1、第三章 生命的结构基础,细胞生物学一小段历史,* 细胞生物学研究细胞的结构、功能和生活史。由细胞学（Cytology）发展而来。 * 是揭开生命奥秘的关键学科。 * 是当代生物科学中发展最快的一门学科。 * 是生物、农学、医学等专业的一门必修课程。,细胞研究的三个水平,1）显微水平，光学显微镜下可见的结构。 2）超微水平，电子显微镜下可见的结构。 3）分子水平，细胞结构的分子组成，及其在生命活动中的作用。,Rorbert Hooke和他的显微镜,1665年英国学者胡克(Robert Hooke)第一个发现了细胞。开始他相弄明为什么软木塞吸水后能够膨胀，并且能够堵塞住瓶中的气体溢出。 于是用自制
2、的显微镜观察栎树软木塞切片发现其中有许多小室， 状如蜂窝， 他称为“cella”，这是人类第一次发现细胞。,胡克所用的显微镜及观察的栎树细胞的细胞壁（引自Postlethwait et al.，1991）,1674年，荷兰布商列文虎克(Anton van Leeuwenhoek)为了检查布的质量，亲自磨制透镜，装配了高倍显微镜(300倍左右)，并观察到了血细胞、池塘水滴中的原生动物、人类和哺乳类动物的精子，这是人类第一次观察到完整的活细胞,形形色色的细胞,细胞学说的建立,1838年，德国植物学家施来登(Mathias Schleiden)提出植物是由细胞构成的；1839年，德国动物学家施旺(T
3、heodor Schwann)指出植物和动物的细胞具有类似的结构，并提出关于细胞的两条重要原理: 第一， 地球上的生物都是由细胞构成的； 第二， 所有的生活细胞在结构上都是相类似的。1855年德国医生和病理学家魏尔肖(Rudolf Virchow)又补充了第三条原理: 所有的细胞都是来自于已有细胞的分裂，即细胞来自细胞。这三条原理就是著名的细胞学说。,分子细胞生物学的辉煌年代,认识细胞的重要性,* 正如原子是物理性质的最小单位，分子是化学性质的最小单位，细胞是生命的基本单位。 * 诺贝尔奖频繁授予细胞生物学领域。 * 各国政府都重视细胞生物学学科，新西兰科技部（Ministry of Rese
4、arch, Science and Technology） 的报告BIOTECHNOLOGIES TO 2005中认为细胞生物学是未来生物技术的重要支撑学科。,生物体的基本组成单位细胞,细胞形态与大小,细胞最为典型的特点是在一个极小的体积中形成极为复杂而又高度组织化的结构。,细胞本身的大小并非是随意改变的 细胞体积要维持相对恒定,哺乳动物细胞的体积大小受几个因素的限制，其中一个主要限制因素是体积与表面积的关系。 假定一个边长为30m的正方体的细胞，若将该立方体细胞分成为27个边长为10m的正方体的小细胞，计算表面积。计算结果表明，细胞的总体积没有变化，但是细胞分小后，面积由原来5400m2扩大
5、到16200m2，是原来的3倍。这样，每个小细胞的表面积与体积的比要比大细胞的比值大得多（如下图）,细胞表面积 与体积的比(引自Campbell et al.，1996),细胞的两种基本类型,在细胞的进化中， 虽然经历了原核细胞和真核细胞两个不同的阶段， 但是， 原核细胞并没有消失， 我们今天所见到的细胞仍然分为两大类: 原核细胞和真核细胞。这一概念最早是20世纪60年代由著名细胞生物学家Ris提出的。,原核细胞,原核细胞(prokaryotic cell)是组成原核生物的细胞。这类细胞主要特征是没有明显可见的细胞核， 同时也没有核膜和核仁， 只有拟核，进化地位较低。,真核细胞,真核细胞(eu
6、caryotic cell)是构成真核生物的细胞，具有典型的细胞结构， 有明显的细胞核、核膜、核仁和核基质。,真核细胞结构,细胞膜,细胞的边界-细胞膜结构的探究,细胞膜的化学成分,E. Overton 1895 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜。因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。,细胞膜的膜骨架,E. Gorter & F. Grendel 1925 用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积。 因而推测细胞膜由双层脂分子组成。,细胞膜化学成分的补充,J. Danielli & H. Davson
7、 1935 发现细胞膜的表面张力比油水界面的张力低得多，已知脂滴表面如吸附有蛋白质成分时，表面张力则降低。 推测膜中含有蛋白质 。,三明治模型,J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构(如图)，厚约7.5nm。这就是所谓的“单位膜”模型。它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成。,细胞膜的分子结构镶嵌模型,S. J. Singer & G. Nicolson 1972根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。,流体镶嵌模型有两个主要特点。其一，蛋白质不是伸展的片层，而是以折叠的球形镶嵌
8、在脂双层中，蛋白质与膜脂的结合程度取决于膜蛋白中氨基酸的性质。 第二个特点就是膜具有一定的流动性，不再是封闭的板块结构，以适应细胞各种功能的需要。,1970年Frye和Edidin人-鼠细胞融合实验,细胞膜的结构特点：具有一定的流动性,细胞膜流动性的一种体现,膜的不对称性,区分细胞膜的外表面和内表面与结构和功能相联系,细胞膜如何控制物质进出的探究,用透析袋模拟细胞膜,猜一猜,A、淀粉分子能通过透析袋，碘分子不能通过透析袋，烧杯内溶液变蓝色B、淀粉分子不能通过透析袋，碘分子能通过透析袋，透析袋内溶液变蓝色C、淀粉分子能通过透析袋，碘分子也能通过透析袋，透析袋内和烧杯内的溶液均变蓝色D、淀粉分子不
9、能能通过透析袋，碘分子也不能能通过透析袋，透析袋内外溶液维持原样不改变,细胞膜对细胞的作用？将细胞与环境隔开、物质进出控制、信息交流,细胞膜系统的边界,物质进出细胞的方式,TRANSPORT,自由扩散（free diffusion）,特点： 沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散； 不需要提供能量； 没有膜蛋白的协助。,协助扩散（facilitated diffusion）,特点： 沿浓度梯度扩散； 不需要提供能量； 必须有载体的协助。 与物质浓度非线性关系,物质通过细胞膜的方式1被动运输,实例：,自由扩散(无需载体，不耗能量)气体小分子如O2、CO2等甘油等亲脂性小分子协助扩散(需要载体，不耗能量)
10、无机离子和极性分子如水，葡萄糖，Na+等,这样的浓度梯度是怎样维持的？,物质通过细胞膜的方式主动运输,逆浓度梯度传送特定分子和离子的运输方式称为主动运输,物质进出细胞的三种方式比较,物质通过细胞膜出入细胞的三种方式中，你认为哪种方式对于活细胞完成各项生命活动最重要？ 主动运输是物质进出活细胞的最主要和最重要方式,物质进出细胞的三种方式比较,细胞膜是细胞与外界物质交换的通道，并且只有活的细胞才具备这一个功能。它能够控制和调节物质的进出。细胞膜的功能特点： 选择透过性,细胞膜的功能特点,物质进出细胞的其他方式胞吞、胞吐,物质进出细胞的其他方式-胞吞,细胞内吞固体颗粒物质或者液体，如细菌、细胞碎片等,物质进出细胞的其他方式-胞吐,包含大分子物质的小囊泡从细胞内部至细胞表面，与细胞膜相融，将物质排出 胞之外。,胞吞、胞吐表明了细胞膜的什么特点？,http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/books/,
