细胞生物学基础-概述

细胞生物学基础,北京四环生物生产部二车间甘富2014-03-28,细胞生物学是一门有交集的学科,遗传学,分子生物学,生物化学,细胞生物学,物理学,Part1细胞生物学发展简史Part2细胞的基本内涵与分类Part3结构（静态）细胞生物学Part4功能（动态）细胞生物学Part5细胞生物学的应用,内容提纲,Part1细胞生物学发展简史,细胞生物学萌芽时期,经典细胞学时期,实验细胞学时期,现代细胞分子生物学时期,19世纪以及更前时期,19世纪最后25年,20世纪前半个世纪,超微结构的研究生物化学的渗透分子水平的深入系统生物学的发展,20世纪50-60年代以来,（1）胡克与显微图谱,英国物理学家胡克（RobertHooke)用自己设计并改善的显微镜对多种生物进行观察。在1665年发表了显微图谱，书中首次描述了软木塞的显微结构，并用“cella”(拉丁语小室）一词来描述多孔的、类似蜂巢的结构，这对细胞学的建立和发展具有开创性的意义。实际上只是观察到纤维质的细胞壁。,1.1细胞生物学的萌芽时期,（2）列文虎克观察到活细胞,1674年荷兰布商列文虎克（AntonievanLeeuwenhoek)亲自磨制透镜，装配了高倍显微镜（300倍左右）观察到了血细胞、池塘水滴中的绿藻、原生动物、人类和哺乳动物活的精子，这是人类第一次观察到完整的活细胞。,（3）细胞学说,1838年德国植物学家施莱登（M.J.Schleiden）发表了植物发生伦，指出细胞是构成植物的基本单位。1839年德国动物学家施旺（M.J.Schwann)发表了他的关于动植物的结构与生长一致性的显微研究论文，指出动植物都是细胞的集合物。两人共同提出：一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位。这就是著名的细胞学说。细胞学说补充：1858年，德国医生和病理学家魏尔肖指出：细胞只能来自细胞。,1.2经典细胞学时期（1）原生质理论的提出,1840年普金耶（Pukinje)和1846年冯.莫尔(VonMohl)首次将动物、植物细胞的内含物称为“原生质”（protoplasm）。1861年舒尔策(MaxSchultze)提出了原生质理论，认为有机体的组织单位是一小团原生质。1880年Hanstein提出“原生质体”(protaplast)的概念,因此细胞的最后概念就变成由细胞膜包围的一团原生质，分化为细胞膜与细胞质。,（2）细胞分裂的研究,1841年Remak发现鸡胚血细胞的直接分裂。Flemming在动物细胞中，Strasburger在植物细胞中发现有丝分裂，并证实有丝分裂的实质核内丝状物（染色体）的形成及其向两个子细胞的平均分配。VanBeneden（1883年）和Strasburger（1886年）分别在动物和植物细胞中发现减数分裂。,（3）重要细胞器的发现,3种技术进步：（1）显微镜分别率的提高（2）石蜡切片方法（3）染色方法各种细胞器相继发现：例如1883年VanBeneden和Boveri发现中心体1894年Altmann发现线粒体Golgi发现高尔基体,1.3细胞遗传学的发展,1876-1893年O.Hertwing、VanBeneden、Strasburger、Overton等在动植物中发现受精现象。1900年，孟德尔在34年前发表的遗传法则被重新发现。基因分离定律基因自由组合定律1905年，Borveri和Sutton提出染色体学说。1910年，摩尔根（Morgan）证明基因是决定遗传性状的基本单位，而且直线排列在染色体上，建立了基因学说。,1.4细胞分子生物学的发展,1953年4月25日，克里克和沃森在英国杂志自然上公开了他们的DNA模型。,（1）DNA双螺旋结构模型提出,（2）重组DNA技术的发展也称基因工程技术、基因克隆技术、分子克隆技术（3）单克隆抗体技术的发展（4）干细胞与克隆技术的发展生物治疗方面的潜在应用（5）组学的发展基因组、转录组、蛋白质组、代谢组、糖组（6）系统生物学,（1）细胞是构成有机体的基本结构单位。（2）细胞是代谢与功能的基本单位。（3）细胞是有机体生长与发育的基础。（4）细胞是遗传的基本单位，具有遗传的全能性。（5）没有细胞就没有完整的生命体。,2.1细胞是生命活动的基本单位。,2.2细胞的分类,进化地位、结构复杂度、遗传装置、生命活动方式,原核细胞,真核细胞,（1）原核细胞,原核细胞特征：遗传信息量小，没有分化出膜类的细胞器。原核生物种类:一般认为原核生物都是单细胞生物，原核生物是由原核细胞组成的生物，包括细菌、蓝细菌、放线菌、支原体等。,真核细胞是指含有被核膜包围的细胞核的细胞。其染色体数在一个以上，能进行有丝分裂。除细菌和蓝藻植物的细胞以外，所有的动物细胞以及植物细胞都属于真核细胞。,（2）真核细胞,真核细胞三大系统:生物膜结构体系遗传信息表达结构系统细胞骨架系统,真核细胞结构模式图,3.1细胞膜的基本结构3.2细胞质与细胞器3.3细胞骨架结构3.4细胞核与染色体3.5细胞与其外环境的相互作用,3.1细胞膜的基本结构,在电子显微镜下，用四氧化锇固定的细胞膜具有明显的“暗-明-暗”三条平行的带，其内、外两层暗带由蛋白质分子组成，中间一层明带由双层脂类分子组成，三者的厚度分别约为2.5nm、3.5nm和2.5nm，这样的膜称为单位膜（unitmembrane）或生物膜（biomembrane）。）,细胞膜又称质膜（plasmalemma），是指围绕在细胞最外层，主要由脂类、蛋白质、少量糖组成的极薄的膜。,3.1.1细胞膜的功能,（1）稳定的内环境（2）物质跨膜运输（3）信息传递（4）细胞连接和黏着,3.1.2细胞膜的特点,（1）结构特点流动性不对称性（2）生理特点选择透过性,3.2细胞质与细胞器,3.2.1细胞质（1）概念细胞质（cytoplasm）是细胞质膜包围的除核区外的一切半透明、胶状、颗粒状物质的总称。含水量约80%。细胞质的主要成分为核糖体、贮藏物、多种酶类和中间代谢物、质粒、各种营养物和大分子的单体等。（2）主要功能为各种细胞器维持其正常结构提供所需要的离子环境，为各类细胞器完成其功能活动供给所需的一切底物，同时也是进行某些生化活动的场所。,3.2.2细胞器,（1）线粒体(动植物细胞共有）双层膜细胞器“能量代谢工厂”氧化磷酸化合成ATP电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATPE+ADP+PiATP半自主性细胞器,ATP合酶,（2）叶粒体(植物细胞）,外部：双层膜具有选择透性，使内部与外界分开内部：基粒几个到几十个内囊体结构堆叠成片层结构分布光合色素，具吸收、传递、转换光能作用；含有与光合作用有关的酶。基质充满了内部空间，含有许多进行光合作用的酶，含有少量的DNA。,绿色植物叶肉细胞中进行光合作用的细胞器，被比喻为“养料制造工厂”“能量转换站”。,内质网是细胞内的一个精细的膜系统。是交织分布于细胞质中的膜的管道系统。内质网分两类：一类是膜上附着核糖体颗粒的叫糙面内质网。一类是膜上光滑的，没有核糖体附在上面，叫滑面内质网。,（3）内质网,糙面内质网的功能是合成蛋白质大分子，并把它从细胞输送出去或在细胞内转运到其他部位。凡蛋白质合成旺盛的细胞，粗糙型内质网便发达。滑面内质网的功能与糖类和脂类的合成、解毒、同化作用有关，并且还具有运输蛋白质的功能。,（4）高尔基体,高尔基体：由数个扁平囊泡堆在一起形成的高度有极性的细胞器。,功能:高尔基体的主要功能将内质网合成的蛋白质进行加工、分类、与包装，然后分门别类地送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。,（5）核糖体,核糖体是最小的细胞器，在光镜下见不到的结构。核糖体是细胞内一种核糖核蛋白颗粒(ribonucleoproteinparticle），主要由RNA(rRNA）和蛋白质构成。功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质多肽链，所以核糖体是细胞内蛋白质合成的分子机器。,3.3细胞骨架,3.3.1概念指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架体系。狭义：细胞质骨架微管、微丝和中间纤维。广义：细胞质骨架、核骨架、膜骨架、细胞外基质。,3.3.2功能细胞运动物质运输维持细胞形态细胞分裂参与信号转导,3.4细胞核与染色体,细胞核是细胞中最大、最重要的细胞器，细胞核是细胞的控制中心，在细胞的代谢、生长、分化中起着重要作用，是遗传物质的主要存在部位。尽管细胞核的形状有多种多样，但是它的基本结构却大致相同，即主要是由核膜、染色质、核仁和核骨架构成。,3.4.1细胞核,3.4.2染色体遗传物质的特定存在形式,3.5细胞与其外环境的相互作用,细胞外基质是指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖构成的网络结构。组成：结构蛋白（胶原和弹性蛋白）蛋白聚糖黏着蛋白,功能：（1）将细胞黏连在一起构成组织。（2)提供细胞外支架(3)保护细胞,4.1细胞周期与分裂增殖4.2细胞通讯与信号转导4.3细胞分化与基因表达调控4.4细胞的衰老与凋亡,细胞的结构决定功能,细胞周期（cellcycle）是指细胞从一次分裂完成开始到下一次分裂结束所经历的全过程，分为间期与分裂期两个阶段。,4.1细胞周期与分裂增殖,细胞周期简图,DNA复制倍增,大量合成ATP、RNA和蛋白质，为细胞分裂做准备,4.1.1细胞分裂方式,无丝分裂,有丝分裂,减数分裂,（1）无丝分裂,无丝分裂（amitosis）是指处于间期的细胞核不经过任何有丝分裂时期，而分裂为大小大致相等的两部分的细胞分裂方式。,有丝分裂，又称为间接分裂，由W.Fleming（1882年）首次发现于动物及E.Strasburger（1880）年发现于植物。特点是有纺锤体染色体出现，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)。是真核细胞分裂产生体细胞的过程。,（2）有丝分裂,前期：膜仁消失现两体中期：形定数晰赤道齐后期：点分增增均两极末期：两消两现重开始,有丝分裂事件：,（3）减数分裂,减数分裂是指染色体仅复制一次，细胞连续分裂两次，两次分裂中将同源染色体与姐妹染色单体均分给子细胞，使最终形成的配子中染色体仅为性母细胞的一半。受精时雌雄配子结合，恢复亲代染色体数，从而保持物种染色体数的恒定。,两层意思：（1）细胞与细胞之间的通讯（2）细胞与外界环境（信号转导）,4.2细胞通讯与信号转导,4.2.1细胞通讯,细胞通讯（cellcommunication)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相应反应的过程。,三种类型：（1）直接接触型：识别与黏合（2）直接联系型：细胞间隙连接（3）间接联系型：分泌化学信号,4.2.2细胞信号转导（自学）,细胞信号转导(SignalTransduction）是指细胞外因子通过与受体(膜受体或核受体)结合，引发细胞内的一系列生物化学反应以及蛋白间相互作用，直至细胞生理反应所需基因开始表达、各种生物学效应形成的过程。,（1）受体与配体（2）G蛋白cAMP信号通路磷脂酰肌醇信号通路受体络氨酸激酶与信号转导（3）蛋白质的可逆磷酸化（4）多通路、多环节、多层次、高度复杂。（5）信号级联放大效应,4.3细胞分化与基因表达调控,4.3.1细胞分化（1）概念细胞分化（celldifferentiation)是指在个体发育中，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，产生不同的细胞类群的过程。细胞分化的关键在于特异性蛋白质的合成，而特异性蛋白质的合成实质在于基因选择性表达的结构。（时空特异性）肿瘤细胞可以看做是正常细胞分化机制失控的细胞，成为不衰老的永生细胞，丧失分化细胞的正常生理功能。,管家基因：所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是维持细胞基本生命活动所必须。例如：微观蛋白基因、糖降解酶系基因、核糖体蛋白基因等。组织特异性基因：也叫奢侈基因，是指不同的细胞类型特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征和生理功能。例如：卵清蛋白基因、胰岛素基因等。组合调控：每种类型的分化是由多种调控蛋白共同调控完成的。,细胞全能性：是指细胞经分裂和分化后仍具有产生新个体的潜能或特性。例如：受精卵早期的胚胎细胞细胞核的全能性干细胞：具有分化成有限细胞类型及构建组织的潜能。,脐带血-造血干细胞可以用来治疗多种血液系统疾病和免疫系统疾病。包括血液系统恶性肿瘤（如急性白血病、慢性白血病、多发性骨髓瘤、骨髓异常增殖综合症、淋巴瘤等）、血红蛋白病（如海洋性贫血）、骨髓造血功能衰竭（如再生障碍性贫血）、先天性代谢性疾病、先天性免疫缺陷疾患、自身免疫性疾患、某些实体肿瘤（如小细胞肺癌、神经母细胞瘤、卵巢癌等脐带血现在可以保存在脐带血造血干细胞库里。在脐带血库里脐带血经过检测、分离、制备等多道医学工序，冷冻在-196摄氏度的深低温液氮中，并能长期保存。脐带血库全称叫“脐带血造血干细胞库”。是专门提取和保存脐带血造血干细胞并为患者提供查询的特殊医疗机构，国际上也称之为脐血银行（CORDBLOODBANK），或生命银行（LIFEBANK）。它包括公共库和自体库。,4.3.2真核细胞基因表达与调控（自学）,细胞水平,分子水平,转录水平-决定基因是否会被转录，转录频率。,加工水平-hnRNA的编辑、加工、途径,翻译水平-是否会被翻译，翻译的频次。,翻译后水平-折叠、加工、修饰,4.4细胞的衰老与凋亡,衰老实际也是一种生命活动！,细胞不是不死的，而是有一定寿命的，他们的增殖能力不是无限的，而是有一定界限的，这就是有名的Hayflick界限。人二倍体细胞，平均只能传代40-60次。胎儿肺成纤维细胞，传代50次，成人20次。转化细胞：染色体的断裂，形成异倍体，失去正常细胞的特点，获得无限增殖的能力！（1）自发（个别细胞）正常传代培养过程中（2）人为采用某些病毒SV40或化学试剂甲基胆蒽,