第二章細(xì)胞的統(tǒng)一性與多樣性

第二章

細(xì)胞的統(tǒng)一性與多樣性第一節(jié)、細(xì)胞的基本概念第二節(jié)、原核細(xì)胞與古核細(xì)胞第三節(jié)、真核細(xì)胞第四節(jié)、非細(xì)胞形態(tài)的生命體 ——病毒及其與細(xì)胞的關(guān)系第一節(jié)、細(xì)胞的基本概念一、細(xì)胞是生命活動的基本單位二、細(xì)胞的基本共性第四節(jié)、非細(xì)胞形態(tài)的生命體

—病毒及其與細(xì)胞的關(guān)系

一、病毒的基本知識二、病毒在細(xì)胞內(nèi)增殖（復(fù)制）三、病毒與細(xì)胞在起源與進(jìn)化中的關(guān)系第二節(jié)、原核細(xì)胞與古核細(xì)胞

原核細(xì)胞的基本特點：遺傳信息量小，主要的遺傳信息載體僅由一個環(huán)狀DNA構(gòu)成；細(xì)胞內(nèi)沒有分化出以膜為基礎(chǔ)的具有專門結(jié)構(gòu)與功能的細(xì)胞器和細(xì)胞核。一、最小最簡單的細(xì)胞－支原體二、原核細(xì)胞的兩個代表－細(xì)菌和藍(lán)藻三、古核細(xì)胞（archaebacteria）一、細(xì)胞是生命活動的基本單位一切有機體都由細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞是構(gòu)成有機體的基本單位；細(xì)胞具有獨立的、有序的自控代謝體系，細(xì)胞是代謝與功能的基本單位；細(xì)胞是有機體生長與發(fā)育的基礎(chǔ)；細(xì)胞是遺傳的基本單位，細(xì)胞具有遺傳的全能性；沒有細(xì)胞就沒有完整的生命。關(guān)于細(xì)胞概念的一些新思考成人的有機體大約含有1014個細(xì)胞；剛出生的嬰兒機體約有2×1012個細(xì)胞；1g哺乳動物的肝或腎組織大約含有2.5~3億個細(xì)胞。關(guān)于細(xì)胞概念的一些新思考細(xì)胞是物質(zhì)（結(jié)構(gòu)）、能量與信息過程精巧結(jié)合的綜合體；

細(xì)胞完成各種化學(xué)反應(yīng)細(xì)胞需要和利用能量

細(xì)胞參與大量機械活動細(xì)胞對刺激作出反應(yīng)細(xì)胞是多層次、非線性與多層面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系；細(xì)胞是高度有序的，具有自組裝與自組織能力的體系。

細(xì)胞能進(jìn)行自我調(diào)控

繁殖和傳留后代二、細(xì)胞的基本共性所有的細(xì)胞都有相似的化學(xué)組成，類似的遺傳語言、生命活動及其調(diào)控機制。脂－蛋白體系的生物膜(一是在細(xì)胞內(nèi)外起屏障作用;二是要在細(xì)胞內(nèi)形成各個功能特區(qū)）DNA－RNA的遺傳裝置蛋白質(zhì)合成的機器－核糖體一分為二的分裂方式細(xì)胞的化學(xué)組成細(xì)胞中的水無機鹽有機小分子：糖、脂、核苷酸、氨基酸生物大分子：多糖、DNA和RNA、蛋白質(zhì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)體系的組裝生命來自于水細(xì)胞中的水以兩種形式存在：游離水和結(jié)合水。游離水是細(xì)胞代謝反應(yīng)的溶劑；結(jié)合水則是以氫鍵和蛋白質(zhì)分子結(jié)合的水分子。氫鍵的作用氫鍵的作用氫鍵能吸收較多的熱能，將氫鍵打斷需要較高的溫度，因此氫鍵可以維持細(xì)胞溫度的相對穩(wěn)定。相鄰水分子間形成的氫鍵使水分子具有一定的粘性，使水具有較高的表面密度。水分子間的氫鍵可以提高水的沸點，使它不易從細(xì)胞中揮發(fā)掉。水在細(xì)胞中既是反應(yīng)劑又是溶劑。水分子是極性分子，主要依靠與各種極性分子和離子間形成氫鍵使之得以溶解。根據(jù)無機離子在細(xì)胞內(nèi)的作用分為四大類：1）大分子的結(jié)構(gòu)成分，C、H、N、O、P、S等；2）各種酶反應(yīng)所需要的離子；3）各種酶活性所需的基礎(chǔ)微量元素；4）某些生物需要的特殊微量元素，如碘、銫等。功能：維持細(xì)胞內(nèi)的pH值和滲透壓，以保持細(xì)胞的正常生理活動；同蛋白質(zhì)或脂類結(jié)合組成具有特定功能的結(jié)合蛋白，參與細(xì)胞的生命活動；作為酶反應(yīng)的輔助因子。細(xì)胞結(jié)構(gòu)體系的四級組裝構(gòu)成細(xì)胞的小分子有機物的形成，包括堿基、氨基酸、葡萄糖等；由有機小分子組裝成生物大分子：DNA、RNA、蛋白質(zhì)、多糖；由生物大分子進(jìn)一步組裝成細(xì)胞的高級結(jié)構(gòu)：細(xì)胞膜、核糖體、染色體、細(xì)胞骨架等；由生物大分子組裝成具有空間結(jié)構(gòu)和生物功能的細(xì)胞器如細(xì)胞核、線粒體、葉綠體等，最后再由細(xì)胞器組成細(xì)胞。一、病毒的基本知識病毒是非細(xì)胞形態(tài)的生命體，是迄今發(fā)現(xiàn)的最小最簡單的有機體。病毒（virus）——核酸分子（DNA或RNA）與蛋白質(zhì)構(gòu)成的核酸-蛋白質(zhì)復(fù)合體；根據(jù)病毒的核酸類型可以將其分為兩大類：

DNA病毒與RNA病毒

病毒的多樣性類病毒（viroid）——僅由有感染性的RNA構(gòu)成；朊病毒（prion）——僅由有感染性的蛋白質(zhì)構(gòu)成。二、病毒在細(xì)胞內(nèi)增殖（復(fù)制）病毒侵入細(xì)胞，病毒核酸的侵染；病毒核酸的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄與蛋白質(zhì)的合成；病毒的組裝、成熟與釋放。 動物病毒進(jìn)入細(xì)胞的主要三種方式三、病毒與細(xì)胞在起源與進(jìn)化中的關(guān)系病毒是非細(xì)胞形態(tài)的生命體，它的主要生命活動必須要在細(xì)胞內(nèi)實現(xiàn)。病毒與細(xì)胞在起源上的關(guān)系，目前存在3種主要觀點：生物大分子→病毒→細(xì)胞 病毒生物大分子細(xì)胞生物大分子→細(xì)胞→病毒主要證據(jù)病毒是徹底寄生物，必須要在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制與增殖，才能表達(dá)其基本生命現(xiàn)象。因此病毒決不可能起源在細(xì)胞之先，只能先有細(xì)胞后有病毒已經(jīng)證明，有些病毒（如腺病毒）的核酸與哺乳動物細(xì)胞DNA某些片段的堿基序列十分相似。病毒可以看作DNA與蛋白質(zhì)或RNA與蛋白質(zhì)的復(fù)合大分子，與細(xì)胞內(nèi)核蛋白分子有相似之處。真核生物中，尤其是脊椎動物中普遍存在的第二類反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的兩端含有長末端重復(fù)序列，結(jié)構(gòu)與整合于基因組上的反轉(zhuǎn)錄病毒十分相似。一、最小最簡單的細(xì)胞－支原體最小最簡單的細(xì)胞；沒有細(xì)胞壁，細(xì)胞具有多形態(tài)性；遺傳物質(zhì)均勻分布在細(xì)胞質(zhì)中。細(xì)胞體積的最小極限一個細(xì)胞生存與增殖所必需具備的裝置：細(xì)胞質(zhì)膜、遺傳信息載體DNA與RNA、進(jìn)行蛋白質(zhì)合成的一定數(shù)量的核糖體以及催化主要酶促反應(yīng)所需要的酶。細(xì)胞體積的最小化受制于維持細(xì)胞生命活動所需的酶和蛋白質(zhì)種類的最低量，根據(jù)這些條件，一個細(xì)胞最小的直徑不能小于100nm，而支原體的直徑已經(jīng)接近這個極限。第三節(jié)、真核細(xì)胞一、真核細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)體系二、細(xì)胞的大小三、細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系四、原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的比較五、植物細(xì)胞與動物細(xì)胞的比較一、真核細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)體系以質(zhì)脂及蛋白成分為基礎(chǔ)的生物膜結(jié)構(gòu)體系以核酸與蛋白質(zhì)為主要成分的遺傳信息表達(dá)體系由蛋白質(zhì)分子組裝構(gòu)成的細(xì)胞骨架體系二、細(xì)胞的大小大多數(shù)動植物細(xì)直徑在20~30μm，一般真核細(xì)胞的直徑大于原核細(xì)胞，卵細(xì)胞大于體細(xì)胞。各類細(xì)胞直徑的比較細(xì)胞體積的守恒定律細(xì)胞維持體積相對恒定的因素細(xì)胞類型直徑／um最小的病毒支原體細(xì)胞細(xì)菌細(xì)胞高等動植物細(xì)胞原生動物細(xì)胞0.020.1－0.31－220－30數(shù)百至數(shù)千細(xì)胞體積的守恒定律

同一器官與組織的細(xì)胞,其大小總是在一個恒定的范圍內(nèi)，不依生物個體的大小而增大或縮小。如人、牛、馬、象與小鼠的腎細(xì)胞、肝細(xì)胞的大小基本相同;器官的大小主要決定于細(xì)胞的數(shù)量,與細(xì)胞的數(shù)量成正比,而與細(xì)胞的大小無關(guān),這種關(guān)系稱之為“細(xì)胞體積的守恒定律”。維持細(xì)胞體積相對恒定的因素

細(xì)胞的體積與相對表面積成反比的關(guān)系核質(zhì)之間的比例細(xì)胞內(nèi)重要分子的濃度一些重要的分子在細(xì)胞內(nèi)的拷貝數(shù)很少，當(dāng)細(xì)胞體積增大時，這些分子的濃度就越來越稀釋，一些重要的生化反應(yīng)需要一定的濃度才能進(jìn)行，所以細(xì)胞內(nèi)分子濃度就成了細(xì)胞體積無限增大的一個限制因素。細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的交流運輸與細(xì)胞體積的有關(guān)三、細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的相關(guān)性與一致性是各類細(xì)胞所共同遵循的基本原則；這種統(tǒng)一性在分化程度較高的細(xì)胞中更為明顯，這是生物漫長進(jìn)化過程的產(chǎn)物，從進(jìn)化觀點看有一定的合理性。如哺乳動物紅細(xì)胞、動物的各類分泌細(xì)胞和高等生物的生殖細(xì)胞等。四、原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的比較原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的相同點原核細(xì)胞與真核細(xì)胞基本特征的比較原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的遺傳結(jié)構(gòu)裝置和基因表達(dá)的比較原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的相同點都具有類似的細(xì)胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)都以DNA作為遺傳物質(zhì)，并使用相同的遺傳密碼都以一分為二的方式進(jìn)行細(xì)胞分裂具有相同的遺傳信息轉(zhuǎn)錄和翻譯機制，有類似的核糖體結(jié)構(gòu)。代謝機制相同（如糖酵解和TCA循環(huán)）具有相同的化學(xué)能儲能機制，如ATP合成酶。光合作用機制相同（藍(lán)細(xì)菌和植物相比較）膜蛋白的合成和插入機制相同原核細(xì)胞與真核細(xì)胞基本特征的比較特征原核細(xì)胞真核細(xì)胞細(xì)胞膜有（多功能性）有核膜無有染色體由一個環(huán)狀DNA分子構(gòu)成的單個染色體，DNA很少或不與蛋白質(zhì)結(jié)合2個染色體以上，染色體由線狀DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合而成核仁無有線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體無有核糖體70S（50S與30S的大小亞單位）80S（60S與40S的大小亞單位）光合作用結(jié)構(gòu)藍(lán)藻含葉綠素a的膜層結(jié)構(gòu)，細(xì)菌有菌色素植物葉綠體具有葉綠素a與b核外DNA細(xì)菌具裸露的質(zhì)粒DNA線粒體DNA、葉綠體DNA細(xì)胞壁主要成分是氨基糖與壁酸植物細(xì)胞壁為纖維素和果膠轉(zhuǎn)錄與翻譯的時空關(guān)系轉(zhuǎn)錄與翻譯同時同地進(jìn)行細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞質(zhì)內(nèi)翻譯，嚴(yán)格的階段性與區(qū)域性細(xì)胞骨架無有細(xì)胞增殖方式無絲分裂（直接分裂）有絲分裂（間接分裂）原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的遺傳結(jié)構(gòu)裝置、基因表達(dá)及其調(diào)控的比較

特征原核細(xì)胞真核細(xì)胞DNA量（信息量）少多DNA分子數(shù)12個以上DNA分子結(jié)構(gòu)環(huán)狀線狀基因組數(shù)1n2n，多n基因數(shù)幾千大于幾萬大量多余的重復(fù)的DNA序列無有基因中的內(nèi)含子無有DNA與組蛋白結(jié)合不與可與少量蛋白結(jié)合與5種蛋白結(jié)合核小體－染色質(zhì)－染色體無有DNA復(fù)制的明顯的周期性無有基因表達(dá)的調(diào)控主要以操縱子方式復(fù)雜、多層次性轉(zhuǎn)錄與翻譯的時空關(guān)系轉(zhuǎn)錄翻譯同時進(jìn)行核內(nèi)轉(zhuǎn)錄，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)翻譯，嚴(yán)格的階段性與區(qū)域性轉(zhuǎn)錄后與翻譯后大分子的加工與修飾無有五、植物細(xì)胞與動物細(xì)胞的比較植物細(xì)胞特有的細(xì)胞器細(xì)胞壁液泡葉綠體動物細(xì)胞特有的細(xì)胞器中心體（由一對中心粒和中心粒周圍物質(zhì)構(gòu)成）三、古核細(xì)胞（古細(xì)菌）

原核生物在極早的時候就演化成兩大進(jìn)化主干：古細(xì)菌和真細(xì)菌，古細(xì)菌可能是細(xì)胞生存的更為原始的類型，是一些生長在極端特殊環(huán)境中的細(xì)菌。它在形態(tài)結(jié)構(gòu)和遺傳結(jié)構(gòu)裝置與原核細(xì)胞相似，但有些分子進(jìn)化特征更接近于真核細(xì)胞。古細(xì)菌與真核細(xì)胞曾在進(jìn)化上有過共同歷程。主要證據(jù)進(jìn)化系統(tǒng)樹主要證據(jù)細(xì)胞壁的成分與真核細(xì)胞一樣，而非由含壁酸的肽聚糖構(gòu)成。DNA與基因結(jié)構(gòu)：古細(xì)菌DNA中有重復(fù)序列的存在。此外，多數(shù)古核細(xì)胞的基因組中像真核細(xì)胞一樣存在內(nèi)含子。核小體結(jié)構(gòu)：古細(xì)菌具有組蛋白，而且能與DNA構(gòu)建成類似核小體結(jié)構(gòu)。核糖體：多數(shù)古細(xì)菌類的核糖體較真細(xì)菌有增大趨勢，抗生素同樣不能抑制古核細(xì)胞類的核糖體的蛋白質(zhì)合成。5srRNA：根據(jù)對5srRNA的分子進(jìn)化分析，認(rèn)為古細(xì)菌與真核生物同屬一類，而真細(xì)菌卻與之差距甚遠(yuǎn)。5srRNA二級結(jié)構(gòu)的研究也說明很多古細(xì)菌與真核生物相似。除上述各點外，根據(jù)DNA聚合酶分析，氨基酰tRNA合成酶的作用，起始氨基酰tRNA與肽鏈延長因子等分析，說明古細(xì)菌與真核生物在進(jìn)化上的關(guān)系較真細(xì)菌類更為密切。細(xì)胞的全能性是指每個分化的細(xì)胞都含有該物種全部的遺傳信息，每一個細(xì)胞都有發(fā)育為完整個體的潛能。SARS關(guān)于真核細(xì)胞起源的兩種推測：起源于一種依賴于硫的嗜高溫古核細(xì)胞起源于與熱原質(zhì)體相似的古核細(xì)胞S.B.Prusiner1982年發(fā)現(xiàn)于患羊瘙癢病的羊體內(nèi)，命名為prion，Prusiner因此獲得1997年諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎。蛋白質(zhì)感染子蛋白(prionprotein，簡稱PrP)，由PrP基因編碼，該基因位于人20號染色體，小鼠2號染色體。這種蛋白質(zhì)存在于神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞表面上，其作用不明確。正常PrP基因產(chǎn)物為PrPc蛋白，對蛋白酶很敏感。具有致病作用的是PrPSc蛋白。當(dāng)PrPSc分子積累到一定濃度時，就會損傷神經(jīng)元而發(fā)病。蛋白質(zhì)感染子的增殖既不