细胞生物学课件：第1章 细胞概述

1CHAPTER1

细胞概述

OverviewofCells2OUTLINE1.1

细胞的发现及细胞学说

(DISCOVERYOFCELLS

ANDTHE

CELL

THEORY)1.2细胞的基本特性(BASIC

PROPERTIESOFCELLS)1.3细胞的组成、类型和结构体系(MOLECULARCOMPOSITIONANDSTRUCTUREOFCELLS)1.4细胞生物学的研究进展

(RECENTDEVELOPMENTOFCELLBIOLOGY)31.1.1

DiscoveryofCellsRorbertHooke whodiscoveredthe“cell”1.1

DISCOVERYOFCELLS

ANDHISTORYOF

CELL

BIOLOGY4RorbertHooke

self-made

microscope(year1665)《Micrographia》:Cella(30xmagnification)5AntonvanLeeuwenhoekself-made

microscope(Year1665)(300xmagnification)61.1.2HISTORYOFCELLBIOLOGY

细胞的发现及细胞学说的创立(1665-1858-1875)

1838年,德国植物学家Mathias

Schleiden

发表论文指出∶植物是由细胞构成的

1839年,德国动物学家TheodorSchwan首次提出 细胞学说(CellTheory)，并提出了细胞学说的前两条原理∶◆所有的生物都是由一个或多个细胞组成的(Allorganismsarecomposedofoneormorecells)◆细胞是生命的基本单位

(Thecellisthestructuralunitoflife)

1855年,德国医生和病理学家RudolfVirchow对细胞学说进行了重要补充并提出第三条原理∶◆一切细胞产自细胞

(Cellscanariseonlybydivisionfromapreexistingcell)★7

细胞学的经典时期(1875-1900)◆原生质(protoplasm)理论的提出■在动物、植物中发现“肉样质”的物质,并命名为“protoplasm”;■1861年德国动物学家Shultze提出原生质理论：有机体的组织单位是一小团protoplasm,这种物质在一般有机体中是相似的。

并把细胞明确地定义为:

“细胞是具有细胞核(Nuclei)和细胞膜(Plasmamembrane)的活物质”。8◆重要细胞器的发现■1888年TheodorHeinrichBoveri在动、植物细胞中发现了中心体（centrosome）;■1888年HeinrichwilhelmGottfriedvonWaldeyer-Hartz提出染色体（chromosome）概念;■1897年KarlBenda命名线粒体（Mitochondria）;■1898年Golgi发现了高尔基体(Golgi)。9

实验细胞学时期(1900-1953)(experimentalcytology)是指采用实验的手段研究细胞学的问题,即从形态结构的观察深入到生理功能、生物化学及遗传发育机理的研究。◆cytogenetics的研究

◆cytophysiology的研究

1912年,Carrel研制成Carrel培养瓶,采用严格的组织培养技术，成功地培养了鸡胚胎成纤维细胞持续了34年之久(1912-1946)。

◆cytochemistry的研究AlexCarrel(1873-1944)D-flask(1923)10

细胞生物学的诞生◆MolecularBiology1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结模型标志分子生物学的诞生；

CellBiology1965年，EduardoDeRobertis将其《GeneralCytology》改名为为《Cellbiology》，标志着细胞生物学的诞生；

MolecularCellBiology80年代开始出现了分子细胞生物学。111.2BasicPropertiesofCellsHeLa

Cells：最早离体培养成功的人源细胞细胞是生命的基本单位(CELLISTHEBASICUNITOFLIFE)121.2.1选择透性的膜(CellsHaveMembraneBarriers)

◆原生质(Protoplasm)：被质膜包裹在细胞内的所有的生活物质，包括细胞核和细胞质。

◆细胞质(Cytoplasm):

是指细胞内除核以外的原生质,即细胞中细胞核以外和细胞膜以内的原生质部分。

◆原生质体(Protoplast):植物细胞脱去细胞壁后1.2.2遗传物质(CellsPossessaGeneticsProgram)

DNA、RNA1.2.3核糖体

(CellsHaveRibosomes)

细胞功能的体现者是蛋白质(包括酶)，蛋白质是在核糖体上合成的。

细胞结构共性131.2.4自我增殖和遗传物质复制(CellsAreCapableofProducingMoreofThemselves)

细胞能够用一分为二的分裂方式进行增殖，动、植物细胞、细菌细胞都是如此。1.2.5新陈代谢与酶学反应

(CellsAcquireandUtilizeEnergybyCarryingOutaVarietyofChemicalReactions)物质与能量代谢，合成与分解反应1.2.6运动性(CellsEngageinMechanicalActivities)细胞运动及细胞内的物质运动

细胞功能共性141.2.7应答与自我调节(CellsAreAbletoRespondtoStimuli

andAreCapableofSelf-Regulation)

RubeGoldbergmachine15自我调节（海胆发育）161.2.8复杂而有序(CellsAreHighlyComplexandOrganized)

1.2.9进化(CellsEvolve)：Howdidcellsarise?17

细胞其它特性◆细胞的形态与功能相适应

1.2.10细胞形态与大小(CellsShapesAndCells)18个体中不同组织的细胞形态19

细胞其它特性◆细胞的形态与功能相适应◆细胞维持体积的相对恒定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”。■典型的原核细胞直径平均在1～10μm之间，而真核细胞的直径平均为3～30μm;■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。■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;

1.2.10细胞形态与大小(CellsShapesAndCells)20■细胞维持体积相对恒定的两个因素是:●细胞体积与表面积21细胞表面积与体积的关系22■细胞维持体积相对恒定的两个因素是:●细胞体积与表面积●细胞内重要分子的浓度

重要的分子在细胞内的低拷贝数，细胞体积增大，分子浓度稀释，重要的生化反应需要一定的浓度才能进行，所以细胞内分子浓度就成了细胞体积无限增大的一个限制因素。

真核细胞如何解决细胞内重要分子的浓度问题?■细胞不仅对其体积的增大有限制，而且对细胞变小也有限制。为什么？●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。23

细胞的计量单位

细胞大小的计量单位，一般都用微米计算。自使用电子显微镜后又提出埃(Angstrom,Å)为超显微结构计量单位。现在常用的国际单位是纳米(nanometre)。1纳米=10埃1埃 =0.1纳米(nm)1毫米 =1000微米(μm)1微米 =1000纳米(nm） =10000埃(Å)24细胞与细胞器的大小251.3细胞的分子基础(MolecularCompositionofCells)细菌和哺乳动物细胞的化学组成百分比物质

细菌

哺乳动物 水 70 70

无机盐 1 1

混合的小分子

代谢物 3 3

蛋白质 15 18

磷脂 2 3

其它脂 — 2

多糖 2 2 RNA 6 1.1 DNA 1 0.2526

1.3.1.SmallBiologicalMolecules

细胞中的无机物主要是waterandsalt

Water◆细胞中的水以两种形式存在:

Freeandbound

◆水在细胞中的作用及其作用机制：

ChemicalReactantandSolvent27水的溶剂作用

28

Salt根据无机离子在细胞内的作用分为四大类∶◆大分子的结构成分∶主要是C、H、N、O、P、S等；◆各种酶反应所需的主要离子，包括Ca2+、Cu2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-等；◆各种酶活性所需的基础微量元素，包括Co、Cu、Fe

、Mn、Zn等；◆某些生物特殊需要的微量元素，如碘、铯、溴等。

无机离子的功能有:◆

维持细胞内外液的pH和渗透压,以保持细胞的正常生理活动;◆

同蛋白质或脂类结合,组成具有特定功能的结合蛋白;◆

参与细胞的生命活动,是酶反应的辅助因子。29

有机化合物：细胞内有四类有机小分子:◆Sugars

单纯的多糖由许多葡萄糖残基组成，在动物细胞内主要是糖原，在植物细胞内主要是淀粉。◆FattyAcids

脂肪酸是脂的主要成分，是细胞膜的组份。◆Nucleotides

核苷酸是组成核酸的基本单位。◆AminoAcids

细胞内主要有20种氨基酸，它们的差别主要是R侧链不同，决定了氨基酸的化学性质。301.3.2BiologicalMacromoleculesThree

typesofBiologicalMacromoleculesincells:NucleicAcids、Proteins、Polysaccharides。细胞内大约有3000种大分子。生物大分子的功能由构成它们的亚单位的种类和排列顺序决定。31核酸的结构组成32DNA双螺旋结构33组成蛋白质的基本构件只是20种氨基酸，为什么蛋白质却具有如此广泛的功能?

结构域(domain)∶是指生物大分子中具有特异结构和独

立功能的区域。34

多糖与糖蛋白

糖蛋白的功能有∶

◆参与细胞代谢的调控，发育和分化，机体的防御，以及作为机体内外表面的保护及润滑剂。

◆参与细胞粘着，细胞识别和信息的传递：几乎所有动物细胞表面都有少量糖,它的作用好比是细胞联络的文字或语言。◆糖基化对蛋白质合成后的加工和运输的影响也是很大的。35糖原、淀粉和纤维素的结构361.3.3AssemblyofCellStructure

Systems

四级装配∶

第一级:小分子有机物的形成;

第二级:小分子有机物组装成生物大分子；第三级:由生物大分子进一步组装成细胞的高级结构；

第四级:由生物大分子组装成具有空间结构和生物功能

的细胞器。37

装配模型◆templateassembly；◆enzymaticassembly；◆selfassembly。

■反应复合物的组装及其在生命活动中的作用。

如DNA转录起始复合物(primosome)、mRNA拼接复合物(splicesome)的装配。38转录起始复合物的组装39剪接体的组装40细胞的结构水平41细胞结构体系及其组装原核细胞

(prokaryoticcells)：古细菌和真细菌细胞质膜没有细胞核！拟核421.3.4细胞的类型和结构体系(Typesofcellsandstructuresystem)最简单的原核细胞：支原体原核细胞 vs 真核细胞◆是最简单的原核细胞，直径为0.1～0.3μm;◆具有细胞质膜，但没有细胞壁;◆环状双螺旋DNA，没有拟核，能指导合成750多种蛋白质;◆惟一的细胞器是核糖体，每个细胞中约有800～1500个;◆具感染性,可在培养基上培养;◆培养细胞很容易被支原体污染,污染源主要是血清。43ATypicalMycoplasmaCell44

Bacteria◆细菌细胞质膜的多功能性◆mesosome■中膜体又称间体或质膜体,每个细胞有一个或数个;■其中含有细胞色素和琥珀酸脱氢酶,为细胞提供呼吸酶;■具有类似线粒体的作用,故称为拟线粒体。真核细胞的结构体系（EukaryoticCellsandTheirStructuralSystems）45ATypicalAnimalCellATypicalPlantCell

生物膜体系（BiologicalMembraneStructureandFunction）◆MembranesDefineBoundariesandServeasPermeabilityBarriers

◆MembraneAreSitesofSpecificFunctions◆MembraneRegulatetheTransportofSolutes◆MembraneDetectandTransmitElectricalandChemicalSignals46

遗传信息表达体系（GeneExpressionSystem）又称为颗粒纤维结构系统，该系统包括细胞核和核糖体。47纤维结构颗粒结构

细胞骨架体系（CytoskeletalSystem）细胞骨架是蛋白与蛋白搭建起的网络结构,包括细胞质骨架和细胞核骨架。

◆首要作用是维持细胞的一定形态；◆细胞内物质运输的动脉；◆细胞内基质区域化；◆帮助细胞移动或行走；◆主要成分:微管、微丝和中间纤维。4849CytoskeletonFunctions真核与原核、植物与动物细胞比较共同点：

功能上的共同点∶ 结构上的共同点:

都是生命的基本结构单位； 都有细胞膜；都能进行分裂； 都有DNA和RNA；都能遗传 都有核糖体

50原核细胞与真核细胞比较(不同点)

原核细胞 真核细胞

代表生物细菌、蓝藻和支原体原生生物、真菌、植物和动物细胞大小较小(1-10μm)较大(一般5～100μm) 细胞膜有(多功能性)有 核糖体

70S(由50S和30S两个80S(由60S和40S两个大小大小亚基组成)亚基组成) 细胞器极少有细胞核、线粒体、叶绿体、 内质网、溶酶体等细胞核无核膜和核仁有核膜和核仁 染色体一个细胞只有一条一个细胞有两条以上的染色 双链DNA,DNA不与或DNA与蛋白质联结在一起 很少与组蛋白结合 DNA

环状，存在于细胞质很长的线状分子，含有很多非编码区，并被核膜所包裹。51ComparisonofSomePropertiesofAnimalandPlan