第1章细胞生物学

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 细胞生物学,生物奥赛辅导,细胞生物学部分竞赛考试纲要细目,细胞的结构和功能,化学成分,-,单糖、双糖、多糖,-,脂类,-,蛋白质：氨基酸、遗传密码子、蛋白质结构,蛋白质的化学分类：简单蛋白质和结合蛋白质,蛋白质的功能分类：结构蛋白和酶,-,酶类：,化学结构、酶作用的模型、变性、命名,-,核酸：,DNA,RNA,-,其他重要化合物,ADP,和,ATP,NAD+,和,NADH,NADP+,和,NADPH,细胞器,细胞核,-,核膜,-,（核透明质）,-,染色体,-,核仁,细胞质,-,细胞膜,-,透明质,-,线粒体,-,内质网,-,核糖体,-,高尔基体,-,溶酶体,-,液泡膜,-,前质体,-,质体,叶绿体,有色体,白色体（如造粉体）,细胞代谢,-,碳水化合物的异化,无氧呼吸：糖酵解,有氧呼吸：糖酵解 柠檬酸循环 氧化磷酸化,-,脂肪和蛋白质的异化,-,同化作用,光合作用,光反应,暗反应（卡尔文循环）,蛋白质合成,-,转录,-,转译,-,遗传密码,通过膜的转运,-,扩散,-,渗透，质壁分离,-,主动转运,有丝分裂和减数分裂,-,细胞周期：间期和有丝分裂,-,染色单体、赤道板、单倍体和二倍体、基因组、体细胞和生殖细胞、配子、交换,-,减数分裂,和减数分裂,微生物学,*原核细胞的组成,*形态学,*光养和化养,生物工程学,*发酵,*生物体的遗传操纵,1,细胞的发现,1665,年,英国物理学家,罗伯特,虎克,用他自制的显微镜观察栓皮栎的软木切片时，看到了一个个蜂窝状的小室。他把这样的,“,小室,”,称为细胞。其实，他所看到的是植物细胞死亡后留下来的细胞空腔，是一个死细胞。尽管如此，虎克的工作还是使生物学的研究进入了微观领域。此后，许多人在动、植物中都看到和记载了细胞构造的轮廓。,2,细胞学说的建立,自虎克发现细胞之后约,170,年，到,1839,年创立了细胞学说,。在这期间内，人们对动物、植物细胞及其内含物进行了较为广泛的研究，积累了大量的资料。直到,19,世纪,30,年代已有人注意到植物和动物在结构上存在某种一致性，它们都是由细胞所组成的。在这一背景下，德国植物学家,施莱登,于,1838,年提出了细胞学说的主要论点，次年又经德国动物学家,施旺,加以充实，最终创立了细胞学说。,细胞学说的主要内容是：细胞是动、植物有机体的基本结构单位，也是生命活动的基本单位。这样，就论证了整个生物界在结构上的统一性，细胞把生物界的所有物种都联系起来了，生物彼此之间存在着亲缘关系。这是对生物进化论的一个巨大的支持。细胞学说的建立有力地推动了生物学的发展，为辩证唯物论提供了重要的自然科学依据，恩格斯对此评价很高，把细胞学说誉为,19,世纪自然科学的三大发现之一。,（一）细胞生物学的发展,（一）细胞生物学的发展,3,细胞学的发展,进入本世纪以来，染色方法的改进，高速离心机的应用，特别是电镜的问世和放射性同位素的应用等，已使细胞生物学发展进入了较高的层次。从,1953,年开始，逐渐兴起在分子水平上探讨生命奥秘的分子生物学。分子生物学取得的卓越成就对细胞学的发展是一个巨大的推动。细胞学逐渐发展成从,显微水平、亚显微水平和分子水平,三个层次上深入探讨细胞生命活动的学科。,（二）细胞的形态与大小,1,细胞的形状,一个细胞与其他细胞分离而单独存在时，称游离细胞。游离细胞常呈球形或近于球形。但实际上由于细胞表面张力或原生质粘度的不均一性等原因，很多单独存在的游离细胞并不呈球状。例如，动物的卵细胞、植物的花粉母细胞是球状或近于球状的细胞，人的红细胞呈扁圆状，某些细菌呈螺旋状，精子和许多原生动物具有鞭毛或纤毛，变形虫和白血球等为不定形细胞。,许多细胞构成组织，这样的细胞称组织细胞。组织细胞的形状受相邻细胞的制约，并和细胞的生理功能有关。例如肌肉细胞适于伸缩，神经细胞适于接受刺激、产生兴奋、传导兴奋。,2,细胞的大小,细胞的体积很小，肉眼一般是看不见的，需要借助显微镜才能看到。在显微技术和电镜技术中常用的单位有：微米（,m,或,）、纳米（又叫毫微米,nm,）和埃三种。,1m,10,2,cm,10,6,m,10,10,细胞的直径多在,10m,100m,之间。有的很小，如枝原体，其直径为,0.1m,0.2m,，是最小的细胞。细菌的直径一般只有,1m,2m,。有的细胞较大，如番茄、西瓜的果肉细胞直径可达,1mm,；棉花纤维细胞长约,1cm,5cm,；最大的细胞是鸟类的卵（鸟类的蛋只有其中的蛋黄才是它的细胞，卵白是供发育用的营养物质，不屑于细胞部分），如鸵鸟蛋卵黄的直径可达,5cm,。,细胞的大小与生物体的大小没有相关性。参天的大树与新生的小苗；大象与昆虫，它们的细胞大小相差无几。鲸是最大的动物，但是它的细胞并不大，生物体积的加大，主要是细胞数目的增多造成的。,（三）原核细胞和真核细胞,1,原核细胞,原核细胞外部由质膜包围，质膜的结构与化学组成和其核细胞相似。在质膜之外还有一层坚固的细胞壁保护。原核细胞壁的化学组成与真核细胞不同，是由一种叫胞壁质的蛋白多糖所组成，少数原核细胞的壁还含有其他多糖和类脂，有的原核细胞壁外还有胶质层。,原核细胞内有一个含,DNA,的区域，称类核或拟核。类核外面没有核膜，只由一条,DNA,构成。这种,DNA,不与蛋白质结合形成核蛋白。原核细胞中没有内质网、高尔基体、线粒体和质体等，但有核糖体和中间体。核糖体分散在原生质中，是蛋白质合成的场所。中间体是质膜内陷形成的复杂的褶叠构造，其中有小泡和细管样结构。有些原核细胞含有类囊体等结构。类囊体具有光合作用功能。在原核细胞中还有糖原颗粒、脂肪滴和蛋白颗粒等内含物（见下图）。,1,DNA 2,核糖体,3,细胞壁,4,细胞膜,蓝藻细胞模式图,（三）原核细胞和真核细胞,2,真核细胞,真核细胞结构比原核细胞复杂，在同一个多细胞体内，功能不同的细胞，其形态结构也有不同。在真核细胞中，动物细胞和植物细胞也有重要区别。动物细胞质膜外无细胞壁，无明显的液泡。此外，在细胞核的附近有中心粒，在细胞有丝分裂时，发出星状细丝，称为星体。,植物细胞和动物细胞的主要区别是：植物细胞具有质体；其次，植物细胞的质膜外被细胞壁，相邻细胞间有一层胶状物粘合作用，称中层或胞间层。在两个相邻细胞间的壁上，有原生质丝相连，称胞间连丝，使细胞间互相沟通。最后在植物的分化细胞中往往有大液泡。,（三）原核细胞和真核细胞,3,原核细胞和真核细胞的主要区别比较如下：,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,无膜（称,“,类核,”,）,有膜,遗传系统,DNA,不与蛋白质结合,一个细胞只有一条,DNA,核内的,DNA,与蛋白质结合，形成染色质（染色体）,一个细胞有两条以上染色体,细胞质,无内质网,无高尔基体,无溶酶体,无线粒体,仅有功能上相近的中间体,无叶绿体，但有的原核细胞有类囊体,一般无微管、无微丝,无中心粒,有内质网,有高尔基体,有溶酸体,有线粒体,有叶绿体,(,植物细胞）,有微管、微丝,在中心粒,(,动物细胞）,细胞壁,主要由胞壁质组成,主要由纤维素组成,（四）真核细胞的亚显微结构,1,细胞膜,细胞膜即细胞质膜，它不仅是细胞与外界环境的分界层，而重要的是它控制着细胞内外的物质交换。此外，在真核细胞内还有丰富的膜系统。它们组成具有各种特定功能的细胞器和亚显微结构。例如，线粒体、叶绿体、高尔基体、溶酶体、细胞核、内质网等都是由膜围成的，有的并由膜构成内部的复杂结构。细胞膜和内膜系统以及线粒体膜、叶绿体膜等统称为“生物膜”。生物膜对细胞的一系列催化过程的有序反应和整个细胞的区域化提供了一个必需的结构基础。,（,1,）质膜的化学组成,细胞膜主要由脂类和蛋白质组成，蛋白质约占膜干重的,20%,70%,，脂类约占,30%,80%,，此外还有少量的糖类。不同细胞的细胞膜中各成分的含量出膜的功能而有所不同。,构成质膜的脂类中有磷脂、糖脂和类固醇等，其中以磷脂为主要组分。磷脂主要由脂肪酸、磷酸和甘油组成。（见下图）它是兼性分子，既有亲水的极性部分，又有流水的非极性部分，磷脂分子的构形是一个头部和两条尾巴。这种一头亲水，一头疏水的分子称为兼性分子。,（四）真核细胞的亚显微结构,糖脂和胆固醇也都属于兼性分子。一般地说，功能多而复杂的生物膜蛋白质比例大。相反，膜功能越简单，所含蛋白质的种类越少。例如，神经髓鞘主要起绝缘作用，蛋白质的只有三种，与类脂的重量比仅为,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，蛋白质与类脂的比值达,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，少者几种，多者可能有数十种。由于分离提纯困难，迄今提纯的膜蛋白还为数不多。从分布位置看，质膜的蛋白质可分为两大类。一类只是与膜的内外表面相连，称为外在性蛋白或周缘蛋白。另一类嵌入双脂质内部，有的甚至还穿透膜的内外表面，称为内在性蛋白。分高外在性蛋白比较容易，但内在性不易分一般外在性蛋白占全部胰蛋白的比例较小，而内在性蛋白所占的比例较大。,质膜中的多糖主要以糖蛋白和糖脂的形式存在。一般认为，多糖在接受外界刺激的信息方面有重要作用。,（四）真核细胞的亚显微结构,（,2,）质膜的分子结构模型,关于质膜的分子结构，有许多不同的模型，其中受到广泛支持的是,“,流动镶嵌模型,”,。其主要特点有两个：一是强调了膜的流动性。认为脂类的双分子层或者膜的蛋白质都是可以流动或运动的。二是显示了膜脂和膜蛋白分布的不对称性。如有的蛋白质分子镶在类脂双分子层表面，有的则部分或全部嵌入其内部，有的则横跨膜层。,在类脂层外面的蛋白质称为外在性蛋白，嵌入类脂层中的蛋白质和横跨类脂层的蛋白质称为内在性蛋白。各种生物膜在功能上的差别可以用镶嵌在类脂层中的蛋白质的种类和数量的不同得到解释。,外在性蛋白主要处于水的介质中，而内在性蛋白只是部分暴露于水中，而主要处于油脂介质中，内在蛋白在这种双相环境中所以能保持稳定，是因为它也像磷脂分子那样具有亲水和疏水两个部分。暴露在水介质中的部分由亲水性氨基酸组成，而嵌在脂质在的蛋白质部分主要是由疏水性氨基酸组成的。现在已能分离出某些内在性蛋白，发现它们的疏水性氨基酸含量显著多于亲水性氨基酸，而外在性蛋白的这两类氨基酸的比例是大体相等的。,多糖只分布于膜和外侧，表现出不对称性。脂质在膜中的分布也是不完全对称的，例如不饱和脂肪酸和固醇在膜的外侧较多。流动镶嵌模型认为质膜的结构成分不是静止的，而是可以流动的。许多试验证明，质膜中类眼分子的脂肪酸键部分在正常生理情况下处于流动状态。一般认为膜脂所含脂肪酸的碳链愈长或不饱和度愈高，流动性愈大。环境温度下降膜脂的流动性减弱，相反，在一定限度内温度升高则脂质的流动性增加。,（四）真核细胞的亚显微结构,质膜中的蛋白质也是能够运动的。人们常提到的一个实验证据是,1970,年,Frye,L,D,和,Eddidin,M,的工作（见下图）。他们用不同的荧光染料标记的抗体分别与小鼠细胞和人细胞的膜抗原相结合，它们能分别产生绿色和红色荧光。当这两种细胞融合后形成一个杂交细胞时，开始一半呈绿色，一半呈红色，说明它们的抗原（蛋白质）是在融合细胞膜中互相分开存在的。但在,37,下保温,40,分钟后，两种颜色的荧光点就呈均匀分布。,这说明抗原蛋白质可以在细胞膜中移动而重新分布。这一过程基本上不需能量，因为它不因缺乏,ATP,而受抑制。,膜蛋白的运动受很多因素影响。膜中蛋白质与脂类的相互作用、内在蛋白与外在蛋白相互作用、膜蛋白复合体的形成、膜蛋白与细胞骨架的作用等都影响和限制蛋白质的流动。质膜中蛋白质的移动显然应和质膜的功能变化有关。,（四）真核细胞的亚显微结构,（,3,）物质通过质膜进出细胞,自由扩散,指物质,顺浓度梯度,直接穿过脂双层进行运输的方式。既不需要细胞提供能量也不需要膜蛋白协助。一般来说，影响物质进行自由扩散速度的因素主要是物质本身分子大小、物质极性大小、膜两侧物质的浓度