【广西医药大学】优质课《普通生物学》 第三章 细胞结构与细胞通讯.ppt
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1、【广西医药大学】优质课全国特级教师江新欢博士教授普通生物学普通生物学3 3 细胞结构与细胞通讯细胞结构与细胞通讯3.1 3.1 细胞的结构细胞的结构q人眼人眼的分辨力仅有的分辨力仅有0.1 mmq光光学学显显微微镜镜的的分分辨辨力力可可达达到到200nm,为为人人眼眼的的500倍倍q显显微微镜镜的的发发明明为为细细胞胞的的发发现现奠奠定定了了基基础础,没没有显微镜就不可能有细胞学诞生有显微镜就不可能有细胞学诞生3.1.1 显微镜显微镜:揭示了细胞的微观世界:揭示了细胞的微观世界3.1.1.1 3.1.1.1 细胞的发现细胞的发现16651665年,英国罗伯特年,英国罗伯特虎克虎克(Robert
2、 Hooke)(Robert Hooke)第一个第一个用显用显微镜发现细胞,软木塞,微镜发现细胞,软木塞,死的细胞壁死的细胞壁,命名细胞命名细胞(Cell)(Cell)。16741674年,荷兰学者年,荷兰学者列文虎克列文虎克(Antonie van(Antonie van Leeuwenhoek)Leeuwenhoek)观察到完整的观察到完整的活细胞活细胞。最初提出细胞学说观点的两篇论文是最初提出细胞学说观点的两篇论文是:德国植物学家施莱登德国植物学家施莱登 1938 年发表的年发表的论文论文 :论植物发现论植物发现;指出指出细胞是一切细胞是一切植物植物结构的基本单位结构的基本单位。德国动物
3、学家施旺德国动物学家施旺 1939 年发表的论年发表的论文文:动、植物结构与生长相似性的显微动、植物结构与生长相似性的显微研究。研究。指出指出动物动物组织的基本单位都是细胞。组织的基本单位都是细胞。(1 1)细胞是有机体细胞是有机体,是所有动、植,是所有动、植物的基本结构单位物的基本结构单位;(2 2)每个细胞相对独立,一个生物)每个细胞相对独立,一个生物体细胞之间协同配合;体细胞之间协同配合;(3 3)新细胞由老细胞繁殖产生。)新细胞由老细胞繁殖产生。施莱登、施旺施莱登、施旺-细胞学说:细胞学说:1858年,德国细胞病理学家年,德国细胞病理学家魏尔肖(魏尔肖(R.L.C.Virchow)提出
4、提出“细胞只能由业已存在的细胞经分裂细胞只能由业已存在的细胞经分裂而产生而产生”的著名论断,进一步完善和概括了细胞学的著名论断,进一步完善和概括了细胞学说说扫描电镜(扫描电镜(SEMSEM):):样本样本表面表面的细微结构的细微结构透射电镜(透射电镜(TEMTEM):):样本样本内部内部的超微结构的超微结构电子显微镜(电子显微镜(EMEM):):分辨力分辨力0.2nm0.2nm,用加速的电子束代替可见光来照明用加速的电子束代替可见光来照明电镜:不能观察活的样本。电镜:不能观察活的样本。3.1.2 3.1.2 分级分离技术可用于研究活的样本分级分离技术可用于研究活的样本 细胞的分级分离:细胞破碎
5、细胞的分级分离:细胞破碎各种细胞器分开各种细胞器分开分别研究它们的功能分别研究它们的功能最有效的仪器是最有效的仪器是超速离心机超速离心机。沉降系数的沉降系数的S S单位。单位。S S表示的是大分子或颗粒在表示的是大分子或颗粒在超速离心时的沉降行为。超速离心时的沉降行为。沉降系数越大,分子或颗粒就越大沉降系数越大,分子或颗粒就越大。第一步:匀浆化(打碎第一步:匀浆化(打碎低温离心)低温离心)离心速度增加,越来越小颗粒会沉淀下来离心速度增加,越来越小颗粒会沉淀下来。细胞溶胶:许多代谢的场所细胞溶胶:许多代谢的场所3.1.3 3.1.3 细胞的概貌细胞的概貌最小的最小的细胞是细胞是支原体支原体细胞,
6、直径只有细胞,直径只有100nm100nm;最大的最大的细胞是细胞是鸟卵鸟卵,肉眼可见(,肉眼可见(鸵鸟蛋黄最大鸵鸟蛋黄最大)。细胞的大小和细胞的功能是相适应的。例如,细胞的大小和细胞的功能是相适应的。例如,神经细胞、鸟卵。神经细胞、鸟卵。一般说来,生物体积的增加,是由于细胞数目一般说来,生物体积的增加,是由于细胞数目增加,增加,而不是由于细胞体积加大而不是由于细胞体积加大。细胞体积受大自然规律的限制。细胞体积受大自然规律的限制。最小?最大?最小?最大?不同生物细胞的大小无显著差异。不同生物细胞的大小无显著差异。实验探究:实验探究:细胞大小与物质运输的关系细胞大小与物质运输的关系切成不同大小的
7、琼脂方块切成不同大小的琼脂方块放入放入NaOHNaOH溶液中浸泡溶液中浸泡慢慢地,含酚酞的琼脂随着慢慢地,含酚酞的琼脂随着NaOHNaOH溶液的扩散变红溶液的扩散变红切开琼脂方块切开琼脂方块你发现什么了吗?你发现什么了吗?结论:结论:1.NaOH1.NaOH扩散的体积扩散的体积与与整个琼脂块的体积之比整个琼脂块的体积之比随着随着琼脂块的增大而琼脂块的增大而_。减小减小减小减小反映反映细胞的物质运输的效率细胞的物质运输的效率2.2.琼脂块的表面积与体积之比(即琼脂块的表面积与体积之比(即相对表面积相对表面积)随着琼脂块的增大而随着琼脂块的增大而_;(1)S/V(相相对对表表面面积积):细细胞胞体
8、体积积越越大大,其其相相对对表表面积越小,面积越小,_就越低。就越低。(2)核核质质比比:细细胞胞核核是是细细胞胞的的控控制制中中心心,其其中中的的_不会随着细胞体积的扩大而增加。不会随着细胞体积的扩大而增加。物质运输效率物质运输效率DNA单细胞生物仅有一个细胞;而多细胞生物单细胞生物仅有一个细胞;而多细胞生物的细胞数目和生物体的大小的细胞数目和生物体的大小成正比成正比。3.1.4 3.1.4 两类细胞:原核细胞和真核细胞两类细胞:原核细胞和真核细胞原核细胞:原核细胞:原核细胞:原核细胞:不含细胞核不含细胞核不含细胞核不含细胞核(nucleus)(nucleus)(nucleus)(nucle
9、us)原核细胞所形成的生原核细胞所形成的生原核细胞所形成的生原核细胞所形成的生 物称为原核生物物称为原核生物物称为原核生物物称为原核生物(prokaryotes)(prokaryotes)(prokaryotes)(prokaryotes),包括所,包括所,包括所,包括所 有的细菌有的细菌有的细菌有的细菌(bacteria)(bacteria)(bacteria)(bacteria)、古核生物。、古核生物。、古核生物。、古核生物。真核细胞:真核细胞:真核细胞:真核细胞:有细胞核。真核细胞构成的生物称为真核生有细胞核。真核细胞构成的生物称为真核生有细胞核。真核细胞构成的生物称为真核生有细胞核。真
10、核细胞构成的生物称为真核生 物物物物(eukaryotes)(eukaryotes)(eukaryotes)(eukaryotes),包括,包括,包括,包括动物动物动物动物(animalanimalanimalanimal)、)、)、)、植物植物植物植物(plantplantplantplant)、)、)、)、真菌真菌真菌真菌(fungi)(fungi)(fungi)(fungi)以及介于动以及介于动以及介于动以及介于动 植物之间的植物之间的植物之间的植物之间的原生生物原生生物原生生物原生生物(protista)(protista)(protista)(protista)。原核细胞原核细胞 遗
11、传的信息量小,遗传信息载体仅由一个环状遗传的信息量小,遗传信息载体仅由一个环状DNADNA构成构成 细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能 的细胞器和细胞核膜的细胞器和细胞核膜(支原体支原体 目前发现的最小最简单的细胞目前发现的最小最简单的细胞(细菌细菌(Bacteria)(Bacteria)(蓝藻又称蓝细菌蓝藻又称蓝细菌菌菌动物细胞动物细胞植物细胞植物细胞3.2 3.2 真核细胞的结构真核细胞的结构q细胞膜和细胞壁细胞膜和细胞壁q细胞核细胞核q细胞质和细胞器细胞质和细胞器3.2 3.2 真核细胞的结构真核细胞的结构q一切真核细胞都有完整的
12、细胞核一切真核细胞都有完整的细胞核q大多数细胞是单核的大多数细胞是单核的 无核的有?无核的有?q细胞核在细胞的细胞核在细胞的代谢代谢、生长生长和和分化分化中起重要作用,中起重要作用,如变形虫如变形虫q细胞控制中心细胞控制中心:遗传物质主要位于细胞核:遗传物质主要位于细胞核q细胞核包括:细胞核包括:核被膜核被膜、染色质染色质、核仁核仁和和核基质核基质3.2.1 3.2.1 细胞核是真核细胞的控制中心细胞核是真核细胞的控制中心 核被膜核被膜 核被膜的组成:核被膜的组成:外核膜外核膜 内核膜内核膜 核周腔核周腔 核孔核孔核核被被膜膜(nuclear envelope):核核外外面面,两两层层膜膜,单
13、单层层膜膜厚厚7-8 nm,膜膜之之间间的的核核周周腔腔宽宽约约10-50 nm,外外膜膜常常与与糙糙面面内内质质网网相相连,附着有核糖体连,附着有核糖体核纤层(核纤层(nuclear lamina):核膜内面,由:核膜内面,由核纤层蛋白核纤层蛋白组成组成 q核被膜与核纤层核被膜与核纤层核核孔孔(nuclear pore):直直径径约约50-100 nm,数数目目几几千至上百万个,千至上百万个,大分子出入大分子出入细胞核的选择性通道细胞核的选择性通道 1.可可进进入入核核的的蛋蛋白白质质:DNA聚聚合合酶酶、RNA聚聚合合酶酶以以及及染色体中的组蛋白和核糖体蛋白染色体中的组蛋白和核糖体蛋白 2
14、.可可出出核核的的大大分分子子:各各种种RNA以以及及组组装装好好的的核核糖糖体体亚亚基等基等输入蛋白输入蛋白 输出蛋白输出蛋白 主动转运主动转运q核被膜与核纤层核被膜与核纤层核孔复合体:核孔、核纤层核孔复合体:核孔、核纤层核孔蛋白核孔蛋白 核被膜的功能核被膜的功能 构成核、质之间的天然选择性屏障构成核、质之间的天然选择性屏障避免生命活动的彼此干扰避免生命活动的彼此干扰保护保护DNADNA不受细胞骨架运动不受细胞骨架运动 所产生的机械力的损伤所产生的机械力的损伤 核质之间的物质交换与信息交流核质之间的物质交换与信息交流 q染色质(染色质(chromatin)苏木精染色苏木精染色常常染染色色质质
15、(euchromatin):细细丝丝状状的的部部分分,DNA长链分子长链分子展开展开的部分的部分异异染染色色质质(heterochromatin):染染色色较较深深的的团团块,块,DNA长链分子长链分子紧缩盘绕紧缩盘绕的部分的部分 q染色质(染色质(chromatin)的组成)的组成DNA蛋白蛋白少量少量RNA 碱性蛋白碱性蛋白(组蛋白组蛋白,histone):与):与DNA相结合,共五种相结合,共五种非组蛋白非组蛋白:种类多,如:种类多,如DNA聚合酶、聚合酶、RNA聚合酶等聚合酶等 组蛋白(组蛋白(histones)真核生物体细胞染色质中的小)真核生物体细胞染色质中的小分子分子碱性蛋白质碱
16、性蛋白质,含精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸,含精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸特别多,二者加起来约为所有特别多,二者加起来约为所有氨基酸残基氨基酸残基的的1/4。共。共H1、H2A、H2B、H3、H4 5种种带负电荷带负电荷的双螺旋的双螺旋DNA:带磷酸基团:带磷酸基团q染色质(染色质(chromatin)的组成)的组成核核小小体体:4对对组组蛋蛋白白(H2A、H2B、H3和和H4各各2个个)构构成核心,直径成核心,直径10 nmH1组蛋白组蛋白:核小体外侧结合:核小体外侧结合DNA,稳定核小体,稳定核小体连接体连接体DNA(linker DNA):连接核小体的:连接核小体的DNA一一个个核核小小体体上
17、上的的DNA与与连连接接体体DNA,共共约约146碱碱基基对对,构成构成染色质丝的一个单位染色质丝的一个单位q染色质(染色质(chromatin)间间期期时时,染染色色质质在在H1和和核核心心组组蛋蛋白白的的作作用用下下,聚聚拢拢折折叠成叠成30 nm纤维纤维细细胞胞分分裂裂时时,染染色色质质进进一一步步浓浓缩缩折折叠叠成成染染色色体体(chromosome)光镜下可见光镜下可见q核仁(核仁(nucleolus)圆圆形形或或椭椭圆圆形形的的颗颗粒粒状状结结构构,无无外外膜膜,各各种种生生物物中中数目固定(数目固定(1-2个)个)富含富含蛋白质蛋白质和和RNA(rRNA,核糖体,核糖体RNA)由
18、由某某一一个个或或几几个个特特定定染染色色体体的的核核仁仁组组织织者者形形成成,核核仁仁组组织织区区是是rDNA的的所所在在之之处处,人人的的在在10条条染染色色体体一一端,新形成核仁为端,新形成核仁为10个,再融合成个,再融合成1-2个大核仁个大核仁转录转录rRNA和和组装核糖体单位组装核糖体单位碘液:细胞核红褐色,碘液:细胞核红褐色,核仁染色更深核仁染色更深q核基质(核基质(nuclear matrix)蛋白质蛋白质组成的纤维状网络,透明物质(核质)组成的纤维状网络,透明物质(核质)核的骨架(维持核形态)核的骨架(维持核形态)染色质附着的场所染色质附着的场所几乎所有新合成的核酸都与核基质纤
19、维连接。几乎所有新合成的核酸都与核基质纤维连接。q细胞质(细胞质(cytoplasm):质膜内,细胞核外:质膜内,细胞核外细细胞胞溶溶胶胶(cytosol):透透明明、黏黏稠稠、高高度度有有序序、动态平衡的物质动态平衡的物质细胞器(细胞器(cell organelle)E内质网和核糖体内质网和核糖体E高尔基体高尔基体E溶酶体溶酶体E线粒体线粒体E微体微体E质体、液泡质体、液泡细胞骨架(细胞骨架(cytoskeleton)32页图页图3.273.2.2 内质网和核糖体内质网和核糖体内内质质网网(endoplasmic reticulum):细细胞胞质质内内一一系系列列囊囊腔腔(潴潴泡泡)和和细细
20、管管,彼彼此此相相通通,(与与核核周周腔腔相相通通),形形成成的的一一个个隔隔离离于于细细胞胞溶溶质质的的膜膜系系统统(占占细细胞总膜面积的胞总膜面积的一半一半)核糖体(核糖体(ribosome):细胞合成蛋白质的场所:细胞合成蛋白质的场所蛋白质合成多的细胞,核糖体较多,核仁较大。蛋白质合成多的细胞,核糖体较多,核仁较大。内质网内质网光面内质网(光面内质网(SER)糙面内质网(糙面内质网(RER)细胞质一面有核糖体细胞质一面有核糖体 原核细胞与真核细胞的核糖体外形和功能基本相同,但大原核细胞与真核细胞的核糖体外形和功能基本相同,但大小不同小不同 核糖体的主要成分为核糖体的主要成分为 rRNA(
21、5060%)rRNA(5060%)和蛋白质和蛋白质(4050 (4050%)%),构成大小亚基,构成大小亚基 核糖体核糖体游离态游离态、结合态结合态的核糖体结构上的核糖体结构上是完全一样的。是完全一样的。细胞溶胶中的蛋白质细胞溶胶中的蛋白质分泌蛋白、溶酶体中的蛋白质分泌蛋白、溶酶体中的蛋白质核糖体核糖体唯一功能:唯一功能:按照按照mRNA的指令由氨基酸合成多肽链的指令由氨基酸合成多肽链分分类类:70S核核糖糖体体(原原核核细细胞胞),80S核核糖糖体体(真真核核细胞细胞)构成:构成:均由大、小均由大、小两个亚基两个亚基构成构成 只有当小亚单位与只有当小亚单位与mRNA结合结合后,大亚单位才与小
22、亚单位结后,大亚单位才与小亚单位结合成完整的核糖体;肽链合成合成完整的核糖体;肽链合成终止后,大小亚单位解离终止后,大小亚单位解离70s ribosome80s ribosome 光面内质网的功能光面内质网的功能 脂肪、磷脂、类固醇激素脂肪、磷脂、类固醇激素(如睾丸、肾上腺激(如睾丸、肾上腺激素)素)的合成的合成 肝的解毒作用肝的解毒作用(带上羟基,易溶于水)(带上羟基,易溶于水)肝细胞葡萄糖释放(肝细胞葡萄糖释放(G-6P G-6P 糖磷酸酯糖磷酸酯 G)G)肌细胞内质网潴泡贮存肌细胞内质网潴泡贮存 Ca Ca2+2+(神经冲动刺激,(神经冲动刺激,CaCa2+2+回到细胞溶胶,肌肉收缩)回
23、到细胞溶胶,肌肉收缩)糙面内质网(糙面内质网(rough ER)富有富有核糖体颗粒,合成并核糖体颗粒,合成并转运转运蛋白质蛋白质蛋蛋白白质质都都是是在在核核糖糖体体上上合合成成的的,起起始始于于细细胞胞质质基基质质,有有些些蛋蛋白白质质在在合合成成开开始始后后不不久久便便转转在在糙糙面内质网面内质网上合成,这些蛋白质主要有:上合成,这些蛋白质主要有:向细胞外分泌的蛋白,如抗体、激素向细胞外分泌的蛋白,如抗体、激素膜蛋白,制造膜的工厂(蛋白质、磷脂)膜蛋白,制造膜的工厂(蛋白质、磷脂)需需要要与与其其它它细细胞胞组组分分严严格格分分开开的的酶酶,如如溶溶酶酶体的各种水解酶体的各种水解酶需需要要进
24、进行行修修饰饰的的蛋蛋白白,如如糖糖蛋蛋白白(大大多多数数分分泌蛋白,寡糖)泌蛋白,寡糖)1898年年,Golgi应应用用银银染染法法首首先先在在猫猫头头鹰鹰的的神神经经细细胞内观察到胞内观察到20世纪世纪50年代以后,才正确认识它的存在和结构年代以后,才正确认识它的存在和结构它它由由数数个个扁扁平平囊囊泡泡(潴潴泡泡)堆堆在在一一起起而而形形成成,高高度度有极性有极性 Camillo Golgi3.2.3 3.2.3 高尔基体合成、分拣并将产物运出细胞高尔基体合成、分拣并将产物运出细胞反面反面反面反面顺面顺面顺面顺面高尔基体的功能区隔高尔基体的功能区隔高尔基体的功能区隔高尔基体的功能区隔 q
25、高尔基体(高尔基体(Golgi apparatus)凸凸出的一面对着出的一面对着内质网内质网称为称为形成面(形成面(forming face)或或顺面(顺面(cis face)凹凹进的一面对着进的一面对着质膜质膜称为称为成熟面(成熟面(mature face)或或反面(反面(trans face)中间膜囊中间膜囊多多数数糖糖基基修修饰饰、糖糖脂脂的的形形成成以以及及与与高尔基体有关的糖合成均发生此处高尔基体有关的糖合成均发生此处细胞核细胞核q高尔基体(高尔基体(Golgi apparatus)功能:功能:将将内内质质网网合合成成的的蛋蛋白白质质进进行行加加工工、分分类类、包包装装,然然后分门别
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