细胞生物学竞赛课件

细胞生物学,显微镜种类，特点细胞或细胞培养技术,2、制样技术,1）超薄切片电子束穿透力很弱，用于电镜观察的标本须制成厚度仅50nm的超薄切片，用超薄切片机制作。通常以锇酸和戊二醛固定样品，丙酮逐级脱水，环氧树脂包埋，以热膨胀或螺旋推进的方式切片，重金属（铀、铅）盐染色。,2）负染技术,用重金属盐(如磷钨酸)对铺展在载网上的样品染色；吸去染料，干燥后，样品凹陷处铺了一层重金属盐，而凸的出地方没有染料沉积，从而出现负染效果，分辨力可达1.5nm左右。,NegativeStainedActin,冰冻蚀刻freeze-etching,亦称冰冻断裂。标本置于干冰或液氮中冰冻。然后断开，升温后，冰升华，暴露出了断面结构。向断裂面上喷涂一层蒸汽碳和铂。然后将组织溶掉，把碳和铂的膜剥下来，此膜即为复膜（replica）。,AYeastCell,细胞基本结构,具有核膜，由膜围成的各种细胞器，如核膜、内质网、高尔基体、线粒体、叶绿体、溶酶体等在结构上形成了一个连续的体系，称为内膜系统。内膜系统将细胞质分隔成不同的区域，即所谓的区隔化。区隔化使细胞内表面积增加了数十倍，代谢能力增强。,1、原生质：1839Purkinje用原生质一词指细胞的全部活性物质，从现代概念来说它包括质膜、细胞质和细胞核(或拟核)。2、质膜：是细胞表面的单位膜。3、细胞核：细胞核是细胞内最重要的细胞器，核表面是由双层膜构成的核被膜，核内包含有由DNA和蛋白质构成的染色体。核内1至数个小球形结构，称为核仁。细胞核中的原生质称为核质。,细胞质基质：又称为或胞质溶胶细胞质基质的功能：为细胞内各类生化反应的正常进行提供了相对稳定的离子环境。许多代谢过程是在细胞基质中完成的，如蛋白质的合成；核苷酸的合成；脂肪酸合成；糖酵解；磷酸戊糖途径；糖原代谢；信号转导。参与蛋白质的合成、加工、运输、选择性降解。,Animalcell,Plantcell,细胞的形状和大小,单细胞生物细胞的形态通常与细胞外沉积物或细胞骨架有关，如硅藻呈各种奇异的形态、草履虫像鞋底。高等生物细胞的形状与细胞功能及细胞间的相互作用有关。如肌肉细胞呈梭形；红细胞为圆盘状；植物叶表皮的保卫细胞成半月形，2个细胞围成一个气孔，以利于呼吸和蒸腾。高等动物的细胞离开有机体分散存在时，形状往往发生变化。如平滑肌细胞在体内成梭形，而在离体培养时则可成多角形。,草履虫,草履虫,眼虫,钟形虫,眼虫,钟形虫,植物气孔细胞,植物气孔细胞,植物薄壁细胞,植物薄壁细胞,木材中的导管,木材中的导管,人类红细胞,人类红细胞,巨噬细胞,巨噬细胞,神经元细胞,神经元细胞,几种细胞的大小,人卵与精子,大多数动植物细胞直径在2030m间。一般真核细胞的体积大于原核细胞，卵细胞大于体细胞。鸵鸟的卵黄直径可达5cm；支原体只有0.1m；人的坐骨神经细胞可长达1m。,大肠杆菌,大肠杆菌,淋病球菌,淋病球菌,肉毒梭菌,肉毒梭菌,弧形霍乱菌,弧形霍乱菌,1、细胞壁：厚度一般15-30nm。主要成分是肽聚糖，由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸构成双糖单元，以（1-4）糖苷键连接成大分子。N-乙酰胞壁酸分子上有四肽侧链，相邻聚糖纤维之间的短肽通过肽桥（革兰氏阳性菌）或肽键（革兰氏阴性菌）桥接起来，形成了肽聚糖片层，像胶合板一样，粘合成多层。,革兰氏阳性菌细胞壁厚约2080nm，有15-50层肽聚糖片层，每层厚1nm，含20-40的磷壁酸（teichoicacid），有的还具有少量蛋白质。革兰氏阴性菌细胞壁厚约10nm，仅2-3层肽聚糖，另外还有脂多糖、细菌外膜和脂蛋白。,图3-10细胞壁的结构,Grampositivebacterialcellwallstructurediagram,2、细胞膜：通常不形成内膜系统。一些行光合作用的原核生物，质膜具有与捕光反应有关的内褶。一些革兰氏阳性菌质膜内褶形成小管状结构，称为间体(mesosome)，因其与DNA有联系，推测可能起DNA复制的支点作用。（31）3、拟核：没有核膜，DNA分子裸露，所含的遗传信息量可编码20003000种蛋白质，空间构建十分精简。,白喉杆菌的间体,4、核糖体：约含500050000个。部分附着在细胞膜内侧，大部分游离于细胞质中。沉降系数为70S。由大亚单位(50S)与小亚单位(30S)组成。30S的小亚单位对四环素与链霉素敏感，50S的大亚单位对红霉素与氯霉素敏感。,质粒(plasmid)：除核区DNA外，可进行自主复制的遗传因子，是裸露的环状DNA分子，所含遗传信息量为2200个基因，能进行自我复制，有时能整合到核DNA中去。质粒常用作基因重组与基因转移的载体。,分裂中的链球菌,分裂中的大肠杆菌,肺炎支原体,支原体,大小通常为0.20.3m，可通过滤菌器。无细胞壁，不能维持固定的形态而呈现多形性。细胞膜中胆固醇含量较多，约占36%，凡能作用于胆固醇的物质（如二性霉素B、皂素等）均可引起支原体膜的破坏而使支原体死亡。基因组为环状双链DNA，分子量小（仅有大肠杆菌的五分之一），合成与代谢很有限。肺炎支原体的一端有一种特殊的末端结构（terminalstructure），能使支原体粘附于呼吸道粘膜上皮细胞表面，与致病性有关。,古细菌,具有原核生物的某些特征，无核膜及内膜系统；也有真核生物的特征，甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白。此外，细胞膜中的脂类是不可皂化的，细胞壁不含肽聚糖。生活在极端环境中，如：产甲烷菌、极端嗜盐菌、嗜热嗜酸菌。,脊髓灰质炎病毒球形病毒,烟草花叶病毒线形病毒,痘病毒砖形病毒,狂犬病毒子弹形病毒,有被膜,T4噬菌体蝌蚪形病毒,流感冒病毒丝状有被膜的病毒,质膜包在细胞外面所以又称细胞膜。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜。质膜表面寡糖链形成细胞外被或糖萼。质膜下的表层溶胶中具有细胞骨架成分组成的网络结构，除对质膜有支持作用外，还与维持质膜的功能有关，所以这部分细胞骨架又称为膜骨架。细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。,甘油磷脂以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子借磷酸基团连接到脂分子上。主要类型有：磷脂酰胆碱，PC，旧称卵磷脂磷脂酰丝氨酸，PS磷脂酰乙醇胺，PE，旧称脑磷脂磷脂酰肌醇，PI双磷脂酰甘油,DPG，旧称心磷脂,膜蛋白是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为：整合蛋白外周蛋白脂锚定蛋白,整合蛋白的跨膜结构域可以是1至多个疏水的螺旋，形成亲水通道的整合蛋白跨膜区域有两种组成形式，一是由多个两性螺旋组成亲水通道；二是由两性折叠组成亲水通道。外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。,脂锚定蛋白可以分为两类：糖磷脂酰肌醇，GPI)连接的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。,integralprotein；（膜内在蛋白质）,peripheralprotein；（膜周边蛋白质）,lipid-anchoredprotein,（一）、质膜的流动性,质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。1、膜脂分子的运动侧向扩散运动：同一平面上相邻的脂分子交换位置。旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。摆动运动：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。伸缩震荡运动：脂肪酸链进行伸缩震荡运动。翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。旋转异构化运动：脂肪酸链围绕C-C键旋转。,膜脂分子的运动,影响膜脂流动性的因素胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。,膜蛋白的分子运动主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用细胞融合技术检测侧向扩散。膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。膜流动性的生理意义质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。,利用细胞融合技术观察蛋白质运动,膜的不对称性质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性。样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为：ES，细胞外表面；EF，细胞外小页断面；PS，原生质表面；PF，原生质小页断面。,第三节细胞表面的分化,细胞表面的特化结构如：膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等等，分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有关。,细胞外被动物细胞表面的一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被或糖萼。用重金属染料,如钌红染色后，在电镜下可显示厚约1020nm的结构，边界不甚明确。作用：保护，细胞通信，并与细胞表面的抗原性有关。红细胞质膜上的糖鞘脂是ABO血型系统的血型抗原，糖链结构基本相同，只是糖链末端的糖基有所不同。A型血的糖链末端为N-乙酰半乳糖；B型血为半乳糖；O型血则缺少这两种糖基,Simplifieddiagramofthecellcoat(glycocalyx),膜骨架膜骨架是质膜下纤维蛋白组成的网架结构；位于细胞质膜下约0.2m厚的溶胶层。作用：维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。成熟的哺乳动物血红细胞没有核和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料。红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影,MembraneTransportProteins,自由扩散（109）,协助扩散：也称促进扩散特点：比自由扩散转运速率高；运输速率同物质浓度成非线性关系；特异性；饱和性载体：离子载体和通道蛋白两种类型。,主动运输主动运输的特点是：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量；都有载体蛋白。主动运输所需的能量来源主要有：协同运输中的离子梯度动力；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。,MembraneTransportProteins,钠钾泵构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，实际上就是Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。,工作原理：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。在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+、而与K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。,Na+-K+ATPPUMP,钙离子泵,作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子浓度10-7M，细胞外10-3M）。位置：质膜和内质网膜。类型：P型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。钠钙交换器（Na+-Ca2+exchanger），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。,Ca+ATPase,MaintainslowcytosolicCa+PresentInPlasmaandERmembranes,ModelformodeofactionforCa+ATPaseConformationchange,质子泵(115)1、P-type：利用ATP自磷酸化发生构象的改变来转移质子，如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。2、V-type：存在于各类小泡(vacuole)膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上。3、F-type：是由许多亚基构成的管状结构，利用质子动力势合成ATP，也叫ATP合酶，位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上,FourtypesofATP-poweredpumps,协同运输是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向协同与反向协同。,1、同向协同物质运输方向与离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入。2、反向协同物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的方式来转运H+，以调节细胞内的PH值。还有一种机制是Na+驱动的Cl-HCO3-交换，即Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流，如存在于红细胞膜上的带3蛋白。,Glucoseisabsorbedbysymport,真核细胞通过内吞作用和外排作用完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。在转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输。细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用。,细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。,一、吞噬作用,细胞吞入液体或极小的颗粒物质。,二、胞饮作用,三、外排作用,exocytosis,包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融，将物质排出细胞之外。,细胞连接与细胞粘附分子,CELLJUNCTIONANDCELLADHESIONMOLECULES,细胞连接celljunction是细胞与细胞间或细胞与细胞外基质间的联结结构。分为三大类，即：封闭连接（occludingjunction）、锚定连接（anchoringjunction）和通讯连接（communicatingjunction）。,封闭连接（一）紧密连接存在于脊椎动物的上皮细胞间。也叫zonulaoccluden连接区域具有蛋白质焊接线，也称嵴线，由跨膜细胞粘附分子构成。相邻细胞之间的质膜紧密结合，没有缝隙。主要作用：封闭相邻细胞间的接缝，防止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内，构成脑血屏障,TightJunctionsSealoffbodycavitiesRestrictdiffusionofmembranecomponents,TightJunction,是存在于无脊椎动物上皮细胞的紧密连接。连接蛋白呈梯子状排列，形状非常规则。在果蝇中一种叫做discs-large的蛋白参与形成间壁连接，突变品种不仅不能形成间壁连接，还产生瘤突。,（二）间壁连接,二、锚定连接（89）（一）粘合带与粘合斑粘合带（adhesionbelt）：呈带状环绕细胞，位于紧密连接下方。相邻细胞间的粘合分子为E-钙粘素。质膜内侧有多种附着蛋白形成的致密斑。连接的细胞骨架成分为actin。粘合斑（adhesionplaque）：位于细胞与细胞外基质间，粘附分子为integrin、胞内骨架成分也是actin。,粘合带,AdhesionBelt,（二）桥粒与半桥粒桥粒（desmosome）是相邻细胞间形成的纽扣状结构。通过质膜下的致密斑连接中间纤维。桥粒中间为钙粘素分布：承受强拉力的组织中，如皮肤、口腔、食管、心肌中。半桥粒（hemidesmosome）：位于上皮细胞基面与基膜之间，连接蛋白为整合素。连接的细胞内骨架成分为角蛋白。,Desmosome,Desmosome,三、通讯连接（一）间隙连接gapjunction存在于大多数动物组织。连接处有24nm的缝隙。基本单位称连接子（connexon），由6个相同或相似的跨膜蛋白亚单位环绕而成。注射染料证明间隙连接可允许分子量小于1.5KD的分子通过，但通透性是可调节的。,功能：1、影响细胞分化2、协调细胞代谢3、电兴奋传导：神经末梢间的间隙连接称为电紧张突触（electrotonicsynapses）。,Gapjunction,（二）胞间连丝plasmodesmata,VariousCellJunctionalComplexes,各类连接的比较,细胞粘附分子CellAdhesionMolecule，CAM,细胞粘附分子是参与细胞与细胞之间及细胞与细胞外基质之间相互作用的分子。可大致分为五类：钙粘素、选择素、免疫球蛋白超家族、整合素及透明质酸粘素。,为糖蛋白、分为五类，分子结构由三部分组成：胞外区，N端部分，负责与配体识别；跨膜区，多为单次跨膜；胞质区，C端部分，与质膜下的骨架成分直接相连，或与胞内的信号分子相连。,多数细胞粘附分子依赖二价阳离子，如Ca2，Mg2。细胞粘附分子的作用机制有三种模式：亲同性粘附；两相邻细胞表面的同种CAM分子间的相互识别与结合亲异性粘附；两相邻细胞表面的不同种CAM分子间的相互识别与结合通过胞外连接分子相互识别与结合。,一、钙粘素cadherin,亲同性CAM，依赖Ca2。胞外部分形成5个结构域，均含Ca2结合部位。作用：介导细胞连接：如E-钙粘素。参与细胞分化：决定胚胎细胞间的粘附，影响细胞分化。抑制细胞迁移：,Cadherin,二、选择素,选择素（selectin）属亲异性CAM；作用依赖于Ca2；参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘合；已知选择素有三种：L选择素、E选择素及P选择素。P选择素贮存于血小板及内皮细胞；E选择素存在于活化的血管内皮细胞表面；L选择素广泛存在于各种白细胞的表面，参与炎症部位白细胞的出脉管过程。,SELECTINS,Endothelial,Leukocytes,Platelets,三、免疫球蛋白超家族Ig-superfamily,Ig-SF包括分子结构中含有免疫球蛋白（Ig）样结构域的所有分子，免疫球蛋白样结构域指借二硫键维系的两组反向平行的折叠结构。一般不依赖于Ca2，包括亲同性或亲异性CAMN-CAM存在于神经细胞。Pe-CAM存在于血小板及大多数免疫细胞。I-CAM及V-CAM在活化的血管内皮细胞表达。,Ig-SF,四、整合素integrin,多为亲异性细胞粘附分子。作用依赖于Ca2。是亚单位形成异二聚体。含1的整合素主要介导细胞与ECM之间的粘附。含2的整合素主要介导细胞间的相互作用。含3亚单位的整合素介导血小板聚集，参与血栓形成。64整合素以层粘连蛋白为配体，参与形成半桥粒。,Integrins,subunitbindsRGDdomainonfibronectinsubunitbindscalciumCa2+necessaryforsubstratebinding,Hemidesmosomes,HemidesmosomeTEM,Keratinfilaments,细胞外基质97,EXTRACELLULARMATRIXECM,一、胶原二、纤粘连蛋白三、层粘连蛋白四、氨基聚糖及蛋白聚糖五、弹性蛋白,细胞外基质：是指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络结构。,ECM(extracellularmatrix)是细胞外大分子构成的网络。包括：胶原、非胶原糖蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖、弹性蛋白等。ECM在结缔组织中含量较高。ECM的成分及组装形式由所产生的细胞决定，并与组织的功能相适应。如：角膜、肌腱。ECM影响细胞的存活、死亡、增殖和分化。,MACROMOLECULARORGANIZATIONOFECM,一、胶原Collagen,组成：由原胶原交联而成，原胶原是三条肽链形成的三股螺旋，含有三种结构：螺旋区，非螺旋区及球形结构域。（100）原胶原的每条链由重复的Gly-X-Y序列构成。X=pro，Y=hyp或hyl，Gly-X-Y序列使链卷曲为左手螺旋。三股链再绕成右手超螺旋。,Structuresofthecollagen,原胶原间共价交联，呈阶梯状排列，形成胶原纤维，在电镜下可见间隔67nm的横纹。,胶原肽链的翻译在粗面内质网上进行，合成带有信号肽的早前胶原，胶原纤维的装配始于内质网，在高尔基体中继续进行，完成于细胞外。,合成：由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、上皮细胞分泌。在RER上合成，形成三股螺旋之前于Pro及Lys残基上进行羟基化修饰。羟化反应的催化剂为脯氨酰4羟化酶和脯氨酰3羟化酶。维生素C是这两种酶所必需的辅助因子，VC缺乏导致坏血病。交联：交联键是由侧向相邻的赖氨酸或羟赖氨酸残基氧化后所产生的两个醛基间进行缩合而形成的。,原胶原共价交联后成为具有抗张强度的不溶性胶原。胚胎及新生儿的胶原因缺乏分子间的交联而易于抽提。随年龄增长，交联日益增多，组织僵硬老化。已知至少19种胶原，由不同的结构基因编码。I、II、III、V、XI型胶原为有横纹的纤维形结构。是人体最丰富的蛋白，占蛋白总量的30以上。功能：参与形成结缔组织，如骨、韧带、基膜、皮肤。,二、纤粘连蛋白Fibronectin（FN）,类型：血浆FN：V字形二聚体，可溶，存在于血浆、体液。细胞FN：多聚体，不溶，存在于ECM及细胞表面。,fibronectindimer,纤连蛋白的主要功能是介导细胞粘着。纤连蛋白的膜蛋白受体即为整联蛋白家族成员之一,三、层粘连蛋白laminin(LN),结构：由三条肽链借二硫键交联成十字形分子。已知7种LN分子，8种亚单位（1-3、1-3、1-2）。与FN不同，这8种亚单位由不同基因编码。含糖量很高（15-28），具有50条左右N-连接的糖链。功能：参与构成基膜，是胚胎发育中出现最早的细胞外基质成分。,LamininStructure,Basallamina,四、氨基聚糖及蛋白聚糖,1氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG）GAG是重复二糖单位构成的无分枝长链多糖。二糖单位通常由氨基已糖和糖醛酸组成。可分为六种：透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角质素。透明质酸(HA)是唯一不硫酸化的GAG，含多达10万个糖基。可结合大量水分子，赋予组织一定的抗压性。,2蛋白聚糖proteoglycan,是氨基聚糖（除HA）与核心蛋白质的共价结合物。核心蛋白质的Ser残基在高尔基体中装配上GAG链。首先合成由四糖组成的连接桥（Xyl-Gal-Gal-GlcUA）连接到Ser残基上，然后再延长糖链。除HA及肝素外，其他GAG均不游离存在。HA以非共价键连接许多蛋白聚糖单体巨分子。,AProteoglycanComplex.,GalactoseN-Acetyl-D-glucosamine,D-glucuronicacidN-Acetyl-D-galactosamine,五、弹性蛋白elastin,是弹性纤维的主要成分。由二类短肽交替排列构成。一种是疏水短肽，赋予分子以弹性；另一种为富Ala及Lys残基的螺旋，负责在相邻分子间交联，形成网状结构。弹性蛋白外面包着一层由微原纤维（糖蛋白）构成的壳。老年组织中弹性蛋白的生成减少，降解增强，以致组织失去弹性。,Elastin,胞吞作用和胞吐作用119,THECYTOSKELETON,第九章细胞骨架,319,细胞骨架是指真核细胞中的蛋白纤维网架体系细胞质骨架：微管、微丝、中间纤维细胞核骨架：核骨架-核纤层体系广义的细胞骨架包括细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架和细胞外基质。,成分：微丝（microfilament）、微管（microtubule）和中间纤维（intemediatefilament）构成。均由单体蛋白以较弱的非共价键结合在一起，构成纤维型多聚体。微丝确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩。微管确定膜性细胞器的位置和作为膜泡运输的导轨。中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。其它骨架成分：核骨架、核纤层、细胞外基质。,Thethreetypesofprotein,第一节微丝microfilament,MF,又称肌动蛋白纤维actinfilament，是由两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，形状如双线捻成的绳子，直径约7nm。,根据等电点分为3类：分布于肌肉细胞；和分布于肌细胞和非肌细胞。actin单体外观呈哑铃形，称球形肌动蛋白G-actin；多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin。actin在进化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌动蛋白有88%的同源性。肌动蛋白要经过翻译后修饰，如N-端乙酰化或组氨酸残基的甲基化。,微丝的装配（320）条件：ATP、适宜的温度、存在K+和Mg2+离子。过程：2-3个actin聚集成一个核心（核化）；ATP-actin分子向核心两端加合。微丝具有极性，ATP-actin加到(+)极的速度要比加到(-)极的速度快5-10倍。溶液中ATP-肌动蛋白的浓度处于临界浓度时，ATP-肌动蛋白在(+)端添加，而从(-)端分离，表现出“踏车”现象。,Treadmilling,+,-,细胞中大多数微丝结构处于动态的组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能。细胞松弛素可切断微丝纤维，并结合在微丝末端抑制肌动蛋白加合到微丝纤维上，特异性的抑制微丝功能。鬼笔环肽与微丝能够特异性的结合，使微丝纤维稳定而抑制其功能。荧光标记的鬼笔环肽可特异性的显示微丝。,Sarcomere,由肌原纤维组成，肌原纤维包括粗肌丝和细肌丝，粗肌丝主要成分是肌球蛋白，细肌丝的主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。肌肉收缩的基本单位是肌小节。肌小节是相邻两Z线间的单位。主要结构有：A带（暗带）：为粗肌丝所在。H区：A带中央色浅部份，此处只有粗肌丝。I带（明带）：只含细肌丝部分。Z线：细肌丝一端游离，一端附于Z线。,四、微丝的功能,微丝除参与形成肌原纤维外还具有以下功能：1形成应力纤维（stressfiber）：结构类似肌原纤维，使细胞具有抗剪切力。,培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）,2形成微绒毛。3细胞的变形运动。,4.胞质分裂；5.顶体反应；6.其他功能：抑制微丝的药物（细胞松弛素）可增强膜的流动、破坏胞质环流。,微管Microtubule,MT微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构，对低温、高压和秋水仙素敏感。,Afluorescentlystainedimageofculturedepithelialcellsshowingthenucleus(yellow)andmicrotubules(red),分子结构微管是由13条原纤维构成的中空管状结构，直径2225nm。每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成微管蛋白二聚体由结构相似的和球蛋白构成。,微管具有极性，(+)极生长速度快，(-)极生长速度慢。微管形成的有些结构是比较稳定，是由于微管结合蛋白的作用和酶修饰的原因。如轴突、纤毛、鞭毛。大多数微管处于动态组装和去组装状态（如纺锤体）。秋水仙素、长春花碱抑制微管装配。紫杉酚能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。,微管结合蛋白microtubuleassociatedproteinsMAPsMAP分子至少包含一个结合微管的结构域和一个向外突出的结构域。突出部位伸到微管外与其它细胞组分（如微管束、中间纤维、质膜）结合。主要功能：促进微管组装。增加微管稳定性。促进微管聚集成束。,微管组织中心microtubuleorganizingcenter,MTOCs是微管进行组装的区域，都具有微管球蛋白，如：中心体、鞭毛基体。,中心体由两个相互垂直的中心粒构成。周围是一些无定形物质，叫做外中心粒物质（PCM）。中心粒由9组3联微管构成，具有召集PCM的作用。MTOC处微管蛋白以环状的球蛋白复合体为模板核化、先组装出（-）极，然后开始生长。提纯的微管，在微酸性环境，适宜的温度，存在GTP、Mg2+和去除Ca2+的条件下能自发的组装成11条原纤维的微管。,五、微管的功能,1、支架作用,细胞内运输是胞内物质运输的路轨。涉及两大类马达蛋白：驱动蛋白kinesin，动力蛋白dyenin，均需ATP供能。Kinesin发现于1985年，是由两条轻链和两条重链构成的四聚体，能向着微管（+）极运输小泡。,Kinesinwalkalongmicrotubuletowardsplusend,3、形成纺锤体在细胞分裂中牵引染色体到达分裂极。,纤毛与鞭毛是相似的两种细胞外长物，前者较短。结构：由基体和鞭杆两部分构成。鞭毛中的微管为9+2结构。二联微管A管由13条原纤维组成，B管由10条原纤维组成。A管向相邻B管伸出两条动力蛋白臂，并向鞭毛中央发出一条辐。基体的微管组成为9+0。鞭毛运动原理：动力蛋白臂的dynein水解ATP作功，使相邻的二联微管相互滑动。,中间纤维intermediatefilaments，IF直径10nm左右，介于微丝和微管之间，故名。IF是最稳定的细胞骨架成分，主要起支撑作用。IF在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结。具有组织特异性。IF在形态上相似，而化学组成有明显的差别。,分为5类：角蛋白、结蛋白、胶质原纤维酸性蛋白、波形纤维蛋白、神经纤丝蛋白。具有组织特异性，不同类型细胞含有不同IF。通常一种细胞含有一种中间纤维，少数含有2种以上。,（一）角蛋白keratin为表皮细胞特有，具有和两类，角蛋白存在于细胞中，角蛋白形成头发、指甲等坚韧结构。（二）结蛋白desmin又称骨骼蛋白skeletin，存在于肌肉细胞中，主要功能是使肌纤维连在一起。,（三）、神经胶质纤维:存在于星形神经胶质细胞。起支撑作用。（四）、波形纤维蛋白vimentin存在于间充质细胞及中胚层来源的细胞中。（五）、神经元纤维：是由三种分子量不同的多肽组成的异聚体，功能是提供弹性使神经纤维易于伸展和防止断裂。,二、结构与装配,（一）结构由螺旋化杆状区，以及两端非螺旋化的球形头（N端）尾（C端）部构成。杆状区高度保守，由螺旋1和螺旋2构成，每个螺旋区还分为A、B两个亚区。,intemediatefilaments，IF,IF的装配过程：两个单体形成超螺旋二聚体（角蛋白为异二聚体）；两个二聚体反向平行组装成四聚体；四聚体组成原纤维；4根原纤维组成中间纤维。特点：IF没有极性；无动态蛋白库；装配与温度和蛋白浓度无关；不需要ATP、GTP或结合蛋白的辅助。,中间纤维的装配,中间纤维装配过程IF装配与MF,MT装配相比，有以下几个特点：IF装配的单体是纤维状蛋白(MF,MT的单体呈球形)；反向平行的四聚体导致IF不具有极性；IF在体外装配时不需要核苷酸或结合蛋白的辅助，在体内装配后，细胞中几乎不存在IF单体。,胞质骨架三种组分的比较,第二节细胞核骨架,一、核基质二、染色体支架三、核纤层,1.核基质细胞核骨架是存在于真核细胞核内的以蛋白成分为主的纤维网架体系.目前对核骨架的概念有两种理解,狭义的核骨架仅指核内基质,即细胞核内除核膜,核纤层,染色质,核仁和核孔复合体以外的以纤维蛋白成分为主的纤维网架体系;广义的核骨架包括核基质,核纤层和核孔复合体.2.染色体支架染色体支架是指染色体中由非组蛋白构成的结构支架.3.核纤层核纤层是位于细胞核内层核膜下的纤维蛋白层或纤维网络,核纤层由1至3种核纤层蛋白多肽组成.,功能,核骨架与DNA复制：核骨架是DNA复制的空间支架。核骨架与基因表达大量研究工作表明真核细胞中RNA的转录和加工均与核骨架有关。具有转录活性的基因是结合在核骨架上的;RNA聚合酶在核骨架上具有结合位点。核骨架与染色体构建,一、核基质,(一)形态结构(二)成分(主要成分是核骨架蛋白及核骨架结合蛋白,并含有少量RNA.)(三)核骨架结合序列(MAR)(四)功能,一、核基质(NuclearMatrix),成分核骨架不象胞质骨架那样由非常专一的蛋白成分组成,核骨架的成分比较复杂,主要成分是核骨架蛋白及核骨架结合蛋白,并含有少量RNA。核骨架结合序列DNA序列中的核骨架结合序列(matrixassociatedregion,MAR)DNA通过与核骨架蛋白的结合，将DNA放射环锚定在核骨架上；核骨架结合序列作为许多功能性基因调控蛋白的结合位点。功能,在DNA序列中存在MAR，并在基因表达调控中有作用。MAR的基本特征：1)富含AT;2)富含DNA解旋元件(DNAunwindingelements);3)富含反向重复序列(invertedrepeats);4)含有转录因子结合位点.MAR的功能：1）通过与核骨架蛋白的结合,将DNA放射环锚定在核骨架上;2）作为许多功能性基因调控蛋白的结合位点.这些蛋白通过与MAR的结合,在DNA分子上形成复合体,参与DNA的复制,转录,修复和重组的控制.,1.核骨架与DNA复制2.核骨架与基因表达3.核骨架与病毒复制4.核骨架与染色体构建,二.染色体支架,(一)染色体支架的真实性(二)染色体支架的成分(主要是非组蛋白)(三)染色体支架与核骨架的关系,染色体支架与核骨架的关系,在细胞分裂期中,间期核结构发生显著变化,核膜崩解,核纤层解聚,间期染色质凝集形成分裂期染色体,但核骨架在细胞分裂期中的变化及分裂期染色体支架与间期核骨架在结构,成分和功能上的关系尚不清楚.有一些工作提示染色体支架与核骨架中存在相同的蛋白组分,如DNA拓扑异构酶.核骨架的某些结构组分可能在分裂期中转变为染色体支架,而有些模型则完全将核骨架与染色体支架等同起来,但迄今为止实验证据并不充分,分裂期染色体支架与间期核骨架的关系仍是一个悬而未决的问题.染色体支架的研究对于了解真核细胞染色体高级结构的构建及染色质在有丝分裂过程中周期性的凝聚与解凝聚等细胞生物学的基本问题将起重要作用.,三.核纤层,(一)形态结构(二)成分(由核纤层构成,相对分子质量在60000080000之间.)(三)核纤层蛋白的分子结构及其与中间纤维蛋白的关系(四)核纤层蛋白在细胞分化中的表达(五)核纤层在细胞分裂过程中的变化,三、核纤层(NuclearLamina),核纤层分布与形态结构位于细胞核内层核膜下的纤维蛋白片层或纤维网络。切面呈片层，整体呈球状网络。成分核纤层蛋白(Lamin)A、B、C功能：为核膜及核纤层在细胞周期中的变化A型核纤层蛋白在组装核纤层时通过蛋白水解失去C端。核膜崩解,核纤层解聚时,A型核纤层蛋白以可溶性单体形式弥散到胞质中。B型核纤层蛋白则与核膜小泡保持结合状态,当核膜重现时,在染色体周围重装配,形成子细胞的核纤层。染色质提供了结构支架,核纤层与中间纤维有许多共同点,1)两者均形成10nm纤维;2)两者均能抵抗高盐和非离子去垢剂的抽提;3)某些抗中间纤维蛋白的抗体能与核纤层发生交叉反应,说明中间蛋白与核纤层蛋白分子存在相同的抗原决定簇;4)两者在结构上有密切联系,核纤层成为核骨架与中间纤维之间的桥梁.,核纤层最显著的结构重组发生于分裂期,在细胞分裂过程中,核纤层发生解聚和重装配,A型和B型核纤层蛋白在细胞分裂过程中的分布有明显不同,A型核纤层蛋白在装配核纤层时通过蛋白水解失去C端异戊二烯化.分裂前期,核膜崩解,核纤层解聚,A型核纤层蛋白以可溶性单体形式弥漫到胞质中;而B型核纤层蛋白与核膜小泡保持结合状态,分裂末期,当核膜重现时,在染色体周围重装配,形成子细胞的核纤层.细胞分裂期中,核纤层蛋白的磷酸化水平发生显著改变,分裂前期高度磷酸化,而末期则发生去磷酸化,提示磷酸化可能是分裂期中核纤层结构动态变化的调控因素,而核纤层蛋白磷酸化级联反应可以在时间上协调许多细胞结构在分裂期的重组.,1)核纤层蛋白A,B和C均有亲膜结合作用,而以核纤层蛋白B与膜的结合能力最强.A型核纤层蛋白与染色质的结合能力较B型核蛋白强；2）A型核纤层蛋白和B型核贤层蛋白合成后均异戊二烯化和羧甲基化，B型核贤层蛋白的修饰较稳定，而A型核纤层蛋白异戊二烯化的C端被蛋白酶水解，核纤层蛋白A才、疏水性C端被选择性水解可解释为核细胞周期中B型核纤层蛋白保持与核膜结合，而核纤层蛋白A以可溶性蛋白形式释放到胞质中；3）内层核膜上存在核纤层蛋白B受体，介导核纤层蛋白B与核膜结合。,细胞通信,几个容易混淆的概念细胞信号发放：细胞释放信号分子，将信息传递给其它细胞。细胞通讯：细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应反应的过程。细胞识别：细胞之间通过细胞表面的信息分子相互作用，引起细胞反应的现象。信号转导：指外界信号（如光、电、化学分子）作用于细胞表面受体，引起胞内信使的浓度变化，进而导致细胞应答反应的一系列过程。,二、细胞信号分子,种类：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）、氨基酸、核苷酸、脂类、胆固醇衍生物。特点：特异性；高效性；可被灭活。脂溶性信号分子（如甾类激素和甲状腺素）可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。,水溶性信号分子（如神经递质）不能穿过靶细胞膜，只能经膜上的信号转换机制实现信号传递，所以这类信号分子又称为第一信使（primarymessenger）。第二信使（secondarymessenger）主要有：cAMP、cGMP、Ca2+。第二信使的作用：信号转换、信号放大。,受体能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，至少包括两个功能区域：配体结合区域和产生效应的区域。受体的特征：特异性；饱和性；高度的亲和力。分为：细胞内受体、细胞表面受体,2.受体receptor,一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子，当与配体结合后，通过信号转导(signaltransduction)作用将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。,两个功能区域：配体结合区、效应区两种类型：细胞内受体、细胞表面受体,细胞对信号的反应不仅取决于其受体的特异性，而且与细胞的固有特征有关。有时相同的信号可产生不同的效应，如Ach可引起骨骼肌收缩、降低心肌收缩频率，引起唾腺细胞分泌。有时不同信号产生相同的效应，如肾上腺素、胰高血糖素，都能促进肝糖原降解而升高血糖。,蛋白激酶,是一类磷酸转移酶，能将ATP的磷酸基转移到底物特定的氨基酸残基上，使蛋白质磷酸化。分为5类，其中了解较多的是蛋白酪氨酸激酶、蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶。作用：通过磷酸化调节蛋白质的活性；通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。,胞间通信的主要类型三种主要方式：细胞间隙连接、膜表面分子接触通讯、化学通讯。（一）细胞间隙连接两个相邻的细胞以连接子相联系。连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道。允许小分子物质如Ca2+、cAMP通过，有助于相邻同型细胞对外界信号的协同反应，如可兴奋细胞的电耦联现象（电紧张突触）。,connexon,（二）膜表面分子接触通讯,即细胞识别（cellrecognition）。如：精子和卵子之间的识别，T与B淋巴细胞间的识别。,（三）化学通讯,细胞分泌一些化学物质（如激素）至细胞外，作为信号分子作用于靶细胞，调节其功能,内分泌（endocrine）：内分泌激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。特点：低浓度10-8-10-12M，全身性，长时效。旁分泌（paracrine）：信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。包括：各类细胞因子（如表皮生长因子）；气体信号分子（如：NO）。突触信号发放：神经递质经突触作用于特定的靶细胞。自分泌（autocrine）：信号发放细胞和靶细胞为同类或同一细胞，常见于癌变细胞。,Fig.不同的细胞间通讯方式,autocrine,Gapjunction,（二）细胞识别与信号通路,细胞识别cellrecognition：细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性地相互作用，从而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。,信号通路signalingpathway：细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，是细胞信号系统的主线，这种反应系列称为信号通路。,3.第二信使与分子开关,第一信使：细胞外信号分子。第二信使(Secondmassenger)：第一信使与受体作用后在细胞内最早产生的信号分子。包括cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、二酰基甘油(DG)等。功能:启动和协助细胞内信号的逐级放大。,Fig.细胞内信号传导过程中两类分子开关蛋白,蛋白激酶,蛋白磷酸酯酶,分子开关(Molecularswitches),二、通过细胞内受体介导的信号传递,常见细胞内激素的结构,Fig.细胞内受体蛋白超家族,细胞内受体的本质：激素激活的基因调控蛋白。,三部分组成：,中部的DNA或Hsp90结合位点：富含Cys、锌指结构,C-端激素结合位点,N-端转录激活结构域,Fig.NO在导致血管平滑肌舒张中的作用,NO信号分子的作用机制,血管神经末梢释放乙酰胆碱作用于血管内皮细胞，被激活的血管内皮细胞产生并释放NO，通过扩散进入临近平滑肌细胞，导致血管平滑肌舒张,膜表面受体介导的信号转导膜表面受体主要有三类：离子通道型受体；G蛋白耦联型受体；酶耦联的受体。第一类存在于可兴奋细胞。后两类存在于大多数细胞，在信号转导的早期表现为激酶级联事件，即为一系列蛋白质的逐级磷酸化，籍此使信号逐级传送和放大。,三种类型的细胞表面受体,Cellsurfacereceptors,离子通道型受体受体本身为离子通道，即配体门通道。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。分为：阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体；阴离子通道，如甘氨酸和氨基丁酸的受体。,Chemicalsynapse,Acetylcholinereceptor,Threeconformationoftheacetylcholinereceptor,Ion-channellinkedreceptorsinneurotransmission,Fig.G蛋白偶联受体结构图,（二）G蛋白偶联的受体,G蛋白偶联的受体是指配体-受体复合物与靶蛋白（酶或离子通道）的作用通过与G蛋白的偶联，在细胞内产生第二信使，从而将包外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。,Fig.细胞外信号结合所诱导的G蛋白的活化,G蛋白即：trimericGTP-bindingregulatoryprotein。组成：三个亚基作用：分子开关，亚基结合GDP处于关闭状态，结合GTP处于开启状态。亚基具有GTP酶活性，能催化所结合的GTP水解，恢复无活性的三聚体状态，其GTP酶的活性能被GAP增强。,二、G蛋白耦联型受体,G蛋白耦联型受体：7次跨膜蛋白，胞外结构域识别信号分子，胞内结构域与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使。类型：多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受