《细胞工程理论基础》PPT课件.ppt

第二章细胞工程基础,一、细胞的发现及研究进展二、细胞是生命活动的基本单位三、细胞的基本结构及功能四、细胞周期及细胞分裂五、细胞分化及细胞凋亡六、组织与器官七、生殖与发育,一、细胞的发现及研究进展从人类第一次发现细胞至今有三百多年的历史了，在这期间，随着技术和实验手段的进步，细胞的研究显现出时代的特征，形成了不同的发展时期。1细胞学创立时期19世纪以及更前的时期（16651875），是以形态描述为主的生物科学时期；2细胞学经典时期20世纪最后25年（18751900），主要是在显微镜下的形态描述，是对细胞认识的鼎盛或黄金时期；3实验细胞学时期（19001953）细胞学与各门学科的交融与汇合（细胞遗传学、细胞生理学、细胞化学等），诞生了细胞生物学；4分子细胞学时期（1953至今）。总过程概括为：细胞发现细胞学说建立细胞学形成细胞生物学的发展（1665）（18381839）（1892）（1965）R.HookeSchleiden、SchwannHertiwigDeRobertis,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,美国国立卫生研究院（NIH）的调查报告中指出，目前全球研究最热门的是三种疾病：癌症（cancer）心血管病（cardiovasculardiseases）爱滋病和肝炎等传染病（infectiousdiseases：AIDS，hepatitis）五大研究方向：细胞周期调控（cellcyclecontrol）；细胞凋亡（cellapoptosis）；细胞衰老（cellularsenescence）；信号转导（signaltransduction）；DNA的损伤与修复（DNAdamageandrepair）,二、细胞是生命活动的基本单位（本质属性）一切生物体都是由细胞构成，细胞的有机体的基本结构单位。单细胞生物体、细胞集合体、多细胞生物体细胞具有独立的有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位。细胞是生物体生长发育的基础。细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性细胞是生命起源和进化的基本单位。,细胞的基本共性,所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜，即细胞膜。所有的细胞都含有两种核酸：即DNA与RNA作为遗传信息复制与转录的载体。作为蛋白质合成的机器核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内。所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。,原核细胞,基本特点：遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜。主要代表：支原体（mycoplast）目前发现的最小最简单的细胞；细菌蓝藻又称蓝细菌（Cyanobacteria）,细胞世界的两大家族,真核细胞的基本结构体系,以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统；以核酸（DNA或RNA）与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。,综合原核细胞和真核细胞的特点，二者的根本区别可归纳为下面两条：第一，细胞膜系统的分化与演变真核细胞以膜分化为基础，分化为结构更精细，功能更专一的单位各种膜围细胞器，使细胞内部结构与职能分工。而原核细胞无此情况。第二，遗传信息量大与遗传装置的复杂化真核细胞的遗传信息可达上万个基因，并具重复序列，染色体功能具二倍性或多倍性。原核细胞为单倍性。仅为一条环状DNA分子，细菌只有几千个基因。此外，遗传信息的转录和翻译有严格地阶段性与区域性，原核细胞则不具备这些。假如，真核细胞是结构复杂、功能专一与自动化程度较高的“工厂”，那么，原核细胞就象结构简单、职能上却是多面手的“作坊”。前者固然结构复杂，但在特定条件下，原核细胞却比真核细胞有更强的适应性。,细胞的大小及其分析首先介绍计量单位1m=100cm=1000mm=106m（micrometer）细胞大小（显微结构）常以m作单位。由于电镜的使用，现把国际单位纳米（Nanometrenm）和埃（AAngstrom）作为超微结构的度量单位。1m=1000nm1nm=10A。生物体各种细胞的体积差别很大，既使同一个细胞，培养过程中也随生理状态不同表现出差异。一般讲来，真核细胞大于原核细胞，植物细胞大于动物细胞，高等动物的卵细胞大于体细胞。原核细胞多在110或15m，细菌多在34m，支原体只有0.1m。动物细胞多在（10100m，2030m，1570m）。最大的细胞要属鸵鸟卵，可达10cm，卵黄只有5cm。隆鸟卵直径可达20cm。,三、细胞的基本结构及功能,原生质（Protoplasm）指细胞内所含有的生活物质（构成细胞的生活物质）。原核细胞：细胞壁、细胞膜、细胞质和拟核。真核细胞：包括细胞膜、细胞质和细胞核。植物细胞还具有细胞壁，去除细胞壁的植物细胞或原核细胞特称为原生质体。,细胞质（Cytoplasm）指质膜以内核以外的原生质。它不是匀质的，其结构大体划分为两部分，一部分是有形结构，称为细胞器（Organelle），另一部分是可溶相，称细胞质基质（Cytoplasmicmiatrix）。,细胞器（Organelle）指存在于细胞中，用光镜或电镜能够分辩出的，具有一定形态特点，并执行特定功能的结构。核糖体是细胞中最小的细胞器，但也有人提出tRNA才是最小的细胞器。细胞核也被认为是一种细胞器，且是细胞中最大的细胞器。有人把细胞膜也看作是一种细胞器。,细胞质基质（Gytoplasmicmatrix）是细胞质的可溶相，是作为细胞器的环境而存在的，是一复杂的胶体系统。,细胞核（nucleus）遗传物质的集中区域，在原核生物细胞称拟核（nucleoid）或类核区。在细胞膜以外还有些结构，如纤毛、鞭毛等细胞质衍生物，现在观点是把这些结构统称为质膜外结构，连细胞膜在内，共称为细胞表面（Cellsurface）。,真核细胞的基本结构体系真核细胞（EukaryoticCell）种类繁多：从原生动物到人，从绿藻到高等植物。大约在1216亿年前在地球上出现，是具有典型细胞核和核膜、核仁，体积较大，结构较复杂，进化程度较高的一类细胞。可以是单细胞（原生动物和单细胞藻类）、草履虫、变形虫，也可以是多细胞生物（几乎包括所有的动、植物），成年人约有1014个细胞，新生儿约有21012个细胞。真核细胞的典型结构可归纳为如下：1、细胞膜：磷脂蛋白膜呈流动镶嵌结构2、细胞核：遗传物质DNA、RNA、蛋白质结合在一起成为染色质，由核膜包绕，在细胞分裂期可凝集成染色体，并成对存在。细胞核中还有核仁存在。3、体积较大：直径在10100m，多数2030m。,4、细胞壁：植物细胞有，其组成成分为纤维素。5、核糖体6、内膜系统：将细胞划分为许多功能区，大大提高细胞代谢的活动效率7、细胞骨架系统8、具有多种细胞器9、生殖方式：有丝分裂、减数分裂、无丝分裂10、转录和转译在不同时间和地点。真核细胞虽然结构复杂，但可在亚显微结构水平上划分为三大基本结构体系：生物膜系统、遗传信息表达系统、细胞骨架系统。生物膜系统以脂质及蛋白质成分为基础构建而成。遗传信息表达结构系统以核酸与蛋白质为主要成分构建而成。细胞骨架系统由特异蛋白质分子装配而成。,四、细胞周期与细胞分裂,细胞周期(cellcycle)细胞分裂无丝分裂有丝分裂(mitosis)胞质分裂(Cytokinesis)核内有丝分裂与多极有丝分裂减数分裂(Meiosis),（一）细胞周期,概念：细胞从一次分裂结束开始，到下一次细胞分裂完成为止所经历的有序过程。是一个物质积累和细胞分裂的循环过程。又称细胞生活周期或细胞繁殖周期。分为细胞有丝分裂期和分裂间期。,细胞周期时相组成,间期(interphase):G1phase，Sphase，G2phaseMphase:有丝分裂期(Mitosis),胞质分裂期(Cytokinesis)细胞沿着G1SG2MG1周期性运转，在间期细胞体积增大(生长)，在M期细胞先是核分裂，接着胞质分裂，完成一个细胞周期。,（二）有丝分裂(mitosis),前期(prophase)前中期(prometaphase)中期(metaphase)后期(anaphase)末期(telophase),（三）减数分裂,概念减数分裂是细胞仅进行一次DNA复制，随后进行两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂,减数分裂的意义,确保世代间遗传的稳定性；增加变异机会，确保生物的多样性，增强生物适应环境变化的能力；减数分裂是生物有性生殖的基础，是生物遗传、生物进化和生物多样性的重要基础保证。,减数分裂特点,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S期持续时间较长同源染色体在减数分裂期I(MeiosisI)配对联会、基因重组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,减数分裂过程第一次减数分裂或减数分裂包括：前期、中期、后期、未期和胞质分裂五个阶段。然后，通过一个短暂的间期进入减数分裂。第二次减数分裂或减数分裂包括：前期、中期、后期、未期减数分裂有其鲜明特点，主要表现在前期染色体配对和基因重组。减数分裂与一般有丝分裂雷同。,细胞分化(celldifferentiation)：在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生各不相同的细胞类群的过程。细胞分化是多细胞生物发育的基础与核心；细胞分化的关键在于特异性蛋白质合成；合成特异性蛋白质实质在于组织特异性基因在时间和空间上的差异性表达。,五、细胞分化及细胞凋亡,组织特异性基因与当家基因,当家基因(house-keepinggenes)：是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的；组织特异性基因(tissue-specificgenes)，或称奢侈基因(luxurygenes)：是指不同的细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的功能；,影响细胞分化的因素,胞外信号分子对细胞分化的影响,如眼的发生（胚胎诱导）细胞记忆与决定果蝇成虫盘(imaginaldisc)受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响细胞间的相互作用与位置效应环境对性别决定的影响染色质变化与基因重排对细胞分化的影响,细胞的全能性(totipotency),概念：细胞全能性是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。植物细胞具有全能性，在适宜的条件下可培育成正常的植株动物细胞核移植(Nucleartransfer)实验证明细胞核具有发育全能性干细胞(Stemcell)与细胞发育潜能,如蛙细胞核移植后发育成蝌蚪Dolly羊的诞生说明高度分化的哺乳动物体细胞核也具有发育全能性,干细胞人类健康长寿的曙光人类干细胞研究自1999年被美国科学杂志评为世界十大科学成就之首开始热起来。干细胞，即起源细胞，按其功能可分为三类：全能干细胞具有形成完整个体的分化潜能，如胚胎干细胞。人的胚胎干细胞可以分化成为全身200多种细胞类型，进一步再形成机体的任何组织和器官。多能干细胞具有分化成多种细胞和组织的潜能，但却失去了发育成完整个体的能力。如多能造血干细胞。单能干细胞只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化。又称定向干细胞。,细胞凋亡的概念及其生物学意义,概念：细胞凋亡是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程，所以也常常被称为细胞编程死亡（programmedcelldeath,PCD）。凋亡细胞将被吞噬细胞吞噬。生物学意义：细胞凋亡对于多细胞生物个体