第二章细胞的统一性与多样性

第二章细胞的统一性与多样性,第一节细胞的基本特征第二节原核细胞与古核细胞第三节真核细胞第四节病毒非细胞形态的生命体,第一节细胞的基本特征,一、细胞是生命活动的基本单位二、细胞的基本共性,一、细胞是生命活动的基本单位,细胞是构成有机体的基本单位细胞是代谢与功能的基本单位细胞是有机体生长与发育的基础细胞是繁殖的基本单位：细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性细胞是生命的起源和归宿,人体由200多种不同的细胞组成,二、细胞的基本共性,所有细胞都有相似的化学组成脂-蛋白体系的生物膜DNA-RNA遗传装置一分为二的分裂方式蛋白质合成机器-核糖体,(一)所有细胞都有相似的化学组成,基本元素和无机组成有机组成,1.基本元素和无机组成,构成细胞的基本元素有：C、H、O、N、S、P、K、Ca、Mg等，其中前四种元素占90%以上；细胞的无机物主要有水和无机盐；水约占细胞重量的75-80，其中游离水约95，其余为结合水。无机盐的含量约为1，主要以离子形式存在。,2.有机组成,细胞的有机物主要有蛋白质、核酸、脂类和糖，约占细胞干重的90%以上。一个细胞中约有104种蛋白质，分子数达1011。蛋白质是细胞的结构成分，也是细胞功能的实现者。生化反应的催化剂酶是蛋白质。,细胞中的糖类既有单糖，也有多糖。重要的五碳糖为核糖，重要的六碳糖为葡萄糖。细胞中的多糖有：营养储备多糖，如淀粉、糖原；结构多糖，如纤维素、几丁质。脂类包括：脂肪酸、中性脂肪、类固醇、蜡、磷酸甘油酯、鞘磷脂、糖脂、类胡萝卜素等。脂类参与组成细胞膜和细胞通信，也是重要的能量储备物质。,（二）脂-蛋白体系的生物膜,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。真核细胞中，细胞质膜内陷演化为细胞的内膜体系。,（三）DNA-RNA遗传装置,DNA是遗传信息复制、传递和基因转录的模板，RNA参与蛋白质的合成；基因是编码蛋白质多肽链或RNA的DNA序列。生物体全部基因序列及其间隔称为基因组genome.原核生物的基因组大小约600Kb-9.5Mb，真核生物的约为3Mb-140000Mb。一个能够独立生存的细胞需要约500个基因。RNA参与蛋白质的合成，主要类型有：mRNA/tRNA/rRNA。,第二节原核细胞与古核细胞,一、原核细胞二、支原体最小最简单的细胞三、细菌和蓝藻原核细胞的两个代表类群四、古核细胞（古细菌）,生物界的基本类群,一、原核细胞,没有核膜，DNA为裸露的环状分子，通常没有结合蛋白；没有恒定的内膜系统，核糖体为70S型，通常称为细菌（bacterium）；细胞体积小、繁殖快；细胞进化比较原始。,二、最小最简单的细胞支原体,基本特点结构最小最简单的细胞,1.基本特点,大小：0.20.3m，可通过滤菌器、无细胞壁。细胞膜中胆固醇含量较多：约占36%，凡能作用于胆固醇的物质（如二性霉素B、皂素等）均可引起支原体膜的破坏而使支原体死亡。基因组：为环状双链DNA，分子量小，合成与代谢很有限，肺炎支原体寄生于细胞表面。二分裂繁殖，形态多样。,支原体（A）及其模式图（B）,2.结构,3.最小最简单的细胞,一个细胞生存与增殖必须具备的结构装置与机能是：细胞质膜、遗传信息载体DNA与RNA、进行蛋白质合成的一定数量的核糖体以及催化主要酶促反应所需要的酶，支原体细胞已经具备。从保证一个细胞生命活动运转所必需的条件看，估计完成细胞功能至少需要100种酶，这些分子进行酶促反应所必须占有的空间直径约50nm，加上核糖体（直径约20-30nm），细胞质、核酸等。一个细胞体积的最小极限直径不可能小于100nm，而现在发现的最小支原体细胞的直径已经接近这个极限。,三、细菌和蓝藻原核细胞的两个代表类群,（一）细菌,细菌的基本结构细菌细胞的核区与基因组细菌细胞的表面结构细菌细胞的核糖体细菌细胞核外DNA细菌细胞内生孢子细菌的增殖菌毛,1.细菌的基本结构,分布最广、数量最多。分为：球菌、杆菌和螺旋菌（弧形菌）。直径0.55m之间。,大肠杆菌,淋球菌,肉毒梭菌,弧形霍乱菌,2.细菌细胞的核区与基因组,又称核质体、原核、拟核或核基因组。位于细胞质内，没有核膜和核仁，没有固定形态，结构也很简单。主要物质是一个大型的反复折叠高度缠绕的环状双链DNA分子，长度为0.253.00mm，另外还含有少量的RNA和蛋白质。功能是存储、传递和调控遗传信息。正常情况下，每个细胞中只含有1个核，但由于核的分裂常在细胞分裂之前进行，加上细菌生长迅速，分裂不断进行，故在一个菌体内，经常可以看到已经分裂完成的2个或4个核。细菌在一般情况下均为单倍体，只有在染色体复制时间内呈双倍体。基因的复制与表达在时间与空间上是连续进行的。,革兰氏阳性菌（A）与革兰氏阴性菌,细菌的复制、转录和翻译同时进行,3.细菌细胞的表面结构,细胞质膜中膜体细胞壁荚膜鞭毛,（二）蓝藻,概述结构特征,1.概述,又称蓝细菌，光合作用类似于高等植物，不同于光合细菌。没有叶绿体，但有质膜内陷形成的捕光装置。DNA分子环状，遗传信息可与高等植物相比。体积大，直径10m左右，颤藻可达70m。属单细胞生物，有些以丝状细胞群体存在，如：发菜。,2.结构特征,中心质光合作用片层细胞质内含物细胞表面结构细胞分裂,1）中心质,相当于细菌的核区胞质与中心质之间没有明确界限。DNA裸露，不与碱性蛋白结合，复制是连续的，不局限于某特定时间。DNA含量大，变动也很大。,蓝藻（图2-7）,2）光合作用片层,位于蓝藻细胞质部分的同心环样的膜片层结构，上面规则地排列着直径约35nm左右的小体，称为藻胆蛋白体，它由几种藻胆蛋白构成，其作用是将光能传递给叶绿素a，即：光能-藻胆蛋白-叶绿素a,3）细胞质内含物,蓝藻淀粉、脂滴、蓝藻颗粒、多磷酸酯体、多角体等。形态与细胞的生理状态、细胞的发育、年龄和环境因素有关。,4）细胞表面结构,细胞外具主要由肽多糖组成的胞壁，并往往有粘质胶鞘或胶（胶质层）被包裹。细胞壁：纤维素、肽聚糖；氨基酸比例与G-菌类似。胶质层：易被碱性染料着色，可能是酸性粘多糖和果胶。鞘对于保护蓝藻抵抗不利环境很重要。,5）细胞分裂,细胞以直接分裂增殖。分裂时，细胞中部的膜和内胞壁向内增生，将细胞一隔为二。三向分裂,成单细胞群体，如微囊藻属，或立方形群体，如立方形藻。两向分裂，成平板状群体如平列藻属，或假薄膜组织状，如石囊藻属。单向分裂，成单细胞个体，或成丝状的蓝藻，如念珠藻目的种类。,直接分裂,四、古核细胞（古细菌）,基本特征与真核细胞曾在进化上有过共同历程,1.基本特征,无核膜及内膜系统；以甲硫氨酸起始蛋白质合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、具有内含子和组蛋白。细胞膜中的脂类不可皂化，细胞壁不含肽聚糖。生活在极端环境中，如：产甲烷菌、极端嗜盐菌、极端嗜热菌。,海底烟筒附近也具有古细菌,a:Aquificialespyrophilus；b:Pyrolobusfumarii；,Pyrolobusfumarii可以生活在90-113，pH4.0-6.5。其最适生存温度为106，低于85和高于115则不生长，能在121的高温中存活1小时。,各类生物能忍受的上限温度,古细菌113细菌90真菌60藻类55-60原生动物56维管束植物49鱼类和其他水生脊椎动物38,2.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,1）主要证据,（1）细胞壁成分与真核细胞相似，而非由含壁酸的肽聚糖构成，（2）DNA与基因结构：古细菌DNA中有重复序列的存在。多数古核细胞的基因组中存在内含子。（3）有类核小体结构：具有组蛋白，能与DNA构成类似核小体结构。（4）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，抗生素同样不能抑制古核细胞类的核糖体的蛋白质合成。（5）5SrRNA：古细菌与真核生物同属一类，5SrRNA二级结构的研究也说明很多古细菌与真核生物相似。其他：氨基酰tRNA合成酶的作用，起始氨基酰tRNA，肽链延长因子等分析，说明古细菌与真核生物在进化上的关系较真细菌类更密切。,2）进化系统树,古细菌的细胞膜脂,第三节真核细胞,一、真核细胞的基本结构体系二、细胞的大小及其影响因素三、原核细胞与真核细胞的比较四、植物细胞与动物细胞的比较,一、真核细胞的结构体系,真核细胞的基本结构体系细胞器细胞质基质细胞的网络化结构,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；（细胞膜和内膜）以核酸（DNA或RNA）与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统；（细胞核）由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。（细胞质）：细胞质骨架和核骨架体系。,2.细胞器,细胞器：细胞内特定的功能结构域，有两类，一类是膜围成的，构成内膜系统；另一类细胞器是没有膜包围的。细胞内主要的细胞器有：内质网高尔基体溶酶体胞内体线粒体叶绿体超氧化物酶体细胞骨架中心体核糖体,3.细胞质基质,维持细胞内相对稳定的离子环境。许多代谢过程是在细胞基质中完成的，如蛋白质的合成；核苷酸的合成；脂肪酸合成；糖酵解；磷酸戊糖途径；糖原代谢；信号转导。供给细胞器行使其功能所需要的一切底物。控制基因的表达，与细胞核一起参与细胞的分化。参与蛋白质的合成、加工、运输、选择性降解。,4.细胞的网络化结构,代谢网络（metabolicnetwork）运输网络（transportnetwork）生物膜网络（biomembranenetwork）细胞骨架网络（cytoskeletonnetwork）信号转导网络（signaltransductionnetwork）,二、细胞的大小及其影响因素,细胞大小细胞形态细胞体积守恒定律,1.细胞的大小,大多数动植物细胞在2030m间；一般真核细胞的体积大于原核细胞；卵细胞大于体细胞。,细胞的大小及其调控,2.细胞形态,单细胞生物的形态通常与细胞外沉积物有关。高等生物细胞的形状与细胞功能及细胞间的相互作用有关。细胞骨架对于维持细胞形态具有重要作用。高等动物的细胞离开有机体分散存在时，形状往往发生变化。如平滑肌细胞在体内成梭形，而在离体培养时则可成多角形。,草履虫,眼虫,钟形虫,植物气孔细胞,细胞形态结构与功能的关系,细胞形态结构与功能的相关性是很多细胞的共同特点；红细胞分泌细胞雄性生殖细胞与雌性生殖细胞,木材中的导管,人类红细胞,植物薄壁细胞,巨噬细胞,神经元细胞,人卵与精子,3.细胞体积守恒定律,器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞数量成正比，而与细胞的大小无关，这就是所谓的“细胞体积的守恒定律”。细胞体积之守恒，主要受三个因素的影响：细胞体积与相对表面积成反比；细胞的核与质之间有一定的比例关系；细胞内物质的交流运输与细胞体积有关。,四、原核细胞与真核细胞的比较,细胞基本特征的比较遗传结构装置、基因表达及其调控的比较,原核细胞与真核细胞基本特征的比较,遗传结构装置、基因表达及其调控的比较,定殖于小鼠回肠末端的分节丝状菌,四、植物细胞与动物细胞的比较,细胞壁液泡叶绿体,第四节病毒非细胞形态的生命体,一、病毒的基本知识二、病毒在细胞内增三、病毒与细胞在起源于进化中的关系,一、病毒的基本知识,病毒很小，结构简单；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；遗传载体多样性：DNA病毒/RNA病毒；单链/双链病毒；彻底寄生性；病毒是以复制和装配的方式进行增殖；亚病毒：类病毒（viroid）-仅由感染性的RNA构成；朊病毒（prion）-仅蛋白质亚基构成；,病毒的基本类型,病毒结构的示意图,戊型肝炎病毒的冷冻电镜图片,牛传染性鼻气管炎病毒的超微结构,类病毒的电镜照片,二、病毒在细胞内增,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,三、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,在细胞核内增殖的腺病毒,病毒在细胞中的增殖过程（图2-18）,电镜超微切片下的山羊痘病毒（图2-19）,病毒的核酸类型及其代表科（表2-2）,本章概要（一）,细胞是一切生命活动的基本单位，包括以下几个方面的涵义：（1）一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的形态结构单位。构成多细胞生物体的细胞虽然是“社会化”的细胞，但它们又保持着形态结构的独立性，每一个细胞具有自己完整的结构体系。（2）细胞是有机体代谢与执行功能的基本单位，在细胞内的一切生化过程与试管内的生化过程的根本不同点，是细胞有严格自动控制的代谢体系，并且有保证完成生命过程有序性的独立的结构装置。（3）有机体的生长与发育是依靠细胞增殖、分化与凋亡来实现的。细胞是研究有机体生长与发育的基础。（4）细胞是遗传的基本单位，每一个细胞都具有遗传的全能性（除少数特化细胞）。构成各种生物机体的细胞的种类繁多，结构与功能各异，但它们都具有基本共性：细胞膜，两种核酸（DNA与RNA），蛋白质合成的机器核糖体与一分为二的增殖方式，这些是细胞结构与生存不可缺少的基础。种类繁多的细胞可以分为原核细胞与真核细胞两大类。近年认为原核细胞并不是统一的一大类，建议将细胞划分为原核细胞、古核细胞与真核细胞三大类。支原体是迄今发现的最小最简单的细胞，它已具备细胞的基本结构，并且有作为生命活动基本单位存在的主要特征。作为比支原体更小更简单的细胞，又要维持细胞生命活动的基本要求，似乎不大可能。,本章概要（二）,细菌与蓝藻是原核细胞的两个重要代表。原核细胞的