细胞工程理论基础课件.ppt

1、第二章第二章 细胞工程基础细胞工程基础一、细胞的发现及研究进展一、细胞的发现及研究进展二、二、细胞是生命活动的基本单位细胞是生命活动的基本单位三、细胞的基本结构及功能三、细胞的基本结构及功能四、细胞周期及细胞分裂四、细胞周期及细胞分裂五、细胞分化及细胞凋亡五、细胞分化及细胞凋亡六、组织与器官六、组织与器官七七、生殖与发育、生殖与发育一、一、细胞的发现及研究进展细胞的发现及研究进展 从人类第一次发现细胞至今有三百多年的历史了，在这期间，随着技术和实验手段的进步，细胞的研究显现出时代的特征，形成了不同的发展时期。1细胞学创立时期 19世纪以及更前的时期（16651875），是以形态描述为主的生物科

2、学时期；2 细胞学经典时期 20世纪最后25年（18751900），主要是在显微镜下的形态描述，是对细胞认识的鼎盛或黄金时期；3 实验细胞学时期（19001953）细胞学与各门学科的交融与汇合（细胞遗传学、细胞生理学、细胞化学等），诞生了细胞生物学；4 分子细胞学时期（1953至今）。总过程概括为：细胞发现细胞学说建立细胞学形成细胞生物学的发展（1665）（18381839）（1892）（1965）R.Hooke Schleiden、Schwann Hertiwig DeRobertis主要内容主要内容 细胞结构与功能、细胞重要生命活动细胞结构与功能、细胞重要生命活动：细胞核、染色体以及基因表

3、达的研究 生物膜与细胞器的研究 细胞骨架体系的研究 细胞增殖及其调控 细胞分化及其调控 细胞的衰老与凋亡 细胞的起源与进化 细胞工程美国国立卫生研究院（NIH）的调查报告中指出，目前全球研究最热门的是三种疾病三种疾病：癌症（cancer）心血管病（cardiovascular diseases）爱滋病和肝炎等传染病 （infectious diseases：AIDS，hepatitis）五大研究方向五大研究方向：细胞周期调控（cell cycle control）；细胞凋亡（cell apoptosis）；细胞衰老（cellular senescence）；信号转导（signal transd

4、uction）；DNA的损伤与修复（DNA damage and repair）二、细胞是生命活动的基本单位二、细胞是生命活动的基本单位（本质属性）（本质属性）l l 一切生物体都是由细胞构成，细胞的有机体的基本结构l 单位。l 单细胞生物体、细胞集合体、多细胞生物体l l 细胞具有独立的有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功l 能的基本单位。l l 细胞是生物体生长发育的基础。l l 细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性l l 细胞是生命起源和进化的基本单位。细胞的基本共性细胞的基本共性 所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的 生物膜，即细胞膜。所有的细胞都含有两种核酸：即DN

5、A与RNA作为遗传信息复制与转录的载体。作为蛋白质合成的机器核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内。所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。原核细胞原核细胞 基本特点基本特点：遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能 的细胞器和细胞核膜。主要代表主要代表：支原体（mycoplast）目前发现的最小最简单的细胞；细菌 蓝藻又称蓝细菌（Cyanobacteria）细胞世界的两大家族细胞世界的两大家族真核细胞的真核细胞的基本结构体系基本结构体系以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统；以核酸（DNA或RNA）与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统

6、 由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。综合原核细胞和真核细胞的特点，二者的根本区别可归纳为下面两条：第一，细胞膜系统的分化与演变 真核细胞以膜分化为基础，分化为结构更精细，功能更专一的单位各种膜围细胞器，使细胞内部结构与职能分工。而原核细胞无此情况。第二，遗传信息量大与遗传装置的复杂化 真核细胞的遗传信息可达上万个基因，并具重复序列，染色体功能具二倍性或多倍性。原核细胞为单倍性。仅为一条环状DNA分子，细菌只有几千个基因。此外，遗传信息的转录和翻译有严格地阶段性与区域性，原核细胞则不具备这些。假如，真核细胞是结构复杂、功能专一与自动化程度较高的“工厂”，那么，原核细胞就象结构简单、职能上却是

7、多面手的“作坊”。前者固然结构复杂，但在特定条件下，原核细胞却比真核细胞有更强的适应性。细胞的大小及其分析细胞的大小及其分析 首先介绍计量单位1m=100cm=1000mm=106m（micrometer）细胞大小（显微结构）常以m作单位。由于电镜的使用，现把国际单位纳米（Nanometre nm）和埃（A Angstrom）作为超微结构的度量单位。1 m=1000nm 1 nm=10A。生物体各种细胞的体积差别很大，既使同一个细胞，培养过程中也随生理状态不同表现出差异。一般讲来，真核细胞大于原核细胞，植物细胞大于动物细胞，高等动物的卵细胞大于体细胞。原核细胞多在110或15m，细菌多在34m

8、，支原体只有0.1m。动物细胞多在（10100m，2030m，1570m）。最大的细胞要属鸵鸟卵，可达10 cm，卵黄只有5cm。隆鸟卵直径可达20 cm。三、细胞的基本结构及功能三、细胞的基本结构及功能原生质原生质（ProtoplasmProtoplasm）指细胞内所含有的生活物质（构成细胞的生活物质）。原核细胞：细胞壁、细胞膜、细胞质和拟核。真核细胞：包括细胞膜、细胞质和细胞核。植物细胞还 具有细胞壁，去除细胞壁的植物细胞或原核 细胞特称为原生质体。细胞质细胞质（Cytoplasm）指质膜以内核以外的原生质。它不是匀质的，其结构大体划分为两部分，一部分是有形结构，称为细胞器（Organel

9、le），另一部分是可溶相，称细胞质基质（Cytoplasmic miatrix）。细胞器细胞器（Organelle）指存在于细胞中，用光镜或电镜能够分辩出的，具有一定形态特点，并执行特定功能的结构。核糖体是细胞中最小的细胞器，但也有人提出tRNA才是最小的细胞器。细胞核也被认为是一种细胞器，且是细胞中最大的细胞器。有人把细胞膜也看作是一种细胞器。细胞质基质细胞质基质（Gytoplasmic matrix）是细胞质的可溶相，是作为细胞器的环境而存在的，是一复杂的胶体系统。细胞核细胞核（nucleus）遗传物质的集中区域，在原核生物细胞称拟核（nucleoid）或类核区。在细胞膜以外还有些结构，如

10、纤毛、鞭毛等细胞质衍生物，现在观点是把这些结构统称为质膜外结构质膜外结构，连细胞膜在内，共称为细胞表面细胞表面（Cell surface）。真核细胞的基本结构体系真核细胞的基本结构体系 真核细胞（Eukaryotic Cell）种类繁多：从原生动物到人，从绿藻到高等植物。大约在1216亿年前在地球上出现，是具有典型细胞核和核膜、是具有典型细胞核和核膜、核仁，体积较大，结构较复杂，进化程度较高的一类细胞核仁，体积较大，结构较复杂，进化程度较高的一类细胞。可以是单细胞（原生动物和单细胞藻类）、草履虫、变形虫，也可以是多细胞生物（几乎包括所有的动、植物），成年人约有1014个细胞，新生儿约有2101

11、2个细胞。真核细胞的典型结构可归纳为如下：1、细胞膜：磷脂蛋白膜呈流动镶嵌结构 2、细胞核：遗传物质DNA、RNA、蛋白质结合在一起成为染色质，由核膜包绕，在细胞分裂期可凝集成染色体，并成对存在。细胞核中还有核仁存在。3、体积较大：直径在10100m，多数2030m。4、细胞壁：植物细胞有，其组成成分为纤维素。5、核糖体 6、内膜系统：将细胞划分为许多功能区，大大提高细胞代谢的活动效率 7、细胞骨架系统 8、具有多种细胞器 9、生殖方式：有丝分裂、减数分裂、无丝分裂 10、转录和转译在不同时间和地点。真核细胞虽然结构复杂，但可在亚显微结构水平上划分为三大基本结构体系：生物膜系统、遗传信息表达系

12、统、细胞骨架系统。生物膜系统生物膜系统 以脂质及蛋白质成分为基础构建而成。遗传信息表达结构系统遗传信息表达结构系统 以核酸与蛋白质为主要成分构建而成。细胞骨架系统细胞骨架系统 由特异蛋白质分子装配而成。四、细胞周期与细胞分裂四、细胞周期与细胞分裂细胞周期细胞周期(cell cycle)(cell cycle)细胞分裂 无丝分裂 有丝分裂有丝分裂(mitosis)(mitosis)胞质分裂胞质分裂(Cytokinesis)核内有丝分裂与多极有丝分裂减数分裂减数分裂(Meiosis)（一）细胞周期（一）细胞周期概念：细胞从一次分裂结束开始，到下一次细胞分裂完成为止所经历的有序过程。是一个物质积累和

13、细胞分裂的循环过程。又称细胞生活周期或细胞繁殖周期。分为细胞有丝分裂期和分裂间期。细胞周期时相组成间期间期(interphase):G1 phase，S phase，G2 phaseM phaseM phase:有丝分裂期(Mitosis),胞质分裂期(Cytokinesis)细胞沿着G1SG2MG1周期性运转，在间期细胞体积增大(生长)，在 M 期细胞 先是核分裂，接着胞质分裂，完成一个细胞周期。（二）有丝分裂（二）有丝分裂(mitosis)(mitosis)前期前期(prophase)(prophase)前中期前中期(prometaphase)(prometaphase)中期中期(meta

14、phase)(metaphase)后期后期(anaphase)末期末期(telophase)(telophase)（三）减数分裂（三）减数分裂概念概念 减数分裂是细胞仅进行一次减数分裂是细胞仅进行一次DNADNA复制，随复制，随后进行两次分裂，染色体数目减半的一种特后进行两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂殊的有丝分裂减数分裂的意义确保世代间遗传的稳定性；增加变异机会，确保生物的多样性，增 强生物适应环境变化的能力；减数分裂是生物有性生殖的基础，是生 物遗传、生物进化和生物多样性的重要 基础保证。减数分裂特点遗传物质只复制一次，细胞连续分裂两次，导致染色体数目减半S期持续时间较长同源染

15、色体在减数分裂期I(MeiosisI)配对联会、基因重组减数分裂同源染色体配对排列在中期板上,第一次分裂时,同源染色体分开减数分裂过程减数分裂过程第一次减数分裂或减数分裂包括：前期、中期、后期、未期和胞质分裂 五个阶段。然后，通过一个短暂的间期进入减数 分裂。第二次减数分裂或减数分裂包括：前期、中期、后期、未期 减数分裂有其鲜明特点，主要表现在前期染色体配对和基因重组。减数分裂与一般有丝分裂雷同。细胞分化细胞分化(cell differentiation)：在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生各不相同的细胞类群的过程。细胞分化是多细胞生物发

16、育的基础与核心；细胞分化的关键在于特异性蛋白质合成；合成特异性蛋白质实质在于组织特异性基因在时间和空间上的差异性表达。五、细胞分化及细胞凋亡五、细胞分化及细胞凋亡组织特异性基因与当家基因组织特异性基因与当家基因当家基因当家基因(house-keeping genes)：是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的；组织特异性基因组织特异性基因(tissue-specific genes)，或称奢奢 侈基因侈基因(luxury genes)：是指不同的细胞类型进 行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细 胞特异的形态结构特征与特异的功能；影响细胞分化的因素胞外信号分子

17、对细胞分化的影响,如眼的发生（胚胎诱导）细胞记忆与决定 果蝇成虫盘(imaginal disc)受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响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与基因重排对细胞分化的影响细胞的全能性(totipotency)概念：细胞全能性是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。植物细胞具有全能性，在适宜的条件下可培育成正常的植株 动物细胞核移植(Nuclear transfer)实验证明细胞核具有发育全能性 干细胞(Stem cell)与细胞发育潜能如蛙细胞核移植后发育成蝌蚪Dolly羊的诞生说明高度分化的哺乳动物体细胞核也具有发育全能性干细胞人

18、类健康长寿的曙光 人类干细胞研究自1999年被美国科学杂志评为世界十大科学成就之首开始热起来。干细胞，即起源细胞，按其功能可分为三类：全能干细胞具有形成完整个体的分化潜能，如胚胎干细胞。人的胚胎干细胞可以分化成为全身200多种细胞类型，进一步再形成机体的任何组织和器官。多能干细胞具有分化成多种细胞和组织的潜能，但却失去了发育成完整个体的能力。如多能造血干细胞。单能干细胞只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化。又称定向干细胞。细胞凋亡的概念及其生物学意义细胞凋亡的概念及其生物学意义概念：细胞凋亡是一个主动的由基因决定的自动结束生命的 过程，所以也常常被称为细胞编程死亡（programmed

19、 cell death,PCD）。凋亡细胞将被吞噬细胞吞噬。生物学意义：细胞凋亡对于多细胞生物个体发育的正常进行，自稳平衡的保持以及抵御外界各种因素的干扰方面都起着非 常关键的作用：蝌蚪尾的消失，骨髓和肠的细胞凋亡，脊椎动物的神经系统的发育，发育过程中手和足的成形过程。a 正常T细胞杂交瘤细胞 b 凋亡细胞(扫描电镜)c 凋亡细胞(透射电镜)六、组织与器官六、组织与器官植物的组织植物的组织：分生组织具有形成新细胞和组织的能力 永久组织失去分裂能力，分化成为特定 功能的细胞组织动物的组织动物的组织：上皮组织、结缔组织、肌肉组织、神经组织七、生殖与发育七、生殖与发育无性生殖：无性生殖：裂殖、出芽、孢子生殖、再生作用有性生殖：有性生殖：高等植物的有性生殖 高等动物的有性生殖