西北农林科技大学 · 细胞生物学 课程复习报告

依据：《170902细胞生物学课程质量标准.doc》（KC/2122111-2014）
教材：翟中和主编《细胞生物学》（第四版），高等教育出版社，2011
课程编号：2122111 | 学时/学分：48/3 | 属性：专业大类基础课/必修

第一部分：课程概况

课程基本信息

• 课程名称：细胞生物学（Cell Biology）
• 适用专业：生物技术、生物工程、生物科学
• 先修课程：生物化学，分子生物学
• 理论/实验/讨论学时：38 / 4 / 6（总计48学时）
• 主要起草人：高梅，陈坤明，颜华，李绍军，李文强

教学目标

1. 了解细胞生物学的基本内容、发展简史及现状
2. 掌握细胞的基本结构与功能（质膜、线粒体和叶绿体、内膜系统、细胞骨架、细胞核与染色质、核糖体等）
3. 理解细胞重要生命过程规律（物质跨膜运输、蛋白质分选与膜泡运输、细胞信号转导、细胞周期与分裂、增殖调控、分化与胚胎发育、死亡与衰老）
4. 了解前沿热点（癌细胞、干细胞生物学、组织与细胞工程、细胞起源与进化）
5. 学习并应用细胞生物学研究方法

考核方式

第二部分：各章节知识点详述

第1章 绪论

一、细胞生物学的主要研究内容

• 细胞生物学定义：以细胞作为生命活动的基本单位为出发点，应用各种技术方法在显微、亚显微、分子水平上研究细胞生命活动基本规律的基础学科
• 研究细胞结构与功能、增殖、分化、代谢、运动、衰老、死亡、信号转导、基因表达与调控、细胞起源与进化等

二、细胞学说的建立及其意义

• 胡克（Hooke）：发明显微镜，首次发现细胞
• 施莱登（Schleiden）：植物是由细胞构成的
• 施旺（Schwann）：动物与植物一样是由细胞构成的，提出细胞学说
• 魏尔肖（Virchow）：所有的细胞都来自于细胞分裂——“细胞来自于细胞”

细胞学说的基本原理：

1. 地球上的生物都是由细胞构成的
2. 所有的生活细胞在结构上都是类似的
3. 所有细胞都来自于已有细胞的分裂

细胞学说的意义：

• 将生命带入了微观世界
• 将动植物统一于细胞
• 细胞学说、进化论和能量守恒定律被恩格斯称为19世纪的三大发现

三、细胞生物学发展的三个时期

1. 细胞学的经典时期：形态描述为主
2. 实验细胞学时期
3. 细胞生物学诞生：精细定性与定量的现代生物学时期

四、细胞是生命活动的基本单位

1. 一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位
2. 细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，是代谢与功能的基本单位
3. 细胞是有机体生长与发育的基础
4. 细胞是遗传的基本单位，具有遗传的全能性

第2章 细胞的统一性与多样性

一、细胞的基本特征

细胞的定义：由膜包围的含有细胞核（或拟核）的原生质所组成，是生物体结构和功能的基本单位，也是生命活动的基本单位。

细胞的基本共性（4条）

1. 所有细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜
2. 所有细胞都含有两种核酸：DNA与RNA作为遗传信息复制与转录的载体
3. 所有细胞都具有蛋白质合成器——核糖体
4. 所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂

细胞体积的恒定及其限制因素

• 细胞体积守恒定律：器官/个体的大小主要决定于细胞的数量，与细胞数量成正比，而与细胞大小无关
• 限制因素：
  • 上限：细胞体积与表面积的关系——维持最佳表面积以适应物质交换；关键分子的有效浓度（重要生化反应需要一定分子浓度）
  • 下限：维持细胞生命活动所需的酶和蛋白质种类的最低量
• 真核细胞的解决方案：出现特化的内膜系统，使反应局限在特定膜结合细胞器内

二、原核细胞与古核细胞

支原体（Mycoplasma）

• 目前所知最小、最简单的原核细胞
• 唯一一种没有细胞壁的原核细胞
• 能感染培养细胞，是动物细胞培养的大敌

细菌和蓝藻的结构特点

• 原核细胞基本特征：没有明显的细胞核，无核膜和核仁，只有拟核，区室化不强
• 只有核糖体一种细胞器

革兰氏染色

• 革兰氏阳性菌：一层膜，细胞壁较厚，肽聚糖网层次较多，交联强
• 革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）：两层膜，细胞壁薄，外膜层类脂含量高、蛋白质多，肽聚糖层薄且交联度差

三、真核细胞

真核细胞的基本结构体系（三大系统）

1. 生物膜结构系统：以脂质及蛋白质成分为基础
2. 遗传信息表达系统：以核酸（DNA/RNA）与蛋白质为主要成分
3. 细胞骨架系统：由特异蛋白分子装配构成

真核细胞比原核细胞进步的方面

• 呼吸代谢的发展（线粒体、叶绿体的形成）
• 内膜系统的形成
• 有明显的细胞核、核膜和核仁，区室化强

原核细胞与真核细胞的比较

遗传结构装置比较：

相同点：具有类似的细胞质膜结构；以DNA为遗传物质；以一分为二方式分裂；相同的遗传信息转录翻译机制；相同的代谢机制（糖酵解和TCA循环）；相同的化学能贮能机制（ATP合成酶）

四、非细胞形态的生命体——病毒

病毒的基本特点

• 比细胞更小的生命体，无细胞结构
• 不能独立生存，只能在活细胞中进行增殖（营寄生生活）
• 结构：蛋白质外壳 + 遗传物质（DNA或RNA）
• 朊病毒：以蛋白质作为遗传物质
• 病毒能够进行新陈代谢、遗传和变异

病毒与细胞起源进化的关系

• 病毒通过基因转移在宿主进化中发挥促进作用

第3章 细胞生物学研究方法

一、细胞形态结构的观察方法

各种显微镜的成像原理及应用特点

• 分辨率公式：r = 0.61λ / n·sinα
• 人眼分辨率：100μm；光学显微镜最大分辨率：0.2μm

扫描隧道显微镜（STM）

• 扫描探针对样品表面进行扫描，产生隧道电流，计算机显示

二、细胞及其组分的分析方法

细胞组分的分离和分析方法

• 离心分离技术：最有效的内膜系统研究方法
• 离子交换层析：利用离子交换剂上的可解离基团对各种离子的亲和力不同达到分离目的

膜蛋白功能测定——脂质体法

1. 用去垢剂（SDS或TritonX-100）溶解膜蛋白
2. 分离纯化蛋白质
3. 将分离的膜蛋白与适当的磷脂混合
4. 透析法除掉去垢剂，形成脂质体小泡
5. 通过测定脂质体内外Na⁺和K⁺浓度验证蛋白功能

三、细胞培养与细胞工程

基本概念

• 细胞工程：利用细胞生物学的原理和方法，有计划地改变或创造细胞遗传性的技术
• 原代培养：直接从机体取下细胞、组织和器官后立即进行培养
• 继代培养：通过更换新鲜培养基及不断切割或分离进行连续多代培养
• 细胞系：原代培养物经首次传代成功后即为细胞系
• 细胞株：从经过生物学鉴定的细胞系由单细胞分离培养或筛选形成的细胞群
• 细胞融合：自发或人工诱导下，两个或多个细胞融合成一个或多个细胞核的现象
• 单克隆抗体技术：融合后的细胞具有两亲本特性——既能产生抗体又能无限增殖

细胞工程技术包括

基因工程、染色体工程、染色体组工程、细胞质工程、细胞融合

四、细胞及生物大分子的动态变化

• 跟踪细胞及生物大分子动态变化的试验方法
• 同位素追踪技术
• 突变技术

五、模式生物与功能基因组研究

• 基因编辑技术（CRISPR/Cas9等）

从基因推断蛋白质功能的步骤

1. 基因组DNA分离目的基因
2. 以基因组DNA克隆为探针筛选mRNA
3. 用目的基因mRNA合成cDNA
4. 对cDNA测序，推导蛋白质氨基酸序列
5. 与其他功能已知蛋白质进行序列比较
6. 构建质粒载体进行基因表达

从蛋白质获得基因的步骤

1. 分离蛋白质
2. 部分氨基酸测序
3. 推导编码基因的部分核酸序列
4. 合成放射性标记寡核苷酸链作为探针
5. 在基因组DNA中筛选
6. 分离完整基因，测定序列

第4章 细胞质膜

一、细胞质膜的结构模型与基本成分

基本概念区分

• 细胞膜：细胞膜结构的总称，包括细胞外层的膜和细胞质中的膜
• 细胞质膜（质膜）：包围在细胞表面的一层极薄的膜，由膜脂和膜蛋白组成
• 细胞内膜：细胞器的膜结构
• 生物膜：细胞所有膜结构的统称（细胞内膜 + 质膜）

质膜的结构模型

• 流动镶嵌模型（Fluid Mosaic Model）：
  1. 膜是由磷脂双分子层构成的
  2. 蛋白质以三种方式与膜结合：镶嵌、嵌入、跨膜

脂双分子层的推测实验

• Langmuir水盘法：测出脂铺展后的面积与实际测量的红细胞表面积之比约为2:1
• Gorter和Grendel据此提出红细胞的结构是脂双层

膜的化学组成

（1）膜脂（主要成分）

• 磷脂（>50%）：具有一个极性头和两个非极性尾（脂肪酸链）；碳链碳原子为偶数（16、18或20个）；含饱和脂肪酸（如软脂酸）和不饱和脂肪酸（如油酸）
• 糖脂（<5%）
• 胆固醇（<30%）
• 膜脂具有4种运动方式，说明膜脂是可以运动的

（2）膜蛋白

• 整合蛋白（内在蛋白/跨膜蛋白）：跨膜部分25-50%是α螺旋，也有β折叠
• 外周蛋白（附着蛋白）：非共价键连接，直接与脂或与其他蛋白连接
• 脂锚定蛋白（脂连接蛋白）：共价键与脂连接或通过糖基连接

（3）膜糖

• 功能：提高膜的稳定性；增强膜蛋白对蛋白酶的抗性；帮助膜蛋白正确折叠；参与信号识别和细胞黏着
• 凝集素：一类能与糖类特异结合的蛋白质，能使细胞发生凝集

红细胞膜与”血影”

• 血影：将红细胞放入低渗溶液中，水进入细胞使其膨胀破裂，释放血红蛋白后重新封闭的空壳
• 红细胞是分离膜蛋白的最好材料
• 膜骨架蛋白：血影蛋白、锚定蛋白、带4.1蛋白（内收蛋白）
• 膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度

ABO血型决定子——糖脂抗原

• 短的、分支寡糖链
• A型：酶把N-乙酰半乳糖胺加到糖脂抗原上
• B型：酶把半乳糖加到糖脂抗原上
• AB型：两者都有
• O型：糖脂抗原上无N-乙酰半乳糖胺和半乳糖

二、细胞质膜的基本特征与功能

细胞质膜的功能（6项）

1. 界膜和区室化
2. 调节运输
3. 功能定位与组织化
4. 信号检测与传递
5. 参与细胞间的相互作用
6. 能量转换

生物膜结构的基本特征

（1）膜的流动性

• 生物膜的基本特征之一，细胞进行生命活动的必要条件
• 磷脂烃链的长度和不饱和度影响膜的流动性
• 人鼠细胞融合实验：抗体标记不同颜色染料，融合后出现颜色混合，证明膜的流动性

（2）膜的不对称性

脂质体

• 根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜
• 疏水端在内侧，亲水端在外侧
• 应用：研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；裹入DNA用于基因转移；作为药物或酶载体

膜蛋白在膜中位置的测定

• 胰蛋白酶法：选用因分子质量过大而不能透过细胞膜的蛋白酶

第5章 物质的跨膜运输

一、膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输

物质运输的范畴

1. 细胞运输
2. 胞内运输
3. 转细胞运输

膜转运蛋白的类型

（1）通道蛋白

• 电压门通道
• 配体门通道
• 牵张闸门通道

（2）载体蛋白

• 葡萄糖载体与糖尿病相关

（3）离子载体

• 缬氨霉素：能特异性运输K⁺
• 短杆菌肽A

二、被动运输与主动运输

被动运输

• 特点：顺浓度梯度，不消耗ATP

（1）简单扩散（自由扩散）

• 限制因素：脂溶性、大小、极性
• 扩散速度与溶质浓度呈正比

（2）协助扩散（促进扩散/易化扩散）

• 非脂溶性或亲水性物质借助膜蛋白帮助，顺浓度梯度，不消耗ATP
• 特点：
  • 需要膜蛋白帮助
  • 可以达到最大速率（比简单扩散快）
  • 特异性更强（区分结构相似物质）
  • 可能受抑制剂和蛋白变性剂影响

主动运输

• 特点：逆浓度梯度，消耗能量，依赖膜蛋白，具特异性
• 意义：吸收营养，排泄废物，维持离子恒定

ATP驱动泵的类型

三、Na⁺/K⁺泵（Na⁺/K⁺-ATPase）

结构

• 由两个大亚基（α亚基，跨膜蛋白，含ATP结合位点和Na⁺/K⁺结合位点）和两个小亚基（β亚基）
• 主要存在于动物细胞，植物细胞中是H⁺泵

工作机制（6步循环）

1. 细胞内3个Na⁺与Na⁺结合位点结合
2. 激活ATP酶活性，ATP分解（ATP→ADP+Pi），α亚基磷酸化
3. ATPase发生构象改变，向胞外释放3个Na⁺
4. 膜外2个K⁺同α亚基结合
5. ATPase去磷酸化
6. K⁺释放到细胞内

每水解1个ATP，运出3个Na⁺，输入2个K⁺，胞膜带正电荷

Na⁺/K⁺泵的重要作用

1. 维持细胞内Na⁺/K⁺浓度，抵消Na⁺/K⁺的扩散作用
2. 建立Na⁺梯度，为葡萄糖协同转运提供驱动力
3. 建立膜电位，为神经和肌肉的电脉冲提供基础

四、胞吞作用与胞吐作用

胞吞作用

• 细胞通过质膜内陷形成囊泡，将大分子物质或颗粒摄入细胞的过程

胞吐作用

• 细胞将胞内合成的分泌蛋白或其他物质通过囊泡与质膜融合排出细胞的过程

第6章 线粒体和叶绿体

一、线粒体

线粒体形态及其动态特征

• 线粒体通过分裂进行增殖
• 形态动态变化

线粒体的超微结构

• 化学组成：蛋白质（干重65-70%），脂类（干重25-30%），细胞器功能越强蛋白含量越高

氧化磷酸化过程及其机制

• 线粒体主要功能：进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞提供直接能量
• 其他功能：与氧自由基生成、细胞凋亡、信号转导、离子跨膜转运及电解质稳态平衡调控有关

一个葡萄糖分子经细胞呼吸产生的ATP（总计36或38 ATP）：

• 糖酵解：底物水平磷酸化产生4 ATP，消耗2 ATP，产生2NADH → 4或6 ATP，净积累6或8 ATP
• 丙酮酸氧化脱羧：产生2NADH → 6 ATP
• 三羧酸循环：底物水平磷酸化产生2 ATP；产生6NADH → 18 ATP；产生2FADH₂ → 4 ATP

线粒体与疾病

• 线粒体功能障碍与多种疾病相关

二、叶绿体

叶绿体形态及其动态特征

叶绿体的超微结构

光合磷酸化过程及其机制

• 光合作用反应式：6CO₂ + 6H₂O + 光 → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 化学能

（1）光反应（在类囊体膜上进行）

• 原初反应：光能被聚光色素分子吸收，传递至作用中心，发生光化学反应使电荷分离，将光能转化为电能
• 光系统（光合作用单位）：由叶绿素（吸收蓝光和红光）、类胡萝卜素（吸收紫光和蓝光）、脂和蛋白质组成
  • 光系统II（PSII）【P680】：利用光能将水裂解，释放电子传递给质体醌，建立H⁺质子梯度
  • 光系统I（PSI）【P700】：将电子从质体蓝素传递给铁氧还蛋白

电子传递链：

• 非循环式：H₂O → PSII → PQ → b/f → PC → PSI → Fd → NADP⁺（产生ATP、NADPH）
• 循环式：PC → PSI → Fd → b/f → PSI（产生ATP）

（2）暗反应（碳固定反应）

三、线粒体和叶绿体的半自主性及其起源

半自主性细胞器

• 概念：自身含有遗传表达系统（自主性）；但编码遗传信息有限，RNA转录、蛋白质翻译、自身构建和功能发挥必须依赖核基因组编码的遗传信息（自主性有限）

线粒体起源的两种假说

• 内共生学说
• 非内共生学说

蛋白质的两种运输方式

线粒体转运肽（前导肽）转运蛋白质的特点

1. 需要受体
2. 从接触点进入
3. 蛋白质要解折叠
4. 需要能量
5. 需要转运肽酶
6. 需要分子伴侣的帮助

第7章 细胞质基质与内膜系统

一、细胞质基质

细胞质基质的涵义和功能

• 细胞质中除膜性细胞器和细胞骨架外的可溶性部分
• 是许多代谢反应进行的场所

蛋白质降解机制

• 泛素-蛋白酶体途径：
  1. E1（泛素活化酶）：与泛素结合并激活
  2. E2（泛素缀合酶）：替换E1与泛素结合
  3. E3（泛素连接酶）：激发E2-泛素复合物与靶蛋白结合，进行多泛素化
  4. 被蛋白酶体识别并降解

二、内质网（ER）

内质网的类型

• 糙面内质网（rER）：表面有核糖体附着
• 光面内质网（sER）：表面无核糖体
• 微粒体
• 肌质网：心肌和骨骼肌细胞中的特殊内质网，参与肌肉收缩，储存Ca²⁺

内质网的组成特点

• 由一层单位膜形成的囊状、泡状和管状结构，内腔连通
• 脂含量 > 蛋白含量
• 标志酶：葡萄糖-6-磷酸酶

糙面内质网（rER）的功能

• 进行膜结合核糖体合成的蛋白质运输，并在运输同时加工蛋白（修饰、折叠等）
• Bip蛋白：一类分子伴侣，属于Hsp70家族，与疏水区结合防错误折叠和聚集

光面内质网（sER）的功能

1. 脂类的合成与转运（磷脂交换蛋白PEP参与转运）；细胞质膜所需最重要磷脂在sER上合成
2. 类固醇激素的合成（生殖腺内分泌细胞和肾上腺皮质），以甲羟戊酸为原料
3. 糖原分解与释放葡萄糖（葡萄糖-6-磷酸酶）
4. 肝的解毒作用（细胞色素P450家族）
5. Ca²⁺的调节作用（肌质网）：Ca²⁺-ATP酶将细胞质基质中Ca²⁺泵入肌质网腔
6. 肌肉收缩调节

三、高尔基体

形态结构

• 由扁平膜囊、液泡、小泡三种膜结构组成
• 是有极性的细胞器

功能区室

高尔基体的功能

1. 糖类合成的工厂
2. 大分子（蛋白质、脂类）运输的枢纽
3. 蛋白质的糖基化及其修饰
4. 蛋白酶的水解和加工
5. 分泌功能；收集和排出内质网合成的物质；聚集某些酶类
6. 参与蛋白和黏多糖的合成
7. 与溶酶体形成有关
8. 参与胞吞和胞饮

高尔基体的膜泡运输方式

• 连续：rER合成蛋白质/脂类 → 高尔基体（CGN→TGN）→ 分泌泡 → 质膜
• 调节：外界信号引起Ca²⁺浓度升高 → 启动运输

四、溶酶体

溶酶体的结构与功能

• 含有水解酶（蛋白酶、核酸酶、酯酶、糖苷酶）的囊泡
• 由高尔基体分泌出来
• 是细胞内的”消化器官”

溶酶体的生物发生——M6P途径

• 在糙面内质网进行N-连接糖基化修饰
• 在高尔基体cis膜囊：寡糖链上的甘露糖残基磷酸化（N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶和磷酸葡萄糖苷酶）→ 生成甘露糖-6-磷酸（M6P）
• 磷酸化识别信号：信号斑
• 高尔基体trans膜囊和TGN膜：M6P受体识别
• 溶酶体酶分选与局部浓缩
• 以出芽方式转运到前溶酶体
• H⁺泵降低pH，使酶与受体脱离
• 初级溶酶体脱磷酸

区分溶酶体和过氧化物酶体

• 溶酶体：含酸性水解酶，pH约5.0
• 过氧化物酶体：含氧化酶和过氧化氢酶

五、过氧化物酶体

• 含有氧化酶和过氧化氢酶
• 参与脂肪酸β-氧化等代谢反应

六、细胞内膜系统的连续性

• 内膜系统各组分的结构和功能具有连续性
• 物质从内质网→高尔基体→溶酶体/细胞质膜/细胞外进行有序流动

第8章 蛋白质分选与膜泡运输

一、信号假说

信号假说的概念和内容

• 提出者：Blobel等（1975年）
• 核心内容：核糖体同内质网的结合受制于mRNA中特定的密码序列（可翻译成信号肽），只有具有这种密码序列的新生肽才能连同核糖体一起附着到内质网膜的特定部位

信号序列（信号肽）

• N端突出的一段肽，15-35个氨基酸残基
• 含4-12个疏水残基
• 进入内质网后通常被信号肽酶切除

三种类型的信号序列

1. 入核信号：核蛋白运输
2. 引导肽：线粒体、叶绿体和过氧化物酶体蛋白运输
3. 信号肽：内膜系统蛋白运输

信号识别颗粒（SRP）的三个功能域

1. 翻译暂停结构域
2. 信号肽识别结合位点
3. SRP受体蛋白（DP）结合位点

改进的信号学说（共翻译转运过程）

1. ER转运蛋白合成始于细胞质中游离核糖体，蛋白质去向由mRNA决定
2. SRP与新生肽的信号序列结合，同时翻译暂停结构域与核糖体A位点结合，暂停肽段合成
3. SRP与ER膜上的停靠蛋白（SRP受体，是一种G蛋白）结合，将核糖体附着到内质网的蛋白质转运通道（易位子/translocon）
4. SRP-信号序列-核糖体-mRNA复合物锚定后，SRP释放，蛋白质转运通道打开
5. SRP释放后蛋白质重新合成，并向内质网转运（不需要能量驱动）
6. 信号肽被信号肽酶切除，释放出成熟的可溶蛋白
7. 蛋白质合成结束，核糖体脱离

二、不同蛋白质分选的信号与途径

蛋白质分选转运的基本途径

• 根据蛋白的去向不同，通过不同的信号序列引导蛋白到达正确的目的地
• 膜结合核糖体合成的蛋白：分泌出细胞的蛋白；与特定细胞器结合的蛋白质；整合膜蛋白
• 游离核糖体合成的蛋白：细胞质、细胞核、线粒体或叶绿体的蛋白质

单次膜蛋白的跨膜

• 内部信号序列（不可切除，疏水，膜蛋白的一部分）：首先作为信号序列与SRP一起将核糖体附着到内质网，然后作为起始转移信号引导新生肽转移；始终保持正电荷多的氨基酸一端朝向胞质溶胶
• 终止转移信号序列：N端有信号序列作为起始转移信号进行共翻译转运，当终止转运信号进入通道后使通道失活，蛋白质转运停止，N端信号序列切除后形成单次跨膜蛋白

三、膜泡运输的类型及其机制

运输小泡的类型

1. 披网格蛋白小泡（Clathrin-coated vesicle）
2. COPII被膜小泡：从内质网到高尔基体的顺向运输
3. COPI被膜小泡：从高尔基体到内质网的逆向运输（回流运输）

回流运输的原因

• ER在进行蛋白质运输时发生包装错误，将ER的结构和功能蛋白质运输到高尔基体，被高尔基体监控蛋白发现并遣返
• 在不良环境下细胞作出的应激反应

细胞分泌

• 动物细胞和植物细胞将在内质网上合成的蛋白质和脂通过小泡运输，经高尔基体进一步加工和分选，运送到细胞内相应结构、细胞质膜及细胞外的过程

第9章 细胞信号转导

一、细胞通信与信号转导概述

细胞通信的类型

• 通过细胞外信号分子
• 靠细胞的直接接触

信号分子

• 定义：生物体内的某些化学分子，能与细胞受体结合并传递信息；非营养物、非能源物质、非结构物质、不是酶
• 分类（按溶解性）：水溶性信使和脂溶性信使

细胞传导信号的3种类型

1. 激素
2. 局部介导
3. 神经递质

细胞通讯的一般过程

信号分子的合成 → 释放 → 转运 → 识别 → 信号传递 → 信号转换（生物学效应）

受体

• 定义：泛指任何能够同激素、神经递质、药物或细胞内信号分子结合并能引起细胞功能改变的生物大分子
• 存在部位：
  • 膜（表面）受体：接收亲水性信号分子
  • 胞内受体：接收亲脂性信号分子

三种膜表面受体类型

1. 离子通道偶联受体：受体即离子通道
2. G蛋白偶联受体：受体为G蛋白
3. 酶联受体：受体即酶

表面受体信号传递的特点（G蛋白偶联的膜结合机器）

• 鉴别器（分辨部）：识别部位或调节亚单位
• 转换器（传导部）：将分辨部接受的信号转换为蛋白质构型变化，传给效应部
• 效应器（催化部）：朝向细胞质，具有酶活性（如腺苷酸环化酶、鸟苷酸环化酶）

二、胞内受体介导的信号传递

胞内受体的模式结构

• 两个结构域：与DNA结合的结构域；激活基因转录的N端结构域
• 两个结合位点：与配体结合的位点（C端）；与抑制蛋白结合的位点

作用机理

1. 非活性状态下，抑制物与受体结合
2. 配体与受体结合后，抑制物与受体脱离
3. 暴露与DNA结合的结构域
4. 配体-受体结合后成为转录因子，作用于特异的基因表达调控序列，启动基因的转录和表达

三、G蛋白偶联受体介导的信号转导

第二信使

• 定义：第一信使激发后首先出现的胞内信号分子，启动或调节随后出现的信号应答
• 类型：cAMP（环腺苷酸）、cGMP（环鸟苷酸）、二酰甘油（DAG）、肌醇三磷酸（IP₃）、Ca²⁺

胰高血糖素/肾上腺素的应答（cAMP途径）

胰高血糖素/肾上腺素 → 受体结合 → 激活G蛋白 → 激活腺苷酸环化酶（AC）→ 催化ATP生成cAMP → 激活蛋白激酶A（PKA）→

• 糖原合成酶磷酸化 → 抑制酶活性 → 阻止葡萄糖合成糖原
• 磷酸化酶激酶磷酸化 → 激活 → 磷酸化酶磷酸化 → 激活 → 糖原磷酸化 → 生成葡萄糖

PKC系统

• 第二信使：IP₃（肌醇三磷酸）、DAG（二酰甘油）、Ca²⁺

四、酶联受体介导的信号转导

受体酪氨酸激酶（RTK）途径

• Ras蛋白：大鼠肉瘤蛋白，是RTK途径中的关键开关蛋白
• Raf蛋白：丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（MAPKKK），能磷酸化MEK
• MEK：MAPKK，磷酸化MAPK
• MAPK：促分裂原活化蛋白激酶

五、其他细胞表面受体介导的信号通路

NO的细胞信使作用

• NO合酶是一种Ca²⁺/钙调蛋白敏感性的酶
• Ca²⁺/钙调蛋白与NO合酶的结合可激活NO合酶的活性
• 硝化甘油在体内转化成NO，使血管松弛减轻心脏工作压力

整联蛋白介导的信号转导

• 生物学效应：启动基因的表达；促进某些蛋白质的合成

六、细胞信号转导的整合与调控

信号通路的整合

• 信号的趋同：不同的信号分子分别作用于不同的受体，但是最后的效应物是相同的
• 信号的趋异：同一种信号与受体作用后在细胞内分成几个不同的信号途径进行传递（典型例子：受体酪氨酸激酶的信号转导）
• 信号的串话（cross-talk）：不同信号转导途径间的相互影响

信号转导特点

• 信号转换
• 级联反应（多级、放大、转移、转化、趋异）
• 通过构像的改变

第10章 细胞骨架

一、细胞质骨架的概念、组成和功能

三大骨架系统组成与分布

二、微丝（MF / Actin Filament）

微丝的结构

• 由球形肌动蛋白（G-actin）聚合形成纤维状肌动蛋白（F-actin）
• 两条原纤维组成双股螺旋
• 具有极性
• 存在踏车现象

微丝的装配

• 成核（”种子”的形成）→ 快速延长 → 稳定期

微丝特异性药物

• 细胞松弛素（Cytochalasin）：可切断微丝，结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合，导致微丝解聚
• 鬼笔环肽（Phalloidin）：与微丝侧面结合，防止微丝解聚

微丝结合蛋白

• 单体隔离蛋白：抑制微丝聚合
• 加帽蛋白（末端阻断蛋白）：调节微丝长度
• 交联蛋白：多个结合位点，交联微丝
• 纤维切割断蛋白：割断并调节微丝长度
• 微丝去聚合蛋白
• 膜结合蛋白

微丝的功能

1. 肌肉收缩：肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效力非常高的能量转换器，直接将化学能转变为机械能
2. 维持细胞形态，赋予质膜机械强度（红细胞膜骨架）
3. 细胞运动：成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关
4. 微绒毛：上皮细胞的指状突起，增加肠上皮细胞表面积以利于营养快速吸收
5. 应力纤维：介导细胞间或细胞与基质表面的黏着
6. 参与胞质分裂：收缩环由大量反向平行排列的微丝组成，收缩机制是肌动蛋白和肌球蛋白相对滑动

肌肉收缩与神经兴奋的偶联

1. 神经冲动传递至骨骼肌细胞时引起细胞质膜膜电位变化（去极化）
2. 骨骼肌将该电信号转变为提高胞质中Ca²⁺浓度的化学信号
3. Ca²⁺与肌钙蛋白结合，解除原肌球蛋白对肌动蛋白的抑制
4. 肌球蛋白的头部和肌动蛋白接触，形成交联桥
5. ATP同肌球蛋白结合，通过水解ATP改变肌球蛋白头部构型，引起粗肌丝（肌球蛋白）与细肌丝（肌动蛋白）间的滑动

三、微管（MT）

微管的结构

• 由**微管蛋白二聚体（α-tubulin和β-tubulin）**组成
• 13根原纤维组成空心杆状结构
• 具有极性
• 存在踏车现象

微管组织中心（MTOC）——中心体

• 帮助大多数细胞质微管的装配过程中的成核反应（限速步骤）
• 微管从中心体开始生长
• 靠近MTOC为负端（生长慢），远离MTOC为正端（生长快）
• γ微管蛋白：存在于中心粒，在微管装配中起关键作用，通过与β微管蛋白的相互作用帮助微管成核

踏车现象

• 微管两端都可以加上或释放αβ二聚体
• 在（+）端，由于GTP帽的存在，同二聚体亲和力高，结合比释放快，处于生长状态
• 在（-）端，由于GTP已水解成GDP，同二聚体亲和力低，释放比结合快
• 当V（+）结合 = V（-）释放时，形成轮回现象：微管总长不变，但二聚体从（+）端不断向（-）端推移

影响微管解聚的药物

• 秋水仙素：抑制微管聚合
• 紫杉醇：稳定微管，抑制解聚

依赖于微管的分子马达

• 驱动蛋白（Kinesin）：顺向运输，从（-）端向（+）端移动
• 动力蛋白（Dynein）：逆向运输，从（+）端向（-）端移动

神经细胞的轴突运输

• 以微管为基础的运输
• 不同物质运输速度：膜泡最快；骨架蛋白最慢；线粒体等细胞器处于两者之间

纤毛与鞭毛的运动机制

• 纤毛与鞭毛的运动是一种简单的弯曲，由轴丝微管动力臂引起微管的滑动所致
• 微管滑动模型：
  1. 动力蛋白头部与相邻B微管接触，促进动力蛋白结合的ATP水解，释放ADP和Pi
  2. ATP水解导致A微管动力蛋白头部构象改变，使头部向二联管的（+）端移动，使相邻二联微管之间产生弯曲力
  3. 新的ATP结合后，促使动力蛋白头部与B微管脱离
  4. ATP水解后进入下一个循环

四、中间纤维（IF）

中间纤维的结构

• 由6类中间纤维蛋白组成
• 32条原纤维组成非空心的多级螺旋
• 无极性
• 无踏车现象
• 无特异性药物

五、三种细胞骨架的比较

第11章 细胞核与染色质

一、核被膜

核被膜的结构

• 外核膜：面向细胞质基质，附有核糖体，与ER相连，是ER的”特化区”；细胞骨架常与外核膜相连起固定作用
• 内核膜：面向核基质，无核糖体
• 核周腔：两层核膜之间的间隙
• 核纤层：内核膜内一层30-160nm网络状蛋白质（属中间纤维），支撑核被膜
• 核孔复合体（NPC）：核被膜上的孔，起运输作用；”鱼笼模型”

核被膜的功能

1. 基因表达的时空隔离
2. 保护性屏障，使核处于一微环境中
3. 染色体的定位和酶分子的支架

核孔复合体

成分：主要由蛋白质构成

• gp210：结构性跨膜蛋白
• p62：功能性的核孔复合体蛋白，具有两个功能结构域

核孔复合体的功能：

• 核质交换的双向性亲水通道
• 通过核孔复合体的主动运输：具有高度选择性，并且是双向的

亲核蛋白与核定位信号（NLS）

• 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（NLS）：存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段，富含碱性氨基酸残基
  • NLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，在指导完成核输入后并不被切除
  • NLS只是亲核蛋白入核的一个必要条件而非充分条件

亲核蛋白入核转运步骤

• 结合：需NLS识别并结合输入蛋白
• 转运：需GTP水解提供能量

RNA的核输出

• RNA聚合酶I转录的rRNA：以RNP形式离开细胞核，需要能量
• RNA聚合酶III转录的5S rRNA与tRNA：核输出由蛋白质介导
• RNA聚合酶II转录的hnRNA：在核内进行5’端加帽和3’端加polyA及剪接，形成成熟mRNA出核；5’端m⁷GpppG”帽子”结构对出核转运是必要的
• mRNA出核转运过程有极性，5’端在前，3’端在后
• 核输出信号（NES）：RNA分子的出核转运需要蛋白因子帮助，这些蛋白因子本身含有出核信号

二、染色质

染色质与染色体的概念

• 染色质（chromatin）：指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构，是间期细胞遗传物质存在的形式【间期、线状】
• 染色体（chromosome）：指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中，由染色质聚缩而成的棒状结构【分裂期、棒状】
• 关系：染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段可以相互转变的形态结构；基本相同的化学组成，但包装程度不同，构象不同

常染色质、异染色质和异固缩

• 异染色质：在间期大约有10%的染色质仍然保持压缩状态（组成性异染色质和兼性异染色质）
• 常染色质：在间期恢复到松散状态的染色质
• 间期染色深的是异染色质，浅的是常染色质
• 异固缩：与正常凝缩的周期不同
  • 正异固缩：在间期或前期过度凝缩
  • 负异固缩：在中期凝缩不足，染色较浅

核小体的结构（染色质的基本结构单位）

• “绳珠结构”
• 由200bp左右的碱基对DNA和5种组蛋白结合而成
• 4种组蛋白（除H1外）形成八聚体（4个二聚体：两个H2A-H2B和两个H3-H4）的小圆盘结构
• 每个二聚体大约与30个碱基对结合
• 146个碱基对的DNA在小圆盘外面绕1又3/4圈
• 一分子H1与DNA结合，锁住核小体DNA的进出口，稳定核小体
• 相邻核小体间以连接区DNA相连，长度变化不等，通常为60bp左右
• 核酸酶水解实验：推测核小体存在的实验证据

三、染色质的复制与表达

染色质的修饰与表观遗传

• 组蛋白修饰（乙酰化、甲基化、磷酸化等）
• DNA甲基化
• 表观遗传调控

四、染色体的形态结构及其功能元件

染色体DNA的三种功能元件

1. 自主复制DNA序列（ARS）：具有一段11-14bp的同源性很高的富含AT的共有序列及其上下游各200bp左右的区域
2. 着丝粒DNA序列（CEN）：两个相邻的核心区——80-90bp的AT区；11bp的保守区
3. 端粒DNA序列（TEL）：端粒序列的复制

着丝粒的功能

• 有丝分裂前将姐妹染色单体结合在一起
• 为动粒装配提供结合位点

端粒与端粒酶

• 端粒酶：蛋白质和RNA的复合物
• 作用机制：用自身的RNA作为模板，反转录成DNA；使DNA链不断加长；在DNA聚合酶作用下将缺口填补
• 功能：保证染色体的完整复制；在两端形成帽结构保护，使染色体免受核酸酶等不稳定因素的影响；保证末端不与其他染色体融合
• 在生殖细胞和部分干细胞中有端粒酶活性；端粒重复序列的长度与细胞分裂次数和细胞衰老有关

核型与染色体显带

• 核型：染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小、形态特征的总和
• 核型模式图：将一个染色体组的全部染色体按其特征绘制并按长短、形态排列的图像（染色体显带技术）

巨大染色体

• 多线染色体：来源于核内有丝分裂，DNA多次复制产生但阻止了进一步凝聚；处于永久间期；多存在于双翅目昆虫幼虫组织（如唾液腺、气管）；比其他类型染色体粗100倍
• 灯刷染色体：卵母细胞第一次减数分裂时形成，停留在双线期的染色体；二价体，4条染色单体；与卵子发生过程中营养物储备密切相关；侧环上的RNA主要是mRNA，与转录因子蛋白形成无活性的RNP颗粒储存

五、核仁的结构与功能

核仁的超微结构

• 纤维中心（FC）
• 致密纤维组分（DFC）
• 颗粒组分（GC）（主要为RNP）
• 核仁相随染色质与核仁基质

核仁的功能

• 进行rRNA的合成
• 细胞合成核糖体的工厂
• 在有丝分裂期核仁变小并逐渐消失；在有丝分裂末期rRNA合成重新开始，核仁形成

六、核基质（核骨架）

概念

• 狭义：细胞核内除了核被膜、核纤层、染色质与核仁以外的网架结构体系
• 广义：包括核基质、核纤层（或核纤层-核孔复合体结构体系）以及染色体骨架

核基质的功能

• 与DNA复制有关：DNA聚合酶通过结合于核骨架上被激活；DNA放射环普遍存在于间期细胞，分裂期时环根部结合在骨架纤维上

七、分子伴侣与分子内伴侣

分子伴侣

• 概念：由不相干的蛋白质组成的一个家系，它们介导其他蛋白质的正确装配，但自己不成为最后功能结构中的组分
• 第一个被发现的分子伴侣是核质蛋白
• 类型：Hsp60、Hsp70、Hsp90

特点：

1. 家族成员具有高度保守性
2. 家族成员结构上具有相似性
3. 组成型表达
4. 家族成员都具有可被底物激活和增强的弱ATP酶活性

功能：

1. 帮助蛋白质折叠和装配
2. 帮助蛋白质的转运和定位
3. 参与细胞器和细胞核结构的发生
4. 应激反应（对不良环境做出的反应）
5. 参与信号转导

分子内伴侣

• 一些蛋白酶的前序列
• 对于这些酶的折叠和活性是必需的
• 具备更加高度的专一性
• 通过水解作用释放，不需要ATP

第12章 核糖体

一、核糖体的基本结构

核糖体的类型与结构

• 大小两个亚基都由核糖体RNA（rRNA）和核糖体蛋白组成

• rRNA的二级结构为臂环结构，具有较高的保守性

核糖体的功能位点（4种RNA结合位点）

• A位点（氨酰基位点）：与新掺入的氨酰-tRNA的结合位点
• P位点（肽酰基位点）：与延伸中的肽酰-tRNA的结合位点
• E位点：肽酰转移后与即将释放的tRNA的结合位点
• mRNA结合位点
• 肽酰转移酶的催化位点
• 起始因子、延伸因子和终止因子的结合位点

核糖体的生物发生

• 包括蛋白质和rRNA的合成、核糖体亚基的组装
• 组织特征：位于NORs（核仁组织区）的rDNA是rRNA的信息来源；rDNA定位于NOR，呈串状排列
• 形态特征：”圣诞树”样结构
• 发生过程：rDNA → 45S rRNA（前体）→ 41S rRNA → 20S rRNA + 32S rRNA；其中20S → 18S，32S → 28S、5.8S；5S在染色体端粒处合成

二、蛋白质合成的过程

蛋白质合成的基本过程（三步）

（1）链的起始（以原核生物为例）

• 所需成分：30S小亚基、50S大亚基、模板mRNA、fMet-tRNAfMet、GTP、Mg²⁺
• 翻译起始因子：IF-1、IF-2、IF-3
• 步骤：
  1. 30S小亚基通过SD序列与mRNA模板结合
  2. 在IF-2和GTP帮助下，fMet-tRNAfMet进入小亚基P位，tRNA反密码子与mRNA起始密码子配对
  3. 带有tRNA、mRNA和3个起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合，GTP水解，释放起始因子

真核生物与原核生物起始的区别：

• 原核：30S小亚基先与mRNA结合 → 再与fMet-tRNAfMet结合 → 最后与50S大亚基结合
• 真核：40S小亚基先与Met-tRNAMet结合 → 再与模板mRNA结合 → 最后与60S大亚基结合生成80S·mRNA·Met-tRNAMet起始复合物
• 真核起始因子较多；mRNA 5’端具有m⁷Gppp帽子结构，5’端帽子结构和3’端polyA都参与形成翻译起始复合物

（2）链的延伸（由转肽酶/肽基转移酶催化）

1. 氨酰-tRNA进入核糖体的A位点
2. 肽键形成
3. 转位
4. 脱氨酰-tRNA释放
   （循环延长）

（3）链的终止

• 核糖体沿mRNA移动，如果进入A位点的是终止密码子，由于没有与之匹配的反密码子，终止蛋白质合成
• 原核终止因子：RF1识别UAA和UAG；RF2识别UAA和UGA；RF3不识别特异终止密码子
• 真核终止因子：只有一个终止因子（eRF）

三、多聚核糖体

概念

• 核糖体在细胞内并不是单个独立地执行功能，而是由多个甚至几十个核糖体串连在一条mRNA分子上高效地进行肽链的合成，这种具有特殊功能与形态结构的核糖体与mRNA的聚合体称为多聚核糖体

多聚核糖体的生物学意义

1. 细胞内各种多肽的合成，不论其分子量的大小或是mRNA的长短如何，单位时间内所合成的多肽分子数目都大体相等
2. 以多聚核糖体的形式进行多肽合成，对mRNA的利用及对其浓度的调控更为经济和有效

四、蛋白质合成抑制剂

• 抗生素的作用是抑制蛋白质的合成（如放线菌酮）
• 嘌呤霉素：具有与tRNA分子末端类似的结构，能够同氨基酸结合，代替氨酰化的tRNA同核糖体的A位点结合，并掺入到生长的肽链中

五、RNA编辑

• mRNA水平上改变遗传信息的过程，包括C→U、U→C改变，U插入或缺失，多个G或C的插入

第13章 细胞周期与细胞分裂

一、细胞周期

细胞周期的概念

• 细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂完成所经历的一个有序过程。其间细胞遗传物质和其他内含物分配给子细胞

细胞周期时相组成

• 间期：G₁期、S期、G₂期
• M期：有丝分裂期、胞质分裂期
• 细胞沿着G₁→S→G₂→M→G₁周期性运转
• 在间期细胞体积增大（生长），在M期细胞先是核分裂，接着胞质分裂
• 不同细胞的细胞周期时间差异很大，S+G₂+M的时间变化较小，细胞周期时间长短主要差别在G₁期
• 有些分裂增殖的细胞缺乏G₁、G₂期

根据增殖状况真核细胞分为三类

1. 连续分裂细胞
2. 休眠细胞（G₀细胞）：暂时脱离细胞周期，不进行DNA复制和分裂，也称静止细胞
3. 终端分化细胞

细胞周期各时相的合成活动

• G₁期：与DNA合成启动相关，开始合成细胞生长所需要的多种蛋白质、RNA、碳水化合物、脂等，同时染色质去凝集
• S期：DNA合成期，细胞周期中最重要的一个时期；DNA合成，同时还会合成组蛋白以及DNA复制所需要的酶类
• G₂期：DNA复制完成，DNA数量加倍，合成一定数量的蛋白质和RNA分子
• M期：真核细胞的细胞分裂主要包括两种方式——有丝分裂和减数分裂

细胞周期同步化

• 为了研究细胞周期不同阶段的生化特性，必须获得细胞周期一致性的细胞
• 自然同步化
• 人工同步化：选择同步化、诱导同步化或两者结合

细胞融合实验

二、有丝分裂

• 在有丝分裂期，因为形成了由微管及其结合蛋白所组成的星体和纺锤体（即有丝分裂器），因此称为有丝分裂
• 通常分为：前期、前中期、中期、后期和末期

有丝分裂各时期染色体和DNA数量变化

动植物的胞质分裂

• 动物细胞：以缢缩和起沟的方式完成
• 植物细胞：靠细胞内新细胞壁的形成

三、减数分裂

减数分裂的概念

• 细胞仅进行一次DNA复制，随后进行两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂
• 是生殖细胞产生配子的分裂
• 包括第一次减数分裂和第二次减数分裂

第一次减数分裂——前期I的五个阶段

减数分裂各时期染色体和DNA数量变化

有丝分裂与减数分裂的比较

减数分裂的意义

1. 确保世代间遗传的稳定性
2. 增加变异机会，确保生物的多样性，增强生物适应环境变化的能力
3. 减数分裂是生物有性生殖的基础，是生物遗传、生物进化和生物多样性的重要基础保证

遗传重组及其机制

• 同源染色体的部分交换：第一次减数分裂I的前期I，在配对形成联会复合体时形成（单链、双链断裂机制）
• 同源染色体分离时染色体组的自由组合：发生在减数分裂I的中期I，同源染色体在赤道板上排列之后随机分配

第14章 细胞增殖调控与癌细胞

一、细胞增殖调控

细胞周期检验点（关卡）

• 细胞周期调控的一种机制，主要是确保周期每一时相事件的有序、全部完成并与外界环境因素相联系

细胞周期调控的关键因子

（1）MPF（促成熟因子，Maturation Promoting Factor）

• 结构：二聚体——细胞周期蛋白（cyclin）+ CDK（细胞周期蛋白依赖性激酶，cyclin-dependent kinase，丝/苏氨酸激酶）
• 功能：控制细胞周期的进程
• M期细胞周期蛋白为cyclin B；S期细胞周期蛋白为cyclin A

（2）APC（促后期复合物）

• 即E3泛素连接酶，激发E2-泛素复合物同有丝分裂细胞周期蛋白破坏框结合，进行多泛素化
• 被蛋白酶体识别并降解

（3）SPF（促S期因子）

周期蛋白的降解过程

1. E1（泛素活化酶）：与泛素结合并激活
2. E2（泛素缀合酶）：替换E1与泛素结合
3. E3（泛素连接酶/APC）：激发E2-泛素复合物同周期蛋白破坏框结合，进行多泛素化
4. 被蛋白酶体识别并降解

真核生物细胞周期调控的基本机制

• 细胞周期正常进行实际上是特定蛋白在特定时期出现的结果
• 细胞通过修饰现有蛋白（磷酸化和去磷酸化）、合成新蛋白、水解多余蛋白来实现对其周期的调控

二、癌细胞

癌细胞的基本概念

• 动物体内细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞称为肿瘤细胞
• 具有转移能力的肿瘤称为恶性肿瘤
• 上皮组织的恶性肿瘤称癌

癌细胞的基本特征

1. 细胞生长与分裂失去控制，具有无限增殖能力
2. 具有扩散性（转移能力）
3. 细胞间相互作用改变
4. 蛋白表达谱系或蛋白活性改变
5. mRNA转录谱系的改变
6. 染色体非整倍性

癌基因与抑癌基因

• RB基因：世界上第一个被克隆和完成全序列测定的肿瘤抑制基因
• P53基因：迄今发现与人类肿瘤相关性最高的基因
• 肿瘤的发生是基因突变逐渐积累的结果

肿瘤干细胞

• 具有干细胞特性的肿瘤细胞亚群，与肿瘤发生、复发和耐药相关

第15章 细胞分化与胚胎发育

一、细胞分化

细胞分化的概念

• 在个体发育中，细胞的后代在形态、结构和功能上发生差异的过程
• 本质：基因选择性表达的结果，即基因表达调控的结果
• 基础：基因的表达与调控

细胞的全能性

• 在分化的过程中细胞的全能性逐渐变窄

管家基因与奢侈基因

• 管家基因（持家基因）：维持细胞最低限度功能所不可缺少的基因
• 组织特异性基因（奢侈基因）：在各种组织中进行不同的选择性表达的基因；细胞分化是奢侈基因中某种（或某些）特定基因的选择性表达的结果

影响细胞分化的因素

1. 细胞核的作用
2. 细胞质的作用
3. 细胞的相互作用（胚胎诱导）
4. 激素的影响
5. 分化抑制

细胞分化的调控机理

• 基因在特定的时间和空间中选择性表达
• 蛋白质的表达定位
• 信号转导过程

二、胚胎发育中的细胞分化

原肠胚三胚层的发育目标

• 外胚层：神经、表皮等
• 中胚层：肌肉、骨骼等
• 内胚层：消化道及肺的上皮等

保证只有一个精子进入卵细胞的机制

机制一：精卵融合后，卵细胞质膜的快速去极化，阻止其他精子与卵母细胞融合

机制二：皮层反应

1. 精卵质膜融合，激活磷脂酰肌醇信号转导途径，Ca²⁺浓度升高，激活卵细胞
2. 卵细胞的皮质颗粒与质膜融合，释放一些酶类
3. 这些酶快速分布至卵细胞表面，改变膜表面结构（破坏卵细胞透明带上与精细胞结合的受体），以阻止其他精细胞与卵细胞的融合

再生

• 生物体的整体或器官受外力作用发生创伤而部分丢失，在剩余部分的基础上又生长出与丢失部分在形态与功能上相同的结构，这一修复过程称为再生

三、干细胞

干细胞的概念

• 本身是终端分化基因
• 能无限地分裂
• 分裂产生的子细胞只能在两种途径中选择其一：或保持亲代特征仍作为干细胞，或不可逆地向终末分化

干细胞的分类

• 按发育阶段：胚胎干细胞、成体干细胞
• 按发育潜能：
  • 全能干细胞（胚胎干细胞）
  • 多能干细胞
  • 单能干细胞

干细胞的应用

1. 作为生产克隆动物的高效材料
2. 生产转基因动物的高效载体
3. 发育生物学研究的理想体外模型
4. 新型药物的发现筛选
5. 加快组织工程发展

第16章 细胞死亡与细胞衰老

一、细胞死亡

细胞死亡的几种方式

• 细胞凋亡（Apoptosis）
• 细胞坏死（Necrosis）
• 细胞程序性死亡

细胞凋亡

• 概念：细胞凋亡是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程，所以也常常被称为细胞编程死亡。凋亡细胞将被吞噬细胞吞噬

细胞凋亡与坏死的区别

散到胞外 | 释放到胞外 |
| 炎症反应 | 不引发 | 引发炎症反应 |
| 过程性质 | 主动的基因调控过程 | 被动的损伤过程 |

细胞凋亡的分子机理

（1）Caspase家族

• Caspase活性位点是半胱氨酸，裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽键
• 全称：天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶（Caspase）
• 在细胞凋亡中起核心执行者作用

（2）Bcl-2家族

• Bcl-2是一种原癌基因
• 该家族中有促进细胞凋亡的（如Bad、Bid等）和抑制细胞凋亡的（如Bcl-2、Bcl-x等）
• Bcl-2能够阻止细胞色素c从线粒体释放到细胞质中，从而抑制细胞凋亡

二、细胞衰老

细胞衰老的概念

• 细胞衰老是细胞生命活动的必然规律，是受核基因调控的

细胞衰老的特征

1. 细胞内水分减少
2. 色素生成和色素颗粒沉淀（脂褐素积累）
3. 衰老过程中细胞质膜的变化（流动性降低等）
4. 衰老过程中线粒体的变化（数量减少、功能下降）
5. 细胞核的变化（核膜内折、染色质固缩）
6. 细胞骨架的变化
7. 蛋白质合成的变化（合成速率下降）

细胞衰老的分子机制

• 端粒缩短学说
• 自由基学说
• 基因调控学说
• 细胞衰老是受核基因调控的主动过程

第17章 细胞的社会联系

一、细胞连接

动物细胞的三种类型细胞连接

1. 紧密连接：封闭
2. 斑块连接（锚定连接）：黏着
3. 通讯连接：通讯

紧密连接（Tight Junction）

• 功能：
  • 连接作用
  • 维持细胞的极性（隔离）
  • 防止物质双向渗漏
  • 限制膜蛋白在脂分子层的流动（封闭）

斑块连接（锚定连接，Anchoring Junction）

根据跨膜蛋白是与肌动蛋白相连还是与中间纤维相连分为两大类：

（1）黏着连接（与肌动蛋白相关）

• 特点：钙依赖性；通过细胞质斑的蛋白介导同肌动蛋白相连；引发信号转导
• 黏着带（细胞-细胞间）：靠钙黏着蛋白与肌动蛋白相互作用
• 黏着斑（细胞-基质间）：整联蛋白的细胞外结构域通过纤连蛋白同细胞外基质相连

（2）桥粒连接（与中间纤维相关）

• 桥粒（细胞-细胞间）：连接两个细胞的纽扣状或梯子状结构；功能为抵抗外界压力
• 半桥粒（细胞-基质间）：形态与桥粒相同，功能、化学组成与桥粒不同；功能是把上皮细胞与其下方的基膜连接在一起

细胞黏着小结（六种方式）

• 四种细胞间黏着：紧密连接、黏着带、桥粒、间隙连接
• 两种细胞与细胞外基质的黏着：黏着斑、半桥粒

通讯连接

• 动物细胞：间隙连接（Gap Junction）

  • 主要结构是连接子——一种跨膜蛋白，由6个相同或相似连接蛋白亚单位环绕中央形成孔径为1.5-2nm的水性通道
  • 允许分子量在1.2KD以下的分子通过
  • 调控因素：Ca²⁺浓度、H⁺浓度（pH）、外界化学信号（cAMP）
  • 如果细胞pH降低、Ca²⁺浓度升高，则间隙连接通道关闭

• 植物细胞：胞间连丝（Plasmodesmata）

  • 结构是相邻植物细胞壁上的一个狭窄细胞壁通道
  • 允许1KD以下的分子渗透

二、细胞黏着及其分子基础

细胞识别

• 细胞对同种或异种细胞、同源或异源细胞以及对自己或异己分子的识别和鉴别
• 三种识别系统：
  1. 抗原-抗体的识别
  2. 酶与底物的识别
  3. 细胞间的识别（配体-受体）

细胞黏着

• 在细胞识别的基础上，同类细胞聚集并形成细胞团或组织的过程

细胞黏着分子

细胞黏着方式

• 钙黏着蛋白介导细胞黏着：介导相同细胞间的相互黏着，通过双方细胞表面的钙黏着蛋白相互作用
• 选择蛋白介导细胞黏着：
  • E-选择蛋白：在内皮细胞表达
  • P-选择蛋白：在血小板和内皮细胞表达
  • L-选择蛋白：在各种类型的白细胞中表达
• 免疫球蛋白与整联蛋白介导细胞黏着：具有与免疫球蛋白类似的结构域一起构成IgSF，介导淋巴细胞与免疫细胞（巨噬细胞、淋巴细胞等）的黏着反应

三、细胞外基质（ECM）

细胞外基质的概念

• 由细胞分泌到细胞外的、分布在细胞表面或细胞之间的大分子构成的复杂网络结构

细胞外基质的主要组分

（1）透明质酸（一种重要的糖胺聚糖/GAG）

• 既参与形成蛋白聚糖，也能游离存在，作为支架作用
• 在软骨中，透明质酸与核心蛋白形成透明质酸-蛋白聚糖复合体，与胶原纤维连接在细胞外基质中形成纤维网络
• 功能：构成胞外基质的基质起保护细胞作用；以可溶形式游离存在起润滑作用（存在于体液中）；蛋白聚糖作为细胞黏着的位点，与细胞分化有关，也与癌变有关

（2）胶原（Collagen）

• 胞外基质中含量最高，刚性及抗张力强度最大
• 基本结构：原胶原——三条α链组成的纤维状蛋白质
• 肽链的一级结构：（Gly-X-Y）n重复单位，X、Y通常为脯氨酸、羟脯氨酸，少数为赖氨酸、羟赖氨酸
• 胶原分子在内质网和高尔基体中修饰
• 合成过程：
  1. 前α链在内质网合成、加工与组装，经高尔基体分泌
  2. 前原胶原在细胞外由两种专一性不同的蛋白水解酶作用，分别切去N-末端前肽及C-末端前肽，成为原胶原
  3. 原胶原进而聚合装配成胶原原纤维和胶原纤维
• 功能：构成细胞外基质的骨架结构；在不同组织中组装成不同纤维形式；可被胶原酶特异降解，参与胞外基质信号传递调控网络
• 组织的性能往往与胶原分子的结构有关（如肌腱、肌肉、皮肤）；维持细胞的正常生长

（3）RGD序列

• 大多数胞外基质蛋白通过RGD（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸）与整联蛋白（质膜上的胞外基质受体蛋白）结合
• 含有RGD的肽能抑制血块的形成，可用于临床治疗

（4）细胞外基质中的黏着蛋白

• 纤粘连蛋白（Fibronectin）
• 层粘连蛋白（Laminin）

（5）基膜（Basal Lamina）

膜特化形成的结构

• 微绒毛
• 骨架
• 伪足（包括鞭毛和纤毛）

第三部分：复习备考指南

各章节核心知识点索引

考试题型与策略

重要实验方法汇总

• Langmuir水盘法 → 脂双层推测
• 人鼠细胞融合实验 → 膜流动性
• 脂质体法 → 膜蛋白功能测定
• 核酸酶水解实验 → 核小体存在证据
• 细胞融合实验 → 细胞周期调控因子
• 单克隆抗体技术
• 流式细胞术
• 革兰氏染色
• 胰蛋白酶法 → 膜蛋白位置测定

编制说明：本复习报告严格依据《170902细胞生物学课程质量标准.doc》的教学要求，以翟中和《细胞生物学》（第四版）为教材基准，整合课程知识点文档及配套精讲资料，全面覆盖绪论至第17章细胞社会联系的全部知识点、重点难点、能力与素质目标，力求不遗漏任何一个考核要点。