第四章2生命的化学基础和基本单位2

第6讲细胞

——生命的基本结构单位第一节细胞学说的建立第二节细胞的结构与功能第三节细胞分裂和细胞周期第四节细胞分化、衰老与死亡1显微镜的发明打开了微观世界的大门光学显微镜透射电子显微镜扫描电子显微镜2第一节细胞学说的建立1.1细胞的发现17世纪中叶，显微镜被用于生物学研究，用显微镜观察来自树皮的木栓，看到一个个“小室”结构，称之谓“Cell”（细胞）。人们用显微镜观察各种生物，包括微生物和动、植物的细微构造，到处都看到细胞结构。逐渐形成一个观念：各种生物都是由细胞组成的。3英国科学家R.Hook（1635-1703)，发表对木栓的观察，命名Cell。荷兰人Leeuwenhoek（1623-1723）用自磨镜片做成显微镜第一次观察了活的细菌和原生动物。420世纪初，两位德国生物学家施莱登和施旺正式明确提出：细胞是植物体和动物体的基本结构单位。最初提出细胞学说观点的两篇论文是:

德国植物学家施莱登1838年发表的论文:『论植物发现』;

德国动物学家施旺1839年发表的论文:『动、植物结构与生长相似性的显微研究』。1.2细胞学说5细胞学说的内容（1）所有生物都是由细胞和细胞产物构成的。（2）新细胞只能由原来的细胞分裂而产生。（3）所有细胞都具有基本上相同的化学组成和代谢活性。（4）生物体总的活性可以看成是组成生物体的各相关细胞的相互作用和集体活动的总和。

6细胞学说的科学意义细胞学说与进化论一起，奠定了生物科学的基础。细胞学说使生命世界有机结构多样性的统一，从哲学推断走向自然科学论证。从两篇经典的论文看来，细胞学说不但关系到生物体的构造，也关系到生物体的生长与发育。71.3细胞是生命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形状与大小各异的细胞是生物进化的结果没有细胞就没有完整的生命819世纪末，人们逐渐发现比细菌还小的“传染性的活性成份”，称为病毒。1930s－1940s期间弄清病毒的化学本质和电镜结构。看来，病毒是一类不具细胞结构的生命形态。最简单的病毒仅由核酸大分子和蛋白质大分子组成。但是，病毒颗粒必需进入寄主活细胞才能表现出生命的各方面特性。有没有非细胞生命？9第二节

细胞的结构和功能1、大肠杆菌2、念珠藻3、小球藻4、酵母菌5、火丝菌6、眼虫7、分生组织细胞8、栅栏组织薄壁细胞9、驴蹄草叶表皮细胞和保卫细胞10、大鼠肝细胞11、肾近曲小管上皮细胞12、成纤维细胞13、人红细胞14、人精子15、哺乳动物的横纹肌细胞16、平滑肌细胞17、神经细胞体10依据有无细胞核，整个生命世界可以区分为两大类：

原核生物真核生物

细菌植物

放线菌动物

蓝藻真菌（霉菌、酵母)

等等原生动物

藻类2.1原核细胞和真核细胞11原核细胞细菌细胞结构与动、植物细胞不同，要简单的多。最主要的差别是细菌没有细胞核结构，核物质DNA还是有的，形成类核区(又称拟核)，并且细菌细胞也没有其他各种细胞器。12真核细胞13细胞大小较小(1-10μm)较大(10-100μm)染色体一条DNA，不与蛋白质联结几条染色体，与蛋白联结在一起细胞核无核膜核仁 有核膜和核仁细胞器无有内膜系统简单复杂微梁系统无微管和微丝细胞分裂二分体,出芽分裂有丝分裂转录和转译同一时间和地点不同时间和地点原核细胞和真核细胞比较14细胞膜和生物膜：磷脂和鞘脂分子具有一个共同的特征——一个极性的头，两个非极性的尾巴。在水环境中，这类分子会自发形成脂双层微囊。2.2动物细胞的典型结构15流动镶嵌学说膜结构：细胞膜的框架是脂双层，蛋白质“镶嵌”其中这样的膜结构不但用以组成细胞膜，还用以分割形成各种细胞器，统称生物膜特点：有序性、流动性和不对称性16细胞膜的功能：①保护功能②物质运输：半透性（semipermeability）或称选择性透性。③信息传递：如生物电的传导。④细胞识别：对同种或异种细胞的识别，或对异己物质的识别。⑤能量转换

17细胞质（cytoplasm）

在细胞膜以内、细胞核以外的部分为细胞质。细胞质中主要包含下列重要的细胞器：

1、内质网2、高尔基器3、线粒体4、溶酶体

此外，还有由微丝、微管等组成的细胞骨架。18内质网由单层生物膜围成。是蛋白质合成、修饰和分泌；脂类合成的场所。19（1）糙面型或颗粒型(roughER，rER)

膜外附有颗粒，称核(糖核)蛋白体(ribosome)或核糖体。

功能：合成蛋白质，也参加蛋白质的修饰、加工和运输。（2）光面型或无颗粒型(smoothER，sER)

膜上无颗粒，常呈管状，小管彼此连接成网。功能：与糖原代谢(肝细胞)、甾醇类激素合成、脂类运送(小肠上皮细胞)、肌肉收缩(肌细胞)及解毒作用(肝细胞)等有关。（功能差异较大，决定于细胞的类型）20内质网结构核膜核糖体光滑型内质网粗糙型内质网21高尔基体由单层生物膜围成，与蛋白质修饰和分泌有关。

22功能：加工、浓缩、包装、形成分泌颗粒。

高尔基器参与细胞分泌过程，将内质网核蛋白体上合成的蛋白质进行加工、分类和包装，再加上高尔基器合成的糖类物质形成糖蛋白转运出细胞，供细胞外使用，同时也将加工分类后的蛋白质及由内质网合成的一部分脂类加工后，按类分送到细胞的特定部位。高尔基器也进行糖的生物合成。23高尔基体的功能：24高尔基体与内质网的关系25溶酶体由单层生物膜围成，是生物大分子分解的场所。26功能：消化、防御。①正常的细胞内消化：溶酶体含有多种水解酶，可催化大分子的降解。②细胞自溶：细胞有规律的死亡——溶酶体在细胞内破裂，整个细胞被酶消化。③加工激素：如胰岛素——刚形成时是胰岛素原，经溶酶体剪裁，形成有活性的胰岛素。④与细胞病理有关。27线粒体由双层生物膜围成，是生物氧化、产生能量的场所。28功能：

参与葡萄糖的有氧氧化以及能量的交换与传递

——被称为细胞的“动力工厂”或“动力站”，生命活动的总能量中，95%来自线粒体。29线粒体主要功能线粒体进行氧化磷酸化，产生ATP，是细胞的“动力工厂”。30细胞骨架由蛋白质亚基组装成，和细胞形状、迁移、信息传导等有关。31微丝微管中间纤维32细胞骨架：33小肠上皮细胞的冰冻蚀刻的电镜照片，显示细胞质膜下面的细胞骨架网络34细胞核由两层生物膜围成，遗传信息贮藏在核内，是DNA复制和RNA合成场所。控制细胞的生长、分裂、分化和新陈代谢等。35结构（1）核膜或核被膜（nuclearmembrane或nuclearenvelope）：两层膜，外膜与rER相连，有核孔（nuclearpore）。（2）核仁（nucleolus）：

核小体，主要成分是蛋白质和RNA。（3）核基质（nuclearmatrix）：

又称核骨架（nuclearskeleton），呈纤维状的网，主要成分是蛋白质。（4）染色质（chromatin）：

主要成分是DNA和蛋白质。细胞分裂时染色质进一步浓缩而成光学显微镜下可以看见的染色体.36核糖体核糖体是合成蛋白质的细胞器，主要成分是蛋白与RNA，其唯一的功能是按照mRNA的指令用氨基酸合成多肽链。372.3植物细胞的典型结构液泡细胞核内质网微管质膜细胞壁线粒体叶绿体微丝高尔基体38动、植物细胞的区别植物细胞动物细胞有细胞壁没有细胞壁有叶绿体没有叶绿体有中央液泡没有中央液泡39液泡液泡的渗透压较高，使植物处于吸涨饱满状态一些代谢废物也常以结晶态浓集其中40细胞壁机械支撑、生长、分化、细胞识别和抗病等作用41叶绿体——能量转换器叶绿体是植物光合作用的场所，有两层膜，含有环状的DNA和核糖体。422.4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。43第三节细胞分裂和细胞周期3.1细胞为什么分裂？

细胞表面与新陈代谢密切相关。随着细胞生长，细胞体积增大，而细胞表面积和体积之比却在变小，细胞代谢速率下降。细胞分裂是细胞生长过程中保持足够表面积，维持一定的生长速率的重要措施44表面积/体积与代谢速率成正比老鼠重25克，大象重4吨表面积/体积，老鼠是大象的24倍老鼠的代谢速率大于大象453.2原核生物的细胞分裂

——二分分裂46细胞从前一次分裂开始到后一次分裂开始，这段时间称为一个细胞周期。包括分裂间期（G1期、S期和G2期）和分裂期（M期）3.3真核细胞的有丝分裂47有丝分裂过程前期：染色质形成光镜下可见的染色体中期：核膜消失，染色体排列在赤道板上后期：姊妹染色单体分开，被分别拉向细胞两侧末期：重新形成核膜，染色体消失细胞质分裂：胞质形成间隔，最终分为两个细胞48染色质和染色体处于分裂间期的细胞，细胞核内的DNA分子，在一些蛋白质的帮助下，有一定程度的盘绕，形成核小体。多个核小体串在一起形成染色质。当细胞进入M期时，染色质折叠包装，大约压缩8400倍，形成光镜下可以看到的染色体。49染色体数目是不同物种细胞的特征之一物种染色体数目物种染色体数目人46豌豆14小鼠40玉米20爪蟾36小麦42果蝇8酵母32503.4真核细胞的减数分裂

减数分裂发生在产生生殖细胞的过程中。生殖细胞包括精子和卵细胞，遗传物质总量仅为体细胞的一半，称为n细胞。51减数分裂的特点子细胞染色体数目减半子细胞基因组合大为丰富和多样化有性生殖的后代具有更强的适应性和进化潜能。52同源染色体的不同组合导致配子种型大增在第一次减数分裂时，每对同源染色体分别分配至两个子细胞。于是父源的和母源的同源染色体以不同组合，分配到两个子细胞中。53

在第一次减数分裂中的同源染色体配对，导致同源染色体之间的染色体交叉和基因重组。染色体交叉和基因重组使基因组合状况更为复杂化54染色体交叉的电镜图55第四节细胞的分化、衰老与死亡4.1细胞分化：发育过程中细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。成年人全身细胞总数约1014个。细胞种类有200多种。这么多种类细胞均来自一个受精卵细胞。分化以后不同种类的细胞，形态、功能、基因表达和代谢活动均不相同。细胞分化不但发生在胚胎阶段和发育过程中，亦发生在成人阶段。56上皮细胞脂肪细胞平滑肌细胞心肌细胞神经元细胞57细胞的发育潜能由一个细胞可能分化发育出多少种细胞？这就是细胞的发育潜能。全能性细胞：具有能使后代细胞形成完整个体的潜能的细胞。例如：受精卵多能性细胞：具有分化出多种组织或细胞（但是不能形成完整个体）的潜能的细胞称多能性。例如：生血多能干细胞单能性细胞：只能分化成一种细胞的干细胞。例如：单能生血干细胞58多种血细胞都由生血干细胞分化而来59什么是克隆？克隆是指一个无性繁殖系或利用不同方法产生无性繁殖系所进行的工作。克隆根据其研究或操作的对象的层次分为：基因克隆细胞克隆个体克隆60动物克隆比微生物和植物克隆困难百倍单细胞真核生物——细菌、放线菌、酵母菌、藻类和霉菌等繁殖的唯一方式或主要方式。植物克隆——“无心插柳柳成荫”——容易——植物细胞的全能性动物克隆——难上难。为什么？

细胞分化程度更高，细胞全能性的丧失61动物克隆的早期探索1950s，爪蟾：肠上皮细胞核仍保持全能性62Dolly的身世芬兰多塞特母绵羊（供体）提供了全套遗传信息，即提供了细胞核一只苏格兰黑面母绵羊（受体）提供无细胞核的卵细胞另一只苏格兰黑面母绵羊提供羊胚胎的发育环境，是“多莉”羊的“生”母。63Dolly克隆过程从供体取出乳腺细胞从受体取出未受精的卵细胞，立即将其细胞核除去利用电脉冲的方法，使供体和受体细胞融合，进而形成胚胎细胞将胚胎细胞转移到另一只绵羊的子宫内，胚胎细胞进一步分化和发育，最后形成一只小绵羊64Dolly克隆的重要意义理论意义：证实分化成熟的动物细胞核仍具全能性，细胞质对胚胎发育分化的决定性。实践意义：畜牧业育种：复制出的数量巨大的优良个体。生物医学：提供基因工程产品，如人乳铁蛋白、抗凝血酶等医用蛋白质；提供移植器官。建立稳定的动物模型延缓珍稀濒危动物的灭绝。等……65克隆人可以吗？社会上最初反应：共识—禁止克隆人实验。但是，经过两年后，克隆人实验的呼声渐高。芝加哥理查德.锡德于1998年1月宣布:组成一个小组，做克隆人实验。66如何看待“克隆人”？科学技术的进展往往带来负面效应化学合成——化学武器病菌、病毒——生物武器原子能——原子弹新科学技术对伦理道德观念的冲击，会逐渐得到解决。关键是：呼吁科学民主，协商决策的社会机制；呼吁善于思考，富有社会责任心的人。674.2细胞的衰老衰老是人们永恒的议题，至今仍是一个迷。早衰症是人体衰老中的一种病症。68人体衰老时，身体各部分功能都发生衰老一名男子从36岁到75岁味觉丧失64％肾小球减少44％肾小球过滤率减少31％脊神经元减少37％神经传导速度减慢10％脑供血量减少20％肺活量减少

44％69体外培养成纤维细胞

来自胎儿可传代50次 来自成人可传代20次

来自小鼠可传代14－28次

来自乌龟可传代90－125次细胞有着明显的衰老过程与供体年龄有关与供体物种有关70衰老的机理——自由基假说带有不成对电子的基团称为自由基，反应特别活泼。生物氧化中产生的自由基会破坏生物大分子，使得细胞结构破坏，基因突变，导致细胞衰老。714.3细胞凋亡细胞死亡分为两种：（1）因环境因素突变或病原物入侵而死亡，称为病理死亡，或细胞坏死。（2）因个体正常生命活动的需要，一部分细胞必定在一定阶段死去，称细胞凋亡。72细胞凋亡和细胞坏死有明显区别细胞凋亡细胞坏死细胞变圆,与周围细胞脱开