《细胞生物学》课件.ppt

第三章第三章 细胞生物学概论细胞生物学概论本章内容提要本章内容提要第一节 细胞生物学发展简史第二节 细胞膜第三节 细胞与能量第四节 细胞增殖与细胞分化第五节 细胞衰老与细胞死亡 第一节第一节 细胞生物学发展简史细胞生物学发展简史•细胞生物学（Cell Biology）：研究细胞的形态结构及其生命活动规律的科学•细胞：生物的基本组成单位（病毒除外） 细胞生物学发展的三个水平细胞生物学发展的三个水平•细胞 水平 —— 光学显微镜技术•亚细胞水平 —— 电子显微镜技术•分子 水平 —— 生物化学与分子生物学技术细胞生物学发展的四个阶段细胞生物学发展的四个阶段一、细胞学说的建立二、细胞学经典时期三、实验细胞学阶段四、细胞生物学的兴起第一阶段第一阶段 细胞学说的建立细胞学说的建立（16世纪后期—19世纪30年代）•细胞的发现1665年，英国人Robert Hook发现软木塞中蜂窝状小室，命名为细胞细胞第一阶段第一阶段 细胞学说的建立细胞学说的建立•1667年，荷兰生物学家Leeuwen Hook观察到真正的活细胞第一阶段第一阶段 细胞学说的建立细胞学说的建立•1838-1839年，施莱登（MJ. Schleiden）和施旺（T. Schwann）正式提出了细胞学说细胞学说•基本内容：•有机体由细胞构成；细胞是有机体的基本单位；•细胞只能通过细胞分裂形成Matthias Jacob SchleidenTheodr Schwanna第二阶段第二阶段 细胞学经典时期细胞学经典时期 （19世纪中期—20世纪初）•应用固定和染色技术，在显微镜下观察细胞•观察到几种重要的细胞器，中心体、线粒体、高尔基体等•1893年，德国人赫特维希的专著《细胞与组织》，标志着细胞学的诞生第三阶段第三阶段 实验细胞学阶段实验细胞学阶段 （20世纪初—20世纪中叶）•电子显微镜技术的出现，采用实验手段，研究细胞的生理功能、生物化学、遗传发育机制•与其他学科相互融合，形成一些重要的分支学科•细胞学发展为细胞生物学第四阶段第四阶段 细胞生物学的兴起细胞生物学的兴起 （20世纪中至今）•分子水平上研究细胞的结构和功能•分子生物学的迅猛发展大大促进了细胞生物学的发展•细胞生物学领域获诺贝尔奖情况• •20012001年，美国人年，美国人Leland HartwellLeland Hartwell、英国人、英国人Timothy HuntTimothy Hunt、、Paul NursePaul Nurse因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。

医学奖Leland H. HartwellLeland H. Hartwell R. Timothy (Tim) HuntR. Timothy (Tim) Hunt Sir Paul M. NurseSir Paul M. Nurse •2002年，英国人布雷诺尔、美国人霍维茨和英国人苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔生理医学奖Sydney BrennerH. Robert HorvitzJohn E. Sulston •2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖Peter AgreRoderick MacKinnon 第二节第二节 细胞膜细胞膜内容提要内容提要•一、细胞膜的化学组成及膜结构•1. 细胞膜化学组成•2. 细胞膜的分子结构•二、细胞膜的功能•1. 细胞膜的物质运输功能•2. 细胞膜受体•3. 膜抗原细胞膜（细胞膜（Cell Membrane））•包围在细胞质外围的一层界膜，又叫质膜质膜•将细胞质与外环境分隔开构成一道特殊屏障，使细胞有一个相对独立而稳定的内环境，在细胞与外环境之间进行物质、能量交换及信号传导。

•细胞内由膜构成的结构其成分基本相近，因此又把细胞中的所有膜统称为生物膜生物膜细胞膜特点细胞膜特点•透镜下呈现“两暗夹一明”的三层结构，厚度在8-10nm之间•主要由脂质分子、蛋白质分子、糖类分子以非共价键形式连接而成，脂类分子排列成连续的脂双层，组成膜的基本结构•膜脂（膜脂（50%））细细胞膜胞膜基本骨架基本骨架•膜蛋膜蛋白（白（40-50%））多多种种方式方式与与脂脂双层结双层结合合•膜膜糖糖（1-10%）质质膜表面膜表面磷脂糖脂胆固醇外周蛋白镶嵌蛋白与脂类结合- 糖脂与蛋白结合- 糖蛋白细胞膜的基本骨架细胞膜的化学组成细胞膜的化学组成膜脂（膜脂（Membrane Lipid））•膜脂主要包括磷脂磷脂、、糖脂糖脂和胆固醇胆固醇三种类型•磷脂：构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50％以上 磷脂分子由1个亲水的头部和2个疏水的尾部组成，尾部含有1～2个双键膜脂是兼性分子，能自动形成双分子层（自我组装） 糖脂糖脂•约占5％以下，神经细胞膜含量高，约占5-10％  如：神经节苷脂是神经元细胞膜的特征性成分•两两性性分分子子，含糖而不含磷酸，由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合。

•糖糖脂脂均均位位于于膜膜的的非非胞胞质质面面，，将将糖糖基基暴暴露露于于细细胞胞的的表表面面，，可可作作为为受受体体参参与与细细胞胞识识别别和和信信号号传传导导作用作用 胆固醇胆固醇•存在真核细胞膜上，双性分子，含量约膜脂的1/3•功能是提高膜的稳定性，调节流动性，降低水溶性物质的通透性膜脂的功能膜脂的功能•支撑，膜脂是细胞的骨架•维持构象并为膜蛋白行使功能提供环境•是部分酶行使功能所必需的膜蛋白膜蛋白（（ Membrane Protein ））n膜蛋白是膜结构的重要成分核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白n根据与膜脂结合的不同方式可分为： 膜内在蛋白（镶嵌蛋白）膜内在蛋白（镶嵌蛋白）膜外在蛋白（外周蛋白）膜外在蛋白（外周蛋白）•外周蛋白外周蛋白 附着在膜的内外表面，与膜连接较松散，以非共价键结合在膜脂上，易于分离•镶嵌蛋白镶嵌蛋白 以不同程度嵌入脂双层的内部， 大多数以共价键与膜脂相结合，不易分离膜蛋白的功能膜蛋白的功能•膜蛋白是膜功能的主要体现者：•与细胞膜的物质转运功能有关•与膜受体有关；•与细胞免疫有关；•可作为具有催化的酶•支持和保护作用 膜糖膜糖•真核细胞表面均有糖类，位于膜的非胞质侧•膜糖类存在的形式 单个糖链共价结合于膜脂分子形成糖脂 单个糖链共价结合于膜蛋白分子形成糖蛋白 多个糖链共价结合于膜蛋白分子形成蛋白多糖膜糖的功能膜糖的功能•作为抗原物质 人的红细胞ABO血型系统中，红细胞的不同抗原特性就是由结合在膜脂质的鞘氨醇分子上的寡糖链所决定的，A型抗原和B型抗原的差别仅在于此糖链中一个糖基的不同。

•细胞识别•参与细胞与环境的物质交换Singer 和Nicolson 1972 根据免疫荧光、冰冻蚀刻的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”(Fluid-mosaic model)细胞膜的分子结构细胞膜的分子结构细胞膜由流动的脂双层和嵌在其中的蛋白质组成蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性 膜脂和膜蛋白处于不断的运动状态，称膜脂和膜蛋白处于不断的运动状态，称为膜的为膜的流动性流动性，是细胞进行生命活动的，是细胞进行生命活动的必要条件必要条件细胞膜具有细胞膜具有流动性流动性①侧向扩散运动；②旋转运动；③摆动运动④伸缩震荡运动；⑤翻转运动；⑥旋转异构化 细胞膜的细胞膜的不对称性不对称性（一）脂双层的不对称性（二）膜蛋白的不对称性1. 整合膜蛋白跨越脂双层有一定方向2. 膜外在蛋白在膜内外的分布不对称细胞膜的功能细胞膜的功能•物质运输功能•被动运输•主动运输•胞吞作用和胞吐作用•细胞膜受体•膜受体与信号传递•膜受体与信号识别•膜抗原 易化扩散被动运输吞噬吞饮简单扩散主动运输 跨膜运输Transmembrane transport胞吞膜泡运输Vesicletransport胞吐物质运输物质运输 (Substance Transport(Substance Transport））（一）小分子物质的跨膜转运（一）小分子物质的跨膜转运•小分子小分子 离子离子：阴离子：阴离子 CLCL- - 阳离子阳离子 NaNa+ +, K, K+ +, Mg, Mg+ +, Ca, Ca2+2+, H, H+ + 非极性小分子非极性小分子：：O O2,2, CO CO2 2 极性小分子极性小分子：乙醇，：乙醇， 尿素，类固醇激素尿素，类固醇激素 其他其他：甘油，：甘油， 葡萄糖，氨基酸葡萄糖，氨基酸•小分子物质通过细胞膜转运的主要方式小分子物质通过细胞膜转运的主要方式 被被动运输动运输 简单扩散（简单扩散（simple diffusion））（（passive transport）易化扩散（）易化扩散（facilitated diffusion）） 主主动运输动运输（（active transport）） 简单扩散（简单扩散（simple diffusionsimple diffusion）） 影响因素影响因素：：分子量越小分子量越小脂溶性越强脂溶性越强非极性比极性分子非极性比极性分子 过脂双层膜速率越快过脂双层膜速率越快 特点特点：：①①沿浓度梯度扩散沿浓度梯度扩散 高高- -低低②②不需要提供能量不需要提供能量③③不需要膜蛋白协助不需要膜蛋白协助膜转运蛋白膜转运蛋白————小分子跨膜转运的载体或通道小分子跨膜转运的载体或通道膜转运蛋白分两类：膜转运蛋白分两类： 载体蛋白载体蛋白(carrier protein)(carrier protein)：与特定溶质结合，：与特定溶质结合， 改变构象使溶质穿越细胞膜改变构象使溶质穿越细胞膜通道蛋白通道蛋白(channel protein)(channel protein)：形成一种充满水溶液：形成一种充满水溶液的通道，贯穿脂双层之间，当孔开放时特定的溶质的通道，贯穿脂双层之间，当孔开放时特定的溶质经过通道穿透细胞膜经过通道穿透细胞膜 膜转运蛋白运输的形式：易化扩散、主动运输膜转运蛋白运输的形式：易化扩散、主动运输 易化扩散易化扩散（facilitated diffusion）•所有的通道蛋白和大多数载体蛋白使溶质穿过膜是被动的，如果转运分子不带电荷，膜两侧浓度梯度决定分子运动方向；若带电荷，膜两侧电化学梯度决定方向 •特点： ①转运速率高； ②运输速率同物质浓度成非线性关系； ③特异性；④饱和性。

 主动运输主动运输•载体蛋白的运输形式，细胞膜利用代谢产生的能量驱动物质的逆浓度梯度方向的运输，消耗能量•能量来源：•①离子梯度离子梯度动力；•② ATP驱动的泵通过水解ATPATP获得能量；•③光光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌 钠钾泵钠钾泵•构构成成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，也叫Na+-K+ATP酶酶，分布于动物细胞的质膜 将将Na+逆电化学梯度运出细胞逆电化学梯度运出细胞 将将K+逆电化学梯度运入细胞逆电化学梯度运入细胞其动力是自身其动力是自身ATP水解供能水解供能—Na+-k+-ATP酶酶钠钾泵机制机制•Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与象的变化，导致与Na+、、K+的亲和力发生变化的亲和力发生变化特性：对离子的转运循环依赖特性：对离子的转运循环依赖自磷酸化自磷酸化过程过程 •Na+-K+泵的直接效能：每一循环消耗一个泵的直接效能：每一循环消耗一个ATP；；转运转运出三个出三个Na+，转，转进两个进两个K+，使胞外高钠，胞，使胞外高钠，胞内高钾，形成胞内负电，胞外正电内高钾，形成胞内负电，胞外正电 •Na+-K+泵作用是：泵作用是：①①维持低维持低Na+高高K+的细胞内环的细胞内环境，维持细胞的静息电位；境，维持细胞的静息电位；②②维持细胞的渗透性，维持细胞的渗透性，保持细胞的体积。

保持细胞的体积 （二）大分子和颗粒物质的（二）大分子和颗粒物质的膜泡转运膜泡转运 ————胞吞和胞吐胞吞和胞吐 细胞胞吞作用的两种形式：细胞胞吞作用的两种形式：胞吞作用消耗能量胞吞作用消耗能量, ,属于细胞膜的主动运输属于细胞膜的主动运输吞噬吞噬（（phagocytosisphagocytosis））进入细胞的物质是固形体进入细胞的物质是固形体吞饮吞饮（（pinocytosispinocytosis））进入细胞的物质是液体进入细胞的物质是液体•细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、蛋白质、病毒等由专门的吞噬细胞进行消化，最终到达溶酶体被降解吞噬作用吞噬作用•细胞吞入液体或极小的颗粒物质被吞噬的物质从细胞质膜表面 膜包围囊泡 溶酶体消化吞饮作用吞饮作用胞吐作用胞吐作用•胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程，又称出胞作用•包含内容物的囊泡移至细胞表面，与质膜融合，随后融合处破裂，将内容物排出细胞之外。

•消耗能量,属于主动运输•功能：补充质膜更新所需的物质；分泌各种分子 细胞膜的循环细胞膜的循环•内吞、外吐过程是两个相辅相成的过程，即有一定数量的质膜经内吞作用而减少，也有相应数量经外吐作用的质膜进行补充，以保持细胞质膜面积的恒定；同时质膜的流动性也有利于细胞功能的执行细胞膜的功能细胞膜的功能•物质运输功能•细胞膜受体•膜抗原•信号转导信号转导（（signal transduction））•指外界信号（主要是化学分子）通过与指外界信号（主要是化学分子）通过与细胞膜上或胞内的细胞膜上或胞内的受体受体特异性的结合，特异性的结合，将信号将信号转换转换后传给相应的后传给相应的胞内系统胞内系统，使，使细胞对外界信号作出适当的细胞对外界信号作出适当的反应反应，这一，这一过程称为过程称为信号转导信号转导细胞间的信号转导包括以下几个方面：细胞间的信号转导包括以下几个方面：化学信号分子化学信号分子化学信号分子化学信号分子（（（（第一信使第一信使第一信使第一信使）））） 与细胞表面以及细胞内部的与细胞表面以及细胞内部的与细胞表面以及细胞内部的与细胞表面以及细胞内部的受体受体受体受体结合结合结合结合受体将信号受体将信号受体将信号受体将信号转换转换转换转换为细胞内信号分子（为细胞内信号分子（为细胞内信号分子（为细胞内信号分子（第二信使第二信使第二信使第二信使））））启动胞内信使系统，最终产生启动胞内信使系统，最终产生启动胞内信使系统，最终产生启动胞内信使系统，最终产生生物学效应生物学效应生物学效应生物学效应• 受体（受体（receptorreceptor）：）： 对对配体配体（胞外信号分子）具有（胞外信号分子）具有特异识别特异识别和和结合结合功能的生物活性分子，进而激活胞内一功能的生物活性分子，进而激活胞内一系列生化反应，使细胞对外界刺激产生相应的系列生化反应，使细胞对外界刺激产生相应的效应。

主要是细胞膜上镶嵌的蛋白质（如糖蛋效应主要是细胞膜上镶嵌的蛋白质（如糖蛋白），也有非蛋白质受体（如糖脂）白），也有非蛋白质受体（如糖脂）受体大多数位于细胞膜上，称为受体大多数位于细胞膜上，称为膜受体膜受体；少部；少部分在细胞质内，称为分在细胞质内，称为胞内受体胞内受体• 配体（配体（ligandligand）：）： 作用于细胞的外界物质，能与受体呈特作用于细胞的外界物质，能与受体呈特作用于细胞的外界物质，能与受体呈特作用于细胞的外界物质，能与受体呈特异性结合，如激素、神经递质、生长因子等异性结合，如激素、神经递质、生长因子等异性结合，如激素、神经递质、生长因子等异性结合，如激素、神经递质、生长因子等膜受体膜受体存在于存在于存在于存在于细胞质膜细胞质膜细胞质膜细胞质膜上的受体，绝大部分是上的受体，绝大部分是上的受体，绝大部分是上的受体，绝大部分是镶嵌糖蛋镶嵌糖蛋镶嵌糖蛋镶嵌糖蛋白白白白，配体是，配体是，配体是，配体是亲水性亲水性亲水性亲水性的，分为三大类：的，分为三大类：的，分为三大类：的，分为三大类： 离子通道型受体离子通道型受体离子通道型受体离子通道型受体；；；； G G G G蛋白偶联受体蛋白偶联受体蛋白偶联受体蛋白偶联受体；；；； 酶联受体酶联受体酶联受体酶联受体。

w w 除本身有信号接受部位外，又是离子通道除本身有信号接受部位外，又是离子通道w w 配体主要是神经递质，控制通道的开关；配体主要是神经递质，控制通道的开关；1 1 1 1. . 离子通道型受体离子通道型受体一条多肽链带七个越膜疏水区域一条多肽链带七个越膜疏水区域, ,又称七个跨膜又称七个跨膜 螺螺旋受体旋受体/ /蛇型受体蛇型受体2. 2. G 蛋蛋白偶联受体白偶联受体w如α2与β肾上腺素受体，毒碱型乙酰胆碱受体（mAchR）和视网膜视紫红质(Rh)受体等; G蛋白（蛋白（G-protein））是是是是一一一一类类类类与与与与受受受受体体体体偶偶偶偶联联联联的的的的、、、、能能能能与与与与鸟鸟鸟鸟苷苷苷苷酸酸酸酸结结结结合合合合、、、、位位位位于于于于细细细细胞胞胞胞膜胞质面的外周蛋白，由膜胞质面的外周蛋白，由膜胞质面的外周蛋白，由膜胞质面的外周蛋白，由   、、、、   、、、、    三个亚基组成三个亚基组成三个亚基组成三个亚基组成• 功能：功能：功能：功能：通过改变自身构象，激活效应蛋白，通过改变自身构象，激活效应蛋白，通过改变自身构象，激活效应蛋白，通过改变自身构象，激活效应蛋白， 实现信号从胞外向胞内的传递。

实现信号从胞外向胞内的传递实现信号从胞外向胞内的传递实现信号从胞外向胞内的传递 此此类类受体的信息受体的信息转导转导可可归纳为归纳为 激素激素 受体受体Ｇ蛋白Ｇ蛋白酶酶 第二信使第二信使蛋白激酶蛋白激酶酶或其他功能蛋白酶或其他功能蛋白 生物生物学学效效应腺腺苷苷酸酸环化酶（化酶（ACAC））磷脂酶磷脂酶磷脂酶磷脂酶C C C C3. 3. 酶联受体酶联受体• 与细胞的增殖、分化、分裂及癌变有关与细胞的增殖、分化、分裂及癌变有关 •与酶连接的细胞表面受体，又称催化性受体与酶连接的细胞表面受体，又称催化性受体由单链肽链组成的跨膜糖蛋白，具有酪氨酸蛋由单链肽链组成的跨膜糖蛋白，具有酪氨酸蛋白激酶的活性白激酶的活性•如胰岛素受体、生长因子受体等如胰岛素受体、生长因子受体等膜受体的特点膜受体的特点• 第二信使第二信使(second messenger)概念：概念：激素、递质、细胞因子等配体（第一信使）作用激素、递质、细胞因子等配体（第一信使）作用激素、递质、细胞因子等配体（第一信使）作用激素、递质、细胞因子等配体（第一信使）作用于细胞膜后产生的细胞内信号分子，将细胞外信于细胞膜后产生的细胞内信号分子，将细胞外信于细胞膜后产生的细胞内信号分子，将细胞外信于细胞膜后产生的细胞内信号分子，将细胞外信号分子携带的信息转入胞内。

号分子携带的信息转入胞内号分子携带的信息转入胞内号分子携带的信息转入胞内• 第二信使的类型：第二信使的类型：第二信使的类型：第二信使的类型：环一磷酸腺苷（环一磷酸腺苷（cAMP）、环一磷酸鸟苷（）、环一磷酸鸟苷（cGMP）、三磷酸肌醇）、三磷酸肌醇(IP3)等膜受体的功能膜受体的功能1. 1. 膜受体与信号传递膜受体与信号传递————第二信使学说第二信使学说cAMP cAMP 信使体系信使体系2. 2. 膜受体与细胞识别膜受体与细胞识别•细胞识别细胞识别：细胞能认识同种或异种细胞、同源或异源细胞以及自己和异己物的一种现象，即细胞之间的认识与鉴别其作用的分子基础是细胞表面的糖链细胞膜的功能细胞膜的功能•物质运输功能•细胞膜受体•膜抗原膜抗原膜抗原•细胞膜表面具有抗原性质的大分子，亦称细胞表面抗原血型抗原（ABO血型）——糖脂膜抗原组织相容性抗原——糖蛋白。