《生物与细胞》课件

生物与细胞细胞是生命的基本单位，是所有生物体结构和功能的基础从最简单的细菌到复杂的人类，所有生命都基于细胞这一基本单元细胞生物学作为现代生物学的核心分支，研究细胞的结构、功能和生命活动规律本课程将带领我们探索从分子到细胞的奥秘，了解细胞的化学组成、结构特征、代谢活动以及生命周期通过学习细胞生物学的重要进展与应用，我们将深入理解生命现象的本质，为进一步学习生物学其他分支奠定坚实基础课程概述12细胞的发现与基本概念细胞的化学组成与结构从细胞学说的建立到现代细胞理论的发展，了解细胞探索构成细胞的化学成分和复杂的结构体系概念的历史演进34细胞器功能与代谢活动细胞增殖、分化与凋亡深入研究各种细胞器的功能以及细胞内的代谢过程理解细胞生命周期的各个阶段和调控机制第一部分细胞的发现与基本概念细胞学说的建立显微技术的发展历程细胞生物学研究方法细胞学说是生物学最重要的理论基础显微技术的进步直接推动了细胞生物现代细胞生物学采用多种研究方法，之一，它揭示了生命的统一性这一学的发展从简单的放大镜到现代的包括形态学观察、生物化学分析、分学说的建立经历了漫长的历史过程，电子显微镜，技术革新不断为我们揭子生物学技术等，这些方法的综合运从最初的观察到理论的完善，体现了示细胞世界的奥秘用使我们能够全面理解细胞的结构和科学发展的渐进性功能细胞学说的发展历程11665年Robert Hooke发现细胞英国科学家罗伯特·胡克使用自制显微镜观察软木塞薄片时，发现了蜂窝状的小室结构，首次使用细胞一词来描述这些结构这标志着细胞概念的诞生21839年Schleiden和Schwann提出细胞学说德国植物学家施莱登和动物学家施旺分别研究植物和动物组织，提出了细胞学说的核心内容所有生物都由细胞组成，细胞是生物体的基本单位31855年Virchow补充细胞来源于细胞德国病理学家魏尔啸在前人基础上补充了细胞学说的第三个要点一切细胞都来源于已存在的细胞，从而完善了细胞学说的理论体系细胞的多样性原核细胞与真核细胞植物细胞与动物细胞的比较原核细胞缺乏细胞核，遗传物质分散在细胞质中，如细菌和植物细胞具有细胞壁、叶绿体古细菌真核细胞具有细胞核和大液泡等特有结构，能够进和各种细胞器，结构更为复行光合作用动物细胞则具有杂，包括植物、动物、真菌和中心体，细胞膜更加柔软，形原生生物的细胞态变化能力更强细胞大小与形态的变异细胞的大小和形态呈现极大的多样性，从微小的支原体到巨大的鸟蛋，从球形的细菌到细长的神经元，这种多样性反映了细胞功能的专化细胞的统一性共同的化学组成相似的代谢途径所有细胞都含有相同的基本化学成分细胞呼吸、蛋白质合成等基本代谢过程蛋白质、核酸、糖类和脂类12在所有生物中高度保守进化上的连续性基因信息的共通性43所有细胞都来源于共同的祖先，体现了所有生物都使用相同的遗传密码，DNA生命的进化统一性作为遗传物质载体细胞生物学研究方法光学显微技术电子显微技术荧光显微技术包括明视野、暗视野、透射电镜和扫描电镜提利用荧光标记技术，能相差和微分干涉对比显供了纳米级别的分辨够实时追踪特定蛋白质微镜，能够观察活细胞率，揭示了细胞的超微的分布和动态变化的动态变化过程结构细节细胞分离技术通过离心分离、密度梯度离心等方法分离纯化细胞器和生物大分子现代细胞研究技术共聚焦显微镜提供高分辨率的三维成像冷冻电镜技术观察接近天然状态的细胞结构活细胞成像技术实时监测细胞生命活动单细胞测序技术分析单个细胞的基因表达第二部分细胞的化学组成有机物在细胞中的作用1蛋白质、核酸、糖类、脂类发挥关键功能水与无机盐的重要性2维持细胞基本生理功能的重要成分细胞中的元素分布3常量元素和微量元素的比例与作用生物大分子的种类4构成生命的四大类生物分子系统细胞中的元素组成常量元素1碳、氢、氧、氮、磷、硫等占细胞重量的99%以上微量元素2铁、铜、锌、碘等含量极少但功能重要元素比例与生命特征3特定的元素组成比例体现了生命的特殊性元素缺乏导致的疾病4微量元素缺乏可引起多种生理功能障碍水在细胞中的作用溶剂与代谢环境参与生化反应1水是细胞内最重要的溶剂，为各种生水直接参与水解反应和缩合反应，是2化反应提供适宜的环境许多代谢过程的反应物调节体温维持细胞形态4水的高比热容和蒸发散热特性帮助维水的存在维持细胞的充盈状态和正常3持体温稳定形态结构无机盐的生理功能维持渗透压和pH无机盐离子调节细胞内外的渗透压平衡，缓冲体系维持细胞内pH稳定钠钾离子的不均匀分布形成细胞膜电位，这对细胞的各种生理功能至关重要构成骨骼和牙齿钙磷酸盐是骨骼和牙齿的主要无机成分，提供机械支撑钙离子还参与肌肉收缩、血液凝固等多种生理过程，是细胞信号传导的重要离子神经冲动传导钠、钾、钙离子的跨膜运动产生动作电位，实现神经冲动的传导离子通道蛋白的开关控制离子流动，形成复杂的电信号网络蛋白质的结构与功能20410000+氨基酸种类结构层次功能类型构成蛋白质的标准氨基酸数量从一级到四级的蛋白质结构人体内不同功能的蛋白质数量蛋白质是细胞中最重要的生物大分子之一，由20种标准氨基酸按特定序列连接而成蛋白质具有催化、结构、运输、调节、防御等多种功能从酶的催化作用到抗体的免疫防护，从血红蛋白的氧气运输到胶原蛋白的结构支撑，蛋白质在细胞和生物体中发挥着不可替代的作用核酸的结构与功能糖类在细胞中的作用提供能量细胞识别与黏附细胞壁的组成葡萄糖是细胞的主要能源物质，通过细细胞表面的糖蛋白和糖脂参与细胞间的纤维素是植物细胞壁的主要成分，提供胞呼吸释放储存的化学能，为细胞各种识别和黏附，对组织形成和免疫反应具机械支撑和保护作用，维持植物细胞的生命活动提供动力有重要意义形态脂质的生物学意义脂质是细胞膜的主要结构成分，磷脂双分子层形成细胞膜的基本框架脂肪是高效的能量储存形式，每克脂肪产生的能量是糖类的两倍多类固醇激素如睾酮、雌激素调节细胞的生理功能脂溶性维生素A、D、E、K对维持正常生理功能不可或缺第三部分细胞的基本结构结构名称主要功能存在部位细胞膜保护、物质交换细胞表面细胞质代谢场所细胞内部细胞核遗传控制中心细胞中央细胞骨架支撑、运动细胞质中细胞的基本结构包括细胞膜、细胞质、细胞核和细胞骨架四大部分每个结构都有其特定的功能，它们相互协调配合，维持细胞的正常生命活动理解这些结构的特点和功能关系，是深入学习细胞生物学的重要基础细胞膜的结构模型流动镶嵌模型膜的脂质双分子层Singer和Nicolson提出的经典模型，描述了细胞膜的动磷脂分子排列形成双分子层，疏水尾部相对，亲水头部态结构特征朝外膜蛋白的种类与功能膜的流动性与选择性通透性包括载体蛋白、通道蛋白、受体蛋白等，执行专一的生膜的流动性保证功能执行，选择性通透性维持细胞内环理功能境稳定细胞膜的功能保护与界定细胞细胞膜将细胞内部与外部环境分隔开来，维持细胞的完整性和相对独立性膜结构的完整性对细胞生存至关重要，任何膜结构的破坏都可能导致细胞死亡物质运输细胞膜控制物质的进出，包括营养物质的摄入和代谢废物的排出这种选择性通透性确保细胞能够获得所需物质，同时维持内部环境的稳定信号传导膜受体蛋白接收外界信号，启动细胞内信号传导过程这使细胞能够感知环境变化并做出相应反应，实现细胞间的信息交流细胞识别与黏附膜表面的糖蛋白参与细胞识别，使同种细胞能够相互识别和黏附，形成组织这对胚胎发育和组织修复具有重要意义物质跨膜运输被动运输主动运输囊泡运输简单扩散允许小分子物质如氧气、二原发性主动运输直接利用ATP提供能胞吞作用包括胞饮和胞噬，细胞膜内氧化碳直接通过膜的脂质双分子层量，如钠钾泵维持细胞膜电位继发陷形成囊泡包裹外界物质胞吐作用协助扩散需要载体蛋白或通道蛋白的性主动运输利用离子浓度梯度驱动其将细胞内物质通过囊泡融合释放到细帮助，如葡萄糖的载体转运和钾离子他物质运输，如钠葡萄糖同向转运蛋胞外这种方式可以运输大分子物质的通道转运这些过程不需要消耗白主动运输能够逆浓度梯度转运物和颗粒物质ATP质信号转导细胞质基质组成与特点细胞质流动代谢反应场所细胞质基质是一种胶体溶液，含有细胞质流动是一种重要的生命现糖酵解、脂肪酸合成等多种重要的70-80%的水分，以及溶解的离子、象，有助于物质在细胞内的分布和代谢反应在细胞质基质中进行基小分子有机物和蛋白质基质的粘运输流动的方向和速度受到细胞质为这些反应提供了适宜的环境和度和流动性可以根据细胞需要发生骨架的调控，对细胞的新陈代谢至必需的辅助因子变化关重要内质网的结构与功能粗面内质网光面内质网内质网应激反应表面附着大量核糖体，主要负责蛋白表面光滑无核糖体，主要参与脂质和当错误折叠的蛋白质在内质网中积累质的合成和初步加工新生肽链在这类固醇激素的合成在肝细胞中，光时，会触发内质网应激反应，激活特里折叠成正确构象，并进行糖基化等面内质网还具有解毒功能，能够分解定的信号通路来恢复蛋白质稳态这修饰粗面内质网特别发达于分泌蛋有害物质此外，它还储存钙离子并一机制对细胞生存具有重要保护作白较多的细胞中调节其释放用高尔基体1蛋白质接收从内质网接收转运囊泡，获得待加工的蛋白质2修饰加工对蛋白质进行糖基化修饰和其他化学修饰3分选包装根据目标地址对蛋白质进行分类和包装4囊泡运输形成运输囊泡将蛋白质送往最终目的地高尔基体由一系列扁平囊泡叠堆而成，是细胞内蛋白质加工和分选的重要场所蛋白质在这里经历复杂的修饰过程，获得正确的糖基化模式，然后被分选到不同的细胞区室高尔基体还参与溶酶体的形成和细胞壁多糖的合成溶酶体相关疾病1溶酶体储存病导致严重健康问题自噬作用2清除受损细胞器和蛋白质聚集体细胞内消化3分解胞吞物质和细胞内废物结构特征与酶组成4含有50多种水解酶的膜结合细胞器溶酶体是细胞的消化车间，内含多种酸性水解酶，能够分解各种生物大分子其酸性环境（pH约

5.0）是酶活性的最适条件溶酶体不仅参与消化外来物质，还负责清除细胞内的垃圾，维持细胞内环境的清洁当溶酶体功能缺陷时，会导致各种储存性疾病线粒体双层膜结构氧化磷酸化与ATP合成外膜平滑，内膜折叠成嵴状结构，大内膜上的电子传递链和ATP合酶产生大增加了膜表面积细胞所需的能量线粒体与疾病线粒体基因组线粒体功能障碍与多种疾病和衰老过拥有独立的环状DNA，编码部分线粒3程密切相关体蛋白质叶绿体结构特征类囊体与基质叶绿体具有双层膜结构，内部含有类囊体系统和基质类囊体膜上分布着光合色素和电子传递链，基质中含有卡尔文循环的酶系统这种精密的结构组织确保了光合作用的高效进行光合作用光反应与暗反应光反应在类囊体膜上进行，光能转化为化学能ATP和NADPH暗反应在基质中进行，CO2被固定并还原成有机物两个阶段紧密配合，将无机物转化为有机物，为生态系统提供能量和物质基础叶绿体基因组叶绿体拥有独立的环状DNA分子，编码约100个基因这些基因主要编码光合作用相关的蛋白质和rRNA、tRNA等叶绿体基因组的存在支持了内共生起源假说细胞核3000125核孔数量核孔直径典型细胞核表面的核孔复合体数量核孔复合体的直径大小（纳米）60000分子量阈值能够自由通过核孔的分子量上限（道尔顿）细胞核是真核细胞的控制中心，被双层核膜包围核膜上的核孔复合体调控大分子物质在核质间的转运核内的染色质是DNA和蛋白质的复合体，核仁是rRNA合成和核糖体亚单位装配的场所细胞核通过调控基因表达来控制细胞的各种生命活动染色体结构组成DNA与组蛋白染色体由DNA和组蛋白等蛋白质组成，形成核小体结构组蛋白的修饰调控基因表达染色体凝缩过程细胞分裂时，松散的染色质逐渐凝缩成紧密的染色体，便于准确分离核型与染色体组每个物种都有特定的染色体数目和形态特征，形成特有的核型染色体变异与疾病染色体数目或结构异常可导致各种遗传疾病和发育异常细胞骨架微管结构与功能由微管蛋白组成的空心管状结构，参与细胞分裂时纺锤体的形成，以及细胞器和囊泡的运输微管具有动态不稳定性，能够快速组装和解聚微丝肌动蛋白网络由肌动蛋白组成的细丝状结构，参与细胞运动、胞质分裂和维持细胞形状与肌球蛋白结合可产生收缩力，驱动各种细胞运动中间纤维细胞支架提供机械强度和稳定性的纤维状结构，不同细胞类型表达不同的中间纤维蛋白这些纤维抗拉伸性强，维持细胞和组织的结构完整性第四部分细胞代谢酶的特性与作用机制降低反应活化能催化特异性酶活性的影响因酶的调节机制素酶通过稳定过渡态降每种酶只能催化特定包括竞争性抑制、非低反应所需的活化的反应，这种特异性温度、pH、底物浓竞争性抑制、反馈抑能，使反应更容易进由酶的三维结构和活度和抑制剂等因素都制和酶原激活等多种行，但不改变反应的性位点的形状决定会影响酶活性，细胞调节方式总能量变化通过调节这些条件控制代谢速率与能量转换ATPATP的分子结构高能磷酸键1由腺嘌呤、核糖和三个磷酸基团组成的核磷酸基团间的化学键储存大量化学能苷酸ATP与ADP循环能量货币的作用ATP水解释放能量后形成ADP，再通过呼在细胞内各种需能反应中提供直接能源吸作用重新合成ATP细胞呼吸概述糖酵解过程葡萄糖在细胞质中分解为丙酮酸，产生少量ATP和NADH这个过程不需要氧气参与，是厌氧代谢的重要途径三羧酸循环丙酮酸进入线粒体基质，经过一系列氧化反应，产生CO

2、NADH、FADH2和ATP这是有氧呼吸的核心环节电子传递链与化学渗透NADH和FADH2在内膜上的电子传递链中释放电子，驱动质子泵建立梯度，ATP合酶利用质子梯度合成大量ATP光合作用光反应电子传递与ATP合成暗反应碳的固定C

3、C4与CAM途径比较光系统II和光系统I协同工作，光能激卡尔文循环在叶绿体基质中进行，C3植物直接固定CO2，适应温带环发电子从水分子转移到NADP+，同时CO2被RuBP羧化酶固定，利用光反应境C4植物先形成四碳化合物，提高产生ATP水分子被分解释放氧气，产生的ATP和NADPH还原成葡萄糖了干旱条件下的光合效率CAM植物这是地球大气中氧气的主要来源整这个过程不直接需要光照，但依赖光夜间开气孔固定CO2，白天关闭气孔个过程在类囊体膜上进行反应的产物进行暗反应，适应极端干旱环境第五部分细胞增殖与分裂细胞周期调控1精密的分子机制确保细胞分裂的准确性减数分裂产生遗传多样性的特殊分裂方式有丝分裂体细胞增殖的基本方式细胞周期从一次分裂到下次分裂的完整过程细胞周期G1期生长与检查点细胞体积增大，合成蛋白质和酶，为DNA复制做准备G1/S检查点确保细胞具备进入S期的条件S期DNA复制DNA进行半保留复制，每条染色体复制形成两条姐妹染色单体这是细胞周期中最关键的阶段G2期准备分裂继续生长并合成分裂所需的蛋白质，G2/M检查点检查DNA复制的完整性和准确性M期细胞分裂包括核分裂和胞质分裂，一个细胞分裂成两个遗传相同的子细胞有丝分裂的过程前期染色体凝缩，核膜解体中期染色体排列赤道板后期姐妹染色单体分离末期细胞质分裂，核膜重建有丝分裂是体细胞分裂的基本方式，确保每个子细胞获得与母细胞相同的遗传信息纺锤体的形成和功能对染色体的准确分离至关重要动物细胞通过收缩环完成胞质分裂，植物细胞则通过细胞板的形成实现分离整个过程受到严格的检查点机制监控，防止错误分裂的发生减数分裂特点同源染色体配对与联会减数分裂I期，同源染色体配对形成二价体，这种特殊的配对过程是减数分裂区别于有丝分裂的重要特征联会复合体确保配对的准确性和稳定性交叉互换与遗传重组配对的同源染色体之间发生交叉互换，导致遗传物质重组这种重组是遗传多样性的重要来源，为生物进化提供了原料每对染色体通常发生1-3次交换两次连续分裂减数分裂包括两次连续的分裂过程，第一次分离同源染色体，第二次分离姐妹染色单体两次分裂之间没有DNA复制，因此最终产生四个单倍体细胞细胞周期调控第六部分细胞分化、衰老与死亡细胞的命运不仅包括增殖，还包括分化、衰老和死亡等重要过程细胞分化使多细胞生物能够形成不同功能的组织和器官干细胞作为分化的起始细胞，具有自我更新和多向分化的能力细胞衰老和死亡是生命过程的自然组成部分，对维持组织稳态和机体健康具有重要意义理解这些过程的分子机制对疾病治疗和延缓衰老具有重要价值细胞分化诱导多能干细胞技术通过转录因子重编程实现细胞命运逆转分化的可逆性某些条件下分化细胞可以去分化或转分化表观遗传修饰DNA甲基化和组蛋白修饰调控基因表达模式基因表达选择性激活与抑制4转录因子网络决定细胞特异性基因表达程序。