第四章2生命的化學(xué)基礎(chǔ)和基本單位2

第6講細(xì)胞

——生命的基本結(jié)構(gòu)單位第一節(jié)細(xì)胞學(xué)說的建立第二節(jié)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能第三節(jié)細(xì)胞分裂和細(xì)胞周期第四節(jié)細(xì)胞分化、衰老與死亡1顯微鏡的發(fā)明打開了微觀世界的大門光學(xué)顯微鏡透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡2第一節(jié)細(xì)胞學(xué)說的建立1.1細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)17世紀(jì)中葉，顯微鏡被用于生物學(xué)研究，用顯微鏡觀察來自樹皮的木栓，看到一個個“小室”結(jié)構(gòu)，稱之謂“Cell”（細(xì)胞）。人們用顯微鏡觀察各種生物，包括微生物和動、植物的細(xì)微構(gòu)造，到處都看到細(xì)胞結(jié)構(gòu)。逐漸形成一個觀念：各種生物都是由細(xì)胞組成的。3英國科學(xué)家R.Hook（1635-1703)，發(fā)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(xì)菌和原生動物。420世紀(jì)初，兩位德國生物學(xué)家施萊登和施旺正式明確提出：細(xì)胞是植物體和動物體的基本結(jié)構(gòu)單位。最初提出細(xì)胞學(xué)說觀點的兩篇論文是:

德國植物學(xué)家施萊登1838年發(fā)表的論文:『論植物發(fā)現(xiàn)』;

德國動物學(xué)家施旺1839年發(fā)表的論文:『動、植物結(jié)構(gòu)與生長相似性的顯微研究』。1.2細(xì)胞學(xué)說5細(xì)胞學(xué)說的內(nèi)容（1）所有生物都是由細(xì)胞和細(xì)胞產(chǎn)物構(gòu)成的。（2）新細(xì)胞只能由原來的細(xì)胞分裂而產(chǎn)生。（3）所有細(xì)胞都具有基本上相同的化學(xué)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(guān)細(xì)胞的相互作用和集體活動的總和。

6細(xì)胞學(xué)說的科學(xué)意義細(xì)胞學(xué)說與進化論一起，奠定了生物科學(xué)的基礎(chǔ)。細(xì)胞學(xué)說使生命世界有機結(jié)構(gòu)多樣性的統(tǒng)一，從哲學(xué)推斷走向自然科學(xué)論證。從兩篇經(jīng)典的論文看來，細(xì)胞學(xué)說不但關(guān)系到生物體的構(gòu)造，也關(guān)系到生物體的生長與發(fā)育。71.3細(xì)胞是生命的基本單位細(xì)胞是生命的基本結(jié)構(gòu)單位，所有生物都是由細(xì)胞組成的細(xì)胞是生命活動的功能單位，一切代謝活動均以細(xì)胞為基礎(chǔ)細(xì)胞是生殖和遺傳的基礎(chǔ)與橋梁，具有相同的遺傳語言細(xì)胞是生物體生長發(fā)育的基礎(chǔ)形狀與大小各異的細(xì)胞是生物進化的結(jié)果沒有細(xì)胞就沒有完整的生命819世紀(jì)末，人們逐漸發(fā)現(xiàn)比細(xì)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(xué)本質(zhì)和電鏡結(jié)構(gòu)。看來，病毒是一類不具細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生命形態(tài)。最簡單的病毒僅由核酸大分子和蛋白質(zhì)大分子組成。但是，病毒顆粒必需進入寄主活細(xì)胞才能表現(xiàn)出生命的各方面特性。有沒有非細(xì)胞生命？9第二節(jié)

細(xì)胞的結(jié)構(gòu)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(xì)胞8、柵欄組織薄壁細(xì)胞9、驢蹄草葉表皮細(xì)胞和保衛(wèi)細(xì)胞10、大鼠肝細(xì)胞11、腎近曲小管上皮細(xì)胞12、成纖維細(xì)胞13、人紅細(xì)胞14、人精子15、哺乳動物的橫紋肌細(xì)胞16、平滑肌細(xì)胞17、神經(jīng)細(xì)胞體10依據(jù)有無細(xì)胞核，整個生命世界可以區(qū)分為兩大類：

原核生物真核生物

細(xì)菌植物

放線菌動物

藍(lán)藻真菌（霉菌、酵母)

等等原生動物

藻類2.1原核細(xì)胞和真核細(xì)胞11原核細(xì)胞細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)與動、植物細(xì)胞不同，要簡單的多。最主要的差別是細(xì)菌沒有細(xì)胞核結(jié)構(gòu)，核物質(zhì)DNA還是有的，形成類核區(qū)(又稱擬核)，并且細(xì)菌細(xì)胞也沒有其他各種細(xì)胞器。12真核細(xì)胞13細(xì)胞大小較小(1-10μm)較大(10-100μm)染色體一條DNA，不與蛋白質(zhì)聯(lián)結(jié)幾條染色體，與蛋白聯(lián)結(jié)在一起細(xì)胞核無核膜核仁 有核膜和核仁細(xì)胞器無有內(nèi)膜系統(tǒng)簡單復(fù)雜微梁系統(tǒng)無微管和微絲細(xì)胞分裂二分體,出芽分裂有絲分裂轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯同一時間和地點不同時間和地點原核細(xì)胞和真核細(xì)胞比較14細(xì)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(huán)境中，這類分子會自發(fā)形成脂雙層微囊。2.2動物細(xì)胞的典型結(jié)構(gòu)15流動鑲嵌學(xué)說膜結(jié)構(gòu)：細(xì)胞膜的框架是脂雙層，蛋白質(zhì)“鑲嵌”其中這樣的膜結(jié)構(gòu)不但用以組成細(xì)胞膜，還用以分割形成各種細(xì)胞器，統(tǒng)稱生物膜特點：有序性、流動性和不對稱性16細(xì)胞膜的功能：①保護功能②物質(zhì)運輸：半透性（semipermeability）或稱選擇性透性。③信息傳遞：如生物電的傳導(dǎo)。④細(xì)胞識別：對同種或異種細(xì)胞的識別，或?qū)Ξ惣何镔|(zhì)的識別。⑤能量轉(zhuǎn)換

17細(xì)胞質(zhì)（cytoplasm）

在細(xì)胞膜以內(nèi)、細(xì)胞核以外的部分為細(xì)胞質(zhì)。細(xì)胞質(zhì)中主要包含下列重要的細(xì)胞器：

1、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)2、高爾基器3、線粒體4、溶酶體

此外，還有由微絲、微管等組成的細(xì)胞骨架。18內(nèi)質(zhì)網(wǎng)由單層生物膜圍成。是蛋白質(zhì)合成、修飾和分泌；脂類合成的場所。19（1）糙面型或顆粒型(roughER，rER)

膜外附有顆粒，稱核(糖核)蛋白體(ribosome)或核糖體。

功能：合成蛋白質(zhì)，也參加蛋白質(zhì)的修飾、加工和運輸。（2）光面型或無顆粒型(smoothER，sER)

膜上無顆粒，常呈管狀，小管彼此連接成網(wǎng)。功能：與糖原代謝(肝細(xì)胞)、甾醇類激素合成、脂類運送(小腸上皮細(xì)胞)、肌肉收縮(肌細(xì)胞)及解毒作用(肝細(xì)胞)等有關(guān)。（功能差異較大，決定于細(xì)胞的類型）20內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)核膜核糖體光滑型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)粗糙型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)21高爾基體由單層生物膜圍成，與蛋白質(zhì)修飾和分泌有關(guān)。

22功能：加工、濃縮、包裝、形成分泌顆粒。

高爾基器參與細(xì)胞分泌過程，將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)核蛋白體上合成的蛋白質(zhì)進行加工、分類和包裝，再加上高爾基器合成的糖類物質(zhì)形成糖蛋白轉(zhuǎn)運出細(xì)胞，供細(xì)胞外使用，同時也將加工分類后的蛋白質(zhì)及由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的一部分脂類加工后，按類分送到細(xì)胞的特定部位。高爾基器也進行糖的生物合成。23高爾基體的功能：24高爾基體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的關(guān)系25溶酶體由單層生物膜圍成，是生物大分子分解的場所。26功能：消化、防御。①正常的細(xì)胞內(nèi)消化：溶酶體含有多種水解酶，可催化大分子的降解。②細(xì)胞自溶：細(xì)胞有規(guī)律的死亡——溶酶體在細(xì)胞內(nèi)破裂，整個細(xì)胞被酶消化。③加工激素：如胰島素——剛形成時是胰島素原，經(jīng)溶酶體剪裁，形成有活性的胰島素。④與細(xì)胞病理有關(guān)。27線粒體由雙層生物膜圍成，是生物氧化、產(chǎn)生能量的場所。28功能：

參與葡萄糖的有氧氧化以及能量的交換與傳遞

——被稱為細(xì)胞的“動力工廠”或“動力站”，生命活動的總能量中，95%來自線粒體。29線粒體主要功能線粒體進行氧化磷酸化，產(chǎn)生ATP，是細(xì)胞的“動力工廠”。30細(xì)胞骨架由蛋白質(zhì)亞基組裝成，和細(xì)胞形狀、遷移、信息傳導(dǎo)等有關(guān)。31微絲微管中間纖維32細(xì)胞骨架：33小腸上皮細(xì)胞的冰凍蝕刻的電鏡照片，顯示細(xì)胞質(zhì)膜下面的細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)34細(xì)胞核由兩層生物膜圍成，遺傳信息貯藏在核內(nèi)，是DNA復(fù)制和RNA合成場所。控制細(xì)胞的生長、分裂、分化和新陳代謝等。35結(jié)構(gòu)（1）核膜或核被膜（nuclearmembrane或nuclearenvelope）：兩層膜，外膜與rER相連，有核孔（nuclearpore）。（2）核仁（nucleolus）：

核小體，主要成分是蛋白質(zhì)和RNA。（3）核基質(zhì)（nuclearmatrix）：

又稱核骨架（nuclearskeleton），呈纖維狀的網(wǎng)，主要成分是蛋白質(zhì)。（4）染色質(zhì)（chromatin）：

主要成分是DNA和蛋白質(zhì)。細(xì)胞分裂時染色質(zhì)進一步濃縮而成光學(xué)顯微鏡下可以看見的染色體.36核糖體核糖體是合成蛋白質(zhì)的細(xì)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。372.3植物細(xì)胞的典型結(jié)構(gòu)液泡細(xì)胞核內(nèi)質(zhì)網(wǎng)微管質(zhì)膜細(xì)胞壁線粒體葉綠體微絲高爾基體38動、植物細(xì)胞的區(qū)別植物細(xì)胞動物細(xì)胞有細(xì)胞壁沒有細(xì)胞壁有葉綠體沒有葉綠體有中央液泡沒有中央液泡39液泡液泡的滲透壓較高，使植物處于吸漲飽滿狀態(tài)一些代謝廢物也常以結(jié)晶態(tài)濃集其中40細(xì)胞壁機械支撐、生長、分化、細(xì)胞識別和抗病等作用41葉綠體——能量轉(zhuǎn)換器葉綠體是植物光合作用的場所，有兩層膜，含有環(huán)狀的DNA和核糖體。422.4細(xì)胞成分與結(jié)構(gòu)的分離用細(xì)胞破碎技術(shù)和超離心技術(shù)對細(xì)胞器或細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分進行分離和進一步的生物化學(xué)分析是探索細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系的重要途徑。43第三節(jié)細(xì)胞分裂和細(xì)胞周期3.1細(xì)胞為什么分裂？

細(xì)胞表面與新陳代謝密切相關(guān)。隨著細(xì)胞生長，細(xì)胞體積增大，而細(xì)胞表面積和體積之比卻在變小，細(xì)胞代謝速率下降。細(xì)胞分裂是細(xì)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44表面積/體積與代謝速率成正比老鼠重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453.2原核生物的細(xì)胞分裂

——二分分裂46細(xì)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(xì)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(xì)胞的有絲分裂47有絲分裂過程前期：染色質(zhì)形成光鏡下可見的染色體中期：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(xì)胞兩側(cè)末期：重新形成核膜，染色體消失細(xì)胞質(zhì)分裂：胞質(zhì)形成間隔，最終分為兩個細(xì)胞48染色質(zhì)和染色體處于分裂間期的細(xì)胞，細(xì)胞核內(nèi)的DNA分子，在一些蛋白質(zhì)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(zhì)。當(dāng)細(xì)胞進入M期時，染色質(zhì)折疊包裝，大約壓縮8400倍，形成光鏡下可以看到的染色體。49染色體數(shù)目是不同物種細(xì)胞的特征之一物種染色體數(shù)目物種染色體數(shù)目人46豌豆14小鼠40玉米20爪蟾36小麥42果蠅8酵母32503.4真核細(xì)胞的減數(shù)分裂

減數(shù)分裂發(fā)生在產(chǎn)生生殖細(xì)胞的過程中。生殖細(xì)胞包括精子和卵細(xì)胞，遺傳物質(zhì)總量僅為體細(xì)胞的一半，稱為n細(xì)胞。51減數(shù)分裂的特點子細(xì)胞染色體數(shù)目減半子細(xì)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(yīng)性和進化潛能。52同源染色體的不同組合導(dǎo)致配子種型大增在第一次減數(shù)分裂時，每對同源染色體分別分配至兩個子細(xì)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(xì)胞中。53

在第一次減數(shù)分裂中的同源染色體配對，導(dǎo)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(fù)雜化54染色體交叉的電鏡圖55第四節(jié)細(xì)胞的分化、衰老與死亡4.1細(xì)胞分化：發(fā)育過程中細(xì)胞后代在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生差異的過程。成年人全身細(xì)胞總數(shù)約1014個。細(xì)胞種類有200多種。這么多種類細(xì)胞均來自一個受精卵細(xì)胞。分化以后不同種類的細(xì)胞，形態(tài)、功能、基因表達和代謝活動均不相同。細(xì)胞分化不但發(fā)生在胚胎階段和發(fā)育過程中，亦發(fā)生在成人階段。56上皮細(xì)胞脂肪細(xì)胞平滑肌細(xì)胞心肌細(xì)胞神經(jīng)元細(xì)胞57細(xì)胞的發(fā)育潛能由一個細(xì)胞可能分化發(fā)育出多少種細(xì)胞？這就是細(xì)胞的發(fā)育潛能。全能性細(xì)胞：具有能使后代細(xì)胞形成完整個體的潛能的細(xì)胞。例如：受精卵多能性細(xì)胞：具有分化出多種組織或細(xì)胞（但是不能形成完整個體）的潛能的細(xì)胞稱多能性。例如：生血多能干細(xì)胞單能性細(xì)胞：只能分化成一種細(xì)胞的干細(xì)胞。例如：單能生血干細(xì)胞58多種血細(xì)胞都由生血干細(xì)胞分化而來59什么是克??？克隆是指一個無性繁殖系或利用不同方法產(chǎn)生無性繁殖系所進行的工作。克隆根據(jù)其研究或操作的對象的層次分為：基因克隆細(xì)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(xì)胞真核生物——細(xì)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(xì)胞的全能性動物克隆——難上難。為什么？

細(xì)胞分化程度更高，細(xì)胞全能性的喪失61動物克隆的早期探索1950s，爪蟾：腸上皮細(xì)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(xì)胞核一只蘇格蘭黑面母綿羊（受體）提供無細(xì)胞核的卵細(xì)胞另一只蘇格蘭黑面母綿羊提供羊胚胎的發(fā)育環(huán)境，是“多莉”羊的“生”母。63Dolly克隆過程從供體取出乳腺細(xì)胞從受體取出未受精的卵細(xì)胞，立即將其細(xì)胞核除去利用電脈沖的方法，使供體和受體細(xì)胞融合，進而形成胚胎細(xì)胞將胚胎細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一只綿羊的子宮內(nèi)，胚胎細(xì)胞進一步分化和發(fā)育，最后形成一只小綿羊64Dolly克隆的重要意義理論意義：證實分化成熟的動物細(xì)胞核仍具全能性，細(xì)胞質(zhì)對胚胎發(fā)育分化的決定性。實踐意義：畜牧業(yè)育種：復(fù)制出的數(shù)量巨大的優(yōu)良個體。生物醫(yī)學(xué)：提供基因工程產(chǎn)品，如人乳鐵蛋白、抗凝血酶等醫(yī)用蛋白質(zhì)；提供移植器官。建立穩(wěn)定的動物模型延緩珍稀瀕危動物的滅絕。等……65克隆人可以嗎？社會上最初反應(yīng)：共識—禁止克隆人實驗。但是，經(jīng)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(xué)技術(shù)的進展往往帶來負(fù)面效應(yīng)化學(xué)合成——化學(xué)武器病菌、病毒——生物武器原子能——原子彈新科學(xué)技術(shù)對倫理道德觀念的沖擊，會逐漸得到解決。關(guān)鍵是：呼吁科學(xué)民主，協(xié)商決策的社會機制；呼吁善于思考，富有社會責(zé)任心的人。674.2細(xì)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(fā)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(jīng)元減少37％神經(jīng)傳導(dǎo)速度減慢10％腦供血量減少20％肺活量減少

44％69體外培養(yǎng)成纖維細(xì)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(xì)胞有著明顯的衰老過程與供體年齡有關(guān)與供體物種有關(guān)70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(yīng)特別活潑。生物氧化中產(chǎn)生的自由基會破壞生物大分子，使得細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞，基因突變，導(dǎo)致細(xì)胞衰老。714.3細(xì)胞凋亡細(xì)胞死亡分為兩種：（1）因環(huán)境因素突變或病原物入侵而死亡，稱為病理死亡，或細(xì)胞壞死。（2）因個體正常生命活動的需要，一部分細(xì)胞必定在一定階段死去，稱細(xì)胞凋亡。72細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壞死有明顯區(qū)別細(xì)胞凋亡細(xì)胞壞死細(xì)胞變圓,與周圍細(xì)胞脫開