细胞生物学-02细胞的统一性与多样性

第二章细胞的统一性与多样性,第一节基本概念,一、生命活动的基本单位,有机体的组成和结构单位代谢和功能的单位生长和发育的基础遗传的基本单位具有遗传的全能性没有细胞就没有完整的生命,二、细胞概念的思考,多层次非线性的复杂结构体系；物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体；高度有序的，具有自装配与自组织能力的体系。,三、细胞的基本共性,组成细胞的基本化学元素是相同的，并由这些元素构成无机与有机化合物。具有生物膜结构具有DNA和RNA两种核酸具有蛋白质合成的机器（核糖体）以一分为二的方式进行增殖,第二节非细胞形态的生命体病毒,一、病毒的基本知识,概念病毒（virus）主要是由一个核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成的核酸蛋白质复合体。类病毒（viroid）仅由一个有感染性的RNA构成。朊病毒（prion）是一个更为简单的生命体，仅由有感染性蛋白质构成。动物病毒，植物病毒，细菌病毒DNA病毒（单、双链），RNA（单、双链）成分很多病毒仅由核酸与蛋白质组成，有不少病毒还含一定量的脂质，糖复合物与聚胺类化合物。每个病毒仅含有一个核酸分子，即一个DNA分子或一个RNA分子，在一种病毒内两种核酸不能兼得，这是病毒的最基本的特点之一，也是与细胞的最根本的区别之一。结构壳体核壳,二、病毒在细胞内的增殖病毒侵入细胞（呑饮或膜融合）病毒核酸的复制、转录与蛋白质合成病毒的装配、成熟与释放（膜融合或裂解）,病毒侵入细胞病毒核酸“篡夺”细胞DNA对代谢过程的指导利用宿主细胞的全套代谢机构病毒核酸为模板进行复制与转录翻译病毒蛋白（或称成熟病毒virion）装配成新一代病毒颗粒从细胞中释放出来再感染别的细胞，开始下一轮的周期,三、病毒与细胞在起源和进化中的关系生物大分子病毒细胞生物大分子生物大分子细胞病毒,病毒,细胞,疱疹病毒,腺病毒,人类天花病毒,骨髓灰质炎病毒,第三节原核细胞与古核细胞,原核细胞真核细胞原核生物真核生物20世纪60年代著名细胞生物学家H.Ris把细胞划分为原核细胞（procaryoticcell）和真核细胞(eucaryoticcell)两大类型。原核生物演化为古细菌与真细菌，有科学家建议将生物分为原核生物、古核生物和真核生物三大界，相应地将细胞分为原核细胞、古核细胞和真核细胞。,原核细胞：没有典型的细胞核，即没有核膜将它遗传物质与细胞质分隔开。最基本的特点：遗传的信息量小，遗传信息的载体仅为一个环状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与细胞核膜。原核细胞的体积一般很小，直径0.2-10um。原核生物包括：支原体、衣原体、立克次体、细菌、放线菌与蓝藻等。,一、最小最简单的细胞支原体,最小的细胞，无细胞壁的原核细胞，直径0.10.3m，不少是致病的病原体（呼吸道病、胸膜肺炎、关节炎与尿道炎等），也有很多植物支原体。可以在培养基上生长（立克次体与衣原体不能）。,支原体的特征：支原体具有典型的细胞膜。作为遗传信息的载体是一个环状的双螺旋DNA。mRNA与核糖体结合为多聚核糖体，指导合成约700多种蛋白。以一分为二的方式分裂繁殖。这此特征与作为非细胞形态的病毒是根本不相同的。体积很小，直径一般是0.1-0.3um。仅为细菌的1/10。很多支原体能寄生在细胞内繁殖。支原体具有多形态性。细胞膜所需的脂肪酸需要从外界的生长培养基中摄取，自身不能合成。支原体的环状双螺旋DNA较均匀地散布于细胞内，没有像细菌一样的核区。作为蛋白质合成的“机器”，核糖体是在电镜下唯一可见的细胞内结构。,肺炎支原体,衣原体,二、原核细胞的两个代表细菌和蓝藻,细菌细胞基本知识分类根据细菌的形态可分为：球菌（球状或椭圆形），杆菌（杆状或圆柱形），螺旋菌（螺旋形或弧形）。主要特征细菌细胞没有典型的核结构，但绝大多数细菌有明显的核区或称类核（nucleoid）,主要由一个环状DNA分子盘绕而成，核区四周是较浓密的胞质物质。除核糖体外，没有类似真核细胞的细胞器。细菌细胞膜是典型的生物膜结构，但它具有多功能性。,结构和功能核区与基因组细菌细胞只具有原始形态的核，没有核膜，更没有核仁，结构简单，称为核区或类核。细菌细胞DNA主要盘绕在核区，细菌的核区实际主要由一个环状的DNA分子组成（习称细菌染色体）。在光镜下，核区经特殊染色可以呈现为各种形态，但没有强的Feulgen正反应，说明它与真核细胞核不一样。在高分辩电镜下，可以看到，核区是DNA分子形成的丝状结构。在不到1m3的核区空间内，折叠着长达12001400m的环状DNA，所含的遗传信息足够编码20003000种蛋白。可见细菌DNA结构是十分精巧的。细胞的环状DNA或染色体也可以理解为细菌基因组，一般情况下，细菌的基因组是作为一个复制起始占的独立单位而进行复制，因此它可以被看作为一个复制子。大多数细菌DNA都呈双螺旋，遵循环状DNA分子双向复制的方式进行复制。DNA复制、RNA转录与蛋白翻译可以同时进行，这是细菌乃至整修原核细胞与真核细胞最显著的差异之一。,细菌细胞的表面结构主要指细胞质膜、细胞壁及其特化结构：中膜体、荚膜与鞭毛等，其中细胞质膜是细胞表面的最重要结构。细胞质膜细胞质膜是包围细菌原生质的典型生物膜，同磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的富有弹性的半透性膜。主要功能：吸收营养物质，排出代谢废物，并且有分泌与运输蛋白质的作用。细胞膜的多功能性：如细胞膜内侧含有电子传递与氧化磷酸化的酶系，具有执行真核细胞线粒体的部分功能。细胞膜内侧含有一些酶与核糖体共同执行合成向外分泌蛋白质的功能，细胞膜上还含有细胞色素酶与合成细胞壁成分的酶，可推测细菌细胞膜具有相当于真核细胞内质网与高尔基体的部分功能。,细胞壁细胞壁的共同成分是肽聚糖，由乙酰氨基葡萄糖、乙酰胞壁酸与四五个氨基酸短肽聚合而成的多层网状大分子结构。如革兰氏阳性菌与阴性菌的细胞壁成分与结构差异较大。这也是细菌呈革兰氏阳性反应与阴性反应的重要原因。如革兰氏阳性菌细胞壁厚约2080，层次不清楚，壁酸含量高达90%。革兰氏阴性菌细胞壁厚约10，层次较分明，壁酸含量仅为5%，但其它成分较阳性菌复杂。药物青霉素的抑菌作用主要是通过抑制壁酸的合成，从而抑制细胞壁的形成。故阳性菌因细胞壁的壁酸含量高，故对青霉素很敏感，而阴性菌由于壁酸含量少，对青霉素不敏感。另外，细胞壁对细胞有保护作用，同时对物质的交换也有调节作用。,细菌细胞的核糖体每个细菌细胞约含有500050000个核糖体，只有部分附着在细胞膜内侧，大部分游离在细胞质中。核糖体与mRNA形成多聚核糖体，是翻译肽链的结构。细菌核糖体的沉降系数为70S，由大亚单位（50S）与小亚单位（30S）组成，大亚单位含有23SrRNA，5SrRNA与30多种蛋白质，小亚单位含有16SRNA与20多种蛋白质。细菌细胞核外DNA在细菌细胞内除上述的核区DNA外，还存在可进行自主复制的遗传因子，称为质粒。质粒是裸露的环状DNA分子，所含遗传信息量为2200个基因，能进行自我复制，但它的复制能力或多或少要依赖于宿主细胞的功能。有时质粒能整合到核DNA中去。质粒DNA在遗传工程研究中很重要，常用作基因重组与基因转移的载体。,细菌细胞内生孢子某些细菌处于不利的环境，或耗尽营养时，就容易形成内生孢子，又称芽孢，是对不良环境有强抵抗力的休眠体。细菌细胞内的重要物质，特别是DNA，积聚在细胞的一端，形成一种含水量较丰富的致密体，外被很厚的壁，内生孢子折光性很强，不易染色，具有度过恶劣环境的能力，可以在杀死普通细菌或营养型细菌的条件下依然存活。细菌的增殖先在核区DNA与中膜体接触，环状DNA以膜为支点，按双向复制方式复制为两个DNA子环，此时，中膜体一分为二，遗传物质随之均匀地一分为二，形成两个核区，细胞膜在两个核区之间凹陷、延伸，将两个子细胞分隔开，最后形成新的细胞壁，这种分裂为细菌细胞所特有。,大肠杆菌,弧形霍乱菌,淋病球菌,蓝藻细胞基本知识蓝藻又称蓝细菌（Cyanobacteria），是原核生物，又是最简单的自养植物之一。它能进行与高等植物类似的光合作用（以水为电子供体，放出O2），与光合细菌的光合作用的机制不一样。蓝藻细胞没有进行光合作用的专门细胞器（叶绿体），仅有成分简单的光合作用结构装置（光合片层）。蓝藻细胞的遗传信息载体与其它原核细胞一样，是一个环状DNA分子，但遗传信息量很大，可与高等植物相比。蓝藻的大小与分布蓝藻比其它原核细胞大，直径一般为10um，甚至有的达70um。蓝藻的分布十分广泛。一般生长在土壤、岩石或树皮上，常成片地生长，许多种类在池塘、湖泊、海水、温泉中也常见到。生活中常以单细胞个体或群体存在，当许多个体聚集在一起时，可形成肉眼可见的很大的群体，如囊藻，鱼腥藻在夏秋雨季，常大量繁殖，形成“水华”。,结构与功能中心质在光镜下可观察到蓝藻细胞中央部位较周围原生质明亮，是遗传物质DNA所在部位，它相当于细菌的核区，称为中心质或中央体。胞质与中心质之间无明确的界限，蓝藻的DNA也为裸露的，不与碱性蛋白质结合，复制也是连续的，不局限于某一个特定时间内进行。与细胞的核区不同，中心质DNA含量大，有些种类的DNA平均量比高等动物细胞的含量还多，其量变化也很大。故有人称蓝藻的中心质具有“多倍染色体”的性质。光合（作用）片层光合片层是位于细胞质部位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。,藻胆蛋白分子均由、两个亚基构成，其上各带有14个色素团。藻胆蛋白的作用是将光能传递给叶绿素，即：光能藻胆蛋白叶绿素蓝藻的光合作用效率低，因为它仅含有叶绿素a，而真核细胞含叶绿素a、b。故它是一种原始的光合作用。蓝藻的光合作用又与某些具有光合作用的细菌不一样，蓝藻在进行光合作用时能放出氧气，而光合细菌则不能放出氧气。细胞质内含物细胞表面结构细胞分裂,四、古核细胞（古细菌）古核生物或称古细菌，是一些生长在极端特殊环境中的细菌。现已发现100多种古细菌。如产甲烷细菌类、盐细菌、热原质体、硫氧化菌等。由于古细菌一般生长在非一般生物能生存的高温或高盐的环境中，故长期以来不为人们所重视。古核细胞的结构古核细胞没有核膜，其基因组结构为一环状DNA，常常含有操纵子结构。,古核生物介于原核生物与真核生物之间，更近于真核生物。（进化上）,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。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。,主要证据,第四节真核细胞基本知识概要,一、基本结构体系二、细胞大小