植物学——细胞

植物细胞学（Plant Cell Biology）是研究植物细胞结构的科学，是广义的形态学之一，也是细胞学的一个分支，以植物细胞作为研究对象，利用生物学、化学和物理学等研究方法来研究细胞的生命活动。

植物细胞

• 概述
  • 首次描述植物细胞
    • 1665年英国学者Hooke
  • 细胞学说
    • 1838-1839施莱登(Schleiden)和施旺(Shwann)
  • 除病毒和类病毒外，所有生物都是由细胞组成，细胞是生物体结构和功能的基本单位
• 共性
  • 化学组成相似
  • 脂—蛋白体系的生物膜
  • 遗传装置相同
  • 分裂方式:一分为二
  • 都有核糖体(除个别非常特化的细胞)
• 细胞壁
  • 结构
    • 胞间层(中层或中胶层) middle lamella
      • 组成
        • 果胶
      • 定义
        • 位于细胞壁最外侧，是相邻两个细胞所共有的薄层
      • 功能
        • 黏连两个细胞
          • 梨，桃成熟后变软
          • 解离剂，解离组织
    • 初生壁 primary wall
      • 定义
        • 细胞生长过程中或者细胞停止生长前由原生质体分泌的物质
      • 组成
        • 纤维素
        • 半纤维素
        • 果胶
        • 多种酶类，和糖蛋白
    • 次生壁 secondary wall
      • 定义
        • 细胞停止生长，初生壁不再增加表面积后，由原生质体的分泌物继续在初生壁内侧填积，使细胞壁加厚而形成
      • 组成
        • 纤维素(含量大于初生壁)
        • 半纤维素
        • 木质素
  • 组成
    • 纤维素
      • 纤维素分子通过氢键链接，排列成微团，微团组成微纤丝，其他细胞壁物质填充于微纤丝中
    • 半纤维素
      • 易溶于碱性溶液
      • 主要成分
        • 木葡聚糖
        • 木聚糖
        • 阿拉伯木聚糖
        • 半乳甘露聚糖
      • 功能
        • 在控制细胞扩大起重要作用
    • 果胶
      • D-半乳糖醛酸及其衍生物组成，还有半乳糖，阿拉伯糖，鼠李糖
      • 组成
        • 原果胶
        • 果胶酸
        • 果胶酯酸
    • 蛋白质
      • 结构蛋白
        • 伸展蛋白
      • 酶蛋白
        • 纤维素酶
        • 过氧化物酶
        • 果胶酶
      • 调节蛋白
        • 扩展蛋白
      • 凝集素
        • 组成
          • 疏水结构，
          • Mn+,Ca+
        • 功能
          • 防御反应
          • 识别反应
    • 木质素
      • 酚类
    • 细胞壁中的矿物质
      • 细胞壁是植物细胞中最大的钙库
  • 功能
    • 维持细胞形状，控制细胞伸长，提高细胞强度
    • 物质运输与信息传递
    • 防御与抗性
  • 特化
    • 木质化
      • 增强细胞壁机械强度，抵抗昆虫和病菌入侵
    • 木栓化
    • 角质化
    • 黏液化
    • 矿质化
      • 增强作物茎，叶机械强度，提高抗倒伏和抗病虫能力
• 原生质体
  • 细胞膜(质膜)
    • 化学组成
      • 膜蛋白
        • 占细胞蛋白质总量20%-30%
        • 外(周)在蛋白
          • 水溶性
          • 细胞色素c
          • 己糖磷酸激酶
        • 内在蛋白(整合蛋白)
          • 非水溶性
          • 特殊蛋白:膜锚蛋白
      • 膜脂
        • 磷脂
          • 组成
            • 亲水性头部
              • 磷脂酰碱基
            • 疏水性尾部
              • 脂肪链
          • 类别
            • 甘油磷脂
              • 卵磷脂(PC) 磷酸酰胆碱
              • 脑磷脂(PE) 磷酸酰乙醇胺
              • 磷酸酰丝氨酸(PS)
              • 磷酸酰甘油和心磷脂
              • 磷酸酰肌醇(PI)
            • 鞘氨醇磷(鞘磷脂)
        • 糖脂
          • 鞘糖脂
          • 甘油糖脂
        • 硫脂
      • 膜糖
    • 结构
      • 脂双层
        • 提出
          • 1925年E.Gotter,FGrendel
        • 特点
          • 主要驱动力是疏水力
          • 破损后可自我修复
          • 对离子和大多数极性分子高度不透
      • 特征
        • 流动性
          • 膜蛋白流动性
          • 膜脂流动性
            • 侧向扩散
            • 旋转扩散
            • 快
            • 翻转扩散
        • 不对称性
      • 模型
        • 流动镶嵌模型
          • 提出
            • S.J.Singer和G.Nicolson
          • 内容
            • 在液态的脂质双分子层中镶嵌着能够移动的蛋白质
        • 板块镶嵌模型
          • 提出
            • M.K.Gain和White
          • 内容
            • 由于生物膜只是可以在温度，化学成分的影响下，或由于蛋白质与其他物质的相互作用，使局部膜脂经常处于一种相变状态，即某些区域从液晶态变为晶态，而另一部分从晶态转变为液晶态，因此整个生物膜可以看作是由不同大小，性质，结构的板块所组成。
    • 功能
      • 分室作用
        • 通过膜而将细胞内的多种细胞器分隔开来，保证其各自正常运转，互不干扰。
      • 代谢反应场所
        • 细胞内的能量转换通常发生在膜上，例如光能转化为化学能在叶绿体的内膜上，呼吸作用释放能量在线粒体膜上。
      • 物质交换
      • 识别功能
        • 魔膜能够对内外介质，异己物质等起到识别应变的作用。
  • 细胞质
    • 细胞质基质
      • 细胞骨架
        • 是一个蛋白质纤维网络
        • 微管(MT)
          • 定义
            • 由微管蛋白聚合而成的中空圆柱体结构
          • 组成
            • α微管蛋白
            • β微管蛋白
            • γ微管蛋白
              • 与微管组装的起始有关
          • 功能
            • 控制细胞分裂和细胞壁的形成
            • 保持细胞形状
            • 参与细胞内物质运输和细胞活动
        • 微丝(MF)
          • 最细的纤维结构
          • 定义
            • 由肌动蛋白聚合而成的细丝
          • 功能
            • 参与胞质运动
            • 参与物质运输和细胞感应
        • 中间丝(IF)
          • 植物细胞无
      • 子主题
    • 细胞器
      • 内质网(ER)
        • 类型
          • 粗面内质网(rER)
            • 合成分泌蛋白
          • 光滑内质网(sER)
            • 合成脂质，激素物质
        • 功能
          • 合成蛋白和脂质
          • 特化或分泌的小泡可形成高尔基体，液泡，圆球体，微体
      • 高尔基体
        • 极性细胞器
        • 结构
          • 凹面
            • 向着质膜
          • 凸面
            • 向着细胞核
        • 功能
          • 加工，分类，包装内质网合成的多种蛋白质，并运送到特定部位
          • 合成多糖
      • 液泡
        • 结构
          • 液泡膜
          • 液泡液
        • 功能
          • 调节细胞水势和膨压
          • 决定细胞渗透压大小，维持植物挺立形态
          • 贮藏物质，与细胞质进行物质交流
          • 主要的调节离子动态平衡的细胞器
          • 讲内呑进来的废弃细胞器等分解消化
      • 圆球体
        • 功能
          • 积聚和贮藏脂肪
          • 含水解酶，具有溶酶体的一些功能
      • 微体
        • 过氧化物酶体
          • 高等植物叶肉细胞
        • 乙醛酸循环体
          • 油料种子的胚乳或子叶细胞
      • 细胞内膜系统
      • 溶酶体
      • 液泡系
      • 质体
        • 定义
          • 一类合成和积累同化产物的细胞器
        • 分类
          • 白色体
            • 造粉体(淀粉的贮藏器官，块根块茎)
            • 造蛋白体
          • 有色体
            • 子主题
          • 叶绿体
            • 子主题
      • 线粒体
        • 
      • 细胞核
        • • 核膜
          • 核仁
          • 核孔
          • 核基质
          • 染色体
            • 核小体，基本单位
      • 核糖体
        • 真核
          • 80s
            • 60s
              • 5.8s,5s,28srna,pr
            • 40s
              • 18srna,pr
        • 原核
          • 70s
            • 50s
              • 5s,23srna,pr
            • 30s
              • 16sran,pr
    • 后含物
      • 贮藏的营养物质
        • 淀粉
        • 脂肪和脂肪油
        • 蛋白质
      • 次生代谢产物
        • 单宁(鞣质)
          • 细胞质基质，液泡，细胞壁
          • 树皮，木材，未成熟果实(有涩味)
          • 功能
            • 保护植物免于脱水，腐烂，遭受动物伤害
        • 色素
          • 花瓣，果实液泡中
          • 牵牛花一天不同颜色就是由于含花色素苷的液泡液ph改变
          • 黄酮和黄酮醇使花瓣呈乳白色或象牙色，能强烈吸收紫外线光，使传粉昆虫易于发现
        • 晶体和硅质小体
          • 类型
            • 草酸钙晶体
            • 碳酸钙晶体
            • 二氧化硅晶体
          • 能减少过多的酸对植物所产生的毒害
• 不饱和度越高，相变温度越低，流动性越好 饱和度越高，相变温度越高，流动性越差 胆固醇对膜的流动性具有双重调节作用，相变温度以上，降低流动性 相变温度以下，增强流动性
• 相变温度(Tc)
• 酸性条件下可以使失活的细胞壁恢复伸展特性 对于ph敏感的蛋白质能够可逆的结合在细胞壁纤维素微纤丝与这种交联聚糖的交叉处，使其氢键打开，从而使细胞壁松弛。
• 增加了细胞壁的强度与刚性 参与植物细胞防御和抗病抗逆等生理活动
• 复和中层:相邻细胞的初生壁和他们之间的胞间层
• 攀缘植物的卷须运动
• 微管蛋白二聚体
• 中间丝
• 微丝
• 微管

植物细胞间的联络结构

• 纹孔
  • 初生纹孔场
    • 植物细胞初生壁由于不均匀加厚，存在一些非常薄的凹陷区域。 胞间连丝往往集中在这一区域
  • 纹孔
    • 定义
      • 次生壁上凹陷的区域
    • 类别
      • 单纹孔
      • 具缘纹孔
      • 有无拱形边缘
• 胞间连丝
  • 定义
    • 穿过细胞壁沟通相邻细胞的原生质丝
  • 例子
    • 细胞壁厚的植物细胞一般胞间连丝发达，如柿，海枣，马钱子等种子内的胚乳细胞
  • 分为
    • 共质体
      • 通过胞间连丝结合在一起的原生质体
    • 质外体
      • 共质体以外的部分，包括细胞壁，细胞间隙，死细胞的细胞腔
  • 功能
    • 物质交换
    • 信息传递
  • 大小
    • 膨压
      • 提高，会关闭
    • 钙离子浓度
      • 浓度提高，逐渐减小关闭

细胞生命进程

• 增殖与调控
  • 分裂方式
    • 有丝分裂
      • 体细胞
      • 核分裂
        • 前期
        • 中期
        • 后期
        • 末期
      • 质分裂
      • 意义
        • 确保了遗传的稳定性，保证子细胞具有与母细胞相同的遗传物质及其潜能
    • 减数分裂
      • 性细胞
      • 分裂I
        • 前期I
          • 细线期
            • 细长线状的染色体
          • 偶线期(合线期)
            • 联会(四联体)
          • 粗线期
            • 染色体缩短变粗，非姐妹染色单体交换
          • 双线期
            • 染色体继续缩短变粗，染色体交叉，观察四条染色单体的最佳时期
          • 终变期
            • 染色体更为缩短，交叉端化
        • 中期I
        • 后期I
          • 染色体数目减半
        • 末期I
      • 分裂II
      • 意义
        • 保证染色体数目恒定，物种相对稳定性
        • 非姐妹染色单体间交换，后期I同源染色体分离，非同源染色体自由组合，创造变异，促进生物进化
    • 无丝分裂
      • 横缢
      • 纵缢
      • 出芽
  • 细胞周期
    • 分为
      • 间期
        • G1
          • DNA复制前期，合成RNA，磷脂和包括各种酶在内的蛋白质
        • S
          • DNA复制期，进行大量DNA复制
        • G2
          • DNA复制后期，有丝分裂准备期，RNA和蛋白质合成
      • 分裂期
    • 定义
      • 从上一次细胞分裂结束开始到下一次细胞分裂结束之间细胞经历的过程
• 生长和分化
  • 生长
    • 扩散性生长
      • 细胞多个部位进行整体扩张
    • 顶端生长
      • 仅限于生长端部位 如，花粉管，根毛细胞
  • 分化
    • 定义
      • 由比较均匀一致的分生组织细胞转变为形态结构和生理功能不同的细胞群的过程
    • 特点
      • 持久性
      • 稳定性
      • 普遍性
    • 影响因素
      • 分子水平
        • 基因选择性表达，合成的特定蛋白不同
      • 外界因素
        • 某些外界环境条件的刺激可以促使某些遗传信息的表达，而另一些被抑制 如，光周期可以促使植物从营养生长到生殖生长
      • 位置效应
        • 决定着细胞分化的方向和分化程度
      • 极性现象
  • 脱分化
    • 从已分化的状态转变为分生状态
  • 植物细胞全能性
    • 植物体的每个细胞都包含着该物种的全部遗传信息，从而具备发育成完整个体的潜能
  • 植物干细胞
    • 植物的茎尖和根尖生长点分生组织中央具有持续分裂能力和分化功能的细胞
• 衰老和死亡
  • 衰老
    • 定义
      • 各种因素引起的细胞功能减退，内环境稳定能力，应激能力下降
    • 特征
      • 生物膜体系变化
        • 细胞膜由流动性好的液晶相转变为流动性差的凝胶相
      • 叶绿体变化
        • 衰老指标:叶绿素含量，以及叶绿素a/叶绿素b
      • 线粒体变化
        • 数目减少，体积增大
      • 细胞骨架体系变化
      • 细胞核变化
        • 细胞核体积增大，核膜内折，核膜崩解，染色质固缩，染色加深
      • 蛋白质合成变化
        • 合成速度降低，分解速度增加
      • 含水量及其其他细胞器变化
  • 死亡
    • 细胞坏死
    • 细胞程序性死亡(PCD)
      • 定义
        • 在一定生理或病理条件下，受内在遗传机制的控制，主动结束其生命的过程
      • 包括
        • 自溶作用
        • 非自溶作用

植物细胞信号转导

• 定义
  • 将胞外刺激信号与其所引起的特定生理效应相联系的一系列分子反应机制
• 途径
  • 胞外刺激信号的感受和传递
  • 膜上信号传递
  • 胞内信号传递和信号放大
  • 调控细胞生理生化反应
• 信号
  • 胞间信号(第一信使)
    • 定义
      • 能引起胞内信号的某些胞间信号和环境刺激
    • 类型
      • 化学信号
        • 细胞感受刺激后形成的，并能传递到效应部位引起生理反应的化学物质
        • 类型
          • 正化学信号
          • 负化学信号
        • 植物激素，寡聚糖，一些生长调节物质(水杨酸，茉莉酸，乙酰胆碱)
      • 物理信号
        • 电信号
          • 动作电位
          • 变异电波
        • 水力学信号
      • 气体信号
        • NO
          • 产生途径
            • NR催化硝酸盐和亚硝酸盐单电子还原反应
          • 作用
            • 调节植物生长发育
              • 促进种子萌发
              • 促进豌豆营养和生殖生长
            • 调节光形态建成以及水稻根形态建成
            • 延缓果实，叶片衰老
            • 作为防御反应的重要信使
            • 参与细胞程序性死亡
            • 参与植物生物和非生物胁迫的应答反应
      • 生物信号
  • 跨膜信号转导
    • 主要因子
      • 受体
        • 定义
          • 能特异性识别并结合信号分子，进而引起特异生物学效应的物质。
        • 定位
          • 膜受体
            • G蛋白偶联受体
            • 酶联受体
            • 离子通道偶联受体
            • 激素受体
            • 光受体
          • 细胞内受体
            • 胞浆受体
            • 核受体
        • 特点
          • 特异性
          • 亲和性
          • 饱和性
          • 有效性
          • 可逆性
      • G蛋白
        • 定义
          • GTP结合调节蛋白，在受体接受胞间信号分子到产生胞内信号分子之间往往要进行信号转换，常常通过与受体偶联的G蛋白进行转换。
        • 质膜内侧
        • 类型
          • 异源三聚体G蛋白
          • 小G蛋白
          • 超大G蛋白
        • 作用
          • 结合GTP或GDP，并启动不同的信号转导
    • 细胞感受信号的特点
      • 一种受体只能引起一种类型的信号转导过程
      • 细胞多通过受体与信号分子结合来感应外界信号
      • 一种外部信号可同时被不同的受体识别，产生两种或多种胞内信使物质
      • 一些外界刺激也可能通过引起细胞壁—质膜—细胞骨架蛋白变构而产生生理反应。
  • 细胞内信号转导(第二信使)
    • 定义
      • 由胞外刺激信号激活或抑制的，具有生理调节活性的细胞内信号分子
    • 类型
      • 钙信号系统(Ca2+)
      • 肌醇磷脂信号系统(IP3/DAG双信号转导系统)
      • 
• IP3—三磷酸肌醇 DAG(DG)二酰甘油 CDPK—钙依赖蛋白激酶