医用材料生物学基础－蔡伟 第二章 医用植入材料生物环境二 细胞结构与功能.ppt

第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,1,哈尔滨工业大学材料学院 材料物理与化学二OO六年十月,医用材料生物学基础,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,2,第二章 医用植入材料生物环境,一、生命体系结构、人体组织与器官二、细胞结构与功能三、人体血液与组织液系统四、人体骨骼系统与骨组织生物力学五、人体免疫系统与免疫细胞,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,3,细胞 Cell 是人体结构和功能的最小单位,由细胞膜、细胞质和细胞核构成。在电子显微镜下还可以观察到细胞内部更细微的结构,即超微结构。,细胞,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,4,“细胞学说”的基本内容,认为细胞是有机体，一切动植物都是由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成；每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它“自己的”生命,又对与其它细胞共同组成的整体的生命有所助益器官的活力与细胞个体、也与细胞集合体相关；细胞的生化活性由细胞特殊的亚结构控制。生命的延续以细胞为基础，新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。,细胞,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,5,“细胞学说”的基本内容,细胞是人体结构和功能的最小单位 如何发挥功能？细胞的生化活性由细胞特殊的亚结构控制 如何控制？细胞的结构、成分？人体有200种细胞尺寸、形状、功能不同 其结构是否相同或相似？,细胞,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,6,人血红细胞 7.5m,细胞,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,7,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,8,骨骼肌,细胞,肌束膜,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,9,Cellularity,Packing Density:maximum theoretical packing density is about 1 x 109 cells/cm3cell densities in tissues typically vary between 10 500 x 106 cells/cm3relates to about 100-500 cells per microenvironment(100 mm)3extreme cases,such as cartilage which is accellular and has 1 cell per(100 mm)3thus its microenvironment is essentially 1 cell plus associated ECM,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,10,人体细胞形状千差万别，其基本结构类似,细胞结构,细胞膜细胞质细胞核,把细胞内部和细胞外液分割开来，使细胞能相对独立于环境而存在。包围在细胞表面的一层薄膜，厚70100，电镜下观察，为三层结构。,细胞内液：半透明胶体物质。细胞器：具有一定形态和生理功能的结构胞内质粒：非功能性单位,核膜染色质核仁核液,细胞,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,11,中心体,核膜,核仁,染色质,内含物,高尔基复合体,线粒体,基质,细胞膜,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,12,中心体,核膜,溶酶体,质膜,空泡,吞饮小泡,内质网,微茸毛,糖原颗粒,线粒体,高尔基复合体,细胞核,核仁,染色质,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,13,细胞膜 Plasma Membrane,细胞结构,细胞膜细胞质细胞核,细胞内液：半透明胶体物质。细胞器：具有一定形态和生理功能的结构胞内质粒：非功能性单位,核膜染色质核仁核液,细胞膜,把细胞内部和细胞外液分割开来，使细胞能相对独立于环境而存在。包围在细胞表面的一层薄膜，厚70100，电镜下观察，为三层结构。,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,14,在电子显微镜下细胞膜的结构表现“两暗夹一明”的单位膜结构,厚70100。,细胞膜,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,15,细胞膜,糖脂,糖蛋白,外层脂质分子（亲水性头部）,表面蛋白质,疏水性尾部,嵌入蛋白质,内层脂质分子（亲水性头部）,细胞膜分子结构模式图,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,16,细胞膜 Plasma Membrane,双层极性磷脂分子：亲水端构成膜的内外两侧，与体液或细胞质接触，疏水端朝向膜的中间，互相贴近。膜蛋白:,表面蛋白结合蛋白,细胞膜,占膜重一半，功能：识别和传递信号输送物质与其它蛋白结合产生细胞间结合,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,17,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,18,细胞膜的功能,1、物质输送：有选择性，进行新陈代谢的同时，又能保持细胞内成分稳定。水的渗透（细胞内外溶液浓度差异）脂溶性物质和小分子物质，单纯扩散作用。胞饮、胞吐作用（大分子）非脂溶性物质与膜蛋白暂时结合，异化扩散。主动转运作用（浓度由低至高）2、识别、传递信号：膜蛋白与外界特定的化学信 号进行特异性结合，引起细胞内相应的变化。3、膜蛋白间结合产生细胞间结合。4、将细胞内外液分开，细胞内物质不会流散。,细胞膜,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,19,细胞结构,细胞膜细胞质细胞核,细胞内液：半透明胶体物质。细胞器：具有一定形态和生理功能的结构胞内质粒：非功能性单位,核膜染色质核仁核液,细胞质 cytoplasm,细胞质,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,20,细胞质,微绒毛,微丝,溶酶体,线粒体,核周隙,滑面内质网,粗面内质网,糖原颗粒,分泌颗粒,脂肪颗粒,高尔基复合体,中心体,核膜,核仁,核孔,基质,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,21,细胞内液/细胞质基质：半透明胶体物质，含有丰富的蛋 白质、无机盐、糖、金属离子和 电解质等。细胞器：细胞质内具有一定形态和生理功能 的结构。（物质代谢、能量代谢、蛋白 质合成）有：线粒体、核蛋白体、内质网、高尔基复合体、溶酶体、中心体、微丝和微管等。胞内质粒：非功能性单位，糖类、脂类。,细胞质,细胞质 cytoplasm,细胞质,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,22,细胞质基质（胞质溶胶）,成分：小分子：水、无机离子（K+、Na+、Cl-、Mg2+、Ca2+等）中等分子：脂类、糖类（葡萄糖、果糖、蔗糖）、氨基酸、核苷酸及其衍生物大分子：多糖、蛋白质、脂蛋白、酶、RNA,细胞质,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,23,功能：为各种细胞器维持其正常结构提供所需要的离子环境为各类细胞器完成其功能活动供给所必需的一切底物某些生物化学活动的场所,细胞质基质（胞质溶胶）,细胞质,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,24,线粒体 Mitochondrion,电镜下，内外膜包围的结构。,供给细胞内生物化学活动所需的能量，细胞的动力工厂。,光镜下为粗线状、粒状,细胞器,线粒体,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,25,线粒体,细胞器,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,26,内质网 Endoplasmic Reticulum,结构复杂的膜状的管道或囊状物，与 细胞膜相连。粗面内质网：外膜表面附着大量核糖体。物资运输通道；合成蛋白质。滑面内质网：物资运输通道；参与糖类、脂肪 的合成与分解。,细胞器,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,27,内质网,多核糖体,微管,内质网腔,细胞器,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,28,粗面内质网,细胞内有大量平行排列的粗面内质网，表面附有致密的核糖体。20000,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,29,滑面内质网,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,30,溶酶体 Lysosome,细胞内的一种细胞器，由一层单位膜构成的圆形或卵圆形小体；内有多种酸性水解酶，如水解蛋白酶、过氧化氢酶、糖原与脂类的水解酶等，能分解蛋白质、糖类、脂类等；能分解细胞本身损伤及衰老的结构及外来物质，可视为细胞本身的“消化系统”在某种情况下，如溶酶体膜破裂，导致酶逸出，细胞则被消化自溶而死亡。,细胞器,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,31,溶酶体 Lysosome,溶酶体与细胞内的自身产物或由细胞摄入的外来物质相互融合时，便形成吞噬性溶酶体，根据作用底物来源不同，分为自噬性溶酶体和异噬性溶酶体。,细胞器,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,32,溶酶体,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,33,吞噬性溶酶体,自噬性溶酶体：分解来自细胞内部的衰老和损伤的细胞器 或局部细胞质等，常包含有未分解的线粒体、内质网、高尔基复合体或脂类、糖原等。消化、分解、自然更替一些细胞内的结构。在病变、损伤细胞（药物作用、射线照射、机械 损伤）中明显增多。异噬性溶酶体：,细胞器,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,34,吞噬性溶酶体,自噬性溶酶体：异噬性溶酶体的作用底物是经由细胞吞饮或吞噬而被摄入细胞内的外源性物质，其中包括细胞和大分子物质，如细菌、红细胞、血红蛋白、铁蛋白、酶和糖原等。常见于单核吞噬细胞：白细胞、肝细胞、肾细胞中。,细胞器,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,35,溶酶体的作用,消化、分解、自然更替一些细胞内的结构。大分子分解为可溶性小分子物质，进入细胞质 基质，重新参与物质代谢。蛋白质分解为二肽或氨基酸、核酸分解为核苷和磷酸、糖类分解为寡糖类或单糖、脂类分解为甘油和脂肪酸等。被分解而生成的可溶性小分子物质，能透过溶酶体体膜进入细胞质基质，重新参与细胞的物质代谢；一些未被消化的物质残留下来，形成残余小体。破骨细胞的溶酶体，有利于骨生长和重建过程,细胞器,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,36,细胞结构,细胞膜细胞质细胞核,核膜染色质核仁核液,细胞核 nucleus,细胞核,位于细胞中央，呈球形，被有孔的膜所包围。多数细胞一个核，成熟红细胞无核，骨骼肌细胞有多个核。（100200）是遗传基因库，存放遗传信息，提供各类蛋白质模板。由核糖核酸（RNA）进行转录后，进入高尔基复合体合成、得到维持生命运动所需的蛋白质。,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,37,人血红细胞 7.5m,细胞,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,38,骨骼肌,细胞,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,39,细胞质,微绒毛,微丝,溶酶体,线粒体,核周隙,滑面内质网,粗面内质网,糖原颗粒,分泌颗粒,脂肪颗粒,高尔基复合体,中心体,核膜,核仁,核孔,基质,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,40,核膜,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,41,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,42,核膜：双层磷脂膜，表面附有核糖体，有核孔。染色质：脱氧核糖核酸(DNA)和蛋白质。携带遗传信息，与细胞分化、机 体发育生长有密切关系。核仁：核糖核酸(RNA)和蛋白质组成，无膜。核液：无结构胶状物。,细胞核,细胞核,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,43,细胞外基质（ECM）,机体发育过程中，由细胞分泌到细胞外的各种大分子，在细胞周围构成高度水合的凝胶或纤维性网络，对细胞之间的支持、功能的发挥起着重要作用。,基本概念,细胞外基质,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,44,细胞外基质的成分,胶原蛋白、蛋白多糖、糖胺聚糖、层连蛋白和弹性蛋白等组成的物理和化学交联网络.硬组织细胞外基质则为细胞生物矿化形成的30nm50nm的羟基磷灰石和300nm的胶原纤维取向构建而成.,基本概念,细胞外基质,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,45,细胞外基质的作用,细胞分泌ECMs,ECMs则提供细胞信息,包括生物化学信息(细胞因子和生长因子)和生物力学信号甚至场信息.细胞ECMs之间存在着动态相互作用,这种作用和细胞细胞间相互作用共同调控细胞的新陈代谢.,基本概念,细胞外基质,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,46,细胞外基质的作用,ECM分子的功能在于使细胞集团化或调控组织结构,调节细胞的特异基因表达,它作为生长因子存储器,可通过控制方式将这些因子提供给ECM相邻细胞.进行组织重建的生物材料必须具有仿细胞外基质的功能.,基本概念,细胞外基质,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,47,Cellularity,Cellular Communication:Cells communicate in three principal ways:secretion of soluble signalscell-to-cell contactcell-ECM interactions Cellular communication can affect all“cellular fate”processes(migration,replication,differentiation,apoptosis)and the method of communication(s)used depends,in part,on how the cells are packed within the tissue.,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,48,Cellular Communications,Soluble Signals:small proteins(15-20 kDa)which are chemically stable with long half-lives(unless specifically degraded)growth factors,steroids,hormones,cytokines,chemokinesbind to membrane receptors usually with high affinity(low binding constants:10-100 pM)can diffusion long distances,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,49,Cellular Communications,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,50,Cellular Communications,Cell-to-Cell Contact:some membrane receptors are adhesive moleculesadherent junctions and desmosomes other serve to create junctions between adjacent cells allowing for direct cytoplasmic communicationgap junctions1.5-2 nm diameter and only allow transport of small molecules 1 kDa,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,51,Cellular Communications,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,52,Cellular Communications,第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,53,Cellular Communications,Cell-ECM Interactions:ECM is multifunctional and also provides a substrate that cells can communicatesince cells synthesize the ECM,they can modify the ECM to elicit specific cellular responsesseveral specialized receptors that allow for cell-ECM interactionsintegrins,CD44,etc.also a mechanism by with cells respond to external stimuli(“mechanical transducers”),第二章 生物环境,二、细胞结构与功能,54,Cellular Communications,