細(xì)胞工程理論基礎(chǔ)課件

1、第二章 細(xì)胞工程基礎(chǔ) 細(xì)胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)單位和功能單位，單細(xì)胞生物，一個(gè)細(xì)胞就是一個(gè)個(gè)體，而多細(xì)胞生物則由許多細(xì)胞成一個(gè)個(gè)體。我們所看到的生物體都是由多細(xì)胞所組成。在多細(xì)胞生物體中，由形態(tài)結(jié)構(gòu)相似的細(xì)胞再組成組織，執(zhí)行著生物體中的部分功能。 2.1 細(xì)胞組成2.2 細(xì)胞周期與細(xì)胞分裂2.3 細(xì)胞識(shí)別與細(xì)胞通訊2.4 細(xì)胞分化2.5生殖與發(fā)育細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)1665年，英國(guó)人羅伯特胡克使用自制的顯微鏡觀察軟木片；1831年，羅伯特布朗從蘭科植物的葉片表皮細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞核；1835年，在低等動(dòng)物根足和多孔蟲(chóng)的細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)含物細(xì)胞質(zhì)； 18381839年，施旺、施萊登提出一切植物、動(dòng)物都是由細(xì)

2、胞組成的，細(xì)胞是一切動(dòng)植物的基本單位，這一學(xué)說(shuō)就叫做“細(xì)胞學(xué)說(shuō)”。細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本單位 細(xì)胞是生命的基本結(jié)構(gòu)單位，所有生物都是 由細(xì)胞組成的； 細(xì)胞是生命活動(dòng)的功能單位，一切代謝活動(dòng) 均以細(xì)胞為基礎(chǔ)； 細(xì)胞是生殖和遺傳的基礎(chǔ)與橋梁；具有相同的 遺傳語(yǔ)言； 細(xì)胞是生物體生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)； 細(xì)胞是生命起源的歸宿，是生物進(jìn)化的起點(diǎn)； 沒(méi)有細(xì)胞就沒(méi)有完整的生命（病毒的生命活 動(dòng)離不開(kāi)細(xì)胞） 細(xì)胞的大小和形態(tài) 各類(lèi)細(xì)胞大小的比較細(xì)胞形態(tài)的多樣性酵母菌植物纖維細(xì)胞植物表皮細(xì)胞精子 根據(jù)細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可將生物界的細(xì)胞分為兩大類(lèi)：原核細(xì)胞和真核細(xì)胞 細(xì)菌、藍(lán)藻和放線菌等由原核細(xì)胞構(gòu)成的有機(jī)體稱(chēng)為原核生物，

3、幾乎所有的原核生物都由單個(gè)原核細(xì)胞構(gòu)成。 而由真核細(xì)胞構(gòu)成的有機(jī)體則稱(chēng)為真核生物。 1.原核細(xì)胞（prokaryotic）的形態(tài)結(jié)構(gòu) 基本特點(diǎn)： A.主染色體為一個(gè)環(huán)狀裸露DNA B.無(wú)核膜 C.無(wú)膜系構(gòu)造細(xì)胞器 D.以無(wú)絲分裂繁殖 主要代表：細(xì)菌、 藍(lán)藻等 纖毛細(xì)胞壁擬核鞭毛核糖體質(zhì)膜內(nèi)含物細(xì)菌結(jié)構(gòu)模式圖微 絲葉綠體線粒體質(zhì) 膜液 泡 細(xì)胞核內(nèi)質(zhì)網(wǎng)微 管細(xì)胞壁高爾基體植物細(xì)胞模式圖動(dòng)物細(xì)胞模式圖微 絲微 管質(zhì) 膜線粒體中心體細(xì)胞核溶酶體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體2.1 細(xì)胞膜液態(tài)鑲嵌模型脂雙層 糖萼 蛋白質(zhì) 2.2 細(xì)胞器2.2.1 細(xì)胞核核 膜 染 色 質(zhì)核小體染色體核 型2.2.2 線粒體主要功能：

4、線粒體是細(xì)胞進(jìn)行氧化呼吸，產(chǎn)生能量的地方。 在線粒體中進(jìn)行的代謝途徑主要有： 三羧酸循環(huán) 、氧化磷酸化和 參與脂肪酸代謝。 通常分布在細(xì)胞功能旺盛的區(qū)域。在腎細(xì)胞中靠近微血管，在精子中分布在鞭毛中區(qū)。線粒體可以向細(xì)胞功能旺盛的區(qū)域遷移，微管是其導(dǎo)軌、馬達(dá)蛋白提供動(dòng)力。 （二）分布（三）超微結(jié)構(gòu)分為外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)四部分。Structures of the mitochondrion氧化磷酸化的電子傳遞鏈位于內(nèi)膜。標(biāo)志酶為細(xì)胞色素C氧化酶。內(nèi)膜向線粒體內(nèi)室褶入形成嵴（cristae），能擴(kuò)大內(nèi)膜表面積（達(dá)510倍），嵴有兩種：板層狀、管狀。嵴上覆有基粒。基粒由頭部（F1）和基部（F0）構(gòu)

5、成 。3、膜間隙 (intermembrane space)：是內(nèi)外膜之間的腔隙，寬約6-8nm。標(biāo)志酶為腺苷酸激酶。4、基質(zhì)（matrix）為內(nèi)膜和嵴包圍的空間。含有：催化三羧酸循環(huán)，脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化的酶類(lèi)。標(biāo)志酶為蘋(píng)果酸脫氫酶。線粒體DNA（mtDNA），及線粒體特有的核糖體，tRNAs 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。纖維絲和電子密度很大的致密顆粒狀物質(zhì)，內(nèi)含Ca2+、Mg2+、Zn2+等離子。線粒體的半自主性1963年M. & S. Nass發(fā)現(xiàn)線粒體DNA。線粒體類(lèi)似于細(xì)菌的特征：環(huán)形DNA；70S核糖體；RNA聚合酶被溴化乙錠抑制，不被放線菌素D所抑制；tRNA

6、和氨酰基-tRNA合成酶不同于細(xì)胞質(zhì)中的；蛋白質(zhì)合成的起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA；對(duì)細(xì)菌蛋白質(zhì)合成抑制劑氯霉素敏感對(duì)細(xì)胞質(zhì)蛋白合成抑制劑放線菌酮不敏感。線粒體的增殖線粒體來(lái)源于已有的線粒體的分裂。間壁分離：分裂時(shí)先由內(nèi)膜向中心皺褶，將線粒體分為兩個(gè)，常見(jiàn)于鼠肝和植物分生組織中。收縮后分離：通過(guò)中部縊縮分裂為兩個(gè)。出芽：見(jiàn)于酵母和蘚類(lèi)植物，線粒體出現(xiàn)小芽，脫落后長(zhǎng)大，發(fā)育為線粒體。 2.2.3 葉綠體綠色植物通過(guò)葉綠體（Chloroplast）完成能量轉(zhuǎn)換，利用光能同化二氧化碳和水，合成糖，同時(shí)產(chǎn)生氧。綠色植物年產(chǎn)干物質(zhì)達(dá)1014公斤。光合作用是地球上有機(jī)體生存和發(fā)展的根本源泉

7、。一、形態(tài)與結(jié)構(gòu)象雙凸或平凸透鏡，長(zhǎng)徑510um，短徑24um，厚23um。葉肉細(xì)胞一般含50200個(gè)葉綠體，占細(xì)胞質(zhì)的40%。由外被（chloroplast envelope）、類(lèi)囊體（thylakoid）和基質(zhì)（stroma）3部分組成。含有3種不同的膜：外膜、內(nèi)膜、類(lèi)囊體膜，3種彼此分開(kāi)的腔：膜間隙、基質(zhì)和類(lèi)囊體腔。 雙層膜組成，膜間為1020nm的間隙。外膜的滲透性大。內(nèi)膜對(duì)通過(guò)物質(zhì)的選擇性很強(qiáng)，CO2、O2、Pi、H2O、等可以透過(guò)內(nèi)膜，ADP、ATP、 NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透過(guò)內(nèi)膜，需要特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)體（translator）才能通過(guò)內(nèi)膜。（一）葉綠體外被是膜圍成的扁平囊。

8、主要成分是蛋白質(zhì)和脂類(lèi)（60：40），不飽含脂肪酸含量高（約87%），膜流動(dòng)性高?；＃罕馄叫∧叶询B而成，每個(gè)葉綠體含4060個(gè)。基質(zhì)類(lèi)囊體：連接基粒的沒(méi)有堆疊的類(lèi)囊體。膜的內(nèi)在蛋白主要有：細(xì)胞色素b6f復(fù)合體、集光復(fù)合體（LHC）、質(zhì)體醌（PQ）、質(zhì)體藍(lán)素（PC）、鐵氧化還原蛋白（FD）、黃素蛋白、光系統(tǒng)I、II復(fù)合物等。（二） 類(lèi)囊體是內(nèi)膜與類(lèi)囊體之間的空間。主要成分包括：碳同化相關(guān)的酶類(lèi)：如RuBP羧化酶占基質(zhì)可溶性蛋白總量的60%。葉綠體DNA、蛋白質(zhì)合成體系：如，ctDNA、各類(lèi)RNA、核糖體等。一些顆粒成分：如淀粉粒、質(zhì)體小球和植物鐵蛋白等。（三）基質(zhì)線粒體與葉綠體的相似性：均由兩

9、層膜包被，內(nèi)外膜的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)有顯著的差異。均為半自主性細(xì)胞器，具有自身的DNA及轉(zhuǎn)譯體系。因此綠色植物細(xì)胞內(nèi)存在3個(gè)遺傳系統(tǒng)。葉綠體的ctDNA不足以編碼葉綠體所需的全部蛋白質(zhì)，因此必須依靠于核基因來(lái)編碼其余的蛋白質(zhì)。通過(guò)定向轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入葉綠體的各部分。三、葉綠體的半自主性四、葉綠體的增殖在個(gè)體發(fā)育中葉綠體由原質(zhì)體發(fā)育而來(lái)。在有光條件下原質(zhì)體的小泡數(shù)目增加并融合形成片層，發(fā)育為基粒，形成葉綠體。在黑暗生長(zhǎng)時(shí)，原質(zhì)體小泡融合速度減慢，并轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕谐删W(wǎng)格的三維晶格結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為原片層，這種質(zhì)體稱(chēng)為黃色體。在有光下仍可發(fā)育為葉綠體。幼小葉綠體能靠分裂而增殖。成熟葉綠體一般不再分裂或很少分裂。 2.2.3 內(nèi)

10、質(zhì)網(wǎng)2.2.4 高爾基體主要功能：蛋白質(zhì)修飾與加工（糖基化）、蛋白質(zhì)的與組裝。脂質(zhì)的合成。 主要功能：蛋白質(zhì)的合成、修飾，新生多肽的折疊 分選 、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的運(yùn)輸、蛋白質(zhì)分泌等。2.2.5 溶酶體2.2.6 質(zhì)體 質(zhì)體是存在于植物細(xì)胞中的細(xì)胞器。它也是一種雙膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器。根據(jù)質(zhì)體在植物體中存在的不同部位，質(zhì)體可分為白色體和有色體兩種形態(tài)。 消化細(xì)胞內(nèi)吞的食物，為細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng) 清除衰老的細(xì)胞器、 防御功能。2. 2.7 細(xì)胞骨架 細(xì)胞骨架包括微管、微絲和中間纖維三種類(lèi)型，是由許多蛋白質(zhì)亞基組裝成纖維狀蛋白質(zhì)。細(xì)胞骨架的一個(gè)明顯特征是它的組裝和拆卸活動(dòng)非常頻繁，細(xì)胞形狀的改變、內(nèi)部細(xì)胞器的運(yùn)動(dòng)

11、、細(xì)胞的分化過(guò)程中都與細(xì)胞骨架的活動(dòng)有關(guān)。 微絲2.2.8 核糖體核糖體是合成蛋白質(zhì)的細(xì)胞器 主要成分蛋白質(zhì)和RNA 功 能： 按照mRNA 的指令合成多肽鏈mRNA核糖體2.3 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì) 糖、蛋白質(zhì)和脂類(lèi)重要的代謝庫(kù)和中轉(zhuǎn)站，是維持生命活動(dòng)的大本營(yíng)。 主要功能： 完成各種中間代謝過(guò)程 糖酵解過(guò)程、磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑等 蛋白質(zhì)的分選與運(yùn)輸 與細(xì)胞質(zhì)骨架相關(guān)的功能 維持細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸及能量傳遞等 2.2.1 細(xì)胞周期（cell cycle） 細(xì)胞周期（cell cycle）：連續(xù)分裂的細(xì)胞從一次細(xì)胞分裂結(jié)束開(kāi)始，到下一次細(xì)胞分裂結(jié)束所經(jīng)歷的過(guò)程。 DNA合成前期（pre

12、-DNA synthesis, G1期）DNA合成期（phase of DNA synthesis, S期）DNA合成后期（post-DNA synthesis, G2期）細(xì)胞分裂期（ phase of cell division, M期）細(xì)胞周期蛋白（Cyclin）細(xì)胞周期蛋白依賴(lài)性蛋白激酶（cyclin dependent kinase ，CDK）磷脂酶細(xì)胞周期蛋白依賴(lài)性激酶活化激酶(cyclin dependent kinase-activating kinase, CAK) 遍在蛋白/泛素（ubiquitin ）細(xì)胞周期蛋白依賴(lài)性蛋白激酶抑制因子（cyclin dependent ki

13、nase inhibitor，CDI 或CKI）細(xì)胞周期檢查點(diǎn)的特點(diǎn)首先，檢查點(diǎn)的機(jī)制很保守，從酵母到哺乳動(dòng)物細(xì)胞都很相似，許多酵母細(xì)胞的檢查點(diǎn)蛋白質(zhì)都有哺乳動(dòng)物細(xì)胞的同源蛋白質(zhì)。 其次，蛋白質(zhì)的磷酸化調(diào)控被細(xì)胞周期檢查點(diǎn)用作信號(hào)傳遞的主要方式。 最后，檢查點(diǎn)通過(guò)關(guān)閉細(xì)胞周期的引擎CDK來(lái)中止細(xì)胞周期的運(yùn)行。 2.2.2 細(xì)胞分裂細(xì)胞分裂（cell division）：是細(xì)胞一分為二的增殖過(guò)程，從而產(chǎn)生新細(xì)胞。 棉花胚乳游離時(shí)期細(xì)胞核無(wú)絲分裂 蛙的紅細(xì)胞的無(wú)絲分裂 1.無(wú)絲分裂(amitosis)特征：分裂速度快，不出現(xiàn)染色體和紡錘體等結(jié)構(gòu)，核膜核仁也不消失。2.有絲分裂（mitosis）細(xì)胞

14、增殖周期G0期：休眠期 G1期：DNA合成前期 S 期：DNA合成期 G2期: DNA合成后期 M 期：有絲分裂期 （1）細(xì)胞分裂間期（2）有絲分裂期前期中期后期末期子細(xì)胞分為G1期、S期和G2期三個(gè)階段。新生細(xì)胞的去向：重新進(jìn)入細(xì)胞周期、 細(xì)胞分化 成為Go期細(xì)胞動(dòng)物細(xì)胞的紡錘體極性微管動(dòng)粒微管星體微管星體微管中心粒中心粒外基質(zhì)染色體中心粒外基質(zhì)中心粒有絲分裂 的意義有絲分裂的過(guò)程是親代細(xì)胞的染色體復(fù)制，再平均分配到兩個(gè)子細(xì)胞中，從而保證了親、子代兩代細(xì)胞中含有相同數(shù)目和形態(tài)結(jié)構(gòu)的染色體，在親子代之間保持遺傳性狀的穩(wěn)定性和遺傳性。減數(shù)分裂：是細(xì)胞僅進(jìn)行一次DNA復(fù)制，隨后進(jìn)行兩次分裂，染色體

15、數(shù)目減半的一種特殊的有絲分裂，僅出現(xiàn)在生殖細(xì)胞成熟過(guò)程中 。連續(xù)的兩次分裂 減數(shù)分裂第一次分裂 減數(shù)分裂第二次分裂MEIOSIS減數(shù)分裂的意義： 1、遺傳物質(zhì)只復(fù)制一次，細(xì)胞連續(xù)分裂兩次，導(dǎo)致染色體數(shù)目減半； 2、S期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)； 3、同源染色體在減數(shù)分裂期I(Meiosis I)配對(duì)聯(lián)會(huì)、基因重組； 4、減數(shù)分裂同源染色體配對(duì)排列在中期板上，第一次分裂時(shí)，同源染色體分開(kāi)。 減數(shù)分裂的特點(diǎn)： 1、遺傳物質(zhì)只復(fù)制一次，細(xì)胞連續(xù)分裂兩次，導(dǎo)致染色體數(shù)目減半；2、S期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；3、同源染色體在減數(shù)分裂期I(Meiosis I)配對(duì)聯(lián)會(huì)、基因重組；4、減數(shù)分裂同源染色體配對(duì)排列在中期板上，第一次

16、分裂時(shí)，同源染色體分開(kāi)。2.2.3 細(xì)胞衰老單細(xì)胞生物：細(xì)胞衰老或死亡就是個(gè)體衰老或死亡多細(xì)胞生物：細(xì)胞衰老不等同于個(gè)體衰老 衰老（senescing, aging）是機(jī)體在退化時(shí)期生理功能下降和紊亂的綜合表現(xiàn)，是不可逆的生命過(guò)程。細(xì)胞衰老機(jī)制差錯(cuò)學(xué)派代謝廢物積累自由基學(xué)說(shuō)線粒體損傷假說(shuō)體細(xì)胞突變與DNA修復(fù)遺傳學(xué)派基因程序理論復(fù)制性衰老（端粒假說(shuō)）長(zhǎng)壽基因課后閱讀細(xì)胞壞死（necrosis）：指細(xì)胞遭受到強(qiáng)烈有害損傷條件（物理、化學(xué)、生理）刺激時(shí)，出現(xiàn)的一種被動(dòng)的、突發(fā)性的、非生理性死亡。表現(xiàn)：膜通透性增加，細(xì)胞外形發(fā)生不規(guī)則變化，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴(kuò)張，核染色質(zhì)不規(guī)則的位移，線粒體及核腫脹，溶酶體破壞，細(xì)胞膜破裂，胞漿外溢等，從而誘發(fā)炎癥反應(yīng)。細(xì)胞凋亡Apoptosis ，又稱(chēng)程序性細(xì)胞死亡(programmed cell death, PCD)，指特定的內(nèi)部或外部因素誘導(dǎo)啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)有基因編碼的“死亡程序”，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡的過(guò)程。這是一個(gè)主動(dòng)的由基因決定的自動(dòng)結(jié)束生命的過(guò)程。Apoptosis的概念源自于希臘語(yǔ)，原意是指樹(shù)葉或花的自然凋落；細(xì)胞發(fā)生程序性死亡時(shí)，就像樹(shù)葉或花的自然凋落一樣，凋亡的細(xì)胞散在于正常組織細(xì)胞中，無(wú)炎癥反應(yīng)，不遺留疤痕。死亡的細(xì)胞碎片很快被巨噬細(xì)胞或鄰近細(xì)胞清除，不影響其他細(xì)胞的正常功能。a正常T細(xì)胞雜交瘤細(xì)