细胞的统一性与多样性.pptVIP

第二章 细胞的统一性与多样性,2.1 细胞的基本概念 2.2 非细胞形态生命体 病毒 2.3 原核细胞与真核细胞 2.4 真核细胞基本知识,2.1,2.2,2.3,2.4,作业,2.1.1 如何理解细胞的基本概念 2.1.2 细胞概念的一些新思考 2.1.3 细胞的化学组成 2.1.4 细胞的基本共性,Return,2.1.1,2.1.2,2.1.3,2.1.4,2.1 细胞的基本概念,The order and organisation of life,Environment,Organism,Tissue,Protoplasm (cell),Nucleus,Chromosome,Gene,Needham (1936): “Order and Life”,什么是细胞？ 细胞是由哪些物质组成的？ 细胞有那些特点？,细胞概念的演变：,细胞是极小的封闭状小室； 细胞是由细胞膜包围的一团原生质，分化为细胞核与细胞质； 细胞是有机体形态结构的基本单位； 细胞是形态与生理的基本单位； 细胞是组成有机体的结构与功能的单位； ,现在普遍接受的细胞概念：,细胞是生命活动的基本单位。,如何理解这一概念？,Return,2.1.1 细胞是生命活动的基本单位,1. 一切有机体都是由细胞构成的，细胞是构成有机体的基本单位； 2. 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； 3. 细胞是有机体生长与发育的基础； 4. 细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性； 5. 没有细胞就没有完整的生命。,Return,一切有机体都是由细胞构成的； 人体是由细胞构成的。 受精卵 个细胞 刚出生的婴儿 21012 个细胞 成人有机体 1014 个细胞,Return,2.1.2 细胞概念的一些新思考,细胞是多层次非线形的复杂结构体系； 细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体； 细胞是高度有序的、具有自主装配与自组织能力的体系； ,Return,2.1.3 细胞的化学组成,细胞是一种复杂的物理化学系统，其化学组成可从两方面来分析： 从化学元素组成上分析； 从物质组成上分析。,Return,元素组成：,自然界中有100多种化学元素，对构建细胞必需的元素只有约22种。其中： C、H、O、N 约占90%； S、P、Na、Ca、K、Cl、Mg、Fe约占9%； B、Si、V、Mn、Co、Cu、Zn、Mo约占1%。,Return,物质组成,水 无机盐类 蛋白质 多糖 脂类 核酸 一些有机化合物（如细胞代谢的中间产物和维生素） ,Return,细胞中各主要成分的相对含量,生命来自于水，细胞中水的含量最高，通常占细胞总量70%80%。细胞中的所有反应都是在水中进行的，所以水是细胞生命的活动介质。,水在细胞生命系统中保持稳定的液态，具有许多重要的功能。,1. 各种生物都有保持其细胞恒定水分的机制； 2. 水是生命的基本溶剂，细胞的所有生命反应都是在水溶液中进行的，水环境是细胞代谢的基本条件； 3. 细胞质是以蛋白质为主的胶体系统，胶体的形成需要水的结合，同时水是细胞质胶体结构的分散介质； 4. 水是细胞膜形成的条件； 5. 细胞中的水有结合水和自由水之分，结合水约占全部水分的4.5%。,Return,无机盐类是细胞生命所必需的条件，在细胞中常以离子形式存在，或溶于细胞液中，或与蛋白质、脂类和其他分子特异结合，从而对细胞的生命过程发挥重要作用。根据其作用，可分为四大类：, 大分子的结构成分：主要是 C、H、N、O、P、S等； 各种酶反应所需的主要离子，包括 Ca2+、Cu2+、Mg2+、K+、Na+、Cl- 等； 各种酶活性所需的基础微量元素，包括 Co2+、Cu2+、Fe3+、Mn2+、Zn2+等； 某些生物需要的特殊微量元素，如I、Se、Br等。,无机盐类在细胞生命活动中的主要功能有：,1. 维持细胞内的pH和渗透压，以保持其正常的生理活动； 2. 离子与细胞内的细胞器和生物大分子结合组成具有特定功能的结合蛋白，参与细胞生命活动，并可作为酶反应的辅助因子。,某些阳离子在细胞中的作用,Return,盐浓度的大小影响到水的穿膜方向和速度,Return,血影,质壁分离,Ca+： 是植物细胞壁和动物骨骼组织的基质成分; 是凝集酶的辅助因子；,Mg+： 是叶绿素的结构成分；可以激活ATP酶； Zn+： 某些酶 (如羧肽酶等) 的激活因子； Cu+： 构成质体蓝素，也是呼吸酶的辅助因子； Co+： 是维生素B12的成分； PO4-： 是细胞中生物大分子的结构成分(如DNA中的磷酸-糖骨架)，也是ATP的结构成分； SO4-： 是辅酶A、生物素、硫胺素和某些蛋白质的结构成分； BO3-： 激活阿拉伯糖异构酶； I-： 是甲状腺素和其他激素的组分； MoO4-：是某些酶的激活因子； ,Return,蛋白质是表达生命的物质，其首要意义是生命物质。 各种蛋白质的元素组成很近似，都含有 C、H、O、N，多半还含 S，有的还含 P、Fe、Cu、I 等。,蛋白质的结构基础 蛋白质的分类 蛋白质的结构与功能的关系,Return,蛋白质的结构,1. 氨基酸的化学结构通式； 2. 肽键结构； 3. 螺旋与折叠等 4. 蛋白质的一级结构； 5. 蛋白质的二级结构； 6. 蛋白质的三级结构； 7. 蛋白质的四级结构。,Return,蛋白质的分类,按功能分； 按分子构造分； 结合蛋白； 免疫球蛋白；,Return,按功能分：,结构蛋白： 动态蛋白：,包括组成细胞基本结构的蛋白质； 包括细胞外的胶原蛋白、软骨、 骨、角蛋白等；,包括酶、激素、血色素等。,细胞内蛋白质的某些功能,Return,按分子构造分：,纤维蛋白： 球状蛋白：,Return,其肽链或朝长度延伸或螺旋盘旋，肽 链靠氢键维系在一起并形成薄片状或 纤维状；,含螺旋多，多肽折叠的紧密，内部 几乎无空穴可容水分子。,结合蛋白是含有非蛋白成分或辅基的蛋白质，可分为四类：,色蛋白：具有颜色； 糖蛋白：由糖与蛋白质共价连接而成； 脂蛋白：含脂的蛋白质； 核蛋白：与DNA紧密结合，有组蛋白和非组蛋白两类。,Return,免疫球蛋白为由网状内皮组织产生的抗体，抵御外部侵染，简称Ig。,Return,蛋白质的结构与功能的关系:,留给同学们自学。,Return,多糖是由大量的单糖单位构成，可多至成千上万个单糖。 在自然界中已发现200多种单糖，但仅有少数的单糖可构成单糖。,多糖在细胞内的作用 多糖的分类,Return,多糖在细胞内的作用：,作为细胞的结构和支持成分 2. 作为储存在细胞内的能源物质,Return,如纤维素构成植物细胞壁； 几丁质构成节肢动物的外壳； 。,淀粉； 糖原。,多糖的分类：,从功能上分 从结构上分,Return,结构多糖： 营养多糖：,如纤维素、甘露聚糖、几丁质、 透明质酸、粘肽等；,如淀粉、糖原、副淀粉等；,同聚多糖： 异聚多糖：,由相同的单糖所组成，如纤维 素、淀粉、糖原、副淀粉等；,由不同的单糖所组成，如透明 质酸等。,脂类的分类：,脂肪酸 可皂化脂 非皂化脂,中性脂 甘油磷脂 神经鞘脂 糖脂,萜类 类固醇,脂类微溶于水，易溶于非极性的有机溶剂中，在细胞中的主要作用有：, 作为细胞的结构成分，尤其是膜结构； 作为在细胞内储存的能源物质； 作为甾类激素和某些酶或维生素的组分。,细胞中几种主要脂类化合物的分布,Return,核酸是细胞内的遗传物质，担负着储存、复制、表达遗传信息的功能，对于DNA复制和蛋白质合成的认识是理解细胞机能的关键。 这部分内容将在以后的章节中重点讲解。,Return,细胞内除了上面介绍的无机成分和生物大分子物质外，还有许多的有机小分子，包括：,磷酸核苷 环磷酸核苷 吡啶核苷酸 维生素 ,Return,2.1.4 细胞的基本共性,1. 所有的细胞表面都有由磷酸双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜； 2. 所有的细胞都有两种核酸：DNA和RNA作为遗传信息复制与转录的载体； 3. 核糖体存在于一切细胞中，以作为合成蛋白质的机器； 4. 所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂，遗传物质在分裂前复制加倍，在分列时均匀地分配到两个子细胞内，这是生命繁衍的基础与保证。,Return,2.2 非细胞形态生命体病毒及其与细胞的关系,病毒的基本知识 病毒在细胞内的增殖（复制） 病毒与细胞在起源和进化中的关系,Return,2.2.1,2.2.2,2.2.3,（此段内容请大家自学）,2.2.1 病毒的基本知识,病毒是迄今发现的最小、最简单的有机体，是非细胞形态的生命体，但必须在细胞内才能表现他们的基本生命活动。 病毒具备生命活动的最基本特征（复制与遗传），但不具备细胞的形态结构，是不完全的生命体。绝大多数的病毒只有在电镜下才能看到。,迄今已发现的非细胞形态的生命体：,病毒 (virus)：由一个核酸分子 (DNA或RNA) 与蛋白质构成的核酸蛋白复合体。 朊病毒 (prion)：比病毒 (virus) 更简单，仅由有感染性的蛋白质构成。1980年发现，目前对其知之甚少。 类病毒 (viroid)：类似病毒 (virus) 的生命体，仅由一个由感染性的RNA构成。,根据病毒的核酸类型可以将其分为DNA病毒与RNA病毒。 病毒的基本特点（也是与细胞的最根本区别之一）： 在一种病毒粒体内，两种核酸 (DNA与 RNA) 不能兼得。,病毒的核酸复制类型,病毒的化学组成,核 酸,蛋 白 质,其他成分,DNA RNA,外壳蛋白 酶蛋白 运动蛋白 糖蛋白 ,多胺 脂类 金属离子 水 ,病毒的形态结构：,动物病毒形态,植物病毒形态,细菌病毒形态,立体对称型 螺旋对称型,球状 杆状 线状 分枝状二联体,Return,常见病毒的形态与结构,2.2.2 病毒在细胞内的增殖（复制）, 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。,病毒的生活史,Return,2.3 原核细胞与真核细胞,概念与特点 最小、最简单的细胞支原体 原核细胞的两个代表 原核细胞与真核细胞的比较 古核细胞（古细菌）,Return,2.3.1,2.3.2,2.3.3,2.3.4,2.3.5,原核细胞：没有典型的细胞膜，即没有核膜将其遗传物质与细胞质分离。 真核细胞：是遗传信息量大、结构相对复杂的细胞。 原核生物：由原核细胞构成的有机体，几乎所有的原核生物均由单个原核细胞构成，包括古细菌（原细菌，现又称为古核生物）和真细菌。 真核生物：由真核细胞构成的有机体，包括大量的单细胞生物或原生生物（如原生动物与一些单细胞藻类）以及全部的多细胞生物（一切动植物）。,2.3.1 概念与特点,原核细胞的最基本特点：,1. 遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成； 2. 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。,Return,2.3.2 支原体,支原体是目前发现的最简单、体积最小的原核细胞，也是唯一的一种没有细胞壁的原核细胞。,支原体的形态结构,又称霉形体，是最简单的原核细胞，支原体的大小介于细菌与病毒之间，直径为0.1-0.3m，约为细菌的十分之一，能通过滤菌器。支原体形态多变，有圆形、丝状或梨形，光镜下难以看清其结构。支原体具细胞膜，但无细胞壁。它有一环状双螺旋DNA，没有类似细菌的核区（拟核）,能指导合成700多种蛋白质。支原体细胞中唯一可见的细胞器是核糖体（每个细胞中约有8001500个）。支原体可以在培养基上培养，也能在寄主细胞中繁殖。 支原体没有鞭毛，无活动能力，可以通过分裂法繁殖，也有进行出芽增殖的。,Return,2.3.3 原核细胞的两个代表 细菌与蓝藻,细菌细胞 蓝藻细胞,Return,细菌细胞,从形态上分,从进化上分,球 菌：球状或椭圆形 杆 菌：杆状或园柱形 直径0.5-5m 螺旋菌：螺旋形或弧形 巨型菌： 直径 5m,原细菌(古细菌) 真细菌,Bacterial Cell Structure,Nucleoid DNA Cell wall Plasma membrane Ribosomes Outer membrane Capsule Flagella Pili,Nucleoid,DNA in the bacterial cell is generally confined to this central region. Though it isnt bounded by a membrane, it is visibly distinct (by transmission microscopy) from the rest of the cell interior.,Cell Wall,Composed of peptidoglycan (polysaccharides + protein), the cell wall maintains the overall shape of a bacterial cell. The three primary shapes in bacteria are coccus (spherical), bacillus (rod-shaped) and spirillum (spiral). Mycoplasma are bacteria that have no cell wall and therefore have no definite shape.,细菌细胞的增殖方式,Return,蓝藻细胞,又叫蓝细菌，是最简单的自养植物类型之一，能进行与高等植物相似的光合作用，但与光合细菌的光合作用机制不同。 蓝藻无光合作用细胞器，仅有一些光合作用结构装置。 蓝藻与原核细胞一样，是一个环状DNA分子，但遗传信息量大，其细胞直径也大，约10m左右。 关于蓝藻细胞的基本特征，请大家自己总结。,Return,2.3.4 原核细胞与真核细胞的比较,原核细胞与真核细胞的最根本区别 原核细胞与真核细胞差异的重大标志 原核细胞与真核细胞基本特征的比较 原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较 原核细胞与真核细胞的主要差别 原核细胞与真核细胞的相同点 真核细胞所特有的特点,Return,原核细胞与真核细胞的最根本区别:,细胞膜系统的分化与演变 遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化,Return,真核细胞以膜系统的分化为基础，首 先分化为两个独立的部分核与质；细 胞质内又以膜系统为基础分隔为结构更精 细、功能更专一的单位各种细胞器。,由于真核细胞结构与功能的复杂化， 遗传信息量相应随之扩增，即编码结构蛋 白与功能蛋白的基因数首先大大增多。,真核细胞区别于原核细胞的重大标志：, 细胞内部结构与职能的分工； 遗传信息重复序列与染色体多倍性的出现； 遗传装置与基因表达的复杂化与多层次化； 真核细胞内遗传信息的转录与翻译有严格的阶段性与区域性。,Return,原核细胞与真核细胞基本特征的比较,Return,原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较,Return,原核细胞与真核细胞的主要差别,Return,原核细胞与真核细胞的相同点,Return,真核细胞所特有的特点,Return,2.3.5 古核细胞（古细菌）,是上世纪80年代出现的名称，指一些生长在极端特殊环境中的细菌。 古细菌 (archaebacteria) 与真核细胞曾在进化上有过共同历程。 主要证据 进化系统树,Return,主要证据, 细胞壁的成分与真核细胞一样，而非由含壁酸的肽聚糖构成，因此抑制壁酸合成的链霉素，抑制肽聚糖前体合成的环丝氨酸，抑制肽聚糖合成的青霉素与万古霉素等对真细菌类有强的抑制生长作用，而对古细菌与真核细胞却无作用。 DNA与基因结构：古细菌DNA中有重复序列的存在。此外，多数古核细胞的基因组中存在内含子。 有类核小体结构：古细菌具有组蛋白，而且能与DNA构建成类似核小体结构。 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，含有60种以上蛋白，介于真核细胞 (7084) 与真细菌 (55) 之间。抗生素同样不能抑制古核细胞类的核糖体的蛋白质合成。 5S rRNA：据对5S rRNA的分子进化分析，认为古细菌与真核生物同属一类，而真细菌与之差距甚远。5S rRNA二级结构的研究也说明很多古细菌与真核生物相似。 除上述各点外，根据DNA聚合酶分析，氨基酰tRNA合成酶的作用，起始氨基酰tRNA 与肽链延长因子等分析，也提供了以上类似依据，说明古细菌与真核生物在进化上的关系较真细菌类更为密切。因此近年来，真核细胞起源于古细菌的观点得到了加强。,Return,The three kingdoms of organisms are related through common sequences of their ribosomal RNAs. Their lineage depicts a view of how all life on earth, from simple bacteria to complex mammals, evolved from a common, single-celled progenitor.,Return,2.4 真核细胞基本知识概要,2.4.1 真核细胞的基本结构体系 2.4.2 细胞的大小及其分析 2.4.3 细胞形态结构与功能的关系 2.4.4 植物细胞与动物细胞的比较,Return,2.4.1,2.4.2,2.4.3,2.4.4,2.4.1 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； 以核酸 (DNA或RNA) 与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统； 由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。,各种膜的功能有共同性： 保证物质的交换与跨膜运输，信息与能量的传递和化学反应的进行。,膜的厚度 8-10m 范围之内；,三种结构体系的共同点,不论是生物膜的厚度，遗传信息表达体系颗粒与纤维结构的大小，还是骨架纤维的直径都是在 520m的尺度范围，即是纳米级尺度。,2.4.2 细胞的大小及其分析,各类细胞直径的比较,几种细胞的大小,2.4.3 细胞形态结构与功能的关系,细胞的形态 结构与功能的关系,细胞的形态,尽管各类细胞都具一些共同的属性，但不同的细胞由于其结构、功能和所处的环境不同，因而便产生了多种多样的形态。 有 球形（或圆形：球菌、卵细胞）、椭圆形、柱形、圆柱形、方形、星形（神经细胞）、多角形（如在离体培养时的平滑肌细胞）、扁形、杆状、梭形（如在体内的平滑肌细胞）、不定形等。,结构与功能的关系,单细胞生物常是单个细胞独立生活，即便是成群存在，细胞间的关系也不密切，故每种单细胞生物的细胞都有其特有的形状，如呈棒状的杆菌、球形的球菌、弯曲形的弧菌等；单细胞动物或植物的细胞形状要复杂一些，如草履虫像鞋底状、眼虫呈梭形且带有长鞭毛、游扑虫和钟形虫呈袋状等；高等生物是多细胞有机体，细胞大都构成组织，依照细胞在各种组织和器官中所承担的不同功能，分化形成了不同的形状，这些形状一方面取决于对功能的适应