《生物的奇迹：细胞结构与功能》课件

生物的奇迹细胞结构与功能细胞是构成所有生命体的基本单位，也是进行生命活动的最小结构它们像微小的工厂，内部包含着各种精密的结构和复杂的功能系统尽管人眼无法直接看见，但在显微镜下，这个微观世界展现出令人惊叹的复杂性和精密性本课程将带您探索细胞的奇妙世界，从其基本结构到各种细胞器的功能，揭示生命科学的基础知识无论是植物细胞还是动物细胞，它们都遵循着相似的生命原理，但又各具特色通过了解细胞，我们能更深入理解生命的本质引言细胞的重要性生命的基本单位数量惊人细胞是所有生物体结构和功能人体约含有万亿个细胞，

37.2的基本单位，每个细胞都能进这个数字几乎难以想象这些行生命活动，包括新陈代谢、细胞组成了我们身体的各个组响应刺激、生长发育和繁殖等织和器官，协同工作维持生命细胞的存在使生命得以延续，活动每个细胞都有特定的功是理解生命科学的关键能，共同构成完整的生命体历史发现年，英国科学家罗伯特胡克首次在显微镜下观察到细胞，他将1665·看到的蜂窝状结构称为细胞（）这一发现开启了人类探索微观cell生命世界的旅程，为现代生物学奠定了基础本次课程概述细胞的发现历史探讨从胡克到列文虎克，再到现代细胞理论发展的历史进程，了解人类对微观世界认识的演变过程细胞理论的发展介绍细胞学说的形成及其三个基本观点，理解这一生物学基本理论的重要科学意义细胞的基本结构详细讲解细胞的基本构造，包括细胞膜、细胞质和细胞核三大部分的组成与功能细胞器及其功能分析线粒体、叶绿体、内质网等细胞器的结构特点与生理功能，理解它们在维持细胞生命活动中的作用细胞核与遗传物质探索细胞核的结构与功能，了解和染色体在遗传信息传递中的重要作用DNA细胞的发现历程1年1665英国科学家罗伯特胡克使用自制显微镜观察软木切片，发现了蜂窝状·的小室结构，并将其命名为细胞（）尽管他看到的只是死细cell胞的细胞壁，但这一发现开启了人类探索微观世界的大门2年1670荷兰商人列文虎克使用自制的单镜片显微镜，首次观察到了活的微生物，称之为小虫子，实际上是单细胞生物他详细记录了这些微生物的形态和运动，成为第一个观察到活细胞的人3年1839德国植物学家施莱登和动物学家施旺分别通过研究植物和动物组织，共同提出了细胞学说的基本原理所有生物都由细胞组成这一理论成为现代生物学的基石，为科学研究提供了统一的理论框架现代细胞理论的三个基本观点细胞是基本单位细胞是生物体结构和功能的基本单位生命组成所有生物都由一个或多个细胞组成细胞起源细胞只能由已存在的细胞分裂产生现代细胞理论是生物学最重要的基础理论之一，它彻底否定了生命自发产生学说，确立了细胞在生命科学中的核心地位第一个观点强调细胞是生命的基础；第二个观点说明细胞的普遍性；第三个观点解释了细胞的来源，阐明了生命的连续性这三个基本观点不仅解释了生物体的基本构成，还为理解生命的起源和进化提供了理论框架随着科学技术的进步，细胞理论不断得到充实和完善，但核心观点至今仍然牢固地站在科学前沿细胞的分类原核细胞真核细胞原核细胞是结构相对简单的细胞类型，主要包括细菌和蓝藻（现真核细胞结构复杂，包括动物、植物、真菌和原生生物的细胞称蓝细菌）它们体积小，通常只有微米大小，没有真正它们体积更大，有明确的细胞核和各种膜式细胞器，如线粒体、1-10的细胞核和大多数膜式细胞器内质网和高尔基体等基因组通常是单条环状，直接位于细胞质中的核区尽管被包裹在核膜内形成细胞核，细胞质中含有多种功能各异DNA DNA结构简单，原核生物在地球上数量极其庞大，是生态系统中重要的细胞器这种复杂的组织结构使真核细胞能够执行更专业化的的分解者功能，形成多细胞生物的基础原核细胞与真核细胞的区别比较项目原核细胞真核细胞细胞核无核膜，直接位有完整的核膜和细胞核，DNA于细胞质中形成核区被核膜包围DNA细胞器无膜式细胞器，仅有核具有多种膜式细胞器，糖体等如线粒体、内质网等大小一般比真核细胞小体积较大，直径通常在10倍左右，直径微微米之间1-1010-100米结构通常为单条环状多条线性与蛋白DNA DNA DNA质结合形成染色体细胞分裂主要通过二分裂方式通过有丝分裂或减数分裂细胞的大小和形态1-100μm

0.1μm18cm典型细胞直径最小细胞最大细胞大多数细胞的直径在微米之间，这个范支原体是已知最小的自由生活细胞，直径仅鸵鸟卵细胞是已知最大的单细胞，约厘米长1-

1000.1-18围决定了细胞的最佳功能发挥微米

0.2细胞的大小受到多种因素限制，主要是表面积与体积比例的制约随着细胞体积增大，其表面积与体积比降低，影响物质交换效率这就是为什么绝大多数细胞保持微小体积，而不是无限增大细胞形态的多样性是生物多样性的重要表现有的细胞呈球形，如红细胞；有的呈长条形，如神经细胞；有的呈不规则形状，如免疫系统中的巨噬细胞这些不同形态都与其特定功能密切相关细胞形态多样性的原因功能适应性细胞的形态与其功能密切相关，如神经元具有长轴突以传导神经冲动；红细胞呈双凹圆盘状以增加气体交换面积；肌肉细胞呈长纤维状以便于收缩这种形态与功能的对应关系是自然选择的结果，能更好地满足生物体的生理需求遗传因素影响细胞的形态受到基因的精确调控，不同类型的细胞表达不同的基因组合，产生特定的蛋白质结构，从而形成独特的细胞形态这种遗传控制保证了细胞形态的稳定性和可遗传性，维持物种特征环境适应细胞会根据外部环境的变化调整其形态，如植物在干旱环境中的细胞会变小以减少水分散失；免疫细胞在遇到病原体时会改变形态以增强吞噬能力这种形态可塑性是细胞适应环境变化的重要机制细胞骨架作用细胞内的微管、微丝和中间纤维构成的细胞骨架系统在维持和改变细胞形态中起关键作用它们像建筑物的支架，支撑细胞结构，同时也能动态调整，使细胞能够运动或改变形态显微技术的发展光学显微镜光学显微镜是最早发明的显微镜类型，利用可见光和光学透镜系统放大样品，通常可达倍放大倍率它能观察活细胞，但分辨率受光的波长限400-1000制，约为微米，无法观察更细微的结构如病毒和大分子现代光学显微镜

0.2技术有明场、暗场、相差和荧光等多种观察方式电子显微镜电子显微镜使用电子束代替光线，可实现万万倍的放大倍率，分10-100辨率达到纳米有两种主要类型透射电子显微镜用于观察细

0.1TEM胞内部超微结构；扫描电子显微镜用于观察样品表面立体形态缺SEM点是样品制备复杂，且不能观察活细胞荧光显微镜荧光显微镜利用荧光染料或荧光蛋白标记特定细胞结构，在特定波长光激发下发出荧光这种技术可以特异性地观察细胞中的特定分子、结构或活动，如追踪蛋白质在细胞内的分布和运动共聚焦激光扫描显微镜更能提供高质量三维图像实验制作洋葱表皮临时装片材料准备收集所需材料洋葱、载玻片、盖玻片、碘液取材制片撕取表皮、滴水展平、覆盖盖玻片、染色显微观察观察细胞壁、细胞质、细胞核等结构制作洋葱表皮临时装片是观察植物细胞基本结构的经典实验首先，从新鲜洋葱鳞片内侧小心撕取一层透明表皮将表皮平铺在载玻片上的水滴中，避免产生气泡轻轻覆盖盖玻片，确保样品完全展平在盖玻片一侧滴加碘液，另一侧用吸水纸吸引，使染液缓慢流过标本进行染色在显微镜下，可清晰观察到细胞壁形成的六边形结构，以及被染成黄褐色的细胞核细胞质呈现为淡黄色薄层，紧贴细胞壁内侧这种简单的实验直观展示了植物细胞的基本形态和主要结构植物细胞的基本结构细胞壁细胞膜植物细胞特有结构，主要由纤维素构成磷脂双分子层结构，含有多种蛋白质提供机械支持和保护，防止细胞因吸水过多控制物质进出细胞，维持细胞内环境稳定而破裂细胞核细胞质控制中心，含有遗传物质DNA半流动性胶体，含有多种细胞器调控细胞活动，控制蛋白质合成，传递遗传是细胞代谢活动的主要场所信息动物细胞的基本结构动物细胞主要由细胞膜、细胞质和细胞核三部分组成细胞膜是一层薄膜，由脂质双分子层和蛋白质构成，既保护细胞内容物，又控制物质进出细胞质是细胞内充满的半流动性物质，其中悬浮着各种细胞器，是细胞新陈代谢的主要场所细胞核是细胞的控制中心，含有等遗传物质，负责调控细胞功能和遗传信息的传递与植物细胞不同，动物细胞没有细胞壁和叶DNA绿体，但具有特有的中心体，参与细胞分裂过程这些结构共同协作，维持细胞的正常生理功能细胞膜的结构磷脂双分子层膜蛋白流动镶嵌模型细胞膜的基本骨架是由两层磷脂分子排列各种蛋白质镶嵌在磷脂双层中，包括跨膜现代细胞膜理论认为，膜中的脂质和蛋白形成的每个磷脂分子都有亲水的头部蛋白、外周蛋白和内周蛋白这些蛋白质质并非静态固定，而是可以在膜平面内流（朝向膜的内外两侧）和疏水的尾部（朝执行多种功能，如物质转运、细胞识别、动这种流动性使膜具有一定的可塑性和向膜的中间）这种特殊排列使膜具有选信号传导等有些蛋白质还连接着糖分子，修复能力，同时允许蛋白质在特定区域聚择性通透性，允许某些物质通过而阻止其形成糖蛋白，参与细胞间的识别集以执行功能整个膜的厚度约为纳7-8他物质米细胞膜的功能选择性通透细胞识别信号转导细胞膜控制物质进出细胞，膜表面的糖蛋白和糖脂作为膜上的受体蛋白能识别并结允许氧气、水等小分子自由身份标签，使细胞能够相互合特定的激素或神经递质等通过，限制大分子和带电离识别这种识别机制是免疫信号分子，将细胞外的信号子的通过这种选择性保证系统区分自己和非己的基传递到细胞内部，触发相应了细胞内环境的稳定性，是础，也是细胞间形成特定连的生理反应这是细胞响应维持生命活动的关键机制接的前提环境变化的重要方式细胞连接细胞膜上的特殊结构参与形成细胞间连接，如紧密连接、间隙连接等，使多细胞生物的细胞能够形成稳定的组织结构，并在细胞间进行物质和信息交流物质通过细胞膜的方式自由扩散小分子物质如氧气、二氧化碳、水和脂溶性分子可直接通过磷脂双层，从浓度高的一侧向浓度低的一侧移动这是最简单的运输方式，不需要能量消耗，但受分子大小和极性限制自由扩散速率与浓度差成正比，随膜两侧浓度差减小而减慢协助扩散通过膜上的特定载体蛋白或通道蛋白，促进某些不能自由通过的物质（如葡萄糖、氨基酸）沿浓度梯度方向通过细胞膜这种方式仍不需能量，但具有特异性和饱和性载体蛋白像摆渡船，改变构象来转运物质主动运输通过膜上的运输蛋白，将物质从低浓度一侧转运到高浓度一侧，逆浓度梯度方向运输，需要消耗能量ATP典型例子是钠钾泵，能维持细胞内外离子浓度差异主动运输是细胞维持内环境稳态的关键机制胞吞和胞吐用于转运大分子物质如蛋白质、多糖等胞吞是细胞膜内陷形成囊泡，将外部物质吞入细胞内；胞吐则是细胞内囊泡与细胞膜融合，将内容物释放到细胞外这些过程需要能量支持，并参与细胞的分泌、吸收和防御功能细胞质基质细胞骨架系统微管微丝中间纤维微管是直径约纳米的中空管状结构，微丝是直径约纳米的细丝状结构，由肌中间纤维是直径约纳米的坚韧纤维结25710由微管蛋白和微管蛋白二聚体聚合动蛋白分子聚合而成它们在细胞膜下构，由多种蛋白质构成，不同类型细胞α-β-而成它们从中心体向细胞周边辐射，形成网络，增强细胞表面的机械强度，中的中间纤维成分不同，如上皮细胞中形成轨道网络，是细胞内物质运输的主参与细胞形态变化和细胞运动的角蛋白、神经细胞中的神经纤维蛋白要通道等微丝是肌肉收缩的基础结构，在非肌肉微管在细胞分裂时形成纺锤体，参与染细胞中也参与伪足形成、胞吞和胞吐、它们是细胞中最稳定的结构，主要功能色体的分离它们还参与细胞的形态维细胞分裂时的胞质分裂等过程它们不是增强细胞的机械强度，维持细胞和组持、细胞极性建立和细胞运动，是维持断进行聚合和解聚，使细胞具有动态变织形态中间纤维从细胞核周围延伸到细胞结构的重要支架化的能力细胞外周，形成贯穿整个细胞的支持网络，增强细胞抵抗外力牵拉的能力细胞核的结构核膜核膜是由内外两层膜组成的双层膜结构，两层膜之间存在周核间隙核膜上分布着许多核孔复合体，这些核孔是和蛋白质等物质进出细胞核的通道，控制着细胞核与细胞质之间的RNA物质交换核膜内层附着着核纤层，为细胞核提供结构支持染色质染色质是与组蛋白和非组蛋白结合形成的复合体，是遗传信息的载体在间期细胞中，DNA染色质呈松散状态，便于转录活动；在细胞分裂前期，染色质浓缩为可见的染色体染色质可分为常染色质（基因活跃区）和异染色质（基因不活跃区）核仁核仁是细胞核内最明显的无膜结构，在光学显微镜下呈深染的颗粒状它是核糖体的合RNA成和加工中心，同时也是核糖体亚基的装配场所核仁由纤维中心、致密纤维组分和颗粒组分三部分构成，含有、和多种蛋白质rDNA RNA核液核液是充满在细胞核内的半流动性物质，主要由水、离子、蛋白质和核苷酸等组成它为核内结构提供支持环境，同时也是各种核反应的场所核液的成分和状态会随细胞周期变化而变化，影响染色质的结构和转录活性细胞核的功能储存遗传信息控制蛋白质合成调控基因表达细胞核是的主要存储场细胞核内的通过转录生细胞核控制哪些基因在何时、DNA DNA所，包含着生物体发育和功能成各种，特别是信使何地、以何种程度被激活或抑RNA所需的全部遗传信息这些信，携带遗传信息到细胞制，这种精确调控使不同类型RNA息编码在分子的碱基序质中进行蛋白质合成核内还的细胞能发挥特定功能基因DNA列中，通过复制机制精确传递进行的加工修饰，如剪表达调控包括转录、加RNA RNA给子代细胞，确保遗传的连续接、加帽和加尾等，确保成熟工、核质转运等多个层次，是性和稳定性的能正确指导蛋白质细胞分化和功能特异性的基础mRNA合成控制细胞分裂细胞核中包含调控细胞周期的基因，决定细胞何时分裂以及如何分裂在分裂过程中，细胞核确保遗传物质的准确复制和均等分配，这对维持遗传稳定性和生物体正常发育至关重要染色体组成成分染色体主要由和蛋白质组成，其中是遗传信息的载体，而蛋白质（主要是组蛋白）DNA DNA则帮助紧密折叠成更紧凑的结构这种蛋白质复合体也称为染色质，只有在细胞DNA DNA-分裂期才会浓缩成可见的染色体形态数量特征不同物种具有不同数量的染色体，人类体细胞含有条染色体（对），其中包括对常462322染色体和对性染色体这些染色体中携带着约个基因，控制着人体的生长发育和各125,000种生理特征结构特点每条染色体都有一个特定位置的着丝点，将染色体分为长臂和短臂染色体还具有端粒结构，保护染色体末端不被降解每条染色体上的基因按特定顺序排列，这种排列的精确性对基因功能至关重要观察方法染色体通常只有在细胞分裂的中期才能在光学显微镜下清晰观察到，这时染色体高度浓缩，呈典型的形或棒状现代染色体分析技术如荧光原位杂交（）和多色染色体分析，能X FISH更精确地研究染色体结构和异常线粒体细胞发电站结构特点遗传特性线粒体被称为细胞的发电站，因为它是线粒体具有独特的双层膜结构外膜光滑，线粒体含有自己的线粒体，DNADNA细胞能量产生的主要场所通过有氧呼吸包围整个线粒体；内膜向内折叠形成许多和合成蛋白质的核糖体，可以自mtDNA过程，线粒体将葡萄糖等有机物分解，产嵴，大大增加了表面积内膜上分布着进主复制线粒体是环状双链分子，编DNA生大量的三磷酸腺苷，这是细胞利行电子传递和合成的酶复合体线粒码少量蛋白质和线粒体主要通过母ATPATP RNA用的主要能量形式一个典型的肝细胞可体基质是内膜包围的空间，含有参与三羧系遗传，所以线粒体分析被广泛用于DNA含有个线粒体酸循环的酶系统研究物种进化和母系追踪1000-2000叶绿体植物特有器官叶绿体是植物和部分藻类细胞特有的细胞器光合作用中心将光能转化为化学能，制造有机物复杂膜系统具有外膜、内膜、类囊体膜和基质独立遗传系统4含有自己的和核糖体，能自主复制DNA叶绿体是绿色植物进行光合作用的主要场所，呈扁平椭圆形，大小约为微米它具有复杂的膜系统，外膜和内膜之间形成膜间隙，内膜内侧是充满蛋白5-10质和的基质在基质中，有许多由类囊体膜堆叠形成的类囊体，这是捕获光能的主要部位DNA类囊体膜上含有叶绿素和其他光合色素，可吸收太阳光能叶绿体基质中含有固定二氧化碳的酶系统，完成光合作用的暗反应叶绿体与线粒体一样，具有半自主性，含有自己的环状、和蛋白质合成系统，能够独立合成部分蛋白质DNA RNA光合作用的奇迹光能吸收能量转换叶绿素在类囊体膜上捕获太阳光能光能转化为化学能，产生和ATP NADPH生物能量来源碳固定为地球上大部分生命提供能量和氧气利用和将₂转化为有机物ATP NADPHCO光合作用是地球上最重要的生化过程之一，通过它，绿色植物利用太阳能将二氧化碳和水转化为葡萄糖等有机物，同时释放氧气这个过程可以简化为₂6CO+₂光能₆₁₂₆₂光合作用分为光反应和暗反应两个阶段，前者发生在类囊体膜上，后者发生在叶绿体基质中6H O+→C H O+6O地球上约的氧气来自光合作用，为有氧生物的呼吸提供必要条件此外，几乎所有生物的能量最终都来源于光合作用产生的有机物从远古时代开始，光合作用80%改变了地球大气成分，促进了生物多样性的演化，是生命繁荣的基础光合作用也是化石燃料的间接来源，对人类文明发展有深远影响细胞呼吸糖酵解在细胞质中进行，将葡萄糖分解为丙酮酸，产生少量ATP三羧酸循环在线粒体基质中进行，将丙酮酸完全氧化，产生₂和还原型辅酶CO电子传递链在线粒体内膜上进行，电子传递释放能量合成ATPATP合成一分子葡萄糖完全氧化可产生约分子30-32ATP细胞呼吸是细胞在线粒体中氧化分解葡萄糖等有机物，释放能量并合成的过程，是细胞获取能量ATP的主要途径整个过程可概括为₆₁₂₆₂₂₂能量这一C H O+6O→6CO+6HO+ATP过程与光合作用正好相反，二者共同维持了生物圈的碳循环和能量流动细胞呼吸分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方式有氧呼吸需要氧气参与，能量释放效率高；无氧呼吸（如发酵）不需要氧气，能量释放较少人体细胞主要通过有氧呼吸获得能量，每天约合成和消耗千克的，这些能量支持着我们的一切生命活动50-75ATP核糖体核糖体是细胞中的蛋白质合成工厂，由核糖体和蛋白质组成的复合体每个核糖体由大、小两个亚基构成，这两个亚基在RNArRNA蛋白质合成时结合在一起，合成结束后又分开原核生物的核糖体为（是沉降系数单位），由大亚基和小亚基组成；真核70S S50S30S生物的核糖体为，由大亚基和小亚基组成80S60S40S核糖体在细胞中的分布有两种形式附着在内质网表面的核糖体称为粗面内质网，主要合成分泌蛋白和膜蛋白；分散在细胞质中的称为自由核糖体，主要合成细胞内使用的蛋白质核糖体的形成始于细胞核的核仁，在此合成并与蛋白质结合形成亚基，然后转运到细rRNA胞质中组装成完整的核糖体内质网粗面内质网光面内质网粗面内质网是表面附着有核糖体的膜性网络结构，因表面的核糖光面内质网是表面没有附着核糖体的膜性管道网络，在电子显微体使其在电子显微镜下呈粗糙外观而得名它主要负责合成分镜下呈光滑表面它主要负责合成脂质，包括磷脂、胆固醇和类泌蛋白和膜蛋白，如消化酶、激素、抗体等这些蛋白质在合成固醇激素等光面内质网也是细胞内钙离子的主要储存场所，通过程中直接被送入内质网腔，并在此进行初步加工和折叠过调节钙离子释放参与细胞信号传导光面内质网在合成类固醇的细胞中特别丰富，如肝细胞和肾上腺粗面内质网在分泌蛋白较多的细胞中特别发达，如胰腺细胞和浆皮质细胞在肝细胞中，光面内质网还含有解毒酶系统，可代谢细胞它与高尔基体紧密协作，共同完成蛋白质的合成、修饰和药物和其他外源物质光面内质网与粗面内质网并非完全分开，分泌过程粗面内质网还参与细胞膜的合成与更新，保持细胞膜它们之间有结构上的连续性和功能上的协作的完整性高尔基体基本结构特点高尔基体由扁平的膜囊泡（称为高尔基层）堆叠而成，通常有个囊泡堆叠5-8在一起，呈弓形排列按照功能可分为入面（靠近内质网）、中间区和出面（靠近质膜）三个部分各层囊泡的边缘常膨大形成转运小泡，负责物质在不同囊泡之间的转运蛋白质加工与分选内质网合成的蛋白质通过转运小泡运到高尔基体，在这里进行进一步加工修饰，如糖基化（添加糖分子）、磷酸化和蛋白酶切割等高尔基体还负责将这些蛋白质分选到不同的目的地，有些被送往溶酶体，有些被分泌到细胞外，还有些被运送到细胞膜多糖合成与包装高尔基体参与多种复杂多糖的合成，如细胞外基质的蛋白多糖和糖蛋白在植物细胞中，高尔基体还负责合成细胞壁的果胶质和半纤维素等多糖此外，高尔基体将不同物质包装成分泌囊泡，通过胞吐作用将内容物释放到细胞外溶酶体细胞消化系统物质降解功能参与细胞凋亡溶酶体是被单层膜包围的球形囊泡，内含溶酶体通过胞吞作用消化来自细胞外的物溶酶体在细胞凋亡（程序性细胞死亡）中多种水解酶，能分解蛋白质、核酸、脂质质，如细菌和死亡细胞碎片；也通过自噬扮演重要角色当细胞受到特定信号刺激和多糖等大分子物质溶酶体的内部呈酸作用消化细胞内老化、损伤的细胞器和多时，溶酶体膜可能破裂，释放水解酶到细性环境（约），这是水解酶发余的物质这种细胞内消化对维持细胞胞质中，引发细胞自我消化这种机制对pH

4.5-

5.0挥最佳活性的条件由于这种酸性环境被内环境的稳定和更新至关重要许多免疫生物体发育和组织更新至关重要溶酶体膜隔离，防止了水解酶对细胞其他部分的细胞如巨噬细胞中的溶酶体特别发达，用功能异常与多种疾病相关，如溶酶体储存损伤于消化被吞噬的病原体病过氧化物酶体酶系组成代谢功能过氧化物酶体是被单层膜包围的小囊泡，直径约微米，内含多种过氧化物酶体参与多种重要的代谢过程，特别是脂肪酸的氧化和长链

0.5-

1.5β-酶类，最具特征的是过氧化氢酶和多种氧化酶这些氧化酶可将多种物质脂肪酸的降解在哺乳动物肝脏中，过氧化物酶体还参与胆汁酸的合成、氧化，同时产生过氧化氢₂₂；而过氧化氢酶则能迅速分解这种有甘油醚的代谢以及某些氨基酸的降解此外，它们还能降解有害物质如乙HO毒的过氧化氢，转化为水和氧气，防止其对细胞造成损害醇，参与细胞的解毒过程植物中的功能与疾病的关系在植物种子发芽过程中，过氧化物酶体特别活跃，被称为胚芽体它们过氧化物酶体功能异常与多种遗传性疾病相关，统称为过氧化物酶体病，将储存的脂肪转化为糖类，为幼苗生长提供能量，直到幼苗能够进行光合如肾上腺脑白质营养不良症这些疾病通常表现为神经系统发育异常、肝作用在绿色植物细胞中，过氧化物酶体还参与光呼吸过程，与叶绿体和脏功能障碍和肌张力减退等症状研究过氧化物酶体对理解这些疾病机制线粒体协同工作和开发治疗方法具有重要意义中心体结构特点动物细胞特有的细胞器，由两个中心粒组成分裂功能细胞分裂时形成纺锤体，参与染色体分离运动作用中心粒还能形成基体，发展为纤毛或鞭毛中心体是动物细胞和低等植物细胞特有的结构，位于细胞核附近的细胞质中它由两个中心粒垂直排列组成，周围有一层无膜的致密物质每个中心粒呈圆柱形，直径约微米，由组三联微管环状排列组成，这种结构是中心粒的典型特征高等植物细胞一般没有中心体，它们的纺锤体形

0.15-

0.2599+0成机制有所不同中心体在细胞分裂过程中扮演重要角色分裂前期，中心体复制，两对中心体分别移向细胞两极，成为纺锤体的组织中心它们控制微管的生长方向，形成纺锤体结构，引导染色体的分离此外，中心粒还能作为基体发展成为纤毛或鞭毛，参与细胞运动中心体异常与某些疾病相关，如癌症中常见中心体数目或结构异常植物细胞的特殊结构叶绿体液泡进行光合作用的细胞器储存细胞液的大型囊泡细胞壁将光能转化为化学能，合成有维持膨压，储存营养物质和废质体系统机物物由纤维素等多糖构成的坚韧外层包括叶绿体、色素体和白色体提供机械支持，保护细胞不受参与光合作用、色素合成和淀渗透压破裂粉储存细胞壁的结构与功能化学组成功能特点植物细胞壁主要由多糖类物质构成，包括纤维素（提供结构强细胞壁最基本的功能是提供机械支持和保护它限制了细胞体积度）、果胶（增加细胞间黏合）和半纤维素（连接纤维素和果的过度膨胀，防止细胞因吸水过多而破裂，同时也赋予植物组织胶）不同植物细胞壁的成分比例有所不同，如木质部细胞还含一定的硬度和强度细胞壁的存在是植物能够形成高大植株的关有木质素，增加强度和防水性键因素细胞壁形成是一个动态过程，初生壁柔软可伸展，允许细胞生长；尽管细胞壁看似坚固，但并不是完全隔绝的屏障细胞壁上有许次生壁在细胞生长停止后形成，更加坚硬，常含特殊物质如木质多小孔，相邻细胞之间通过胞间连丝相连，允许细胞间的物质交素、角质或栓质等，提供额外保护换和信息传递此外，细胞壁对水和小分子物质的通过几乎没有阻碍，这些物质可以自由扩散植物细胞液泡结构特征储存功能液泡是成熟植物细胞中最大的细胞器，通常占据植物细胞的体积它被单液泡是植物细胞的储藏室，储存多种物质，包括无机离子、有机酸、糖类、氨基80-90%层膜（液泡膜，也称张力体）包围，内部充满细胞液液泡在幼嫩细胞中较小，随酸、蛋白质和色素等一些植物将次生代谢产物如生物碱、鞣质和凝集素等存放在着细胞成熟逐渐增大，常常将细胞核和细胞质挤压到细胞周边不同种类植物的液液泡中，这些物质往往具有防御功能，抵抗病原体和食草动物的侵害液泡还可以泡内容物有很大差异，与植物的种类和生长环境密切相关暂时存放细胞代谢产生的废物，有些甚至会被重新利用膨压调节pH和离子平衡液泡在调节植物细胞膨压方面发挥关键作用当水分充足时，液泡吸水膨胀，细胞液泡维持细胞内的和离子平衡液泡内通常呈弱酸性（），与细胞pH pH

4.5-

5.5质被压向细胞壁，产生向外的压力（膨压），使植物组织保持坚挺；缺水时，液泡质的中性环境形成对比这种差异有助于某些分子的跨膜运输液泡还可以积pH收缩，膨压降低，植物出现萎蔫这种机制使植物能够通过调节细胞膨压来控制各累钙、钾等离子，调节细胞质中的离子浓度，这对许多酶的正常功能和细胞信号传种生理运动，如气孔开闭、花朵开合等导至关重要植物细胞与动物细胞的异同比较特征植物细胞动物细胞细胞壁有，主要由纤维素构无成叶绿体有，进行光合作用无中央液泡有，通常很大无或极小中心体高等植物细胞无有，参与细胞分裂形状因细胞壁而呈规则形形状多变状储能物质主要为淀粉主要为糖原细胞膜、细胞核、线有有粒体等细胞连接方式植物细胞连接动物细胞连接生理意义植物细胞通过胞间连丝相互连接胞间连丝是动物细胞有多种专门的连接结构紧密连接使细胞连接对多细胞生物的正常发育和功能至关穿过相邻细胞壁的细胞质通道，直径约相邻细胞膜紧密贴合，形成渗透屏障，防止物重要它们不仅提供结构支持，形成稳定的组20-纳米这些通道允许细胞质、小分子物质质从细胞间隙渗漏；桥粒连接（也称为脱士体）织，还建立了细胞间通讯网络，使细胞能够协40甚至某些蛋白质和在细胞间直接传递，将相邻细胞机械连接在一起，增强组织强度；调活动例如，心肌细胞之间的间隙连接确保RNA形成细胞间的物质和信息交流网络，对植物的间隙连接（也称为缝隙连接）形成细胞间的通心脏同步收缩；上皮细胞之间的紧密连接维持生长发育和环境响应至关重要道，允许小分子物质和离子直接通过，类似植组织屏障功能，防止有害物质渗透物的胞间连丝细胞分裂的过程间期1细胞进行正常代谢活动，复制，染色体加倍，细胞体积增大，DNA为分裂做准备间期包括期（细胞生长）、期（合成）G1S DNA和期（分裂前准备）染色体处于舒展状态，不易观察G22前期染色体开始浓缩可见，核膜和核仁逐渐消失中心体复制并分开移向细胞两极，开始形成纺锤体染色体上的着丝点接近完成，中期3准备与纺锤丝连接此阶段染色体运动活跃，重新排列染色体高度浓缩，排列在细胞赤道板面上每条染色体的着丝点连接着来自两极的纺锤丝，处于拉力平衡状态细胞在此阶段进4后期行最后检查，确保染色体正确连接，准备分离染色体着丝点分开，同源染色体（或姐妹染色单体）被牵引向细胞两极移动此时染色体呈形，着丝点在前，染色体臂拖在V末期5后面细胞质也开始准备分裂，形成分裂沟染色体到达细胞两极，开始解散变得松散，核膜重新形成，核仁重现纺锤体消失，细胞质完成分裂（胞质分裂），形成两个完整的子细胞，每个具有完整的染色体组细胞分化受精卵具有发育成完整个体的全能性，基因组完整激活胚胎干细胞保持多能性，可分化为三胚层的各种细胞类型组织干细胞具有有限分化潜能，只能形成特定组织的细胞终末分化细胞完全特化的功能细胞，如神经元、肌肉细胞、血细胞等细胞分化是多细胞生物发育过程中的关键现象，指的是细胞从未分化状态逐渐获得特定形态和功能的过程这一过程的本质是基因选择性表达的结果尽管生物体内所有细胞的基因组基本相同，但每种细胞类型只表达一部分基因，从而获得特定功能人体约有多种不同类型的细胞，如神经细胞、肌肉细胞、血细胞等，它们都来源于同一个受精卵分200化过程不可逆转（虽然现代技术可实现部分逆转），一旦细胞分化成特定类型，通常会保持这种状态干细胞是未完全分化的细胞，具有自我更新和分化成多种细胞类型的潜能，它们在组织修复和再生医学领域具有重要应用前景细胞三维排布的重要性细胞长期存活三维环境更接近生理状态，提高细胞活力细胞间通讯促进细胞之间的信号交流和物质交换物质代谢支持三维结构支持复杂的物质交换和代谢网络组织形成基础是发育完整功能组织和器官的必要条件传统的二维细胞培养系统（如培养皿）虽然操作简便，但难以模拟细胞在体内的真实生理环境在自然状态下，细胞是在三维空间中生长和互动的，周围环境的生物化学和物理信号对细胞行为有重要影响研究表明，三维培养的细胞表现出更接近体内状态的基因表达模式和功能表现三维细胞培养技术越来越多地应用于药物筛选、毒理学测试和组织工程这些技术包括使用水凝胶、多孔支架和悬浮培养等方法，创造更接近生理状态的细胞微环境通过三维培养，研究人员能更好地理解细胞行为、疾病机制，并开发出更有效的治疗方法和药物细胞三维排布技术类组织前体形成计算机辅助设计细胞受控组装功能表达支持利用打印技术或生物材通过计算机辅助设计系统，利用微流控技术、磁性纳通过提供适当的生物化学3D料支架，引导细胞按照特研究人员能够创建复杂的米颗粒或表面修饰等方法，信号（如生长因子）和机定的三维结构排列，形成三维组织模型，模拟天然实现细胞的精确位置控制械刺激，促进三维排布细类似天然组织的前体这组织的结构特征这些设和组装这些技术允许不胞的功能分化和表达这些方法可以精确控制细胞计可以考虑血管网络、机同类型的细胞按照预设的些支持系统模拟体内微环的空间分布，为后续的细械强度和细胞分布等多种模式排列，形成功能性细境，使培养的组织更接近胞分化和组织功能发展提因素，为生物制造提供精胞结构单元，进而构建更天然状态，表现出更完整供基础框架确蓝图复杂的组织的生理功能细胞膜的物质运输实验

0.9%

0.2%等渗溶液低渗溶液与细胞内液等渗的溶液，细胞维持正常形态低浓度盐溶液，水分进入细胞导致溶血NaCl

2.0%高渗溶液高浓度盐溶液，水分流出导致细胞皱缩细胞膜的选择性通透实验是观察细胞膜物质运输特性的经典实验这个实验主要利用红细胞在不同浓度盐溶液中的形态变化，直观展示渗透作用对细胞的影响实验准备三种不同浓度的氯化钠溶液（等

0.9%渗）、（低渗）和（高渗），分别加入少量新鲜红细胞悬液，在显微镜下观察变化

0.2%

2.0%在等渗溶液中，细胞内外水分子流动平衡，红细胞保持正常双凹圆盘形态；在低渗溶液中，水分子净流入细胞，红细胞吸水膨胀，最终可能破裂释放血红蛋白，称为溶血现象；在高渗溶液中，水分子净流出细胞，红细胞失水皱缩，呈现不规则的棘状外观这一实验直观地说明了细胞膜允许水分子自由通过，但对溶质具有选择性通透的特性荷叶效应与细胞膜的关系荷叶表面特性与细胞膜的类比荷叶表面展现出超疏水性，水滴在其上形成球形并可自由滚动，细胞膜的磷脂双分子层结构与荷叶效应有着有趣的相似性磷脂不润湿叶面这种现象被称为荷叶效应或莲花效应微观上分子由亲水的头部和疏水的尾部组成，在水环境中自发排列成双看，荷叶表面覆盖着微米级的乳突和纳米级的蜡质结晶，形成特层结构，疏水尾部相互靠拢避开水，亲水头部朝向水环境这种殊的双重微纳结构这种结构大大减少了水与表面的接触面积，特性使磷脂形成封闭的膜结构，维持细胞内外环境的分离使水滴保持高接触角荷叶效应不仅为荷叶提供自洁功能，清除灰尘和污染物，还防止细胞膜的这种自组装特性源于水与非极性分子间的疏水相互作用，水分堆积，减少病原菌生长这种自然进化的疏水机制启发了许与荷叶表面的疏水性本质上有相似之处通过研究荷叶效应和细多仿生材料的设计，如自洁玻璃、防水织物和抗污涂料等胞膜结构的关系，科学家开发了新型生物膜模拟材料，用于药物输送系统、生物传感器和组织工程支架等领域这种仿生学方法展示了向自然学习的重要性细胞功能与疾病线粒体功能障碍线粒体是细胞的能量工厂，当其功能出现问题时，会导致一系列代谢性疾病例如，线粒体突变可DNA引起肌肉无力、运动障碍、视力丧失等症状，如线粒体脑肌病、遗传性视神经病变等线粒体功能Leber障碍还与神经退行性疾病（如帕金森病）、糖尿病和衰老过程密切相关溶酶体异常溶酶体是细胞内的消化系统，负责分解各种大分子溶酶体酶缺陷导致底物累积，形成溶酶体储存疾病，如高雪氏病（脑苷脂累积）、糖原累积症和法布里病（神经节苷脂累积）等这些疾病常见症状包括器官肿大、神经发育异常和进行性神经退化细胞膜受体异常细胞膜上的受体负责接收外界信号，异常可导致内分泌和代谢性疾病例如，胰岛素受体突变导致严重的胰岛素抵抗，引起特定类型的糖尿病；低密度脂蛋白受体缺陷导致家族性高胆固醇血症；某些激素受体异常可引起激素不敏感综合征细胞分裂失控细胞分裂的精确调控对维持组织平衡至关重要当调控机制失效，细胞可能无限制分裂，形成癌症这通常涉及原癌基因激活或抑癌基因失活，导致细胞周期检查点失效、凋亡机制受损和染色体不稳定性不同类型的癌症反映了不同组织中细胞分裂控制的特定失败模式细胞凋亡凋亡启动接收内部或外部凋亡信号，激活凋亡通路信号传导激活级联反应，如半胱氨酸蛋白酶通路caspase执行阶段染色质浓缩、断裂、细胞皱缩DNA细胞清除凋亡小体形成，被吞噬细胞识别并清除细胞凋亡是一种程序性细胞死亡方式，是生物体精确调控细胞数量和清除异常细胞的重要机制与细胞坏死不同，凋亡是一个主动、有序的过程，不会引起炎症反应凋亡细胞表现为体积缩小、染色质浓缩、断裂、DNA细胞膜出现泡状突起，最终形成凋亡小体被周围细胞或巨噬细胞吞噬细胞凋亡在生物体发育和组织稳态维持中发挥关键作用例如，胚胎发育中的手指分离、神经系统发育中多余神经元的淘汰、免疫系统自身反应性细胞的清除等，都依赖凋亡过程凋亡异常与多种疾病相关凋亡不足T可能导致癌症、自身免疫病；凋亡过度则可能导致神经退行性疾病、等理解凋亡机制对新药研发和疾AIDS病治疗具有重要意义干细胞与再生医学干细胞特性干细胞类型再生医学应用干细胞是一类未分化或部分分化的细主要干细胞类型包括胚胎干细胞干细胞在再生医学中具有广阔应用前胞，具有两个关键特性自我更新能（来自早期胚胎，具有多能性）、成景，包括组织修复（如骨髓移植治力（可通过分裂产生相同的干细胞）体干细胞（存在于各组织中，如造血疗血液疾病）、疾病模型构建（使用和分化潜能（可分化为多种特定功能干细胞、神经干细胞等，分化潜能有患者衍生的细胞研究疾病机制）、iPS的细胞）根据分化潜能，干细胞可限）和诱导多能干细胞（细胞，通药物筛选平台和个性化治疗方案开发iPS分为全能干细胞（可发育成完整个过重编程体细胞获得，具有类似胚胎目前正在研究的领域包括帕金森病、体）、多能干细胞（可分化为多种细干细胞的特性）不同类型干细胞各糖尿病、脊髓损伤、心肌梗死等疾病胞类型）和单能干细胞（只能分化为有优缺点，应用领域也有所不同的干细胞治疗单一细胞类型）伦理与限制胚胎干细胞研究面临伦理争议，因为获取这些细胞需要破坏早期胚胎iPS细胞的发现在一定程度上缓解了这一问题，但仍存在安全性担忧，如肿瘤形成风险此外，干细胞研究还面临技术挑战（如控制分化方向）和监管问题平衡科学进步与伦理考量是干细胞研究中的持续话题生物制造工程细胞选择准备构建支架结构选择适合的细胞类型作为构建单元创建三维支架作为细胞生长的框架组织培养成熟细胞精准排布在适宜条件下培养使组织发育成熟按照特定结构安排不同类型细胞生物制造工程是一门新兴学科，将细胞生物学、材料学和工程学原理结合，创建功能性生物组织和器官这一领域的核心理念是将细胞作为构件，按照特定的三维结构排布，模拟天然组织的微环境和架构通过提供适当的生化信号和机械支持，引导细胞自组织形成复杂的功能性结构三维生物打印技术在细胞排布中发挥关键作用，它能够精确控制多种细胞类型和支持材料的空间分布目前，科学家已成功构建了多种简单组织，如皮肤、软骨和血管等更复杂的器官，如肝脏、肾脏和心脏的生物打印仍面临巨大挑战，特别是血管网络的构建和多细胞类型的功能整合未来，这一技术有望解决器官移植短缺问题，并为个性化医疗提供新途径显微观察技术实践洋葱表皮细胞观察口腔上皮细胞观察酵母细胞观察洋葱表皮细胞是植物细胞观察的经典材料用消毒棉签轻轻刮取口腔内侧黏膜，涂抹取少量酵母粉加入温水中制成悬浊液，滴取新鲜洋葱鳞片内侧表皮，制作临时装片，在载玻片上，加入美蓝或龙胆紫染液，覆在载玻片上，加盖玻片观察酵母菌是单染色后观察可清晰观察到规则排列的长盖盖玻片显微镜下可见多角形或不规则细胞真菌，呈圆形或椭圆形，大小约5-方形细胞，细胞壁分明，中央有大液泡，形状的上皮细胞，细胞膜清晰，细胞核较微米可观察到细胞的出芽生殖现象，10细胞核贴近细胞壁碘液染色后，细胞核大，位于中央这些扁平状细胞常成小群展示了真核微生物的典型特征使用美蓝呈深黄色，更易观察分布，代表了典型的动物细胞特征染色能更清晰地区分细胞结构课堂思考问题细胞研究的前沿领域细胞生物学研究正经历前所未有的技术革命单细胞测序技术允许科学家分析单个细胞的全基因组或转录组，揭示细胞间的异质性和发育轨迹这项技术已应用于肿瘤异质性研究、器官发育图谱构建和免疫细胞分类等领域，为精准医疗提供新思路超高分辨显微技术如、STED PALM和突破了光学显微镜的衍射极限，实现纳米级分辨率，使研究人员能够观察到以前无法区分的细胞超微结构STORM细胞编程与合成生物学领域正通过基因编辑技术重新设计细胞功能等基因编辑工具使精确修改基因组变得可能，科学家已成CRISPR-Cas9功创建具有新功能的工程细胞，如产生特定药物的细菌或感知特定环境信号的细胞人工细胞器构建代表着更深层次的细胞工程，研究者试图从头设计合成类似线粒体或叶绿体的功能性细胞器，以增强细胞的代谢能力或赋予细胞新功能总结细胞的奇迹生命的基本单位细胞是构成所有生物体的基本单位，也是生命活动的最小单位无论是单细胞生物还是复杂的多细胞生物，都依赖细胞进行生命活动从微小的细菌到巨大的蓝鲸，所有生命形式都遵循相同的细胞原理，展示了生命的统一性结构与功能的统一细胞内部的精密结构与其功能紧密相连每个细胞器都有其特定的形态和组成，正是这些结构上的特点使它们能够执行特定功能细胞膜的选择性通透性、线粒体的内膜嵴、高尔基体的囊泡结构等，都是结构与功能完美统一的例证多样性与特异性尽管所有细胞遵循共同的生命原理，但它们表现出惊人的多样性从形态各异的单细胞生物，到组成人体的多种不同类型细胞，每种细胞都有其独特的特性和功能200这种多样性与特异性使得生物体能够完成复杂的生理活动，适应各种环境科学研究的基础对细胞的研究是生命科学的基础，影响着医学、农业、环境科学等众多领域随着研究技术的进步，我们对细胞的理解不断深入，为疾病治疗、生物技术应用和生态保护提供新思路未来的细胞研究将继续揭示生命的奥秘，为人类带来更多福祉。