细胞生物学_1

第三章细胞生物学概论 本章内容提要 第一节细胞生物学发展简史第二节细胞膜第三节细胞与能量第四节细胞增殖与细胞分化第五节细胞衰老与细胞死亡 第一节细胞生物学发展简史 细胞生物学 CellBiology 研究细胞的形态结构及其生命活动规律的科学细胞 生物的基本组成单位 病毒除外 细胞生物学发展的三个水平 细胞水平 光学显微镜技术亚细胞水平 电子显微镜技术分子水平 生物化学与分子生物学技术 细胞生物学发展的四个阶段 一 细胞学说的建立二 细胞学经典时期三 实验细胞学阶段四 细胞生物学的兴起 第一阶段细胞学说的建立 16世纪后期 19世纪30年代 细胞的发现 1665年 英国人RobertHook发现软木塞中蜂窝状小室 命名为细胞 第一阶段细胞学说的建立 1667年 荷兰生物学家LeeuwenHook观察到真正的活细胞 第一阶段细胞学说的建立 1838 1839年 施莱登 MJ Schleiden 和施旺 T Schwann 正式提出了细胞学说基本内容 有机体由细胞构成 细胞是有机体的基本单位 细胞只能通过细胞分裂形成 MatthiasJacobSchleiden TheodrSchwanna 第二阶段细胞学经典时期 19世纪中期 20世纪初 应用固定和染色技术 在显微镜下观察细胞观察到几种重要的细胞器 中心体 线粒体 高尔基体等1893年 德国人赫特维希的专著 细胞与组织 标志着细胞学的诞生 第三阶段实验细胞学阶段 20世纪初 20世纪中叶 电子显微镜技术的出现 采用实验手段 研究细胞的生理功能 生物化学 遗传发育机制与其他学科相互融合 形成一些重要的分支学科细胞学发展为细胞生物学 第四阶段细胞生物学的兴起 20世纪中至今 分子水平上研究细胞的结构和功能分子生物学的迅猛发展大大促进了细胞生物学的发展细胞生物学领域获诺贝尔奖情况 2001年 美国人LelandHartwell 英国人TimothyHunt PaulNurse因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖 LelandH Hartwell R Timothy Tim Hunt SirPaulM Nurse 2002年 英国人布雷诺尔 美国人霍维茨和英国人苏尔斯顿 因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔生理医学奖 SydneyBrenner H RobertHorvitz JohnE Sulston 2003年 美国科学家彼得 阿格雷和罗德里克 麦金农 分别因对细胞膜水通道 离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖 PeterAgre RoderickMacKinnon 第二节细胞膜 内容提要 一 细胞膜的化学组成及膜结构1 细胞膜化学组成2 细胞膜的分子结构二 细胞膜的功能1 细胞膜的物质运输功能2 细胞膜受体3 膜抗原 细胞膜 CellMembrane 包围在细胞质外围的一层界膜 又叫质膜 将细胞质与外环境分隔开构成一道特殊屏障 使细胞有一个相对独立而稳定的内环境 在细胞与外环境之间进行物质 能量交换及信号传导 细胞内由膜构成的结构其成分基本相近 因此又把细胞中的所有膜统称为生物膜 细胞膜特点 透镜下呈现 两暗夹一明 的三层结构 厚度在8 10nm之间 主要由脂质分子 蛋白质分子 糖类分子以非共价键形式连接而成 脂类分子排列成连续的脂双层 组成膜的基本结构 膜脂 50 细胞膜基本骨架膜蛋白 40 50 多种方式与脂双层结合膜糖 1 10 质膜表面 磷脂糖脂胆固醇 外周蛋白镶嵌蛋白 与脂类结合 糖脂与蛋白结合 糖蛋白 细胞膜的基本骨架 细胞膜的化学组成 膜脂 MembraneLipid 膜脂主要包括磷脂 糖脂和胆固醇三种类型磷脂 构成膜脂的基本成分 约占整个膜脂的50 以上 磷脂分子由1个亲水的头部和2个疏水的尾部组成 尾部含有1 2个双键 膜脂是兼性分子 能自动形成双分子层 自我组装 糖脂 约占5 以下 神经细胞膜含量高 约占5 10 如 神经节苷脂是神经元细胞膜的特征性成分 两性分子 含糖而不含磷酸 由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合 糖脂均位于膜的非胞质面 将糖基暴露于细胞的表面 可作为受体参与细胞识别和信号传导作用 胆固醇 存在真核细胞膜上 双性分子 含量约膜脂的1 3 功能是提高膜的稳定性 调节流动性 降低水溶性物质的通透性 膜脂的功能 支撑 膜脂是细胞的骨架维持构象并为膜蛋白行使功能提供环境是部分酶行使功能所必需的 膜蛋白 MembraneProtein 膜蛋白是膜结构的重要成分 核基因组编码的蛋白质中30 左右的为膜蛋白根据与膜脂结合的不同方式可分为 膜内在蛋白 镶嵌蛋白 膜外在蛋白 外周蛋白 外周蛋白附着在膜的内外表面 与膜连接较松散 以非共价键结合在膜脂上 易于分离镶嵌蛋白以不同程度嵌入脂双层的内部 大多数以共价键与膜脂相结合 不易分离 膜蛋白的功能 膜蛋白是膜功能的主要体现者 与细胞膜的物质转运功能有关与膜受体有关 与细胞免疫有关 可作为具有催化的酶支持和保护作用 膜糖 真核细胞表面均有糖类 位于膜的非胞质侧膜糖类存在的形式单个糖链共价结合于膜脂分子形成糖脂单个糖链共价结合于膜蛋白分子形成糖蛋白多个糖链共价结合于膜蛋白分子形成蛋白多糖 膜糖的功能 作为抗原物质人的红细胞ABO血型系统中 红细胞的不同抗原特性就是由结合在膜脂质的鞘氨醇分子上的寡糖链所决定的 A型抗原和B型抗原的差别仅在于此糖链中一个糖基的不同 细胞识别参与细胞与环境的物质交换 Singer和Nicolson1972根据免疫荧光 冰冻蚀刻的研究结果 提出了 流动镶嵌模型 Fluid mosaicmodel 细胞膜的分子结构 细胞膜由流动的脂双层和嵌在其中的蛋白质组成蛋白质或嵌在双脂层表面 或嵌在其内部 或横跨整个双脂层 表现出分布的不对称性 膜脂和膜蛋白处于不断的运动状态 称为膜的流动性 是细胞进行生命活动的必要条件 细胞膜具有流动性 侧向扩散运动 旋转运动 摆动运动 伸缩震荡运动 翻转运动 旋转异构化 细胞膜的不对称性 一 脂双层的不对称性 二 膜蛋白的不对称性1 整合膜蛋白跨越脂双层有一定方向2 膜外在蛋白在膜内外的分布不对称 细胞膜的功能 物质运输功能被动运输主动运输胞吞作用和胞吐作用细胞膜受体膜受体与信号传递膜受体与信号识别膜抗原 易化扩散 被动运输 吞噬吞饮 简单扩散 主动运输 跨膜运输Transmembranetransport 胞吞 膜泡运输Vesicletransport 胞吐 物质运输 SubstanceTransport 一 小分子物质的跨膜转运 小分子离子 阴离子CL 阳离子Na K Mg Ca2 H 非极性小分子 O2 CO2极性小分子 乙醇 尿素 类固醇激素其他 甘油 葡萄糖 氨基酸 小分子物质通过细胞膜转运的主要方式被动运输简单扩散 simplediffusion passivetransport 易化扩散 facilitateddiffusion 主动运输 activetransport 简单扩散 simplediffusion 影响因素 分子量越小脂溶性越强非极性比极性分子过脂双层膜速率越快特点 沿浓度梯度扩散高 低 不需要提供能量 不需要膜蛋白协助 膜转运蛋白 小分子跨膜转运的载体或通道膜转运蛋白分两类 载体蛋白 carrierprotein 与特定溶质结合 改变构象使溶质穿越细胞膜通道蛋白 channelprotein 形成一种充满水溶液的通道 贯穿脂双层之间 当孔开放时特定的溶质经过通道穿透细胞膜膜转运蛋白运输的形式 易化扩散 主动运输 易化扩散 facilitateddiffusion 所有的通道蛋白和大多数载体蛋白使溶质穿过膜是被动的 如果转运分子不带电荷 膜两侧浓度梯度决定分子运动方向 若带电荷 膜两侧电化学梯度决定方向特点 转运速率高 运输速率同物质浓度成非线性关系 特异性 饱和性 主动运输 载体蛋白的运输形式 细胞膜利用代谢产生的能量驱动物质的逆浓度梯度方向的运输 消耗能量 能量来源 离子梯度动力 ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量 光驱动的泵利用光能运输物质 见于细菌 钠钾泵 构成 由2个大亚基 2个小亚基组成的4聚体 也叫Na K ATP酶 分布于动物细胞的质膜 将Na 逆电化学梯度运出细胞将K 逆电化学梯度运入细胞其动力是自身ATP水解供能 Na k ATP酶 钠钾泵机制 Na K ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化 导致与Na K 的亲和力发生变化 特性 对离子的转运循环依赖自磷酸化过程 Na K 泵的直接效能 每一循环消耗一个ATP 转运出三个Na 转进两个K 使胞外高钠 胞内高钾 形成胞内负电 胞外正电Na K 泵作用是 维持低Na 高K 的细胞内环境 维持细胞的静息电位 维持细胞的渗透性 保持细胞的体积 二 大分子和颗粒物质的膜泡转运 胞吞和胞吐 细胞胞吞作用的两种形式 胞吞作用消耗能量 属于细胞膜的主动运输吞噬 phagocytosis 进入细胞的物质是固形体吞饮 pinocytosis 进入细胞的物质是液体 细胞内吞较大的固体颗粒物质 如细菌 蛋白质 病毒等 由专门的吞噬细胞进行消化 最终到达溶酶体被降解 吞噬作用 细胞吞入液体或极小的颗粒物质 被吞噬的物质从细胞质膜表面膜包围囊泡溶酶体消化 吞饮作用 胞吐作用 胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程 又称出胞作用 包含内容物的囊泡移至细胞表面 与质膜融合 随后融合处破裂 将内容物排出细胞之外 消耗能量 属于主动运输功能 补充质膜更新所需的物质 分泌各种分子 细胞膜的循环 内吞 外吐过程是两个相辅相成的过程 即有一定数量的质膜经内吞作用而减少 也有相应数量经外吐作用的质膜进行补充 以保持细胞质膜面积的恒定 同时质膜的流动性也有利于细胞功能的执行 细胞膜的功能 物质运输功能细胞膜受体膜抗原 信号转导 signaltransduction 指外界信号 主要是化学分子 通过与细胞膜上或胞内的受体特异性的结合 将信号转换后传给相应的胞内系统 使细胞对外界信号作出适当的反应 这一过程称为信号转导 细胞间的信号转导包括以下几个方面 化学信号分子 第一信使 与细胞表面以及细胞内部的受体结合受体将信号转换为细胞内信号分子 第二信使 启动胞内信使系统 最终产生生物学效应 受体 receptor 对配体 胞外信号分子 具有特异识别和结合功能的生物活性分子 进而激活胞内一系列生化反应 使细胞对外界刺激产生相应的效应 主要是细胞膜上镶嵌的蛋白质 如糖蛋白 也有非蛋白质受体 如糖脂 受体大多数位于细胞膜上 称为膜受体 少部分在细胞质内 称为胞内受体 配体 ligand 作用于细胞的外界物质 能与受体呈特异性结合 如激素 神经递质 生长因子等 膜受体 存在于细胞质膜上的受体 绝大部分是镶嵌糖蛋白 配体是亲水性的 分为三大类 离子通道型受体 G蛋白偶联受体 酶联受体 除本身有信号接受部位外 又是离子通道 配体主要是神经递质 控制通道的开关 1 离子通道型受体 一条多肽链带七个越膜疏水区域 又称七个跨膜 螺旋受体 蛇型受体 2 G蛋白偶联受体 如 2与 肾上腺素受体 毒碱型乙酰胆碱受体 mAchR 和视网膜视紫红质 Rh 受体等 G蛋白 G protein 是一类与受体偶联的 能与鸟苷酸结合 位于细胞膜胞质面的外周蛋白 由 三个亚基组成 功能 通过改变自身构象 激活效应蛋白 实现信号从胞外向胞内的传递 此类受体的信息转导可归纳为 腺苷酸环化酶 AC 磷脂酶C 3 酶联受体 与细胞的增殖 分化 分裂及癌变有关 与酶连接的细胞表面受体 又称催化性受体 由单链肽链组成的跨膜糖蛋白 具有酪氨酸蛋白激酶的活性 如胰岛素受体 生长因子受体等 膜受体的特点 第二信使 secondmessenger 概念 激素 递质 细胞因子等配体 第一信使 作用于细胞膜后产生的细胞内信号