细胞生物学第一章

第一章提要细胞是生物体结构和功能的基本单位，也是生命活动的基本单位。1665年胡克首次发现了细胞。170年后，施莱登与施万创立了细胞学说，从而解决了生命的同一性和共同起源。细胞学说具有三大核心观点：“所有生物都是由一个或多个细胞构成、细胞是所有生物的基本结构单位、细胞来自已有细胞的分裂”。细胞生物学发展经历了四个阶段，分别是细胞的发现及细胞学说的创立、细胞学的经典时期、实验细胞学时期以及细胞生物学的诞生。

细胞的发现与细胞学说

• 细胞的发及细胞学说的创立
  • 细胞的发现
    • 1665年——胡克——植物组织死细胞的细胞壁——cell
    • 1674年——列文虎克
  • 细胞学说的创立
    • 施莱登/施万/魏尔肖——植物细胞/动物细胞/细胞核
    • 细胞学说三大核心
      • 所有生物都是由一个或多个细胞构成
      • 细胞是所有生物的基本结构单位
      • 细胞来自已有细胞的分裂
  • 细胞学说对细胞学发展的推动作用
    • 原生质理论的提出
    • 细胞受精和分裂的研究
    • 一些重要细胞器的发现
  • 细胞生物学发展简史
    • 细胞的发现及细胞学说的创立
    • 细胞学的经典时期
    • 实验细胞学时期
      • 细胞遗传学
      • 细胞生理学
      • 细胞化学
    • 细胞生物学的诞生
• 细胞的类型和结构体系
  • 原核细胞
    • 没有膜包被的细胞核结构、遗传信息量小且储存在环状DNA中、细胞内没有分化出以膜为基础的具有专门结构的细胞器
    • 支原体
      • 已知最小、最简单的细胞
      • 唯一没有细胞壁的原核细胞
      • 无拟核、有环状DNA分子
    • 细菌
      • 个体数量最多
      • 细菌DNA的复制、转录和翻译是同时进行的、即遗传信息的表达是连续进行的
      • 一些细菌还存在核区之外的环状DNA分子
      • 细菌细胞壁主要成分是肽聚糖
    • 蓝细菌
      • 进行光合作用的自养型原核生物
      • 细胞体积较大、一般1-10微米
      • 细胞中分布大量的光合色素和光合片层
  • 真核细胞
    • 真核细胞的结构体系
      • 生物膜体系
        • 以脂质和蛋白质为基础
          • 基本作用：为细胞提供保护
      • 遗传信息表达体系
        • 以特异蛋白质分子装配构成
          • 主要作用：维持细胞的一定形态，真核细胞分裂的“助产士”（纺锤体微管将染色体拉向两极，通过肌动蛋白纤维形成胞质分裂环将细胞分裂开）
          • 主要成分：微管，微丝，中间纤维
          • 细胞骨架分为细胞质骨架和细胞核骨架
      • 细胞骨架体系
        • 细胞质骨架
          • 微丝
          • 维管
          • 中间丝
        • 细胞核骨架
        • 细胞膜骨架
  • 古细菌
    • 生活在极端环境中
    • 细胞结构、代谢和能量转换的装置和原核类似
    • 遗传结构装置和遗传信息传递类似于真核细胞
  • 原核细胞与真核细胞的比较
    • 原核细胞与真核细胞的共同点
      • 细胞膜结构相似
      • 遗传信息储存在DNA中，采用同一套遗传密码
      • 具有相似的遗传信息转录和翻译机制，具有相似的核糖体
      • 具有一些共有的代谢途径
      • 以ATP的形式储存化学能
      • 具有相似的光合机制（蓝藻和植物相比）
      • 膜蛋白的合成和插入机制相似
      • 蛋白酶体的构成相似（古细菌和真核细胞相比）
    • 差异
      • 细胞直径、细胞壁、细胞膜、细胞核、DNA、基因组、基因数、基因表达、基因表达调控、细胞器、核糖体、细胞骨架、分裂方式、代谢类型、营养方式、代表细胞
    • 细胞为什么不能无限生长
      • 核质比
      • 表面积/体积値
      • 物质扩散能力
• 细胞的基本特性
  • 细胞结构的基本特性
    • 核糖体
      • 所有类型的细胞包括最简单的支原体都含有核糖体
    • 遗传物质
      • 原核细胞的DNA是裸露的，无核膜包被，被称为拟核
    • 质膜结构
      • 作用：①在细胞外起屏障作用②在细胞内构筑区室，形成各个功能区室
  • 细胞的生理化特性
    • 细胞能够进行自我增殖与分裂
    • 细胞都能进行新陈代谢
    • 细胞具有反应能力
  • 细胞的形态差异
    • 细胞形态结构与功能的相关性与一致性
    • 高等生物细胞离开有机体分散存在时，形态发生变化，例平滑肌在体内呈梭形，体外呈多角形
    • 单细胞形态与细胞外沉积物或细胞骨架有关，如硅藻
  • 细胞的大小及体积的恒定
    • 受两个因素限制
      • 细胞体积与表面积的关系
      • 细胞内关键分子的浓度
    • 细胞体积的最小化受制于维持细胞生命活动所需的酶和蛋白质种类的最低量
  • 细胞及细胞器的计量单位
    • 微米
    • 纳米
    • 埃
    • 1μm＝10⁻⁶m 1nm＝10⁻⁹m 1A＝0.1nm
• 细胞的分子基础
  • 水
    • 水占细胞总量的70%-80%
    • 相邻水分子间是靠氢键维系的
    • 水在细胞中即是反应剂也是溶剂
    • 水是急性分子，是各种极性有机分子和离子的最好溶剂（主要靠氢键的形成）
    • 细胞中的水
      • 游离水
        • 细胞代谢反应的溶剂
      • 结合水
        • 是以蛋白质和氢键结合的水分子，占细胞水分子4.5%，是原生质结构的一部分
  • 无机盐
    • 分类
      • ①大分子的结构成分CHONPS
      • ②各种酶反应所需的离子 钙离子，铜离子，镁离子，钾离子，钠离子，氯离子
      • ③各种酶活性所需的基础微量元素Co，Cu，Fe，Mg，Zn
      • ④某些元素需要的微量元素 I，Cs，Br
    • 功能
      • ①维持细胞内的pH和渗透压，以保持细胞的正常生理活动
      • ②同蛋白质结合组成具有特定功能的结合蛋白，参与细胞的生命活动
      • ③作为酶反应的辅助因子
  • 有机分子
    • 单糖与多糖
      • 糖是一类称为碳水化合物的有机分子
      • 多糖
        • 营养储备多糖
        • 结构多糖（纤维素）
    • 脂
      • 脂是一类不溶于水，可被辛烷从细胞中提取出来的化学物质
      • 脂肪酸
      • 三酰甘油（脂肪）
      • 磷脂
      • 糖脂
      • 类固醇
      • 萜
    • 核苷酸与核酸
      • 核酸是储存与传递遗传信息的载体，核苷酸是组成核酸的基本单位
    • 氨基酸与蛋白质
      • Q：组成蛋白质的基本构件只有20多种，为什么蛋白质具有如此广泛的功能
  • 细胞结构体系的组装
    • 由生物分子组装成细胞粗略分为四级
      • 第一级是构成细胞的较小有机分子的组成
      • 第二级由单体分子合成生物大分子，包括DNA、RNA、蛋白质、多糖
      • 第三级由生物大分子进一步合成超分子的高级结构，如细胞质膜、染色质
      • 第四级有超级生物大分子组装成具有空间结构和生物功能的细胞器
    • 组装机制的假说
      • 模板组装
      • 酶促组装
      • 自组装
• 病毒——非细胞的生命体
  • 病毒概述
    • 病毒
      • 核酸和蛋白质外壳构成
    • 类病毒
      • 具有侵染能力的RNA分子
    • 朊病毒
      • 蛋白质的构想异常而产生致病性
    • 病毒与细胞在进化中的关系
      • 人造基因控制的单细胞——实验室支原体
    • 病毒的生命周期与感染
      • 病毒的生命周期是指病毒从对宿主细胞的识别吸附到最后释放出子代病毒的完整过程
      • 1.吸附
      • 2.侵入
      • 3.复制
      • 4.成熟
      • 5.释放
• 细胞生命的进化
  • 细胞生命的起源
    • ①地球和原始大气层的形成
    • ②有机分子的自然形成
    • ③分子聚合体的形成
    • ④生命初级聚合体的形成
    • ⑤原始细胞的形成
  • 真核细胞的进化
  • 从单细胞向多细胞进化
  • 模式生物
    • 被生物学家选定的用于科学研究，并根据研究结果揭示某种具有普遍规律的生命现象的生物物种就称为模式生物
• 合成生物学与“人造”细胞
  • “Synthia”的诞生过程
    • 美国克雷格·文特尔人工合成蕈状支原体，2010年5月20日science杂志发表该成果，这是地球上第一个由人类制造并能够自我复制的新物种。Synthia意为合成体
  • 简约化的单条，两条染色体酵母诞生
    • 2018年8月，Nature杂志发表了中国科学家覃重军，美国科学家杰夫·博伊克利用合成生物学获得简约染色体的酵母工程菌，这一研究成果是合成生物学领域里新的里程碑
  • 合成生物学与生物安全