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细胞生物学,包含细胞学和细胞生物学:现代生物学三大基石、细胞的发现、细胞学说的建立及其意义、从经典细胞学到实验细胞学时期、细胞生物学学科的形成和发展;细胞的同一性和多样性等。
编辑于2021-10-25 09:57:46绪论
细胞学和细胞生物学
现代生物学三大基石
1838-1839,施莱登和施旺,细胞学说
1859,达尔文,进化论
1866,孟德尔,遗传学
细胞的发现
1665,英国学者胡克用显微镜观察软木塞,第一次发现细胞
1674,荷兰学者列文虎克用自制的显微镜观察鱼的红细胞
细胞学说的建立及其意义
细胞学说
细胞是有机体,一切动植物都是由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成
每个细胞都是一个相对独立的单位,既有它自己的生命,又对与其他细胞共同组成的整体的生命有所助益
新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生
从经典细胞学到实验细胞学时期
经典细胞学时期
原生质理论的提出
原生质:动物和植物细胞内的均匀、有弹性的胶状物质
原生质理论:认为组成有机体的基本单位是一小团原生质,这种物质在各种有机体中是相似的
细胞分裂的研究
Flemming发现有丝分裂,并称其实质是核内丝状物(染色体)的形成及其向两个子细胞的平均分配
van Beneden和Strasburger分别在动物与植物细胞中发现减数分裂,至此发现了细胞分裂的基本类型
细胞器的发现
1883,van Beneden和T.Boveri发现中心体
1894,R.Altman发现线粒体
1898,C.Ggi发现高尔基体
实验细胞学时期
细胞遗传学:遗传学和细胞学结合建立了细胞遗传学,主要从细胞学的角度,特别是从染色体的结构和功能,以及染色体和其他细胞器的关系来研究遗传现象,阐明遗传和变异的机制。
细胞生理学:细胞学同生理学结合建立了细胞生理学,主要研究内容包括细胞从周围环境中摄取营养的能力、代谢功能、能量的获取、生长、发育与繁殖机理,以及细胞受环境影响而产生适应性和运动性的活动。
细胞化学:细胞学和化学的结合建立了细胞化学,主要研究细胞结构的化学组成及化学分子的定位、分布及其生理功能,包括定性和定量分析。
细胞生物学学科的形成和发展
细胞生物学:研究细胞结构、功能及生活史的一门科学。现代细胞生物学从显微水平、超显微水平和分子水平等不同层次研究细胞的结构、功能及生命活动。
细胞的同一性和多样性
细胞是生命活动的基本单位
细胞的基本共性
相似的化学组成
脂-蛋白体系的细胞质膜
相同的遗传装置
一分为二的分裂方式
细胞的大小影响因素
核糖体的活性,因为蛋白质的量由核糖体来决定
植物细胞在旺盛分裂期的大小取决于蛋白质等生物大分子的积累
植物细胞在完成分裂后,体积会增加数倍甚至千倍,依赖于中央液泡的膨胀
支原体是最小最简单的细胞
它的基本结构与机能极其简单。体积很小,直径一般是0.1-0.3μm,仅为细菌的1/10。
一个细胞生存与增值必须具备的结构装置与机能是:细胞膜遗传信息载体DNA与RNA,进行蛋白质合成的一定数量的核糖体以及催化主要酶促反应所需要的酶。这些在支原体细胞内已基本具备。
保证一个细胞生命活动正常运转至少需要100种酶。这些分子进行酶促反应所必须占有的空间直径约为50nm,加上核糖体、细胞膜和核酶等,可以推算出,一个细胞体积的最小极限直径是100nm,而发现的最小支原体细胞的直径已接近这个极限。 因此作为比支原体更小、更简单的细胞,又要维持细胞生命活动的基本要素,似乎是不可能存在的。
细胞是生命活动的基本单位
一切有机体都由细胞构成,细胞是构成有机体的基本单位
细胞是代谢与功能的基本单位
细胞是有机体生长发育的基础
细胞是繁殖的基本单位,是遗传的桥梁
细胞是生命起源的标志,是生物演化的起点
细胞的基本类型
细胞的类型与生物界的类群
三域
原核生物
真核生物
古核生物
六界
原核生物界
古核生物界
原生生物界
真菌界
植物界
动物界
真核生物
两类代表性的原核细胞:细菌与蓝藻
细菌
细菌细胞的基本结构
细胞壁
主要成分为肽聚糖,青霉素可抑制肽聚糖的合成
G⁺细胞壁肽聚糖含量高,对青霉素敏感,G⁻则相反
细胞质膜
具有选择性交换物质的功能
膜上丰富的酶系执行许多重要的代谢功能
鞭毛
与真核生物的鞭毛完全不同
仅有一种鞭毛蛋白构成
核糖体:沉降系数为70S
核区(类核)
细菌细胞没有核膜围绕的典型的细胞核结构,但绝大多数细菌有明显的核区
核区形态不规则,四周是较致密的胞质物质。细菌DNA也在拟核蛋白(不同于组蛋白)的协助下进行高效包装
常把细菌的核区DNA成为染色体,实际上它没有真正的染色体结构
细菌基因组与遗传信息表达系统
细菌基因组很小,为环状DNA。一般有一个复制起点,复制时,细菌DNA环附在细菌质膜上作为支持点,复制不受细胞分裂周期的限制,可以连续进行。
细菌的DNA复制、RNA转录与蛋白质合成的结构装置在空间上没有分割,可以同时进行,及细菌DNA分子边复制边转录,正在转录的mRNA又与核糖体结合翻译肽链。
细菌乃至整个原核细胞与真核细胞最显著的差异之一
质粒:细菌细胞内可自主复制的更小的环状DNA分子,质粒基因可以赋予细菌某种新的形状,细菌失去质粒DNA分子无妨于正常代谢活动。常用作实验是基因重组与基因转移的载体。
细菌的增殖
细菌以二分裂方式进行增殖
为什么细胞周期比DNA复制的时间还短?
在迅速增值的细菌中,上一次DNA复制尚未完成时,下一次DNA复制就已经开始了。在刚刚分开的子细胞中,DNA已经全部完成了部分复制
蓝藻
自养型原核生物,能进行与高等植物类似的光合作用并放出O₂
蓝藻的细胞结构
细胞质膜外有细胞壁和一层胶质的鞘
细胞壁:与革兰氏阴性菌十分相似,有一层薄的肽聚糖组成,外面包有外膜。所不同的是,细胞壁内层含有纤维素
类囊体:蓝藻细胞质部分的同心环样结构,光喝色素和电子传递链均位于此。类囊体膜上还有大量藻胆蛋白所构成的藻胆体,负责讲光能传递给叶绿素a。
中心质(中央体):蓝藻细胞中央部位在光镜下较周围原生质明亮,是遗传物质DNA所在部位,相当于细菌的核区。与周围胞质无明确界限。
内含物:脂滴、羧酶体(光合作用固定CO₂的酶)和气泡(外被蛋白质鞘,调节细胞在水中的位置)
细胞分裂与分化
分裂:细胞中部向内生长出新横隔壁,将中心质与原生质分成两半,两个子细胞在一个公共的胶质鞘包围下保持在一起,并不断分裂而形成丝状、片状等多细胞群体。
分化:丝状蓝藻在氮源不足时,群体中5%-10%的细胞分化为异形胞。异性胞中的固氮酶以光系统Ⅰ制造的ATP为能量,将N₂还原为NH³
古核细胞(古细菌)
常常发现与极端特殊环境中,过去把它们归属于原核生物,是因为其形态结构、DNA结构及其基本生命活动方式与原核细胞相似。以分裂或出芽的方式进行增殖。
细胞壁:染色呈G⁻或G⁺,但没有胞壁酸和肽聚糖,因此溶菌酶以及抑制肽聚糖合成的青霉素等抗生素对古细菌的生长没有抑制作用
细胞质膜:由脂类和蛋白质构成,但却有其独自的特征:细菌的脂肪酸是以酯键与甘油结合,而在古细菌中,是以醚键与甘油结合;膜脂中还有一类特殊的中性脂质——鲨烯衍生物;极端耐热菌的质膜甚至是由40个碳长的四乙醚组成的“单层膜”
DNA及其基因结构
与细菌相似:古细菌DNA为环状,有操纵子结构,大部分基因无内含子,有多顺反子mRNA存在
与真核细胞相似:DNA和组蛋白结合成类似核小体结构;编码tRNA和rRNA,甚至部分编码蛋白质的基因中有内含子;RNA聚合酶为复杂多聚体;翻译起始的氨基酸为Met。
核糖体
多属古细菌类的核糖体虽然也是70S,但含有60种以上蛋白,数量介于真核细胞与真细菌之间,而且其中的rRNA与蛋白质的性质更接近于真核生物。
根据对5S rRNA基因的分子演化分析,认为古细菌与真核生物同属一大类,而与细菌差距甚远
与真核细胞类似,针对细菌核糖体的抗生素不能与古核细胞核糖体结合,所以不能抑制其蛋白质合成
古核生物核糖体结构和生物学特性更接近于真核生物
真核细胞
真核细胞的基本结构体系及其组装
基本结构体系
以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统
进行选择性的物质跨膜运输与信号传导
细胞内部由双层核膜将细胞分成两大结构与功能区域——细胞质与细胞核,使得基因表达得以精密调控
生物膜还为生命的化学反应提供了表面,很多重要的酶定位于膜上,大部分生化反应在膜的表面进行
以核酸与蛋白质为主要成分的遗传信息传递与表达系统
DNA与组蛋白构成了染色质的基本结构——核小体,;由核小体盘绕与折叠成紧密程度不同的异染色质与常染色质,在细胞分裂阶段又进一步包装而形成染色体。染色体结构连同DNA的修饰酶和转录因子等共同调控基因的转录
核仁主要是转录rRNA与核糖体亚基装配的场所
核糖体是由rRNA与数十种蛋白质构成的颗粒结构,其功能是将tRNA携带的氨基酸根据mRNA的指令连接成肽链
由特异蛋白质分子装配构成的细胞骨架系统
胞质骨架:主要由微丝、微管与中间纤维(中间丝)等构成
微丝直径5-7nm,主要功能是细胞运动和信号传递
微管直径24nm,主要功能是为细胞内物质运输提供轨道以及形成有丝分裂的纺锤丝
中间纤维直径为10nm,分为多种类型,具有组织特异性,主要对细胞器支撑作用
核骨架
核基质
核纤层:成分是核纤层蛋白
基本共同点:不论是生物膜的厚度,遗传信息表达体系中颗粒与纤维结构的大小,还是骨架纤维的直径,都是在5-20nm的尺度范围。
生物大分子组装方式
自我装配
可视为从头发生,装配的相关信息存在与参与装配的分子本身
如中间纤维的自组装
协助装配
在组成大分子复合物装配过程中,除需要形成最终结构的亚基外,还需要其他组分的介入,但这些组分不参加最终的产物
如核糖体的组装需要200多种蛋白质的介入
直接装配
某些亚基直接装配到预先形成的基础结构上
如细胞质膜扩展过程中,新的膜脂和膜蛋白加入到已存在的膜上
装配形成细胞的基本结构体系的意义
以蛋白质复合体取代超大蛋白质,可以加快转录和翻译的速度,减少基因突变和转录、翻译过程中发生错误的概率
通过装配和去装配更容易调节与控制多重生物学过程
植物细胞与动物细胞
植物细胞:细胞壁、液泡、叶绿体
动物细胞:中心体
原核细胞、古贺细胞与真核细胞的比较
原核细胞:有(多功能性)细胞质膜;无核膜;染色体由一个(少数多个)环状DNA分子构成的单个染色体,DNA不与或很少与蛋白质结合;无核仁;核糖体沉降系数为70S(包括50S与30S的大小亚基),对氯霉素敏感;翻译起始氨基酸为fMet;无膜质细胞器;核外DNA为裸露的质粒DNA;细胞壁主要由肽聚糖形成;无细胞骨架;细胞增殖方式为二分裂
古核细胞:有(多功能性)细胞质膜;无核膜;染色体由环状DNA分子构成的单个染色体,DNA与组蛋白结合;无核仁;核糖体沉降系数为70S(包括50S与30S的大小亚基),对氯霉素不敏感;翻译起始氨基酸为Met;无膜质细胞器;有质粒;细胞壁主要由蛋白质形成,不含肽聚糖;无细胞骨架;细胞增殖方式为二分裂
真核细胞:有细胞质膜;有核膜;两个染色体以上,由线状DNA与蛋白质组成;有核仁;核糖体沉降系数为80S(包括60S与40S的大小亚基),对氯霉素不敏感;翻译起始氨基酸为Met;有膜质细胞器;核外DNA为叶绿体DNA,线粒体DNA;细胞壁成分为纤维素和果胶或几丁质;有细胞骨架;细胞增殖方式以有丝分裂为主
共同点:都具有细胞结构,含有核糖体细胞器
病毒及其与细胞的关系
病毒与细胞的区别
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
遗传物载体为DNA或RNA
以复制和装配的方式进行增殖
彻底的寄生性
病毒及其在细胞内的繁殖(复制)
过程
病毒的侵染
病毒脱去衣壳,早基因的复制与表达,晚基因的复制,结构蛋白质的合成
病毒的装配、成熟与释放
腺病毒、流感病毒、HIV和辛德毕斯病毒的特洛伊“木马计”策略
细胞通过主动的胞饮作用,把与细胞受体结合的病毒拉入细胞,造成病毒的感染
病毒“篡夺”了细胞对代谢过程的“指导”作用,利用宿主细胞的全套代谢机构,以病毒核酸为模板,进行病毒核酸的复制与转录,并翻译病毒蛋白质,进而装配成新一代的病毒颗粒
最后从细胞释放出来,再感染其他的细胞,开始下一轮的增殖周期
病毒与细胞在起源与进化中的关系
病毒起源不可能先于细胞:由于病毒具有彻底的寄生性,所有的病毒必须在细胞内增殖