武汉大学---细胞生物学---课件整理.docx

第一章 绪 论第 一 节 细胞生物学的研究内容和概况一、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科1、什么是细胞生物学（cell biology）？ 细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学，是现代生命科学的重要基础学科之一；它从显微、亚显微和分子三个层次以动态的观点来研究细胞和细胞器结构与功能，探讨细胞的各种生命活动规律。2、细胞是所有生物体（不包括病毒）结构和生命活动的基本单位特点：自我复制、自我装配和自我调控； 通过与外界物质和信息交流，保持自身动态平衡； 多层次、非线性、多侧面性。病毒、生物大分子和细胞的关系“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找”“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找”补充 2008 Osamu Shimomura，Martin Chalfie，Roger Y. Tsien。Chemistry，绿色荧光蛋白2007 Mario R. Capecchi, Martin J. Evans,Oliver Smithies。M&P， 基因靶向技术二、细胞生物学的主要研究内容(P3)1）细胞核、染色体以及基因表达 细胞生物学、分子遗传学、发育生物学共同关注的焦点之一，研究染色体结构动态变化与基因表达及其调控的关系。2）生物膜 与 细胞器生物膜细胞质膜和细胞内膜的总称，细胞物质交换、能量转换、信息交流的关键功能部位。细胞器学探讨细胞器的结构和功能。3）细胞骨架体系4）细胞的增殖与调控5）细胞的分化与调控6）细胞的衰老与凋亡7）细胞的起源与进化8）细胞工程三、细胞生物学研究的总趋势p5生命科学的基本问题基本问题 : 遗传 发育 进化主要内容 :细胞的生命活动切入点 :功能基因组动物学 植物学（微生物学）-整体水平细胞生物学 -细胞水平 分子生物学 -分子水平总的趋势 ：从分子水平-细胞水平20世纪 21世纪结构与功能-细胞生命活动生物大分子-复合物单一基因与蛋白-基因组与蛋白质组调控途径-调控网络静态-动态in vitro-in vivo(模式生物，人）生物学-多学科交叉（理论和技术）理论-应用分析-综合一）细胞生物学总趋势：细胞生物学与分子生物学相 互渗透和交融 分子细胞生物学二）细胞学研究重点领域： 3大基本问题（p5）； 若干重大课题（p6）。本节小结一、什么是细胞生物学二、细胞生物学的研究内容三、细胞生物学研究的总趋势、重点领域功能基因组学基因组学genomics ：1986年Thomas Roderick （美）提出。指对所有基因进行基因组作图（包括遗传图谱、物理图谱、转录本图谱）、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一门科学。功能基因组学：又往往被称为后基因组学（postgenomics），它利用结构基因组所提供的信息和产物，发展和应用新的实验手段，通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能，使得生物学研究从对单一基因（蛋白质）的研究转向多个基因（蛋白质）同时进行系统的研究。 结构基因组学（structural genomics）基因组研究 以全基因组测序为目标 功能基因组学（functional genomics) 以基因功能鉴定为目标 近十年的回顾与展望p7美国科学情报研究所（ISI）1997年以来SCI（Science Citation Index）收录及引用论文检索，全世界自然科学研究中论文发表最集中的三个领域分别是：细胞信号转导（signal transduction）；细胞凋亡（cell apoptosis）；基因组与后基因组学研究 （genome and post-genomic analysis） - genomics 和 proteomics：What is popular in research today美国国立卫生研究院（NIH）在1988年底发表的一份题为什麽是当今科研领域的热门课题？的调查报告中指出：三种主要疾病：癌症（cancer）心血管病（cardiovascular diseases）爱滋病和肝炎等传染病（infectious diseases：AIDS， hepatitis）五个主要研究方向 细胞周期调控（cell cycle control）；细胞凋亡（ cell apoptosis）； 细胞衰老（cellular senescence）；信号转导（signal transduction）； DNA的损伤与修复（DNA damage and repair）-染色质水平的研究第 二 节 细胞生物学发展简史五个阶段一、细胞的发现p81665年 Robert Hooke（英）(30)“cellar”cell1677年Leeuwen Hoek（荷兰）（300）活细胞观察，第一次观察到人和动物的精子。二、细胞学说的建立p918381839 Schleiden和Schwann（德）分别提出了细胞学说（cell theory）；基本内容:所有生物都是由一个或者多个细胞构成的；细胞是生命的基本单位。1858年Rodulf Virchow（德）对细胞学说进行了重要补充：细胞只能来自细胞。意义：19世纪自然科学三大发现之一；现代生物学三大基石之一。三、细胞学经典时期19世纪的后25年(P10)原生质理论的提出：protoplasm 1861年，Max Schultze： 有机体的单位是一小团原生质，这种物质在一般有机体是相似的。细胞分裂的研究：有丝、减数分裂；重要细胞器的发现。四、实验细胞学、细胞学分支及发展（19001953）(P10)experimental cytology用实验的手段研究细胞学的问题,即从形态结构的观察深入到生理功能、生物化学及遗传发育机理的研究。细胞遗传学；细胞生理学；细胞化学五、细胞生物学学科形成、发展（20世纪50年代）(P12)1953年DNA结构的发现分子生物学诞生；1965年，DPDerobetis将普通细胞学改为细胞生物学，标志着细胞生物学的诞生。新研究技术手段的促进：电子显微镜、超薄切片、扫描隧道显微镜、细胞化学、分子生物学80年代：分子细胞生物学（Molecular Cell Biology）细胞生物学发展历史(本节小结)1、细胞的发现、细胞学说的创立（16651874）；2、细胞学的经典时期（18751900）；3、实验细胞学时期（19001953）；4、细胞生物学的诞生和发展（1953）附：细胞生物学学习方法1、细胞是生命结构和功能的基本单位，细胞生物学在生命科学研究领域具有重要地位重视细胞生物学2、明确细胞的结构和功能的一致性；3、从显微、亚微和分子三个层次来认识细胞的结构与功能；4、和多学科知识相结合，同分子生物学、生物化学、遗传学、生理学等课程紧密联系；5、注意细胞生物学各章节之间内容的相互关联；6、关注学科前沿；关注新技术方法进展；学习一点科技史。第二章 细胞的统一性和多样性本 章 内 容一、几个重要名词；二、细胞的基本概念(非细胞形态的生命体病毒)；三、原核细胞和古核细胞；四、真核细胞；一、几个重要的名词概念 细胞膜 cell membrane（或称质膜plasma membrane）细胞质 cytoplasm 细胞核 nucleus（或拟核 nuleoid）= 细 胞 cell 原生质 protoplasm 被质膜包裹在细胞内的所有的生活物质，包括细胞核和细胞质。细胞质cell plasma 是指细胞内除核以外的原生质, 即细胞中细胞核以外和细胞膜以内的原生质部分。原生质体protoplast “细胞”的同义词，多专指除去细胞壁的植物细胞和细菌。(工程性概念)内膜系统 endomembrane system 细胞内部的膜相结构，包括细胞器膜和核膜。细胞器cell organelle 细胞质中具有一定形态、固定化学组成和特定生理功能的结构物。外质 ectoplasm 细胞内靠近质膜的细胞质部分。内质 endoplasm 细胞内靠近核膜的细胞质部分。细胞质基质 cytoplasm matrix / cytomatrix 又称为胞质溶胶( cytosol), 指细胞质中除去细胞器以外的胶体液态部分。二、细胞的基本概念(P19)1、细胞是生命活动的基本单位。2、细胞的基本共性：p21 相似的化学组成、生物膜（脂蛋白体系）、DNARNA遗传装置、核糖体、一分为二的分裂方式。上述4个特征也是判断是否细胞的特征。病毒不是细胞，因为：病毒没有质膜；病毒仅有一种核酸；病毒没有核糖体蛋白合成体系；病毒不分裂，靠宿主细胞复制增殖。病毒与细胞的起源关系P44生物大分子细胞病毒由于：病毒的寄生性； 某些病毒的核酸同细胞DNA的序列相似性； 病毒同核蛋白分子的相似性； 第二类反转录转座子两端LTR与反转录病毒的相似性。三、原核细胞和古核细胞1、最小最简单的细胞支原体最小的细胞：拟胸膜肺炎支原体PPLO（0.1m）；鸡蛋结构2、细菌和蓝藻 细菌：拟核（nucleoid）、细胞质膜的多功能性、中膜体、细胞壁、核糖体、质粒。 蓝藻：中心质、光合片层。3、古核生物（古核细胞、古细菌）(P29)如产甲烷球菌、盐细菌、热原质体、硫氧化菌等；现认为归并为原核生物和真核生物外的第三界，有可能是真核细胞的祖先；与真核细胞相似处： 细胞壁成分；DNA中的重复序列、基因中的内含子；组蛋白和DNA组成核小体类似结构；核糖体对抗生素的反应；5s rRNA序列及二级结构四、真核细胞p311、真核细胞的基本结构体系 1）蛋白质和脂质构建的膜相结构体系 （细胞膜、核膜、各种细胞器膜）； 2）蛋白质和核酸构建的遗传信息结构体系（染色体、核仁、核糖体）； 3）蛋白质和蛋白质构建的细胞骨架结构体系（微管、微丝、中间纤维）。2、细胞的大小细胞表面积与体积的关系，为何细胞体积微小？相对较大的表面积，有利于物质的交换和保持新陈代谢；保证遗传指令的对细胞的控制；保证细胞中物质的传递。同类型细胞的体积一般是相近的,不依生物个体的大小而增大或缩小。如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同；“细胞体积的守恒定律”器官的大小主要决定于细胞的数量,与细胞的数量成正比,而与细胞的大小无关。4、原核细胞和真核细胞的比较原核细胞 prokaryotic cell （原核生物prokaryote）如细菌、蓝藻、衣原体、立克次氏体、螺旋体等；真核细胞eukaryotic cell （真核生物eukaryote）如真菌、藻类、原生生物、高等植物、高等动物等。原核细胞和真核细胞基本特征的比较p35生物膜系统的分化和演变，使细胞内部结构和功能更复杂和高级，形成核和质两大区域，并形成多种细胞器，保证各种物质代谢过程互不干扰，有序进行，各区域分工明确精细、专一；遗传物质和遗传结构装置的扩增和复杂化，使遗传信息更加稳定，基因转录和翻译有严格的阶段性和区域性，基因表达调控有多层次性；核膜、染色体、内含子、重复序列、间隔序列、假基因转录前、转录、转录后、翻译、翻译后水平的调控。总之，真核细胞是更高级的细胞类型表22补充 原核细胞和真核细胞的比较P365、植物细胞和动物细胞的比较(P44)植物细胞特有的细胞结构： 细胞壁、液泡、叶绿体膜相结构 双膜：核膜、线粒体、叶绿体单膜：内质网、高尔基体、溶酶体、液泡、圆球体、微体等非膜相结构 颗粒结构：核糖体、中心体、基体线状结构：染色质纤维、核仁纤丝、微管、微丝、中间纤维、微梁网架。关于纳米细菌（nanobacteria）过去认为纳米细菌可能参与人类肾结石形成、心血管疾病以及癌症，它们不仅是活的，而且和疾病相关联；台湾长庚大学杨定一实验发现：体外CaCO3 沉淀在大小、膜泡形状、类细胞分裂行为、群体集合等方面同纳米细菌非常相似；培养的人类血清中纳米细菌状的颗粒正如 CaCO3 一样，其外观如大小、形状都会受到CO2和 NaHCO3 水平的影响； Western blotting 显示，对纳米细菌特异的单克隆抗体，实际上是同血清白蛋白相反应；人血中获得的纳米细菌样颗粒，可以耐受高达30 kGy的同位素照射；各种广泛的PCR扩增未发现DNA。因此，纳米细菌可能是一种非生命体。现存动物中最大的卵，是海洋中的鲸鲨的卵。据记载1953年，在墨西哥湾的海底，捕到一颗鲸鲨卵，长30.5厘米，宽14厘米，高89厘米（比篮球还大）是目前已知最大的卵。内有一条长36厘米长的鲸鲨胎儿。动物受精卵发育方式：卵生；卵胎生；胎生 Pr i on 朊第三章 细胞生物学研究方法第一节 细胞形态结构的观察方法一、光学显微技术(P49)1、普通复式光学显微镜技术组成：光学放大系统、照明系统、机械系统；性能参数：放大倍数、分辨力、清晰度、焦点深度、镜像亮度等，其中最重要的是分辨力。分辨力（分辨率、分辨本领）：能分辨两个物点之间最短距离的能力。该距离越小，则分辨力越高。显微镜的分辨力计算公式：普通光镜分辨极限最大值140；最小波长450nm；N最大值1.5；因此普通光镜的分辨力极限为0.2微米，此数值亦为显微水平和亚微水平的分界点。（称为瑞利极限，Rayleigh limit）普通光镜有效放大倍数（经验值）物镜最大镜口率1000提高光学显微镜分辨力的手段a、缩短照明光线波长；b、应用特殊光学效应，增强反差。光学显微镜样品制备固定（fixation）：使用固定剂（fixative）杀死细胞，并使细胞结构尽可能接近活细胞；脱水：乙醇 包埋：石蜡 切片：切片机 脱蜡、染色：多种染料 封片：长期保存显微镜技术和计算机技术结合 倒置显微镜2、相差和微分干涉显微镜技术(P51)相差显微镜：（phase contrast microscope, Ph ） 1935年荷兰物理学家Frits Zernicke发明；它利用光的衍射和干涉原理，将光的相位差（人眼无法感受） 振幅差（人眼可以感受）；无色透明物体中的细节表现为明与暗的对比；适合观察活细胞和未染色的样品 。 两束光波之间的相互干涉普通光学显微镜 相差显微镜微分干涉显微镜(P51)（differentialinterference microscope ，DIM）DIM获得的反差取决于光线穿过样品折射率变化的速率。样品边缘结构反差增大（相对小的距离内折射率发生明显变化）。Nomarski microscope 荐阅读细胞实验指南下册，科学出版社，P8963、荧光显微镜技术（fluorescence microscopy）原理：以紫外光为光源，激发标本中的荧光物质产生荧光，从而对某些物质进行定性和定位分析。荧光种类： 自发荧光：细胞内某些天然物质被UV激发产生的荧光，如叶绿素产生血红色荧光。 诱发荧光：细胞中加入荧光染料，与特定成分结合，经过UV照射发出荧光。荧光显微镜的工作原理；Olympus BX51荧光显微4、激光扫描共聚焦显微技术(P53)（laser scanning confocal microscope，LSCM）5、荧光共振能量转移技术(P54)（FRET）二、电子显微镜技术(P56)1、透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）电子显微镜是模仿光学显微镜的工作原理，用电子束来代替可见光束，用电磁线圈代替玻璃透镜汇聚电子束，通过荧光屏或者胶片捕获图像的观察工具，理论分辨率可达0.2nm 。表31电子显微镜和光学显微镜的基本区别HITACHI H-8100透射电子显微镜电子显微镜基本构造(P57) 超薄切片制备2、透射电镜特点：“照明”光源电子束放大倍数调节方式改变磁透镜电流强度高电压工作几万十几万伏内部高真空104托样品厚度90nm电子穿透力有限，产热标本染色技术不同重金属盐（正染，负染）冰冻蚀刻（冰冻断裂）技术 freezeetching（freezefracture）样品于-190快速冰冻在真空中用冷却刀切割撕裂真空中冰升华暴露出的断裂面喷碳膜或者碳-铂膜（表面复型膜）用有机溶剂或酶去除样品将膜金属喷镀后在电镜下观察冰冻蚀刻2、扫描电子显微镜（P62）（scanning electron microscope，SEM）SEM发明于1965年；工作原理：利用电子束逐点扫描样品表面，通过检测样品表面散发的二次电子，将样品表面的形貌逐点成像，并合成为放大的图像。扫描电镜的特点：可观察较大较厚的样品；景深大，获得的是清晰逼真的三维立体图像；放大倍数在2020万倍间连续变换，无需多次聚焦；样品可在样品室内多方位移动和转动；分辨力不太高：310nm只能观察标本表面，不能观察内部。三、扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）（P63）1981年发明；用于探测物质表面形貌的仪器；利用量子力学中的隧道效应。扫描隧道电镜下的DNA双螺旋STM的特点：具有原子尺度的高分辨本领；真空、大气、液体环境中都能工作；非破坏性测量，保持样品原貌。原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）第二节 细胞组分的分析方法一、超速离心技术（P64）离心技术原理：不同的细胞器具有不同的密度和体积，因此，可以利用离心方法加以分离和纯化。1、差速离心（differential centrifugation）利用不同的离心速度产生的不同的离心力，将各种亚细胞组分和各种颗粒分离开来。适合分离沉降速率差别较大的亚微结构颗粒。多次离心达到纯化的目的。2、密度梯度离心（P65）速度沉降分离密度接近大小不一的组分等密度沉降分离不同密度的组分 将介质形成一涵盖所有组分密度的密度梯度，不同的样品由于其密度差异，在离心过程中进入到等密度介质区域即不再移动，从而实现分离的目的。速度沉降和等密度沉降的比较二、组织化学和细胞化学（P65）利用一些显色剂与被测物质中的某些基团特异性结合，来判断核酸、蛋白质（酶）、糖类、脂类在细胞中的分布和含量。福尔根（Feulgen）反应显示DNA格莫瑞（Gomori）反应显示碱性磷酸酶三、特异蛋白抗原的定位与定性P66原理：抗体能够自行识别并结合对应的抗原目的：检测特定蛋白质在细胞内的分布状况和含量。（一）免疫荧光技术（二）免疫电镜技术人成纤维细胞中肌动蛋白束（800）BHK细胞中的微管蛋白（500）四、细胞内特异核酸序列的定位和定性研究对象：细胞内特异核酸（DNA或RNA）目的：定位、定量分析方法：原位杂交（in situ hybridization，ISH） 以目标核酸的互补序列为探针，对细胞或者组织标本进行杂交处理，使目标核酸可视呈现的技术。 是细胞生物学、细胞遗传学、分子生物学相互交融的研究手段。构建DNA分子物理图谱光谱核型分析（spectral karyotype， SKY）SKY of Human五、放射自显影研究生物大分子（略）六、定量细胞化学分析技术P69细胞分选（cell sorting）： 是细胞生物学中较新技术，是利用流式细胞仪（flow cytometery，FCM）对细胞或者其他生物微粒（如染色体）进行分选，并对其进行定量分析（大小、形状、核酸含量和蛋白质含量等）的技术。1、流式细胞仪（FCM）是集合了流体喷射、激光、伽马射线能谱、电子计算机、显微荧光光度计量等技术于一体的设备；可以定性和定量分析生物颗粒（包括细胞）的物理化学特性并将之分离纯化;目前的FCM已经运用于细胞生物学、肿瘤学、免疫学、血清学、药物学等研究领域，可以用来分析免疫复合物、病毒、脂质体、细胞器、原核细胞、真核细胞、简单多细胞生物等等。流式细胞仪结构和工作原理2、标记细胞：免疫荧光染色：荧光素标记抗体：异硫氰酸荧光素（FITC）、藻红素（PE）、德克萨斯红（Texas Red）荧光染色分为：直接染色和间接染色荧光染料直接染色使用PI（碘化丙啶, propidium iodide）或DAPI，对固定处理过的细胞(核)直接进行染色第三节 细胞培养、细胞工程与显微操作技术一、细胞培养P701、什么是细胞培养是指从机体内取出某种组织或者细胞，模拟机体内的生理条件使其在体外生存、生长和繁殖的过程。2、细胞培养分类：按照培养过程中培养物是否经过了分割，分类为：原代培养（primary culture）继代培养（secondary culture）/传代培养（subculture）原代培养（primary culture）直接从机体取出组织或者细胞后所进行的首次培养。继代培养（secondary culture）/传代培养（subculture） 当原代培养的细胞增殖到一定的密度后，将其从原培养容器中取出，按照一定的比例向另外一（多）个容器中接种所进行的再培养，简称传代。传代的累计次数就是细胞的代数。两个概念细胞系（cell line）：通过原代培养并且经过传代后所形成的细胞群体，由于来源于原代培养物，故一个细胞系往往由多个生物学性状不同的细胞群体组成。如HeLa、CHO等。细胞株（cell strain）：利用单细胞分离培养法或者克隆形成法从原代培养物或者细胞系中选择出来的细胞群体，一个细胞株往往具有特殊的生物学性状或者标记，并且可以持续存在。二、细胞工程（cell engineering）细胞水平的生物工程。（一）细胞融合与细胞杂交1、细胞融合（cell fusion）两个或者多个细胞融合成双核或者多核细胞的现象。产生的细胞称为融合细胞。2、细胞融合的应用：动物和植物的不同种、属之间的细胞可以融合，并且动植物之间的细胞可以融合，从而培养成各种性状的杂种细胞。细胞融合被广泛应用于研究核质关系、绘制染色体基因图谱、制备单克隆抗体、研究肿瘤发生机制等领域。3、人工诱导细胞融合： 病毒诱导融合：灭活的仙台病毒等；化学诱导融合：PEG；电激诱导融合。（二）单克隆抗体技术（三）细胞显微操作技术基因敲除（knock out）模式生物p76：个体较小，容易培养，操作简单，生长繁殖快速第四章 细胞质膜第一节 细胞质膜的结构模型一、 生物膜的结构模型P831、Ernest Overton （1895） 发现：溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜；不溶于脂肪的物质则不易透过。推测细胞膜由连续的脂类物质组成。2、E. Gorter 和 F. Grendel（1925）发现：红细胞质膜的脂类成分在水面展开的面积是红细胞表面积的2倍推测细胞膜由双层脂分子组成。3、三明治式质膜结构模型P83J. Danielli 和 H. Davson（1935） 发现：质膜的表面张力油-水界面，推测膜中含有蛋白质。1959年提出了“蛋白质脂质蛋白质”的三明治式的质膜结构模型4、单位膜模型（unit membrane model）J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构5、流动镶嵌模型（fluid mosaic model）S. J. Singer 和 G. Nicolson 1972 根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。6、液晶态模型Wallach（1975） 生物膜含有的“流动性脂质”进行可逆地无序(流动性)到有序(晶态)的相变。 在大多数动物细胞的膜系统中,这种“流动性脂质”呈小片的点状分布,面积小于100 nm2。7、板块镶嵌模型1977年,Jain和White提出了板块镶嵌模型。在流动的类脂双分子层中存在许多大小不同,刚度较大的彼此独立移动的类脂板块(有序结构板块)。8、脂筏（lipid rafts）和质膜微囊（caveolae）（补充）1988年。脂筏富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域 ， 约100nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页；介于无序液体与液晶之间，称为有序液体（Lo）；如同一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。1995年。质膜微囊细胞表面内陷小孔结构，以鞘脂和胆固醇为主，以微囊素/内陷素（caveolin）为标志蛋白。脂筏和质膜微囊（胞膜窖）的功能P96：信号转导中心物质的运输内吞、外排疾病关联HIV、癌、动脉粥样硬化、糖尿病、老年性痴呆质膜应该视为脂质、蛋白质和糖组成的一个不均匀的超分子体系，膜脂以甘油酯为主体，大小不一的、以鞘脂和胆固醇为主要成分的微区分散在主体中。主体和微区都含有数量不等的膜蛋白。二、细胞膜的化学组成p85综述：质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量的糖。 膜脂膜的基本骨架； 膜蛋白膜功能的主要体现者。（一）膜脂（membrane lipid）P85分类：生物膜的基本成分。（修改）主要包括磷酸甘油酯、神经鞘酯和胆固醇三种类型。1、磷酸甘油酯（甘油磷脂）：是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50以上。 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) , 旧称心磷脂磷酸甘油酯的分子结构特征：1）头尾： “一头二尾”（心磷脂4尾）；2）碳链：碳原子多为1620，偶数。3）饱和性：饱和、单不饱和、多不饱和。30o转角2、神经鞘酯（sphingolipids）是一类含量较少的膜脂，是鞘胺醇的衍生物。鞘磷脂（sphingomyelin）鞘胺醇的衍生物以鞘胺醇为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，与含胆碱的磷酸基团组成亲水头部；在神经系统中含量特别丰富。原核细胞、植物中无鞘磷脂。糖脂（glycolipid）鞘胺醇的衍生物以鞘胺醇为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，与一个或多个糖残基组成亲水头部，在神经细胞膜上糖脂含量较高。最简单的糖脂半乳糖脑苷脂，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂神经节苷脂。3、胆固醇（cholesterol）动物中含量最丰富的固醇类化合物； 植物和细菌中少；在脑、神经组织及肾上腺中含量丰富，其次是在肝、肾、脾、皮肤和脂肪组织中。胆固醇对细胞膜流动性的影响：在相变温度以上,它可使磷脂分子的脂酰链末端的运动减小,即限制膜的流动性。在相变温度以下,可增加脂类分子脂酰链的运动,这样可以增强膜的流动性。膜脂的特性厚度约6nm；连续广泛的网络；可变形；自组装（self assemble）。膜脂的运动方式（P87）1、沿膜平面的侧向运动；*2、脂分子围绕轴心的自旋运动；3、脂分子尾部的摆动；4、双层脂分子之间的翻转运动。脂质体（liposome）p88本质：利用了脂双分子层的自组装性，是一种人工膜。在水中，搅动磷脂形成的双层脂分子球形体，直径251000nm不等。人工脂质体的用途： 1.研究生物膜的特性 2.药物和DNA的载体隐形脂质体（stealth liposomes）（二）膜糖共价连接在膜脂和膜蛋白上的糖类（28）90以共价键与蛋白质糖蛋白；10连接到脂类糖脂。膜糖的功能： 细胞与环境的相互作用 接触抑制 信号转导 蛋白质分选 保护作用等。（三）膜蛋白 P88 种类繁多, 是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中约30%为膜蛋白。1、分类：根据膜蛋白与脂分子的结合方式，分为三类：外在膜蛋白 （peripheral protein）外周内在膜蛋白 （integral protein ）整合脂锚定膜蛋白（lipidanchored protein）外在膜蛋白水溶性，暴露在脂双层的外侧或内侧；与质膜以弱键形式连接；容易从膜上分离下来。膜内在蛋白 p90多数为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），是两性分子；与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来，如SDS（离子型），TritonX-10（非离子型）p91。膜内在蛋白与膜脂的结合方式 p89本节小结1、生物膜的结构模型2、细胞膜的化学组成第二节、生物膜的基本特征和功能一、膜的流动性（P92）（一） 膜脂的流动性：“刚柔并济”影响膜脂流动性的因素胆固醇含量：含量增加，膜的流动性降低；脂肪酸链的饱和度：饱和度越低，膜流动性越强。脂肪酸链的长度：长链，相变温度高，膜流动性低；卵磷脂/鞘磷脂比例：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂； 其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。（二） 膜蛋白的流动性 （P92）膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动（主要为侧向流动），不需要代谢产物的参加和能量的提供。膜蛋白的流动性是相对的：某些膜蛋白分布有区域性；有的蛋白不流动的因与膜下的细胞骨架相结合，流动受限。整合膜蛋白的运动方式影响膜蛋白移动的因素整合蛋白相互间的影响膜骨架的影响细胞外基质的影响相邻细胞的影响细胞外配体、抗体、及药物大分子的影响研究膜蛋白流动的实验技术1 P92荧光抗体免疫标记细胞融合研究膜流动性的实验技术2 P93光脱色荧光恢复技术 FRAP（fluorescence recovery after photobleaching） 膜蛋白或者膜脂被荧光素标记，再用激光照射某一区域，被照射区的荧光因为淬灭而变弱。由于膜的流动性，粹灭区域亮度会逐渐增加，最后与周围亮度等同。荧光恢复的速度间接反映出膜蛋白或者膜脂扩散的速度。（三） 质膜流动性的意义 1）有利于酶的侧向扩散和旋转运动； 2）保证了物质的运输； 3）与信号转导有关； 4）和能量转换有关； 5）与细胞的发育和衰老。二、细胞膜的不对称性 P93 质膜内外两层的组分和功能的差异，（一） 细胞膜各部分的名称ES EF PF PS小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻（二）膜的不对称性 p931）膜脂的不对称性： 2）复合糖的不对称性： 3）膜蛋白的不对称性：三、细胞膜的功能 p951、内环境排除干扰，独立调节；2、选择性物质运输；3、细胞识别位点、信号跨膜转导；5、生化活动框架；6、连接细胞细胞/细胞、细胞/基质的连接；7、能量转换光合作用；8、特化结构9、药物标靶本节内容小结膜的流动性，膜的不对称性，质膜的基本功能第三节 膜骨架膜骨架（membrane associated cytoskeleton）定义：膜骨架是质膜下与膜蛋白相连的纤维蛋白组成的网架结构。作用：维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。研究材料：成熟的哺乳动物血红细胞红细胞研究质膜的良好材料不贵，可大量获得；游离，无需从复杂组织中分离；无核膜和内膜，避免膜样品的污染；简单处理溶血，就能获得血影。红细胞血影二、红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞膜骨架：在红细胞膜的内侧，由膜蛋白和纤维蛋白组成的网架。人红细胞膜蛋白SDSPAGE电泳分布1、 红细胞膜内存在的蛋白质约15种蛋白，其中主要的有3种:血影蛋白（spectrin）：又叫收缩蛋白，是膜骨架主要成分，、亚基构成，非膜蛋白；血型糖蛋白A（glycophorin A）：红细胞膜蛋白，富含唾液酸，类似的还有血型糖蛋白B、C、D，单次跨膜蛋白；带3蛋白（band 3 protein）：膜蛋白， “阴离子通道”；多次跨膜（1214次）肌动蛋白（actin）：又称带5蛋白，是膜骨架的主要成分，肌动蛋白纤维上有多个与血影蛋白结合的位点。锚定蛋白（ankyrin）：又称带2.1蛋白，一方面连接血影蛋白，一方面连接带3蛋白；带4.1蛋白（band 4.1 protein）：膜骨架成分，促使血影蛋白和肌动蛋白结合；2、红细胞膜骨架的组成：血影蛋白在带4.1蛋白的协助下与肌动蛋白结合成膜骨架基本网络；锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白相互作用。第十五章 细胞社会的联系：第一节 细胞连接 cell junction细胞连接（cell junction）p87/505定义：细胞连接是细胞与细胞间或细胞与细胞外基质（97/522页）间的联结结构。分类：分为三大类，即： 紧密连接（tight junction） 锚定连接（anchoring junction） 通讯连接（communicating junction）一、紧密连接 （tight junction，TJ）分布：脊椎动物上皮细胞之间；形态：网络状蛋白质焊接线嵴线；成分：成串的跨膜蛋白；特点：相邻质膜紧密结合。隔离、支持。嵴线：相互交联，封闭细胞间空隙，甚至可阻止水分子的通过。紧密连接作用：阻止溶液中的分子沿间隙进入体内；隔离和支持的功能；血脑屏障维持上皮细胞极性。二、锚定连接（anchoring junction）P88分布：在机体中广泛分布， 在上皮组织、心肌和肌肉等组织中含量尤为丰富， 以细胞质骨架为锚定基础。作用：将相邻细胞的骨架系统或者将细胞与基质相连，形成坚挺有序的细胞群体。分类：与中间纤维相连桥粒和半桥粒 与肌动蛋白纤维相连粘着带和粘着斑（一）桥粒和半桥粒（P89/507）（desmosome & hemidesmosome）1、桥粒（desmosome）桥粒是中间纤维连接相邻细胞的方式。细胞间形成的纽扣状结构，将相邻细胞膜铆接在一起（间隙约30nm）。分布：承受强拉力的组织中，主要是上皮组织，如皮肤、口腔、食管、心肌中。 中间纤维直接与质膜下的盘状致密斑 连接；相邻两细胞之间的盘状致密斑由跨膜连接糖蛋白相互连接。2、半桥粒（ hemidesmosome ）是中间纤维连接细胞外基质的方式，形如半个桥粒。它将上皮细胞固着在基膜上。半桥粒的功能和组成：通过整联蛋白将上皮细胞固着在基底膜上。（二）粘着带与粘着斑 P891、粘着带（adhesion belt） ：是肌动蛋白纤维连接细胞的方式。呈连续带状环绕细胞，位于某些细胞紧密连接的下方。细胞间隙为1520nm，介于紧密连接和桥粒之间，（中间连接/带状桥粒，belt desmosome）。与粘着带相连的微丝在细胞中形成平行于细胞膜的可收缩的纤维束。2、粘着斑是肌动蛋白纤维与细胞外基质之间的连接方式。参与连接的是整联蛋白。三、通讯连接（P90）（ communicating junction）分布：位于具有细胞间通讯作用的细胞。双重功能：机械连接；电偶联或代谢偶联。分类：包括 间隙连接（动物） 化学突触（可兴奋细胞）胞间连丝（植物）（一）间隙连接（P90/509）1、结构与成分分布：非常广泛，几乎存在于所有动物组织，连接处有23nm的缝隙。连接结构的基本单位连接子（connexon），由6个connexin环绕而成，中间是直径1.5nm的孔道。可允许MW1000的分子通过，但通透性受调节。2、功能和调节机制 允许小分子（无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸、维生素）通过（MW1000），而蛋白质、核酸和多糖等大分子不能通过。 1）间隙连接在代谢偶联中的作用（P92/511）合用和互喂营养物质；代谢偶联允许小分子代谢物和信号分子（如cAMP、Ca2、磷酸肌醇）通过，一处细胞接受信号分子，就可以使整个组织产生反应。 2）间隙连接在神经冲动传递过程中的作用突触 ：电突触（electronic junction）构成细胞之间的低电阻通路，神经电冲动可以通过间隙连接从突触前向突触后传导，动作电位可以迅速从一个细胞传到另一个细胞，实现细胞间的快速通讯。3）间隙连接在早期胚胎发育和细胞分化过程中的作用a. 出现在脊索动物、大多数无脊椎动物胚胎发育的早期；b. 连接子蛋白抗体 可以使胚胎发育出现缺陷；c. 可能为细胞在胚胎中的“位置信息”的传递提供通路，从而影响其分化。d. 肿瘤细胞之间的间隙连接明显减少或者消失。（二）胞间连丝（plasmodesmata）1、胞间连丝的功能 P94/5141）与动物细胞的间隙连接类似。允许MW1000、半径0.70.8nm的分子通过;2） 通透性可调节。某些植物病毒能制造特殊的蛋白质，使胞间连丝的有效孔径扩大。3）某些细胞蛋白和核酸能够通过胞间连丝进入另外一个细胞。（三）化学突触 P94/514化学突触是可兴奋细胞之间的细胞连接方式，它通过释放神经递质来传递神经冲动。电信号 化学信号电信号第二节 细胞粘着及其分子基础（P94/515）（Cell Adhesion Molecule，CAM）功能：同种类型细胞粘连在一起形成组织；细胞彼此粘连、锚定连接本质：都是整合膜蛋白，在胞内与细胞骨架相连；分类：钙粘素、选择素、免疫球蛋白超家族的CAM、整联蛋白。几个概念细胞粘附分子的作用机制有三种模式：1.同亲性结合；2.异亲性结合；3. 衔接分子（linker）依赖性结合。1、钙粘蛋白（cadherin）P96/516同亲性依赖于Ca2的细胞粘连糖蛋白。胞外部分形成5个结构域，均含Ca2结合部位。分类：分布广泛，家族成员众多，如：E 钙粘素（表皮），N 钙粘素（神经）P 钙粘素（胎盘）等。作用：细胞连接；参与细胞分化。2、选择素（selectin） P96/517定义：异亲性CAM，能识别并结合另一细胞表面伸出的特异糖基团（依赖于Ca2）；结构：细胞外片段末端具有凝集素结构域；作用：参与白细胞在炎症（或血块）部位与血管壁细胞之间的识别与粘合；分类：已知选择素有三种： P（platelet）选择素：在血小板、内皮细胞中表达； E（endothelial）选择素：内皮细胞表达； L（leukocyte）选择素：各种白细胞中表达。3、免疫球蛋白超家族的CAM（Igsuperfamily，IgSF）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一般不依赖于Ca2，包括同亲性或亲异性CAM作用：介导淋巴细胞和需要进行免疫反应的细胞之间的粘着。4、整联蛋白（integrin）（P97/519）多为异亲性细胞粘附分子。作用依赖于Ca2。一般由是 、亚单位形成异二聚体。目前发现有24种亚单位和9种亚单位，相互配合形成24种不同的二聚体整联蛋白；整联蛋白的功能：介导细胞与胞外基质的粘着,“RGD序列”；介导从细胞外环境到胞内的信号转导（由外向内，由内向外）。第三节 细胞外基质（cell coat & extracellular matrix）细胞外基质（extracellular matrix，ECM） P97/522 定义： 指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白质和多糖所构成的网络结构。细胞外基质主要成分和结构ECM功能：1、为组织的构建提供框架；2、对细胞的存活、分化、迁移、增殖、形态起到重要的调控作用。细胞外基质的分类分类： 胶原，弹性蛋白，糖胺聚糖和蛋白聚糖，层粘连蛋白和纤连蛋白，植物细胞壁（一）胶原（collagen）P99胶原是细胞外基质的骨架，也是动物体内含量最丰富的蛋白，约占人体蛋白质总量的25以上。成分：水不溶性纤维蛋白，在胞外基质中形成半晶体的纤维;分布：在各种动物中都存在，肌腱、软骨和骨中的胶原非常丰富，含量接近1/2。1、胶原的分子结构胶原的基本结构单位原胶原（tropocollagen）。 原胶原是三条肽链形成的三股螺旋；一级结构具有GlyProy重复序列yHypro 或 Hylys原胶原（tropocollagen）每条链盘绕成呈链卷曲的