的90。五、主要参考书目1 主要教学用书（1） H. Lodish, A. Berk, S. L. Zipursky, P. Matsudaira, D. Baltimore, J. Darnell. Molecular Cell Biology. New York: W. H. Freeman and Company, 2000 (4th edition).（2） G. Ka