细胞生物学-2细胞基本知识概要

第二章细胞基本知识概要•学习要求：通过本章的学习，回顾并掌握细胞的基本概念、生命体的三大基本类型[病毒（非细胞生物）、原核生物和真核生物]以及他们的基本结构和基本生命活动等基础知识，为后续各章的学习奠定基础细胞的基本概念非细胞形态的生命体——病毒及其与细胞的关系原核细胞与真核细胞第一节细胞的基本概念细胞是生命活动的基本单位细胞概念的一些新思考细胞的基本共性和化学组成第二节非细胞形态的生命体—病毒及其与细胞的关系病毒的基本知识病毒在细胞内增殖（复制）病毒与细胞在起源与进化中的关系第三节原核细胞与真核细胞原核细胞（Prokaryoticcell）真核细胞（Eukaryoticcell）古细菌（Archaebacteria）细胞是生命活动的基本单位一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞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为什么说细胞是生命活动的基本单位?Thecell,thebasicbuildingblockoflife1.细胞是生物体的基本结构与功能单位Phagocytosisbymacrophage2.细胞是有机体生长与发育的基础3.细胞是遗传的基本单位Fertilizationofhumanspermandoocyte细胞具有遗传的全能性Dollyandherdaughter细胞概念的一些新思考细胞是多层次非线性的复杂结构体系细胞具有高度复杂性和组织性细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体细胞完成各种化学反应；细胞需要和利用能量；细胞参与大量机械活动；细胞对刺激作出反应；细胞是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。细胞能进行自我调控；繁殖和传留后代；细胞的基本共性所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜，即细胞膜。所有的细胞都含有两种核酸：即DNA与RNA作为遗传信息复制与转录的载体。作为蛋白质合成的机器─核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内。所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。生命是物质的，是一种特殊形式的运动，他是物质、能量和信息诸变量在特定时空的“表演”，其运转有赖于生命系统有组织的守时和对空间环境的合拍构成细胞的基本元素有：O、C、H、N、S、K、Ca、P、Mg等，其中O、C、H、N四种元素占90%以上。细胞主要有水和无机盐：水是细胞生命活动的物质基础，约占细胞重量的70％左右，其中游离水约95％，其余为结合水。无机盐的含量约为1％，主要以离子形式存在。细胞的化学组成氢键能够吸收较多的热能，将氢打断需要较高的温度，故可维持细胞温度的相对稳定相邻水分子之间形成的氢键使水分子具有一定的粘性，使水分子具有较高的表面密度水分子之间的氢键可以提高水的沸点，使水不易从细胞中挥发掉•细胞的有机物主要有蛋白质、核酸、脂类和糖，约占细胞干重的90%以上。•一个细胞中约有104种蛋白质，分子的数达1011。•蛋白质不仅是细胞的结构成分，也是细胞功能的实现者。生化反应的催化剂——酶是蛋白质。核酸包括DNA和RNA。DNA是遗传信息复制、传递和基因转录的模板。基因是编码蛋白质多肽链或RNA的DNA序列。生物体全部基因序列及其间隔称为基因组原核生物的基因组大小约600Kb-9.5Mb，真核生物的约为3Mb-140000Mb。一个能够独立生存的细胞需要约500个基因。RNA参与蛋白质的合成，主要类型有：mRNA、tRNA、rRNA。细胞中的糖类既有单糖，也有多糖。重要的五碳糖为核糖，重要的六碳糖为葡萄糖。细胞中的多糖有：营养储备多糖，如淀粉、糖原；结构多糖，如纤维素、几丁质。脂类包括：脂肪酸、中性脂肪、类固醇、蜡、磷酸甘油酯、鞘磷脂、糖脂、类胡萝卜素等。脂类参与组成细胞膜和细胞通信，也是重要的能量储备物质。营养贮备多糖——淀粉、糖元结构多糖——纤维素病毒的基本知识病毒（virus）——核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体；根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：DNA病毒与RNA病毒病毒的多样性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；早在200多年以前,英国的牧人就注意到羊的一种致死性疾病；•20世纪初,M.fadyian提出该病是由寄生虫引起的;•1936年Cuille等发现瘙痒因子有传染性,用滤膜过滤后仍具有传染性,而提出该因子是一种病毒;•Gajdusek于1966年证实了CJD的传染性,并根Scrapie、Kuru、CJD3种疾病的共同特征提出了传染性海绵状脑病(TSE)这一概念;•1982年,美国的Pruisner博士和他的同事分离纯化出一种高度感染性的特殊糖蛋白,称为抗蛋白酶蛋白(PrP),经实验认为羊痒病的感染因子可能是一种不含核酸的蛋白质,并取名为朊病毒蛋白。朊病毒的发现•美国加州大学旧金山分校医学院的普鲁西纳（S.B.Prusiner）•发现病原物-命名为Prion——传染性蛋白颗粒——普利昂•1997年诺贝尔生理及医学奖•颇具争议的诺贝尔奖——向中心法则提出质疑？对传统遗传学提出挑战？是由（PrP）蛋白构成，它发现于生物体，甚至是健康的人和动物体上。然而，PrP从感染方面的发现它拥有不同的结构和抗蛋白酶特性，这些酶在机体中通常都会被破坏。正常形态的蛋白质被称为PrPC,而传染的形式被称为PrPSc这种疾病最早发现在羊身上。左PrPc右PrPSc朊病毒结构Proteinstructureofthenormalprionprotein(PrP).性状病毒Prion感染性++核酸+-形态学鉴定（电镜）+-福尔马林灭活+-电离辐射、紫外线照射敏感性敏感不敏感CPE+-性状病毒Prion蛋白特性:蛋白酶K敏感（某些）不敏感蛋白特性:加热80℃变性稳定潜伏期根据病毒而不同长诱发免疫应答+-诱导产生干扰素+-引起炎症反应+-病毒与prion的比较朊病毒的核磁共振图谱动物prion病人类prion病羊瘙痒病(scrapieofsheepandgoat)库鲁病(Kurudisease)水貂传染性脑病(transmissibleminkencephalopathy,TMM)克-雅病(Creutzfeld-Jakobdisease,CJD)鹿慢性退行性变(chronicwastingdiseaseofdeer,CWD)格斯特曼综合征(Grestmann-StrausslerSyndrome,GSS)牛海绵状脑病(bovinespongiformencephalopathy,BSE)致死性家庭失眠症(fatalfamilialinsomnia,FFI)猫海绵状脑病(felinespongiformencephalopathy,FSE)克-雅病变种(variantCJD,v-CJD)人和动物prion病•克鲁病（Kuru）：发现于新几内亚一个叫Fore的部落，当地人称作kuru，意即颤抖。病人大多数是妇女及小孩，病症有言语含糊及无意识地狂笑，最后不省人事并死亡。一名美国医生D.C.Gajdusek到了当地，发现那里的妇女及小孩具有吃死者尸体的习惯，结果受到感染。Kuru病32克-雅二氏病（Creutzfeldt–Jakobdisease，CJD）：Cruetzfeldt和Jakob1920年发现于六例患者，大多发生于60岁以上的人，是自身PrP蛋白发生变异引起的。克雅氏症患者的病变组织样本是脑部堆积了无用的蛋白质，形成了淀粉样蛋白块病变，因而就呈现出了淀粉样斑点典型临床症状为出现痴呆或神经错乱，视觉模糊，平衡障碍，肌肉收缩等。病人最终因精神错乱而死亡.致死性家族性失眠症（Fatalfamilialinsomnia，FFI）：也是一种遗传性疾病，Prnp基因变异，PrP蛋白178位的天冬酰胺被天冬氨酸取代。患者的主要症状是失眠，并有CJD的症状。疯牛病，与病牛接触或进食病牛肉是人v-CJD最主要的发病原因。v-CJD病人大脑组织切片：示海绵状病变（左）和淀粉样蛋白沉淀（右）大脑皮层的神经原细胞退化。空泡形成、死亡、被星状细胞取而代之。因而形成海绵状态。大脑皮层（灰质）变薄而白质相对明显。故称海绵状脑病或白质脑病。临床上相应地出现痴呆、共济失调和震颤等症状。病理学特点朊病毒危害性•朊病毒疾病即海绵状脑病，是人和动物共患的一类遗传性、传染性和散发性的中央神经系统退行性脑病，最终可以导致患者死亡，它能在人和动物中进行传染。•1986年英国首次爆发疯牛病，已有17.7万头牛染病，上百万头牛被屠杀，损失400多亿美元。•已有112人死亡，潜在感染人数超过50万。疯牛病蔓延整个欧洲•英国、爱尔兰、瑞士、法国、比利时、卢森堡、荷兰、德国、葡萄牙、丹麦、意大利、西班牙、列支敦士登、阿曼、斯洛伐克、芬兰、奥地利、日本、韩国2000年病原体PrPSC正常蛋白PrPCPrionPrP基因人-20号染色体短臂小鼠2号染色体牛13号染色体一级结构完全相同二级结构明显不同PrPSC如何进行复制？病原体PrPSC正常蛋白PrPC病原体PrPSC正常蛋白PrPC病原体PrPSCPrPSC本身没有复制，而是“带坏”了PrPCTransmission•朊病毒的产生有三种方式：获得、家族以及突变•我们通常认为朊病毒的致病形式是与正常形式的直接相互作用导致它蛋白质结构的重排•“蛋白质X”的假设：是指至今不明的一种细胞蛋白（蛋白质X）通过复杂的转换把PrPC转变为PrPSc•当前研究表明，感染的主要方式还是通过动物机制下做的阐述，人们认为，染病毒可以通过死去的动物的遗骸或唾液、尿液等其他体液存入环境当中。当然他们也会通过结合粘土和其他矿藏随着土壤传播。Debate朊病毒（Prion）病的发病机制无论是病毒、细菌还是真菌，它们能够传染并在新宿主体内繁殖的物质基础均是核酸（DNA或RNA）。而Prions的传染性只是通过蛋白质PrPSc来实现。如果将这一致病蛋白注入健康动物体内，PrPSc可“繁殖”，并致病。目前主要形成了以下五大类假说。1、逆中心法则假说Prion发现之前，我们认为所有的病原体都是通过核酸进行复制的。Proteinhypothesis阐述，蛋白质结构也可以不依赖核酸进行复制，这一假设完全颠覆了中心法则中遵循的核酸是复制信息的中心CentraldogmaofmolecularbiologyPrPSc为自己编码，即PrPSc指导PrPSc的合成，蛋白质本身作为遗传物质；与中心法则相比，蛋白质可以逆翻译为mRNA，然后逆转录DNA。2、结晶假说该假说认为PrP蛋白在有PrPSc分子的情况下形成结晶时，晶格中的PrPc分子有α螺旋构象转变成PrPSc的β折叠构象.由此可见PrP蛋白的构象转变并无核酸活动的参与。3、构型诱变假说PrPSc可诱导正常的PrPc转变成PrPSc，这一转变完全是翻译后过程，为蛋白质的二级结构发生变异。正常的PrPc主要由4个α螺旋环组成，其氨基端有15个氨基酸是PrPSc的结合区域；当有PrPSc与之接触后，PrPc就会发生构象改变，α螺旋减少，β折叠增多，继而转变成PrPSc。改变前后在蛋白质特异性方面存在较大差异。4、诱导假说宿主细胞中含有PrPSc合成的遗传信息，但受到高度调节，难以激活。PrPSc的侵染其作用正是在于激活为其编码的细胞基因，从而保证PrPSc大量增殖的顺利进行。5、核酸参与假说美国学者Deleault等认为正常的Prions蛋白向其致病形式的有效转换需要寄主RNA分子的参与，虽然Prions蛋白和RNA分子处于不同的细胞位置，但是有理由相信RNA分子起着胞内分子传导的作用。Sterilization•朊病毒通过作用于正常形式的蛋白质感染机体•因此，对朊病毒进行灭菌，涉及到变性蛋白分子的一种特殊状态，在这种状态下，朊病毒不能诱导正常蛋白的异常折叠•朊病毒通常都是相对耐蛋白酶、热、辐射等治疗•目前臭氧灭菌是一种正在研究中的针对朊病毒的变性失活的潜在方