细胞生物学学习指引

第一章细胞概述细胞生物学的发展经历了从细胞的发现、细胞学说的建立，以及对细胞分裂和细胞器做基本描述的经典时期；直到1953年DNA双螺旋分子结构的确立，伴随着研究手段的进展，细胞生物学才得以确立并得到突飞猛进的发展。近代分子生物学的迅速发展极大地促进了细胞生物学的进步，而分子生物学的研究离不开细胞这个平台。在这两门生命科学前沿学科的相互促进协调发展中逐渐实现了细胞科学从细胞生物学到细胞分子生物学的转变。无论是根据细胞的进化，细胞的功能和形态，都可以将细胞人为的分成三大系统：细胞的膜系统，细胞的核系统和细胞的骨架系统。第二章细胞生物学技术细胞生物学是研究细胞结构与功能的学科，细胞生物学研究方法的建立与完善，促进了细胞生物学的发展。本章重点介绍了细胞生物学领域中最常用的技术方法与基本原理，并简要介绍了该技术的基本延伸。细胞形态结构的观察依赖于显微镜技术。复式光学显微镜是光镜下观察细胞结构的基础，适用于观察活体或固定染色的样品。荧光显微镜技术与免疫学技术相结合，实现了生物大分子在细胞内的定位与分布的观察。 相差显微镜和微分干涉显微镜技术，适用于观察活体细胞的结构，结合荧光标记技术可以对细胞活体示踪与观察。激光共聚焦显微镜利用共焦光路和激光扫描技术， 可排除焦平面以外光的干扰，增强图像反差和提高分辨率。但光学显微镜具有局限性，它不能分辨＜0.2的物体，而利用电子束对样品成像而制成的电子显微镜， 已成为研究机体微细结构的重要手段。根据观察样品的需要，可对观察样品采用特殊的制样方法，如超薄切片技术适于观察细胞内部精细结构，而扫描电镜则用来观察细胞表面形貌特征。细胞组分的分析可以采用细胞化学、免疫荧光、免疫电镜、原位杂交等方法。超速离心技术与生化提纯可用于细胞组分的分离与纯化。同位素标记技术与放射自显影技术结合，可应用于研究生物大分子在细胞内的动态变化。细胞培养技术是细胞工程的基础，细胞融合、杂交瘤制备及组织工程都建立在良好的细胞培养技术基础之上。目前基于体外细胞培养技术，人类寄希望于利用干细胞定向诱导分化，在体外构建组织甚至器官，这对于皮肤移植和骨髓干细胞的移植具有很重要的意义。另外，该技术在细胞治疗及其与基因治疗相结合的技术中也有重要应用。第三章细胞膜与细胞表面细胞膜是由类脂双分子层构成，在细胞的进化中很容易得到这种膜。人们有关细胞膜的生物模型很多，但流动镶嵌模型仍旧是目前运用最多，得到科学界广泛承认的生物模型。膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性是细胞膜的基本特性。动物细胞有三种类型的连接方式：紧密连接、斑块连接和通讯连接。细胞外基质是蛋白和糖形成的水合胶体，主要是由胶原蛋白和弹性蛋白以及蛋白聚糖和糖胺聚糖构成。它们不但具有抗压力和张力的机械性能，而且它们还发展出了一些和细胞增殖、分化、凋亡等有关的功能。植物细胞壁的主要成分是多糖，其中最主要的是纤维素，它赋予植物细胞的硬度和强度。植物细胞的胞间连丝不仅使相邻细胞的细胞质膜、细胞质、内质网交融在一起。 也是植物细胞间物质运输和传递信息的重要渠道。第四章物质的跨膜运输与信号传递物质的跨膜运输对细胞的生存和生长至关重要。根据物质的跨膜运输的能力学特征，分为被动运输和主动运输。被动运输包括简单扩散和载体介导的协助扩散，运输方向是由高浓度向低浓度，不需要细胞提供代谢能量。主动运输是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度进行跨膜转运的方式， 需要与某种释放能量过程相偶联。主动运输过程包括由 ATP直接提供能量、间接提供能量、以及光能驱动三种类型。 Na+-K+泵是一种典型的主动运输方式，由ATP直接提供能量。动物细胞借助 Na+-K+泵维持细胞渗透平衡；同时利用胞外高浓度Na+储存的能量主动从细胞外摄取营养。植物细胞、真菌和细菌细胞具有H+泵，将H+泵出细胞，驱动主动转运溶质进入细胞。由ATP直接供能的钙泵用于维持细胞内低浓度Ca2+。与主动运输相比，协同运输是一类由Na+-K+泵（或H+泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。真核细胞通过胞吞作用和胞吐作用完成大分子和颗粒物质的跨膜运输。胞吞过程如下：小窝—内吞泡的形成-初级内体-次级内体—溶酶体。胞吐作用是将细胞内的分泌泡或膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。分为组成型的胞吐途径和调节型胞吐途径。由Na+-K+-ATP酶维持K+梯度形成了膜的静息电位，离子通道变化形成动作电位，Na+通道打开，触发形成动作电位的去极化过程。动作电位遵守全“或无”定律。多细胞生物维持细胞社会性有赖于细胞通讯。细胞信号传递可分为两大类：一是细胞内受体介导的信号传递，一些亲脂性小分子（如番体类激素）可通过质膜与细胞内受体结合传递信号，进而诱导基因活化；二是细胞表面受体介导的信号传递，包括三大家族：①离子通道偶联受体；②G蛋白偶联受体；③酶耦联受体。酶偶联型受体包括六类，分别是受体酪氨酸激酶、受体丝氨酸饼氨酸激酶、受体酪氨酸磷酸酯酶、受体鸟甘酸环化酶和酪氨酸蛋白激酶。cAMP信号通路过程：G蛋白一腺甘酸环化酶一cAMP-cAMP依赖的蛋白激酶A—基因调控蛋白一基因转录。双信使系统”的磷脂酰肌醇信号通路的最大特点是胞外信号被膜受体接受后，同时产生两个胞内信使，分别启动两个信号传递途径即IP3-Ca2+和DG—PKC途径，实现细胞对外界信号的应答。RTK-Ras信号通路的基本模式是：配体一 RTK—adaptorGRF—Ras-Raf（MAPKKK）一MAPKK—MAPK一进入细胞核一其他激酶或基因调控蛋白 （转录因子）的磷酸化修饰。Jak-STATW号通路的基本模式是：配体与受体结合导致受体二聚化-激活JAQJAK将STATW酸化-STAT形成二聚体，暴露出入核信号-STAT进入核内，调节基因表达。止匕外，整联蛋白是细胞表面的跨膜蛋白 （异二聚体），不仅介导细胞附着到胞外基质上，更重要的是提供了一种细胞外环境调控细胞内活性的渠道。不同的信号存在趋同、趋异，和信号交谈，引起细胞的不同反应。细胞中还存在Wnt信号途径、Notch信号途径、Hedgehog©号途彳和NF-k的号途径。第五章真核细胞内膜系统的结构与功能真核细胞的细胞质包含膜性细胞器系统，包括内质网、高尔基体、溶酶体。它们在结构和功能上彼此联系，同时与细胞膜也有密切联系。这些不同的膜性细胞器属于有张力的、整合的内膜网状结构的一部分。在这个内膜网状结构中，物质以出芽的方式形成转运小泡，使物质根据细胞需要穿梭于不同的细胞器。生物合成途径将蛋白从内质网的合成部位通过高尔基体运输到指定部位， 而内吞途径则将物质由细胞外转运到细胞内。细胞质基质是一个高度有序且又不断变化的动态结构体系，细胞骨架纤维贯穿其中。多数的中间代谢反应及蛋白质合成与转运发生在细胞质基质中。某些蛋白质的修饰和选择性地降解等过程也在细胞质基质中进行。内质网是由管、槽、小泡组成的系统，它把细胞质分成内质网膜腔和膜外胞质空间。粗面内质网的功能包括分泌型蛋白、溶酶体蛋白、膜整合蛋白的合成，以及蛋白质的糖基化修饰等。滑面内质网的功能因细胞而异，包括类固醇激素的合成，对许多有机化合物的解毒作用以及钙离子的回收等。 内质网合成构成细胞所需要的包括磷脂和胆固醇在内的几乎全部的膜脂，其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱（卵磷脂）。高尔基体作为一个加工厂，负责修饰膜成分，运输内质网合成的蛋白分子。它同时也是合成复杂多糖的场所。高尔基体是由一些扁平盘状的膜性膜囊构成，具有膨大的边缘并结合有泡和管。物质由顺面进入，边修饰边随着小泡运输到相反方向（反面）。当它们进入高尔基体时，在特定的高尔基体膜囊上的糖基转移酶将糖基加在寡糖链上。一旦蛋白抵达反面，它们就做好了被分选的准备，将被运送到最终目的地（细胞内或细胞外）。将蛋白精确运送到指定位置是由蛋白本身的特异性目标信号决定的。溶酶体是具有多种形态、由单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要功能是进行细胞内的消化作用。溶酶体对于维持细胞的正常代谢活动及防御微生物的侵染具有重要的意义。蛋白质分选在高尔基体的反面网状结构处进行。蛋白质的分选有两个基本途径：翻译后转运途径和共翻译转运途径。蛋白质的运输是通过膜泡运输的方式进行的。大部分通过内膜系统转运物质的小泡均被蛋白包裹。膜泡运输的方式包括：copn有被小泡介导细胞内顺向运输；即负责从内质网到高尔基体的物质运输；COPI有被小泡介导细胞内膜泡逆向运输，即负责从顺面高尔基体网状区到内质网膜泡转运；以及网格蛋白有被小泡介导蛋白质从高尔基体反面网状结构向质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡的运输。蛋白质等生物大分子逐级组装并最终形成赖以进行生命活动的细胞结构体系。细胞结构体系之间的相互关系是细胞结构体系组装的更高的一个层次， 正是各结构体系之间的相互协同与配合，才表现出整体细胞的生命活动。第六章线粒体和叶绿体线粒体与叶绿体是真核细胞两种重要的产能细胞器，能高效地将能量转换成ATP,为细胞进行各种生命活动提供直接的能源。线粒体是有氧呼吸的主要场所，是细胞内供应能量的“动力工厂”。叶绿体是光合作用的场所，是细胞内养料制造工厂和能量转换器。线粒体广泛存在于各类真核细胞中，而叶绿体仅存于植物细胞中。线粒体和叶绿体是细胞内较大的细胞器，在光学显微镜下即可观察。线粒体一般呈球状、粒状、棒状，并且随细胞类型及生理条件的不同而存在较大的差别。叶绿体一般呈扁平的球形或椭圆球形。这两种细胞器都具有两层单位膜，内膜向内折叠，在线粒体内形成崎，而在叶绿体内形成类囊体，从而极大地扩增了内膜面积，可以更有效地进行氧化磷酸化和光合作用。线粒体和叶绿体的化学成分主要是蛋白质和脂质，还含有少量的DN母口RNA它们与线粒体和叶绿体的细胞质遗传有关。线粒体的主要功能是进行氧化磷酸化，这种方式生成的ATP约占ATP生成总数的80%,是维持生命活动所需能量的主要来源。它是在电子从 NADHEFADH经过电子传递链传递给氧的过程中产生的，代谢物脱下的氢经呼吸链氧化生成水时，所释放出的能量用于ADPW酸化生成ATR氧化是放能反应，而ADP生成ATP是吸能反应，这两个过程同时进行，即氧化时偶联磷酸化的过程。叶绿体的主要功能是进行光合磷酸化。植物叶绿体的类囊体膜或光合细菌的载色体在光下催化腺甘二磷酸（ADP与磷酸（Pi）形成腺甘三磷酸（ATP的反应，其过程可分为三个步骤，即原初反应、电子传递和光合磷酸化及碳同化。前两步属于光反应，需要在光照条件下进行，生成ATP和NADPH碳同化属于暗反应，利用光反应生成的ATP和NADPH勺化学能，使CO2还原成糖。按照电子传递的方式可将光合磷酸化分为两种类型：循环式光合磷酸化和非循环式光合磷酸化。前者是在光反应的循环式电子传递过程中同时发生磷酸化，产生 ATR后者是在光反应的非循环式电子传递过程中同时发生磷酸化，产生 ATP光合磷酸化的机理同线粒体进行的氧化磷酸化相似，同样可用化学渗透学说来说明。在电子传递和ATP合成之间，起耦联作用的是膜内外之间存在的质子电化学梯度。类囊体膜进行的光合电子传递与光合磷酸化需要四个跨膜复合物参加，即光系统H、细胞色素b6/f复合物、光系统I和ATP合酶。电子传递过程建立的质子梯度驱动合成ATP和NADPH线粒体和叶绿体是半自主性细胞器，即自身含有遗传表达系统（自主性），但编码的遗传信息十分有限，其RNA专录、蛋白质翻译、自身构建和功能发挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息（自主性有限）。线粒体和叶绿体由分裂或出芽增殖而来。关于线粒体和叶绿体的起源有两种观点，即内共生学说和非共生学说。前者认为线粒体和叶绿体起源于细胞内共生的细菌和蓝藻，它们与宿主细胞形成互利共生关系，在长期的进化过程中，分别演化成线粒体和叶绿体。后者认为真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好氧细菌，它通过质膜内陷、扩张形成的双层膜分别将基因组包围在其中， 在进化中发生分化，从而逐渐形成线粒体和叶绿体。第七章细胞核与染色体细胞核是细胞内遗传物质储存、复制和转录的场所。真核细胞的遗传物质储存在DNA序列中，以染色质的形式存在。染色质主要由DNA、组蛋白和非组蛋白构成。DNA中的大部分序列呈不同程度的重复状态，不编码蛋白质，但对基因组的活动可能起调控作用。组蛋白有5种类型，主要构成核小体的支架，起负载DNA的作用。非组蛋白种类很多，它们与DNA序列上的顺式作用原件特异地亲和，对DNA复制、转录、加工和染色质的动态结构变化等起重要的调节作用。染色体是细胞分裂时为保证遗传物质能够均等地分配到子细胞中而形成的结构，由间期染色质经集缩和包装而成。自主复制序列、端粒和着丝粒结构是染色体上的三个重要原件。染色体上的NOR混核糖体基因存在的场所，在间期细胞中以核仁的形式存在，核糖体基因（除5SrRNA基因外）在核仁中转录和加工，然后以核糖体前体的形式运出细胞核。细胞核有双层被膜，核的内外物质运输通过核孔复合体进行。核孔复合体的物质转运作用具有特异性和可调节性。核纤层位于核被膜的下面，一般与细胞的核内骨架结为一体，起到维持细胞核形状、固定细胞核内各种组分，调节核内复杂生命活动的作用。第八章细胞的骨架体系细胞骨架是真核细胞中的一种蛋白质纤维网络体系。广义的细胞骨架概念包括细胞质骨架、细胞核骨架、细胞膜骨架和细胞外基质，狭义的概念仅指细胞质骨架，包括微管、微丝和中间纤维。微管是长管状结构，直径约24nm,由微管蛋白装配成。微管是一种动态结构，可通过微管蛋白异二聚体的聚合或解聚，改变微管的结构与分布，参与细胞的形态变化、细胞运动、物质运输和细胞分裂等。微管与其他蛋白共同装配成中心粒、纤毛、鞭毛、基粒等结构。低温和秋水仙素能影响微管的组装。微管结合蛋白对微管的装配和功能起调节作用。微丝由肌动蛋白组成，直径名勺为7nm,可成束或散在分布于细胞质中，具有收缩功能。微丝也是一种动态结构，可以根据生理条件的不同发生组装与去组装。微丝的功能是多方面的，包括各种形式的细胞运动、肌肉收缩、细胞质分裂和细胞内物质运输等。鬼笔环肽可以特异结合微丝，起稳定微丝的作用；细胞松弛素B能阻止微丝的装配。有多种类型的微丝结合蛋白，他们与微丝共同发挥作用。中间纤维直径在10nm左右，结构稳定，对秋水仙素和细胞松弛素B均不敏感。中间纤维形态上十分相似，但成分复杂，主要包括角蛋白、结蛋白。波形纤维蛋白、胶质纤维酸性蛋白、神经纤丝蛋白、巢蛋白等。中间纤维的分布具有严格的组织细胞特异性，不同组织细胞具有不同的中间纤维蛋白。中间纤维与微管和微丝一起，在细胞内形成一个完整的支撑网架系统，为细胞提供机械强度。第九章细胞增殖及其调控细胞周期是细胞生命活动的全过程。细胞从前一次分裂结束到后一次分裂结束就是一个细胞周期，所以细胞周期也是细胞完成一次分裂的过程。细胞周期的长短由细胞类型、细胞生理状态和细胞营养情况等多种因素决定。真核细胞在增殖时主要进行有丝分裂，有丝分裂细胞的细胞周期分为分裂间期和分裂期， 分裂问期又包括G期，S期和G期；分裂期又分为前期、前中期、中期、后期、末期和细胞质分裂等。G期细胞（静止细胞）是一种暂时脱离细胞周期细胞，可以经过诱导重新返回细胞周期。细胞周期可以经诱导或选择实现同步化，以利于进行细胞周期相关问题的研究。细胞周期中DNAR复制一次，一般进行一次细胞分裂。为了确保遗传物质能够均等地分配到两个子细胞中，已经复制的遗传物质要在细胞分裂前组织和包装成染色体，同时细胞中要形成纺锤体并通过纺锤丝的牵引作用完成遗传物质的均等分配。减数分裂是一种特殊的有丝分裂方式，是高等动物和植物体配子发生的唯一途径。减数分裂过程中DN/®然复制一次，但细胞进行两次连续的分裂，结果是子细胞的染色体数目减半。减数分裂经过基因重组的过程，能够增加后代的变异性和物种的多样性。细胞周期是受到严格和精细的调节和控制的。现在知道，细胞周期蛋白依赖性CDK敷酶是细胞周期的引擎分子。CDK敢酶一般至少含有两个亚单位，即调节亚单位（周期蛋白）和催化亚单位（CD蹴酶）。细月fi周期中的CD蹴酶有很多种，周期蛋白也有很多种。不同的CD蹴酶与对应的周期蛋白组合成特定的CDK激酶/周期蛋白复合体，通过磷酸化不同的底物，调节或参与调节细胞周期的相关事件。CDK!酶有很多种，如哺乳动物细胞中就至少有12种，它们在细胞周期中发挥作用的时间点不同。CDK敷酶的活性除受到周期蛋白的调节外，还受到许多正调控因子和负调控因子的作用。另外，在细胞周期中还有检验点系统，包括G/S检验点、S期检验点、G/M检验点和纺锤体组装检验点等，以此控制细胞周期的正常运转。第十章细胞分化、真核基因表达及其调控细胞分化是指在个体发育中细胞经分裂形成不同细胞类群的过程。 组成一个复杂多细胞生物体的数百种形态结构和功能各不相同的细胞类群， 都是由一个受精卵分裂分化形成的。细胞分化是真核生物最重要的生命活动之一。阐明细胞分化的分子机制是现代细胞生物学最具挑战性的课题之一。在早期胚胎发育中，细胞分化的命运在其产生形态功能的变化之前就已经决定，并且在之后的持续分裂中细胞记忆住它们各自的分化方向， 最终分化形成专门化的细胞类群。影响细胞分化的因素包括：细胞的不均等分裂、细胞质物质的影响、胞外信号及细胞之间的通讯联系、细胞所处的位置效应、细胞外环境因素的影响，等等。不同分化程度的细胞具有不同的分化潜能。受精卵及组成早期胚胎的细胞具有分化的全能性；随着分化的进行这种潜能变得越来越狭窄，并最终丧失分化潜能。虽然细胞分化是一个稳定的和不可逆的过程，但在特定的条件下，已分化的细胞可以经历一个转分化的逆转过程，由一种细胞类型转变为另一种。干细胞是一类具有自我复制能力及多向分化潜能的特殊细胞类型。 根据其来源可分为胚胎干细胞和成体干细胞；来自早期胚胎的胚胎干细胞能发育成完整的个体，称为全能干细胞；来自胚泡的胚胎干细胞能分化成所有的细胞类群， 称为多能干细胞。而成体干细胞只能分化为单种或少数几种细胞类群，称为定向干细胞。干细胞因其在组织和器官修复中的巨大治疗用途而备受关注。随着细胞分化的进行，细胞的分化潜能越来越窄，功能越来越单一。但这一过程中并没有遗传物质的丢失。也就是说，细胞分化是基因选择性表达的结果。细胞分化调控的最根本的机制是基因的差异表达。基因组中的组织特异基因必须在正确的细胞中，对信号产生正确的反应，在正确的时刻以正确的水平进行表达，以确保细胞分化的进行和功能的行使。真核基因表达调控是一个多步骤、多层次的过程，这为其精细调控提供了充分的空间和余地。基因的转录水平的调控是最主要的调控机制，它决定什么基因在什么时候以什么样的强度转录。这一调控机制的核心是一系列顺式作用元件（启动子、增强子、沉默子等）与反式作用因子（基本转录因子、特异转录因子、辅调节因子等）的相互识别和作用。这些DNA-蛋白质的相互作用导致转录起始复合体的组装、激活、转录的起始、延伸和终止等一系列事件的发生。另外，某些基于 DNA和染色质修饰的表观遗传机制也参与了基因的转录调控，这些修饰包括 DNA甲基化、核心组蛋白的共价修饰和染色质重塑。转录后水平调控也称为RNA加工水平的调控，其主要的环节是mRNA选择性剪接；这是一种使单个基因的转录本经过外显子的不同组合剪接产生多个成熟mRNA的机制。翻译水平的调控方式主要有蛋白质合成的起始和合成速率的控制、 mRNA在细胞中的运送和在细胞质中的定位，以及mRNA的稳定性控制等。蛋白质的翻译后加工、修饰和降解决定了细胞中蛋白质的激活、失活及它们的寿命，因而也可以视为基因表达调节的一个层次和环节。另外，真核细胞中的小