真核细胞的结构

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细胞生物学细胞器膜系统结构图解

真核细胞的结构

弄清每个细胞器的空间位置、膜系统的连接方式,以及教科书与前沿研究的分歧

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细胞生物学细胞器膜系统结构图解

真核细胞的结构

弄清每个细胞器的空间位置、膜系统的连接方式,以及教科书与前沿研究的分歧

1第 1 页 · 真核细胞的结构

线粒体和叶绿体

上一页我们看了真核细胞里大大小小的膜性细胞器。但有两个格外特殊——它们不是细胞自己造的,而是带着自己的遗传物质、以双层膜包裹,像是细胞里住着的两位「外来户」。

双层膜结构
外膜来自宿主细胞,内膜继承自祖先原核生物;内膜向内折叠成嵴(线粒体)或类囊体(叶绿体)
独立遗传系统
拥有自己的环状DNA和70S核糖体,能独立转录与翻译部分蛋白质
内共生起源假说
约20亿年前古核细胞先后吞入α-变形菌(→线粒体)和蓝细菌(→叶绿体),未被消化反成共生体
只能分裂增殖
细胞无法从零合成,新细胞器只能由已有的一个分裂为两个
被收购的独立车间对应 →线粒体和叶绿体

保留旧厂房(双层膜)和自家账本(DNA),但已并入大公司统一调度

2第 2 页 · 线粒体和叶绿体

细胞的内膜系统

细胞的内膜系统:定义、要点与典型应用

细胞的内膜系统
细胞的内膜系统:定义、要点与典型应用
3第 3 页 · 细胞的内膜系统

过氧化物酶体

上页讲内膜系统的膜泡运输逻辑。但有一种小细胞器不服管教:自己长自己裂;本职工作却是处理细胞最危险的反应——把氧化副产物 H2O2 当场分解。这就是过氧化物酶体。

不属于内膜系统
单层膜,由已有过氧化物酶体生长分裂而来;不从高尔基体出芽,与 ER 也没有直接膜泡关系
产毒与解毒并存
氧化酶把底物氧化时产生 H2O2,过氧化氢酶(catalase)当场把它分解为水和氧
功能因细胞而异
肝脏解毒、种子萌发时的乙醛酸循环体、植物叶片的光呼吸都靠它完成
蛋白靠信号肽导入
胞质合成的蛋白带 PTS1 或 PTS2 信号,被 Pex5/Pex7 受体识别后转运入内
厨房明火灶台 + 灭火器对应 →过氧化物酶体的氧化反应 + catalase

灶台炒菜产油烟,灭火器当场扑灭——氧化反应产 H2O2,catalase 立刻分解为水和氧

4第 4 页 · 过氧化物酶体

细胞骨架——微丝

前几页从膜结构一路走过来——线粒体、内膜系统、过氧化物酶体。这一页换一个方向:不靠膜的「机械零件」——细胞骨架。最细的一类就是微丝。

肌动蛋白亚基
微丝由球状肌动蛋白 G-actin 聚合而成
直径约 7 nm
细胞骨架中最细的一类纤维
极性与动态性
正端组装快、负端慢,能快速拆装
与肌球蛋白搭档
肌球蛋白沿其滑动,驱动收缩
多样力学功能
维持形状、变形运动、胞质分裂等
拉链开合对应 →微丝的聚合-解聚

肌动蛋白像链齿,依据细胞信号咬合或松开,整条纤维长度随之增减

5第 5 页 · 细胞骨架——微丝

细胞骨架——微管

微丝像工地上临时搭的细钢筋——灵活但单薄。细胞里还有一种更粗、更硬的中空管道,负责长距离运输与结构支撑,它就是微管。

管状结构
由α/β微管蛋白异二聚体首尾相接,13条原丝围成外径约25nm的中空管
极性与动态
两端分正极与负极,存在持续聚合与解聚的动态不稳定性
运输轨道
驱动蛋白向正极、动力蛋白向负极定向运输细胞器与囊泡
纺锤体
有丝分裂中牵引染色体分离,由中心体发出的微管组装
纤毛鞭毛
9+2排列的微管束,通过摆动推动细胞或液体流动
铁路轨道与调度对应 →微管与马达蛋白

轨道固定而微管动态装配;列车=马达蛋白,货物=囊泡与细胞器

6第 6 页 · 细胞骨架——微管

细胞骨架——中间丝

上一页我们看到的微管像空心钢管——随时拆搭、灵活多变。但细胞还需要一种更持久、更扛拉的结构,就像建筑里那根从不变形的钢缆。这就是中间丝。

直径居中
约10 nm,正好介于微丝(~7 nm)和微管(~25 nm)之间
核心功能:抗拉
分散机械张力,是细胞里最扛拉的'绳索',不参与搬运或收缩
类型具组织特异性
上皮用角蛋白、间充质用波形蛋白、核膜用核纤层、肌细胞用结蛋白
最稳定、无极性
不结合ATP/GTP,无动态组装,两端结构对称
病理诊断标志
角蛋白突变致大疱性皮肤病;不同类型用于鉴别肿瘤细胞来源
建筑里的钢缆对应 →中间丝

钢缆抗拉不变形;中间丝同样耐牵拉、一旦组装就长期存在

7第 7 页 · 细胞骨架——中间丝

马达蛋白

细胞里搭好了'公路'——微管、微丝,但公路自己不会动。真正在轨道上奔跑、把囊泡和细胞器从 A 送到 B 的,是马达蛋白:吃 ATP,把化学能直接转换成机械力。

马达蛋白本质
水解ATP释放化学能,并将其转为沿细胞骨架纤维定向移动的机械力
三大蛋白家族
kinesin沿微管向+端、dynein向-端、myosin沿微丝,分别负责不同运输任务
极性定向
微管/微丝本身有结构极性,马达只朝固定方向走,互不串道
步进机制
ATP结合→水解→构象变化→马达头部沿纤维迈步(约8nm/步),双头交替
细胞内职责
囊泡运输、有丝分裂牵拉染色体、肌肉收缩、纤毛/鞭毛摆动
快递员沿铁轨推货车对应 →马达蛋白沿骨架运货物

铁轨=微管/微丝;动力=ATP水解;货物=囊泡;方向=骨架结构极性

8第 8 页 · 马达蛋白

细胞核与染色质

前面讲了马达蛋白沿微丝微管搬运囊泡,细胞像有物流的工厂。那「动」的命令从哪发?在细胞最大的细胞器——细胞核里。

核膜与核孔复合体
双层膜,外膜与糙面内质网连续、腔相通;核孔由约30种核孔蛋白拼成,按NLS信号选择性双向运输
染色质的两态
DNA绕组蛋白八聚体成核小体再折叠;常染色质松散转录活跃,异染色质致密基因沉默
核仁
无膜包被,是rRNA转录、加工并与蛋白组装成40S/60S亚基的「车间」
核纤层
lamin A/B/C中间纤维贴核内膜内侧织网,撑核形、锚染色质;突变致早衰症
公司总部大楼对应 →细胞核

核膜是围墙门禁,核孔是闸机安检,染色质是分密级档案,核仁是印刷装订车间

9第 9 页 · 细胞核与染色质

核糖体

细胞核里存着DNA,DNA被转录成mRNA运出核孔,那mRNA上的遗传信息是怎么变成蛋白质的?这就轮到核糖体——一个没有膜的、由RNA和蛋白质共同组成的翻译工厂。

核糖核蛋白颗粒
由rRNA和数十种核糖体蛋白组装而成,没有膜包裹
大小亚基夹合mRNA
真核为80S=60S+40S,翻译时两亚基夹住mRNA形成三通道
翻译 + 核酶活性
把mRNA读成多肽链;催化肽键的竟是rRNA本身,不是蛋白质
游离与膜结合两种状态
游离核糖体合成胞质蛋白;带信号肽则被SRP拽上粗面内质网
边界与例外
不是膜性细胞器;线粒体和叶绿体内还有自己的70S核糖体(更像细菌)
工厂装配流水线对应 →核糖体翻译过程

mRNA是图纸,tRNA是送料车,两亚基像夹具夹住图纸逐行读,每3字母装一个氨基酸

10第 10 页 · 核糖体

本节要点

  • 区室化是真核细胞功能专一化的核心策略
  • 能量转换与遗传信息流是细胞的两条主线
  • 微丝、微管、中间丝三类骨架各司其职
  • 内膜系统靠囊泡运输动态连接,非静态隔离
  • 过氧化物酶体不属于内膜系统,是常见混淆点
延伸主题:细胞信号转导通路蛋白质分选与囊泡运输细胞周期与有丝分裂
11第 11 页 · 本节要点

课后思考

先独立思考再看参考答案:检验你对真核细胞结构的理解深度。

1线粒体、叶绿体为何被称为'半自主细胞器'?

参考答案它们自带DNA与核糖体,可独立转录翻译部分蛋白;但多数蛋白仍由核基因编码,需从细胞质输入——'半'就指这种部分自主。

2如果微管被药物破坏,有丝分裂会出现什么异常?

参考答案纺锤体由微管组装,负责把染色体拉到两极。微管被破坏→纺锤体无法形成→染色体不能均分→子细胞染色体数目异常。

3原核细胞没有内膜系统和细胞骨架,如何替代完成类似功能?

参考答案靠细胞膜内陷做区室化;用FtsZ这类微管同源蛋白完成分裂与定位——结构名不同,但分子功能可类比。

12第 12 页 · 课后思考
真核细胞的结构 · 知识图解