1、第二章 细胞的概念和分子基础Cell and Molecular Basis,内容第一节 细胞的基本概念第二节 细胞的起源与进化第三节 细胞的分子基础,第一节 细胞的基本概念,一、细胞是生命活动的基本单位二、原核细胞三、真核细胞四、病毒,一、细胞是生命活动的基本单位,细胞是一切生命活动的基本结构和功能单位。,细胞是构成有机体的基本单位；细胞具有独立完整的代谢体系，是代谢与功能的基本单位；细胞是有机体生长与发育的基础；细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性；没有细胞就没有完整的生命。,(一)细胞的概念,近来年，在细胞生物学领域提出了1、细胞是多层次非线性的复杂结构体系。2、细胞是物质（结构）
2、、能量和信息过程精巧结合的综合体。3、细胞是高度有序的，具有自装配和自组织能力的体系。这些都大大推进了细胞科学向前发展,特点： 结构简单：DNA为裸露的环状分子，无膜包裹，形成拟核（nucleoid）； 细胞质中无膜性细胞器，含有核糖体。 体积小：直径约为1到数个微米,二、原核细胞,主要代表：支原体、衣原体、细菌、蓝绿藻又称蓝细菌。,(一)真核细胞的形态大小,三、真核细胞,形态：多种多样，常与细胞所处的部位及功能相关 大小：差异很大，与细胞类型有关,球形、椭圆形、立方形、扁平形、梭形、星形、多角形等。,细胞的形态,1. 细胞的形态与所处的环境和其行使的功能密切相关。2.同种细胞的形态与功能一般
3、是固定的。3.部分细胞由于所处环境的改变形态会发生一定的改变。,巨噬细胞,人类红细胞,神经元细胞,精子和卵子,大部分动植细胞在1020m间；真核细胞体积大于原核细胞；卵细胞大于体细胞。细胞的大小与细胞的功能相适应。,几种细胞的大小,细胞的大小,2.44公斤巨型鸵鸟蛋。,比一般的鸵鸟蛋（1.2公斤至1.5公斤）大出很多，相当于40个普通鸡蛋的重量。,细胞膜,细胞质,细胞核,(二)真核细胞的基本结构 光镜下结构： 细胞膜（cell membrane） 细胞质（cytoplasm） 细胞核（nucleus）,电镜下结构,膜相结构,非膜相结构,细胞膜,内质网,高尔基复合体,线粒体,溶酶体,过氧化氢体,
4、核膜,核糖体,中心粒,微管,微丝,中等纤维,细胞质基质,核仁,染色质,核基质,电子显微镜下的两相结构,动物细胞结构模式图,真核细胞的基本结构特点：以脂质及蛋白质成分为基础的膜相结构体系生物膜系统 包括细胞膜、内质网、高尔基复合体、线粒体、溶酶体、过氧化物酶体及核膜等。 以核酸-蛋白质为主要成分的遗传信息表达体系遗传信息储存与表达系统 真核细胞储存遗传信息的DNA是以与蛋白质结合形式而存在，DNA与蛋白质的结合与包装程度决定了DNA复制和遗传信息的表达。,由特异蛋白质分子构成的细胞骨架体系细胞骨架系统 由一系列纤维状蛋白组成的网状结构系统，包括细胞质骨架与核骨架。 核糖体与蛋白质合成系统 核糖体
5、（ribosome）：合成蛋白质的机器 。细胞质溶胶 细胞质溶胶（cytosol）：细胞质中除了细胞器和细胞骨架结构之外的区域，协助完成物质运输、能量传递、信息传递等细胞活动。,原核细胞与真核细胞的比较,特征,原核细胞,真核细胞,细胞大小,较小（110m）,较大（10100 m）,细胞核,无核仁和核膜,有核仁和核膜,细胞器,无（除核糖体外）,有各种细胞器,核糖体,70S（50S+30S）,80S（60S+40S）,染色体,只有一条DNA，DNA裸露不与组蛋白和酸性蛋白结合，染色体为单数。,有几条DNA，DNA与组蛋白和酸性蛋白结合，有若干对染色体。,内膜系统,简单,复杂,细胞骨架,无,有微管，
6、微丝，中间纤维,细胞壁,主要组分为肽聚糖,主要组分为纤维素,转录和翻译,出现在同一时间和地点（细胞质中）,出现在不同时间和地点（转录在核内，翻译在细胞质中）,细胞分裂,二分裂,无丝分裂、有丝分裂、减数分裂,四、非细胞生命形态病毒,在生物界中，病毒（virus）是唯一非细胞形态的生命体。 特点： 在活细胞内才能表现出它们的基本生命活动。 在电子显微镜下才能看到。,结构:核酸分子与蛋白质组成的核酸-蛋白质复合体；分类：根据病毒的核酸类型可分两大类：DNA病毒与RNA病毒类病毒（viroid）:仅由感染性的RNA构成；朊病毒（prion）:仅由感染性的蛋白质亚基构成；,副流感病毒,乙肝病毒DNA模型
7、图,美国疾控中心通过显微镜拍摄的照片展示了呈阴性反应的猪流感病毒,根据宿主不同：,动物病毒植物病毒细菌病毒 噬菌体,脊髓灰质炎病毒 球形病毒,烟草花叶病毒 线形病毒,T4噬菌体 蝌蚪形病毒,第三节 细胞的分子基础,一、生物小分子二、生物大分子,细胞是由生命物质原生质（protoplasm）组成基本元素99.9%： C、H、O、N90%; S、P、Na、K、Ca、Cl、Mg、Fe 9% 微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co、Cr、Si、F、Br、I等,水水在细胞中以两种形式存在：游离水，约占95；结合水，通过氢键或其他键同蛋白质结合，约占45。作用：溶解无机物、调节温度、参加酶反应、参与物质代
8、谢和形成细胞有序结构。,一、有机小分子,（一）水和无机盐是细胞内的无机化合物,2.无机盐：以离子状态存在阴离子：如Cl、PO4、HCO3等阳离子：如Na+、K+、Ca2+等游离形式：维持细胞内外液的渗透压和pH值。 结合形式：直接与蛋白质或脂类结合，组成具有一 定功能的结合蛋白或类脂。,(二)有机小分子:组成生物大分子的亚单位1.糖 结构：主要由碳、氢、氧三种元素组成，化学组成为(CH2O)n 功能：细胞的能源物质 某些物质的组成：细胞膜、核酸、糖链,2.脂肪酸结构：由两个不同的部分组成疏水性的长烃链亲水性的羧基(一COOH)功能：构成细胞膜的组分,3.氨基酸结构：羧基 氨基功能：蛋白质的亚基
9、4.核苷酸结构：含氮环化物 五碳糖 磷酸基团功能：核酸的亚基,与同一个碳原子连接,二、生物大分子,生物大分子由有机小分子聚合而成，细胞内主要的大分子有核酸、蛋白质和多糖。,核酸,执行具体的生物学功能,(一)核酸携带遗传信息,1.核酸的化学组成,核糖,戊糖,磷酸,脱氧核糖,嘧啶：T C U,嘌呤：A G,碱基,核苷酸,嘧 啶,胞嘧啶 Ccytosine,胸腺嘧啶 Tthymine,碱 基,5 ,1,2 ,3 ,4 ,核糖,2 ,5 ,1,2 ,3 ,4 ,脱氧核糖,三个部分连接方式：,1、碱基与戊糖第1碳原子结合糖苷键,（C1、N9 和C1、N1）化合物核苷,2、磷酸与核苷中的戊糖第5碳原子结合
10、脂键,化合物核苷酸（脱氧核苷酸）,H2O,核苷,H2O,单 核 苷 酸,核苷酸的种类（按所含碱基分类）：,腺苷酸 AMP鸟苷酸 GMP胞苷酸 CMP尿苷酸 UMP,核糖,脱氧核糖,脱氧腺苷酸 dAMP脱氧鸟苷酸 dGMP脱氧胞苷酸 dCMP脱氧胸苷酸 dTMP,多核苷酸链的连接：,各个核苷酸中戊糖第5碳原子（C-5）的磷酸与另一个核苷酸戊糖第3碳原子（C-3）以磷酸二脂键相连，通过3 5磷酸二脂键首尾相接,多核苷酸链。,H2O,2.DNA（脱氧核糖核酸） DNA双螺旋结构模型DNA分子是由两条脱氧核糖核苷酸链组成两条链反向平行脱氧核糖和磷酸位于螺旋的外侧，碱基位于双螺旋内侧碱基之间互补配对：A
11、T CG,DNA 的功能,DNA的主要功能是储存、复制和传递遗传信息。 DNA分子中只有四种核苷酸，但核苷酸的数量巨大，随机排列组合，决定了DNA分子的复杂性和多样性，也决定了遗传信息的多样性生物种类的多样性。,DNA,RNA,戊 糖,脱氧核糖 核 糖,碱 基,A G C T A G C U,磷 酸,磷 酸,磷 酸,核苷酸种类,脱氧腺苷酸（dAMP) 腺苷酸（AMP） 脱氧鸟苷酸（dGMP) 鸟苷酸（GMP）脱氧胞苷酸（dCMP) 胞苷酸（CMP）脱氧胸苷酸（dTMP) 尿苷酸（UMP）,结 构,双 链 单 链,存在部位,主要存在细胞核中 主要存在细胞质中,功 能,储存，复制和传递遗传信息 与
12、遗传信息表达有关,DNA与RNA的区别,3.RNA RNA分子以单链形式存在，在部分区域折叠并按碱基互补配对原则形成双链发夹结构。,RNA发夹结构模式图,信使核糖核酸（message RNA，mRNA)含量：占细胞内总RNA的1%-5% 种类：种类多而且极不均一 结构特点：3，5的非编码区中间的编码区原核细胞多顺反子；真核细胞单顺反子功能：作为合成蛋白质的模板 mRNA分子中每三个相邻的碱基组成一个密码子（codon），决定蛋白质中氨基酸的排列顺序。, 核糖体RNA（ribosome RNA，rRNA）,含量：占RNA总量的80%90% 功能：参与核糖体形成原核生物核糖体（70S） 大亚基50
13、S：23S rRNA 5S rRNA 小亚基30S：16S rRNA+21种蛋白质 真核生物核糖体（80S） 大亚基60S：28S rRNA 5.8S rRNA 5S rRNA 小亚基40S：18S rRNA +30种蛋白质,+36种蛋白质,+49种蛋白质, 转移核糖核酸（transfer RNA, tRNA） 含量：总RNA的5%10% 结构特点：单链结构，部分折叠，整个分子结构呈三叶草形。 3端有CCA三个碱基，与特定氨基酸结合。反密码环上的三个碱基组成反密码子（anticodon），与mRNA上密码子互补结合，参与蛋白质合成。功能：转运特定的氨基酸，参与蛋白质合成,细胞核中,DNA,RN
14、A的转录与翻译过程,细胞质中,（4）snRNA,小核RNA，存在于细胞核内，含量少 参与真核生物细胞核中RNA的加工，即基因转录产物的加工。例如 信使RNA前体的剪接，形成成熟的mRNA。,（5）miRNA,一类非编码的小RNA分子抑制靶mRNA的转录和翻译促使靶基因的mRNA的降解参与细胞分化与发育的基因表达调控。,（6）核酶（酶RNA ， 核酸类酶）,具有催化功能的RNA分子核酶的功能多： 切割RNA, 切割DNA, RNA 连接酶等与蛋白质酶相比，核酶的催化效率较低，是一种较为原始的催化酶。,1.蛋白质的化学组成,蛋白质的基本单位氨基酸,(二)蛋白质表达遗传信息,氨基酸的结构式,H OH
15、2N C C OH,H,H OH2N C C OH,H OH2N C C OH,甘氨酸,CH3,CH2SH,丙氨酸,半胱氨酸,请分析这些氨基酸的共同点和不同点,共同点：至少含有一个氨基（-NH2）和一个羧基（-COOH），并且连接在同一个碳原子上。,不同点：不同氨基酸有不同的侧链基团,氨基酸的结构特点,氨基酸结构通式,肽键数（形成肽链时脱下的水分子数、肽链水解时所需的水分子数）=氨基酸数肽链数,肽键,蛋白质分子是由许多氨基酸分子通过肽键，依次缩合而形成多肽链。,侧链,侧链,侧链,侧链,主链,H2N,COOH,由相同或不同的各个氨基酸，按照一定的排列顺序，以特定的化学键方式连接，从而组成蛋白质的
16、基本结构。,2.蛋白质的结构,结构多样性,组成蛋白质的氨基酸种类、数量和排列顺序不同，形成肽链的数目和空间结构不同，决定了蛋白质的种类极其多样 。,肽链（一条或多条）,肽链的形成,蛋白质的一级结构：多肽链中氨基酸的种类，数目和排列顺序。（主键：肽键；副键：二硫键）,蛋白质的二级结构：,在一级结构的基础上，借氢键在氨基酸残基之间连接，使多肽链成为螺旋或折叠的结构。（氢键）,蛋白质的三级结构：,在二级结构的基础上再行折叠。（氢键，酯键，离子键，疏水键）,蛋白质的四级结构：,由两条或几条多肽链在各自三级结构的基础上形成为蛋白质分子的结构亚基，由若干亚基之间以非共价键形式而相互结合的复合体。（非共价键
17、氢键）,蛋白质的一级结构：多肽链中氨基酸的种类、数目和排列顺序。（主键：肽键；副键：二硫键）蛋白质的二级结构： 在一级结构的基础上，借氢键在氨基酸残基之间连接，使多肽链成为螺旋或折叠的结构。（氢键）蛋白质的三级结构：在二级结构的基础上再行折叠。（氢键、酯键、离子键、疏水键）蛋白质的四级结构： 由两条或几条多肽链在各自三级结构的基础上形成为蛋白质分子的结构亚基，由若干亚基之间以非共价键形式而相互结合的复合体。（非共价键）,3.蛋白质的结构与功能之间的关系,蛋白质的功能取决于其结构，一级结构是蛋白质功能的基础，如果氨基酸的排列顺序发生变化，将会形成异常的蛋白质分子。活细胞内蛋白质功能的发挥与其构象
18、的不断改变密切相关。 在活细胞内，蛋白质亚单位也只有组装成大的适当的超分子结构，如蛋白质复合物、酶复合物、核糖体、病毒颗粒等，才能更好地完成生命活动过程。,4.一类特殊类型的蛋白质酶（enzyme）,酶的特性,高度的专一性高效的催化能力高度不稳定性,酶：是具有高度催化活性的蛋白质。,由于大部分酶具有蛋白质四级结构特点，很容易受机体内各种因素影响。,小结,生物小分子无机化合物（水、无机盐等）有机化合物（单糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸）生物大分子DNA分子是由两条方向相反的多聚脱氧核苷酸链组成的多螺旋结构。RNA分子由一条多聚核苷酸链组成。蛋白质是由氨基酸通过肽键依次缩合而成的多聚体。,第三章 细胞
19、生物学的研究方法,一、光学显微镜技术,普通复式光学显微镜 （light microscope）相差显微镜 （phase-contrast microscope） （利用光的干涉和衍射效应将光程差或转变为振幅差）荧光显微镜 （fluorescence microscope） （荧光染料染色）激光共聚焦显微镜（laser scanning confocal microscope） （物镜和聚光镜互相共聚焦，从标本焦面发出的光线聚焦成像，多用于检测荧光标记物质）,正置显微镜,倒置显微镜,荧光显微镜及其照片,红色酵母细胞绿色septin蛋白,共聚焦显微镜及其显微图像,蛋白在部分叶肉细胞中的分布,LCS
20、M Image of a Xenopus Melanophore microtubule cytoskeleton (green) and the nucleus (blue),透射电子显微镜（TEM）（是利用高能电子束充当照明光源而进行放大成像的大型显微分析设备）扫描电子显微镜（SEM）（是一种利用电子束扫描样品表面从而获得样品信息的电子显微镜）,二、电子显微镜,透射电镜及其图像,巨大血小板,扫描电镜及其图像,花粉,离心技术,是分离细胞器及各种大分子基本手段。转速1025kr/min的离心机称为高速离心机。转速25kr/min，离心力89Kg者称为超速离心机。超速离心机的最高转速可达1000
21、00r/min，离心力超过500kg。,三、 细胞分离技术,差速离心 Differential centrifugation,特点：介质密度均一；速度由低向高，逐级离心。用途：分离大小相差悬殊的细胞和细胞器。沉降顺序：核线粒体溶酶体与过氧化物酶体内质网与高基体核蛋白体。可将细胞器初步分离，常需进一步通过密度梯离心再行分离纯化。,Low speed,High speed,Differential centrifugation,四 细胞培养技术,在体外模拟体内的生理环境，培养从机体中取出的细胞，并使之生存和生长的技术为细胞培养技术。体外细胞培养的条件 物质营养 生存环境（无菌） 排除废物,原代培养 (Primary culture),直接从机体取下细胞、组织等后立即进行培养 。细胞系: 原代培养物经首次传代后即为细胞系。细胞株:通过选择或克隆法从细胞系中获得的均一性的细胞群。贴壁培养：分散的细胞悬浮在培养瓶中很快(就贴附在瓶壁上， 此类细胞的培养即贴壁培养。 悬浮培养：悬浮培养的细胞在培养过程中不贴壁， 一直悬浮在培养液中， 如T细胞。,实验室中常用的几种细胞系,
