细胞生物学思维导图模板_ProcessOn思维导图、流程图

细胞骨架与细胞的运动

前提知识

细胞骨架

存在于真核细胞中的蛋白质纤维网架结构

维持细胞的形态及各种细胞器的空间分布

参与各种细胞生命活动

细胞运动

信息传递和基因表达

物质运输和能量转换

细胞分裂和细胞分化

细胞骨架分类

广义细胞骨架

细胞核骨架

核基质、核纤层、染色体骨架

细胞质骨架（狭义细胞骨架）

微丝

微管

中间纤维

细胞膜骨架

血影蛋白、锚定蛋白等

细胞外基质

胶原蛋白、层/纤粘连蛋白、弹性蛋白、蛋白聚糖等

细胞骨架的特点

由蛋白亚基构成

微丝

又叫肌动蛋白纤维，由肌动蛋白构成的两股螺旋形成的细丝，普遍存在于真核细胞中

中间纤维

是由微管蛋白单体构成的基本组件形成的中空的管状结构。普遍存在于真核细胞中

微管

又叫中间丝，粗细位于微丝和肌球蛋白粗丝之间，普遍存在于真核细胞中，是三种骨架系统中结构最为复杂的一种

细胞骨架是动态的结构

细胞骨架是一个相对稳定的结构

细胞骨架是网架结构

微管

基本知识

组成与形态：由微管蛋白和微管结合蛋白组装成的中空长管状细胞器

功能：主要存在于细胞质中，控制膜性细胞器定位和物质运输；保持细胞形态；参与细胞运动和细胞分裂

组成的细胞器：纤毛、鞭毛、基体、中心体、纺缍体等

微管的结构

微管的组成

主要由微管蛋白分子组成,分为三种：α-管蛋白、β-管蛋白和γ-管蛋白

α-管蛋白和β-管蛋白组成异二聚体。异二聚体是构成微管的基本亚单位

γ-管蛋白位于微管组织中心，对微管的形成、微管的数量和位置、微管极性的确定及细胞分裂起重要作用

微管的形态

直径为24-26nm的中空小管，内径约为15nm，壁厚约5nm。以微管蛋白α、β异二聚体为基本单位，可自由组装和拆卸

微管的存在形式：单管、二联管和三联管

单管：由13根原纤维组成，是细胞质中常见的形式，其结构不稳定，易受环境因素影响而降解

二联管：由A，B两个单管组成，主要分布于纤毛和鞭毛内

三联管：由A，B，C三个单管组成，主要分布于中心粒、鞭毛和纤毛的基体中

微管结合蛋白

结合在微管表面的辅助蛋白，参与微管组装。主要包括MAP-1、MAP-2、 TAU 和 MAP-4

微管结合蛋白功能

调节微管装配

维持微管稳定

参与沿微管的物质、信息传递

微管的装配

大多数微管不稳定，是组装与去组装的动态平衡。具有极性，通常将组装速度较快的一端称为正极，另一端为负极

微管组织中心（MTOC）

微管形成的核心位点，微管的组装由此开始。常见的微MTOC有中心体和纤毛的基体

中心体

位于细胞核的附近，在细胞有丝分裂时位于细胞的两极，中心体包括两个中心粒和中心粒旁物质。它是细胞内重要的微管组织中心

三个时期：条件：GTP

成核期：α、β微管蛋白聚合成异二聚体，并从其两端和侧面增加使之扩展成片状带

聚合期：细胞中高浓度的游离微管蛋白快速聚合，新的二聚体不断加到微管正极，使之延长

稳定期：细胞中游离的微管蛋白达到临界浓度，微管组装和去组装速度相等，微管不再延长

细胞中微管组装与去组装的动态平衡

当α/β-微管蛋白二聚体的浓度处于临界浓度时，微管蛋白在微管的正极端组装的速度与在负极端去组装的速度相等，微管的长度可保持不变。被称为“踏车行为”。其中微管蛋白浓度和GTP是重要的调节微管组装的物质

微管蛋白浓度高——微管聚合

微管蛋白浓度低、GTP水解——微管解聚

影响微管组装与解聚的因素

温度：温度超过20℃有利于组装，低于4℃引起分解

药物：秋水仙素和长春新碱抑制装配，紫杉醇促进聚合

微管的功能

支持和维持细胞形态

微管具有一定的强度，能够抗压和抗弯曲，给细胞提供机械支持力，是支撑和维持细胞形状的主要物质

细胞内物质的运输

细胞内的细胞器移动和胞质中的物质转运都和微管有着密切的关系，具体功能由马达蛋白来完成

马达蛋白是指介导细胞内物质沿细胞骨架运输的蛋白

主要分三大类

将物质沿微管单向运输

动力蛋白

向负极

由两条相同的重链和一些种类繁多的轻链以及结合蛋白构成。两个球形头部具有ATP酶活性，水解ATP产生能量，与微管合；尾部与被转运组分结合

作用：在细胞分裂中推动染色体的分离、驱动鞭毛的运动、向微管负极运输小泡

驱动蛋白

向正极

由两条轻链和两条重链构成四聚体，两个球形头部具有ATP酶活性，水解ATP产生能量，可与微管结合；尾部与被转运组分结合

作用：向微管正极运输小泡

肌球蛋白

将物质沿微丝运输

纤毛与鞭毛的运动

微管纤维可形成纤毛或鞭毛，微管纤维之间借助马达蛋白dynein,利用ATP水解释放的能量，相互滑动

纺锤体与染色体运动，调节细胞分裂

微管是构成有丝分裂器的主要成分，可介导染色体的运动，从而调节细胞分裂

微丝

基本概念

组成与形态：微丝又称为肌动蛋白丝，由肌动蛋白亚单位组成的螺旋状纤维，直径5-8nm，呈束状、网状或散在

功能：保持细胞形态；参与细胞运动

微丝的结构

微丝的组成

主要由肌动蛋白组成螺旋状纤维。分为单体（球状肌动蛋白和多聚体（纤维状肌动蛋白）。具有极性，有氨基和羧基的暴露一端为正极，另一端则为负极

微丝结合蛋白

是一类对纤维状肌动蛋白的结构和行为起调节作用，与微丝的组装及功能有关的蛋白质

常见类型

单体隔离蛋白：与单体肌动蛋白结合，抑制单体聚合

末端阻断蛋白：抑制微丝生长，调节肌动蛋白纤维的长度

交联蛋白：使肌动蛋白纤维相互交联，改变微丝三维结构

纤维切割蛋白：同肌动蛋白纤维结合并将微丝一分为二

解聚蛋白：微丝快速解聚

膜结合蛋白：微丝与细胞膜的连接

微丝的装配

组装条件

ATP、盐浓度K+Mg2+

三个时期

成核期：3-4个G-actin聚合形成核心

聚合期：G-actin在核心两端快速聚合

稳定期：组装与去组装达到平衡。“踏车行为”

踏车模型

当G-actin达到一定浓度时，微丝出现一端因加G-actin单体而延长，另一端因单体的解离而缩短，肌动蛋白丝的净长度不变

影响微丝组装与解聚的因素

常见影响因素

G-肌动蛋白临界浓度、ATP、Ca2+、Na+、K+浓度和药物

药物因素

细胞松弛素B

抑制微丝的聚合，对微管无作用

鬼笔环肽

同聚合的微丝结合后，抑制微丝的解体

微丝的功能

维持细胞形态

形成细胞伪足与细胞迁移

细胞整体的移动和位置改变主要是通过微丝形成伪足完成的，如变形虫、巨噬细胞和白细胞以及器官发生时的胚胎细胞等

参与胞质分裂

在有丝分裂的末期，细胞膜沿赤道面向内收缩，这一过程主要是在由微丝与肌球蛋白丝组成的收缩环的作用下完成的

参与肌肉收缩

肌肉的收缩是由粗肌丝（肌球蛋白丝）和细肌丝（肌动蛋白丝）之间相互滑动的结果

物质运输

肌球蛋白

将物质沿微丝负极向正极运输

中间纤维

基本概念

组成与形态：由蛋白质纤维分子组成，直径介与微管与微丝之间，10nm，类似编织绳

最复杂、最稳定的细胞骨架：既不受秋水仙素也不受细胞松弛B素影响，并且也没有极性

功能：主要起支撑作用

中间纤维的结构与类型

根据中间纤维氨基酸序列的相似性可分为六类

酸性角蛋白

中性/碱性角蛋白

波形蛋白

神经丝蛋白

核纤层蛋白

巢蛋白

分布特点：组织特异性

中间纤维的基本组成单位——中间纤维单体

中间纤维单体共同结构域

α-螺旋杆状区

310个氨基酸残基(I-IV型和VI型IF)或356个氨基酸残基(V型IF)组成

非螺旋区

头部（N-端）

尾部（C-端）

中间纤维的组装

过程

2个单体形成超螺旋二聚体（角蛋白为异二聚体）

2个二聚体反向平行组装成四聚体

2个四聚体组成原纤维

8根四聚体组成中间纤维

特点

两端对称没有极性；无动态蛋白库；装配与温度和蛋白浓度无关；不需要ATP、GTP或结合蛋白的辅助

中间纤维的组装的动态调节

中间纤维在体外装配时不需要核苷酸和结合蛋白，也不依赖于温度和蛋白质的浓度

在体内，大多数中间纤维蛋白都处于聚合状态，并装配成了中间纤维，很少有游离的四聚体，不存在相应的可溶性蛋白库，也没有与之平衡的踏车行为

目前认为中间纤维蛋白丝氨酸和苏氨酸残基的磷酸化作用是中间纤维动态调节最常见最有效的调节方式

中间纤维的功能

在细胞内形成一个完整的网状骨架系统

中间纤维外与质膜和细胞外基质有直接联系，内与核膜、核基质联系，形成贯穿整个细胞的网络系统，起着广泛的骨架功能

维持细胞核膜稳定

在细胞核内膜的下面有一层由核纤层蛋白组成的网络，对于细胞核形态的维持具有重要作用，而核纤层蛋白是中间纤维的一种

参与细胞连接，为细胞提供机械强度支持

参与粘着连接中的桥粒连接和半桥粒连接，在细胞中形成网络，维持细胞形态，提供支持力

参与细胞内信息传递及物质运输

中间纤维外连质膜和细胞外基质，内达核骨架，形成一个跨膜信息通道

中间纤维与mRNA的运输有关，胞质mRNA锚定于中间纤维，可能对其在细胞内的定位及是否翻译起重要作用

参与细胞分化

中间纤维蛋白的表达具有组织特异性，表明中间纤维可能与细胞分化有密切的关系

细胞骨架与疾病

细胞骨架与肿瘤

肿瘤细胞骨架结构的破坏和微管的解聚；细胞骨架成分的改变可增加癌细胞的运动能力，加快癌细胞的转移

细胞骨架与神经系统疾病

阿尔茨海默病，骨萎缩性侧索硬化症，亨廷顿舞蹈病

细胞骨架与遗传性疾病

单纯性大疱表皮松懈症

细胞核与染色体

基本概念

细胞核

是真核细胞内最大、最重要的细胞器，是细胞生命活动的控制中心，是真核细胞和原核细胞的最大区别

数量：每个细胞通常只有一个核，但有些细胞为双核甚至多核，如人的肝细胞和骨骼肌细胞

大小：高等动物细胞核的直径通常在5～10μm。在不同生物体细胞核大小有所不同，生长旺盛的细胞，核较大；分化成熟的细胞则核较小

形态：各不相同，常与细胞形状、细胞类型、发育时期有关，随细胞的增殖行为发生周期性变化

核质比＝细胞核的体积/细胞质的体积

间期细胞核：只有在分裂间期才能看到完整的细胞核

核膜

染色质

核仁

核基质（核骨架）

核膜

基本概念

核膜

由又称核被膜，由双层单位膜组成，是细胞核与细胞质之间的界膜

将细胞分成核与质两大结构和功能区域：DNA复制、RNA转录与加工在核内进行，蛋白质翻译在细胞质中进行

调控细胞核内外的物质交换和信息交流：通过核被膜上的核孔复合体进行

核膜的化学组成

核膜的化学成分主要为蛋白质和脂类，此外还有少量的DNA和RNA。所含有的酶类和脂类都与内质网相似

蛋白质

含量：约占65%~75%

种类：核膜含有20多种蛋白质，包括组蛋白、基因调节蛋白、DNA和RNA聚合酶、RNA酶以及电子传递有关的酶类等

脂类

卵磷脂和磷脂酰乙醇胺，含量低

胆固醇和甘油三酯，含量高

核膜的结构

在电镜下，核膜由内外两层平行但不连续的单位膜构成。包括：外核膜、内核膜、核周隙、核孔复合体、核纤层

外核膜

外核膜与糙面内质网相连，表面有核糖体附着，使核周隙与内质网腔彼此相通，被认为是粗面内质网的特化区域

附着有中间纤维和微管等细胞骨架成分，与细胞核定位有关

内核膜

内核膜与外核膜平行排列，表面光滑，无核糖体结合

内核膜核质面附着有致密的纤维网络结构，即核纤层

核周隙

核周隙为内外两层核膜之间的腔隙

核周隙与糙面内质网相通，内含有多种蛋白质和酶类

核孔复合体

概念：核内外核膜局部融合之处形成的环状开口

数量：典型的哺乳动物细胞核核膜上分布有3000～4000个核孔，活动旺盛的细胞核孔数目较多

大小：直径为120 ～150nm，具有弹性

结构组成：由至少50种1000多个蛋白质分子以特定方式排列而成

结构模型

目前普遍接受的捕鱼笼式结构模型认为核孔复合体主要由四种组分构成

胞质环

位于胞质面，由8条短纤维对称分布并向细胞质

核质环

位于核质面，比外环复杂，由8条对称排列的细长纤维形成“笼”状结构——核篮

由核孔边缘伸向核孔中心，呈辐射状八重对称排列

辐

柱状亚单位

腔内亚单位

环带亚单位

中央栓

位于核孔中心，呈颗粒状或纤维状

核孔功能

核孔复合体可以看做是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体，是一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道

双功能：两种运输方式被动扩散和主动运输

双向性：即介导蛋白质的入核转运，又介导RNA、核糖体蛋白颗粒的出核转运

核纤层

位于内核膜内侧与染色质之间的立体纤维网

核纤层的主要化学成分是核纤层蛋白，是一种特殊的中间纤维

核纤层的功能

核纤层在细胞核中起支架作用

维持核的轮廓；使胞质骨架和核骨架形成连续网络结构

核纤层与核膜的崩解和重建密切相关

细胞分裂前期，核纤层蛋白被磷酸化解聚，核膜崩解为小泡

细胞分裂末期，核纤层蛋白去磷酸化，重新组装介导核膜重建

核纤层与染色质凝集成染色体相关

细胞分裂间期，染色质与核纤层紧密结合，染色质不能螺旋化为染色体

细胞分裂前期，核纤层蛋白解聚，染色质与核纤层蛋白的结合丧失，染色质逐渐凝集成染色体

核纤层参与DNA的复制

核膜的功能

核膜为基因表达提供了时空隔离屏障

使DNA复制、RNA转录与蛋白质的翻译在不同的时间和空间上进行

维持细胞核相对稳定的内环境进行核内代谢

核膜参与蛋白质合成

外核膜的表面附着核糖体，可进行蛋白质的合成

核孔复合体介导核-质间的物质交换

被动扩散：无机离子和小分子物质可以自由通过核孔

主动运输：大分子物质（如RNA、核糖体、蛋白质等）和一些小颗粒物质可以通过核孔复合体进行运输

核孔复合体的大小是可调的

需要特殊的核定位信号

核孔复合体对生物大分子的运输是双向性的

功能

输入：参与DNA复制和RNA转录的酶类、核糖体蛋白

输出：RNA及核糖体亚基

亲核蛋白的输入

亲核蛋白

在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质

核定位信号

存在于亲核蛋白内的特殊氨基酸序列，可引导蛋白质通过核孔复合体被转运到核内

核定位信号由4-8个氨基酸残基组成，富含带正电荷的赖氨酸（K）或精氨酸（R）残基，此外还常常有脯氨酸

核定位信号的发现

用蛋白酶有限水解核质蛋白，分别得到头部和尾部片段，将带有放射性标记的完整核质蛋白或头部、尾部片段分别注射到爪蟾卵母细胞质中，发现完整的核质蛋白能迅速进入核基质，同时发现尾部片段也能高效转移到细胞核内，而头部片段则不能进入细胞核，显然核定位信号存在于尾部片段

如将尾部片段包被在胶体金颗粒上，然后注射到卵母细胞质中，这种金颗粒也能进入到细胞核中

转运条件

核定位信号（NLS）

核输入受体（输入蛋白）：入核素——存在于胞质中，既可以与核孔复合体结合，又可以与被转运物质结合

Ran-GTP酶：GTP结合酶，水解GTP，为核转运提供能量；激活入核素，使其释放亲核蛋白至核内

亲核蛋白的入核转运过程

蛋白与NLS受体，即imporin α/β二聚体结合

货物与受体的复合物与NPC胞质环上的纤维结合

纤维向核弯曲，转运器构象发生改变，形成亲水通道，货物通过

货物受体复合体与Ran-GTP结合，复合体解散，释放出货物

与Ran-GTP结合的imporin β，输出细胞核，在细胞质中Ran结合的GTP水解，Ran-GDP返回细胞核重新转换为RanGTP

imporin α在核内exportin的帮助下运回细胞质

RNA及核糖体亚基的核输出

核孔复合体除了把亲核蛋白输入核内以外，还要把新合成的核糖体大小亚基、mRNA和tRNA等输出到细胞质

核输出信号序列

核孔复合体上的核输出受体（输出蛋白）识别被转运的RNA分子

染色体和染色质

基本概念

染色质

是间期细胞遗传物质的存在形式，由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA等构成的细丝状复合结构，形态不规则，弥散分布于细胞核内

染色体

是细胞在有丝分裂或减数分裂过程中，染色质复制后反复缠绕凝聚而成的条状或棒状结构

染色质与染色体是遗传物质在细胞周期不同阶段的不同存在形式

染色质和染色体的主要化学组成

DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA

组蛋白与DNA含量较稳定，占98%非组蛋白和RNA随细胞生理状态变化

DNA

是遗传信息的载体,真核细胞每条未复制的染色体均由一条线性DNA分子构成。一个真核细胞单倍染色体组中所含的全部遗传信息，叫做基因组

染色体DNA序列可分为

单一序列

在基因组中一般只有单一拷贝或少数几个拷贝

中度重复序列

重复次数在101～105之间，序列长度由几百到几千个碱基对（bp）不等。如编码rRNA、tRNA、组蛋白和核糖体蛋白的基因序列往往是串联重复的

高度重复序列

长度较短，一般为几个至几十个bp，但重复拷贝数超过105，分布在染色体的端粒、着丝粒区

DNA指纹技术

微卫星DNA，简短串联重复（STR）

是一种广泛分布在人类基因组中具有长度多态性的DNA序列。由2-6bp的核心序列头尾相连串联重复构成，通常重复4-60次不等（串珠结构）,在没有亲缘关系的人群中的重复次数是不同的

PCR扩增长度多态性标记

组蛋白和非组蛋白

组蛋白为碱性蛋白(富含精氨酸Lys和赖氨酸Arg），带正电荷，真核生物染色体的基本结构蛋白。包括核小体组蛋白（H2A、H2B、H3和H4）和H1组蛋白5类，具有高度保守性；H1具有种属及组织细胞特异性

非组蛋白为酸性蛋白，带负电荷，具种属及组织细胞特异性，主要功能是协助染色体组装、调节基因表达。包括多种参与核酸合成、代谢、修饰的酶类等

RNA是携带遗传信息的生物大分子

染色质中的RNA含量极少，含量在不同物种中的变化也大，可能是新合成的各种RNA前体

染色体的构建

染色质DNA、组蛋白、非组蛋白到染色体高级结构是经过核小体、螺线管、超螺线管和染色单体构建而成

核小体——染色质的一级结构

核小体

是染色体的基本结构单位，由核心颗粒和DNA连接区组成。核心颗粒由8个组蛋白分子(H2A、H2B、H3和H4各2分子)和大约146 bp DNA构成，连接区DNA长度为20-100bp，DNA分子缠绕在八聚体核心颗粒外周，形成直径约10nm的球形颗粒，通过这些颗粒沿染色质纵轴紧密排列，形成直径为10nm的串珠状结构。核小体串珠的形成使DNA分子压缩了约7倍

螺线管——染色质的二级结构

螺线管

是在组蛋白H1协助下，由核小体串珠结构盘旋而成的中空结构。每圈6个核小体，螺距11nm，外径30nm，内径10nm。螺线管的形成使核小体串珠结构压缩了约6倍

螺线管的进一步包装

关于螺线管如何进一步包装成染色体，目前有两种模型

多级螺旋化模型

染色体骨架-放射环模型

多级螺旋化模型

一级结构——核小体，分子长度压缩7倍

二级结构——螺线管，分子长度压缩6倍

三级结构——超螺线管

由螺线管进一步螺旋化形成的圆筒状结构，分子长度压缩了约40倍

四级结构——染色单体

超螺线管进一步螺旋折叠形成，分子长度压缩5倍

DNA分子经过核小体、螺线管、超螺线管到染色单体四级连续螺旋、折叠，长度共压缩了8400倍

染色体骨架-放射环模型

一级结构——核小体

二级结构——螺线管（30nm染色质纤维）

高级结构

袢环结构

染色单体

螺线管以后的高级结构由30nm染色质纤维折叠成的袢环构成。每18个袢环呈放射状排列形成微带，微带是染色质高级结构的组成单位；约106个微带沿纵轴排列形成染色单体

常染色质与异染色质

间期染色质按其形态特征与染色性质的不同可分为两类：常染色质与异染色质

常染色质

定义

为间期核内碱性染料染色时着色较浅，螺旋化程度较低，处伸展状态的染色质细丝，含有基因转录活跃部位，主要是单一或中度重复DNA序列

细胞内分布

在核内均匀分布，多位于核中央

异染色质

定义

间期核中处于凝缩状态，结构致密，用碱性染料染色时着色较深的染色质组分，转录不活跃或无转录活性，由高度重复DNA序列构成

细胞内分布

多位于核边缘或围绕在核仁周围

染色体的形态结构

染色体的数目、核型和带型

核型

是一个体细胞的全部染色体在有丝分裂中期的表型，包括染色体的数目、大小和形态特征

带型

是染色体中的非组蛋白和DNA碱基对呈现的特定带纹

一条功能染色体DNA分子必须含有

复制源序列

是细胞进行DNA复制的起始点

维持染色体在世代传递中的连续性

着丝粒序列

是复制完成的两姐妹染色单体的连接部位

分裂中期，与纺锤丝相连，使复制后的染色体平均分配到两个子细胞中

端粒序列

存在于真核生物染色体末端的一个富含鸟嘌呤G的简单重复序列

维持DNA分子两末端复制的完整性；维持染色体的稳定性

形态结构

主缢痕

指中期染色体的两条姐妹染色单体的连接处，一向内凹陷、着色较浅的缢痕

着丝粒

主缢痕的染色质部分，由高度重复的异染色质组成

依据着丝粒在染色体的位置，将中期染色体分为4类

中着丝粒染色体

亚中着丝粒染色体

端着丝粒染色体

近端着丝粒染色体

动粒

又称着丝点，位于主缢痕两侧的特化的圆盘状结构，由蛋白质构成，是纺锤丝微管的聚合中心，参与分裂后期染色体向两极的迁移

着丝粒-动粒复合体

由着丝粒与动粒共同组成的一种复合结构。为染色体的运动中心，也是微管组织中心之一

包括3个结构域

动粒结构域

位于着丝粒表面，支配染色体的运动和分离

中央结构域

是着丝粒区的主体，富含高度重复序列DNA，对复合体结构的形成和功能活性的维持有重要作用

配对结构域

位于着丝粒内表面，与姐妹染色单体的配对及分离关系密切

端粒

指染色体两臂末端的特化部位，由高度重复的端粒DNA和蛋白质构成的特殊“帽子”结构

序列组成特点

由短小的串联重复序列组成

在原生动物、真菌、植物、脊椎动物和哺乳动物中高度保守

端粒的功能

保证染色体完全复制

使染色体免受核酸酶的降解

防止染色体末端相互融合

核仁

基本概念

真核细胞间期细胞核中最明显的结构，光镜下为均匀、海绵状的球体

数目：每个细胞中有核仁1～2个，甚至多个

大小：蛋白质合成旺盛的细胞核仁大，如卵母细胞、分泌细胞；不具备蛋白合成能力的细胞核仁小

位置：在细胞核中的位置通常不固定，在生长旺盛的细胞中，常趋向核的边缘

核仁的主要成分

核仁主要化学组成为RNA、DNA、蛋白质和酶类

蛋白质占80%；RNA占10%，主要是rRNA基因及其转录产物；DNA约占8%，主要是存在于核仁染色质中的DNA

核仁的结构

核仁是由纤维成分和颗粒成分组成的非膜相结构，其基本形态包括小岛状的纤维中心(FC)、围绕在纤维中心外围的致密纤维组分(DFC)以及主要由rRNA和蛋白质形成的颗粒成分(GC)

核仁区域主要包含DNA、RNA和蛋白质等重要组分

纤维中心主要包含rRNA基因的染色质区(rDNA)

致密纤维组分包含处于不同转录阶段的rRNA分子,核糖体蛋白及某些特异性的RNA结合蛋白

颗粒成分包含正在加工的rRNA和蛋白质

核仁的功能

核仁的主要功能

转录和加工核糖体RNA（rRNA）

组装核糖体亚基

核仁是rRNA基因转录和加工的场所

rRNA基因转录

哺乳动物核仁中串连重复排列的rRNA基因，在RNA聚合酶I作用下进行转录，每个基因都转录出长度为13,000bp的初始转录产物，即45S rRNA前体

rRNA加工

45SrRNA转录本通过数个阶段，切割成为成熟的18S、5.8S和28S RNA，其中18SrRNA与多种蛋白质亚基结合形成核糖体小亚基，而5.8SrRNA、28S rRNA和5S rRNA(由细胞核基因编码)则与多个蛋白质多肽链结合，形成核糖体大亚基

核仁是核糖体亚基装配的场所

核糖体大亚基（60S）

来自核仁

28S rRNA

5.8S rRNA

来自核仁以外区域

5S rRNA

来自细胞质

49种蛋白质

核糖体小亚基（40S）

来自核仁

18S rRNA

来自细胞质

33种蛋白质

核基质

定义

真核生物细胞核内由蛋白质纤维所构成的立体网络状结构，又称为核骨架。与核纤层及核孔复合体有结构上的联系，而且在功能上与核仁、染色质密切相关

组成

主要成分是蛋白质，包括核基质蛋白和核基质结合蛋白；含少量RNA

功能

参与DNA复制

参与基因转录和RNA的加工修饰

参与染色体构建

参与细胞分化

细胞核的功能

遗传信息储存

遗传信息复制

遗传信息转录与加工

DNA、 RNA和核糖体亚基的合成

细胞核与疾病

细胞核形态异常与肿瘤

核转运异常与肿瘤

遗传物质异常与遗传病

端粒异常与疾病

细胞信号转导

知识前置

信号转导

由细胞分泌的、能够调节机体功能的生物活性物质，是一类重要的化学信号分子，它们通过与细胞膜上或胞内的受体特异性结合，将信号转换后传给相应的胞内系统，使细胞对外界信号做出适当的反应

细胞外信号

分类

激素

细胞外信号：细胞间信息物质是由细胞分泌的、能够调节机体功能的一大类生物活性物质，又被称为“第一信使”

特点

由内分泌细胞合成

经血液或淋巴循环到达靶细胞

作用距离远、范围大、持续时间长

神经递质

特点

由神经元细胞合成

通过突触间隙到达下一个神经细胞

作用时间和作用距离短

局部化学介质

特点

由某些细胞产生

不进入血液，通过细胞外液介导，作用于附近的靶细胞

一般作用时间较短

受体

基本概念

是一类存在于胞膜或胞内的特殊蛋白质，个别是糖脂，能特异性识别并结合胞外信号分子，进而激活胞内一系列生物化学反应，使细胞对外界刺激产生相应的效应

与受体结合的生物活性物质称为配体

受体与配体间的作用具有三个主要特征：特异性、饱和性、高度亲和力

受体作用的特点

受体能选择性地与特定配体结合——特异性

配体具备强的亲和力

受体-配体结合后显示可饱和性

受体-配体的结合具有可逆性

受体与配体的结合可通过磷酸化和去磷酸化进行调节

受体种类

膜受体：介导亲水性信号分子的信息传递

离子通道型受体

G蛋白耦联受体

具备酶活性的受体

胞内受体：介导亲脂性信号分子的信号传递

胞浆受体

核受体

受体种类

离子通道型受体

离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体，它们的开放或关闭直接受化学配体的控制，配体主要为神经递质

G蛋白耦联受体

是膜受体中最大的家族，胞内部分总是与异源三聚体G蛋白结合，受体信号转导的第一步反应都是活化G蛋白

共同特征

7个跨膜α螺旋结构

N端位于胞外，带有糖基化位点

C端位于胞内，胞内结构域与G蛋白耦联

G蛋白

是指在信号转导过程中，与受体耦联的并能与鸟苷酸GMP结合的一类蛋白质，由α 、 β 和γ 三种蛋白亚基组成。其主要功能是通过自身构象的变化激活效应蛋白，进而实现信号从胞外向胞内传递。根据功能上对效应蛋白的作用不同，分为激动型G蛋白（Gs）、抑制型G蛋白（Gi）和磷脂酶C型G蛋白（Gp家族）等

具备酶活性的受体

单次跨膜的多肽链

接受配体后发生二聚化，启动下游信号转导

主要介导细胞生长和分化，产生效应过程较慢

一条单次跨膜的多肽链

配体结合区域为胞外区

激活具有SH2结构域的蛋白，传递信号

蛋白激酶

磷酸转移酶，作用是将ATP的磷酸基转移到底物特定的氨基酸残基上，将底物磷酸化

根据底物氨基酸残基特异性，将其分为两类：酪氨酸激酶(PTK)、丝氨酸/苏氨酸激酶(STK）

PTK：可分为三类:受体酪氨酸激酶；胞质酪氨酸激酶，如Src家族、 JAK家族等；核内酪氨酸激酶如Abl

STK: PKA、 PKC、 PKG、 CaMK、 MAPK、 Raf-1等，特异地催化蛋白质底物上的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化，从而调节该蛋白质功能的酶

第二信使

细胞外信号与受体结合后，受体被激活进而在细胞内产生的、能介导信号转导的活性物质

cAMP信使体系

cGMP信使体系

二酯酰甘油/三磷酸肌醇体系

钙离子体系

信号转导通路

基本概念

信号转导的特点

信号转导分子激活机制具有类同性：磷酸化和去磷酸化是绝大多数信号分子可逆地激活的共同机制

信号转导过程为级联式反应：信号转导通路上的各个反应相互衔接，形成一个级联反应过程，有序地依次进行，直至完成。任何步骤的中断或者出错，都将带来灾难性后果

信号转导途径具有通用性：同一条信号转导途径可在细胞的多种功能效应中发挥作用

信号转导途径具有特异性：不同的刺激能够产生特殊的细胞响应，细胞能够对不同的刺激作出不同的反应

信号转导途径相互交叉：某条途径的成员可以激活或抑制另一条转导途径；不同转导途径可通过同一种效应蛋白或基因调控区，彼此协调地发挥作用

MAPK信号转导通路

丝裂原活化蛋白激酶

通路普遍存在于真核细胞中

将多种刺激信号从细胞膜转导到细胞核内，间接或直接进入核内磷酸化修饰蛋白激酶或转录因子，调节基因表达，使细胞做出合适反应

参与细胞生长、增殖、分化以及凋亡等重要生理过程的调控

JAK-STAT信号转导通路

是一类在细胞因子信号传递过程中起重要作用的非受体型酪氨酸激酶

JAK激酶活化后激活下游信号分子-信号转导和转录激活因子STAT)，进行胞内信号传递

三个成分组成：即酪氨酸激酶受体、 JAK和STAT，相对简单

参与细胞的增殖、分化、凋亡以及免疫调节等许多重要的生物学过程

Wnt信号转导通路

Wnt蛋白及其受体、调节蛋白等共同组成复杂的Wnt信号通路

经典Wnt信号通路主要是细胞外Wnt配体与细胞膜上的受体结合，提高细胞质内β-catenin蛋白稳定性，促进其移位至细胞核，激活下游靶基因的表达

调控细胞的增殖、分化，参与器官发育过程

TGF-β信号转导通路

转化生长因子-β（TGF-β )家族是一类在结构上相似的分泌型多肽生长因子

通过细胞内信号分子Smad将细胞外信号转导到细胞核内

TGF-β 信号通路在控制细胞生长、增殖、分化以及个体与器官发育过程中起着重要作用

NF-κB信号转导通路

核转录因子(NF-kB)是与免疫球蛋白基因增强子序列特异结合的核蛋白因子

通过与多种基因的启动子/增强子序列位点特异性结合，调节基因转录和表达

参与免疫、炎症、应激等反应，同时也参与细胞分化、增殖、凋亡等过程，其活性异常与人类肿瘤也密切相关

外泌体

是活细胞分泌的来源于晚期核内体（也称为多囊泡体）的膜性囊泡，存在与血液、唾液、尿液、脑脊液和母乳等多种体液中，是细胞间通讯的重要介质。外泌体内部包裹了蛋白、 mRNA、 DNA和microRNA等物质。包括肿瘤细胞在内的几乎所有类型的细胞，都可以产生并释放外泌体

外泌体的生物学功能

外泌体携带大量特异性的蛋白质和功能性的mRNA/miRNA，参与了细胞间物质和信息的传递，形成了一种全新的细胞间信息传递系统，参与到多种生理和病理反应的调控

外泌体在生理机制下的作用

神经系统中，间充质细胞来源的外泌体可促进轴突生长，神经细胞存活

免疫系统方面，树突状细胞分泌的外泌体可参与抗原-MHC分子复合物的提呈， B细胞来源的外泌体可刺激T细胞免疫应答

循环系统方面，外泌体可促进血管新生等

外泌体在病理机制下的作用

外泌体是参与肿瘤细胞之间以及肿瘤细胞和正常细胞正常交流的重要物质，肿瘤细胞所分泌的外泌体，能够抑制免疫应答，逃避免疫监视和提高抗药性以利于肿瘤细胞的增殖及转移

外泌体可参与调节机体对病毒感染的免疫反应：病毒利用外泌体在宿主靶细胞之间自由穿梭和准确定位的特点， “劫持” 外泌体将病毒致病相关蛋白、基因组转运到全身各处，导致免疫功能失调，造成病毒扩散及免疫耐受

外泌体在生物医学中的应用

外泌体作为药物载体在基因治疗中的应用

外泌体是细胞通讯重要的调节者，具有负载“货物”并将其传递给靶细胞的能力，以外泌体作为药物转运载体，具有免疫源性低、运输效率高、稳定性好和靶向性强以及能跨越血脑屏障等独特优势

外泌体与疾病诊断

外泌体携带了参与细胞内信号转导的蛋白、 miRNA、 lncRNA、 circRNA、mRNA以及其降解片段，参与细胞活动的重要调控；在肿瘤转移、免疫调控机制、疾病发生发展、阿兹海默症和免疫疾病等疑难杂症的治疗方面崭露头角，有望成为多种疾病的早期诊断标志物

信号转导与医学

细胞信号转导异常与疾病

受体异常：数量、结构、功能异常。例如非胰岛素依赖性糖尿病、重症肌无力

G蛋白异常：例如霍乱孤菌引起的腹泻， Albright遗传性骨营养不良

蛋白激酶异常：酪氨酸激酶异常导致免疫不全

信号转导药物药物研发

格列卫

酪氨酸激酶抑制剂

慢性髓细胞性白血病、肠间质瘤

易瑞沙

抗EGFR（表皮生长因子受体）

非细胞肺癌

Sorafenib（索拉非尼）

抗VEGF，抑制血管生成

晚期肾细胞癌

类型

自身免疫和炎症治疗

目前研究的三个主要激酶信号通路分别是JAK-STAT，BTK-SYK， MAPK-p38

退行性疾病

退行性疾病相关疗法的开发充满挑战，尽管如此，临床前研究中激酶抑制剂还是取得了一定成果。抑制未折叠蛋白应激通路(UPR)，如IRE1α；药物开发中的靶点LRRK2、 CDK5、 BTK、CSF1R、 PERK， PI3Kδ等

细胞周期与信号转导异常——肿瘤

肿瘤是生物体正常组织中过度增殖后形成的赘生物，其产生与细胞周期调控异常相关

肿瘤细胞五大特征

细胞生长与分裂失去控制，具有无限增殖能力

具有浸润性和扩散性，许多癌细胞具有变形运动能力，并且能产生酶类，使血管基底层和结缔组织穿孔，使它向其它组织迁移

细胞间相互作用改变——接触抑制丧失和锚定依赖性丧失

mRNA的表达谱及蛋白活性改变

在分化程度上癌细胞低于良性肿瘤细胞，且失去了许多原组织细胞的结构和功能。常表达一些胚胎细胞表达的蛋白

染色体非整倍性:由一个或多个染色体丢失或增加所致

癌症产生是基因突变积累和自然选择的结果

癌症主要是体细胞突变产生的遗传病，涉及到两大类与细胞增殖相关的基因的突变

原癌基因

是细胞的正常基因，编码的蛋白质是维持正常细胞生命活动所必须的，通常参与细胞的生长与增殖的调节

原癌基因为显性基因,突变后成为促癌的癌基因，导致细胞癌变，也称为细胞癌基因

原癌基因产物

生长因子

生长因子受体

信号转导组分

细胞周期蛋白

细胞凋亡调节蛋白

转录因子

有些癌基因编码活性过度的受体或活性过强的细胞内信号转导蛋白，它们可在没有外源信号的情况下促使细胞过度增殖而癌变

抑癌基因

是一类抑制细胞过度生长、增殖从而遏制肿瘤形成的基因，也称为抗癌基因。抑癌基因，隐性基因，丢失或失活可能导致肿瘤发生

抑癌基因的产物

转录调节因子，如Rb、 p53

负调控转录因子，如WT

周期蛋白依赖性激酶抑制因子（CKI），如p15、 p21

信号通路的抑制因子，如ras GTP酶活化蛋白GAP

DNA修复因子，如BRCA1、 BRCA2

Rb基因

是一类DNA结合蛋白， Rb蛋白的磷酸化／去磷酸化是其调节细胞生长分化的主要形式

p53基因

P53蛋白主要集中于核仁区，能与DNA特异结合，在G1期检查DNA损伤点，监视基因组的完整性。如有损伤， P53蛋白阻止DNA复制，以提供足够的时间使损伤DNA修复；如果修复失败， P53蛋白则引发细胞凋亡;如果p53基因的两个拷贝都发生了突变，对细胞的增殖失去控制，导致细胞癌变

p53作为转录因子与其他转录因子结合，在细胞周期过程中，直接或间接影响细胞周期相关基因的转录，使细胞滞留于G1期

细胞分裂与细胞周期

基本概念

细胞的生命

生命是从一代向下一代传递的连续过程，因此是一个不断更新、不断从头开始的过程

细胞的生命开始于产生它的母细胞的分裂，结束于它的子细胞的形成，或是细胞的自身死亡

细胞分裂

基本概念

是细胞生命活动的重要特征之一，一个亲代细胞形成两个子代细胞的过程

通过细胞分裂，亲代细胞的遗传物质和某些细胞组分可以相对平均地分配到两个子代细胞中，有效保证了生物遗传的稳定性

细胞分裂的方式主要包括有丝分裂、减数分裂及无丝分裂三种

有丝分裂

也称间接分裂是高等真核生物细胞分裂的主要方式

有丝分裂是一个连学的动态变化的过程，持续时间约0.5~2小时，根据有丝分裂细胞的形态和结构变化，有丝分裂可被分为前期、中期、后期及末期

具体过程

分裂前期

前期细胞变化的主要特征为：染色质凝集、分裂极确定、核仁缩小解体及纺锤体形成

染色质凝集

前期以核内松散的染色质纤维螺旋化形成染色体为起始标志

分裂极确定

中心体以星体为轨道，牵引两个子中心体移向细胞两极，他们最后到达的位置将决定细胞分裂极

纺锤体形成

纺锤体对细胞分裂及染色体分离有重要作用的临时性细胞器，由星体微管、动粒微管和重叠微管纵向排列构成纺锤样外观

星体微管：排列与中心体周围，在中心体向细胞两极的移动中起重要作用

动粒微管：有纺锤体的一极发出，末端附着于染色体动粒上

极微管：来自纺锤体两极，彼此在纺锤体赤道面重叠、交叉的微管

分裂中期

中期的特点是染色体达到最大程度的凝集，并且非随机地排列在细胞中的赤道面上

有丝分裂器

组成：染色体、星体、中心粒及纺锤体

作用：对于中期以后发生的染色体分离、染色体向两极的移动及平均分配到子代细胞等活动有关键作用

分裂后期

后期细胞变化的主要特征是染色体两姐妹染色单体分离并移向细胞两极

后期A：动粒微管的微管蛋白发生去组装，长度不断缩短，带动染色体的动粒向两极移动

后期B：纺锤体拉长，两极间距离增加，染色体向两极运动

分裂末期

末期细胞的主要特点是子代细胞的核形成与胞质分裂

子代细胞的核形成

在分裂末期，染色体解聚、核仁重新形成、核膜重建，至此两个子代细胞的核形成，核分裂完成

胞质分裂

当细胞分裂进入后期末或末期初，细胞开始进行胞质分裂

在中部质膜的下方，出现由肌动蛋白和肌球蛋白聚集形成的收缩环

纺锤体解体，聚集于细胞中部，形成中体

构成收缩环的肌动蛋白、肌球蛋白微丝束相互滑动使收缩环缢缩，形成分裂沟

分裂沟加深至中体，细胞发生断裂，胞质分裂完成

减数分裂

减数分裂发生与有性生殖细胞的成熟过程中，主要特征是DNA只复制一次，而细胞连续分裂两次，因此子代细胞中染色体数目比亲代细胞减少一半，成为仅具单倍体遗传物质的的配子细胞

减数分裂的两个过程

第一次减数分裂：完成染色体数目减半及遗传物质的交换

短暂间期

第二次减数分裂：姐妹染色单体分离

减数分裂的意义

维持生物世代间遗传的稳定性

使生殖细胞呈现出遗传上的多样性，生物后代变异增大，对环境的适应能力增强

第一次减数分裂

第一次减数分裂可分为：前期Ⅰ 、中期Ⅰ 、后期Ⅰ 、末期Ⅰ

前期Ⅰ

此期持续时间在物种间差异很大，从数周到数十年不等，同时细胞变化复杂，出现细胞核显著增大，染色质凝集以及染色体配对和片段交换

根据细胞形态变化的特点分为：细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期

细线期：同源染色体配对和染色质开始凝集，光镜下，仍呈单条细线状

偶线期：染色质进一步凝集

联会

指分别来自父母的、形态及大小相同的同源染色体相互靠近、配对

二价体

同源染色体完全配对后形成的复合结构，因其共有四条染色单体，又称四分体

联会复合体

在联会的同源染色体之间，沿纵轴方向形成的一种特殊结构

粗线期：通过联会紧密结合在一起的两条同源染色体，因进一步的凝集而缩短、变粗，同源染色体间出现染色体片段的交换及重组。粗线期可合成减数分裂特有的蛋白，还可进行少量的DNA合成

重组小结

与染色体片段的重组直接相关的结构，在SC中央新出现的一些椭圆形或球形、富含蛋白质及酶的棒状结构

双线期：联会复合体发生去组装，逐渐趋于消失，同源染色体发生分离，连在非姐妹染色单体之间的某些部位上残留一些接触点，称交叉

交叉端化

随着双线期的进行，交叉逐渐远离着丝粒，向染色体臂的末端部推移，数目也减少，此现象称交叉端化

终变期：同源染色体进一步凝集，显著缩短、变粗成短棒状。交叉端化继续进行，核仁消失，中心体完成复制，核膜解体，纺锤体伸入核区，染色体移向细胞中部的赤道面上

中期Ⅰ

以端化的交叉连接在一起的同源染色体（四分体），向细胞中部汇集，最终排列与细胞的赤道面上

与有丝分裂不同的是，动粒位于一姐妹染色单体的同一侧，并与同侧微管相连

后期I

受纺锤体微管的作用，同源染色体彼此分离并开始移向细胞的两极

非同源染色体之间以自由组合的方式进入两极

末期I

到达细胞两极的染色体去凝集，成为丝状染色质纤维，核仁核膜重新出现，形成两个子代细胞，子代细胞中每条染色体着丝粒上连接有两条染色单体

短暂间期

第一次减数分裂后出现的短暂间期，此时期不发生DNA合成，无染色体复制。染色体数目已经减半

某些生物第一次减数分裂后，可以不经过这一间期，直接进入第二次减数分裂

第二次减数分裂

第二次减数分裂可分为前期Ⅱ 、中期Ⅱ 、后期Ⅱ 、末期Ⅱ 、胞质分裂五个时期

前期Ⅱ ：染色体凝集，纺锤体形成；核仁、核膜消失

中期Ⅱ ：染色体排列在赤道面上

后期Ⅱ ：姐妹染色单体彼此分离，移向细胞两极

末期Ⅱ ：染色体去凝集，核仁核膜重新出现

胞质分裂：胞质分裂完成后，新的子代细胞形成，其染色体数目仍然为n

无丝分裂

无丝分裂又称为直接分裂常见于低等生物中，进入分裂期后，核膜不消失，无纺锤体形成及染色体组装，由亲代细胞直接断裂形成子代细胞

意义

无丝分裂快速、耗能少。分裂进程中的细胞仍可行使功能，因此无丝分裂对于低等生物适应外界环境变化有特殊意义

分裂过程

胞核拉长，高尔基体位移至中心体附近，然后，胞核进一步拉长并从中间断裂，胞质被一分为二，两个子代细胞形成

如蛙的红细胞分裂（无染色体以及纺锤体）

细胞周期及其调控

细胞周期

细胞从上次分裂结束到下次分裂结束所经历的规律

细胞分裂间期的时间要远长于分裂期

间期常分为G1, S, G2三个时期

G1期：合成RNA和核糖体

S期（DNA合成期）：主要是遗传物质的复制,即DNA、组蛋白和复制所需要酶的合成

G2期：有丝分裂准备期,主要是RNA和蛋白质（包括微管蛋白等）的大量合成

有丝分裂是一个连续的过程，按先后顺序划分为间期、前期、中期、后期和末期五个时期

在高等生物中，一个细胞周期通常持续12~32h。分裂期所需时间较短，因此间期尤其是G1期，是影响细胞周期时间的关键

细胞周期的主要变化

G1期是DNA复制的准备期

开始合成细胞生长所需要的各种蛋白质、糖类、脂质等，但不合成DNA

RNA的合成活跃： RNA聚合酶活性加强，产生rRNA、tRNA、 mRNA

蛋白质合成活跃：合成DNA复制起始与延伸所需的酶类、G1期向S期转换过程中起作用的一些蛋白质

蛋白质磷酸化：组蛋白、非组蛋白及某些蛋白激酶发生磷酸化

细胞膜对物质的转运作用加强：增加氨基酸等小分子营养物质摄入量、增加参与G1期向S期转变物质的转运

S期中完成DNA复制

进行大量的DNA复制： DNA进行半保留复制，遗传物质DNA数量增加一倍

合成新的组蛋白及非组蛋白：组蛋白的合成与DNA复制同步进行

组蛋白持续磷酸化

中心粒的复制

G2期是细胞分裂的准备期

合成RNA、 ATP及一些与M期结构功能相关的蛋白质

合成细胞进入M期所必需的RNA和蛋白质

细胞周期的调控

细胞周期调控系统的核心

细胞周期蛋白

细胞周期蛋白是真核细胞中一类蛋白质，能随细胞进程周期性地出现及消失，并与细胞中其他蛋白结合，对细胞周期相关活动进行调节

分类

哺乳动物的周期蛋白有cyclinA~H几大类

酵母中有Cln、 Clb、 Cig

分子特点

细胞周期蛋白框

破坏框

PEST序列

多聚泛素化降解途径

cyclinA、 B通过多聚泛素化途径被降解，泛素由76个氨基酸组成的高度保守蛋白

泛素酶E1与泛素C端结合，使其活化

泛素酶E2与从E1转移来的泛素结合

泛素酶E3（后期促进复合物APC），可将E2结合的泛素与cyclin分子破坏框附近的赖氨酸残基连接

三种酶协同作用，多个泛素分子相继与前一个泛素分子的赖氨酸残基相连，在cyclinA、 B上构成一条多聚泛素链；此链可作为标记物被蛋白酶体识别，进而被其降解

细胞周期蛋白依赖性激酶

Cdk是一类必须与细胞周期蛋白结合才具有激酶活性的蛋白激酶，可将多种与细胞周期相关的蛋白磷酸化，在细胞周期调控中起关键作用。在细胞周期进程中cyclin可不断被合成与降解，Cdk对蛋白质磷酸化的作用也因此呈现出周期性的变化

分子结构

存在一段激酶结构域，其中有一小段序列具有高度保守性，是介导激酶与周期蛋白结合的区域

Cdk激活机制

Cdk的激酶活性需要在与cyclin结合及磷酸化双重作用下才能被激活

Thr161被磷酸化后， Tyr15的抑制状态，需在细胞周期调控因子Cdc25(磷酸酶)的催化下发生去磷酸化， Cdk才最终被激活

Cdk负性调节

Cdk激酶抑制物（CKI）对Cdk的抑制作用通过与cyclin-Cdk复合物结合，改变Cdk分子活性位点的空间位置实现

cyclin-Cdk的调控作用

Cycin-Cdk复合物是细胞周期调控体系的核心，其周期性的形成及降解，引发了细胞周期进程中特定时间的出现，并促成了G1期向S期、 G2期向M期的关键过程不可逆的转换

G1期中cyclin-Cdk复合物的作用

cyclinD、 E与Cdk4/6结合构成的复合物能使G1晚期的细胞跨越限制点，向S期发生转换。cyclin-Cdk复合物控制G1期的向S期转变的两种方式

Cyclin-Cdk复合物激活周期转换相关蛋白

Cyclin-Cdk复合物被cyclin-Cdk抑制蛋白降解

G1早期： S期cyclin-Cdk与S期cyclin-Cdk抑制蛋白结合，活性丧失

G1晚期： S期cyclin-Cdk抑制蛋白磷酸化，被泛素结合酶及泛素连接酶识别，最终降解，cyclin-Cdk活性得以恢复，重新诱导DNA合成

S期中cyclin-Cdk复合物的作用

当细胞进入S期后， cyclin D/E-Cdk复合物中的cyclin降解， cyclin A-Cdk复合物形成，进入S期的细胞无法向G1期逆转

Cyclin A-Cdk复合物作为S期中最主要复合物，能启动DNA复制，并阻止已复制的DNA再发生复制

启动DNA的复制

预复制复合体：真核细胞DNA分子复制起始位点及其附近DNA序列上一个由多种蛋白构成的复合体。阻止已复制的DNA再发生复制

G2/M期中cyclin-Cdk复合物的作用

G2晚期形成的Cyclin B-Cdk复合物在促进G2期向M期转换的过程中起着重要作用， Cyclin B-Cdk复合物又被称为成熟促进因子MPF

MPF含有两个亚单位，CDK(cdc2)为催化亚单位，周期蛋白为调解亚单位

只有当周期蛋白与CDK结合后，才能发挥MPF的蛋白激酶活性，催化多种蛋白质底物磷酸化，参与细胞周期调控

M期中cyclin-Cdk复合物的作用

M期细胞在形态结构上发生的变化以及中期向后期、 M期向下一个G1期的转换均与MPF相关

MPF对M期早期细胞形态结构变化的作用

染色质凝集

核膜裂解

纺锤体形成

MPF促进中期细胞向后期的转换

中期染色体两姐妹染色单体的分离，启动后期的关键

细胞周期监测点监控细胞周期运行

检测点：细胞中存在着一系列监控系统，可对细胞周期发生的重要事件及出现的故障加以检测，只有当这些事件完成或故障修复后，才允许细胞周期进一步运行，该监控系统即为检测点

未复制DNA检测点

在正常细胞周期中， DNA未发生复制时，细胞不能进入有丝分裂，主要作用包括识别未复制DNA并抑制MPF激活

过程

ATR磷酸化激活Chk1激酶， Chk1磷酸化cdc25，使cyclinA/B-Cdk1复合物被抑制，从而不能磷酸化启动M期的靶蛋白

纺锤体组装检测点

阻止纺锤体装配不完全或发生错误的中期细胞进入后期

染色体分离检测点

阻止子代染色体未正确分离前末期及胞质分裂的发生，保证子代细胞含有一套完整的染色体

DNA损伤检测点

DNA可能因外界化学及物理因素的影响而被损伤， DNA检测点将阻止细胞周期继续进行，直到DNA损伤被修复

如果细胞周期被阻在G1或S期，受损的碱基将不能被复制，由此可避免基因组产生突变以及染色体结构重排

如果细胞周期被阻在G2期，可使DNA双链片段得以在细胞进行有丝分裂以前被修复

多种因素与细胞周期调控密切相关

生长因子

一类由细胞自分泌或者旁分泌产生的多肽类物质

作用机制：与细胞膜上特异性受体结合，经信号转换及多级传递，可激活细胞内多种蛋白激酶，促进或抑制细胞周期进程相关的蛋白质表达，由此可参与对细胞周期的调节

常见的生长因子：表皮生长因子（EGF）、白介素（IL）、转化生长因子（TGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）；作用阶段： G1、 S期

抑素

一种由细胞自身分泌的，能抑制细胞周期进程的糖蛋白，通常分布与其发挥作用的特异性组织中

作用机制：通过与细胞膜上特异性受体结合，引起信号转换及向细胞内传递，进而对细胞周期相关蛋白的表达产生影响

作用阶段： G1末期及G2期

S因子：在G1期发挥作用的抑素，抑制G1期细胞进入S期

M因子：在S期起作用的抑素，抑制S期细胞向M期转变

特点

无毒、可逆、在不同类型细胞中有特异性

cAMP与cGMP

cAMP与cGMP均为细胞信号转导过程中重要的胞内信使，在细胞进程中，两者可相互拮抗，控制细胞周期的进程

作用机制

cGMP能促进细胞分裂中DNA及组蛋白的合成

cAMP具有负调控作用，含量降低时， DNA合成及细胞分裂将加速

RNA剪接因子SR蛋白及SR蛋白特异的激酶

RNA剪接过程中，有两种蛋白与细胞周期调控有关，即剪接因子SR蛋白及SR蛋白特异的激酶

SR蛋白

在RNA剪接中的作用，可通过磷酸化与去磷酸化调节

RNA剪接起始所必需的为磷酸化的SR，而在剪接的过程中SR处于去磷酸化状态

间期细胞SR磷酸化程度低，中期细胞SR磷酸化程度高

SR蛋白特异激酶SRPK1

专一性作用于SR蛋白的激酶，在细胞周期的不同阶段，呈现出不同活性，其活性变化规律与SR存在一致性

细胞周期与医学的关系

细胞周期与组织再生

组织再生：集体不断的产生新细胞，以补充因生理或病理原因死亡的过程，可分为生理性再生和补偿性再生

生理性再生：机体不断产生新细胞使组织维持细胞数量，并处于不断更新状态

机制：干细胞分裂。如造血干细胞

补偿性再生：高度分化的组织如肝、肾、骨骼等在受到损伤后可重新修复的现象

机制：损伤刺激了G0期细胞回到细胞周期，开始分裂；同时细胞周期进程加快，段时间产生大量新细胞

应用：角膜移植和外科手术后，常用EGF来促进伤口愈合

细胞周期异常与肿瘤发生

肿瘤细胞的G1期通常较长

肿瘤细胞周期的特点

细胞周期时间与正常细胞相近或更长，主要与肿瘤细胞G1期变长有关

肿瘤细胞中群体中的细胞类型

增殖性细胞：能不断进行分裂，连续进入细胞周期，其所占比例大小决定肿瘤恶性程度

暂不增殖性细胞：具有潜在分裂能力的G0期细胞，不直接影响肿瘤生长，在外界刺激下重新进入细胞周期，是肿瘤复发的根源

不增殖性细胞：脱离细胞周期，永远不能分裂的分化细胞，降低肿瘤的恶性程度

细胞周期与其他医学问题

细胞周期的异常与艾滋病相关：病毒感染后Cdk1酪氨酸残基过度磷酸化，丧失激酶活性，细胞不能向M期转换，最终发生凋亡

细胞周期与细胞衰老相关：与正常细胞相比，衰老细胞中G1期可持续更长时间

细胞分化、死亡与衰老

细胞分化的基本概念

由单个受精卵产生的细胞，在形态结构、生化组成和功能等方面均有明显的差异，形成这种稳定性差异的过程称为细胞分化

细胞分化的一般规律

全能

在一定条件下能分化发育成完整个体的细胞，称为全能性细胞

多能

各胚层细胞只能向本胚层组织和器官的方向分化发育，功能上称为多能细胞

单能

器官形成，细胞单能化

细胞决定与细胞分化

细胞决定先于细胞分化并制约着分化方向

在个体发育过程中，细胞在发生可识别的分化特征之前就已经确定了未来的发育命运，只能向特定的方向分化的状态，称之为细胞决定

细胞分化具有高度稳定性

细胞分化的稳定性，是指在正常生理条件下，已经分化为某种特异的稳定类型的细胞一般不可能逆转到未分化状态，或者成为其他类型的分化细胞

细胞决定的稳定性和遗传性：是指一个细胞接受了某种指令，在发育中这一细胞及其子代细胞将区别于其它细胞而分化成某种特定的细胞类型，或者说在形态、结构与功能等分化特征尚未显现之前就已确定了细胞的分化命运

细胞分化具有可塑性

细胞分化的可塑性，是指已分化的细胞在特殊条件下重新进入未分化状态（去分化）或分化为另一种类型细胞（转分化）的现象

细胞重编程，是指成熟终末分化细胞逆转为原始的多功能，甚至是全能性干细胞状态的过程

细胞分化的时空性

细胞分化的分子基础

基因组的活动模式

基因的选择性表达是细胞分化的普遍规律，即基因组DNA在不同细胞或者同一细胞不同发育阶段发生差异表达

奢侈基因 : 特定类型细胞中为其执行特定功能蛋白编码的基因。如红细胞的血红蛋白、皮肤表皮细胞的角蛋白、肌细胞的肌动蛋白和肌球蛋白等蛋白质编码基因等

持家基因：生物体各类细胞中都表达，为维持细胞存活和生长所必须的蛋白质编码的基因。如细胞骨架蛋白、染色质的组蛋白、核糖体蛋白、以及参与能量代谢的糖酵母类的编码基因等

基因组改变是细胞分化的特例

决定因子与传递方式

母体效应基因产物的极性分布

母体效应基因，即在卵子发生过程中表达，表达产物（母体因子）存留于卵子中，受精后通过母体因子影响胚胎发育的基因

胚胎细胞分裂时胞质的不均等分配

在胚胎发育早期，胞质中的某些成分分布有区域性。细胞分裂时，细胞质成分被不均等分配到子细胞中，这种不均一性成分可以调控细胞核基因的表达，在一定程度上调控细胞的早期分化

选择性表达的转录调控

细胞分化的表达调控主要发生在转录水平

基因的时序性表达

基因的组织细胞特异性表达

细胞分化过程中基因表达调控的复杂性

染色质成分的化学修饰在转录水平上调控细胞的特化

基因的时序性表达

某一特定基因表达严格按照一定的时间顺序发生，这称为基因表达的时间特异性

基因的组织细胞特异性表达

发育过程中，同一基因产物在不同组织器官中表达多少是不一样的，一种基因产物在个体的不同组织或器官中表达，即在个体的不同空间出现，称为基因表达的空间特异性

分化过程中基因表达调控的复杂性

动物受精卵第一次卵裂后的裂球，在个体发育中通过细胞分裂产生大量多代各种成体细胞，祖细胞与分化细胞的先后连续的宗系关系被称为细胞谱系。在特定的细胞谱系形成过程中，常见的转录水平调控方式有两种

一个表达的转录因子能同时调控几个基因的表达，表现为同时发生的某些基因的激活和某些基因的关闭

组合调控，即转录起始受多个基因调节蛋白的组合调控而不是单个基因调节蛋白调控的现象

染色质成分的化学修饰在转录水平上调控细胞特化

DNA甲基化，即在甲基转移酶的催化下， DNA分子中的胞嘧啶可转变成5-甲基胞嘧啶。甲基化常见于CG二核苷酸的CpG岛，甲基化程度越高， DNA转录活性越低

组蛋白的共价化学修饰：组蛋白的氨基酸残基能被乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、 sumo化、及糖基化

修饰将引起染色质结构改变，导致基因转录或沉默

影响染色质结构变化的因素，除DNA甲基化和组蛋白修饰之外，还包括组蛋白组分的改变、染色质重建子和非编码RNA等子主题

这些因素或染色质上的这些标记在细胞分裂过程中能够被继承并共同作用决定细胞的表型，即表观遗传

非编码RNA的作用

非编码RNA，是一类不编码蛋白质的RNA分子

迄今发现的具有基因表达调控作用的非编码RNA主要包括长度在20~30个核苷酸（nt）的小分子非编码RNA（简称小RNA）和长度超过200个核苷酸的长链非编码RNA（IncRNA）子主题

细胞分化的影响因素

细胞间的相互作用的影响

胚胎诱导

指胚胎发育过程中，一部分细胞对临近细胞产生影响并决定其分化的现象。起诱导作用的细胞或组织称为诱导细胞或诱导组织，被诱导而发生分化的细胞或组织称为反应细胞或反应组织

激素对细胞分化的调节

甾类激素，音"灾"，如类固醇激素，雌激素和昆虫的蜕皮素等为脂溶性，可穿过靶细胞膜，与胞质内特异性受体结合，作为转录调控物直接结合到DNA调控位点上

多肽类激素，如促甲状腺素、生长激素和胰岛素等,水溶性，与质膜上的受体结合，经细胞内信号转导过程将信号传递到细胞核，影响转录

环境对细胞分化的影响

物理因素

化学因素

生物性因素

细胞分化与医学

细胞分化与肿瘤

肿瘤细胞的生物学特性：分化障碍丧失正常细胞的接触性抑制的生长特性，表现为“永生”细胞

细胞分化与再生医学

干细胞

干细胞是一类具有自我更新、高度增殖和多向分化潜能的细胞群体，可以进一步分化成为各种不同的组织细胞，从而构成机体各种复杂的组织和器官

终末分化的细胞在特殊的环境、特殊的细胞因子的影响下，可以引导裂分化为干细胞，甚至裂分化为全能干细胞，这种可以引导产生的多能干细胞称为诱导多能干细胞

干细胞与再生医学的临床应用

干细胞治疗

造血干细胞移植是治疗白血病等血液病的最成熟的干细胞治疗技术；运用iPSC来源的干细胞系进行再生治疗

基因治疗

主要是通过转基因技术将目的基因转移到受体细胞中并调控其表达，从而用于特定疾病的治疗

组织工程

组织工程就是利用生物材料和细胞在一起孵育形成类似于组织的结构，用于缺损、损伤的组织的移植和治疗。组织工程的三大要素是种子细胞、支架材料和调节因子

器官移植

再生医学可以构建肝、肾、心、肺等各种器官，建立可供移植的器官资源库或者“人体配件工厂” 。目前器官移植主要是指异种器官移植，异种器官移植是挽救器官功能衰竭病人生命的重要手段

细胞衰老与细胞死亡

细胞衰老

细胞衰老的学说

遗传决定学说

婴幼儿早衰症，由于编码的核膜蛋白的基因突变所引起的，为常染色体隐性遗传疾病

成人早衰症，引起该病的基因与DNA的解旋有关（患者的DNA不能够正常修复）

自由基学说

活性氧基团导致细胞损伤和衰老

人体内自由基的产生有两个来源，即外源性自由基和内源性自由基

端粒钟学说

端粒随细胞分裂不断缩短为衰老的主要原因。端粒是染色体末端的一种特殊结构，其DNA由简单的串联重复序列组成。细胞分裂时，由于端粒不能被DNA聚合酶完全复制而逐渐变短，除非有端粒酶的存在

细胞衰老的特点

细胞衰老与机体衰老既有区别又有联系

个别细胞的衰老不影响机体的寿命，同样机体衰老并不代表所有细胞的衰老

个体的衰老是建立在总体细胞衰老基础上的

机体各类细胞的寿命不同

寿命接近于动物整体寿命（如神经元、脂肪细胞、肌细胞等）

缓慢更新细胞，寿命比机体寿命短（如肝细胞、胃壁细胞等）

更新快且寿命短的细胞（皮肤表皮细胞、红细胞、白细胞等）

细胞在体外培养条件下的寿命

细胞平均代数与所取培养细胞的组织年龄、种属等特性密切相关

细胞衰老的表现

形态变化

生物大分子和代谢的改变

DNA复制与转录受到抑制，但也有个别基因异常激活，端粒DNA丢失，线粒体DNA特异性缺失， DNA氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低

RNA：mRNA和tRNA含量降低

蛋白质：含量降低，细胞内的蛋白发生糖基化、氨甲酰化等修饰反应，导致蛋白的稳定性、抗原性和可降解性下降，自由基使肽键断裂，交联而变性

酶分子：活性中心被氧化，金属离子Ca2+、 Zn2+等丢失，酶分子的二级结构、溶解度和等电点发生改变，总的效应是酶失活；但β-半乳糖苷酶活性增强

脂类：不饱和脂肪酸被氧化，引起膜脂之间或脂蛋白之间交联，膜的流动性降低

细胞衰老的机制

目前对细胞衰老机制的认识主要集中在G1到S期的衔接期

G1-S期是真核细胞周期中重要的限制调控点，其中G1期限制点是增殖细胞唯一能够接受外界增殖和抑制信息的调控点

未能通过G1-S限制调控点的细胞也将退出细胞周期，并走向衰亡

细胞死亡

细胞坏死：在外来致病因子作用下，细胞生命活动被强行终止所致的病理性、被动性的死亡过程。

细胞凋亡：在特定信号诱导下，细胞内的死亡级联反应被触发所致的生理或病理性、主动性的死亡过程

两者的区别

细胞坏死时，细胞膜发生渗漏，细胞内容物释放到胞外（包括膨大、破碎的细胞器以及染色质片段等），导致炎症反应

细胞凋亡时，细胞膜反折并包裹断裂的染色质片段或细胞器等，随后逐渐分离而形成众多的凋亡小体，最终为邻近的吞噬细胞所吞噬破坏，不引发炎症反应

细胞凋亡与疾病

细胞凋亡过低导致的疾病

肿瘤

系统性红斑狼疮

细胞凋亡过度导致的疾病

神经退行性疾病

艾滋病

心血管疾病

凋亡的特征性形态学变化

细胞核的变化：凋亡细胞的核DNA在核小体连接处断裂成核小体片段，并向核膜下或中央部异染色质区聚集，浓缩成染色质块

细胞质的变化：发生明显浓缩，细胞器也发生变化，凋亡细胞原有的疏松、有序的细胞骨架结构也变得致密和紊乱

细胞膜的变化：凋亡细胞表面原有的特化结构如微绒毛、细胞突起及细胞间连接等逐渐消失，但细胞膜仍保持完整，仍然具有选择通透性

凋亡小体的形成

发芽脱落机制：聚集的染色质块，形成大小不等的核碎片后，整个细胞通过发芽、起泡等方式，形成一个球形的突起，并在根部脱落，形成一些大小不等，内含胞质、细胞器、以及核碎片的膜包体，即凋亡小体

分隔机制：内质网分隔成大小不等的分隔区，靠近细胞膜端的分隔膜与细胞膜融合并脱落形成凋亡小体

自噬体形成机制：线粒体、内质网等细胞器和其他胞质成分一起被内质网膜包裹形成自噬体，在与凋亡细胞膜融合后排出胞外，形成凋亡小体

细胞变化复杂性和多样性

DNA片段化：细胞凋亡时，细胞的内源性核酸内切酶活化，特异性切断DNA链，形成长度为180-200bp整数倍的寡聚核苷酸片段

细胞凋亡中的蛋白酶：主要通过多种蛋白酶控制，蛋白酶级联切割可能是凋亡最关键的过程

胞浆Ca2+、 pH的变化：Ca2+通过两条途径诱导细胞凋亡。一是胞内Ca2+库释放，胞外Ca2+内流使胞浆内Ca2+持续升高，作为凋亡信号启动凋亡；二是Ca2+的释放打破了细胞内结构的稳定性，使凋亡的关键成分与基质反应，触发凋亡

线粒体在细胞凋亡中的作用：发生凋亡时，线粒体会发生一系列显著的变化

线粒体呼吸链受损，能量代谢受到破坏，导致细胞死亡

线粒体释放细胞色素c（cyt C）

凋亡时线粒体生成的ROS增多

线粒体渗透转变孔通透性增高

凋亡的影响因素

细胞凋亡的诱发因素

生理性诱导因子：肿瘤坏死因子及其Fas配体、转化生长因子β、神经递质、 Ca2+、糖皮质激素等

损伤相关因子：热休克、病毒感染、细菌毒素、氧化剂、等

疾病治疗相关因子：化疗、放疗、生物治疗、中药治疗等

有某些细胞毒性的物质：乙醇、氧化砷、 β淀粉样肽等

细胞凋亡的抑制因素

生理性抑制因子如bcl-2原癌基因、突变型p53、各种生长因子、细胞外基质、 CD40配体等

病毒基因如腺病毒的E1B、杆状病毒、 EB病毒BHRF1及LMP-1、单纯疱疹病毒多种基因

其他：线虫的ced-9基因、半胱氨酸蛋白酶抑制剂、钙蛋白酶抑制剂、促癌剂等

分子机制

凋亡的检测

形态学检测（光学显微镜、电子显微镜）

生化特征检测：细胞凋亡最显著的生化特征是Ca2+、 Mg2+依赖的内源性核酸酶激活后，将细胞核染色体从核小体间断裂，形成约为180-200bp或其多聚体组成的寡核苷酸片段。检测方法：琼脂糖凝胶电泳法、原位末端标记法、 ELISA

流式细胞仪检测

优点：可定性可定量，且简单、快速、敏感性高

原理：细胞凋亡后，会发生特征性的变化（细胞膜、细胞器、细胞核），造成染色体荧光染料对凋亡细胞DNA可染性的改变，以及细胞形态的改变影响了光散射特性

细胞自噬

细胞自噬是指胞浆内大分子物质与细胞器在膜包裹泡中大量降解的生物学过程。在自噬过程中，部分或整个细胞质、细胞器被包裹进双层膜的囊泡，形成自噬泡或自噬体。自噬体形成后很快变成单层膜，然后与溶酶体结合形成自噬溶酶体。自噬溶酶体中，待降解的物质在多种的酶的作用下分解成氨基酸和核苷酸等，进入三羧酸循环，产生小分子和能量，再被细胞所用，实现细胞代谢和细胞器的更新

分类

微自噬：主要由溶酶体的膜直接包裹，如长寿命蛋白在溶酶体内降解

巨自噬：是通常所指的自噬，是自噬形式中最普遍的一种。巨自噬过程中，细胞浆中的可溶性蛋白和变性坏死的细胞器被非溶酶体来源的双层膜结构包裹（即自噬泡），并被自噬泡携带到溶酶体中降解加工

分子伴侣介导的自噬：胞浆中的分子伴侣Hsc73识别底物蛋白分子的特定氨基酸序列并与之结合，分子伴侣-底物复合物与溶酶体膜上的受体结合后，转运至溶酶体内，被溶酶体酶降解，整个过程不需要囊泡的参与

发生过程

发生过程主要包括4个阶段：底物诱导自噬前体形成、自噬体形成、自噬体与溶酶体融合和自噬体内容物的降解

自噬的调控

Ⅲ型磷脂酰肌醇三磷酸激酶

class Ⅲ PI3K 可磷酸化磷脂酰肌醇，生成3-磷酸磷脂酰肌醇，后者募集胞浆中含-FYVE-或-PX-基序的蛋白质，用于自噬体膜的形成，由此参与对细胞自噬的正向调控

自噬反应调控路径的mTOR信号途径

mTOR信号途径对细胞生长具有重要的调节作用，可抑制自噬的发生，属于自噬的负反馈调节因子

肿瘤抑制因子PTEN（磷酸酶）

PTEN可促使PIP3去磷酸化，从而解除class Ⅰ PI3K/AKT(PKB)途径对自噬反应的抑制，是自噬反应的间接正反馈调节蛋白

P53

重要的肿瘤抑制因子在多种生理和病理状态下参与自噬反应的正、负向调控，提示自噬反应在肿瘤发生发展过程中起到的重要作用

医学意义

自噬可以帮助细胞抵抗衰老、饥饿等外界压力，但过度的自噬又将导致细胞发生程序性死亡，被称为Ⅱ 型凋亡。自噬对细胞的两面性作用导致其在疾病中起到复杂双刃剑效应

自噬作用在生物体生长发育、细胞分化及对环境应激的应答方面极为关键，为防止某些疾病以及抵御病原微生物的感染等方面发挥重要作用

在恶性肿瘤的进展阶段，自噬可以帮助癌细胞对抗营养缺乏和缺氧。某些抗肿瘤治疗药物有可能通过自噬机制发挥作用（如用于乳腺癌治疗的他莫西芬）

绪论

细胞生物学的概念与研究内容

细胞是生物体的结构和功能单位。一切生命的关键问题都要在细胞里面寻找

以细胞为研究对象，从细胞显微水平、亚显微水平及分子水平三个层次来研究细胞的结构及其基本生命活动规律的科学

当前细胞生物学研究的3个根本性问题

基因组如何在时间和空间上有序表达

基因表达产物如何逐级组成细胞的基本结构体系及各种细胞器

基因及其表达产物如何调节细胞的重大生命活动

细胞生物学的主要研究内容

细胞结构与功能

细胞的起源与进化

细胞膜和细胞器的解耦与功能

细胞骨架与细胞运动

细胞核与基因组活动

核糖体与蛋白质合成

生物体的生长、发育、分化、繁育、运动、遗传、变异、疾病、衰老和死亡

细胞生命活动

细胞通讯与细胞信号网络调控

细胞的增殖与分化

细胞的衰老与凋亡

细胞工程

研究与应用手段

细胞生物学与其它学科的联系

细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科和前沿学科

细胞生物学在生命科学中重要地位

是揭开生命奥秘的关键学科

是21世纪生命科学研究的重要领域

与农业、医学、生物高科技密不可分

解决人类面临的重大问题-人口、食品、能源、环境、健康

是生物、农学、医学等专业的一门必修课程

是现代生命科学的重要基础学科

细胞生物学的主要学术组织

国际细胞生物学联盟

亚太地区细胞生物学

海峡两岸细胞生物学

中国细胞生物学会

细胞生物学的发展简史与趋势

细胞的发现

细胞学说的创立

细胞学说

一切生物均由一个或多个细胞构成

细胞是生物形态结构和功能的基本单位

细胞只能通过分裂的方式来自原来的细胞

细胞学说的科学意义

细胞学说的提出先于进化论约20年，是现代生物学的三大基石之一。恩格斯对细胞学说基于极高评价，把它与进化论和能量守恒定律并列为19世纪的三大发明

细胞学的经典时期

时间：19世纪中期~20世纪初

研究方法：应用固定和染色技术（制片技术）在光学显微镜下观察细胞形态结构和细胞分裂活动

原生质理论的提出

细胞分裂的研究

重要的细胞器的发现

实验细胞学时期

时间：20世纪初期~20世纪中叶

研究方法：采用多种实验手段，从形态结构的观察深入到生理功能、生化代谢、遗传发育机理的研究。与相邻学科互相渗透

实验细胞生物学的提出

细胞学与遗传学相结合

细胞生化、细胞生理等全面发展

细胞生物学的兴起

时间：20世纪30年代~至今

研究方法：采用电子显微镜与分子生物学的研究方法

电子显微镜的应用使细胞学研究深入到亚显微水平

分子生物学的研究进展促进了细胞生物学的形成与发展

20世纪60年代，形成了从分子水平、亚细胞水平和细胞整体水平来探讨细胞各种生命活动的学科，即细胞生物学

细胞生物学与医学的关系

机体的一切病理现象都基于细胞的损伤

细胞的基本概念

细胞是生命活动的基本单位

细胞是构成生物体的基本结构单位

一切有机体都由细胞构成

人体内的细胞大约分为252个不同的类型

成人的有机体大约含有10^14个细胞

刚出生的婴儿机体约有2*10^12个细胞

1g哺乳动物的肝或肾组织大约含有2.5~3亿个细胞

细胞是代谢和功能的基本单位

有机体一切代谢和功能活动都要靠各种细胞来完成

细胞具有独立的有序的自控代谢体系

细胞是机体功能的执行者

细胞的生命活动是以物质代谢为基础，以能量代谢为动力，以信息调控为机制

细胞是有机体生长发育的基础

有机体的生长与发育是依靠细胞的分裂、增殖、分化与凋亡来实现的

细胞是遗传的基本单位，具有遗传的全能性

单细胞生物的繁殖表现为细胞一分为二

多细胞生物依靠细胞分裂形成特殊形式的生殖细胞——孢子或配子

孢子萌发或配子结合为合子是下一代生命的开始

细胞核中的遗传信息指导下一代生命的构建

没有细胞就没有完整的生命

细胞是生命起源的归宿，是生命进化的起点

含有遗传物质的原始细胞的形成，标志着生命的出现

细胞的基本共性

相似的化学组成

磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜

相同的遗传信息载体——DNA和RNA

一分为二的分裂方式

细胞的分类

原核细胞

特点

没有典型的核结构：DNA为裸露的环状分子，无被摸包裹，形成拟核；细胞质中无膜性细胞器，含有核糖体

体积小：直径约为1到数个微米

主要代表

支原体

衣原体

细菌

蓝藻又称蓝细菌

古核细胞

特点

又称古核生物，常发现于极端特殊环境中

形态多样，染色为G+或G-

形态结构与遗传装置与原核细胞相似，但有些分子进化特征更接近真核细胞

主要代表

极端嗜热菌可生活在250度环境中

极端嗜盐菌盐度可达25%

极端嗜酸菌pH值1以下

极端嗜碱菌pH值可达11.5以上

真核细胞

特点

形态与大小：形态多种多样，大小差异很大

基本结构体系

生物膜系统：以脂质及蛋白质为基础的膜相结构体系

遗传信息表达系统：以核算-蛋白质为主要成分的遗传信息表达体系

细胞骨架系统：由特异蛋白质分子构成的细胞骨架体系

细胞质溶胶

分细胞生物

病毒

特点

唯一的非细胞形态的生命体

最小（20-200nm）、结构最简单的生命存在形式

彻底的寄生性、必须在细胞内才能进行繁殖

以复制和装配的方式进行繁殖

结构组成

核酸分子

DNA

RNA

蛋白质

分类

按结构组成不同

DNA病毒

RNA病毒

类病毒

朊病毒

按病毒寄生宿主不同

动物病毒

植物病毒

细菌病毒（又称噬菌体）

类病毒

朊病毒

细胞的大小及其影响

细胞的分子结构

细胞中的化学元素

基本元素：C、H、O、N（约占90%）、S、P、Cl、K、Na、Ca、Mg、Fe（此12种约占99.9%）

微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co、Cr、Si、F、Br、I、Li、Ba等

生物小分子

水和无机盐是细胞内的无机化合物

水：细胞中的含量最多的一种成分，良好的溶剂；以游离形式存在，能以氢键与蛋白质分子结合

无机盐：均已离子状态存在。阳离子如Na+、K+、Ca+、Fe+、Mg+阴离子Cl-、SO42-、HCO3-

有机小分子是组成生物大分子的亚单位

糖：化学式（CH2O）n，是细胞的能源和多糖的亚基

脂肪酸：一端是疏水性的长烃链，一端是亲水的羧基，是细胞膜的组分

氨基酸：都有一个羧基一个氨基组成

核苷酸：由一个含氮环的化合物与一个五碳糖相连

生物大分子

核酸

化学组成

分类：核糖核酸与脱氧核糖核酸

化学组成：基本组成单位核苷酸

DNA

DNA双螺旋结构模型

碱基互补配对原则：A=T、C+G

DNA的主要功能：储存、复制和传递遗传信息

基因组：所有染色体上全部基因和基因间的DNA总和

RNA

mRNA

约占细胞总RNA的1%-5%，种类多且不均一

原核细胞与真核细胞的mRNA不同

高等真核生物不同组织细胞中mRNA的种类相差极大

是合成蛋白质的模板

5’端与3’端各有非翻译区（UTR），中间是编码区

rRNA

约占RNA总量的80%-90%，分子量在三种RNA中最大

通常呈单链，功能是参与核糖体的形成

tRNA

占细胞总RNA的5%-10%，由70-90个核苷酸组成

含有稀有碱基

单链结构，有部分折叠成假双链结构，使整个分子呈三叶草形

每种特定的tRNA只能转运一种特定的氨基酸，参与蛋白质的合成

snRNA

分子量较小，被称为小核RNA

在细胞内的含量虽不及总RNA的1%，但拷贝数多的惊人

大部分富含尿苷酸，且含量高达总核苷酸的35%

miRNA

一类长约21-25nt的非编码RNA

具有高度保守性

piRNA

一类小型RNA分子，长度约29到30个核苷酸

主要存在与哺乳动物睾丸的生殖细胞

发挥RNA沉默效应

核酶

具有酶活性

底物RNA，通过与序列特异性的靶RNA分子配对发挥作用

蛋白质

组成

基本单位：氨基酸

氨基酸结构特点：含有一个碱性氨基和一个酸性的羧基，以及一个结构不同的侧链

肽

组成蛋白质的各种氨基酸按一定的排列顺序，以一定的化学键—肽键连接而成。氨基酸通过肽键而连接成的化合物称为肽

多肽链是蛋白质分子的骨架，其中的每个氨基酸称为氨基酸残基，组成蛋白的氨基酸残基的差异体现出蛋白质的特征

结构

一级结构：蛋白质中氨基酸的排列顺序

二级结构：α-螺旋、β-片层结构

三级结构：在二级结构的基础上，由不同侧链间相互作用形成，相互作用方式包括氢键、离子键和疏水键

四级结构：多肽链亚单位之间通过氢键等非共价键的相互作用，形成的更复杂的空间结构

蛋白质结构与功能的关系

一级结构是蛋白质功能的基础

结构域是大分子蛋白的结构组成单位，不同结构域通常与不同的功能相关

蛋白质功能的正常发挥与其构象的不断改变密切相关

酶是一种特殊类型的蛋白质

定义：酶是由生物体细胞产生的具有催化剂作用的蛋白质

特点

具有很高的催化效率，比一般催化剂高10^6-10^10倍

本身反应前后没有结构和性质的改变

具有高度专一性

具有高度不稳定性

多糖

糖在细胞中的存在形式

单糖

多糖

寡糖

多糖或寡糖存在的主要形式

糖蛋白

蛋白聚糖

糖脂

脂多糖

糖蛋白

是共价结合糖的蛋白质，其中糖链和肽链的连接方式是N-糖肽链和O-糖肽链

糖脂

是含有糖类的脂质，根据组成不同分为四类：鞘糖脂、甘油糖脂、磷酸多萜醇衍生糖脂和类固醇衍生糖脂

细胞的起源于进化

原始细胞的形成

原始生命的诞生过程

从无机小分子形成有机小分子物质

从有机小分子物质形成生物大分子物质

从生物大分子物质组成多分子体系

从多分子体系演变为原始生命

原始细胞的形成

具有自我复制能力的多聚体的形成

膜的出现与原始细胞的诞生

原核细胞向真核细胞的演化

原核细胞诞生的标志

包围细胞的细胞膜

储存遗传信息的DNA

指导蛋白质合成的RNA

制造蛋白质的核糖体

假说

分化起源说

内共生起源说

单细胞生物向多细胞生物的进化

多细胞生物进化的早期可能是由单细胞聚集成群体

出现细胞分化：各种细胞朝不同方向发展，形成结构和功能各异的不同组织，但又互相协调成为一个有机整体

细胞生物学的研究方法

显微镜技术

光学显微镜技术

普通光学显微镜的分辨率

分辨率

显微镜或人眼在25cm的明视距离处，能分辨被检物体微细结构最小间隔的能力

普通光学显微镜最大分辨率0.2um

分辨率公式（阿贝极限）

D=0.61λ/N*sinα/2

N=聚光镜和物镜之间介质的折射率，空气为1，香柏油为1.52

α=标本对物镜镜口张角，sinα/2的最大值小于1

λ=照明光源的波长，白光0.5um

相差显微镜通常被用于观察活细胞

利用光的衍射和干涉效应把透过标本不同区域的光波的光程差（相位）变成振幅差，使活细胞内各种结构之间呈现清晰可见的明暗对比。肉眼可辨

可用于观察活细胞，观察未经染色的玻片标本，甚至研究细胞核、线粒体等细胞器的动态

暗视野显微镜通过散射光成像

原理：散射光成像

应用：分辨率不高。适合观察活细胞内的细胞核、线粒体、液体介质中的细菌和真菌等

荧光显微镜可以呈现强反差的彩色图像

荧光和荧光染料

荧光

荧光分子接受短波长光后，吸收能量，电子从基态跃迁到激发态，再从激发态回到基态1的过程中，释放出长波长的可见光。前者称为激发光，后者称为发射光

荧光染料

由于荧光分子可以使被检样品呈现不同的染色，因此也称荧光染料

荧光显微镜工作原理

荧光显微镜的结构特点

以超高压汞灯作为光源

两组滤光片：激发滤光片和阻断滤光片

专用物镜镜头：反射短波光透过长波光

应用

成像反差强，检测灵敏度高

免疫荧光技术：定性、定位和定量的研究组织内的荧光标记物质

绿色荧光蛋白GFP：队活细胞内分子的动态变化进行实时观察

共聚焦激光扫描显微镜可以提供高清晰的彩色三维图像

原理

单色激光作为光源

共聚焦：物镜和聚光镜互相共焦点，只有从标本焦面发出的光线聚焦成像，焦面以外的漫射光不参加成像

逐点扫描：利用激光扫描装置和计算机高速采集与处理汇聚每一点上的信息，形成清晰的二维图像

超分辨荧光显微镜技术

原理

由光的衍射效应导致的光学显微镜分辨率极限称为Abbe极限

应用新的光学原理、发光/示踪分子和信号分析技术，建立起了能够突破Abbe极限的超分辨显微技术，使光学显微镜的分辨率达到了30-50nm的纳米尺度

主要优点

可利用可见光，具有非接触、无损伤、可观测内部结构

主要观测活的组织或细胞，并进行把内部深层三维结构成像

显微电影摄影技术记录细胞或细胞器的运动过程

原理

用显微电影摄影术或电视录像以一定时间间隔拍摄

应用

准确记录细胞或细胞器的运动过程和速度

电子显微镜

透射电子显微镜

以电子束作为光源

电磁透镜聚焦

镜筒高度真空

图像通过荧光屏或感光胶片记录

扫描电子显微镜

原理

通过电子束照射样品表面激发的二次电子成像，可以得到样品表面的立体形态，二次电子产生的多少与电子束在标本表面的投射角有关

应用

可以直接观察标本表面的三维立体形态

纳米显微技术

扫描隧道显微镜

原理

使用原子尺度的探针在标本的表面进行扫描，在探针针尖和样品间施加一定电压，产生随标本表面形貌变化的隧道电流

特点

分辨率高，可在大气和液体等非真空状态下工作

应用

直接观察大分子的三维结构，如DNA双螺旋结构

原子力显微镜

原理

通过分析探针针尖与样品之间的原子间作用力来获取所观察表面的微观信息

特点

可以在三态（固态、气态和液态）状况下工作

应用

活细胞表面及生物大分子空间伸展及其结晶体表面观测进行单个分子操作

细胞的分离和培养

不同类型细胞的分离

利用物理生物学特性分离和筛选细胞

利用细胞贴壁或悬浮生长的特性

利用细胞的密度特性（外周血）

流式细胞术精确分选荧光标记细胞

基本原理

排列成单列的悬浮细胞，按重力方向流动，通过激光束检测区时，有荧光抗体标记的细胞被带上负电，不含荧光标记的细胞被带上正电，在电场作用下带有不同电荷的液滴分别收集于各自的细胞器

分离特点

速度快，分离纯度高

流式细胞仪原理

原理

检测通过激光束的细胞的荧光

根据细胞是否带有荧光，含有单个细胞的液滴被带上负电或正电

在电场的作用下将带有不同电荷的液滴分别收集于各自的细胞收集器

主要应用

用于定量测定细胞中的DNA、RNA或某一特异蛋白的含量

分离DNA含量不同的中期染色体

测定细胞群体中不同时相细胞的数量

从细胞群体中分离某些特异染色的细胞

免疫磁珠法可获得高纯度细胞

特点

操作简单

特异性强

回收率高

分选纯度高（95~99%）

基本原理

混合孵育——磁场过柱——目的细胞

激光捕获纤维切割技术从组织切片中精确分离单一细胞

特点：不能用于分离活细胞，适用于能量较少或散在分布，主要用于生化与基因组分析

细胞培养

无菌条件下从机体取出组织或细胞，模拟机体正常生理状态下生存的基本条件，使之在培养器皿中正常生存、生长和繁殖的方法

培养目的

获得大量的、形状相同的细胞，以便于研究细胞的形态结构、化学组成及功能和机制

要求

细胞培养全过程必须在无菌环境下进行

细胞培养的主要方式是原代与传代培养

原代培养

直接从体内获取的组织或细胞进行首次培养

传代培养

当原代细胞增殖到一定密度后，将细胞分散后以一定比例从一个培养器转移到另外的容器中扩大培养，传代一次称为一代

来源于体内的细胞可以在体外建系

培养中的细胞是细胞行为研究的主要模型

增殖能力

转移能力

侵袭能力

相互作用

细胞融合与单克隆抗体技术

细胞融合

通过培养和介导，两个或多个细胞合并成一个双核或多核细胞的过程称为细胞融合或细胞杂交

诱导细胞融合的方法

生物方法

灭活病毒诱导

例子

仙台病毒

副流感病毒

新城鸡瘟病毒

化学方法

如聚乙二醇PEG

物理方法

电击和激光

细胞组分的分离和纯化技术

细胞裂解

物理方法裂解——避免损伤亚细胞结构

低渗透压

超声震荡

机械破碎、研磨

去垢剂裂解——破坏蛋白质分子之间的疏水作用

离子型-SDS

非离子型-TritonX-100

兼性离子型-CHAPS

细胞器及细胞组分的分级与分离

差速离心

方法

从高速到低速逐渐沉降

分离对象

体积、质量差别较大的颗粒

速度沉降与平衡沉降

速度沉降

方法

在离心管中制备由顶部到底部逐渐增加的蔗糖溶液浓度梯度（通常5%~20%）

分离对象

沉降系数不同的颗粒

平衡沉降

方法

在离心管中制备由顶部到底部高浓度差的蔗糖或氯化铯溶液密度梯度

分离对象

密度不同颗粒

蛋白质的分离与鉴定

用层析的方法纯化蛋白质

离子交换层析

凝胶过滤层析

疏水性层析

亲和层析

用电泳的方法分析、鉴定蛋白质

SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳：根据其分子量的不同分离蛋白质

等电聚焦电泳：依据等电点不同分离蛋白质

双向电泳：更好的分离效果，常用质谱技术进一步鉴定

核酸的分离纯化与鉴定

差速离心沉淀——核酸分离纯化的常用方法

可获得保留在水相中的核酸分子

凝胶电泳——核酸分离鉴定

经离心沉淀分离纯化的核酸分子，通过凝胶电泳可直接判定核酸的纯度、完整性及片段大小

细胞化学和细胞内分子示踪技术

酶细胞化学技术

通过酶对特异底物的反应并显色来检测酶在器官、组织和细胞内的分布及酶活性强弱的一种技术

原理：酶与底物结合

检测方法：光度计、光镜、电镜等

免疫细胞化学技术

利用免疫学中抗原抗体特异性结合的原理来定性和定位研究器官、组织和细胞中的生物活性大分子的技术

标记方法

荧光染料标记抗体

胶体金标记抗体

酶标记抗体

反应方法

直接反应——标记物标记一级抗体

间接反应——标记物标记二级抗体，可增加信号强度

放射自显影技术

用放射性同位素标记生物样品中的大分子或其前体物质，然后通过乳胶感光（卤化银还原成为银原子），显示出被标记物在组织和细胞内的位置、数量及其变化

两个主要步骤

同位素标记的生物大分子的掺入

细胞内同位素的显示

放射性同位素

可衰变释放出α、β或γ射线而被检测

活细胞内分子示踪

离子探针——进行细胞内离子的实时检测

原理

一些染料专一地与某种离子结合后会产生荧光或改变本身荧光的发射波长与强度，从而通过荧光检测可以显示该离子的量

应用

细胞内离子的实时检测

绿色荧光蛋白——显示特定蛋白质在细胞内的定位

绿色荧光蛋白

含有238个氨基酸残基，在蓝色光源（450~490nm）的激发下，发射出绿色荧光（520nm）

应用：显示特定蛋白在细胞内的定位

构建融合基因表达载体

转染细胞

荧光显微镜下观察

荧光共振能量转移——实时观察细胞内蛋白质与蛋白质相互作用

当一个荧光供体与一个荧光受体分子彼此接近而供体的发射光谱与受体的激发光谱重叠时就会发生FRET现象，此时能量以非辐射方式由供体转移到受体

应用

实时观察细胞内蛋白与蛋白相互作用

单分子示踪——研究活细胞内大分子行为及功能的重要方法

单分子荧光成像

特点

时间分辨率高，样品激发范围小、光子收集效率高

成像

全内反式荧光显微镜和共焦激光扫描显微镜

应用

活细胞内单分子研究

原子力显微镜

特点

分辨率高，适合在生理条件下显示生物分子的特异性相互作用

细胞功能基因组学研究技术

基因表达的定量分析

印迹杂交技术——定量检测基因表达变化的基本方法

Northern印记分析

检测组织或细胞中特异性mRNA的方法——以带有放射性或非放射性物质标记的单链cDNA、RNA片段或寡聚核苷酸为探针，检测RNA分子

应用：不仅能够定量检测基因表达水平的变化，而且能够提供基因不同转录本的转录长度信息

Western印记分析

检测的是蛋白质分子——以抗体分子作为检测分子，在蛋白质水平定量检测基因表达改变的主要方法

应用：可以识别同一种蛋白分子的不同修饰方式（磷酸化、甲基化、泛素化），主要用于研究蛋白质含量、大小和活性

原位杂交——可提供基因表达的时空信息

基本原理

以短的单链cDNA、RNA片段或寡聚核苷酸为探针，与经过固定并提高通透性的细胞、组织切片或胚胎进行杂交，以荧光分子或显色酶作为报告基因，研究RNA分子的分布定位

应用：原位杂交将RNA分子保持在组织和细胞内的原位，因此展示细胞和组织内特定基因表达的时间和空间变化

荧光实时定量PCR技术——检测基因表达变化的常规方法

聚合酶链式反应：能够在体外对特定DNA序列进行重复性复制、扩增

反应体系：模板DNA、耐热的DNA聚合酶、引物、4种脱氧核苷酸、适当的反应缓冲液

特点：PCR反应进行过程中的检测，而不是PCR反应过程结束时的终点检测，可以进行目的DNA片段的定量分析

基因表达的上调和下调技术

外源性基因在细胞中的过表达

上调基因表达的主要方式

方法：通过脂质体包裹的基因转染或病毒介导等技术，可以将带有外源基因的表达载体导入动物或人类细胞

RNA干扰技术

下调基因表达的主要方式

基本原理：外源性双链RNA进入细胞后被切割成双链小干扰RNA；siRNA以序列同源互补的mRNA为靶点，使特定基因的mRNA降解来高效、特异地阻断体内特定基因的表达

蛋白质相互作用的研究技术

免疫沉淀

主要过程

偶联在凝胶颗粒或磁珠上的目的蛋白的抗体将细胞匀浆或裂解液中的目的蛋白沉淀出来，同时，与目的蛋白发生相互作用的蛋白也被沉淀下来，然后用SDS-PAGE、免疫印记或生物质谱对沉淀出来的蛋白进行鉴定

特点

方法简单易行

不能得到细胞内蛋白相互作用的动态结果

细胞内本来没有相互作用的蛋白质在破碎细胞时可能发生凝聚

可能存在假阳性结果

酵母双杂交——用于筛选存在相互作用的蛋白质

基本原理

将目的蛋白（诱饵）与报告基因的DNA结合结构域构建成融合蛋白，将被筛选的蛋白（俘获物）与报告基因的转录激活结构域建成融合蛋白，如果目的蛋白和筛选的蛋白在酵母细胞中存在相互作用，则报告基因会酵母中进行表达最后从阳性酵母菌落中分理处阳性蛋白质粒从而确定阳性蛋白的编码序列

特点

快速检测蛋白相互作用

可在体内条件下研究蛋白质相互作用

只能说明两个蛋白质之间有发生相互作用的结构基础

只能作为筛选系统，后续需要免疫共沉淀进行验证

噬菌体展示——可体外筛选存在相互作用的蛋白质

基本原理

将被筛选蛋白与噬菌体的衣壳蛋白构建成融合蛋白，并在表面进行表达；然后将目的蛋白固定在平板或小珠上，与展示不同筛选蛋白的噬菌体文库进行孵育；分离出特异结合的噬菌体再进行体内扩增，再重复孵育；富集后经DNA测序鉴定所得噬菌体中筛选蛋白的编码基因

特点

容易对库容量较大的文库进行筛选

蛋白质与核酸相互作用的研究技术

染色质免疫沉淀技术——体内研究DNA 与蛋白质相互作用

紫外交联免疫沉淀——研究RNA与RNA结合蛋白相互作用

生物芯片技术

基因芯片

将大量特定的寡核苷酸片断作为探针，排列固定于支持物表面，与标记样品进行杂交，通过检测杂交信号强度，实现对生物样品快速、并行、高效的检测的一种技术

应用：常用于组织细胞的基因表达谱测定、基因多态性与基因突变分析、筛选候选基因等方面

蛋白质芯片

将大量蛋白质或多肽固化于固相支持物表面，通过蛋白质—蛋白质间的相互作用(如抗原抗体反应、受体配体识别等)，对样品中靶蛋白分子进行高通量检测的一种技术

蛋白质组学技术

蛋白质组

在特定时空下某种细胞、组织或器官所含有的全部蛋白质

蛋白质组学

以特定时空条件下某种细胞、组织或器官所含有的全部蛋白质的存在及其活动方式为研究对象的学科

研究方法

蛋白质双向电泳

可对批量蛋白一次性分离

高灵敏度和高分辨率

便于计算机进行数据处理

与质谱分析技术联用

质谱技术

蛋白质鉴定技术

电喷雾电离质谱ESI-MS

机制辅助激光解吸/电离飞行时间质谱MALDI-TOF-MS

蛋白质测序借助串联质谱MS/MS

高通量测序技术

常规自动化DNA序列测定

最常使用的四色荧光自动化测序，是基于Sanger建立的双脱氧链末端合成终止法的基本原理

DNA高通量测序

原理

将DNA固定在芯片上，测序反应以大规模阵列形式排列，边合成边测序，不依赖于电泳，阵列上DNA合成时的单个碱基改变所发出的荧光信号被检测器捕获并转化为一个测序峰值，从而获得序列信息

应用

对一个物种或个体的转录组和基因组进行细致全貌的分析

与其他基因组水平研究技术的联合应用

模式动物个体水平的基因操作技术

模式动物

果蝇、线虫、爪蟾、斑马鱼、小鼠

研究基因的功能——转基因小鼠

待研究的基因DNA 直接注射到受精卵的细胞核中

在培养的胚胎干细胞(ES)基因组中改变或者加入几个基因，随后把有基因改变的ES细胞注入胚泡，使其成为内细胞团的一部分

生物大分子的结构测定

磁共振技术

某些原子核当受到特定范围的电磁辐射时，原子核自旋方向改变，处于激发状态，当激发状态下的氢原子核恢复原状态时，释放出射频辐射，这种射频辐射可以被检测到，并以波谱的形式显示。释放出的辐射的性质取决于每个氢原子核所处的环境

特点

样品不需结晶，以溶液形式置于强磁场中测定

应用

大分子三维结构测定

X-射线衍射技术

单个物体受到波长比自身小的电磁射线照射，会散射一部分射线，射线的光波相互重叠干涉，物体向各方向散射的射线量可被记录为X-射线衍射图

亮点的强度取决于晶格排列物体的内部构造

亮点的位置取决于晶格排列物体的排列方式

应用

从蛋白质结晶衍射图中计算出精确的微细结构，目前是确定分子中原子详细排列状况的唯一方法

细胞膜与物质的跨膜运输

细胞膜系统包围在细胞质表面的一层薄膜，称细胞膜或细胞质膜或，维持细胞特有的内环境。真核细胞的细胞质中的各种在结构、功能及其发生上相互密切关联的膜性细胞器，如内质网、高尔基复合体、溶酶体、各种膜泡和核膜等统称为真核细胞内膜系统。细胞质膜、线粒体膜（或叶绿体膜）和细胞内膜系统总称为生物膜

细胞膜的化学组成与生物学特性

质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在

膜脂是膜的基本骨架

膜蛋白是膜功能的主要体现者

膜糖类是细胞表面受体

动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质

具体内容

膜脂

磷脂

磷脂分子中含有磷酸基团，占膜脂的50%以上。分子末端亲水基团和磷酸基团共同形成了亲水的头部，脂肪酸链是疏水的无极性称疏水尾。为双亲性分子或兼性分子

胆固醇

结构

双亲性分子，极性头部为羟基，非极性疏水结构为固醇环和烃链

定位

分布在膜中的磷脂分子之间。极性羟基紧靠磷脂的极性头部，固醇环固定在磷脂分子邻近头部的烃链上，疏水的烃链尾部埋在脂双层的中央

功能

调节膜流动性，增强膜稳定性，降低水溶性物质通透性

糖脂

定位

均位于质膜非胞质面单层，糖基暴露于细胞表面

组成

脂类和寡糖；动物为鞘磷脂的衍生物，植物与细菌为甘油磷脂的衍生物

结构

双亲性分子，分为半乳糖脑苷脂和神经节苷脂

功能

作为细胞表面受体，参与细胞识别、黏附及信号转导等

膜脂的存在形式

形成球状分子团，把尾部包藏在里面

形成脂双层，把疏水的尾部夹在头部的中间，其游离端往往能自动闭合，形成自我封闭的脂质体

脂双层作为生物膜理想结构的特点

构成分隔两个水溶性环境的屏障

脂双层是连续的，具有自相融合形成封闭性腔室的倾向，形成广泛的连续膜网；受到损伤时能自动封闭

脂双层具有柔性是可变形的

脂质体

根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的现象而制备的人工膜

是研究膜生物学性质及功能的极好实验材料

作为DNA或体内药物的运载体，用于转基因实验或治疗某些遗传性疾病，特别是脂质体技术与单克隆抗体技术结合，可使药物更有效地作用于靶细胞以减少对机体的损伤

膜蛋白

含量

膜蛋白约占膜含量的40%～50%。在不同细胞中膜蛋白的种类及含量有很大差异

功能

生物膜的特定功能主要由蛋白质完成，膜功能越复杂其中蛋白质含量越高。具有运输、催化、连接、受体接受信号等作用

类型

膜内在蛋白

又称穿膜蛋白，占膜蛋白总量的70%-80%，两亲性分子，分为单次穿膜、多次穿膜和多亚基穿膜蛋白

膜外在蛋白

又称脂连接蛋白，可位于膜的两侧，以共价键与脂双层内的脂分子结合

脂锚定蛋白

又称周边蛋白，占膜总量的20%-30%，是一类与细胞膜结合比较松散的不插入脂双层的蛋白质，分布在质膜的胞质侧或胞外侧

膜糖类

含量

细胞膜中含有的糖类称为膜糖类，约占细胞膜重量的2％～10％

形成方式

膜糖类

糖类（低聚糖）+膜脂——糖脂

糖类（低聚糖或多聚糖）+膜蛋白——糖蛋白

功能

保护作用；识别外来信号；膜抗原的分子基础；有助于蛋白质在膜上的定位与固定，参与细胞识别及与周围环境的相互作用

细胞膜的生物学特性

膜的不对称性

膜脂的不对称性

各种膜脂在脂双层内、外两单层中分布不同；不同膜性细胞器中脂类成分和分布不同

膜蛋白的不对称性

每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的方向性和分布的区域性

膜糖的不对称性

糖脂和糖蛋白的寡糖侧链分布不对称，只分布于质膜外表面

膜的流动性

是指膜脂的流动性和膜蛋白的运动性。膜是动态的结构，细胞膜的各种重要功能活动都与其流动性密切相关

膜脂的流动性

脂双层为液晶态二维流体，温度的改变使膜可以在液晶态和晶态之间转换，液晶态的膜处于流动状态

膜脂分子的运动方式

侧向扩散

翻转运动

旋转运动

弯曲运动

影响膜脂流动性的因素

胆固醇

胆固醇的含量增加会降低膜的流动性

脂肪酸链的饱和度

含双键越多越不饱和，膜流动性增加

脂肪酸链的链长

长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低

卵磷脂/鞘磷脂

与流动性成正比，鞘磷脂粘度大于卵磷脂

膜蛋白的影响

脂双层中嵌入的蛋白质越多，流动性越小

其他因素

温度、酸碱度、离子强度等

膜蛋白的运动性

侧向扩散

细胞融合实验证明膜蛋白在脂双层二维平面中可以自由扩散

旋转运动

膜蛋白围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动，速度比侧向扩散更为缓慢

细胞膜的分子结构模型

流动镶嵌模型

脂双层构成膜的连贯主体，它具有晶体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。膜中蛋白质分子以不同形式与脂双分子层结合。强调了膜的流动性和膜蛋白的不对称性

脂筏结构模型

定义

脂质双分子层不是一个完全均匀的二维流体，内部存在富含胆固醇和鞘脂以及特定种类膜蛋白组成的微区称为脂筏

特点

脂筏区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动。其周围是流动性较高的液态区。脂筏提供一个有利于蛋白质形成有效构象的变构环境

细胞膜与癌变

癌症被称为“ 膜的分子病”

癌细胞膜组分的改变

接触抑制丧失

肿瘤细胞黏着和连接异常

肿瘤细胞膜的流动性

肿瘤细胞膜的基本特征

接触抑制丧失无限分裂

膜流动性增加转移

免疫逃逸

细胞膜的物质转运方式

穿膜运输

气体、离子、小分子

膜泡运输

大分子、颗粒物质

小分子物质和离子的穿膜运输

基本概念

穿膜运输：是指物质直接通过细胞膜的运输方式，包括被动运输和主动运输两种方式，一般是小分子和离子的转运方式

膜的选择通透性

取决于分子在脂质中的溶解度和分子大小

易于通过膜的物质

气体

不带电荷小分子物质

不易于通过膜的物质

不带电荷的大的极性分子

离子

带电荷的极性分子（氨基酸/ATP/核酸/蛋白质等）

膜转运蛋白

载体蛋白：构象改变

通道蛋白：通道开放

穿膜运输形式

被动运输

通过简单扩散或易化扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要消耗细胞的代谢能。需要或不需要膜运输蛋白

主动运输

载体蛋白介导，利用代谢产生的能量驱动物质的逆电化学梯度的转运

膜运输蛋白

是指细胞膜上负责转运不能通过简单扩散穿膜的物质的蛋白质。如负责转运各种离子、葡萄糖、氨基酸、核苷酸及各种代谢产物的载体蛋白和通道蛋白

类型

载体蛋白

与特定溶质分子结合，通过构象改变进行物质转运，既介导被动运输又介导主动运输

通道蛋白

在膜上形成亲水孔道，贯穿脂双层，介导特定离子转运，仅介导被动运输

简单扩散

主要运输O2、CO2、乙醇、Vitamin A、B、E等

特点

顺浓度梯度（双向）

不需要能量

不需要膜蛋白的参与

被动运输

离子通道蛋白介导的被动运输

离子通道：高效转运各种离子

特点

介导被动运输，通道是双向的，不与溶质分子结合

对被转运离子的大小和所带电荷有高度的选择性

转运效率高

离子通道开放受闸门控制，属于间断开放通道

类型

配体门控通道

电压门控通道

应力激活通道

配体门控通道

离子通道型受体：依靠化学物质（配体）与受体的结合

与胞外特定配体结合后构象改变， “ 闸门” 打开，只允许某种离子快速跨膜转运。如乙酰胆碱受体是典型的配体门控通道

电压门控通道

跨膜电位的改变诱发通道蛋白构象变化，使通道开放，离子顺浓度梯度自由扩散通过细胞膜。 Na+、 K+、 Ca2＋等离子通道

通道开放时间只有几毫秒，随即迅速自发关闭

电压门控通道主要存在于可兴奋细胞，如神经元、肌细胞及腺上皮细胞等

应力激活通道

通道蛋白受机械应力作用，引起构象改变而开启“ 闸门” ，离子通过亲水通道进入细胞，引起膜电位变化，产生电信号

如内耳听觉毛细胞感受声波震动，迫使听毛发生倾斜弯曲产生机械应力作用

水通道蛋白介导的被动运输

水通道：细胞膜上由水孔蛋白形成的专一性高速转运水分子的通道

特点

不受闸门控制，处于持续开放状态

不需要消耗能量

高速转运

水分子的移动方向完全由膜两侧的渗透压决定

功能

参与机体的多种重要生理功能，如尿浓缩、保持水盐代谢平衡、各种消化液的分泌及胃尝到各段的体液吸收、调节脑室内液体平衡、促进房水分泌调节等

水通道蛋白的结构

水通道在质膜上是由四个对称排列的圆筒状亚基包绕而成的四聚体，每个亚基（即一个AQP1分子）的中心存在一个只允许水分子通过的中央孔，孔的直径约0.28nm，稍大于水分子直径

载体蛋白介导的被动运输

主动运输

ATP驱动泵

特点

属穿膜蛋白，在膜的胞质侧具有一个或多个ATP结合位点，能够水解ATP使自身磷酸化，利用ATP水解所释放的能量将被转运分子或离子从低浓度向高浓度转运，所以称为泵

具有专一性,如钠钾泵、氢泵、钙泵等

类型

P-型离子泵

驱动阳离子跨膜转运，如钠钾泵

V-型质子泵

需ATP供能，对H+的转运,出现在高尔基体/溶酶体等膜性细胞器中，形成酸化环境

F-型质子泵

合成ATP，在能量转换中起作用，如线粒体ATP酶

ABC转运体

参与糖、氨基酸及小分子物质的运输

协同运输

由Na+-K+泵（或H +泵）与载体蛋白协同作用，间接消耗ATP所完成的主动运输方式

特点

需Na+泵（或H+泵）消耗ATP转运Na+（或H+），造成膜内外离子浓度差

需载体蛋白（同向运输载体），不直接利用ATP，利用Na+（或H+）跨膜梯度驱动

分类

共运输

物质运输方向与离子转移方向相同，如：小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入

对向运输

物质运输方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的方式来转运H+以调节细胞内的pH值

大分子和颗粒物质的穿膜运输

膜泡运输

大分子和颗粒穿膜运输并不穿过细胞膜，物质进出是由膜包围，形成囊泡，通过一系列膜囊泡的形成和融合来完成转运过程

分类

胞吞作用

吞噬作用

吞噬细胞摄入颗粒物质的过程

细胞类型

原生生物摄取食物；中性粒细胞、单核细胞、巨噬细胞等

功能

机体防御，吞噬入侵微生物、清除损伤和死亡的细胞等

胞饮作用

细胞吞入液体和可溶性物质的过程

细胞类型

巨噬细胞、白细胞、毛细血管上皮细胞、肾小管上皮细胞、小肠上皮细胞等

功能

物质吸收与转运

受体介导的胞吞

细胞通过受体的介导选择性高效摄取细胞外特定大分子的过程

特点

有受体参与，特异性很强；有多种辅助蛋白参与

受体蛋白

网络蛋白

衔接蛋白

发动蛋白

功能

物质运输，如激素、生长因子、胆固醇等

有被小窝和有被小泡的形成

有被小窝

质膜上受体集中的特定区域，质膜向内凹陷，内表面覆盖一层由网格蛋白和衔接蛋白组成的毛刺状电子致密物

有被小泡

细胞外溶质（配体）同有被小窝处的受体结合形成配体-受体复合物，网格蛋白聚集在有被小窝的胞质侧，有被小窝形成后进一步内陷，与质膜断离后形成有被小泡进入细胞

无被小泡的形成并与内体融合

发动蛋白水解与其结合的GTP，引起构象的改变，将有被小泡从质膜上切离

有被小泡从质膜上脱离很快变成表面光滑的无被小泡，继而与早期内体融合

受体与配体分离，内体以出芽的形式形成运载受体的小囊泡，受体返回质膜重新利用，开始下一轮的内吞作用

胞吐作用

指细胞内合成的物质通过膜泡转运至细胞膜，与质膜融合后将物质排出细胞外的过程

连续性分泌

定义

连续性分泌途径指分泌蛋白在粗面内质网合成后，转运至高尔基复合体修饰、浓缩、分选、装入分泌膜泡，随即被运送到细胞膜，与质膜融合，将分泌物排出的过程

分布

普遍存在于所有的动物细胞中

受调分泌

定义

调节性分泌途径是指细胞分泌蛋白合成后被储存于分泌囊泡内，只有当细胞接受到细胞外信号的刺激，才能启动胞吐过程，将分泌物释放到细胞外

分布

存在于分泌激素、酶、神经递质的特化细胞中

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，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出

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，使酶促反应高效而有序地进

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

细胞膜异常与疾病

细胞膜与癌变

载体蛋白异常性疾病：胱氨酸尿症、肾性糖尿

离子通道蛋白异常性疾病：囊性纤维化

膜受体异常性疾病：重症肌无力、家族性高胆固醇血症

细胞内膜系统与囊泡转运

内膜系统

细胞质中那些在结构、功能及其发生上相互密切关联的膜性结构细胞器总称。主要包括：内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体、各种转运小泡以及核膜等

内膜系统的出现是真核细胞与原核细胞相互区别的重要标志之一，是细胞进化过程中，内部结构不断完善，各种生理功能逐渐提高的结果

内质网

内质网的形态结构与类型

内质网——细胞质内由单位膜围成的三维网状膜系统

内质网是由大小不同、形态各异的单层膜性小管、小泡和扁囊彼此连通所构成的三维网管结构体系

通常占细胞膜系统的一半左右，在不同的组织细胞中，或同一种细胞的不同发育阶段及生理功能状态下，内质网的形态结构、数量分布和发达程度有很大差别

类型

糙面内质网

形态特征

排列整齐的扁平囊状结构，有核糖体颗粒附着

功能

分泌性蛋白、膜蛋白、溶酶体蛋白的合成；蛋白质的加工修饰、分选及转运

分布

蛋白分泌功能旺盛的细胞中，粗面内质网高度发达,如胰腺外分泌细胞和浆细胞；肿瘤细胞和未分化细胞中相对较少

光面内质网

形态特征

表面光滑的管、泡样网状结构，无核糖体附着，并常常可见与粗面内质网相互连通

功能

是一种多功能的细胞器，主要是脂质合成的重要场所

内质网的衍生结构

特殊组织细胞中由内质网局部分化、衍生的异型结构

髓样体

视网膜色素上皮细胞

孔环状片层

生殖细胞、癌细胞等

内质网的化学组成

微粒体：为用蔗糖密度梯度离心方法，从细胞匀浆中分离出的内质网碎片

脂类和蛋白质——是内质网的主要化学组成成分

脂类

内质网膜的类脂双分子层组成包括磷脂、中性脂、缩醛脂和神经节苷脂等，其中以磷酯含量最多

蛋白质

内质网膜含有的蛋白质是非常复杂、多样的。相对分子质量大小从15kD-150kD不等

含有以葡萄糖-6-磷酸酶为主要标志性酶的诸多酶系

根据功能特性，可分为几种主要类型

参与蛋白质加工转运的多种酶类

与脂类物质代谢功能反应相关的酶类

与糖代谢功能反应相关的酶类

与解毒功能相关的氧化反应电子传递酶类

内质网膜的标志酶——葡萄糖-6-磷酸酶

网质蛋白——内质网腔中普遍存在的一类蛋白质

特点

在多肽链的羧基端（C端）均含有KDEL（Lys-Asp-Glu-Leu）或HDEL（His-Asp-Glu-Leu）的4氨基酸序列驻留信号，驻留信号可通过与内质网膜上相应受体的识别结合而驻留于内质网腔不被转运

目前已知的网质蛋白

免疫球蛋白重链结合蛋白，内质蛋白，钙网蛋白，钙连蛋白，蛋白质二硫键异构酶

内质网的功能

主要功能

蛋白质的合成

合成部位：糙面内质网上附着的核糖体

合成蛋白质的类型

外输性或分泌性蛋白：如肽类激素、细胞因子、抗体、消化酶等

膜整合蛋白：质膜、内质网、高尔基体、溶酶体膜上的膜蛋白

细胞器中的可溶性驻留蛋白：如溶酶体中的酸性水解酶等

需要进行修饰的蛋白：如糖蛋白

蛋白质在内质网上的合成机制：信号肽假说

信号肽

存在于新生肽N端由15－35个氨基酸组成的富含疏水氨基酸的肽段，普遍地存在于所有分泌蛋白肽链的氨基端，是指导蛋白多肽链在糙面内质网上进行合成的决定因素，进入内质网后常被切除

信号肽假说的组成体系

信号识别颗粒

位于细胞质基质中，识别信号肽

信号识别颗粒受体

又称对接蛋白，位于内质网的膜上，与SRP结合

转运体

位于内质网膜上的蛋白复合体，是蛋白质穿越内质网的通道

信号肽酶

特异性的将信号肽从多肽链上切除

信号肽假说具体过程

蛋白质多肽链在细胞质基质中的游离核糖体上起始合成

新生肽链N端信号肽与信号识别颗粒（SRP）结合，肽链延长中止

在SRP的引导下，SRP与内质网膜上的SPR受体所结合

SRP受体介导核糖体锚泊于内质网膜的转运体易位蛋白（移位子）上，肽链延伸重新开始

信号肽引导肽链穿膜进入内质网腔后，被信号肽酶切除，并快速降解

肽链继续延伸，直至合成完成

蛋白质的修饰与加工

发生部位：糙面内质网腔内

类型：包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终都被糖基化

糖基化：单糖或寡糖与蛋白质通过共价键结合形成糖蛋白的过程

作用

使蛋白质能够抵消消化酶的作用

赋予蛋白质传导信号的功能

某些蛋白质只有在糖基化之后才能正确折叠

糖基化的方式

N-连接糖基化：在糙面内质网腔内，将寡糖基链由膜内磷酸多萜醇转移到糖基化有关蛋白的天冬酰胺残基（Asn-NH2）上

O-连接糖基化：在高尔基复合体内，将内质网上转运来的糖蛋白寡糖链末端区的寡糖基切去，再在丝氨酸/苏氨酸残基（Ser/Thr-OH）添加上新的糖基

新生多肽链的折叠与装配

发生部位：糙面内质网腔内

由附着型核糖体合成的新生多肽链需要在内质网腔中进行进一步的折叠与装配，形成具有功能的高级三维空间结构，这一过程由分子伴侣协助完成

分子伴侣

能够帮助多肽链转运、折叠和组装的结合蛋白，本身不参与最终产物的形成

分子伴侣蛋白的共同特点

在羧基端有一KDEL驻留信号肽，它们和内质网膜上的相应受体结合而驻留于网腔不被转运。属于驻留蛋白

分子伴侣蛋白也是细胞内蛋白质质量监控的重要因子。内质网腔内未折叠蛋白的积聚，可通过未折叠蛋白反应使内质网分子伴侣表达升高，从而有利于蛋白质的正确折叠和组装

常见的内质网分子伴侣

蛋白二硫键异构酶

重链结合蛋白

钙网素

葡萄糖调节蛋白94

通过未折叠蛋白反应将错误折叠多肽的降解，并提高内质网分子伴侣的表达

内质网内错误多肽→细胞质基质→泛素依赖降解途径蛋白酶体降解，寿命5~30 min(先除去糖分子，再降解)

蛋白质的胞内运输与分选起始

步骤

穿过核孔，进入细胞核

跨膜进入线粒体、叶绿体、溶酶体和内质网

经由膜泡运输到细胞外

蛋白质分选

在糙面内质网合成并经加工修饰后的各种外输性蛋白质最终被内质网膜包裹，并形成膜性小泡而转运到功能发挥部位的过程

细胞内蛋白质的分选途径

共翻译转运

蛋白质合成在游离核糖体上起始之后由信号肽引导转移至糙面内质网，然后新生肽边合成边转入糙面内质网中，再经高尔基体加工包装运至溶酶体、细胞质膜或分泌到细胞外，内质网与高尔基体本身的蛋白质分选也是通过这一途径完成的

后翻译转运

在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链的合成，然后转运至膜围绕的细胞器，如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体及细胞核，或者成为细胞质基质的可溶性驻留蛋白和支架蛋白

蛋白质分选机制

蛋白质自身信号序列（靶向序列）

靶细胞器上包含特定的信号识别装置（分选受体）

蛋白质分选信号

不同的氨基酸序列作为分选信号决定蛋白质运输的方向

细胞内的两类蛋白质分选信号

信号肽

存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常15-35个氨基酸残基，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

脂类的合成与转运

合成部位：光面内质网

合成脂类的类型：细胞内所有的膜脂（磷脂、胆固醇和糖脂）

向其他膜结构的转运

以出芽小泡的形式转运到高尔基复合体、溶酶体和质膜

以磷脂交换蛋白作为载体，形成复合体进入细胞质基质，通过自由扩散，到达线粒体和过氧化物酶体膜上

高尔基复合体

高尔基复合体的形态结构

高尔基复合体一种单层膜性囊、泡结构复合体，一般划分为三个组成部分

扁平囊泡

最具特征的主体结构，由3-8个扁平囊泡平行排列成高尔基体堆。凸面朝向细胞核，称之为顺面或形成面；凹面侧向细胞膜，称作反面或成熟面

小囊泡

聚集分布于高尔基复合体形成面，由糙面内质网芽生、分化而来，负责将内质网中的蛋白质转运到高尔基复合体中

大囊泡

见于高尔基复合体成熟面的分泌小泡

高尔基体复合体具有显著的极性

构成高尔基复合体主体的膜（扁平）囊，从形成面到成熟面可呈现不同的结构形态，各膜囊所执行的功能亦不尽相同，因此，高尔基体又被称为极性细胞器

三个组成部分

顺面高尔基网

靠近内质网一侧，呈连续分支的管网状结构

功能：分选来自内质网的蛋白质和脂类；蛋白质糖基化和酰基化修饰

高尔基中间膜囊

位于顺面高尔基网状结构和反面高尔基网状结构之间的多层间隔囊、管结构复合体系

功能：进行糖基化修饰和多糖及糖脂的合成

反面高尔基网

朝向细胞膜一侧，在其形态结构和化学特性上具有细胞的差异性和多样性

功能：蛋白质分选

高尔基复合体的化学成分

脂类——是高尔基复合体膜的基本成分

大鼠肝细胞分离的高尔基体：磷类含量约45%

高尔基体复合体膜的脂类成分介于质膜与内质网膜之间

含有以糖基转移酶为标志的多种酶蛋白体系

高尔基复合体的功能

主要功能

将内质网合成蛋白质(连同脂质)加工、分类与包装，分门别类地运送到细胞特定的部位或分泌到胞外

胞内糖类合成工厂

细胞内物质加工合成

糖蛋白的加工合成

糖蛋白的糖基化开始于内质网，完成于高尔基复合体

由内质网转运来的糖蛋白（N-连接糖蛋白），进入高尔基复合体后，其寡糖链末端区的寡糖基被切去，再添加上新的糖基，形成新的糖蛋白（O-连接糖蛋白）

为什么蛋白质要糖基化

有利于高尔基体分类和包装，保证糖蛋白在内膜系统单方向转移

影响多肽构象，保证正确折叠

增强糖蛋白稳定性，对蛋白酶抗性

影响蛋白质水溶性和带电荷性质

保护细胞表面膜蛋白免于其他大分子接近（选择性识别），既有刚性又有弹性

蛋白质的水解和加工

某些蛋白质或酶通过水解成为成熟形式或活性形式

溶酶体酸性水解酶的磷酸化修饰

蛋白聚糖类的硫酸化修饰

细胞内的蛋白质分选和膜泡定向运输

高尔基复合体位于内质网和质膜之间, 是蛋白质的分选和运输的中间站

通过加工修饰，不同的蛋白质带上可被反面高尔基网专一受体识别的分选信号，进而被分类输出

蛋白质的运输途径

溶酶体酶经高尔基复合体分选和包装，以有被小泡的形式被转运到溶酶体

分泌蛋白以有被小泡的形式直接运向细胞膜或分泌释放到细胞外（连续分泌）

分泌蛋白以分泌小泡的形式暂时性储存于细胞质中，在有需要的情况下，被分泌释放到细胞外（受调分泌）

溶酶体

是单层膜围绕，内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，主要负责降解的细胞器

溶酶体的发现

1955年，用电子显微镜证实了溶酶体的存在

溶酶体的形态结构和化学组成

溶酶体的形态结构

溶酶体的标志酶：酸性磷酸酶

溶酶体共同特征

都是由一层单位膜包裹而成的囊球状结构小体

溶酶体膜上嵌有质子泵，可将H+逆浓度梯度地泵入溶酶体中，以形成和维持溶酶体囊腔中酸性内环境

含有丰富的酸性水解酶和多种载体蛋白

溶酶体膜中富含两种高度糖基化的穿膜整合蛋白，可防止溶酶体酶对自身膜结构的消化分解

溶酶体的发生

内体性溶酶体的形成过程

溶酶体酶的合成和糖基化：溶酶体蛋白在内质网合成并糖基化形成带有甘露糖的糖蛋白

溶酶体酶的磷酸化：甘露糖糖蛋白转运至顺面高尔基网腔面，被磷酸化形成溶酶体水解酶的分选信号甘露糖-6-磷酸（M-6-P）

溶酶体酶的分选：在反面高尔基网腔面，被M-6-P受体识别，包裹形成网格蛋白有被小泡

溶酶体酶与受体分离：有被小泡脱被形成无被小泡与胞内晚期内吞体结合，在前溶酶体膜上质子泵作用下形成酸性内环境，溶酶体酶与M-6-P受体解离

内体性溶酶体形成：去磷酸化形成成熟的内体性溶酶体

溶酶体的类型

按功能状态的不同分为三种类型

初级溶酶体——刚产生的溶酶体，非活性状态

次级溶酶体——溶酶体的一种功能作用状态

自噬溶酶体

作用底物来自细胞自身的各种组分，或者衰老、残损和破碎的细胞器

异噬溶酶体

作用底物源于细胞外来异物

吞噬溶酶体

作用底物源于细胞外病原体或其他较大的颗粒性异物

三级溶酶体——终末溶酶体，溶酶体生理功能作用的终末状态

按形成过程的不同分为两大类型

内体性溶酶体---由高尔基复合体芽生的运输小泡并入经由细胞胞吞作用形成的内吞体晚期阶段所形成。（初级溶酶体）

吞噬性溶酶体---由溶酶体和自噬体或异噬体相互融合而成。（次级溶酶体+三级溶酶体）

溶酶体的功能

清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞

防御功能：识别并吞噬入侵的病毒或细菌，在溶酶体作用下将其杀死并进一步降解

作为细胞内的消化“器官”进行物质消化，为细胞提供营养，如黏菌、变形虫等

参与某些腺体组织细胞分泌过程的调节，如摄入甲状腺球蛋白

在生物个体发生与发育过程中起重要的作用：如无尾两栖类发育过程中尾巴的退化；受精过程中的顶体反应等

过氧化物酶体

过氧化物酶体的基本特征

过氧化物酶体——是一类具有高度异质性的单层膜球囊状细胞器，内含一种或几种氧化酶

类核体——常含有电子致密度较高、排列规则的晶格结构

边缘板——过氧化物酶体界膜内表面可见一条高电子致密度条带状结构

过氧化物酶体膜具有较高的物质通透性

小分子：氨基酸、蔗糖、乳糖等

大分子：一定条件下允许非吞噬性穿膜转运

过氧化物酶体含有以过氧化物酶为标志的40多种酶

过氧化物酶体在形态大小和功能（降解生物大分子）与溶酶体相似

过氧化物酶体的功能

清除细胞代谢过程中产生的过氧化氢及其他毒性物质

细胞氧张力的调节

氧化能力随着氧浓度的升高而增强

细胞出现高浓度氧状态时，通过其强氧化作用避免细胞遭受高浓度氧的伤害

参与对细胞内脂肪酸等高能分子物质的分解转化

可分解脂肪酸等高能分子，或使其转化为乙酰辅酶A

可向细胞直接提供能量

囊泡与囊泡转运

蛋白质的分选和定向转运

结构与功能各异的蛋白质，在细胞质基质或糙面内质网的核糖体上合成后，细胞根据蛋白质是否携有分选信号，以及分选信号的性质，选择性地将其送到细胞不同的部位，参于生命活动的过程称为蛋白质分选和定向转运

不同的氨基酸序列作为分选信号决定蛋白质运输的方向

蛋白质运输途径

不同靶细胞器上特定的信号识别装置作为分选受体决定蛋白质运输的途径

胞内的蛋白质运输的3条途径

门控运输

由特定分拣信号介导，在细胞溶质与细胞核之间运输

在细胞溶质与细胞核之间运输

穿膜运输

通过结合在膜上的蛋白质转运体进行的蛋白质运输

通过跨过一层膜结构到达相应的靶位点

囊泡运输

（小泡运输、囊泡转运）由不同膜性运输小泡承载的一种蛋白质运输方式

由不同转运膜泡将相应的蛋白质转运到目的地

蛋白质分选运输途径

囊泡是真核细胞中的膜泡结构。各种囊泡，均由细胞器膜外凸或内凹芽生而成。囊泡的产生形成过程，是一个主动的自我装配过程，并总是伴随着物质的转运

囊泡转运是指囊泡以出芽的形式，从一种细胞器膜产生、断离后又定向地与另一种细胞器膜融合的过程。由囊泡转运所承载和介导的双向物质运输，不仅是细胞内外物质交换和信号传递的重要途径，也是细胞物质定向运输的基本形式

膜泡运输

囊泡的形成

包被蛋白的功能

形成膜泡

作为机械装置使供体膜发生弯曲，最终通过出芽的方式形成膜泡

选择膜泡组分

被转运的货物—受体锚定/融合靶膜

包被膜泡的组分

GTP

GTP结合蛋白：启动膜泡形成

包被蛋白：出芽形成膜泡

受体膜蛋白：与被转运物质选择性结合

Rab蛋白：锚定

被转运物质：可溶性蛋白、膜蛋白

SNARE蛋白：融合

囊泡的类型与来源

网络蛋白有被小泡

来源：由高尔基复合体、细胞膜内吞作用产生

组成：由网格蛋白、衔接蛋白、发动蛋白组成

功能

高尔基复合体网格蛋白小泡：介导从高尔基复合体向溶酶体、胞内体或质膜外的物质转运

细胞内吞作用形成的网格蛋白小泡：将外来物质转送到细胞质或溶酶体

COPII有被小泡

来源：由糙面内质网产生，属于非网格蛋白有被小泡

组成：由5种亚基组成。 Sar蛋白亚基与GTP结合，调节囊泡的装配

功能：介导正向运输通路（从内质网到高尔基复合体）的物质转运

COPI有被小泡

来源：由高尔基复合体产生，属于非网格蛋白有被囊泡

组成：由多个亚基组成的多聚体

α蛋白：也称ARF蛋白，类似于COPII中的Sar蛋白亚基，作为一种GTP结合蛋白，可调节控制外被蛋白复合物的聚合、装配及膜泡的转运

功能：介导逆向运输通路（高尔基体向内质网）

膜脂再循环

捕捉、回收转运逃逸的内质网驻留蛋白

Cop I 包被膜泡如何抓捕逃逸的蛋白质

哺乳动物内质网的可溶性驻留蛋白C端含有4个保守氨基酸序列KDEL

意义

是动物细胞物质定向运输的基本途径

是一个高度有序并受到严格选择和精密控制的物质运输过程

特异性识别融合保证囊泡物质定向转运和准确卸载

是实现了细胞膜及内膜系统功能结构转换和代谢更新的桥梁

囊泡转运

简单扩散

从膜泡数量较多/浓度较高的位置，扩散到浓度相对较低的位置

沿微管运动

通过马达蛋白提供动力，沿微管运动

膜泡的锚定与融合

Rab蛋白

GTP结合蛋白

介导膜泡与特定靶膜相锚定

SNARE蛋白

介导膜泡与特定靶膜相融合

细胞内膜系统与医学的关系

内质网的病理变化

最常见的病理改变是肿胀、肥大或囊池塌陷

钠离子水分内流

低氧、病毒性肝炎

膜的过氧化损伤

内质网囊腔中包含物形成和出现是某些疾病或病理过程的表现特征

药物中毒、肿瘤

某些遗传性疾病

内质网在不同肿瘤细胞中呈多样性改变

高尔基复合体的病理形态变化

功能亢进导致高尔基体的代偿性肥大

肾上腺皮质再生实验

毒性物质作用导致高尔基体的萎缩与损坏

脂肪肝：乙醇造成肝细胞脂蛋白颗粒减少，高尔基体萎缩

肿瘤细胞分化状态影响高尔基复合体的形态

高尔基体数量分布、形态结构及发达程度依据肿瘤细胞的分化状态

溶酶体与疾病

溶酶体缺乏或缺陷病——多为先天性疾病

泰-萨氏病：缺乏氨基己糖酶A

II型糖原累积病：缺乏ɑ-糖苷酶

溶酶体的释放或外泄——造成细胞或组织损伤性疾病

矽肺：溶酶体膜受损。是尘肺中最为严重的一种类型。由于长期吸入含有游离二氧化硅的粉尘引起

痛风：被吞噬的尿酸盐结晶改变溶酶体膜稳定性

过氧化物酶体与疾病

原发性过氧化物酶体缺陷——遗传性疾病

遗传性无过氧化氢酶血症：抗感染能力下降，易发口腔炎

Zellweger脑肝肾综合征：肝、肾细胞中琥珀酸脱氢酶-黄素蛋白与CoQ之间的电子传递障碍

疾病过程中的过氧化物酶体的病理改变——数量、体积、形态异常

甲状腺功能亢进、慢性酒精中毒：数量增多

基质溶解：过氧化物酶体异常的

线粒体与细胞的能量转换

线粒体的基本特征

线粒体是真核细胞内的一种重要和独特的细胞器，它是细胞内的动力站，细胞生命活动中需要的能量约有80％来自于线粒体，人体内的细胞大约95%的ATP由线粒体产生。细胞进行生物氧化和能量转换的主要场所，“动力工厂”

线粒体的形态

线粒体为较大的细胞器,直径约0.5-1.0um

一些特点

形态多样，大小可变，数目不同，分布各异

沿细胞骨架分布

分布于能量需求集中的部位

数目因细胞种类而不同

正常细胞：1000-2000个

卵母细胞：30万个

精子：25个

哺乳动物成熟红细胞：无线粒体

线粒体处于不断融合和分裂过程中

线粒体为什么要不断融合与分裂

信息交流和共享的重要途径

线粒体质量控制的主要方法

调控线粒体的形态和数目

形态可变性：光镜下呈线状、粒状或杆状，不同类型细胞和不同生理条件下，线粒体的形状、大小、数目及分布不一。如低渗条件下呈粒状，高渗条件下呈线状

线粒体的结构

线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构

内膜与外膜构成的线粒体的支架

两层膜将线粒体内部空间与细胞质隔离，并使线粒体内部空间分隔成两个：内腔、外腔

外膜

组成：50%为脂类，50%为蛋白质

特点：外膜的蛋白质包括多种转运蛋白，它们形成较大的水相通道跨越脂质双层，使外膜出现直径2～3nm的小孔

内膜

组成：20%是脂类，80%是蛋白质

特点

通透性小，分子量大于150的物质不能通过

选择通透性高，膜上的转运蛋白控制内、外腔的物质交换，以保证活性物质的代谢

转位接触点

在线粒体的内、外膜上存在的一些内膜与外膜相互接触的地方，此处膜间隙变狭窄，称为转位接触点

外膜转位子（Tom ）——受体蛋白

内膜转位子（Tim）——通道蛋白

功能：蛋白质等物质进出线粒体的通道

基质

成分

酶类：催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成

双链环状DNA

核糖体

基粒

内膜（包括嵴）的内表面附着许多突出于内腔的颗粒，每个线粒体大约有104～105个

基粒由多种蛋白质亚基组成，分为三部分

头部：圆球形，突入内腔中，酶活性

基片：嵌于内膜中，电子传递

柄部：将头部与基片相连

基粒头部具有酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP，因此，基粒又称ATP合酶复合体

线粒体的化学组成

蛋白质：占65%-70%，分布在内膜和基质中

可溶性蛋白：基质中的酶和膜外周蛋白

不溶性蛋白：膜结构蛋白

线粒体含有120多种酶，是细胞中含酶最多的细胞器

脂类：占25%-30%，主要是磷脂

另外还含有：DNA、辅酶、维生素、无机离子

线粒体的遗传体系

线粒体是动物细胞核外唯一的含有DNA的细胞器

线粒体遗传半自主性

线粒体中由自身合成的蛋白质仅占10%，其余均为细胞核基因组编码。因此，线粒体有自己的DNA和蛋白质合成体系，即独立的遗传系统，但又受核基因组遗传系统的控制，其生长和增殖受核基因组和自身基因组两套遗传系统的控制，故为半自主性细胞器

线粒体遗传系统仍需依赖于细胞核遗传系统

线粒体的起源——内共生假说

该假说认为线粒体起源于被另一个真核细胞吞噬的线粒体祖先——原线粒体——一种能进行三羧酸循环和电子传递的革兰氏阴性菌

线粒体祖先原线粒体被原始真核生物吞噬后与宿主间形成共生关系。原线粒体可从宿主处获得更多的营养,而宿主可借用原线粒体具有的氧化分解功能获得更多的能量

支持证据

遗传系统与细菌类似：DNA为双链环状，不与组蛋白结合

蛋白质合成方式与细菌相似：与细菌70S核糖体较为相似，而与真核细胞的80S核糖体差异较大

反对证据

内共生学说无法解释线粒体遗传的半自主性。线粒体中大多数酶或蛋白质仍由细胞核DNA编码，经特定的方式转送到线粒体中

线粒体基因组的特征

线粒体基因组

线粒体DNA呈双链环状

一个线粒体内可含有一至数个DNA分子

线粒体DNA裸露，无组蛋白包裹

线粒体DNA全长16569bp，共编码37个基因

线粒体基因组非常紧凑，只含少量非编码序列

人类核基因组

核DNA 呈线状

人类核DNA 由23对染色体组成

核DNA结合组蛋白

共编码约2万基因

仅约10%的序列为蛋白质、rRNA、tRNA等编码，其余约90%的非编码序列功能至今还不清楚

线粒体的基因表达

mtDNA编码产物：线粒体tRNA、rRNA及一些线粒体蛋白质

重链编码：2个rRNA, 12个蛋白质,14个tRNA

轻链编码：1个蛋白质, 8个tRNA

线粒体的基因组特点：母系遗传

母系家族型疾病

氨基苷糖类家族型神经性耳聋

进化与人类学

线粒体基因起着母系姓氏的作用，使我们可以沿母系血统追溯人类母系进化史

核编码蛋白质向线粒体的转运

线粒体中大约有1000个基因产物，其中仅37个基因产物由线粒体基因组编码，其它大多数参与电子传递链的蛋白都是核基因组编码的蛋白质，经转运进入线粒体

向线粒体基质中转运

去折叠

穿线粒体膜

重折叠

基质导入序列

又称：转运肽或前导肽

是游离核糖体上合成的蛋白质N端的特定序列，富含正电荷的精氨酸、赖氨酸、丝氨酸和苏氨酸

包含了输入到线粒体基质的信号，能够与线粒体外膜和内膜上的受体结合

前体蛋白在分子伴侣的协助下在线粒体外保持非折叠状态

细胞质中的热休克蛋白作为分子伴侣，与带有前导肽的前体蛋白结合，防止前体蛋白的紧密折叠

解折叠的多肽链与转位接触点结合，通过内外膜跨膜通道Tom/Tim受体系统转移到线粒体基质

线粒体基质中的hsp70与进入线粒体腔的前导肽链交联，防止了前导肽链退回细胞质，ATP协助穿膜

多肽链切除前导肽序列，在线粒体基质内重新折叠

基质作用蛋白酶MPP定位于线粒体内膜上，切除基质导入序列——在分子伴侣hsc60、hsc10的协助下重新折叠成有活性的蛋白质

线粒体基质蛋白的转运

蛋白质去折叠（线粒体前导肽序列特异性/分子伴侣）识别内外膜受体（转运酶，ATP，分子伴侣）穿越线粒体内、外膜（基质作用蛋白酶）切除前导肽序列（MPP/分子伴侣）蛋白质重折叠

线粒体的增殖

线粒体通过分裂方式实现增殖

分裂方式

出芽分裂

收缩分裂

间壁分裂

线粒体的功能

生物界的能量通用货币——ATP

细胞呼吸

在特定细胞器（主要是线粒体）内，在O2的参与下，分解各种大分子物质，产生CO2；与此同时，分解代谢所释放出的能量储存于ATP中的过程

细胞呼吸的特点

本质上是在线粒体中进行的一系列由酶系所催化的氧化还原反应

所产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中

整个反应过程是分步进行的，能量也是逐步释放的

反应是在恒温(37℃)和恒压条件下进行的

反应过程中需要H2O的参与

能量代谢

糖酵解（细胞质）——乙酰辅酶A（线粒体基质）——三羧酸循环（线粒体基质）——氧化磷酸化（线粒体内膜）

线粒体如何高效地将食物中的能量储存在ATP中

电子传递——ATP合成

化学渗透假说——泵、水坝、泄洪道

电子传递复合体—H+泵

呼吸传递体分布在线粒体内膜上，将H+从线粒体内膜的内侧泵至外侧

线粒体内膜—水坝

将H+拦在内外膜之间，建立起跨膜的电化学质子梯度，即质子动力势

ATP合酶—泄洪道

H+顺电化学梯度穿过ATP合酶复合体流回基质，释放自由能，推动ADP和Pi合成ATP

实验证据：ATP的人工合成

细菌视紫红质蛋白和来自牛心线粒体的ATP合酶的实验，为质子梯度能够推动ATP的产生提供了有力的证据

ATP合酶如何合成ATP

ATP合酶复合体

由多种蛋白质亚基组成，分为三部分

头部

ATP合酶头部β亚基的“结合变构”模型

柄部

基部

ATP合成的结合变构机制

遗传信息传递

线粒体是动物细胞核外唯一的含有DNA的细胞器

介导细胞凋亡

线粒体与疾病

概括

线粒体对外界环境因素的变化很敏感，一些环境因素的影响可直接造成线粒体功能的异常，因此线粒体的改变是一些疾病的表现

线粒体本身的突变也可能成为疾病发生的原因

疾病过程中线粒体的变化

缺血

内室浓缩、外室扩大、体积增加、凝集、肿胀

低渗

颗粒化、肿胀

辐射

缺嵴、空化

肿瘤

线粒体数目减少

疾病诊断和环境因素测定的细胞指标

线粒体DNA突变与疾病

mtDNA突变：线粒体裸露的DNA，使之易发生突变而不易修复

相关疾病：线粒体病是一组多系统疾病，因中枢神经系统和骨骼肌对能量的依赖性最强，故临床症状以中枢神经系统和骨骼肌病变为特征。涉及各种神经、肌肉系统的退化性疾病，如线粒体肌病、心肌线粒体病、发育迟缓、运动失调等

线粒体与衰老

线粒体在释放能量的同时还产生氧化自由基，促成人体衰老

衰老与线粒体氧化磷酸化酶活性降低以及分裂终末的组织中突变mtDNA积累密切相关