第二章 細(xì)胞的概念與分子基礎(chǔ)

第二章細(xì)胞的概念與分子基礎(chǔ)主要內(nèi)容一、細(xì)胞的基本概念二、細(xì)胞的起源與進(jìn)化三、細(xì)胞的分子基礎(chǔ)第一節(jié)細(xì)胞的基本概念一、細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本單位有機(jī)體結(jié)構(gòu)組成的基本單位具有獨(dú)立完整的代謝體系，是代謝與功能的基本單位生長(zhǎng)與發(fā)育的基礎(chǔ)遺傳的基本單位1990年，Woese提出生物界分3個(gè)域，細(xì)菌域，古菌域和真核域原核細(xì)胞，古核細(xì)胞和真核細(xì)胞生命進(jìn)化譜系藍(lán)細(xì)菌動(dòng)物植物原核生物真核細(xì)胞真核生物甲烷球菌古核生物Woese提出的三大界假說(shuō)真細(xì)菌古細(xì)菌原核細(xì)胞古核細(xì)胞二、原核細(xì)胞1.特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小細(xì)胞膜包裹細(xì)胞質(zhì)和DNA，擬核（nucleoid）直徑1~10μm，含核糖體，無(wú)膜性細(xì)胞器有細(xì)胞壁（cellwall）2.常見(jiàn)的原核細(xì)胞最小最簡(jiǎn)單的細(xì)胞——支原體（mycoplasma）直徑0.1~0.3μm惟一細(xì)胞器是核糖體環(huán)狀DNA僅指導(dǎo)400種蛋白質(zhì)合成細(xì)菌（bacteria）原核細(xì)胞的典型代表，廣泛存在于自然界1~10μm大小，分為球菌、桿菌和螺旋菌細(xì)胞壁主要成分是肽聚糖有些在細(xì)胞壁外有多肽和多糖組成的莢膜中間體是細(xì)胞膜內(nèi)陷造成的，與DNA復(fù)制和細(xì)胞分裂有關(guān)細(xì)菌核糖體沉降系數(shù)70S，大亞基50S，小亞基30S古細(xì)菌可在極端環(huán)境下生存，如鹽桿菌，硫化葉菌，熱原質(zhì)體具有原核細(xì)胞特征：無(wú)核膜及內(nèi)膜系統(tǒng)也有真核細(xì)胞的特征：以甲硫氨酸起始合成蛋白質(zhì)、核糖體對(duì)氯霉素不敏感、RNA聚合酶與真核細(xì)胞相似特殊的特征：細(xì)胞膜中的脂類(lèi)不能皂化，細(xì)胞壁不含肽聚糖、胞壁酸、D型氨基酸及二氨基庚二酸。三、真核細(xì)胞（一）真核細(xì)胞的形態(tài)與大小形態(tài)多樣，球形、橢圓形、立方形、扁平形、梭形和三角形等大小10~20μm，人卵細(xì)胞100μm（二）基本結(jié)構(gòu)顯微結(jié)構(gòu)memebrane，cytoplasm，nucleus，nucleolus亞顯微結(jié)構(gòu)細(xì)胞器：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，高爾基復(fù)合體，線粒體，溶酶體，細(xì)胞骨架等膜性結(jié)構(gòu)生物膜細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)膜（除質(zhì)膜以外的其他膜結(jié)構(gòu)）的總稱。單位膜（unitmembrane）透射電鏡下生物膜呈現(xiàn)“兩暗夾一明”的三層結(jié)構(gòu)，厚約8nm，稱為單位膜。細(xì)胞膜的主要功能物質(zhì)交換、信息傳遞、細(xì)胞識(shí)別、代謝調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架細(xì)胞內(nèi)纖維狀蛋白組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由微管、微絲和中間纖維組成維持細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)，參與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸，細(xì)胞分裂和信息傳遞遺傳信息表達(dá)系統(tǒng)DNA-蛋白質(zhì)組成細(xì)胞內(nèi)的染色質(zhì)RNA-蛋白質(zhì)顆粒構(gòu)成核仁成分DNA與蛋白質(zhì)的結(jié)合與包裝程度決定了DNA復(fù)制和遺傳信息的表達(dá)核糖體非膜性結(jié)構(gòu)RNA和蛋白質(zhì)組成60%RNA，40%蛋白質(zhì)直徑15~25nm蛋白質(zhì)合成的機(jī)器細(xì)胞質(zhì)溶膠細(xì)胞內(nèi)除細(xì)胞器和細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)以外的均質(zhì)半透明液體，呈溶膠狀，主要成分是蛋白質(zhì)含多糖、脂蛋白、RNA等大分子含水和無(wú)機(jī)離子代謝反應(yīng)，物質(zhì)運(yùn)輸、能量傳遞、信息傳遞植物細(xì)胞、動(dòng)物細(xì)胞和細(xì)菌四、病毒（virus）非細(xì)胞形態(tài)生命體最小、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的生命存在形式是核酸-蛋白質(zhì)復(fù)合體DNA病毒和RNA病毒類(lèi)病毒（viroid）——僅由RNA組成朊病毒（prion）——僅由蛋白質(zhì)組成動(dòng)物病毒、植物病毒和細(xì)菌病毒（噬菌體）病毒進(jìn)入細(xì)胞的主要方式靠細(xì)胞的主動(dòng)吞飲病毒和噬菌體腺病毒皰疹病毒肝炎病毒HIV病毒噬菌體第二節(jié)細(xì)胞的起源與進(jìn)化無(wú)機(jī)物有機(jī)物原始細(xì)胞

古核細(xì)胞原核細(xì)胞真核細(xì)胞細(xì)胞起源研究三方面cell生命進(jìn)化譜系三大界Prokaryocyte原核生物（prokaryote）Eukaryocyte真核生物（eukaryote）Archaeocyte古核生物（archaeon）

Archaebacteria（古細(xì)菌）

一、從分子到細(xì)胞的進(jìn)化簡(jiǎn)單有機(jī)小分子的形成

＊H2+CH4+NH3→電離火花→氨基酸Miller的實(shí)驗(yàn)證明了無(wú)機(jī)分子可自發(fā)形成有機(jī)分子生物大分子的形成

＊氨基酸混合加熱→多肽＊特征：自我復(fù)制→核酸＊RNA被公認(rèn)為最初的遺傳物質(zhì)細(xì)胞的出現(xiàn)

兼性分子phospholipid在水中自發(fā)聚合成雙層結(jié)構(gòu),包裹自我復(fù)制的RNA→指導(dǎo)→蛋白質(zhì)合成→原始細(xì)胞Miller’ssimulatedexperiment二、從原核細(xì)胞到真核細(xì)胞的演進(jìn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的原核生物＊分支為二：生活在極端環(huán)境下的古細(xì)菌；進(jìn)化為現(xiàn)存細(xì)菌的真細(xì)菌＊球狀、桿狀和螺旋形，直徑1

～10μm

DNA含量6×105～6basepair編碼5000種不同蛋白質(zhì)＊細(xì)胞壁由多糖和肽組成，細(xì)胞膜由磷脂雙層和蛋白質(zhì)組成＊最大的原核生物：藍(lán)細(xì)菌→光合作用真核細(xì)胞具有各種細(xì)胞器＊有直徑5μm的細(xì)胞核、及其中的核仁＊各種膜性細(xì)胞器：線粒體、葉綠體、溶酶體、過(guò)氧化物酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體＊細(xì)胞骨架eukaryocyte內(nèi)共生假說(shuō)：細(xì)胞器（線粒體、葉綠體）由寄生其內(nèi)的細(xì)菌（古細(xì)菌、光合細(xì)菌）進(jìn)化而來(lái)內(nèi)共生三、從單細(xì)胞生物到多細(xì)胞生物的發(fā)展單細(xì)胞真核生物的形成＊單個(gè)細(xì)胞自我復(fù)制，比細(xì)菌復(fù)雜＊有特定細(xì)胞器完成各種生命活動(dòng)多細(xì)胞生物的發(fā)育＊17億年前，單細(xì)胞生物聚集成多細(xì)胞形態(tài)，如球藻，植物進(jìn)化的前體細(xì)胞＊15億年前，真核細(xì)胞形成＊12億年前，多細(xì)胞生物形成＊多細(xì)胞真核生物分化特化出多種組織細(xì)胞，完成特定生物學(xué)功能第三節(jié)細(xì)胞的分子基礎(chǔ)原生質(zhì)（protoplasm）組成細(xì)胞的的物質(zhì)稱之。水和無(wú)機(jī)鹽C、H、O和N為主要化學(xué)元素S、P、Cl、K、Na、Mg、Fe微量元素：Cu、Zn、Mn等有機(jī)小分子單糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸生物大分子核酸和蛋白質(zhì)一、無(wú)機(jī)化合物水（70％）和無(wú)機(jī)鹽：Na+、K+、Mg2+、Ca2+、HPO42-、Cl-、HCO3-等功能：維持細(xì)胞內(nèi)外滲透壓和PH值、維持神經(jīng)和肌肉的應(yīng)激性、維持酶的活性、與蛋白質(zhì)或脂類(lèi)結(jié)合，參與細(xì)胞代謝二、有機(jī)化合物1.碳水化合物（carbohydrate）由C、H、O三種元素組成分為單糖和多糖單糖分子式（CH2O）n6碳的葡萄糖是細(xì)胞內(nèi)能量的主要來(lái)源5碳以上的單糖可形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)：根據(jù)第一位碳原子的構(gòu)型分為α型與β型、單糖分子間脫水反應(yīng)形成糖苷鍵單糖分子間脫水反應(yīng)形成糖苷鍵，通過(guò)該鍵

單糖寡糖多糖兩類(lèi)多糖糖原（glycogen）→動(dòng)物淀粉（starch）→植物功能能量貯存、細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分、小分子糖類(lèi)參與細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、細(xì)胞識(shí)別及細(xì)胞間相互作用2.脂類(lèi)（lipid）脂肪酸（fattyacid）無(wú)分支的偶數(shù)碳原子的飽和或不飽和脂肪族羧酸，碳原子間含雙鍵的為不飽和脂肪酸，缺少雙鍵的為硬脂酸，通常含14～20個(gè)碳原子脂肪（fat）甘油分子通過(guò)酯鍵與3個(gè)脂肪酸分子結(jié)合而成，也稱甘油三酯高效能量?jī)?chǔ)存形式（碳水化合物的2倍）磷脂是構(gòu)成生物膜的基礎(chǔ)磷脂（phospholipid）結(jié)構(gòu)：甘油分子結(jié)合2分子脂肪酸，第三個(gè)羥基結(jié)合磷酸基團(tuán)，后者連接一小的極性分子，如膽堿、絲氨酸、肌醇、乙醇胺。鞘磷脂（sphingomyelin）以鞘氨醇為骨架，氨基通過(guò)酰氨鍵與一分子脂肪酸結(jié)合，末端羥基與一個(gè)磷酰極性基團(tuán)連接另一種磷脂，神經(jīng)細(xì)胞膜上含量豐富磷脂是雙親性分子親水頭部：磷酸基團(tuán)和極性小分子疏水尾部：脂肪酸尾巴磷脂分子脂類(lèi)的功能貯存能量長(zhǎng)期能量?jī)?chǔ)存的基礎(chǔ)構(gòu)成細(xì)胞膜組分質(zhì)膜骨架轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)脂類(lèi)中的類(lèi)固醇如膽固醇是合成類(lèi)固醇激素（雌激素和雄激素）的前體，類(lèi)固醇激素可充當(dāng)信使分子，傳遞信號(hào)三、生物大分子（一）核酸（nucleicacid）核酸由多個(gè)單核苷酸聚合而成兩類(lèi)核酸脫氧核糖核酸deoxyribonucleicacid，DNA；核糖核酸ribonucleicacid，RNA五種RNA-信使核糖核酸messengerRNA，mRNA-核糖體核糖核酸ribosomalRNA，rRNA-轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸t(yī)ransferRNA，tRNA-小核核糖核酸smallnuclearRNA，snRNA-微小核糖核酸microRNA，miRNA核苷酸由堿基、戊糖、磷酸通過(guò)共價(jià)鍵連接而成兩類(lèi)堿基嘌呤堿：腺嘌呤adenine（A）鳥(niǎo)嘌呤guanine（G）

嘧啶堿：胞嘧啶cytosine（C）尿嘧啶uracil（U）胸腺嘧啶thymine（T）5種堿基兩種戊糖β-D-2脫氧核糖——DNA中β-D核糖——RNA中

核苷酸組成堿基+戊糖=核苷核苷+磷酸=核苷酸?C1’位與堿基形成糖苷鍵形成核苷

?C3’與C5’之間形成磷酸二酯鍵連接單核苷酸常見(jiàn)單核苷酸AMP（腺苷酸）GMP（尿苷酸）CMP（胞甘酸）UMP（尿苷酸）dAMP（脫氧腺苷酸）dGMP（脫氧尿苷酸）dCMP（脫氧胞甘酸）dTMP（脫氧胸苷酸）1.DNA1）結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)：DNA分子中四種脫氧核糖核苷酸的排列順序二級(jí)結(jié)構(gòu)：DNA雙股螺旋結(jié)構(gòu)模型兩條平行方向相反的多核苷酸鏈組成DNA分子骨架，一條5’3’；另一條3’5’堿基位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，堿基互補(bǔ)配對(duì)

AT;CG螺旋直徑2nm,螺距3.4nm，一個(gè)螺距含10對(duì)堿基對(duì)，即每個(gè)堿基平面相距0.34nm右手螺旋結(jié)構(gòu)上存在兩條凹溝為大溝和小溝沃森克里克DNA結(jié)構(gòu)DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)：DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合，盤(pán)曲折疊形成染色體（chromsome）2）功能貯存遺傳信息遺傳信息就是以堿基排列順序的方式蘊(yùn)藏于DNA分子中復(fù)制和傳遞遺傳信息表達(dá)遺傳信息，從而調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)、發(fā)育、代謝、分化、分裂等生命活動(dòng)人類(lèi)基因組堿基數(shù)2.91×106~3.2×106kb（3×109kb）A+T占54%，G+C占38%外顯子1.1~1.4%，內(nèi)含子24%，間隔序列75%基因總數(shù)2萬(wàn)~3萬(wàn)個(gè)（基因平均長(zhǎng)度2~30kb）DNA的重復(fù)序列大于50%個(gè)人間差異核苷酸為0.1%遺傳信息表達(dá)復(fù)制（replication）半保留復(fù)制

DNADNA轉(zhuǎn)錄（transcription）

DNARNA翻譯（translation）

RNA蛋白質(zhì)2.RNA1）結(jié)構(gòu)以單鏈形式存在嘧啶堿是U，而非T戊糖是β-D核糖，而非β-D-2脫氧核糖2）各種RNA及其功能①mRNA占RNA總量的1％～5％作為模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成每三個(gè)核苷酸組成1個(gè)密碼子，決定1個(gè)aa真核生物mRNA5’端有帽子結(jié)構(gòu)，3’端有多聚腺