《细胞生物学复习》课件

细胞生物学复习欢迎进入细胞生物学的奥妙世界细胞是生命的基本单位，了解它们的结构、功能和相互作用对于理解生命科学至关重要本课件将全面回顾细胞生物学的核心概念，从细胞的基本组成到复杂的细胞过程，为您提供系统的知识框架我们将探索细胞的化学组成、膜系统、细胞器功能、能量转换机制以及细胞周期与信号传导等关键主题通过深入了解这些内容，您将能够更好地把握细胞生物学的精髓，为进一步的学习和研究打下坚实基础第一章细胞生物学概述学科定位研究对象细胞生物学是研究细胞结构、功主要研究对象包括细胞的微观结能及其生命活动规律的学科，是构、分子组成、代谢活动、信号现代生物学的核心学科之一它传导、增殖分化以及与环境的相将分子生物学与经典细胞学的研互作用等涵盖从原核细胞到真究方法和理论结合起来，形成了核细胞的各种细胞类型全新的研究视角学科意义细胞生物学在医学、农业、环境科学等领域有广泛应用其研究成果为疾病诊断治疗、药物研发、作物改良和环境监测等提供了重要理论依据和技术支持细胞生物学的发展历史早期细胞学时期11665-1830年，罗伯特胡克首次在显微镜下观察到细胞结构并将其命名为1665·细胞列文虎克在年代后观察到自由生活的单细胞生物，开创了1670微生物学研究经典细胞学时期21830-1940施莱登和施旺于年提出细胞学说，确立细胞是生物体结1838-1839构和功能的基本单位年，魏尔啸提出一切细胞来源于细胞，1858完善了细胞学说现代细胞生物学时期至今31940电子显微镜的应用使科学家能够观察到细胞的超微结构分子生物学、生物化学技术的发展促进了对细胞分子机制的深入研究基因组学、蛋白质组学等组学技术进一步推动了细胞生物学的全面发展细胞理论的主要内容细胞是生命的基本结构单位所有生物体都由一个或多个细胞构成，细胞是最小的具有生命特征的结构单位从单细胞生物到复杂的多细胞生物，细胞始终是其组织结构的基础细胞是生命的基本功能单位生物体的所有生命活动，如新陈代谢、生长发育、遗传变异等，都是在细胞水平上进行的细胞通过复杂的分子机制执行各种生物学功能一切细胞来源于细胞新细胞只能由已存在的细胞通过分裂产生，这一原理是生物连续性的基础细胞分裂确保了遗传信息的传递和生物种群的延续细胞是遗传信息的载体细胞通过分子存储和传递遗传信息，确保生物特征的稳定性和多样性遗传信DNA息的传递是通过细胞分裂过程中的复制和分配实现的DNA细胞生物学研究方法显微成像技术超分辨率显微镜、共聚焦显微镜、电子显微镜分子生物学技术

2、基因克隆、基因编辑PCR CRISPR生物化学分析蛋白质纯化、酶活性测定、质谱分析细胞培养与分离原代培养、细胞系建立、细胞分选现代细胞生物学研究采用多学科交叉的研究策略，综合运用物理学、化学、生物学和信息学等领域的前沿技术随着技术的不断革新，科学家能够从分子、亚细胞、细胞等多个层次对生命活动进行深入研究，极大地拓展了人类对细胞奥秘的认识活细胞成像技术的发展使研究人员能够实时观察细胞内动态过程，而单细胞测序等新兴技术则揭示了细胞水平的异质性，为精准医疗等应用提供了重要理论基础第二章细胞的化学组成蛋白质水和无机盐构成细胞的主要功能分子，约占干重的50%占细胞总质量的，为生化反应提供70-85%2环境脂质细胞膜的主要成分，约占干重的15%5核酸糖类遗传信息的载体，约占干重的20%能量来源和结构组分，约占干重的15%细胞是复杂的化学工厂，由众多有机和无机分子构成这些分子通过精密的分子识别和互作，形成有序的超分子结构，进而构建出细胞的精细结构和功能网络了解细胞的化学组成，是理解细胞生命活动的基础水和无机盐水的生物学特性无机盐的功能水是细胞中含量最丰富的物质，具有极强的溶解性、高比热容、无机离子如、、、、等在细胞中以离子状Na+K+Ca2+Mg2+Cl-高热传导性和表面张力等特点水分子的极性结构使其能形成氢态存在，维持细胞内外的离子平衡和渗透压键，这是水的特殊性质的基础一些金属离子如铁、锌、铜等是多种酶的辅助因子，直接参与酶水作为生化反应的溶剂，为生命活动提供适宜的化学环境同时，促反应钙离子还是重要的第二信使，参与细胞信号转导过程水还直接参与多种生化反应，如水解反应和氧化还原反应磷酸盐、碳酸盐等在体内形成缓冲系统，维持稳定pH蛋白质的结构与功能一级结构氨基酸的线性序列二级结构螺旋、折叠等局部空间构象αβ三级结构整个多肽链的三维折叠构象四级结构多个多肽链的空间组合蛋白质是细胞中最丰富、功能最多样的生物大分子，由种氨基酸按特定顺序连接而成不同的氨基酸序列决定了蛋白质折叠成特定的三维结构，进而决定其功能蛋白20质的功能极其多样，包括酶催化、信号传导、物质运输、免疫防御、细胞运动、结构支持等几乎涵盖了所有细胞活动蛋白质结构的稳定主要依赖于多种非共价键力，如氢键、疏水相互作用、离子键和范德华力等蛋白质结构的正确折叠对其功能至关重要，错误折叠可导致多种疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病等糖类的结构与功能单糖最简单的糖类单位，如葡萄糖、果糖、半乳糖等葡萄糖是细胞最重要的能量来源，通过糖酵解和三羧酸循环产生单糖也是其他复杂糖类的基本构建单元ATP寡糖由个单糖通过糖苷键连接而成，如蔗糖、乳糖、麦芽糖等寡糖常作为细胞表面标记，参与细胞识别和免疫反应部分寡糖连接在蛋白质上形成糖蛋白，具有特殊的生物学功能2-10多糖由多个单糖重复单位构成的高分子糖类，如淀粉、糖原、纤维素等糖原和淀粉是动植物细胞储存能量的主要形式纤维素和几丁质等结构多糖则在细胞壁和外骨骼形成中发挥重要作用复合糖类糖与蛋白质或脂质结合形成的复合分子，如糖蛋白、糖脂和蛋白聚糖等这些分子广泛存在于细胞膜表面，参与细胞间识别、细胞黏附、信号传导和免疫反应等重要生物学过程脂质的结构与功能脂肪和油磷脂和糖脂固醇类由甘油与三个脂肪酸形成的三酰生物膜的主要构建分子，具有亲胆固醇是动物细胞膜的重要组分，甘油，是细胞储能的主要形式水头部和疏水尾部的两亲性结构调节膜流动性和稳定性胆固醇每克脂肪氧化可产生约千卡热量，磷脂在水环境中自发形成双分子还是类固醇激素、维生素和胆汁9D是碳水化合物的两倍多脂肪酸层，构成生物膜的基本骨架糖酸的前体植物中的植物固醇和可分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪脂常位于膜的外侧，其糖基部分真菌中的麦角固醇在结构和功能酸，其比例影响脂质的物理性质参与细胞识别和免疫反应上与胆固醇相似类固醇和萜类类固醇包括性激素和肾上腺皮质激素等，调控多种生理过程萜类包括胡萝卜素和视黄醇等脂溶性维生素，以及多种植物次生代谢产物，在光合作用和视觉过程中发挥重要作用核酸的结构与功能结构特点的类型与功能DNA RNA脱氧核糖核酸由脱氧核糖、磷酸和四种碱基、、、核糖核酸由核糖、磷酸和四种碱基、、、组成，通DNA AT G C RNAA UGC组成通常以双螺旋结构存在，两条链通过碱基互补配对常以单链形式存在根据功能可分为A-T,连接是遗传信息的主要载体，编码蛋白质和的G-C DNARNA信使携带遗传信息，作为蛋白质合成的模板•RNAmRNA序列信息转运将氨基酸运送到核糖体，参与蛋白质合成•RNAtRNA分子总体呈负电性，在细胞核中与组蛋白结合形成染色体DNA的复制通过半保留复制方式进行，保证了遗传信息的精确传DNA核糖体构成核糖体的主要成分，催化肽键形成•RNArRNA递非编码如、等，参与基因表达调控•RNA miRNAlncRNA第三章细胞膜系统细胞膜内质网1包围细胞的选择性屏障，控制物质进出蛋白质合成、加工和脂质合成的场所溶酶体高尔基体细胞内的消化系统，分解各种生物大分子蛋白质加工、分类和分泌的中转站细胞膜系统是真核细胞内部的一系列膜性结构，包括细胞膜、内质网、高尔基体、溶酶体、内体和过氧化物酶体等这些膜性结构相互连接，形成了一个复杂的网络系统，协同工作以维持细胞正常功能细胞膜系统不仅将细胞与外界环境分隔开，还将细胞内部分隔成不同的区室，使各种生化反应能在适当的微环境中进行，提高了反应效率并减少了干扰膜系统之间通过囊泡运输或膜连续性维持物质交流，形成了高度动态和功能协调的网络生物膜的结构模型达维森丹尼利三层模型-1935提出膜是由脂质双层夹在两层蛋白质之间形成的三明治结构这一早期模型无法解释膜的选择性通透性和流动性等特性，后被修正和替代单位膜模型21959罗伯特森提出膜是由一层脂质双分子层和与之相连的蛋白质层组成电子显微镜观察显示膜呈现特征性的三层结构，但未能正确描述蛋白质在膜中的分布流动镶嵌模型31972辛格和尼科尔森提出的现代膜模型，描述膜为脂质双分子层镶嵌有蛋白质的流动结构这一模型成功解释了膜的流动性、选择性通透性和动态特性脂筏模型1990s在流动镶嵌模型基础上的扩展，提出膜中存在富含胆固醇和鞘脂的微区域（脂筏）这些区域具有特殊生物学功能，如信号转导和膜蛋白分选等细胞膜的主要功能选择性屏障物质转运细胞膜控制物质进出细胞，维持细胞内环境稳定小分子如水和气体可自细胞膜通过各种机制介导物质转运，包括简单扩散、易化扩散、主动转运、由通过，而离子和大分子则需要特定的转运蛋白或转运过程这种选择性内吞和外排等不同的转运方式满足细胞对各种物质的吸收、排泄和交换通透性确保了细胞内环境的稳定，是细胞正常功能的基础需求，并帮助维持细胞内外离子浓度梯度信号传导细胞识别与黏附细胞膜是细胞与外界环境信息交流的界面膜上的受体蛋白可识别并结合细胞膜表面的糖蛋白和糖脂形成特征性的糖衣，作为细胞间识别的分子特定的信号分子，如激素、神经递质和生长因子等，将细胞外信号转换为标记细胞表面的粘附分子参与细胞与细胞、细胞与基质之间的特异性黏细胞内的生化反应，激活相应的细胞应答附，在胚胎发育、组织形成和免疫识别中发挥关键作用物质跨膜运输主动运输消耗能量，逆浓度梯度运输易化扩散2通过载体蛋白或通道蛋白介导的扩散简单扩散3分子直接通过脂双层的自由扩散物质跨膜运输是维持细胞正常生理功能的基础过程小分子如、和非极性分子可通过简单扩散直接穿过脂双层；水溶性小分子和离子则需通O2CO2过膜蛋白形成的通道或载体实现易化扩散；而逆浓度梯度的物质转运需通过主动运输实现，如泵利用水解能量将泵出细胞，同时Na+-K+ATP Na+将泵入细胞K+此外，大分子物质如蛋白质和多糖的转运通常通过内吞和外排实现内吞包括吞噬作用（摄取固体颗粒）和胞吞作用（摄取液体和溶质）；外排则是将细胞内合成的分泌物通过膜泡与细胞膜融合释放到细胞外这些过程对细胞摄取营养物质、清除废物和进行细胞间通讯至关重要细胞连接的类型紧密连接位于上皮细胞最顶端的连接类型，由跨膜蛋白如闭锁小带蛋白和闭锁蛋白等组成紧密连接形成将细胞间隙密封的带状结构，防止小分子在细胞间隙自由扩散，维持上皮组织的屏障功能锚定连接包括黏着带和桥粒，通过跨膜粘附蛋白如钙黏蛋白和整合素与细胞骨架连接锚定连接为组织提供机械强度，帮助细胞抵抗外部拉力和压力，维持组织的结构完整性间隙连接由连接蛋白形成的通道，直接连接相邻细胞的细胞质间隙连接允许小分子如离子、代谢物和第二信使在细胞间直接传递，是细胞间通讯的重要途径，在心肌和平滑肌等组织中对协调细胞活动至关重要桥粒存在于上皮细胞中的特殊锚定连接，由核心板和连接丝组成桥粒主要介导细胞对皮肤等组织中机械应力的抵抗，对维持上皮组织的结构稳定性具有重要作用内质网的结构与功能粗面内质网滑面内质网表面附着有核糖体，主要功能是合成分泌蛋白和膜蛋白新合成表面无核糖体，主要功能是合成脂质和类固醇激素，以及参与药的蛋白质在转位过程中进入内质网腔，同时进行初步的修饰，如物和毒素的解毒滑面内质网也是细胞内钙离子储存的重要场所，二硫键形成和连接糖基化粗面内质网还参与蛋白质折叠和质通过钙泵和钙通道调控细胞质中钙浓度，参与肌肉收缩等多种生N-量控制，不正确折叠的蛋白质通过内质网相关降解途径被清除理过程滑面内质网在肝细胞和类固醇合成细胞中特别发达肝细胞中的粗面内质网在分泌蛋白合成活跃的细胞中特别发达，如胰腺腺泡滑面内质网富含细胞色素酶系，负责药物代谢和解毒；而类P450细胞和浆细胞等这些细胞需要合成大量的分泌蛋白，因此具有固醇合成细胞如肾上腺皮质细胞的滑面内质网则参与类固醇激素广泛的粗面内质网网络的合成高尔基体的结构与功能顺面侧面向内质网的一侧，接收来自内质网的运输囊泡顺面槽主要进行蛋白质的接收和初步分拣，以及连接糖基的修剪这一区域的值较高，接近中性环境N-pH中间部负责蛋白质的进一步加工和修饰在中间槽进行的主要修饰包括糖基的添加和修剪，以及磷酸化等这一区域的值略低于顺面槽，为弱酸性环境pH反面侧面向细胞膜的一侧，主要功能是对修饰完成的蛋白质进行最终分类和包装反面槽形成多种运输囊泡，将蛋白质定向运输到细胞膜、溶酶体或分泌途径这一区域的pH值最低，约为

5.5-

6.0运输网络高尔基体反面侧延伸形成的管状泡状结构网络，是蛋白质最终分选的场所在此形-成的运输囊泡根据其携带的蛋白质标记被运送到不同的目的地，如分泌囊泡、溶酶体囊泡和细胞膜运输囊泡等溶酶体的结构与功能异相吞噬自噬作用吞噬细胞外物质并降解降解细胞内受损组分膜修复分泌性溶解修复受损的细胞膜释放水解酶至细胞外溶酶体是由单层膜包围的细胞器，内含约种水解酶，能够分解几乎所有类型的生物大分子溶酶体内部环境呈强酸性约，是水解酶发挥最佳活50pH

4.5-

5.0性的条件溶酶体膜上的酶不断将质子泵入溶酶体腔，维持其酸性环境H+-ATP溶酶体在细胞内的物质降解和循环中发挥核心作用通过异相吞噬，细胞摄取外来物质如细菌和衰老细胞，并在溶酶体中将其降解；通过自噬作用，细胞可降解自身受损或多余的细胞器和大分子，实现物质的循环利用溶酶体功能障碍可导致多种溶酶体贮积症，如高雪氏病和泰萨克斯病等-第四章细胞质基质和细胞骨架细胞质基质是细胞内充填在各种细胞器之间的半流动性物质，主要由水、蛋白质、糖类、脂质和各种小分子组成它不仅是细胞代谢活动的主要场所，也为细胞器提供支持和定位细胞骨架则是穿插在细胞质基质中的纤维网络系统，包括微管、微丝和中间纤维三种主要成分细胞骨架不仅维持细胞的形态和结构稳定性，还参与细胞内物质运输、细胞分裂和运动等多种动态过程随着显微技术和分子生物学方法的发展，科学家对细胞质基质和细胞骨架的精细结构和功能调控机制有了更深入的理解细胞质基质的组成水和离子细胞质基质中是水，为各种生化反应提供溶剂环境多种无机离子如、70-80%K+、、和等溶解其中，参与维持渗透压平衡和各种细胞功能Na+Ca2+Mg2+Cl-蛋白质细胞质基质中含有大量溶解性蛋白质，包括代谢酶、信号分子、细胞骨架蛋白及其调节因子等这些蛋白质参与细胞内的各种生化反应、信号传导和结构支持功能代谢物质包括糖类、脂肪酸、氨基酸和核苷酸等小分子物质，是细胞代谢的中间产物和原料等高能分子在细胞质基质中合成和利用，为细胞活动提供能量ATP核糖体游离于细胞质基质中的核糖体负责合成细胞质蛋白质这些核糖体可以以单体形式存在，也可以形成多聚体结构多聚核糖体，提高蛋白质合成效率微丝的结构与功能结构特点主要功能微丝是由肌动蛋白单体聚合而成的细长丝状结构，直径约细胞运动微丝是细胞运动的主要执行者，尤其在伪足、微绒actin•纳米，是细胞骨架中最细的纤维肌动蛋白单体在存在毛形成和细胞迁移中发挥关键作用7-9ATP下聚合成双螺旋结构的肌动蛋白微丝微丝具有明显的极性，F-细胞分裂在细胞分裂末期形成收缩环，参与细胞质分裂•快速生长端正端和缓慢生长端负端的生长速率不同细胞皮质在细胞膜下形成网络支架，支撑细胞形态•细胞内物质运输与肌球蛋白等分子马达协同，介导细胞内囊•微丝的组装和解聚是一个动态平衡过程，受多种肌动蛋白结合蛋泡和物质运输白调控，如帽蛋白、切割蛋白和交联蛋白等这种动态特性使微肌肉收缩在肌细胞中，微丝肌动蛋白与粗肌丝肌球蛋白•丝网络能够快速重组，适应细胞形态变化的需要相互滑动产生收缩力微管的结构与功能结构组成动态特性物质运输细胞分裂微管是由和微管蛋白异微管具有动态不稳定性，微管是细胞内长距离物质运在细胞分裂时，微管形成纺α-β-二聚体聚合而成的中空管状可在生长和缩短状态间快速输的轨道动力蛋白和激锤体结构，负责染色体的分结构，直径约纳米微管转换当微管末端的水活蛋白沿微管向负端运动，离和运动中心体作为微管25GTP蛋白在存在下首先形成解为时，微管变得不稳而驱动蛋白则向正端运动组织中心，协调纺锤体微管GTP GDP原丝，条原丝侧向连接围定并倾向于解聚这种特性这些马达蛋白可携带囊泡、的组装微管抑制剂如秋水13成一个完整的微管微管具使细胞能够快速重组微管网线粒体等细胞器和大分子复仙素通过干扰微管动态平衡有明显的极性，正端微络，响应内外环境变化多合物，实现精确定向的细胞而抑制细胞分裂，因此在肿β-管蛋白端组装速度快，负端种微管相关蛋白如和微内物质运输，维持细胞正常瘤治疗中具有重要应用MAP微管蛋白端组装速度慢管马达蛋白调控着微管的动功能α-态性和功能中间纤维的结构与功能结构特点中间纤维直径约纳米，介于微丝和微管之间，因此得名与微丝和微管不同，中间纤维不10是由球状蛋白组成，而是由棒状蛋白分子形成的纤维束这些蛋白分子首先形成二聚体，然后四个二聚体组装成原丝，最后多条原丝交织成完整的中间纤维主要类型根据组成蛋白质的不同，中间纤维可分为几类角蛋白（上皮细胞）、波形蛋白（间充质细胞）、神经丝蛋白（神经元）、胶质酸性纤维蛋白（胶质细胞）和核纤层蛋白（细胞核内）不同类型的中间纤维在特定细胞类型中表达，反映了细胞的发育来源和分化状态力学支持中间纤维的主要功能是提供细胞的机械强度和结构支持与微丝和微管相比，中间纤维更加稳定，能够承受更大的拉伸力在上皮细胞中，角蛋白中间纤维连接到桥粒，形成跨细胞的结构网络，增强组织的机械稳定性疾病相关性中间纤维相关蛋白的突变可导致多种疾病，如表皮水疱症（角蛋白突变）、神经退行性疾病（神经丝蛋白突变）和早老症（核纤层蛋白突变）等这些疾病反映了中间纤维在维持细胞和组织完整性方面的关键作用第五章线粒体和能量转换葡萄糖和脂肪酸细胞能源分子三羧酸循环产生还原力电子传递链形成质子梯度合成酶ATP合成细胞能量货币线粒体是真核细胞中的能量工厂，通过有氧呼吸产生大量，为细胞活动提供能量线粒体拥有双层膜结构，内膜高度褶皱形成嵴，增大了表面积线粒体有自己的ATP和核糖体，能够部分自主合成蛋白质，这反映了其内共生起源DNA线粒体不仅参与能量代谢，还在多种细胞过程中发挥重要作用，如钙离子平衡调节、细胞凋亡的启动和氧自由基的产生与清除等线粒体基因组突变可导致多种线粒体疾病，如线粒体脑肌病、遗传性视神经病变等，通常表现为高能耗组织的功能障碍Leber线粒体的结构外膜膜间隙含有孔蛋白，允许小分子自由通过质子积累区域，形成电化学梯度1基质内膜含有三羧酸循环酶系和线粒体高度折叠形成嵴，含有呼吸链复合物DNA线粒体是一种具有双膜结构的细胞器，形态可从球形到长棒状不等，直径通常为微米线粒体的数量和分布因细胞类型而异，能量需求高的细胞如肌肉细胞和神经

0.5-1细胞含有更多线粒体线粒体能够通过分裂和融合动态调整其数量和形态，以适应细胞的能量需求变化线粒体外膜含有大量孔蛋白，允许分子量小于道尔顿的分子自由通过；内膜则高度选择性，含有各种转运蛋白和呼吸链复合物线粒体内膜的脂质组成独特，含有5000大量心磷脂，这有助于维持内膜的高度完整性，防止质子泄漏线粒体基质中含有约环状，编码种氧化磷酸化相关蛋白和部分和

16.5kb DNA13rRNA tRNA氧化磷酸化过程过程概述调控机制氧化磷酸化是线粒体产生的主要途径，涉及两个紧密偶联的氧化磷酸化的效率和速率受多种因素调控ATP过程电子传递链中的氧化还原反应和合成酶催化的磷酸化ATP底物可用性、和等底物的浓度直接影响•NADH FADH2ADP反应在这一过程中，来自三羧酸循环和脂肪酸氧化的还原当β-氧化磷酸化速率量和被氧化，释放的电子通过电子传递链传递给最NADH FADH2氧气水平作为最终电子受体，氧气的可用性对整个过程至关终电子受体氧气•重要这一过程伴随着质子从基质泵入膜间隙，形成跨内膜的质子电化电子传递链组分活性通过磷酸化等翻译后修饰调节复合物活•学梯度这种梯度代表了一种储存的能量形式，又称为质子动力性势，为合成提供直接驱动力ATP解偶联蛋白如可使质子泄漏，将能量以热量形式释放•UCP1抑制剂影响如氰化物可阻断复合物，使电子传递链停止工•IV作电子传递链复合物脱氢酶复合物I NADH接受的电子，并将个质子泵入膜间隙这是电子传递链中最大的复NADH4合物，含有约个蛋白亚基抑制剂鱼藤酮45复合物琥珀酸脱氢酶复合物II接受的电子，但不泵送质子是三羧酸循环的组成部分，催化琥珀酸FADH2氧化为延胡索酸抑制剂马来酸复合物细胞色素复合物IIIbc1从辅酶接收电子，将其传递给细胞色素，同时将个质子泵入膜间隙含Q c4有细胞色素和等多种氧化还原中心抑制剂抗霉素b c1A复合物细胞色素氧化酶IVc接收来自细胞色素的电子，将其传递给最终电子受体，同时将个质子泵c O22入膜间隙催化还原为的最后一步抑制剂氰化物O2H2O合成酶ATP5-630-36质子比率分子秒ATP/每合成分子需要通过的质子数单个合成酶的最大催化速率1ATP ATP10SUP6/SUP酶复合物单个线粒体中合成酶的数量级ATP合成酶合成酶是一个复杂的蛋白质复合物，由两个主要部分组成嵌入膜内的ATP F1F0-ATPF0部分和突出于基质的部分部分形成质子通道，而部分包含催化中心，负责的合成质F1F0F1ATP子沿着电化学梯度通过部分，驱动部分中心轴的旋转，引发构象变化，催化和无机磷酸结F0F1ADP合形成ATP合成酶是一个可逆的分子马达，在某些条件下也能水解驱动质子逆向泵出这一特性在某些ATP ATP厌氧条件下维持膜电位方面发挥作用博伊尔提出的结合变构机制解释了合成过程，该Boyer ATP机制认为的合成不需要能量，而是从酶上释放需要能量，质子流通过构象变化改变催化位点ATP ATP对底物的亲和力第六章叶绿体和光合作用光能捕获光反应光合色素捕获太阳能水分解，产生和ATP NADPH释放氧气暗反应作为水分解的副产物固定，合成糖类CO2叶绿体是植物和藻类细胞中进行光合作用的专门细胞器，通过将光能转换为化学能，为几乎所有生命提供能量和有机物与线粒体类似，叶绿体具有双层膜结构，含有自己的和蛋白质合成系统，支持其内共生起源学说DNA光合作用是地球上最重要的生化过程之一，每年固定约亿吨碳，产生约亿吨生物量这一过程不仅为生物圈提供了能量和有机物，也维持了大气10001700中氧气的平衡，对气候调节和生态系统稳定具有深远影响叶绿体除了进行光合作用外，还参与多种生物合成途径，如氨基酸、脂肪酸和色素的合成叶绿体的结构外膜和内膜类囊体系统叶绿体被双层膜包围，外膜含有孔蛋内膜包围的空间称为基质，其中含有白，允许小分子自由通过；内膜选择扁平囊状结构类囊体—thylakoid性更强，含有特定的转运蛋白两层类囊体可堆叠形成基粒，或grana膜之间为膜间隙，类似于线粒体的结以单层形式存在，称为基粒间类囊体构与线粒体不同，叶绿体的内膜没类囊体膜上嵌有光系统、光系统、I II有形成大量的内褶细胞色素复合物和合成酶等b6f ATP进行光反应的组分基质叶绿体基质中含有叶绿体、核糖体和各种酶系，包括循环的全部酶系DNA Calvin基质中还含有淀粉粒临时储存光合产物和类囊体，存储脂溶性色plastoglobuli素和脂质等包涵体叶绿体基因组编码约种蛋白质，而大多数叶绿体蛋白由100核基因编码光反应过程光能捕获光系统和光系统的天线复合物含有多种色素分子叶绿素、叶绿素和类胡萝卜素II Ia b等，能够捕获不同波长的光能并传递给反应中心叶绿素分子对蓝紫光和红光的吸a收最强，而叶绿素则增强了对蓝绿光的吸收，拓宽了光能利用范围b水分解与电子传递光系统的反应中心被激发后，将电子传递给初级电子受体，随后电子沿电子传II P680递链流向光系统光系统从水分子中获取电子，同时释放氧气这一过程也被称为I IIZ模式电子流，因其路径形状类似字母Z质子梯度形成电子流过程中，质子被泵入类囊体腔，形成跨类囊体膜的梯度腔内约，基质pHpH5约这一梯度为合成提供能量，与线粒体中的过程相似，但方向相反pH8ATP——质子从腔流向基质驱动合成ATP和生成NADPH ATP光系统的反应中心将电子传递给铁氧还蛋白，最终通过还原酶将电子I P700NADP+传递给，形成同时，质子通过合成酶流回基质，驱动合NADP+NADPH ATP ATP成产生的和用于暗反应中的碳固定ATP NADPH暗反应过程碳固定催化与碳化合物核酮糖二磷酸结合，形成不稳定的碳中间产物，随RuBisCO CO25-1,5-RuBP6即分解为两分子磷酸甘油酸这是循环的关键步骤，也是光合作用中首次被3-3-PGA CalvinCO2固定为有机物的环节是地球上含量最丰富的蛋白质，占叶绿体可溶性蛋白的RuBisCO30-50%还原过程在两步反应中被还原为磷酸甘油醛首先，磷酸化生成二磷酸甘3-PGA3-G3P ATP3-PGA1,3-油酸；然后，将还原为这一过程消耗了光反应产生的1,3-BPGA NADPH1,3-BPGA G3PATP和，将能量转移到有机分子中NADPH再生3RuBP大部分通过一系列复杂的反应重新合成，维持循环进行这一过程需要额外的支持G3P RuBPATP每固定分子，需要个和个，最终净产生分子相当于葡萄糖输出到3CO29ATP6NADPH1G3P1/2细胞质用于合成蔗糖或淀粉产物形成部分每个固定产生个离开循环，用于合成葡萄糖、蔗糖、淀粉等碳水化合物，以G3P3CO21G3P及其他有机分子这些产物是植物自身生长和发育的物质基础，同时也为食物链中的其他生物提供能量和营养植物和植物C4CAM光合作用光合作用C4CAM植物如玉米、甘蔗在叶肉细胞中首先将固定为碳化合景天酸代谢植物如仙人掌、菠萝实现了固定的时间C4CO24CAMCO2物草酰乙酸，然后将其运输到维管束鞘细胞中释放，由分离夜间气孔开放，被固定为苹果酸储存在液泡中；白天CO2CO2进行二次固定这种空间分离策略提高了浓度，抑气孔关闭，苹果酸释放，由通过循环进行固RuBisCO CO2CO2RuBisCO Calvin制了的氧化酶活性，减少了光呼吸损失定RuBisCO适应高温、强光和干旱环境极度适应干旱环境••光合效率高，生长迅速水分利用效率极高••需要额外的支持浓缩过程光合效率相对较低•ATP CO2•具有特殊的卡尔文解剖结构具有特化的细胞结构，如大型液泡••某些植物可在环境条件变化时在和模式间转换•C3CAM第七章细胞核和染色体DNA遗传信息的载体1染色体2和蛋白质的复合体DNA细胞核3遗传信息存储与转录中心细胞核是真核细胞中最大、最显著的细胞器，是遗传信息的储存、复制和表达中心它通过核膜与细胞质分隔，维持了专门的核内环境细胞核控制着细胞的生长、代谢和分化等基本生命过程，通过合成将遗传信息传递给细胞质RNA染色体是细胞核中遗传物质的主要载体，由和组蛋白等蛋白质组成在细胞分裂间期，染色体以疏松的染色质形式存在；而在细胞分裂期，染DNA色质高度浓缩形成可见的染色体结构人类每个体细胞含有条染色体，包含约亿个碱基对，编码约万个基因核糖体和核仁是与染色体功能46302密切相关的结构，参与蛋白质合成和核糖体生物合成细胞核的结构核膜染色质双层膜结构，含核孔复合物与蛋白质的复合体DNA2核基质3核仁提供结构支持的蛋白网络核糖体合成与组装中心RNA细胞核是由核膜包围的球形或椭圆形结构，直径通常为微米核膜是一个双层膜系统，两层膜之间形成核周腔，与内质网腔相连核膜外膜上附着核糖体，类似于3-10粗面内质网；内膜则与核纤层相连，核纤层是一层由核纤层蛋白组成的纤维网络，为核膜提供结构支持并参与染色质组织核膜上分布有大量核孔复合物，这些复杂的蛋白结构调控着核质间的物质交换每个核孔复合物由约种不同的核孔蛋白组成，形成一个直径约纳米的通道小分子30100可自由通过核孔，而蛋白质等大分子则需要特定的核定位信号和转运蛋白介导核基质是一个由蛋白质和组成的三维网络，为细胞核提供结构支持，并参与复制、RNA DNA转录和加工等核活动RNA染色体的结构双螺旋DNA1直径的基本遗传物质2nm核小体缠绕组蛋白八聚体形成结构DNA11nm染色质纤维核小体进一步盘绕形成纤维30nm染色质环纤维形成环状结构附着于支架上中期染色体5高度浓缩的染色体结构核糖体的结构与功能结构组成功能机制核糖体是细胞中蛋白质合成的场所，由和蛋白质组成的核糖核糖体上存在三个关键位点位点氨酰位点、位点肽酰位点rRNA AP核蛋白复合物真核细胞核糖体由大亚基和小亚基和位点退出位点蛋白质合成过程包括80S60S E组成，沉降系数单位为斯韦德堡单位40S S•起始小亚基结合和起始，大亚基结合形成完整mRNA tRNA小亚基含有和约种蛋白质，负责结合和启核糖体18S rRNA33mRNA动蛋白质合成；大亚基含有、和及约种蛋5S

5.8S28S rRNA49•延长氨酰进入位点，肽键形成，核糖体沿-tRNA AmRNA白质，负责催化肽键形成原核生物核糖体则由大亚70S50S移动一个密码子基和小亚基组成，结构更简单30S•终止终止密码子进入位点，释放因子结合，新合成的多肽A链释放•解离核糖体解离为大小亚基，可重新参与下一轮蛋白质合成核仁的结构与功能结构组成核仁是细胞核中最显著的亚结构，是没有膜包围的致密区域，通常呈球形或椭圆形电子显微镜下可观察到三个主要组分纤维中心、致密纤维组分和颗粒组分这三FC DFCGC个区域反映了核糖体生物合成的不同阶段转录rDNA核仁形成于含有核糖体的染色体区域，这些区域被称为核仁组织区在rDNA DNANOR人类基因组中，基因位于对染色体的短臂上聚合酶在和交界处转录rDNA5RNA IFC DFC前体这一过程高度活跃，占细胞总合成的约47S rRNARNA60%加工rRNA前体在中被加工成、和这一过程包括切除转录间隔区47S rRNADFC18S

5.8S28S rRNA和修饰特定核苷酸如甲基化和假尿苷化由聚合酶在核仁外转录，随后被5S rRNARNA III导入核仁参与核糖体组装核糖体组装核糖体蛋白从细胞质合成后被运输至核仁，在区与加工好的结合形成核糖体亚基GC rRNA前体颗粒分裂成和亚基前体，随后通过核孔复合物转运至细胞质，在那里完成90S40S60S最后的成熟并参与蛋白质合成第八章细胞信号转导信号分子释放细胞间信号分子如激素、生长因子、神经递质等被合成并释放到细胞外环境中这些分子可通过内分泌、旁分泌或自分泌方式作用于靶细胞，传递特定的生物学信息受体识别与激活靶细胞表面或细胞内的特异性受体识别并结合信号分子这种结合引起受体构象变化或聚集，激活受体的信号传导功能受体的类型决定了后续信号传导的性质信号级联放大受体激活后，通过一系列级联反应将信号传递并放大这通常涉及第二信使生成、蛋白质磷酸化或其他翻译后修饰，形成复杂的信号网络级联反应允许信号分支、整合和放大细胞应答信号最终导致特定的细胞应答，如基因表达变化、代谢调整、细胞分裂、分化或凋亡等细胞应答的性质取决于细胞类型、信号强度和持续时间以及细胞内环境信号分子和受体信号分子类型受体类型根据化学性质可分为根据定位和结构可分为::氨基酸衍生物如肾上腺素、多巴胺、组胺等细胞膜受体••多肽和蛋白质如胰岛素、生长因子、细胞因子等蛋白偶联受体七次跨膜结构，通过蛋白传递信号••G G类固醇如皮质醇、雌激素、睾酮等酶联受体通常具有胞内酶活性区域或与酶相关••脂质衍生物如前列腺素、白三烯、内源性大麻素等离子通道受体信号分子结合后改变离子通透性••溶解气体如一氧化氮、一氧化碳等细胞内受体•NO CO•核受体脂溶性信号分子穿过细胞膜直接与核内或细胞质•根据作用方式可分为内分泌信号通过血液长距离传输、旁分泌信中的受体结合号作用于附近细胞、自分泌信号作用于分泌细胞本身和神经信细胞质受体如、等转录因子前体号通过突触传递•NF-κB NFAT蛋白偶联受体信号通路G受体结构与激活蛋白循环第二信使产生G蛋白偶联受体是最大蛋白由、和三个亚基组成不同类型的蛋白激活不同的效G GPCRGαβγG的膜受体家族，包含约个成当受体被激活时，亚基从应分子激活腺苷酸环化酶，800GαGs员这类受体具有特征性的七次结合状态转变为结合增加水平；抑制腺苷酸GDN GTPcAMP Gi跨膜结构，端位于细胞外，状态，同时与复合物分离活环化酶，降低水平；激N CβγcAMP Gq端位于细胞内信号分子结合受化的和可分别激活不同的活磷脂酶，产生和；GαβγC IP3DAG体的胞外或跨膜区域时，引起受下游效应物，如酶或离子通道激活小蛋白这G12/13G Rho体构象变化，导致与之偶联的具有酶活性，能将些第二信使进一步激活下游信号G GαGTP GTP蛋白激活水解为，从而自动终止信号分子，如蛋白激酶、蛋GDP APKA并重新与结合，回到初始状态白激酶等βγCPKC信号调控与终止信号通路受到多层次调控GPCR受体的磷酸化导致脱敏；抑制β-蛋白和参与受体内吞和arrestin降解；调节蛋白如蛋白加速RGS的酶活性，促进蛋白GαGTP G失活；磷酸二酯酶降解，cAMP终止信号这些调控确保信PKA号通路的精确控制和适时终止酶联受体信号通路配体结合与受体二聚化配体通常是生长因子或细胞因子结合受体的胞外区域，导致受体二聚化或寡聚化这种聚集促使受体分子相互接近，为后续的催化活性激活创造条件受体自磷酸化二聚化的受体分子通过跨磷酸化机制相互磷酸化细胞内区域的特定酪氨酸残基这些磷酸化位点成为下游信号分子的结合位点，招募含有或结构域的信号蛋白SH2PTB信号级联激活结合到受体上的信号蛋白被激活，进而激活下游信号通路，如通路、Ras-MAPK通路、通路等这些通路通常涉及一系列蛋白激酶的级联磷PI3K-Akt JAK-STAT酸化，最终导致转录因子激活基因表达调控通路的最终环节通常是特定转录因子的激活，如通路激活、等，MAPK AP-1ELK-1通路直接激活因子这些转录因子调控特定基因的表达，引起细胞生长、STAT STAT分化、存活或凋亡等生物学反应核受体信号通路配体扩散受体结合1脂溶性配体通过细胞膜进入细胞配体与细胞质或核内受体结合基因表达核转位4受体作为转录因子调控基因表达活化的受体转移至细胞核核受体是一类位于细胞质或细胞核中的转录因子，可直接被脂溶性配体如类固醇激素、甲状腺激素、维生素和视黄酸等激活人类基因组编码种核受体，D48它们在代谢、发育和生殖等多种生理过程中发挥关键作用核受体的结构包括高度可变的端转录激活区域、结合区域、铰链区、配体结合区域和端转录激活区域含有锌指结N AF-1DNA DBDLBD CAF-2DBD构，识别基因启动子或增强子区域的特定序列不同类型的核受体在配体结合前的定位和转录复合物形成方式上有所不同，如类固醇受体在未结合配体时DNA主要位于细胞质，而甲状腺激素受体则常与抑制复合物结合位于细胞核中第九章细胞周期期S期G1合成和复制阶段DNA细胞生长和代谢活跃阶段1期G23分裂前准备阶段5期G0期静止期，暂时或永久退出周期M染色体分离和细胞分裂阶段细胞周期是细胞从一次分裂到下一次分裂所经历的一系列事件和阶段在多细胞生物中，细胞周期的精确调控对于正常发育、组织更新和伤口愈合至关重要细胞周期失控可导致肿瘤形成和其他疾病细胞周期可分为间期和分裂期期间期占细胞周期的大部分时间，是细胞生长和复制的阶段期则是细胞分裂的阶段，包括有丝分裂G1,S,G2MDNA M核分裂和胞质分裂期是细胞暂时或永久退出细胞周期的状态，许多终末分化的细胞如神经元和肌细胞永久处于期G0G0细胞周期的各个时期期G1细胞生长活跃，合成蛋白质和，准备复制所需的酶和原料期时长最为可变，受RNA DNAG1生长因子和营养状况等外部信号影响期中存在一个称为限制点的关键检查点，过了这一点，G1细胞将不可逆地进入期S期2S复制的阶段，细胞染色体数量从增加到复制通过半保留复制方式进行，由多DNA2n4n DNA个复制起点同时启动期还伴随着组蛋白的合成和染色体的复制复制完成后，每条染色体包S含两条姐妹染色单体期3G2细胞继续生长，并合成有丝分裂所需的蛋白质在期末尾有一个重要检查点，确保复制G2DNA完整无误，染色体结构完好，细胞大小适合分裂期的长度通常比期更稳定，但也可因细G2G1胞类型而异期M期包括有丝分裂核分裂和胞质分裂两个主要过程有丝分裂又可分为前期、前中期、中期、M后期和末期五个阶段，完成染色体的分离和两个子细胞核的形成胞质分裂则通过肌动蛋白和肌球蛋白形成的收缩环，将细胞质分成两份细胞周期调控机制周期蛋白和检查点机制CDK细胞周期主要由周期蛋白依赖性激酶和周期蛋白复细胞周期检查点是监控细胞周期进程的质量控制机制，确保每个CDK Cyclin合物调控是一类丝氨酸苏氨酸蛋白激酶，其活性依赖于与阶段在前一阶段完成后才开始主要检查点包括CDK/特定周期蛋白的结合不同类型的周期蛋白在细胞周期的不同阶检查点限制点监测细胞大小、营养状况和损伤•G1/SDNA段表达和降解，从而调控相应的活性CDK主要的周期蛋白复合物包括期、-CDK CyclinD-CDK4/6G1检查点确保复制完成无误，细胞准备好进入分•G2/M DNA转换、期、Cyclin E-CDK2G1/SCyclin A-CDK2SCyclin裂期和期这些复合物通过磷A-CDK1G2Cyclin B-CDK1M纺锤体组装检查点确保所有染色体正确附着在纺锤体上•酸化下游底物如视网膜母细胞瘤蛋白，调控细胞周期进程Rb当检测到问题时，检查点蛋白如、和被p53ATM/ATR Chk1/2激活，导致细胞周期暂停，给细胞时间修复损伤或触发凋亡检查点机制对维持基因组稳定性至关重要有丝分裂过程前期染色质浓缩形成可见的染色体核膜和核仁开始解体中心粒复制并移向细胞两极，开始形成纺锤体这一阶段染色体高度浓缩，姐妹染色单体通过着丝粒连接在一起中期染色体排列在细胞赤道板上纺锤体完全形成，连接到每条染色体的着丝粒这一精确排列确保了后续染色体的均等分配中期是观察染色体形态和进行核型分析的最佳时期后期姐妹染色单体分离，被拉向细胞相对的两极纺锤体微管缩短，染色体向极体移动这一过程由微管的去聚合和与之相关的马达蛋白共同驱动染色体分离确保了遗传物质的均等分配末期染色体到达两极后开始解凝，核膜重新形成，核仁重现纺锤体解体，微管重组为星体微管与此同时，胞质分裂通常开始进行，最终形成两个独立的子细胞在动物细胞中，胞质分裂通过收缩环的收缩完成；而植物细胞则通过细胞板的形成实现分裂减数分裂过程减数分裂的特点减数分裂I减数分裂是生殖细胞形成过程中的特殊分裂方式，包括两次连续的细胞分裂减数分裂第一次分裂是减数分裂的核心，同源染色体配对并分离减数分裂的前期特别长，分I I和减数分裂，但只进行一次复制这一过程将二倍体细胞转变为单倍体配为细线期、偶线期、粗线期、双线期和终变期五个亚阶段在偶线期和粗线期，同源II DNA2n子，确保受精后恢复物种的正常染色体数目减数分裂的关键特征是同源染色体的染色体通过联会复合体紧密配对，发生遗传重组交叉互换减数分裂的中期、后期nI联会和分离，以及基因重组的发生和末期类似于有丝分裂，但分离的是同源染色体而非姐妹染色单体减数分裂遗传重组意义II第二次分裂与常规有丝分裂相似，姐妹染色单体分离并移向子细胞减数分裂不需要减数分裂中的遗传重组通过两种机制增加遗传多样性同源染色体的随机分配独立分II复制，直接进行完成后产生四个单倍体细胞，每个含有不同的遗传组合在雄配和交叉互换重组这些机制使得后代获得与亲本不同的等位基因组合，增加了适DNA性动物中，这四个细胞都发育成精子；而在雌性动物中，通常只有一个发育成卵子，应环境变化的能力遗传重组是性繁殖的核心优势之一，对于物种的长期进化具有重其余形成极体要意义第十章细胞分化受精卵干细胞1具有全能性的初始细胞具有自我更新和分化潜能终末分化细胞前体细胞4具有特定功能的成熟细胞3具有有限分化潜能细胞分化是生物体发育过程中一系列复杂的细胞变化，通过这些变化，细胞获得特定的形态、结构和功能在多细胞生物的胚胎发育中，从单个受精卵开始，通过细胞分裂和分化形成多种类型的组织和器官分化过程中，基因表达谱发生显著变化，某些基因被激活而其他基因被抑制，最终决定细胞的特性细胞分化是一个渐进的、通常不可逆的过程，受到多层次调控，包括表观遗传修饰、转录因子网络、细胞外信号和微环境因素等了解细胞分化的机制对于发育生物学、再生医学和癌症研究都具有重要意义近年来，诱导多能干细胞技术的发展，使得将终末分化细胞重编程为干细胞状态成为可能，为细胞分化研究和医学应用开辟了iPSC新途径细胞分化的概念分化的定义分化的分子机制细胞分化是指细胞从相对不专一的状态发展为更专一的类型，获细胞分化受到多层次调控机制控制:得特定形态和功能的过程这一过程伴随着基因表达模式的显著表观遗传修饰甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑等影•DNA变化，某些基因被激活而其他基因被沉默分化通常是渐进的，响基因可及性细胞经历一系列中间状态，最终形成高度特化的细胞类型转录调控主调转录因子如、等激活特定细胞•MyoD GATA类型的基因表达网络分化过程中，细胞逐渐丧失发育潜能受精卵具有全能性，可发后转录调控剪接、和长链非编码调控•RNA miRNARNA育成完整个体；胚胎干细胞具有多能性，可分化为所有胚层的细稳定性和翻译mRNA胞；而组织特异性干细胞则具有限制性多能性，只能分化为特定细胞外信号形态发生素如、、等和生组织的细胞类型•Wnt BMPHedgehog长因子通过受体激活特定信号通路细胞微环境细胞外基质、细胞细胞接触和机械力等提供空•-间定位信号干细胞及其应用胚胎干细胞来源于胚胎内细胞团，具有多能性1成体干细胞存在于组织中，具有有限分化潜能诱导多能干细胞3通过重编程体细胞获得的干细胞干细胞是一类具有自我更新能力和分化潜能的特殊细胞，在组织修复、器官再生和疾病治疗中具有广阔应用前景胚胎干细胞来源于胚胎囊胚ESC的内细胞团，具有分化为所有体细胞类型的能力；成体干细胞存在于各种组织中，如造血干细胞、神经干细胞和间充质干细胞等，主要负责组织的维持和修复；诱导多能干细胞是通过重编程技术将终末分化细胞转变回具有类似特性的干细胞iPSC ESC干细胞的医学应用包括干细胞移植治疗如骨髓移植治疗血液系统疾病；组织工程体外构建功能性组织和器官；药物筛选和毒性测试使用干细胞分化的组织特异性细胞；疾病建模特别是使用患者特异性；以及精准医疗个体化干细胞疗法尽管干细胞研究取得了显著进展，但仍面临iPSC技术挑战和伦理争议，需要进一步研究和社会讨论细胞命运决定内在决定因素细胞内部的因素如转录因子网络和表观遗传状态对细胞命运具有决定性影响主调转录因子master能够启动特定细胞类型的转分化过程，如可诱导肌肉分化，而、和维持多regulators MyoDOct4Sox2Nanog能性状态这些转录因子通常以复杂的调控网络相互作用，创建细胞特异性的基因表达谱外在影响因素细胞外信号如形态发生素、生长因子和细胞外基质等对细胞命运决定至关重要这些信号通过特定受体启动细胞内信号级联反应，最终影响基因表达例如，、和等信号通路在胚胎发育和组织再生中调控细Wnt NotchBMP胞命运选择细胞细胞间相互作用也产生重要影响，如直接接触和侧向抑制-不对称分裂不对称细胞分裂是细胞命运决定的重要机制，特别是在干细胞维持与分化的平衡中在这种分裂方式中，细胞质成分如蛋白质、或细胞器不均等地分配到两个子细胞中，导致它们获得不同的命运不对称分裂通常涉及细RNA胞极性的建立和分裂面的特定定向，受细胞骨架和细胞极性蛋白的精确调控随机波动与稳定化细胞命运决定也受到基因表达随机波动的影响，这种随机性为系统提供了多样性初始的微小波动可能被调控网络放大，最终导致显著的命运差异这种随机确定性模型解释了为什么看似相同的前体细胞可能采取不同的发-育路径一旦选择了特定的命运，反馈机制通常会稳定这一选择，使细胞命运决定不可逆第十一章细胞凋亡凋亡信号级联caspase内外源性途径激活执行蛋白被激活2膜起泡断裂DNA形成凋亡小体3染色质浓缩与降解细胞凋亡是一种程序性细胞死亡形式，是多细胞生物体中精确调控的主动过程与坏死不同，凋亡是细胞的自杀机制，不会引起炎症反应在胚胎发育、组织稳态维持和免疫系统功能等方面，细胞凋亡发挥着关键作用凋亡过程高度保守，从线虫到人类都存在相似的分子机制其特征包括细胞皱缩、染色质浓缩、断裂、膜起泡和凋亡小体形成等凋亡细胞最终被周围细DNA胞或专业吞噬细胞清除，不会释放胞内物质到周围环境凋亡异常与多种疾病相关，如凋亡不足可导致癌症和自身免疫病，而凋亡过度则与神经退行性疾病和艾滋病等相关细胞凋亡的概念凋亡的历史与定义凋亡与其他细胞死亡的区别凋亡一词源自希腊语，意为树叶脱落，由、凋亡与坏死的主要区别ApoptosisKerr和于年首次提出他们将这种特殊的细胞死Wyllie Currie1972诱因凋亡通常由特定信号诱导，坏死常由严重物理或化学损•亡形态与坏死区分开来，描述其为一种受控的、能量依赖的过程，伤引起具有特征性的形态学和生化变化能量需求凋亡需要提供能量，坏死是被动过程•ATP细胞凋亡是一种程序性细胞死亡方式，是细胞对内在或外在信号形态变化凋亡细胞皱缩并形成凋亡小体，坏死细胞肿胀并破•的主动响应这一过程通过特定的酶促级联反应精确执行，目的裂是以不损害周围组织的方式清除不需要的或受损的细胞凋亡被炎症反应凋亡通常不引起炎症，坏死则会引发强烈炎症•认为是多细胞生物体为维持组织稳态而进化出的一种细胞处置机制降解凋亡中被规则切割，坏死中随机降解•DNA DNA近年来，研究发现还存在其他形式的细胞死亡，如程序性坏死、自噬性细胞死亡、铁死亡等，丰富了我们对细胞死亡多样性的认识细胞凋亡的形态学特征细胞皱缩染色质浓缩2凋亡早期，细胞体积减小，细胞质密度增加，细胞器变得更加紧密这核染色质高度浓缩并聚集在核膜边缘，形成新月形或半环形结构这一主要是由于细胞内水和离子外流导致的细胞皱缩是凋亡最早观察到的过程由激活的介导，在组蛋白的作用下，染CADcaspase DNaseH1形态学变化，与坏死过程中的细胞肿胀形成鲜明对比色质被压缩成致密的团块染色质浓缩使凋亡细胞在光学显微镜和电子显微镜下具有典型的深染色特征核碎裂膜起泡和凋亡小体形成3随着凋亡进程，细胞核进一步分裂成含有浓缩染色质的小片段，称为细胞膜开始出现突起或起泡，随后形成含有细胞质和完整细胞器的小核碎块这一过程涉及核纤层蛋白的降解和核膜的重构核碎裂是凋泡这些小泡最终从细胞表面脱落，形成凋亡小体凋亡小体表面暴露亡的显著特征，可通过或等核染料观察到磷脂酰丝氨酸，作为吃我信号促进被巨噬细胞识别和清除这种有序DAPI Hoechst的细胞解体过程避免了细胞内容物释放，防止了炎症反应细胞凋亡的生化特征磷脂酰丝氨酸外翻在正常细胞中，磷脂酰丝氨酸主要分布在细胞膜内层凋亡早期，在酶的作用下从内PS PSscramblase层翻转到外层，成为巨噬细胞识别的重要标志对具有高亲和力，可与等荧光分子偶Annexin VPS FITC联，用于凋亡细胞的检测和定量这种膜脂质不对称性丧失是凋亡早期的生化标志之一断裂DNA凋亡过程中，核酸内切酶被激活，将切割成的整倍数片段，在琼脂糖凝胶电泳上呈现DNA180-200bp典型的梯状条带这种有规律的降解是由在抑制子被水解后激活引起的DNA CADICAD caspase-3法末端脱氧核苷酸转移酶介导的缺口末端标记通过检测断裂来识别凋亡细胞TUNELdUTPDNA线粒体改变线粒体在凋亡中起关键作用，主要表现为线粒体膜电位下降，可用等荧光探针检测；线ΔΨm JC-1粒体外膜通透性增加，导致细胞色素、和等蛋白从线粒体释放到细胞质；线粒体形c AIFSmac/DIABLO态发生变化，如膨胀、断裂和嵴结构消失这些改变可使用透射电子显微镜和荧光显微镜观察激活Caspase半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶的激活是凋亡执行阶段的标志它们以无活性前体Caspase形式存在，通过蛋白水解激活和是起始，分别激活于死亡受体和procaspase Caspase-8-9caspase线粒体途径；、和是执行，负责切割关键细胞底物如、细胞骨架蛋白和Caspase-3-6-7caspase PARP修复酶等，导致细胞形态变化和死亡活性可通过荧光或比色底物检测DNA Caspase细胞凋亡的调控机制外源性凋亡途径内源性凋亡途径外源性途径由细胞表面的死亡受体激活，主要包括内源性途径线粒体途径由各种细胞应激激活，如损伤、氧DNA化应激、生长因子剥夺等这些刺激导致家族蛋白的平衡改Bcl-2与系统•FasCD95FasLCD95L变受体与系统•TNF TNF促凋亡蛋白、等在活化后寡聚形成线粒体外膜的孔道，Bax Bak受体与系统•TRAIL TRAIL使细胞色素释放到细胞质细胞色素与和c cApaf-1procaspase-这些死亡受体被相应配体激活后，通过死亡结构域募集接头一起，在存在下形成凋亡体在凋亡体中，DD9ATP/dATP蛋白如，进而招募含有死亡效应结构域的被活化，进而激活执行FADD DEDprocaspase-9caspase多个分子聚集形成死亡诱导信号procaspase-8procaspase-8抗凋亡蛋白、等通过与结合或直Bcl-2Bcl-2Bcl-xLBax/Bak复合物，通过自我活化启动级联反应活化的DISC caspase接稳定线粒体膜来抑制细胞色素的释放蛋白如、c BH3-onlyBid直接激活执行，或通过切割连接外caspase-8caspase-3/7Bid、等则通过结合抗凋亡蛋白或直接激活Bad BimBcl-2Bax/Bak源性和内源性途径来促进凋亡第十二章细胞衰老复制性衰老由在年首次描述，指体细胞经过一定次数分裂后进入不可逆的生长停滞状态这主要与端粒缩短有Hayflick1961关每次复制，染色体末端的端粒缩短约，当端粒长度低于临界值时，细胞激活损伤反应，DNA50-200bp DNA进入衰老状态端粒酶在生殖细胞和干细胞中表达，可通过添加端粒重复序列延缓复制性衰老应激诱导性衰老由各种细胞应激引起的非复制性衰老，包括氧化应激、损伤、致癌基因激活和表观遗传改变等例如，抗癌药DNA物可诱导肿瘤细胞衰老；等致癌基因的过度表达可导致正常细胞过早衰老这类衰老通常通过和H-Ras p53-p21两条主要途径激活，即使在端粒完整的情况下也能发生p16-Rb衰老相关分泌表型衰老细胞虽然停止分裂，但仍代谢活跃，分泌多种生物活性因子，统称为衰老相关分泌表型因子包SASP SASP括炎症因子、等、生长因子、趋化因子和基质降解酶等这些因子可影响周围微环境，参与组织重塑、IL-6IL-8免疫监视和病理过程是理解衰老细胞如何影响组织功能和年龄相关疾病的关键SASP衰老的生理与病理意义细胞衰老具有双重作用一方面是抑制肿瘤的保护机制，防止潜在恶性细胞增殖；另一方面，衰老细胞长期积累可导致组织功能下降，促进年龄相关疾病如动脉粥样硬化、糖尿病和神经退行性疾病等近年来，清除衰老细胞衰老细胞清除疗法已成为延缓衰老和治疗相关疾病的潜在策略总结与展望细胞生物学的基础地位生命科学的核心学科多学科交叉融合与物理、化学、信息学深度结合技术驱动的研究突破超分辨率显微镜、单细胞组学等推动认知边界转化应用的广阔前景精准医疗、合成生物学、人工智能辅助药物开发细胞生物学作为生命科学的基础学科，揭示了生命的本质和奥秘从细胞理论的建立到分子生物学的兴起，从基因组学到单细胞技术的发展，我们对细胞结构和功能的理解不断深入本课程系统回顾了细胞生物学的核心内容，包括细胞的化学组成、膜系统、细胞器功能、能量转换、信号转导、细胞周期与分化等关键主题展望未来，细胞生物学将继续与物理学、化学、信息学等学科深度融合，产生更多创新性研究新兴技术如基因编辑、光遗传学、生物传感器和人工智能等将加速细胞生物学的发展这些进步不仅深化我们对生命的认识，也为医学、农业和环境科学等领域提供重要理论基础和技术支持，推动人类健康与可持续发展。