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1、细胞生物学 第二章 细胞的统一性和多样性 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望一、几个重要的名词概念一、几个重要的名词概念n细胞细胞(cell)=(cell)=细胞膜细胞膜cell membrane (cell membrane (或称质膜或称质膜plasma membrane)+plasma membrane)+细胞质细胞质 cytoplasmcytoplasm +细胞核细胞核nucleus (nucleus (或拟核或拟核 nuleoid)nuleo
2、id)n原生质原生质 protoplasm protoplasm，现泛指细胞的基本组成物质，现泛指细胞的基本组成物质n原生质体原生质体protoplastprotoplast，是，是“细胞细胞”的同义词，现常的同义词，现常用来专指消除了细胞壁的植物细胞或细菌。用来专指消除了细胞壁的植物细胞或细菌。n内膜系统内膜系统endomembrane systemendomembrane system，细胞内部的膜，细胞内部的膜相结构，包括许多细胞器的膜及核膜。相结构，包括许多细胞器的膜及核膜。n外质外质 ectoplasm 细胞内靠近质膜的细胞质部分细胞内靠近质膜的细胞质部分n内质内质 endoplas
3、m 细胞内靠近核膜的细胞质部分细胞内靠近核膜的细胞质部分n细胞器细胞器 cell organelle cell organelle，细胞质中具有一定形态、，细胞质中具有一定形态、固定化学组成和特定生理功能的结构物。固定化学组成和特定生理功能的结构物。n细胞质基质细胞质基质 cytoplasm matrix or Cytomatrix(cytoplasm matrix or Cytomatrix(又又称称“胞质溶胶胞质溶胶”Cytosol)Cytosol)，是指细胞质中除去细胞，是指细胞质中除去细胞器以外的胶体液态部分。器以外的胶体液态部分。相对而言，人相对而言，人为划分为划分n细胞细胞 细胞膜
4、细胞膜细胞质细胞质细胞核细胞核细胞器细胞器细胞质基质细胞质基质二二、细胞的化学组成、细胞的化学组成 n C C、H H、O O、N N四元素占细胞组成元素的四元素占细胞组成元素的90%90%，其次，其次K K、Na Na、Ca Ca、MgMg、ClCl、P P、S S、FeFe等含量虽较少，但也是细胞生命活动等含量虽较少，但也是细胞生命活动所必需的。所必需的。n 水占活细胞重量的水占活细胞重量的85%85%，以游离水和结，以游离水和结合水两种状态存在于细胞中。是细胞中无机合水两种状态存在于细胞中。是细胞中无机盐和生物分子的溶剂，也是原生质胶体结构盐和生物分子的溶剂，也是原生质胶体结构的组分，还
5、是代谢反应的介质。的组分，还是代谢反应的介质。n活细胞去除水分的干物质中，活细胞去除水分的干物质中，约约90%90%是蛋是蛋白质、核酸、脂类和多糖类这四类生物大白质、核酸、脂类和多糖类这四类生物大分子，分子，它们分别由氨基酸它们分别由氨基酸 、核苷酸、核苷酸 、脂、脂肪酸和单糖等生物小分子所构成，这四类肪酸和单糖等生物小分子所构成，这四类生物大分子还常常相互组成核蛋白、脂蛋生物大分子还常常相互组成核蛋白、脂蛋白、糖蛋白和糖脂等复合大分子，成为细白、糖蛋白和糖脂等复合大分子，成为细胞结构的基础物质。胞结构的基础物质。n蛋白质作用：结构组分，生化催化剂（酶）、蛋白质作用：结构组分，生化催化剂（酶）
6、、抗体、激素，调节遗传信息表达和代谢生理。抗体、激素，调节遗传信息表达和代谢生理。n核酸作用：遗传信息的载体、贮存和传递。核酸作用：遗传信息的载体、贮存和传递。n脂类作用：生物膜的主要组分，细胞代谢能量脂类作用：生物膜的主要组分，细胞代谢能量的主要贮存形式。的主要贮存形式。n多糖类作用：细胞壁的主要组分，重要贮存物多糖类作用：细胞壁的主要组分，重要贮存物质，细胞表面的抗原。质，细胞表面的抗原。n无机盐类作用：维持细胞内外的渗透压平衡以无机盐类作用：维持细胞内外的渗透压平衡以及细胞生理过程中的离子浓度条件。及细胞生理过程中的离子浓度条件。三、细胞的大小和形状三、细胞的大小和形状研究层次研究层次界
7、界 限限观观 察察 工工 具具常常 用用 计计量量 单单 位位单单 位位 换换算算解剖学水解剖学水平平0.1mm以上以上肉眼、扩大肉眼、扩大镜镜 毫米毫米mm 10-3米米 显微水平显微水平（细胞水（细胞水平）平）0.2100m光学显微镜光学显微镜 微米微米m 106米米 亚微（超亚微（超微）水平微）水平1200nm电子显微镜电子显微镜 纳米纳米nm埃埃 10-9米米10-10 米米 分子水平分子水平1nm以下以下 高分辨的电高分辨的电镜、扫描隧镜、扫描隧道显微镜道显微镜 n一般细胞皆是显微水平观察的对象，但细胞内精细一般细胞皆是显微水平观察的对象，但细胞内精细结构都必须在电镜下才能看清楚。结
8、构都必须在电镜下才能看清楚。n最大细胞：未受精的鸵鸟蛋的卵黄部分最大细胞：未受精的鸵鸟蛋的卵黄部分 （=5cm=5cm）特大的卵细胞特大的卵细胞n最小细胞：拟胸膜肺炎支原体最小细胞：拟胸膜肺炎支原体PPLOPPLO（=0.1m=0.1m），），与某些大中型病毒的体积相当。与某些大中型病毒的体积相当。n鸟蛋中的卵细胞之所以显著偏大，鸟蛋中的卵细胞之所以显著偏大，鸟是鸟是“卵生卵生”的，其卵细胞中必须贮藏大量的的，其卵细胞中必须贮藏大量的mRNAmRNA和营养物质和营养物质（卵黄质），才能保证其胚胎的正常发育。（卵黄质），才能保证其胚胎的正常发育。n一般细胞的体积小，其实并非缺点而是优点：一般细胞
9、的体积小，其实并非缺点而是优点：有相对较大的表面积，有利于与周围环境进行物有相对较大的表面积，有利于与周围环境进行物 质交换，可保持细胞内旺盛的新陈代谢；质交换，可保持细胞内旺盛的新陈代谢；有利于细胞核内的遗传指令可对细胞质中各种生有利于细胞核内的遗传指令可对细胞质中各种生理活动进行有效地控制；理活动进行有效地控制；有利于细胞中各类物质的迅速运输传递。有利于细胞中各类物质的迅速运输传递。n但是，细胞体积也不能无限度地偏小，据研究推算但是，细胞体积也不能无限度地偏小，据研究推算细胞要维持独立生存繁殖，其直径必须达细胞要维持独立生存繁殖，其直径必须达0.10.1微米以微米以上。上。质膜质膜 752
10、=150 最起码的最起码的DNA.RNA DNA.RNA =200+必要的核糖体、酶和底物必要的核糖体、酶和底物 =650 1000=0.1mn因此可见因此可见,直径为直径为0.1m0.1m的支原体应该是目前所发现的支原体应该是目前所发现的最小最简单的细胞。的最小最简单的细胞。n注意注意！细胞的大小与生物体的大小并无直接细胞的大小与生物体的大小并无直接关系。生物体的生长主要是由细胞数量的增多，而关系。生物体的生长主要是由细胞数量的增多，而不是靠细胞体积的增大。不是靠细胞体积的增大。n细胞的形状呈多样性，并往往是与其功能密切相关细胞的形状呈多样性，并往往是与其功能密切相关的，这是长期进化的结果。
11、的，这是长期进化的结果。例：例：肌肉细胞肌肉细胞长梭形长梭形收缩、伸展运动；收缩、伸展运动；血红细胞血红细胞扁圆盘形扁圆盘形气体交换，快速运行。气体交换，快速运行。神经细胞神经细胞细长纤维状轴突细长纤维状轴突传导神经冲动；传导神经冲动；（植物叶表皮的）保卫细胞（植物叶表皮的）保卫细胞半月形半月形迅速开迅速开启和关闭气孔，有利叶面呼吸和蒸腾启和关闭气孔，有利叶面呼吸和蒸腾四、原核细胞与真核细胞的比较四、原核细胞与真核细胞的比较 n原核细胞原核细胞prokaryotic cellprokaryotic cell，原核生物原核生物prokaryoteprokaryote：细菌、蓝藻、衣原体、细菌、蓝
12、藻、衣原体、支原体、立克茨体、螺旋体等；支原体、立克茨体、螺旋体等；n真核细胞真核细胞eukaryotic celleukaryotic cell，真真核生物核生物eukaryoteeukaryote：真菌、藻类、原生生物、真菌、藻类、原生生物、高等植物、高等动物。高等植物、高等动物。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：相似的遗传系统，相似的遗传系统，都具有都具有DNADNA和和RNARNA，遗传遗传密码基本相同，而且密码基本相同，而且DNADNA的复制、转录及转译的复制、转录及转译皆类似；皆类似；都具有质膜，均由脂质双分子层与镶嵌蛋白质都具有质膜，均由脂质双分子层与镶嵌蛋
13、白质 （即所有细胞必须具有的基本特征即所有细胞必须具有的基本特征 ）构成的构成的生物膜（电镜下呈生物膜（电镜下呈“单位膜单位膜”）；）；相似的生物合成代谢体系，相似的生物合成代谢体系，其核糖体的基本其核糖体的基本结构和功能皆相同；结构和功能皆相同；均以一分为二的方式分裂增殖。均以一分为二的方式分裂增殖。n因此因此 ，直径仅直径仅0.1m0.1m的支原体被称为细的支原体被称为细胞胞,而与其体积相近的大中型病毒却不被而与其体积相近的大中型病毒却不被认为是细胞。认为是细胞。n 1 1、病毒无质膜；病毒无质膜；2 2、每个病毒仅有一种每个病毒仅有一种核酸；核酸；3 3、病毒中无核糖体等代谢合成体病毒中
14、无核糖体等代谢合成体系；系；4 4、病毒增殖不靠分裂，而是在宿主病毒增殖不靠分裂，而是在宿主细胞中复制、组装及释放。细胞中复制、组装及释放。n病毒是非细胞形态的生命体，必须完全病毒是非细胞形态的生命体，必须完全寄生在宿主细胞之中才能生存。寄生在宿主细胞之中才能生存。n古核生物古核生物（古核细胞、古细菌）：（古核细胞、古细菌）：产甲烷球产甲烷球菌、嗜盐细菌、热原质体、硫氧化菌等。曾被菌、嗜盐细菌、热原质体、硫氧化菌等。曾被归属于原核生物，是因其也无核膜，仅具环状归属于原核生物，是因其也无核膜，仅具环状DNADNA，并含有操纵子。但目前认为应归并为，并含有操纵子。但目前认为应归并为有有别于原核生物
15、、真核生物的第三界别于原核生物、真核生物的第三界，并认为其，并认为其更可能是真核细胞的祖先。理由是：更可能是真核细胞的祖先。理由是：其细胞其细胞壁成分与真核细胞的相似；壁成分与真核细胞的相似；DNADNA中有重复序中有重复序列，基因中有内含子；列，基因中有内含子；有组蛋白与有组蛋白与DNADNA组成组成类似于核小体结构；类似于核小体结构；其其核糖体对核糖体对抗生素抗生素的反的反应类似于真核细胞；应类似于真核细胞；其其5s rRNA5s rRNA二级结构与二级结构与真核细胞的相似。真核细胞的相似。原核细胞与真核细胞基本特征原核细胞与真核细胞基本特征的比较的比较 特特 征征 原原 核核 细细 胞胞
16、 真真 核核 细细 胞胞细胞大小细胞大小较小（较小（110m）较大（较大（10 100m）细胞核细胞核 无核膜、核仁无核膜、核仁 （被称为（被称为“拟核拟核”）有核膜和核仁有核膜和核仁染色体染色体 一条环形一条环形DNA分分子，极少或不结合组子，极少或不结合组蛋白蛋白 多条线状，多条线状，DNA与组蛋白与组蛋白结合成染色质结合成染色质纤维纤维基因组数基因组数 1n 2n或多或多nDNA序列序列没有或极少重没有或极少重复序列，基因复序列，基因中无内含子中无内含子有重复序列，有重复序列，基因中有内含基因中有内含子子核外核外DNA细菌中具有质细菌中具有质粒粒DNA具线粒体、叶具线粒体、叶绿体绿体DN
17、A线粒体线粒体 无无 有有叶绿体叶绿体无，但兰藻的无，但兰藻的光合膜层含叶光合膜层含叶绿素绿素a有、含叶绿素有、含叶绿素a和和b高尔基体高尔基体 无无 有有内质网内质网 无无 有有溶酶体溶酶体 无无 有有中心体中心体 无无 有有纺锤体纺锤体 无无 有有细胞骨架细胞骨架 无无 有有核糖体核糖体 70s 80s细胞分裂细胞分裂无丝分裂无丝分裂有丝分裂有丝分裂DNA复制复制连续进行连续进行仅在仅在s期进行复制期进行复制转录与转译转录与转译基因表达调控基因表达调控原生质环流原生质环流细胞壁细胞壁鞭毛结构鞭毛结构 在同一空间和时在同一空间和时间间操纵子方式调控操纵子方式调控无无由肽聚糖、壁酸由肽聚糖、壁
18、酸构成构成简单，单丝，由简单，单丝，由鞭毛蛋白构成鞭毛蛋白构成 转录在核内，转转录在核内，转译在细胞质中译在细胞质中复杂的多层次调复杂的多层次调控控有有由纤维素、果胶由纤维素、果胶质构成（植物细质构成（植物细胞）胞）（9+2）结构，）结构，由微管蛋白构成由微管蛋白构成 n从进化上看，真核细胞比原核细胞从进化上看，真核细胞比原核细胞更高级更高级，主要体，主要体现于三个方面：现于三个方面：（1 1）生物膜的分化使细胞内部结构和功能的复杂高级生物膜的分化使细胞内部结构和功能的复杂高级化。内膜系统的出现化。内膜系统的出现 ，使核和质形成两大区域，使核和质形成两大区域 ，并，并形成由内膜包围构成的多种细
19、胞器形成由内膜包围构成的多种细胞器 ，从而保证了细，从而保证了细胞中各种物质代谢过程之间的互不干扰，有秩序地胞中各种物质代谢过程之间的互不干扰，有秩序地进行。进行。因此各个区域分工明确精细，职能专一化。因此各个区域分工明确精细，职能专一化。（2 2）遗传物质和遗传结构装置的增多和复杂化。从而遗传物质和遗传结构装置的增多和复杂化。从而使得遗传信息传递更稳定使得遗传信息传递更稳定 ，基因转录与转译有严格，基因转录与转译有严格的阶段性与区域性，基因表达调控有多层次性。的阶段性与区域性，基因表达调控有多层次性。（3 3）具有了庞大复杂的细胞骨架系统，对具有了庞大复杂的细胞骨架系统，对维持细胞形态结构和
20、细胞内多种生理功能维持细胞形态结构和细胞内多种生理功能有十分重要的作用。但在原核细胞中尚未有十分重要的作用。但在原核细胞中尚未发现有细胞骨架系统。发现有细胞骨架系统。n当然，尽管真核细胞从进化上比原核细胞当然，尽管真核细胞从进化上比原核细胞高级，但对不利环境的适应性反倒不如原高级，但对不利环境的适应性反倒不如原核细胞，这是为什么呢？其实，大有大的核细胞，这是为什么呢？其实，大有大的优势，而小也有小的好处，俗话说：优势，而小也有小的好处，俗话说：“小小船好转舵船好转舵”。原核细胞小而简单，原核细胞小而简单，特特别是它的基因表达调控方式简单，就有利别是它的基因表达调控方式简单，就有利于在极端不利环
21、境下快速调整和应变，这于在极端不利环境下快速调整和应变，这正是自然界中原核生物数量多于真核生物正是自然界中原核生物数量多于真核生物的根本原因。的根本原因。五、真核细胞亚微结构基本构型五、真核细胞亚微结构基本构型n亚细胞水平的三大基本结构体系亚细胞水平的三大基本结构体系（1 1）蛋白质与核酸构建的）蛋白质与核酸构建的遗传信息结构体系遗传信息结构体系 （染色体、（染色体、核仁、核糖体）核仁、核糖体）（2 2）蛋白质与脂质构建的）蛋白质与脂质构建的膜相结构体系膜相结构体系 （细胞膜、核膜、各种细胞器膜）（细胞膜、核膜、各种细胞器膜）（3 3）蛋白质与蛋白质构建的）蛋白质与蛋白质构建的细胞骨架结构体系
22、细胞骨架结构体系 双膜：双膜：核、线粒体、叶绿体核、线粒体、叶绿体 单膜：单膜：内质网、高尔基体、内质网、高尔基体、溶酶体、液泡、溶酶体、液泡、圆球体、微体圆球体、微体 等等 膜相结构：膜相结构：质膜、内膜质膜、内膜 颗粒结构：颗粒结构：核糖体、中心体、基核糖体、中心体、基 体体 线状结构：线状结构：染色质纤维、核仁纤染色质纤维、核仁纤 丝、微管、微丝、丝、微管、微丝、中间纤维中间纤维n膜相结构占真核细胞干重的膜相结构占真核细胞干重的7080%7080%，是细胞，是细胞亚微结构的基本形态和基础。亚微结构的基本形态和基础。n 非膜相结构非膜相结构六、植物细胞与动物细胞的比较六、植物细胞与动物细胞的比较n 植物细胞的特有细胞器：植物细胞的特有细胞器：n 细胞壁、液泡、叶绿体细胞壁、液泡、叶绿体