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1、第三章 细胞3.13.23.33.43.53.6细胞及细胞生物学的发展细胞的基本概念细胞的类别细胞的结构生物膜细胞成分与结构的分离显微镜的发明与细胞的发现300多年前Anton van Leeuwenhoek（荷兰，1632-1723）世界上最早的显微镜，能将微小物体放大近300倍,最早看到细菌的人Leeuwenhoek“Animalcules”in a drop of pondwater seen by Leeuwenhoek.1 细胞及细胞生物学的发展Robert Hooke ，1665，（英国，1635-1703）软木薄片，蜂窝状的小格子“细胞”Microscope usedby Rob
2、ert Hooke细胞学说的提出与完善：1838年，德国植物学家施莱登（M J Schleiden）发表了“植物发生论”；1839年，德国动物学家施旺（T Schwann）发表了“关于动植物在结构和生长中一致性的显微研究”，首次提出细胞学这一名称。确立“细胞学说”。1855年，Virchow完善了细胞学说细胞学说可以归纳为以下两点：1.所有生物都由细胞和细胞的产物组成；2.新的细胞必须经过已存在的细胞分裂而产生。细胞生物学及其发展细胞生物学：是以研究生命活动基本规律的科学。它是在细胞、细胞超微结构和分子水平等不同层次上，以研究细胞结构、功能及生命活动为主的基础科学。细胞生物学研究的内容：细胞的
3、形态与结构、细胞的代谢、细胞的增殖与分化、细胞的遗传与变异、细胞的衰老与死亡、细胞的起源与进化、细胞的兴奋与运动、细胞的信息传递等。第一阶段：从16世纪末-19世纪30年代，是细胞发现及细胞知识的积累阶段，以形态描述为主；第二阶段：从19世纪到20世纪中期，细胞学说形成后，主要进行显微形态的研究；第三阶段：从20世纪30年代-70年代，以细胞超微结构、核型、带型研究为主要内容；第四阶段：从20世纪80年代分子克隆技术的成熟到当前，细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密，基因调控、信号转导、细胞分化和凋亡、肿瘤生物学等领域成为当前的主要研究内容。细胞生物学发展简史从形态学的角度定义细胞：.2 细
4、胞的基本概念细胞是由膜包围的原生质团，通过质膜与周围环境进行物质和信息交流。被质膜包裹在细胞内的所有生活物质称为原生质(protoplasm)，包括细胞核和细 胞 质(cell plasma)。细胞具有不同的形态和大小。多种多样，细胞形态和大小的差异，一般与其所执行的生理功能以及所处的环境条件有关。细胞大小主要受核质比和表面积/体积比决定细胞是生命活动的功能单位，一切代谢活动均以细胞为基础，细胞具有独立的、有序的自控代谢体系 在多细胞生物中，担负着不同生物功能的各种细胞密切配合，共同完成一系列复杂的生命过程，这些均是以细胞为单位；细胞与细胞之间存在着广泛的联系和信号联络，表现出有条不紊的分工合
5、作关系；各种组织都是以细胞为基本单位来执行特定的功能，因为每一个细胞都具有一套完整的装置以满足自身生命代谢的需要。细胞生命活动：以物质代谢为基础；以能量代谢（ATP）为动力；以信息调控为机制。非常狭窄的遗传桥梁，惟妙惟肖的表型特征细胞是生殖和遗传的基础和桥梁，具有相同的遗传语言人与人之间的基因组差别只有千分之一镰刀型红细胞正常红细胞同种蛋白质中氨基酸顺序的差异导致细胞表型的不同（镰刀状细胞贫血症）编码谷氨酸的密码子GAG突变为编码缬氨酸GUG细胞是生物体生长发育的基础 生物体的生长，部分是通过细胞体积的增长来实现；多细胞生物的生长主要是通过细胞分裂，数目增加并伴随细胞的分化来实现的；在多细胞生
6、物中，具有不同形态和功能的细胞都是由一个受精卵分裂和分化而来的。所以，研究生物的生长发育必须以研究细胞的增值、生长与分化为基础。从植物单个细胞到一棵完整的植株细胞是遗传的基本单位，具有遗传的全能性每一个细胞，不论低等生物还是高等生物的细胞，单细胞生物或多细胞生物的细胞，结构简单或复杂的细胞，未分化的细胞或分化的细胞（除极少数终极分化的细胞外），性细胞或体细胞都包含着全套的遗传信息，即全套的基因，因此，细胞具有遗传的全能性。“多利羊”的克隆细胞是生命起源的归宿，是生物进化的起人神经细胞植物纤维细胞鸡卵人卵和精子变形虫血细胞支原体点；形状与大小各异的细胞是生物进化的结果。从原始细胞到原核细胞：约3
7、0 35亿年前：球形微生物和杆状细菌；从原核细胞到真核细胞：约1613亿年前：真菌化石从单细胞到多细胞机体进化：约87亿年前。非细胞形态的生命体病毒病毒已发现3 000余种（含40 000亚种）包括：真病毒（virus）：DNA或RNA与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体；类病毒（viroid）：感染性的RNA构成，发现约20余种，如马铃薯纺锤块类病毒；朊病毒（prion）：仅由有感染性的蛋白质构成,如疯牛病。没有细胞就没有完整的生命（病毒的生命活动离不开细胞）Attachment to theLymphocyteMembraneEntry of theViral RNAIntegrationof
8、 Viral DNABack to RNAViralProteaseProteaseInhibitorsAssemblyand Budding657124Transcription:Reverse Transcription:Converting viral RNA into DNATranslation:RNA-Proteins83Human Immunodeficiency Virus细胞是生命的基本结构单位，所有生物都是由细胞组成的；细胞是生命活动的功能单位，一切代谢活动均以细胞为基础。细胞是一个独立有序的、能够进行自我调控的结构与功能体系；细胞是生殖和遗传的基础与桥梁，具有相同的遗传语
9、言；细胞是生物体生长发育的基础；细胞是遗传的基本单位，具有遗传的全能性；细胞是生命起源的归宿，是生物进化的起点；没有细胞就没有完整的生命（病毒的生命活动离不开细胞）从系统的角度理解细胞的基本概念：(a)普通的细菌(a)、植物(b)、动物细胞(c)的结构(c)(b)细胞的共性：1.所有细胞表面均具有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白体构成的细胞膜体系；2.所有的细胞都有由两种核酸（DNA与RNA）与蛋白质分子构成的遗传信息复制与表达体系。虽然病毒以其中一种核酸作为遗传信息的载体，但病毒的复制过程往往离不开两种核酸的参与；3.所有的细胞都具有作为蛋白质合成的机器的核糖体；4.细胞具有自我复制的能力，能够产生
10、更多的细胞；而且所有细胞都以一分为二的方式进行分裂增殖。遗传物质在分裂前复制加倍，在分裂时均匀地分配到两个子细胞内；5.细胞具有遗传程序和使用遗传程序的方法；6.细胞是高度复杂和有组织的；7.细胞获得并利用能量，如植物吸收太阳光，动物摄取糖，然后再转化成不同形式的能量加以利用；8.细胞执行不同的化学反应，如新陈代谢活动；9.细胞参与许多机械活动，如物质的运输；10.细胞能够对外界的刺激做出反应，如营养、光照、激素生长因子、逆境因素等。All HeLa cells are derived from Henrietta Lacks,a31 year old woman from Baltimore
11、,USA,who diedof cervical cancer in 1951.第一株用于人工培养的人细胞系：Hela cells.3细胞的类别原核细胞(procaryotic cell)原核细胞是地球上起源最早、结构最简单的生命形式从原始细胞到原核细胞：约30 35亿年前：球形微生物和杆状细菌；细菌细胞的透射电子显微镜照片(右)及模式图(左)遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成。很多细菌在核区外还含有染色体外遗传物质，即环状质粒DNA；细胞内只有核糖体细胞器，但没有核膜和具有专门结构与功能分化的其它细胞器，而其核物质有趋于集中在一起的现象，所以，有时称为类核或拟核；细胞壁的主要
12、成分是含乙酰的肽聚糖；从生命活动过程来看，原核细胞DNA的大部分是用来编码蛋白质，只有非常小的一部分不转录。原核细胞的特性真核细胞(eucaryotic cell)传统观点：由原核细胞进化而来。从原核细胞到真核细胞：约1613亿年前：真菌化石渐进式进化是渐进、直接进化过程。真核细胞可能的进化步骤模型内共生假说内共生假说的证据：细胞器DNA与原核细胞DNA相似，16SrRNA测序。叶绿体与线粒体内共生假说：1 独立的基因组；2 独立完整的蛋白质合成系统，而且类似原核；3 线粒体能以分裂发生繁殖以及内外膜组成和结构差异大；4 叶绿体可在异体细胞中生存。现代分子生物学的研究16SrRNA测序，建立系
13、统树，显示真核细胞与原核细胞（包括古菌）是由共同的祖先平行进化而来。具有真正的细胞核，其遗传物质DNA包被在双层膜的特殊结构中；具有许多由膜包被的各式细胞器，即线粒体、叶绿体、高尔基体和内质网等；植物及真菌具有细胞壁，其成分分别是纤维素和几丁质；DNA结构非常复杂，其中含有许多非编码区，而且存在多种调控机制；具有由特异的结构蛋白装配而成的细胞骨架 和细胞质基质系统；真核细胞的种类繁多，从单细胞的原生生物到多细胞的动植物以及特殊的真菌类等都含有各种真核细胞。真核细胞的性质真核细胞与原核细胞基本结构特征的比较特征原核细胞真核细胞细胞大小细胞膜细胞核染色体DNA核外DNA胞质区域化细胞骨架核糖体细胞
14、增殖细胞组织1-10m3-100m有（行使多种功能）有没有真正的细胞核有核膜、核仁和核质裸露DNA，无组蛋白DNA与组蛋白结合有的细胞含有质粒DNA线粒体与叶绿体DNA简单（无细胞器）复杂，有各种细胞器无有（MT、MF、IF）70S型（30S和50S）80S型（40S和60S）无丝分裂有丝分裂、减数分裂、单细胞生物，多数为多细胞生物无细胞组织形成细胞组织特征原核细胞真核细胞遗传信息量基因组重复序列内含子RNA聚合酶DNA复制转录与翻译加工与修饰表达调控小大n2n罕见大量存在无有一种复合体三种：pol、无明显周期性有明显周期性（S期）同时、同地先转录（核）后翻译（质）无有复杂的加工过程操纵子形式
15、多层次、多环节真核细胞与原核细胞的遗传体系及基因表达的比较特征动物细胞植物细胞有无质体（叶绿体）有无细胞壁有无大的中央液胞细胞膜离子泵营养吸收无，异养营养有，自养营养无有（纤维素和果胶质）无有（代谢调节作用）钠-钾ATP酶质子ATP酶+Na驱动共运转H驱动共运转植物细胞与动物细胞的比较叶绿体线粒体细胞壁细胞膜细胞质液泡光面内质网细胞核粗面内质网高尔基体细胞膜细胞质细胞核粗面内质网光面内质网线粒体中心体高尔基体植物细胞和动物细胞纤毛细胞壁（cell wall)叶绿体（chloroplast)大液泡（vacuole)胞间连丝（plasmodesmata)植物特有的结构3.4 细胞的结构细胞膜和细胞
16、壁细胞膜又称质膜，具有半透性，可选择地让物质通过；它还有一些细胞识别位点如激素的受体、抗原结合点等，具有接受外界信息、与外界通讯等功能。植物细胞的细胞膜外还有细胞壁，具有支持和保护植物细胞的功能。核被膜是包在核外的双层膜，外膜可延伸与细胞质中的内质网相连。一些蛋白质和RNA分子可通过核被膜或核被膜上的核孔进入或输出细胞核。染色质是核中由DNA和蛋白质组成并可被苏木精等染料染色的物质，染色质DNA含有大量基因片段，是生命的遗传物质。核仁是核中颗粒状结构，富含蛋白质和RNA，核糖体的装配场所。染色质和核仁都被液态的核基质所包围。细胞核细胞器细胞膜内是透明粘稠并可流动的细胞质基质，细胞器分布在细胞质
17、基质中。细胞器主要包括：内质网、核糖体、高尔基体、溶酶体、线粒体、质体、微体、液泡、微管、微丝等。有的细胞表面还有鞭毛或纤毛。线粒体由内膜和外膜包裹的囊状结构，囊内是液态的基质。外膜平整，内膜向内折入形成一些嵴，内膜面上有ATP酶复合体。线粒体是细胞呼吸和能量代谢中心。线粒体基质中还含有DNA分子和核糖体。质体是植物细胞的细胞器，包括白色体和有色体。叶绿体 是最重要的有色体，是植物光合作用的细胞器。叶绿体也有两层膜，也含有环状的DNA和核糖体。内质网 脂类双分子层为基础形成的囊腔和管道系统。光面内质网与脂类合成和代谢有关。糙面内质网膜上附有颗粒状的核糖体。核糖体是细胞合成蛋白质的场所，糙面内质
18、网合成并运输蛋白质。高尔基体 是一些聚集的扁的小囊和小泡。是细胞分泌物的加工和包装场所，最后形成分泌泡将分泌物排出体外。高尔基体还与植物分裂时的新细胞壁和细胞膜的形成有关。溶酶体 是单层膜小泡，由高尔基体断裂而产生,内含多种水解酶,可催化蛋白质、核酸、脂类、多糖等生物大分子，消化细胞碎渣和从外界吞入的颗粒。微体液泡细胞骨架 由微管、肌动蛋白和中间丝构成的，维持着细胞的形态结构和内部结构的有序性。(a)立体结构模型(c)分子排列(b)荧光显微照片3.5 生物膜各类细胞器的膜（如内质网膜、内囊体膜等）、质膜和核膜在分子结构上基本相同，它们统称为生物膜。膜的结构1895年1917年1925年Over
19、tonLangmuirGorter&膜是由脂组成的磷脂单分子层Grendel磷脂双分子层1932年 Davson&Danielli“三明治”模型流动镶嵌模型生物膜的“流动镶嵌模型”主要特点有序性流动性不对称性生物膜的结构是与其功能相一致的。流动镶嵌模型的特点生物膜是动态结构：膜脂的流动性脂类分子在LipidBilayer 中可能有五种运动方式:1.脂肪酰链内的旋转异构化运动(内旋转)2.脂肪酸链的协同运动3.整个磷脂分子绕其长轴的旋转4.侧向扩散5.脂类分子在脂双层之间的翻转运动荧光标记激光淬灭逐渐恢复生物膜是动态结构：膜脂的流动性生物膜是动态结构：膜蛋白的运动性膜蛋白的运动是自发的布朗运动；
20、“樊篱”和“锚”生物膜的不对称性:膜脂的不对称性1，不同磷脂在人红细胞质膜上的分布；2，糖脂的分布表现出完全不对称性：糖侧链都在质膜的ES面上Lipid asymmetry gives themembrane leaflets differentphysical and chemical propertiesappropriate for the differentinteractions occurring at the twomembrane faces.鞘 卵磷 磷脂 脂磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺磷脂酰肌醇胆固醇ESPS生物膜的不对称性：膜蛋白的不对称性1，膜蛋白分子在细胞膜上有明确的方向
21、性；2，糖蛋白的糖侧链都在质膜的ES面上ESPS物质的跨膜运输被动运输简单扩散水的简单扩散（渗透作用）被动运输易化扩散主动运输钠钾泵（动物细胞）直接消耗ATP主动运输质子泵（植物细胞）直接消耗ATP主动运输协同运输间接消耗ATP胞吞和胞吐作用生物大分子或颗粒物质的运输物质的跨膜运输 （总结）被动运输简单扩散易化扩散主动运输直接消耗ATP（动物细胞）钠钾泵（植物细胞）质子泵间接消耗ATP协同运输胞吞和胞吐作用生物大分子或颗粒物质的运输3.6 细胞成分与结构的分离用细胞破碎技术和超离心技术对细胞器或细胞结构成分进行分离和进一步的生物化学分析是探索细胞结构与功能相互关系的重要途径。300多年前英国人
22、Leeuwenhoek制出了世界上最早的显微镜，打开了微观世界的大门。细胞学说可以归纳为；所有生物都由细胞和细胞的产物组成；新的细胞必须经过已存在的细胞分裂而产生。原核细胞是地球上起源最早、结构最简单的生命形式。原核细胞的遗传物质分布于核区，没有以膜为基础的具特定结构与功能的细胞器，细胞壁主要化学成分是肽聚糖而区别于以纤维素为主的植物细胞壁。真核细胞具有真正的细胞核，其遗传物质DNA包被在双层膜的特殊结构中。细胞核包括核仁、核质和核膜等部分。真核细胞还具有许多由膜包被或组成的细胞器，它们包括线粒体、叶绿体、高尔基体、内质网等。膜是生命最基础的结构。典型的生物膜为蛋白质镶嵌的磷脂双分子层，具有脂类的流动特性。物质的跨膜运输包括不需要能量的被动运输和需要消耗ATP的主动运输。本章摘要