2细胞生物学-翟中和编-第2章-细胞的统一性与多样性

翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学第2章细胞的统一性与多样性Chapter2TheUniversalFeaturesandDiversityofCells本章主要内容•细胞的基本特征（重点）•原核细胞与古核细胞•真核细胞（重点、难点）•非细胞形态的生命体——病毒人们喜欢用“生、老、病、死”这四个字来形容人的生命历程。这是生命运行的基本规律。细胞的发现Thecelltheorystates:1.Alllivingthingsororganismsaremadeofcellsandtheirproducts.2.Newcellsarecreatedbyoldcellsdividingintotwo.3.Cellsarethebasicbuildingunitsoflife.Celltheory第一节细胞的基本特征一、细胞是生命活动的基本单位（一）细胞是构成有机体的基本单位•人体内的细胞大约分为200多种不同的类型，成年人大约含有1014个细胞，刚出生的婴儿约由2×1012个细胞组成；人的大脑是由1012个细胞构成的复杂体系Cellisthebasicunitoflife（二）细胞是代谢与功能的基本单位细胞的生命活动：以物质代谢为基础以能量代谢（ATP）为动力以信息调控为机制有机体一切代谢活动均以细胞为基础（二）细胞是代谢与功能的基本单位（三）细胞是繁殖的基本单位，是遗传的桥梁单细胞生物的繁殖表现为细胞一分为二多细胞生物依靠细胞分裂形成特殊形式的生殖细胞——孢子或配子孢子萌发或配子结合为合子，是下一代生命的开始细胞核中的遗传信息指导下一代生命的构建（三）细胞是繁殖的基本单位，是遗传的桥梁鲸和人SRY基因序列高度相似，其蛋白质组成差异很小（三）细胞是繁殖的基本单位，是遗传的桥梁色素细胞表面受体Kit突变，导致色素沉积出现紊乱（三）细胞是繁殖的基本单位，是遗传的桥梁（四）细胞是有机体生长与发育的基础有机体的生长与发育是依靠细胞的分裂、分化与凋亡来实现的（五）细胞具有全能性，可以产生新的同样的有机体（五）细胞具有全能性，可以产生新的同样的有机体（六）细胞是生命起源的归宿，是生物进化的起点•生命是经过漫长的进化，由非生命的物质形成的•含有遗传物质的原始细胞的形成，标志着生命的出现（六）细胞是生命起源的归宿，是生物进化的起点前寒武纪——34亿年前：单细胞原核生物20亿年前：单细胞真核藻类8亿年前:多细胞生物迄今在南非发现的34亿年前微体生物化石（行光合作用的蓝细菌）（六）细胞是生命起源的归宿，是生物进化的起点（七）关于细胞概念的一些新思考•细胞是多层次、非线性与多层面的复杂结构体系–细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体–细胞是高度有序的，具有自组装能力的自组织体系二、细胞的基本共性相似的化学组成脂－蛋白体系的生物膜相同的遗传装置蛋白质合成机器——核糖体一分为二的分裂方式具有细胞壁和叶绿体对于某些生物来说却遇到了分类上的困难：眼虫(Euglena)有叶绿体却无细胞壁;细菌和真菌虽有细胞壁但无叶绿体;支原体既无叶绿体也无细胞壁。地球上的200万余种生物：一切生物动物界植物界没有细胞壁和叶绿体早期营养方式运动能力细胞结构细胞的进化演变Chatton(1925年)把细胞中无由膜包围的细胞核的生物称为原核生物(prokaryote)。自从原核生物概念提出之后，H.Ris则把由含有由核被膜包围的核的细胞构成的生物称为真核生物(eukaryote)。代表性原核生物：支原体(mycoplasma)、细菌(bacterium)和蓝细菌(cyanobacterium)等原核细胞与真核细胞概念的确立生物界两类分类系统的比较传统分类系统植物界细菌蓝藻金藻绿藻红藻褐藻粘菌真正真菌苔藓维管植物动物界原生动物后生动物按细胞结构的分类系统类型原核生物真核生物Whittaker(1969)原核生物界(monera)细菌蓝藻(蓝细菌)原生生物界(protista)金藻原生动物真菌界粘菌真正真菌植物界绿藻红藻褐藻苔藓维管植物动物界后生动物Dodson(1971)原核生物界细菌蓝藻(蓝细菌)植物界金藻绿藻红藻褐藻粘菌真正真菌苔藓维管植物动物界原生动物后生动物第二节原核细胞与古核细胞一、原核细胞•没有典型核结构•包括支原体、衣原体、立克次氏体、细菌、放线菌与蓝藻等•大部分原核细胞主要遗传物质仅为一个环状DNA•细胞内没有以膜为基础的各种细胞器，也没有细胞核膜•细胞体积一般很小，直径由0.2至10μm不等二、最小最简单的细胞——支原体•最简单的原核细胞，直径为0.1～0.3μm•具有细胞质膜，但没有细胞壁•唯一的细胞器是核糖体•具感染性，可在培养基上培养•培养细胞很容易被支原体污染，污染源主要是血清三、原核细胞的两个代表类群细菌与蓝藻大肠杆菌淋病球菌肉毒梭菌霍乱弧菌三、原核细胞的两个代表类群（一）细菌细胞•绝大多数细菌的直径大小在0.5～5.0μm之间•绝大多数细菌有明显的核区称类核（nucleoid），主要由一个环状DNA分子盘绕而成•除了核糖体外，没有类似真核细胞的细胞器。（二）蓝藻大多数原核细胞比较小，平均只有1~10m。枝原体、立克次体和鹦鹉热菌最小只有0.1~0.3m。大的原核细胞如蓝细菌中的颤藻(Oscilatoliaprinceps)，直径可达60m。有的物种，细胞分裂后可连成链或丝，也有的形成群体。它们的繁殖方式一般为二分裂，也有的产生孢子，少数行出芽生殖。大多数原核细胞比较小、繁殖方式简单原核细胞的质膜具有单位膜的典型特征，厚约10nm。某些原核生物的质膜在有的部位发生内褶，形成间体(mesosome)(与细胞呼吸和分裂有关)。大多数原核生物没有恒定的内膜系统，没有分区化（原核细胞区别于真核细胞的重要特征之一）。间体质膜内为细胞质和拟核，多数在质膜外还有一层硬的细胞壁。原核细胞的形态和结构比较简单细菌鞭毛细菌荚膜原核生物的核糖体较小(70S)，直径约15~20nm，其所含的RNA和蛋白质亦不同于真核细胞。有些细菌表面有荚膜、类似荚膜物质或其他表面物质等；有些还带有鞭毛。细菌的荚膜具有抵抗吞噬及体液中杀菌物质的作用细菌的鞭毛极为纤细(Φ10~20μm)；其着生位置和数目是种的特征，对细菌分类具有重要意义；鞭毛是细菌的运动“器官”。原核细胞的形态和结构比较简单细菌的复制、转录和翻译同时进行四、古核细胞（古细菌）•古细菌又称为古核生物（archaeon），常发现于极端特殊环境中•古细菌形态多样，具有细胞壁，染色为G＋或G－；细胞大小在0.1～15μm不等，分裂方式有二分分裂、出芽等多种•古核生物细胞的形态结构与遗传结构装置和原核细胞相似，但有些分子进化特征更接近真核细胞第三节真核细胞一、真核细胞的基本结构体系1.以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统一、真核细胞的基本结构体系2.以核酸与蛋白质为主要成分的遗传信息传递与表达系统一、真核细胞的基本结构体系3.由特异蛋白质装配构成的细胞骨架系统二、细胞的大小及其影响因素细胞的体积受哪些因素影响？1.细胞的体积与相对表面积成反比2.核质比3.细胞内物质的交流运输4.核糖体的活性数百微米是上限卵细胞的体积为什么那么大？不同细胞的形态千差万别：呈圆形、椭圆形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形，甚至不定形。一、细胞的形状各类细胞结构、功能和所处环境不同形状和大小千差万别细胞的形态单细胞原核生物往往是单个细胞独立生活（即使成群体存在，细胞间的关系也不密切），每种生物的细胞往往有自己特有的形状：如杆菌——杆状球菌——球状弧菌——圆弧状；螺旋体——螺旋状细胞的形态单细胞动物或植物的细胞形状更复杂：如草履虫——鞋底状；眼虫——梭形且有长鞭毛；游扑虫和钟形虫——袋状；阿米巴——不定形等细胞的形态高等生物是多细胞有机体，其细胞多构成了组织，各种细胞发生了结构和功能上的分化：细胞的形状往往与细胞执行的功能及存在的位置有一定的关系。高等动物：肌肉细胞：长条形或长梭形红细胞：双面凹圆盘状有利于O2和CO2气体的交换利于收缩功能细胞的形态高等植物：筛管细胞：条形叶表皮保卫细胞：半月形.以利于呼吸和蒸腾2个保卫细胞围成一个气孔于植物茎部起支持和输导作用细胞的形态细胞形态结构和功能的关系骨细胞成纤维细胞软骨细胞脂肪细胞平滑肌细胞结缔组织中的几种细胞类型活细胞的形状并不是固定不变的形态结构与功能的统一是生物体细胞的一个重要特征!上述细胞形状是指活细胞在体内时的形态，一旦细胞离开了有机体分散存在，形状就要发生很大的变化。如平滑肌细胞：离体培养在体内呈梭形离体培养时则呈多角形细胞的形态HbS细胞发生病变后，会发生形态结构上的变化：三、原核细胞与真核细胞的比较原核细胞与真核细胞的共存定殖于小鼠回肠末端的分节丝状菌与肠上皮细胞的相互作用，维持宿主的免疫功能四、植物细胞与动物细胞的比较•植物细胞–细胞壁–液泡–叶绿体•动物细胞–溶酶体–中心体四、植物细胞与动物细胞的比较尽管病毒不是细胞，然而1.病毒的某些属性与细胞又有一定的共同性（共同的遗传基础），研究病毒活动有助于对细胞活动机制的理解2.病毒是寄生性感染物，其宿主是细胞，病毒的活动与细胞有密切的关系第四节非细胞形态的生命体——病毒第四节非细胞形态的生命体——病毒类病毒的电镜图片牛传染性鼻气管炎病毒的超微结构一、病毒的基本知识•病毒很小，结构极其简单。绝大部分病毒的大小只有20～200nm，可以通过细菌滤器。因此必须在电子显微镜下才能清楚地看到•不同种类的病毒遗传载体多样性：不仅有DNA病毒，还有RNA病毒。这两种病毒均有双链和单链之分。但每一种病毒粒子中只含有DNA或RNA，而非二者兼有•彻底的寄生性。必须要在细胞内才能进行繁殖并表现出它们的基本生命活动•病毒是以复制和装配的方式进行增殖动物病毒植物病毒细菌病毒——噬菌体双链DNA病毒单链DNA病毒双链RNA病毒单链RNA病毒单链RNA病毒据宿主分据结构分据遗传物质分病毒的分类真病毒类病毒蛋白质感染子蛋白外壳核酸芯子(核酸)(蛋白)病毒的基本类型病毒结构示意图A.腺病毒呈20面体立体对称，由DNA核心和衣壳组成B.疱疹病毒的衣壳呈20面体对称，衣壳外包被一层脂双层囊膜C.烟草花叶病毒的衣壳蛋白与内部的基因组RNA相结合，病毒呈螺旋对称戊型肝炎病毒的冷冻电镜图片A.病毒表面的衣壳蛋白B.病毒的内剖图病毒结构示例1982年S.B.Prusiner在患羊搔痒病(scrapie)的羊体内发现了一种蛋白质因子，是羊搔痒病的致病因子，它将其命名为prion(pr,protein;i,infectious;on,基本单位,蛋白质感染因子)，也有人译为‘朊病毒’。蛋白质感染因子1.发现:Prusiner因此获得1997年诺贝尔奖！蛋白质感染子蛋白(prionprotein，PrP)由prp基因编码（人：第20号染色体，小鼠：第2号染色体）。这种蛋白存在于神经元和神经胶质细胞表面上，其作用尚未查清，破坏小鼠的prp基因，小鼠的发育和行为未发现异常变化。2.蛋白质感染子蛋白prp基因正常的表达产物并无致病作用，这种正常蛋白称为PrPC蛋白，对蛋白酶很敏感。一旦基因突变，有一个氨基酸发生改变，PrPC蛋白发生了构象变化，就变成了具有致病作用的PrPSc蛋白。基因突变产生PrPSc所引起的疾病是可以遗传的。PrPSc蛋白在构象上与正常蛋白PrPC不同：PrPC向PrPSc转变实质上是螺旋向折叠的迁移转变PrPSc的肽链中螺旋减少，而折叠增加！现已查明，羊搔痒病、疯牛病、人的纹状体脊髓变性病和脑软化病都是由这种PrPSc蛋白引起的。PrPSc蛋白对蛋白质水解酶具有很强的抗性和高热稳定性，且紫外线和电离辐射不能使其丧失活性。增殖方式一个PrPSc分子一个PrPC分子+四个PrPSc分子如此倍增不已PrPSc诱导一个模板分子伴侣(molecularchaperone)当PrPSc分子积累到一定浓度时，就会损伤神经元而发病3.蛋白质感染因子的复制和繁殖机制PrPSc二聚体蛋白质感染子本身不能复制二、病毒在细胞内增殖•病毒识别和侵入细胞•病