竞赛辅导--细胞生物学.ppt

1、细胞生物学,一、细胞生物学的发展 1、细胞的发现：1665年，罗伯特-虎克,2、“细胞学说”的建立, 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。,二、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 磷脂占50 以上：具有一个极性头(非极性分子：电荷在分子中分布对称 ，极性分子：电荷在分子中分布不对称 )和两个由脂肪酸链形成的非极性尾；脂肪酸碳链为偶数 胆固醇只存在于动物细胞、

2、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；它有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，位于表面）和内在膜蛋白（或称整合膜蛋白，镶嵌或者贯穿）。细胞功能越复杂，膜蛋白种类越多。,（3）膜糖类：与膜脂、膜蛋白以共价键形成的糖脂或糖蛋白，接受外界刺激，与细胞识别有关,例如，神经髓鞘主要起绝缘作用，蛋白质只有三种，与脂的重量比仅为0.23。线粒体内膜则功能复杂，因此含有蛋白质的种类约30种40种，蛋白质与脂的比值达3.2之多。构成质膜的蛋白质（包括酶）的种类很多，这和不同种类细胞的质膜功能有关，少则几

3、种，多则可能有数十种。,脂质体的应用：研究细胞膜的特性；可将药物放入脂质体中，结合脂质体技术与抗体技术，使药物有效作用于靶细胞以减少对机体的损伤。,脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。单层脂分子铺展在水面上时，其极性端插入水相而非极性尾部面向空气界面，搅动后形成球形脂质体。,2细胞膜的流动镶嵌模型：,（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

4、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,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

5、运输则需要更高的自由能（自由能指的是在某一个热力学过程中，系统减少的内能中可以转化为对外作功的部分） 。,（2）膜的不对称性：膜蛋白及糖类的不对称性,协助扩散 高浓度底浓度，需要载体蛋白，不耗能。如红细胞吸收葡萄糖。,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 细胞膜上，溶酶体膜以及线粒体内膜、植物内囊体膜,ATP直接提供能量的Na- K泵（还有Ca2+泵等） 一般动物细胞和植物细胞的细胞内K的浓度远远超过细胞外

6、的浓度，相反，Na的含量一般远远低于周围环境。为了细胞逆浓度梯度排出Na，吸收K的机制，发展了一种离子泵的概念，即靠这种泵的作用在排出Na的同时抽进K。现在已经知道离子泵的能量来源是ATP。 每个循环消耗一个ATP分子，泵出3个Na和泵进2个K。凡是具有离子泵的组织细胞，其质膜中都有ATP酶系。有实验证明，当注射ATP给枪乌贼（由于中了毒不能合成自己的ATP）巨大神经细胞时，细胞膜立即开始抽排钠和钾离子，并且一直继续到ATP全部用完为止。地高辛、乌本苷等强心剂抑制离子泵活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。 Na- K泵作用为 ：维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；维持低Na高K的细胞内环境

7、；维持细胞的静息电位。,Na- K泵,胞吞作用与胞吐作用 大分子（如蛋白质、多核苷酸、多糖）或颗粒物质 胞吞作用与胞吐作用都需要细胞提供能量。,（二）细胞膜与细胞连接 在多细胞生物体内，细胞与细胞之间通过细胞膜相互联系，形成一个密切相关，彼此协调一致的统一体，称为细胞连接。动物细胞间的连接方式有封闭连接、锚定连接、通讯连接（包括神经细胞间的化学突触、植物细胞中的胞间连丝）,1、紧密连接(封闭连接中以紧密连接为典型代表，它将相邻细胞的质膜密切地连接在一起阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内)亦称结合小带，这是指两个相邻细胞紧靠在一起，中间没有空隙，而且两个质膜的外侧电子密度高的部分互相融合，存在与

8、脊椎动物细胞中，成一单层，具有隔离和一定的支持功能。连接区域具有蛋白质焊接线，也称嵴线，由跨膜细胞粘附分子构成。这类连接多见于胃肠道上皮细胞之间的连接部位。,2、锚定连接： 桥粒：相邻细胞间的纽扣样连接方式。在桥位处两个细胞质腹之间隔有宽约250的间隙，其中有一层电子密度稍高的接触层，将间隙等分为二。在桥粒处内侧的细胞质呈板样结构，汇集很多微丝。这种结构和加强桥粒的坚韧性有关。桥拉多见于上皮。桥粒化学成分中可能含有很多蛋白质。,3、通讯连接,胞间连丝：植物细胞间特有的连接方式，在胞间连丝连接处的细胞壁不连续，相邻细胞的细胞膜形成直径约20nm40nm的管状结构，使相邻细胞的细胞质互相连通。胞间

9、连丝是植物细胞物质与信息交流的通道，对于调节植物体的生长与发育具有重要作用。,化学突触,（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；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：

10、外膜、内膜、膜间隙和基质,外膜 为一个单位膜，膜中蛋白质与脂类含量几乎均等。标记酶（生物膜含有许多蛋白质和酶，其中一些酶唯一定位在某种膜上，称为标记酶）为单胺氧化酶，物质通透性较高，容许电解物质、水、蔗糖和大至10 000道尔顿的分子自由透入。 内膜 也是一个单位膜，膜蛋白质含量高，占整个膜的80%左右。外膜上可能有小孔，便于小分子的通过。内膜与外膜相反，离子各分子的通过要有特殊的载体帮助才能实现，对物质有高度地选择通透性。内膜含细胞色素氧化酶。部分内膜向线粒体腔内突出形成嵴。同时内膜内表面排列着一些颗粒状的结构，称为基粒。基粒包括三个部分：头部（F1因子，为水溶性蛋白质，具有ATP酶活性）、

11、腹部（F0因子，由疏水性蛋白质组成）、柄部（位于F1与F0之间）。 膜间隙 为内外膜之间围成的。其内充满无定形物，主要是可溶性酶（腺苷酸激酶）、反应底物以及辅助因子等。,基质 由内膜封闭形成的空间，其中含有脂类、蛋白质、核糖体、RNA及DNA，苹果酸脱氢酶。,（3）线粒体是半自主性细胞器，因为在其基质中含裸露的环状DNA分子能以半保留方式进行自我复制，并转录RNA，但是线粒体中DNA的复制受核基因的控制。 线粒体的增殖 主要来源与原来存在于细胞内的线粒体的分裂或通过出芽，产生子代线粒体,（4）线粒体的起源： 内共生假说：被原始的真核生物吞噬的好氧型细菌，这种细菌与真核生物共生，在长期的共生过程

12、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，叶绿体的祖先是蓝藻或光合细菌。,基质与类囊体： 叶绿体内充满流动状态的基质，基质中有许多片层结构。每片层是由周围闭合的两层膜组成，呈扁囊状，称为类囊体。类囊体内也是水溶液。

13、小类囊体互相堆叠在一起形成基粒，这样的类囊体称为基粒类囊体。,组成基粒的片层称为基粒片层。大的类囊体横贯在基质中，连接于两个或两个以上的基粒之间。这样的片层称为基质片层，这样的类囊体称基质类囊体。 光合作用过程中光能向化学能的转化是在类囊体膜（含有光合作用系统所有的色素和电子传递链）上进行的，因此类囊体膜亦称光合膜。在叶绿体的基质中有颗粒较大的油滴和颗粒较小的核糖体。基质中存在DNA纤维，各种可溶性蛋白（进行光合作用的酶），以及其他代谢有关的物质。,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

14、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）,参与脂类合成和分解 ； 肝脏细胞中，参与糖原的合成和分解 肝脏细胞中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： 存在于：原核细胞、真核细胞、线粒体、叶绿体内； 种类：游离核糖体、附着核糖体 成分：蛋白质（ 4

15、0%）和rRNA（ 60% ）,70S（沉降系数1s=10-13秒 ）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,核糖体往往并不是单个独立地执行功能，而是由多个核糖体串连在一条mRNA分子上高效地进行肽键的合成。这种具有特殊功能与形态的核糖体与mRNA的聚合体称为多聚核糖体。,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

16、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（在酶的控制下,蛋白质或脂质附加上糖类的过程合成和运输多糖）,溶酶体 溶酶体是由一个单位膜围成，富含酸性水解酶的球状体。主要化学成分为脂类和蛋白质。由于这些酶的最适pH值为酸性（pH=5），pH=7时，酶会失活，因而称为酸性水解酶。,溶酶体可分成两种类型 一是初级溶酶体，它是由高尔基囊的边缘膨大而出来的泡状结构，因此它本质上是分泌泡的一种，其中含有各种水解酶。这些酶是在粗糙内质网的核糖体上合成并转运到高尔基囊的。初级溶酶体的各种酶还没有开始消化作用，处于潜伏状态。二是次级

17、溶酶体，它是吞噬泡和初级溶酶体融合的产物，是正在进行或已经进行消化作用的液泡。有时亦称消化泡。在次级溶酶体中把吞噬泡中的物质消化后剩余物质排出细胞外。吞噬泡有两种，异体吞噬泡和自体吞噬泡，前者吞噬的是外源物质，后者吞噬的是细胞本身的成分。,第一方面的功能是参与细胞内的正常消化作用。大分子物质经胞吞作用进入细胞后，通过溶酶体消化，分解为小分子物质扩散到细胞质中，对细胞起营养作用。 第二个方面的作用是自体吞噬作用。溶酶体可以消化细胞内衰老的细胞器，其降解的产物重新被细胞利用。 第三个作用是自溶作用。在一定条件下，溶酶体膜破裂，其内的水解酶释放到细胞质中，从而使整个细胞被酶水解、消化，甚至死亡，发生

18、细胞自溶。细胞自溶在个体正常发生过程中有重要作用。如无尾两栖类尾巴的消失。,溶酶体的功能,液泡与液泡系 在植物细胞中有大小不同的液泡。成熟的植物细胞有一个很大的中央液泡，可能占细胞体积的90%，它是由许多小液泡合并成的。动物细胞中的液泡较小，差别也不显著。 液泡由一层单位膜围成。其中主要成分是水。不同种类细胞的液泡中含有不同的物质，如无机盐、糖类、脂类、蛋白质、酶、树胶、丹宁、生物碱等。 液泡的功能是多方面的，强维持细胞的紧张度是它所起的明显作用。其次是贮藏各种物质，例如甜菜中的蔗糖就是贮藏在液泡中，而许多种花的颜色就是由于色素在花瓣细胞的液泡中浓缩的结果。第三，液泡中含有水解酶，它可以吞噬消

19、化细胞内破坏的成分。最后，液泡在植物细胞的自溶中也起一定的作用。植物有些衰老退化的细胞通过自溶被消化掉。这时液泡破坏，其中的水解酶被释放出来，导致细胞成分的分解和细胞的死亡。例如蚕豆子叶中约80%的RNA是在种子萌发的最初30天内逐渐被分解的。但如果把液泡破坏，其中的核糖核酸酶释放出来的话，可在几小时内使核糖体RNA分解完。这说明一旦液泡破坏，水解酶释放出来，可以很快使细胞自溶。,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

20、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”(可消除多余的NADPH和ATP)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2426 nm，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

21、装 ；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7 nrn；组装和去组

22、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

23、 ；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