《细胞生物学》课件 70页

第三章细胞生物学概论\n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\n第一节细胞生物学发展简史细胞生物学（CellBiology）：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）\n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\n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\n第一阶段细胞学说的建立（16世纪后期—19世纪30年代）细胞的发现1665年，英国人RobertHook发现软木塞中蜂窝状小室，命名为细胞\n第一阶段细胞学说的建立1667年，荷兰生物学家LeeuwenHook观察到真正的活细胞\n第一阶段细胞学说的建立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MatthiasJacobSchleidenTheodrSchwanna\n第二阶段细胞学经典时期（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\n第三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\n第四阶段细胞生物学的兴起（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\n2001年，美国人Leland Hartwell、英国人Timothy Hunt、PaulNurse因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。LelandH.HartwellR.Timothy(Tim)HuntSirPaulM.Nurse\n2002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。SydneyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston\n2003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PeterAgreRoderickMacKinnon\n第二节细胞膜\n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\n细胞膜（CellMembrane）包围在细胞质外围的一层界膜，又叫质膜。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。\n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\n膜脂（50%）细胞膜基本骨架膜蛋白（40-50%）多种方式与脂双层结合膜糖（1-10%）质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\n膜脂（MembraneLipid）膜脂主要包括磷脂、糖脂和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）\n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。两性分子，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。糖脂均位于膜的非胞质面，将糖基暴露于细胞的表面，可作为受体参与细胞识别和信号传导作用\n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。\n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\n膜蛋白（MembraneProtein）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）膜外在蛋白（外周蛋白）\n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\n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\n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\n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\nSinger和Nicolson1972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-mosaicmodel)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\n膜脂和膜蛋白处于不断的运动状态，称为膜的流动性，是细胞进行生命活动的必要条件细胞膜具有流动性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\n细胞膜的不对称性（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\n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\n易化扩散被动运输吞噬吞饮简单扩散主动运输跨膜运输Transmembranetransport胞吞膜泡运输Vesicletransport胞吐物质运输(SubstanceTransport）\n（一）小分子物质的跨膜转运小分子离子：阴离子CL-阳离子Na+,K+,Mg+,Ca2+,H+非极性小分子：O2,CO2极性小分子：乙醇，尿素，类固醇激素其他：甘油，葡萄糖，氨基酸\n小分子物质通过细胞膜转运的主要方式被动运输简单扩散（simplediffusion）（passivetransport）易化扩散（facilitateddiffusion）主动运输（activetransport）\n简单扩散（simplediffusion）影响因素：分子量越小脂溶性越强非极性比极性分子过脂双层膜速率越快特点：①沿浓度梯度扩散高-低②不需要提供能量③不需要膜蛋白协助\n膜转运蛋白——小分子跨膜转运的载体或通道膜转运蛋白分两类：载体蛋白(carrierprotein)：与特定溶质结合，改变构象使溶质穿越细胞膜通道蛋白(channelprotein)：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\n\n易化扩散（facilitateddiffusion）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。\n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离子梯度动力；②ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量；③光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。\n\n钠钾泵构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，也叫Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。将Na+逆电化学梯度运出细胞将K+逆电化学梯度运入细胞其动力是自身ATP水解供能—Na+-k+-ATP酶\n\n钠钾泵机制\nNa+-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+的亲和力发生变化。特性：对离子的转运循环依赖自磷酸化过程。Na+-K+泵的直接效能：每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+，使胞外高钠，胞内高钾，形成胞内负电，胞外正电Na+-K+泵作用是：①维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细胞的静息电位；②维持细胞的渗透性，保持细胞的体积。\n（二）大分子和颗粒物质的膜泡转运——胞吞和胞吐\n细胞胞吞作用的两种形式：胞吞作用消耗能量,属于细胞膜的主动运输吞噬（phagocytosis）进入细胞的物质是固形体吞饮（pinocytosis）进入细胞的物质是液体\n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\n\n\n\n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\n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\n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。\n细胞膜的功能物质运输功能细胞膜受体膜抗原\n信号转导（signaltransduction）指外界信号（主要是化学分子）通过与细胞膜上或胞内的受体特异性的结合，将信号转换后传给相应的胞内系统，使细胞对外界信号作出适当的反应，这一过程称为信号转导。\n细胞间的信号转导包括以下几个方面：化学信号分子（第一信使）与细胞表面以及细胞内部的受体结合受体将信号转换为细胞内信号分子（第二信使）启动胞内信使系统，最终产生生物学效应\n受体（receptor）：对配体（胞外信号分子）具有特异识别和结合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）。受体大多数位于细胞膜上，称为膜受体；少部分在细胞质内，称为胞内受体。配体（ligand）：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。\n膜受体存在于细胞质膜上的受体，绝大部分是镶嵌糖蛋白，配体是亲水性的，分为三大类：离子通道型受体；G蛋白偶联受体；酶联受体。\n除本身有信号接受部位外，又是离子通道。配体主要是神经递质，控制通道的开关；1.离子通道型受体\n一条多肽链带七个越膜疏水区域,又称七个跨膜螺旋受体/蛇型受体2.G蛋白偶联受体如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;\nG蛋白（G-protein）是一类与受体偶联的、能与鸟苷酸结合、位于细胞膜胞质面的外周蛋白，由、、三个亚基组成。功能：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。\n此类受体的信息转导可归纳为激素受体Ｇ蛋白酶第二信使蛋白激酶酶或其他功能蛋白生物学效应腺苷酸环化酶（AC）磷脂酶C\n3.酶联受体与细胞的增殖、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。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。如胰岛素受体、生长因子受体等。\n膜受体的特点\n第二信使(secondmessenger)概念：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，将细胞外信号分子携带的信息转入胞内。第二信使的类型：环一磷酸腺苷（cAMP）、环一磷酸鸟苷（cGMP）、三磷酸肌醇(IP3)等。膜受体的功能1.膜受体与信号传递——第二信使学说\ncAMP信使体系\n2.膜受体与细胞识别细胞识别：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。\n细胞膜的功能物质运输功能细胞膜受体膜抗原\n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