《细胞生物学与分子化学》课件

《细胞生物学与分子化学》欢迎学习《细胞生物学与分子化学》课程本课程将系统介绍细胞生物学与分子生物学的基础知识，探索研究方法与技术应用，并深入解析细胞结构与功能的分子机制细胞是生命的基本单位，了解细胞的奥秘是理解生命本质的关键本课程将带领您从分子水平探索细胞的精妙构造与复杂功能，揭示生命活动的基本规律通过学习细胞生物学与分子生物学的交叉融合知识，您将能够理解从基因到蛋白质，从细胞器到整个细胞的生命活动全过程，为进一步学习生命科学奠定坚实基础课程概述课程目标学科交叉融合参考资料本课程旨在帮助学生掌握细胞生物学与细胞生物学与分子生物学的交叉融合代《分子细胞生物学》第8版，Lodish等著分子生物学的核心理论与基本概念，了表着现代生命科学研究的主流方向本《细胞生物学》第4版，翟中和等著解细胞结构与功能的分子机制，熟悉相课程将探讨两个学科的理论联系与实践关研究方法与技术应用应用，展示跨学科研究的魅力与挑战《Essential细胞生物学》第4版，Alberts等著通过系统学习，学生将能够从分子水平通过整合两个学科的知识体系，学生将理解细胞生命活动，培养科学思维与实获得更全面的生命科学视角，理解细胞验技能，为后续专业课程学习奠定基生命活动的复杂调控网络础第一章细胞生物学基础细胞理论的历史发展细胞的基本特征与分类从Hooke首次观察到细胞，到细胞作为生命的基本单位，具Schleiden和Schwann提出细有代谢、生长、应激反应、遗胞学说，再到Virchow补充细传等共同特征，同时根据结构胞来源于细胞，细胞理论经复杂性可分为原核细胞与真核历了漫长的发展历程，逐步完细胞两大类型善为现代细胞生物学的基石细胞生物学研究的重要性细胞生物学研究不仅揭示生命本质，也为疾病治疗、生物技术发展提供理论基础，是现代生命科学的核心领域之一细胞理论的发展历程1665年1855年英国科学家Robert Hooke首次使用简易显微镜观察软木切片，发现了蜂窝状德国病理学家Rudolf Virchow补充提出细胞来源于细胞（Omnis cellulae的小室，并将其命名为cell（细胞）这是人类首次记录细胞的历史性时cellula）的重要观点，完善了细胞理论，为现代细胞生物学奠定了坚实基刻，开启了细胞研究的大门础1231839年德国植物学家Matthias Schleiden和动物学家Theodor Schwann通过大量观察，分别发现植物和动物组织都由细胞构成，共同提出了细胞学说，确立了细胞是生物体基本结构单位的概念真核细胞与原核细胞比较比较特征真核细胞原核细胞细胞核具有由核膜包围的真核无核膜，DNA位于拟核区染色体多条线性染色体，含组通常单个环状DNA，无蛋白组蛋白细胞器具有多种膜性细胞器缺乏膜性细胞器能量转换线粒体内进行氧化磷酸在细胞膜或内膜系统进化行细胞分裂有丝分裂或减数分裂二分裂真核细胞与原核细胞在结构复杂性和功能组织上存在显著差异真核细胞具有更为复杂的膜系统和细胞器，使其能够进行更为精细的空间分区和功能分化原核细胞结构相对简单，但在代谢多样性和环境适应性方面往往表现出惊人的能力第二章分子生物学基础蛋白质执行生命功能的主要分子RNA转录自DNA的信使分子DNA3遗传信息储存的基本分子分子生物学的中心法则描述了遗传信息从DNA到RNA再到蛋白质的传递流向，是理解生命本质的核心理论之一DNA作为遗传物质，通过复制实现遗传信息的传递；RNA作为中间分子，将DNA的遗传信息转录并传递给蛋白质合成系统；蛋白质则是执行生命功能的主要分子随着科学研究的深入，中心法则不断被修正与扩展，发现了反转录、RNA编辑、表观遗传调控等现象，丰富了我们对遗传信息传递与表达的认识基因组学与蛋白组学的发展，进一步揭示了基因表达与调控的复杂网络分子生物学中心法则DNA复制转录翻译DNA聚合酶催化，半保留复制方式，确保遗传信RNA聚合酶催化，将DNA信息转录为各类RNA分核糖体将mRNA信息翻译为蛋白质，完成遗传信息精确传递给子代细胞子息表达分子生物学中心法则阐述了遗传信息流动的基本规律DNA通过复制实现自我传递，通过转录将信息传递给RNA，RNA再通过翻译将信息转化为蛋白质这一过程确保了遗传信息的稳定传递与表达，是生命活动的基础随着科学研究进展，中心法则不断被修正与完善发现的反转录现象（RNA→DNA）、RNA干扰、表观遗传调控等机制，使我们认识到遗传信息传递的复杂性远超最初设想，进一步丰富了分子生物学理论体系核酸的分子结构DNA双螺旋结构RNA结构特点•两条多核苷酸链以反平行方式缠•通常为单链结构，可形成局部双绕链•碱基通过氢键配对A-T、G-C•含有核糖而非脱氧核糖•磷酸骨架位于外侧，碱基位于内•尿嘧啶U代替胸腺嘧啶T侧•具有多样的三维结构和功能•大沟和小沟交替排列，是蛋白质结合位点核苷酸组成•由五碳糖、含氮碱基和磷酸基团组成•碱基分为嘌呤A、G和嘧啶C、T、U•通过磷酸二酯键连接形成核酸链•5→3方向定义核酸链的极性蛋白质的分子结构四级结构多个肽链或亚基的空间排列组合三级结构肽链折叠形成的三维空间构象二级结构局部肽链形成的α螺旋和β折叠一级结构氨基酸的线性序列排列顺序蛋白质结构与功能密切相关，其结构组织呈现层次性一级结构决定了蛋白质的基本信息，是其他结构层次的基础二级结构代表局部稳定构象，由氢键稳定三级结构反映整个肽链的空间排布，由多种非共价作用力维持复杂蛋白质的四级结构由多个亚基组装形成，赋予蛋白质更复杂的功能蛋白质结构的稳定性受多种因素影响，包括温度、pH、离子强度等结构的微小改变可能导致功能的显著变化，这也是许多疾病发生的分子基础第三章细胞生物学研究方法显微技术分子生物学技术2从光学显微镜到电子显微镜，再到超分辨率PCR、基因克隆、测序等技术，实现对细胞显微技术，实现细胞微观结构的可视化观察分子成分的分析与操作组学技术细胞培养基因组学、转录组学、蛋白质组学等高通量体外培养细胞系统，为细胞研究提供稳定可分析方法，实现细胞整体水平研究控的实验平台细胞生物学研究方法的发展极大推动了对细胞结构与功能的深入认识从早期的简单显微观察，到现代多维度、多层次的综合研究手段，技术进步一直是推动细胞生物学发展的关键因素现代细胞生物学研究强调多学科交叉与技术整合，将显微成像、分子分析、细胞工程与大数据分析等方法相结合，从微观到宏观全方位解析细胞奥秘，为生命科学发展提供强大动力显微技术显微技术是细胞生物学研究的基础工具，随着科技发展不断革新光学显微镜利用可见光成像，分辨率受光的波长限制，约为200nm电子显微镜利用电子束代替光线，将分辨率提高到纳米级别，可观察细胞超微结构共聚焦显微镜通过激光扫描和针孔系统，实现光学切片和三维重建，广泛用于活细胞观察超分辨率显微技术突破了衍射极限，使分子水平的细胞结构可视化成为可能，代表了显微成像的前沿方向分子生物学常用技术PCR技术基因克隆与表达基因编辑聚合酶链式反应技术通过体利用载体系统将目标基因导CRISPR-Cas9等技术实现了外DNA复制实现特定DNA片入宿主细胞进行复制与表精确的基因组修饰，可进行段的扩增，已发展出实时定达，是获取特定蛋白质和研基因敲除、敲入和点突变，量PCR、数字PCR等多种衍究基因功能的重要方法，推革命性地提高了基因操作的生技术，广泛应用于基因检动了重组蛋白药物的发展精确性和效率，开辟了基因测与分析治疗新途径测序技术从Sanger测序到下一代测序再到第三代测序，DNA测序技术迅速发展，测序通量提高百万倍，成本大幅降低，推动了基因组学研究的爆发性增长细胞培养技术细胞培养基本要求原代培养与传代培养3D培养与类器官细胞培养需要严格控制温度、pH、渗透压原代培养是直接从组织分离细胞进行培传统2D培养难以模拟体内三维环境，3D培等条件，同时提供必要的营养物质和生长养，保留了更多体内特性；传代培养是将养技术通过提供三维支架或悬滴培养等方因子无菌操作是细胞培养的基本要求，贴壁细胞消化后进行分散和继代，可延长式，使细胞形成更接近体内状态的三维结需要借助生物安全柜和灭菌设备保证培养细胞生存时间原代细胞有限的增殖能力构类器官技术则利用干细胞自组织能环境的纯净和培养难度是主要挑战力，培养出具有器官功能和结构特征的微型组织组学技术应用基因组学研究生物体全部基因组的结构与功能，通过高通量测序技术获取完整基因组序列，分析基因排布、变异和进化关系基因组学已从单一参考基因组发展到千人基因组、泛基因组等更广泛的研究领域转录组学研究特定条件下细胞中所有转录产物的集合，通过RNA-Seq等技术定量分析基因表达谱和转录调控网络单细胞转录组技术突破了传统混合样本的局限，揭示细胞异质性和发育轨迹蛋白质组学研究生物体内全部蛋白质的表达、结构和相互作用，主要依靠质谱和蛋白芯片等技术平台定量蛋白质组学能够精确测量蛋白质含量变化，揭示细胞响应和病理过程的分子机制代谢组学研究细胞内所有代谢产物的组成与变化，通过核磁共振和质谱等技术进行代谢物分析代谢组学反映了细胞最终的生理状态，对疾病标志物发现和药物作用机制研究具有重要价值第四章细胞质膜与细胞表面生物膜的流动镶嵌模型年1972模型提出Singer和Nicolson首次提出流动镶嵌模型，革命性地改变了对生物膜结构的认识

0.1μm膜厚度典型的生物膜厚度约为7-10纳米，是一个极其薄的分子层结构37°C流动性温度在生理温度下，磷脂分子能在膜平面内自由流动，保持膜的流动性⁻10⁸cm²/s扩散系数磷脂分子在膜中的侧向扩散速率，反映膜的流动特性流动镶嵌模型描述了生物膜的基本结构特征磷脂分子形成连续的双分子层，构成膜的基本骨架；膜蛋白以镶嵌方式分布在脂质双层中，既有完全穿过膜的跨膜蛋白，也有附着在膜表面的周边蛋白；磷脂和膜蛋白都具有侧向流动性，使膜呈现流动特性近年来，这一模型不断被完善，增加了膜微区（脂筏）、膜骨架限制和膜不对称性等新概念，使我们对生物膜的认识更加全面和深入膜蛋白分类与功能跨膜蛋白周边蛋白锚定蛋白跨膜蛋白完全穿过脂质双层，通常含有周边蛋白不穿透脂质双层，而是通过非锚定蛋白通过共价连接的脂质或糖基团亲水和疏水区域根据穿膜次数可分为共价相互作用与膜表面结合这些蛋白锚定在膜上常见的锚定方式包括GPI单次跨膜和多次跨膜蛋白α-螺旋和β-桶可与脂质头基、糖基或膜蛋白结合，形锚、脂肪酰化（如棕榈酰化、肌酰化）是两种常见的跨膜结构模式成功能复合体和异戊二烯化等典型功能包括离子通道、转运蛋白、周边蛋白常见于细胞膜内侧，与细胞骨这些蛋白常定位于特定膜区域，参与细受体蛋白和细胞黏附分子等Na⁺/K⁺-架或信号分子相连，参与维持膜结构稳胞信号、膜结构组织和膜微区形成许ATPase是重要的跨膜蛋白，维持细胞膜定性和信号传导分光蛋白和肌动蛋白多GPI锚定蛋白富集于脂筏结构中，参与电位和离子梯度结合蛋白是典型代表信号转导和膜转运细胞表面特化结构微绒毛微绒毛是细胞表面指状突起，内部含有平行排列的肌动蛋白丝束，由周围微丝交联蛋白稳定微绒毛大大增加了细胞表面积，有利于物质交换和吸收肠上皮细胞微绒毛形成刷状缘，是营养物质吸收的重要结构纤毛与鞭毛纤毛和鞭毛是细胞表面伸出的运动结构，内部有9+2排列的微管基体位于细胞表面下方，是微管组织中心动力蛋白在微管之间产生滑动力，导致纤毛和鞭毛弯曲，实现波浪状运动呼吸道纤毛清除异物，精子鞭毛驱动游动细胞连接多细胞生物中，细胞通过特化的连接结构形成稳定联系紧密连接封闭细胞间隙，控制旁路通透性；粘着连接通过钙黏蛋白家族分子连接相邻细胞，并与细胞骨架相连；缝隙连接形成细胞间通道，允许小分子直接传递，实现电耦联和代谢耦联第五章物质的跨膜运输与信号传递信号传递细胞感知和响应外界信号的过程胞吞与胞吐2大分子和颗粒物质的跨膜转运主动运输逆浓度梯度、需能量的物质转运被动运输4顺浓度梯度、不需能量的物质转运细胞与外界环境的物质交换和信息交流是维持生命活动的基本过程细胞膜作为选择性屏障，通过多种运输机制实现物质的定向转运小分子物质主要通过被动运输和主动运输系统跨膜；而大分子物质则依靠胞吞和胞吐过程进出细胞细胞通过各种膜受体感知外界信号分子，并通过复杂的信号转导网络将外界刺激转化为细胞内的生化反应，最终导致基因表达、代谢活动或细胞行为的改变这些过程的精确调控确保了细胞对环境变化的适应性响应被动运输方式单纯扩散易化扩散1小分子直接穿过脂双层，速率与浓度梯度、通过载体蛋白加速特定物质的跨膜转运，具分子大小和脂溶性相关有饱和性和选择性水通道离子通道水通道蛋白形成特异性水分子通道，促进水形成水溶性通道，允许特定离子快速通过，3分快速跨膜转运受门控机制调控被动运输是指物质顺浓度梯度方向、无需能量消耗的跨膜转运过程单纯扩散主要适用于氧气、二氧化碳等小分子非极性物质，直接穿过脂双层；而葡萄糖、氨基酸等亲水性分子则需要通过特定载体蛋白介导的易化扩散实现跨膜转运离子通道是一类特殊的膜蛋白，形成跨膜水通路，允许特定离子快速通过这些通道具有选择性和门控特性，可被电压、配体或机械力等因素调控水通道蛋白（aquaporins）则专门负责水分子的跨膜转运，在维持细胞水平衡中发挥重要作用主动运输系统ATP驱动泵离子梯度驱动转运利用ATP水解释放的能量驱动利用一种物质的电化学梯度驱物质逆浓度梯度转运P型泵动另一种物质的转运，包括协（如Na⁺-K⁺ATPase）在工同转运（两种物质同向移动）作过程中发生磷酸化；F型泵主和反向转运（两种物质反向移要参与线粒体和叶绿体中的能动）Na⁺梯度是最常见的驱量转换；V型泵负责酸化细胞内动力，可驱动葡萄糖、氨基酸囊泡；ABC转运体家族是一类等物质的吸收转运，在肠上皮广泛存在的ATP依赖性转运蛋和肾小管上皮中尤为重要白Na⁺-K⁺ATPase是最重要的跨膜离子泵，每水解一个ATP分子，将3个Na⁺泵出细胞，同时将2个K⁺泵入细胞该泵维持了细胞膜两侧的Na⁺和K⁺浓度梯度，为次级主动转运提供能量，同时建立并维持细胞膜电位，对神经、肌肉细胞的兴奋性至关重要胞吞与胞吐过程受体识别膜表面受体识别并结合特定配体分子，启动内吞过程包被形成胞质侧招募包被蛋白（如网格蛋白），诱导膜内陷囊泡形成GTPase介导膜颈部分离，形成包被囊泡包被脱离与融合囊泡失去包被，与靶膜融合，完成物质转运胞吞作用是细胞摄取大分子物质的主要方式，根据特异性可分为吞噬作用、胞饮作用和受体介导的内吞作用网格蛋白介导的内吞是研究最为深入的机制，对LDL胆固醇、铁传递蛋白等多种生理物质的摄取至关重要胞吐作用是细胞分泌物质的过程，与内吞形成循环SNARE蛋白家族在膜融合过程中发挥关键作用，协调囊泡与靶膜的特异性对接与融合胞吞胞吐过程的异常与多种疾病相关，如神经退行性疾病和某些病毒感染信号转导基本原理受体类型结构特点信号传递机制典型例子G蛋白偶联受体七次跨膜结构通过G蛋白激活效肾上腺素受体应分子酪氨酸激酶受体单次跨膜，具胞内二聚化激活，自身胰岛素受体激酶结构域磷酸化离子通道受体多亚基形成通道配体结合导致通道乙酰胆碱受体开放核受体胞内可溶性蛋白配体结合后进入糖皮质激素受体核，调控基因表达信号转导是细胞感知并响应外界刺激的过程，包括信号识别、传递和放大三个基本环节细胞表面受体是识别外界信号分子的关键蛋白，根据结构和功能可分为不同类型受体激活后，通过一系列级联反应将信号传递至细胞内部，最终导致细胞功能改变第二信使系统是信号放大的重要机制常见的第二信使包括环磷酸腺苷（cAMP）、肌醇三磷酸（IP3）、二酰甘油（DAG）和钙离子等通过这些小分子，单个信号分子可以激活数百个下游分子，实现信号的级联放大，增强细胞对微弱刺激的响应能力第六章细胞质基质与细胞内膜系统细胞质基质内膜系统囊泡运输细胞质基质是填充细胞膜与核膜之间的半细胞内膜系统是真核细胞的特征之一，包囊泡运输是连接细胞内各膜性结构的重要流动性胶体，主要由水、蛋白质、核酸、括核膜、内质网、高尔基体、溶酶体、过方式，包括出芽、转运和融合三个基本步糖类和脂质等成分组成它不仅是细胞器氧化物酶体等相互连接的膜性结构这些骤不同的包被蛋白（如COPI、COPII和的支持环境，也是多种代谢反应和分子合膜结构将细胞分隔为不同功能区室，使各网格蛋白）介导特定囊泡的形成，而Rab成的场所蛋白质合成、糖酵解等重要生种生化反应在适宜的微环境中高效进行，GTPase和SNARE蛋白则确保囊泡与靶膜的化过程都在细胞质基质中进行同时通过囊泡运输实现物质在各区室间的特异性融合，维持细胞内物质运输的精确转运性内质网结构与功能粗面内质网光面内质网内质网应激粗面内质网（RER）表面附着有大量核糖光面内质网（SER）表面无核糖体附着，当错误折叠蛋白质在内质网中积累时，体，主要负责分泌蛋白和膜蛋白的合主要参与脂质合成、解毒和钙离子储存会触发内质网应激反应（UPR）这一过成新合成的多肽链通过信号识别颗粒等功能磷脂、固醇类和中性脂肪等多程通过IRE

1、PERK和ATF6三条信号通（SRP）和转位通道进入内质网腔，在内种脂类分子在光面内质网中合成，随后路，减少新蛋白质合成，增加分子伴侣质网腔内进行折叠、组装和初步糖基化通过囊泡转运或脂质转运蛋白分配至细表达，扩大内质网容量，并促进错误折修饰胞各处叠蛋白质的降解蛋白质折叠过程受分子伴侣（如BiP、钙肝细胞中的光面内质网富含细胞色素长期或严重的内质网应激可能导致细胞网蛋白）和折叠酶（如蛋白质二硫键异P450系统，负责代谢药物和毒素肌细凋亡内质网应激与多种疾病相关，包构酶）的辅助，确保蛋白质获得正确的胞中的光面内质网特化为肌质网，是钙括糖尿病、神经退行性疾病和某些癌三维结构错误折叠的蛋白质通过ERAD离子储存和释放的重要场所，在肌肉收症，已成为重要的治疗靶点系统被运回胞质降解缩中发挥关键作用高尔基体与蛋白质分选高尔基体结构特征蛋白质修饰与加工高尔基体由扁平囊状膜性结构（池）堆叠而成，在哺乳动物细胞中通蛋白质在高尔基体中经历一系列修饰加工过程，包括糖基化修饰（如常分为顺面（cis）、中间区（medial）和反面（trans）三个功能区N-糖基和O-糖基的加工）、磷酸化、硫酸化和蛋白酶切割等这些修域顺面朝向内质网，负责接收来自内质网的蛋白质；反面朝向细胞饰对蛋白质的正确定位和功能至关重要高尔基体中的修饰呈现明显膜，负责将处理完成的蛋白质分选至不同目的地的区域特异性，不同酶在不同区域发挥作用4囊泡运输系统蛋白质分选机制COPII被覆囊泡负责从内质网到高尔基体的顺向运输，而COPI被覆囊泡反面高尔基网络是蛋白质分选的主要场所不同目的地的蛋白质携带则负责高尔基体内部的逆向运输和从高尔基体到内质网的返回运输特定的分选信号，如溶酶体蛋白的甘露-6-磷酸标记，分泌蛋白的默认这种双向运输系统确保膜组分和蛋白质的平衡，维持高尔基体的结构分泌通路，以及膜蛋白的极性分选信号等这些信号被特异性受体识和功能完整性别，确保蛋白质被正确运输至目标位置溶酶体与细胞自噬溶酶体是细胞内主要的消化系统，内含多种水解酶，能够降解各类生物大分子溶酶体内部维持pH

4.5-

5.0的酸性环境，这是水解酶发挥最佳活性的条件溶酶体膜上的H⁺-ATPase泵持续将质子泵入溶酶体内腔，维持其酸性环境溶酶体水解酶在高尔基体合成并通过M6P受体介导的转运途径被送至溶酶体细胞自噬是细胞自我消化的过程，对维持细胞稳态至关重要自噬起始于隔离膜的形成，随后扩展成双层膜结构，包裹细胞质成分形成自噬体自噬体与溶酶体融合形成自噬溶酶体，内容物被降解再利用自噬在营养匮乏、细胞器损伤和病原体入侵等条件下被激活，是细胞应对胁迫的重要机制自噬异常与多种疾病相关，包括神经退行性疾病、癌症和感染性疾病第七章细胞的能量转换线粒体功能氧化磷酸化过程•有氧呼吸和ATP合成•电子传递链复合物I-IV•钙离子动态平衡调节•质子跨膜梯度形成•活性氧产生与清除•ATP合酶催化ADP磷酸化•细胞凋亡信号调控•P/O比与能量转换效率•线粒体DNA遗传与表达•呼吸链偶联与解偶联叶绿体与光合作用•光反应与电子传递•ATP与NADPH生成•卡尔文循环与碳固定•光合效率与环境因素•C

3、C4与CAM植物的差异细胞的能量转换是生命活动的基础，主要通过线粒体的氧化磷酸化和叶绿体的光合作用两大途径实现线粒体通过氧化分解有机物获取能量，将化学能转化为ATP形式；而叶绿体则利用光能将二氧化碳和水转化为有机物，实现能量的固定和储存这两种能量转换系统虽然方向相反，但都依赖于膜上电子传递链和质子梯度驱动的ATP合成酶它们的协同作用维持了地球上生命能量的平衡循环，支持着各种生命形式的存在和发展随着研究深入，能量代谢与多种疾病和衰老过程的关系也逐渐被揭示线粒体结构与功能氧化磷酸化过程ATP合成1ATP合酶利用质子梯度能量催化ADP磷酸化质子梯度形成2电子传递驱动质子从基质泵入膜间隙电子传递电子从NADH和FADH₂传递到最终受体氧柠檬酸循环产生还原性辅酶NADH和FADH₂氧化磷酸化是线粒体内产生ATP的主要过程，通过电子传递链和ATP合成酶两个关键组件实现电子传递链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）组成复合物I、III和IV在传递电子的同时将质子从基质泵入膜间隙，形成跨内膜的质子梯度根据Mitchell提出的化学渗透偶联理论，这种质子梯度储存了能量，随后通过ATP合酶（复合物V）驱动ADP与无机磷酸结合生成ATP一个NADH可产生约

2.5个ATP分子，而一个FADH₂可产生约

1.5个ATP分子某些物质（如DNP）可使质子泄漏回基质而不经过ATP合酶，导致能量以热的形式释放，这一过程称为氧化磷酸化的解偶联，在产热和能量消耗方面具有重要生理意义叶绿体与光合作用光能捕获光系统I和II中的叶绿素分子捕获光子能量，激发电子电子传递激发电子通过电子传递链，产生ATP和NADPH碳固定利用ATP和NADPH将CO₂转化为有机物糖合成通过还原五碳糖磷酸途径合成葡萄糖叶绿体是植物和藻类特有的细胞器，是光合作用的场所其结构包括外膜、内膜、类囊体膜系统和基质（基质液）类囊体是由扁平囊状膜结构（类囊体片层）堆叠形成的，是光反应的主要场所，富含光合色素和电子传递链组分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，包括光能捕获、水分解产生氧气、电子传递和ATP与NADPH的生成暗反应（卡尔文循环）发生在基质中，利用光反应产生的ATP和NADPH将CO₂固定为有机碳化合物根据CO₂固定机制的差异，植物可分为C3植物（如水稻、小麦）、C4植物（如玉米、甘蔗）和CAM植物（如仙人掌）这些不同机制是植物适应不同环境条件的结果，影响着光合效率和水分利用效率第八章细胞核与染色体细胞核结构染色体组织核质转运细胞核是真核细胞中最大的细胞器，由核膜、染色体是DNA与组蛋白和非组蛋白结合形成核质转运是通过核孔复合体进行的，依赖于特核孔复合体、染色质和核仁组成双层核膜将的复合体核小体是染色质的基本单位，由约定的核定位信号（NLS）和核输出信号遗传物质与细胞质分隔，形成独立的核区室146bp的DNA缠绕在组蛋白八聚体（H2A、（NES）转运蛋白家族（importins和核孔复合体是嵌入核膜的大型蛋白质复合物，H2B、H3和H4各两个）外形成染色质进一exportins）识别这些信号，与Ran-GTP循环控制物质在核质之间的选择性转运细胞核是步折叠形成30nm纤维和更高级结构染色质系统共同调控核质物质的定向转运核质转运遗传信息储存、复制和表达的中心，对细胞功根据凝缩程度可分为常染色质（基因活跃区对蛋白质定位、基因表达调控和信号传导等过能至关重要域）和异染色质（基因沉默区域）程至关重要细胞核结构组成核膜核孔复合体1双层膜结构，外膜与内质网相连，内膜具有特异由约30种不同蛋白组成的大型孔道结构，控制物性蛋白质2质进出细胞核核仁染色质4核内的无膜结构，是核糖体RNA合成和核糖体装配DNA与蛋白质结合形成的复合体，是遗传信息的3的场所载体细胞核是真核细胞最显著的特征，作为遗传信息的指挥中心，控制着细胞的生长、代谢和繁殖核膜由内外两层磷脂双分子层组成，之间形成周核腔，与内质网腔相连内核膜含有特异性蛋白质，如核纤层蛋白受体，与核骨架相连；外核膜则与内质网连续，表面常附有核糖体核孔复合体是跨越核膜的大型蛋白质通道，直径约100nm，由多种核孔蛋白（nucleoporins）组成其结构包括细胞质纤维、中央孔道和核篮等部分核孔复合体允许小分子自由扩散，而大分子则需通过主动转运机制核基质是细胞核内的蛋白质网络，为染色质提供支持并参与核内物质转运和基因表达调控核仁是细胞核中最明显的亚结构，负责核糖体RNA的转录和核糖体亚基的初步装配染色体结构与组织146bp核小体DNA长度每个核小体包含的DNA片段长度，缠绕在组蛋白八聚体外表面30nm染色质纤维直径核小体进一步螺旋化形成的高级结构，直径约为30纳米46人类染色体数目人体细胞中的染色体总数，包括44个常染色体和2个性染色体3×10⁹人类基因组碱基对数人类单倍体基因组中的DNA碱基对总数，约30亿个碱基对染色体是DNA与蛋白质结合形成的高度压缩结构，实现了将长达2米的DNA分子紧凑地装入直径约10微米的细胞核核小体是染色质的基本单位，由146bp的DNA缠绕在组蛋白八聚体（H2A、H2B、H3和H4各两个）外围

1.65圈形成，相邻核小体间由连接DNA（linker DNA）相连，H1组蛋白结合在连接区域，稳定核小体结构染色质的高级折叠包括30nm纤维（由核小体进一步螺旋化形成）、300nm环状结构和700nm染色单体，最终形成有丝分裂期的高度浓缩染色体染色质根据结构和功能可分为常染色质（结构松散，转录活跃）和异染色质（高度浓缩，转录抑制）异染色质又分为组成型（如着丝粒和端粒区域，始终保持浓缩状态）和兼性型（如X染色体失活，在特定细胞类型或发育阶段形成）核质转运机制核定位信号与核输出信号核转运受体家族Ran-GTP循环核定位信号（NLS）是富含赖氨酸和精氨核转运受体主要包括importin和exportin两Ran是一种小分子GTP酶，其GTP结合状态酸的短肽序列，如经典的SV40T抗原NLS大类Importin-α识别NLS，并通过与由区室特异性调节因子控制细胞核内高（PKKKRKV）核输出信号（NES）则富importin-β结合形成三元复合物，将底物蛋浓度的Ran-GTP由核内的RCC1（染色质相含疏水氨基酸，特别是亮氨酸，如HIV-1白导入细胞核Exportin（如CRM1）则识关的鸟苷酸交换因子）维持；而细胞质中Rev蛋白的NES这些信号序列被特定的转别NES，在Ran-GTP存在下与底物结合形的RanGAP促进Ran-GTP水解为Ran-GDP，运受体识别，指导蛋白质在核质之间定向成复合物，介导核输出使细胞质中主要存在Ran-GDP形式转运核转运受体家族在人类中包含20多个成一些蛋白质具有两种信号，可以在核质之员，不同成员具有底物特异性，可识别不这种Ran-GTP梯度是核质转运方向性的关间穿梭，这对细胞响应外界刺激和信号传同类型的NLS和NES转运受体的特异性键决定因素核内的Ran-GTP促使导尤为重要信号序列的暴露或隐藏可通和多样性确保了核质物质交换的精确调importin释放底物并返回细胞质；同时稳过磷酸化等修饰调控，实现对核质转运的控，对维持细胞功能至关重要定exportin与底物的结合，促进核输出精确控制当exportin-底物-Ran-GTP复合物到达细胞质后，Ran-GTP水解为Ran-GDP，导致复合物解离，释放出底物第九章核糖体与蛋白质合成参数原核核糖体真核核糖体沉降系数70S（50S+30S）80S（60S+40S）rRNA组成23S、16S、5S28S、18S、

5.8S、5S蛋白质数量约50种约80种合成起始甲酰甲硫氨酸甲硫氨酸翻译抑制剂氯霉素、链霉素环己酰亚胺、放线菌素D核糖体是细胞内蛋白质合成的工厂，由rRNA和蛋白质组成核糖体由大、小两个亚基组成，在翻译过程中共同工作原核生物和真核生物的核糖体在大小、组成和翻译机制上存在显著差异，这也是抗生素选择性靶向细菌核糖体而不影响人体细胞的基础蛋白质合成是遗传信息从mRNA转化为蛋白质的过程，包括起始、延伸和终止三个阶段翻译起始是蛋白质合成的限速步骤，涉及多种起始因子的参与延伸过程中，氨酰-tRNA按mRNA密码子顺序进入核糖体A位，与P位的肽链形成肽键，随后核糖体沿mRNA移动一个密码子翻译终止由终止密码子和释放因子触发，导致新合成的多肽链释放蛋白质合成后还可能经历多种修饰，如切割、糖基化、磷酸化等，获得完整功能核糖体结构与生物合成核糖体亚基组成rRNA功能与核糖体活性真核核糖体（80S）由大亚基rRNA不仅是核糖体的结构组分，（60S）和小亚基（40S）组成也是其催化活性的核心28S大亚基含有28S、

5.8S和5S rRNArRNA含有肽基转移酶活性中心，以及约49种蛋白质；小亚基含有负责催化肽键形成；而16S/18S18S rRNA和约33种蛋白质这些rRNA参与mRNA结合和解码这组分通过复杂的装配过程在核仁中种RNA催化特性支持了RNA世界逐步形成核糖体亚基，随后通过核假说，表明RNA在生命起源中可能孔复合体输出到细胞质既作为遗传信息载体又作为催化剂核糖体装配过程核糖体装配始于核仁中rRNA前体的转录，随后经过一系列剪切、修饰和与核糖体蛋白结合的步骤这一过程受多种组装因子辅助，确保核糖体亚基正确折叠和组装装配完成的亚基通过核输出信号和转运蛋白介导的机制转运至细胞质，在需要时结合mRNA开始蛋白质合成蛋白质翻译过程翻译起始翻译起始是蛋白质合成的第一步，也是主要调控点真核生物中，小亚基首先与起始因子（eIFs）、甲硫氨酰-tRNA和mRNA形成起始复合物小亚基结合在mRNA的5端，沿着mRNA扫描直到遇到起始密码子（通常是AUG）当起始密码子被识别后，大亚基加入，形成完整的80S核糖体，翻译正式开始肽链延伸肽链延伸是一个循环过程，每轮循环添加一个氨基酸到生长的多肽链上氨酰-tRNA在延伸因子EF-1α（原核为EF-Tu）协助下进入核糖体A位，与mRNA密码子配对肽基转移酶催化P位tRNA上的肽链转移到A位tRNA上，形成新的肽键随后，在EF-2（原核为EF-G）和GTP水解的驱动下，核糖体沿mRNA移动一个密码子（移位），将新生肽-tRNA从A位移至P位，使下一个密码子进入A位准备下一轮延伸翻译终止当核糖体遇到终止密码子（UAA、UAG或UGA）时，由于没有对应的tRNA，释放因子（eRF1和eRF3）结合到A位释放因子识别终止密码子并催化P位tRNA上多肽链的水解释放随后，核糖体解离因子促使核糖体解体为游离的亚基，可以重新参与新一轮翻译释放的多肽链可能需要进一步折叠和修饰才能获得完全功能第十章细胞骨架系统细胞骨架是真核细胞内的蛋白质纤维网络系统，由微丝、微管和中间纤维三种主要组分构成这一系统不仅为细胞提供结构支持和维持细胞形态，还参与细胞运动、细胞分裂、细胞内物质运输等多种生命活动细胞骨架是一个高度动态的系统，能够根据细胞需要快速重组和调整微丝是由肌动蛋白（actin）聚合形成的直径约7nm的细丝，主要分布在细胞皮层区，参与细胞形态维持、肌肉收缩和细胞运动等过程微管是由α和β微管蛋白二聚体聚合形成的空心管状结构，直径约25nm，参与细胞分裂、细胞内物质运输和维持细胞极性等功能中间纤维是一组直径约10nm的纤维，由多种蛋白质组成，如角蛋白、波形蛋白和神经丝蛋白等，主要提供机械支持和抗张力保护微丝结构与动态微丝聚合动态肌动蛋白结合蛋白微丝聚合始于成核阶段，随后进入快速延伸阶段聚合过程伴随ATP水解，多种蛋白调控微丝动态帽蛋白封闭影响微丝的稳定性微丝的+端和-微丝末端；断裂蛋白切断现有微丝；端具有不同的聚合和解聚速率，导致成核促进因子加速微丝形成；交联蛋肌动蛋白分子treadmilling（跑步机效应）现象白将微丝连接成网络；肌球蛋白家族微丝网络功能作为分子马达沿微丝运动肌动蛋白是一种约42kDa的球状蛋白，微丝参与多种细胞活动形成细胞皮具有ATP结合位点G-肌动蛋白（单层维持细胞形态；构建细胞运动的伪体）可聚合形成F-肌动蛋白（丝状）足和丝状伪足；形成收缩环参与胞质肌动蛋白分子具有极性，形成的微丝分裂；与肌球蛋白共同构成肌肉收缩也呈现明显的结构极性装置23微管系统微管结构特点微管动态不稳定性微管组织中心微管是由α和β微管蛋白异二聚体聚合形微管呈现动态不稳定性特征，即同一细中心体是动物细胞主要的微管组织中心成的空心管状结构，直径约25nm每个胞中的微管可同时存在生长和收缩状（MTOC），由一对中心粒及周围的周中完整微管通常由13个原丝态，并能快速转换这种特性使微管网心体物质组成中心粒是由9组微管三联（protofilament）沿纵轴平行排列组络能够快速重组，适应细胞不同状态的体排列成圆筒状的结构，直径约

0.2μm，成微管具有明显的结构极性，一端为需要长约

0.5μmγ-微管蛋白环复合物（γ-快速生长的+端，另一端为生长较慢的-TuRC）在中心体表面作为微管成核位微管+端的GTP帽对维持微管稳定性至端点关重要当GTP帽丢失时，微管会发生微管蛋白具有GTP结合位点，GTP的结合灾变（catastrophe），快速解聚；而植物细胞没有典型中心体，微管从核周与水解调控微管的组装和解聚α微管蛋GTP帽的重新形成则导致营救区和细胞皮层等多个位点成核中心体白结合的GTP不发生水解，而β微管蛋白（rescue），使微管恢复生长温度、在细胞分裂前复制，形成的两个中心体结合的GTP在聚合后会水解为GDP，影响钙离子浓度和多种微管结合蛋白都能调移向细胞两极，组织有丝分裂纺锤体微管稳定性节微管的动态不稳定性中心粒也是纤毛和鞭毛基体的前体结构中间纤维特征角蛋白波形蛋白核纤层蛋白表皮和上皮细胞特有的中间纤维间充质来源细胞（如成纤维细V型中间纤维蛋白，定位于细胞蛋白，分为酸性（I型）和碱性胞）中表达的III型中间纤维蛋核内侧，形成核纤层网络核纤（II型）两大类，通常以异二聚体白波形蛋白参与维持细胞形层蛋白通过与染色质和核膜蛋白形式共表达角蛋白赋予上皮细态、细胞黏附和细胞迁移等过的相互作用，维持核结构、调控胞机械强度，保护其免受外力损程在上皮-间充质转化（EMT）基因表达和染色质组织核纤层伤角蛋白基因突变与多种皮肤过程中，波形蛋白表达增加，可蛋白基因（LMNA）突变导致多疾病相关，如表皮水疱症作为EMT的标志物种疾病，包括早老症和肌营养不良神经丝蛋白神经元特异性表达的IV型中间纤维蛋白，包括轻链（NFL）、中链（NFM）和重链（NFH）神经丝对维持轴突直径和结构稳定性至关重要，影响神经冲动传导速度神经丝异常聚集是多种神经退行性疾病的病理特征第十一章细胞周期与细胞分裂细胞周期调控机制周期蛋白与CDK复合物细胞周期检查点周期调控与癌症周期蛋白（Cyclins）和细胞周期依赖性激酶检查点是细胞周期的关键调控点，确保细胞周细胞周期调控异常是癌症发生的重要机制许（CDKs）是细胞周期调控的核心分子不同期事件按正确顺序进行DNA损伤检查点通多癌基因（如cyclin D

1、CDK4）和抑癌基因类型的周期蛋白在细胞周期特定阶段表达和降过ATM/ATR-Chk1/Chk2-p53通路激活，导致（如Rb、p

53、p16）直接参与细胞周期调解，与相应的CDK结合形成活性复合物哺乳p21表达上调，抑制CDK活性，阻止细胞周期控这些基因的突变或表达异常导致细胞周期动物细胞中主要有Cyclin D-CDK4/6（G1进程，给予细胞修复DNA的时间如果损伤检查点失效，使携带DNA损伤的细胞得以生期）、Cyclin E-CDK2（G1/S转换）、Cyclin无法修复，p53可能激活凋亡通路，清除潜在存和增殖，积累更多遗传变异，最终发展为癌A-CDK2（S期）和Cyclin B-CDK1（G2/M转的异常细胞症换）等复合物有丝分裂过程1前期染色质浓缩成可见的染色体；核膜开始解体；中心体分离并移向细胞两极，开始形成纺锤体；染色体上的着丝粒区域组装动粒体结构，为后续与纺锤丝连接做准备2中期染色体排列在细胞赤道板面上；每条染色体的两个姐妹染色单体通过动粒体分别连接到来自两极的纺锤丝上；纺锤体检查点确保所有染色体都正确连接到纺锤丝，防止染色体错误分离3后期姐妹染色单体分离，向细胞两极移动；染色体运动由动粒体微管的缩短和极向微管的延长共同驱动；细胞质开始出现收缩环，为胞质分裂做准备4末期染色体到达细胞两极后开始解螺旋化；核膜重新形成，包围每组染色体；纺锤体解体；胞质分裂完成，形成两个具有相同染色体组成的子细胞第十二章细胞分化与基因表达调控细胞表型基因表达的最终结果翻译后调控2蛋白质修饰与降解调控转录后调控RNA加工、运输与稳定性转录调控4基因表达的主要调控层次表观遗传调控5染色质结构与基因可及性细胞分化是多细胞生物发育过程中的基本现象，指细胞从未分化状态获得特定功能和形态的过程人体约200多种不同类型的细胞都来源于受精卵，通过精确调控的基因表达模式获得各自特异性功能细胞分化过程中，某些基因被激活而另一些被抑制，最终形成特定细胞类型的基因表达谱基因表达调控是一个多层次的复杂过程，包括染色质水平调控、转录调控、转录后调控、翻译调控和翻译后调控在各个层次上，细胞都有精密的调控机制确保基因在正确的时间、正确的位置、以适当的水平表达这些调控网络的精确协调对于正常发育和细胞功能至关重要，其失调可导致发育异常和多种疾病转录调控机制启动子与增强子转录因子•启动子位于基因转录起始位点附近的DNA•通用转录因子组成基本转录机器序列•特异性转录因子调控特定基因表达•增强子可远距离调控转录的顺式作用元件•共激活因子促进转录起始复合物组装•沉默子抑制基因转录的顺式作用元件•共抑制因子抑制转录起始复合物形成•绝缘子阻隔增强子作用的边界元件染色质重塑与修饰•ATP依赖性染色质重塑复合体•组蛋白修饰酶甲基化、乙酰化等•组蛋白变体置换影响染色质结构•DNA甲基化影响转录因子结合转录调控是基因表达控制的核心环节，涉及多种顺式作用元件和反式作用因子的相互作用RNA聚合酶II及通用转录因子结合在启动子区域形成转录前起始复合物特异性转录因子结合在增强子区域，通过与介导因子复合物相互作用，调控目标基因的转录活性近年来，研究发现长非编码RNA在基因表达调控中发挥重要作用它们可作为支架分子募集染色质修饰复合物，作为诱饵分子结合并隔离转录因子，或形成RNA-DNA三链结构影响基因转录此外，染色质三维结构和核内拓扑组织也对基因表达调控有显著影响，增强子与启动子可通过染色质环化实现远距离相互作用表观遗传修饰70%人类基因组CpG甲基化比例基因组中约70%的CpG位点被甲基化，主要分布在重复序列和转座子区域种4核心组蛋白类型H2A、H2B、H3和H4四种核心组蛋白构成核小体八聚体100+已知组蛋白修饰类型包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等多种可逆修饰200+表观遗传相关疾病表观遗传异常与癌症、代谢疾病和神经发育障碍等多种疾病相关表观遗传修饰是指不改变DNA序列的情况下影响基因表达的遗传学变化DNA甲基化是最稳定的表观遗传标记，主要发生在CpG二核苷酸的胞嘧啶位置高度甲基化通常与基因沉默相关，而低甲基化区域往往允许基因表达CpG岛是基因启动子区域富含CpG的序列，通常保持非甲基化状态以允许基因表达组蛋白修饰被称为组蛋白密码，不同修饰组合对应不同的染色质状态和基因表达水平组蛋白乙酰化通常与基因激活相关，而甲基化则根据位置不同可能促进或抑制转录H3K4me3常见于活跃基因的启动子区域，H3K27me3则标记沉默基因区域表观遗传修饰的可逆性使其成为药物开发的重要靶点，DNA甲基化抑制剂和组蛋白去乙酰化酶抑制剂已用于某些癌症治疗第十三章细胞衰老与凋亡细胞损伤氧化应激、DNA损伤、端粒缩短等导致细胞应激反应检查点激活p53和Rb通路被激活，细胞周期停滞在G1期细胞命运决定细胞根据损伤程度选择修复、衰老或凋亡途径细胞命运实现细胞修复、永久性退出细胞周期或通过凋亡被清除细胞衰老是指细胞永久性退出细胞周期、丧失增殖能力但仍保持代谢活性的状态衰老细胞表现出典型形态变化和多种生化标志，如β-半乳糖苷酶活性增强、p16和p21表达上调、端粒缩短等衰老细胞还会分泌多种细胞因子、趋化因子和基质金属蛋白酶等，形成衰老相关分泌表型（SASP），影响周围细胞和组织微环境细胞凋亡是一种程序性细胞死亡方式，特征是细胞皱缩、染色质浓缩、DNA断裂和细胞膜出芽形成凋亡小体凋亡主要通过外源性（死亡受体介导）和内源性（线粒体介导）两条通路激活，最终导致效应caspase激活，切割多种细胞底物，有序拆解细胞结构凋亡过程不引起炎症反应，是机体清除异常细胞和维持组织稳态的重要机制凋亡异常与多种疾病相关，如癌症（凋亡抑制）和神经退行性疾病（凋亡过度激活）总结与前沿展望关键概念回顾前沿研究方向应用前景细胞生物学与分子生物学深入探索了生命的基单细胞组学技术揭示细胞异质性；相分离现象精准医疗利用分子标志物指导个体化治疗；基本单位——细胞的结构、功能及其分子基础从解释细胞内无膜细胞器形成；基因编辑技术革因治疗和细胞治疗为遗传病和癌症提供新策细胞理论的建立到分子层面的精细解析，我们新生物医学研究；细胞命运重编程开创再生医略；组织工程学构建人工器官缓解器官短缺；对生命本质的理解不断深化，为医学、农业和学新途径；系统生物学整合多层次数据构建细生物传感器和生物计算拓展细胞功能应用范生物技术等领域提供了理论基础胞网络模型；合成生物学设计人工细胞和基因围；合成生物学创造具有特定功能的工程细胞线路用于工业生产和环境治理本课程系统介绍了细胞生物学与分子生物学的基础知识和研究方法，从细胞基本结构到分子调控机制，建立了从宏观到微观的完整认知框架随着技术的飞速发展，细胞生物学研究正经历前所未有的变革，从静态描述向动态理解转变，从单一层次向多维整合发展未来的细胞生物学将更加注重整合多组学数据，结合人工智能和计算模拟，构建细胞生命活动的预测模型这些进展不仅深化我们对生命本质的理解，也将推动医学、农业和环境科学等领域的技术革新，为人类社会可持续发展提供科学支撑希望同学们通过本课程学习，掌握基本理论和方法，培养科学思维，为未来探索生命奥秘和解决人类面临的挑战做好准备。