【细胞生物学】第二章 细胞的概念与分子基础

第一节 细胞的基本概念

一、细胞的种类

1、细胞是构成已知所有生命体的结构性、功能性、生物性的基本单位，是最小的具有独立复制能力的生命单元。

2、1990年，C. R. Woese提出，将生物界划分为三个域：
①古菌域：包括产甲烷菌、盐杆菌、热原质体等；
②细菌域：包括支原体、衣原体、立克次体、细菌、放线菌及蓝藻等；
③真核域：包括真菌、植物、动物和人类。

注意：古菌域并非指远古细胞！！

二、原核细胞

1、支原体是最小最简单的细胞

①直径：约为0.1~0.3μm；

②支原体无（选填“有”或“无”）细胞壁，唯一的细胞器为核糖体。

2、细菌是原核生物的典型代表

①细菌在自然界中广泛分布，最常见的有球菌、杆菌和螺旋菌，许多细菌可致人类疾病。

②细菌的外表面为一层坚固的细胞壁，其主要成分为肽聚糖。有些细菌的细胞壁外还有一层由多肽和多糖组成并具有保护功能的结构——荚膜。

③细菌胞质内的拟核区含有环状（选填“环状”或“线状”）DNA分子，细菌的DNA结构特点是重复序列少，编码蛋白的基因编码序列是无间隔排列在一起的，序列中无内含子。

④在细菌的细胞质内还含有基因组DNA以外的遗传性DNA片段，常为能够自我复制的小环状DNA片段即质粒。

⑤细菌核糖体的沉降系数为70S，由一个50S的大亚基和一个30S的小亚基组成，它是细菌合成蛋白质的场所。

3、古细菌多生活在极端环境中

①古细菌广泛分布于自然界中，包括土壤、海洋和沼泽。古细菌也是人微生物群的组成部分，分布于人大肠、口腔和皮肤。

②有些古细菌具有固氮能力，但与植物和藻类不同，古细菌不能同时固氮和进行光合作用；

③古细菌为无性繁殖，不形成孢子。

三、真核细胞

（一）真核细胞的形态与大小

1、真核细胞的形态是多种多样的，常与细胞所处的部位及功能相关。

2、大多数细胞的直径在10~20μm之间，但有些细胞较大，如卵细胞，人卵细胞约为100μm。

（二）真核细胞的基本结构

1、以脂质及蛋白质成分为基础的膜相结构体系——生物膜系统

①生物膜系统：生物膜系统是指以生物膜为基础而形成的一系列膜性结构或细胞器，包括细胞膜、内质网、高尔基复合体、线粒体、溶酶体、过氧化物酶及核膜等。

②单位膜的厚度在8~10nm之间。

2、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

①真核细胞的遗传物质位于细胞核中，储存遗传信息的DNA与蛋白质结合，组装成高度有序的染色体结构。

②遗传信息的流向是DNA→RNA（mRNA）→蛋白质。

3、有特异蛋白质分子构成的细胞骨架体系——细胞骨架系统

细胞骨架是由一系列纤维状蛋白组成的网状结构系统，广义的细胞骨架包括细胞质骨架和核骨架，狭义的细胞骨架则指细胞质骨架。细胞质骨架主要由微丝、微管和中间纤维组成，细胞核骨架由核纤层蛋白和核骨架组成。

4、细胞质溶胶

①在细胞质中除了细胞器和细胞骨架等有形结构外，其余的为可溶性的细胞质溶胶。

②细胞质溶胶约占细胞总体积的一半，是均质而半透明的液体部分，其主要成分是蛋白质，占细胞质总量的20%左右，故细胞质呈溶胶状。

③细胞质溶胶的化学组成除大分子蛋白质、多糖、脂蛋白和RNA之外，还含有小分子物质水和无机离子$K^+$、$Na^+$、$Cl^-$、$Mg^{2+}$和$Ca^{2+}$等。

转录与翻译 同时进行（在胞质内） 核内转录，胞质内翻译

转录与翻译和大分子的加工与修饰 无 有

细胞分裂 无丝分裂 有丝分裂，减数分裂，无丝分裂

四、细胞的寄生体——病毒

1、在生物界中，病毒是迄今发现的最小、结构最简单的生物存在形式。

2、病毒主要是由一个核酸分子与蛋白质组成的核酸-蛋白质复合体，有的病毒结构仅有一个有感染性的RNA或蛋白质组成，仅由RNA组成的病毒称为类病毒，仅由蛋白质组成的病毒称为朊病毒。

3、病毒不能独立完成生命活动过程，依赖活细胞才能完成它们的生命活动，因此病毒也被视为不“完全”的生命体，是细胞的寄生体。

4、根据病毒寄生的宿主不同，可将病毒分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒，其中细菌病毒又称噬菌体。

5、请简述病毒增殖周期的过程：多数动物病毒进入细胞的主要方式是靠细胞的“主动吞饮”作用来实现的。进入细胞内的病毒核酸利用宿主细胞的全套代谢系统，以病毒核酸为模板，进行病毒核酸的复制、转录并翻译形成病毒蛋白，然后装配成新一代的病毒颗粒，最后从细胞释放出来，再感染其他细胞，进入下一轮病毒增殖周期。

第二节 细胞的分子基础

一、生物小分子

（一）水和无机盐是细胞内的无机化合物

1、水：细胞中的水除以游离形式存在之外，还能以氢键与蛋白质分子结合，成为结合水，构成细胞结构的组成部分。

2、无机盐在细胞中均以离子状态存在，作用为①游离于水中，维持细胞内外液的渗透压和pH，保障细胞的正常生理活动；②直接与蛋白质或脂类结合，组成具有特定功能的结合蛋白（如血红蛋白）或类脂（如磷脂）。

（二）有机小分子是组成生物大分子的亚单位

1、单糖：主要由碳、氢、氧三种元素组成，其化学组成为(CH2O)n，其中n通常等于3、4、5、6或7，故又称碳水化合物，是细胞多糖的亚基和能源的主要来源化合物。

2、脂肪酸分子：由两个不同的部分组成，一端是疏水性（选填“亲水性”或“疏水性”，下同）的长烃链，另一端是亲水性的羧基。

3、氨基酸是一类多样化的分子，但均有一个共同的特点：都有一个羧基和氨基，两者均与同一个α碳原子连接，它们是蛋白质的亚基。

4、核苷酸分子由一个含氮环的化合物与一个五碳糖（戊糖）相连而成，该戊糖是含有多个磷酸基团的核糖或脱氧核糖，核苷酸是核酸的亚基。

二、 生物大分子

※细胞的大部分物质是生物大分子，大约有数万种大分子，分子量从10 000到1 000 000不等。

（一）核酸携带遗传信息

※分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）两大类。

1、核酸的化学组成：由几十个乃至几百万个单核苷酸聚合而成。

①核苷酸由戊糖、碱基（含氮有机碱）和磷酸三部分组成。

ⅰ.戊糖：有D-核糖和D-2-脱氧核糖两种；

ⅱ.碱基：也有两类：嘌呤和嘧啶。前者有腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G），后者有胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U）。除此之外还有少量稀有碱基。

②请简述核苷酸的形成过程：

i.形成核苷：核糖的第1位碳原子与嘧啶第1位氮原子或与嘌呤第9位氮原子形成糖苷键（N-C键）;

ii.核苷的戊糖羟基与磷酸形成酯键，即成为核苷酸。

③核酸由大量的单核苷酸聚合而成，单核苷酸间的连接方式为：一个核苷酸中戊糖的5’碳原子上连接的磷酸基以酯键与另一个核苷酸戊糖的3’碳原子相连，而后者戊糖的5’碳原子上的磷酸基又以酯键再与另一个核苷酸戊糖的3’碳原子相连，由此通过3’、5’磷酸二酯键重复相连而形成的多聚核苷酸链即为核酸。

④DNA分子中的脱氧核苷酸或碱基的排列顺序也称DNA的一级结构。

2、DNA
①摩尔浓度：[A]=[T]，[C]=[G]。

②请简述DNA分子的双螺旋结构模型：

i.DNA分子由两条相互平行且方向相反的多核苷酸链组成，即一条链中磷酸二酯键连接的核苷酸方向是5’→3’，另一条是3’→5’，两条链围绕着同一个中心轴以右手方向盘绕成双螺旋结构。

ii.螺旋的主链由位于外侧的间隔相连的脱氧核糖和磷酸组成，双螺旋的内侧由碱基构成，即一条链上的A通过两个氢键与另一条链的T相连，一条链上的G通过三个氢键与另一条链的C相连，或者说A总是与T配对，G总是与C配对，这种碱基间的配对方式称为碱基互补配对原则。

iii.螺旋内每一对碱基均位于同一平面上，并且垂直于螺旋纵轴，相邻碱基对之间距离为0.34nm，双螺旋螺距为3.4nm。

③DNA的主要功能是储存、复制和传递遗传信息。虽然DNA分子中只有四种核苷酸，但核苷酸的数量却非常巨大，并可随机排列，这就决定了DNA分子的复杂性和多样性。如果一个DNA分子有n个核苷酸组成，则其可能的排列顺序为4n。如此多的排列顺序展示了遗传信息的多样性，即生物种类的多样性。

④DNA半保留复制：DNA复制从两条互补的DNA链局部分离（分叉）开始，以每条链为模板，在DNA聚合酶作用下将脱氧核糖核苷酸加载DNA链的3’末端，所加上去的核苷酸是与模板链上的碱基互补的，从而产生与模板链序列互补的DNA子链。如此，可将遗传信息全盘复制出来，最终形成完整的DNA分子。新形成的双链DNA分子在核苷酸或碱基序列上与充当模板的亲代DNA分子完全相同，由于每条亲代DNA单链成为子代DNA双链中的一条链，故称为DNA半保留复制。

⑤转录：DNA分子所携带的遗传信息的流向是先形成RNA，这种以DNA为模板合成RNA的过程称为转录。

3、RNA

※请简述RNA与DNA的相同点及不同点：

相同点：都是由四种核苷酸通过3’，5’磷酸二酯键连接而成。

不同点：RNA中的尿嘧啶替代了DNA中的胸腺嘧啶；此外，DNA分子中的戊糖是脱氧核糖，而RNA分子中的戊糖是核糖。

①mRNA：

i.mRNA约占细胞内总RNA的1%~5%。

ii.原核细胞的mRNA与真核细胞的mRNA的区别：原核细胞没有真核细胞mRNA所特有的5’端7-甲基三磷酸鸟苷（m7G5’ppp）帽子结构，也没有3’端的由30~300个腺苷酸组成的多聚腺苷酸尾巴（polyA）结构。

iii.密码子：mRNA分子中每三个相邻的碱基组成一个密码子，由密码子确定蛋白质中氨基酸的排列顺序。

iv.原核细胞的mRNA为多顺反子（选填“多顺反子”或“单顺反子”），即一分子RNA有时可携带几种蛋白质的遗传信息，能指导合成几种蛋白质（提示：前一空所选的名词解释），而真核细胞中的mRNA是单顺反子（选填“多顺反子”或“单顺反子”），每分子RNA只携带一种蛋白质的遗传信息（提示：前一空所选的名词解释）。

v.不论是原核细胞的多顺反子mRNA，还是真核细胞的单顺反子mRNA，在其5’端和3’端都各有一段由30到数百个核苷酸组成的非翻译区（UTR），是蛋白质翻译调控的重要靶点之一。

②rRNA：

i.rRNA在细胞中的含量较丰富，约占RNA总量的80%~90%，其分子量在三种RNA中也最大。

ii.核糖体是合成蛋白质的机器，由大小两个亚基组成，在原核生物中核糖体为70S（提示：沉降系数，下同），其大小亚基分别为50S和30S，大亚基中含23S和5SrRNA，小亚基中含有16S rRNA；而真核生物的核糖体为80S，40S的小亚基中含18S rRNA，60S的大亚基则含有28S、5.8S和5S三种rRNA。rRNA约占核糖体总量的60%，其余的40%为蛋白质。

③tRNA：

i.tRNA的含量约占细胞的5%~10%，分子较小，由70到90个核苷酸组成。

ii.tRNA化学组成的最大特点是含有稀有碱基。

iii.请简述每种tRNA只能转运一种特定氨基酸（tRNA的特异性）的原因：tRNA反密码环上的三个碱基组成反密码子，反密码子能够与mRNA上密码子互补结合，因此每种tRNA只能转运一种特定的氨基酸，参与蛋白质合成。

iv.tRNA的功能：转运氨基酸到核糖体上，参与蛋白质的合成。

v.近些年研究发现，tRNA还可以作为反转录时的引物。可以作为引物的常见tRNA是色氨酸-tRNA、脯氨酸-tRNA。

④snRNA（小核RNA）：

i.snRNA在细胞内的含量虽不及RNA总量的1%，但其拷贝数多得惊人。

ii.现已发现的snRNA至少有20种，其中有10多种分子中都富含尿苷酸（U），且含量可高达总核苷酸的35%，故这些snRNA也称为U-snRNA。

iii.U-snRNA的主要功能是参与基因转录产物的加工过程。

⑤miRNA（微小RNA）

i.miRNA是一类长约2125nt的非编码RNA，其前体为7090nt，具有发夹结构。

ii.miRNA最先在研究秀丽隐小杆线虫的发育过程中被发现。

iii.miRNA普遍存在于生物界，具有高度的保守性。

iv.miRNA的形成机制是：在细胞核内编码miRNA的基因转录成miRNA初级产物（pri-miRNA），在Drosha（RNase III家族的成员）的作用下，剪切为约7090个核苷酸长度、具有茎环结构的miRNA前体（pre-miRNA）。miRNA前体在细胞核-细胞质转移蛋白的作用下，从核内运输到胞质中。然后，在Dicer酶（双链RNA专一性RNA内切酶）的作用下，miRNA前体被剪切成2125个核苷酸长度的成熟双链miRNA。

v.miRNA的作用机制是：起初，成熟miRNA与其互补序列相互结合成所谓“双螺旋结构”；随后，双螺旋解旋，其中一条结合到RNA诱导基因沉默复合物（RISC）中，形成非对称RISC复合物。非对称RISC复合物通过与靶基因mRNA 3’端UTR互补结合，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。

vi.Dicer酶还可以将一些外源双链RNA加工成为22nt左右的小干扰RNA（siRNA）。

vii.RNA干扰（RNAi）：同miRNA的作用机制类似，siRNA也能以序列同源互补的mRNA为靶点，通过促使特定基因的mRNA降解来高效、特异地阻断体内特定基因表达，这种现象称为RNA干扰。

⑥piRNA：

i.piRNA是一类小型RNA分子，主要存在于哺乳动物睾丸的生殖细胞中。

ii.作用：与Piwi蛋白结合形成piRNA复合物，发挥RNA沉默效应。

⑦核酶：

i.核酶是具有酶活性的RNA分子，在研究喜热四膜虫时第一次被发现。

ii.目前已发现了具有催化活性的多种类型的天然核酶，其中锤头状核酶和发夹状核酶已被人工合成，并显示出很好的功能。可以根据锤头结构的模式设计能破坏致病基因的转录产物，从而为基因治疗提供新途径。

（二）蛋白质是遗传信息的功能载体

※蛋白质是构成细胞的主要成分，约占细胞干重的50%以上。

※蛋白质的作用：呈现DNA遗传信息的物质，决定细胞的形状和结构，担负细胞的功能。

1、蛋白质的组成：

①自然界中有很多种氨基酸，组成蛋白质的有20种L-α-氨基酸。

②氨基酸为两性（选填“酸性”“碱性”“中性”或“两性”）电解质。

③按氨基酸侧链-R的带电性和极性不同，可将氨基酸分为四类，即带负电荷（选填“带正电荷”“带负电荷”或“不带电荷”）的酸性氨基酸（如谷氨酸、天冬氨酸），带正电荷（选填“带正电荷”“带负电荷”或“不带电荷”）的碱性氨基酸（如 精氨酸、赖氨酸、组氨酸），不带电荷（选填“带正电荷”“带负电荷”或“不带电荷”）的中性极性氨基酸，以及不带电荷（选填“带正电荷”“带负电荷”或“不带电荷”）的中性非极性氨基酸。

④组成蛋白质的氨基酸按一定的排列顺序，以肽键连接而成。肽键是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而成的化学键。

2、蛋白质的结构

①蛋白质结构的共同特征是多肽链的折叠。

②蛋白质的一级结构至四级结构各是什么？各需要什么键维持？

蛋白质的一级结构是氨基酸的排列顺序，维持力是肽键；

蛋白质的二级结构是α-螺旋和β-片层，维持力是氢键；

蛋白质的三级结构是二级结构基础上折叠形成的三维立体结构，不同氨基酸侧链间通过氢键、离子键、疏水键和范德华力来维持构型。

蛋白质的四级结构是两个及以上具有三级结构的亚单位，通过氢键等非共价键来维持形成的多亚基复合体。

③请解释蛋白质的变性和复性：某些溶剂，如尿素可以破坏折叠蛋白中的非共价键，使蛋白质去折叠成失去自然构象的松散肽链，这个过程称为蛋白质的变性。这种变性是可逆的，当去掉尿素、并加入适量的还原剂如β-巯基乙醇时，变性的蛋白质重新折叠并恢复为原来的构象，该过程谓之复性。

3、蛋白质的结构与功能的关系

①蛋白质的功能取决于其结构。在人体的血红蛋白中，其β链上的第六位谷氨酸如果被缬氨酸替代，则形成异常血红蛋白，导致人体镰刀形红细胞贫血。

②结构域：结构域是指多肽链的独立折叠单位，其结构域的氨基酸残基通常在40~350个之间，是大分子蛋白质的结构组成单位，不同结构域与蛋白质的不同功能相关。

③活细胞内蛋白质功能的发挥与构想的不断改变密切相关。最常见的例子是蛋白质的磷酸化与去磷酸化所引起蛋白质构象的改变。

④蛋白质磷酸化包括通过酶催化把ATP末端磷酸基团转移到蛋白质的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸侧链的羟基基团上，该反应由蛋白激酶催化，而其逆反应的去磷酸化则由蛋白质磷酸酶完成。

⑤蛋白质的磷酸化和去磷酸化是真核细胞完成信息传递过程的分子基础之一。

⑥磷酸基团的丢失还可驱动一类胞内重要蛋白——GTP结合蛋白构象的巨大变化。这类蛋白的活化受控于其与三磷酸鸟苷（GTP）或二磷酸鸟苷（GDP）的结合：当蛋白质与GTP结合时呈现活性构象，而其与GDP结合时则变成一种非活性构象。这些GTP结合蛋白的活化与去活化起分子开关的作用，在真核细胞生命活动的信息传递过程中华起重要作用。

4、酶是一类特殊类型的蛋白质

①酶的特点有：高效性、高度专一性、高度不稳定性。

②酶的活性中心：一些氨基酸残基的侧链基团通过多肽链折叠彼此靠近形成特定的区域，以识别和催化底物，这就是所谓酶的活性中心。

③有些酶除了具有活性中心之外，还有一个可以结合变构剂的变构位点，这类酶称为变构酶。一些物质通过与变构位点结合，调节酶蛋白构象，从而达到对酶活性的调节作用。

（三）多糖存在于细胞的膜结构表面和细胞间的间质中

※寡糖与多糖：线形大分子和分支的大分子糖类可以由简单而重复的单元组成，短链称为寡糖，长链称为多糖。

※细胞中寡糖或多糖的主要存在形式有糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂和脂多糖，这些复合产物也称为复合糖。

1、糖蛋白：共价结合糖的蛋白质

常见的糖链和肽链的连接方式是N-糖肽键和O-糖肽键。

N-糖肽键：糖碳原子上的羟基与组成肽链的天冬酰胺残基上的酰胺基之间脱水而形成的糖苷键；

O-糖肽键：糖碳原子上的羟基与组成肽链的氨基酸（如丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、羟赖氨酸和羟脯氨酸等）残基上的羟基脱水形成的。

2、糖脂：含有糖类的脂质
根据组成不同，可把糖脂分为四类，即鞘糖脂（哺乳动物细胞中主要存在的糖脂）、甘油糖脂、磷酸多萜醇衍生糖脂和类固醇衍生糖脂。在鞘糖脂中含中性糖类的称为中性鞘糖脂，其中含唾液酸的鞘糖脂又称为神经节苷脂，含磷酸化单糖的鞘糖脂则为硫苷脂。

3、近年来在不同种类细胞的脂膜上还发现了一类新的复合糖类，即糖基磷脂酰肌醇（GPI），一些蛋白可与GPI的寡糖链结合从而锚定在质膜上。

4、糖链在构成构成细胞抗原、细胞识别、细胞黏附及信息传递中起重要作用。

第三节 细胞的起源和进化

一、原始细胞的形成

（一）地球上原始生命的诞生

原始生命的诞生大致可以分为四个阶段：

（1）从无机小分子形成有机小分子物质（生命起源于早期地球的“有机汤”中）；

（2）从有机小分子物质形成生物大分子物质；

（3）从生物大分子物质组成多分子体系；

（4）从多分子体系演变为原始生命。

（二）原始细胞的形成

1、具有自我复制能力的多聚体的形成

原始核酸多聚体和氨基酸多聚体相互依存相互作用；核酶不仅能催化核酸的拼接，而且也能催化氨基酸间肽键的形成、以及tRNA与氨基酸之间键的形成与断裂。

2、膜的出现与原始细胞的诞生

所推测的原始细胞和现存的支原体很相似，但原始细胞的遗传信息储存于RNA中，而并非DNA。

二、原核细胞向真核细胞的演化

1、分化起源说：原核生物在长期的自然演化过程中，通过内部结构的分化和自然选择，逐步形成网膜系统、胞核系统和能量转换系统等，使其成为结构日趋精细，功能更加完善的真核细胞，最终形成真核生物。

2、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，进而使真核细胞能在氧气充足的地球上生存下来。

三、单细胞生物向多细胞生物的进化

1、多细胞生物进化的早期可能是由单细胞聚集成群体。（可能的证据：黏细胞）

2、细胞在向多细胞机体进化过程中，另一个最重要的特点是出现细胞的分化。（可能的证据：团藻）