细胞生物学第一章绪论

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细胞生物学概念

cytology, cell biology

细胞学, 细胞生物学

是研究和揭示细胞基本生命活动规律的科学, 它从显微、亚显微与分子水平上以动态观点研究细胞结构与功能, 细胞增殖、分化、代谢、运动、衰老、死亡, 以及细胞信号转导, 细胞基因表达与调控, 细胞起源与进化等重大生命过程。从生命结构层次看, 细胞生物学介于分子生物学与发育生物学之间, 与它们相互衔接, 相互渗透。

细胞学说概念, 内容, 意义

cell theory

细胞学说

细胞学说是细胞学的基本原理, 是细胞生物学的基础。由德国生物学家施莱登、施万在19世纪提出。细胞学说的内容包括三个基本原理:

细胞是构成生物体的基本单位。
一切生物体都是由一个或多个细胞组成的。
所有细胞都是由已有细胞分裂产生的。

意义:

揭示了动物和植物的统一性, 从而阐明了生物界的统一性。
揭示了生物间存在着一定的亲缘关系, 阐明了现代生物的细胞都是远古生物细胞的后代, 小小的细胞内部, 凝聚着数十亿年基因的继承和改变。
使人们意识到植物界和动物界有着共同的结构基础, 从而在思想观念上打破了在植物学和动物学之间横亘已久的壁垒, 也促使积累已久的解剖学、生理学、胚胎学等学科获得了共同的基础, 这些学科的融通和统一催生了生物学的问世。
标志着生物学研究进入细胞水平——细胞是生命活动的基本单位, 极大地促进了生物学的研究过程, 细胞分裂产生新细胞的结论不仅解释了个体发育, 也为后来达尔文生物进化论、自然选择学说的确立奠定了基础。

细胞的基本共性

相似的化学组成: 在自然界存在的90种元素中, 细胞只利用其中的20多种元素构成自身, 其中包括碳(C))、氢(H)、氧(O)、氮(N)、磷(P)、硫等, 这些化学元素形成以碳为基本骨架的氨基酸、核苷酸、脂质和糖类, 是构成细胞的基本构件
脂-蛋白体系的细胞质膜: 所有的细胞表面均有主要由磷脂双分子层与蛋白质构成的细胞质膜, 细胞质膜使细胞与周围环境保持相对的独立性形成相对稳定的细胞内环境, 并通过细胞质膜与周围环境进行物质交换和信号传递·
相同的遗传装置: 所有的细胞都以双链DNA作为遗传信息的载体, 以RNA作为转录物指导蛋白质的合成, 蛋白质的合成场所都是核糖体·除一些原生生物外, 所有的细胞都使用几乎相同的一套遗传密码·
一分为二的分裂方式: 所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂, 核内的遗传物质在分裂时均匀地分配到两个子细胞内, 这是生命繁衍的基础与保证。

细胞是生物活动的基本单位

细胞是有膜包围的能进行独立繁殖的最小原生质团,简单地说细胞是生命活动的基本单位。

可以从以下角度去理解:

细胞是构成有机体的基本单位: 地球上的生命无一例外均由细胞构成, 只有病毒是非细形态的生命体, 但病毒并非完整的生命体, 而是需要严格奇生于细胞, 才会出现生命的特征。
细胞具有独立完整的代谢体系,是代谢与功能的基本单位
- 有机体一切代谢活动最终要靠各种细胞来完成
- 单细胞生物依靠一个细胞完成运动呼吸、排泄和生殖等一系列生理活动
- 多细胞生物则更多地依靠细胞之间的相互协同作用, 通过不同形态结构的细胞有机地组织起来, 形成执行特定功能的器官, 完成其复杂的生理功能
细胞是有机体生长与发育的基础
细胞具有遗传的全能性,即具有一套基因组(基因组是指种生物的基本染色体套即单个配子内所含有的全部基因,在原核生物中即是一个连锁群中所含的全部遗传信息)
没有细胞就没有完整的生命。

三种细胞类型

种类繁多的细胞可以分为原核细胞与真核细胞两大类。
近年来,有些生物学家建议将生物划分为原核生物、古核生物和真核生物三大界,将细胞相应分为三大类型:原核细胞、古核细胞与真核细胞。
原核细胞无典型的细胞核,其基本特点:遗传信息量小,遗传物质仅由一个裸露的环状DNA构成;
胞内没有分化出以膜为基础的细胞器与细胞核膜。原核细胞大约出现在35亿年前,包括支原体、衣原体立克次氏体、细菌、放线菌及蓝藻(蓝细菌)等6类

原核细胞

细菌细胞

1.表面结构

细胞壁: 位于细胞质膜外的一层较厚、较坚韧并略具弹性的结构, 所有细菌的细胞壁都具有共同的成分是肽聚糖, 植物细胞中也存在细胞壁, 但主要成分为纤维素和果胶。细胞壁机械强度很高, 对细胞有保护作用。

青霉素的抑菌作用:主要是通过抑制肽聚糖的合成, 从而抑制细胞壁的形成, 阳性菌因细胞壁的肽聚糖含量极高, 对青霉素很敏感, 阴性菌由于肽聚糖含量极少, 对青霉素不敏感。

细胞质膜: 又称细胞膜, 是包围细菌原生质的典型生物膜, 由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成富有弹性的半透性膜。其功能为: 选择性交换物质;细菌细胞质膜含有丰富的酶系, 执行许多重要的代谢功能;完成内质网、高尔基体、线粒体等细胞器所承担的大部分工作。

中膜体(mesosome): 又称为间体或质膜体, 由细胞膜内陷形成的囊泡状、管状或包层状结构, 每个细胞内有一个或数个中膜体, 含有与细胞能量代谢有关的物质, 是一种与真核细胞中的线粒体的基本功能类似的细胞器, 固又称为拟线粒体。中间体膜上存在的呼吸酶可进行氧化磷酸化作用。

荚膜: 位于细胞壁表面一层葡萄糖与葡萄糖醛酸组成的松散的粘液状聚合物, 具有一定程度的保护作用, 保护细胞免受干燥, 保护病原菌免受细胞的吞噬, 还可以作为细胞的营养物质, 在营养缺乏时能被细菌所利用。

鞭毛: 作为运动器官, 其结构与真核生物的鞭毛不一样, 是由一种称为鞭毛蛋白的弹性蛋白所构成, 运动机理也与真核不同。

2.核区与基因组

拟核(nucleoid): 细菌细胞具有原始的核,没有核膜,更没有核仁,只有一个位于形状不规则且边界不明显区域的环形DNA分子, 称为核区、拟核或类核, 是遗传物质储存和复制的场所。

细菌的基因组: 具有一个复制起始位点, 遵循半保留复制, 不像真核细胞DNA复制限制在S期, 其复制不受细胞分裂周期的限制, DNA分子边复制边转录, 转录mRNA在没有脱离DNA的状态下, 又与核糖体结合翻译肽链, 转录与翻译在时间和空间上是连续进行的。

3.核外DNA

质粒(plasmid): 是细菌细胞内除核区以外的DNA, 是裸露的环状DNA分子, 可以传递给后代, 有时质粒可以整合到核DNA中去。质粒基因可以赋予细菌以新的形状, 在基因工程研究中很重要, 常用作基因重组与基因转移的载体。

4.核糖体

细菌核糖体的沉降系数为70S, 由大亚单位(50S)与小亚单位(30S)组成。

5.内生孢子

很多G+细菌处于不利的环境或耗尽营养时, 容易形成内生孢子, 又称为芽孢, 它是对不良环境有强抵抗力的休眠体, 内生孢子折光性强, 不易染色, 具有渡过恶劣环境的能力, 可以在杀死普通细菌或营养型细菌的条件下依然存活。

蓝藻细胞

又称蓝细菌,是原核生物。蓝藻含有丰富的色素,可进行类似高等植物的光合作用

蓝藻中遗传物质的所在部位为中心质,DNA含量比原核生物大。
蓝藻是最简单的光能自养植物类型之一,其光合作用系统十分简单
蓝菜的光合作用片层上附有藻胆蛋白体,将光能传递给叶绿素(仅含叶绿素a),属于原始低效的光合作用, 可放出氧气。
蓝藻细胞内含有丰富的内含物。
蓝菜的细胞膜外有细胞壁和胶质层(鞘)。
蓝菜细胞体积比其他原核细胞大,常以单细胞、群体、丝状体等形式存在,依靠分裂进行繁殖

heterocyst

异形胞(heterocyst): 丝状蓝藻在氮源不足时, 群体中5%-10%的细胞转化为异形胞。异形胞个体大, 细胞壁厚, 并且丢弃了光系统II, 合成固氮酶。固氮酶对O2敏感, 异形胞的厚壁阻止了O2的侵入, 光系统II的关闭阻断了O2的生成, 而呼吸作用消耗了少量存在的O2, 创造了一个严格厌氧的环境。

古核细胞

古细菌(又称原细菌)是一些生长在极端特殊环境中(高温或高盐)的细菌。最早发现的是产甲烷细菌类
古核细胞的形态、结构、遗传装置虽与原核细胞相似,但一些基本分子生物学特点又与真核细胞接近。
现已有更多的论据说明真核生物可能起源于古核生物,论据如下:

古细菌的细胞壁成分与真核细胞一样,与真细菌不同;
古核细胞DNA中有重复序列的存在;
具有组蛋白;
古核细胞的核糖体与真细菌的差异很大,从对抗生素的反应看,更类似真核细胞的核糖体;
根据对5SrRNA的分子进化分析和二级结构的研究认为古细菌与真核生物同属一类而真细菌却
与之差别甚远;
根据对DNA聚合酶的分析、氨基tRNA合成酶的分析起始氨基RNA与肤链延长因子的分析,表明它与真核细胞进化关系密切。

真核细胞

原核细胞与真核细胞的根本区别

细胞膜系统的分化演变;
遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化。

由于上述的根本差异,真核细胞的体积也相应扩增,细胞内部出现精密的网架结构—细胞骨架。

二者的区别可分成两部分进行比较:

结构与功能比较: 真核细胞的生物膜将细胞分化为核与质两部分,细胞质又分化出各种细胞器,细胞骨架保证了细胞形态的合理排布与执行功能的有序性(见教材表-2)。
细胞遗传装置与基因表达方式的比较: 核膜使扩增了的遗传信息与复杂的遗传装置相对独立,基因表达的程序有严格的阶段性与区域性(见教材表2-3)6

三种细胞的比较:

成分	真细菌	古核生物	真核生物
细胞壁	含肽聚糖, 对抗生素敏感\	不含肽聚糖, 对抗生素不敏感	不含肽聚糖, 对抗生素不敏感
DNA与基因结构	不含重复序列	存在重复序列	存在大量重复序列
核小体结构	无组蛋白, 无核小体结构	有组蛋白, 有核小体结构, 与真核生物的核小体有差异	有组蛋白, 有核小体结构
核糖体	70S, 55种蛋白质, 对抗生素敏感	70S, 60种以上蛋白质, 对抗生素不敏感	80S, 70-84种蛋白质, 对抗生素不敏感
5S rRNA	为细菌5S rRNA	与真核生物5S rRNA类似, 与细菌5S rRNA差别很大	为真核5S rRNA

真核细胞基本结构及其组装

生物膜系统

细胞表面是一中多功能结构;核膜又把细胞分为细胞质与细胞核。以生物膜系统为基础形成了各中细胞器。线粒体、叶绿体、内质网、高基体及溶酶体等。保证各种物质代谢过程互不干扰、有序进行, 各区域分工明确、精细、功能专一。

遗传信息传递表达系统

DNA-蛋白质与RNA-蛋白质复合体形成的遗传信息载体与表达系统, 一般以颗粒或纤维状的基础结构存在,包括染色质,核仁、核糖体等.

细胞骨架系统

细胞骨架由特异的结构蛋白构成网络系统, 可分为胞质骨架与核骨架

植物细胞与动物细胞异同点

相同点

大部分细胞器与细胞结构的形态结构与成分相似, 功能也类似, 略

不同点

细胞壁: 植物细胞壁的主要成分是纤维素, 还有果胶质、半纤维素与木质素等。显然, 这是植物定植生存和自养的代谢方式所必需的。由于细胞壁的存在, 植物细胞之间形成了区别动物细胞的特殊的连接通道一胞间连丝。也许由于同样的原因, 植物细胞中至今尚未发现类似动物细胞的中间纤维。
液泡: 液泡是由单层脂蛋白膜包围的封闭系统, 溶液中含有无机盐、糖类、氨基酸、蛋白质、生物碱与色素等物质。植物细胞常常同时存在两种不同的液泡, 即中性的储存蛋白质的液泡和酸性的裂解液泡。前者是植物细胞的代谢库, 起调节细胞内环境的作用;后者含有水解酶, 能够降解衰老的细胞器, 起着类似溶酶体的功能。中央大液泡是随着细胞的生长, 由小液泡合并与增大而形成的。因而, 在细胞质中氮元素基本不增加的情况下, 通过”廉价”的液泡填充细胞, 增加细胞的体积, 从而扩大了吸收太阳能的面积。同时, 为了维持植物细胞内的膨压, 必须不断地将溶质转运进液泡中, 以维持植物细胞和组织的刚性。
叶绿体: 叶绿体是植物细胞内最重要、普遍存在的质体(plastid), 是进行光合作用的细胞器。质体是植物细胞中由双层膜包裹的一类细胞器的总称, 与糖类的合成与贮藏密切相关, 是绿色植物细胞特有的细胞器。
糊粉粒: 植物细胞内储藏蛋白质的结构, 具有消化的作用。每个糊粉粒是一个液泡, 其中储藏的蛋白质。
圆球体: 是膜包裹着的圆球状小体, 直径为0.1-1um , 染色反应似脂肪, 是在植物细胞中存在的一种细胞器与乙醛酸循环体连接。内含酸性水解酶, 相当于动物细胞的溶酶体。
乙醛酸循环体与圆球体和线粒体相配合, 可以把脂肪分解产生的乙酸, 转化为碳水化合物, 再为种子的明发提供能源。即在发芽的种子不能进行光合作用前存在。动物细胞没有乙醛酸循环体, 不能将脂类转化为糖。

病毒与细胞的区别与联系

病毒

病毒是由一个核酸分子(DNA或RNA)与蛋白质构成的非细胞形态的生命体。类病毒仅由一个有感染性的RNA构成。航病毒仅由有感染性的蛋白质构成。病毒是完全的寄生物。根据核酸类型不同,病毒可分为DNA病毒与RNA病毒。依据宿主可分为动物病毒植物病毒和噬菌体等病毒是非细胞形态的生命,具有以下特征:

病毒没有细胞质膜;
病毒仅有一种核酸
病毒没有核糖体蛋白合成体系;
病毒不分裂,靠宿主细胞复制(增殖)。

区别

病毒很小, 结构极其简单, 没有核糖体等任何细胞结构, 因此, 不可能独自进行任何代谢活动。绝大部分病毒的大小只有20~200 nm, 必须在电子显微镜下才能清楚地看到。
遗传物载体为DNA或RNA。所有细胞中都含有DNA和RNA , 并以双链DNA分子作为遗传物质的载体。然而, 有些病毒的遗传物质为DNA,有些为RNA因此分别称之为DNA病毒或RNA病毒。通常每一种病毒粒子中只含有DNA或RNA , 病毒的基因组复制与基因表达, 也必须在细胞内进行。
以复制和装配的方式进行增殖。病毒的增殖过程, 如同生产汽车, 在细胞这个生产病毒的工厂中, 首先合成大量的病毒核酸以及各种病毒蛋白, 然后由这些”部件”装配成新的子代病毒。因此, 一般把病毒的增殖称为复制, 而细胞只能以分裂的方式增殖。
彻底的寄生性。病毒虽然具备了生命活动的最基本特征(增殖与遗传), 但只是一类不”完全”的生命体, 必须利用宿主细胞结构、”原料”、能量与酶系统进行繁殖, 因此, 有人称之为分子水平上的寄生。有些病毒, 只要把它们的遗传物质(DNA或RNA)注入到细胞中, 就可以繁殖出正常的子代病毒。

联系

病毒在细胞内进行复制与繁殖, 其过程分为吸附、穿透、解壳、合成、装配和释放等阶段
一般认为病毒是细胞进化的产物, 因为: 1. 病毒是专型寄生生物, 依赖于细胞的生物合成机制, 无法独立生存2. 病毒的核酸与真核细胞的核酸有相似序列, 病毒基因起源于细胞基因3. 病毒是DNA或RNA与蛋白质的符合大分子, 与细胞内的核蛋白有相似之处4. 真核生物中, 尤其是脊椎动物中普遍存在的第二类反转录转座子的两端含有长末端重复序列, 结构与整合于基因组上的反转录病毒十分类似

考点补充

诺贝尔奖

1999年诺贝尔生理学或医学奖: Günter Blobel, 蛋白质分选, 信号假说
2001年诺贝尔生理学或医学奖: Leland H. Hartwell, R. Timothy Hunt, Paul M. Nurse, 细胞周期调控机制
2002年诺贝尔生理学或医学奖: Sydney Brenner, H. Robert Horvitz, John E. Sulston, 线虫的程序性细胞凋亡
2003年诺贝尔化学奖: Peter Agre, Roderick MacKinnon, 细胞膜的水孔蛋白, 离子通道蛋白的结构
2004年诺贝尔生理学或医学奖: Richard Axel, Linda B. Buck, 嗅觉受体的发现
2004年诺贝尔化学奖: Aaron Ciechanover, Avram Hershko, Irwin Rose, 泛素-蛋白酶体降解途径
2008年诺贝尔化学奖: Osamu Shimomura, Martin Chalfie, Roger Y. Tsien, 绿色荧光蛋白的发现及其应用

问: 先描述GFP的发现过程以及发现者, 再举例应用, 应用的原理、步骤

下村修: 于1962年在水母Aequorea victoria发现并分离得到GFP , 并发现该蛋白在紫外线下会发出明亮的绿色。
马丁查尔菲: 证明了GFP作为多种生物学现象的发光遗传标记的价值, 这一技术被广泛运用于生理学和医学等领域。
钱永健: 让人们理解了GFP发出荧光的机制。同时拓展出绿色之外的可用于标记的其他颜色, 使得同一时刻跟踪多个不同的生物学过程成为现实。

GFP的优点:
易于检测．荧光稳定．无毒害．通用性．易于构建载体．可进行活细胞定时定位观察．易于得到突变体

应用亚克隆技术, 将目的基因与GFP基因构成融合基因, 通过愈伤组织转化法、基因枪、显微注射、电激转化等方法转化到合适的细胞, 利用目的基因的基因表达调控机制, 如启动子和信号序列来控制融合基因的表达, 最终得到融合蛋白, 可以研宄目的蛋白的定位。

$\left. \begin{array}{l} \text{目的基因} \\ \text{GFP基因} \end{array} \right\} \text{融合基因} \xrightarrow{\text{转化}} \text{细胞} \xrightarrow{\text{表达}} \text{融合蛋白}$

最关键的就是: 要尽可能的不影响目的蛋白的定位和功能。具体蛋白要具体分析。

将目的基因与gfp基因融合有以下几种方式

将gfp置于目的基因后面, 即目的基因-gfp
将gfp置于目的基因前面, 即gfp-目的基因。

注意事项:

两个基因之间用Linker连接。
在两个基因交接处可以增加一段核苷酸(3的倍数), 如增加几个为甘氨酸或赖氨酸等编码的三核苷酸。目的是使得两个基因的蛋白产物的空间结构相互影响较小, 有利于GFP发光。
前一基因必须要有起始密码, 而不能带有终止密码;后一基因要保证有终止密码。
构建了融合基因后, 必须测序进行验证, 确保融合基因读框正确之后才能进行后续研究, 以免浪费人力、物力和宝贵的时间。

GFP融合蛋白的检测

定性检测: 可以用常规的落射荧光显微镜或者共聚焦显微镜观察;
定量检测: 免疫印迹法酶联免疫吸附法

可以在活细胞中进行图像分析, 也可以检测固定细胞中的GFP

开放性问题

请谈谈如何理解目前生物学研究中分子生物学向细胞生物学回归的现象?

强调分子生物学与细胞生物学之间的关系
分子生物学上的一些过程和原理还是会回归到细胞的问题上
比如在分子当中和细胞当中我们学过许多重合的知识点

前沿

从分布, 组成, 结构, 类型, 功能, 意义, 特点, 形成, 比较等方面解答

Exosome

外泌体(Exosome)(2023)

定义: 是指包含了复杂RNA和蛋白质的小膜泡(30-150nm), 现今, 其特指直径在40-100nm的盘状囊泡。
发现: 1983年, 外泌体首次于绵羊网织红细胞中被发现, 1987年Johnstone将其命名为”exosome”。
来源: 多种细胞在正常及病理状态下均可分泌外泌体。其主要来源于细胞内溶酶体微粒内陷形成的多囊泡体, 经多囊泡体外膜与细胞膜融合后释放到胞外基质中。
定位(存在部位): 所有培养的细胞类型均可分泌外泌体, 且外泌体天然存在于体液中, 包括血液、唾液、尿液、脑脊液和乳汁中。
功能: 有关他们分泌和摄取及其组成、”运载物”和相应功能的精确分子机制刚刚开始研究。外泌体被视为特异性分泌的膜泡, 参与细胞间通讯。

细胞结构与功能的相关性

举例说明:(略)

细胞质膜
ATP合酶
核纤层

一个细胞存在与增殖必须具备哪些结构装置, 并简述这些结构装置的基本功能

一个细胞生存与增殖必须具备的结构装置与机能是:

细胞膜、DNA与RNA, 一定数量的核糖体以及催化主要酶促反应所需要的酶。
从保证一个细胞生命活动运转所必需的条件看, 维持细胞基本生存的基因应该在200~300个,
这些基因产物进行酶促反应所必须占有的空间直径约为50 nm , 加上核糖体(每个核糖体直径10~20 nm),
细胞膜与核酸等, 我们可以推算出来, 一个细胞体积的最小极限直径为140~200nm, 而现在发现的最小支原体细胞的直径己接近这个极限。
因此, 比支原体更小更简单的结构, 似乎不可能满足生命活动的基本要求, 也就是说支原体应该是最小最简单的细胞。

名词补充

cytoplast

细胞质(cytoplast)
是细胞质膜包围的除了核区以外的一切半透明、胶状、颗粒状物质的总称, 包括了细胞质基质和细胞器, 是细胞生命活动的主要场所。

Somatic protoplast

原生质体(Somatic protoplast): 将植物的体细胞(二倍体细胞)利用纤维素酶处理去掉细胞壁, 最终得到的结构称为原生质体。

prokaryotic cell

原核细胞(prokaryotic cell): 是指细胞内没有典型的核结构, 只存在裸露的DNA拟核结构, 并且不存在除核糖体外其他复杂细胞器的细胞, 包括支原体、衣原体、立克次氏体、细菌、放线菌与蓝细菌等多个庞大的家族。

plasmid

质粒(plasmid): 是细菌细胞内除核区以外的DNA, 裸露的环状DNA分子。质粒在细胞中通常为多拷贝形式存在, 可以传递给后代, 有时质粒可以整合到核DNA中去, 赋予细菌以新的形状。质粒在基因工程研究和应用中很重要, 常用作基因重组与基因转移的载体。

Nucleoid

拟核(Nucleoid)或者叫做类核: 又称为核区或类核, 一个位于原核细胞中形状不规则且边界不明显区域的环形DNA分子, 称为拟核, 没有核膜, 也没有核仁, 是遗传物质储存和复制的场所。

mycoplast

支原体(mycoplast): 是目前发现的能在无生命培养基中生长繁殖的体积最小最简单的唯一一种没有细胞壁的原核细胞, 其细胞膜含有胆固醇, 比其他原核生物的质膜更坚韧且具有多功能性, 具备细胞的基本结构与功能。

作业

问: 试从演化的角度比较原核细胞、古核细胞及真核细胞的异同

问: 细胞的结构与功能相关是细胞生物学的一个基本原则, 你是否能提出相关的论据来说明之?

问: 为什么说支原体可能是最小、最简单的细胞存在形式?

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