第02章 细胞的基本概念

第二章细胞基本知识概要Chapter2BasicConceptofTheCell本章内容提要第一节细胞的基本概念第三节原核细胞、古核细胞与真核细胞第二节病毒复习思考题第一节细胞的基本概念定义：细胞是有膜包围的能独立进行繁殖的原生质团。质膜细胞质(cytoplasm)核质(nucleoplasm;karyoplasm)

核膜(nuclearenvelope)原生质(protoplasm)：指活细胞的全部活物质，包括质膜、细胞质和细胞核（或类核）。一、水是原生质最基本的物质占细胞总重量的60~90%，在细胞中有两种存在形式：游离水：结合水：

代谢介质细胞内水的大部分,约占细胞总水量的95％细胞内水的小部分,此种水约占4~5％。结构作用

(经氢键与蛋白质等大分子结合)主要作用：溶解无机物；调节温度；参加酶反应；参与物质代谢；形成细胞有序结构。调节渗透压和维持酸碱平衡；维持膜电位；参与核酸、糖、酶和蛋白质的构成及其活性；调节酸碱平衡及pH缓冲作用。二、无机离子主要作用：细胞中有机物达几千种之多，约占细胞干重的90%以上，它们主要由碳、氢、氧、氮等元素组成。三、细胞的有机分子[由单体(monomers)聚合而成]大小介于大分子与小分子之间有机物蛋白质脂类核酸糖类大分子(macromolecules)在生命活动中极为重要，几乎各种生命活动无不与蛋白质的存在有关：细胞的主要结构成分，酶--生物专有的催化剂。一个细胞中约含有15000种蛋白质，分子的数量达1011个。（一）蛋白质核糖碱基AUCG脱氧核糖碱基脱氧核糖核苷磷酸基脱氧核糖核苷酸ATCG核酸是生物遗传信息的载体分子，所有生物均含有核酸。核酸是由核苷酸单体聚合而成的大分子。（二）核酸核苷磷酸基(nucleosides)核苷酸(nucleotides)核酸核糖核酸(RNA)脱氧核糖核酸(DNA)纤维素（植物细胞）几丁质（动物细胞）淀粉糖原（动物细胞）贮存多糖结构多糖直链淀粉支链淀粉(植物细胞)单糖：多糖戊糖，己糖，丙糖，丁糖寡糖：麦芽糖，蔗糖，乳糖能源和原料（营养储备多糖）（三）糖类细胞内脂类化合物的种类（四）脂类脂类名称化合物代表在细胞中的分布脂肪酸油酸、棕榈酸、硬脂酸细胞质溶质(cytosol)、线粒体、含脂肪种子中的乙醛酸循环体中性脂肪植物油、动物油脂细胞中储备脂肪磷脂磷脂酰乙醇胺、磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇膜鞘脂鞘磷脂膜糖脂脑苷脂、节苷脂膜类固醇胆固醇膜萜类胡萝卜素植物细胞质溶质、叶绿体有机物游离水结合水无机物无机离子细胞内的水氨基酸萜类和类固醇类中性脂肪(甘油三酯)磷脂(磷酸甘油酯)脂肪酸饱和脂肪酸不饱和脂肪酸(双性脂类)脑磷脂卵磷脂心磷脂脱氧核糖核苷酸核苷酸RNADNA蛋白质核酸脂类纤维素（植物细胞）几丁质（动物细胞）贮存多糖结构多糖淀粉糖原（动物细胞）直链淀粉支链淀粉(植物细胞)多糖寡糖：单糖：糖类细胞的化学组成小结热物理学证明，在一个封闭的系统中，熵总是增大，直至最大。若使系统的熵减少（使系统更加有序化），必须有外部能量的干预。（熱力學第二定律）

有机体就是赖负熵为生的。能量維持細胞結構。新陈代谢中的本质的东西，乃是使有机体成功地消除了当它自身活着的时候不得不产生的全部的熵。Whatislife质膜外结构原生质体细胞质质膜细胞核（或类核）细胞器细胞质溶质细胞骨架细胞外基质细胞壁细胞的结构组成图解：细胞第一节细胞的基本特征(2)具有一层细胞质膜(3)具有一套完整的代谢机构(1)具有一套基因组细胞是生命活动的基本单位1.细胞进行生命活动的应具有的最基本的要素：使细胞能进行独立的代谢活动通过质膜与周围环境进行物质和信息交流控制细胞的遗传活动第一节细胞的基本概念支原体(mycoplast)：最小Φ0.1

m，具备了进行生命活动最基本的三项要素。病毒：体积小（多小于Φ0.1

m），缺少进行独立代谢的某些基因和机构（单独存在时不能自我繁殖，必须依赖于宿主细胞）。第一节细胞的基本特征病毒不是细胞，只是具有部分生命特征的感染物，最多只能被称为“半生命”。支原体是细胞！2.细胞区别于无机界的最主要的特性：①在结构上具有自我装配的能力；②在生理活动中具有自我调节的能力；③在增殖上具有自我复制的能力。这些特性也可以说是生命的特征，它们的丧失即意味着死亡。第一节细胞的基本特征3.细胞概念的一些新思考细胞是多层次非线性的复杂结构体系细胞是物质、能量与信息过程精巧结合的综合体细胞是高度有序的，具有装配与自组织能力的体系病毒(virus)尽管不是细胞，然而①病毒的某些属性与细胞又有一定的共同性(如具有共同的遗传基础)，研究病毒活动可获得一些有价值的资料，有助于对细胞活动机理的理解。②病毒是寄生性感染物，其宿主是细胞，病毒的活动与细胞有着密切的关系。第二节非细胞形态的生命体－－病毒需在全面介绍细胞之前先对病毒进行概括性介绍。动物病毒植物病毒细菌病毒——噬菌体双链

DNA→+mRNA→蛋白质单链

DNA病毒→±DNA→+RNA→蛋白质双链

RNA病毒→+mRNA→蛋白质单链

RNA病毒→－RNA→+RNA→蛋白质单链

RNA病毒→+RNA→+蛋白质单链

RNA病毒→DNA→±DNA→+mRNA→蛋白质据宿主分据结构分据遗传物质分病毒的分类真病毒类病毒蛋白质感染子蛋白外壳核酸芯子(核酸)(蛋白)第二节病毒几种病毒脊髓灰质炎病毒烟草花叶病毒痘病毒狂犬病毒T4噬菌体流感病毒第二节病毒1982年S.B.Prusiner在患羊搔痒病的羊体内发现了一种蛋白质因子，是羊搔痒病的致病因子，它将其命名为prion(pr,protein;i,infectious;on,基本单位)。蛋白质感染因子)，也有人译为‘朊病毒’。蛋白质感染因子1.发现:Prusiner因此获得1997年诺贝尔奖第二节病毒蛋白质感染子蛋白(prionprotein，PrP)由prp基因编码（人：第20号染色体，小鼠：第2号染色体）。这种蛋白存在于神经元和神经胶质细胞表面上，其作用尚未查清，破坏小鼠的prp基因，小鼠的发育和行为未发现异常变化。2.蛋白质感染子蛋白第二节病毒prp基因正常的表达产物并无致病作用，这种正常蛋白称为PrPC蛋白，对蛋白酶很敏感。一旦基因突变，有一个氨基酸发生改变，PrPC蛋白发生了构象变化，就变成了具有致病作用的PrPSc蛋白。基因突变产生PrPSc所引起的疾病是可以遗传的。第二节病毒PrPSc蛋白在构象上与正常蛋白PrPC不同：PrPSc的肽链中

螺旋减少，而

折叠增加。第二节病毒PrPC向PrPSc转变实质上是

螺旋向

折叠的迁移转变PrPSc蛋白对蛋白质水解酶具有很强的抗性和高热稳定性，且紫外线和电离辐射不能使其丧失活性。134-138℃持续1h的病牛脑组织匀浆，以及10%福尔马林固定过的病羊脑组织，仍有感染性。

第二节病毒

克-雅二氏病（Creutzfeldt–Jakobdisease，CJD）：Cruetzfeldt和Jakob1920年发现于六例患者，大多发生于60岁以上的人，是自身PrP蛋白发生变异引起的。变异型克-雅氏病（vCJD）：患者都处于以往CJD未曾出现的年龄段，为十几岁至三十岁的年轻人，是由于取食病牛产品而感染。患者首先出现忧郁症的病状，继而不能行走，并呈现精神障碍等痴呆症状，最后死亡。GSS综合征（Gerstmann-StrausslerScheinkerdisease））：是一种遗传的的慢性脑病，由Prnp基因缺陷引起，PrP蛋白的102位亮氨酸被脯氨酸取代或117位的缬氨酸被丙氨酸取代。克鲁病（Kuru）：发现于新几内亚一个叫Fore的部落，当地人称作kuru，意即颤抖。病人大多数是妇女及小孩，病症有言语含糊及无意识地狂笑，最后不省人事并死亡。一名美国医生D.C.Gajdusek到了当地，发现那里的妇女及小孩具有吃死者尸体的习惯，结果受到感染。致死性家族性失眠症（Fatalfamilialinsomnia，FFI）：也是一种遗传性疾病，Prnp基因变异，PrP蛋白178位的天冬酰胺被天冬氨酸取代。患者的主要症状是失眠，并有CJD的症状。3.病毒在细胞内的增殖

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

病毒的装配、成熟与释放第二节病毒增殖方式一个PrPSc分子一个PrPC分子+四个PrPSc分子如此倍增不已PrPSc诱导一个模板分子伴侣(molecularchaperone)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因子的复制和繁殖机制PrPSc二聚体蛋白质感染子本身不能复制第二节病毒晶种模型（Seedingmodel），认为PrPc分子本身有向PrPSc转变的倾向（一种平衡反应），PrPSc能像晶种一样，稳定PrPc的构象，形成淀粉样蛋白沉淀，然后碎裂后又变成新的晶种。还有一种假说认为,致病的PrPSc起晶种的作用,它在形成结晶时,使PrPc转变为PrPSc,从而致病。第二节病毒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→病毒第二节病毒第三节原核细胞、古核细胞及真核细胞具有细胞壁和叶绿体对于某些生物来说却遇到了分类上的困难：眼虫(Euglena)有叶绿体却无细胞壁;细菌和真菌虽有细胞壁但无叶绿体;枝原体既无叶绿体也无细胞壁。400余万种生物：一切生物动物界植物界没有细胞壁和叶绿体早期营养方式运动能力细胞结构Chatton(1925年)把细胞中无由膜包围的细胞核的生物称为原核生物(prokaryote)。自从原核生物概念提出之后，H.Ris则把含有由核被膜包围的核的细胞称为真核细胞(eukaryote)。代表性原核生物：支原体(mycoplasma)、细菌(bacterium)和蓝细菌(cyanobacterium)等第三节原核细胞、古核细胞与真核细胞表3-1生物界两类分类系统的比较传统分类系统植物界细菌蓝藻金藻绿藻红藻褐藻粘菌真正真菌苔藓维管植物动物界原生动物后生动物按细胞结构的分类系统类型原核生物真核生物

Whittaker(1969)原核生物界(monera)细菌蓝藻(蓝细菌)原生生物界(protista)金藻原生动物真菌界粘菌真正真菌植物界绿藻红藻褐藻苔藓维管植物动物界后生动物Dodson(1971)原核生物界细菌蓝藻(蓝细菌)植物界金藻绿藻红藻褐藻粘菌真正真菌苔藓维管植物动物界原生动物后生动物第三节原核细胞、古核细胞与真核细胞一、细胞的形状和大小不同细胞的形态千差万别：呈圆形、椭圆形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形，甚至不定形。细胞的形状及其与功能的关系各类细胞结构、功能和所处环境不同形状和大小千差万别第三节原核细胞、古核细胞与真核细胞单细胞原核生物往往是单个细胞独立生活（即使成群体存在，细胞间的关系也不密切），每种生物的细胞往往有自己特有的形状：如杆菌——杆状球菌——球状弧菌——圆弧状；螺旋体——螺旋状等第三节原核细胞、古核细胞与真核细胞单细胞动物或植物的细胞形状更复杂：如草履虫——鞋底状；眼虫——梭形且有长鞭毛；游扑虫和钟形虫——袋状；阿米巴——不定形等第三节原核细胞、古核细胞与真核细胞高等生物是多细胞有机体，其细胞多构成了组织，各种细胞发生了结构和功能上的分化：细胞的形状往往与细胞执行的功能及存在的位置有一定的关系。高等动物：肌肉细胞：长条形或长梭形骨骼肌细胞红细胞：双面凹圆盘状有利于O2和CO2气体的交换红血细胞利于收缩功能第三节原核细胞、古核细胞与真核细胞高等植物：筛管细胞：条形叶表皮保卫细胞：半月形以利于呼吸和蒸腾2个保卫细胞围成一个气孔于植物茎部起支持和输导作用第三节原核细胞、古核细胞与真核细胞骨细胞结缔组织细胞卵细胞精子毛细胞视杆细胞神经细胞立方上皮柱状上皮细胞形状的多样性人类血细胞巨噬细胞神经元细胞骨细胞成纤维细胞软骨细胞脂肪细胞平滑肌细胞结缔组织中的几种细胞类型活细胞的形状并不是固定不变的第三节原核细胞、古核细胞与真核细胞形态结构与功能的统一是生物体细胞的一个重要特征!上述细胞形状是指活细胞在体内时的形态，一旦细胞离开了有机体分散存在，形状就要发生很大的变化。如平滑肌细胞：离体培养在体内呈梭形离体培养时则呈多角形第三节原核细胞、古核细胞与真核细胞细胞发生病变后，也会发生形态结构上的变化：镰刀型贫血病人的镰刀型红血细胞正常红血细胞第三节原核细胞、古核细胞与真核细胞如鸵鸟蛋的卵黄,直径可达5cm；支原体却只有0.1

m；人的坐骨神经细胞可长达1m。细胞的大小一般说来，真核细胞的体积要大于原核细胞，高等动物的卵细胞要大于体细胞。[卵细胞是一种特殊类型的细胞（含有大量卵黄）]大多数动植物细胞：体积一般在20~30

m间。生物体各种细胞的大小差别很大：第三节原核细胞、古核细胞与真核细胞细胞体积的最小极限取决于维持细胞独立生活所需的最基本的成分须占的体积。根推算，枝原体的体积（直径0.3

m）接近于容纳必需成份的极限。几种细胞的大小多细胞生物，细胞的大小与生物个体的体积无关!第三节原核细胞、古核细胞与真核细胞细胞的大小及其分析

各类细胞直径的比较细胞类型直径大小(um)最小的病毒0.02支原体细胞0.1～0.3细菌细胞1～2动植物细胞20～30（10～50）原生动物细胞数百至数千细胞最小极限－细胞必备的装置细胞膜－－－20nm遗传信息载体核糖体－－－10－20nm酶（100种）－－－50nm最小极限直径－－－100nm最小最简单细胞－－－支原体细胞体积的最小极限取决于维持细胞独立生活所需的最基本的成分须占的体积。SAR11目前已知的最小的自由生活的生物，1毫升海水中含大约500000个这样的细胞，具有一种最为紧实、流线型的基因组——只有130万个碱基对，是目前在自由生活的有机体中发现的最小的基因组。（2005年8月19日的Science）纳米微生物

高倍的电子显微镜（一百万倍）

下观察到的。体型比任何生物还小十倍，异常喜爱塑料，而且还可能有火星的亲戚。纳米细菌（nanobacteria）是一种神奇的能自我复制、矿化的小东西，美国宇航局的学者认为它会导致宇航员产生肾结石。

细胞最大极限－数百微米细胞体积与相对表面积－