第2章 细胞的统一性和多样性

第二章细胞的统一性和多样性

细胞的基本概念

原核细胞与古核细胞

真核细胞

非细胞形态的生命体 ——病毒及其与细胞的关系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

细胞的基本共性第四节非细胞形态的生命体

—病毒及其与细胞的关系

病毒的基本知识

病毒在细胞内增殖（复制）

病毒与细胞在起源与进化中的关系第二节原核细胞与古核细胞

原核细胞（Prokaryoticcell）古核细胞（古细菌）（Archaebacteria）细胞是生命活动的基本单位

一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位

细胞具有独立的、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细胞概念的一些新思考

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；

细胞是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。

细胞能进行自我调控；

繁殖和传留后代；细胞的基本共性

所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜，即细胞膜。

所有的细胞都含有两种核酸：即DNA与RNA作为遗传信息复制与转录的载体。

作为蛋白质合成的机器─核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内。

所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。病毒的基本知识

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；病毒在细胞内增殖（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

病毒与细胞在起源与进化中的关系病毒是非细胞形态的生命体，它的主要生命活动必须要在细胞内实现。病毒与细胞在起源上的关系，目前存在3种主要观点：

生物大分子→病毒→细胞 病毒

生物大分子细胞

生物大分子→细胞→病毒基本特点：

遗传的信息量小，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。主要代表：

支原体（mycoplast）——最小最简单的细胞；

细菌

蓝藻又称蓝细菌（Cyanobacteria）

原核细胞第三节真核细胞（Eukaryoticcell）

真核细胞的基本结构体系

细胞的大小及其分析

细胞形态结构与功能的关系

原核细胞与真核细胞的比较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:细胞膜、核膜、细胞器（叶绿体、线粒体、高尔基体、内质网、溶酶体）

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。

胞质骨架（微丝、微管及中等纤维等构成的网络系统）核骨架（核纤层、核基质）细胞的大小及其分析各类细胞直径的比较细胞和细胞组分的相对大小

细胞体积的守恒定律细胞及细胞器的计量单位细胞类型直径大小（μm）最小的病毒支原体细胞细菌细胞动植物细胞原生动物细胞0.020.1～0.31～220～30（10～50）数百至数千细胞体积的守恒定律

不同细胞的大小变化很大，如人的卵细胞的直径只有0.1mm，而鸵鸟的卵细胞的直径则有5cm。但是，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，把这种现象称之为"细胞体积的守恒定律"。限制细胞体积大小的因素

限制细胞体积大小的因素●体积同表面积的关系

●细胞内关键分子的浓度●酶蛋白质种类的限制

体积同表面积的关系球形细胞增大，其体积增加的比例要比表面积增加得多。当细胞增大到一定程度时，质膜的表面积就不适应细胞进行内外物质的交换，细胞为了维持一个最佳的生存条件，必需维持最佳的表面积，从而限制了体积的无限增大。细胞内关键分子的浓度一些重要的分子在细胞内的拷贝数是很少的，当细胞体积增大时，这些分子的浓度就越来越稀释，一些重要的生化反应需要一定的浓度才能进行，所以细胞内分子浓度就成了限制细胞体积无限增大的另一个因素。酶蛋白质种类的限制根据对现有生物的了解，一个生活细胞要维持正常的独立生活功能，最低限度需要500～1000种不同类型的酶和蛋白质，这是目前在支原体(mycoplasma)中所发现的酶和蛋白质的量。而支原体是目前所知最小原核细胞，它的体积只有0.2～0.3μm，仍能完全独立地生存，很显然，细胞体积最小化受制于维持细胞生命活动所需的酶和蛋白质种类的最低限度。细胞及细胞器的计量单有两种计量细胞大小的单位，微米(μm)和纳米(nm)。1μm等于10-6m，1nm等于10-9m。使用电子显微镜后又提出埃(angstrom，Å)为超显微结构的计量单位，1埃(Å)=0.1纳米，但并不常用。较大的细胞器通常用μm表示，如细胞核的直径大约是5-10μm，而线粒体的长度大约是2μm。DNA的宽度为2nm。细胞形态结构与功能的关系细胞的形态结构与功能的相关性与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,这是生物漫长进化过程的产物。

如：哺乳动物红细胞，呈中央凹陷的圆饼形,体积很小,是一种非常特化的细胞。红细胞内无细胞核,亦无其他重要细胞器，主要是由细胞质膜包着血红蛋白。这些特点都与红细胞交换02

与C02

的功能密切相关。细胞体积小，非常有利于在血管内快速运行。体积小则相对表面积大有利于提高气体交换效率。因此,红细胞的形态与结构装置与其交换气体的功能之间的关系是非常合理的。原核细胞与真核细胞的比较

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相同点

真核细胞特有的特点

植物细胞与动物细胞的比较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作为遗传物质，并使用相同的遗传密码3.都是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.具有相同的化学能贮能机制，如ATP合成酶(原核位于细胞质膜，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)真核细胞特有的特点

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2.DNA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、胞内体等)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原核细胞与真核细胞基本特征的比较(P36)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不与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的大小亚单位）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（分裂）方式无丝分裂（直接分裂）以有丝分裂（间接分裂）为主原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较(P37)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基因组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与组蛋白结合不与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方式复杂性，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，减数分裂植物细胞与动物细胞的比较

细胞壁

液泡

叶绿体

古细菌

是一类很持殊的细菌，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；此外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。

类别

古细菌（archaebacteria）与真核细胞曾在进化上有过共同历程

主要证据

进化系统树类别极端嗜热菌（thermophiles）：能生长在90℃以上的高温环境。如斯坦福大学科学家发现的古细菌，最适生长温度为100℃，80℃以下即失活，德国的斯梯特（K.Stetter）研究组在意大利海底发现的一族古细菌，能生活在110℃以上高温中，最适生长温度为98℃，降至84℃即停止生长；美国的J.A.Baross发现一些从火山口中分离出的细菌可以生活在250℃的环境中。嗜热菌的营养范围很广，多为异养菌，其中许多能将硫氧化以取得能量。极端嗜盐菌（extremehalophiles）：生活在高盐度环境中，盐度可达25%，如死海和盐湖中。极端嗜酸菌（acidophiles）：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，能氧化硫，硫酸作为代谢产物排出体外。极端嗜碱菌（alkaliphiles）：多数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8～10。产甲烷菌（metnanogens）：是严格厌氧的生物，能利用CO2使H2氧化，生成甲烷，同时释放能量。CO2＋4H2→CH4＋2H2O＋能量由于古细菌所栖息的环境和地球发生的早期有相似之处，如：高温、缺氧，而且由于古细菌在结构和代谢上的特殊性，它们可能代表最古老的细菌。它们保持了古老的形态，很早就和其它细菌分手了。所以人们提出将古细菌从原核生物中分出，成为与原核生物（即真细菌eubacteria）、真核生物并列的一类。主要证据（1）细胞壁成分与真核细胞相似，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古细菌与真核细胞无作用。（2）DNA与基因结构：古细菌DNA中有重复序列的存在。多数古核细胞的基因组中存在内含子。（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。（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。病毒的多样性1)宿主范围：动物病毒、植物病毒、细菌病毒（噬菌体）2)核酸类型：DNA或RNA，单链或双链、线状或环状3)

装配形式:有二十面体对称、螺旋对称和复合对称三种类型。4)形态：①球形(Sphericity)、②丝形(Filament)、③弹形(Bulletshape)、④砖形(Brick-shape)、⑤蝌蚪形(Tadpole-shape)5)包膜有无：核壳外的包膜（由脂质与蛋白质组成）腺病毒甲型Ｈ1Ｎ1流感病毒猪流感病毒属于正粘病毒科（Orthomyxoviridae）,甲型流感病毒属（influenzavirusA）。典型病毒颗粒呈球状，直径为80nm-120nm，有囊膜。囊膜上有许多放射性排列的突起糖蛋白，分别是血凝素ＨＡ、神经氨酸酶ＮＡ和Ｍ２蛋白。病毒颗粒内为核衣壳，呈螺旋状对称，直径为10nm。猪流感病毒为单股负链RNA病毒，基因组约为13.6kb，由大小不等的８个独立片断组成。病毒有五种形态：①球形(Sphericity)：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；②丝形(Filament)：多见于植物病毒，如烟草花叶病病毒，人类流感病毒有时也可形成丝形；③弹形(Bulletshape)：形似子弹头，如狂犬病病毒等，其他多为植物病毒。④砖形(Brick-shape)：如痘病毒、天花病毒等；⑤蝌蚪形(Tadpole-shape)：由一卵圆形的头及一条细长的尾组成，如噬菌体。其中①为二十面体对称;②、③为螺旋对称;④、⑤复合对称。

脊髓灰质炎病毒(球形)烟草花叶病毒(线形)T4噬菌体(蝌蚪形)痘病毒(砖形)狂犬病毒(子弹形)流感冒病毒(丝状有被膜)病毒侵入细胞，病毒核酸的侵染:病毒与细胞表面的接触：特异性吸附（病毒表面的识别结构与敏感细胞表面的受体互补结合），这决定了病毒能否侵染细胞。病毒进入细胞的主要方式：

“主动吞饮”（多数动物病毒）包膜与细胞膜融合（一些有包膜的病毒）核酸注入（噬菌体）病毒进入细胞后，壳体被细胞的蛋白水解酶裂解病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成

病毒核酸复制类型(6种病毒)：双链DNA、单链DNA、双链RNA、侵染性单链RNA、非侵染性单链RNA、逆转病毒单链RNA复制转录合成方式：

（1）双链DNA病毒壳体裂解→释放DNA→进入细胞核→翻译‘早期蛋白’→关闭宿主细胞的基因调控、抑制宿主有关复制转录及翻译→复制新的DNA→转录mRNA→翻译结构蛋白（2）单链RNA病毒壳体裂解→释放RNA→翻译‘早期蛋白’→关闭宿主细胞的基因调控、抑制宿主有关复制转录及翻译→复制新的RNA→转录mRNA→翻译结构蛋白（3）RNA肿瘤病毒壳体裂解→释放RNA→反转录病毒的DNA与宿主DNA结合（整合）→转录新的RNA及mRNA→翻译结构蛋白及导致宿主细胞转型的蛋白根据病毒所含的核酸的性质和状态不同，可将病毒分为6类：

1)双链±DNA→+mRNA→蛋白质，如天花病毒、T-偶数噬菌体。2)单链+DNA→±DNA→+RNA→蛋白质。3)双链±RNA→+mRNA→蛋白质，如呼肠孤病毒。4)单链+RNA→－RNA→+RNA→蛋白质,脊髓灰质炎病毒。5)单链-RNA→+RNA→+蛋白质，如流感病毒、副流感病毒、狂犬病毒。6)单链+RNA→DNA→±DNA→+mRNA→蛋白质，即逆转录病毒（retrovirus）又称RNA肿瘤病毒（oncornavirus）。•大小通常为0.1~0.3μm，可通过滤菌器。•无细胞壁，不能维持固定的形态而呈现多形性。•细胞膜中胆固醇含量较多，约占36%，这对保持细胞膜的完整性是必需的。凡能作用于胆固醇的物质（如二性霉素B、皂素等）均可引起支原体膜的破坏而使支原体死亡。•基因组为一环状双链DNA，分子量小（仅有大肠杆菌的五分之一），合成与代谢很有限。支原体肺炎支原体•是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体。•可分为：球菌、杆菌和螺旋菌（弧形菌）。•绝大多数细菌的直径在0.5~5μm之间。细菌细胞大肠杆菌弧形霍乱菌淋病球菌肉毒梭菌1、细胞膜：厚约8~10nm，外侧紧贴细胞壁，通常不形成内膜系统。一些行光合作用的原核生物，质膜具有与捕光反应有关的内褶。一些革兰氏阳性菌质膜内褶形成小管状结构，称为间体(mesosome)，因其与DNA有联系，推测可能起DNA复制的支点作用。

2、拟核：没有核膜，DNA分子裸露，所含的遗传信息量可编码2000~3000种蛋白质，空间构建十分精简。3、细胞壁：主要成分是肽聚糖，由N-乙酰葡糖胺（NAG）和N-乙酰胞壁酸（NAM）构成双糖单元，以β（1-4）糖苷键连接成大分子。多糖链之间由含4~5个氨