细胞器如何记忆在什么细胞中存在

各位同学大家好，我是来自北京市育婴学校的情洁老师，今天我们继续来学习必修衣。第三章第二节细胞器之间的分工合作第二课是 上节课，我们学习了动植物细胞主要细胞器的结构和功能，这些细胞器之间既有分工又有合作，共同完成细胞的生命活动。下面请同学们观察一张电竞下的细胞图片， 从这张图片中你能观察到哪些细胞器呢？哪些细胞器看起来比较发达？你觉得为什么会有这样的变化呢 呢？我们一起来回答。从图中可以看到，在细胞质中分布有平行排列的现状结构，结合上节课所学，同学们可以想到这个结构应该是内置网， 除此之外，还可以看到有若干椭圆形的结构，这个结构应该是线立体。 那么第二个问题，哪些细胞器比较发达呢？在细胞制中， 大家可以看到密集了很多的细线状的结构，说明在这个细胞中他的内置网非常的发达。其实除了内置网以外，他的高尔基体和线粒体也很发达， 但是在这张图中不是特别的明显，你觉得为什么会有这样的变化呢？ 大家知道结构和功能是相适应的，内置网是蛋白质合成加工的场所和运输的通道，内置网这么发达，说明这个细胞它的蛋白质合成方面应该是比较旺盛的。 其实这个细胞就是胰腺腺泡细胞，腺泡细胞的主要功能是合成和分泌消化酶，这些酶会被运输到小肠，用来消化食物。 像这类在细胞内合成后分泌到细胞外起作用的蛋白质叫做分泌蛋白，除了分 分泌到消化道中的一些消化酶以外，还有抗体和一部分激素也是分泌蛋白。 那么分泌蛋白是在哪里合成的？他们又是如何分泌到细胞外面的呢？接下来我们一起走进分泌蛋白合成和运输的研究过程。 在这个研究中，科学家首先面临的问题就是选材。科学家选择了豚鼠的胰腺腺泡细胞作为分泌蛋白合成和运输的研究材料。 选材的原因我们从刚才观察的电竞照片中其实也可以知道了，因为豚鼠的胰腺腺泡细胞含有丰富的内 之网，所以它可以产生大量的分泌蛋白。不仅如此，豚鼠的胰腺器官比较大，相对来说取材也比较容易，而且线泡细胞在电竞下容易观察，这也是取材的原因。 选定了研究材料后，科学家又面临了一个问题，之前对于细胞结构和功能的研究都是以静态描述为主的，而分泌蛋白的合成和运输过程，它是属于动态的变化，应该如何去研究呢？ 科学家们在研究方法上做出了重大的革新，他们改进了适合于蛋白质研究的同位数标记法，同时还发展了可以利用电子显微镜观察的 放射性自显影技术。下面就请同学们阅读教材中的同位数标记法和任务单中的放射性自显影技术。梳理两种方法的原理 同学们梳理的怎么样？能理解这两种方法的原理吗？接下来我们一起来学习。 在同一个元素中，质子数相同，中子数不同的原子，我们称之为同霉素， 同维素的特点是化学性质相同，但是物理性质有差异。比如说有一些同维素，它是具有放射性的，可以被检测到。利用这些物理性质特殊的同维素来标记 化学反应中原子的去向，这就是同位数标记法。被标记之后，必须通过一定的方法显示出来才能够被检测到，这就需要运用放射性自显影技术。 放射性自显影是在同位数标记的基础上进行显影，利用放射性同位素放出的电离射线可以使感光辱记曝光的特点。 如果组织切片中含有放射性物质，就可以通过曝光的银颗粒显现出来，进而可以研究放射性物质在组织切片中的分布和数量，这就是放射性自显影 技术。简单来说，同位数标记法就是将放射性的同位数掺入到锌合成的生物大分子当中，而放射性自显影技术就是一个显影的过程， 显示被标记的生物大分子在细胞当中的位置。这种方法可以用于研究细胞内的元素和化合物的来源、组分、分布和去向等， 进而了解细胞的结构和功能以及其中的化学物质的变化。 有了研究方法的支撑，实验步骤正式开始。科学家选择用轻三标记的量氨酸进行实验研究。将 纯属的胰腺腺泡细胞放入含有已经标记的量氨酸的培养液中进行短时间培养，培养的时间是三分钟， 随后将细胞转入不含有氢三标记的量氨酸的培养液当中 继续进行培养，最后在不同的时间进行多次的取样，并且制备组织的切片。利用放射性自显影技术追踪被标记的量氨酸它的一个转移途径。 结合研究步骤，请同学们思考并讨论下列问题，第一个问题，为什么选 则量氨酸作为同位数氢三的标记物？第二个问题，为什么将实验细胞放入含有氢三标记量氨酸的培养液中进行短时间的培养？ 请同学们认真的思考一下同学们思考的怎么样了？我们一起来回答。首先第一个问题，为什么选择量氨酸作为同位数氢酸的标记物呢？ 其中的一个原因就是量氨酸是必须氨基酸，它必须要从外界环境中获取，而不能够自身合成，而各种分泌蛋白以及信号肽中它 都含有量氨酸，这样的话才能保证同位数的顺利被掺入。第二个问题， 为什么要将豚鼠的胰腺腺泡细胞放入含有轻三标记的量氨酸的培养液中进行短时间培养呢？为什么不是长时间培养？ 回答这个问题，同学们关键要理解实验的步骤。首先将实验细胞短时间暴露于含有大量放射性标记的氨基酸当中， 接下来要将含有放射性的氨基酸洗去，换成不含有放射性的同一氨基酸进行培养，这样就会 使得在之前暴露时间内所合成的蛋白质就被掺入了含有放射性的氨基酸。追踪这些放射性物质的位置，就会得知蛋白质运动的轨迹。 这种方法其实还类似于，比如说你想要研究某条河流的运动轨迹，你可以采用在这个河流中加入染料的方法 可以跟随燃料分子的运动来观察这个河流的流动方向。那同学们想一下，如果说你不断地向一条河流中一直在添加燃料，会发生什么现象呢？ 想到了吗？很快整条河流都会被染色了，你就再也无法知道它是往哪里移动的了。 因此这里采用短时间标记的方法来研究生物大分子在细胞中合成和转运的途径，而长时间标记一般用于研究生物大分子在细胞当中的分布。 在完成上述实验步骤后，随着追踪时间的变化，科学家也得到了实验数据。把实验数据进行处理之后，得到 这张图所示的实验结果。同学们从图中可以看到，横坐标 指的是追踪时间，纵坐标指的是放射性自显影颗粒所占的百分比，而且这个放射性颗粒所占的这个百分比在不同的细胞结构当中呈现有规律的变化。 那你们能不能根据实验结果来推测出分泌蛋白的转移途径呢？大家想一想。 好，我们一起来分析。从刚才的实验步骤中，我们知道，在前三分钟的时候， 研究者是将实验细胞放入含有轻三标记量氨酸的培养液中进行短时间的培养，这时被标记的放射性氨基酸在 核糖体中开始了分泌蛋白的合成。那么根据这个图中所示的实验结果，我们发现，这时粗面内置网中所合成的所有的蛋白质 都含有放射性，所以它的百分比是百分之百。随着追踪时间的变化，粗面内置网中放射性颗粒的比例逐渐的降低，而高尔基体重的比例增加，说明放射性颗粒 被转移到了高尔基体当中。之后粗面内之王和高尔基体放射性的比例持续性的降低，而细胞膜内外两侧的分泌颗粒当中，它的放射性持续升高， 说明放射性的颗粒被转移到了这个分泌颗粒当中。由此我们可以推测出分泌蛋白的转移途径， 他们是从粗面内置网到高尔基体再到分泌颗粒。 科学家对实验结果进行进一步的优化，选择了三个最佳的时间作为实验结果，他们分别选择了三分钟，十七分钟，还有一百一十七分钟， 这是电竞下所观察到的放射性自显影后的胰腺腺泡细胞的组织切片。细胞在放射性氨基酸溶液中培养三分钟后， 立即进行细胞固定并进行放射性自显影，这时带有放射性标记的蛋白质， 他是集中出现在附着有核糖体的内置网上。同样的标记时间在第十七分钟的时候，放射性标记的蛋白质这时集中出现在高尔基体当中， 以及他附近的一些小泡当中。继续这个实验，在一百一十七分钟的时候进行放射性自显影，放射性标记的蛋白质这时集中在了分泌颗粒当中。 通过放射性自显影的电竞照片，我们也能更加 直观的看到分泌蛋白的合成和转运的途径，而我们教材中的模式图就是来源于上述的电竞照片。在本实验的最后，再请同学们思考一个问题， 本实验所得到的实验结果是在一个细胞内观察测量得到的吗？ 通过对整个实验的分析，同学们可以总结出本实验是在不同的时间里对同类型、不同细胞进行多次取样所得到的实验结果， 所以它并不是在一个细胞中连续观察的动态过程。但是，虽然这个实验 不是在一个细胞内完成的，它却能够反映出这类细胞合成和运输分泌蛋白的实际途径。 上述的研究是由细胞生物学家帕拉德以及他的同事完成的，研究结果推动了人们对于分泌蛋白合成和运输过程的认识。下面就让我们一起来总结这个过程。 首先，在游离的核糖体中，以氨基酸为原料开始了多肽链的合成。 当合成了一段肽链之后，这段肽链就会与核糖体一起转移到粗面内置网上，继续它的合成过程，并且 边合成边转移到内置网的腔中，再经过加工折叠，形成具有一定空间结构的蛋白质。 接下来，内置网会鼓出形成囊泡，这个包裹着蛋白质的囊泡会离开内置网到达高尔基体， 与高尔基体膜再发生融合，囊泡膜成为了高尔基体膜的一部分，高尔基体还能对蛋白质做进一步的修饰和加工。 然后由高尔基体膜再次形成包裹着蛋白质的囊泡，囊泡 转运到细胞膜，与细胞膜发生融合，将蛋白质分泌到细胞的外面，这就是分泌蛋白的合成、加工和运输的过程。 在这个过程中，他都是需要消耗能量的，而这些能量主要来自于细胞内的线粒体。 在了解了分泌蛋白的合成和运输过程后，请同学们继续思考，整个过程需要哪些细胞期的参与呢？ 需要核糖体、内置网、高尔基体、线粒体等细胞器的参与，这些细胞器之间各有各的功能，但是他们又需要 彼此的配合才能完成分泌蛋白的合成和运输。由此可见，分泌蛋白的合成和运输，它体现了细胞器之间的分工与合作，请同学们继续思考。第二个问题， 分泌蛋白它的这个合成过程，说明膜结构具有什么样的特点呢？ 大家想一想。在这个过程中，内置网膜、高尔基体膜、细胞脂膜，他们都可以借助囊泡发生融合的现象， 这说明这些膜不仅在功能上协调配合，而且他们在组成成分上和结构上 也都很相似。这些紧密联系的细胞、气膜、细胞膜和核膜就共同构成了细胞的生物膜系统， 细胞的各个结构之间也通过生物膜系统建立了联系。比如刚刚说过的分泌蛋白的合成和运输，它就是通过囊泡把各个细胞结构能够联系在一起， 通过各个细胞结构之间的协调配合，他们会使细胞成为一个统一的整体，从而能够完成细胞的生命活动。那么，生物膜系统对于细胞的生命活动来说 说有什么意义呢？首先，细胞膜不仅使细胞具有相对稳定的内部环境，同时在细胞与外部环境之间进行物质运输、能量转化和信息传递的过程中起着决定性的作用。 在细胞的生命活动中，需要进行多种多样的化学反应，许多重要的化学反应都需要酶的参与。 生物膜系统所构成的细胞内部广阔的膜面积就为多种酶提供了附着的胃电，比如说线粒体的内膜向内凹陷形成的脊，即增加了线粒体的膜面积，上面就附着有和有氧呼吸有关的酶， 还有叶氯体的激励是由很多的肋囊体薄膜堆叠而成的。增大了叶氯体的膜面积，上面附着有和光合作用有关的酶，促进了化学反应的进行。 除此之外，生物膜系统不仅从整体上把细胞内部的各个结构联系起来，还从空间上将各种细胞器分隔开， 就如同一个小小的趋势，这样使得细胞内能够同时进行多种化学反应而不会互相干扰，保证了细胞生命活动高效有序的进行。 最后是我们对这节课进行以下小结，通过这节课的学习，希望同学们 理解细胞内各部分的结构，既有分工又有合作，共同执行细胞的各项生命活动。 细胞膜、细胞气膜以及核膜在成分和结构上相似，在结构和功能上有紧密的联系， 共同构成了生物膜系统，使细胞成为一个有机的整体。这节课就学习到这里，同学们再见！