1第5講細胞

——生命的基本結構單位

第一節細胞學說的建立第二節細胞的結構與功能第三節細胞分裂和細胞周期第四節細胞分化、衰老與死亡2第一節細胞學說的建立1.1細胞的發現17世紀中葉，顯微鏡被用于生物學研究，用顯微鏡觀察來自樹皮的木栓，看到一個個“小室”結構，稱之謂“Cell”（細胞）。人們用顯微鏡觀察各種生物，包括微生物和動、植物的細微構造，到處都看到細胞結構。逐漸形成一個觀念：各種生物都是由細胞組成的。3英國科學家R.Hook（1635-1703)，發表對木栓的觀察，命名Cell。荷蘭人Leeuwenhoek（1623-1723）用自磨鏡片做成顯微鏡第一次觀察了活的細菌和原生動物。420世紀初，兩位德國生物學家施萊登和施旺正式明確提出：細胞是植物體和動物體的基本結構單位。最初提出細胞學說觀點的兩篇論文是:

德國植物學家施萊登1838年發表的論文

:『論植物發現』

德國動物學家施旺1839年發表的論文:『動、植物結構與生長相似性的顯微研究』1.2細胞學說5MatthiasJacobSchleidenTheodarSchwann6細胞學說的內容1.所有生物都是由細胞和細胞產物構成的2.新細胞只能由原來的細胞分裂而產生3.所有細胞都具有基本上相同的化學組成和代謝活性4.生物體總的活性可以看成是組成生物體的各相關細胞的相互作用和集體活動的總和

7細胞學說的科學意義細胞學說與進化論一起，奠定了生物科學的基礎。細胞學說使生命世界有機結構多樣性的統一，從哲學推斷走向自然科學論證。從兩篇經典的論文看來，細胞學說不但關系到生物體的構造，也關系到生物體的生長與發育。細胞學的研究一直在繼續……8透射電子顯微鏡下的細胞結構9掃描電子顯微鏡下的細胞結構激光共聚焦掃描顯微鏡下的藻類10原子力顯微鏡下的細菌11121.3細胞是生命的基本單位細胞是生命的基本結構單位，所有生物都是由細胞組成的細胞是生命活動的功能單位，一切代謝活動均以細胞為基礎細胞是生殖和遺傳的基礎與橋梁，具有相同的遺傳語言細胞是生物體生長發育的基礎形狀與大小各異的細胞是生物進化的結果沒有細胞就沒有完整的生命1319世紀末，人們逐漸發現比細菌還小的“傳染性的活性成份”，稱為病毒。1930s－1940s期間弄清病毒的化學本質和電鏡結構。看來，病毒是一類不具細胞結構的生命形態。最簡單的病毒僅由核酸大分子和蛋白質大分子組成。但是，病毒顆粒必需進入寄主活細胞才能表現出生命的各方面特性。有沒有非細胞生命？14第二節

細胞的結構和功能1、大腸桿菌2、念珠藻3、小球藻4、酵母菌5、火絲菌6、眼蟲7、分生組織細胞8、柵欄組織薄壁細胞9、驢蹄草葉表皮細胞和保衛細胞10、大鼠肝細胞11、腎近曲小管上皮細胞12、成纖維細胞13、人紅細胞14、人精子15、哺乳動物的橫紋肌細胞16、平滑肌細胞17、神經細胞體15依據有無細胞核，整個生命世界可以區分為兩大類：

原核生物真核生物

細菌植物

放線菌動物

藍藻真菌（霉菌、酵母)

等原生動物

藻類2.1原核細胞和真核細胞16原核細胞細菌細胞結構與動、植物細胞不同，要簡單的多。最主要的差別是細菌沒有細胞核結構，核物質DNA還是有的，形成類核區(又稱擬核)，并且細菌細胞也沒有其他各種細胞器。17真核細胞18細胞大小較小(1-10μm)較大(10-100μm)染色體一條DNA，不與蛋白質聯結幾條染色體，與蛋白聯結在一起細胞核無核膜和核仁 有核膜和核仁細胞器無有內膜系統簡單復雜微梁系統無微管和微絲細胞分裂二分體出芽分裂有絲分裂轉錄和轉譯同一時間和地點不同時間和地點原核細胞和真核細胞比較19細胞膜和生物膜：磷脂和鞘脂分子具有一個共同的特征——一個極性的頭，兩個非極性的尾巴。在水環境中，這類分子會自發形成脂雙層微囊。2.2動物細胞的典型結構20流動鑲嵌學說膜結構：細胞膜的框架是脂雙層，蛋白質“鑲嵌”其中這樣的膜結構不但用以組成細胞膜，還用以分割形成各種細胞器，統稱生物膜特點：有序性、流動性和不對稱性21細胞核由兩層生物膜圍成，遺傳信息貯藏在核內，是DNA復制和RNA合成場所。22核糖體核糖體是合成蛋白質的細胞器，主要成分是蛋白與RNA，其唯一的功能是按照mRNA的指令用氨基酸合成多肽鏈。23線粒體由雙層生物膜圍成，是生物氧化、產生能量的場所。2009年諾貝爾化學獎美國的VenkatramanRamakrishnan、ThomasA.Steitz及以色列的AdaE.Yonath獲獎成果：原子水平上研究核糖體的結構和功能2425線粒體主要功能線粒體進行氧化磷酸化，產生ATP，是細胞的“動力工廠”。26內質網由單層生物膜圍成。是蛋白質合成、修飾和分泌；脂類合成的場所。27高爾基體由單層生物膜圍成，與蛋白質修飾和分泌有關。

28溶酶體由單層生物膜圍成，是生物大分子分解的場所。29細胞骨架由蛋白質亞基組裝成，和細胞形狀、遷移、信息傳導等有關。30微絲微管中間纖維312.3植物細胞的典型結構液泡細胞核內質網微管質膜細胞壁線粒體葉綠體微絲高爾基體32動、植物細胞的區別植物細胞動物細胞有細胞壁沒有細胞壁有葉綠體沒有葉綠體有中央液泡沒有中央液泡33液泡液泡的滲透壓較高，使植物處于吸漲飽滿狀態一些代謝廢物也常以結晶態濃集其中34細胞壁機械支撐、生長、分化、細胞識別和抗病等作用35木質纖維素的組成和結構酚類15-25%6C糖均聚物38-50%5C、6C糖聚合物23-32%36葉綠體——能量轉換器葉綠體是植物光合作用的場所，有兩層膜，含有環狀的DNA和核糖體。372.4細胞成分與結構的分離用細胞破碎技術和超離心技術對細胞器或細胞結構成分進行分離和進一步的生物化學分析是探索細胞結構與功能相互關系的重要途徑。38第三節細胞分裂和細胞周期3.1細胞為什么分裂？

細胞表面與新陳代謝密切相關。例如：老鼠重25克，大象重4噸；表面積/體積，老鼠是大象的24倍；老鼠的代謝速率大于大象39細胞分裂是為了維持細胞的代謝隨著細胞生長，細胞體積增大，而細胞表面積和體積之比卻在變小，細胞代謝速率下降。細胞分裂是細胞生長過程中保持足夠表面積，維持一定的生長速率的重要措施。403.2原核生物的細胞分裂

——二分分裂41細胞從前一次分裂開始到后一次分裂開始，這段時間稱為一個細胞周期。包括分裂間期（G1期、S期和G2期）和分裂期（M期）3.3

真核細胞的有絲分裂42有絲分裂過程前期：染色質形成光鏡下可見的染色體43有絲分裂過程中期：核膜消失，染色體排列在赤道板上后期：姊妹染色單體分開，被分別拉向細胞兩側末期：重新形成核膜，染色體消失細胞質分裂：胞質形成間隔，最終分為兩個細胞2001年諾貝爾生理學或醫學獎美國LelandHHartwell(1939)、英國SirPaulMNurse(1943)和RTimothy(Tim)Hunt(1949)。細胞分裂的關鍵性調節機制44細胞周期調控啟動器start基因；檢驗點checkpointCDK（細胞周期蛋白依賴激酶cyclindependentkinase）細胞周期蛋白（cyclins）——調節CDK功能的蛋白質對癌癥的研究有很大的幫助4546染色質和染色體處于分裂間期的細胞，細胞核內的DNA分子，在一些蛋白質的幫助下，有一定程度的盤繞，形成核小體。多個核小體串在一起形成染色質。當細胞進入M期時，染色質折疊包裝，大約壓縮8400倍，形成光鏡下可以看到的染色體。47染色質和染色體48染色體數目是不同物種細胞的特征之一物種染色體數目物種染色體數目人46豌豆14小鼠40玉米20爪蟾36小麥42果蠅8酵母32493.4真核細胞的減數分裂

減數分裂發生在產生生殖細胞的過程中。生殖細胞包括精子和卵細胞，遺傳物質總量僅為體細胞的一半，稱為

n細胞。50減數分裂的特點子細胞染色體數目減半子細胞基因組合大為豐富和多樣化有性生殖的后代具有更強的適應性和進化潛能。51同源染色體的不同組合導致配子種型大增在第一次減數分裂時，每對同源染色體分別分配至兩個子細胞。于是父源的和母源的同源染色體以不同組合，分配到兩個子細胞中。52

在第一次減數分裂中的同源染色體配對，導致同源染色體之間的染色體交叉和基因重組。染色體交叉和基因重組使基因組合狀況更為復雜化53染色體交叉的電鏡圖54第四節細胞的分化、衰老與死亡4.1細胞分化：發育過程中細胞后代在形態、結構和功能上發生差異的過程。成年人全身細胞總數約1014個。細胞種類有200多種。這么多種類細胞均來自一個受精卵細胞。分化以后不同種類的細胞，形態、功能、基因表達和代謝活動均不相同。細胞分化不但發生在胚胎階段和發育過程中，亦發生在成人階段。55上皮細胞脂肪細胞平滑肌細胞心肌細胞神經元細胞56細胞的發育潛能由一個細胞可能分化發育出多少種細胞？這就是細胞的發育潛能。全能性細胞：具有能使后代細胞形成完整個體的潛能的細胞。例如：受精卵多能性細胞：具有分化出多種組織或細胞（但是不能形成完整個體）的潛能的細胞稱多能性。例如：生血多能干細胞單能性細胞：只能分化成一種細胞的干細胞。例如：單能生血干細胞57多種血細胞都由生血干細胞分化而來58神經干細胞分化過程59什么是克隆？克隆是指一個無性繁殖系或利用不同方法產生無性繁殖系所進行的工作。克隆根據其研究或操作的對象的層次分為：基因克隆細胞克隆個體克隆60動物克隆比微生物和植物克隆困難百倍單細胞真核生物——細菌、放線菌、酵母菌、藻類和霉菌等繁殖的唯一方式或主要方式。植物克隆——“無心插柳柳成蔭”——容易

——植物細胞的全能性動物克隆——難上難。為什么？

細胞分化程度更高，細胞全能性的喪失61動物克隆的早期探索1950s，爪蟾：腸上皮細胞核仍保持全能性62Dolly的身世芬蘭多塞特母綿羊（供體）提供了全套遺傳信息，即提供了細胞核一只蘇格蘭黑面母綿羊（受體）提供無細胞核的卵細胞另一只蘇格蘭黑面母綿羊提供羊胚胎的發育環境，是“多莉”羊的“生”母。63Dolly克隆過程64Dolly克隆的重要意義理論意義：證實分化成熟的動物細胞核仍具全能性，細胞質對胚胎發育分化的決定性。實踐意義：畜牧業育種：復制出的數量巨大的優良個體。生物醫學：提供基因工程產品，如人乳鐵蛋白、抗凝血酶等醫用蛋白質；提供移植器官。建立穩定的動物模型延緩珍稀瀕危動物的滅絕……65克隆人可以嗎？社會上最初反應：共識—禁止克隆人實驗。但是，經過兩年后，克隆人實驗的呼聲漸高。芝加哥理查德.錫德于1998年1月宣布:

組成一個小組，做克隆人實驗。66如何看待“克隆人”？科學技術的進展往往帶來負面效應化學合成——化學武器病菌、病毒——生物武器原子能——原子彈新科學技術對倫理道德觀念的沖擊，會逐漸得到解決。關鍵是：呼吁科學民主，協商決策的社會機制；呼吁善于思考，富有社會責任心的人。674.2細胞的衰老衰老是人們永恒的議題，至今仍是一個迷。早衰癥是人體衰老中的一種病癥。68人體衰老時，身體各部分功能都發生衰老一名男子從36歲到75歲味覺喪失64％腎小球減少44％腎小球過濾率減少31％脊神經元減少37％神經傳導速度減慢10％腦供血量減少20％肺活量減少

44％69衰老的機理——自由基假說帶有不成對電子的基團稱為自由基，反應特別活潑。常見自由基包括：?O2-，NO?，?OH細胞色素C-Fe3++?O2-

O2+細胞色素

C-Fe2+生物氧化中產生的自由基會破壞生物大分子，使得細胞結構破壞，基因突變，導致細胞衰老。2009年諾貝爾生理學或醫學獎ElizabethH.Blackburn，美國加州大學舊金山分校；CarolW.Greider，美國約翰?霍普金斯大學醫學院和JackW.Szostak，哈佛醫學院獲獎成果：端粒和端粒酶7071體外培養成纖維細胞

來自胎兒可傳代50次來自成人可傳代20次來自小鼠可傳代14－28次來自烏龜可傳代90－125

次細胞有著明顯的衰老過程與供體年齡有關與供體物種有關7272端粒長短與細胞生命歷程密切相關細胞分裂細胞分裂染色體端粒端粒細胞將停止分裂而趨于老化5’5’端粒維持染色體DNA端粒端粒細胞永生化端粒酶是細胞轉化的原因744.3細胞凋亡細胞死亡分為兩種：（1）因環境因素突變或病原物入侵而死亡，稱為病理死亡，或細胞壞死。（2）因個體正常生命活動的需要，一部分細胞必定在一定階段死去，稱細胞凋亡。75細胞凋亡和細胞壞死有明顯區別細胞凋亡細胞壞死細胞變圓,與周圍細胞脫開細胞外形不規則變化核染色質凝聚溶酶體破壞細胞膜內陷細胞膜破裂細胞分為一個個小體胞漿外溢被周圍細胞吞噬引起周圍炎癥反應76細胞凋亡是普遍存在的變態：蝌蚪

青蛙昆蟲，卵

幼蟲

成蟲哺乳類:

皮膚，指（趾）甲紅細胞：分化成熟

失去細胞核

凋亡淋巴細胞：95%以上在成熟之前死去，不到5%成熟后只存活一至幾天T-細胞殺傷靶細胞的機制之一，就是誘使靶細胞凋亡癌細胞亦可看作是凋亡失控了的細胞。77秀麗隱桿線蟲——細胞凋亡研究的理想材料每條線蟲具有1031個細胞，其中131個細胞在發育過程中凋亡。78細胞凋亡受基因控制與細胞凋亡有關的基因（1）ced-3、ced-4：如果基因突變或缺失，使凋亡受阻→誘發、啟動凋亡（2）ced-9：移入使凋亡受阻，失去使細胞凋亡→抑制凋亡“人造細胞”《Science》,“SyntheticGenomeBringsNewLifetoBacterium”,E.Pennisi,2010,328,958-959J.Craig.Venter，蕈狀支原體

1.合成：用計算機精確計算需要合成DNA分子序列，并用化學方法合成了一千