第二章细胞的概念和分子基础陈誉华

1、第二章第二章 细胞的概念和分子基础细胞的概念和分子基础Cell and Molecular Basis内容内容第一节第一节 细胞的基本概念细胞的基本概念第二节第二节 细胞的起源与进化细胞的起源与进化第三节第三节 细胞的分子基础细胞的分子基础第一节第一节 细胞的基本概念细胞的基本概念一、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二、原核细胞二、原核细胞三、真核细胞三、真核细胞四、病毒四、病毒一、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所有的生物都是由细胞组成的，细胞是生命活动的基本单位。 1. 细胞是构成有机体的基本单位；2. 细胞具有独立完整的代谢体系，是代谢与功能的基本

2、单位；3. 细胞是有机体生长与发育的基础；4. 细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性；5. 没有细胞就没有完整的生命。( (一一) )细胞的概念细胞的概念( (二二) )细胞的分类细胞的分类细胞分为三大类型原核细胞古核细胞真核细胞早期细胞分为两大类原核细胞（prokaryotic cell）真核细胞（eukaryotic cell）1990年，生物界被划分为三个域细菌域（bacteria） 古菌域（archaea） 真核域（eukarya）生物三域分类的系统树生物三域分类的系统树 特点：特点： 结构简单：结构简单：DNA为裸露的环状分子，无膜包裹，形成拟核（nucleoid）； 细胞质中

3、无膜性细胞器，含有核糖体。 体积小：体积小：直径约为1到数个微米二、原核细胞二、原核细胞 主要代表：主要代表：支原体、衣原体、细菌、蓝绿藻又称蓝细菌。1.支原体（支原体（mycoplasma） 最小最简单的细胞大小：大小：通常为0.10.3m细胞膜：细胞膜：由磷脂和蛋白质构成，没有细胞壁 DNA：呈环形双链，胞质内分散存在，指导约400种蛋白质合成 肺炎支原体2.细菌细菌 原核细胞的典型代表 细胞壁：细胞壁：位于细菌外表面，主要成分为肽聚糖。细胞膜：细胞膜：由脂质和蛋白质组成，有时可内陷形成中间 体细胞质：细胞质： DNA：环状分子，很少有重复序列，无内含子 质粒（plasmid）：能够独立于

4、基因组DNA以外，自我复制的环状结构。 细菌结构示意图细菌结构示意图70S细菌核糖体50S大亚基30S小亚基 有的细菌还有夹膜、鞭毛、菌毛等特殊结构。核糖体：核糖体：大部分游离于细胞质中，小部分附着在细胞膜 内表面。3.古细菌（古细菌（archaebacteria） 一类很特殊的细菌，多生活在极端环境中，如高温、高盐环境。 特点：特点： 具有原核生物的某些特征：无核膜及内膜系统。 具有真核生物的特征：RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白等。 具有不同于原核细胞和真核细胞的特征：细胞膜中的脂类不可皂化，细胞壁不含肽聚糖。(一一)真核细胞的形态大小真核细胞的形态大小三、真核细

5、胞三、真核细胞形态：形态：多种多样，常与细胞所处的部位及功能相关 大小：大小：差异很大，与细胞类型有关 (二二)真核细胞的基本结构真核细胞的基本结构 光镜下结构：细胞膜（cell membrane） 细胞质（cytoplasm） 细胞核（nucleus） 电子显微镜下，在细胞质中可看到由单位膜组成的膜性细胞器及微丝、微管、中间纤维等骨架系统。 动物细胞结构模式图动物细胞结构模式图 真核细胞的基本结构特点：真核细胞的基本结构特点： 以脂质及蛋白质成分为基础的膜相结构体系以脂质及蛋白质成分为基础的膜相结构体系生物膜系统生物膜系统 包括细胞膜、内质网、高尔基复合体、线粒体、溶酶体、过氧化物酶体及核膜

6、等。 以核酸以核酸-蛋白质为主要成分的遗传信息表达体系蛋白质为主要成分的遗传信息表达体系遗传信息储存与表达系统遗传信息储存与表达系统 真核细胞储存遗传信息的DNA是以与蛋白质结合形式而存在，DNA与蛋白质的结合与包装程度决定了DNA复制和遗传信息的表达。 由特异蛋白质分子构成的细胞骨架体系由特异蛋白质分子构成的细胞骨架体系细胞细胞骨架系统骨架系统 由一系列纤维状蛋白组成的网状结构系统，包括细胞质骨架与核骨架。 核糖体与蛋白质合成系统核糖体与蛋白质合成系统 核糖体（ribosome）：合成蛋白质的机器 。 细胞质溶胶细胞质溶胶 细胞质溶胶（cytosol）：细胞质中除了细胞器和细胞骨架结构之外的

7、区域，协助完成物质运输、能量传递、信息传递等细胞活动。原核细胞与真核细胞的比较原核细胞与真核细胞的比较 四、病毒四、病毒生物界中，病毒（virus）是惟一的非细胞形态生命体。特点：特点： 在活细胞内才能表现出它们的基本生命活动 在电子显微镜下才能看到 结构：结构： 核酸分子与蛋白质组成的核酸-蛋白质复合体分类：分类：根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类： DNA病毒 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。病毒的分子结构病毒的分子结构第二节第二节 细胞的起源与进化细胞的起源与进化一、原始细胞的形成一、原始细胞的形成二、原核细

8、胞向真核细胞的演化二、原核细胞向真核细胞的演化三、单细胞生物向多细胞生物的进化三、单细胞生物向多细胞生物的进化(一一)地球上原始生命的诞生地球上原始生命的诞生1.1.从无机小分子形成有机小分子物质从无机小分子形成有机小分子物质 原始大气物质原始大气物质 有机小分子有机小分子2.2.从有机小分子物质形成生物大分子物质从有机小分子物质形成生物大分子物质 有机小分子有机小分子 生物大分子生物大分子3.3.从生物大分子物质组成多分子体系从生物大分子物质组成多分子体系4.4.从多分子体系演变为原始生命从多分子体系演变为原始生命 原始核酸蛋白质 核酸蛋白质微滴 原始生命一、原始细胞的形成一、原始细胞的形成

9、 雷电、紫外火山爆发进化、选择长期进化生长分裂原始新陈代谢聚合有机分子的自发形成有机分子的自发形成 以蛋白质为主体形成微球体以蛋白质为主体形成微球体 ( (二二) )原始细胞的形成原始细胞的形成1.1.具有自我复制能力的多聚体的形成具有自我复制能力的多聚体的形成 多聚体的形成是原始细胞形成的关键步骤 RNA的自我复制 RNA指导蛋白质合成 蛋白质催化RNA复制2.2.膜的出现与原始细胞的诞生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二、原核细胞向真核细胞的演化二、原核细胞向真核细胞的演化( (一一) )分化起源说分化起源说 一般认为，真核细胞是由原核细

10、胞进化而来的 原始真核细胞大约在15亿年前在地球上出现 真核生物 原核生物内部结构分化自然选择( (二二) )内共生起源说内共生起源说 真核细胞是由原始厌氧菌的后代吞入了需氧菌逐步演化而来 三、单细胞生物向多细胞生物的进化三、单细胞生物向多细胞生物的进化 多细胞生物进化的早期由单细胞聚集成群体 在多细胞机体内出现细胞的分工和协作 从聚集到分工从聚集到分工单细胞生物向多细胞生物的进化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 第三节第三节 细胞的分子基础细胞的分子基础一、生物小分子一、生物小分子二、生物大分子二、生物大分子细胞是由生命物质原生质（protoplasm）组成基本元素9

11、9.9%： C、H、O、N90%; S、P、Na、K、Ca、Cl、Mg、Fe 9% 微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co、Cr、Si、F、Br、I等等细胞的成份生物大分子 有机小分子无机化合物水无机盐有机化合物( (一一) )水和无机盐是细胞内的无机化合物水和无机盐是细胞内的无机化合物1.1.水水水是细胞中含量最多的成分水是细胞中含量最多的成分 水在细胞中以两种形式存在：水在细胞中以两种形式存在： 游离水 结合水，通过氢键或其他键同蛋白质结合作用：作用：良好溶剂，为各种代谢反应提供环境。 一、生物小分子一、生物小分子2.无机盐：无机盐：以离子状态存在阴离子：如Cl、PO4、HCO3等阳离子：

12、如Na+、K+、Ca2+等游离形式：游离形式：维持细胞内外液的渗透压和pH值。 结合形式：结合形式：直接与蛋白质或脂类结合，组成具有一 定功能的结合蛋白或类脂。 ( (二二) )有机小分子有机小分子: :组成生物大分子的亚单位组成生物大分子的亚单位1.糖糖 结构：结构：主要由碳、氢、氧三种元素组成，化学组成为(CH2O)n 功能：功能：细胞的能源和多糖的亚基 2.脂肪酸脂肪酸结构：结构：由两个不同的部分组成 疏水性的长烃链 亲水性的羧基(一COOH)功能：功能：构成细胞膜的组分3.氨基酸氨基酸结构：结构：羧基 氨基功能：功能：蛋白质的亚基4.核苷酸核苷酸结构：结构：含氮环化物 五碳糖 磷酸基团

13、功能：功能：核酸的亚基与同一个碳原子连接 ( (一一) )核酸携带遗传信息核酸携带遗传信息二、生物大分子二、生物大分子生物大分子由有机小分子聚合而成，细胞内主要的大分子有核酸、蛋白质和多糖。 1.1.核酸的化学组成核酸的化学组成 核苷酸是核酸的基本组成单位核苷酸是核酸的基本组成单位 核糖戊糖磷酸脱氧核糖嘧啶：T C U嘌呤：A G碱基核苷酸多核苷酸链的形成多核苷酸链的形成 核酸核酸核酸脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）一个核苷酸戊糖的5磷酸基与另一个核苷酸戊糖的3羟基脱水缩合，形成3、5磷酸二酯键，多个核苷酸之

14、间借助磷酸二酯键重复相连而形成的多聚核苷酸链即为核酸。 DNA和RNA在化学组成上的异同 2.DNA DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型 DNA分子是由两条脱氧核糖核苷酸链组成 两条链反向平行 脱氧核糖和磷酸位于螺旋的外侧，碱基位于双螺旋内侧 碱基之间互补配对：AT CG DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型DNA化学结构化学结构 DNA功能：储存、复制和传递遗传信息。 遗传信息的储存遗传信息的储存：生物体的遗传信息储存于DNA分子的线性核苷酸序列中，核苷酸的数量和排列方式 ，决定了DNA分子的复杂性和多样性。 遗传信息的复制遗传信息的复制：DNA分子中所携带的遗传信息通过复制传递给子代细胞，复

15、制是以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程，新形成的子代DNA分子在碱基序列上与亲代DNA分子完全相同。 遗传信息的传递遗传信息的传递：DNA分子所携带的遗传信息通过转录传递给RNA，再通过翻译合成蛋白质，决定细胞的生物学行为。 3.RNA RNA分子以单链形式存在，在部分区域折叠并按碱基互补配对原则形成双链发夹结构。 RNA发夹结构模式图发夹结构模式图 信使核糖核酸（信使核糖核酸（message RNA，mRNA)含量：含量：占细胞内总RNA的1%-5% 种类：种类：种类多而且极不均一 结构特点：结构特点： 3，5的非编码区 中间的编码区原核细胞多顺反子；真核细胞单顺反子功能：功能：作为合成

16、蛋白质的模板 mRNA分子中每三个相邻的碱基组成一个密码子（codon），决定蛋白质中氨基酸的排列顺序。 核糖体核糖体RNA（ribosome RNA，rRNA） 含量：含量：占RNA总量的80%90% 功能：功能：参与核糖体形成原核生物核糖体（70S） 大亚基50S：23S rRNA 5S rRNA 小亚基30S：16S rRNA+21种蛋白质 真核生物核糖体（80S） 大亚基60S：28S rRNA 5.8S rRNA 5S rRNA 小亚基40S：18S rRNA +30种蛋白质 +36种蛋白质+49种蛋白质 转移核糖核酸（转移核糖核酸（transfer RNA, tRNA） 含量：含量

17、：总RNA的5%10% 结构特点：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。 反密码环上的三个碱基组成反密码子（anticodon），与mRNA上密码子互补结合，参与蛋白质合成。功能：功能：转运特定的氨基酸，参与蛋白质合成 核小核小RNA（small nuclear RNA, snRNA）组成：组成：含70300个核苷酸含量：含量：不及总RNA的1% 功能：功能：参与基因转录产物的加工，富含尿苷酸的U- snRNA与特异蛋白结合成剪接体UsnRNP。 微小微小RNA（microRNA, miRNA） 组成：组成：长约2125nt的非编码R

18、NA ，具有发夹结构。 功能：功能：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 。 miRNA的形成与作用机制的形成与作用机制 核酶（核酶（ribozyme） 具有酶活性的RNA分子 功能：功能： 核酶的底物是RNA分子，它们通过与序列特异性的靶RNA分子配对而发挥作用。 动物细胞内主要含有的动物细胞内主要含有的RNARNA种类及功能种类及功能 RNA种类存在部位功能mRNA细胞核与细胞质，线粒体(mt mRNA)蛋白质合成模板rRNA细胞核与细胞质，线粒体(mt rRNA)核糖体的组成成分tRNA细胞核与细胞质，线粒体(mt tRNA)转运氨基

19、酸，参与蛋白质合成snRNA细胞核参与mRNA前体的剪接、加工snoRNA细胞核参与rRNA的加工与修饰miRNA细胞核与细胞质基因表达调节lncRNA细胞核与细胞质基因表达调节核酶细胞核与细胞质催化RNA剪接 1.1.蛋白质的化学组成蛋白质的化学组成 蛋白质的基本单位氨基酸( (二二) )蛋白质表达遗传信息蛋白质表达遗传信息氨基酸的结构式氨基酸的结构式 一个氨基酸分子上的羧基与另一个氨基酸分子上的氨基经脱水缩合形成肽键，氨基酸通过肽键而连接成的化合物称为肽（peptide）。蛋白质分子是由许多氨基酸分子通过肽键，依次缩合而形成的多肽链。 2.2.蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构 以独特的三维

20、构象形式存在，蛋白质三维构象的形成主要由其氨基酸的顺序决定，是氨基酸组分间相互作用的结果。 一级结构：一级结构：氨基酸的排列顺序 一级结构中氨基酸排列顺序的差异使蛋白质折叠成不同的高级结构。 二级结构二级结构肽链主链内的氨基酸残基之间有规则地形成氢键相互作用的结果。 有两种主要的折叠形式：-螺旋和-片层。 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构 不同侧链间相互作用形成的；相互作用的方式有氢键、离子键和疏水键等。具有三级结构的蛋白即表现出生物学活性 。肌红蛋白的三维结构肌红蛋白的三维结构 蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构 独立的三级结构的多肽链亚单位之间通过氢键等非共价键的相互作用，形成更为复杂的空间

21、结构。 血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构 3.蛋白质的结构与功能的关系蛋白质的结构与功能的关系 一级结构是蛋白质功能的基础。 结构域（structural domains）是大分子蛋白质的结构组成单元。 组成一个结构域的氨基酸残基通常在40350之间 通常通过结构域去推断某些蛋白质的功能 具有相同结构域的蛋白具有类似功能SrcSrc蛋白的结构域蛋白的结构域 活细胞内蛋白质功能的发挥与其构象的改变密切相关。如磷酸化与去磷酸化使蛋白质构象改变。 蛋白质的磷酸化与去磷酸左右其功能的发挥A. 蛋白质磷酸化与去磷酸化反应 B. 蛋白激酶催化蛋白质磷酸化，可以提高也可以降低蛋白质活性，这取决于磷酸化的

22、位置和蛋白质的结构GTP结合蛋白形成分子开关结合蛋白形成分子开关 4. 一类特殊类型的蛋白质一类特殊类型的蛋白质酶酶酶（enzyme）：由生物体细胞产生的具有催化剂作用的蛋白质。 特点：特点： 高催化效率 高度专一性 高度不稳定性 ( (三三) )多糖存在于细胞膜表面和细胞间质中多糖存在于细胞膜表面和细胞间质中 简单而重复的单糖可聚合形成线形或分支状大分子糖类，短链称为寡糖，长链称为多糖。细胞中寡糖或多糖存在的主要形式有糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂和脂多糖。 糖蛋白糖蛋白（glycoproteins）：共价结合糖的蛋白质，常见的连接方式是N-糖肽键和O-糖肽键。 糖脂糖脂（glycolipids）：含有糖类的脂质。根据组成不同，可把糖脂分为4类，即鞘糖脂、甘油糖脂、磷酸多萜醇衍生糖脂和类固醇衍生糖脂。哺乳动物细胞中主要存在的是鞘糖脂。 功能：功能：构成细胞抗原、细胞识别、细胞黏附及信息传递中起重要作用。 思考题思考题1. 如何理解细胞是生命活动的基本单位及细胞整体在生命科学和医学研究中的重要性。2. 原核细胞与真核细胞差异。3. 古细菌的发现对生命进化研究的影响。4. 真核细胞的起源及其与病毒的关系。5. 为什么DNA适合储存遗传信息，而蛋白质则适合展示细胞的功能？6. RNA的