细胞的概念和分子基础课件.ppt

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1、第二章 细胞的概念和分子基础,第一节 细胞的基本概念一、细胞是生命活动的基本单位 细胞是一切生命活动的基本结构和功能单位。,细胞是构成有机体的基本单位；细胞具有独立完整的代谢体系，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。,原核细胞（prokaryotic cell）真核细胞（eukaryotic cell）近20年研究表明原核生物分为二大类型：古细菌（archaeobacteria)真细菌（eubacteria）,20世纪60年代细胞生物学家H.Ris提出将细胞分为两大类：,1、细菌域（bacteria）:支原

2、体、衣原体、立克次体、细菌、放线菌、蓝藻真细菌2、古细菌域（archaea）：产甲烷菌、盐杆菌、热原质体古细菌3、真核域（eukarya）：真菌、植物、动物,1990年美国C.R.Woese将生物界分为三个域：,原核细胞古核细胞真核细胞 目前普遍观点仍然把古核细胞归为原核细胞。,一些学者建议将生物界的细胞分为三类：,遗传的信息量小，DNA为裸露的环状分子，环的直径约为2.5nm，周长约几十纳米。细胞内无分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器与细胞核膜。核糖体为70S型。,二、原核细胞,支原体（mycoplasma）衣原体（chlamydia）细菌（bacteria）蓝藻又称蓝细菌（cya

3、nobacterium）,主要代表：,1、支原体最小最简单的细胞,肺炎支原体,直径约为0.10.3m,介于病毒和细菌之间的单细胞生物,没有细胞壁。营寄生生活。,支原体的细胞膜由磷脂和蛋白质构成，无细胞壁，胞质内呈环形的双链DNA分子分散存在。核糖体为其唯一的细胞器。支原体与医学关系密切，是肺炎、脑炎与尿道炎的病原体。,细菌主要由细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体等部分构成，有的细菌还有荚膜、鞭毛、菌毛等特殊结构。绝大多数细菌的直径大小在0.55m之间。,2、细菌是原核细胞的典型代表,细菌结构示意图,常见有杆菌、球菌、螺旋菌。,3、古细菌多生活于极端环境,具有原核生物的某些特征：无核膜及内膜系统；也

4、有真核生物的特征：以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白.,还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征：细胞膜中的脂类是不可皂化的；细胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白质为主，有的含杂多糖，有的类似于肽聚糖，但都不含胞壁酸、D型氨基酸。,二.真核细胞(eukaryotic cell),（一）真核细胞的形态与大小 直径多数在10m20m。,1m=102cm=103mm=106 m=109nm,普尔基涅神经元：在大脑里的1000亿个神经元中，普尔基涅神经元是体积最大的。这些细胞是小脑皮层内的运动协调大师。,脂肪细胞的电子扫描图,光学显

5、微镜下的三部结构 细胞膜（cell membrane）细胞质（cytoplasm）细胞核（nucleus）,（二）真核细胞的基本结构,细胞膜,细胞质,细胞核,电子显微镜下的两相结构,电镜下结构,膜相结构,细胞膜,内质网,高尔基复合体,线粒体,溶酶体,过氧化物酶体,核膜,1、以脂质及蛋白质成分为基础的膜相结构体系生物膜系统,非膜相结构,电镜下结构,非膜相结构,核膜,核糖体,核仁,染色质,核基质,2、以核酸蛋白质为主要成分的遗传信息表达体系遗传信息表达系统,膜相结构,电镜下结构,膜相结构,非膜相结构,中心粒,微管,微丝,中等纤维,3、以特异蛋白质分子构成的细胞骨架体系细胞骨架系统,核糖体（核蛋白体

6、）,细胞质溶胶,4、核糖体与细胞质溶胶,均质半透明液体，占细胞总体积一半，主要成分是蛋白质（20）。,以脂质及蛋白质成分为基础的膜系统结构生物膜系统；以核酸-蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统结构遗传信息表达结构系统；由特异蛋白质分子构成的细胞骨架体系细胞骨架系统。核糖体与细胞质溶胶,真核细胞的基本结构体系：,原核细胞与真核细胞的比较,特征,原核细胞,真核细胞,细胞大小,较小（110m）,较大（10100 m）,细胞核,无核仁和核膜,有核仁和核膜,细胞器,无（除核糖体外）,有各种细胞器,核糖体,70S（50S+30S）,80S（60S+40S）,染色体,只有一条DNA，DNA裸露不与组蛋白和酸

7、性蛋白结合，染色体为单数。,有几条DNA，DNA与组蛋白和酸性蛋白结合，有若干对染色体。,内膜系统,简单,复杂,细胞骨架,无,有微管，微丝,细胞壁,主要组分为肽聚糖,主要组分为纤维素,转录和翻译,出现在同一时间和地点（细胞质中）,出现在不同时间和地点（转录在核内，翻译在细胞质中）,细胞分裂,无丝分裂,有丝分裂和减数分裂,四、非细胞生命形态病毒 病毒（virus）:核酸分子与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体；根据核酸类型病毒可分为两大类：DNA病毒与RNA病毒类病毒（viroid）:仅由感染性的RNA构成；朊病毒（prion）:仅由感染性的蛋白质亚基构成；,根据宿主不同:,动物病毒植物病毒细菌病毒

8、（噬菌体）,DNA病毒（乙肝、腺、乳头瘤病毒）、RNA病毒（脊髓灰质炎、流感病毒、HIV）、仅有RNA的类病毒、仅有蛋白质的朊病毒。,HIV,脊髓灰质炎,乙肝病毒,噬菌体,H5N1禽流感病毒,艾滋病病毒粒子内部结构,第二节 细胞的起源与进化细胞的起源包含三个方面：(1)与生命的起源相伴随的原核细胞的起源；(2)原核细胞向真核细胞的起源；(3)单细胞生物向多细胞生物的进化,一、原始细胞的形成（一）地球上原始生命的诞生四个阶段：1、从无机小分子形成有机小分子物质；原始大气物质雷电、火山爆发简单的有机小分子地壳表面的水体作用含有机化合物的水溶液大的水体或原始海洋中。现今普遍接受的观点：生命起源于早期

9、地球“温暖小水池”的“有机汤”中。,2、从有机小分子形成生物大分子物质；单核苷酸多核苷酸，氨基酸多肽3、从生物大分子物质组成多分子体系；多肽核酸脂质4、从多分子体系演变为原始生命。多分子体系表面可能存在催化功能各类单体的聚合 产生更高级的原始蛋白和核酸从无生命的海洋中摄取化学分子和能量出现具有原始新陈代谢和遗传特征(自复制)。,米勒在实验中,C,（二）原始细胞的形成1、具有自我复制能力的多聚体的形成 关于核苷酸与氨基酸多聚体(即核酸与蛋白质)的起源，普遍认为是首先产生了能自我复制的RNA多聚体，然后在RNA指导下合成了蛋白质。有催化能力的RNA即核酶的发现为这一观点提供了有力证据。,2、膜的出

10、现与原始细胞的诞生 人们推断在生命出现前的原始液体表面，磷脂分子能自发地装配成包围RNA与蛋白质的膜结构，经过自然选择就形成了原始细胞。,以蛋白质为主体形成微球体,二、原核细胞向真核细胞的演化 原始细胞中出现了包围细胞的细胞膜、储存遗传信息的DNA、指导蛋白质合成的RNA和制造蛋白质的核糖体，是原核细胞诞生的标志。,（一）分化起源说：认为，原核生物在长期的自然演化过程中，内部结构逐渐分化，功能不断完善，最终演变成了真核生物。,（二）内共生起源说：认为真核细胞是通过若干不同种类的原核细胞生物结合共生而造成的，这些共生的原核生物与宿主细胞建立了紧密的相互依存的关系，这样的共生的组合就成为真核生物的

11、祖先。,三、单细胞生物向多细胞生物的进化 多细胞生物进化的早期可能是由单细胞聚集成群体。细胞在向多细胞机体进化过程中，另一个最重要的特点是出现细胞的分化，形成结构和功能各异的不同组织，但又互相协调成为一个有机的整体。,从聚集到分工单细胞生物向多细胞生物的进化,团藻：较为原始的多细胞生物，后代仍聚在一团未曾分开而成的个体，但是在这团细胞中，已有一定的分工（运动、光合作用）。,第三节 细胞的分子基础细胞是由生命物质-原生质（protoplasm）组成。组成细胞基本元素99.9%：C.H.O.N 90%；S.P.Na.K.Ca.Cl.Mg.Fe.9.9%微量元素：Cu.Zn.Mn.Mo.Co.Cr.

12、Si.F.Br.I.Li.Ba等,一、生物小分子（一）水和无机盐是细胞内的无机化合物水水在细胞中以两种形式存在：一种是游离水，约占95；另一种是结合水，通过氢键或其它键和蛋白质结合，约占45,水分子中的电荷分布是不对称的，一侧显正电性，另一侧显负电性，从而表现出电极性，它既可以与蛋白质中的正电荷结合，也可以与负电荷结合。,水在细胞中的主要作用：溶解无机物、调节温度、参与酶反应、参与物质代谢以及形成细胞有序结构。,无机盐无机盐含量少，约占细胞总重的1 细胞中常见的无机离子包括两大类：阴离子：主要有Cl、SO42-、PO43、HCO3 阳离子：主要有Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe

13、3+、Mn2+、Cu2+、Co2+、Mo2+,无机盐的生理功能：（1）调节细胞渗透压（2）调节pH值（3）酶的活化剂和功能因子(辅酶和辅基)（4）某些有机物的组分：如核酸(PO43)、叶绿素（Mg）、血红素（Fe2）,（二）有机小分子是组成生物大分子的亚单位有机小分子分子量是1001000碳化合物单糖(monosacharide)脂肪酸(fatty acid)氨基酸(amino acid)核苷酸(nucleotide),糖 糖类主要由碳、氢、氧三种元素组成，故又称碳水化合物(carbohydrate)分子式：（CH2O)n是细胞的能源和多糖的亚基,脂肪酸 脂肪酸分子组成：（RCOOH）一端是疏

14、水性的长烃链另一端是亲水性的羧基(一COOH)脂肪酸的分类：不饱和脂肪酸饱和脂肪酸,氨基酸 氨基酸是蛋白质的亚基。核苷酸 核苷酸是核酸的亚基。,脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA),核糖核酸(ribonucleic acid，RNA),二、生物大分子分子量10 000100 000(一)核酸：遗传信息携带者,核酸,1核酸的化学组成,核酸基本单位,单核苷酸,戊糖,磷酸,碱基,核糖,脱氧核糖,嘧 啶：,嘌呤：,（含氮有机碱）,嘧 啶,碱 基,5,1,2,3,4,核糖,2,5,1,2,3,4,脱氧核糖,H2O,核苷,H2O,单 核 苷 酸,单核苷酸种类：脱氧腺苷酸（dA

15、MP)腺苷酸（AMP）脱氧鸟苷酸（dGMP)鸟苷酸（GMP）脱氧胞苷酸（dCMP)胞苷酸（CMP）脱氧胸苷酸（dTMP)尿苷酸（UMP）,有时磷酸可与核苷上2个羟基形成酯键，成为环化核苷酸，如环化腺苷酸cAMP。,H2O,2.DNA一级结构：DNA分子中脱氧核苷酸或碱基的排列顺序。二级结构：Watson和 Crick提出的DNA双螺旋结构模型,Watson和 Crick的DNA双螺旋结构模型 DNA分子是由两条相互平行方向相反的多核苷酸链围绕着同一中心轴形成的右手双螺旋结构。相邻碱基对旋转36，间距0.34nm，一个螺旋包含10个碱基旋转360，螺距为3.4nm。,两条长链的碱基在双螺旋内侧按

16、碱基互补配对原则（A=T，GC）以氢键相连。DNA双螺旋的表面存在一个大沟（major groove）和一个小沟（minor groove）。DNA双螺旋结构比较稳定。,3.4nm,含10个碱基对,DNA双螺旋结构模型,DNA Models,DNA有三种主要构象：B-DNA：高湿度时A-DNA：低湿度时Z-DNA：,DNA的主要功能是储存、复制和传递遗传信息。细胞或生物体的一套完整的单倍体遗传物质称为基因组，它是所有染色体上全部基因和基因间的DNA的总和。,人类基因组DNA含有的碱基数为:2.911093.1109bp，基因的数目约为23万个。,3.RNA,DNA和RNA核苷酸结构成分的比较,

17、C T,G A,同上 同上,同上,DNA,RNA,戊 糖,脱氧核糖 核糖,碱 基,A G C T A G C U,磷 酸,磷 酸,磷 酸,核苷酸种类,脱氧腺苷酸（dAMP)腺苷酸（AMP）脱氧鸟苷酸（dGMP)鸟苷酸（GMP）脱氧胞苷酸（dCMP)胞苷酸（CMP）脱氧胸苷酸（dTMP)尿苷酸（UMP）,结 构,双 链 单 链,存在部位,主要存在细胞核中 主要存在细胞质中,功 能,储存，复制和传递遗传信息 与遗传信息表达有关,DNA与RNA的区别,RNA发夹结构,（1）信使核糖核酸(messenger RNA,mRNA),约占RNA总量的1%5%。mRNA指导特定蛋白质合成的过程称为翻译(tra

18、nslation)。mRNA分子中每三个相邻的碱基组成一个密码子(codon)，由密码子确定蛋白质中氨基酸的排列顺序。,原核细胞的mRNA为多顺反子(polycistron)，即一分子RNA有时可携带几种蛋白质的遗传信息，能指导合成几种蛋白质。真核细胞中的mRNA是单顺反子(monocistron)，每分子RNA只携带一种蛋白质遗传信息，只能作为一种蛋白质合成的模板。,mRNA在其5端和3端都各有一段由30到数百个核苷酸组成的非翻译区(untranslated region，UTR)，中间则是具有编码蛋白质功能的编码区。UTR是蛋白质翻译调控的重要靶点之一。,（2）核糖体RNA(ribosom

19、e RNA，rRNA),rRNA是细胞内含量最多的RNA，占细胞总RNA的80%90%。原核生物核糖体（70S）大亚基：23SrRNA 5SrRNA+34种蛋白质 小亚基：16rSRNA+21种蛋白质 真核生物核糖体（80S）小亚基：18SrRNA+30种蛋白质 大亚基：28、5.8S、5SrRNA,（3）转移核糖核酸(transfer RNA,tRNA),mRNA tRNA rRNA,细胞中含量,5%10%5%10%80%90%,沉降系数,6S25S 4S 5.8S、18S、28S,结构特征,存在场所,细胞质或核糖体 细胞质或核糖体 细胞中的核糖体,功能作用,三种RNA分子的结构特征和功能作

20、用,基本上呈线形，局部呈双链，形成发夹式结构。,呈三叶草形，柄部3，有CCA三个碱基，其相对端为反密码环，有反密码子。,线形，某些节段可能成双螺旋结构。,转录DNA中的遗传信息，作为合成蛋白质的模板。,运输活化的氨基酸到核糖体上的mRNA的特定位点。,为核糖体的组成成分。,（4）snRNA（small nuclear RNA,小核RNA）：分子相对较小，长约70300nt。snRNA在细胞内的含量虽不及总RNA的1，但其拷贝(copy)数多得惊人。有20多种，十几种富含尿苷酸(U)，且含量可高达总核苷酸的35，称为U-snRNA。U-snRNA的主要功能是参与基因转录产物的加工过程，与一些蛋白

21、组成剪接体。,（5）miRNA（微小RNA）：miRNA（MicroRNA）是一类长约1925nt的非编码RNA，其前体为7090nt，具有发夹结构。,核：miRNA基因 pri-miRNA 前体miRNA质：前体miRNA 成熟miRNA 非对称RISC复 合体与靶基因UTR结合 发挥作用,Drosha(RNase家族的成员),RNA诱导基因沉默复合物,Dicer酶（双链RNA专一性RNA内切酶）,复合物通过与靶基因mRNA 3端UTR互补结合，抑制靶基因的蛋白质合成或促使靶基因的mRNA降解，从而参与细胞分化与发育的基因表达调控。,Dicer酶除了在miRNA形成过程中起重要作用之外，还可

22、将一些外源双链RNA加工成为22nt左右的siRNA(small interference RNA)。这些siRNA也能够以序列同源互补的mRNA为靶点，通过促使特定基因的mRNA降解来高效、特异地阻断体内特定基因表达，这种现象称为RNA干扰(RNA interference，RNAi)。,（6）核酶：核酶（ribozyme）是一类有酶催化活性的RNA分子，具有自我剪切和催化功能，也称为RNA催化剂。核酶是既能特异识别又能特异切割小分子RNA的核酸内切酶，核酶的底物为RNA分子，其特异性序列通过碱基配对识别并结合靶RNA，催化裂解靶RNA，抑制基因表达，特别是抑制某些有害基因表达。,动物细胞内

23、主要含有的RNA种类及功能,(二)蛋白质遗传信息的表达,蛋白质占细胞干重的50以上。蛋白质是展示DNA信息的最佳物质，它不仅决定细胞的形状和结构，而且还担负着许多重要的生理功能。,H2N,1.蛋白质的组成,蛋白质的基本单位,氨基酸,20种氨基酸，它们结构的共同特点：含有氨基的有机酸,（主要元素：C H O N；少量的S）,碱性的氨基,酸性的羧基,侧链,COOH,R,两性化合物,两性电解质,由相同或不同的各个氨基酸，按照一定的排列顺序，以特定的化学键方式连接，从而组成蛋白质的基本结构。,H2O,肽键,H2O,由相同或不同的各个氨基酸，按照一定的排列顺序，以特定的化学键方式连接，从而组成蛋白质的基

24、本结构。,肽键,蛋白质分子是由许多氨基酸分子通过肽键，依次缩合而形成多肽链。,侧链,侧链,侧链,侧链,主链,H2N,COOH,由相同或不同的各个氨基酸，按照一定的排列顺序，以特定的化学键方式连接，从而组成蛋白质的基本结构。,2.蛋白质的结构,蛋白质的一级结构：多肽链中氨基酸的种类，数目和排列顺序。（主键：肽键；副键：二硫键）,蛋白质的二级结构：,在一级结构的基础上，借助氢键在氨基酸残基之间连接，使多肽链成为-螺旋或-折叠的结构。（氢键）,-螺旋是多肽链最稳定的构象，主要存在于球状蛋白分子，如肌红蛋白分子。-多肽链分子处于伸展状态，多肽链来回折叠，呈反向平行，主要存在于纤维状蛋白如角蛋白中。,蛋

25、白质的三级结构：,在二级结构的基础上再行折叠。（氢键，酯键，离子键，疏水键）,蛋白质的四级结构：,由两条或几条多肽链在各自三级结构的基础上形成为蛋白质分子的结构亚基，由若干亚基之间以非共价键形式而相互结合的复合体。（非共价键）,3.蛋白质的结构与功能之间的关系 蛋白质的功能取决于其结构(或构象)。人们通常根据多肽链的独立折叠单位，即“结构域”去推断某些蛋白质的功能。一个蛋白质的不同结构域常常与不同的功能相关。,活细胞内蛋白质功能的发挥与其构象的不断改变密切相关。常见的例子是蛋白质的磷酸化与去磷酸化所引起蛋白质构象的改变。,4.一类特殊类型的蛋白质酶（enzyme）酶：是具有高度催化活性的蛋白质

26、。,酶的特性,高度专一性高效的催化能力高度不稳定性,酶催化的特异性和高效性是由酶分子中某些氨基酸残基的侧链基团所决定，这就是所谓酶的活性中心。有些酶除了具有活性中心之外，还有一个可结合变构剂的变构位点，这类酶称为变构酶。一些物质通过与变构位点结合，影响酶蛋白构象，从而达到对酶活性的调节作用。,（三）多糖存在于细胞表面和细胞之中 糖蛋白（glycoprotein）:是共价结合糖的蛋白质。常见的连接方式：N一糖肽键0一糖肽键,糖脂（glycolipid）：是含有糖类的脂质。糖脂分为四类：鞘糖脂、甘油糖脂、磷酸多萜醇衍生糖脂、类固醇衍生糖脂 糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂和脂多糖等复合糖主要存在于细胞膜表面和细胞间质中。,小结 细胞是生物体的结构和功能的基本单位。细胞是生物进化的产物，由原始细胞演化成今天的原核细胞和真核细胞，从单细胞生物到多细胞生物。细胞内的化学成分分为生物小分子和生物大分子两大类。核酸是生物的遗传物质，DNA携带着控制生命活动的全部遗传信息，RNA与遗传信息的表达有关。蛋白质是遗传信息的表现形式，其功能涉及细胞的一切生命活动。,