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普通生物学2细胞结构与通讯


3 细胞结构与细胞通讯
3.1 细胞的结构

一、显微镜的发明打开了微观世界的大门

样本内部
光学显微镜 透射电子显微镜

样本表面
扫描电子显微镜

Robert Hooke 软木 蜂窝状的小格 子“细胞” (命名)

Anton van Leeuwenhoek (荷兰,1632-1723) 能将微小物体放大近300倍, 最早看到细菌的人

细胞学说

1838年施莱登 1839年施万 细胞学说

细胞是组成生物体的基本单位
细胞只能由业已存在的细胞经分裂而产生

电镜观察的样本都是经过加工的样本 用电镜不能观察活的样本

二、分级分离技术可用于研究活的样本
用细胞破碎技术和 超离心技术对细胞器 或细胞结构成分进行 分离和进一步的生物 化学分析是探索细胞 结构与功能相互关系 的重要途径。

沉降系数 用离心法时,大分子沉降速度的量度,等于每单位离 心场的速度。或s=v/ω2r。s是沉降系数,ω是离心 转子的角速度(弧度/秒),r是到旋转中心的距离, v是沉降速度。沉降系数以每单位重力的沉降时间表 示,并且通常为1~200×10-13秒范围,10-13秒这个 因子叫做沉降单位S,即1S=10-13秒,如血红蛋白的 沉降系数约为4×10-13秒或4S。大多数蛋白质和核酸 的沉降系数在4S和40S之间,核糖体及其亚基在30S 和80S之间,多核糖体在100S以上。

沉降系数越大,分子或颗粒就越大

三、两类细胞:原核细胞和真核细胞
? 原核细胞
? 遗传信息载体仅由 一个环状DNA构成 ? 细胞内没有核膜和 细胞骨架

真核细胞的结构

纤毛

高尔基体

叶绿体 线粒体
细胞壁 细胞膜 细胞质 液泡

线粒体
中心体 高尔基体

细胞膜 细胞质 细胞核

细胞核 粗面内质网 光面内质网

粗面内质网 光面内质网

一、细胞核是真核细胞的控制中心

?核被膜:双层膜,外膜可延伸与细胞
质中的内质网相连(外膜实际上是围绕 核的内质网部分)。 ?核纤层:纤维状蛋白构成 ?核孔:由30~50种蛋白质组成,并与 核纤层结合,成为核孔复合体,其上蛋 白统称为核孔蛋白。 一些蛋白质和RNA分子可由核孔进入或 输出细胞核; 原理:大分子依据自身的核定位信号与核 孔复合体中专一受体蛋白结合而实现 “主动转运”

染色质: 1.可被苏木精、醋酸洋红、龙 胆紫等染料染色的物质 2.常染色质 异染色质(附于核被膜内 面) 3.组成成分:DNA和组蛋白 (主要成分)和少量RNA 和非组蛋白(如DNA复制 和转录有关的蛋白质) 4.核小体:核心(4对组蛋白) 5.染色质丝的单位:一个核小 体上的DNA加一段连接 DNA共有146个碱基对 6、与染色体

? 核仁:是核中颗粒状结构,富含蛋白质和RNA, 核糖体RNA(rRNA)就来自核仁,核糖体的 装配场所; 核仁组织者:染色体上含编码rRNA的rDNA的 区域 ? 核基质:含蛋白质的细纤维组成的网架结构 维持形态、固定许多与细胞核活动 相关的装置。如:几乎所有新合成的核酸都与 核基质纤维相连。 核质与核基质的区别

内质网的结构与功能
1.组成:由膜形成的小管和小囊状的潴泡组成。 其膜占全部膜一半以上。 2.种类:分糙面内质网(rER)和光面内质网(sER) 。

功能
? 糙面内质网膜上附有颗粒状的核糖体,是蛋白 质合成(主要是合成分泌性蛋白和多种膜蛋白)、 蛋白质的修饰与加工(糖基化、羟基化、酰 基化与二硫键的形成)、新生肽的折叠与组 装的场所,糙面内质网形成转运小泡。在分泌 细胞(如胰腺腺泡细胞)和浆细胞中(分泌抗 体)中粗面内质网非常发达; 糙面内质网是 制造膜的工厂(rER膜中的酶 将细胞溶胶中的前体组装成磷脂)

? 光面内质网不含有核糖体,在细胞中只是内质网连续结 构的一部分。 ? 主要功能:脂质合成(脂肪、磷脂、固醇类) 糖类的代谢(肝细胞) 药物或毒物的解毒(肝细胞) (对巴比妥类的镇静剂药物产生耐受性的原因) ? 在肌肉细胞中的特殊功能 :细胞溶胶中的Ca2+泵入 潴泡,在接受刺激时返回而引发肌肉收缩 ? 在睾丸细胞、卵巢细胞、肝细胞中光面内质网非常发达。

?核糖体的结构与功能
---蛋白质生产的“机器”

核糖体(ribosome)是合 成蛋白质的细胞器。
参与蛋白质的核糖体都是 由大小两个亚基组成,每 个亚基由不同的rRNA和蛋 白质组装而成。 分布:最多一个细胞可多 达几百万个 合成:

核糖体的分类: 原核细胞的核糖体,其沉降系数为 70S(50S,30S); 真核细胞的核糖体,其沉降系数为 80S(60S,40S)。
游离的核糖体:制造细胞溶胶中的蛋白质 连在内质网膜或核被膜上的核糖体:运到指 定地点起作用的蛋白质

?高尔基体的结构与功能
---蛋白质的加工、存贮、分拣和转运中心 是一摞扁平的小囊和小泡组成。

高尔基体主要功能:蛋白质的修饰(糖基侧链的修饰)、
加工与分选;细胞的分泌活动;大分子的运输;合成多糖 等生物大分子;与植物分裂时的新细胞壁的形成有关。

溶酶体的结构与功能
溶酶体是动物、真菌和一些植物细胞内的一种细 胞器,单层膜小泡,由高尔基体外运侧出芽而产 生, 内含多种水解酶, 可催化蛋白质、核酸、脂质、 多糖、DNA和RNA等生物大分子的降解,消化细 胞碎渣和从外界吞入的颗粒(自噬和异噬)。

溶酶体对细胞 营养、免疫防 御、清除有害 物质、应激、 分泌、细胞的 新陈代谢及组 织器官的发育 和老化等具有 重要作用。

溶酶体含有各种酸性水解酶,酸性磷酸酶是溶酶体标志性酶。

液泡
?

?

液胞内的液汁称细胞液,其主 要成分是水,并含有糖、有机 酸、脂类、蛋白质、酶、氨基 酸、树胶、粘液、植物碱、花 青素和无机盐等物质。 花瓣、果实上红色或蓝色是因 含有花色素苷,花色素苷的颜 色随着细胞液的酸碱性不同而 有变化,酸性时呈红色,碱性 时呈蓝色。如牵牛花:由早上 的蓝色→中午的红色。

图1-7 植物细胞的液泡及其发育 A-E. 幼期细胞到成熟的细胞,随细 胞的生长,细胞中的小液泡变大, 合并,最终形成一个大的中央液泡

液泡的生理功能:
①贮藏作用 ②液泡在维持细胞的内环境的稳定上 起着 重要的作用 ③液泡形成的内环境可以缓冲外界条件的突 然变化,因而液泡与植物抗性有关

?线粒体和质体等进行能量转换
线粒体
? 由内膜和外膜包裹的囊状结构,其膜蛋白是由游离的 核糖体制造的,囊内是液态的基质,基质中含有催化 三羧酸循环的多种酶; ? 外膜平整,内膜向内折入形成一些嵴,内膜面上有 ATP合酶;

?线粒体基质中还含有环状DNA分子和核糖体, 可以进行半自我复制; ?线粒体是细胞呼吸和能量代谢中心,细胞呼吸 中的电子传递过程及ATP的合成就发生在线粒 体内膜的表面。 推测线粒体的分布

推测线粒体的起源

质 体

? 质体根据色素和 功能的不同,分 为二种主要类型 ? 有色体 ? 白色体

叶绿体
? 是最重要的植物质体,是植物光合作用的细胞器; ? 也有两层膜,内部由一些扁平囊组成膜系统,称类囊 体。植物的光合作用的色素和电子传递系统位于类囊 体膜上; ? 含有大量的叶绿素和各种与光合作用有关的酶; ? 含有环状的DNA和核糖体,也可以进行半自我复制。

有色体
含有类胡萝卜素的质体,故呈橘红一黄之 间的色彩。花瓣、果实等的颜色就是有色体 的颜色。有色体多从叶绿体转化而来,积累 脂类和淀粉。

番茄的有色体中还含有番茄红素

白色体
是无色的质体,近球形,主要存在于分生组织细 胞或不见光的细胞,如:甘薯(番薯)、马铃薯 地下贮藏器官中;种子的胚及少数植物叶的表皮 细胞中也有存在。包括合成淀粉的造粉体、合成 脂肪和油的造油体,合成蛋白质的糊粉体等等。

微体——与H2O2代谢有关的细胞器
两种类型: 过氧化物酶体:存在于动植物细胞中 肝脏解毒 乙醛酸循环体:只存在于植物细胞中,种子萌 发时,脂肪转化为糖的过程就发生在其中

? 细胞骨架维持细胞形状并控制其运动
细胞骨架(cytoskeleton )是细胞内部以蛋
白纤维为主要成分的网络结构,由微管(microtube)、 微丝(microfilament)和中间丝(intermediate filament)构成的,维持着细胞的形态结构和内部结 构的有序性。

微管 中间丝 微丝

微管: 由微管蛋白组装成,平 均直径为约25nm,由两种微管 蛋白亚基组成的二聚体是微管 装配的基本单位。 存在于所有的真核细胞中。 微管参与纺锤体、中心粒、鞭 毛、纤毛的组装。 微管是细胞器移动的轨道、与 细胞分裂过程中染色体的分离 有关

微丝:又称肌动蛋白丝,是指真核细 胞中由肌动蛋白组成,直径为7nm的骨 架纤维。 存在于动植物细胞中,如肌肉细胞、 成纤维细胞、肠绒毛细胞中有丰富的 微丝。肌肉收缩、胞质环流、细胞分 裂(裂沟)、细胞运动(伪足)中起 作用; 原理 是:产生张力

细胞松弛素B和鬼笔环肽的作用:
肌动蛋白丝的解聚和防解聚

中间丝: 直径为10nm,其成分 非常复杂,常见的有:角蛋白、 波形蛋白、核纤层蛋白。 产生张力 在维持细胞形状和固定细胞器 位置上有重要作用

鞭毛、纤毛、中心粒与运动有关
鞭毛和纤毛: 基本结构成分:微管 结构模式:二连体微管 9(2)+2 排列 两者都是从位于膜下的基体生长出来的。 (基体与中心粒是同源器官) 基体的结构模式:三连体微管9(3)+0 排列

区别:长度、数目、作用方式
功能:(1)使细胞位置移动 (2)使细胞周围的液体或颗粒移动

中心粒
分布:大部分真核细胞,但种子植物和某些 原生动物中没有中心粒 结构模式:三连体微管9(3)+0 排列
中心体:又称微管组织中心,包括中心粒及其埋藏 在其中的一团特殊的细胞质

细胞壁包被着植物细胞
是区别于动物细胞的最典型特征

功能:保护、支持、使细胞不能吸收过量的水分
组成:纤维素组成的微原纤维埋藏在由其他多糖和 蛋白质组成的基质中

初生壁:主要成分为纤维素、半纤维素,并有结构蛋 白存在。细胞在形成初生壁后,如果不再有新的壁层 积累,初生壁便是他们的永久的细胞壁。如薄壁组织 细胞。
胞间层:富含多糖(果胶质)的物质,位于相邻细胞 间。 作用: 初生壁加固方式: 次生壁:位于质膜和初生壁之间。主要成分为纤维素 木质化: 细胞壁内填充了木质素(芳香醇类的多聚化合 物),使细胞壁的硬度增加 木栓化: 细胞壁中增加了木栓质(脂质),不易透气, 也不易透水 。如胡克所看到的就是木栓化的壁。

胞间连丝:由相互连接的相邻细胞的细胞 膜共同组成的直径为20—40nm的管状结 构,中央是由内质网延伸形成的链管结构。

胞间连丝:植物细胞 间通讯连络。

动物细胞有胞外基质(ECM)和细胞连接
胞外基质:

胶原纤维(主要)

糖蛋白

蛋白聚糖 纤连蛋白:与质膜内的整联蛋白相连

细胞连接
动物的细胞连接主要有3种类型:

桥粒、紧密连接(封闭连接)、间隙连接

桥粒
桥粒:两个细胞间钮扣式的结构。 是中间丝的锚定位点,使相邻细胞的细 胞骨架间接地连接成网

盘状致密斑

桥粒蛋白

角蛋白纤维

紧密连接:可阻止 溶液中的分子沿细 胞间隙渗入体内, 一般存在于上皮细 胞之间 血脑屏障、 肠壁上皮、 肾小管上皮

间隙连接:又称通讯连接 几乎所有的动物组织中都有。 构成间隙连接的基本单位称连接子,每个连接子由 6个相同或相似的 跨膜蛋白亚单位环绕, 中心形成一个直径约 1.5nm的孔道。 相邻细胞膜上的两个 连接子对接便形成一 个间隙连接单位。

间隙连接的功能:细胞内的一些小分子, 如离子、氨基酸等物质有可能通过。 有助于细胞间的代谢偶联,它在细胞 通讯方面有重要作用。

生物膜——流动镶嵌模型

细胞膜(质膜) 1、化学组成:脂质和蛋白质组成的生物膜,另有 少量糖类 2、磷脂分子: 3、动物细胞膜中有胆固醇;细菌、蓝藻等原核细 胞和植物细胞的膜中一般没有胆固醇

膜是流动的 1.磷脂分子和蛋白质分子都可以移动,但磷脂分 子移动得快。 2.膜蛋白的移动可能连在膜蛋白胞质侧的马达分 子指导它沿着细胞骨架的纤丝移动。 3.膜固化的温度决定于组成它的脂质类型

4.不同温度下,胆固醇对膜的流动性影响不同

膜是镶嵌的 蛋白质分子: 功能多而复杂的生物膜蛋白质比例大,相反,膜 功能越简单,所含蛋白质的种类越少。例如:线 粒体内膜功能复杂,蛋白质种类约30~40种。 从分布位置分膜周边蛋白(水溶性蛋白,与膜结 合较弱)和膜内在蛋白(与膜结合紧密,只有用 去垢剂使膜崩解后才可分离出来)。

膜上的糖类为细胞间识别所必需
细胞间识别的关键:细胞表面的糖分子
糖的存在形式:与膜蛋白结合成糖蛋白;
与膜脂结合成糖脂 糖的成分:半乳糖、甘露糖和唾液酸 糖链:一般都是短而有分支的寡糖链(因物种、个 体而异)

决定红细胞ABO血型物质为糖脂和糖蛋白。 A型血糖脂的寡糖链上较O型多一个N-乙酰 半乳糖胺残基,B型仅多一个半乳糖残基。

细胞通讯

1.信号接受

配体:激素及小分子蛋白质等(第一信使) 受体:大多数是质膜中的蛋白质分子 最常见的受体: 与G蛋白偶联 的受体 并非所有信号 受体都在质膜 中,还有一些 在细胞内

细胞通讯

2.信号转导

信号转导:信息的传递大都是由磷酸化作用引起 的蛋白质构象的变化 蛋白激酶(蛋白质上加磷酸根):信号转导途径的开启 蛋白磷酸酶(蛋白质上移去磷酸根):信号转导途径的 关闭 第二信使:环AMP(cAMP)和钙离子 信号放大的方式:酶的级联

3.信号响应


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