《生物细胞-修改》课件

生物细胞生命的基本单位细胞是构成生命体的最基本单位，承载着生命活动的全部奥秘每一个细胞都是一个完整的生命系统，具有独特的结构和功能本课程将带领大家从微观世界探索生命的本质，理解细胞结构与功能的密切关系课程概述1细胞的发现与基本特性探索细胞学说的发展历程和细胞的共同特征2细胞膜与细胞表面结构理解细胞膜的结构和功能，以及细胞表面的特化结构3细胞器及其功能学习各种细胞器的结构特点和生理功能细胞核与遗传信息细胞学说的发展历程年11665罗伯特胡克首次观察到软木塞的细胞结构，创造了这个术语，为细胞·cell学研究奠定了基础2年1838-1839德国植物学家施莱登和动物学家施旺分别提出植物和动物都是由细胞构成，确立了细胞学说的基本框架年31855德国病理学家魏尔肖提出著名论断细胞来源于细胞，完善了细胞学说的理论体系4现代发展电子显微镜、分子生物学技术的发展，使我们对细胞结构和功能的认识达到前所未有的深度细胞的基本概念定义与地位共性特征多样性表现细胞是生命体结构和功能的基本单位，所有细胞都具有三个基本结构细胞不同生物体的细胞在形态、大小和功能是生命活动的最小独立单位无论是单膜、细胞质和遗传物质这些结构协同上存在巨大差异，体现了生物界的多样细胞生物还是多细胞生物，细胞都承载工作，维持细胞的正常生命活动性细胞大小通常为微米，需要显10-30着维持生命的基本功能微镜才能观察细胞的共同特征新陈代谢生长和发育刺激反应细胞通过物质和能量的细胞能够增加体积、分细胞能够感受环境变化转换维持生命活动，包裂增殖，并在适当条件并做出相应的反应，维括合成代谢和分解代谢下发生分化持内环境稳定过程生殖和遗传细胞能够复制自身，将遗传信息传递给后代原核细胞与真核细胞原核细胞特征真核细胞特征无膜包围的细胞核，裸露分具有被双层核膜包围的细胞核，DNA散在细胞质中结构相对简单，与蛋白质结合形成染色体DNA主要包括细菌和古细菌细胞壁结构复杂，含有多种膜性细胞成分独特，缺乏复杂的细胞器系器，分工明确统进化意义从原核细胞到真核细胞的进化代表了生命复杂性的重大跃升，为多细胞生物的出现奠定了基础细胞膜的结构流动镶嵌模型由和提出，描述细胞膜的动态结构特点Singer Nicolson脂质双分子层主要由磷脂分子构成，形成疏水内部和亲水表面膜蛋白分布包括跨膜蛋白和外周蛋白，执行多种功能流动性调节胆固醇等分子调节膜的流动性和通透性细胞膜的功能维持内环境稳定选择性运输12调节细胞内外物质浓度，保持细胞正常的生控制物质进出细胞，维持细胞内特定的化学理状态组成细胞识别信号传递通过膜表面的标志分子实现细胞间的识别和接收外界信号并传递至细胞内部，调节细胞43连接活动膜蛋白的类型与功能糖蛋白复合体外周蛋白与糖类结合的膜蛋白，主要参与细胞识跨膜蛋白附着在膜表面的蛋白质，包括各种酶类和别、免疫反应和细胞间通讯在细胞表面穿越整个膜结构，包括离子通道、载体蛋结构蛋白它们参与膜的稳定、信号转导形成独特的分子标记白和受体蛋白这些蛋白质负责物质转运和代谢反应和信号接收，是膜功能的核心组件物质跨膜运输胞吞胞吐1大分子物质的运输方式主动运输2需要消耗的逆浓度梯度运输ATP协助扩散3借助载体蛋白的顺浓度梯度运输简单扩散4小分子物质的直接跨膜运输细胞表面结构动物细胞-糖萼结构1细胞表面的糖蛋白和糖脂形成的保护层微绒毛2增加细胞表面积，提高吸收效率细胞连接3包括紧密连接、黏附连接和缝隙连接细胞表面结构植物细胞-细胞壁形成胞间连丝1主要由纤维素、半纤维素和果胶组成，穿越细胞壁的细胞质通道，实现细胞间提供机械支撑2物质交流次生壁加厚壁面修饰4在初生壁内侧沉积木质素等物质，增强3根据功能需要形成各种特化结构支撑力植物细胞结构概述390%特有结构液泡体积细胞壁、液泡、叶绿体是植物细胞的成熟植物细胞中央液泡可占细胞体积特征结构的90%100+叶绿体数量叶肉细胞中通常含有多个叶绿体100植物细胞的观察方法制片准备撕取洋葱表皮，制作临时装片显微观察调节显微镜，寻找清晰视野结构识别观察细胞壁、细胞质、细胞核染色处理加入碘液增强细胞核显示效果动物细胞结构概述结构特点功能多样缺少细胞壁和叶绿体，具有中通过高度分化形成各种专门化心体和溶酶体等特有结构细细胞，如神经细胞、肌肉细胞膜直接与外界环境接触，形胞、血细胞等，执行特定的生态变化灵活理功能适应性强能够根据环境变化和功能需要改变形态和结构，体现了动物细胞的高度可塑性和适应性动物细胞的观察方法1样本采集用棉签轻刮口腔内侧，获取上皮细胞2制片技术将细胞涂抹在载玻片上，加盖玻片3染色观察滴加美蓝染液，增强细胞核对比度4结构分析识别细胞膜、细胞质、细胞核等结构植物细胞与动物细胞比较结构特征植物细胞动物细胞细胞壁有无中央液泡有无或很小叶绿体有无中心体无有溶酶体无或很少有细胞形态规则多角形多变圆形细胞质基质主要成分功能作用细胞骨架细胞质基质主要由水分组成，约占细胞质基质是许多重要生化反应的场基质中分布着由蛋白质纤维构成的细胞70-，其中溶解着大量蛋白质、碳水化所，包括糖酵解、脂肪酸合成等代谢途骨架，维持细胞形态，支持细胞器的空80%合物、脂质和无机盐这些成分共同构径同时为细胞器提供运动的介质和营间分布，参与细胞内物质运输成了细胞代谢的基本环境养供应线粒体结构与功能细胞动力工厂双膜结构半自主性代谢中心线粒体是细胞的动力中外膜光滑，内膜向内折含有环状，能够柠檬酸循环和氧化磷酸DNA心，通过有氧呼吸产生叠形成嵴，增加了膜表半自主复制和蛋白质合化的主要场所，为细胞活动提供面积成ATP能量叶绿体结构与功能膜系统结构光合色素分布叶绿体具有双层包膜，内部含有叶绿素、叶绿素、胡萝卜素和a b类囊体膜系统类囊体堆叠形成叶黄素等光合色素分布在类囊体基粒，基粒间由基质片层连接，膜上，形成光合作用的光反应中构成完整的膜网络系统心和集光复合体功能分区类囊体膜是光反应的场所，负责光能转换和、的产生基质ATP NADPH是暗反应场所，进行₂固定和糖类合成CO内质网粗面内质网滑面内质网12表面附着核糖体，主要负责蛋白质的合成和表面光滑无核糖体，参与脂质合成和解毒反加工修饰应膜连续性物质转运与核膜外膜相连，形成细胞内膜系统的重要为蛋白质和脂质提供合成场所和运输通道43组成部分高尔基体分选包装蛋白质加工将处理完成的蛋白质按照目的地进行分类结构组织对来自粗面内质网的蛋白质进行进一步修包装，形成不同类型的转运泡，运送到细由多层扁平囊泡堆叠而成，具有明显的极饰，包括糖基化、磷酸化等化学修饰，确胞的不同部位或分泌到细胞外性分化顺面接收来自内质网的转运泡，保蛋白质的正确折叠和功能反面释放成熟的分泌泡溶酶体结构特征单层膜包围的囊泡状结构，内含多种酸性水解酶消化功能分解细胞内的废物、老化细胞器和外来物质自噬作用清除损伤的细胞器，维持细胞内环境稳定程序性死亡参与细胞凋亡过程，调节细胞生命周期过氧化物酶体解毒功能1清除有害的过氧化氢等活性氧脂肪酸氧化2参与脂肪酸的氧化过程β基本结构3单层膜包围，含有氧化酶和过氧化氢酶细胞核的结构核膜系统1双层膜结构，含有核孔复合体，调节物质进出染色质组织2与组蛋白结合形成的复合体，储存遗传信息DNA核仁功能3合成和核糖体亚基装配的场所rRNA细胞核的功能遗传信息存储基因表达调控1以染色质形式存在，携带完整的遗DNA控制基因的转录和的加工修饰2mRNA传信息细胞分裂调控4复制修复DNA3调节细胞周期和分裂过程确保遗传信息的准确传递和完整性染色体463×10⁹人类染色体数碱基对数量正常人体细胞含有条染色体，分为人类基因组约含有亿个碱基对4630对23万2基因总数人类基因组编码约万个蛋白质基因2核糖体结构与功能1分子组成2亚基结构核糖体由核糖体和蛋白真核细胞核糖体由大亚基RNA60S质组成，形成稳定的核糖核蛋和小亚基组成，共同构成40S白复合体起到结构支核糖体大亚基含有催化rRNA80S架和催化作用，蛋白质提供稳肽键形成的活性位点定性和调节功能3功能定位游离核糖体合成胞质蛋白，结合型核糖体合成膜蛋白和分泌蛋白核糖体是蛋白质合成的专门场所细胞骨架微丝系统微管系统中间纤维协调功能由肌动蛋白构成，直径由微管蛋白构成，直径由多种蛋白构成，直径三种纤维相互作用，维约纳米，参与细胞运约纳米，形成细胞约纳米，提供机械持细胞三维结构和动态72510动和形态维持内运输轨道强度平衡细胞运动纤毛鞭毛运动肌肉细胞收缩细胞内运输基于微管的结构，通过动力蛋白肌动蛋白和肌球蛋白相互作用形成滑动马达蛋白沿着微管和微丝轨道运输细胞9+2的水解产生滑动力纤毛进行有节丝模型钙离子调节收缩过程，提器和囊泡驱动蛋白向微管正端运动，ATP ATP律的摆动，鞭毛呈波浪状运动，推动细供能量，实现肌肉的收缩和舒张运动动力蛋白向负端运动，实现定向运输胞移动或液体流动细胞分裂概述细胞周期调控分裂类型差异生物学意义细胞分裂受到严格的周期调控，包括有丝分裂产生遗传组成相同的体细细胞分裂是生物体生长发育、繁殖和复制检查点、纺锤体检查点等质胞，减数分裂产生遗传多样性的生殖修复的基础，维持物种延续和个体更DNA量控制机制，确保遗传信息准确传细胞，两者在染色体行为上存在本质新，是生命延续的根本保证递差异细胞周期期S2期G1复制期，染色体数目保持不变，含DNA DNA细胞体积增长，合成蛋白质和酶，为复1量加倍DNA制做准备期G23继续生长，合成分裂相关蛋白，检查DNA复制完整性期G05期M静止期，细胞暂时或永久退出细胞周期4有丝分裂期，包括核分裂和胞质分裂有丝分裂过程前期染色质凝缩成染色体，中心体移向两极，核膜开始解体中期染色体排列在细胞中央的赤道板上，纺锤体完全形成后期姐妹染色单体分离，分别移向细胞两极末期染色体去凝缩，核膜重建，细胞质开始分裂减数分裂过程1减数第一次分裂同源染色体配对形成二价体，发生交叉互换，随后同源染色体分离到不同细胞中，实现基因重组2减数第二次分裂类似有丝分裂，姐妹染色单体分离，最终形成四个单倍体细胞，每个细胞的遗传组成都不相同3遗传意义通过独立分配和交叉互换产生遗传多样性，为物种进化和适应环境变化提供遗传基础细胞分裂的调控周期蛋白调控周期蛋白与周期蛋白依赖性激酶结合，形成活性复合体，驱动细胞周期进程不同时期表达不同类型的周期蛋白检验点机制检验点检查损伤，检验点确认复制完整，纺锤G1/S DNAG2/M DNA体检验点监控染色体排列，防止错误分裂外界调控因子生长因子促进细胞分裂，接触抑制阻止过度增殖癌症往往伴随细胞周期调控机制的失效，导致无控制增殖细胞分化高度特化细胞1执行特定功能的终末分化细胞部分分化细胞2具有一定特化程度但保留部分可塑性祖细胞3具有有限分化潜能的前体细胞多能干细胞4能分化为多种细胞类型的未分化细胞全能干细胞5具有最大分化潜能的原始细胞干细胞自我更新能力1通过对称或不对称分裂维持干细胞池的稳定多向分化潜能2在适当条件下分化为不同类型的功能细胞临床应用前景3在再生医学、组织工程和疾病治疗中显示巨大潜力细胞通讯信号传递信号产生信号分子通过不同方式到达目标细胞2信号细胞合成并释放特定的信号分子1信号接收目标细胞的受体识别并结合信号分子3细胞响应5信号转导最终引起目标细胞的生理或行为改变受体激活后启动细胞内信号转导级联反4应细胞凋亡凋亡信号内在或外在刺激激活凋亡信号通路执行机制半胱天冬酶级联反应启动细胞死亡程序形态变化细胞收缩、染色质凝聚、膜起泡清除过程凋亡小体被巨噬细胞吞噬清除细胞衰老衰老表现分子机制研究进展细胞分裂能力逐渐下降，最终停止分裂端粒逐渐缩短直至临界长度，损伤通过端粒酶激活、抗氧化剂、基因治疗DNA进入衰老状态细胞体积增大，功能衰累积，线粒体功能衰退，自由基损伤增等手段延缓衰老过程理解衰老机制有退，抗应激能力减弱，积累更多的损加，蛋白质错误折叠和聚集助于开发抗衰老策略和治疗年龄相关疾伤病肿瘤细胞特性无限增殖血管生成侵袭转移抗药性获得端粒酶活性，逃避分泌血管生成因子，诱破坏细胞间连接，降解通过多种机制获得对化衰老和凋亡信号，实现导新血管形成，保证营基质，获得运动能力，疗药物和放疗的抗性无限增殖能力养和氧气供应形成远处转移灶单细胞生物结构完整性环境适应尽管只有一个细胞，却具备完整能够在各种极端环境中生存，从的生命功能系统变形虫通过伪深海热泉到南极冰层通过快速足运动和摄食，草履虫具有复杂的基因表达调节和代谢适应来应的纤毛系统和消化结构对环境变化进化意义作为最原始的生命形式，为研究生命起源和进化提供重要线索许多基本的细胞生物学原理首先在单细胞生物中被发现细胞在组织中的排列1上皮组织特点细胞紧密排列成片状，细胞间连接发达，具有明显的极性基底面与基膜相连，游离面朝向体腔或外界环境2结缔组织分布细胞分散分布在细胞外基质中，细胞间距离较大基质含有胶原纤维、弹性纤维等结构成分，提供机械支撑3肌肉组织排列肌细胞按特定方向有序排列，形成收缩单位心肌细胞通过闰盘连接，骨骼肌纤维平行排列形成肌束4神经组织网络神经元通过突起形成复杂的网络连接，胶质细胞提供支持和营养具有高度的功能特化和空间组织结构动物体的结构层次细胞水平基本生命单位，执行特定功能组织水平相似细胞群体，协同完成特定任务器官水平不同组织组合，形成功能单元系统水平相关器官协作，维持生命活动个体水平各系统整合，形成完整生物体植物体的结构层次细胞分化从分生组织细胞分化为各种专门化细胞，包括薄壁细胞、厚壁细胞、维管束细胞等每种细胞类型都有特定的结构和功能组织系统分生组织负责植物生长，保护组织抵御外界伤害，营养组织进行光合作用和储存，输导组织运输水分和养分器官功能根系吸收水分和无机盐，茎提供支撑和运输通道，叶片进行光合作用花、果实、种子负责繁殖功能细胞工程技术1细胞培养在人工控制的无菌环境中维持细胞生长，为基础研究和应用开发提供材料基础2细胞融合通过物理或化学方法使不同细胞融合，产生杂交细胞，获得新的生物学特性3细胞克隆从单个细胞扩增获得大量遗传相同的细胞群体，保持细胞特性的一致性4应用前景在药物筛选、疫苗生产、组织工程等领域展现广阔的应用潜力显微技术的进展细胞研究的最新进展10⁶99%单细胞分析基因编辑精度可同时分析百万个单细胞的基因表达技术实现高精度的基因定点CRISPR谱编辑200+细胞类型已成功重编程超过种不同类型的200细胞细胞生物学的应用细胞生物学研究成果在现代社会的各个领域都有重要应用在医学领域，细胞治疗、基因治疗和再生医学为疾病治疗带来新希望农业应用包括作物抗性改良和产量提升工业生物技术利用细胞生产药物、酶制剂等高价值产品课程总结核心概念回顾结构功能关系未来发展方向细胞是生命活动的基本单位，具有完整细胞的每个结构都有其特定的功能，结单细胞技术、合成生物学、细胞工程等的生命功能系统从原核细胞到真核细构与功能的统一是理解细胞生物学的关新兴领域将推动细胞生物学继续发展胞，从单细胞到多细胞，细胞始终是生键膜系统、细胞器、细胞骨架共同构深入理解细胞机制将为解决人类面临的命现象的核心载体成细胞的功能网络健康、环境和能源问题提供新途径。