細胞的概念和分子基礎

細胞的概念和分子基礎第1頁/共117頁①細胞是構成有機體的基本單位；②細胞具有獨立完整的代謝體系，是代謝與功能的基本單位；③細胞是有機體生長與發(fā)育的基礎；④細胞是遺傳的基本單位，細胞具有遺傳的全能性；⑤沒有細胞就沒有完整的生命。第2頁/共117頁

原核細胞（prokaryoticcell）真核細胞（eukaryoticcell）近20年研究表明原核生物分為二大類型：古細菌（archaeobacteria)

真細菌（eubacteria）20世紀60年代細胞生物學家H.Ris提出將細胞分為兩大類：第3頁/共117頁1、細菌域（bacteria）:支原體、衣原體、立克次體、細菌、放線菌、藍藻——真細菌2、古細菌域（archaea）：產甲烷菌、鹽桿菌、熱原質體——古細菌3、真核域（eukarya）：真菌、植物、動物1990年美國C.R.Woese將生物界分為三個域：第4頁/共117頁原核細胞古核細胞真核細胞目前普遍觀點仍然把古核細胞歸為原核細胞。

一些學者建議將生物界的細胞分為三類：第5頁/共117頁第6頁/共117頁遺傳的信息量小，DNA為裸露的環(huán)狀分子，環(huán)的直徑約為2.5nm，周長約幾十納米。細胞內無分化為以膜為基礎的具有專門結構與功能的細胞器與細胞核膜。核糖體為70S型。二、原核細胞第7頁/共117頁支原體（mycoplasma）衣原體（chlamydia）細菌（bacteria）藍藻又稱藍細菌（cyanobacterium）主要代表：第8頁/共117頁1、支原體――最小最簡單的細胞肺炎支原體

直徑約為0.1~0.3μm,介于病毒和細菌之間的單細胞生物,沒有細胞壁。營寄生生活。第9頁/共117頁

支原體的細胞膜由磷脂和蛋白質構成，無細胞壁，胞質內呈環(huán)形的雙鏈DNA分子分散存在。核糖體為其唯一的細胞器。支原體與醫(yī)學關系密切，是肺炎、腦炎與尿道炎的病原體。第10頁/共117頁

細菌主要由細胞壁、細胞膜、細胞質、核質體等部分構成，有的細菌還有莢膜、鞭毛、菌毛等特殊結構。絕大多數(shù)細菌的直徑大小在0.5～5μm之間。2、細菌是原核細胞的典型代表細菌結構示意圖第11頁/共117頁常見有桿菌、球菌、螺旋菌。第12頁/共117頁3、古細菌多生活于極端環(huán)境

第13頁/共117頁具有原核生物的某些特征：無核膜及內膜系統(tǒng)；也有真核生物的特征：以甲硫氨酸起始蛋白質的合成、核糖體對氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核細胞的相似、DNA具有內含子并結合組蛋白.第14頁/共117頁還具有既不同于原核細胞也不同于真核細胞的特征：細胞膜中的脂類是不可皂化的；細胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白質為主，有的含雜多糖，有的類似于肽聚糖，但都不含胞壁酸、D型氨基酸。第15頁/共117頁二.真核細胞(eukaryoticcell)第16頁/共117頁（一）真核細胞的形態(tài)與大小直徑多數(shù)在10μm～20μm

。1m=102cm=103mm=106μm=109nm第17頁/共117頁普爾基涅神經元：在大腦里的1000億個神經元中，普爾基涅神經元是體積最大的。這些細胞是小腦皮層內的運動協(xié)調大師。第18頁/共117頁脂肪細胞的電子掃描圖第19頁/共117頁光學顯微鏡下的三部結構細胞膜（cellmembrane）細胞質（cytoplasm）細胞核（nucleus）

（二）真核細胞的基本結構細胞膜細胞質細胞核第20頁/共117頁電子顯微鏡下的兩相結構第21頁/共117頁電鏡下結構膜相結構細胞膜內質網高爾基復合體線粒體溶酶體過氧化物酶體核膜1、以脂質及蛋白質成分為基礎的膜相結構體系——生物膜系統(tǒng)非膜相結構第22頁/共117頁電鏡下結構非膜相結構核膜核糖體核仁染色質核基質2、以核酸－蛋白質為主要成分的遺傳信息表達體系——遺傳信息表達系統(tǒng)膜相結構第23頁/共117頁電鏡下結構膜相結構非膜相結構中心粒微管微絲中等纖維3、以特異蛋白質分子構成的細胞骨架體系——細胞骨架系統(tǒng)第24頁/共117頁核糖體（核蛋白體）細胞質溶膠4、核糖體與細胞質溶膠

均質半透明液體，占細胞總體積一半，主要成分是蛋白質（20％）。第25頁/共117頁①以脂質及蛋白質成分為基礎的膜系統(tǒng)結構——生物膜系統(tǒng)；②以核酸-蛋白質為主要成分的遺傳信息表達系統(tǒng)結構——遺傳信息表達結構系統(tǒng)；③由特異蛋白質分子構成的細胞骨架體系——細胞骨架系統(tǒng)。④核糖體與細胞質溶膠

真核細胞的基本結構體系：第26頁/共117頁第27頁/共117頁原核細胞與真核細胞的比較特征原核細胞真核細胞細胞大小較?。?～10μm）較大（10～100μm）細胞核無核仁和核膜有核仁和核膜細胞器無（除核糖體外）有各種細胞器核糖體70S（50S+30S）80S（60S+40S）染色體只有一條DNA，DNA裸露不與組蛋白和酸性蛋白結合，染色體為單數(shù)。有幾條DNA，DNA與組蛋白和酸性蛋白結合，有若干對染色體。內膜系統(tǒng)簡單復雜細胞骨架無有微管，微絲細胞壁主要組分為肽聚糖主要組分為纖維素轉錄和翻譯出現(xiàn)在同一時間和地點（細胞質中）出現(xiàn)在不同時間和地點（轉錄在核內，翻譯在細胞質中）細胞分裂無絲分裂有絲分裂和減數(shù)分裂第28頁/共117頁四、非細胞生命形態(tài)——病毒

病毒（virus）:核酸分子與蛋白質構成的核酸-蛋白質復合體；根據核酸類型病毒可分為兩大類：

DNA病毒與RNA病毒類病毒（viroid）:僅由感染性的RNA構成；朊病毒（prion）:僅由感染性的蛋白質亞基構成；第29頁/共117頁根據宿主不同:動物病毒植物病毒細菌病毒（噬菌體）DNA病毒（乙肝、腺、乳頭瘤病毒）、RNA病毒（脊髓灰質炎、流感病毒、HIV）、僅有RNA的類病毒、僅有蛋白質的朊病毒。朊病毒土豆：類病毒第30頁/共117頁HIV脊髓灰質炎乙肝病毒噬菌體H5N1禽流感病毒第31頁/共117頁艾滋病病毒粒子內部結構第32頁/共117頁第二節(jié)細胞的起源與進化細胞的起源包含三個方面：(1)與生命的起源相伴隨的原核細胞的起源；(2)原核細胞向真核細胞的起源；(3)單細胞生物向多細胞生物的進化第33頁/共117頁一、原始細胞的形成（一）地球上原始生命的誕生四個階段：1、從無機小分子形成有機小分子物質；原始大氣物質＋雷電、火山爆發(fā)→簡單的有機小分子＋地殼表面的水體作用→含有機化合物的水溶液→大的水體或原始海洋中?，F(xiàn)今普遍接受的觀點：生命起源于早期地球“溫暖小水池”的“有機湯”中。第34頁/共117頁2、從有機小分子形成生物大分子物質；單核苷酸→多核苷酸，氨基酸→多肽3、從生物大分子物質組成多分子體系；多肽－核酸－脂質4、從多分子體系演變?yōu)樵忌?。多分子體系表面可能存在催化功能→各類單體的聚合＋產生更高級的原始蛋白和核酸→從無生命的海洋中攝取化學分子和能量→出現(xiàn)具有原始新陳代謝和遺傳特征(自復制)。第35頁/共117頁米勒在實驗中

C第36頁/共117頁（二）原始細胞的形成1、具有自我復制能力的多聚體的形成關于核苷酸與氨基酸多聚體(即核酸與蛋白質)的起源，普遍認為是首先產生了能自我復制的RNA多聚體，然后在RNA指導下合成了蛋白質。有催化能力的RNA即核酶的發(fā)現(xiàn)為這一觀點提供了有力證據。第37頁/共117頁2、膜的出現(xiàn)與原始細胞的誕生人們推斷在生命出現(xiàn)前的原始液體表面，磷脂分子能自發(fā)地裝配成包圍RNA與蛋白質的膜結構，經過自然選擇就形成了原始細胞。第38頁/共117頁以蛋白質為主體形成微球體

第39頁/共117頁二、原核細胞向真核細胞的演化原始細胞中出現(xiàn)了包圍細胞的細胞膜、儲存遺傳信息的DNA、指導蛋白質合成的RNA和制造蛋白質的核糖體，是原核細胞誕生的標志。第40頁/共117頁（一）分化起源說：認為，原核生物在長期的自然演化過程中，內部結構逐漸分化，功能不斷完善，最終演變成了真核生物。第41頁/共117頁（二）內共生起源說：認為真核細胞是通過若干不同種類的原核細胞生物結合共生而造成的，這些共生的原核生物與宿主細胞建立了緊密的相互依存的關系，這樣的共生的組合就成為真核生物的祖先。第42頁/共117頁三、單細胞生物向多細胞生物的進化多細胞生物進化的早期可能是由單細胞聚集成群體。細胞在向多細胞機體進化過程中，另一個最重要的特點是出現(xiàn)細胞的分化，形成結構和功能各異的不同組織，但又互相協(xié)調成為一個有機的整體。

第43頁/共117頁從聚集到分工——單細胞生物向多細胞生物的進化

第44頁/共117頁團藻：較為原始的多細胞生物，后代仍聚在一團未曾分開而成的個體，但是在這團細胞中，已有一定的分工（運動、光合作用）。第45頁/共117頁第三節(jié)細胞的分子基礎細胞是由生命物質--原生質（protoplasm）組成。組成細胞基本元素99.9%：C.H.O.N90%；S.P.Na.K.Ca.Cl.Mg.Fe.9.9%

微量元素：Cu.Zn.Mn.Mo.Co.Cr.Si.F.Br.I.Li.Ba等第46頁/共117頁細胞的成分生物大分子生物小分子無機化合物水無機鹽有機化合物碳化合物：糖脂肪酸氨基酸核苷酸核酸蛋白質酶第47頁/共117頁一、生物小分子（一）水和無機鹽是細胞內的無機化合物水水在細胞中以兩種形式存在：一種是游離水，約占95％；另一種是結合水，通過氫鍵或其它鍵和蛋白質結合，約占4％～5％第48頁/共117頁

水分子中的電荷分布是不對稱的，一側顯正電性，另一側顯負電性，從而表現(xiàn)出電極性，它既可以與蛋白質中的正電荷結合，也可以與負電荷結合。第49頁/共117頁

水在細胞中的主要作用：溶解無機物、調節(jié)溫度、參與酶反應、參與物質代謝以及形成細胞有序結構。第50頁/共117頁無機鹽無機鹽含量少，約占細胞總重的1％細胞中常見的無機離子包括兩大類：陰離子：主要有Cl－、SO42-、PO43－、HCO3－

陽離子：主要有Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、Cu2+、Co2+、Mo2+

第51頁/共117頁無機鹽的生理功能：（1）調節(jié)細胞滲透壓（2）調節(jié)pH值（3）酶的活化劑和功能因子(輔酶和輔基)（4）某些有機物的組分：如核酸(PO43－)、葉綠素（Mg）、血紅素（Fe2＋）第52頁/共117頁（二）有機小分子是組成生物大分子的亞單位有機小分子分子量是100～1000碳化合物單糖(monosacharide)脂肪酸(fattyacid)氨基酸(aminoacid)核苷酸(nucleotide)第53頁/共117頁糖糖類主要由碳、氫、氧三種元素組成，故又稱碳水化合物(carbohydrate)分子式：（CH2O)n是細胞的能源和多糖的亞基第54頁/共117頁脂肪酸脂肪酸分子組成：（R’COOH）一端是疏水性的長烴鏈另一端是親水性的羧基(一COOH)脂肪酸的分類：不飽和脂肪酸飽和脂肪酸第55頁/共117頁氨基酸氨基酸是蛋白質的亞基。核苷酸核苷酸是核酸的亞基。第56頁/共117頁脫氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid，DNA)核糖核酸(ribonucleicacid，RNA)二、生物大分子分子量10000～100000(一)核酸：遺傳信息攜帶者核酸第57頁/共117頁1．核酸的化學組成核酸基本單位單核苷酸戊糖磷酸

堿基核糖脫氧核糖嘧啶：ＴＣＵ嘌呤：ＡＧ（含氮有機堿）第58頁/共117頁NN123456嘧啶NNNN912345678嘌呤NNNNH2NONH2NNNN鳥嘌呤

Gguanine腺嘌呤

Aadenine堿基胞嘧啶

Ccytosine胸腺嘧啶

TthymineNOCH2ONONH2NN第59頁/共117頁OOHHOHHOHHHOCH2H51234核糖2第60頁/共117頁OOHHHHOHHHOCH2H51234脫氧核糖第61頁/共117頁OPOHOHHOOOHHHHOHHHOCH2H51234H2O312456NONH2NH第62頁/共117頁OPOHOHHOOHHHOHHHOCH2H51234NNONH2123456糖苷鍵核苷第63頁/共117頁OPOHOHHOOHHHOHHHOCH2H51234NNONH2123456糖苷鍵核苷H2O第64頁/共117頁OPOHHOOHHHOHHOCH2H51234NNONH2123456糖苷鍵核苷酯鍵單核苷酸第65頁/共117頁OPOHHOOHHHOHHOCH2H51234NNONH2123456第66頁/共117頁單核苷酸種類：脫氧腺苷酸（dAMP)腺苷酸（AMP）脫氧鳥苷酸（dGMP)鳥苷酸（GMP）脫氧胞苷酸（dCMP)胞苷酸（CMP）脫氧胸苷酸（dTMP)尿苷酸（UMP）第67頁/共117頁有時磷酸可與核苷上2個羥基形成酯鍵，成為環(huán)化核苷酸，如環(huán)化腺苷酸cAMP。第68頁/共117頁OPOHHOOHHHOHHH5OCH21234123456NNONH2NH2NNNN912345678OPOHHOOHHHOHHH5OCH21234H2O第69頁/共117頁OPOHHOOHHHOHH5

OCH21234123456NNONH2NH2NNNN912345678OPHOOHHHOHHH5OCH212343

5

磷酸二酯鍵5′3′第70頁/共117頁2.DNA一級結構：DNA分子中脫氧核苷酸或堿基的排列順序。二級結構：Watson和

Crick提出的DNA雙螺旋結構模型第71頁/共117頁Watson和

Crick的DNA雙螺旋結構模型①DNA分子是由兩條相互平行方向相反的多核苷酸鏈圍繞著同一中心軸形成的右手雙螺旋結構。

②相鄰堿基對旋轉36°，間距0.34nm，一個螺旋包含10個堿基旋轉360°，螺距為3.4nm。

第72頁/共117頁③兩條長鏈的堿基在雙螺旋內側按堿基互補配對原則（A=T，G≡C）以氫鍵相連。④DNA雙螺旋的表面存在一個大溝（majorgroove）和一個小溝（minorgroove）。⑤DNA雙螺旋結構比較穩(wěn)定。第73頁/共117頁NNNNHNHOOCH2POOHOOOCH2POOHOOPOOHO…NNNNHNHO3′5′H3′OOCH2POOHOOOCH2POOHOOPOOHO…NHNOOCH3HNNON5′第74頁/共117頁3.4nm含10個堿基對DNA雙螺旋結構模型第75頁/共117頁第76頁/共117頁DNAModels第77頁/共117頁DNA有三種主要構象：B-DNA：高濕度時A-DNA：低濕度時Z-DNA：第78頁/共117頁DNA的主要功能是儲存、復制和傳遞遺傳信息。細胞或生物體的一套完整的單倍體遺傳物質稱為基因組，它是所有染色體上全部基因和基因間的DNA的總和。第79頁/共117頁

人類基因組DNA含有的堿基數(shù)為:2.91×109~3.1×109bp，基因的數(shù)目約為2～3萬個。DNA→RNA→蛋白質復制第80頁/共117頁3.RNADNA和RNA核苷酸結構成分的比較核酸嘧啶嘌呤戊糖磷酸DNARNACTGAU同上同上同上同上第81頁/共117頁DNARNA戊糖脫氧核糖核糖堿基AGCTAGCU磷酸磷酸磷酸核苷酸種類脫氧腺苷酸（dAMP)腺苷酸（AMP）脫氧鳥苷酸（dGMP)鳥苷酸（GMP）脫氧胞苷酸（dCMP)胞苷酸（CMP）脫氧胸苷酸（dTMP)尿苷酸（UMP）結構雙鏈單鏈存在部位主要存在細胞核中主要存在細胞質中功能儲存，復制和傳遞遺傳信息與遺傳信息表達有關DNA與RNA的區(qū)別第82頁/共117頁RNA發(fā)夾結構第83頁/共117頁（1）信使核糖核酸(messengerRNA,mRNA)

約占RNA總量的1%～5%。

mRNA指導特定蛋白質合成的過程稱為翻譯(translation)。

mRNA分子中每三個相鄰的堿基組成一個密碼子(codon)，由密碼子確定蛋白質中氨基酸的排列順序。第84頁/共117頁

原核細胞的mRNA為多順反子(polycistron)，即一分子RNA有時可攜帶幾種蛋白質的遺傳信息，能指導合成幾種蛋白質。真核細胞中的mRNA是單順反子(monocistron)，每分子RNA只攜帶一種蛋白質遺傳信息，只能作為一種蛋白質合成的模板。第85頁/共117頁

mRNA在其5′端和3′端都各有一段由30到數(shù)百個核苷酸組成的非翻譯區(qū)(untranslatedregion，UTR)，中間則是具有編碼蛋白質功能的編碼區(qū)。

UTR是蛋白質翻譯調控的重要靶點之一。第86頁/共117頁（2）核糖體RNA(ribosomeRNA，rRNA)

rRNA是細胞內含量最多的RNA，占細胞總RNA的80%～90%。原核生物核糖體（70S）

大亞基：23SrRNA5SrRNA+34種蛋白質小亞基：16rSRNA+21種蛋白質真核生物核糖體（80S）

小亞基：18SrRNA+30種蛋白質大亞基：28、5.8S、5SrRNA

第87頁/共117頁（3）轉移核糖核酸(transferRNA,tRNA)

第88頁/共117頁第89頁/共117頁mRNAtRNArRNA細胞中含量5%~10%5%~10%80%~90%沉降系數(shù)6S~25S4S5.8S、18S、28S結構特征存在場所細胞質或核糖體細胞質或核糖體細胞中的核糖體功能作用三種RNA分子的結構特征和功能作用基本上呈線形，局部呈雙鏈，形成發(fā)夾式結構。呈三葉草形，柄部3，有CCA三個堿基，其相對端為反密碼環(huán)，有反密碼子。線形，某些節(jié)段可能成雙螺旋結構。轉錄DNA中的遺傳信息，作為合成蛋白質的模板。運輸活化的氨基酸到核糖體上的mRNA的特定位點。為核糖體的組成成分。第90頁/共117頁（4）snRNA（smallnuclearRNA,小核RNA）：分子相對較小，長約70～300nt。snRNA在細胞內的含量雖不及總RNA的1％，但其拷貝(copy)數(shù)多得驚人。有20多種，十幾種富含尿苷酸(U)，且含量可高達總核苷酸的35％，稱為U-snRNA。

U-snRNA的主要功能是參與基因轉錄產物的加工過程，與一些蛋白組成剪接體。第91頁/共117頁（5）miRNA（微小RNA）：

miRNA（MicroRNA）是一類長約19～25nt的非編碼RNA，其前體為70～90nt，具有發(fā)夾結構。第92頁/共117頁核：miRNA基因→

pri-miRNA→前體miRNA質：前體miRNA→成熟miRNA→非對稱RISC復

合體→與靶基因UTR結合→發(fā)揮作用Drosha(RNaseⅢ家族的成員)＋RNA誘導基因沉默復合物Dicer酶（雙鏈RNA專一性RNA內切酶）第93頁/共117頁基因組DNAmiRNA初級產物miRNA前體DroshaDicer成熟miRNA非對稱RISC復合體靶基因mRNA降解靶基因翻譯抑制RISCRNA誘導基因沉默復合物第94頁/共117頁

復合物通過與靶基因mRNA3’端UTR互補結合，抑制靶基因的蛋白質合成或促使靶基因的mRNA降解，從而參與細胞分化與發(fā)育的基因表達調控。第95頁/共117頁Dicer酶除了在miRNA形成過程中起重要作用之外，還可將一些外源雙鏈RNA加工成為22nt左右的siRNA(smallinterferenceRNA)。這些siRNA也能夠以序列同源互補的mRNA為靶點，通過促使特定基因的mRNA降解來高效、特異地阻斷體內特定基因表達，這種現(xiàn)象稱為RNA干擾(RNAinterference，RNAi)。第96頁/共117頁（6）核酶：核酶（ribozyme）是一類有酶催化活性的RNA分子，具有自我剪切和催化功能，也稱為RNA催化劑。核酶是既能特異識別又能特異切割小分子RNA的核酸內切酶，核酶的底物為RNA分子，其特異性序列通過堿基配對識別并結合靶RNA，催化裂解靶RNA，抑制基因表達，特別是抑制某些有害基因表達。第97頁/共117頁動物細胞內主要含有的RNA種類及功能種類細胞核與細胞質細胞器（線粒體）功能核糖體RNArRNAmtrRNA核糖體的組成成分信使RNAmRNAmtmRNA蛋白質合成模板轉運RNAtRNAmttRNA轉運氨基酸不均一核RNAhnRNA成熟mRNA的前體小核RNAsnRNA參與hnRNA的剪接、轉運微RNAmiRNA調節(jié)與生長發(fā)育有關的基因小核仁RNA核酶snoRNA有酶活性的RNArRNA的加工與修飾催化RNA剪接第98頁/共117頁(二)蛋白質遺傳信息的表達

蛋白質占細胞干重的50％以上。蛋白質是展示DNA信息的最佳物質，它不僅決定細胞的形狀和結構，而且還擔負著許多重要的生理功能。第99頁/共117頁CH2NCOOHHRH2N1.蛋白質的組成

蛋白質的基本單位氨基酸20種氨基酸，它們結構的共同特點：含有氨基的有機酸（主要元素：CHON；少量的S）堿性的氨基酸性的羧基側鏈COOHRCH3N+COO-HR兩性化合物兩性電解質第100頁/共117頁

由相同或不同的各個氨基酸，按照一定的排列順序，以特定的化學鍵方式連接，從而組成蛋白質的基本結構。CH2NCHR1OOHCNCHR2OOHHHH2O第101頁/共117頁COCH2NHR1CNCHR2OOHHH2O肽鍵CNCHR3OOHHHH2O

由相同或不同的各個氨基酸，按照一定的排列順序，以特定的化學鍵方式連接，從而組成蛋白質的基本結構。第102頁/共117頁COCH2NHR1CNCHR2OHH2O肽鍵CNCHR3OOHHH2O肽鍵

蛋白質分子是由許多氨基酸分子通過肽鍵，依次縮合而形成多肽鏈。CNCOOHHRnH……..側鏈側鏈側鏈側鏈主鏈H2NCOOH

由相同或不同的各個氨基酸，按照一定的排列順序，以特定的化學鍵方式連接，從而組成蛋白質的基本結構。第103頁/共117頁2.蛋白質的結構蛋白質的一級結構：多肽鏈中氨基酸的種類，數(shù)目和排列順序。（主鍵：肽鍵；副鍵：二硫鍵）第104