《細(xì)胞工程》第2章：細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)31

《細(xì)胞工程》第2章：細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)31細(xì)胞概念與結(jié)構(gòu)遺傳物質(zhì)與基因表達(dá)細(xì)胞代謝與能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞增殖與分化細(xì)胞衰老與死亡細(xì)胞間通訊與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)contents目錄01細(xì)胞概念與結(jié)構(gòu)03細(xì)胞具有自我復(fù)制和分裂的能力，是生物體生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖的基礎(chǔ)。01細(xì)胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)和功能單位。02細(xì)胞具有相對(duì)獨(dú)立的代謝系統(tǒng)，能夠與外界進(jìn)行物質(zhì)交換和能量轉(zhuǎn)換。細(xì)胞定義及特點(diǎn)缺乏核膜和核仁，DNA裸露，無細(xì)胞器分化，如細(xì)菌和藍(lán)藻等。具有核膜和核仁，DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，細(xì)胞器分化明顯，包括動(dòng)物、植物和真菌等。原核細(xì)胞與真核細(xì)胞真核細(xì)胞原核細(xì)胞溶酶體葉綠體進(jìn)行光合作用，合成有機(jī)物并釋放氧氣。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)參與蛋白質(zhì)加工和運(yùn)輸，以及脂質(zhì)合成。高爾基體對(duì)來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)進(jìn)行加工、分類和包裝，然后分門別類地送到細(xì)胞特定的部位或分泌到細(xì)胞外。提供細(xì)胞能量，參與氧化磷酸化過程。線粒體核糖體合成蛋白質(zhì)的場(chǎng)所。消化細(xì)胞從外界吞入的顆粒和細(xì)胞自身產(chǎn)生的無用的或多余的物質(zhì)。細(xì)胞器及其功能由磷脂雙分子層和蛋白質(zhì)組成，具有選擇透過性，控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞。細(xì)胞膜位于細(xì)胞膜外，起保護(hù)和支持細(xì)胞的作用，主要由纖維素和果膠組成（植物細(xì)胞）或由肽聚糖組成（細(xì)菌細(xì)胞）。細(xì)胞壁細(xì)胞膜與細(xì)胞壁02遺傳物質(zhì)與基因表達(dá)123DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，攜帶遺傳信息，通過半保留復(fù)制方式傳遞遺傳信息。DNA作為遺傳信息的載體RNA種類及功能，包括mRNA、tRNA和rRNA等，參與蛋白質(zhì)合成過程。RNA在遺傳信息表達(dá)中的作用DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA，RNA翻譯合成蛋白質(zhì)，實(shí)現(xiàn)遺傳信息的表達(dá)。DNA與RNA的相互關(guān)系遺傳物質(zhì)DNA與RNA基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA片段，控制生物性狀的基本遺傳單位。基因的定義基因的結(jié)構(gòu)基因的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄基因由編碼區(qū)和非編碼區(qū)組成，編碼區(qū)包括外顯子和內(nèi)含子?；蛲ㄟ^DNA復(fù)制傳遞給子代細(xì)胞，通過轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA。030201基因概念及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制基因表達(dá)的調(diào)控層次包括轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控、翻譯水平調(diào)控和翻譯后水平調(diào)控等。轉(zhuǎn)錄因子與基因表達(dá)調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子識(shí)別并結(jié)合基因啟動(dòng)子區(qū)域，調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄過程。表觀遺傳調(diào)控包括DNA甲基化、組蛋白修飾等，影響基因表達(dá)而不改變DNA序列?；蛲蛔儗?duì)生物體的影響導(dǎo)致遺傳信息改變，可能產(chǎn)生新的性狀或?qū)е录膊“l(fā)生。基因的修復(fù)機(jī)制包括直接修復(fù)、切除修復(fù)、重組修復(fù)等，維護(hù)基因組的穩(wěn)定性?；蛲蛔兊念愋图霸虬c(diǎn)突變、插入突變、缺失突變等，由物理、化學(xué)、生物因素等引起。基因突變與修復(fù)03細(xì)胞代謝與能量轉(zhuǎn)換糖酵解丙酮酸進(jìn)入線粒體，經(jīng)過一系列反應(yīng)最終生成二氧化碳和水，同時(shí)產(chǎn)生大量ATP。三羧酸循環(huán)氧化磷酸化電子傳遞鏈上的氧化還原反應(yīng)與磷酸化作用相偶聯(lián)，生成ATP。葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)中被分解成丙酮酸，產(chǎn)生少量ATP。細(xì)胞呼吸作用過程光合色素吸收光能，將水分解成氧氣和還原劑。光反應(yīng)利用光反應(yīng)產(chǎn)生的還原劑和能量，將二氧化碳固定并合成有機(jī)物。暗反應(yīng)提高農(nóng)作物產(chǎn)量、改善生態(tài)環(huán)境等。光合作用的應(yīng)用光合作用原理及應(yīng)用能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞通過呼吸作用和光合作用將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為ATP中的化學(xué)能。ATP合成在細(xì)胞呼吸和光合作用過程中，ADP和磷酸根離子在酶的催化下合成ATP。能量轉(zhuǎn)換與ATP合成糖代謝途徑包括糖酵解、三羧酸循環(huán)等，是細(xì)胞獲取能量的主要途徑。脂類代謝途徑包括脂肪酸的合成與分解、膽固醇的代謝等，對(duì)維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能有重要作用。氨基酸代謝途徑氨基酸通過轉(zhuǎn)氨基作用、脫氨基作用等參與蛋白質(zhì)的合成與分解。代謝調(diào)控細(xì)胞通過調(diào)節(jié)酶的活性、基因表達(dá)等方式對(duì)代謝途徑進(jìn)行精確調(diào)控。代謝途徑及調(diào)控04細(xì)胞增殖與分化有絲分裂是一種細(xì)胞增殖方式，通過核分裂和細(xì)胞質(zhì)分裂形成兩個(gè)遺傳信息相同的子細(xì)胞。有絲分裂過程包括前期、中期、后期和末期，各時(shí)期具有不同的形態(tài)學(xué)特征和分子事件。有絲分裂的特點(diǎn)是DNA復(fù)制一次，細(xì)胞分裂一次，形成兩個(gè)相同的子細(xì)胞。有絲分裂對(duì)于維持生物體的生長(zhǎng)、發(fā)育和組織修復(fù)具有重要意義。01020304有絲分裂過程及特點(diǎn)減數(shù)分裂是一種特殊的有絲分裂方式，用于生殖細(xì)胞的產(chǎn)生。減數(shù)分裂的特點(diǎn)是染色體數(shù)目減半，使得不同親本來源的遺傳信息能夠組合，增加后代遺傳多樣性。減數(shù)分裂過程中，DNA復(fù)制一次，但細(xì)胞連續(xù)分裂兩次，形成四個(gè)遺傳信息不同的子細(xì)胞，即配子。配子形成過程中涉及同源染色體的配對(duì)、交換和分離等關(guān)鍵事件。減數(shù)分裂與配子形成細(xì)胞周期是指細(xì)胞從一次分裂完成到下一次分裂結(jié)束所經(jīng)歷的全過程。這些調(diào)控因子通過相互作用和磷酸化等機(jī)制，精確控制細(xì)胞周期的各個(gè)階段和進(jìn)程。細(xì)胞周期調(diào)控因子細(xì)胞周期調(diào)控因子包括細(xì)胞周期蛋白、細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶和細(xì)胞周期檢查點(diǎn)蛋白等。細(xì)胞周期調(diào)控因子的異常表達(dá)或功能失調(diào)可能導(dǎo)致細(xì)胞增殖失控和腫瘤發(fā)生。01干細(xì)胞是一類具有自我更新能力和多向分化潛能的細(xì)胞。02干細(xì)胞在胚胎發(fā)育、組織修復(fù)和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。03根據(jù)來源和分化潛能不同，干細(xì)胞可分為胚胎干細(xì)胞、成體干細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞等類型。04再生醫(yī)學(xué)利用干細(xì)胞和生物材料等技術(shù)，旨在修復(fù)或替換受損組織和器官，恢復(fù)其正常功能。干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)05細(xì)胞衰老與死亡衰老現(xiàn)象細(xì)胞衰老時(shí)會(huì)出現(xiàn)形態(tài)變化、代謝減慢、功能下降等現(xiàn)象。衰老機(jī)制包括端?？s短、DNA損傷累積、氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙等。衰老與疾病細(xì)胞衰老與多種疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)，如心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病、癌癥等。衰老現(xiàn)象及機(jī)制凋亡概念01凋亡是一種程序性細(xì)胞死亡方式，對(duì)維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)具有重要意義。凋亡途徑02包括外源性途徑（死亡受體途徑）和內(nèi)源性途徑（線粒體途徑），兩條途徑最終都激活caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。凋亡與疾病03凋亡異常與多種疾病的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)，如自身免疫性疾病、神經(jīng)退行性疾病、癌癥等。凋亡概念及途徑自噬過程自噬是一種細(xì)胞自我降解的過程，通過形成自噬體將細(xì)胞內(nèi)受損或多余的物質(zhì)包裹并降解，以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。壞死與自噬的相互作用在某些情況下，壞死和自噬可以相互轉(zhuǎn)化或同時(shí)發(fā)生，共同調(diào)節(jié)細(xì)胞命運(yùn)。壞死過程壞死是一種被動(dòng)性細(xì)胞死亡方式，通常由物理、化學(xué)或生物因素引起，表現(xiàn)為細(xì)胞腫脹、膜破裂和細(xì)胞內(nèi)容物釋放。壞死與自噬過程延緩端?？s短清除衰老細(xì)胞激活自噬抗氧化應(yīng)激抗衰老策略通過端粒酶激活劑或端粒長(zhǎng)度維持機(jī)制來延緩端粒縮短，從而延長(zhǎng)細(xì)胞壽命。通過激活自噬來清除細(xì)胞內(nèi)受損或多余的物質(zhì)，以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和延長(zhǎng)細(xì)胞壽命。通過清除衰老細(xì)胞來減少衰老相關(guān)分泌表型（SASP）的影響，以改善組織微環(huán)境。通過抗氧化劑來減少氧化應(yīng)激對(duì)細(xì)胞的損傷，從而延緩衰老過程。06細(xì)胞間通訊與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)直接接觸相鄰細(xì)胞間通過間隙連接通道交換小分子物質(zhì)和信號(hào)分子。間隙連接旁分泌自分泌01020403細(xì)胞分泌的信號(hào)分子作用于自身。細(xì)胞間通過細(xì)胞膜上的受體或細(xì)胞間連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息交流。細(xì)胞通過分泌信號(hào)分子到細(xì)胞外，作用于鄰近的其他細(xì)胞。細(xì)胞間通訊方式包括生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子、激素等，具有調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、凋亡等功能。蛋白質(zhì)類信號(hào)分子如前列腺素、白三烯等，參與炎癥反應(yīng)、血管收縮等生理過程。脂類信號(hào)分子如一氧化氮、一氧化碳等，具有舒張血管、傳遞神經(jīng)信號(hào)等作用。氣體信號(hào)分子如環(huán)磷酸腺苷、環(huán)磷酸鳥苷等，參與細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。核苷酸類信號(hào)分子信號(hào)分子種類及作用信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑G蛋白偶聯(lián)受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑核受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑酶聯(lián)受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑離子通道受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑通過G蛋白將信號(hào)從細(xì)胞膜傳遞到細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)而引起一系列生理反應(yīng)。信號(hào)分子直接進(jìn)入細(xì)胞核，與核受體結(jié)合后調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。信號(hào)分子與細(xì)胞膜上的酶聯(lián)受體結(jié)合后，激活細(xì)胞內(nèi)的一系列酶促反應(yīng)，最終產(chǎn)生生物效應(yīng)。信號(hào)分子通過激活細(xì)胞膜上的離子通道，改變細(xì)胞內(nèi)外離子的濃度和電位差，從而傳遞信息。ABCD信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)異常與疾病信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)異常與腫瘤信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的異常激活