高中生物競賽-精英教案-細胞生物學(xué)第一節(jié)-課件

1、第一講 細胞生物學(xué)概述 ——細胞生物學(xué)研究 的內(nèi)容與現(xiàn)狀,一、細胞生物學(xué)是現(xiàn)代生命科學(xué)的重要基礎(chǔ)學(xué)科 細胞生物學(xué)：是在顯微、亞顯微與分子水平等不同層次上研究細胞結(jié)構(gòu)、功能及生命 活動規(guī)律的科學(xué)。 細胞生物學(xué)研究的對象是細胞。 細胞分子生物學(xué)是當(dāng)前細胞生物學(xué)發(fā)展的主要方向。 細胞生物學(xué)研究的主要內(nèi)容是 細胞的形態(tài)與結(jié)構(gòu)、代謝與調(diào)控、增殖分化、遺傳變異、衰老與死亡、

2、起源與進化、興奮與運動以及細胞的傳遞等。,二、細胞生物學(xué)的主要研究內(nèi)容 大致可分為以下幾 個方面： (一)細胞核、染色體以及基因表達的研究 (二)生物膜與細胞器的研究 (三)細胞骨架體系的研究 (四)細胞增殖及其調(diào)控 （五)細胞分化及其調(diào)控 (六)細胞的衰 老與程序死亡 (七)細胞的起源進化 (八)細胞工程,三、當(dāng)前細胞生物學(xué)研究的總體趨勢與重點領(lǐng)域（一）當(dāng)前細胞生

3、物學(xué)研究中的三大基本問題1、細胞內(nèi)的基因組是如何在時間與空間上有序表達的？2、基因表達的產(chǎn)物如何逐級裝配成基本結(jié)構(gòu)體系及各種細胞器？3、基因表達的產(chǎn)物如何調(diào)節(jié)細胞最重要的生命活動過程的？,（二）當(dāng)前細胞基本生命活動研究的若干重大課題1、染色體DNA與蛋白質(zhì)相互作用關(guān)系——主要是非組蛋白對基因組的作用。2、細胞增殖、分化、凋亡（程序性死亡）的相互關(guān)系及調(diào)控3、細胞信號傳導(dǎo)的研究 4、細胞結(jié)構(gòu)體系的裝配,一、細胞的發(fā)現(xiàn)

4、 英國學(xué)者胡克于1665年制造了第一臺有科研價值的顯微鏡，第一次描述了植物細胞的構(gòu)造，細胞的發(fā)現(xiàn)是在1665年。1677—1683年，荷蘭人列文胡克用自己設(shè)計好的顯微鏡第一次觀察到活細胞。二、細胞學(xué)說的建立及其意義 1、建立： 1838—1839年德國植物學(xué)家施萊登和動物學(xué)家施旺提出：一切植物、動物都是由細胞組成的，細胞是一切動植物的 基本單位，這就是著名的“細胞學(xué)說”。2、細胞學(xué)說的基本內(nèi)容：①一切有機體都是由細胞發(fā)

5、育而來的，并由細胞和細胞產(chǎn)物所構(gòu)成；②每個細胞是一個相對獨立的單位，執(zhí)行特定的功能；③細胞只能通過細胞分裂而來。,第二講 細胞概述,（一）細胞的概念：細胞是生命活動的基本單位 細胞是有膜包圍的能進行獨立繁殖的最小原生質(zhì)團，簡單地說細胞是生命活動的基本單位?？梢詮囊韵陆嵌热ダ斫猓孩偌毎菢?gòu)成有機體的基本單位；②細胞是 有 是代謝與功能的基本單位，有嚴(yán)格自動控制的代謝體系，并且有保證完成生命過程有序性的獨立的結(jié)構(gòu)裝

6、置。③有機體的生長發(fā)育是依靠細胞增殖、分化與凋亡來實現(xiàn)的。細胞是有機體生長發(fā)育的基礎(chǔ)；④細胞具有遺傳的全能性（除少數(shù)特化細胞），是遺傳的基本單位。,（二）細胞的基本共性 細胞的基本共性有：①所有細胞都有細胞膜；②所有細胞都有DNA與RNA；③細胞都有核糖體；④細胞都以一分為二的方式分裂增殖。,,三、 細胞,（三）細胞的種類,a、特點: ①無典型的細胞核，遺傳物質(zhì)僅由一個裸露的環(huán)狀DNA構(gòu)成； ②細胞內(nèi)沒有分化出以膜為基礎(chǔ)的細

7、胞器與細胞核膜。,1、種類繁多的細胞可以分為原核細胞、古核細胞與真核細胞。,2、原核細胞,b、種類：大約出現(xiàn)在35億年前，包括支原體、衣原體、立克次體、細菌、放線菌及藍藻(藍細菌)等6類。,支原體：支原體是目前發(fā)現(xiàn)的最小、最簡單的細胞，直徑只有0.1~0.3µm,能在體外生長，也能寄生在細胞內(nèi)。,細菌 （1）形態(tài)：球菌、桿菌、螺旋菌。 （2）核 區(qū)與基因： 一個環(huán)狀的DNA分子盤繞在

8、核區(qū)，沒有或有極少的組蛋白，無明顯的Feulgen（福爾根）反應(yīng)。DNA復(fù)制不受細胞分裂周期的限制，可以連續(xù)進行，且DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯可以同時進行,這是細菌乃至整個原核細胞與真核細胞最顯著的差異之一。,（3）細菌細胞的表面結(jié)構(gòu)： 主要指細胞膜、細胞壁及其特化結(jié)構(gòu)(中膜體、莢膜、鞭毛等)。細胞膜是細胞表面的重要結(jié)構(gòu)。,細胞膜的功能包括：①選擇性地物質(zhì)運輸；②細菌細胞膜有豐富的酶系，執(zhí)行重要的代謝功能

9、。中膜體由細胞膜內(nèi)陷形成，可能起DNA復(fù)制的支點作用細胞壁的共同成分是肽聚糖 ，革蘭氏陽性菌與陰性菌細胞壁成分與結(jié)構(gòu)差異明顯。 莢 膜是某些細菌表面的特殊結(jié)構(gòu)，是位于細胞壁表面的一層粘液物質(zhì)。 鞭 毛是某些細菌的運動器官，結(jié)構(gòu)簡單,（4）細菌細胞的核糖體 核糖體的沉降系數(shù)為70S，由50S大亞單位和30S亞單位組成。大亞單位含有23S rRNA, 5S rRNA和30多種蛋白質(zhì)，對紅霉素與

10、氯霉素敏感；小亞單位含有16S RNA與20多種蛋白質(zhì)，對四環(huán)素與鏈霉素敏感。,（5）細菌細胞擬核外DNA 擬核外DNA：質(zhì)粒。裸露的環(huán)狀DNA，能自我復(fù)制，并可整合到核DNA中。,（6）細菌細胞的內(nèi)生孢子 又稱芽孢，是對不良環(huán)境有強抵抗力的休眠體。是細菌細胞內(nèi)的重要物質(zhì)(特別是DNA)，積聚在細胞的一端，形成致密體，可度過惡劣環(huán)境。,藍藻 又稱藍細菌，是原核生物，又是最簡單的自養(yǎng)

11、植物類型之一。 藍藻含有豐富的色素，可進行類似高等植物的光合作用。 其中央相當(dāng)于細菌的核區(qū)；光合作用片層由藻膽蛋白構(gòu)成，作用是將光能傳遞給葉綠素a；細胞質(zhì)內(nèi)含物有的是儲存的養(yǎng)料，有的功能不詳；細胞膜外有細胞壁和膠質(zhì)層(鞘)。,c、原核細胞與真核細胞的比較 原核細胞與真核細胞的根本區(qū)別：①細胞膜系統(tǒng)的分化演變；②遺傳信息量與遺傳裝置的擴增與復(fù)雜化。由于上述的根本

12、差異，真核細胞的體積也相應(yīng)擴增，細胞內(nèi)部出現(xiàn)精密的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)——細胞骨架。 二者的區(qū)別可分為兩部分進行比較：①結(jié)構(gòu)與功能比較：真核細胞的生物膜將細胞分化為核與質(zhì)兩部分，細胞質(zhì)又分化出各種細胞器，細胞骨架又保證了細胞形態(tài)的合理排布與執(zhí)行功能的有序性②細胞遺傳裝置與基因表達方式的比較：核膜使擴增了的遺傳信息與復(fù)雜的遺傳裝置相對獨立 ，使基因表達的程序有嚴(yán)格的階段性與區(qū)域性。,古細菌（又稱原細菌）是一些生長在極端特殊環(huán)境中（高溫或高

13、鹽）的細菌。最早發(fā)現(xiàn)的是產(chǎn)甲烷細菌類。古核細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)、遺傳裝置雖與原核細胞相似，但一些 基本分子生物學(xué)特點又與真核細胞接近?，F(xiàn)已有更多的論據(jù)說明真核生物可能起源于古核生物，論據(jù)如下：（1）古細菌的細胞壁成分與真核細胞一樣；（2）古核細胞DNA中有重復(fù)序列的存在；（3）具有組蛋白；（4）古核細胞的核糖體與真細菌的差異很大，從對抗生素的反應(yīng)看，應(yīng)更類似真核細胞的核糖體. （5）根據(jù)對5SrRNA的分子進化分析和二級結(jié)構(gòu)的研究

14、，認(rèn)為古細菌與真核生物同屬一類。而真細菌卻與之差別甚遠。,3、古核細胞（古細菌）,4、真核細胞,1）、真核細胞的基本結(jié)構(gòu)體系 ①生物膜系統(tǒng) 細胞表面是一種多功能結(jié)構(gòu)；核膜又把細胞分為細胞質(zhì)與細胞核。 以生物膜系統(tǒng)為基礎(chǔ)形成了各種細胞器。線粒體、葉綠體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體及溶酶體等。 ②遺傳信息表達結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 由 DNA—蛋白質(zhì)與 RNA—蛋白質(zhì)復(fù)合體形成的遺傳信息載體與表達

15、系統(tǒng)，一般以顆粒或纖維狀的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)存在。包括染色質(zhì)，核 仁、核糖體等。 ③細胞骨架系統(tǒng) 細胞骨架由特異的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)構(gòu)成網(wǎng)架系統(tǒng)，可分為胞質(zhì)骨架與核骨架。,2）、細胞大小及其分析 細胞體積的守恒規(guī)律。3）、細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 細胞的形態(tài)與功能具有相關(guān)性與一致性。4）、植物細胞與動物細胞的比較 植物細胞特有的細胞結(jié)構(gòu)：細胞壁（主要成分是纖維素）、液泡、葉綠體等； 而動物細胞

16、的中心粒在植物細胞中不常見到。,（1）病毒的基本知識 病毒是由一個核酸分子(DNA或RNA)與蛋白質(zhì)構(gòu)成的非細胞形態(tài)的生命體。類病毒僅由一個有感染性的RNA構(gòu)成。朊病毒僅由有感染性的蛋白質(zhì)構(gòu)成。病毒是完整的寄生物。 根據(jù)核 酸類型不同，病毒 可分為DNA病毒與RNA病毒。依據(jù)宿主可分為動物病毒、植物病毒和細菌病毒（噬菌體）等。,5、非細胞形態(tài)的生命體——病毒及其與細胞的關(guān)系,（2）病毒在細胞內(nèi)的增殖（復(fù)制）

17、 病毒的增殖又稱病毒的復(fù)制，病毒的增殖必須在細胞內(nèi)進行。 病毒在宿主細胞內(nèi)分別復(fù)制病毒核酸與翻譯病毒蛋白，然后將核酸與蛋白裝配成病毒的基本結(jié)構(gòu)。其復(fù)制過程大到可分為： 侵染，脫去衣殼，早基因的復(fù)制與表達，晚基因的復(fù)制、結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的合成，裝配、成熟與釋放等過程。,（3）、病毒與細胞在起源和進化中的關(guān)系 病毒可能是細胞在特定條件下“扔出”的一個基因組，或者是具有復(fù)制與轉(zhuǎn)錄能力的

18、mRNA。這些游離的基因組只有回到它們原來的細胞內(nèi)環(huán)境中才能進行復(fù)制與轉(zhuǎn)錄。,第三講 細胞生物學(xué)研究方法,一、光學(xué)顯微鏡技術(shù)1、普通復(fù)式光學(xué)顯微鏡技術(shù) 普通光學(xué)顯微鏡（最大分辨率為0.2µm），主要由三部分組成：①光學(xué)放大系統(tǒng)，即目鏡和物鏡；②照 明系統(tǒng)；③機械和支架系統(tǒng)。 顯微鏡的性能優(yōu)劣決定于它的分辨率d。分辨率是指顯微鏡區(qū)分開相近兩點的能力。,λ為光源波長，α為物鏡鏡口角 。n物鏡和標(biāo)本之間介質(zhì)

19、的折射率。,在可見光中，亮度最大時ｄ近似為0.2μm。即，使用普通光學(xué)顯微鏡，在中心照明的情況下，分辨距離的極限為0.2μm。也就是說，小于0.2μm的兩物體，普通光學(xué)顯微鏡無法區(qū)分。 使用紫外線，可以減小照明光線的波長，能使分辨距離達到0.1μm。但因紫外線不能為人眼所見。只能拍成照片后再觀察。 電子流的波長只有0.00387nm。利用“電子透鏡”或磁透鏡來控制電子流，所制成的電子顯微鏡的分辨距離達零點幾n

20、m。可以用它去觀察原子的結(jié)構(gòu)。,2、熒光顯微鏡技術(shù) 在紫外光顯微鏡基礎(chǔ)上發(fā)展而來，利用樣品自發(fā)熒光和誘發(fā)熒光，可以對某些生物大分子進行定性和 定位研究。不僅可以觀察固定切片標(biāo)本，還可以在活體染色后對活細胞進行研究。 3、激光共焦點掃描顯微鏡 技術(shù) 共焦點是 指物鏡和聚光鏡同時聚焦到同一小點。它 在某一瞬間只用一束通過檢測器前的小孔的光成像，可顯著提高分辨率?？梢杂^察較厚樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。,

21、4、相差顯微鏡技術(shù)和微分干涉顯微鏡技術(shù) 光線在通過密度不同的介質(zhì)時，其滯留程度不同，即產(chǎn)生了光程差和相位差。相差顯微鏡 的基本原理把光程差變成振幅差(即明暗)。從而提高樣品反差，故樣品不需染色，適合觀察活細胞。甚至研究細胞核、線粒體等細胞器的動態(tài)。它在結(jié)構(gòu)上與普通顯微鏡最大的不同是在物鏡后裝有相差板。 微分干涉顯微鏡用的是偏振光，增加了樣品反差，并具有立體感，可作于研究活體細胞中較大的細胞器。

22、 錄像增差顯微鏡技術(shù)在一定程度上可以填補光鏡與電鏡之間分辨率上的間隙。,,二、電了顯微鏡技術(shù)（一）電了顯微鏡基本知識 分辨率最終決定于光的波長，由于使用電子束作光源，電鏡的分辨率大大提高。電鏡的分辨率常常是超薄切片厚度的1/10，它的分辨率可達0.2nm，其放大倍數(shù)為106倍。 電鏡的基本構(gòu)造包括：①電子束照明系統(tǒng) ；②電磁透鏡成像系統(tǒng)；③真空系統(tǒng)；④記錄系統(tǒng)；⑤電源系統(tǒng)。（二）主要電鏡制樣技術(shù)介紹

23、 樣品制備技術(shù)的特殊要求：①樣品要??；②更好地保持樣品的精細結(jié)構(gòu)；③樣品具有一定的反差。,,主要的用于觀察生物樣品的電鏡技術(shù)有：①超薄切片技術(shù)；是觀察細胞超微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。②負染色技術(shù)；③冷凍斷裂和冷凍蝕刻電鏡技術(shù)；④ 電鏡三維重構(gòu)技術(shù)；⑤掃描電鏡技術(shù)（SEM）是觀察細胞表面形的有力工具。（三）掃描隧道顯微鏡(STM) 是一種探測微觀世界物質(zhì)表面形貌的儀器，在納米生物學(xué)的研究領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)越性。 ST

24、M的特點：①具有原子尺度的高分辨本領(lǐng)；②可在真空、大氣、液體等條件下工作；③非破壞性測量。,三、離心技術(shù)——細胞組分的分析方法,細胞成分分析和形態(tài)學(xué)觀察相結(jié)合，可揭示生物大分子在細胞內(nèi)的構(gòu)建及功能。（一）用差速離心技術(shù)分離細胞器與生物大分子及其復(fù)合物 利用多種方法使細胞崩解，形成細胞器和細胞組分的混合勻漿，再通過差速離心，即利用不同的離心速度所產(chǎn)生的不同離心力，將各種亞細胞組分和各種顆粒分開。（二）用平衡密度梯度離心技術(shù)

25、分離精確分離 細胞不同組分沉降率不同，主要依賴于它們的形狀和大小，通常以沉降系數(shù)S來表示(沉降系數(shù)是指懸浮在密度較低的溶劑中的一種溶質(zhì)大分子，在每單位離心場作用下的沉降速率)。,原位成分分析常利用一些顯色劑與所檢物質(zhì)的特殊基團特異性結(jié)合的特征，通過染色反應(yīng)的部位和顏色的深淺來斷某種物質(zhì)在細胞內(nèi)的分布與含量。福爾根(Feulgen)反應(yīng)可特異顯示DNA的存在部位。PAS反應(yīng)可確定多糖的存在。 四氧化鋨 可證明脂肪滴的存在。

26、蘇 丹 Ⅲ和蘇丹 黑也常用于脂肪的鑒定。米倫反應(yīng)及重氮反應(yīng)等用來測定蛋白質(zhì)。,四、顯色方法 ——細胞內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)、酶、糖類、脂質(zhì)等測定,五、熒光技術(shù)——特異蛋白質(zhì)抗原的定位與定性 免疫熒光和免疫電鏡是最常用的細胞內(nèi)蛋白質(zhì)定位技術(shù)。1、熒光染色技術(shù)和免疫熒光技術(shù) 熒光染色技術(shù)是用熒光素（如核黃素、脂褐素）直接標(biāo)記物質(zhì)，在激發(fā)光的激發(fā)下，看到標(biāo)記物所發(fā)熒光。 免疫熒光技術(shù)就是將免疫

27、學(xué)方法與熒光標(biāo)記技術(shù) 相結(jié)合研究特異蛋白質(zhì)抗原在細胞內(nèi)分布的方法。 2、免疫電鏡技術(shù) 免疫電鏡技術(shù)使特異蛋白的定位與超微結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，使抗原定位更準(zhǔn)確。如蛋白分泌的研究、胞內(nèi)酶的研究、一些結(jié)構(gòu)蛋白的研究。,六、原位雜交技術(shù)——細胞內(nèi)特異核酸的定位與定性 用標(biāo)記的核酸探針通過分子雜交確定特殊核苷酸序列在染色體上或細胞中的位置的方法。七、放射自顯影技術(shù)——研究生物大分子在細胞內(nèi)的合成動態(tài) 放射自顯影技術(shù)是

28、利用放射性同位素的電離輻射對乳膠的感光作用，對樣品中放射性標(biāo)記物進行定性與定位測定。 放射自顯影技術(shù)包括兩個主要步驟：即同位素標(biāo)記的大分子前體的摻入和細胞內(nèi)同位素所在位置的顯示。 基本步驟為：摻入、制片、敷膠、曝光、顯影、鏡檢。,第四講 細胞培養(yǎng)、細胞工程與顯微操作技術(shù),（一）動物細胞培養(yǎng) 從機體取出立即培養(yǎng)的細胞叫原代細胞（10代）。將原代細胞分離、稀釋接種到新的培養(yǎng)中繼續(xù)培養(yǎng)的細胞為傳代細胞。從原

29、代培養(yǎng)細胞中分離出來的可繼續(xù)傳代繁殖到40—50的細胞群體叫細胞株，細胞具有接觸抑制的行為，有些具有貼壁生長的行為，具有正常的遺傳物質(zhì)。 從原代細胞或細胞株中獲得的可無限傳代的細胞叫細胞系。細胞無接觸抑制行為，且具有遺傳突變，帶有癌細胞的特征。,一、細胞培養(yǎng) 細胞培養(yǎng)就是將動植物組織或細胞從機體取出，分散成單個細胞 或直接以單細胞 生物，給予必要的生長條件，讓其在培養(yǎng)瓶中或培養(yǎng)基上繼續(xù)生長與增殖。,（二）

30、動物細胞融合技術(shù)即單克隆抗體技術(shù) 1975年英國學(xué)者Milestein等開創(chuàng)了將產(chǎn)生抗體的單個細胞同瘤細胞雜交的技術(shù)。他們的設(shè)計是經(jīng)綿羊紅細胞免疫過的小鼠脾細胞(B淋巴細胞)與骨髓瘤細胞融合，融合的雜交瘤具有兩種親本細胞的特性即可分泌抗綿羊紅細胞的抗體，又可無限增殖。學(xué)者們紛紛利用這 一技術(shù)來制備針對不同抗原的高度純一的單克隆抗體。 單克隆抗體就是單個雜交瘤細胞增殖

31、產(chǎn)生的克隆細胞群分泌的高度純一的抗體。,動物細胞融合技術(shù)即單克隆抗體技術(shù),,,,,,,,,,骨髓瘤細胞？,體外培養(yǎng),從培養(yǎng)液中獲取,抗原？,淋巴細胞？,體內(nèi)培養(yǎng),從腹水中提取,單克隆抗體,,,細胞融合、篩選,雜交瘤細胞,細胞培養(yǎng),（三）植物細胞培養(yǎng) 1、單倍體細胞培養(yǎng)：花藥離體培養(yǎng)。（秋水仙素） 2、原生質(zhì)體培養(yǎng)：去壁的植物細胞叫原生質(zhì)體?？膳囵B(yǎng)成植株或體細胞雜交植株。,植物組織培養(yǎng),植物體細胞雜交,,過程,離體的植物器官、組織或細

32、胞,,愈傷組織,根、芽,,植物體,外植體,脫分化,植物激素：細胞分裂素、生長素,再分化,,植物組織培養(yǎng),,植物組織培養(yǎng)條件：,含有全部營養(yǎng)成分的培養(yǎng)基、一定的溫度、空氣、無菌環(huán)境、適合的PH、適時光照等。,融合體,雜種細胞,去壁的常用方法：,原生質(zhì)體融合方法：,植物體細胞雜交過程示意圖,三、非細胞體系在細胞生物學(xué)研究中的作用 來源于細胞，而不具有完整的細胞結(jié)構(gòu)，但包含了正常生物學(xué)反應(yīng)所需的物質(zhì)（供能系統(tǒng)和酶反應(yīng)體系等）

33、組成的體系即為非細胞體系。四、細胞工程 應(yīng)用細胞生物學(xué)方法，按照預(yù)先的設(shè)計，有計劃地改變或創(chuàng)造細胞遺傳物質(zhì)的技術(shù)以及發(fā)展這種技術(shù) 的領(lǐng)域為細胞工程。 細胞工程所使用的技術(shù)主要是細胞培養(yǎng)、細胞分化的定向誘導(dǎo)、細胞融合和顯微注射等。,（一）細胞融合與細胞雜交技術(shù) 真核生物的體細胞經(jīng)過培養(yǎng)，兩個或多個細胞融 合成一個雙核或多核細胞的過程叫細胞融合。 動物細胞融合一般要用滅活的病毒(

34、如仙臺病毒)或 化學(xué)物質(zhì)(如聚乙二醇，即PEG）介導(dǎo)；植物細胞事例時，要用纖維素酶去掉纖維素壁。 20世紀(jì)80年代又發(fā)明了電融合技術(shù)。 細胞融合可以在基因型相同的細胞間進行，也可以在基因型不同的種內(nèi)細胞間甚至種間細胞間進行。,（二）細胞折合與顯微操作技術(shù) 細胞拆合就是用物理方法（機械法和短波光）、化學(xué)法（用細胞松弛素）把細胞核與質(zhì)分離開后將不同來源的細胞質(zhì)與細胞核相互配合，形成核質(zhì)雜交細胞。