第02章 細胞的基本概念

第二章細胞基本知識概要Chapter2BasicConceptofTheCell本章內容提要第一節(jié)細胞的基本概念第三節(jié)原核細胞、古核細胞與真核細胞第二節(jié)病毒復習思考題第一節(jié)細胞的基本概念定義：細胞是有膜包圍的能獨立進行繁殖的原生質團。質膜細胞質(cytoplasm)核質(nucleoplasm;karyoplasm)

核膜(nuclearenvelope)原生質(protoplasm)：指活細胞的全部活物質，包括質膜、細胞質和細胞核（或類核）。一、水是原生質最基本的物質占細胞總重量的60~90%，在細胞中有兩種存在形式：游離水：結合水：

代謝介質細胞內水的大部分,約占細胞總水量的95％細胞內水的小部分,此種水約占4~5％。結構作用

(經氫鍵與蛋白質等大分子結合)主要作用：溶解無機物；調節(jié)溫度；參加酶反應；參與物質代謝；形成細胞有序結構。調節(jié)滲透壓和維持酸堿平衡；維持膜電位；參與核酸、糖、酶和蛋白質的構成及其活性；調節(jié)酸堿平衡及pH緩沖作用。二、無機離子主要作用：細胞中有機物達幾千種之多，約占細胞干重的90%以上，它們主要由碳、氫、氧、氮等元素組成。三、細胞的有機分子[由單體(monomers)聚合而成]大小介于大分子與小分子之間有機物蛋白質脂類核酸糖類大分子(macromolecules)在生命活動中極為重要，幾乎各種生命活動無不與蛋白質的存在有關：細胞的主要結構成分，酶--生物專有的催化劑。一個細胞中約含有15000種蛋白質，分子的數(shù)量達1011個。（一）蛋白質核糖堿基AUCG脫氧核糖堿基脫氧核糖核苷磷酸基脫氧核糖核苷酸ATCG核酸是生物遺傳信息的載體分子，所有生物均含有核酸。核酸是由核苷酸單體聚合而成的大分子。（二）核酸核苷磷酸基(nucleosides)核苷酸(nucleotides)核酸核糖核酸(RNA)脫氧核糖核酸(DNA)纖維素（植物細胞）幾丁質（動物細胞）淀粉糖原（動物細胞）貯存多糖結構多糖直鏈淀粉支鏈淀粉(植物細胞)單糖：多糖戊糖，己糖，丙糖，丁糖寡糖：麥芽糖，蔗糖，乳糖能源和原料（營養(yǎng)儲備多糖）（三）糖類細胞內脂類化合物的種類（四）脂類脂類名稱化合物代表在細胞中的分布脂肪酸油酸、棕櫚酸、硬脂酸細胞質溶質(cytosol)、線粒體、含脂肪種子中的乙醛酸循環(huán)體中性脂肪植物油、動物油脂細胞中儲備脂肪磷脂磷脂酰乙醇胺、磷脂酰膽堿、磷脂酰絲氨酸、磷脂酰肌醇膜鞘脂鞘磷脂膜糖脂腦苷脂、節(jié)苷脂膜類固醇膽固醇膜萜類胡蘿卜素植物細胞質溶質、葉綠體有機物游離水結合水無機物無機離子細胞內的水氨基酸萜類和類固醇類中性脂肪(甘油三酯)磷脂(磷酸甘油酯)脂肪酸飽和脂肪酸不飽和脂肪酸(雙性脂類)腦磷脂卵磷脂心磷脂脫氧核糖核苷酸核苷酸RNADNA蛋白質核酸脂類纖維素（植物細胞）幾丁質（動物細胞）貯存多糖結構多糖淀粉糖原（動物細胞）直鏈淀粉支鏈淀粉(植物細胞)多糖寡糖：單糖：糖類細胞的化學組成小結熱物理學證明，在一個封閉的系統(tǒng)中，熵總是增大，直至最大。若使系統(tǒng)的熵減少（使系統(tǒng)更加有序化），必須有外部能量的干預。（熱力學第二定律）

有機體就是賴負熵為生的。能量維持細胞結構。新陳代謝中的本質的東西，乃是使有機體成功地消除了當它自身活著的時候不得不產生的全部的熵。Whatislife質膜外結構原生質體細胞質質膜細胞核（或類核）細胞器細胞質溶質細胞骨架細胞外基質細胞壁細胞的結構組成圖解：細胞第一節(jié)細胞的基本特征(2)具有一層細胞質膜(3)具有一套完整的代謝機構(1)具有一套基因組細胞是生命活動的基本單位1.細胞進行生命活動的應具有的最基本的要素：使細胞能進行獨立的代謝活動通過質膜與周圍環(huán)境進行物質和信息交流控制細胞的遺傳活動第一節(jié)細胞的基本概念支原體(mycoplast)：最小Φ0.1

m，具備了進行生命活動最基本的三項要素。病毒：體積?。ǘ嘈∮讦?.1

m），缺少進行獨立代謝的某些基因和機構（單獨存在時不能自我繁殖，必須依賴于宿主細胞）。第一節(jié)細胞的基本特征病毒不是細胞，只是具有部分生命特征的感染物，最多只能被稱為“半生命”。支原體是細胞！2.細胞區(qū)別于無機界的最主要的特性：①在結構上具有自我裝配的能力；②在生理活動中具有自我調節(jié)的能力；③在增殖上具有自我復制的能力。這些特性也可以說是生命的特征，它們的喪失即意味著死亡。第一節(jié)細胞的基本特征3.細胞概念的一些新思考細胞是多層次非線性的復雜結構體系細胞是物質、能量與信息過程精巧結合的綜合體細胞是高度有序的，具有裝配與自組織能力的體系病毒(virus)盡管不是細胞，然而①病毒的某些屬性與細胞又有一定的共同性(如具有共同的遺傳基礎)，研究病毒活動可獲得一些有價值的資料，有助于對細胞活動機理的理解。②病毒是寄生性感染物，其宿主是細胞，病毒的活動與細胞有著密切的關系。第二節(jié)非細胞形態(tài)的生命體－－病毒需在全面介紹細胞之前先對病毒進行概括性介紹。動物病毒植物病毒細菌病毒——噬菌體雙鏈

DNA→+mRNA→蛋白質單鏈

DNA病毒→±DNA→+RNA→蛋白質雙鏈

RNA病毒→+mRNA→蛋白質單鏈

RNA病毒→－RNA→+RNA→蛋白質單鏈

RNA病毒→+RNA→+蛋白質單鏈

RNA病毒→DNA→±DNA→+mRNA→蛋白質據(jù)宿主分據(jù)結構分據(jù)遺傳物質分病毒的分類真病毒類病毒蛋白質感染子蛋白外殼核酸芯子(核酸)(蛋白)第二節(jié)病毒幾種病毒脊髓灰質炎病毒煙草花葉病毒痘病毒狂犬病毒T4噬菌體流感病毒第二節(jié)病毒1982年S.B.Prusiner在患羊搔癢病的羊體內發(fā)現(xiàn)了一種蛋白質因子，是羊搔癢病的致病因子，它將其命名為prion(pr,protein;i,infectious;on,基本單位)。蛋白質感染因子)，也有人譯為‘朊病毒’。蛋白質感染因子1.發(fā)現(xiàn):Prusiner因此獲得1997年諾貝爾獎第二節(jié)病毒蛋白質感染子蛋白(prionprotein，PrP)由prp基因編碼（人：第20號染色體，小鼠：第2號染色體）。這種蛋白存在于神經元和神經膠質細胞表面上，其作用尚未查清，破壞小鼠的prp基因，小鼠的發(fā)育和行為未發(fā)現(xiàn)異常變化。2.蛋白質感染子蛋白第二節(jié)病毒prp基因正常的表達產物并無致病作用，這種正常蛋白稱為PrPC蛋白，對蛋白酶很敏感。一旦基因突變，有一個氨基酸發(fā)生改變，PrPC蛋白發(fā)生了構象變化，就變成了具有致病作用的PrPSc蛋白。基因突變產生PrPSc所引起的疾病是可以遺傳的。第二節(jié)病毒PrPSc蛋白在構象上與正常蛋白PrPC不同：PrPSc的肽鏈中

螺旋減少，而

折疊增加。第二節(jié)病毒PrPC向PrPSc轉變實質上是

螺旋向

折疊的遷移轉變PrPSc蛋白對蛋白質水解酶具有很強的抗性和高熱穩(wěn)定性，且紫外線和電離輻射不能使其喪失活性。134-138℃持續(xù)1h的病牛腦組織勻漿，以及10%福爾馬林固定過的病羊腦組織，仍有感染性。

第二節(jié)病毒

克-雅二氏?。–reutzfeldt–Jakobdisease，CJD）：Cruetzfeldt和Jakob1920年發(fā)現(xiàn)于六例患者，大多發(fā)生于60歲以上的人，是自身PrP蛋白發(fā)生變異引起的。變異型克-雅氏?。╲CJD）：患者都處于以往CJD未曾出現(xiàn)的年齡段，為十幾歲至三十歲的年輕人，是由于取食病牛產品而感染?；颊呤紫瘸霈F(xiàn)憂郁癥的病狀，繼而不能行走，并呈現(xiàn)精神障礙等癡呆癥狀，最后死亡。GSS綜合征（Gerstmann-StrausslerScheinkerdisease））：是一種遺傳的的慢性腦病，由Prnp基因缺陷引起，PrP蛋白的102位亮氨酸被脯氨酸取代或117位的纈氨酸被丙氨酸取代。克魯?。↘uru）：發(fā)現(xiàn)于新幾內亞一個叫Fore的部落，當?shù)厝朔Q作kuru，意即顫抖。病人大多數(shù)是婦女及小孩，病癥有言語含糊及無意識地狂笑，最后不省人事并死亡。一名美國醫(yī)生D.C.Gajdusek到了當?shù)?，發(fā)現(xiàn)那里的婦女及小孩具有吃死者尸體的習慣，結果受到感染。致死性家族性失眠癥（Fatalfamilialinsomnia，F(xiàn)FI）：也是一種遺傳性疾病，Prnp基因變異，PrP蛋白178位的天冬酰胺被天冬氨酸取代。患者的主要癥狀是失眠，并有CJD的癥狀。3.病毒在細胞內的增殖

病毒侵入細胞，病毒核酸的侵染

病毒核酸的復制、轉錄與蛋白質的合成

病毒的裝配、成熟與釋放第二節(jié)病毒增殖方式一個PrPSc分子一個PrPC分子+四個PrPSc分子如此倍增不已PrPSc誘導一個模板分子伴侶(molecularchaperone)當PrPSc分子積累到一定濃度時，就會損傷神經元而發(fā)病蛋白質感染因子的復制和繁殖機制PrPSc二聚體蛋白質感染子本身不能復制第二節(jié)病毒晶種模型（Seedingmodel），認為PrPc分子本身有向PrPSc轉變的傾向（一種平衡反應），PrPSc能像晶種一樣，穩(wěn)定PrPc的構象，形成淀粉樣蛋白沉淀，然后碎裂后又變成新的晶種。還有一種假說認為,致病的PrPSc起晶種的作用,它在形成結晶時,使PrPc轉變?yōu)镻rPSc,從而致病。第二節(jié)病毒病毒與細胞在起源與進化中的關系病毒是非細胞形態(tài)的生命體，它的主要生命活動必須要在細胞內實現(xiàn)。病毒與細胞在起源上的關系，目前存在3種主要觀點：

生物大分子→病毒→細胞 病毒

生物大分子細胞

生物大分子→細胞→病毒第二節(jié)病毒第三節(jié)原核細胞、古核細胞及真核細胞具有細胞壁和葉綠體對于某些生物來說卻遇到了分類上的困難：眼蟲(Euglena)有葉綠體卻無細胞壁;細菌和真菌雖有細胞壁但無葉綠體;枝原體既無葉綠體也無細胞壁。400余萬種生物：一切生物動物界植物界沒有細胞壁和葉綠體早期營養(yǎng)方式運動能力細胞結構Chatton(1925年)把細胞中無由膜包圍的細胞核的生物稱為原核生物(prokaryote)。自從原核生物概念提出之后，H.Ris則把含有由核被膜包圍的核的細胞稱為真核細胞(eukaryote)。代表性原核生物：支原體(mycoplasma)、細菌(bacterium)和藍細菌(cyanobacterium)等第三節(jié)原核細胞、古核細胞與真核細胞表3-1生物界兩類分類系統(tǒng)的比較傳統(tǒng)分類系統(tǒng)植物界細菌藍藻金藻綠藻紅藻褐藻粘菌真正真菌苔蘚維管植物動物界原生動物后生動物按細胞結構的分類系統(tǒng)類型原核生物真核生物

Whittaker(1969)原核生物界(monera)細菌藍藻(藍細菌)原生生物界(protista)金藻原生動物真菌界粘菌真正真菌植物界綠藻紅藻褐藻苔蘚維管植物動物界后生動物Dodson(1971)原核生物界細菌藍藻(藍細菌)植物界金藻綠藻紅藻褐藻粘菌真正真菌苔蘚維管植物動物界原生動物后生動物第三節(jié)原核細胞、古核細胞與真核細胞一、細胞的形狀和大小不同細胞的形態(tài)千差萬別：呈圓形、橢圓形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形，甚至不定形。細胞的形狀及其與功能的關系各類細胞結構、功能和所處環(huán)境不同形狀和大小千差萬別第三節(jié)原核細胞、古核細胞與真核細胞單細胞原核生物往往是單個細胞獨立生活（即使成群體存在，細胞間的關系也不密切），每種生物的細胞往往有自己特有的形狀：如桿菌——桿狀球菌——球狀弧菌——圓弧狀；螺旋體——螺旋狀等第三節(jié)原核細胞、古核細胞與真核細胞單細胞動物或植物的細胞形狀更復雜：如草履蟲——鞋底狀；眼蟲——梭形且有長鞭毛；游撲蟲和鐘形蟲——袋狀；阿米巴——不定形等第三節(jié)原核細胞、古核細胞與真核細胞高等生物是多細胞有機體，其細胞多構成了組織，各種細胞發(fā)生了結構和功能上的分化：細胞的形狀往往與細胞執(zhí)行的功能及存在的位置有一定的關系。高等動物：肌肉細胞：長條形或長梭形骨骼肌細胞紅細胞：雙面凹圓盤狀有利于O2和CO2氣體的交換紅血細胞利于收縮功能第三節(jié)原核細胞、古核細胞與真核細胞高等植物：篩管細胞：條形葉表皮保衛(wèi)細胞：半月形以利于呼吸和蒸騰2個保衛(wèi)細胞圍成一個氣孔于植物莖部起支持和輸導作用第三節(jié)原核細胞、古核細胞與真核細胞骨細胞結締組織細胞卵細胞精子毛細胞視桿細胞神經細胞立方上皮柱狀上皮細胞形狀的多樣性人類血細胞巨噬細胞神經元細胞骨細胞成纖維細胞軟骨細胞脂肪細胞平滑肌細胞結締組織中的幾種細胞類型活細胞的形狀并不是固定不變的第三節(jié)原核細胞、古核細胞與真核細胞形態(tài)結構與功能的統(tǒng)一是生物體細胞的一個重要特征!上述細胞形狀是指活細胞在體內時的形態(tài)，一旦細胞離開了有機體分散存在，形狀就要發(fā)生很大的變化。如平滑肌細胞：離體培養(yǎng)在體內呈梭形離體培養(yǎng)時則呈多角形第三節(jié)原核細胞、古核細胞與真核細胞細胞發(fā)生病變后，也會發(fā)生形態(tài)結構上的變化：鐮刀型貧血病人的鐮刀型紅血細胞正常紅血細胞第三節(jié)原核細胞、古核細胞與真核細胞如鴕鳥蛋的卵黃,直徑可達5cm；支原體卻只有0.1

m；人的坐骨神經細胞可長達1m。細胞的大小一般說來，真核細胞的體積要大于原核細胞，高等動物的卵細胞要大于體細胞。[卵細胞是一種特殊類型的細胞（含有大量卵黃）]大多數(shù)動植物細胞：體積一般在20~30

m間。生物體各種細胞的大小差別很大：第三節(jié)原核細胞、古核細胞與真核細胞細胞體積的最小極限取決于維持細胞獨立生活所需的最基本的成分須占的體積。根推算，枝原體的體積（直徑0.3

m）接近于容納必需成份的極限。幾種細胞的大小多細胞生物，細胞的大小與生物個體的體積無關!第三節(jié)原核細胞、古核細胞與真核細胞細胞的大小及其分析

各類細胞直徑的比較細胞類型直徑大小(um)最小的病毒0.02支原體細胞0.1～0.3細菌細胞1～2動植物細胞20～30（10～50）原生動物細胞數(shù)百至數(shù)千細胞最小極限－細胞必備的裝置細胞膜－－－20nm遺傳信息載體核糖體－－－10－20nm酶（100種）－－－50nm最小極限直徑－－－100nm最小最簡單細胞－－－支原體細胞體積的最小極限取決于維持細胞獨立生活所需的最基本的成分須占的體積。SAR11目前已知的最小的自由生活的生物，1毫升海水中含大約500000個這樣的細胞，具有一種最為緊實、流線型的基因組——只有130萬個堿基對，是目前在自由生活的有機體中發(fā)現(xiàn)的最小的基因組。（2005年8月19日的Science）納米微生物

高倍的電子顯微鏡（一百萬倍）

下觀察到的。體型比任何生物還小十倍，異常喜愛塑料，而且還可能有火星的親戚。納米細菌（nanobacteria）是一種神奇的能自我復制、礦化的小東西，美國宇航局的學者認為它會導致宇航員產生腎結石。

細胞最大極限－數(shù)百微米細胞體積與相對表面積－