细胞的基本结构和功能.ppt

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1、主要内容: 1、细胞的形态和类型 2、真核细胞的结构和功能 3、细胞的增殖 4、细胞的生长与分化,第二章 细胞的基本结构和功能,基本要求： （1）掌握真核细胞与原核细胞以及古细胞的区别； （2）掌握生物膜的概念和组成； （3）理解真核细胞中各细胞器的结构与功能； （4）掌握细胞增殖与细胞周期；细胞有丝分裂增殖的过程； （5）理解细胞周期各时相得主要事件； （6）了解细胞增殖调控的基本原理； （7）了解细胞的生长与分化。,第一节 细胞的形态和类型,一、细胞概述,1、 细胞的发现 1665年，英国罗伯特虎克(Robert Hooke)发现细胞,软木塞，死的细胞壁，命名细胞(Cell)。 1674年

2、，荷兰学者列文虎克（A V Leeuwenhoek)G观察到完整的活细胞。 1838年，德国植物学家施莱登（Schleiden，M. J.）指出细胞是一切植物结构的基本单位。 1839年，德国动物学家施旺(Schwann, T.)指出动物和植物结构的基本单位都是细胞。,2、细胞学说,19 世纪初，两位德国生物学家施莱登和施旺正式明确提出： 细胞是植物体和动物体的基本结构单位。标志着细胞学说的诞生。 （1）细胞是有机体，是所有动、植物的基本结构单位； （2）每个细胞相对独立，一个生物体细胞之间协同配合； （3）新细胞由老细胞繁殖产生。 细胞学说被认为是19世纪自然科学的重大发现之一。,3 、细胞

3、的基本概念,细胞是什么？ 细胞是生命活动的基本单位 细胞是物质、能量和信息过程结合的综合体 细胞是生物形态结构、生理功能和生长发育、遗传的基本单位 研究细胞分整体水平、亚显微水平、分子水平三个层次，我们主要从亚显微水平讲解细胞的亚显微结构（电子显微镜下）。,二、 细胞的数量、大小和形态,细胞的数量 单细胞生物仅一个细胞，大小与细胞体积成正比。 多细胞生物的细胞数量一般与生物体个体 大小有关， 个体越大细胞数目越多。 如：新生儿约有21012 个 成年人约有1014 个,1、细胞的大小及其分析,人眼、光学显微镜的分辨力分别为 0.1mm、0.2m. 各类细胞直径的比较,2、细胞的形态,植物气孔保

4、卫细胞,三、细胞类型,根据细胞的进化程度和结构复杂程度，细胞可划分为原核细胞和核真核细胞 古核细胞：在极端环境（高盐、高温）环境下生活的有着与原核生物和真核生物不一样结构特点的生物的细胞。,生物,非细胞结构：病毒（如：噬菌体、SARS）,细胞结构,原核 细胞,支原体 衣原体 细菌 蓝藻 放线菌,真核 细胞,原核 生物,如,葡萄球菌 破伤风杆菌 乳酸菌 大肠杆菌 肺炎双球菌 结核杆菌,细胞和非细胞形态的生物,真核生物,原生动物（如：草履虫、变形虫、疟原虫） 藻类植物（水绵、衣藻等） 植物 苔藓植物 蕨类植物 种子植物 真菌（如：酵母菌、食用菌、霉菌） 多细胞动物,(一)、原核细胞,遗传的信息量小

5、，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成 细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜,（二）真核细胞,真核细胞包括单细胞生物（如酵母菌）、植物和动物 以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统：细胞膜、核膜、线粒体、叶绿体、溶酶体、内质网、高尔基体等 以核酸（DNA或RNA）与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统：染色质、核仁、核糖体。 由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统：微管、微丝、中间纤维、细胞核骨架。,真核细胞可分为三个系统： 生物膜结构系统：细胞膜、核膜、线粒体、叶绿体、溶酶体、内质网、高尔基体等。 遗传信息表达系统（颗粒纤维系统）：染色质、核仁、核糖体。 细胞骨架系统

6、：微管、微丝、中间纤维、细胞核骨架。,原核细胞与真核细胞的区别,原核细胞 真核细胞 细胞大小 很小（1-10微米） 较大（10-100微米） 细胞核 无核膜（称“类核”） 有核膜 遗传系统 DNA不与蛋白质结合 DNA与蛋白质结合 只有一条DNA染色质 有二条以上染色体 细胞器 无 有 细胞骨架 无 有 核糖体 70S 80S 核外DNA 裸露的质粒DNA 线粒体DNA ，叶绿 - 体DNA,动物细胞与植物细胞的比较,细胞壁（cell wall) 叶绿体（chloroplast) 大液泡（vacuole) 胞间连丝（plasmodesmata),植物特有的结构,细胞 动物细胞 植物细胞 线粒体

7、 乙醛酸循环体 核糖体 内质网 高尔基体,中心体 （低等植物）,细胞壁 叶绿体 液泡 胞间连丝,动物细胞与植物细胞比较,（三） 古核细胞,古细菌(archaeobacteria)（又可叫做古生菌、古菌、古 古核生物的结构 核细胞或原细菌）是一类很特殊的细菌，多生活在极端的生态环境中。 具有原核生物的某些特征，如无核膜及内膜系统；也有真核生物的特征，如以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白； 还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征，如：细胞膜中的脂类是不可皂化的；细胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白质为主，有的含杂多糖，有的类似

8、于肽聚糖，但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。,第二节、真核细胞的结构和功能,一、生物膜 生物膜是指位于生物细胞上和细胞内部的膜结构，包括质膜和细胞内膜 （一）质膜和细胞内膜,（cell membrane),使细胞具有相对独立和稳定的内环境； 是细胞内外物质、信息、能量交换的“门户”。,细胞膜,概念：,是包围在细胞质外周的一层界膜，又称质 膜（plasma membrane).,功能：,除细胞膜外，真核细胞内许多膜性细胞器的膜，如内质网膜、高尔基复合体膜、溶酶体膜、核膜等，称为细胞内膜。它们共同构成真核细胞的内膜系统。,细胞内膜,（endomembrane）,概念：,任何生物膜在电镜下都

9、呈现“暗明暗”三层结构，故将这三层结构称为单位膜。,生物膜,细 胞 膜,细胞内膜,生物膜(biomembrane）,细胞膜,细胞质,细胞的外周膜和内膜系统称为“生物膜”；,(二)、生物膜的分子结构模型,生物膜结构描述的历史回顾:,1925年,Gorter 和Grendell 用丙酮抽提红细胞膜中的脂类并在水和空气界面上铺展成单分子层,测量其所占面积相当于所用红细胞膜总面积的两倍,因而首次提出细胞膜是由连续的脂双分子层组成的。,迄今为止，关于膜的几十种结构模型都是建立在“脂双分子层”这一基础之上的。,1899年，Overton 曾用各种化学物质对卵细胞进行选择性渗透试验，发现疏水性物质比亲水性物

10、质更容易通过细胞膜进入细胞，认为细胞膜是由脂质组成的。,1.片层结构模型,1935年,Danielli和Davson,发现细胞膜的表面张力显著低于油-水界面的表面张力,因此认为,细胞膜中除含有脂类外，还含有蛋白质,故提出了片层结构模型.,蛋白质,脂双分子层,夹层学说,（球状）,（球状）,（双分子层）,“蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板结构,2.单位膜模型,蛋白质：单层肽链 折叠结构,脂双层,细胞膜,细胞质,1959年, Robertson 利用电子显微镜观察，发现所有生物膜都呈“暗-明-暗”三层结构，故而把“两暗一明”的结构模型称为单位膜模型。,暗,明,暗,此模型认为覆盖在脂双分子层内外表面的是呈

11、- 折叠的薄片状蛋白质，而非球状蛋白质。,2.0nm,3.5nm,2.0nm,3. 液态镶嵌模型,1. 流动的脂双分子层 构成生物膜的连续主体。,2.球形的膜蛋白以各种形式镶嵌在脂双分子层中或附着在膜表面。,脂双分子层,极性头部,疏水尾部,内在膜蛋白,外在膜蛋白,1972年，Singer和Nicolson总结提出，其主要论点是：,评价： 液态镶嵌模型可以解释膜中发生的很多现象，为人们普遍接受，但也有不足之处：如忽视了膜的各部分流动性的不均匀性，忽视了蛋白质分子对脂分子流动性的限制作用。,3.强调了膜的流动性 和不对称性。,流动镶嵌模型,蛋白质,糖链,脂双分子层,(三）、脂质双层膜的特点,（1）

12、生物膜膜组分的不对称性分布：保证膜电荷数量的差异和膜的流动性，与膜蛋白的定向分布及其功能发挥有密切的关系 （2）生物膜膜脂的运动性 表现正常的生物学功能有十分重要的意义。 膜脂的运动性：旋转、摆动、侧向扩散、翻转、异构化等。 膜蛋白的运动性：侧向扩散和旋转扩散 （3）生物膜中分子间的作用力 静电力、疏水力和范德华力,二、细胞壁,细胞壁(cell wall)是植物细胞外围的一层壁，具一定弹性和硬度，界定细胞形状和大小。,（一）细胞壁的组成 1、细胞壁的结构 典型的细胞壁是由胞间层(intercellular layer)、初生壁(primary wall)以及次生壁(secondary wall

13、)组成，其中次生壁由次生壁外层S1； 次生壁中层S2 ； 次生壁内层S3组成,S1 次生壁外层； S2 次生壁中层； S3 次生壁内层； CW1 初生壁； ML 胞间层,2、细胞壁的化学组成,构成细胞壁的成分中，90%左右是多糖，10%左右是蛋白质、酶类以及脂肪酸等。细胞壁中的多糖主要是纤维素、半纤维素和果胶类，它们是由葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖醛酸等聚合而成。次生细胞壁中还有大量木质素。,三、细胞质及其内含物,细胞质：是指存在于质膜与核被摸之间的原生质，包括细胞器和细胞质基质,（一）、细胞质基质 （cytoplasmic matrix or cytomatrix）,在真核细胞，细胞质膜以内、核

14、以外的部分称为细胞质。细胞质基质是细胞的重要的结构成分，其体积约占细胞质的一半。,1、细胞质基质的涵义, 基本概念： 用差速离心法分离细胞匀浆物组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分。生物化学 家多称之为胞质溶胶。 主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。 主要特点：细胞质基质是一个高度有序的体系； 通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系。, 完成各种中间代谢过程 如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等 蛋白质的分选与运输 与细胞质骨架相关的功能 维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递等 蛋白

15、质的修饰、蛋白质选择性的降解 蛋白质的修饰 控制蛋白质的寿命 降解变性和错误折叠的蛋白质 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正确的分子构象,2、细胞质基质的功能,2 细胞骨架,在电子显微镜下，细胞质基质并不是均一的溶胶结构，其中还含有微丝（microfilament）、微管(microtubule)和中间纤维(intermiediate filament)组成的细胞骨架结构。 分布与真核细胞内的蛋白质纤维组成网状结构，与细胞器的空间分布、功能活动、物质运输、能量转换及信息传递等有关，在细胞中起到“骨骼和肌肉”作用。支架、运输、运动系统。 蛋白纤维： 微管 微丝 中间纤维,（1）微 管,，

16、 球状微管蛋白组 成中空管，直径 25nm 功能： 维持细胞形态 细胞器定位 胞内物质运输 鞭毛、纤毛、染色体 运动 中心粒,（2）微 丝,肌动蛋白组成 的微丝，直径 7 nm 功能： 维持细胞形态 细胞分裂 肌肉收缩,（3）中间丝（纤维）,多种蛋白组成 直径 10nm 细胞中含量丰富 功能： 承受机械压力,(二)中心体,动物细胞和低等植物细胞中都有中心体。它总是位于 细胞核附近的细胞质中，接近于细胞的中心，因此叫中 心体。在电子显微镜下可以看到，每个中心体含有两个 中心粒，这两个中心粒相互垂直排列。中心体与细胞的 有丝分裂有关。,典型的真核细胞中心体由一对中心粒组成。中心粒周围为云状电子致密

17、物，称为中心粒周围物质（Pericentrioles Material，PCM），中心粒周围物质围绕2个中心粒。,（三）线粒体,研究历史： 1890年R. Altaman首次发现线粒体，命名为bioblast，以为它可能是共生于细胞内独立生活的细菌。 1898年Benda首次将这种颗命名为mitochondrion。 1900年L. Michaelis用Janus Green B对线粒体进行染色，发现线粒体具有氧化作用。 Green（1948）证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，Kennedy和Lehninger（1949）发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内完成的，Hatefi等（1976）

18、纯化了呼吸链四个独立的复合体。Mitchell（19611980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。,线粒体一般呈粒状或杆状，但因生物种类和生理状态而异，可呈环形，哑铃形、线状、分杈状或其它形状。 一般直径0.5-1m，长1.5-3.0m，在胰脏外分泌细胞中可长达10-20m，称巨线粒体。 数目一般数百到数千个，植物因有叶绿体的缘故，线粒体数目相对较少；肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的20%；单细胞鞭毛藻仅1个，酵母细胞具有一个大型分支的线粒体，巨大变形中达50万个；许多哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体。,1、线粒体的形态与分布：,结构: 线粒体由内外两层膜封闭，包括外膜、内膜、膜间隙和基质

19、四个功能区隔 。在肝细胞线粒体中各功能区隔蛋白质的含量依次为：基质67%，内膜21%，外8%膜，膜间隙4%。,1、线粒体的结构与功能：,功能: （1）、外膜 (out membrane) 含40%的脂类和60%的蛋白质，具有孔蛋白（porin）构成的 亲水通道，允许分子量为5KD以下的分子通过，1KD以下的分 子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。 （2）内膜 （inner membrane） 通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和 离子通过内膜时需要特殊的转运系统。如：丙酮酸和焦磷酸 是利用H+梯度协同运输。 线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜，因此从能量转换 角度来说，内膜起主

20、要的作用。内膜的标志酶为细胞色素C 氧化酶。 3、膜间隙(intermembrane space) 是内外膜之间的腔隙，延伸至嵴的轴心部，腔隙宽约6- 8nm。由于外膜具有大量亲水孔道与细胞质相通，因此膜间 隙的pH值与细胞质的相似。标志酶为腺苷酸激酶。,（4）基质（matrix） 为内膜和嵴包围的空间。除糖酵解在细胞质中进行外，其他的生物氧化过程都在线粒体中进行。催化三羧酸循环，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于基质中，其标志酶为苹果酸脱氢酶。 基质具有一套完整的转录和翻译体系。包括线粒体DNA（mtDNA），70S型核糖体，tRNAs 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。 基质中还含有纤

21、维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质，内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子。,（四）质体,质体是植物细胞中由双层膜包裹的一类细胞器的总称, 存在于真核植物细胞内。是真核细胞中具有半自主性的细胞器.质体由两层薄膜包围，可以随细胞的伸长而增大，是植物细胞合成代谢中最主要的细胞器。根据质体内所含的色素和功能不同，质体可分为白色体、有色体和叶绿体。这类细胞器都是由共同的前体:前质体分化发育而来, 包括:叶绿体、白色体、淀粉质体、有色体、蛋白质体、油质体等。有些质体具有一定的自主性, 含有DNA、RNA、核糖体等。,质体,1、叶绿体的形态大小（P27）,2、叶绿体的结构,叶绿体由叶绿体外被（chloro

22、plast envelope）、类囊体（thylakoid）和基质（stroma）3部分组成，叶绿体含有3种不同的膜：外膜、内膜、类囊体膜和3种彼此分开的腔：膜间隙、基质和类囊体腔。,内膜,外膜,类囊体腔,类囊体,基质,基粒,膜间隙,叶绿体的结构,（五）内质网,内质网的两种基本类型：囊腔和管道 粗面内质网：核糖体颗粒,糙面内质网 合成并运输蛋白质。 光面内质网:与脂类合成和代谢有关,（六）核糖体,细胞质中无膜包被的颗粒状结构 RNA 和蛋白质组成的复合物 合成蛋白质的机器（细胞质和细胞核内蛋白）,（七）高尔基体, 高尔基体的形态结构 由扁平囊和大小不等囊泡组成 具有极性的细胞器：形成面或顺面、

23、成熟面或反面 功能:蛋白质修饰与加工、蛋白质分类、包装、运输，多糖合成。,（八）溶酶体,溶酶体是由单层膜包围的含有多种酸性水解酶的囊状细，膜内 pH5.,（九）过氧化物酶（自学）,（十）、液泡（自学）,四、细胞核 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，即主要结构是由核膜、染色质、核仁和核骨架构成。,第三节 细胞的增值,细胞增值的方式： 无丝分裂：原核细胞（细菌）和少数真核细胞（草履虫）的分裂方式 有丝分裂：真核细胞的主要分裂方式（本章主要介绍） 减数分裂：真核生物生殖细胞如精母细胞和初级

24、精母细胞的主要分裂方式。,一、细胞的增值与细胞周期,细胞周期（cell cycle） ：细胞从一次有丝分裂开始到下一次有丝分裂开始所经历的一个有序过程。期间细胞遗传物质和其它内含物分配给子细胞。 一个细胞周期可以分为： （1）DNA合成前期：也就是细胞在DNA合成前有个间隙期，即分裂间期(interphase)， G1期, （2）DNA合成期，简称S期 （长） （3）DNA合成后期： G2期 （4）细胞有丝分裂期（mitosis,M期）: 有丝分裂期, 胞质分裂期 （短） 细胞沿着G1SG2M周期性运转。 细胞周期时间长短 取决于G1期。,根据细胞周期中DNA合成和分裂的能力，可将构成高等生物

25、组织的细胞分为三个类群 （1）连续分裂的细胞：骨髓干细胞, （2）终止细胞：永久失去细胞能力，不进行分裂的细胞：哺乳动物的神经细胞 （3）暂时分裂休止的细胞： 又称G0期细胞,二、细胞周期各时相的主要事件,1、G1期:此期细胞内代谢活跃，细胞生长，体积增大，主要进行RNA和蛋白质合成（重要蛋白包括:G1期蛋白、钙敏素及有关DNA合成的酶类等），若G1期的蛋白质及RNA合成受阻，则细胞不能进入S期。 2、S期:此期细胞内主要事件就是DNA合成复制，其次还有组蛋白，非组蛋白和RNA合成，并伴随有核小体结构复制， 有三个特异点: （1）四种脱氧核苷酸合成速度不均一:S期初期C-G含量高。而后期A-T

26、含量高； （2）染色体复制早晚不同:常染色体在S期前半期复制，而异染色体则在后半期复制； （3）DNA合成和蛋白质合成紧密相连，如:用放线菌抑制组蛋白合成，则DNA合成也马上停止；反之若用羟基尿来阻断DNA合成，组蛋白随即停止合成。,3、G2期:此期细胞生化活动是为M期细胞分裂做准备，主要是活跃的合成周期，tRNA及ATP通过G2/M期检验点必需的。 4 、M期:分裂之中，细胞内生化合成活动都减弱，如:RNA合成停止，蛋白质合成减少（此期仍有少量非组蛋白合成） 。,三、细胞有丝分裂（M期）增值的过程,细胞分裂期：前期，中期，后期，末期 1. 前期（prophase） 染色质丝高度螺旋化，逐渐形

27、成染色体（chromo some）。染色体短而粗，强嗜碱性。两个中心体向相反 方向移动，在细胞中形成两极；而后以中心粒随体为起 始点开始合成微管，形成纺锤体。随着核仁相随染色质 的螺旋化，核仁逐渐消失。核被膜开始瓦解为离散的囊 泡状内质网。,2、. 中期（metaphase） 细胞变为球形，核仁与核被膜已完全消失。染色体均 移到细胞的赤道平面，从纺锤体两极发出的微管附着于 每一个染色体的着丝点上。从中期细胞可分离得到完整 的染色体群， 3后期（anaphase） 由于纺锤体微管的活动，着丝点纵裂，每一染色体的 两个染色单体分开，并向相反方向移动，接近各自的中 心体，染色单体遂分为两组。与此同时，细胞波拉长， 并由于赤道部细胞膜下方环行微丝束的活动，该部缩 窄，细胞遂呈哑铃形。,4、末期（telophase） 染色单体逐渐解螺旋，重新出现染色质丝与核仁； 内质网囊泡组合为核被膜；组胞赤道部缩窄加深，最 后完全分裂为两个2倍体的子细胞。 5、细胞质分裂 （1）动物细胞质的分裂 （2）植物细胞质的分裂,四、细胞增值调控的基本原理（自学）,第四节 细胞的生长于分化（自学）,作业：,一、名词解释 1.细胞膜 2.细胞内膜 3.生物膜 4.细胞周期 二、简答题 1.原核细胞与真核细胞有哪些主要区别？ 2.简述细胞核的基本结构与功能。 3.简述细胞周期的组成及各时相的主要事件,