第二章 细胞的概念与分子基础

第二章细胞的概念与分子基础主要内容一、细胞的基本概念二、细胞的起源与进化三、细胞的分子基础第一节细胞的基本概念一、细胞是生命活动的基本单位有机体结构组成的基本单位具有独立完整的代谢体系，是代谢与功能的基本单位生长与发育的基础遗传的基本单位1990年，Woese提出生物界分3个域，细菌域，古菌域和真核域原核细胞，古核细胞和真核细胞生命进化谱系蓝细菌动物植物原核生物真核细胞真核生物甲烷球菌古核生物Woese提出的三大界假说真细菌古细菌原核细胞古核细胞二、原核细胞1.特点结构简单，体积小细胞膜包裹细胞质和DNA，拟核（nucleoid）直径1~10µm，含核糖体，无膜性细胞器有细胞壁（cellwall）2.常见的原核细胞最小最简单的细胞——支原体（mycoplasma）直径0.1~0.3µm惟一细胞器是核糖体环状DNA仅指导400种蛋白质合成细菌（bacteria）原核细胞的典型代表，广泛存在于自然界1~10µm大小，分为球菌、杆菌和螺旋菌细胞壁主要成分是肽聚糖有些在细胞壁外有多肽和多糖组成的荚膜中间体是细胞膜内陷造成的，与DNA复制和细胞分裂有关细菌核糖体沉降系数70S，大亚基50S，小亚基30S古细菌可在极端环境下生存，如盐杆菌，硫化叶菌，热原质体具有原核细胞特征：无核膜及内膜系统也有真核细胞的特征：以甲硫氨酸起始合成蛋白质、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶与真核细胞相似特殊的特征：细胞膜中的脂类不能皂化，细胞壁不含肽聚糖、胞壁酸、D型氨基酸及二氨基庚二酸。三、真核细胞（一）真核细胞的形态与大小形态多样，球形、椭圆形、立方形、扁平形、梭形和三角形等大小10~20µm，人卵细胞100µm（二）基本结构显微结构memebrane，cytoplasm，nucleus，nucleolus亚显微结构细胞器：内质网，高尔基复合体，线粒体，溶酶体，细胞骨架等膜性结构生物膜细胞膜和细胞内膜（除质膜以外的其他膜结构）的总称。单位膜（unitmembrane）透射电镜下生物膜呈现“两暗夹一明”的三层结构，厚约8nm，称为单位膜。细胞膜的主要功能物质交换、信息传递、细胞识别、代谢调节细胞骨架细胞内纤维状蛋白组成的网状结构系统由微管、微丝和中间纤维组成维持细胞的形态结构，参与细胞运动，细胞内物质运输，细胞分裂和信息传递遗传信息表达系统DNA-蛋白质组成细胞内的染色质RNA-蛋白质颗粒构成核仁成分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核糖体非膜性结构RNA和蛋白质组成60%RNA，40%蛋白质直径15~25nm蛋白质合成的机器细胞质溶胶细胞内除细胞器和细胞骨架结构以外的均质半透明液体，呈溶胶状，主要成分是蛋白质含多糖、脂蛋白、RNA等大分子含水和无机离子代谢反应，物质运输、能量传递、信息传递植物细胞、动物细胞和细菌四、病毒（virus）非细胞形态生命体最小、结构最简单的生命存在形式是核酸-蛋白质复合体DNA病毒和RNA病毒类病毒（viroid）——仅由RNA组成朊病毒（prion）——仅由蛋白质组成动物病毒、植物病毒和细菌病毒（噬菌体）病毒进入细胞的主要方式靠细胞的主动吞饮病毒和噬菌体腺病毒疱疹病毒肝炎病毒HIV病毒噬菌体第二节细胞的起源与进化无机物有机物原始细胞

古核细胞原核细胞真核细胞细胞起源研究三方面cell生命进化谱系三大界Prokaryocyte原核生物（prokaryote）Eukaryocyte真核生物（eukaryote）Archaeocyte古核生物（archaeon）

Archaebacteria（古细菌）

一、从分子到细胞的进化简单有机小分子的形成

＊H2+CH4+NH3→电离火花→氨基酸Miller的实验证明了无机分子可自发形成有机分子生物大分子的形成

＊氨基酸混合加热→多肽＊特征：自我复制→核酸＊RNA被公认为最初的遗传物质细胞的出现

兼性分子phospholipid在水中自发聚合成双层结构,包裹自我复制的RNA→指导→蛋白质合成→原始细胞Miller’ssimulatedexperiment二、从原核细胞到真核细胞的演进结构简单的原核生物＊分支为二：生活在极端环境下的古细菌；进化为现存细菌的真细菌＊球状、杆状和螺旋形，直径1

～10μm

DNA含量6×105～6basepair编码5000种不同蛋白质＊细胞壁由多糖和肽组成，细胞膜由磷脂双层和蛋白质组成＊最大的原核生物：蓝细菌→光合作用真核细胞具有各种细胞器＊有直径5μm的细胞核、及其中的核仁＊各种膜性细胞器：线粒体、叶绿体、溶酶体、过氧化物酶体、内质网、高尔基体＊细胞骨架eukaryocyte内共生假说：细胞器（线粒体、叶绿体）由寄生其内的细菌（古细菌、光合细菌）进化而来内共生三、从单细胞生物到多细胞生物的发展单细胞真核生物的形成＊单个细胞自我复制，比细菌复杂＊有特定细胞器完成各种生命活动多细胞生物的发育＊17亿年前，单细胞生物聚集成多细胞形态，如球藻，植物进化的前体细胞＊15亿年前，真核细胞形成＊12亿年前，多细胞生物形成＊多细胞真核生物分化特化出多种组织细胞，完成特定生物学功能第三节细胞的分子基础原生质（protoplasm）组成细胞的的物质称之。水和无机盐C、H、O和N为主要化学元素S、P、Cl、K、Na、Mg、Fe微量元素：Cu、Zn、Mn等有机小分子单糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸生物大分子核酸和蛋白质一、无机化合物水（70％）和无机盐：Na+、K+、Mg2+、Ca2+、HPO42-、Cl-、HCO3-等功能：维持细胞内外渗透压和PH值、维持神经和肌肉的应激性、维持酶的活性、与蛋白质或脂类结合，参与细胞代谢二、有机化合物1.碳水化合物（carbohydrate）由C、H、O三种元素组成分为单糖和多糖单糖分子式（CH2O）n6碳的葡萄糖是细胞内能量的主要来源5碳以上的单糖可形成环状结构：根据第一位碳原子的构型分为α型与β型、单糖分子间脱水反应形成糖苷键单糖分子间脱水反应形成糖苷键，通过该键

单糖寡糖多糖两类多糖糖原（glycogen）→动物淀粉（starch）→植物功能能量贮存、细胞结构成分、小分子糖类参与细胞信号传导、细胞识别及细胞间相互作用2.脂类（lipid）脂肪酸（fattyacid）无分支的偶数碳原子的饱和或不饱和脂肪族羧酸，碳原子间含双键的为不饱和脂肪酸，缺少双键的为硬脂酸，通常含14～20个碳原子脂肪（fat）甘油分子通过酯键与3个脂肪酸分子结合而成，也称甘油三酯高效能量储存形式（碳水化合物的2倍）磷脂是构成生物膜的基础磷脂（phospholipid）结构：甘油分子结合2分子脂肪酸，第三个羟基结合磷酸基团，后者连接一小的极性分子，如胆碱、丝氨酸、肌醇、乙醇胺。鞘磷脂（sphingomyelin）以鞘氨醇为骨架，氨基通过酰氨键与一分子脂肪酸结合，末端羟基与一个磷酰极性基团连接另一种磷脂，神经细胞膜上含量丰富磷脂是双亲性分子亲水头部：磷酸基团和极性小分子疏水尾部：脂肪酸尾巴磷脂分子脂类的功能贮存能量长期能量储存的基础构成细胞膜组分质膜骨架转导信号脂类中的类固醇如胆固醇是合成类固醇激素（雌激素和雄激素）的前体，类固醇激素可充当信使分子，传递信号三、生物大分子（一）核酸（nucleicacid）核酸由多个单核苷酸聚合而成两类核酸脱氧核糖核酸deoxyribonucleicacid，DNA；核糖核酸ribonucleicacid，RNA五种RNA-信使核糖核酸messengerRNA，mRNA-核糖体核糖核酸ribosomalRNA，rRNA-转运核糖核酸transferRNA，tRNA-小核核糖核酸smallnuclearRNA，snRNA-微小核糖核酸microRNA，miRNA核苷酸由碱基、戊糖、磷酸通过共价键连接而成两类碱基嘌呤碱：腺嘌呤adenine（A）鸟嘌呤guanine（G）

嘧啶碱：胞嘧啶cytosine（C）尿嘧啶uracil（U）胸腺嘧啶thymine（T）5种碱基两种戊糖β-D-2脱氧核糖——DNA中β-D核糖——RNA中

核苷酸组成碱基+戊糖=核苷核苷+磷酸=核苷酸·C1’位与碱基形成糖苷键形成核苷

·C3’与C5’之间形成磷酸二酯键连接单核苷酸常见单核苷酸AMP（腺苷酸）GMP（尿苷酸）CMP（胞甘酸）UMP（尿苷酸）dAMP（脱氧腺苷酸）dGMP（脱氧尿苷酸）dCMP（脱氧胞甘酸）dTMP（脱氧胸苷酸）1.DNA1）结构一级结构：DNA分子中四种脱氧核糖核苷酸的排列顺序二级结构：DNA双股螺旋结构模型两条平行方向相反的多核苷酸链组成DNA分子骨架，一条5’3’；另一条3’5’碱基位于双螺旋的内侧，碱基互补配对

AT;CG螺旋直径2nm,螺距3.4nm，一个螺距含10对碱基对，即每个碱基平面相距0.34nm右手螺旋结构上存在两条凹沟为大沟和小沟沃森克里克DNA结构DNA的高级结构：DNA与蛋白质结合，盘曲折叠形成染色体（chromsome）2）功能贮存遗传信息遗传信息就是以碱基排列顺序的方式蕴藏于DNA分子中复制和传递遗传信息表达遗传信息，从而调控细胞生长、发育、代谢、分化、分裂等生命活动人类基因组碱基数2.91×106~3.2×106kb（3×109kb）A+T占54%，G+C占38%外显子1.1~1.4%，内含子24%，间隔序列75%基因总数2万~3万个（基因平均长度2~30kb）DNA的重复序列大于50%个人间差异核苷酸为0.1%遗传信息表达复制（replication）半保留复制

DNADNA转录（transcription）

DNARNA翻译（translation）

RNA蛋白质2.RNA1）结构以单链形式存在嘧啶碱是U，而非T戊糖是β-D核糖，而非β-D-2脱氧核糖2）各种RNA及其功能①mRNA占RNA总量的1％～5％作为模板指导蛋白质合成每三个核苷酸组成1个密码子，决定1个aa真核生物mRNA5’端有帽子结构，3’端有多聚腺