細胞的概念和分子基礎(chǔ)課件

1、第二章 細胞的概念和分子基礎(chǔ) Cell and Molecular Basis,內(nèi)容 第一節(jié) 細胞的基本概念 第二節(jié) 細胞的起源與進化 第三節(jié) 細胞的分子基礎(chǔ),第一節(jié) 細胞的基本概念,一、細胞是生命活動的基本單位 二、原核細胞 三、真核細胞 四、病毒,一、細胞是生命活動的基本單位,細胞是一切生命活動的基本結(jié)構(gòu)和功能單位,細胞是構(gòu)成有機體的基本單位； 細胞具有獨立完整的代謝體系，是代謝與功能的基本單位； 細胞是有機體生長與發(fā)育的基礎(chǔ)； 細胞是遺傳的基本單位，細胞具有遺傳的全能性； 沒有細胞就沒有完整的生命,一)細胞的概念,近來年，在細胞生物學領(lǐng)域提出了 1、細胞是多層次非線性的復雜結(jié)構(gòu)體系。 2

2、、細胞是物質(zhì)（結(jié)構(gòu)）、能量和信息過程精巧結(jié)合的綜合體。 3、細胞是高度有序的，具有自裝配和自組織能力的體系。 這些都大大推進了細胞科學向前發(fā)展,特點： 結(jié)構(gòu)簡單：DNA為裸露的環(huán)狀分子，無膜包裹，形成擬核（nucleoid）； 細胞質(zhì)中無膜性細胞器，含有核糖體。 體積?。褐睆郊s為1到數(shù)個微米,二、原核細胞,主要代表：支原體、衣原體、細菌、藍綠藻又稱藍細菌,一)真核細胞的形態(tài)大小,三、真核細胞,形態(tài)：多種多樣，常與細胞所處的部位及功能相關(guān) 大?。翰町惡艽?，與細胞類型有關(guān),球形、橢圓形、立方形、扁平形、梭形、 星形、多角形等,細胞的形態(tài),1. 細胞的形態(tài)與所處的環(huán)境和其行使的功能密切相關(guān)。 2.同

3、種細胞的形態(tài)與功能一般是固定的。 3.部分細胞由于所處環(huán)境的改變形態(tài)會發(fā)生一定的改變,巨噬細胞,人類紅細胞,神經(jīng)元細胞,精子和卵子,大部分動植細胞在1020m間； 真核細胞體積大于原核細胞； 卵細胞大于體細胞。 細胞的大小與細胞的功能相適應(yīng),幾種細胞的大小,細胞的大小,2.44公斤巨型鴕鳥蛋,比一般的鴕鳥蛋（1.2公斤至1.5公斤）大出很多，相當于40個普通雞蛋的重量,細胞膜,細胞質(zhì),細胞核,二)真核細胞的基本結(jié)構(gòu) 光鏡下結(jié)構(gòu)： 細胞膜（cell membrane） 細胞質(zhì)（cytoplasm） 細胞核（nucleus,電鏡下結(jié)構(gòu),膜相結(jié)構(gòu),非膜相結(jié)構(gòu),細胞膜,內(nèi)質(zhì)網(wǎng),高爾基復合體,線粒體,溶

4、酶體,過氧化氫體,核膜,核糖體,中心粒,微管,微絲,中等纖維,細胞質(zhì)基質(zhì),核仁,染色質(zhì),核基質(zhì),電子顯微鏡下的兩相結(jié)構(gòu),動物細胞結(jié)構(gòu)模式圖,真核細胞的基本結(jié)構(gòu)特點： 以脂質(zhì)及蛋白質(zhì)成分為基礎(chǔ)的膜相結(jié)構(gòu)體系生物膜系統(tǒng) 包括細胞膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基復合體、線粒體、溶酶體、過氧化物酶體及核膜等。 以核酸-蛋白質(zhì)為主要成分的遺傳信息表達體系遺傳信息儲存與表達系統(tǒng) 真核細胞儲存遺傳信息的DNA是以與蛋白質(zhì)結(jié)合形式而存在，DNA與蛋白質(zhì)的結(jié)合與包裝程度決定了DNA復制和遺傳信息的表達,由特異蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的細胞骨架體系細胞骨架系統(tǒng) 由一系列纖維狀蛋白組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，包括細胞質(zhì)骨架與核骨架。 核糖體與蛋白

5、質(zhì)合成系統(tǒng) 核糖體（ribosome）：合成蛋白質(zhì)的機器 。 細胞質(zhì)溶膠 細胞質(zhì)溶膠（cytosol）：細胞質(zhì)中除了細胞器和細胞骨架結(jié)構(gòu)之外的區(qū)域，協(xié)助完成物質(zhì)運輸、能量傳遞、信息傳遞等細胞活動,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?。?10m,較大（10100 m,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(jié)合，染色體為單數(shù),有幾條DNA，DNA與組蛋白和酸性蛋白結(jié)合，有若干對染色體,內(nèi)膜系統(tǒng),簡單,復雜,細胞骨架,無,有微

6、管，微絲，中間纖維,細胞壁,主要組分為肽聚糖,主要組分為纖維素,轉(zhuǎn)錄和翻譯,出現(xiàn)在同一時間和地點（細胞質(zhì)中,出現(xiàn)在不同時間和地點（轉(zhuǎn)錄在核內(nèi)，翻譯在細胞質(zhì)中,細胞分裂,二分裂,無絲分裂、有絲分裂、減數(shù)分裂,18,細胞的概念和分子基礎(chǔ),四、非細胞生命形態(tài)病毒,在生物界中，病毒（virus）是唯一非細胞形態(tài)的生命體。 特點： 在活細胞內(nèi)才能表現(xiàn)出它們的基本生命活動。 在電子顯微鏡下才能看到,19,細胞的概念和分子基礎(chǔ),結(jié)構(gòu):核酸分子與蛋白質(zhì)組成的核酸-蛋白質(zhì)復合體； 分類：根據(jù)病毒的核酸類型可分兩大類： DNA病毒與RNA病毒 類病毒（viroid）:僅由感染性的RNA構(gòu)成； 朊病毒（prion）

7、:僅由感染性的蛋白質(zhì)亞基構(gòu)成,20,細胞的概念和分子基礎(chǔ),副流感病毒,乙肝病毒DNA模型圖,21,細胞的概念和分子基礎(chǔ),美國疾控中心通過顯微鏡拍攝的照片展示了呈陰性反應(yīng)的豬流感病毒,22,細胞的概念和分子基礎(chǔ),根據(jù)宿主不同,動物病毒 植物病毒 細菌病毒 噬菌體,23,細胞的概念和分子基礎(chǔ),脊髓灰質(zhì)炎病毒 球形病毒,24,細胞的概念和分子基礎(chǔ),煙草花葉病毒 線形病毒,25,細胞的概念和分子基礎(chǔ),T4噬菌體 蝌蚪形病毒,26,細胞的概念和分子基礎(chǔ),第三節(jié) 細胞的分子基礎(chǔ),一、生物小分子 二、生物大分子,細胞是由生命物質(zhì)原生質(zhì)（protoplasm）組成 基本元素99.9%： C、H、O、N90%;

8、 S、P、Na、K、Ca、Cl、Mg、Fe 9% 微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co、Cr、Si、F、Br、I等,水 水在細胞中以兩種形式存在： 游離水，約占95； 結(jié)合水，通過氫鍵或其他鍵同蛋白質(zhì)結(jié)合，約占45。 作用：溶解無機物、調(diào)節(jié)溫度、參加酶反應(yīng)、參與物質(zhì)代謝和形成細胞有序結(jié)構(gòu),一、有機小分子,一）水和無機鹽是細胞內(nèi)的無機化合物,2.無機鹽：以離子狀態(tài)存在 陰離子：如Cl、PO4、HCO3等 陽離子：如Na+、K+、Ca2+等 游離形式：維持細胞內(nèi)外液的滲透壓和pH值。 結(jié)合形式：直接與蛋白質(zhì)或脂類結(jié)合，組成具有一 定功能的結(jié)合蛋白或類脂,二)有機小分子:組成生物大分子的亞單位 1

9、.糖 結(jié)構(gòu)：主要由碳、氫、氧三種元素組成，化學組成為(CH2O)n 功能：細胞的能源物質(zhì) 某些物質(zhì)的組成：細胞膜、核酸、糖鏈,2.脂肪酸 結(jié)構(gòu)：由兩個不同的部分組成 疏水性的長烴鏈 親水性的羧基(一COOH) 功能：構(gòu)成細胞膜的組分,3.氨基酸 結(jié)構(gòu)：羧基 氨基 功能：蛋白質(zhì)的亞基 4.核苷酸 結(jié)構(gòu)：含氮環(huán)化物 五碳糖 磷酸基團 功能：核酸的亞基,與同一個碳原子連接,二、生物大分子,生物大分子由有機小分子聚合而成，細胞內(nèi)主要的大分子有核酸、蛋白質(zhì)和多糖,執(zhí)行具體的生物學功能,一)核酸攜帶遺傳信息,1.核酸的化學組成,核糖,戊糖,磷酸,脫氧核糖,嘧啶：T C U,嘌呤：A G,堿基,核苷酸,嘧

10、啶,胞嘧啶 C cytosine,胸腺嘧啶 T thymine,堿 基,36,細胞的概念和分子基礎(chǔ),5,1,2,3,4,核糖,2,5,1,2,3,4,脫氧核糖,37,細胞的概念和分子基礎(chǔ),三個部分連接方式,1、堿基與戊糖第1碳原子結(jié)合糖苷鍵,C1、N9 和C1、N1）化合物核苷,2、磷酸與核苷中的戊糖第5碳原子結(jié)合脂鍵,化合物核苷酸（脫氧核苷酸,38,細胞的概念和分子基礎(chǔ),H2O,39,細胞的概念和分子基礎(chǔ),核苷,40,細胞的概念和分子基礎(chǔ),H2O,41,細胞的概念和分子基礎(chǔ),單 核 苷 酸,42,細胞的概念和分子基礎(chǔ),核苷酸的種類（按所含堿基分類,腺苷酸 AMP 鳥苷酸 GMP 胞苷酸 CM

11、P 尿苷酸 UMP,核糖,脫氧核糖,脫氧腺苷酸 dAMP 脫氧鳥苷酸 dGMP 脫氧胞苷酸 dCMP 脫氧胸苷酸 dTMP,43,細胞的概念和分子基礎(chǔ),多核苷酸鏈的連接,各個核苷酸中戊糖第5碳原子（C-5）的磷酸與另一個核苷酸戊糖第3碳原子（C-3）以磷酸二脂鍵相連，通過3 5磷酸二脂鍵首尾相接,多核苷酸鏈,44,細胞的概念和分子基礎(chǔ),H2O,45,細胞的概念和分子基礎(chǔ),46,細胞的概念和分子基礎(chǔ),2.DNA（脫氧核糖核酸） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 DNA分子是由兩條脫氧核糖核苷酸鏈組成 兩條鏈反向平行 脫氧核糖和磷酸位于螺旋的外側(cè)，堿基位于雙螺旋內(nèi)側(cè) 堿基之間互補配對：AT CG,48,細胞的

12、概念和分子基礎(chǔ),49,細胞的概念和分子基礎(chǔ),DNA 的功能,DNA的主要功能是儲存、復制和傳遞遺傳信息。 DNA分子中只有四種核苷酸，但核苷酸的數(shù)量巨大，隨機排列組合，決定了DNA分子的復雜性和多樣性，也決定了遺傳信息的多樣性生物種類的多樣性,DNA,RNA,戊 糖,脫氧核糖 核 糖,堿 基,A G C T A G C U,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(jié) 構(gòu),雙 鏈 單 鏈,存在部位,主要存在細胞核中 主要存在細胞質(zhì)中,功

13、 能,儲存，復制和傳遞遺傳信息 與遺傳信息表達有關(guān),DNA與RNA的區(qū)別,3.RNA RNA分子以單鏈形式存在，在部分區(qū)域折疊并按堿基互補配對原則形成雙鏈發(fā)夾結(jié)構(gòu),RNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)模式圖,信使核糖核酸（message RNA，mRNA) 含量：占細胞內(nèi)總RNA的1%-5% 種類：種類多而且極不均一 結(jié)構(gòu)特點： 3，5的非編碼區(qū) 中間的編碼區(qū) 原核細胞多順反子；真核細胞單順反子 功能：作為合成蛋白質(zhì)的模板 mRNA分子中每三個相鄰的堿基組成一個密碼子（codon），決定蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序,核糖體RNA（ribosome RNA，rRNA,含量：占RNA總量的80%90% 功能：參與核糖體形成

14、 原核生物核糖體（70S） 大亞基50S：23S rRNA 5S rRNA 小亞基30S：16S rRNA+21種蛋白質(zhì) 真核生物核糖體（80S） 大亞基60S：28S rRNA 5.8S rRNA 5S rRNA 小亞基40S：18S rRNA +30種蛋白質(zhì),36種蛋白質(zhì),49種蛋白質(zhì),轉(zhuǎn)移核糖核酸（transfer RNA, tRNA） 含量：總RNA的5%10% 結(jié)構(gòu)特點： 單鏈結(jié)構(gòu)，部分折疊，整個分子結(jié)構(gòu)呈三葉草形。 3端有CCA三個堿基，與特定氨基酸結(jié)合。 反密碼環(huán)上的三個堿基組成反密碼子（anticodon），與mRNA上密碼子互補結(jié)合，參與蛋白質(zhì)合成。 功能：轉(zhuǎn)運特定的氨基酸，

15、參與蛋白質(zhì)合成,細胞核中,DNA,RNA的轉(zhuǎn)錄與翻譯過程,細胞質(zhì)中,56,細胞的概念和分子基礎(chǔ),4）snRNA,小核RNA，存在于細胞核內(nèi)，含量少 參與真核生物細胞核中RNA的加工，即基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工。 例如 信使RNA前體的剪接，形成成熟的mRNA,5）miRNA,一類非編碼的小RNA分子 抑制靶mRNA的轉(zhuǎn)錄和翻譯 促使靶基因的mRNA的降解 參與細胞分化與發(fā)育的基因表達調(diào)控,6）核酶（酶RNA ， 核酸類酶,具有催化功能的RNA分子 核酶的功能多： 切割RNA, 切割DNA, RNA 連接酶等 與蛋白質(zhì)酶相比，核酶的催化效率較低，是一種較為原始的催化酶,1.蛋白質(zhì)的化學組成,蛋白質(zhì)的基

16、本單位氨基酸,二)蛋白質(zhì)表達遺傳信息,氨基酸的結(jié)構(gòu)式,60,細胞的概念和分子基礎(chǔ),H O H2N C C OH,H,H O H2N C C OH,H O H2N C C OH,甘氨酸,CH3,CH2SH,丙氨酸,半胱氨酸,請分析這些氨基酸的共同點和不同點,共同點：至少含有一個氨基（-NH2）和一個羧基（-COOH），并且連接在同一個碳原子上,不同點：不同氨基酸有不同的側(cè)鏈基團,氨基酸的結(jié)構(gòu)特點,61,細胞的概念和分子基礎(chǔ),氨基酸結(jié)構(gòu)通式,肽鍵數(shù)（形成肽鏈時脫下的水分子數(shù)、肽鏈水解時所需的水分子數(shù)） =氨基酸數(shù)肽鏈數(shù),62,細胞的概念和分子基礎(chǔ),肽鍵,蛋白質(zhì)分子是由許多氨基酸分子通過肽鍵，依次縮

17、合而形成多肽鏈,側(cè)鏈,側(cè)鏈,側(cè)鏈,側(cè)鏈,主鏈,H2N,COOH,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(zhì)的基本結(jié)構(gòu),63,細胞的概念和分子基礎(chǔ),2.蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)多樣性,組成蛋白質(zhì)的氨基酸種類、數(shù)量和排列順序不同，形成肽鏈的數(shù)目和空間結(jié)構(gòu)不同，決定了蛋白質(zhì)的種類極其多樣,肽鏈（一條或多條,肽鏈的形成,64,細胞的概念和分子基礎(chǔ),蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)： 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,65,細胞的概念和分子基礎(chǔ),蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu),在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，借氫鍵在氨基酸殘基之間連接，使多肽鏈成為螺旋或折疊的結(jié)構(gòu)。（氫鍵,66

18、,細胞的概念和分子基礎(chǔ),67,細胞的概念和分子基礎(chǔ),68,細胞的概念和分子基礎(chǔ),蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu),在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再行折疊。（氫鍵，酯鍵，離子鍵，疏水鍵,69,細胞的概念和分子基礎(chǔ),蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu),由兩條或幾條多肽鏈在各自三級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成為蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)亞基，由若干亞基之間以非共價鍵形式而相互結(jié)合的復合體。（非共價鍵氫鍵,70,細胞的概念和分子基礎(chǔ),蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)： 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） 蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)： 在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，借氫鍵在氨基酸殘基之間連接，使多肽鏈成為螺旋或折疊的結(jié)構(gòu)。（氫鍵） 蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)： 在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再行

19、折疊。（氫鍵、酯鍵、離子鍵、疏水鍵） 蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)： 由兩條或幾條多肽鏈在各自三級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成為蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)亞基，由若干亞基之間以非共價鍵形式而相互結(jié)合的復合體。（非共價鍵,71,細胞的概念和分子基礎(chǔ),3.蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系,蛋白質(zhì)的功能取決于其結(jié)構(gòu)，一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)功能的基礎(chǔ)，如果氨基酸的排列順序發(fā)生變化，將會形成異常的蛋白質(zhì)分子。 活細胞內(nèi)蛋白質(zhì)功能的發(fā)揮與其構(gòu)象的不斷改變密切相關(guān)。 在活細胞內(nèi)，蛋白質(zhì)亞單位也只有組裝成大的適當?shù)某肿咏Y(jié)構(gòu)，如蛋白質(zhì)復合物、酶復合物、核糖體、病毒顆粒等，才能更好地完成生命活動過程,72,細胞的概念和分子基礎(chǔ),4.一類特殊類型的蛋白質(zhì)酶

20、（enzyme,酶的特性,高度的專一性 高效的催化能力 高度不穩(wěn)定性,酶：是具有高度催化活性的蛋白質(zhì),由于大部分酶具有蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)特點，很容易受機體內(nèi)各種因素影響,73,細胞的概念和分子基礎(chǔ),小結(jié),生物小分子 無機化合物（水、無機鹽等） 有機化合物（單糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸） 生物大分子 DNA分子是由兩條方向相反的多聚脫氧核苷酸鏈組成的多螺旋結(jié)構(gòu)。 RNA分子由一條多聚核苷酸鏈組成。 蛋白質(zhì)是由氨基酸通過肽鍵依次縮合而成的多聚體,74,細胞的概念和分子基礎(chǔ),第三章 細胞生物學的研究方法,75,細胞的概念和分子基礎(chǔ),一、光學顯微鏡技術(shù),普通復式光學顯微鏡 （light microscop

21、e） 相差顯微鏡 （phase-contrast microscope） （利用光的干涉和衍射效應(yīng)將光程差或轉(zhuǎn)變?yōu)檎穹睿?熒光顯微鏡 （fluorescence microscope） （熒光染料染色） 激光共聚焦顯微鏡（laser scanning confocal microscope） （物鏡和聚光鏡互相共聚焦，從標本焦面發(fā)出的光線聚焦成像，多用于檢測熒光標記物質(zhì),76,細胞的概念和分子基礎(chǔ),正置顯微鏡,倒置顯微鏡,77,細胞的概念和分子基礎(chǔ),熒光顯微鏡及其照片,紅色酵母細胞 綠色septin蛋白,78,細胞的概念和分子基礎(chǔ),共聚焦顯微鏡及其顯微圖像,蛋白在部分葉肉細胞中的分布,LCSM Image of a Xenopus Melanophore microtubule cytoskeleton (green) and the nucleus (blue,79,細胞的概念和分子基礎(chǔ),透射電子顯微鏡（TEM） （是利用高能電子束充當照明光源而進行放大成像的大型顯微分析設(shè)備） 掃描電子顯微鏡（SEM） （是一種利用電子束掃描樣品表面從而獲得樣品信息的電子顯微鏡,二、電子顯微鏡,80,細胞的概念和分子基礎(chǔ)