《生物细胞研究》课件

生物细胞研究探索生命的基本单位从细胞结构到功能的深入研究-目录细胞生物学概述1细胞的基本结构2细胞代谢3细胞信号传导、周期与分裂4第一部分细胞生物学概述理论基础1研究生命活动的最基本结构与功能单位研究历史2从显微镜发明到现代分子生物学技术现代方向3跨学科整合，从分子到系统层面研究什么是细胞生物学？基本定义研究范围研究细胞结构、功能及行为的从分子水平到细胞整体的生命科学活动重要意义理解生命本质，解决医学和生物学难题细胞生物学的历史年年代年代世纪16651830188020罗伯特胡克首次观察到细施莱登和施旺提出细胞学细胞分裂过程被详细记录电子显微镜发明，分子生·胞说物学兴起细胞理论的发展第一阶段细胞是生物体的基本结构单位第二阶段所有细胞来源于已存在的细胞第三阶段细胞是生命活动的基本功能单位现代阶段结合分子生物学的整合研究现代细胞生物学研究方向细胞工程细胞信号传导人工操控细胞功能和结系统生物学构细胞如何感知和响应环整合研究细胞网络和系境统分子细胞生物学单细胞分析研究分子水平的细胞过单个细胞水平的精准研程究32415第二部分细胞的基本结构细胞核遗传信息控制中心1细胞质2代谢活动场所细胞器3特定功能的结构细胞膜4边界和物质交换原核细胞真核细胞vs原核细胞真核细胞无核膜，裸露在细胞质中有核膜，位于细胞核中DNA DNA无膜包围的细胞器具有多种膜包围的细胞器代表细菌和古菌代表动植物、真菌和原生生物细胞膜的结构与功能屏障功能转运功能信号识别细胞粘附控制物质进出细胞主动和被动转运系统接收外界信号并传递与其他细胞和基质连接细胞质的组成60%20%水分含量蛋白质细胞质中的主要成分构建细胞骨架和执行功能10%10%核酸和脂质其他物质信息和能量储存离子、碳水化合物等细胞核的结构与功能核膜1双层膜结构，隔离染色体染色质2和蛋白质复合体DNA核仁3核糖体的合成场所RNA核基质4支持核内结构的网络线粒体细胞的能量工厂结构特点双层膜系统，内膜形成嵴主要功能进行有氧呼吸，产生ATP独特性质有自己的，半自主复制DNA进化起源内共生学说来源于古细菌内质网蛋白质和脂质的加工中心粗面内质网滑面内质网表面附有核糖体表面无核糖体合成分泌蛋白和膜蛋白参与脂质合成和代谢进行初步糖基化修饰解毒作用和钙离子储存高尔基体细胞的包装和分拣中心修饰接收进行糖基化等修饰2从内质网接收新合成的蛋白质1分类根据信号排序不同蛋白质35运输包装将囊泡运往目的地4将蛋白质装入囊泡溶酶体细胞的消化系统形成由高尔基体形成，含多种水解酶吞噬作用与吞噬泡融合，消化外源物质自噬作用降解受损或多余的细胞器细胞死亡在某些情况下触发细胞凋亡叶绿体植物细胞的特殊器官结构特征主要功能12双层膜，内含类囊体和基质进行光合作用，将光能转化为化学能特殊遗传其他功能34含有自己的和蛋白质合成系统参与氨基酸合成和脂肪酸代谢DNA细胞骨架细胞的支撑系统微管微丝中间纤维细胞分裂与细胞器运细胞运动与形态维持提供机械强度与稳定输性第三部分细胞代谢物质摄取合成代谢1从环境获取原料构建新的细胞成分2废物排出分解代谢4将代谢废物排出细胞3分解物质释放能量细胞呼吸概述目的1释放食物分子中的能量，产生ATP过程2糖酵解柠檬酸循环电子传递链→→场所3从细胞质到线粒体内部能量产出4每分子葡萄糖产生约个30-32ATP糖酵解过程场所细胞质基质中进行原料一分子葡萄糖和两分子NAD+产物两分子丙酮酸、和NADH ATP能量产出净产生个分子2ATP柠檬酸循环场所入口1线粒体基质中进行乙酰进入循环CoA2产物关键酶

4、、和3柠檬酸合成酶等种主要酶CO2NADH FADH2GTP8电子传递链和氧化磷酸化位置1线粒体内膜上的蛋白质复合体电子流动2NADH和FADH2提供电子，最终传递给氧质子泵功能3形成跨膜质子梯度合成ATP4ATP合酶利用质子梯度产生ATP光合作用概述基本定义利用光能将和转化为有机物CO2H2O总体反应6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2两大阶段光反应和暗反应（卡尔文循环）场所叶绿体的类囊体膜和基质光反应场所1叶绿体类囊体膜光系统2和协同工作PS IPS II电子传递3经细胞色素复合体和光系统传递产物

4、和释放ATP NADPHO2暗反应（卡尔文循环）场所关键酶1叶绿体基质核酮糖二磷酸羧化酶-1,5-2产物能源供应4最终形成葡萄糖和其他有机物3由光反应提供的和ATP NADPH第四部分细胞信号传导信号分子激素、神经递质等受体识别细胞膜或胞内受体信号转导级联反应放大信号细胞响应转录、代谢或结构变化信号传导的基本概念细胞响应基因表达或功能改变1信号级联2蛋白质相互作用链条信号接收3特异性受体识别信号分子信号来源4内分泌、旁分泌和自分泌信号受体类型膜受体离子通道受体酶联受体跨膜蛋白，结合细胞信号导致通道开放或胞内区域具有酶活性外信号关闭胞内受体位于细胞质或核内的受体蛋白偶联受体信号传导G结构1七次跨膜蛋白，与蛋白相连G激活2配体结合导致构象变化，激活蛋白G分离3与亚基分离GαGβγ效应4调节腺苷酸环化酶或磷脂酶C酶联受体信号传导受体二聚化配体结合导致受体聚集自磷酸化受体蛋白激酶区域相互磷酸化接头蛋白识别磷酸化位点，招募下游因子信号级联激活激酶等信号途径MAP第二信使系统环腺苷酸钙离子肌醇三磷酸二酰甘油激活蛋白激酶激活钙调蛋白系统促进内部钙储存释放激活蛋白激酶A C信号传导的调控适应性长期刺激后受体脱敏化负反馈信号通路的自我限制交叉通讯不同信号通路间的相互作用空间调控信号分子在细胞内的局部化第五部分细胞周期与分裂期期G1S1细胞生长，合成蛋白质复制DNA2期期M G24有丝分裂，形成子细胞3细胞继续生长，准备分裂细胞周期概述G1期S期G2期M期G0期期细胞生长与准备G1主要活动1细胞体积增大，合成蛋白质和细胞器关键检查点2限制点决定细胞是否继续周期期选择3G0细胞可进入暂时或永久性休眠状态生长因子4外部信号影响细胞是否通过期G1期复制S DNA复制起点多个复制起点同时启动解旋和稳定解旋酶和单链结合蛋白作用前导链合成连续合成新链DNA滞后链合成以岡崎片段方式合成期分裂前的最后准备G2细胞生长检查DNA继续合成蛋白和细胞器确保完整无误复制DNA有丝分裂准备检查点G2合成分裂所需蛋白质确保细胞可以安全进入分裂期有丝分裂M前期中期后期末期与胞质分裂染色体凝缩，核膜开始解体染色体排列在赤道板上姐妹染色单体分离移向两极形成两个新细胞核和细胞质分裂细胞周期的调控周期蛋白细胞周期激酶1浓度周期性变化与周期蛋白结合形成复合体2蛋白降解检查点控制4泛素蛋白酶体系统降解关键因子3在关键节点监测细胞状态-癌症与细胞周期失调癌变机制特征表现细胞周期检查点失效生长信号自主性原癌基因激活或抑癌基因失活对抑制信号不敏感无限增殖潜能获得逃避细胞凋亡无限复制能力第六部分细胞分化与干细胞全能干细胞可分化为任何类型细胞多能干细胞可分化为多种类型细胞少能干细胞分化能力有限终末分化细胞高度专一化，不再分裂细胞分化的概念调控机制表观遗传变化和转录调控1功能获得2获得特定的功能和特性基因表达3特定基因组被激活和关闭形态变化4细胞形态结构发生特化干细胞的特性自我更新分化潜能微环境依赖保持不分化状态进行能分化为特定类型细受特定微环境因子调分裂胞控长期存活具有长期的复制能力胚胎干细胞来源早期胚胎的内细胞团特性全能性，可分化为三个胚层细胞研究价值发育生物学和再生医学研究伦理问题获取和使用存在争议成体干细胞造血干细胞神经干细胞间充质干细胞位于骨髓，形成所有血细胞脑部特定区域，可形成神经元骨髓和脂肪，可形成骨、软骨和脂肪干细胞在再生医学中的应用组织工程1构建人工组织和器官细胞疗法2移植干细胞治疗疾病药物筛选3测试新药在特定细胞类型上的效果疾病模型4创建疾病模型进行研究第七部分细胞凋亡与衰老细胞凋亡细胞衰老程序性细胞死亡过程增殖能力丧失胚胎发育和组织平衡端粒缩短和损伤DNA内部和外部途径与整体衰老相关细胞凋亡的概念定义特征受调控的细胞自杀过程形态变化细胞皱缩，染色质凝聚，断裂DNA生理意义发育塑形，组织平衡，清除有害细胞区别于坏死无炎症反应，有序进行凋亡的分子机制外源途径死亡受体结合配体激活内源途径线粒体释放细胞色素c执行途径激活蛋白酶级联caspase细胞清除磷脂酰丝氨酸暴露，吞噬清除细胞衰老的特征增殖停止形态改变分泌表型不再进入细胞周期细胞变大，形态不规释放促炎因子和蛋白则酶损伤DNA损伤响应持续激DNA活端粒与细胞衰老端粒结构1染色体末端的重复序列DNA端粒酶2能延长端粒的特殊依赖性聚合酶RNA DNA端粒缩短3每次细胞分裂端粒长度减少衰老启动4端粒过短触发损伤反应，导致细胞衰老DNA第八部分细胞研究技术从显微技术到分子分析，现代细胞研究技术不断发展显微镜技术光学显微镜共聚焦显微镜电子显微镜超分辨率显微镜基本细胞形态观察，分辨率三维成像，观察特定标记的超高分辨率，观察细胞超微突破衍射极限，纳米尺度观有限结构结构察细胞培养技术二维培养传统平面培养皿或烧瓶三维培养类器官或球状体培养系统无血清培养定义成分，消除血清变异单细胞培养分离单个细胞进行克隆培养细胞分离技术流式细胞术根据细胞表面标记分选密度梯度离心根据细胞密度分离免疫磁珠分选利用抗体结合磁珠分离激光捕获显微切割从组织切片中精确分离单个细胞基因工程技术在细胞研究中的应用干扰报告基因CRISPR-Cas9RNA精确编辑基因组沉默特定基因表达可视化基因表达和蛋白定位转基因技术创建表达外源基因的细胞蛋白质组学技术数据分析质谱分析生物信息学解析蛋白网络蛋白质分离鉴定和定量蛋白质样品制备二维电泳或色谱分离细胞裂解和蛋白质提取单细胞测序技术核酸扩增2细胞分离单细胞或的全基因组扩增RNA DNA1微流控或液滴技术分离单细胞文库构建3制备测序文库数据分析高通量测序5细胞异质性和发育轨迹分析下一代测序分析4总结与展望基础发现技术进步12持续揭示细胞生命活动的复杂机制新型成像、组学和编辑技术推动研究深入临床应用多学科融合34细胞疗法、精准医疗和疾病治疗新策略与物理、工程学和人工智能等领域深度整合。