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1、生物技术概论,主讲：王啸,Biotechnology:A short Course,制作：吴远根、王啸,Outline,细胞学说的建立 细胞的结构与功能 细胞的分裂和细胞周期 细胞的分化、衰老与死亡,一.细胞学说的建立,英国科学家胡克(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 Leeuwenhoek,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。,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)。,Sch
2、leiden,Matthias(1804-1881)：细胞学说创始人,German botanist and master microscopist who was influenced by Schellings Naturphilosophie and the writings of Oken.He worked under Johanes Muller and studied primarily cells in plants.He observed that all plants seemed to be composed of cells,and is thus considered
3、 the co-founder of cell theory together with Schwann,with whom he consulted.Schleiden wanted to make cell formation analogous to crystal formation,and published his results in Beitrge zur Phytogenesis(Contributions of Phytogenesis,1838).Schleiden was a vitalist,and thought the cell was the center of
4、 the vital force Vitalist theory.,Schwann,Theodor(1810-1882)：细胞学说创始人,German physiologist who served as an assistant to Johannes Muller.He discovered the digestive enzyme pepsin in 1836.He showed that yeast were tiny plant-like organisms,and suggested that fermentation was a biological process.Schwan
5、n was a master microscopist who examined animal tissue,specifically working on notochord development in tadpoles.In Mikroskopische Untersuchungen ber die bereinstimmung in der Struktur und dem Wachstum der Thiere und Pflanzen(Microscopic researches on the Conformity in Structure and Growth Between A
6、nimals and Plants,1839),he recognized nuclear structures similar to what Schleiden had observed in plants.In 1839,he extended Schleidens cell theory to animals,stating that all living things are composed of cells.He believed that new cells form principally outside pre-existing cells,and wanted to dr
7、aw an analogy to crystal formation.,约翰内斯缪勒,德国生理学家,是实验生理学和感官生理学的创建人之一，是 19 世纪最重要的实验心理学家之一。他在生理学、解剖学、病理学和心理学等方面都有重大贡献。,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。,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。,The Cell Theory,The cell theory,in its modern form,includes the following
8、three principles:,All organisms are composed one or more cells,and the life processes of metabolism and heredity occur within these cells.Cell are the smallest living things,the basic units of organization of all organisms.Cells arise only by division of a previously existing cell.,这个观点，经过后来的丰富和发展，形
9、成公认的细胞学说：,细胞是所有动、植物的基本结构单位。每个细胞相对独立，一个生物体内各细胞之间 协同配合。新细胞由老细胞繁殖产生。,细胞学说主要观点：,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。,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：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
10、。,SARS病毒为冠状病毒,Prion一词创于1982年用来命名可转移性海绵状脑病的致病因子。80年代中期我国学者译之为朊病毒。Prusiner博士也因朊病毒的发现而获得诺贝尔生理和医学奖。朊病毒是一种新型的蛋白感染因子，1983年“植物和动物亚病毒病源：类病毒和朊病毒国际会议”正式把朊病毒归入亚病毒领域。它能引起人和动物的可转移性神经退化疾病，如人的震颤病(KURU病)、克雅氏病(CJD)、吉斯综合症(GSS)和致死性家族失眠症(FFI)以及动物的羊瘙痒病(Scrapie)、牛海绵脑病(BSE 俗称疯牛病)和鹿、猫、水貂等的海绵脑病。这些疾病的共同特征是使生物体产生认知和运动功能的严重衰退直
11、至死亡。,朊病毒：遗传物质不是核酸。,二.细胞的结构和功能,1.细胞大小,最小的细胞型生物是支原体，直径只有100nm。最大的是鸟类的卵细胞，如鸡蛋45-60cm。神经细胞直径0.1mm，但从细胞体伸出的神经纤维可长达1m以上。这与神经传导机能相一致,是寿命最长的细胞。人卵细胞直径200um。,一般来说，真核细胞大小大多数为10100um；原核细胞大小为110um，支原体为100nm；病毒更小，只有几十个nm。,需要掌握的内容：,2.细胞结构和功能,细胞的三维结构图形,原核细胞一般没有细胞器(但有核糖体)，真核细胞有完整的核膜和核仁。微生物细胞(除支原体)和植物细胞有细胞壁；动物细胞没有细胞壁
12、。,一般来说，一个完整的细胞由细胞壁、细胞膜、细胞器、细胞质和细胞核组成。,细菌和放线菌的细胞壁主要化学成分为肽聚糖；酵母菌的细胞壁主要化学成分为葡聚糖、蛋白质和甘露聚糖；霉菌的细胞壁主要化学成分为葡聚糖和几丁质，一些水生性霉菌还含有纤维素；植物细胞和藻类的细胞壁化学成分主要为纤维素。,各种生物细胞壁化学组成,Gram positive bacterial cell wall,Gram negative bacterial cell wall,Frederick Sanger,1972年Sanger和Nicolson提 出的细胞膜流体镶嵌模型。,酶法核苷酸测序的设计者。,细胞膜结构,细胞膜流体
13、镶嵌模型,古生菌除脂双层结构外，也有脂单层结构，脂单层结构难被剥离，所以广泛存在于嗜热古生菌中。,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。,细胞核,原核细胞的原始核无核膜和核仁，没有固定的形状，只有一个含有DNA遗传信息的区域。真核细胞含有固定形状的细胞核，它有核膜、核仁和组蛋白等，主要成分是DNA、RNA和有关的合成酶。细胞核具有遗传信息的存储、复制和转录等功能。,线粒体mitochondrion,原核细胞不含线粒体，大多数动植物真核细胞都含有线粒体。线粒体为棒状小粒，由内外膜和基质组成。外膜包围着内膜，内膜部分曲折伸入基质使内外膜之间形成孔穴。内膜为半透
14、膜，只有部分小分子物质可以通过。外膜通透性较大，分子量小于一万的分子都可以通过。,线粒体含有多种酶系。主要是呼吸链电子传递酶系、糖类分解氧化酶系、脂酸的氧化酶系、氧化磷酸化酶系、核酸合成酶系和蛋白质合成酶系等。线粒体是进行生物代谢和能量转换最重要的场所。,功能：,核糖核蛋白体又称为核糖体，由核糖核酸与多种结合蛋白构成。是蛋白质生物合成的主要场所。,核糖核蛋白体(ribosomes),高尔基体是真核细胞内一种由网状小管或泡组成的复杂结构。其功能可能与细胞内物质的转运和细胞膜更新有关。,高尔基体(Golgi),溶酶体是由30-40种水解酶和膜基质组成的一种细胞器。溶酶体主要含有RNA水解酶、DNA
15、水解酶、蛋白酶、酸性糖苷酶、酸性磷酸酯酶、脂酶和磷脂酶等。是细胞内代谢物质的分解、清除的主要场所。,溶酶体(Lysosomes),叶绿体存在于绿色植物和藻类的细胞中。叶绿体主要含有叶绿素，是进行光合作用的场所。,叶绿体(Chloroplast),微管,微丝,中等纤维,由蛋白质亚基组装成，和细胞形状、迁移、信息传导等有关。,细胞骨架,三.细胞的分裂和细胞周期,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
16、胞生长过程中保持足够表面积，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,表面积/体积 比值：老鼠 大象,老鼠重 25 克，大象重 4 吨表面积/体积：老鼠是大象的 24 倍,增大了比表面积，提高了细胞代谢的传质效率；有利于细胞的繁殖。,细胞分裂的两大好处：,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,3、真核细胞的有丝分裂,大多数真核生物是多细胞生物。体细胞的分裂称为有丝分裂
17、；生殖细胞形成过程中，则有与之不同的减数分裂。,(1)细胞分裂周期,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。,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 第一生长期 S 期 DNA 合成期G2 期 第二生长期 G1 期，S 期和 G2 期又总称为:分裂间期。,通常,细胞周期可以区分为四个阶段：,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。,(2)有丝分裂过程,细胞质分裂 胞质形成间隔，最终分开为两个细胞。,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
18、，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。,(3)染色体和染色质,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，染色质是在细胞分裂间期遗传物质存在的形式。,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
19、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，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 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,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
20、过减数分裂。,Process of Meiosis,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。,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。,
21、同源染色体配对和染色体交叉,造成基因重组。,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。,Meiosis compared to mitosis,有丝分裂与减数分裂的比较,Life cycle of humans,四.细胞分化、衰老和死亡,1、细胞的分化成年人 全身细胞总数约 1012个。细胞种类有200 多种。这么多种类细胞均来自一个受精卵细胞。细胞分化的定义：发育过程中细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化。,上皮细胞,脂肪细胞,平滑肌细胞,心肌细胞,神经元细胞,正在受精的卵细胞
22、,细胞分化不但发生在胚胎阶段和发育过程中，亦发生在成人阶段。如：人体血细胞的产生。分化以后不同种类的细胞，形态不同，功能不同，基因表达不同，代谢活动也不同。,红血球,白血球,血小板,多种血细胞都由生血干细胞分化而来,又称老化，指细胞随着年龄的增加，机能和结构发生退化性变化，趋向死亡的不可逆的现象。衰老和死亡是生命的基本现象，衰老过程发生在生物界的整体水平、种群水平、个体水平、细胞水平以及分子水平等不同的层次。,2、细胞衰老,Hutchinson-Gilford Syndrome,一名男子从 36 岁到 75 岁味觉丧失 64肾小球减少 44肾小球过滤率减少 31脊神经元减少 37神经传导速度减
23、慢 10脑供血量减少 20肺活量减少 44,体外培养成纤维细胞来自胎儿 可传代 50 次(与供体年龄来自成人 可传代 20 次 有关),来自小鼠 可传代 1428 次(与供体物种来自乌龟 可传代 90125 次 特性有关),3、细胞凋亡,多细胞生物个体的一生中，不断发生构成身体的细胞的死亡。有两种细胞死亡：因环境因素突变或病原物入侵而死亡，称为病理死亡，或细胞坏死。因个体正常生命活动的需要，一部分细胞必定在一定阶段死去，称细胞凋亡。,细胞凋亡和细胞坏死有明显区别,细胞凋亡 细胞坏死Apoptosis Necrosis,细胞变圆,与周围细胞脱开 细胞外形不规则变化 核染色质凝聚 溶酶体破坏 细胞
24、膜内陷 细胞膜破裂 细胞分为一个个小体 胞浆外溢 被周围细胞吞噬 引起周围炎症反应,正常的胸腺细胞,凋亡的胸腺细胞,2002年10月7日英国人悉尼布雷诺尔、美国人罗伯特霍维茨和英国人约翰苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。,Sydney Brenner,H.Robert Horvitz,John E.Sulston,是一种基因指导的细胞自我消亡方式。,各种生物细胞大小(真核细胞：10100um；原核细胞：110um；支原体：100nm；病毒：几十nm)。细胞的结构和功能。(各种生物细胞壁组成，革兰氏染色法；细胞膜的组成，流体镶嵌模型。)细胞分裂方式【原核细胞：无丝分裂；真核细胞：有丝分裂(体细胞)，减数分裂(生殖细胞)】。,细胞学说的创建人及其主要观点。细胞分裂的原因及好处。真核生物细胞周期。有丝分裂与减数分裂的过程及比较。细胞分化、衰老及凋亡的含义。,
