生物奥赛辅导之五--细胞生物学

高中生物奥赛辅导之五细胞生物学主讲：王晓驹细胞学说生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系，而细胞是生命体的结构与生命活动的基本单位，有了细胞才有完整的生命活动。认为细胞是有机体，一切动植物都是由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成；每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它“自己的”生命,又对与其它细胞共同组成的整体的生命有所助益；新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。真核细胞的结构(一)细胞膜(质膜)1、基本组成成分(1)膜脂：磷脂、胆固醇和糖脂占50％以上,具有一个极性头和两个由脂肪酸链形成的非极性尾。(2)膜蛋白：外在膜蛋白(或称外周膜蛋白)和内在膜蛋白(或称整合膜蛋白)(3)膜糖类：与膜脂、膜蛋白以共价键形成的糖脂或糖蛋白，与细胞识别有关细胞膜的流动镶嵌模型(Singer和Nicolson)真核细胞的结构(一)细胞膜(质膜)2、细胞膜与物质的跨膜运输①简单扩散：疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子(如O2、CO2、乙醇、尿素等)；小分子比大分子容易穿膜，非极性分子比极性分子容易穿膜，而带电离子的跨膜运输则需要更高的自由能。②协助扩散：载体蛋白、通道蛋白，它横跨质膜形成。如动物吸收葡萄糖。③主动运输：由ATP直接供能，如Na+-K+-泵。Na+-K+泵（Na+-K+-ATP酶）每消耗1个ATP分子，可使细胞内减少3个Na+并增加2个K+④内吞作用与外排作用：大分子(如蛋白质、多核苷酸、多糖)或颗粒物质。吞噬作用、胞饮作用。内吞作用与外排作用都需要细胞提供能量。(二)线粒体（1）线粒体的形态、大小、数目与分布卵圆形颗粒或短线状；横径约0.2um~1um，长约2um~8um，相当于一个细菌的大小；需要能量较多的细胞，线粒体数目也较多，植物细胞的线粒体数量比动物细胞的要少；多数细胞中线粒体均匀分布于细胞质，但也常常聚集在需能较多的部位。真核细胞的结构（2）线粒体的结构线粒体内、外膜上脂类与蛋白质的比值不同，内膜为0.3：1而外膜为1：1。（3）线粒体的功能：进行氧化磷酸化，合成ATP（4）线粒体是半自主性细胞器（5）线粒体的起源：内共生假说：被原始的前真核生物吞噬的好氧性细菌，这种细菌与前真核生物共生，在长期的共生过程中通过演化变成了线粒体。分化假说：线粒体是由于质膜的内陷，再经过分化后形成的。(二)线粒体真核细胞的结构(1)前质体(或称原质体)(2)白色体(造粉体、造蛋白体和造油体)(3)有色体(4)叶绿体叶绿体功能：光合作用，光反应类囊体上进行，而暗反应在基质中完成。半自主性细胞器叶绿体的起源内共生说和分化说；按内共生假说，叶绿体的祖先是兰藻或光合细菌。真核细胞的结构(三)叶绿体叶绿体结构真核细胞的结构(四)细胞骨架包括微管、微丝、中间纤维和微梁系统真核细胞的结构微管微管蛋白组装成的长管状结构。可装配成单管、二联管、三联管三种形式。秋水仙素和能阻断微管组装。中心体与胞质分裂、肌肉的收缩、细胞变形运动、胞质环流运动有关、与微绒毛的形成也有关。真核细胞的结构微丝微梁系统：将微管、微丝、中间纤维整合在一起，并且与线粒体、核糖体等各种细胞器相联系。真核细胞的结构(五)细胞核真核细胞的结构染色质(体)化学组成：DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA。组蛋白是染色体的基本结构蛋白，分为5种组分，即H1、H2A、H2B、H3和H4；非组蛋白富含有天冬氨酸、谷氨酸等酸性氨基酸，主要包括各种酶(如连接酶、转录酶等)以及少量的结构蛋白核小体串珠结构螺线管超螺旋管染色体细胞分裂有丝分裂间期包括G1期、S期和G2期，主要进行DNA复制、中心体复制、细胞体积增大等准备工作。前期中期细胞分裂有丝分裂后期细胞分裂有丝分裂后期•从子染色体到达两极，至形成两个新细胞为止的时期。涉及子核的形成和胞质分裂两个方面。•动物细胞的胞质分裂通过胞质收缩环的收缩实现，收缩环由大量平行排列的肌动蛋白组成。•用细胞松弛素处理这一时期的细胞，会出现什么现象？•植物细胞末期近两极处纺锤丝消失，中间微管保留，并数量增加，形成成膜体。•来自高尔基体囊泡沿微管转运到成膜体中间。融合形成细胞板，囊泡的内含物形成初生壁和中胶层，囊泡膜形成质膜，融合留下的管道形成胞间连丝。细胞分裂有丝分裂细胞分裂减数分裂由连续两次分裂构成通常减数分裂I分离的是同源染色体，所以称为异型分裂或减数分裂。减数分裂II分离的是姊妹染色体，类似于有丝分裂，所以称为同型分裂或均等分裂。间期也可分为G1期、S期和G2期。G2期是有丝分裂向减数分裂转化的关键时期。减数分裂的S期时间较长，部分DNA（约0.3%左右）是在合线期合成的。细胞分裂减数分裂分裂期•减数分裂的特殊过程主要发生在前期I①细线期:染色体呈细线状，具有念珠状的染色粒。②合线期:亦称偶线期，是同源染色体配对的时期。③粗线期:同源染色体的非姊妹染色单体间发生交换的时期。④双线期:联会的同源染色体相互排斥、开始分离，交叉开始端化，联会复合体消失。•细菌的质粒是除核区DNA外，可进行自主复制的遗传因子，是裸露的环状DNA分子，所含遗传信息量为2~200个基因。•能进行自我复制，有时能整合到核DNA中去。•质粒常用作基因重组与基因转移的载体。细菌的质粒植物细胞工程原理植物细胞工程的理论基础是建立在植物细胞的全能性这一理论基础上的。所谓植物细胞全能性就是指组成多细胞生物体的每一个生活细胞，当处于适宜的外界条件下时可以进行独立的生长发育，并形成一个完整的生物个体的潜在能力。1、消毒培养植物组织和细胞的培养基，因含有植物细胞所需的高度营养物质，而且对于细菌和霉菌也是很好的营养物质，往往微生物比植物细胞生长更为迅速，并且产生毒素，以致培养的细胞。死亡，因此防止污染是植物组织培养技术中的重要环节。发生污染的来源有：（1）器皿与用具（2）培养基（3）培养的材料（4）操作时的空气（5）工作人员本身。过程一般采用湿热消毒法，即高温高压消毒。无论固体培养基还是液体培养基，均应分装在较小的器皿中加塞封口，洗净的培养皿可用牛皮纸或纱布包扎好，然后置入蒸气消毒锅中。培养基消毒时间不宜过长，一般为1.2大气压，15分钟。如果过长，高压消毒过程中引起培养基成分的变化。培养器皿可延长消毒时间达25-30分钟。植物细胞培养原理2、外植体植物的各种组织，如维管束形成层、贮藏器官的薄壁组织、根的中柱鞘、胚乳、子叶、叶肉等，在合适的条件下，都能形成愈伤组织。但尽量选取茎尖分生组织，因为含病原体少。3、培养基目前，在植物组织培养中应用的培养基，一般都包括大量元素、微量元素和一种碳水化合物，最常用的碳水化合物是蔗糖。还需要添加各种各样的附加物，如维生素、氨基酸、糖醇，生长素、激动素、赤霉素，螯合剂如EDTA、各种营养性的提取物如椰子汁等。在诱导愈伤组织中，常用的植物激素是2，4-D。4、培养技术愈伤组织在培养基上生长一段时间以后，由于营养物质的枯竭，水分散失，以及积累了一些组织的代谢产物，因此必须将组织转移到新的培养基上。这种转移过程叫继代培养。一般在25-28度下进行固体培养时，每隔4-6周进行一次继代培养。在组织块较小的情况下，继代培养时，可以将整块组织转移过去。若组织块较大，可以将组织分成小块再接种。继代培养必须及时进行，否则愈伤组织会出现褐化现象。动物细胞工程常用的技术手段动物细胞培养核移植胚胎移植单克隆抗体动物细胞融合动物细胞工程技术与植物细胞工程技术的原理基本相同一、动物细胞培养动物胚胎或幼龄动物的组织、器官细胞悬浮液胰蛋白酶（分解弹性纤维、胶原蛋白）10代细胞原代培养50代细胞传代培养细胞株无限传代细胞系遗传物质改变遗传物质未改变培养条件：无菌、无毒的环境(措施：培养液和所有培养用具进行无菌处理,培养液中加抗生素，定期更换培养液)营养:糖、氨基酸、无机盐、微量元素、促生长因子（维生素、激素等）和动物血清。①获得细胞产物，如蛋白质生物制品－病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等。②获得烧伤病人植皮所需的细胞。③获得细胞用于检测有毒物质。动物细胞培养的运用：思考？2、为什么选用动物胚胎或幼龄个体的器官或组织做动物细胞培养材料？1、动物细胞培养液的主要成分是什么？较植物组织培养基有何独特之处？3、为什么培养前要将组织细胞分散成单个细胞？4、动物细胞培养能否像绿色植物组织培养那样最终培养成新个体？主要成分：葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素和动物血清等。独特之处有：1、液体培养基2、成分中有动物血清等。因为这些组织或器官上的细胞生命力旺盛，分裂能力强。成块组织不利培养，分散了做成细胞悬浮液利于培养不能。动物细胞培养只能使细胞数目增多，不能发育成新的动物个体。二、核移植技术克隆羊培育过程黑面绵羊去核卵母细胞白面绵羊乳腺细胞核细胞核移植重组细胞电脉冲刺激早期胚胎胚胎移植另一头绵羊的子宫妊娠、出生克隆羊多利体细胞核移植胚胎细胞核移植将动物的一个细胞的细胞核移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育成一个新的胚胎，这个新的胚胎最终发育成动物个体。用核移植的方法得到的动物称为克隆动物。减数第二次分裂中期（MⅡ卵母细胞）去核的卵母细胞供体细胞注入去核卵母细胞受体细胞激活，完成减数分裂、发育胚胎移植体细胞核移植技术的应用前景：1、加速家畜遗传改良进程，促进优良畜群繁育2、保护濒危物种，增加动物的存活数量3、可作为生物反应器，生产医用蛋白克隆动物细胞、组织、器官可作为移植的供体了解胚胎发育及衰老过程、做疾病模型等.三、动物细胞融合(细胞杂交)：2个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程。细胞A细胞B杂种细胞灭活的病毒物理法化学法仙台病毒疱疹病毒新城鸡瘟病毒四、单克隆抗体制备过程注射抗原B淋巴细胞骨髓瘤细胞细胞融合、筛选杂交细胞细胞培养筛选，继续培养足够数量的、能产生特定抗体的细胞群体外培养注射到小鼠腹腔单克隆抗体