第二章细胞的统一性与多样性

第二章

细胞的统一性与多样性第一节、细胞的基本概念第二节、原核细胞与古核细胞第三节、真核细胞第四节、非细胞形态的生命体 ——病毒及其与细胞的关系第一节、细胞的基本概念一、细胞是生命活动的基本单位二、细胞的基本共性第四节、非细胞形态的生命体

—病毒及其与细胞的关系

一、病毒的基本知识二、病毒在细胞内增殖（复制）三、病毒与细胞在起源与进化中的关系第二节、原核细胞与古核细胞

原核细胞的基本特点：遗传信息量小，主要的遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；细胞内没有分化出以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核。一、最小最简单的细胞－支原体二、原核细胞的两个代表－细菌和蓝藻三、古核细胞（archaebacteria）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，细胞具有遗传的全能性；没有细胞就没有完整的生命。关于细胞概念的一些新思考成人的有机体大约含有1014个细胞；刚出生的婴儿机体约有2×1012个细胞；1g哺乳动物的肝或肾组织大约含有2.5~3亿个细胞。关于细胞概念的一些新思考细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体；

细胞完成各种化学反应细胞需要和利用能量

细胞参与大量机械活动细胞对刺激作出反应细胞是多层次、非线性与多层面的复杂结构体系；细胞是高度有序的，具有自组装与自组织能力的体系。

细胞能进行自我调控

繁殖和传留后代二、细胞的基本共性所有的细胞都有相似的化学组成，类似的遗传语言、生命活动及其调控机制。脂－蛋白体系的生物膜(一是在细胞内外起屏障作用;二是要在细胞内形成各个功能特区）DNA－RNA的遗传装置蛋白质合成的机器－核糖体一分为二的分裂方式细胞的化学组成细胞中的水无机盐有机小分子：糖、脂、核苷酸、氨基酸生物大分子：多糖、DNA和RNA、蛋白质细胞结构体系的组装生命来自于水细胞中的水以两种形式存在：游离水和结合水。游离水是细胞代谢反应的溶剂；结合水则是以氢键和蛋白质分子结合的水分子。氢键的作用氢键的作用氢键能吸收较多的热能，将氢键打断需要较高的温度，因此氢键可以维持细胞温度的相对稳定。相邻水分子间形成的氢键使水分子具有一定的粘性，使水具有较高的表面密度。水分子间的氢键可以提高水的沸点，使它不易从细胞中挥发掉。水在细胞中既是反应剂又是溶剂。水分子是极性分子，主要依靠与各种极性分子和离子间形成氢键使之得以溶解。根据无机离子在细胞内的作用分为四大类：1）大分子的结构成分，C、H、N、O、P、S等；2）各种酶反应所需要的离子；3）各种酶活性所需的基础微量元素；4）某些生物需要的特殊微量元素，如碘、铯等。功能：维持细胞内的pH值和渗透压，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；作为酶反应的辅助因子。细胞结构体系的四级组装构成细胞的小分子有机物的形成，包括碱基、氨基酸、葡萄糖等；由有机小分子组装成生物大分子：DNA、RNA、蛋白质、多糖；由生物大分子进一步组装成细胞的高级结构：细胞膜、核糖体、染色体、细胞骨架等；由生物大分子组装成具有空间结构和生物功能的细胞器如细胞核、线粒体、叶绿体等，最后再由细胞器组成细胞。一、病毒的基本知识病毒是非细胞形态的生命体，是迄今发现的最小最简单的有机体。病毒（virus）——核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体；根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：

DNA病毒与RNA病毒

病毒的多样性类病毒（viroid）——仅由有感染性的RNA构成；朊病毒（prion）——仅由有感染性的蛋白质构成。二、病毒在细胞内增殖（复制）病毒侵入细胞，病毒核酸的侵染；病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成；病毒的组装、成熟与释放。 动物病毒进入细胞的主要三种方式三、病毒与细胞在起源与进化中的关系病毒是非细胞形态的生命体，它的主要生命活动必须要在细胞内实现。病毒与细胞在起源上的关系，目前存在3种主要观点：生物大分子→病毒→细胞 病毒生物大分子细胞生物大分子→细胞→病毒主要证据病毒是彻底寄生物，必须要在细胞内复制与增殖，才能表达其基本生命现象。因此病毒决不可能起源在细胞之先，只能先有细胞后有病毒已经证明，有些病毒（如腺病毒）的核酸与哺乳动物细胞DNA某些片段的碱基序列十分相似。病毒可以看作DNA与蛋白质或RNA与蛋白质的复合大分子，与细胞内核蛋白分子有相似之处。真核生物中，尤其是脊椎动物中普遍存在的第二类反转录转座子的两端含有长末端重复序列，结构与整合于基因组上的反转录病毒十分相似。一、最小最简单的细胞－支原体最小最简单的细胞；没有细胞壁，细胞具有多形态性；遗传物质均匀分布在细胞质中。细胞体积的最小极限一个细胞生存与增殖所必需具备的装置：细胞质膜、遗传信息载体DNA与RNA、进行蛋白质合成的一定数量的核糖体以及催化主要酶促反应所需要的酶。细胞体积的最小化受制于维持细胞生命活动所需的酶和蛋白质种类的最低量，根据这些条件，一个细胞最小的直径不能小于100nm，而支原体的直径已经接近这个极限。第三节、真核细胞一、真核细胞的基本结构体系二、细胞的大小三、细胞形态结构与功能的关系四、原核细胞与真核细胞的比较五、植物细胞与动物细胞的比较一、真核细胞的基本结构体系以质脂及蛋白成分为基础的生物膜结构体系以核酸与蛋白质为主要成分的遗传信息表达体系由蛋白质分子组装构成的细胞骨架体系二、细胞的大小大多数动植物细直径在20~30μm，一般真核细胞的直径大于原核细胞，卵细胞大于体细胞。各类细胞直径的比较细胞体积的守恒定律细胞维持体积相对恒定的因素细胞类型直径／um最小的病毒支原体细胞细菌细胞高等动植物细胞原生动物细胞0.020.1－0.31－220－30数百至数千细胞体积的守恒定律

同一器官与组织的细胞,其大小总是在一个恒定的范围内，不依生物个体的大小而增大或缩小。如人、牛、马、象与小鼠的肾细胞、肝细胞的大小基本相同;器官的大小主要决定于细胞的数量,与细胞的数量成正比,而与细胞的大小无关,这种关系称之为“细胞体积的守恒定律”。维持细胞体积相对恒定的因素

细胞的体积与相对表面积成反比的关系核质之间的比例细胞内重要分子的浓度一些重要的分子在细胞内的拷贝数很少，当细胞体积增大时，这些分子的浓度就越来越稀释，一些重要的生化反应需要一定的浓度才能进行，所以细胞内分子浓度就成了细胞体积无限增大的一个限制因素。细胞内物质的交流运输与细胞体积的有关三、细胞形态结构与功能的关系细胞的形态结构与功能的相关性与一致性是各类细胞所共同遵循的基本原则；这种统一性在分化程度较高的细胞中更为明显，这是生物漫长进化过程的产物，从进化观点看有一定的合理性。如哺乳动物红细胞、动物的各类分泌细胞和高等生物的生殖细胞等。四、原核细胞与真核细胞的比较原核细胞与真核细胞的相同点原核细胞与真核细胞基本特征的比较原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较原核细胞与真核细胞的相同点都具有类似的细胞质膜结构都以DNA作为遗传物质，并使用相同的遗传密码都以一分为二的方式进行细胞分裂具有相同的遗传信息转录和翻译机制，有类似的核糖体结构。代谢机制相同（如糖酵解和TCA循环）具有相同的化学能储能机制，如ATP合成酶。光合作用机制相同（蓝细菌和植物相比较）膜蛋白的合成和插入机制相同原核细胞与真核细胞基本特征的比较特征原核细胞真核细胞细胞膜有（多功能性）有核膜无有染色体由一个环状DNA分子构成的单个染色体，DNA很少或不与蛋白质结合2个染色体以上，染色体由线状DNA与蛋白质结合而成核仁无有线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体无有核糖体70S（50S与30S的大小亚单位）80S（60S与40S的大小亚单位）光合作用结构蓝藻含叶绿素a的膜层结构，细菌有菌色素植物叶绿体具有叶绿素a与b核外DNA细菌具裸露的质粒DNA线粒体DNA、叶绿体DNA细胞壁主要成分是氨基糖与壁酸植物细胞壁为纤维素和果胶转录与翻译的时空关系转录与翻译同时同地进行细胞核内转录、细胞质内翻译，严格的阶段性与区域性细胞骨架无有细胞增殖方式无丝分裂（直接分裂）有丝分裂（间接分裂）原核细胞与真核细胞的遗传结构装置、基因表达及其调控的比较

特征原核细胞真核细胞DNA量（信息量）少多DNA分子数12个以上DNA分子结构环状线状基因组数1n2n，多n基因数几千大于几万大量多余的重复的DNA序列无有基因中的内含子无有DNA与组蛋白结合不与可与少量蛋白结合与5种蛋白结合核小体－染色质－染色体无有DNA复制的明显的周期性无有基因表达的调控主要以操纵子方式复杂、多层次性转录与翻译的时空关系转录翻译同时进行核内转录，细胞质内翻译，严格的阶段性与区域性转录后与翻译后大分子的加工与修饰无有五、植物细胞与动物细胞的比较植物细胞特有的细胞器细胞壁液泡叶绿体动物细胞特有的细胞器中心体（由一对中心粒和中心粒周围物质构成）三、古核细胞（古细菌）

原核生物在极早的时候就演化成两大进化主干：古细菌和真细菌，古细菌可能是细胞生存的更为原始的类型，是一些生长在极端特殊环境中的细菌。它在形态结构和遗传结构装置与原核细胞相似，但有些分子进化特征更接近于真核细胞。古细菌与真核细胞曾在进化上有过共同历程。主要证据进化系统树主要证据细胞壁的成分与真核细胞一样，而非由含壁酸的肽聚糖构成。DNA与基因结构：古细菌DNA中有重复序列的存在。此外，多数古核细胞的基因组中像真核细胞一样存在内含子。核小体结构：古细菌具有组蛋白，而且能与DNA构建成类似核小体结构。核糖体：多数古细菌类的核糖体较真细菌有增大趋势，抗生素同样不能抑制古核细胞类的核糖体的蛋白质合成。5srRNA：根据对5srRNA的分子进化分析，认为古细菌与真核生物同属一类，而真细菌却与之差距甚远。5srRNA二级结构的研究也说明很多古细菌与真核生物相似。除上述各点外，根据DNA聚合酶分析，氨基酰tRNA合成酶的作用，起始氨基酰tRNA与肽链延长因子等分析，说明古细菌与真核生物在进化上的关系较真细菌类更为密切。细胞的全能性是指每个分化的细胞都含有该物种全部的遗传信息，每一个细胞都有发育为完整个体的潜能。SARS关于真核细胞起源的两种推测：起源于一种依赖于硫的嗜高温古核细胞起源于与热原质体相似的古核细胞S.B.Prusiner1982年发现于患羊瘙痒病的羊体内，命名为prion，Prusiner因此获得1997年诺贝尔生理和医学奖。蛋白质感染子蛋白(prionprotein，简称PrP)，由PrP基因编码，该基因位于人20号染色体，小鼠2号染色体。这种蛋白质存在于神经元和神经胶质细胞表面上，其作用不明确。正常PrP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。当PrPSc分子积累到一定浓度时，就会损伤神经元而发病。蛋白质感染子的增殖既不