第二章細胞的統(tǒng)一性與多樣性

第二章

細胞的統(tǒng)一性與多樣性第一節(jié)、細胞的基本概念第二節(jié)、原核細胞與古核細胞第三節(jié)、真核細胞第四節(jié)、非細胞形態(tài)的生命體 ——病毒及其與細胞的關系第一節(jié)、細胞的基本概念一、細胞是生命活動的基本單位二、細胞的基本共性第四節(jié)、非細胞形態(tài)的生命體

—病毒及其與細胞的關系

一、病毒的基本知識二、病毒在細胞內增殖（復制）三、病毒與細胞在起源與進化中的關系第二節(jié)、原核細胞與古核細胞

原核細胞的基本特點：遺傳信息量小，主要的遺傳信息載體僅由一個環(huán)狀DNA構成；細胞內沒有分化出以膜為基礎的具有專門結構與功能的細胞器和細胞核。一、最小最簡單的細胞－支原體二、原核細胞的兩個代表－細菌和藍藻三、古核細胞（archaebacteria）一、細胞是生命活動的基本單位一切有機體都由細胞構成，細胞是構成有機體的基本單位；細胞具有獨立的、有序的自控代謝體系，細胞是代謝與功能的基本單位；細胞是有機體生長與發(fā)育的基礎；細胞是遺傳的基本單位，細胞具有遺傳的全能性；沒有細胞就沒有完整的生命。關于細胞概念的一些新思考成人的有機體大約含有1014個細胞；剛出生的嬰兒機體約有2×1012個細胞；1g哺乳動物的肝或腎組織大約含有2.5~3億個細胞。關于細胞概念的一些新思考細胞是物質（結構）、能量與信息過程精巧結合的綜合體；

細胞完成各種化學反應細胞需要和利用能量

細胞參與大量機械活動細胞對刺激作出反應細胞是多層次、非線性與多層面的復雜結構體系；細胞是高度有序的，具有自組裝與自組織能力的體系。

細胞能進行自我調控

繁殖和傳留后代二、細胞的基本共性所有的細胞都有相似的化學組成，類似的遺傳語言、生命活動及其調控機制。脂－蛋白體系的生物膜(一是在細胞內外起屏障作用;二是要在細胞內形成各個功能特區(qū)）DNA－RNA的遺傳裝置蛋白質合成的機器－核糖體一分為二的分裂方式細胞的化學組成細胞中的水無機鹽有機小分子：糖、脂、核苷酸、氨基酸生物大分子：多糖、DNA和RNA、蛋白質細胞結構體系的組裝生命來自于水細胞中的水以兩種形式存在：游離水和結合水。游離水是細胞代謝反應的溶劑；結合水則是以氫鍵和蛋白質分子結合的水分子。氫鍵的作用氫鍵的作用氫鍵能吸收較多的熱能，將氫鍵打斷需要較高的溫度，因此氫鍵可以維持細胞溫度的相對穩(wěn)定。相鄰水分子間形成的氫鍵使水分子具有一定的粘性，使水具有較高的表面密度。水分子間的氫鍵可以提高水的沸點，使它不易從細胞中揮發(fā)掉。水在細胞中既是反應劑又是溶劑。水分子是極性分子，主要依靠與各種極性分子和離子間形成氫鍵使之得以溶解。根據無機離子在細胞內的作用分為四大類：1）大分子的結構成分，C、H、N、O、P、S等；2）各種酶反應所需要的離子；3）各種酶活性所需的基礎微量元素；4）某些生物需要的特殊微量元素，如碘、銫等。功能：維持細胞內的pH值和滲透壓，以保持細胞的正常生理活動；同蛋白質或脂類結合組成具有特定功能的結合蛋白，參與細胞的生命活動；作為酶反應的輔助因子。細胞結構體系的四級組裝構成細胞的小分子有機物的形成，包括堿基、氨基酸、葡萄糖等；由有機小分子組裝成生物大分子：DNA、RNA、蛋白質、多糖；由生物大分子進一步組裝成細胞的高級結構：細胞膜、核糖體、染色體、細胞骨架等；由生物大分子組裝成具有空間結構和生物功能的細胞器如細胞核、線粒體、葉綠體等，最后再由細胞器組成細胞。一、病毒的基本知識病毒是非細胞形態(tài)的生命體，是迄今發(fā)現(xiàn)的最小最簡單的有機體。病毒（virus）——核酸分子（DNA或RNA）與蛋白質構成的核酸-蛋白質復合體；根據病毒的核酸類型可以將其分為兩大類：

DNA病毒與RNA病毒

病毒的多樣性類病毒（viroid）——僅由有感染性的RNA構成；朊病毒（prion）——僅由有感染性的蛋白質構成。二、病毒在細胞內增殖（復制）病毒侵入細胞，病毒核酸的侵染；病毒核酸的復制、轉錄與蛋白質的合成；病毒的組裝、成熟與釋放。 動物病毒進入細胞的主要三種方式三、病毒與細胞在起源與進化中的關系病毒是非細胞形態(tài)的生命體，它的主要生命活動必須要在細胞內實現(xiàn)。病毒與細胞在起源上的關系，目前存在3種主要觀點：生物大分子→病毒→細胞 病毒生物大分子細胞生物大分子→細胞→病毒主要證據病毒是徹底寄生物，必須要在細胞內復制與增殖，才能表達其基本生命現(xiàn)象。因此病毒決不可能起源在細胞之先，只能先有細胞后有病毒已經證明，有些病毒（如腺病毒）的核酸與哺乳動物細胞DNA某些片段的堿基序列十分相似。病毒可以看作DNA與蛋白質或RNA與蛋白質的復合大分子，與細胞內核蛋白分子有相似之處。真核生物中，尤其是脊椎動物中普遍存在的第二類反轉錄轉座子的兩端含有長末端重復序列，結構與整合于基因組上的反轉錄病毒十分相似。一、最小最簡單的細胞－支原體最小最簡單的細胞；沒有細胞壁，細胞具有多形態(tài)性；遺傳物質均勻分布在細胞質中。細胞體積的最小極限一個細胞生存與增殖所必需具備的裝置：細胞質膜、遺傳信息載體DNA與RNA、進行蛋白質合成的一定數(shù)量的核糖體以及催化主要酶促反應所需要的酶。細胞體積的最小化受制于維持細胞生命活動所需的酶和蛋白質種類的最低量，根據這些條件，一個細胞最小的直徑不能小于100nm，而支原體的直徑已經接近這個極限。第三節(jié)、真核細胞一、真核細胞的基本結構體系二、細胞的大小三、細胞形態(tài)結構與功能的關系四、原核細胞與真核細胞的比較五、植物細胞與動物細胞的比較一、真核細胞的基本結構體系以質脂及蛋白成分為基礎的生物膜結構體系以核酸與蛋白質為主要成分的遺傳信息表達體系由蛋白質分子組裝構成的細胞骨架體系二、細胞的大小大多數(shù)動植物細直徑在20~30μm，一般真核細胞的直徑大于原核細胞，卵細胞大于體細胞。各類細胞直徑的比較細胞體積的守恒定律細胞維持體積相對恒定的因素細胞類型直徑／um最小的病毒支原體細胞細菌細胞高等動植物細胞原生動物細胞0.020.1－0.31－220－30數(shù)百至數(shù)千細胞體積的守恒定律

同一器官與組織的細胞,其大小總是在一個恒定的范圍內，不依生物個體的大小而增大或縮小。如人、牛、馬、象與小鼠的腎細胞、肝細胞的大小基本相同;器官的大小主要決定于細胞的數(shù)量,與細胞的數(shù)量成正比,而與細胞的大小無關,這種關系稱之為“細胞體積的守恒定律”。維持細胞體積相對恒定的因素

細胞的體積與相對表面積成反比的關系核質之間的比例細胞內重要分子的濃度一些重要的分子在細胞內的拷貝數(shù)很少，當細胞體積增大時，這些分子的濃度就越來越稀釋，一些重要的生化反應需要一定的濃度才能進行，所以細胞內分子濃度就成了細胞體積無限增大的一個限制因素。細胞內物質的交流運輸與細胞體積的有關三、細胞形態(tài)結構與功能的關系細胞的形態(tài)結構與功能的相關性與一致性是各類細胞所共同遵循的基本原則；這種統(tǒng)一性在分化程度較高的細胞中更為明顯，這是生物漫長進化過程的產物，從進化觀點看有一定的合理性。如哺乳動物紅細胞、動物的各類分泌細胞和高等生物的生殖細胞等。四、原核細胞與真核細胞的比較原核細胞與真核細胞的相同點原核細胞與真核細胞基本特征的比較原核細胞與真核細胞的遺傳結構裝置和基因表達的比較原核細胞與真核細胞的相同點都具有類似的細胞質膜結構都以DNA作為遺傳物質，并使用相同的遺傳密碼都以一分為二的方式進行細胞分裂具有相同的遺傳信息轉錄和翻譯機制，有類似的核糖體結構。代謝機制相同（如糖酵解和TCA循環(huán)）具有相同的化學能儲能機制，如ATP合成酶。光合作用機制相同（藍細菌和植物相比較）膜蛋白的合成和插入機制相同原核細胞與真核細胞基本特征的比較特征原核細胞真核細胞細胞膜有（多功能性）有核膜無有染色體由一個環(huán)狀DNA分子構成的單個染色體，DNA很少或不與蛋白質結合2個染色體以上，染色體由線狀DNA與蛋白質結合而成核仁無有線粒體、內質網、高爾基體、溶酶體無有核糖體70S（50S與30S的大小亞單位）80S（60S與40S的大小亞單位）光合作用結構藍藻含葉綠素a的膜層結構，細菌有菌色素植物葉綠體具有葉綠素a與b核外DNA細菌具裸露的質粒DNA線粒體DNA、葉綠體DNA細胞壁主要成分是氨基糖與壁酸植物細胞壁為纖維素和果膠轉錄與翻譯的時空關系轉錄與翻譯同時同地進行細胞核內轉錄、細胞質內翻譯，嚴格的階段性與區(qū)域性細胞骨架無有細胞增殖方式無絲分裂（直接分裂）有絲分裂（間接分裂）原核細胞與真核細胞的遺傳結構裝置、基因表達及其調控的比較

特征原核細胞真核細胞DNA量（信息量）少多DNA分子數(shù)12個以上DNA分子結構環(huán)狀線狀基因組數(shù)1n2n，多n基因數(shù)幾千大于幾萬大量多余的重復的DNA序列無有基因中的內含子無有DNA與組蛋白結合不與可與少量蛋白結合與5種蛋白結合核小體－染色質－染色體無有DNA復制的明顯的周期性無有基因表達的調控主要以操縱子方式復雜、多層次性轉錄與翻譯的時空關系轉錄翻譯同時進行核內轉錄，細胞質內翻譯，嚴格的階段性與區(qū)域性轉錄后與翻譯后大分子的加工與修飾無有五、植物細胞與動物細胞的比較植物細胞特有的細胞器細胞壁液泡葉綠體動物細胞特有的細胞器中心體（由一對中心粒和中心粒周圍物質構成）三、古核細胞（古細菌）

原核生物在極早的時候就演化成兩大進化主干：古細菌和真細菌，古細菌可能是細胞生存的更為原始的類型，是一些生長在極端特殊環(huán)境中的細菌。它在形態(tài)結構和遺傳結構裝置與原核細胞相似，但有些分子進化特征更接近于真核細胞。古細菌與真核細胞曾在進化上有過共同歷程。主要證據進化系統(tǒng)樹主要證據細胞壁的成分與真核細胞一樣，而非由含壁酸的肽聚糖構成。DNA與基因結構：古細菌DNA中有重復序列的存在。此外，多數(shù)古核細胞的基因組中像真核細胞一樣存在內含子。核小體結構：古細菌具有組蛋白，而且能與DNA構建成類似核小體結構。核糖體：多數(shù)古細菌類的核糖體較真細菌有增大趨勢，抗生素同樣不能抑制古核細胞類的核糖體的蛋白質合成。5srRNA：根據對5srRNA的分子進化分析，認為古細菌與真核生物同屬一類，而真細菌卻與之差距甚遠。5srRNA二級結構的研究也說明很多古細菌與真核生物相似。除上述各點外，根據DNA聚合酶分析，氨基酰tRNA合成酶的作用，起始氨基酰tRNA與肽鏈延長因子等分析，說明古細菌與真核生物在進化上的關系較真細菌類更為密切。細胞的全能性是指每個分化的細胞都含有該物種全部的遺傳信息，每一個細胞都有發(fā)育為完整個體的潛能。SARS關于真核細胞起源的兩種推測：起源于一種依賴于硫的嗜高溫古核細胞起源于與熱原質體相似的古核細胞S.B.Prusiner1982年發(fā)現(xiàn)于患羊瘙癢病的羊體內，命名為prion，Prusiner因此獲得1997年諾貝爾生理和醫(yī)學獎。蛋白質感染子蛋白(prionprotein，簡稱PrP)，由PrP基因編碼，該基因位于人20號染色體，小鼠2號染色體。這種蛋白質存在于神經元和神經膠質細胞表面上，其作用不明確。正常PrP基因產物為PrPc蛋白，對蛋白酶很敏感。具有致病作用的是PrPSc蛋白。當PrPSc分子積累到一定濃度時，就會損傷神經元而發(fā)病。蛋白質感染子的增殖既不