细胞生物学 第二章 细胞的统一性和多样性
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细胞内最重要的物质就是遗传物质DNA。 现有的研究表明，在生命的进化过程中，最早的遗传物 质是RNA而不是DNA，也就是说先出现RNA，后逐渐进化形 成DNA。 由于DNA储存遗传信息较之RNA更稳定，复制更精确，并且易于 修复，所以它取代RNA成为遗传信息的主要载体。为了保证遗 传信息的准确传递，RNA被保留下来，专司遗传信息的转录和 指导蛋白质的合成。所以， 无论是原核生物还是真核生物都 具有DNA和RNA。不过，少数原始生命形式的病毒， 仍然保留
图1-5 几种细胞结构的大小
4. 细胞的分子基础
生命是物质的，所有的细胞都是由水、蛋白质、糖类、脂类、 核酸、盐类和各种微量的有机化合物所组成(表1-1)。蛋白质 、糖类、核酸和脂类等化合物也被称为生物分子(biomolecules)。 表1-1 细菌细胞的化学组成 化学成份 水 无机离子 糖及其前体 氨基酸和前体 占细胞的重量(%) 70 1 1 0.4 每种分子的类型数 1 20 250
被质膜包裹在细胞内的所有生活物质称为原生质
(protoplasm)，包括细胞核和细胞质(cell plasma)。 植物细胞与动物细胞的一个重要差别是在植物细胞质膜的外面还 有一层细胞结构，即细胞壁。在离体条件下细胞壁很容易被酶水 解掉，脱去细胞壁的细胞就称为原生质体(protoplast)。
■ 细胞都具有遗传物质和遗传体系
4.3 小分子有机小分子
细胞内有四类有机小分子: 单糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸。 细胞内的有机小分子约占细胞总有机物的十分之一， 但却有 许多不同的种类。
■ 糖类
糖是细胞的营养物，包括单糖、二糖、低聚糖(2～6个糖)和 多糖(由几百到几千个单糖分子组成)，其中多糖属于生物大 分子
单纯的多糖由许多葡萄糖残基组成，在动物细胞内主要是糖
● 酶蛋白质种类的限制
细胞不仅对体积的增大有限制，而且对体积的减少也有限
制。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 是目前所知最小原核细胞，很显然，细胞体积最小化受制 于维持细胞生命活动所需的酶和蛋白质种类的最低限度。
细胞中的水以两种形式存在: 游离水和结合
水。游离水是细胞代谢反应的溶剂; 结合水
则是以氢键和蛋白质结合的水分子， 占细
胞内全部水的4.5%，是原生质结构的一部分。
4.2 无机盐
■ 无机盐的作用分类
主要分为四大类
● 大分子的结构成分∶主要是C、H、N、O、P、S等； ● 各种酶反应所需的主要离子，包括Ca2+、Cu2+、Mg2+、 K+、Na+、Cl-等； ● 各种酶活性所需的基础微量元素，包括Co2+、Cu2+ 、 Fe3+ 、Mn2+ 、Zn2+等； ● 某些生物需要的特殊微量元素，如碘、铯、溴等 ■ 无机离子的功能有: 维持细胞内的pH和渗透压，以保持细 胞的正常生理活动; 同蛋白质或脂类结合组成具有特定功能的 结合蛋白，参与细胞的生命活动；作为酶反应的辅助因子。
不同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5cm。但是， 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，把这种现象称之为"细胞体积的守恒定律"。
图1-2 不同的细胞形态
3.1 细胞的大小及体积的恒定
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。典型的原核细胞的平均大小
在1～10μ m之间，而真核细胞的直径 平均为3～30μ m，一般为10～20μ m (图1-3)。
图1-3 典型的原核、真核、病毒和分子的大小
■ 细胞体积的守恒定律
RNA作为遗传信息的载体。
■ 细胞都具有核糖体
所有类型的细胞，包括最简单的支原体都含有核糖体。真核 细胞和原核细胞的核糖体不仅功能相同，在结构上也十分相 似，都是由大小两个亚基组成的，只不过原核细胞的核糖体
比真核细胞的核糖体稍小一些。
■ Cells are able to respond to stimuli via surface
■ 限制细胞体积大小的因素
● 体积同表面积的关系
以球形细胞为例(体内的细胞并非都是球形)，计算体积同表面 积的关系(图1-4)。
结果表明，球形细胞增大，其体积 增加的比例要比表面积增加得多。 这样，当细胞增大到一定程度时，
质膜的表面积就不适应细胞进行内
外物质的交换，细胞为了维持一个 最佳的生存条件，必需维持最佳的 表面积，从而限制了体积的无限增大。 图1-4 细胞体积与表面积间的关系
All metabolic activity is based on cells.
C. The cell is the foundation of reproduce,
and the bridge of inheritance.
D. The cell is the growing and developing basis of life
● 细胞都具有运动性,所有细胞都具有一定的运动性，包括细 胞自身的运动和细胞内的物质运动。
2.2 细胞结构上的相似性
不同类型的细胞不仅具有功能上的相似性，而且还具有结构上的相似性。
■ 细胞都具有选择透性的膜结构
细胞都具有一层界膜，将细胞内的环境与外环境隔开。膜有 两个基本的作用，一是在细胞内外起障碍作用，即不允许物 质随意进出细胞，二是要在细胞内构筑区室，形成各功能特 区。
虽然细胞学说是根据光学显微镜对不同类型的细胞进行形 态观察得出的结论，但是它们在结构和功能上的相似性甚至超 过形态上的相似性。 2.1 细胞的基本功能
无论何种来源的细胞，都具有基本相似的功能。
● 细胞能够进行自我增殖和遗传细胞能够以一分为二的分裂 方式进行增殖，动植物细胞、细菌细胞都是如此。 ● 细胞都能进行新陈代谢 细胞内有机分子的合成和分解反应 都是由酶催化的，即细胞的代谢作用是由酶控制的。细胞代 谢包括物质代谢和能量代谢，这也是细胞的基本特性。
receptors that sense changes in the chemical environment. Cells within plant or animal respond to stimuli less obviously than single-celled protist. But they respond. They posses receptors that interact with substances in the environment in highly specific ways. For example, the receptor on the cell surface can respond to hormones and growth factors.
An especially dramatic example of animal cloning was reported in 1997. Dolly the first animal ever cloned from a cell derived from an adult.
2. 细胞的基本功能和特性
原，在植物细胞内主要是淀粉。它们是细胞内贮存的营养物 质，提供细胞代谢所需的能源(图1-9)。
● 水的功能
水在细胞中既是反应物也是溶剂。
水分子参与了生命活动的一些重要
反应，在大分子的合成过程中水是 产物，而在分解反应中水是反应剂。
除了作为反应剂外，由于水是极性 分子，所以是各种极性有机分子和
离子的最好溶剂，主要是靠氢键的
形成使这些分子和离子得以溶解 (图1-8)。
图1-8 水的溶剂作用
● 水的存在方式
Human fetal development. (a)At 5 weeks, limb buds, eyes, the heart, the liver and rudiments of all other organs have started to develop in the embryo, which is only about 1cm long. (b)Growth and development of the offspring, now called a fetus, continue during the second trimester. This fetus is 14 weeks old and about 6cm long. (c)The fetus in this photograph is 20 weeks old. Now the fetus grows to about 30cm in length.
4.1 水是细胞中最主要的成份
生命来自于水， 细胞中水的含量最高，通常占细胞总量70%～80%
(图1-6)。细胞中的所有反应都是在水中进行的，所以水是细胞生 命的活动介质。
图1-6 细胞中各主要成份的相对含量
相邻水分子间的关系是靠氢键维系的（图1-7）。
图1-7 水分子中的氢键 相邻水分子间的关系是靠氢键维系的(图1-7)， 这种氢键赋予水分子哪些独特的性质， 对 于生活细胞有什么重要性?
3. 细胞的形态
细胞具有多种多样的形态(图1-2)， 有球形、杆状、星形、多角形、梭 形、圆柱形等。多细胞生物体， 依 照细胞在各种组织和器官中所承担 的不同功能， 分化形成了各种不同 的形状。这些不同的形状一方面取决 于对功能的适应， 另一方面亦受细 胞的表面张力、胞质的粘滞性、细胞 膜的坚韧程度， 以及微管和微丝骨 架等因素的影响。 举例说明细胞的形态与功能是相关的。
● 细胞内关键分子的浓度
一些重要的分子在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释，一些重要的生化反应 需要一定的浓度才能进行，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，真核细胞如何解决
细胞内重要分子的浓度问题?
E. Cell (nucleus) is totipotent, which can create a new organism of the same type
As a general rule, the cells of a multicellular organism all contain the same set of genes. For animals, the first evidence that even highly specialized cell carry a full complement of genes was verified by the experiment of tadpole nuclei transplanting into unfertilized egg that had been deprived of its own nucleus. Some can develop swimming tadpoles. This is animal cloning.
第二章
细胞的统一性和多样性
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1、 Why are cells the basic units of life?
A. The cell is the structural unit of life, All organisms is make up of cells.
B.The cell is the functional unit of organisms.
3.2 细胞及细胞器的计量单位
有两种计量细胞大小的单位，微米(μ m)和 纳米(nm)。使用电子显微镜后又提出埃 (angstrom，Å)为超显微结构的计量单位，
1埃(Å)=0.1纳米，但并不常用。较大的细
胞器通常用μ m表示，如细胞核的直径大约 是5-10μ m，而线粒体的长度大约是2μ m。
DNA的宽度为2 nm(图1-5)。
图1-5 几种细胞结构的大小
4. 细胞的分子基础
生命是物质的，所有的细胞都是由水、蛋白质、糖类、脂类、 核酸、盐类和各种微量的有机化合物所组成(表1-1)。蛋白质 、糖类、核酸和脂类等化合物也被称为生物分子(biomolecules)。 表1-1 细菌细胞的化学组成 化学成份 水 无机离子 糖及其前体 氨基酸和前体 占细胞的重量(%) 70 1 1 0.4 每种分子的类型数 1 20 250
被质膜包裹在细胞内的所有生活物质称为原生质
(protoplasm)，包括细胞核和细胞质(cell plasma)。 植物细胞与动物细胞的一个重要差别是在植物细胞质膜的外面还 有一层细胞结构，即细胞壁。在离体条件下细胞壁很容易被酶水 解掉，脱去细胞壁的细胞就称为原生质体(protoplast)。
■ 细胞都具有遗传物质和遗传体系
4.3 小分子有机小分子
细胞内有四类有机小分子: 单糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸。 细胞内的有机小分子约占细胞总有机物的十分之一， 但却有 许多不同的种类。
■ 糖类
糖是细胞的营养物，包括单糖、二糖、低聚糖(2～6个糖)和 多糖(由几百到几千个单糖分子组成)，其中多糖属于生物大 分子
单纯的多糖由许多葡萄糖残基组成，在动物细胞内主要是糖
● 酶蛋白质种类的限制
细胞不仅对体积的增大有限制，而且对体积的减少也有限
制。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 是目前所知最小原核细胞，很显然，细胞体积最小化受制 于维持细胞生命活动所需的酶和蛋白质种类的最低限度。
细胞中的水以两种形式存在: 游离水和结合
水。游离水是细胞代谢反应的溶剂; 结合水
则是以氢键和蛋白质结合的水分子， 占细
胞内全部水的4.5%，是原生质结构的一部分。
4.2 无机盐
■ 无机盐的作用分类
主要分为四大类
● 大分子的结构成分∶主要是C、H、N、O、P、S等； ● 各种酶反应所需的主要离子，包括Ca2+、Cu2+、Mg2+、 K+、Na+、Cl-等； ● 各种酶活性所需的基础微量元素，包括Co2+、Cu2+ 、 Fe3+ 、Mn2+ 、Zn2+等； ● 某些生物需要的特殊微量元素，如碘、铯、溴等 ■ 无机离子的功能有: 维持细胞内的pH和渗透压，以保持细 胞的正常生理活动; 同蛋白质或脂类结合组成具有特定功能的 结合蛋白，参与细胞的生命活动；作为酶反应的辅助因子。
不同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5cm。但是， 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，把这种现象称之为"细胞体积的守恒定律"。
图1-2 不同的细胞形态
3.1 细胞的大小及体积的恒定
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。典型的原核细胞的平均大小
在1～10μ m之间，而真核细胞的直径 平均为3～30μ m，一般为10～20μ m (图1-3)。
图1-3 典型的原核、真核、病毒和分子的大小
■ 细胞体积的守恒定律
RNA作为遗传信息的载体。
■ 细胞都具有核糖体
所有类型的细胞，包括最简单的支原体都含有核糖体。真核 细胞和原核细胞的核糖体不仅功能相同，在结构上也十分相 似，都是由大小两个亚基组成的，只不过原核细胞的核糖体
比真核细胞的核糖体稍小一些。
■ Cells are able to respond to stimuli via surface
■ 限制细胞体积大小的因素
● 体积同表面积的关系
以球形细胞为例(体内的细胞并非都是球形)，计算体积同表面 积的关系(图1-4)。
结果表明，球形细胞增大，其体积 增加的比例要比表面积增加得多。 这样，当细胞增大到一定程度时，
质膜的表面积就不适应细胞进行内
外物质的交换，细胞为了维持一个 最佳的生存条件，必需维持最佳的 表面积，从而限制了体积的无限增大。 图1-4 细胞体积与表面积间的关系
All metabolic activity is based on cells.
C. The cell is the foundation of reproduce,
and the bridge of inheritance.
D. The cell is the growing and developing basis of life
● 细胞都具有运动性,所有细胞都具有一定的运动性，包括细 胞自身的运动和细胞内的物质运动。
2.2 细胞结构上的相似性
不同类型的细胞不仅具有功能上的相似性，而且还具有结构上的相似性。
■ 细胞都具有选择透性的膜结构
细胞都具有一层界膜，将细胞内的环境与外环境隔开。膜有 两个基本的作用，一是在细胞内外起障碍作用，即不允许物 质随意进出细胞，二是要在细胞内构筑区室，形成各功能特 区。
虽然细胞学说是根据光学显微镜对不同类型的细胞进行形 态观察得出的结论，但是它们在结构和功能上的相似性甚至超 过形态上的相似性。 2.1 细胞的基本功能
无论何种来源的细胞，都具有基本相似的功能。
● 细胞能够进行自我增殖和遗传细胞能够以一分为二的分裂 方式进行增殖，动植物细胞、细菌细胞都是如此。 ● 细胞都能进行新陈代谢 细胞内有机分子的合成和分解反应 都是由酶催化的，即细胞的代谢作用是由酶控制的。细胞代 谢包括物质代谢和能量代谢，这也是细胞的基本特性。
receptors that sense changes in the chemical environment. Cells within plant or animal respond to stimuli less obviously than single-celled protist. But they respond. They posses receptors that interact with substances in the environment in highly specific ways. For example, the receptor on the cell surface can respond to hormones and growth factors.
An especially dramatic example of animal cloning was reported in 1997. Dolly the first animal ever cloned from a cell derived from an adult.
2. 细胞的基本功能和特性
原，在植物细胞内主要是淀粉。它们是细胞内贮存的营养物 质，提供细胞代谢所需的能源(图1-9)。
● 水的功能
水在细胞中既是反应物也是溶剂。
水分子参与了生命活动的一些重要
反应，在大分子的合成过程中水是 产物，而在分解反应中水是反应剂。
除了作为反应剂外，由于水是极性 分子，所以是各种极性有机分子和
离子的最好溶剂，主要是靠氢键的
形成使这些分子和离子得以溶解 (图1-8)。
图1-8 水的溶剂作用
● 水的存在方式
Human fetal development. (a)At 5 weeks, limb buds, eyes, the heart, the liver and rudiments of all other organs have started to develop in the embryo, which is only about 1cm long. (b)Growth and development of the offspring, now called a fetus, continue during the second trimester. This fetus is 14 weeks old and about 6cm long. (c)The fetus in this photograph is 20 weeks old. Now the fetus grows to about 30cm in length.
4.1 水是细胞中最主要的成份
生命来自于水， 细胞中水的含量最高，通常占细胞总量70%～80%
(图1-6)。细胞中的所有反应都是在水中进行的，所以水是细胞生 命的活动介质。
图1-6 细胞中各主要成份的相对含量
相邻水分子间的关系是靠氢键维系的（图1-7）。
图1-7 水分子中的氢键 相邻水分子间的关系是靠氢键维系的(图1-7)， 这种氢键赋予水分子哪些独特的性质， 对 于生活细胞有什么重要性?
3. 细胞的形态
细胞具有多种多样的形态(图1-2)， 有球形、杆状、星形、多角形、梭 形、圆柱形等。多细胞生物体， 依 照细胞在各种组织和器官中所承担 的不同功能， 分化形成了各种不同 的形状。这些不同的形状一方面取决 于对功能的适应， 另一方面亦受细 胞的表面张力、胞质的粘滞性、细胞 膜的坚韧程度， 以及微管和微丝骨 架等因素的影响。 举例说明细胞的形态与功能是相关的。
● 细胞内关键分子的浓度
一些重要的分子在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释，一些重要的生化反应 需要一定的浓度才能进行，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，真核细胞如何解决
细胞内重要分子的浓度问题?
E. Cell (nucleus) is totipotent, which can create a new organism of the same type
As a general rule, the cells of a multicellular organism all contain the same set of genes. For animals, the first evidence that even highly specialized cell carry a full complement of genes was verified by the experiment of tadpole nuclei transplanting into unfertilized egg that had been deprived of its own nucleus. Some can develop swimming tadpoles. This is animal cloning.
第二章
细胞的统一性和多样性
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1、 Why are cells the basic units of life?
A. The cell is the structural unit of life, All organisms is make up of cells.
B.The cell is the functional unit of organisms.
3.2 细胞及细胞器的计量单位
有两种计量细胞大小的单位，微米(μ m)和 纳米(nm)。使用电子显微镜后又提出埃 (angstrom，Å)为超显微结构的计量单位，
1埃(Å)=0.1纳米，但并不常用。较大的细
胞器通常用μ m表示，如细胞核的直径大约 是5-10μ m，而线粒体的长度大约是2μ m。
DNA的宽度为2 nm(图1-5)。