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细胞生物学
三、细胞的基本知识21世纪教育网
１．细胞的基本共 ( www. )性
* 细胞膜
* 核酸
* 核糖体
* 增殖(一分为二)
2．细胞的大小和形状 ( www. )
　一般１０－１００μm.最大的直径１０cm，最小的０.1μm,　
细胞学的计量单位：μm
　　1 mm=1000μm，
1μm=1000 nm，
1 nm=10
3．细胞的一般结构
（１）原核生物有什么主要特征？
* 没有核膜，遗传物质集中在一个没有明确界限的低电子密度区，称为拟核。
* DNA单个裸露环状，没有结合蛋白；
* 没有恒定的内膜系统；
* 核糖体为70S型。
（２）真核细胞
三大系统：
* 生物膜系统
* 遗传信息表达结构系统
* 细胞骨架系统
4．细胞的分子组织层次
* 　　　　　　　　　　　　　 细胞
　　　　　　　　　　　　　 　↓
* 细胞器：　　　细胞核，线粒体，叶绿体，高尔基体等
　　　　　　　　　　　　　　 ↓
* 超分子复合物： 核糖体，酶系，膜，微管等
　　　　　　　　　　　　　　 ↓
* 生物大分子： 核酸，蛋白质，多糖，脂类
　　　　　　　　　　　　　 　↓
* 结构单位：　 核苷酸，氨基酸，单糖，脂肪酸、甘油
　　　　　　　　　　　　　　 ↓
* 中间代谢物：磷酸五碳糖、尿素，а－酮酸，磷酸丙酮酸，醋酸
　　　　　　　　　　　　　　 ↓
* 环境前体：　 二氧化碳，水，氨，氮等
1、模式生物
认识人体基因的功能，无法直接用人体作为实验对象。
对生命活动有重要功能的基因在进化上是保守的。
因此，可以用比较容易研究的生物作为模型来研究其基因的结构和生物学功能。
常见的模式生物
* 逆转录病毒（retrovirus）
* 大肠杆菌（Escherichia coli）
* 酵母(budding yeast (Saccharomyces cerevisiae) , fission yeast (Schizosaccharomyces pombe))
* 秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)
* 果蝇（Drosophila melanogaster）
* 斑马鱼(zebra fish)
* 小鼠（mouse）等
* 模式植物：
拟南芥（Arabidopsis）
水稻（Rice (Oryza sativa L.) ）等
逆转录病毒、酵母菌、大肠杆菌
几种模式生物
2、显微镜技术
分辨力：显微镜或人眼在２５cm的明视距离处，能分辨被检物体细微结构最小间隔的能力。
R=0.61λ/N.A. (其中，N.A.=nsinα/2)
如何提高光学显微镜的分辨能力
·增大镜口率；
·使用波长较短的光线；
·增大介质折射率。
显微镜的几个光学特点：
* 介质折射率越接近镜头玻璃的（ 1. 7 ）越好。
* 油镜介质为香柏油，镜口率可接近1.5。
* sin α /2的最大值小于1；
* 普通光线的波长为400~700nm，光镜分辨力约为0.2μm，人眼的分辨力为0.2mm，因此显微镜的最大有效倍数为1000×。
显微结构：
在普通光学显微镜中能够观察到的细胞结构。(线粒体、中心体、核仁等。)
亚显微结构：
又称为超微结构。指在普通光学显微镜下观察不能分辨清楚的细胞内各种微细结构。( 内质网、核糖体、微管等。)
单克隆抗体技术
丹麦人，杰尼
第二章　细胞膜与细胞表面
　　　　　细胞外被
细胞表面 细胞膜（质膜）
　　　　　胞质凝胶
　　　　细胞膜(质膜)
生物膜 　　　　　内膜系统
　　　　细胞内膜
　　　　　　　　 线粒体、叶绿体膜
　　
　第一节　生物膜的结构模型
１.“三明治”模型和“单位膜”模型
２.液态镶嵌模型：
（１）膜的流动性；
（２）膜蛋白分布的不对称性。
对生物膜结构的理解：
（１）膜脂具极性头部和非极性尾部；
　（２）蛋白质分子以不同的方式镶嵌或结合；
　（３）生物膜是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。
脂质体
* 是一种人工膜。在水中，搅动后磷脂形成双层脂分子的球形脂质体。
４.生物膜结构成份及其特征
（１）膜脂
成分：磷脂、糖脂和胆固醇
运动方式
* 侧向扩散运动：
* 旋转运动：
* 摆动运动：
* 伸缩震荡运动：
* 翻转运动：
* 旋转异构化运动：
（２）膜蛋白
　膜蛋白的类型：周边蛋白和整合蛋白
　与膜脂的结合方式：
③膜蛋白的运动：
* 主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。
* 膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制。
（４）膜的不对称性
　质膜内外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，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。
（５）细胞膜的功能：
* 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；
* 提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；
* 为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效有序地进行；
* 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；
* 参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。
第二节　细胞联结
１.封闭连接：
２.锚定连接：
　（１）桥粒
（２）粘着带与粘着斑
３.通讯连接：
　（１）间隙连接：
　（２）胞间连丝：
　（３）化学突触：
各类连接的比较
第三章　物质的跨膜运输与信号传递
第一节　物质的跨膜运输
１.被动运输:
　（１）简单扩散：
　（２）协助扩散：
膜转运蛋白：载体蛋白和通道蛋白
水通道和离子通道
* 水扩散通过人工膜的速率很低。
* 1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 。
* 目前在人类细胞中已发现的此类蛋白，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。
* 2003年Agre与离子通道的研究者MacKinnon同获诺贝尔化学奖。
２.主动运输：
由载体蛋白介导，物质逆浓度梯度转运，耗能。
　（１）钠钾泵
　（２）钙泵和质子泵
　（３）协同运输：
　（４）物质的跨膜转运与膜电位:
(1)钠钾泵
* 构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，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+的亲和力变化。
Na+-K+泵的作用：
* ①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；
* ②维持低Na+高K+的细胞内环境；
* ③维持细胞的静息电位。
(2)钙离子泵
* 作用：维持细胞内较低的钙离子浓度。
* 位置：质膜和内质网膜。
(3)质子泵
* P-type利用ATP自磷酸化发生构象的改变来转移质子。
* V-type水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化。
* F-type利用质子动力势合成ATP，也叫ATP合酶。
(4)协同运输
* 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。
* 同向协同与反向协同。
* 同向协同：物质运输方向与离子转移方向相同。
* 反向协同：物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反。
第二节 膜泡运输的基本概念
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。
细胞吞入液体或极小的颗粒物质。
* 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。
四、穿胞运输
在细胞的一侧形成胞饮小泡穿越细胞质，另一侧使小泡中的物质释放出去。
五、胞内膜泡运输
细胞内膜系统各个部分之间的物质传递也通过膜泡运输方式进行。
第三节　细胞通讯与信号传递
１.细胞通讯与细胞识别
　（１）细胞通讯：
　（２）细胞识别：
　（３）信号分子与受体、第二信使
２.细胞内受体介导的信号传递
　—细胞内受体－激素激活的基因调控蛋白
３.细胞表面受体介导的信号跨膜传递　
* 　离子通道偶联的受体
* 　G蛋白偶联的受体
* 　酶偶联的受体
第四章 细胞质基质与内膜系统
第一节　细胞质基质
１.细胞质基质
现代关于细胞质基质的涵义：
２.细胞质基质的功能：
　（１）中间代谢；
（２）物质合成、运输；
（３）细胞骨架使代谢反应区域化；
（４）蛋白质修饰；
（５）蛋白质的选择性降解
第二节　内质网
　 由封闭的膜系统及其围成的腔形成互相沟通的网状结构。
１.两种基本类型：RER, SER　　　　　　　
２. 功能:
（１）蛋白质合成
（２）脂质合成
（３）蛋白质的修饰与加工
（４）新生多肽的折迭与装配
（５）其它功能：
高尔基体具有那三个功能区隔？
* 高尔基体顺面的网络结构，是高尔基体的入口区域，接受由内质网合成的物质并分类后转入中间膜囊。
* 高尔基体中间膜囊，糖基修饰，糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成均发生此处。
* 高尔基体反面的网络结构， 由反面一侧的囊泡和网管组成，是高尔基体的出口区域，功能是参与蛋白质的分类与包装，最后输出。 （二）功能：
* １.细胞分泌
* ２. 蛋白质的糖基化及其修饰
* ３.蛋白酶水解及其他加工过程
* （三）高尔基体与膜泡运输
* 第四节　溶酶体与过氧化物酶体
* （一）溶酶体
* １.形态特征：
* ２.结构类型
* 初级溶酶体→次级溶酶体→ 残余体（后溶酶体）
* 植物溶酶体－液泡
* 3.功能
* （１）清除大分子、细胞器及细胞
* （２）防御功能
（３）其它生理功能
（二）过氧化物酶体
第五节　
细胞内蛋白质分选与细胞结构的装配
１.蛋白质上主要由哪两类分选信号？
* 信号序列：是存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常15-60个氨基酸残基，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶切除.
* 信号斑：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。
２.蛋白质分选运输的基本途径与类型
* 门控运输：
* 跨膜运输：
* 膜泡运输：
第五章　线粒体和叶绿体
第一节　线粒体与氧化磷酸化
１.一般形态（光镜下）
２.结构（超微结构）
３.功能－能量转化
（１）底物进入及有关酶类
（２）蛋白质进入线粒体的机制--导肽
（３）三羧酸循环：
（４）电子传递与磷酸化偶联
1、外膜 ：具有蛋白质构成的亲水通道。
2、内膜 ：蛋白质和脂类的比例高于3:1。
嵴有两种：
①板层状，
②管状。嵴上覆有基粒。基粒由头部（F1）和基部（F0）构成 。
3、膜间隙：是内外膜之间的腔隙。
4、基质：为内膜和嵴包围的空间。含有：
* 催化三羧酸循环，脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化的酶类。
* 线粒体DNA（mtDNA），及线粒体特有的核糖体等。
* 纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质。
呼吸链的组成
第二节　叶绿体与光合磷酸化
１.质体的类型:
２.叶绿体的形态结构
３.叶绿体的功能－光合作用
（１）光反应和光合磷酸化
* 光合作用单位：
* 电子传递和光合磷酸化
（２）暗反应
* 关键酶：１，５－二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco)
（一）叶绿体外被
* 双层膜组成，膜间为10~20nm的间隙。
* 外膜的渗透性大。
* 内膜对通过物质的选择性很强。
（二） 类囊体
* 是膜围成的扁平囊。
* 基粒：扁平小囊堆叠而成，每个叶绿体含40~60个。
* 基质类囊体：连接基粒的没有堆叠的类囊体。
* 膜的内在蛋白主要有：细胞色素b6／f复合体、集光复合体（LHC）、质体醌（PQ）、质体蓝素（PC）、铁氧化还原蛋白（FD）、黄素蛋白、光系统I、II复合物等。
（三）基质
* 是内膜与类囊体之间的空间。
* 主要成分包括：碳同化相关的酶类(如RuBP羧化酶)。
* 叶绿体DNA、蛋白质合成体系。
* 一些颗粒成分：如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。
叶绿体结构要点归纳
* 含有3种不同的膜：
外膜、内膜、类囊体膜。
* 3种彼此分开的腔：
* 膜间隙、基质和类囊体腔。
第三节　半自主性细胞器及其起源　
1. mtDNA和ctDNA与核DNA的不同：
２. 线粒体和叶绿体的蛋白质合成：
３.线粒体和叶绿体蛋白质的运送和装配：
４.增殖
５.起源
支持内共生起源的主要证据
①两者都是双层膜包围的细胞器，都具有环状的DNA，就像一个原核细胞；
②叶绿体的DNA序列与蓝藻相似，而线粒体的DNA序列与现存的α-变形菌相似；
③核糖体为70S型，对细菌蛋白质合成抑制剂氯霉素敏感，蛋白质合成的起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA；
④RNA聚合酶可被利福平、链霉素等抗生素所抑制；
第六章　细胞核与染色体
第一节　核被膜与核孔复合体
１.外核膜与内核膜
* 外核膜：
* 核纤层：
２.核周间隙
* 核周隙：宽20~40nm，与内质网腔相通。
３.核孔－核孔复合体
（１）结构模型：
核孔复合体（NPC）
（２）功能：
核质间物质交换的双向选择性亲水通道。
第二节　染色质
１.染色质的概念及化学组成
　　染色质：
染色体：
（１）染色质DNA
* 真核生物细胞染色质DNA 序列特征：
* 二级结构的构型变化（B, A, Z型）：
（２）染色质蛋白质
①组蛋白：
* 特性：富含带正电荷的碱性氨基酸。
* 类型：有H1, H2A, H2B, H3, H4 共５种
* 功能：
②非组蛋白：
* 特性：多样性和异质性。
* 功能：基因表达调控；染色质高级结构的形成。
２.染色质的基本结构单位－核小体
核小体结构要点：
①每个核小体单位包括２００bp左右的DNA超螺旋、一个组蛋白８聚体和１个H1。
②组蛋白８聚体构成核小体的盘状核心，包括１个（H3)2-(H4)2四聚体和２个两侧的H2A-H2B二聚体。
③１４６bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白８聚体１.７５圈，组蛋白H1在核心颗粒外结合额外２０bpDNA,锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用。
３.染色质包装的结构模型
* 一级结构：核小体串珠结构
* 二级结构：螺线管
* 三级结构：超螺线管
* 四级结构：染色单体
４.常染色质和异染色质
（１）常染色质：间期细胞核内染色质纤维折叠压缩程度低，处于伸展状态，染色浅的染色质。
（２）异染色质：间期核中染色质纤维折叠压缩程度高，处于聚缩状态，染色深的染色质。
第三节　染色体
染色体相关的术语
２.核型与染色体显带
（１）核型：细胞分裂中期染色体特征的总和。
（２）核型分析
（３）核型模式图
（４）染色体显带：
第四节　核仁　　　
１.形态结构
　①纤维中心:
　②致密纤维组分:
　③颗粒组分：
２.核仁的功能
（１）rRNA基因转录的形态及组织特征
（２）rRNA前体的加工
（３）核糖体亚单位的装配
动物细胞结构和代谢途径
糖类脂类氨基酸和核苷酸之间的代谢联系
第七章 细胞骨架
* 成分：微丝
微管
中间纤维
* 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。
一、微管
１.构成与装配：
微管蛋白　　异二聚体　原纤维　片层　微管
微管蛋白
2.影响微管装配与去装配的因素
（１）微管蛋白浓度
（２） GTP供应
（３）离子浓度：
（４）温度；pH
（５）微管特异性药物：
（６）微管相关蛋白：
（７）微管组织中心:
3.功能
（１）维持细胞形态
（２）细胞内运输
（３）鞭毛和纤毛运动
（４）纺锤体和染色体运动
二、微丝　　
１.构成与装配
* 结构成分：肌动蛋白
* 装配：
（１）ATP, Ca++, Mg++ , Na+, K+浓度
（２）G-actin的浓度
（３）微丝结合蛋白：
（４）微丝特异性药物：
２.功能
（１）支持作用：
（２）细胞内运输，细胞分泌
（２）运动功能
* 肌细胞的收缩运动
* 细胞质流动
* 胞质分裂环
* 细胞移动
三、中间纤维
１.成分：
细胞核骨架
１.核基质（核骨架）：
与DNA复制、基因转录及RNA加工修饰有关。
２.染色体支架：
与染色体高级结构有关。
３.核纤层：
与中间纤维、核骨架相互连接，形成贯穿于细胞核和细胞质的骨架结构体系。
第八章　
细胞增殖、分化、衰老与凋亡
第一节　细胞周期与细胞分裂
一、细胞周期概述
细胞周期：有丝分裂期(M期)和分裂间期(G1期，S期，G2期）
二、细胞周期中各时期主要事件
１. G1期：R点，限制点或检验点。
２. S期:DNA合成期。
３. G2期:为进入M期作准备。
４.M期：细胞分裂期。
三、细胞分裂
（一）有丝分裂
１.前期：
２.前中期：
３.中期：
４.后期：
５.末期：
　６.胞质分裂：
　
染色体运动
有丝分裂器中与微管有关的是星体微管、着丝点微管（动粒微管）和极微管。
（二）减数分裂
１.减数分裂前间期
２. 减数分裂过程
　减数分裂I：
（１）前期I:持续时间长，分５个阶段。
（２）中期I:核膜破裂，中期I开始。
（３）后期I：同源染色体分离，移向两极；同源染色体的分离是随机的。
（４）末期I,胞质分裂I和减数分裂间期:
减数分裂II:同有丝分裂。
经过减数分裂，形成４个子细胞。雄性动植物形成４个精细胞，雌性动植物形成１个卵细胞。
３.减数分裂中的特殊结构－联会复合体
第二节　细胞分化
１.细胞分化的基本概念
（１）细胞分化：
（２）细胞分化是基因选择性表达的结果
（３）组织特异性基因与管家基因
　　—管家基因和组织特异性基因（奢侈基因）
（４）组合调控引发组织特异性基因的表达
（５）转分化与再生
第三节　细胞衰老
　１.细胞衰老的特征
２.细胞衰老的分子机制
　（１）氧化性损伤：
　（２）端粒与衰老：
　（３）rDNA与衰老：
　（４）沉默信息调节蛋白(Sir)复合物与衰老：
（５）SGS1基因、WRN基因与衰老：
第四节　细胞凋亡
1.细胞凋亡的形态学和生物化学特征　
（1）细胞凋亡的形态学特征
　凋亡的起始→凋亡小体形成→凋亡小体被吞噬　　　　
（2）细胞凋亡的生化特征
　　染色质核小体间发生断裂，形成电泳上的梯状条带；
　 组织转谷氨酰胺酶(tTG)累积并达到较高水平。
2.细胞凋亡的分子机制　
2002年10月7日英国人悉尼·布雷诺尔、美国人罗伯特·霍维茨和英国人约翰·苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理或医学奖。
Sydney Brenner
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