《细胞生物学课件》讲义

《细胞生物学》课件欢迎来到《细胞生物学》课程，这门课程将带您探索生命科学的微观世界细胞是生命的基本单位，理解细胞的结构与功能对于把握生命科学的本质至关重要本课程由XX大学生物系提供，由XXX教授主讲，将在2025年春季学期全面展开通过系统学习，您将深入了解细胞内精密的生命机器，掌握现代细胞生物学的核心知识与研究方法让我们一起踏上这段探索生命奥秘的旅程，揭开细胞这个微观宇宙的神秘面纱！课程概述教学目标推荐教材考核方式本课程旨在使学生掌握细胞生物学的主要教材为《细胞生物学》第X版，本课程的考核由三部分组成期中考基本理论知识，了解细胞结构与功能此外还推荐《分子细胞生物学》作为试占30%，实验报告占20%，期末的关系，培养学生的科学思维能力和参考书目课程将提供补充阅读材料考试占50%平时表现和课堂参与实验技能通过系统学习，学生将能和最新研究文献，帮助学生了解细胞度将作为加分项鼓励学生积极思考够理解细胞内各种生命活动的分子机生物学领域的前沿动态和提问，培养独立思考的能力制第一章细胞生物学概述1起源阶段细胞生物学起源于17世纪，罗伯特·胡克于1665年首次观察到细胞，开启了微观世界的大门细胞理论的建立经历了长达两个世纪的发展过程，为现代生命科学奠定了基础2经典时期19世纪，德国学者施莱登和施旺提出细胞学说，魏尔啸补充了一切细胞来源于细胞的重要观点，细胞理论逐步完善这一时期主要依靠光学显微技术进行研究3现代发展20世纪中期以后，电子显微镜和分子生物学技术的应用极大推动了细胞生物学的发展细胞生物学与生物化学、遗传学、发育生物学等学科深度融合，形成了多学科交叉的研究格局细胞理论的发展细胞的发现1665年，英国科学家罗伯特·胡克使用自制显微镜观察软木切片，首次发现并命名了细胞植物细胞学说1838年，德国植物学家施莱登提出植物体由细胞构成的观点动物细胞学说1839年，德国动物学家施旺将细胞理论扩展到动物界，提出生物体都由细胞构成细胞连续性1855年，魏尔啸提出一切细胞来源于细胞的重要论断，完善了细胞理论细胞研究技术光学显微技术I明场显微镜相差显微镜最基本的光学显微技术，通过可见光直接照射样品，放大率可达40-1000利用光程差原理，显著提高透明样品的对比度，无需染色即可观察活细倍适合观察染色后的细胞样品，但对透明样品的对比度较低是实验室胞广泛应用于细胞培养和动态观察，可清晰显示细胞边界和细胞器轮和教学中最常用的显微镜类型廓，是细胞生物学研究的重要工具荧光显微镜共聚焦显微镜利用荧光染料或荧光蛋白标记特定分子，通过特殊光源激发使其发光灵通过激光扫描和针孔系统，实现光学切片，分辨率可达

0.2μm可获得敏度可达10⁻⁹g，能够特异性地观察细胞内特定组分，是现代细胞生物学高质量的三维图像，广泛应用于细胞结构的精细观察和活细胞内分子动态中不可或缺的技术手段的实时跟踪研究细胞研究技术电子显微技术II透射电子显微镜扫描电子显微镜冷冻电镜技术TEM SEM利用电子束替代光源，通过电磁透镜系统利用电子束在样品表面扫描，收集二次电近年发展的革命性技术，获得2017年诺贝对电子束进行聚焦，穿过超薄样品后成子信号形成图像主要用于观察细胞表面尔化学奖通过快速冷冻保存样品的原生像分辨率可达

0.2nm，放大率高达50万形态，放大率可达10万倍，能提供样品的状态，无需化学固定和染色，分辨率可达倍，是观察细胞超微结构的主要工具三维表面结构信息

3.5Å，能实现蛋白质近原子水平的结构解析•优点超高分辨率，可观察细胞器内部•优点样品制备相对简单，图像具有立结构体感•优点保持样品原生状态，分辨率极高•缺点样品制备复杂，无法观察活体样•缺点主要观察表面结构，分辨率低于品TEM•缺点设备昂贵，技术要求高细胞研究技术分子生物学技术III基因组学技术测序与基因编辑技术1蛋白质组学技术2蛋白质分析与结构测定细胞成像技术活细胞动态观察细胞培养技术体外研究的基础平台分子生物学技术是现代细胞生物学研究的核心支柱PCR技术可实现DNA的体外扩增，灵敏度达10⁻¹²g，已成为实验室常规技术CRISPR/Cas9系统革命性地提高了基因编辑的精确性和效率，广泛应用于基因功能研究蛋白质组学借助质谱分析和二维电泳，可同时分析数千种蛋白质单细胞测序技术突破了细胞异质性研究的瓶颈，能够揭示单个细胞水平的基因表达谱，为细胞分化和疾病研究提供了全新视角第二章细胞的基本类型原核细胞动物细胞植物细胞包括细菌和古菌，结构典型的真核细胞，具有与动物细胞相比，特有简单，无核膜和膜性细完善的内膜系统和各种细胞壁、液泡和叶绿胞器，遗传物质直接暴细胞器特点是无细胞体细胞壁提供支持和露在细胞质中尽管结壁和叶绿体，含有中心保护，液泡参与维持细构简单，但生态适应性体细胞连接复杂，形胞膨压，叶绿体是光合极强，是地球上分布最成多样化的组织结构作用的场所，使植物能广的生物类群够利用光能合成有机物病毒处于生命边缘的实体，非细胞形态，仅含有核酸（DNA或RNA）和蛋白质外壳，必须在宿主细胞内复制虽不是细胞，但与细胞生命活动密切相关原核细胞结构特点核区特点细胞壁无核膜分隔的核区，DNA以环状染色体形式1由肽聚糖等物质构成，提供保护和形态支持存在核糖体特殊结构70S核糖体30S+50S，直接分布在细胞质中鞭毛、纤毛和菌毛等特化结构辅助运动和黏附原核细胞的大小通常在

0.5-5μm之间，远小于真核细胞它们的基因组相对简单，通常只有单个环状染色体，DNA不与组蛋白结合细胞内无膜包围的细胞器，代谢活动直接在细胞质中进行，结构相对简单但功能高度专一化尽管原核细胞的结构简单，但其生理功能高度多样化，能够适应从热泉到冰川、从酸性湖泊到碱性土壤的各种极端环境，是地球上最成功的生命形式之一真核细胞基本特征亿10-100μm37细胞大小基因组大小真核细胞体积通常比原核细胞大10-1000倍，细胞结构更加复杂精细人类基因组包含约37亿个碱基对，与组蛋白形成染色体结构种80S13核糖体大小膜性细胞器真核生物核糖体由40S和60S亚基组成，比原核生物的70S核糖体更大真核细胞含有多种膜性细胞器，使不同生化反应在空间上隔离真核细胞的最显著特征是具有由双层核膜包围的真核，核膜上有核孔复合体控制物质进出细胞核内含有线性染色体，DNA与组蛋白结合形成染色质发达的内膜系统形成了多种功能专一的细胞器，如内质网、高尔基体、溶酶体等真核细胞内精细的膜性隔室使细胞内不同的生化反应能够在特定环境中高效进行，大大提高了细胞的代谢效率，为复杂多细胞生物的演化提供了结构基础第三章细胞膜结构与功能屏障功能选择性阻隔细胞内外环境物质转运控制物质进出细胞信号传导接收并转导外界信号细胞识别介导细胞间相互识别细胞膜是细胞与外界环境之间的重要界面，由脂质双分子层构成基本骨架，其中镶嵌各种蛋白质流动镶嵌模型是目前被广泛接受的细胞膜结构模型，揭示了膜的流动性和动态特性细胞膜的厚度约为7-9nm，对细胞的生存至关重要它不仅保护细胞内环境稳定，还通过各种转运蛋白和受体蛋白介导物质交换和信号传递，使细胞能够感知并响应外界环境的变化，维持细胞的正常生理功能生物膜的化学组成流动镶嵌模型模型提出1972年，Singer和Nicolson提出流动镶嵌模型，描述细胞膜为流动的脂质双分子层，其中镶嵌着各种蛋白质膜的流动性膜脂和膜蛋白可在平面内自由流动，侧向扩散系数为10⁻⁸-10⁻¹⁰cm²/s，膜的流动性对其功能至关重要影响因素温度、脂质组成（尤其是胆固醇含量）和不饱和脂肪酸比例都会影响膜的流动性膜微区现代研究发现膜中存在脂筏等微区结构，具有特定的脂质和蛋白质组成，参与信号转导和物质运输膜转运蛋白分类载体蛋白通过构象变化介导物质转运，速率相对较慢，每秒转运数百至数千个分子经典例子如葡萄糖转运蛋白GLUT家族，介导葡萄糖的易化扩散，对维持血糖平衡至关重要通道蛋白形成跨膜水通道，转运速率极快，可达每秒10⁷个离子如钾通道蛋白在神经元动作电位中发挥关键作用，其发现和研究获得了1998年诺贝尔生理学或医学奖驱动泵ATP利用ATP水解释放的能量实现物质逆浓度梯度转运Na⁺-K⁺ATP酶是典型代表，每水解一个ATP分子，可将3个Na⁺泵出细胞，同时将2个K⁺泵入细胞，维持细胞膜电位主动运输与被动运输被动运输主动运输物质沿着浓度梯度方向自发移动的过程，不需要能量消耗包括简物质逆浓度梯度方向转运的过程，需要消耗能量（通常是ATP）单扩散和载体介导的易化扩散两种形式是细胞维持内环境稳态的关键机制•简单扩散小分子（O₂、CO₂、脂溶性物质）直接穿过脂双层•初级主动运输直接利用ATP水解能量（如Na⁺-K⁺泵、钙泵）•易化扩散通过特定载体蛋白（如GLUT家族）或通道蛋白•次级主动运输利用离子浓度梯度提供能量（如Na⁺-葡萄糖（如水通道蛋白）协助下的扩散协同转运体）•特点顺浓度梯度，无需能量，运输速率有上限•特点逆浓度梯度，消耗能量，可达到很高的浓度差细胞通过精确调控不同运输机制的活性，维持细胞内环境的稳态被动运输和主动运输相互配合，共同参与物质交换和信号传导，对细胞的正常生理功能至关重要若运输功能异常，可导致多种疾病，如囊性纤维化与氯离子通道缺陷相关第四章细胞器核与核糖体I核膜核孔复合体双层膜结构，外膜与内质网相连调控物质进出细胞核的通道核仁3染色质核糖体RNA合成和核糖体装配中心DNA与蛋白质的复合体，携带遗传信息细胞核是真核细胞最显著的特征，也是最大的细胞器，直径通常为5-10μm，占细胞体积的10%左右作为遗传信息的储存和表达中心，细胞核控制着细胞的生长、代谢和繁殖等基本生命活动核糖体是蛋白质合成的工厂，由rRNA和蛋白质组成真核生物80S核糖体由大小亚基（60S和40S）组成，而原核生物为70S核糖体（50S和30S）核糖体广泛分布于细胞质和内质网表面，是实现遗传信息从核酸到蛋白质转换的关键结构细胞核的精细结构核膜由内外两层膜组成，间隙宽度为20-40nm外膜与内质网相连并布满核糖体，内膜与核纤层相连并含有特异性蛋白质核膜将遗传物质与细胞质隔离，保护基因组并调控核质物质交换核孔复合体镶嵌在核膜上的巨型蛋白质复合物，直径约90-120nm，是连接核质的通道每个细胞核含有数千个核孔复合体，它们不仅允许小分子自由通过，还介导大分子的选择性转运核基质与染色质核基质是支持染色质的蛋白质骨架，染色质由DNA与组蛋白及非组蛋白组成根据染色程度分为常染色质（转录活跃）和异染色质（转录抑制），其动态变化调控基因表达核仁核内最显著的无膜结构，直径1-5μm，每个细胞核通常含有1-5个核仁主要功能是rRNA的合成和核糖体亚基的组装，活跃分裂的细胞核仁通常更为显著核孔复合体的结构与功能125MDa分子量核孔复合体是细胞内最大的蛋白质复合物之一，由约30种不同的核孔蛋白（nucleoporins）组成8对称结构核孔复合体具有八重对称结构，形成八聚体环，包括细胞质环、核内环和中央传输通道9nm中心孔径中心通道允许直径小于9nm的分子自由扩散，而更大的分子需要特定信号序列介导的主动转运1000转运速率每个核孔每秒可转运约1000个分子，包括蛋白质、RNA和核糖体亚基等核孔复合体是连接细胞核与细胞质的唯一通道，通过精确控制物质进出细胞核，协调核质信息交流小分子（如离子、代谢物）可通过自由扩散通过核孔，而大分子（如蛋白质、RNA）则需要特定的核定位信号（NLS）或核输出信号（NES）介导核质转运是一个高度调控的过程，涉及多种转运受体蛋白（如importins和exportins）和Ran蛋白质Ran在核内外存在GTP/GDP状态梯度，提供了转运所需的能量和方向性，确保细胞核功能的正常运行染色质结构与组织染色体有丝分裂期高度压缩的染色质结构染色质环30-300kb大小的DNA环状结构纤维30nm核小体的螺旋或之字形排列核小体DNA缠绕组蛋白八聚体形成的基本结构单位双螺旋DNA5携带遗传信息的基本分子染色质是DNA和蛋白质（主要是组蛋白）的复合体，是真核生物遗传物质的存在形式核小体是染色质的基本结构单位，由约146bp的DNA缠绕组蛋白八聚体（H2A、H2B、H3和H4各两个分子）形成，通过连接DNA连接成珠子串结构组蛋白尾部可发生多种翻译后修饰（如甲基化、乙酰化、磷酸化等），这些修饰构成了组蛋白密码，是表观遗传调控的重要机制常染色质和异染色质代表了染色质的不同功能状态，前者松散、转录活跃，后者致密、转录抑制，两者可在细胞周期和发育过程中相互转换核糖体的结构与功能真核核糖体原核核糖体核糖体的功能80S70S真核生物核糖体沉降系数为80S，由40S原核生物核糖体沉降系数为70S，由30S核糖体是蛋白质合成的场所，通过翻译小亚基和60S大亚基组成小亚基和50S大亚基组成mRNA信息合成多肽链•40S亚基包含18S rRNA和约33种核•30S亚基包含16S rRNA和约21种核•A位点氨酰-tRNA进入糖体蛋白糖体蛋白•P位点肽酰-tRNA结合•60S亚基包含5S、

5.8S和28S•50S亚基包含5S和23S rRNA以及约•E位点去氨酰tRNA退出rRNA以及约49种核糖体蛋白34种核糖体蛋白•肽基转移酶活性催化肽键形成•主要分布细胞质和内质网表面•主要分布细胞质中核糖体是细胞内负责蛋白质合成的工厂，其结构高度保守但复杂精密虽然真核和原核核糖体在大小和组成上有所不同，但它们的基本功能和工作机制相似核糖体的肽基转移酶活性主要来自于rRNA而非蛋白质，这一发现支持了RNA世界假说第五章细胞器内膜系统II内膜系统是真核细胞的特征之一，由相互连接的膜性结构组成，包括核膜、内质网、高尔基体、溶酶体和过氧化物酶体等这些细胞器通过膜泡运输相互联系，形成一个动态的膜流网络，共同参与蛋白质合成、修饰、分选和分泌等细胞活动内质网分为粗面内质网（表面附着核糖体）和光面内质网（无核糖体附着）高尔基体由顺面、中间区和反面组成，负责蛋白质的加工修饰和分选溶酶体内含60多种水解酶，pH约为

5.0，是细胞的消化系统过氧化物酶体含有20多种氧化酶，参与多种代谢过程，尤其是长链脂肪酸的氧化β内质网的结构与功能粗面内质网表面附着核糖体，呈扁平囊状或管状，广泛分布于合成分泌蛋白的细胞中（如胰腺腺泡细胞）主要功能是合成分泌蛋白和膜蛋白，并进行初步的糖基化修饰新合成的蛋白质进入内质网腔后，在分子伴侣的帮助下进行正确折叠光面内质网表面无核糖体附着，多为管状网络结构，在肝细胞和类固醇激素合成细胞中尤为丰富主要功能包括磷脂和固醇类的合成、糖原的分解、药物和毒物的解毒、钙离子的储存和释放调节光面内质网所含的细胞色素P450系统是肝脏解毒的重要组成部分内质网应激反应当错误折叠的蛋白质在内质网中积累时，细胞会启动内质网应激反应UPR，通过减少蛋白质合成、增加分子伴侣表达和加强错误蛋白质降解来恢复内质网平衡持续的内质网应激可能导致细胞凋亡，与多种疾病相关，如神经退行性疾病、糖尿病和某些癌症高尔基体的结构与功能顺面面cis靠近内质网的一侧，接收来自内质网的运输囊泡，进行初步的蛋白质修饰顺面含有顺面高尔基体网CGN，负责接收和分选刚到达的蛋白质中间区medial位于顺面和反面之间，进行大部分糖基化修饰中间区包含多种糖基转移酶，进行N-糖基化的修饰和O-糖基化的起始这里的修饰对于蛋白质的正确功能至关重要反面面trans远离内质网的一侧，负责最终的蛋白质修饰和分选反面含有反面高尔基体网TGN，是蛋白质分选的分拣中心，根据标记将蛋白质包装进不同类型的运输囊泡，送往细胞的不同目的地高尔基体是由4-8个膜性扁囊cisternae堆叠而成的细胞器，在分泌旺盛的细胞中尤为发达囊泡运输是连接内质网、高尔基体不同区域和目标位置的关键机制，涉及多种蛋白质复合物，如COPI（高尔基体反向运输）和COPII（内质网到高尔基体运输）囊泡外被蛋白高尔基体进行的糖基化修饰对于蛋白质的功能、稳定性和靶向至关重要糖基化异常与多种疾病相关，如先天性糖基化障碍、癌症和自身免疫疾病高尔基体还参与细胞极性的建立和维持，在细胞分裂和迁移过程中发挥重要作用溶酶体的功能与疾病胞吞降解途径胞吞囊泡与溶酶体融合，降解外来物质和被吞噬的病原体，是细胞防御系统的重要组成部分自噬途径自噬体与溶酶体融合形成自噬溶酶体，降解受损细胞器和长寿命蛋白质，维持细胞稳态细胞外分泌特定条件下溶酶体可以分泌其内容物到细胞外，参与骨重塑、组织重构和免疫反应等生理过程营养感应溶酶体表面定位的mTORC1复合体是细胞营养状态感应的关键枢纽，协调细胞生长和代谢溶酶体是由单层膜包围的囊泡状细胞器，内含约60种水解酶，包括蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、脂肪酶等，pH值维持在

4.5-

5.0的酸性环境溶酶体膜上的H⁺-ATP酶负责将质子泵入腔内，维持酸性环境，而多种跨膜蛋白则负责小分子降解产物的输出溶酶体酶缺陷可导致多种遗传性溶酶体储存病，如高雪氏病Gaucher disease、尼曼-匹克病Niemann-Pick disease和泰-萨克斯病Tay-Sachs disease等，这些疾病通常导致不可降解物质在溶酶体中积累，引起细胞和组织功能障碍近年来，溶酶体靶向递送系统为治疗这些疾病和某些癌症提供了新策略过氧化物酶体的代谢功能第六章细胞器线粒体与叶绿体III线粒体叶绿体线粒体是细胞的能量工厂，通过有氧呼吸产生大量ATP，为细胞叶绿体是植物和藻类细胞中进行光合作用的场所，将光能转化为化提供能量这种细胞器广泛存在于几乎所有真核细胞中，数量从几学能，固定二氧化碳合成有机物，是地球上大部分食物链的能量来个到上千个不等，取决于细胞类型和能量需求源•双膜结构外膜平滑，内膜形成嵴•三重膜系统外膜、内膜和类囊体膜•内部区域基质，含有TCA循环酶系•内部区域类囊体和基质•功能氧化磷酸化，产生ATP•功能光合作用，合成碳水化合物•含有自己的DNA环状，母系遗传•含有自己的DNA环状，母系遗传线粒体和叶绿体都是半自主细胞器，拥有自己的DNA、核糖体和蛋白质合成系统根据内共生学说，它们起源于古代原核生物被早期真核细胞内吞后建立共生关系，线粒体可能起源于α-变形菌，而叶绿体则起源于蓝细菌这两种细胞器大部分蛋白质由核基因编码，在细胞质合成后运输入细胞器，反映了长期共进化过程中的基因转移线粒体的结构与起源外膜线粒体外膜是平滑的单层膜，含有大量孔蛋白（porin）形成的通道，允许分子量小于5000Da的分子自由通过外膜还包含许多酶类和转运蛋白，参与线粒体与细胞质的物质交换和信号传导内膜线粒体内膜形成许多向基质突入的嵴（cristae），大大增加了表面积内膜高度特化，富含蛋白质（占75%）和特殊的磷脂（如心磷脂）内膜的通透性高度选择性，几乎所有分子都需要特定转运蛋白介导才能通过基质线粒体内膜包围的区域称为基质，含有高浓度的溶解蛋白质，包括TCA循环酶系、脂肪酸β氧化酶系、DNA、核糖体和各种小分子代谢物基质pH约为

7.8，略高于细胞质（pH

7.2），这一pH梯度对线粒体功能至关重要内共生起源根据内共生学说，线粒体起源于约20亿年前一种自由生活的α-变形菌被早期真核生物祖先内吞后建立的共生关系这一理论由Lynn Margulis在1967年系统提出，得到了大量分子生物学和比较基因组学证据的支持线粒体功能与代谢三羧酸循环糖酵解1线粒体基质中丙酮酸完全氧化，产生CO₂和还原细胞质中葡萄糖分解为丙酮酸，产生少量ATP力2电子传递链合成ATP4内膜上电子传递复合体将电子传递给O₂，形成质ATP合成酶利用质子梯度能量合成ATP子梯度线粒体是有氧呼吸的主要场所，通过一系列精密调控的氧化还原反应将食物中的化学能转化为ATP形式的生物能一个葡萄糖分子通过有氧呼吸可产生约30-32分子ATP，远高于无氧糖酵解产生的2分子ATP，显示了线粒体在能量代谢中的核心地位ATP合成酶（F₀F₁ATP酶）是一个分子马达，由两部分组成嵌入内膜的F₀部分形成质子通道，突出到基质的F₁部分具有ATP合成活性当质子沿浓度梯度通过F₀部分时，驱动F₁部分旋转，催化ADP与无机磷酸结合形成ATP这一过程是线粒体功能的核心，每天人体通过这一机制合成约60-70kg的ATP线粒体基因组与遗传16,569基因组大小人类线粒体DNA（mtDNA）是一个小型环状分子，包含16,569个碱基对37基因数量人类mtDNA编码37个基因，包括13个蛋白质（均为呼吸链组分）、22个tRNA和2个rRNA100-10000拷贝数每个线粒体含有多个mtDNA拷贝，每个细胞含有数百到上万拷贝10-17突变率mtDNA突变率是核DNA的10-17倍，可能因缺乏组蛋白保护和修复机制有限线粒体DNA呈母系遗传，即所有mtDNA均来自母亲，这是因为受精过程中卵子的线粒体被保留，而精子的线粒体通常被标记并在受精后降解这一特性使mtDNA成为追踪人类进化和人群迁徙的重要工具，科学家通过分析mtDNA序列变异建立了线粒体夏娃假说，追溯现代人类的共同祖先线粒体疾病是一组由mtDNA或核DNA编码的线粒体蛋白基因突变导致的遗传病，如线粒体脑肌病（MELAS综合征）、肌阵挛癫痫伴破碎红纤维（MERRF综合征）等这些疾病主要影响高能耗组织如脑、肌肉、心脏和肝脏线粒体功能障碍还与衰老过程和多种退行性疾病相关，支持线粒体自由基学说叶绿体结构与光合作用光能捕获叶绿素分子吸收光能，激发电子电子传递激发电子通过载体传递，产生ATP和NADPH碳固定利用ATP和NADPH将CO₂固定为有机物糖合成形成葡萄糖等碳水化合物叶绿体是植物和藻类细胞中进行光合作用的场所，具有复杂的膜系统外膜和内膜之间形成区间隙，内膜包围的区域称为基质在基质中存在第三层膜系统——类囊体thylakoids，它们可堆叠形成基粒grana，或延伸为连接基粒的基粒间类囊体光合作用分为光反应和暗反应两个阶段光反应发生在类囊体膜上，通过光系统I和II捕获光能，产生ATP和NADPH暗反应（卡尔文循环）发生在叶绿体基质中，利用光反应产生的ATP和NADPH将CO₂固定为碳水化合物这一过程是地球上大部分生命能量的最终来源，也是维持大气氧含量的关键机制叶绿体与线粒体类似，拥有自己的DNA和蛋白质合成系统，根据内共生学说，它们起源于古代蓝细菌被早期真核生物内吞后建立的共生关系第七章细胞骨架微丝微管中间纤维直径约7nm的细丝状结构，由肌动蛋白直径约25nm的管状结构，由α和β-微管蛋直径约10nm的纤维状结构，由多种组织特actin单体聚合而成微丝在细胞皮层中形白异二聚体聚合形成微管以中心体为起点异性蛋白组成，如上皮细胞的角蛋白、神经成网络，支持细胞膜并决定细胞形态在细向细胞周边辐射，维持细胞内部结构并作为细胞的神经丝蛋白等中间纤维具有高度机胞运动中发挥关键作用，如肌肉收缩、细胞细胞内物质运输的轨道在细胞分裂中形械稳定性，提供细胞结构支持并抵抗机械应迁移、胞质分裂等过程成纺锤体，参与染色体分离力，还参与细胞间连接和核膜支持肌动蛋白微丝系统微管结构与动态不稳定性分子马达微管组织中心动力蛋白和驱动蛋白是两类主要的微动态不稳定性微管通常从微管组织中心MTOC开始管相关分子马达动力蛋白通常向-端微管蛋白二聚体微管处于持续的聚合和解聚平衡状生长，主要MTOC是中心体，由一对移动，负责运输囊泡、细胞器等货物微管由α和β-微管蛋白异二聚体组成，态，这种特性称为动态不稳定性+中心粒和周围的致密物质组成中心从细胞周边到中心区域；驱动蛋白通每个二聚体长约8nm二聚体结合端的GTP帽对微管稳定性至关重要，粒由9组三联微管构成，排列成圆筒状常向+端移动，负责相反方向的运输GTP后可聚合成微管微管呈中空管当GTP水解为GDP而GTP帽丢失时，结构γ-微管蛋白环复合物在中心体表这些马达蛋白对细胞内物质运输、细状结构，壁由13条原丝平行排列形微管会快速解聚，这一过程称为灾变面作为微管成核位点，控制微管数量胞器定位和细胞分裂至关重要成，直径约25nm微管具有明显的动态不稳定性使细胞能够快速重组和排列极性，+端生长快，-端生长慢微管网络以响应内外环境变化中间纤维中间纤维类型主要蛋白质分布细胞/组织功能特点I型酸性角蛋白上皮细胞细胞结构稳定，抵抗机械应力II型碱性角蛋白上皮细胞与酸性角蛋白形成异二聚体III型波形蛋白中胚层来源细胞支持细胞结构，参与创伤愈合IV型神经丝蛋白神经元维持轴突直径，支持轴突运输V型核纤层蛋白所有细胞核内维持核膜结构，参与染色质组织中间纤维是直径约10nm的纤维状结构，由多种蛋白组成，具有组织特异性表达模式，是识别细胞类型和肿瘤来源的重要标志与微丝和微管不同，中间纤维没有明显的极性，不参与分子马达介导的运输，也不表现出动态不稳定性，是相对稳定的结构中间纤维的主要功能是提供细胞的机械支持和抗张力保护在上皮细胞中，角蛋白中间纤维通过桥粒与相邻细胞连接，形成抗张力网络；在神经元中，神经丝蛋白维持轴突直径和结构完整性；在细胞核内，核纤层蛋白形成核纤层，支持核膜并参与染色质组织和基因表达调控中间纤维蛋白突变可导致多种疾病，如表皮水疱症（角蛋白突变）和早老症（核纤层蛋白突变）细胞运动机制前沿伸展细胞前缘肌动蛋白聚合形成伪足或薄板足前端黏附通过整合素等形成新的黏着斑胞体收缩肌球蛋白与微丝相互作用产生收缩力后端解离旧的黏着点解离，细胞向前移动细胞运动是依赖细胞骨架重组和黏附点动态变化的复杂过程在分子水平上，肌动蛋白和肌球蛋白的相互作用是产生运动力的核心机制肌球蛋白头部结合ATP后与肌动蛋白解离，ATP水解后重新结合肌动蛋白并发生构象变化，产生力和位移这一机制在肌肉收缩、细胞分裂和细胞迁移等过程中起关键作用细胞趋化性是细胞朝向或远离特定化学刺激物移动的能力，涉及复杂的信号转导级联反应当细胞检测到化学刺激物梯度时，会激活特定信号通路，引导细胞骨架重组和细胞极性建立，使细胞定向移动这一过程在免疫细胞趋向感染部位、神经元轴突导向和胚胎发育中的细胞迁移等生理过程中至关重要纤毛和鞭毛是特化的细胞运动结构，内部含有9+2排列的微管，通过分子马达推动微管滑动产生有规律的摆动，驱动细胞运动或液体流动第八章细胞连接与黏附紧密连接形成细胞间屏障，控制旁细胞通透性黏着连接2与微丝相连，提供机械强度桥粒3与中间纤维相连，抵抗机械应力间隙连接形成细胞间通道，允许小分子直接交流细胞基质连接-锚定细胞到细胞外基质，介导双向信号传导细胞连接和黏附是多细胞生物形成稳定组织结构的基础，不同类型的连接装置协同工作，确保组织的结构完整性和功能协调性这些连接不仅提供物理锚定，还参与信号传导、物质交换和细胞行为调控，对胚胎发育、组织修复和疾病防御等生理过程至关重要细胞黏附分子CAMs是介导细胞-细胞和细胞-基质连接的关键蛋白质，主要包括钙黏蛋白（钙离子依赖性细胞间黏附）、整合素（细胞-基质连接的主要受体）、免疫球蛋白超家族和选择素等这些分子通过与细胞骨架和信号蛋白的相互作用，将外部黏附信号转导至细胞内部，影响细胞行为和基因表达细胞连接装置紧密连接黏着连接桥粒也称闭锁小带，位于上皮和内皮也称锚定小带，由钙黏蛋白和连也称斑点状黏着，由桥粒钙黏蛋细胞顶端侧面，由闭合蛋白接蛋白复合物介导，与肌动蛋白白（desmoglein和（claudins）、封闭蛋白微丝相连黏着连接带环绕细desmocollin）和桥粒连接蛋白（occludins）和连接黏着分子胞，形成连续的黏着带，提供机介导，与细胞内中间纤维相连（JAMs）组成紧密连接形成细械强度并参与组织形态建成E-桥粒在承受机械应力的组织（如胞间封闭屏障，控制离子和小分钙黏蛋白是上皮细胞间主要的黏表皮和心肌）中尤为重要，形成子通过细胞间隙的选择性通透着分子，其表达下调与上皮-间质细胞间的铆钉，提供强大的抗张性，维持上皮极性和组织内环境转化和肿瘤转移相关力连接桥粒蛋白突变或自身抗稳态体可导致严重的水疱性皮肤病间隙连接也称通讯连接，由连接蛋白（connexins）六聚体形成的connexons通道组成，允许小于1kDa的分子（如离子、氨基酸、第二信使）在相邻细胞间直接通过间隙连接在电兴奋细胞（如心肌和神经胶质细胞）中尤为重要，允许电信号快速传播，协调细胞活动间隙连接通透性受pH、钙离子浓度和磷酸化状态调控细胞外基质组成胶原蛋白弹性蛋白与蛋白多糖黏连蛋白与纤连蛋白胶原蛋白是细胞外基质的主要结构蛋白，弹性蛋白是由弹性蛋白原聚合而成的高度黏连蛋白和纤连蛋白是大型多功能黏附糖占人体总蛋白的约30%目前已发现至少交联网络，赋予组织弹性和可扩展性，在蛋白，在细胞与细胞外基质的连接中发挥28种不同类型的胶原蛋白，其中最常见的动脉、肺和皮肤等需要反复伸缩的组织中桥梁作用黏连蛋白是基底膜的主要成是I型（骨骼、肌腱）、II型（软骨）和IV尤为重要弹性蛋白可伸长至原长的150%分，形成网状结构，与IV型胶原蛋白、硫型（基底膜）并能完全恢复酸乙酰肝素蛋白多糖和细胞表面整合素相互作用胶原蛋白分子由三条多肽链以三重螺旋结蛋白多糖由核心蛋白和共价连接的糖胺聚构缠绕而成，特征性氨基酸序列为G-X-糖侧链组成，如硫酸乙酰肝素、硫酸软骨纤连蛋白存在于血浆和组织中，具有多个Y，其中X常为脯氨酸，Y常为羟脯氨酸素等透明质酸是一种特殊的糖胺聚糖，功能域，可与胶原、蛋白多糖和整合素结胶原纤维具有极高的拉伸强度，提供组织不与蛋白质结合，具有高度水合性，形成合纤连蛋白参与细胞黏附、迁移、生长的结构支持和机械强度水合凝胶，提供组织润滑和缓冲作用和分化，在伤口愈合和胚胎发育中发挥重要作用RGD序列是纤连蛋白与整合素结合的关键结构第九章细胞信号转导信号分子释放内分泌、旁分泌或自分泌方式释放配体受体识别受体特异性识别并结合配体，引发构象变化信号转导激活胞内信号分子，产生信号级联放大细胞应答激活特定转录因子或直接调节细胞活动细胞信号转导是细胞感知和响应外界环境变化的分子机制，通过一系列精密调控的分子事件将细胞表面接收到的信号传递到细胞内部，引发特定的生理反应根据信号分子传递的方式，可分为内分泌（通过血液循环作用于远处细胞）、旁分泌（作用于邻近细胞）和自分泌（作用于分泌细胞本身）信号细胞表面受体根据结构和机制可分为几类主要类型G蛋白偶联受体（七次跨膜结构，通过G蛋白传递信号）、酪氨酸激酶受体（配体结合引发二聚化和自磷酸化）、连接离子通道的受体（如神经递质受体）和细胞黏附分子相关受体此外，脂溶性信号分子（如类固醇激素）可透过细胞膜直接与胞内或核内受体结合不同信号通路之间存在复杂的交叉调控，使细胞能够整合多种信号输入，做出协调一致的应答信号转导基本原理信号特异性信号分子（配体）与受体之间的识别具有高度特异性，类似钥匙与锁的关系这种特异性确保细胞只对特定信号做出响应，避免错误激活受体的结构决定了其与特定配体结合的亲和力，不同细胞表达不同受体谱系，决定了对不同信号的敏感性信号放大信号转导过程中的级联反应可实现信号的显著放大例如，一个配体分子可激活一个受体，一个受体可激活多个G蛋白，每个G蛋白可激活多个腺苷酸环化酶分子，每个腺苷酸环化酶可产生数百个cAMP分子，最终可激活数千个下游效应分子，实现几个数量级的信号放大信号整合细胞同时接收多种信号输入，通过信号通路的交叉对话和汇聚节点进行整合处理例如，MAP激酶通路是多种生长因子、细胞因子和应激信号的汇聚点，而转录因子如CREB可被多条信号通路激活，整合不同来源的信号输入，调控特定基因表达模式信号终止信号转导需要精确的时空控制，包括信号的终止机制常见的终止机制包括受体内化和降解、第二信使的水解（如磷酸二酯酶水解cAMP）、蛋白质去磷酸化（磷酸酶活性）、负反馈调节（如某些通路激活自身的抑制因子）等信号终止障碍可导致信号持续激活，与多种疾病如癌症相关胞内信号分子第二信使产生酶失活机制主要功能cAMP腺苷酸环化酶磷酸二酯酶激活PKA，调节离子通道cGMP鸟苷酸环化酶磷酸二酯酶激活PKG，视觉信号转导IP₃磷脂酶C磷酸酶释放内质网Ca²⁺DAG磷脂酶C DAG激酶激活PKCCa²⁺-Ca²⁺泵，交换体激活钙调蛋白，调节多种酶第二信使是细胞内传递和放大细胞外信号的小分子，在信号转导中发挥枢纽作用cAMP和cGMP是环状核苷酸，分别由腺苷酸环化酶和鸟苷酸环化酶催化合成，主要通过激活特定蛋白激酶（PKA和PKG）发挥作用肾上腺素、胰高血糖素等激素通过cAMP途径调节细胞代谢，而cGMP在平滑肌舒张和视觉信号转导中尤为重要钙离子是最为普遍的第二信使，细胞内Ca²⁺浓度在静息状态下维持在约100nM，信号激活时可升至1-10μMCa²⁺通过结合钙调蛋白等蛋白质调节多种细胞过程，包括肌肉收缩、神经递质释放、基因表达等磷脂酶C激活产生的IP₃和DAG共同参与Ca²⁺信号和PKC激活蛋白质磷酸化是最常见的翻译后修饰形式，通过蛋白激酶和磷酸酶的平衡调控，改变蛋白质构象、活性、定位和相互作用，是信号转导的核心机制细胞克死与凋亡细胞凋亡凋亡信号通路细胞凋亡是一种程序性细胞死亡方式，具有明确的形态学和生化特征，是机细胞凋亡主要通过两条信号通路启动外源性途径和内源性途径体发育和组织稳态维持的重要机制•外源性途径死亡受体（如Fas、TNFR1）被配体激活，募集衔接蛋白•形态特征细胞皱缩、染色质凝聚、核碎裂、细胞膜起泡、凋亡小体形和前caspase-8/10，形成死亡诱导信号复合物（DISC），激活执行成caspases•生化特征DNA断裂成约180bp整数倍片段，磷脂酰丝氨酸外翻，•内源性途径细胞应激（如DNA损伤、氧化应激）激活BH3-only蛋caspase级联激活白，抑制抗凋亡Bcl-2蛋白，促进Bax/Bak形成线粒体外膜孔道，释放细胞色素c，形成凋亡体，激活caspase-9和执行caspases•生理意义不引起炎症反应，凋亡细胞被邻近细胞或巨噬细胞吞噬清除•两条途径可通过Bid蛋白相互连接和放大Caspase蛋白酶是凋亡执行的核心分子，它们是半胱氨酸蛋白酶，特异性切割Asp残基后的肽键Caspases分为起始caspases（caspase-2,-8,-9,-10）和执行caspases（caspase-3,-6,-7）执行caspases激活后切割多种底物蛋白，如细胞骨架蛋白、核纤层蛋白、DNA修复酶等，导致细胞结构解体和DNA降解细胞凋亡与多种疾病相关凋亡过度可导致神经退行性疾病、AIDS、缺血性损伤等；凋亡不足则可导致自身免疫疾病、癌症等抗凋亡Bcl-2蛋白家族在多种癌症中高表达，成为肿瘤治疗的重要靶点细胞坏死与凋亡不同，是一种病理性细胞死亡，特征是细胞肿胀、细胞膜破裂、细胞内容物释放，引起炎症反应近年来发现的程序性坏死（坏死性凋亡）表明细胞死亡方式比传统认识更为复杂第十章细胞周期与分裂期期G1S细胞增长和准备DNA合成的阶段DNA复制，染色体数量加倍2期期M G2有丝分裂（核分裂）和胞质分裂3细胞继续生长并准备分裂细胞周期是细胞从一次分裂完成到下一次分裂完成的整个过程，包括间期（G

1、S、G2）和分裂期（M期）在哺乳动物细胞中，一个典型的细胞周期约需24小时，其中G1期约需8-10小时，S期约需6-8小时，G2期约需4-6小时，M期约需1小时非分裂细胞可能进入G0期，即静止期，如终末分化的神经元和肌细胞细胞周期受到精密调控，确保DNA准确复制和染色体正确分配给子细胞多个检查点监控细胞周期进程G1/S检查点确保细胞环境适宜且DNA未损伤；G2/M检查点确保DNA复制完成且无损伤；纺锤体检查点确保所有染色体正确附着在纺锤丝上细胞周期调控失控是癌症发生的关键特征之一，许多抗癌药物针对特定细胞周期阶段设计细胞周期调控9周期蛋白类型人类基因组编码至少9种不同的周期蛋白，在特定细胞周期阶段表达5数量CDK至少5种细胞周期依赖性激酶参与细胞周期调控3主要检查点G1/S、G2/M和纺锤体检查点监控细胞周期进程50%突变率p53约50%的人类肿瘤含有p53基因突变，导致细胞周期调控失效细胞周期调控的核心机制是周期蛋白Cyclins与周期蛋白依赖性激酶CDKs的相互作用周期蛋白在特定细胞周期阶段合成并在完成功能后被泛素-蛋白酶体系统降解，CDKs则持续存在但活性受周期蛋白结合和磷酸化修饰调控不同周期蛋白-CDK复合物驱动不同细胞周期阶段Cyclin D-CDK4/6控制G1期进程，Cyclin E-CDK2促进G1/S转换，Cyclin A-CDK2驱动S期，Cyclin B-CDK1（有丝分裂促进因子MPF）触发M期开始p53被称为基因组守护者，是一个关键的肿瘤抑制因子当DNA受损时，p53被激活并诱导p21表达，p21抑制CDK活性，导致细胞周期阻滞，给细胞提供修复DNA的时间若损伤过于严重，p53可诱导凋亡基因表达，促使细胞凋亡其他重要的细胞周期抑制因子包括p16（特异抑制CDK4/6）和Rb蛋白（经CDK磷酸化调控，控制G1/S转换）这些调控机制的失控与癌症发生密切相关，成为肿瘤诊断和治疗的重要靶点有丝分裂过程1前期染色质凝聚成可见的染色体，核膜开始崩解，中心体分离并向细胞两极移动，开始形成纺锤体染色体由姐妹染色单体组成，在着丝粒处相连这一阶段核仁消失，染色体与细胞骨架蛋白相互作用，准备进入中期排列2中期染色体排列在细胞赤道板上，着丝粒与来自两极的纺锤丝相连这是细胞分裂中最稳定的阶段，常用于制备核型图染色体达到最高度压缩状态，纺锤体完全形成，动粒微管连接着丝粒，极微管支持纺锤体结构，星状微管与细胞皮层相连3后期姐妹染色单体分离，分别向细胞两极移动分离通过两个机制着丝粒凝聚素降解，解除姐妹染色单体连接；动粒微管缩短，将染色体拉向两极同时，非动粒微管延长，推动两极分离这一精确协调的过程确保遗传物质均等分配给两个子细胞4末期染色体到达细胞两极，开始去凝聚，核膜重新形成，核仁重现纺锤体解体，细胞准备进行胞质分裂与此同时，在前中期形成的收缩环在肌动蛋白和肌球蛋白的作用下收缩，逐渐将细胞质分为两部分，最终形成两个子细胞，各含有一套完整的染色体减数分裂特点减数分裂是生殖细胞形成过程中的特殊分裂方式，通过两次连续分裂（减数分裂I和减数分裂II）将染色体数目减半，产生单倍体配子减数分裂I中，同源染色体配对并交叉互换（基因重组），然后分离到不同子细胞；减数分裂II类似于有丝分裂，姐妹染色单体分离减数分裂的关键特征是前期I中的同源染色体配对和交叉互换（crossing over），这一过程涉及同源DNA序列的精确对齐和物理交换，形成基因重组，增加遗传多样性减数分裂错误可导致非整倍体，如21三体综合征（唐氏综合征）减数分裂的严格调控确保了生殖细胞的正确形成和遗传多样性的产生，对物种进化和适应至关重要第十一章细胞分化与干细胞组织干细胞多能干细胞组织干细胞存在于成体组织中，负责组织的更全能干细胞胚胎干细胞ES来源于内细胞团，能分化为三新和修复它们具有有限的分化潜能，通常只受精卵是唯一的全能干细胞，能发育成完整个个胚层的所有细胞类型，但不能形成完整个能分化为所在组织的特定细胞类型常见的组体，包括胚胎和胚外组织受精后的早期胚胎体诱导多能干细胞iPSC是通过重编程体细织干细胞包括造血干细胞（产生所有血细胞类细胞经过一系列有丝分裂形成桑椹胚和囊胚，胞获得的多能干细胞，通常通过导入Oct

4、型）、神经干细胞（产生神经元和胶质细内细胞团细胞具有多能性但已失去全能性全Sox

2、Klf4和c-Myc（OSKM因子）实现胞）、肠上皮干细胞（位于隐窝底部，维持肠能性的分子机制涉及特定转录因子网络和广泛多能干细胞具有自我更新能力和分化潜能，是上皮更新）等干细胞微环境（niche）对维的表观遗传重编程再生医学研究的重要工具持干细胞特性至关重要干细胞类型与特性胚胎干细胞胚胎干细胞ESCs来源于囊胚内细胞团，具有无限自我更新能力和分化为三胚层所有细胞类型的潜能人类ESCs培养需要特定生长因子如bFGF和支持细胞层，通过调控信号通路如Wnt、BMP、TGF-β可诱导其定向分化由于来源问题，人类ESCs的研究和应用面临伦理争议诱导多能干细胞2006年山中伸弥实现了成纤维细胞到iPS细胞的重编程，为再生医学带来革命性突破2012年获诺贝尔奖iPS技术避开了伦理问题，可用患者自身细胞制备，降低免疫排斥风险iPS细胞重编程涉及广泛的表观遗传修饰变化，如组蛋白修饰和DNA甲基化模式重置，使分化细胞恢复到类似胚胎干细胞的状态成体干细胞成体干细胞存在于多种组织中，如骨髓造血干细胞、大脑神经干细胞、肠上皮、皮肤等它们通常处于静默状态，在组织损伤或需要更新时被激活干细胞微环境niche通过细胞-细胞接触、分泌因子和细胞外基质相互作用维持干细胞特性成体干细胞的分化潜能有限，通常只能分化为所在组织的特定细胞类型细胞生物学前沿技术单细胞技术单细胞测序技术突破了传统组织水平研究的局限，能够揭示细胞群体中的异质性单细胞RNA测序可分析单个细胞的全转录组，单细胞ATAC-seq可研究染色质可及性，单细胞质谱可分析蛋白质组，这些技术的整合应用为理解细胞状态和命运决定提供了前所未有的机会有机体培养技术有机体Organoids是体外培养的三维微型器官结构，保留了原始器官的细胞组成和部分功能肠、肝、脑、肾等多种器官的有机体已被成功培养，成为研究器官发育、疾病建模和药物筛选的重要工具有机体技术结合了干细胞生物学和组织工程学原理，为器官在盘中organ-on-a-chip和精准医疗提供了新平台基因编辑技术CRISPR-Cas9系统利用细菌免疫机制发展而来，通过设计特定的向导RNA引导Cas9核酸酶切割目标DNA序列，实现高效、特异的基因编辑基于CRISPR的基因激活CRISPRa和抑制CRISPRi系统扩展了基因操作工具箱基因编辑技术广泛应用于基础研究、疾病模型构建和基因治疗，但也引发了安全性和伦理方面的担忧生物传感器技术荧光蛋白标记和生物传感器技术使研究者能够实时可视化活细胞中的分子事件钙离子指示剂如Fura-2可监测细胞内钙信号动态，FRET传感器可检测蛋白质相互作用和构象变化，光遗传学工具可用光控制特定基因表达或神经元活动这些技术为理解细胞内信号转导和动态过程提供了强大工具总结与展望课程回顾本课程全面介绍了细胞生物学的核心内容，从细胞的基本结构和功能，到复杂的信号转导和细胞命运调控我们学习了细胞膜、细胞器、细胞骨架等基本结构，理解了细胞分裂、凋亡、信号传导等基本过程，探讨了细胞分化和干细胞生物学等前沿领域，这些知识构成了理解生命科学的基础框架未解之谜细胞生物学仍有许多未解之谜，如表观遗传调控的精确机制、蛋白质折叠原理、细胞命运决定的分子开关、组织再生的调控网络等这些问题的解决需要新技术和多学科交叉研究，也为未来科研提供了广阔空间理解这些机制不仅具有理论意义，也将为疾病诊治和生物技术应用带来突破应用前景细胞生物学知识广泛应用于医学、农业和生物技术领域在医学上，干细胞治疗、基因编辑、精准医疗等新兴领域与细胞生物学密切相关；在农业上，细胞生物学为作物改良和动物育种提供理论基础；在生物技术上，细胞工厂、合成生物学等前沿领域正引领生物制造革命细胞生物学的发展将持续推动这些领域的创新和进步考试重点期末考试将重点考察细胞结构与功能的关系、细胞器协同工作的机制、信号转导通路的基本原理、细胞周期调控与癌症关系等核心内容建议复习重点关注教材中的关键概念和模型，理解实验依据和研究方法，能够将所学知识应用于分析实际生物学问题此外，近年来的研究进展和前沿技术也是复习的重要内容。