第二章細胞的統一性和多樣性

細胞的基本概念

原核細胞與古核細胞

真核細胞

非細胞形態的生命體 ——病毒及其與細胞的關系第一節細胞的基本概念

細胞是生命活動的基本單位

細胞概念的一些新思考

細胞的基本共性第四節非細胞形態的生命體

—病毒及其與細胞的關系

病毒的基本知識

病毒在細胞內增殖（復制）

病毒與細胞在起源與進化中的關系第二節原核細胞與古核細胞

原核細胞（Prokaryoticcell）古核細胞（古細菌）（Archaebacteria）細胞是生命活動的基本單位

一切有機體都由細胞構成，細胞是構成有機體的基本單位

細胞具有獨立的、有序的自控代謝體系，細胞是代謝與功能的基本單位

細胞是有機體生長與發育的基礎

細胞是遺傳的基本單位，細胞具有遺傳的全能性

沒有細胞就沒有完整的生命細胞概念的一些新思考

細胞是多層次非線性的復雜結構體系

細胞具有高度復雜性和組織性

細胞是物質（結構）、能量與信息過程精巧結合的綜合體

細胞完成各種化學反應；

細胞需要和利用能量；

細胞參與大量機械活動；

細胞對刺激作出反應；

細胞是高度有序的，具有自組裝能力與自組織體系。

細胞能進行自我調控；

繁殖和傳留后代；細胞的基本共性

所有的細胞表面均有由磷脂雙分子層與鑲嵌蛋白質構成的生物膜，即細胞膜。

所有的細胞都含有兩種核酸：即DNA與RNA作為遺傳信息復制與轉錄的載體。

作為蛋白質合成的機器─核糖體，毫無例外地存在于一切細胞內。

所有細胞的增殖都以一分為二的方式進行分裂。病毒的基本知識

病毒（virus）——核酸分子（DNA或RNA）與蛋白質構成的核酸-蛋白質復合體；

根據病毒的核酸類型可以將其分為兩大類：

DNA病毒與RNA病毒

病毒的多樣性）

類病毒（viroid）——僅由感染性的RNA構成；

朊病毒（prion）——僅由感染性的蛋白質亞基構成；病毒在細胞內增殖（復制）

病毒侵入細胞，病毒核酸的侵染

病毒核酸的復制、轉錄與蛋白質的合成

病毒的裝配、成熟與釋放

病毒與細胞在起源與進化中的關系病毒是非細胞形態的生命體，它的主要生命活動必須要在細胞內實現。病毒與細胞在起源上的關系，目前存在3種主要觀點：

生物大分子→病毒→細胞 病毒

生物大分子細胞

生物大分子→細胞→病毒基本特點：

遺傳的信息量小，一個環狀DNA構成；

細胞內沒有分化為以膜為基礎的具有專門結構與功能的細胞器和細胞核膜。主要代表：

支原體（mycoplast）——最小最簡單的細胞；

細菌

藍藻又稱藍細菌（Cyanobacteria）

原核細胞第三節真核細胞（Eukaryoticcell）

真核細胞的基本結構體系

細胞的大小及其分析

細胞形態結構與功能的關系

原核細胞與真核細胞的比較真核細胞的基本結構體系

以脂質及蛋白質成分為基礎的生物膜結構系統:細胞膜、核膜、細胞器（葉綠體、線粒體、高爾基體、內質網、溶酶體）

以核酸（DNA或RNA）與蛋白質為主要成分的遺傳信息表達系統

由特異蛋白分子裝配構成的細胞骨架系統。

胞質骨架（微絲、微管及中等纖維等構成的網絡系統）核骨架（核纖層、核基質）細胞的大小及其分析各類細胞直徑的比較細胞和細胞組分的相對大小

細胞體積的守恒定律細胞及細胞器的計量單位細胞類型直徑大小（μm）最小的病毒支原體細胞細菌細胞動植物細胞原生動物細胞0.020.1～0.31～220～30（10～50）數百至數千細胞體積的守恒定律

不同細胞的大小變化很大，如人的卵細胞的直徑只有0.1mm，而鴕鳥的卵細胞的直徑則有5cm。但是，同類型細胞的體積一般是相近的，不依生物個體的大小而增大或縮小。如人、牛、馬、鼠、象的腎細胞、肝細胞的大小基本相同。因此，器官的大小主要決定于細胞的數量，與細胞的數量成正比，而與細胞的大小無關，把這種現象稱之為"細胞體積的守恒定律"。限制細胞體積大小的因素

限制細胞體積大小的因素●體積同表面積的關系

●細胞內關鍵分子的濃度●酶蛋白質種類的限制

體積同表面積的關系球形細胞增大，其體積增加的比例要比表面積增加得多。當細胞增大到一定程度時，質膜的表面積就不適應細胞進行內外物質的交換，細胞為了維持一個最佳的生存條件，必需維持最佳的表面積，從而限制了體積的無限增大。細胞內關鍵分子的濃度一些重要的分子在細胞內的拷貝數是很少的，當細胞體積增大時，這些分子的濃度就越來越稀釋，一些重要的生化反應需要一定的濃度才能進行，所以細胞內分子濃度就成了限制細胞體積無限增大的另一個因素。酶蛋白質種類的限制根據對現有生物的了解，一個生活細胞要維持正常的獨立生活功能，最低限度需要500～1000種不同類型的酶和蛋白質，這是目前在支原體(mycoplasma)中所發現的酶和蛋白質的量。而支原體是目前所知最小原核細胞，它的體積只有0.2～0.3μm，仍能完全獨立地生存，很顯然，細胞體積最小化受制于維持細胞生命活動所需的酶和蛋白質種類的最低限度。細胞及細胞器的計量單有兩種計量細胞大小的單位，微米(μm)和納米(nm)。1μm等于10-6m，1nm等于10-9m。使用電子顯微鏡后又提出埃(angstrom，?)為超顯微結構的計量單位，1埃(?)=0.1納米，但并不常用。較大的細胞器通常用μm表示，如細胞核的直徑大約是5-10μm，而線粒體的長度大約是2μm。DNA的寬度為2nm。細胞形態結構與功能的關系細胞的形態結構與功能的相關性與一致性是很多細胞的共同特點,在分化程度較高的細胞中更為明顯,這是生物漫長進化過程的產物。

如：哺乳動物紅細胞，呈中央凹陷的圓餅形,體積很小,是一種非常特化的細胞。紅細胞內無細胞核,亦無其他重要細胞器，主要是由細胞質膜包著血紅蛋白。這些特點都與紅細胞交換02

與C02

的功能密切相關。細胞體積小，非常有利于在血管內快速運行。體積小則相對表面積大有利于提高氣體交換效率。因此,紅細胞的形態與結構裝置與其交換氣體的功能之間的關系是非常合理的。原核細胞與真核細胞的比較

原核細胞與真核細胞基本特征的比較

原核細胞與真核細胞的遺傳結構裝置和基因表達的比較

原核細胞與真核細胞的相同點

真核細胞特有的特點

植物細胞與動物細胞的比較原核細胞與真核細胞的相同點序號內容1.都具有類似的細胞質膜結構2.都以DNA作為遺傳物質，并使用相同的遺傳密碼3.都是以一分為二的方式進行細胞分裂4.具有相同的遺傳信息轉錄和翻譯機制，有類似的核糖體結構5.代謝機制相同(如糖酵解和TCA循環)6.具有相同的化學能貯能機制，如ATP合成酶(原核位于細胞質膜，真核位于線粒體膜上)7.光合作用機制相同(藍細菌與植物相比較)8.膜蛋白的合成和插入機制相同9.都是通過蛋白酶體(蛋白質降解結構)降解蛋白質(古細菌與真核細胞相比較)真核細胞特有的特點

序號內容1.細胞分裂分為核分裂和細胞質分裂，并且分開進行2.DNA和蛋白質結合壓縮成染色體結構，形成有絲分裂的結構3.具有復雜的內膜系統和細胞內的膜結構(如內質網、高爾基體、溶酶體、過氧化物酶體、乙醛酸循環體、胞內體等)4.具有特異的進行有氧呼吸的細胞器(線粒體)和光合作用的細胞器(葉綠體)5.具有復雜的骨架系統(包括微絲、中間纖維和微管)6.有復雜的鞭毛和纖毛7.具有小泡運輸系統(胞吞作用和胞吐作用)8.含有纖維素的細胞壁(如植物細胞)9.利用微管形成的紡錘體進行細胞分裂和染色體分離10.每個細胞中的遺傳物質成雙存在，二倍體分別來自于兩個親本11.通過減數分裂和受精作用進行有性生殖原核細胞與真核細胞基本特征的比較(P36)特征原核細胞真核細胞細胞膜有（多功能性）有核膜無有染色體由一個環狀DNA分子構成的單個染色體，DNA不與或很少與蛋白質結合2個染色體以上，染色體由線狀DNA與蛋白質組成核仁無有線粒體無有內質網無有高爾基體無有溶酶體無有核糖體70S（包括50S與30S的大小亞單位）80S（包括60S與40S的大小亞單位）光合作用結構藍藻含有葉綠素a的膜層結構，細菌具有菌色素植物葉綠體具有葉綠素a與b核外DNA細菌具有裸露的質粒DNA線粒體DNA，葉綠體DNA細胞壁主要成分是氨基糖與壁酸動物細胞無細胞壁，植物細胞壁的主要成分為纖維素與果膠細胞骨架無有細胞增殖（分裂）方式無絲分裂（直接分裂）以有絲分裂（間接分裂）為主原核細胞與真核細胞的遺傳結構裝置和基因表達的比較(P37)特征原核細胞真核細胞DNA量（信息量）少多DNA分子數12個以上DNA分子結構環狀線狀基因組數1n2n，多n基因組數幾千大于幾萬，十萬大量"多余"的"重復"的DNA序列-+基因中插入內含子-+DNA與組蛋白結合不與或與少量類組蛋白結合與5種組蛋白結合DNA與組蛋白以核小體及各級高級結構構成染色質與染色體-+DNA復制的明顯周期性-+基因表達的調控主要以操縱子方式復雜性，多層次性轉錄與翻譯的時空關系轉錄與翻譯同時同地進行核內轉錄，細胞質內翻譯

嚴格的階段性與區域性轉錄后與翻譯后大分子的加工與修飾-+細胞復制與分裂（DNA傳遞與分配）無絲分裂有絲分裂，減數分裂植物細胞與動物細胞的比較

細胞壁

液泡

葉綠體

古細菌

是一類很持殊的細菌，多生活在極端的生態環境中。具有原核生物的某些特征，如無核膜及內膜系統；也有真核生物的特征，如以甲硫氨酸起始蛋白質的合成、核糖體對氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核細胞的相似、DNA具有內含子并結合組蛋白；此外還具有既不同于原核細胞也不同于真核細胞的特征，如：細胞膜中的脂類是不可皂化的；細胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白質為主，有的含雜多糖，有的類似于肽聚糖，但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。

類別

古細菌（archaebacteria）與真核細胞曾在進化上有過共同歷程

主要證據

進化系統樹類別極端嗜熱菌（thermophiles）：能生長在90℃以上的高溫環境。如斯坦福大學科學家發現的古細菌，最適生長溫度為100℃，80℃以下即失活，德國的斯梯特（K.Stetter）研究組在意大利海底發現的一族古細菌，能生活在110℃以上高溫中，最適生長溫度為98℃，降至84℃即停止生長；美國的J.A.Baross發現一些從火山口中分離出的細菌可以生活在250℃的環境中。嗜熱菌的營養范圍很廣，多為異養菌，其中許多能將硫氧化以取得能量。極端嗜鹽菌（extremehalophiles）：生活在高鹽度環境中，鹽度可達25%，如死海和鹽湖中。極端嗜酸菌（acidophiles）：能生活在pH值1以下的環境中，往往也是嗜高溫菌，生活在火山地區的酸性熱水中，能氧化硫，硫酸作為代謝產物排出體外。極端嗜堿菌（alkaliphiles）：多數生活在鹽堿湖或堿湖、堿池中，生活環境pH值可達11.5以上，最適pH值8～10。產甲烷菌（metnanogens）：是嚴格厭氧的生物，能利用CO2使H2氧化，生成甲烷，同時釋放能量。CO2＋4H2→CH4＋2H2O＋能量由于古細菌所棲息的環境和地球發生的早期有相似之處，如：高溫、缺氧，而且由于古細菌在結構和代謝上的特殊性，它們可能代表最古老的細菌。它們保持了古老的形態，很早就和其它細菌分手了。所以人們提出將古細菌從原核生物中分出，成為與原核生物（即真細菌eubacteria）、真核生物并列的一類。主要證據（1）細胞壁成分與真核細胞相似，而非由含壁酸的肽聚糖構成，因此抑制壁酸合成的鏈霉素，抑制肽聚糖前體合成的環絲氨酸，抑制肽聚糖合成的青霉素與萬古霉素等對古細菌與真核細胞無作用。（2）DNA與基因結構：古細菌DNA中有重復序列的存在。多數古核細胞的基因組中存在內含子。（3）有類核小體結構：古細菌具有組蛋白，而且能與DNA構建成類似核小體結構。（4）有類似真核細胞的核糖體：多數古細菌類的核糖體較真細菌有增大趨勢，含有60種以上蛋白，介于真核細胞（70～84）與真細菌（55）之間。抗生素同樣不能抑制古核細胞類的核糖體的蛋白質合成。（5）5SrRNA：根據對5SrRNA的分子進化分析，認為古細菌與真核生物同屬一類，而真細菌卻與之差距甚遠。5SrRNA二級結構的研究也說明很多古細菌與真核生物相似。

除上述各點外，根據DNA聚合酶分析，氨基酰tRNA合成酶的作用，起始氨基酰tRNA與肽鏈延長因子等分析，也提供了以上類似依據，說明古細菌與真核生物在進化上的關系較真細菌類更為密切。病毒的多樣性1)宿主范圍：動物病毒、植物病毒、細菌病毒（噬菌體）2)核酸類型：DNA或RNA，單鏈或雙鏈、線狀或環狀3)

裝配形式:有二十面體對稱、螺旋對稱和復合對稱三種類型。4)形態：①球形(Sphericity)、②絲形(Filament)、③彈形(Bulletshape)、④磚形(Brick-shape)、⑤蝌蚪形(Tadpole-shape)5)包膜有無：核殼外的包膜（由脂質與蛋白質組成）腺病毒甲型Ｈ1Ｎ1流感病毒豬流感病毒屬于正粘病毒科（Orthomyxoviridae）,甲型流感病毒屬（influenzavirusA）。典型病毒顆粒呈球狀，直徑為80nm-120nm，有囊膜。囊膜上有許多放射性排列的突起糖蛋白，分別是血凝素ＨＡ、神經氨酸酶ＮＡ和Ｍ２蛋白。病毒顆粒內為核衣殼，呈螺旋狀對稱，直徑為10nm。豬流感病毒為單股負鏈RNA病毒，基因組約為13.6kb，由大小不等的８個獨立片斷組成。病毒有五種形態：①球形(Sphericity)：大多數人類和動物病毒為球形，如脊髓灰質炎病毒、皰疹病毒及腺病毒等；②絲形(Filament)：多見于植物病毒，如煙草花葉病病毒，人類流感病毒有時也可形成絲形；③彈形(Bulletshape)：形似子彈頭，如狂犬病病毒等，其他多為植物病毒。④磚形(Brick-shape)：如痘病毒、天花病毒等；⑤蝌蚪形(Tadpole-shape)：由一卵圓形的頭及一條細長的尾組成，如噬菌體。其中①為二十面體對稱;②、③為螺旋對稱;④、⑤復合對稱。

脊髓灰質炎病毒(球形)煙草花葉病毒(線形)T4噬菌體(蝌蚪形)痘病毒(磚形)狂犬病毒(子彈形)流感冒病毒(絲狀有被膜)病毒侵入細胞，病毒核酸的侵染:病毒與細胞表面的接觸：特異性吸附（病毒表面的識別結構與敏感細胞表面的受體互補結合），這決定了病毒能否侵染細胞。病毒進入細胞的主要方式：

“主動吞飲”（多數動物病毒）包膜與細胞膜融合（一些有包膜的病毒）核酸注入（噬菌體）病毒進入細胞后，殼體被細胞的蛋白水解酶裂解病毒核酸的復制、轉錄與蛋白質的合成

病毒核酸復制類型(6種病毒)：雙鏈DNA、單鏈DNA、雙鏈RNA、侵染性單鏈RNA、非侵染性單鏈RNA、逆轉病毒單鏈RNA復制轉錄合成方式：

（1）雙鏈DNA病毒殼體裂解→釋放DNA→進入細胞核→翻譯‘早期蛋白’→關閉宿主細胞的基因調控、抑制宿主有關復制轉錄及翻譯→復制新的DNA→轉錄mRNA→翻譯結構蛋白（2）單鏈RNA病毒殼體裂解→釋放RNA→翻譯‘早期蛋白’→關閉宿主細胞的基因調控、抑制宿主有關復制轉錄及翻譯→復制新的RNA→轉錄mRNA→翻譯結構蛋白（3）RNA腫瘤病毒殼體裂解→釋放RNA→反轉錄病毒的DNA與宿主DNA結合（整合）→轉錄新的RNA及mRNA→翻譯結構蛋白及導致宿主細胞轉型的蛋白根據病毒所含的核酸的性質和狀態不同，可將病毒分為6類：

1)雙鏈±DNA→+mRNA→蛋白質，如天花病毒、T-偶數噬菌體。2)單鏈+DNA→±DNA→+RNA→蛋白質。3)雙鏈±RNA→+mRNA→蛋白質，如呼腸孤病毒。4)單鏈+RNA→－RNA→+RNA→蛋白質,脊髓灰質炎病毒。5)單鏈-RNA→+RNA→+蛋白質，如流感病毒、副流感病毒、狂犬病毒。6)單鏈+RNA→DNA→±DNA→+mRNA→蛋白質，即逆轉錄病毒（retrovirus）又稱RNA腫瘤病毒（oncornavirus）。?大小通常為0.1~0.3μm，可通過濾菌器。?無細胞壁，不能維持固定的形態而呈現多形性。?細胞膜中膽固醇含量較多，約占36%，這對保持細胞膜的完整性是必需的。凡能作用于膽固醇的物質（如二性霉素B、皂素等）均可引起支原體膜的破壞而使支原體死亡。?基因組為一環狀雙鏈DNA，分子量小（僅有大腸桿菌的五分之一），合成與代謝很有限。支原體肺炎支原體?是在自然界分布最廣、個體數量最多的有機體。?可分為：球菌、桿菌和螺旋菌（弧形菌）。?絕大多數細菌的直徑在0.5~5μm之間。細菌細胞大腸桿菌弧形霍亂菌淋病球菌肉毒梭菌1、細胞膜：厚約8~10nm，外側緊貼細胞壁，通常不形成內膜系統。一些行光合作用的原核生物，質膜具有與捕光反應有關的內褶。一些革蘭氏陽性菌質膜內褶形成小管狀結構，稱為間體(mesosome)，因其與DNA有聯系，推測可能起DNA復制的支點作用。

2、擬核：沒有核膜，DNA分子裸露，所含的遺傳信息量可編碼2000~3000種蛋白質，空間構建十分精簡。3、細胞壁：主要成分是肽聚糖，由N-乙酰葡糖胺（NAG）和N-乙酰胞壁酸（NAM）構成雙糖單元，以β（1-4）糖苷鍵連接成大分子。多糖鏈之間由含4~5個氨