电子科大细胞生物学第二章细胞的统一性与多样性

第二章细胞的统一性与多样性当前第1页\共有53页\编于星期五\19点掌握细胞基本概念、基本共性掌握原核细胞与真核细胞、动物细胞与植物细胞比较理解真核细胞基本结构体系、细胞形态结构与功能关系掌握病毒及其与细胞的关系本章学习要求当前第2页\共有53页\编于星期五\19点

细胞的基本概念原核细胞、古核细胞与真核细胞非细胞形态的生命体

——病毒及其与细胞的关系本章主要教学内容当前第3页\共有53页\编于星期五\19点第一节细胞的基本概念细胞是生命活动的基本单位细胞概念的一些新思考细胞的基本共性当前第4页\共有53页\编于星期五\19点一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位。细胞具有独立、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位。细胞是有机体生长与发育的基础。细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性。没有细胞就没有完整的生命。一、细胞是生命活动的基本单位当前第5页\共有53页\编于星期五\19点当前第6页\共有53页\编于星期五\19点当前第7页\共有53页\编于星期五\19点当前第8页\共有53页\编于星期五\19点细胞是多层次、非线性的复杂结构体系

细胞具有高度复杂性和组织性细胞是高度有序的，具有自组装与自组织能力的体系。

细胞能进行自我调控

繁殖和传留后代细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体

细胞完成各种化学反应

细胞需要和利用能量

细胞参与大量机械活动

细胞对刺激作出反应二、细胞概念的一些新思考当前第9页\共有53页\编于星期五\19点相似的化学组成:三、细胞的基本共性脂-蛋白体系的生物膜DNA-RNA的遗传装置蛋白质合成机器─核糖体一分为二的分裂方式基本元素：C、H、O、N、P、S、Ca、K、Fe、Na、Cl、Mg等生物小分子：核苷酸、氨基酸、脂肪酸、单糖生物分子：核酸、蛋白质、脂质、多糖生物大分子：核蛋白、脂蛋白、糖蛋白、糖脂、磷脂等当前第10页\共有53页\编于星期五\19点原核细胞（Prokaryoticcell）真核细胞（Eukaryoticcell）古细菌（Archaebacteria）第二节原核细胞与古核细胞当前第11页\共有53页\编于星期五\19点一、原核细胞遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状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和细胞核膜。1、基本特点：（Prokaryoticcell）当前第12页\共有53页\编于星期五\19点支原体（mycoplast）——目前发现的最小最简单的细胞，直径，仅为细菌的1/10。细菌：直径1-2um蓝藻，又称蓝细菌（Cyanobacteria）

2、主要代表：当前第13页\共有53页\编于星期五\19点支原体模式图直径当前第14页\共有53页\编于星期五\19点直径1-2um当前第15页\共有53页\编于星期五\19点壁酸壁厚度壁层次对青霉素敏感程度革兰氏阳性菌高厚不清楚敏感革兰氏阴性菌低薄清楚不敏感细菌细胞壁成分：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。当前第16页\共有53页\编于星期五\19点某些细菌的表面还有特殊结构——荚膜荚膜：位于细胞壁表面的一层松散的粘液物质。荚膜的成分因不同菌种而异，主要是由葡萄糖与葡萄糖醛酸组成的聚合物，也有含多肽与脂质。

当前第17页\共有53页\编于星期五\19点质粒细菌染色体大肠杆菌模式图细菌细胞有“染色体”外质粒。质粒DNA双链当前第18页\共有53页\编于星期五\19点蓝藻细胞壁：除了有与高等植物一样的纤维素成分外，还有与细菌相似的肽聚糖。当前第19页\共有53页\编于星期五\19点

古细菌一词出现在20世纪80年代：指那些生长在极端特殊环境中的细菌，又称原细菌。如产甲烷细菌、嗜热、盐细菌。古细菌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：有些生物学家建议将生物划分为原核生物、古核生物和真核生物三大界，将细胞相应分为三大类型：原核细胞、古核细胞和真核细胞。

二、古细菌（Archaebacteria）当前第20页\共有53页\编于星期五\19点（1）细胞壁的成分与真核细胞一样，而不是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。（2）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。主要证据当前第21页\共有53页\编于星期五\19点（3）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。（4）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。当前第22页\共有53页\编于星期五\19点（5）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。当前第23页\共有53页\编于星期五\19点当前第24页\共有53页\编于星期五\19点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。第三节真核细胞（Eukaryoticcell）当前第25页\共有53页\编于星期五\19点细胞类型直径大小(um)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千2、细胞的大小及其分析某些不同来源的同类细胞的大小变化很大，如人的卵细胞的直径只有0.2mm，而鸵鸟的卵细胞的直径则有5cm。当前第26页\共有53页\编于星期五\19点但是，来自不同物种的多数同类型细胞的体积一般是相近的，不依生物个体的大小而增大或缩小。如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同。因此，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。细胞体积守恒定律当前第27页\共有53页\编于星期五\19点细胞的体积与相对表面积成反比关系，细胞体积越大，其相对表面积就越小，细胞与周围环境交换物质的效力就越小。不论细胞体积大小相差多大，但各种细胞核的大小悬殊却不大。细胞内物质的交流运输与细胞体积有关，细胞内的物质从一端向另一端运输或扩散是有时间与空间关系的。

当前第28页\共有53页\编于星期五\19点3、细胞形态结构与功能的关系如：红细胞与其功能：细胞的形态结构与功能的相关性和一致性是很多细胞的共同特点，在分化程度较高的细胞中更为明显。各类分泌细胞与其功能：精子、卵细胞与其功能：当前第29页\共有53页\编于星期五\19点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植物细胞与动物细胞的比较4、原核细胞与真核细胞的比较当前第30页\共有53页\编于星期五\19点特征真核细胞原核细胞细胞膜有有（多功能）核膜有无染色体两个以上染色体，染色体由线状DNA与蛋白质结合组成由一个环状的DNA分子构成的单个“染色体”，DNA很少与蛋白质结合核仁有无线粒体有无内质网有无高尔基体有无溶酶体有无核糖体80S（包括60S和40S的大小亚单位）70S（包括50S和30S的大小亚单位）光合作用结构植物叶绿体具有叶绿素a和b(动物细胞无叶绿体,不能进行光合作用)蓝藻含有叶绿素a的膜层结构，细菌具有菌色素核外DNA线粒体DNA，叶绿体DNA细菌具有裸露的质粒DNA细胞壁动物细胞无细胞壁，植物有细胞壁（主要成分为纤维素和果胶），真菌为几丁质主要成分为氨基糖与壁酸细胞骨架有无细胞增殖方式以有丝分裂（间接分裂）为主，减数分裂无丝分裂（直接分裂）原核细胞与真核细胞基本特征的比较当前第31页\共有53页\编于星期五\19点特征真核生物原核生物DNA量（信息量）多少DNA分子数2个以上1个DNA分子结构线状环状基因组数2n，多n1n基因数目几万几千大量“多余”的重复DNA序列有-基因组结构紧密性较松散更紧密，有些基因间甚至无间隔基因中插入内含子+-DNA与组蛋白结合与5种组蛋白结合不与或与少量类组蛋白结合核小体-染色质-染色体+-DNA复制的明显周期性+-基因表达调控复杂性，多层次性主要以操纵子方式转录与翻译的时空关系核内转录，质内翻译，具有严格的阶段性与区域性转录与翻译同时同地进行转录后与翻译后大分子的加工与修饰+-原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较当前第32页\共有53页\编于星期五\19点植物细胞与动物细胞的比较植物细胞有细胞壁、液泡、叶绿体；动物细胞无。当前第33页\共有53页\编于星期五\19点病毒的基本知识病毒在细胞内增殖（复制）病毒与细胞在起源与进化中的关系第四节非细胞形态的生命体——病毒及其与细胞的关系病毒既有DNA，也有RNA吗？讨论当前第34页\共有53页\编于星期五\19点病毒（virus）——核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体；根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：

DNA病毒与RNA病毒病毒的多样性类病毒（viroid）——仅由感染性的RNA构成朊病毒（prion）——仅由感染性的蛋白质亚基构成一、病毒的基本知识当前第35页\共有53页\编于星期五\19点当前第36页\共有53页\编于星期五\19点当前第37页\共有53页\编于星期五\19点RetrovirusesareinfectiousparticlesconsistingofanRNAgenomepackagedinaproteincapsid,surroundedbyalipidenvelope.Thislipidenvelopecontainspolypeptidechainsincludingreceptorbindingproteinswhichlinktothemembranereceptorsofthehostcell,initiatingtheprocessofinfection.RetrovirusescontainRNAasthehereditarymaterialinplaceofthemorecommonDNA.InadditiontoRNA,retrovirusparticlesalsocontaintheenzymereversetranscriptase(orRNAse),whichcausessynthesisofacomplementaryDNAmolecule(cDNA)usingvirusRNAasatemplate.

Whenaretrovirusinfectsacell,itinjectsitsRNAintothecytoplasmofthatcellalongwiththereversetranscriptaseenzyme.ThecDNAproducedfromtheRNAtemplatecontainsthevirallyderivedgeneticinstructionsandallowsinfectionofthehostcelltoproceed.

当前第38页\共有53页\编于星期五\19点Adenovirus当前第39页\共有53页\编于星期五\19点HIV-(HumanImmunodeficiencyVirus)当前第40页\共有53页\编于星期五\19点二、病毒在细胞内的增殖（复制）病毒能在细胞外增殖吗？讨论当前第41页\共有53页\编于星期五\19点病毒侵入细胞病毒核酸在细胞内复制、转录、合成病毒蛋白质病毒装配、成熟与释放病毒增殖（复制）过程分三步：当前第42页\共有53页\编于星期五\19点

病毒表面识别结构与敏感细胞表面受体发生特异吸附，之后以如下方式侵入细胞：主动吞饮：多数病毒用此方式，需能量。病毒包膜与敏感细胞的细胞膜发生融合。病毒仅将核酸注入被感染的细胞内，壳体不进入细胞：如噬菌体。1、病毒侵入细胞当前第43页\共有53页\编于星期五\19点核酸复制类型病毒所带的酶病毒举例DNA病毒双链DNA疱疹病毒、腺病毒、痘病毒、多瘤病毒、虹病毒单链DNA细小DNA病毒RNA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、弹状病毒等逆转录病毒单链RNA逆转录酶逆转录病毒2、病毒核酸复制、转录与蛋白质合成（1）病毒核酸复制类型当前第44页\共有53页\编于星期五\19点病毒进入细胞后，在宿主细胞蛋白水解酶（脱衣酶）作用下，病毒壳体裂解，释放DNA。DNA进入细胞核，由病毒DNA指导合成“早期蛋白”。早期蛋白关闭宿主细胞的基因调控，抑制宿主细胞本身的核酸复制与转录以及蛋白质合成。另一种“早期蛋白”具有病毒特异聚合酶活性，可催化DNA复制新的病毒DNA，并转录出病毒mRNA，病毒mRNA与宿主细胞核糖体结合翻译出子代病毒结构蛋白。（2）病毒核酸复制过程（举例）1）双链DNA病毒复制：当前第45页\共有53页\编于星期五\19点在病毒自身携带的逆转录酶作用下，逆转录合成DNA，之后整合到宿主细胞染色体DNA上→病毒mRNA→病毒蛋白质。2）单链RNA病毒复制：以病毒RNA作模板先合成“早期蛋白”，后者一方面抑制宿主细胞DNA复制与转录，另一方面催化病毒RNA复制出新的病毒RNA，同时又转录出病毒mRNA，进而合成子代病毒结构蛋白。3）逆转录病毒复制：当前第46页\共有53页\编于星期五\19点疱疹病毒是一种典型的有包膜的立体对称型DNA病毒：A：经负染色的病毒粒子，可见核壳体之外包被着包膜；B：经超薄切片的病毒粒子，结构层次清晰，中央为DNA核心，电子密度很大，中间层为蛋白壳体，外层为脂蛋白的包膜；C：用冷冻蚀刻技术制备的病毒粒子，由于包膜的磷脂双分子层被揭开，可以见到镶嵌在包膜上的糖蛋白分子基团；D：扫描电镜下可以观察到大量释放到细胞表面的成熟的病毒粒子。当前第47页\共有53页\编于星期五\19点

腺病毒是典型的无包膜的立体对称型DNA病毒，它们是在细胞核内复制与装配的。图中显示已装配好的腺病毒在核内呈晶格样排列。当前第48页\共有53页\编于星期五\19点辛德毕斯病毒（SbV）是典型的有包膜病毒，由正20面体对称的核壳和脂蛋白包膜两部分组成。图示SbV出芽成熟和释放的各个阶段。当前第49页\共有53页\编于星期五\19点ProcessbywhichretrovirusesuseahostcelltoreplicateRetrovirusescontainviralRNAandseveralcopiesofreversetranscriptase(DNApolymerase).Afterinfectingacell,thereversetranscriptaseisusedtomaketheinitialcopiesofviralDNAfromviralRNA.OnceaDNAstran