医用材料生物学基础-蔡伟医用植入材料生物环境——二细胞结构与功能.pptx

第二章 生物环境二、细胞结构与功能1 哈尔滨哈尔滨工业大学工业大学材料学院材料学院 材料物理与化学材料物理与化学二二OO六六年十月年十月第二章 生物环境二、细胞结构与功能2第二章第二章 医用植入材料生物环境医用植入材料生物环境一、一、生命体系结构、生命体系结构、人体组织与器官人体组织与器官二、二、细胞结构与功能细胞结构与功能三、三、人体血液与组织液系统人体血液与组织液系统四、四、人体骨骼系统与骨组织生物力学人体骨骼系统与骨组织生物力学五五、人体免疫系统与免疫细胞、人体免疫系统与免疫细胞第二章 生物环境二、细胞结构与功能3细胞细胞 CellCell 是是人人体体结结构构和和功功能能的的最最小小单单位位,由由细细胞胞膜膜、细细胞胞质质和和细细胞胞核核构构成成。在在电电子子显显微微镜镜下下还还可可以以观观察察到到细细胞胞内部更细微的结构内部更细微的结构,即超微结构。即超微结构。细胞第二章 生物环境二、细胞结构与功能4“细胞学说细胞学说”的基本内容的基本内容 认认为为细细胞胞是是有有机机体体，一一切切动动植植物物都都是是由由细细胞胞发发育而来育而来,并由细胞和细胞产物所构成；并由细胞和细胞产物所构成；每每个个细细胞胞作作为为一一个个相相对对独独立立的的单单位位，既既有有它它“自自己己的的”生生命命,又又对对与与其其它它细细胞胞共共同同组组成成的的整整体体的的生生命命有有所所助助益益器器官官的的活活力力与与细细胞胞个个体体、也也与与细胞集合体相关；细胞集合体相关；细胞的细胞的生化活性生化活性由细胞特殊的亚结构控制。由细胞特殊的亚结构控制。生生命命的的延延续续以以细细胞胞为为基基础础，新新的的细细胞胞可可以以通通过过老的细胞繁殖产生。老的细胞繁殖产生。细胞第二章 生物环境二、细胞结构与功能5“细胞学说细胞学说”的基本内容的基本内容 细胞是人体结构和功能的最小单位细胞是人体结构和功能的最小单位 如何发挥功能？如何发挥功能？细胞的生化活性由细胞的生化活性由细胞特殊的亚结构细胞特殊的亚结构控制控制 如何控制？如何控制？细胞的结构、成分细胞的结构、成分？人体有人体有200种细胞尺寸、形状、功能不同种细胞尺寸、形状、功能不同 其结构是否相同或相似？其结构是否相同或相似？细胞第二章 生物环境二、细胞结构与功能6人血红细胞人血红细胞 7.5m细胞第二章 生物环境二、细胞结构与功能7第二章 生物环境二、细胞结构与功能8骨骼肌骨骼肌细胞肌束膜肌束膜第二章 生物环境二、细胞结构与功能9CellularitynPacking Density:nmaximum theoretical packing density is about 1 x 109 cells/cm3ncell densities in tissues typically vary between 10 500 x 106 cells/cm3nrelates to about 100-500 cells per microenvironment(100 m mm)3nextreme cases,such as cartilage which is accellular and has 1 cell per(100 m mm)3nthus its microenvironment is essentially 1 cell plus associated ECM 第二章 生物环境二、细胞结构与功能10人体细胞形状千差万别，其基本结构类似人体细胞形状千差万别，其基本结构类似细细胞胞结结构构细胞膜细胞膜细胞质细胞质细胞核细胞核把细胞内部和细胞外液分割开来，使细胞能把细胞内部和细胞外液分割开来，使细胞能相对独立于环境而存在。包围在细胞表面的相对独立于环境而存在。包围在细胞表面的一层薄膜，厚一层薄膜，厚70100，电镜下观察，为电镜下观察，为三层结构。三层结构。细胞内液：半透明胶体物质。细胞内液：半透明胶体物质。细胞器：具有一定形态和生理功能的结构细胞器：具有一定形态和生理功能的结构胞内质粒：非功能性单位胞内质粒：非功能性单位核膜核膜染色质染色质核仁核仁核液核液细胞第二章 生物环境二、细胞结构与功能11中心体中心体核膜核膜核仁核仁染色质染色质内含物内含物高尔基复合体高尔基复合体线粒体线粒体基质基质细胞膜细胞膜第二章 生物环境二、细胞结构与功能12中心体中心体核膜核膜溶酶体溶酶体质膜质膜空泡空泡吞饮小泡吞饮小泡内质网内质网微茸毛微茸毛糖原颗粒糖原颗粒线粒体线粒体高尔基复合体高尔基复合体细胞核细胞核核仁核仁染色质染色质第二章 生物环境二、细胞结构与功能13 细胞膜细胞膜 Plasma Membrane细细胞胞结结构构细胞膜细胞膜细胞质细胞质细胞核细胞核细胞内液：半透明胶体物质。细胞器：具有一定形态和生理功能的结构胞内质粒：非功能性单位核膜染色质核仁核液细胞膜把细胞内部和细胞外液分割开来，把细胞内部和细胞外液分割开来，使细胞能相对独立于环境而存在。使细胞能相对独立于环境而存在。包围在细胞表面的一层薄膜，厚包围在细胞表面的一层薄膜，厚70100，电镜下观察，为三层电镜下观察，为三层结构。结构。第二章 生物环境二、细胞结构与功能14在电子显微镜下细胞膜的结构表现在电子显微镜下细胞膜的结构表现“两暗两暗夹一明夹一明”的单位膜结构的单位膜结构,厚厚70100。细胞膜第二章 生物环境二、细胞结构与功能15细胞膜糖脂糖脂糖蛋白糖蛋白外层脂质分子（亲水性头部）外层脂质分子（亲水性头部）表面蛋白质表面蛋白质疏水性尾部疏水性尾部嵌入蛋白质嵌入蛋白质内层脂质分子（亲水性头部）内层脂质分子（亲水性头部）细胞膜分子结构模式图细胞膜分子结构模式图第二章 生物环境二、细胞结构与功能16细胞膜细胞膜 Plasma Membranen双层极性双层极性磷脂磷脂分子分子：亲水端构成膜的内外两侧，与体液亲水端构成膜的内外两侧，与体液或细胞质接触，疏水端朝向膜的中间，或细胞质接触，疏水端朝向膜的中间，互相贴近。互相贴近。n膜蛋白膜蛋白:表面蛋白表面蛋白结合蛋白结合蛋白细胞膜占膜重一半，功能：占膜重一半，功能：n识别和传递信号识别和传递信号n输送物质输送物质n与其它蛋白结合与其它蛋白结合n产生细胞间结合产生细胞间结合第二章 生物环境二、细胞结构与功能17第二章 生物环境二、细胞结构与功能18细胞膜的功能细胞膜的功能 1、物质输送物质输送：有选择性，进行新陈代谢的同时，：有选择性，进行新陈代谢的同时，又能保持细胞内成分稳定。又能保持细胞内成分稳定。水的渗透（细胞内外溶液浓度水的渗透（细胞内外溶液浓度差异差异）脂溶性物质和小分子物质，单纯扩散作用。脂溶性物质和小分子物质，单纯扩散作用。胞饮、胞吐作用（大分子）胞饮、胞吐作用（大分子）非脂溶性物质与膜蛋白暂时结合，异化扩散。非脂溶性物质与膜蛋白暂时结合，异化扩散。主动转运作用（浓度由低至高）主动转运作用（浓度由低至高）2、识别、传递信号识别、传递信号：膜蛋白与外界特定的化学信膜蛋白与外界特定的化学信 号进行特异性结合，引起细胞内相应的变化。号进行特异性结合，引起细胞内相应的变化。3、膜蛋白间结合产生、膜蛋白间结合产生细胞间结合细胞间结合。4、将细胞内外液分开，细胞内、将细胞内外液分开，细胞内物质不会流散物质不会流散。细胞膜第二章 生物环境二、细胞结构与功能19细细胞胞结结构构细胞膜细胞质细胞质细胞核细胞内液：半透明胶体物质。细胞内液：半透明胶体物质。细胞器：具有一定形态和生理功能的结构细胞器：具有一定形态和生理功能的结构胞内质粒：非功能性单位胞内质粒：非功能性单位核膜染色质核仁核液细胞质细胞质 cytoplasm细胞质第二章 生物环境二、细胞结构与功能20细胞质微绒毛微绒毛微丝微丝溶酶体溶酶体线粒体线粒体核周隙核周隙滑面内质网滑面内质网粗面内质网粗面内质网糖原颗粒糖原颗粒分泌颗粒分泌颗粒脂肪颗粒脂肪颗粒高尔基复合体高尔基复合体中心体中心体核膜核膜核仁核仁核孔核孔基质基质第二章 生物环境二、细胞结构与功能21细胞内液细胞内液/细胞质基质细胞质基质：半透明胶体物质半透明胶体物质，含有丰富的蛋，含有丰富的蛋 白质、无机盐、糖、金属离子和白质、无机盐、糖、金属离子和 电解质等。电解质等。细胞器细胞器：细胞质内具有一定形态和生理功能：细胞质内具有一定形态和生理功能 的结构。的结构。（物质代谢、能量代谢、蛋白（物质代谢、能量代谢、蛋白 质合成）质合成）有：有：线粒体线粒体、核蛋白体、核蛋白体、内质网内质网、高尔基复合体、高尔基复合体、溶酶体溶酶体、中心体、微丝和微管等。中心体、微丝和微管等。胞内质粒胞内质粒：非功能性单位，糖类、脂类。：非功能性单位，糖类、脂类。细细胞胞质质细胞质细胞质 cytoplasm细胞质第二章 生物环境二、细胞结构与功能22细胞质基质（胞质溶胶）细胞质基质（胞质溶胶）成分：成分：n小分子：水、无机离子（小分子：水、无机离子（K+、Na+、Cl-、Mg2+、Ca2+等）等）n中等分子：脂类、糖类（葡萄糖、果糖、中等分子：脂类、糖类（葡萄糖、果糖、蔗糖）、氨基酸、核苷酸及其衍生物蔗糖）、氨基酸、核苷酸及其衍生物n大分子：多糖、蛋白质、脂蛋白、大分子：多糖、蛋白质、脂蛋白、酶酶、RNA细胞质第二章 生物环境二、细胞结构与功能23功能：功能：n为各种细胞器维持其正常结构提供为各种细胞器维持其正常结构提供所需要的所需要的离子环境离子环境n为各类细胞器完成其功能活动供给为各类细胞器完成其功能活动供给所必需的一切所必需的一切底物底物n某些生物化学活动的某些生物化学活动的场所场所细胞质基质（胞质溶胶）细胞质基质（胞质溶胶）细胞质第二章 生物环境二、细胞结构与功能24线粒体线粒体 Mitochondrion电镜下，内外膜包围的结构。电镜下，内外膜包围的结构。供给供给细胞内生物化学活动所需的细胞内生物化学活动所需的能量能量，细胞的，细胞的动力工厂动力工厂。光镜下为粗线状、粒状光镜下为粗线状、粒状细胞器细胞器线粒体线粒体第二章 生物环境二、细胞结构与功能25线粒体线粒体细胞器细胞器第二章 生物环境二、细胞结构与功能26内质网内质网 Endoplasmic Reticulum 结构复杂的膜状的结构复杂的膜状的管道管道或或囊状物囊状物，与，与 细胞膜相连。细胞膜相连。n粗面粗面内质网：内质网：外膜表面附着大量核糖体。物资物资运输运输通道；合成通道；合成蛋白质蛋白质。n滑面滑面内质网：物资运输通道；参与内质网：物资运输通道；参与糖类、脂肪糖类、脂肪 的合成与分解。的合成与分解。细胞器细胞器第二章 生物环境二、细胞结构与功能27内质网内质网多核糖体多核糖体微管微管内质网腔内质网腔细胞器细胞器第二章 生物环境二、细胞结构与功能28粗面内质网粗面内质网细胞内有大量平行排列的粗面内质网，表面细胞内有大量平行排列的粗面内质网，表面附有致密的核糖体。附有致密的核糖体。20000第二章 生物环境二、细胞结构与功能29滑面内质网滑面内质网第二章 生物环境二、细胞结构与功能30溶酶体溶酶体 Lysosome 细细胞胞内内的的一一种种细细胞胞器器，由由一一层层单单位位膜膜构构成成的的圆形圆形或或卵圆形卵圆形小体；小体；内内有有多多种种酸酸性性水水解解酶酶，如如水水解解蛋蛋白白酶酶、过过氧氧化化氢氢酶酶、糖糖原原与与脂脂类类的的水水解解酶酶等等，能能分分解解蛋蛋白质、糖类、脂类白质、糖类、脂类等；等；能能分分解解细细胞胞本本身身损损伤伤及及衰衰老老的的结结构构及及外外来来物质物质，可视为细胞本身的，可视为细胞本身的“消化系统消化系统”在在某某种种情情况况下下，如如溶溶酶酶体体膜膜破破裂裂，导导致致酶酶逸出，逸出，细胞则被消化自溶而死亡。细胞则被消化自溶而死亡。细胞器细胞器第二章 生物环境二、细胞结构与功能31溶酶体溶酶体 Lysosome 溶溶酶酶体体与与细细胞胞内内的的自自身身产产物物或或由由细细胞胞摄摄入入的的外外来来物物质质相相互互融融合合时时，便便形形成成吞吞噬噬性性溶溶酶酶体体，根根据据作作用用底底物物来来源源不不同同，分分为为自自噬噬性性溶溶酶酶体体和和异异噬噬性性溶溶酶体。酶体。细胞器细胞器第二章 生物环境二、细胞结构与功能32溶酶体溶酶体第二章 生物环境二、细胞结构与功能33吞噬性溶酶体吞噬性溶酶体 自自噬性溶酶体：噬性溶酶体：分解来自分解来自细胞内部细胞内部的衰老和损伤的细胞器的衰老和损伤的细胞器 或局部细胞质等，常包含有未分解的或局部细胞质等，常包含有未分解的线粒体、线粒体、内质网、高尔基复合体或脂类、糖原等。内质网、高尔基复合体或脂类、糖原等。消化、分解、自然更替一些细胞内的结构。消化、分解、自然更替一些细胞内的结构。在在病变、损伤细胞病变、损伤细胞（药物作用、射线照射、机械（药物作用、射线照射、机械 损伤损伤）中明显增多。中明显增多。异噬性溶酶体：异噬性溶酶体：细胞器细胞器第二章 生物环境二、细胞结构与功能34吞噬性溶酶体吞噬性溶酶体 自自噬性溶酶体：噬性溶酶体：异异噬噬性性溶溶酶酶体体的的作作用用底底物物是是经经由由细细胞胞吞吞饮饮或或吞吞噬噬而而被被摄摄入入细细胞胞内内的的外外源源性性物物质质，其其中中包包括括细细胞胞和和大大分分子子物物质质，如如细细菌菌、红红细细胞胞、血血红红蛋蛋白白、铁铁蛋蛋白白、酶酶和和糖糖原原等等。常常见见于于单单核核吞吞噬噬细细胞胞：白白细细胞胞、肝肝细细胞胞、肾肾细胞中。细胞中。细胞器细胞器第二章 生物环境二、细胞结构与功能35溶酶体的作用溶酶体的作用n消化、分解、自然更替一些细胞内的结构。消化、分解、自然更替一些细胞内的结构。n大分子分解为可溶性小分子物质，进入细胞质大分子分解为可溶性小分子物质，进入细胞质 基质，重新参与物质代谢。基质，重新参与物质代谢。蛋蛋白白质质分分解解为为二二肽肽或或氨氨基基酸酸、核核酸酸分分解解为为核核苷苷和和磷磷酸酸、糖糖类类分分解解为为寡寡糖糖类类或或单单糖糖、脂脂类类分分解解为为甘甘油油和和脂脂肪肪酸酸等等。被被分分解解而而生生成成的的可可溶溶性性小小分分子子物物质质，能能透透过过溶溶酶酶体体体体膜膜进进入入细细胞胞质质基基质质，重重新新参参与与细细胞胞的的物物质质代代谢谢；一一些些未未被被消消化的物质残留下来，形成化的物质残留下来，形成残余小体残余小体。破骨细胞破骨细胞的溶酶体，有利于骨生长和重建过程的溶酶体，有利于骨生长和重建过程 细胞器细胞器第二章 生物环境二、细胞结构与功能36细细胞胞结结构构细胞膜细胞质细胞核细胞核核膜核膜染色质染色质核仁核仁核液核液细胞细胞核核 nucleus细胞核位于细胞中央，呈球形，被位于细胞中央，呈球形，被有孔的膜所包围。多数细胞有孔的膜所包围。多数细胞一个核，成熟红细胞无核，一个核，成熟红细胞无核，骨骼肌细胞有多个核。骨骼肌细胞有多个核。（100200）是遗传基因库，存放遗传信是遗传基因库，存放遗传信息，提供各类蛋白质模板。息，提供各类蛋白质模板。由核糖核酸（由核糖核酸（RNA）进行进行转录后，进入高尔基复合体转录后，进入高尔基复合体合成、得到维持生命运动所合成、得到维持生命运动所需的蛋白质。需的蛋白质。第二章 生物环境二、细胞结构与功能37人血红细胞人血红细胞 7.5m细胞第二章 生物环境二、细胞结构与功能38骨骼肌骨骼肌细胞第二章 生物环境二、细胞结构与功能39细胞质微绒毛微绒毛微丝微丝溶酶体溶酶体线粒体线粒体核周隙核周隙滑面内质网滑面内质网粗面内质网粗面内质网糖原颗粒糖原颗粒分泌颗粒分泌颗粒脂肪颗粒脂肪颗粒高尔基复合体高尔基复合体中心体中心体核膜核膜核仁核仁核孔核孔基质基质第二章 生物环境二、细胞结构与功能40核膜核膜第二章 生物环境二、细胞结构与功能41第二章 生物环境二、细胞结构与功能42核膜：核膜：双层磷脂膜，表面附有核糖体，双层磷脂膜，表面附有核糖体，有核孔。有核孔。染色质染色质：脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA)和蛋白质。和蛋白质。携带遗传信息，与细胞分化、机携带遗传信息，与细胞分化、机 体发育生长有密切关系。体发育生长有密切关系。核仁核仁：核糖核酸核糖核酸(RNA)和蛋白质组成，无膜。和蛋白质组成，无膜。核液：核液：无结构胶状物。无结构胶状物。细细胞胞核核细胞核第二章 生物环境二、细胞结构与功能43细胞外基质（细胞外基质（ECMECM）机机体体发发育育过过程程中中，由由细细胞胞分分泌泌到到细细胞胞外外的的各各种种大大分分子子，在在细细胞胞周周围围构构成成高高度度水水合合的的凝凝胶胶或或纤纤维维性性网网络络，对对细细胞胞之之间间的的支支持持、功能的发挥起着重要作用。功能的发挥起着重要作用。基本概念细胞外基质外基质第二章 生物环境二、细胞结构与功能44细胞外基质的成分细胞外基质的成分 胶胶原原蛋蛋白白、蛋蛋白白多多糖糖、糖糖胺胺聚聚糖糖、层层连连蛋蛋白白和和弹弹性性蛋蛋白白等等组组成的物理和化学交联网络成的物理和化学交联网络.硬硬组组织织细细胞胞外外基基质质则则为为细细胞胞生生物物矿矿化化形形成成的的3030nmnm5050nmnm的的羟羟基基磷磷灰灰石石和和300300nmnm的的胶胶原原纤纤维维取取向向构建而成构建而成.基本概念细胞外基质外基质第二章 生物环境二、细胞结构与功能45细胞外基质的作用细胞外基质的作用 细细胞胞分分泌泌ECMsECMs,ECMsECMs则则提提供供细细胞胞信信息息,包包括括生生物物化化学学信信息息(细细胞胞因因子子和和生生长长因因子子)和和生生物物力力学学信信号号甚甚至场信息至场信息.细细胞胞ECMsECMs之之间间存存在在着着动动态态相相互互作作用用,这这种种作作用用和和细细胞胞细细胞胞间间相相互互作作用用共共同同调调控控细细胞胞的的新新陈陈代代谢谢.基本概念细胞外基质外基质第二章 生物环境二、细胞结构与功能46细胞外基质的作用细胞外基质的作用 ECMECM分分子子的的功功能能在在于于使使细细胞胞集集团团化化或或调调控控组组织织结结构构,调调节节细细胞胞的的特特异异基基因因表表达达,它它作作为为生生长长因因子子存存储储器器,可可通通过过控控制制方方式式将将这些因子提供给这些因子提供给ECMECM相邻细胞相邻细胞.进进行行组组织织重重建建的的生生物物材材料料必必须具有须具有仿细胞外基质仿细胞外基质的功能的功能.基本概念细胞外基质外基质第二章 生物环境二、细胞结构与功能47CellularityCellular Communication:nCells communicate in three principal ways:nsecretion of soluble signalsncell-to-cell contactncell-ECM interactions Cellular communication can affect all“cellular fate”processes(migration,replication,differentiation,apoptosis)and the method of communication(s)used depends,in part,on how the cells are packed within the tissue.第二章 生物环境二、细胞结构与功能48Cellular CommunicationsnSoluble Signals:nsmall proteins(15-20 kDa)which are chemically stable with long half-lives(unless specifically degraded)ngrowth factors,steroids,hormones,cytokines,chemokinesnbind to membrane receptors usually with high affinity(low binding constants:10-100 pM)ncan diffusion long distances第二章 生物环境二、细胞结构与功能49Cellular Communications第二章 生物环境二、细胞结构与功能50Cellular CommunicationsnCell-to-Cell Contact:nsome membrane receptors are adhesive moleculesnadherent junctions and desmosomes nother serve to create junctions between adjacent cells allowing for direct cytoplasmic communicationngap junctionsn1.5-2 nm diameter and only allow transport of small molecules 1 kDa第二章 生物环境二、细胞结构与功能51Cellular Communications第二章 生物环境二、细胞结构与功能52Cellular Communications第二章 生物环境二、细胞结构与功能53Cellular CommunicationsnCell-ECM Interactions:nECM is multifunctional and also provides a substrate that cells can communicatensince cells synthesize the ECM,they can modify the ECM to elicit specific cellular responsesnseveral specialized receptors that allow for cell-ECM interactionsnintegrins,CD44,etc.nalso a mechanism by with cells respond to external stimuli(“mechanical transducers”)第二章 生物环境二、细胞结构与功能54Cellular Communications