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1、第四讲 细胞生物体的基本结构单位,一、细胞学说的建立二、细胞的结构与功能三、细胞分裂和细胞周期四、细胞分化、衰老与死亡,1、细胞学说的主要的内容 17世纪中叶，显微镜被用于生物学研究，用显微镜观察来自树皮的木栓，看到一个个“小室”结构，称之谓“Cell”（细胞）。,一、细胞学说的建立,人们用显微镜观察各种生物，包括微生物和动、植物的细微构造，到处都看到细胞结构。逐渐形成一个观念：各种生物都是由细胞组成的。,图一,返回,英国科学家霍克（R.Hook,1635-1703),27岁成为英国皇家 学 会领导成员,发表对木栓的观察,命名Cell。,荷兰人列文虎克（Antoni von Leeuwenho
2、ek,1623-1723）用自磨镜片做成显微镜第一次观察了活的细菌和原生动物。,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。,这个观点，经过后来的丰富和发展，形成公认的细胞学说：,（1）细胞是所有动、植物的基本结构单位。（2）每个细胞相对独立，一个生物体内各 细胞之间协同配合。（3）新细胞由老细胞繁殖产生。,2、细胞学说的科学意义,细胞学说的提出先于进化论约20年，它与进化论一起，奠定了生物科学的基础。细胞学说使生命世界有机结构多样性的统一，从哲学推断走向自然科学论证。,细胞学说被认为是 19 世纪自然科学的重大发现之一。值得注意的是，从两篇经典
3、的论文看来，细胞学说不但关系到生物体的构造，也关系到生物体的生长与发育。,最初提出细胞学说观点的 两篇论文是:德国植物学家施莱登 1838 年发表的论文:论植物发现;德国动物学家施旺 1839 年发表的论文:动、植物结构与生长相似性的显微研究。,返回,有没有非细胞生命？,19 世纪末，人们逐渐发现比细菌还小的“传染性的活性成份”，称为病毒。1930s1940s 期间弄清病毒的化学本质和电镜结构。看来，病毒是一类不具细胞结构的生命形态。,最简单的病毒仅由核酸大分子和蛋白质大分子组成。但是，病毒颗粒必需进入寄主活细胞才能表现出生命的各方面特性。,二、细胞的结构和功能,1、动物细胞的典型结构 细胞膜
4、和生物膜 磷脂和鞘脂分子具有一个共同的特征一个极性的头两个非极性的尾巴。在水环境中，这类分子会自发形成脂双层微囊。,返回,动物细胞模式图,返回,在水中的脂双层微囊,细胞膜的框架，就是脂双层，还有蛋白质“镶嵌”其中。1970s 提出的流动镶嵌学说,强调了生物膜中脂分子和蛋白质分子的运动。这样的膜结构不但用以组成细胞膜，还用以分割形成各种细胞器，所以,统称生物膜。,返回,细胞膜结构,内质网 由单层生物膜围成。是蛋白质合成、修饰和分泌；脂类合成的场所。,细胞核 由两层生物膜围成，遗传信息贮藏在核内，是 DNA 复制和 RNA 合成场所。,返回,细胞核结构,返回,内质网结构,溶酶体 由单层生物膜围成，
5、是生物大分子分解的场所。,高尔基体 由单层生物膜围成，与蛋白质修饰和分泌有关。,返回,溶酶体结构,返回,高尔基体结构,细胞质 有多种蛋白质和酶，是糖酶解和糖元合成等反应的场所。,线粒体 由双层生物膜围成，是生物氧化、产生能量的场所。,返回,线粒体结构,细胞骨架 由蛋白质亚基组装成，和细胞形状、迁移、信息传导等有关。,核糖体 由 RNA 和蛋白质形成的大颗粒，是 蛋白质合成的场所。,返回,微管,微丝,中间纤维,细胞骨架结构,2、植物细胞的典型结构,与动物细胞相比,有几点不同:植物细胞 动物细胞有细胞壁 没有细胞壁有叶绿体 没有叶绿体有中央液泡 没有中央液泡,返回,植物细胞结构,3、真核细胞和原核
6、细胞,细菌细胞结构与动、植物细胞不同，要简单的多。最主要的差别是细菌没有细胞核结构，核物质DNA还是有的，形成类核区(又称拟核)。并且细菌细胞也没有其他各种细胞器。,返回,细菌细胞结构,依据有无细胞核，整个生命世界可以区分为两大类：原核生物 真核生物 细 菌 植 物 放线菌 动 物 蓝 藻 真 菌（霉菌、酵母)原生动物,三、细胞分裂和细胞周期,1、为什么会有细胞分裂？,随着细胞生长，细胞体积增大，而细胞表面积和体积之比(表面积/体积)却在变小。,活细胞不断进行新陈代谢，细胞表面担负着输入养分，排出废物的重任。,表面积/体积 比值的下降，意味着代谢速率的受限和下降。所以，细胞分裂是细胞生长过程中
7、保持足够表面积，维持一定的生长速率的重要措施。,随着体积增大,表面积/体积 比值下降,下图,半径增大 4倍体积增大 64倍表面积增大 16倍表面积/体积从 3/1下降到 0.7/1,表面积/体积 比值 老鼠 大象,返回,老鼠重 25 克,大象重 4 吨表面积/体积 老鼠是大象的 24 倍所以,老鼠的代谢速率大于大象,2、原核生物的细胞分裂,原核生物以细菌为例，细胞分裂比较简单。细胞生长增大到一定程度，DNA 复制，形成两个 DNA 分子，分别移到拉长了的细胞两端，中间形成新的细胞间隔，进而形成细胞壁，成为两个细胞。这个过程称为二分分裂。,细菌细胞分裂,返回,3、真核细胞的有丝分裂,大多数真核生
8、物是多细胞生物。体细胞的分裂称为有丝分裂；生殖细胞形成过程中，则有与之不同的减数分裂。,细胞从前一次分裂开始到后一次分裂开始，这段时间称为一个:细胞周期。,（1）细胞分裂周期,细胞周期,返回,通常,细胞周期可以区分为四个阶段：M 期 分裂期，在这个阶段,可以在显微镜下看到细胞分裂过程。G1 期 S 期 DNA 合成期 G2 期 G1 期，S 期和 G2 期又总称为:分裂间期。,（2）有丝分裂过程,前期 染色质浓缩，折叠，包装，形成光镜下可见的染色体。每条染色体含两条姊妹染色单体。中期 核膜消失，染色体排列在赤道板上。,返回,分裂间期,有丝分裂,前期,中期,后期 姐妹染色单体分开，被 分别 拉向
9、细胞两侧 末期 重新形成核膜，染色体 消失 细胞质分裂 胞质形成间隔，最终分开为两个细胞,返回,中期,后期,末期,细胞质分裂,有丝分裂,现在集中看一下 在 M 期发生的有丝分裂过程：前期:染色质浓缩，折叠，包装，形成光 镜下可见的染色体，每条染色体含两条染色单体。中期:核膜消失，染色体排列在赤道板上。后期:姐妹染色单体分开，被分别拉向细 胞两侧。末期:重新形成核膜，染色体消失。细胞质分裂:胞质形成间隔，最终分开为 两个细胞。,返回,有丝分裂,（3）染色质和染色体,处于分裂间期的细胞，细胞核内的 DNA 分子，在一些蛋白质的帮助下，有一定程度的盘绕，形成核小体。多个核小体串在一起形成染色质。所以
10、，染色质是在细胞分裂间期遗传物质存在的形式。,核小体和染色质,返回,核小体直径 10 nm，光镜下看不到。当细胞进入 M 期时，染色质折叠包装，大约压缩 8400 倍，形成光镜下可以看到的染色体。,染 色 体,返回,应记住，在染色体出现时，细胞已经过 S 期完成 DNA 复制，已由原来的每个 DNA 分子复制出两个 DNA分子。所以，每条染色体由两条姐妹染色单体组成。,通常把体细胞称为双倍体细胞，体细胞的遗传物质的总含量为 2n。在细胞分裂中，在光镜下可以看到染色体时，已经过 DNA 复制，这时遗传物质的总量已经是 4n 了。细胞分裂完成时，出现的两个子细胞又都回复为 2n。,不同物种的细胞，
11、染色体数目不同。所以，染色体数目也是不同物种细胞的特征。因为，对大多数物种来说，体细胞是 2n 的，所以染色体数目通常为偶数。,物种 染色体数目 人 46 豌豆 14 小鼠 40 玉米 20 爪蟾 36 小麦 42 果蝇 8 酵母 32,4、真核细胞的减数分裂,（1）减数分裂发生在产生生殖细胞的过程中。生殖细胞包括卵细胞和精子细胞。它们的遗传物质总量仅为体细胞的一半，称为 n 细胞。由 2n 的体细胞产生 n 的生殖细胞，需要经过减数分裂。,返回,减数分裂,（2）、减数分裂后，细胞中染色体数目减少一半。减数分裂可以分为两个阶段：第一次减数分裂：DNA复制一次，细胞分裂一次。,第二次减数分裂：D
12、NA不复制,细 胞再分裂一次。,结果，子细胞染色体数目减半，遗传物质总量由 2n 变为 n。总之，减数分裂就是 DNA 复制一次，细胞连续分裂两次，结果由一个 2n 细胞分出 4 个 n 细胞。,（3）、减数分裂丰富基因组合 减数分裂的特点:一是子细胞染色体数减半;二是子细胞基因组合大为丰富。基因组合的丰富由两个原因造成。首先，体细胞的染色体实际上是由两套同源染色体组成。人的细胞有 4 条染色体，实际上可以看作 2 对同源染色体加上两条性染色体。,返回,人的体细胞染色体,在减数分裂的第一次分裂时，每对同源染色体分别分配至两个子细胞。于是父源的同源染色体和母源的同源染色体以不同组合，分配到两个子
13、细胞中去。这样，产生不同染色体组合的配子种型大增。,其次，在第一次减数分裂中，还发生同源染色体配对，配对后还发生同源染色体之间的染色体交叉和基因重组。这使基因组合状况更为复杂化。,同源染色体配对和染色体交叉,造成基因重组,下图,返回,染色体交叉的电镜图,所以，经由减数分裂产生的生殖细胞，其基因组合表现极大的丰富和多样化。结果是,有性生殖的后代具有更丰富的基因组合，具有更强的适应性和进化潜能。,细胞后代在结构和功能上发生差异的过程；细胞分化的实质是基因的差别表达；每个人的一生中都在进行着细胞分化。,四、细胞分化、衰老与凋亡,（一）细胞分化,细胞分化能力的强弱称为发育潜能。全能性：如受精卵。多能性
14、：如原始外胚层细胞。单能性：只能分化出一种细胞。单能干细胞也称为祖细胞。,1、细胞的分化潜能,2、细胞分化的特点,时空性：差别基因表达管家基因、组织特异性基因（奢侈基因）；定向性：细胞从分化命运确定到出现特定的形态的过程称为决定。稳定性：如，果蝇的成虫盘；去分化：癌细胞条件可逆性：脱分化，如植物愈伤组织。普遍性：不仅存在于胚胎发育。,3、细胞分化和增殖的关系,增殖信号和分化信号同时作用于干细胞，表现为边分化边增殖（反之亦然）；增殖和分化分别独立进行，一些干细胞只增殖不分化，另一些同类干细胞进入终末分化；细胞分化与分裂平行进行，干细胞进行不对称分裂，产生的子细胞一个保持原有干细胞特性，一个则进入
15、终末分化。,4、细胞分化的机理,自发机制与诱导机制细胞的分化命运主要取决于两个方面：一是细胞的内部特性，二是细胞的外部环境。,1）胚胎诱导：一部分胚胎细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。诱导者：对其它细胞起诱导作用的细胞。如：脊索可诱导其顶部的外胚层发育成神经板，神经沟和神经管；再如：视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体，而晶体又可诱导外胚层形成角膜。,（1）细胞间的相互作用,2）分化抑制：分化成熟的细胞可以产生抑素，抑制相邻细胞发生同样的分化。如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正常的心脏。,3）细胞数量效应小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功能的胰腺组织，但如果
16、把胰原基切成8小块分别培养，则都不能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。,4）细胞外基质的影响干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上形成上皮细胞；在I型胶原和纤粘连蛋白上分化为成纤维细胞；在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。5）激素的作用如昆虫的保幼激素和脱皮激素。,基因删除基因扩增基因重排DNA甲基化与异染色质化：基因失活。,（2）细胞核与细胞分化,（二）细胞衰老,Aging，Senescence，指细胞随着年龄增加，机能和结构退行性变化，趋向死亡的不可逆现象。衰老是生命的普遍现象，发生在生态系统、群落、种群、个体、细胞以及分子等不同层次。,1、细胞衰老的特征（1）形
17、态变化,（2）分子水平的变化,1）DNA：复制与转录受阻，端粒DNA、mtDNA缺失。DNA氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。2）RNA：含量减少。3）蛋白质：含成下降，发生修饰、交联。4）酶分子：物理与化学特征改变，酶失活。5）脂类：不饱和脂肪酸被氧化。,2、细胞衰老的分子机理,（1）代谢废物积累：如：脂褐质，老年性痴呆（AD）脑细胞内的-淀粉样蛋白。（2）线粒体DNA突变：线粒体自由基浓度高，mtDNA是裸露分子，容易发生突变。脑、心、骨骼肌的氧负荷最大，组织最易衰老。caloric restriction能延长大鼠寿命50%-70%。,Thin rat bury fat rat,T
18、he rats are both 1000 days old,very old for rats.The one on the right was calorie restricted.The one on the left is near death and shows typical signs of old age similar to what happens in humans.,（3）自由基学说（free radical theories）,自由基是含不成对电子的原子或基团，具有高度反应活性。包括：氧自由基（如OH）、氢自由基（H）、碳自由基、脂自由基等。自由基来源：外源性（如辐射
19、）、内源性。内源性自由基产生于由线粒体呼吸链电子泄漏产生；由氧化酶（如MFO）催化底物羟化产生。,自由基可引起DNA、蛋白质、脂类氧化、变性和交联，实验表明DNA中OH8dG(羟基脱氧鸟苷)随着年龄而增加。正常细胞内存在清除自由基的防御系统。酶系统：SOD、CAT、GSH-PX。非酶系统：维生素E、醌类电子受体Orr和Sohal（1994），将SOD基因导入果蝇，其寿命比野生型延长1/3。,（4）程序性衰老（programmed senescence）,生物的生长、发育、衰老和死亡都由基因程序控制的，衰老是某些基因依次开启或关闭的结果。例1.在小鼠肝中，胚胎早期表达的胞质丙氨酸转氨酶（cAAT
20、）为A型，随后停止表达，衰老时则表达B型cAAT例2.肝脏中的衰老标志蛋白2在老年期表达。,（5）复制性衰老（replicative senescence）,细胞的增殖次数是有限的，称“Hayflick”极限。如人胚成纤维细胞可培养60-70代。DNA每复制一次端粒就缩短一段，到一定程度时，则激活DNA损伤检验，细胞凋亡。人的成纤维细胞端粒每年缩短14-18bp。端粒酶可修复端粒，此酶仅在干细胞中表达。,（6）衰老基因学说,子女的寿命与双亲的寿命有关；动物都有相当恒定的平均和最高寿命；成人早衰症：约39岁衰老，47岁生命结束；婴幼儿早衰症：1岁衰老，1218岁生命结束；早衰症患者体内解旋酶发生
21、突变。衰老时，衰老相关基因（SAG）活跃表达，如senescent cell derived inhibition of DNA synthesis。,Werners syndrome,A 37 years old patient，Adoue DFP 1997,Hutchinson-Gilford syndrome,（三）细胞坏死与凋亡,细胞死亡并非与机体死亡同步。正常的组织中也发生细胞死亡，它是维持组织机能和形态所必需的。,1、细胞死亡的方式,（1）细胞坏死细胞受到环境因素伤害，引起细胞死亡的现象。形态变化的原因：酶性消化、蛋白变性。如消化酶来源于死亡细胞本身的溶酶体，则称为自溶（autol
22、ysis）；若来源于浸润坏死组织内白细胞溶酶体，则为异溶（heterolysis）。,细胞坏死初期，胞质内线粒体和内质网肿胀、崩解，结构脂滴游离、空泡化，蛋白质颗粒增多，核发生固缩或断裂。随坏死进程，细胞质呈强嗜酸性，苏木精/伊红染色呈均一红色。细胞膜不完整，台盼蓝染色阳性(活细胞不着色)。DNA随机降解，细胞内容物流出，引起炎症。,（2）细胞凋亡,细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体；凋亡小体内有结构完整的细胞器；不引起炎症；线粒体无明显形态变化，溶酶体活性不增加；内切酶活化，DNA有控降解，凝胶电泳图呈梯状；凋亡通常是生理性变化，坏死是病理性变化。,www.roche-applied-,胸腺
23、细胞,正常,凋亡,胸腺细胞,正常,凋亡,（3）细胞程序性死亡,细胞程序性死亡（PCD）是一种基因指导的细胞自我消亡方式。PCD和细胞凋亡的区别在以下方面：PCD是功能性概念，凋亡是形态学概念。PCD的最终结果是凋亡，但凋亡并非都是程序化的。PCD存在于胚胎发育过程中。,C.elegans是研究PCD的理想材料（生命周期短，细胞数量少）。http:/www.news.wisc.edu,C.elegans雄虫有1031个体细胞、约1000个生殖细胞。神经系统由302个细胞组成，来自于407个前体细胞，105个细胞发生了PCD。控制线虫PCD的基因有：Ced-3、Ced-4和Ced-9。Ced-3和
24、 Ced-4诱发凋亡；Ced-9抑制Ced-3、Ced-4的作用。,2002年10月7日英国人Sydney、美国人Horvitz和英国人Sulston，因在PCD方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。,H.Robert Horvitz,John E.Sulston,Sydney Brenner,2、细胞凋亡的生理和病理学意义,（1）生理学意义1）生长发育：组织与器官的塑造（趾的分化）；动物变态；皮肤角质形成；2）免疫细胞分化：克隆选择；3）防御：清除衰老细胞、DNA损伤的细胞、和被病原体感染的细胞。,（2）病理学意义,1）病原体侵染；诱导凋亡HIV抑制凋亡Poxvirus2）细胞凋亡不足肿瘤，
25、自身免疫疾病；3）细胞凋亡过度神经退行性疾病（AD，帕金森症）、心肌梗塞、再生障碍性贫血、骨组织坏死。,3、细胞凋亡的检测方法,1）形态学，电镜，光镜；2）DNA凝胶电泳ladder；3）核酸内切酶活力检测；4）免疫学方法；5）其他,6）.常用检测细胞凋亡的染料：二乙酸荧光素（FDA），绿色荧光，活细胞染色。Hoechst 33342或33258，DAPI，吖啶橙（AO），半通透，凋亡和固定后的细胞荧光较强。溴化乙啶（EB）、碘化丙啶（PI）、放线菌素D（7-AAD），不通透，正常细胞拒染。,Human embryo at day 4 morula containing 23 nuclei labelled with DAPI(blue),including seven TUNEL-labelled condensed nuclei(pink,arrow)that were excluded from development(Kate Hardy 1999).,
