《細胞工程》第2章：細胞生物學基礎31

《細胞工程》第2章：細胞生物學基礎31細胞概念與結構遺傳物質(zhì)與基因表達細胞代謝與能量轉(zhuǎn)換細胞增殖與分化細胞衰老與死亡細胞間通訊與信號轉(zhuǎn)導contents目錄01細胞概念與結構03細胞具有自我復制和分裂的能力，是生物體生長、發(fā)育和繁殖的基礎。01細胞是生物體的基本結構和功能單位。02細胞具有相對獨立的代謝系統(tǒng)，能夠與外界進行物質(zhì)交換和能量轉(zhuǎn)換。細胞定義及特點缺乏核膜和核仁，DNA裸露，無細胞器分化，如細菌和藍藻等。具有核膜和核仁，DNA與蛋白質(zhì)結合形成染色體，細胞器分化明顯，包括動物、植物和真菌等。原核細胞與真核細胞真核細胞原核細胞溶酶體葉綠體進行光合作用，合成有機物并釋放氧氣。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)參與蛋白質(zhì)加工和運輸，以及脂質(zhì)合成。高爾基體對來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)進行加工、分類和包裝，然后分門別類地送到細胞特定的部位或分泌到細胞外。提供細胞能量，參與氧化磷酸化過程。線粒體核糖體合成蛋白質(zhì)的場所。消化細胞從外界吞入的顆粒和細胞自身產(chǎn)生的無用的或多余的物質(zhì)。細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)進出細胞。細胞膜位于細胞膜外，起保護和支持細胞的作用，主要由纖維素和果膠組成（植物細胞）或由肽聚糖組成（細菌細胞）。細胞壁細胞膜與細胞壁02遺傳物質(zhì)與基因表達123DNA雙螺旋結構，攜帶遺傳信息，通過半保留復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在遺傳信息表達中的作用DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA，RNA翻譯合成蛋白質(zhì)，實現(xiàn)遺傳信息的表達。DNA與RNA的相互關系遺傳物質(zhì)DNA與RNA基因是具有遺傳效應的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構基因的復制與轉(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復制傳遞給子代細胞，通過轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA。030201基因概念及結構特點

基因表達調(diào)控機制基因表達的調(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)錄因子與基因表達調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子識別并結合基因啟動子區(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，影響基因表達而不改變DNA序列?；蛲蛔儗ι矬w的影響導致遺傳信息改變，可能產(chǎn)生新的性狀或?qū)е录膊“l(fā)生?；虻男迯蜋C制包括直接修復、切除修復、重組修復等，維護基因組的穩(wěn)定性?；蛲蛔兊念愋图霸虬c突變、插入突變、缺失突變等，由物理、化學、生物因素等引起?；蛲蛔兣c修復03細胞代謝與能量轉(zhuǎn)換糖酵解丙酮酸進入線粒體，經(jīng)過一系列反應最終生成二氧化碳和水，同時產(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與磷酸化作用相偶聯(lián)，生成ATP。葡萄糖在細胞質(zhì)中被分解成丙酮酸，產(chǎn)生少量ATP。細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。光反應利用光反應產(chǎn)生的還原劑和能量，將二氧化碳固定并合成有機物。暗反應提高農(nóng)作物產(chǎn)量、改善生態(tài)環(huán)境等。光合作用的應用光合作用原理及應用能量轉(zhuǎn)換細胞通過呼吸作用和光合作用將化學能轉(zhuǎn)換為ATP中的化學能。ATP合成在細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，對維持細胞結構和功能有重要作用。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)控細胞通過調(diào)節(jié)酶的活性、基因表達等方式對代謝途徑進行精確調(diào)控。代謝途徑及調(diào)控04細胞增殖與分化有絲分裂是一種細胞增殖方式，通過核分裂和細胞質(zhì)分裂形成兩個遺傳信息相同的子細胞。有絲分裂過程包括前期、中期、后期和末期，各時期具有不同的形態(tài)學特征和分子事件。有絲分裂的特點是DNA復制一次，細胞分裂一次，形成兩個相同的子細胞。有絲分裂對于維持生物體的生長、發(fā)育和組織修復具有重要意義。01020304有絲分裂過程及特點減數(shù)分裂是一種特殊的有絲分裂方式，用于生殖細胞的產(chǎn)生。減數(shù)分裂的特點是染色體數(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復制一次，但細胞連續(xù)分裂兩次，形成四個遺傳信息不同的子細胞，即配子。配子形成過程中涉及同源染色體的配對、交換和分離等關鍵事件。減數(shù)分裂與配子形成細胞周期是指細胞從一次分裂完成到下一次分裂結束所經(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制，精確控制細胞周期的各個階段和進程。細胞周期調(diào)控因子細胞周期調(diào)控因子包括細胞周期蛋白、細胞周期蛋白依賴性激酶和細胞周期檢查點蛋白等。細胞周期調(diào)控因子的異常表達或功能失調(diào)可能導致細胞增殖失控和腫瘤發(fā)生。01干細胞是一類具有自我更新能力和多向分化潛能的細胞。02干細胞在胚胎發(fā)育、組織修復和再生醫(yī)學等領域具有重要應用價值。03根據(jù)來源和分化潛能不同，干細胞可分為胚胎干細胞、成體干細胞和誘導多能干細胞等類型。04再生醫(yī)學利用干細胞和生物材料等技術，旨在修復或替換受損組織和器官，恢復其正常功能。干細胞與再生醫(yī)學05細胞衰老與死亡衰老現(xiàn)象細胞衰老時會出現(xiàn)形態(tài)變化、代謝減慢、功能下降等現(xiàn)象。衰老機制包括端?？s短、DNA損傷累積、氧化應激、線粒體功能障礙等。衰老與疾病細胞衰老與多種疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關，如心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病、癌癥等。衰老現(xiàn)象及機制凋亡概念01凋亡是一種程序性細胞死亡方式，對維持機體穩(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級聯(lián)反應，導致細胞凋亡。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，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胞自我降解的過程，通過形成自噬體將細胞內(nèi)受損或多余的物質(zhì)包裹并降解，以維持細胞穩(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)化或同時發(fā)生，共同調(diào)節(jié)細胞命運。壞死過程壞死是一種被動性細胞死亡方式，通常由物理、化學或生物因素引起，表現(xiàn)為細胞腫脹、膜破裂和細胞內(nèi)容物釋放。壞死與自噬過程延緩端?？s短清除衰老細胞激活自噬抗氧化應激抗衰老策略通過端粒酶激活劑或端粒長度維持機制來延緩端粒縮短，從而延長細胞壽命。通過激活自噬來清除細胞內(nèi)受損或多余的物質(zhì)，以維持細胞穩(wěn)態(tài)和延長細胞壽命。通過清除衰老細胞來減少衰老相關分泌表型（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激對細胞的損傷，從而延緩衰老過程。06細胞間通訊與信號轉(zhuǎn)導直接接觸相鄰細胞間通過間隙連接通道交換小分子物質(zhì)和信號分子。間隙連接旁分泌自分泌01020403細胞分泌的信號分子作用于自身。細胞間通過細胞膜上的受體或細胞間連接結構進行信息交流。細胞通過分泌信號分子到細胞外，作用于鄰近的其他細胞。細胞間通訊方式包括生長因子、細胞因子、激素等，具有調(diào)節(jié)細胞增殖、分化、凋亡等功能。蛋白質(zhì)類信號分子如前列腺素、白三烯等，參與炎癥反應、血管收縮等生理過程。脂類信號分子如一氧化氮、一氧化碳等，具有舒張血管、傳遞神經(jīng)信號等作用。氣體信號分子如環(huán)磷酸腺苷、環(huán)磷酸鳥苷等，參與細胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導過程。核苷酸類信號分子信號分子種類及作用信號轉(zhuǎn)導途徑G蛋白偶聯(lián)受體信號轉(zhuǎn)導途徑核受體信號轉(zhuǎn)導途徑酶聯(lián)受體信號轉(zhuǎn)導途徑離子通道受體信號轉(zhuǎn)導途徑通過G蛋白將信號從細胞膜傳遞到細胞內(nèi)，進而引起一系列生理反應。信號分子直接進入細胞核，與核受體結合后調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄和表達。信號分子與細胞膜上的酶聯(lián)受體結合后，激活細胞內(nèi)的一系列酶促反應，最終產(chǎn)生生物效應。信號分子通過激活細胞膜上的離子通道，改變細胞內(nèi)外離子的濃度和電位差，從而傳遞信息。ABCD信號轉(zhuǎn)導異常與疾病信號轉(zhuǎn)導異常與腫瘤信號轉(zhuǎn)導途徑的異常激活