范文一:细胞生物学教案
细胞生物学教案 课程教案/讲稿
(第六章 细胞质基质与细胞内膜系统)
教 师 姓 名: 薛冬桦
学院(部、中心): 生物工程学院
教研室?实验室: 生物技术教研室
2005年8月
长 春 工 业 大 学 课 程 教 案?讲 稿 用 纸
讲 授 内 容 教学设计?备注
与原核细胞物不同的是真核细胞具有复杂的由内膜构成的功能区隔。细胞内膜系统指在结构,功能或发生上相关的细胞内膜形成的细胞结构,包括核被膜、内质网、高尔基体及其形成的溶酶体和分泌泡等,以及其它细胞器如线粒体,质体和过氧化物酶体等膜包围的细胞器(膜性细胞器)。
内膜系统形成了一种胞内网络结构,其功能主要在于两个方面:其一是扩大膜的总面积,为酶提供附着的支架,如脂肪代谢、氧化磷酸化相关的酶都结合在细胞膜上。其二是将细胞内部区分为不同的功能区域,保证各种生化反应所需的独特的环境。
本章主要介绍内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体的功能和蛋白质分选,关于线粒体、叶绿体和细胞核的功能与蛋白质分选将分别在第七章(线粒体与叶绿体)和第八章(细胞核与染色体)中讲解。
第一节 蛋白质分选的基本原理
从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生(线粒体、叶绿体),从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂。当细胞进行分裂时,不仅要进行染色体和细胞核的复制,同时各种细胞器通过吸收新合成的成分长大,然后随着细胞的分裂分配到子细胞中去。细胞不能从无到有产生所有膜性细胞器,新的膜性细胞器来源于已存在细胞器的分裂。如果彻底移除细胞内所有的过氧化物酶体,细胞根本不能重建新的过氧化物酶体,因为过氧化物酶体中具有选择性地接受细胞质内合成的蛋白质的转位因子(translocator)。细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面:其一是蛋白质中包含特殊的信号序列(signal sequence or targeting sequence ),其二是细胞器上具特定的信号识别装置(分选受体,sorting receptor),因此内膜系统的发生具有核外遗传(epigenetic)的特性。
一、蛋白质分选信号
细胞类至少存在两类蛋白质分选的信号(图6-1):
?信号序列(signal sequence):存在于蛋白质一级结构上的线性序列,通常15-60
个氨基酸残基,有些信号序列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶(signal peptidase)切除.
?信号斑(signal patch):存在于完成折叠的蛋白质中,构成信号斑的信号序列之间可以不相邻,折叠在一起构成蛋白质分选的信号。
蛋白质分选信号的作用是引导蛋白质从胞质溶胶进入内质网、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体,也可以引导蛋白质从细胞核进入细胞质或从Golgi体进入内质网。这种分选信号的氨基酸残基有时呈线性排列,有时折叠成信号斑,如引导蛋白质定向运输到溶酶体的信号斑,是溶酶体酸性水解酶被高尔基体选择性加工的标识。
图6-1 两类分选信号 引自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002
表1一些典型的分选信号
功能 信号序列
-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val- 输入细胞核
-Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile- 输出细胞核
+HN-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys- 3
输入线粒体
Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-
+HN-Met-Val-Ala-Met-Ala-Met-Ala-Ser-Leu-Gln-Ser-Ser- 3
Met-Ser-Ser-Leu-Ser-Leu-Ser-Ser-Asn-Ser-Phe-Leu-
输入质体
Gly-Gln-Pro-Leu-Ser-Pro-Ile-Thr-Leu-Ser-Pro-Phe-Leu-
Gln-Gly-
--Ser-Lys-Leu-COO 输入过氧化物酶体
+HN-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val- 3
Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu- 输入内质网
Thr-Lys-Cys- Glu-Val-Phe-Gln-
-返回内质网 -Lys-Asp-Glu-Leu-COO(KDEL)
Tyr-X-X-Φ 由质膜到内体
每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向,如输入内质网的蛋白质通常N端具有一段信号序列,含有6-15个带正电荷的非极性氨基酸。由高尔基体返回内质网的蛋白质,其C端的四个氨基序列,一些已知的分选信号见表1。目前对于信号斑了解较少,主要是因为它存在于复杂的三维结构中,很难将其分离出来研究。
二、蛋白质分选运输的途径
蛋白质的分选运输途径主要有三类:
1、门控运输(gated transport):如核孔可以选择性的主动运输大分子物质和RNP复合体,并且允许小分子物质自由进出细胞核。
2、跨膜运输(transmembrane transport):蛋白质通过跨膜通道进入目的地。如细胞质中合成的蛋白质在信号序列的引导下,通过线粒体上的转位因子,以解折叠的线性分子进入线粒体。
3、膜泡运输(vesicular transport):蛋白质被选择性地包装成运输小泡,定向转运到靶细胞器。如内质网向高尔基体的物质运输、高尔基体分泌形成溶酶体、细胞摄入某些营养物质或激素,都属于这种运输方式。
这几种运输机制都涉及信号序列的引导和靶细胞器上受体蛋白的识别。
第二节 膜泡运输
细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递常常通过膜泡运输方式进行。如从内质网到高尔基体;高尔基体到溶酶体;细胞分泌物的外排,都要通过过渡性小泡进行转运。膜泡运输是一种高度有组织的定向运输,各类运输泡之所能够被准确地运到靶细胞器,主要是因为细胞器的胞质面具有特殊的膜标志蛋白。许多膜标志蛋白存在于不止一种细胞器,可见不同的膜标志蛋白组合,决定膜的表面识别特征。
大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的。其表面具有一个笼子状的由蛋白质构成的衣被(coat)。这种衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。衣被具有两个主要作用:?选择性的将特定蛋白聚集在一起,形成运输小泡;?如同模具一样决定运输小泡的外部特征,相同性质的运输小泡之所以具有相同的形状和体积,与衣被蛋白的组成有关。
胞内膜泡运输沿微管或微丝运行,动力来自马达蛋白(motor proteins)。与膜
泡运输有关的马达蛋白有3类:一类是动力蛋白(dynein),可向微管负端移动;另一类为驱动蛋白(kinesin),可牵引物质向微管的正端移动;第三类是肌球蛋白(myosin),可向微丝的正极运动。在马达蛋白的作用下,可将膜泡转运到特定的区域,
一、衣被类型
已知三类具有代表性的衣被蛋白,即:笼形蛋白(clathrin)、COPI和COPII,个介导不同的运输途径(表2)。
表2 衣被小泡的类型与功能
衣被类型 GTP酶 组成与衔接蛋白 运输方向
Clathrin重链与轻链,AP2 质膜?内体
Clathrin重链与轻链,AP1 高尔基体?内体
clathrin Arf
高尔基体?溶酶体
Clathrin重链与轻链,AP3
高尔基体?植物液泡
COP I Arf COPαββ’γδε, 高尔基体?内质网
Sec23/Sec24复合体,Sec
COP II Sar 1 13/31复合体, Sec 16,Sec 内质网?高尔基体
12
(一)笼形蛋白衣被小泡
笼形蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡,介导高尔基体到内体、溶酶体、植物液泡的运输,以及质膜到内膜区隔的膜泡运输。
笼形蛋白分子由3个重链和3个轻链组成(图6-2),形成一个具有3个曲臂的形状(triskelion)。许多笼形蛋白的曲臂部分交织在一起,形成一个具有5边形网孔的笼子(图6-3)。
图6-2 笼形蛋白的结构,A电镜照片,B分子模型,C衣被模型 引自Molecular
Biology of the Cell. 4th ed. 2002
图6-4 笼形衣被小泡的组成 图6-3 笼形蛋白衣被小泡的形态
笼形蛋白形成的衣被中还有衔接蛋白(adaptin)。它介于笼形蛋白与配体受体复合物之间,起连接作用(图6-4)。目前至少发现4种不同类型的衔接蛋白,可分别结合不同类型的受体,形成不同性质的转运小泡,如AP1参与高尔基体?内体的运
输、AP2参与质膜?内体的运输、AP3参与高尔基体?溶酶体的运输。
当笼形蛋白衣被小泡形成时,可溶性蛋白动力素(dynamin)聚集成一圈围绕在芽的颈部(图6-5),将小泡柄部的膜尽可能地拉近(小于1.5nm),从而导致膜融合,掐断(pinch off)衣被小泡。动力素是一种GTP酶,调节小泡以出芽形式脱离膜的速率。动力素可以召集其它可溶性蛋白在小泡的颈部聚集,通过改变膜的形状和膜脂的组成,促使小跑颈部的膜融合,形成衣被小泡。
图6-5 Clathrin衣被小泡的掐断过程引自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002
当衣被小泡从膜上释放后,衣被很快就解体,属于hsp70家族的一种分子伴侣(molecular chaperone)充当衣被解体的ATP酶,一种辅蛋白(auxillin)可以激活这种ATP酶。
(二)COP I衣被小泡
负责回收、转运内质网逃逸蛋白(escaped proteins)返回内质网(图6-6、7)。起初发现于高尔基体碎片,在含有ATP的溶液中温育时,能形成非笼形蛋白包被的小泡。进一步的研究发现这种衣被蛋白复合体包含多达7种肽链。
内质网向高尔基体输送运输小泡时,一部分自身的蛋白质也不可避免的被运送到了高尔基体,如不进行回收则内质网因为磷脂和某些蛋白质的匮乏而停止工作。内质网通过两种机制维持蛋白质的平衡 :一是转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外,例如有些驻留蛋白参与形成大的复合物,因而不能被包装在出芽形成的转运泡中,结果被保留下来;二是通过对逃逸蛋白的回收机制,使之返回它们正常驻留的部位。
内质网的正常驻留蛋白,不管在腔中还是在膜上,它们在C端含有一段回收信号序列(retrieval signals),如果它们被意外地逃逸进入转运泡从内质网运至高尔基体cis面,则cis面的膜结合受体蛋白将识别并结合逃逸蛋白的回收信号,形成COPI衣被小泡将它们返回内质网。内质网腔中的蛋白,如蛋白二硫键异构酶和协助折叠的分子伴侣,均具有典型的回收信号Lys-Asp-Glu-Leu(KDEL,图6-8)。内质网的膜蛋白(如SRP受体)在C端有一个不同的回收信号,通常是Lys-Lys-X-X(KKXX,X:任意氨基酸),同样可保证它们的回收。
COP I衣被小泡还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。
图6-6 COP I衣被小泡的形态
图6-7 COPI和COPII衣被小泡 引自 图6-8 KDEL序列 引自Molecular Biology
Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002 of the Cell. 4th ed. 2002
(三)COP?衣被小泡
介导从内质网到高尔基体的物质运输。最早发现于酵母ER在ATP存在的细胞质液中温育时,ER膜上能形成类似于COP I的衣被小泡,某些温度敏感型的酵母,由于COP II衣被蛋白发生变异,在特定温度下会在内质网中积累蛋白质。
COP II衣被由多种蛋白质构成(参见表2),其中Sar1GTP酶与Sec23/Sec24复合体结合在一起,形成紧紧包围着膜的一层衣被,Sec13/Sec31复合体形成覆盖在外围的一层衣被,Sec16推测可能是一种骨架蛋白,Sec12是Sar1的鸟苷酸交换因子。真核生物的COP II衣被蛋白亚单位具有一些横向同源物(Paralog)[1],这些同源物可能介导不同的蛋白质转运,具有不同的调节机制。在实验条件下,纯化的Sar1、Sec23/Sec24、Sec13/Sec31等5种成分足以在人工脂质体上形成小泡,说明这些成分具有改变膜的形状和掐断运输小泡的功能。
COP II衣被小泡形成与内质网的特殊部位,称为内质网出口(exit sites),这些部位没有核糖体,由交织在一起的管道和囊泡组成网络结构。
由内质网到高尔基体的蛋白转运中,大多数跨膜蛋白是直接结合在COP II衣被上,但是少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与COP II衣被结合,这些受体在完成转运后,通过COP I衣被小泡返回内质网。
COP II衣被所识别的分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结构域,形式多样,有些包含双酸性基序[DE]X[DE](D为Asp,E为Glu,X为任何一种氨基酸),如Asp-X-Glu序列,其他一些具有短的疏水基序,如FF,YYM,FY,LL,IL等等(其中F为Phe,Y为Tyr,M为Met,L为Leu,I为Ile)。
二、衣被的形成
衣被是在一类叫作衣被召集GTP酶(coat-recruitment GTPase)作用下形成的。衣被召集GTP酶通常为单体GTP酶(monomeric GTPase),也叫G蛋白,起分子开关的作用,结合GDP的形式没有活性,位于细胞质中,结合GTP而活化,转位至膜上,能与衣被蛋白结合,促进核化和组装。
G蛋白具有两类重要的调节蛋白,即:鸟苷酸交换因子(guanine-nucleotide exchange factor, GEF)和GTP酶激活蛋白(GTPase activating protein, GAP)。GEF
的作用是使G蛋白释放GDP,结合GTP而激活。GAP的作用是激活G蛋白的酶活性,使GTP水解,G蛋白失活,G蛋白本身的GTP酶活性不高。除单体G蛋白以外,三聚体G蛋白也起分子开关的作用,控制衣被小泡的形成。
衣被召集GTP酶包括Arf蛋白和Sar 1蛋白(图6-9),Arf参与高尔基体上笼形蛋白衣被与COP I衣被的形成,Sar 1参与内质网上COP II衣被的形成,两者的作用方式大体相似。质膜上笼形蛋白衣被的形成也与GTP酶有关,但其成分尚不明确。
衣被召集GTP酶大量存在于细胞质中,但处于结合GDP的失活状态。当内质网上要形成COPII衣被小泡时,Sar 1释放GDP结合GTP而激活,激活的Sar 1暴露出一条脂肪酸的尾巴,插入内质网膜,然后开始召集衣被蛋白,以衣被蛋白为模型形成运输小泡。活化的衣被召集GTP酶还可以激活磷脂酶D(phospholipase D),将一些磷脂水解,使形成衣被的蛋白质牢固地结合在膜上。
衣被召集GTP酶对衣被的形成其动态调节作用,当多数衣被召集GTP酶处于结合GTP的状态时,它催化衣被的形成;反之当多数衣被召集GTP酶处于结合GDP的状态时,它催化衣被的解体。因此衣被的形成过程是边形成便解体的动态过程,只有在组装速率大于解体速率时,才能形成衣被小泡。
图6-9 COP II衣被小泡的组装 引自Juan S. Bonifacino等 2004 三、膜泡运输的定向机制
衣被小泡沿着细胞内的微管被运输到靶细胞器,马达蛋白水解ATP提供运输的动力。各类运输小泡之所以能够被准确地和靶膜融合,是因为运输小泡表面的标志蛋白能被靶膜上的受体识别,其中涉及识别过程的两类关键性的蛋白质是SNAREs(soluble NSF attachment protein receptor)和Rabs(targeting GTPase)。其中SNARE介导运输小泡特异性停泊和融合,Rab的作用是使运输小泡靠近靶膜。 (一)SNAREs
SNAREs的作用是保证识别的特异性和介导运输小泡与目标膜的融合,动物细
胞中已发现20多种SNAREs,分别分布于特定的膜上,位于运输小泡上的叫作v-SNAREs,位于靶膜上的叫作t-SNAREs(图6-10)。v-SNAREs和 t-SNAREs都具有一个螺旋结构域,能相互缠绕形成跨SNAREs复合体(trans-SNAREs complexes,图6-11),并通过这个结构将运输小泡的膜与靶膜拉在一起,实现运输小泡特异性停泊和融合。实验证明包含了SNARE的脂质体和包含匹配SNARE的脂质体间可发生融合,尽管速度较慢。这说明除了SNARE之外,还有其他的蛋白参与运输泡与目的膜的融合。
图6-10 t-和v-SNARE引自Molecular 图6-11 SNARE复合体 引自Molecular
Biology of the Cell. 4th ed. 2002 Biology of the Cell. 4th ed. 2002
在SNAREs接到新一轮的运输小泡停泊之前,SNAREs必须以分离的状态存在,NSF(N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein, NSF)催化 SNAREs的分离,它是一种类似分子伴娘的ATP酶,能够利用ATP作为能量通过插入几个适配蛋白(adaptor protein)将SNAREs复合体的螺旋缠绕分开(图6-12)。
图6-12 SNARE复合体的解离 引自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002
在神经细胞中SNAREs负责突触小泡的停泊和融合,破伤风毒素和肉毒素等细菌分泌的神经性毒素实际上是一类特殊的蛋白酶,能够选择性地降解SNAREs,从而阻断神经传导。
精卵的融合、成肌细胞的融合均涉及SNAREs,另外病毒融合蛋白的工作原理
与SNAREs相似,介导病毒与宿主质膜的融合(图6-13)。
图6-13 病毒融合蛋白的工作原理 引自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002 (二)Rabs
Rab也叫targeting GTPase,属于单体GTP酶,结构类似于Ras,已知30余种。不同膜上具有不同的Rab,每一种细胞器至少含有一种以上的Rab。Rabs的作用是促进和调节运输小泡的停泊和融合。与衣被召集GTP酶相似的是,起分子开关作用,结合GDP失活,位于细胞质中,结合GTP激活,位于细胞膜、内膜和运输小泡膜上,调节SNAREs复合体的形成。Rabs的调节蛋白与其它G蛋白的相似。Rabs还有许多效应因子(effector),其作用是帮助运输小泡聚集和靠近靶膜,触发SNAREs释放它的抑制因子(图6-14)。许多运输小泡只有在包含了特定的Rabs和SNAREs之后才能形成。
图6-14 Rab的作用 引自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002 四、细胞的内吞与外排
(一)受体介导的内吞
细胞的内吞可分为两类,批量内吞(Bulk-phase endocytosis)和受体介导的内吞(Receptor mediated endocytosis, RME),批量内吞是非特异性的摄入细胞外物质,如培养细胞摄入辣根过氧化物酶。细胞表面的内陷(caveolae)是发生非特异性内吞的部
位。
受体介导的内吞作用是一种选择浓缩机制,既可保证细胞大量地摄入特定的大分子,同时又避免了吸入细胞外大量的液体。低密脂蛋白、运铁蛋白、生长因子、胰岛素等蛋白类激素、糖蛋白等,都是通过受体介导的内吞作用进行的。
衣被小窝(coated pits)是质膜向内凹陷的部位,约占肝细胞和成纤维细胞膜表面积的2%。受体大量集中于此处,凹陷的胞质侧具有大量的笼形蛋白和衔接蛋白,类似的结构也存在于高尔基体的TGN区。受体在衣被小窝处的集中与是否结合配体无关。衣被小窝就相当一个分子过滤器(molecular filter),帮助细胞获取所需要的大分子物质。
运输小泡的衣被中,除笼形蛋白外,还有衔接蛋白(adaptin)。它介于笼形蛋白与配体受体复合物之间,起连接作用。衔接蛋白存在有不同的种类,可分别结合不同类型的受体。
跨膜受体蛋白的胞质端有一个由4个氨基酸残基组成的序列(Tyr-X-X-Φ),此序列是发生内吞作用的信号,X表示任何一种氨基酸,Φ为分子较大的疏水氨基酸,如Phe、Leu、Met等,衔接蛋白对此序列有识别能力。
受体同配体结合后启动内化作用,笼形蛋白开始组装。在dynamin的作用下掐断后形成衣被小泡(coated vesicles)。衣被小泡进入胞质后,衣被蛋白随即脱去,分子返回到质膜下方,重又参与形成新的衣被小泡。其过程和高尔基体的TGN区形成溶酶体小泡的过程相似。
胆固醇主要在肝细胞中合成,随后与磷脂和蛋白质形成低密脂蛋白(low-density lipoproteins,LDL),释放到血液中。LDL颗粒的质量为3X106Da,直径20~30nm,芯部含有大约1500个胆固醇分子,这些胆固醇分子被酯化成长链脂肪酸。芯部周围由一脂单层包围,脂单层包含磷脂分子和未酯化的胆固醇以及一个非常大的单链糖蛋白质 (apolipoprotein B-100),这个蛋白质分子可以和靶膜上的受体结合(图6-15)。
图6-16 LDL的内吞 图6-15 LDL的结构
当细胞进行膜合成需要胆固醇时,细胞即合成LDL跨膜受体蛋白,并将其嵌插到质膜中。受体与LDL颗粒结合后,形成衣被小泡;进入细胞质的衣被小泡随即脱掉笼形蛋白衣被,成为平滑小泡,同早期内体融合,内体中PH值低,使受体与LDL颗粒分离;再经晚期内体将LDL送人溶酶体。在溶酶体中,LDL颗粒中的胆固醇酯被水解成游离的胆固醇而被利用(图6-16、17A、18)。细胞对胆固醇的利用具有调节能力,当细胞中的胆固醇积累过多时,细胞即停止合成自身的胆固醇,同时也关闭了LDL受体蛋白的合成途径,暂停吸收外来的胆固醇。有的人因为LDL受体蛋白编码的基因有遗传缺陷,造成血液中胆固醇含量过高(图6-17B),因而会过早地患
动脉粥样硬化症(atherosclerosis),这种人往往因易患冠心病而英年早逝。
图6-17 clathrin 衣被的组装,异常的受体不能形成包含货物的运输小泡 引自
Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002
图6-18 受体介导的内吞 引自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002
在受体介导的内吞作用过程中,不同类型的受体具有不同的胞内体分选途径:?大部分受体返回它们原来的质膜结构域,如LDL受体又循环到质膜再利用;?有
些受体不能再循环而是最后进入溶酶体,在那里被消化,如与表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF)结合的细胞表面受体,大部分在溶酶体被降解,从而导致细胞表面EGF受体浓度降低,称为受体下行调节(receptor down-regulation);?有些受体被运至质膜不同的结构域,该过程称作穿胞运输(transcytosis,图6-19)。在具有极性的上皮细胞,这是一种将内吞作用与外排作用相结合的物质跨膜转运方式,即转运的物质通过内吞作用从上皮细胞的一侧被摄人细胞,再通过外排作用从细胞的另一侧输出。如母鼠的抗体从血液通过上皮细胞进入母乳中,乳鼠肠上皮细胞将抗体摄人体内,都是通过跨细胞的转运完成的。
图6-19 穿胞运输 引自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002 (二)外排作用
与细胞的内吞作用相反,外排作用是将细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。
组成型的外排途径(constitutive exocytosis pathway):所有真核细胞都有从高尔基体TGN区分泌囊泡向质膜运输的过程,其作用在于更新膜蛋白和膜脂、形成质膜外周蛋白、细胞外基质、或作为营养成分和信号分子。
调节型外排途径(regulated exocytosis pathway):分泌细胞产生的分泌物(如激素、粘液或消化酶)储存在分泌泡内,当细胞在受到胞外信号刺激时,分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。调节型的外排途径存在于特化的分泌细胞。其蛋白分选信号存在于蛋白本身,由高尔基体TGN上特殊的受体选择性地包装为运输小泡。
组成型的外排途径通过default pathway完成蛋白质的转运过程。在粗面内质网中合成的蛋白质除了某些有特殊标志的蛋白驻留在ER或高尔基体中或选择性地进入溶酶体和调节性分泌泡外,其余的蛋白均沿着粗面内质网?高尔基体?分泌泡?
细胞表面这一途径完成其转运过程。
第三节 内质网
由KR. Porter、A. Claude 和 EF. Fullam等人于1945年发现,他们在观察培养的小鼠成纤维细胞时,发现细胞质内部具有网状结构,建议叫做内质网endoplasmic reticulum,ER,后来发现内质网不仅仅存在于细胞的“内质”部,通常还有质膜和核膜相连,并且与高尔基体关系密切,并且常伴有许多线粒体。
一、形态与组成
内质网膜约占细胞总膜面积的一半,是真核细胞中最多的膜。内质网是内膜构成的封闭的网状管道系统。具有高度的多型性。可分为粗面型内质网(rough endoplasmic reticulum,RER,图6-20)和光面型内质网(smooth endoplasmic reticulum,SER,图6-21)两类。RER呈扁平囊状,排列整齐,膜围成的空间称为ER腔(lumen),膜外有核糖体附着。SER呈分支管状或小泡状,无核糖体附着。肌肉细胞中的肌质
2+网是一种特化的SER,称为肌质网,可贮存Ca,引起肌肉收缩。细胞不含纯粹的RER或SER,它们分别是ER连续结构的一部分。
ER主要功能是合成蛋白质和脂类,分泌性蛋白和跨膜蛋白都是在ER中合成的。ER合成的脂类除满足自身需要外,还提供给高尔基体、溶酶体、内体、质膜、线粒体、叶绿体等膜性细胞结构。
ER膜中含大约60%的蛋白和40%的脂类,脂类主要成分为磷脂,磷脂酰胆碱含量较高,鞘磷脂含量较少,没有或很少含胆固醇。ER约有30多种膜结合蛋白,另有30多种位于内质网腔,这些蛋白的分布具有异质性,如:葡糖-6-磷酸酶,普遍存在于内质网,被认为是标志酶,核糖体结合糖蛋白(ribophorin)只分布在RER,P450酶系只分布在SER。
图6-20 RER的形态 图6-21 SER的形态引自
http://www.uni-mainz.de/ 二、RER的功能
(一)蛋白质合成
蛋白质都是在核糖体上合成的,并且起始于细胞质基质,但是有些蛋白质在合成开始不久后便转在内质网上合成,这些蛋白质主要有:?向细胞外分泌的蛋白、如抗体、激素;?跨膜蛋白,并且决定膜蛋白在膜中的排列方式;?需要与其它细胞组合严格分开的酶,如溶酶体的各种水解酶;?需要进行修饰的蛋白,如糖蛋白。
C. Milstein(1972)发现从骨髓瘤细胞提取的免疫球蛋白分子N端要比分泌到细胞外的N端多出一段。G. Blobel和D. Sabatini等根据进一步的实验,提出了信号假说(Signal hypothesis),认为蛋白质上的信号肽,指导蛋白质转至内质网上合成。Blobel因此项发现获1999年诺贝尔生理医学奖。
蛋白质转入内质网合成至少涉及5种成分:
?信号肽(signal peptide),是引导新合成肽链转移到内质网上的一段多肽,位于新合成肽链的N端,一般16~30个氨基酸残基,含有6-15个带正电荷的非极性氨基酸,由于信号肽又是引导肽链进入内质网腔的一段序列,又称开始转移序列(start transfer sequence)。
?信号识别颗粒(signal recognition particle,SRP),由6种结构不同的多肽组成,结合一个7S RNA,分子量325KD,属于一种核糖核蛋白(ribonucleoprotein)。SRP与信号序列结合,导致蛋白质合成暂停。
? SRP受体(SPR receptor),是膜的整合蛋白,为异二聚体蛋白,存在于内质网上,可与SRP特异结合。
?停止转移序列(stop transfer sequence),肽链上的一段特殊序列,与内质网膜的亲合力很高,能阻止肽链继续进入内质网腔,使其成为跨膜蛋白质。
?转位因子(translocator),由3-4个Sec61蛋白复合体构成的一个类似炸面圈的结构,每个Sec61蛋白由三条肽链组成。
蛋白质转入内质网合成的过程:
信号肽与SRP结合?肽链延伸终止?SRP与受体结合?SRP脱离信号肽?肽链在内质网上继续合成,同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔?信号肽切除?肽链延伸至终止?翻译体系解散。这种肽链边合成边向内质网腔转移的方式,称为co-translation(图6-22)。
图6-22 蛋白质转移到内质网上合成的过程
表3 一些信号肽序列
蛋白质 信号序列
Met-Lys-Trp-Val-Thr-Phe-Leu-Leu-Leu-Leu-Phe
Preproalbumin
-Ile-Ser- Gly-Ser-Ala-Phe-Ser?Arg(((
Met-Asp-Met-Arg-Ala-Pro-Ala-Gln-Ile-Phe-Gly-
Pre-IgG light chain Phe-Leu- Leu-Leu-Leu-Phe-Pro-Gly-
Thr-Arg-Cys?Asp(((
Met-Arg-Ser-Leu-Leu-Ile-Leu-Val-Leu-Cys-Phe-
Prelysozyme
Leu- Pro-Leu-Ala-Ala-Leu-Gly?Lys(((
(二)蛋白质的修饰与加工
包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等,其中最主要的是糖基化,几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。糖基化的作用是: ?使蛋白质能够抵抗消化酶的作用;?赋予蛋白质传导信号的功能;?某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。
糖基一般连接在4种氨基酸上,分为2种:
O-连接的糖基化(O-linked glycosylation):与Ser、Thr和Hyp的OH连接,连接的糖为半乳糖或N-乙酰半乳糖胺,在高尔基体上进行O-连接的糖基化。
N-连接的糖基化(N-linked glycosylation):与天冬酰胺残基的NH连接,糖为2N-乙酰葡糖胺(图6-23)。
内质网上进行的为N-连接的糖基化。糖的供体为核苷糖(nucleotide sugar),如
CMP-唾液酸、GDP-甘露糖、UDP-N-乙酰葡糖胺等。糖分子首先被糖基转移酶转移到膜上的磷酸长醇(dolichol phosphate)分子上,装配成寡糖链。再被寡糖转移酶转到新合成肽链特定序列(Asn-X-Ser或Asn-X-Thr)的天冬酰胺残基上。
图6-23 N-连接的糖基化 引自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002 (三)新生肽链的折叠、组装和运输
COP II介导由内质网输出的膜泡运输,这种膜泡由内质网的排出位点(exit sites)以出芽的方式排出,内质网的排出位点没有结合核糖体,随机分布在内质网上。不同的蛋白质在内质网腔中停留的时间不同,主要取决于蛋白质完成正确折叠和组装的时间,这一过程是在属于hsp70家族的ATP酶的作用下完成的,需要消耗能量。有些无法完成正确折叠的蛋白质被输出内质网,转入溶酶体中降解掉,大约90%的新合成的T细胞受体亚单位和乙酰胆碱受体都被降解掉,而从未到达靶细胞膜。 三、ER的其它功能
合成膜脂:大多数膜只是完全在内质网中合成的,例外的情况包括:?鞘磷脂是在内质网上开始合成的,但完成于高尔基体;?某些线粒体和叶绿体独有的膜脂是驻留在这些细胞器中的酶催化合成的。ER合成的膜脂以膜跑运输的方式转运至高尔基体,溶酶体和质膜上,或借磷脂转移蛋白(phospholipid transfer protein,PTP)形成水溶性复合物,转至其他膜上。
解毒作用:SER中的P450酶系属于单加氧酶(monooxygenase),又称为多功能氧化酶 (mixed function oxidase)、羟化酶(hydroxylase),因其还原态的吸收峰在450nm处,故名。主要分布在SER中,但也存在于质膜、线粒体、高尔基体、过氧化物酶体、核膜等细胞器的膜中,具有解毒作用,通常可将脂溶性有毒物质,代谢为水溶性物质,使有毒物质排出体外。有时也会将致癌物代谢为活性致癌物。P450种类繁多,但都是与其他辅助成分组成一个呼吸链来实现其功能,呼吸链中的P450还原酶实际就是一种黄素蛋白。P450催化O2分子中的一个原子加到底物分子上使
之羟化,另一个氧原子被NADH或NADPH提供的氢还原生成水,在此氧化过程中无高能磷酸化合物生成。
甾体类激素的合成:在生殖腺和肾上腺的内分泌细胞中,SER、线粒体,可能还有高尔基体上的一些酶共同参与甾体类激素的合成。
调节血糖浓度:使葡糖6-磷酸水解为磷酸和葡萄糖,释放糖至血液中。细胞中的糖元可被酶转化为葡糖1-磷酸,再转变为葡糖6-磷酸,但由于膜对磷酸化的糖是高度不通透的,葡糖6-磷酸只有在去磷酸化以后才能通过质膜,进入血液。
形成一些特殊结构:如肌细胞中的SER特化成的肌质网可储存钙离子,作为细胞内信号物质。
支撑作用:内质网是细胞内最丰富的膜,形成了一种网络结构,提供机械支撑作用,并成为细胞质中酶附着的支架。
范文二:初中生物学教案
初中生物学教案
作者:衡水学院 生命科学学院 张凯悦 张雪菲 李曼
授课内容:形形色色的植物 授课班级:
教师:张凯悦 张雪菲 李曼 授课时间:2011年11月 日 教材:《生物学》七年级上册 1、 学情分析:
本节课的授课对象是七年级的学生。他们刚刚接触生物学这门新学科,通过第一章的学习,学生已经学过有关生物学探究的简单方法,如标本的采集与制作等,对生物有了初步的了解。本章要介绍的形形色色的植物贴近学生的生活,我们的衣食住用行都离不开植物,植物与人类有着密切的关系,是学生比较熟悉和感兴趣的话题,该内容易于被学生理解和掌握。
在前一章,学生已经学习了植物标本的制作以及观察的方法,对于各种植物的观察不难掌握。不过要求学生能对植物进行简单的调查与分类还有一定的难度需要教师在课上提供较多的经验指导,帮助学生学习新的探究方法。
通过本节课的学习,使学生学会简单的调查与分类,并为后续的“分类学习经济植物”的学习打下基础。
本节课的内容与其他章节内容的关系如图,
本节课内容与其他内容之间的联系
学生对植物的认识有些是合理的,科学的,但也包括一些不科学的观点,通过本节课的情境设置,暴露学生可能的不科学的观点。
学生可能有的前科学概念:“生活中见到的都是动物吃植物,那么不会存在植物吃动物的现象”,“生活中的叶子都是一片片的,较软,仙人掌满身是刺,没有叶子”。
2、 教学内容分析: (1)本节课的知识结构:
在形形色色的植物这一节课的教学中,我打算先以问答互动的 方式引入各种各样的植物,通过各种各样的植物的特点,使学生能辨认直根系和须根系,虫媒花和风媒花,以及特殊的植物的变态茎,变态叶;最后一互动的方式引出校园植物调查,说明做调查时应注意的问题、植物调查表的制作以及调查结果的分类整理。并要求学生在课下分小组完成校园植物调查。
本节课的主要概念学生不难理解,教学中,教师可以将内容进行适当
的拓展,将其与日常生活、生产联系,创设机会让学生将学到的知识运用
到实际生活中。增强学生的成就感和对生物学的学习兴趣。
(2)本节课的生物学概念:
根系:一株植物体上所有根的总和叫做根系。
变态:植物的茎、叶因适应某一特殊环境而改变了它原有的形态、结构,
甚至功能,这种变化叫做变态。
植物的主干、侧枝都是茎,茎的基本特征是具有节和节间。 校园植物是指用于美化、绿化、净化校园环境的植物。 3、学习动机的唤起和保持
课前让学生观察一种自己喜欢的植物,课前让学生观察一种自己 喜欢的植物,可以激发学生对这部分内容的学习兴趣,并且能够带着问题来学习这部分内容。
在课堂开始时,让学生描述自己观察的植物的特点,让其他同学 猜出所观察的植物名称,增强学生的语言表达能力和成就感,培养学 生的学习兴趣。
在授课过程中,教师提出感兴趣的问题,鼓励学生说出自己的认识,既能够使学生保持学习兴趣,又可以帮助教师了解学生存在的前科学概念,并完成概念的转变。 4、落实课程标准:
本节可要实现的初中生物学课程标准是: 二、形形色色的植物
1、在实验室观察植物 2、校园植物调查
5、教学目标:
通过本节课学习,学生应该能够达到以下目标: (1)知识目标:
通过观察,理解根系的概念,能够举例说明直根系和须根系、风媒花和虫媒花以及植物的变态;
掌握校园调查的基本方法。 (2)能力目标:
在观察植物的过程中,尝试提出自己感兴趣的问题,并运用探究知识寻求答案;
能够灵活运用校园调查解决实际问题。 (3)情感态度与价值观目标:
了解植物在人类生活中所起的重要作用,认识到植物与人类息息相关,人类要与大自然和谐相处。 6、教学重点和难点: (1)重点:
a、理解根系、变态的概念,能够举例说明直根系和须根系,风媒花和虫媒花;
b、掌握校园调查的一般方法。 (2)难点:
在掌握校园调查的基础上能够学以致用,解决实际问题。 7、课前准备:
(1)教师搜集各种植物图片,准备标本。
(2)教师提前给学生布置课下至少观察一种自己喜欢的植物,并做好观察记录。
8、课时安排:10min 9、教学过程:
10、板书设计:
第二章 形形色色的植物
一、在实验室观察植物 二、校园植物调查 根系:直根系 调查注意事项:
须根系 1、范围明确(校园植物) 茎:变态茎 叶:变态叶 花:风媒花 虫媒花 2、记录详细(植物名称、生长 环境、主要特征描述,还可 对植物编号,方便统计) 3、对植物的统计整理
范文三:细胞生物学教案
细 胞 生 物 学
课 程 名 称:
授 课 教 师:
所 在 单 位:
教 案 G蛋白偶联受体介导的信号转导 农业与生物技术学院
授课名称:细胞生物学
授课专业:生物科学 班级:101班
课程类型:专业平台课
授课课题:G蛋白偶联受体介导的信号转导 授课时数:2 教学目标:1、使学生掌握G蛋白偶联受体的含义及结构
2、使学生了解G蛋白偶联受体介导的信号通路有哪些
3、使学生掌握以cAMP为第二信使的信号通路
4、使学生掌握磷脂酰肌醇双信使信号通路
5、使学生了解G蛋白偶联受体介导离子通道的调控 教学重点和难点:
重点:1、cAMP为第二信使的信号通路
2、磷脂酰肌醇双信使信号通路
难点:1、cAMP为第二信使的信号通路的反应链
2、磷脂酰肌醇双信使信号通路的过程
教学方法和手段:
教学方法:启发式、研讨式、互动式、合作式
教学手段:口头语言、板书文字
作业:1、什么是G蛋白偶联受体?
2、、cAMP为第二信使的信号通路和磷脂酰肌醇双信使信号通路有何异同?
一、 G蛋白偶联受体的结构与激活
(一)、G蛋白偶联受体的定义
配体—受体复合物一靶蛋白(效应酶与通道蛋白)的作用要通过G蛋白的偶联,在细胞内产生第二信使,从而将胞外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。
(二)G蛋白的结构激活
G蛋白是三聚体,是由Gα、Gβ、Gγ三个亚基组成。
当配体与受体结合,三聚体G蛋白解离,并发生GDP与GTP交换,游离的Gα—GTP处于活化的开启态,导致结合并激活效应器蛋白,从而传递信号,当Gα—GTP水解成Gα—GDP时,则处于失活的关闭态,终止信号传递并导致三聚体G蛋白的重新组装,系统恢复进入静息状态。
二、 G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路
1、 以cAMP为第二信使的信号通路
过程:信号分子与受体结合Gα活化腺苷酸环化酶,导致细胞内cAMP浓度增高激活PKA(催化亚基)转位进入细胞核,使基因调控蛋白(cAMP应答原件结合蛋白,CREB)磷酸化,磷酸化的基因调控蛋白与靶基因基因调控序列结合,增强基因的表达。
反应链:激素—G蛋白偶联受体—G蛋白—腺苷酸环化酶—cAMP依赖的蛋白激酶A—基因调控蛋白—基因转录
2、以磷脂酰肌醇双信使信号通路
过程:胞外信号分子与7次跨膜受体结合活化G蛋白,G蛋白活化磷脂酶C(PLC),PLC使磷酸酰肌醇水解成三磷酸肌醇和二酰甘油两个第二信使。三磷酸肌醇通过细胞质基质扩散,结合并打开内质网上的三磷酸肌醇敏感的钙通道,引起钙离子顺电化学梯度从钙库释放进入细胞质基质,通过钙调蛋白引起细胞反应;DAG和钙离子激活PKA,活化的PKC促使细胞内外的钠离子和氢离子交换,调节细胞内的PH。
过程:胞外信号分子—G蛋白偶联受体—G蛋白—磷脂酶C—磷酸酰肌醇—三磷酸肌醇和二酰甘油:
三磷酸肌醇—胞内钙离子浓度升高—钙离子结合蛋白——细胞反应 二酰甘油—激活PKC蛋白磷酸化和促使细胞内外的钠离子和氢离子交换—调节PH
2、 以G蛋白偶联离子通道的信号通路
(1)、离子通道偶联受体及其信号转导:
(2)、G蛋白偶联受体介导的离子通道及其调控:
(3)Gt蛋白偶联的光受体的活化诱发cAMP—门控阳离子通道的关闭。
范文四:初中生物学教案
义教课程标实验教生物学上
节“绿色植物参与生物的水循环”,内容多,有一个观察叶片结构的实验,过课,不成教学,果,如下:
1.教学目标:
知识目标:绿色植物叶片的本的结构;解释气孔控制水蒸气和二氧化碳进出植物叶片的机制;出绿色植物在生物水循环中的作用。
能力目标:尝试用徒手切片方法制作临时装片,培养学生的动手操作能力。
情感态度与价值观目标:认同绿色植物进行蒸腾作用的意义,初步形成保护森林的意识.
2.教学重点和难点:
重点:解释气孔控制水蒸气和二氧化碳进出植物叶片的机制。
难点:制作徒手切片,观察叶片结构。
3.教学用具:
新鲜绿叶[至少12片],显微镜,双面刀片[两片并排在一起,一侧用胶布粘牢],镊子,载玻片,盖玻片,滴管,吸水纸,碘液,纱布,毛笔,小木板。
4.教学过程:
4.1回顾上节课内容,提问导入:植物吸收的那么多水都到那里去了,引出蒸腾作用的概念及意义。
4.2教师引导学生学习“观察叶片结构”实验的目的要求、方法步骤,强调安全。
4.3学生分组实验,教师巡视辅导。强调将叶片横切面临时切片与永久切片对照观察。
4.4集体讨论:保卫细胞和它周围的细胞在结构上有什么不
同,保卫细胞的这种结构特点对蒸腾作用有什么意义,学生自由回答或者指名回答。
4.5教师小结:保卫细胞呈半月形,靠近气孔的一侧壁厚,远离气孔一侧的壁薄,当保卫细胞吸水膨胀时,气孔张开;当保卫细胞失水收缩时,气孔关闭。当太阳升起温度升高时,气孔张开,植物的蒸腾作用加强,降低了叶表面的温度,避免叶片被阳光灼伤。同时,随着水分的散失,使水向上运输的动力增大,促进植物根部吸水,使植物能够进行旺盛的生命活动。当夜幕降临时,气温下降,光合作用、蒸腾作用等逐渐减弱,甚至停止,这时大多数气孔也关闭了。
4.6小组讨论:(1)绿色植物在水循环中起什么作用,(2)如果地球上没有绿色植物,水循环还能进行吗,
4.7指小组回答两个讨论题。
4.8课堂练习:判断正误(1)植物的蒸腾作用会散失大量水分,这是一种浪费。
(2)植物的气孔很小,因此通过气孔散失的水分很少。
(3)在植物体内,水往高处流,这主要是蒸腾作用拉动的。
4.9结束语:本节课我们研究了绿色植物参与水循环的作用,希望大家课后进一步探究:空气流动会影响蒸腾作用吗, 叶片正面的气孔和背面的气孔一样多么,
范文五:《细胞生物学》教案
《细胞生物学》
本课程的主要内容:
第一章 绪论
第二章 细胞的统一性与多样性
第三章 细胞生物学研究方法
第四章 细胞质膜
第五章 物质的跨膜运输
第六章 线粒体和叶绿体
第七、八章 细胞质基质与内膜系统;蛋白质的分选与膜泡运输
第九章 细胞信号转导
第一章 绪 论
本章教学目标及要求:
1. 掌握细胞生物学的概念;
2. 了解细胞生物学研究的基本内容、发展简史及其在生命科学中的重要地位。
教学重点:
细胞的发现,细胞学说的内容及其意义。
考核要求:
细胞生物学的概念,细胞的发现,
细胞学说的内容和意义。
第一节 细胞生物学研究的内容与现状
什么是细胞:细胞是生命现象的物质结构基础,生命是细胞所独有的运动方式,有了 细胞才有完整的生命活动。
细胞 = 生命(生命特征)
1) 早在 1925年, 生物学大师 Wilson 就提出:“ 一切生命的关键问题都要到细胞中去寻 找,因为所有的生物体都是或曾经是一个细胞。 ”
2)我国高等学校在生物学的教学中,将细胞生物学定位为基础课程。
一、细胞生物学是现代生命科学的一门重要基础学科
生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系,而细胞是生命体的结构与生命活 动的基本单位,有了细胞才有完整的生命活动。
1、细胞生物学:是研究和揭示细胞基本生命活动规律的科学,它从显微、亚显微与分 子水平上研究细胞结构与功能,细胞增殖、分化、代谢、运动、衰老、死亡,以及细 胞信号转导,细胞基因表达与调控,细胞起源和进化等重大生命过程。
2、细胞生物学的研究对象--细胞:1976年,在美国波斯顿召开了第 1次 “ 细胞生物 学 ” 会议,标志了细胞生物学的诞生。
3、地位:与分子生物学、神经生物学和生态学并列为生命科学的四大基础学科。细胞 生物学与分子生物学相互渗透与交融是总的发展趋势。
4. 当前细胞生物学研究中的三大基本问题:
(1)细胞内的基因组是如何在时间与空间上有序表达的?
(2)基因表达的产物 -主要是结构蛋白质与核酸、脂质、多糖及其复合物,它们是如 何逐级装配成能行使生命活动的基本结构体系及各种细胞器?其自组装过程的调控程 序与调控机制是什么?
(3)基因表达的产物 -主要是大量活性因子与信号分子,是如何调节细胞最重要的生 命活动(增殖、分化、衰老、凋亡)过程的?
二、 细胞生物学的主要研究内容
(一)生物膜与细胞器
(二)细胞信号转导
(三)细胞骨架体系
(四)细胞核、染色体以及基因表达
(五)细胞增殖及其调控
(六)细胞分化及干细胞生物学
(七)细胞死亡(凋亡)
(八)细胞衰老
(九)细胞工程
(十)细胞的起源与进化
第二节 细胞学 与 细胞生物学发展简史
1、细胞学:
利用光学显微镜对细胞的结构、功能和生活史进行研究,主要集中于静态描述。
2、细胞生物学:
利用光学显微镜、电子显微镜和分子技术等方法,从细胞的整体生命活动水平、亚细 胞水平和分子水平对细胞和细胞器的结构与功能进行研究,以动态的观点来探索细胞 的基本生命活动。
细胞生物学发展划分为以下 4个阶段:
1、 1665s-1830s ,细胞发现和细胞学说的建立,以形态描述为主。
2、 1830s-1930s ,细胞学发展的经典时期。
3、 1930s-1970s ,电镜技术应用,细胞实验生物学发展时期。
4、 1970s 以来, DNA 双螺旋结构的发现与中心法则的确立, 进入分子细胞生物学时代。
一、细胞的发现
细胞生物学的变革和显微技术的改进息息相关。
·1590年第一台复式显微镜。
·1610年用显微镜观察昆虫。
·1665年英国人 Robert Hooke出版《显微图谱》 。观察了软木,并首次用 cells 来描述 “细胞” 。
二、 细胞学说的建立及其意义
1、 1838年 Schleiden 发表“植物发生论 ” ,认为无论怎样复杂的植物都由细胞构成。 但他以 free-cell formation理论来解释细胞形成。
2、 1839年 Schwann 提出了“细胞学说” (Cell Theory) ;发表了 “ 关于动植物结构和生 长一致性的显微研究 ” 。
·Schwann 提出:
a. 有机体是由细胞构成的;
b. 细胞是构成有机体的基本单位。但他也采用了的 Schleiden 细胞形成理论。
3、 Cell Theory的基本内容 :
19世纪 30年代由德国的植物学家施莱登和动物学家施旺共同提出的。 1) 细胞是有机 体, 一切动植物都是由细胞发育而来 , 并由细胞和细胞产物所构成; 2) 每个细胞作为一 个相对独立的单位,既有它 “ 自己的 ” 生命 , 又对与其它细胞共同组成的整体的生命有所 助益; 3)新的细胞可以通过老的(已存在的)细胞繁殖产生。
4、通常认为施莱登(MJ. Schleiden)和施旺(T. Schwann)正式提出了细胞学说:·实际上它是 19世纪许多科学家共同努力的结果。 包括 :BC. Dumortier、 JB. de Lamark、 CB. Milbel、 H. Dutrochet、 R. Brown、 JE. Purkyne、 R. Remak、 R.Virchow 等许多著名 科学家。
5、 Rudolf Virchow:
1858年德国病理学魏尔肖概括为 “ 一切细胞来自细胞 ” 的著名论断,这不仅在更深的层 次上揭示细胞作为生命活动的基本单位的本质,而且通常被认为是对细胞学说的重要 补充,甚至有人认为直至于此细胞学说才全部完成。
细胞学说的重要意义:
1)论证了整个生物界在结构上的统一性,以及在进化上的共同起源。这一学说的建立 推动了生物学的发展,并为辩证唯物论提供了重要的自然科学依据。
恩格斯曾把细胞学说誉为 19 世纪最重大的发现之一。
2)然而,他们虽然正确地指出新的细胞可以由老的细胞产生,却提出了一个错误的概
念即新细胞在老细胞的核中产生,并且由非细胞物质产生新细胞,并通过老细胞崩解 而完成。由于这两位科学家的权威,使得这种错误观点统治了许多年。
3)许多研究者的观察表明,细胞的产生只能通过由原先存在的细胞经过分裂的方式来 完成。
三、 细胞学发展的经典时期(主要指 19世纪最后 25年)
1、原生质理论的提出
·19世纪 30年代后发现活细胞并不是空的而是充满粘稠的液体。
·JE. Purkinje(1839)和 von Mohl(1846)将之称作原生质 “protoplasm” 。
·如今 “ 原生质 ” 一词已从生物学文献中消失了,但在当时具有十分重要的意义。 2、细胞分裂的研究
有丝分裂、减数分裂相继发现。
3、重要细胞器的发现
中心体、线粒体、高尔基体的相继发现。
四、实验细胞学与细胞学的分支及其发展
1. 细胞遗传学的发展
2. 细胞生理学的研究
3. 细胞化学的发展
五、细胞学学科的形成与发展
·1932年德国人 E. Ruska和 M. Knoll发明透射电镜,人类视野进入超微领域 。 ·1939年 Siemens 公司生产商品电镜。
·1940-50s 用电镜观察了各类细胞超微结构。 Cytology 发展为 Cell Biology。
20世纪 80年代进入分子细胞生物学时代
分子细胞生物学时代:
1、 1952年 Franklin 拍摄到清晰的 DNA 晶体 X-衍射照片。 1953年她认为 DNA 是一种 对称结构,可能是螺旋。
2、 1953年, JD. Watson 和 FHC. Crick提出 DNA 双螺旋模型。 与 Wilkins 分享 1962 年 诺贝尔生理学与医学奖 。
3、 1996年 7月 5日, 世界上第一只克隆羊 “ 多利 ” 由英国爱丁堡大学的苏格兰卢斯林 研究所的试验基地诞生。 (严格说属于细胞遗传学范畴)
4、人类基因组计划 Gene Chip
小结
本章学习要求:
了解细胞生物学的研究对象、研究内容与现状、学科体系的产生与发展、细胞生 物学的重要性及其与其他学科的关系。
本章重要内容:
1)细胞生物学的概念和研究内容。
2)细胞学说的内容和意义。
3)当前细胞基本生命活动研究的重大问题?
第二章 细胞的统一性和多样性
教学目标及要求:
1. 理解
2. 掌握原核细胞与真核细胞的区别,以及它们的进化上的关系。
3. 为什么说支原体可能是最小、最简单的细胞存在形式?
教学重点:
细胞是生命活动的基本单位。
考核要求:
1. 细胞及病毒的概念以及二者之间的区别。
2. 原核细胞与真核细胞的区别。
3. 原核细胞、古核细胞和真核细胞在进化上关系。
生命的特征
在结构上具有自我装配的能力;
?在生理活动中具有自我调节的能力;
?在增殖上具有自我复制的能力。
第一节 细胞的基本特征
一、细胞是生命活动的基本单位
(一)细胞是构成有机体的基本单位。
(二)细胞具有独立的、有序的自控代谢体系,细胞是代谢与功能的基本单位。
(三)细胞是有机体生长与发育的基础。
(四)细胞是繁殖的基本单位,是遗传的桥梁。
(五)细胞是生命起源的归宿,是生物进化的起点。
(六)关于细胞概念的一些新思考?
二、细胞的基本共性(Basic properties of cells)
1. 相似的化学组成
2. 脂 -蛋白体系的生物膜
3. 相同的遗传装置(DNA 与 RNA 是遗传信息复制与转录的载体,相同的遗传密码)
4. 一分为二的分裂方式,保证了遗传的稳定性。
第二节 原核细胞与古核细胞
细胞的分类(classification ) :
最小最简单的细胞 —— 支原体
原核细胞的两个代表 —— 细菌和蓝藻
古核细胞(古细菌)
原核细胞(没有核膜) ———— 原核生物
细胞 古核细胞 (古细菌 ) —— 古核生物 (三界)生命界 真核细胞(典型细胞核) ——— 真核生物(原生生物、
真菌、动植物)
早在 30亿年前,地球上就出现了原核细胞。
一、原核细胞(prokaryotic cells)基本特点:
1)遗传的信息量小,由环状 DNA 构成;
2)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。
二、最小、最简单的细胞 —— 支原体?
■ 直径 :0.1~0.3微米,可通过滤菌器。
■ 没有细胞壁,有磷脂和蛋白质构成的细胞膜,形态多样。
■ 胞质内有分散的环状 DNA 分子,无蛋白质结构,更无核膜包围。
■ 核糖体是胞内唯一可见的细胞器(图 2-1) 。
支原体是最小、最简单的细胞?
1、具有细胞生存与增殖必须具备的条件:细胞膜、 DNA 和 RNA 、核糖体和代谢酶;
2、从保证细胞生命活动运转必须条件看,至少所需的体积不可能小于 140-200nm ,而支原体直径 已接近这个极限。
■ 因此,比支原体更小、更简单的又能维持细胞基本生命活动的基本要求的细胞是不可能存在的。 三、原核细胞的两个代表类群 ----细菌和蓝藻
细 菌:1)细菌是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体。
2)绝大多数细菌的直径在 0.5-5μm 之间。
蓝 藻 (蓝细菌, cyanobacterium ) 没有叶绿体, 但有由质膜内陷形成的捕光装置 (光合作用片层) , 进行光合作用。——最简单的植物?
遗传物质是一个环状 DNA 分子。
体积比其它原核细胞大得多,约 10μm 左右。
属单细胞生物,有些以丝状细胞群体存在,如:发菜。
四、古核细胞(古细菌, archaebacteria )
概念:是 20世纪 80年代出现的名称, 是指一些生长在极端特殊环境中的细菌, 形态上与原核细胞 相似,但并不意味着它们是最古老的细胞类型。
多生活在极端(高温、高盐、高寒)的生态环境中。
细胞壁、质膜、核糖体、 DNA 与基因结构具有原核生物某些特征,也有真核生物的特征, 还有自己的独特特征。
与真核细胞曾在进化上有过共同历程 --可能是真核细胞的祖先。
各类生物能忍受的上限温度:
■ 古细菌 113℃
■ 细菌 90℃
■ 真菌 60℃
■ 藻类 55-60℃
■ 原生动物 56℃
■ 维管束植物 49℃
■ 鱼类和其他水生脊椎动物 38℃
五、生命界进化系统树 —— 生命分三界
原核生物
古核生物(古细菌)
真核生物(单细胞原生生物、真菌、 动植物)
第三节 真核细胞
真核细胞是遗传信息量大、 结构相对复杂的细胞, 原始真核细胞大约在 12-16亿年前在地球上出现。 真核细胞的起源和古核细胞的关系密切。
一、真核细胞的基本结构体系
(一)生物膜系统 —— 细胞质膜、核膜、内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体和叶绿体(以脂质及 蛋白质成分为基础) 。
(二) 遗传信息传递与表达系统 —— 细胞核和核糖体 (以核酸 DNA 或 RNA 与蛋白质为主要成分) 。
(三)细胞骨架系统 —— 细胞质骨架和细胞核骨架(微管、微丝和中间纤维,由特异蛋白分子装配 构成的)
二、细胞的大小及其影响因素
各类细胞直径的比较:
影响细胞大小的因素:受 DNA 、核糖体 RNA 、蛋白质、分裂期。
原核细胞与真核细胞基本特征比较 P21
原核细胞 真核细胞
代表生物 细菌、蓝藻和支原体 原生生物、植物和动物
细胞壁 主要成分是氨基酸与壁酸 动物无,植物的为纤维素与果胶 细胞质膜 有 (多功能性 ) 有
核糖体 70S(由 50S 和 30S 两个大小亚
基组成 )
80S(由 60S 和 40S 两个大小亚基组成 )
质膜细胞器 无 有细胞核、线粒体、叶绿体、内质网、 溶酶体等
细胞核 无核膜和核仁 有核膜和核仁
染色体 由环状 DNA 分子构成的单个 染色体 , DNA不与或很少与组 蛋白结合 两条染色体以上,染色体由线状 DNA 与 蛋白质组成
细胞骨架 无 有
原核细胞与真核细胞最根本区别:
1. 细胞膜系统的分化与演变,结果导致细胞内部结构与职能的分工的区别;
2. 遗传信息量与遗传装置的扩增及复杂化,导致真核细胞遗传信息重复序列与染色体多倍性的出 现,以及转录与翻译的时空区别;
3. 真核细胞有复杂的骨架系统;
4. 细胞体积增大,适应不利环境能力较差。