细胞生物学与生理学 课件

细胞生物学与生理学细胞生物学与生理学是现代生命科学的重要基础学科，与分子生物学、遗传学并称为生命科学三大基石本课程将系统介绍细胞的结构与功能，探讨细胞活动的分子机理，并阐述细胞生理与整体生理的内在联系通过本课程学习，学生将深入理解生命活动的基本规律，掌握细胞生物学的核心概念和实验技能，为后续专业课程学习奠定坚实基础课程内容涵盖细胞结构、功能、代谢、信号传导、分裂、分化等重要领域课程内容与学习目标1掌握细胞结构与功能深入学习细胞膜、细胞器、细胞骨架等结构的组成特点和生理功能，理解结构与功能的统一性原理2理解细胞生理机制系统掌握物质运输、信号传导、能量代谢等重要生理过程的分子机理和调控机制3培养实验技能与创新能力通过显微镜观察、细胞培养、分子检测等实验训练，提高动手能力和科学思维水平4建立整体观念理解细胞活动与组织器官功能的关系，建立从分子到整体的生物学认知体系细胞学发展简史1显微镜发现细胞1665年胡克使用显微镜观察软木塞，首次发现并命名细胞，开启了细胞学研究的历史2细胞学说确立19世纪施来登和施万提出细胞学说细胞是生物体结构和功能的基本单位，奠定了生物学基础3分子生物学革命20世纪电子显微镜发明和分子生物学技术发展，使细胞研究深入到分子水平，推动现代细胞生物学诞生细胞的基本概念生命的基本单位单细胞与多细胞生物细胞是所有生物体结构和功能单细胞生物如细菌、酵母菌由的基本单位，是生命活动的最一个细胞构成完整个体；多细小独立单元无论是简单的细胞生物通过细胞分化形成不同菌还是复杂的人体，都由细胞组织器官，实现复杂生理功组成能细胞的多样性不同类型细胞在形态、大小、功能上存在显著差异如神经细胞有长突起传导信号，肌细胞富含收缩蛋白，红细胞无核载氧细胞的微观结构光镜下的细胞电镜下的细胞在光学显微镜下，可以观察到细胞的基本轮廓、细胞膜、细电子显微镜分辨率可达

0.1纳米，能够清晰显示细胞内各种细胞核等较大结构分辨率约为

0.2微米，能够满足一般细胞胞器的精细结构透射电镜适合观察内部结构，扫描电镜适形态观察需要合观察表面形态常用的细胞染色方法包括HE染色、甲基绿-派洛宁染色等，细胞主要包含有膜结构（细胞膜、内质网、高尔基体、线粒可以区分不同细胞成分和结构体等）和非膜结构（核糖体、细胞骨架、中心体等）两大类组分细胞膜的组成与功能磷脂双分子层细胞膜的基本结构是磷脂双分子层，磷脂分子的亲水基团朝向内外水相，疏水基团朝向膜内部，形成稳定的屏障结构膜蛋白嵌入膜蛋白以不同方式与磷脂分子结合，包括跨膜蛋白、外周蛋白和膜锚定蛋白，执行载体、受体、酶等重要功能选择透过性细胞膜具有选择透过性，允许特定物质通过而阻止其他物质，维持细胞内外环境的稳定和物质交换的有序进行信号转导膜受体蛋白识别外界信号分子，启动胞内信号转导级联反应，实现细胞对环境变化的感知和适应性反应细胞膜的动态特性流动镶嵌模型膜蛋白侧向流动细胞膜被描述为流动的脂质海洋中镶膜蛋白可以在膜平面内自由侧向扩嵌着蛋白质分子，这种动态结构模型散，但翻转运动极为罕见，这种流动解释了膜的多种生理功能性对膜功能至关重要温度调节机制膜不对称性细胞通过调节膜脂组成来适应温度变膜内外两侧的脂质和蛋白质组成不化，维持膜的适宜流动性，保证膜蛋同，这种不对称性是膜功能专一性和白正常功能方向性的结构基础物质跨膜运输机制简单扩散协助扩散主动运输小分子物质如氧气、二大分子或离子通过载体载体蛋白消耗ATP将物质氧化碳沿浓度梯度自由蛋白或通道蛋白协助下逆浓度梯度运输，典型通过膜，不需要载体蛋沿梯度运输，如葡萄糖例子是钠钾泵维持细胞白和ATP消耗载体和钠钾通道内外离子梯度协同转运利用一种物质的梯度驱动另一种物质的运输，包括同向转运和对向转运两种方式胞吞与胞吐吞噬作用机制巨噬细胞通过胞膜内陷包围大颗粒物质如细菌，形成吞噬体后与溶酶体融合消化异物，是机体重要的防御机制吞噬过程需要肌动蛋白参与膜变形胞饮与受体介导细胞通过胞饮作用摄取液体和溶质，受体介导的胞吞具有高度选择性如低密度脂蛋白受体介导胆固醇摄取，调节细胞胆固醇代谢神经递质释放神经元通过胞吐释放神经递质实现信号传递突触囊泡与突触前膜融合，将乙酰胆碱等递质释放到突触间隙，完成神经冲动的化学传递细胞信号传导基础信号放大一个信号分子激活多个效应分子级联反应信号通过酶级联逐步传递和放大受体结合信号分子与特异性受体结合第二信使4cAMP、IP3等胞内信使分子传递信号信号分子激素、神经递质等化学信号信号传导是细胞感知和响应环境变化的重要机制过程包括信号识别、信号转换、信号放大和细胞响应四个基本步骤，确保细胞能够精确调节自身活动细胞内膜系统内质网高尔基体分为粗面内质网和光面内质网，负责蛋白蛋白质和脂质的加工、修饰和包装中心，质合成、脂质代谢和钙离子储存形成囊泡运输到目的地过氧化物酶体溶酶体含过氧化氢酶，参与脂肪酸氧化和过氧化细胞的消化系统，含有多种水解酶，消化氢分解，维护细胞氧化平衡细胞内废物和外来物质细胞核结构及功能23000核膜层数核孔数量双分子膜结构，外膜与内质网相连续调节大分子物质进出核质的通道90%细胞DNA绝大部分遗传物质储存在细胞核中细胞核是细胞的控制中心，核膜将核质与细胞质分隔开来核孔复合体精确调节RNA、蛋白质等大分子的核质转运染色质是DNA与组蛋白的复合体，核仁是rRNA合成和核糖体亚基装配的场所染色体及其化学本质DNA分子1双螺旋结构，携带遗传信息核小体DNA缠绕组蛋白八聚体形成染色质纤维核小体进一步螺旋化压缩染色体分裂期高度压缩的染色质形态人类体细胞含有46条染色体，分为23对同源染色体每条染色体包含一个DNA分子和相关蛋白质组蛋白的化学修饰调节基因表达，是表观遗传学研究的重要内容核糖体与蛋白质合成转录DNA信息转录为mRNA核糖体结合mRNA与核糖体结合开始翻译tRNA运输tRNA携带氨基酸到达核糖体肽链延伸氨基酸按序连接形成蛋白质核糖体是蛋白质合成的分子机器，由大小两个亚基组成游离核糖体合成胞质蛋白，膜结合核糖体合成膜蛋白和分泌蛋白翻译过程严格按照遗传密码将mRNA信息转换为蛋白质序列线粒体结构与功能叶绿体与光合作用光反应阶段暗反应阶段在类囊体膜上进行，光能转化为化学能ATP和NADPH，在叶绿体基质中进行，利用ATP和NADPH固定CO2合成同时产生氧气作为副产物葡萄糖等有机物基粒结构能量循环多个类囊体堆叠形成基粒，增大光合膜面积，提高光能光合作用固定的化学能为生物圈提供能源，维持地球生捕获和转换效率态系统的能量流动细胞骨架系统骨架类型直径nm主要蛋白主要功能微丝7肌动蛋白细胞运动、形状维持微管25微管蛋白细胞分裂、胞内运输中间纤维10角蛋白等机械支撑、抗张力细胞骨架是由蛋白质纤维构成的三维网络结构，不仅维持细胞形态，还参与细胞运动、分裂和胞内物质运输微管形成纺锤体牵引染色体分离，微丝驱动细胞爬行和肌肉收缩，中间纤维提供机械强度抵抗外力细胞连接与通讯间隙连接紧密连接锚定连接由连接蛋白构成的通道，允许小分子物密封相邻细胞间的间隙，形成选择性屏通过钙粘蛋白等分子将相邻细胞牢固连质和离子在相邻细胞间自由通过，实现障，控制物质的跨上皮转运，维持组织接，提供机械强度，维持组织结构完整细胞间的直接通讯和协调内外环境的分隔性和稳定性细胞周期与分裂概述细胞周期包括间期（G

1、S、G2期）和分裂期（M期）G1期细胞生长和正常代谢，S期进行DNA复制，G2期为分裂做准备，M期完成细胞分裂周期检验点确保每个阶段正确完成后才进入下一阶段，防止遗传错误积累有丝分裂各阶段前期染色质凝缩成可见染色体，核膜核仁消失，纺锤体开始形成中期染色体排列在细胞中央的赤道板上，纺锤体完全形成后期姐妹染色单体分离，向细胞两极移动，确保遗传物质均等分配末期核膜重新形成，染色体解凝缩，胞质分裂形成两个子细胞减数分裂与遗传减数第一次分裂减数第二次分裂同源染色体配对发生交叉互姐妹染色单体分离，类似于有换，然后分离到不同细胞中，丝分裂最终从一个二倍体细实现基因重组这个过程产生胞产生四个单倍体配子，染色遗传多样性，是进化的重要机体数目减半制遗传意义减数分裂确保有性生殖中染色体数目稳定，同时通过基因重组和独立分配产生基因型多样的配子，增加后代适应性程序性细胞死亡（凋亡）凋亡特征与坏死的区别细胞凋亡是程序性死亡过程，表现为细胞收缩、核染色质凝凋亡是主动调控的生理过程，细胞膜保持完整；坏死是被动缩、DNA断裂、膜起泡等典型形态学变化凋亡细胞最终形的病理过程，伴随细胞膜破裂和炎症反应凋亡有益于机成凋亡小体被巨噬细胞吞噬清除体，坏死通常有害分子标志包括Caspase激活、磷脂酰丝氨酸外翻、DNA梯状凋亡在胚胎发育、免疫调节、组织稳态维持中发挥重要作断裂等，这些特征可用于凋亡检测和研究用，如手指间蹼的消失、自身反应性免疫细胞的清除等干细胞与分化全能干细胞可分化为所有细胞类型多能干细胞可分化为三胚层细胞专能干细胞只能分化为特定谱系定向干细胞分化潜能进一步限制终末分化细胞失去分裂和分化能力干细胞具有自我更新和多向分化潜能，是再生医学的核心转录因子网络调控干细胞命运决定，外界信号影响分化方向诱导多能干细胞技术为疾病治疗和药物筛选提供新策略细胞生理基础概论兴奋性收缩性分泌性神经和肌肉细胞肌细胞通过肌丝腺细胞合成并释对刺激产生动作滑动产生收缩放激素、酶类等电位，实现信息力，驱动心脏泵生物活性物质，传递和运动控制血、骨骼运动和调节机体代谢和的基础功能内脏蠕动生理功能吸收性上皮细胞选择性吸收营养物质和水分，维持机体物质平衡和营养供应细胞的基本生理功能是整体生理活动的基础不同类型细胞通过结构和功能的特化，协调配合维持机体内环境稳态和适应外界环境变化神经元与神经冲动传导树突接收信号树突表面分布大量受体，接收来自其他神经元的化学信号，产生局部电位变化胞体整合信息神经元胞体对接收的信号进行时空整合，决定是否产生动作电位向下传导轴突传导冲动动作电位沿轴突以恒定幅度和速度传导，有髓鞘的轴突进行跳跃式传导突触传递信号轴突末梢释放神经递质，与下一个神经元或效应器细胞发生化学性突触传递肌细胞与收缩机制横桥解离横桥摆动新的ATP分子结合使横桥解离，肌球蛋白横桥结合肌球蛋白头部发生构象变化产生摆动，牵头部重新定向准备下一次结合循环往复肌球蛋白头部与肌动蛋白结合形成横桥，引肌动蛋白丝向肌节中央滑动这种滑动的横桥活动实现持续收缩这个过程需要ATP水解提供能量钙离子是肌肉收缩力产生的分子基础调节肌钙蛋白复合体暴露结合位点，启动收缩腺细胞与分泌基因表达蛋白合成胰岛细胞在高血糖刺激下增强胰岛内质网上的核糖体合成胰岛素前体，β1素基因转录和翻译，为胰岛素合成提经过信号肽引导进入内质网腔进行加供mRNA模板工修饰刺激分泌包装储存血糖升高触发钙离子内流，分泌颗粒高尔基体进一步加工胰岛素，包装成与细胞膜融合释放胰岛素调节血糖水分泌颗粒储存在细胞质中等待分泌信平号吸收与分泌的细胞机制表面积增大小肠上皮细胞表面形成大量微绒毛，使吸收表面积增加约20倍，显著提高营养物质吸收效率主动转运钠葡萄糖共转运载体利用钠离子梯度主动吸收葡萄糖，即使在葡萄糖浓度较低时也能有效吸收被动扩散脂溶性维生素等小分子物质通过简单扩散穿过细胞膜，不需要载体蛋白和能量消耗胞饮作用某些大分子物质如免疫球蛋白通过受体介导的胞饮作用被肠道上皮细胞摄取和转运细胞能量代谢氧化磷酸化与合成ATP电子传递NADH和FADH2提供电子，沿传递链逐级传递释放能量质子泵送电子传递驱动质子从基质泵入膜间隙，建立质子梯度ATP合酶质子梯度驱动ATP合酶旋转，催化ADP磷酸化生成ATP能量储存ATP作为通用能量货币储存和转移化学能氧化磷酸化是细胞获得ATP的主要途径，体现了能量转换的精妙机制这个过程将氧化反应释放的化学能转换为磷酸键能，效率高达40%左右光合作用与能量流动680叶绿素a吸收峰纳米波长的红光最适合光合作用6CO2分子数合成一个葡萄糖分子需要固定的CO2数量12NADPH分子数暗反应阶段需要的还原力载体分子18ATP分子数完成一个暗反应循环所需的能量分子光合作用将光能转化为化学能，是地球生态系统能量流动的起点光反应阶段将光能转化为ATP和NADPH，暗反应阶段利用这些能量载体固定CO2合成有机物，实现无机碳向有机碳的转化信号传导途径实例胰岛素受体结合胰岛素与细胞膜上的酪氨酸激酶受体结合，引起受体构象变化和自磷酸化激活信号级联放大激活的受体磷酸化胰岛素受体底物，启动PI3K-Akt信号通路，逐级放大信号载体蛋白转位Akt激活促进GLUT4载体从胞内囊泡转位到细胞膜，增加葡萄糖转运能力代谢调节同时激活糖原合成酶，抑制糖原磷酸化酶，促进葡萄糖储存，维持血糖稳态细胞与环境的相互作用信号转导环境感知环境信号通过特定通路传导到细胞细胞通过膜受体和胞内传感器监测温核，调节转录因子活性和基因表达模度、pH、渗透压等环境参数变化式稳态维持适应性反应通过负反馈调节机制，细胞维持内环细胞产生热休克蛋白、抗氧化酶等保境稳定，确保正常生理功能的进行护性分子，或改变膜脂组成适应环境细胞衰老与寿命1端粒缩短每次细胞分裂端粒逐渐缩短，当端粒过短时触发细胞衰老程序，限制细胞分裂次数DNA损伤积累氧化应激和环境因素导致DNA损伤累积，修复能力下降，基因组稳定性降低代谢功能减退线粒体功能下降，ATP产生减少，蛋白质合成和折叠能力降低，细胞活性下降增殖停止细胞进入不可逆的增殖停止状态，表达衰老相关分泌表型，影响周围组织功能细胞癌变机理癌基因激活抑癌基因失活DNA修复缺陷正常调节细胞增殖的原癌基因发生p

53、Rb等抑癌基因通过突变或缺DNA修复基因突变导致基因组不稳突变或过度表达，持续刺激细胞分失失去功能，细胞失去生长抑制和定性增加，突变率上升，为癌细胞裂典型例子包括Ras、Myc等转录凋亡调控机制，导致无限制增殖进一步演化提供遗传变异基础因子的异常激活免疫细胞与免疫反应T细胞介导免疫B细胞产生抗体免疫记忆形成免疫调节CD8+T细胞直接杀B细胞识别抗原后分记忆T细胞和记忆B细调节性T细胞维持免伤感染细胞，CD4+T化为浆细胞，大量产胞长期存在，再次接疫系统平衡，防止过细胞协调免疫反应，生特异性抗体中和病触相同抗原时快速激度反应和自身免疫，调节其他免疫细胞活原体和毒素活，产生更强免疫反保护正常组织不受损性应伤病毒对细胞的影响细胞防御与凋亡劫持细胞机器感染细胞启动抗病毒反应如干扰素系统，病毒入侵病毒利用宿主细胞的转录翻译系统大量合或通过凋亡自我牺牲阻止病毒传播病毒病毒通过受体结合和膜融合进入宿主细成病毒蛋白和核酸，同时抑制宿主基因表则进化出对抗宿主防御的策略胞，将遗传物质释放到细胞质或细胞核达，重新编程细胞代谢中不同病毒有特异的入侵机制和靶细胞选择性细胞实验技术基础核酸的细胞化学检测原位杂交技术使用荧光标记的核酸探针与细胞内特定DNA或RNA序列杂交，可以检测基因位置、表达水平和染色体异常PCR扩增检测通过聚合酶链反应大量扩增目标DNA片段，实现基因表达定量、突变检测和病原体诊断测序技术应用新一代测序技术可以分析单细胞基因组和转录组，揭示细胞异质性和发育轨迹基因芯片分析微阵列技术同时检测数千个基因的表达变化，用于疾病诊断和药物作用机制研究蛋白质检测与分子标记免疫荧光技术Western Blot分析使用特异性抗体结合目标蛋白，通过荧光标记在细胞内定位通过蛋白质电泳分离和免疫检测，定量分析特定蛋白质的表蛋白质的分布和表达可以观察蛋白质在不同细胞器中的定达水平和修饰状态广泛用于研究蛋白质功能和信号通路位变化多重免疫荧光染色能够同时检测多种蛋白质，分析它们之间GFP融合蛋白技术将绿色荧光蛋白与目标蛋白融合表达，可的共定位关系和相互作用以在活细胞中实时观察蛋白质的动态变化和细胞内运输细胞融合与杂交细胞融合不同物种细胞融合形成杂交细胞基因互补分析基因功能和染色体定位单抗制备B细胞与骨髓瘤细胞融合产生杂交瘤抗体生产无限增殖产生单一特异性抗体体细胞杂交技术在基因定位和功能研究中发挥重要作用单克隆抗体制备技术革命性地改变了生物医学研究和诊断，为精准医学提供了重要工具。