第二章细胞生物学

1、一、独立的生命单位 细胞是包含了全部生命信息和体现所有基本特点的独立的生命单位。细胞包含3个体系：l 遗传信息的复制、维持和表达体系l 新陈代谢体系l 构成维持生命结构有序性体系，如细胞骨架系统真核细胞是如何进化来的？ 共生假说：认为真核细胞是一种复合体,它是若干原核细胞与真核细胞祖先的胞质共生的结果 渐进式进化：认为原核细胞到真核细胞是一种渐进、直接进化的过程。根据分子分类研究结果，却认为真核细胞、原核细胞和古细菌细胞同属于由共同祖先平行进化而来的种类。二、限制细胞大小的自然规律l Relationship Between Cells Volume(细胞体积） 一个生活细胞要维持正常的独立生

2、活功能，最低限度需要容纳下为自身生存和繁殖所必须的足够的DNA、蛋白质分子以及其他内部结构的空间(最低限度需要5001000种不同类型的酶和蛋白质)。l Cell Surface Area（表面积） 细胞必须有足够的表面积才能从环境中获得充足的营养和水分。细胞维持体积的相对恒定 典型的原核细胞直径平均在110m之间，而真核细胞的直径平均为330m; 某些不同来源的细胞大小变化很大,如人的卵细胞直径只有0.1mm,而鸵鸟的卵细胞的直径则有5cm; 同类型细胞的体积一般是相近的,不依生物个体的大小而增大或缩小。如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同; 器官的大小主要决定于细胞的数量,与

3、细胞的数量成正比,而与细胞的大小无关,把这种现象为“细胞体积的守恒定律”。细 胞 化 学 成 分水:85% 无机盐:1.5% 蛋白质:10% 脂质:2% 糖类:0.4% DNA: 0.4% RNA : 0.7% 三、原 核 细 胞主要特点1.遗传物质仅一个环状DNA2.无核膜，有细胞壁3.无细胞器, 无细胞骨架4.以无丝分裂或出芽繁殖代表生物：支原体、细菌、蓝藻四、真 核 细 胞三大结构体系生物膜系统 质膜、内膜系统（细胞器）遗传信息表达系统 染色质(体)、核糖体、mRNA、tRNA等等细胞骨架系统 胞质骨架、核骨架植物细胞特有的结构l 细胞壁（cell wall)l 叶绿体（chloropl

4、ast)l 大液泡（vacuole)l 胞间连丝（plasmodesmata)（一）生物膜系统l 质膜（plasma membrane)l 内质网(endoplasmic reticulum)l 高尔基体（Golgi body)l 溶酶体（lysosome)l 线粒体（mitochondria)l 叶绿体（chloroplast)1.质膜膜 蛋 白l 膜蛋白：与磷脂双分子层结合，执行各种功能，分为：l 运输载体l 酶l 受体蛋白l 连接蛋白流 动 镶 嵌 模 型糖萼脂双层蛋白质流动镶嵌模型的特征l 不对称性 膜蛋白分布不对称l 流动性 膜蛋白的运动l 流动性 膜脂的运动膜脂的运动方式2.内 质

5、 网内 质 网 基 本 类 型l 糙面内质网 光面内质网粗面内质网的功能l 合成蛋白质分泌性蛋白质膜蛋白内质网、高尔基体、溶酶体中的蛋白质l 合成蛋白质的糖基化修饰l 合成蛋白质的折叠与装配由于光面内质网与粗面内质网是相通的，因此前者合成的脂类和后者合成的蛋白质能够相遇而产生脂蛋白。光面内质网的功能l 合成脂类内 质 网 的 功 能l 蛋白质的合成l 蛋白质的修饰l 新生多肽的折叠与组装l 脂质的合成内质网的信号假说l 分泌蛋白的形成l 膜蛋白的形成(P49图2-21、2-22)l 新生肽链的折叠参与新生肽链折叠的蛋白有两大类：l 分子伴侣（molecular chaperone）定义：分子伴

6、侣是指可以帮助内质网上合成的多肽转运、折叠与装配，而本身并不参与最终产物形成的一类蛋白质。分子伴侣的作用（p49）Integral Proteins膜内在蛋白Peripheral Proteins膜周边蛋白催化与折叠直接有关的化学反应的酶蛋白质二硫键异构酶l 存在部位：在内质网管腔内含量极高l 作用： 该酶能催化形成二硫键，二硫键与新生肽的折叠密切相关，因此该酶对维系蛋白质分子空间结构的稳定性和功能发挥重要的作用。催化与折叠直接有关的化学反应的酶肽基辅氨酸顺反异构酶l 存在部位：在内质网管腔内含量极高l 作用：该酶能催化辅氨酸的肽键由反式到顺式有活性Pr的空间结构中该肽键应为顺式因此，分子伴侣

7、和这两种酶使肽链能够通过正确的折叠而形成具有生理活性的空间结构。3.高 尔 基 体 形 态 结 构 功 能高尔基体的形态结构高尔基体的功能l 蛋白质修饰与加工（糖基化等）l 蛋白质的分选l 蛋白质和脂质的运输l 蛋白质分泌等4.溶 酶 体l 溶酶体（lysome） 是胞质中一类包着多种水解酶（60多种）的小泡 溶 酶 体 的 类 型根据溶酶体处于完成其生理功能的不同阶段，大致可分为：l 初级溶酶体（primary lysosome)l 次级溶酶体（secondary lysosome)l 残余小体（residual body)溶 酶 体 的 功 能溶酶体的标志酶是酸性水解酶l 消化细胞内吞的食

8、物，为细胞提供营养l 清除衰老的细胞器l 防御功能例如：1.两栖类发育过程中蝌蚪尾巴的退化 2.哺乳动物断奶后乳腺的退化性的变化等内质网、高尔基体、溶酶体的功能衔接内吞小泡溶酶体质膜细胞核内质网运输小泡高尔基体分泌小泡5.线 粒 体能量转换器l 形态结构 功能 半自主性线粒体的形态结构线粒体的主要功能 线粒体是细胞进行氧化呼吸，产生能量的地方，在线粒体中进行的代谢途径主要有：l 三羧酸循环l 氧化磷酸化l 参与脂肪酸代谢6.叶 绿 体能量转换器叶 绿 体 基 本 结 构叶绿体的光合作用 光合作用 绿色植物和光合细菌摄取太阳光，使二氧化碳固定成为有机物 光合作用是一切生命得以生存的基础光合作用的

9、光反应 光反应光合色素吸收、 传递光能，并将光能转化成化学能，形成ATP的过程l (1) 原初反应l (2) 电子传递l (3) 光合磷酸化光合作用的暗反应 暗反应利用光反应产生的ATP ，使CO2还原并合成糖，分为三步l (1) CO2的固定l (2) 还原反应l (3)二磷酸核酮糖的再生 （二）遗传信息表达系统 核被膜 染色质和染色体 核仁 核糖体核 被 膜l 核外膜 面向胞质，表面附有核糖体颗粒，与内质网相连l 核内膜 面向核质，表面无核糖体颗粒，有核纤层的结合位点l 核孔复合体 核膜上的选择性双向亲水通道染 色 质与染 色 体l 染色质 (chromatin) 间期细胞内由DNA、组蛋

10、白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构l 染色体（chromosome） 细胞在分裂过程中，由染色质聚缩而成的棒状结构染 色 质 的 分 类l 常染色质 低度折叠压缩的染色质，处于常染色质状态是基因转录的必要条件。 l 异染色质 压缩程度高,处于凝集状态，碱性染料染色时着色深的染色质. 染色质的基本结构单位核小体染 色 体短臂 着丝粒 DNA长臂 染色单体中 期 染 色 体 中期染色体的两条姐妹染色单体以着丝粒相连。由着丝粒在染色体上的位置可分为:l 中着丝粒染色体l 近中着丝粒染色体l 近端着丝粒染色体l 端着丝粒染色体染色体DNA的关键序列l 复制起点 确保染色体能够自我复制l 着 丝

11、 粒 使复制了的染色体能够平均分配到子细胞中l 端 粒 使DNA能够完成复制，保持染色体的独立性与稳定性核 糖 体核糖体是合成蛋白质的细胞器主要成分蛋白质RNA功能 按照mRNA 的指令合成多肽链（三）细胞骨架系统l 首要作用是维持细胞的一定形态 细 胞 质 骨 架：微丝 微管 中间纤维微 丝 微丝是指真核细胞中由肌动蛋白单体组成的骨架纤维微 丝 的 装 配l 微丝的装配 肌动蛋白（G-actin）单体形成蛋白（F-actin)多聚体l 装配的条件 在含ATP和Ca2+及低浓度Na+、K+溶液中，F 解聚成G。 在Mg2+和高浓度的Na+、K+中,G则装配成F。l 微丝马达蛋白肌球蛋白（肌肉收

12、缩）微 管 的 成 分 微管由、微管蛋白亚基组成，二者形成二聚体，是微管装配的基本单位（P53）。 微 管 的 形 态微 管 的自装 配 和去装配自装配r-微管蛋白首先聚合到微管组织（MTOC）上异二聚体中的-微管蛋白结合到 r-微管蛋白上微管原纤维-微管蛋白GTP帽子的丢失就会使原纤维变为不稳定结构，导致微管逐渐破裂，最终原纤维就解聚为游离的微管蛋白二聚体去装配68幻灯片71微 管 马达蛋白 微管马达蛋白是指能使微管运动，或者使细胞质中颗粒沿着微管运输的一类蛋白质。目前发现的微管马达蛋白有三类：动蛋白力蛋白动力蛋白他们是机械化学酶，或ATP酶，或GTP酶69幻灯片72微 管 运 动 示 意

13、图 由于微管的动态装配而带动小泡的运动70幻灯片73中 间 纤 维中间纤维具有组织特异性，且在不同发育时期有不同的中间纤维蛋白表达。特性l 角蛋白纤维l 波形纤维l 结蛋白纤维l 神经元纤维l 神经胶质纤维分类71幻灯片74中 间 纤 维装配每两条中间纤维蛋白多态链双链超螺旋二聚体中间纤维解聚的最小亚单位反向平行半交叠四聚体（原纤维）八聚体中间纤维（4个八聚体）72幻灯片75中 间 纤 维73幻灯片76五、纳米生物大分子复合体 1.概念l 在真核细胞中，由生物大分子构成的基本结构单位，其直径或厚度一般都稳定在5-20nm范围内，当它们装配成一级结构时，具有十分规整的几何图形。这些纳米量级的基本

14、结构单位，称为纳米生物大分子复合物。l 在物理学上把直径或长度在10nm以下视为微观l 把直径或长度在1000nm以上视为宏观74幻灯片77 由于纳米生物大分子复合物基本介于微观和宏观之间，因而也就具有了特殊的量子力学和量子化学特点，如：超级可塑性、具有滑动性、坚固性、稳定性以及自装配-去装配等特性。l 在纳米水平上进行的生物学研究，称为纳米生物学（nanobiology），它是介于细胞生物学和分子生物学之间的学科。75幻灯片78六、细 胞 连 接（一）动物细胞间的连接l 紧密连接（tight junctions）76幻灯片79六、细 胞 连 接（一）动物细胞间的连接l 桥粒（desmomos

15、omes）：77幻灯片80六、细 胞 连 接（一）动物细胞间的连接l 间隙连接（gap junctions）78幻灯片81六、细 胞 连 接（二）植物细胞间的连接l 胞间连丝（plasmodesmate）79幻灯片82六、细 胞 连 接（二）植物细胞间的连接l 胞间连丝（plasmodesmate）的功能可以使水和其他小分子物质，如营养成分和化学信使等从一个细胞进入另一个细胞；可以对其运输的物质进行调节；传递电刺激信号；控制细胞分化80幻灯片83七 癌细胞 ±肿瘤与癌（cancer） ±癌细胞的基本特征 ³细胞生长与分裂失去控制，分化程度低 ³具有侵润性

16、和扩散性：良性肿瘤和恶性肿瘤 ³细胞间相互作用改变 ³蛋白表达谱系或蛋白活性改变 ³mRNA转录谱系的改变 81幻灯片84癌转移与扩散82幻灯片85± 癌症是由携带遗传信息的DNA的病理变化引起的疾病± 与遗传病不同的是，癌症主要是体细胞DNA突变，而不是生殖细胞DNA突变± 癌基因（oncogenes）是控制细胞生长和分裂的正常基因的一种突变形式，能引起正常细胞癌变± 细胞正常增殖通过增殖相关基因和抑制增殖相关基因的协同作用；肿瘤细胞是这两类基因的突变导致增殖失控83幻灯片86±癌基因（oncogenes）：v-

17、onc and c-oncRous(1910)发现鸡的致癌RNA病毒它携带Src基因（v-oncogene），该基因对病毒繁殖是不必要的，但当病毒感染鸡后可引起细胞癌变。1976年病毒学家迈克尔·毕肖普(Michael Bishop) 和他的博士后哈罗尔德·沃尔姆斯(Harold Varmus）发现，鸡的正常细胞基因组中也有一个与病毒Src基因同源性很高的基因，编码一种与细胞分裂调控相关的蛋白激酶。它不具有致癌能力，被称为细胞原癌基因（proto-oncogene）,或C-oncogene 。（1989年的诺贝尔医学奖）84幻灯片87±抑癌基因（tumor-sup

18、pressor gene）Rb抑癌基因（tumor suppressor gene）Harris(1968): 癌细胞系与同组织正常细胞融合®杂交细胞无恶性表型，也不致癌； 随着染色体丢失®则可能恢复致癌. 特 点 原癌基因 抑癌基因 基因属性 细胞增殖必需 细胞分化必需 致癌方式 基因突变激活、异常表达 基因缺失或失活幻灯片88抑癌基因原癌基因86幻灯片89七 癌细胞肿瘤发生的遗传现象：遗传型：家族性、多发性、双侧性和早发性；非遗传型：散发性、单发性、单侧性和晚发性。±细胞癌变是多次基因突变的结果³癌症是典型的老年性疾病³癌症可以治疗幻灯片9

19、0全世界每年死于癌症人数500万！ 人的一生细胞大约分裂1016次，基因碱基自然突变概率为10-6， 由此推断：一生中人的基因组中每个基因都可能发生突变，然而，事实上人的癌症发病率并没有预想的那样高。据统计，一个细胞转化需要37次单独的随机突变。 幻灯片91七、细胞凋亡（一）概念 1.细胞凋亡（apoptosis） 细胞凋亡是指细胞在一定的生理或病理条件下,受内在遗传机制的控制自动结束生命的过程。 2.细胞程序性死亡(programmed cell death,PCD) 细胞程序性死亡是指生物在发育过程中对一定生理刺激的反应性死亡,它需要一定基因表达。 凋亡是细胞死亡过程中一系列固定模式的形态

20、变化的描述,PCD则侧重功能上的概念.89幻灯片92七、细胞凋亡（一）概念 3.细胞凋亡的意义 发生凋亡的细胞有在正常发育过程中多余的细胞、无用的细胞，或发育不正常细胞、有害细胞，或已完成使命衰老的细胞。 机体通过细胞凋亡以维持器官、组织的细胞数目相对平衡，保证个体正常发育和生长。90幻灯片93七、细胞凋亡（二）特征细 胞 凋 亡细胞死亡的形式细 胞 坏 死 1.细胞凋亡的特点l 细胞的形态变化l 细胞质收缩,但细胞器无明显变化l 染色质固缩在核膜周边，并伴随染色质降解l 以出芽方式形成凋亡小体91幻灯片94七、细胞凋亡凋亡小体（二）特征 指细胞膜内陷将细胞分割成多个由膜包裹着内涵物(染色质碎

21、块和部分细胞质)不外溢的小体,它可被吞噬细胞和邻周细胞识别、吞噬,或自然脱落而离开生物体.核酸内切酶被激活,染色质在H1处被切割成不同倍数的200bp的片段.92幻灯片95凋亡小体幻灯片96细胞凋亡举例94幻灯片97七、细胞凋亡（二）特征 2.细 胞 坏 死 细胞坏死是指细胞受到严重的物理、化学因素刺激或严重的病理性刺激，所造成的细胞损伤或死亡。 在这个过程中，由于溶酶体等细胞器发生破裂，细胞内容物向内释放，引起炎症反应。(有别于凋亡或PCD)95幻灯片98细胞凋亡和细胞坏死有明显区别: 细胞凋亡 细胞坏死 ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾细胞变圆,与周围细胞脱开 细胞外形不规则变化 核染色质凝聚 溶酶体破坏 细胞膜内陷 细胞膜破裂细胞分为一个个小体 胞浆外溢 被周围细胞吞噬 引起周围炎症反应¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾&