第二章细胞工程的理论基础.

第二章细胞工程的理论基础生物科学与技术学院细胞是生物体的基本结构单位和功能单位，单细胞生物，一个细胞就是一个个体，而多细胞生物则由许多细胞成一个个体。我们所看到的大多数生物体都是由多细胞所组成。在多细胞生物体中，由形态结构相似的细胞再组成组织，执行着生物体中的部分功能。第一节细胞组成细胞组织器官生命体细胞是生命活动的基本单位细胞是生命的基本结构单位，所有生物都是由细胞组成的；细胞是生命活动的功能单位，一切代谢活动均以细胞为基础；细胞是生殖和遗传的基础与桥梁；具有相同的遗传语言；细胞是生物体生长发育的基础；细胞是生命起源的归宿，是生物进化的起点；没有细胞就没有完整的生命（病毒的生命活动离不开细胞）非细胞形态的生命体—病毒，病毒已发现3000种（含40000亚种）包括：真病毒（virus）：DNA或RNA与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体。类病毒（viroid）：感染性的RNA构成，发现约20余种。朊病毒（prion）：仅由有感染性的蛋白质构成。病毒核酸有不同类型，但只有DNA或RNA其中之一。细胞的大小和形态各类细胞大小的比较细胞类型直径大小（um）支原体0.1-0.3细菌1-2动物植物10-100（多数20-30）原生动物100例外，如卵细胞就特别大，鸵鸟卵细胞直径为5cm，鸡卵细胞为2～3cm，人卵细胞为200μm；有些神经细胞的突起可长达1m，但细胞体的直径不会超过100μm；小型白细胞的直径只有3～4μm，人的红细胞的直径为7μm。细胞的形态酵母菌植物纤维细胞植物表皮细胞精子细胞的分子组成无机物：无机盐、水、碳酸盐、一氧化碳、二氧化碳等有机物：蛋白质-酶（聚合酶、解螺旋酶）和细胞骨架（糖蛋白、脂蛋白）核酸-遗传物质（DNA和RNA）糖类-遗传物质（五碳糖）、能量（六碳糖）、细胞骨架（淀粉、纤维素）和表面抗原（脂多糖）脂质-能量（甘油酯）、表面抗原（糖脂）、细胞膜骨架（胆固醇）细胞的结构组成根据细胞的内部结构，可将生物界的细胞分为两大类，即原核细胞和真核细胞。细菌、蓝藻和放线菌等由原核细胞构成的有机体称为原核生物，几乎所有的原核生物都由单个原核细胞构成。而由真核细胞构成的有机体则称为真核生物。原核细胞（prokaryotic）的形态结构基本特点：A.主染色体为一个环状裸露DNAB.无核膜C.无膜系构造细胞器D.以无丝分裂繁殖纤毛细胞壁拟核鞭毛核糖体质膜内含物细菌结构模式图真核细胞（eukaryotic）的形态结构三大结构体系：生物膜系统-质膜、内膜系统（细胞器）遗传信息表达系统-染色质(体)、核糖体、mRNA、tRNA等细胞骨架系统-胞质骨架、核骨架微丝叶绿体线粒体质膜液泡细胞核内质网微管细胞壁高尔基体植物细胞模式图动物细胞模式图微丝微管质膜线粒体中心体细胞核溶酶体内质网高尔基体真核细胞包括植物细胞和动物细胞两大类叶绿体溶酶体中心体液泡一、细胞膜结构模式a：自由扩散（无需膜蛋白协助）b：通过通道的被动转运c：载体协助的被动转运（只能高→低）【通道不与被运输的物质结合】d：主动转运（必须载体协助；能够由低→高）被动转运细胞膜的物质运输方式细胞膜的渗透性细胞的水平衡：取决于水势差和水通道的通透性。植物细胞由于细胞壁的保护，膨胀后不至于破裂。思考：下图为物质出入细胞膜的示意图，请据图回答（1）A代表分子；B代表；D代表。（2）细胞膜从功能上来说，是一层膜。（3）动物细胞吸水膨胀时B的厚度变小，这说明B具有。（4）在a－e的五种过程中，代表被动运输的是。细胞膜的功能1、界膜与区室化：细胞边界，胞内区室，如细胞核、线粒体、叶绿体2、调节运输：物质运输的选择性，主动运输或被动运输3、功能定位与组织化：固定细胞内胞器结构并形成相互作用的系统，如线粒体内膜具有进行氧呼吸电子传递功能；叶绿体类囊体膜能够捕获光子并传递电子。4、信号检测与传递：细胞膜通过对外界环境的化学信号和电信号的捕获，传递给内部信号，同时细胞膜表面的各种蛋白质（糖蛋白，脂蛋白等）能够作为异源物的特异性配体进行信号传递。5、参与细胞间相互作用：细胞膜具有身份识别能力，表面大量的蛋白质和多糖相当于身份ID，细胞与细胞之间的识别靠这些ID进行。6、能量转化：同3二、细胞核的结构细胞核核膜：大分子通过核孔进出核仁：与核糖体合成有关染色（质）体：遗传物质的主要载体1．细胞核是遗传物质储存和复制的场所；2．是细胞遗传特性和细胞代谢活动的控制中心；细胞核的功能原核细胞与真核细胞在细胞核结构上的区别细胞类型细胞大小核膜核仁染色体线粒体原核细胞较小无无无无真核细胞较大有有有有细胞类型质体内质网核糖体高尔基体中心体原核细胞无无有无无真核细胞有有有有有原核细胞与真核细胞在细胞核周质结构上的区别染色体结构染色质一级结构：核小体连接而成，形似串念珠,外经11nm.染色质二级结构：螺线管，外经30nm,核小体串珠链螺旋盘绕，每圈6个核小体.染色质三级结构：超螺线管，圆筒状结构，直径0.4μm。染色质四级结构：中期染色单体.三、线粒体的结构主要功能：线粒体是细胞进行氧化呼吸，产生能量的地方。在线粒体中进行的代谢途径主要有：1、三羧酸循环2、氧化磷酸化3、参与脂肪酸代谢线粒体的半自主性1963年M.&S.Nass发现线粒体DNA。①环形DNA；②70S核糖体；③RNA聚合酶；④tRNA和氨酰基-tRNA合成酶；⑤蛋白质合成的起始氨酰基-tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA；线粒体的增殖线粒体来源于已有的线粒体的分裂。1、间壁分离：分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分为两个，常见于鼠肝和植物分生组织中。2、收缩后分离：通过中部缢缩分裂为两个。3、出芽：见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。四、叶绿体的结构绿色植物通过叶绿体（Chloroplast）完成能量转换，利用光能同化二氧化碳和水，合成糖，同时产生氧。绿色植物年产干物质达1014公斤。光合作用是地球上有机体生存和发展的根本源泉。叶绿体：外被（chloroplastenvelope）、类囊体（thylakoid）和基质（stroma）3部分组成。含有3种不同的膜：外膜、内膜、类囊体膜，3种彼此分开的腔：膜间隙、基质和类囊体腔。外被（chloroplastenvelope）双层膜结构，由外膜和内膜组成，膜间为10~20nm的空间，称膜间隙。外膜的渗透性大。内膜对通过物质的选择性很强，CO2、O2、Pi、H2O、等可以透过内膜，ADP、ATP、NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透过内膜，需要特殊的转运体（translator）才能通过内膜。类囊体（thylakoid）膜围成的扁平囊。主要成分是蛋白质和脂类（60：40），不饱含脂肪酸含量高（约87%），膜流动性高。基粒：扁平小囊堆叠而成，每个叶绿体含40~60个。基质类囊体：连接基粒的没有堆叠的类囊体。基质（stroma）是内膜与类囊体之间的空间。叶绿体的半自主性具有自身的DNA及转译体系。因此绿色植物细胞内存在3个遗传系统。叶绿体的DNA不足以编码叶绿体所需的全部蛋白质，因此必须依靠于核基因来编码其余的蛋白质。通过定向转运进入叶绿体的各部分。叶绿体的增殖在个体发育中叶绿体由原质体发育而来。在有光条件下原质体的小泡数目增加并融合形成片层，发育为基粒，形成叶绿体。在黑暗生长时，原质体小泡融合速度减慢，并转变为排列成网格的三维晶格结构，称为原片层，这种质体称为黄色体。在有光下仍可发育为叶绿体。幼小叶绿体能靠分裂而增殖。成熟叶绿体一般不再分裂或很少分裂。第二节细胞周期与细胞分裂细胞周期是指连续分裂的细胞，从一次细胞分裂结束开始到下一次细胞分裂结束为止所经历的整个生命过程称为细胞周期。细胞周期所需要的时间称为细胞周期时间，简写为TCC。细胞周期G1期分裂期（M期）G2期S期间期后期中期前期末期间期(interphase)：从新细胞产生到其开始分裂前的一段时间。G1期(gap1phase)：又叫合成前期，从分裂完成到DNA复制之前的间隙时间。主要合成rRNA、蛋白质、脂类和糖类，在G1期后期，DNA聚合酶的活性大大增加。S期(synthesisphase)：指DNA复制的时期。DNA合成同时还会合成组蛋白、DNA复制所需的酶等。G2期(gap2phase)：DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间。大量合成ATP、RNA、蛋白质，包括微管蛋白、组蛋白、促成熟因子（maturationpromotingfactor，MPF）等。M期又称D期(mitosisordivision)：细胞分裂期。细胞类型TCCTG1TSTG2+M结肠上皮细胞259142直肠上皮细胞4833105胃上皮细胞249123骨髓细胞182124G1期时间细胞周期的长短因细胞种类而异.变化最大，这个时期是调节细胞周期的关键时期哺乳动物不同细胞的细胞周期时间细胞暂时脱离细胞周期处于静止状态。在一定条件下细胞又可重新进入G1期并进行细胞周期的运转。G0期G1SCHECKPOINTG0细胞周期的关卡(CellCycleCheckpoints)G1关卡(靠近G1末期)：主要是监测细胞的大小和营养状态；决定着细胞能否分裂。G2关卡(在G2期结束点)：负责检查细胞的大小、细胞所处的状态及细胞DNA是否复制完成。分裂中期关卡(在分裂中期末)：主要负责监测染色体是否都与纺锤体相连，并已经排列在赤道板上；同时监测促成熟因子（MPF）是否失活，否则不能进入有丝分裂和胞质分裂。在每一个关卡，由细胞所处的状态和环境决定细胞能否通过此关卡进入下一阶段。G0期G1期关卡细胞的三种命运继续增殖细胞暂不增殖细胞永不增殖细胞终端分化细胞（是指那些不可逆地脱离细胞周期，丧失分裂能力，保持生理机能活动的细胞，如神经、肌肉细胞、多形核白细胞等）。周期中细胞（皮肤生发层细胞）；静止期细胞或G0期细胞（为暂时脱离细胞周期，不进行增殖，但在适当刺激下可重新进入细胞周期的细胞，如某些免疫淋巴细胞，肝、肾细胞等，）；细胞分裂的方式有三种：无丝分裂、有丝分裂、减数分裂。无丝分裂(amitosis)：又称直接分裂，1841发现于鸡胚血细胞，不涉及纺锤体形成及染色体变化。有丝分裂(mitosis)：又称为间接分裂，1880发现于植物，1882年发现于动物。涉及纺锤体形成及染色体变化。减数分裂(meiosis）：染色体复制一次，细胞连续分裂两次。有丝分裂（Mitosis)有丝分裂是指整个细胞分裂,包括核分裂和胞质分裂两个过程。核分裂主要是通过纺锤丝的形成和运动，以及染色体的形成，把在S期已经复制好了的DNA平均分配到两个子细胞，以保证遗传的连续性和稳定性。由于这一时期的主要特征出现纺锤丝，故称为有丝分裂。当细胞分裂时，胞内纺锤丝的方向会受到胞外信号的影响，细胞分裂会沿着某一个方向进行，使新产生的细胞定位于某个区域，此现象称定向分裂。不同部位的细胞以不同的速度进行分裂称为差别生长。有丝分裂过程分为前期、中期、后期和末期。染色质逐渐凝聚成染色体；前期末，核膜逐渐破裂；核仁逐渐缩小，最后消失；2个中心体分开，向两极移动(分裂极的确定）纺缍体形成纺锤体呈现出纺锤样；染色体以着丝粒排列在纺锤体中央的赤道板上；染色单体的着丝粒分别与动粒微管结合。着丝粒分开，子染色体形成，并分别向两极运动。染色单体平均分配到两极，并开始去浓缩，形成细丝。核膜小泡重新包围两组染色体,相互融合形成完整的核膜,并在两极重新形成细胞核。核仁重新出现形成二个子细胞核，开始胞质分裂减数分裂（Meiosis)细胞分裂的影响因素细胞分裂依赖于外界信号的刺激。刺激细胞分裂的信号分子主要有细胞因子、激素和细胞外基质成份。细胞因子是一类能在细胞间传递信息，具有免疫调节和效应功能的蛋白质或小分子多肽。细胞因子具有调控细胞生成及修复损伤组织等多种功能。细胞因子可被分为白细胞介素、干扰素、肿瘤坏死因子超家族、集落刺激因子、趋化因子、生长因子等。众多细胞因子在体内通过旁分泌、自分泌或内分泌等方式发挥作用，具有多效性、重叠性、拮抗性、协同性等多种生