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1、第2节细胞器系统内分工合作 一、教学目标1.举例说出几种细胞器结构和功能。2.简述细胞膜系统结构和功能。3.制作临时装片，使用高倍显微镜观察叶绿体和线粒体。4.讨论细胞中结构与功能统一性、部分与整体统一性。二、教学重点和难点1.教学重点（1）几种主要细胞器结构和功能。（2）细胞膜系统结构和功能。2.教学难点（1）细胞器之间协调配合。（2）制作人口腔上皮细胞临时装片，使用高倍显微镜观察线粒体。三、教学策略1.利用“问题探讨”创设问题情境，通过类比认识细胞内各个“车间”及其分工。基于学生生活经验，以及对多种多样细胞观察，学生应该能够开展“问题探讨”中讨论，在学生讨论基础上提出问题：“细胞内有哪些车
2、间？它们之间是如何分工？”之后教学可以采取不同方式。方式一采用“识图感知科学过程和方法实验观察解决问题”教学模式。利用教材插图指导学生认识细胞内主要细胞器，介绍美国科学家克劳德和比利时科学家德迪夫工作，强调研究细胞器过程和方法。学生在教师指导下独立完成“用高倍显微镜观察叶绿体和线粒体”实验，思考老师提出问题“各种细胞器是如何完成细胞生命活动？它们之间是怎样协调配合？”方式二采用“实验观察识图感知科学过程和方法解决问题”教学模式。利用“高倍显微镜观察叶绿体和线粒体”实验解决细胞内有什么结构问题。由于线粒体小，观察起来有一定困难。教师可以利用演示镜或显微投影方式指导学生观察。在观察了线粒体和叶绿体
3、之后，指导学生观察细胞亚显微结构图，解决细胞内还有哪些细胞器问题。在学生观察、讨论基础上，提出问题“细胞器这么小，科学家是如何研究呢？”引出获得诺贝尔奖美国科学家克劳德和比利时科学家德迪夫工作，强调科学家锲而不舍探究精神和技术进步在科学研究中作用。2.发挥图解或媒体作用，利用已知，探究细胞器之间协调配合，建构生物膜系统概念。提出问题：“各种细胞器是如何完成细胞生命活动？它们之间是怎样协调配合？”“科学家是如何解决这些问题？”从科学家帕拉德研究引入，介绍帕拉德对“分泌蛋白合成和运输过程”设想和实证研究，使学生认同科学研究成功离不开探索精神、理性思维和技术手段结合。之后学生独立或小组合作完成资料分
4、析。在引导学生分析讨论时，教师要强调膜结构重要性，为建构生物膜系统概念奠定基础。以“合成分泌蛋白运输到细胞外过程”图解为例，探究细胞内具有膜细胞结构在功能上联系，借助内质网膜与细胞膜、核膜联系图解，建构细胞生物膜系统概念。如果教师能够利用课件将“分泌蛋白合成和运输”过程，以及细胞生物膜系统在结构和功能上联系动态地展示给学生，将有助于学生形成对细胞生命活动整体认识。四、答案和提示（一）问题探讨1.提示：一件产品是由多个零部件组成，不同车间生产不同零部件之后，要有组装车间完成装配工作，质量检测部门负责检查产品质量。同时要有部门提供原材料，有部门提供设计图，还要有部门负责动力供应，等等。部门齐全，配
5、合协调，才能生产出优质产品。2.提示：例如蛋白质合成。细胞核是遗传信息库，蛋白质合成要在遗传信息指导下进行，核糖体是合成蛋白质场所，同时内质网、高尔基体等细胞器也在蛋白质合成中起到重要作用。这说明细胞生命活动也是需要多个“部门”和“车间”协调配合完成。（二）资料分析1.分泌蛋白是在内质网上核糖体中合成。2.提示：分泌蛋白从合成至分泌到细胞外，经过了核糖体、内质网、高尔基体和细胞膜等结构。分泌蛋白是在内质网上核糖体内初步合成，在内质网内加工，由囊泡运输到高尔基体做进一步加工，再由囊泡运输到细胞膜，与细胞膜融合，将蛋白质分泌到细胞外。3.提示：需要，如核糖体在将氨基酸连接成肽链过程中就需要能量。这
6、些能量是由线粒体进行有氧呼吸提供。（三）旁栏思考题线粒体是细胞进行有氧呼吸主要场所，能够提供细胞生命活动需要能量。鸟类飞翔、运动员运动需要大量能量，所以飞翔鸟类胸肌细胞中、运动员肌细胞中线粒体多。同样道理，新生细胞生命活动比衰老细胞、病变细胞旺盛，所以线粒体多。（四）练习基础题1.图1中，注字“内质网”应是“高尔基体”，“高尔基体”应是“内质网”。染色质注字指示线位置有误。中心体还应包括指示线下方中心粒。图2中，注字“核仁”应是“叶绿体”，“叶绿体”应是“线粒体”，“核糖体”应是“中心体”。2.C。 3.B。 4.C。拓展题提示：溶酶体膜在结构上比较特殊，如经过修饰等，不会被溶酶体内水解酶水解
7、。五、参考资料1.内质网结构和功能内质网是由Porter等人在1945年发现。他们利用电镜在成纤维细胞中观察到一些形态和大小略有不同网状结构，并集中在内质中，因此将这些结构称为内质网。内质网是由一层膜形成囊状、泡状和管状结构，并形成一个连续网膜系统。内质网通常占细胞生物膜系统一半左右，占细胞体积10%以上。根据内质网上是否附有核糖体，将内质网分为两类，即粗面内质网和光面内质网。粗面内质网多呈大扁平膜泡，排列整齐。它是核糖体和内质网共同组成复合结构，普遍存在于细胞中，特别是合成分泌蛋白细胞。在结构上，粗面内质网与细胞核外层膜相连。无核糖体附着内质网称为光面内质网，通常为小管状和小泡状，广泛存在于
8、各种类型细胞中。光面内质网是脂质合成重要场所。内质网可通过出芽方式，将合成蛋白质或脂质转运到高尔基体。2.高尔基体结构和功能高尔基体是意大利科学家高尔基（C.Golgi）在1898年发现。它是普遍存在于真核细胞中一种细胞器。在电镜下观察到，高尔基体是由一些排列较为整齐扁平膜囊堆叠在一起，构成了高尔基体立体结构。扁平膜囊多呈弓形，也有呈半球形，均由光滑膜围绕而成。在扁平膜囊外还包括一些小膜泡。整个高尔基体结构分为形成面和成熟面，来自内质网蛋白质和脂质从形成面逐渐向成熟面转运。高尔基体与细胞分泌功能有关，能够收集和排出内质网所合成物质，它也是聚集某些酶原场所，参与糖蛋白和黏多糖合成。高尔基体还与溶
9、酶体形成有关，并参与细胞胞吞和胞吐作用。3.溶酶体结构和功能溶酶体是动物细胞中一种由膜构成细胞器，呈小球状，外面由一层非渗透性单位膜包被。溶酶体是一种动态结构，它不仅在不同类型细胞中形态大小不同，而且在同一类细胞不同发育阶段也不相同。溶酶体主要功能是消化作用，其消化底物来源有三种途径：一是自体吞噬，吞噬是细胞内原有物质；二是吞噬体吞噬有害物质；三是内吞作用吞入营养物质。溶酶体除了具有吞噬消化作用外，还具有自溶作用，即某些即将老死细胞靠溶酶体破裂释放出各种水解酶将自身消化。此外，溶酶体酶也可释放到细胞外，对细胞外基质进行消化。根据溶酶体处于完成其生理功能不同阶段，大致可分为初级溶酶体和次级溶酶体
10、。初级溶酶体是刚刚从高尔基体形成小囊泡，仅含有水解酶类，但无作用底物，而且酶处于非活性状态。次级溶酶体中含有水解酶和相应底物，是一种将要或正在进行消化作用溶酶体。4.核糖体结构和功能核糖体是一种颗粒状结构，没有被膜包裹，其直径为25 nm，主要成分是蛋白质与rRNA。蛋白质含量约占40%，rRNA约占60%。核糖体蛋白分子主要分布在核糖体表面，而rRNA则位于内部，二者靠非共价键结合在一起。在真核细胞中很多核糖体附着在内质网膜表面，成为附着核糖体。在原核细胞细胞膜内侧也常有附着核糖体。还有些核糖体不附着在膜上，而呈游离状态，分布在细胞质基质内，称为游离核糖体。附着核糖体和游离核糖体所合成蛋白质
11、种类不同，但核糖体结构和化学组成是完全相同。细胞内有两种类型核糖体：一种是70S核糖体，原核细胞中核糖体属于此类，真核细胞线粒体与叶绿体内核糖体也近似于70S；另一种是80S核糖体，存在于真核细胞中。不论70S或80S核糖体，均有大小不同两个亚单位构成。70S核糖体可解离为50S和30S两个大小亚单位，80S核糖体可解离为60S和40S两个大小亚单位。核糖体是合成蛋白质细胞器，其惟一功能是按照mRNA指令把氨基酸高效且精确地合成多肽链。核糖体在细胞内并不是单个独立地执行功能，而是由多个甚至几十个核糖体串连在一条mRNA分子上，高效地进行肽链合成。这种具有特殊功能与形态结构核糖体与mRNA聚合体
12、称为多聚核糖体。在真核细胞中每个核糖体每秒能将两个氨基酸残基加到多肽链上；而在细菌细胞中，每秒可将20个氨基酸加到多肽链上，因此合成一条完整多肽链平均需要20 s到几分。5.液泡结构和功能在每个植物细胞内，液泡大小、形状和数目相差很大，甚至其中颜色也不相同。在幼龄细胞中，液泡体积很小，用光学显微镜很难发现。随着细胞生长，这些小液泡增大和合并，在成熟细胞中，往往只有一个大中央液泡，它可达细胞体积90%。液泡是由一层单位膜包围细胞器，这层膜叫液泡膜，它使液泡内含物与细胞质分隔开。液泡膜虽然在形态上与细胞膜无区别，但它们通透性和物理性质是有区别。液泡膜含不饱和脂肪酸比例较高，它所含磷脂分子以磷脂酰胆
13、碱为主。液泡膜上具有多种酶和一些与物质运输相关蛋白。液泡膜有特殊通透性，使得贮存在液泡内糖类、盐类及其他物质浓度往往很高，由此引起细胞质中水分向液泡内流动，从而维持细胞紧张度。液泡来源是多方面，它可来自内质网、高尔基体或细胞膜。内质网顶端膨大或出芽形成囊泡，而成为最初小液泡，小液泡可逐步形成大液泡。高尔基体囊泡也能出芽形成小液泡，这些小液泡可与细胞膜融合，也可形成大液泡。此外，细胞膜内陷形成囊泡也可参与大液泡形成。液泡主要有以下几个方面功能。（1）贮存作用液泡中主要成分是水，但在不同种类细胞中，液泡中还贮存有各种细胞代谢活动产物。甘蔗茎和甜菜根细胞液泡中贮存有大量蔗糖，柿子果皮细胞液泡中含有丹
14、宁。有些植物，特别是药用植物某些细胞液泡中含有特殊植物碱，如茶叶含有咖啡碱，罂粟果实中含有吗啡，金鸡纳树树皮中含有奎宁。未成熟水果中，由于液泡中含有较多有机酸，故具有酸味。花瓣、果实常显示出红色、黄色、蓝色和紫色，它们都是溶解于液泡色素所显示颜色。花青素颜色可随液泡中酸碱度不同而变化，液泡为碱性时显蓝色，中性时显紫色，酸性时显红色。液泡还是贮藏蛋白质和脂肪场所。有证据表明，种子贮藏蛋白多数位于液泡内，当种子萌发时，蛋白质被水解，以满足胚根和胚芽生长需要。越冬木本植物（如杨树），在进入冬季时，其枝条皮层细胞液泡内积累大量蛋白质。在油类植物种子中，脂肪也是贮藏在液泡中，形成圆球体，常常占据细胞体积
15、大部分。液泡作为贮藏库，还起着保持生物合成原料稳定供应作用。在有些物质过剩时，则输入液泡贮存，当细胞质缺少这些物质时，又及时地给予供应。由于液泡是植物细胞主要Ca2+库，它在调控细胞质基质Ca2+水平上具有重要作用。（2）维持细胞膨压作用液泡内含有较高浓度糖类、盐类及其他物质，使得大量水分进入液泡，充满水分液泡维持着细胞膨压，这是植物体保持挺立状态根本因素，若液泡失水，植物体就发生萎蔫。膨压还直接参与了调节气孔开放。当K+、Cl-或苹果酸盐在保卫细胞液泡内迅速增加积累时，液泡膨压增大，致使气孔开放，而当K+、Cl-或苹果酸盐输出液泡时，膨压变小，液泡体积随之缩小，则气孔关闭。（3）与溶酶体类似
16、作用液泡中含有各种酸性水解酶，它们能分解细胞内蛋白质、核酸、脂质及多糖等物质，类似动物细胞中溶酶体。细胞器碎片通过液泡膜内陷吞噬进入液泡，最后在液泡中被分解。液泡在植物细胞自溶中起一定作用。植物中有些衰老或不需要细胞，可经过自溶作用被消化掉。在正常生理状态下，这种过程进行得比较缓慢，是逐渐消化。如果液泡被破坏，释放出其中水解酶，将导致细胞成分迅速降解。（4）防御作用许多植物液泡中含有几丁质酶，它能水解破坏真菌细胞壁。当植物体遭到真菌病原体危害时，几丁质酶生物合成增加，以增强对入侵病原体杀伤作用。液泡还具有吞噬病原体作用，并通过其中水解酶将病原体分解消灭，或将病原体围困在液泡内，使之不能增殖蔓延
17、。此外，液泡还具有吸收细胞质中某些有毒物质，将其贮存隔离起来，避免细胞中毒作用。6.中心体结构和功能在所有动物细胞中，中心体是主要微管组织中心，它主要结构是一对互相垂直中心粒加上周围呈透明状基质。每个中心粒为直径0.2 m，长度0.4 m圆柱体。在刚刚完成分裂子细胞中只含有一对由母细胞而来中心粒，它必须再复制一对才能在有丝分裂时形成完整纺锤体。中心粒要经过一个复杂发育周期，才能被复制并成熟。细胞进入间期G1晚期时，两个中心粒开始稍稍分离，并成为母中心粒。在间期S期和间期G2期中，每个母中心粒上逐渐形成一个相对应中心粒，所以在一对新中心粒中包括一个母中心粒和一个子中心粒。在新中心粒形成同时，作为
18、基质周围物质也不断聚集，并且两对中心粒沿着核膜移向两极，有丝分裂期M早期时，中心粒不仅复制完成，而且处在两极位置。这样中心粒复制与移动，一方面保证了纺锤体形成，另一方面决定了纺锤体极，也就最终决定了细胞分裂方向。7.生物膜发生与转运生物膜是在原有膜基础上，不断由新脂质或蛋白质插入而逐渐增长。插入方式是有选择性地插入到膜某一侧，维持着膜结构不对称性。大多数磷脂是在内质网上合成，可通过两种途径运送到各种膜结构中。第一种途径是通过磷脂转运蛋白，线粒体、叶绿体、过氧化物酶体等细胞器膜中脂质就是靠这种方式运送。第二种方式是通过出芽和膜融合，例如，内质网通过出芽形成分泌囊泡运送蛋白质时，膜脂也随之运送到高
19、尔基体，并通过高尔基体形成分泌囊泡，将膜质运送到细胞膜。由于内质网与核膜相连，通过细胞分裂和核膜重建，内质网上合成膜脂也就转移到核膜。由于细胞胞吞和胞吐作用以及囊泡运输，使细胞膜和胞内膜处于动态平衡状态。8.细胞质基质与胞质溶胶两个概念区别与联系细胞质基质与胞质溶胶内涵是基本相同，或者说它们无本质区别。在真核细胞胞质中，除去可分辨细胞器以外胶状物质，称为细胞质基质。细胞质基质成分可通过生物化学方法测得。通常用差速离心方法，分离出细胞匀浆中各种细胞组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞膜等细胞器或细胞结构，留存在上清液中主要为细胞质基质成分。细胞质基质概念提出主要是从细胞学角度来认
20、识除去各种细胞器以外胞质成分，认为它们是细胞重要结构成分，各种细胞器行使它们功能时，必须依赖细胞质基质。胞质溶胶主要是从生物化学角度来认识相关成分，因为细胞质基质中存在着大量生物大分子，其中包括数以千计酶、各种反应底物和产物。大量生化反应在其中进行。在对细胞结构与功能进行研究时，还是选择细胞质基质这个概念较为合适。9.细胞骨架结构与功能在细胞生物学发展中，随着电子显微镜和染色技术应用，除了不断认识各种细胞器结构和功能以外，还发现在细胞质中有一个三维网络结构系统，这个系统被称为细胞骨架。细胞骨架是细胞内以蛋白质纤维为主要成分网络结构，主要由三类蛋白纤维构成，即微管、微丝和中间纤维。组成微管基本成
21、分是微管蛋白，组成微丝基本成分是肌动蛋白，组成中间纤维基本成分相对复杂一些，包含一类纤维蛋白家族。通常微管主要分布在核周围，呈放射状向细胞质四周扩散，微丝主要分布在细胞膜内侧，而中间纤维则分布在整个细胞。虽然细胞骨架各成员在细胞质中分布有一定规律性，但不是绝对，随着细胞类型或发育时期不同会发生相应变化。细胞骨架具有多种功能。（1）它在细胞内形成一个框架结构，为各种细胞器提供附着位点，将细胞器组成各种不同体系和区域网络，保证了各细胞器生命活动正常有序地进行。（2）细胞骨架为细胞内物质和细胞器运输及运动提供机械支撑。例如，由内质网产生囊泡向高尔基体运输，通常由细胞骨架提供运输轨道。（3）为细胞运动
22、提供机械动力。细胞上纤毛和鞭毛主要由细胞骨架构成。（4）参与细胞分裂。有丝分裂中两种主要事件，即核分裂和胞质分裂都与细胞骨架相关。这主要是由于有丝分裂中纺锤体是由微管形成，而胞质分裂中缢缩环是由微丝形成。10.说明人体疾病与细胞器异常相关性事例线粒体在细胞内具有十分重要功能，如果受到损伤或出现异常将对细胞正常生命活动产生极大影响。许多研究工作表明，线粒体与人体疾病和衰老有关。克山病是以心肌损伤为主要病变地方性心肌病，是由于缺硒而引起。患者线粒体硒含量明显降低，慢性患者为正常量50%，亚急性患者为正常量12.5%。硒对线粒体膜具有稳定作用，患者因缺硒而导致心肌线粒体出现膨胀，嵴稀少和不稳定，膜电
23、位下降，膜流动性降低，电子传递和氧化磷酸化受到明显影响。内质网在病理条件下，受到损伤或受到某些因素作用时，会发生肿胀、肥大和某些物质累积。肿胀是由于水分和钠流入，使内质网变成囊泡。这些囊泡还可以融合扩张成更大囊泡。低氧、辐射和阻塞所造成压力等均能引起内质网肿胀和扩张。低氧还能引起核糖体从粗面内质网上脱落。肝细胞内呈扩张状态内质网腔含有大量水分，呈现出混浊肿胀现象。当细胞吞入某些有害外源物质时，会对溶酶体造成损害，在某些因素作用下溶酶体膜发生破裂。溶酶体还会由于缺少某些酶，相应作用底物不能被分解。这些都会影响细胞正常生理功能而引起病变。现已发现多种先天性溶酶体病变是由于溶酶体缺乏某些酶而引起。由于溶酶体缺乏这些酶，相应底物不能被分解而积累于溶酶体中，从而造成代谢阻碍而导致疾病发生。型糖原蓄积病是由于患者常染色体隐性基因缺陷，不能合成-葡萄糖苷酶，致使糖原无法被分解，而积累于溶酶体内，使溶酶体越变越大，以致大部分细胞质被溶酶体所占据。