第十三章 细胞和细胞器

1. 第十三章 细胞和细胞器 生命的基本单元-细胞

2. 我们所处在的地球充满着无数的生物，从最简单的病毒、类病毒到菌藻树草，从鱼虫鸟兽到最复杂的人类，处处都可以发现它们的踪迹，觉察到生命的活动。地球上的生物形形色色，千姿百态。不同的生物，其形态、生理特征和对环境的适应能力各不相同，都经历着生长、发育、衰老、死亡的变化，都具有繁殖后代的能力。我们所处在的地球充满着无数的生物，从最简单的病毒、类病毒到菌藻树草，从鱼虫鸟兽到最复杂的人类，处处都可以发现它们的踪迹，觉察到生命的活动。地球上的生物形形色色，千姿百态。不同的生物，其形态、生理特征和对环境的适应能力各不相同，都经历着生长、发育、衰老、死亡的变化，都具有繁殖后代的能力。 • 除了病毒、类病毒等是非细胞的生命体以外，其它生命有机体的结构和功能单位都是细胞。

3. 病毒虽然也是生命体，但它却不具有细胞结构，不能在体外独立生活。病毒的结构简单，主要由蛋白质外壳和遗传物质的核构成。病毒虽然也是生命体，但它却不具有细胞结构，不能在体外独立生活。病毒的结构简单，主要由蛋白质外壳和遗传物质的核构成。 • 病毒的遗传物质可以是DNA，也可是RNA，前者称为DNA病毒，后者称为RNA病毒。 • 病毒的形态各异，有正二十面体的、有柱形的、也有丝状的。

4. 病毒不仅没有细胞结构，而且也不能独立生存，只能在活细胞中进行增殖。病毒不仅没有细胞结构，而且也不能独立生存，只能在活细胞中进行增殖。 • 病毒在细胞外以成熟的病毒粒子的形式存在；侵入宿主细胞后在其内进行繁殖，结果可以破坏宿主细胞，也可以使宿主细胞转化，引起机体疾病的发生。

5. 自从1898年Beijerinck首次提出病毒概念以来，病毒的种类由原来的几十种发展到今天的自从1898年Beijerinck首次提出病毒概念以来，病毒的种类由原来的几十种发展到今天的 • 多数流行性传染病由病毒感染所引起，它严重危害人类的健康和生命，如肝炎病毒（乙型肝炎病毒全球3.5亿人感染）所致的急慢性肝炎；人疱疹病毒引起的视网膜炎，间质性肺炎，脑炎，角膜炎，生殖器疱疹，带状疱疹和唇疱疹等；呼吸道病毒所致的支气管炎、肺炎、麻疹、腮腺炎和脊髓灰质炎等；甲、乙型流感病毒所致的流感。以及人免疫缺陷病毒（HIV）所致的爱滋病（全球近6000万人感染，20年间已经有2500万人死亡）、禽流感病毒所致的流感、SARS病毒所致的非典型肺炎。

6. 虽然疫苗在控制病毒疾病（如天花、脊髓灰质炎、乙型肝炎）方面发挥了巨大的作用，但是有许多疾病（如爱滋病、流感等）由于病毒很容易发生变异，给疫苗研究带来了很大困难。有众多的患者仍然需要药物治疗。虽然疫苗在控制病毒疾病（如天花、脊髓灰质炎、乙型肝炎）方面发挥了巨大的作用，但是有许多疾病（如爱滋病、流感等）由于病毒很容易发生变异，给疫苗研究带来了很大困难。有众多的患者仍然需要药物治疗。 • 近50年来，筛选了数百万计的抗病毒活性物质，但是临床上安全有效的药物为数极少，目前被各国批准的抗病毒药物有40多种。由于这些药物本身的局限性，远远不能满足临床的要求。因此，寻找、开发新药的任务非常艰巨。

7. 在20世纪的100年中,化学与化工取得了空前辉煌的成就。化学合成和分离了2285万种新化合物、新药物、新材料、新分子来满足人类生活和高新技术发展的需要。在20世纪的100年中,化学与化工取得了空前辉煌的成就。化学合成和分离了2285万种新化合物、新药物、新材料、新分子来满足人类生活和高新技术发展的需要。 • 随着工业化社会的发展，人类在生活和生产过程中可能接触到的外源化学物日益增多。 • 现今估计外源化学物已达到十多万种，其中已进入社会的约有6-8万种。为我们的生活及生命提供了丰富多彩的物质。 • 那么？哪些化学物质对人体有影响呢？如何影响呢？

8. 化学物质对生命的影响 药物 食物 • 在生命的发育、生长、繁殖等过程中，常常接触到许许多多的化学物质。它们主要是某些人工合成或天然存在的，但对生物体内发生的生物化学过程有着重要影响。 • 这些化学物质有食物、药物、农药和有毒物质、污染物等。 材料 化工原料 有毒物质 污染物

9. 化学与生物学的融合 • 在19世纪初，人工尿素的合成揭示了生物体的反应同样是遵循物理和化学的规律，化学的理论和方法才开始被全面引进生物学的研究之中。 • 就在此时，在40～50年代或更早从事蛋白质、多肽和核酸的化学家后来组建了生物化学学科。 • 随后生物化学、细胞生物学和遗传学交织在一起，成为一个不可分割的整体，从而诞生了一个新的学科领域-分子生物学。 • 进入20世纪70年代之后，那些没有脱离化学社会的化学家应用有机化学、无机化学、分析化学的理论和方法在分子水平上研究生命现象的化学本质形成了生物化学的分支-生物有机化学、生物分析化学、生物无机化学。

10. 传统的生物学研究生命过程的途径往往是用基因突变的方法，利用天然存在的变种或无序引入突变或定点突变干扰正常的生命过程，再用对照比较的方法弄清楚这些过程的内在联系和相互关系。传统的生物学研究生命过程的途径往往是用基因突变的方法，利用天然存在的变种或无序引入突变或定点突变干扰正常的生命过程，再用对照比较的方法弄清楚这些过程的内在联系和相互关系。 • 化学与生物学的进一步融合就产生了用化学小分子来干扰生命过程，从而来分析这些变化的新研究途径。化学与生物学的有机结合，同时用化学的和生物学的技术、工具、理论来系统研究生命体系，开创了化学生物学研究的新领域。

11. 化学生物学的概念以及与生物化学、分子生物学的区别化学生物学的概念以及与生物化学、分子生物学的区别

12. 生物化学的概念 • 生物化学是在分子水平上研究生命科学的一门学科，是生命科学的重要基础学科之一。 • 生物化学主要是应用化学的理论和方法来研究生命现象，阐明生命现象的化学本质。 • 生物化学的基本内容包括：发现和阐明构成生命物体的分子基础生物分子的化学组成、结构和性质；生物分子的结构、功能与生命现象的关系；生物分子在生物机体中的相互作用及其变化规律。

13. 细胞生物学 生物化学

14. 分子生物学的概念 • 分子生物学是从分子水平研究生命本质为目的的一门新兴边缘学科，它以核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传信息和细胞信息传递中的作用为研究对象。 • 阐明遗传、生殖、生长和发育等生命基本特征的分子机理，从而为利用和改造生物奠定理论基础和提供新的手段。 • 阐明携带遗传信息的核酸和在遗传信息传递及细胞内、细胞间通讯过程中发挥着重要作用的蛋白质等生物大分子的结构。

15. 分子生物学

16. 化学生物学的概念 • 化学生物学所发现和合成的新颖生物活性物质将为医学和生命科学研究提供重要的研究工具； • 这些物质可用来开发新颖药物、临床诊断试剂，为疾病的治疗提供新的途径，有些物质可直接作为研制新颖药物或农药的先导化合物，从而为医药、农业和环境等方面高新技术的发展提供资源。 • 在美国加利福尼亚大学药学院网站对化学生物学的定义为“composition, structure, properties, and interactions of chemicals within living organisms”，这个定义比较简单、明确，可以被不同学科的人员理解，也与生物化学的定义有明显的区别，同时从“Chemical biology”字面上也比较容易理解。

17. 从化学的角度理解化学生物学 • 我认为化学生物学的核心内容是如何利用化学合成的现代技术、化合物分离手段和化学分子结构解析技术获得各种各样的化学物质（包括无机、有机和高分子物质）； • 以及这些化学物质如何与生物大分子、细胞相互作用及分子识别。按照这样的理解， • 从化学的观点看，可以理解为化学生物学是研究化学物质的生物化学功能、生物学功能和医学作用的一门科学。

18. 化学生物学的内涵 蛋白质 酶 核酸 生物化 学功能 相 互 作 用 生物大分子 无机 有机 高分子 物质 化 学 物 质 细胞膜 信号转导 细胞凋亡 细胞周期 合成 分离 生物 学功能 生 物 转 化 纯化 分析 细胞 细胞分化 药物代谢 毒理学 医药学 学作用 动植物

19. 生命的基本构成

20. 第一节 细胞 • 细胞是组成生物体的基本结构单元，是生物体进行代谢、能量转换、遗传以及其它生理活动的基本场所。 • 细胞内存在着各种各样的生物化学体系，生物体内发生的大多数化学反应过程都是在细胞内进行的。 • 细胞能够以一分为二的分裂方式进行自我增殖和遗传，动植物细胞、细菌细胞都是如此。

21. 一、细胞的分类和结构 1．原核细胞 • 原核细胞是一类进化程度低，结构最简单的一类细胞。属于原核细胞的有细菌(Bacteria)和蓝藻(blue-green algae)等。 • 原核细胞的外层是细胞壁和细胞膜（质膜），内部为细胞质。 • 细胞质的结构非常简单，没有明显的细胞器（由封闭的生物膜包裹的固体质粒），只有原始的细胞核（无核膜和核仁）和其它一些核糖核蛋白体等。

22. 细菌的质膜外面还有强固细胞的细胞壁。革兰氏阴性菌，如大肠杆菌具有两层膜：内膜即质膜，是物质通透的屏障；外膜可以允许分子量大于1000的物质通过，两层膜之间是由蛋白质和寡聚糖组成的复合物细胞壁和细胞分泌物质的空间部位的周质空间。革兰氏阳性菌只有一层质膜和细胞壁。细菌的质膜外面还有强固细胞的细胞壁。革兰氏阴性菌，如大肠杆菌具有两层膜：内膜即质膜，是物质通透的屏障；外膜可以允许分子量大于1000的物质通过，两层膜之间是由蛋白质和寡聚糖组成的复合物细胞壁和细胞分泌物质的空间部位的周质空间。革兰氏阳性菌只有一层质膜和细胞壁。 • 大肠杆菌是典型的原核细胞，由于它结构简单，具有优良的遗传信息复制、转录和表达能力，而且容易培养和繁殖，已经成为生物化学和分子生物学研究中最好的实验工具。

23. 大肠杆菌的结构

24. 2．真核细胞 • 真核细胞的外层为细胞膜（植物细胞还有一层细胞壁），内部为细胞质。 • 细胞质的结构非常复杂，含有许多细胞器，主要有：细胞核、线粒体、核糖核蛋白体、高尔基体和溶酶体等。 • 植物细胞中还含有质体、叶绿体和液泡等。 • 各个细胞器具有不同的生物功能，它们之间的协调运作，使细胞内的代谢和各种生理活动能够有条不紊地进行。

25. 真核细胞的结构

26. 原核细胞 真核细胞 细胞大小 较小（1～10m） 较大（10～100m） 细胞核 无核膜及核仁（拟核） 有核膜及核仁（真核） DNA 环状DNA，不与组蛋白结合 线性DNA，与组蛋白结合成染色质 细胞质 具有70S核糖体，没有膜性细胞器，无细胞骨架和中心粒 具有80S核糖体，内质网、线粒体等膜性细胞器，有细胞骨架和中心粒 细胞壁 主要成分为肽聚糖 主要成分为纤维素（植物） 运动器官 鞭毛或纤毛，结构简单 由微管组成的鞭毛或纤毛，结构复杂 RNA与蛋白质合成 在同一部位合成RNA和蛋白质 核内合成RNA，在细胞质内合成蛋白质 细胞分裂 无丝分裂 有丝分裂或减数分裂 二、真核细胞与原核细胞的比较

27. 细胞也可以按照细胞的形态等进行分类：如微生物、动物和植物细胞。细胞也可以按照细胞的形态等进行分类：如微生物、动物和植物细胞。 • 利用微生物可以生产生物活性物质，主要是指微生物来源的抗生素(包括抗细菌抗生素、抗真菌抗生索、抗肿瘤抗生家以及抗病毒抗生家等)以及具有各种各样药用生理活性物质。其中一些已经发展成为药物，但大部分只有药物先导化合物的功能或者可以作为生化试剂，但它们对于新药的发展和认识生命过程是非常有益的。 • 微生物来源的生理活性物质根据其作用靶分子的种类及其作用方式而分为酶抑制剂、受体拮抗剂、细胞信号转导调节剂和免疫调节剂等。

28. 微生物广泛存在于我们的周围，与人们的生活有着密切的联系。根据其不同的进化水平和性状上的明显差别可分为原核微生物、真核微生物和非细胞微生物三大类群。其中原核微生物主要有六类，即细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体和衣原体。微生物广泛存在于我们的周围，与人们的生活有着密切的联系。根据其不同的进化水平和性状上的明显差别可分为原核微生物、真核微生物和非细胞微生物三大类群。其中原核微生物主要有六类，即细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体和衣原体。 • 在人们还没有认识细菌时，细菌中的少数病原菌曾猖獗一时，夺走无数生命；不少腐败菌也常常引起食物和工农业产品腐烂变质。随着微生物学的发展，目前，由细菌引起的一些传染病基本上都得到了控制。 • 放线菌与人类关系比较密切，在人们发现的抗生素中，除了青霉素和头孢霉素类外，大多数由各种放线菌产生，只有少部分放线菌对人类构成危害。

29. 在真菌中，主要以酵母菌、霉菌和蕈菌。千百年来，酵母菌及其发酵产品大大改善和丰富了人类的生活，例如酒类的酿造，面包的制造，甘油的发酵，石油产品的脱蜡，食用、药用和饲料用蛋白的生产，许多化工产品的发酵生产（维生素、辅酶）等。在真菌中，主要以酵母菌、霉菌和蕈菌。千百年来，酵母菌及其发酵产品大大改善和丰富了人类的生活，例如酒类的酿造，面包的制造，甘油的发酵，石油产品的脱蜡，食用、药用和饲料用蛋白的生产，许多化工产品的发酵生产（维生素、辅酶）等。 • 少数的酵母菌也可以引起人或其他动物的疾病，最常见的是白色念珠菌（白假丝酵母），可导致人体一些表层（皮肤、粘膜）或深层（各内脏、器官）疾病，如鹅口疮、阴道炎、轻度肺炎、慢性脑膜炎等。

30. 霉菌是丝状真菌的一个通俗名称。往往在潮湿的气候下大量生长繁殖，长出肉眼可见的丝状、绒状或蛛网状的菌丝体。它的种类和数量惊人的多，在自然条件下，常常引起食物、工农业产品的霉变和植物的病害。霉菌是丝状真菌的一个通俗名称。往往在潮湿的气候下大量生长繁殖，长出肉眼可见的丝状、绒状或蛛网状的菌丝体。它的种类和数量惊人的多，在自然条件下，常常引起食物、工农业产品的霉变和植物的病害。 • 大量的霉菌不但可以促使各种有机物，尤其是大量的纤维素、木质素的分解，也广泛地应用于工农业生产、医药、环境保护等领域。如柠檬酸、葡萄糖酸等有机酸，青霉素和头孢霉素等抗生素、核黄素等维生素的发酵生产。也是酿制酱、酱油、干酪等食物的主要用菌。 • 霉菌也可以引起许多植物病害，引起动物疾病，如植物的稻瘟病，人体皮肤癣菌引起的各种癣症等。目前被国际上确认的致病菌有二百多种。

31. 动植物细胞培养生产化学物质 • 地球上大医生长的植物是人类赖以少存的宝贵资源。人类对植物小的初生和次生代谢产物的利用可以追溯到远古时代，现在仍在人类的生活小占有重要地值。但从天然植物中提取的方式受到了挑战。主要是：一是天然植物的产量低，不能满足需要；二是许多野生植物正趋于濒危；三是引种驯化困难；四是受自然环境和耕地的影响。栽培中产量和质量难以控制。此外，用化学合成的方法，因为工艺复杂、成本高、污染大，也受到了限制。 • 1983年日本利用紫草细胞培养生产紫草宁(Shikonin)获得成功。目前利用于植物组织培养生产的次生代谢产物已达百种以上，生产的次生代谢产物已达50种以上。主要集中在制药工业中一些价格高、产量低、需求大的化合物上(如紫杉醇、长春碱等)；其次是油料(如小豆蔻油等)、食用添加剂(如110香子兰等)、调味剂(如留兰香等)。植物细胞培养生产有用代谢产物成为继用微生物生产有用代谢产物的又—重要发展领域。吸引了许多国家的科学家的重视。

32. 第二节 细胞膜 • 所有的细胞都以一层薄膜将它的内含物与外界环境分开，其内含物一般称为细胞质，这层薄膜就称为质膜。 • 由于质膜（plasma membrane）包在细胞外面所以又称细胞膜。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜。 • 质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜（biomembrane）。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础。

33. 一、细胞膜的化学组成 • 细胞膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。 • 膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。 • 细胞膜上还含有少量的水和金属离子等。 • 生物膜的组成，因膜的种类不同而有很大的差别。

34. 膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。 （1）、磷脂 是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50％以上。磷脂分子的主要特征是： 具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），线粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性局部。 脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成。 常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。 1、膜脂

35. 磷脂 Glycerophospholipids • 主要是磷酸甘油二脂。甘油中第1，2位碳原子与脂肪酸酯基（主要是含16碳的软脂酸和18碳的油酸）相连，第3位碳原子则与磷酸酯基相连。不同的磷脂，其磷酸酯基组成也不相同。

36. 磷脂的结构类型

37. 脂肪酸 • 饱和脂肪酸：硬脂酸（18碳脂肪酸）、软脂酸（16碳脂肪酸）、花生酸（二十碳酸）等。 • 不饱和脂肪酸：油酸（18碳一烯酸[9]）、亚油酸（18碳二烯酸[9，12]）、亚麻酸（18碳三烯酸[9，12，15或6，9，12]）、花生四烯酸（二十碳四烯酸）、二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸。 • 必需脂肪酸：维持生长所需的，体内又不能合成的脂肪酸 • 脂肪酸链的长短以及饱和度与膜的流动性有关，短链脂肪酸能降低脂肪酸链尾部的相互作用，在相变温度以下不易凝集，不饱和脂肪酸链的双键处易弯曲，熔点低，可使脂肪酸链尾部不易互相靠近，增加膜的流动性。因此，一些含高不饱和脂肪酸的油脂常常用作治疗心血管疾病的辅助药物。

38. 磷脂的特点 • 磷脂分子中含有亲水性的磷酸酯基和亲脂性的脂肪酸链，是优良的两亲性分子。 • 磷脂分子在水溶液中，由于水分子的作用，能够形成双层脂膜结构或微团结构。 • 磷酸甘油二脂在水溶液中主要是形成双层脂膜。 • 磷脂的这种性质，使它具有形成生物膜（双层脂膜）的特性。

39. 磷脂形成的微团结构

40. 鞘磷脂 • 鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在脑和神经细胞膜中特别丰富。以鞘胺醇（sphingoine）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞、植物中没有鞘磷脂。

41. （2）胆固醇 • 胆固醇是一种类脂化合物,主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。 • 其功能是提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流动性，降低水溶性物质的通透性。

42. （3）糖脂 （二）、糖脂 • 是含糖而不含磷酸的脂类，含量约占脂总量的5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10％。 • 糖脂也是两性分子，其结构与SM很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。 • 最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。

43. 半乳糖脑苷脂

44. 2，膜蛋白质 • 是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为： • 内在蛋白（integral protein） • 外周蛋白（peripheral protein） • 脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。

45. 膜蛋白质

46. 外周蛋白 • 外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来。 • 这类蛋白约占膜蛋白的20－30%，分布于双层脂膜的表层。外周蛋白能溶解于水。

47. 内在蛋白 • 内在蛋白约占膜蛋白的70-80%，蛋白的部分或全部嵌在双层脂膜的疏水层中。 • 这类蛋白的特征是不溶于水，主要靠疏水键与膜脂相结合，而且不容易从膜中分离出来。 • 内在蛋白与双层脂膜疏水区接触部分，由于没有水分子的影响，多肽链内形成氢键趋向大大增加，因此，它们主要以-螺旋和-折叠形式存在，其中又以-螺旋更普遍。

48. 内在蛋白

49. 脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）可以分为两类： • 糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)连接的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。 • 另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。

50. ①,② integral protein； ⑤,⑥ peripheral protein； ③,④ lipid-anchored protein