《细胞生物学》课件

细胞生物学欢迎来到细胞生物学课程，这门课程将带领我们探索生命科学最基础的单元——细胞从微观世界的视角，了解生命活动的奥秘本课程将系统介绍细胞的结构与功能、分子机制及研究方法，涵盖从细胞理论的历史发展到现代生物医学应用的广泛内容我们将一起领略细胞世界的精妙和复杂细胞理论的发展历程1665年细胞的首次发现英国科学家Robert Hooke使用自制显微镜观察软木切片，首次发现并命名了细胞（Cell）他在著作《显微图谱》中记录了这一重要发现，描述了他所见到的蜂窝状结构1838年植物细胞学说德国植物学家Matthias Schleiden提出所有植物组织都由细胞组成的理论他认为细胞是植物体的基本单位，为细胞理论的形成奠定了重要基础1839年动物细胞学说德国动物学家Theodor Schwann将细胞理论扩展到动物界，确立了细胞是所有生物体的基本结构和功能单位这一核心概念，标志着细胞理论的正式形成1855年细胞起源学说细胞生物学研究方法显微镜技术从最初的光学显微镜（分辨率

0.2μm）到现代电子显微镜（分辨率达

0.2nm），显微成像技术的发展极大地推动了细胞研究的进步超高分辨率荧光显微镜技术突破了光学衍射极限，可观察亚细胞结构细胞分离与培养包括离心分离、流式细胞术等分离技术和体外培养系统的建立这些技术使科学家能够获得纯化的细胞和细胞器，在控制条件下研究细胞行为，为细胞生物学研究提供了重要工具分子生物学技术聚合酶链反应PCR、DNA测序、基因克隆等技术使科学家能够研究细胞的分子组成和基因表达CRISPR基因编辑等现代技术更是为细胞功能研究提供了精确的操作手段细胞影像学技术荧光标记、实时成像等技术能够在活细胞中跟踪特定分子和结构这些动态观察方法使我们能够了解细胞内的实时变化和生命活动过程显微镜技术详解明场显微镜相差显微镜荧光显微镜共聚焦显微镜最基本的光学显微镜技术，利用样品各部分折射率差异利用荧光分子受特定波长光通过针孔光阑系统过滤掉焦通过样品对光的吸收和散射产生相位差，将相位差转换激发后发射荧光的原理，特平面外的光线，获得清晰的产生衬度分辨率约为为振幅差异，增强无色透明异性标记和观察细胞中的特光学切片图像分辨率可达200nm，适合观察染色样样品的对比度可清晰观察定组分通过不同荧光标记150nm，能够进行三维重本然而，对于无色透明样活细胞的内部结构，无需染物的组合，可同时观察多种建，是观察厚样品和活细胞品的成像效果较差色，减小了对细胞的干扰细胞结构和分子的理想工具细胞的基本类型原核细胞缺乏核膜和膜性细胞器，DNA直接分布在细胞质中大小通常为1-10μm，结构相对简单典型代表为细菌和古菌尽管结构简单，但原核生物在生态系统中扮演着重要角色真核细胞具有完整的核膜和多种膜性细胞器，结构复杂，大小通常为10-100μm包括所有动物、植物、真菌和原生生物的细胞真核细胞的复杂分区结构使细胞内的生化反应能高效、有序地进行干细胞具有自我更新能力和分化潜能的未分化细胞，可分为全能、多能和单能干细胞在生物体发育和组织修复中起关键作用研究干细胞不仅有助于理解发育过程，也为再生医学提供新思路分化细胞已特化为特定功能的细胞，如神经元、肌肉细胞、上皮细胞等人体中有200多种分化细胞类型，每种都有独特的形态和功能，共同协作维持机体的正常生理活动细胞大小与形态细胞的化学组成蛋白质占细胞干重的15-20%水与无机离子•结构支持和细胞运动占细胞总重量的70-90%•催化生化反应•作为生化反应的溶剂2•信号传导和调控•参与水解和缩合反应•维持细胞渗透压和pH值脂质占细胞干重的2-3%•形成生物膜•能量储存碳水化合物•信号分子占细胞干重的1%核酸4•能量来源占细胞干重的

0.5-1%•细胞识别•遗传信息储存DNA•结构组分•蛋白质合成RNA•基因表达调控细胞膜结构流动镶嵌模型1972年由Singer和Nicolson提出的经典模型脂质双分子层厚度7-8nm，由磷脂、糖脂和胆固醇组成膜蛋白3整合蛋白贯穿膜层，周边蛋白附着于膜表面膜碳水化合物以糖蛋白和糖脂形式存在，主要分布于细胞外侧细胞膜是一个高度动态的结构，其中的分子可以自由扩散和重排脂质分子的流动性受温度、脂质组成特别是胆固醇含量的影响膜的这种流动性对于许多生命过程如细胞分裂、生长和物质转运至关重要膜蛋白在细胞膜中漂浮，可以沿膜平面移动整合蛋白通过跨膜区域的疏水相互作用嵌入脂质双层，而周边蛋白则通过非共价键与膜表面结合膜蛋白的分布并非随机，某些区域可形成特化的功能性微区细胞膜功能选择性屏障信号转导细胞识别与黏附细胞膜控制物质进出细胞，维细胞膜上的受体蛋白接收外界膜表面的糖蛋白和糖脂参与细持细胞内环境的稳定膜的选信号分子，并将信号传递到细胞间的识别和黏附这种特异择性透过性允许小分子如水、胞内部，启动相应的生理反性识别对免疫反应、组织形成氧气自由通过，而限制离子和应这种信号转导过程是细胞和胚胎发育等生理过程至关重大分子的通过，从而维持细胞对环境变化作出响应的基础要内的离子组成和渗透压物质转运膜蛋白形成的通道、载体和泵介导各种物质的跨膜转运这些转运蛋白可以将物质顺浓度梯度转运（被动运输），或逆浓度梯度转运（主动运输）跨膜运输机制被动运输沿浓度梯度方向，无需能量通道蛋白介导形成水通道或离子通道，促进特定分子通过载体蛋白介导与物质结合后发生构象变化，促进跨膜转运主动运输逆浓度梯度，需消耗能量（通常是ATP）被动运输包括简单扩散和促进扩散简单扩散适用于小的非极性分子如O₂和CO₂，它们可以直接穿过脂质双层而水溶性分子如葡萄糖和氨基酸则需要通过膜蛋白形成的通道或载体进行促进扩散主动运输可分为原发性主动运输和继发性主动运输原发性主动运输直接利用ATP水解释放的能量，如Na⁺-K⁺ATPase；继发性主动运输则利用一种物质沿浓度梯度流动产生的能量，带动另一种物质逆浓度梯度运输，如Na⁺-葡萄糖协同转运膜电位与信号传导静息电位动作电位信号传导突触传递神经元处于静息状态时，细胞膜当神经元受到刺激达到阈值后，动作电位沿轴突传播，在髓鞘化动作电位到达轴突末端后，电信内外两侧存在约-70mV的电位电压门控Na⁺通道开放，Na⁺内神经元中通过跳跃式传导加速号转变为化学信号电压门控差，这主要由Na⁺-K⁺ATPase维流导致膜电位迅速上升至约信号传导速度取决于轴突直径和Ca²⁺通道开放导致神经递质释持的离子不平衡造成细胞内K⁺+30mV随后Na⁺通道失活、髓鞘化程度，哺乳动物神经元的放，递质与后突触膜上的受体结浓度高、Na⁺浓度低，而细胞外K⁺通道开放，K⁺外流使膜电位传导速度可达120m/s合，引起后突触电位变化，完成相反恢复并暂时过度超极化信息传递细胞连接紧密连接黏着连接由跨膜蛋白occludin和claudin等组成，形成细胞间紧密封闭的连接带由钙粘蛋白-连环蛋白复合物构成，通过细胞骨架连接相邻细胞，提供这种连接阻止细胞间隙的物质自由流动，维持上皮组织的屏障功能，如机械强度这种连接在上皮组织和心肌组织中尤为重要，帮助维持组织肠上皮和血脑屏障的结构完整性桥粒半桥粒由连接蛋白connexin构成的通道蛋白复合体，形成细胞间的直接通信将上皮细胞锚定到基底膜的特化结构，由整合素和其他连接蛋白组成通道这些通道允许小分子和离子在相邻细胞间直接传递，对心脏电信半桥粒将细胞内的中间丝系统与细胞外基质连接，增强组织的机械稳定号的同步传导和胚胎发育尤为重要性，在皮肤等承受机械应力的组织中尤为重要细胞外基质（）ECM胶原蛋白最丰富的ECM蛋白，形成三螺旋结构，提供张力强度人体中有28种不同类型的胶原蛋白，其中I型胶原在皮肤、骨骼和肌腱中最为常见胶原纤维网络为组织提供结构支持和机械强度弹性蛋白具有橡皮样弹性特性，可延展后回复原状富含疏水氨基酸和交联结构，在血管、肺和皮肤等需要反复拉伸的组织中尤为重要弹性蛋白赋予组织弹性回复能力蛋白多糖由蛋白核心和共价连接的糖胺聚糖侧链组成高度水合，形成凝胶状结构，抵抗压缩力软骨中的蛋白多糖如硫酸软骨素能够吸收机械冲击，保护关节黏附蛋白包括黏连蛋白、纤连蛋白和层粘连蛋白等这些蛋白具有多个结合域，可同时与细胞表面受体（如整合素）和其他ECM组分结合，调节细胞黏附、迁移和增殖等行为细胞骨架微丝中间纤维微管最细的细胞骨架组分，直径约7nm，由直径约10nm，由多种蛋白组成，包括角最粗的细胞骨架组分，直径约25nm，由肌动蛋白（actin）分子聚合而成呈双蛋白（上皮细胞）、波形蛋白（肌肉细α-和β-微管蛋白异二聚体以头尾方式聚合螺旋结构，具有极性（正负端），可通胞）、神经丝蛋白（神经元）和层粘蛋成中空管状结构具有明显的极性，可过肌动蛋白结合蛋白进行动态调控白（核纤层）等发生动态不稳定性微丝主要分布于细胞皮层区域，支持细中间纤维无极性，结构稳定，主要提供微管从中心体向周围辐射，参与细胞内胞形态，参与细胞运动、胞质分裂和肌机械支持和抗张力保护，连接细胞连接物质运输、细胞形态维持、细胞分裂肉收缩等过程位点，维持细胞和组织的结构完整性（纺锤体形成）和细胞器定位等过程微丝系统G-肌动蛋白成核单体状态的球状肌动蛋白，每个分子含有一1G-肌动蛋白聚集形成小聚体，作为微丝生长个ATP/ADP结合位点和一个二价阳离子（如2的起点，通常由肌动蛋白相关蛋白如Arp2/3Mg²⁺）结合位点复合物协助解聚延长4ADP-肌动蛋白从负端（-端）解离，再结合3G-肌动蛋白优先在微丝正端（+端）添加，ATP后可再次参与聚合，形成动态循环ATP水解为ADP，使微丝具有动态性和极性微丝的动态重组受多种肌动蛋白结合蛋白调控例如，凝聚蛋白促进微丝形成束状结构；帽蛋白结合微丝端部阻止进一步聚合或解聚；切断蛋白将长微丝切断成短片段；肌球蛋白家族分子则作为分子马达沿微丝移动，介导细胞运动和物质运输微丝网络在细胞中形成多种功能性结构，如细胞皮层、应力纤维、微绒毛和伪足等这些结构对维持细胞形态、调控细胞运动和完成胞吞/胞吐等过程至关重要微丝系统的异常可导致多种疾病，如肌肉疾病和某些神经退行性疾病微管系统微管结构微管是由13条原丝螺旋排列形成的中空管状结构，每条原丝由α-和β-微管蛋白异二聚体首尾相连构成微管具有明显的极性，β-微管蛋白暴露的一端为正端（+端），生长较快；α-微管蛋白暴露的一端为负端（-端），通常锚定在微管组织中心动态不稳定性微管可以快速生长和缩短，这种特性称为动态不稳定性生长中的微管末端结合GTP-微管蛋白形成GTP帽，稳定微管结构；当GTP水解为GDP后，微管变得不稳定，可能发生快速解聚，这种状态转换对微管网络的重组至关重要微管组织中心在动物细胞中，微管通常以中心体为组织中心向细胞周边辐射中心体由一对中心粒和周围的周质物质组成，含有γ-微管蛋白环复合物，作为微管负端的成核位点植物细胞无中心粒，微管从核周区和细胞皮层等多个位点生长微管相关蛋白微管相关蛋白（MAPs）可调节微管的稳定性和功能稳定MAPs如MAP2和tau蛋白促进微管组装并增强稳定性；微管马达蛋白如驱动蛋白（向负端移动）和动力蛋白（向正端移动）则介导细胞器和蛋白质沿微管的运输细胞运动12伪足形成粘附形成细胞前缘肌动蛋白聚合推动质膜向前延伸，形成伪足这一过程伪足与基质形成新的粘附点，通过整合素等粘附受体连接细胞外通常由Rho家族小GTP酶如Rac和Cdc42调控，导致Arp2/3复合物基质和细胞内微丝骨架这些粘附点既提供牵引力，也传递信号激活和分支状微丝网络形成伪足形成是细胞迁移的第一步调控运动过程粘附形成和成熟是动态平衡的过程细胞收缩后部解离细胞体通过肌动蛋白-肌球蛋白系统产生收缩力，推动细胞核和细细胞后部的粘附点解离，允许细胞尾部收回这一过程涉及蛋白胞体向前移动这一过程主要由非肌肉肌球蛋白II和应力纤维介酶降解粘附分子，以及粘附复合物的内吞和重塑后部解离的协导，受ROCK通路调控收缩力是细胞前进的主要动力调对持续有效的细胞迁移至关重要细胞核结构核膜由内、外两层磷脂双分子层组成，形成核被膜核孔复合体穿过核膜的蛋白质结构，调控物质出入染色质3DNA与组蛋白结合形成的复合体，存储遗传信息核仁4核内致密区域，是rRNA合成和核糖体装配的场所细胞核是真核细胞最显著的特征，直径通常为5-10μm，占细胞体积的约10%核膜将核内环境与细胞质分隔，创造了独特的微环境，有利于DNA复制和转录等过程精确进行核膜连续于内质网，在外表面有核糖体附着核孔复合体是由约30种不同蛋白（核孔蛋白）组成的大型结构，直径约120nm，允许小分子被动扩散，同时介导大分子和蛋白质的主动转运一个典型的哺乳动物细胞核含有3000-4000个核孔复合体核基质是核内的非染色质纤维网络，为核内结构提供支架，参与DNA复制、转录和RNA加工等过程染色质与核基质相互作用，形成特定的空间组织和功能区域染色质结构染色体1有丝分裂期染色质的高度浓缩形式染色质环染色质纤维形成的高级结构，直径约300-700nm30nm纤维核小体进一步螺旋盘绕形成的结构核小体4DNA缠绕组蛋白八聚体形成的基本结构单位DNA双螺旋5携带遗传信息的基本分子染色质是DNA与组蛋白和非组蛋白的复合体，是基因组在细胞核内存在的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（每种核心组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两个分子）形成相邻核小体之间由连接DNA（20-80bp）相连根据紧密程度，染色质可分为常染色质（基因活性较高，结构较松散）和异染色质（基因活性低或无，结构致密）异染色质又可分为结构型（如着丝粒和端粒区域）和功能型（如X染色体失活）染色质的开放与关闭通过组蛋白修饰、DNA甲基化等表观遗传机制调控核糖体60S+40S50S+30S真核核糖体组成原核核糖体组成真核生物80S核糖体由大亚基（60S）和小亚基（40S）组原核生物70S核糖体由大亚基（50S）和小亚基（30S）组成，二者在蛋白质合成起始阶段结合大亚基含有28S、成大亚基含有23S和5S rRNA及约34种蛋白；小亚基含

5.8S和5S rRNA及约46种蛋白；小亚基含18S rRNA及约3316S rRNA及约21种蛋白原核核糖体比真核核糖体小且简种蛋白单3功能结合位点核糖体上有三个tRNA结合位点A位（aminoacyl，接受新的氨酰tRNA）、P位（peptidyl，含有肽酰tRNA）和E位（exit，释放脱酰tRNA）蛋白质合成过程中，tRNA在这三个位点间移动核糖体是细胞内蛋白质合成的场所，被称为蛋白质工厂核糖体RNA（rRNA）在核仁中转录和加工，与核糖体蛋白在核仁中组装成亚基，然后输出到细胞质在真核细胞中，核糖体可以游离于细胞质中，也可以结合在内质网表面（形成粗面内质网）核糖体具有肽基转移酶活性，催化肽键形成，这一活性主要由rRNA而非蛋白质提供，表明核糖体本质上是一种核酶核糖体的结构和功能在从细菌到人类的所有生物中高度保守，这反映了蛋白质合成机制的普遍性和古老性内质网高尔基体入面网（cis面）靠近内质网的一侧，接收内质网来的蛋白质cis面囊泡较为松散，含有内质网残留酶在这里，蛋白质开始接受系统性修饰，主要进行早期糖基化修饰和质量控制中间部（medial区）高尔基体的中间区域，由2-4层扁平囊泡组成在此区域进行复杂的糖基化修饰，如添加半乳糖和N-乙酰葡萄糖胺等糖基同时，某些蛋白质在此被磷酸化或其他翻译后修饰出面网（trans面）远离内质网的一侧，负责分拣和包装蛋白质在trans面，完成最终的糖基化修饰，如添加唾液酸蛋白质在此被分选并装入不同类型的运输囊泡，运往最终目的地囊泡运输网络从高尔基体分离出的各种囊泡组成的复杂网络系统包括向溶酶体、细胞膜和分泌囊泡运输的囊泡，以及从高尔基体返回内质网的逆向运输囊泡这一网络由多种被覆蛋白和小GTP酶精确调控溶酶体结构特征溶酶体是由单层膜包围的多形性囊泡，直径通常为

0.1-

1.2μm溶酶体膜含有特殊的糖蛋白（LAMP

1、LAMP2等）和质子泵（V型ATPase），维持其内部酸性环境溶酶体内含有丰富的水解酶，可降解各种生物大分子水解酶系统溶酶体含有约50种不同的水解酶，包括蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、脂肪酶和磷酸酶等这些酶在酸性条件（pH

4.5-

5.0）下活性最佳，但在中性细胞质pH下活性很低，防止细胞自我消化水解酶通过M6P信号途径被靶向转运至溶酶体生理功能溶酶体是细胞的消化系统，负责降解胞吞、自噬和胞吞噬过程中摄入的物质此外，溶酶体参与细胞膜修复、抗原呈递、细胞死亡和组织重塑等过程在某些细胞类型中，溶酶体还具有分泌功能，可通过调节性胞吐释放其内容物相关疾病溶酶体功能障碍可导致多种疾病，最典型的是溶酶体贮积症，如高雪氏病（葡萄糖脑苷脂酶缺陷）、泰-萨克斯病（己糖氨酶A缺陷）和庞贝病（酸性α-葡萄糖苷酶缺陷）等这些疾病通常表现为代谢物质异常积累，导致进行性组织和器官损伤过氧化物酶体基本结构过氧化物酶体是直径

0.1-1μm的单层膜包围的细胞器，内含颗粒状或结晶状基质与其他细胞器不同，过氧化物酶体不含DNA或核糖体，其所有蛋白质都在细胞质核糖体上合成后导入膜上含有特异性转运蛋白，介导蛋白质和代谢物的出入蛋白质导入机制过氧化物酶体蛋白质通过特殊的信号序列（PTS1和PTS2）被识别并导入PTS1是C端的SKL三肽序列，被PEX5受体识别；PTS2是N端的九肽序列，被PEX7识别蛋白质在完全折叠状态下被转运，这与线粒体和叶绿体的导入机制显著不同代谢功能过氧化物酶体参与多种代谢过程，最重要的是长链和极长链脂肪酸的β-氧化、氨基酸代谢和牛磺酸合成其特征性酶系统产生和分解H₂O₂氧化酶利用分子氧氧化底物产生H₂O₂，而过氧化氢酶随后将H₂O₂分解为水和氧气，防止氧化损伤相关疾病过氧化物酶体功能障碍导致一系列疾病，统称为过氧化物酶体病最严重的是Zellweger综合征，由PEX基因突变导致过氧化物酶体生物合成缺陷，表现为严重的神经发育异常、肝功能障碍和面部畸形X连锁肾上腺脑白质营养不良（X-ALD）则是由极长链脂肪酸转运蛋白（ABCD1）缺陷导致线粒体能量产生双膜结构通过氧化磷酸化产生ATP，是细胞的主要能量来源，每个葡萄糖分子可产生约线粒体外膜含有孔蛋白，允许小分子自34分子ATP由通过；内膜高度折叠形成嵴，富含呼吸链复合物和ATP合酶自主基因组3含有环状DNA（

16.5kb），编码13种蛋白质、22种tRNA和2种rRNA，以母系疾病关联遗传方式传递线粒体功能障碍与多种疾病相关，包括动态网络4神经肌肉疾病、代谢综合征和神经退行线粒体持续进行分裂和融合，形成动态性病变网络，响应细胞能量需求和环境变化线粒体与能量代谢三羧酸循环发生在线粒体基质中，将乙酰CoA完全氧化为CO₂，同时产生还原当量NADH和FADH₂每个乙酰CoA通过一轮TCA循环产生3个NADH、1个FADH₂和1个GTP/ATP该循环由多种酶催化，如柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合物等电子传递链位于线粒体内膜上，由四个大型蛋白质复合物（复合物I-IV）和两个电子载体（辅酶Q和细胞色素c）组成NADH和FADH₂将电子传递给复合物I和II，电子沿着呼吸链传递到最终受体O₂，同时在复合物I、III和IV将质子泵出基质，形成跨膜质子梯度氧化磷酸化由ATP合酶（复合物V）利用质子梯度驱动ATP合成质子沿浓度梯度流回基质，释放的能量用于催化ADP和Pi合成ATP这一过程遵循化学渗透偶联理论，由Mitchell于1961年提出一个葡萄糖分子通过有氧代谢可产生约34个ATP，远高于无氧糖酵解的2个ATP线粒体与细胞凋亡线粒体在细胞凋亡过程中扮演关键角色凋亡刺激导致Bax/Bak蛋白在线粒体外膜形成孔道，释放细胞色素c和其他促凋亡因子如Smac/DIABLO细胞质中的细胞色素c与Apaf-1结合形成凋亡小体，激活caspase级联反应，最终导致细胞凋亡叶绿体结构组成功能与代谢基因组与进化叶绿体是植物和藻类细胞中进行光合作叶绿体进行光合作用，将光能转化为化叶绿体含有自己的环状DNA基因组用的场所，长度为5-10μm，宽度为2-学能这一过程分为两个阶段光反应（120-170kb），编码约120种蛋白质，4μm叶绿体具有双层膜结构外膜具和暗反应光反应在类囊体膜上进行，主要与光合作用和转录翻译有关叶绿有高通透性；内膜选择性透过膜内空包括光能吸收、水分解、电子传递、质体基因组呈母系遗传，但大多数叶绿体间被称为基质（stroma），内含DNA、核子梯度形成和ATP合成等步骤，产生蛋白（约95%）由核基因编码，在细胞糖体和多种酶NADPH和ATP质合成后导入叶绿体内膜向内折叠形成片层状结构——类囊体暗反应（卡尔文循环）在基质中进行，根据内共生学说，叶绿体起源于古代蓝（thylakoid），类囊体堆叠形成基粒利用光反应产生的ATP和NADPH将CO₂固藻被真核细胞内吞后共生演化而来，距（granum）光合色素（如叶绿素a、定为有机碳化合物关键酶是核酮糖-今约10亿年这一理论由Lynn Margulisb）和光合系统蛋白主要位于类囊体膜1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco），提出，得到了基因组学和比较解剖学的中，而碳固定反应酶则位于基质中这是地球上最丰富的蛋白质，也是光合广泛支持内共生过程中，大量原始蓝作用的限速步骤藻基因转移至宿主核基因组蛋白质合成与运输中心法则DNA到蛋白质蛋白质合成遵循分子生物学中心法则DNA通过转录生成RNA，RNA通过翻译合成蛋白质转录在细胞核中进行，由RNA聚合酶催化，生成前体mRNA，经过加帽、剪接和加尾等加工步骤形成成熟mRNA翻译在细胞质中进行，由核糖体、tRNA和多种翻译因子共同完成翻译过程三个阶段翻译包括起始、延伸和终止三个阶段起始阶段，核糖体小亚基识别mRNA的5端，起始tRNA结合AUG密码子；核糖体大亚基加入形成完整翻译复合物延伸阶段，氨酰tRNA依次进入A位，形成肽键，核糖体沿mRNA移动终止阶段，当终止密码子进入A位，释放因子导致肽链释放，翻译复合物解离信号假说与蛋白质定位蛋白质合成后需运输到正确的亚细胞位置根据Günter Blobel提出的信号假说，蛋白质含有特定的氨基酸序列（信号序列），指导其定位分泌蛋白和膜蛋白的N端信号肽被信号识别颗粒SRP识别，将核糖体-新生肽复合物靶向至内质网线粒体、叶绿体和过氧化物酶体蛋白则具有各自特异的靶向信号蛋白质分选与运输网络内质网-高尔基体运输网络负责蛋白质的分选与运输内质网中合成的蛋白质经COPII被覆囊泡转运至高尔基体，在高尔基体内依次经过cis、medial和trans区域进行加工修饰，最后在trans高尔基网中被分选至不同目的地，如溶酶体、细胞膜或分泌途径这一过程由多种信号序列和转运蛋白精确调控蛋白质修饰与降解翻译后修饰蛋白质折叠与质量控制蛋白质合成后通常需要经过各种化学修饰才能获得完全功能常见的翻译后新合成的多肽链需要折叠成特定三维结构才能发挥功能折叠过程由分子伴修饰包括磷酸化（由蛋白激酶催化，调节酶活性和信号传导）；糖基化侣辅助，主要包括热休克蛋白家族（如Hsp

70、Hsp90和分子伴侣素）内质（主要在内质网和高尔基体中进行，影响蛋白质折叠和稳定性）；泛素化网中存在严格的质量控制系统，折叠不正确的蛋白质被识别并运回细胞质降（标记蛋白质用于降解）；乙酰化（影响染色质结构和基因表达）；甲基化、解（ER相关降解，ERAD）持续的未折叠蛋白积累会触发内质网应激反应脂肪酰化和蛋白水解切割等（UPR）泛素-蛋白酶体系统自噬降解途径泛素-蛋白酶体系统是细胞内主要的蛋白质选择性降解途径靶蛋白先被多个自噬是细胞降解自身组分的过程，可分为大自噬、微自噬和分子伴侣介导的泛素分子标记（通过E1激活酶、E2结合酶和E3连接酶的级联反应），然后被自噬在大自噬过程中，双层膜结构（自噬体）包围细胞质成分或细胞器，26S蛋白酶体识别并降解26S蛋白酶体由20S核心颗粒（具有蛋白酶活性）然后与溶酶体融合形成自噬溶酶体，内容物被降解自噬在应对营养缺乏、和19S调节颗粒（识别泛素化蛋白并去除泛素）组成该系统调控多种关键清除受损细胞器和防御病原体等方面发挥重要作用自噬调控异常与多种疾细胞过程，如细胞周期、基因表达和应激响应病相关，包括神经退行性疾病、癌症和感染性疾病膜泡运输运输出芽膜泡在细胞骨架的协助下移动到目标膜膜泡从供体膜形成的过程，通常由被覆蛋白协助1完成系留膜泡通过系留因子与目标膜初步结合融合5对接膜泡膜与目标膜融合，释放内容物，完成物质转运v-SNARE和t-SNARE蛋白相互识别，促进膜泡与目标膜紧密接触膜泡运输是真核细胞中物质转运的主要方式，确保物质可以在不同膜性结构间定向传递被覆蛋白在膜泡出芽过程中起关键作用，主要包括网格蛋白（clathrin，介导内吞和高尔基体到溶酶体的运输）；COPI（介导高尔基体到内质网的逆向运输）；COPII（介导内质网到高尔基体的顺向运输）小GTP酶在膜泡运输的各个阶段发挥调控作用Arf和Sar1负责招募被覆蛋白并启动膜泡形成；Rab GTPases协调膜泡运输、对接和融合过程，不同的Rab蛋白定位于不同的细胞器膜上，确保膜泡运输的特异性SNARE蛋白则是膜融合的核心机制，通过形成紧密的四螺旋束结构，克服膜融合的能量屏障细胞内吞与胞吐内吞作用类型内吞物质的命运胞吐作用内吞作用是细胞将外部物质摄入的过程，可内吞后的物质进入早期内体，然后可能经历胞吐作用是细胞将物质排出的过程，涉及膜分为几种主要类型几种不同的命运泡与细胞膜的融合胞吐作用可分为•吞噬作用细胞摄取大颗粒（

0.5μm）如•通过晚期内体运送至溶酶体降解•组成性胞吐持续发生，负责细胞膜成分细菌、死亡细胞等，主要由巨噬细胞等特更新和细胞生长•通过再循环内体返回细胞表面化细胞执行•调节性胞吐响应特定信号（通常是胞内•转运至高尔基体•吞饮作用细胞摄取液体和溶解的小分子，钙水平升高），如神经递质释放、激素分•转运至细胞其他区域，如反向转运至内质形成内吞小泡泌网•受体介导的内吞特定的膜受体结合配体胞吐过程中，膜泡首先通过细胞骨架运输到这一分选过程由内体膜上的各种信号和Rab蛋后被内化，如LDL受体介导的胆固醇摄取细胞膜附近，然后通过SNARE蛋白介导的膜融白精确调控，确保物质被送达正确的目的地•网格蛋白介导的内吞最经典的内吞形式，合释放内容物调节性胞吐通常需要胞内钙内体酸化过程（pH从早期内体的

6.5降至晚期网格蛋白在膜下形成特征性的篮状结构离子浓度升高，激活特定的钙感受蛋白如突内体的

5.5）促进配体-受体复合物解离，允许触结合蛋白和突触磷蛋白，促进膜融合事件受体再循环利用•凹陷介导的内吞通过富含胆固醇和鞘脂的膜微区进行的内吞，独立于网格蛋白细胞信号传导信号分子激素、生长因子、神经递质、细胞因子和基质分子受体识别细胞表面受体或胞内受体特异性结合信号分子信号转导3级联反应放大信号，通常涉及蛋白质磷酸化细胞响应基因表达改变、蛋白质活性调节、细胞代谢和行为变化细胞信号传导是细胞感知和响应外部环境变化的基本机制根据信号分子的性质和作用距离，可将细胞信号分为自分泌信号（作用于信号产生细胞本身）、旁分泌信号（作用于附近细胞）、内分泌信号（通过血液传递至远处靶细胞）和神经信号（通过神经元传递）信号传导通路表现出复杂的调控特性，包括信号放大（一个信号分子可激活多个下游分子，产生级联效应）、集成（多个信号通路的交叉互动）、时空调控（不同细胞或不同发育阶段的差异反应）以及负反馈调节（避免信号过度激活）这些特性确保细胞能够精确地响应复杂多变的环境信号细胞内常见的第二信使包括环腺苷酸（cAMP）、钙离子（Ca²⁺）、肌醇三磷酸（IP₃）、二酰甘油（DAG）和磷脂酰肌醇（PI）等这些小分子在细胞内迅速扩散，将信号从细胞膜传递到细胞内部，激活下游效应分子如蛋白激酶和转录因子，最终调控细胞行为蛋白偶联受体信号通路G受体结构与激活G蛋白偶联受体（GPCR）是最大的膜受体家族，人类基因组编码约800种GPCR具有特征性的七次跨膜结构，含有胞外N端（负责配体结合）、7个跨膜α-螺旋（形成疏水核心）和胞内C端（与G蛋白相互作用）配体结合导致受体构象变化，激活相关的G蛋白G蛋白循环异三聚体G蛋白由α、β和γ亚基组成静息状态下，Gα亚基结合GDP当GPCR被激活后，促使Gα释放GDP并结合GTP，导致Gα与Gβγ二聚体解离活化的Gα-GTP和Gβγ分别调控下游效应分子Gα具有GTP酶活性，能将GTP水解为GDP，从而终止信号并重新与Gβγ结合，回到初始状态第二信使系统根据Gα亚基类型，G蛋白可激活不同的信号途径Gαs激活腺苷酸环化酶，增加cAMP水平，激活PKA；Gαi抑制腺苷酸环化酶，降低cAMP水平；Gαq激活磷脂酶Cβ，产生IP₃和DAG，IP₃促进内质网释放Ca²⁺，DAG激活PKC；Gα12/13调控小GTP酶如Rho，影响细胞骨架和基因表达信号终止与脱敏GPCR信号通路具有复杂的调控机制，确保信号的精确传递受体激活后会迅速被GRK（G蛋白偶联受体激酶）磷酸化，促使β-抑制蛋白结合，阻断G蛋白激活，这一过程称为同源性脱敏磷酸化的受体随后被内吞，可能经历降解或再循环长期刺激导致受体下调，即细胞总受体数量减少酪氨酸激酶受体信号通路受体二聚化配体结合配体结合促使两个受体分子形成二聚体2生长因子如EGF、PDGF、insulin结合受体胞外区自磷酸化二聚体形成使胞内激酶区相互磷酸化特定酪氨酸残基35下游级联激活触发多条信号途径，导致细胞生长、分化或代谢变化信号蛋白募集4磷酸化位点招募含SH2或PTB结构域的信号蛋白酪氨酸激酶受体（RTKs）是一类跨膜蛋白，通过催化ATP依赖的酪氨酸残基磷酸化传递信号人类基因组编码约58种RTKs，分为约20个亚家族，包括表皮生长因子受体（EGFR）、血小板衍生生长因子受体（PDGFR）、胰岛素受体（IR）和血管内皮生长因子受体（VEGFR）等RTKs激活三条主要下游信号通路1Ras-MAPK通路，通过Grb2和Sos激活Ras，引发MAPK级联反应（Raf→MEK→ERK），最终调控细胞增殖和分化；2PI3K-Akt通路，PI3K产生PIP3，激活Akt，促进细胞生存和代谢；3PLCγ通路，产生IP3和DAG，增加胞内钙水平和激活PKCJAK-STAT通路是另一种重要的信号传导机制，主要由细胞因子受体激活当细胞因子结合受体后，相关的Janus激酶（JAKs）被激活并磷酸化受体，创造STAT蛋白的结合位点STAT结合后被JAK磷酸化，形成二聚体并转位至核内，调控基因表达该通路在免疫反应、造血和细胞生长中发挥关键作用细胞周期细胞周期调控周期蛋白细胞周期依赖性激酶检查点控制周期蛋白是在细胞周期特定阶段合成和CDK是一组丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，通细胞周期检查点是监测和响应细胞内异降解的调节蛋白，通过与CDK结合激活过磷酸化多种底物蛋白调控细胞周期进常的机制，确保细胞周期事件的正确顺其激酶活性主要周期蛋白包括Cyclin程CDK活性受多重调控，包括与周期序G₁/S检查点主要监测DNA损伤，防D（G₁期）、Cyclin E（G₁/S转换）、蛋白结合、抑制性磷酸化（由Wee1和止携带损伤的DNA进入复制；G₂/M检查Cyclin A（S期和G₂期）和Cyclin BMyt1催化）、激活性磷酸化（由CAK催点确保DNA复制完成且无损伤；M期纺（G₂/M转换）周期蛋白水平的周期性化）以及与CDK抑制物（CKI）结合主锤体检查点监测染色体与纺锤体微管的变化是通过转录调控和泛素介导的蛋白要的CKI包括Ink4家族（p16,p15等）和正确连接，防止染色体错误分离酶体降解实现的Cip/Kip家族（p21,p27等）p53与细胞周期阻滞p53是重要的肿瘤抑制因子，在响应DNA损伤、低氧和异常增殖信号时被激活激活的p53促进p21转录，p21抑制CDK活性，导致细胞周期G₁和G₂期阻滞，给细胞时间修复损伤若损伤严重无法修复，p53可触发细胞凋亡，防止潜在的癌变p53基因突变是人类癌症中最常见的遗传改变，约50%的肿瘤含有p53突变有丝分裂1前期染色质凝聚成可见的染色体，每条染色体由两条染色单体组成，通过着丝粒连接核膜和核仁开始解体中心体向细胞两极移动，开始形成纺锤体微管核纤层蛋白磷酸化导致核膜解组装2中期染色体通过着丝粒上的动粒蛋白与纺锤体微管连接，排列在细胞赤道板上这一排列确保姐妹染色单体能够正确分配到两个子细胞纺锤体检查点确保所有染色体都正确连接到纺锤体后，细胞才能进入后期3后期姐妹染色单体分离，向细胞相反两极移动这一过程由着丝粒连接蛋白的切割和微管的缩短共同推动细胞继续伸长，为胞质分裂做准备后期可分为A期（染色体移动）和B期（纺锤体极进一步分开）4末期染色体到达细胞两极后开始解凝，核膜重新形成，核仁重现纺锤体解体，染色体逐渐恢复为染色质状态同时，胞质分裂开始，在细胞赤道面形成收缩环，最终将一个母细胞分裂为两个遗传物质相同的子细胞减数分裂减数第一次分裂减数第二次分裂与有丝分裂的比较减数第一次分裂具有几个独特特征前期I减数第二次分裂与有丝分裂相似前期II中减数分裂与有丝分裂的主要区别在于1中同源染色体配对形成四分体，发生交叉染色体重新凝聚；中期II染色体排列在赤道减数分裂包括两次连续的细胞分裂，而有互换；中期I同源染色体（而非姐妹染色单板上；后期II姐妹染色单体分离；末期II形丝分裂只有一次；2减数分裂产生四个单体）排列在赤道板上；后期I同源染色体分成四个单倍体子细胞第二次分裂不再有倍体子细胞，而有丝分裂产生两个与母细离到细胞两极，而姐妹染色单体保持连接DNA复制过程，直接将姐妹染色单体分开胞染色体数相同的子细胞；3减数分裂中这一过程将染色体数目减半，从2n减至n发生同源染色体配对和交叉互换，导致遗传重组，而有丝分裂没有这些过程减数分裂产生的四个子细胞是单倍体的，特别是前期I可进一步细分为细线期（染色每个含有原始二倍体细胞染色体组的四分减数分裂错误可导致染色体数目异常，如体开始凝聚）、偶线期（同源染色体配之一这些单倍体细胞成为配子（精子或非分离导致的三体综合征或单体综合征对）、粗线期（形成联会复合体，发生交卵细胞），在受精过程中结合形成新的二人类唐氏综合征（21三体症）是由减数分叉互换）、双线期（交叉互换完成，可见倍体生物个体减数分裂过程中的染色体裂中21号染色体非分离引起的减数分裂交叉结构）和终变期（同源染色体开始分重组和随机分配是有性生殖产生遗传多样调控异常也与不育和某些癌症相关离）交叉互换导致基因重组，增加遗传性的基础多样性细胞分化干细胞具有自我更新能力和多向分化潜能祖细胞2分化方向已部分确定的中间状态细胞前体细胞3已确定分化方向但尚未完全成熟的细胞终末分化细胞4完全分化的功能性细胞，通常失去分裂能力细胞分化是细胞从不特化状态发展为特化状态的过程，是多细胞生物发育的基础人体约200多种不同类型的细胞都来源于单一的受精卵细胞分化过程中，基因表达谱发生显著变化，某些基因被激活而另一些被抑制，导致细胞获得特定形态和功能表观遗传调控在细胞分化中起关键作用DNA甲基化（通常发生在CpG岛）通常与基因沉默相关；组蛋白修饰如乙酰化（促进基因表达）和甲基化（可激活或抑制基因，取决于修饰位点）调节染色质结构和可及性；非编码RNA如微RNA和长链非编码RNA参与转录后调控和染色质重塑转录因子网络是细胞分化的主要调控机制关键转录因子（主调因子）可启动特定分化程序，如MyoD在肌肉分化、RUNX2在骨分化中的作用这些因子常形成复杂的调控网络，包括正反馈循环和交叉抑制，稳定特定的细胞命运细胞命运决定还受外部信号如形态发生素（如Wnt、Hedgehog、Notch和BMP）和细胞-细胞接触的影响干细胞生物学胚胎干细胞胚胎干细胞ES细胞来源于胚胎内细胞团，具有全能性，能分化为机体所有类型的细胞，包括胚层内、外和中胚层衍生的组织人类ES细胞在体外培养时表达多能性标记如Oct

4、Nanog和Sox2，需要特定生长因子维持未分化状态ES细胞具有无限增殖潜能，但也存在形成畸胎瘤的风险成体干细胞成体干细胞存在于发育完成的组织和器官中，负责组织的维持和修复与ES细胞相比，成体干细胞的分化潜能较为有限主要类型包括造血干细胞（产生所有血细胞类型）、神经干细胞（产生神经元和胶质细胞）、肠道干细胞（更新肠道上皮）和表皮干细胞（维持皮肤更新）等成体干细胞通常位于特定微环境（干细胞巢）中，受周围细胞和细胞外信号的精确调控诱导多能干细胞诱导多能干细胞iPSCs是通过重编程技术从成体细胞获得的类ES细胞2006年，山中伸弥团队发现通过引入四个转录因子（Oct

4、Sox

2、Klf4和c-Myc，即山中因子）可将成纤维细胞重编程为多能状态iPSCs具有ES细胞的主要特征，包括自我更新能力、多向分化潜能和特征性标记表达iPSCs技术克服了ES细胞的伦理争议，并允许创建患者特异的干细胞用于疾病建模和个体化治疗再生医学应用干细胞在再生医学中具有广阔应用前景造血干细胞移植已成功用于治疗血液系统疾病和某些癌症；间充质干细胞因其免疫调节作用用于治疗自身免疫性疾病；干细胞衍生的细胞和组织正在开发用于替代治疗，如β细胞用于糖尿病、神经元用于帕金森病、心肌细胞用于心脏病等器官类器官（organoids）技术允许在体外培养微型器官结构，为药物筛选、毒性测试和疾病建模提供新工具细胞凋亡凋亡刺激细胞凋亡可由多种因素触发，包括DNA损伤（如紫外线、电离辐射引起）；生长因子缺乏；死亡受体配体（如TNF-α、FasL、TRAIL）；细胞内应激（如内质网应激、线粒体功能障碍）；生理发育信号（如胚胎发育中的组织重塑）不同刺激激活不同的凋亡途径凋亡信号通路凋亡有两条主要通路外源途径通过死亡受体激活，如细胞表面Fas受体结合FasL后，通过胞内死亡结构域招募FADD和procaspase-8，形成死亡诱导信号复合物DISC，激活caspase-8；内源途径（线粒体途径）由细胞内信号触发，导致Bax/Bak在线粒体外膜形成孔道，释放细胞色素c，与Apaf-1和procaspase-9形成凋亡体，激活caspase-9执行阶段两条凋亡途径最终汇聚于执行者caspase（主要是caspase-

3、6和7）的激活执行者caspase通过切割数百个底物蛋白导致细胞凋亡的特征性变化染色质凝集（由CAD核酸酶介导）；细胞皱缩和膜起泡（由细胞骨架蛋白如肌动蛋白和层粘蛋白的切割导致）；磷脂酰丝氨酸外翻（作为吞噬细胞的吃我信号）；DNA断裂形成典型的梯状条带细胞清除凋亡细胞表面暴露的磷脂酰丝氨酸被周围的吞噬细胞识别，触发凋亡细胞的吞噬和消化这一过程迅速清除死亡细胞，防止内容物释放导致的炎症反应凋亡是一种干净的细胞死亡形式，与坏死等引起强烈炎症反应的死亡方式不同凋亡异常与多种疾病相关，包括神经退行性疾病（凋亡过多）和癌症（凋亡抵抗）细胞衰老复制性衰老应激诱导衰老1961年，Leonard Hayflick发现正常人体细胞在体外培养有有限的分裂次数（约50次，除了复制极限外，细胞还可因各种应激因素提前进入衰老状态，称为应激诱导衰老或加称为Hayflick极限），之后进入不可逆的生长停滞状态这种现象称为复制性衰老，主速衰老主要诱因包括DNA损伤（如辐射、化疗药物）；氧化应激（活性氧种过量）；要由端粒缩短驱动端粒是染色体末端的重复DNA序列（人类为TTAGGG），每次DNA致癌基因激活（如Ras或BRAF过表达）；表观遗传改变（如组蛋白去乙酰化酶抑制）复制都会缩短，当端粒长度减少到临界值以下时，触发DNA损伤反应，激活p53和p16-此类衰老通常不依赖于端粒缩短，但同样激活p53和p16通路Rb通路，导致细胞周期永久性阻滞衰老细胞特征衰老相关分泌表型衰老细胞表现出多种特征性改变永久性生长停滞，对生长因子刺激无反应；形态学改衰老细胞虽不再分裂，但仍代谢活跃，分泌多种生物活性分子，统称为衰老相关分泌表变，细胞扁平化和增大；衰老相关β-半乳糖苷酶SA-β-gal活性增强；衰老相关异染色型SASPSASP组分包括前炎症细胞因子（如IL-

6、IL-

8、IL-1α/β）；趋化因子；生质斑点SAHF形成；持续性DNA损伤反应；细胞周期抑制因子如p16INK4a和p21CIP1表长因子；蛋白酶（如MMP）；活性氧种ROSSASP通过旁分泌方式影响周围细胞和组达升高；抗凋亡蛋白如Bcl-2和Bcl-XL表达增加，使衰老细胞对凋亡刺激抵抗织微环境，可促进组织修复、诱导邻近细胞衰老、激活免疫清除，但长期存在也可促进炎症和组织功能退化，与多种衰老相关疾病有关细胞应激反应热休克反应热休克反应是细胞面对温度升高等应激条件的保护性机制高温导致蛋白质变性和错误折叠，触发热休克转录因子HSF的激活HSF三聚体结合热休克元件HSE，促进热休克蛋白HSPs的表达HSPs是分子伴侣，帮助蛋白质正确折叠并防止聚集主要HSP家族包括HSP70（帮助新合成蛋白质折叠）、HSP90（稳定信号蛋白）和小分子HSPs（防止蛋白质聚集）预热处理可增强细胞对后续应激的耐受性，称为热适应氧化应激反应氧化应激由活性氧种ROS和活性氮种RNS过量产生引起，超出细胞抗氧化防御能力主要ROS包括超氧阴离子O₂⁻、过氧化氢H₂O₂和羟基自由基OH·细胞通过抗氧化系统应对氧化应激，包括酶促系统（如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶）和非酶促系统（如谷胱甘肽、维生素C和E）转录因子Nrf2通过结合抗氧化反应元件ARE，调控多种抗氧化和解毒基因的表达，是氧化应激响应的主要调节器内质网应激反应内质网应激由未折叠或错误折叠蛋白质在内质网腔内积累引起，激活未折叠蛋白反应UPRUPR通过三个主要感受器（PERK、IRE1α和ATF6）传递信号，启动三种策略1减少新蛋白质合成（通过PERK-eIF2α通路）；2增加内质网折叠能力（上调分子伴侣如GRP78/BiP和GRP94）；3增强错误折叠蛋白清除（通过ERAD系统）短期UPR具保护作用，但持续的内质网应激可触发细胞凋亡，与多种疾病如神经退行性疾病、糖尿病相关细胞适应与命运决定细胞面对应激可有多种响应1应激适应—激活保护机制克服应激，恢复正常功能；2细胞凋亡—当应激超出修复能力时触发的程序性死亡；3自噬—降解损伤组分以维持细胞生存；4衰老—永久细胞周期阻滞，防止潜在的有害细胞增殖；5坏死性死亡—在极端应激条件下发生的非程序性死亡应激反应的命运决定涉及多种信号通路的整合，如MAPK级联、PI3K-Akt通路和NF-κB通路等，不同强度和持续时间的应激可能导致不同的细胞命运细胞病理学基础细胞损伤与适应细胞损伤机制细胞死亡类型细胞面对有害刺激可发生适应性变化或细胞损伤的常见机制包括氧化应激细胞死亡可分为几种主要形式凋亡损伤适应性改变包括肥大（细胞体（活性氧种过量，导致脂质过氧化、蛋（程序性细胞死亡，特征为染色质凝积增大，如心肌细胞对血压升高的适白质氧化和DNA损伤）；ATP耗竭（影响集、膜起泡和凋亡小体形成，通常不引应）；增生（细胞数量增加，如肝脏部能量依赖性细胞功能，如Na⁺-K⁺起炎症）；坏死（被动的非程序性死分切除后的再生）；萎缩（细胞体积减泵）；钙稳态失衡（胞质钙超载激活多亡，特征为细胞肿胀、膜破裂和内容物小，如废用肌肉萎缩）；化生（一种分种蛋白酶和磷脂酶）；线粒体损伤（电释放，引起强烈炎症）；自噬性细胞死化细胞类型转变为另一种，如食管鳞状子传递链功能障碍和细胞凋亡调控）；亡（过度自噬导致的程序性死亡）；焦上皮转变为柱状上皮）膜损伤（导致膜通透性改变和细胞肿亡（炎症性程序性死亡，依赖caspase-1胀）；蛋白质错误折叠（导致细胞毒性和IL-1β）；铁死亡（铁依赖性脂质过氧这些适应性变化通常是可逆的，反映了聚集物）化导致的调控性死亡）细胞对环境压力的调整能力适应不足不同病因可通过一种或多种机制导致细时细胞会发生损伤，轻度损伤通常可胞损伤，如缺血通过ATP耗竭和钙超载双理解这些死亡方式的分子机制对于开发逆，而严重损伤则导致不可逆损伤和细重机制损伤细胞针对相关疾病的干预策略至关重要胞死亡癌细胞生物学无限增殖代谢重编程逃避免疫监视侵袭与转移正常细胞的增殖受到严格控制，Warburg效应是癌细胞的典型代癌细胞通过多种机制逃避免疫系转移是癌症致死的主要原因，涉而癌细胞突破了这些限制它们谢特征，即即使在氧气充足条件统的攻击下调主要组织相容性及多步级联过程上皮-间质转可以独立于外部生长信号增殖，下也主要依靠糖酵解产生能量，复合体MHC减少抗原呈递；分化EMT，癌细胞获得迁移能力；同时对抑制性信号不敏感细胞而非氧化磷酸化这种代谢模式泌抑制性细胞因子如TGF-β和IL-局部侵袭，破坏基底膜和细胞外周期检查点失效使有损伤的DNA虽然ATP产量低，但能快速提供10；表达PD-L1等免疫检查点分基质；血管内渗透；循环中存活；得以复制端粒酶重激活（在约能量和生物合成前体分子，支持子抑制T细胞活性；募集抑制性在远处器官微血管床停留；血管90%的人类癌症中发现）维持端快速增殖此外，癌细胞常表现免疫细胞如调节性T细胞和髓源外渗透；在新环境中形成微转移粒长度，使癌细胞逃避复制性衰出谷氨酰胺成瘾、脂质代谢改变性抑制细胞理解这些机制促进灶；转移性生长每个步骤都需老，获得无限增殖能力和对氧化应激的适应这些代谢了免疫检查点抑制剂等免疫治疗要特定的适应性改变，理解这些改变为癌症治疗提供了潜在靶点的发展分子机制有助于开发抗转移治疗策略细胞免疫学免疫系统由多种细胞类型组成，共同协作保护机体免受病原体侵害T淋巴细胞（T细胞）是细胞免疫的核心，根据功能和表面标记可分为CD4⁺辅助T细胞（Th细胞）和CD8⁺细胞毒性T细胞（CTL）Th细胞通过分泌细胞因子协调免疫反应，而CTL则直接杀伤感染细胞和癌细胞B淋巴细胞（B细胞）负责体液免疫，可分化为浆细胞产生抗体抗原递呈细胞（如树突状细胞）捕获、加工抗原并将其呈递给T细胞，是连接先天免疫和适应性免疫的桥梁此外，单核/巨噬细胞、NK细胞、粒细胞等共同构成完整的免疫细胞网络免疫细胞间通过复杂的相互作用和细胞因子网络进行通讯了解这些细胞相互作用的分子机制对于理解免疫系统功能和开发免疫治疗至关重要细胞生物学与疾病遗传性疾病许多遗传病都源于细胞分子机制的缺陷囊性纤维化是由CFTR氯离子通道基因突变导致的常染色体隐性遗传病，患者细胞无法正常运输氯离子，导致分泌物异常粘稠亨廷顿舞蹈症则是由HTT基因中CAG三核苷酸重复扩增引起的常染色体显性神经退行性疾病，导致异常蛋白聚集和神经元损伤代谢性疾病代谢性疾病涉及细胞代谢途径异常2型糖尿病的特征是胰岛素抵抗，细胞内胰岛素信号通路受损导致葡萄糖转运蛋白GLUT4转位异常肥胖涉及脂肪细胞肥大和脂肪组织炎症，脂肪细胞分泌异常的脂肪因子影响全身代谢线粒体功能障碍在代谢综合征发病中起关键作用，影响能量代谢和氧化应激水平神经退行性疾病神经退行性疾病通常与蛋白质错误折叠和聚集相关阿尔茨海默病中，β-淀粉样蛋白形成细胞外斑块，tau蛋白过度磷酸化形成细胞内神经纤维缠结帕金森病则特征性地出现α-突触核蛋白聚集形成路易体这些病理变化通常伴随自噬和蛋白酶体功能障碍，导致有毒蛋白累积，最终引起神经元凋亡细胞治疗策略基于细胞生物学的治疗方法不断发展干细胞治疗利用干细胞的分化潜能修复受损组织，如造血干细胞移植治疗血液系统疾病CAR-T细胞疗法通过基因修饰T细胞表达嵌合抗原受体，特异性识别并杀伤肿瘤细胞外泌体作为细胞间通讯介质，也显示出治疗潜力此外，基因编辑技术如CRISPR-Cas9为遗传性疾病提供了精准治疗的可能细胞生物学前沿技术1-5nm24h超分辨率显微技术单细胞测序技术突破传统光学显微镜衍射极限（约200nm），实现纳米级分允许分析单个细胞的基因组、转录组或表观基因组，揭示细辨率的成像技术主要包括STORM/PALM利用单分子定位胞异质性此技术已应用于癌症研究、发育生物学和免疫学原理；SIM通过频率域重构；STED通过荧光猝灭缩小有效激发等领域，绘制了多种组织的细胞图谱最新进展包括空间转体积这些技术使科学家能观察以前无法分辨的亚细胞结构录组学，结合细胞的空间位置信息，以及多组学联合分析，和分子相互作用同时测量同一细胞的DNA、RNA和蛋白质100%CRISPR基因编辑革命性的基因编辑工具，利用Cas蛋白和引导RNA精确修改基因组原始CRISPR-Cas9系统可进行基因敲除；改进版可实现碱基编辑和质粒编辑，无需DNA双链断裂；CRISPRa/CRISPRi系统则可调控基因表达而非编辑序列这些技术为功能基因组学研究和基因治疗开辟了新途径活细胞成像技术也取得重大进展，荧光蛋白和生物传感器的开发使研究人员能够实时监测细胞内分子活动光遗传学和化学遗传学工具则允许精确控制特定蛋白质的活性，研究其功能细胞器特异性标记技术使科学家能够选择性地标记和操作单个细胞器，研究其动态和功能生物物理学方法如原子力显微镜和光镊技术使研究人员能测量细胞和分子水平的力学特性结构生物学技术如冷冻电镜也实现了革命性进步，能以接近原子分辨率揭示复杂生物分子的结构这些前沿技术共同推动细胞生物学研究进入新时代组织工程与再生医学种子细胞细胞外基质支架包括干细胞、祖细胞或成熟细胞，负责形成新的组提供细胞生长的三维结构支持，可分为天然支架1织结构和功能单位（如胶原蛋白、壳聚糖）和合成支架（如PLA、PLGA）生物活性因子3如生长因子、细胞因子，调控细胞行为、促进组织形成生物打印技术生物反应器利用细胞、生物墨水和支架材料精确构建复杂组织5结构提供理想的细胞培养环境，模拟生理条件和力学刺4激组织工程是一门将细胞生物学、材料学和工程学原理结合的交叉学科，旨在创建功能性人造组织替代品传统方法包括将种子细胞接种到生物可降解支架上，在体外培养后移植入体内近年来，去细胞化技术获得了广泛应用，通过物理和化学方法去除组织中的细胞成分，保留天然ECM结构，然后重新接种细胞，已成功应用于皮肤、血管、心脏瓣膜等组织的再生三维细胞培养技术比传统二维培养更接近体内微环境，包括细胞聚合体、水凝胶包埋和微流控芯片等方法类器官（Organoids）是体外培养的微型器官结构，能自组织形成类似器官的结构和功能，已成功构建脑、肠、肝、肾等多种类器官，在发育研究、疾病建模和药物筛选中显示出巨大潜力细胞生物学研究展望合成生物学1创造人工细胞和重新设计生物系统系统生物学整合分子网络理解复杂细胞行为精准细胞治疗3个体化细胞干预策略细胞生物学研究正进入一个激动人心的新时代合成生物学挑战传统生命概念的边界，从简单的人工基因线路到全合成基因组，甚至构建最小化人工细胞这些努力不仅有助于理解生命的基本原理，还能创造具有新功能的生物系统，用于生物制造、环境修复和医疗诊断等领域单细胞多组学技术和时空组学的发展使我们能够以前所未有的分辨率研究细胞命运决定和组织发育这些技术结合机器学习和人工智能算法，将揭示细胞状态转换的分子机制，绘制详细的细胞图谱，理解正常发育和疾病过程细胞命运重编程技术的进步有望实现直接细胞转分化，绕过干细胞阶段，为再生医学提供新策略精准医学时代，细胞生物学研究将越来越关注个体化治疗患者特异性类器官和体外患者模型可用于个体化药物筛选；基于细胞的液体活检技术允许非侵入性疾病监测；基因编辑和细胞疗法的进步使得靶向干预特定细胞功能成为可能这些进展将改变我们理解和治疗疾病的方式，实现从症状管理到根本性治愈的转变。