細胞生物學：第1章 細胞概述

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1、1CHAPTER 1 細胞概述細胞概述 Overview of Cells2OUTLINE1.1 細胞的發(fā)現及細胞學說細胞的發(fā)現及細胞學說(DISCOVERY OF CELLS AND THE CELL THEORY)1.2 細胞的基本特性細胞的基本特性(BASIC PROPERTIES OF CELLS)1.3 細胞的組成、類型和結構體系細胞的組成、類型和結構體系(MOLECULAR COMPOSITION AND STRUCTURE OF CELLS)1.4 細胞生物學的研究進展細胞生物學的研究進展 (RECENT DEVELOPMENT OF CELL BIOLOGY)31.1.1 Di

2、scovery of Cells Rorbert Hooke who discovered the “cell”1.1 DISCOVERY OF CELLS AND HISTORY OF CELL BIOLOGY4Rorbert Hooke self-made microscope (year 1665)Micrographia: Cella (30 x magnification)5Anton van Leeuwenhoek self-made microscope (Year 1665)(300 x magnification)61.1.2 HISTORY OF CELL BIOLOGY細

3、胞的發(fā)現及細胞學說的創(chuàng)立細胞的發(fā)現及細胞學說的創(chuàng)立(1665-1858-1875)(1665-1858-1875) 1838年年,德國植物學家德國植物學家Mathias Schleiden發(fā)表論文指出發(fā)表論文指出 植物是由細胞構成的植物是由細胞構成的 1839年年,德國動物學家德國動物學家Theodor Schwan首次提出首次提出細胞學說細胞學說(Cell Theory)，并提出了細胞學說的，并提出了細胞學說的前兩條原理前兩條原理 所有的生物都是由一個或多個細胞組成的所有的生物都是由一個或多個細胞組成的(All organisms are composed of one or more ce

4、lls)細胞是生命的基本單位細胞是生命的基本單位 (The cell is the structural unit of life) 1855年年,德國醫(yī)生和病理學家德國醫(yī)生和病理學家Rudolf Virchow對細胞學說進行了重要補對細胞學說進行了重要補充并提出充并提出第三條原理第三條原理 一切細胞產自細胞一切細胞產自細胞 (Cells can arise only by division from a preexisting cell) 7 細胞學的經典時期細胞學的經典時期(1875-1900)(1875-1900)原生質原生質(protoplasm)(protoplasm)理論的提出理論

5、的提出 在動物、植物中發(fā)現在動物、植物中發(fā)現“肉樣質肉樣質”的物質的物質, ,并命名為并命名為“protoplasmprotoplasm”; ; 1861 1861年德國動物學家年德國動物學家Shultze提出提出原生質理論：原生質理論：有機體的組織單位是一小團有機體的組織單位是一小團protoplasm, protoplasm, 這種物這種物質在一般有機體中是相似的質在一般有機體中是相似的。 并把細胞明確地定義為并把細胞明確地定義為: : “細胞是具有細胞核細胞是具有細胞核(Nuclei)(Nuclei)和細胞膜和細胞膜(Plasma (Plasma membrane)membrane)的活

6、物質的活物質”。8 重要細胞器的發(fā)現重要細胞器的發(fā)現1888年年Theodor Heinrich Boveri在動、植物細胞中在動、植物細胞中發(fā)現了發(fā)現了中心體中心體 （centrosome）;1888年年Heinrich wilhelm Gottfried von Waldeyer-Hartz提出提出染色體染色體 （chromosome）概念概念;1897年年Karl Benda命名命名線粒體線粒體 （Mitochondria）;1898年年Golgi發(fā)現了發(fā)現了高爾基體高爾基體 (Golgi) 。9 實驗細胞學時期實驗細胞學時期(1900-1953)(1900-1953)(experime

7、ntal cytology)是指采用是指采用實驗的手段實驗的手段研究細胞學的問題研究細胞學的問題, ,即從形態(tài)結構的觀即從形態(tài)結構的觀察深入到生理功能、生物化學及遺傳發(fā)育機理的研究。察深入到生理功能、生物化學及遺傳發(fā)育機理的研究。cytogenetics的研究的研究 cytophysiology的研究的研究 1912年年, Carrel研制成研制成Carrel培養(yǎng)瓶培養(yǎng)瓶,采采用嚴格的組織培養(yǎng)技術，成功地培養(yǎng)了用嚴格的組織培養(yǎng)技術，成功地培養(yǎng)了雞胚胎成纖維細胞持續(xù)了雞胚胎成纖維細胞持續(xù)了34年之久年之久(1912-1946)。 cytochemistry的研究的研究Alex Carrel(18

8、73-1944)D-flask(1923)10細胞生物學的誕生細胞生物學的誕生Molecular Biology1953年年Watson和和Crick提出提出DNA雙螺旋結模型標志分雙螺旋結模型標志分子生物學的誕生；子生物學的誕生；Cell Biology1965年，年，Eduardo De Robertis將其將其General Cytology改名為為改名為為Cell biology，標志著細胞生，標志著細胞生物學的誕生；物學的誕生；Molecular Cell Biology80年代開始出現了分子細胞生物學。年代開始出現了分子細胞生物學。111.2 Basic Properties of

9、 CellsHeLa Cells：最早離體培養(yǎng)成功的人源細胞：最早離體培養(yǎng)成功的人源細胞細胞是生命的基本單位細胞是生命的基本單位(CELL IS THE BASIC UNIT OF LIFE)121.2.1 選擇透性的膜選擇透性的膜 (Cells Have Membrane Barriers) 原生質原生質 (Protoplasm)：被質膜包裹在細胞內的所有的生活物質，包被質膜包裹在細胞內的所有的生活物質，包括細胞核和細胞質。括細胞核和細胞質。 細胞質細胞質 (Cytoplasm): 是指細胞內除核以外的原生質是指細胞內除核以外的原生質, 即細胞中細胞即細胞中細胞核以外和細胞膜以內的原生質部分

10、。核以外和細胞膜以內的原生質部分。 原生質原生質 體體 (Protoplast): 植物細胞脫去細胞壁后植物細胞脫去細胞壁后1.2.2 遺傳物質遺傳物質 (Cells Possess a Genetics Program) DNA、RNA1.2.3 核糖體核糖體 (Cells Have Ribosomes) 細胞功能的體現者是蛋白質細胞功能的體現者是蛋白質(包括酶包括酶)，蛋白質是在核糖體上合成的。，蛋白質是在核糖體上合成的。細胞結構共性細胞結構共性131.2.4 自我增殖和遺傳物質復制自我增殖和遺傳物質復制 (Cells Are Capable of Producing More of Th

11、emselves) 細胞能夠用一分為二的分裂方式進行增殖，動、植物細胞、細菌細胞能夠用一分為二的分裂方式進行增殖，動、植物細胞、細菌細胞都是如此。細胞都是如此。1.2.5 新陳代謝與酶學反應新陳代謝與酶學反應 (Cells Acquire and Utilize Energy by Carrying Out a Variety of Chemical Reactions) 物質與能量代謝，合成與分解反應物質與能量代謝，合成與分解反應1.2.6 運動性運動性(Cells Engage in Mechanical Activities) 細胞運動及細胞內的物質運動細胞運動及細胞內的物質運動細胞功能

12、共性細胞功能共性141.2.7 應答與自我調節(jié)應答與自我調節(jié) (Cells Are Able to Respond to Stimuli and Are Capable of Self-Regulation) Rube Goldberg machine15自我調節(jié)（海膽發(fā)育）自我調節(jié)（海膽發(fā)育）161.2.8 復雜而有序復雜而有序 (Cells Are Highly Complex and Organized) 1.2.9 進化進化 (Cells Evolve)： How did cells arise?17 細胞其它特性細胞其它特性細胞的形態(tài)與功能相適應細胞的形態(tài)與功能相適應 1.2.10

13、細胞形態(tài)與大小細胞形態(tài)與大小 (Cells Shapes And Cells)18個體中不同組織的細胞形態(tài)個體中不同組織的細胞形態(tài)19 細胞其它特性細胞其它特性細胞的形態(tài)與功能相適應細胞的形態(tài)與功能相適應細胞維持體積的相對恒定細胞維持體積的相對恒定器官的大小主要決定于細胞的數量器官的大小主要決定于細胞的數量, ,與細胞的數量成正比與細胞的數量成正比, ,而與而與細胞的大小無關細胞的大小無關, ,把這種現象為把這種現象為“細胞體積的守恒定律細胞體積的守恒定律”。典型的原核細胞直徑平均在典型的原核細胞直徑平均在110m之間，而真核細胞的直徑之間，而真核細胞的直徑平均為平均為330m;同類型細胞的體

14、積一般是相近的同類型細胞的體積一般是相近的,不依生物個體的大小而增大或不依生物個體的大小而增大或縮小，如人、牛、馬、鼠、象的腎細胞、肝細胞?？s小，如人、牛、馬、鼠、象的腎細胞、肝細胞。某些不同來源的細胞大小變化很大某些不同來源的細胞大小變化很大,如人的卵細胞直徑只有如人的卵細胞直徑只有0.1mm,而鴕鳥的卵細胞的直徑則有而鴕鳥的卵細胞的直徑則有5cm; 1.2.10 細胞形態(tài)與大小細胞形態(tài)與大小 (Cells Shapes And Cells)20細胞維持體積相對恒定的兩個因素是細胞維持體積相對恒定的兩個因素是: :細胞體積與表面積細胞體積與表面積21細細胞胞表表面面積積與與體體積積的的關關系

15、系22細胞維持體積相對恒定的兩個因素是細胞維持體積相對恒定的兩個因素是: :細胞體積與表面積細胞體積與表面積細胞內重要分子的濃度細胞內重要分子的濃度重要的分子在細胞內的低拷貝數，細胞體積增大，分子濃度稀釋，重要的分子在細胞內的低拷貝數，細胞體積增大，分子濃度稀釋，重要的生化反應需要一定的濃度才能進行，所以細胞內分子濃度就重要的生化反應需要一定的濃度才能進行，所以細胞內分子濃度就成了細胞體積無限增大的一個限制因素。成了細胞體積無限增大的一個限制因素。 真核細胞如何解決細胞內重要分子的濃度問題真核細胞如何解決細胞內重要分子的濃度問題?細胞不僅對其體積的增大有限制，而且對細胞變小也有限制。細胞不僅對

16、其體積的增大有限制，而且對細胞變小也有限制。為為什么？什么？一個生活細胞要維持正常的獨立生活功能，最低限度需要一個生活細胞要維持正常的獨立生活功能，最低限度需要5001000種不同類型的酶和蛋白質。種不同類型的酶和蛋白質。23細胞的計量單位細胞的計量單位 細胞大小的計量單位，一般都用細胞大小的計量單位，一般都用微米微米計算。自使用計算。自使用電電子顯微鏡子顯微鏡后又提出后又提出埃埃(Angstrom, )為超顯微結構計量為超顯微結構計量單位?，F在常用的國際單位是納米單位?，F在常用的國際單位是納米(nanometre)。1納米納米=10埃埃1埃埃=0.1納米納米(nm)1毫米毫米 =1000微米

17、微米 (m) 1微米微米 =1000納米納米(nm）=10000埃埃()24細細胞胞與與細細胞胞器器的的大大小小251.3 細胞的分子基礎細胞的分子基礎 (Molecular Composition of Cells)細菌和哺乳動物細胞的化學組成百分比細菌和哺乳動物細胞的化學組成百分比 物質物質細菌細菌 哺乳動物哺乳動物 水水 70 70 無機鹽無機鹽 1 1 混合的小分子混合的小分子 代謝物代謝物 3 3 蛋白質蛋白質 15 18 磷脂磷脂 2 3 其它脂其它脂 2 多糖多糖 2 2 RNA 6 1.1 DNA 1 0.2526 1.3.1. Small Biological Molecul

18、es 細胞中的無機物主要是細胞中的無機物主要是water and salt Water細胞中的水以兩種形式存在細胞中的水以兩種形式存在: Free and bound 水在細胞中的作用及其作用機制：水在細胞中的作用及其作用機制： Chemical Reactant and Solvent27水水的的溶溶劑劑作作用用 28 Salt根據無機離子在細胞內的作用分為四大類根據無機離子在細胞內的作用分為四大類 大分子的結構成分大分子的結構成分 主要是主要是C、H、N、O、P、S等；等；各種酶反應所需的主要離子，包括各種酶反應所需的主要離子，包括Ca2+、Cu2+、Mg2+、K+、Na+、 Cl-等；等

19、；各種酶活性所需的基礎微量元素，包括各種酶活性所需的基礎微量元素，包括Co、Cu、Fe 、Mn 、Zn等；等；某些生物特殊需要的微量元素，如碘、銫、溴等。某些生物特殊需要的微量元素，如碘、銫、溴等。 無機離子的功能有無機離子的功能有: 維持細胞內外液的維持細胞內外液的pH和滲透壓和滲透壓, 以保持細胞的正常生理活動以保持細胞的正常生理活動; 同蛋白質或脂類結合同蛋白質或脂類結合, 組成具有特定功能的結合蛋白組成具有特定功能的結合蛋白; 參與細胞的生命活動參與細胞的生命活動, 是酶反應的輔助因子。是酶反應的輔助因子。29有機化合物：細胞內有四類有機小分子有機化合物：細胞內有四類有機小分子:Sug

20、ars 單純的單純的多糖多糖由許多葡萄糖殘基組成，在動物細胞內主要由許多葡萄糖殘基組成，在動物細胞內主要是糖原，在植物細胞內主要是淀粉。是糖原，在植物細胞內主要是淀粉。Fatty Acids 脂肪酸脂肪酸是脂的主要成分，是細胞膜的組份。是脂的主要成分，是細胞膜的組份。Nucleotides 核苷酸核苷酸是組成核酸的基本單位。是組成核酸的基本單位。Amino Acids 細胞內主要有細胞內主要有20種種氨基酸氨基酸，它們的差別主要是，它們的差別主要是 R側鏈側鏈不同，決定了氨基酸的化學性質。不同，決定了氨基酸的化學性質。301.3.2 Biological MacromoleculesThree

21、 types of Biological Macromolecules in cells: Nucleic Acids、Proteins、Polysaccharides。細胞內大約有細胞內大約有3000種大分子。生物大分子的功能由構成它種大分子。生物大分子的功能由構成它們的亞單位的種類和排列順序決定。們的亞單位的種類和排列順序決定。31核核酸酸的的結結構構組組成成32DNA雙螺旋結構雙螺旋結構33組成蛋白質的基本構件只是組成蛋白質的基本構件只是20種氨基酸，為什么蛋白質卻種氨基酸，為什么蛋白質卻具有如此廣泛的功能具有如此廣泛的功能? 結構域結構域 (domain) 是指生物大分子中具有特異結構

22、和獨是指生物大分子中具有特異結構和獨立功能的區(qū)域。立功能的區(qū)域。34 多糖與糖蛋白多糖與糖蛋白 糖蛋白的功能有糖蛋白的功能有 參與細胞代謝的調控，發(fā)育和分化，機體的防御，參與細胞代謝的調控，發(fā)育和分化，機體的防御，以及作為機體內外表面的保護及潤滑劑。以及作為機體內外表面的保護及潤滑劑。 參與細胞粘著，細胞識別和信息的傳遞：幾乎所有參與細胞粘著，細胞識別和信息的傳遞：幾乎所有動物細胞表面都有少量糖動物細胞表面都有少量糖, 它的作用好比是細胞聯絡的它的作用好比是細胞聯絡的文字或語言。文字或語言。 糖基化對蛋白質合成后的加工和運輸的影響也是很糖基化對蛋白質合成后的加工和運輸的影響也是很大的。大的。3

23、5糖原、淀粉和纖維素的結構糖原、淀粉和纖維素的結構361.3.3 Assembly of Cell Structure Systems 四級裝配四級裝配 第一級第一級:小分子有機物的形成小分子有機物的形成; 第二級第二級:小分子有機物組裝成生物大分子；小分子有機物組裝成生物大分子； 第三級第三級:由生物大分子進一步組裝成細胞的高級結構；由生物大分子進一步組裝成細胞的高級結構； 第四級第四級:由生物大分子組裝成具有空間結構和生物功能由生物大分子組裝成具有空間結構和生物功能 的細胞器。的細胞器。37裝配模型裝配模型template assembly；enzymatic assembly；self

24、assembly。 反應復合物的組裝及其在生命活動中的作用。反應復合物的組裝及其在生命活動中的作用。 如如DNA轉錄起始復合物轉錄起始復合物(primosome)、mRNA拼接拼接復合物復合物(splicesome)的裝配。的裝配。38轉錄起始復合物的組裝轉錄起始復合物的組裝39剪剪接接體體的的組組裝裝40細細胞胞的的結結構構水水平平41細胞結構體系及其組裝細胞結構體系及其組裝原核細胞原核細胞 (prokaryotic cells)：古細菌和真細菌古細菌和真細菌 細胞質膜細胞質膜 沒有細胞核！擬核沒有細胞核！擬核421.3.4 細胞的類型和結構體系細胞的類型和結構體系(Types of cel

25、ls and structure system)最簡單的原核細胞：支原體最簡單的原核細胞：支原體原核細胞原核細胞 vs 真核細胞真核細胞是最簡單的原核細胞，直徑為是最簡單的原核細胞，直徑為0.10.3 m;具有細胞質膜，但沒有細胞壁具有細胞質膜，但沒有細胞壁;環(huán)狀雙螺旋環(huán)狀雙螺旋DNA，沒有擬核，沒有擬核，能指導合成能指導合成750多種蛋白質多種蛋白質;惟一的細胞器是核糖體，每個惟一的細胞器是核糖體，每個細胞中約有細胞中約有8001500個個;具感染性具感染性,可在培養(yǎng)基上培養(yǎng)可在培養(yǎng)基上培養(yǎng);培養(yǎng)細胞很容易被支原體污染培養(yǎng)細胞很容易被支原體污染,污染源主要是血清。污染源主要是血清。43A T

26、ypical Mycoplasma Cell44Bacteria細菌細胞質膜的多細菌細胞質膜的多功能性功能性mesosome中膜體中膜體又稱間體或又稱間體或質膜體質膜體,每個細胞每個細胞有一個或數個有一個或數個;其中含有細胞色素其中含有細胞色素和琥珀酸脫氫酶和琥珀酸脫氫酶,為細胞提供呼吸酶為細胞提供呼吸酶; 具有類似線粒體的具有類似線粒體的作用作用,故稱為擬線故稱為擬線粒體。粒體。 真核細胞的結構體系真核細胞的結構體系（Eukaryotic Cells and Their Structural Systems）45A Typical Animal CellA Typical Plant Cel

27、l生物膜體系生物膜體系（Biological Membrane Structure and Function）Membranes Define Boundaries and Serve as Permeability Barriers Membrane Are Sites of Specific FunctionsMembrane Regulate the Transport of SolutesMembrane Detect and Transmit Electrical and Chemical Signals46 遺傳信息表達體系遺傳信息表達體系（Gene Expression Syst

28、em）又稱為顆粒纖維結構系統，該系統包括細胞核和核又稱為顆粒纖維結構系統，該系統包括細胞核和核糖體。糖體。47纖維結構纖維結構顆粒結構顆粒結構 細胞骨架體系細胞骨架體系（Cytoskeletal System）細胞骨架是蛋白與蛋白搭建起的網絡結構細胞骨架是蛋白與蛋白搭建起的網絡結構, ,包括包括細胞細胞質骨架質骨架和和細胞核骨架細胞核骨架。 首要作用是維持細胞的一定形態(tài)；首要作用是維持細胞的一定形態(tài)；細胞內物質運輸的動脈；細胞內物質運輸的動脈；細胞內基質區(qū)域化；細胞內基質區(qū)域化； 幫助細胞移動或行走；幫助細胞移動或行走；主要成分主要成分:微管、微絲和中間纖維。微管、微絲和中間纖維。4849Cy

29、toskeleton Functions真核與原核、植物與動物細胞比較真核與原核、植物與動物細胞比較 共同點：共同點： 功能上的共同點功能上的共同點 結構上的共同點結構上的共同點: 都是生命的基本結構單位；都是生命的基本結構單位；都有細胞膜；都有細胞膜； 都能進行分裂；都能進行分裂； 都有都有DNA和和RNA； 都能遺傳都能遺傳 都有核糖體都有核糖體 50原核細胞與真核細胞比較原核細胞與真核細胞比較( (不同點不同點) ) 原核細胞原核細胞 真核細胞真核細胞代表生物代表生物 細菌、藍藻和支原體細菌、藍藻和支原體 原生生物、真菌、植物和動物原生生物、真菌、植物和動物細胞大小細胞大小 較小較小(1

30、-10m) (1-10m) 較大較大( (一般一般5 5100m)100m)細胞膜細胞膜 有有( (多功能性多功能性) ) 有有核糖體核糖體 70S(70S(由由50S50S和和30S30S兩個兩個 80S(80S(由由60S60S和和40S40S兩個大小兩個大小 大小亞基組成大小亞基組成) ) 亞基組成亞基組成) )細胞器細胞器 極少極少 有細胞核、線粒體、葉綠體、有細胞核、線粒體、葉綠體、 內質網、溶酶體等內質網、溶酶體等 細胞核細胞核 無核膜和核仁無核膜和核仁 有核膜和核仁有核膜和核仁染色體染色體 一個細胞只有一條一個細胞只有一條 一個細胞有兩條以上的染色一個細胞有兩條以上的染色 雙鏈雙

31、鏈DNA, DNADNA, DNA不與或不與或 DNADNA與蛋白質聯結在一起與蛋白質聯結在一起 很少與組蛋白結合很少與組蛋白結合DNA DNA 環(huán)狀，存在于細胞質環(huán)狀，存在于細胞質 很長的線狀分子，含有很長的線狀分子，含有 很多非編碼區(qū)，并被核很多非編碼區(qū)，并被核 膜所包裹。膜所包裹。51 Comparison of Some Properties of Animal and Plant Cells Organelles Animal Cells Plant Cells 細胞壁細胞壁 無無 有有 葉綠體葉綠體 無無 有有 液泡液泡 無無 有有 溶酶體溶酶體 有有 無無 圓球體圓球體 無無 有

32、有 乙醛酸循環(huán)體乙醛酸循環(huán)體 無無 有有 通訊連接方式通訊連接方式 間隙連接間隙連接胞間連絲胞間連絲 中心體中心體 有有 無無 胞質分裂方式胞質分裂方式 收縮環(huán)收縮環(huán)細胞板細胞板52病毒病毒-非細胞的生命體非細胞的生命體 (VIRUSES-NONCELLULAR LIFE) Viruses Are Infectious Agents That Are Smaller Than Cells Viruses Reproduce inside Living Cells adsorption penetration replication maturation release5354病毒生活史病毒生活

33、史1.4 細胞生物學的研究進展細胞生物學的研究進展 (RECENT DEVELOPMENT OF CELL BIOLOGY) 干細胞工程及其在醫(yī)學中的應用干細胞工程及其在醫(yī)學中的應用 治療性克隆治療性克隆; 干細胞與組織再生干細胞與組織再生;誘導性多能干細胞誘導性多能干細胞; 干細胞表觀遺傳學調控干細胞表觀遺傳學調控; 腫瘤干細胞腫瘤干細胞人造細胞人造細胞2010年年5月月: (science) 首例人造單細胞生命體首例人造單細胞生命體-mycoplasma mycoides電子細胞電子細胞細胞組學細胞組學思考題：思考題： 為什么說細胞是生物體的基本單位？為什么說細胞是生物體的基本單位？生物學的細胞有哪些共同特點？生物學的細胞有哪些共同特點？細胞的基本結構和功能之間有哪些聯系？細胞的基本結構和功能之間有哪些聯系？原核細胞與真核細胞的機構與功能有哪些異同？原核細胞與真核細胞的機構與功能有哪些異同？