生命科学与健康细胞生物学基础.pptx
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1、笫二章笫二章 生命的基础生命的基础细胞细胞 细胞生物学的基本观点细胞生物学的基本观点:所有生物都是由细胞和细胞产物所构成;所有生物都是由细胞和细胞产物所构成;新细胞只能由原来的细胞经分裂而产生;新细胞只能由原来的细胞经分裂而产生;所有细胞都具有基本上相同的化学组成和代所有细胞都具有基本上相同的化学组成和代谢活性;谢活性;生物体总的活性可以看成是组成生物体的各生物体总的活性可以看成是组成生物体的各相关细胞的相互作用和集体活动的总和。相关细胞的相互作用和集体活动的总和。第一节第一节 细胞的形态与结构细胞的形态与结构一一 细胞的形态、大小细胞的形态、大小-略略1.细胞的形态细胞的形态2.细胞的大小细
2、胞的大小二二.细胞的结构细胞的结构 1.1.细胞膜的结构细胞膜的结构1)组成组成脂类物质脂类物质蛋白质蛋白质 糖糖2)分布或构架分布或构架3)特点特点液态镶嵌模式液态镶嵌模式利用细胞融合技术观察蛋白质运动利用细胞融合技术观察蛋白质运动 二二.细胞的结构细胞的结构 略略2.2.细胞壁细胞壁3.3.细胞核细胞核 4.4.细胞质及其内含物细胞质及其内含物 1)1)内质网(内质网(endoplasmic reticulumendoplasmic reticulum)和核糖体)和核糖体 2)2)高尔基体(高尔基体(Golgi apparatus)3)3)溶酶体(溶酶体(lysosomes)4)4)线粒体
3、(线粒体(mitochondria)5)5)质体(质体(plastid)6)6)微体(微体(microbodies)7)7)液泡(液泡(vacuole)8)8)细胞骨架(细胞骨架(cytoskeleton)9)9)鞭毛(鞭毛(flagellum)纤毛()纤毛(cilium)中心粒()中心粒(centriolescentrioles)10)10)胞质溶胶胞质溶胶 第二节第二节 物质转运物质转运 一.一.扩散(扩散(diffusion)1.扩散的定义扩散的定义 扩散是物质分子从浓度高的区域向浓度低的区域扩散是物质分子从浓度高的区域向浓度低的区域移动的过程移动的过程。2.扩散的类型扩散的类型1)1)
4、单纯扩散(单纯扩散(simple diffusion)依浓度差来实现跨膜扩散,如依浓度差来实现跨膜扩散,如CO2、O2等。等。2)2)易化扩散(易化扩散(facilitated diffusion)扩散机制除依浓度差外,还需要载体。扩散机制除依浓度差外,还需要载体。二.二.渗透(渗透(osmosis)渗透作用实际上就是渗透作用实际上就是扩散,这里指的是植扩散,这里指的是植物细胞的跨膜扩散。物细胞的跨膜扩散。由于植物细胞壁的作由于植物细胞壁的作用,其产生膨胀压可用,其产生膨胀压可抵消由于膜两侧物质抵消由于膜两侧物质浓度差形成的渗透压,浓度差形成的渗透压,从而使物质跨膜扩散从而使物质跨膜扩散终止,
5、即物质进入细终止,即物质进入细胞内和排除细胞外达胞内和排除细胞外达到动态平衡。到动态平衡。三三 主动运输(主动运输(active transport)1.定义定义物质从低浓度区向高浓度区移动的过程,即物质物质从低浓度区向高浓度区移动的过程,即物质逆浓度的跨膜运动称作主动运输或主动转运。逆浓度的跨膜运动称作主动运输或主动转运。2.特点特点1)1)要有载体要有载体2)2)要消耗能量(要消耗能量(ATP)四四 基团转移基团转移基团转移是主动运输的另一种形式,被转运的物基团转移是主动运输的另一种形式,被转运的物质再转运过程中,增加或减少一个基团。质再转运过程中,增加或减少一个基团。主动转运中主动转运中
6、ATP消耗模式消耗模式Na+-K+泵泵五五 内吞作用(内吞作用(endocytosis)内吞作用是吞噬作用和胞饮作用的总称。内吞作用是吞噬作用和胞饮作用的总称。细胞吞噬侵入的细菌、细胞碎片以及衰老的红细细胞吞噬侵入的细菌、细胞碎片以及衰老的红细胞,称作吞噬作用(胞,称作吞噬作用(phagocytosis););细胞吞入液体的过程胞饮作用(细胞吞入液体的过程胞饮作用(pinocytosis)。)。六六 外排作用(外排作用(exocytosis)吞入物被消化后,所余渣滓从细胞表面排除,这吞入物被消化后,所余渣滓从细胞表面排除,这个过程称作外排作用。个过程称作外排作用。内吞作用内吞作用胞饮作用胞饮作
7、用第三节第三节 细胞分裂细胞分裂略略一一 无丝分裂,也称作直接分裂(无丝分裂,也称作直接分裂(amitosis)-略略二二 有丝分裂(有丝分裂(mitosis)-略略1.前期(前期(prophase)2.前中期(前中期(prometaphase)3.中期(中期(metaphase)4.后期(后期(anaphase)5.末期(末期(telophase)前期前期染色质凝缩,染色质凝缩,分裂极确立与纺锤体开始形成,分裂极确立与纺锤体开始形成,核仁核仁解体,解体,核膜消失。核膜消失。前中期前中期核膜解体到染色体排列到赤道面核膜解体到染色体排列到赤道面(equatorialplane)上。上。中期中期染
8、色体排列到赤道面上。染色体排列到赤道面上。后期后期指妹妹染色体单体分开并移向两极的时期。指妹妹染色体单体分开并移向两极的时期。分为后期分为后期A、后期、后期B两个过程。两个过程。Anaphase A:separation of the sister chromatids.Anaphase B:separation of the poles.末期末期从子染色体到达两从子染色体到达两极,至形成两个新细极,至形成两个新细胞为止的时期。涉及胞为止的时期。涉及子核的形成和胞质分子核的形成和胞质分裂两个方面。裂两个方面。三三 减数分裂(减数分裂(meiosis)-定性讲解定性讲解 1.1.第一次减数分裂第
9、一次减数分裂1)前期前期2)中期中期3)后期后期4)末期末期2.2.第二次减数分裂第二次减数分裂1)前期前期2)中期中期3)后期后期4)末期末期减数分裂是由连续两次分裂构成:减数分裂是由连续两次分裂构成:通常减数分裂通常减数分裂I分离的是同源染色体,所以称分离的是同源染色体,所以称为异型分裂(为异型分裂(heterotypicdivision)或减数)或减数分裂(分裂(reductionaldivision)。)。减数分裂减数分裂II分离的是姊妹染色体,类似于有丝分离的是姊妹染色体,类似于有丝分裂,所以称为同型分裂(分裂,所以称为同型分裂(homotypicdivision)或均等分裂()或均
10、等分裂(equationaldivision)。)。Concepts:1.Gameticmeiosis2.Sporicmeiosis3.ZygoticmeiosisMeiosis减数分裂减数分裂I前期前期I减数分裂的特殊过程主要发生在前期减数分裂的特殊过程主要发生在前期I,通常分为,通常分为5个个时期:时期:细线期(细线期(leptotene),),合线期(合线期(zygotene),),粗线期(粗线期(pachytene),),双线期(双线期(diplotene),),终变期(终变期(diakinesis)。)。细线期:染色体呈细线状,具有念珠状的染色粒。细线期:染色体呈细线状,具有念珠状的
11、染色粒。2)合线期:亦称偶线期,是同源染色体配对的时期。)合线期:亦称偶线期,是同源染色体配对的时期。概念:联会复合体概念:联会复合体(synaptonemal complex,SC)二价体)二价体(bivalent)四分体()四分体(tetrad)。)。这一时期合成约这一时期合成约0.3%左右的左右的DNA,称为,称为Z-DNA。3)粗线期:同源染色体的非姊妹染色单体间发生交换的时)粗线期:同源染色体的非姊妹染色单体间发生交换的时期。期。4)双线期:联会的同源染色体相互排斥、开始分离,交叉)双线期:联会的同源染色体相互排斥、开始分离,交叉开始端化开始端化(terminalization)。联
12、会复合体消失。联会复合体消失。补充:植物细胞双线期一般较短,许多动物卵细补充:植物细胞双线期一般较短,许多动物卵细胞中双线期停留的时间非常长。人的卵母细胞在胞中双线期停留的时间非常长。人的卵母细胞在五个月胎儿中已达双线期,而一直到排卵都停在五个月胎儿中已达双线期,而一直到排卵都停在双线期,排卵年龄大约在双线期,排卵年龄大约在12-50岁之间。鱼类、两岁之间。鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆虫中,栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆虫中,双线期的二阶体解螺旋而形成灯刷染色体,这一双线期的二阶体解螺旋而形成灯刷染色体,这一时期是卵黄积累的时期。时期是卵黄积累的时期。5)终变期:二阶体显
13、著变短。由于交叉端化过程的)终变期:二阶体显著变短。由于交叉端化过程的进一步发展,故交叉数目减少,通常只有一至二个进一步发展,故交叉数目减少,通常只有一至二个交叉。核仁此时开始消失,核被膜解体。交叉。核仁此时开始消失,核被膜解体。2、中期、中期I3、后期、后期I二价体的两条同源染色体分开,分别向两极移动。二价体的两条同源染色体分开,分别向两极移动。同源染色体随机分向两极,染色体重组,人类染色体同源染色体随机分向两极,染色体重组,人类染色体重组概率有重组概率有223个。个。4、末期、末期I5、减数分裂间期。、减数分裂间期。减数分裂减数分裂II可分为前、中、后、末四个四期,与有丝分裂相似。可分为前
14、、中、后、末四个四期,与有丝分裂相似。一个精母细胞形成一个精母细胞形成4个精子;一个卵母细胞形成一个卵子个精子;一个卵母细胞形成一个卵子及及2-3个极体。个极体。Chromosome recombination 1Minimumnumberofgametetypes=2n,Inhumans,n=23Chromosome recombination 2四四 细胞周期及其调控细胞周期及其调控2001年年10月月8日日美美国国人人LelandHartwell、英英国国人人PaulNurse、TimothyHunt因因对对细细胞胞周周期期调调控控机机理理的的研研究究而而获诺贝尔生理医学奖。获诺贝尔生理
15、医学奖。Leland H.Hartwell R.Timothy(Tim)Hunt Sir Paul M.Nurse 1.1.细胞周期的定义细胞周期的定义细胞一次分裂的开始(或中期、或末期)到下一次分裂的细胞一次分裂的开始(或中期、或末期)到下一次分裂的开始(或中期、或末期)所经历的时间。开始(或中期、或末期)所经历的时间。2.2.细胞周期调控因子细胞周期调控因子MPF细胞周期的调控关键在分裂间期。有细胞周期的调控关键在分裂间期。有2个起决定作用个起决定作用的控制点:从的控制点:从G1进入进入S和从和从G2进入进入M,这,这2个转变过个转变过程都是由一种称之为成熟促进因子(程都是由一种称之为成熟
16、促进因子(maturation-promoting factor,MPF)的蛋白质复合体所触发。)的蛋白质复合体所触发。组成组成MPF的是两种蛋白质,分别称作的是两种蛋白质,分别称作cdc2激酶和细激酶和细胞周期蛋白(胞周期蛋白(cyclins);后者又有两种:);后者又有两种:S-cyclin和和M-cyclin。3.细胞周期调控机制假说细胞周期调控机制假说当当S-cyclin和和cdc2 2结合时,形成具有活性结合时,形成具有活性MPF能触发能触发从从G1 1进入进入S期;与此同时期;与此同时MPF又激活另一种降解又激活另一种降解cyclin的酶,使的酶,使MPF自身失活。然后,自身失活。
17、然后,M-cyclin的浓的浓度增加,并同度增加,并同cdc2 2结合形成具有活性的结合形成具有活性的MPF,这种,这种MPF能触发从能触发从G2 2进入进入M期。进入期。进入M期后,期后,MPF中的中的cyclin同样再度降解,同样再度降解,MPF失活,失活,cdc2 2又同又同S-cyclin结合,形成能触发从结合,形成能触发从G1 1进入进入S期的期的MPF。如此循环反复,不断推动细胞周期循环地从一期进如此循环反复,不断推动细胞周期循环地从一期进入下一期。入下一期。简化示意图简化示意图MM-cyclin降解降解G1S-cyclin+CDC2形成形成MPFSS-cyclin降解降解G2M-
18、cyclin+CDC2形成形成MPF第四节第四节 细胞分化与衰老细胞分化与衰老一.一.细胞的分化细胞的分化 一个或一种细胞,其分裂增殖的后代在形态、结一个或一种细胞,其分裂增殖的后代在形态、结构和功能上相互不同,并与亲代细胞也不同,这构和功能上相互不同,并与亲代细胞也不同,这一过程称作细胞分化。一过程称作细胞分化。细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。1)细胞分化起始于基因表达的调控,部分基因关细胞分化起始于基因表达的调控,部分基因关闭,部分基因开启,也包括基因表达强度的改闭,部分基因开启,也包括基因表达强度的改变。变。1.个体发育通过细胞分化
19、来实现个体发育通过细胞分化来实现细细胞分化的内涵胞分化的内涵2)分化细胞之间的差异归根到底在于不同蛋白质分化细胞之间的差异归根到底在于不同蛋白质的表达。的表达。3)分化过程通常是不可逆的。分化终端的细胞通分化过程通常是不可逆的。分化终端的细胞通常不再分裂,稳定地具有一定的特征,执行一常不再分裂,稳定地具有一定的特征,执行一定的生理功能,然后走向衰老和死亡。有时,定的生理功能,然后走向衰老和死亡。有时,个别分化终端的细胞逆向恢复生长分裂的能力,个别分化终端的细胞逆向恢复生长分裂的能力,往往可能是细胞癌变的征兆。往往可能是细胞癌变的征兆。4)一般认为达到成年阶段,个体发育完成。细胞一般认为达到成年
20、阶段,个体发育完成。细胞分化大量地出现在成年以前的发育过程中,但分化大量地出现在成年以前的发育过程中,但是一部分细胞的分化,持续于整个生物体的一是一部分细胞的分化,持续于整个生物体的一生。例如,哺乳类的骨髓中,终生都在发生血生。例如,哺乳类的骨髓中,终生都在发生血细胞的分化和成熟。细胞的分化和成熟。2.细胞的分化发育潜能细胞的分化发育潜能1)全能性全能性指指受受精卵能够具有使后代细胞分化出精卵能够具有使后代细胞分化出各种组织细胞并建成完整个体的潜能,如全能各种组织细胞并建成完整个体的潜能,如全能干细胞。干细胞。2)多能性多能性有有的细胞具有使后代细胞分化出多种的细胞具有使后代细胞分化出多种组织
21、或细胞,但已不能建成完整个体的潜能,组织或细胞,但已不能建成完整个体的潜能,如如多能干细胞。多能干细胞。3)单能性单能性有有的细胞具有更窄的发育潜能,只能的细胞具有更窄的发育潜能,只能使后代细胞发育成为一种细胞,称为单能性,使后代细胞发育成为一种细胞,称为单能性,如单能干细胞(祖细胞)。如单能干细胞(祖细胞)。二二 干细胞(干细胞(stem cell)干细胞是一类具有自我更新干细胞是一类具有自我更新(Self-renewing)和分化潜能的细胞。它包括胚胎干细胞和成体干细和分化潜能的细胞。它包括胚胎干细胞和成体干细胞。胞。干细胞按照生存阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞按照生存阶段分为胚胎干细胞和
22、成体干细胞。干细胞。干细胞的发育受多种内在机制和微环境因素的干细胞的发育受多种内在机制和微环境因素的影响。目前人类胚胎干细胞已可成功地在体外培养。影响。目前人类胚胎干细胞已可成功地在体外培养。最新研究发现,成体干细胞可以横向分化为其他类最新研究发现,成体干细胞可以横向分化为其他类型的细胞和组织,为干细胞的广泛应用提供了基础型的细胞和组织,为干细胞的广泛应用提供了基础。在胚胎的发生发育中,单个受精卵可以分裂发在胚胎的发生发育中,单个受精卵可以分裂发育为多细胞的组织或器官。在成年动物中,正常的育为多细胞的组织或器官。在成年动物中,正常的生理代谢或病理损伤也会引起组织或器官的修复再生理代谢或病理损伤
23、也会引起组织或器官的修复再生。胚胎的分化形成和成年组织的再生是干细胞进生。胚胎的分化形成和成年组织的再生是干细胞进一步分化的结果。胚胎干细胞是全能的,具有分化一步分化的结果。胚胎干细胞是全能的,具有分化为几乎全部组织和器官的能力。而成年组织或器官为几乎全部组织和器官的能力。而成年组织或器官内的干细胞一般认为具有组织特异性,只能分化成内的干细胞一般认为具有组织特异性,只能分化成特定的细胞或组织。特定的细胞或组织。最新的研究表明,组织特异性干细胞同样具有最新的研究表明,组织特异性干细胞同样具有分化成其他细胞或组织的潜能,这为干细胞的应用分化成其他细胞或组织的潜能,这为干细胞的应用开创了更广泛的空间
24、。开创了更广泛的空间。1.1.胚胎干细胞(胚胎干细胞(Embryonic Stem cell,ES细胞)细胞)当受精卵分裂发育成囊胚时,内层细胞团(当受精卵分裂发育成囊胚时,内层细胞团(Inner Cell Mass)的细胞即为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有全能性,可)的细胞即为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有全能性,可以自我更新并具有分化为体内所有组织的能力。早在以自我更新并具有分化为体内所有组织的能力。早在1970年年Martin Evans已从小鼠中分离出胚胎干细胞并在体外进行培养。已从小鼠中分离出胚胎干细胞并在体外进行培养。而人的胚胎干细胞的体外培养直到最近才获得成功。进一步说,而人的胚胎干细胞
25、的体外培养直到最近才获得成功。进一步说,胚胎干细胞(胚胎干细胞(ES细胞)是一种高度未分化细胞。它具有发育细胞)是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性,能分化出成体动物的所有组织和器官,包括生殖细的全能性,能分化出成体动物的所有组织和器官,包括生殖细胞。胞。研究和利用研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。ES细胞的研究可追溯到上世纪五十年代,由于畸胎瘤干细胞细胞的研究可追溯到上世纪五十年代,由于畸胎瘤干细胞(EC细胞)的发现开始了细胞)的发现开始了ES细胞的生物学研究历程。细胞的生物学研究历程。目前许多研究工作都是以小鼠目前许多研究工作都是
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