第二章+细胞的统一性与多样性

1、第二章 细胞的统一性与多样性, 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,（一）一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位。 除非细胞形态的生命体病毒外，自然界的一切生物：动物、植物和微生物均由细胞构成。,一、细胞是生命活动的基本单位,第一节 细胞的基本概念,（二）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。,细胞生命活动： -以物质代谢为基础； -以能量代谢（ATP）为动力； -以信息调控为机制。,（三）细胞是有机体生长与发育的基础 -细胞的增殖、生长、分化与凋亡,精子穿卵受精卵6周胚胎11周胚胎12周胚胎4月胚胎,

2、（四）细胞是遗传的基本单位，具有遗传的全能性,Dolly的标本和伊恩博士,Dolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊Dolly由英国爱丁堡大学的伊恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺结核而被安乐死，的标本于2003年4月9日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。,多莉的出生与三只母羊有关，而多莉与提供细胞核的母羊最相似 。,遗传信息来自哪里？,（五）没有细胞就没有完整的生命,细胞的完整性是实现生命活动之必须，病 毒虽然是非细胞形态的生命体，但它们也必须 在细胞中才能表现最基本的生命特征（繁殖和 遗传）。,（六）细胞概念的一些新思考,细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体 细

3、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； 细胞是多层次非线性和多层面的复杂结构体系 细胞具有高度复杂性和组织性 细胞是高度有序的，具有自组装能力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,细胞是多层次非线性的复杂结构体系,细胞是多层次非线性与多层面的复杂结构体系,细胞需要和利用能量,三、细胞的基本共性,1、所以的细胞都有相似的化学组成-分子统一。 1、所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成 的脂-蛋白体系的生物膜细胞膜。 2、所有的细胞都含有两种核酸：即DNA与RNA作为

4、遗传信 息复制与转录的载体 DNA-RNA的遗传装置。 3、作为蛋白质合成的机器核糖体，毫无例外地存在于一 切细胞内信息表达。 4、所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。 繁殖后代。,20世纪60年代，著名细胞生物学家H. Ris 把细胞划分为原核细胞和真核细胞两大类，由此延伸把整个生物界分为原核生物（prokaryote）和真核生物（eukaryote）； 原核细胞最基本的特点： 1）遗传信息量小，主要的遗传信息载体仅由一个环状DNA 构成； 2）细胞内没有分化出以膜为基础的具有专门结构与功能的 细胞器和细胞核。 原核细胞：包括支原体、衣原体、立克次体、细菌、放线 菌、蓝藻等多种庞大的家

5、族。,第二节 原核细胞与古核细胞 （古细菌）,原核生物分为：真细菌（eubacteria) 和 古细菌(archaeobacteria) 真细菌主要代表： 支原体（mycoplast）最小最简单的细胞； 细菌 蓝藻又称蓝细菌（Cyanobacteria) 古细菌又称古核生物（archaeon） ，它的细胞在形态上与原核细胞相似，但并不意味着它们是最古老的细胞类型。有些分子进化特征接近真核细胞。,一）支原体的基本特征 支原体 （mycoplast，又译为霉形体）是目前 发现的最小最 简单的细胞，虽然它们是极为简单的生命体，却已具备了细胞 的基本形态，并具有作为生命活动基本单位存在的主要特征。 1

6、、具备细胞的基本形态结构； 2、能寄生生长；能在培养基上生活。 3、环状双螺旋DNA； 4、一分为二的方式分裂繁殖； 5、具备细胞生存和繁殖需要的最小要素：细胞膜、遗传物质、 核糖体和酶。,一、最小、最简单的细胞支原体 mycoplasma,二）支原体独特性： 1、大小已接近细胞体积的极限100nm. 2、无细胞壁，形态随意变化即具有多形态性； 3、细胞膜厚约10nm，具有原核细胞所具有的多功能性； 4、基因组是目前发现的能独立生活的生物中最小的： 482个基因，其中最少必须基因256。核糖体约800-1500个，霉、酶100多个。,支原体 mycoplast的特例 TEM,肺炎支原体侵染仓鼠

7、气管组织的TEM照片,三）衣原体（chlamydia） 比支原体复杂、也不同于细菌和病毒。它广泛寄生于人类、鸟类及哺乳动物如沙眼衣原体、肺炎衣原体、鹦鹉热肺炎衣原体等。但不能在培养基上生活。基本特征如下： 1、体积约250-500nm，在光学显微镜下可以查见。 2、含有DNA和RNA。 3、具有细胞壁。 4、具有一些酶类但不够完善，不能合成ATP、GTP，必须由宿 主细胞提供，因而成为能量寄生物。,四）立克次氏体（Rickettsia） 是一类专性寄生于真核细胞内, 介于细菌与病毒之间,而接近于细菌的一类原核生物。但不能在培养基上生活。 直径为0.31.2m，在光学显微镜下清晰可见。 有细胞壁

8、。 有DNA和RNA两种核酸，基因组很小。 具有不完整的产能代谢途径，大多只能利用谷氨酸和谷 氨酰胺产能而不能利用葡萄糖或有机酸产能；,附：衣原体和立克次氏体,附着在内皮细胞表面的立克次氏体和细胞内包含立克次氏体的内吞体,二、原核细胞的两个代表-细菌和蓝藻,一）、细菌细胞,1）细菌是自然界分布最广、数量最多的有机体。 2) 直径约0.55m，有球菌、杆菌和螺旋菌等。 3) 绝大多数细菌的。 4）没有典型的核结构，仅有核区（环状DNA）。 5） 除核糖体外，没有类似真核细胞的细胞器。,细菌的基本特征,大肠杆菌,淋病球菌,肉毒梭菌,弧形霍乱菌,三种形态的细菌：杆菌、球菌、螺旋菌（弧形菌）,1、拟核

9、和基因组（genome),1) 细菌细胞具有原始形态的核：没有核膜，核仁，结构 简单； 2) 环状DNA分子裸露，没有内含子，具有重叠基因; 3) DNA复制、RNA转录和蛋白质翻译在拟核内同时进行， 即基因的复制和表达在时间和空间上是连续的。,大肠杆菌拟核 低电子密度区为拟核,细菌细胞的表面结构主要指细胞质膜、细胞壁及其特化结构：中膜体、荚膜和鞭毛。,2、细菌细胞的表面结构,2）细胞质膜：厚约8-10nm，外侧紧贴细胞壁，细菌细胞膜的显著特点之一是具有多重功能： 具有正常细胞膜的物质交换等功能-半渗透膜； 含有丰富的酶系，执行许多重要的代谢功能：如膜内侧具有电子传递和氧化磷酸化的酶系，能执行

10、真核细胞线粒体的部分功能。一些酶与核糖体共同执行合成向外分泌蛋白质的功能；此外还含有细胞色素酶（如光合细菌）和细胞壁合成酶，相当于真核细胞的叶绿体，内质网和高尔基体部分功能。此外，近年发现细菌细胞质膜外侧有受体蛋白与酶等。,（2）中膜体-细胞膜中的间体（Mesosome） 由细胞质膜内陷形成，每个细胞一个或数个。它与DNA有联系，推测可能起DNA复制的起点作用。,3）细胞壁： 主要成分是肽聚糖，由N-乙酰氨基葡糖和N-乙酰胞壁酸 与四五个氨基酸短链聚合而成的多层网状大分子结构。 革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的细胞壁成分和结构差异明 显，是细菌呈现革兰氏阳性反应与阴性反应的重要原因。 A.阳性菌:

11、壁厚20-80nm，层次不清，壁酸含量90，对 青霉素敏感。 B.阴性菌：壁厚约10nm，层次较分明，壁酸含量5，对 青霉素不敏感。,Gram positive bacterial cell wall,革兰氏阳性菌细胞壁厚约20-80nm，有15-50层肽聚糖片层，每层厚1nm，含90的胞壁酸（teichoic acid）。,Gram positive bacterial cell wall,革兰氏阴性菌细胞壁厚约10 nm，仅2-3层肽聚糖，壁酸含量占5%,另外还有脂多糖、细菌外膜和脂蛋白。,4）荚膜（capsule）：细菌最外表的一层 多糖类物质。主要 是由葡萄糖和葡萄 糖醛酸组成的聚 合

12、物。 功能：抵御不良 环境；保护自身不 受吞噬；选择性的 粘附到特定细胞的 表面上。,Negative stained bacteria,5）鞭毛：细菌的运动器官，由鞭毛蛋白构成。,3、细菌细胞的核糖体： 约含500050000个，与mRNA形成多聚核糖体。 部分附着在细胞膜内侧，大部分游离于细胞质中。 沉降系数为70S。由大亚单位(50S)与小亚单位(30S)组成。大亚单位含有23SrRNA，5SrRNA与30多种蛋白质。小亚单位含有16SrRNA与20多种蛋白质。 小亚单位对四环素与链霉素敏感，大亚单位对红霉素与氯霉素敏感。,4、核外DNA-质粒(plasmid) ： 是核区DNA外，可进

13、行自主复制的遗传因子，是裸露的环状DNA分子，所含遗传信息量为2200个基因，能进行自我复制，有时能整合到核DNA中去。质粒常用作基因重组与基因转移的载体。如：大肠杆菌性因子（F因子）、 大肠杆菌素因子 （col因子）、抗 药因子（r因子） 等。,5、细菌细胞内生孢子：又称芽孢，是某些细菌处于不利环境，或耗尽营养时具有强抵抗力的休眠体。,6、繁殖：以二分裂的方式繁殖，某些细菌处于不利的环境，或耗尽营养时，形成内生孢子，又称芽孢，是对不良环境有强抵抗力的休眠体。,分裂中的链球菌,分裂中的大肠杆菌,炭疽杆菌的芽孢,二）、蓝藻细胞,又称蓝细菌，是最简单的光能自养型生物之一。它的光合作用类似于高等植物

14、 ，而不同于光合细菌。但没有叶绿体，仅有质膜内陷形成的捕光装置（光合作用片层）。 DNA分子环状、裸露，连续复制。遗传信息量很大，可与高等植物相比。 体积大，直径约10m左右，甚至可达70bm (颤藻)。 属单细胞生物，但有些蓝藻经常以丝状的细胞群体存在，如：发菜。,Cyanobacteria,三、古细菌（archaebacteria）,原核细胞在很早时候就演化为两大类：真细菌（eubacteria）和古细菌（archaebacteria），其中古细菌可能是更为原始的类型。 古细菌又称古核生物（archaeon），其形态结构和遗传装置与 原核生物相似，但有些分子进化特征更接近真核生物。 古细菌

15、是一类生长在极端特殊环境中的细菌，命名于20世纪80 年代，主要具有下列特点：,无核膜及内膜系统； 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、具有内含子和组蛋白。 细胞膜中的脂类不可皂化，细胞壁不含肽聚糖。 极端环境中生活如：产甲烷菌、极端嗜盐菌、极端嗜热菌。,（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

16、有组蛋白，而且能与DNA构建成类似核小体结构。,古细菌与真核细胞曾在进化上有过共同历程的主要证据,（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（7084）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）5S rRNA：根据对5S rRNA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。5S rRNA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

17、真核生物在进化上的关系较真细菌类更为密切。,a: Aquificiales pyrophilus；b: Pyrolobus fumarii；,Pyrolobus fumarii 可以生活在 90 -113，pH 4.0-6.5。其最适生存温度为106 ，低于85和高于115则不生长，能在121的高温中存活1小时,第三节 真核细胞（Eukaryotic cell）,真核细胞的基本结构体系； 细胞的大小及其分析； 细胞的形态结构与功能关系； 植物细胞与动物细胞的比较； 原核细胞与真核细胞的比较。,一、真核细胞的基本结构体系,以生物膜为基础，在亚显微结构水平上真核细胞可划分为三大结构体系： 1）以脂

18、质和蛋白质为基础的生物膜结构体系； 2）以核酸和蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统。 3）由特异蛋白质分子装配构成的细胞骨架系统。,真核细胞的基本结构体系,（一）生物膜结构系统,质膜（plasmolemma；plasma membrane）：构成细胞表面的主要成分，参与物质运输、能量转换、细胞识别、运动等。 细胞核被膜（nuclear envelope）：双层膜，将细胞分成两大结构和功能取：细胞质（cytoplasm）和细胞核（ nuclear） 细胞器膜：线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体等不同结构和功能的细胞器。,（二）遗传信息表达结构系统,1、DNA-蛋白质与RNA-蛋白质复合体形成遗传信

19、息载体 与表达系统； 2、DNA与组蛋白构成了染色质与染色体的基本结构 核小体（nucleosome）。 3、核仁：主要由DNA-蛋白质与RNA-蛋白质组成，主要 功能是rRNA的转录与核糖体亚单位的装配。核仁DNA 主要是rDNA，是 转录rRNA的摸板。 4、核糖体由rRNA与数种蛋白质构成，是蛋白质合成的场所。,（三）细胞骨架系统,1、细胞骨架系统：是由一系列特异的结构蛋白装配而成的网架系统。分为胞质骨架和核骨架。 2、胞质骨架：由微丝、微管与中等纤维等构成的网络体系。 3、核骨架：包括核纤层和核基质。,二、细胞的大小及其分析,细胞最大体积的极限与什么因素有关？细胞的体积受什么因素 控制

20、？ 1）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。 2）一般来说，无论细胞体积差别多大，但细胞核的大小差别不 大。 3）细胞内物质的交流运输与细胞体积有关。,各类细胞直径的比较,细胞和细胞组分的相对大小,细胞和细胞组分的相对大小,三、细胞形态结构与功能的关系,细胞的形态结构与其功能具有高度的相关性和一致性， 这是生物漫长进化过程的产物。,四、原核细胞与真核细胞的比较,1、原核细胞与真核细胞最根本的区别： 1) 细胞膜系统的演化和分化； -核、质分化和质内细胞器的分化。 2）遗传信息量和遗传装置的扩大和复杂化； -重复序列和染色体多倍性。 2、原核细胞与真核细胞结构与

21、功能的比较（P36） 3、原核细胞与真核细胞已成装置与基因表达的比较： （P37表）,原核细胞与真核细胞基本特征的比较,二）、原核细胞与真核细胞遗传结构装置和基因表达比较,五、植物细胞与动物细胞的区别图,植物细胞与动物细胞,植物细胞与动物细胞,植物细胞与动物细胞的区别,动物细胞、植物细胞、细菌细胞,细胞壁、液泡、叶绿体 植物细胞特有结构：,第四节 非细胞形态的生命体 病毒及其与细胞的关系,病毒的发现：1892年俄国的植物病理学家D.Ivanovsky 研究了烟草花叶病的病原, 认为它是一种能通过细菌滤器的“细菌毒素”或极小的“细菌”。1898年荷兰学者 M.W.Berijerinck独立进行了

22、烟草花叶病病原体的研究,首次提出其病原是一种“传染性的活性液体”或称“病毒”。从此,许多学者陆续发现了各种植物病毒、动物 病毒和细菌病毒噬菌体。,进化树,一、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；,随着对病毒研究的不断深入，原先对病毒的定义不断地被修改，至今仍无一个科学而严谨的定义。但有一个基本的定义：病毒是一类超显微的非细胞生物，每一种病毒是由一种核酸分子与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体；它们只能在活细胞内营专性寄生，靠其宿主代谢系统的协助复制核酸、合成蛋白质等组分，然后进行装配得以繁殖；在离体条件下，以无生命的大分子状态长期存在并保持其侵染活性。,病毒的定义,DNA病毒与RNA病毒,病毒的多