第3章 细胞的统一性与多样性-3版

上课了！,细胞生物学,生命科学与技术学院张晓军教授,第三章细胞的统一性与多样性,细胞的基本概念非细胞形态的生命体病毒及其与细胞的关系原核细胞与真核细胞,第一节细胞的基本概念,细胞是生命活动的基本单位细胞概念的一些新思考细胞的基本共性,第二节非细胞形态的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增殖（复制）病毒与细胞在起源与进化中的关系,第三节原核细胞与真核细胞,原核细胞（Prokaryoticcell）真核细胞（Eukaryoticcell）古核细胞（Archaebacteria）,一、细胞是生命活动的基本单位,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有机体生长与发育的基础细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性没有细胞就没有完整的生命,1、如何认识和理解这一概念,2、细胞是生命活动的基本单位的概念是否适合于病毒。为什么？,二、细胞概念的一些新思考,细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体细胞完成各种化学反应；细胞需要和利用能量；细胞信号的转导及其调控过程细胞是多层次、非线性与多层面的复杂结构体系细胞具有高度复杂性和组织性细胞是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。细胞能进行自我调控；繁殖和传留后代；,有机物无机化合物基本元素C、H、O、N、P、S、Ca、K、Fe、Na、Cl、Mg,复合分子核蛋白脂蛋白糖蛋白糖脂生物大分子核酸蛋白质脂类多糖生物小分子核苷酸氨基酸脂肪酸单糖,细胞的基本结构体系,生物膜体系,遗传信息的复制与表达体系,细胞生命活动的基本单位,三、细胞的基本共性,细胞的结构层次,三、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。所有的细胞都含有两种核酸：即DNA与RNA作为遗传信息复制与转录的载体。作为蛋白质合成的机器核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内。所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。,一、病毒的基本知识,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。,SARS-“非典”,基本结构RNA病毒四种碱基：A、U、C、G基因组大小：三万个碱基,SARS病毒特点病毒本身精巧别致，不带有任何毒素和凝集素，因此可以避开麻痹人体免疫系统而侵入人体。研究进展目前，已确定五个功能基因合成五种自身所需的功能蛋白。其中S蛋白正在做为抗原使用，其他情况不清楚。,治疗方法（1）免疫疗法灭活疫苗：将其内部具有感染能力的RNA通过物理或化学方法灭火，然后将衣壳体（含有S蛋白）注入人体，产生抗体。基因疫苗：通过基因工程技术和分子生物学手段合成S蛋白基因，生产S蛋白，注入人体，激发抗体。DNA疫苗：直接合成抗体基因，接入人体直接产生抗体。（2）药物疗法：寻找特效药,“西维来司钠”化学药物,主要通过抑制由中性粒细胞释放的弹性蛋白酶,来治疗伴有全身性炎症反应综合症及特发性肺纤维化等引发的急性肺损伤.,基因组genomes,衣壳coatprotein,S蛋白S-protein,SARS,二、病毒在细胞内增殖（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,三、病毒与细胞在起源与进化中的关系,1、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,2、病毒是细胞的演化产物的观点的主要依据与论点,由于病毒的彻底寄生性，所有病毒毫无例外，必须要在细胞内复制与增殖，才能表现其基本生命现象，没有细胞的存在也就没有病毒繁殖。因此病毒决不可能起源在细胞之前，只能是先有细胞后有病毒。,已经证明，有些病毒的核酸与哺乳动物细胞DNA某些片段的碱基序列十分相似。癌基因的发现及其研究的深入加强了这种观点。因为细胞癌基因与病毒癌基因具有相似的同源序列，从而普遍认为病毒癌基因起源于细胞癌基因。,病毒可以看作是DNA与蛋白质或RNA与蛋白质形成的的复合大分子，与细胞内核蛋白分子有相似之处。真核生物中，第二类反转录转座子的两端含有长末端重复序列，其结构与整合于基因组上的反转录病毒十分相似。,由此推断：病毒可能是细胞在特定条件下“扔出”的一个基因组，或者是具有复制与转录能力的mRNA。这些游离的基因组，只有回到它们原来的细胞内环境中才能进行复制与转录。,一、原核细胞,基本特点：遗传信息量小，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。主要代表：支原体（mycoplast）细菌（bacteria）蓝藻又称蓝细菌（Cyanobacteria）,（一）最小最简单的细胞支原体,1.支原体的基本形态结构及主要特征2.为什么说支原体是最小最简单的细胞,（二）细菌细胞,1、细菌细胞的核区与基因组2、细菌细胞的表面结构（1）细胞膜：具有多功能性（2）中膜体：可能起DNA复制的支点作用（3）细胞壁：肽聚糖3、核糖体大亚基50S：对红霉素、氯霉素敏感70S小亚基30S：对四环素、链霉素敏感4、核外DNA5、内生孢子,（三）蓝藻细胞,光合作用片层形态：同心圆样的膜片层结构,藻胆蛋白体,藻蓝蛋白,异藻蓝蛋白,藻红蛋白,藻胆蛋白,作用：光能藻胆蛋白叶绿素a,类型,结构：、两个亚基，1-4个色素团,功能：原始的光合作用，放出O2,二、真核细胞,真核细胞的基本结构体系细胞的大小及其分析细胞形态结构与功能的关系原核细胞与真核细胞的比较植物细胞与动物细胞的比较,（一）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系统以核酸（DNA或RNA）与蛋白质为主要成分的遗传信息表达结构系统由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统,（二）细胞的大小及其分析,各类细胞直径的比较,细胞和细胞组分的相对大小,1、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，,2、细胞体积的最小极限,支原体是世界上最小、最简单的细胞一个细胞体积的最小极限直径不可能小于100nm,3、细胞体积的最大极限值,（1）限制细胞体积的因素细胞的体积与相对表面成反比关系细胞的核质之间有一定的比例关系细胞内的物质交流运输与细胞体积之间有关,（2）细胞体积的最大极限值应为数百微米,由于上述种种因素的影响，细胞作为生命活动的基本单位，其体积必然要适应其代谢的要求，应有一定的限度。细胞体积的最大极限值应为数百微米,4、为什么卵细胞不受此限制？,这是因为早期的胚胎发育是受贮存在卵细胞质内mRNA与功能蛋白调控的并利用预先储存在卵细胞内的养料。因此细胞质内储存了大量的mRNA、蛋白质与养料。同时卵细胞一般与外界交换物质较少，卵细胞体积增大主要是因细胞质扩增所致。,（四）原核细胞与真核细胞的比较,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,（五）植物细胞与动物细胞的比较,细胞壁液泡叶绿体,三、古核细胞(古细菌),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,主要证据,（1）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。（2）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。（3）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。（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，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。（5）5SrRNA：根据对5SrRNA的分子进化分析，认为古细菌与真核生物同属一类，而真细菌却与之差距甚远。5SrRNA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。,伊恩维尔穆特苏格兰爱丁堡罗斯林研究所的胚胎学家,结构层次,1,2,Poliovirus小儿麻痹症脊髓灰质炎病毒reovirus呼吸道肠道病毒,乙酰氨基葡萄糖肽聚糖4、5个氨基酸短肽革兰氏阳性菌：含高达90的壁酸乙酰胞壁酸对青霉素敏感革兰氏阴性菌：含5的壁酸对青霉素不敏感,青霉素的抑菌作用主要是通过抑制胞壁酸的合成从而抑制细胞壁的形成而实现的,Prion蛋白质感染因子,PrPc,无折叠4个螺旋,PrPsc,4个折叠2个螺旋,4个折叠,2个螺旋,构象变化,对蛋白酶敏感,对蛋白酶抗性,蛋白质构象致病假说,朊病毒蛋白有两种构象：细胞型（正常型PrPc）和搔痒型（致病型PrPsc）。两者的主要区别在于其空间构象上的差异。PrPc仅存在a螺旋，而PrPsc有多个折叠存在，后者溶解度低，且抗蛋白酶解；Prpsc可胁迫PrPc转化为Prpsc，实现自我复制，并产生病理效应；基因突变可导致细胞型PrPsc中的螺旋结构不稳定，至一定量时产生自发