省竞赛辅导--细胞生物学.ppt

细胞生物学,杭州十四中方淳,（1）细胞学：细胞的结构和功能；细胞分裂、分化、衰老和癌变（2）生物化学：化学成分；细胞代谢；分子生物学（3）微生物和生物技术：微生物学；生物技术,难度不大，范围广,30%左右,复习时涉及的主要知识范围,（1）细胞学：细胞器的结构和功能；细胞分裂的过程；分化、衰老和癌变机理（2）生物化学：糖、脂、蛋白质、核酸、酶；光合作用、呼吸作用；复制、转录、翻译、遗传操纵（3）微生物和生物技术：微生物类群；代谢特点；生物技术,细胞生物学翟中和、王喜忠、丁明孝主编高教出版社生物化学简明教程罗纪盛等修订高教出版社微生物学沈萍主编高教出版社,参考教材：,细胞生物学部分,生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系，而细胞是生命体的结构与生命活动的基本单位，有了细胞才有完整的生命活动。细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学，它是在不同层次（显微、亚显微与分子水平）上以研究细胞结构与功能、细胞增殖、分化、衰老与凋亡、细胞信号传递、真核细胞基因表达与调控、细胞起源与进化等为主要内容。核心问题是将遗传与发育在细胞水平上结合起来。,“细胞学说”的基本内容,认为细胞是有机体，一切动植物都是由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成；每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它“自己的”生命,又对与其它细胞共同组成的整体的生命有所助益；新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。,主要内容,细胞结构与功能、细胞重要生命活动：细胞核、染色体以及基因表达的研究生物膜与细胞器的研究细胞骨架体系的研究细胞增殖及其调控细胞分化及其调控细胞的衰老与凋亡细胞的起源与进化细胞工程,重点领域,染色体DNA与蛋白质相互作用关系主要是非组蛋白对基因组的作用细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控细胞信号转导的研究细胞结构体系的组装,一、真核细胞的结构,（一）细胞膜（质膜）,1、细胞膜的基本组成成分,(1)膜脂：磷脂、胆固醇和糖脂占50以上：具有一个极性头和两个由脂肪酸链形成的非极性尾；脂肪酸碳链为偶数；既含饱和脂肪酸又含不饱和脂肪酸胆固醇只存在于动物细胞、酵母菌、支原体；细菌、蓝藻等原核细胞和植物细胞膜中一般没有胆固醇；助于增加膜的稳定性，可调节膜的流动性，使膜的流动性不至于在温度降低时而下降,（2）膜蛋白：外在膜蛋白（或称外周膜蛋白）和内在膜蛋白（或称整合膜蛋白）,（3）膜糖类：与膜脂、膜蛋白以共价键形成的糖脂或糖蛋白，与细胞识别有关,结构模型,E.Gorter和FGrendel（1925）:“蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板质膜结构模型J.D.Robertson（1959年）：单位膜模型(unitmembranemodel)S.J.Singer和G.Nicolson（1972）：生物膜的流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel),2细胞膜的流动镶嵌模型：Singer和Nicolson,（1）脂双分子层是细胞膜的主要结构支架，具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相；（2）膜蛋白为球蛋白，分布于脂双层表面或镶嵌脂分子中，有的甚至横跨整个脂双层；（3）在膜的两侧脂分子的分布，蛋白质分子的分布与性质是不相同的，即具有不对称性；（4）膜结构中蛋白质分子和脂类分子都能运动，具有流动性。,3细胞膜的流动性和不对称性,(1)膜的流动性：膜脂的运动方式主要有侧向扩散、旋转运动、左右摆动以及翻转运动等；不饱和脂肪酸越多，脂肪酸链越短，膜脂流动性越大；温度下降，膜脂的流动性减弱；胆固醇含量的增加，可增加膜脂的有序性，降低膜脂的流动性。卵磷脂与鞘磷脂的比值越高，膜脂的流动性越大膜蛋白质分子的运动分为侧向扩散和旋转运动,（2）膜的不对称性：膜脂、膜蛋白及糖类的不对称性,4细胞膜的生物学功能,(1)细胞膜与物质的跨膜运输,简单扩散：疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子（如O2、CO2、乙醇、尿素等）；小分子比大分子容易穿膜，非极性分子比极性分子容易穿膜，而带电离子的跨膜运输则需要更高的自由能。,协助扩散载体蛋白通道蛋白，它横跨质膜形成,主动运输,ATP直接提供能量：Na+-K+泵（Na+-K+-ATP酶）每消耗1个ATP分子，可使细胞内减少3个Na+并增加2个K+Ca2+泵（Ca2+-ATP酶）泵入内质网腔中消耗一个ATP分子转运出两个Ca2+质子泵细胞质膜上，溶酶体膜和植物泡膜上以及线粒体内膜、植物内囊体膜,协同运输（伴随运输）：不是由ATP提供能量，而是借其他物质的浓度梯度为动力来进行的同向协同运输反向协同运输动物细胞中葡萄糖的跨膜运输,内吞作用与外排作用大分子（如蛋白质、多核苷酸、多糖）或颗粒物质吞噬作用胞饮作用内吞作用与外排作用都需要细胞提供能量。,（2)细胞膜与细胞连接：封闭连接、锚定连接、通讯连接（包括间隙连接、神经细胞间的化学突触、植物细胞中的胞间连丝）,封闭连接（紧密连接是典型的代表）,锚定连接,桥粒和半桥粒（中间纤维）,粘着带和粘着斑（肌动蛋白纤维）,通讯连接：间隙连接、植物细胞中的胞间连丝、神经细胞间的化学突触,a.间隙连接,连接小体由6个相同或相似的跨膜蛋白亚单位环绕，中心形成一个直径约1.5nm的孔道连接小体成簇并两两相对分别包埋在两相邻细胞的质膜中，形成一个间隙连接单位,b.胞间连丝,胞间连丝连接处的细胞壁不连续，相邻细胞的细胞膜共同形成2040nm的管状结构，中央是由内质网延伸形成的链管状结构。链管与管状质膜之间是由胞液构成的环带。,c.化学突触,(3)细胞膜与细胞的识别细胞识别与细胞表面的糖蛋白、糖脂及蛋白聚糖有关,(4)细胞膜与信息的传递,cAMP信号通路,激素G-蛋白偶联受体G-蛋白腺苷酸环化酶cAMPcAMP依赖的蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录,磷脂酰肌醇信号通路,胞外信号分子G-蛋白偶联受体G-蛋白IP3胞内Ca2+浓度升高Ca2+结合蛋白(CaM)细胞反应磷脂酶C(PLC)DG激活PKC蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pH,通过细胞内受体介导的信号传递,固醇类激素介导的信号通路,（二）细胞外被（糖被）和细胞壁动物细胞有细胞外被（糖萼、糖被），是细胞膜外表面的糖类物质的总称,在细胞识别等方面起重要作用。,植物细胞有细胞壁：胞间层、初生壁、次生壁；保护并支持细胞及整个植物体,（三）细胞质：细胞质基质和细胞器,1、细胞质基质（透明质）,中间代谢过程如糖酵解途径、脂肪酸合成等都是在细胞质基质中完成；细胞质基质作为细胞器的微环境，为维护细胞器正常结构和生理活动提供所需要的生理环境；同时也为细胞器的功能活动提供底物,2、线粒体,（1）线粒体的形态、大小、数目与分布,卵圆形颗粒或短线状；横径约0.2um1um，长约2um8um，相当于一个细菌的大小；需要能量较多的细胞，线粒体数目也较多，植物细胞的线粒体数量比动物细胞的要少；多数细胞中线粒体均匀分布于细胞质，但也常常聚集在需能较多的部位。,（2）线粒体的结构：外膜、内膜、膜间隙和基质,（3）线粒体的化学组成,线粒体外膜的标记酶为单胺氧化酶，内膜为细胞色素氧化酶，间隙为腺苷酸激酶、线粒体基质的标记酶为苹果酸脱氢酶,外膜上含有14种蛋白质而内膜上含有21种，外膜上主要含卵磷脂而内膜主要含心磷脂；再如，线粒体内、外膜上脂类与蛋白质的比值不同，内膜为0.3：1而外膜为1：1,（4）线粒体的功能：进行氧化磷酸化，合成ATP,（5）线粒体是半自主性细胞器,（6）线粒体的起源：内共生假说：被原始的前真核生物吞噬的好氧性细菌，这种细菌与前真核生物共生，在长期的共生过程中通过演化变成了线粒体。分化假说：线粒体是由于质膜的内陷，再经过分化后形成的,3、质体,（1）前质体（或称原质体）,（2）白色体（造粉体、造蛋白体和造油体）,（3）有色体,（4）叶绿体,A、叶绿体的形态、大小和数目,B、叶绿体的结构：叶绿体膜、类囊体（基粒类囊体、基质类囊体）和基质,C、叶绿体功能：光合作用，光反应类囊体上进行，而暗反应在基质中完成。,D、半自主性细胞器,E、叶绿体的起源：内共生说和分化说；按内共生假说，叶绿体的祖先是兰藻或光合细菌。,4、内质网（ER）：粗面内质网（rER）和光面内质网（sER）两类。其中粗面内质网所占比例要远大于光面内质网。,（1）粗面内质网（rER）：与蛋白质合成、转运和加工有关,粗面内质网上合成的蛋白质主要有：（1）向细胞外分泌的蛋白质，如酶、抗体、激素和胞外基质的成分等；(2)膜蛋白，包括细胞质膜上以及内质网、高尔基体和溶酶体上的膜蛋白；(3)需要与其他细胞组分严格分隔的蛋白质，如溶酶体中的酸性水解酶类；(4)需要进行复杂修饰的蛋白质,“信号假说”,（2）光面内质网（sER）,参与脂类合；肝脏细胞中，光面内质网的某些磷酸酶能参与糖原的合成和分解，而另一些酶能将药物和有潜在毒性的物质分解；肌细胞中内质网特化为肌质网，是肌细胞中的“Ca2+”蓄库,5、核糖体：原核细胞、真核细胞、线粒体、叶绿体内；游离核糖体、附着核糖体蛋白质（40%）和rRNA（60%）,70S型核糖体（原核细胞及叶绿体、线粒体）：30S小亚单位（16SRNA+21种蛋白质）及50S大亚单位（23SRNA+5SRNA+31种蛋白质）,80S型核糖体（真核细胞中）：40S小亚单位（18SRNA+33种蛋白质）及60S大亚单位（28S、5.8S和5S三种RNA+49种蛋白质）,多聚核糖体,6、高尔基体：又称高尔基器或高尔基复合体；主要成分是脂类、蛋白质及多糖物质组成。标志酶为糖基转移酶。,（1）高尔基体的结构,（2）高尔基体的功能：为细胞提供一个内部的运输系统；糖基化作用（O-连接糖基化）；合成和运输多糖,7、溶酶体：富含水解酶，最适pH值为5左右，酸性磷酸酶为溶酶体的标记酶,（1）溶酶体的类型：初级溶酶体、次级溶酶体（自噬性溶酶体、异噬性溶酶体、混合性溶酶体）、残余小体,（2）溶酶体的功能：参与细胞内的正常消化作用；自体吞噬作用；自溶作用,8、液泡,9、微体：单位膜围成的细胞器；呈圆球状、椭圆形、卵圆形或哑铃形。,（1）过氧化物酶体：含有氧化酶，细胞中大约有20的脂肪酸是在过氧化物酶体中被氧化分解的产生H2O2，过氧化氢酶（标记酶），使H2O2分解；通过过氧化氢酶的作用使酚、甲酸、甲醛和乙醇等毒物氧化、排出；参与“光呼吸”过程。,（2）乙醛酸循环体：只存在于植物细胞。乙醛酸循环，与圆球体和线粒体相配合，把储藏的脂类转化为糖类。动物细胞没有乙醛酸循环体，不能将脂类转糖类。,10、细胞骨架（细胞质骨架）：微管、微丝、中间纤维和微梁系统,（1）微管（MT）,A、微管的化学组成和结构：微管蛋白二聚体组装成的长管状结构，外径为2426nm，中间腔直径为15nrn，外周壁厚5nm，由13条原纤丝螺旋排列而成；可装配成单管、二联管、三联管三种形式；自我装配，组装和去组装是相互动态平衡，在低温或Ca2+存在时，微管趋于去组装；微管组织中(MTOC)；秋水仙素和长春花碱能阻断微管组装，而紫杉酚则促进微管组装并使微管稳定存在,微管的功能：,A、维系细胞形态,B、细胞内运输,C、纤毛和鞭毛运动,D、鞭杆和基体组成；鞭杆横切面为9（2）2结构，基体为9（2）0结构；滑动学说认为鞭毛和纤毛运动是由外围相邻二联体间滑动所致,E、细胞分裂期染色体的运动：染色体微管、连续微管、中间微管、星体微管；动力平衡说：认为染色体的运动与微管组装和去组装有关，滑行学说：认为染色体的运动与微管间的滑动有,F、中心体和中心粒：9（3）+0结构,（2）微丝（MF）,微丝的化学组成和结构：微丝是由肌动蛋白构成的螺旋状纤维，直径约为7nrn；组装和去组装，细胞松弛素B能结合到微丝末端而阻止微丝的组装，鬼笔环肽能抑制微丝解聚。,微丝的功能胞质分裂、与肌肉的收缩密切相关、细胞变形运动、胞质环流运动、微绒毛,（3）中间纤维（IF）,中间纤维的化学组成和结构：10nrn；有角蛋白纤维、波形纤维、结蛋白纤维、神经元纤维、神经胶质纤维等五种类型。有约310个氨基酸的a-螺旋组成的杆状区，这是一个高度保守的二级结构；杆状区两端则分别为非螺旋的头部区和尾部区，头尾这两部分是高度可变的。两条多肽链结合形成二聚体，一对二聚体聚合为四聚体，两个四聚体再形成一根亚丝，由四根亚丝盘绕成一根完整的中等纤维。,中间纤维的功能：在细胞质中起支架作用，并与细胞核定位有关系；在细胞间、组织中也有支架作用；参与传递细胞内机械的或分子的信息,（4）微梁系统：将微管、微丝、中间纤维整合在一起，并且与线粒体、核糖体等各种细胞器相联系,（四）细胞核：核膜、核基质、染色质、核仁组成,1、核膜：内、外膜，核周腔，核纤层，核孔复合体,2、核基质,3、染色质和染色体,（1）染色质的概念和分类：常染色质和异染色质（结构异染色质和兼性异染色质）,（2）染色质的化学组成：DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA。组蛋白是染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸，分为5种组分，即H1、H2A、H2B、H3和H4；非组蛋白富含有天冬氨酸、谷氨酸等酸性氨基酸，主要包括各种酶（如连接酶、转录酶等）以及少量的结构蛋白,（3）染色质和染色体的结构,核小体：(1)包括200碱基对左右的DNA和一个组蛋白八聚体以及一分子的组蛋白H1；(2)组蛋白八聚体构成核小体的核心结构，由H2A、H2B、H3和H4各两个分子所组成；(3)DNA分子盘绕核小体的核心7/4圈，共140个碱基对，称为核心DNA；(4)一个分子的组蛋白H1与DNA结合，锁住核心DNA的进出口，从而稳定了核小体的结构；(5)两相邻核小体之间是一段连接DNA，含60个碱基对。,染色体包装的四级结构模型：核小体串珠结构-螺线管-超螺旋管-染色体（8400倍）,染色体分为四种类型：中部着丝粒染色体、亚中部着丝粒染色体、端部着丝粒染色体、亚端部着丝粒染色体,染色体各部分的主要结构：着丝粒和着丝点（动粒）、次缢痕、核仁组织区（NOR）、随体、端粒,4、核仁：真核细胞间期核中通常可见到单一或多个均质的球形小体称为核仁,（1）结构：纤维中心（rDNA）、致密纤维组分（rDNA转录合成rRNA）、颗粒组分（核糖体亚单位前体颗粒）,（2）功能：rRNA的合成、加工和核糖体亚单基的装配,二、细胞的分裂、分化、衰老、癌变,1、有丝分裂,（1）细胞周期,（2）三类细胞：周期细胞、终端分化细胞、静止期细胞或G0期细胞,（3）分裂间期：G1、S、G2,（4）分裂期,2、减数分裂（主要是前期）,细线期（凝集期）染色体凝集,偶线期（配对期）同源染色体两两配对；联会复合体，包括侧生组分、中间区、中央组分三部分,粗线期（重组期）同源的非姊妹染色单体间发生局部交换；每对配对的染色体中含有四条染色单体；持续的时间长,双线期（合成期）联会的同源染色体分离，但尚未完全分开，仍有若干处相连。这些相连点是染色体间发生互换的结果。,终变期（再凝集期）染色体凝集成短棒状，核仁开始消失，核膜开始解体。四分体较均匀地分布在核中，同源染色体间依靠端部交叉相结合，姐妹染色体由着丝粒相连。终变期的完成标志着减数分裂前期的结束。,3、细胞的分化,（1）概念,（2）实质,（3）全能性：干细胞、组织培养、克窿,4、细胞的癌变,（1）癌细胞的特点,（2）因素,（3）单克隆抗体,5、细胞的衰老与凋亡,（1）衰老,（2）凋亡：由细胞自身的程序性自杀机制激活的细胞死亡现象，