医学细胞生物学 2014年最新最完整的 第二章 细胞的分子基础、起源和进化课件

1、第二章细胞的分子基础起源和进化 Molecular Vasis, Origin and Evolution of Cell第一节 细胞的化学及分子组成第二节 细胞的形成第三节 原核细胞与真核细胞第四节 细胞的形态、大小和数目第五节 病毒原生质（protoplasm）:活细胞中的生命物质的总称。 构成原生质的物质包括： 1无机化合物：水、无机盐等； 2有机化合物：蛋白质、核酸、酶、脂类、糖类。生物分子（biomolecules）:糖类、脂类、蛋白质、核酸、酶、维生素等。生物大分子（biological macromolecules）:分子量巨大，结构复杂，决定生物体重要的生命活动。包括蛋白质、核

2、酸、酶等。绪 论第一节 细胞的化学及分子组成（Chemical compose of the cell） Element compose of the cell 59% Hydrogen (H) ，24% Oxygen (O) ，11% Carbon (C) ，4% Nitrogen (N)，2% Others :Phosphorus (P), Sulphur (S), etc. Major element：C、H、O、N、P、SMinor element：Ca 、 K 、 Na 、 Mg 、 Cl 、 Fe 、 Zn 、 Mn 、 Mg 、 I. As far as molecules th

3、at make up the cell50% protein 15% nucleic acid 15% carbohydrates 10% lipids 10% Other , etc. Through cycles of selection from environmental pressures, these molecules come together to form the first primitive cell, for the sole purpose of ultimate survival. In this section, you will meet many of th

4、e molecules that compose the cell. You may select from the following families of molecules: （一）水水的生理功用： 参与细胞的构成；调节体温; 在物质代谢中作为良好的溶剂；促进化合物呈离子状态，利于反应进行；有润滑作用；能促进生化反应的进行，或直接参加反应。水的存在形式： 游离水(占95%)、结合水(占5%) 。 二、有机化合物 （一）糖类（ Carbohydrate ）: 结构通式为Cm(H2O)n 生理作用： Sugars provide the energy resource for cells.

5、 The simplest form of sugar:glucose, features a 6-carbon ring and has the chemical composition of C6H12O6. Glucose is the principal food source for cells. Even larger sugars, called polysaccharides, are digested into glucose before being converted into ATP. The chemical reaction for converting gluco

6、se into energy is as follows： C6H12O6 + 6O2 -6CO2 + 6H2O + energy Sugar is also used as a form of energy storage in cells. In animal cells, polysaccharides (long repeating structure containing glucose) in the form of glycogen are used to store energy. Plant cells use starch to store energy. 三种有机物在体内

7、的代谢途径 脂类的生理作用 脂类有独特而重要的功能，如参与生物膜和原生质的构建、是生物体的贮能物质、构成生物体表面的保护层、保持动物正常的体温、参与构成一些重要的生物活性物质;提供必需的脂肪酸；协助脂溶性维生素的吸收 。 （三）蛋白质（protein） 蛋白质功能：细胞的组成物质;参与代谢；运动；防御；运输，调节等。 Proteins consist of strands of amino acids folded into a specific shape. The different protein structures can be classified by four levels o

8、f folding, each successive one being constructed from the preceding one. Amino Acids： Amino acids are the subunits of proteins. Each protein is formed by a chain of amino acids linked together through peptide bonds. The chain of amino acids takes on different shapes to form different proteins. The v

9、arious shapes allow proteins to take on different characteristics in cells. There are 20 common amino acids that are responsible for forming proteins. They can be classified into 4 main families based on their chemical characteristics: acidic, basic, uncharged polar, and nonpolar. 蛋白质的分子结构 1肽键（pepti

10、de bond） 在蛋白质分子中，一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的 -氨基，通过脱去一分子水所形成的酰胺键叫肽键（-CO-NH-）。 肽键的性质：为共价键，长度介于单、双键之间， 具有部分双键性质，不能自由旋转。 2二肽 由两个氨基酸通过肽键而连接而成的结构。 3寡肽（oligopeptide） 小于10个氨基酸残基的肽。 4多肽（polypeptide） 由多个氨基酸通过肽键而连接而成的链状结构。肽键蛋白质与多肽：蛋白质就是由许多氨基酸残基组成的多肽链，蛋白质和多肽在分子量上很难划分出的界限，习惯上把有39个氨基酸残基的促肾上腺皮质激素叫多肽，而把有51个氨基酸残基的胰岛素称为蛋白质。氨基

11、酸残基（residue）：在肽链中，由于氨基酸因脱水而基团不全，故被称为氨基酸残基。肽链的N-端和C-端：N-端指肽链起始的氨基端，肽链的羧基末端为C-端。 N-端 NH2-Ala-Gly-Thr-Phe-Ser-COOH C-端蛋白质的结构 蛋白质的种类和功能的多样性决定于构成蛋白质的氨基酸不同种类、数量、排列组合方式及空间构型。在自然状态下，有功能活性的蛋白质分子的多肽链都不是呈直线形排列的，而是经过折叠和盘曲形成特定的三维空间结构。各种有功能的蛋白质都有特定的空间结构，通常将蛋白质的分子结构分四级，即蛋白质的一、二、三、四级结构。 -螺旋 -折叠Normal cellular prion

12、 protein (PrPc)Mutant prion protein (PrPsc) Symptoms of prion infectionLoss of motor control; Dementia(痴呆); Paralysis（瘫痪）; Wasting(消瘦); Death; Post-mortem (尸检，死后的) analysis of the brain shows holes in the brain. D蛋白质的四级结构（ quarternary structure ）： 由两个或两个以上具有独立三级结构的多肽链借次级键缔合而成的复杂结构，称为蛋白质的四级结构。蛋白质分子四级

13、结构中每条具有独立三级结构的多肽链单位称为亚基或亚单位。维系键为各种次级键，二硫键除外。血红蛋白的四级结构蛋白质的各级结构 （四）核酸(Nucleic acids） The proteins of today exist because of the structures and activities of various nucleic acids. One group of these, the DNA （deoxyribonucleic acids ）, are giant polymers that carry the instructions for making proteins

14、; anther, the RNAs, or ribonucleic acids, interpret and carry out the instructions coded in the DNAs. 核苷酸（nucleotide） 核酸包括脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）两种类型 。 核酸是由许多核苷酸聚合而成的聚合物，每一个核酸分子由几十个乃至几百万个核苷酸构成，彼此相接形成一条长链。一个核苷酸由一分子戊糖、一分子磷酸、一分子含氮碱基构成。其中构成DNA的戊糖是脱氧核糖，构成RNA的戊糖是核糖。

15、DNA中有四种含氮碱基：腺嘌呤(adenine, A)，鸟嘌呤(guanine, G)，胞嘧啶(cytosine, C)和胸腺嘧啶(thymine, T)。 RNA中也有四种含氮碱基：腺嘌呤(adenine, A)，鸟嘌呤(guanine, G)，胞嘧啶(cytosine, C)和尿嘧啶(uracil, U)。然后由核苷通过戊糖的第5位碳原子(5 )上的羟基与磷酸分子的一个羟基脱水形成酯键，从而构成核苷酸。 在形成核苷酸时，先由戊糖的环式结构的第1位碳原子上的羟基(-OH)与含氮碱基中嘧啶的第1位氮原子或与嘌呤的第9位氮原子上的氢脱水形成糖苷键(glycoside bond)而形成核苷，str

16、ucture of deoxyadenosine 核苷酸之间通过3 ，5 -磷酸二酯键相连，多个核苷酸连接在一起形成多聚核苷酸链。由于在多聚核苷酸链的两端，其中一个核苷酸分子中的戊糖环的第3位碳原子(3 )上的羟基是游离的，故把这一端称为 3 端(3 end)。 另一端的核苷酸分子中结合于戊糖环的第5位碳原子(5 )上的磷酸上的羟基也是游离的，故把这一端称为5 端(5 end)，以此表明核酸分子结构的方向性。DNA的双螺旋结构(double helix structure) 1953年由J.D.Watson 和 F.C.Crick 提出，观点如下： ADNA由两条脱氧核苷酸链构成，两条链反向平

17、行，形成双螺旋结构。 B在双螺旋结构中，碱基位于链内侧，戊糖、磷酸位于外侧。G-C base pairChargaffs rule: The content of A equals the content of T, and the content of G equals the content of C in double-stranded DNA from any species C双螺旋结构结构中，两条链的碱基之间通过H键互补配对，其中A与T配对（形成两个H键），C与G配对（形成三个H键）。 D每一对碱基位于同一平面上，垂直于螺旋主轴，每一对相邻的碱基旋转36度，间距为0.34nm，10

18、个碱基对上升一圈，间距为3 . 4nm，双螺旋直径为2nm。线状染色体染色体从DNA到染色体 RNA的结构：RNA由单链构成，在细胞中主要有三种，即mRNA (message RNA), tRNA (transfer RNA), rRNA (ribosomal RNA)。Transcription is the mechanism by which a template strand of DNA is utilized by specific RNA polymerases to generate one of the three different classifications of R

19、NA. These 3 RNA classes are: mRNA tRNA rRNA含量（% ） 5105108090分子量 20050万23万0.061.2亿结构线状三叶草状线状存在部位主要在细胞质中细胞质或核糖体中细胞质或核糖体中和核仁中功能为蛋白质合成的直接模板运输活化的氨基酸构成核糖体 1. Messenger RNAs (mRNAs): This class of RNAs are the genetic coding templates used by the translational machinery to determine the order of amino acid

20、s incorporated into an elongating polypeptide in the process of translation. 2. Transfer RNAs (tRNAs): This class of small RNAs form covalent attachments to individual amino acids and recognize the encoded sequences of the mRNAs to allow correct insertion of amino . 3. Ribosomal RNAs (rRNAs): This c

21、lass of RNAs are assembled, together with numerous ribosomal proteins, to form the ribosomes. Ribosomes engage the mRNAs and form a catalytic domain into which the tRNAs enter with their attached amino acids. The proteins of the ribosomes catalyze all of the functions of polypeptide synthesis.RNA的功能

22、 （五）酶（enzyme，E ) Enzyme is Protein molecules that act as catalysts in biochemical reactions. 定义：酶是生物体内活细胞合成的一种生物催化剂（biocatalyst）。绝大多数酶在化学本质上都是蛋白质。近年来又发现某些RNA分子也具有催化活性(命名为：ribozyme核酶)。 酶的特性： 酶与一般催化剂一样，只能催化热力学上允许进行的反应，能改变化学反应的速度而酶本身在质、量上无改变 。 1高度的专一性或称高度特异性（specificity）； 2高度的催化能力； 3高度不稳定性 ； 4活性可调性。第二节

23、 细胞的形成 （略） 第三节 原核细胞与真核细胞（prokaryotic cell and eukaryotic cell） 细胞的类型 ：分原核细胞、真核细胞两大类。 一、原核细胞 原核细胞是具有生命物质的最小质块，是一种简单或原始的生命单位，与真核细胞不同，原核细胞不具核膜和膜性细胞器，DNA裸露而不与蛋白质结合。原核细胞细胞膜、细胞壁、菌毛、鞭毛等DNA、质粒（Plasmid）核糖体、中间体（mesosome）原核细胞（prokaryotic cell） 二、真核细胞 包括植物细胞和动物细胞两大类,电镜下将真核细胞的结构分为膜相(性)结构和非膜相(性)结构两部分。 1膜相(性)结构（me

24、mbranous structure） 包括细胞膜和细胞内由膜包裹的细胞器（organell）。 2非膜相(性)结构（non-membranous structure） 非膜相结构(non-membranous structure): 细胞内不由膜包裹的结构，包括：染色质、核仁、核糖体、细胞骨架、细胞质基质和核基质。 真核细胞的 细胞膜 基本概况： 细胞基质 原生质 细胞质 ER、Gc、溶酶 体、线粒体、 细胞器 叶绿体、细胞 生活 细胞核 骨架、核糖体 物质 后成质（细胞质衍生物）：鞭毛、纤毛等细 异质（特化的原生质）：角质、木质、纤维素胞 储藏物质：淀粉、糖原、 副质（新陈代谢产物） 卵黄

25、粒、脂肪粒等 分泌物质：油滴、乳液、 分泌粒等真核细胞 原核细胞（prokaryotic cell）和真核细胞（eukarytic cell）比较= 特征 原核细胞（prokaryotic cell） 真核细胞（ecuarytic cell）-代表生物 细菌、蓝藻、支原体 原生生物、真菌、植物、动物-细胞大小 较小（直径110um） 较大(直径5100um)-细胞膜 有（多功能性） 有-核糖体 70S（50S+30S大小两个亚基组成） 80S（60S+40S大小两个亚基组成）-细胞器 极少或无 细胞核、线粒体、叶绿体、ER、溶酶体等-细胞核 无核膜、核仁 有核膜、核仁-染色体 一个细胞仅一条双链DNA， 一个细胞有两条以上的双链DNA， DNA不与或很少与组蛋白结合 DNA与组蛋白结合在一起。DNA 环状、存在于细胞质中 很长的线状分子，含许多非编码区，外 被核膜包裹- 原核细胞（prokaryotic cell）和真核细胞（eukarytic cell）比较= 特 征 原核细胞（prokaryotic cell） 真核细胞（ecuarytic cell）-核外DNA 细菌有裸露的质粒DNA 有线粒体、叶绿体DNA-RNA和蛋白质合成 RNA和蛋白质合成 RNA的合成加工在核内， 相耦联（同时同地） 蛋白质合成在细胞质中-细胞质 无细胞骨