医学细胞生物学-细胞的分子基础、起源和进化

第二章细胞的分子基础起源和进化MolecularVasis,OriginandEvolutionofCell,第一节细胞的化学及分子组成第二节细胞的形成第三节原核细胞与真核细胞第四节细胞的形态、大小和数目第五节病毒,原生质（protoplasm）:活细胞中的生命物质的总称。构成原生质的物质包括：1无机化合物：水、无机盐等；2有机化合物：蛋白质、核酸、酶、脂类、糖类。生物分子（biomolecules）:糖类、脂类、蛋白质、核酸、酶、维生素等。生物大分子（biologicalmacromolecules）:分子量巨大，结构复杂，决定生物体重要的生命活动。包括蛋白质、核酸、酶等。,绪论,第一节细胞的化学及分子组成（Chemicalcomposeofthecell）Elementcomposeofthecell59%Hydrogen(H)，24%Oxygen(O)，11%Carbon(C)，4%Nitrogen(N)，2%Others:Phosphorus(P),Sulphur(S),etc.Majorelement：C、H、O、N、P、SMinorelement：Ca、K、Na、Mg、Cl、Fe、Zn、Mn、Mg、I.,Asfarasmoleculesthatmakeupthecell50%protein15%nucleicacid15%carbohydrates10%lipids10%Other,etc.,Cellsarethebasicbuildingblocksofalllivingcreatures.However,theydidnotalwaysexistascells.EachcellisformedfromavarietiesofmoleculesthatcanbeclassifiedintoseveralmajorfamiliessuchasNucleicAcidsandAminoAcids.,Throughcyclesofselectionfromenvironmentalpressures,thesemoleculescometogethertoformthefirstprimitivecell,forthesolepurposeofultimatesurvival.Inthissection,youwillmeetmanyofthemoleculesthatcomposethecell.Youmayselectfromthefollowingfamiliesofmolecules:,（一）水水的生理功用：参与细胞的构成；调节体温;在物质代谢中作为良好的溶剂；促进化合物呈离子状态，利于反应进行；有润滑作用；能促进生化反应的进行，或直接参加反应。水的存在形式：游离水(占95%)、结合水(占5%)。,（二）无机盐1维持体液的渗透压与酸碱平衡细胞外液渗透压主要由Na+,Cl-维持,胞内液由K+,HPO42-维持。电解质可形成缓冲对,维持体液的酸碱平衡。2维持或影响酶的活性（1）作为酶的辅酶的组成部分，碳酸苷酶需Zn2+（2）作为酶激活剂或抑制剂：Cl-能激活唾液淀粉酶3构成骨骼，牙齿及其它组织4构成体内有特殊功能的化合物：如血红蛋白和细胞色素中的铁、维生素B12中的钴、甲状腺素中的碘。,二、有机化合物（一）糖类（Carbohydrate）:结构通式为Cm(H2O)n生理作用：Sugarsprovidetheenergyresourceforcells.Thesimplestformofsugar:glucose,featuresa6-carbonringandhasthechemicalcompositionofC6H12O6.Glucoseistheprincipalfoodsourceforcells.Evenlargersugars,calledpolysaccharides,aredigestedintoglucosebeforebeingconvertedintoATP.Thechemicalreactionforconvertingglucoseintoenergyisasfollows：,C6H12O6+6O2-6CO2+6H2O+energySugarisalsousedasaformofenergystorageincells.Inanimalcells,polysaccharides(longrepeatingstructurecontainingglucose)intheformofglycogenareusedtostoreenergy.Plantcellsusestarchtostoreenergy.,三种有机物在体内的代谢途径,（二）脂类（lipids）脂类是不溶于水而易溶于非极性有机溶剂的一类有机化合物，细胞中的脂类主要有脂肪、磷脂、糖脂和固醇等。脂类与糖类一样，其分子主要由C、H、O三种元素构成。脂肪是由3分子脂肪酸与1分子甘油连接形成的甘油三脂，甘油三脂不溶于水，在细胞质中聚集成脂肪滴，在细胞需要能量时，脂肪酸能从甘油三脂中释放出来，经氧化分解后放出能量。因此细胞中脂肪的功能主要是贮藏能量。,脂类的生理作用,脂类有独特而重要的功能，如参与生物膜和原生质的构建、是生物体的贮能物质、构成生物体表面的保护层、保持动物正常的体温、参与构成一些重要的生物活性物质;提供必需的脂肪酸；协助脂溶性维生素的吸收。,（三）蛋白质（protein）蛋白质功能：细胞的组成物质;参与代谢；运动；防御；运输，调节等。Proteinsconsistofstrandsofaminoacidsfoldedintoaspecificshape.Thedifferentproteinstructurescanbeclassifiedbyfourlevelsoffolding,eachsuccessiveonebeingconstructedfromtheprecedingone.,氨基酸(aminoacid)：是蛋白质分子的组成单位。1氨基酸的元素组成C、H、O、N，S等；2种类天然氨基酸有300余种，构成机体蛋白质的氨基酸有20种；3结构特点-C上同时有氨基和羧基，为两性电解质。,AminoAcids：Aminoacidsarethesubunitsofproteins.Eachproteinisformedbyachainofaminoacidslinkedtogetherthroughpeptidebonds.Thechainofaminoacidstakesondifferentshapestoformdifferentproteins.Thevariousshapesallowproteinstotakeondifferentcharacteristicsincells.Thereare20commonaminoacidsthatareresponsibleforformingproteins.Theycanbeclassifiedinto4mainfamiliesbasedontheirchemicalcharacteristics:acidic,basic,unchargedpolar,andnonpolar.,蛋白质的分子结构1肽键（peptidebond）在蛋白质分子中，一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基，通过脱去一分子水所形成的酰胺键叫肽键（-CO-NH-）。肽键的性质：为共价键，长度介于单、双键之间，具有部分双键性质，不能自由旋转。2二肽由两个氨基酸通过肽键而连接而成的结构。3寡肽（oligopeptide）小于10个氨基酸残基的肽。4多肽（polypeptide）由多个氨基酸通过肽键而连接而成的链状结构。,肽键,蛋白质与多肽：蛋白质就是由许多氨基酸残基组成的多肽链，蛋白质和多肽在分子量上很难划分出的界限，习惯上把有39个氨基酸残基的促肾上腺皮质激素叫多肽，而把有51个氨基酸残基的胰岛素称为蛋白质。氨基酸残基（residue）：在肽链中，由于氨基酸因脱水而基团不全，故被称为氨基酸残基。肽链的N-端和C-端：N-端指肽链起始的氨基端，肽链的羧基末端为C-端。N-端NH2-Ala-Gly-Thr-Phe-Ser-COOHC-端,蛋白质的结构蛋白质的种类和功能的多样性决定于构成蛋白质的氨基酸不同种类、数量、排列组合方式及空间构型。在自然状态下，有功能活性的蛋白质分子的多肽链都不是呈直线形排列的，而是经过折叠和盘曲形成特定的三维空间结构。各种有功能的蛋白质都有特定的空间结构，通常将蛋白质的分子结构分四级，即蛋白质的一、二、三、四级结构。,A一级结构（primarystructure）：蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构。蛋白质的一级结构是由基因的遗传密码所控制的。维系键为肽键，少数还有多肽链之间的二硫键。B二级结构（secondarystructure）:蛋白质多肽链主链沿中心轴盘绕、折叠所形成的有规则的主链构象，称为蛋白质的二级结构。维系键为氢键。二级结构的类型包括-螺旋、-折叠、-转角和无规则卷曲等基本类型。,-螺旋-折叠,Normalcellularprionprotein(PrPc),Mutantprionprotein(PrPsc),SymptomsofprioninfectionLossofmotorcontrol;Dementia(痴呆);Paralysis（瘫痪）;Wasting(消瘦);Death;Post-mortem(尸检，死后的)analysisofthebrainshowsholesinthebrain.,C蛋白质的三级结构（tertiarystructure）：蛋白质多肽链在二级结构基础上进一步卷曲折迭成有一定规律的复杂构象，称为蛋白质的三级结构。维系键为各种次级键，其中疏水键具有重要作用。,D蛋白质的四级结构（quarternarystructure）：由两个或两个以上具有独立三级结构的多肽链借次级键缔合而成的复杂结构，称为蛋白质的四级结构。蛋白质分子四级结构中每条具有独立三级结构的多肽链单位称为亚基或亚单位。维系键为各种次级键，二硫键除外。,血红蛋白的四级结构,蛋白质的各级结构,（四）核酸(Nucleicacids）Theproteinsoftodayexistbecauseofthestructuresandactivitiesofvariousnucleicacids.Onegroupofthese,theDNA（deoxyribonucleicacids）,aregiantpolymersthatcarrytheinstructionsformakingproteins;anther,theRNAs,orribonucleicacids,interpretandcarryouttheinstructionscodedintheDNAs.,核苷酸（nucleotide）核酸包括脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）和核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）两种类型。核酸是由许多核苷酸聚合而成的聚合物，每一个核酸分子由几十个乃至几百万个核苷酸构成，彼此相接形成一条长链。一个核苷酸由一分子戊糖、一分子磷酸、一分子含氮碱基构成。其中构成DNA的戊糖是脱氧核糖，构成RNA的戊糖是核糖。,DNA中有四种含氮碱基：腺嘌呤(adenine,A)，鸟嘌呤(guanine,G)，胞嘧啶(cytosine,C)和胸腺嘧啶(thymine,T)。RNA中也有四种含氮碱基：腺嘌呤(adenine,A)，鸟嘌呤(guanine,G)，胞嘧啶(cytosine,C)和尿嘧啶(uracil,U)。,然后由核苷通过戊糖的第5位碳原子(5)上的羟基与磷酸分子的一个羟基脱水形成酯键，从而构成核苷酸。,在形成核苷酸时，先由戊糖的环式结构的第1位碳原子上的羟基(-OH)与含氮碱基中嘧啶的第1位氮原子或与嘌呤的第9位氮原子上的氢脱水形成糖苷键(glycosidebond)而形成核苷，,structureofdeoxyadenosine,核苷酸之间通过3，5-磷酸二酯键相连，多个核苷酸连接在一起形成多聚核苷酸链。由于在多聚核苷酸链的两端，其中一个核苷酸分子中的戊糖环的第3位碳原子(3)上的羟基是游离的，故把这一端称为3端(3end)。,另一端的核苷酸分子中结合于戊糖环的第5位碳原子(5)上的磷酸上的羟基也是游离的，故把这一端称为5端(5end)，以此表明核酸分子结构的方向性。,DNA的双螺旋结构(doublehelixstructure)1953年由J.D.Watson和F.C.Crick提出，观点如下：,ADNA由两条脱氧核苷酸链构成，两条链反向平行，形成双螺旋结构。,B在双螺旋结构中，碱基位于链内侧，戊糖、磷酸位于外侧。,G-Cbasepair,Chargaffsrule:ThecontentofAequalsthecontentofT,andthecontentofGequalsthecontentofCindouble-strandedDNAfromanyspecies,C双螺旋结构结构中，两条链的碱基之间通过H键互补配对，其中A与T配对（形成两个H键），C与G配对（形成三个H键）。,D每一对碱基位于同一平面上，垂直于螺旋主轴，每一对相邻的碱基旋转36度，间距为0.34nm，10个碱基对上升一圈，间距为3.4nm，双螺旋直径为2nm。,线状染色体,染色体,从DNA到染色体,RNA的结构：RNA由单链构成，在细胞中主要有三种，即mRNA(messageRNA),tRNA(transferRNA),rRNA(ribosomalRNA)。,TranscriptionisthemechanismbywhichatemplatestrandofDNAisutilizedbyspecificRNApolymerasestogenerateoneofthethreedifferentclassificationsofRNA.These3RNAclassesare:,1.MessengerRNAs(mRNAs):ThisclassofRNAsarethegeneticcodingtemplatesusedbythetranslationalmachinerytodeterminetheorderofaminoacidsincorporatedintoanelongatingpolypeptideintheprocessoftranslation.,2.TransferRNAs(tRNAs):ThisclassofsmallRNAsformcovalentattachmentstoindividualaminoacidsandrecognizetheencodedsequencesofthemRNAstoallowcorrectinsertionofamino.,3.RibosomalRNAs(rRNAs):ThisclassofRNAsareassembled,togetherwithnumerousribosomalproteins,toformtheribosomes.RibosomesengagethemRNAsandformacatalyticdomainintowhichthetRNAsenterwiththeirattachedaminoacids.Theproteinsoftheribosomescatalyzeallofthefunctionsofpolypeptidesynthesis.,RNA的功能,（五）酶（enzyme，E)EnzymeisProteinmoleculesthatactascatalystsinbiochemicalreactions.定义：酶是生物体内活细胞合成的一种生物催化剂（biocatalyst）。绝大多数酶在化学本质上都是蛋白质。近年来又发现某些RNA分子也具有催化活性(命名为：ribozyme核酶)。,酶的特性：酶与一般催化剂一样，只能催化热力学上允许进行的反应，能改变化学反应的速度而酶本身在质、量上无改变。1高度的专一性或称高度特异性（specificity）；2高度的催化能力；3高度不稳定性；4活性可调性。,第二节细胞的形成（略）,第三节原核细胞与真核细胞（prokaryoticcellandeukaryoticcell）细胞的类型：分原核细胞、真核细胞两大类。,一、原核细胞原核细胞是具有生命物质的最小质块，是一种简单或原始的生命单位，与真核细胞不同，原核细胞不具核膜和膜性细胞器，DNA裸露而不与蛋白质结合。,原核细胞,细胞膜、细胞壁、菌毛、鞭毛等,DNA、质粒（Plasmid）,核糖体、中间体（mesosome）,原核细胞（prokaryoticcell）,二、真核细胞包括植物细胞和动物细胞两大类,电镜下将真核细胞的结构分为膜相(性)结构和非膜相(性)结构两部分。1膜相(性)结构（membranousstructure）包括细胞膜和细胞内由膜包裹的细胞器（organell）。2非膜相(性)结构（non-membranousstructure）非膜相结构(non-membranousstructure):细胞内不由膜包裹的结构，包括：染色质、核仁、核糖体、细胞骨架、细胞质基质和核基质。,真核细胞的细胞膜基本概况：细胞基质原生质细胞质ER、Gc、溶酶体、线粒体、细胞器叶绿体、细胞生活细胞核骨架、核糖体物质后成质（细胞质衍生物）：鞭毛、纤毛等细异质（特化的原生质）：角质、木质、纤维素胞储藏物质：淀粉、糖原、副质（新陈代谢产物）卵黄粒、脂肪粒等分泌物质：油滴、乳液、分泌粒等,真核细胞,原核细胞（prokaryoticcell）和真核细胞（eukaryticcell）比较=特征原核细胞（prokaryoticcell）真核细胞（ecuaryticcell）-代表生物细菌、蓝藻、支原体原生生物、真菌、植物、动物-细胞大小较小（直径110um）较大(直径5100um)-细胞膜有（多功能性）有-核糖体70S（50S+30S大小两个亚基组成）80S（60S+40S大小两个亚基组成）-细胞器极少或无细胞核、线粒体、叶绿体、ER、溶酶体等-细胞核无核膜、核仁有核膜、核仁-染色体一个细胞仅一条双链DNA，一个细胞有两条以上的双链DNA，DNA不与或很少与组蛋白结合DNA与组蛋白结合在一起。DNA环状、存在于细胞质中很长的线状分子，含许多非编码区，外被核膜包裹-,原核细胞（prokaryoticcell）和真核细胞（eukaryticcell）比较=特征原核细胞（prokaryoticcell）真核细胞（ecuaryticcell）-核外DNA细菌有裸露的质粒DNA有线粒体、叶绿体DNA-RNA和蛋白质合成RNA和蛋白质合成R