医学细胞生物学细胞的概念和分子基础专家讲座

医学细胞生物学

第二章细胞概念与分子基础高级讲师王波bonnie_wang70@163.com

中山大学中山医学院生物教研室医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第1页细胞基本概念细胞是生命活动基本单位有机体结构组成基本单位含有独立完整代谢体系，是代谢与功效基本单位生长与发育基础遗传基本单位没有细胞就没有完整生命医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第2页上世纪60年代，H.Ris将细胞分为原核真核两类1990年，Woese提出生物界分3个域，细菌域，古菌域和真核域细菌域：支原体、衣原体、立克次体、细菌、放线菌、蓝藻等——真细菌古菌域：产甲烷菌、盐杆菌、热原质体等——古细菌真核域：真菌、植物、动物细胞基本概念医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第3页医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第4页原核细胞结构简单，体积小，一至几个微米细胞质中裸露DNA——拟核（nucleoid）含核糖体，无膜性细胞器有细胞壁（cellwall）：蛋白多糖和糖脂细胞基本概念医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第5页细胞基本概念支原体(mycoplasma)：最小最简单细胞直径0.1~0.3µm，无细胞壁惟一细胞器是核糖体环状DNA仅指导400种蛋白质合成肺炎、脑炎、尿道炎——病原体医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第6页细菌(bacteria)：原核细胞经典代表1~10µm大小，分为球菌、杆菌和螺旋菌壁成份肽聚糖；有些菌壁外多肽和多糖组成荚膜细胞膜常分为内膜外膜和膜间隙；内膜上有呼吸链酶等细胞膜有时内陷形成中间体，与DNA复制和细胞分裂相关环状DNA分子，无内含子；胞质中常有环状质粒每个菌5千-5万核糖体，大多游离少数附着膜内表细胞基本概念医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第7页古细菌

可生活在极端环境中产甲烷菌、盐杆菌、硫化叶菌、热原质体原核细胞特征：无核膜及内膜系统真核细胞特征：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同、DNA有内含子并结合组蛋白特殊特征：细胞膜中脂类不能皂化(油脂+氢氧化钠=脂肪酸钠盐+甘油)，细胞壁不含肽聚糖、胞壁酸、D型氨基酸及二氨基庚二酸细胞基本概念医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第8页真核细胞形态各异，大小10~20µm，人卵细胞140µm基本结构细胞基本概念医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第9页脂质与蛋白质为基础生物膜系统单位膜厚8-10nm；功效：物质交换、信息传递、识别、代谢调整核酸-蛋白质为主要成份遗传信息表示系统DNA与蛋白质结合特异蛋白质分子组成细胞骨架系统微管、微丝、中间纤维维持细胞形态参加物质运输、细胞分裂、信息传递；核骨架——核纤层蛋白参加基因表示、染色体包装、分布核糖体与细胞质溶胶核糖体直径15-25nmRNA+蛋白质其中RNA60%决定蛋白质位置细胞溶胶占总体积二分之一主要成份蛋白质——酶还有多糖、脂蛋白、RNA，及水和无机离子K+Na+Cl-Mg2+Ca2+等细胞基本概念医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第10页医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第11页非细胞生命形态——病毒核酸-蛋白质复合体：含DNA——DNA病毒；含RNA——RNA病毒；仅由RNA组成——类病毒；仅由蛋白质组成——朊病毒病毒不完整生命体彻底寄生物多数经过“主动吞饮”进入宿主细胞利用宿主细胞代谢系统以病毒核酸为模板复制转录翻译装配新病毒颗粒释放细胞基本概念埃博拉病毒(EBV)属丝状病毒科，呈长丝状体，单股负链RNA病毒，有18,959个碱基，分子量为4.17×10^6。外有包膜，病毒颗粒直径大约80nm，大小100nm×(300～1500)nm。纯病毒粒子由一个螺旋形核糖核壳复合体组成，含负链线性RNA分子和4个毒粒结构蛋白。60℃30min方能破坏其感染性;紫外线照射2min可使之完全灭活;对化学药品敏感，乙醚、去氧胆酸钠、β-丙内酯、福尔马林、次氯酸钠等消毒剂能够完全灭活病毒感染性。埃博拉病毒在除了骨头和骨骼肌肉外，对人体任何其它组织或器官都一视同仁地加以侵蚀，像扫荡一样。当病毒将本身复制到宿主血细胞中，血细胞便开始死亡并凝结在一起。凝块堵塞血管，切断全身血液供给；感染器官开始出现死片。病毒蛋白质以特有凶残攻击胶原，这是固定器官连结组织中主要蛋白质。当胶原变成浆状物，器官表面开始出现孔洞，包含皮肤，血从孔洞中倾泻而出。皮肤下面出现血斑；液化死皮在表面形成水疱。在这个阶段全部孔窍都会渗血，同时皮肤和肌肉表面隔膜开始炸裂。在身体内部，心脏开始渗血，渗透周围空腔。肝脏肿大、裂开，然后化脓腐烂；肾脏失灵，塞满了死细胞和血块。死、凝结血细胞比比皆是，包含大脑，妨碍了供氧，最终造成痴呆和严重癫痫发作。同时，病毒摧毁剩下血液凝结能力，以致大出血不受抑制地继续。活死血液随同死组织及脱落粘膜，包含胃、口腔和肠道粘膜，经过呕吐和腹泻抛出体外。瓦解血管和肠子不再固定在一起，而是像流体普通涌入体腔。即使在体液中漂浮着，但组织本身是脱水，无法执行其功效，于是病人开始死亡。医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第12页腺病毒疱疹病毒肝炎病毒HIV病毒医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第13页噬菌体医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第14页臭臭♥♥医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第15页医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第16页细胞分子基础生命化学元素50各种：C、H、O、N占90%；S、P、Cl、K、Na、Ca、Mg、Fe以上共占99.9%有机物+无机物生物小分子水和无机盐是细胞内无机化合物水：游离水、结合水→以氢键结合蛋白质；无机盐：离子状态→游离水中维持渗透压、PH值、神经肌肉应激性；→结合蛋白质或脂类含有功效有机小分子组成生物大分子有机小分子：分子量100～1000碳化合物，碳原子30左右分四种：单糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸糖：化学式(CH2O)n，n为3、4、5、6、7，

称：碳水化合物，6碳葡萄糖主要能源和组成多糖；常见3碳和5碳糖单糖分子间脱水反应形成糖苷键，单糖→寡糖→多糖（C1OH+C4/6OH→C-O-C+H2O）医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第17页两类多糖：糖原(glycogen)→动物；淀粉(starch)→植物糖类作用：

能量贮存、细胞结组成份、小分子糖类参加细胞信号传导、细胞识别及细胞间相互作用脂肪酸(fattyacid)：疏水长烃链和-COOH组成，无分支偶数碳原子饱和或不饱和脂肪族羧酸，碳原子间含双键为不饱和脂肪酸，缺乏双键为硬脂酸，通常含14～20个碳原子脂肪(fat)：甘油分子经过酯键与3个脂肪酸分子结合而成，也称甘油三酯，是高效能量储存形式（碳水化合物2倍）脂类功效：①贮存能量，长久能量储存形式；②组成细胞膜组分，是质膜骨架；③转导信号，脂类中类固醇，如胆固醇是合成类固醇激素(雌激素和雄激素)前体，类固醇激素可充当信使分子，传递信号细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第18页氨基酸：多样化分子，均含一个-COOH和一个-NH3，蛋白质亚基核苷酸：一个含氮环化合物，结合一个5碳糖——核糖或脱氧核糖，结合磷酸基团；是核酸亚基生物大分子细胞中约有3000种生物大分子，分子量：1万～100万；核酸、蛋白质、多糖等核酸携带遗传信息分为RNA(ribonucleicacid)和DNA(deoxyribonucleicacid)两大类1.核酸化学组成

几十个～几百万个核苷酸聚合而成核苷酸：碱基+戊糖+磷酸

经过共价键连接而成戊糖：D-核糖、D-2-脱氧核糖；碱基：嘌呤(A/G)与嘧啶(C/T/U)细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第19页细胞分子基础两类碱基：嘌呤碱：腺嘌呤adenine（A）嘧啶碱：胞嘧啶cytosine（C）鸟嘌呤guanine（G）尿嘧啶uracil（U）胸腺嘧啶thymine（T）医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第20页戊糖：D-核糖D-2-脱氧核糖细胞分子基础核苷酸组成：碱基+戊糖(核糖)=核苷嘧啶1N/嘌呤9N——核糖1C核苷+磷酸=核苷酸核糖5C——磷酸医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第21页细胞分子基础核苷酸聚合：核糖1C位与碱基(嘧啶1N/嘌呤9N)形成糖苷键，所合成核苷

核糖3C位与5C位之间形成磷酸二酯键连接单核苷酸成为核酸链糖苷键(glycosidicbond)：一个环状单糖半缩醛（或半缩酮）羟基与另一个分子（比如醇、糖、嘌呤或嘧啶）羟基、胺基或巯基之间缩合形成缩醛键或缩酮键，常见糖苷键有O-糖苷键和N-糖苷键核苷酸之间或脱氧核苷酸之间只有碱基不一样，所以可用碱基排列次序代表RNA或DNA组成次序，称为一级结构医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第22页核苷酸类型：dAMP、dGMP、dCMP、dTMP——DNAAMP、GMP、CMP、UMP——RNA少许修饰碱基(稀有碱基)：6-甲基嘌呤、5-甲基胞嘧啶、5-羟基胞嘧啶等，主要分布于RNA分子上环化核苷酸：3',5'-环化腺苷酸cAMP

3',5'-环化鸟苷酸cGMP细胞分子基础第二信使→→医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第23页2.DNA摩尔浓度：A=TG=C1953年Watson和Crick提出DNA分子双螺旋结构模型(B-DNA)(β-DNA)脱氧核苷酸由磷酸二酯键连接，方向一条5'→3'，另一条3'→5'两条链围绕同一个中心轴，右手螺旋方向盘绕成双螺旋碱基互补标准：A=TG≡C相邻碱基之间距离0.34nm，10个碱基组成一个螺距3.4nm螺旋直径2nm；右手螺旋结构上存在两条凹沟：大沟和小沟DNA高级结构：DNA与蛋白质结合，盘波折叠形成染色体(chromosome)细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第24页细胞分子基础碱基互补标准：A=TG≡C医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第25页DNA结构细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第26页DNA主要功效：储存、复制、传递遗传信息遗传信息以碱基排列次序方式蕴藏于DNA分子中一段DNA分子由n个核苷酸组成，排列次序4n种，造成遗传信息多样性、生物多样性生物体一套完整单倍遗传物质——基因组（染色体组）人类基因组DNA碱基数31.647亿个bp碱基对;A+T54%G+C38%编码序列——外显子：1.1%~1.4%；内含子：24%；非编码：75%基因数目：2~3万个（Celera企业：

2.6383万到3.9114万个之间

）；基因长度：2~30Kbp重复序列：50%以上；个体间核苷酸差异：0.1%遗传信息表示：复制(replication)——半保留复制转录(transcription)DNA→RNA翻译(translation)RNA→蛋白质细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第27页3.RNA跟DNA相同：由3',5'-磷酸二酯键连接而成跟DNA区分：U替换T；戊糖核糖2C不脱氧RNA单链可折叠，形成局部双螺旋——发夹结构(1)mRNA

占细胞内总RNA1%~5%每三个核苷酸组成1个密码子，决定1个aa真核生物mRNA特有：5'端有帽子结构——7-甲基三磷酸鸟苷，3'端有多聚腺苷酸尾巴PolyAmRNA分子中每三个相邻碱基，组成一个密码子(codon)，密码子确定氨基酸组成真核生物mRNA在合成后，需要一系列加工，成为合成蛋白质模板细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第28页原核细胞mRNA是多顺反子(polycistron)——一个RNA分子可携带几个蛋白质遗传信息，指导几个蛋白质合成真核细胞mRNA是单顺反子(monocistron)——每分子RNA只携带一个蛋白质信息两种细胞mRNA5'端和3'端，各有30至几百个核苷酸非翻译区，是翻译调控靶点动物细胞主要RNA种类和功效：细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第29页(2)rRNA占RNA总量80％～90％，分子量在RNA中最大rRNA呈单链结构，主要功效参加组成核糖体真核细胞核糖体（80S）含5S、5.8S、28S和18S四种rRNA原核细胞核糖体（70S）含5S、23S和16S三种rRNA核糖体是细胞合成蛋白质机器，rRNA占核糖体总量60%，蛋白质占40%细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第30页(3)tRNA占细胞RNA总量5％～10％分子量较小，含70～90个核苷酸；特点是含稀有碱基tRNA部分折叠成双链，结构呈三叶草形，tRNA3'末端CCA-OH共价结合特定氨基酸反密码环上三个碱基组成反密码子(anticodon)，反密码子可识别mRNA上对应密码子，并结合（配对）tRNA功效是转运氨基酸到核糖体合成蛋白质反转录病毒在细胞内复制时，需要细胞内tRNA为引物，如：色氨酸-tRNA、脯氨酸-tRNA细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第31页(4)snRNA真核细胞核内小分子RNA，含70~300个核苷酸，称小核RNA(smallnuclearRNA,snRNA)不及总RNA1%，但snRNA拷贝数很多，约100~200万个/细胞已发觉snRNA20各种，大多富含尿苷酸（U），称U-snRNAU-snRNA5'端含甲基化稀有碱基，形成特有帽子结构，常见为2,2,7-三甲基三磷酸尿苷（m32,2,7Gppp）主要功效：参加基因转录产物加工细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第32页(5)miRNAmicroRNA(微小RNA)，长21~25nt非编码RNA，其前体70~90nt，含有发夹结构最先在秀丽隐小杆线虫发觉，随即在哺乳动物中不停发觉新miRNAmiRNA普遍存在于生物界，含有高度保守性细胞分子基础被转运蛋白从细胞核运到细胞质RISC，RNA-inducedsilencingcomplex医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第33页Dicer酶是双链RNA专一性RNA内切酶；Dicer酶可将外源双链RNA也加工成22nt左右siRNA(smallinterferenceRNA)；siRNA一样使序列互补mRNA降解，从而高效、特异阻断特定基因表示，这种现象“RNA干扰(RNAinterference,RNAi)”RNA干扰发觉，不但揭示了细胞内基因缄默机制，已经成为基因功效分析有力工具(6)piRNApiRNA(Piwi-interactingRNA)29~30nt小型RNA分子，哺乳类睾丸生殖细胞中，与Piwi蛋白结合→piRNAcomplex,piRC，发挥RNA缄默效应细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第34页(7)核酶(ribozyme)1981年ThomasCech在原生动物四膜虫中发觉含有酶活性RNA，当去除全部蛋白质后，rRNA剪接仍可完成核酶是RNA分子，底物也是RNA分子，经过与序列特异性靶RNA分子配对，而发挥作用当前发觉了各种类型含有催化活性天然核酶人工合成锤头状和发夹状核酶，功效很好可依据锤头结构模式，设计破坏致病基因转录产物，为基因治疗提供新路径细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第35页蛋白质表示遗传信息蛋白质占细胞干重50%以上，决定细胞形态结构、执行主要生理功效1.蛋白质组成氨基酸(aminoacid,aa)由一个α羧基(COOH)，一个α氨基(NH2)和一个特异侧链基团(－R)组成组成蛋白质氨基酸仅为：20种天然氨基酸，分为四大类：非极性疏水性氨基酸、极性中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸细胞分子基础酸性氨基酸：谷氨酸、天冬氨酸碱性氨基酸：精氨酸、赖氨酸、组氨酸一个氨基酸羧基与另一个氨基酸氨基脱水缩合成肽键，组成肽链医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第36页细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第37页2.蛋白质结构氨基酸种类、数量和排列次序，组成蛋白质一级结构1958年JohnKendrew首次确定了153aa组成肌红蛋白三级结构蛋白质共同结构特征：肽链折叠新生肽链经过折叠和构象调整，才含有功效；可溶性蛋白质——分子伴侣，参加辅助蛋白质折叠和构象形成二级结构：某一段肽链空间结构，是因为肽链内氨基酸残基之间有规则形成氢键结果，包含α-螺旋和β-折叠片细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第38页α-螺旋：3.6个aa盘旋一周，相邻螺旋之间，肽键-NH中H与-COO，形成氢键，与螺旋长轴平行细胞内多肽合成后，自发形成α-螺旋，这是多肽链最稳定构象，主要存在于球状蛋白分子中β-折叠片：多肽分子处于伸展状态，多肽链重复折叠，反向平行，相邻肽段之间形成氢键β-折叠片主要存在于纤维状蛋白分子中大多数蛋白质中此两种结构同时存在医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第39页三级结构：指肽链不一样区域氨基酸侧链间相互作用而形成肽链折叠。主要化学键：氢键、离子键、疏水作用和范德华力三级结构基本单位是结构域(二级结构多肽链，连接并折叠成紧密球形结构；含有特殊功效，与蛋白质活性相关)三级结构蛋白质即表现出生物学活性，一些蛋白质结构复杂，需要一条以上含有三级结构肽链组成，形成四级结构四级结构：两条以上含有独立三级结构多肽链，经过非共价键相互连接形成多聚体。每条含有独立三级结构多肽链则称为此蛋白质亚基拥有四级结构蛋白质，只有所有亚基结合一起，才含有生物学活性；比如体内大多数酶细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第40页细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第41页一些试剂，如尿素，能够破坏折叠蛋白中非共价键，是蛋白质去折叠，变成涣散肽链，这个过程叫做蛋白质变性上述变性可逆，去掉尿素，加入适量还原剂，如β-巯基乙醇，变性蛋白质能够重新折叠，恢复变性蛋白质可以重新折叠，恢复原来构象，叫做复性3.蛋白质结构与功效关系蛋白质功效取决于其构象；血红蛋白β链第6位谷氨酸被缬氨酸取代，形成异常血红蛋白(构象改变)，镰刀形红细胞贫血结构域(多肽链独立折叠单位)包含aa在40～350之间，每个蛋白质分子有1至多个结构域，不一样结构域有不一样功效；含有类似结构域蛋白质往往有类似功效细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第42页蛋白质功效发挥与其构象不停改变亲密相关；比如蛋白质磷酸化与去磷酸化可引发构象改变蛋白质磷酸化：将ATP末端一个磷酸基团共价连接到蛋白质丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸侧链羟基基团上；由蛋白激酶催化磷酸化，由蛋白质磷酸酶催化去磷酸化蛋白质磷酸化与去磷酸化是真核细胞完成信息传递分子基础细胞分子基础一类GTP结合蛋白，其活性受控于与GTP还是GDP结合；与GTP结合有活性，与GDP结合无活性GTP结合蛋白活化或去活化跟信息传递相关医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第43页4.一类特殊类型蛋白质——酶生物体内有催花活性蛋白质，特点：催化效率极高、高度专一性、高度不稳定性一些氨基酸残基因折叠而彼此靠近，形成催化区域——活性中心一些酶有变构位点可结合变构剂，影响构象，调整酶活性多糖存在于细胞膜表面和细胞间质中细胞中分布大量线性大分子和分支大分子糖类，其中短链为寡糖，是由许多不一样单糖分子组成非重复短链，通常与蛋白质或者脂质连接在一起，形成细胞表面一部分糖主要存在形式：糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂、脂多糖糖蛋白：共价结合糖蛋白质，糖链与肽链连接方式有两种：细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第44页①N-糖肽键指糖碳原子上羟基，与肽链天冬酰胺残基上酰胺基，脱水形成糖苷键②O-糖肽键指糖碳原子上羟基，与肽链氨基酸残基(丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸)羟基，脱水形成糖苷键糖脂：含糖类脂质，分为四类：鞘糖脂(哺乳类主要存在形式)、甘油糖脂、磷酸多萜醇衍生糖脂、类固醇衍生糖脂哺乳类鞘糖脂：中性鞘糖脂、神经节苷脂(含唾液酸)、硫苷脂(硫酸化)质膜上新发觉复合糖类——糖基磷脂酰肌醇(GPI)，可结合一些蛋白使之锚定在质膜上糖链在组成细胞抗原、细胞识别、细胞粘附、信息传递中均发挥主要作用细胞分子基础医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第45页细胞起源与进化原始细胞形成地球上原始生命诞生无机小分子形成有机小分子生命起源于早期地球“有机汤”有机小分子形成生物大分子生物大分子组成多分子体系多分子体系演变为原始生命核酸-蛋白质微滴增大分裂，周而复始。出现原始新城代谢和遗传特征——原始生命产生医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第46页Miller模拟试验医学细胞生物学细胞的概念和分子基础第47页原始细胞形成含有自我复制能力多聚体形成原始核酸