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生物奥赛之细胞生物学


江宁高级中学生物奥赛辅导讲义 汪久佳选编

2008 年 12 月

生物奥赛之细胞生物学
一、细胞生物学的发展 1.细胞的发现:1665 年(英)罗伯特.虎克 2.细胞学说的建立:1838 年(德)施莱登提出,1939 年(德)施旺补充。 3.细胞学的发展:显微水平→亚显微水平→分子水平三个层次。 二、细胞的形态与大小 1.细胞

的形状 2.细胞的大小: 显微技术电镜技术中常用的单位是:微米(um 或 u)、纳米(又叫毫微米 nm)和埃(?)。 2 6 9 10 1m=10 cm=10 um=10 nm=10 ? 显微结构:光镜下,放大百~千倍,分辨率 0.2 微米 亚显微结构:电镜下,放大几十万倍,分辩率几个埃。 三、原核细胞和真核细胞 1.原核细胞 2.真核细胞 原核细胞和真核细胞的主要区别 特征 细胞大小 细胞核 原核细胞 很小 (1~10 微米) 无核膜、 无核仁、 有拟核区 (称 “类 核”) DNA 不与蛋白质 结合 一个细胞只有一 条环状双链 DNA 真核细胞 较大(10~100 微米) 有核膜、核仁,形成 完整的细胞核 核内的线状的双链 DNA 与蛋白质结合, 形成染色质或染色 体的结构。一个细胞 有两条以上的染色 体 在细胞周期的 S 期复 制 核内转录,细胞质内 翻译,具有严格的阶 段性和区域性

遗 传 系 统

遗传物质

DNA 复制 的时期 转录与翻 译的时期

无明显的周期性 转录和翻译可以 同时在同一空间 进行

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细 胞 质

细胞器

无内质网、高尔 基体、溶酶体、 线粒体、中心体 无质体,但在蓝 藻和光合细菌中 有原始进行光合 作用的结构 有核糖体 (大小: 70S) 一般无微管、微 丝、 主要由胞质壁组 成 细菌、蓝藻、放 线菌、枝原体等

有内质网、高尔基 体、 溶酶体、 线粒体、 中心体和叶绿体(植 物细胞) 、 中心体 (动 物细胞)

有核糖体(大小: 80S) 有微管、微丝 主要由纤维素组成 真菌、衣藻、绿藻、 动植物细胞等

细胞骨架 细胞壁 实例

(四)真核细胞的亚显微结构 1、细胞膜(细胞质膜) 生物膜:细胞膜和内膜系统(包括核被膜、内质网、高尔基体、溶酶体以及各种小泡和液泡) 以及线粒体膜、叶绿体膜等。 (1)质膜的化学成分 蛋白质(占干重的 20~70%,): 种类很多 外在性蛋白(只与膜的内表面相连,易分离); 内在性蛋白(嵌入双脂质内部,不易分离)。 脂类(30~80%) 磷脂:主要由脂肪酸、磷酸和甘油组成,是兼性分子。 糖质: 类固醇: 糖类:少量多糖主要以糖蛋白和糖脂的形式分布于膜和外侧,不对称。(2) (2)质膜的分子结构——“流动镶嵌模型” 主要特点: 1)流动性——实验:细胞融合。 2)不对称性。 (3)细胞膜的生物学功能 ①将细胞与外环境相隔开来,以维持细胞内微环境的相对稳定; ②积极参与细胞膜与外环境间的物质、能量和信息的交流。

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物质通过质膜进出细胞的方式(跨膜运输): 种类 被 动 运 输 主 动 运 输 其 他 自由扩散 协助扩散 浓度 梯度 载 体 耗 能 物质特 点

主动运输 协 同 运 送 内 吞 作 用 外排作用 同 向 反 向 吞 噬 胞 饮

(4)细胞识别 1.细胞识别:指生物细胞对同种和异种细胞的认识,对自己和异物质的识别。 如抗原和抗体的识别,主要取决于细胞膜上表面的某些受体。 2.信号跨膜传递——细胞通讯 1) cAMP 信号通道 2) 肌醇脂信号通路 (5)细胞连接 细胞连接:在多细胞生物中体内,细胞与细胞之间通过细胞膜相互联系,形成一 个密切相关、彼此协调一致的统一体,称为细胞连接。 种类 紧 密 连 接 动 物 细 胞 之 间 间 隙 连 接 细胞 间隙 无 特点 细胞 膜紧 靠在 一起 有连 接子 作用 防止物质 在细胞间 隙自由扩 散, 起到封 闭作用。 为细胞间 的物质交 换、 化学信 息传递提 供了直接 通道。 分布 上皮细 胞及内 皮细胞 之间 上皮组 织、平 滑肌和 心肌组 织中。

2~4 nm

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粘 合 带

15~20 nm

一般 为于 紧密 连接 下方。 钮扣 样连 接, 有 胞质 斑和 中间 纤维。 胞间 连丝 之间 的细 胞壁 是不 连续 的。

具有机械 支持作用。

上皮组 织细胞 间。

桥 粒

25 nm

起支持作 用, 使组织 具有更强 的抗张力 和抗拉能 力。 物质与信 息交流的 通道, 对于 调节植物 体的生长 和发育具 有重要作 用。

主要存 在于上 皮细胞 之间。

植 物 细 胞 之 间

胞 间 连 丝

直径 为 20~40 nm 的 管状 结构

植物细 胞之间

2.细胞质:细胞质包括细胞基质和细胞器。 (1)细胞质的基质:半透明的胶状物质。 I. 化学成分: 小分子: 水、无机离子等 中等分子:资料、氨基酸、核苷酸等 大分子: 蛋白质、核酸、脂蛋白、多糖。 II. 生物学功能: 1) 代谢的场所; 2)维护正常环境,提供代谢底物。 (2)细胞器 ①线粒体:半自主性细胞器。 能以分裂的方式繁殖自己,有自己的连续性。 化学成分:蛋白质和脂类、少量 DNA 和 RNA。标志酶有单胺氧化酶(外膜)、细胞色素氧 化酶(内膜)、腺苷酸氧化酶(膜间隙)、苹果酸脱氢酶(线粒体基质)。 结构:外膜:通透性大 内膜:对物质有高度的选择通透性。存在电子传递链 (呼吸链)。 膜间隙:充满可溶性糖、反应底物以及辅酶因子等。
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基粒:包括头部、膜部和柄部。 基质:含脂类、蛋白质、核糖体、DNA 和 RNA。 功能:是糖、脂肪和氨基酸最终氧化放能的场所。 关于 ATP 的形成机制,目前公认的是“化学渗透假说”。 催化 DANH 氧化呼吸链 产生 3 个 ATP/传递 2 个电子 催化 FADH 氧化呼吸链 产生 2 个 ATP/传递 2 个电子 Ⅳ、复制:半保留方式,复制时间与核 DNA 不同,在核分裂前期(G2),与线粒体分 裂增殖有关。 Ⅴ、起源: 内共生假说: 来源于细菌, 在细菌与前真核生物长期的共生过程中提供演化而成。 分化假说:质膜内陷后分化形成。 ②叶绿体:半自主性细胞器。 I. 化学成分:含脂类、蛋白质、核糖 体、少量 DNA 和 RNA。 II. 结构: 外膜:通透性大 内膜:对物质有高度的选择通透性。 膜间隙:充满可溶性糖、反应底物以及辅酶因子等。 基粒:两层膜,扁平状,分基粒类囊体和基质类囊体。类囊体膜称光合膜 (表面有 ATP 合成酶),是光能向化学能转化的场所。 基质: 有油滴和核糖体。存在 DNA 纤维(双链环状)、可溶性蛋白(酶) 等。 III. 功能:光合作用的场所。光反应在叶绿体的类囊体上进行,暗反应 在叶绿体的基质中完成。 IV. 起源:内共生说(祖先是蓝藻或光合细菌)和分化假说。 ③内质网(ER) I. 化学成分:脂类、蛋白质和 RNA。 II. 结构:由一个单位膜组成的性状、大小不等的扁平囊、小囊及小管连接而 成的一个的网状结构。 III.种类:粗面型内质网和滑面型内质网 IV. 功能: *蛋白质的合成与运输——粗面型内质网; *蛋白质的加工——糖基化; *脂类代谢与糖类代谢——滑面型内质网 *解毒功能——滑面型内质网的酶,对有毒物质进行氧化、羟化。 ④核糖体
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I.主要成分:蛋白质(40%)和 RNA(60%)。 II.结构:由大亚基和小亚基组成。 III.功能:蛋白质合成的场所。 IV.分类:根据沉降系数分为两种,列表比较如下: 存在 70S 型 原核细 胞和线 粒体、 叶 绿体基 质 真核细 胞 小亚基 30S (16S、rRNA、 蛋白质) 大亚基 50S (23S、 5S、 rRNA、 蛋白质)

80S 型

40S (18S、rRNA、 蛋白质)

60S (28S、 5.8S、 5S、 rRNA、蛋白质)

⑤高尔基复合体 I.化学成分:脂类、蛋白质和多糖。标志酶是糖基转化酶。 II.结构:有极性,呈弓形。 III.功能: * 为细胞提供一个内部的运输系统; * O-连接糖基化作用,对蛋白质和脂类物质进行加工、修饰; * 参与细胞壁的形成。 ⑥溶酶体 1) 化学成分:脂类和蛋白质。标志酶是酸性磷酸酶。 2) 结构:一个单位膜围成的球状体。 3) 根据发育程度分为 I. 初级溶酶体: II.次级溶酶体: III.三级溶酶体: 4)功能: * 参与细胞内的正常消化作用; * 自体吞噬作用; * 自溶作用。 ⑦圆球体和糊粉粒 1)形态、结构:有一个单位膜围成的球状体。 2)功能:都具有消化作用;圆球体能贮存脂肪,糊粉粒是蛋白质贮存的场所。 3)存在:植物细胞内。 ⑧微体 1)形态、结构:单位膜维持的圆球状、椭球形、卵圆形或哑铃形的结构。 2)分类和功能:
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根据酶的活性分 过氧化物酶体:分解过氧化物,执行光呼吸功能; 乙醛酸循环体:分解过氧化物,参与糖异生作用。 ⑨液泡与液泡系 1)形态、结构:一层单位膜围成的泡状结构。植物细胞中大,动物细胞中小。 2)化学成分:无机盐、糖类、脂类、蛋白质、酶、树胶、丹宁、生物碱等。 3)功能: 维持细胞紧张度; 贮藏各种物质; 吞噬和消化细胞内破坏的成分(植物细胞自溶)。 各种细胞器的功能比较 细 胞 器 ① 线 粒 体 ② 叶 绿 体 ③ 核 糖 体 ④ 内 质 网 形态结构 主要成分 在细胞中的功 能 呼吸作用的主 要场所 存 在 动 植 细 胞 植 物 细 胞 动 植 细 胞 动 植 细 胞

棒状、粒状, 有嵴、基质和 基粒的双膜细 胞器 椭球状、球状, 无嵴,有基质 和基粒的双膜 细胞器 颗粒状的非膜 细胞器

磷脂、蛋白 质、酶,少 量的 DNA 和 RNA 基粒的片 层结构薄 膜上有色 素,其余同 上 rRNA、蛋白 质和酶

光合作用的场 所

合成蛋白质的 场所

单膜组成的性 状、大小不等 的扁平囊、小 囊及小管连接 而成的网状结 构。 囊状、泡状的 单膜细胞器

脂类、蛋白 质和 RNA

蛋白质合成与 运输、 加工的场 所; 脂类代谢与 糖类代谢场所; 解毒。 与植物细胞细 胞壁和动物细 胞分泌物有关

⑤ 高 尔 基 复 合

磷脂、蛋白 质、酶

动 植 细 胞

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体 ⑥ 溶 酶 体 ⑦ 圆 球 体 糊 粉 粒 ⑧ 微 体 细 胞 器 ⑨ 液 泡 单膜围成的球 状体 脂类和蛋 白质 参与细胞内的 正常消化作用; 自体吞噬作用; 自溶作用。 都具有消化作 用; 圆球体能贮存 脂肪, 糊粉粒是蛋白 质贮存的场所。 动 物 细 胞 植 物 细 胞

有一个单位膜 围成的球状体

脂类和蛋 白质

一层单位膜围 成的泡状结构 形态结构 主要成分 在细胞中的功 能 保持细胞一定 的紧张度, 与细 胞渗透吸水有 关。 能使植物细 胞自溶。 存 在 植 物 细 胞

成熟植物细胞 质中的大型泡 状单膜结构

液泡膜由 磷脂、蛋白 质组,细胞 液富含有 机酸、生物 碱、色素糖 类、蛋白质 等 微管蛋白、 酶

⑩ 中 心 体

由位于细胞核 附近的两个互 相垂直的中心 粒组成的非膜 细胞器

与细胞有丝分 裂时纺锤体的 形成有关

动 物 低 等 植 物 细 胞

内膜系统:真核细胞内结构、功能或彼此相关的膜围绕的细胞器或细胞结构。包括内 质网、高尔基复合体、溶酶体和细胞核。 生物膜系统:细胞膜、核膜以及内质网、高尔基复合体、线粒体等由膜围绕而成的细 胞器,在结构和功能上都是紧密联系的统一整体,它们形成的结构体系称为细胞的生物膜 系统。主要作用如下:
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维持细胞内环境的相对稳定,在细胞与环境之间进行的物质运输、能量 交换和信息传递的过程中也起决定作用; 为各种化学反应的顺利进行创造了有力条件 (膜面积大、 酶附着点多) ; 生物膜将细胞分隔成小区室(如细胞器),使多种反应同时进行而互 相不干扰,保证了生命活动的高效性、有序性。 3.细胞核 (1)核膜:也称核被膜,有核膜孔。 (2)染色质(体):易被碱性物质染成深色的物质。真核细胞中的核小体上构成染色质 的基本单位,主要 DNA 和组蛋白组成,此外还有少量的 RNA 和非组蛋白。 (3)核仁:球状小体。 结构:颗粒成分、纤维成分、染色质和基质。 功能:是核糖体 RNA 火车及核糖体亚单位前体组装的场所,与核糖体的生物 发生密切有关。 (4)核基质(核液):间期核内非染色或染色很浅的基质称核内质。 成分:蛋白质、RNA、酶。 4.细胞骨架:真核细胞中,由蛋白质和纤维构成的网架体系。 主要包括:细胞膜骨架、细胞质骨架和细胞核骨架。 主要功能:对维持细胞形态、细胞运动、物质运输、细胞增殖及分化等具有重要作用。 (1)细胞膜骨架:指细胞膜下由蛋白质纤维组成的网架结构。 结构特点:一方面与膜蛋白质结合,另一方面又与细胞质骨架相连。 主要功能:参与维持细胞膜的形态,并协助细胞膜维持某些生理功能。 (2)细胞质骨架:存在于细胞质中。 主要包括:微管、微丝和中间纤维。 种 类 微 管 形态结 构 中空的 圆筒状, 直径 18-25nm 主要 成分 微管 蛋白 功能 对细胞的支架作用 (神经 细胞中的微管与支持和 神经递质的运输有关); 参与细胞内的运输; 参与鞭毛和纤毛的运动 (组成纤毛、鞭毛); 构成有丝分裂器, 参与染 色体运动。 与肌肉的收缩密切有关 (肌原纤维是肌细胞收 缩的单位); 参与细胞质运动和细胞 移动(与变形运动有关, 如巨噬细胞、 变形虫等) ;
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分布 微 管、 纤 毛、 鞭 毛、 中心 粒等 微 管、 纤 毛、 鞭 毛、

微 丝

细小的 纤维, 直 径约 7nm,呈 网状排 列在细

肌动 蛋白 (肌 动蛋 白纤 维)

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胞膜下。

形成胞质分裂环 (动物细 胞分裂时的缢裂有关); 维持微绒毛的形状 (微丝 起支架和维持细胞的形 状有关)。 蛋白 质 与微管、 微丝一起形成完 整的骨架系统, 对细胞起 支撑作用; 参与桥粒的形成, 对细胞 内外的信息传递可能起 作用作用; 在不同的组织这中间纤 维的蛋白质成分不同, 功 能各异, 中间纤维蛋白的 表达与细胞分化有关。

中心 粒等

中 间 纤 维

粗细介 于微管 和微丝 之间, 平 均直径 约 10nm。

微 管、 纤 毛、 鞭 毛、 中心 粒等

(3)细胞核骨架:以蛋白质为主要结构成分的网架系统。 定义:狭义的核骨架指核基质;广义的核骨架包括核基质、核纤层和核孔复合体。 包括:核基质、核纤层、核孔复合体。 功能:为 DNA 复制提供空间支架;对 DNA 超螺旋化的稳定起重要作用。 化学成分 核基质 非组蛋白性的纤维蛋白、少量 DNA。 功能 对 DNA 复制提供空间 支架,在基因表达调 控方面也有作用。 与核被膜、染色质密 切相连,为核被膜和 染色质提供支架。

核纤层

核纤层蛋白(与中间纤维同源)

(4)鞭毛和纤毛:是动物或低等植物细胞表面的特化结构。 形态结构: 鞭杆:9+2(二联体微管) 基体:9+0(与中心粒相同) 功能:运动。 五、细胞增殖 1.有丝分裂 (1)分裂间期:为分裂期作物质准备。 包括 G1 期:合成 DNA 前身物质、DNA 聚合酶和合成 DNA 必须的其他酶系。 S 期:DNA 的复制,是细胞增殖的关键时期。

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G2 期:DNA 的合成终止,但还有 RNA 和蛋白质的合成,为分裂期纺锤体微管 的组装提供原料。 (2)分裂期(M 期):是一个连续的过程,保证了将 S 期复制的 DNA 分子平均分配。 分为 前期:两现两消一散乱。 中期:赤道板上着丝点,染色体形、数最明显。 后期:点裂,单体分开移两极。 末期:两消两消,胞质分裂。 动植物细胞有丝分裂的区别: 前期:动物细胞的两对中心粒周围出现星体,开始形成纺锤体微管(纺锤丝)。 末期:动物细胞在核分裂后期形成中体,赤道板处出现环状缢裂,细胞一分为二。 植物细胞核分裂后期赤道板周围的微管增多,形成膜体、膜质,而后形成细胞 板,发育为细胞壁。 2.减数分裂 减数分裂前间期:与有丝分裂基本相同,但 S 期时间较长。 (1)第一次分裂 ①前期Ⅰ:细线期:还看不出两条染色单体。 (时间长)偶线期:同源染色体配对。 粗线期:非姐妹染色单体交叉互换。 双线期:同源染色体分离。 终变期:核仁消失、核膜解体。 ②中期Ⅰ:配对的同源染色体(二价体)排列在赤道板上。 ③后期Ⅰ:二价体中两条染色体随机组合后分别移向细胞的两级。 ④末期Ⅰ:核膜、核仁重新出现,胞质分裂后形成两子细胞。 减数分裂间期:时间短(或无间期),无 DNA 的复制。 (2)第二次分裂 ①前期Ⅱ:时间短。 ②中期Ⅱ:染色体排列在赤道板上。 ③后期Ⅱ:两条染色单体分开移向细胞的两级。 ④末期Ⅱ:染色体解螺旋,核膜、核仁出现,胞质分裂。 3.无丝分裂(略) 六、细胞分化 1.概念:在个体发育中相同细胞的后代在形态、结构和生理功能上方式稳定性差异过程称 细胞分化。 2. 细胞分化的原理 (1)细胞的全能性:指已分化的细胞仍然具有发育的潜能。 1) 高度分化的植物组织具有发育成完整植株的潜能,保持着发育的全能性。

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如: 组织培养——1958 年美国科学家将胡萝卜韧皮部的一些细胞进行培养, 由于 分化而最终发育成完整的新植株。 2)动物细胞的分化程度提高,它的细胞全能性受限制,但是细胞核仍保持着全能性, 这是因为细胞核那含有保持物种遗传性所须要的全套遗传物质。 如: 动物克隆——1997 年英国科学家首次用 A 羊去核的卵细胞与 B 羊的乳腺上皮 细胞核融合后,移入 C 羊的子宫发育,能成功的得到了科隆羊“多莉”。 3. 细胞质、细胞核及外界环境对细胞分化的影响 (1)细胞质在细胞分化中的作用 细胞质的分裂是不均等的,在一定程度上决定了细胞的早期分化。 (2)细胞核在细胞分化中的作用 细胞核是真核细胞遗传信息贮藏场所,它可以通过控制细胞质的生理代谢活动来控 制细胞的分化。 (3)外界环境对细胞分化中的影响 在多细胞生物幼体的富裕过程中,环境中的激素作用能引发和促进细胞分化。 4. 癌细胞:由于受到致癌基因的作用,不能正常完成细胞分化,而变成了不受机体控制 的、连续进行分化的恶性增殖细胞。 癌细胞是由于致癌基因激活,细胞发生转化引起的。 (1)癌细胞的主要特征: 1)无限增殖; 2)接触抑制现象丧失; 3)细胞间的粘着性降低,易分散和转移; 4)易于被凝集素凝集; 5)粘壁性下降; 6)细胞骨架结构紊乱; 7)产生新的膜抗原; 8)对生长因子需要量降低。 (2)致癌因子及癌基因学说 致癌因子:凡能引起细胞发生癌变的因子。分三类: 1)物理致癌因子:主要指辐射致癌。 2)化学致癌因子:如砷、苯、煤焦油等。 3)病毒致癌因子:已发现 150 多种病毒。 癌基因学说认为:病毒对细胞的致癌作用是由于病毒基因组中的癌基因引起的。如果 细胞癌基因受阻,则细胞能正常发育;在各种致癌因子的作用下,细胞癌基因被激活而使 细胞发生癌变。 5. 细胞的衰老:细胞衰老过程是在细胞生理和生化发生复杂变化的过程。 细胞衰老的主要特征是: 1) 在衰老的细胞内水分减少,细胞萎缩,体积变小,新陈代谢减慢。 2) 衰老的细胞内酪氨酸酶活性降低,导致头发变白。

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3) 细胞内的色素会随着细胞的衰老而逐渐积累;细胞内脂褐素占的面积增大, 阻碍了细胞内物质的交流和信息的传递,影响到细胞的正常功能,最后导 致细胞衰老和死亡。 4) 衰老的细胞内呼吸速度减慢,细胞体积增大,染色质固缩、染色加深。 5) 细胞膜通透功能改变,使物质运输功能降低。 6. 基因的选择表达 1)基因结构: 包括 非编码区(启动子、终止子) 编码区(转录区) 真核细胞基因结构比原核细胞复杂: I.编码区是间隔、不连续的; II.编码区能编码蛋白质的序列称外显子,不能编码蛋白质的序列称内含子。 2) 基因表达的调控 I.原核生物基因表达的调控——1965 年法国科学家雅克布和莫若提出的“乳糖代 谢基因表达学说”。 II.真核生物基因表达的调控 编码基因分类: 官家基因——维持细胞生存必需的基因,在各类细胞中处于活动状态。 奢侈基因——在不同的组织中选择表达的基因,与与分化细胞的特殊性状有关, 对细胞的生存没有直接影响。

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