细胞的统一性与多样性优秀公开课

第二章

细胞的统一性与多样性§2.1细胞的基本概念§2.2非细胞形态生命体

——

病毒§2.3原核细胞与真核细胞§2.4真核细胞基本知识§2.1§2.2§2.3§2.4作业2.1.1如何理解细胞的基本概念2.1.2细胞概念的一些新思考2.1.3细胞的化学组成2.1.4细胞的基本共性Return2.1.12.1.22.1.32.1.4§2.1细胞的基本概念植物界PLANTAE(Multicellular,eukaryotic)动物界ANIMALIA(Multicellular,eukaryotic)真菌界FUNGI(Multicellular,eukaryotic)原生生物界PROTISTA(eukaryotic,unicellularandmulticellular)真细菌EUBACTERIA(Unicellular,prokaryotic)古细菌或原细菌ARCHAEBACTERIA(Unicellular,prokaryotic)什么是细胞？细胞是由哪些物质组成的？细胞有那些特点？细胞概念的演变：细胞是极小的封闭状小室；细胞是由细胞膜包围的一团原生质，分化为细胞核与细胞质；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；……现在普遍接受的细胞概念：细胞是生命活动的基本单位。如何理解这一概念？Return一切有机体都是由细胞构成的；

人体是由细胞构成的。

受精卵１个细胞

刚出生的婴儿2×1012个细胞

成人有机体1014个细胞Return2.1.2细胞概念的一些新思考细胞是多层次非线形的复杂结构体系；细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体；细胞是高度有序的、具有自主装配与自组织能力的体系；……Return2.1.3细胞的化学组成

细胞是一种复杂的物理——化学系统，其化学组成可从两方面来分析：从化学元素组成上分析；从物质组成上分析。Return物质组成

水

无机盐类

蛋白质

多糖

脂类

核酸

一些有机化合物（如细胞代谢的中间产物和维生素）……Return细胞中各主要成分的相对含量生命来自于水，细胞中水的含量最高，通常占细胞总量70%～80%。细胞中的所有反应都是在水中进行的，所以水是细胞生命的活动介质。水在细胞生命系统中保持稳定的液态，具有许多重要的功能。1.各种生物都有保持其细胞恒定水分的机制；2.水是生命的基本溶剂，细胞的所有生命反应都是在水溶液中进行的，水环境是细胞代谢的基本条件；3.细胞质是以蛋白质为主的胶体系统，胶体的形成需要水的结合，同时水是细胞质胶体结构的分散介质；4.水是细胞膜形成的条件；5.细胞中的水有结合水和自由水之分，结合水约占全部水分的4.5%。Return无机盐类在细胞生命活动中的主要功能有：1.维持细胞内的pH和渗透压，以保持其正常的生理活动；2.离子与细胞内的细胞器和生物大分子结合组成具有特定功能的结合蛋白，参与细胞生命活动，并可作为酶反应的辅助因子。某些阳离子在细胞中的作用离子种类在细胞中的作用Fe2+或Fe3+血红细胞、细胞色素、过氧化物酶和铁蛋白的组成成分Na+维持膜电位K+参与蛋白质合成和某些酶促合成Mg2+叶绿素、磷酸酶、Na+-K+泵Mn2+肽酶Cu2+酪氨酸酶、抗坏血酸氧化酶Co2+肽酶Mo2+硝酸还原酶、黄嘌呤氧化酶Ca2+钙调素、肌动球蛋白、ATP酶Return盐浓度的大小影响到水的穿膜方向和速度Return血影质壁分离蛋白质是表达生命的物质，其首要意义是生命物质。

各种蛋白质的元素组成很近似，都含有

C、H、O、N，多半还含

S，有的还含

P、Fe、Cu、I

等。蛋白质的结构基础蛋白质的分类蛋白质的结构与功能的关系Return蛋白质的结构1.氨基酸的化学结构通式；2.肽键结构；3.α螺旋与β折叠等4.蛋白质的一级结构；5.蛋白质的二级结构；6.蛋白质的三级结构；7.蛋白质的四级结构。Return蛋白质的分类按功能分；按分子构造分；结合蛋白；免疫球蛋白；Return细胞内蛋白质的某些功能功能举例结构材料胶原、角蛋白运动肌动蛋白、肌球蛋白营养储存酪蛋白、铁蛋白基因调控lac操纵子免疫作用抗体电子转移细胞色素激素胰岛素、生长激素物质运输Na+-K+泵信号转导乙酰胆碱受体渗透压调节血清白蛋白毒素白喉和霍乱毒素酶(催化作用)氧化还原酶、连接酶等Return按分子构造分：纤维蛋白：球状蛋白：Return其肽链或朝长度延伸或螺旋盘旋，肽链靠氢键维系在一起并形成薄片状或纤维状；含α螺旋多，多肽折叠的紧密，内部几乎无空穴可容水分子。蛋白质的结构与功能的关系:留给同学们自学。Return多糖是由大量的单糖单位构成，可多至成千上万个单糖。

在自然界中已发现200多种单糖，但仅有少数的单糖可构成单糖。多糖在细胞内的作用多糖的分类Return多糖在细胞内的作用：作为细胞的结构和支持成分

2.作为储存在细胞内的能源物质

Return如纤维素构成植物细胞壁；几丁质构成节肢动物的外壳；……。淀粉；糖原。多糖的分类：从功能上分从结构上分Return结构多糖：营养多糖：如纤维素、甘露聚糖、几丁质、透明质酸、粘肽等；如淀粉、糖原、副淀粉等；同聚多糖：异聚多糖：由相同的单糖所组成，如纤维素、淀粉、糖原、副淀粉等；由不同的单糖所组成，如透明质酸等。脂类的分类：脂肪酸可皂化脂

非皂化脂

①中性脂②甘油磷脂③神经鞘脂④糖脂①萜类②类固醇脂类微溶于水，易溶于非极性的有机溶剂中，在细胞中的主要作用有：①作为细胞的结构成分，尤其是膜结构；②作为在细胞内储存的能源物质；③作为甾类激素和某些酶或维生素的组分。细胞中几种主要脂类化合物的分布脂类名称化合物代表在细胞中的分布脂肪酸油酸、棕榈酸、硬脂酸胞质溶胶(cytosol)、线粒体、含脂肪种子中的乙醛酸循环体中性脂肪植物油、动物油脂细胞中储备的脂肪磷脂磷脂酰乙醇胺、磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇膜鞘脂鞘磷脂膜糖脂脑苷脂、节苷脂膜类固醇胆固醇膜萜类胡萝卜素植物胞质溶质、叶绿体Return核酸是细胞内的遗传物质，担负着储存、复制、表达遗传信息的功能，对于DNA复制和蛋白质合成的认识是理解细胞机能的关键。

这部分内容将在以后的章节中重点讲解。Return细胞内除了上面介绍的无机成分和生物大分子物质外，还有许多的有机小分子，包括：磷酸核苷环磷酸核苷吡啶核苷酸维生素……Return2.1.4细胞的基本共性1.所有的细胞表面都有由磷酸双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜；2.所有的细胞都有两种核酸：DNA和RNA作为遗传信息复制与转录的载体；3.核糖体存在于一切细胞中，以作为合成蛋白质的机器；4.所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂，遗传物质在分裂前复制加倍，在分列时均匀地分配到两个子细胞内，这是生命繁衍的基础与保证。Return§2.2非细胞形态生命体——病毒及其与细胞的关系病毒的基本知识病毒在细胞内的增殖（复制）病毒与细胞在起源和进化中的关系Return2.2.12.2.22.2.3（此段内容请大家自学）2.2.1病毒的基本知识病毒是迄今发现的最小、最简单的有机体，是非细胞形态的生命体，但必须在细胞内才能表现他们的基本生命活动。病毒具备生命活动的最基本特征（复制与遗传），但不具备细胞的形态结构，是不完全的生命体。绝大多数的病毒只有在电镜下才能看到。迄今已发现的非细胞形态的生命体：病毒(virus)：由一个核酸分子(DNA或RNA)与蛋白质构成的核酸－蛋白复合体。朊病毒(prion)：比病毒(virus)更简单，仅由有感染性的蛋白质构成。1980年发现，目前对其知之甚少。类病毒(viroid)：类似病毒(virus)的生命体，仅由一个由感染性的RNA构成。根据病毒的核酸类型可以将其分为DNA病毒与RNA病毒。病毒的基本特点（也是与细胞的最根本区别之一）：在一种病毒粒体内，两种核酸

(DNA与

RNA)

不能兼得。病毒的核酸复制类型核酸复制类型病毒所带的酶病毒的科双链DNA疱疹病毒、腺病毒、多瘤病毒、痘病毒、虹病毒单链DNA细小DNA病毒双链RNA转录酶呼肠孤病毒侵染性单链RNA小RNA病毒非侵染性单链RNA转录酶粘液病毒、副粘液病毒、弹状病毒等逆转病毒单链RNA逆转录酶逆转病毒病毒的化学组成核酸蛋白质其他成分DNARNA外壳蛋白酶蛋白运动蛋白糖蛋白……多胺脂类金属离子水……病毒的形态结构：动物病毒形态植物病毒形态细菌病毒形态立体对称型螺旋对称型球状杆状线状分枝状二联体Return常见病毒的形态与结构2.2.2

病毒在细胞内的增殖（复制）病毒侵入细胞，病毒核酸的侵染；病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成；病毒的装配、成熟与释放。病毒的生活史Return§2.3原核细胞与真核细胞概念与特点最小、最简单的细胞－支原体原核细胞的两个代表原核细胞与真核细胞的比较古核细胞（古细菌）Return2.3.12.3.22.3.32.3.42.3.5原核细胞：没有典型的细胞膜，即没有核膜将其遗传物质与细胞质分离。真核细胞：是遗传信息量大、结构相对复杂的细胞。原核生物：由原核细胞构成的有机体，几乎所有的原核生物均由单个原核细胞构成，包括古细菌（原细菌，现又称为古核生物）和真细菌。真核生物：由真核细胞构成的有机体，包括大量的单细胞生物或原生生物（如原生动物与一些单细胞藻类）以及全部的多细胞生物（一切动植物）。2.3.1概念与特点原核细胞的最基本特点：1.遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；2.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和细胞核膜。Return2.3.2支原体支原体是目前发现的最简单、体积最小的原核细胞，也是唯一的一种没有细胞壁的原核细胞。支原体的形态结构又称霉形体，是最简单的原核细胞，支原体的大小介于细菌与病毒之间，直径为0.1-0.3μm，约为细菌的十分之一，能通过滤菌器。支原体形态多变，有圆形、丝状或梨形，光镜下难以看清其结构。支原体具细胞膜，但无细胞壁。它有一环状双螺旋DNA，没有类似细菌的核区（拟核）,能指导合成700多种蛋白质。支原体细胞中唯一可见的细胞器是核糖体（每个细胞中约有800〜1500个）。支原体可以在培养基上培养，也能在寄主细胞中繁殖。支原体没有鞭毛，无活动能力，可以通过分裂法繁殖，也有进行出芽增殖的。Return2.3.3原核细胞的两个代表

——细菌与蓝藻细菌细胞蓝藻细胞Return细菌细胞从形态上分从进化上分球菌：球状或椭圆形杆菌：杆状或园柱形直径0.5-5μm螺旋菌：螺旋形或弧形巨型菌：直径>5μm原细菌(古细菌)真细菌BacterialCellStructure

NucleoidDNACellwallPlasmamembraneRibosomesOutermembraneCapsuleFlagellaPiliNucleoidDNAinthebacterialcellisgenerallyconfinedtothiscentralregion.Thoughitisn'tboundedbyamembrane,itisvisiblydistinct(bytransmissionmicroscopy)fromtherestofthecellinterior.CellWallComposedofpeptidoglycan(polysaccharides+protein),thecellwallmaintainstheoverallshapeofabacterialcell.Thethreeprimaryshapesinbacteriaarecoccus(spherical),bacillus(rod-shaped)andspirillum(spiral).Mycoplasmaarebacteriathathavenocellwallandthereforehavenodefiniteshape.细菌细胞的增殖方式Return蓝藻细胞又叫蓝细菌，是最简单的自养植物类型之一，能进行与高等植物相似的光合作用，但与光合细菌的光合作用机制不同。蓝藻无光合作用细胞器，仅有一些光合作用结构装置。蓝藻与原核细胞一样，是一个环状DNA分子，但遗传信息量大，其细胞直径也大，约10μm左右。关于蓝藻细胞的基本特征，请大家自己总结。Return2.3.4原核细胞与真核细胞的比较原核细胞与真核细胞的最根本区别原核细胞与真核细胞差异的重大标志原核细胞与真核细胞基本特征的比较原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较原核细胞与真核细胞的主要差别原核细胞与真核细胞的相同点真核细胞所特有的特点Return原核细胞与真核细胞的最根本区别:①细胞膜系统的分化与演变②遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化Return真核细胞以膜系统的分化为基础，首先分化为两个独立的部分——核与质；细胞质内又以膜系统为基础分隔为结构更精细、功能更专一的单位——各种细胞器。由于真核细胞结构与功能的复杂化，遗传信息量相应随之扩增，即编码结构蛋白与功能蛋白的基因数首先大大增多。真核细胞区别于原核细胞的重大标志：①细胞内部结构与职能的分工；②遗传信息重复序列与染色体多倍性的出现；③遗传装置与基因表达的复杂化与多层次化；④真核细胞内遗传信息的转录与翻译有严格的阶段性与区域性。Return原核细胞与真核细胞基本特征的比较特征原核细胞真核细胞细胞膜有（多功能性）有核膜无有染色体由一个环状DNA分子构成的单个染色体，DNA不或很少与蛋白质结合2个染色体以上，染色体由线状DNA与蛋白质结合组成核仁无有线粒体无有内质网无有高尔基体无有溶酶体无有核糖体70S（包括50S与30S的大小亚单位）80S（包括60S与40S大小亚单位）光合作用结构蓝藻含有叶绿素a的膜层结构，细菌具有菌色素植物叶绿体具有叶绿素a与b核外DNA细菌具有裸露的质粒DNA线粒体DNA，叶绿体DNA细胞壁主要成分是氨基糖与壁酸动物细胞无细胞壁，植物细胞壁的主要成分为纤维素与果胶细胞骨架无有细胞增殖方式无丝分裂（直接分裂）以有丝分裂（间接分裂）为主Return原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较特征原核细胞真核细胞DNA量（信息量）少多DNA分子数1２个以上DNA分子结构环状线状基因组数1n2n，多n基因数几千大于几万，十万大量”多余”的”重复”的DNA序列-+基因中插入内含子-+DNA与组蛋白结合不或与少量类组蛋白结合与５种组蛋白结合DNA与组蛋白以核小体及各级高级结构构成染色质与染色体-+DNA复制的明显周期性-+基因表达的调控主要以操纵子形式复杂性，多层次性转录与翻译的时空关系转录与翻译同时同地进行核内转录，细胞质内翻译；严格的阶段性与区域性转录后与翻译后大分子的加工与修饰-+细胞复制与分裂（DNA传递与分配）无丝分裂有丝分裂，减数分裂Return原核细胞与真核细胞的主要差别要点原核细胞真核细胞大小大多数很小(1~10μm)大多数较大(10~100μm)细胞核无膜包围，称为拟核有双层膜包围染色体形状环状DNA分子核中的为线性DNA分子；线粒体和叶绿体中的为环状DNA分子数目一个基因连锁群２个或多个基因连锁群组成DNA裸露或结合少量蛋白质核DNA同组蛋白结合；线粒体和叶绿体中的DNA裸露

DNA序列无或很少重复序列有重复序列基因表达RNA和蛋白质在同一区间合成RNA在核中合成和加工；蛋白质在细胞质中合成细胞分裂二分或出芽有丝分裂或减数分裂内膜无独立的内膜有，分化成细胞器细胞骨架无普遍存在运动细胞器由鞭毛蛋白丝构成简单鞭毛由微管构成纤毛和鞭毛呼吸作用和光合作用酶的分布质膜线粒体和叶绿体（植物）核糖体70S(50S+30S)80S(60S+40S)营养方式吸收，有的行光合作用吸收，光合作用，内吞细胞壁肽聚糖，蛋白质，脂多糖，脂蛋白植物细胞具有纤维素壁Return原核细胞与真核细胞的相同点序号内容１都具有类似的细胞质膜结构２都以DNA为遗传物质，并使用相同的遗传密码３都以一分为二的方式进行细胞分裂４具有相同的遗传信息转录和翻译机制，有类似的核糖体结构５代谢机制相同（如糖酵解和TCA循环）６具有相同的化学能储能机制，如ATP合成酶（原核位于细胞质膜上，真核位于线粒体膜上）７光合作用机制相同（蓝细菌与植物相比较）８膜蛋白的合成和插入机制相同９都是通过蛋白酶体（蛋白质降解结构）降解蛋白质（古细菌与真核细胞相比较）Return真核细胞所特有的特点序号内容１细胞分裂分为核分裂和细胞质分裂，并且分开进行２DNA和蛋白质结合压缩成染色体结构，形成有丝分裂的结构３具有复杂的内膜系统和细胞内的膜结构（如内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体、乙醛酸循环体、内体等）４具有特异的进行有氧呼吸的细胞器（线粒体）和光合作用的细胞器（叶绿体）５具有复杂的骨架系统（包括微丝、中间纤维和微管）６有复杂的鞭毛和纤毛７具有小泡运输系统（胞吞作用和胞吐作用）８含有纤维素的细胞壁（如植物细胞）９利用微管形成的纺锤体进行细胞分裂和染色体分离10每个细胞中的遗传物质成双存在，二倍体分别来自于两个亲本11通过减数分裂和受精作用进行有性生殖Return2.3.5古核细胞（古细菌）是上世纪80年代出现的名称，指一些生长在极端特殊环境中的细菌。古细菌

(archaebacteria)

与真核细胞曾在进化上有过共同历程。

主要证据

进化系统树Return主要证据⑴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。⑵DNA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。⑶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。⑷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(70～84)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。⑸5SrRNA：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。ReturnThethreekingdomsoforganismsarerelatedthroughcommonsequencesoftheirribosomalRNAs.Theirlineagedepictsaviewofhowalllifeonearth,fromsimplebacteriatocomplexmammals,evolvedfromacommon,single-celledprogenitor.Return§2.4真核细胞基本知识概要2.4.1真核细胞的基本结构体系2.4.2细胞的大小及其分析2.4.3细胞形态结构与功能的关系2.4.4植物细胞与动物细胞的比较Return2.4.12.4.22.4.32.4.42.4.1真核细胞的基本结构体系以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统；以核酸(DNA或RNA)与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统；由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。各种膜的功能有共同性：保证物质的交换与跨膜运输，信息与能量的传递和化学反应的进行。膜的厚度8-10μm范围之内；三种结构体系的共同点不论是生物膜的厚度，遗传信息表达体系颗粒与纤维结构的大小，还是骨架纤维的直径都是在5~20μm的尺度范围，即是纳米级尺度。2.4.2细胞的大小及其分析各类细胞直径的比较细胞类型直径大小(μm)最小的病毒0.02支原体细胞0.1~0.3细菌细胞1~2动植物细胞20~30(10~50)原生动物细胞数百至数千几种细胞的大小细胞名称大小(μm)人卵120变形虫100海胆卵70肝细胞20红细胞7伤寒菌2.4×0.5流感菌0.5×0.2肺炎球菌0.2×0.12.4.3细胞形态结构与功能的关系细胞的形态结构与功能的关系细胞的形态尽管各类细胞都具一些共同的属性，但不同的细胞由于其结构、功能和所处的环境不同，因而便产生了多种多样的形态。有球形（或圆形：球菌、卵细胞）、椭圆形、柱形、圆柱形、方形、星形（神经细胞）、多角形（如在离体培养时的平滑肌细胞）、扁形、杆状、梭形（如在体内的平滑肌细胞）、不定形等。结构与功能的关系单细胞生物常是单个细胞独立生活，即便是成群存在，细胞间的关系也不密切，故每种单细胞生物的细胞都有其特有的形状，如呈棒状的杆菌、球形的球菌、弯曲形的弧菌等；单细胞动物或植