第二章-细胞的基本知识概要

内容提要•第一节真核细胞•一、基本结构•二、细胞的形状和大小•第二节原核与古核细胞•一、细菌•二、支原体•三、衣原体与立克次氏体•四、蓝藻•五、古细菌•第三节病毒•一、病毒的基本特征•二、病毒的形态和结构•三、病毒在细胞内的活动•四、类病毒•五、蛋白质感染因子•第四节细胞的化学成分•细胞是一切生命活动的基本结构和功能单位。1.细胞是由膜包围的原生质团，通过质膜与周围环境进行物质和信息交流；2.是构成有机体的基本单位，具有自我复制的能力，是有机体生长发育的基础；3.是代谢与功能的基本单位，具有完整的代谢和调节体系，不同的细胞执行不同的功能；4.是遗传的基本单位，具有发育的全能性。第一节、真核细胞一、基本结构•具有质膜，由膜围成的各种细胞器，如核膜、内质网、高尔基体、线粒体、叶绿体、溶酶体等在结构上形成了一个连续的体系，称为内膜系统。•内膜系统将细胞质分隔成不同的区域，即所谓的区隔化(compartmentalization)。区隔化使细胞内表面积增加了数十倍，代谢能力增强。•1、原生质(protoplasm)：•1839Purkinje用原生质一词指细胞的全部活性物质，从现代概念来说它包括质膜、细胞质和细胞核(或拟核)。•2、质膜（plasmamembrane）：•是细胞表面的单位膜。•3、细胞核：•细胞核（nucleus）是细胞内最重要的细胞器，核表面是由双层膜构成的核被膜（nuclearenvelope），核内包含有由DNA和蛋白质构成的染色体（chromosome）。核内1至数个小球形结构，称为核仁（nucleolus）。细胞核中的原生质称为核质。•4、细胞质（cytoplasm）：•质膜与核被膜之间的原生质。•5、细胞器(organelle)：•具有特定形态和功能的显微或亚显微结构称为细胞器，如：6、细胞质基质•细胞质中除细胞器以外的部分。又称为胞质溶胶（cytosol），其体积约占细胞质的一半。•细胞质基质的功能：a.为细胞内各类生化反应的正常进行提供了相对稳定的离子环境。b.许多代谢过程是在细胞基质中完成的，如①蛋白质的合成；②核苷酸的合成；③脂肪酸合成；④糖酵解；⑤磷酸戊糖途径；⑥糖原代谢；⑦信号转导。c.供给细胞器行使其功能所需要的一切底物。d.控制基因的表达，与细胞核一起参与细胞的分化。e.参与蛋白质的合成、加工、运输、选择性降解。二、细胞的形状和大小•单细胞生物细胞的形态通常与细胞外沉积物或细胞骨架有关，如硅藻呈各种奇异的形态、草履虫像鞋底。•高等生物细胞的形状与细胞功能及细胞间的相互作用有关。如肌肉细胞呈梭形；红细胞为圆盘状；植物叶表皮的保卫细胞成半月形，2个细胞围成一个气孔，以利于呼吸和蒸腾。•高等动物的细胞离开有机体分散存在时，形状往往发生变化。如平滑肌细胞在体内成梭形，而在离体培养时则可成多角形。眼虫钟形虫人类红细胞巨噬细胞神经元细胞人类卵子和精子细胞名称人卵口腔上皮细胞肝细胞红细胞变形虫海胆卵伤寒菌肺炎球菌μm12075207100702.4x0.50.2x0.1•大多数动植物细胞直径在20~30μm间。一般真核细胞的体积大于原核细胞，卵细胞大于体细胞。鸵鸟的卵黄直径可达5cm；支原体只有0.1μm；人的坐骨神经细胞可长达1m。•但是，同类型细胞的体积一般是相近的，不依生物个体的大小而增大或缩小。如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同。因此，器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关，把这种现象称之为细胞体积的守恒定律。几种细胞的大小人卵与精子典型的原核、真核、病毒和分子的大小细胞大小限制细胞体积大小的因素•体积同表面积的关系–以球形细胞为例(体内的细胞并非都是球形)，计算体积同表面积的关系。结果表明，球形细胞增大，其体积增加的比例要比表面积增加得多。这样，当细胞增大到一定程度时，质膜的表面积就不适应细胞进行内外物质的交换，细胞为了维持一个最佳的生存条件，必需维持最佳的表面积，从而限制了体积的无限增大。限制细胞体积大小的因素•细胞内关键分子的浓度–一些重要的分子在细胞内的拷贝数是很少的，当细胞体积增大时，这些分子的浓度就越来越稀释，一些重要的生化反应需要一定的浓度才能进行，所以细胞内分子浓度就成了限制细胞体积无限增大的另一个因素。•酶蛋白质种类的限制–细胞不仅对体积的增大有限制，而且对体积的减少也有限制。一个生活细胞要维持正常的独立生活功能，最低限度需要500～1000种不同类型的酶和蛋白质，这是目前在支原体(mycoplasma)中所发现的酶和蛋白质的量。而支原体是目前所知最小原核细胞，很显然，细胞体积最小化受制于维持细胞生命活动所需的酶和蛋白质种类的最低限度。真核细胞的结构体系生物膜结构体系真核细胞的结构体系遗传信息表达体系贝时璋•贝时璋，1903年10月出生于浙江镇海。1921年同济医预科毕业后，赴德求学。1928年获德国土滨根大学自然科学博士学位，留校任助教。1929年秋回国。20年代起一直从事实验生物学的研究工作，在动物个体发育、细胞常数、再生、中间性、性转变、生殖细胞的重建、染色体结构、昆虫内分泌腺、甲壳类动物激素等方面进行了研究。•1930年至1949年，这20年一直在浙江大学工作，期间建立了生物系，培养了许多生物学家，做了许多研究工作，包括细胞重建现象的发现和研究。70年代以后，继续从事细胞重建的研究，创建细胞的重建学说。在国内外发表论文60余篇，并主编《细胞重建》论文集。《细胞重建》科教片获第五届优秀科教片《金鸡奖》，获第23届国际科技进步奖，获意大利巴马国际医学科学电影节荣誉金质奖。1978年被德国土滨根大学再次授予博士学位（“金博士”），1988年又一次被授予博士学位。•1955年当选为中国科学院生物学部学部委员，是我国生物物理学的奠基者，也是杰出的教育家，开创了我国放射生物学和宇宙生物学的研究，对中国科学院的成立与制定全国12年科技发展远景规划作出了重要贡献，曾代表我国政府和科学院多次出国访问，并培养了大批科技人才。中国生物学名人简介了解更多第二节原核细胞•没有核膜，遗传物质集中在一个没有明确界限的低电子密度区，称为拟核(nucleoid)。•DNA为裸露的环状双螺旋分子，通常没有结合蛋白，没有恒定的内膜系统，核糖体为70S型。•原核细胞构成的生物称为原核生物，均为单细胞生物。一般以二分裂的方式繁殖，也有的产生孢子。TEMimage,Escherichiacoli原核生物分为两大系:古细菌和真细菌一、细菌•原核细胞的主要类群•是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体。•可分为：球菌、杆菌和螺旋菌（弧形菌）。•绝大多数细菌的直径在0.5~5μm之间。细菌细胞的基本特点是:遗传信息量少，内部结构简单，特别是没有分化成以膜为基础的专门结构和功能的细胞器与核膜典型的细菌细胞形态结构大肠杆菌淋病球菌肉毒梭菌弧形霍乱菌1、细胞壁：厚度一般15-30nm。主要成分是肽聚糖，由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸构成双糖单元，以β（1-4）糖苷键连接成大分子。N-乙酰胞壁酸分子上有四肽侧链，相邻聚糖纤维之间的短肽通过肽桥（革兰氏阳性菌）或肽键（革兰氏阴性菌）桥接起来，形成了肽聚糖片层，像胶合板一样，粘合成多层。革兰氏阳性菌细胞壁厚约20～80nm，有15-50层肽聚糖片层，每层厚1nm，含20-40％的磷壁酸（teichoicacid），有的还具有少量蛋白质。革兰氏阴性菌细胞壁厚约10nm，仅2-3层肽聚糖，另外还有脂多糖、细菌外膜和脂蛋白。问题思考:青霉素不损伤人类细胞而杀伤细菌,其原因何在?•2、细胞膜：厚约8~10nm，外侧紧贴细胞壁，通常不形成内膜系统。一些行光合作用的原核生物，质膜具有与捕光反应有关的内褶。一些革兰氏阳性菌质膜内褶形成小管状结构，称为中膜体或间体(mesosome)，因其与DNA有联系，推测可能起DNA复制的支点作用。白喉杆菌的间体3、拟核：没有核膜，DNA分子裸露，所含的遗传信息量可编码2000~3000种蛋白质，空间构建十分精简。细菌的RNA转录与蛋白质翻译几乎是同步进行的，这是原核与真核生物的最主要的差别。•4、核糖体：•约含5000~50000个。•部分附着在细胞膜内侧，大部分游离于细胞质中。•沉降系数为70S.1S=10-13秒•由大亚单位(50S)与小亚单位(30S)组成。•30S的小亚单位对四环素与链霉素敏感，50S的大亚单位对红霉素与氯霉素敏感。沉降系数颗粒在单位离心力场中粒子移动的速度。•5、质粒(plasmid)：除核区DNA外，可进行自主复制的遗传因子，是裸露的环状DNA分子，所含遗传信息量为2~200个基因，能进行自我复制，有时能整合到核DNA中去。质粒常用作基因重组与基因转移的载体。•6、荚膜：细菌最外表的一层多糖类物质，边界明显的称荚膜（capsule），如肺炎球菌，边界不明显的称粘液层（slimelayer），如葡萄球菌。•功能：抵御不良环境；保护自身不受吞噬；选择性的粘附到特定细胞的表面上。Negativestainedbacteria•7、鞭毛：是某些细菌的运动器官，由一种称为鞭毛蛋白的弹性蛋白构成，结构上不同于真核生物的鞭毛。•8、菌毛：是菌体表面极细的蛋白纤维，须用电镜观察。与细菌运动无关，根据形态、结构和功能，分为普通菌毛和性菌毛两类。前者与细菌吸附和侵染宿主有关，后者为中空管子，与传递遗传物质有关。•9、繁殖：以二分裂的方式繁殖，某些细菌处于不利的环境，或耗尽营养时，形成内生孢子，又称芽孢，是对不良环境有强抵抗力的休眠体。分裂中的链球菌分裂中的大肠杆菌二、支原体•大小通常为0.2~0.3μm，可通过滤菌器。无细胞壁，不能维持固定的形态而呈现多形性。细胞膜中胆固醇含量较多，约占36%，凡能作用于胆固醇的物质（如二性霉素B、皂素等）均可引起支原体膜的破坏而使支原体死亡。•基因组为环状双链DNA，分子量小（仅有大肠杆菌的五分之一），合成与代谢很有限。肺炎支原体的一端有一种特殊的末端结构，能使支原体粘附于呼吸道粘膜上皮细胞表面，与致病性有关。肺炎支原体三、衣原体和立克次氏体•衣原体（Chlamydia）直径200nm-500nm，能通过滤菌膜。立克次氏体（Rickettsia）略大。细胞壁结构类似于革兰氏阴性菌，酶系统不完全，必须在寄主细胞内生活，有摄能寄生物(energeparasite)之称。•砂眼是衣原体引起的，由于能形成包含体，起初被认为是大型病毒，1956年，我国著名微生物学家汤飞凡及其助手张晓楼等人首次分离到沙眼的病原体。•立克次氏体也是专性细胞内寄生的，与衣原体的不同处在于其细胞较大，无滤过性，合成能力较强，且不形成包涵体。四、蓝藻•又称蓝细菌，是最简单的自养生物。它的光合作用类似于高等植物，而不同于光合细菌。没有叶绿体，但有质膜内陷形成的捕光装置。•DNA分子环状，但遗传信息量很大，可与高等植物相比。•体积比其它原核细胞大得多，直径约10μm左右，甚至可达70μm(颤藻)。•属单细胞生物，但有些蓝藻经常以丝状的细胞群体存在，如：属蓝藻门念珠藻类的发菜就是蓝藻的丝状体。五、古细菌•具有原核生物的某些特征，无核膜及内膜系统；•也有真核生物的特征，甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白。•此外，细胞膜中的脂类是不可皂化的，细胞壁不含肽聚糖。•生活在极端环境中，如：产甲烷菌、极端嗜盐菌、嗜热嗜酸菌。原核与真核细胞的区别区别原核细胞真核细胞大小1~10μm10~100μm细胞核无核膜包围，称为拟核有双层的核膜形状环状DNA分子线性DNA分子数目一个基因连锁群2个以上基因连锁群染色体组成DNA裸露或结合少量蛋白质DNA同组蛋白和非组蛋白结合DNA序列无或很少有重复序列有重复序列基因表达RNA和蛋白质在同一区间合成RNA在核中合成和加工；蛋白质在细胞质中合成细胞分裂二分或出芽有丝分裂和减数分裂，少数出芽生殖。内膜无独