细胞工程理论基础课件

1、第二章 细胞工程基础 细胞是生物体的基本结构单位和功能单位，单细胞生物，一个细胞就是一个个体，而多细胞生物则由许多细胞成一个个体。我们所看到的生物体都是由多细胞所组成。在多细胞生物体中，由形态结构相似的细胞再组成组织，执行着生物体中的部分功能。 2.1 细胞组成2.2 细胞周期与细胞分裂2.3 细胞识别与细胞通讯2.4 细胞分化2.5生殖与发育细胞的发现1665年，英国人罗伯特胡克使用自制的显微镜观察软木片；1831年，罗伯特布朗从兰科植物的叶片表皮细胞中发现了细胞核；1835年，在低等动物根足和多孔虫的细胞中发现了细胞内含物细胞质； 18381839年，施旺、施莱登提出一切植物、动物都是由细

2、胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位，这一学说就叫做“细胞学说”。细胞是生命活动的基本单位 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； 细胞是生殖和遗传的基础与桥梁；具有相同的 遗传语言； 细胞是生物体生长发育的基础； 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） 细胞的大小和形态 各类细胞大小的比较细胞形态的多样性酵母菌植物纤维细胞植物表皮细胞精子 根据细胞的内部结构，可将生物界的细胞分为两大类：原核细胞和真核细胞 细菌、蓝藻和放线菌等由原核细胞构成的有机体称为原核生物，

3、几乎所有的原核生物都由单个原核细胞构成。 而由真核细胞构成的有机体则称为真核生物。 1.原核细胞（prokaryotic）的形态结构 基本特点： A.主染色体为一个环状裸露DNA B.无核膜 C.无膜系构造细胞器 D.以无丝分裂繁殖 主要代表：细菌、 蓝藻等 纤毛细胞壁拟核鞭毛核糖体质膜内含物细菌结构模式图微 丝叶绿体线粒体质 膜液 泡 细胞核内质网微 管细胞壁高尔基体植物细胞模式图动物细胞模式图微 丝微 管质 膜线粒体中心体细胞核溶酶体内质网高尔基体2.1 细胞膜液态镶嵌模型脂双层 糖萼 蛋白质 2.2 细胞器2.2.1 细胞核核 膜 染 色 质核小体染色体核 型2.2.2 线粒体主要功能：

4、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： 三羧酸循环 、氧化磷酸化和 参与脂肪酸代谢。 通常分布在细胞功能旺盛的区域。在肾细胞中靠近微血管，在精子中分布在鞭毛中区。线粒体可以向细胞功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨、马达蛋白提供动力。 （二）分布（三）超微结构分为外膜、内膜、膜间隙和基质四部分。Structures of the mitochondrion氧化磷酸化的电子传递链位于内膜。标志酶为细胞色素C氧化酶。内膜向线粒体内室褶入形成嵴（cristae），能扩大内膜表面积（达510倍），嵴有两种：板层状、管状。嵴上覆有基粒。基粒由头部（F1）和基部（F0）构

5、成 。3、膜间隙 (intermembrane space)：是内外膜之间的腔隙，宽约6-8nm。标志酶为腺苷酸激酶。4、基质（matrix）为内膜和嵴包围的空间。含有：催化三羧酸循环，脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化的酶类。标志酶为苹果酸脱氢酶。线粒体DNA（mtDNA），及线粒体特有的核糖体，tRNAs 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质，内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子。线粒体的半自主性1963年M. & S. Nass发现线粒体DNA。线粒体类似于细菌的特征：环形DNA；70S核糖体；RNA聚合酶被溴化乙锭抑制，不被放线菌素D所抑制；tRNA

6、和氨酰基-tRNA合成酶不同于细胞质中的；蛋白质合成的起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA；对细菌蛋白质合成抑制剂氯霉素敏感对细胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感。线粒体的增殖线粒体来源于已有的线粒体的分裂。间壁分离：分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分为两个，常见于鼠肝和植物分生组织中。收缩后分离：通过中部缢缩分裂为两个。出芽：见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。 2.2.3 叶绿体绿色植物通过叶绿体（Chloroplast）完成能量转换，利用光能同化二氧化碳和水，合成糖，同时产生氧。绿色植物年产干物质达1014公斤。光合作用是地球上有机体生存和发展的根本源泉

7、。一、形态与结构象双凸或平凸透镜，长径510um，短径24um，厚23um。叶肉细胞一般含50200个叶绿体，占细胞质的40%。由外被（chloroplast envelope）、类囊体（thylakoid）和基质（stroma）3部分组成。含有3种不同的膜：外膜、内膜、类囊体膜，3种彼此分开的腔：膜间隙、基质和类囊体腔。 双层膜组成，膜间为1020nm的间隙。外膜的渗透性大。内膜对通过物质的选择性很强，CO2、O2、Pi、H2O、等可以透过内膜，ADP、ATP、 NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透过内膜，需要特殊的转运体（translator）才能通过内膜。（一）叶绿体外被是膜围成的扁平囊。

8、主要成分是蛋白质和脂类（60：40），不饱含脂肪酸含量高（约87%），膜流动性高。基粒：扁平小囊堆叠而成，每个叶绿体含4060个。基质类囊体：连接基粒的没有堆叠的类囊体。膜的内在蛋白主要有：细胞色素b6f复合体、集光复合体（LHC）、质体醌（PQ）、质体蓝素（PC）、铁氧化还原蛋白（FD）、黄素蛋白、光系统I、II复合物等。（二） 类囊体是内膜与类囊体之间的空间。主要成分包括：碳同化相关的酶类：如RuBP羧化酶占基质可溶性蛋白总量的60%。叶绿体DNA、蛋白质合成体系：如，ctDNA、各类RNA、核糖体等。一些颗粒成分：如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。（三）基质线粒体与叶绿体的相似性：均由两

9、层膜包被，内外膜的性质、结构有显著的差异。均为半自主性细胞器，具有自身的DNA及转译体系。因此绿色植物细胞内存在3个遗传系统。叶绿体的ctDNA不足以编码叶绿体所需的全部蛋白质，因此必须依靠于核基因来编码其余的蛋白质。通过定向转运进入叶绿体的各部分。三、叶绿体的半自主性四、叶绿体的增殖在个体发育中叶绿体由原质体发育而来。在有光条件下原质体的小泡数目增加并融合形成片层，发育为基粒，形成叶绿体。在黑暗生长时，原质体小泡融合速度减慢，并转变为排列成网格的三维晶格结构，称为原片层，这种质体称为黄色体。在有光下仍可发育为叶绿体。幼小叶绿体能靠分裂而增殖。成熟叶绿体一般不再分裂或很少分裂。 2.2.3 内

10、质网2.2.4 高尔基体主要功能：蛋白质修饰与加工（糖基化）、蛋白质的与组装。脂质的合成。 主要功能：蛋白质的合成、修饰，新生多肽的折叠 分选 、蛋白质和脂质的运输、蛋白质分泌等。2.2.5 溶酶体2.2.6 质体 质体是存在于植物细胞中的细胞器。它也是一种双膜结构的细胞器。根据质体在植物体中存在的不同部位，质体可分为白色体和有色体两种形态。 消化细胞内吞的食物，为细胞提供营养 清除衰老的细胞器、 防御功能。2. 2.7 细胞骨架 细胞骨架包括微管、微丝和中间纤维三种类型，是由许多蛋白质亚基组装成纤维状蛋白质。细胞骨架的一个明显特征是它的组装和拆卸活动非常频繁，细胞形状的改变、内部细胞器的运动

11、、细胞的分化过程中都与细胞骨架的活动有关。 微丝2.2.8 核糖体核糖体是合成蛋白质的细胞器 主要成分蛋白质和RNA 功 能： 按照mRNA 的指令合成多肽链mRNA核糖体2.3 细胞质基质 糖、蛋白质和脂类重要的代谢库和中转站，是维持生命活动的大本营。 主要功能： 完成各种中间代谢过程 糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等 蛋白质的分选与运输 与细胞质骨架相关的功能 维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递等 2.2.1 细胞周期（cell cycle） 细胞周期（cell cycle）：连续分裂的细胞从一次细胞分裂结束开始，到下一次细胞分裂结束所经历的过程。 DNA合成前期（pre

12、-DNA synthesis, G1期）DNA合成期（phase of DNA synthesis, S期）DNA合成后期（post-DNA synthesis, G2期）细胞分裂期（ phase of cell division, M期）细胞周期蛋白（Cyclin）细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶（cyclin dependent kinase ，CDK）磷脂酶细胞周期蛋白依赖性激酶活化激酶(cyclin dependent kinase-activating kinase, CAK) 遍在蛋白/泛素（ubiquitin ）细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶抑制因子（cyclin dependent ki

13、nase inhibitor，CDI 或CKI）细胞周期检查点的特点首先，检查点的机制很保守，从酵母到哺乳动物细胞都很相似，许多酵母细胞的检查点蛋白质都有哺乳动物细胞的同源蛋白质。 其次，蛋白质的磷酸化调控被细胞周期检查点用作信号传递的主要方式。 最后，检查点通过关闭细胞周期的引擎CDK来中止细胞周期的运行。 2.2.2 细胞分裂细胞分裂（cell division）：是细胞一分为二的增殖过程，从而产生新细胞。 棉花胚乳游离时期细胞核无丝分裂 蛙的红细胞的无丝分裂 1.无丝分裂(amitosis)特征：分裂速度快，不出现染色体和纺锤体等结构，核膜核仁也不消失。2.有丝分裂（mitosis）细胞

14、增殖周期G0期：休眠期 G1期：DNA合成前期 S 期：DNA合成期 G2期: DNA合成后期 M 期：有丝分裂期 （1）细胞分裂间期（2）有丝分裂期前期中期后期末期子细胞分为G1期、S期和G2期三个阶段。新生细胞的去向：重新进入细胞周期、 细胞分化 成为Go期细胞动物细胞的纺锤体极性微管动粒微管星体微管星体微管中心粒中心粒外基质染色体中心粒外基质中心粒有丝分裂 的意义有丝分裂的过程是亲代细胞的染色体复制，再平均分配到两个子细胞中，从而保证了亲、子代两代细胞中含有相同数目和形态结构的染色体，在亲子代之间保持遗传性状的稳定性和遗传性。减数分裂：是细胞仅进行一次DNA复制，随后进行两次分裂，染色体

15、数目减半的一种特殊的有丝分裂，仅出现在生殖细胞成熟过程中 。连续的两次分裂 减数分裂第一次分裂 减数分裂第二次分裂MEIOSIS减数分裂的意义： 1、遗传物质只复制一次，细胞连续分裂两次，导致染色体数目减半； 2、S期持续时间较长； 3、同源染色体在减数分裂期I(Meiosis I)配对联会、基因重组； 4、减数分裂同源染色体配对排列在中期板上，第一次分裂时，同源染色体分开。 减数分裂的特点： 1、遗传物质只复制一次，细胞连续分裂两次，导致染色体数目减半；2、S期持续时间较长；3、同源染色体在减数分裂期I(Meiosis I)配对联会、基因重组；4、减数分裂同源染色体配对排列在中期板上，第一次

16、分裂时，同源染色体分开。2.2.3 细胞衰老单细胞生物：细胞衰老或死亡就是个体衰老或死亡多细胞生物：细胞衰老不等同于个体衰老 衰老（senescing, aging）是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现，是不可逆的生命过程。细胞衰老机制差错学派代谢废物积累自由基学说线粒体损伤假说体细胞突变与DNA修复遗传学派基因程序理论复制性衰老（端粒假说）长寿基因课后阅读细胞坏死（necrosis）：指细胞遭受到强烈有害损伤条件（物理、化学、生理）刺激时，出现的一种被动的、突发性的、非生理性死亡。表现：膜通透性增加，细胞外形发生不规则变化，内质网扩张，核染色质不规则的位移，线粒体及核肿胀，溶酶体破坏，细胞膜破裂，胞浆外溢等，从而诱发炎症反应。细胞凋亡Apoptosis ，又称程序性细胞死亡(programmed cell death, PCD)，指特定的内部或外部因素诱导启动细胞内有基因编码的“死亡程序”，从而导致细胞死亡的过程。这是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程。Apoptosis的概念源自于希腊语，原意是指树叶或花的自然凋落；细胞发生程序性死亡时，就像树叶或花的自然凋落一样，凋亡的细胞散在于正常组织细胞中，无炎症反应，不遗留疤痕。死亡的细胞碎片很快被巨噬细胞或邻近细胞清除，不影响其他细胞的正常功能。a正常T细胞杂交瘤细