细胞生物学课件第二章细胞基本知识

第二章.细胞基本知识,内容提要,1.细胞基本概念：定义、结构、形状、大小2.原核与真核细胞：比较3.病毒与蛋白质感染因子：复制4.古核细胞5.支原体、衣原体、立克次氏体,细胞定义：细胞是生命活动的基本单位前人曾对细胞的概念下过各种各样的定义，有以下的一些提法：细胞是有机体形态结构的基本单位；细胞是形态与生理的基本单位；细胞是组成有机体的结构与功能的单位等。这些观点从各个角度来看都有一定的道理。比较普遍的提法是:细胞是生命活动的基本单位。可从以下几方面来认识这个概念:,第一节：基本概念,1.一切有机体均由细胞构成,细胞是构成有机体的基本单位。除病毒外，一切有机体都是由细胞构成，单细胞生物的机体仅由一个细胞构成，多细胞生物的机体根据其复杂程度，由数百乃至万亿细胞构成。有些极低等的多细胞生物，如盘藻，他们实际上是单细胞与多细胞生物之间的过渡类型。,据统计，成人有机体大约有1014个细胞，刚出生的婴儿大约有1012个细胞，1g哺乳动物的肝或肾组织大约有2.5-3亿个细胞。人体中大约有200多种不同类型的细胞，根据其分化程度可分为600多种。它们的形态结构与功能差别都很大，但都由一个受精卵通过分裂与分化而来。,应该指出：构成高等生物体的细胞虽然都是高度社会化的细胞，具有分工与合作的相互关系，但它们又保持着形态与结构的独立性，每个细胞具有自已独立的一套完整的结构体系，构成有机体的基本结构单位。,2.细胞是代谢与功能的基本单位在一切代谢活动与执行功能的过程中,细胞呈现为一个独立的有序的自动控制性很强的代谢体系。细胞生化过程与试管内的根本不同点：细胞表现为严格程序的自控代谢体系，是由细胞自身结构的装置及其协调性所决定的，这是长达数十亿年的进化产物，细胞结构完整性的任何破坏都会导致细胞代谢的有序性与自控性的失调。,3.细胞是有机体生长和发育的基础一切有机体的生长与发育都是以细胞的增殖与分化为基础的,依靠细胞分裂、细胞体积的增长与细胞分化来实现的。4.细胞是遗传的基本单位,具有遗传的全能性无论是低等生物还是高等生物的每一个细胞，结构简单或结构复杂，未分化或分化，性细胞或体细胞都含有全套的遗传信息，即全套的基因,也就是说它们具有遗传的全能性，是遗传的基本单位。,(1)具有一层质膜。质膜保证细胞不受外界条件的干扰，维持恒定,内膜可保证各种生化反应同时进行时不受干扰；(2)具有一套完整的代谢机构细胞器、大分子、酶等，能够保证生命体的物质能量代谢；(3)具有核遗传信息表达体系，可使生命活动不断延续。,细胞作为生命活动的基本单位，还应具有以下三要素：,这些特性也可以说是生命的特征。如支原体直径只有0.1微米,但却具有了进行生命活动最基本的三项要素：(1)在结构上具有自我装配的能力；(2)在生理活动中具有自我调节的能力；(3)在增殖上具有自我复制的能力。病毒则不然，它虽然体积小，但它缺少进行独立代谢的某些基因和机构，从而它在单独生存时不能自我繁殖。,1.原生质（protoplasm）：从现代概念来说包括质膜、细胞质和细胞核（或拟核）。2.细胞质（cytoplasm）：质膜以内、细胞核以外的原生质。3.细胞核：是细胞中最大、最重要的细胞器，由双层膜围绕，内含遗传物质DNA。细胞核中的原生质称为核质。,二、细胞的结构,4.细胞器（organelle）：在光学和电子显微镜下细胞质中显示出的具有一定形态特点并执行特定功能的结构，如：质体、线粒体、内质网、核糖体、高尔基体、溶酶体、中心粒、圆球体、液泡和细胞骨架。5.胞质溶胶（cytosol）：也称细胞质基质,细胞质中除细胞器以外的部分，内含有水、无机离子、酶以及可溶性大分子和代谢产物。,细胞的结构,动物的细胞结构,各类细胞尽管都具有一些共同的属性，但是不同的细胞由于结构、功能和所处的环境不同，在形态上便产生了千差万别的变化，有圆形、椭圆形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形，甚至不定形。单细胞生物的细胞形状与细胞外沉积物（如细胞壁）有关。如细菌细胞呈棒形，球形，弧形、螺旋形等不同形状。单细胞的动物或植物形状更复杂一些，如草履虫像鞋底状，眼虫呈梭形且带有长鞭毛，钟形虫呈袋状。,三、细胞的形状和大小,草履虫的SEM照片,眼虫的SEM照片,钟形虫的SEM照片,高等生物体内各种细胞的形状与细胞功能和细胞间的相互关系有关。如肌肉细胞呈长条形或长梭形；红细胞为圆盘状，有利于O2和CO2的气体交换。植物叶表皮的保卫细胞成半月形。细胞离开了有机体分散存在时，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。,人类红细胞（SEM）,植物气孔保卫细胞细胞（SEM）,生物体各种细胞的体积大小差别很大。鸵鸟蛋的卵黄，直径可达5cm，最小的支原体只有0.1m。动物的运动神经元细胞，如人的坐骨神经细胞可长达1m。一般，真核细胞的体积大于原核细胞，卵细胞大于体细胞。大多数动植物细胞直径一般在2030m间。,植物细胞的大小,人类卵细胞和精子,几种细胞的大小,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。理由：体积同表面积的关系核物质有限，控制的细胞质量也有限体积太大也影响物质流动速度细胞内关键分子的浓度酶蛋白质种类的限制,根据进化的地位，结构和复杂程度，遗传装置的类型与主要生命活动的方式,将细胞分为两大类：原核生物和真核生物。一、原核细胞原核细胞大约在32亿年以前就出现在地球上了。原核细胞结构简单，种类少,体积小,一般在1-10微米,如支原体,细菌,放线菌,绿藻,蓝藻等。,第二节、原核细胞与真核细胞,基本特点:1.外部由质膜包围，其结构和化学组成与真核细胞相似。多数在质膜之外有一层坚固的细胞壁。2.内有一个含DNA的区域，称之为类核或拟核，类核没有核膜包围，仅为一个环状DNA分子卷曲折叠而成。3.大多数原核生物没有恒定的内膜系统，因而细胞质中没有由膜隔开的特化区。,大肠杆菌TEM照片，示低电子密度的核区,原核生物有三大类，即支原体、细菌和蓝藻。它们都是单细胞生物体。除质膜外，细胞内无其他膜层结构，但含有核糖体（70S类型，直径约15-20nm)、中间体及各种内含物，如糖原粒、脂肪滴等。中间体有小泡和细管样结构；含有虎珀酸和细胞色素类物质，与能量代谢有关。一般以二分裂方式进行增殖。,分裂中的大肠杆菌,肺炎支原体,细菌的结构,大肠杆菌弧形霍乱菌,淋病球菌肉毒梭菌,二、真核细胞及其结构原核细胞发展到出现核的结构，就称为真核细胞。具有真核细胞特征的生物就称为真核生物。真核细胞除核外，还有一些相对稳定并具有一定生理机能的细胞器。真核细胞是以生物膜的进一步分化为基础,使细胞内部由膜构建成许多更为精细的具有专门功能的结构单位。,1.以脂质及蛋白质为基础的膜系结构包括细胞膜（质膜）和细胞内由膜包裹的细胞器，如线粒体、高尔基复合体、溶酶体、内质网、过氧化物体和核被膜等。2.以核酸和蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统包括由DNA或RNA与蛋白质组成的颗粒状和纤维状的结构，如染色质、核仁、核糖体。3.以特异蛋白质分子构成的细胞骨架系统由蛋白质组装形成的微管、微丝、中等纤维、微梁网格，以及无定形的细胞质基质和核基质。,真核细胞三大基本结构体系,生物膜结构体系,遗传信息表达体系,这三种基本结构体系在细胞内部结构精密，分工明确,职能专一，从而保证了细胞生命活动具有高度程序化与高度自控性。如：内质网是生物分子合成的基地，脂类，糖类与很多蛋白质分子是在内质网表面合成的。高尔基体是合成物加工、包装，和运输的细胞器。还有行消化作用的溶酶体；与能量代谢有关的线粒体等等。,植物细胞的结构,原核细胞与真核细胞在形态结构上最明显的差异是：（1）原核细胞没有典型的核结构，因为原核细胞缺少细胞内膜系统，没有核被膜，不能把核物质集中到核内。（2）原核细胞没有各种膜性细胞器，如线粒体、高尔基复合体、溶酶体、内质网等（3）也没有细胞骨架。,三、原核细胞与真核细胞的比较,1.原核细胞的DNA复制、RNA转录与蛋白质的合成可以同时连续进行，而真核细胞的DNA复制、RNA转录在核内，而蛋白质合成在细胞质中，两者具有严格的阶段性与区域性，且不是连续的。2.原核细胞为无丝分裂，没有真核细胞那样具有明显的细胞周期性。真核细胞主要为有丝分裂，具明显的细胞周期性。,原核与真核细胞在生命活动方面的本质差异：,基本特征比较,遗传装置和基因表达的比较,病毒（Virus）是一类非细胞形态的微生物。基本特征如下：个体微小，可通过除滤菌器，必须用电镜观察；仅具有一种类型的核酸，或DNA或RNA，专营细胞内寄生生活；具有受体连结蛋白，与敏感细胞表面的病毒受体连结，进而感染细胞。,第三节、病毒与蛋白质感染因子,一、病毒的形态和结构病毒的大小差别很大，通常比细菌要小，一般在1030nm之间。在结构上比原核细胞和真核细胞都要简单得多，由核酸(DNA或RNA)芯和蛋白质衣壳(capsid)所构成，称核衣壳。各种病毒所含的遗传信息量不同，少的只含有3个基因，多的可达300个不同的基因。病毒的形成不需要酶的参加，只要条件具备，便可完成自我装配。一个成熟有感染性的病毒颗粒称“病毒体”（Viron）。其装配形式有二十面体对称、螺旋对称和复合对称三种类型。,病毒的形态,一个成熟有感染性的病毒颗粒称“病毒体”（Viron）。电镜观察到的形态：球形：大多数人类和动物病毒为球形，如脊髓灰质炎病毒、疱疹病毒及腺病毒等；丝形：多见于植物病毒，如烟草花叶病病毒，；弹形：形似子弹头，如狂犬病病毒等，其他多为植物病毒。砖形：如痘病毒（无花病毒、牛痘苗病毒等）；蝌蚪形：头及一条细长的尾组成，如噬菌体。,脊髓灰质炎病毒(球形),烟草花叶病毒(线形),痘病毒(砖形),T4噬菌体(蝌蚪形),狂犬病毒(子弹形)流感冒病毒(丝状有被膜),有的病毒衣壳外面尚有一层被膜（vitalenvelope），这层被膜是病毒粒子脱离细胞时，包被上的宿主细胞的质膜，被膜中含有病毒融合蛋白（viralfusionprotein），如流感病毒的被膜即含有融合蛋白。病毒融合蛋白在病毒进入宿主细胞时起着关键作用。根据寄生的宿主不同，病毒可分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒（即噬菌体）三大类。病毒不仅没有细胞结构，而且也不能独立生存，只有在侵入细胞以后才表现出生命现象。,1.吸附：感染起始于病毒蛋白质外壳同宿主细胞表面特殊受体结合，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。2.侵入：病毒吸附到宿主细胞表面之后，将它的核酸注入到宿主细胞内。病毒感染细菌时，用酶将细菌的细胞壁穿孔后注入病毒的核酸；对动物细胞的感染，则是通过胞吞作用，病毒完全被吞入。,病毒的生活周期:5个基本过程,3.复制：病毒核酸进入细胞后有两种去向，一个病毒的遗传物质整合到宿主的基因组中，形成病原性病毒；第二种情况是病毒DNA（或RNA)利用宿主细胞的酶系进行复制和表达。4.成熟：一旦病毒的基因进行表达就可合成病毒装配所需的蛋白质外壳，并将病毒的遗传物质包裹起来，形成成熟的病毒颗粒。5.释放：病毒颗粒装配之后，从被感染的细胞中释放出来进入细胞外，并感染新的细胞。有些病毒释放时要将被感染的细胞裂解，有些则通过分泌的方式进入到细胞外。,二、类病毒类病毒在结构上比病毒还要简单，没有蛋白质外壳，仅为一裸露的RNA分子。它们具有感染作用，类似于病毒，故称类病毒。它们不能像病毒那样感染细胞，只有当植物细胞受到损伤，失去了膜屏障，它们才能在供体植株与受体植株间传染。例如，马铃薯锤管类病毒仅由一个含359个核苷酸单链环状RNA分子组成，链内有一些互补序列。分子长约4050nm，不能制造衣壳蛋白。,三、病毒的进化地位病毒的前身很可能是在宿主染色体外独立进行复制的质粒（plasmid）。质粒既有DNA型的，也有RNA型的。它与病毒相似之处在于：它具有专一的核苷酸序列作为复制的起始部位。但它又不同于病毒，不能制造蛋白质外壳。当DNA质粒获得了为衣壳蛋白质编码的基因时，即意味着病毒出现了。证据：1.彻底的寄生性2.病毒核酸与细胞DNA某些片段十分相似3.病毒和细胞内的核蛋白分子相似。,病毒能在种间传递核酸序列，因而它在生物进化上起着重要作用。病毒核酸往往可同宿主染色体重组，故有可能连接上一小段宿主染色体，传递到另一种细胞中。甚至，病毒DNA整合到宿主染色体中，变成宿主基因组的一部分，这部分DNA称为前病毒（provirus）。通过病毒在宿主细胞基因组间传递DNA序列的过程称为DNA转导（DNAtransduction）。在生物工程和分子生物学研究中常通过这种途径来转导目的基因。,蛋白质侵染因子（朊病毒）是一种具有感染性和自我复制能力的因子。具体的活动和复制机制还不是很清楚，通常被认为是引起一系列传染性海绵状脑病的原因，这些脑病包括羊搔痒症和“疯牛病”。这些疾病对脑组织结构的影响都是致命的和不可医治的。,病羊神经组织的海绵状损伤,左海绵状病变及周围的沉淀斑淀粉样蛋白沉淀人大脑组织切片,朊病毒的增殖是由于正常分子的构象发生转变造成的。目前已知的人类PRION疾病主要有：1.克-雅二氏病2.变异型克-雅氏病3.GSS综合征4.克鲁病5.致死性家族性失眠症对于蛋白质感染因子引起的疾病，目前尚没有有效的治疗措施。这类蛋白具有很强的抵抗力，对抗生素和消毒剂不敏感，134-138持续1h的病牛脑组织匀浆，以及10%福尔马林固定过的病羊脑组织，仍有感染性。,第四节、古细菌（archaebacteria）,是一类很特殊的细菌，多生活在极端的生态环境中。具有原核生物的某些特征，如无核膜及内膜系统；也有真核生物的特征，如以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白；还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征，如：细胞膜中的脂类是不可皂化的；细胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白质为主，有的含杂多糖，有的类似于肽聚糖，但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。,嗜热菌：能生长在90以上的高温环境。有的古细菌，最适生长温度100，80以下即失活，多为异养菌，其中许多能将硫氧化以取得能量。嗜盐菌：盐度可达25%，如死海和盐湖中。嗜酸菌：能生活在pH值1以下的环境中，往往也是嗜高温菌，生活在火山地区的酸性热水中。嗜碱菌：多生活在盐碱湖或碱湖、碱池中，生活环境pH值可达11.5以上，最适pH值810。产甲烷菌：严格厌氧的生物，能利用CO2使H2氧化，生成甲烷，同时释放能量。,古核细胞和真核细胞可能在进化上有共同历程的特征:,细胞壁的成分：与真细菌差别很大遗传信息：DNA具有内含子并结合组蛋白，核小体核糖体类似：对氯霉素不敏感甲硫氨酸起始蛋白质的合成DNA聚合酶和真核细胞的相似,古细菌