第二章细胞的概念和分子基础

1、第二章第二章 细胞的概念和分子基础细胞的概念和分子基础cell and molecular basis内容内容第一节第一节 细胞的基本概念细胞的基本概念第二节第二节 细胞的起源与进化细胞的起源与进化第三节第三节 细胞的分子基础细胞的分子基础第一节第一节 细胞的基本概念细胞的基本概念一、细胞是生命活动的基本单位一、细胞是生命活动的基本单位二、原核细胞二、原核细胞三、真核细胞三、真核细胞四、病毒四、病毒 一、细胞是生命活动的基本单位一、细胞是生命活动的基本单位 细胞是一切生命活动的基本结构和功能单位。 1. 细胞是构成有机体的基本单位；2. 细胞具有独立完整的代谢体系，是代谢与功能的基本单位；3.

2、 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，细胞具有遗传的全能性；5. 没有细胞就没有完整的生命。( (一一) )细胞的概念细胞的概念近来年，在细胞生物学领域提出了1、细胞是多层次非线性的复杂结构体系。2、细胞是物质（结构）、能量和信息过程精巧结合的综合体。3、细胞是高度有序的，具有自装配和自组织能力的体系。这些都大大推进了细胞科学向前发展 特点：特点： 结构简单：结构简单：dna为裸露的环状分子，无膜包裹，形成拟核（nucleoid）； 细胞质中无膜性细胞器，含有核糖体。 体积小：体积小：直径约为1到数个微米二、原核细胞二、原核细胞 主要代表：主要代表：支原体、衣原体、细菌、

3、蓝绿藻又称蓝细菌。(一一)真核细胞的形态大小真核细胞的形态大小三、真核细胞三、真核细胞形态：形态：多种多样，常与细胞所处的部位及功能相关 大小：大小：差异很大，与细胞类型有关 球形、椭圆形、立方形、扁平形、梭形、星形、多角形等。细胞的形态细胞的形态1. 细胞的形态与所处的环境和其行使的功能密切相关。2.同种细胞的形态与功能一般是固定的。3.部分细胞由于所处环境的改变形态会发生一定的改变。巨噬细胞巨噬细胞人类红细胞人类红细胞神经元细胞神经元细胞精子和卵子精子和卵子名称名称人卵人卵口腔上皮细胞口腔上皮细胞肝细胞肝细胞红细胞红细胞m10075182078大部分动植细胞在1020m间；真核细胞体积大于

4、原核细胞；卵细胞大于体细胞。细胞的大小与细胞的功能相适应。几种细胞的大小几种细胞的大小细胞的大小细胞的大小2.44公斤巨型鸵鸟公斤巨型鸵鸟蛋。蛋。比一般的鸵鸟蛋（1.2公斤至1.5公斤）大出很多，相当于40个普通鸡蛋的重量。 细胞膜细胞膜细胞质细胞质细胞核细胞核(二二)真核细胞的基本结构真核细胞的基本结构 光镜下结构： 细胞膜（cell membrane） 细胞质（cytoplasm） 细胞核（nucleus）电镜下结构电镜下结构膜相结构膜相结构非膜相结构非膜相结构细胞膜细胞膜内质网内质网高尔基复合体高尔基复合体线粒体线粒体溶酶体溶酶体过氧化氢体过氧化氢体核膜核膜核糖体核糖体中心粒中心粒微管微

5、管微丝微丝中等纤维中等纤维细胞质基质细胞质基质核仁核仁染色质染色质核基质核基质 电子显微镜下的两相结构电子显微镜下的两相结构动物细胞结构模式图动物细胞结构模式图 真核细胞的基本结构特点：真核细胞的基本结构特点： 以脂质及蛋白质成分为基础的膜相结构体系以脂质及蛋白质成分为基础的膜相结构体系生物膜系统生物膜系统 包括细胞膜、内质网、高尔基复合体、线粒体、溶酶体、过氧化物酶体及核膜等。 以核酸以核酸-蛋白质为主要成分的遗传信息表达体系蛋白质为主要成分的遗传信息表达体系遗传信息储存与表达系统遗传信息储存与表达系统 真核细胞储存遗传信息的dna是以与蛋白质结合形式而存在，dna与蛋白质的结合与包装程度决

6、定了dna复制和遗传信息的表达。 由特异蛋白质分子构成的细胞骨架体系由特异蛋白质分子构成的细胞骨架体系细胞细胞骨架系统骨架系统 由一系列纤维状蛋白组成的网状结构系统，包括细胞质骨架与核骨架。 核糖体与蛋白质合成系统核糖体与蛋白质合成系统 核糖体（ribosome）：合成蛋白质的机器 。 细胞质溶胶细胞质溶胶 细胞质溶胶（cytosol）：细胞质中除了细胞器和细胞骨架结构之外的区域，协助完成物质运输、能量传递、信息传递等细胞活动。原核细胞与真核细胞的比较原核细胞与真核细胞的比较特征特征 原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞细胞大小细胞大小较小（较小（110m）较大（较大（10100 m）细胞核细胞核

7、无核仁和核膜无核仁和核膜有核仁和核膜有核仁和核膜细胞器细胞器无（除核糖体外）无（除核糖体外）有各种细胞器有各种细胞器核糖体核糖体70s（50s+30s）80s（60s+40s）染色体染色体只有一条只有一条dnadna，dnadna裸裸露不与组蛋白和酸性露不与组蛋白和酸性蛋白结合，染色体为蛋白结合，染色体为单数。单数。有几条有几条dnadna，dnadna与组蛋与组蛋白和酸性蛋白结合，有白和酸性蛋白结合，有若干对染色体。若干对染色体。内膜系统内膜系统简单简单复杂复杂细胞骨架细胞骨架无无有微管，微丝，中间纤维有微管，微丝，中间纤维细胞壁细胞壁主要组分为肽聚糖主要组分为肽聚糖主要组分为纤维素主要组分

8、为纤维素转录和翻译转录和翻译 出现在同一时间和出现在同一时间和地点（细胞质中）地点（细胞质中）出现在不同时间和地点（转录出现在不同时间和地点（转录在核内，翻译在细胞质中）在核内，翻译在细胞质中）细胞分裂细胞分裂二分裂二分裂无丝分裂、有丝分裂、减数分裂无丝分裂、有丝分裂、减数分裂四、非细胞生命形态四、非细胞生命形态病毒病毒 在生物界中，病毒（在生物界中，病毒（virusvirus）是唯一非）是唯一非细胞形态的生命体。细胞形态的生命体。 特点：特点： 在活细胞内才能表现出它们的基本生在活细胞内才能表现出它们的基本生命活动。命活动。 在电子显微镜下才能看到。在电子显微镜下才能看到。结构结构: :核酸

9、分子与蛋白质组成的核酸核酸分子与蛋白质组成的核酸- -蛋白质复合体；蛋白质复合体；分类：分类：根根据病毒的核酸类型据病毒的核酸类型可分两大类：可分两大类：dnadna病毒病毒与与rnarna病毒病毒类病毒（类病毒（viroidviroid）: :仅由感染性的仅由感染性的rnarna构成；构成；朊病毒（朊病毒（prionprion）: :仅由感染性的蛋白质亚基构成；仅由感染性的蛋白质亚基构成；副流感病毒副流感病毒 乙肝病毒乙肝病毒dna模型图模型图 美国疾控中心通过显微镜拍摄的照片展示了呈阴性反应的猪流感病毒美国疾控中心通过显微镜拍摄的照片展示了呈阴性反应的猪流感病毒 根据宿主不同：根据宿主不同

10、：动物病毒动物病毒植物病毒植物病毒细菌病毒细菌病毒 噬菌体噬菌体脊髓灰质炎病毒脊髓灰质炎病毒 球形病毒球形病毒烟草花叶病毒烟草花叶病毒 线形病毒线形病毒t4t4噬菌体噬菌体 蝌蚪形病毒蝌蚪形病毒第三节第三节 细胞的分子基础细胞的分子基础一、生物小分子一、生物小分子二、生物大分子二、生物大分子细胞是由生命物质原生质（protoplasm）组成基本元素99.9%： c、h、o、n90%; s、p、na、k、ca、cl、mg、fe 9% 微量元素：cu、zn、mn、mo、co、cr、si、f、br、i等等细胞的成份生物大分子 有机小分子无机化合物水无机盐有机化合物 水v水在细胞中以两种形式存在：游离

11、水，约占95；结合水，通过氢键或其他键同蛋白质结合，约占45。v作用：溶解无机物、调节温度、参加酶反应、参与物质代谢和形成细胞有序结构。 一、有机小分子一、有机小分子（一）水和无机盐是细胞内的（一）水和无机盐是细胞内的无机化合物无机化合物2.无机盐：无机盐：以离子状态存在阴离子：如cl、po4、hco3等阳离子：如na+、k+、ca2+等游离形式：游离形式：维持细胞内外液的渗透压和ph值。 结合形式：结合形式：直接与蛋白质或脂类结合，组成具有一 定功能的结合蛋白或类脂。 ( (二二) )有机小分子有机小分子: :组成生物大分子的亚单位组成生物大分子的亚单位1.糖糖 结构：结构：主要由碳、氢、氧

12、三种元素组成，化学组成为(ch2o)n 功能：功能：细胞的能源物质 某些物质的组成：细胞膜、核酸、糖链 2.脂肪酸脂肪酸 结构：结构：由两个不同的部分组成 疏水性的长烃链 亲水性的羧基(一cooh) 功能：功能：构成细胞膜的组分3.氨基酸氨基酸结构：结构：羧基 氨基功能：功能：蛋白质的亚基4.核苷酸核苷酸结构：结构：含氮环化物 五碳糖 磷酸基团功能：功能：核酸的亚基与同一个碳原子连接 二、生物大分子二、生物大分子 生物大分子由有机小分子聚合而成，细胞内主要的大分子有核酸、蛋白质和多糖。 核酸执行具体的生物学功能dnarna转录蛋白质翻译( (一一) )核酸携带遗传信息核酸携带遗传信息1.1.核

13、酸的化学组成核酸的化学组成 核糖戊糖磷酸脱氧核糖嘧啶：t c u嘌呤：a g碱基核苷酸nn123456嘧嘧 啶啶nnnn912345678嘌嘌 呤呤胞嘧啶胞嘧啶 ccytosine 胸腺嘧啶胸腺嘧啶 tthyminennnnh2nonh2nnnn鸟嘌呤鸟嘌呤 gguanine腺嘌呤腺嘌呤 aadenine碱碱 基基noch2ononh2nnoohhohhohhhoch2h5 1 2 3 4 核糖核糖2 oohh hhohhhoch2h5 1 2 3 4 脱氧核糖脱氧核糖三个部分连接方式：三个部分连接方式：1、碱基与戊糖第、碱基与戊糖第1碳原子结合碳原子结合糖苷键糖苷键 （c1、n9 和和c1、

14、n1）化合物化合物核苷核苷2、磷酸与核苷中的戊糖第磷酸与核苷中的戊糖第5碳原子结合碳原子结合脂键脂键化合物化合物核苷酸（脱氧核苷酸）核苷酸（脱氧核苷酸）opohohhooohh hhohhhoch2h5 1 2 3 4 h2o312456nonh2nhopohohhooh hhohhhoch2h5 1 2 3 4 nnonh2123456糖苷键糖苷键核苷核苷opohohhooh hhohhhoch2h5 1 2 3 4 nnonh2123456糖苷键糖苷键核苷核苷h2oopohhooh hhohh och2h5 1 2 3 4 nnonh2123456糖苷键糖苷键核苷核苷酯酯 键键单单 核核

15、苷苷 酸酸核苷酸的种类（按所含碱基分类）：核苷酸的种类（按所含碱基分类）：腺苷酸腺苷酸 amp鸟苷酸鸟苷酸 gmp胞苷酸胞苷酸 cmp尿苷酸尿苷酸 ump核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖脱氧腺苷酸脱氧腺苷酸 damp脱氧鸟苷酸脱氧鸟苷酸 dgmp脱氧胞苷酸脱氧胞苷酸 dcmp脱氧胸苷酸脱氧胸苷酸 dtmp多核苷酸链的连接：多核苷酸链的连接：各个核苷酸中戊糖第5碳原子（c-5）的磷酸与另一个核苷酸戊糖第3碳原子（c-3）以磷酸二脂键相连，通过3 5磷酸二脂键首尾相接多核苷酸链。多核苷酸链。opohhooh hhohhh5 och21 2 3 4 123456nnonh2nh2nnnn91234 5678

16、opohhooh hhohhh5 och21 2 3 4 h2oopohhooh hhohh5 och21 2 3 4 123456nnonh2nh2nnnn91234 5678ophooh hhohhh5 och21 2 3 4 3 5 磷酸二酯键磷酸二酯键5 3 2.dna（脱氧核糖核酸） dna双螺旋结构模型双螺旋结构模型 dna分子是由两条脱氧核糖核苷酸链组成 两条链反向平行 脱氧核糖和磷酸位于螺旋的外侧，碱基位于双螺旋内侧 碱基之间互补配对：at cg 5-末末端端3-末末端端磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键nnnnhnhooch2poohoooch2poohoopoohon

17、nnnhnho3 3 5 5 h3 3 ooch2poohoooch2poohoopoohonhnooch3hnnon5 5 dna 的功能的功能 dna的主要功能是储存、复制和传递遗传信息。 dna分子中只有四种核苷酸，但核苷酸的数量巨大，随机排列组合，决定了dna分子的复杂性和多样性，也决定了遗传信息的多样性生物种类的多样性。dna rna戊戊 糖糖 脱氧核糖脱氧核糖 核核 糖糖碱碱 基基a g c t a g c u磷磷 酸酸磷磷 酸酸磷磷 酸酸核苷酸种类核苷酸种类脱氧腺苷酸（脱氧腺苷酸（damp) 腺苷酸（腺苷酸（amp） 脱氧鸟苷酸（脱氧鸟苷酸（dgmp) 鸟苷酸（鸟苷酸（gmp）脱

18、氧胞苷酸（脱氧胞苷酸（dcmp) 胞苷酸（胞苷酸（cmp）脱氧胸苷酸（脱氧胸苷酸（dtmp) 尿苷酸（尿苷酸（ump） 结结 构构双双 链链 单单 链链存在部位存在部位主要存在细胞核中主要存在细胞核中 主要存在细胞质中主要存在细胞质中功功 能能储存，复制和传递遗传信息储存，复制和传递遗传信息 与遗传信息表达有关与遗传信息表达有关3.rna rna分子以单链形式存在，在部分区域折叠并按碱基互补配对原则形成双链发夹结构。 rna发夹结构模式图发夹结构模式图 信使核糖核酸（信使核糖核酸（message rna，mrna)含量：含量：占细胞内总rna的1%-5% 种类：种类：种类多而且极不均一 结构特

19、点：结构特点： 3，5的非编码区 中间的编码区原核细胞多顺反子；真核细胞单顺反子功能：功能：作为合成蛋白质的模板 mrna分子中每三个相邻的碱基组成一个密码子（codon），决定蛋白质中氨基酸的排列顺序。 核糖体核糖体rna（ribosome rna，rrna） 含量：含量：占rna总量的80%90% 功能：功能：参与核糖体形成原核生物核糖体（70s） 大亚基50s：23s rrna 5s rrna 小亚基30s：16s rrna+21种蛋白质 真核生物核糖体（80s） 大亚基60s：28s rrna 5.8s rrna 5s rrna 小亚基40s：18s rrna +30种蛋白质 +36种

20、蛋白质+49种蛋白质 转移核糖核酸（转移核糖核酸（transfer rna, trna） 含量：含量：总rna的5%10% 结构特点：结构特点： 单链结构，部分折叠，整个分子结构呈三叶草形。 3端有cca三个碱基，与特定氨基酸结合。 反密码环上的三个碱基组成反密码子（anticodon），与mrna上密码子互补结合，参与蛋白质合成。功能：功能：转运特定的氨基酸，参与蛋白质合成 rna聚合酶聚合酶tcatgatt aag t ac ta a t 细胞核中dnaagcugacgguuu游离的核糖核苷酸(原料)uuguuaa uauctrnaac ur（4）snrna 小核rna，存在于细胞核内，含

21、量少 参与真核生物细胞核中rna的加工，即基因转录产物的加工。例如 信使rna前体的剪接，形成成熟的mrna。（5）mirna 一类非编码的小rna分子抑制靶mrna的转录和翻译促使靶基因的mrna的降解参与细胞分化与发育的基因表达调控。（6）核酶（酶rna ， 核酸类酶）具有催化功能的rna分子核酶的功能多： 切割rna, 切割dna, rna 连接酶等与蛋白质酶相比，核酶的催化效率较低，是一种较为原始的催化酶。 1. 1.蛋白质的化学组成蛋白质的化学组成 蛋白质的基本单位氨基酸( (二二) )蛋白质表达遗传信息蛋白质表达遗传信息氨基酸的结构式氨基酸的结构式 h oh2n c c oh h

22、h oh2n c c oh h oh2n c c oh 甘氨酸甘氨酸ch3ch2sh丙氨酸丙氨酸半胱氨酸半胱氨酸请分析这些氨基酸的共同点和不同点请分析这些氨基酸的共同点和不同点共同点：共同点：至少含有一个氨基（至少含有一个氨基（-nh2）和一个羧基（和一个羧基（-cooh），并且连接），并且连接在同一个碳原子上。在同一个碳原子上。不同点：不同点：不同氨基酸有不同的侧链基不同氨基酸有不同的侧链基团团氨基酸结构通式氨基酸结构通式 肽键数（形成肽链时脱下的水分肽键数（形成肽链时脱下的水分子数、肽链水解时所需的水分子数）子数、肽链水解时所需的水分子数）=氨基酸数氨基酸数肽链数肽链数coch2nhr1c

23、nchr2ohh2o肽键肽键cnchr3oohhh2o肽键肽键 蛋白质分子是由许多氨基酸分子通过肽键，依次蛋白质分子是由许多氨基酸分子通过肽键，依次缩合而形成多肽链。缩合而形成多肽链。cncoohhrnh.侧侧链链侧侧链链侧侧链链侧侧链链主主链链h2ncooh 由相同或不同的各个氨基酸，按照一定的排列顺序，以特定的化学键方式连接，从而组成蛋白质的基本结构。2.蛋白质的结构蛋白质的结构结构多样性结构多样性 组成蛋白质的氨基酸种类、数量和排列顺序不组成蛋白质的氨基酸种类、数量和排列顺序不同，形成肽链的数目和空间结构不同，决定了蛋白同，形成肽链的数目和空间结构不同，决定了蛋白质的种类极其多样质的种类

24、极其多样 。功能多样性功能多样性氨基酸氨基酸脱水缩合脱水缩合 肽链（一条或多条）肽链（一条或多条）盘曲折叠盘曲折叠蛋白质蛋白质由一条或几由一条或几条肽链组成条肽链组成肽链的形成肽链的形成v蛋白质的一级结构：蛋白质的一级结构：多肽链中氨基酸的种类，数目和排列顺序。多肽链中氨基酸的种类，数目和排列顺序。（主键：肽键；副键：二硫键）（主键：肽键；副键：二硫键）v蛋白质的二级结构：蛋白质的二级结构： 在一级结构的基础上，借氢键在氨基酸残基在一级结构的基础上，借氢键在氨基酸残基之间连接，使多肽链成为螺旋或折叠的结构。之间连接，使多肽链成为螺旋或折叠的结构。（氢键）（氢键）v蛋白质的三级结构：蛋白质的三级

25、结构：在二级结构的基础上再行折叠。在二级结构的基础上再行折叠。（氢键，酯键，离子键，疏水键）（氢键，酯键，离子键，疏水键）v蛋白质的四级结构：蛋白质的四级结构： 由两条或几条多肽链在各自三级结构的由两条或几条多肽链在各自三级结构的基础上形成为蛋白质分子的结构亚基，由基础上形成为蛋白质分子的结构亚基，由若干亚基之间以非共价键形式而相互结合若干亚基之间以非共价键形式而相互结合的复合体。（非共价键的复合体。（非共价键氢键）氢键）蛋白质的一级结构：蛋白质的一级结构：多肽链中氨基酸的种类、数目和排列顺序。（主键：肽键；副键：二硫键）蛋白质的二级结构：蛋白质的二级结构： 在一级结构的基础上，借氢键在氨基酸

26、残基之间连接，使多肽链成为螺旋或折叠的结构。（氢键）蛋白质的三级结构：蛋白质的三级结构：在二级结构的基础上再行折叠。（氢键、酯键、离子键、疏水键）蛋白质的四级结构：蛋白质的四级结构： 由两条或几条多肽链在各自三级结构的基础上形成为蛋白质分子的结构亚基，由若干亚基之间以非共价键形式而相互结合的复合体。（非共价键）3. 3.蛋白质的结构与功能之间的关系蛋白质的结构与功能之间的关系 蛋白质的功能取决于其结构蛋白质的功能取决于其结构，一级结构是蛋白质功，一级结构是蛋白质功能的基础，如果氨基酸的排列顺序发生变化，将会形成能的基础，如果氨基酸的排列顺序发生变化，将会形成异常的蛋白质分子。异常的蛋白质分子。

27、 活细胞内蛋白质功能的发挥与其活细胞内蛋白质功能的发挥与其构象的不断改变构象的不断改变密切密切相关。相关。 在活细胞内，在活细胞内，蛋白质亚单位也只有组装成大的适当蛋白质亚单位也只有组装成大的适当的超分子结构的超分子结构，如蛋白质复合物、酶复合物、核糖体、，如蛋白质复合物、酶复合物、核糖体、病毒颗粒等，才能更好地完成生命活动过程。病毒颗粒等，才能更好地完成生命活动过程。4. 4.一类特殊类型的蛋白质一类特殊类型的蛋白质酶酶（enzymeenzyme） 酶的特性高度的专一性高效的催化能力高度不稳定性酶：是具有高度催化活性的蛋白质。由于大部分酶具有蛋白质四级结构特点，很容易受机体内各种因素影响。小

28、结生物小分子无机化合物（水、无机盐等）有机化合物（单糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸）生物大分子dna分子是由两条方向相反的多聚脱氧核苷酸链组成的多螺旋结构。rna分子由一条多聚核苷酸链组成。蛋白质是由氨基酸通过肽键依次缩合而成的多聚体。第三章第三章 细胞生物学的研究方法细胞生物学的研究方法一、光学显微镜技术一、光学显微镜技术普通复式光学显微镜普通复式光学显微镜 （light microscope）相差显微镜相差显微镜 （phase-contrast microscope） （利用光的干涉和衍射效应将光程差或转变为振幅差利用光的干涉和衍射效应将光程差或转变为振幅差）荧光显微镜荧光显微镜 （fluor

29、escence microscope） （荧光染料染色荧光染料染色）激光共聚焦显微镜（激光共聚焦显微镜（laser scanning confocal microscope） （物镜和聚光镜互相共聚焦，从标本焦面发出的光线聚物镜和聚光镜互相共聚焦，从标本焦面发出的光线聚焦成像，多用于检测荧光标记物质焦成像，多用于检测荧光标记物质）正置显微镜正置显微镜倒置显微镜倒置显微镜荧光显微镜及其照片荧光显微镜及其照片红色酵母细胞绿色septin蛋白共聚焦显微镜及其显微图像共聚焦显微镜及其显微图像蛋白在部分叶肉细胞中的分布lcsm image of a xenopus melanophore microtubule cytoskeleton