高中生物競賽精英教案細胞生物學第一節(jié)

高中生物競賽精英教案細胞生物學第一節(jié)課件第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月二、細胞生物學的主要研究內容大致可分為以下幾個方面：

(一)細胞核、染色體以及基因表達的研究

(二)生物膜與細胞器的研究

(三)細胞骨架體系的研究

(四)細胞增殖及其調控（五)細胞分化及其調控

(六)細胞的衰老與程序死亡

(七)細胞的起源進化

(八)細胞工程第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月三、當前細胞生物學研究的總體趨勢與重點領域（一）當前細胞生物學研究中的三大基本問題1、細胞內的基因組是如何在時間與空間上有序表達的？2、基因表達的產物如何逐級裝配成基本結構體系及各種細胞器？3、基因表達的產物如何調節(jié)細胞最重要的生命活動過程的？第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

（二）當前細胞基本生命活動研究的若干重大課題1、染色體DNA與蛋白質相互作用關系——主要是非組蛋白對基因組的作用。2、細胞增殖、分化、凋亡（程序性死亡）的相互關系及調控3、細胞信號傳導的研究

4、細胞結構體系的裝配

第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月一、細胞的發(fā)現英國學者胡克于1665年制造了第一臺有科研價值的顯微鏡，第一次描述了植物細胞的構造，細胞的發(fā)現是在1665年。1677—1683年，荷蘭人列文胡克用自己設計好的顯微鏡第一次觀察到活細胞。二、細胞學說的建立及其意義

1、建立：1838—1839年德國植物學家施萊登和動物學家施旺提出：一切植物、動物都是由細胞組成的，細胞是一切動植物的基本單位，這就是著名的“細胞學說”。2、細胞學說的基本內容：①一切有機體都是由細胞發(fā)育而來的，并由細胞和細胞產物所構成；②每個細胞是一個相對獨立的單位，執(zhí)行特定的功能；③細胞只能通過細胞分裂而來。第二講細胞概述第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）細胞的概念：細胞是生命活動的基本單位細胞是有膜包圍的能進行獨立繁殖的最小原生質團，簡單地說細胞是生命活動的基本單位。可以從以下角度去理解：①細胞是構成有機體的基本單位；②細胞是有是代謝與功能的基本單位，有嚴格自動控制的代謝體系，并且有保證完成生命過程有序性的獨立的結構裝置。③有機體的生長發(fā)育是依靠細胞增殖、分化與凋亡來實現的。細胞是有機體生長發(fā)育的基礎；④細胞具有遺傳的全能性（除少數特化細胞），是遺傳的基本單位。（二）細胞的基本共性細胞的基本共性有：①所有細胞都有細胞膜；②所有細胞都有DNA與RNA；③細胞都有核糖體；④細胞都以一分為二的方式分裂增殖。

三、細胞第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）細胞的種類a、特點:①無典型的細胞核，遺傳物質僅由一個裸露的環(huán)狀DNA構成；②細胞內沒有分化出以膜為基礎的細胞器與細胞核膜。1、種類繁多的細胞可以分為原核細胞、古核細胞與真核細胞。2、原核細胞b、種類：大約出現在35億年前，包括支原體、衣原體、立克次體、細菌、放線菌及藍藻(藍細菌)等6類。支原體：支原體是目前發(fā)現的最小、最簡單的細胞，直徑只有0.1~0.3μm,能在體外生長，也能寄生在細胞內。第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月細菌（1）形態(tài)：球菌、桿菌、螺旋菌。（2）核區(qū)與基因：一個環(huán)狀的DNA分子盤繞在核區(qū)，沒有或有極少的組蛋白，無明顯的Feulgen（福爾根）反應。DNA復制不受細胞分裂周期的限制，可以連續(xù)進行，且DNA復制、RNA轉錄、蛋白質翻譯可以同時進行,這是細菌乃至整個原核細胞與真核細胞最顯著的差異之一。

（3）細菌細胞的表面結構：主要指細胞膜、細胞壁及其特化結構(中膜體、莢膜、鞭毛等)。細胞膜是細胞表面的重要結構。第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月細胞膜的功能包括：①選擇性地物質運輸；②細菌細胞膜有豐富的酶系，執(zhí)行重要的代謝功能。中膜體由細胞膜內陷形成，可能起DNA復制的支點作用細胞壁的共同成分是肽聚糖，革蘭氏陽性菌與陰性菌細胞壁成分與結構差異明顯。莢膜是某些細菌表面的特殊結構，是位于細胞壁表面的一層粘液物質。鞭毛是某些細菌的運動器官，結構簡單第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）細菌細胞的核糖體 核糖體的沉降系數為70S，由50S大亞單位和30S亞單位組成。大亞單位含有23SrRNA,5SrRNA和30多種蛋白質，對紅霉素與氯霉素敏感；小亞單位含有16SRNA與20多種蛋白質，對四環(huán)素與鏈霉素敏感。（5）細菌細胞擬核外DNA

擬核外DNA：質粒。裸露的環(huán)狀DNA，能自我復制，并可整合到核DNA中。（6）細菌細胞的內生孢子又稱芽孢，是對不良環(huán)境有強抵抗力的休眠體。是細菌細胞內的重要物質(特別是DNA)，積聚在細胞的一端，形成致密體，可度過惡劣環(huán)境。第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月藍藻又稱藍細菌，是原核生物，又是最簡單的自養(yǎng)植物類型之一。藍藻含有豐富的色素，可進行類似高等植物的光合作用。其中央相當于細菌的核區(qū)；光合作用片層由藻膽蛋白構成，作用是將光能傳遞給葉綠素a；細胞質內含物有的是儲存的養(yǎng)料，有的功能不詳；細胞膜外有細胞壁和膠質層(鞘)。

第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月c、原核細胞與真核細胞的比較原核細胞與真核細胞的根本區(qū)別：①細胞膜系統的分化演變；②遺傳信息量與遺傳裝置的擴增與復雜化。由于上述的根本差異，真核細胞的體積也相應擴增，細胞內部出現精密的網架結構——細胞骨架。二者的區(qū)別可分為兩部分進行比較：①結構與功能比較：真核細胞的生物膜將細胞分化為核與質兩部分，細胞質又分化出各種細胞器，細胞骨架又保證了細胞形態(tài)的合理排布與執(zhí)行功能的有序性②細胞遺傳裝置與基因表達方式的比較：核膜使擴增了的遺傳信息與復雜的遺傳裝置相對獨立，使基因表達的程序有嚴格的階段性與區(qū)域性。第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月古細菌（又稱原細菌）是一些生長在極端特殊環(huán)境中（高溫或高鹽）的細菌。最早發(fā)現的是產甲烷細菌類。古核細胞的形態(tài)結構、遺傳裝置雖與原核細胞相似，但一些基本分子生物學特點又與真核細胞接近?，F已有更多的論據說明真核生物可能起源于古核生物，論據如下：（1）古細菌的細胞壁成分與真核細胞一樣；（2）古核細胞DNA中有重復序列的存在；（3）具有組蛋白；（4）古核細胞的核糖體與真細菌的差異很大，從對抗生素的反應看，應更類似真核細胞的核糖體.（5）根據對5SrRNA的分子進化分析和二級結構的研究，認為古細菌與真核生物同屬一類。而真細菌卻與之差別甚遠。3、古核細胞（古細菌）第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月4、真核細胞1）、真核細胞的基本結構體系

①生物膜系統細胞表面是一種多功能結構；核膜又把細胞分為細胞質與細胞核。以生物膜系統為基礎形成了各種細胞器。線粒體、葉綠體、內質網、高爾基體及溶酶體等。

②遺傳信息表達結構系統由DNA—蛋白質與RNA—蛋白質復合體形成的遺傳信息載體與表達系統，一般以顆粒或纖維狀的基礎結構存在。包括染色質，核仁、核糖體等。

③細胞骨架系統細胞骨架由特異的結構蛋白質構成網架系統，可分為胞質骨架與核骨架。第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2）、細胞大小及其分析細胞體積的守恒規(guī)律。3）、細胞形態(tài)結構與功能的關系

細胞的形態(tài)與功能具有相關性與一致性。4）、植物細胞與動物細胞的比較植物細胞特有的細胞結構：細胞壁（主要成分是纖維素）、液泡、葉綠體等；而動物細胞的中心粒在植物細胞中不常見到。第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）病毒的基本知識

病毒是由一個核酸分子(DNA或RNA)與蛋白質構成的非細胞形態(tài)的生命體。類病毒僅由一個有感染性的RNA構成。朊病毒僅由有感染性的蛋白質構成。病毒是完整的寄生物。根據核酸類型不同，病毒可分為DNA病毒與RNA病毒。依據宿主可分為動物病毒、植物病毒和細菌病毒（噬菌體）等。5、非細胞形態(tài)的生命體——病毒及其與細胞的關系（2）病毒在細胞內的增殖（復制）病毒的增殖又稱病毒的復制，病毒的增殖必須在細胞內進行。

病毒在宿主細胞內分別復制病毒核酸與翻譯病毒蛋白，然后將核酸與蛋白裝配成病毒的基本結構。其復制過程大到可分為：侵染，脫去衣殼，早基因的復制與表達，晚基因的復制、結構蛋白質的合成，裝配、成熟與釋放等過程。第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）、病毒與細胞在起源和進化中的關系病毒可能是細胞在特定條件下“扔出”的一個基因組，或者是具有復制與轉錄能力的mRNA。這些游離的基因組只有回到它們原來的細胞內環(huán)境中才能進行復制與轉錄。第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第三講細胞生物學研究方法一、光學顯微鏡技術1、普通復式光學顯微鏡技術普通光學顯微鏡（最大分辨率為0.2μm），主要由三部分組成：①光學放大系統，即目鏡和物鏡；②照明系統；③機械和支架系統。顯微鏡的性能優(yōu)劣決定于它的分辨率d。分辨率是指顯微鏡區(qū)分開相近兩點的能力。aλ為光源波長，α為物鏡鏡口角。n物鏡和標本之間介質的折射率。

在可見光中，亮度最大時ｄ近似為0.2μm。即，使用普通光學顯微鏡，在中心照明的情況下，分辨距離的極限為0.2μm。也就是說，小于0.2μm的兩物體，普通光學顯微鏡無法區(qū)分。使用紫外線，可以減小照明光線的波長，能使分辨距離達到0.1μm。但因紫外線不能為人眼所見。只能拍成照片后再觀察。電子流的波長只有0.00387nm。利用“電子透鏡”或磁透鏡來控制電子流，所制成的電子顯微鏡的分辨距離達零點幾nm。可以用它去觀察原子的結構。d=0·61λN·sin(ɑ/2)第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2、熒光顯微鏡技術在紫外光顯微鏡基礎上發(fā)展而來，利用樣品自發(fā)熒光和誘發(fā)熒光，可以對某些生物大分子進行定性和定位研究。不僅可以觀察固定切片標本，還可以在活體染色后對活細胞進行研究。

3、激光共焦點掃描顯微鏡技術共焦點是指物鏡和聚光鏡同時聚焦到同一小點。它在某一瞬間只用一束通過檢測器前的小孔的光成像，可顯著提高分辨率。可以觀察較厚樣品的內部結構。

第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月4、相差顯微鏡技術和微分干涉顯微鏡技術光線在通過密度不同的介質時，其滯留程度不同，即產生了光程差和相位差。相差顯微鏡的基本原理把光程差變成振幅差(即明暗)。從而提高樣品反差，故樣品不需染色，適合觀察活細胞。甚至研究細胞核、線粒體等細胞器的動態(tài)。它在結構上與普通顯微鏡最大的不同是在物鏡后裝有相差板。微分干涉顯微鏡用的是偏振光，增加了樣品反差，并具有立體感，可作于研究活體細胞中較大的細胞器。錄像增差顯微鏡技術在一定程度上可以填補光鏡與電鏡之間分辨率上的間隙。

第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、電了顯微鏡技術（一）電了顯微鏡基本知識分辨率最終決定于光的波長，由于使用電子束作光源，電鏡的分辨率大大提高。電鏡的分辨率常常是超薄切片厚度的1/10，它的分辨率可達0.2nm，其放大倍數為106倍。電鏡的基本構造包括：①電子束照明系統；②電磁透鏡成像系統；③真空系統；④記錄系統；⑤電源系統。（二）主要電鏡制樣技術介紹樣品制備技術的特殊要求：①樣品要??；②更好地保持樣品的精細結構；③樣品具有一定的反差。第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

主要的用于觀察生物樣品的電鏡技術有：①超薄切片技術；是觀察細胞超微結構的基礎。②負染色技術；③冷凍斷裂和冷凍蝕刻電鏡技術；④電鏡三維重構技術；⑤掃描電鏡技術（SEM）是觀察細胞表面形的有力工具。（三）掃描隧道顯微鏡(STM)

是一種探測微觀世界物質表面形貌的儀器，在納米生物學的研究領域具有獨特的優(yōu)越性。

STM的特點：①具有原子尺度的高分辨本領；②可在真空、大氣、液體等條件下工作；③非破壞性測量。第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月三、離心技術——細胞組分的分析方法

細胞成分分析和形態(tài)學觀察相結合，可揭示生物大分子在細胞內的構建及功能。（一）用差速離心技術分離細胞器與生物大分子及其復合物

利用多種方法使細胞崩解，形成細胞器和細胞組分的混合勻漿，再通過差速離心，即利用不同的離心速度所產生的不同離心力，將各種亞細胞組分和各種顆粒分開。（二）用平衡密度梯度離心技術分離精確分離細胞不同組分沉降率不同，主要依賴于它們的形狀和大小，通常以沉降系數S來表示(沉降系數是指懸浮在密度較低的溶劑中的一種溶質大分子，在每單位離心場作用下的沉降速率)。第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

原位成分分析常利用一些顯色劑與所檢物質的特殊基團特異性結合的特征，通過染色反應的部位和顏色的深淺來斷某種物質在細胞內的分布與含量。福爾根(Feulgen)反應可特異顯示DNA的存在部位。PAS反應可確定多糖的存在。四氧化鋨可證明脂肪滴的存在。蘇丹Ⅲ和蘇丹黑也常用于脂肪的鑒定。米倫反應及重氮反應等用來測定蛋白質。四、顯色方法

——細胞內核酸、蛋白質、酶、糖類、脂質等測定第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月五、熒光技術——特異蛋白質抗原的定位與定性免疫熒光和免疫電鏡是最常用的細胞內蛋白質定位技術。1、熒光染色技術和免疫熒光技術熒光染色技術是用熒光素（如核黃素、脂褐素）直接標記物質，在激發(fā)光的激發(fā)下，看到標記物所發(fā)熒光。免疫熒光技術就是將免疫學方法與熒光標記技術相結合研究特異蛋白質抗原在細胞內分布的方法。2、免疫電鏡技術免疫電鏡技術使特異蛋白的定位與超微結構結合起來，使抗原定位更準確。如蛋白分泌的研究、胞內酶的研究、一些結構蛋白的研究。第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月六、原位雜交技術——細胞內特異核酸的定位與定性用標記的核酸探針通過分子雜交確定特殊核苷酸序列在染色體上或細胞中的位置的方法。七、放射自顯影技術——研究生物大分子在細胞內的合成動態(tài)放射自顯影技術是利用放射性同位素的電離輻射對乳膠的感光作用，對樣品中放射性標記物進行定性與定位測定。放射自顯影技術包括兩個主要步驟：即同位素標記的大分子前體的摻入和細胞內同位素所在位置的顯示。基本步驟為：摻入、制片、敷膠、曝光、顯影、鏡檢。第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講細胞培養(yǎng)、細胞工程與顯微操作技術

（一）動物細胞培養(yǎng)從機體取出立即培養(yǎng)的細胞叫原代細胞（10代）。將原代細胞分離、稀釋接種到新的培養(yǎng)中繼續(xù)培養(yǎng)的細胞為傳代細胞。從原代培養(yǎng)細胞中分離出來的可繼續(xù)傳代繁殖到40—50的細胞群體叫細胞株，細胞具有接觸抑制的行為，有些具有貼壁生長的行為，具有正常的遺傳物質。從原代細胞或細胞株中獲得的可無限傳代的細胞叫細胞系。細胞無接觸抑制行為，且具有遺傳突變，帶有癌細胞的特征。一、細胞培養(yǎng)細胞培養(yǎng)就是將動植物組織或細胞從機體取出，分散成單個細胞或直接以單細胞生物，給予必要的生長條件，讓其在培養(yǎng)瓶中或培養(yǎng)基上繼續(xù)生長與增殖。第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）動物細胞融合技術即單克隆抗體技