第三章细胞A.ppt
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1、第三章 细胞,一.概说 细胞是生命的基本单位,具有完整的遗传信息储存,基本的新陈代谢系统和信息交换系统,最简单的独立生命由细胞组成,理解生命的钥匙来自细胞。,从生物大分子到细胞的尺度跨越,人类认识生物体的观察工具和计量单位 观察工具 (放大率) 计量单位 观察的生物体 肉眼和放大镜(毫米) 120mm 鸵鸟卵 (0.1-0.2mm以上) 1mm 变形虫 0.1mm 人卵 光学显微镜(微米) 10um 一般细胞 (100um-0.2um) 5um 人精子头部 1um 葡萄球菌 电子显微镜(纳米) 100nm 支原体 (200nm-0.2nm) 50nm 脊髓灰质炎病毒 10nm 蛋白质分子 X线
2、衍射(埃) 10A 氨基酸 5A 蔗糖分子 1A 氢原子,细胞体积的最小极限,一个细胞生存与增殖必须具备的结构装置与机能: 细胞膜、DNA与RNA、核糖体 催化酶: 100种 酶促反应所需的空间:直径,50nm 每个核糖体的直径1020nm. 一个细胞体积的最小极限直径100nm。 支原体是最小、最简单的细胞。,细胞体积的守恒定律,器官的大小主要取决于细胞的数量,与细胞数量成正比,而与细胞的大小无关。 细胞体积的最小与最大极限: 细胞体积的最小极限: 100nm 细胞体积的最大极限:20cm,单细胞生物的机体仅由一个细胞构成。 盘藻:4,8,几十个细胞。 多细胞生物的机体根据其复杂程度由数百万
3、计至万亿计细胞构成 成人有机体大约含有1014个细胞,刚出生的婴儿机体约含有1012个细胞,人的大脑约含有1012个细胞。,细胞的数目,细胞与环境,细胞形状有: 球状、杆状、立方形、梭形、星形、多角形、圆柱形。 细胞的形状取决于:功能适应,胞质粘滞性,细胞膜的坚韧程度,微丝微管以及所处环境等影响。,各种细胞形态,人血细胞: 红细胞, 血小板, 白细胞,精子,卵,电镜下 巨噬细胞,电镜下: 神经细胞和 神经纤维,细胞学说,细胞是构成有机体的基本单位。 细胞是代谢与功能的基本单位。 细胞是有机体生长发育的基础。 细胞是遗传的基本单位。 细胞是生命起源与进化的基本单位。,每个具有功能的细胞都有自己一
4、套完整的代谢装置 在有机体一切代谢活动与执行功能的过程中,细胞呈现一个独立,有序,自动控制性很强的代谢体系。 细胞结构完整性的任何破坏都会导致细胞代谢的有序性与自控性的失调。,细胞是生命起源与进化的基本单位 简单有机分子-蛋白核酸大分子-细胞产生-物种进化,细胞是有机体生长与发育的基础 有机体的生长与发育是依靠细胞的分裂、细胞体积的增长与细胞分化来实现的。 研究生物生长与发育要以研究细胞增殖、分化为基础。,细胞是遗传的基本单位 体细胞、性细胞、未分化与已分化细胞均具有遗传的全能性.,任何破坏细胞的完整性,都不能使细胞遗传全能性得以实现。,非细胞形态的生命体: 病毒(virus),: 非细胞形态
5、的生命体、迄今发现的最小、最简单的有机体。 组成 核酸分子(DNA、RNA)与蛋白质 活动 依赖于宿主细胞的代谢与能量系统,进行核酸的复制、转录、并翻译成病毒的蛋白质,然后组装成新的子代的病毒。,病毒的分类,DNA病毒 双链DNA 单链DNA RNA病毒 双链RNA 单链RNA,病毒的增殖,病毒的增殖过程: 病毒侵入细胞 病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成 病毒的装配、成熟与释放,(二)原核细胞和真核细胞,细胞分原核和真核两种,整个生物界也由此分原核生物和真核生物两类。具有细胞核是真核细胞是原真核细胞最基本的区分。但研究发现它们其实在细胞的结构和功能的各个方面都有巨大差异。在形态上的重要区别是
6、真核细胞具有胞内膜系统和骨架系统;在功能的各个方面的研究都说明他们在生命进化的早期就已经分开,各自沿着不同的进化路线进化至今。原核细胞出现在35亿年前,而真核细胞出现在18亿年前。关于起源的问题还在争论。,但有一点得到较广泛的共识:真核细胞内的线粒体,叶绿体来源于原始真核细胞吞噬了某些原始原核细胞(蓝藻等)。也就是说两种生物在发展的某一阶段发生了一次融合,融合后形成的真核细胞获得了选择优势而分化出当今的真核生物世界。,原核细胞与真核细胞的区别,真核细胞相对于原核细胞: 细胞内部结构与职能的分工。 核与质 质内的细胞器 遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化。 真核细胞内的骨架系统。 真核细胞体积的
7、增大。,原核细胞与真核细胞的比较,特征,原核细胞,真核细胞,细胞大小,较小(110m),较大(10100 m),细胞核,无核仁和核膜(拟核),有核仁和核膜(真核),细胞器,无(除核糖体外),有各种细胞器,核糖体,70S(50S+30S),80S(60S+40S),DNA,只有一条DNA,裸露,环状,有多条DNA,与蛋白结合,形成线状染色质或染色体。,内膜系统,简单,细胞 膜代替真核细胞内膜系统的许多功能,复杂,细胞骨架,无,有微管,微丝,细胞壁,主要组分为肽聚糖和乙酰胞壁酸,植物细胞主要组分为纤维素和果胶,转录和翻译,出现在同一时间和地点 (细胞质中),出现在不同时间和地点(转录在核内,翻译在
8、细胞质中),细胞分裂,无丝分裂,有丝分裂和减数分裂,原核细胞的代表细菌,细菌的结构: 细胞壁 细胞膜 中膜体 DNA复制的支点 荚膜 细胞壁表面的粘液物质 鞭毛 DNA 核糖体,几种原核细胞,细胞壁,鞭毛,细胞膜,核糖体,DNA,中膜体,蛋白质颗粒,细胞质,RNA,细菌模式图,最小的、最简单的细胞支原体(mycoplast),最小的、最简单的细胞。 分裂方式:一分为二 寄生于细胞内繁殖。 形态多变。 其DNA可指导合成700种蛋白质。,.,细胞质,细胞膜,DNA,核糖体,RNA,内含物,最简单的植物自养类型蓝藻,蓝藻: 蓝细菌 能进行类似光合作用 无叶绿体,真核细胞 eukaryotic ce
9、ll,真核细胞: 具有以核膜、核质和核仁等完整结构的细胞。 真核细胞的基本结构体系: 生物膜系统 遗传信息表达系统 细胞骨架系统,(三)真核细胞的基本结构,光镜下结构,细胞膜,细胞质,细胞核,电镜下结构,膜相结构,非膜相结构,细胞膜,内质网,高尔基复合体,线粒体,溶酶体,过氧化氢体,核膜,核糖体,中心粒,微管,微丝,中等纤维,细胞质基质,核仁,染色质,核基质,(一). 质膜及其表面结构,基本概念 细胞膜(cell membrane) :又称为质膜(plasma membrane ),是位于细胞最外层,围绕细胞质的一层薄膜,主要是脂类和蛋白质构成。 内膜:真核细胞内部存在由膜包绕的各种细胞器,这
10、部分膜叫内膜。 生物膜(biological membrane):构成细胞所有膜性结构的膜的总称。生物膜都具有类似的化学和分子结构。,质膜是呈明-暗-明的三层结构,1.液态镶嵌模型(fluid mosaic model) 概念: 细胞膜是由流动的脂质双分子层和蛋白构成,脂质双分子层构成细胞膜的连续整体,蛋白分子分散在脂质分子中。它强调了细胞膜具有流动性和不对称性 特点: 脂类双分子层构成膜主体,具有很低通透性 膜嵌有蛋白 膜可流动,但脂和蛋白的流动性受膜上其它蛋白牵制,细胞膜的化学组成,磷脂 胆固醇,膜脂,膜蛋白 糖类,甘油磷脂:以甘油为骨架 鞘磷脂:以鞘氨醇为骨架,糖脂,卵磷脂 脑磷脂 磷脂
11、酰丝氨酸,甘油磷脂,几种主要磷脂的结构,磷脂分子主要特征,一极性头,二非极性尾,于水环境中能自发形成脂双层。脂双层 游离两端有自动闭合的趋势,可形成封闭的稳定结构。 磷脂分子运动,膜脂分子运动种类 侧向扩散运动 膜脂分子侧向扩散系数相当于每秒钟扩散2微米 旋转运动 膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转 翻转运动,影响膜脂流动性的因素 脂肪酸链的长度: 链长则脂质分子尾部相互作用加强,流动性降低 脂肪酸链不饱和程度: 不饱和程度高,则所含双键愈多,双键处易发生弯曲,使磷脂尾部难以靠近,结果使磷脂分子尾部排列较松,从而维持膜流动性 卵磷脂与鞘磷脂的比例: 卵磷脂不饱和程度高,链较短,故卵磷脂/
12、鞘磷脂的比值高时,膜流动性大(衰老细胞,动脉粥样硬化细胞) 膜蛋白与膜脂相互作用 胆固醇,胆固醇 一种中性脂,分布于真核细胞膜。脂膜上的胆固醇与磷脂的碳氢链相互作用,可有效地防止碳氢链相互凝聚。原核细胞和植物细胞质膜一般不含胆固醇,2. 膜蛋白 1).膜蛋白与膜脂含量比 1:44:1 2).膜蛋白分类(按功能) 催化代谢:酶 物质转运:转运蛋白 细胞运动:鞭毛 信息转导:受体 支持与保护:胶原蛋白,膜蛋白分类 (按位置) 内在蛋白,外在蛋白,根据蛋白在膜上的位置,可以分为六种类型:,3).膜蛋白分布不对称 糖蛋白的糖链主要分布在膜的外表面 膜受体分子与配体结合部位分布于外层脂质 腺苷酸环化酶与
13、蛋白激酶偶联部位分布在膜内表面,4).膜蛋白的流动性 膜蛋白分子运动方式 侧向扩散,自由扩散 限制性扩散 基本不扩散,旋转扩散,膜蛋白运动的实验研究 人-鼠杂交细胞荧光抗体免疫标记,3.糖类,糖蛋白(glycoprotein) 糖脂(glycolipid),1).糖蛋白 作用:细胞识别,细胞免疫,细胞癌变 糖类与膜蛋白连接方式主要有两种 N连接 天门冬酰氨残基 O连接 丝氨酸 苏氨酸 2).糖脂 含量约占膜脂总量5%以下。神经细胞脂膜上糖脂含量较高。(5-10%) 最简单的糖脂是脑苷类。,*细胞膜的特性 (一)细胞膜的流动性 膜脂分子流动性 膜蛋白分子流动性 (二)细胞膜的不对称性 脂类分布不
14、对称 蛋白分布不对称,*细胞表面 一、概念 细胞表面:包围在胞质外层一个复合结构体系和多功能体系。包括细胞膜,细胞外被,膜下溶胶层,此外还包括细胞表面的特化结构:微绒毛 、纤毛 、鞭毛等。,细胞外被(cell coat):为一薄层绒毛状的复合糖,包括糖蛋白、糖脂、蛋白聚糖。,4. 膜骨架(细胞皮层),指存在于质膜下,与具有各种免疫活性的膜蛋白相连的,由纤维蛋白组成的网架结构。这些纤维平行于质膜排列,给细胞膜提供强度和韧性。例如血影蛋白,与维持红细胞的形态有关。,5. 细胞壁,位于植物细胞膜外,包括初生壁和次生壁两部分,初生壁是细胞形成时形成的,它是多糖和蛋白质构成的,以纤维素为骨架,半纤维素和
15、果胶等为基质,后者包括壁结构蛋白,凝集素和各种酶类。次生壁位于质膜和初生壁之间,是细胞停止生长后细胞分泌物在初生壁的沉积,主要成分是纤维素。植物细胞分化时,会出现相适应的细胞壁类型。 细胞壁的作用是:1.保护细胞的外部屏障,减少水份蒸发,防止机械损伤,微生物入侵等。2.起着骨架作用。3.运输功能,植物细胞,*细胞膜的功能概述 物质运输 信号传导 细胞识别,(二)物质运输功能 1.选择通透性膜 细胞膜允许一些物质进入,又阻止一些物质进入 细胞膜对于物质进出有选择性调节作用,2.物质运输分类,小分子物质的跨膜转运 大分子颗粒物质膜泡运输,被动运输 主动运输,胞吞 胞吐,3.小分子物质跨膜转运 1)
16、.被动运输 (passive transport) 种类,简单扩散 协同扩散,特点:高浓度-低浓度 不需要提供能量,简单扩散 (单纯扩散) 概念:从高浓度向低浓度处移动的分子运动 特性:不借助于蛋白质 扩散率取决于:分子大小,在脂内的溶解度,是否带电荷是决定物质是否通透质膜的三种因素。,协助扩散(易化扩散) (1)协助扩散概念: 借助转运蛋白质进行跨膜转运的一种被动运输方式 (2)转运蛋白概念: 细胞膜中特定的膜蛋白,负责转运极性离子和分子,(3)转运蛋白分类,载体蛋白:与特定的溶质结合,改变构象使溶质穿越细胞膜 特点: 可竞争性 饱和性 可逆性 特异性,葡萄糖在红细胞的吸收,通道蛋白:形成一
17、种充满水溶液的通道,贯穿脂双层之间,当孔开放时,特定的溶质可经过通道穿越细胞膜 通道蛋白只介导不需消耗能量的被动运输 通道蛋白门户开放与否受到调控 通道蛋白介导的运输速率快,2).主动运输(active transport) 概念:是细胞膜中特定的载体蛋白在消耗能量的条件下,逆浓度梯度转运物质的过程 特点,由ATP直接提供能量的主动运输 离子梯度驱动的主动运输,低浓度-高浓度 需要提供能量,分类,(1)由 ATP直接提供能量的主动运输 Na+-K+泵,(2)离子梯度驱动的主动运输 概念:贮存在一种离子梯度中的能量驱动发生另一种物质逆浓度运输,它们的动力间接来自ATP 分类:,共(同向)运输 对
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