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1、第二章 细胞基本知识概要,学习要求： 通过本章的学习，回顾并掌握细胞的基本概念、生命体的三大基本类型病毒（非细胞生物）、原核生物和真核生物以及他们的基本结构和基本生命活动等基础知识，为后续各章的学习奠定基础,细胞的基本概念非细胞形态的生命体 病毒及其与细胞的关系原核细胞与真核细胞,第一节 细胞的基本概念,细胞是生命活动的基本单位细胞概念的一些新思考细胞的基本共性和化学组成,第二节 非细胞形态的生命体 病毒及其与细胞的关系,病毒的基本知识病毒在细胞内增殖（复制）病毒与细胞在起源与进化中的关系,第三节 原核细胞与真核细胞,原核细胞（Prokaryotic cell）真核细胞（Eukaryotic
2、cell）古细菌 （Archaebacteria）,细胞是生命活动的基本单位,一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位细胞具有独立的、有序的自控代谢体系， 细胞是代谢与功能的基本单位细胞是有机体生长与发育的基础细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性没有细胞就没有完整的生命,为什么说细胞是生命活动的基本单位?,The cell, the basic building block of life,细胞是生物体的基本结构与功能单位,Phagocytosis by macrophage,2. 细胞是有机体生长与发育的基础,3. 细胞是遗传的基本单位,Fertilization of hu
3、man sperm and oocyte,细胞具有遗传的全能性,Dolly and her daughter,细胞概念的一些新思考,细胞是多层次非线性的复杂结构体系 细胞具有高度复杂性和组织性细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体 细胞完成各种化学反应； 细胞需要和利用能量； 细胞参与大量机械活动； 细胞对刺激作出反应；细胞是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。 细胞能进行自我调控； 繁殖和传留后代；,细胞的基本共性,所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜，即细胞膜。所有的细胞都含有两种核酸：即DNA与RNA作为遗传信息复制与转录的载体。作为蛋白质合成的机器核
4、糖体，毫无例外地存在于一切细胞内。所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。,生命是物质的，是一种特殊形式的运动，他是物质、能量和信息诸变量在特定时空的“表演”，其运转有赖于生命系统有组织的守时和对空间环境的合拍 构成细胞的基本元素有：O、C、H、N、S、K、Ca、P、Mg等，其中O、C、H、N四种元素占90%以上。细胞主要有水和无机盐：水是细胞生命活动的物质基础，约占细胞重量的70左右，其中游离水约95，其余为结合水。无机盐的含量约为1，主要以离子形式存在 。,细胞的化学组成,氢键能够吸收较多的热能，将氢打断需要较高的温度，故可维持细胞温度的相对稳定相邻水分子之间形成的氢键使水分子具有一定的
5、粘性，使水分子具有较高的表面密度水分子之间的氢键可以提高水的沸点，使水不易从细胞中挥发掉,细胞的有机物主要有蛋白质、核酸、脂类和糖，约占细胞干重的90%以上。一个细胞中约有104种蛋白质，分子的数达1011。 蛋白质不仅是细胞的结构成分，也是细胞功能的实现者。生化反应的催化剂酶是蛋白质。,核酸包括DNA和RNA。 DNA是遗传信息复制、传递和基因转录的模板。 基因是编码蛋白质多肽链或RNA的DNA序列。 生物体全部基因序列及其间隔称为基因组 原核生物的基因组大小约600Kb-9.5Mb，真核生物的约为3Mb-140000Mb。 一个能够独立生存的细胞需要约500个基因。 RNA参与蛋白质的合成
6、，主要类型有：mRNA、tRNA、rRNA。,细胞中的糖类既有单糖，也有多糖。 重要的五碳糖为核糖，重要的六碳糖为葡萄糖。细胞中的多糖有：营养储备多糖，如淀粉、糖原；结构多糖，如纤维素、几丁质。 脂类包括：脂肪酸、中性脂肪、类固醇、蜡、磷酸甘油酯、鞘磷脂、糖脂、类胡萝卜素等。脂类参与组成细胞膜和细胞通信，也是重要的能量储备物质。,营养贮备多糖淀粉、糖元,结构多糖纤维素,病毒的基本知识,病毒（virus）核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体； 根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类： DNA病毒与RNA病毒 病毒的多样性类病毒（viroid）仅由感染性的RNA构成；朊病毒（p
7、rion） 仅由感染性的蛋白质亚基构成；,早在200多年以前,英国的牧人就注意到羊的一种致死性疾病； 20世纪初,M. fadyian 提出该病是由寄生虫引起的;1936年Cuille 等发现瘙痒因子有传染性,用滤膜过滤后仍具有传染性,而提出该因子是一种病毒; Gajdusek 于1966年证实了CJD 的传染性,并根Scrapie 、Kuru、CJD3种疾病的共同特征提出了传染性海绵状脑病( TSE) 这一概念; 1982 年,美国的Pruisner 博士和他的同事分离纯化出一种高度感染性的特殊糖蛋白,称为抗蛋白酶蛋白( PrP) , 经实验认为羊痒病的感染因子可能是一种不含核酸的蛋白质,并
8、取名为朊病毒蛋白。,朊病毒的发现,美国加州大学旧金山分校医学院的普鲁西纳（S. B. Prusiner）发现病原物-命名为Prion传染性蛋白颗粒普利昂1997年诺贝尔生理及医学奖颇具争议的诺贝尔奖 向中心法则提出质疑？ 对传统遗传学提出挑战？,是由（PrP）蛋白构成，它发现于生物体，甚至是健康的人和动物体上。然而，PrP从感染方面的发现它拥有不同的结构和抗蛋白酶特性，这些酶在机体中通常都会被破坏。正常形态的蛋白质被称为PrPC,而传染的形式被称为PrPSc 这种疾病最早发现在羊身上。,左 PrPc 右PrPSc,朊病毒结构,Protein structure of the normal pr
9、ion protein (PrP).,病毒与prion的比较,朊病毒的核磁共振图谱,人和动物prion病,克鲁病（Kuru）：发现于新几内亚一个叫Fore的部落，当地人称作kuru，意即颤抖。病人大多数是妇女及小孩，病症有言语含糊及无意识地狂笑，最后不省人事并死亡。一名美国医生D. C. Gajdusek到了当地，发现那里的妇女及小孩具有吃死者尸体的习惯，结果受到感染。,Kuru病,32,克-雅二氏病（CreutzfeldtJakob disease，CJD）：Cruetzfeldt和Jakob 1920年发现于六例患者，大多发生于60岁以上的人，是自身PrP蛋白发生变异引起的。,克雅氏症患者
10、的病变组织样本,是脑部堆积了无用的蛋白质，形成了淀粉样蛋白块病变，因而就呈现出了淀粉样斑点典型临床症状为出现痴呆或神经错乱，视觉模糊，平衡障碍，肌肉收缩等。病人最终因精神错乱而死亡,.致死性家族性失眠症（Fatal familial insomnia，FFI）：也是一种遗传性疾病，Prnp基因变异，PrP蛋白178位的天冬酰胺被天冬氨酸取代。患者的主要症状是失眠，并有CJD的症状。,疯牛病，与病牛接触或进食病牛肉是人v-CJD最主要的发病原因。,v-CJD病人大脑组织切片：示海绵状病变（左）和淀粉样蛋白沉淀（右）,大脑皮层的神经原细胞退化。空泡形成、死亡、被星状细胞取而代之 。因而形成海绵状态
11、。大脑皮层（ 灰质）变薄而白质相对明显。故称海绵状脑病或白质脑病。 临床上相应地出现痴呆、共济失调和震颤等症状。,病理学特点,朊病毒危害性,朊病毒疾病即海绵状脑病，是人和动物共患的一类遗传性、传染性和散发性的中央神经系统退行性脑病，最终可以导致患者死亡，它能在人和动物中进行传染 。1986年英国首次爆发疯 牛病，已有17.7万头牛染病，上百万头牛被屠杀，损失400多亿美元。已有112人死亡，潜在感染人数超过50万。,疯牛病蔓延整个欧洲,英国、爱尔兰、瑞士、法国、比利时、卢森堡、荷兰、德国、葡萄牙、丹麦、意大利、西班牙、列支敦士登、阿曼、斯洛伐克、芬兰、奥地利、日本、韩国,2000年,病原体 P
12、rPSC,正常蛋白 PrPC,Prion,PrP 基因,人-20号染色体短臂小鼠2号染色体牛13号染色体,一级结构完全相同二级结构明显不同,PrPSC如何进行复制？,病原体 PrPSC,正常蛋白 PrPC,PrPSC本身没有复制，而是“带坏”了PrPC,Transmission,朊病毒的产生有三种方式：获得、家族以及突变我们通常认为朊病毒的致病形式是与正常形式的直接相互作用导致它蛋白质结构的重排“蛋白质X”的假设：是指至今不明的一种细胞蛋白（蛋白质X）通过复杂的转换把PrPC转变为PrPSc,当前研究表明，感染的主要方式还是通过动物机制下做的阐述，人们认为，染病毒可以通过死去的动物的遗骸或唾液
13、、尿液等其他体液存入环境当中。当然他们也会通过结合粘土和其他矿藏随着土壤传播。,Debate,朊病毒（Prion）病的发病机制无论是病毒、细菌还是真菌，它们能够传染并在新宿主体内繁殖的物质基础均是核酸（DNA或RNA）。而Prions的传染性只是通过蛋白质PrPSc来实现。如果将这一致病蛋白注入健康动物体内，PrPSc可“繁殖”，并致病。目前主要形成了以下五大类假说。,1、逆中心法则假说 Prion发现之前，我们认为所有的病原体都 是通过核酸进行复制的。 Protein hypothesis阐述，蛋白质结构也可以不依赖核酸进行复制，这一假设完全颠覆了中心法则中遵循的核酸是复制信息的中心,Cen
14、tral dogma of molecular biology,PrPSc为自己编码，即PrPSc指导PrPSc的合成，蛋白质本身作为遗传物质；与中心法则相比，蛋白质可以逆翻译为mRNA，然后逆转录DNA。,2、结晶假说 该假说认为PrP蛋白在有PrPSc分子的情况下形成结晶时，晶格中的PrPc分子有螺旋构象转变成PrPSc的折叠构象.由此可见PrP蛋白的构象转变并无核酸活动的参与。,3、构型诱变假说 PrPSc可诱导正常的PrPc转变成PrPSc，这一转变完全是翻译后过程，为蛋白质的二级结构发生变异。正常的PrPc主要由4个螺旋环组成，其氨基端有15个氨基酸是PrPSc 的结合区域；当有Pr
15、PSc 与之接触后，PrPc就会发生构象改变，螺旋减少，折叠增多 ，继而转变成PrPSc。改变前后在蛋白质特异性方面存在较大差异。,4、诱导假说 宿主细胞中含有PrPSc合成的遗传信息，但受到高度调节，难以激活。PrPSc的侵染其作用正是在于激活为其编码的细胞基因，从而保证PrPSc大量增殖的顺利进行。,5、核酸参与假说 美国学者Deleault等认为正常的Prions蛋白向其致病形式的有效转换需要寄主RNA分子的参与，虽然Prions蛋白和RNA分子处于不同的细胞位置，但是有理由相信RNA分子起着胞内分子传导的作用。,Sterilization,朊病毒通过作用于正常形式的蛋白质感染机体因此，
16、对朊病毒进行灭菌，涉及到变性蛋白分子的一种特殊状态，在这种状态下，朊病毒不能诱导正常蛋白的异常折叠朊病毒通常都是相对耐蛋白酶、热、辐射等治疗目前臭氧灭菌是一种正在研究中的针对朊病毒的变性失活的潜在方法,病毒在细胞内增殖（复制）,病毒侵入细胞，病毒核酸的侵染病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成病毒的装配、成熟与释放,病毒与细胞在起源与进化中的关系,病毒是非细胞形态的生命体，它的主要生命活动必须要在细胞内实现。病毒与细胞在起源上的关系，目前存在3种主要观点：生物大分子病毒细胞 病毒生物大分子 细胞生物大分子细胞 病毒,病毒是细胞的演化产物,1由于病毒的彻底寄生性，所有病毒毫无例外必须要在细胞内复制与
17、增殖，才能表现其基本生命现象没有细胞的存在也就没有病毒繁殖。因此病毒决不可能起源在细胞之先，只能是先有细胞后有病毒。 2已经说明，有些病毒(如腺病毒)的核酸与哺乳动物细胞DNA某些片段的碱基序列十分相似。癌基因的发现及其研究的深入加强了这种观点。因为细胞癌基因与病毒癌基因具有相似的同源序列，从而普遍认为病毒癌基因起源于细胞癌基因。 3 病毒可以看做是DNA与蛋白质或RNA与蛋白质形成的复合大分子，与细胞内核蛋白分子有相似之处； 由此推论：病毒可能是细胞在特定条件下“扔出”的一个基因组，或者是具有复制与转录能力的mRNA。这些游离的基因组，只有回到它们原来的细胞内环境中才能进行复制与转录。,基本
18、特点： 遗传的信息量小，一个环状DNA构成； 细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功 能的细胞器和细胞核膜。主要代表：支原体（mycoplast）最小最简单的细胞；细菌蓝藻又称蓝细菌（Cyanobacteria）,原 核 细 胞,真核细胞,真核细胞的基本结构体系细胞的形状、大小及其分析原核细胞与真核细胞的比较,真核细胞的基本结构体系,以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统； 以核酸（DNA或RNA）与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统 由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。,细胞的形状、大小及分析,单细胞生物的形态通常与细胞外沉积物有关。高等生物细胞的形状与细胞功能及细胞间的相互作用有
19、关。细胞骨架对于维持细胞形态具有重要作用。高等动物的细胞离开有机体分散存在时，形状往往发生变化。如平滑肌细胞在体内成梭形，而在离体培养时则可成多角形。,大多数动植物细胞在2030m间；一般真核细胞的体积大于原核细胞；卵细胞大于体细胞。,几种细胞的大小,人卵与精子,各类细胞直径的比较,细胞和细胞组分的相对大小,原核细胞与真核细胞的比较,原核细胞与真核细胞基本特征的比较原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较植物细胞与动物细胞的比较,原核细胞与真核细胞基本特征的比较,原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较,植物细胞与动物细胞的比较,细胞壁 液泡 叶绿体,古细菌（archaebac
20、teria）,古细菌简介古细菌与真核细胞曾在进化上有过共同历程主要证据进化系统树,主要证据,（1）细胞壁成分与真核细胞相似，而非由含壁酸的肽聚糖构成，因此抑制壁酸合成的链霉素,抑制肽聚糖前体合成的环丝氨酸，抑制肽聚糖合成的青霉素与万古霉素等对古细菌与真核细胞无作用。（2）DNA与基因结构：古细菌DNA中有重复序列的存在。多数古核细胞的基因组中存在内含子。（3）有类核小体结构：古细菌具有组蛋白，而且能与DNA构建成类似核小体结构。（4）有类似真核细胞的核糖体：多数古细菌类的核糖体较真细菌有增大趋势，含有60种以上蛋白，介于真核细胞（7084）与真细菌（55）之间。抗生素同样不能抑制古核细胞类的核
21、糖体的蛋白质合成。（5）5S rRNA：根据对5S rRNA的分子进化分析，认为古细菌与真核生物同属一类，而真细菌却与之差距甚远。5S rRNA二级结构的研究也说明很多古细菌与真核生物相似。 除上述各点外，根据DNA聚合酶分析，氨基酰tRNA合成酶的作用，起始氨基酰tRNA 与肽链延长因子等分析，也提供了以上类似依据，说明古细菌与真核生物在进化上的关系较真细菌类更为密切。,性细胞或体细胞都包含着遗传的全套信息，即全套的基因，因此细胞具有遗传的全能性,17,ADSORPTION, PENETRATIONUNCOATING,NUCLEUS,CYTOPLASM,OUTSIDE,ds DNA +his
22、tones,支原体（Mycoplasma）：是一类无细胞壁，呈高度多形性，可通过滤菌器，能在无生命培养基中繁殖的最小原核细胞型微生物。,一、细菌的基本结构,是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体。 可分为：球菌、杆菌和螺旋菌（弧形菌）。 绝大多数细菌的直径在0.55m之间。 中膜体（mesosome)：又称间体或质膜体，由细胞膜内陷形成，每个细胞含有一个或数个内膜体，其形态差异较大，在革兰氏阳性菌中更明显，中膜体与DNA有联系，推测它可能起DNA复制的支点作用。在细胞分裂时，先形成两个中膜体，然后核物质一分为二。,1、细胞壁：主要成分是肽聚糖，由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸构成双糖单元，以
23、（1-4）糖苷键连接成大分子。N-乙酰胞壁酸分子上有四肽侧链，相邻聚糖纤维之间的短肽通过肽桥（革兰氏阳性菌）或肽键（革兰氏阴性菌）桥接起来，形成了肽聚糖片层。革兰氏阳性菌细胞壁厚约20-80nm，有15-50层肽聚糖片层，每层厚1nm，含20-40的磷壁酸（teichoic acid。革兰氏阴性菌细胞壁厚约10nm，仅2-3层肽聚糖，另外还有脂多糖、细菌外膜和脂蛋白。,Gram positive bacterial cell wall,Gram negative bacterial cell wall,2、细胞膜：厚约810nm，外侧紧贴细胞壁。一些进行光合作用的原核生物，质膜具有与捕光反应有
24、关的内褶。一些革兰氏阳性菌质膜内褶形成小管状结构，称为间体 。,mesosome,3、拟核：DNA分子裸露，没有内含子，具有重叠基因。,大肠杆菌低电子密度区为拟核,4、核糖体：约含500050000个。部分附着在细胞膜内侧，大部分游离于细胞质中。沉降系数为70S。由大亚单位(50S)与小亚单位(30S)组成。小亚单位对四环素与链霉素敏感，大亚单位对红霉素与氯霉素敏感。,5、质粒(plasmid) ：除核区DNA外，可进行自主复制的遗传因子，是裸露的环状DNA分子，所含遗传信息量为2200个基因，能进行自我复制，有时能整合到核DNA中去。质粒常用作基因重组与基因转移的载体。,6、荚膜（capsu
25、le）：细菌最外表的一层多糖类物质。功能：抵御不良环境；保护自身不受吞噬；选择性的粘附到特定细胞的表面上。,Negative stained bacteria,7、鞭毛：细菌的运动器官，由鞭毛蛋白构成。,8、菌毛：是菌体表面的蛋白纤丝，与细菌运动无关。分为普通菌毛和性菌毛两类。前者与细菌吸附和侵染宿主有关，后者为中空管子，与传递遗传物质有关。,9、繁殖：以二分裂的方式繁殖，某些细菌处于不利的环境，或耗尽营养时，形成内生孢子，又称芽孢，是对不良环境有强抵抗力的休眠体。,分裂中的链球菌,分裂中的大肠杆菌,古细菌（archaebacterium）简介,无核膜及内膜系统；以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核
26、糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、具有内含子和组蛋白。细胞膜中的脂类不可皂化，细胞壁不含肽聚糖。生活在极端环境中，如：产甲烷菌、极端嗜盐菌、极端嗜热菌。,a: Aquificiales pyrophilus；b: Pyrolobus fumarii；,Pyrolobus fumarii 可以生活在 90 -113，pH 4.0-6.5。其最适生存温度为106 ，低于85和高于115则不生长，能在121的高温中存活1小时,各类生物能忍受的上限温度：古细菌113细菌90真菌60藻类55-60原生动物56维管束植物49鱼类和其他水生脊椎动物38,细胞生命活动 以物质代谢为基础 以能量
27、代谢（ATP）为动力 以信息调控为机制,细胞是生殖和遗传的基础和桥梁，具有相同的遗传语言惟妙惟肖的表型特征，非常狭窄的遗传桥梁人与人之间的基因组差别只有千分之一,Lambda Bacteriophage DNA (TEM x153,000),二、病毒的结构,由核酸(DNA或RNA) 和蛋白质衣壳(capsid)构成，称核衣壳(nucleocapsid)。各种病毒所含的遗传信息量不同，少的只含有3个基因，多的可达300个基因。,有的病毒衣壳外面有被膜(envelope)，来源于宿主细胞的质膜，被膜中含有病毒融合蛋白。组成病毒衣壳的亚单位称壳微粒(capsomer)。一个成熟有感染性的病毒颗粒称“
28、病毒体”（virion）。其装配形式有二十面体对称、螺旋对称和复合对称三种类型。,功能 保护核酸，免受核酸酶的破坏 参与病毒感染细胞的过程 病毒表面蛋白+宿主细胞膜受体 抗原性 核衣壳nucleocapsid病毒核酸+衣壳,特殊结构 1 包膜 envelope某些病毒衣壳外面包 绕的一层膜 产生： 病毒以出芽方式释放时获得 成分： 宿主细胞膜或核膜成分，类脂、糖蛋白 刺突spike： 包膜表面顶状突起 流感病毒 功能： 介导病毒与病毒受体接触 利于病毒穿入细胞膜,Viruses,病毒有五种形态：球形 (Sphericity)：大多数人类和动物病毒为球形，如脊髓灰质炎病毒、疱疹病毒及腺病毒等；丝
29、形 (Filament) ：多见于植物病毒，如烟草花叶病病毒；弹形(Bullet-shape)：形似子弹头，如狂犬病病毒等。砖形 (Brick-shape)：如痘病毒、天花病毒等；蝌蚪形(Tadpole-shape)：如噬菌体。其中为二十面体对称; 、 为螺旋对称; 、 复合对称。,脊髓灰质炎病毒 球形病毒,烟草花叶病毒 线形病毒,痘病毒 砖形病毒,狂犬病毒 子弹形病毒,有被膜,T4噬菌体 蝌蚪形病毒,流感冒病毒 丝状有被膜的病毒,急性呼吸系统综合症(SARS)的病毒属于冠状病毒科，病毒粒子多呈圆形，有囊膜，外周有冠状排列的纤突,感染病毒的细胞线粒体肿胀，部分线粒体外膜或嵴溶解。在广州地区和北
30、京地区的尸解肺组织标本感染的Vero-E6细胞中均查见大量的病毒颗粒，多呈圆形，直径在80nm左右。病毒颗粒主要分布在胞浆的内质网池、胞浆空泡内和细胞外，多聚集成堆。感染病毒的细胞可见内质网扩张，线粒体肿胀、嵴溶解，细胞核染色质凝聚，边集。,病毒只有在侵入细胞以后才表现出生命现象。病毒的生活周期可分为两个阶段：细胞外阶段，以成熟的病毒粒子形式存在；细胞内阶段，即感染阶段，在此阶段中进行复制和繁殖。根据寄生的宿主不同，病毒可分为：动物病毒、植物病毒、细菌病毒(即噬菌体),根据病毒所含的核酸的性质和状态不同，可将病毒分为6类：双链DNA+mRNA蛋白质，如天花病毒、T-偶数噬菌体。单链+DNADNA+RNA蛋白质，如细小DNA病毒。双链RNA+mRNA蛋白质，如呼肠孤病毒。单链+RNARNA+RNA蛋白质，如脊髓灰质炎病毒。单链RNA+RNA+蛋白质，如流感病毒、狂犬病毒。单链+RNADNADNA+mRNA蛋白质，即逆转录病毒（retrovirus）又称RNA肿瘤病毒 (oncornavirus)。,反转录病毒的生活史,细胞桥粒(上皮细胞膜中的局部增厚部份),重点：细胞的基本概况 真核细胞的基本结构体系 真核细胞与原核细胞的比较,课后习题试论述原核细胞与真核细胞最根本的区别论述:如何理解细胞是生命活动的基本单位,
