醫學細胞生物學

第二章細胞概念與分子基礎高級講師王波bonnie_wang70@163.com

中山大學中山醫學院生物教研室醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第1頁細胞基本概念細胞是生命活動基本單位有機體結構組成基本單位含有獨立完整代謝體系，是代謝與功效基本單位生長與發育基礎遺傳基本單位沒有細胞就沒有完整生命醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第2頁上世紀60年代，H.Ris將細胞分為原核真核兩類1990年，Woese提出生物界分3個域，細菌域，古菌域和真核域細菌域：支原體、衣原體、立克次體、細菌、放線菌、藍藻等——真細菌古菌域：產甲烷菌、鹽桿菌、熱原質體等——古細菌真核域：真菌、植物、動物細胞基本概念醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第3頁醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第4頁原核細胞結構簡單，體積小，一至幾個微米細胞質中裸露DNA——擬核（nucleoid）含核糖體，無膜性細胞器有細胞壁（cellwall）：蛋白多糖和糖脂細胞基本概念醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第5頁細胞基本概念支原體(mycoplasma)：最小最簡單細胞直徑0.1~0.3μm，無細胞壁惟一細胞器是核糖體環狀DNA僅指導400種蛋白質合成肺炎、腦炎、尿道炎——病原體醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第6頁細菌(bacteria)：原核細胞經典代表1~10μm大小，分為球菌、桿菌和螺旋菌壁成份肽聚糖；有些菌壁外多肽和多糖組成莢膜細胞膜常分為內膜外膜和膜間隙；內膜上有呼吸鏈酶等細胞膜有時內陷形成中間體，與DNA復制和細胞分裂相關環狀DNA分子，無內含子；胞質中常有環狀質粒每個菌5千-5萬核糖體，大多游離少數附著膜內表細胞基本概念醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第7頁古細菌

可生活在極端環境中產甲烷菌、鹽桿菌、硫化葉菌、熱原質體原核細胞特征：無核膜及內膜系統真核細胞特征：以甲硫氨酸起始合成蛋白質、核糖體對氯霉素不敏感、RNA聚合酶與真核細胞相同、DNA有內含子并結合組蛋白特殊特征：細胞膜中脂類不能皂化(油脂+氫氧化鈉=脂肪酸鈉鹽+甘油)，細胞壁不含肽聚糖、胞壁酸、D型氨基酸及二氨基庚二酸細胞基本概念醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第8頁真核細胞形態各異，大小10~20μm，人卵細胞140μm基本結構細胞基本概念醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第9頁脂質與蛋白質為基礎生物膜系統單位膜厚8-10nm；功效：物質交換、信息傳遞、識別、代謝調整核酸-蛋白質為主要成份遺傳信息表示系統DNA與蛋白質結合特異蛋白質分子組成細胞骨架系統微管、微絲、中間纖維維持細胞形態參加物質運輸、細胞分裂、信息傳遞；核骨架——核纖層蛋白參加基因表示、染色體包裝、分布核糖體與細胞質溶膠核糖體直徑15-25nmRNA+蛋白質其中RNA60%決定蛋白質位置細胞溶膠占總體積二分之一主要成份蛋白質——酶還有多糖、脂蛋白、RNA，及水和無機離子K+Na+Cl-Mg2+Ca2+等細胞基本概念醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第10頁醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第11頁非細胞生命形態——病毒核酸-蛋白質復合體：含DNA——DNA病毒；含RNA——RNA病毒；僅由RNA組成——類病毒；僅由蛋白質組成——朊病毒病毒不完整生命體徹底寄生物多數經過“主動吞飲”進入宿主細胞利用宿主細胞代謝系統以病毒核酸為模板復制轉錄翻譯裝配新病毒顆粒釋放細胞基本概念埃博拉病毒(EBV)屬絲狀病毒科，呈長絲狀體，單股負鏈RNA病毒，有18,959個堿基，分子量為4.17×10^6。外有包膜，病毒顆粒直徑大約80nm，大小100nm×(300～1500)nm。純病毒粒子由一個螺旋形核糖核殼復合體組成，含負鏈線性RNA分子和4個毒粒結構蛋白。60℃30min方能破壞其感染性;紫外線照射2min可使之完全滅活;對化學藥品敏感，乙醚、去氧膽酸鈉、β-丙內酯、福爾馬林、次氯酸鈉等消毒劑能夠完全滅活病毒感染性。埃博拉病毒在除了骨頭和骨骼肌肉外，對人體任何其它組織或器官都一視同仁地加以侵蝕，像掃蕩一樣。當病毒將本身復制到宿主血細胞中，血細胞便開始死亡并凝結在一起。凝塊堵塞血管，切斷全身血液供給；感染器官開始出現死片。病毒蛋白質以特有兇殘攻擊膠原，這是固定器官連結組織中主要蛋白質。當膠原變成漿狀物，器官表面開始出現孔洞，包含皮膚，血從孔洞中傾瀉而出。皮膚下面出現血斑；液化死皮在表面形成水皰。在這個階段全部孔竅都會滲血，同時皮膚和肌肉表面隔膜開始炸裂。在身體內部，心臟開始滲血，滲透周圍空腔。肝臟腫大、裂開，然后化膿腐爛；腎臟失靈，塞滿了死細胞和血塊。死、凝結血細胞比比皆是，包含大腦，妨礙了供氧，最終造成癡呆和嚴重癲癇發作。同時，病毒摧毀剩下血液凝結能力，以致大出血不受抑制地繼續。活死血液隨同死組織及脫落粘膜，包含胃、口腔和腸道粘膜，經過嘔吐和腹瀉拋出體外。瓦解血管和腸子不再固定在一起，而是像流體普通涌入體腔。即使在體液中漂浮著，但組織本身是脫水，無法執行其功效，于是病人開始死亡。醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第12頁腺病毒皰疹病毒肝炎病毒HIV病毒醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第13頁噬菌體醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第14頁臭臭??醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第15頁醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第16頁細胞分子基礎生命化學元素50各種：C、H、O、N占90%；S、P、Cl、K、Na、Ca、Mg、Fe以上共占99.9%有機物+無機物生物小分子水和無機鹽是細胞內無機化合物水：游離水、結合水→以氫鍵結合蛋白質；無機鹽：離子狀態→游離水中維持滲透壓、PH值、神經肌肉應激性；→結合蛋白質或脂類含有功效有機小分子組成生物大分子有機小分子：分子量100～1000碳化合物，碳原子30左右分四種：單糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸糖：化學式(CH2O)n，n為3、4、5、6、7，

稱：碳水化合物，6碳葡萄糖主要能源和組成多糖；常見3碳和5碳糖單糖分子間脫水反應形成糖苷鍵，單糖→寡糖→多糖（C1OH+C4/6OH→C-O-C+H2O）醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第17頁兩類多糖：糖原(glycogen)→動物；淀粉(starch)→植物糖類作用：

能量貯存、細胞結組成份、小分子糖類參加細胞信號傳導、細胞識別及細胞間相互作用脂肪酸(fattyacid)：疏水長烴鏈和-COOH組成，無分支偶數碳原子飽和或不飽和脂肪族羧酸，碳原子間含雙鍵為不飽和脂肪酸，缺乏雙鍵為硬脂酸，通常含14～20個碳原子脂肪(fat)：甘油分子經過酯鍵與3個脂肪酸分子結合而成，也稱甘油三酯，是高效能量儲存形式（碳水化合物2倍）脂類功效：①貯存能量，長久能量儲存形式；②組成細胞膜組分，是質膜骨架；③轉導信號，脂類中類固醇，如膽固醇是合成類固醇激素(雌激素和雄激素)前體，類固醇激素可充當信使分子，傳遞信號細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第18頁氨基酸：多樣化分子，均含一個-COOH和一個-NH3，蛋白質亞基核苷酸：一個含氮環化合物，結合一個5碳糖——核糖或脫氧核糖，結合磷酸基團；是核酸亞基生物大分子細胞中約有3000種生物大分子，分子量：1萬～100萬；核酸、蛋白質、多糖等核酸攜帶遺傳信息分為RNA(ribonucleicacid)和DNA(deoxyribonucleicacid)兩大類1.核酸化學組成

幾十個～幾百萬個核苷酸聚合而成核苷酸：堿基+戊糖+磷酸

經過共價鍵連接而成戊糖：D-核糖、D-2-脫氧核糖；堿基：嘌呤(A/G)與嘧啶(C/T/U)細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第19頁細胞分子基礎兩類堿基：嘌呤堿：腺嘌呤adenine（A）嘧啶堿：胞嘧啶cytosine（C）鳥嘌呤guanine（G）尿嘧啶uracil（U）胸腺嘧啶thymine（T）醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第20頁戊糖：D-核糖D-2-脫氧核糖細胞分子基礎核苷酸組成：堿基+戊糖(核糖)=核苷嘧啶1N/嘌呤9N——核糖1C核苷+磷酸=核苷酸核糖5C——磷酸醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第21頁細胞分子基礎核苷酸聚合：核糖1C位與堿基(嘧啶1N/嘌呤9N)形成糖苷鍵，所合成核苷

核糖3C位與5C位之間形成磷酸二酯鍵連接單核苷酸成為核酸鏈糖苷鍵(glycosidicbond)：一個環狀單糖半縮醛（或半縮酮）羥基與另一個分子（比如醇、糖、嘌呤或嘧啶）羥基、胺基或巰基之間縮合形成縮醛鍵或縮酮鍵，常見糖苷鍵有O-糖苷鍵和N-糖苷鍵核苷酸之間或脫氧核苷酸之間只有堿基不一樣，所以可用堿基排列次序代表RNA或DNA組成次序，稱為一級結構醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第22頁核苷酸類型：dAMP、dGMP、dCMP、dTMP——DNAAMP、GMP、CMP、UMP——RNA少許修飾堿基(稀有堿基)：6-甲基嘌呤、5-甲基胞嘧啶、5-羥基胞嘧啶等，主要分布于RNA分子上環化核苷酸：3',5'-環化腺苷酸cAMP

3',5'-環化鳥苷酸cGMP細胞分子基礎第二信使→→醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第23頁2.DNA摩爾濃度：A=TG=C1953年Watson和Crick提出DNA分子雙螺旋結構模型(B-DNA)(β-DNA)脫氧核苷酸由磷酸二酯鍵連接，方向一條5'→3'，另一條3'→5'兩條鏈圍繞同一個中心軸，右手螺旋方向盤繞成雙螺旋堿基互補標準：A=TG≡C相鄰堿基之間距離0.34nm，10個堿基組成一個螺距3.4nm螺旋直徑2nm；右手螺旋結構上存在兩條凹溝：大溝和小溝DNA高級結構：DNA與蛋白質結合，盤波折疊形成染色體(chromosome)細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第24頁細胞分子基礎堿基互補標準：A=TG≡C醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第25頁DNA結構細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第26頁DNA主要功效：儲存、復制、傳遞遺傳信息遺傳信息以堿基排列次序方式蘊藏于DNA分子中一段DNA分子由n個核苷酸組成，排列次序4n種，造成遺傳信息多樣性、生物多樣性生物體一套完整單倍遺傳物質——基因組（染色體組）人類基因組DNA堿基數31.647億個bp堿基對;A+T54%G+C38%編碼序列——外顯子：1.1%~1.4%；內含子：24%；非編碼：75%基因數目：2~3萬個（Celera企業：

2.6383萬到3.9114萬個之間

）；基因長度：2~30Kbp重復序列：50%以上；個體間核苷酸差異：0.1%遺傳信息表示：復制(replication)——半保留復制轉錄(transcription)DNA→RNA翻譯(translation)RNA→蛋白質細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第27頁3.RNA跟DNA相同：由3',5'-磷酸二酯鍵連接而成跟DNA區分：U替換T；戊糖核糖2C不脫氧RNA單鏈可折疊，形成局部雙螺旋——發夾結構(1)mRNA

占細胞內總RNA1%~5%每三個核苷酸組成1個密碼子，決定1個aa真核生物mRNA特有：5'端有帽子結構——7-甲基三磷酸鳥苷，3'端有多聚腺苷酸尾巴PolyAmRNA分子中每三個相鄰堿基，組成一個密碼子(codon)，密碼子確定氨基酸組成真核生物mRNA在合成后，需要一系列加工，成為合成蛋白質模板細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第28頁原核細胞mRNA是多順反子(polycistron)——一個RNA分子可攜帶幾個蛋白質遺傳信息，指導幾個蛋白質合成真核細胞mRNA是單順反子(monocistron)——每分子RNA只攜帶一個蛋白質信息兩種細胞mRNA5'端和3'端，各有30至幾百個核苷酸非翻譯區，是翻譯調控靶點動物細胞主要RNA種類和功效：細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第29頁(2)rRNA占RNA總量80％～90％，分子量在RNA中最大rRNA呈單鏈結構，主要功效參加組成核糖體真核細胞核糖體（80S）含5S、5.8S、28S和18S四種rRNA原核細胞核糖體（70S）含5S、23S和16S三種rRNA核糖體是細胞合成蛋白質機器，rRNA占核糖體總量60%，蛋白質占40%細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第30頁(3)tRNA占細胞RNA總量5％～10％分子量較小，含70～90個核苷酸；特點是含稀有堿基tRNA部分折疊成雙鏈，結構呈三葉草形，tRNA3'末端CCA-OH共價結合特定氨基酸反密碼環上三個堿基組成反密碼子(anticodon)，反密碼子可識別mRNA上對應密碼子，并結合（配對）tRNA功效是轉運氨基酸到核糖體合成蛋白質反轉錄病毒在細胞內復制時，需要細胞內tRNA為引物，如：色氨酸-tRNA、脯氨酸-tRNA細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第31頁(4)snRNA真核細胞核內小分子RNA，含70~300個核苷酸，稱小核RNA(smallnuclearRNA,snRNA)不及總RNA1%，但snRNA拷貝數很多，約100~200萬個/細胞已發覺snRNA20各種，大多富含尿苷酸（U），稱U-snRNAU-snRNA5'端含甲基化稀有堿基，形成特有帽子結構，常見為2,2,7-三甲基三磷酸尿苷（m32,2,7Gppp）主要功效：參加基因轉錄產物加工細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第32頁(5)miRNAmicroRNA(微小RNA)，長21~25nt非編碼RNA，其前體70~90nt，含有發夾結構最先在秀麗隱小桿線蟲發覺，隨即在哺乳動物中不停發覺新miRNAmiRNA普遍存在于生物界，含有高度保守性細胞分子基礎被轉運蛋白從細胞核運到細胞質RISC，RNA-inducedsilencingcomplex醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第33頁Dicer酶是雙鏈RNA專一性RNA內切酶；Dicer酶可將外源雙鏈RNA也加工成22nt左右siRNA(smallinterferenceRNA)；siRNA一樣使序列互補mRNA降解，從而高效、特異阻斷特定基因表示，這種現象“RNA干擾(RNAinterference,RNAi)”RNA干擾發覺，不但揭示了細胞內基因緘默機制，已經成為基因功效分析有力工具(6)piRNApiRNA(Piwi-interactingRNA)29~30nt小型RNA分子，哺乳類睪丸生殖細胞中，與Piwi蛋白結合→piRNAcomplex,piRC，發揮RNA緘默效應細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第34頁(7)核酶(ribozyme)1981年ThomasCech在原生動物四膜蟲中發覺含有酶活性RNA，當去除全部蛋白質后，rRNA剪接仍可完成核酶是RNA分子，底物也是RNA分子，經過與序列特異性靶RNA分子配對，而發揮作用當前發覺了各種類型含有催化活性天然核酶人工合成錘頭狀和發夾狀核酶，功效很好可依據錘頭結構模式，設計破壞致病基因轉錄產物，為基因治療提供新路徑細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第35頁蛋白質表示遺傳信息蛋白質占細胞干重50%以上，決定細胞形態結構、執行主要生理功效1.蛋白質組成氨基酸(aminoacid,aa)由一個α羧基(COOH)，一個α氨基(NH2)和一個特異側鏈基團(－R)組成組成蛋白質氨基酸僅為：20種天然氨基酸，分為四大類：非極性疏水性氨基酸、極性中性氨基酸、酸性氨基酸和堿性氨基酸細胞分子基礎酸性氨基酸：谷氨酸、天冬氨酸堿性氨基酸：精氨酸、賴氨酸、組氨酸一個氨基酸羧基與另一個氨基酸氨基脫水縮合成肽鍵，組成肽鏈醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第36頁細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第37頁2.蛋白質結構氨基酸種類、數量和排列次序，組成蛋白質一級結構1958年JohnKendrew首次確定了153aa組成肌紅蛋白三級結構蛋白質共同結構特征：肽鏈折疊新生肽鏈經過折疊和構象調整，才含有功效；可溶性蛋白質——分子伴侶，參加輔助蛋白質折疊和構象形成二級結構：某一段肽鏈空間結構，是因為肽鏈內氨基酸殘基之間有規則形成氫鍵結果，包含α-螺旋和β-折疊片細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第38頁α-螺旋：3.6個aa盤旋一周，相鄰螺旋之間，肽鍵-NH中H與-COO，形成氫鍵，與螺旋長軸平行細胞內多肽合成后，自發形成α-螺旋，這是多肽鏈最穩定構象，主要存在于球狀蛋白分子中β-折疊片：多肽分子處于伸展狀態，多肽鏈重復折疊，反向平行，相鄰肽段之間形成氫鍵β-折疊片主要存在于纖維狀蛋白分子中大多數蛋白質中此兩種結構同時存在醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第39頁三級結構：指肽鏈不一樣區域氨基酸側鏈間相互作用而形成肽鏈折疊。主要化學鍵：氫鍵、離子鍵、疏水作用和范德華力三級結構基本單位是結構域(二級結構多肽鏈，連接并折疊成緊密球形結構；含有特殊功效，與蛋白質活性相關)三級結構蛋白質即表現出生物學活性，一些蛋白質結構復雜，需要一條以上含有三級結構肽鏈組成，形成四級結構四級結構：兩條以上含有獨立三級結構多肽鏈，經過非共價鍵相互連接形成多聚體。每條含有獨立三級結構多肽鏈則稱為此蛋白質亞基擁有四級結構蛋白質，只有所有亞基結合一起，才含有生物學活性；比如體內大多數酶細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第40頁細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第41頁一些試劑，如尿素，能夠破壞折疊蛋白中非共價鍵，是蛋白質去折疊，變成渙散肽鏈，這個過程叫做蛋白質變性上述變性可逆，去掉尿素，加入適量還原劑，如β-巰基乙醇，變性蛋白質能夠重新折疊，恢復變性蛋白質可以重新折疊，恢復原來構象，叫做復性3.蛋白質結構與功效關系蛋白質功效取決于其構象；血紅蛋白β鏈第6位谷氨酸被纈氨酸取代，形成異常血紅蛋白(構象改變)，鐮刀形紅細胞貧血結構域(多肽鏈獨立折疊單位)包含aa在40～350之間，每個蛋白質分子有1至多個結構域，不一樣結構域有不一樣功效；含有類似結構域蛋白質往往有類似功效細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第42頁蛋白質功效發揮與其構象不停改變親密相關；比如蛋白質磷酸化與去磷酸化可引發構象改變蛋白質磷酸化：將ATP末端一個磷酸基團共價連接到蛋白質絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸側鏈羥基基團上；由蛋白激酶催化磷酸化，由蛋白質磷酸酶催化去磷酸化蛋白質磷酸化與去磷酸化是真核細胞完成信息傳遞分子基礎細胞分子基礎一類GTP結合蛋白，其活性受控于與GTP還是GDP結合；與GTP結合有活性，與GDP結合無活性GTP結合蛋白活化或去活化跟信息傳遞相關醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第43頁4.一類特殊類型蛋白質——酶生物體內有催花活性蛋白質，特點：催化效率極高、高度專一性、高度不穩定性一些氨基酸殘基因折疊而彼此靠近，形成催化區域——活性中心一些酶有變構位點可結合變構劑，影響構象，調整酶活性多糖存在于細胞膜表面和細胞間質中細胞中分布大量線性大分子和分支大分子糖類，其中短鏈為寡糖，是由許多不一樣單糖分子組成非重復短鏈，通常與蛋白質或者脂質連接在一起，形成細胞表面一部分糖主要存在形式：糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂、脂多糖糖蛋白：共價結合糖蛋白質，糖鏈與肽鏈連接方式有兩種：細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第44頁①N-糖肽鍵指糖碳原子上羥基，與肽鏈天冬酰胺殘基上酰胺基，脫水形成糖苷鍵②O-糖肽鍵指糖碳原子上羥基，與肽鏈氨基酸殘基(絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸、羥賴氨酸、羥脯氨酸)羥基，脫水形成糖苷鍵糖脂：含糖類脂質，分為四類：鞘糖脂(哺乳類主要存在形式)、甘油糖脂、磷酸多萜醇衍生糖脂、類固醇衍生糖脂哺乳類鞘糖脂：中性鞘糖脂、神經節苷脂(含唾液酸)、硫苷脂(硫酸化)質膜上新發覺復合糖類——糖基磷脂酰肌醇(GPI)，可結合一些蛋白使之錨定在質膜上糖鏈在組成細胞抗原、細胞識別、細胞粘附、信息傳遞中均發揮主要作用細胞分子基礎醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第45頁細胞起源與進化原始細胞形成地球上原始生命誕生無機小分子形成有機小分子生命起源于早期地球“有機湯”有機小分子形成生物大分子生物大分子組成多分子體系多分子體系演變為原始生命核酸-蛋白質微滴增大分裂，周而復始。出現原始新城代謝和遺傳特征——原始生命產生醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第46頁Miller模擬試驗醫學細胞生物學細胞的概念和分子基礎第47頁原始細胞形成含有自我復制能力多聚體形成原始核酸