细胞的概念和分子基础.ppt
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1、第二章细胞的概念和分子基础,Cell and Molecular Basis,学习的目的和要求,1.掌握原核细胞与真核细胞的异同;细胞的化学与分子组成;核酸、蛋白质的分子结构特点。 2.熟悉原核细胞和真核细胞的结构和功能特点;核酸、蛋白质分子的种类和生物学功能。 3.了解生命的分子起源、细胞的形成和进化;核酶和非编码调节性RNA 。,主要内容:,第一节 细胞的基本概念 第二节 细胞的分子基础 第三节 细胞的起源与进化,第一节 细胞的基本概念,一、细胞是生命活动的基本单位 二、原核细胞 三、真核细胞 四、非细胞生命形态病毒,一、细胞是生命活动的基本单位,细胞是一切生命活动的基本结构和功能单位。,
2、 细胞是构成有机体的基本单位; 细胞具有独立完整的代谢体系,是代谢与功能的基本单位; 细胞是有机体生长与发育的基础; 细胞是遗传的基本单位,细胞具有遗传的全能性 ; 没有细胞就没有完整的生命。,(一)细胞的概念,(二)细胞的分类,细胞分为三大类型,原核细胞 古核细胞 真核细胞,早期细胞分为两大类,原核细胞(prokaryotic cell) 真核细胞(eukaryotic cell),1990年,生物界被划分为三个域,细菌域(bacteria) 古菌域(archaea) 真核域(eukarya),Cell and Molecular Basis,原核细胞(prokaryotic cell) 真
3、核细胞(eukaryotic cell) 近20年研究,原核生物分为二大类型: 古细菌(archaeobacteria) 真细菌(eubacteria),早期分为两大类:,生物三域分类的系统树,Cell and Molecular Basis,(1)结构简单 DNA为裸露的环状分子,无膜包裹,形成拟核环。 细胞质中无膜性细胞器,含有核糖体(70S) (2)体积小:直径约为1到数个微米。,二、原核细胞,特点:,支原体(mycoplasma) 衣原体(chlamydia) 细菌(bacteria) 蓝藻又称蓝细菌(cyanobacterium),主要代表:,大 小:通常为0.10.3m。 细胞膜:
4、由磷脂和蛋白质构成,没有细胞壁 。 DNA:呈环形双链,胞质内分散存在,指导约400种蛋白合成。,(一)支原体(mycoplasma)是最小最简单的细胞,肺炎支原体,支原体模型,(二)细菌 原核细胞的典型代表,细胞壁:位于细菌外表面,主要成分为肽聚糖。 细胞膜:由脂质和蛋白质组成,有时可内陷形成中间体。 细胞质: DNA:环状分子,很少有重复序列,无内含子 。 质粒(plasmid):能够独立于基因组DNA以外,自我复制的环状结构。,有的细菌还有夹膜、鞭毛、菌毛等特殊结构。,核糖体:大部分游离于细胞质中,小部分附着在细胞膜内表面。,Cell and Molecular Basis,细菌结构示意
5、图,Cell and Molecular Basis,葡萄球菌,弧形霍乱菌,具有原核生物的某些特征:无核膜及内膜系统; 也有真核生物的特征:以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白。,(三)古细菌(archaebacteria),一类很特殊的细菌,多生活在极端环境中,如高温、高盐环境。,还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征:细胞膜中的脂类是不可皂化的;细胞壁不含肽聚糖,有的以蛋白质为主,有的含杂多糖,有的类似于肽聚糖,但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。,代表性古细菌:,极端嗜热菌(themophiles):能生
6、长在90以上的高温环境。 极端嗜盐菌(extremehalophiles):生活在高盐度环境中,盐度可达25%,如死海和盐湖中。 极端嗜酸菌(acidophiles):能生活在pH值1以下的环境中,生活在火山地区的酸性热水中。 极端嗜碱菌(alkaliphiles):多数生活在盐碱湖或碱湖、碱池中,生活环境pH值可达11.5以上,最适pH值810。,在美国黄石公园的温泉中存在一种嗜热的古细菌,美国加州金矿毒液中的耐酸细菌,红海盐滩上的耐盐细菌,三、 真核细胞,(一)真核细胞的形态与大小,形 态:多种多样,常与细胞所处的部位及功能相关。 大 小:差异很大,与细胞类型有关 。,细胞的形态多种多样:
7、,球形、椭圆形、 立方形、扁平形、梭形、 星形、多角形等。,原核细胞直径平均: 110m; 真核细胞直径平均: 330m; 某些不同来源的细胞大小变化很大: 人卵细胞:直径0.1mm; 鸵鸟卵细胞:直径5cm; 同类型细胞的体积一般是相近的,不依生物个体的大小而增大或缩小;,细胞的大小:,1m=102cm=103mm=106m=109nm=1010A0,差别大:,鸵鸟蛋1015cm,支原体0.1um,一般细胞:1020m之间(光镜),黑龙江省大庆市全兴鸵鸟养殖场一只8岁的鸵鸟产下一枚2.44公斤巨蛋,比一般的鸵鸟蛋(1.2公斤至1.5公斤)大出很多,相当于40个普通鸡蛋的重量。,光学显微镜下的
8、三部结构 细胞膜(cell membrane) 细胞质(cytoplasm) 细胞核(nucleus),细胞膜,细胞质,细胞核,(二)真核细胞的基本结构,动物细胞结构模式图,Cell and Molecular Basis,电镜下结构,膜相结构,非膜相结构,细胞膜,内质网,高尔基复合体,线粒体,溶酶体,过氧化氢体,核膜,核糖体,中心粒,微管,微丝,中等纤维,细胞质基质,核仁,染色质,核基质,电子显微镜下的两相结构,以脂质及蛋白质成分为基础的膜系统结构生物膜系统; 包括细胞膜、内质网、高尔基复合体、线粒体、溶酶体、过氧化氢体及核膜等。,真核细胞的基本结构特点:,以核酸-蛋白质为主要成分的遗传信息
9、表达系统结构遗传信息表达结构系统; 真核细胞储存信息的DNA是与蛋白质结合而存在,DNA与蛋白质结合与包装程度。决定了DNA复制和遗传信息的表达。 遗传信息的流向是由DNA RNA (mRNA) 蛋白质。 核糖体(ribosome)是合成蛋白质的机器 。,由特异蛋白质分子构成的细胞骨架体系细胞骨架系统。 由一系列纤维蛋白组成的网状结构系统,包括细胞骨架与核骨架。,细胞质溶胶 细胞质中除细胞器和细胞骨架结构之外的区域,协助完成物质运输、能量传递、信息传递等细胞活动。,原核细胞与真核细胞的比较,特征,原核细胞,真核细胞,细胞大小,较小(110m),较大(10100 m),细胞核,无核仁和核膜,有核
10、仁和核膜,细胞器,无(除核糖体外),有各种细胞器,核糖体,70S(50S+30S),80S(60S+40S),染色体,只有一条DNA,DNA裸露不与组蛋白和酸性蛋白结合,染色体为单数。,有几条DNA,DNA与组蛋白和酸性蛋白结合,有若干对染色体。,内膜系统,简单,复杂,细胞骨架,无,有微管,微丝,中间纤维,细胞壁,主要组分为肽聚糖,主要组分为纤维素,转录和翻译,出现在同一时间和地点(细胞质中),出现在不同时间和地点(转录在核内,翻译在细胞质中),细胞分裂,无丝分裂,有丝分裂和减数分裂,四、病 毒,在生物界中,病毒(virus)是唯一非细胞形态的生命体。 特点: 在活细胞内才能表现出它们的基本生
11、命活动。 在电子显微镜下才能看到。,结构:核酸分子与蛋白质组成的核酸-蛋白质复合体; 分类:根据病毒的核酸类型可分两大类: DNA病毒 RNA病毒 更简单的: 类病毒(viroid):仅由感染性的RNA构成; 朊病毒(prion):仅由感染性的蛋白质亚基构成;,副流感病毒,乙肝病毒DNA模型图,美国疾控中心通过显微镜拍摄的照片展示了呈阴性反应的猪流感病毒,根据宿主不同:,动物病毒 植物病毒 细菌病毒 噬菌体,脊髓灰质炎病毒 球形病毒,烟草花叶病毒 线形病毒,T4噬菌体 蝌蚪形病毒,第二节 细胞的分子基础,一、生物小分子 二、生物大分子,细胞是生物体的形态结构和功能的基本单位。 原生质(prot
12、oplasm)构成细胞的物质。 组成原生质的化学元素有50多种。,组成原生质的基本元素: C .H .O. N 占90%; S.P.Na.K.Ca.Cl.Mg.Fe占9% 微量元素:Cu.Zn.Mn.Mo.Co.Cr.Si.F.Br.I.Li.Ba等,细胞的成份,生物大分子,生物小分子,核酸 蛋白质 酶,无机化合物,水 无机盐,有机化合物,碳化合物 糖 脂肪酸 氨基酸 核苷酸,1 . 水 水在细胞中以两种形式存在: 游离水,约占95; 结合水,通过氢键或其他键同蛋白质结合,约占45。 作用:溶解无机物、调节温度、参加酶反应、参与物质代谢和形成细胞有序结构。,一、生物小分子,(一)水和无机盐是细
13、胞内的无机化合物,水分子结构模型,2 . 无机盐 无机盐含量少,约占细胞总重的1 细胞中常见的无机离子包括两大类: 阴离子:主要的阴离子有Cl、PO4、HCO3 阳离子:主要的阳离子有:Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、Cu2+、Co2+、Mo2+,无机盐的生理功能: (1)调节细胞渗透压,促使细胞吸水、排水 (2)调节pH值 (3)酶的活化剂和功能因子(辅酶和辅基) (4)某些有机物的组份 如磷酸 (PO4)、叶绿素(Mg)、血红素(Fe2),有机小分子是分子量在1001000碳化合物 单糖 脂肪酸 氨基酸 核苷酸,(二)有机小分子是组成生物大分子的亚单位,结构
14、:由碳、氢、氧三种元素组成,所以又称为碳水化合物(carbohydrate) (CH2O)n 功能:糖是细胞的能源和多糖的亚基,1. 单糖,-D-葡萄糖 -D-葡萄糖,葡萄糖的开链结构,多糖淀粉,结构:有两个不同的部分组成 一端是疏水性的长烃链 另一端是亲水性的羧基(一COOH)功能:构成细胞膜的组分,2. 脂肪酸,结构:羧基 氨基,与同一个碳原子连接,3. 氨基酸,功能:蛋白质的亚单位,结构:含氮环化物 五碳糖 磷酸基团 功能:核酸的亚单位。,4. 核苷酸,氨基酸 氨基酸是蛋白质的亚基。 核苷酸 核苷酸是核酸的亚基。,二、生物大分子,生物大分子由有机小分子聚合而成,细胞内主要的大分子有核酸、
15、蛋白质和多糖。,核酸,脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA),核糖核酸(ribonucleic acid,RNA),分子量10 0001000 000 (一) 核酸携带遗传信息,生物大分子,1核酸的化学组成,核酸的基本单位,戊 糖,磷 酸,含氮有机碱,核 糖,脱氧核糖,嘧 啶:T U C,嘌 呤:A G,(碱基),单核苷酸,核苷酸的组成单位,碱 基,嘧 啶,胞嘧啶 C cytosine,胸腺嘧啶 T thymine,碱 基,5 ,1,2 ,3 ,4 ,核糖,2 ,5 ,1,2 ,3 ,4 ,脱氧核糖,三个部分连接方式:,1、碱基与戊糖第1碳原子结合糖苷键,(C1、N
16、9 和C1、N1)化合物核苷,2、磷酸与核苷中的戊糖第5碳原子结合脂键,化合物核苷酸(脱氧核苷酸),H2O,核 苷,H2O,单 核 苷 酸,核糖,脱氧,糖苷键,核 苷,酯 键,单 核 苷 酸,3,核苷酸的种类(按所含碱基分类):,腺苷酸 AMP 鸟苷酸 GMP 胞苷酸 CMP 尿苷酸 UMP,核糖,脱氧核糖,脱氧腺苷酸 dAMP 脱氧鸟苷酸 dGMP 脱氧胞苷酸 dCMP 脱氧胸苷酸 dTMP,多核苷酸链的连接:,各个核苷酸中戊糖第5碳原子(C-5)的磷酸与另一个核苷酸戊糖第3碳原子(C-3)以磷酸二脂键相连,通过3 5磷酸二脂键首尾相接,多核苷酸链。,H2O,DNA和RNA在化学组成上的异同
17、,一级结构: DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序。 二级结构: Watson和 Crick提出的 DNA双螺旋结构模型,Watson和 Crick的DNA双螺旋结构模型,DNA分子是由两条相互平行方向相反的多核苷酸链围绕着同一中心轴形成的双螺旋结构。 两条长链的碱基在双螺旋内侧按碱基配对原则(A=T,G三C)以氢键相连。 相邻碱基对旋转36,间距0.34nm,一个螺旋包含10个碱基旋转360,螺距为3.4nm。 DNA双螺旋结构比较稳定。 A-DNA( 低湿度), B-DNA (高湿度) Z-DNA(左手螺旋)。,3.4nm,含10个碱基对,DNA双螺旋结构模型,DNA的结构,DNA Model
18、s,DNA的双螺旋结构易受环境因素特别是湿度所影响。 低湿度时呈A型A-DNA 高湿度时呈B型B-DNA 左手螺旋的DNAZ-DNA,右手螺旋,DNA的种类,B型 A型 Z型,旋转方向 右旋 右旋 左旋 核苷酸数/每圈 10 10.9 12 螺 距 3.38 nm 3. 2 nm 4.46nm,Z-DNA:磷酸骨架呈Z型曲折。,功能:主要存在基因组中,具有控制功能区,段,可能参与基因的调控,可能与基,因重组有关。,DNA有三种主要构象:,(2)DNA的功能,DNA的主要功能是储存、复制和传递遗传信息。 DNA分子中只有四种核苷酸,但核苷酸的数量巨大,随机排列组合,决定了DNA分子的复杂性和多样
19、性,也决定了遗传信息的多样性生物种类的多样性。,遗传信息的复制:DNA分子中所携带的遗传信息通过复制传递给子代细胞,复制是以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程,新形成的子代DNA分子在碱基序列上与亲代DNA分子完全相同。,遗传信息的传递:DNA分子所携带的遗传信息通过转录传递给RNA,再通过翻译合成蛋白质,决定细胞的生物学行为。,RNA分子以单链形式存在,在部分区域折叠并按碱基互补配对原则形成双链发夹结构。,3.RNA,RNA发夹结构模式图,DNA和RNA核苷酸结构成分的比较,C T,G A,同上 同上,同上,DNA,RNA,戊 糖,脱氧核糖 核 糖,碱 基,A G C T A G C U,
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