教学内容

细胞生物学课程教学内容及学时安排

本课程按照细胞的结构层次和相关知识之间的内在联系，循序渐进安排教学内容，构建了模块化的知识结构体系。本书强调模块化知识之间的内在联系以及动态综合的知识体系，将全书划分为7个模块，分别是细胞生物学概要，细胞外膜及物质运输，细胞内膜及蛋白质分选，细胞环境、细胞骨架及细胞社会联系、细胞信号转导系统，遗传信息荷载系统，细胞重大生命活动与调控。

本课程总共17章内容，涵盖了基础细胞生物学和分子细胞生物学的主要内容，同时注意对发展热点的知识介绍。

1. 细胞概述(计划学时: 4)：

从七个方面对细胞进行概述,包括细胞的发现和细胞学说的创立、细胞的类型、细胞的进化等, 使学习者对细胞的研究历史、所涉及的基本概念和发展趋势有一个总体而又基本的了解。

学习重点包括以下几个方面:

①基本概念:主要分清细胞、原生质、细胞质、细胞学、细胞生物学等基本概念;

②细胞的发现和细胞学说的创立:了解英国学者胡克发现细胞的起因, 以及发现细胞的基本条件。对于细胞学说, 侧重于学说的基本内容和该学说对细胞科学发展的推动作用。

③ 细胞的基本功能和特性:重点掌握细胞生命的三个最基本的功能: 自我增殖和遗传、新陈代谢和运动性; 并对细胞结构上的同一性有基本的理解。

④ 细胞的分子基础:充分认识细胞是由化学物质构成的, 生命是物质的，是一种特殊形式的物质运动，它是物质、能量和信息诸变量在特定时空的"表演"，其运转有赖于生命系统有组织的守时和对空间环境的合拍。

⑤ 我国细胞生物学的发展战略:了解细胞生物学的主要研究内容和发展方向,及其在理论和应用上的意义, 以及我国在细胞生物学研究领域的现状和相应的策略, 明确努力的方向。

2. 细胞生物学研究方法(计划学时: 2)

生命科学是实验科学，它的很多成果都是通过实验才得以发现和发展的。许多细胞生物学的重要进展以及新概念的形成,往往来自新技术的应用。因此,方法上的突破,对于理论和应用上的发展具有巨大的推动作用。

显微技术是细胞生物学最基本的研究技术, 包括光学显微技术和电子显微技术。在光学显微技术中要掌握几种常用显微镜成像的基本原理,包括包括普通双筒生物系统显微镜、荧光显微镜、相差显微镜、暗视野显微镜、倒置显微镜。电子显微镜是研究亚显微结构的主要工具, 透射和扫描电镜的是两类主要的电子显微镜, 对其的基本结构、工作原理和样品制备方法则是学习的重点。 　　

细胞化学技术介绍了酶细胞化学技术、免疫细胞化学技术、细胞分选技术, 其中流式细胞分选技术是细胞生物学和现代生物技术中的重要技术, 应重点掌握。

细胞工程技术是细胞生物学与遗传学的交叉领域，主要利用细胞生物学的原理和方法，结合工程学的技术手段，按照人们预先的设计，有计划地改变或创造细胞遗传性的技术。包括体外大量培养和繁殖细胞，或获得细胞产品、或利用细胞体本身。主要内容包括：细胞融合、细胞生物反应器、染色体转移、细胞器移植、基因转移、细胞及组织培养。

 分离技术是一大类技术的总称，包括细胞组分的分离和生物大分子的分离, 应掌握各种分离技术的原理和用途。

3. 细胞质膜与跨膜运输(计划学时: 6)

细胞质膜是指包围在细胞表面的一层极薄的膜，主要由膜脂和膜蛋白所组成。质膜的基本作用是维护细胞内微环境的相对稳定,并参与同外界环境进行物质交换、能量和信息传递。另外, 在细胞的生存、生长、分裂、分化中起重要作用。

本章的重点是学习和讨论质膜的结构和运输功能。成熟的红细胞没有细胞器，质膜是唯一的结构，并且易于提纯和分离，是研究膜结构的最好材料。人们对膜结构的认识，大多来自于对红细胞膜结构的研究。重点学习质膜的脂双层的实验、红细胞的膜骨架组成。

膜的化学组成一节主要介绍构成膜的三大成分:①膜脂的主要类型、特性和功能, 讨论了脂质体的制备和作用。②膜糖的种类、膜糖的存在方式、膜糖的功能, 重点是膜糖的功能。③膜蛋白在膜上的存在方式、膜蛋白的功能和膜蛋白的研究方法。

 重点之一是膜的分子结构及特点。主要是了解流动镶嵌模型的结构特点, 即不对称性和流动性。在不对称性方面, 重点掌握不对称性的表现、不对称性的意义和研究方法。在膜的流动性方面, 重点是流动性的表现形式、膜流动性的生理意义、膜流动性的研究方法、影响流动性的因素等。

 物质的跨膜运输是本章的另一个重点, 理解扩散与渗透、分清被动运输与主动运输的主要特点。对于被动运输, 掌握简单扩、促进扩散及其特点。特别掌握通道蛋白、载体蛋白在被动运输中的作用。对于主动运输, 要掌握主动运输的特点和参与主动运输的运输ATPase, 包括P型离子泵、V型泵、F型泵。并注意主动运输与被动运输的比较、动物细胞和植物细胞主动运输的比较。

4.线粒体与叶绿体(计划学时: 4)

 线粒体是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所,有细胞"动力工厂"之称。另外, 线粒体有自身的DNA和遗传体系,但线粒体基因组的基因数量有限,因此,线粒体只是一种半自主性的细胞器。过氧化物酶体是细胞内另一个需要氧的细胞器,不过过氧化物酶体需要氧不是用于ATP的合成而是用于有毒物质的氧化,对线粒体具有氧调节作用。有关线粒体的形态结构的讨论, 包括线粒体的发现与功能研究、线粒体的形态与分布等。线粒体的结构与化学组成,包括线粒体膜的通透性、线粒体各组分的分离、线粒体的化学组成和线粒体内膜的主动运输系统等。关于线粒体蛋白定位的研究, 是本章的重点内容之一。要求学习者掌握导肽的性质、线粒体蛋白定位的机理、以及线粒体蛋白转运的实验证明等。讨论线粒体的功能----氧化磷酸化作用, 重点掌握呼吸链的组成、电子载体、电子传递机理、氧化磷酸化机理等。有关线粒体的遗传、增殖和起源问题, 主要掌握线粒体的遗传体制、密码的特殊性、线粒体的分裂, 及线粒体起源的学说。对于过氧化物酶体, 重点了解过氧化物酶体所含酶类、过氧化物酶体的功能(特别是对氧浓度的调节作用)、过氧化物酶体生物发生等。

 叶绿体与光合作用：植物通过光合作用将光能转变成化学能的过程主要是在植物细胞的叶绿体中进行的, 叶绿体是植物细胞所特有的能量转换细胞器, 其功能是进行光合作用,即利用光能同化二氧化碳和水, 合成糖, 同时产生分子氧, 从五个方面讨论叶绿体的结构、光合作用机理、叶绿体遗传等, 重点是光合作用中的光反应。在叶绿体的来源与分布中, 学习的重点是叶绿体的发育, 即叶绿体与前质体的关系, 弄清叶绿体、白色体、有色体等几个概念的差异。讨论叶绿体的结构与化学组成。从结构上看, 叶绿体的结构比较特殊, 它含有3种不同的膜(外膜、内膜和类囊体膜)以及3种彼此分隔的区室(膜间隙、叶绿体基质和类囊体腔), 区分不同膜的结构特点和不同区室中化学组成的差异是学习该节的重点。关于光合作用的光反应过程的讨论, 是本章的重点, 要求掌握光合作用色素的结构和特点、光合作用单位和反应中心的组成、光能吸收、传递与转变的过程、以及电子传递的途径。特别是掌握两个光系统的结构和作用, 以及电子传递与光合磷酸化的机理。二氧化碳的固定和碳水化合物的合成是光合作用的暗反应过程,学习的要点是掌握卡尔文循环中三个阶段的特点: 羧化、还原和RuBP的再生的机制。叶绿体遗传的讨论,要点包括叶绿体基因组结构特点、叶绿体的半自主性、叶绿体的发生和起源。并注意将叶绿体与线粒体进行结构和功能方面的比较。

5．内膜系统与膜运输(计划学时: 6)

 真核细胞在进化上一个显著特点就是形成了发达的细胞质膜系统,将细胞内环境分割成许多功能不同的区室。内膜系统是指内质网、高尔基体、溶酶体和液泡(包括内体和分泌泡)等四类膜结合细胞器, 因为它们的膜是相互流动的, 处于动态平衡, 在功能上也是相互协同的, 其中包括膜运输系统。本章是细胞生物学的重点章, 包括六个方面的内容:①细胞质膜系统及其研究方法;②内质网;③高尔基复合体; ④溶酶体; ⑤细胞的分泌与内吞作用; ⑥小泡运输的分子机理。其中内质网及信号肽假说和小泡运输的分子机理是本章的关键内容。

内质网是内膜系统中的主要膜结合细胞器, 主要分清光面内质网和粗面内质网在功能上的差异。对于粗面内质网, 重点是信号肽假说蛋白质转运的机制。

 高尔基复合体是内膜系统中参与蛋白质加工与分选的细胞器, 要求了解和掌握 高尔基体参与细胞分泌活动的作用, 即将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装, 然后分门别类地运送到细胞的特定部位或分泌到细胞外。理解高尔基体在细胞内物质运输中所起的交通枢纽作用。

 关于溶酶体, 要求掌握溶酶体膜的稳定性、溶酶体的类型即特点、溶酶体的功能、溶酶体的生物发生。

 运输小泡的类型和分选信号、披网格蛋白小泡形成的机理、COP-被膜小泡形成的机理、小泡的定向运输、停靠和融合机理、以及膜的生物发生, 该节是本章的重点。

6. 细胞信号转导(计划学时: 4)

细胞通讯是指在多细胞生物的细胞社会中, 细胞间或细胞内通过高度精确和高效地接收信息的通讯机制, 并通过放大引起快速的细胞生理反应，或者引起基因活动,尔后发生一系列的细胞生理活动来协调各组织活动, 使之成为生命的统一整体对多变的外界环境作出综合反应。本章从五个方面介绍和讨论细胞通讯的特点、方式和一般机制:①细胞通讯的基本特点;②G蛋白偶联受体及信号转导;③酶联受体信号转导; ④ 其它信号转导途径; ⑤ 信号的整合、调节与终止。重点是G蛋白偶联受体及信号转导、酶联受体信号转导、信号的整合、调节与终止。

 在细胞通讯的基本特点中, 主要掌握三个问题:信号分子(包括第二信使)及其性质和特点、受体的类型和研究方法、信号分子与受体的相互作用。在G蛋白偶联受体及信号转导中, 主要掌握PKA和PKC两个系统进行信号传导的机理, 包括系统的组成、第二信使的产生、信号的级联放大、信号的解除等。另外, 对三体G蛋白的结构、循环机制应有较深地理解和认识。

 对于酶联受体信号转导系统, 主要是学习和掌握该系统的转导机制, 以及各种不同的信号因子受体被激活和作用的特点。重点理解受体酪氨酸激酶/Ras途径及引起的反应, 特别是Ras蛋白的激活及所涉及的相关因子。

 在信号的汇集、趋异与窜扰中, 介绍了信号转导途径的汇集、信号趋异、信号转导途径间的窜扰等现象, 通过本节的学习,理解细胞的信号传导是一个综合性的反应,不应孤立地看待一个个的信号反应。

7. 细胞骨架与细胞运动(计划学时: 3)

 细胞骨架是细胞内以蛋白质纤维为主要成分的网络结构,由主要的三类蛋白纤丝构成，包括微管、肌动蛋白丝、中间纤维。细胞骨架有多种功能, 包括作为支架、参与细胞的信号传导、是细胞分裂的机器等。本章主要介绍和讨论细胞骨架的三类主要成分的结构和功能。从总体上介绍细胞骨架的组成和功能, 包括细胞骨架的组成、分布和基本功能;同时介绍了细胞骨架的研究方法。

 在基本微管中, 主要学习和掌握微管的结构和微管的基本构件--微管蛋白的特性、微管的动力学特性、微管的组装过程、微管结合蛋白和分子发动机、微管的功能等。重点是微管的动力学和分子发动机的工作原理。

 其次介绍微丝的结构和功能, 包括微丝的组装、微丝结合蛋白、微丝在肌收缩中的作用及肌收缩的滑动丝模型及分子基础、微丝在非肌细胞中的功能等, 是本章的重点内容。

 最后是中间纤维的结构和功能的讨论。由于对中间纤维的研究远没有对微管和微丝的研究清楚, 故只作简略介绍, 对其结构和功能有基本的了解即可。

8. 细胞核与染色体(计划学时: 5)

 细胞核是细胞的遗传机构，主要有两个功能：一是通过遗传物质的复制和细胞分裂保持细胞世代间的连续性；二是通过基因的选择性表达，控制细胞的活动。

真核生物的细胞核有双层的核被膜包裹着，核被膜由外核膜、内核膜、膜间隙、核孔复合物和核纤层等五个部分组成。核孔复合物具有选择性运输作用，核蛋白进入细胞核须由入核信号（NLS）引导，并且要有一种小GTP结合蛋白的帮助。

 染色质是细胞间期细胞核内能被碱性染料染色的物质，由DNA和蛋白质组成。染色体是由染色质压缩包装而成的棒状结构，是中期染色质的表现形式。组蛋白是真核生物染色体的基本结构，有H1、H2A、H2B、H3、H4等五种类型。它们带正电荷，能与DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用。其中H2A、H2B、H3、H4为核小体组蛋白；H1不参与核小体的组建，在构成核小体时起连接作用。组蛋白的某些氨基酸侧链常会被磷酸化、乙酰化或甲基化以及ADP的核糖化等修饰，这些修饰对保护、稳定和调节遗传物质起到重要作用。非组蛋白是指细胞核中不参与核小体形成的一类蛋白，它们的功能有：参与染色体的构

 核小体又称核体、核粒。146个碱基对的DNA在八聚体的组蛋白外绕了1又3/4圈，H1封锁住了核小体DNA的进出口。两相邻核小体之间以连接DNA相连。在DNA复制时，核小体不会解体，可能是通过"DNA成环机制"，使RNA聚合酶通过核小体。

DNA经过了四步包装，形成染色体：从DNA到到染色体共压缩了8400倍。着丝粒又称主缢痕，动粒是着丝粒外侧的三层蛋白质结构，细胞分裂时提供了与纺锤体微管结合的位点。而次缢痕是核仁组织区。某些生物在发育的某些阶段可出现巨大染色体，包括多线染色体和灯刷染色体。

 核仁由纤维区、颗粒区、核仁染色质、基质等四部分组成。它是一种动态结构。核仁的主要功能是合成核糖体，也在一定程度上控制着蛋白质合成的速度。

9．核糖体与核酶(计划学时: 2)

 核糖体是细胞内一种核糖核蛋白颗粒, 其惟一功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质多肽链,所以核糖体是细胞内蛋白质合成的分子机器。 核酶一词用于描述具有催化活性的RNA, 即化学本质是核糖核酸(RNA),但具有酶的催化功能。由于核酶是在研究rRNA加工过程中被发现的, 所以将核酶与核糖体并为一章介绍。 首先介绍核糖体的形态结构, 包括核糖体的类型和化学组成、细菌核糖体的结构模型。核糖体的生物发生, 是本章的重点之一。内容包括核糖体rRNA基因的转录与加工、核糖体的装配。 核糖体的功能-蛋白质的合成, 仅作一般介绍。但与细胞生物学关系密切的两个内容应特别注意:多聚核糖体在细胞生命活动中的意义、通过嘌呤霉素的抑制实验揭示A位点和P位点是两个独立的位点。讨论反义RNA与核酶, 内容分两个部分, 先介绍小分子RNA与反义RNA, 然后介绍核酶, 由于核酶的发现在分子生物学中具有重要的意义, 需要重点掌握。特别是核酶的发现过程及证实、核酶与内含子剪接的关系、核酶的应用,尤为重要。此节还简要讨论了RNA编辑, 这也是分子生物学中的一个重要研究课题。

10. 细胞周期及其调控(计划学时: 5)

 本章从四个方面讨论了细胞周期和细胞分裂的机制。将细胞周期分为两个主要的时期: 有丝分裂期（M期）和分裂间期。M期包括细胞的有丝分裂和胞质分裂两个过程。在有丝分裂的过程中, 复制的染色体被分配到两个子细胞的核中, 胞质分裂则是将整个细胞一分为二, 形成两个子细胞。M期所持续的时间较短, 一般为30～60分钟, 分裂间期的时间跨度较长, 根据细胞的类型和所处的条件不同而不同, 有几小时、几天、几周或更长。 　　根据新细胞从开始生长到分裂前止的分裂间隔期中的生理和生化变化, 可将分裂间期分为: G1期、S期、G2期。有丝分裂是细胞周期的丝裂期(M期)进行的分裂活动。在这个时期，通过纺锤丝的形成和运动以及染色体的形成，把在S期已经复制好了的DNA平均分配到两个子细胞，以保证遗传的连续性和稳定性。 减数分裂是生殖细胞产生配子的分裂，包括两次连续的有丝分裂，形成4个单倍体的子细胞。相继的两次分裂分别称为减数分裂I和减数分裂Ⅱ。由于细胞核分裂了两次，而染色体只是在第一次减数分裂前的间期复制了一次，所以细胞经过减数分裂导致染色体数目减少一半。

细胞周期受到严格的控制。细胞周期的控制有两个主要事件，一个是对DNA复制起始的控制，发生在G1期和 S期之间。第二个事件是对有丝分裂起始的控制，发生在G2期和M期之间。细胞周期的调控机制最早是从酵母中获得突破，发现了细胞周期蛋白和周期蛋白依赖性蛋白激酶，它们控制着细胞周期的进程。

11. 细胞分化与胚胎发育(计划学时: 2)

 动物和植物的雌配子通常称为卵,而将雄配子称为精子。配子形成的过程称为配子发生。精子与卵子的融合，即受精作用，重新形成一个二倍体的细胞，即受精卵。受精作用涉及的反应包括：顶体反应、皮层反应、原核融合等。受精发生之后，受精卵要进行一系列的分裂、分化和相互作用，最后发育成一个新的个体。

 细胞分化是胚胎细胞分裂后，未定形的细胞在形态和生化组成上向专一性或特异性方向发展，或由原来较简单具有可塑性的状态向异样化稳定状态发展的过程。细胞分化时的主要特征是细胞出现不同的形态结构和合成组织特异性蛋白质，演变成特定表型的细胞类型。其结果是在空间上，细胞之间出现差异；在时间上同一细胞和它以前的状态有所不同，从本质上说，细胞分化是从化学分化到形态、功能分化的过程。

 细胞质不仅在细胞分化中具有重要作用，在成熟个体的组织中，细胞质对细胞核仍然具有影响。从分子水平看，分化细胞间的主要差别是合成的蛋白质的种类不同，即表达的基因不同，细胞分化的分子基础在于基因表达的控制。基因表达的调控发生在各种水平，包括DNA水平、转录水平、转录后加工水平、翻译水平等，受多种因素的影响。如果蝇的发育就是在母体基因、合子基因和同源异形选择基因等的调节控制下进行的。

 干细胞是一类具有自我复制能力的多潜能细胞，在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞。胚胎干细胞的分化和增殖构成动物发育的基础，成体干细胞的进一步分化则是成年动物体内组织和器官修复再生的基础。干细胞在细胞工程和组织工程中有许多重要的应用。

12. 细胞衰老、死亡与癌变(计划学时: 2)

细胞衰老过程是细胞生理与生化反应发生变化的过程，主要表现是细胞对环境变化适应能力和维持细胞内环境恒定能力的降低。细胞衰老反映在细胞形态结构和功能上有很多变化，包括：①细胞内水分减少；②色素生成和色素颗粒沉积；③细胞质膜的流动性降低，磷脂含量降低；④线数粒体数量减少；⑤核膜内折；⑥蛋白质合成发生变化等。有关衰老的学说很多，包括遗传程序说、体细胞突变论、自由基理论等。

 细胞死亡有两种形式，一种为坏死性死亡，是由外部的化学、物理或生物因素的侵袭而造成的细胞崩溃裂解；另一种为程序性死亡，是细胞在一定的生理或病理条件下按照自身的程序结束其生存。

编程死亡与细胞坏死有三个根本的区别：①引起死亡的原因不同：②死亡的过程不同；③坏死的细胞裂解要释放出内含物，并常引起炎症反应；而编程死亡的细胞没有被完全裂解，所以不会引起炎症。

通过对秀丽隐杆线虫程序性细胞死亡的研究揭示程序性细胞死亡是由一系列的基因控制的，并发现所有的动物细胞中蛋白酶解级联系统介导了程序性细胞死亡。程序性细胞死亡具有重要的生物学意义：参与形态建成、调节细胞的数量和质量。

癌细胞是一种突变的体细胞，这种突变体脱离了细胞社会关于增殖和存活的控制，因此可以无限制的增殖产生肿瘤。引起细胞癌变的原因很多，包括化学因素、辐射、病毒和遗传等。

13. 细胞的社会学联系--细胞环境与互作(计划学时: 3)

多细胞的生命有机体中的细胞组成不同的组织，在这些组织中，细胞相互间以及细胞与细胞外环境维持着良好的关系。细胞相互间以及细胞与细胞环境的相互作用调节着细胞的迁移、生长、以及组织的三维结构。

 细胞通过表面发生的作用包括细胞识别、细胞粘着、细胞连接、细胞通讯等。由于细胞通讯的内容较多,将在下一章单独讨论,本章主要集中讨论细胞的表面结构、细胞外基质、细胞识别、细胞粘着和细胞连接等, 重点讨论的是细胞外基质、细胞粘着、细胞连接。

 动物是由多种类型的细胞组成的有机体，而且不同类型的细胞通常要组成固定的组织,不过,在多数组织中，细胞要向细胞外分泌一群大分子，这些大分子在细胞间交织连接形成网状结构，将这种结构称为细胞外基质。

 细胞外基质的组成可分为三大类∶①蛋白聚糖, 它们能够形成水性的胶状物; ②结构蛋白，如胶原和弹性蛋白，它们赋予细胞外基质一定的强度和韧性;③ 粘着蛋白, 如纤粘连蛋白和层粘联蛋白，它们促使细胞同基质结合。

 细胞识别, 指细胞对同种或异种细胞、同源或异源细胞、以及对自己和异己物质分子的认识和鉴别。细胞粘着(则是指相邻细胞或细胞与细胞外基质以某种方式粘合在一起,组成组织或与其他组织分开,这种粘合的方式比较松散。另外从事件发生的次序来说,细胞识别在先,细胞粘着在后,识别是粘着的基础。重点要掌握各种粘着蛋白的结构和功能。

     细胞在识别和粘着的基础上进行细胞连接。细胞连接有三种方式: 紧密连接、斑块连接、通讯连接。比较复杂的是斑块连接,它又可分为四种连接方式:粘着带、粘着斑、桥粒、半桥粒。对它们的区别主要是根据连接蛋白与细胞骨架的关系, 以及是否是细胞与细胞的连接, 还是细胞与细胞外基质基质的连接。