細胞生物學細胞的概念和分子基礎

關于細胞生物學細胞的概念和分子基礎第1頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五內(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)細胞的分子基礎第2頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五第一節(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、病毒第3頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五一、細胞是生命活動的基本單位所有的生物都是由細胞組成的，細胞是生命活動的基本單位。

細胞是構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；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)細胞的概念第4頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五(二)細胞的分類細胞分為三大類型原核細胞古核細胞真核細胞早期細胞分為兩大類原核細胞（prokaryoticcell）真核細胞（eukaryoticcell）1990年，生物界被劃分為三個域細菌域（bacteria）

古菌域（archaea）

真核域（eukarya）第5頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五生物三域分類的系統(tǒng)樹第6頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五特點：⑴結構簡單：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。⑵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。第7頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五1.支原體（mycoplasma）

最小最簡單的細胞大?。和ǔ?.1～0.3μm細胞膜：由磷脂和蛋白質(zhì)構成，沒有細胞壁

DNA：呈環(huán)形雙鏈，胞質(zhì)內(nèi)分散存在，指導約400種蛋白質(zhì)合成肺炎支原體第8頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五2.細菌原核細胞的典型代表細胞壁：位于細菌外表面，主要成分為肽聚糖。細胞膜：由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成，有時可內(nèi)陷形成中間體細胞質(zhì)：DNA：環(huán)狀分子，很少有重復序列，無內(nèi)含子

質(zhì)粒（plasmid）：能夠獨立于基因組DNA以外，自我復制的環(huán)狀結構。第9頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五細菌結構示意圖70S細菌核糖體50S大亞基30S小亞基

有的細菌還有夾膜、鞭毛、菌毛等特殊結構。核糖體：大部分游離于細胞質(zhì)中，小部分附著在細胞膜內(nèi)表面。第10頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3.古細菌（archaebacteria）一類很特殊的細菌，多生活在極端環(huán)境中，如高溫、高鹽環(huán)境。特點：具有原核生物的某些特征：無核膜及內(nèi)膜系統(tǒng)。具有真核生物的特征：RNA聚合酶和真核細胞的相似、DNA具有內(nèi)含子并結合組蛋白等。具有不同于原核細胞和真核細胞的特征：細胞膜中的脂類不可皂化，細胞壁不含肽聚糖。第11頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五(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大小：差異很大，與細胞類型有關

(二)真核細胞的基本結構

光鏡下結構：細胞膜（cellmembrane）細胞質(zhì)（cytoplasm）細胞核（nucleus）電子顯微鏡下，在細胞質(zhì)中可看到由單位膜組成的膜性細胞器及微絲、微管、中間纖維等骨架系統(tǒng)。

第12頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五動物細胞結構模式圖第13頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五真核細胞的基本結構特點：以脂質(zhì)及蛋白質(zhì)成分為基礎的膜相結構體系——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)結合形式而存在，DNA與蛋白質(zhì)的結合與包裝程度決定了DNA復制和遺傳信息的表達。

第14頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五由特異蛋白質(zhì)分子構成的細胞骨架體系——細胞骨架系統(tǒng)由一系列纖維狀蛋白組成的網(wǎng)狀結構系統(tǒng)，包括細胞質(zhì)骨架與核骨架。

核糖體與蛋白質(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構之外的區(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。第15頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五原核細胞與真核細胞的比較

第16頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五四、病毒生物界中，病毒（virus）是惟一的非細胞形態(tài)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

結構：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)病毒的核酸類型可以將其分為兩大類：DNA病毒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(zhì)亞基構成。第17頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五病毒的分子結構第18頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)細胞的起源與進化一、原始細胞的形成二、原核細胞向真核細胞的演化三、單細胞生物向多細胞生物的進化第19頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五(一)地球上原始生命的誕生1.從無機小分子形成有機小分子物質(zhì)

原始大氣物質(zhì)

有機小分子2.從有機小分子物質(zhì)形成生物大分子物質(zhì)

有機小分子

生物大分子3.從生物大分子物質(zhì)組成多分子體系4.從多分子體系演變?yōu)樵忌?/p>

原始核酸蛋白質(zhì)

核酸蛋白質(zhì)微滴

原始生命一、原始細胞的形成

雷電、紫外火山爆發(fā)進化、選擇長期進化生長分裂原始新陳代謝聚合第20頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五有機分子的自發(fā)形成以蛋白質(zhì)為主體形成微球體第21頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五(二)原始細胞的形成1.具有自我復制能力的多聚體的形成多聚體的形成是原始細胞形成的關鍵步驟RNA的自我復制RNA指導蛋白質(zhì)合成蛋白質(zhì)催化RNA復制2.膜的出現(xiàn)與原始細胞的誕生保持多核苷酸自我復制避免優(yōu)質(zhì)蛋白丟失磷脂分子自發(fā)裝配成膜結構第22頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五二、原核細胞向真核細胞的演化(一)分化起源說一般認為，真核細胞是由原核細胞進化而來的原始真核細胞大約在15億年前在地球上出現(xiàn)

真核生物

原核生物內(nèi)部結構分化自然選擇第23頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五(二)內(nèi)共生起源說真核細胞是由原始厭氧菌的后代吞入了需氧菌逐步演化而來

第24頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五三、單細胞生物向多細胞生物的進化

多細胞生物進化的早期由單細胞聚集成群體在多細胞機體內(nèi)出現(xiàn)細胞的分工和協(xié)作

從聚集到分工——單細胞生物向多細胞生物的進化

第25頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五團藻：較為原始的多細胞生物

第26頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)細胞的分子基礎一、生物小分子二、生物大分子第27頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五細胞是由生命物質(zhì)——原生質(zhì)（protoplasm）組成基本元素99.9%：C、H、O、N——90%;S、P、Na、K、Ca、Cl、Mg、Fe——9%

微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co、Cr、Si、F、Br、I等細胞的成份生物大分子

有機小分子無機化合物水無機鹽有機化合物第28頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五(一)水和無機鹽是細胞內(nèi)的無機化合物1.水水是細胞中含量最多的成分水在細胞中以兩種形式存在：游離水結合水，通過氫鍵或其他鍵同蛋白質(zhì)結合作用：良好溶劑，為各種代謝反應提供環(huán)境。

一、生物小分子第29頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五2.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。結合形式：直接與蛋白質(zhì)或脂類結合，組成具有一定功能的結合蛋白或類脂。

第30頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五(二)有機小分子:組成生物大分子的亞單位1.糖結構：主要由碳、氫、氧三種元素組成，化學組成為(CH2O)n

功能：細胞的能源和多糖的亞基2.脂肪酸結構：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：構成細胞膜的組分第31頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3.氨基酸結構：羧基氨基功能：蛋白質(zhì)的亞基4.核苷酸結構：含氮環(huán)化物五碳糖磷酸基團功能：核酸的亞基與同一個α碳原子連接

第32頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五(一)核酸攜帶遺傳信息二、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。

1.核酸的化學組成

⑴核苷酸是核酸的基本組成單位

核糖

戊糖磷酸脫氧核糖嘧啶：TCU嘌呤：AG堿基核苷酸第33頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五多核苷酸鏈的形成⑵核酸核酸脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA）核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）一個核苷酸戊糖的5’磷酸基與另一個核苷酸戊糖的3’羥基脫水縮合，形成3’、5’磷酸二酯鍵，多個核苷酸之間借助磷酸二酯鍵重復相連而形成的多聚核苷酸鏈即為核酸。

第34頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五DNA和RNA在化學組成上的異同

第35頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五2.DNA⑴DNA雙螺旋結構模型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，堿基位于雙螺旋內(nèi)側堿基之間互補配對：A═TC≡G第36頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五DNA雙螺旋結構模型第37頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五DNA化學結構第38頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五⑵DNA功能：儲存、復制和傳遞遺傳信息。遺傳信息的儲存：生物體的遺傳信息儲存于DNA分子的線性核苷酸序列中，核苷酸的數(shù)量和排列方式，決定了DNA分子的復雜性和多樣性。遺傳信息的復制：DNA分子中所攜帶的遺傳信息通過復制傳遞給子代細胞，復制是以親代DNA為模板合成子代DNA的過程，新形成的子代DNA分子在堿基序列上與親代DNA分子完全相同。遺傳信息的傳遞：DNA分子所攜帶的遺傳信息通過轉錄傳遞給RNA，再通過翻譯合成蛋白質(zhì)，決定細胞的生物學行為。

第39頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3.RNARNA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)夾結構。RNA發(fā)夾結構模式圖

第40頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五⑴信使核糖核酸（messageRNA，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構特點：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。

第41頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五⑵核糖體RNA（ribosomeRNA，rRNA）

含量：占RNA總量的80%~90%功能：參與核糖體形成原核生物核糖體（70S）大亞基50S：23SrRNA5SrRNA

小亞基30S：16SrRNA+21種蛋白質(zhì)真核生物核糖體（80S）大亞基60S：28SrRNA5.8SrRNA5SrRNA

小亞基40S：18SrRNA+30種蛋白質(zhì)

+36種蛋白質(zhì)+49種蛋白質(zhì)第42頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五⑶轉移核糖核酸（transferRNA,tRNA）含量：總RNA的5%~10%結構特點：單鏈結構，部分折疊，整個分子結構呈三葉草形。3‘端有CCA三個堿基，與特定氨基酸結合。反密碼環(huán)上的三個堿基組成反密碼子（anticodon），與mRNA上密碼子互補結合，參與蛋白質(zhì)合成。功能：轉運特定的氨基酸，參與蛋白質(zhì)合成

第43頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五第44頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五⑷核小RNA（smallnuclearRNA,snRNA）組成：含70~300個核苷酸含量：不及總RNA的1%功能：參與基因轉錄產(chǎn)物的加工，富含尿苷酸的U-snRNA與特異蛋白結合成剪接體UsnRNP。⑸微小RNA（microRNA,miRNA）

組成：長約21～25nt的非編碼RNA，具有發(fā)夾結構。功能：抑制靶基因的蛋白質(zhì)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(diào)控。第45頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五

miRNA的形成與作用機制

第46頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五⑹核酶（ribozyme）

具有酶活性的RNA分子功能：核酶的底物是RNA分子，它們通過與序列特異性的靶RNA分子配對而發(fā)揮作用。

第47頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五動物細胞內(nèi)主要含有的RNA種類及功能

RNA種類存在部位功能mRNA細胞核與細胞質(zhì)，線粒體(mtmRNA)蛋白質(zhì)合成模板rRNA細胞核與細胞質(zhì)，線粒體(mtrRNA)核糖體的組成成分tRNA細胞核與細胞質(zhì)，線粒體(mttRNA)轉運氨基酸，參與蛋白質(zhì)合成snRNA細胞核參與mRNA前體的剪接、加工snoRNA細胞核參與rRNA的加工與修飾miRNA細胞核與細胞質(zhì)基因表達調(diào)節(jié)lncRNA細胞核與細胞質(zhì)基因表達調(diào)節(jié)核酶細胞核與細胞質(zhì)催化RNA剪接第48頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五

1.蛋白質(zhì)的化學組成蛋白質(zhì)的基本單位——氨基酸(二)蛋白質(zhì)表達遺傳信息氨基酸的結構式第49頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五一個氨基酸分子上的羧基與另一個氨基酸分子上的氨基經(jīng)脫水縮合形成肽鍵，氨基酸通過肽鍵而連接成的化合物稱為肽（peptide）。蛋白質(zhì)分子是由許多氨基酸分子通過肽鍵，依次縮合而形成的多肽鏈。

第50頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五2.蛋白質(zhì)的分子結構

以獨特的三維構象形式存在，蛋白質(zhì)三維構象的形成主要由其氨基酸的順序決定，是氨基酸組分間相互作用的結果。

⑴一級結構：氨基酸的排列順序一級結構中氨基酸排列順序的差異使蛋白質(zhì)折疊成不同的高級結構。第51頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五⑵二級結構肽鏈主鏈內(nèi)的氨基酸殘基之間有規(guī)則地形成氫鍵相互作用的結果。

有兩種主要的折疊形式：α-螺旋和β-片層。第52頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五⑶蛋白質(zhì)的三級結構不同側鏈間相互作用形成的；相互作用的方式有氫鍵、離子鍵和疏水鍵等。具有三級結構的蛋白即表現(xiàn)出生物學活性。肌紅蛋白的三維結構第53頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五⑷蛋白質(zhì)的四級結構

獨立的三級結構的多肽鏈亞單位之間通過氫鍵等非共價鍵的相互作用，形成更為復雜的空間結構。

血紅蛋白的四級結構第54頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3.蛋白質(zhì)的結構與功能的關系

一級結構是蛋白質(zhì)功能的基礎。結構域（structuraldomains）是大分子蛋白質(zhì)的結構組成單元。組成一個結構域的氨基酸殘基通常在40～350之間通常通過結構域去推斷某些蛋白質(zhì)的功能具有相同結構域的蛋白具有類似功能第55頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五Src蛋白的結構域第56頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五活細胞內(nèi)蛋白質(zhì)功能的發(fā)揮與其構象的改變密切相關。如磷酸化與去磷酸化使蛋白質(zhì)構象改變。蛋白質(zhì)的磷酸化與去磷酸左右其功能的發(fā)揮A.蛋白質(zhì)磷酸化與去磷酸化反應B.蛋白激酶催化蛋白質(zhì)磷酸化，可以提高也可以降低蛋白質(zhì)活性，這取決于磷酸化的位置和蛋白質(zhì)的結構第57頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五GTP結合蛋白形成分子開關第58頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五4.一類特殊類型的蛋白質(zhì)——酶酶（enzyme）：由生物體細胞產(chǎn)生的具有催化劑作用的蛋白質(zhì)。特點：高催化效率高度專一性高度不穩(wěn)定性第59頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五(三)多糖存在于細胞膜表面和細胞間質(zhì)中簡單而重復的單糖可聚合形成線形或分支狀大分子糖類，短鏈稱為寡糖，長鏈稱為多糖。細胞中寡糖或多糖存在的主要形式有糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂和脂多糖。糖蛋白（glycoproteins）：共價結合糖的蛋白質(zhì)，常見的連接方式是N-糖肽鍵和O-糖肽鍵。糖脂（glycolipids）：含有糖類的脂質(zhì)。根據(jù)組成不同，可把糖脂分為4類，即鞘糖脂、甘油糖脂、磷酸多萜醇衍生糖脂和類固醇衍生糖脂。哺乳動物細胞中主要存在的是鞘糖脂。功能：構成細胞抗原、細胞識別、細胞黏附及信息傳遞中起重要作用。第60頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五思考題1.如