醫(yī)學(xué)第二章細(xì)胞的概念和分子基礎(chǔ)陳譽(yù)華

1、醫(yī)學(xué)第二章細(xì)胞的概念和分子基礎(chǔ)陳譽(yù)華內(nèi)容第一節(jié) 細(xì)胞的基本概念第二節(jié) 細(xì)胞的起源與進(jìn)化第三節(jié) 細(xì)胞的分子基礎(chǔ)第一節(jié) 細(xì)胞的基本概念一、細(xì)胞是生命活動的基本單位二、原核細(xì)胞三、真核細(xì)胞四、病毒一、細(xì)胞是生命活動的基本單位所有的生物都是由細(xì)胞組成的，細(xì)胞是生命活動的基本單位。 細(xì)胞是構(gòu)成有機(jī)體的基本單位；細(xì)胞具有獨(dú)立完整的代謝體系，是代謝與功能的基本單位；細(xì)胞是有機(jī)體生長與發(fā)育的基礎(chǔ)；細(xì)胞是遺傳的基本單位，細(xì)胞具有遺傳的全能性；沒有細(xì)胞就沒有完整的生命。(一)細(xì)胞的概念(二)細(xì)胞的分類細(xì)胞分為三大類型原核細(xì)胞古核細(xì)胞真核細(xì)胞早期細(xì)胞分為兩大類原核細(xì)胞（prokaryotic cell）真核細(xì)胞（e

2、ukaryotic cell）1990年，生物界被劃分為三個域細(xì)菌域（bacteria） 古菌域（archaea） 真核域（eukarya）生物三域分類的系統(tǒng)樹 特點(diǎn)： 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(xì)胞質(zhì)中無膜性細(xì)胞器，含有核糖體。 體積小：直徑約為1到數(shù)個微米二、原核細(xì)胞 主要代表：支原體、衣原體、細(xì)菌、藍(lán)綠藻又稱藍(lán)細(xì)菌。1.支原體（mycoplasma） 最小最簡單的細(xì)胞大?。和ǔ?.10.3m細(xì)胞膜：由磷脂和蛋白質(zhì)構(gòu)成，沒有細(xì)胞壁 DNA：呈環(huán)形雙鏈，胞質(zhì)內(nèi)分散存在，指導(dǎo)約400種蛋白質(zhì)合成 肺炎支原體2.細(xì)菌 原核細(xì)胞的典型代表 細(xì)胞壁

3、：位于細(xì)菌外表面，主要成分為肽聚糖。細(xì)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(xì)胞質(zhì)：DNA：環(huán)狀分子，很少有重復(fù)序列，無內(nèi)含子 質(zhì)粒（plasmid）：能夠獨(dú)立于基因組DNA以外，自我復(fù)制的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。 細(xì)菌結(jié)構(gòu)示意圖70S細(xì)菌核糖體50S大亞基30S小亞基 有的細(xì)菌還有夾膜、鞭毛、菌毛等特殊結(jié)構(gòu)。核糖體：大部分游離于細(xì)胞質(zhì)中，小部分附著在細(xì)胞膜 內(nèi)表面。3.古細(xì)菌（archaebacteria） 一類很特殊的細(xì)菌，多生活在極端環(huán)境中，如高溫、高鹽環(huán)境。 特點(diǎn)：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(xì)胞的相似、DNA具有內(nèi)含子并結(jié)合組蛋白等。具

4、有不同于原核細(xì)胞和真核細(xì)胞的特征：細(xì)胞膜中的脂類不可皂化，細(xì)胞壁不含肽聚糖。(一)真核細(xì)胞的形態(tài)大小三、真核細(xì)胞形態(tài)：多種多樣，常與細(xì)胞所處的部位及功能相關(guān) 大?。翰町惡艽?，與細(xì)胞類型有關(guān) (二)真核細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu) 光鏡下結(jié)構(gòu)：細(xì)胞膜（cell membrane） 細(xì)胞質(zhì)（cytoplasm） 細(xì)胞核（nucleus）電子顯微鏡下，在細(xì)胞質(zhì)中可看到由單位膜組成的膜性細(xì)胞器及微絲、微管、中間纖維等骨架系統(tǒng)。 動物細(xì)胞結(jié)構(gòu)模式圖 真核細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：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(xì)胞膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基復(fù)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

5、分的遺傳信息表達(dá)體系遺傳信息儲存與表達(dá)系統(tǒng) 真核細(xì)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(fù)制和遺傳信息的表達(dá)。 由特異蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的細(xì)胞骨架體系細(xì)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(xì)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(jī)器 。細(xì)胞質(zhì)溶膠 細(xì)胞質(zhì)溶膠（cytosol）：細(xì)胞質(zhì)中除了細(xì)胞器和細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)之外的區(qū)域，協(xié)助完成物質(zhì)運(yùn)輸、能量傳遞、信息傳遞等細(xì)胞活動。原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的比較 四、病毒生物界中，病毒（virus）是惟一的非細(xì)胞形態(tài)生命體。特點(diǎn)：在活細(xì)胞內(nèi)才能表現(xiàn)出它

6、們的基本生命活動 在電子顯微鏡下才能看到 結(jié)構(gòu)： 核酸分子與蛋白質(zhì)組成的核酸-蛋白質(zhì)復(fù)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(gòu)成。朊病毒（prion） ：僅由感染性的蛋白質(zhì)亞基構(gòu)成。病毒的分子結(jié)構(gòu)第二節(jié) 細(xì)胞的起源與進(jìn)化一、原始細(xì)胞的形成二、原核細(xì)胞向真核細(xì)胞的演化三、單細(xì)胞生物向多細(xì)胞生物的進(jìn)化(一)地球上原始生命的誕生1.從無機(jī)小分子形成有機(jī)小分子物質(zhì) 原始大氣物質(zhì) 有機(jī)小分子2.從有機(jī)小分子物質(zhì)形成生物大分子物質(zhì) 有機(jī)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?原始核酸蛋白質(zhì)

7、核酸蛋白質(zhì)微滴 原始生命一、原始細(xì)胞的形成 雷電、紫外火山爆發(fā)進(jìn)化、選擇長期進(jìn)化生長分裂原始新陳代謝聚合有機(jī)分子的自發(fā)形成 以蛋白質(zhì)為主體形成微球體 (二)原始細(xì)胞的形成1.具有自我復(fù)制能力的多聚體的形成 多聚體的形成是原始細(xì)胞形成的關(guān)鍵步驟RNA的自我復(fù)制RNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成蛋白質(zhì)催化RNA復(fù)制2.膜的出現(xiàn)與原始細(xì)胞的誕生保持多核苷酸自我復(fù)制避免優(yōu)質(zhì)蛋白丟失磷脂分子自發(fā)裝配成膜結(jié)構(gòu)二、原核細(xì)胞向真核細(xì)胞的演化(一)分化起源說一般認(rèn)為，真核細(xì)胞是由原核細(xì)胞進(jìn)化而來的 原始真核細(xì)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(jié)構(gòu)分化自然選擇(二)內(nèi)共生起源說 真核細(xì)胞是由原始厭氧菌的后代

8、吞入了需氧菌逐步演化而來 三、單細(xì)胞生物向多細(xì)胞生物的進(jìn)化 多細(xì)胞生物進(jìn)化的早期由單細(xì)胞聚集成群體在多細(xì)胞機(jī)體內(nèi)出現(xiàn)細(xì)胞的分工和協(xié)作 從聚集到分工單細(xì)胞生物向多細(xì)胞生物的進(jìn)化 團(tuán)藻：較為原始的多細(xì)胞生物 第三節(jié) 細(xì)胞的分子基礎(chǔ)一、生物小分子二、生物大分子細(xì)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%; 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(xì)胞的成份生物大分子 有機(jī)小分子無機(jī)化合物水無機(jī)鹽有機(jī)化合物(一)水和無機(jī)鹽是細(xì)胞內(nèi)的無機(jī)化合物1.水水是細(xì)胞中含量最多的成分 水在細(xì)胞

9、中以兩種形式存在：游離水結(jié)合水，通過氫鍵或其他鍵同蛋白質(zhì)結(jié)合作用：良好溶劑，為各種代謝反應(yīng)提供環(huán)境。 一、生物小分子2.無機(jī)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(xì)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(jī)小分子:組成生物大分子的亞單位1.糖 結(jié)構(gòu)：主要由碳、氫、氧三種元素組成，化學(xué)組成為(CH2O)n 功能：細(xì)胞的能源和多糖的亞基 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(xì)胞膜的組分3.氨基酸結(jié)構(gòu)：羧基 氨基功能：蛋白

10、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(tuán)功能：核酸的亞基與同一個碳原子連接 (一)核酸攜帶遺傳信息二、生物大分子生物大分子由有機(jī)小分子聚合而成，細(xì)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(xué)組成 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：T C U嘌呤：A G堿基核苷酸多核苷酸鏈的形成 核酸核酸脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）核糖核酸（ribonucleic acid，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(fù)相連而形成的多聚核苷酸鏈即為核酸。 D

11、NA和RNA在化學(xué)組成上的異同 2.DNA 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(bǔ)配對：AT CG DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型DNA化學(xué)結(jié)構(gòu) DNA功能：儲存、復(fù)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(fù)雜性和多樣性。遺傳信息的復(fù)制：DNA分子中所攜帶的遺傳信息通過復(fù)制傳遞給子代細(xì)胞，復(fù)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

12、攜帶的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄傳遞給RNA，再通過翻譯合成蛋白質(zhì)，決定細(xì)胞的生物學(xué)行為。 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(bǔ)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(xì)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(diǎn)：3，5的非編碼區(qū)中間的編碼區(qū)原核細(xì)胞多順反子；真核細(xì)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

13、形成原核生物核糖體（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(diǎn)：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(bǔ)結(jié)合，參與蛋白質(zhì)合成。功能：轉(zhuǎn)運(yùn)特定的氨基酸，參

14、與蛋白質(zhì)合成 核小RNA（small nuclear RNA, snRNA）組成：含70300個核苷酸含量：不及總RNA的1% 功能：參與基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工，富含尿苷酸的U- snRNA與特異蛋白結(jié)合成剪接體UsnRNP。 微小RNA（microRNA, miRNA） 組成：長約2125nt的非編碼RNA ，具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)。 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(xì)胞分化與發(fā)育的基因 表達(dá)調(diào)控 。 miRNA的形成與作用機(jī)制 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。 動物細(xì)胞內(nèi)

15、主要含有的RNA種類及功能 RNA種類存在部位功能mRNA細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)，線粒體(mt mRNA)蛋白質(zhì)合成模板rRNA細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)，線粒體(mt rRNA)核糖體的組成成分tRNA細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)，線粒體(mt tRNA)轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸，參與蛋白質(zhì)合成snRNA細(xì)胞核參與mRNA前體的剪接、加工snoRNA細(xì)胞核參與rRNA的加工與修飾miRNA細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)基因表達(dá)調(diào)節(jié)lncRNA細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)基因表達(dá)調(diào)節(jié)核酶細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)催化RNA剪接 1.蛋白質(zhì)的化學(xué)組成 蛋白質(zhì)的基本單位氨基酸(二)蛋白質(zhì)表達(dá)遺傳信息氨基酸的結(jié)構(gòu)式 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

16、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。 2.蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu) 以獨(dú)特的三維構(gòu)象形式存在，蛋白質(zhì)三維構(gòu)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(jié)果。 一級結(jié)構(gòu)：氨基酸的排列順序 一級結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。 二級結(jié)構(gòu)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(jié)果。 有兩種主要的折疊形式：-螺旋和-片層。 蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu) 不同側(cè)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(jié)構(gòu)的蛋白即表現(xiàn)出生物學(xué)活性 。肌紅蛋白的三維結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)

17、 獨(dú)立的三級結(jié)構(gòu)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(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。 血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu) 3.蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)功能的基礎(chǔ)。 結(jié)構(gòu)域（structural domains）是大分子蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成單元。 組成一個結(jié)構(gòu)域的氨基酸殘基通常在40350之間 通常通過結(jié)構(gòu)域去推斷某些蛋白質(zhì)的功能 具有相同結(jié)構(gòu)域的蛋白具有類似功能Src蛋白的結(jié)構(gòu)域 活細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)功能的發(fā)揮與其構(gòu)象的改變密切相關(guān)。如磷酸化與去磷酸化使蛋白質(zhì)構(gòu)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(yīng) 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)

18、活性，這取決于磷酸化的位置和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)GTP結(jié)合蛋白形成分子開關(guān) 4. 一類特殊類型的蛋白質(zhì)酶酶（enzyme）：由生物體細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化劑作用的蛋白質(zhì)。 特點(diǎn)：高催化效率 高度專一性 高度不穩(wěn)定性 (三)多糖存在于細(xì)胞膜表面和細(xì)胞間質(zhì)中 簡單而重復(fù)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(xì)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(jié)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(xì)胞中主要存在的是鞘糖脂。 功能：構(gòu)成細(xì)胞抗原、細(xì)胞識別、細(xì)胞黏附及信息傳遞中起重要作用。 思考題1. 如何理解細(xì)胞是生命活動的基本單位及細(xì)胞整體在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中的重要性。2. 原核細(xì)胞與真核細(xì)胞差異。3. 古細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)對生命進(jìn)化研究的影響。4. 真核細(xì)胞的起源及其與病毒的關(guān)系。5. 為什么DNA適合儲存遺傳信息，而蛋白質(zhì)則適合展示細(xì)胞的功能？6. RNA的種類和功能。推薦閱讀資料1. Dyall SD, Brown MT, John