生命的基本单位.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,课程资料下载地址,电子信箱：,周六,天津大学化工学院，杨冬,1,2,第,5,讲 细胞,生命的基本结构单位,第一节 细胞学说的建立,第二节 细,胞的结构与功能,第三节 细胞分裂和细胞周期,第四节 细胞分化、衰老与死亡,3,第一节 细胞学说的建立,1.1,细胞的发现,17,世纪中叶，显微镜被用于生物学研究，用显微镜观察来自树皮的木栓，看到一个个,“,小室,”,结构，称之谓,“,Cell”,（细胞）。,人们用显微镜观察各种生物，包括微生物和动、植物的细微构造，到处都看到细胞结构。逐渐形成一个观念：,各种生物都是由细胞组成的。,4,英国科学家,R.Hook,（,1635-1703),，发表对木栓的观察，命名,Cell,。,荷兰人,Leeuwenhoek,（,1623-1723,）用自磨镜片做成显微镜第一次观察了活的细菌和原生动物。,5,20,世纪初，两位德国生物学家施莱登和施旺正式明确提出：,细胞是植物体和动物体的基本结构单位。,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,1838,年发表的论文,:,论植物发现,德国动物学家施旺,1839,年发表的论文,:,动、植物结构与生长相似性的显微研究,1.2,细胞学说,6,Matthias Jacob Schleiden,Theodar Schwann,9,透射电子显微镜下的细胞结构,10,扫描电子显微镜下的细胞结构,激光共聚焦扫描显微镜下的藻类,11,原子力显微镜下的细菌,12,13,1.3,细胞是生命的基本单位,细胞是生命的基本结构单位，所有生物都是由细胞组成的,细胞是生命活动的功能单位，一切代谢活动均以细胞为基础,细胞是生殖和遗传的基础与桥梁，具有相同的遗传语言,细胞是生物体生长发育的基础,形状与大小各异的细胞是生物进化的结果,没有细胞就没有完整的生命,14,19,世纪末，人们逐渐发现比细菌还小的“传染性的活性成份”，称为,病毒。,1930s,1940s,期间弄清病毒的化学本质和电镜结构。,看来，,病毒是一类不具细胞结构的生命形态。,最简单的病毒仅由,核酸大分子和蛋白质大分子,组成。但是，病毒颗粒必需,进入寄主活细胞,才能表现出生命的各方面特性。,有没有非细胞生命？,15,第二节细胞的结构和功能,1,、大肠杆菌,2,、念珠藻,3,、小球藻,4,、酵母菌,5,、火丝菌,6,、眼虫,7,、分生组织细胞,8,、栅栏组织薄壁细胞,9,、驴蹄草叶表皮细胞和保卫细胞,10,、大鼠肝细胞,11,、肾近曲小管上皮细胞,12,、成纤维细胞,13,、人红细胞,14,、人精子,15,、哺乳动物的横纹肌细胞,16,、平滑肌细胞,17,、神经细胞体,16,依据有无细胞核，整个生命世界可以区分为两大类：,原核生物 真核生物,细 菌 植 物 放线菌 动 物 蓝 藻 真 菌（霉菌、酵母,),等 原生动物 藻 类,2.1,原核细胞和真核细胞,17,原核细胞,细菌细胞结构与动、植物细胞不同，要简单的多。最主要的差别是细菌没有细胞核结构，,核物质,DNA,还是有的，形成,类核区,(,又称拟核,),，并且细菌细胞也没有其他各种细胞器。,18,真核细胞,19,细胞大小,较小,(1-10m),较大,(10-100m),染色体,一条,DNA,，不与蛋白质联结,几条染色体，与蛋白联结在一起,细胞核,无核膜和核仁,有核膜和核仁,细胞器,无,有,内膜系统,简单,复杂,微梁系统,无,微管和微丝,细胞分裂,二分体 出芽分裂,有丝分裂,转录和转译,同一时间和地点,不同时间和地点,原核细胞和真核细胞比较,20,细胞膜和生物膜：磷脂和鞘脂分子具有一个共同的特征,一个极性的头，两个非极性的尾巴。,在水环境中，这类分子会自发形成,脂双层微囊。,2.2,动物细胞的典型结构,21,流动镶嵌学说,膜结构：,细胞膜的框架是脂双层，蛋白质,“镶嵌”,其中,这样的膜结构不但用以组成细胞膜，还用以分割形成各种细胞器，统称,生物膜,特点：,有序性、流动性和不对称性,22,细胞核,由两层生物膜围成，遗传信息贮藏在核内，是,DNA,复制和,RNA,合成场所。,23,线粒体,由双层生物膜围成，是生物氧化、产生能量的场所。,24,线粒体主要功能,线粒体进行氧化磷酸化，产生,ATP,，,是细胞的“动力工厂”。,25,核糖体,核糖体是合成蛋白质的细胞器，主要成分是蛋白与,RNA,，其唯一的功能是按照,mRNA,的指令用氨基酸合成多肽链。,2009,年诺贝尔化学奖,美国的,Venkatraman Ramakrishnan,、,Thomas A.Steitz,及以色列的,Ada E.Yonath,获奖成果：,原子水平上研究核糖体的结构和功能,26,27,内质网,由单层生物膜围成。是蛋白质合成、修饰和分泌；脂类合成的场所。,28,高尔基体,由单层生物膜围成，与蛋白质修饰和分泌有关。,29,溶酶体,由单层生物膜围成，是生物大分子分解的场所。,30,细胞骨架,由蛋白质亚基组装成，和细胞形状、迁移、信息传导等有关。,31,微丝,微管,中间纤维,32,2.3,植物细胞的典型结构,液泡,细胞核,内质网,微管,质膜,细胞壁,线粒体,叶绿体,微丝,高尔基体,33,动、植物细胞的区别,植物细胞,动物细胞,有细胞壁,没有细胞壁,有叶绿体,没有叶绿体,有中央液泡,没有中央液泡,34,液泡,液泡的渗透压较高，使植物处于吸涨饱满状态,一些代谢废物也常以结晶态浓集其中,35,细胞壁,机械支撑、生长、分化、细胞识别和,抗病等作用,36,叶绿体,能量转换器,叶绿体是植物光合作用的场所，有两层膜，含有环状的,DNA,和核糖体。,37,2.4,细胞成分与结构的分离,用细胞破碎技术和超离心技术对细胞器或细胞结构成分进行分离和进一步的生物化学分析是探索细胞结构与功能相互关系的重要途径。,38,第三节 细胞分裂和细胞周期,3.1,细胞为什么分裂？,细胞表面与新陈代谢密切相关。例如：,老鼠重,25,克，大象重,4,吨；表面积,/,体积，老鼠是大象的,24,倍；,老鼠的代谢速率大于大象,39,细胞分裂是为了维持细胞的代谢,随着细胞生长，细胞体积增大，而细胞,表面积,和,体积,之比却在变小，细胞代谢速率下降。,细胞分裂是细胞生长过程中保持足够表面积，维持一定的生长速率的重要措施。,40,3.2,原核生物的细胞分裂,二分分裂,41,细胞从前一次分裂开始到后一次分裂开始，这段时间称为一个,细胞周期。,包括,分裂间期,（,G,1,期、,S,期和,G,2,期）,和分裂期,（,M,期）,3.3,真核细胞的有丝分裂,42,有丝分裂过程,前期：染色质形成光镜下可见的染色体,中期：核膜消失，染色体排列在赤道板上,43,有丝分裂过程,后期：姊妹染色单体分开，被分别拉向细胞两侧,末期：重新形成核膜，染色体消失,细胞质分裂：胞质形成间隔，最终分为两个细胞,2001,年诺贝尔生理学或医学奖,美国,Leland H Hartwell(1939),、英国,Sir Paul M Nurse(1943),和,R Timothy(Tim)Hunt(1949),。,细胞分裂的关键性调节机制,44,细胞周期调控,启动器,start,基因；检验点,checkpoint,CDK,（,细胞周期蛋白依赖激酶,cyclin dependent kinase,）,细胞周期蛋白（,cyclins,）,调节,CDK,功能的蛋白质,对癌症的研究有很大的帮助,45,46,染色质和染色体,处于分裂间期的细胞，细胞核内的,DNA,分子，在一些蛋白质的帮助下，有一定程度的盘绕，形成,核小体,。多个核小体串在一起形成,染色质,。,当细胞进入,M,期时，染色质折叠包装，大约压缩,8400,倍，形成光镜下可以看到的,染色体,。,47,染色质和染色体,48,染色体数目是不同物种细胞的特征之一,物种,染色体数目,物种,染色体数目,人,46,豌豆,14,小鼠,40,玉米,20,爪蟾,36,小麦,42,果蝇,8,酵母,32,49,3.4,真核细胞的减数分裂,减数分裂发生在产生生殖细胞的过程中。生殖细胞包括精子和卵细胞，遗传物质总量仅为体细胞的一半，称为,n,细胞。,50,减数分裂的特点,子细胞,染色体数目减半,子细胞,基因组合,大为丰富和多样化,有性生殖的后代具有更强的适应性和,进化潜能,。,51,同源染色体的不同组合导致配子种型大增,在第一次减数分裂时，每对同源染色体分别分配至两个子细胞。于是父源的和母源的,同源染色体,以不同组合，分配到两个子细胞中。,52,在第一次减数分裂中的同源染色体配对，导致同源染色体之间的,染色体交叉和基因重组。,染色体交叉和基因重组使基因组合状况更为复杂化,53,染色体交叉的电镜图,54,第四节 细胞的分化、衰老与死亡,4.1,细胞分化,：,发育过程中细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。,成年人全身细胞总数约,10,14,个。细胞种类有,200,多种。这么多种类细胞均来自,一个受精卵细胞,。,分化以后不同种类的细胞，形态、功能、基因表达和代谢活动均不相同。,细胞分化不但发生在胚胎阶段和发育过程中，亦发生在,成人阶段。,55,上皮细胞,脂肪细胞,平滑肌细胞,心肌细胞,神经元细胞,56,细胞的发育潜能,由一个细胞可能分化发育出多少种细胞？这就是细胞的,发育潜能。,全能性细胞,：具有能使后代细胞形成完整个体的潜能的细胞。例如：受精卵,多能性细胞,：具有分化出多种组织或细胞（但是不能形成完整个体）的潜能的细胞称多能性。例如：生血多能干细胞,单能性细胞,：只能分化成一种细胞的干细胞。例如：单能生血干细胞,57,多种血细胞都由生血干细胞分化而来,58,神经干细胞分化过程,59,什么是克隆？,克隆是指,一个无,性繁殖系,或利用不同方法产生无性繁殖系所进行的工作。,克隆根据其研究或操作的对象的层次分为：,基因克隆,细胞克隆,个体克隆,60,动物克隆比微生物和植物克隆困难百倍,单细胞真核生物,细菌、放线菌、酵母菌、藻类和霉菌等繁殖的唯一方式或主要方式。,植物克隆,“,无心插柳柳成荫,”,容易,植物细胞的全能性,动物克隆,难上难。为什么？,细胞分化程度更高，细胞全能性的丧失,61,动物克隆的早期探索,1950s,，爪蟾：肠上皮细胞核仍保持全能性,62,Dolly,的身世,芬兰多塞特母绵羊（供体）提供了全套遗传信息，即提供了细胞核,一只苏格兰黑面母绵羊（受体）提供无细胞核的卵细胞,另一只苏格兰黑面母绵羊提供羊胚胎的发育环境，是,“,多莉,”,羊的,“,生,”,母。,63,Dolly,克隆过程,64,Dolly,克隆的重要意义,理论意义：证实,分化成熟的动物细胞核仍具全能性,，细胞质对胚胎发育分化的决定性。,实践意义：,畜牧业育种：复制出的数量巨大的优良个体。,生物医学,：提供基因工程产品，如人乳铁蛋白、抗凝血酶等医用蛋白质；提供移植器官。,建立稳定的动物模型,延缓珍稀濒危动物的灭绝,65,克隆人可以吗？,社会上最初反应：共识,禁止克隆人实验。,但是，,经过两年后，克隆人 实验的呼声渐高。,芝加哥,理查德,.,锡德于,1998,年,1,月,宣布,:,组成一个小组，做克隆人实验。,66,如何看待,“,克隆人,”,？,科学技术的进展往往带来负面效应,化学合成,化学武器,病菌、病毒,生物武器,原子能,原子弹,新科学技术对伦理道德观念的冲击，会逐渐得到解决。,关键是：,呼吁科学民主，协商决策的社会机制；呼吁善于思考，富有社会责任心的人。,67,4.2,细胞的衰老,衰老是人们永恒的议题，至今仍是一个迷。,早衰症是人体衰老中的一种病症。,68,人体衰老时，身体各部分功能都发生衰老,一名男子从,36,岁到,75,岁,味觉丧失,64,肾小球减少,44,肾小球过滤率减少,31,脊神经元减少,37,神经传导速度减慢,10,脑供血量减少,20,肺活量减少,44,69,衰老的机理,自由基假说,带有不成对电子的基团称为,自由基,，反应特别活泼。,常见自由基包括：,O,2,-,，,N,O,，,O,H,细胞色素,C-Fe,3+,+O,2,-,O,2,+,细胞色素,C-Fe,2+,生物氧化中产生的自由基会破坏生物大分子，使得,细胞结构破坏，基因突变，导致细胞衰老,。,2009,年诺贝尔生理学或医学奖,Elizabeth H.Blackburn,，美国加州大学旧金山分校；,Carol W.Greider,，美国约翰,霍普金斯大学医学院和,Jack W.Szostak,，哈佛医学院,获奖成果：,端粒和端粒酶,70,71,体外培养成纤维细胞,来自胎儿 可传代,50,次,来自成人 可传代,20,次,来自小鼠 可传代,14,28,次,来自乌龟 可传代,90,125,次,细胞有着明显的衰老过程,与供体年龄有关,与供体物种有关,72,72,端粒长短与细胞生命历程密切相关,细胞分裂,细胞分裂,染色体,端粒,端粒,细胞将停止分裂而趋于老化,5,5,端粒维持,染色体,DNA,端粒,端粒,细胞永生化,端粒酶是细胞转化的原因,74,4.3,细胞凋亡,细胞死亡分为两种,：,（,1,）因环境因素突变或病原物入侵而死亡，称为病理死亡，或,细胞坏死,。,（,2,）因个体正常生命活动的需要，一部分细胞必定在一定阶段死去，称,细胞凋亡,。,75,细胞凋亡和细胞坏死有明显区别,细胞凋亡,细胞坏死,细胞变圆,与周围细胞脱开,细胞外形不规则变化,核染色质凝聚,溶酶体破坏,细胞膜内陷,细胞膜破裂,细胞分为一个个小体,胞浆外溢,被周围细胞吞噬,引起周围炎症反应,76,细胞凋亡是普遍存在的,变态：,蝌蚪,青蛙,昆虫，卵,幼虫,成虫,哺乳类,:,皮肤，指（趾）甲,红细胞：,分化成熟,失去细胞核,凋亡,淋巴细胞：,95%,以上在成熟之前死去，不到,5%,成熟后只存活一至几天,T-,细胞杀伤靶细胞的机制之一，,就是诱使靶细胞凋亡,癌细胞亦可看作是凋亡失控了的细胞。,77,秀丽隐杆线虫,细胞凋亡研究的理想材料,每条线虫具有,1031,个细胞，其中,131,个细胞在发育过程中凋亡。,78,细胞凋亡受基因控制,与细胞凋亡有关的基因,（,1,）,ced-3,、,ced-4,：如果,基因,突变或缺失，使凋亡受阻,诱发、启动凋亡,（,2,）,ced-9,：,移入使凋亡受阻，失去使细胞凋亡,抑制凋亡,“人造细胞”,Science,“Synthetic Genome Brings New Life to Bacterium”,E.Pennisi,2010,328,958-959,J.Craig.Venter,，,蕈状支原体,1.,合成：用计算机精确计算需要合成,DNA,分子序列，并用化学方法合成了一千多个约,1kb,的,DNA,片段，作为这次组装的基本材料。,2.,组装：巧妙地借助啤酒酵母和大肠杆菌的帮助，把,1Kb,的,DNA,分子有序准确的连成超过,1000kb,的片段。,3.,移植：把这个合成基因组移植到不含限制性酶切系统的山羊支原体中，基因组能使用后者的酶系统进行自我复制，经过多代繁殖后，长成的菌落已经纯粹由蕈状支原体组成。,79,80,科学界的反响强烈,方舟子：“如果把细胞比作一台机器，基因组就是它的设计图。,Venter,等所做的，就是拿了一张设计图做底本，然后一笔一画地把它照抄了一遍”。“细胞的抄法称为生物合成，而,Venter,等人的抄法属于化学合成。”,哈佛大学医学院,Church,教授：“现在他们所做的不过是弄来一堆基因，并组合到一起。”,纽约大学分子生物学教授,Wimmer,也认为，文特尔的研究清楚地表明，他们尚未制造出人造生命。,美国生命伦理研究学家,Kaebnick,：,Venter,如此宣传这项技术，更像是为了激起争议，而不是精确地描述它。,81,82,本讲摘要,细胞学说的核心内容是，,细胞是生命的基本结构单位，所有生物都是由细胞组成的。,真核细胞的典型结构包括：生物膜、细胞核和各种细胞器。,细胞从前一次分裂开始到后一次分裂开始，这段时间称为一个细胞周期，,包括,G,1,期、,S,期、,G,2,期和,M,期。,减数分裂使得子细胞染色体数目减半，子细胞基因组合大为丰富和多样化，从而使有性生殖的后代具有更强的适应性和进化潜能。,细胞分化是指,发育过程中细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。,83,思考题,简述细胞学说的主要内容,病毒是生命吗？为什么？,什么是细胞分裂周期？,减数分裂有什么特点？,克隆人可以吗？为什么？,细胞凋亡和细胞坏死有什么区别？,