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1、第二章 细胞的概念与分子基础,第一节 细胞的基本概念,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,具有遗传的全能性没有细胞就没有完整的生命,（一）结构的基本单位,（二）功能与代谢的基本单位,神经细胞,红细胞,（三）生长与发育的基本单位,对于大多多细胞生物，生命起始于一个受精卵细胞,受精卵,细胞分裂,细胞数量,细胞生长,细胞分化,细胞体积,细胞种类,人的生长与发育,（四）遗传的基本单位,低等生物直接分裂产生下一代，高等生物形成生殖细胞进行遗传。,大肠杆菌的无丝分裂,精子和卵子,（五）没有细胞就没有完整的生命,细胞的
2、分类,早期分为原核细胞(prokaryotic cell)和真核细胞(eukaryotic cell)两大类 1990年生物界被分三个域:细菌域(bacteria),古菌域(archaea),真菌域(eukarya)细胞分类:原核(古核),真核,一 结构简单一条裸露环状DNA,无膜包裹,形成拟核(nucleoid)细胞质中无膜性细胞器,含核糖体,有细胞壁二 体积小主要代表:支原体,衣原体,细菌,蓝藻等,二.原核细胞(prokaryotic cell),支原体(mycoplasma)最小的细胞,体积小细胞膜由磷脂和蛋白构成,无细胞壁DNA环状双链,指导约400种蛋白合成,细胞膜,RNA,核糖体,
3、DNA,细菌(bacteria),细菌是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体。主要由细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体等构成，有的细菌还有荚膜、鞭毛、菌毛等特殊结构（右图）。绝大多数细菌直径大小在0.55m之间。可根据形状分为三类，即：球菌、杆菌和螺旋菌（包括弧形菌）。也可分为G+，G-。,细胞壁:位于细菌外表面,主要成分为肽聚糖细胞膜:脂质和蛋白构成,有时可内陷形成中间体细胞质:DNA:环状,重复序列少,无内含子 质粒:能独立于基因组DNA 外,自我复制的环状结构,细菌的特有结构,细 菌 的 鞭 毛,大肠杆菌的菌毛,细 菌 荚 膜,质粒,质粒是细菌、酵母菌和放线菌等生物中染色体以外的双链闭合环
4、状分子，大小为1-300Kb，能独立于染色体外进行自我复制。其表型效应主要有决定抗药性，合成抗菌素，编码限制或修饰酶等。,杆菌(大肠杆菌),螺旋菌(弧形霍乱菌),球菌(淋病球菌),1.原核生物的某些特征:如无核膜及内膜系统；2.真核生物的特征:如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；3.既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征:如：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型氨基酸和二氨基庚二酸。如：嗜热细菌;嗜盐菌;产甲烷菌.,是一类很特殊的细菌，多生
5、活在极端的生态环境中。,古细菌(archaebacteria):一类特殊细菌,多生活在极端环境中,如高温,高盐,三.真核细胞(eukaryotic cell),光镜下结构,细胞膜,细胞质,细胞核,电镜下结构,膜相结构,非膜相结构,细胞膜,内质网,高尔基复合体,线粒体,溶酶体,过氧化氢体,核膜,核糖体,中心粒,微管,微丝,中等纤维,细胞质基质,核仁,染色质,核基质,真核细胞的基本结构,(一)真核细胞形态与大小,高等生物的细胞直径大多在10-20m之间，人体内最大的为卵细胞，直径100m。细胞的不同形态结构与功能状态密切相关。,各种细胞直径的比较,原核细胞与真核细胞的比较,真核细胞与原核细胞的共同
6、点:,1.都有细胞膜(磷脂双分子层与蛋白质)；2.都含有两类核酸(DNA 和 RNA)；3.都有蛋白质合成工厂(核糖体)。,沉降系数S：颗粒在单位离心力场中粒子移动的速度。,四 病毒,特点:在活细胞内才能表现出基本生命活动在电镜下才能看到结构:核酸与蛋白组成的复合体分类:DNA病毒,RNA病毒类病毒:仅由RNA组成朊病毒:仅由蛋白质亚基组成,噢，一只倒霉的大肠杆菌遇了细菌病毒,朊病毒,Prusiner 1982年发现于患羊瘙痒病（scrapie）的仓鼠，命名为prion。Prusiner因此于1997年获得诺贝尔奖。prion(PrP)由Prnp基因编码，位于人20号染色体，小鼠2号染色体。这
7、种蛋白质存在于神经元和神经胶质细胞表面，可能起信号转导作用。正常Prnp基因产物为PrPc蛋白，对蛋白酶很敏感，具有致病作用的是PrPSc蛋白。,PRION,PrPC,PrPSC,PrPSc与PrPc均由253-4个氨基酸组成，PrPc具有43%的螺旋，3%的折叠，而PrPsc具有34%螺旋，43%的折叠。动物被感染后，PrPSc蛋白堆积在脑组织中，形成不溶的淀粉样蛋白沉淀，无法被蛋白酶分解，引起神经细胞凋亡（apoptosis）。,PrPsc的增殖,病羊神经组织的海绵状损伤,vCJD病人大脑组织切片，左、海绵状病变及周围的沉淀斑，右、淀粉样蛋白沉淀，短线表示50um。引自Stanley B.
8、Prusiner 1997,目前已知的人类PRION疾病主要有：,克-雅氏病（CreutzfeldtJakob disease，CJD）：自身PrP蛋白发生变异引起的。变异型克-雅氏病（vCJD）：PRION感染。GSS综合征（Gerstmann-Straussler Scheinker disease）：由Prnp基因缺陷引起。克鲁病（Kuru）：PRION感染。致死性家族性失眠症（Fatal familial insomnia，FFI）：Prnp基因变异。,第二节 细胞的起源与进化,原始细胞形成原核细胞向真核细胞进化单细胞生物向多细胞生物演化,生命源自于海洋！,简单元素（C、H、O）,无机
9、分子,有机分子氨基酸核苷酸,多肽,指导合成蛋白质,脂质膜包裹,原始细胞,自然条件,肽键,磷酸二酯键,RNA,45亿年前,地球温度很高38亿年前,地球上出现原始海洋,称为原汤,含大量有机小分子,如氨基酸等有机小分子逐渐聚合成有机大分子出现多分子体系原始细胞出现,多分子体系有类似于生命的特点,但是不同与真正的生命,有不同与外界环境的膜质结构可以缢分为二可以融合新的分子生长可能可进行酸碱反应,（二）原始细胞的形成,1.具有自我复制能力的多聚体形成RNA的自我复制RNA指导蛋白质合成蛋白质催化RNA复制2.膜的出现与原始细胞的诞生 保持多核苷酸自我复制,避免优质蛋白丢失.磷脂分子自发装配成膜结构 这时
10、的细胞是通过厌氧呼吸获取能量的异养型原始生命单位。,二 从原核细胞向真核细胞的演化(from prokaryotic cell to eukaryotic cell),原始细胞,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,制造蛋白质的核糖体,原核细胞,原核细胞,氧与代谢关系的变化,细胞膜内陷成细胞器,细胞核的出现,真核细胞,一般认为真核细胞由原核细胞进化而来,原始真核细胞大约在15亿年前出现在地球上,用于解释这一进化的假说有两种：分化起源说认为，原始的原核细胞，通过一系列DNA的胞内复制和质膜的内陷，形成了细胞核和细胞器；然后，再通过结构的分化，并伴随部分复制功能的消失，最
11、终演化为真核细胞。内共生起源说认为，真核细胞内的细胞器不是细胞自身结构分化演变的结果，而是来源于外部。中心体、鞭毛源自螺旋菌样的内共生体；叶绿体和线粒体则分别来自于古蓝藻和好氧细菌。前真核生物是一种具吞噬能力的厌氧生物，吞噬之后两者形成了互利的内共生关系。,分化起源说,内共生起源说,内共生起源理论支持,以线粒体为例,细胞中DNA一般处于细胞核内,而线粒体有自己独立的DNA,可产生自身所必需的一部分蛋白质.同时线粒体DNA的复制和细胞核DNA不同步,编码也有不同之处,三 单细胞生物向多细胞生物的进化,单细胞生物衣藻 群体盘藻(4-32相同cell)多细胞生物团藻(5万多cell),以绿藻为例：,
12、多细胞生物的两个基本特点：细胞产生了特化；细胞之间协同合作。,单细胞向多细胞生物进化可能是：首先形成群体，然后再演变为具有不同特化细胞的多细胞生物。,单细胞生物细胞的形态通常与细胞外沉积物或细胞骨架有关，如硅藻呈各种奇异的形态、草履虫像鞋底。高等生物细胞的形状与细胞功能及细胞间的相互作用有关。如肌肉细胞呈梭形；红细胞为圆盘状；植物叶表皮的保卫细胞成半月形，2个细胞围成一个气孔，以利于呼吸和蒸腾。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。,草 履 虫,眼 虫,钟形虫,植物气孔细胞,植物薄壁细胞,木材中的导管,人类红细胞,巨噬细胞,
13、神经元细胞,第三节 细胞的分子基础,基本元素：O、C、H、N、S、P、K、Ca、Mg。其中O、C、H、N四种元素占90%以上。细胞化学物质可分为两大类：无机物和有机物。在无机物中水是最主要的成分，约占细胞物质总含量的75-80。,一 生物小分子的结构与功能,细胞中的无机物主要是水和无机盐。细胞中的水以两种形式存在:游离水和结合水 水的作用机制：Chemical Reactant and Solvent 水在细胞中的作用:,一、无机化合物,水是原生质最基本的物质存在方式：游离水95；结合水5。随着细胞的衰老，细胞的含水量逐渐下降，活细胞的含水量不低于75。作用:溶解无机物、调节温度、参加酶反应、
14、参与物质代谢和形成细胞有序结构。水之所以具有这么多的重要功能是和水的特有属性分不开的：水分子是偶极子水分子间可形成氢键水分子可解离为离子,水,无机盐,含量很少，约占1。盐在细胞中解离为离子，离子的浓度除具有调节渗透压和维持酸碱平衡的作用外，还有许多重要的作用。主要的阴离子有Cl、PO4和HCO3，其中磷酸根离子在细胞代谢活动中最为重要：在细胞的能量代谢中起着关键作用；是核苷酸、磷脂、磷蛋白和磷酸化糖的组成成分；调节酸碱平衡。主要的阳离子有：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、Cu2+、Co2+、Mo2+。,阳离子在细胞中的作用,无机离子的功能有:维持细胞内外液的pH
15、和渗透压,以保 持细胞的正常生理活动;同蛋白质或脂类结合,组成具有特定 功能的结合蛋白;参与细胞的生命活动,是酶反应的辅 助因子。,有机小分子:组成生物大分子的亚单位Sugars 分单糖和多糖，单纯的多糖由许多葡萄糖残基组成，在动物细胞内主要是糖原，在植物细胞内主要是淀粉。Fatty Acids 脂肪酸是脂的主要成分，是细胞膜的组份。Nucleotides 核苷酸是组成核酸的基本单位。Amino Acids 细胞内主要有20种氨基酸，它们的差别主要是 R侧链不同，决定了氨基酸的化学性质。,通式为（CH2O)n,单糖中的戊糖可组成核酸，己糖中的葡萄糖是体内重要的供能物质。,Fatty Acids
16、 通式为CH3(CH2)nCOOH，最重要的功能是构成细胞膜。为双亲媒性分子，分饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸,脂类的功能,重要的能量储存形式细胞膜的主要组成部分在细胞信号转导中发挥作用,存在形式：甘油三酯脂肪磷脂,二 生物大分子,细胞内有三种类型生物大分子:Nucleic Acids、Proteins、Polysaccharides。细胞内大约有3000种大分子。生物大分子的功能由构成它们的亚单位的种类和排列顺序决定,（一）核酸,是生物遗传信息的载体分子。由核苷酸单体聚合而成。分为RNA和DNA两大类。,两类核酸的组成成分,核苷酸的组成,碱基,戊糖,磷酸,DNA的主要构象有三种,B-DNA：右手螺
17、旋模型，每圈螺旋10个碱基，螺旋扭角为36度，螺距3.4nm，碱基倾角为-2度。双螺旋结构上存在大沟和小沟A-DNA：右手螺旋，每圈螺旋10.9个碱基，螺旋扭角为33度，螺距32A，碱基倾角为13度。通过75%适度的B-DNA经X光衍射得到，尚不能肯定自然条件是否存在。Z-DNA：左手螺旋，每圈螺旋12个碱基，碱基倾角为9度。确切功能未知，可能起调控作用。,DNA的一级结构是脱氧核苷酸之间通过3-5磷酸二酯键连接而成的单链，二级结构是通过碱基互补配对原则（A-T，C-G）以氢键相连而形成的双螺旋。双螺旋间的氢键可被加热PH改变等因素破坏，使DNA变成单链，即DNA变性，除去变性因素，分开的两链
18、又可通过碱基配对重新形成双螺旋，称为复性。DNA的双螺旋结构有利于其作为遗传信息的贮存和传递者，它具有的变性和复性的特点是分子生物学重要技术核酸分子杂交的基础。DNA功能:遗传信息储存,复制,传递,3.RNA,RNA大多为单链，部分区域折叠形成发夹结构，根据结构与功能的不同，可分为：信使RNA(mRNA)：蛋白质合成模板（原核与真核区别大）转运RNA(tRNA)：转运氨基酸合成肽链（稀有碱基、三叶草结构）核糖体RNA(rRNA)：与蛋白质构成核糖体（原核70S，真核80S）,mRNA,含量:占细胞内总RNA15%种类:多,且极不均一结构特点3,5非编码区中间的编码区原核细胞多顺反子,真核细胞单
19、顺反子功能:作为蛋白质合成的模板,三个相邻碱基组成一个密码子,原核与真核生物mRNA之间区别,核糖体RNA,含量;占RNA总量的8090%功能:参与核糖体形成原核生物核糖体70s:50s+30s真核生物核糖体80s:60s+40s,tRNA,含量:总RNA的5-10%结构特点:单链结构,部分折叠,整个分子结构呈三叶草形3端有CCA三个碱基,与特定氨基酸结合反密码环上三个碱基组成反密码子,与密码子互补结合,参与蛋白合成功能:转运特定氨基酸,参与蛋白合成,6.核酶与脱氧核酶,也叫核酶Ribozyme(具有酶活性的RNA分子)。T.Tech 1982发现四膜虫rRNA的前体物能在没有任何蛋白质参与下
20、进行自我加工，产生成熟的rRNA产物。这种加工方式称为自我剪接(self splicing)。后来陆续发现，具有催化活性的RNA不只存在于四膜虫，而是普遍存在于原核和真核生物中。一个典型的例子核糖体的肽基转移酶。,（二）蛋白质,是细胞的主要结构成分，而且更重要的是，生物专有的催化剂酶是蛋白质，因此细胞的代谢活动离不开蛋白质。一个细胞中约含有104种蛋白质，分子的数量达1011个。,组成蛋白质的常见氨基酸有二十种，R不同，组成的氨基酸就不同 氨基酸根据侧链极性不同可分：非极性疏水氨基酸、极性中性氨基酸、酸性氨基酸、碱性氨基酸,氨基酸通式,肽键:一个氨基酸上羧基与另一个氨基酸上氨基脱水形成的化学键
21、,蛋白质的结构,每一条特定的肽链都有其特异的氨基酸排列顺序即一级结构（线性结构）；每条多肽链再盘旋折叠而成二级结构，主要有螺旋和片层两种；蛋白质的三级结构是在二级结构基础上，不同区域氨基酸侧链相互作用形成(包括氢键,离子键,疏水键等)；由两个或两个以上含独立三级结构的多肽链相互作用聚合而成的更复杂的蛋白质四级结构。,3 蛋白质结构与功能的关系,一级结构是蛋白质功能的基础结构域:大分子蛋白质的结构构成单元组成一个结构域的氨基酸残基通常在40-350之间通常通过结构域推断蛋白质的功能具有相同结构域的蛋白具有类似功能,结构域决定功能，有什么样结构域就有什么样的功能,结构域(domain)螺旋和折叠由
22、一个多肽链的环行区域连接并折叠成紧密的球状结构，是生物大分子中具有特异结构和独立功能的区域。,4 一类特殊类型的蛋白质-酶,酶是生物体细胞产生的具有催化作用的蛋白质，主要作用是降低化学反应的活化能，增加了反应物分子越过活化能屏障和完成反应的概率。(高催化效率,高专一性,高不稳定性)某些酶需要有一种非蛋白质性的辅因子(cofactor)结合才能具有活性。辅因子可以是一种复杂的有机分子，也可以是一种金属离子，或者二者兼有。,作用机制：在反应中与底物暂时结合，形成了酶底物复合物。降低活化能。反应完成后，酶分子迅即从酶底物复合物中解脱出来。作用特点：只催化热力学允许的反应；只加快反应速度，不改变反应平衡点；对正逆反应催化作用相同；降低反应活化能；,小 结,细胞物 质组成,小分子物质,大分子物质,水 无机盐和离子 有机小分子:氨基酸 核苷酸,蛋白质：结构 功能 核酸：结构 功能 分类,章节要点,细胞的概念原核细胞与真核细胞、病毒各自特点及比较原核细胞向真核细胞演化生物大分子结构特点,复习题,目前已知最小的细胞是（）原核细胞的典型代表是（）病毒通常根据所含核酸分子不同分为（）和（）原核细胞向真核细胞演化的假说有（）和（）两种蛋白质一级结构指（），二级结构主要是（）和（）,名词解释：质粒 阮病毒 核酶 肽键 结构域,请简述原核细胞核真核细胞的主要区别请介绍原核细胞向真核细胞演化的相关假说,
