细胞生物学88

CELLBIOLOGYCOURSE,细胞生物学,细胞生物学从显微水平、超微水平和分子水平等不同层次研究细胞结构、功能及生活史。,细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段：第一阶段：细胞的发现，16世纪末-19世纪30年代。第二阶段：细胞学说提出，19世纪30年代-20世纪中期。第三阶段：超微结构研究，20世纪30年代-70年代。第四阶段：分子细胞生物学，20世纪70年代分子克隆技术出现以来。,细胞生物学简史,1665年，英国人RobertHook首次描述了植物细胞(木栓)，命名为cella,一、细胞的发现,1680年，荷兰人Leeuwenhoek成为皇家学会会员，他一生中制作了200多台显微镜和400多个镜头，用设计较好的显微镜观察了许多动植物的活细胞与原生动物。,现代显微镜,1932年，德国人M.Knoll和E.A.F.Ruska发明电镜，1940年，美、德制造出分辨力为0.2nm的商品电镜。,TEM,二、细胞学说,生命体是多层次的复杂结构体系，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。,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。,细胞学中的基本技术,第一节细胞形态结构的观察方法一、光学显微镜技术1、普通复式光学显微镜技术普通光学显微镜（最大分辨率为0.2m)显微镜的性能优劣决定于它的分辨率。分辨率是指显微镜区分开相近两点的能力。,2、荧光显微镜技术在紫外光显微镜基础上发展而来，利用样品自发荧光和诱发荧光，可以对某些生物大分子进行定性和定位研究。不仅可以观察固定切片标本，还可以在活体染色后对活细胞进行研究。,3、相差显微镜技术光线在通过密度不同的介质时，其滞留程度不同，即产生了光程差和相位差。相差显微镜的基本原理把光程差变成振幅差(即明暗)。从而提高样品反差，故样品不需染色，适合观察活细胞。甚至研究细胞核、线粒体等细胞器的动态。它在结构上与普通显微镜最大的不同是在物镜后装有相差板。,二、电了显微镜技术（一）电了显微镜基本知识分辨率最终决定于光的波长，由于使用电子束作光源，电镜的分辨率大大提高。电镜的分辨率常常是超薄切片厚度的1/10，它的分辨率可达0.2nm，其放大倍数为106倍。,三、扫描隧道显微镜(STM)是一种探测微观世界物质表面形貌的仪器，在纳米生物学的研究领域具有独特的优越性。STM的特点：具有原子尺度的高分辨本领；可在真空、大气、液体等条件下工作；非破坏性测量。,细胞成分分析和形态学观察相结合，可揭示生物大分子在细胞内的构建及功能。用超速离心技术分离细胞器与生物大分子及其复合物利用多种方法使细胞崩解，形成细胞器和细胞组分的混合匀浆，再通过差速离心，即利用不同的离心速度所产生的不同离心力，将各种亚细胞组分和各种颗粒分开。差速离心与密度离心相结合可以达到精确的分离。,第二节细胞组分的分析方法,细胞内特异核酸的定位与定性原位杂交技术用标记的核酸探针通过分子杂交确定特殊核苷酸序列在染色体上或细胞中的位置的方法,利用放射性标记技术研究生物大分子在细胞内的合成动态放射自显影技术包括两个主要步骤：即同位素标记的大分子前体的掺入和细胞内同位素所在位置的显示。定量细胞化学分析技术1、显微分光光度测定技术根据细胞内某些物质对光谱吸收的原理，来测定这些物质（如核酸与蛋白质等）在细胞内的含量。,第三节细胞培养、细胞工程与显微操作技术,一、细胞培养细胞培养就是将动植物组织或细胞从机体取出，分散成单个细胞或直接以单细胞生物，给予必要的生长条件，让其在培养瓶中或培养基上继续生长与增殖。（一）动物细胞培养从机体取出立即培养的细胞叫原代细胞。适应在培养条件下持续传代培养的细胞为传代细胞。通过纯系化或选择法从原代培养细胞中分离出来的细胞群体叫细胞株，细胞分裂周期约限于5060次。,从原代细胞或细胞株中获得的可无限传代的细胞叫细胞系。（二）植物细胞培养单倍体细胞培养。原生质体培养：去壁的植物细胞叫原生质体。可培养成植株或体细胞杂交植株。二、细胞工程应用细胞生物学方法，按照预先的设计，有计划地改变或创造细胞遗传物质的技术以及发展这种技术的领域为细胞工程。,细胞工程所使用的技术主要是细胞培养、细胞分化的定向诱导、细胞融合和显微注射等。（一）细胞融合与细胞杂交技术真核生物的体细胞经过培养，两个或多个细胞融合成一个双核或多核细胞的过程叫细胞融合。动物细胞融合一般要用灭活的病毒(如仙台病毒)或化学物质(如聚乙二醇，即PEG）介导；植物细胞事例时，要用纤维素酶去掉纤维素壁。20世纪80年代又发明了电融合技术。细胞融合可以在基因型相同的细胞间进行，也可以在基因型不同的种内细胞间甚至种间细胞间进行。,脾脏,淋巴细胞,（二）单克隆抗体技术1975年英国学者Milestein等开创了将产生抗体的单个细胞同瘤细胞杂交的技术。他们的设计是经绵羊红细胞免过的小鼠脾细胞(B淋巴细胞)与骨髓瘤细胞融合，融合的杂交瘤具有两种亲本细胞的特性即可分泌抗绵羊红细胞的抗体，又可无限增殖。学者们纷纷利用这一技术来制备针对不同抗原的高度纯一的单克隆抗体。单克隆抗体就是单个杂交瘤细胞增殖产生的克隆细胞群分泌的高度纯一的抗体。,脾脏,淋巴细胞,（三）细胞拆合与显微操作技术细胞拆合就是把细胞核与质分离开后将不同来源的细胞质与细胞核相互配合，形成核质杂交细胞。,显微操作技术：即在显微镜下用显微操作装置对细胞进行解剖和微量注射的技术。,第四章细胞膜与细胞表面,第一节细胞膜与细胞表面特化结构,细胞膜又称质膜，是围绕在细胞最外层，由膜脂和膜蛋白构成。一、细胞膜的结构模型1925年Gorter等人提出质膜由双层脂分子构成。1935年Danielli和Davson提出三夹板模型。1972年Singer和Nicolson提出流动镶嵌模型。该模型主要强调膜的流动性；膜蛋白的分布不对称性；这是生物膜的基本特征。,根据已有的实验结果，生物膜具有如下共同特征：镶嵌性。膜的基本结构由脂双层分子层镶嵌蛋白构成，双层脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相。流动性蛋白质和类脂分子具有相对侧向流动性，不对称性。膜两侧的分子性质和结构不同。蛋白质极性。多肽链的极性区突向膜表面，非极性部位埋在脂双层内。二、膜脂（一）成分膜脂主要包括磷脂、糖脂、胆固醇三种类型。(二）膜脂的运动方式膜脂分子的热运动方式：1、侧向运动；2、自旋运动；3、尾部摆动；4、翻转运动。,三、膜蛋白（一）类型膜蛋白可分为两类：膜周边蛋白和膜内在蛋白。外在膜蛋白为水溶性蛋白，分布在膜表面，与膜结合较疏松，用温和的方法就可从膜上分离下来，膜结构并不被破坏。内在蛋白多为跨膜蛋白，也有些插入脂双层中，与脂双层分子结合紧密。只有用去垢剂使膜崩解后才可分离出。,（三）去垢剂是分离与研究膜蛋白的常用试剂，可使细胞膜分解。四、膜的流动性（一）膜脂的流动膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动。（二）膜蛋白的流动,五、膜的不对称性（一）细胞膜各部分的名称（二）膜脂的不对称性是指膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。糖脂的分布表现出完全不对称性。（三）膜蛋白的不对称性膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性。各种生物膜的特征及其生物学功能主要由膜蛋白来决定的。,六、细胞质膜的主要功能：为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境选择性的物质运输并伴随着能量的传递；细胞识别与信息传递；为多种酶提供结合位点；介导细胞与细胞、细胞与基质这间的连接参与形成细胞表面特化结构。,七、骨架与细胞表面的特化结构细胞表面的特化结构包括膜骨架、鞭毛、纤毛、变形足和微绒毛等，它们都是细胞质膜与膜内细胸骨架纤维形成的复合结构，分别于维持细胞的形态、细胞的运动、细胞与环境的物质交换等功能有关。（一）膜骨架膜骨架是指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持细胞质膜的形状并协助完成多种功能。红细胞的膜骨架成分主要包括：肌动蛋白等。,细胞连接,细胞连接是多细胞有机体中相邻细胞之间通过质膜相互联系、协同作用的重要结构。主要有3种类型：一、封闭连接封闭连接的主要形式是紧密连接。紧密连接存在于上皮细胞之间二、锚定连接,三、通讯连接（一）间隙连接间隙连接相邻处质膜间的间隙为23nm。,（二）胞间连丝高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接，完成细胞通讯联络。,动物细胞间信息传递以之为主,（三）化学突触化学突触是存在于可兴奋细胞之间的细胞连接方式，它通过释放神经递质来传导神经冲动。,第五章物质的跨膜运动与信号传递,物质的跨膜运动物质通过细胞膜的转运主要有三种途径：被动运输、主动运输和胞吞与胞吐作用。一、被动运输(一)简单扩散,(二)协助扩散有膜转运蛋白协助的小分子物质沿其浓度梯度减小方向的跨膜运动。不消耗细胞代谢能量，这点和简单扩散相同。因此，二者被称为被动运输。协助扩散具有如下特征：转运速率高；存在最大转运速率；具有特异性；有膜转运蛋白参与。膜转运蛋白分为两类：载体蛋白和通道蛋白。1、载体蛋白及其功能每种载体蛋白能与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质分子的跨膜转运。,载体蛋白，可同特异性底物（溶质）结合，一种特异性载体只转运一种类型的分子或离子。2、通道蛋白及其功能通道蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子结合，横跨膜形成亲水通道，允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过绝大多数通道蛋白是多次跨膜的离子通道，具有两个显著的特征：具有离子选择性，而且转动速率高，净驱动力是溶质跨膜的电化学梯度；离子通道是门控的，即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，并通过通道开关应答于适当的信号。,二、主动运输主动运输是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度运输的跨膜运动方式，此过程需要能量供应。根据主动运输过程所需能量来源的不同可归纳为：由ATP直接提供能量和间接提供能量以及光能驱动的三种基本类型。,(一)由ATP直接提供能量的主动运输钠钾泵,在细胞膜两侧存在着很大的离子浓度差，一般的动物细胞要消耗13的能量来维持细胞内低Na+高K+离子环境，Na+和K+的逆浓度与电化学梯度输入和输出的跨膜运动就是由ATP直接供能，通过质膜上的Na+K+泵来完成的，是典型的主动运输方式。,由ATP直接供能,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+,三、胞吞作用与胞吐作用真核细胞通过胞吞作用与吞噬作用完成大分子颗粒性物质的跨膜运输。,第二节细胞通讯与信号传递,一、细胞通讯与细胞识别(一)细胞通讯细胞通讯是指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生反应的过程。细胞以三种方式进行通讯：分泌化学信号(例通过化学突触传递信号分子）；直接接触；间隙连接。细胞间直接接触，通过与质膜结合的信号分子与其相接触的靶细胞质膜上的受体分子相结合，影响其他细胞。,(三)细胞的信号分子与受体1、细胞的信号分子根据其溶解性通常可分为亲脂性和亲水性两类：亲脂性信号分子，主要代表是甾类激素和甲状腺素。亲水性信号分子，包括神经递质、生长因子、局部化学递质和大多数激素。,2、受体是一种能够识别和选择性地结合某种配体（信号分子）的大分子，与配体结合后，产生化学的或物理的信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。受体多为糖蛋白，一般包括两个功能区域，与配体结合的区域及产生效应的区域。根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为细胞内受体和细胞表面受体。3、第二信使与分子开关第二信使第一信使与受体作用后在细胞内最早产生的信号物质称为第二信使。目前公认的第二信使有cAMP、三磷酸肌醇(IP3)、二酰基甘油(DG)等，Ca2+是磷脂酰肌醇信号通路的“第三信使”。,cAMP信号通路信号分子与受体结合后，通过与GTP结合的调节蛋白(G蛋白)的耦联，在细胞内产生第二信使，从而引起细胞的应答反应。,肝糖原降解主要与cAMP信号通路有关,细胞信号传递的基本特征(1)多途径、多层次的细胞信号通路具有收敛或发散的特点。(2)细胞的信号转导具有专一性又有作用机制的相似性。(3)信号转导过程具有信号放大作用，但这种放大作用又必需受到适度控制，这表现为信号放大作用与信号所启动的作用的终止并存。(4)当细胞长期暴露在某种形式的刺激下，细胞对刺激的反应将会降低，这就是细胞进行适应。,第六章细胞质基质与细胞内膜系统,细胞内膜系统是指在结构、功能或发生上相关的膜围绕的细胞器或细胞结构，主要指内质网、高尔基体、溶酶体和分泌泡等。第一节细胞质基质一、细胞质基质的涵义细胞质基质：主要含有与中间代谢有关的数千种酶类以及与维持细胞形态和物质运输有关的细胞质骨架结构。已有的证据显示，细胞质基质可能是一个高度有序且又不断变化的结构体系，细胞骨架纤维贯穿其中。,二、细胞质基质的功能1、许多中间代谢过程在细胞质基质中进行。包括糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径、糖原合成与分解以及蛋白质与脂酸肪的合成等。2、细胞质骨架是细胞基质的主要结构成分，与维持细胞形态、细胞运动、物质运输及能量传递有关。3、与蛋白质的修饰及选择性降解有关（1）蛋白质的修饰在细胞质中发生的蛋白质修饰的类型主要有：辅酶或辅基与酶的共价结合；磷酸化与去磷酸化，用以调节很多蛋白质的生物活性；糖基化；对某些蛋白质的N端进行甲基化修饰；酰基化；,（2）控制蛋白质的寿命（3）降解变性和错误折叠的蛋白质（4）帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠形成正确的分子构象最近有人提出细胞质基质主要是由微管、微丝和中等纤维等形成的相互联系的结构体系。其中蛋白质和其它分子以凝聚状态或暂时的凝聚状态存在，它与周围溶液中的分子处于动态平衡。,内质网是由封闭的膜系统及围成的腔形成的互相沟通的网状结构。在不同类型细胞中或同一细胞不同生理状态下，内质网的数量、类型与形态差异很大。一、内质网的两种基本类型内质网是连续的整体结构，可分为两种基本类型。1、粗面内质网（rER）rER多呈扁囊状，表面附有核糖体。其主要功能是合成分泌性的蛋白质和多种膜蛋白。）2、光面内质网（sER）光面内质网常由分支的管道形成复杂的网状，膜上无核糖体附着。sER是合成脂类的重要场所,二、内质网的功能内质网是细胞蛋白质与脂质合成的基地，几乎全部的脂质和多种重要的蛋白质都是在内质网上合成的。1、蛋白质的合成所有蛋白质的合成都起始于细胞质基质中的核糖体上。有些蛋白质合成开始不久即转至内质网上，这些蛋白包括：分泌蛋白；膜蛋白；需要与其它细胞组分严格隔离的蛋白（如内质网、高尔基体和溶酶体中的蛋白质）；需要进行复杂修饰的蛋白。,2、脂类的合成sER合成了几乎全部的膜脂。膜脂在光面内质网的细胞质基质膜面上合成，随后部分膜脂转移到内质网腔面膜上，进而通过出芽的方式或磷脂转换蛋白的协助，运送到其他部位。3、蛋白质的修饰与加工蛋白质在内质网中的化学修饰主要有：糖基化、羟基化、酰基化与二硫键的形成等。糖基化伴随着多肽合成同时进行，是内质网中最常见的蛋白质修饰4、新生的多肽折叠与装配,5、其它功能：（主要指光面内质网）肝细胞中的光面内质网具有解毒功能、固醇类激素的合成、与糖原分解有关等。肝细胞中含有发达的特化的光面内质网，称肌质网。肌质网的主要功能是贮存Ca2。,一、高尔基体的形态结构高尔基体由一些排列较为整齐的扁平的膜囊堆叠在一起，这些扁囊均由光滑的膜围成，构成高尔基体的主体结构高尔基体是一种有极性的细胞器，表现在它在细胞中有恒定的位置，物质从高尔基体的一侧进入，从另一侧输出；扁囊堆常明显地具一凸面和一凹面。凸面（形成面、顺面）靠近细胞核，凹面（成熟面、反面）面向细胞质膜,二、高尔基体的功能高尔基体蛋白质的加工、分选、包装与运输以及在细胞“膜流”中起重要作用。此外，蛋白质的糖基化及其复杂的加工与修饰。多肽的酶解加工以及多糖合成等也发生在高尔基体中1.高尔基体与细胞的分泌活动有关。最有力的证据是放射示踪实验。除分泌性蛋白外，很多细胞膜上的膜蛋白、溶酶体中的酸性水解酶及胶原纤维等细胞外基质成分都是通过高尔基体完成其定向转动过程,2、蛋白质的糖基化及修饰在粗面内质网上合成的糖蛋白在内质网和高尔基体中发生了糖基化。3、蛋白酶的水解和其他加工过程,很多蛋白质经与高尔基体结合的蛋白水解酶的作用,经特异地水解才成为有生物活性的多肽。如胰岛素。硫酸化作用也在高尔基体进行。三、高尔基体与细胞内的膜泡运输分泌性蛋白，多数质膜的膜蛋白都是在粗面内质网上合成，经高尔基体的加工与分装通过膜泡运输的方式进入细胞表面，同样通过内吞作用质膜外的复杂物质及质膜的膜蛋白以膜泡运输的方式进入细胞内。在这种膜泡运输过程中，细胞内形成复杂的“膜流”，高尔基体在膜流的调控中起着枢纽作用。高尔基体膜无论在厚度上或是化学组成上均介于内质网与质膜之间，说明从高尔基体的形成面到成熟面必然存在着膜的转化过程。,溶酶体是外包单层膜、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。其主要功能是进行细胞消化。溶酶体几乎存在于所有的动物细胞中，植物细胞内也有与溶酶体功能类似的细胞器圆球体、糊粉粒及中央液泡。一、溶酶体的结构类型溶酶体是一种多样性和异质性的细胞器。根据溶酶体处于其生理功能的不同阶段，一般可分为以下几类。1、初级溶酶体呈球形，直径约0.20.5m，内容物均一，外面由一层脂蛋白膜围绕，其中含有多种水解酶类,以包括蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、磷酸酯酶和硫酸酸酶等。它们都是酸性水解酶，最适PH为5左右溶酶体膜在成分上与其它生物膜有所不同。,溶酶体,2、次级溶酶体次级溶酶体为消化泡，是初级溶酶体与细胞内的自胞饮或吞噬泡融合形成的复合体，分别称为自噬溶酶体和异噬溶酶体。3、残余小体（后溶酶体）这些小体己失掉了酶，仅余留未消化的残渣在内，又叫残体。残体可通过类似胞吐的方式将内容物排出细胞。酸性磷脂酶为溶酶体的主要标志酶,二、溶酶体的功能1、消化无用的生物大分子、衰老的细胞器及细胞。自噬现象是真核细胞中细胞成分的更新和转化的基本特征。由于溶酶体功能缺陷而引起的多种病症。使人们越来越多地关注与研究溶酶体在细胞内的清道夫作用。2、防御功能是某些细胞特有的功能，它可以识别并吞噬入侵的病毒或细菌，形成异噬溶酶体。在溶酶体的作用理将其杀死并降解。3、其它功能正常的消化作用，为细胞提供营养。在分泌细胞中，溶酶体常常摄入分泌颗粒，可能参与分泌过程的调节。细胞的自溶作用。清除动物发育过程中的某些细胞。,第七章细胞的能量转换线粒体和叶绿体,线粒体和叶绿体以类似的方式合成ATP线粒体和叶绿体都是半自主性细胞器。,一、线粒体的结构外膜：通透性高。内膜：通透性低，只有不带电荷的小分子才能通过。内膜和嵴的基质面上有许多排列规则的基粒,第一节线粒体与氧化磷酸化,膜间隙：内外膜之间的空隙，它延伸到嵴的轴心部（嵴内隙），内含许多可溶性酶类、底物和辅助因子。基质,基质中有催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸氧化、蛋白质合成等有关的酶类和其它成分，如环状DNA、RNA、核糖体及较大的致密颗粒，其作用主要是贮存Ca。,线粒体脂类主要成分是磷脂。线粒体内外膜在化学组成上根本不同是脂类和蛋白质的比值不同。内膜的脂类与蛋白质的比值低，外膜中比值较高。2、线粒体酶的定位线粒体约有140种酶，分布在各个结构组分中，有的可作为某一部位所特有的标志酶，如外膜的单胺氧化酶，膜间隙的腺苷酸激酶，内膜的细胞色素氧化酶，基质中的苹果酸脱氢酶,二、线粒体的化学组成及酶定位1、线粒体的化学组成线粒体的化学成分主要是蛋白质和脂类,三、线粒体的功能线粒体的主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量。线粒体是糖、脂肪、和氨基酸最终释能的场所。,糖和脂肪等营养物质在细胞质中经过酵解作用产生丙酮酸和脂肪酸。这些物质选择性地从细胞质进入线粒体基质中，经过一系列分解代谢形成乙酰CoA，即可进入三羧酸循环。三羧酸循环脱下来的氢经线粒体内膜上的电子传递链（呼吸链），最后传递给氧，生成水。在此过程中能量水平较高的电子，经过电子传递降到较低水平，所释放的能量通过ADP的磷酸化，生成高能磷酸键ATP，从能量转换的角度，线粒体内膜起着主要作用。(一）氧化磷酸化的分子结构基础氧化磷酸化是有氧呼吸中同电子传递相耦联的ATP合成。氧化（放能）和磷酸化（贮能）是同时进行并密切耦联在一起的，但却是两个不同的结构系统。电子传递链的各种组分均存在于线粒体内膜中，而基粒则是ATP合成的关键结构。,四、线粒体与疾病线粒体与人的疾病、衰老和细胞凋亡有关。线粒体的异常会影响整个细胞的正常功能，从而导致病变。克山病就是一种心肌线粒体病，因营养缺乏（缺硒）而引起。,二、叶绿体的结构和化学组成叶绿体由叶绿体膜（被膜）、类囊体和基质3部分构成。叶绿体膜双层单位膜即内膜和外膜组成，内外两层膜之间为膜间隙，外膜通透性大，许多化合物如核苷、无机磷、磷酸衍生物等均可透过，因此，细胞质中的大多数营养分子可以自由进入膜间隙。内膜对物质透过的选择性较强，是细胞质和叶绿体的功能屏障。有些化合物如磷酸甘油酸需由内膜上的特殊载体转运。叶绿体的主要成分是蛋白质和脂类。,第二节叶绿体与光合作用,在类囊体膜中镶嵌有大量和光合作用有关的叶绿素蛋白质复合物颗粒。集中了光合作用能量转换功能的全部组分。它们分别装配在光系统（PS）和光系统（PS）、等主要的膜蛋白复合物中。色素蛋白复合物在类囊体中呈不对称分布。,（三)基质叶绿体膜与类囊体之间充满无定型的物质称为基质。基质中含有核糖体、环状DNA、RNA、脂滴、淀粉粒、植物铁蛋白等。,一、线粒体和叶绿体的DNA线粒体DNA(mtDNA)呈双链环状，各种生物的mtDNA大小不一样，每个线粒体中约含6个mtDNA，叶绿体DNA(ctDNA)也呈双链环状，其大小差异较大。每个叶绿体中约含12个ctDNA分子，mtDNA和ctDNA均以半保留方式自我复制，mtDNA在S期和G2期复制，ctDNA在G1期复制。二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成除DNA外，线粒体和叶绿体中还有RNA、核糖体、氨基酸活化酶等，说明这两类细胞器具有自我繁殖所必需的基本成分，具有独立转录和转译的功能。,线粒体和叶绿体是半自主性细胞器,现已知线粒体仅能编码13种多肽并在线粒体核糖体上合成；叶绿体仅有60多种特有的蛋白质是在叶绿体内合成。而参与线粒体与叶绿体的蛋白质各有上千种之多，可见线粒体和叶绿体的绝大多数蛋白质是由核基因编码，在细胞质核糖体上合成。这就是说，线粒体和叶绿体的自主成分是有限的，对核质遗传系统有很大的依赖性。由此可见，线粒体和叶绿体的生长和增殖是受核基因组及其自身的基因组两套遗传系统的共同控制，所以称为半自主性细胞器。,线粒体和叶绿体的增殖主要通过分裂进行的。,一中期染色体的形态结构1根据染色体的位置,可将染色体分为4种类型：中着丝粒染色体,近中着丝粒染色体,近端着丝粒染色体,端着丝粒染色体。,随体位于染色体末端的球形染色体节段,三、核型与染色体显带核型是指染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小、形态特征的总和。,染色体显带技术是用特殊的染色方法，使染色体产生明显的暗带与明带相间的带型，形成鲜明的染色体个体性。,二、核仁的功能核仁的主要功能涉及核糖体的生物发生。,核糖体的基本类型有两种:原核细胞的核糖体为70S，真核细胞的线粒体与叶绿体近似于70S，真核细胞的为80S。核糖体均由大小两个亚单位组成,细胞骨架是指真核细胞中的蛋白质纤维网架体系。广义的细胞骨架包括细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架和细胞外基质；狭义的细胞骨架指细胞质骨架，由微丝、微管、中间纤维和微梁组成。细胞骨架与其它细胞器明显不同，具有弥散性、整体性和变动性是其鲜明的特点,微丝又称肌动蛋白纤维，由肌动蛋白组成，为骨架纤维。,微丝的功能1、肌肉收缩2、微绒毛：微绒毛的微丝轴心起维持微绒毛的作用。等,微管的功能1、维持细胞形态2、细胞内运输3、鞭毛和纤毛运动4、纺锺体和染色体运动5、中心粒运动,在哺乳动物细胞中发现10nm纤维，因其直径介于粗肌丝和细肌丝之间，故被命为中间纤维。功能不很清楚,细胞周期指连续分裂的细胞从一次分裂中期到下一次分裂的中期所经历的过程。正常情况下，沿着G1SG2M期运转。,细胞增殖及其调控,tG1变化最大，而tG2+tS+tM则相对稳定。从增殖的角度看，细胞可分为3类：连续分裂细胞（周期中细胞）；在细胞周期连续运转。静止期细胞（G0期细胞）；暂时脱离细胞周期，不进行增殖，但在适当刺激下可重新进入细胞周期的细胞。周期中细胞转化为G0期细胞多发生在G1期。终端分化细胞。分化程度很高，一旦生成后，则终生不再分裂。,细胞周期中各个不同时期及主要事件G1期合成细胞生长所需要的各种蛋白质、糖类、脂类等，但不合成DNA。细胞周期的运转是沿着G1SG2M的顺序进行的，不同时期出现不同的关键性事件细胞周期的运转十分有序。这是基因有序表达的结果，与细胞分裂有关的基因，叫细胞分裂周期基因（cdc基因）。此种基因的有序表达，是受到一些控制点调控和监控的。如酵母细胞在DNA开始的稍前有启始点，在哺乳类叫R点（限制点，检验点）。检验点不仅存在于G1期，也存在于其他时期，如S期检验点、G2期检验点、纺锤体检验点等,这些特异的监控机制（检验点）可以监别细胞周期中的错误，并诱导产生特异的抑制因子，阻止细胞周期进一步运行。2、S期S期即DNA合成期。新的组蛋白也是在S期合成的。真核细胞新合成的DNA立即与组蛋白结合，共同组成核小体串珠结构。3、G2期细胞核内DNA的含量已经增加一倍。其它结构物质和相关的亚细胞结构也已进行了进入M期的准备。但细胞能否顺利地进入M期，要受到G2期检验点的控制。4、M期M期即细胞分裂期。,减数分裂（一）减数分裂前间期最大特点在于S期持续时间较长。另外还发现，在一种L蛋白，在前间期与上述DNA小片段结合，阻止其复制。（二）减数分裂过程1、减数分裂期,（1）前期根据细胞形态的变化，又可将前期人为地划分为细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期等5个阶段。细线期（凝集期）染色质开始凝集，但乃呈单条细线。偶线期（配对期）主要发生同源染色体配对，此过程称为联会。粗线期（重组期）染色体明显变粗，同源染色体之间发生DNA片段交换。双线期（合成期）同源染色体分开，但有几点相连，同源染色体之间的接触点称为交叉。终变期（再凝集期）染色体更加变粗。交叉明显，数量减少。核膜、核仁消失。纺锤体形成。,1879年，德国人W.Flemming观察了蝾螈细胞的有丝分裂，于1882年提出了mitosis这一术语。德国人E.Strasburger在植物细胞中发现有丝分裂。1883年，比利时人E.vanBeneden发现马蛔虫Ascarismegalocephala的减数分裂现象。,三、细胞学的发展,细胞在发生形态分化之前，就已受到限定而向特定方向分化，这一时期称为细胞决定。随着分化程度的增进，细胞分裂能力逐渐下降，高度分化的细胞往往不再发生分裂。,细胞分化与基因表达调控,细胞分化是基因选择性表达的结果细胞分化是由于基因选择性表达各自特有的专一性蛋白质而导致细胞形态、结构、与功能的差异。不同类型的细胞在发育过程中表达一套特异的基因，其产物不仅决定细胞的形态结构，而且执行各自的生理功能。（二）组织特异性基因与管家基因事实上，细胞中的基因并不都和细胞分化有直接关系。,基因按其和细胞分化的关系可分为两类1、奢侈基因：指与各种分化细胞的特殊性状有直接关系的基因群而对细胞生存并无直接影响。2、持家基因：指维持细胞最低限度的功能所不可基因。由此可知，细胞分化最主要的特征是各种细胞各合成了特定的蛋白质和具有不同的表型，这主要是或某些奢侈基因中的某种特定基因有选择性地表达式结果。3、调节基因：其产物用于调节特异性基因表达，或者起激活作用，或者起阴抑作用。真核生物中差别基因的表达要在表达链的各级水平上受到调节，这要涉及到转录水平、RNA加工、翻译和蛋白质修饰。,（四）单细胞有机体的细胞分化单细胞生物甚至原核生物也存在细胞分化问题。多细胞有机体在其分化程序与调节机制方面显得更为复杂。（备注）（五）转分化与再生一种类型的分化细胞转变成另一类型的分化细胞的现象称转分化。转分化往往经历去分化和再分化的过程。去分化又称脱分化，是指分化细胞失去其特有结构与功能变成具有未分化细胞特征的过程。,在植物细胞中，去分化细胞变为薄壁细胞，组成愈伤组织。生物体的整体部分器官受外力作用发生创伤而部分丢失，在剩余部分的基础上又生长出与丢失部分在形态上相同的结构，这一修复过程称为再生。再生现象又从另外一个侧面反映了细胞的全能性。,二、影响细胞分化的因素（一）细胞的全能性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，称为细胞的全能性。不仅是受精卵，任何未分化或已分化的细胞都有分化为各种结构、功能细胞的可能性，因为它们都含有物种的整套基因。,真核细胞基因表达的调控是多级调控系统，主要发生在三个彼此相对独立的水平上：1、转录水平的调控：决定某个基因是否会被转录，并决定转录的频率。2、加工水平的调控：决定初始mRNA转录（hnRNA）被加工为能翻译成多肽的信使RNA（mRNA）的途径，选择性剪接是一种广泛存在的RNA加工机制，通过这种方式，一个基因能编码两个或多个相关蛋白质，产生蛋白质多样性，这是在RNA加工水平上调节基因表达的重要方式。,真核细胞基因表达的调控,3、翻译水平的调控：决定某种mRNA是否会真正得到翻译，如果能得到翻译，还决定翻译的频率和时间长短。翻译水平的调控机制，一般都是通过细胞质中特异的mRNA和多种蛋白质之间的相互作用来实现的。涉及到mRNA的细胞质定位，mRNA翻译的调控稳定性的调控等。,研究发现，物种寿命与培养细胞之间存在着正相关的关系，即寿命愈长，其培养细胞的传代次数愈多。反之，其培养细胞的传代次数愈少。对于在体外培养的二倍体细胞，是细胞核决定细胞的衰老；就细胞内外环境因素而言，是细胞内部因素决定细胞的衰老。二、细胞在体内条件下的衰老在生活的有机体内，细胞的衰老和死亡是常见的生命现象。衰老是细胞分裂速度减慢，其原因主要是G1期明显延长，S期的长度变化不大。,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。由于细胞凋亡受到严格的由遗传机制决定的程序性调控，所以也常常被称为细胞编程性死亡（PCD）。它普遍地存在于动物和植物中。细胞凋亡在有机体生长发育过程中具有极其重要的意义，如对多细胞个体发育的正常进行、自稳平衡和保持以及抵御外界各种因素的干扰都起着关键的作用。,细胞凋亡与坏死细胞凋亡是一种主动的由基因决定的细胞自我破坏过程，而坏死则是极端的物理、化学因素或严重的病理性刺激引起的细胞损伤和死亡。两者的最大的区别是整个细胞凋亡过程中内含物不泄露，不引起细胞炎症反应。细胞凋亡的形态学特征在细胞凋亡过程中，形态结构发生了明显的变化。,一般认为，动植物细胞的凋亡具有共同的或相似的机制，已经发现了一些与凋亡有关的基因和酶，但对凋亡的分子机制了解很甚少。总之，细胞衰老与凋亡的关系是一个相当复杂的问题，两者既有联系又不相同，在长期的进化过程中形成的这种复杂的机制对于维持生物体的正常功能是极其重要的。,HIV侵染淋巴细胞,1981年，美国首次发现艾滋病，1983年，法国巴斯德研究所的LucMontagbier发现AIDS病毒。艾滋病的全称为AcquiredImmunoDeficiencySyndrome，由人类免疫缺陷病毒HIV引起。我国于1985年发现。HIV有以下特点：嗜T淋巴细胞；整合宿主细胞终身难以消除；多变性，基因变异是艾滋病病毒致病能力增强之原因；广泛存在于感染者的血液、精液、阴道分泌物以及唾液、尿液、脑脊液及有神经症状者的脑组织中；较乙肝病毒对外界的抵抗力低，5630分钟就可以使其灭活；感染者潜伏期长、病死率高；基因组比已知的任何逆转录酶病毒基因都复杂。,1982年，美国人S.B.Prusiner在患羊瘙痒病的羊体内发现蛋白质感染因子（prion）。更新了医学感染的概念，获1997年诺贝尔生理医学奖。,PrPC,PrPSC,1983年，美国人K.B.Mullis发明PCR仪（是一项在短时间内大量扩增特定的DNA片段的分子生物学技术），于1993年获诺贝尔化学奖。1988年美国Cetus公司获PCR技术专利，1990年其诊断试剂盒和仪器的销售额达2600万美元,人类经历了漫长的采猎文明后，约在一万年前进入农业经济时代，18世纪60年代，英国率先进入工业经济，20世纪50年代美国最早走完工业经济的历程，进入信息时代。据专家估计这一经济形态的“寿命”为7580年，到本世纪20年代将渐渐失去活力，届时人类迎接下一个经济时代，即生物经济时代的到来。,对未来的展望,基因克隆和重组技术日趋成熟，在商业目的的驱使下，人类将大量的改造物种，开始了偏离自然进化规律的二次“创世纪”。人类基因组计划完成，进入以基因功能为主要研究内容的后人类基因组计划。人类将解读自身大约10万个基因的含义，到时危害人类健康的5000多种遗传病，以及与遗传密切相关的癌症、心血管疾病、关节炎、糖尿病、高血压、精神病等，都可以得到早期诊断和治疗。基因工程药物将得到广泛的应用，目前人工干扰素售价高达440亿美元/Kg。,GeneChip(基因芯片),细菌的质粒是除核区DNA外，可进行自主复制的遗传因子，是裸露的环状DNA分子，所含遗传信息量为2200个基因。能进行自我复制，有时能整合到核DNA中去。质粒常用作基因重组与基因转移的载体。,细菌的质粒,植物细胞工程,原理,植物细胞工程的理论基础是建立在植物细胞的全能性这一理论基础上的。所谓植物细胞全能