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1、第二章 细胞的概念与分子基础主要内容一、细胞的基本概念二、细胞的起源与进化三、细胞的分子基础医学细胞的概念与分子基础第一节 细胞的基本概念一、细胞是生命活动的基本单位有机体结构组成的基本单位具有独立完整的代谢体系，是代谢与功能的基本单位生长与发育的基础遗传的基本单位1990年，Woese提出生物界分3个域，细菌域，古菌域和真核域原核细胞，古核细胞和真核细胞医学细胞的概念与分子基础生命进化谱系生命进化谱系蓝细菌动物植物原核生物原核生物真核细胞真核生物真核生物甲烷球菌古核生物古核生物Woese 提出的三大界假说提出的三大界假说真细菌真细菌古细菌古细菌原核细胞古核细胞医学细胞的概念与分子基础二、原核
2、细胞1.特点结构简单，体积小 细胞膜包裹细胞质和DNA，拟核（nucleoid） 直径110 m，含核糖体，无膜性细胞器有细胞壁（cell wall）医学细胞的概念与分子基础2.常见的原核细胞最小最简单的细胞支原体（mycoplasma）直径0.10.3 m惟一细胞器是核糖体环状DNA仅指导400种蛋白质合成医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础细菌（bacteria）原核细胞的典型代表，广泛存在于自然界110 m大小，分为球菌、杆菌和螺旋菌细胞壁主要成分是肽聚糖有些在细胞壁外有多肽和多糖组成的荚膜中间体是细胞膜内陷造成的，与DNA复制和细胞分裂有关细菌核糖体沉降系数70S，大亚基5
3、0S，小亚基30S医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础古细菌可在极端环境下生存，如盐杆菌，硫化叶菌，热原质体具有原核细胞特征：无核膜及内膜系统也有真核细胞的特征：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特殊的特征：细胞膜中的脂类不能皂化，细胞壁不含肽聚糖、胞壁酸、D型氨基酸及二氨基庚二酸。医学细胞的概念与分子基础三、真核细胞（一）真核细胞的形态与大小形态 多样，球形、椭圆形、立方形、扁平形、梭形和三角形等大小 1020 m，人卵细胞100 m医学细胞的概念与分子基础（二）基本结构显微结构 memebrane，cytoplasm，nucleus， n
4、ucleolus亚显微结构 细胞器：内质网，高尔基复合体，线粒体，溶酶体，细胞骨架等医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础膜性结构生物膜 细胞膜和细胞内膜（除质膜以外的其他膜结构）的总称。单位膜（unit membrane） 透射电镜下生物膜呈现“两暗夹一明”的三层结构，厚约8nm，称为单位膜。细胞膜的主要功能 物质交换、信息传递、细胞识别、代谢调节 医学细胞的概念与分子基础细胞骨架细胞内纤维状蛋白组成的网状结构系统由微管、微丝和中间纤维组成维持细胞的形态结构，参与细胞运动，细胞内物质运输，细胞分裂和信息传递医学细胞的概念与分子基础遗传信息表达系统DNA-蛋白质组成细胞内的染色质RN
5、A-蛋白质颗粒构成核仁成分DNA与蛋白质的结合与包装程度决定了DNA复制和遗传信息的表达医学细胞的概念与分子基础核糖体非膜性结构 RNA和蛋白质组成60%RNA，40%蛋白质直径1525nm蛋白质合成的机器医学细胞的概念与分子基础细胞质溶胶细胞内除细胞器和细胞骨架结构以外的均质半透明液体，呈溶胶状，主要成分是蛋白质含多糖、脂蛋白、RNA等大分子含水和无机离子代谢反应，物质运输、能量传递、信息传递医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础植物细胞、动物细胞和细菌医学细胞的概念与分子基础四、病毒（virus）非细胞形态生命体最小、结构最简单的生命存在形式是核酸-蛋白质复合体DNA病毒和RNA
6、病毒类病毒（viroid）仅由RNA组成朊病毒（prion）仅由蛋白质组成动物病毒、植物病毒和细菌病毒（噬菌体）病毒进入细胞的主要方式靠细胞的主动吞饮医学细胞的概念与分子基础病毒和噬菌体医学细胞的概念与分子基础腺病毒疱疹病毒肝炎病毒HIV病毒医学细胞的概念与分子基础噬菌体医学细胞的概念与分子基础第二节 细胞的起源与进化无机物 有机物 原始细胞 古核细胞原核细胞 真核细胞医学细胞的概念与分子基础细胞起源研究三方面cell 生命进化谱系三大界Prokaryocyte 原核生物（prokaryote）Eukaryocyte 真核生物（eukaryote）Archaeocyte 古核生物（archae
7、on） Archaebacteria（古细菌） 医学细胞的概念与分子基础一、从分子到细胞的进化简单有机小分子的形成 H2+CH4+NH3电离火花氨基酸 Miller的实验证明了无机分子可自发形成有机分子生物大分子的形成 氨基酸混合加热多肽 特征：自我复制核酸 RNA被公认为最初的遗传物质细胞的出现 兼性分子phospholipid在水中自发聚合成双层结构,包裹自我复制的RNA指导蛋白质合成原始细胞医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础Millers simulated experiment医学细胞的概念与分子基础二、从原核细胞到真核细胞的演进结构简单的原核生物 分支为二：生活在极端环
8、境下的古细菌； 进化为现存细菌的真细菌 球状、杆状和螺旋形，直径1 10m DNA含量610 56base pair 编码5000种不同蛋白质 细胞壁由多糖和肽组成，细胞膜由磷脂双层和蛋白质组成 最大的原核生物：蓝细菌光合作用医学细胞的概念与分子基础真核细胞具有各种细胞器有直径5m的细胞核、及其中的核仁各种膜性细胞器：线粒体、叶绿体、溶酶体、过氧化物酶体、内质网、高尔基体细胞骨架医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础eukaryocyte医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础内共生假说： 细胞器（线粒体、叶绿体）由寄生其内的细菌（古细菌、光合细菌）进
9、化而来医学细胞的概念与分子基础内共生医学细胞的概念与分子基础三、从单细胞生物到多细胞生物的发展单细胞真核生物的形成 单个细胞自我复制，比细菌复杂 有特定细胞器完成各种生命活动多细胞生物的发育 17亿年前，单细胞生物聚集成多细胞形 态，如球藻，植物进化的前体细胞 15亿年前，真核细胞形成 12亿年前，多细胞生物形成 多细胞真核生物分化特化出多种组织细 胞，完成特定生物学功能医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础第三节 细胞的分子基础原生质（protoplasm） 组成细胞的的物质称之。水和无机盐 C、H、O和N为主要化学元素 S、P、Cl、K、Na、Mg、Fe
10、微量元素：Cu、Zn、Mn等有机小分子 单糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸生物大分子 核酸和蛋白质医学细胞的概念与分子基础一、无机化合物水（70）和无机盐：Na+、K+、Mg2+、Ca2+、HPO42-、Cl-、HCO3-等功能：维持细胞内外渗透压和PH值、维持神经和肌肉的应激性、维持酶的活性、与蛋白质或脂类结合，参与细胞代谢医学细胞的概念与分子基础二、有机化合物1.碳水化合物（carbohydrate）由C、H、O三种元素组成分为单糖和多糖单糖分子式（CH2O）n6碳的葡萄糖是细胞内能量的主要来源5碳以上的单糖可形成环状结构：根据第一位碳原子的构型分为 型与型、单糖分子间脱水反应形成糖苷键医学细胞
11、的概念与分子基础单糖分子间脱水反应形成糖苷键，通过该键单糖 寡糖 多糖两类多糖 糖原（glycogen）动物 淀粉（starch）植物功能 能量贮存、细胞结构成分、小分子糖类参与细胞信号传导、细胞识别及细胞间相互作用医学细胞的概念与分子基础2.脂类（lipid）脂肪酸（fatty acid） 无分支的偶数碳原子的饱和或不饱和脂肪族羧酸，碳原子间含双键的为不饱和脂肪酸，缺少双键的为硬脂酸，通常含1420个碳原子脂肪（fat） 甘油分子通过酯键与3个脂肪酸分子结合而成，也称甘油三酯 高效能量储存形式（碳水化合物的2倍）医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础磷脂是构成生物膜的基础磷脂（ph
12、ospholipid） 结构：甘油分子结合2分子脂肪酸，第三个羟基结合磷酸基团，后者连接一小的极性分子，如胆碱、丝氨酸、肌醇、乙醇胺。鞘磷脂（sphingomyelin） 以鞘氨醇为骨架，氨基通过酰氨键与一分子脂肪酸结合，末端羟基与一个磷酰极性基团连接 另一种磷脂，神经细胞膜上含量丰富磷脂是双亲性分子 亲水头部：磷酸基团和极性小分子 疏水尾部：脂肪酸尾巴医学细胞的概念与分子基础磷脂分子医学细胞的概念与分子基础脂类的功能贮存能量 长期能量储存的基础构成细胞膜组分 质膜骨架转导信号 脂类中的类固醇如胆固醇是合成类固醇激素（雌激素和雄激素）的前体，类固醇激素可充当信使分子，传递信号医学细胞的概念与分
13、子基础三、生物大分子（一）核酸（nucleic acid）核酸由多个单核苷酸聚合而成两类核酸 脱氧核糖核酸deoxyribonucleic acid，DNA； 核糖核酸ribonucleic acid，RNA五种RNA - 信使核糖核酸 messenger RNA，mRNA - 核糖体核糖核酸 ribosomal RNA，rRNA - 转运核糖核酸 transfer RNA，tRNA - 小核核糖核酸 small nuclear RNA，snRNA - 微小核糖核酸 microRNA，miRNA医学细胞的概念与分子基础核苷酸由碱基、戊糖、磷酸 通过共价键连接而成两类碱基 嘌呤碱：腺嘌呤 ade
14、nine（A） 鸟嘌呤 guanine（G） 嘧啶碱：胞嘧啶 cytosine（C） 尿嘧啶 uracil（U） 胸腺嘧啶 thymine（T）医学细胞的概念与分子基础5种碱基医学细胞的概念与分子基础两种戊糖-D-2脱氧核糖DNA中-D核糖RNA中 核苷酸组成碱基+戊糖=核苷核苷+磷酸=核苷酸医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础 C1位与碱基形成糖苷键形成核苷 C3与C5之间形成磷酸二酯键连接单核苷酸医学细胞的概念与分子基础常见单核苷酸AMP（腺苷酸）GMP（尿苷酸）CMP（胞甘酸）UMP（尿苷酸）dAMP（脱氧腺苷酸）dGMP（脱氧尿苷酸）dCMP（脱氧胞
15、甘酸）dTMP（脱氧胸苷酸）医学细胞的概念与分子基础1.DNA1）结构一级结构：DNA分子中四种脱氧核糖核苷酸的排列顺序二级结构：DNA 双股螺旋结构模型两条平行方向相反的多核苷酸链组成DNA分子骨架， 一条5 3 ；另一条3 5碱基位于双螺旋的内侧，碱基互补配对 A T ; C G螺旋直径2nm,螺距3.4nm，一个螺距含10对碱基对，即每个碱基平面相距0.34nm右手螺旋结构上存在两条凹沟为大沟和小沟医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础沃森克里克医学细胞的概念与分子基础DNA结构医学细胞的概念与分子基础DNA的高级结构：DNA与蛋白质结合，盘曲折叠形成染
16、色体（chromsome）2）功能贮存遗传信息 遗传信息就是以碱基排列顺序的方式蕴藏于DNA分子中复制和传递遗传信息 表达遗传信息，从而调控细胞生长、发育、代谢、分化、分裂等生命活动医学细胞的概念与分子基础人类基因组碱基数 2.911063.2 106kb（3 109kb）A+T占54%，G+C占38%外显子1.11.4%，内含子24%，间隔序列75%基因总数2万3万个（基因平均长度230kb）DNA的重复序列大于50%个人间差异核苷酸为0.1%医学细胞的概念与分子基础遗传信息表达复制（replication） 半保留复制 DNA DNA转录（transcription） DNA RNA翻译（
17、translation） RNA 蛋白质 医学细胞的概念与分子基础2.RNA1）结构以单链形式存在嘧啶碱是U，而非T戊糖是-D核糖，而非-D-2脱氧核糖医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础2）各种RNA及其功能mRNA占RNA总量的15作为模板指导蛋白质合成 每三个核苷酸组成1个密码子，决定1个aa真核生物mRNA5端有帽子结构，3端有多聚腺苷酸尾巴原核生物mRNA为多顺反子（polycistron）,真核生物mRNA是单顺反子（monocistron） 一分子RNA可携带几种蛋白质的遗传信息5端和3端各有30到数百个核苷酸组成的非翻译区医学细胞的概念与分子基础tRNA占细胞RNA
18、总量的510分子量最小，含7090个核苷酸含稀有碱基二级结构呈三叶草形，氨基酸结合部位是3末端CCA-OH位上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）tRNA的功能是转运氨基酸到核糖体合成蛋白质医学细胞的概念与分子基础tRNA医学细胞的概念与分子基础rRNA占RNA总量的8090，分子量最大与蛋白质（40%）结合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场所医学细胞的概念与分子基础rRNA医学细胞的概念与分子基础
19、snRNA小核RNA含70300个核苷酸不及总RNA1%,但snRNA的拷贝数很多富含尿苷酸（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2,2,7-三甲基三磷酸尿苷（m32,2,7Gppp）主要功能是参与基因转录产物的加工医学细胞的概念与分子基础miRNA微小RNA，长度2125nt初级产物 miRNA前体（7990nt） miRNA（2125nt）结合到RNA诱导基因沉默复合物中，参与细胞分化与发育的基因表达调控医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础核酶（ribozyme）核酶是具有酶活性的RNA 1981年Thoma
20、s Cech 发现核酶可切断RNA中磷酸二酯键 RNA具有遗传信息和自身催化双重功能锤头核酶（hammerhead ribozyme） 1987年Symons和Haseloff提出锤头结构核酶作用方式，推动了基因治疗的应用脱氧核酶（deoxyribozyme） 是指具有特定催化功能的DNA分子，此两种核酶的发现拓展了酶学研究范围，在科研和临床领域有着广泛应用潜力。医学细胞的概念与分子基础（二）蛋白质（protein）1.化学组成氨基酸（amino acid，aa） 氨基酸是蛋白质的基本单位。由一个羧基（COOH），一个氨基（NH2）和一个特异的侧链基团（R）组成氨基酸分类 20种天然氨基酸分为
21、四大类：非极性疏水性氨基酸、极性中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸多肽 氨基酸通过肽键连接形成的化合物为多肽医学细胞的概念与分子基础氨基酸通式肽键形成医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础2.分子结构一级结构 多肽链中氨基酸的种类、数量和排列顺序二级结构 指局部或某一段肽链的空间结构，包括螺旋和折叠等构象三级结构 指肽链不同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、疏水作用和范德华氏力。三级结构的基本单位是结构域四级结构 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医学细胞的概念与分子基
22、础螺旋折叠医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础医学细胞的概念与分子基础血红蛋白的4个亚基医学细胞的概念与分子基础部分蛋白质空间结构螺旋转角螺旋（helix-turn-helix, HTH）与DNA结合的蛋白质结构：2个螺旋之间以转角相连常形成二聚体，突出于分子表面，结合于DNA相邻两个深沟中调节DNA的复制结构域二级结构的多肽链环形区连接并折叠成紧密的球形结构具有特殊功能，与蛋白质的活性有关医学细胞的概念与分子基础磷酸甘油酸激酶的结构域（2个）医学细胞的概念与分子基础锌指结构（zinc finger motif）由1个螺旋和2个反向平行的折叠组成锌指结构蛋白的一级结构是一个Zn+与两对半胱氨酸（或一对半胱氨酸，一对组氨酸）残基的侧链相结合，两对半胱氨酸相距12个氨基酸残基在DNA深沟中发挥调节作用医学细胞的概念与分子基础3.蛋白质的功能细胞和组织的结构成分 糖蛋白、糖脂酶的催化作用 激酶、磷酸酶储存和运输小分子（Hb运输气体）传递信息（蛋白激酶）免疫作用（抗体）调节作用（转录因子、激素）医学细胞的概念与分子基础小结细胞的基本概念原核细胞与真核细胞的结构差异细胞的起源与进化细胞的分子基础 生物大分子核酸的分子结构与功能蛋白质的分子结构与功能医学细胞的概念与分子基础
