细胞生物学03971

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细胞生物学复习讲义——冲刺！二、细胞生物学的主要研究内容细胞生物学研究与教学内容一般可分为细胞结构功能与细胞重要生命活动两大基本部分。从20世纪60年代开始，在细胞生物学教科书中，细胞结构和功能知识内容所占比例较多。由于细胞超微结构研究积累的大量资料大大充实与拓宽了细胞结构与功能的知识范畴。从70年代中期开始，现代细胞生物学教科书中细胞重要生命活动的知识所占比重越来越大。由于分子生物学概念、内容与方法的引入，当前细胞生物学研究内容大致归纳为以下诸多领域：(一)细胞核、染色体以及基因表达的研究(二)生物膜与细胞器的研究(三)细胞骨架体系的研究(四)细胞增殖及其调控(五)细胞分化及其调控(六)细胞的衰老与凋亡(七)细胞的起源与进化(八)细胞工程(九)细胞信号转导三、当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域细胞生物学与分子生物学相互渗透与交融是总的发展趋势。换句话说，细胞分子生物学或分子细胞生物学将是今后相当一段时间的主流。第二章细胞基本知识概要第一节细胞的基本概念一、细胞是生命活动的基本单位近年比较普遍的提法是:细胞是生命活动的基本单位。(一)一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位只有病毒是非细胞形态的生命体。(二)细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位在细胞内一切生化过程与试管内的生化过程的根本不同点是，细胞表现为有严格程序的、自动控制的代谢体系。(三)细胞是有机体生长与发育的基础一切有机体的生长与发育是以细胞的增殖与分化为基础的，近年认为细胞凋亡是生物生长发育不可缺少的平衡因素，与细胞增殖、分化具有互补作用。(四)细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性每一个细胞，都包含着全套的遗传信息，即全套的基因，也就是说它们具有遗传的全能性。(五)没有细胞就没有完整的生命细胞共同的基本点:\n1所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜，即细胞膜。细胞膜使细胞与周围环境保持相对的独立性，造成相对稳定的细胞内环境，并通过细胞膜与周围环境进行物质交换和信号转导。2所有的细胞都有两种核酸:即DNA与RNA，作为遗传信息复制与转录的载体。而非细胞形态生命体病毒只有一种核酸，即DNA或RNA作为遗传信息的载体。3作为蛋白质合成的机器---核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内，是任何细胞(除个别非常特化的细胞)不可缺少的基本结构，它们在翻译多肽链时，与mRNA形成多聚核糖体。4所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂，遗传物质在分裂前复制加倍，在分裂时均匀地分配到两个子细胞内，这是生命繁衍的基础与保证。一、病毒的基本知识病毒(virus)主要是由一个核酸分子(DNA或RNA)与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体。病毒虽然具备了生命活动的最基本特征(复制与遗传)，但不具备细胞的形态结构，是不"完全"的生命体。第三种观点越来越具有说服力。认为病毒是细胞的演化产物的观点，其主要依据与论点如下:1由于病毒的彻底寄生性，没有细胞的存在也就没有病毒繁殖。因此病毒决不可能起源在细胞之先，只能是先有细胞后有病毒。2有些病毒(如腺病毒)的核酸与哺乳动物细胞DNA某些片段的碱基序列十分相似。3病毒可以看做是DNA与蛋白质或RNA与蛋白质形成的复合大分子，与细胞内核蛋白分子有相似之处。由此推论:病毒可能是细胞在特定条件下"拥出"的一个基因组，或者是具有复制与转录能力的mRNA。这些游离的基因组，只有回到它们原来的细胞内环境中才能逆行复制与转录。Ø为什么说支原体是最小、最简单的细胞?一个细胞生存与增殖必须具备的结构装置：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。一个细胞体积的最小极限直径不可能小于100nm，而现在发现的最小支原体细胞的直径已接近这个极限。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，这些抗生素大概是通过多肽链翻译这一环节起抑菌作用的。一、真核细胞的基本结构体系真核细胞可以在亚显微结构水平上划分为三大基本结构体系:1以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统;2以核酸(DNA或RNA)与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统;\n3由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。植物细胞却有一些动物细胞所没有的特有的细胞结构与细胞器，如细胞壁、液泡与叶绿体及其他质体。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，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。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。是植物细胞的代谢库，起调节细胞内环境的作用。液泡另一功能可能具有压力渗透计(osmometer)的作用，使细胞保持膨胀状态。(3)叶绿体叶绿体是植物细胞内最重要、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。第四章细胞膜与细胞表面第一节细胞膜与细胞表面特化结构Ø流动镶嵌模型主要强调：①膜的流动性，膜蛋白和膜脂均可侧向运动；②膜蛋白分布的不对称性，有的镶在膜表面，有的嵌入或横跨脂双分子层。Ø还有学者提出“液晶态模型”(强调生物膜的膜脂处于无序(流动性)和有序(晶态)之间动态转变的)以及“板块镶嵌模型”(强调生物膜是由具有流动性程度不同的“板块”镶嵌而成的等)。这些模型都可以看作是对流动镶嵌模型的完善或补充。Ø最近有人提出脂筏模型(1ipidraftsmodel)，即在生物膜上胆固醇富集而形成有序脂相，如同“脂筏”一样载着各种蛋白，这一模型可解释生物膜的某些性质与功能，但仍需要更多的证据。二、膜脂(一)成分膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇3种类型。3．胆固醇和中性脂质胆固醇的功能：调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降低水溶性物质的通透性二)膜脂的运动方式4种热运动的方式：1．沿膜平面的侧向运动每秒移动2μm的距离。侧向运动是膜脂分子的基本运动方式，具有重要的生物学意义。2．脂分子围绕轴心的自旋运动。3．脂分子尾部的摆动4．双层脂分子之间的翻转运动(三)脂质体脂质体(1iposome)是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。\n三、膜蛋白膜蛋白的种类繁多，多数膜蛋白分子数目较少，但却赋予细胞膜非常重要的生物学功能。(一)类型膜蛋白可分为两大基本类型：Ø膜周边蛋白(peripheralproteins)或称外在膜蛋白(extrinsicproteins)Ø膜内在蛋白(integralproteins)或称整合膜蛋白。Ø膜周边蛋白为水溶性蛋白，靠离子键或其他较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子结合，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，膜结构并不被破坏。Ø膜内在蛋白与膜结合非常紧密，只有用去垢剂使膜崩解后才可分离出来。(三)去垢剂l由于SDS对蛋白质的作用较为剧烈，引起蛋白质变性l非离子去垢剂也可使细胞膜崩解，但对蛋白质的作用比较温和，五、膜的不对称性(一)细胞膜各部分的名称与细胞外环境接触的膜面称质膜的细胞外表面(extrocytoplasmicsurface，ES)，与细胞质基质接触的膜面称质膜的原生质表面(protoplasmicsurface，PS)。冷冻蚀刻技术制样过程中，膜结构常常从双层脂分子疏水端断裂，这样又产生了质膜的细胞外小页断裂面(extrocytoplasmicface，EF)和原生质小页断裂面(protoplasmicface，PF)(图4—7)(二)膜脂的不对称性膜脂的不对称性是指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。(三)膜蛋白的不对称性膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性。七、膜骨架与细胞表面的特化结构(一)膜骨架膜骨架是指细胞膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持细胞膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。细胞连接可分为三大类：(1)封闭连接(occludingjunctions)，紧密连接(tightjunction)是典型代表，它将相邻细胞的质膜密切地连接在一起阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内。(2)锚定连接(anchoringjunctions)，通过细胞骨架系统将细胞与相邻细胞或细胞与基质之间连接起来。锚定连接又分为与中间纤维相关的锚定连接，包括桥粒(desmosome)和半桥粒(hemidesmosome)；以及与肌动蛋白纤维相关的锚定连接。主要有粘着带(adhesionbelt)和粘着斑(focaladhesion)。(3)通讯连接(communicatingjunctions)，主要包括间隙连接(gapjunction)、神经细胞间的化学突触(chemicalsynapse)和植物细胞中的胞间连丝(plasmodesmata)。\n四、细胞表面的粘着因子细胞与细胞间的粘连是由特定的细胞粘着因子――钙粘素等介导的，细胞之间的锚定连接也需要粘着因子钙粘素和整联蛋白(integhns)等参与(表4—2)粘着因子均为整合膜蛋白，在胞内与细胞骨架成分相连。目前至少可分成五种以上的类型，多数要依赖Ca2+或Mg2+才起作用。1．钙粘素2．选择素(selectin)3．免疫球蛋白超家族的CAM(1g—superfamily)4．整联蛋白第三节细胞外被与细胞外基质细胞外基质(extracellularmatrix)是指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络结构(图4—19)。一、胶原2．分子结构胶原纤维的基本结构单位是原胶原。原胶原是由三条多肽链盘绕成的三股螺旋结构，二、糖胺聚糖和蛋白聚糖1．糖胺聚糖l糖胺聚糖(glycosaminoglycan)是由重复的二糖单位构成的长链多糖，其二糖单位之一是氨基己糖--氨基葡萄糖或氨基半乳糖(故称为糖胺聚糖)；另一个是糖醛酸。l透明质酸(hyaluronicacid)是一种重要的糖胺聚糖，是增殖细胞和迁移细胞胞外基质的主要成分，尤其在胚胎组织中。同时也是蛋白聚糖的主要结构组分。l透明质酸在结缔组织中起强化、弹性和润滑作用。2．蛋白聚糖蛋白聚糖(proteoglycan)由糖胺聚糖与核心蛋白(coreprotein)的丝氨酸残基共价连接形成的巨分子四、弹性蛋白弹性纤维与胶原纤维共同存在，分别赋予组织以弹性及抗张性。五、植物细胞壁植物细胞壁由纤维素、半纤维素、果胶质等几种大分子构成，其功能为细胞提供一个细胞外网架，对细胞起支持作用等。第五章物质的跨膜运输与信号传递第一节物质的跨膜运输(一)简单扩散其通透性主要取决于分子大小和分子的极性。小分子比大分子容易穿膜，非极性分子比极性分子容易穿膜，带电荷的离子跨膜运动则需要更高的自由能，无蛋白的人工脂双层对带电荷的离子是高度不透的。(二)协助扩散1协助扩散的特征：\n(1)转运速率高。(2)存在最大转运速率(Vmax)，可用达到最大转运速率一半时的葡萄糖浓度作为其Km值，用以衡量某种物质的转运速率。(3)转运的特异性，如红细胞质膜，D构型的葡萄糖Km为1.5mmol/L，而L构型的葡萄糖Km值>3000mmol/L。(4)细胞膜上存在膜转运蛋白(membranetransportproteins)。2膜转运蛋白可分为两类:一类称载体蛋白(carrierproteins)，它既可介导被动运输，又可介导主动运输（逆浓度或电化学梯度的）；另一类称通道蛋白(channelproteins)，只能介导被动运输（顺浓度或电化学梯度的）。(2)通道蛋白及其功能离子通道具有两个显著特征：一是具有离子选择性（离子的大小与电荷），转运速率高（106个离子/s，是载体蛋白的最快速率的1000倍以上。二是离子通道是门控的，即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，通道开关应答于适当的信号。因此离子通道又区分为电压门通道(voltage-gatedchannel)、配体门通道(1igand-gatedchannel)和压力激活通道(stress-activatedchannel)。二、主动运输根据主动运输过程所需能量来源的不同可归纳为由ATP直接提供能量和间接提供能量以及光能驱动的主动运输三种基本类型(图5—5)。(一)由ATP直接提供能量的主动运输——钠钾泵Na+－K+泵由a和b二个亚基组成，a亚基是一个跨膜多次的整合膜蛋白，具有ATP酶活性，因此Na+－K+泵又称为Na+－K+ATP酶。b亚基是具有组织特异性的糖蛋白。(三)协同运输协同运输(cotransport)是一类由Na+-K+泵(或H+泵)与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。协同运输又可分为共运输(symport)和对向运输(antiport)。1共运输物质运输方向与离子转移方向相同如小肠上皮细胞和肾小管上皮细胞吸收葡萄糖或氨基酸等有机物，就是伴随Na+从细胞外流人细胞内而完成的。在某些细菌中，乳糖的吸收则伴随H+从细胞膜外进入细胞三、胞吞作用与胞吐作用(一)胞吞作用胞吞作用是通过细胞膜内陷形成囊泡，称胞吞泡(endocyticvesicle)，将外界物质裹进并输入细胞的过程。胞吞作用又可分为两种类型：胞饮作用(pinocytosis)：胞吞物为溶液，形成的囊泡较小，胞饮作用形成的胞吞泡又称胞饮泡吞噬作用(phagocytosis)：胞吞物为大的颗粒性物质(如微生物和细胞碎片)，形成的囊泡较大，吞噬作用形成的胞吞泡称吞噬泡。\n(二)受体介导的胞吞作用受体介导的胞吞作用：被转运的大分子物质(配体)首先与细胞表面互补性的受体相结合，形成受体—大分子复合物，在网格蛋白参与下形成有被小窝(coatedpits)，然后是深陷的小窝脱离质膜形成有被小泡(coatedvesicles)。受体介导的胞吞作用是一种选择浓缩机制(selectiveconcentratingmechanism)，既可保证细胞大量地摄人特定的大分子，同时又避免了吸入细胞外大量的液体。与非特异性的胞吞作用相比，效率增加1000多倍。(三)胞吐作用胞吐作用是将细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。组成型的胞吐途径(constitutiveexocytosispathway)：所有真核细胞都从高尔基体分泌的囊泡向质膜流动并与之融合，新合成的囊泡膜不断地供应蛋白和脂类更新质膜，确保细胞分裂前质膜的生长；调节型胞吐途径(regulatedexocytosispathway)：分泌细胞产生的分泌物(如激素、粘液或消化酶)储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去(图5—13)。一、细胞通讯与细胞识别(一)细胞通讯细胞通讯(cellcommunication)是指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。细胞以三种方式进行通讯：细胞通过分泌化学信号进行细胞间相互通讯，这是多细胞生物最普遍采用的通讯方式；细胞间接触性依赖的通讯(contact-dependentsignaling)，细胞间直接接触，通过与质膜结合的信号分子影响其他细胞；③细胞间形成间隙连接使细胞质相互沟通，通过交换小分子来实现代谢偶联或电偶联(见间隙连接部分)。1细胞分泌化学信号的作用方式可分为：Ø内分泌(endocrine)，由内分泌细胞分泌信号分子(激素)到血液中，通过血液循环运送到体内各个部位，作用于靶细胞(图5—15A)。Ø旁分泌(paracrine)。细胞通过分泌局部化学介质到细胞外液中，经过局部扩散作用于邻近靶细胞(图5—15B)。这对创伤或感染组织刺激细胞增殖以恢复功能具有重要意义。Ø自分泌(autocrine)。细胞对自身分泌的物质产生反应(图5—15C)。自分泌信号常见于病理条件下，如肿瘤细胞合成和释放生长因子刺激自身，导致肿瘤细胞的增殖失控。通过化学突触传递神经信号(neuronalsignaling)(图5—15D)。当神经元细胞在接受刺激后，神经信号通过动作电位的形式传至末梢，刺激突触前膜分泌化学信号(神经递质或神经肽)，快速扩散作用于突触后膜，实现电信号――化学信号――电信号转换和传导。此外，通过分泌外激素传递信息也属于通过化学信号进行细胞间通讯，作用于同类的其他个体。\n(二)细胞识别与信号通路细胞识别(cellrecognition)是指细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子(配体)选择性地相互作用，从而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。(三)细胞的信号分子与受体1．细胞的信号分子细胞的信号分子(signalmolecule)根据其溶解性通常可分为亲脂性和亲水性两类：Ø亲脂性信号分子：主要代表是甾类激素和甲状腺素Ø亲水性信号分子：包括神经递质、生长因子、局部化学递质和大多数激素，气体性信号分子：在20世纪80年代后期，发现和证实一氧化氮(nitricoxide，NO)在生物体内是一种重要的信号分子和效应分子，NO是迄今在体内发现的第一个，它能进入细胞直接激活效应酶，参与体内众多的生理病理过程，因而成为人们所关注的“明星分子”(starmolecule)。2．受体受体(receptor)是一种能够识别和选择性结合某种配体(信号分子)的大分子，当与配体结合后，通过信号转导(signaltransduction)作用将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。3．第二信使与分子开关第二信使学说(secondmessengertheory)：胞外化学物质(第一信使)不能进入细胞，它作用于细胞表面受体，而导致产生胞内第二信使，从而激发一系列生化反应，最后产生一定的生理效应，第二信使的降解使其信号作用终止。第二信使：第一信使与受体作用后在胞内最早产生的信号分子称为第二信使(secondmessenger)。目前公认的第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、二酰基甘油(DG)等，细胞内信号传递作为分子开关的蛋白质可分两类：一类磷酸化开关蛋白(switchprotein)：由蛋白激酶使之磷酸化而开启，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而关闭，许多蛋白激酶本身是开关蛋白，构成信号传递的磷酸化级联反应；另一类GTP结合开关蛋白：由GTP结合蛋白（G蛋白）组成，结合GTP而活化，结合GDP而失活。二、通过细胞内受体介导的信号传递㈡配体：甾类激素分子是化学结构相似的亲脂性小分子，可以通过简单扩散跨越质膜进入细胞内。与细胞质内各自的受体蛋白结合，形成激素—受体复合物，并能穿过核孔进入细胞核内，激素和受体的结合导致受体蛋白构象的改变，提高了受体与DNA的结合能力，激活的受体通过结合于特异的DNA序列（受体依赖的转录增强子）调节基因表达。NO是具脂溶性的气体，可快速扩散透过细胞膜，到达邻近靶细胞发挥作用。NO的生成需要一氧化氮合酶(nitricoxidesynthase，NOS)的催化，以L-精氨酸为底物。NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上NO的多少直接与NO的合成有关。内源性NO由NOS催化合成后，扩散到邻近细胞，使鸟苷酸环化酶活性的增强，cGMP合成增多。cGMP作为新的信使分子介导蛋白质的磷酸化等过程，发挥多种生物学作用。\n细胞表面受体分属三大家族(图5—20)：Ø离子通道偶联的受体(ion-channel-linkedreceptor)；有组织分布特异性，主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞ØG蛋白偶联的受体(Gprotein-linkedreceptor)；Ø酶偶联的受体(enzyme-linkedreceptor)。；后两种存在于几乎所有类型的细胞。(二)G蛋白偶联的受体G蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白的简称由a、b、g三个亚基组成G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，当G蛋白a亚基与GDP结合，处于关闭态；a亚基结合GTP而被活化，即处于开启态。4由G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。（1）cAMP信号通路――细胞外信号与相应受体结合，导致细胞内第二信使cAMP的水平变化而引起细胞反应的信号通路。这一信号通路的首要效应酶是腺苷酸环化酶(A-cyclase)，通过腺苷酸环化酶调节胞内cAMP的水平。cAMP可被磷酸二酯酶限制性地降解清除。这是真核细胞应答激素反应的主要机制之一。cAMP信号通路由质膜上的5种成分组成：①激活型激素受体：(Rs)；②抑制型激素受体(Ri)；③与GDP结合的活化型调节蛋白(Gs)；④与GDP结合的抑制型调节蛋白(Gs)；⑤催化成分，即腺苷酸环化酶(C)。①Rs和RiRs是与Gs相互作用的激活型激素受体(如肾上腺素b受体)；Ri是与Gi相互作用的抑制型激素受体(如肾上腺素a受体)。Rs都能与Gs相互作用激活腺苷酸环化酶活性，提高胞内的cAMP水平。Ri都能与Gi相互作用抑制腺苷酸环化酶活性，降低胞内的cAMP水平。Rs和Ri具有相似的7次跨膜结构，胞外结构域识别并结合胞外信号分子，胞内结构域与G蛋白偶联。②Gs和GiGs和Gi在信号转导过程中起着分子开关的作用，它将受体与腺苷酸环化酶偶联起来，使细胞外信号跨膜转换为细胞内信号，即第二信使cAMP。Gs和Gi均由a、b、g亚基组成，其b、g亚基相同，而a亚基各不相同。lAGs的调节作用：当细胞没有受到激素刺激，Gs处于非活化态时，Gs蛋白为异三聚体，a亚基与GDP结合，此时腺苷酸环化酶没有活性；当激素配体与Rs受体结合后，导致受体构象改变，暴露出与Gs结合的位点，膜的流动性使激素—受体复合物与Gs结合，Gs的a亚基构象改变，从而排斥GDP，结合GTP\n而活化，使三聚体Gs蛋白解离出a亚基和b、g亚基复合物，并暴露出a亚基与腺苷酸环化酶的结合位点；a亚基与腺苷酸环化酶结合，使之活化，并将ATP转化为cAMP。活化的b、g亚基复合物也可直接激活胞内靶分子，具有传递信号的功能，如心肌细胞中G蛋白偶联受体在结合乙酰胆碱刺激下，活化的"bg亚基复合物能开启质膜上的K’通道，改变心肌细胞的膜电位。此外b、g亚基复合物也能与膜上的效应酶结合，对结合GTP的a亚基起协同或拮抗作用。随着GTP的水解使a亚基恢复原来的构象并导致与腺苷酸环化酶解离，终止腺苷酸环化酶的活化作用。a亚基与b、g亚基重新结合，使细胞回复到静止状态。lBGi的调节作用：Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过两个途径：当Gi与GTP结合，Gi的a亚基与b、g亚基解离后，一是通过a亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；二是通过b、g亚基复合物与游离的Gsa亚基结合，阻断Gs的a亚基对腺苷酸环化酶的活化。细菌毒素对G蛋白的修饰作用：霍乱毒素能使ADP核糖基共价结合到Gs的a亚基上，致使a亚基丧失了GTP酶的活性，与a亚基结合的GTP不能水解成GDP，结果使a亚基处于持续活化状态，因而腺苷酸环化酶持续活化。致使小肠上皮细胞中cAMP增加100倍以上，导致膜蛋白让大量Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。霍乱病患者的症状是严重腹泻，其主要原因就是霍乱毒素使腺苷酸环化酶被“锁定”在活化状态，百日咳毒素催化Gi的a亚基ADP—核糖基化，结果降低了GTP与Gi的a亚基结合的水平，使Gi的a亚基不能活化，从而阻断了Ri受体引起的对腺苷酸环化酶的抑制作用。③腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶结合在质膜上的，它是一种糖蛋白，跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP。在正常情况下细胞内cAMP的浓度≤10-6mol／L，当在激素激活腺苷酸环化酶后，cAMP急剧增加，产生快速应答；细胞内还有另一种酶即环腺苷酸磷酸二酯酶(PDE)，可降解cAMP生成5／—AMP，导致细胞内cAMP水平下降。细胞内cAMP浓度的迅速调节是细胞快速应答胞外信号改变的重要基础。在信号传递过程中，信号的放大作用和信号的终止作用同等重要，同时并存。cAMP信号通路的主要效应是激活靶酶和开启基因表达，这是通过蛋白激酶A完成的。cAMP特异地活化cAMP依赖的蛋白激酶(A—kinase)而表现出不同的效应。蛋白激酶A由两个催化亚基和两个调节亚基组成，在没有cAMP时，以钝化复合体形式存在。cAMP与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基。活化的蛋白激酶A催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性。从而影响细胞代谢和细胞行为。这是细胞快速应答胞外信号的过程。还有一类细胞缓慢应答胞外信号的过程，这就是cAMP信号通路对细胞基因表达的影响。这一过程涉及细胞核机制，所以需要几分钟乃至几小时。这一信号通路控制多种细胞内的许多过程，从内分泌细胞的激素合成到脑细胞有关长期记忆所需蛋白质的产生。该信号途径涉及的反应链可表示为：激素――G蛋白偶联受体――G蛋白――腺苷酸环化酶――cAMP――cAMP依赖的蛋白激酶A――基因调控蛋白――基因转录。⑵磷脂酰肌醇信号通路磷脂酰肌醇信号通路是通过G蛋白偶联的受体介导的另一条信号通路。胞外信号分子与细胞表面G蛋白偶联受体结合，激活质膜上的磷脂酶C(PLC)，使质膜上4，5—二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)水解成1，4，5—三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DG)两个第二信使，使胞外信号转换为胞内信号。IP3动员细胞内源钙(内质网中)到细胞溶质，使胞内Ca2+浓度升高；Ca2+\n作为胞内第三信使参与广泛的生理过程，活化各种Ca2+结合蛋白引起细胞反应；钙调蛋白(calmodulin，CaM)是一种真核细胞普遍存在的Ca2+应答蛋白，含4个结构域，每个结构域可结合一个Ca2’。Ca2+与无活性CaM结合形成活化态的Ca2+—CaM复合体，然后再结合靶酶将其活化，这是一个受Ca2+浓度控制的可逆反应。DG激活蛋白激酶C(PKC)，活化的PKC进一步使底物蛋白磷酸化，并可活化Na/H交换引起细胞内pH升高。PKC是钙和磷脂酰丝氨酸依赖性酶，具有广泛的作用底物，参与众多生理过程，在许多细胞中，PKC的活化可增强特殊基因的转录。已知至少有两条途径：一是PKC激活一条蛋白激酶的级联反应，导致与DNA特异序列结合的基因调控蛋白的磷酸化和激活，进而增强特殊基因的转录；二是PKC的活化，导致一种抑制蛋白的磷酸化，从而使细胞质中基因调控蛋白摆脱抑制状态释放出来，进入细胞核，刺激特殊基因的转录。磷脂酰肌醇循环途径:PIP2是真核细胞质膜中普遍存在的一种化学成分，在磷脂酶C(PLC)的作用下释放出IP3，同时生成DG。IP3信号的终止是通过依次的去磷酸化形成自由的肌醇，DG通过两种途径终上其信使作用：一是被DG激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油。磷脂酰肌醇信号通路的最大特点是同时产生两个胞内信使，分别激动即IP3—Ca2+和DG—PKC两个信号传递途径，实现细胞对外界信号的应答，因此把这一信号系统又称之为“双信使系统”(doublemessengersystem)。(三)与酶连接的受体1受体酪氨酸激酶及RTK—Ras蛋白信号通路受体酪氨酸激酶(receptortyrosinekinases，RTKs)又称酪氨酸蛋白激酶受体，是细胞表面一大类重要受体家族，包括6个亚族。它的配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。这条信号通路的特点是不需信号偶联蛋白(G蛋白)，而是通过受体本身的酪氨酸蛋白激酶的激活来完成信号跨膜转导。受体酪氨酸激酶(RTKs)的多肽链只跨膜一次，胞外区是配体结合结构域，胞内区肽段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点。配体(如EGF)在胞外与受体结合并引起构象变化，但单个跨膜a螺旋无法传递这种构象变化，因此配体的结合导致受体二聚化(dimerization)形成同源或异源二聚体，从而在二聚体内彼此相互磷酸化受体胞内肽段的酪氨酸残基，即实现受体的自磷酸化(autophosphorylation)。现认为二聚化是一次跨膜的酶连受体被激活的普遍机制。自磷酸化的结果是激活了受体的酪氨酸蛋白激酶活性。活化的RTK可以结合多种细胞溶质中带有SH2结构域的结合蛋白或信号蛋白，由此启动信号转导，其中一类是接头蛋白(adaptorproteins)，其作用是偶联活化受体与其他信号分子，构成信号转导复合物，如生长因子受体结合蛋白—2(GRB—2)；另一类是在信号通路中有关的酶，如：GTP酶活化蛋白(GTPaseactivatingprotein，GAP)、磷脂酰肌醇代谢有关的酶(磷脂酶C—g，3—磷脂酰肌醇激酶)等。这两类RTK结合蛋白都具有两个高度保守而无催化活性的结构域即SH2和SH3。因为这两种结构域首先在Src蛋白中发现，所以称作Src同源区(Srchomologregion2和3，SH2和SH3)。这两种结构域，SH2选择性结合不同位点的磷酸酪氨酸残基，SH3选择性结合不同的富含脯氨酸的序列。在RTK介导的信号通路中，Ras蛋白是一种具有分子开关作用的关键组分(正如G蛋白在信号转导中所起的重要作用一样)。Ras蛋白能够通过一系列激酶磷酸化级联反应(phosphorylationcascade)将RTK介导的信号从活化的Ras蛋白向下游传递，诱导不同类型细胞的分化或增殖。\nRas蛋白是ras基因表达产物。是一种由190个氨基酸残基组成的小的GTP结合蛋白，具有GTPase活性，分布于质膜胞质一侧，结合GTP时为活化态，而结合GDP时为失活态。所以Ras蛋白具有分子开关的作用。Ras蛋白从失活态到活化态的转变，先要GDP释放才会有GTP的结合，GDP的释放需要鸟苷酸释放因子(GRF)参与；Ras蛋白从活化态到失活态的转变，则要GTP酶活化蛋白(GAP)的促进；所以GRF和GAP都与Ras蛋白参与的信号转导相关。GAP因具有SH2结构域可直接与活化的受体结合。GRF有SH3结构域，但没有SH2结构域，因此不能直接和受体结合，而接头蛋白含SH2和SH3两类结构域，在配体激活受体后，接头蛋白通过SH2与受体的磷酸酪氨酸残基结合，再通过SH3与GRF结合，GRF与膜上的Ras接触，从而活化Ras。而Ras的失活则由活化受体上已结合的GAP参与下进行，即导致Ras蛋白结合的GTP水解成GDP。五、细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息(一)细胞信号传递的基本特征(1)多途径、多层次的细胞信号传递通路具有收敛或发散的特点。(2)细胞的信号转导既具有专一性又有作用机制的相似性。(3)信号转导过程具有信号放大作用，但这种放大作用又必须受到适度控制，这表现为信号的放大作用和终止作用的并存。(4)当细胞长期暴露在某种形式的刺激下，细胞对刺激的反应将会降低，这就是细胞进行适应。第六章细胞质基质与细胞内膜系统细胞质基质是指在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质，称(cytoplasmicmatrixOrcytomatrix)。其体积约占细胞质的一半。细胞的内膜系统是在结构、功能乃至发生上相关的，由膜围绕的细胞器或细胞结构。主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。一、细胞质基质的组成用差速离心的方法分离细胞匀浆物中的各种细胞组分，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分。生物化学家多称之为胞质溶胶。二、细胞质基质的功能2．控制蛋白质的寿命决定蛋白质寿命的信号。这种信号存在于蛋白质N端的第一个氨基酸残基每种蛋白质开始合成时，N端的第一个氨基酸都是甲硫氨酸(细菌中为甲酰甲硫氨酸)，但合成后不久便被特异的氨基肽酶水解除去，然后由氨酰—tRNA蛋白转移酶(aminoacyl-tRNA-proteintransferase)把一个信号氨基酸加到某些蛋白质的N端，最终在蛋白质的N端留下一个不稳定的或稳定的氨基酸残基。泛素是一个由76个氨基酸残基组成的小分子蛋白，具有多种生物学功能。在蛋白质降解过程中，多个泛素分子共价结合到含有不稳定氨基酸残基的蛋白质的N端，然后一种\n26S的蛋白酶复合体或称蛋白酶体(proteosome)将蛋白质完全水解。第二节内质网一、内质网的两种基本类型糙面内质网多呈扁囊状，排列较为整齐，因在其膜表面分布着大量的核糖体而命名。它是内质网与核糖体共同形成的复合机能结构其主要功能是合成分泌性的蛋白和多种膜蛋白光面内质网是脂质合成的重要场所，细胞中几乎不含有纯的光面内质网，它们只是作为内质网结构的一部分二、内质网的功能1．蛋白质的合成2．脂质的合成3．蛋白质的修饰与加工4．新生多肽的折叠与装配5．内质网的其他功能光面内质网具有解毒功能。第三节高尔基复合体一、高尔基体的形态结构高尔基体至少由互相联系的4个部分组成1．高尔基体顺面膜囊(cisGolgi)或顺面网状结构(cisGolginetwork，CGN)一般认为，CGN接受来自内质网新合成的物质并将其分类后大部分转入高尔基体中间膜囊，小部分蛋白质与脂质再返回内质网。返回内质网的蛋白质具有KDEL(或HDEL)这一信号序列，它是驻留在内质网内蛋白的特有序列。CGN区域还可能具有其他生物活性，如蛋白丝氨酸残基发生O—连接的糖基化；跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化；。2．高尔基体中间膜囊(medialGolgi)多数糖基化修饰、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成都发生在中间膜囊中。扁平膜囊特殊的形态使其具有很大的膜表面，从而大大增加了进行糖的合成与修饰的有效面积。3．高尔基体反面的膜囊(transGolgi)以及反面高尔基体网状结构(transGolginetwork，TGN)TGN的主要功能是参与蛋白质的分类与包装，最后从高尔基体中输出，某些“晚期”的蛋白质修饰也发生在TGN中二、高尔基体的功能2．蛋白质的糖基化及其修饰内质网和高尔基体中所有与糖基化及寡糖的加工有关的酶都是整合膜蛋白。它们固定在细胞的不同间隔中，其活性部位均位于内质网或高尔基体的腔面。寡糖链的合成与加工非常像在一条装配流水线上，糖蛋白从细胞器的一个间隔输送到另一个间隔，固定在间隔内壁上的一套排列有序的酶系，依次进行一道道加工，前一个反应的产物又作为下一个反应的底物，确保只有加工过的底物才能进入下一道工序。3．蛋白酶的水解和其他加工过程不同的多肽采用不同的加工方式，推测其原因是：①\n有些多肽分子太小，在核糖体上难以有效地合成，如仅由5个氨基酸残基组成的神经肽；②有些可能缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号；③更重要的是可以有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用第四节溶酶体与过氧化物酶体溶酶体(1ysosome)是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。其主要功能是进行细胞内的消化作用。一、溶酶体的结构类型大致可分为初级溶酶体(primarylysosome)、次级溶酶(secondarylysosome)和残余体(residualbody)。溶酶体膜在成分上也与其他生物膜不同：①嵌有质子泵，借助水解ATP释放出的能量将H+泵人溶酶体内，使溶酶体中的H’浓度比细胞质中高100倍以上，以形成和维持酸性的内环境；②具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运；③膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。二、溶酶体的功能1清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞2．防御功能3．其他重要的生理功能四、溶酶体与过氧化物酶体2．过氧化物酶体的功能过氧化物酶体中常含有两种酶：一是依赖于黄素(FAD)的氧化酶，其作用是将底物氧化形成H202；二是过氧化氢酶，它的作用是将H202分解，形成水和氧气。由这两种酶催化的反应，相互偶联，从而可使细胞免受H202的毒害。一、信号假说与蛋白质分选信号信号假说(signalhypothesis)，即分泌性蛋白N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。蛋白质首先在细胞质基质游离核糖体上起始合成，当多肽链延伸至80个氨基酸左右后，N端的信号序列与信号识别颗粒结合，使肽链延伸暂时停止，并防止新生肽N端损伤和成熟前折叠，直至信号识别颗粒与内质网膜上的停泊蛋白(SRP受体)结合，核糖体与内质网膜的易位子(translocon)结合。此后，信号识别颗粒脱离了信号序列和核糖体，返回细胞质基质中重复使用，肽链又开始延伸。以环化构象存在的信号肽与易位子组分结合使孔道打开，信号肽穿入内质网膜，引导肽链以袢环的形式进入内质网腔中，这是一个需GTP的耗能过程。与此同时，腔面上的信号肽酶切除信号肽。肽链继续延伸直至完成整个多肽链的合成。引导肽链穿过内质网膜的信号肽可以看作为开始转移序列(starttransfersequence)。肽链中还可能有某些序列与内质网膜有很强的亲和力而结合在脂双层之中，这段序列不再转入内质网腔中，称为停止转移序列(stoptransfersequence)。如果一种多肽只有N端信号序列而没有停止转移序列，那么这种多肽合成后一般进入内质网腔中；如果一种多肽的停止转移序列位于分子的中部，那么这种多肽最终会成为跨膜蛋白。含有多个起始转移序列和多个停止转移序列的多肽将成为多次跨膜的膜蛋白。\n这种肽链边合成边转移至内质网腔中的方式称共转移线粒体、叶绿体中绝大多数蛋白质以及过氧化物酶体中的蛋白质也是在某种信号序列的指导下进入这些细胞器中。有人称之为导肽或前导肽(1eaderpeptide)，其基本的特征是蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中，因此称后转移(posttranslocation)。二、蛋白质分选的基本途径与类型如果从蛋白质分选的类型或机制的角度看，可分为四种基本类型：1．蛋白质的跨膜转运(transmembranetransport)2．膜泡运输(vesiculartransport)3．选择性的门控转运(gatedtransport)4．细胞质基质中的蛋白质的转运三、膜泡运输目前发现三种不同类型的有被小泡具有不同的物质运输作用。1．网格蛋白有被小泡A负责蛋白质从高尔基体TGN向质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输。B在受体介导的细胞内吞途径中负责将物质从质膜运往细胞质，C从胞内体到溶酶体的运输。2.COPⅡ有被小泡负责从内质网到高尔基体的物质运输。COPⅡ有被小泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。3．COPI有被小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白(escapedproteins)返回内质网。四、细胞结构体系的装配生物大分子的装配方式大体可分为自我装配(self-assembly)、协助装配(aid—ed-assembly)和直接装配(direct-assembly)以及更为复杂的细胞结构及结构体系之间的装配。。装配具有重要的生物学意义：1．减少和校正蛋白质合成中出现的错误在装配过程中装配校正机制可排除畸形的亚单位。2．可大大减少所需的遗传物质信息量3．通过装配与去装配更容易调节与控制多种生物学过程第七章细胞的能量转换---线粒体和叶绿体一、线粒体的形态结构(二)线粒体的超微结构线粒体是由两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构。主要由外膜(outermembrane)、内膜(innermembrane)、膜间隙(intermembranespace)及基质(matrix)或内室(innerchamber)4部分组成。1．外膜相对分子质量为10X103以下的小分子物质均可通过小孔进入膜间隙。2．内膜内膜对物质的通透性很低，能严格地控制分子和离子通过，这种“不透性”在ATP的生成过程中起重要作用。\n一、线粒体的化学组成及酶的定位(二)线粒体酶的定位(一)氧化磷酸化的分子结构基础2ATP合成酶(ATPsynthetase)或FlFo—ATP酶(或H’—ATP酶)位于线粒体内膜上，是生物体进行能量转换的核心酶。参与氧化磷酸化，催化合成ATP。(二)氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说的主要内容是：呼吸链的各组分在线粒体内膜中的分布是不对称的，当高能电子在膜中沿呼吸链传递时，所释放的能量将H+从内膜基质侧泵至膜间隙，由于膜对H+是不通透的，从而使膜间隙的H+浓度高于基质，因而在内膜的两侧形成电化学质子梯度(electrochemicalprotongradient，DmH+)，也称为质子动力势(protonmotiveforce，DP)。在这个梯度驱动下，H+穿过内膜上的ATP合成酶流回到基质，其能量促使ADP和Pi合成ATP。质子动力势(DP)由两部分组成：一是膜内外H+浓度差(DpH)，二是膜电位(Dy)。化学渗透假说有两个特点：一是强调线粒体膜结构的完整性。二是定向的化学反应。(三)ATP合成酶的作用机制ATP合成酶结合变化机制(bindingchangemechanics)的主要内容：即在任一时刻，F1上3个b催化亚基的构象总是不同的，与核苷酸结合也不一样，每个催化位点与核苷酸的结合按顺序经过三种构象状态：紧密结合态(T态)、松散结合态(L态)和空置状态(不与任何核苷酸结合的O态)。在ATP合成过程中，3个b催化亚基的构象发生顺序变化，每一个催化亚基经过3次构象改变才催化合成1个ATP分子。四、线粒体与疾病克山病就是一种心肌线粒体病(mitochondrialcardiomyopathy)。它是以心肌损伤为主要病变的地方性心肌病，因营养缺乏(缺硒)而引起。第二节叶绿体与光合作用叶绿体是由叶绿体膜(chloroplastmembrane)或称叶绿体被膜(chloroplastenvelope)、类囊体(thylakoid)和基质3部分构成三、叶绿体的主要功能——光合作用光合作用的过程包括很多复杂的反应，根据现代资料，光合作用的过程可分为三大步骤：①原初反应；②电子传递和光合磷酸化；③碳同化。光反应(lightreaction):是在类囊体膜上由光引起的光化学反应，通过叶绿素等光合色素分子吸收、传递光能，并将光能转换为电能，进而转换为活跃的化学能，形成ATP和NADPH的过程。暗反应(darkreaction):是在叶绿体基质中进行的不需光(也可在光下)的酶促化学反应，利用光反应产生的ATP和NADPH，使C02还原为糖类等有机物，即将活跃的化学能最后转换为稳定的化学能，积存于有机物中。第三节线粒体和叶绿体是半自主性细胞器三线粒体和叶绿体蛋白的运送定位于类囊体中的蛋白，其前体蛋白N端的转运肽可分为两个区域，分别引导两步转运，其N端含有导向序列，引导蛋白穿过叶绿体膜上的通道进入基质；而C\n端含有导向序列又引导其穿过类囊体膜，进人类囊体腔，因此，它的转运肽经历两次水解，一次在基质内，另一次在类囊体腔中(图7—17A)；定位于基质中的蛋白，其前体蛋白N端的转运肽仅具有导向基质的序列，引导其穿过叶绿体膜进入基质，由基质中特异的蛋白水解酶切去转运肽成为成熟蛋白质(图7—17B)；第八章细胞核与染色体l细胞核与细胞质在体积之间通常存在一个大致的比例，即细胞核的体积约占细胞总体积的10％左右，第一节核被膜与核孔复合体一、核被膜(一)结构组成核被膜由内外两层平行但不连续的单位膜构成。两层膜之间有20～40nm的透明空隙，称为核周间隙(perinuclearspace)或核周池(perinuclearcisternae)二、核孔复合体(一)结构模型核孔复合体主要有以下4种结构组分：④胞质环⑤核质环⑥辐③栓(三)核孔复合体的功能：核质交换的双向选择性亲水通道从功能上讲，核孔复合体可以看作是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体，并且是一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道。双功能表现在它有两种运输方式：被动扩散与主动运输。双向性表现在既介导蛋白质的人核转运，又介导RNA、核糖核蛋白颗粒(RNP)的出核转运2．通过核孔复合体的主动运输亲核蛋白(karyophilicprotein)是指在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。第二节染色质(二)染色质蛋白染色质DNA结合蛋白负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读。这些DNA结合蛋白包括两类：一是组蛋白(histone)，与DNA非特异性结合；另一类是非组蛋白(nonhistone)，与DNA特异性相结合。三、染色质包装的结构模型(一)染色质包装的多级螺旋模型(二)染色体的骨架—放射环结构模型Ø上述两种关于染色体高级结构的组织模型，前者强调螺旋化，后者强调环化与折叠。四、常染色质和异染色质Ø常染色质是指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低，处于伸展状态，用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。Ø异染色质是指间期核中，染色质纤维折叠压缩程度高，处于聚缩状态，用碱性染料染色时着色深的那些染色质。\n染色体各部的主要结构：(1)着丝粒(centromere)与动粒(又称着丝点，kinetochore)：(2)次缢痕(secondaryconstriction)(3)核仁组织区(nucleolarorganizingregion，NOR)(4)随体(satellite)(5)端粒(telomere)二、染色体DNA的三种功能元件染色体起码应具备三种功能元件(functionalelements)：一个DNA复制起点，确保染色体在细胞周期中能够自我复制，维持染色体在细胞世代传递中的连续性；一个着丝粒，使细胞分裂时已完成复制的染色体能平均分配到子细胞中；最后，在染色体的两个末端必须有端粒，保持染色体的独立性和稳定性.三、核型与染色体显带核型是指染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小、形态特征等。多线染色体(polytenechromosome)和灯刷染色体(1ampbrushchromosome)，这两种染色体总称为巨大染色体.第四节核仁在细胞周期过程中，核仁又是一个高度动态的结构，在有丝分裂期间表现出周期性的消失与重建。真核细胞的核仁具有重要功能，它是rRNA合成、加工和核糖体亚单位的装配场所。第九章核糖体核糖体蛋白质与rRNA的功能核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点(图9(1)与mRNA的结合位点；(2)与新掺人的氨酰tRNA的结合位点——氨酰基位点，又称A位点；(3)与延伸中的肽酰tRNA的结合位点——肽酰基位点，又称P位点；(4)肽酰转移后与即将释放的tRNA的结合位点——E位点；(5)与肽酰tRNA从A位点转移到P位点有关的转移酶(即延伸因子EFG)的结合位点；(6)肽酰转移酶的催化位点。在核糖体中rRNA是起主要作用的结构成分，其主要功能是：(1)具有肽酰转移酶的活性；(2)为tRNA提供结合位点(A位点、P位点和E位点)；(3)为多种蛋白质合成因子提供结合位点；(4)在蛋白质合成起始时参与同mRNA选择性地结合以及在肽链的延伸中与mRNA结合。此外核糖体大小亚单位的结合、校正阅读(proofreading)、无意义链或框架漂移的校正、以及抗生素的作用等都与rRNA有关。第十章细胞骨架\n细胞骨架(cytoskeleton)是指真核细胞中的蛋白纤维网架体系。第一节细胞质骨架一、微丝微丝(microfilament，MF)，又称肌动蛋白纤维(actmfilament)，是指真核细胞中由肌动蛋白(actin)组成，直径为7nm的骨架纤维。(五)微丝性细胞骨架的功能1．肌肉收缩2．微绒毛3．应力纤维4．溶胶层和阿米巴运动5．胞质分裂环二、微管微管(microtubule)是存在于所有真核细胞中由微管蛋白(tubulin)装配成的长管状细胞器结构(一)成分微管由两种类型的微管蛋白亚基，即a微管蛋白和b微管蛋白组成（三)装配1．装配过程所有微管遵循同一原则由相似的蛋白亚基装配而成，主要装配方式是：首先，a微管蛋白和b微管蛋白形成长度为8nm的ab二聚体，二聚体先形成原纤维(protofilament)，经过侧面增加而扩展为片层，至13根原纤维时，即合拢形成一段微管。新的二聚体再不断加到微管的端点使之延长。最终微管蛋白与微管达到平衡(六)功能1．维持细胞形态2．细胞内运输3．鞭毛运动和纤毛运动4．纺锤体和染色体运动5．基体和中心粒二、染色体支架三、核纤层核纤层(nuclearlamina)是位于细胞核内层核膜下的纤维蛋白片层或纤维网络，核纤层由1至3种核纤层蛋白多肽组成(图10—23)。核纤层与中间纤维、核骨架相互连接，形成贯穿于细胞核与细胞质的骨架结构体系。第十一章细胞增殖及其调控第一节细胞周期与细胞分裂(一)细胞周期概述从一次细胞分裂结束开始，经过物质积累过程，直到下一次细胞分裂结束为止，称为一个细胞周期。一个标准的细胞周期一般包括4个时期：DNA合成期(S)，细胞分裂期(M)和介于两者之间的Gl期和G：期；细胞周期从Gl期开始，到M期结束(二)细胞周期中各个不同时期及其主要事件1．G1期\nG1期是一个细胞周期的第一阶段。上一次细胞分裂之后，子代细胞生成，标志着G1期的开始。新生成的子代细胞立即进入一个细胞生长时期，开始合成细胞生长所需要的各种蛋白质、糖类、脂质等，但不合成DNA。在Gl期的晚期阶段有一个特定时期。如果细胞继续走向分裂，则可以通过这个特定时期，进入S期，开始合成DNA，并继续前进，直到完成细胞分裂。在芽殖酵母(Saccharomycescerevisiae)中，这个特定时期被称为起始点(start)。起始点过后，细胞开始出芽，DNA也开始复制。起始点最初的概念是指细胞出芽的开始，但事实上控制着新一轮细胞周期的运转。在其他真核细胞中，这一特定时期称为限制点(restrictionpoint，R点)，或检验点(checkpoint)。起始点被认为是G1期晚期的一个基本事件。细胞只有在内在和外在因素共同作用下才能完成这一基本事件，顺利通过Gl期，进入S期并合成DNA。任何因素影响到这一基本事件的完成，都将严重影响细胞从C1期向S期转换。影响这一事件的外在因素主要包括营养供给和相关的激素刺激等；而内在因素则主要是一些与细胞分裂周期基因(celldivisioncyclegene，cdc基因)调控过程相关的因素。cdc基因的产物是一些蛋白激酶、磷酸酶等。这些酶活性的变化将直接影响到细胞周期的变化。而这些酶活性变化本身又受到内在和外在因素的立体调节。限制点的概念多用于高等真核细胞，尤其是哺乳动物细胞。其实质尚不完全清楚，但已发现与酵母中的起始点在形式上有许多共同之处，但也有明显不同，可能比后者更为复杂。实验发现，绝大多数细胞若在限制点前进行无生长因子培养(growthfactorstarvation)，细胞会很快进入休眠期，不能复制DNA，也不能进行细胞分裂。倘若在限制点之后进行无生长因子培养，细胞则可以进入S期，复制DNA。检验点是目前细胞周期研究领域中用得较多的一个术语。这一术语的出现可能源于早期对大肠杆菌正．coliDNA复制调控的研究。当正．coliDNA受到损伤，或DNA复制受到抑制时，会激活RecA蛋白，酶解LexA抑制因子。诱导SOS基因的大量表达。有些SOS基因产物参与受损DNA的修复，有些则参与阻止细胞分裂。这种细胞周期进程被抑制的原因并不是DNA损伤或DNA复制尚未完成本身所引起的，而是由于细胞内存在一系列监控机制(surveillancemechanisms)。这些特异的监控机制可以鉴别细胞周期进程中的错误，并诱导产生特异的抑制因子，阻止细胞周期进一步运行。在真核细胞中也发现多种监控机制。这些监控机制犹如交通路途中设立的检查站，随时检查过往的行人和车辆。因而，这些监控机制称为检验点。检验点不仅存在于G1期，也存在于其他时期，如S期检验点、G2期检验点、纺锤体装配检验点等。近几年，检验点这一术语被广泛应用。2．S期S期即DNA合成期。细胞经过Gl期，为DNA复制的启始做好了各方面的准备。进入S期后，立即开始合成DNA。DNA复制的起始和复制过程受到多种细胞周期调节因素的严密调控。同时，DNA复制与细胞核结构如核骨架、核纤层、核膜等密切相关。目前已经知道，真核细胞DNA的复制和原核生物一样，是严格按照半保留复制的方式进行的。真核细胞新合成的DNA立即与组蛋白结合，共同组成核小体串珠结构。新的组蛋白也是在S期合成的。关于真核细胞DNA复制的起始、复制过程及其调控机制等，目前已取得了许多突破性进展；DNA复制与细胞核结构的关系等，也在积极研究之中。3．G2期DNA复制完成以后，细胞即进入G2期。此时细胞核内DNA的含量已经增加一倍，由Gl期的2n变成了4n，即每个染色体含有4个拷贝的DNA。其他结构物质和相关的亚细胞结构也已进行了进入M期的必要准备。通过C2期后，细胞即进入M期。但细胞能否顺利地进入M期，要受到C2期检验点的控制。\nG2期检验点要检查DNA是否完成复制，细胞是否已生长到合适大小，环境因素是否利于细胞分裂等。只有当所有有利于细胞分裂的因素得到满足以后，细胞才能顺利实现从G2期向M期的转化。4．M期M期即细胞分裂期。真核细胞的细胞分裂主要包括两种方式，即有丝分裂(mitosis)和减数分裂(meiosis)。体细胞一般进行有丝分裂；成熟过程中的生殖细胞进行减数分裂，也称为成熟分裂。减数分裂是有丝分裂的特殊形式。细胞经过分裂，将其遗传物质载体平均分配到两个子细胞中。关于细胞分裂过程，下面将进一步介绍。(五)特异的细胞周期1．早期胚胎细胞的细胞周期当受精以后，受精卵便开始迅速卵裂，卵裂球数量增加，但其总体积并不增加，因而，卵裂球体积将越分越小；每次卵裂所持续的时间，即一个细胞周期所持续的时间，大大短于一个体细胞周期所持续的时间；3．植物细胞的细胞周期但植物细胞的细胞周期至少含有两个突出特点(图11-10)：第一，植物细胞不含中心体，但在细胞分裂时可以正常装配纺锤体。第二，植物细胞以形成中间板的形式进行胞质分裂。二、有丝分裂(一)有丝分裂过程图11—12中的照片摄自经抗微管抗体和DNA染料双重染色的动物细胞。在细胞间期，细胞核结构清晰，微管以一个中心体为核心向四周辐射。随着细胞进入分裂期，细胞核结构和微管排列方式等：将发生一系列有序的变化。1．前期前期(prophase)是有丝分裂过程的开始阶段。前期开始时，细胞核染色质开始浓缩(condensation)，由原来漫长的弥漫样分布的线性染色质，经过进一步螺旋化，折叠和包装(packing)等过程，逐渐变短变粗，形成光镜下可辨的早期染色体结构。早期染色体的两条染色单体已经可以分辨。在每条染色单体上，都含有一段特殊的DNA序列，称为着丝粒DNA(centromereDNA)。其所在部位称为着丝粒(centromere)。两条染色单体的两个着丝粒对应排列。由于此处形态结构比较狭窄，被称为主缢痕(primaryconstriction)。前期的较晚时期，在着丝粒处逐渐装配另一种蛋白质复合体结构，称为动粒(kinetochore)。动粒和着丝粒紧密相连。随着染色质浓缩，中心体也开始发生剧烈变化。中心体是动物细胞内与微管装配和细胞分裂直接有关的一种细胞器。由于其常常位于间期细胞的中央，因而被命名为中心体。在细胞分裂前期，在中心体的周围，微管开始大量装配。微管是有极性的，朝向中心体的一端为负极，远离中心体的一端为正极。微管以中心体为核心向四周辐射，如同发出的光芒，因此，中心体与其周围的微管一起被称为星体(aster)。事实上，中心体在细胞间期也进行了复制。因而，在细胞分裂前期，以中心体为核心而形成的旱体实际上有两个。细胞分裂丌始启动，两个星体即逐渐向细胞的两极运动。2．前中期核膜破裂，标志着前中期(prometaphase)的开始。核膜破裂后，以小膜泡的形式分散到细胞质中，在形态上与内质网膜泡难以区别。但在生化成分上是有一定区别的。由于核膜破裂，核质与细胞质之间的界膜消失而混合。核纤层也随之解聚成其组成成分核纤层蛋白。核骨架结构也发生剧烈变化，如组成核骨架结构的DNA拓扑酶Ⅱ，参与组成细胞分裂器的NuMA蛋白等，都将发生结构和位置变化，参与构成与间期细胞核骨架不同的结构成分。染色体将进一步凝集浓缩，变粗变短，形成明显的X\n形染色体结构。染色体在一定区域内剧烈运动。位于染色体着丝粒上的动粒逐渐成熟。从前期向中期转化过程中的另一个重要事件是纺锤体(spindle)的装配。纺锤体是一种与细胞分裂和染色体运动直接相关的一种临时性细胞器，主要由微管及其结合蛋白构成。在前期，两个星体的形成和向两极的运动，事实上标志着纺锤体装配的开始。随之，星体微管逐渐向“细胞核”内侵入。有的星体微管迅速捕获染色体，并与染色体一侧的动粒结合，形成动粒微管(kinetochoremicrotubule)。而由另一极星体发出的微管则迅速与染色体另一侧的动粒相联结。另一些星体微管的游离端也逐渐侵入核内，形成极性微管(polarmicrotubule)。动粒微管，极性微管以及辅助分子，共同组成前期纺锤体。此时的纺锤体赤道直径相对较大，两极直径的距离也相对较短。与同一条染色体的两个动粒相连接的两极动粒微管并不等长。因而染色体并不完全分布于赤道板，相互排列貌似杂乱无章。随后，在各种相关因素的共同作用下，纺锤体赤道直径逐渐收缩，两极距离拉长，染色体逐渐向赤道方向运动。细胞周期也由前中期逐渐向中期运转。3．中期所有染色体排列到赤道板(equatorialplate)上，标志着细胞分裂已进人中期(metaphase)。纺锤体呈现典型的纺锤样。位于染色体两侧的动粒微管长度相等，作用力均衡。除动粒微管外，许多极性微管在赤道区域也相互搭桥，形成貌似连续微管结构。整个纺锤体微管数量，在不同物种之间变化很大，少则10多根，多的数千根甚至上万根。如真菌Phycomyces仅有10根纺锤体微管，产于澳洲的一种小袋鼠(ratkangaroo)，其纺锤体微管约有1500根，而植物百合(Haemanthus)的纺锤体微管约有10000根。染色体向赤道板上运动的过程称为染色体列队(chromosomealignment)或染色体中板聚合(congression)。染色体列队的运动速度非常之快，一般在每秒0．05—1mm之间。染色体排列到赤道板上后，其两个动粒分别面向纺锤体的两极。在每一个动粒上结合的动粒微管可以多达几十根。4．后期中期染色体的两条染色单体相互分离，形成子代染色体，并分别向两极运动，标志着后期(anaphase)的开始。后期大致可以划分为连续的两个阶段，即后期A和后期B。在后期A，动粒微管变短，染色体逐渐向两极运动；在后期B，极性微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉长。整个后期阶段约持续数分钟。染色体运动的速度约每分钟1～2mm。染色体向两极的运动依靠纺锤体微管的作用。用破坏微管的药物如秋水酰胺、秋水仙素或nocodazole等处理，染色体的运动会立即停止。去除这些药物，染色体并不能立即恢复运动，而是要等到纺锤体重新装配后才能恢复。染色单体与纺锤体微管的联系也是染色单体运动所必需的。用实验方法破坏这种联系，染色单体运动停止，直到这种联系恢复，染色单体的运动才能恢复。5．末期染色单体到达两极，即进入了末期(telophase)。动粒微管消失，极性微管继续加长，较多地分布于两组染色单体之间。到达两极的染色单体开始去浓缩，在每一个染色单体的周围，核膜开始重新装配。首先是核膜前体小膜泡结合到染色单体表面，小膜泡相互融合，逐渐形成较大的双层核膜片段，然后再相互融合成完整的核膜，分别形成两个子代细胞核。在核膜形成的过程中，核孔复合体同时在核膜上装配。随着染色单体去浓缩，核仁也开始重新装配，RNA合成功能逐渐恢复。6．胞质分裂胞质分裂(cytokinisis)开始于细胞分裂后期，完成于细胞分裂末期。胞质分裂开始时，在赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为分裂沟(furrow)。随细胞由后期向末期转化，分裂沟逐渐加深，直至两个子代细胞完全分开。分裂沟的形成靠多种因素的相互作用。实验证明，肌动蛋白和肌球蛋白参与了分裂沟的形成和整个胞质分裂过程。在分裂沟的下方，除肌动蛋白之外，还有微管、小膜泡等物质聚集，共同构成一个环形致密层，称为中间体(midbody)\n。随胞质分裂，中间体将一直持续到两个子细胞完全分离。胞质分裂开始时，大量的肌动蛋白和肌球蛋白在中间体处装配成微丝并相互组成微丝束，环绕细胞，称为收缩环(contractilering)。收缩环收缩，分裂沟逐渐加深，细胞形状也由原来的圆形逐渐变为椭圆形、哑铃形，直到两个子细胞相互分离。用抗肌动蛋白和抗肌球蛋白的抗体作免疫荧光染色，可见随分裂沟的形成，其下面的荧光亮度逐渐增强，并明显高于其他部位。在电镜下，可见大量的微丝结构分布于分裂沟下。用抗肌动蛋白、抗肌球蛋白或特异破坏微丝的药物如细胞松弛素B处理处于分裂期的活细胞，收缩环的收缩活动停止，分裂沟逐渐消失。胞质分裂整个过程可以简单地归纳为4个步骤，即分裂沟位置的确立、肌动蛋白聚集和收缩环形成、收缩环收缩、收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞(图11—13)。(三)有丝分裂过程中染色体运动的动力机制当染色体上的两个动粒被微管捕捉后，细胞通过什么机制将染色体排列到赤道板上呢?解释这一问题，目前流行两种学说，即牵拉(pull)假说和外推(push)假说(图11—21)。牵拉假说认为，染色体向赤道板方向运动，是由于动粒微管牵拉的结果。动粒微管越长，拉力越大，当来自两极的动粒微管的拉力相等时，染色体即被稳定在赤道板上(图11—2lA)；外推假说认为，染色体向赤道方向移动，是由于星体的排斥力将染色体外推的结果。染色体距离中心体越近，星体对染色体的外推力越强，当来自两极的推力达到平衡时，染色体即被稳定在赤道板上(图11—2lB)。这两种假说并不相互排斥，有时可能同时作用，或有其他机制共同参与，最终将染色体排列在赤道板上。2．染色体分离目前比较广泛支持的假说是后期A和后期B两个阶段假说。在后期A，动粒微管变短，将染色体逐渐拉向两极。一般认为，动粒微管变短是由于其动粒端解聚所造成的；而这种解聚又是由于动力蛋白沿动粒微管向极部运动的结果。在后期B，极性微管游离端(正极)在ATP提供能量的情况下微管蛋白聚合，使极性微管加长，形成较宽的极性微管重叠区。KRPs与极性微管重叠区的微管结合并在来自两极的极性微管之间搭桥。KRPs向微管正极行走，促使来自两极的极性微管在重叠区相互滑动，使重叠区逐渐变得狭窄，两极之间的距离逐渐变长。三、减数分裂减数分裂是一种特殊的有丝分裂形式，仅发生于有性生殖细胞形成过程中的某个阶段。减数分裂的主要特点是，细胞仅进行一次DNA复制，随后进行两次分裂。两次分裂分别称为减数分裂期I和减数分裂期Ⅱ。在两次分裂之间，还有一个短暂的分裂间期。两性生殖细胞经过减数分裂，各自的染色体数减少一半。再经过受精，形成合子，染色体数恢复到体细胞的染色体数目。减数分裂的意义在于，既有效地获得父母双方的遗传物质，保持后代的遗传性，又可以增加更多的变异机会，确保生物的多样性，增强生物适应环境变化的能力。相反，假如在有性生殖过程中没有减数分裂，生殖细胞染色体数不能减半，经过受精，其染色体数必将倍增。细胞体积也会相应增加，生物个体体积也会增长。代代相传，其生命活动将无法适应环境变化，终将受到自然淘汰。因而，减数分裂是生物有性生殖的基础，是生物遗传、生物进化和生物多样性的重要基础保证。与有丝分裂相似，在减数分裂之前的间期阶段，也可以人为地划分为G1期、S期、G2期等三个时期。但此间期阶段也有其鲜明的特殊性。为区别于一般的细胞间期，常把减数分裂前的细胞间期称为减数分裂前间期(premeioticinterphase)。(一)减数分裂前间期减数分裂前间期的最大特点在于其S期持续时间较长，同时也发生一系列与减数分裂相关的特殊事件。例如，蝾螈(Triturus)体细胞有丝分裂前S期约为12h，而减数分裂前S\n期则可持续10天。小鼠有丝分裂前S期约为5～6h，而其减数分裂前S期约为14h(见表11—1所示)。另一个重要特点是，在植物百合中发现，其减数分裂前间期的S期仅复制其DNA总量的99．7％～99．9％，而剩下的0．1％～0．3％要等到减数分裂前期阶段才进行复制。科学家发现，这些推迟复制的DNA被分割为5000～10000个小片段，分布于整个基因组中，每个小片段长约1000～5000bp。另外还发现，有一种蛋白质，称为L蛋白，在减数分裂前间期与上述DNA小片段结合，阻止其复制。这些DNA小片段被认为与减数分裂前期染色体配对和基因重组有关。大多数生物，其减数分裂前间期的细胞核大于其体细胞核。染色质也多凝集成异染色质。这种变化的意义虽不明了，但一般认为与染色体配对和基因重组有关。另外，根据生物种类不同，减数分裂前间期的G2期的长短变化较大。有的G2期短，有的则和有丝分裂前间期的G2期长短相当，也有的可以在G2期停滞较长一段时间，直到受到新的刺激来打破这种停滞。(二)减数分裂过程减数分裂前G2期细胞进入两次有序的细胞分裂，即第一次减数分裂和第二次减数分裂。两次减数分裂之间的间期或长或短，但无DNA合成。减数分裂过程见图11—24。1．减数分裂期I减数分裂期I(meiosisl)与体细胞有丝分裂期，有许多相似之处。其过程也可以人为地划分为前期I，前中期I，中期I，后期I，末期I和胞质分裂I等6个阶段。但减数分裂期I又有其鲜明的特点。其主要表现在分裂前期的染色体配对和基因重组以及其后的染色体分离方式等方面。(1)前期I前期I(prophaseI)持续时间较长。在高等生物，其时间可持续数周、数月、数年，甚至数十年。在低等生物，其时间虽相对较短，但也比有丝分裂前期持续的时间长得多。在这漫长的时间过程中，要进行染色体配对和基因重组。此外，也要合成一定量的RNA和蛋白质。根据细胞形态变化，又可以将前期1人为地划分为细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期等5个阶段。图11—24减数分裂过程图解细线期(1eptotene，leptonema)：为前期工的开始阶段。首先发生染色质凝集，染色质纤维逐渐折叠，螺旋化，变短变粗，包装成在显微镜下可以看到的细纤维样染色体结构。因而，有人将细线期也称为凝集期(condensationstage)。细线期与有丝分裂前期起始阶段也有着明显的不同。首先，在细线期染色质虽然发生凝集，但两条染色单体的臂并不分离，在显微镜下看不到双线样染色体结构，而是呈细的单线状。有人认为，将两条染色单体紧密联系在一起的一种因素可能是在减数分裂前S期未被复制的DNA片段。如图11—25所示，由于DNA复制尚未完成，两条染色单体不能完全形成，因而，染色单体的臂也就不能分离。另一个明显不同点是，在细纤维样染色体上，出现一系列大小不同的颗粒状结构，称为染色粒(chromomere)。虽然已经知道染色粒由染色质组成，但其功能并不清楚。细线期还有一个明显的特点，即染色体端粒(telomere)通过接触斑与核膜相连。而染色体的其他部分以袢状伸延到核质中。有的物种，接触斑位于细胞核的一侧，染色体呈花束状向核内其他部位伸延。因而，有人也将细线期称为花束期。偶线期(zygotene，zygonema)：主要发生同源染色体(homologouschromosome)配对(pairing)，即来自父母双方的同源染色体逐渐靠近，沿其长轴相互紧密结合在一起。因而，偶线期又称为配对期(pairingstage)\n。配对过程是专一性的，仅发生于同源染色体之间，非同源染色体之间不进行配对。关于同源染色体之间相互识别的机制，目前尚不清楚。配对以后，两条同源染色体紧密结合在一起所形成的复合结构，称为二价体(bivalent)。由于每个二价体由两条染色体构成，共含有4条染色单体，因而又称为四分体(tetrad)。但此时的四分体结构并不清晰可见。同源染色体配对的过程称为联会(synapsis)。联会初期，同源染色体端粒与核膜相连的接触斑相互靠近并结合。从端粒处开始，这种结合不断向其他部位伸延，直到整对同源染色体的侧面紧密联会。联会也可以同时发生在同源染色体的几个点上。在联会的部位形成一种特殊复合结构，称为联会复合体(synaptonemalcomplex)。联会复合体沿同源染色体长轴分布，宽约1．5—2mm，在电镜下可以清楚地显示其细微结构(见图11—26)。联会复合体被认为与同源染色体联会和基因重组有关。在偶线期发生的另一个重要事件是合成在S期未合成的约0．3％的DNA(偶线期DNA，即zygDNA)。若用DNA合成抑制剂抑制zygDNA合成，联会复合体的形成将受到抑制。zygDNA在偶线期转录活跃。转录的RNA被称为zygRNA。zygDNA转录也被认为与同源染色体配对有关。粗线期(pachytene，pachynema)：开始于同源染色体配对完成之后。这一过程可以持续几天至几个星期。在此过程中，染色体进一步浓缩，变粗变短，并与核膜继续保持接触。同源染色体仍紧密结合，并发生等位基因之间部分DNA片段的交换和重组，产生新的等位基因的组合。此时在联会复合体部位的中间，出现一个新的结构，呈圆球形，椭球形或长约0．2pm的棒状，称为重组结(re—combinationnodule)(图11—26)。重组结直径约90nm，内含蛋白质等成分，结构尚不清楚。重组结可能直接参与基因重组。有些生物，在整个减数分裂过程中不出现重组结，因此中并无基因重组发生。在粗线期，也合成一小部分尚未合成的DNA，称为P—DNA。P—DNA大小约为100—1000bp，编码一些与DNA点切(nicking)和修复(repairing)有关的酶类粗线期另一个重要的生化活动是，合成减数分裂期专有的组蛋白，并将体细胞类型的组蛋白部分或全部地置换下来。这种置换也许在一定程度上参与了基因重组过程，或反映出减数分裂前期染色体结构的变化。在许多动物的卵母细胞发育过程中，粗线期还要发生rDNA扩增。即编码rRNA的DNA片段从染色体上释放出来，形成环形的染色体外DNA，游离于核质中，并进行大量复制，形成数千个拷贝的rDNA。如在非洲爪蟾(Xenopus)卵母细胞中，经过rDNA扩增，可以产生大约2500个拷贝的rDNA。这些rDNA将参与形成附加的核仁，进行RNA转录。双线期(diplotene，diplonema)：重组阶段结束，同源染色体相互分离，仅留几处相互联系。同源染色体的四分体结构变得清晰可见。同源染色体仍然相联系的部位称为交叉(crossover，chiasma)。交叉的数量变化不定。即使在同种物种的不同细胞之间，交叉的数量也不相同(图11—27)。一般而言，在每个染色体臂上至少有一个交叉。在电镜下可见，交叉部位含有残留的联会复合体结构。许多动物在双线期阶段，同源染色体或多或少地要发生去凝集，RNA转录活跃。关于染色体去凝集的程度，有的种类低到不易觉察，有的种类则高到几乎与一般间期细胞相似。在许多动物，尤其是鱼类、两栖类、爬行类和鸟类的雌性动物，染色体去凝集成一种特殊的巨大染色体结构，形状好像油灯的灯刷，称为灯刷染色体(1ampbrushchromosome)。在灯刷染色体上有许多侧环结构，是进行活跃转录RNA的部位。RNA转录、蛋白质翻译以及其他物质的合成等，是双线期卵母细胞体积增长所必需的(见第八章)。目前比较清楚，在灯刷染色体侧环上合成的RNA主要为前体mRNA。前体mRNA合成以后，很快被剪辑为mRNA。有些种类的mRNA，如编码组蛋白、核糖体蛋白和卵黄蛋白的mRNA很快会在细胞质中翻译为蛋白质。许多其他种类的mRNA则和蛋白质结合，以非活跃形式储备在卵母细胞质中。直到卵细胞成熟并受精以后，这些储备的mRNA才能转变为活跃状态，进行蛋白质翻译。在灯刷染色体一定的侧环上，也可以检测到tRNA和5SrRNA的转录。\n双线期持续时间一般较长，其长短变化很大。两栖类卵母细胞的双线期可持续将近一年，而人类的卵母细胞双线期从胚胎期的第5个月开始，短者可持续十几年，到性成熟期开始；长者可达四五十年，到生育期结束。终变期(diakinesis)：染色体重新开始凝集，形成短棒状结构。如果有灯刷染色体存在，其侧环回缩，RNA转录停止，核仁消失，四分体较均匀地分布在细胞核中。同时，交叉向染色体臂的端部移行。此移行过程称为端化(terminalization)。到达终变期末，同源染色体之间仅在其端部和着丝粒处相互联结。终变期的结束标志着前期I的完成。(2)中期I前期I结束，细胞逐渐转入分裂中期I(metaphasel)。在此过程中，要进行纺锤体装配。纺锤体形成过程和结构与一般有丝分裂过程中的相类似。到核膜破裂，标志着中期I的开始。纺锤体微管侵入核区，捕获分散于核中的四分体。四分体逐渐向赤道方向移动，最终排列在赤道面(equatorialplane)上。和有丝分裂不同的是，每个四分体含有4个动粒。其中一条同源染色体的两个动粒位于一侧，另一条同源染色体的两个动粒位于另一侧。从纺锤体一极发出的微管只与一个同源染色体的两个动粒相连，从另一极发出的微管也只与另一个同源染色体的两个动粒相连(见图11—28)。(3)后期I同源染色体对相互分离并向两极移动，标志着后期I(anaphasel)的开始。移向两极的同源染色体均是含有两条染色单体的二倍体。其结果是，到达每一极的染色体的数量为细胞内染色体总数量的一半。另外，各四分体之间同源染色体向两极移动是一个随机的过程，因而到达两极的染色体会出现许许多多的排列方式。如人类细胞有23对染色体，从理论上讲将会产生223种不同的排列方式。如此庞大的排列方式，即使不发生基因重组，得到遗传上完全相同的配子概率也只有1/8400000,再加上基因重组和精子与卵子的随机结合，要想得到遗传上完全相同的个体几乎是不可能的，除非是同卵双生个体，其遗传性状可能相同。(4)末期I，胞质分裂I和减数分裂间期经过后期I后，细胞进一步的变化主要有两种类型：第一种类型，染色体到达两极，并逐渐进行去凝集。在染色体的周围，核被膜重新装配，形成两个子细胞核。同时，随着染色体分离并向两极移动，细胞质也开始分裂，完全形成两个间期子细胞。此时的间期细胞虽具有一般间期细胞的基本结构特征，但又有着重要区别，即它们不再进行DNA复制，也没有G1、S和C2期之分。间期持续时间一般较短，有的仅作短暂停留。为区别于一般细胞间期，特将其称为减数分裂间期(interkinesis)；第二种类型，即细胞进入末期后，不是完全回复到间期阶段，而是立即准备进行第二次减数分裂。2．第二次减数分裂第二次减数分裂过程与有丝分裂过程非常相似。即经过分裂前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ、末期Ⅱ和胞质分裂Ⅱ等几个过程。每个过程中细胞形态变化也与有丝分裂过程相似。对于上述第二种类型，染色体到达两极后，减数分裂I的纺锤体去装配，两极的中心粒和星体，此时一分为二，重新装配成两个纺锤体。染色体在原来两极的位置重新排列，形成新的赤道板。此时即为中期Ⅱ。此后的发展则与一般有丝分裂相似。经过第二次减数分裂，共形成4个子细胞。但它们以后的命运随生物种类不同而不同。在雄性动物，4个子细胞大小相似，称为精子细胞，将进一步发展成为4\n个精子。在雌性动物，第一次分裂为不等分裂，即第一次分裂后产生一个大的卵母细胞和一个小的极体，称为第一极体。第一极体将很快死亡解体，有时也会进一步分裂为两个小细胞，但没有功能。卵母细胞将继续进行第二次减数分裂，也为不等分裂。其结果是产生一个卵细胞和一个第二极体。第二极体也没有功能，很快解体。因此，雌性动物减数分裂仅形成一个有功能的卵细胞。高等植物减数分裂与动物减数分裂类似，即雄性产生4个有功能活性的精子，而雌性仅产生一个有功能活性的卵细胞。(三)减数分裂过程的特殊结构及其变化1．性染色体的分离2．联会复合体和基因重组第十二章细胞分化与基因表达调控在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程称为细胞分化(celldifferentiation)第一节细胞分化(五)转分化与再生一种类型的分化细胞转变成另一种类型的分化细胞的现象称转分化。转分化往往经历去分化(dedifferentiation)和再分化(redifferentiation)的过程。二、影响细胞分化的因素(一)细胞的全能性细胞全能性(totipotency)是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性，称为细胞的全能性。动物细胞特别是高等动物细胞随着胚胎的发育，细胞逐渐丧失了发育成个体的能力，仅具有分化成有限细胞类型及构建组织的潜能，这种潜能称为多潜能性(pluripotency)。具有多潜能性的细胞称为干细胞(stemcell)仅具有分化形成某一种类型能力的细胞，称为单能干细胞(monopotentialcell)或称定向干细胞(directionalstemcell)。由定向干细胞最终形成特化细胞类型的过程称为终末分化(terminaldifferentiation)。第二节癌细胞一、癌细胞的基本特征1．细胞生长与分裂失去控制2．具有侵润性和扩散性3．细胞间相互作用改变4．蛋白表达谱系或蛋白活性改变5．mRNA转录谱系的改变二、癌基因与抑癌基因癌基因(oncogenes)是控制细胞生长和分裂的正常基因的一种突变形式，能引起正常细胞癌变。癌基因编码的蛋白主要包括生长因子(growthfactor)、生长因子受体、信号转导通路中的分子、基因转录调节因子和细胞周期调控蛋白等几大类型\n三、肿瘤的发生是基因突变逐渐积累的结果根据大量的病例分析，癌症的发生一般并不是单一基因的突变，而至少在一个细胞中发生5～6个基因突变，才能赋予癌细胞所有的特征第十三章细胞衰老-凋亡第一节细胞衰老早期的细胞衰老研究二、Hayflkk界限细胞，至少是培养的细胞，不是不死的，而是有一定的寿命；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，这就是有名的Hayflick界限(HayflickLimitation)。四、衰老细胞结构的变化细胞在衰老过程中，其结构会发生深刻的变化。(一)细胞核的变化(二)内质网的变化(三)线粒体的变化(四)致密体的生成(五)膜系统的变化(一)氧化性损伤学说的发展早在20世纪50年代，Harman就已提出衰老的自由基理论，以后又不断有所发展。这一理论认为，代谢过程中产生的活性氧基团或分子(reactiveoxygenspecies，ROS)引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老。细胞从外界吸收的氧中约有2％～3％变成了ROS，ROS主要有三种类型：①·02，即超氧自由基；②·OH，即羟自由基；③H202。它们的高度活性，引发脂质、蛋白质和核酸分子的氧化性损伤，从而导致细胞结构的损伤乃至破坏。第二节细胞凋亡细胞凋亡的概念及其生物学意义细胞凋亡是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程。由于细胞凋亡受到严格的由遗传机制决定的程序性调控，所以也常常被称为细胞编程性死亡(二)细胞凋亡的形态学特征细胞凋亡的发生过程，在形态学上可分为三个阶段：①凋亡的起始。这一阶段的形态学变化表现为细胞表面的特化结构如微绒毛的消失，细胞间接触的消失，但细胞膜依然完整，未失去选择透性；细胞质中，线粒体大体完整，但核糖体逐渐从内质网上脱离，内质网囊腔膨胀，并逐渐与质膜融合；染色质固缩，形成新月形帽状结构等形态，沿着核膜分布。这一阶段经历数分钟，然后进人第二阶段；②凋亡小体的形成。首先，核染色质断裂为大小不等的片段，与某些细胞器如线粒体一起聚集，为反折的细胞膜所包围。从外观上看，细胞表面产生了许多泡状或芽状突起(图13—4)。以后，逐渐分隔，形成单个的凋亡小体；③凋亡小体逐渐为邻近的细胞所吞噬并消化。从细胞凋亡开始，到凋亡小体的出现才数分钟，而整个细胞凋亡过程可能延续4～9h。