第一章 細胞概述 細胞是生物體結構和功能的基本單位，也是生命活動的基本單位。1665年胡克首先發現細胞。170年后，施萊登和施旺創立了細胞學說，從而解決了生命的同一性和共同起源。細胞生物學發展經歷了四個階段。1965年，Derobetis將其編著的普通細胞學改為細胞生物學，標志著細胞生物學的誕生，研究細胞及其生物學功能的科學稱為細胞生物學。 細胞都具有膜屏障、遺傳物質和核糖體，都能進行自我增殖。細胞形態多樣，組成細胞的化合物有水、無機鹽、小分子有機物以及核酸、蛋白質、多糖、脂類等生物大分子。細胞是物質的，生命是物質的特殊運動形式。 細胞分為原核細胞和真核細胞兩大類，真核細胞主要有植物細胞和動物細胞兩種類型。真核細胞有三大結構體系；生物膜體系、遺傳信息表達體系、細胞骨架體系。病毒是非細胞的生命體。本章還介紹了我國的細胞生物學的發展戰略。細胞生物學將會在新的生命科學世紀中發揮重要作用。第二章 細胞生物學研究方法顯微成像包括直接成像和間接成像。顯微技術是細胞生物學最基本的研究技術，包括光學顯微技術和電子顯微技術。幾種常用的光學顯微鏡包括普通雙筒顯微鏡、熒光顯微鏡、相差顯微鏡、暗視野顯微鏡、倒置顯微鏡。電子顯微鏡是研究亞顯微結構的主要工具，透射和掃描電鏡是兩類主要的電子顯微鏡。 細胞化學技術包括酶細胞化學技術、免疫細胞化學技術等。流式細胞分選技術是細胞生物學和現代生物技術中的重要技術，不僅用于分選細胞，也可分選染色體。細胞工程技術是細胞生物學與遺傳學的交叉領域，主要利用細胞生物學的原理和方法，結合工程學的技術手段，按照人們預先的設計，有計劃的改變或創造細胞遺傳的技術，主要內容包括：細胞融合、細胞生物反應器、染色體轉移、細胞器移植、基因轉移、細胞及組織培養。 分離技術是一大類技術的總稱，包括細胞組分的分離和細胞生物大分子的分離。 本章對分子生物學方法作了簡要介紹。第三章 細胞質膜與跨膜運輸 細胞質膜是細胞的基本結構，生物膜具有界膜和區室化、調節運輸、功能定位和組織化、信號檢測與傳遞、能量轉換等功能。 紅細胞結構簡單，是研究膜結構的最好材料。紅細胞質膜內側有膜蛋白和纖維蛋白組成的膜骨架，它參與維持細胞質膜的形狀并協助質膜完成多種生理功能。 膜的主要成分是膜脂、膜蛋白、膜糖3大類。磷脂、鞘脂、膽固醇是主要的膜脂，具有雙親媒性。根據膜蛋白的存在方式可分為整合蛋白、膜周邊蛋白質、脂錨定蛋白，細胞質膜的生物學功能主要是由膜蛋白來執行的；可采用離子型和非離子型的去垢劑來分離膜蛋白。膜糖一般以糖脂或糖蛋白的形式存在，存在于質膜的外側面。 流動鑲嵌模型是目前被廣泛接受的細胞質膜的結構模型，它強調了膜的不對稱性和流動性。膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不對稱性導致了膜功能的不對稱和方向性，保證了生命活動的高度有序性。流動性包括膜脂的側向擴散、旋轉運動、翻轉運動和膜蛋白的隨機移動、定向移動、局部擴散等，膜的流動性與細胞質膜的酶活性、物質運輸、信號傳導、能量轉換、細胞周期、發育以及衰老等過程有很大關系。可以通過人鼠細胞融合實驗、淋巴細胞的成斑成帽反應、光脫色熒光恢復技術、電子自選共振譜技術研究膜的流動性。溫度、脂肪酸鏈長度、不飽和度、膽固醇含量、軟磷脂/鞘磷脂比值以及影響膜蛋白運動的因素都能夠影響膜的流動性。 物質跨膜運輸是細胞質膜的基本功能，分為被動運輸和主動運輸。被動運輸不消耗ATP，且順濃度梯度，可分為簡單擴散和促進擴散，后者需要載體蛋白或通道蛋白的幫助。通道蛋白有點閘門通道、配體閘門通道、機械閘門通道等。水可以通過簡單擴散方式跨膜，也可以通過水通道蛋白協助跨膜。 主動運輸的4個基本特點是：逆濃度運輸、依靠膜運輸蛋白、需要消耗ATP，具有選擇性和特異性。參與主動運輸的ATPase可分為P型泵、V型泵、F型泵和ABC運輸蛋白，Na/K泵和Ca泵均屬于典型的P型離子泵。 細菌的主動運輸有磷酸化運輸、細菌視紫紅質質子泵、ABC運輸蛋白等。第四章 細胞環境與互作多細胞生命的有機體中的細胞組成不同的組織，在這些組織中，通過細胞相互間以及細胞與細胞外環境的相互作用調節著細胞的遷移、生長以及組織的三維結構。動物是由多種類型的細胞組成的有機體，而且不同類型的細胞通常要組成固定的組織。在多數組織中，細胞要向細胞外分泌一群大分子，這些大分子在細胞間交織連接形成網狀結構，將這種結構稱為細胞外基質。細胞外基質的組成可分為3大類：蛋白聚糖，它們能夠形成水性的膠狀物；結構蛋白，如膠原和彈性蛋白，它們賦予細胞外基質一定的強度和韌性；黏著蛋白，如纖連蛋白和層黏蛋白，它們促進細胞同基質結合。細胞識別，只細胞對同種或異種細胞、同源或異源細胞以及對自己和異己物質分子的認識和鑒別。細胞黏著則是指相鄰細胞或細胞與細胞外基質以某種方式黏合在一起，組成組織或其他組織分開，這種黏合的方式比較松散。另外從事件發生的次序來說，細胞識別在先，細胞黏著在后，識別是黏著的基礎。細胞在識別和黏著的基礎上進行細胞連接。細胞連接有3種方式：緊密連接、斑塊連接、通訊連接。比較復雜的是斑塊連接，它可分為4種連接方式：黏著帶、黏著斑、橋粒、半橋粒。對它們的區別主要是根據連接蛋白與細胞骨架的關系以及是否是細胞與細胞的連接，還是細胞與細胞外基質的連接。第五章 細胞通訊 細胞通訊是指多細胞生物細胞間或細胞內通過高度精確和高度有效的接受信息的通訊機制并通過放大引起快速的細胞生理反應，或引起基團活動，從而發生一系列的細胞活動來協調各組織行動，使之成為統一的生命整體對外環境變化做出綜合應答。細胞有3種通訊方式：通過信號分子、相鄰細胞表面分子的相互作用、細胞與細胞外基質的作用。信號分子可分為水溶性和脂溶性兩種，按信號傳導方式可分為3種類型：激素、局部介質、神經遞質。受體分為細胞表面受體和細胞內受體兩種。表面受體可分為單次跨膜、7次跨膜和多亞基跨膜3個家族，主要有離子通道偶聯受體、G-蛋白偶聯受體、酶聯受體等3種類型。受體與配體相互作用具有特異性、高親和力、飽和性、可逆性等特點，并可引發生理反應。研究受體與配體的相互作用常采用單克隆抗體標記法、親和標記法等。PKA系統是以cAMP作為第二信使激活蛋白酶A(PKA)進行信號放大，包括激活型和抑制型兩種類型。在激活型中，G蛋白偶聯受體與信號分子結合后，G蛋白被激活，活性亞基與其他兩個亞基分離并激活腺苷酸環化酶(AC)，產生第二信使cAMP,cAMP激活PKA，PKA再作用于靶蛋白，產生細胞應答。在抑制型中，激活的G蛋白則抑制AC的活性。通過對cAMP的降解可解除PKA系統的信號作用。PKC系統是以三磷酸肌醇（IP）、二酰甘油（DAG）為第二信使，并通過蛋白激酶C(PKC)引起級聯反應。PKC系統中，磷脂酶C相當于PKA系統的AC，經G蛋白激活后的磷脂酶C水解質膜上的4，5二磷酸磷脂酰肌醇（PIP）,產生IP和DAG。IP的作用是釋放出內質網中的Ca，DAG和Ca共同作用激活PKC，PKC參與多種生化反應的催化。DAG和 IP的信號解除都可以通過水解和磷酸化來完成，Ca的信號解除則需要通過IP磷酸化生成的IP與質膜、內質網膜上的Ca-ATP酶的共同作用。酶聯受體信號轉導系統有以cGMP作為第二信使激活蛋白酶G的系統以及受體酪氨酸激酶/Ras途徑。胰島素受體信號轉導途徑和表皮生長因子受體信號轉導途徑是典型的受體酪氨酸激酶途徑。Ras蛋白活性受到GAP和GEF的控制，其激活亦涉及Grb蛋白和Sos蛋白。整聯蛋白介導的黏著斑的裝配、黏著斑的信號轉導也是細胞表面受體介導的信號轉導的重要方式。細胞信號轉導系統具有趨同、趨異與串話等現象。信號的終止通過信號分子水解、受體鈍化、受體減量調節以及磷酸酶的作用來實現。第七章 線粒體與過氧化物酶體線粒體是細胞內氧化磷酸化和形成ATP的主要場所，是細胞的“動力工廠”。線粒體有內外兩層膜，外膜含有孔蛋白，通透性高。內膜通透性較低，通常向基質折褶形成嵴，嵴上有許多規則排列的基粒。內膜上有許多參與運輸、合成、電子傳遞和ATP合成的酶類。內外膜之間有膜間間隙，其化學組成接近胞質溶膠。線粒體基質中含有與三羧酸循環、線粒體DNA合成等相關酶類。線粒體絕大多數蛋白質由核基因編碼，在細胞質游離核糖體上合成后通過轉運肽運輸到線粒體中，轉運過程需要受體、消耗能量以及分子伴侶的幫助等。線粒體是真核生物氧化代謝的部位。糖酵解生成的丙酮酸進入線粒體基質，經過三羧酸循環生成FADH和NANH，在進入呼吸鏈進行氧化磷酸化，最后生成ATP和水。呼吸鏈上的電子載體有黃素蛋白、細胞色素、鐵硫蛋白和輔酶Q。主呼吸鏈由復合物、構成，傳遞氧化NADH釋放的電子，次呼吸鏈由復合物、構成，傳遞氧化FADH釋放的電子。呼吸鏈通過3個氧化磷酸化偶聯位點即復合物、建立質子動力勢，驅動ATP合酶合成ATP。英國生化學家Mitchell于1961年提出化學滲透假說，合理解釋了線粒體氧化磷酸化的機制。線粒體是一種半自主性的細胞器，具有有限的遺傳物質以及蛋白質合成系統等。線粒體通過二裂法進行增殖。關于線粒體的起源有內共生學說和非內共生學說兩種假說。過氧化物酶體是由一層單位膜包裹的囊泡，含40余種酶類，主要是氧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶。過氧化物酶體具有解毒、調節氧濃度、氧化脂肪酸、進行含氮物質代謝等功能。過氧化物酶體也是通過二裂法進行增殖，其酶類和蛋白質均為核基因編碼并于細胞質游離核糖體上合成后轉運而來。第八章 葉綠體與光合作用葉綠體由葉綠體被膜、類囊體和基質組成。類囊體分基粒類囊體和基質類囊體，是光合作用光反應的場所。葉綠體的主要功能是進行光合作用，分兩個階段進行。光合作用的第一階段是光反應，包括光能的吸收、電子傳遞、光和磷酸化3個主要過程。進行光呼吸的功能單位是光系統，它由捕光復合物和光反應中心復合物組成，被吸收的光能在色素分子之間傳遞。光反應的第二步是電子傳遞。這一過程中HO是原初電子供體，NADP+是最終電子受體。電子載體位于類囊體膜上，包括細胞色素、鐵氧還蛋白、NADP+還原酶、質體藍素、NADP+、細胞色素b/f復合物等。電子傳遞復合物包括光系統、光系統和細胞色素b/f復合物。其中，光系統又由捕光復合物、PSII反應中心復合物和水裂解放氧復合物組成，光系統由捕光復合物和PSI反應中心復合物組成。電子傳遞有環式和非環式兩種途徑。葉綠體光合磷酸化的機制與線粒體的氧化磷酸化相似。在電子傳遞過程中，類囊體膜兩側建立質子動力勢。光合磷酸化分為循環式光合磷酸化和非循環式光合磷酸化。光合作用的第二階段是CO的固定，即暗反應，在葉綠體基質中進行。光呼吸是一種依靠光來消耗O，釋放CO的作用。光呼吸作用的結果是降低了光合作用的效率。葉綠體是半自主性細胞器，其基因組為環狀，編碼部分葉綠體所需的蛋白質和RNA，大多數蛋白質由核基因編碼并通過信號序列轉運而來。葉綠體是由原質體分化來，并通過分裂而增殖。第九章 內膜系統與蛋白質分選和膜運輸內膜系統主要是指內質網、高爾基體、溶酶體、液泡和細胞核膜，這些膜結構是相互流動的，處于動態平衡，在功能上也是相互協同的。蛋白質分選是指細胞對新蛋白的識別、挑選，并通過特殊方式運送到靶位點的過程。內膜系統是蛋白分選的主要系統。內質網是由一層單位膜所形成的囊狀、泡狀和管狀結構，并形成一個連續的網膜系統。它可分為糙面內質網和光面內質網。光面內質網的功能有：糖原分解釋放葡萄糖、類固醇激素的合成、脂的合成與轉運、解毒和調節鈣離子濃度等。糙面內質網的功能主要是參與蛋白質的合成與運輸。實驗證明，信號肽對于蛋白質合成的分選具有決定作用。信號肽長度一般為15-35個氨基酸殘基，沒有特異性。信號肽通過與信號識別顆粒、停靠蛋白的相互作用將新合成的蛋白質引導到內質網上，新生肽進入內質網腔后除了要進行正確的折疊外，還要經過蛋白質N-糖基化和形成脂錨定蛋白。高爾基體是蛋白質的分選站，它由內側網絡、中間囊膜和外側網絡3部分功能區室組成。高爾基體的功能主要是蛋白質和脂運輸、蛋白質的糖基化、蛋白聚糖的合成、蛋白原的水解和蛋白質的分選。溶酶體是動物細胞中一種單層膜包被的膜結合細胞器。溶酶體可分為初級溶酶體、次級溶酶體和后溶酶體，次級溶酶體又可分為自噬性、異噬性和混合性溶酶體。溶酶體的功能有吞噬作用、自噬作用、自溶作用和細胞外的消化作用等。細胞的分泌活動涉及內質網、高爾基體和細胞質膜，可分為組成型和調節型兩種。前者不需任何信號觸發，后者則相反。分泌活動的過程主要包括蛋白質的合成、分選、加工和胞吐作用。胞吐作用的相反過程是內吞作用，它可分為吞噬作用、吞飲作用和受體介導的內吞作用。受體介導的內吞作用的典型例子是低密度的脂蛋白和轉鐵蛋白結合鐵離子的內吞運輸。還有一種特殊的內吞作用就是轉胞吞作用。根據外被蛋白質的不同，將膜泡分為：披網格蛋白小泡、COPII被膜小泡和COPI被膜小泡。披網格蛋白小泡的形成需網格蛋白、銜接蛋白和發動蛋白的參與。COPI被膜小泡的形成需裝配反應因子（ARF）和外被體蛋白質I的參與。分泌小泡尋靶可用SNARE假說解釋。Rab蛋白可調節小泡運輸與融合。膜的合成是通過不斷地將脂和蛋白質插入已有的膜。磷脂的插入是通過磷脂轉運蛋白，或通過出芽和膜融合。而膜整合蛋白則來源于糙面內質網，細胞內測的外周蛋白則是由游離核糖體合成的。第十章 細胞骨架與細胞運動細胞骨架是細胞內以蛋白質纖維為主要成分的網絡結構，包括微管、微絲和中間纖維，具有多種功能。微管主要分布在核周圍，它由微管蛋白異源二聚體組成。微管有單管、二聯管和三聯管，其中單管不穩定，二聯管和三聯管穩定。微管的體外組裝分成核和延長兩個過程，其中成核是限速步驟。微管有（+）端和（）端，因此微管具有極性。影響微管外裝配穩定性的因素有GTP濃度、壓力、溫度、pH、微管蛋白臨界濃度、藥物等。細胞內的微管處于動態不穩定狀態。微管通過與微管結合蛋白（MAP）結合擴展其功能。微管的功能有：支架作用、細胞內物質運輸的軌道、纖毛和鞭毛的構件、參與細胞的有絲分裂和減數分裂等。微絲又稱肌動蛋白絲，由肌動蛋白組成。微絲的裝配分三個階段：成核、快速延長和穩定，其中需ATP的參與。這一過程受G肌動蛋白臨界濃度和一些離子濃度的影響。肌動蛋白也有踏車現象。微絲的穩定性受細胞松弛素和鬼筆環肽的影響。分子發動機是一類利用ATP供能，產生推動力，進行細胞內物質的運輸或運動的蛋白。分子發動機有肌球蛋白家族、驅動蛋白家族和動力蛋白家族等。其中驅動蛋白和動力蛋白是以微管作為運行的軌道，而肌球蛋白則是以微絲作為運行的軌道。分子發動機的運輸是單方向的、逐步進行的。驅動蛋白在神經細胞中的功能是將物質從神經細胞的胞體運向軸突末端，并沿微管的（）端向（+）端移動。細胞質動力蛋白的移動方向則相反，它是有絲分裂中染色體運動的力的來源，也參與小泡和膜結合細胞器的運輸。肌球蛋白是一種肌動蛋白纖維的分子發動機，研究的較為清楚的有肌球蛋白I、肌球蛋白II和肌球蛋白V。肌球蛋白II為肌收縮和細胞質分裂提供力肌球蛋白I和肌球蛋白V則涉及細胞骨架與膜之間的相互作用。中間纖維是3種骨架纖維中最復雜的一種，它的裝配分3個過程：由單體形成二聚體，再由二聚體形成四聚體，然后8個四聚體組成原絲。中間纖維的功能有：為細胞提供機械強度支持、參與細胞連接、是核骨架的主要成分并維持細胞核膜穩定。第十一章 細胞核與染色體細胞核是細胞的遺傳機構，主要有兩個功能：一是通過遺傳物質的復制和細胞分裂保持細胞世代間的連續性；二是通過基因的選擇性表達，控制細胞的活動。真核生物的細胞核有雙層的核被膜包裹著，核被膜由外核膜、內核膜、核周腔、核孔復合體和核纖層等5個部分組成。核孔復合體具有選擇性運輸作用，核蛋白進入細胞核須由核定位信號（NLS）引導，并且要有一種小GTP結合蛋白的幫助。分子伴侶是細胞內的一類蛋白質，它們介導其他蛋白質的正確裝配，但自己不成為最后功能結構中的組分。第一個被發現的分子伴侶是核質蛋白，它介導核小體扽組裝。分子伴侶的功能有：幫助蛋白質折疊和裝配、幫助蛋白質的轉運和定位、參與細胞器和細胞核結構的發生、參與應激反應、參與信號轉導等。染色質是細胞間期細胞核內能被堿性染料染色的物質，由DNA和蛋白質組成。染色體是由染色質壓縮包裝而成的棒狀結構，是中期染色質的表現形式。組蛋白是真核生物染色體的基本結構組分，有H1、H2A、H2B、H3、H4等五種類型。它們帶正電荷，能與DNA中帶負電荷的磷酸基團相互作用。其中H2A、H2B、H3、H4為核小體核心組蛋白；H1在構建核小體時起連接作用。組蛋白的某些氨基酸側鏈常會被磷酸化、乙酰化或甲基化以及ADP的核糖化等修飾，這些修飾對保護、穩定和調控遺傳物質的功能起重要作用。非組蛋白是指細胞核中不參與核小體組成的一類蛋白質，它們有多種功能：包括參與染色體的構建、調控基因的表達等。根據染色質染色反應不同，分為異染色質與常染色質，異染色質通常沒有轉錄活性。核小體又稱核體、核粒。由146個堿基對的DNA在八聚體的組蛋白外繞了7/4圈，H1位于核小體DNA的進出口處。兩相鄰核小體之間以連接DNA相連。在DNA復制和轉錄時，核小體不會完全解體。有多種模型推測核小體與轉錄的關系。DNA經過4步形成染色體，從DNA到染色體共壓縮了8400倍。著絲粒又稱主縊痕，動粒是裝配在著絲粒外側的2層蛋白質結構，細胞分裂時提供了與紡錘體微管結合的位點。而次縊痕則是核仁組織區。某些生物在發育過程中，某些組織的細胞會出現巨型染色體，包括多線染色體和燈刷染色體。核仁由纖維區、顆粒區、核仁染色質、基質等四部分組成。它是一種動態結構。核仁的主要功能是合成rRNA、裝配核糖體，也在一定程度上控制著蛋白質合成的速度。第十二章 細胞周期與細胞分裂生長和生殖是生物的基本特性，通常將通過細胞分裂產生的新細胞的生長開始到下一次細胞分裂形成子細胞結束為止所經歷的過程稱為細胞周期。在這一過程中，細胞的遺傳物質復制并均等地分配給兩個子細胞。將細胞周期分為兩個主要的階段：分裂區（M期）和分裂間期。M期所持續的時間較短，一般為3060min，分裂間期的時間較長，根據細胞的類型和所處的條件不同而不同，有幾小時、幾天、幾周或更長。根據新細胞從開始生長到分裂前止的分列間隔期中的生理和生化變化，可將分裂間期分為：G期、S期、G期。細胞周期的調控機制最早是從酵母中獲得突破，發現了細胞周期蛋白和周期蛋白依賴性蛋白激酶，它們控制著細胞周期的進程。細胞周期中有三個主要的關卡，一個在G期，另一個在G期，另一外在分裂期中期。有絲分裂是細胞周期的分裂期（M期）進行的分裂活動。在這個時期，通過紡錘體的形成和運動，將在S期已經復制好了的DNA平均分配到兩個子細胞，以保證遺傳的連續性和穩定性。這一時期的主要特征是出現紡錘體。有絲分裂包括核分裂和胞質分裂兩個過程，一般在核分裂之后隨之發生胞質分裂。M期持續的時間很短，但形態變化很大，根據形態變化的特征，通常將分裂期分為前期、前中期、后期、末期。減數分裂是生殖細胞產生配子的分裂，包括兩次連續的分裂，形成4個單倍體的子細胞。相繼的兩次分裂分別稱為減數分裂I和減數分裂II。由于細胞核分裂了兩次，而染色體只是在第一次減數分裂前的間期復制了一次，所以細胞經過減數分裂導致染色體數目減少一半。第一次減數分裂可分為前期I，中期I，后期I，末期I。第二次減數分裂可分為前期II，中期II后期II，末期II。減數分裂是遺傳重組產生的主要原因重組的兩個事件分別發生在前期I和后期I。第十三章 胚胎發育與細胞分化動物和植物的雌配子通常稱為卵，而將雄配子稱為精子。配子形成的過程稱為配子發生。在配子發生過程中，二倍體的原始生殖細胞要通過減數分裂和分化才能轉化成單倍體的卵或精子。在大多數動物中，卵子形成（即卵子發生）發生在卵巢，并且有一個增殖期。雄性的精子發生與卵子發生過程有很大的不同，它是在睪丸中通過精子發生過程產生的。精子與卵子的融合，即受精作用。受精作用涉及的反應包括：頂體反應、皮層反應、原核融合等。受精后胚胎的早期發育主要包括卵裂、胚泡形成和宮內植入3個階段。細胞分化是胚胎細胞分裂后未定形的細胞在形態和生化組成上向專一性或特異性方向發展，或由原來較簡單具有可塑性的狀態向異樣化穩定狀態發展的過程。細胞分化時的主要特征是細胞出現不同的形態結構和合成組織特異性蛋白質，演變成特定表型的細胞類型。其結果是，在空間上，細胞之間出現差異；在時間上同一細胞和以前的狀態有所不同，從本質上說，細胞分化是從化學分化到形態、功能分化的過程。由于分化和形態建成是非常復雜的過程，影響的因素很多，包括：細胞黏合分子在胚胎發育中的作用、激素對分化和形態建成的影響、分化抑制作用、細胞分化中的核質關系的影響等。細胞質不僅在細胞分化中具有重要作用，在成熟個體的組織中，細胞質對細胞核仍然具有影響。從分子水平看，分化細胞間的主要差別是合成蛋白質種類的不同，即表達的基因不同，