细胞生物学教程第三章+细胞的基本结构课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 细胞的基本结构,STRUCTURES OF THE CELL,STRUCTURES OF THE CELL,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 病毒与,PRION,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,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。,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；,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；,是遗传的基本单位，具有发育的全能性。,第一节、真核细胞,Eukaryotic cell,一、基本结构,具有核膜，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),：,1839 Purkinje,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,（,plasma membrane,）：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（,nuclear envelope,），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：,endoplasmic reticulum,、,Golgi,body,、,lysosome,、,mitochondrion,、,chloroplast,、,cytoskeleton,、,centriole,、,microbody,。,6,、细胞质基质,（,cytoplasmic,matrix,）细胞质中除细胞期以外的部分。又称为或胞质溶胶（,cytosol,），其体积约占细胞质的一半。,细胞质基质的功能：,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。,许多代谢过程是在细胞基质中完成的，如,蛋白质的合成；,核苷酸的合成；,脂肪酸合成；,糖酵解；,磷酸戊糖途径；,糖原代谢；,信号转导。,供给细胞器行使其功能所需要的一切底物。,控制基因的表达，与细胞核一起参与细胞的分化。,参与蛋白质的合成、加工、运输、选择性降解。,Animal cell,Plant cell,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。,草 履 虫,眼 虫,钟形虫,植物气孔细胞,植物薄壁细胞,木材中的导管,人类红细胞,巨噬细胞,神经元细胞,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,m,120,75,20,7,100,70,2.4x0.5,0.2x0.1,大多数动植物细胞直径在,2030m,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,0.1m,；人的坐骨神经细胞可长达,1m,。,几种细胞的大小,人卵与精子,第二节 原核细胞,Prokaryotic cell,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。,TEM,image,Escherichia,coli,一、细菌,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,0.55m,之间。,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,（,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（,teichoic,acid,），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。,图,3-10,细胞壁的结构,Gram positive bacterial cell wall structure diagram,2,、细胞膜,：厚约,810nm,，,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，称为间体,(,mesosome,),，因其,与,DNA,有联系，推测可能起,DNA,复制的支点作用。,3,、拟核,：没有核膜，,DNA,分子裸露，所含的遗传信息量可编码,20003000,种蛋白质，空间构建十分精简。,白喉杆菌的间体,4,、,核糖体,：,约含,500050000,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,。,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。,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,2200,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（,slime layer,），,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。,Negative stained bacteria,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：是菌体表面极其的蛋白纤细，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,The spore of,Bacillus,anthracis,二、支原体,mycoplasma,大小通常为,0.20.3m,，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（,terminal structure,），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,(,energe,parasite),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。,Chlamydia,pneumoniae,associated with macrophages (RAW cells). A. Typical pear shaped,EBs,(arrows) are shown at the macrophage surface. B. Intracellular,EBs,.,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,10m,左右，甚至可达,70bm (,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,(,nostoc,commune,var,flagtlliforme,),就是蓝藻的丝状体。,Cyanobacteria,五、古细菌（,archaebacteria,）,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,第三节 病 毒,Virus,是一类非细胞形态的微生物，特征：,个体微小，可通过滤菌器，大多数病毒必须用电镜才能看见，一般在,2030nm,之间；,核酸为,DNA,或,RNA,，,没有含两种核酸的病毒；,专营细胞内寄生生活；,具有受体连结蛋白,(receptor binding protein),，,与敏感细胞表面的病毒受体连结，进而感染细胞。,一、病毒的基本特征,Lambda Bacteriophage,DNA (TEM x153,000),二、病毒的结构,由核酸,(DNA,或,RNA),芯和,蛋白质衣壳,(,capsid,),所构成，称,核衣壳,(,nucleocapsid,),。,各种病毒所含的遗传信息量不同，少的只含有,3,个基因，多的可达,300,个基因。,有的病毒衣壳外面尚有一层,被膜,(,envelope,),，这层被膜是病毒粒子脱离细胞时，包被上的宿主细胞的质膜，被膜中含有病毒融合蛋白，如流感病毒。病毒融合蛋白在病毒进入宿主细胞时起着关键作用。,组成病毒衣壳的亚单位称,壳微粒,(,capsomer,),。,病毒的形成不需要酶的参加，只要条件具备，便可完成自我装配。一个成熟有感染性的病毒颗粒称“病毒体”（,virion,）。,其装配形式有,二十面体对称,、,螺旋对称,和,复合对称,三种类型。,Viruses,病毒有五种形态：,球形,(,Sphericity,),：大多数人类和动物病毒为球形，如脊髓灰质炎病毒、疱疹病毒及腺病毒等；,丝形,(Filament),：多见于植物病毒，如烟草花叶病病毒，人类流感病毒有时也可形成丝形；,弹形,(Bullet-shape),：形似子弹头，如狂犬病病毒等，其他多为植物病毒。,砖形,(Brick-shape),：如痘病毒、天花病毒等；,蝌蚪形,(Tadpole-shape),：由一卵圆形的头及一条细长的尾组成，如噬菌体。,其中,为二十面体对称,; ,、,为螺旋对称,; ,、,复合对称。,脊髓灰质炎病毒 球形病毒,烟草花叶病毒 线形病毒,痘病毒 砖形病毒,狂犬病毒 子弹形病毒,有被膜,T4,噬菌体 蝌蚪形病毒,流感冒病毒 丝状有被膜的病毒,病毒只有在侵入细胞以后才表现出生命现象。病毒的生活周期可分为两个阶段：,细胞外阶段,，以成熟的病毒粒子形式存在；,细胞内阶段,，即,感染阶段,，在此阶段中进行复制和繁殖。感染阶段开始时，病毒的遗传物质由衣壳中释放出来，注入宿主细胞中，然后在病毒核酸信息的指导控制下，形成新的病毒粒子。,根据寄生的宿主不同，病毒可分为：,动物病毒、植物病毒、细菌病毒,(,即噬菌体,),根据病毒所含的核酸的性质和状态不同，可将病毒分为,6,类：,双链,DNA+mRNA,蛋白质，如天花病毒、,T-,偶数噬菌体。,单链,+DNADNA+RNA,蛋白质，如细小,DNA,病毒。,双链,RNA+mRNA,蛋白质，如呼肠孤病毒。,单链,+RNA,RNA+RNA,蛋白质脊髓灰质炎病毒。,单链,RNA+RNA+,蛋白质，如流感病毒、狂犬病毒。,单链,+,RNADNADNA+mRNA,蛋白质，即逆转录病毒（,retrovirus,）又称,RNA,肿瘤病毒,(,oncornavirus,),。,反转录病毒的生活史,三、类病毒,没有蛋白质外壳，仅为一裸露的,RNA,分子。,不能像病毒那样感染细胞，只有当植物细胞受到损伤，失去了膜屏障，它们才能在供体植株与受体植株间传染。,马铃薯锤管类病毒仅由一个含,359,个核苷酸,单链环状,RNA,分子组成，链内有一些互补序列。分子长约,4050nm,，,不能制造衣壳蛋白。,四、病毒的进化地位,无论是病毒还是类病毒都不具有独立进行生物合成的能力，它们都是细胞的寄生物，因此在进化上病毒的出现不可能早于细胞。,病毒的前身很可能是在宿主染色体外独立进行复制的质粒,(plasmid),。,质粒既有,DNA,型的，也,有,RNA,型的。它与病毒一样具有专一的核苷酸序列作为复制的起始部位。当质粒获得了为衣壳蛋白质编码的基因时，即意味着病毒出现了。,五、蛋白质感染因子,S. B.,Prusiner,1982,年发现于患羊瘙痒病（,scrapie,）的仓鼠，命名为,prion,。,Prusiner,因此于,1997,年获得诺贝尔奖。,蛋白质感染子蛋白,(,prion,protein,，简称,PrP,),，由,Prnp,基因编码，该基因位于人,20,号染色体，小鼠,2,号染色体。这种蛋白质存在于神经元和神经胶质细胞表面上，可能其信号转导作用。正常,Prnp,基因产物为,PrP,c,蛋白，对蛋白酶很敏感，具有致病作用的是,PrP,Sc,蛋白。,PRION,PrP,C,PrP,SC,PrP,sc,的增殖,vCJD,病人大脑组织切片，左、海绵状病变及周围的沉淀斑，右、淀粉样蛋白沉淀，短线表示,50um,。引自,Stanley B.,Prusiner,1997,目前已知的人类,PRION,疾病主要有：,克,-,雅二氏病（,Creutzfeldt,Jakob,disease,，,CJD,）：自身,PrP,蛋白发生变异引起的。,变异型克,-,雅氏病（,vCJD,）：,PRION,感染。,GSS,综合征（,Gerstmann-Straussler,Scheinker,disease,）：由,Prnp,基因缺陷引起。,克鲁病（,Kuru,）：,PRION,感染。,致死性家族性失眠症（,Fatal familial insomnia,，,FFI,）：,Prnp,基因变异。,第四节 细胞的化学成分,基本元素：,O,、,C,、,H,、,N,、,Si,、,K,、,Ca,、,P,、,Mg,。其中,O,、,C,、,H,、,N,四种元素占,90%,以上。细胞化学物质可分为两大类：无机物和有机物。在无机物中水是最主要的成分，约占细胞物质总含量的,75,-80,。,一、水与无机盐,（一）水是原生质最基本的物质,存在方式：游离水,95,；结合水,5,。随着细胞的衰老，细胞的含水量逐渐下降，活细胞的含水量不低于,75,。,作用,:,溶解无机物、调节温度、参加酶反应、参与物质代谢和形成细胞有序结构。水之所以具有这么多的重要功能是和水的特有属性分不开的：,水分子是偶极子,水分子间可形成氢键,水分子可解离为离子,（二）无机盐,含量很少，约占,1,。盐在细胞中解离为离子，离子的浓度除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。,主要的阴离子有,Cl,、,PO,4,和,HCO3,，,其中磷酸根离子在细胞代谢活动中最为重要：,在细胞的能量代谢中起着关键作用；,是核苷酸、磷脂、磷蛋白和磷酸化糖的组成成分；,调节酸碱平衡。,主要的阳离子有：,Na,+,、,K,+,、,Ca,2+,、,Mg,2+,、,Fe,2+,、,Fe,3+,、,Mn,2+,、,Cu,2+,、,Co,2+,、,Mo,2+,。,阳离子在细胞中的作用,离子种类,在细胞中的作用,Fe,2+,或Fe,3+,血红蛋白、细胞色素、过氧化物酶和铁蛋白的成分,Na,+,维持膜电位,K,+,维持膜电位、参与蛋白质合成和某些酶促合成,Mg,2+,叶绿素、磷酸酶、,Na,+,-K,+,泵,Mn,2+,肽酶,Cu,2+,酪氨酸酶、抗坏血酸氧化酶,Co,2+,肽酶,Mo,2+,硝酸还原酶、黄嘌呤氧化酶,Ca,2+,钙调素、肌动球蛋白、,ATP,酶,二、细胞的有机分子,细胞中有机物达几千种之多，主要由四大类分子所组成：蛋白质、核酸、脂类和糖，这些分子约占细胞干重的,90%,以上。,（一）蛋白质,是细胞的主要结构成分，而且更重要的是，生物专有的催化剂,酶是蛋白质，因此细胞的代谢活动离不开蛋白质。一个细胞中约含有,10,4,种蛋白质，分子的数量达,10,11,个。,（二）核酸,是生物遗传信息的载体分子。由核苷酸单体聚合而成。分为,RNA,和,DNA,两大类。,DNA,的主要构象有三种：,B-DNA,：右手螺旋模型，每圈螺旋,10,个碱基，螺旋扭角为,36,度，螺距,34A,，碱基倾角为,-2,度。,A-DNA,：右手螺旋，每圈螺旋,10.9,个碱基，螺旋扭角为,33,度，螺距,32A,，碱基倾角,为,13,度。通过,75%,适度的,B-DNA,经,X,光衍射得到，尚不能肯定自然条件是否存在。,Z-DNA,：左手螺旋，每圈螺旋,12,个碱基，碱基倾角为,9,度。确切功能未知，可能起调控作用。,（三）糖类,单糖是细胞主要的能源以及构成某些大分子物质的原料。重要的五碳糖为核糖，重要的六碳糖为葡萄糖。葡萄糖不仅是能量代谢的关键单糖，而且是构成多糖的主要单体。,多糖分为两类：一类是营养储备多糖，如：淀粉和糖原；另一类是结构多糖。如纤维素,(cellulose),和几丁质,(chitin),。,营养贮备多糖,淀粉、糖元,结构多糖,纤维素、几丁质,（四）脂 类,脂类包括：脂肪酸、中性脂肪、类固醇、蜡、磷酸甘油酯、鞘脂、糖脂、类胡萝卜素等。难溶于水，而易溶于非极性有机溶剂。,1,、中性脂肪,(neutral fat),甘油酯：脂肪酸同甘油酯化而形成。是动植物体内脂肪的主要贮存形式。体与多余的碳水化合物可转化为甘油酯贮存起来。营养缺乏时，可提供能量。,蜡：脂肪酸同乙醇酯化形成,(,如蜂蜡,),。蜡的碳氢链很长，熔点高于甘油酯。细胞中不含蜡质，但有的细胞可分泌蜡质。如：植物表皮细胞分泌的蜡膜；同翅目昆虫的蜡腺、如高等动物外耳道的耵聍腺。,2,、磷脂：,是构成生物膜的基本成分，也是许多代谢途径的参与者。分为甘油磷脂和鞘磷脂两大类。,3,、糖脂：,糖脂也是构成细胞膜的成分，与细胞的识别和表面抗原性有关。,（三）酶与生物催化剂,酶是蛋白质性的催化剂，主要作用是降低化学反应的活化能，增加了反应物分子越过活化能屏障和完成反应的概率。,某些酶需要有一种非蛋白质性的辅因子,(cofactor),结合才能具有活性。辅因子可以是一种复杂的有机分子，也可以是一种金属离子，或者二者兼有。,作用机制：在反应中与底物暂时结合，形成了酶,底物复合物。降低活化能。反应完成后，酶分子迅即从酶,底物复合物中解脱出来。,作用特点：,只催化热力学允许的反应 ；,只加快反应速度，不改变反应平衡点 ；,对正逆反应催化作用相同 ；,降低反应活化能 ；,催化特点：,高效；,特异；,可调，要求适宜的,pH,和温度。,调节方式：,竞争性抑制；,变构调节；,共价调节。,（四）萜类和类固醇类,这两类化合物都是异戊二烯的衍生物。,主要的萜类化合物有胡萝卜素和维生素,A,、,E,、,K,等。还有一种多萜醇磷酸酯，它是细胞质中糖基转移酶的载体。,类固醇,类,(steroids),化合物又称甾类化合物，其中胆固醇是构成膜的成分。另一些甾类化合物是激素类，如雌性激素、雄性激素、肾上腺激素等。,（二）、,RNA,催化剂,也叫核酶,Ribozyme,。,T.Cech,1982,发现四膜虫,rRNA,的前体物能在没有任何蛋白质参与下进行自我加工，产生成熟的,rRNA,产物。这种加工方式称为自我剪接,(self splicing),。,后来陆续发现，具有催化活性的,RNA,不只存在于四膜虫，而是普遍存在于原核和真核生物中。一个典型的例子核糖体的肽基转移酶。,