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生物竞赛课件-细胞结构与起源


STRUCTURES ANDTHE CELL THE CELL STRUCTURES OF ORIGIN OF

内容提要
? 第一节 细胞的化学组成与形态
? 第二节 真核细胞

? 第三节 原核细胞与古细胞
? 第四节 病毒与蛋白质感染因子 ? 第五节 细胞的起源与演化

细胞是:<

br />? 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;

?

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;

?

遗传的基本单位,具有发育的全能性。

第一节 细胞的化学组成与形态
一、细胞的化学组成

? 构成细胞的基本元素有:O、C、H、N、Si、K、 Ca、P、Mg等,其中O、C、H、N四种元素占 90%以上。 ? 细胞的无机物主要有水和无机盐。 ? 水是细胞生命活动的物质基础,约占细胞重量的 75%-80%,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genome.
? 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

二、三类不同的细胞
? 真核细胞eukaryotic cell:构成eukaryote。细胞
核具有核被膜nuclear envelope和核仁nucleolus。 ? 原核细胞prokaryotic cell:构成procaryote。核区 nuclear region没有核膜包围,称其为nucleoid、 nuclear body、nucleoplasm、bacterial nucleus。 ? 古细菌archaebacteria,既不同于原核细胞也不同 于真核细胞,属于生命的第三种形式。

三、细胞的形状和大小
? 单细胞生物的形态通常与细胞外沉积物有关。

? 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。

? 细胞骨架对于维持细胞形态具有重要作用。
? 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





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

大多数动植物细胞在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。

人 卵 与 精 子

几种细胞的大小
名称 μm 人卵 120 口腔上 皮细胞 75 肝细胞 20 红细胞 7 变形虫 100 海胆卵 70 伤寒菌 2.4x0.5 肺炎球菌 0.2x0.1

第二节 真核细胞

一、基本结构
? 从形态学分为三部分:
? 质膜(plasmolemma;plasma membrane)。 ? 细胞核(nucleus):具有核被膜(nuclear envelope)和核仁(nucleolus)。核仁是形成核 糖体的结构域(domain),呈小球状 。

? 细胞质(cytoplasm):包括细胞器和细胞质基质
(cytoplasmic matrix)/胞质溶胶(cytosol)。

肝细胞中细胞质组分所占的体积百分比
细胞质成分 细胞质基质 线粒体 粗面内质网 光面内质网和高尔基体 细胞核 过氧化物酶体 溶酶体 内体 体积百分比 54 22 9 6 6 1 1 1

二、细胞器
? 细胞器(organelle):细胞内特定的功能结构域, 有两类,一类是膜围成的,构成内膜系统 (endomembrane system)。另一类细胞器是没 有膜包围的。
? 细胞内主要的细胞器有:①endoplasmic reticulum、②Golgi body;Golgi apparatus、③ lysosome、④endosome、⑤mitochondrion、⑥ chloroplast、⑦peroxisome、⑧cytoskeleton、⑨ centriole、⑩ribosome。

三、细胞质基质
① ② 维持细胞内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。

③ 供给细胞器行使其功能所需要的一切底物。
④ 控制基因的表达,与细胞核一起参与细胞的分化。

⑤ 参与蛋白质的合成、加工、运输、选择性降解。

Animal cell

Plant cell

四、细胞的网络化结构
① 代谢网络(metabolic network)
② 运输网络(transport network)

③ 生物膜网络(biomembrane network)
④ 细胞骨架网络(cytoskeleton network) ⑤ 信号转导网络(signal transduction network)

cytoskeleton network

第三节 原核细胞与古细胞
? 原核细胞没有核膜,DNA为裸露的环状分子,通
常没有结合蛋白。没有恒定的内膜系统,核糖体

为70S型。通常称为细菌(bacterium)。
? 古细菌的细胞(archaeal cell)在形态上与原核细 胞相似,但并不意味着它们是最古老的细胞类型。

一、细菌的基本结构
? 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。

大 肠 杆 菌

淋 病 球 菌

肉 毒 梭 菌

弧 形 霍 乱 菌

1、细胞壁: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。 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。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。

Gram positive bacterial cell wall

Gram negative bacterial cell wall

? 2、细胞膜:厚约8~10nm,外侧紧贴细胞壁。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

? 3、拟核:DNA分子裸露,没有内含子, 具有重叠基因。

大肠杆菌

低电子密度区 为拟核

? 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 。 由 大 亚 单 位 (50S) 与 小 亚 单 位
(30S)组成。 ? 小亚单位对四环素与链霉素敏感,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(capsule): 细菌最外表的一层多糖 类物质。 ? 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:细菌的运动器官,由鞭毛蛋白构成。

? 8、菌毛:是菌体表面极其的蛋白纤细,与细菌运动无关。 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0.2~0.3μm,可通过滤菌器、无细胞壁。
? 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,合成与代谢
很有限,肺炎支原体寄生于细胞表面。

肺炎支原体侵染仓鼠气管组织的TEM照片

三、衣原体和立克次氏体
? 衣原体(Chlamydia)直径0.2-0.3μm ,能通过滤

菌膜。立克次氏体(Rickettsia)略大。有细胞壁,
在寄主细胞内生活,有摄能寄生物(energe parasite)之称。 ? 砂眼衣原体起初被认为是大型病毒,1956年,我 国微生物学家汤飞凡等人首次分离到沙眼病原体。 ? 立克次氏体的细胞较大,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.

附着在内皮细胞表面的立克次氏体和细胞内包 含立克次氏体的内吞体 。

四、蓝藻
? 又称蓝细菌。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,遗传信息可与高等植物相比。

? 体积大,直径约10μm左右,甚至可达70bμm (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:发菜。

Cyanobacteria

五、古细菌(archaebacterium)
? 无核膜及内膜系统; ? 以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、具有内 含子和组蛋白。 ? 细胞膜中的脂类不可皂化,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、 极端嗜热菌。

海底烟筒附近也具有古细菌

a: Aquificiales pyrophilus;b: Pyrolobus fumarii;

Pyrolobus fumarii 可以生活在 90 -113℃,pH 4.0-6.5。 其最适生存温度为106℃ ,低于85℃和高于115℃则 不生长,能在121℃的高温中存活1小时

? 各类生物能忍受的上限温度:

? 古细菌113℃
? 细菌90℃

? 真菌60℃
? 藻类55-60℃ ? 原生动物56℃ ? 维管束植物49℃ ? 鱼类和其他水生脊椎动物38℃

第四节 病毒与蛋白质感染因子

一、病毒的基本特征
? ①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20~30nm之间; ? ②含DNA或RNA,没有含两种核酸的病毒;

? ③专营细胞内寄生生活;
? ④具有受体连结蛋白 (receptor binding protein) 。

二、病毒的结构
?由核酸(DNA或RNA)芯和蛋白质衣壳(capsid)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。

Lambda Bacteriophage DNA (TEM x153,000)

? 有的病毒衣壳外面有被膜(envelope),来源于宿主
细胞的质膜,被膜中含有病毒融合蛋白。 ? 组成病毒衣壳的亚单位称壳微粒(capsomer)。

? 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:①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;②丝形 (Filament) :多见于植
物 病 毒 , 如 烟 草 花 叶 病 病 毒 ; ③ 弹 形 (Bulletshape):形似子弹头,如狂犬病病毒等。④砖形 (Brick-shape):如痘病毒、天花病毒等;⑤蝌蚪 形(Tadpole-shape):如噬菌体。 ? 其中①为二十面体对称; ②、 ③为螺旋对称; ④、 ⑤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

有被膜

狂 犬 病 毒 子 弹 形 病 毒

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。

? 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:

1. 双链±DNA→+mRNA→蛋白质,如天花病毒、T-偶数噬菌体。
2. 单链+DNA→±DNA→+RNA→蛋白质,如细小DNA病毒。

3. 双链±RNA→+mRNA→蛋白质,如呼肠孤病毒。
4. 单链+RNA→-RNA→+RNA→蛋白质,如脊髓灰质炎病毒。

5. 单链-RNA→+RNA→+蛋白质,如流感病毒、狂犬病毒。
6. 单 链 +RNA→DNA→±DNA→+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40~50nm,不 能制造衣壳蛋白。

四、蛋白质感染因子
? 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。

? prion (PrP)由Prnp基因编码,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,可能起信号转导作用。正常Prnp
基因产物为PrPc 蛋白,对蛋白酶很敏感,具有致

病作用的是PrPSc蛋白。

?

PRION

PrPC

PrPSC

PrPSc与PrPc均由253-4个氨基酸组成,PrPc具有43%的α 螺旋,3%的β折叠,而PrPsc具有34%α螺旋,43%的β折 叠。动物被感染后,PrPSc蛋白堆积在脑组织中,形成不 溶的淀粉样蛋白沉淀,无法被蛋白酶分解,引起神经细 胞凋亡(apoptosis)。

PrPsc的增殖

病羊神经组织的海绵状损伤

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。

第五节 细胞的起源与演化

一、生命的化学进化
? 1、无机元素在火山爆发、光照和闪电的作用下形
成了有机小分子; ? 2、有机小分子形成大量有机大分子; ? 3、有机大分子演化为具生命形式的多分子体系; ? 4、约在38亿年前,多分子体系演变成原始生命, 这之前称为生命的化学进化(chemical evolution) 阶段。

The Birth of Life

发现于澳大利亚西部燧 石中的Primaevifilum amoenum

二、真核细胞的起源
? 已知最古老的真核生物化石标本(acritarchs)采
自于我国,距今18-19亿年 。 ? 真核细胞与原核细胞和古细胞最最本质的区别在 于真核细胞具有复杂的内膜系统,形成细胞核、 线粒体、叶绿体、溶酶体等膜包围成的细胞器。

? 关于细胞内膜的起源主要有自生autogenesis和内
共生endosymbiosis两种主要的学说。

细胞核的形成(自生说)

线粒体与叶绿体的形成(内共生说)

? 支持线粒体和叶绿体内共生起源的主要证据有: ①两者都是双层膜包围的细胞器,都具有环状的 DNA,就像一个原核细胞; ? ②叶绿体的DNA序列与蓝藻相似,而线粒体的 DNA序列与现存的α-变形菌相似;
? ③核糖体为70S型,对细菌蛋白质合成抑制剂氯 霉素敏感,蛋白质合成的起始氨酰基tRNA是N-甲 酰甲硫氨酰tRNA;

? ④RNA聚合酶可被利福平(rifampin)、链霉素 (Streptomycin)等抗生素所抑制;

Cyanophora paradoxa细胞中的蓝色体

一种硬蜱卵母细胞中存在的变形菌

二、细胞结构与生物分类
? 二十世纪70年代,C. Woese根据对SSUrRNA核 苷酸序列的同源性比较,发现古细菌完全没有作 为细菌特征的那些序列,提出将生命划分为3个大 类,即:真细菌(Eubacteria)、真核生物 (Eucaryotes)和古细菌(Archaes)。 ? 1996年Bult等发表了詹氏甲烷球菌的全基因组序 列,进一步证明它既不是典型的细菌也不是典型 的真核生物,而是介于两者之间的生命体,即生 命的第3种形式。

三界系统 Haeckel 1894 原生生物 Protista 植物 Plantae 动物 Animalia

五界系统 Whittaker 1959 原核生物 Monera 原生生物 Protista 真菌 Fungi 植物 Plantae 动物 Animalia

六界系统 Woese 1977 真细菌 Eubacteria 古细菌 Archaebacteria 原生生物 Protista 真菌 Fungi 植物 Plantae 动物 Animalia

三类生物 Woese 1990 细菌 Bacteria 古细菌 Archaea 真核生物 Eukarya

三、病毒的分类地位
? 病毒必需寄生于细胞,才能表现出生命现象,因 此,进化上病毒的出现不可能早于细胞。 ? 病毒的基因组与其寄主的基因组在结构上相似, 有些甚至在核苷酸序列上与寄主基因组的某些区 域无太大差异; ? 病毒的组成与细胞内的核糖核蛋白(RNP)有相 似之处。 ? 现在比较普遍地认为病毒是由细胞衍生的,是细 胞内“逃逸”出来的一些基因及蛋白质的复合体。


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