细胞生物学讲稿

细胞生物学讲稿

细胞生物学讲稿推荐使用教材沈振国崔德才主编细胞生物学中国农业出版社2003年主要参考教材郑国倡主编细胞生物学高等教育出版社第二版翟中和主编细胞生物学高等教育出版社2000年版韩贻仁主编分子细胞生物学科学出版社2000年版第一章绪论——关于细胞生物学一、细胞生物学研究的对象、目的和主要内容细胞生物学是现代生物学中的一个重要分支学科，它所研究的主要对象就是生活的细胞。主要目的是用动态的观点从研究细胞的结构和功能入手，通过对细胞结构和功能的研究来探索细胞各种生命活动的过程、本质及相互之间的联系，揭示生命的奥秘，进而达到调节、控制和利用这些生命活动为人们的生产实践服务，为人类造福的目的。细胞生物学是当代生物学教育的主体课程之一进入20世纪70年代以来，特别是90年代以来，人们在生物各个研究领域中获得成果的速度不断加快（5年一个周期），积累的知识迅速增加，已经不再满足于只是孤立的去认识和了解个别生命活动的现象，而是希望通过这些现象去认识整个生命过程，揭开生命活动的奥秘。比如，人们不再满足于只是看到细胞的一种结构，找到或分离到一个基因，而是希望知道这种结构是怎么来的，怎样变化的？这个基因在生物体内是怎样存在的？又是怎样工作的？在寻求这些问题的答案中，细胞是一个主攻目标，所以细胞生物学便显得空前的重要，被公认为是当代生物学教育的主体课程之一。因为，它是从细胞水平、亚细胞水平和分子水平三个层次上对细胞生长、分裂与分化、个体发育、遗传与变异、运动和兴奋传导、衰老与死亡等过程进行全方位的研究，这正是揭示生命奥秘的关键所在。分子生物学离不开细胞生物学从几个权威性的杂志（PNAS，Cell，Nature，Science，PlantCell，EMBO，等）上所发表的文章看动向二、细胞生物学的主要内容第一部分细胞的结构及各部分的主要功能1、细胞结构概观2、细胞表面与细胞连接3、细胞质及内膜系统4、线粒体5、质体（主要是叶绿体）6、核糖体与蛋白质合成7、细胞骨架（微梁系统）8、细胞核第二部分细胞的繁殖、分化、衰老与凋亡；细胞通讯；生物进化\n三、细胞生物学发展简史及与其它学科的关系讲授这一部分的目的有二：1、生物科学研究成果的取得和进步与研究所用仪器和手段的发展有直接联系。2、生物科学的发展使学科愈分愈细，但又互相联系、互相渗透，不可分割。细胞生物学发展简史可归纳为如下几个阶段------细胞的发现（1665年）------细胞学说的建立（1838-1840年）------细胞学的兴起（1870-1930年）------细胞生物学（1940年）------细胞与分子生物学（1953）由上可以看出，细胞生物学是在细胞学的基础上建立和发展起来的。现代细胞生物学与分子生物学可算做孪生兄弟。1细胞的发现与显微镜的发明紧密相连1604年，荷兰眼镜商詹森（Jansen）研制出了世界上第一台显微镜，第一次使人们看到了原先肉眼看不到的东西。1665年英国物理学家罗伯特.胡克（RobertHook）用自制的显微镜观察软木时，发现它是由一个个蜂窝状的小室组成的，小室的英文名叫“cell”，我们译为“细胞”。胡克在观察芜菁和萝卜等植物的不同部分时也发现了类似的结构。1677年荷兰生物学家列文虎克（AntonievanLeeuwenhoek）在动物方面进行了观察和研究，证明了动物也具有细胞的结构。但是，由于显微镜性能在很长一段时间内没有多大改进，致使在此后的近200年内，对细胞的认识基本上没有突破性的进展。直到十九世纪30年代，显微镜的制作技术有了明显改进，使其分辨力提高到1um以内，同时也由于切片机的制作成功，使得对于细胞的研究有了突飞猛进的发展。1831年，英国植物学家RobertBrown在兰科植物细胞中发现了细胞核；法国学者Valentin在动物结蒂组织细胞中发现了核仁；1835年，法国的E。Dujardin对低等动物根足虫和有孔虫进行活体观察，发现了细胞内的胶状物质（肉样汁）即原生质的存在。从此，人们对细胞的概念有了新的认识，为细胞学说的创立打下了基础。由此可以看出实验仪器的改进对细胞研究的进展起了决定性的作用。2、细胞学说的创立和细胞学的兴起在总结前人研究工作的基础上，德国植物学家施莱登（M.Schleiden）于1838年证明了所有植物体都是由细胞构成的，提出了“细胞是任何一个植物体的基本单位，最简单的植物是由一个细胞构成的，而大多数植物是由细胞和细胞变态构成的”。动物学家施旺（T.Schwan）从动物材料上不仅证实了Schleiden的论点，而且有所发展，首次提出“细胞学说”这一名词，指出“细胞结构是几乎一切生物体共有的特征，所有动植物的组织都是由细胞组成的，细胞是动、植物有机体结构和发育的基础。一切多细胞有机体都遵循细胞分裂和分化的规律。”从而创立\n了细胞学说。现代细胞学说包括三个方面的内容：（1）细胞是多细胞生物的最小结构单位，对单细胞生物来说，一个细胞就是一个个体。（2）多细胞生物的每一个细胞为一代谢活动单位，执行特定的功能。（3）细胞来自于细胞（其中第三点为R。Virchow（微尔和）的贡献）。细胞学说的创立使人们由原来神创论的认识中解放出来，开始向进化论转变，于是对细胞的研究空前高涨，很多生物学家的注意力被吸引到细胞上来。“细胞学”在1892年由德国胚胎学和解剖学家赫特维格发表的“细胞与组织”论文而宣告确立，并逐渐进入了兴旺时期。十九世纪下半叶是对细胞研究与收获的黄金时代，1866年Mendel提出了基因学说；1898年高尔基体被发现；1899年发现了植物的双受精作用；还有细胞的无丝分裂（amitosis）、有丝分裂（mitosis）与染色体、减数分裂（meiosis）、中心粒、线粒体等都是在这一时期看到的。德国胚胎和解剖学家O。Hertwig“细胞和组织”一书的出版（1892）标志着细胞学作为一门独立学科的建立。在细胞学获得一系列成就的基础上，一些有关的学科也应运而生，胚胎学、细胞遗传学、细胞生理学、细胞化学、组织学等相继建立起来。直至20世纪30-40年代，由于电子显微镜的问世和其它一些实验技术的发展（如x-ray…），使人们对细胞的认识大大突破了原有细胞学的范围，从单纯描述性向动态性研究发展，于是便诞生了以动态研究为主的细胞生物学。实验仪器和实验技术的发展为细胞学说的建立与完善奠定了基础，也为相关学科的建立与联系创造了条件。3、细胞生物学的建立与兴起电子显微镜的问世为细胞生物学的建立奠定了基础。20世纪30年代，德国科学家Ruska在Siemens公司设计制造了世界上第一架电子显微镜，使人们的视野一下子提高到了纳米水平（毫微米）。人们发现了许多在光镜下无法看到的东西，如内质网、高尔基体膜层、叶绿体膜层、线粒体膜层、核糖体、溶酶体等。使人们对细胞的认识进入了一个更深的层次，纠正或重新确立了一些概念。与此同时，遗传学、生物化学、生理学、胚胎学也相继有了许多新的发现。把各个方面的知识拼接在一起，使人们几乎看到了一个活生生的细胞，看到了生命的活动不再是一个个细胞零件，而是一部完整的生命机器,于是以描述细胞整体结构与功能的动态变化为主体的科学——细胞生物学便取代了原来的细胞学。从30年代至今，细胞生物学蓬勃发展，内容更加丰富和完善，作用也越来越大，与分子生物学一起被视为当今生物学中的主干。4、DNA双螺旋结构与分子生物学1953年，Watson和Crick总结了前人在细胞生物学、生物化学、遗传学等领域的成就，根据X-ray衍射的结果，提出了DNA双螺旋模型（1962年获得诺贝尔医学和生理奖），为人类认识生命的遗传物质的结构与组成带来了新的观念，把生物学研究推向了一个新的高度，于是诞生了分子生物学（也可叫做细胞分子生物学）。三、与细胞生物学有关的生物学研究的重要成就1、生物大分子方面①DNAa、结构类型：至少有3种类型（族）DNA的被发现：B型、A型和Z型。b、核苷酸的顺序分析：应用限制性内切酶、凝胶电泳和快速测序的方法，已经确定了SV40病毒、许多种质粒、\n细菌乃至高等动（线虫）植物（拟南芥）基因组的全部核苷酸顺序，建立了基因图谱、基因文库，人类基因组物理图谱的完成更是为二十世纪的结束画上了一个完美的句号。通过核苷酸序列分析发现，真核细胞生物的DNA至少有2个区域组成，一是为蛋白质编码的外显子区；另一个是不为蛋白质编码但影响和调控基因表达的内含子区；由此表明DNA上的基因是不连续的。c、分子杂交与基因转化：利用限制性内切酶和DNA连接酶可以把DNA长链切割成不同长短、大小的片段，然后把两种不同来源的DNA（一为目的DNA，一为载体DNA）连接在一起，通过转化细胞（细菌）把目的基因转移到受体（动植物）细胞当中去，这就是所谓的基因转化技术。用目的基因的互补DNA片段进行放射性标记，然后再用这种已标记的DNA做探针对转化后的细胞进行检测，以确定目的基因是否已经进入受体DNA中去，这就是分子杂交。这种技术现在已经达到相当完善的程度，且为社会做出了巨大贡献，如抗菌素的工厂化生产、抗病虫害或特异优质的转基因植物（烟草、棉花等）的培育成功、特异生态类型（巨型小鼠）出现、特种功能的生物问世。d、新的DNA分析技术不断出现，如FLP、RFLP、RAPD、PCR、Rt-PCR等为揭示生命活动的奥秘提供了有效手段。②RNAa、真核生物之中RNA经转录后需先进行加工（剪切）才能成为功能RNA（见图）。原核生物的RNA不经加工即可直接工作。b、某些RNA还具有酶（核酶）的功能。③蛋白质a、对蛋白质氨基酸序列分析方法的改变：20世纪50~60年代采用直接分析的方法，即将蛋白质的氨基酸一次一个的切下来进行分析鉴定，慢而且有限，并且很容易出错。70-80年代，由于解决了DNA核苷酸序列分析的方法，从对DNA序列的分析结果来推断蛋白质的氨基酸序快而且准确，所以进展很快，已搞清的多肽链达数万个。b、结构域----蛋白质的核心#、70年代后期，丹麦奥胡斯大学的StaffanMagmisson和他的同事们测定了抗凝血酶III（AntithrombinIII）（脊椎动物血浆中的一种蛋白质）的顺序。#、大约与此同时，另一研究小组发表了血浆中另一种蛋白酶抑制剂α-1抗胰蛋白酶的顺序。#、70-80年代初，乔治敦大学全国生物化学研究基金会的工作者们分析了鸡蛋中富含的卵清蛋白的顺序。这三种蛋白有30%的顺序相同性。#、1983年，日本一个研究小组发表了血管紧张素原的顺序（虽然这个激素本身只有10几个氨基酸，但它的前体大约有4000个氨基酸长）。#、1985年，丹麦另一个研究小组在这个出乎意料的亲缘蛋白谱系上加上了第五个分支，它就是存在于大麦种子中功能不明的Z蛋白。虽然其大小只有其它蛋白质的一半（-2000个氨基酸），但它却与其它蛋白质有明显的亲缘关系（在Z蛋白家族中的蛋白都有两个主要的结构域。）后两者与前三者有20%的相似临界值。从以上的分析中发现了结构域（domain），即这五种蛋白中都有一些相同的区段。这五种既不相同而又互相联系的蛋白质中结构域的发现给了我们两点启示：第一，不管目前所知的4000多种氨基酸顺序是否代表所有蛋白质的绝大部分，但是已足以使任何新测出的顺序都有相当大的机会在这些顺序中找出与其相似的顺序。第二，某些大规模的氨基酸的排列在生物化学中非常有用，它已被频繁地应用在许多方面，这些功能单位往往可从结构研究中看到的结构域来鉴定。结论：古老的蛋白质只有几个类型，他们都是由几个起功能作用的结构域组成，以后的蛋白质是在几\n种古老蛋白质类型的基础上形成的。在新的组合中这些结构域不断地重新组装，导致各种新的碰巧有用的蛋白质的产生。2、胞间通讯与胞内通讯胞间通讯的化学信使是长距离激素通讯和神经细胞间短距离通讯的中间体。绝大多数高等生物有两种主要的胞间通讯方式：激素系统和神经元系统。最近知道这两种通讯方式间有着密切的联系：在一个系统中起作用的信息分子，有很多也在另一个系统中起作用，如去甲肾上腺素，既是一种激素又是一种神经递质。起激素作用的分子一般可分为两大类：肽类，水溶性，如胰岛素等和甾类，脂溶性，如人体内的皮质醇和皮质酮等。充当神经递质的胺或氨基酸总共不超过10种：如乙酰胆碱、邻苯二酚多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素、Y-氨基丁酸、谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸等。胞内通讯已知的作为细胞内信使的物质为数极少，每一种这样的“次级信使”都对细胞反应起着决定性的指导作用，帮助细胞决定如何根据机体的需要做出反应。由次级信使的种类极少这一点可以断定细胞内的信号通路是普遍通用的，在不同的生物和不同的细胞中可用同样的信使或同一条通路，但同一种信使可调节多种生物生化过程或引起多种细胞反应。现在已知有两条主要的信号通路：一条是用环腺—磷（cAMP）作为次级信使；另一条则用一组次级信使，其中包括钙离子（Ca）、三磷酸肌醇（IP3）和二脂酰甘油（DG）几种物质，后两种物质（IP3，DG）由质膜本身的磷脂分解而来。新的研究发现，钙调蛋白可以作为胞间通讯的信使，由此推断胞间—胞内通讯可能有一条完整连续的途径。3、细胞周期及其人工调控延缓生命进程4、细胞分化与个体发育在种类繁多的生物中已发现了一小段称为同源框（homebox）的DNA，这个小片段可能就是揭示细胞分化与个体发育机理的关键所在。5、克隆技术与生物复制克隆人第二章细胞生物学的研究方法细胞生物学的研究方法很多，在此先介绍一些大体轮廓，每种方法的具体过程将结合实验进行详细叙述。i.一、形态结构的观察：（一）光学显微镜（以普通可见光或紫外光做光源的）1、亮视野显微镜即经常广泛应用的一种显微镜，视野是明亮的，被检物体由于染色等原因而呈现各种颜色，用于观察细胞与组织的基本结构（内部结构为主）。（图）2、暗视野显微镜照明光线被阻断，视野是黑暗的，而被检物体是明亮的，可以看到其形态和运动状态，但看不到内部结构。（图）3、相差显微镜与微分干涉差显微镜形态观察，主要是活细胞的形态。（图）4、紫外光显微镜与荧光显微镜提高分辨率，做某些化学成分的定位、定性与定量分析。（二）电子显微镜细胞亚微结构及形态观察。（图）1、透射电子显微镜主要用于细胞亚微结构及成分的分析\n2、扫描电子显微镜主要用于观察表面形态结构电镜分辨率大大超过光镜，因此可看到更细微的结构，细胞内部的许多结构都是在使用电镜之后才发现的。二、X-射线衍射技术其原理是当一束单波长的X-射线通过某一物质的晶体时，该物质的空间结构就会衍射投放到其后面的照相底片上，形成衍射图，从图上可测定分子的方位，测量分子之间的距离，以及它们的原子结构。（图）三、放射自显影技术当细胞中的某种化学成分被放射性物质，如P32、H3、S35等标记后，把样品与乳胶片放在一起，就会使胶片感光，用显微镜或电子显微镜观察感光后的胶片，便可看到该化学成分在细胞中分布的位置及含量。四、细胞流式测定技术主要用于测定细胞中的染色体数目，DNA含量，培养细胞的密度等。五、生化与生理测定技术（略）六、分子生物学方法包括细胞组分的分离与纯化，生物大分子的分离与纯化，分子杂交，基因转移等。七、细胞与组织培养技术八、克隆与复制技术第二篇细胞结构与功能第三章细胞基本知识概述一、细胞的基本概念细胞是由膜包围的、能进行独立繁殖的最小原生质团，是单细胞和多细胞有机体结构的基本单位，是生命活动的基本单位，是一切有机体生长发育的基础。这里特别强调能进行独立繁殖，不能进行独立繁殖的则不能算是细胞。如病毒虽然比支原体大，但它不能进行独立繁殖，所以不能算作细胞，可称之为“半生命”。支原体虽然其直径只有0.1um，但它能进行独立繁殖，因此可看作生物界中最小的细胞。由于细胞是生物体最基本的结构与功能单位，所以它要有进行生命活动所必须的基本条件，这些条件是：a）具有一套遗传信息的储存、复制与转录系统；b）具有一层细胞膜，通过细胞膜与周围环境相对隔离并可进行物质、能量交换和信息传递；c）具有一套完整的代谢机构（包括蛋白质合成和运转系统、细胞增殖与繁衍系统等），以维持基本的生命活动有了这些要素，细胞便能独立生活，表现出各种生命现象。细胞大小下限可能决定于能安置最低数目和大小的必要细胞组分，使细胞独立存活的最小体积，上限决定于细胞核能控制细胞质的程度。二、细胞的基本结构根据经典分类法把生物划分为动物界和植物界两大类，这种方法对大部分生物来说是合适的，但有一些生物则很难归类，比如：动物和植物的最大区别是有或无细胞壁，可是眼虫（Euglena）是一种单细胞生物，含有叶绿体，却没有细胞壁；细菌和真菌则有壁而无叶绿体；支原体既无壁也无叶绿体。对细胞的认\n识也就随着这些问题的提出和研究的深入而使一些观念发生了改变。在60年代，HansRis提出了原核细胞和真核细胞的概念，指出：一类只有核的物质而无核膜包围的细胞称为原核细胞，比如细菌和兰绿藻等；有核膜包围同时又具有核物质的称为真核细胞。这一概念已被大家所普遍接受，于是对生物界的分类也由经典的分类法提出了新的分类法。Dodson1971年提出将生物界分为原生生物（原核生物）界、植物界和动物界三大类，这一分类系统已被广泛接受。究竟原核生物和真核生物有哪些主要差别呢？一、原核细胞（原核生物）主要由7部分组成（下面兰字所示）（图）原核细胞主要的特征之一是没有由膜包围的细胞核，其遗传物质分散于细胞质中（如支原体）或相对集中于中央的区域，称为①核区，在其中可见有一些盘绕的细丝，这就是DNA双螺旋分子，多呈环状，直径约为25Å，长约几百Å，DNA分子不结合或结合少量蛋白质。细胞外包有②质膜，也是单位膜，厚约100Å。在质膜外还可有③细胞壁，壁的成分主要是肽聚糖、蛋白质，多糖垣酸或脂多糖等组分。壁外还可有一层纤丝状物质，称为④荚膜，是一种多糖构成的结构。荚膜的作用一是防御不良环境的危害，二是攻击宿主细胞，与细菌毒性有关。细胞内无恒定的膜系统把细胞质分隔开，但质膜在一定的部位可以⑤内折（中体），内折的质膜上也常结合有色素和酶。细胞质内含有高浓度的⑥核糖体颗粒，一般为150~200Å，略小于真核细胞内的核糖体（200~250A），核糖体内有三种RNA和几十种蛋白质。原核生物常以单细胞形式存在，也可连接成链状或丝状。⑦其他结构。细胞一般通过二分裂方式繁殖，少数可产生孢子，亦可通过出芽生殖。二、真核细胞有人提出真核细胞大约是十亿年前由两种或两种以上的细菌细胞融合而成的，分子树分析的结果支持这一学说。真核细胞内含有DNA的部位是细胞核、线粒体和叶绿体。各部位基因组都有一套编码RNA分子结构的极保守的基因，这些RNA分子分别存在于该部位的核糖体中。顺序比较研究证明，细胞核中的核糖体RNA基因起源于细菌树四条大分支中的一支，而叶绿体和线粒体中的RNA基因则起源于其中之另一支。有关这一问题的详情，将在进化一部分中叙述。真核细胞最主要的特点是细胞内有膜，把细胞区分成了许多功能区——核和各种细胞器等，这是细胞进化的表现。把细胞质分隔成区的内膜具有一定的连续性，形成了细胞内膜系统（endomembranesystem）。内膜系统主要包括内质网、溶酶体、圆球体、液泡和高尔基复合体等。真核细胞的主要结构是（图）：1.细胞（质）膜（Plasmamemberane）在电镜下呈暗——明——暗式的三层结构，1959年Robertson把这种形式称为单位膜（unitemembrane）。2.细胞核（nucleus）又由四部分组成，核被膜（nuclearenvelope），为双层单位膜（膜上有核孔复合体，nuclearporecomplex）；染色（质）体（chromosomes），为由DNA和蛋白质组成的复杂结构；核仁（nucleoli），1个细胞中有1至数个，折光率很强，与染色体的某些特定区域相连，与核糖体的组装有关；核内的无定形成分称为核基质（nucleoplasm）。3.细胞质（Cytoplasm）早期的研究认为细胞质为细胞内无定型结构的胶体部分，现代的研究表明它又分化产生膜系统、细胞器和胞基质等组分。膜系统有内质网endoplasmicreticulum由单位膜围成的细胞内纵横交错的管道或分支系统，可分为粗糙型\n（rough）和光滑型（smoth）两种。高尔基体（Golgicomplex）被认为是平滑内质网的特化区域，其作用之一是对外排放的蛋白质进行处理和包装。有一些包装好的膜泡仍留在细胞质内，这些膜泡称为溶酶体（Lysosome），内含有消化酶。线粒体（mitochondrion）除了一些厌氧原生物外，真核细胞都含有双层膜的线粒体，能制造ATP，是细胞的动力站，含有自己的DNA（环状）、RNA、核糖体等。微梁（骨架）系统（microtubuleandmicrofilament）5、在细胞运动、胞内运输、细胞形状的维持及细胞分裂中起作用，主要有三种形式（微管、微丝和中间纤维），总称为细胞骨架或微梁系统。中心体（粒）（centriole）位于动物细胞近核处两相对的极点，由两个互相垂直的微管组成，称为中心粒，与细胞分裂活动和纤毛形成有关。叶绿体（Chloroplast）为绿色植物细胞所特有，光合作用的主要场所。液泡（Vaculus）为成熟的生活植物细胞所具有，往往把它归为细胞质的组分；早时认为动物细胞无液泡，现在确定动物细胞也存在液泡，但形式与植物不同。4.细胞壁（CellWall）植物细胞和菌类有。植物细胞的壁和细菌细胞的壁在化学组成上是不一样的，植物的主要由纤维素、半纤维素、果胶等组成，细菌的是由单糖和三、四种氨基酸组成。三、病毒与类病毒（Viruse&Viroids）（图）病毒在性质上不算是细胞，可是病毒的某些特性和细胞有一定的共同性，如有共同的遗传基础，从病毒研究中所获得的资料对于理解细胞的活动规律很有帮助，同时病毒的活动与细胞有着密切的关系。病毒专营细胞内寄生生活，单独存在时不能进行繁殖，根据寄生的对象不同可分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒（噬菌体Phage）。病毒的大小一般在0.1~30nm之间，形状多种多样，单个成熟的病毒称为病毒粒子（Virion）。每一病毒粒子由一分子核酸（芯子）和蛋白质外壳所组成，蛋白质外壳称为衣壳（capsid）。有的只有核酸芯子而无蛋白质外壳，如马铃薯和番茄纺锤管形病毒，仅由裸露的RNA所构成，RNA分子长400~500A，只能为70~80个氨基酸编码，不能制造衣壳蛋白，这种病毒称为类病毒（Viroid），它虽无capsid但却有感染细胞的能力。病毒的遗传物质为RNA或DNA，可以是双链DNA、单链DNA或双链RNA、单链RNA，但尚未发现有两种核酸的病毒。1980年还发现一种仅仅由具有感染能力的蛋白质组成的病毒，称为朊病毒。遗传信息的编码规则与细胞一致（天花病毒、多瘤病毒和T—偶数噬菌体都含DNA双螺旋，烟草花叶病毒等含单链RNA），各种病毒所含的遗传信息量是不同的，有的只有几个基因，如猿猴SV40病毒只有5个基因，5423个碱基对，有的则可多达500个不同的基因。病毒所含基因越少，其对宿主的依赖就越多。衣壳（capsid）是由许多蛋白质亚单位组成的，这些亚单位又称为壳微粒（capsomer）。决定衣壳形状的信息是由亚单位自己所携带。亚单位之蛋白质分子的结构及其与相邻蛋白质分子结合排列的方式决定了衣壳的外形。病毒的主要抗原性也是由衣壳蛋白决定的。病毒粒子的形成不需要酶的参加，只要条件具备，便可通过自我装配（self-assembly）的过程组装完毕，例如烟草花叶病毒壳微粒及病毒粒子的分散与组装。同种蛋白质组成衣壳的好处：①不需很多的蛋白质编码；②可以最经济的利用病毒所携带的信息；\n③有的病毒的衣壳是由几种蛋白质组成，因此不同的衣壳微粒对同一种抗血清反应不同。病毒只有在侵入到宿主细胞以后，才表现出生命力，单独存在时没有代谢活动，亦不繁殖。病毒的生活周期可分为两个阶段：一是细胞外阶段，以成熟的病毒粒子的形式存在；一是细胞内阶段，即感染阶段，在此阶段中进行繁殖。四、细胞的化学组成（选择性介绍）主要有碳水化合物，脂类、蛋白质、核酸,水和无机盐信息储存功能与物质的分子结构有直接关系。核酸和蛋白质的分子结构不是单一成分的重复，而是多种核苷酸、氨基酸的有机排列，所以能储存大量不同的信息；碳水化合物、脂肪等只是单一成分的重复，所以不能储存不同的信息。正如英语中词与句子的含义包含在字母顺序排列中那样，DNA携带的蛋白质信息也包含在碱基的排列顺序中，而一切生命活动过程中信息的传递与表达都是通过核酸及蛋白质中结构顺序的改变来实现的。（一）碳水化合物单糖和多糖，多糖在细胞中的用途更为广泛些，一是食物储存，二是参于细胞结构的组成。食物储存多糖在植物中为淀粉（awhite、tasteless、solidcarbohydratefoundintheseeds，tubers，andotherpartsofplants。有直链amyloses和支链amylopectin之分）；在动物中为糖元glycogen(anorderless、whitepowderconstitutingtheprincipalcarbohydratestoredinanimalcells)。糖元的分子结构与支链淀粉相似，1，4—α糖苷键相连成单元，1，6—糖苷键成分支，但链比支链淀粉短,8—20个葡萄糖单元，因而具有更多分支。结构多糖：真核细胞的结构多糖主要有纤维素和几丁质。纤维素是植物细胞壁的主要成分。高等动物的细胞表面存在着由多糖类物质构成的一层细胞外被（cellcoat），与识别和黏着等有关，动物细胞表面的抗原（antigen）、血型（bloodgroup）的特异性、病原体受体部位和细胞的黏附等都是糖类的功能。几丁质是许多真菌细胞壁以及昆虫和甲壳类无脊椎动物外骨骼的重要成分，由N—乙酰葡萄糖胺残基以1.4—β糖苷键连接而成，不分枝。细菌细胞壁的结构多糖叫胞壁质（murein），是由双糖单元组成的，双糖由两种糖衍生物构成，即N—乙酰葡萄糖胺（N—acetylglucosamine）和N—乙酰胞壁酸（N—acetylmuramicacid）、双糖单元以1.4—β糖苷键连接。果胶质（pectin）和动物组织中的粘多糖亦属结构多糖。粘多糖（mucopolysaccharide）又叫蛋白多糖（proteoglycan）。糖蛋白（glycoprotein）是另外一类由蛋白质和碳水化合物组成的复合大分子。在生物体内普遍存在（甚至在原核细胞及病毒中也有发现）（见郑国昌33页）。（二）脂类（Lipids）细胞内脂类化合物包括脂肪酸、脂肪、磷酸甘油脂、糖脂和鞘脂以及蜡。脂肪酸在细胞中和组织中的含量极微，但它是若干种脂类的基本成分。甘油脂是动、植物体内脂肪的主要储存形式，当体内碳水化合物、蛋白质或脂类发生过剩时，即可形成甘油脂储存。磷脂是构成细胞膜系统的主要成分（它是由两个脂肪酸分子通过酯桥分别连接在甘油的两个羟基上，甘油的第三个羟基酯化成磷酸形成的）。膜中磷脂的存在对于亲水性和疏水性物质的穿膜运输有着重要作用，因为它是一种两性脂（amphipathicLipid），所以决定了穿过它的分子层的物质必须经过一个复杂的变化过程。动物细胞膜\n的主要磷脂为脑磷脂（cephalin）和卵磷脂（lecithin）[anyofagroupofyellow-brownfattysubstances，occuringinanimalandplanttissuesandeggyolk，usedinfoods，cosmetics，etc.]。在细菌细胞膜、叶绿体和线粒体膜中还有一种心磷脂（cardionlipin）。鞘脂和糖脂也是构成细胞膜的成分，其性质与磷脂相似[具有亲水头部和疏水尾部，鞘脂分子中没有甘油成分，而且其尾部有一条脂肪酸链为鞘氨醇（sphingosine）所代替]。鞘脂在神经组织中的髓鞘中特别丰富，其中以鞘磷脂（sphingomyelin）最为多见。[糖脂的头部结合有带极性的亲水碳水化合物，如D—葡萄糖和D—半乳糖等。]甾类中胆固醇（cholesterol）是构成质膜的成分，另一些甾类化合物是雌性或雄性激素，胆酸和肾上腺皮质激素。脂类在生物体内的功能：（1）储存能量；（2）构成膜的组分；（3）有些酶系的组分；（4）激素（甾类化合物）的组分。（三）蛋白质（Protein）1965年，我国首先用人工方法合成了牛胰岛素，它是由一条21个氨基酸组成的多肽链（A）链，和另一条30个氨基酸组成的多肽链（B链）结合而成的。1969年又有人合成了由124个氨基酸组成的一种叫做核糖核酸酶的单链蛋白质。近年来，人工合成的蛋白质还有由158个氨基酸组成的烟草花叶病病毒亚基，由104个氨基酸组成的细胞色素C，由374个氨基酸组成的人血红蛋白，由1021个氨基酸组成的半乳糖苷酶等近1000种的蛋白质一级结构。人工合成蛋白质的成功是人类认识生命本质，探索生命起源，揭开生命奥妙的一次极其伟大的工作。蛋白质的基本结构单位是氨基酸R-C（NH2）OOH，总共有20种氨基酸，根据侧链R的性质可分为5类：①Smallpolar②Largepolar③Intermediatepotarity④Smallnonpolar⑤Largnonpolar蛋白质的酸碱性与氨基酸的酸碱性有关。通常把蛋白质结构分为四级一级指多肽链的氨基酸顺序。此级结构的重要性是①决定了蛋白质的三维构象，从而影响着分子在细胞中的作用；②多肽链的一级结构与DNA（或RNA）的核苷酸顺序有着线性对应翻译（Colineartranslation）关系，因此带有关于蛋白质合成遗传指令的重要信息。有的蛋白质对一级结构要求非常严格，如血红蛋白（4个多肽链，2个α—链，2个β—链）β-链中的146个氨基酸只在第6号位上的谷氨酸为缬氨酸所代替，即造成镰刀细胞贫血病。但有的不严格，如酵母与人的细胞色素C，在呼吸链中都是具有呼吸活性的蛋白质，但二者的一级结构差别很大，104个氨基酸中有40个不同。二级多肽链由线性变成β-折迭型或α-螺旋型，如纤维蛋白有α-角蛋白型和β-角蛋白型。β-折迭型：相邻的链连接成折迭片（pleatedsheetstructure），如纤维蛋白、蚕丝的丝心蛋白。α-螺旋型（α-helixstructure）：分子内部相邻螺旋间建立有氢键，如α-角蛋白。三级如在球蛋白中，通过一定的连接方式形成更紧密的三维结构，即在α-型和β-型的基础上，多肽链的螺旋线或折迭片进一步卷曲，使分子内部为疏水氨基酸，极性基伸向表面。四级一、二、三级结构都是单条多肽链的变化，四级结构则涉及到两条或多条多肽链，如血红蛋白的两条α-链和两条β-链可自然发生分离和结合，用尿素可使之分成两个“半分子”即两条α-与两条β-，去掉尿素后又可装配成完整分子。蛋白质的分子量从几千到数万道尔顿，按功能可分为两大类—结构蛋白与调节蛋白。结构蛋白主要类型是纤维蛋白，如肌动蛋白，构成结蒂组织纤维成分的胶原蛋白，构成体表覆盖的如毛发、爪、角、羽毛、皮肤的角蛋白。调节蛋白有酶、抗体蛋白、激素等，这类蛋白多呈球形，血红蛋白和多种酶是典型球蛋白。（四）核酸核酸是细胞中携带遗传信息的分子，对蛋白质分子合成具有指导作用，共分两类即DNA\n和RNA。每一类都是由四种核苷酸通过磷酸二酯键聚合成的大分子。每一种核苷酸都含有一种碱基、一个戌糖分子和一个磷酸残基。戌糖+P+碱基称核苷酸（nucleotide）；戌糖+碱基称核苷（nucleoside），RNA中含D-核糖，DNA中含α-脱氧-D-核糖。RNA中四种碱基为A腺嘌呤（adenine）G鸟嘌呤（guanine）C胞嘧啶（cytosine）U尿嘧啶（Uracil）—为胸腺嘧啶的脱甲基衍生物。DNA中四种碱基为A腺嘌呤（adenine）G鸟嘌呤（guanine）C胞嘧啶（Cytosine）T胸腺嘧啶（thymine）RNA通常是单链存在，DNA则含有两条互补的多核苷酸链。互补链在碱基间形成氢键而结合在一起，其配对严格按A-T、G-C，形成氢键的对应碱基之间的距离和角度是一定的，而且相邻的核苷酸之间尚有36°的夹角，因此两条互补链不是呈直线平行构型。1953年Watson和Crick合作在Wilkins等人工作的基础上提出了DNAdonblehelix结构模型，认为DNA分子的二级结构为双螺旋，两条链均绕一假想中心轴呈右手螺旋。双螺旋上每隔3.4埃有一核苷酸球，每旋一周有10个核苷酸对，故螺距为34埃，双螺旋直径为20A。DNA双螺旋分子有三点规律性的现象①核苷酸彼此之间是由戌糖的3′位碳和另一核苷酸5′位的磷酸相连构成了主干链，从单个核苷酸链来看是3′-5′走向，但互补链却是5′-3′；②通过氢键相互配对的碱基间的特定关系是由分子的空间构型决定的；③配对碱基间形成的氢键数不同，C—G间为三个H键，而A—T间为2个H键。DNA双螺旋结构是靠碱基对的氢键和迭置的碱基间的疏水作用力来维持的。通过加热或改变PH值，可引起氢键打开，使两股脱离，这一分离过程称为DNA变性（denaturation）或熔解（melting），变性时的温度称meltingtemperature用Tm表示。G.C多者（即三H）Tm高，A-T多者Tm低，AT/GC之比值与Tm成反比。当温度缓缓下降冷却时，互补的单链又可通过碱基配对重新形成DNAdonblehelix，这一过程称为复性（renaturation）或退火（annealing）。利用复性技术可以测定某一中生物基因组（genome）的大小，复性所需时间长的，该基因组就大。也可用于测定DNA的重复顺序，重复顺序（多）的复性速度要比单一顺序快。单链的DNA在renaturation时也可同互补的RNA结合，形成DNA—RNA双链结构，此即分子杂交技术（molecularhybridizationtechniques），用这种方法可对转录RNA的对应基因进行研究。重链H（AG多者）与轻链L（AT多者）在DNA复制和遗传信息储量方面表现出不同的特性。（五）水水在细胞中的含量特别大，但又具有许多独特属性，因而它在生命活动中占有重要的地位，无论在生命起源中还是在细胞生存中，都不能没有水。细胞内的水分子存在有两种形式即游离水和结合水。细胞内所含水分子数量与所含各种生化成分间有一定的相对比例关系。我们取DNA的分子量为10，RNA为4.0×10·蛋白质为3.6×10·，经计算每有1个DNA分子就有1千多万水分子，每有1个蛋白质分子就有18，000个水分子。水分子是显示极性的偶极子（电子偏向OH-O-H），在正常生理条件下，电离成H·和OHˉ的水分\n子极少，相邻的水分子在氢原子与氧原子之间形成了很强的氢键，氢键伸向四个方向，故一个水分子可同四个相邻的水分子结合（冰）。水对任何带有电荷或具有极性基的分子，特别是偶极子，都可有一定程度的溶解。溶质在水中溶解度的大小，决定于能打开多少水—水键。而代之以溶质—水键。因为水—水键通常比溶质—水键在能量上更处于有利状态（即低能状态），因此大多数化合物在水中的溶解度是有一定限度的。非极性的疏水分子如果结合有一个荷电基团如磷酸残基等，那么这种物质便比较容易溶于水。生物膜的形成和分子结构方式也与水的存在分不开。（六）无机盐Ca++主要为胞内通讯的次级信使，以及维持许多细胞结构的完整性。Mg+、Mn+等是许多由酶所控制的反应中的辅助因子（cofactor）或激活剂（activator）。Mg+还是叶绿素分子中形成吡咯环的主要连接物。Fe是过氧化物酶催化酶和细胞色素C的主要成分，也是血红蛋白中吡咯环内的连接物。Cu是酪氨酸酶（tyrosinase）和Cytochromeoxidase的组分之一。Zn出现在Carbonnicanhydrase（碳酸酐酶），lacticdehydrogenase（乳酸脱氢酶）和glutamatedehydrogenase（谷氨酸脱氢酶）中。K+比Na+多，K+含量保持稳定，而Na+则变化很大。第四章细胞质膜与细胞表面细胞质膜及其两侧，主要是外侧的附属物合起来称为细胞表面。过去认为细胞表面，特别是细胞质膜以外的部分只是一层细胞与外环境的物理屏障，现在的研究表明它是一种是具有许多生命功能的界面面，与细胞的许多生命活动有关，比如对外环境信号的反应、物质运输、神经传导、信息传递、能量转换、细胞识别、免疫等等都有直接关系，因此成为生物学研究中的一个热门领域。一、细胞质膜（质膜Cytoplasmamembrane）（图）1、细胞质膜的性质选择性透性膜。表现在：a对水有很高的透性，可使水分子自由进出，对溶于水的物质则有选择性，这种选择性主要是通过膜上的特殊结构来实现的，如离子通道、离子泵等。b对脂溶性物质有优先的透性。c对蛋白质、碳水化合物等有机物分子一般是不能透过的，但单个氨基酸分子和一些小分子有机物可以通过，如激素、尿素、农药等。膜为什么具有这些特性，这与其化学组成和结构有关。2、细胞质膜的化学组成膜的主要成分是脂类和蛋白质，另外还有糖等。①脂类：生物膜中的脂类约有100多种，其中以磷脂、胆固醇和糖脂为主。PA：磷脂酸；PC：卵磷脂；PE：磷脂酰乙醇胺。脂类在膜中以双分子层的形式构成膜的网架结构，其中亲水性的甘油头伸向外面，疏水性（非极性）的脂肪酸尾伸向膜内，脂双分子层是生物膜的共性。②蛋白：约有50余种蛋白在膜上发现，这些蛋白的存在决定了膜的特异性（特殊性），每种生物和每种细胞的膜上都有一些区别于其他生物的特异蛋白，特别是一些特殊的酶类。蛋白质在膜上的分布有三种形式：a外在性蛋白，即整个蛋白质分子附着于膜的外表面。其中，有一种外周蛋白，由一个共价键附着在脂肪酸链上，插入到靠细胞质的单分层中；另一种边周蛋白，由一个共价低聚糖附着在磷脂和磷脂酰肌醇链上，插入到质膜外面非细胞质的单分子层中；蛋白质不深入到脂分子层中，而是通过与其它膜蛋白的非共价结合（空间效应）而附着在膜的表面。b跨膜蛋白。c内在性蛋白：存在于脂双分子层的疏水区域。③糖类：与血型抗原有关，与细胞识别和分子通讯有关，位于外表面。④水和一些金属离子。\n3、细胞质膜的结构主要介绍流动镶嵌模型（图）要点构成膜的质类、蛋白质和糖类按一定规律排列组合在一起，构成一个有序的界面，脂类以双分子层形式整齐排列，构成膜的基本网架，蛋白质以覆盖、附着、插入等方式分散在脂双分子层的内外表面或脂双分子层内，糖与脂类结合在一起形成糖脂，与蛋白结合在一起形成糖蛋白。水大部分以结合水的形式存在，金属离子则主要作为盐桥起作用，整个膜呈液胶状。流动镶嵌模型对膜特征的描述可归纳为四点：①膜具有镶嵌性组成膜的各种成分相互交连在一起，构成一种有序的界面。②流动性膜中脂类分子的头可左右移动，尾可左右摆动，也可旋转；蛋白分子亦可左右移动，但内外层进行翻转交换的机率极小，一旦发生，膜的局部性质就要发生改变。③不对称性主要指膜内层（向细胞质的一面）和外层（向环境的一面）上的蛋白质种类和数量分布，脂的种类不相同，糖分子或寡糖链只分布于向环境的一侧，而近细胞质的一侧没有。④可更新性质膜可以局部的脱落和再生，如胞饮和胞吞作用，胞质分泌作用等，路线是：质膜—溶酶体—高尔基体或内质网—高尔基体—质膜—胞外。4.细胞质膜的主要功能（图）①物质的吸收和运输a协助扩散：非脂溶性物质在由高浓度向低浓度过膜运输时，要借助于膜上的特殊蛋白质——传递蛋白的协助才能完成，这种运输叫协助扩散，该过程不需要细胞提供能量，也可以称为被动运输。如钾离子通道、钙离子通道、葡萄糖通道。作为特殊载体的传递蛋白具有专一性，因此协助扩散具有限制性，但转运速率比简单扩散要高。参与协助扩散的膜蛋白有两类：一类为载体蛋白，一类为通道蛋白；前者具有较强的特异性和专一性，除参与协助扩散外还可介导主动运输；后者具有离子选择性和门控特性，即只能进行开或关调节。b主动运输：借助于膜上的特殊结构将物质（载体蛋白）由低浓度向高浓度的运输叫主动运输。有Na+--K+泵、钙离子（Ca++）泵、H+泵等；如轮藻细胞内钾离子浓度比其周围的水中高63倍，丽藻可高1065倍，而Na+则相反；泵蛋白在磷酸化时与钾离子亲和力高，吸收K+后构象发生变化而转到膜内，去P酸化脱掉K+吸入Na+再转到膜外。Ca++泵可将细胞质内的钙离子泵出细胞或泵入内质网腔内，以维持细胞质内低浓度的游离Ca++；H+泵在维持细胞内外的pH值及离子平衡方面具有重要作用。消耗能量ATP。c胞吞（饮）作用与胞吐作用：膜不能透过的物质。胞吞：吞噬与胞饮。胞吐：由胞内至胞外。d另外还有自由扩散、致电泵小分子通道等运输方式。②细胞识别与细胞通讯：质膜外表面有一些突出的特异蛋白，或寡糖链连接于蛋白质或脂分子上，这些特异蛋白和寡糖链带有该细胞的特别信息——分子构象、大小、空间结构等等，籍助于此来对周围的环境发生应答反应而出现激素受体、抗原受体等等。（图）二、细胞表面（一）动物细胞表面在动物细胞上，我们把细胞质膜以外的所有组分统称为细胞表面，也叫细胞外被或糖萼，其主要成分为糖蛋白和糖脂，主要类型和功能是1、微绒毛保护和扩大吸收面积；（图）2、皱折或片足与胞饮有关；（图）3、微针寡糖类，有“指纹”和“分子密码”作用，与细胞识别和细胞通讯有关，被称为化学天线；（图）\n4、绒絮状外被有糖蛋白等组成的网状物，保护作用，扩散屏障；（图）5、圆泡与代谢活动有关，分泌物。（图）（二）植物细胞的外被——细胞壁（图）组成纤维素、半纤维素、果胶、少量蛋白。作用保护、维持细胞形状，协助细胞生命活动。新型激素低聚糖素，与防御、繁殖和形态发生有关。三、细胞连接与细胞通讯对多细胞有机体来说非常重要。（一）动物细胞间的连接（图）1、紧密连接表皮细胞之间，两相邻细胞的质膜紧紧靠在一起，中间无间隙，可有效的阻止物质从细胞间穿行。（图）2、间隙（缝隙）连接两相邻细胞的质膜间有2-3nm的空隙，有一种特殊的结构—连接子（6个蛋白质亚单位），是最普遍的细胞连接，存在于动物的几乎所有器官和组织中。细胞间物质运输、电偶联作用，细胞通讯。（图）3、桥粒两相邻细胞间隙更大，20-30nm，粘着（合）斑，存在于承受强拉力的组织中，皮肤、口腔、食管、心肌等上皮细胞。铆钉作用。（图）（二）植物细胞间的连接：胞间连丝植物学里已讲过，物质运输（病毒也可通过）、传递电刺激、控制和协调细胞分化等。（图）第五章细胞质与细胞内膜系统第一节细胞质基质细胞质是指细胞质膜以内除细胞核以外的所有部分，其中有无定型的蛋白质溶胶部分称为胞基质，还有具有多种形态和功能的结构部分成为细胞器。细胞质基质又称胞质溶胶，它占细胞总体积的50-60%，其中水占大部分，另外还有无机盐离子如K+、Na+、Mg+1、Ca+2等，有机物如氨基酸、蛋白质、糖、脂、核苷酸的衍生物、酶、纤维素等。因此它不是一个简单的液相体系，而是与各种生命活动有关，各种细胞器正常结构的维持及正常功能的发挥都与胞基质的存在分不开。一、细胞质基质（胞质溶胶）的化学组成1.水和无机离子等小分子类2.脂类、糖类、氨基酸、核苷酸及其衍生物等中等分子类3.蛋白质、脂蛋白、RNA、多糖等大分子类从以上化学组成我们可以看出胞基质实际上是细胞中为生命活动所提供的一个有效的空间。假如我们把细胞比成一个十分复杂的化工厂，则化工厂的机器部分就是细胞器，除机器以外的工厂部分甚至包括空气、工厂管理等无形的东西在内都可以视为胞基质。它既是产品的集散、加工地，又是原料的存储场所，因此是细胞内不可缺少的部分。二、细胞质基质的功能1.进行中间代谢反应糖酵解问题、磷酸或糖循环问题在植物生理中已详细介绍，脂肪酸的合成问题\n在植物生理和生物化学中也有详细论述，在此不再重复。在细胞生物学中对这些内容所强调的是把生化反应和这些反应在细胞器上的定位结合起来，要求同学们理解问题时也要把功能与结构合在一起考虑。图（129页）。脂肪酸合成中乙酰辅酶A的来源：乙酰辅酶A（CoA）要在线粒体内生成，然后与草酰乙酸缩合成柠檬酸，柠檬酸通过线粒体膜进入细胞质基质，经柠檬酸裂解酶分解重新生成草酰乙酸和乙酰辅酶A（CoA），乙酰CoA+7丙二酸单酰CoA+14NADPH+14H---CH3（CH2）COOH+7CO2+8CoA+14NADP+6H2O（第一阶段作业题：分别绘制动物细胞、植物细胞的结构模式图，用文字标明各部分的名称）第二节核糖核蛋白体担负蛋白质合成的任务，呈颗粒状，外无膜包围，是一个很精细巧妙的机器，它不仅可以将mRNA上的遗传密码翻译成氨基酸，而且可以识别tRNA—氨基酸复合体，把上面的氨基酸转移连接到新生的多肽链上，产生蛋白质。除哺乳动物成熟的红细胞等极少数高度分化的细胞外，所有的细胞内都有核糖体，叶绿体和线粒体内也有。直径约25nm，其中蛋白占40%，RNA占60%。一、核糖体的结构与组成见讲义115--118（图）1.原核细胞大亚基50S（Svedberg沉降系数）34个（31种）蛋白质分子（编号为L1-L31），2个RNA分子（5S，120个碱基，分子量30x103；23S，2094个碱基，分子量1200x103），分子量1600x103，为肽基转移酶中心，有一个氨基酸接受位点（A位点，或叫氨酰基位点）、E位点（肽基转移后的tRNA释放位点）；小亚基30S21个蛋白质分子（编号为S1-S21），1个RNA分子（16S1542个碱基，分子量600x103），分子量900x103，为解码中心，有一个mRNA结合位点、肽酰基位点（P位点）。大小亚基结合在一起时为70S（叶绿体与核糖体内的核糖体也近似于70S），相对分子量为2500x103。大小亚基结合后还会形成肽基转移酶的催化位点和GTP酶的结合位点。rRNA占细胞RNA总量的80%以上，因而呈现出很强的负电性，可以同阳离子和碱性染料相结合，使得含核糖体多的细胞被碱性染料所浓染。2.真核细胞大亚基60S50个蛋白质分子，3个RNA分子（5S120bp，5.8S160bp，28S4800bp，分子量1600x103），分子量3200x103，植物真细菌和原生动物中无28SrRNA，有25-26SrRNA；小亚基40S33个蛋白质分子，1个RNA分子（18S1900bp，分子量900x103），分子量1600x103；大小亚基一起时为80S，分子量4800x103。3.r蛋白可能来源于同一祖先对r蛋白的氨基酸序列和蛋白空间结构的分析发现，不同来源的原核细胞的核糖体r蛋白具有很高的同源性，并且在进化上是非常保守的，甚至在E.coli与植物叶绿体中的r蛋白也有很高的同源性。在不同的真核细胞中，r蛋白也有很高的同源性，甚至在E.coli与大鼠的某些r蛋白之间也显示出很强的免疫交叉反应。对16SrRNA空间结构的分析显示，它可以分成4个结构域：中心结构域（centraldomain）、5ˊ端结构域（5ˊdomain）、3ˊ端主结构域（3ˊmajordomain）和3ˊ端与中心结构域之间的主结构域（见补充图）。二、核糖体的装配（形成）：1、原核细胞核糖体的装配（图）(1)rRNA的转录与r蛋白质的翻译大肠杆菌环状DNA分子的大小为400万个核苷酸对，编码所有的核糖体RNA和核糖体蛋白质，另外还有其他RNA和蛋白质。一个大肠杆菌DNA分子上有7组编码\nrRNA的基因，每一组编码3个rRNA：23S、5S和16S，其顺序是16S、tRNA、23S、5S。每一组RNA基因首先转录出初级RNA，然后再加工剪切为3个RNA分子。构成核糖体的55种蛋白质由55个基因编码，P137图6—7，内环的rrnA...H为7组rRNA基因，其转录方向不同。（2）核糖体具有自装配性（能力）（图）即当三种RNA分子和55种蛋白质分子合成以后，它们便可按照一定的方式自动装配成（不在基因的指导下）核糖体的两个亚基，但组成亚基的蛋白质不是一下子与RNA结合，而是分先后次序，一个一个或一组一组与RNA结合，比如小亚基的21种Protein可以分成：①依赖性蛋白，即某种蛋白只有与另外一种或几种蛋白一起才能结合到16SRNA分子上；②非依赖性蛋白，如S4、S8、S7、S15、S17、S20可直接与16SRNA相结合，不需要依赖其他蛋白的协助；③核心蛋白（优先蛋白），这些蛋白要先与RNA结合，才能为其他蛋白提供结合位点；④结构性蛋白，即缺少这些（种）蛋白时核糖体小亚基就不完整，如S4、S8、S7和S17；⑤功能性蛋白，即缺少这些（种）蛋白时核糖体就无活性，S1、S2、S3、S21，见141页图6—12、6—13。（3）核糖体组装的调控是通过亚单位形成量的多少，来反馈调节rRNA的转录量和r—Protein的翻译量见142页图6—14。处于指数生长期的细菌中每个细胞内有数以万计的核糖体（培养的HeLa细胞有5x106-1x107个），可达细胞干重的40%，而在培养的饥饿状态的细胞内仅有几百个整个过程在胞质溶胶中进行。体外实验表明70S的核糖体在Mg2+浓度小于1mmol/L的溶液中，易解离为大小两个亚基，当Mg2+浓度大于10mmol/L时，两个核糖体常常形成100S的二聚体。在生活的细胞内只有当小亚基与mRNA结合后才与大亚基结合在一起。2、真核细胞核糖体的装配（1）真核细胞核糖体的装配是在核仁内完成的，见138页图6—8、6—9。转录rRNA的基因（DNA）伸入到核仁的一特定区域（核仁组织者），在此区域转录出45S的前体rRNA，......。5SrRNA在核仁外的DNA上转录出来，然后进入核仁内部参与大亚基的装配，核糖体蛋白质则是在胞质中合成后转运到核仁内的。（2）核糖体的组装在上述图6—8中已经表示出来。（3）真核细胞核糖体组装的调控问题现在尚无明确结论。3、rRNA的甲基化与两个亚基的结合有关原核细胞16SrRNA3ˊ端高度保守序列中二个相邻的腺嘌呤核苷酸中的4个甲基化位点G-m6A-m6A可能参与两亚基的结合过程。原核细胞16SrRNA一般有10个甲基化位点，23SrRNA约有20个甲基化位点。哺乳动物核糖体28SrRNA约有74个甲基化位点，18SrRNA约有43个甲基化位点，约占核苷酸总数的2%，远远高于原核细胞。三、核糖体与蛋白质合成Forsynthesisofprotein,asuccessionoftRNAmoleculeschargedwiththeirappropriateaminoacidshavetobebroughttogtherwithanmRNAmoleculeandmatchedupbybase-pairingthroughtheiranticodonswitheachofitssuccessivecodons.Theaminoacidsthenhavetobelinkedtogethertoextendthegrowingproteinchain,andthetRNAs,relievedoftheirburdens,havetobereleased.Thiswholecomplexofprocessesiscarriedoutbyagiantmultimolecularmachine,theribosome,formedoftwomainchainsofRNA,calledribosomalRNAs(rRNAs),andmorethan50differentproteins.ThisevolutionarilyancientmolecularjuggernautlatchesontotheendofanmRNAmoleculeandthentrundlesalongit,capturingloadedtRNAmoleculesandstitchingtogethertheaminoacidstheycarrytoformanewproteinchain.\n这是一个很大的题目，在此我们只是讲很粗略的一个概况，主要包括几个方面：①mRNA的转录与加工；②tRNA的转录与加工；③mRNA与核糖体的结合；④tRNA与核糖体的结合；⑤引导肽的合成；⑥蛋白质的合成；⑦合成终止。1、mRNA的转录由DNA带的遗传信息转变成RNA分子的过程叫做转录（有的也特指mRNA）。共5个要点，要求记住。（1）DNA的四种碱基是A、T、G、C，RNA的四种碱基是U、A、C、G。（2）编码链与模板链不转录RNA的链（DNA）称为编码链。转录RNA的链称为模板链。（3）细菌中质粒的双链DNA都能转录出mRNA。（4）需要RNA合成酶参加。（5）需要有启动子和终止子。（6）原核生物与真核生物转录的异同A.原核细胞mRNA（RNA）的转录a、原核细胞中只有一种RNA聚合酶，它由5个亚单位组成，2个α链，一个β链，一个β′链和一个δ因子，五个部分结合在一起称全酶，才有活性，分子量500kd。δ因子对启动子中的起始转录部位有识别能力，并专一的与启动子结合使双螺旋局部解旋，且选择其中一条链作为模板，发生转录；待合成约8个核苷酸的一小段RNA后，δ因子即与全酶脱离，回到细胞质中，与另一个核心酶结合形成全酶，引导合成另一个RNA分子。去掉δ因子的全酶称核心酶，具有使mRNA链延长的作用，但不等完成识别和起始过程。b、转录从DNA上的启动子区开始，RNA聚合酶与启动子序列结合至+1位时转录正式开始，至终止序列停止。终止有依赖ρ因子和不依赖ρ因子（有反向重复序列）。第1位的碱基经常是T，因此RNA的第一个碱基常常是A。B.真核细胞mRNA的转录a、真核细胞有三种RNA聚合酶，酶I负责rRNA、18S、5.8S、28S合成；酶II负责mRNA合成；酶III负责tRNA和5SrRNA合成。每种聚合酶都有多个亚单位。b、mRNA转录除需RNA聚合酶II外还要有协助酶II找到起始序列的转录因子。c、有启动子序列，多位于转录起始位点的上游，往往含有TATAbox（-25到-30）、CAATbox（-50）或GGGCGG（-80到-160）序列。d、有增强子序列。e、转录后要进行加工，加帽（154页图6-28），加尾（155，6-29）C.真核细胞rRNA和tRNA转录rRNA——聚合酶I5SrRNA——聚合酶IIItRNA——聚合酶III先成前体，再经过剪切和加工。2、翻译(蛋白质合成)参考讲义167页图，见图片（“Theworldofcell”P577、P578）（1）原核细胞的蛋白质合成（P577，Figure18—8）在mRNA起始密码AUG上游有长达6个碱基的核糖体结合序列可与核糖体小亚基中的16SrRNA的3ˊ端碱基配对，使mRNA与30S小亚基结合，接着甲酰甲硫氨酸tRNA的反密码子识别并与mRNA的AUG配对形成起始复合物---30S小亚基与起始因子IF1、IF2、IF3和GTP结合----30S+IF1、2、3与起始氨酰tRNA和mRNA结合----IF1、2脱离，30S起始复合体形成----50S大亚基与30S起始复合体结合----GTP转变成GDP+Pi，IF2与核糖体脱离----蛋白质合成开始......。多肽链的延长（略）（2）真核细胞蛋白质的合成（略）\n在真核细胞中，每个核糖体每秒能将两个氨基酸残基加到多肽链上，而在细菌细胞中同样时间内可将20个氨基酸残基加到多肽链上，因此细菌合成一条完整的多肽链平均需要20秒到几分钟。在细胞周期的不同阶段，细胞中有数以万计的mRNA，有的在合成，有的在降解，其种类与浓度不断发生变化。以多聚核糖体的形式进行多肽合成，对mRNA的利用及对其数量的调控更为经济有效。3、反义RNA及其在基因调控中的作用以模板链为编码链产生的mRNA与正常情况下的mRNA互补，但顺序相反，若产生此种mRNA并使之发挥作用，则为反义RNA（技术）。第三节内膜系统内膜系统是指那些在功能上联系在一起的细胞内膜和由膜组成的细胞器，它包括内质网、高尔基器、液泡、小泡、溶酶体等；有的书上把细胞核被膜、叶绿体、线粒体也包括在内，在此我们指前一类。一、内质网最早看到并确定这种网络状结构是在动物细胞细胞质的内质区域，所以叫做内质网。由单层膜围成的管状、分枝状、囊状、池状的结构，遍布于整个细胞内，构成一个连续的网状膜系统（即整个细胞之中的内质网的腔是相通的），其形态结构与细胞类型和生理状态有关，即它是一种动态的、可变的结构。内质网膜的厚度一般为5~6nm，即比质膜要薄，但仍为典型的单位膜式结构。按其表面有无核糖体的附着而可将内质网分成两类：粗面内质网和光面内质网，但两者是相连的，也可以相互转换。1、粗面内质网表面附着有核糖体，多是正在进行蛋白质的合成，因此粗面内质网的功能是：①蛋白质合成的场所（主要是合成分泌蛋白和膜蛋白）。（游离核糖体与mRNA结合，首先合成信号肽和信号识别蛋白-----暂时终止蛋白质合成，形成核糖体+mRNA+信号肽+信号识别蛋白复合体-----复合体向内质网表面的停靠蛋白移动----重新开始蛋白质合成；如果所合成的肽链中不含信号序列，则新生的肽链就驻留在细胞质中。）②储存和运送蛋白。③合成各种肽类激素、酶类和抗体，酶类有NADH-脱氧酶、脂酰胺脱氢酶、葡萄糖-6-P酸酶、Mg+1-激活ATP酶以及溶酶体中的多种水解酶（也叫可溶性驻留蛋白）等；肽类激素有如胰岛素、甲状腺素、钙调素、利尿素、胃液素、促生长素等。④使蛋白质糖基化（在糖基转移酶的催化下，在氨基酸的侧链（多是天冬酰氨侧链的NH2基团，常称为N连接的糖基化；间或有丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸侧链的OH基团，成为O连接的糖基化）上接上寡糖分子），形成糖蛋白（结构与储存、分泌蛋白）。分子伴侣（帮助转运蛋白折叠组装成正确的构象，本身并不构成最终产物的组分）⑤区隔化问题各种蛋白质在内质网的不同区段合成。（Ca++库）2光面内质网多为管状、囊状、池状功能①与甾类激素的生成有关甾类为类固醇激素，如肾上腺素、性激素、孕激素等，甾类激素为脂溶性。②与糖原代谢有关储存、分解;（光面内质网膜中含有葡萄糖-6-磷酸酶，细胞质中的糖原在激素的调控下由磷酸化酶降解为葡萄糖-1-磷酸，再转化为葡萄糖-6-磷酸，内质网膜中的葡萄糖-6-磷酸酶可将葡萄糖-6-磷酸中的磷酸根脱中，再输送掉使之降解为葡萄糖，葡萄糖再穿过内质网膜进入内质网腔到血液中，供其他细胞使用。）图（内质网A）③与肌肉收缩有关心肌、骨骼肌。④对一些脂溶性药物的解毒作用（光面内质网中含有标记性酶即细胞色素P-450，是一种末端氧\n化酶，可通过羟基化使脂溶性物质（药物、农药、胞内代谢物）降解失活并溶于水，排出细胞后进入尿液。）⑤合成脂类和胆固醇如磷脂、胆固醇、中性脂肪等⑥与蛋白质、脂类的运输有关。⑦与植物新细胞壁的形成有关。二、高尔基体1、概念高尔基体（Golgibody）又称高尔基器（Gapparature）或高尔基复合体（Gcomplex））。意大利医生CamilloGolgi于1898年首次发现。一般认为高尔基体由4个互相联系的部分组成：顺面膜囊，中间膜囊，反面膜囊和周围囊泡2、高尔基体的功能（图）①主要为细胞提供一个内部的分选、加工、包装和运输系统，用来完成蛋白质、脂类等物质的加工、运输等。蛋白的加工主要有：O连接的寡糖主要是在高尔基体内合成的，N连接的寡糖在高尔基体内修饰；切除蛋白N端或两端的部分序列，使成有活性的分子（如胰岛素和血清蛋白）；将一串联的多个小肽分子切割成有活性的多个分子（如神经肽）；除去蛋白原上的信号序列；蛋白聚糖的硫酸化。高尔基体如何区分和调节分泌蛋白、膜蛋白、结构蛋白以及溶酶体酶几种类型的蛋白质，并把它们运送到不同的部位，这里存在一个区隔化问题。现在较为同一的观点认为是高尔基体的潴泡静止（模型）不动，周围的小泡进行转运，（成熟面）反面区隔网络（TGN—transGolginetwork）。②合成运输多糖细胞壁③形成初级溶酶体关于蛋白质专一性合成问题尚留下许多为什么？是在内质网上专一合成的，还是在高尔基体中加工为主？如果是在内质网上合成，为什么还要经过高尔基体的加工？而高尔基体本身的结构又不能完成这样一个复杂的过程，因为迄今为止还没有发表有关的证据。三、液泡系凡由单层膜包围的大泡和小泡都可统称为液泡系。（图）1、类型①液泡植物细胞②溶酶体③圆球体④微体⑤其它泡状结构2、液泡功能动、植物细胞内都有，但植物细胞特别是成熟的植物细胞中尤为明显。动物细胞中多为小液泡，是一个比较含糊的概念，因为至今为止还没有统一的认为其功能是什么。酶原粒、卵黄粒、顶体等。植物细胞中液泡比较明显，也有比较一致的功能储存、维持细胞渗透压等主要成分是有机物、无机盐、色素、蛋白、脂类、糖、水等；还有一些细胞代谢物碎片；树胶、树脂、黏液、植物碱、多种酶（溶酶体功能）。3、溶酶体（常作为独立的一种细胞器看待）（图）含有种类繁多的水解酶，如酸性磷酸酶、核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、蛋白酶、脂酶、磷脂酶、硫酸脂酶、葡萄糖酸酶等等，与细胞的消化和自溶有关，在溶酶体膜不破裂的情况下，其内的许多酶不具活性，只能消化一些外来的物质；当膜破裂后，其内的酶释放出来，具有了活性，可分解细胞内的DNA、RNA、Protein、Lipids等，引起细胞自溶（276页图10—3），根据溶酶体是否含有消化产物而往往将它分为：①初级溶酶体（原溶酶体，前溶酶体，无活性溶酶体）只含有酶类，不含有底物，一般认为是从\n高尔基体分泌产生出来。②次级溶酶体结合了底物的溶酶体，但还没有完成消化过程，自体吞噬泡和异体吞噬泡。③剩余小体已完成消化过程，残留下来的结构，也称后溶酶体。溶酶体的功能①正常消化作用胞吞--溶酶体--消化泡--剩余小体--胞吐②自体吞噬细胞碎片--溶酶体--消化泡--剩余小体--胞吐③细胞自溶自杀器官改造④溶酶体与细胞病理学药物、细菌、病毒植物细胞中的圆球体和糊粉粒可视为一种特化的溶酶体。4、包被小泡（受体介导的胞吞作用，胞吐作用与胞内运输，参与膜的循环等，笼形蛋白图）（郑，284页）5、圆球体0.5-1.0um，可用脂肪染料——苏丹III、苏丹黑或尼尔兰染色,存在于大多数植物细胞中,含40%脂类.圆球体可用锇酸和高锰酸钾固定染色，而油滴无此反应;圆球体中有细微颗粒而油滴中则似空无所有。（图）功能为贮藏性细胞器，是甘油三酯积聚的场所，同时也具有溶酶体的性质，含油组织的圆球体含有水解酶与脂肪酶，非含油组织的圆球体含有酸性磷酸酶和其他一些水解酶。圆球体来自于内质网，内质网的一端先积累一些脂类物质，然后膨大，再收缩成小泡，脱离内质网，逐渐扩大成前圆球体（此时可见颗粒状物质），继续长大成圆球体（内部结构无变化）。在发育过程中可因失去蛋白质，积累脂肪而成为油滴。6、微体单层膜所包围，可分为过氧化物酶体（peroxisome）和乙醛酸循环体（glyoxysome），亦可视为同物异名。常与叶绿体、线粒体紧密联系在一起。在高等植物叶肉细胞中，过氧化物酶体是乙醇酸（glycollicacid）氧化的场所，与叶绿体一起完成光呼吸过程（摄取氧和释放二氧化碳）（郑，300页图10—27）。直径0.2-1.5微米，圆球形、椭圆形、卵圆形、哑铃形或小管状仅在植物中发现乙醛酸体（动物中尚未证实），它与线粒体、圆球体三者一起完成乙醛酸循环（郑，298页图10—25）。①在种子萌发期间，贮存的脂肪在圆球体内被分解产生脂肪酸；②脂肪酸进入乙醛酸体，经β-氧化循环生成乙酰辅酶A（乙酰CoA），再经乙醛酸循环产生琥珀酸，转到线粒体中；③在线粒体中经三羧酸循环产生草酰乙酸，再回到细胞质中；④在细胞质中形成磷酸-烯醇式丙酮酸，酵解的倒转合成己糖。过氧化物酶体存在于动物细胞和高等植物的叶肉细胞中，是一种异质性细胞器（不同生物细胞，甚至单细胞生物的不同个体中所含的酶类及行使的功能都有所不同），其功能在动物细胞中尚不清楚，在植物细胞中是乙醇酸氧化的场所，与光呼吸有关。过程：①叶绿体固定二氧化碳时的副产物乙醇酸从叶绿体转入过氧化物酶体，②在过氧化物酶体内，乙醇酸经乙醛酸，转变成甘氨酸，③甘氨酸进入线粒体，转变产生丝氨酸，④丝氨酸再回到过氧化物酶体，转化形成甘油酸，⑤甘油酸进入叶绿体参与卡尔文循环。微体来自于内质网。\n第六章线粒体和质体第一节线粒体线粒体是细胞内的动力站，只有真核生物的细胞才具有，是一种高效地将有机物逐级分解转换为细胞生命活动所需的各种物质并为生命活动提供直接能源ATP的细胞器。人体内的细胞每天要合成几千克的ATP，且95%的ATP是由线粒体中的呼吸链所产生，因此被称为细胞内的“能量工厂”。在本节中我们将介绍线粒体的形态、结构、功能及与线粒体有关的遗传问题。一、线粒体的形态与结构1、线粒体的形态、大小、数目与细胞生活状态有关一般为线状、粒状或杆状（也有环状、分枝状、哑铃型或蠕虫状），直径0.5-1.0um，长1.5-3.0um，最大如人的成纤维细胞中可达40um。1（利什曼原虫）-30万（海胆卵母细胞）或50万个（巨大变形虫）/细胞，大鼠肝平均800个/细胞，玉米根冠细胞100-3000个。植物少于动物。数量与不同细胞、不同组织有关，同种细胞、同种组织与不同时期有关[183页表7—1]，环境条件亦可影响线粒体的形态与数量。同一细胞中线粒体的分布也是不均匀的，如肠上皮细胞中成两极分布，集中于顶部和基部，这往往与细胞内微管的状态有关。可在细胞内运动、变形和分裂，在代谢活跃的细胞中数量较多。（图）2、线粒体结构由外膜（平滑而有弹性，厚约6nm，其上有排列整齐的筒状圆柱体，其成分为孔蛋白，小分子物质的通道）、内膜（厚约6-8nm，具有“不透性”，能严格地控制分子和离子通过，H+、ATP、丙酮酸等都不能自由通过，必须在载体或通透酶系统的协助下才能通过，含有的大量心磷脂（cadiolipin）是形成通透性屏障的原因。内折成嵴（cristae），有板层状和管状两种主要类型，亦可由此衍生出其他类型，数量可变，分布有多种酶，其中最明显的是在内膜表面排列规则的球状基粒即ATPase复合体）、基质（以可溶性蛋白质为主组成的胶状物）和膜间腔（宽约6-8nm，充满无定型液体，含有可溶性酶、底物和辅助因子）四部分组成（图）二、线粒体的化学组成脂类占1/3-1/4，其中磷脂占90%，有磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、心磷脂、磷脂酰肌醇等，主要在膜上；胆固醇和中性脂占6-10%，在膜上。蛋白占2/3-3/4，其中15%-50%在基质中和膜内空间（基质和膜内空间中的蛋白多为可溶性蛋白），其余为膜结构蛋白和酶（不溶性蛋白），大部分酶与呼吸链有关，且全部分布在内膜上。（188页表7—3列出呼吸链涉及的大部分酶）。其他有核酸（DNA、RNA）、无机盐等。线粒体内外膜在化学组成上的根本区别是脂质和蛋白质的比值不同，内为0.3：1，外为1：1，这预示它们的来源可能不同。三、线粒体的功能及功能的定位叶绿体主要是进行光合作用，将光能（太阳能）转变成化学能储存在有机物之中，线粒体则是通过氧化磷酸化，合成ATP，把储存在有机物中的化学能释放出来，为各个生命活动过程提供能量，同时将有机物转变成无机物——CO2等。线粒体是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释能的场所。糖类和脂肪等营养物质在细胞质中经过降解作用产生丙酮酸和脂肪酸，进入线粒体中经过一系列分解代谢形成乙酰CoA，进入三羧酸循环。三羧酸循环脱下的H经内膜上的电子传递链（呼吸链），与氧结合生成水。在此过程中释放的能量通过ADP的磷酸化，生成ATP，供机体各种生命活动的需要。\n功能定位（见“细胞世界”一书328页图，202页图7—19）。酶定位外膜含有14种蛋白，如辅酶I（NAP），NADH-细色素C还原酶，单胺氧化酶等膜间腔腺苷酸激酶，二P酸核苷激酶，一P酸核苷激和肌酸激酶等内膜呼吸链的许多酶都在内膜上，如ATP酶(即复合体V)，复合体I（NADH脱氢酶，也叫NADH-CoQ还原酶，是呼吸链中最大最复杂的酶复合体，其作用是催化NADH的2个电子传给CoQ，同时进行质子的跨膜运输），复合体II（琥珀酸脱氢酶，又叫琥珀酸-CoQ还原酶，其作用是催化电子从琥珀酸通过黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和铁硫蛋白（FeS）传给CoQ，复合体III（CoQ-细胞色素c还原酶，其作用是催化电子从CoQ传给细胞色素c，同时进行质子的跨膜运输，该酶含有两个细胞色素b，一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白），复合体Ⅳ（细胞色素氧化酶，其作用是催化电子从细胞色素c传给氧，该酶含有细胞色素a和a3及两个铜原子）。氧化磷酸化酶系如瑚珀酸脱氢酶、丙酮酸氧化酶、NADH脱氢酶等。基质a、所有柠檬酸循环的酶（柠檬酸合成酶、延胡索酸酶、乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶、L-苹果酸脱氢酶等）；b、与氨基酸代谢有关的酶（L-谷氨酸脱氢酶、天冬氨酸转氨酶、脂肪酸降解用的脂肪酸氧化酶等）；c、DNA复制，RNA转录和翻译编码在线粒体DNA上的各种酶。四.蛋白质如何穿膜运输进入线粒体引导肽（讲义195导肽的性质及作用）五.线粒体的自主性问题线粒体无论在形态、染色反应、化学组成、物理性质和活动状况等方面都与细菌很相似，因此推测它是一种外来细胞器，能自我复制、遗传。线粒体内有DNA、RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖体、氨基酸活化酶等，具备生命存在的基本条件。线粒体DNA很小，长度5um左右，分子量1×107D，核苷酸数1000-几百万个，不足以编码其自身生命活动所需的全部Protein。实际上，动物线粒体中只有5-10%的Protein是自己编码合成的，其它大部分蛋白质是由核编码合成的，故线粒体的自主性是有限的，因此称为半自主性细胞器。六.线粒体基因组（DNA、mtDNA）的结构与功能（一）线粒体基因组1、不同物种间线粒体基因组的大小差别很大，总的是植物大于微生物大于动物，但在功能上没有多大差别，说明植物中非编码区较多，调控序列较多。例如，黄瓜1500Kb，酵母84Kb，人16.5Kb，但编码的功能区基本相同。人的mtDNA顺序已完全排列出来，其中2个编码核糖体亚基RNA的基因，22个tRNA基因，5—6个膜蛋白基因，细胞色素C氧化酶的3个亚单位，1—2个ATP酶亚单位6/8，1个细胞色素b，8个阅读框（不经mRNA而直接编码氨基酸）。人mtDNA基因之间非编码区很少，几乎没有内含子。2、形态多样性环状（大、小环），线状，亚分子和多分子3、有漫游DNA存在（三）线粒体基因1、为线粒体核糖体RNA编码的基因，2、为线粒体tRNA编码的基因，3、为\nmRNA编码的基因，4、为蛋白质编码的基因等（四）RNA编辑（RNAediting）RNAediting是指经修饰或轻微修饰以改变mRNA的核苷酸顺序，使它们与对应的模板DNA的顺序有所不同的过程，它提供了基因表达修正的一种机制。RNAediting包括RNAprocessing，RNAeditingandRNASplicing。第二节质体质体是植物细胞内所特有的一类细胞器，在植物的有机物合成、有机物积累、颜色的形成等生命活动中起重要作用,对整个生物界也很重要。一、质体的形态结构与功能（图）前质体---白色体----叶绿体-----有色体质体的形态、数量等与植物细胞所处的生理状态有密切关系。功能：光合，淀粉、脂类、蛋白，颜色二、叶绿体形态与结构（图）高等植物的叶绿体大多数呈香蕉形，直径3~6um，厚2~3um。叶绿体有被膜、类囊体和基质三部分。被膜双层，外层透性大，核苷、无机磷、磷酸衍生物、羧酸类化合物等均能透过；内层选择性强，是细胞质和叶绿体基质间的功能屏障，许多物质需要由特殊载体协助才能通过。类囊体由一层单位膜围成，扁平状，分基粒类囊体和基质类囊体，一个叶绿体含40~60个基粒，每个基粒有5~30个类囊体。基质的主要成分是可溶性蛋白和其他代谢活性物质如核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（RuBPase）等。叶绿体数、基粒数、类囊体数都是动态可变的。（图）（见讲义220—221页）三、叶绿体的功能光合作用四、叶绿体的自主性问题1、植物细胞内有三套基因组：核基因组、线粒体基因组和叶绿体基因组。叶绿体也象线粒体一样属于半自主性的细胞器，它有DNA、RNA和核糖体，其DNA的碱基组成与兰藻相似，G+C占37.5%；DNA的分子量与细菌内的相似，1.2-6×109kd（细菌4×109），环状85-292kb。叶绿体DNA编码100多个基因（水稻130），其中有4种rRNA基因（5S、16S、23S、4.5S），30种tRNA分子，12种核糖体大亚基多肽，8种核糖体小亚基多肽，5种光系统I的多肽，14种光系统II的多肽，4种Cytb/f复合物的多肽，6种H+--ATPase的亚基。RuBPase全酶由8个大亚基和8个小亚基组成，大亚基为活性中心，小亚基具调节功能，8个大亚基全由叶绿体基因组编码，小亚基则由核基因组编码。RNA聚合酶的3个亚基，起始因子IF—1以及NADH脱氢酶的6个（或8个）亚基；还有50个左右未被破译的开放读码框（ORF）。反向重复顺序问题。许多叶绿体基因属于光诱导基因。2、叶绿体基因的表达：a转录需一种RNA聚合酶，同原核生物。b剪接类似于真核生物。c翻译与原核生物相似。3、叶绿体的来源内共生学说占多数，蓝细菌。分化学说（非内共生学说）\n4、叶绿体是半自主性的细胞器，其所需蛋白质、脂类、酶等大多数都由核基因所编码。第七章细胞骨架细胞骨架为细胞提供一种支撑和胞内运输线。细胞骨架可分为：胞质骨架与核骨架胞质骨架(cytoskeleton)，广泛分布于细胞的各个部位三种类型微管(microtubule),微丝(microfilament)中间纤维(intermediatefilament)核骨架也叫核纤层体系或核基质（nuclearlamina，nucleamatrix，nucleoskeleton，karyoskeleton）。核骨架纤维在结构上与胞质骨架的中间纤维相连接，贯穿于细胞核和细胞质的网架体系。Gujia,gujia5给我们以启示，细胞器并不是悬浮在细胞质基质当中，而是被固定在一定的位置，这一点凭我们现在的思维能力和知识水平似乎是可以理解的，但真实的情况是怎样的？现在尚无明确的结论，因为我们所看到的细胞结构多是经固定后的图象，不能完全反映生活状态的细胞。三种细胞质骨架组分的结构和功能如下：一、微管（图）1、形态结构与化学组成笔直、坚硬，圆管状，外径22-25nm，内径12-15nm，管壁厚10-13nm(gujia1)。管壁由微管蛋白组成，微管蛋白有两种类型即α和β，α有450个氨基酸残基，分子量50X103，β有455个氨基酸残基，分子量也是50X103。α和β均含酸性C端序列，二者有42%的氨基酸顺序相同。每个亚单位上都有与另外一些化学成分相结合的位点，为微管与微管之间的连接提供了作用位点，也为其它细胞器与微管连接提供了作用位点。α和β结合为异二聚体，异二聚体上有2个鸟嘌呤核苷酸（GTP）的结合位点，其中一个为秋水仙素结合位点，一个为长春花碱结合位点。微管可装配成单管，二联管（纤毛和鞭毛中），三联管（中心粒和基体中）。2、微管的组装与去组装（图）微管具有自组装特性和有微管组织中心。两种亚单位α、β先结合成形成8nm异二聚体，有极性，αβ-αβ-即为头-尾的方向，异二聚体是微管装配的基本单位，然后彼此连接成原纤维，再连成片，至13根原纤维时再围成圆筒即一段微管(gujia2),就是说微管的每个圆周有13个亚单位，新的二聚体再不断加到微管的端点使之延长。微管具有极性(gujia3)，远组织中心（中心体）端为（+），近组织中心端为（-），新微管蛋白的添加或延长主要发生在（+）末端，解聚或缩短多发生在（-）末端,但亦可在两端同时进行组装或去组装（讲义329，10-11）。微管的装配与去装配特征,共有三点①微管是一种动态结构，在它的两端二聚体微管蛋白经常在添加和减少。②微管蛋白两端的结构是不同的，即具有极性。③在一个非细胞的系统内，游离微管蛋白浓度的高低可决定微管的伸长、缩短或保持原长度，其浓度达到某一点时，出现“轮回”现象。秋水仙素能阻止微管蛋白的加入，阻断微管组装，紫杉醇（taxol）\n能促进微管的装配，并使已形成的微管稳定（但却使细胞周期停止于有丝分裂期）。3、微管的功能（图）①支撑作用维持细胞的形状(图gujia4)。②与细胞的运动有关纤毛和鞭毛运动（郑，333：10-13。③与胞内物质运输有关细胞器在胞内移动(图gujia14)④与植物细胞壁的形成有关校准纤维素纤丝的方向。⑤与有丝分裂有关染色体移动。⑥构成动物细胞中的中心体（两个相互垂直的中心粒）。二、微丝（图）又称肌动蛋白纤维，是指真核细胞中由肌动蛋白（actin）组成，直径为7nm的骨架纤维。1、组成与形态：球形肌动蛋白单体外观呈哑铃形（哑铃的两个头很大，之间的柄很短，见讲义319页图10-1，图gujia6），具有极性，单体称为G-actin;多个单体首位相连聚合形成丝状多聚体，称F-actin；两条多聚体（F-actin）分子相互扭结在一起形成微丝（microfilament）(图gujia8)，也有人提出是一条F-actin的右手螺旋盘绕成微丝。除球形肌动蛋白外，还有若干种与微丝形成、组织和稳定有关的辅助蛋白（图gujia9,13）。①隔离因子（或肌动蛋白抑制蛋白、原丝蛋白）与单体肌动蛋白结合阻止其聚合成多聚体，阻止微丝的形成。②加帽因子：加在微丝的一端或两端，以维持和调节微丝的长度与稳定性。③成束因子：处于两微丝之间，使微丝成束排列形成束状纤维。④凝集因子：使微丝交织在一起以增加肌动蛋白的强度和黏度。⑤间隔因子：使微丝按一定的间距平行排列。⑥收缩内子：肌球蛋白（myosin）（图gujia7）2、微丝的组装与去组装G-actin—F-actin(图gujia8,10)。肌动蛋白是一种非常丰富和高度保守的蛋白质(有α、β、γ三种类型，4-6，25)，也是真核细胞中主要的和大量储存的蛋白质。组装和去组装受到上面6种因子的调节。在ATP、Ca++存在、低Na+、K+时，Fa--Ga解聚；在Mg++、高Na+、K+时，Ga--Fa聚合。3、微丝的功能①胞内运输胞内小泡的内外运输。②胞质运动胞质环流（微丝束决定环流的方向）。环流由什么来提供动力？穿梭流动。③细胞移动：变形虫、白细胞、巨噬细胞。④肌肉的收缩运动。⑤微绒毛(327页10-9，gujia12)⑥应力纤维⑦胞质溶胶（细胞质膜内侧富含肌动蛋白纤维的区域），为质膜提供韧性⑧胞质分裂环三、中间纤维又称10nm丝，因其粗细介于微管与微丝之间，故称中间纤维（intermediatefilament）。与微丝和微管不同的是中间纤微是含有一群蛋白亚单位的异质群体，即具有组织特异性，在不同的组织有不同的结构和\n功能，按其组织来源和免疫特异性，可分为5类（gujia11，讲义337，10-17，10-18，10-19）①角蛋白纤维是毛发和皮肤中的特异结构蛋白；②结蛋白纤维或骨骼蛋白肌肉细胞中，横越每个肌肉细胞；③胶质原纤维酸性蛋白存在于神经胶质细胞中；④波形纤维蛋白存在于间质细胞和中胚层起源的细胞；⑤神经元纤维（神经纤丝蛋白）存在于中枢和外围神经系统的神经纤维中。多数细胞中只含有一种，但也有两种以上者。中间纤维来源于同一基因家族，具有高度同源性，其结构特点如图5种中间纤维蛋白的主要差别在N头和C尾，其中C尾差别更大，N头C尾中又可分为H亚区（同源区），V亚区（可变区）和E亚区（末端区）中间纤维蛋白基因的结构已基本清楚，同型蛋白基因具有几乎一致的内含子/外显子结构，基因的表达具有严格的组织特异性。人体中有50多种不同的中间纤维蛋白基因，几乎所有细胞中都有表达，约占细胞总蛋白的1%，在角质细胞和神经元等细胞中可占85%。其基因表达的组织和发育调节可能是在转录和转录后水平，但其规律尚不清楚。If的组装与去组装If不像微管、微丝一样，它不是一种动态结构，磷酸化作用在If的组装与去装中有重要意义，体外实验发现结蛋白和波形纤维蛋白的磷酸化引起纤丝解聚。If的功能If不影响细胞的形态，但与细胞的机械支撑和加固有关，与胚胎发育有关。（附章视进度介绍）细胞外基质多细胞有机体的细胞与细胞之间的一种网络结构，称为extracellularmatrix，即胞外基质。它是细胞分泌物，主要成分是蛋白质和多糖。组织形式:纤维网架上结合有凝胶基质，纤维网架为纤维蛋白，凝胶基质为多糖，包括糖胺聚糖（GAG）和蛋白聚糖（PG）。糖胺聚糖为由二糖单元重复连接构成的无分支长链多糖，每一二糖单元中必有一N-乙酰葡萄糖胺（己糖）或N-乙酰半乳糖胺（己糖），故名糖胺聚糖（或叫氨基聚糖，酸性粘多糖）。蛋白聚糖是由许多糖胺聚糖与核心蛋白质的丝氨酸残基共价结合形成的复杂高分子复合物。纤维蛋白又可分为两大类：起结构作用的胶原和弹性蛋白；起粘合作用的非胶原糖蛋白，如层粘连蛋白和纤粘连蛋白。胶原是结缔组织和腱中的主要纤维蛋白之一，是人体和动物体含量最丰富的蛋白。层粘连蛋白存在于各种动物的胚胎及成体组织的各种基膜中。纤粘连蛋白分布更加广泛，从海绵到人体，在血浆和各种体液中，在细胞表面和胞外基质中都有。胞外基质不单纯是细胞的连接结构和支持网架，而且对细胞的形状、分化、增殖、极性、发育和迁移等都有重要影响。具体情况请参阅沈振国，崔德才主编“细胞生物学”96页-105页。第八章细胞核一、细胞核的形状、大小与数量圆球形或其它形状，形状与细胞形状有关。大小与胞质有一定比例(1:10)，打破这个比例就出现细胞分裂等。核的形状、大小与它所能控制的范围有关，即与核内遗传物质所产生的信息能否抵达细胞的每一个角落有关。\n二、细胞核的结构（图）由核被膜、染色质（体）、核仁和核（基）质四部分组成1、核被膜由两层单位膜组成，每层单位膜厚约8nm，两层膜之间的部分叫核周腔。核被膜是不连续的，在一定地方形成核孔复合体。核被膜的外膜与内质网相连，表面还可附着有核糖体，进行蛋白质合成。内膜内侧有一层厚约30-160nm的网络状纤维蛋白，叫核纤层（或核成层纤维），由纤维蛋白A、B、C组成，与DNA的附着有关。核孔复合体：捕鱼笼式结构（图）8对环状亚单位（蛋白）（ringsubunit,columnsubunit），8个锚定蛋白颗粒（anchorprotein,），中间有一中央颗粒(transporter,centralgranule,centralplug)，中央颗粒与边周颗粒有丝状连接，构成了一个复杂的、且能自动调节开放度的通道结构。环状亚单位蛋白的细胞质一侧连有8条纤维（蛋白），核质一侧连有8条纤维组成的（核）篮。关于核孔复合体的研究在不断提出新的结构模型，无论哪一种模型都标明核孔复合体是一个复杂的、可以调节的通道结构。核糖体亚基RNA和蛋白等都是通过核孔复合体运输的。在蛋白质过膜运输时涉及到信号肽和分子伴侣问题，信号肽在前面已经讲过，分子伴侣系指一类具有信号肽作用，同时又对蛋白质的行为发生一定影响的蛋白质，其主要功能见讲义375页：①参与蛋白质分子折叠与多亚基的组装；②通过质膜进行分泌，维持蛋白质前体处于解折叠状态，以便有利于插入膜内或进行过膜运输；③纠正组装错误的蛋白质分子使之转变正常，并使因高温和其他不利环境因素导致变性的蛋白质分子凝聚物得以解聚和修复。2、染色质（体）染色质是指间期核内DNA、组蛋白、非组蛋白以及少量RNA所组成的一串念珠状的复合体，它们代表了间期核内遗传物质存在的形式。染色体与染色质为上述复合体的两种运动形式。核小体是染色质的一种基本结构，其结构是4种组蛋白各两个分子共同组成一个八聚体。DNA双螺旋围绕每个核小体缠绕1.75圈，共146个碱基对，两相邻核小体间有50—60个碱基对以DNA双螺旋连接。同时H1组蛋白与两相邻核小体外围的DNA分子相连接，把两核小体串在一起。常染色质与异染色质在化学性质上找不到有什么差别，不是两种不同的物质，而只是染色质存在的不同状态。3、核仁核仁是细胞核的一个重要组成部分，主要进行核糖体大亚基的组装。由于组装核糖体需要有rRNA和多种蛋白质，所以在功能上核仁可分为三个区域①rRNA的转录区，即rDNA与rRNA混合区——纤丝中心（电子透明区）；②rRNA的加工和部分r蛋白的混合区——密集的纤丝组分（不透明）；③大亚基前体组装区——颗粒区（组分）。核仁的功能是：rRNA的转录和核糖体亚基装配。内有核仁液泡。4、核基质（核液）细胞核内除了核被膜、核纤层、染色质、与核仁以外的网架结构体系，即核骨架与核基质具有等同含义。主要成分是由非组蛋白的纤维蛋白组成的，含有多种蛋白成分。少量RNA的存在可能对维持核骨架结构的完整性是必要的。核骨架与DNA复制、基因表达及染色体的包装与构建有关。（从大鼠肝中分离出细胞核，用核酸酶和高盐溶液处理，将DNA、RNA和组蛋白抽提后发现核内仍存有纤维蛋白的网架结构，并称之为核基质（nuclearmatrix））。\n第九章细胞通讯（信号转导）细胞信号转导对单细胞和多细胞有机体都是十分重要和不可缺少的部分。生活的有机体不停地受到遗传信息和环境变化信息的调控，而两类信息的传递、转换和发挥作用都离不开细胞信号转导系统。因此，要研究和揭示生命活动的规律，就不可避免地要涉及到细胞信号转导问题。正因为如此，细胞信号转导问题在100多年前就引起人们的注意，并开展了大量的研究，至今几乎达到了炙热的程度，取得了许多重大的进展。到1999年为止，因研究信号转导而获得诺贝尔奖的就有E.W.Sutherland（1971，激素作用机制及其与cAMP的关系），A.G.Gilman和M.Rodbell（1994，G蛋白与细胞信号转导的关系），RobertFurchgott等（1998，NO是体内重要的信号分子）。本章，就细胞信号转导的基本情况、信号转导的途径及研究进展等作简要介绍一、几个基本概念1.信号与信使分子信号物理的：光、温、机械损伤等化学的：激素、病原物、糖蛋白等信使分子现已知的担负胞内信号转导的信使分子主要有cAMP、cGMP、Ca2+、IP3、DG、NO、花生四烯酸、IP4等（图）2.信号的表现形式生物大分子结构、构象、构形和形状的改变；小分子物质的流动和转移；小分子与大分子的相互作用（二者结合，一影响二）；电荷与极性的改变（电信号、光信号、磁场、声等）。3.受体与配体受体受体是细胞表面或亚细胞组分中的一种天然分子，可以识别并特异地与有生物活性的化学信号物质（配体、Ligand）结合，从而激活或启动一系列生物化学反应，最后导致该信号物质特定的生物效应。配体配体是信号物质，除与受体结合外，本身并无其它功能，不能参与代谢产生有用产物，不能直接诱导任何细胞活性，也无酶的活性，它唯一的功能就是通知细胞在外环境中存在一种特殊信号或刺激因素。受体的主要特性（1）与配体特异地结合与配体分子在空间结构上互补性是特异结合的重要因素；同一配体可能有两种或两种以上的受体，如乙酰胆碱有烟碱型和毒蕈碱型两种受体；同一配体与不同类型受体结合会产生不同的细胞反应，如肾上腺素作用于皮肤黏膜血管上的α受体，使血管平滑肌收缩，作用于支气管平滑肌，使其舒张。（2）高亲和力如胰岛素可在比它高10万倍的其它蛋白质存在时，特异地与胰岛素受体结合。（3）数目的相对恒定性受体在一定的靶细胞上的数目是相对恒定的，如在甲状腺细胞中促甲状腺受体为500个左右，在电鳗电器官细胞上乙酰胆碱受体多达10个。但也可发生变化，减少或增加。（4）受体具有特殊的功能①识别自己特异的配体（信号物质）；②把接收的信号准确无误地放大并传送到细胞内部，启动一系列胞内反应。细胞通讯有两种：细胞间通讯与细胞内通讯。二、细胞间通讯（Communicationbetweeucells，orSignaltransductionbetweencells）大多数高等生物的胞间通讯有两种主要系统：激素系统和神经元系统（神经细胞系统），二者的主要\n差别在于作用的距离上。1、神经元系统在短距离上发挥作用，作用可在几个毫秒内发生，其作用的大体过程是：神经元系统发送一个信号到靶细胞（肌肉细胞、腺体细胞、其它神经元）-----靶细胞表面的receptor接受信号引起构象变化---靶细胞质膜变化---引发细胞内的一系列反应。在该系统中充当信使的物质称为神经递质。已发现的可作为神经递质的化学物质种类很少，总数不超过10种，如：肾上腺素、去甲肾上腺素、r-氨基丁酸、乙酰胆碱（膜上有磷脂酰胆碱经水解后便可产生乙酰胆碱）、5-羟色胺等，说明了生物之间的共同性。这些化学信使中，有的既可作为神经递质担负胞间短距离通讯任务，同时还可作为激素分子担负胞间长距离通讯任务，如去甲肾上腺素在作为神经递质时，可在交感神经系统中使血管收缩，血压升高；在作为激素时可刺激心脏收缩，使肺支气管扩张和增加臂、腿肌肉的收缩力量。去甲肾上腺素和肾上腺素均由酪氨酸转化形成。2、激素系统远距离通讯主要由激素来完成。在动物中起激素作用的分子一般分为两大类：肽类和甾类。甾类激素属脂溶性，是由胆固醇衍生的大分子。各种甾类激素分子结构的共同点是都有17C（碳）连成的4个碳环；不同点是每种激素在C环连接的化学基团不同。甾类激素能穿过质膜进入胞质并和胞质中的特异受体结合形成复合物，该复合物再进入核，直接同遗传物质发生作用引起转录。如蜕皮素（ecdgsome），在加上蜕皮素5-10分钟后即可使DNA进行转录，经过一段时间后由转录物产生的蛋白质又可反过来终止RNA的转录，激素原来的作用随即消失。肽类为水溶性，由内分泌系统中的腺体细胞分泌产生。肽类激素的作用与甾类不同，它不进入细胞内部，而是作为第一信使与质膜上的受体分子相结合，如可激活膜上的腺苷酸环化酶，催化ATP转化为cAMP（第二信使），eAMP进入胞质激活蛋白激酶系统，通过磷酸化引起一系列酶促反应，引发核内转录系统。肽激素来自于专一的“前体”分子（这一点和甾体激素不同），一条氨基酸长链含有一份或多份激素拷贝以及无关的氨基酸序列，经酶切加工后即可释放出肽激素分子。胰岛素是一种主要的肽激素，由胰腺分泌。它通过提高细胞吸收葡萄糖的能力来降低血液的糖浓度，还可影响脂代谢，降低血液中脂类浓度，因此缺少胰岛素可引起糖尿病和动脉粥样硬化。另外还有甲状腺素（甲状腺分泌，调节糖、蛋白、脂肪代谢），钙调素（甲状旁腺分泌，与甲状旁腺共同维持体内钙质代谢的平衡），利尿素（垂体后叶分泌，刺激利尿），胃液素（胃粘膜分泌，刺激胃液分泌），促生长素（垂体前叶分泌，提高新陈代谢并刺激生长）等。两类激素的形成和传递过程：内分泌系统的腺体细胞分泌产生激素进入血液，在血液流动中被不同的靶细胞吸收，每个靶细胞上都有只识别作用于该细胞激素分子的受体，受体把激素分子从血液中拖出并带入细胞内部（图）。三、细胞内通讯外部信号传到细胞表面后，细胞便发生应答反应，引起一系列的物理和化学变化。神经元系统作用的距离短，发生的时间也短，引起细胞的变化多为瞬时性的，如神经冲动，稍纵即逝，在几个毫秒内便可完成。这种冲动引起的细胞内应答过程可能是很复杂的，也可能是很简单的，但我们现在所知较少，在此不作论述。长距离的激素通讯系统发生的过程较慢，引起的细胞变化也往往是一个持续的过程，几分钟、几小时、\n几天、几个月甚至几年，对这一途径的研究现在有很大进展，我们在此作较多的论述。甾类是脂溶性的，因此当外部的甾类激素分子到达细胞膜表面后，往往是直接穿过细胞质膜（这是由膜的脂类性质决定的）进入细胞质当中，与细胞质当中的激素受体结合形成激素+受体复合物。复合物的形成往往是使受体蛋白由不活化状态转变成了活化状态，活化后的复合物进入细胞核内与DNA结合，引起基因的转录，从而诱发胞内一系列过程。（图）肽类激素由于是水溶性的，不能过膜进入细胞质而只能与质膜上的某些蛋白受体结合，通过引起受体蛋白的变化诱发产生第二信使分子，由第二信使分子进入胞质内，引起胞内一系列变化。因此，这一通讯系统最为复杂，也最为引人注意和易于研究，现在已经发现在这一系统中有多条通路，其中主要的有两条：①cAMP信号通路和②肌醇磷脂信号通路。1、cAMP（环腺—磷）信号通路（图）大体过程是①外部信号（肽类激素分子，即配基）与质膜上的受体Rs结合，改变Rs的构象，使之暴露出与Gs结合的位点。②Gs被活化，使与Gs结合的GDP被GTP取代形成Gs+GTP复合物（GTP与GDP可进行可逆性转换），使Gs暴露出与腺苷酸环化酶（AC，称放大器）的结合位点。③AC被活化，将ATP（三磷酸腺苷）转化成cAMP（第二信使分子），与此同时Gs上的GTP被水解成GDP，复合物失活与AC脱离，Gs重新恢复到无活性的构象，准备接受第二次外部信号，Ac也失活回复。④cAMP在细胞质内与PKA结合，使PKA活化。（图）⑤活化的PKA的催化组分使胞质内的无活性的蛋白质磷酸化，变成有活性的蛋白质，活性蛋白引起细胞内的一系列反应。2、肌醇磷酸脂信号通路在此通路中主要涉及到两个二(次)级信使：IP3（1，4，5—三P酸肌醇）和DG（二脂酰甘油）。信使的产生过程（图）①外部信号（第一信使）与质膜外表面的受体R结合，R构象改变，暴露出与G蛋白结合的位点。②G蛋白被活化使与之结合的GDP被GTP取代，GDP游离于细胞质中。③活化的G蛋白引起PDE的活化，PDE就是PLC(或PLD等)。PDE将质膜中的PIP2水解成DG和IP3两个二级信使，IP3为水溶性分子，从质膜进入细胞质，DG仍留在质膜中。④IP3在细胞质内动员出储存于内质网中（Ca++库）的Ca++，使胞质中的Ca++浓度升高，达到一定浓度时便将Ca++离子依赖性钙调蛋白激活，钙调蛋白为一种蛋白激酶，它可使一些无活性蛋白P酸化，变成有活性蛋白，再诱发一系列细胞反应。⑤DG在质膜内，在它的辅助因子PS（缩醛磷脂酰丝氨酸）协助下激活膜中的蛋白激酶C（ProteinKineseC，PKC），PKC可将胞质内的一些蛋白由去P酸化的无活性状态通过P酸化变成有活性状态，P酸化的活性蛋白再诱发一系列细胞反应。(3)在上述2条通路问题上需要说明的是①两条通路的共同点它们一开始都是由质膜上的受体分子通过一族G蛋白将信息传递过质膜而进\n入胞内，G蛋白是一种只有同乌三磷（GTP）结合才会有活性的膜蛋白。G蛋白激活膜内表面的“放大器”酶，这个放大器（酶）将次级信使的前体分子转变成次级信使。如放大器腺苷酸环化酶（AC）将ATP转变成cAMP而放大器PLC将PIP2分解为IP3和DG。②两条通路的最后阶段也是相似的，即使胞质内的蛋白质P酸化，由无活性状态变成活性状态。3、其他途径Ca++/CaM，NO等第十章细胞的繁殖单细胞有机体个体数目的增加和多细胞有机体个体形态的建成都是通过细胞的分裂来实现的。细胞分裂的方式主要有无丝分裂、有丝分裂和减数分裂，其中前二者主要完成体细胞的增殖，后者与性细胞的生成和发育有关。分裂方式：无丝分裂遗传物质不能平均分配，原生生物及高等生物中某些组织的细胞，如动物的胎膜、填充组织和肌肉组织，植物的胚乳、愈伤、表皮......有丝分裂高等动、植物体细胞的增殖所采用的一种普遍方式。有丝分裂是多细胞有机体体细胞增殖的主要方式，其分裂有一定的规律性或周期性，这就是我们所说的细胞周期。减数分裂生物有性生殖过程中发生的一种分裂方式，与单倍体配子（雌雄性配子）的产生有关。一、胞周期及其调控1．细胞周期的概念从第一次细胞有丝分裂结束算起，到第二次分裂完成所经历的过程叫做（一个）细胞周期。所需时间叫细胞周期时间。在一个细胞周期中，细胞发生了如下变化：①有丝分裂的准备期,也叫G1期，即从第一次分裂结束开始到DNA进行复制之前，在此期间细胞主要进行有丝分裂所需的物质准备；②DNA复制期也叫S期，进行DNA复制；③DNA复制完成到有丝分裂开始之前，也叫G2期，进行分裂方式的决定和能量积累（少量DNA、组蛋白合成）；④有丝分裂期，也叫M期，染色体一分为二，细胞一分为二，由一个母细胞形成两个子细胞，之后又进入G1期。2．细胞周期中各时期的主要生化事件在细胞周期中的上述4个时期，细胞内发生不同的生化变化，P412表14—3列出了各期的主要变化，在此我们加以总结性叙述。（1）G1期：细胞进行各种RNA合成、非组蛋白合成，但不进行DNA合成，核仁因RNA的增加而明显增大，DNA处于转录状态，G1期的晚期阶段有一个特定期叫起始点（start），限制点（restrictionpoint），或检验点（checkpoint），与cdc基因有关。（2）S期：DNA复制，复制的特点是GC含量高的片段先复制，AT含量高的后复制；第一个周期中先复制的片段，第二个周期中仍然先复制；组蛋白的合成与DNA的复制紧密相连，同步进行,S期结束时细胞内DNA含量增加一倍。（3）G2期：RNA继续合成；组成纺锤体的微管蛋白合成；与染色体凝缩和包装有关的蛋白和酶合成；tRNA合成继续；DNA转录；非组蛋白继续合成；准备有丝分裂的能量。\n（4）M期：染色体分裂，RNA合成停止，蛋白质合成减少，非组蛋白合成继续，胞质分裂，细胞一分为二。细胞是否进入有丝分裂还要看DNA复制的情况，有实验报道如果DNA的复制在S期全部完成，则细胞将进入有丝分裂。如果99.7%的DNA在S期完成复制，而剩余的0.3%在偶线期复制，细胞则进入减数分裂。这是所谓的分裂方式（途径）决定。3、细胞周期的调控细胞的自我调控细胞中存在一种celldivision-cycle即cdc基因，cdc基因编码的蛋白是一种蛋白激酶叫Cdc蛋白激酶（Cdk）。Cdk是一个基因家族，现已发现的Cdk家族成员有Cdk1（较早的书上写为cdc2）、Cdk2、Cdk3、Cdk4、Cdk5、Cdk6、Cdk7。该蛋白激酶的量是比较恒定的，但活性状态发生周期性变化，变化受周期蛋白调控，周期蛋白也是一个基因家族，现已发现的有cyclinA、B、C、D、E、F、G和H等。每种Cdk结合不同的cyclin，调节细胞周期的不同进程，如周期蛋白B（cyclinB）发生周期性变化,在G1期周期蛋白B逐渐积累，当积累达到某个阈值时与Cdk结合，二者形成有丝分裂促进因启子（MPF），MPF启动细胞进入分裂期。与此同时MPF又激活一种遍在性蛋白依赖性蛋白水解系统，引起周期蛋白B的降解破坏，使分裂进入后期。之后B又逐渐积累，重新进入下一个变动周期。细胞的人工调控营养饥饿法；施加化学药品DNA复制抑制剂、5—氟尿嘧啶等，毒莠定，胸苷（见412页）；细胞分裂收获法动物细胞（412页）；低温培养法（412页）二、细胞有丝分裂1、分裂的启动细胞周期蛋白B积累到一定程度便激活MPF，启动细胞分裂，（检验点）。这一过程发生在G1期的后期，因此后期为决定期。决定期即MPF的活化受下列诸因素的影响，①细胞的大小及核/质化。②抑素（chalone）的浓度。抑素为多肽或糖蛋白类物质，该物质具有：a、抑制有丝分裂作用，浓度低时细胞即分裂。b、有组织特异性无种间特异性。c、制造抑素的组织即是该抑素作用的靶细胞。d抑制作用是可逆转的。③cAMP的调节作用cAMP的水平与细胞分裂速度成反比。④接触抑制与区域化作用质膜上的糖蛋白和糖脂可能与产生接触抑制有关。动物成纤维细胞在组培时形成单层细胞，一旦相互接触便不再继续进行分裂——接触抑制。植物细胞的根尖分生区，超过分生区细胞丧失分裂能力。⑤激素动物细胞中雌性激素过多，有刺激癌细胞分裂作用，植物中生长素和细胞分裂素有促进分裂作用。2、有丝分裂过程及其分析整个有丝分裂即M期是一个复杂的过程，其间又经历了前期、中期、后期和末期四个阶段（时期）。①前期有四个方面的变化a、有丝分裂极的确定与中心粒有关（中心粒结构见讲义334页图10-15，9组三联体微管）；植物细胞中与椭圆形清晰区的长轴走向有关——引力场作用。b、核仁解体。\nc、染色体凝集与纺锤丝初现染色质不断螺旋化、折叠和包装成染色体（H1组蛋白的磷酸化）；G2期合成的微管蛋白亚单位组装成纺锤丝微管。d、核被膜破坏。②中期有两个主要变化a、纺锤体形成由微管和微丝组成多种纺锤丝，其中主要有连续丝（或称极间牵丝）、染色体丝（或称着丝点牵丝）和星（体）丝三类。动粒（又称着丝点），是附着于着丝粒上的一种细胞器，着丝粒则是指主缢痕部位的染色质，为染色体的一部分。动粒的外侧主要用于纺锤体微管附着，内侧与着丝粒相互交织。每条中期染色体上含有两个动粒，分别位于着丝粒的两侧。b、染色体向赤道板移动并排列在赤道板处。关于染色体移动并排列在赤道板上的机制，新近的研究发现至少有数种蛋白与染色体列队直接相关，（其中首要的两类蛋白称为Mad和Bud蛋白，它们可使动粒敏化，促使微管与动粒接触）。③后期染色体分开并向两极移动，移动的动力（机理）有不同的假说，如微管集散说或叫装配拆卸说；滑动假说（426页图）等，比较流行的一种就是三种马达协同作用模型。到目前为止还没有一种解释能完全揭示染色体移动的问题。④末期主要是进行胞质分裂动物细胞通过由微丝形成的胞质环使质膜内陷把胞质分割成两部分；植物细胞通过产生中层和新细胞壁。染色体由浓缩的状态变成伸长状态，核仁重新出现，核被膜重新形成，表面看细胞又恢复了G1期的状态（实际为G0期）。第十一章细胞分化与核质关系一、几个基本概念1、细胞分化（讲义523页）：一个胚性细胞在形态上和化学上发生任何适度的永久性的变化，使它与最初所出现的状态有着显著不同（的过程），这种变化就叫细胞分化（elldifferentiation）。细胞分化是特定基因（组织特异性基因）在一定的时间、空间上差次表达的结果,即细胞分化是由于基因选择性表达各自特有的专一性蛋白质而导致细胞形态、结构与功能的差异。细胞分化导致多细胞有机体形态的建成。2、胚（胎）与胚性细胞：由受精卵（合子）经细胞分裂和分化而形成的生物体雏形（幼体）叫胚（胎）。构成胚（胎）的所有细胞都可叫胚性细胞。大部分胚性细胞保持有细胞分裂的能力，虽然在形态结构和功能上发生了一些变化。3、分生性细胞：具有分裂能力的细胞都可叫做分生性细胞，包括胚性细胞、愈伤细胞、分生组织细胞等。4、T淋巴细胞与B淋巴细胞（讲义526页）：T淋巴细胞由骨髓内的干细胞而来，是在胸腺（thymusgland）内分化发育的，故称T淋巴细胞。其特征是：表面较平滑，有少数微绒毛突起，细胞膜上有特殊受体，寿命长，可存活几个月到几年，参与细胞介导的免役反应（细胞免疫直接攻击靶细胞）。B淋巴细胞在人类和哺乳类由骨髓内的干细胞而来，在鸟类则经法氏囊发育而来。其特征是：表面不光滑，有许多绒毛状突起，细胞膜上有独特的抗原结合部位（或称抗原受体，为丙种球蛋白——免疫球蛋白），受抗原刺激后转化为浆细胞产生抗体，行使体液免疫的功能。5、免疫（527页）：免疫是机体识别和排斥异己抗原的过程和能力。生物体有两种免疫方式，一是非\n特异性免疫即组织和血液中的巨噬细胞和中性粒细胞等将入侵的异物吞噬消灭掉，这是一种非特异性的、先天具有的普遍免疫方式。二是特异性免疫即由T淋巴细胞和B淋巴细胞参与的细胞免疫和体液免疫，具有免疫特异性和抗原专一性。6、单克隆与单克隆抗体：这是细胞工程中的一个概念，与细胞免疫有关（讲义507页）。单克隆抗体是细胞并合工程中最有实践价值的成就之一，它是1984年由诺贝尔医学及生理学奖金获得者，英国Kohler和Milstein于1975年创立的。他们将具有有限增殖能力的小鼠淋巴细胞与具有无限增殖能力的骨髓瘤细胞融合，得到既有很好的分化性能又有永久增殖能力的杂交瘤细胞，由于这种杂交瘤细胞克隆产生于遗传上均一的单细胞，所以称为单克隆，由此产生的抗体称为单克隆抗体。7、管家基因（看家基因，house-keepinggenes）与奢侈基因（luxurygenes，tissue-specificgenes组织特异基因）：管家基因是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的；如微管蛋白基因，糖酵解酶系基因和核糖体蛋白基因等。奢侈基因是指在不同的细胞类型中进行特异表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的生理功能，如花专一表达基因、种子储存蛋白基因等。奢侈基因的存在赋予了生物的特异性。8、干细胞（StemCell）分生性或具有自我更新能力的细胞有全能性干细胞（胚胎干细胞），多能性干细胞（如骨髓多能造血干细胞）和单能性干细胞（如上皮组织基底层的干细胞）。二、细胞分化的一些典型事例及分化的一般规律（一）典型事例1、伞藻的嫁接实验：①核对伞藻帽形状的决定作用P536图16—14；②细胞质对核分裂的影响P532图16—102、马蛔虫卵细胞的分裂P532图16—11动物极：染色质物质减少，将来成为体细胞；植物极：染色质维持原状，将来成为生殖细胞。表明细胞质对细胞分化的决定作用3、C（Canorhabaitis）elegans（一种线虫）其胚胎的发育严格按照基因决定的模式，成虫个体共有1090个细胞，每个细胞都可通过其上代的谱系而追踪到受精卵。分化不具可塑性，可视为时间顺序型，即随着时间的进程细胞逐渐分化形成预先规定好的组织。4、小鼠其胚胎细胞分化具相当大的可塑性，可视为空间顺序型，即在一定的发育阶段细胞所处的位置决定分化的方向。5、果蝇介于3和4之间6、在微重力下植物根冠细胞的变化1984年美国Spaceshuttle，8天，oat和mungbean（二）分化的一般规律：1、分化具有时间和空间两个方面的意义，即基因从时间和空间两个方面对分化进行调控，或者说分化是组织特异性基因在时间和空间上进行差次表达的结果。2、细胞分化是稳定的、不可逆的，一旦发生就可持续若干代；分化的可塑性随着分化深度的进行逐\n渐变小，这种变小是老化的一种关键机制。3、分化的可塑性在各种不同的生物中差异很大，从无可塑性的线虫到高度可塑性的小鼠是两个极端，中间有很多类型。4、高度镶嵌型卵是不可塑性分化的内在原因，卵细胞质的明显区分决定了细胞的命运；高度调整型卵则是具有较大可塑性分化的内因。前者（高度镶嵌型）可视为时间顺序型，后者可视为空间顺序型。5、分化受核质两方面的控制，同时环境条件也表现出一定的影响作用。三、细胞核与细胞分化1、合子细胞核内含有决定生物性状的全部基因，这是细胞分化的基础。只有5—10%的基因能够表达，而且受到时间和空间的调控。从遗传学角度看，分化即是基因的选择性表达。DNA分子中同源框（homebox）可能存在于“控制空间结构”的基因之中，这可能是决定生物生命活动共性的基础。2、细胞核在细胞分化中作用的例子：上面的伞藻（帽形）试验；美西螈皮色黑（核）白（质）536页；小鼠早期胚胎试验毛色和肤色由核决定，黑核——白去核卵——灰鼠子宫，生黑毛鼠。简短结论核在细胞分化中起主导作用，这种作用可从合子时开始，也可从原胚期开始，作用的早晚在各种生物中不相同。四、细胞质与细胞分化：1、大部分生物的受精卵的细胞质在结构上是不均匀的，即表现出一定的区域性差别。这种差别在胚胎的发育中起十分重要的作用，甚至起决定性作用（C.elegans）。2、在植物细胞中，受精卵第一次分裂形成的两个子细胞，因内含物的不同而往往是一个（顶细胞）发育为胚本体（或胚本体的大部分），另一个不参与胚本体的形成而发育为胚柄。3、由于受精卵细胞质的极性大小和区域化的程度不同，所以出现了镶嵌型卵和调整型卵。五、其它因子与细胞分化1、细胞间相互作用对细胞分化的影响P525图16—4，粘菌的生活史2、激素的作用能决定细胞类型，P541；能诱导植物雌雄性别分化，P541黄瓜、南瓜。3、重力作用及其他环境因子的作用。第十二章细胞衰老与死亡一、细胞的一生要经历由未分裂到分化、分化成熟到衰老、衰老到死亡的过程，这一过程既有遗传方面的因素，也有环境方面的原因。实验表明，如果使一类细胞永远保持正常分裂能力，这类细胞就不会衰老。高度特化的细胞多为不可逆的丧失分裂能力的细胞，这些细胞在任何情况下都不能增殖（如红细胞、心肌和神经细胞），这些细胞寿命较长，并可明显地看出衰老变化现象，它们是研究细胞年龄变化的主要对象。我们就以这些细胞为材料，讲述细胞衰老变化的一般特征，分析其原因。1.Hayflick界限1961年，Hayflick和Moorhead报道，培养的人二倍体细胞表现出明显的衰老、退化和死亡的过程。若以1：2的比率连续进行传代（群体倍增），则平均只能传代40-60次，此后细胞就逐渐解体和死亡。这\n一发现很快得到许多研究者的证实。他们的工作表明，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）。Galapagos龟寿命可达175岁，其培养细胞的代数可达90-125次，小鼠平均活3.5年，其培养细胞的代数也仅14-28次。2.细胞衰老的一般特征见讲义467页可归纳为以下几点①原生质减少。②水分减少，使原生质粘度增加。③细胞器发生改变，线粒体数目减少，体积膨大（可能是DNA只能复制，Mt不能分裂），嵴消失，类型也变多；高尔基体的网状结构破坏并改变原来在细胞核周围的位置，内质网局部膨胀小泡化，由原来有序的排列变成无序，粗面内质网逐渐减少。膜结构及功能均发生破坏或改变。④细胞核固缩，核/质比改变，分裂次数增加，核增大，核膜内折，染色体固缩，核消失。⑤色素生成增加如脂褐素、老年色素等，色素的沉淀多在致密体中，致密体部分来自于线粒体。⑥酶活与酶量降低。⑦核酸与蛋白合成下降。3.衰老的原因（分子机制）是细胞核决定了细胞衰老的表达①错误灾难说DNA复制出错并逐渐积累放大。②编程性细胞死亡（发育程序衰老说，或叫细胞的程序性死亡（progranmmedcelldeath，PCD，apoptosis），其主要含义是个体发育过程中（如由幼虫发育为成虫，受精卵发育为成熟胚胎），发生的某类或某些细胞的大量死亡，这种死亡要求一定的基因表达。③氧化性损伤说学说认为，代谢过程中产生的活性氧基团或分子（ROS）引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老。活性氧有三种类型：超氧自由基；羟自由基和过氧化氢。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与破坏。现在我们知道，线虫中的age1基因编码磷脂酰肌醇-3-激酶的p110催化亚基，其产物介导磷脂酰肌醇的信号传递路线，与抗氧化作用有关。近年来还发现，线虫的clk1基因与寿命的延长有关。该基因是酵母中参与CoQ合成的Cat5基因的同类物。CoQ是线粒体中电子传递链的成员，CoQ缺乏时，电子传递减速，ROS的形成减少，代谢变慢，寿命延长，因此clk1基因的突变体线虫寿命延长。④端粒与衰老telomere是染色体末端的一种特殊结构，其DNA由简单的串联重复序列组成。在细胞分裂过程中不能为DNA聚合酶完全复制，因而随着细胞分裂的不断进行而逐渐变短，除非有端粒酶（telomerase）存在。端粒酶是一种核糖核蛋白酶，由RNA和蛋白质组成，其中的RNA是端粒DNA合成的模板，而端粒酶的反转录亚基则催化端粒DNA的合成，由此保持端粒长度。人的端粒由TTAGGG/CCCTAA重复序列组成，在生殖细胞中长约15kb（由于存在端粒酶活性），而在体细胞中端粒要短得多（由于不存在端粒酶活性）。端粒长度随年龄增长而缩短。但也有不支持这一学说的实验。⑤rDNA与衰老在酵母S.cerevisiae细胞中，rDNA通常以100-200个copy的形式串联存在与第12号染色体上。当酵母达到生命的“中年”时的某一时刻，通过同源重组产生的第一个环状rDNA片段离开\n染色体，且可随着染色体的复制而自行复制。当积累到500-1000个ERC（染色体外环状DNA），细胞就进入衰老。二、细胞编程性死亡（细胞凋亡）的分子机制1.细胞凋亡的概念及其生物学意义细胞凋亡现象于1965年被发现，1972年被定名。近几年的研究表明细胞程序性死亡可能是衰老的真正原因（编程死与病理死不同）。编程死现象是普遍存在的，它发生在依赖激素的组织中，如淋巴细胞、胸腺细胞、肝细胞、皮肤和胚胎发生期间的细胞。两栖类动物胚胎发育中，尾和鳃都会及时自然消失——通过编程死。因此，编程死是一种自然的生理学过程，受到严格的遗传机制的调控。细胞编程性死亡对一类或一些细胞自身来说是一种悲剧，但对一个机体的发育则可能是有益的或必须的。健康的成人体内，在骨髓和肠中每小时要有10亿个细胞凋亡；脊椎动物的神经系统在发育过程中，约有50%的细胞凋亡；这些都充分保证了机体的正常发育和功能的发挥。2.细胞编程性死亡的特征与分子机制细胞编程性死亡引起的细胞内部的变化，与由于各种因素引起的破坏性死亡引起的细胞内部的变化，有着明显的不同，主要表现在细胞内容物有序的拆卸、包装、转运而不是渗漏。细胞内容物的变化如前所述的衰老过程的变化，凋亡小体形成。细胞编程性死亡的分子机制的研究对线虫细胞编程死的研究获得了很大进展。线虫的成体共有1090个细胞，在发育过程中有131个细胞是注定要进入编程死。已发现有11个基因与这一过程有关，其中ced3和ced4是细胞死亡所必需的，ced9则负责程序死亡的负调控（抑制PCD）。ced3和ced4的突变体（株）中原来要死亡的细胞不但可以生存而且能分裂并分化，甚至还能行使功能。其余7种基因ced1、ced2、ced5、ced6、ced7、ced8和ced10在启动ced3、ced4和ced9基因以及控制相邻细胞吞噬该死亡细胞方面起作用。这些基因与caspase家族有直接关系。Caspase家族caspase是cysteineasparicacidspecificprotease即半胱氨酸蛋白酶的缩写，是存在于胞质溶胶中的一组酶，在结构上相似，在功能上的共同特点是断开天冬氨酸残基后面的肽键，高度选择性地切割某些蛋白（主要是在结构域间的位点上），切割的结果是或活化某种蛋白，或使某种蛋白失活，但从不完全降解一种蛋白,这种特性在一般蛋白酶中是很少见的。现已发现细胞中有11种caspase。caspase1和11主要参与白介素前体的活化，不直接参与凋亡信号的转导，Caspase2、8、9和10被认为是细胞凋亡的启使者，它们的活化引起caspase3、6和7的活化，caspase3、6、7被认为是凋亡的执行者，而启使者又受其它因子的调节。Ced基因与caspase直接相关。色体向赤道板移动并排列在赤道板处。关于染色体移动并排列在赤道板上的机制，新近的研究发现至少有数种蛋白与染色体列队直接相关，其中首要的两组蛋白称为Mad和Bud蛋白，它们可使动粒敏化，促使微管与动粒接触。