第二章 细胞基础课件

第二章细胞基础Chapter2structuresofthecell第二章细胞基础ConceptionofcellCellwerethebasicunitsofstructureandfunctionoflife

Whyarecellsthebasicunitsoflife?第二章细胞基础A.Thecellisthestructuralunitoflife,Allorganismsismakeupofcells.第二章细胞基础B.Thecellisthefunctionalunitoforganisms.

Allmetabolicactivityisbasedoncells.第二章细胞基础C.Thecellisthefoundationofreproduce,andthebridgeofinheritance.第二章细胞基础D.ThecellisthegrowinganddevelopingbasisoflifeHumanfetaldevelopment.(a)At5weeks,limbbuds,eyes,theheart,theliverandrudimentsofallotherorganshavestartedtodevelopintheembryo,whichisonlyabout1cmlong.(b)Growthanddevelopmentoftheoffspring,nowcalledafetus,continueduringthesecondtrimester.Thisfetusis14weeksoldandabout6cmlong.(c)Thefetusinthisphotographis20weeksold.Nowthefetusgrowstoabout30cminlength.第二章细胞基础E.Cell(nucleus)istotipotent,whichcancreateaneworganismofthesametypeAsageneralrule,thecellsofamulticellularorganismallcontainthesamesetofgenes.Foranimals,thefirstevidencethatevenhighlyspecializedcellcarryafullcomplementofgeneswasverifiedbytheexperimentoftadpolenucleitransplantingintounfertilizedeggthathadbeendeprivedofitsownnucleus.Somecandevelopswimmingtadpoles.Thisisanimalcloning.Anespeciallydramaticexampleofanimalcloningwasreportedin1997.Dollythefirstanimaleverclonedfromacellderivedfromanadult.第二章细胞基础Isthereanypracticalvaluetosuchtechnology?第二章细胞基础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生长发育的基础细胞是遗传的基本单位，细胞具有全能性没有细胞就没有生命第二章细胞基础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，具有自装配与自组织能力的体系

细胞具有高度复杂性和组织性

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；

细胞能进行自我调控；

繁殖和传留后代第二章细胞基础细胞的基本共性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，即细胞膜所有细胞都有两种核酸：继DNA与RNA，作为遗传信息的复制与转录的载体作为蛋白质合成的机器—核糖体，毫无例外的存在于一切细胞内所有细胞的繁殖都以一分为二的方式进行第二章细胞基础第一节

真核细胞

生物膜系统细胞表面的一层单位膜，特称为质膜（plasmolemma；plasmamembrane）。真核细胞除了具有质膜、核膜外，发达的细胞内膜形成了许多功能区隔。由膜围成的各种细胞器，如核膜、内质网、高尔基体、线粒体、叶绿体、溶酶体等。在结构上形成了一个连续的体系，称为内膜系统（endomembranesystem）。

真核细胞的基本机构体系第二章细胞基础内膜系统将细胞质分隔成不同的区域，即所谓的区隔化（compartmentalization）。区隔化是细胞的高等性状，它不仅使细胞内表面积增加了数十倍，各种生化反应能够有条不紊地进行，而且细胞代谢能力也比原核细胞大为提高

膜的细胞空间区分功能膜的信息转到功能物质交换与跨膜运输功能生物膜功能：第二章细胞基础遗传信息表达结构体系细胞核（nucleus）是细胞内最重要的细胞器，核表面是由双层膜构成的核被膜（nuclearenvelope），核内包含有由DNA和蛋白质构成的染色体（chromosome）。间期染色体结构疏松，称为染色质（chromatin）；有丝分裂过程中染色体凝缩变短，称为染色体。其实染色质与染色体只是同一物质在不同细胞周期的表现。第二章细胞基础染色体的数目因物种而异，有的如蕨类植物Ophioglossumreticulum的染色体数多达1260个；有的如马蛔虫Ascarismegalocephala

只有两条染色体。核内1至数个小球形结构，称为核仁（nucleolus）。核仁主要是由RNA-蛋白质与DNA-蛋白质组成，区主要功能时Rrna的转录与核糖体亚单位的装配第二章细胞基础细胞骨架系统存在于质膜与核被膜之间的原生质称为细胞质（cytoplasm），细胞之中具有可辨认形态和能够完成特定功能的结构叫做细胞器（organelles）。除细胞器外，细胞质的其余部分称为细胞质基质（cytoplasmicmatrix）或胞质溶胶（cytosol），其体积约占细胞质的一半。细胞质基质并不是均一的溶胶结构，其中还含有由微管、微丝和中间纤维组成的细胞骨架结构。第二章细胞基础细胞骨架：胞质骨架与核骨架细胞质骨架：微丝、微管和中间纤维核骨架：核纤层和核基质微丝主要成分是肌动蛋白，直径5-7nm，功能可能是信号转到与运动微管主要成分是微管蛋白和一些管结合蛋白，直径24nm，主要功能是对细胞结构起支架作用，对大分子与颗粒结构起运输作用中间纤维成分比较复杂，主要与细胞分化关系极为密切核纤层成分主要为核纤层蛋白，核基质的蛋白成分极为复杂。核骨架与基因表达、染色质构建与排布有关。第二章细胞基础细胞质基质的功能1）具有较大的缓冲容量，为细胞内各类生化反应的正常进行提供了相对稳定的离子环境。2）

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。3）

供给细胞器行使其功能所需要的一切底物。4）

细胞骨架参与维持细胞形态，做为细胞器和酶的附着点，并与细胞运动、物质运输和信号转导有关。5）

控制基因的表达与细胞核一起参与细胞的分化，如卵母细胞中不同的mRNA定位于细胞质不同部位，卵裂是不均等的。6）

参与蛋白质的合成、加工、运输、选择性降解。第二章细胞基础主要细胞器1.内质网（endoplasmicreticulum）：由膜围成一个连续的管道系统。；粗面内质网（roughendoplasmicreticulum，RER），表面附有核糖体，参与蛋白质的合成和加工；光面内质网（smoothendoplasmicreticulum，SER）表面没有核糖体，参与脂类合成。2.高尔基体（Golgibody；Golgiapparatus）：由成摞的扁囊和小泡组成，与细胞的分泌活动和溶酶体的形成有关。3.溶酶体（lysosome）：动物细胞中行细胞内消化作用的细胞器，含有多种酸性水解酶。第二章细胞基础4.线粒体（mitochondrion）：由双层膜围成的与能量代谢有关的细胞器，主要作用是通过氧化磷酸化合成ATP。5.叶绿体（chloroplast）：植物细胞中与光合作用有关的细胞器，由双层膜围成。6.细胞骨架（cytoskeleton）：由微管、微丝和中间丝构成与细胞运动和维持细胞形态有关。7.中心粒（centriole）：位于动物细胞的中心部位，故名，由相互垂直的两组9+0三联微管组成。中心粒加中心粒周物质称为中心体（centrosome）。8.微体（microbody）：由单层单位膜围成的小泡状结构，含有多种氧化酶，与分解过氧化氢和乙醛酸循环有关。第二章细胞基础动物细胞的的结构

第二章细胞基础植物细胞的结构

第二章细胞基础细胞的形状和大小

由于结构、功能和所处的环境不同，各类细胞形态千差万别，有圆形、椭圆形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形，甚至不定形。原核细胞的形状常与细胞外沉积物（如细胞壁）有关，如细菌细胞呈棒形，球形，弧形、螺旋形等不同形状。单细胞的动物或植物形状更复杂一些，如草履虫像鞋底状，眼虫呈梭形且带有长鞭毛，钟形虫呈袋状。

第二章细胞基础一种钟形虫（伪彩色）

第二章细胞基础高等生物的细胞形状与细胞功能和细胞间的相互关系有关。植物叶表皮的保卫细胞成半月形，2个细胞围成一个气孔，以利于呼吸和蒸腾。细胞离开了有机体分散存在时，形状往往发生变化，一般说来，真核细胞的体积大于原核细胞，卵细胞大于体细胞。大多数动植物细胞直径一般在20~30μm间。鸵鸟的卵黄直径可达5cm，支原体仅0.1μm，人的坐骨神经细胞可长达1m。

第二章细胞基础植物气孔SEM照片（伪彩色）

第二章细胞基础第二节

原核细胞与古核细胞

原核细胞（prokaryoticcell）没有核膜，遗传物质集中在一个没有明确界限的低电子密度区（图3-5），称为拟核（nucleoid）。DNA为裸露的环状分子，通常没有结合蛋白，环的直径约为2.5nm，周长约几十纳米。大多数原核生物没有恒定的内膜系统，核糖体为70S型，原核细胞构成的生物称为原核生物，均为单细胞生物。第二章细胞基础基本特点：

遗传的信息量小，一个环状DNA构成；

细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜。主要代表：

支原体（mycoplast）——最小最简单的细胞；

细菌

蓝藻又称蓝细菌（Cyanobacteria）

第二章细胞基础细菌细菌是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体，是大自然物质循环的主要参与者。细菌主要由细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体等部分构成，有的细菌还有夹膜、鞭毛、菌毛等特殊结构（图3-6）。绝大多数细菌的直径大小在0.5~5μm之间。可根据形状分为三类，即：球菌（图3-7）、杆菌（图3-8）和螺旋菌（包括弧形菌，图3-9）。

第二章细胞基础细菌的结构第二章细胞基础淋病球菌第二章细胞基础大肠杆菌TEM照片，核区为低电子密度区

第二章细胞基础大肠杆菌

第二章细胞基础弧形霍乱菌

第二章细胞基础细胞壁

细胞壁厚度因细菌不同而异，一般为15-30nm。主要成分是肽聚糖，由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸构成双糖单元，以β（1-4）糖苷键连接成大分子。

肽聚糖中的多糖链在各物种中都一样，而横向短肽链却有种间差异。细菌细胞壁的功能包括：保持细胞外形；抑制机械和渗透损伤（革兰氏阳性菌的细胞壁能耐受20kg/cm2的压力）；介导细胞间相互作用（侵入宿主）；防止大分子入侵；协助细胞运动和分裂。

第二章细胞基础细胞壁的结构第二章细胞基础细胞膜是典型的单位膜结构，厚约8~10nm，外侧紧贴细胞壁，某些革兰氏阴性菌还具有细胞外膜。通常不形成内膜系统，除核糖体外，没有其它类似真核细胞的细胞器，呼吸和光合作用的电子传递链位于细胞膜上。

某些行光合作用的原核生物（蓝细菌和紫细菌），质膜内褶形成结合有色素的内膜，与捕光反应有关。某些革兰氏阳性细菌质膜内褶形成小管状结构，称为中膜体（mesosome）或间体（图3-11），有拟线粒体（Chondroid）之称，此外还可能与DNA的复制有关第二章细胞基础白喉杆菌的间体

第二章细胞基础细胞质与核质体细菌和其它原核生物一样，没有核膜，DNA集中在细胞质中的低电子密度区，称核区或核质体（nuclearbody）。细菌一般具有1-4个核质体，多的可达20余个。核质体是环状的双链DNA分子，所含的遗传信息量可编码2000～3000种蛋白质，空间构建十分精简，没有内含子。由于没有核膜，因此DNA的复制、RNA的转录与蛋白的质合成可同时进行，而不像真核细胞那样这些生化反应在时间和空间上是严格分隔开来的。第二章细胞基础细菌核区DNA以外的，可进行自主复制的遗传因子，称为质粒（plasmid）。质粒是裸露的环状双链DNA分子，所含遗传信息量为2~200个基因，能进行自我复制，有时能整合到核DNA中去。质粒DNA在遗传工程研究中很重要，常用作基因重组与基因转移的载体。其他结构许多细菌的最外表还覆盖着一层多糖类物质，边界明显的称为荚膜（capsule，图3-12）第二章细胞基础一种细菌的负染照片，显示荚膜

第二章细胞基础鞭毛（图3-13）是某些细菌的运动器官，由一种称为鞭毛蛋白（flagellin）的弹性蛋白构成，结构上不同于真核生物的鞭毛。细菌可以通过调整鞭毛旋转的方向（顺和逆时针）来改变运动状态。

菌毛（图3-14）是菌体表面极其的蛋白纤细，须用电镜观察。特点是：细、短、直、硬、多，菌毛与细菌运动无关，根据形态、结构和功能，可分为普通菌毛和性菌毛两类。前者与细菌吸附和侵染宿主有关，后者为中空管子，与传递遗传物质有关。

第二章细胞基础细菌的鞭毛

第二章细胞基础大肠杆菌的菌毛

第二章细胞基础繁殖

大肠杆菌的分裂

第二章细胞基础支原体

支原体（mycoplasma）的大小通常为0.2~0.3μm，可通过滤菌器。无细胞壁，不能维持固定的形态而呈现多形性（图3-17）。

支原体基因组为一环状双链DNA，分子量小（仅有大肠杆菌的五分之一），合成与代谢很有限。肺炎支原体的一端有一种特殊的末端结构（terminalstructure），能使支原体粘附于呼吸道粘膜上皮细胞表面，与致病性有关。

第二章细胞基础肺炎支原体第二章细胞基础衣原体和立克次氏体

衣原体（Chlamydia）很小，直径200nm-500nm，能通过细菌滤膜。立克次氏体（Rickettsia）略大，大多不能通过滤菌膜。它们都有DNA和RNA，有革兰氏阴性细菌特征的含肽聚糖的细胞壁，但酶系统不完全，必须在寄主细胞内生活，有摄能寄生物(energeparasite)之称。第二章细胞基础附着在内皮细胞表面的立克次氏体和细胞内包含立克次氏体的内吞体

第二章细胞基础蓝藻

蓝藻（图3-20）又称蓝细菌（cyanobacterium），能进行与高等植物类似的光合作用（以水为电子供体，放出O２），与光合细菌的光合作用的机制不一样，因此被认为是最简单的植物。蓝藻没有叶绿体，仅有十分简单的光合作用结构装置。蓝藻细胞遗传信息载体与其它原核细胞一样，是一个环状DNA分子，但遗传信息量很大，可与高等植物相比。第二章细胞基础

项圈藻AnabaenaCyanobacteria第二章细胞基础古细菌

是一类很持殊的细菌，多生活在极端的生态环境中。具有原核生物的某些特征，如无核膜及内膜系统；也有真核生物的特征，如以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白；此外还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征，

第二章细胞基础表3-2原核细胞与真核细胞的区别

第二章细胞基础第三节病毒

病毒（Virus）是一类非细胞形态的介于生命与非生命形式之间的物质。有以下主要特征：①个体微小，可通除滤菌器，大多数必须用电镜才能看见；②仅具有一种类型的核酸，或DNA或RNA，没有含两种核酸的病毒；③专营细胞内寄生生活；④具有受体连结蛋白（receptorbindingprotein），与敏感细胞表面的病毒受体连结，进而感染细胞。第二章细胞基础

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）——仅由感染性的RNA构成；

朊病毒（prion）——仅由感染性的蛋白质亚基构成病毒的基本知识第二章细胞基础病毒的形态和结构

病毒的大小一般在10~30nm之间。结构简单，由核酸（DNA或RNA）芯和蛋白质衣壳（capsid）所构成，称核衣壳（nucleocapsid），衣壳有保护病毒核酸不受酶消化的作用。各种病毒所含的遗传信息量不同，少的只含有3个基因，多的可达300个不同的基因。病毒衣壳由一至几种蛋白组成，病毒的形成不需要酶的参加，只要条件具备，核酸和蛋白质便可自我装配（selfassembly）成病毒。其装配形式有二十面体对称、螺旋对称和复合对称三种类型。二十面体对称型的衣壳蛋白形成二十面体，核酸包在其中；螺旋对称型的衣壳蛋白与核酸呈螺旋形排列，核酸交织在其中；复合对称型为同时具有或不具有两种对称性形式的病毒第二章细胞基础第二章细胞基础一个成熟病毒（Virion）。电镜观察有五种形态；①球形（Sphericity）：大多数人类和动物病毒为球形，如脊髓灰质炎病毒、疱疹病毒及腺病毒等；②丝形（Filament）：多见于植物病毒，如烟草花叶病病毒，人类流感病毒有时也是丝形；③弹形（Bullet-shape）：形似子弹头，如狂犬病毒、疱疹性口炎病毒等，其他多为植物病毒④砖形（Brick-shape）：如天花病毒、牛痘苗病毒等；⑤蝌蚪形（Tadpole-shape）：由一卵圆形的头及一条细长的尾组成，如噬菌体。其中①为二十面体对称；②、③为螺旋对称；④、⑤为复合对称。第二章细胞基础脊髓灰质炎病毒球形（Sphericity）：大多数人类和动物病毒为球形第二章细胞基础烟草花叶病毒

丝形（Filament）：多见于植物病毒，如烟草花叶病病毒，人类流感病毒有时也是丝形第二章细胞基础疱疹性口炎病毒（vesicularstomatitis），形态与狂犬病毒相似，均为子弹形弹形（Bullet-shape）：形似子弹头，如狂犬病毒、疱疹性口炎病毒等，其他多为植物病毒第二章细胞基础砖形（Brick-shape）：如天花病毒、牛痘苗病毒等人类天花病毒（图中深染的颗粒第二章细胞基础蝌蚪形：由一卵圆形的头及一条细长的尾组成，如噬菌体T4噬菌体第二章细胞基础丝状有被膜的病毒（流感冒病毒）有的病毒衣壳外面尚有一层被膜（viralenvelope，图3-26），这层被膜是病毒粒子脱离细胞时，包被上的宿主细胞的质膜，被膜中含有病毒融合蛋白（viralfusionprotein），如流感病毒。病毒融合蛋白在病毒进入宿主细胞时起着关键作用。第二章细胞基础病毒只有在侵入细胞以后才表现出生命现象。病毒的生活周期可分为两个阶段：一个是细胞外阶段，以成熟的病毒粒子形式存在；另一个是细胞内阶段，即感染阶段，在此阶段中进行复制和繁殖。感染阶段开始时，病毒的遗传物质由衣壳中释放出来，注入宿主细胞中，然后在病毒核酸信息的指导控制下，形成新的病毒粒子。病毒的侵染第二章细胞基础根据寄生的宿主不同，病毒可分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒（即噬菌体）三大类。根据病毒所含的核酸的性质和状态不同，可将病毒分为6类1)

双链±DNA→+mRNA→蛋白质，如天花病毒、T-偶数噬菌体。2)

单链+DNA→±DNA→+RNA→蛋白质。3)

双链±RNA→+mRNA→蛋白质，如呼肠孤病毒。4)

单链+RNA→－RNA→+RNA→蛋白质脊髓灰质炎病毒。5)

单链-RNA→+RNA→+蛋白质，如流感病毒、副流感病毒、狂犬病毒。6)

单链+RNA→DNA→±DNA→+mRNA→蛋白质，即逆转录病毒（retrovirus）又称RNA肿瘤病毒（oncornavirus）。病毒的分类第二章细胞基础病毒RNA的碱基序列与mRNA完全相同者，称为正链RNA病毒。这种病毒RNA可直接起病毒mRNA的作用，附着到宿主细胞核糖体上，翻译出病毒蛋白。从正链RNA病毒颗粒中提取出RNA，注入适宜的细胞时有感染性；病毒RNA碱基序列与mRNA互补者，称为负链RNA病毒。负链RNA病毒的颗粒中含有依赖RNA的RNA聚合酶，可催化合成互补链，成为病毒mRNA，翻译病毒蛋白，从负链RNA病毒颗粒中提取出的RNA，因提取过程损坏了这种酶，而无感染性。

第二章细胞基础

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→病毒病毒的进化地位

第二章细胞基础无论是病毒还是类病毒都不具有独立进行生物合成的能力，它们都是细胞的寄生物，因此在进化上病毒的出现可能早于细胞。病毒的前身很可能是在宿主染色体外独立进行复制的质粒（plasmid）。质粒既有DNA型的，也有RNA型的。它与病毒相似之处主要在于，它具有专一的核苷酸序列作为复制的起始部位。但它又不同于病毒，不能制造蛋白质外壳，不能像病毒一样从一个细胞传递到另一个细胞。当DNA质粒获得了为衣壳蛋白质编码的基因时，即意味着病毒出现了。第二章细胞基础病毒能在种间传递核酸序列，因而它在生物进化上起着重要作用。由于病毒核酸往往可同宿主染色体重组，所以病毒核酸就有可能连接上一小段宿主染色体，一同传递到另一种细胞或有机体中。更有甚者，病毒DNA整合到宿主染色体中，变成了宿主基因组的一部分，这部分DNA称为前病毒（provirus）。通过病毒在宿主细胞基因组间传递DNA序列的过程称为DNA转导。在生物工程和分子生物学研究中常通过这种途径来转导目的基因。病毒的某些属性在细胞的生命活动中也具有普遍意义，通过对病毒活动的研究有助于对生命现象的理解。例如：第二章细胞基础1.

自我装配。病毒成分有限，结构简单，但只要成分齐备，条件适宜，即可自动装配成有活性的病毒。2.装配信息来自分子本身。3.遗传密码的统一性。病毒和细胞携带的遗传物质是相同的，使用了同一套遗传密码。4.自我复制。病毒进入细胞后，能够自我复制和繁殖，具有生命特征。第二章细胞基础类病毒