第二章 細胞生物學

1、一、獨立的生命單位 細胞是包含了全部生命信息和體現(xiàn)所有基本特點的獨立的生命單位。細胞包含3個體系：l 遺傳信息的復制、維持和表達體系l 新陳代謝體系l 構(gòu)成維持生命結(jié)構(gòu)有序性體系，如細胞骨架系統(tǒng)真核細胞是如何進化來的？ 共生假說：認為真核細胞是一種復合體,它是若干原核細胞與真核細胞祖先的胞質(zhì)共生的結(jié)果 漸進式進化：認為原核細胞到真核細胞是一種漸進、直接進化的過程。根據(jù)分子分類研究結(jié)果，卻認為真核細胞、原核細胞和古細菌細胞同屬于由共同祖先平行進化而來的種類。二、限制細胞大小的自然規(guī)律l Relationship Between Cells Volume(細胞體積） 一個生活細胞要維持正常的獨立生

2、活功能，最低限度需要容納下為自身生存和繁殖所必須的足夠的DNA、蛋白質(zhì)分子以及其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空間(最低限度需要5001000種不同類型的酶和蛋白質(zhì))。l Cell Surface Area（表面積） 細胞必須有足夠的表面積才能從環(huán)境中獲得充足的營養(yǎng)和水分。細胞維持體積的相對恒定 典型的原核細胞直徑平均在110m之間，而真核細胞的直徑平均為330m; 某些不同來源的細胞大小變化很大,如人的卵細胞直徑只有0.1mm,而鴕鳥的卵細胞的直徑則有5cm; 同類型細胞的體積一般是相近的,不依生物個體的大小而增大或縮小。如人、牛、馬、鼠、象的腎細胞、肝細胞的大小基本相同; 器官的大小主要決定于細胞的數(shù)量,與

3、細胞的數(shù)量成正比,而與細胞的大小無關(guān),把這種現(xiàn)象為“細胞體積的守恒定律”。細 胞 化 學 成 分水:85% 無機鹽:1.5% 蛋白質(zhì):10% 脂質(zhì):2% 糖類:0.4% DNA: 0.4% RNA : 0.7% 三、原 核 細 胞主要特點1.遺傳物質(zhì)僅一個環(huán)狀DNA2.無核膜，有細胞壁3.無細胞器, 無細胞骨架4.以無絲分裂或出芽繁殖代表生物：支原體、細菌、藍藻四、真 核 細 胞三大結(jié)構(gòu)體系生物膜系統(tǒng) 質(zhì)膜、內(nèi)膜系統(tǒng)（細胞器）遺傳信息表達系統(tǒng) 染色質(zhì)(體)、核糖體、mRNA、tRNA等等細胞骨架系統(tǒng) 胞質(zhì)骨架、核骨架植物細胞特有的結(jié)構(gòu)l 細胞壁（cell wall)l 葉綠體（chloropl

4、ast)l 大液泡（vacuole)l 胞間連絲（plasmodesmata)（一）生物膜系統(tǒng)l 質(zhì)膜（plasma membrane)l 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum)l 高爾基體（Golgi body)l 溶酶體（lysosome)l 線粒體（mitochondria)l 葉綠體（chloroplast)1.質(zhì)膜膜 蛋 白l 膜蛋白：與磷脂雙分子層結(jié)合，執(zhí)行各種功能，分為：l 運輸載體l 酶l 受體蛋白l 連接蛋白流 動 鑲 嵌 模 型糖萼脂雙層蛋白質(zhì)流動鑲嵌模型的特征l 不對稱性 膜蛋白分布不對稱l 流動性 膜蛋白的運動l 流動性 膜脂的運動膜脂的運動方式2.內(nèi) 質(zhì)

5、 網(wǎng)內(nèi) 質(zhì) 網(wǎng) 基 本 類 型l 糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能l 合成蛋白質(zhì)分泌性蛋白質(zhì)膜蛋白內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體中的蛋白質(zhì)l 合成蛋白質(zhì)的糖基化修飾l 合成蛋白質(zhì)的折疊與裝配由于光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是相通的，因此前者合成的脂類和后者合成的蛋白質(zhì)能夠相遇而產(chǎn)生脂蛋白。光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能l 合成脂類內(nèi) 質(zhì) 網(wǎng) 的 功 能l 蛋白質(zhì)的合成l 蛋白質(zhì)的修飾l 新生多肽的折疊與組裝l 脂質(zhì)的合成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的信號假說l 分泌蛋白的形成l 膜蛋白的形成(P49圖2-21、2-22)l 新生肽鏈的折疊參與新生肽鏈折疊的蛋白有兩大類：l 分子伴侶（molecular chaperone）定義：分子伴

6、侶是指可以幫助內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的多肽轉(zhuǎn)運、折疊與裝配，而本身并不參與最終產(chǎn)物形成的一類蛋白質(zhì)。分子伴侶的作用（p49）Integral Proteins膜內(nèi)在蛋白Peripheral Proteins膜周邊蛋白催化與折疊直接有關(guān)的化學反應(yīng)的酶蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶l 存在部位：在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管腔內(nèi)含量極高l 作用： 該酶能催化形成二硫鍵，二硫鍵與新生肽的折疊密切相關(guān)，因此該酶對維系蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和功能發(fā)揮重要的作用。催化與折疊直接有關(guān)的化學反應(yīng)的酶肽基輔氨酸順反異構(gòu)酶l 存在部位：在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管腔內(nèi)含量極高l 作用：該酶能催化輔氨酸的肽鍵由反式到順式有活性Pr的空間結(jié)構(gòu)中該肽鍵應(yīng)為順式因此，分子伴侶

7、和這兩種酶使肽鏈能夠通過正確的折疊而形成具有生理活性的空間結(jié)構(gòu)。3.高 爾 基 體 形 態(tài) 結(jié) 構(gòu) 功 能高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)高爾基體的功能l 蛋白質(zhì)修飾與加工（糖基化等）l 蛋白質(zhì)的分選l 蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的運輸l 蛋白質(zhì)分泌等4.溶 酶 體l 溶酶體（lysome） 是胞質(zhì)中一類包著多種水解酶（60多種）的小泡 溶 酶 體 的 類 型根據(jù)溶酶體處于完成其生理功能的不同階段，大致可分為：l 初級溶酶體（primary lysosome)l 次級溶酶體（secondary lysosome)l 殘余小體（residual body)溶 酶 體 的 功 能溶酶體的標志酶是酸性水解酶l 消化細胞內(nèi)吞的食

8、物，為細胞提供營養(yǎng)l 清除衰老的細胞器l 防御功能例如：1.兩棲類發(fā)育過程中蝌蚪尾巴的退化 2.哺乳動物斷奶后乳腺的退化性的變化等內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體的功能銜接內(nèi)吞小泡溶酶體質(zhì)膜細胞核內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運輸小泡高爾基體分泌小泡5.線 粒 體能量轉(zhuǎn)換器l 形態(tài)結(jié)構(gòu) 功能 半自主性線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)線粒體的主要功能 線粒體是細胞進行氧化呼吸，產(chǎn)生能量的地方，在線粒體中進行的代謝途徑主要有：l 三羧酸循環(huán)l 氧化磷酸化l 參與脂肪酸代謝6.葉 綠 體能量轉(zhuǎn)換器葉 綠 體 基 本 結(jié) 構(gòu)葉綠體的光合作用 光合作用 綠色植物和光合細菌攝取太陽光，使二氧化碳固定成為有機物 光合作用是一切生命得以生存的基礎(chǔ)光合作用的

9、光反應(yīng) 光反應(yīng)光合色素吸收、 傳遞光能，并將光能轉(zhuǎn)化成化學能，形成ATP的過程l (1) 原初反應(yīng)l (2) 電子傳遞l (3) 光合磷酸化光合作用的暗反應(yīng) 暗反應(yīng)利用光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP ，使CO2還原并合成糖，分為三步l (1) CO2的固定l (2) 還原反應(yīng)l (3)二磷酸核酮糖的再生 （二）遺傳信息表達系統(tǒng) 核被膜 染色質(zhì)和染色體 核仁 核糖體核 被 膜l 核外膜 面向胞質(zhì)，表面附有核糖體顆粒，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連l 核內(nèi)膜 面向核質(zhì)，表面無核糖體顆粒，有核纖層的結(jié)合位點l 核孔復合體 核膜上的選擇性雙向親水通道染 色 質(zhì)與染 色 體l 染色質(zhì) (chromatin) 間期細胞內(nèi)由DNA、組蛋

10、白、非組蛋白及少量RNA組成的線性復合結(jié)構(gòu)l 染色體（chromosome） 細胞在分裂過程中，由染色質(zhì)聚縮而成的棒狀結(jié)構(gòu)染 色 質(zhì) 的 分 類l 常染色質(zhì) 低度折疊壓縮的染色質(zhì)，處于常染色質(zhì)狀態(tài)是基因轉(zhuǎn)錄的必要條件。 l 異染色質(zhì) 壓縮程度高,處于凝集狀態(tài)，堿性染料染色時著色深的染色質(zhì). 染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位核小體染 色 體短臂 著絲粒 DNA長臂 染色單體中 期 染 色 體 中期染色體的兩條姐妹染色單體以著絲粒相連。由著絲粒在染色體上的位置可分為:l 中著絲粒染色體l 近中著絲粒染色體l 近端著絲粒染色體l 端著絲粒染色體染色體DNA的關(guān)鍵序列l(wèi) 復制起點 確保染色體能夠自我復制l 著 絲

11、 粒 使復制了的染色體能夠平均分配到子細胞中l(wèi) 端 粒 使DNA能夠完成復制，保持染色體的獨立性與穩(wěn)定性核 糖 體核糖體是合成蛋白質(zhì)的細胞器主要成分蛋白質(zhì)RNA功能 按照mRNA 的指令合成多肽鏈（三）細胞骨架系統(tǒng)l 首要作用是維持細胞的一定形態(tài) 細 胞 質(zhì) 骨 架：微絲 微管 中間纖維微 絲 微絲是指真核細胞中由肌動蛋白單體組成的骨架纖維微 絲 的 裝 配l 微絲的裝配 肌動蛋白（G-actin）單體形成蛋白（F-actin)多聚體l 裝配的條件 在含ATP和Ca2+及低濃度Na+、K+溶液中，F(xiàn) 解聚成G。 在Mg2+和高濃度的Na+、K+中,G則裝配成F。l 微絲馬達蛋白肌球蛋白（肌肉收

12、縮）微 管 的 成 分 微管由、微管蛋白亞基組成，二者形成二聚體，是微管裝配的基本單位（P53）。 微 管 的 形 態(tài)微 管 的自裝 配 和去裝配自裝配r-微管蛋白首先聚合到微管組織（MTOC）上異二聚體中的-微管蛋白結(jié)合到 r-微管蛋白上微管原纖維-微管蛋白GTP帽子的丟失就會使原纖維變?yōu)椴环€(wěn)定結(jié)構(gòu)，導致微管逐漸破裂，最終原纖維就解聚為游離的微管蛋白二聚體去裝配68幻燈片71微 管 馬達蛋白 微管馬達蛋白是指能使微管運動，或者使細胞質(zhì)中顆粒沿著微管運輸?shù)囊活惖鞍踪|(zhì)。目前發(fā)現(xiàn)的微管馬達蛋白有三類：動蛋白力蛋白動力蛋白他們是機械化學酶，或ATP酶，或GTP酶69幻燈片72微 管 運 動 示 意

13、圖 由于微管的動態(tài)裝配而帶動小泡的運動70幻燈片73中 間 纖 維中間纖維具有組織特異性，且在不同發(fā)育時期有不同的中間纖維蛋白表達。特性l 角蛋白纖維l 波形纖維l 結(jié)蛋白纖維l 神經(jīng)元纖維l 神經(jīng)膠質(zhì)纖維分類71幻燈片74中 間 纖 維裝配每兩條中間纖維蛋白多態(tài)鏈雙鏈超螺旋二聚體中間纖維解聚的最小亞單位反向平行半交疊四聚體（原纖維）八聚體中間纖維（4個八聚體）72幻燈片75中 間 纖 維73幻燈片76五、納米生物大分子復合體 1.概念l 在真核細胞中，由生物大分子構(gòu)成的基本結(jié)構(gòu)單位，其直徑或厚度一般都穩(wěn)定在5-20nm范圍內(nèi)，當它們裝配成一級結(jié)構(gòu)時，具有十分規(guī)整的幾何圖形。這些納米量級的基本

14、結(jié)構(gòu)單位，稱為納米生物大分子復合物。l 在物理學上把直徑或長度在10nm以下視為微觀l 把直徑或長度在1000nm以上視為宏觀74幻燈片77 由于納米生物大分子復合物基本介于微觀和宏觀之間，因而也就具有了特殊的量子力學和量子化學特點，如：超級可塑性、具有滑動性、堅固性、穩(wěn)定性以及自裝配-去裝配等特性。l 在納米水平上進行的生物學研究，稱為納米生物學（nanobiology），它是介于細胞生物學和分子生物學之間的學科。75幻燈片78六、細 胞 連 接（一）動物細胞間的連接l 緊密連接（tight junctions）76幻燈片79六、細 胞 連 接（一）動物細胞間的連接l 橋粒（desmomos

15、omes）：77幻燈片80六、細 胞 連 接（一）動物細胞間的連接l 間隙連接（gap junctions）78幻燈片81六、細 胞 連 接（二）植物細胞間的連接l 胞間連絲（plasmodesmate）79幻燈片82六、細 胞 連 接（二）植物細胞間的連接l 胞間連絲（plasmodesmate）的功能可以使水和其他小分子物質(zhì)，如營養(yǎng)成分和化學信使等從一個細胞進入另一個細胞；可以對其運輸?shù)奈镔|(zhì)進行調(diào)節(jié)；傳遞電刺激信號；控制細胞分化80幻燈片83七 癌細胞 ±腫瘤與癌（cancer） ±癌細胞的基本特征 ³細胞生長與分裂失去控制，分化程度低 ³具有侵潤性

16、和擴散性：良性腫瘤和惡性腫瘤 ³細胞間相互作用改變 ³蛋白表達譜系或蛋白活性改變 ³mRNA轉(zhuǎn)錄譜系的改變 81幻燈片84癌轉(zhuǎn)移與擴散82幻燈片85± 癌癥是由攜帶遺傳信息的DNA的病理變化引起的疾病± 與遺傳病不同的是，癌癥主要是體細胞DNA突變，而不是生殖細胞DNA突變± 癌基因（oncogenes）是控制細胞生長和分裂的正?；虻囊环N突變形式，能引起正常細胞癌變± 細胞正常增殖通過增殖相關(guān)基因和抑制增殖相關(guān)基因的協(xié)同作用；腫瘤細胞是這兩類基因的突變導致增殖失控83幻燈片86±癌基因（oncogenes）：v-

17、onc and c-oncRous(1910)發(fā)現(xiàn)雞的致癌RNA病毒它攜帶Src基因（v-oncogene），該基因?qū)Σ《痉敝呈遣槐匾模敳《靖腥倦u后可引起細胞癌變。1976年病毒學家邁克爾·畢肖普(Michael Bishop) 和他的博士后哈羅爾德·沃爾姆斯(Harold Varmus）發(fā)現(xiàn)，雞的正常細胞基因組中也有一個與病毒Src基因同源性很高的基因，編碼一種與細胞分裂調(diào)控相關(guān)的蛋白激酶。它不具有致癌能力，被稱為細胞原癌基因（proto-oncogene）,或C-oncogene 。（1989年的諾貝爾醫(yī)學獎）84幻燈片87±抑癌基因（tumor-sup

18、pressor gene）Rb抑癌基因（tumor suppressor gene）Harris(1968): 癌細胞系與同組織正常細胞融合®雜交細胞無惡性表型，也不致癌； 隨著染色體丟失®則可能恢復致癌. 特 點 原癌基因 抑癌基因 基因?qū)傩?細胞增殖必需 細胞分化必需 致癌方式 基因突變激活、異常表達 基因缺失或失活幻燈片88抑癌基因原癌基因86幻燈片89七 癌細胞腫瘤發(fā)生的遺傳現(xiàn)象：遺傳型：家族性、多發(fā)性、雙側(cè)性和早發(fā)性；非遺傳型：散發(fā)性、單發(fā)性、單側(cè)性和晚發(fā)性。±細胞癌變是多次基因突變的結(jié)果³癌癥是典型的老年性疾病³癌癥可以治療幻燈片9

19、0全世界每年死于癌癥人數(shù)500萬！ 人的一生細胞大約分裂1016次，基因堿基自然突變概率為10-6， 由此推斷：一生中人的基因組中每個基因都可能發(fā)生突變，然而，事實上人的癌癥發(fā)病率并沒有預想的那樣高。據(jù)統(tǒng)計，一個細胞轉(zhuǎn)化需要37次單獨的隨機突變。 幻燈片91七、細胞凋亡（一）概念 1.細胞凋亡（apoptosis） 細胞凋亡是指細胞在一定的生理或病理條件下,受內(nèi)在遺傳機制的控制自動結(jié)束生命的過程。 2.細胞程序性死亡(programmed cell death,PCD) 細胞程序性死亡是指生物在發(fā)育過程中對一定生理刺激的反應(yīng)性死亡,它需要一定基因表達。 凋亡是細胞死亡過程中一系列固定模式的形態(tài)

20、變化的描述,PCD則側(cè)重功能上的概念.89幻燈片92七、細胞凋亡（一）概念 3.細胞凋亡的意義 發(fā)生凋亡的細胞有在正常發(fā)育過程中多余的細胞、無用的細胞，或發(fā)育不正常細胞、有害細胞，或已完成使命衰老的細胞。 機體通過細胞凋亡以維持器官、組織的細胞數(shù)目相對平衡，保證個體正常發(fā)育和生長。90幻燈片93七、細胞凋亡（二）特征細 胞 凋 亡細胞死亡的形式細 胞 壞 死 1.細胞凋亡的特點l 細胞的形態(tài)變化l 細胞質(zhì)收縮,但細胞器無明顯變化l 染色質(zhì)固縮在核膜周邊，并伴隨染色質(zhì)降解l 以出芽方式形成凋亡小體91幻燈片94七、細胞凋亡凋亡小體（二）特征 指細胞膜內(nèi)陷將細胞分割成多個由膜包裹著內(nèi)涵物(染色質(zhì)碎

21、塊和部分細胞質(zhì))不外溢的小體,它可被吞噬細胞和鄰周細胞識別、吞噬,或自然脫落而離開生物體.核酸內(nèi)切酶被激活,染色質(zhì)在H1處被切割成不同倍數(shù)的200bp的片段.92幻燈片95凋亡小體幻燈片96細胞凋亡舉例94幻燈片97七、細胞凋亡（二）特征 2.細 胞 壞 死 細胞壞死是指細胞受到嚴重的物理、化學因素刺激或嚴重的病理性刺激，所造成的細胞損傷或死亡。 在這個過程中，由于溶酶體等細胞器發(fā)生破裂，細胞內(nèi)容物向內(nèi)釋放，引起炎癥反應(yīng)。(有別于凋亡或PCD)95幻燈片98細胞凋亡和細胞壞死有明顯區(qū)別: 細胞凋亡 細胞壞死 ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾細胞變圓,與周圍細胞脫開 細胞外形不規(guī)則變化 核染色質(zhì)凝聚 溶酶體破壞 細胞膜內(nèi)陷 細胞膜破裂細胞分為一個個小體 胞漿外溢 被周圍細胞吞噬 引起周圍炎癥反應(yīng)¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾&