第一讲绪论
一．细胞生物学研究的内容与现状
1． 研究对象――细胞（cell）
细胞是一切生物体的形态结构和生命活动的基本单位，在生命物质进化中处于中心地位。生命进化示意：粒子－原子－分子－大分子－细胞器－细胞－组织－器官－系统－个体－群体
2． 学科名称的演变
50-60 年代，称为细胞学（cytology）， 利用光学显微镜对细胞的结构、功能和生活史进行研究，主要集中于静态描述；70 年代以来，发展成为系统学科--细胞生物学（cell biology）
， 利用光学显微镜、电子显微镜和冰冻蚀刻等方法，从细胞的整体活动水平、亚细胞水平和分子水平对细胞和细胞器的结构与功能，进行研究，以动态的观点来探索细胞的基本生命活动。
1976 年， 在美国波士顿召开了第一次“细胞生物学”会议，标志了细胞生物学的诞生。
当前，逐渐与分子生物学结合，向分子水平发展。二．细胞生物学的发展简史
细胞大小：≤30μm
肉眼观察：≥100μm
1． 细胞的发现
1590 年，第一架复式显微镜由荷兰眼镜制造商詹森
（H.和Z.Janssen ）父子制造，放大倍数为10-30 倍，能观察昆虫跳蚤之类的生物，故俗称“跳蚤镜”；1665 年，英国人罗勃特·胡克（Robert.Hooke） 发表了《显微图谱》一书，书中第一次描绘了细胞的形态，他所用的自制显微镜放大倍数为40-140 倍，观察到了植物死细胞的壁（cell-小室）；1674 年,荷兰人列文胡克（A.V.Leeuwenhoek ）第一次观察到了活细胞，他所用的显微镜放大倍数为250-500 倍。
 
2． 细胞学说的创立19 世纪30 年代，显微技术提高至1μm 以内，同时切片机的研制成功，促进了显微解剖学
的发展，提高了人们对细胞的认识。
1831 年，Robert Brown 发现了细胞核；
1833 年，施莱登（M.J.sehleiden ）提出了细胞核核仁的概念；
1839 年，浦金野（Purkinji ）提出了细胞原生质的概念；
1838-1839 年， 施莱登和施旺提出了细胞学说，主要内容为：（1） 细胞是有机体，一切动植物都是由细胞发育而来， 并由细胞和细胞产物所构成--结构单位；（2） 每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它自己的生命，又对与其它细胞共同组成的整体生命有所助益--功能单位；（3） 新的细胞可通过老的细胞繁殖产生。
细胞学说、1859 年达尔文确立的进化论和1866 年孟德尔的确立的遗传学被认为是现代生物学的三大基石。
3． 细胞超显微结构的兴起光学显微镜时代，分辨率：0.2μm， 细胞结构中发现了高尔基器、线粒体、中心体等， 对细胞结构的复杂性有了更深入了了解。
 
1933 年， 西门子公司制造了第一架电子显微镜，分辨率：50nm ，该分辨率下不仅描绘了细胞的超微结构， 也反映出细胞活动的动态观点。电镜技术的发展， 使科学家侧重于细胞的超微结构和分子结构水平的研究，细胞学发展到一新阶段--细胞生物学。
 
4． 现代细胞生物学和分子生物学的兴起
 

1983 年，原子直观超高分辨率分析电子显微镜，放大倍数达1 亿倍，可观察到细胞基质（cell matrix） 中的结构如细胞骨架、微管、微丝等。而1990 年研制成功的扫描隧道显微镜则可直接观察到噬菌体（phage）DNA 的三链瓣状缠绕结构。伴随着这些技术的发展，人们越来越重视从分子结构来揭示细胞生命活动的机理，即形成了“分子生物学”这一学科。分子生物学和细胞生物学的相结合，把细胞的生命活动同亚细胞成分的分子结构变化联系起来，是现代细胞生物学的基本特征。三．细胞生物学与其他学科的关系
细胞生物学是生物学是生物学的一门分支学科，它联系着生物学科的许多分支学科，也是这些学科的基础。四．细胞的基本概念
 
1． 细胞的基本特征生命活动最基本三要素：基因组；质膜；完整代谢机构细胞区别于无机界的最主要特征：结构上的自我装配；生理活动中的自我调节； 增殖上的自
 
我复制。
 
2． 原核细胞与真核细胞（Prokaryotic cell and Eucaryotic cell） 原核细胞：拟核；DNA；单细胞生物；无特化功能区；三类：支原体、蓝藻和细菌。真核细胞：核；DNA ，基因组；膜性细胞器；功能区隔化；植物和动物。原核细胞和真核细胞基本特征的比较（A 为原核细胞，B 为真核细胞）
 
细胞壁：A. 细菌细胞壁的主要成份为氨基酸与壁酸；B. 动物细胞无，植物细胞有。主要成份为纤维素与果胶。细胞膜：A. 有（功能性）；B. 有。内质网：A. 无；B. 有。高尔基器：A. 无；B. 有。核糖体:A. 70S(50S 和30S)；B. 有。溶酶体：A.无；B.有。光合作用结构：A. 蓝藻有叶绿素a 的膜层结构,细菌有菌色素；B. 植物有叶绿体。线粒体：A.无；B.有。细胞骨架：A.无；B.有。核膜：A.无；B.有。核仁：A.无；B.有。染色体：A. 单个环状分子；B. 2 个以上，DNA 与蛋白质以核小体形成染色体(质)。细胞分裂方式：A. 无丝（直接）分裂；B. 有丝分裂和减数分裂。DNA 分子结构与数量:A. 环状，1 个；B. 线状，2 个以上。DNA 复制周期:A. 无明显周期；B. 有。基因组：A. 1n；B. 2n 或多倍。基因数:A. 少；B.多。基因表达调控：A. 操纵子,转录和翻译偶联；B. 多层次，核内转录，细胞质中翻译，阶段性和区域性。
 
3．病毒构成：芯：核酸； 壳： 蛋白； 特点：无自主代谢能力，寄生。分类：病毒在细胞内的活动：裂解；整合。类病毒（仅RNA 构成） 蛋白感染因子(Prion protein,PrP, 朊病毒) 1982 年 S.B.Prusiner 五．细胞的化学组成水(结合态和游离态)； 无机离子(Ca2+ ，Mg2+ ，Fe3+ ，Na+ ，PO43-)；有机分子(蛋白质， 脂类，糖类)。
第二讲细胞质膜与细胞表面
细胞质膜（plasma membrane）：又称细胞膜（cell membrane）， 是包围在所有细胞表面一层极薄的膜，具有独立的结构与功能，起着和环境分开，维持细胞内环境，物质交换， 能量和信息的传递等作用， 对细胞的生存、生长、分裂、分化等都极其重要。在真核生物中的细胞器也具有膜结构，这一类膜与细胞体内的物质合成、分泌、运输、降解等有关， 被称为细胞内膜，它们与细胞质膜统称为生物膜（biology membrane）。
细胞表面（cell surface），又称细胞外被（cell coat），是指细胞质膜外表面覆盖的一层与质膜中蛋白质或脂类分子共价结合的粘多糖，对膜蛋白起保护作用，并且在细胞识别中起重要作用。在哺乳动物小肠上皮细胞的细胞被称为糖萼（glycocalyx）。一．细胞膜的组成：膜脂、膜蛋白和膜糖
1．膜脂约占细胞干重的50％，主要有磷脂、胆固醇和糖脂三种，均为双型性分子。
磷脂因所带的碱基不同而分许多类，如磷脂酰胆碱、卵磷脂、鞘磷脂等，而每一类因脂肪酸链长短和饱和程度不同又分许多种，在膜中磷脂含量是比较高的。
胆固醇在真核生物的质膜中含量较多(1/3)， 结构如左图。该化合物对调节膜的流动性有重要意义。在细菌的质膜中则无胆固醇。
糖脂的结构与磷脂相似。糖脂决定了红细胞的ABO 血型，A 型血糖脂较O 型多一个N－乙酰半乳糖胺残基，B 型仅多一个半乳糖残基(B 型转为O 型，去乳糖)。
大部分磷脂和糖脂分子在水环境中能自发的形成双层。
其中磷脂极性很强,在水环境中分子聚焦，其极性头部与水接触，疏水尾部避开水向分子团的内面，形成小球形的分子团（micelles）,或成球状体的脂质体（liposome）（ 人工膜）。
磷脂的这种特性在生物膜的体外研究种有重要意义。
而胆固醇在膜中插入与磷脂内部，极性头部与磷脂的极性头部结合，主要功能：A.固定磷脂
中部分脂肪酸链，保持细胞形态，降低水溶性分子通透性(细菌无胆固醇有细胞壁)。B.防止脂肪酸链的凝固，维持细胞膜的相变。
2． 膜蛋白
约占细胞干重的40％， 根据其与膜脂的相互作用方式及在膜中的排列部位不同，分为：外在性或边周蛋白（extrinsic or peripheral protein ）与内在性或整合蛋白（intrinsic or integral protein）。
边周蛋白与整合蛋白的比较（A 为边周蛋白，B 为整合蛋白） 分布：A.在膜表面；B.分布在膜中或穿膜。表面活性剂（有机溶剂）洗脱：A.易；B. 剧烈条件。游离特性：A.呈水溶性，不再与膜脂成膜；
B.能自我聚合，能与膜脂成膜。二、细胞膜的分子结构

1． 流动镶嵌模型Ⅰ细胞膜结构发现简史Ⅱ主要特点：
⑴流动的脂质双分子构成膜的连续体；
⑵蛋白质分子象一群岛屿般无规则的分散在脂质的海洋中。

2． 膜的分子不对称性膜脂：同一种膜脂分子在膜的双分子中分布不均糖：糖侧链都分布在质膜的外表面（ES） 膜蛋白：每种膜蛋白分子在膜上都具有明确的方向性细胞外表面（extrocyoplasmic surface，ES） 原生质表面（protoplasmic surface,PS）
3． 膜的流动性膜脂分子的流动：侧向扩散(lateral shift)； 旋转运动(flex) ；左右摆动(flex) ；翻转运动（flip-flop） 膜蛋白的流动：侧向扩散－成斑(patching), 成帽(capping)； 旋转运动。影响膜的流动性的因素：膜本身的组成成份、遗传因子、环境的理化因素，其中膜的组成成份中膜脂的影响较明显：胆固醇、不饱和键含量和链的长度、卵磷脂/鞘磷脂的比值。
4． 膜流动性的生理意义物质运输；信息传递；酶活性；激素与药物的作用；细胞增值与发育。三、细胞质膜的功能主要功能：⑴ 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境； ⑵选择性的物质运输， 其中伴随着能量的传递；⑶ 提供细胞识别位点，完成细胞内外信息跨膜传递；⑷为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效有序进行；⑸介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接； ⑹质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。
1． 物质运输按运输物质类型分:

膜泡运输 --蛋白质、RNA； 穿膜运输 -- Na+、K+ 。
穿膜运输
物质穿膜的基本特点: 脂溶性、分子大小、电荷性。不同机制的穿膜运输特点
⑴被动运输( Passive transport ) 物质：高→低动力：浓度梯度(电或化学能)。
①简单扩散( simple diffusion ) 无蛋白参与决定因素：分子大小，分子极性；物质对象：H2O, CO2, O2..
②协助扩散( facilitated diffusion ) 蛋白参与决定因素：特异膜蛋白协助；物质对象：极性分子, 部分无机离子、部分糖、氨基酸。

K＋通道：同源四聚体，孔道，中央孔道φ=0.3nm， 闸门，电压感受器，选择性滤器。葡萄糖输运载体(glucose transporter) ：大多数哺乳动物细胞质膜上存在，保证葡萄糖从血液中扩散入细胞；五种异构体；红血球中：分子量约为45KD ，含有12 个跨膜α-螺旋，形成一个中央孔道，不对称地插入质膜中，葡萄糖输运方向取决于膜两侧的葡萄糖浓度，胞浆存在的己糖激酶能迅速使之磷酸化，输运载体再生。
⑵主动运输 (Active transport)   ATP-driven active transport, coupling pump to ATP hydrolysis 物质：低→高；动力：ATP 、间接、光能
①离子泵 (ATPase)
从结构上主要分为P、V 和F 三类：
P 类：P 表示磷酸化，由于ATP 水解，使得输
运蛋白磷酸化导致构象变化，改变载体蛋白与
被运离子间亲和力。
Large catalytic α subunits (often two) become phosphorylated during solute transport; Smaller β subunits may regulae transport 。质膜Na+/K+泵；质膜Ca2+泵(把Ca2+排出细胞)； 内质网Ca2+泵(把胞浆中的游离Ca2+泵入内质网囊腔中)； 胃上皮酸分泌细胞H+/ K+泵(把H+ 排到细胞外而把K+泵入细胞)。Na+-K+泵：膜内在蛋白四聚体，ββαα 亚基ATP→ADP+Pi Pi 结合到α 亚基的天门氨酸残基上。3 个Na+被跨膜泵出细胞，2 个K+被反向泵入细胞。Na+和K+都是逆浓度梯度跨膜转运。该类离子泵是一偶联系统。大多数细胞产能的三分之一，神经细胞产能的三分之二，被消耗在Na+/K+泵的运行上。膜两侧该两离子不均分布，有利维持细胞两侧的渗透平衡。Ca2+泵：单亚基膜内在蛋白10 个a 螺旋与前a 亚基同源细胞膜和内质网膜维持细胞胞质中低浓度的游离Ca2+
②伴随运输电化学梯度共运输和对向运输钠钾泵或质子泵为基础
2．细胞间信号转导㈠细胞通讯与细胞识别
⑴细胞通讯（cell communication） 一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。通讯方式：①分泌化学信号进行通讯，包括内分泌（endocrine）、自分泌（autocrine）、旁分泌（paracrine）、化学突触（chemical synapse）
；
②接触性依赖的通讯；③间隙连接实现代谢偶联或电偶联。
⑵细胞识别（cell recognition） 细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性地相互作用，而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。信号通路（signaling pathway）： 细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称之为细胞信号通路。细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的。㈡细胞的信号分子与受体
⑴信号分子（signal molecule）（见表5-3） 亲脂性信号分子、亲水性信号分子、气体性信号分子(NO) 。
⑵受体（receptor）：多为糖蛋白
①细胞内受体：胞外亲脂性信号分子所激活。
②细胞表面受体：胞外亲水性信号分子所激活。分属三大家族：
A ．离子通道偶联的受体（ion-channel-linked receptor）
B．G-蛋白偶联的受体（G-protein-linked receptor）
C．酶偶连的受体（enzyme-linked receptor）
⑶第二信使（second messenger）

⑷分子开关（molecular switches )
㈢通过细胞内受体介导的信号传递
⑴甾类激素介导的信号通路两步反应阶段：①初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录的，发生迅速；
②次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用。
⑵一氧化氮介导的信号通路㈣通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递
⑴离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递
①信号途径：
②特点：A、受体/离子通道复合体，四次/六次跨膜蛋白；B、跨膜信号转导无需中间步骤；C、主要存在于神经细胞或其他可兴奋细胞间的突触信号传递；D、有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性。⑵G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递①cAMP 信号通路
A．反应链激素→G-蛋白偶联受体→G-蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→cAMP 依赖的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录
B．组分激活型激素受体Rs，与GDP 结合的活化型调节蛋白Gs， 抑制型激素受体Ri，与GDP 结合的抑制型调节蛋白Gi，腺苷酸环化酶。
C．分析G-蛋白活化与调节（如左图所示）
②磷脂酰肌醇信号通路“双信使系统”反应链
③受体酪氨酸激酶及RTK-Ras 蛋白信号通路
A．受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，
RTKs）
B．反应链配体→受体→受体二聚化→受体的自磷酸化→激活RTK →胞内信号蛋白→启动信号传导C．RTK- Ras 信号通路配体→RTK→adaptor←GRF→Ras→ Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK →进入细胞核→其它激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修钸
⑶细胞表面其它与酶偶联的受体
①受体丝氨酸/苏氨酸激酶；②受体酪氨酸磷酸酯酶；
③受体鸟苷酸环化酶；④酪氨酸蛋白激偶联系的受体。两大家族：①一是与Src 蛋白家族相联系的受体；②二是与Janus 激酶家族联系的受体。信号转导子和转录激活子（STAT ）与JAK-STAT 途径。㈤由细胞表面整合蛋白介导的信号传递
⑴整合蛋白与粘着斑。
⑵导致粘着斑装配的信号通路有两条。
⑶粘着斑的功能：①一是机械结构功能；②二是信号传递功能。
⑷通过粘着斑由整合蛋白介导的信号传递通路：①由细胞表面到细胞核的信号通路；②由细胞表面到细胞质核糖体的信号通路。㈥细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息
⑴细胞信号传递的基本特征：
①具有收敛（convergence ）或发散（divergence） 的特点；
②细胞的信号传导既具有专一性又有作用机制的相似性；
③信号的放大作用和信号所启动的作用的终止并存；
④细胞以不同的方式产生对信号的适应。
⑵蛋白激酶的网络整合信息与信号网络系统中的cross talk。
第三讲 细胞质基质与内膜系统
一、细胞质基质(cytoplasmic matrix or cytomatrix )
1．基本涵义
用差速离心法分离细胞匀浆物组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分。生物化学家多称之为胞质溶胶。中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。细胞质基质是一个高度有序的体系；通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系。细胞质基质是细胞的重要的结构成分，其体积约占细胞质的一半。肝细胞中细胞质基质及细胞其它组分的数目及所占的体积比（引自Albert.1998）
细胞组分 数目 体积比
细胞质基质  1  54 
细胞核  1  6 
内质网  1  12 
高尔基体  Several  3 
溶酶体  300  1 
胞内体  200  1 
过氧化物酶体  400  1 
线粒体  1700  22 
2．细胞质基质的功能
⑴完成各种中间代谢过程：如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等。
⑵与细胞质骨架相关的功能：维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递等。
⑶蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解：①蛋白质的修饰；②控制蛋白质的寿命；③降解变性和错误折叠的蛋白质；④帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正确的分子构象。二、细胞内膜系统（endomembrane system） 定义：功能上连续统一的细胞内膜，包括核被膜、内质网、高尔基器、液泡等，是合成蛋白质、脂类、糖类的主要场所，也具有包装和运输合成产物和分泌产物的功能，是真核细胞所特有的结构，而原核生物中其质膜或某些类似结构完成相应的生理功能。特点：①细胞内膜系统是指细胞内在结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构；②真核细胞细胞内的区域化（compartmentalization）。

1．内质网（endoplasmic reticulum） 发现：1945 年，小鼠成纤维细胞，内质中的网状结构形态：封闭的膜系统及其围成的腔形成相互沟通的网状管道结构，增加了内膜表面积。类型：粗面内质网(rough ER) ：附着核糖体，扁囊，蛋白质合成加工；
光面内质网(smooth ER) ：无核糖体，小管小囊，脂类合成。化学组成：质膜类似，蛋白质含量较高，标志酶:葡萄糖-6-磷酸酶功能： ①蛋白质的合成、加工修饰和转运（rER 、信号肽假说）； ②脂类的合成（合成膜及运输、肝细胞、sER 腔面）；③糖类的代谢（肝细胞、sER 、细胞色素450）；④解毒作用。
信号肽假说
信号识别蛋白(signal recognition particle) 信号识别蛋白受体(SRP receptor) 或停靠蛋白信号肽水解酶(signal peptidase)
过程：识别→合成停止结合→合成重新开始剪切→蛋白成熟
2.高尔基器（golgi apparatus） 发现：1898 年，意大利,Golgi 。
3．核糖体（ribosome）
分布：rER， 线粒体，叶绿体，游离。
组成与类型:颗粒状，无膜，蛋白质40%，rRNA60%，70S( 原核)，80S( 真核)
核糖体二聚体，多核糖体

原核生物与真核生物核糖体的比较
原核生物(S)  真核生物(S) 
完整核糖体  70S  80S 
大亚单位  50S  60S 
rRNA  23S  5S  28S 5.8S 5S 
蛋白质  L1-34  约49 种
小亚单位  30S  40S 
rRNA  16S  18S 
蛋白质  S1-21  约33 种
掺入AA 的最适[Mg 2+]  10-15mmol/L  1.5mmol/L 
S:沉降系数，测量某一物质在离心力作用时的沉降速度。

4．液泡（vacuole） 特点：一层膜围成的球状，与质膜、高尔基器、内质网等关系密切类型：
①高尔基液泡(golgi vacuole) ：高尔基反面高尔基池边缘的小泡，含水解酶。
②溶酶体(lysosome) ：内质网或高尔基体形成，含水解酶。
③圆球体(spherosome)： 植物细胞的溶酶体，由内质网形成。
④微体(microbody) ：按所含的酶命名，如过氧化物酶体和乙醛酸循环体。
⑤消化泡(digestive vacuole) ：溶酶体与吞噬小体融合后形成的小泡。
⑥自噬小体(autophagic vacuole)： 一层膜将部分细胞质包围而成，消化碎片。
⑦微体(microbody) ：按所含的酶命名，如过氧物酶体。
⑧胞饮液泡(pinocytosis vacuole)： 质膜内陷吞饮溶液或营养物质。
⑨吞噬小体(phag

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