医学细胞生物学(第3版)

医学细胞生物学主要以人体细胞为研究和描述对象，阐述细胞结构与功能及其在机体生理和病理活动中的作用，是医学院校的基础学科，其内容也是日新月异的生物医药领域的基础知识。医学细胞生物学帮助人类在认识人体和治疗疾病的宏大事业中获得进步。医学细胞生物学课程通常出现在低年级医学生的必修课清单里，这给授课教师带来严峻挑战：不仅要在有限的时间里用细胞生物学知识本身向学生证明“理解细胞将极大地帮助理解人体疾病”,更要将上百年来积累的经典概念和刚刚诞生的新知识一并展示给走出高中不久的大学生，保证知识的传授既有系统性又能与时俱进，并且深度适中。《医学细胞生物学》第3版教材的编写面临同样的挑战。本书第2版成书距今已10年。在过去的10年中，细胞生物学研究取得了一系列颠覆传统认知的新成果，细胞生物学在医学领域的探索和应用也达到空前的深入与广泛程度。这对目前阶段学科知识的描述提出了很高的要求。我们在本书编写过程中，直面医学细胞生物学知识体系已经和正在经历的巨大衍变，正视医学生的修课需求和以本书为参考书的读者复习或查询的需求，力求在内容选编和描述逻辑上体现医学细胞生物学的研究进展和概念演化，达到广度与深度的相对平衡，并尽可能繁简得当，既呈现学科知识的完整框架，又在若干知识细节上有所深入。同时，我们也力求在内容和形式上兼顾教材的系统全面和课堂讲授的精要简明。
与前一版相比，第3版的主要改变是：①在概论部分的第一、二章中突出生物大分子、细胞结构和功能的组织特异性，强调医学生从组织和生理活动角度认识细胞的必要性；尤其是在第一章简述了新型冠状病毒致病的细胞生物学机制，以反映我们对于刚刚经历的深刻改变世界的新型冠状病毒肺炎大流行的关切；②鉴于细胞骨架内容扩展，条目繁多，将其从细胞质一章中摘出，单列一章；③在细胞运输蛋白、黏附蛋白、连接蛋白、基质蛋白和骨架蛋白的介绍中，采用分类、分层设置标题的形式，既便于阅读，更力求展示这些蛋白质的家族成员特性(即组织特异性),使读者看到这些蛋白质家族在结构和功能方面的总体性及不同亚型在不同组织的特殊性，理解细胞生物学在用于医学研究时的关注角度；④大量增加来自近年权威综述的新知识，特别是在第二篇“细胞的基本结构及其功能”,丰富、完善甚至改变了涉及细胞器、质膜对小分子的运输的若干经典概念；⑤除个别章节，大部分章都增设了其与人类疾病关联的独立小节，以激发医学生的兴趣，并便于研究人员参考；⑥主要插图首次由专业公司完成绘制，并首次出现本校摄制的电镜照片。
传统上作为国内细胞生物学教学主要参考书的两本美国教材，即Alberts等编写的Molecular Biology of the Cell和Lordish等编写的Molecular Cell Biology,均迟于常规周期出版各自的最新版本，其中前者在本书即将完稿之际才推出了新版(即MolecularBiology of the Cell,7th ed)。为此，本书在纳入新知识时难以从中获得更多参考，而是更多参考了各研究领域的权威综述和论文。我们基于多年从事医学细胞生物学研究和教学的心得，反复讨论，依据新知识的已有影响力进行取舍，最终选定内容，纳入一些研究人员耳熟能详、有必要告诉学生却尚未见于同类教材的知识点，如外泌体的概念、生物大分子凝聚物的概念、核仁构建的液-液相分离假说、机械门控离子通道等。此可谓本书的一大特色。
在《医学细胞生物学》第1～3版的沿革中，编写者多有更替。第1、第2版主编汤雪明教授德高望重，是我们的前辈，这次在第3版编写时，他将主编工作交给杨洁，实现了新老传承。鉴于第3版各章内容更新幅度较大，加上多位原编写者退休、离职或者失去联系，本次编写者全部由上海交通大学医学院教师担任，他们绝大多数为工作在教学和科研一线的在职人员。虽然前版的若干参编者没有出现在本版的编者名单中，但他们在前版编写中融入的自己对教学重点和难点的思考及其在科研上的积累，为本书打下了坚实的基础，也为本书的质量提升做出了不可磨灭的贡献。我们在此对他们的付出致以诚挚的敬意和谢意。他们是：辛华(山东大学齐鲁医学院教授)、张春斌(佳木斯大学基础医学院教授)、丁小燕[中国科学院生物化学和细胞生物学研究所(现为中国科学院分子细胞科学卓越创新中心)研究员]、朱学良[中国科学院生物化学和细胞生物学研究所(现为中国科学院分子细胞科学卓越创新中心)研究员],以及上海交通大学医学院的赵涵芳教授、朱平副研究员、胡庆沈副研究员、高飞副教授、王毓美副教授、杨洁(电镜室)讲师、周同副主任技师。前版的手工绘图者朱莺技师也应该得到我们的致谢。我们还要特别感谢上海交通大学医学院的同事张明亮研究员，他是干细胞研究方面的专家，拨冗审读了本书第十四章“细胞分化”,并提出了至关重要的修改意见。我们同样感谢贡献电镜照片的同事朱平和杨洁(电镜室)。
尽管我们思虑颇多，编书过程总是伴随心有余而力不足的无奈，本书也难以避免令人遗憾的缺陷甚至差错。诚愿受教于同行和读者的批评指正。
易静 杨洁
2023年5月于上海

本书为全国高等医学院校教材。全书分为四篇，共十五章，内容涉及细胞生物学基本概念，细胞的化学基础和研究技术，各个亚细胞区室、细胞器、大分子复合体、细胞骨架、细胞黏附、细胞连接、细胞外基质等的化学组成、结构和组织特异性功能，细胞内部及其与环境间的物质和信息交流及基因表达调控，细胞基本生命活动的形态学和生化特征、分子机制和生物学意义。
与前一版相比，第3版增加了大量近年来医学细胞生物学的新发现与新知识，并强调从组织和生理活动角度认识细胞的必要性。另外，第３版对内容编排进行了梳理，各章增设了与人类疾病关联的独立小节，以加强与临床的关联。
本书主要作为医学院校学生的学科教材使用；也可作为医生、医学院校教师，以及基础医学、生物医药等相关学科与行业的研究生和研究人员更新学科知识的参考书。

易静，上海交通大学医学院基础医学院分子细胞生物学系教授，博士生导师。中国细胞生物学会常务理事，上海细胞生物学会副理事长兼秘书长，美国细胞生物学会会员。
杨洁：上海交通大学医学院基础医学院分子细胞生物学系教授。

第一篇医学细胞生物学概论
第一章细胞、细胞生物学与医学 / 3
第一节细胞和细胞研究 / 3

一、 从发现细胞到创立细胞学说经过了一百多年 / 3

二、 细胞学描述细胞形态、结构、活动和化学成分 / 4

三、 细胞生物学从细胞整体、显微、亚显微和分子水平诠释细胞生命活动本质 / 5

第二节细胞的起源、演化和相互关系 / 6

一、 膜包围的原生质团成为原始细胞 / 6

二、 原核细胞演化后出现真核细胞 / 7

三、 真核细胞集合体演变为由不同特化细胞组成的多细胞生物  / 9

四、 多细胞生物与原核生物之间存在密切联系 / 9

第三节人体细胞的基本特征和组织特异性 / 10

一、 细胞是人体结构、功能和生命活动的基本单位 / 10

二、 所有细胞都有共同的基本功能 / 10

三、 不同细胞在化学组成和结构上具有共同的基本特征 / 11

四、 不同组织的细胞在基因表达产物、细胞器结构和功能上具有独特性 / 14

第四节细胞生物学在医学中的作用 / 17

一、 细胞结构功能的异常与疾病的发生、发展密切相关 / 17

二、 细胞生物学知识和技术越来越多地用于疾病的诊断和治疗 / 21
第二章细胞的化学组成和生物大分子 / 23
第一节细胞的化学组成 / 24

一、 水提供了细胞内化学反应的基本环境 / 24

二、 主要的有机小分子是生物大分子的构件分子，并可具有独立的功能 / 25

三、 生物大分子是细胞结构、功能和生命活动的物质基础 / 29

四、 代谢过程的产物和速率对细胞有很大影响 / 33

第二节蛋白质 / 34

一、 新生肽链经历修饰加工，折叠成具有立体构象的结构，并可进一步组装 / 34

二、 蛋白质的形状和结构由肽链的氨基酸序列决定，有些蛋白质具有四级结构 / 36

三、 蛋白质的各种功能依赖其特有的结构 / 40

四、 蛋白质家族成员具有序列、结构和功能上的相似性 / 41

第三节核酸 / 42

一、 DNA是一个反向互补平行的双螺旋分子，而RNA分子有多种构象 / 43

二、 原核细胞和真核细胞的核酸分子有很大不同 / 48

三、 基因组、转录组和蛋白质组研究信息揭示细胞的基因及其表达概况 / 49
第三章细胞的研究方法 / 51
第一节观察细胞、细胞器和大分子——显微镜技术 / 51

一、 光学显微镜技术始终是细胞研究的主要手段 / 52

二、 电子显微镜技术用于观察细胞超微结构 / 55

三、 冷冻电子显微镜技术以原子水平的分辨率解析大分子结构 / 57

第二节显示细胞内外大分子的定位——细胞化学技术 / 58

一、 免疫细胞化学技术是研究细胞内外蛋白质定位的最简便而强大的手段 / 58

二、 原位杂交技术用于在组织细胞原位观察特异核酸分子的定位和半定量分析 / 59

第三节定量分析细胞和大分子——分析细胞学技术 / 60

一、 流式细胞分析技术能测得单个细胞上特异分子的相对含量和特定的细胞亚群 / 61

二、 图像分析技术常用于大分子的定位和半定量分析 / 62

第四节分离细胞器——离心分离技术 / 63

一、 细胞结构组分在离心时根据不同的大小和密度被分离、沉降和收集 / 63

二、 通过恰当的离心方法，分离获得纯净的细胞结构组分 / 65

第五节研究膜蛋白的多种技术 / 66

一、 用去垢剂分离提取膜蛋白 / 66

二、 利用血影细胞鉴定穿膜蛋白及其分布 / 66

三、 冷冻蚀刻技术鉴定膜蛋白在两个半层的分布 / 67

四、 光漂白后荧光恢复技术分析膜蛋白的移动 / 67

五、 重组DNA技术提示膜蛋白结构与功能的关系 / 67

六、 亲水性图谱预测穿膜区段 / 68

七、 免疫荧光技术和流式细胞术获取膜蛋白在细胞和组织的定位与定量信息 / 68

八、 冷冻电镜技术解析膜蛋白的结构并揭示其功能基础 / 68

第六节分析细胞内分子变化的整体格局——组学 / 68

一、 基因组学技术发现基因组序列的整体改变 / 69

二、 转录组学技术发现细胞或器官基因表达的整体改变 / 69

三、 蛋白质组学技术发现细胞或器官的蛋白质整体改变 / 70

第七节操作细胞及其大分子的多种技术 / 70

一、 培养细胞存在一定的生命期和不同的生长方式 / 71

二、 类器官是体外培养的器官模型 / 72

三、 细胞工程技术可以操作细胞、细胞器、基因和蛋白质 / 72

四、 模式生物用于研究细胞和基因在机体水平的功能和疾病中的角色 / 74

第二篇细胞的基本结构及其功能
第四章细胞核与染色体 / 79
第一节核被膜 / 79

一、 核被膜和核孔使细胞核与细胞质之间既有分隔又有沟通 / 80

二、 核被膜使遗传信息的转录和翻译发生在不同的区室 / 82

三、 在细胞有丝分裂时，核膜解聚并重新形成 / 82

第二节染色质和染色体 / 83

一、 染色质和染色体具有相近的化学组成和不同的形态 / 83

二、 DNA分子上排列着遗传信息表达和遗传物质复制所需要的特殊序列 / 84

三、 染色体蛋白质负责DNA分子的包装及复制和转录的调控 / 87

四、 DNA分子经历逐级的有序包装 / 88

五、 DNA分子的包装结构与复制、修复和转录的调控有关 / 91

六、 染色质与染色体的功能是承载细胞的遗传信息 / 95

第三节细胞核的功能 / 95

一、 遗传物质在细胞分裂之前的特定时段发生复制 / 96

二、 DNA损伤修复可以随时进行并与复制和转录相关联 / 100

三、 遗传信息以基因为单位进行表达 / 102

第四节核仁 / 105

一、 核仁具有独特的化学组成和形态结构 / 105

二、 核仁的主要功能是合成、加工核糖体RNA和装配核糖体 / 106

第五节细胞核与疾病 / 108

一、 染色体畸变造成染色体病 / 109

二、 许多遗传性疾病是单一基因突变引起的 / 109

三、 核孔蛋白异常与退行性疾病有关 / 109

四、 核纤层病是核纤层蛋白的基因突变的结果 / 110

五、 核仁形态结构改变与细胞应激、病毒感染、癌变等有关 / 110

六、 细胞核的多种异常与肿瘤有关 / 110
第五章细胞质 / 113
第一节核糖体 / 113

一、 核糖体由两个大小不同的核糖核蛋白复合体亚基组成 / 114

二、 蛋白质的生物合成在核糖体上进行 / 115

三、 细胞利用多种方式对蛋白质的翻译过程实施调控 / 121

四、 原核生物的核糖体是抗生素作用的靶点 / 122

第二节蛋白酶体 / 123

一、 泛素蛋白酶体构成细胞内一个重要的蛋白质降解系统 / 123

二、 蛋白酶体对靶蛋白的识别和降解依赖于靶蛋白的多聚泛素化修饰 / 124

三、 蛋白酶体是蛋白酶的区室化结构 / 125

第三节内质网 / 128

一、 内质网由互相连续的扁囊状和管状膜结构组成 / 128

二、 内质网存在一些具有特殊结构和功能的区域 / 129

三、 内质网是一种动态变化的细胞器 / 130

四、 内质网在细胞生物合成功能中起关键作用 / 131

五、 内质网通过膜接触位点与各种细胞器广泛接触并实施对细胞器的调控 / 138

六、 内质网对蛋白质进行质量控制，其效果影响细胞命运 / 141

第四节高尔基体 / 144

一、 高尔基体是由扁平膜囊堆、小泡和大泡组成的复合结构 / 144

二、 高尔基体的主要功能是蛋白质的修饰、加工和分选 / 147

第五节内体和溶酶体 / 151

一、 内体是胞吞途径上递送物质并渐进演变的囊泡 / 152

二、 溶酶体是富含各种酸性水解酶和底物的异质性囊泡 / 154

三、 溶酶体的功能主要是消化作用，并由此参与细胞功能及代谢、生长和死亡的调控 / 158

第六节线粒体 / 163

一、 线粒体是由双层膜围成的细胞器 / 163

二、 线粒体是动物细胞进行有氧呼吸产生ATP的场所 / 167

三、 线粒体参与许多小分子的生物合成 / 173

四、 线粒体与内质网有着直接的接触 / 174

五、 线粒体呼吸链的副产品能调控细胞活动 / 174

六、 线粒体在哺乳动物细胞凋亡过程中起着关键作用 / 175

七、 线粒体是一种半自主性的细胞器 / 176

第七节过氧化物酶体 / 178

一、 过氧化物酶体是一种富含各种氧化酶的异质性囊泡 / 178

二、 过氧化物酶体利用分子氧参与多种物质的氧化代谢 / 179

三、 过氧化物酶体在细胞氧化应激及病原体对抗中起保护性作用 / 181

四、 过氧化物酶体的功能发挥依赖与其他细胞器的相互作用 / 182

五、 过氧化物酶体的数量、形态和活性处于动态变化中 / 183

第八节核糖体、蛋白酶体和膜性细胞器相关疾病 / 185

一、 细胞的蛋白质稳态失常与许多先天性和后天性的疾病相关 / 185

二、 溶酶体功能障碍导致多种先天性和后天性疾病 / 186

三、 线粒体相关的遗传性疾病多由线粒体DNA的改变引起 / 187
第六章细胞骨架 / 192
第一节微管 / 193

一、 微管是由微管蛋白二聚体组装而成的管状结构 / 193

二、 微管的主要功能是维持间期细胞形状和细胞器定位，并在分裂期形成纺锤体介导染色体列队和分离 / 197

第二节微丝 / 200

一、 微丝是由肌动蛋白组装而成的细丝状结构 / 200

二、 微丝的主要功能是维持细胞形状和表面结构并介导多种细胞运动 / 205

第三节中间丝 / 208

一、 中间丝是由各种中间丝蛋白构成的绳状结构 / 208

二、 中间丝的主要功能是维持细胞形状和强度 / 210

第四节细胞骨架相关疾病 / 211

一、 微管异常引起多种遗传性疾病，也与退行性病变有关 / 211

二、 微丝相关蛋白质基因缺陷主要表现为肌肉和免疫功能障碍的遗传性疾病 / 212

三、 中间丝相关蛋白质基因缺陷、表达或修饰异常造成组织结构和功能障碍 / 212
第七章质膜 / 214
第一节质膜的化学组成和结构 / 214

一、 脂双层构成质膜的骨架 / 216

二、 膜蛋白穿越或联结于脂双层，承担着多种功能角色 / 219

三、 膜糖类位于膜的非胞质一侧，其功能是识别和保护 / 224

四、 脂筏是质膜上富含胆固醇、鞘磷脂、糖脂和特定膜蛋白的动态微区 / 226

第二节质膜的主要功能 / 226

一、 膜运输蛋白介导小分子穿膜运输，而大分子的运输依赖膜泡形成 / 226

二、 膜受体接收和转导细胞外信号 / 227

三、 黏附分子及其表面糖链提供了细胞识别和细胞黏附的基础 / 228

四、 连接蛋白介导细胞连接和组织构建 / 229

第三节膜与疾病 / 229

一、 膜脂成分和含量异常与疾病相关，膜脂也被病原体入侵所利用 / 229

二、 膜蛋白基因突变引发多种疾病，而正常膜蛋白也被病毒入侵所利用 / 230

三、 膜糖类相关遗传性疾病是膜蛋白和膜脂糖基化缺陷造成的，而正常膜糖类也被病原体入侵所利用 / 230
第八章细胞黏附、细胞连接与细胞外基质 / 233
第一节细胞外基质 / 234

一、 细胞外基质中有四种主要的纤维蛋白 / 234

二、 细胞外基质中的糖胺聚糖和蛋白聚糖构成凝胶状物质 / 239

三、 基膜是上皮和其他组织的细胞外基质特化结构 / 242

四、 结缔组织含有特别大量的细胞外基质 / 242

五、 细胞外基质与细胞功能和活动有着密切的相互关系 / 243

第二节细胞黏附 / 245

一、 细胞黏附主要基于一对细胞黏附分子间的相互识别和结合 / 245

二、 细胞黏附与细胞连接和细胞迁移相辅相成 / 247

三、 整合素家族是最重要的细胞外基质受体，介导细胞与基质或与其他细胞的黏附或连接 / 248

四、 选择素家族介导血流中异型细胞之间的黏附 / 252

五、 免疫球蛋白超家族黏附分子介导同型或异型细胞之间的黏附或连接 / 253

六、 钙黏素家族是一类依赖Ca2＋的黏附分子，介导同型细胞间的黏附和连接 / 254

第三节细胞连接 / 257

一、 细胞连接可从功能的角度分为紧密连接、锚定连接和通信连接三大类 / 258

二、 锚定连接将细胞骨架与相邻细胞的骨架成分或细胞外基质锚定在一起 / 259

三、 紧密连接封闭了相邻上皮细胞间隙，并将上皮细胞质膜分隔为顶部和底侧部 / 262

四、 通信连接在相邻细胞之间形成信号交流的连接装置 / 264

第四节细胞连接、黏附和细胞外基质相关疾病 / 269

一、 细胞连接蛋白和黏附分子及细胞外基质分子异常可引起多种疾病 / 269

二、 黏附分子亚型改变反映细胞的分化类型，与肿瘤细胞行为相关 / 271

第三篇细胞的物质运输、信号转导与基因表达调控
第九章小分子物质的穿膜运输 / 277
第一节穿膜运输的原理 / 277