高中生物竞赛细胞的生活

1第三章细胞的生活一、细胞增殖及其调控1.细胞增殖的意义：（1）是多细胞生物体生长发育和繁殖的基础。（2）是单细胞生物产生新个体的方式。（3）更新衰老、凋亡和损伤的组织细胞。细胞增殖是生命最为重要的特征之一。细胞增殖包括物质准备和细胞分裂两个连续的阶段，共同构成细胞周期细胞周期过程中至少涉及3个需要解决的根本问题：细胞分裂前遗传物质DNA精确的复制；完整复制的DNA在细胞分裂过程中准确分配到两个子细胞；对物质准备与细胞分裂两个阶段进行有序、严密的控制一、细胞周期的概述：1.细胞周期的研究方法细胞显微形态分析细胞分裂的显微形态观察（引自Karp，2010）细胞周期蛋白表达分析：通过温度敏感突变体克隆到芽殖酵母的3个G1期周期蛋白，即Cln1，Cln2和Cln3。将编码上述3个周期蛋白的基因敲除以后，细胞不能通过G1期最终导致死亡，说明Cln与细胞周期从G1期向S期的运转有关。流式细胞术可以精确地测量细胞周期，并且能够分析细胞种类、DNA、RNA、蛋白质的含量以及这些物质在细胞周期中的作用，在细胞周期调控研究中被广泛应用。22.细胞周期的生化事件：（1）G1phase:合成与DNA复制相关的蛋白质（RNA）。（2）Sphase:合成DNA和组蛋白。（3）G2phase:合成少量的蛋白质（RNA）。（4）Mphase:核分裂和胞质分裂。3.基于细胞分裂情况的细胞类型：（1）周期中细胞（Cyclingcells）连续分裂的细胞，包括各种类型的干细胞。（2）G0细胞正常条件下不分裂，但是在合适的刺激下分裂，例如：肝细胞、淋巴细胞。（3）终端分化细胞高度特化的细胞，丧失了分裂的能力。例如：肌肉细胞、红细胞、神经细胞等。4.细胞周期的调控(1)细胞周期中的检验点细胞周期控制系统引发了细胞周期的主要过程。细胞周期控制系统可以将细胞周期限制在特定的检验点上。检验点控制的特点：（1）对DNA损伤能作出迅速的反应，在基因组未造成不可逆损伤之前及时阻断细胞周期的进行；（2）把损伤信号放大到足够的水平，阻断细胞周期(2)细胞周期的调控的研究最初的认识来自于一系列的细胞融合实验，证明S期细胞胞质中含有刺激G1期细胞起始DNA复制的因子，而已完成复制的G2期细胞核不再对S期细胞胞质中的起始因子有反应。M期细胞与G1、S和G2期细胞融合诱导早熟染色体凝缩（PCC），表明M期细胞中含有刺激细胞进入分裂的因子(MPF)。3细胞周期蛋白cyclin特点：在细胞周期中呈周期性变化。作用：激活和引导CDK作用于不同底物。主要有两类：G1期周期蛋白（在G1/S期转换中起作用）、M期周期蛋白（在G2/M期转换中发挥作用）。CDK激酶细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)在与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，故名。CDK可磷酸化特定的底物蛋白，例如：Cdc2（CDK1）可将:核纤层蛋白磷酸化，导致核纤层解体、核膜消失；组蛋白H1磷酸化，导致染色体的凝缩等。哺乳动物细胞周期中，不同的细胞周期蛋白和Cdk之间的结合4所有的真核细胞中必须的三类周期蛋白：（1）G1/S-cyclins在G1末期和Cdks结合，引发DNA复制。（2）S-cyclins在S期和Cdks结合，对起始DNA复制是必须的。（3）M-cyclins促进了有丝分裂事件的进行。二、有丝分裂１.前期：染色质浓缩、变短变粗；两条染色单体以着丝粒相连，并装配动粒；动物细胞中心粒分开，确定分裂极；核仁、核膜解体。中心体周围开始组装微管，并向细胞的两极移动。中心体在G1期末开始复制；S期细胞已经含有1对中心体；G2期时开始分离，向细胞的两极移动。5高尔基体、内质网等解体成为囊泡；其他膜性细胞器保持相对完整。动粒组装。２.前中期：核膜解体(以小膜泡的形式分散到细胞质中)，标志前中期开始。核纤层、核骨架也随之解体；染色体进一步浓缩，变短变粗，形成X型结构；着丝粒上的动粒逐渐成熟；纺锤体装配逐渐成熟，星体微管与动粒联结形成动粒微管。纺锤体微管捕获染色体动粒在S期复制，每条中期染色体上含有2个动粒，经分裂被分配到两个子细胞中。纺锤体主要由微管和微管结合蛋白组成，组成纺锤体的微管分为3种类型：星体微管、动粒微管、极微管、３.中期：从染色体排列到赤道板上到向两极移动。４.后期：两条姊妹染色单体在纺锤体微管的作用下，向两极运动。6５.末期：染色单体到达两极，动粒微管消失，极性微管加长；染色单体去浓缩；核膜、核仁重新装配；两个子代细胞核形成。６.胞质分裂：开始于后期，完成于末期。整个过程包括４个步骤：分裂沟的确立；肌动蛋白聚集和收缩环的形成；收缩环收缩；收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞。收缩环：肌动蛋白和肌球蛋白组装而成，形成胞质分裂的力量。高等植物细胞中通过成膜体指导胞质分裂三、减数分裂前减数分裂间期：S期较长，有0.1-0.3%的DNA未复制（在前期I的偶线期合成，与联会有关的zygDNA）减数分裂分裂期：两次连续的分裂（减裂I和减裂II）1.减裂I——前期：时间较长，可长达数周、数年、甚至数十年，染色体也表现出相当复杂的形态变化，又分为五个时期细线期：染色质凝集偶线期：同源染色体配对，二价体（四分体），联会，偶线期DNA的合成。粗线期：等位基因进行交换和重组；合成P-DNA(编码DNA切口和修复的酶)；合成组蛋白，替代体细胞类型的组蛋白。有rDNA扩增现象。双线期：同源染色体分离，保留交叉。该时期可持续较长时间。有转录、蛋白合成等事件发生。(该时期能维持较长的时间，如灯刷染色体)终变期：染色体凝集，交叉端化，同源染色体仅在端部和着丝粒联结7二、细胞的分化：(1)多细胞生物体的不同细胞类型含有相同的DNA。(2)细胞通过基因表达的改变来应答外界信号。(3)不同细胞类型具有不同的mRNA表达模式。(4)不同的细胞类型所合成的蛋白质也不相同。(5)基因表达可以在遗传信息从DNA到RNA直至蛋白质的不同步骤中被调控。胚胎发育依赖于四种基本细胞活动：细胞增殖：增加细胞数量细胞特化：分化成特定类型的细胞细胞相互作用：协调相邻细胞的行为细胞运动：在胚胎期更加明显，包括细胞收缩、伸展、重排及其迁移等。在多细胞生物体中存在着细胞分化Human:1014cells,200celltypes原因：细胞分化并非由于某些遗传物质丢失造成的，而是与基因选择表达有关。一般说来，体内各种细胞均含有物种的全部基因。但是在细胞中表示全部基因都在活动，在任何时间一种细胞的基因组只有一少部分基因在活动。单一序列基因进行表达的只占基因组中全部基因的5%--10%。这些表达的基因大致可细胞的编码基因分为两类：管家基因和奢侈基因。管家基因：是维持细胞生存必需的一类基因，在各类细胞中都处于活动状态。例如为核糖体蛋白、线粒体蛋白、糖酵解酶编码的基因。奢侈基因：是在不同组织细胞中选择表达的基因，与分化细胞的特殊性状直接相关，这类基因的丧失对细胞生存没有直接影响。目前一般认为，细胞分化主要是奢侈基因中某些特定基因有选择地表达的结果。如血红蛋白基因、皮肤角蛋白基因等。这些奢侈基因的表达，合成了组织专一蛋白产物，例如表皮的角蛋白基因表达，指导合成了表皮细胞特有的角蛋白。像这种不同种类细胞的基因选择活动的现象称为基因的选择表达。影响细胞分化的因素：胞外信号、细胞记忆和决定、受精卵细胞质的不均一性、细胞间的相互作用与位置效应、环境对性别决定的影响、染色质变化和基因重排。细胞的分化潜能：全能性、多能性和单能性受精卵能够分化出各种细胞、组织，形成一个完整的个体，所以把受精卵的分化潜能称为全能性。随着分化发育的进程，细胞逐渐丧失其分化潜能。从全能性到多能性，再到单能性，最后失去分化潜能成为成熟定型的细胞。植物的枝、叶、根都有可能长成一株完整的植株，细胞培养的结果也证明即使高度分化的植物细胞也可以培养成一个完整的植株，因此可以说绝多数植物细胞具有全能性。8干细胞（stemcell）：通俗的讲，干细胞是指尚未发育成熟的细胞。它具有在省委各种组织、器官的潜能，医学界称其为“万用细胞”。干细胞是来自胚胎、胎儿、成体内的，在一定条件下具有自我更新与增殖分化的能力的一类细胞，能产生表现型与基因型和自己完全相同的子细胞，也能产生组成机体组织、器官等特化的子细胞。干细胞的分类：按细胞分化的潜能大小分类：全能干细胞（totipotentstemcell）多能干细胞（pluripotentstemcell）单能干细胞（unipotentstemcell）按发生来源分类：胚胎干细胞（Embryonicstemcell,ES细胞）成体干细胞（Adultstemcells）胚胎干细胞：ES细胞是从早期胚胎内细胞团（Innercellmass,ICM）分离出来并建立成功的细胞，具有发育全能性，理论上可以诱导分化为机体中所有的细胞（ESC）。存活5-7天的胚胎大约有140个细胞组成呈空心圆球状，成为囊胚。其外层组织为滋养层，胚泡中心的腔称“胚囊腔”，腔内一层的细胞群即“内细胞团”。胚胎干细胞：ESC的用途主要有：①克隆动物，由体细胞作为核供体进行克隆动物生产，虽然易于取材，但克隆动物个体中表现出严重的生理或免疫缺陷，而且多为致命性的；②转基因动物，以ESC细胞作为载体，可大大加快转基因动物生产的速度，提高成功率；③组织工程，人工诱导ESC定向分化，培育出特定的组织和器官，用于医学治疗的目的。三、细胞的癌变1.癌细胞的基本特征：(1)生长分裂失去控制(2)具有浸润性和扩散性(3)比正常细胞或者良性肿瘤细胞分化程度低。(4)具有高度异常的染色体组成——非整倍体。(5)体外培养中丧失接触抑制。(6)mRNA的表达谱及其蛋白表达谱或蛋白活性改变，例如：肝癌细胞表达肝胚细胞中的甲胎蛋白。9原癌基因与抑癌基因：原癌基因（proto-oncogene）是细胞的正常基因，多编码控制细胞周期、细胞凋亡、细胞增殖的各种调控因子和活性蛋白，是细胞正常功能所必需。原癌基因产物：生长因子、生长因子受体、信号转导组分、细胞周期蛋白、细胞凋亡调节蛋白、转录因子抑癌基因（anti-oncogene）：发现：有一类基因的失活也能引起癌变。a.视网膜母细胞瘤是由于Rb基因突变失活而引起的；b.p53基因：50％的肿瘤中发现p53的突变；作用：细胞周期调控；促进细胞凋亡；维持遗传稳定性（p53突变使细胞逃脱DNA损伤的监控系统而进入分裂）抑癌基因的产物主要包括：（1）转录调节因子：如Rb、p53；（2）负调控转录因子：如WT；（3）周期蛋白依赖性激酶抑制因子（CKI），如p21；（4）信号通路的抑制因子：rasGTP酶活化蛋白（NF-1）；（5）DNA修复因子：如BRCA1、BRCA2；抑癌基因的作用：抑制增殖和迁移；促进分化。癌症形成的多步迁延说：癌基因的激活→抑癌基因的丢失→端粒酶的表达→血管生成→肿瘤转移原癌基因的激活:基因本身或其调控区发生变异，导致基因的过表达，或产物蛋白活性增强，使细胞过度增殖，形成肿瘤。主要类型：点突变、基因扩增、基因重排、病毒插入。10四、细胞的衰老和死亡1.细胞衰老细胞衰老的特征:（１）细胞核：体积增大；核膜内折；染色质固缩化（２）内质网：粗面内质网减少（３）线粒体：数量减少，体积增大（４）致密体生成：由溶酶体或线粒体转化而来（５）膜系统：液晶相→凝胶相（固相）；膜蛋白运动→不运动；膜的选择性透性降低。细胞衰老的分子机制:（１）氧化性损伤：代谢中产生的活性氧基团或分子,引发大分子的氧化性损伤并积累，最终导致衰老。清除ROS，可延长寿命；SOD基因抗氧化，但似乎与寿命无关；线虫中age1，clk１基因能明显延长寿命。（２）端粒与衰老：随着细胞的每次分裂，端粒不断缩短，当端粒长度缩短达到一个阈值时，细胞就进入衰老。（３）rDNA与衰老：rDNA成环，并不断累积。（４）沉默信息调节蛋白(Sir)复合物与衰老：Sir抑制DNA转录，与核仁的结合，可延长寿命。（５）SGS1基因、WRN基因与衰老：属解旋酶基因，与核仁结合，抑制衰老。2.细胞凋亡:细胞凋亡(apoptosis)是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程。由于它受