细胞的概念与分子基础

第一节第一节 细胞的基本概念细胞的基本概念 细胞是一切生命活动的基本结构和功能单位。细胞是一切生命活动的基本结构和功能单位。n 细胞是由膜包围的原生质细胞是由膜包围的原生质(protoplasm)团，通过团，通过 质膜与周围环境进行物质和信息交流；质膜与周围环境进行物质和信息交流；n 是构成有机体的基本单位，具有自我复制的能力，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；是有机体生长发育的基础；n 代谢与功能的基本单位，具有一套完整的代谢和代谢与功能的基本单位，具有一套完整的代谢和 调节体系；调节体系；n 是遗传的基本单位，具有发育的全能性。是遗传的基本单位，具有发育的全能性。n 原生质原生质:指组成细胞的全部活性物质，从现代概念来指组成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）。说它包括质膜、细胞质和细胞核（或拟核）。8/1/20241Animal cell8/1/20242n细胞的大小和形态：细胞的大小和形态：大小不同、形态各异，鸵鸟卵细胞最大，可大小不同、形态各异，鸵鸟卵细胞最大，可达达1215cm，大多数真核细胞的直径为，大多数真核细胞的直径为110nm。细胞的大小与生物体的大小无关。细胞的大小与生物体的大小无关。n细胞的数目细胞的数目 单细胞生物如细菌、草履虫，成人大约有单细胞生物如细菌、草履虫，成人大约有1.81016个细胞。个细胞。n细胞的一般结构（膜、质、核、器）细胞的一般结构（膜、质、核、器）8/1/20243第二节第二节 细胞的起源与进化细胞的起源与进化 一切生物都是由细胞构成的，而细胞一切生物都是由细胞构成的，而细胞是生命活动的基本结构单位和功能单位，是生命活动的基本结构单位和功能单位，是在生命长期进化发展过程中出现的。是在生命长期进化发展过程中出现的。8/1/20244一、由小分子演变到生物大分子一、由小分子演变到生物大分子 无机小分子无机小分子 有机分子有机分子(核苷酸、氨基酸、核苷酸、氨基酸、单糖、脂肪酸单糖、脂肪酸)生物大分子生物大分子(核酸、蛋白核酸、蛋白)二、由生物大分子演变到原始细胞二、由生物大分子演变到原始细胞 生物大分子生物大分子 脂质膜脂质膜 脂质膜包围脂质膜包围RNA 和蛋白质分子和蛋白质分子 原始细胞原始细胞三、由原始细胞进化为高等生物三、由原始细胞进化为高等生物 原始细胞原始细胞 原核细胞原核细胞 真核细胞真核细胞 高高 等生物等生物8/1/20245表表2-1 原核细胞和真核细胞的比较原核细胞和真核细胞的比较8/1/20246第三节第三节 细胞的分子基础细胞的分子基础n构成细胞的基本元素有：构成细胞的基本元素有：O、C、H、N、S、K、Ca、P、Mg等，其中前四种元素占等，其中前四种元素占90%以上。以上。n细胞的无机物主要有水和无机盐。细胞的无机物主要有水和无机盐。8/1/20247一、生物小分子的结构与功能一、生物小分子的结构与功能1、无机化合物无机化合物 一般指不含碳的化合物一般指不含碳的化合物,包括水和无机盐。包括水和无机盐。水水占细胞内的总量的占细胞内的总量的70，可以说，没有水，就，可以说，没有水，就不会有生命。水在细胞中以两种形式存在：一种是不会有生命。水在细胞中以两种形式存在：一种是游离水，约占游离水，约占95；另一种是结合水，通过氢键或；另一种是结合水，通过氢键或其他键同蛋白质结合，约占其他键同蛋白质结合，约占45。细胞中细胞中无机盐无机盐的含量很少，约占细胞干重的的含量很少，约占细胞干重的25。主要有。主要有Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、PO4-和和HCO3-，离子的浓度除了具有调节渗透压和，离子的浓度除了具有调节渗透压和维持酸碱平衡的作用外，还有许多重要的作用。维持酸碱平衡的作用外，还有许多重要的作用。8/1/202482、有机化合物、有机化合物 有机小分子有机小分子:单糖单糖(monosacchride)脂肪酸脂肪酸(fatty acid)氨基酸氨基酸(amino acid)核苷酸核苷酸(nucleotide)有机大分子有机大分子:多糖多糖(polysaccharide)脂类脂类(lipid)蛋白质蛋白质(protein)核酸核酸(nucleic acid)8/1/202491、作为细胞主要营养成分的碳水化合物、作为细胞主要营养成分的碳水化合物n单糖单糖:基本分子式为基本分子式为(CH2O)n为细胞内的主要为细胞内的主要 能量来源能量来源.n寡糖寡糖:由少数几个单糖相连的聚合物由少数几个单糖相连的聚合物.与蛋白结与蛋白结 合可作为标志物合可作为标志物.n多糖多糖:由大量由大量(成百上千成百上千)糖分子形成的大分子聚糖分子形成的大分子聚 合物合物,主要为能量的储存形式主要为能量的储存形式.寡糖和多糖不仅在在信号传导过程中起重要寡糖和多糖不仅在在信号传导过程中起重要作作 用用,也是细胞表面的标志物也是细胞表面的标志物.8/1/2024102、作为细胞主要组成成分的脂类、作为细胞主要组成成分的脂类n脂类包括：脂肪酸脂类包括：脂肪酸(甘油三脂和脂肪甘油三脂和脂肪)、磷酸甘、磷酸甘油酯、鞘脂、糖脂、类胡萝卜素等。脂类化合油酯、鞘脂、糖脂、类胡萝卜素等。脂类化合物难溶于水，而易溶于非极性有机溶剂。物难溶于水，而易溶于非极性有机溶剂。n在细胞中的在细胞中的三大功能三大功能:重要的能量储存形式重要的能量储存形式;细细胞膜的主要组分胞膜的主要组分;在信号传导中发挥总要作用在信号传导中发挥总要作用(类固醇激素类固醇激素).8/1/202411二、生物大分子的结构与功能二、生物大分子的结构与功能 1、核酸、核酸 核酸是生物遗传信息的载体分子，所有生物核酸是生物遗传信息的载体分子，所有生物均含有核酸均含有核酸。核酸是由核苷酸单体聚合而成的。核酸是由核苷酸单体聚合而成的大分子。大分子。n脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)n核糖核酸核糖核酸 (ribonucleic acid,RNA).8/1/202412(一)DNA的结构与功能的结构与功能DNA的结构的结构 Watson&Crick:DNA的的双螺旋模型二级结构双螺旋模型二级结构:DNA有两条脱氧核糖链组有两条脱氧核糖链组成成,两条链反向平行，亲水两条链反向平行，亲水的脱氧核糖的脱氧核糖-磷酸位于外侧磷酸位于外侧,互补的碱基位于内侧互补的碱基位于内侧,螺旋螺旋直径为直径为2nm,每圈螺旋每圈螺旋10对对碱基，螺旋扭角为碱基，螺旋扭角为36度，度，螺距螺距3.4nm，每个碱基平，每个碱基平面之间的距离为面之间的距离为0.34nm。8/1/202413DNA的三种主要构象B-DNA：为为Watson&Click提出的提出的螺旋模型螺旋模型.A-DNA：为右手螺旋，每圈螺旋为右手螺旋，每圈螺旋10.9个碱基，螺旋扭角为个碱基，螺旋扭角为33度，螺距度，螺距3.2nm，每个碱基对的螺旋上升值为，每个碱基对的螺旋上升值为2.9A，碱基倾角为，碱基倾角为13度。度。Z-DNA：为左手螺旋，每圈螺旋为左手螺旋，每圈螺旋12个碱基，螺旋扭角为个碱基，螺旋扭角为-51度（度（GC）和）和-9度（度（CG），螺距），螺距46A，每个碱基对，每个碱基对的螺旋上升值为的螺旋上升值为3.5A（GC）和）和4.1A（CG），碱基倾角为），碱基倾角为9度。度。8/1/202414RNA的结构与功能的结构与功能 RNA结构特点结构特点:基本组成单位为核糖核苷酸基本组成单位为核糖核苷酸.(1)RNA分子中的戊糖为分子中的戊糖为-D-核糖。核糖。(2)U代替了代替了T。(3)基本上以基本上以单链单链形式存在。形式存在。8/1/2024153、RNA的分类及功能的分类及功能（1）信使信使RNA(mRNA):占细胞内占细胞内RNA总量的总量的1%5%,将核内的遗传信息转移到细胞质中将核内的遗传信息转移到细胞质中,作作为模板指导蛋白质的合成。为模板指导蛋白质的合成。（2）转运转运RNA(tRNA):占细胞内占细胞内RNA总量的总量的5%10%,按按mRNA上遗传密码的顺序将特定氨上遗传密码的顺序将特定氨基酸转运到核糖体上进行蛋白质的合成。基酸转运到核糖体上进行蛋白质的合成。（3）核糖体核糖体RNA(rRNA):占细胞内占细胞内RNA总量的总量的 75%80%,与蛋白质共同组成核蛋白体与蛋白质共同组成核蛋白体,是蛋白是蛋白质的合成场所。质的合成场所。8/1/202416（4）snRNA：small nuclear RNAn真核生物转录后加工过程中真核生物转录后加工过程中RNA剪接体剪接体(spilceosome)的主要成分，参与的主要成分，参与mRNA前体的加工前体的加工过程。现在发现有五种过程。现在发现有五种snRNA，其长度在哺乳动物，其长度在哺乳动物中约为中约为100-215个核苷酸。个核苷酸。snRNA一直存在于细胞核一直存在于细胞核中，与中，与40种左右的核内蛋白质共同组成种左右的核内蛋白质共同组成RNA剪接体，剪接体，在在RNA转录后加工中起重要作用。转录后加工中起重要作用。8/1/202417（5）miRNA：(microRNA）n是一种大小约是一种大小约21-23个碱基的单链小分子个碱基的单链小分子RNA，是，是由具有发夹结构的约由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链个碱基大小的单链RNA前体经过前体经过Dicer酶加工后生成，第一个被确认的是酶加工后生成，第一个被确认的是在线虫中首次发现的在线虫中首次发现的lin-4和和let-7，随后在人类、果，随后在人类、果蝇、植物等多种生物中鉴别出数百个蝇、植物等多种生物中鉴别出数百个miRNAs。n由于由于miRNAs存在的广泛性和多样性，提示存在的广泛性和多样性，提示miRNA可能有非常广泛多样的生物功能。据推测可能有非常广泛多样的生物功能。据推测miRNA在高级真核生物体内对基因表达的调控作用可能和在高级真核生物体内对基因表达的调控作用可能和转录因子一样重要。转录因子一样重要。8/1/202418(6)核酶与脱氧核酶核酶与脱氧核酶n核酶核酶(ribozyme):指具有酶活性的指具有酶活性的RNA,是是细胞内除蛋白酶以外的对细胞内除蛋白酶以外的对RNA具有自身具有自身催化切割活性的催化切割活性的RNA序列。序列。n脱氧核酶脱氧核酶(deoxyribozyme)或酶性或酶性DNA (DNA enzyme,DNAzyme):指具有特定生指具有特定生物催化功能的物催化功能的DNA分子分子。8/1/202419(二)、由遗传信息表达的蛋白质、由遗传信息表达的蛋白质 一个细胞中约有一个细胞中约有104种蛋白质，分种蛋白质，分 子的数达子的数达1011。蛋白质是细胞的结构成分，也是细蛋白质是细胞的结构成分，也是细 胞功能的实现者。胞功能的实现者。8/1/2024201.蛋白质的组成蛋白质的组成 天然蛋白质是由天然蛋白质是由20种不同的种不同的氨基酸构成的氨基酸构成的聚合物聚合物,每种氨基酸都含有一个每种氨基酸都含有一个羧羧基基(COOH)和和一个一个氨基氨基(NH2)和一个特异性和一个特异性侧链侧链基基团团,不同氨不同氨基酸基酸侧链侧链的化学特性决定了个氨基酸在蛋白的化学特性决定了个氨基酸在蛋白质质结结构和功能构和功能.n肽键肽键:一个一个羧基和一个羧基和一个氨基脱水形成的化学氨基脱水形成的化学键键.n肽肽(peptide):氨基酸通过肽键形成的化合物氨基酸通过肽键形成的化合物.n二肽二肽:两个氨基酸由肽键连接形成的化合物两个氨基酸由肽键连接形成的化合物.n多肽多肽:多个氨基酸由肽键连接形成的化合物多个氨基酸由肽键连接形成的化合物.n蛋白质蛋白质:由几十个到成百上千个氨基酸连接而成由几十个到成百上千个氨基酸连接而成的生物大分子的生物大分子.8/1/2024212.蛋白质的结构蛋白质的结构(b)二级结构二级结构:由肽键的由肽键的C=O和和NH2通过氢键相通过氢键相连而成连而成,常见为常见为螺旋螺旋(-helix)和和折叠折叠(-sheet).(a)一级结构一级结构:氨基酸排列序列氨基酸排列序列.(d)四级结构四级结构:三级结构的多肽链通过非共价相互连接而成的多聚体三级结构的多肽链通过非共价相互连接而成的多聚体.(c)三级结构三级结构:在二级结构的基础上肽在二级结构的基础上肽链不同区域的氨基酸侧链间通过氢键链不同区域的氨基酸侧链间通过氢键离子键疏水作用和离子键疏水作用和vander walls力力相互作用而形成的肽链折叠相互作用而形成的肽链折叠.8/1/2024223.蛋白质的功能蛋白质的功能n细胞和组织的组成成分细胞和组织的组成成分n储存和运输小分子储存和运输小分子(血红蛋白血红蛋白)n信号传导信号传导(激素激素)n免疫作用免疫作用(抗体抗体)n催化作用催化作用(酶酶)8/1/202423小小 结结n原核细胞和真核细胞的比较原核细胞和真核细胞的比较nDNA的结构的结构nRNA的分类与功能的分类与功能snRNA,miRNAn核酶与脱氧核酶核酶与脱氧核酶n蛋白质的功能蛋白质的功能n主要的人物与事件主要的人物与事件8/1/202424