1 细胞生物学 讲稿

1、生物奥赛辅导授课人：杨化涛l细胞学部分比值：细胞学部分比值：20%l 主要内容：细胞的化学成分主要内容：细胞的化学成分l 细胞的结构与功能细胞的结构与功能l 细胞代谢细胞代谢l 细胞分裂。细胞分裂。 l 学习方法：掌握运用必修学习方法：掌握运用必修1内容内容l 掌握理解奥赛教材内容掌握理解奥赛教材内容细胞部分内容介绍1 1细胞的发现细胞的发现 16651665年年英国物理学家英国物理学家罗伯特罗伯特虎克虎克用他用他自制的显微镜观察自制的显微镜观察栓皮栓皮栎的软木切片时，看栎的软木切片时，看到了一个个蜂窝状的小室。他把这样的到了一个个蜂窝状的小室。他把这样的“小小室室”称为细胞（称为细胞（死细胞

2、）死细胞）。2 2细胞学说的建立细胞学说的建立l德国植物学家德国植物学家施莱登施莱登于于18381838年提出了细胞学年提出了细胞学说的主要论点，次年又经德国动物学家说的主要论点，次年又经德国动物学家施旺施旺加以充实，最终创立了细胞学说。加以充实，最终创立了细胞学说。l细胞学说的主要内容是：细胞是动、植物有细胞学说的主要内容是：细胞是动、植物有机体的基本结构单位，也是生命活动的基本机体的基本结构单位，也是生命活动的基本单位单位（一）细胞生物学的发展（三）细胞的形态与大小1.细胞概念：细胞概念：细胞是由膜包围的，能进行细胞是由膜包围的，能进行独立繁殖的最小原生质团，是生命活独立繁殖的最小原生质团

3、，是生命活动的基本单位，是生物体最基本的形动的基本单位，是生物体最基本的形态结构和功能活动单位。态结构和功能活动单位。 2细胞的大小：细胞的大小：mm（显微结构和亚显（显微结构和亚显微结构）微结构） l在显微技术和电镜技术中常用的单位在显微技术和电镜技术中常用的单位有：微米（有：微米（mm或或）、纳米（）、纳米（nmnm）和）和埃三种。埃三种。 1m1m10102 2cmcm10106 6mm10109 9 nm nm 101010 10 l影响细胞大小的因素：影响细胞大小的因素：l1.细胞的核质比与细胞大小有关，决定细胞的核质比与细胞大小有关，决定细胞上限；细胞上限；l2.细胞的相对表面积与

4、细胞大小有关；细胞的相对表面积与细胞大小有关；l3.细胞内物质的交流与细胞大小有关。细胞内物质的交流与细胞大小有关。l3.原生质原生质：细胞内所含有的生活物质，真核细胞包括细胞质和细胞核。（注意与原生质层的区别）l57 细胞膜细胞膜(cell membrane)又称质膜又称质膜（plasma membrane），），是指围绕在细胞最是指围绕在细胞最外层，由外层，由脂质脂质和和蛋白质蛋白质组成的生物膜。细胞膜组成的生物膜。细胞膜只是真核细胞生物膜的一部分，真核细胞的生只是真核细胞生物膜的一部分，真核细胞的生物膜（物膜（biomembrane）包括细胞的包括细胞的内膜系统内膜系统（ 细 胞 器 膜

5、 和 核 膜（ 细 胞 器 膜 和 核 膜 ） 和和 细 胞 膜细 胞 膜 （ c e l l membrane）。）。1 1细胞膜细胞膜/ /生物膜生物膜（1 1）质膜的化学组成）质膜的化学组成l细胞膜主要由脂类和蛋白质组成，l蛋白质约占膜干重的20%70%，l脂类约占30%80%，l此外还有少量的糖类。l比例的不同与其功能相适应。（四）真核细胞的亚显微结构（2 2）质膜的分子结构模型）质膜的分子结构模型三明治模型三明治模型流动镶嵌模型流动镶嵌模型 脂质体脂质体脂质体（脂质体（liposome）是根据磷脂分子在水相中形成稳定的是根据磷脂分子在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的一种人工膜。

6、脂质体可用于细胞膜脂双层膜的趋势而制备的一种人工膜。脂质体可用于细胞膜的研究；转基因；疾病的诊断及治疗。的研究；转基因；疾病的诊断及治疗。二、二、 膜蛋白膜蛋白膜蛋白是膜功能的主要体现者。核基因组编码的蛋白质中膜蛋白是膜功能的主要体现者。核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据与膜脂的结合方式以及在膜中的左右的为膜蛋白。根据与膜脂的结合方式以及在膜中的位置的不同，膜蛋白分为内在（位置的不同，膜蛋白分为内在（integral protein）、）、外周蛋外周蛋白（白（peripheral protein）和脂锚定蛋白（和脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。）。（一

7、）内在蛋白（一）内在蛋白（integral proteins） 内在蛋白又称为整合蛋白，以不同程度嵌入脂双层的内部内在蛋白又称为整合蛋白，以不同程度嵌入脂双层的内部，有的为全跨膜蛋白（，有的为全跨膜蛋白（tansmembrane proteins）。）。它与膜结它与膜结合非常紧密，只有用去垢剂（合非常紧密，只有用去垢剂（detergent）才能从膜上洗涤下来才能从膜上洗涤下来，常用，常用SDS和和Triton-X100。 内在蛋白的跨膜结构域形成亲水通道有两种形式，一是由多内在蛋白的跨膜结构域形成亲水通道有两种形式，一是由多个个螺旋组成亲水通道；而是由螺旋组成亲水通道；而是由折叠组成亲水通道折

8、叠组成亲水通道。 细胞膜的结构模型及特点细胞膜的结构模型及特点一、细胞膜结构的研究历史一、细胞膜结构的研究历史1. E. Overton 1895 推测细胞膜由连续的脂类物质组成。推测细胞膜由连续的脂类物质组成。2. E. Gorter & F. Grendel 1925 推测细胞膜由双推测细胞膜由双 层脂分子组成。层脂分子组成。3. J. Danielli & H. Davson 1935 提出了提出了”蛋白质蛋白质-脂类脂类-蛋蛋白白 质质”的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表 面附着的蛋白质构成的。面附着的蛋白质构成

9、的。1959年提出了修正模型，认为膜年提出了修正模型，认为膜 上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。4. J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示胞膜照片，显示暗暗-明明-暗暗三层结构，厚约三层结构，厚约7.5nm。这就是所这就是所谓的谓的“单位膜单位膜”模型。它由厚约模型。它由厚约3.5nm的双层脂分子的双层脂分子和内外和内外表面各厚约表面各厚约2nm的蛋白质的蛋白质构成。构成。5. S. J. Singer & G. Nicolson 1972根据免疫荧

10、根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在”单位膜单位膜”模型的基础上提出模型的基础上提出”流动镶嵌模型流动镶嵌模型”。二、质膜的流动镶嵌模型的特点二、质膜的流动镶嵌模型的特点组成成分组成成分：主要组成成分为：主要组成成分为脂类脂类和和蛋白质蛋白质，还含有少量的糖类。，还含有少量的糖类。不对称性不对称性：蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨：蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨 整个脂双层，表现出分布的不对称性。整个脂双层，表现出分布的不对称性。流动性流动性：膜蛋白和膜脂可作各向运动。：膜蛋白和膜脂可作各向运动。膜脂的分子运动膜脂的分子运动1

11、 侧向扩散运动侧向扩散运动 2 旋转运动旋转运动 3 摆动运动摆动运动 4 伸缩震荡运动伸缩震荡运动5 翻转运动翻转运动 6 旋转异构化运动旋转异构化运动2. 影响膜流动的因素影响膜流动的因素规律点拨主要有主要有侧向扩散侧向扩散和和旋转扩散旋转扩散两种运动方式。两种运动方式。旋转扩散旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动。膜蛋指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动。膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如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细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。可用能促进膜蛋白的侧向运动。可用荧光标记荧光标记技术技术检测膜蛋白的流动性。检

12、测膜蛋白的流动性。3膜蛋白的流动膜蛋白的流动细胞融合技术观察蛋白质运动细胞融合技术观察蛋白质运动质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活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。成膜的溶解。4膜流动性的意义膜流动性

13、的意义膜的不对称性膜的不对称性l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）。A Yeast Cell 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境; ; 选择性的物质运输选择性的物质运输, ,包括代谢底物的输入与代谢包括代谢底物的输入与代谢 产物的排除产物的排除, ,其中伴随着能量的传递其中伴随着能量的传递; ; 提供细胞识别位点提供细胞识别位点, ,并完成细胞内外信息跨膜传递并完成细胞内外信息跨膜传递; ; 为多种酶提供结合位点

14、为多种酶提供结合位点, ,使酶促反应高效而有序地进行；使酶促反应高效而有序地进行； 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接; ; 质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。Fig. Fig. cAMPcAMP信号通路对基因信号通路对基因转录的激活转录的激活信号分子与受体结合通过信号分子与受体结合通过G G蛋蛋白活化腺苷酸环化酶，导致白活化腺苷酸环化酶，导致细胞内细胞内cAMPcAMP浓度增高激活蛋浓度增高激活蛋白激酶白激酶A A，被活化的蛋白激酶被活化的蛋白激酶A A（催化亚基）转为进入细胞催化亚基）转为进入细胞核

15、，使基因调控蛋白（核，使基因调控蛋白（cAMPcAMP应答结合蛋白，应答结合蛋白，CREBCREB）磷酸磷酸化，磷酸化的基因调控蛋白化，磷酸化的基因调控蛋白与靶基因调控序列结合，增与靶基因调控序列结合，增强靶基因的表达。强靶基因的表达。细胞表面的特化结构细胞表面的特化结构是为适应某种环境而形成的特殊表是为适应某种环境而形成的特殊表面结构，如：膜骨架、鞭毛、纤毛及微绒毛等，分别与面结构，如：膜骨架、鞭毛、纤毛及微绒毛等，分别与细胞形态细胞形态的维持、的维持、细胞运动细胞运动、细胞的、细胞的物质交换物质交换等功能有等功能有关。关。 骨架与细胞表面的特化结构骨架与细胞表面的特化结构膜骨架指细胞膜下与

16、膜蛋白相连的由纤维蛋白组成膜骨架指细胞膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构的网架结构( meshwork)，它参与维持质膜的形状并它参与维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。它的特点是粘质性高，协助质膜完成多种生理功能。它的特点是粘质性高，有较强的抗拉能力。有较强的抗拉能力。一、膜骨架一、膜骨架二、红细胞二、红细胞（一）红细胞的生物学特性（一）红细胞的生物学特性哺乳动物成熟的红细胞没有哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核细胞核和和内膜系统内膜系统，细胞膜既有，细胞膜既有良好的弹性又有较高的强度，并且细胞膜和膜骨架的蛋白比较良好的弹性又有较高的强度，并且细胞膜和膜骨架的蛋白比较容易纯化、分析

17、。红细胞经过低渗处理，质膜破裂，内容物容易纯化、分析。红细胞经过低渗处理，质膜破裂，内容物释放，留下一个保持原形的壳，称为释放，留下一个保持原形的壳，称为血影血影。因此，是研究膜骨。因此，是研究膜骨架的理想材料。架的理想材料。（二）红细胞质膜蛋白及膜骨架（二）红细胞质膜蛋白及膜骨架血影血影SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳分析聚丙烯酰胺凝胶电泳分析：血影蛋白主要成分包括：血影蛋白、锚蛋白、带3蛋白、带4.1蛋白、带4.1蛋白、肌动蛋白和血型糖蛋白。改变处理的离子强度改变处理的离子强度：血影蛋白和肌动蛋白条带消失，血影的形状改变，膜的流动性增强。用用Triton100处理处理：带3蛋白和一些血型糖蛋白消失

18、，血影的形状基本不变。用非离子去垢剂处理用非离子去垢剂处理：所有的脂质和血型糖蛋白及大部分带3蛋白消失，血影的形状基本不变。膜骨架蛋白膜骨架蛋白主要成分包括：血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白和主要成分包括：血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白和 带带4.1蛋白等。蛋白等。植物细胞壁（植物细胞壁（cell wall）植物细胞壁的植物细胞壁的组成组成 植物细胞壁的功能植物细胞壁的功能 增加细胞强度，提供支持功能；增加细胞强度，提供支持功能； 信息储存库的功能：产生多种寡糖信息储存库的功能：产生多种寡糖 素作为信号物质，或抵抗病、虫害，素作为信号物质，或抵抗病、虫害， 或作为细胞生长和发育的信号物质。或作为细胞生长和发育的信号物质。 纤维素分子纤维素微原纤维（microfibril）,