细胞生物学讲义(翟中和-高教版)(3)

2019-05-26 15:26

1. 克-雅二氏病(Creutzfeldt–Jakob disease,CJD):Cruetzfeldt和Jakob 1920年发现于六例患者,大多发生于60岁以上的人,是自身PrP蛋白发生变异引起的。

2. 变异型克-雅氏病(vCJD):患者都处于以往CJD未曾出现的年龄段,为十几岁至三十岁的年轻人,是由于取食病牛产品而感染。患者首先出现忧郁症的病状,继而不能行走,并呈现精神障碍等痴呆症状,最后死亡。

3.GSS综合征(Gerstmann-Straussler Scheinker disease)):是一种遗传的的慢性脑病,由Prnp基因缺陷引起,PrP蛋白的102位亮氨酸被脯氨酸取代或117位的缬氨酸被丙氨酸取代。

4. 克鲁病(Kuru):发现于新几内亚一个叫Fore的部落,当地人称作kuru,意即颤抖。病人大多数是妇女及小孩,病症有言语含糊及无意识地狂笑,最后不省人事并死亡。一名美国医生D. C. Gajdusek到了当地,发现那里的妇女及小孩具有吃死者尸体的习惯,结果受到感染。

5.致死性家族性失眠症(Fatal familial insomnia,FFI):也是一种遗传性疾病,Prnp基因变异,PrP蛋白178位的天冬酰胺被天冬氨酸取代。患者的主要症状是失眠,并有CJD的症状。

对于蛋白质感染因子引起的疾病,目前尚没有有效的治疗措施。这类蛋白具有很强的抵抗力,对抗生素和消毒剂不敏感,134-138℃持续1h的病牛脑组织匀浆,以及10%福尔马林固定过的病羊脑组织,仍有感染性。

据报道,自1996年以来,共有106人得了疯牛病,其中仅有七人还活着。

3 Prokaryotic cells & Archaebacteria

3.1 Classse of Cells mycoplasma

20世纪60年代,H.Ris提出将细胞分为两大类:

原核细胞(prokaryotic cell)和真核细胞(eukaryotic cell)。 Prokaryotic cell,最基本的特点是:

1)遗传的信息量小,遗传信息载体仅由一个环状DNA构成;

2)细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜。 包括支原体、衣原体、立克次体、细菌、放线菌与蓝藻等多种庞大的家族。 3.2 Mycoplasma, the simplest & smallest cell

支原体是目前发现的最简单、体积最小的原核细胞,也是唯一一种没有细胞壁的原核细胞。

支原体的大小介于细菌与病毒之间,一般直径为0.1~0.3Pm,能够通过滤菌器,并能独立生活。原体形态多变,有圆形、丝状或梨形,光镜下难以看清其结构。电镜下观察支原体的细胞膜为三层结构。它有一环状双螺旋DNA并且均匀地分布在细胞内,没有类似细菌的核区(拟核),能指导合成750多种蛋白质。电镜下支原体细胞中惟一可见的细胞器是核糖体,每个细胞中约有800一1500个。支原体感细胞时,多吸附在细胞表面,或分散在细胞之间。

支原体没有鞭毛,无活动能力,可以通过分裂法繁殖,也有进行出芽增殖的。

支原体是动物细胞培养的大敌,由于支原体寄生在细胞中,所以培养细胞很容易被支原体污染,污染源主要是血清。 ----王

支原体(mycoplasma)的大小通常为0.2~0.3μm,可通过滤菌器。无细胞壁,不能维持固定的形态而呈现多形性。细胞膜中胆固醇含量较多,约占36%,这对保持细胞膜的完整性是必需的,凡能作用于胆固醇的物质(如二性霉素B、皂素等)均可引起支原体膜的破坏而使支原体死亡。-----------绍兴 3.3 Bacteria & Cyanobacteria

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细菌细胞只具有原始形态的核,没有核膜,更没有核仁,结构简单,为了与真核细胞典型的核有所区别,称为核区或类核。细菌细胞DNA主要盘绕在核区,细菌的核区实际主要由一个环状的DNA分子组成。由于细菌基因的排列与DNA有对应的结构关系,延用了真核细胞的染色体概念,又习惯地称之谓细菌染色体,然而它比真正的染色体结构简单得多,没有或只有极少的组蛋白与DNA结合。正常情况下,一个细菌细胞内只有一个核区,在细菌处在生长增殖状态时,由于DNA的复制次数与细胞分裂次数并不同步,一个细胞内可以同时存在几个DNA分子,往往出现几个核区。

由于细菌细胞没有核膜把核与细胞质绝对的分开,DNA复制、RNA转录与蛋白质合成的结构装置没有在位置上截然分开,因此基因复制、转录与表达过程没有严格的时间上的阶段性与位置上的区域性。 ------翟

(一)细胞壁

细胞壁厚度因细菌不同而异,一般为15-30nm。主要成分是肽聚糖,由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸构成双糖单元,以β(1-4)糖苷键连接成大分子。N-乙酰胞壁酸分子上有四肽侧链,相邻聚糖纤维之间的短肽通过肽桥(革兰氏阳性菌)或肽键(革兰氏阴性菌)桥接起来,形成了肽聚糖片层,像胶合板一样,粘合成多层。

肽聚糖中的多糖链在各物种中都一样,而横向短肽链却有种间差异。革兰氏阳性菌细胞壁厚约20~80nm,有15-50层肽聚糖片层,每层厚1nm,含20-40%的磷壁酸(teichoic acid),有的还具有少量蛋白质。革兰氏阴性菌细胞壁厚约10nm,仅2-3层肽聚糖,其他成分较为复杂,由外向内依次为脂多糖、细菌外膜和脂蛋白。此外,外膜与细胞之间还有间隙。

肽聚糖是革兰阳性菌细胞壁的主要成分,凡能破坏肽聚糖结构或抑制其合成的物质,都有抑菌或杀菌作用。如溶菌酶是N-乙酰胞壁酸酶,青霉素抑制转肽酶的活性,抑制肽桥形成。

细菌细胞壁的功能包括:保持细胞外形;抑制机械和渗透损伤(革兰氏阳性菌的细胞壁能耐受20kg/cm2的压力);介导细胞间相互作用(侵入宿主);防止大分子入侵;协助细胞运动和分裂。

脱壁的细胞称为细菌原生质体(bacterial protoplast)或球状体(spheroplast,因脱壁不完全),脱壁后的细菌原生质体,生存和活动能力大大降低。

(二)细胞膜

是典型的单位膜结构,厚约8~10nm,外侧紧贴细胞壁,某些革兰氏阴性菌还具有细胞外膜。通常不形成内膜系统,除核糖体外,没有其它类似真核细胞的细胞器,呼吸和光合作用的电子传递链位于细胞膜上。某些行光合作用的原核生物(蓝细菌和紫细菌),质膜内褶形成结合有色素的内膜,与捕光反应有关。某些革兰氏阳性细菌质膜内褶形成小管状结构,称为中膜体(mesosome)或间体,中膜体扩大了细胞膜的表面积,提高了代谢效率,有拟线粒体(Chondroid)之称,此外还可能与DNA的复制有关。

(三)细胞质与核质体

细菌和其它原核生物一样,没有核膜,DNA集中在细胞质中的低电子密度区,称核区或核质体(nuclear body)。细菌一般具有1-4个核质体,多的可达20余个。核质体是环状的双链DNA分子,所含的遗传信息量可编码2000~3000种蛋白质,空间构建十分精简,没有内含子。由于没有核膜,因此DNA的复制、RNA的转录与蛋白的质合成可同时进行,而不像真核细胞那样这些生化反应在时间和空间上是严格分隔开来的。

每个细菌细胞约含5000~50000个核糖体,部分附着在细胞膜内侧,大部分游离于细胞质中。细菌核糖体的沉降系数为70S,由大亚单位(50S)与小亚单位(30S)组成,大亚单位含有23SrRNA,5SrRNA与30多种蛋白质,小亚单位含有16SrRNA与20多种蛋白质。30S的小亚单位对四环素与链霉素很敏感,50S的

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大亚单位对红霉素与氯霉素很敏感。

细菌核区DNA以外的,可进行自主复制的遗传因子,称为质粒(plasmid)。质粒是裸露的环状双链DNA分子,所含遗传信息量为2~200个基因,能进行自我复制,有时能整合到核DNA中去。质粒DNA在遗传工程研究中很重要,常用作基因重组与基因转移的载体。

胞质颗粒是细胞质中的颗粒,起暂时贮存营养物质的作用,包括多糖、脂类、多磷酸盐等。 (四)其他结构

许多细菌的最外表还覆盖着一层多糖类物质,边界明显的称为荚膜(capsule),如肺炎球菌,边界不明显的称为粘液层(slime layer),如葡萄球菌。荚膜对细菌的生存具有重要意义,细菌不仅可利用荚膜抵御不良环境;保护自身不受白细胞吞噬;而且能有选择地粘附到特定细胞的表面上,表现出对靶细胞的专一攻击能力。例如,伤寒沙门杆菌能专一性地侵犯肠道淋巴组织。细菌荚膜的纤丝还能把细菌分泌的消化酶贮存起来,以备攻击靶细胞之用。

鞭毛是某些细菌的运动器官,由一种称为鞭毛蛋白(flagellin)的弹性蛋白构成,结构上不同于真核生物的鞭毛。细菌可以通过调整鞭毛旋转的方向(顺和逆时针)来改变运动状态。

菌毛是菌体表面极其的蛋白纤细,须用电镜观察。特点是:细、短、直、硬、多,菌毛与细菌运动无关,根据形态、结构和功能,可分为普通菌毛和性菌毛两类。前者与细菌吸附和侵染宿主有关,后者为中空管子,与传递遗传物质有关。----绍兴

蓝藻,又称蓝细菌(cyanobacterium),能进行与高等植物类似的光合作用(以水为电子供体,放出O2),与光合细菌的光合作用的机制不一样,因此被认为是最简单的植物。蓝藻没有叶绿体,仅有十分简单的光合作用结构装置。蓝藻细胞遗传信息载体与其它原核细胞一样,是一个环状DNA分子,但遗传信息量很大,可与高等植物相比。蓝藻细胞的体积比其它原核细胞大得多,直径一般在士10um,甚至可达70μm(颤藻)。蓝藻属单细胞生物,有些蓝藻经常以丝状的细胞群体存在,如:属蓝藻门念珠藻类的发菜(nostoc commune var.flagtlliforme)就是蓝藻的丝状体;做绿肥的红萍实际上是一种固氮蓝藻与水生蕨类满江红的共生体。--------绍兴

3.4 Archaebacteria & The there kingdoms of organisms

是一类很持殊的细菌,多生活在极端的生态环境中。具有原核生物的某些特征,如无核膜及内膜系统;也有真核生物的特征,如以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白;此外还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征,如:细胞膜中的脂类是不可皂化的;细胞壁不含肽聚糖,有的以蛋白质为主,有的含杂多糖,有的类似于肽聚糖,但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。

极端嗜热菌(themophiles):能生长在90℃以上的高温环境。如斯坦福大学科学家发现的古细菌,最适生长温度为100℃,80℃以下即失活,德国的斯梯特(K. Stetter)研究组在意大利海底发现的一族古细菌,能生活在110℃以上高温中,最适生长温度为98℃,降至84℃即停止生长;美国的J. A. Baross发现一些从火山口中分离出的细菌可以生活在250℃的环境中。嗜热菌的营养范围很广,多为异养菌,其中许多能将硫氧化以取得能量。

极端嗜盐菌(extremehalophiles):生活在高盐度环境中,盐度可达25%,如死海和盐湖中。

极端嗜酸菌(acidophiles):能生活在pH值1以下的环境中,往往也是嗜高温菌,生活在火山地区的酸性热水中,能氧化硫,硫酸作为代谢产物排出体外。

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极端嗜碱菌(alkaliphiles):多数生活在盐碱湖或碱湖、碱池中,生活环境pH值可达11.5以上,最适pH值8~10。

产甲烷菌(metnanogens):是严格厌氧的生物,能利用CO2使H2氧化,生成甲烷,同时释放能量。 CO2+4H2→CH4+2H2O+能量

由于古细菌所栖息的环境和地球发生的早期有相似之处,如:高温、缺氧,而且由于古细菌在结构和代谢上的特殊性,它们可能代表最古老的细菌。它们保持了古老的形态,很早就和其它细菌分手了。所以人们提出将古细菌从原核生物中分出,成为与原核生物(即真细菌eubacteria)、真核生物并列的一类。------绍兴 The there kingdoms of organisms

1970年C. Woese根据对16SrRNA核苷酸顺序的同源性比较,提出将生命划分为三界,即:真细菌(Eubacteria)、真核生物Eucaryotes、古细菌(Archaes)。1996年Bult领导的研究小组在Science上发表了詹氏甲烷球菌(Methanococcus jannaschii)的全基因组序列,进一步证明它既不是典型的细菌也不是典型的真核生物,而是介于两者之间的生命体,即生命的第三形式。

4 Eukaryotic Cells

4.1 Basic structure system

真核细胞内的结构体系归纳起来可分为三大系统:生物膜体系、遗传信息表达体系、细胞骨架体系。 1 Biomembrane system

真核生物在进化过程中,细胞体积木断增大,因而出现了细胞内部结构的分化,最主要的特征是以质膜为基础的既独立又相互联系的膜结构系统。这些结构及细胞器包括细胞质膜。核膜、内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体和叶绿体等。

生物膜体系(biomembrane system)的基本作用是为细胞提供保护。质膜将整个细胞的生命活动保护起来,并进行选择性的物质交换;核膜将遗传物质保护起来,使细胞核的活动更加有效;线粒体和叶绿体的膜将细胞的能量发生同其他的生化反应隔离开来,更好地进行能量转换。

生物膜体系为细胞提供较多的质膜表面,使细胞内部结构区室化。由于大多数酶定位在膜上,大多数生化反应也是在膜表面进行的,膜表面积的扩大和区室化使这些反应有了相应的隔离,效率更高。

另外,生物膜体系为细胞内的物质运输提供了特殊的运输通道,保证了各种功能蛋白及时准确地到位而又互不干扰。例如溶酶体的酶合成之后不仅立即被保护起来,而且一直处于监护之下被运送到溶酶体小泡。

2 genetic expression system

遗传信息表达体系(genetic expression system)又称为颗粒纤维结构体系,包括细胞核和核糖体。细胞核中的染色质是纤维结构,由DNA和组蛋白构成。染色体的一级结构是由核小体组成的串珠结构,其直径为10urn,又称为10纳米纤维。核糖体是由RNA和蛋白质构成的颗粒结构,直径为15一25urn,由大小两个亚基组成,它是细胞内合成蛋白质的场所。

3 cytoskeleto system

细胞的体积虽小,细胞内却是热闹非凡,各种生化反应瞬息万变,为了保证细胞生命活动的有序进行,细胞必需维持立体结构,这就需要依靠细胞骨架体系 (cytoskeleto system)。细胞骨架是由蛋白质与蛋白质搭建起的骨架网络结构,包括细胞质骨架和细胞核骨架。细胞骨架体系的主要作用是维持细胞的一定形态,使细胞得以安居乐业。细胞骨架对于细胞内物质运输和细胞器的移动来说又起交通动脉的作用;细胞骨架还将细胞内基质区域化;此外,细胞骨架还具有帮助细胞移动行走的功能。细胞骨架的主要成分是微管、微丝和中间纤维。 ----王p19。

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4.2 Eukaryotic cells VS Prokaryotic Cells 4.2.1 Their commonness

1.都具有类似的细胞质膜结构;

2.都以DNA作为遗传物质,并使用相同的遗传密码; 3.都以一分为二的方式进行细胞分裂;

4.具有相同的遗传信息转录和翻译机制,有类似的核糖体结构; 5.代谢机制相同(如糖酵解和TCA循环);

6.具有相同的化学能贮能机制,如ATP合成酶(原核位于细胞质膜上,真核位于线粒体膜L); 7.光合作用机制相同(蓝细菌与植物相比较); 8.膜蛋白的合成和插入机制相同;

9.都是通过蛋白酶体(蛋白质降解结构)降解蛋白质(古细菌与真核细胞相比较)。 4.2.2 Their difference 区别 大小 细胞核 形状 染色体 数目 组成 DNA序列 基因表达 细胞分裂 内膜 鞭毛构成 1~10μm 无核膜 环状DNA分子 一个基因连锁群 DNA裸露或结合少量蛋白质 无或很少有重复序列 RNA和蛋白质在同一区间合成 二分或出芽 无独立的内膜 鞭毛蛋白 原核细胞 10~100μm 有双层的核膜 线性DNA分子 2个以上基因连锁群 DNA同组蛋白和非组蛋白结合 有重复序列 RNA在核中合成和加工;蛋白质在细胞质中合成 有丝分裂和减数分裂,少数出芽生殖。 有,分化成各种细胞器 微管蛋白 线粒体和叶绿体 80S(60S+40S) 吸收,光合作用,内吞 纤维素(植物细胞) 真核细胞 光合与呼吸酶分布 质膜 核糖体 营养方式 细胞壁 70S(50S+30S) 吸收,有的行光合作用 肽聚糖、蛋白质、脂多糖、脂蛋白 真核细胞与原核细胞最根本的区别可以归纳为两条:第一是细胞膜系统的分化与演变。真核细胞以膜系统的分化为基础,首先分化为两个独立的部分——核与质,细胞质内又以膜系统为基础分隔为结构更精细,功能更专一的单位——各种重要的细胞器。细胞内部结构与职能的分工是真核细胞区别于原核细胞的重要标志。第二是遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化。这与第一点相互密切联系,由于真核细胞结构与功能的复杂化,遗传信息量相应随之扩增,即编码结构蛋白质与功能蛋白质的基因数首先大大增多。遗传信息重复序列与染色体多信性的出现是真核细胞区别于原核细胞的另一重大标志。遗传信息的复制、转录与翻译的装置和程序也相应复杂化,真核细胞内遗传信息的转录与翻译有严格的阶段性与区域性,而在原核细胞内转录与翻译可同时进行,这也是两者区别的重要特征。

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