高中生生物学奥赛—细胞生物学文档资料.pptx

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1、第1节 细胞生物学中的基本技术,细胞学与细胞生物学发展简史,1.细胞的发现 1665年，英国学者胡克（Robert hooke）,细胞学与细胞生物学发展简史,1.细胞的发现 1667年，荷兰学者列文虎克(Leeuwenhoek）,2.细胞学说(cell theory)的建立 18381839年，德国植物学家施莱登和动物学家施旺 一切动植物都是由细胞和细胞的产物所构成；细胞与细胞共同组成整体的生命活动；新的细胞通过老的细胞繁殖产生，即细胞来自于细胞。,细胞学与细胞生物学发展简史,细胞学与细胞生物学发展简史,3.电镜时代的细胞学 1935年，德国西门子公司生产出第一台电镜亚显微结构：细胞膜、内质网

2、、高尔基器、溶酶体、过氧物酶体、核膜等,核膜,细胞膜,高尔基器,过氧物酶体,溶酶体,内质网,分泌泡,透射电镜下的细胞结构,细胞核,内质网,高尔基器,高尔基器,线粒体,线粒体,染色体和纺锤丝,一、细胞大小的计算,在显微技术和电镜技术中常用的单位有：微米（m或）、纳米（nm）和埃（）三种。1m102cm106m109 nm 1010,二、细胞生物学实验技术,1、显微技术,根据光源的不同，可以分为光学显微镜和电子显微镜两类。,显微镜,光学显微镜,电子显微镜,（以可见光为光源）,（以电子束为光源）,相差显微镜：观察活细胞、未染色的组织切片或缺少反差的染色标本。,荧光显微镜：观察能发荧光的标本（本身能发

3、荧光或荧光染色的标本），可定量或定性的研究相应的物质。,透射电镜（TEM）：电子束的穿透力极弱，标本需要用切片机制成超薄片。,扫描电镜（SEM）：可用于观察标本的表面结构。,无论是哪种显微镜，分辨率（分辨力）和放大倍数是显微镜的两个重要指标。,光学显微镜的最小分辨率是0.2m，光镜下的结构叫显微结构。电子显微镜能看清小于0.2m的细微结构，称为亚显微结构或超微结构。,2、生物化学与分子生物学技术,（1）细胞化学技术 固定、染色技术等。固定：锇酸、高锰酸钾、戊二醛、卡诺氏固定液等 染色：醋酸铀、铅盐、龙胆紫、醋酸洋红等,（2）免疫细胞化学 利用抗体与特定的抗原专一结合，对抗原进行定位测定的技术。

4、,（3）显微光谱分析技术 细胞中很多成分都具有特定的吸收光谱。例如：核酸的吸收波长为260nm，而蛋白质的则为280nm。利用显微分光光度计对某些成分进行定位、定性，甚至定量测量。,（4）放射自显影技术,3、离心技术,（1）差速离心和密度梯度离心 差速离心是在密度均匀的介质中由低速到高速逐级离心，利用不同的离心速度所产生的离心力来分离不同大小的细胞和细胞器。密度梯度离心是用一定的介质在离心管内形成一连续或不连续的密度梯度，将细胞悬液或匀浆置于顶部，通过重力或离心力场等作用使细胞分层、分离。不同密度的颗粒分别集中在某一密度带而得以分离。,（2）沉降系数 某些亚细胞成分和分子大小，常用沉降系数（S

5、）来表示。规定1S=110-13s 蛋白质的沉降系数一般在4S40S之间；核糖体及其亚基的沉降系数在30S80S之间。一般而言，沉降系数大的，其分子质量也大。,（4）细胞电泳 在一定的pH下，细胞表面带有净的正或负电荷，能在外加电场的作用下发生泳动。不同的细胞电荷量有所不同，故泳动速度不一样。所以可以用来分离不同种类的细胞。,第2节 细胞膜,一、细胞膜/生物膜/质膜的化学组成细胞膜主要由脂类（膜脂）和蛋白质（膜蛋白）组成蛋白质约占膜干重的20%70%，脂类约占30%80%，此外还有少量的糖类（膜糖）。比例的不同与其功能相适应。,1、膜脂,膜脂：磷脂、胆固醇,甘油,脂肪酸1,磷酸,碱基,脂肪酸2

6、,为什么说磷脂是兼性分子?,亲水性头部,疏水性尾部,磷脂分子在水溶液中,磷脂分子聚集在一起，将亲水头部朝向外面，将疏水尾部藏在里面,在水溶液中形成微团或脂双分子层,磷脂单分子层,磷脂双分子层,胆固醇是兼性分子吗?,胆固醇存在于真核细胞膜中，动物细胞膜的胆固醇含量较高，有的甚至可以占到膜脂的50%，大多数植物细胞和细菌细胞中没有胆固醇，酵母细胞膜中是麦角固醇。,胆固醇分子的作用,控制膜的流动性，维持膜的厚度。增加膜脂双层的稳定性，增加膜脂有序性并降低其流动性。胆固醇含量越高，膜脂的流动性越低。,磷脂酰胆碱,磷脂酰丝氨酸,2、膜糖类,膜糖类：糖脂、糖蛋白 糖脂和糖蛋白的糖链分布在膜的外表面 糖被除

7、了具有保护和润滑作用外，与细胞的抗原结构、受体、细胞免疫、细胞识别以及细胞癌变都有密切关系,（1）存在形式：糖脂和糖蛋白,跨膜糖蛋白,糖脂,细胞被,磷脂双分子层,吸附的糖蛋白,为什么糖和肽链之间会有两种糖苷键?,N-连接（普遍）,O-连接,苏氨酸(羟基),天冬酰氨(氨基),碳水化合物(羟基),丝氨酸(羟基),脱水缩合,碳水化合物(羟基),（2）功能提高膜的稳定性增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗性帮助膜蛋白进行正确的折叠和维持正确的三维构型残余细胞信号识别、细胞黏附糖蛋白中的糖基还帮助新和成蛋白质进行正确运输和定位,3、膜蛋白,根据其与膜脂的关系分为整合蛋白、外周蛋白、脂锚定蛋白,内在蛋白,外

8、在蛋白,外在蛋白,糖脂,糖蛋白,寡糖链,内在蛋白,磷脂双分子层,What are the properties of these proteins which allow them to interact in this fashion?,膜蛋白与脂双分子层的结合方式,整合蛋白,外周蛋白,脂锚定膜蛋白,膜蛋白有哪些特点?,外周蛋白通过静电作用和离子键等较弱的非共价键与膜脂或膜蛋白结合，改变介质的离子强度、pH值或加入螯合剂等即可把外在蛋白分离下来。整合蛋白的疏水区与磷脂分子的疏水尾部相互作用，亲水区与磷脂分子的极性头部相互作用，通常暴露在膜的一侧或两侧表面。只有加入表面活性剂或有机溶剂，才能把

9、内在蛋白从膜上溶解下来。脂锚定蛋白通过共价键的方式同脂质分子结合，位于脂双层外侧。,蛋白质跨膜区为螺旋,氢键,疏水氨基酸侧链（通过范德华力与脂肪酸链相互作用）,跨膜结构域含有约20个疏水氨基酸,膜蛋白结构和功能的多样性,物质跨膜运输,锚定作用,细胞信号转导,催化作用,二、膜的结构特点,流动镶嵌模型（1972年）特点：流动性和不对称性,冰冻蚀刻技术揭示镶嵌蛋白,1、膜的不对称性,膜蛋白的不对称分布膜脂的不对称分布膜糖的不对称分布,2、膜的流动性,膜脂的流动性 侧向移动，旋转运动，伸缩振荡，尾部摆动，翻转运动膜蛋白的流动性 侧向移动，旋转运动,膜蛋白侧向移动实验,影响膜流动性的因素有哪些?,主要来

10、自膜本身的组成成分及环境的理化因素 环境因素：温度是最主要因素，膜骨架的脂质可以晶态存在，也可以液态存在，主要根据温度的变化而定。脂双层由晶态熔融为更加流动的液态的温度就叫相变温度。相变温度越低，膜的流动性越强。,胆固醇：保持膜的机械稳定性不饱和键含量和链的长度不饱和脂肪酸含量越多，相变温度就越低。不饱和脂肪酸的存在增加膜的流动性，短链能降低脂肪酸链尾部的相互作用，使膜流动性增强。脂质和蛋白质的相互作用内在蛋白越多，界面脂越多，膜的流动性降低,膜流动性的生物学意义,是表现生物膜正常功能的必要条件 例如物质运输、细胞识别、细胞信号转导等，与细胞生长发育，抗寒性有关,三、细胞膜的特化结构,1、微绒

11、毛 是细胞表面伸出的细长的指状突起，广泛存在于动物细胞表面。微绒毛的存在扩大了细胞的表面积，有利于细胞与外界环境的物质交换。与细胞代谢强度有关。,2、纤毛和鞭毛 是细胞表面伸出结构，均由“9+2”微管构成。有的细胞靠纤毛或鞭毛在液体中穿行。有些细胞，如动物的某些上皮细胞，虽具有纤毛，但细胞本体不动，纤毛的摆动可以推动物质越过细胞表面，进行物质运送，如气管和输卵管上皮细胞表面的纤毛。,四、细胞膜的功能,1、区室化2、信号的检测与传递3、参与细胞间的相互作用（细胞识别、细胞黏附、细胞连接等）4、调节运输,（1）被动运输,是指物质顺电化学梯度运输，不需要消耗细胞代谢能量的跨膜运输。自由扩散：被动运输

12、的基本方式，不需要膜蛋白的帮助，也不消耗ATP，只靠膜两侧保持一定的浓度差，通过扩散发生的物质运输。限制因素为物质的脂溶性、分子大小和带电性。,疏水性的非极性小分子和某些极性不带电的小分子进行自由扩散。如：尿素、甘油、CO2、乙醇等。脂溶性：脂溶性越强，通过脂双层的速率越快；相对分子质量：相对分子质量小，脂溶性高的分子才能快速扩散；物质的带电性：气体分子，小的不带电极性分子、脂溶性分子易通过。大的不带电极性分子和各种带电的极性分子都难以通过。,协助扩散：也是顺化学梯度运输，但需要载体（通透酶）。运输特点：a.比自由扩散转运速率高 b.存在最大的度转运速率 c.有特异性,主动运输：是指物质a.逆

13、电化学梯度b.需要消耗细胞代谢的能量c.并需要专门的载体的运输方式。主动运输有一种重要的方式就是离子泵，如Na+-K+泵，它实际上是Na+-K+ATP酶。葡萄糖和某些氨基酸可借助载体蛋白并且和Na+耦联以协助扩散的方式进入细胞。而肌肉细胞和神经细胞的兴奋也离不开这种运输方式。,Na+-K+泵,Na+/单糖或氨基酸的同向转运体.,Na+,单糖或氨基酸或核苷酸,Na+,小肠上皮细胞吸收单糖、氨基酸、核苷酸,第3节 细胞器,一、线粒体（一）结构,外膜，内膜，膜间隙嵴（形状、数量）基粒(ATP合成酶)基质、大量蛋白质和酶、DNA、RNA、核糖体、Ca2+,The Mitochondrion,外膜,内膜

14、,膜间隙,基质,嵴,DNA,核糖体,ATP合成酶(基粒),电子传递链复合物,1、外膜,含40%的脂类和60%的蛋白质，允许分子量为5kD以下的分子通过，1kD以下的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。,2、内膜,不允许离子、大多数带电小分子通过。,基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F0偶联因子）构成，实际上是ATP酶复合物。F0可以利用H+动力势合成ATP。,内膜是电子传递和氧化磷酸化的主要部位。在该过程中，线粒体将氧化过程中释放出来的能量转变成ATPA。内膜的标志酶为细胞色素c氧化酶。,3、膜间隙 由于外膜通透性很强，内膜通透性很低，所以膜间隙的化学成分很多，功能是建立和维持H+梯度。标志酶

15、为腺苷酸激酶。,4、基质,催化三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于基质中。基质还具有一套完整的转录、翻译体系。包括：mtDNA、70S型核糖体、tRNA、rRNA、DNA聚合酶氨基酸活化酶等。标志酶为苹果酸脱氢酶。,电子传递链 ETC,ATP合成酶,丙酮酸 脂肪酸,（二）和呼吸作用有关的酶,1、内膜上的呼吸链,电子传递链ETC（呼吸链）：由一系列能可逆地接受和释放电子或H+的化学物质所组成，在线粒体内膜上相互关联地有序排列2、呼吸链基本组成成分:脱氢酶：烟酰胺脱氢酶（以 NAD+或NADP+为辅基）黄素脱氢酶（以FMN、FAD为辅基）FeS蛋白：通过铁的化合价互变进行电子传递 辅酶Q：脂

16、溶性醌类化合物（氧化态醌Q、半醌QH、还原态氢醌QH2）细胞色素：ctyaa3，b，c，c1 黄素蛋白：FMN、FAD,内膜上的呼吸链,四种复合物 复合物（NADH-CoQ还原酶）复合物（琥珀酸-CoQ还原酶）复合物（CoQH2-细胞色素C还原酶）复合物（细胞色素C氧化酶）两条呼吸链 NADH呼吸链（复合物、）FADH2呼吸链（复合物、）,复合物（电子传递体和 质子转移体）,复合物（电子传递体和质子转移体）,复合物（电子传递体和质子转移体）,复合物（电子传递体）,（三）线粒体的半自主性和增殖,线粒体有转录、翻译的全套装备，有独立的遗传体系。线粒体和叶绿体核糖体为70s，在基质中能进行蛋白质的合

17、成。线粒体和叶绿体的大多数蛋白质是靠细胞核基因编码，在细胞质核糖体中合成，如核糖体蛋白质、DNA聚合酶、RNA聚合酶和蛋白质合成因子等。所以，线粒体称为半自主细胞器。,1、线粒体的遗传和半自主性,2、线粒体的增殖 通过已有线粒体的分裂而进行增殖。,3、内共生学说（线粒体的来源）,二、叶绿体,（一）结构,叶绿体被膜：外膜、内膜类囊体：基粒类囊体、基质类囊体类囊体膜（光合作用膜）小颗粒：具有光系统(PS)的活性 大颗粒：具有光系统(PS)的活性 ATP合成酶：C F0有3个亚基 C F1为33基质：有DNA，RNA，核糖体，淀粉粒和酶,基粒类囊体,基质类囊体,基粒,外膜,内膜,基质,1、双层膜：外

18、膜渗透性大，内膜对物质的选择性强。2、类囊体：,类囊体膜的主要成分是蛋白质和脂类（主要是不饱和脂肪酸），具有较高的流动性。内在蛋白主要有细胞色素复合体、质体醌（PQ）、质体蓝素(PC)、铁氧化还原蛋白、黄素蛋白、光和色素复合物等。,3、基质：是内膜与类囊体之间的空间，主要成分包括：与碳同化相关的酶（如RuBP羧化酶占基质可溶性蛋白的60%）；叶绿体DNA、蛋白质合成体系；一些颗粒成分（如淀粉粒、质体小球、植物铁蛋白等）。,（二）光合色素和光系统,1、光合色素,光和色素,叶绿素（3/4）,类胡萝卜素（1/4）,叶绿素a（3/4）叶绿素b（1/4）,叶黄素胡萝卜素,全部叶绿素和几乎所有的类胡萝卜素

19、都包埋在类囊体薄膜中，与蛋白质以非共价键结合，以色素复合体的形式存在。,反应中心色素（少数特殊状态的叶绿素a）,聚光色素（天线色素）,2、光合作用中心是进行原初反应的最基本色素蛋白结构，至少包含一个能转换色素的分子(P)、一个原初电子受体(A)和一个原初电子供体(D)，才能将光能转化成电能。是光能转化的基本单位。,光合作用,3、光系统,（三）叶绿体的半自主性和增殖,1、叶绿体的半自主性 与线粒体类似，都具有双层膜；均为半自主性细胞器，具有自身的DNA和蛋白质合成体系。但是它只能合成自身需要的部分蛋白质，其余的则在细胞质游离的核糖体上合成，然后运送到叶绿体才能发挥作用。由于叶绿体在形态结构、化学

20、组成、遗传体系等方面与蓝藻相似，人们推测叶绿体可能来自寄生在细胞内部的蓝藻（内共生学说）。,（三）叶绿体的半自主性和增殖,2、叶绿体的增殖 原质体 叶绿体 叶绿体也能靠分裂而增殖，是靠中部缢缩来实现的。成熟的叶绿体正常情况下一般不再分裂或很少分裂。,光照,三、内质网,粗面内质网,滑面内质网,rER：扁囊sER：小管、小囊微粒体(microsome),何谓微粒体?,匀浆,离心,Microsomes are biochemical machines,Electron micrograph of rough ER microsomes,可用于蛋白质合成的功能性分析研究脂类代谢,三、内质网,（一）滑（

21、光）面内质网的主要功能1、糖原分解,肝糖原,葡萄糖-1-磷酸,葡萄糖-6-磷酸,葡萄糖-6-磷酸,葡萄糖-6-磷酸酶,葡萄糖+磷酸,三、内质网,（一）滑（光）面内质网的主要功能 2、固醇类激素的合成 分泌类固醇激素的细胞如肾上腺细胞、睾丸间质细胞、黄体细胞都有丰富的滑面内质网，并在滑面内质网上含有合成胆固醇和将胆固醇转化为激素的全套酶系，所以滑面内质网能够合成胆固醇并将其转化为类固醇激素。,三、内质网,（一）滑（光）面内质网的主要功能 3、磷脂的合成和转运 生物膜所需要的最重要的磷脂也在滑面内质网上合成。在滑面内质网上的磷脂先作为内质网膜的构成部分，再转运给其他的膜。（出芽形成囊泡）,三、内质

22、网,（一）滑（光）面内质网的主要功能 4、解毒作用 多数物质的解毒反应与氧化作用有关，使有毒害的物质由脂溶性转变为水溶性而被排出体外。此过程主要在肝细胞的滑面内质网中进行。,三、内质网,（一）滑（光）面内质网的主要功能 5、Ca2+的调节作用 肌质网是肌细胞内特化的滑面内质网，是贮存Ca2+的细胞器。当兴奋传至肌肉细胞的肌质网时，则引起肌质网释放Ca2+，从而导致肌肉细胞收缩。当肌肉松弛时，Ca2+又重新泵回肌质网。所以，肌质网实际上是肌细胞的钙库。,三、内质网,（二）粗面内质网的主要功能 帮助膜结合核糖体合成的蛋白质进行转运1、蛋白质在内质网中的修饰N-连接糖基化：寡聚糖连接到天冬酰胺的NH

23、2连接羟基化：少数新生胎的脯氨酸和赖氨酸要进行羟基化，形成羟脯氨酸和羟赖氨酸。,三、内质网,（二）粗面内质网的主要功能1、粗面内质网合成蛋白质的种类 膜蛋白、内膜结构的腔池蛋白（内在蛋白）、分泌蛋白,四、溶酶体,单层膜结构的细胞器，含有多种水解酶。大小与结构：0.5um的囊状结构,四、溶酶体,1、溶酶体的酶类 内含50多种酶类，这些酶的最适pH为5.0，故均为酸性水解酶。酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶。2、溶酶体膜的稳定性（1）溶酶体膜中嵌有质子运输泵，将H+泵入溶酶体内，使内部的H+浓度比细胞质高，以维持溶酶体内部的酸性环境。,2、溶酶体膜的稳定性（2）溶酶体膜含有不同酸性、高度糖基化的膜整合蛋

24、白，这些膜整合蛋白的功能可保护膜免遭溶酶体酶的攻击，有利于防止自身膜蛋白的降解。（3）溶酶体膜含有较高的胆固醇，也促进了膜结构的稳定。,3、溶酶体的类型 根据溶酶体处于完成其生理功能的不同阶段，主要分为以下几种：,次级溶酶体,初级溶酶体,+消化的底物,自噬性溶酶体,异噬性溶酶体,4、植物“溶酶体”（1）圆球体。内含酸性水解酶，相当于动物细胞的溶酶体。（2）液泡。植物细胞的液泡也含有多种水解酶，并具有与动物细胞的溶酶体类似的功能。,5、溶酶体的功能（1）吞噬作用（细胞内消化）外来物质被吞噬进入细胞后，吞噬泡和触及溶酶体融合，形成次级溶酶体，在里面被酶水解。如：巨噬细胞和中性粒细胞，可以通过溶酶体

25、的消化作用来消灭外来病原体。当然，吞噬作用也包括对衰老、进入程序性死亡的细胞的吞噬。,5、溶酶体的功能（2）自噬作用 主要是清除细胞内损伤的细胞结构、衰老的细胞器以及不再需要的生物大分子等。被吞噬的细胞结构和物质首先被内质网膜包裹起来形成自噬泡，然后与触及溶酶体融合形成次级溶酶体，即自噬性溶酶体。,5、溶酶体的功能（3）自溶作用 即溶酶体将酶释放出来将自身细胞降解。正常情况下溶酶体膜很稳定，不会对细胞自身造成伤害。如果细胞受到严重损伤，造成溶酶体破裂，那么细胞就会在溶酶体的作用下被降解，如某些红细胞常会有这种情况发生。,5、溶酶体的功能（4）细胞外消化作用 溶酶体除了在细胞内有消化作用外，也可

26、以将水解酶释放到细胞外消化细胞外的物质。如精子头部顶端质膜下方有一膜包裹的囊状结构，称为顶体，它是一种特殊的溶酶体。,五、微体 主要有两种类型：过氧化物酶体和乙醛酸循环体（植物中）1、过氧化物酶体的酶类（标志酶：过氧化氢酶）：氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶。氧化酶：RH2+O2 R+H2O2 过氧化氢酶：2H2O2 O2+H2O,氧化反应,黄嘌呤氧化酶黄嘌呤+O2+H2O 尿酸+H2O2 氨基酸氧化酶 氨基酸+O2 酮酸+H2O2+NH3 单胺氧化酶胺类化合物+O2+H2O 醛类+H2O2+NH3,氧化酶 过氧化氢酶 O2 H2O2 O2+2H2O,五、微体2、过氧化物酶体的功能（1）使毒性物

27、质失活（2）对氧浓度的调节，防止高氧对细胞的毒性作用 低氧：线粒体 高氧：过氧化物酶体（3）脂肪酸的氧化 25%-50%的脂肪酸在过氧化物酶体中氧化，其余在线粒体中氧化。也参与磷脂分子的合成。（4）含氮物质的代谢 尿酸氧化酶参与腺嘌呤和鸟嘌呤碱基的降解反应,五、微体3、乙醛酸循环体（参与糖异生作用）在脂肪性种子中：脂肪酸 乙酸 碳水化合物（供能）,六、高尔基体1、结构,高尔基体是一种有极性的细胞器扁囊堆呈弓形，周围有大小不等的囊泡 顺面(cis face,形成面，凸面）(朝向细胞核和内质网)反面（trans face,成熟面，凹面）(朝向细胞膜)大小囊泡（集中在形成面，来自内质网出芽的小泡）,

28、六、高尔基体2、高尔基体的酶类 糖基转移酶、氧化还原酶、磷酸酶、甘露糖苷酶、磷脂酶等。标志酶：糖基转移酶。3、高尔基体的供能（1）蛋白质的运输,六、高尔基体3、高尔基体的供能（2）蛋白质糖基化的修饰（O-连接糖基化）,ER内的糖基化修饰和加工，除去3个葡萄糖1个甘露糖,高尔基器内除去3个甘露糖,高尔基器内添加1个N-乙酰葡萄糖,六、高尔基体3、高尔基体的供能（3）糖的合成 动物细胞：透明质酸（氨基聚糖）植物细胞：纤维素、果胶,六、高尔基体3、高尔基体的供能（4）蛋白原的加工（5）溶酶体的发生（6）细胞内的膜泡运输,七、核糖体1、核糖体的结构,基本类型 附着核糖体 游离核糖体 70S的核糖体 8

29、0S的核糖体,主要成分 r-protein:40%，核糖体表面 rRNA:60%，核糖体内部,游离于细胞质还是附着于ER,存在于原核细胞还是真核细胞,Visualizing transcription and translation,(a),(b),Largesubunit,Smallsubunit,mRNA,七、核糖体2、rRNA 编码rRNA的DNA片段称为rRNA的基因（rDNA），rDNA是重复的多拷贝基因，不和组蛋白结合，是裸露的DNA片段。,八、细胞骨架,微管（microtubule,MT）微丝（microfilament,MF）中间纤维（intermediate filament

30、,IF）Cells need a cytoskeleton to:create shapechange shapeallow movement,微丝,中间纤维,微管,AF 微丝 7nm 由肌动蛋白Actin组成的双股螺旋 柔软的,呈束状或网络状 分布于整个细胞内,集中在细胞膜内侧IF 中间纤维 10nm 由多种蛋白组成 柔软的,呈绳状 给予细胞机械张力MT 微管 26nm 由微管蛋白tubulin组成的中空圆柱体 长、直、坚硬 与微管组织中心(中心体)相连,（一）微管蛋白1、分子结构,微管由微管蛋白(tubulin、)异二聚体装配而成；微管蛋白二聚体有2个GTP结合位点，二价阳离子结合位点，1

31、个秋水仙素、1个长春花碱和1个紫杉醇结合位点,微管蛋白上的GTP是不能交换的微管蛋白上的GDP能与 GTP发生交换,微管蛋白组装成微管,异二聚体头尾相连形成原纤维；13根原纤维侧向连接形成外径2426nm的中空的圆柱体,原纤维,原纤维,微管,微管蛋白、,负极（微管蛋白）,正极（微管蛋白）,The steps of microtubule assembly,原纤维装配,核心形成,微管延长,Microtubule Polymerization,的排列方式构成了微管的极性。微管（+）极的装配速度快于（）极的装 配速度；微管正极发生装配使微管延长，而负极发生去装配使微管缩短，这种现象称为踏车行为。,微

32、管的装配特点,踏车行为treadmilling,微管特异性药物,秋水仙素、长春花碱阻止微管装配紫杉醇阻止微管解聚,（一）微管蛋白2、微管的特点微观组织中心：中心体、着丝粒、成膜体自我装配：0解聚，37组装（需要GTP、Mg2+）。极性：生长端为头端（+），起始端为尾端（-）,微管组织中心（MTOC）,微管在生理状态以及实验处理解聚后重新装配的发生处称为微管组织中心。多数微管的一端固着MTOC，如基体（basal body）或中心（centrosome），MTOC决定微管的极性，负极指向MTOC，正极背向MTOC,The centrosome functions as the major MTO

33、C in animal cells,一个中心体有2个中心粒组成2个中心粒互相垂直排列中心粒有9个三联管呈辐射状排列,微管在细胞内的极性,基体,中心粒,鞭毛和纤毛,树突,纺锤体,染色体,中心粒,基体,中心粒,鞭毛和纤毛,微管组织中心,细胞内微管呈网状或束状分布 微管呈现为单管、双联管（鞭毛、纤毛）和三联管（中心粒、基体）三种形式。,鞭毛和纤毛的结构,9个双联管和2个单管,（一）微管蛋白3、微管的功能支架作用细胞内运输形成纺锤体纤毛与鞭毛细胞壁的形成,细胞内的物质运输,细胞内的物质运输需要马达蛋白的带动；马达蛋白有两种：驱动蛋白和动力蛋白。,驱动蛋白(Kinesin),驱动蛋白受体,驱动蛋白,囊泡

34、,驱动蛋白二聚体头部结合ATP和MT 尾部结合膜泡或颗粒,哺乳动物有约45种驱动蛋白；它们的头部是相似的马达结构域，与ATP结合，在微管上移动；它们的尾部结构域是不同的，用于带动不同的物质移动。,（二）中间纤维1、类型2、特点：没有极性，装配与温度及蛋白浓度无关，不需要GTP和ATP。3、作用：加固细胞骨架，抵御外力。,IF can be found everywhere in the cell,IF play a major structural role in the cell免疫荧光技术显示 角蛋白keratin(red)和核纤层蛋白 lamin(blue)组成的中间纤维在细胞内的分布。

35、,表皮细胞内的角蛋白纤维,中间纤维的组成,1965年首次被确认。IF是一类在形态上十分相似，而化学组成上有明显差异的10nm纤维。IF的成分比MT和MF复杂，按其组织来源和免疫原性可分为5类：角蛋白纤维-存在于上皮细胞 波形纤维-存在于中胚层来源的细胞 结蛋白纤维-存在于肌细胞 神经元纤维-存在于神经元 神经胶质纤维-存在于神经胶质细胞 中间纤维有组织特异性，因此在肿瘤细胞中可以根据中间纤维来断定肿瘤细胞的来源,（三）微丝,微丝是由肌动蛋白（actin）组成的直径为7nm 的骨架纤维。细胞松弛素可以破坏微丝，鬼笔环肽可以特异性的和微丝结合，使其稳固。荧光标记的鬼笔环肽可以显示微丝的位置。1、分

36、子结构：单体：肌动蛋白 肌动蛋白组成纤维骨架，即肌动蛋白链。两条肌动蛋白链螺旋形成肌动蛋白纤维。,肌动蛋白的结构,肌动蛋白单体有ATP 或 ADP结合位点 微丝由两根原纤丝组成,呈螺旋状,肌动蛋白单体,肌动蛋白丝（微丝AF）,正极,负极,正极,负极,Actin的种类,共有6种actin 4种肌动蛋白：分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有；肌动蛋白 所有肌肉细胞 肌动蛋白 非肌肉细胞都有,肌动蛋白可以与ATP和 Mg+结合肌动蛋白与ADP或ATP结合时的构象不同,踏车行为,微丝的装配,体外装配组装：有Mg2+和高浓度的Na+、K+阳离子解聚：有Ca2+和低浓度的Na+、K+阳离子体内

37、装配 在体内，有些微丝是永久性的结构，如肌细胞中的细丝和小肠上皮细胞微绒毛中的微丝等。有些微丝是暂时性的结构，如胞质分裂时的收缩环、血小板激活时丝状突起中的微丝等。通常微丝是一种动态结构，不断进行装配和解聚。,血小板的形态变化,A.细胞处于静止状态,B.细胞固着并伸出伪足,C.细胞处于铺展状态,微丝装配改变细胞形态,动态平衡,微丝结合蛋白（MFAP）,微丝结合蛋白有40多种，功能多样辅肌动蛋白：参与微丝与膜的结合，也可横向连接微丝形成束；纽蛋白：介导微丝结合于细胞膜；绒毛蛋白：在微绒毛的发生中起关键作用；毛缘蛋白：形成微丝束；封端蛋白：结合于纤维一端，阻止肌动蛋白单体的增加或减少；截断蛋白：低

38、等真核细胞中，将微丝切断；肌球蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白：与肌肉收缩有关,成核蛋白,切割蛋白,交联蛋白,封端蛋白,马达蛋白,毛缘蛋白,微绒毛,截断/封端蛋白severing/capping proteins,截断并封端,截断/封端蛋白severing/capping proteins,截断并封端,微丝的功能,肌肉收缩变形运动、吞噬运动收缩环微绒毛胞质环流,细丝(肌动蛋白丝)和粗丝(肌球蛋白丝),Z盘,A区,A区,H区,H区,暗带,明带,Z盘,Z盘,Skeletal muscle contains a regular array of actin and myosin,肌球蛋白的结构,肌球蛋白由

39、2条重链和2条轻链组成两股重链绕成螺旋经蛋白酶处理，分成重酶解肌球蛋白（HMM)和轻酶解肌球蛋白(LMM)肌球蛋白头部（HMM-S1)具有ATP酶活性，能与Actin结合,胰蛋白酶处理,木瓜蛋白酶处理,头部,杆部,粗丝的结构,肌球蛋白尾尾相对，排列成粗丝；肌球蛋白的头部具有ATP酶活性，构成粗丝的横桥，与肌动蛋白分子结合。,细丝的结构,肌动蛋白 呈微丝结构原肌球蛋白由两条平行的多肽链形成螺旋，位于肌动蛋白丝螺旋结构的沟中。一个原肌球蛋白分子的长度相当于个肌动蛋白分子。肌钙蛋白含个亚基，TnC、TnT、TnI,原肌球蛋白和肌钙蛋白,Capping proteins stabilize the e

40、nds of actin thin filaments in the sarcomere,一个肌节的结构,肌球蛋白粗丝,肌动蛋白细丝,肌肉收缩的滑动机制,Ca 2+诱导肌球蛋白向肌动蛋白的（）极移动,肌球蛋白是（+）极方向的马达蛋白,肌球蛋白,肌动蛋白丝（带荧光标记）,肌肉收缩的机制,与ATP结合时，头部与肌动蛋白分离,与ADP结合时，头部与肌动蛋白结合,每水解个ATP，肌球蛋白头部在细丝上移动个肌动蛋白分子的距离，约3nm。,第4节 细胞核,核外膜,核内膜,核纤层,核仁,染色质,核孔,核膜与核孔复合物染色质和染色体核仁核基质(核骨架),1、核膜(nuclear envelope),核外膜：附

41、有ribosome，与rER相连核内膜：附有一层致密的纤维网络结构核纤层(lamina)膜间隙核孔:内、外膜的融合处,Nuclear envelope,Nucleus surrounded by two lipid bilayers-Inner nuclear membrane defines nucleus-Outer nuclear membrane continuous with ER-Nuclear lumen continuous with ER lumen-Nuclear membranes fused at nuclear pores,核外膜,核内膜,核纤层,核孔复合物,核膜,核

42、周隙,内质网 rER,1.1 核孔复合物nuclear pore complexes,典型的哺乳动物细胞具有3000-4000 个核孔为什么转录功能越活跃,核孔数量越多?,核孔的结构,胞质环,核质环,核篮,核纤层,颗粒,纤维,辐条,柱状亚单位,腔内亚单位,环带亚单位,核孔复合物,胞质环、核质环纤维、颗粒、核篮辐条（柱状亚单位、腔内亚单位、环带亚单位）中央栓或转运体（central plug,transporter）核孔复合物对于核孔中心的轴呈辐射状八重对称结构，而在核质面与胞质面两侧的结构明显不对称。,2.染色质和染色体(chromatin,chromosome),染色质的化学组成 DNA 单

43、一序列（unique sequence）:占5%，表达mRNA和蛋白质 重复序列（repetitive sequence）：中度重复序列，105拷贝 高度重复序列，105拷贝,2.1 组蛋白（histone）,富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白质，等电点在pH10.0以上，可以和酸性DNA紧密结合，分为H1,H2A,H2B,H3,H4五种。H2A,H2B,H3,H4为核小体组蛋白，在进化上十分保守，没有种属和组织特异性。H1的种族保守性低，有一定的种属和组织特异性。Histone在维持染色体结构和功能的完整性上起着关键性的作用。Histone与DNA在细胞周期的S期合成。DNA复制停止，Histon

44、e合成也立即停止。,2.2 非组蛋白（nonhistone）,富含天冬氨酸、谷氨酸和色氨酸的酸性蛋白质。占染色体蛋白质的6070%，在不同组织细胞中的种类和数量都不相同。在整个细胞周期中都有不同类型的非组蛋白合成。能识别并结合在特异的DNA序列上，识别和结合靠氢键和离子键。nonhistone在调节真核生物基因表达，染色体高级结构的形成等方面起着重要的作用。,螺旋-转角-螺旋模式,锌指模式,Leu拉链模式,螺旋-转角-螺旋模式,Leu拉链模式,锌指模式,锌指模式,Nonhistone与DNA序列的结合模式,螺旋-转角-螺旋模式 羧基端的螺旋为识别螺旋，识别DNA大沟的特异碱基信号锌指模式 Cy

45、s2/His2 锌指单位和Cys2/Cys2锌指单位亮氨酸拉链模式 2个蛋白质分子的螺旋之间靠Leu的疏水键形成一条拉链状结构，以二聚体形式与DNA特异结合。,2.3 染色体的分子结构模型,染色体的四级结构模型（multiple coiling model）核小体 Korberg(1974年)螺线管 Finch(1976年)超螺线管 Bak(1977年)染色单体,核小体,螺线管,组蛋白与核小体,染色质与染色体,由DNA和组蛋白包装成核小体，即146bp的DNA和组蛋白八聚体（H2A,H2B,H3,H4各2个）组成核心，H1结合在54bp的连接区；在H1作用下，由直径10nm的核小体串珠结构螺旋

46、化，每圈6个核小体，形成外径30nm，内径10nm，螺距11nm的螺线管；由螺线管进一步螺旋化形成直径0.4um的超螺线管；超螺线管进一步螺旋折叠，形成长2-10um的染色单体。,从DNA到染色体,压缩7倍 压缩6倍 DNA 核小体 螺线管 压缩40倍 压缩5倍 超螺线管 染色单体 共压缩8400倍,基因,染色体,DNA,组蛋白,染色质丝,2.5 常染色质（euchromatin）和异染色质（heterochromatin）,常染色质 着色浅，为单一序列或中度重复DNA,具有转录表达的活性结构异染色质 着丝粒区、端粒、次缢痕，为高度重复DNA兼性异染色质 在发育阶段，由常染色质转变为异染色质,

47、着丝粒（主缢痕）,着丝点(动粒),着丝粒为主缢痕，连接两条染色单体，将染色单体分成长臂和短臂。着丝点是着丝粒外面的蛋白质结构，为板状结构，是纺锤丝插入的位点。,2.6 着丝粒和着丝点的复合结构,着丝粒和着丝点的三个结构域,整合结构：着丝点结构域：内板、中间间隙、外板 中央结构域：卫星DNA和动粒蛋白CENP 配对结构域：着丝粒蛋白 INCENP和连接蛋白 clips,2.7 次缢痕(secondary constriction)和随体(satellite),次缢痕和随体是鉴别染色体的重要形态特征之一。人类的第13、14、15、21、22号染色体具有次缢痕和随体。,2.8 核仁组织中心(NOR)

48、,位于次缢痕部位是rRNA的基因（rDNA）所在的部位与核仁形成有关具有NOR的染色体称为核仁染色体,2.9 核型(karyotype),指染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小、形态特征等。,2.10 端粒(telomere),是染色体两个端部的特化结构，由富含G的重复DNA序列组成，如四膜虫的(T2G4)n序列，哺乳类的（TTAGGG)n序列，重复5003000次。,端粒和端粒酶,细胞每分裂一次，端粒就会缩短，这是因为DNA链5末端的RNA引物被切除后引起的端粒酶具有逆转录酶的性质，以其内在的RNA为摸板，合成端粒重复序列，添加在DNA链3末端,端粒酶,2009 Nobel P

49、rize in Physiology or Medicine,Elizabeth Blackburn美国科学家伊丽莎白布莱克本,Jack Szostak 美国科学家杰克绍斯塔克,Carol Greider 美国科学家卡罗尔格雷德,发现了端粒和端粒酶保护染色体的机理,染色体DNA的三个功能元件,DNA复制起始点 确保DNA的自我复制着丝粒 使复制的染色体能平均分配到子细胞中端粒 保持染色体的独立性和稳定性,着丝粒,端粒,DNA复制起始点,酵母人工染色体,3.核仁(nucleolus),超微结构：纤维中心(FC)：rDNA致密纤维组分(DFC)：rRNA颗粒组分(GC)：RNP核糖体亚单位前体颗粒

50、核仁基质：可溶性蛋白质proteins占80%，RNA占10%，少量DNA,核仁的结构,rRNA,真核生物细胞核糖体含有4种rRNA，即5.8S、18S、28S和5SrRNA，其中前3种基因组成一个转录单位，存在1005000个重复序列单位；5SrRNA基因不定位在NOR；人单倍体基因组含有200个rRNA基因copy，分布在5条染色体上。,核仁染色体具有次缢痕和随体,*,*,核仁的功能是合成和加工rRNA，组装核糖体亚单位,32s 28s+5.8s45s的rRNA 41s 20s 18s70种Proteins 60s(28s、5.8s、5sRNA+Proteins)80sRNP 40s(18