细胞生物学细胞的统一性与多样性

关于细胞生物学细胞的统一性与多样性第1页，共82页，2023年，2月20日，星期五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2页，共82页，2023年，2月20日，星期五一、细胞是生命活动的基本单位细胞是构成有机体的基本单位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繁殖的基本单位：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第3页，共82页，2023年，2月20日，星期五关于细胞概念的新思考1.细胞是物质、能量与信息过程精巧结合的综合体2.细胞是多层次、非线性与多层面的复杂结构体系3.细胞是高度有序的，具有自组装与自组织能力的体系第4页，共82页，2023年，2月20日，星期五二、细胞的基本共性所有细胞都有相似的化学组成脂-蛋白体系的生物膜DNA-RNA遗传装置一分为二的分裂方式蛋白质合成机器-核糖体第5页，共82页，2023年，2月20日，星期五(一)所有细胞都有相似的化学组成1.基本元素和无机组成构成细胞的基本元素有：C、H、O、N、S、P、K、Ca、Mg等，其中前四种元素占90%以上；细胞的无机物主要有水和无机盐；水约占细胞重量的75％-80％，其中游离水约95％，其余为结合水。无机盐的含量约为1％，主要以离子形式存在。第6页，共82页，2023年，2月20日，星期五第7页，共82页，2023年，2月20日，星期五2.有机组成（蛋白质）细胞的有机物主要有蛋白质、核酸、脂类和糖，约占细胞干重的90%以上。一个细胞中约有104种蛋白质，分子数达1011。蛋白质是细胞的结构成分，也是细胞功能的实现者。生化反应的催化剂——酶也是蛋白质。第8页，共82页，2023年，2月20日，星期五第9页，共82页，2023年，2月20日，星期五2.有机组成（糖类和脂类）细胞中重要的五碳糖为核糖、六碳糖为葡萄糖。细胞中的多糖有：营养储备多糖，如淀粉、糖原；结构多糖，如纤维素、几丁质。脂类包括：脂肪酸、中性脂肪、类固醇、蜡、磷酸甘油酯、鞘磷脂、糖脂、类胡萝卜素等。脂类参与组成细胞膜和细胞通信，也是重要的能量储备物质。第10页，共82页，2023年，2月20日，星期五（二）脂-蛋白体系的生物膜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。真核细胞中，细胞质膜内陷演化为细胞的内膜体系。第11页，共82页，2023年，2月20日，星期五（三）DNA-RNA遗传装置DNA是遗传信息复制、传递和基因转录的模板。基因是编码蛋白质多肽链或RNA的DNA序列。原核生物的基因组大小约600Kb-9.5Mb，真核生物的约为3Mb-140000Mb。RNA参与蛋白质的合成，主要类型有：mRNA、tRNA、rRNA。第12页，共82页，2023年，2月20日，星期五第13页，共82页，2023年，2月20日，星期五（四）蛋白质合成机器-核糖体核糖体存在于一切细胞内，负责合成各种蛋白质。第14页，共82页，2023年，2月20日，星期五（五）一分为二的分裂方式所有细胞的增值均为一分为二的方式。第15页，共82页，2023年，2月20日，星期五第二节原核细胞与古核细胞一、原核细胞二、支原体—最小最简单的细胞三、细菌和蓝藻—原核细胞的两个代表类群四、古核细胞（古细菌）第16页，共82页，2023年，2月20日，星期五生物界的基本类群第17页，共82页，2023年，2月20日，星期五一、原核细胞没有核膜，DNA为裸露的环状分子，通常没有结合蛋白；没有恒定的内膜系统，核糖体为70S型，通常称为细菌（bacterium）；细胞体积小、繁殖快；细胞进化比较原始。第18页，共82页，2023年，2月20日，星期五二、最小最简单的细胞——支原体1.基本特点大小：0.2~0.3μm，可通过滤菌器、无细胞壁。细胞膜中胆固醇含量较多：约占36%，凡能作用于胆固醇的物质（如二性霉素B、皂素等）均可引起支原体膜的破坏而使支原体死亡。基因组：为环状双链DNA，分子量小，合成与代谢很有限，肺炎支原体寄生于细胞表面。二分裂繁殖，形态多样。第19页，共82页，2023年，2月20日，星期五2.结构支原体（A）及其模式图（B）第20页，共82页，2023年，2月20日，星期五3.最小最简单的细胞一个细胞生存与增殖必须具备的结构装置与机能是：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，支原体细胞已经具备。从保证一个细胞生命活动运转所必需的条件看，完成细胞功能至少需要100种酶，进行酶促反应所必须占有的空间直径约50nm，加上核糖体（直径约20-30nm），细胞质、核酸等推算，一个细胞体积的最小极限直径为100nm，而现在发现的最小支原体细胞的直径已经接近这个极限。第21页，共82页，2023年，2月20日，星期五三、细菌和蓝藻—原核细胞的两个代表类群第22页，共82页，2023年，2月20日，星期五（一）细菌1.细菌的基本结构分布最广、数量最多。分为：球菌、杆菌和螺旋菌（弧形菌）。直径0.5~5μm之间。第23页，共82页，2023年，2月20日，星期五大肠杆菌淋球菌肉毒梭菌弧形霍乱菌第24页，共82页，2023年，2月20日，星期五2.细菌细胞的核区与基因组又称核质体、原核、拟核或核基因组。位于细胞质内，没有核膜和核仁，没有固定形态，结构也很简单。主要物质是一个大型的反复折叠高度缠绕的环状双链DNA分子，长度为0.25～3.00mm，另外还含有少量的RNA和蛋白质。功能是存储、传递和调控遗传信息。正常情况下，每个细胞中只含有1个核，但由于核的分裂常在细胞分裂之前进行，加上细菌生长迅速，分裂不断进行，故在一个菌体内，经常可以看到已经分裂完成的2个或4个核。基因的复制与表达在时间与空间上是连续进行的。第25页，共82页，2023年，2月20日，星期五细菌的复制、转录和翻译同时进行第26页，共82页，2023年，2月20日，星期五3.细菌细胞的表面结构细胞质膜中膜体细胞壁荚膜鞭毛第27页，共82页，2023年，2月20日，星期五（二）蓝藻1.概述又称蓝细菌，光合作用类似于高等植物，不同于光合细菌。没有叶绿体，但有光合片层。DNA分子环状，遗传信息可与高等植物相比。体积大，直径10μm左右，颤藻可达70μm。属单细胞生物，有些以丝状细胞群体存在，如：发菜。第28页，共82页，2023年，2月20日，星期五2.结构特征中心质光合作用片层细胞质内含物细胞表面结构细胞分裂第29页，共82页，2023年，2月20日，星期五蓝藻第30页，共82页，2023年，2月20日，星期五1）中心质相当于细菌的核区胞质与中心质之间没有明确界限。DNA裸露，不与碱性蛋白结合，复制是连续的，不局限于某特定时间。DNA含量大，变动也很大。第31页，共82页，2023年，2月20日，星期五2）光合作用片层位于蓝藻细胞质部分的同心环样的膜片层结构，上面规则地排列着直径35nm左右的小体，称为藻胆蛋白体，它由几种藻胆蛋白构成，其作用是将光能传递给叶绿素a，即：光能--->藻胆蛋白--->叶绿素a第32页，共82页，2023年，2月20日，星期五3）细胞质内含物蓝藻淀粉、脂滴、蓝藻颗粒、多磷酸酯体、多角体等。形态与细胞的生理状态、细胞的发育、年龄和环境因素有关。第33页，共82页，2023年，2月20日，星期五4）细胞表面结构细胞外具主要由肽多糖组成的胞壁，并往往有粘质胶鞘或胶（胶质层）被包裹。细胞壁：纤维素、肽聚糖；氨基酸比例与G-菌类似。胶质层：易被碱性染料着色，可能是酸性粘多糖和果胶。鞘对于保护蓝藻抵抗不利环境很重要。第34页，共82页，2023年，2月20日，星期五5）细胞分裂细胞以直接分裂增殖。分裂时，细胞中部的膜和内胞壁向内增生，将细胞一隔为二。①三向分裂,成单细胞群体，如微囊藻属，或立方形群体，如立方形藻。②两向分裂，成平板状群体如平列藻属，或假薄膜组织状，如石囊藻属。③单向分裂，成单细胞个体，或成丝状的蓝藻，如念珠藻目的种类。第35页，共82页，2023年，2月20日，星期五直接分裂第36页，共82页，2023年，2月20日，星期五四、古核细胞（古细菌）1.基本特征无核膜及内膜系统；以甲硫氨酸起始蛋白质合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、具有内含子和组蛋白。细胞膜中的脂类不可皂化，细胞壁不含肽聚糖。生活在极端环境中，如：产甲烷菌、极端嗜盐菌、极端嗜热菌。第37页，共82页，2023年，2月20日，星期五海底烟筒附近也具有古细菌第38页，共82页，2023年，2月20日，星期五a:Aquificialespyrophilus；b:Pyrolobusfumarii；Pyrolobusfumarii可以生活在90-113℃，pH4.0-6.5。其最适生存温度为106℃，低于85℃和高于115℃则不生长，能在121℃的高温中存活1小时。第39页，共82页，2023年，2月20日，星期五各类生物能忍受的上限温度古细菌113℃细菌90℃真菌60℃藻类55-60℃原生动物56℃维管束植物49℃鱼类和其他水生脊椎动物38℃第40页，共82页，2023年，2月20日，星期五2.与真核细胞曾在进化上有过共同历程1）主要证据：（1）细胞壁成分与真核细胞相似，而非由含壁酸的肽聚糖构成，（2）DNA与基因结构：古细菌DNA中有重复序列的存在。多数古核细胞的基因组中存在内含子。（3）有类核小体结构：具有组蛋白，能与DNA构成类似核小体结构。第41页，共82页，2023年，2月20日，星期五（4）有类似真核细胞的核糖体：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。（5）5SrRNA：古细菌与真核生物同属一类，5SrRNA二级结构的研究也说明很多古细菌与真核生物相似。

其他：氨基酰tRNA合成酶的作用，起始氨基酰tRNA，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密切。第42页，共82页，2023年，2月20日，星期五2）进化系统树第43页，共82页，2023年，2月20日，星期五古细菌的细胞膜脂第44页，共82页，2023年，2月20日，星期五第三节真核细胞一、真核细胞的基本结构体系二、细胞的大小及其影响因素三、原核细胞与真核细胞的比较四、植物细胞与动物细胞的比较第45页，共82页，2023年，2月20日，星期五一、真核细胞的结构体系真核细胞的基本结构体系细胞器细胞质基质细胞的网络化结构第46页，共82页，2023年，2月20日，星期五1.真核细胞的基本结构体系以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统；（细胞膜和内膜）以核酸（DNA或RNA）与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统；（细胞核）由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。（细胞质）：细胞质骨架和核骨架体系。第47页，共82页，2023年，2月20日，星期五第48页，共82页，2023年，2月20日，星期五2.细胞器细胞器：细胞内特定的功能结构域，有两类，一类是膜围成的，构成内膜系统；另一类细胞器是没有膜包围的。细胞内主要的细胞器有：①内质网②高尔基体③溶酶体④胞内体⑤线粒体⑥叶绿体⑦超氧化物酶体⑧细胞骨架⑨中心体⑩核糖体第49页，共82页，2023年，2月20日，星期五3.细胞质基质

维持细胞内相对稳定的离子环境。许多代谢过程是在细胞基质中完成的，如①蛋白质的合成；②核苷酸的合成；③脂肪酸合成；④糖酵解；⑤磷酸戊糖途径；⑥糖原代谢；⑦信号转导。供给细胞器行使其功能所需要的一切底物。控制基因的表达，与细胞核一起参与细胞的分化。参与蛋白质的合成、加工、运输、选择性降解。第50页，共82页，2023年，2月20日，星期五4.细胞的网络化结构代谢网络（metabolicnetwork）运输网络（transportnetwork）生物膜网络（biomembranenetwork）细胞骨架网络（cytoskeletonnetwork）信号转导网络（signaltransductionnetwork）第51页，共82页，2023年，2月20日，星期五二、细胞的大小及其影响因素细胞大小细胞形态细胞体积守恒定律第52页，共82页，2023年，2月20日，星期五1.细胞的大小大多数动植物细胞在20-30μm间；一般真核细胞的体积大于原核细胞；卵细胞大于体细胞。第53页，共82页，2023年，2月20日，星期五细胞的大小及其调控第54页，共82页，2023年，2月20日，星期五2.细胞形态单细胞生物的形态通常与细胞外沉积物有关。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。细胞骨架对于维持细胞形态具有重要作用。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。第55页，共82页，2023年，2月20日，星期五草履虫眼虫钟形虫植物气孔细胞第56页，共82页，2023年，2月20日，星期五细胞形态结构与功能的关系细胞形态结构与功能的相关性是很多细胞的共同特点；红细胞分泌细胞雄性生殖细胞与雌性生殖细胞第57页，共82页，2023年，2月20日，星期五木材中的导管人类红细胞植物薄壁细胞巨噬细胞第58页，共82页，2023年，2月20日，星期五神经元细胞人卵与精子第59页，共82页，2023年，2月20日，星期五3.细胞体积守恒定律器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞数量成正比，而与细胞的大小无关，这就是所谓的“细胞体积的守恒定律”。细胞体积之守恒，主要受三个因素的影响：细胞体积与相对表面积成反比；细胞的核与质之间有一定的比例关系；细胞内物质的交流运输与细胞体积有关。第60页，共82页，2023年，2月20日，星期五四、原核细胞与真核细胞的比较细胞基本特征的比较 遗传结构装置、基因表达及其调控的比较第61页，共82页，2023年，2月20日，星期五原核细胞与真核细胞基本特征的比较第62页，共82页，2023年，2月20日，星期五遗传结构装置、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）DNA分子数DNA分子结构基因组数基因数“多余”/“重复”DNA序列基因中插入内含子DNA与组蛋白结合核小体-染色质-染色体DNA复制的明显周期性基因表达的调控转录与翻译的时空关系转录/翻译后大分子的加工与修饰细胞复制与分裂（DNA传递/分配）少1环状1n几千——不与/少量类组蛋白结合——主要以操纵子方式转录与翻译同时同地—无丝分裂多2个以上线状2n，多n几万十十与5种组蛋白结合十十复杂性，多层次性核内转录，细胞质内翻译严格的阶段性与区域性十有丝分裂，减数分裂第63页，共82页，2023年，2月20日，星期五定殖于小鼠回肠末端的分节丝状菌第64页，共82页，2023年，2月20日，星期五四、植物细胞与动物细胞的比较第65页，共82页，2023年，2月20日，星期五细胞壁液泡叶绿体第66页，共82页，2023年，2月20日，星期五第四节病毒—非细胞形态的生命体一、病毒的基本知识二、病毒在细胞内增三、病毒与细胞在起源于进化中的关系第67页，共82页，2023年，2月20日，星期五一、病毒的基本知识病毒很小，结构简单；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；遗传载体多样性：DNA病毒/RNA病毒；单链/双链病毒；彻底寄生性；病毒是以复制