细胞生物学-第二章-细胞的统一性和多样性.ppt

第二章细胞的统一性与多样性第一节细胞的基本概念,一、细胞是生命活动的基本单位细胞是由膜包围的能独立进行繁殖的原生质团，是生命活动的基本单位。,1、一切有机体由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位,只有病毒是非细胞形态的生命体,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。细胞表现为严格有序的、自动控制的代谢系统，这是由细胞自身的装置及其协调性决定的。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，具有遗传的全能性。5、没有细胞就没有完整的生命。任何破坏细胞结构的完整性，都不能实现细胞完整的生命活动。如10个基因在试管里都能表达，若同样10个基因在细胞内，它们能否表达及表达的程序将受细胞内环境在时间和空间上严格控制。,二、几个重要概念,原生质(protoplasm)：指活细胞的全部活物质,包括细胞质和细胞核(或类核)。细胞质(cytoplasm)：指质膜以内，细胞核以外的原生质。核质(nucleoplasm,karyoplasm)：指细胞核中的原生质。原生质体(protoplast)：脱去细胞壁的细胞叫原生质体,是一生物工程学的概念。如植物细胞和细菌(或其它有细胞壁的细胞)通过酶解使细胞壁溶解而得到的具有质膜的原生质球状体。动物细胞就相当于原生质体。,三、细胞的大小及体积的恒定,细胞最为典型的特点是在一个极小的体积中形成极为复杂而又高度组织化的结构。典型的原核细胞的平均大小在110m之间，而真核细胞的直径平均为330m，一般为1020m。,细胞体积的守恒定律器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关，这种现象称之为细胞体积的守恒定律。,细胞及细胞器的计量单位有两种计量细胞大小的单位，微米(m)和纳米(nm)。1m等于10-6m，1nm等于10-9m。使用电子显微镜后又提出埃(angstrom，)为超显微结构的计量单位，1埃()=0.1纳米，但并不常用。较大的细胞器通常用m表示，如细胞核的直径大约是5-10m，而线粒体的长度大约是2m。DNA的宽度为2nm。,四、细胞的基本共性,1.所有的细胞都有相似的化学组成基本元素是碳、氢、氧、氮、磷、硫、钙、钾、铁、钠、氯、镁等。构成2.脂-蛋白体系的生物膜3.DNA-RNA遗传装置4.蛋白质合成的机器-的核糖体5.一分为二的分裂方式,核苷酸核酸氨基酸蛋白质脂肪酸脂质单糖多糖,第二节原核细胞细胞分为：原核细胞：构成原核生物（大多数由单个细胞构成）真核细胞：构成真核生物（有多细胞和单细胞）原核细胞基本特点：遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状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。无典型的细胞核，体积小，仅0.2-10um。,一、支原体目前发现的最小、最简单的细胞，直径一般为0.10.3um。DNA以环状双螺旋形式较均匀地分布在细胞内，无核区。指导合成700多种蛋白质。具有一分为二的分裂方式，区别于病毒。许多支原体能寄生在细胞内繁殖。无细胞壁,形态可随机变化。自身不能合成长链脂肪酸或不饱各脂肪酸，须培养基提供。注：细胞生存与增殖必要条件：细胞膜、核酸和核糖体。如：拟胸膜肺炎病原体、呼吸道病、关节炎、尿道炎等。,肺炎支原体,支原体(mycoplasma)：目前发现的最简单、体积最小的原核细胞，也是惟一一种没有细胞壁的原核细胞。,二、细菌和蓝藻（一）细菌细胞,大肠杆菌,1、细菌特点：（）细菌细胞的核区与基因拟核：没有核膜，DNA分子裸露，所含的遗传信息量可编码20003000种蛋白质，空间构建十分精简。细菌细胞的基本特点是：遗传信息量少，内部结构简单，特别是没有分化成以膜为基础的专门结构和功能的细胞器与核膜。细菌DNA复制时，不受细胞分裂周期的限制，可以连续进行。细菌基因复制、转录和翻译没有严格的时间上的阶段性和位置上的区域性，可同时进行。,（2）细菌细胞表面的结构a细胞膜双层，由磷脂和蛋白质组成，具半透性和不对称性。功能（多功能性）：选择性地物质运输；细胞膜含有丰富的酶系，执行重要的代谢功能。b中膜体又称间质体或质膜体，由细胞膜内陷形成，可能起DNA复制的支点作用。细胞分裂时，先形成两个中膜体，然后核物质一分为二。c细胞壁主要成分为肽聚糖。d荚膜为位于细胞壁表面的一层粘液物质，主要是由葡萄糖和与葡萄糖醛酸组成的聚合物。作用：细胞免受干燥、保护病原菌免受细胞的吞噬和在营养缺乏时，为细菌提供营养。e鞭毛由鞭毛蛋白的弹性蛋白构成。,（3）细菌细胞核糖体部分附在细胞内侧，大部分游离于细胞质中；核糖体与mRNA形成多聚核糖体；核糖体沉降系数为70S，由50S和30S亚基组成；（4）细菌细胞核外DNA即细菌内部的质粒，能自我复制，并可整合到核DNA中。如大肠杆菌性因子（f因子）、大肠杆菌素因子（col因子）、抗药性因子（r因子）等。质粒常用作基因重组与基因转移的载体。（5）细菌细胞内生孢子细菌在不利环境或营养耗尽时，易生成内生孢子，又称芽孢，它为细菌的休眠体，具有较强的抵抗力。,（二）蓝藻细胞又称蓝细菌，为原核生物，具有光合作用（仅含叶绿素a，不含叶绿素b）。为单细胞生物，遗传物质为环状DNA，但遗传信息量大。体积比其它原核细胞大得多，体积较大直径约10m左右，甚至可达70m(颤藻)。,Cyanobacteria,第三节真核细胞基本知识概要主要特点：以生物膜为基础进一步分化，使细胞内部产生许多功能区室，它们各自分工负责又相互协调和协作。两种主要类型：动物细胞和植物细胞。,一、真核细胞基本结构体系真核细胞是三大基本结构体系：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。,（一）生物膜系统,细胞内具有膜包被结构的总称，主要是各种独立的细胞器。有细胞膜、线粒体、叶绿体、高尔基体、内质网、溶酶体等。功能：为细胞提供保护、使细胞内部结构区室化、为细胞内的物质运输提供了特殊的运输通道（二）遗传信息表达系统包括DNA复制、转录、核糖体的装配和蛋白质的合成该系统又称为颗粒纤维结构系统，包括细胞核和核糖体。细胞核中的染色质是由DNA和组蛋白构成。染色体的一级结构是由核小体组成的串珠结构。核糖体是由RNA和蛋白质构成的颗粒结构，直径为1525nm，由大小两个亚基组成，它是细胞内合成蛋白质的场所。,（三）细胞骨架系统,细胞骨架系统是由一系列特异的蛋白装配而成的网架系统。主要由微管、微丝和中等（间）纤维组成。包括细胞质骨架和细胞核骨架。,二、细胞的大小及其分析,1、细胞体积的守恒定律：同一器官与组织的细胞，其大小在一个恒定的范围之内，器官的大小细胞的数量成正比。2、决定细胞体积的一些因素：（1）体积与表面积：细胞体积与相对表面积成反比。（2）核质比：（3）物质运输：细胞内物质从一端向另一端运输或扩散是有时间与空间的关系。,三、细胞形态结构与功能的关系（动物细胞为主）,细胞的形态结构与功能的具有一致性，这是生物漫长进化过程的产物。,1哺乳动物红细胞：体积很小，直径78m，形如圆盘，中间下凹，边缘较厚。它具有弹性和可塑性，在通过直径比它还小的毛细血管时，可以改变形状，通过后仍恢复原形。,2动物的分泌细胞，如腺细胞（内质网和高尔基体发达，核仁大）吸收表面：形成大量皱褶，内有大量线粒体，增加跨膜运输的效率以及能量供应。分泌表面：形成很多微绒毛，增加表面积，提高分泌效率。,内质网：由一层单位膜形成的囊状、泡状和管状结构，由于靠近细胞的内侧，所以称为内质网。根据内质网上是否有核糖体，将它分为光面内质网和糙面内质网。,rER：合成蛋白质的场所sER：合成脂肪的场所,高尔基体,分为顺面和反面。主要功能是将内质网上合成的蛋白质进行加工、分类与包装，然后分门别类地运送到细胞特定部位或分泌到细胞外。,核仁：,体积一般较大，因为要保证生产足够的核糖体,精细胞:除了携带一套完整的单倍基因组，其他结构装置主要保证其运动与进入卵内。即鞭毛和顶体(类似大溶酶体)。,卵细胞:预先储存大量的mRNA、蛋白质与养料，致使细胞体积骤增。,3生殖细胞：,四、原核细胞和真核细胞的比较,相同点：1.都具有类似的细胞质膜结构；2.都以DNA作为遗传物质，并使用相同的遗传密码；3.都以一分为二的方式进行细胞分裂；4.具有相同的遗传信息转录和翻译机制，有类似的核糖体结构；5.代谢机制相同（如糖酵解和TCA循环）；,6.具有相同的化学能贮能机制，如ATP合成酶（原核位于细胞质膜上，真核位于线粒体膜L）；7.光合作用机制相同（蓝细菌与植物相比较）；8.膜蛋白的合成和插入机制相同；9.都是通过蛋白酶体（蛋白质降解结构）降解蛋白质（古细菌与真核细胞相比较）。,原核细胞与真核细胞的根本区别：细胞膜系统的分化演变；遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化（遗传信息重复序列与染色体的多倍性出现，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）。由于上述的根本差异，真核细胞的体积也相应扩增，细胞内部出现精密的网架结构细胞骨架。（原核细胞更能适应环境）,原核细胞和真核细胞的比较,五、植物细胞与动物细胞的比较相同点：很多重要的细胞器和细胞结构，如细胞膜，核膜、染色质、核仁、线粒体、高尔基体等，具有一分为二的分裂方式。不同点：植物有细胞壁、液泡、叶绿体等。,（1）细胞壁,主要由纤维素、果胶质、半纤维素、木质素等组成。细胞壁某些部位有间隙，原生质由此通过，形成胞间连丝。（2）液泡由脂蛋白膜包围的封闭系统，内部是水溶液，溶有盐、糖、色素等物质，随着细胞生长，可由小液泡合并成大液泡。作用：（1）调节细胞内环境；（2）压力渗透计作用。（3）叶绿体具有光合作用，为半自主性细胞器。,液泡,渗透调节；贮藏；消化作用,六、古核细胞（古细菌）,古细菌（又称原细菌）是一些生长在极端特殊环境中（高温或高盐）的细菌。最早发现的是产甲烷细菌类。如：产甲烷菌、极端嗜盐菌、嗜热嗜酸菌。,从进化方面进行细胞分类,对细菌的分子进化研究发现，在一类能够利用二氧化碳和氢气产生甲烷的厌氧细菌以及生长在极浓的盐水中的盐细菌、可以在自然的煤堆里生长的嗜热细菌、在硫磺温泉中或是海底火山区生长的嗜硫细菌等类群中，核糖体RNA（rRNA）的分子序列与一般细菌的rRNA分子序列十分不同，其相差程度比一般细菌rRNA分子序列与真核生物（细胞中含有细胞核的生物）的rRNA分子序列的差异还要大。据此，科学家认为这些“不一般”的细菌应该代表一个即不同于一般细菌也不同于真核生物的生物类群，因此把它们称为古细菌（或古核生物），而把一般的细菌称为真细菌（或原核生物）。,由于现代的古细菌的生活环境相对比较接近原始地球的环境，因此，地球上最初的原核细胞生物可能是古核生物。有关真核生物的起源，则是由于某种原核生物在某种古核生物细胞内形成了内共生关系的结果。许多科学家推测，最早的真核生物可能早在30亿年前就出现了。真核细胞的直接祖先很可能是一种巨大的具有吞噬能力的古核生物，它们靠吞噬糖类并将其分解来获得其活动所需的能量。当时的生态系统中存在着另一种需氧的真细菌，它们能够将糖类分解得更加彻底以产生更多的能量。这种古核生物将这种原核生物吞噬进体内，但没有将其消化分解掉，而是与之建立起了一种互惠的共生关系：古核细胞为细胞内的真细菌提供保护和较好的生存环境，并供给真细菌未完全分解的糖类，而真细菌消化这些营养物质，从而产生更多的能量，并可以供给宿主利用，双方在进化中就建立起了一种逐步固定的关系。,在古核细胞内共生的真细菌由于所处的环境与其独立生存时不同，因此很多原来的结构和功能变得不再必要而逐渐退化消失殆尽；结果，细胞内共生的真细菌越来越特化，最终演化为古核细胞内专门进行能量代谢的细胞器官线粒体。同时，一方面原来的古核细胞的能量代谢越来越依赖于内共生的真细菌的存在，另一方面为了避免自身的一些细胞内结构、尤其是遗传物质被侵入的真细菌“吃掉”，它们也产生了一系列应激性的变化。首先是细胞膜大量内陷形成了原始的内质网膜系统，限制了线粒体前身真细菌的活动；而后，原始的内质网膜系统中的一部分进一步转化，将细胞的遗传物质包在一起形成了细胞核，这一部分内质网就转化成了核膜。从此，一种更加进步的生命型式诞生了，这就是真核细胞，也就是最初的真核原生生物。,古细菌、真细菌和真核生物主要特征的比较,古核细胞的形态结构、遗传装置虽与原核细胞相似，但一些基本分子生物学特点又与真核细胞接近。现已有更多的论据说明真核生物可能起源于古核生物，论据如下：（1）古细菌的细胞壁成分与真核细胞一样；（2）古核细胞DNA中有重复序列的存在；（3）具有组蛋白；（4）古核细胞的核糖体与真细菌的差异很大，从对抗生素的反应看，应更类似真核细胞的核糖体；（5）根据对5SrRNA的分子进化分析和二级结构的研究，认为古细菌与真核生物同属一类。而真细菌却与之差别甚远。,第三节非细胞形态的生命体-病毒,一、病毒的基本知识病毒（virus）一个核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成的复合体。病毒是寄生物：没有独立的能量代谢与能量转化系统，必须利用宿主细胞结构、原料，能量与酶系统进行增殖。类病毒（viroid）由一个感染性RNA组成朊病毒（prion）又称蛋白质感染因子,仅有感染性蛋白质组成注：同一种病毒内两种核酸不可兼得。,冠状病毒是成人普通感冒的主要病原之一，冠状病毒的一个变种是引起非典型肺炎的病原体冠状病毒是由RNA和蛋白质共同组成病毒，其遗传物质是RNA，有三个结构蛋白，属糖蛋白。它的特点是RNA和RNA之间重组率非常高，出现变异正是由于这种很高的重组率。重组后，RNA变了，其序列发生了变化；蛋白也变了，蛋白的氨基酸序列也变了。,冠状病毒结构模式图:S：突起糖蛋白M：膜糖蛋白E：小包膜蛋白HE：血凝素脂酶糖蛋白;N：核衣壳磷蛋白NC：核衣壳,SARS病毒,目前亚洲流行的禽流感病毒基因组模拟图,病毒的多样性,病毒分类：1、根据宿主范围分动物病毒、植物病毒、细菌病毒2、按病毒核酸的类型、形态、大小、有无包膜等特征分类根据核酸类型分：DNA病毒（单、双链）RNA病毒（单、双链）,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,二、病毒的类型(6类）DNA病毒双链DNA+mRNA蛋白质单链+DNADNA+RNA蛋白质+RNA:指与指导合成的蛋白质在序列上完全一致的mRNA.,RNA病毒1.双链RNA+mRNA蛋白质2.单链+RNA-RNA+RNA蛋白质3.单链-RNA+RNA蛋白质4.单链+RNA-DNADNA+mRNA蛋白质(含反转录酶),三、病毒的结构蛋白质壳体(保护作用,抗原性)核壳体核酸包膜(包膜小体),四、病毒在细胞内的增殖,病毒的复制：病毒在宿主细胞内分别复制病毒核酸与翻译病毒蛋白，然后将核酸与蛋白装配成病毒的基本结构。,病毒的增殖分为4个基本过程:1、病毒侵入细胞，病毒核酸的感染病毒对细胞的感染决定于病毒蛋白外壳同宿主细胞表面的受体能否特异结合，受体分子是宿主细胞膜或细胞壁的正常成分。因此，病毒的感染具有特异性。多数动物病毒主要以细胞吞饮作用的方式进入，但有些有包膜的病毒，以其包膜与细胞融合的方式进入，噬菌体仅将核酸注入细胞中。病毒进入细胞后，壳体被裂解。注：RNA病毒的核酸是在胞质内复制和转录。DNA病毒的核酸是在细胞核内复制和转录。,2、病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成根据核酸类型分：DNA病毒（单、双链）RNA病毒（单、双链）单链DNA病毒分：侵染性RNA病毒非侵染性RNA病毒具逆转录酶的单链RNA病毒,下面以双链DNA病毒、单链RNA病毒与单链RNA肿瘤病毒为例，叙述复制、转录和蛋白质的合成：,（1）DNA病毒的复制、转录和蛋白质的合成DNA病毒进入细胞后，在蛋白水解酶的作用下，壳体裂解，释放出DNA。在病毒DNA指导下，首先翻译出“早期蛋白”。“早期蛋白”作用：关闭宿主细胞基因调控，抑制宿主细胞本身的核酸复制与转录，及蛋白质的合成。起病毒特异性聚合酶的作用，以病毒DNA为模板复制新的DNA，并转录成mRNA，与宿主核糖体结合，翻译病毒结构蛋白。,（2）RNA病毒的复制、转录和蛋白质的合成RNA病毒进入细胞后，在脱衣酶的作用下，壳体裂解，释放出RNA。在病毒RNA指导下，首先翻译出“早期蛋白”。“早期蛋白”作用：关闭宿主细胞基因调控，抑制宿主细胞本身的核酸复制与转录，及蛋白质的合成。起病毒特异性聚合酶的作用，以病毒DNA为模板复制新的DNA，并转录成mRNA，与宿主核糖体结合，翻译病毒结构蛋白。,（3）RNA肿瘤病毒的复制、转录和蛋白质的合成RNA病毒进入细胞后，在酶的作用下，壳体裂解，释放出RNA。以病毒RNA为模板，在反转录酶（本身具有）的作用下，反转录出DNA分子，与宿主细胞染色体的DNA结合，又以整合在细胞DNA上的病毒DNA为模板，转录新的病毒RNA和mRNA，后者和核糖体结合，翻译出病毒蛋白，即病毒结构蛋白或导致宿主转型的蛋白。结果：装配成新的子代病毒，导致细胞裂解；或细胞发生转型，转化为肿瘤细胞。,3、病毒的装配、成熟与释放（1）无包膜的立体对称型病毒：病毒核酸和蛋白质装配成核壳时，就装配成熟，具感染性，释放速度较快。（2）有包膜的病毒：病毒核酸和蛋白质装配成核壳后，穿过细胞膜释放时，在核壳