细胞的基本概念与分子基础

1、 细胞生物学与遗传学 1教学基本要求1.理解细胞是生命活动的基本单位，掌握原核细胞、真核细胞、单细胞、多细胞、生物大分子、细胞起源、细胞进化等基本概念；2. 熟悉原核细胞与真核细胞的主要结构特征与区别；3. 熟悉原始细胞起源的历程及生命起源过程中核酸、蛋白质及脂类的重要性；4. 理解真核细胞某些细胞器起源的学说；5. 熟悉生物由单细胞向多细胞进化的几个阶段；6. 掌握多细胞生物区别于单细胞生物的特征。 细胞生物学与遗传学 27. 掌握细胞中的元素和无机化合物的种类与功能8. 熟悉生物大分子的概念及其与有机小分子的关系9. 掌握核酸的结构、种类与功能；10. 熟悉蛋白质的化学组成与分子结构11.

2、熟悉多糖的存在形式、分布特征与功能 细胞生物学与遗传学 3第一节 细胞的基本概念一、细胞是生命活动的基本单位（一）细胞的概念1. 细胞是生物体的基本结构单位2. 细胞是生物体的基本功能单位，具有完整的代谢体系3.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，具有完整的遗传系统和遗传的全能性 细胞生物学与遗传学 4二、原核细胞（一）特征1. 结构简单DNA环状、裸露、形成拟核（nucleoid）细胞中只有核糖体，无其他细胞器2. 体积小：直径1至数微米（二）主要类群1.支原体2.衣原体3.细菌4.蓝藻 细胞生物学与遗传学 51.支原体：0.10.3m，无细胞壁，形态多变，具有高度多形性。

3、是肺炎、脑炎、泌尿生殖道炎的病原体。2.衣原体： 0.30.5m，有细胞壁，少数有致病性，引起泌尿生殖道炎、附睾炎、直肠炎、沙眼等。肺炎支原体图片来自 细胞生物学与遗传学 63.细菌大小：0.55 m细胞壁：主要成分是肽聚糖。有的表面有荚膜、鞭毛、菌毛等特殊结构。细胞膜：脂和蛋白质构成，某些革兰氏阴性菌还具有细胞外膜(capsule)，某些革兰氏阳性细菌质膜内褶形成中膜体(mesosome)，以扩大细胞膜的表面积，提高代谢效率，还可能与DNA复制和细胞分裂有关。 细胞生物学与遗传学 7细胞质DNA：环状、裸露、无内含子、很少有重复序列质粒：核外DNA，环状，可自由出入细胞，独立复制核糖体：大部

4、分游离于细胞质中，少数附着于质膜内侧；70S（50S+30S） 细胞生物学与遗传学 8三、真核细胞（一）真核细胞的形态与大小1.形态：多种多样，与细胞类型有关并与其功能相适应2.大小：多在1020m之间，大者可达100 m至数cm，与细胞类型有关（二）真核细胞的基本结构光镜下的结构：细胞膜，细胞质，细胞核电镜下的结构：膜相结构，非膜相结构 细胞生物学与遗传学 91.生物膜系统：质膜，内膜系统，线粒体2.遗传系统：DNA, RNA, 核糖体，聚合酶及各种因子3.细胞骨架系统：微管，微丝，中等纤维4.核糖体：rRNA串联蛋白质，大小两个亚单位5.细胞质溶胶：胞质中除细胞器外的不定型溶胶，含离子、水

5、、中小有机分子和生物大分子细胞上述结构体系具有严密的组织结构和功能分工，正常的生命活动依赖于结构的完整性。 细胞生物学与遗传学 10表2-1 原核细胞与真核细胞的比较（教材p14）原核细胞与真核细胞的区别表现在细胞的形态结构、基因组结构和基因表达特征几个方面。“70S”、“80S”中的S是沉降系数 细胞生物学与遗传学 11四、原核细胞与真核细胞的比较比较项目原核细胞真核细胞形态结构细胞直径1 m10100 m核膜、核仁无有细胞骨架无有膜性细胞器无有遗传系统DNA特征单个分子, 环状, 裸露多个分子, 线状, 与蛋白质结合核糖体特征70S80S基因表达转录翻译同时先转录，后翻译 细胞生物学与遗传

6、学 12四、非细胞生命形态病毒（一）特征1.在活细胞内才能表现出生命活动2.在电镜下才可看到（二）成分核酸与蛋白质构成的核蛋白复合体（三）类别1.DNA病毒：DNA+蛋白质2.RNA病毒：RNA+蛋白质类病毒（viroid）：仅有感染性的RNA构成朊病毒（prio）：仅有感染性的蛋白质亚基构成 细胞生物学与遗传学 13第二节 细胞的起源与进化原始细胞的形成从原核细胞向真核细胞的演化单细胞生物向多细胞生物的进化 细胞生物学与遗传学 14一、原始细胞的形成1. 无机小分子有机小分子2. 有机小分子生物大分子紫外线, 雷电, 放射能, 火山, 引力能甲烷, 氢, 氮, 氨水, 水蒸气等核苷酸, 氨基

7、酸, 脂肪酸, 单糖等聚合, 演变, 选择核酸, 蛋白质, 多糖 细胞生物学与遗传学 153. 生物大分子多分子体系4. 多分子体系原始生命5. 原始生命原始细胞6. 原始细胞原核细胞聚合, 演变, 选择主要由核酸和蛋白质构成进行代谢和自我复制的多分子体系脂质膜形成, 包裹蛋白质、RNA等多分子体系演变, 选择长期演变, 自然选择有典型结构的质膜, 核糖体, 遗传物质为DNA长期演变, 自然选择 细胞生物学与遗传学 16 核苷酸多核苷酸核酸氨基酸多肽蛋白质脂肪酸磷脂等脂质膜糖类：单独存在或与以上 物质结合有机小分子甲烷、氢、氮、氨水、水蒸气等紫外线雷电，放射能火山，引力能多分子体系自然选择原始

8、细胞进化与选择原核细胞原始生命进行代谢和自我复制的多分子体系脂质膜形成包裹RNA等多分子体系典型结构的质膜、核糖体和DNA 细胞生物学与遗传学 17二、从原核细胞向真核细胞的演化从原核细胞到真核细胞要形成：核膜，内膜系统，线粒体，叶绿体和细胞骨架系统。1. 核膜的起源与内质网2. 内膜系统（包括内质网）的起源质膜内陷，即自生说（autogenesis）、分化起源说。3. 线粒体、叶绿体起源于细菌共生。内共生说(endosymbiosis)4. 细胞骨架的起源？分化起源？ 细胞生物学与遗传学 18内共生假说的证据：（1）二者的大小形态与细菌类似；（2）二分裂法繁殖；（3）有自身的遗传系统且有原核

9、细胞的特点；（4）核糖体和核糖体RNA与细菌的更接近 细胞生物学与遗传学 19三、单细胞生物向多细胞生物的进化1.由单细胞生物向多细胞生物进化大致经历了单细胞单细胞群体多细胞生物三个阶段。2. 多细胞生物区别于单细胞生物的特点（1）结构与功能特化（2）功能分工并高度协同合作生物进化在各方面留下了中间环节，它们是进化历程的直接证据。任何生物的个体发育过程都是该物种进化历程的快速展现。 细胞生物学与遗传学 20第三节 细胞的分子基础细胞成分中的元素主要元素：C, H, O, N 占90%大量元素：S, P, Cl, K, Na, Ca, Mg, Fe 占9.9%;微量元素：Cu, Zn, Mn,

10、Mo, Co, Cr, Si, F, Br, I, Li, Ba 占0.1%细胞中的无机成分水：含量、存在形式和功能无机盐：含量、存在形式和功能 细胞生物学与遗传学 21一、有机小分子举例说说有机小分子和生物大分子是哪些物质。单糖、双糖脂肪酸氨基酸核苷酸多糖脂类蛋白质核酸有机小分子和生物大分子的联系与重要区别是什么？ 细胞生物学与遗传学 22（一）糖类1.结构：由C、H、O三种元素组成，化学通式为（CH2O)n2.功能：细胞的能源和多糖的亚基寡糖定义：由310个单糖分子聚合而成的称低聚糖；存在形式：糖蛋白和糖脂；功能：参与细胞识别、信号转导、细胞间的相互作用。 细胞生物学与遗传学 23（二）脂

11、肪酸1. 结构：无分支，有偶数碳原子，饱和或不饱和，脂肪族羧酸。CH3 (CH2)14COOH 十六碳酸（软脂酸）CH3 (CH2)16COOH 十八碳酸（硬脂酸）2. 性质：同时具有亲水性和疏水性。3. 功能：作为脂肪、磷脂等多种重要化合物的组分。 细胞生物学与遗传学 24脂肪1. 结构：甘油和脂肪酸以酯键结合2. 性质：脂肪不溶于水或细胞质，在其中聚集成脂滴。3. 功能：供能，隔热，缓冲机械力CH2OC(CH)14CH3CHOC(CH)14CH3CH2OC(CH)14CH3OOO 细胞生物学与遗传学 25磷脂1. 结构甘油磷脂：2分子脂肪酸1分子甘油 1分子磷酸1个极性小分子（含氨碱或醇类

12、）。鞘磷脂： 1分子脂肪酸1分子鞘氨醇 1分子磷酸1个极性小分子2. 性质：双亲性分子3. 功能：细胞模性结构的成分 细胞生物学与遗传学 26脂类的功能1. 重要的能量贮存形式；2. 隔热与缓冲机械力3. 生物膜的主要组分；4. 在细胞信号转导中发挥重要作用，既可作为类固醇激素，又可充当信使分子。 细胞生物学与遗传学 27（三）氨基酸1.结构：氨基和羧基连接于同一个碳原子2.性质：两性电解质3.功能：蛋白质的构成单位H2NCCOOHHCH3H3N+CCOO-HCH3非离子型离子型 细胞生物学与遗传学 28（四）核苷酸1.结构：由碱基、五碳糖和磷酸集团构成2.性质：可与另一核苷酸形成氢键和酯键碱

13、基上的某个原子或原子团可被另一原子或原子团取代1个磷酸基团与同1个核苷的2个羟基形成酯键时，便形成环化核苷酸3.功能：核酸的构成单位 细胞生物学与遗传学 29二、生物大分子（一）核酸1. DNA的结构（1）脱氧核苷酸结构种类（2）多核苷酸链的结构单体的聚合方式链的方向性 细胞生物学与遗传学 30（3）DNA双链的结构连接两条链的化学键碱基配对原则互补链的方向（4）DNA的空间结构B型DNA螺旋方向直径、螺距、相邻碱基对之间的距离大沟与小沟 细胞生物学与遗传学 312. DNA的功能贮存、复制、传递遗传信息。3.RNA的种类、特点与功能RNA与DNA的区别DNARNA戊糖脱氧核糖核糖碱基ATCG

14、AUCG空间结构双链，螺旋状单链，局部形成双链区 细胞生物学与遗传学 32（1）mRNA特点真核细胞的mRNA具有“帽”和“尾”;真核细胞的mRNA只含单个基因，具有组织特异性；基因两端均有非翻译区；在特定部位形成发卡结构。功能指导蛋白质合成，在基因表达过程中传递遗传信息。 细胞生物学与遗传学 33（2）rRNA含量：占细胞中RNA总量的8090%功能：参与核糖体的构成和蛋白质合成原核细胞核糖体（70S） 小亚基（30S）:16S RNA + 21种蛋白质真核细胞核糖体（80S）小亚基（40S）:18S RNA + 30种蛋白质大亚基（50S）5S RNA 23S RNA+ 36种蛋白质大亚基

15、（60S）5S RNA 5.8S RNA28S RNA+ 49种蛋白质 细胞生物学与遗传学 34（3）tRNA特点占细胞总RNA的510%，分子量小(7090bp)，含稀有碱基；分子呈三野草形；3端有游离的CCA，其相对一端有反密码子(2)功能在蛋白质合成中转运氨基酸；色氨酸tRNA、脯氨酸tRNA可作为反转录引物。 细胞生物学与遗传学 35 细胞生物学与遗传学 36（4）snRNA特点：含量不到RNA总量的1%，大小70 300 个核苷酸。功能：参与基因转录产物的加工过程相邻外显子的连接。 细胞生物学与遗传学 37（6）核酶与脱氧核酶核酶(ribozyme)和脱氧核酶(deoxyribozy

16、me)分别指由特定催化功能的RNA和DNA，又称酶性核酸。能分别催化RNA和DNA的水解与聚合。 细胞生物学与遗传学 38 细胞生物学与遗传学 39（二）蛋白质1. 蛋白质的化学组成蛋白质的基本单位氨基酸非离子型离子型H2NCCOOHHCH3H3N+CCOO-HCH3 细胞生物学与遗传学 402.蛋白质的分子结构（1）一级结构肽链中氨基酸的排列顺序肽键肽链肽键 细胞生物学与遗传学 41（2）蛋白质的二级结构螺旋结构片层结构在 NH与 C=O之间形成氢键是多肽链局部区域的氨基酸的排列方式二级结构中具有特定功能的空间构象称为motif。 细胞生物学与遗传学 42（3）蛋白质的三级结构同一肽链在二级

17、结构基础上经盘曲、折叠成的更复杂的结构维持三级结构的键是不同侧链间的氢键、离子键、疏水键和Van der Waals力等三级结构中，疏水氨基酸倾向于折叠在分子的内部，亲水氨基酸折叠在分子的表面。使蛋白质表面有亲水性。三级结构的特异功能区称domain。不同的蛋白质分子含有一到数个结构域。一个结构域通常由40350个氨基酸组成。 细胞生物学与遗传学 434.蛋白质的四级结构（1）两条或两条以上的具有三级结构的多肽链以非共价键结合在一起的结构（2）其中的每个肽链称为亚单位或亚基。 细胞生物学与遗传学 44蛋白质高级结构示意图 细胞生物学与遗传学 453.蛋白质结构与功能的关系（1）一级结构是空间结构与功能的基础（2）结构决定