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1、,第三章 细胞的分子基础 Molecular Basis of Cell第一节 细胞的小分子物质,细胞是生物体的结构和功能的基本单位,构成细胞的物质：原生质(protoplasm)-又称生命物质;组成原生质的化学元素：必需元素;,生命的物质基础,一.水,水是原生质最基本的物质，是构成原生质中最多的一项;水是生命活动中最重要的介质;水在细胞中的存在形式:自由水(95)和结合水(5)；活细胞的含水量不低于75。水的特有属性：1.水分子是偶极子；2.水分子间可形成氢键；3.水分子可解离为离子；,二.无机盐,以离子状态存在；占细胞总量的1%以下;在细胞中的作用:1).构成生物体某些结构的重要成分;2)
2、.酶、激素或者维生素的重要成分；3).参与细胞内的物质运输和信号传导;4).与细胞内外渗透压的调节有关；构成生物体的缓冲系统；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;,阳离子在细胞中的作用：,三.有机小分子(一).糖类,由C、H、O三种元素组成;通式：(CH2O)n或Cn(H2O)n;1.糖的分类:1).单糖：戊糖和己糖；2).低聚糖(寡糖)；3).多糖;,多糖 淀粉;糖原；纤维素；几丁质等；2.糖的作用:结构成分;生物体内的能量来源;中间代谢产物;信息分子;解毒
3、作用;润滑保护作用;,三.有机小分子(二).脂类,脂类的构成：脂肪酸+醇 酯及其衍生物(即脂肪和类脂以及其他一些物质的总称)。脂类的性质：脂类不溶于水，只溶于非极性的有机溶剂。1.脂肪：一分子甘油+三分子脂肪酸=甘油三脂肪酸酯(甘油三酯);2.类脂：包括磷脂、糖脂与甾醇类(固醇类);3.固醇类：包括胆固醇、胆汁酸和固醇类激素等;,低聚糖(寡糖)二糖:乳糖=葡萄糖+半乳糖 蔗糖=葡萄糖+果糖 麦芽糖=葡萄糖+葡萄糖 寡糖链：作为细胞膜的成分之一；,一个脂肪分子的结构【甘油三硬脂酸酯】(示饱和脂肪酸),一个脂肪分子的结构甘油三亚油酸酯(示不饱和脂肪酸),磷脂酸：甘油+脂肪酸+磷酸,磷脂分子模型,胆
4、固醇,胆固醇分子结构(A)及其在细胞膜中的位置(B),4.脂类的功能：能量的储存；生物膜的骨架；电与热的绝缘体；信号传递；酶的激活剂；(三).氨基酸(四).核苷酸（详见后述）,第三章 细胞的分子基础 Molecular Basis of Cell第二节 细胞的大分子物质,一.蛋白质(一).蛋白质的分子组成单位氨基酸,一.蛋白质(二).蛋白质的分子结构,1.蛋白质的一级结构：化学键：包括肽键，二硫键；氨基酸的种类、数目和排列顺序；2.蛋白质的二级结构：化学键：氢键；类型：1).螺旋;2).片层折叠;3).胶原三股螺旋;,3.蛋白质的三级结构：化学键：氢键，二硫键；疏水键，离子键；在各种二级结构的
5、基础上再进一步盘曲或折叠形成的三维空间结构。4.蛋白质的四级结构：化学键：非共价键；具有二条或二条以上独立三级结构的多肽链通过次级键的组合而形成的空间结构。,The Primary Structure of Protein,胰岛素分子的一级结构(示二硫键),Frederick SangerBorn:13 August 1918,Rendcombe,United KingdomAffiliation at the time of the award:University of Cambridge,Cambridge,United Kingdom,The Nobel Prize in Chemis
6、try 1958 to him：“for his work on the structure of proteins,especially that of insulin”,Frederick SangerBorn:13 August 1918,Rendcombe,United KingdomAffiliation at the time of the award:University of Cambridge,Cambridge,United Kingdom,Paul BergBorn:30 June 1926,New York,NY,USAAffiliation at the time o
7、f the award:Stanford University,Stanford,CA,USA,Walter GilbertBorn:21 March 1932,Boston,MA,USAAffiliation at the time of the award:Harvard University,Biological Laboratories,Cambridge,MA,USA,The Nobel Prize in Chemistry 1980 to them：“for their contributions concerning the determination of base seque
8、nces in nucleic acids”,Alpha Helix of Secondary Structure,Pleated Sheet of Secondary Structure,胶原三股螺旋(from Schmid,1982)A：原胶原分子的螺旋;B：三个原胶原分子相互扭旋而形成的三股螺旋,Tertiary Structure,Quaternary Structure,一.蛋白质(三).蛋白质的功能,蛋白质的功能：结构功能；运输和传导功能；收缩和运动功能；免疫保护和防御功能；运输和储存功能；调节功能；遗传调控功能；其他功能；,二.核酸(一).核酸的化学组成和分子结构,核酸的水解及其
9、产物,1.戊糖ribosome&deoxyribosome,2.含氮碱基 1).嘌呤碱基(purine base),2.含氮碱基 2).嘧啶碱基(pyrimidine base),3.核苷(nucleoside)戊糖+含氮碱基,戊糖及其核苷的形成,4.核苷酸和多核苷酸 1).核苷酸(nucleotide)戊糖+含氮碱基+磷酸 或(核苷+磷酸),参与构成DNA和RNA的碱基、核苷及相应的核苷酸,4.核苷酸和多核苷酸 2).各种核苷酸,dAMP的结构,dADP的结构,dATP的结构,4.核苷酸和多核苷酸 3).多核苷酸(polynucleotide),4.核苷酸和多核苷酸 4).环核苷酸(cycl
10、ic nucleotide),cAMP(cyclic adenosine monophosphate),cGMP(cyclic guanosine monophosphate),示环核苷酸的形成,4.核苷酸和多核苷酸 5).DNA和RNA的比较,(See：P27),二.核酸(二).Structure of deoxyribo-nucleic acid，DNA,1.B型DNA(B-DNA)结构:在相对湿度为92%时所得到的DNA纤维;双螺旋模型的依据:1).Chargaff(1949-1951)等的化学分析,发现:.T+C=A+G；.A=T；.G=C；.A+T G+C；2).X射线衍射的研究:,
11、Rosalind Franklin(25 July 192016 April 1958)和改变历史的51号照片。,Maurice Hugh Frederick WilkinsBorn:15 December 1916,Pongaroa,New ZealandDied:5 October 2004,London,United KingdomAffiliation at the time of the award:London University,London,United Kingdom,Maurice Hugh Frederick Wilkins in 1999,Maurice Hugh F
12、rederick Wilkinswith a plaque celebrating his achievements,at Strand Campus,Kings College,London,c.1999.Permission Maurice Hugh Frederick Wilkins,1953年4月25日，英国著名的科学期刊自然杂志发表了沃森、克里克的一篇优美精炼的短文，宣告了DNA分子双螺旋结构模型的诞生。这一期杂志还发表了富兰克琳和威尔金斯的两篇论文，以实验报告和数据分析支持了沃森、克里克的论文。这一年，沃森年仅25岁，克里克也只有37岁，尚未获得博士学位。,由克里克夫人和美术家奥迪
13、勒设计的DNA示意图,In Stockholm for their Nobel Prizes,December 1962:Maurice Wilkins,John Steinbeck,John Kendrew,MaxPerutz,Francis Crick,and James D Watson.,Nobel Prize winners,December 1962：MauriceWilkins,Max Perutz,Francis Crick,John Steinbeck,James D Watson,John Kendrew(UPI/Bettman)Permission:Corbis.,Max
14、 Ferdinand PerutzBorn:19 May 1914,Vienna,AustriaDied:6 February 2002,Cambridge,United KingdomAffiliation at the time of the award:MRC Laboratory of Molecular Biology,Cambridge,United Kingdom,John Cowdery KendrewBorn:24 March 1917,Oxford,United KingdomDied:23 August 1997,Cambridge,United KingdomAffil
15、iation at the time of the award:MRC Laboratory of Molecular Biology,Cambridge,United Kingdom,The Nobel Prize in Chemistry 1962 to them：“for their studies of the structures of globular proteins”,收藏于纽约科学博物馆的DNA模型,James Dewey WatsonBorn:6 April 1928,Chicago,IL,USAAffiliation at the time of the award:Ha
16、rvard University,Cambridge,MA,USA,Francis Harry Compton CrickBorn:8 June 1916,Northampton,United KingdomDied:28 July 2004,San Diego,CA,USAAffiliation at the time of the award:MRC Laboratory of Molecular Biology,Cambridge,United Kingdom,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962 to them：“for thei
17、r discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material”,烟草花叶病毒(Tobacco mosaic virus,TMV)的结构模型。富兰克林逝世之后,英国生物化学家克鲁格继续并且完成她的这一研究课题。,克鲁格后来荣获了1982年诺贝尔化学奖。,Aaron Klug Born:11 August 1926,Zelvas,LithuaniaAffiliation at the time of
18、the award:MRC Laboratory of Molecular Biology,Cambridge,United Kingdom,The Nobel Prize in Chemistry 1982 to him：“for his development of crystallo-graphic electron microscopy and his structural elucidation of biologically important nucleic acid-protein complexes”,2.A-DNA和Z-DNA:A-DNA：是在相对湿度为75%时所得到的DN
19、A纤维；,二.核酸(三).Structure of ribonucleic acid，RNA,1.mRNA(messenger RNA)2.rRNA(ribosomal RNA)3.tRNA(transfer RNA)4.microRNA(miRNA)5.ribozyme,核酶(Ribozyme)-RNA催化剂 1981年,T.R.Cech和S.Altman发现：四膜虫rRNA的前体物能在没有任何蛋白质参与下进行自我加工，产生成熟的rRNA产物。这种加工方式称为自我剪接(self splicing)。具有催化活性的RNA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。对酶的本质是
20、蛋白质的传统观念提出了新的挑战。,Sidney AltmanBorn:7 May 1939,Montreal,CanadaAffiliation at the time of the award:Yale University,New Haven,CT,USA,Thomas R.CechBorn:8 December 1947,Chicago,IL,USAAffiliation at the time of the award:University of Colorado,Boulder,CO,USA,The Nobel Prize in Chemistry 1989 to them：“for
21、 their discovery of catalytic properties of RNA”,第三章 细胞的分子基础 Molecular Basis of Cell第三节 细胞结构的组装,一、细胞的组装层次：细胞的小分子有机物的形成：包括碱基、氨基酸、葡萄糖、软脂酸形成；大分子组装：包括DNA、RNA、蛋白质、多糖组装；细胞的高级结构组装：细胞膜、核糖体、染色体、微管、微丝等组装；具有空间结构和生物功能细胞器的组装：如细胞核、线粒体、叶绿体、内质网等；细胞组装：有各种不同的细胞器组装成完整的细胞。,二、细胞的可能组装方式：模板组装：指由模板指导，在一系列酶的催化下，合成新的、与模板完全相同
22、的分子。DNA和RNA的分子组装就属于此类；酶效应组装：指相同的单体分子在不同的酶系作用下，生成不同的产物。如以葡萄糖为原料既可合成纤维素，也可合成淀粉，就看进入哪条酶促反应途径；自组装：指生物大分子借助本身的力量自行装配成高级结构，这种组装也需要一种称为分子伴侣的蛋白介导，如核小体的组装就需要核质素的介导。,第四章 细胞的进化及其基本结构 Cellular Evolution and Basic Construction第一节 细胞的起源与进化,无机小分子(如CO2、H2O)有机小分子(如G、AA)生物大分子(Pr、DNA、RNA)(34亿年前，具细胞膜、蛋白质、RNA)原始细胞 原核细胞(
23、约15亿年前)真核细胞,第四章 细胞的进化及其基本结构 Cellular Evolution and Basic Construction第二节 细胞结构的一般特征,一.细胞是生命活动的基本单位,一、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；具有遗传的全能性;没有细胞就没有完整的生命;,二、关于细胞概念的一些新思考：第一，细胞是物质(结构)、能量与信息过程精巧结合的综合体；细胞能完成各种化学反应；细胞需要并利用能量；第二，细胞是多层次、非线性与
24、多层面的复杂结构体系；第三，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；细胞能繁殖和传留后代；,细胞是物质(结构)、能量与信息过程精巧结合的综合体,细胞需要和利用能量,细胞是多层次、非线性与多层面的复杂结构体系,细胞繁殖和传留后代,三、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作为遗传信息储存、复制与转录的载体;核糖体蛋白质合成的细胞器，毫无例外地存在于一切细胞内;所有细胞都是以一分为二的方式进行分裂增殖，细胞分裂是生命繁衍的基础和保证。,支原体(mycoplast)：目前发现的最小、最简
25、单的细胞；：0.01，是细菌的1/10，是真核细胞的100万分之一；无核膜，含环状双螺旋DNA，多聚核糖体，700多种蛋白质；病毒(virus)：由一种核酸分子(DNA或RNA)与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体;类病毒(viroid)：仅由一条有感染的RNA构成;朊病毒(prion)：由有感染性的蛋白质构成;病毒是目前发现的最小、最简单的生命有机体。,肺炎支原体,衣原体Chiamydia pneumoniae梨子形的原体(EBs)；左：吸附在巨噬细胞表面；右：进入细胞内部的衣原体图片,吸附在内皮细胞表面的立克次氏体和细胞内包含立克次氏体的内吞体,RNA病毒与DNA病毒,构成:核酸+蛋白质 非细
26、胞形态;不获取能量;不对环境刺激反应,朊病毒(prion),病毒在细胞内的增殖(复制),病毒只有感染了细胞后，才会苏醒，繁殖,二.细胞的大小和形态,=10-2m=10-3m=10-6m=10-9m=10-10m,各种细胞的不同形态,三.细胞的数目,四.细胞的一般结构,光镜结构(三部结构),电镜结构,核膜核仁染色质(染色体)核基质,核糖体中心体微管、微丝、中间纤维细胞基质核仁染色质(染色体)核基质,细胞膜线粒体高尔基复合体内质网溶酶体微体(过氧化物酶体)核膜,电镜下的人红细胞膜,真核细胞结构模式图,第四章 细胞的进化及其基本结构 Cellular Evolution and Basic Cons
27、truction第三节 原核细胞和真核细胞,一.原核细胞prokaryotic cell,(一).原核细胞(prokaryotic cell)的基本特点：27亿年前出现;遗传的信息量小(60万500万bp)，遗传信息载体仅由一个环状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;(二).原核细胞的主要代表：支原体；细菌细胞(bacterium)；蓝藻或蓝细菌(Cyanobacteria)；,细菌细胞,Cyanobacteria,二.真核细胞eukaryotic cell,(一).真核细胞(eukaryotic cell)类群:15亿年前出现；现有：原生动物(protozoa)；动物细胞(animal cell)；植物细胞(plant cell)；真菌(fungi)；,草履虫,巨噬细胞,神经元细胞,植物薄壁细胞,(二).真核细胞的结构：(三).真核细胞的基本结构体系：生物膜结构系统：以脂质及蛋白质成分为基础;遗传信息表达结构系统：以核酸(DNA或RNA)与蛋白质为主要成分；细胞骨架系统：由特异性结构蛋白分子装配构成；(四).原核细胞与真核细胞的比较：,原核细胞与真核细胞的比较,第一篇 小 结see：P35,
