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 Classe of Cells mycoplasma 20世纪60年代,HRis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0.1~0.3P恤,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 难以看清其结枃。电镜下观察支原体的细胞膜为三层结枃。它有一环状双螺旋ⅨNA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800-1500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。 支原体( mycoplasma)的大小通常为0.20.3μm,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。 3.3 Bacteria Cyanobacteria 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DMA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 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DMA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、RMA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 (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Inm, 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 ):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 (二)细胞膜 是典型的单位膜结构,厚约8^10m,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DN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23 Srrna,5 SrRNA与30多种蛋白质,小亚单位含有16 SrRNA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DNMA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,伤寒沙门杄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
6 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 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θ2),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 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10Ⅷm,甚至可达70μ■(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. flagelliforme)就是蓝藻的丝状体 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( thermophiles):能生长在驲o℃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岀的细菌可以生活在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p值Ⅰ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。 极端嗜碱菌( alkaliphiles):多数生活在盐碱湖或碱湖、碱池中,生活环境p值可达1.5以上,最适p值8~10。 产甲烷菌( methanogens):是严格厌氧的生物,能利用C2使氧化,生成甲烷,同时释放能量。 C02+4H2→CH4+2H20+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 The there kingdoms of organisms 1970年C. Woese根据对16srRN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 I 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 keleto sys 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( cytoskeleton 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pl9。 4. 2 Eukaryotic cells vs Prokaryotic Cells 4. 2. 1 Their commonness 都具有类似的细胞质膜结构 2.都以DMA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)
7 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。 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。 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 原核细胞 核细胞 小 10~100um 细胞核 无核膜 有双层的核膜 形状环状DNA分子 我性DNA分子 染色体数目一个基因连锁群 2个以上基因连锁群 组成DNA裸露或结合少量蛋白质 DNA同组蛋白和非组蛋白结合 NA序列 无或很少有重复序列 有重复序列 基因表达 RNA和蛋白质在同一区间合成 RNA在核中合成和加工:蛋白质在细胞质中合成 胞分裂 分或出芽 有丝分裂和减数分裂,少数出芽生殖 内膜 无独立的内膜 有,分化成各种细胞器 鞭毛蛋白 微管蛋白 合与呼吸酶分质膜 线粒体和叶绿体 70s(50s+30S) 80s(60s+40S) 营养方式 吸收,有的行光合作用 吸收,光合作用,内吞 细胞壁 肽聚糖、蛋白质、脂多糖、脂蛋白纤维素(植物细胞) 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—一核与质,细胞质内又以膜系统为基础分隔为结构更精细,功能更专一的单位一一各种重要的细胞器。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,即编码结枃蛋白质与功能蛋白质的基因数首先大大増多。遗传信息重复序列与染色体多信性的岀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 4.3 Plant cells ys animal cells 1动物细胞 植物细胞 细胞壁 圆球体 乙醛酸循环体 通讯连接方式。[间隙连接 胞间连丝 中心体 胞质分裂方式收缩环
8 4.2.2 Their difference 区别 原核细胞 真核细胞 大小 1~10μm 10~100μm 细胞核 无核膜 有双层的核膜 染色体 形状 环状 DNA 分子 线性 DNA 分子 数目 一个基因连锁群 2 个以上基因连锁群 组成 DNA 裸露或结合少量蛋白质 DNA 同组蛋白和非组蛋白结合 DNA 序列 无或很少有重复序列 有重复序列 基因表达 RNA 和蛋白质在同一区间合成 RNA 在核中合成和加工；蛋白质在细胞质中合成 细胞分裂 二分或出芽 有丝分裂和减数分裂，少数出芽生殖。 内膜 无独立的内膜 有，分化成各种细胞器 鞭毛构成 鞭毛蛋白 微管蛋白 光合与呼吸酶分布 质膜 线粒体和叶绿体 核糖体 70S（50S+30S） 80S（60S+40S） 营养方式 吸收，有的行光合作用 吸收，光合作用，内吞 细胞壁 肽聚糖、蛋白质、脂多糖、脂蛋白 纤维素（植物细胞） 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。 4.3 Plant Cells VS Animal Cells 细胞器 动物细胞 植物细胞 细胞壁 无 有 叶绿体 无 有 液泡 无 有 溶酶体 有 无 圆球体 无 有 乙醛酸循环体 无 有 通讯连接方式 间隙连接 胞间连丝 中心体 有 无 胞质分裂方式 收缩环 细胞板
构成动物与植物机体的细胞均有基本相同的结构体系与功能体系。很多重要的细胞器与细胞结构,如细胞膜、核膜、染色质、核仁、线粒体、高 尔基体、内质网与核糖体、微管与微丝等等,在不同细胞中不仅其形态结构与成分相同,功能也一样。近年在植物细胞内也发现了类似动物细胞 的中等纤维与溶酶体的结构,植物细胞的圆球体与糊粉粒具有类似溶酶体的功能 植物细胞却有一些特有的细胞结构与细胞器是动物细胞所没有的,如细胞壁、液泡与叶绿体吸其它质体。植物细胞在有丝分裂以后,普遍有一个 体积增大与成熟的过程,这一点比动物细胞表现明显。在这一过程中,细胞的结构要经历一个发育的阶段,如细胞壁的初生壁与次生壁的形成 液泡的形成与增大,有色体的发育等。下面我们简单介绍一下植物细胞所特有的细胞器 (1)细胞壁细胞壁是在细胞分裂过程中形成的,先在分裂细胞之间形成胞间层,主要成分是果胶质,再在胞间层之间形成有弹性的初生壁(1~ 3μm),有些细胞还形成坚硬的次生壁(5~10μm),细胞壁的主要成分是纤维素,还有果胶质、半纤维素与木质素等。植物细胞壁产生了地球 上最多的天然聚合物:木材、纸与布的纤维。细胞壁的某些部位有间隙,原生质可以由此沟通,形成胞间连丝 (2)液泡液泡是植物细胞的代谢库,起调节细胞内环境的作用。它是由脂蛋白膜包围的封闭系统,内部是水溶液,溶有盐、糖与色素等物质, 溶液的浓度可以达到很高的程度。液泡是随着细胞的生长,由小液泡合并与增大而成为大液泡。液泡的另一功能可能具有压力渗透计( osmometer) 的作用,使细胞保持膨胀的状态。 (3)叶绿体叶绿体是植物细胞内最重要与最普遍的质体,它是进行光合作用的细胞器.叶绿体利用其叶绿素将光能转变为化学能,把02与水 转变为糖。叶绿体是世界上成本最低,创造物质财富最多的“生物工厂”。 4. 4 The sizes of cells 胞的体积很小,通常需要借助显微镜才能看见。因此必须用微观的度量单位来测量细胞的大小。常用的细胞和生物大分子的度量单位有微米(μ m)、纳米(nm)。人们用微米作为光学显微镜下观察细胞结构的测量单位:用纳米作为电子显微镜下观察细胞结构的测量单位:肉眼的分辨率 为0.1毫米,观察对象为器官、系统。光学显微镜的分辨率在100-0.2微米,称微观,观察对象为组织、细胞。电子显微镜的分辨率在2100-1塑 米,称亚微观,观察对象为细胞内部结构。高级电子显微镜和X射线衍射,分辨率小于1纳米,称超微观,观察对象为分子结构。1990年11月 28日中国科学院化学研究所在世界上首次借助其扫描隧道显微镜,直接观察到辫子般的三链状脱氧核糖核酸新结构。这种原子级分辨率的精密 仪器,是化学所等单位于1987年靠自力更生在我国首次硏制成功的。由此获得国家科技进步二等奖。这一发现,不仅说明扫描隧道显微镜在研 生物物质方面具有极大的前途,而且在了解脱氧核糖核酸螺旋结构上找到了一个重大突破口,从而为生物信息、生命起源等问题的研究开辟了 条新途径。 细胞大小悬殊。大多数细胞的直径在10-100微米之间。一般而言,真核细胞大于原核细胞(原核细胞结构简单,没有由膜包围的细胞核,只有 核区、细胞质、细胞膜和细胞壁),高等动物的卵细胞大于体细胞,最小的细胞是支原体,直径只有100纳米。最大的细胞是鸟类的卵细胞,鸡 蛋的整个蛋黄就是一个卵细胞,直径约2-3厘米。驼鸟蛋是最大的鸟蛋,卵黄直径可达5-7厘米,可谓是最大的细胞了。人的卵细胞直径为120 微米,肉眼勉强可见。 细胞的大小和细胞的机能是相适应的。神经细胞体直径一般不过100微米,但伸出的神经纤维却可达1米,这显然和神经的传导功能是一致的。 鸟卵之所以大,是因为细胞中储藏大量营养物质之故。精子很小巧,适于游泳寻找卵子 细胞的大小和多细胞生物个体的大小没有相关性,参天大树和幼小树苗,在细胞大小上并无差别。器官的大小与细胞数量成正比,多细胞生物个 体的体积长大,是由于细胞数目的增多 如果是受精的鸡蛋,产出的时候已经不是 而是一个早期的胚胎(原肠期),具有很多细胞,处于休眠期,条件适宜时,又开始胚胎发 育。如果没有受精的话,卵黄部分就相当 母细胞。 4.4.1 lower limit 个细胞生存与增殖必须具备的结构装置与机能是:细胞膜、遗传信息载体DNA与RMA、进行蛋白质合成的一定数量的核糖体以及催化主要酶促 这些分子进行酶促反应所必须占有的空间直径约为50um,加上核糖体(每个核糖体直径约10~20um),细胞膜与核酸等,我们可以推算出来, 个细胞体积的最小极限直径不可能小于100um,而现在发现的最小支原体细胞的直径已接近这个极限。因此,作为比支原体更小更简单的细胞 要维持细胞生命活动的基本要求,似乎是不可能存在的,所以说支原体是最小最简单的细胞 4.4.2 upper limit 细胞最为典型的特点是在一个极小的体积中形成极为复杂而又高度组织化的结构。典型的原核细胞的直径平均大小在1-10pm之间,而真核细胞 的直径平均为3-30pm,一般为10-20pm。 某些不同来源的同类细胞的大小变化很大,如人的卵细胞的直径只有0.1mm,而鸵鸟的卵细胞的直径则有0.scm。但是,来自不同物种的多数 同类型细胞的体积一般是相近的,不依生物个体的大小而增大或缩小。如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同。因此,器官的 大小主要决定于细胞的数量,与细胞的数量成正比,而与细胞的大小无关。 细胞本身的大小并非是随意改变的,细胞体积要维持相对恒定。哺乳动物细胞的体积大小受几个因素的限制,其中一个主要限制因素是体积与表 面积的关系。以球形细胞为例(身体内的细胞并非都是球形)计算体积与表面积的关系,结果表明,球形细胞增大,其体积的增加要比表面积的 增加大得多。这样,当细胞增大到一定程度时,质膜的表面积就的表声积,从而限制了体积的无限增大 另一个限制细胞体积的因素是细胞内关键分子的浓度。一些重要的分子在细胞球形细胞内的拷贝数是很少的,当细胞体积增大时,这些分子的浓 度就越来越稀,一些重要的生化反应需要一定的分子浓度才能进行,所以细胞内分子浓度就成了限制细胞体积无限增大的另一个因素。真核细胞 的体积一般是原核细胞的1000倍,真核细胞为了解决细胞内重要分子的浓度问题,出现了特化的内膜系统,使一些反应局限于特定的膜结合的 细胞器内,这样,一些重要反应的分子浓度并没有被稀释。 细胞不仅对其体积的增大有限制,而细胞体积与表面积间的关系且对体积减小也有限制。据研究,一个生活细胞要维持正常的独立生活功能,最 限度需要500~1000种不同类型的酶和蛋白质,这是目前在支原体( mycoplasma)中所发现的酶和蛋白质的量。而支原体是目前所知最小的原 核细胞,它的体积只有,仍能完全独立地生存。很显然,细胞体积的最小化受制于维持细胞生命活动所需的酶和蛋白质种类的最低量 王p6 官的大小主要决定于细胞的数量,与细胞的数量成正比,而与细胞的大小无关,这种关系有人称之为“细胞体积的守恒定律” 细胞最大体积的极限与什么因素有关?细胞的体积受什么因素控制?我们认为有3个方面应该指出来 1.细胞的相对表面积与体积的关系 2.细胞的核与质之间有一定的比例关系 3.细胞内物质的交流与细胞体积的关系 由于上述种种因素的影响,细胞作为生命活动的基本单位,其体积必然要适应其代谢活动的要求,应有一定的限度,因此数百微米直径的细胞应 被认为是上限了。 4. 5 The relationship between cells' form and its function
9 构成动物与植物机体的细胞均有基本相同的结构体系与功能体系。很多重要的细胞器与细胞结构，如细胞膜、核膜、染色质、核仁、线粒体、高 尔基体、内质网与核糖体、微管与微丝等等，在不同细胞中不仅其形态结构与成分相同，功能也一样。近年在植物细胞内也发现了类似动物细胞 的中等纤维与溶酶体的结构，植物细胞的圆球体与糊粉粒具有类似溶酶体的功能。 植物细胞却有一些特有的细胞结构与细胞器是动物细胞所没有的，如细胞壁、液泡与叶绿体吸其它质体。植物细胞在有丝分裂以后，普遍有一个 体积增大与成熟的过程，这一点比动物细胞表现明显。在这一过程中，细胞的结构要经历一个发育的阶段，如细胞壁的初生壁与次生壁的形成， 液泡的形成与增大，有色体的发育等。下面我们简单介绍一下植物细胞所特有的细胞器。 （1）细胞壁 细胞壁是在细胞分裂过程中形成的，先在分裂细胞之间形成胞间层，主要成分是果胶质，再在胞间层之间形成有弹性的初生壁（l～ 3μm），有些细胞还形成坚硬的次生壁（5～10μm），细胞壁的主要成分是纤维素，还有果胶质、半纤维素与木质素等。植物细胞壁产生了地球 上最多的天然聚合物：木材、纸与布的纤维。细胞壁的某些部位有间隙，原生质可以由此沟通，形成胞间连丝。 （2）液泡 液泡是植物细胞的代谢库，起调节细胞内环境的作用。它是由脂蛋白膜包围的封闭系统，内部是水溶液，溶有盐、糖与色素等物质， 溶液的浓度可以达到很高的程度。液泡是随着细胞的生长，由小液泡合并与增大而成为大液泡。液泡的另一功能可能具有压力渗透计（osmometer） 的作用，使细胞保持膨胀的状态。 （3）叶绿体 叶绿体是植物细胞内最重要与最普遍的质体，它是进行光合作用的细胞器。叶绿体利用其叶绿素将光能转变为化学能，把 CO2 与水 转变为糖。叶绿体是世界上成本最低，创造物质财富最多的“生物工厂”。 4.4 The sizes of Cells 胞的体积很小，通常需要借助显微镜才能看见。因此必须用微观的度量单位来测量细胞的大小。常用的细胞和生物大分子的度量单位有微米（μ m）、纳米（nm）。人们用微米作为光学显微镜下观察细胞结构的测量单位；用纳米作为电子显微镜下观察细胞结构的测量单位；肉眼的分辨率 为 0.1 毫米,观察对象为器官、系统。光学显微镜的分辨率在 100―0.2 微米,称微观,观察对象为组织、细胞。电子显微镜的分辨率在 2100―1 纳 米，称亚微观，观察对象为细胞内部结构。高级电子显微镜和 X 射线衍射，分辨率小于 1 纳米，称超微观，观察对象为分子结构。1990 年 11 月 28 日中国科学院化学研究所在世界上首次借助其扫描隧道显微镜，直接观察到辫子般的三链状脱氧核糖核酸新结构。这种原子级分辨率的精密 仪器，是化学所等单位于 1987 年靠自力更生在我国首次研制成功的。由此获得国家科技进步二等奖。这一发现，不仅说明扫描隧道显微镜在研 究生物物质方面具有极大的前途，而且在了解脱氧核糖核酸螺旋结构上找到了一个重大突破口，从而为生物信息、生命起源等问题的研究开辟了 一条新途径。 细胞大小悬殊。大多数细胞的直径在 10-100 微米之间。一般而言，真核细胞大于原核细胞（原核细胞结构简单，没有由膜包围的细胞核，只有 核区、细胞质、细胞膜和细胞壁），高等动物的卵细胞大于体细胞，最小的细胞是支原体，直径只有 100 纳米。最大的细胞是鸟类的卵细胞，鸡 蛋的整个蛋黄就是一个卵细胞，直径约 2-3 厘米。驼鸟蛋是最大的鸟蛋，卵黄直径可达 5-7 厘米，可谓是最大的细胞了。人的卵细胞直径为 120 微米，肉眼勉强可见。 细胞的大小和细胞的机能是相适应的。神经细胞体直径一般不过 100 微米，但伸出的神经纤维却可达 1 米，这显然和神经的传导功能是一致的。 鸟卵之所以大，是因为细胞中储藏大量营养物质之故。精子很小巧，适于游泳寻找卵子。 细胞的大小和多细胞生物个体的大小没有相关性，参天大树和幼小树苗，在细胞大小上并无差别。器官的大小与细胞数量成正比，多细胞生物个 体的体积长大，是由于细胞数目的增多。 如果是受精的鸡蛋，产出的时候已经不是一个细胞，而是一个早期的胚胎（原肠期），具有很多细胞，处于休眠期，条件适宜时，又开始胚胎发 育。如果没有受精的话，卵黄部分就相当于一个卵母细胞。 4.4.1 lower limit 一个细胞生存与增殖必须具备的结构装置与机能是：细胞膜、遗传信息载体 DNA 与 RNA、进行蛋白质合成的一定数量的核糖体以及催化主要酶促 反应所需要的酶，这些在支原体细胞内已基本具备。从保证一个细胞生命活动运转所必须的条件看，有人估计完成细胞功能至少需要 100 种酶， 这些分子进行酶促反应所必须占有的空间直径约为 50um，加上核糖体（每个核糖体直径约 10～20um），细胞膜与核酸等，我们可以推算出来， 一个细胞体积的最小极限直径不可能小于 100um，而现在发现的最小支原体细胞的直径已接近这个极限。因此，作为比支原体更小更简单的细胞， 又要维持细胞生命活动的基本要求，似乎是不可能存在的，所以说支原体是最小最简单的细胞。 4.4.2 upper limit 细胞最为典型的特点是在一个极小的体积中形成极为复杂而又高度组织化的结构。典型的原核细胞的直径平均大小在 1－10pm 之间，而真核细胞 的直径平均为 3 一 30pm，一般为 10 一 20pm。 某些不同来源的同类细胞的大小变化很大，如人的卵细胞的直径只有 0．lmm，而鸵鸟的卵细胞的直径则有 0．scm。但是，来自不同物种的多数 同类型细胞的体积一般是相近的，不依生物个体的大小而增大或缩小。如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同。因此，器官的 大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关。 细胞本身的大小并非是随意改变的，细胞体积要维持相对恒定。哺乳动物细胞的体积大小受几个因素的限制，其中一个主要限制因素是体积与表 面积的关系。以球形细胞为例（身体内的细胞并非都是球形）计算体积与表面积的关系，结果表明，球形细胞增大，其体积的增加要比表面积的 增加大得多。这样，当细胞增大到一定程度时，质膜的表面积就的表声积，从而限制了体积的无限增大。 另一个限制细胞体积的因素是细胞内关键分子的浓度。一些重要的分子在细胞球形细胞内的拷贝数是很少的，当细胞体积增大时，这些分子的浓 度就越来越稀，一些重要的生化反应需要一定的分子浓度才能进行，所以细胞内分子浓度就成了限制细胞体积无限增大的另一个因素。真核细胞 的体积一般是原核细胞的 1000 倍，真核细胞为了解决细胞内重要分子的浓度问题，出现了特化的内膜系统，使一些反应局限于特定的膜结合的 细胞器内，这样，一些重要反应的分子浓度并没有被稀释。 细胞不仅对其体积的增大有限制，而细胞体积与表面积间的关系且对体积减小也有限制。据研究，一个生活细胞要维持正常的独立生活功能，最 低限度需要 500～1000 种不同类型的酶和蛋白质，这是目前在支原体（mycoplasma）中所发现的酶和蛋白质的量。而支原体是目前所知最小的原 核细胞，它的体积只有，仍能完全独立地生存。很显然，细胞体积的最小化受制于维持细胞生命活动所需的酶和蛋白质种类的最低量。 －－－ －王 p6 器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关，这种关系有人称之为“细胞体积的守恒定律”。 细胞最大体积的极限与什么因素有关？细胞的体积受什么因素控制？我们认为有 3 个方面应该指出来： 1．细胞的相对表面积与体积的关系： 2．细胞的核与质之间有一定的比例关系 3．细胞内物质的交流与细胞体积的关系： 由于上述种种因素的影响，细胞作为生命活动的基本单位，其体积必然要适应其代谢活动的要求，应有一定的限度，因此数百微米直径的细胞应 被认为是上限了。 4.5 The relationship between cells’ form and its function
由于结构、功能和所处的环境不同,各类细胞形态千差万别,有圆形、椭圆形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形,甚至不定形。 原核细胞的形状常与细胞外沉积物(如细胞壁〕有关,如细菌细胞呈棒形,球形,弧形、螺旋形等不同形状。单细胞的动物或植物形状更复杂 些,如草履虫像鞋底状,眼虫呈梭形且带有长鞭毛,钟形虫呈袋状。 生物的细胞形状与细胞功能和细胞间的相互关系有关。如动物体内具有收缩功能的肌肉细胞呈长条形或长梭形:红细胞为圆盘状,有利于0和 002的气体交换。植物叶表皮的保卫细胞成半月形,2个细胞围成一个气孔,以利于呼吸和蒸腾。细胞离开了有机体分散存在时,形状往往发生 变化,如平滑肌细胞在体内成梭形,而在离体培养时则可成多角形。 Chapter Il Techniques in Cell Biolog 、教学目的和要求 通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容:细细胞形态结构的观察方法:细胞组分的分析方法:细胞培养与细胞工程技术:分子生物学方 句学生介绍细胞生物学的技术史和思想史,使之认识工具和方法与学科发展的相关性 使学生了解本学科基本的研究方法。 、教材分析: 概述:本章细胞生物学研究方法和技术在传统教学中属“次要”内容,所以教材深度不大,内容单薄,图表有待丰富。随着细胞生物学的发展, 其研究方法和基本技术原理越来越为人们重视,在考研试题中也频繁出现 教学重点:仪器方法的基本原理和基本应用 教学难点:电镜制样及分子生物学方法 三、教学设想 教材处理:针对其薄弱的环节增加相应内容,如对各仪器、实验方法的原理:在CA课件中加入大量的照片、示意图以助学生学习。 教学方法:主要采用讲授法和讨论法 教具:CAI课件 四、教学内容:(4学时) 1 Light Microscope& Electron Microscope 1.1 Light Microscope 普通光学显微镜 1.构成:普通生物显微镜由3部分构成,即:①照明系统,包括光源和聚光器:②光学放大系统,由物镜和目镜组成,是显微镜的主体,为了 消除球差和色差,目镜和物镜都由复杂的透镜组构成:③机械装置,用于固定材料和观察方便 比较高级的显微镜上都设有傾斜式的双目镜筒。在物镜转换器上方装有四个棱镜,使经过物镜的光线平分为两路到达目镜,故双筒显微镜 binocular microscope)的亮度要比单筒者为暗。双筒显微镜的优点为同时用两眼观察,有较强的立体感 2.原理:经物镜形成倒立实像,经目镜进一步放大成像 3.分辨率 Resolution:区分两质点间最小距离的能力。显微镜物象是否清楚不仅决定于放大倍数,还与显微镜的分辨力( resolution)有关, 分辨力是指显微镜(或人的眼睛距目标25cm处)能分辨物体最小间隔的能力,分辨力的大小决定于光的波长和镜口率以及介质的折射率,用公 式表示为 =0.61A/N.A.N =n sin a/2 式中:n=介质折射率:a=镜口角(标本对物镜镜口的张角),N.A.=镜口率( numeric aperture)。镜口角总是要小于180°,所以sina/2的最 大值必然小于1 讨论: Magnification versus Resolution分辨极限与放大率 般地说,一定波长的射线不能用以探查比它本身波长短得多的结构细节,这是一切显微镜的一个基本限度。因此,光学显微镜的最高分辨极限 ( limit resolution)受可见光的波长(0.4-0.7μm)的限制。细菌和线粒体约0.5μm大小,是光学显微镜能够清晰可见的最小物体:比这更 小的细节,由于光的衍射效应而不能分辨。通常将光镜下所见物体的结构称为显微结构( microscopic structure),如线粒体、中心体、核仁 等可以在光镜下观察,均属于显微结构 光并非是完全直线前进的,光波以各种稍微不同的路程通过一个光学系统,以致互相干涉产生光衍射效应。例如,用同一波长的光照射一条直边, 其放大影像是一组平行线,如照射一个小圆孔,其放大影像是一组同心圆的线。同样原理,通过显微镜观察一个点,就像一个模糊的圆盘,相邻 两点的像则重叠而分辨木开。对可见光来说,能清楚地分辨出相邻两点之间的最小间隔是0.2μm,称之为分辨极限。无论怎样改善透镜,也不 可能克服光波本身所造成的这种限制,尽管可以将图像放大,例如投影到屏幕上,但也不可能在光镜下看清楚比0.2μm更细微的物体 最终成像的大小与原物体大小的比值称为放大率( magnification)。总放大率二物镜放大率X目镜放大率,放大率同样受分辨极限的限制 般来说,光学显微镜的最大放大率只能是透镜的数值孔径的1000倍。由于透镜的数值孔径的范围是1.0~1.4,所以光学显微镜在用空气作介质 时最大放大倍数为1000倍,用油镜则为1400倍 讨论:显微镜的分辨率能否无限提高?如何提高光学显微镜的分辨能力 辨率表示的是能够区别两个点间最近距离的能力,所以广值越小,分辨率越高。从分辨率的表达式来看,NA越大,分辨率越高,或者波长越 短,分辨率越高。 当以可见光作光源,玻璃透镜的最大分辨率是多少呢?应从以下几个方面来考虑这一问题。首先应如何尽可能地缩短波长。可见光的波长范围是 400~700urn,而可见光中的蓝色光的波长最短,为450urn,所以光镜使用时应滤去其他杂色光。第二是使NA的数值尽可能大,因为最好的玻 璃透镜的镜口角是700,所以sina的最大值为0.94,空气的折光率(n)为1,因此玻璃透镜的最大数值孔径为0.94。这样,我们可以计算光 的最大分辨率了:假定用最好的玻璃透镜,角孔径为70”,用最短的可见光一—蓝色光的波长为450urn,用空气作为光的折射介质,则最大 辨率为r=0.61×λ/NA=0.61×450/0.94=292urn。0.3μm。 光镜中的油镜可用油作为光折射的介质,由于油的折光率为1.5,所以用油镜时,分辨率r=0.61λ/NA=0.61×450/1=5×0.94=196 在光学显微镜中,用紫外光作光源可使分辨率提高到0.1pm。紫外光的波长较短,约为200~300urn。但是,紫外光是肉眼不可见的,必须通过 照相。另外,用紫外光源时需用石英透镜,价格较高 荧光显微镜 Fluorescence microscope 特点 男茶外光长技知,分力品上
10 由于结构、功能和所处的环境不同，各类细胞形态千差万别，有圆形、椭圆形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形，甚至不定形。 原核细胞的形状常与细胞外沉积物（如细胞壁）有关，如细菌细胞呈棒形，球形，弧形、螺旋形等不同形状。单细胞的动物或植物形状更复杂一 些，如草履虫像鞋底状，眼虫呈梭形且带有长鞭毛，钟形虫呈袋状。 生物的细胞形状与细胞功能和细胞间的相互关系有关。如动物体内具有收缩功能的肌肉细胞呈长条形或长梭形；红细胞为圆盘状，有利于 O2 和 CO2 的气体交换。植物叶表皮的保卫细胞成半月形，2 个细胞围成一个气孔，以利于呼吸和蒸腾。细胞离开了有机体分散存在时，形状往往发生 变化，如平滑肌细胞在体内成梭形，而在离体培养时则可成多角形。 Chapter Ⅲ Techniques in Cell Biology 一、教学目的和要求： 通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细细胞形态结构的观察方法；细胞组分的分析方法；细胞培养与细胞工程技术；分子生物学方 法。 向学生介绍细胞生物学的技术史和思想史，使之认识工具和方法与学科发展的相关性。 使学生了解本学科基本的研究方法。 二、教材分析： 概述：本章细胞生物学研究方法和技术在传统教学中属“次要”内容，所以教材深度不大，内容单薄，图表有待丰富。随着细胞生物学的发展， 其研究方法和基本技术原理越来越为人们重视，在考研试题中也频繁出现。 教学重点：仪器方法的基本原理和基本应用。 教学难点：电镜制样及分子生物学方法。 三、教学设想： 教材处理：针对其薄弱的环节增加相应内容，如对各仪器、实验方法的原理；在 CAI 课件中加入大量的照片、示意图以助学生学习。 教学方法：主要采用讲授法和讨论法。 教具：CAI 课件 四、教学内容：（4 学时） 1 Light Microscope & Electron Microscope 1.1 Light Microscope （一） 普通光学显微镜 1. 构成：普通生物显微镜由 3 部分构成，即：①照明系统，包括光源和聚光器；②光学放大系统，由物镜和目镜组成，是显微镜的主体，为了 消除球差和色差，目镜和物镜都由复杂的透镜组构成；③机械装置，用于固定材料和观察方便。 比较高级的显微镜上都设有倾斜式的双目镜筒。在物镜转换器上方装有四个棱镜，使经过物镜的光线平分为两路到达目镜，故双筒显微镜 （ binocular microscope）的亮度要比单筒者为暗。双筒显微镜的优点为同时用两眼观察，有较强的立体感。 2. 原理：经物镜形成倒立实像，经目镜进一步放大成像 3. 分辨率 Resolution：区分两质点间最小距离的能力。显微镜物象是否清楚不仅决定于放大倍数，还与显微镜的分辨力（resolution）有关， 分辨力是指显微镜（或人的眼睛距目标 25cm 处）能分辨物体最小间隔的能力，分辨力的大小决定于光的波长和镜口率以及介质的折射率，用公 式表示为： R=0.61λ /N．A． N．A．＝ｎsinα/2 式中：n=介质折射率；α=镜口角（标本对物镜镜口的张角），N.A.=镜口率（numeric aperture）。镜口角总是要小于 180˚，所以 sina/2 的最 大值必然小于 1。 讨论：Magnification versus Resolution 分辨极限与放大率 一般地说，一定波长的射线不能用以探查比它本身波长短得多的结构细节，这是一切显微镜的一个基本限度。因此，光学显微镜的最高分辨极限 （limit resolution）受可见光的波长（0.4－0.7μm）的限制。细菌和线粒体约 0.5μm 大小，是光学显微镜能够清晰可见的最小物体；比这更 小的细节，由于光的衍射效应而不能分辨。通常将光镜下所见物体的结构称为显微结构（microscopic structure），如线粒体、中心体、核仁 等可以在光镜下观察，均属于显微结构。 光并非是完全直线前进的，光波以各种稍微不同的路程通过一个光学系统，以致互相干涉产生光衍射效应。例如，用同一波长的光照射一条直边， 其放大影像是一组平行线，如照射一个小圆孔，其放大影像是一组同心圆的线。同样原理，通过显微镜观察一个点，就像一个模糊的圆盘，相邻 两点的像则重叠而分辨木开。对可见光来说，能清楚地分辨出相邻两点之间的最小间隔是 0.2μm，称之为分辨极限。无论怎样改善透镜，也不 可能克服光波本身所造成的这种限制，尽管可以将图像放大，例如投影到屏幕上，但也不可能在光镜下看清楚比 0.2μm 更细微的物体。 最终成像的大小与原物体大小的比值称为放大率（magnification）。总放大率二物镜放大率 X 目镜放大率，放大率同样受分辨极限的限制。一 般来说，光学显微镜的最大放大率只能是透镜的数值孔径的 1000 倍。由于透镜的数值孔径的范围是 1.0～1.4，所以光学显微镜在用空气作介质 时最大放大倍数为 1000 倍，用油镜则为 1400 倍。 讨论：显微镜的分辨率能否无限提高？如何提高光学显微镜的分辨能力？ 分辨率表示的是能够区别两个点间最近距离的能力，所以广值越小，分辨率越高。从分辨率的表达式来看，NA 越大，分辨率越高，或者波长越 短，分辨率越高。 当以可见光作光源，玻璃透镜的最大分辨率是多少呢？应从以下几个方面来考虑这一问题。首先应如何尽可能地缩短波长。可见光的波长范围是 400～700urn，而可见光中的蓝色光的波长最短，为 450urn，所以光镜使用时应滤去其他杂色光。第二是使 NA 的数值尽可能大，因为最好的玻 璃透镜的镜口角是 70o，所以 sina 的最大值为 0．94，空气的折光率（n）为 1，因此玻璃透镜的最大数值孔径为 0．94。这样，我们可以计算光 镜的最大分辨率了：假定用最好的玻璃透镜，角孔径为 70”，用最短的可见光——蓝色光的波长为 450urn，用空气作为光的折射介质，则最大 分辨率为 r＝ 0．61×λ／NA＝ 0．61× 450／0．94＝ 292urn。0．3μm 。 光镜中的油镜可用油作为光折射的介质，由于油的折光率为 1．5，所以用油镜时，分辨率 r＝ 0．61λ／NA＝0．61× 450／1＝5 × 0．94＝ 196 μrn＝0.2μm。 在光学显微镜中，用紫外光作光源可使分辨率提高到 0．lpm。紫外光的波长较短，约为 200～300urn。但是，紫外光是肉眼不可见的，必须通过 照相。另外，用紫外光源时需用石英透镜，价格较高。 －－－－王 p33 （二）、荧光显微镜 Fluorescence microscope 特点： • 照明方式通常为落射式，即光源通过物镜投射于样品上 ； •光源为紫外光，波长较短，分辨力高于普通显微镜；