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第三章生物体的结构基础1.细胞的发现及细胞学说的确立2.细胞的基本概念3.原核细胞4.真核细胞5.植物与动物细胞的比较一.概述1.细胞的发现及细胞学说的确立生物体的结构基础—细胞原生质物质基础原生质是指构成细胞的生活物质，是由多种化合物组成的复杂且具有自我更新能力的胶体，是细胞生命活动的物质基础。一切生活细胞都有这种胶体物质。英国科学家霍克（R.Hook,1635-1703),27岁成为英国皇家学会领导成员,发表对木栓的观察,命名Cell。荷兰人列文虎克（AntonivonLeeuwenhoek,1623-1723）用自磨镜片做成显微镜第一次观察了活的细菌和原生动物。1.1、细胞的发现1838年，德国植物学家施莱登（Schleiden，M.J.）发表了“植物发生论”，指出细胞是一切植物结构的基本单位。1839年，德国动物学家施旺(Schwann,T.)发表了“关于动植物在结构和生长中一致性的显微研究”，指出动物和植物结构的基本单位都是细胞。人们用显微镜观察各种生物，包括微生物和动、植物的细微构造，到处都看到细胞结构。逐渐形成一个观念：各种生物都是由细胞组成的。19世纪初，两位德国生物学家施莱登和施旺正式明确提出：细胞是植物体和动物体的基本结构单位。（1）细胞是有机体，是所有动、植物的基本结构单位；（2）每个细胞相对独立，一个生物体细胞之间协同配合；（3）新细胞由老细胞繁殖产生。1.2、细胞学说细胞学说被认为是19世纪自然科学的重大发现之一。值得注意的是，从两篇经典的论文看来，细胞学说不但关系到生物体的构造，也关系到生物体的生长与发育。最初提出细胞学说观点的两篇论文是:德国植物学家施莱登1838年发表的论文:『论植物发现』;德国动物学家施旺1839年发表的论文:『动、植物结构与生长相似性的显微研究』。1.3细胞学说的意义：从细胞角度把整个有机体统一起来证明了动物和植物都是由细胞起源的证明了达尔文的生物进化论观点，打击了唯心论和神创论奠定了生物科学的基础:细胞学说使生命世界有机结构多样性的统一，从哲学推断走向自然科学论证有没有非生命细胞？19世纪末，人们逐渐发现比细菌还小的“传染性的活性成份”，称为病毒。1930s－1940s期间弄清病毒的化学本质和电镜结构。病毒是一类不具细胞结构的生命形态最简单的病毒仅由核酸大分子和蛋白质大分子组成。但是，病毒颗粒必需进入寄主活细胞才能表现出生命的各方面特性。SARS病毒结构模似图2.细胞的基本概念2.1细胞是什么？细胞是生命活动的基本单位一切有机体都由细胞构成；细胞具有独立的、有序的自控代谢体系；细胞是有机体生长与发育的基础；细胞具有遗传的全能性,没有细胞就没有完整的生命；细胞是多层次、复杂的结构体系细胞是物质、能量和信息过程结合的综合体细胞结构的层次2.2细胞的数量、大小和形态细胞的数量•单细胞生物仅一个细胞•多细胞生物的细胞数量一般与生物体个体大小有关，个体越大细胞数目越多。•如：新生儿约有2×1012个成年人约有6×1013个细胞的大小及其分析细胞类型直径大小（μm）最小的病毒支原体细胞细菌细胞动植物细胞原生动物细胞0.020.1～0.31～220～30（10～50）数百至数千各类细胞直径的比较细胞的形态人类红细胞人类卵细胞和精子植物气孔保卫细胞2.3细胞的种类原核细胞：如：细菌(bacteria)真核细胞：如：动物（animal）植物（plant）真菌(fungi)原生生物(protista)原核细胞遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成细胞内没有以膜包被的起来的细胞器和细胞核膜支原体(Mycoplast)：最小最简单的细胞细菌(Bacteria)蓝藻又称蓝细菌(Cyanobacteria)支原体的电镜照片(链上细胞直径约0.5μm)集群的蓝藻（Dermocarpa）以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统以核酸（DNA或RNA）与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。真核细胞真核细胞的结构及成分真核细胞与原核细胞原核细胞与真核细胞的区别原核细胞真核细胞代表生物细菌、蓝细菌原生生物、动物、植物、真菌细胞大小1-10um10-100um细胞核没有真正的细胞核有核膜包被的细胞核细胞器无有细胞质无细胞骨架有细胞骨架细胞壁主要由胞壁质组成主要由纤维素组成DNA环状，存在于胞质中线状，存在于细胞核中RNA与蛋白质合成RNA没有内含子，DNA转录为RNA与蛋白质的合成在细胞质中进行RNA有内含子和外显子，DNA转录为RNA在细胞核中进行，蛋白质的合成在细胞质内进行细胞分裂二分裂，无有丝分裂有丝分裂和减数分裂2.４动物细胞与植物细胞的比较动物细胞植物细胞细胞壁液泡叶绿体AnimalCellNucleusNucleolusRoughEndoplasmicReticulumSmoothEndoplasmicReticulumRibosomesGolgiBodiesMitochondriaCellMembraneCytoplasmSection7-2Figure7-5PlantandAnimalCellsGotoSection:PlantCellCellMembraneVacuole2.5、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。二．细胞的基本结构及其功能细胞（原生质体）：•质膜（细胞膜）•细胞核与染色体•细胞质»核糖体»细胞器»细胞骨架1．质膜与细胞表面结构1.1质膜的结构主要化学成分：蛋白质(55-57%)、脂类（磷脂）(40%)、糖类(2-10%)基本支架：磷脂双分子层1.2膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇磷脂:构成了膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50％以上。磷脂具有一个极性的头两个非极性的尾巴。在水环境中，这类分子会自发形成双脂层微囊。磷脂分子糖脂:普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，含量约占脂总量的5％以下，神经细胞质膜上糖脂含量约占5-10％。糖脂一般是含有低聚糖的脂类。胆固醇：存在于真核细胞膜上，含量不超过膜脂的1/3,胆固醇分子包括包括3部分：羟基代表具有极性的头部，非极性的类固醇环和一个非极性的碳氢尾部。性质：提高双脂层的力学稳定性,调节双脂层流动性,降低水溶性物质的通透性.1.3膜蛋白:根据膜蛋白分离的难易及其与脂分子的结合方式，膜蛋白可分为：外在膜蛋白、内在膜蛋白和脂锚定蛋白。(1)外在膜蛋白（外周蛋白，周边蛋白）为水溶性蛋白（20-30%），靠静电作用及离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的极性头部结合。(2)内在膜蛋白（整合蛋白，跨膜蛋白，镶嵌蛋白）镶嵌在膜中或内外两侧（70-80%），与膜结合非常紧密，内在蛋白是双型性分子，亲水部分暴露在膜的一侧或两侧表面，疏水区与脂双分子层的疏水尾部相互作用。（3）脂锚定蛋白（脂连接蛋白）通过共价键与脂分子相结合，位于脂双层的外侧。膜内在蛋白脂锚定蛋白膜周边蛋白内在膜蛋白与膜结合的方式：内在膜蛋白多数为跨膜蛋白，也有些插入脂双层中。膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基，与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+等离子与带负电的极性头相互作用。某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半光氨酸残基上共价结合磷脂分子。1.4膜糖：真核细胞的表面都含有糖类，占膜总量1—10%。一糖脂和糖蛋白的形式存在，以寡多糖链共价结合于膜脂上形成糖脂；与膜蛋白共价结合糖蛋白。寡多糖链与蛋白质连接方式有两种：N-连接糖链与肽链中的天冬酰胺残基形成；O-连接糖链与肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基形成。O-连接糖链较短（约含4个糖基）；N-连接糖链一般在10个以上的糖基。1.5质膜的分子结构1925年，荷兰科学家提出双脂分子层结构1935年，杰莫斯和达文斯提出双分子片层（三夹板）模型。1954年，Danieli提出质膜（片层结构模型单位膜和流动镶嵌模型单位膜模型：1959年，罗伯逊在片层分子模型的基础上，提出了暗-明-暗3层结构（暗层是蛋白质；明层是脂膜）；该学说不能解释。流动镶嵌模型：1972年，美国科学家辛格和尼克尔森提出：膜的双分子层具有液晶态的结构，既具有晶体分子排列的有序性，又有液体的流动性。1.6膜的流动性膜脂的流动性：脂分子的侧向运动膜蛋白的流动性膜的流动性是生物膜的基本特征之一，也是细胞进行生命活动的必要条件。膜的流动性膜脂的流动性侧向扩散：同一单层内的脂分子互相换位旋转运动：每个脂分子都围绕其长轴快速旋转摆动：膜脂围绕着与膜平面向垂直的轴进行左右摆动翻转：脂分子从脂双层一层翻转至另一层膜蛋白的流动方式：侧向扩散和旋转扩散40分钟细胞膜具有一定的流动性(用不同颜色的荧光标记不同细胞膜上的蛋白质)1.7膜的不对称性•细胞质膜的不对称性是指构成细胞质膜的结构成分分布的不对称。•膜脂的不对称性：两侧分布的各类脂的含量比例不同；由于两侧分布的差异，形成了不同膜区的功能不同。•膜蛋白的不对称性：膜蛋白的分布是绝对不对称的，每种膜蛋白在膜内都有特定的排列方向；如血红蛋白分子伸向膜内，外侧面的氨基酸残基数目不对称。•膜糖的不对称：糖脂和糖蛋白的糖基只分布于膜的外表面。•膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性，保证了生命活动的高度有序性。膜蛋白的不对称细胞膜由流动的脂双层和嵌在其中的蛋白质组成。磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架；蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双层；流动镶嵌模型突出了膜的流动性和不对称性：1.8流动镶嵌模型细胞膜是一种选择透过性膜这种膜可以让水分子自由通过，细胞要选择吸收的离子和小分子也可以通过，而其它的离子、小分子和大分子则不能通过。为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；选择性的物质运输；提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；1.9细胞膜的功能:1.10细胞外被植物细胞质膜外存在细胞壁动物细胞表面存在一层富含糖类物质的结构称为细胞外被或糖萼。它由构成脂膜的糖蛋白和糖脂伸出的寡糖链组成。膀胱上皮细胞表面的糖被功能：•保护膜蛋白•细胞识别•血型抗原1.11细胞外基质分布于细胞外空间由蛋白质和多糖构成网络结构1.12细胞连接(celljunction)细胞与细胞间、细胞与细胞外空间的结构关系称为细胞连接。动物细胞：桥粒和半桥粒;紧密连接;间隙连接.植物细胞：胞间连丝桥粒：一种圆形或椭圆形的纽扣状连接，在连接区的两细胞膜间有20-30nm的间隙，间隙内有丝状物与两侧细胞膜相连。桥粒多见于易受摩擦的部位，如：表皮、食管、子宫颈等。紧密连接：呈箍状环绕于单层立方细胞或柱状细胞上端的连接处；相邻细胞膜的平面上有不规则的网格状的封闭索，是两细胞膜上镶嵌蛋白的融合；具有防止异物进入组织内，屏障和连接作用。缝隙连接（缝管连接或融合膜）在高倍镜下观察为很小的圆斑，圆斑内两细胞间只有2nm的间隙，斑的平面上有规律的分布着许多连接蛋白；强化连接和物质交换等胞间连丝相邻细胞的细胞壁上有小孔，细胞质通过小孔而彼此相通，这种细胞间的连接称为胞间连丝。1.13物质的跨膜运输——细胞维持正常生命活动的基础之一被动运输：主动运输：胞吞作用和胞吐作用：指物质顺浓度梯度转运过程而言，此过程不消耗能量，其交换方式有两种。１）简单扩散（simplediffusion)：O2、CO2及其它脂溶性物质从高浓度侧向低浓度测穿过类脂双层而扩散，不消耗细胞能量。２）易化扩散（facilitateddeffusion）：非脂溶性或亲水性分子，加氨基酸、葡萄糖和金属离子等借助于质膜上膜蛋白的帮助，顺