第二章 细胞工程基础

理论基础：细胞生物学 细胞组成：分子组成、结构组成 细胞分裂与细胞分裂周期 细胞凋亡与细胞坏死 细胞分化 组织与器官 生殖与发育

一、细胞组成 由英国人罗伯特·虎克发现。 人眼观察的极限为0.1mm

19世纪30年代，德国科学家施莱登和施旺，创立了细胞学说。 1858年，德国魏尔肖提出了细胞通过分裂产生新细胞的观点，作为细胞学说的修正和补充。

细胞学说的内容： 细胞是一个有机体，一切动植物都是由细胞发育而来的，并由细胞和细胞产物所构成。 细胞是一个相对独立的单位，既有它自己的生命，又对与其他细胞共同组成的整体的生命起作用。 新细胞可以从老细胞中产生。

1.细胞的分子组成

核酸 大量元素：C、H、O、N、P、Ca 组成细胞的元素（含量） 微量元素：Fe、Zn、Mo、Cu、Si等 分类 水：80% 无机化合物 细胞中的化合物 无机化合物 有机化合物 水：80% 无机盐：2-4% 糖类 脂类 蛋白质 核酸

细胞结构的重要组成成分，维持细胞的形态 。 细胞中的无机物 存在形式 含量 功能 联系 水 自由水 约95.5% 1、细胞内良好的溶剂，各种生化反应的介质 2、参与化学反应 3、为细胞提供液体环境 4、运送营养物质和代谢废物 它们可以相互转化 结合水 约4.5% 细胞结构的重要组成成分，维持细胞的形态 。

存在形式：绝大多数以离子形式存在 无机盐 功 能： 1、是细胞和生物体的重要组成成分，如：Mg2+合成叶绿素，Fe2+合成血红蛋白 2、维持细胞和生物体的生命活动，如：动物缺钙会抽搐 3、维持细胞的渗透压和酸碱平衡 如：HCO3- ,PO43- ,Ca2+ ,Mg2+

细胞中的有机物： 蛋白质：结构蛋白、酶、运输、信息传递、免疫等 核 酸：DNA和RNA 脂 类：脂肪（储能）、磷脂（结构成分）、固醇（调节代谢） 糖：组成核酸（五碳糖核糖）、能源物质（葡萄糖）、提供能量（果糖、半乳糖、乳糖）、贮存能量（淀粉、糖原）、支持细胞（纤维素）

2.细胞的结构组成 原核细胞 真核细胞

原核细胞与真核细胞的比较 比较项目 原 核 细 胞 真 核 细 胞 细胞大小 基本结构 细胞壁 细胞膜 细胞质 细胞核或拟核 代表生物 较小(1--10µm) 较大(20--30µm) 主要成分是肽聚糖 纤维素和果胶 相似 只有分散的核糖体, 无其他细胞器 有各种细胞器 无核膜, 只有核区, 有DNA, 称为拟核 有核膜，具有真正的细胞核 细菌, 放线菌, 蓝藻, 支原体, 衣原体 绝大多数生物, 包括动物, 植物, 真菌

细胞膜结构及功能： 生物膜：将细胞所有的膜结构统称为生物膜。 细胞（质）膜：包裹在细胞外的膜 包括 内膜：真核细胞中细胞器外包裹的膜（胞质膜）

磷脂双分子层构成了细胞膜的基本骨架 结构特点： 具有流动性 镶在磷脂双分子层表面 蛋白质分子 嵌入磷脂双分子层中 横跨磷脂双分子层

细胞核功能： 细胞核：控制细胞的遗传（染色体复制和细胞分裂）、生长和发育（调节基因的表达） 染色质和染色体： 1848年发现，1879年被正式命名；由DNA和组蛋白构成。 是同一种物质在细胞周期的不同阶段可以相互转变的形态结构，分裂间期称为染色质（呈丝状），分裂期称为染色体（细丝高度螺旋化呈棒状）

二、细胞周期与细胞分裂 1. 细胞周期：一个细胞经生长、分裂增殖成两个细胞所经历的全过程。 即：细胞从一次分裂结束到下一次分裂结束为止的全过程。 典型的细胞周期可分为：间期（G1、S、G2）和分裂期（M期）

细胞周期各期示意图

2.细胞分裂 无丝分裂 有丝分裂 减数分裂

无丝分裂： 一个细胞直接分裂成两个细胞。 植物细胞的无丝分裂

有丝分裂： 染色体经过复制变成双份，再平均分配到两个子细胞中去。 保证亲代细胞和子代细胞遗传性状的稳定性 包括：前期、中期、后期、末期、胞质分裂等

前期： 出现染色体 出现纺缍体 两出现 特 点 核膜 消失 核仁 消失 两消失 一散

中期： 所有染色体的着丝点排列在细胞中央的赤道板上.

后期: 1.点裂 2.数增 3.均两极:纺缍丝牵引两套形态和数目相同的染色体移向细胞两极.

末期: 核仁出现 核膜出现 两出现 特点 纺缍丝消失 两消失 染色体逐渐解旋变成细长而盘曲的染色质

减数分裂 生殖细胞特有的分裂方式 染色体复制一次，细胞分裂两次，子细胞的染色体数目比亲代细胞减少一半。

次级精母细胞染色体数目比初级精母细胞有什么特点？原因是什么？ 减数第一次分裂的特点： 间期 分裂期 同源染色体联会 染色体复制 2个次级精母细胞 精原 细胞 初级 精母细胞 同源染色体分离 2N 2N N 次级精母细胞染色体数目比初级精母细胞有什么特点？原因是什么？ 减少了一半 同源染色体分离

2个次级 无染色体复制 着丝点分裂，染色单体分离 精母细胞 4个精细胞 N N 次级精母细胞 精细胞 减数第二次分裂的特点:(分裂期基本同有丝分裂) 无染色体复制 着丝点分裂，染色单体分离 2个次级 精母细胞 4个精细胞 N N 次级精母细胞 精细胞

三、细胞全能性与细胞分化 多细胞有机体是由各种不同类型的细胞组成的，而这些细胞来源于同一个细胞。

（一）细胞分化 细胞分化：同一来源的细胞在形态、结构和功能上发生差异的过程，包括时间和空间上的分化。 时间上的分化：一个细胞在不同的发育阶段可以形成不同的形态和功能； 空间上的分化：同一种细胞由于所处的环境不同可以形成不同的形态和功能。

视黄酸 二甲基亚砜 TGF 转化因子 BMP 骨形态发生蛋白

分化潜能：细胞分化能力的强弱。 细胞分化不仅发生在胚胎时期，而且一直都进行着，补充因衰老和死亡而减少的细胞。

持久性：贯穿生物体生命的整个过程，胚胎期达到最大程度； 细胞分化的特点： 持久性：贯穿生物体生命的整个过程，胚胎期达到最大程度； 稳定性和不可逆性：一般来说，分化了的细胞将一直保持分化后的状态 ，直至死亡； 普遍性：生物界普遍存在，是生物个体发育的基础。 但大量科学实验证明，在植物细胞中高度分化的植物细胞仍具有发育成完整植株的能力，即植物细胞的全能性。在动物细胞中，部分细胞（有细胞核）也有此能力。

分裂：细胞数目的增多（生长、发育、繁殖、遗传的基础）。 单细胞生物：产生新的个体；多细胞生物：产生新细胞,使生物体由小长大。 细胞分裂与分化的关系： 分裂：细胞数目的增多（生长、发育、繁殖、遗传的基础）。 单细胞生物：产生新的个体；多细胞生物：产生新细胞,使生物体由小长大。 细胞分裂是分化的基础，分化必须建立在分裂的基础上，即分化必然伴随着分裂。（分裂是否必然伴随着分化？） 分化程度越高，分裂能力越差。 为什么？？

分化细胞。

（二）细胞全能性： 分化细胞保留着全部的核基因组，具有生物个体生长、发育所需要的全部遗传信息，具有发育成完整个体的潜能。 理论上说，每个细胞都具有全能性（例外：成熟哺乳动物的红细胞）。

特点： 高度分化的植物细胞具有全能性，植物细胞在离体的情况下，在一定营养的物质，激素和其他适宜的外界条件下，才能表现其全能性。 （植物组织培养的理论基础） 动物已分化的体细胞全能性受限制，但细胞核仍具有全能性。 （动物克隆）

（三）细胞的脱分化和再分化： 脱分化： 指分化细胞失去特有的结构和功能变为具有未分化细胞特性的过程 已经分化的植物器官、组织或细胞，进行离体培养时，已停止分裂的细胞又重新恢复分裂，细胞改变原有的分化状态，失去原有结构和功能，成为具有未分化特性的细胞。 只有在离体的情况下才可完成。

再分化：在离体条件下，已经脱分化的细胞在一定条件下，重新进入有序生长和分化状态的过程。 植物组织培养就是通过细胞脱分化和再分化实现的。

（四）组织与器官 组织：相同来源的细胞群组成的结构功能单位。 动物组织：上皮组织、结缔组织、肌肉组织、神经组织 植物组织：分生组织、永久组织

分生组织：成长的植物体内总保留一部分不分化的细胞，它们能继续分裂、分化以补充新的细胞。由这些细胞构成的组织即分生组织。 根尖、茎尖(经常处于活跃状态)，分裂使根、茎伸长生长。 腋芽、居间分生组织(单子叶) 经常处于潜伏状态，条件适宜才分裂。 形成层：根、茎内，环状，分裂使根、茎加粗。

永久组织：在生长发育过程中，细胞陆续分化而失去分裂能力，成为有特定功能的细胞组织。 如表皮组织、薄壁组织、机械组织、维管组织等

气孔 表皮细胞 表皮组织 薄壁组织

机械组织 维管组织

器官：不同的组织按照一定的规律和空间布局形成的生物体局部的特定形态结构。 具有一定形状，能行使一定功能的机构单位 不同类型的组织 一定方式组合 器官 如： 根、茎、叶、花、果实； 眼、鼻、胃、肠、心等

思考：细胞全能性与细胞分化、脱分化在组织器官、个体再生中有怎样的意义？

四、细胞凋亡与细胞坏死 细胞凋亡：为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。 细胞坏死：细胞受到强烈理化或生物因素作用，引起细胞无序变化的死亡过程。 细胞凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。

细胞凋亡和细胞坏死有明显区别 细胞坏死 细胞凋亡 细胞变圆,与周围细胞脱开 细胞外形不规则变化 核染色质凝聚 溶酶体破坏 细胞膜内陷 细胞膜破裂 细胞分为一个个小体 胞浆外溢 被周围细胞吞噬 引起周围炎症反应

坏死细胞 凋亡细胞

生命在生物圈中的延续和发展，最基本的环节是生物通过生殖和发育。 五、生殖与发育 生命在生物圈中的延续和发展，最基本的环节是生物通过生殖和发育。

生殖的方式： 无性生殖：没有配子参与，没有受精过程的生殖。如植物的营养生殖（植物体的根、叶、茎产生出新个体，如马铃薯的块茎、草莓匍匐枝、秋海棠的叶，都能生芽，这些芽都能够形成新的个体） 有性生殖：通过两个配子的结合，成为合子或受精卵，再发育成新一代个体的生殖方式。

（一）植物的有性生殖 过程： 开花 传粉 受精 果实和种子的形成

花的结构 开花 花药 雄蕊 柱头 花丝 雌蕊 花柱 子房 花瓣 花被 花萼 花托 花柄

柱头 子房壁 胚珠 卵细胞 纵切放大 子房

传粉：植物开花后，雄蕊花药中的花粉通过不同途径传送到雌蕊柱头上的过程。

自花传粉

异花传粉

受精：当花粉管从珠孔进入胚珠后，末端破裂，精子释放出来，与卵细胞结合，成为受精卵。

受精的过程

受精作用完成后，花萼、花冠、雄蕊以及雌蕊的柱头和花柱一般都会逐渐凋落，只有雌蕊的子房发育成果实。

受精后： 子房 果实 胚珠 种子 子房壁 果皮

（二）动物的有性生殖 分为两个阶段： 第一阶段：配子的发生 第二阶段：受精

2n 2n n n 配子的形成

哺乳动物卵泡的形成和在卵巢内的储备是在出生前完成的；而精子是从初情期开始的 精子与卵子的发生比较 场 所 开始时间 细胞增殖方式 子细胞数目 是否变形 重要区别 精子 睾丸 初情期以后 先有丝分裂 后减数分裂 4个精子细胞 变形 哺乳动物卵泡的形成和在卵巢内的储备是在出生前完成的；而精子是从初情期开始的 卵子 卵巢 输卵管 性别分化以后 1个卵细胞,3个极体 不变形 相似点：最初阶段均进行有丝分裂，不断增加生殖原细胞的数量；经过两次减数分裂才能形成精子和卵子。 不同点：一个精原细胞——多个精子；一个卵原细胞——一个卵子；精子形状为蝌蚪状；卵子为球形。

受精：指精子和卵子结合形成合子 （即受精卵）的过程。 场所：在输卵管内完成

准备阶段1：精子获能 即精子必须在雌性动物生殖道内发生相应生理变化后，才能获得受精能力的现象。 受精前的准备阶段 准备阶段2：卵子的准备 即卵子在输卵管内达到减数第二分裂中期（MⅡ）时，才具备受精能力。 包括精子穿越放射冠和透明带，进入卵黄膜，原核形成和配子结合。 受精阶段

顶体蛋白：一种水解酶，能够分解卵子表面的膜，使精子进入卵子。 精子获能：刚排出的精子虽然有运动能力，但它不能穿过卵子的放射冠和透明带，只有经雌性生殖道的分泌物作用后才具有受精能力，这种作用称为精子获能。

精液由精子和精清两部分组成。 精清中含有一种能抑制精子获能的物质，因此，在一般情况下，精液中的精子无法获能。只有当交配后精液进入雌性动物的生殖道时，由生殖道分泌产生一种物质解除对精子获能的抑制，才能引起精子获能。

精子与卵子相遇

卵子的外层被一层透明的薄膜保护着。 精子与卵子相遇，卵子外膜成为它们第一道需要攻破的关卡。此时，精子们把头钻到卵子的外壁上，尾巴不断拍打着，卵子则随着精子尾部的运动缓慢地逆时针转动。

穿过放射冠：在卵子外围集聚有几十个精子，它们首先穿放射冠。

几个精子同时分解透明带，但只有一个精子能穿过透明带进入卵子内，当第一个精子进入后，透明带的穿透性就立即发生变化，从而阻止其他精子穿越透明带。 穿过透明带： 几个精子同时分解透明带，但只有一个精子能穿过透明带进入卵子内，当第一个精子进入后，透明带的穿透性就立即发生变化，从而阻止其他精子穿越透明带。 （1） 精子穿越放射冠和透明带： 顶体反应使顶体内的酶释放出来并溶解放射冠内的卵丘细胞；透明带反应是防止多精入卵受精的第一道屏障。 （2）精子进入卵黄膜：卵黄膜封闭作用是防止多精入卵受精的第二道屏障。

形成受精卵： 精子进入卵子后,其细胞核变大到和卵子细胞核相似,精子细胞核(雄原核)和卵子细胞核(雌原核)同时向细胞中部靠拢,并相互融合成一个细胞核,这时称受精卵。

受精卵的分裂 称为卵裂

新生命的第三天—桑葚胚 新生命的第四天——胚泡 桑椹胚：细胞数在32个左右，细胞排列致密，形似桑椹，细胞属于全能细胞 受精后8天。胚芽完成"着陆",微微嵌入子宫内膜。此时它分裂发育为几百个细胞。 囊胚：细胞开始分化;内细胞团将来发育成各种组织, 滋养层将来发育成胎膜、胎盘;出现囊胚腔后，进一步扩大会导致孵化。

精、卵相遇 顶体反应 顶体酶释放 溶解卵丘细胞 （放射冠） 接触透明带 穿越放射冠 顶体酶溶解透明带 穿越透明带 接触卵黄膜 形成第一道屏障（封闭作用） 产生透明带反应 精子被微绒毛抱合 精子外膜与卵黄膜融合 精子进入卵

总结