细胞生物学摘要

第一章 细胞概述 细胞是生物体结构和功能的基本单位，也是生命活动的基本单位。1665年胡克首先发现细胞。170年后，施莱登和施旺创立了细胞学说，从而解决了生命的同一性和共同起源。细胞生物学发展经历了四个阶段。1965年，Derobetis将其编著的普通细胞学改为细胞生物学，标志着细胞生物学的诞生，研究细胞及其生物学功能的科学称为细胞生物学。 细胞都具有膜屏障、遗传物质和核糖体，都能进行自我增殖。细胞形态多样，组成细胞的化合物有水、无机盐、小分子有机物以及核酸、蛋白质、多糖、脂类等生物大分子。细胞是物质的，生命是物质的特殊运动形式。 细胞分为原核细胞和真核细胞两大类，真核细胞主要有植物细胞和动物细胞两种类型。真核细胞有三大结构体系；生物膜体系、遗传信息表达体系、细胞骨架体系。病毒是非细胞的生命体。本章还介绍了我国的细胞生物学的发展战略。细胞生物学将会在新的生命科学世纪中发挥重要作用。第二章 细胞生物学研究方法显微成像包括直接成像和间接成像。显微技术是细胞生物学最基本的研究技术，包括光学显微技术和电子显微技术。几种常用的光学显微镜包括普通双筒显微镜、荧光显微镜、相差显微镜、暗视野显微镜、倒置显微镜。电子显微镜是研究亚显微结构的主要工具，透射和扫描电镜是两类主要的电子显微镜。 细胞化学技术包括酶细胞化学技术、免疫细胞化学技术等。流式细胞分选技术是细胞生物学和现代生物技术中的重要技术，不仅用于分选细胞，也可分选染色体。细胞工程技术是细胞生物学与遗传学的交叉领域，主要利用细胞生物学的原理和方法，结合工程学的技术手段，按照人们预先的设计，有计划的改变或创造细胞遗传的技术，主要内容包括：细胞融合、细胞生物反应器、染色体转移、细胞器移植、基因转移、细胞及组织培养。 分离技术是一大类技术的总称，包括细胞组分的分离和细胞生物大分子的分离。 本章对分子生物学方法作了简要介绍。第三章 细胞质膜与跨膜运输 细胞质膜是细胞的基本结构，生物膜具有界膜和区室化、调节运输、功能定位和组织化、信号检测与传递、能量转换等功能。 红细胞结构简单，是研究膜结构的最好材料。红细胞质膜内侧有膜蛋白和纤维蛋白组成的膜骨架，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。 膜的主要成分是膜脂、膜蛋白、膜糖3大类。磷脂、鞘脂、胆固醇是主要的膜脂，具有双亲媒性。根据膜蛋白的存在方式可分为整合蛋白、膜周边蛋白质、脂锚定蛋白，细胞质膜的生物学功能主要是由膜蛋白来执行的；可采用离子型和非离子型的去垢剂来分离膜蛋白。膜糖一般以糖脂或糖蛋白的形式存在，存在于质膜的外侧面。 流动镶嵌模型是目前被广泛接受的细胞质膜的结构模型，它强调了膜的不对称性和流动性。膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称和方向性，保证了生命活动的高度有序性。流动性包括膜脂的侧向扩散、旋转运动、翻转运动和膜蛋白的随机移动、定向移动、局部扩散等，膜的流动性与细胞质膜的酶活性、物质运输、信号传导、能量转换、细胞周期、发育以及衰老等过程有很大关系。可以通过人鼠细胞融合实验、淋巴细胞的成斑成帽反应、光脱色荧光恢复技术、电子自选共振谱技术研究膜的流动性。温度、脂肪酸链长度、不饱和度、胆固醇含量、软磷脂/鞘磷脂比值以及影响膜蛋白运动的因素都能够影响膜的流动性。 物质跨膜运输是细胞质膜的基本功能，分为被动运输和主动运输。被动运输不消耗ATP，且顺浓度梯度，可分为简单扩散和促进扩散，后者需要载体蛋白或通道蛋白的帮助。通道蛋白有点闸门通道、配体闸门通道、机械闸门通道等。水可以通过简单扩散方式跨膜，也可以通过水通道蛋白协助跨膜。 主动运输的4个基本特点是：逆浓度运输、依靠膜运输蛋白、需要消耗ATP，具有选择性和特异性。参与主动运输的ATPase可分为P型泵、V型泵、F型泵和ABC运输蛋白，Na/K泵和Ca泵均属于典型的P型离子泵。 细菌的主动运输有磷酸化运输、细菌视紫红质质子泵、ABC运输蛋白等。第四章 细胞环境与互作多细胞生命的有机体中的细胞组成不同的组织，在这些组织中，通过细胞相互间以及细胞与细胞外环境的相互作用调节着细胞的迁移、生长以及组织的三维结构。动物是由多种类型的细胞组成的有机体，而且不同类型的细胞通常要组成固定的组织。在多数组织中，细胞要向细胞外分泌一群大分子，这些大分子在细胞间交织连接形成网状结构，将这种结构称为细胞外基质。细胞外基质的组成可分为3大类：蛋白聚糖，它们能够形成水性的胶状物；结构蛋白，如胶原和弹性蛋白，它们赋予细胞外基质一定的强度和韧性；黏着蛋白，如纤连蛋白和层黏蛋白，它们促进细胞同基质结合。细胞识别，只细胞对同种或异种细胞、同源或异源细胞以及对自己和异己物质分子的认识和鉴别。细胞黏着则是指相邻细胞或细胞与细胞外基质以某种方式黏合在一起，组成组织或其他组织分开，这种黏合的方式比较松散。另外从事件发生的次序来说，细胞识别在先，细胞黏着在后，识别是黏着的基础。细胞在识别和黏着的基础上进行细胞连接。细胞连接有3种方式：紧密连接、斑块连接、通讯连接。比较复杂的是斑块连接，它可分为4种连接方式：黏着带、黏着斑、桥粒、半桥粒。对它们的区别主要是根据连接蛋白与细胞骨架的关系以及是否是细胞与细胞的连接，还是细胞与细胞外基质的连接。第五章 细胞通讯 细胞通讯是指多细胞生物细胞间或细胞内通过高度精确和高度有效的接受信息的通讯机制并通过放大引起快速的细胞生理反应，或引起基团活动，从而发生一系列的细胞活动来协调各组织行动，使之成为统一的生命整体对外环境变化做出综合应答。细胞有3种通讯方式：通过信号分子、相邻细胞表面分子的相互作用、细胞与细胞外基质的作用。信号分子可分为水溶性和脂溶性两种，按信号传导方式可分为3种类型：激素、局部介质、神经递质。受体分为细胞表面受体和细胞内受体两种。表面受体可分为单次跨膜、7次跨膜和多亚基跨膜3个家族，主要有离子通道偶联受体、G-蛋白偶联受体、酶联受体等3种类型。受体与配体相互作用具有特异性、高亲和力、饱和性、可逆性等特点，并可引发生理反应。研究受体与配体的相互作用常采用单克隆抗体标记法、亲和标记法等。PKA系统是以cAMP作为第二信使激活蛋白酶A(PKA)进行信号放大，包括激活型和抑制型两种类型。在激活型中，G蛋白偶联受体与信号分子结合后，G蛋白被激活，活性亚基与其他两个亚基分离并激活腺苷酸环化酶(AC)，产生第二信使cAMP,cAMP激活PKA，PKA再作用于靶蛋白，产生细胞应答。在抑制型中，激活的G蛋白则抑制AC的活性。通过对cAMP的降解可解除PKA系统的信号作用。PKC系统是以三磷酸肌醇（IP）、二酰甘油（DAG）为第二信使，并通过蛋白激酶C(PKC)引起级联反应。PKC系统中，磷脂酶C相当于PKA系统的AC，经G蛋白激活后的磷脂酶C水解质膜上的4，5二磷酸磷脂酰肌醇（PIP）,产生IP和DAG。IP的作用是释放出内质网中的Ca，DAG和Ca共同作用激活PKC，PKC参与多种生化反应的催化。DAG和 IP的信号解除都可以通过水解和磷酸化来完成，Ca的信号解除则需要通过IP磷酸化生成的IP与质膜、内质网膜上的Ca-ATP酶的共同作用。酶联受体信号转导系统有以cGMP作为第二信使激活蛋白酶G的系统以及受体酪氨酸激酶/Ras途径。胰岛素受体信号转导途径和表皮生长因子受体信号转导途径是典型的受体酪氨酸激酶途径。Ras蛋白活性受到GAP和GEF的控制，其激活亦涉及Grb蛋白和Sos蛋白。整联蛋白介导的黏着斑的装配、黏着斑的信号转导也是细胞表面受体介导的信号转导的重要方式。细胞信号转导系统具有趋同、趋异与串话等现象。信号的终止通过信号分子水解、受体钝化、受体减量调节以及磷酸酶的作用来实现。第七章 线粒体与过氧化物酶体线粒体是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所，是细胞的“动力工厂”。线粒体有内外两层膜，外膜含有孔蛋白，通透性高。内膜通透性较低，通常向基质折褶形成嵴，嵴上有许多规则排列的基粒。内膜上有许多参与运输、合成、电子传递和ATP合成的酶类。内外膜之间有膜间间隙，其化学组成接近胞质溶胶。线粒体基质中含有与三羧酸循环、线粒体DNA合成等相关酶类。线粒体绝大多数蛋白质由核基因编码，在细胞质游离核糖体上合成后通过转运肽运输到线粒体中，转运过程需要受体、消耗能量以及分子伴侣的帮助等。线粒体是真核生物氧化代谢的部位。糖酵解生成的丙酮酸进入线粒体基质，经过三羧酸循环生成FADH和NANH，在进入呼吸链进行氧化磷酸化，最后生成ATP和水。呼吸链上的电子载体有黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白和辅酶Q。主呼吸链由复合物、构成，传递氧化NADH释放的电子，次呼吸链由复合物、构成，传递氧化FADH释放的电子。呼吸链通过3个氧化磷酸化偶联位点即复合物、建立质子动力势，驱动ATP合酶合成ATP。英国生化学家Mitchell于1961年提出化学渗透假说，合理解释了线粒体氧化磷酸化的机制。线粒体是一种半自主性的细胞器，具有有限的遗传物质以及蛋白质合成系统等。线粒体通过二裂法进行增殖。关于线粒体的起源有内共生学说和非内共生学说两种假说。过氧化物酶体是由一层单位膜包裹的囊泡，含40余种酶类，主要是氧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶。过氧化物酶体具有解毒、调节氧浓度、氧化脂肪酸、进行含氮物质代谢等功能。过氧化物酶体也是通过二裂法进行增殖，其酶类和蛋白质均为核基因编码并于细胞质游离核糖体上合成后转运而来。第八章 叶绿体与光合作用叶绿体由叶绿体被膜、类囊体和基质组成。类囊体分基粒类囊体和基质类囊体，是光合作用光反应的场所。叶绿体的主要功能是进行光合作用，分两个阶段进行。光合作用的第一阶段是光反应，包括光能的吸收、电子传递、光和磷酸化3个主要过程。进行光呼吸的功能单位是光系统，它由捕光复合物和光反应中心复合物组成，被吸收的光能在色素分子之间传递。光反应的第二步是电子传递。这一过程中HO是原初电子供体，NADP+是最终电子受体。电子载体位于类囊体膜上，包括细胞色素、铁氧还蛋白、NADP+还原酶、质体蓝素、NADP+、细胞色素b/f复合物等。电子传递复合物包括光系统、光系统和细胞色素b/f复合物。其中，光系统又由捕光复合物、PSII反应中心复合物和水裂解放氧复合物组成，光系统由捕光复合物和PSI反应中心复合物组成。电子传递有环式和非环式两种途径。叶绿体光合磷酸化的机制与线粒体的氧化磷酸化相似。在电子传递过程中，类囊体膜两侧建立质子动力势。光合磷酸化分为循环式光合磷酸化和非循环式光合磷酸化。光合作用的第二阶段是CO的固定，即暗反应，在叶绿体基质中进行。光呼吸是一种依靠光来消耗O，释放CO的作用。光呼吸作用的结果是降低了光合作用的效率。叶绿体是半自主性细胞器，其基因组为环状，编码部分叶绿体所需的蛋白质和RNA，大多数蛋白质由核基因编码并通过信号序列转运而来。叶绿体是由原质体分化来，并通过分裂而增殖。第九章 内膜系统与蛋白质分选和膜运输内膜系统主要是指内质网、高尔基体、溶酶体、液泡和细胞核膜，这些膜结构是相互流动的，处于动态平衡，在功能上也是相互协同的。蛋白质分选是指细胞对新蛋白的识别、挑选，并通过特殊方式运送到靶位点的过程。内膜系统是蛋白分选的主要系统。内质网是由一层单位膜所形成的囊状、泡状和管状结构，并形成一个连续的网膜系统。它可分为糙面内质网和光面内质网。光面内质网的功能有：糖原分解释放葡萄糖、类固醇激素的合成、脂的合成与转运、解毒和调节钙离子浓度等。糙面内质网的功能主要是参与蛋白质的合成与运输。实验证明，信号肽对于蛋白质合成的分选具有决定作用。信号肽长度一般为15-35个氨基酸残基，没有特异性。信号肽通过与信号识别颗粒、停靠蛋白的相互作用将新合成的蛋白质引导到内质网上，新生肽进入内质网腔后除了要进行正确的折叠外，还要经过蛋白质N-糖基化和形成脂锚定蛋白。高尔基体是蛋白质的分选站，它由内侧网络、中间囊膜和外侧网络3部分功能区室组成。高尔基体的功能主要是蛋白质和脂运输、蛋白质的糖基化、蛋白聚糖的合成、蛋白原的水解和蛋白质的分选。溶酶体是动物细胞中一种单层膜包被的膜结合细胞器。溶酶体可分为初级溶酶体、次级溶酶体和后溶酶体，次级溶酶体又可分为自噬性、异噬性和混合性溶酶体。溶酶体的功能有吞噬作用、自噬作用、自溶作用和细胞外的消化作用等。细胞的分泌活动涉及内质网、高尔基体和细胞质膜，可分为组成型和调节型两种。前者不需任何信号触发，后者则相反。分泌活动的过程主要包括蛋白质的合成、分选、加工和胞吐作用。胞吐作用的相反过程是內吞作用，它可分为吞噬作用、吞饮作用和受体介导的內吞作用。受体介导的內吞作用的典型例子是低密度的脂蛋白和转铁蛋白结合铁离子的內吞运输。还有一种特殊的內吞作用就是转胞吞作用。根据外被蛋白质的不同，将膜泡分为：披网格蛋白小泡、COPII被膜小泡和COPI被膜小泡。披网格蛋白小泡的形成需网格蛋白、衔接蛋白和发动蛋白的参与。COPI被膜小泡的形成需装配反应因子（ARF）和外被体蛋白质I的参与。分泌小泡寻靶可用SNARE假说解释。Rab蛋白可调节小泡运输与融合。膜的合成是通过不断地将脂和蛋白质插入已有的膜。磷脂的插入是通过磷脂转运蛋白，或通过出芽和膜融合。而膜整合蛋白则来源于糙面内质网，细胞内测的外周蛋白则是由游离核糖体合成的。第十章 细胞骨架与细胞运动细胞骨架是细胞内以蛋白质纤维为主要成分的网络结构，包括微管、微丝和中间纤维，具有多种功能。微管主要分布在核周围，它由微管蛋白异源二聚体组成。微管有单管、二联管和三联管，其中单管不稳定，二联管和三联管稳定。微管的体外组装分成核和延长两个过程，其中成核是限速步骤。微管有（+）端和（）端，因此微管具有极性。影响微管外装配稳定性的因素有GTP浓度、压力、温度、pH、微管蛋白临界浓度、药物等。细胞内的微管处于动态不稳定状态。微管通过与微管结合蛋白（MAP）结合扩展其功能。微管的功能有：支架作用、细胞内物质运输的轨道、纤毛和鞭毛的构件、参与细胞的有丝分裂和减数分裂等。微丝又称肌动蛋白丝，由肌动蛋白组成。微丝的装配分三个阶段：成核、快速延长和稳定，其中需ATP的参与。这一过程受G肌动蛋白临界浓度和一些离子浓度的影响。肌动蛋白也有踏车现象。微丝的稳定性受细胞松弛素和鬼笔环肽的影响。分子发动机是一类利用ATP供能，产生推动力，进行细胞内物质的运输或运动的蛋白。分子发动机有肌球蛋白家族、驱动蛋白家族和动力蛋白家族等。其中驱动蛋白和动力蛋白是以微管作为运行的轨道，而肌球蛋白则是以微丝作为运行的轨道。分子发动机的运输是单方向的、逐步进行的。驱动蛋白在神经细胞中的功能是将物质从神经细胞的胞体运向轴突末端，并沿微管的（）端向（+）端移动。细胞质动力蛋白的移动方向则相反，它是有丝分裂中染色体运动的力的来源，也参与小泡和膜结合细胞器的运输。肌球蛋白是一种肌动蛋白纤维的分子发动机，研究的较为清楚的有肌球蛋白I、肌球蛋白II和肌球蛋白V。肌球蛋白II为肌收缩和细胞质分裂提供力肌球蛋白I和肌球蛋白V则涉及细胞骨架与膜之间的相互作用。中间纤维是3种骨架纤维中最复杂的一种，它的装配分3个过程：由单体形成二聚体，再由二聚体形成四聚体，然后8个四聚体组成原丝。中间纤维的功能有：为细胞提供机械强度支持、参与细胞连接、是核骨架的主要成分并维持细胞核膜稳定。第十一章 细胞核与染色体细胞核是细胞的遗传机构，主要有两个功能：一是通过遗传物质的复制和细胞分裂保持细胞世代间的连续性；二是通过基因的选择性表达，控制细胞的活动。真核生物的细胞核有双层的核被膜包裹着，核被膜由外核膜、内核膜、核周腔、核孔复合体和核纤层等5个部分组成。核孔复合体具有选择性运输作用，核蛋白进入细胞核须由核定位信号（NLS）引导，并且要有一种小GTP结合蛋白的帮助。分子伴侣是细胞内的一类蛋白质，它们介导其他蛋白质的正确装配，但自己不成为最后功能结构中的组分。第一个被发现的分子伴侣是核质蛋白，它介导核小体扽组装。分子伴侣的功能有：帮助蛋白质折叠和装配、帮助蛋白质的转运和定位、参与细胞器和细胞核结构的发生、参与应激反应、参与信号转导等。染色质是细胞间期细胞核内能被碱性染料染色的物质，由DNA和蛋白质组成。染色体是由染色质压缩包装而成的棒状结构，是中期染色质的表现形式。组蛋白是真核生物染色体的基本结构组分，有H1、H2A、H2B、H3、H4等五种类型。它们带正电荷，能与DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用。其中H2A、H2B、H3、H4为核小体核心组蛋白；H1在构建核小体时起连接作用。组蛋白的某些氨基酸侧链常会被磷酸化、乙酰化或甲基化以及ADP的核糖化等修饰，这些修饰对保护、稳定和调控遗传物质的功能起重要作用。非组蛋白是指细胞核中不参与核小体组成的一类蛋白质，它们有多种功能：包括参与染色体的构建、调控基因的表达等。根据染色质染色反应不同，分为异染色质与常染色质，异染色质通常没有转录活性。核小体又称核体、核粒。由146个碱基对的DNA在八聚体的组蛋白外绕了7/4圈，H1位于核小体DNA的进出口处。两相邻核小体之间以连接DNA相连。在DNA复制和转录时，核小体不会完全解体。有多种模型推测核小体与转录的关系。DNA经过4步形成染色体，从DNA到染色体共压缩了8400倍。着丝粒又称主缢痕，动粒是装配在着丝粒外侧的2层蛋白质结构，细胞分裂时提供了与纺锤体微管结合的位点。而次缢痕则是核仁组织区。某些生物在发育过程中，某些组织的细胞会出现巨型染色体，包括多线染色体和灯刷染色体。核仁由纤维区、颗粒区、核仁染色质、基质等四部分组成。它是一种动态结构。核仁的主要功能是合成rRNA、装配核糖体，也在一定程度上控制着蛋白质合成的速度。第十二章 细胞周期与细胞分裂生长和生殖是生物的基本特性，通常将通过细胞分裂产生的新细胞的生长开始到下一次细胞分裂形成子细胞结束为止所经历的过程称为细胞周期。在这一过程中，细胞的遗传物质复制并均等地分配给两个子细胞。将细胞周期分为两个主要的阶段：分裂区（M期）和分裂间期。M期所持续的时间较短，一般为3060min，分裂间期的时间较长，根据细胞的类型和所处的条件不同而不同，有几小时、几天、几周或更长。根据新细胞从开始生长到分裂前止的分列间隔期中的生理和生化变化，可将分裂间期分为：G期、S期、G期。细胞周期的调控机制最早是从酵母中获得突破，发现了细胞周期蛋白和周期蛋白依赖性蛋白激酶，它们控制着细胞周期的进程。细胞周期中有三个主要的关卡，一个在G期，另一个在G期，另一外在分裂期中期。有丝分裂是细胞周期的分裂期（M期）进行的分裂活动。在这个时期，通过纺锤体的形成和运动，将在S期已经复制好了的DNA平均分配到两个子细胞，以保证遗传的连续性和稳定性。这一时期的主要特征是出现纺锤体。有丝分裂包括核分裂和胞质分裂两个过程，一般在核分裂之后随之发生胞质分裂。M期持续的时间很短，但形态变化很大，根据形态变化的特征，通常将分裂期分为前期、前中期、后期、末期。减数分裂是生殖细胞产生配子的分裂，包括两次连续的分裂，形成4个单倍体的子细胞。相继的两次分裂分别称为减数分裂I和减数分裂II。由于细胞核分裂了两次，而染色体只是在第一次减数分裂前的间期复制了一次，所以细胞经过减数分裂导致染色体数目减少一半。第一次减数分裂可分为前期I，中期I，后期I，末期I。第二次减数分裂可分为前期II，中期II后期II，末期II。减数分裂是遗传重组产生的主要原因重组的两个事件分别发生在前期I和后期I。第十三章 胚胎发育与细胞分化动物和植物的雌配子通常称为卵，而将雄配子称为精子。配子形成的过程称为配子发生。在配子发生过程中，二倍体的原始生殖细胞要通过减数分裂和分化才能转化成单倍体的卵或精子。在大多数动物中，卵子形成（即卵子发生）发生在卵巢，并且有一个增殖期。雄性的精子发生与卵子发生过程有很大的不同，它是在睾丸中通过精子发生过程产生的。精子与卵子的融合，即受精作用。受精作用涉及的反应包括：顶体反应、皮层反应、原核融合等。受精后胚胎的早期发育主要包括卵裂、胚泡形成和宫内植入3个阶段。细胞分化是胚胎细胞分裂后未定形的细胞在形态和生化组成上向专一性或特异性方向发展，或由原来较简单具有可塑性的状态向异样化稳定状态发展的过程。细胞分化时的主要特征是细胞出现不同的形态结构和合成组织特异性蛋白质，演变成特定表型的细胞类型。其结果是，在空间上，细胞之间出现差异；在时间上同一细胞和以前的状态有所不同，从本质上说，细胞分化是从化学分化到形态、功能分化的过程。由于分化和形态建成是非常复杂的过程，影响的因素很多，包括：细胞黏合分子在胚胎发育中的作用、激素对分化和形态建成的影响、分化抑制作用、细胞分化中的核质关系的影响等。细胞质不仅在细胞分化中具有重要作用，在成熟个体的组织中，细胞质对细胞核仍然具有影响。从分子水平看，分化细胞间的主要差别是合成蛋白质种类的不同，即表达的基因不同，