医学细胞生物学（中山大学）第二章 细胞的概念和分子基础（附习题）

第二章细胞的概念和分子基础（CellandMolecularBasis）一、细胞是生命活动的基本单位所有的生物都是由细胞组成的，细胞是生命活动的基本单位。(一)细胞的概念1.细胞是构成有机体的基本单位。2.细胞具有独立完整的代谢体系，是代谢与功能的基本单位。3.细胞是有机体生长与发育的基础。4.细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性。5.没有细胞就没有完整的生命。(二)细胞的分类原核细胞（prokaryoticcell）早期细胞分为两大类真核细胞（eukaryoticcell）细菌域（bacteria）1990年，生物界被划分为三个域古菌域（archaea）真核域（eukarya）原核细胞细胞分为三大类型古核细胞真核细胞生物三域分类的系统树二、原核细胞特点：1.结构简单DNA为裸露的环状分子，无膜包裹，形成拟核（nucleoid）。细胞质中无膜性细胞器，含有核糖体。2.体积小直径约为1到数个微米。主要代表：支原体衣原体细菌蓝藻又称蓝细菌（一）支原体（mycoplasma）最小最简单的细胞。 大小：通常为0.1～0.3μm。细胞膜：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。（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。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。70S细菌核糖体50S大亚基30S小亚基有的细菌还有夹膜、鞭毛、菌毛等特殊结构。细菌结构示意图（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。特点：具有原核生物的某些特征：无核膜及内膜系统。具有真核生物的特征：RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白等。具有不同于原核细胞和真核细胞的特征：细胞膜中的脂类不可皂化，细胞壁不含肽聚糖。三、真核细胞(一)真核细胞的形态大小形态：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。(二)真核细胞的基本结构光镜下结构：细胞膜（cellmembrane）细胞质（cytoplasm）细胞核（nucleus）电子显微镜下，在细胞质中可以看到由单位膜组成的膜性细胞器以及微丝、微管、中间纤维等骨架系统。真核细胞的基本结构特点：以脂质及蛋白质成分为基础的膜相结构体系——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、过氧化物酶体及核膜等。以核酸-蛋白质为主要成分的遗传信息表达体系——遗传信息表达系统真核细胞储存遗传信息的DNA是以与蛋白质结合形式而存在，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。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状蛋白组成的网状结构系统，包括细胞质骨架与核骨架。细胞质溶胶（cytosol）细胞质中除了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。动物细胞结构模式图糙面内质网光面内质网，无丝分裂原核细胞与真核细胞的比较 四、病毒生物界中，病毒（virus）是惟一的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以将其分为两大类：DNA病毒；RNA病毒。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。病毒的分子结构第二节细胞的分子基础细胞是由生命物质——原生质（protoplasm）组成基本元素99.9%：C、H、O、N——90%；S、P、Na、K、Ca、Cl、Mg、Fe——9%。微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co、Cr、Si、F、Br、I等。无机化合物水无机盐细胞的成份有机化合物有机小分子生物大分子一、生物小分子(一)水和无机盐是细胞内的无机化合物1.水水是细胞中含量最多的成分。 水在细胞中以两种形式存在：游离水。结合水，通过氢键或其他键同蛋白质结合。作用：良好溶剂，为各种代谢反应提供环境。2.无机盐：以离子状态存在。阴离子：如Cl－、PO4－、HCO3－等阳离子：如Na+、K+、Ca2+等游离形式：维持细胞内外液的渗透压和pH。结合形式：直接与蛋白质或脂类结合，组成具有一定功能的结合蛋白或类脂。(二)有机小分子是组成生物大分子的亚单位1.单糖结构：主要由碳、氢、氧三种元素组成，化学组成为(CH2O)n。功能：细胞的能源和多糖的亚基。2.脂肪酸结构：由两个不同的部分组成。疏水性的长烃链亲水性的羧基(-COOH)功能：构成细胞膜的组分。3.氨基酸结构：羧基与同一个α碳原子连接氨基功能：蛋白质的亚单位4.核苷酸结构：含氮环化物五碳糖磷酸基团功能：核酸的亚单位。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、蛋白质和多糖。(一)核酸携带遗传信息1.核酸的化学组成⑴核苷酸是核酸的基本组成单位 戊糖核　　糖脱氧核糖核苷酸磷酸嘌呤：AG碱基嘧啶：TCU⑵核酸核酸脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA）核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）一个核苷酸戊糖的5’磷酸基与另一个核苷酸戊糖的3’羟基脱水缩合，形成3’，5’磷酸二酯键，多个核苷酸之间借助磷酸二酯键重复相连而形成的多聚核苷酸链即为核酸。DNA和RNA在化学组成上的异同 2.DNA⑴DNA双螺旋结构模型DNA分子是由两条脱氧核糖核苷酸链组成。两条链反向平行。脱氧核糖和磷酸位于螺旋的外侧，碱基位于双螺旋内侧。碱基之间互补配对：A═TC≡G⑴DNA双螺旋结构模型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右手螺旋DNA高湿度时呈B型——B-DNA左手螺旋的DNA——Z-DNA⑵DNA功能：储存、复制和传递遗传信息。遗传信息的储存：生物体的遗传信息储存于DNA分子的线性核苷酸序列中，核苷酸的数量和排列方式，决定了DNA分子的复杂性和多样性。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。3.RNARNA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。⑴信使核糖核酸（messageRNA，mRNA)含量：占细胞内总RNA的1%~5%。种类：种类多而且极不均一。结构特点：3’，5’的非编码区。中间的编码区。原核细胞——多顺反子；真核细胞——单顺反子。功能：作为合成蛋白质的模板。mRNA分子中每三个相邻的碱基组成一个密码子（codon），决定蛋白质中氨基酸的排列顺序。⑵核糖体RNA（ribosomeRNA，rRNA）含量：占RNA总量的80%~90%。功能：参与核糖体形成。原核生物核糖体（70S）大亚基50S：23SrRNA5SrRNA+36种蛋白质小亚基30S：16SrRNA+21种蛋白质真核生物核糖体（80S）大亚基60S：28SrRNA5.8SrRNA+49种蛋白质5SrRNA小亚基40S：18SrRNA+30种蛋白质⑶转移核糖核酸（transferRNA,tRNA） 含量：总RNA的5%~10%。结构特点：单链结构，部分折叠，整个分子结构呈三叶草形。3’端有三个碱基，与特定氨基酸结合。反密码环上的三个碱基组成反密码子（anticodon），与mRNA上密码子互补结合，参与蛋白质合成。功能：转运特定的氨基酸，参与蛋白质合成。⑷小核RNA（smallnuclearRNA,snRNA）组成：含70~300个核苷酸。含量：不及总RNA的1%。功能：参与基因转录产物的加工，富含尿苷酸的U-snRNA与特异蛋白结合成剪接体UsnRNP。⑸微小RNA（microRNA,miRNA）组成：长约21～25nt的非编码RNA，具有发夹结构。功能：抑制靶基因的蛋白质合成或促使靶基因的mRNA降解，从而参与细胞分化与发育的基因表达调控。 miRNA的形成与作用机制⑹piRNA（Piwi-interactingRNA）组成：含29~30个核苷酸。主要存在部位：哺乳动物睾丸的生殖细胞中。功能：参与基因的表达调节，发挥RNA沉默（RNAsilencing）效应。⑺核酶（ribozyme）具有酶活性的RNA分子。功能：核酶的底物是RNA分子，它们通过与序列特异性的靶RNA分子配对而发挥作用。动物细胞内含有的主要RNA种类及功能(二)蛋白质表达遗传信息1.蛋白质的化学组成蛋白质的基本单位——氨基酸氨基酸的结构式一个氨基酸分子上的羧基与另一个氨基酸分子上的氨基经脱水缩合形成肽键，氨基酸通过肽键而连接成的化合物称为肽（peptide） 。蛋白质分子是由许多氨基酸分子通过肽键，依次缩合而形成的多肽链。2.蛋白质的分子结构以独特的三维构象形式存在，蛋白质三维构象的形成主要由其氨基酸的顺序决定，是氨基酸组分间相互作用的结果。⑴一级结构氨基酸的排列顺序。一级结构中氨基酸排列顺序的差异使蛋白质折叠成不同的高级结构。⑵二级结构肽链主链内的氨基酸残基之间有规则地形成氢键相互作用的结果。有两种主要的折叠形式：α-螺旋和β-片层。⑶蛋白质的三级结构不同侧链间相互作用形成的，相互作用的方式有氢键、离子键和疏水键等。具有三级结构的蛋白即表现出生物学活性。 ⑷蛋白质的四级结构独立的三级结构的多肽链亚单位之间通过氢键等非共价键的相互作用，形成更为复杂的空间结构。3.蛋白质的结构与功能的关系。一级结构是蛋白质功能的基础。结构域（structuraldomains）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40～350之间。通常通过结构域去推断某些蛋白质的功能。具有相同结构域的蛋白具有类似功能。Src蛋白的结构域活细胞内蛋白质功能的发挥与其构象的改变密切相关。如磷酸化与去磷酸化使蛋白质构象改变。 蛋白质的磷酸化与去磷酸左右其功能的发挥。A.蛋白质磷酸化与去磷酸化反应B.蛋白激酶催化蛋白质磷酸化，可以提高也可以降低蛋白质活性，这取决于磷酸化的位置和蛋白质的结构GTP结合蛋白形成分子开关4.酶是一类特殊类型的蛋白质。酶（enzyme）：由生物体细胞产生的具有催化剂作用的蛋白质。特点：高催化效率；高度专一性；高度不稳定性。(三)多糖存在于细胞膜表面和细胞间质中简单而重复的单糖可聚合形成线形或分支状大分子糖类，短链称为寡糖，长链称为多糖。细胞中寡糖或多糖存在的主要形式有糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂和脂多糖。糖蛋白（glycoproteins）：共价结合糖的蛋白质，常见的连接方式是N-糖肽键和O-糖肽键。糖脂（glycolipids）：含有糖类的脂质。根据组成不同，可把糖脂分为4类，即鞘糖脂、甘油糖脂、磷酸多萜醇衍生糖脂和类固醇衍生糖脂。哺乳动物细胞中主要存在的是鞘糖脂。功能：构成细胞抗原、细胞识别、细胞粘附及信息传递中起重要作用。第三节细胞的起源与进化一、原始细胞的形成雷电、紫外火山爆发(一)地球上原始生命的诞生 1.从无机小分子形成有机小分子物质。原始大气物质有机小分子进化、选择聚合2.从有机小分子物质形成生物大分子物质。有机小分子生物大分子3.从生物大分子物质组成多分子体系。生长分裂长期进化4.从多分子体系演变为原始生命。原始新陈代谢原始核酸蛋白质核酸蛋白质微滴原始生命(二)原始细胞的形成1.具有自我复制能力的多聚体的形成。多聚体的形成是原始细胞形成的关键步骤。RNA的自我复制RNA指导蛋白质合成蛋白质催化RNA复制2.膜的出现与原始细胞的诞生。保持多核苷酸自我复制磷脂分子自发装配成膜结构避免优质蛋白丢失二、原核细胞向真核细胞的演化一般认为，真核细胞是由原核细胞进化而来的。内部结构分化原始真核细胞大约在15亿年前在地球上出现。自然选择(一)分化起源说真核生物原核生物(二)内共生起源说真核细胞是由原始厌氧菌的后代吞入了需氧菌逐步演化而来。 三、单细胞生物向多细胞生物的进化多细胞生物进化的早期由单细胞聚集成群体。在多细胞机体内出现细胞的分工和协作。从聚集到分工——单细胞生物向多细胞生物的进化团藻：较为原始的多细胞生物精选课后习题1.（名词解释）结构域：答：在大多数蛋白质中，α-螺旋和β-折叠由一个多肽链的环形区域连接并折叠成紧密的球状结构，称为结构域，各结构域均具有特殊的功能。2.（名词解释）蛋白质的四级结构：答：许多蛋白质含有两条以上具有独立三级结构的多肽链，这些多肽链通过非共价键相互连接形成的多聚体结构称为蛋白质的四级结构。3.（填空题）根据线粒体和叶绿体起源的内共生学说，线粒体起源于，叶绿体起源于答：古细菌光合细菌4.（填空题）和是蛋白质最常见的两种二级结构，维系蛋白质二级结构主要的化学键是答：α-螺旋β-折叠氢键5.（填空题）tRNA的功能是，它的分子化学组成的最大特点是答：转运氨基酸含有稀有碱基6.（填空题）是生命体最基本的结构和功能单位，是构成细胞的物质基础答：细胞原生质7.（填空题）真核细胞的超微结构可分为和 答：膜相结构非膜相结构8.（单选题）蛋白质的一级结构及其高级结构决定于A.亚基B.分子中的盐键C.氨基酸组成和顺序D.分子内部疏水键E.分子中的氢键答：C9.（简答题）简述DNA分子双螺旋结构模型的要点。答：①DNA分子由两条脱氧核糖核苷酸链组成，两条链的走向呈反向平行。亲水的脱氧核糖-磷酸骨架位于螺旋的外侧，碱基位于双螺旋的内侧，每个碱基均与对应链上的碱基处于同一平面而以氢键结合。在4中碱基中，腺嘌呤（A）总是跟胸腺嘧啶（T）配对，形成两个氢键；鸟嘌呤（G）总是跟胞嘧啶(C)配对，形成三个氢键。②DNA是右手螺旋结构，螺旋的直径为2nm，螺距为3.4nm，螺旋每旋转一周包含10对碱基，双螺旋结构上存在着两条凹沟，分别称为大沟和小沟，与脱氧核糖-磷酸骨架平行。③DNA双螺旋结构横向稳定性靠两条链之间互补碱基的氢键维持，纵向稳定性靠碱基平面间的堆积力维持。