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1、第三章第三章 细胞的概念与分子基础细胞的概念与分子基础第一节第一节 细胞的基本概念细胞的基本概念1.细胞是构成细胞是构成有机体的基本单位有机体的基本单位。2.细胞具有独立完整的代谢体系，是细胞具有独立完整的代谢体系，是代谢与功能的基代谢与功能的基本单位。本单位。3.细胞是有机体细胞是有机体生长与发育的基础。生长与发育的基础。4.细胞是细胞是遗传的基本单位遗传的基本单位，细胞具有遗传的，细胞具有遗传的全能性。全能性。5.没有细胞就没有完整的生命。没有细胞就没有完整的生命。( (一一) )细胞的概念细胞的概念爪爪蟾蟾的的细细胞胞核核移移植植实实验验，证证明明细细胞胞核核的的全全能能性性遗传全能性：
2、生物体中的每一个细胞都包含有全套的遗传信息，都有分化为各类细胞或发育为完整个体的潜能。 二、原核细胞二、原核细胞大大肠肠杆杆菌菌淋淋病病球球菌菌弧弧形形霍霍乱乱菌菌肉肉毒毒梭梭菌菌三、真核细胞三、真核细胞1.细胞的形态：细胞的形态： （一）真核细胞的形态与大小（一）真核细胞的形态与大小与功能相适应与功能相适应 2.细胞的大小细胞的大小大小变异范围：大小变异范围：v人与动物人与动物1010100m,100m, 大多数细胞直径在大多数细胞直径在大多数细胞直径在大多数细胞直径在1020m1020m v人体最大的细胞：卵细胞，直径人体最大的细胞：卵细胞，直径100m100mv人体最小的细胞；小淋巴细胞
3、，直径人体最小的细胞；小淋巴细胞，直径4 45m 5m v生物界最大的细胞：鸵鸟卵细胞，直径达生物界最大的细胞：鸵鸟卵细胞，直径达12cm 12cm v生物界最小的细胞：支原体细胞，直径生物界最小的细胞：支原体细胞，直径0.lm0.lm人卵与精子细胞体积的守恒定律细胞体积的守恒定律 ：各类细胞体积都相：各类细胞体积都相当恒定，生物体器官的大小与细胞的数量成当恒定，生物体器官的大小与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关。正比，而与细胞的大小无关。v无论其种属的差异有多大，同一器官的与组织的细无论其种属的差异有多大，同一器官的与组织的细胞大小通常在一个恒定的范围内。胞大小通常在一个恒定的范围内。光
4、光光光镜镜镜镜下下下下结结结结构构构构细胞膜细胞膜细胞质细胞质细胞核细胞核电电电电镜镜镜镜下下下下结结结结构构构构膜相结构膜相结构膜相结构膜相结构非膜相结构非膜相结构非膜相结构非膜相结构细胞膜细胞膜内质网内质网高尔基复合体高尔基复合体线粒体线粒体溶酶体溶酶体过氧化氢体过氧化氢体核膜核膜核糖体核糖体中心粒中心粒微管微管微丝微丝中等纤维中等纤维细胞质基质细胞质基质核仁核仁染色质染色质核基质核基质（二）真核细胞的基本结构（二）真核细胞的基本结构（三）原核细胞与真核细胞的比较（三）原核细胞与真核细胞的比较原核细胞与真核细胞的比较原核细胞与真核细胞的比较特征特征 原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞细胞大小
5、细胞大小较小（较小（110m）较大（较大（10100 m）膜相结构膜相结构无（除细胞膜外）无（除细胞膜外）有有细胞骨架细胞骨架无，仅有骨架相关蛋白无，仅有骨架相关蛋白有有染染 数目数目色色 形状形状体体 结构结构单条（信息量小）单条（信息量小）环状双链环状双链DNA裸露不与组蛋白结合裸露不与组蛋白结合核糖体核糖体70S(50S+30S)80S(60S+40S)细胞核细胞核无核膜与核仁无核膜与核仁有核膜与核仁有核膜与核仁转录和翻译转录和翻译同时进行（胞质中）同时进行（胞质中）核内转录，胞质中翻译核内转录，胞质中翻译细胞分裂细胞分裂无丝分裂无丝分裂无丝分裂、有丝分裂、减数分裂无丝分裂、有丝分裂、减
6、数分裂数条（信息量大）数条（信息量大）线状双链线状双链DNA与组蛋白结合形成染色质与组蛋白结合形成染色质原核细胞与真核细胞的共同点：原核细胞与真核细胞的共同点：1.都有细胞膜都有细胞膜2.都有都有DNA和和RNA3.都有核糖体参与蛋白质合成都有核糖体参与蛋白质合成4.都能以分裂方式进行繁殖都能以分裂方式进行繁殖四、病毒四、病毒 生物界中，病毒（生物界中，病毒（virus）是惟一的非细胞形态的）是惟一的非细胞形态的生命体。生命体。特点：特点：核酸分子与蛋白质组成的核酸核酸分子与蛋白质组成的核酸-蛋白质复合体蛋白质复合体在活细胞内才能表现出它们的基本生命活动。在活细胞内才能表现出它们的基本生命活动
7、。在电子显微镜下才能看到。在电子显微镜下才能看到。第二节第二节 细胞的分子基础细胞的分子基础原原原原生生生生质质质质组组成成细细胞胞的的物物质质C C C C、H H H H、O O O O、N N N N（90%90%90%90%）S S S S、P P P P、ClClClCl、K K K K、NaNaNaNa、CaCaCaCa、MgMgMgMg、FeFeFeFe（9.9%9.9%9.9%9.9%）微量元素微量元素微量元素微量元素细细细细 胞胞胞胞生物小分子生物小分子生物小分子生物小分子无机小分子无机小分子无机小分子无机小分子有机小分子有机小分子有机小分子有机小分子单糖单糖单糖单糖脂肪酸脂
8、肪酸脂肪酸脂肪酸氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸水水水水无机盐无机盐无机盐无机盐生物大分子生物大分子生物大分子生物大分子核核核核 酸酸酸酸蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质多糖多糖多糖多糖 无机化合物无机化合物无机化合物无机化合物1.1.水水 细胞中含量最大（细胞中含量最大（细胞中含量最大（细胞中含量最大（75%75%75%75%），极性小分子，是），极性小分子，是），极性小分子，是），极性小分子，是良好的溶剂，是细胞内生化反应的场所。良好的溶剂，是细胞内生化反应的场所。良好的溶剂，是细胞内生化反应的场所。良好的溶剂，是细胞内生化反应的场所。游离水游离水游离水游离水结合水结合水结合水结合
9、水一、生物小分子一、生物小分子2.2.无机盐无机盐以以以以离子离子离子离子形式存在。形式存在。形式存在。形式存在。阳离子：阳离子：阳离子：阳离子：NaNaNaNa+ + + +,K,K,K,K+ + + +,Ca,Ca,Ca,Ca2+2+2+2+,Fe,Fe,Fe,Fe2+2+2+2+,Mg,Mg,Mg,Mg2+2+2+2+等等等等阴离子：阴离子：阴离子：阴离子：ClClClCl- - - -,SO,SO,SO,SO4 4 4 42-2-2-2-,PO,PO,PO,PO4 4 4 43-3-3-3-,HCO,HCO,HCO,HCO3-3-3-3-等等等等功能功能功能功能a a a a、维持细胞
10、内外液的、维持细胞内外液的、维持细胞内外液的、维持细胞内外液的渗透压渗透压渗透压渗透压和和和和PHPHPHPH值值值值；b b b b、与蛋白质或脂类结合，组成具有一定功能的、与蛋白质或脂类结合，组成具有一定功能的、与蛋白质或脂类结合，组成具有一定功能的、与蛋白质或脂类结合，组成具有一定功能的结合结合结合结合蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质（如血红蛋白）或（如血红蛋白）或（如血红蛋白）或（如血红蛋白）或类脂类脂类脂类脂（如磷脂）。（如磷脂）。（如磷脂）。（如磷脂）。种类种类种类种类单糖单糖脂肪酸脂肪酸氨基酸氨基酸核苷酸核苷酸有机小分子有机小分子有机小分子有机小分子多糖多糖蛋白质蛋白质核酸核酸糖苷键糖苷
11、键糖苷键糖苷键肽键肽键肽键肽键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键：有机小分子是组成生物大分子的亚单位：有机小分子是组成生物大分子的亚单位：有机小分子是组成生物大分子的亚单位：有机小分子是组成生物大分子的亚单位有有机机小小分分子子生生物物大大分分子子（一）核（一）核 酸酸生物遗传的物质基础生物遗传的物质基础。核核核核 酸酸酸酸脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNADNADNA）核核核核 糖糖糖糖 核核核核 酸（酸（酸（酸（RNARNARNARNA）二二 生物大分子生物大分子核酸的种类核酸的种类糖苷键核核核核苷苷苷苷酯酯 键键核核核核 苷苷苷苷 酸酸酸酸核苷酸核
12、苷酸(nucleotide)核核核核苷苷苷苷酸酸酸酸戊戊戊戊 糖糖糖糖核糖核糖核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖磷磷磷磷 酸酸酸酸碱碱碱碱 基基基基嘧啶：嘧啶：嘧啶：嘧啶：嘌呤：嘌呤：嘌呤：嘌呤：1.化化 学学 组组 成成35磷酸二酯键磷酸二酯键53DNADNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序。分子中脱氧核苷酸的排列顺序。分子中脱氧核苷酸的排列顺序。分子中脱氧核苷酸的排列顺序。WatsonWatson和和和和 Crick Crick提出的提出的提出的提出的DNADNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型双螺旋结构模型双螺旋结构模型二级结构：二级结构：二级结构：二级结构：一级结构：一级结构：一级结构：一
13、级结构：2.DNA的结构与功能的结构与功能 DNADNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型3.4nm含含10个个碱碱基基对对DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型uuDNADNADNADNA是遗传是遗传是遗传是遗传物质，其功物质，其功物质，其功物质，其功能是能是能是能是-储储储储存，复制和存，复制和存，复制和存，复制和传递遗传信传递遗传信传递遗传信传递遗传信息。息。息。息。DNADNA的功能的功能 RNARNARNARNA为单链，可自身回折形成局部假双链（发夹结构）。为单链，可自身回折形成局部假双链（发夹结构）。为单链，可自身回折形成局部假双链（发夹结构）。为单链，可自身回折形成局部假双链（发夹结构）。
14、mRNAmRNAmRNAmRNA ( ( ( (信使信使信使信使RNA)RNA)RNA)RNA)tRNAtRNAtRNAtRNA ( ( ( (转运转运转运转运RNA)RNA)RNA)RNA)rRNArRNArRNArRNA ( ( ( (核糖体核糖体核糖体核糖体RNA)RNA)RNA)RNA)3.RNA的结构与功能的结构与功能snRNAsnRNAsnRNAsnRNA ( ( ( (小核小核小核小核RNA)RNA)RNA)RNA)miRNAmiRNAmiRNAmiRNA ( ( ( (微小微小微小微小RNA)RNA)RNA)RNA)有酶活性的有酶活性的有酶活性的有酶活性的RNARNARNARN
15、A ( ( ( (核酶核酶核酶核酶) ) ) )piRNApiRNApiRNApiRNA mRNA（信使（信使RNA） tRNA（转运（转运RNA） rRNA（核糖体（核糖体RNA）细胞中细胞中含量含量5%10% 5%10% 80%90%存在存在场所场所 细胞质细胞质 细胞质细胞质 核糖体核糖体功能功能作用作用三种三种RNA分子的结构特征和功能作用分子的结构特征和功能作用转录转录DNA中的中的遗传信息，并遗传信息，并带到核糖体上，带到核糖体上，作为合成蛋白作为合成蛋白质的模板。质的模板。运输活化的氨运输活化的氨基酸到核糖体基酸到核糖体上的上的mRNA的的特定位点，特特定位点，特定的定的tRNA
16、运输运输特定的氨基酸特定的氨基酸。为蛋白质为蛋白质合成场所合成场所的核糖体的核糖体的组成成的组成成分。分。（二）蛋白质（二）蛋白质1. 1.蛋白质分子的化学组成蛋白质分子的化学组成蛋白质分子的化学组成蛋白质分子的化学组成蛋白质的基本单位蛋白质的基本单位氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸20202020种它们结构的共同特点：含有氨基的有机酸。种它们结构的共同特点：含有氨基的有机酸。种它们结构的共同特点：含有氨基的有机酸。种它们结构的共同特点：含有氨基的有机酸。或或碱性的氨基碱性的氨基酸性的羧基酸性的羧基侧链侧链两两性性化化合合物物两两性性电电解解质质2. 2.蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构蛋
17、白质的分子结构蛋白质的分子结构由相同或不同的各个氨基酸，按照一定的排列顺序，以特定的化学键方式连接，由相同或不同的各个氨基酸，按照一定的排列顺序，以特定的化学键方式连接，从而组成蛋白质的基本结构。从而组成蛋白质的基本结构。肽肽 键键肽肽 键键 蛋白质分子是由许多氨基酸分子通过蛋白质分子是由许多氨基酸分子通过蛋白质分子是由许多氨基酸分子通过蛋白质分子是由许多氨基酸分子通过肽键肽键，依次缩，依次缩，依次缩，依次缩合而形成多肽链。合而形成多肽链。合而形成多肽链。合而形成多肽链。主链主链蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构1 1 1 1）蛋白质的一级结构）蛋白质的一级结构）蛋白质的一级结构）蛋白质的一级结
18、构多肽链中氨基酸多肽链中氨基酸多肽链中氨基酸多肽链中氨基酸的种类，数目和的种类，数目和的种类，数目和的种类，数目和排列顺序排列顺序排列顺序排列顺序2 2 2 2）蛋白质的二级结构）蛋白质的二级结构）蛋白质的二级结构）蛋白质的二级结构在一级结构的基础上，借在一级结构的基础上，借在一级结构的基础上，借在一级结构的基础上，借氢键氢键氢键氢键在氨基酸残基在氨基酸残基在氨基酸残基在氨基酸残基之间连接，形成局部规则结构，使多肽链成之间连接，形成局部规则结构，使多肽链成之间连接，形成局部规则结构，使多肽链成之间连接，形成局部规则结构，使多肽链成为螺旋或折叠的结构。为螺旋或折叠的结构。为螺旋或折叠的结构。为螺
19、旋或折叠的结构。（氢键）（氢键）（氢键）（氢键） a-a-a-a-螺旋螺旋螺旋螺旋：肽链以右手螺旋盘绕而成：肽链以右手螺旋盘绕而成：肽链以右手螺旋盘绕而成：肽链以右手螺旋盘绕而成的空心筒状构象。的空心筒状构象。的空心筒状构象。的空心筒状构象。 -折叠片层折叠片层折叠片层折叠片层：一条肽链回折而成的：一条肽链回折而成的：一条肽链回折而成的：一条肽链回折而成的平行排列构象。平行排列构象。平行排列构象。平行排列构象。可分为：可分为：可分为：可分为：3 3 3 3）蛋白质的三级结构）蛋白质的三级结构）蛋白质的三级结构）蛋白质的三级结构在二级结构的基础上再行在二级结构的基础上再行在二级结构的基础上再行在
20、二级结构的基础上再行折叠折叠折叠折叠, ,形成复杂的空间结形成复杂的空间结形成复杂的空间结形成复杂的空间结构构构构具有三级结构的蛋白即表现出生物学活性。具有三级结构的蛋白即表现出生物学活性。具有三级结构的蛋白即表现出生物学活性。具有三级结构的蛋白即表现出生物学活性。4 4 4 4）蛋白质的四级结构）蛋白质的四级结构）蛋白质的四级结构）蛋白质的四级结构独立的三级独立的三级独立的三级独立的三级结构的多肽链结构的多肽链结构的多肽链结构的多肽链亚基亚基亚基亚基亚基亚基亚基亚基氢键氢键氢键氢键蛋白质的蛋白质的蛋白质的蛋白质的四级结构四级结构四级结构四级结构蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构生化遗传病OO镰
21、形细胞贫血镰形细胞贫血镰形细胞贫血镰形细胞贫血(sickle cell anemia)(sickle cell anemia)血红蛋白血红蛋白6 6 G GA AGGGGT TG G，谷氨酸，谷氨酸缬氨酸缬氨酸 发病机制：发病机制：蛋白质的结构与功能的关系蛋白质的结构与功能的关系（1）一级结构一级结构是蛋白质功能的基础。是蛋白质功能的基础。 （2）结构域结构域是大分子蛋白质的结构组成单元是大分子蛋白质的结构组成单元组成一个结构域的氨基酸残基通常在组成一个结构域的氨基酸残基通常在40350之间。之间。具有相同结构域的蛋白具有类似功能。具有相同结构域的蛋白具有类似功能。通常通过结构域去推断某些蛋白
22、质的功能。通常通过结构域去推断某些蛋白质的功能。Src蛋白的结构域蛋白的结构域 （3） 蛋白质功能的发挥与其构象的改变密切相关蛋白质功能的发挥与其构象的改变密切相关如如磷酸化与去磷酸化磷酸化与去磷酸化使蛋白质构象改变使蛋白质构象改变,影响功能发挥。影响功能发挥。Cell and Molecular Basis3 蛋白质的分类蛋白质的分类外外外外形形形形纤维蛋白：纤维蛋白：纤维蛋白：纤维蛋白：球形蛋白：球形蛋白：球形蛋白：球形蛋白：角蛋白角蛋白角蛋白角蛋白酶蛋白，免疫球蛋白酶蛋白，免疫球蛋白酶蛋白，免疫球蛋白酶蛋白，免疫球蛋白功功功功能能能能调节蛋白：调节蛋白：调节蛋白：调节蛋白：转运蛋白：转运
23、蛋白：转运蛋白：转运蛋白：收缩蛋白：收缩蛋白：收缩蛋白：收缩蛋白：抗体蛋白：抗体蛋白：抗体蛋白：抗体蛋白：催化蛋白：催化蛋白：催化蛋白：催化蛋白：胰岛素胰岛素胰岛素胰岛素血红蛋白血红蛋白血红蛋白血红蛋白肌动蛋白，肌球蛋白肌动蛋白，肌球蛋白肌动蛋白，肌球蛋白肌动蛋白，肌球蛋白免疫球蛋白免疫球蛋白免疫球蛋白免疫球蛋白蛋白酶蛋白酶蛋白酶蛋白酶 组组组组成成成成成成成成分分分分单纯蛋白：单纯蛋白：单纯蛋白：单纯蛋白：结合蛋白：结合蛋白：结合蛋白：结合蛋白：指单纯由氨基酸组成的蛋白质。指单纯由氨基酸组成的蛋白质。指单纯由氨基酸组成的蛋白质。指单纯由氨基酸组成的蛋白质。（白蛋白，球蛋白，组蛋白）（白蛋白，
24、球蛋白，组蛋白）（白蛋白，球蛋白，组蛋白）（白蛋白，球蛋白，组蛋白）指单纯蛋白和非蛋白质类物质结合，指单纯蛋白和非蛋白质类物质结合，指单纯蛋白和非蛋白质类物质结合，指单纯蛋白和非蛋白质类物质结合，非蛋白质物质称辅基。（核蛋白，非蛋白质物质称辅基。（核蛋白，非蛋白质物质称辅基。（核蛋白，非蛋白质物质称辅基。（核蛋白，糖蛋白，脂蛋白）糖蛋白，脂蛋白）糖蛋白，脂蛋白）糖蛋白，脂蛋白） 大致分为三个阶段：大致分为三个阶段：大致分为三个阶段：大致分为三个阶段：1 1 1 1、原始细胞的形成、原始细胞的形成、原始细胞的形成、原始细胞的形成2 2 2 2、原核细胞到真核细胞的演化、原核细胞到真核细胞的演化、
25、原核细胞到真核细胞的演化、原核细胞到真核细胞的演化3 3 3 3、单细胞生物到多细胞生物、单细胞生物到多细胞生物、单细胞生物到多细胞生物、单细胞生物到多细胞生物推断的细胞起源与进化时间表推断的细胞起源与进化时间表年代（距今）年代（距今）发生事件发生事件45亿年亿年地球诞生地球诞生44亿年亿年海洋出现海洋出现38亿年亿年原始生命出现原始生命出现35亿年亿年蓝细菌形成蓝细菌形成15亿年亿年真核细胞形成真核细胞形成12亿年亿年多细胞生物出现多细胞生物出现1、从无机小分子形成有机小分子、从无机小分子形成有机小分子米勒实验米勒实验2 2 从有机小分子形成生物大分子从有机小分子形成生物大分子 蛋白质（pr
26、otien）有机小分子 核酸（nucleic acid）自我复制自我复制 把氨基酸混合物倒在把氨基酸混合物倒在 160160o o-200-200o o 的热沙土的热沙土或粘土上，随着水分蒸发，氨基酸浓缩并化或粘土上，随着水分蒸发，氨基酸浓缩并化合，经合，经 0.53.0 0.53.0 小时，生成类似蛋白质的小时，生成类似蛋白质的大分子。大分子。在在 5050o o-60-60o o 条件下，类似的实验，可使单条件下，类似的实验，可使单核苷酸聚合成多核苷酸。核苷酸聚合成多核苷酸。美国福克斯（美国福克斯（F.Fox)F.Fox)合成生命大分子实验合成生命大分子实验：3 3 从生物大分子物质组成多
27、分子体系从生物大分子物质组成多分子体系奥巴林团聚体实验奥巴林团聚体实验福克斯微球体假说福克斯微球体假说以蛋白质为主体形成微球体4 多分子体系演变为原始生命多分子体系演变为原始生命目前无法在实验室里验证目前无法在实验室里验证（二）原始细胞形成的关键（二）原始细胞形成的关键1 1、具有、具有自我复制能力自我复制能力的多聚体的形成的多聚体的形成2、膜的出现膜的出现与原始细胞的诞生与原始细胞的诞生 保持多核苷酸自我复制保持多核苷酸自我复制磷脂分子自发装配成膜结构磷脂分子自发装配成膜结构 避免优质蛋白丢失避免优质蛋白丢失二二 原核细胞向真核细胞的演化原核细胞向真核细胞的演化 内部结构分化，自然选择的结果
28、内部结构分化，自然选择的结果 三 单细胞生物向多细胞生物的进化 从聚集到分工从聚集到分工单细胞生物向多细胞生物的进化单细胞生物向多细胞生物的进化 粘细菌的生活史粘细菌的生活史 多细胞生物的两个多细胞生物的两个多细胞生物的两个多细胞生物的两个基本特点基本特点基本特点基本特点： 细胞产生了特化；细胞产生了特化；细胞产生了特化；细胞产生了特化； 细胞之间协同合作。细胞之间协同合作。细胞之间协同合作。细胞之间协同合作。 本章节重点本章节重点zz细胞概念的理解细胞概念的理解zz真核细胞膜相结构与非膜相结构真核细胞膜相结构与非膜相结构zz常见细胞的体积，细胞体积守恒定律常见细胞的体积，细胞体积守恒定律zz原核细胞与真核细胞的异同点原核细胞与真核细胞的异同点zzRNARNA主要的三大类型及其功能主要的三大类型及其功能
