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省竞赛辅导--细胞生物学


(1)细胞学:细胞的结构和功能;细胞分裂、分化、衰老和 癌变 (2)生物化学:化学成分;细胞代谢;分子生物学 (3)微生物和生物技术:微生物学;生物技术 30%左右 难度不大,范围广

复习时涉及的主要知识范围 (1)细胞学:细胞器的结构和功能;细胞分裂的过程;分化、 衰老和癌变机理 (2)生物化学:糖、脂、蛋白质、核酸、酶;光合作用、呼 吸作用;复制、转录、翻译、遗传操纵 (3)微生物和生物技术:微生物类群;代谢特点;生物技术 参考教材: 《细胞生物学》 翟中和、王喜忠、丁明孝主编 《生物化学简明教程》 罗纪盛等修订 《微生物学》 沈萍主编 高教出版社 高教出版社 高教出版社

细胞生物学部分
生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系, 而细胞是生命体的结构与生命活动的基本单位,有 了细胞才有完整的生命活动。 细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学,它 是在不同层次(显微、亚显微与分子水平)上以研究 细胞结构与功能、细胞增殖、分化、衰老与凋亡、细 胞信号传递、真核细胞基因表达与调控、细胞起源与 进化等为主要内容。核心问题是将遗传与发育在细胞 水平上结合起来。

“细胞学说”的基本内容 细胞学说” 细胞学说
认为细胞是有机体,一切动植物都是由细胞 发育而来,并由细胞和细胞产物所构成;

每个细胞作为一个相对独立的单位,既有它“自己的” 生命,又对与其它细胞共同组成的整体的生命有所助益;

新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。

主要内容
细胞结构与功能、细胞重要生命活动 细胞结构与功能、细胞重要生命活动: 细胞核、染色体以及基因表达的研究 生物膜与细胞器的研究 细胞骨架体系的研究 细胞增殖及其调控 细胞分化及其调控 细胞的衰老与凋亡 细胞的起源与进化 细胞工程

重点领域
染色体DNA与蛋白质相互作用关系 —主要是非组蛋白对基因组的作用 细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控 细胞信号转导的研究 细胞结构体系的组装

一、真核细胞的结构 (一)细胞膜(质膜) 1、细胞膜的基本组成成分 (1)膜脂 :磷脂、胆固醇和糖脂 占50 %以上:具有一个极性头和两个由脂肪酸链形成的非极 性尾;脂肪酸碳链为偶数;既含饱和脂肪酸又含不饱和脂肪酸 胆固醇只存在于动物细胞、酵母菌、支原体;细菌、蓝藻等 原核细胞和植物细胞膜中一般没有胆固醇;助于增加膜的稳定 性,可调节膜的流动性,使膜的流动性不至于在温度降低时而 下降 (2)膜蛋白:外在膜蛋白(或称外周膜蛋白)和内在膜蛋白 (或称整合膜蛋白) (3)膜糖类:与膜脂、膜蛋白以共价键形成的糖脂或糖蛋 白,与细胞识别有关

结构模型
E.Gorter和F.Grendel(1925): “蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板质膜结构模型 J.D.Robertson(1959年): 单位膜模型(unit membrane model) S.J.Singer和G.Nicolson(1972): 生物膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model)

2.细胞膜的流动镶嵌模型:Singer和Nicolson 细胞膜的流动镶嵌模型:Singer和 细胞膜的流动镶嵌模型 (1)脂双分子层是细胞膜的主要结构支架,具有极性头 部和非极性尾部的磷脂分子以疏水性尾部相对,极性头 部朝向水相;(2)膜蛋白为球蛋白,分布于脂双层表面 或镶嵌脂分子中,有的甚至横跨整个脂双层;(3)在膜 的两侧脂分子的分布,蛋白质分子的分布与性质是不相 同的,即具有不对称性;(4)膜结构中蛋白质分子和脂 类分子都能运动,具有流动性。 3.细胞膜的流动性和不对称性 (1)膜的流动性 : 膜脂的运动方式主要有侧向扩散、旋转运动、左右摆动以 及翻转运动等 ;不饱和脂肪酸越多,脂肪酸链越短,膜脂流动 性越大 ;温度下降,膜脂的流动性减弱;胆固醇含量的增加, 可增加膜脂的有序性,降低膜脂的流动性。卵磷脂与鞘磷脂的 比值越高,膜脂的流动性越大 膜蛋白质分子的运动分为侧向扩散和旋转运动

(2)膜的不对称性:膜脂、膜蛋白及糖类的不对称性 4.细胞膜的生物学功能 (1)细胞膜与物质的跨膜运输 ①简单扩散:疏水的小分子或小的不带电荷的极性 分子(如O2、CO2、乙醇、尿素等);小分子比大 分子容易穿膜,非极性分子比极性分子容易穿膜, 而带电离子的跨膜运输则需要更高的自由能。 ②协助扩散 载体蛋白 通道蛋白,它横跨质膜形成 ③主动运输 ATP直接提供能量: Na+-K+ 泵(Na+-K+-ATP酶)每消耗1个ATP分子,可使 细胞内减少3个Na+并增加2个K+ Ca2+泵(Ca2+-ATP酶)泵入内质网腔中消耗一个ATP分 子转运出两个 Ca2+ 质子泵 细胞质膜上,溶酶体膜和植物泡膜上以及线 粒体内膜、植物内囊体膜

协同运输(伴随运输):不是由ATP提供能量,而是借其他物质 的浓度梯度为动力来进行的 同向协同运输 反向协同运输 动物细胞中葡萄糖的跨膜运输

④内吞作用与外排作用 大分子(如蛋白质、多核苷酸、多糖)或颗粒物质 吞噬作用 胞饮作用

内吞作用与外排作用都需要细胞提供能量。

(2)细胞膜与细胞连接:封闭连接、锚定连接、通讯连接(包括 间隙连接、神经细胞间的化学突触、植物细胞中的胞间连丝) ①封闭连接(紧密连接是典型的代表)

②锚定连接 桥粒和半桥粒(中间纤维 ) 粘着带和粘着斑(肌动蛋白纤维)

③通讯连接:间隙连接、植物细胞中的胞间连丝、神经细胞间 的化学突触 a.间隙连接 连接小体由6个 相同或相似的跨 膜蛋白亚单位环 绕,中心形成一 个直径约1.5nm 的孔道连接小体 成簇并两两相对 分别包埋在两相 邻细胞的质膜中, 形成一个间隙连 接单位

b.胞间连丝 胞间连丝连接处的细胞壁 不连续,相邻细胞的细胞 膜共同形成20~40 nm的管 状结构,中央是由内质网 延伸形成的链管状结构。 链管与管状质膜之间是由 胞液构成的环带。

c.化学突触

(3)细胞膜与细胞的识别 细胞识别与细胞表面的糖蛋白、糖脂及蛋白聚糖有关 (4) 细胞膜与信息的传递

①cAMP信号通路 信号通路
激素→G-蛋白偶联受体→G-蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→

cAMP依赖的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录

②磷脂酰肌醇信号通路
胞外信号分子→G-蛋白偶联受体→G-蛋白→

→IP3→胞内Ca2+浓度升高→Ca2+结合蛋白(CaM)→细胞反应 磷脂酶C(PLC)→ →DG→激活PKC→蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pH

③通过细胞内受体介导的信号传递
固醇类激素介导的信号通路 固醇类激素介导的信号通路

(二)细胞外被(糖被)和细胞壁 动物细胞有细胞外被(糖萼、糖被),是细胞膜外表 面的糖类物质的总称,在细胞识别等方面起重要作用。 植物细胞有细胞壁:胞间层、初生壁、次生壁 ;保护 并支持细胞及整个植物体

(三)细胞质 : 细胞质基质和细胞器 1、细胞质基质(透明质) 中间代谢过程如糖酵解途径、脂肪酸合成等都是在 细胞质基质中完成;细胞质基质作为细胞器的微环境, 为维护细胞器正常结构和生理活动提供所需要的生理环 境;同时也为细胞器的功能活动提供底物 2、线粒体 (1)线粒体的形态、大小、数目与分布 卵圆形颗粒或短线状;横径约0.2um~1um,长约2um~8um, 相当于一个细菌的大小 ;需要能量较多的细胞,线粒体数 目也较多 ,植物细胞的线粒体数量比动物细胞的要少 ;多 数细胞中线粒体均匀分布于细胞质,但也常常聚集在需能 较多的部位 。

(2)线粒体的结构:外膜、内膜、膜间隙和基质

(3)线粒体的化学组成 线粒体外膜的标记酶为单胺氧化酶,内膜为细胞色素氧 化酶,间隙为腺苷酸激酶、线粒体基质的标记酶为苹果 酸脱氢酶 外膜上含有14种蛋白质而内膜上含有21种,外膜上主 要含卵磷脂而内膜主要含心磷脂;再如,线粒体内、 外膜上脂类与蛋白质的比值不同,内膜为0.3:1而外膜 为1:1 (4)线粒体的功能:进行氧化磷酸化,合成ATP (5)线粒体是半自主性细胞器 (6)线粒体的起源:内共生假说:被原始的前真核 生物吞噬的好氧性细菌,这种细菌与前真核生物共 生,在长期的共生过程中通过演化变成了线粒体。 分化假说:线粒体是由于质膜的内陷,再经过分化 后形成的

3、质体 (1)前质体(或称原质体) (2)白色体(造粉体、造蛋 白体和造油体 ) (3)有色体 (4)叶绿体 A、叶绿体的形态、大小和数目 B、叶绿体的结构:叶绿体膜、类囊体(基粒 类囊体、基质类囊体)和基质 C、叶绿体功能:光合作用,光反应类囊体上进行,而暗反 应在基质中完成。 D、半自主性细胞器 E、叶绿体的起源:内共生说和分化说;按内共生假说,叶 绿体的祖先是兰藻或光合细菌。

4、内质网(ER):粗面内质网(rER)和光面内质网(sER) 两类。其中粗面内质网所占比例要远大于光面内质网。

(1)粗面内质网(rER) :与蛋白质合成、转运和加工有关 粗面内质网上合成的蛋白质主要有:(1)向细胞外分泌 的蛋白质,如酶、抗体、激素和胞外基质的成分等;(2)膜 蛋白,包括细胞质膜上以及内质网、高尔基体和溶酶体上 的膜蛋白;(3)需要与其他细胞组分严格分隔的蛋白质,如 溶酶体中的酸性水解酶类;(4)需要进行复杂修饰的蛋白质 “信号假说”

(2)光面内质网(sER) 参与脂类合 ;肝脏细胞中,光面内质网的某些磷酸酶能参与糖 原的合成和分解,而另一些酶能将药物和有潜在毒性的物质分解 ; 肌细胞中内质网特化为肌质网,是肌细胞中的“Ca2+”蓄库 5、核糖体:原核细胞、真核细胞、线粒体、叶绿体内;游离核糖 体、附着核糖体 蛋白质( 40%)和rRNA( 60% ) 70S型核糖体(原核细胞及叶绿体、线粒体):30S小亚单位 (16SRNA+21种蛋白质)及 50S大亚单位(23SRNA+5SRNA+31 种蛋白质) 80S型核糖体(真核细胞中):40S小亚单位(18SRNA+33种 蛋白质)及60S大亚单位(28S、5.8S和5S三种RNA+49种蛋白质) 多聚核糖体

6、高尔基体 :又称高尔基器或高尔基复合体;主要成分是脂 类、蛋白质及多糖物质组成。标志酶为糖基转移酶。 (1)高尔基体的结构 (2)高尔基体的功能: 为细 胞提 供 一 个内 部的 运输 系统 ; 糖基 化作用 (O-连接糖基化 );合 成和运输多糖

7、溶酶体:富含水解酶,最适pH值为5左右,酸性磷酸酶为溶 酶体的标记酶 (1)溶酶体的类型: 初级溶酶体 、次级溶 酶体(自噬性溶酶体、 异噬性溶酶体、混合 性溶酶体 )、残余小 体 (2)溶酶体的功能: 参与细胞内的正常消 化作用;自体吞噬作 用;自溶作用

8、液泡 9、微体:单位膜围成的细胞器;呈圆球状、椭圆形、卵圆形或 哑铃形 。 (1)过氧化物酶体:含有氧化酶,细胞中大约有20%的脂肪酸 是在过氧化物酶体中被氧化分解的产生H2O2,过氧化氢酶(标记 酶 ),使H2O2分解;通过过氧化氢酶的作用使酚、甲酸、甲醛和 乙醇等毒物氧化、排出;参与“光呼吸”过程。 (2)乙醛酸循环体:只存在于植物细胞。乙醛酸循环,与圆 球体和线粒体相配合,把储藏的脂类转化为糖类。动物细胞没 有乙醛酸循环体,不能将脂类转糖类。

10、细胞骨架(细胞质骨架):微管、微丝、中间纤维和微梁系统 (1)微管(MT) A、 微管的化学组成和结构: 微管蛋白二聚体组装成的长 管状结构,外径为24~26 nm, 中间腔直径为15nrn,外周壁 厚5nm,由13条原纤丝螺旋 排列而成;可装配成单管、 二联管、三联管三种形式 ; 自我装配,组装和去组装是 相互动态平衡,在低温或 Ca2+ 存 在 时, 微管趋于去 组 装 ;微管组织中(MTOC) ; 秋水仙素和长春花碱能阻断 微管组装,而紫杉酚则促进 微管组装并使微管稳定存在

②微管的功能: A、维系细胞形态 B、细胞内运输 C、纤毛和鞭毛运动 D、鞭杆和基体组成;鞭杆横切面 为9(2)+2结构,基体为 9(2) + 0结构;滑动学说认为鞭毛和纤 毛运动是由外围相邻二联体间滑动 所致 E、细胞分裂期染色体的运动:染色 体微管 、 连续微管 、中间微管 、 星体微管 ;动力平衡说:认为染色 体的运动与微管组装和去组装有关, 滑行学说:认为染色体的运动与微 管间的滑动有 F、中心体和中心粒 :9(3)+0结构

(2)微丝(MF) ①微丝的化学组成和结构:微丝是由肌 动蛋白构成的螺旋状纤维,直径约为7 nrn;组装和去组装,细胞松弛素B能结 合到微丝末端而阻止微丝的组装,鬼笔 环肽能抑制微丝解聚。 ②微丝的功能胞质分裂、与肌肉的收缩密切 相关、细胞变形运动、胞质环流运动、微绒 毛

(3)中间纤维(IF) ①中间纤维的化学组成和结构:10nrn ;有角蛋白纤维、波形 纤维、结蛋白纤维、神经元纤维、神经胶质纤维等五种类型。 有约310个氨基酸的a-螺旋组成的杆状区,这是一个高度保守 的二级结构;杆状区两端则分别为非螺旋的头部区和尾部区, 头尾这两部分是高度可变的。两条多肽链结合形成二聚体, 一对二聚体聚合为四聚体,两个四聚体再形成一根亚丝,由 四根亚丝盘绕成一根完整的中等纤维。

②中间纤维的功能:在细胞质中起支架作用,并与细胞核 定位有关系 ;在细胞间、组织中也有支架作用 ;参与传 递细胞内机械的或分子的信息 (4)微梁系统:将微管、微丝、中间纤维整合在一起,并且与线粒 体、核糖体等各种细胞器相联系

(四)细胞核:核膜、核基质、染色质、核仁组成 1、核膜:内、外膜,核周腔 ,核纤层,核孔复合体 2、核基质 3、染色质和染色体 (1)染色质的概念和分类:常染 色质和异染色质 (结构异染色质 和兼性异染色质 ) (2)染色质的化学组成:DNA、组蛋白、非 组蛋白及少量RNA 。组蛋白是染色体的基本结 构蛋白,富含带正电荷的精氨酸和赖氨酸等碱 性氨基酸,分为5种组分,即 H1、H2A、H2B、 H3和H4 ;非组蛋白富含有天冬氨酸、谷氨酸等 酸性氨基酸,主要包括各种酶(如连接酶、转 录酶等)以及少量的结构蛋白

(3)染色质和染色体的结构 ①核小体:(1)包括200碱基对左右 的DNA和一个组蛋白八聚体以及 一分子的组蛋白H1 ;(2)组蛋白八 聚体构成核小体的核心结构,由 H2A、H2B、H3和H4各两个分子所 组成;(3)DNA分子盘绕核小体的 核心7/4圈,共140个碱基对,称为 DNA (4) 核心DNA;(4)一个分子的组蛋白 H1 与DNA结合,锁住核心DNA的 进出口,从而稳定了核小体的结 构;(5)两相邻核小体之间是一段 连接DNA,含60个碱基对。 ②染色体包装的四级结构模型:核小体串珠结构-----螺 线管 -----超螺旋管 ------染色体 (8400倍)

③染色体分为四种类型: 中部着丝粒染色体、亚中 部着丝粒染色体、端部着 丝粒染色体、亚端部着丝 粒染色体 ④染色体各部分的 主要结构:着丝粒 和着丝点(动粒)、 次缢痕 、核仁组 织区(NOR) 、随 体 、端粒

4、核仁:真核细胞间期核中通常可见到单一或多个均质的球形小 体称为核仁 (1)结构:纤维中心 (rDNA )、致密纤维组分(rDNA转录合成 rRNA )、颗粒组分 (核糖体亚单位前体颗粒) (2)功能:rRNA的合成、加工和核糖体亚单基的装配

二、细胞的分裂、分化、衰老、癌变 1、有丝分裂 (1)细胞周期 (2)三类细胞:周期细胞 、终端分化细胞 、静止期细胞或G0 期细胞 (3)分裂间期:G1、S、G2 (4)分裂期

2、减数分裂(主要是前期Ⅰ) 细线期(凝集期) 染色体凝集 偶线期(配对期) 同源染色体两两配对;联会复 合体,包括侧生组分、中间区、中央组分三部分 粗线期(重组期)同源的非姊妹染色单体间发生局部 交换;每对配对的染色体中含有四条染色单体;持续 的时间长 双线期(合成期) 联会的同源染色体分离,但尚未完 全分开,仍有若干处相连。这些相连点是染色体间发 生互换的结果。 终变期(再凝集期) 染色体凝集成短棒状,核仁开始消失, 核膜开始解体。四分体较均匀地分布在核中,同源染色体间 依靠端部交叉相结合,姐妹染色体由着丝粒相连。终变期的 完成标志着减数分裂前期的结束。

3、细胞的分化 (1)概念 (2)实质 (3)全能性:干细胞、组织培养、克窿 4、细胞的癌变 (1)癌细胞的特点 (2)因素 (3)单克隆抗体 5、细胞的衰老与凋亡 (1)衰老 (2)凋亡:由细胞自身的程序性自杀机制激活的细 胞死亡现象,基本上认为受到严格的由遗传机制决 定的程序性调控,也称为细胞编程性死亡

例1 如何用实验区分内在膜蛋白和外周膜蛋白 A. 用1mol/LNaCl,仅外周蛋白而不是内在膜蛋白能从膜 上除去 B.用0.lmol/LNaOH,仅内在膜蛋白能从膜上除去 C.用lmol/LNaCl,仅内在膜蛋白能从膜上除去 D.仅外周蛋白而不是内在膜蛋白在变性剂去污剂中可被 溶解除去 E.仅外周蛋白而不是内在膜蛋白可被蛋白水解酶作用

例2

下列细胞中核仁较小的是 B.肿瘤细胞 C.神经细胞 D.胚胎细胞

A.胰腺细胞

例3 什么是动物和植物细胞、细胞质之间直接联系的通道途径 A.胞间连丝,桥粒 B.胞间连丝,Ca2+—ATP酶

C.膜孔蛋白,间隙连接 D.间隙连接,胞间连丝 例4 对于物质的主动运输,错误的阐述是 A.能逆着浓度梯度而发生 B.能逆着电化学势梯度而发生 C.将温度降低100C,其速率至少减至一半 D.代谢抑制剂对它无影响 E.表现出饱和特征

例5 高尔基体分类加工的蛋白质的去向是 A.溶酶体 B. 细胞质膜 C. 细胞核 D. 线粒体 例6 与人体内月经周期中黄体退化有关的作用是 A. 自溶作用 B. 异体吞噬 C. 自体吞噬 D. 粒溶作用 例7 植物细胞中具有半自主性的细胞器是 A. 高尔基体 B. 线粒体 C. 溶酶体 D. 叶绿体

例8 细胞的鞭毛和纤毛的结构呈9+2型;基体和中心体的为9+ 0型。关于它们的结构,下列叙述正确的是 A.+前的9所示结构相同 C.9表示9条三联微管 B.9表示9条二联微管 D.2和0表示中央微管的情况

例9 下面什么是对的 A.动力蛋白是一种钙ATP酶,可以产生用于纤毛和鞭毛弯曲所 需的能量 B.微管蛋白开始聚合成为微管的地方,被称为微管组织中心 C.如果用微注射法向细胞内注入钙离子,微管解聚受阻,聚合 增强 D.结蛋白是一种微丝 E.结蛋白在心肌细胞和平滑肌细胞中不存在


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