生物竞赛南京大学夏令营细胞课件

细胞的生命历程主讲:张晶南京大学生科院50年代以来诺贝尔生理与医学奖大都授予了从事细胞生物学研究的科学家。对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、改造生命和征服疾病的关键。

细胞的发现:显微镜之于生物学，犹如望远镜之于天文学，细胞生物学的变革无不和显微技术的改进息息相关。1604年，荷兰眼镜商Janssen发明了第一台显微镜，放大倍数不超过10倍，只能观察小昆虫。1665年，英国人RobertHooke，发表《显微图谱》，用自制显微镜（30倍）来观察软木，首次用cells描述“细胞”。细胞概述细胞学说的创立CellTheory是19世纪的重大发现之一，基本内容有三条：①有机体是由细胞构成的；②细胞是构成有机体的基本单位；③新细胞来源于已存在细胞的分裂。

细胞的形态：细胞的形态与功能相适应细胞的大小直径

原核细胞的直径1～10μm

真核细胞的直径3～30μm

器官的大小主要决定于细胞的数量,与细胞的数量成正比,而与细胞的大小无关,把这种现象为“细胞体积的守恒定律”。B.细胞体积相对恒定

细胞对其体积的增大的限制因素：其一：体积与表面积的关系其二：细胞内关键分子的浓度

对其体积减小也有限制：一个生活细胞要维持正常的独立生活功能，最低限度需要500～1000种不同类型的酶和蛋白质。最小的细胞:支原体细胞的寿限著名的Hayflick

界限：细胞的衰老控制着细胞的分裂次数，进而控制着细胞的数量。①正常细胞只能传一定的代数②新生细胞比老细胞传的代数多

胚胎的成纤维细胞可传50代，成年组织的成纤维细胞只能传15~30代，患有Werner综合症的儿童身上分离的成纤维细胞只能传2~10代。③不同动物细胞可传代数与动物寿命有关

龟的细胞在体外能分裂100次，小鼠的细胞在体外分裂的次数不超过30次。

Hayflick界限1961年，Hayflick首次报道了体外培养的人成纤维细胞有增殖分裂的极限。体外培养的年轻和老的人成纤维细胞的显微形态各类细胞的寿命一般可以分为3类：I.细胞的寿命接近动物的整体寿命：如神经元、脂肪细胞、肌细胞等，随机体的生长，体积可以增大，但数量不会增加。

缓慢更新的细胞，寿命短于机体：如胃壁细胞、肝细胞等。III.快速更新的细胞：如皮肤表皮细胞、红细胞和白细胞等。细胞的生命历程细胞的增殖与分裂细胞周期细胞凋亡细胞癌变异常异常一、细胞增殖与分裂

细胞通过分裂进行增殖，分裂形成的新细胞必须具有与亲代相似的遗传性。细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖、遗传的基础，是生物的基本特性。单细胞生物

多细胞生物:受精卵单细胞个体多细胞个体

死亡、创伤补偿分裂分裂和分化分裂1、爪蟾卵母细胞发育

2、生长的细胞教学动画

细胞类群◆持续分裂细胞:如造血干细胞、性细胞

◆终端分化细胞：如红细胞、神经细胞等永久性失去了分裂能力的细胞。

◆G0细胞

又称休眠细胞。暂时脱离细胞周期,不进行增殖,也叫静止细胞群,如某些免疫淋巴细胞,肝,肾细胞等。二、细胞周期细胞周期是指连续分裂的细胞从一次有丝分裂结束后开始生长到下次有丝分裂终止所经历的全过程。两个事件：1、遗传物质必须正确复制并均等地分配给两个子细胞。2、细胞必须健康生长到一定大小至成熟。细胞周期时相图细胞周期时相及类型

Phasesofthecellcycle

◆G1期,从M期结束到S期开始前的一段间歇期;

◆S期,DNA合成期;◆G2期,DNA合成后(S期)到有丝分裂前的一个间歇期;◆M期,即有丝分裂期。

不是每种细胞都有四个时期，如胚胎细胞没有G1、G2期Embryoniccellcycles

分分裂间期分裂期前期中期后期末期子细胞90%~95%5%~10%分裂间期即生长期，包括G1期,S期,G2期

几类不同细胞周期比较细胞G1期分裂期小鼠十二指肠细胞6h1.8h小鼠食管103h1.6h仓鼠成纤维细胞2.7h0.8h小鼠成纤维细胞9.1h2h细胞周期的差异主要是G1期持续时间的差异很大。细胞周期的长短主要决定于G1期的长短。细胞周期各时相的合成活动◆G1期(Gap1phase)◆S期(synthesisphase)◆G2期(Gap2phase)◆M期G1期：DNA合成前期，合成大量的蛋白质、脂类和糖类，细胞快速生长，体积增大。S期：DNA合成期，进行DNA复制，使DNA含量倍增，并合成蛋白质，组成新的染色体。G2期：DNA合成后期，主要合成大量ATP、RNA和蛋白质为有丝分裂作准备。M期：RNA合成停止，蛋白质合成减少，染色体高度螺旋，DNA减半细胞周期的表示方法1.数轴法abcd2.曲线图DNA含量abcdef3.扇形图abcde习题下列关于细胞分裂周期的叙述正确的是（）间期只包括G1和G2期B.M期发生DNA复制G1期和G2期都能合成蛋白质S期进行DNA复制使染色体数目增加2.下图中a-d表示连续分裂的两个细胞周期，下面叙述正确的是（）A.a和b为一个细胞周期B.c段结束时，DNA含量增加一倍C.遗传物质平分一般发生在dD.b和c为一个细胞周期abcd时间细胞周期的控制系统

细胞融合实验◆研究者：1970年，Rao和Johnson

◆研究思路：

细胞质中是否含有影响细胞周期活性的调节因子？◆研究方法：

不同阶段的同步化细胞进行融合◆预测结果：G1期细胞与M期细胞融合

S期细胞与M期细胞融合

G2期细胞与M期细胞融合

MPF的发现

成熟促进因子(maturationpromotingfactor，MPF）,是指M期细胞中存在的促进细胞分裂的因子MPF的发现及其作用Masui和Markert（1971）

细胞周期蛋白的鉴定◆研究思路◆实验设计●获得同步化的受精的海胆卵细胞●在有放射性氨基酸的培养液中培养●每10分钟取一次样分离纯化蛋白质进行分析

◆实验结果

●发现了周期蛋白B(cyclinB)MPF的发现及其作用研究三：Maller实验室(1988，纯化工作)Accumulationanddegradationofcyclinsinseaurchinembryos

细胞周期研究模式工具Cdc25andWee1haveopposingeffectsonS.pombeMPFactivity

三、有丝分裂由W.Fleming(1882)年首次发现于动物及E.Strasburger（1880）年发现于植物。特点是有纺锤体出现，子染色体被平均分配到子细胞，这种分裂方式普遍见于高等动植物(动物和高等植物)。

有丝分裂期所用时间，因生物和细胞的种类不同而有很大差别。一般要1～3小时，但快者有10多分钟就可完成，慢者需5～6个小时，甚至更长时间。通常，胚胎发生早期细胞分裂快，而成体组织细胞分裂慢。有丝分裂过程中－中心体变化Immediatelyafterduplication,the2pairsofcentriolesandthecentrosomematrixaretogetherInearlyMphase,the2pairsofcentriolesseparate,eachforminganasterThe2astersmoveaparttotheoppositesideofthenucleus.Amitoticspindleisformed.Afterthenuclearenvelopebreaksdown,thespindlemicrotubulesattachtothechromosomes染色质的基本结构单位—核小体1974年Kornberg等人根据染色质的酶切降解和电镜观察，发现核小体（nucleosome）是染色质包装的基本结构单位，并提出染色质结构的“串珠“模型。

实验证据

核小体的结构要点有丝分裂过程中－DNA变化Theorganizationofchromatininnucleosomes

Chromosomepacking（染色体包装）◆核小体(nucleosome)◆螺线管(solenoid)

◆超螺线管(supersolenoid)

◆染色体(chromosome)

从核小体开始到染色体,DNA总共压缩:

压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍

DNA→核小体→螺线管→超螺线管→染色单体ChromatinPacking有丝分裂是一个连续的过程，习惯上按先后顺序划分为前期、中期、后期和末期四个时期。TheMPhaseStagesofNewtLungCells(1)Microtubules前期发生的主要事件有四个:染色体的凝聚、分裂极的确定、核仁的消失和核膜的解体。TheMPhaseStagesofNewtLungCells(2)中期:染色体排列到赤道面上，染色体浓缩变粗，显示出该物种所特有的数目和形态。

后期:每条染色体的两条姊妹染色单体分开并移向两极的时期。子染色体到达两极时后期结束。子染色体向两极的移动是靠纺锤体的活动实现的。有丝分裂（植物细胞）（教学动画）细胞体的分裂称胞质分裂动物和某些低等植物细胞的胞质分裂是以缢束或起沟的方式完成的。高等植物细胞的胞质分裂是靠细胞板的形成。细胞板逐渐扩展到原来的细胞壁乃把细胞质一分为二。细胞死亡--凋亡与坏死

ApoptosisvsnecrosisApoptosisNecrosisDeathbyapoptosisisaneat,orderlyprocessCelldeath

Cellsdiebyoneoftwomechanisms:necrosisorapoptosisTwophysiologicallydifferentprocesses--Necrosis（坏死）:deathbyinjury--Apoptosis（凋亡）:deathbysuicideApoptosisandnecrosishavedifferentcharacteristics细胞凋亡又称细胞程序性死亡，是一种由基因控制的细胞自主性死亡方式，与组织器官的发育、机体正常生理活动的维持、疾病的发生、细胞的恶变等有密切关系。程序性死亡细胞的形态结构变化细胞缓慢收缩染色质包装和分离细胞质凝聚核片段化发芽、起泡细胞裂成小片凋亡小体吞噬细胞

Biochemicalcharacteristicsofapoptosis:ApoptosisinducedbyCytoCLane1．0h2．1h3．2h4．3h5．4h6．Control7．Marker

2.0kbp1.00.50.2180~200bpDNAladder,ApoptosisIsImportanttotheDevelopmentandSurvivaloftheOrganismInhuman,billionsofcellsdieinbonemarrowandintestineeverydayWhysucha“waste”?NormaldevelopmentBalancingcelldivisionRemovingabnormalcells

Thepawi