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1、第二章细胞的概念与分子基础细胞生物学细胞生物学一、细胞是生命活动的基本单位构成有机体的基本单位是代谢与功能的基本单位是有机体生长与发育的基础是遗传的基本单位细胞的基本概念细胞的基本概念没有细胞就没有细胞就没有完整的生命！没有完整的生命！上世纪60年代，H.Ris将细胞分为两类原核细胞（prokaryoticcell）真核细胞（eukaryoticcell）21990年，Woese提出生物界分3个域，细菌域，古菌域和真核域细菌域：支原体、衣原体、立克次体、细菌、放线菌、蓝藻等（真细菌）古菌域：产甲烷菌、盐杆菌、热原质体等（古细菌）真核域：真菌、植物、动物和人类细胞的基本概念细胞的基本概念二、原核
2、细胞结构简单，细胞质中裸露DNA拟核（nucleoid）含核糖体，无膜性细胞器体积小，一至几个微米有细胞壁（cellwall）：蛋白多糖和糖脂细胞的基本概念细胞的基本概念1.支原体(mycoplasma)是最小最简单的细胞直径0.10.3m，细胞膜由磷脂和蛋白质构成，无细胞壁，具有核糖体环状双链DNA分子散在存在，仅指导400种蛋白质合成肺炎、脑炎、尿道炎病原体2.细菌(bacteria)是原核细胞的典型代表110m大小，分为球菌、杆菌和螺旋菌细胞壁的主要成分为肽聚糖；有些菌壁外有多肽和多糖组成荚膜细胞膜常分为内膜、外膜和膜间隙；内膜上有呼吸链酶等细胞膜有时内陷形成中间体，与DNA复制和细胞分
3、裂有关环状DNA分子，无内含子；胞质中常有环状的DNA（质粒）每个菌5千-5万个核糖体（70S），大多游离，少数附着膜内表面细胞的基本概念细胞的基本概念3.古细菌多生活在极端环境中产甲烷菌、盐杆菌、硫化叶菌、热原质体原核细胞特征：无核膜及内膜系统真核细胞的特征：以甲硫氨酸起始合成蛋白质、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶与真核细胞相似、DNA有内含子并结合组蛋白特殊的特征：细胞膜中的脂类不能皂化(指在碱性条件下，油脂水解生成羧酸盐和醇的反应)，细胞壁不含肽聚糖、胞壁酸、D型氨基酸及二氨基庚二酸细胞的基本概念细胞的基本概念沙漠中的耐辐射球菌沙漠中的耐辐射球菌三、真核细胞具有核膜包围的细胞核形态各
4、异：圆形、椭圆形、立方形、扁平、梭形、多角形大小1020m，人卵细胞约100m基本结构细胞的基本概念细胞的基本概念1. 脂质与蛋白质为基础的生物膜系统单位膜厚 8-10nm；功能：物质交换、信息传递、细胞识别、代谢调节2. 核酸-蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统DNA与蛋白质结合3. 特异蛋白质分子构成细胞骨架系统微管、微丝、中间纤维维持细胞形态参与物质运输、细胞分裂、信息传递；核骨架核纤层蛋白参与基因表达、染色体包装、分布4. 细胞质溶胶细胞溶胶占细胞总体积一半，是代谢反应的场所，主要成分为蛋白质（酶），还有多糖、脂蛋白、RNA，及水和无机离子K+ Na+ Cl- Mg2+ Ca2+ 等
5、细胞的基本概念细胞的基本概念特征特征原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞细胞结构细胞结构 核膜、核仁、线粒体、内质核膜、核仁、线粒体、内质 网、高尔基复合体、溶酶体网、高尔基复合体、溶酶体无无有有 细胞骨架细胞骨架有相关蛋白有相关蛋白有有 核糖体核糖体有，有，70S有有80S基因组结构基因组结构 DNA量（信息量）量（信息量）少少大大 DNA分子结构分子结构环状环状线状线状 染色质或染色体染色质或染色体仅有一条裸露仅有一条裸露DNA，不与组蛋白结合，与不与组蛋白结合，与少量类组蛋白结合少量类组蛋白结合有有2个以上个以上DNA分子，分子，DNA与组蛋与组蛋白和部分酸性蛋白结合，以核小白和部分酸性蛋白
6、结合，以核小体及各级高级结构构成染色质和体及各级高级结构构成染色质和染色体染色体 基因结构特点基因结构特点无内含子及重复序列无内含子及重复序列有内含子及大量重复序列有内含子及大量重复序列转录与翻译转录与翻译在胞质内同时进行在胞质内同时进行核内转录，胞质内翻译核内转录，胞质内翻译转录与翻译后大分子加工修饰转录与翻译后大分子加工修饰无无有有细胞分裂细胞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、减数分裂、无丝分裂原核细胞与真核细胞的比较原核细胞与真核细胞的比较四、非细胞生命形态病毒核酸-蛋白质 形成复合体含DNADNA病毒；含RNARNA病毒（HIV病毒）；仅由RNA组成类病毒（植物
7、宿主）；仅由蛋白质组成朊病毒（疯牛病病毒）细胞的基本概念细胞的基本概念肝炎病毒HIV病毒疯牛病病毒（朊病毒）10细胞的基本概念细胞的基本概念病毒是不完整生命体，彻底的寄生物分为动物病毒、植物病毒、细菌病毒（噬菌体）动物病毒多数通过“主动吞饮”进入宿主细胞利用宿主细胞的代谢系统，以病毒核酸为模板，复制转录翻译，装配新病毒颗粒并释放出来继续感染其他细胞。噬菌体细胞的基本概念细胞的基本概念12组成细胞的物质称为原生质（protoplasm）含50多种化学元素：C、H、O、N 占90%；S、P、Cl、K、Na、Ca、Mg、Fe 以上共占99.9% 一、生物小分子（一）水和无机盐是细胞内的无机化合物水：
8、游离水、结合水以氢键结合蛋白质；无机盐：离子状态存在。游离于水的维持渗透压、PH值；与蛋白质或脂类结合形成有功能的大分子（二）有机小分子是组成生物大分子的亚单位 有机小分子：分子量1001000 碳化合物，碳原子可多达30个左右分四种：单糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸细胞的分子基础细胞的分子基础二、生物大分子细胞中约有3000种大分子，分子量：1万100万；主要为核酸、蛋白质、多糖（一）核酸携带遗传信息核糖核酸RNA(ribonucleicacid)脱氧核糖核酸DNA(deoxyribonucleicacid)1. 核酸的化学组成 几十个几百万个 核苷酸 聚合而成细胞的分子基础细胞的分子基础核苷酸
9、碱基：嘌呤(A/G)、嘧啶(C/T/U)戊糖磷酸核苷D-核糖D-2-脱氧核糖两类碱基：嘌呤碱：腺嘌呤adenine（A）鸟嘌呤guanine（G）嘧啶碱：胞嘧啶cytosine（C）胸腺嘧啶thymine（T）尿嘧啶uracil（U）细胞的分子基础细胞的分子基础核苷酸的组成：碱基 + 戊糖(核糖) = 核苷 嘧啶第1位或嘌呤第9位氮原子与核糖第1位碳原子形成糖苷键核苷 + 磷酸 = 核苷酸 核糖第5位羟基与磷酸形成酯键核苷酸之间或脱氧核苷酸之间只有碱基不同，所以可用碱基排列顺序代表RNA或DNA组成顺序，称为一级结构核苷酸的类型：dAMP、dGMP、dCMP、dTMPDNAAMP、GMP、CM
10、P、UMPRNA少量修饰碱基(稀有碱基)：6-甲基嘌呤、5-甲基胞嘧啶、5-羟基胞嘧啶 等，主要分布于RNA分子上环化核苷酸： 3,5-环化腺苷酸cAMP 3,5-环化鸟苷酸cGMP第二信使 细胞的分子基础细胞的分子基础2.DNA摩尔浓度：A=TG=C1953年Watson和Crick提出DNA分子双螺旋结构模型(B-DNA)DNA分子由两条相互平行而方向相反的多核苷酸链组成，由磷酸二酯键连接，方向一条53，另一条35两条链围绕同一个中心轴，右手螺旋方向盘绕成双螺旋螺旋的主链由位于外侧的间隔相连的脱氧核糖和磷酸组成，双螺旋的内侧由碱基构成，且按碱基互补原则：A=TGC碱基位于同一平面，垂直于螺
11、旋纵轴，相邻碱基之间距离0.34nm，10个碱基构成一个螺距3.4nm螺旋直径2nm；右手螺旋结构上存在两条凹沟：大沟和小沟细胞的分子基础细胞的分子基础碱基互补原则：碱基互补原则： A=T GCDNA结构细胞的分子基础细胞的分子基础小沟大沟右手螺旋右手螺旋 左手螺旋左手螺旋DNA主要功能：储存、复制、传递遗传信息一段DNA分子由n个核苷酸组成，排列顺序4n种，导致遗传信息多样性、生物多样性生物体一套完整的单倍遗传物质基因组（染色体组）人类基因组 DNA碱基数为31.647亿个bp（碱基对）; A+T 54% G+C 38%；外显子：1.1%1.4%；内含子：24%；非编码：75%基因数目：23
12、万个，长度：230Kbp 重复序列：50%以上；个体间核苷酸差异：0.1%遗传信息表达：复制(replication) 半保留复制 转录(transcription) DNARNA 翻译(translation) RNA蛋白质 细胞的分子基础细胞的分子基础22动物细胞内主要含有的RNA种类及功能RNA种类存在部位功能mRNA细胞核与细胞质，线粒体(mtmRNA)蛋白质合成模板rRNA细胞核与细胞质，线粒体(mtrRNA)核糖体的组成成分tRNA细胞核与细胞质，线粒体(mttRNA)转运氨基酸，参与蛋白质合成snRNA细胞核参与mRNA前体的剪接、加工miRNA细胞核与细胞质基因表达调节piRN
13、A细胞核与细胞质基因表达调节核酶细胞核与细胞质催化RNA剪接3.RNA跟DNA相同：由3,5-磷酸二酯键连接而成跟DNA区别：U替代T；戊糖为核糖RNA单链可折叠，形成局部双螺旋发夹结构(1)mRNA占细胞内总RNA的1%5%每三个核苷酸组成1个密码子，决定1个aa真核生物mRNA特有：5端有帽子结构7-甲基三磷酸鸟苷，3端有多聚腺苷酸尾巴PolyAmRNA分子中每三个相邻碱基，组成一个密码子(codon)，密码子确定氨基酸组成真核生物mRNA在合成后，需要一系列加工，成为合成蛋白质模板细胞的分子基础细胞的分子基础mRNA指导特定蛋白质合成的过程称为翻译（translation）原核细胞的mR
14、NA是 多顺反子(polycistron)一个RNA分子可携带几种蛋白质遗传信息，指导几种蛋白质合成真核细胞的mRNA是 单顺反子(monocistron)每分子RNA只携带一种蛋白质信息细胞的分子基础细胞的分子基础两种细胞的mRNA的5 端和3 端，各有30至几百个核苷酸的非翻译区(UTR)，是翻译调控的靶点(2)rRNA占RNA总量的8090，分子量在RNA中最大单链结构，主要功能参与构成核糖体真核细胞核糖体（80S）含5S、5.8S、28S和18S四种rRNA原核细胞核糖体（70S）含5S、23S和16S三种rRNA核糖体是细胞合成蛋白质的机器，rRNA占核糖体总量60%，蛋白质占40%
15、细胞的分子基础细胞的分子基础(3)tRNA占细胞RNA总量的510分子量较小，含7090个核苷酸；特点是含稀有碱基tRNA部分折叠成双链，结构呈三叶草形，tRNA3末端柄部的CCA-OH共价结合特定氨基酸相对的反密码环上三个碱基构成反密码子(anticodon)，反密码子可识别mRNA上相应的密码子，并结合（配对）其功能是转运氨基酸到核糖体合成蛋白质反转录病毒在细胞内复制时，需要细胞内的tRNA为引物，如：色氨酸-tRNA、脯氨酸-tRNA细胞的分子基础细胞的分子基础(4)snRNA真核细胞核内的小分子RNA，含70300个核苷酸，称小核RNA(smallnuclearRNA,snRNA)不及
16、总RNA1%，但snRNA的拷贝数很多，约100200万个/细胞已发现snRNA20多种，大多富含尿苷酸（U），称U-snRNAU-snRNA的5端含甲基化稀有碱基，形成特有的帽子结构，常见为2,2,7-三甲基三磷酸鸟苷（m32,2,7Gppp）主要功能：参与基因转录产物的加工细胞的分子基础细胞的分子基础(5)miRNAmicroRNA(微小RNA)，长2125nt的非编码RNA，其前体7090nt，具有发夹结构最先在秀丽隐小杆线虫发现，随后在哺乳动物中不断发现新miRNA，哺乳动物基因的近1%可能编码miRNA。miRNA普遍存在于生物界，具有高度保守性，参与细胞分化与发育的基因表达调控细胞
17、的分子基础细胞的分子基础miRNA的形成与作用机制Dicer酶是双链RNA专一性RNA内切酶；Dicer酶可将外源双链RNA也加工成22nt(nucleotide)左右的siRNA(smallinterferenceRNA)siRNA同样使序列互补的mRNA降解，从而高效、特异阻断特定基因的表达，这种现象“RNA干扰(RNAinterference,RNAi)”RNA干扰的发现，不仅揭示了细胞内的基因沉默机制，已经成为基因功能分析的有力工具(6)piRNAPiwi-interactingRNA，一种2930个碱基的小型RNA分子，主要存在哺乳动物睾丸的生殖细胞中，与Piwi蛋白结合形成piRN
18、A复合物，发挥RNA沉默效应。(7)核酶1981年ThomasCech在原生动物四膜虫中发现具有酶活性的RNA，当去除所有蛋白质后，rRNA剪接仍可完成核酶是RNA分子，底物也是RNA分子，通过与序列特异性的靶RNA分子配对，而发挥作用目前发现多种类型具有催化活性的天然核酶人工合成锤头状和发夹状核酶，功能很好可根据锤头结构模式，设计破坏致病基因的转录产物，为基因治疗提供新的途径细胞的分子基础细胞的分子基础（二）蛋白质表达遗传信息蛋白质占细胞干重50%以上，决定细胞形态结构、执行重要生理功能1.蛋白质的组成氨基酸(aminoacid,aa)：由一个羧基(COOH)，一个氨基(NH2)和一个特异的
19、侧链基团(-R)组成，仅20种参与蛋白形成侧链的带电性和极性不同，分为四大类：酸性氨基酸、碱性氨基酸、中性极性氨基酸、中性非极性氨基酸酸性氨基酸：谷氨酸、天冬氨酸碱性氨基酸：精氨酸、赖氨酸、组氨酸细胞的分子基础细胞的分子基础一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱水缩合成 肽键，组成肽链2. 蛋白质的结构1958年John Kendrew 首次确定了153aa组成的肌红蛋白的三级结构蛋白质共同结构特征：多肽链的折叠与肽链合成同时进行新生肽链经过折叠和构象调整，才具有功能可溶性蛋白质分子伴侣，参与辅助蛋白质折叠和构象形成根据其折叠程度的不同，通常将蛋白质的分子结构分为四级：细胞的分子基础细胞的分子
20、基础肌红蛋白的三维结构肌红蛋白的三维结构一级结构：组成蛋白质的氨基酸的种类、数量和排列顺序构象形成的基础。二级结构：在蛋白质一级结构基础上形成的，是由于肽链主链内的氨基酸残基之间有规则形成氢键的结果，包括 -螺旋和 -折叠片。-螺旋：3.6个aa盘旋一周，相邻螺旋之间，肽键的亚氨基（-NH）中的H与羰基（-CO）的O，形成 氢键，与螺旋长轴平行。细胞内的多肽合成后，自发形成-螺旋，这是多肽链最稳定的构象，主要存在于球状蛋白分子中。-折叠片：多肽分子处于伸展状态，多肽链反复折叠，反向平行，相邻肽段之间形成 氢键-折叠片主要存在于纤维状蛋白分子中大多数蛋白质中此两种结构同时存在三级结构：指肽链不同
21、区域的氨基酸侧链间相互作用而形成的肽链折叠。主要化学键：氢键、离子键、疏水作用和范德华力三级结构蛋白质即表现出生物学活性，某些蛋白质结构复杂，需要一条以上的具有三级结构的肽链组成，形成四级结构细胞的分子基础细胞的分子基础四级结构：两条以上具有独立三级结构的多肽链，通过非共价键相互连接形成的多聚体。每条具有独立三级结构的多肽链则称为此蛋白质的亚基。拥有四级结构的蛋白质，只有所有亚基结合一起，才具有生物学活性。蛋白质的变性：蛋白质去折叠、松散蛋白质的复性：破坏非共价键，通过还原剂回复原有构象3.蛋白质的结构与功能的关系蛋白质的功能取决于其构象研究推测蛋白质功能的重要依据；血红蛋白链第6位的谷氨酸被
22、缬氨酸取代，形成异常血红蛋白(构象变化)，镰刀形红细胞贫血。结构域(多肽链的独立折叠单位)包含的aa在40350之间，每个蛋白质分子有1至多个结构域，不同结构域有不同功能；具有类似结构域的蛋白质往往有类似功能。细胞的分子基础细胞的分子基础构象改变影响蛋白质功能的发挥最常见的方式：蛋白质的磷酸化与去磷酸化可引起构象改变蛋白质的磷酸化：通过蛋白激酶将ATP末端的一个磷酸基团共价连接到蛋白质的丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸 侧链的羟基基团上；其逆反应由蛋白质磷酸酶催化蛋白质去磷酸化细胞的分子基础细胞的分子基础蛋白质磷酸化与去磷酸化 是真核细胞完成信息传递的分子基础GTP结合蛋白形成分子开关GTP结合蛋白通过
23、结合GTP或GDP改变构象，达到类似蛋白磷酸化和去磷酸化的效果与GTP结合有活性，与GDP结合无活性GTP结合蛋白的活化或去活化跟信息传递相关细胞的分子基础细胞的分子基础4.酶是一类特殊类型的蛋白质生物体细胞产生的具有催化活性的蛋白质特点：催化效率极高、高度专一性，高度不稳定性一些氨基酸残基因折叠而彼此接近，形成催化区域酶的活性中心一些酶有变构位点可结合变构剂，影响构象，调节酶的活性细胞的分子基础细胞的分子基础（三）多糖存在于细胞膜表面和细胞间质中单糖简单重复寡糖、多糖；由许多不同单糖分子组成的非重复短链，这些复杂寡糖通常与蛋白质或者脂质连接在一起，形成细胞表面的一部分。糖的主要存在形式：糖蛋
24、白、蛋白聚糖、糖脂、脂多糖糖蛋白：共价结合糖的蛋白质，糖链与肽链的连接方式有两种：N-糖肽键指糖碳原子上的羟基，与肽链的天冬酰胺残基上的酰胺基，脱水形成的糖苷键O-糖肽键指糖碳原子上的羟基，与肽链的氨基酸残基(丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸)的羟基，脱水形成的糖苷键细胞的分子基础细胞的分子基础糖脂：含糖类的脂质，分为四类：鞘糖脂(哺乳类主要存在形式)、甘油糖脂、磷酸多萜醇衍生糖脂、类固醇衍生糖脂哺乳类的鞘糖脂：中性鞘糖脂、神经节苷脂(含唾液酸)、硫苷脂(硫酸化)质膜上新发现的复合糖类糖基磷脂酰肌醇(GPI)，可结合某些蛋白使之锚定在质膜上糖链在构成细胞抗原、细胞识别、细胞粘附、信息
25、传递中均发挥重要作用。细胞的分子基础细胞的分子基础一、原始细胞的形成原始生命是由原始地球上的非生命物质通过化学作用，经过漫长的自然演化过程逐步形成的。无机小分子形成有机小分子 生命起源于早期地球“有机汤”有机小分子形成生物大分子 生物大分子组成多分子体系 形成“微球体” 多分子体系演变为原始生命 核酸-蛋白质微滴增大分裂，周而复始。出现原始新城代谢和遗传特征原始生命产生细胞的起源与进化细胞的起源与进化微球体微球体Miller模拟实验细胞的起源与进化细胞的起源与进化（二）原始细胞的形成具有自我复制能力的多聚体的形成 原始核酸多聚体和氨基酸多聚体 相互依存相互作用；核酶催化核酸剪接，催化肽键形成膜
26、的出现与原始细胞的诞生 原始细胞跟支原体相似，只是遗传物质为RNA而不是DNA；DNA储存的遗传信息更稳定，还可修补细胞的起源与进化细胞的起源与进化二、原核细胞向真核细胞演化原始细胞是异养型原始生物，只有进化出自养型，生命才能延续蓝藻类原核生物的产生。细胞膜、DNA、RNA、核糖体的出现是原核细胞诞生的标志。47真核细胞起源假说：1.分化起源说内部结构分化+自然选择网膜系统、胞核系统、能量转换系统细胞的起源与进化细胞的起源与进化2.内共生起源说原始厌氧菌吞食需氧菌演化代谢复杂需要更多膜细胞膜内陷各种细胞器细胞的起源与进化细胞的起源与进化三、单细胞生物向多细胞生物的进化多细胞进化的早期单细胞聚集
27、成群体粘细菌多细胞进化的重要特点细胞分化团藻细胞的起源与进化细胞的起源与进化1.体积最小的完整生命是什么？2.原核生物与真核生物最主要的区别是什么？共有哪些区别？3.生命的主要四种元素是什么？4.有机小分子主要有哪几种？5.单糖聚合成多糖，通过什么键？6.碱基与核糖形成核苷时，通过什么键？7.核苷酸聚合成核酸时，通过什么键？8.B-DNA的双螺旋结构是怎样的？9.什么是 碱基互补配对原则？10.RNA与DNA的相同与不同处有哪些？11.真核生物的mRNA特征结构有哪些？12.rRNA占细胞内总RNA的百分比是？13.真核生物的核糖体的rRNA有哪些？14.原核生物的核糖体的rRNA有哪些？15
28、.rRNA占核糖体的总重量的百分比是？16.tRNA的结构特点有哪些，有什么功能？复习参考复习参考17.snRNA的数量、分布和功能？18.成熟miRNA有多大，由什么酶加工成熟？19.成熟miRNA在哪里，有什么功能？20.核酶最早在什么生物中发现？有什么特点？21.氨基酸之间缩合成什么键，形成肽链？22.蛋白质的一级结构至四级结构各是什么？23.维持蛋白质的一级结构至四级结构各需要什么键？24.酸性氨基酸和碱性氨基酸各有哪些？25.蛋白质的磷酸化与去磷酸化各由什么酶催化，由什么分子提供磷酸基团？26.GTP结合蛋白有什么特点，功能是什么?27.酶的三大特性是什么？28.什么是寡糖？它的主要
29、存在形式和定位？29.糖链与肽链的连接方式主要有哪两种？30.哺乳类主要的糖脂类型是？31.细胞表面的寡糖链的主要作用是？复习参考复习参考掌握：细胞的概念、生物小分子的组成及作用、核酸的化学组成、核苷酸的组成、核苷酸的聚合、核苷酸的类型、DNA分子双螺旋结构模型、mRNA的分子结构与特点、rRNA的含量与种类及分子结构、tRNA的分子结构、氨基酸的基本组成、蛋白质的一至四级结构、蛋白质的磷酸化与去磷酸化、酶的三大特性、糖在细胞表面的主要存在形式、糖链与肽链的两种连接方式、哺乳类细胞膜的糖脂类型、细胞表面寡糖链的主要作用熟悉：原核细胞（支原体、细菌、古细菌）和真核细胞及其病毒的结构特点区别、细胞的起源与进化、miRNA及siRNA（RNA干扰）、酸性氨基酸与碱性氨基酸各包括哪些、蛋白质的结构域了解：snRNA、核酶、四类糖脂大纲大纲
