生物-分子与细胞.doc

《分子与细胞》
黄冠 2009-1-13
一、 走进细胞
1. 从生物圈到细胞
生物结构和功能的基本单位：细胞！！
最基本的生命系统：细胞！！
生命活动离不开：细胞！！
生命系统的结构层次：
细胞->组织->器官->系统->个体->种群->群落->生态系统->生物圈
2. 细胞的多样性
原核生物和真核生物：主要区别有无核膜包被的细胞核
生物
病毒

原核生物
衣原体、支原体、细菌、放线菌、蓝藻（口诀：一只细线篮）
真核生物
动物、植物、真菌（蘑菇、木耳、根霉、曲霉、酵母菌）

原核生物
真核生物
大小
较小
较大
细胞壁
肽聚糖
纤维素、果胶
细胞膜
相似
细胞质
核糖体
多种细胞器
细胞核
拟核：环状DNA
核膜、核仁、染色体
蓝藻有藻蓝素、叶绿素，自养生物。
自养生物
大多数植物（除菟丝子）、硝化细菌
异养生物
动物、真菌、绝大多数细菌、病毒

细胞都是以DNA为主要遗传物质！！
细胞学说：19世纪，德国施莱登、施旺 (揭示细胞统一性、生物体结构统一性)
二、 组成细胞分子
1. 细胞中的元素和化合物 (2009-1-20晚)
微量元素：Fe、Mn、B、Zn、Mo、Cu （口诀：铁猛碰新木桶）
大量元素：C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg
细胞鲜重O最多，干重C最多
组成细胞的化合物
无机
水
H、O
85~90%
无机盐

1~1.5%
有机
蛋白质
C、H、O、N （P、S）
7~10%
脂质
C、H、O （N、P）
1~2%
糖类
C、H、O
1~1.5%
核酸
C、H、O、N、P

实验【糖类、脂肪、蛋白质的检测】
还原糖
葡萄糖、果糖、麦芽糖
非还原糖
淀粉、蔗糖

斐林试剂（新制氢氧化铜） + 还原糖 ——水浴（50~60°斐林试剂才生效）——> 砖红色沉淀
斐林试剂的A液：0.1g/mL NaOH B液：0.05g/mL CuSO4 AB混合加

苏丹III + 花生子叶（肥肉也可吧:-P） ——> 橘黄色（显微镜）
50%酒精洗浮色，用苏丹IV代替III染成红色

双缩脲试剂 + 蛋白质（豆浆） ——> 紫色
双缩脲试剂的A液：0.1g/mL NaOH B液：0.50g/mL CuSO4 AB先后加

碘液 + 淀粉（马铃薯汁） ——> 蓝色

2. 生命活动的主要承担着——蛋白质（2009-1-21 晚）
氨基酸及种类 ( 20 type of proteins among which 8 are essential and 12 are unessential )
——NH2 氨基（碱性） ——COOH 羧基（酸性） ——R 侧链基团
以玉米为主食的人容易缺乏赖氨酸

蛋白质的结构及其多样性：生物大分子，基本单位是氨基酸
N个氨基酸形成一条肽链时，脱掉N-1个水分子，形成N-1个肽键；N个氨基酸形成M条肽链，脱掉N-M个水分子，形成N-M个肽键（N>M）。
有两条肽链的叫做二肽，有三条叫三肽，有N条叫N肽，如果不清楚具体数目，但又多于一条，就管它叫做多肽。

生命活动的主要承担者：蛋白质
蛋白质的功能
结构蛋白。构成细胞和生物体结构的重要物质
羽毛、肌肉、头发、蛛丝
绝大多数酶。细胞内化学反应离不开酶
胃蛋白酶
运输载体
运输氧的血红蛋白
传递信息，调节机体的生命活动
胰岛素
免疫功能
抗体，帮助人体抵御病菌和病毒等抗原的侵害

3. 遗传信息的携带者——核酸（2009-1-21晚）
种类
DNA（脱氧核糖核酸）
核糖核酸
元素
C、H、O、N、P
含氮碱基
A、T、C、G
A、U、C、G
分布
细胞核（Mainly）、线粒体、叶绿体
细胞质、线粒体、叶绿体
染色剂
甲基绿->绿色
吡罗红->红色

实验【显微镜观察DNA和RNA在细胞的分布】
原理：甲基绿和吡罗红对DNA、RNA的亲和力不同
步骤：1、口腔上皮细胞 or 洋葱鳞片叶表皮细胞 2、加盐酸水解（30°C水浴） 3、冲洗 4、吸收后染色（染色剂现配！） 5、吸去多余染色剂 6、低倍镜 7、高倍镜

核酸的基本组成单位：核苷酸（8种）
DNA：磷酸 + 碱基（4种：A、T、G、C） + 脱氧核糖
RNA：磷酸 + 碱基（4种：A、U、G、C） + 核糖
以RNA为遗传物质的病毒：HIV、SARS、烟草花叶病毒
4. 细胞中的糖类和脂质（2009-1-30晚）
糖类：碳水化合物 主要能源物质
二糖
麦芽糖
葡萄糖
葡萄糖
蔗糖
果糖
葡萄糖
乳糖
半乳糖
葡萄糖

单糖
五碳糖
脱氧核糖、核糖
六碳堂
葡萄糖、果糖、半乳糖
二糖
蔗糖（甘蔗、甜菜）、麦芽糖（谷粒）、乳糖（乳汁）
多糖
淀粉（玉米小麦种子、马铃薯、植物变态根茎）、纤维素、糖原（肝脏、肌肉）

脂质（lipid）：包括脂肪（1.储能2.保温3.抗压）、磷脂（细胞膜、脑、卵细胞[蛋]、肝脏）、固醇（胆固醇、性激素、Vitamin D），溶于脂溶性有机溶剂
1g糖原 = 17kJ Energy while 1g脂肪 = 39kJ Energy
没有“包黑炭”，就没有生命O(∩_∩)O哈哈~
重要能源物质：糖类、脂肪

5. 细胞中的无机物（2009-1-31晚）
细胞中的水 水是细胞含量最多的化合物
细胞水
自由水
1.溶剂 2.生化反应 3.运输 4.维持形态 5.新陈代谢
结合水
结构物质

无机盐
存在形式：离子
作用：1.合成成分 2.维持生命活动 3.维持酸碱平衡 4.维持细胞渗透压和细胞形态
钙离子低 ——> 抽搐
三、 细胞中的基本结构
1. 细胞膜——系统的边界（2009-1-31晚）
一个鸡蛋，一个细胞。
实验【显微镜制备细胞膜】
材料：猪（牛羊、人等哺乳类）的新鲜红细胞稀释液
方法：水涨破之
细胞膜的成分
糖蛋白
细胞识别
脂质（最丰富）
磷脂双分子层
蛋白质
载体
细胞膜的功能
分隔作用
稳定性
控制进出作用
海关
交流作用
激素与靶细胞、受精结合、胞间连丝
植物——细胞壁——纤维素+果胶——支持和保护作用
2. 细胞器——系统的分工合作（2009-2-4）
实验【显微镜观察叶绿体、线粒体】
叶绿体——球形——菠菜、黑藻叶装片——高倍镜可见
线粒体——短棒、线、哑铃形——口腔上皮——健那绿（蓝绿色）

细胞器之间的分工：
细胞器
分布
作用
结构
线粒体
动、植（代谢旺盛，线粒体多）
有氧呼吸主要场所（化学能——>ATP）；“动力车间”
双层膜、少量DNA、呼吸酶
叶绿体
植叶茎（根无）
光合作用场所（光能——>化学能）
双层膜、少量DNA、光合作用酶、叶绿素
核糖体
细胞质
合成蛋白质场所
无膜、rRNA（最小的细胞器）
内质网
动、植
粗面：为酶提供附着点；滑面：合成有机物；对蛋白质加工、运输
单层膜
高尔基体
动、植
对蛋白质再加工、包装；在动物细胞：与分泌物（如胰岛素）形成有关；在植物细胞：与细胞壁形成有关
单层膜、囊泡
溶酶体
动、植
分解很多物质；“消化车间”
单层膜
液泡
植
维持细胞渗透压、膨胀状态
单层膜、色素
中心体
动、低等植
有丝分裂有关（星射线）
无膜、两个互相垂直中心体

细胞之间的协调配合： 能量来源：线粒体
核糖体（肽链）——>内质网（把链组成蛋白质、出芽）——>高尔基体（修饰）——>细胞膜（分泌）
细胞的生物膜系统：
作用：1、相对稳定内部环境 2、提供附着点 3、保证高效、有序
3. 细胞核——系统的控制中心（2009-2-3晚）
细胞核的功能：
控制 代谢（变形虫实验、蝾螈受精卵横溢实验）
控制 遗传（黑白美西螈克隆、伞藻嫁接实验）
细胞核的结构：
核膜：双层，把核内物质与细胞质分开
染色质（极细、丝状，被碱性染料颜色）：DNA+蛋白质（DNA是遗传信息的载体【信息载体】，染色体是DNA的主要载体【物质载体】）
核仁：某rRNA合成、核糖体形成有关
核孔：核质频繁物质交换、信息交流
细胞核是遗传信息库，是细胞代谢和遗传的控制中心。
四、 细胞物质输入与输出
1. 物质跨膜运输的实例（2009-2-12晚）
细胞的吸水和失水
植物：方式1、吸胀作用（分生区、种子） 2、渗透作用（成熟植物细胞）
【实验】显微镜观察植物细胞的吸水和失水
材料：紫色的洋葱鳞叶片 0.3g/mL蔗糖溶液
过程：活细胞的动态显微观察

物质跨膜运输的其他实例
所有生物膜都是选择透过性膜
选择透过性是活细胞的一个重要特征！
选择透过性模：取决于膜的结构 其他半透膜：取决于物质大小
2. 生物膜的流动镶嵌模型（2009-2-12晚）
对生物膜结构的探索历程
19世纪末 欧文顿（Overton）：膜是由脂质组成
1925年，荷兰科学家：脂质分子排列为连续的两层
1959年，罗伯特森：暗-亮-暗，蛋白质-脂质-蛋白质
1970年，荧光标记小鼠细胞和人细胞融合实验（标记蛋白质分子）
1972年，桑格、尼克森：流动镶嵌模型

流动镶嵌模型基本内容
流动性
脂质
基本骨架
蛋白质
镶嵌在里（有点部分嵌入、有的全部、有的横跨）
糖类
与蛋白质结合成糖蛋白：识别、交流、免疫作用

3. 物质跨膜运输的方式（2009-2-13晚）
被动运输（顺梯度）
主动运输（逆梯度）

需要载体蛋白
需要消耗能量

自由扩散

O2 H2O 甘油 乙醇 苯
协助扩散
√

红细胞吸收葡萄糖
主动运输
√
√
小肠上皮细胞吸收葡萄糖和氨基酸；离子
胞吞、胞吐：利用细胞膜的流动性
果脯在腌制中慢慢变甜主动吸收结果，而是：1、失水过多死亡 2、细胞膜选择透过性失效
五、 细胞的能量供应和利用
1. 降低化学反应活化能的酶（2009-2-16晚）
1) 酶的作用和本质
酶在细胞代谢中的作用
【实验】过氧化氢酶不同条件的分解（对照试验）
反应速率(观察气泡)： 对照组 < 90〫C水浴 < FeCl3 < 新鲜肝脏研磨液
自变量：氯化铁溶液和肝脏研磨液
因变量：过氧化氢分解速率
酶：降低活化能

酶的本质
大多数为蛋白质、少数是RNA
2) 酶的特性
酶具有高效性
酶具有专一性
酶的作用条件温和
适宜的温度：低温抑制、高温破坏
适宜的pH：过酸过碱永久失活

2. 细胞的能量“通货”——ATP（2009-2-16晚）
萤火虫发光：求偶信号 特殊物质：萤火素 能量转化：化学能->光能
直接能源物质：有机物——ATP

ATP具有高能磷酸键
A——P~P~P三磷酸腺苷
A：腺苷（腺嘌呤+核糖）
P：磷酸基团
~：高能磷酸键

ATP和ADP可以互相转化（生物界共性）
在动物呼吸作用、植物呼吸作用与光合作用中，发生ADP+Pi+能量——>ATP
A——P~P~P <——水解酶或合成酶——> A——P~P + Pi + 能量

ATP的利用
主动运输、生物发电（电鳐）、肌细胞收缩、吸能反应（葡萄糖+果糖——>蔗糖）、大脑思考

3. ATP的主要来源——细胞呼吸（2009-2-17晚）
细胞呼吸是有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放出能量并生成ATP的过程。
细胞呼吸的方式
【实验】酵母菌呼吸的方式（对比实验）
酵母菌，单细胞真菌，兼性厌氧菌
实验时间：约8——9hours
1号：空气（50min）——>NaOH溶液（吸去CO2）——>酵母菌+重铬酸钾的浓硫酸液（橙色）[不变灰绿：无酒精生成]——>Ca(OH)2溶液[很浑浊]
2号：酵母菌+重铬酸钾的浓硫酸液（橙色）[变灰绿：有酒精生成]——>Ca(OH) 2溶液[不那么浑浊]
可用溴麝(shè)香草酚蓝水溶液变黄色时间长短来代替石灰水。
有氧呼吸
主要场所：线粒体，嵴使内膜面积增大
肌细胞的肌质网是由大量变形的线粒体组成，有利于能量供应。
方程： (6H2O+) C6H12O6+6O2——>6CO2+6H2O+能量 (+6H2O)

场所
反应
能量
第一阶段
细胞质基质
葡->丙酮酸+[H]
少
第二阶段
线粒体基质
丙+ H2O -> CO2+[H]
少
第三阶段
线粒体内膜
[H]+ O2 -> H2O
大
三个阶段都需要酶。第三阶段才用到氧气哦！
有氧呼吸与有机物体外燃烧相比，在温和条件下进行，逐步释放，相当部分存于ATP

无氧呼吸
场所：细胞质基质
第一阶段：同有氧呼吸
第二阶段：（无能量释放）
丙酮酸->酒精+ CO2 [酵母菌、苹果、水淹水稻根]
或
丙酮酸->乳酸 [乳酸菌、马铃薯块茎、甜菜块根、骨骼肌细胞]

细胞呼吸原理的应用
1 用透气纱布或松软的“创可贴”包扎伤口
2 发酵
3 土壤松土
4 稻田定期排水
5 慢跑有益
6 储存粮食：低温、低氧、干燥

4. 能量之源——光与光合作用
1) 捕获光能的色素和结构（2009-2-20晚）
光合作用：光能——>化学能
捕获光能的色素
【实验】绿叶中色素的提取和分离（纸层析法）
原理：各种色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的扩散快！
材料：新鲜绿叶（菠菜绿叶）
提取液：无水乙醇（不含水分）
分离液：层析液（石油醚、丙酮、苯混合液或者93汽油）
步骤：1、提取（SiO2：研磨充分 CaCO3：防止研坏） 2、滤纸（1cm处铅笔细线） 3、画线（用滤液多次画在细线上） 4、密闭试管分离
从上到下滤纸颜色：
色素
颜色
含量
吸收光
胡萝卜素
橙黄色
3/4
蓝紫光
叶黄素
黄色
叶绿素a
蓝绿色
1/4
蓝紫光+红光
叶绿素b
黄绿色
色素对绿光吸收少，所以反射绿光，叶片呈绿色
大棚玻璃颜色：白色 > 红色 > 蓝紫色 > 其他色 > 绿色

叶绿体的结构
光学显微镜下：扁平的椭球形或球形
电子显微镜下：双层膜、圆饼状的类囊体（薄膜上有4种色素）
1880年，美国佬 恩格尔曼
第一个实验：光束照射水绵——氧气是叶绿体中释放的
第二个实验：光束透过三棱镜照射水绵，聚集在红光和蓝紫光区

2) 光合作用的原理和应用（2009-2-21晚）
光合作用的探究历程
1771年英国普利斯特利（J.Priestley）：植物更新蜡烛燃烧、小白鼠呼吸的空气
1779年荷兰英格豪斯：更新需要光
1845年德国梅耶（R.Mayer）：光能——>化学能
1864年德国萨克斯：绿叶遮光实验证明产物还有淀粉
1939年美国鲁宾（S.Ruben）、卡门（M.Kamen）同位素标记法：光合作用释放的O2来自H2O（两组实验才全面，一组标记CO2，一组标记H2O）
1940s 美国卡尔文（M.Calvin）同位素14C标记的14C O2：CO2的碳转化成有机物的碳的途径（卡尔文循环）

光合作用的过程
总反应式：CO2+H2O——光能、叶绿体——>(CH2O)+O2

阶段

场所
条件
反应变化
光反应
为暗提供ATP、[H]
类囊体薄膜
光、色素、酶
1、水分解为氧、[H]
2、ATP合成
暗反应
为光提供ADP、Pi
叶绿体基质
酶
1、CO2的固定：
CO2+C5-> 2 C3
2、C3的还原：
C3-[H]、 ATP->(CH2O)+ C5
3、ATP的水解

光合作用原理的应用（区分与呼吸作用的应用）
增加作物产量：
1 控制光照强弱和温度高低（白天提温、晚降温）
2 适当增加二氧化碳浓度
3 合理密植

化能合成作用（不直接利用光能）
硝化细菌：NH3——>HNO2——>HNO3（释放的化学能将二氧化碳和水合成糖类）

生成ATP两条途径：1、光合作用光反应 2、所有活细胞能进行的细胞呼吸
六、 细胞的生命历程
1. 细胞的增值（2009-2-22晚）
增殖：数量增多、体积增大
细胞不能无限长大
【实验】细胞大小与物质运输的关系
材料：含酚酞的琼脂块
目的：探究细胞大小（表面积与体积的比）与物质运输效率的关系
步骤：把不同大小琼脂块浸入NaOH，10min后切开观察扩散深度（变紫红）
结论：体积越大，相对表面积越小，运输效率越低，核“负担”越重

细胞通过分裂进行增殖
增殖过程：1、准备 2、分裂

有丝分裂
细胞周期 = 间期（占90%~95%） + 分裂期(5%-10%)
阶段
TO-DO（植物）
TO-DO（动物）
特征
染数
DNA数
间期
复制DNA；适度生长
复制DNA；适度生长；中心粒倍增

2N
2N->4N
前期
核膜、核仁消失；染色体出现；纺锤丝制造纺锤体
核膜、核仁消失；染色体出现；两中心体制星射线形成纺锤体

2N
4N
中期
着丝点排列于赤道板（虚的）
着丝点排列于赤道板（虚的）
数数染色体吧
2N
4N
后期
着丝点把非同源染色单体分开
着丝点把非同源染色单体分开
染色体数加倍、单体没了
4N
4N
末期
染色体、纺锤体消失；核膜、核仁重现；赤道板出现细胞板
染色体、纺锤体消失；核膜、核仁重现；中部凹陷、缢裂
高尔基体活跃
2N
2N
意义：保持亲代和子代遗传性状稳定性

无丝分裂
细胞核缢裂——>细胞中部缢裂，一分为二
例如：蛙的红细胞、原核细菌的二分裂

减数分裂

【实验】显微镜观察根尖分生组织的有丝分裂
材料：洋葱（或葱、蒜）
步骤：
一、 培养
3-4day 培养根尖（长约5cm即可）
二、制片
过程
方法
目的
解离
盐酸、酒精混合液
分离细胞
漂洗
清水
防止解过头
染色
龙胆紫（或醋酸洋红）
用碱性染料着色
制片
弄碎根尖
分散、便观察
三、 观察
低倍：找分生（细胞正方形、排列紧密）
高倍：先看中期，再其他，最后间期
2. 细胞的分化（2009-2-23晚）
红细胞寿命：120d左右（贡长） 白细胞：5-7d（贡短噶？）
造血干细胞可分化成多种血细胞
细胞分化及其意义
叶肉细胞、表皮细胞、贮藏细胞都来自早期胚细胞
细胞分化：增殖后代在形态、结构、生理上发生稳定性差异的过程（持久性变化）
不同细胞里基因活动状态不同（红细胞里，肌动蛋白合成基因处于关闭）

细胞的全能性
1958年美国佬 斯图尔德（F.C.Steward）：胡萝卜韧皮细胞培养实验，证明高度分化的植物细胞仍具发育成完整个体能力（……斯图亚特王朝）
对象必须是已分化的细胞
植物应用：繁殖花卉、蔬菜；和基因工程结合培育新作物
动物应用：克隆（只能用分化细胞的核）
动物中干细胞具有分裂和分化能力（造血干细胞）

3. 细胞的衰老和凋亡（2009-2-24晚）
生长、衰老、出生、死亡——正常现象
个体衰老与细胞衰老的关系
单细胞生物：细胞衰老、死亡 = 个体衰老、死亡
多细胞生物：细胞普遍衰老 = 个体衰老

细胞衰老的特征
1 水分减少——萎缩——代谢慢
2 酶活性降低（酪lào氨酸酶低——黑色素少——白发）
3 色素积累——阻碍交流
4 细胞呼吸慢——核大、染色加深
5 通透性弱——运输能力低
原因：自由基学说、端粒学说
社会老龄化形成是社会进步的体现

细胞的凋亡（细胞编程性死亡Programmed cell death）
细胞凋亡：由基因决定的细胞自动结束生命的过程
细胞坏死：不利因素下的受损、中断引起的损伤、死亡。
凋亡例：
花之凋零、叶之脱落，冥冥中早已注定 O(∩_∩)O~
成熟生物体中，细胞的自然更新、被感染细胞的清除
人胚胎里的尾巴阶段

4. 细胞的癌变（2009-2-25晚）
癌细胞：cancer cell
癌症：cancer 通常叫 恶性肿瘤
癌细胞的主要特征
1 无限繁殖 （正常体细胞只分裂50-60次就Game Over！）
2 变态了
3 表面不黏了 （膜糖蛋白的减少）
致癌因子
物理因子： 紫外线、X（居里夫人—白血病、紫外线—皮肤癌）
化学因子： ……（吸烟：20多种化学致癌因子）
病毒致癌因子：……（Rous肉瘤病毒）
原因：DNA中的原癌基因（调节细胞周期、生长分裂进程）、抑癌基因（阻止不正常增殖）的突变
太可恶了，总有一天人类将彻底战胜癌症！