细胞生物学的研究内容与现状

第一章（Chapter One）

绪 论（Introduction to cell biology） 该章节学习的目的

1、对细胞生物学这门学科有较全面的理解，对学习内容有比较明确的把握

细胞生物学是以细胞为研究对象, 从细胞的整体水平（显微）、亚显微水平（包括各类细胞器、细胞内膜系统、细胞遗传信息结构体系、细胞骨架系统等）、分子水平等三个层次，以动态的观点, 研究细胞和细胞器的结构和功能、细胞的起源与进化和各种生命活动规律的学科。

2、了解一点细胞生物学发展简史

比如细胞是如何发现的，相关学说的演进，细胞生物学的建立及其内容的延伸和拓展，现在的研究状况等等。 本章学习的内容

第一节 细胞生物学的研究内容与现状 第二节 细胞学与细胞生物学发展简史 第一节 细胞生物学的研究内容与现状 一、细胞生物学是什么样一门学科？

细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科。

在我国科学发展规划中，把细胞生物学、分子生物学、神经生物学和生态学列为生命科学的四大基础学科。

大家可以看到‚基础‛这个词，为什么细胞生物学能重要到成为其他诸多学科的基础呢？

理由：1925年生物学大师Wilsion提出 “一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找”

生命科学发展至今，众多科学成果显示，生物的生殖发育、遗传、神经（脑）活动等重大生命现象的研究都必须以细胞为基础，这一认知已是毫无疑问，细胞就是研究生命科学均需接触到的实体，为什么？因为所有的生命体都是由细胞组成的，细胞是生命的基本单位，就好比原子是物理性质的最小单位，分子是化学性质的最小单位，

原子是物理学研究对象，分子是化学的，而细胞就是生命科学的。 细胞生物学与其他学科的结合衍生了许多交叉学科，例如细胞遗传学(cytogenetics)（遗传学和细胞学结合建立了细胞遗传学，主要是从细胞学的角度, 特别是从染色体的结构和功能, 以及染色体和其他细胞器的关系来研究遗传现象, 阐明遗传和变异的机制。）、 细胞生理学(cytophysiology)（细胞学同生理学结合建立了细胞生理学，主要研究内容包括细胞从周围环境中摄取营养的能力、代谢功能、能量的获取、生长、发育与繁殖机理, 以及细胞受环境的影响而产生适应性和运动性的活动。细胞的离体培养技术对细胞生理学的研究具有巨大贡献。）、细胞化学(cytochemistry)（细胞学和化学的结合产生了细胞化学,主要是研究细胞结构的化学组成及化学分子的定位、分布及其生理功能, 包括定性和定量分析。如1943年克劳德(Claude)用高速离心法从细胞匀浆液中分离线粒体，然后研究它的化学组成和生理功能并得出结论: 线粒体是细胞氧化中心。1924年Feulgen发明的DNA的特殊染色方法---Feulgen反应开创了DNA的定性和定量分析。），甚至有细胞社会学(cell sociology)（细胞社会学是从系统论的观点出发，研究细胞整体和细胞群体中细胞间的社会行为(包括细胞间识别、通讯、集合和相互作用等)，以及整体和细胞群对细胞的生长、分化和死亡等活动的调节控制。细胞社会学主要是在体外研究细胞的社会行为，用人工的细胞组合研究不同发育时期的相同细胞或不同细胞的行为; 研究细胞之间的识别、粘连、通讯以及由此产生的相互作用、作用本质、以及对形态发生的影响等。）

特别是分子生物学的发展，使得细胞生物学取得了突破性的进展，产生了许多新的生长点，并逐渐形成新的概念与新的领域，例如分子细胞生物学（molecular biology of the cell）（以细胞为对象, 主要在分子水平上研究细胞生命活动的分子机制, 即研究细胞器、生物大分子与生命活动之间的变化发展过程, 研究它们之间的相互关系, 以及它们与环境之间的相互关系。）

可以说现代细胞生物学就是经典细胞学与分子生物学相结合形成的一门交叉学科，它是应用现代物理化学技术成就和分子生物学的概念与方法，以细胞作为生命活动的基本单位的思想为出发点，探索

生命活动规律的学科。

经典细胞学的知识范畴集中在细胞结构与功能这一块，20世纪70年代中期开始，分子生物学的引入，使得细胞重要生命活动规律及其机制的研究迅猛发展，使得细胞的知识结构丰富起来，同时也极大地促进了生命科学的发展。

好，下面就来说说细胞生物学的主要研究内容。 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以分为细胞结构功能与细胞重要生命活动两大基本部分，但它们又不能截然分开。

当前细胞生物学的研究内容主要有下面这么几项 1.细胞核、染色体及基因表达的研究 2、生物膜与细胞器研究 3、细胞骨架体系研究 4、细胞增殖及其 5、细胞分化及其 6、细胞的衰老及其 7、细胞的起源与进化 8、细胞工程

可以看出这些研究领域基本上都同时包含了细胞结构功能与细胞重要生命活动两大基本部分，它们是揉合在一起的。

下面，我简单地就每项内容进行系统介绍 三、当前细胞生物学主要研究热点 The NIH of USA(1988):

National Institutes of Health (美国)(卫生、教育与福利部)国家卫生研究所

“What is popular in research today？” 3 kinds of diseases ： ² cancer癌症

² cardiovascular diseases心血管疾病 KK: [

]

² infectious diseases：AIDS，hepatitis[

]传染病：爱滋病，肝炎 5 research fields ：

² cell cycle control ；细胞周期 ² cell apoptosis；细胞凋亡 ² cellular senescence；[ ² signal transduction；信号转导

² DNA damage and repair：DNA损伤与修复

ISI, USA(1997) : Institute for Scientific Information美国科技情报所

SCI（Science Citation Index）Papers: 科学引文索引 Three tops of research fields: No1: Signal transduction；信号转导

信号分子(signaling molecules)信号分子是指生物体内的某些化学分子, 既非营养物, 又非能源物质和结构物质,而且也不是酶,它们主要是用来在细胞间和细胞内传递信息, 如激素、神经递质、生长因子等统称为信号分子,它们的惟一功能是同细胞受体结合, 传递细胞信息。信号转导(signal transduction)即信号的识别、转移与转换。

No2: Cell apoptosis；细胞凋亡

又称程序性细胞死亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序性的死亡，它涉及一系列基因的激活、表达以及等的作用，因而是具有生理性和选择性的。Apoptosis的概念来自于希腊语，原意是指树叶或花的自然凋落，而细胞发生程序性死亡时，就像树叶或花的自然凋落一样，凋亡的细胞散在于正常组织细胞中，无炎症反应，不遗留瘢痕。死亡的细胞碎片很快被巨噬细胞或邻近细胞清除，不影响其他细胞的正常功能。这一研究的成果将对于医学界医治癌症具有重大的影响。大家可以想象，如果能探索出一种方法，使得体内的癌变细胞可以呈现细胞凋亡，那么癌症也就可以治愈了，当然这只是一种猜测。

No3: Genome and post-genomic analysis基因组与后基因组分析

]细胞衰老

不仅涉及到细胞，更是从分子角度去探索

下面我将对本门课程即将需要学习的内容进行简单介绍 四、细胞生物学的教学内容

细胞生物学的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：

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、细胞质基质及内膜系统； 4、线粒体与氧化磷酸化； 5、叶绿体与光合作用； 6、核糖体与蛋白质合成； 7、细胞骨架； 8、细胞核与染色体；

第二部分 细胞的重要生命活动，包括： 1、细胞的繁殖及其； 2、细胞分化及其； 4、细胞通讯

3、细胞的衰老与凋亡； 4、细胞进化等。

五、课程的重点和难点内容

一）、膜的分子结构和特点及物质跨膜运输；（第四、五章） 二）、细胞质基质的组分及其功能；（第六章） 三）、细胞连接的方式；（第四章） 四）、细胞的信号传导；（第五章）

五）、蛋白质合成：信号假说（第六章第五节） 六）、蛋白质分选与膜泡运输（第六章第五节）

七）、染色质结构、染色体基本知识及3种功能元件；（第八章） 八）、细胞骨架体系；（第十章） 九）、细胞周期及其（第十一章）

十）、细胞凋亡的形态学特征及其鉴别方法（第十三章）

六、怎么样才能学好细胞生物学？

第一、认识细胞生物学课程的重要性，正如原子是物理性质的最小单位，分子是化学性质的最小单位，细胞是生命的基本单位。50年代以来诺贝尔生理与医学奖大都授予了从事细胞生物学研究的科学家，可见细胞生物学的重要性。如果你将来打算从事生物学相关的工作，学好细胞生物学能加深你对生命的理解。

第二、明确细胞生物学的研究内容，即：结构、功能、生活史。生物的结构与功能是相适应的，每一种结构都有特定的功能，每一种功能的实现都需要特定的物质基础。如肌肉可以收缩、那么动力是谁提供的、能量从何而来的？

第三、从显微、超微和分子三个层次来认识细胞的结构与功能。一方面每一个层次的结构都有特定的功能，另一方面各层次之间是有机地联系在一起的。结构是基础，功能的分子机制是学习的重点。

第四、细胞生物学涉及分子生物学、生物化学、遗传学、生理学等几乎所有生物系学过的课程，将学过的知识与细胞生物学课程中的内容关联起来。 多问自己几个为什么。将学过的知识与细胞生物学课程中讲到的内容关联起来，比较一下有什么不同，有什么相同，为什么？另一方面细胞生物学各章节之间的内容是相互关联的，如我们在学习线粒体与叶绿体的时候，要联想起细胞物质运输章节中学过的DNP、FCCP等质子载体对线粒体会有什么影响，学习微管结构时要问问为什么β微管蛋白是一种G蛋白，而α微管蛋白不是，学习细胞时要想想细胞骨架在细胞中起什么作用，诸如此类的例子很多。

第五、紧跟学科前沿，当前的热点主要有“信号转导”、“细胞周期”、 “细胞凋亡”等。细胞生物学是当今发展最快的学科之一，知识的半衰期很短（可能不足5年），国内教科书由于编撰周期较长，一般滞后于学科实际水平5-10年左右，课本中的很多知识都已是陈旧知识。有很多办法可以使你紧跟学科前沿：一是选择国外的最新教材，中国图书进出口公司读者服务部

http://link.clubol.com/link/index.php那里可以买到很多价廉物美的正宗原版教材（一般200-400元，只相当于国外价格的1/5）；

二是经常读一些最新的期刊资料，如果条件所限查不到国外资料，可以到中国期刊网、万方数据等数据库中查一些综述文章，这些文章很多是国家自然科学基金支助的，如在中国期刊网的检索栏输入关键词“细胞凋亡”，二次检索输入关键词“进展”，你会发现一大堆这样的文章，都是汉字写的比读英文省事。

第六、学一点科技史，尤其是生物学史，看看科学家如何开展创造发明，学习他们惊人的毅力、锐敏的眼光和独特的思维。牛顿说过：“我之所以比别人看得更远，是因为站在巨人的肩膀上。”

第八、上课要听讲，重点内容做笔记，课后对所学知识作归纳总结。

第二节 细胞学与细胞生物学发展简史

从研究内容来看细胞生物学的发展可分为三个层次，即：显微水平、超微水平和分子水平。从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段：

第一阶段：从16世纪后期到19世纪30年代，是细胞发现和细胞知识的积累阶段。通过对大量动植物的观察，人们逐渐意识到不同的生物都是由形形色色的细胞构成的。

第二阶段：从19世纪30年代到20世纪初期，细胞学说形成后，开辟了一个新的研究领域，在显微水平研究细胞的结构与功能是这一时期的主要特点。形态学、胚胎学和染色体知识的积累，使人们认识了细胞在生命活动中的重要作用。13年Hertwig的专著《细胞与组织》（Die Zelle und die Gewebe）出版，标志着细胞学的诞生。其后16年哥伦比亚大学Wilson编著的The Cell in Development and Heredity、1920年墨尔本大学Agar编著的Cytology 都是这一领域最早的教科书。

第三阶段：从20世纪30年代到70年代，电子显微镜技术出现后，把细胞学带入了第三大发展时期，这短短40年间不仅发现了细胞的各类超微结构，而且也认识了细胞膜、线粒体、叶绿体等不同结构的功能，使细胞学发展为细胞生物学。De Robertis等人1924出

版的普通细胞学（General Cytology）在1965年第四版的时候定名为细胞生物学（Cell Biology），这是最早的细胞生物学教材之一 。

第四阶段：从20世纪70年代基因重组技术的出现到当前，细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密，研究细胞的分子结构及其在生命活动中的作用成为主要任务，基因、信号转导、肿瘤生物学、细胞分化和凋亡是当代的研究热点。 一、细胞的发现

细胞的发现与显微镜的发明紧密相连。没有显微镜就不可能有细胞学诞生。第一台显微镜并不是我们所熟知的Robert Hooke所发明的，而是在1604年，荷兰眼镜商詹森(Jansen)父子研制出了世界上第一台显微镜，尽管其放大倍数不超过10倍，但第一次使人们看到了原先肉眼看不到的东西，具有划时代的意义。

而Robert Hooke是第一次描述了细胞，并第一次提出“cellulae”这个词，1665年英国人Robert Hooke用自己设计与制造的显微镜（放大倍数为40-140倍）观察了软木（栎树皮）的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，并首次用cells（小室）这个词来称呼他所看到的类似蜂巢的极小的封闭状小室（实际上只是观察到到纤维质的细胞壁）。

In 1665, Robert Hooke，an England scientist， saw a network of tiny boxlike compartments that reminded him of a honeycomb. He called these little compartments “cellulae”, a Latin term meaning little room. It is from this word we get our present-day term, cell. 1665年，英国科学家Robert Hooke发现了一些网状类似蜂巢的极小的封闭状小室，他称它们为“cellulae”,这个词是拉丁语，意思就是小室。由这个词发展成为今天我们所知道的cell。

Hooke第一次观察的是植物材料，到1677年荷兰生物学家列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek)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。他是第一个看到活细胞的人，观察过原生动物、人类精子、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌等等。一生中制作了200多台显微镜和500多个镜头。1752 英国望远镜商人J. Dollond 发明消色差显微镜。1812 苏格兰人D. Brewster 发明油浸物镜，并

改进了体视显微镜。

1886 德国人Ernst Abbe 发明复消差显微镜，并改进了油浸物镜，至此普通光学显微镜技术基本成熟。

1932 德国人M. Knoll和E. A. F. Ruska描述了一台最初的电子显微镜，1940年美国和德国制造出分辨力为0.2nm的商品电镜。 1932 荷兰籍德国人F. Zernike成功设计了相差显微镜（phasecontrast microscope) ，并因此获1953年诺贝尔物理奖。 1981瑞士人G. Binnig和H. RoherI在BM苏黎世实验中心（Zurich Research Center）发明了扫描隧道显微镜而与电镜发明者Ruska同获1986年度的诺贝尔物理学奖。

实际上经典细胞学的发展就是显微镜的发展 二、细胞学说的建立

1839年德国植物学教授Schleiden和德国解剖学教授Schwann共同提出细胞学说

Two tenets of cell theory:细胞学说的两大宗旨（原则，理念） 1.All organisms are composed of one or more cells.一切有机体都是由一个或多个细胞组成

2.The cell is basic unit of structure and function for all organisms.细胞是构成有机体的基本单位。

1855 德国人R. Virchow 提出“一切细胞来源于细胞”（omnis cellula e cellula）的著名论断，进一步完善了细胞学说。他提出第三个理念

The third tenets

3.All cells arise only from preexisting cells by division. 新细胞仅通过老细胞产生。 三、细胞学经典时期及细胞学的分支

19世纪后期显微技术的改进，生物固定技术（如：Fleming 1882，1884；Canoy 1886）和染色技术的出现极大的方便了人们对细胞显微结构的认识，各种细胞器相继被发现，20世纪30年代电子显微镜技术的问世，是细胞形态的研究达到了空前的高潮。20世纪50年代分子生物学的兴起，推动细胞生物学的研究进入了分子水平。

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；18年高尔基体被发现；19年发现了植物的双受精作用；还有细胞的无丝(amitosis)，有丝(mitosis)与染色体，减数(meiosis)，中心粒，线粒体等都是在该时期看到的。

德国胚胎和解剖学家O.Hertwig“细胞和组织”一书的出版(12)标志着细胞学作为一门学科的建立。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。

细胞遗传学(cytogenetics)（遗传学和细胞学结合建立了细胞遗传学，主要是从细胞学的角度, 特别是从染色体的结构和功能, 以及染色体和其他细胞器的关系来研究遗传现象, 阐明遗传和变异的机制。）、 细胞生理学(cytophysiology)（细胞学同生理学结合建立了细胞生理学，主要研究内容包括细胞从周围环境中摄取营养的能力、代谢功能、能量的获取、生长、发育与繁殖机理, 以及细胞受环境的影响而产生适应性和运动性的活动。细胞的离体培养技术对细胞生理学的研究具有巨大贡献。）、细胞化学(cytochemistry)（细胞学和化学的结合产生了细胞化学,主要是研究细胞结构的化学组成及化学分子的定位、分布及其生理功能, 包括定性和定量分析。如1943年克劳德(Claude)用高速离心法从细胞匀浆液中分离线粒体，然后研究它的化学组成和生理功能并得出结论: 线粒体是细胞氧化中心。1924年Feulgen发明的DNA的特殊染色方法---Feulgen反应开创了DNA的定性和定量分析。），甚至有细胞社会学(cell sociology)（细胞社会学是从系统论的观点出发，研究细胞整体和细胞群体中细胞间的社会行为(包括细胞间识别、通讯、集合和相互作用等)，以及整体和细胞群对细胞的生长、分化和死亡等活动的调节控制。细胞社会学主要是在体外研究细胞的社会行为，用人工的细胞组合研究不同发育时期的相同细胞或不同细胞的行为; 研究细胞之间的识别、粘连、通讯以及由此产生的相互作用、作用本质、以及对形态发生的影响等。） 四、细胞生物学的形成与发展

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。

同时，遗传学，生物化学，生理学，胚胎学的许多新发现。也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。 80年代以来，细胞生物学的主要发展方向是分子细胞生物学，在分子水平上探索细胞的基本生命规律。

下面讲一些信息，让大家对于细胞生物学有一些直观的认识，看看它以前具体做过些生命，以后又能在哪里取得成就。 五、细胞生物学取得的部分成就

1910美国人T. H. Morgan提出遗传的染色体理论，1919年发表“遗传的本质”（Physical Basis of Heredity）。1926年发表“基因学说”（The Theory of the Gene）

1944 美国人O. Avery，C. Macleod 和M. McCarthy等人通过微生物转化试验证明DNA是遗传物质

1953 美国人J. D. Watson 和英国人F. H. C. Crick提出DNA双螺旋模型。

1957 J. D. Robertson用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构。

1961 英国人P. Mitchell 提出线粒体氧化磷酸化偶联的化学渗透学说，获1978年诺贝尔化学奖。

1975 英国人F. Sanger设计出DNA测序的双脱氧法。于1980年获诺贝尔化学奖

1983 美国人K. B. Mullis发明PCR仪，于1993年获诺贝尔化学奖。

1984 德国人G. J. F. Kohler、阿根廷人C. Milstein和丹麦科学家N. K. Jerne由于发展了单克隆抗体技术，完善了极微量蛋白质

的检测技术分享了诺贝尔生理医学奖。

19 美国人S. Altman和T. R. Cech由于发现某些RNA具有酶的功能（核酶)而共享诺贝尔化学奖。Bishop和Varmus由于发现正常细胞同样带有原癌基因而分享当年的诺贝尔生理医学奖。 2001 美国人Leland Hartwell、英国人Paul Nurse、Timothy Hunt因对细胞周期机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。

2002 英国人Sydney Brenner、美国人H. Robert Horvitz和英国人John E. Sulston，因在器官发育的遗传和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理学或医学奖。

2003 美国科学家Peter Agre和Roderick MacKinnon，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。 六、细胞生物学研究成果的应用前景

20世纪50年代人们还搞不清楚自己的染色体是多少条，但到了2000年“人类基因组计划”(人类基因组计划（Human genome project）由美国于1987年启动，我国于1993年加入该计划，承担其中1%的任务，即人类3号染色体短臂上约30Mb的测序任务。2000年6月28日人类基因组工作草图完成。由于人类基因测序和基因专利可能会带来巨大的商业价值，各国和一些企业都在积极地投入该项研究，如1997年AMGE公司转让了一个与中枢神经疾病有关的基因而获利3.92亿美元)工作草图完成，标志着以研究基因功能为主的后基因组时代到来。随后蛋白质组学（proteomics），RNA组学（RNomics），糖组学（glycomics）、代谢组学（metabolomics）等各种“组学”研究相继登场。可以预见在不远的将来，生物科学会将人类社会带入一个新的发展阶段。细胞生物学的发展也将迈入一个新的发展阶段，并将成为21世纪生物工程发展的重要组成部分。

1. 基因克隆和重组技术日趋成熟，人类将根据经济需要去开发和操纵遗传资源，如通过转基因的方法生产人类生长素、干扰素等昂贵药物；培育具有特殊功能的转基因动植物，如具有苏云金毒素的抗虫棉。在商业目的的驱使下，大量的改造物种，开始了偏离自然进化规律的二次“创世纪”，由此所产生的基因污染和伦理问题将越来越突出。

2. 人类基因组约10万个基因的作图和测序完成，进入以揭示基因功能为主的后基因组计划，人类遗传病的基因治疗成为常规技术。 3. 动物克隆技术和人类干细胞定向分化技术取得突破，人工创建的组织，器官将用于医学治疗的目的。

4. 神经生物学、信息生物学、细胞生物学等学科的发展，为实现人工智能奠定了理论基础。

5. 基因武器可能成为继核武器以后又一种足以令人类毁灭的武器。

6. 生物芯片技术广泛应用于科研、医疗、农业、食品、环境保护、司法鉴定等领域。成为与晶体管芯片一样重要的产业。

7. 植物光合作用机理研究取得重大突破，人工光解水产生的氢气成为及化石燃料之后主要的能源。 七、细胞生物学的主要参考书籍

Alberts B et al. Essential Cell Biology. New York and London：Garland publishing，Inc. 1998 细胞生物学精读本

Alberts B et al. Molecuar Biology of the Cell, 3rd ed. New York and London：Garland Publishing，Inc. 1994; 3rd 2002. Becker W.M. et al. The World of the Cell. Fourth Ed. The Benjamin/Cummings Publishing Company. 2000.

Gerald Karp. Cell and Molecular Biology：concepts and experiments，2nd Edition. Published by John Wiley & Sons,Inc. 1999

Gerald Karp. Cell and Molecular Biology：concepts and experiments，3rd Edition. Published by John Wiley & Sons,Inc. 2003

Lodish H. et al. Molecular Cell Biology. 4th Ed. Scientific American Books,Inc. 2000.

翟中和等：细胞生物学。高教出版社，2000 王金发：细胞生物学。科学出版社，2003 郑国锠：细胞生物学。高教出版社，2002

第二章 细胞基本知识概要 本章的学习目的：

1.Consider the basic properties of cells;理解和掌握细胞的基本特性

2.Compare some characteristics of two different classes of cells: prokaryotes[

胞的特点：真核细胞与原核细胞

3.learn the chemical basis of cell；学习细胞的一些化学机制的基础知识

4.Comprehend a special life: viruses;理解病毒这种特殊生命的基本知识

5.learn the origin of eukaryotic cells.学习真核细胞的起源等知识。

1. Why are cells the basic units of life? 为什么说细胞是生命的最基本单位？

A. The cell is the structural unit of life, All organisms is make up of cells.一切有机体都是由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位。（图片，松散组织的纤维细胞，肠壁细胞）

B.The cell is the functional unit of organisms. All metabolic activity is based on cells.细胞是有机体的功能单位，所有代谢活动都是基于细胞。（图片，机体细胞内糖酵解的过程，这个过程会释放能量，提供机体进行各项生命活动）

C. The cell is the foundation of reproduce, and the bridge of inheritance.细胞具有繁殖功能，是遗传信息的载体（图片，这是一个家庭的14个孩子，他们或多或少遗传到父母机体的一些特征，彼此之间也就有了相似的一些特征，这些孩子都是由父亲提供的一个精子和母亲提供的卵子结合为一枚受精卵发育而来）

D. The cell is the growing and developing basis of life细胞是生命生长与发育的基础（图片，胚胎发育的过程，由受精卵逐渐增殖分化形成机体中各种类型的细胞组织）

and eukaryotes;比较两种不同细

E. Cell (nucleus) is totipotent, which can create a new organism of the same type细胞具有全能性，它可以创造出与其完全一样的新个体。

Generally, the cells of a multicellular organism all contain the same set of genes. 一般来说，多细胞机体的每个细胞都含有相同的一套基因。

For animals, the first evidence that even highly specialized cell carry a full complement of genes was verified by the experiment of tadpole （蝌蚪，青蛙）nuclei（细胞核） transplanting（移植，移种） into unfertilized（未受精） egg that had been deprived（被剥夺，丧失） of its own nucleus. Some can develop swimming tadpoles. This is animal cloning.

在动物界，有实验证明即使是高度特化的细胞也含有一套完整的基因，将青蛙的细胞核移植于未受精的卵细胞（去除其自身的细胞核），仍然可以发育成为会游泳的青蛙，这就是动物克隆。

An especially dramatic example of animal cloning was reported in 1997. Dolly the first animal ever cloned from a cell derived from an adult. 动物克隆的一个非常引人注目的事例就是1997年的Dolly羊，它是第一个由成体细胞发育而成的新个体。

【在多利之前，几十年失败的试验曾使人们几乎绝望地认为，高级动物的体细胞克隆或许是不可能实现的。从发育中的胚胎提取细胞，移植其细胞核，培育一个与该胚胎相同的个体，这种‚克隆‛相对来说并非难事。因为胚胎细胞具有很强的分化潜力，能在发育过程中分化成皮肤、血液、肌肉、神经等功能和基因特征各不相同的细胞，其中生殖功能由性细胞——精子或卵子来专门承担。一个性细胞只携带一半的遗传信息，需要精子和卵子结合才能发育成新生命。一个体细胞则拥有一套完整的染色体，不需要性细胞的参与，但是，要让已经‚定型‛的体细胞重新开始胚胎式的发育过程，等于将细胞的生命时钟逆转到起点处，这样的体细胞克隆对哺乳动物而言究竟是否可能？

多利是苏格兰罗斯林研究所和PPL医疗公司的共同作品。它的基因母亲是一种芬〃多塞特品种的白绵羊，在多利出生之前3年就已死去。苏格兰的汉纳研究所在这头母羊怀孕时提取了它的一些乳腺细胞进行冷冻保存，后来又把这些细胞提供给PPL公司进行克隆研究——这后来曾给多利身份的真实性带来一些麻烦。（1998年2月，曾有科学家对多利作为体细胞克隆动物的真实性提出质疑。在怀孕的动物体内，可能会有少量胚胎细胞沿血液循环系统到达乳腺部位，因此这些科学家提出，威尔穆特等人是否恰好碰到了一个这样的胚胎细胞、多利是否仍然是胚胎细胞克隆的结果。汉纳研究所还保存着一些多利的基因母亲的乳腺细胞，NDA分析很快证明，多利的确是体细胞克隆的产物，并不存在胚胎细胞混杂的可能性。）以伊恩〃威尔穆特为首的科学家在实验室中培养这些乳腺细胞，使它们在低营养状态下‚挨饿‛5天左右。然后提取其细胞核，移植到去除了细胞核的苏格兰黑脸羊的卵子里。之所以使用苏格兰黑脸羊的卵子，是因为这种羊身体大部分是白的，脸却是全黑的，很容易与白绵羊区别开来。

在微电流刺激下，白绵羊的细胞核与黑脸羊的无核卵子融合到一起，开始、发育，成为胚胎，植入母羊的子宫里继续发育。在277个成功与细胞核融合的卵子中，只有29个存活下来，被移植到13头母羊体内。移植手术后148天，1996年7月5日，一只羊羔诞生了——1/277的成功率，其他的都失败了。直到它去世的时候，克隆技术这种低得惊人的成功率，仍然没有实质性的改善。这也是科学界普遍不相信雷尔教派的克隆女婴‚夏娃‛身份真实性的一个原因。

威尔穆特以他喜爱的美国乡村音乐女歌手多利〃帕顿（Dolly Parton）的名字为自己的得意之作命名。1997年2月23日这头羊的身份向全世界披露后，世上知道它的人恐怕比知道这位歌手的多得多。一头全白的小羊羔，依偎在生下它但与它毫无血缘关系的代育母亲——一头苏格兰黑脸羊旁边，这张著名的照片向世人显示，生物技术的新时代来临了。它是那头芬〃多塞特白绵羊的翻版（准确地说，在细胞核遗传信息上是它的翻版。还有少量遗传信息存储在细胞质的线粒体内，多利的线粒体特征与那头提供卵子的苏格兰黑脸羊相同）。

此后，克隆鼠、克隆牛等多种克隆动物纷纷问世。第一个克隆人在好几年的‚只听楼梯响、不见下来人‛之后，也终于在2002年底‚据说‛诞生了，但没有证据，科学界未予承认。至今，科学家对克隆过程仍有点知其然而不知其所以然的味道。为什么体细胞核与卵子融合后能够发育？有人猜测，可能是低营养环境中的挨饿状态使体细胞休眠，大多数基因关闭，从而失去了体细胞的专门特征，变得与胚胎细胞相似。不过这仅仅是猜测，并未得到证明.

克隆过程的成功率一直非常低，流产、畸形等问题较多。这是由于克隆本身的问题，还是仅仅因为技术不够成熟对DNA造成了伤害？人们对此还无法问答。作为第一头体细胞克隆动物，多利的健康状况受到密切关注，因为它可能代表着其他克隆动物的命运。多利一生的大部分时候过着优裕的明星生活，它善于应付公众场合，毫不怕人，在镜头前有着良好的风度。与公羊‚戴维‛交配后，多利于1998年4月生下第一个孩子邦尼，后来又生育了两胎，一共有6个孩子，其中一个夭折。从生育方面来看，它与普通母羊并没有不同。在2002年初被发现患有关节炎之前，多利几乎是完全健康而正常的，除了由于访客喂食太多而一度需要减肥。

1999年5月，罗斯林研究所和PPL公司宣布，多利的染色体端粒比同年龄的绵羊要短，引起了人们对克隆动物是否会早衰的担忧。端粒是染色体两端的一种结构，对染色体起保护作用，有点像鞋带两头起固定作用的塑料或金属扣。细胞每一次，端粒就变短一点，短到一定程度，细胞就不再，而启动自杀程序。端粒以及修补它的端粒酶，是近年来衰老和癌症研究中的一个热点。许多科学家认为，端粒在动物的衰老过程中可能起着重要作用。一些人担心，克隆动物的端粒注定较短，是一个不可避免的根本问题。另一些人认为，多利的端粒较短可能是克隆过程的技术问题所致，这不一定是体细胞克隆中的普遍现象，有望随着技术的进步而消除。譬如美国科学家用克隆鼠培育克隆鼠，一共培育了6代（最后一代惟一的一只克隆鼠被别的实验鼠吃掉，实验被迫中止），并没有发现端粒一代一代缩短的现象。由于克隆动物数量不多，而且普遍比较年轻，因此还难以判断哪一种说法正确。端粒与衰老之间的关系究竟是什么、端粒较短是否一定导

致早衰，也是尚未确定的事情，这使得问题更加复杂。克隆技术可能带来健康问题，是多利的创造者们强烈反对克隆人的直接理由：在目前的技术水平下克隆人，对克隆出来的人太不负责任了。

2002年1月，罗斯林研究所透露，多利被发现患有关节炎。这引起了有关克隆动物健康问题的新一轮骚动。绵羊患关节炎是常见的事，但多利患病的部位是左后腿关节，并不多见。威尔穆特说，这可能意味着现行的克隆技术效率低，但多利患病的原因究竟是克隆过程造成的遗传缺陷，还是纯属偶然，可能永远也弄不清楚。

2003年2月14日，研究所宣布，多利由于患进行性肺部感染（进行性疾病为症状不断恶化的疾病），被实施了安乐死。如同关节炎一样，肺部感染也是老年绵羊常见的疾病，像多利这样长期在室内生活的羊尤其如此。但绵羊通常能活12年左右，6岁半的多利可以说正当盛年，并不算老，它的肺病究竟与克隆有没有关系，又是一个难以搞清楚的问题。目前研究人员正对多利的遗体进行详细检查，科学界对此十分关注，尽管检查结果未必能对上述问题得出确切答案。威尔穆特对媒体表示，多利之死使他‚极度失望‛。他提醒其他科学家要对克隆动物的健康状态作持续观察。

在几年前，罗斯林研究所已经对多利的后事作好了安排。遗体检查完毕之后，它将被做成标本，在苏格兰国家博物馆向公众展出。理论上，伦敦自然历史博物馆或科学博物馆更适合安臵这只科学史上最尊贵、最著名的绵羊，但苏格兰科学家们自有他们的理由：‚因为她是一只苏格兰羊。‛ 】

2. Basic properties of cells细胞的基本概念

A. Cells are highly complex and organized细胞是高度复杂的、有自装配与自组织能力的综合体

书本中分作三点提出了，细胞是多层次非线性的复杂结构体系；细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体；细胞是高度有序的，具有自装配与自组织能力的体系。

我们看到这个图片中是两个细胞的模型，植物细胞和动物细胞，其中包含了许许多多的结构，细胞核、各种细胞器，每个结构都有着自己

的功能，其他不能替代，彼此之间又互相影响互相需要，少了任何一个结构，细胞都不能继续工作。

B. Cells possess a genetic program and the means to use it细胞拥有一套遗传程序以及使用它的方法

右图显示的是一个染色体，它是DNA双螺旋结合一些组蛋白和非组蛋白经过几个级别的螺旋化形成的，当细胞周期开始后，原来松散的染色质高度螺旋化，逐渐缩短变粗，成为染色体；左图是DNA与一些组蛋白和非组蛋白构成染色丝

C. Cells are capable of producing more of themselves细胞都具有自我繁殖（复制，生产）的能力

HeLa cells are cultured tumor cells isolated from a cancer patient named Henrietta Lacks in 1951. It is the first human cell to be kept in culture for long periods of time and is still used today.

Johns Hopkins univesity,in 1951

HeLa细胞是在1951年用一个名字叫做Henrietta Lacks癌症患者身体里的肿瘤细胞不断培养继代得到的，它是第一个人类细胞持续使用体外培养方式保存了数十年，并且至今仍在被用于研究。这些细胞都是在体外进行增殖继代培养的，并不是在体内，也就表示细胞自身具有增殖的能力。

D. Cells acquire and utilize energy细胞拥有获取能量的能力

Developing and maintaining complexity requires the constant input of energy。复杂的生命体要不断发育和维持要求不断输入能量。

All of the energy required by life on the earth’s surface arrives in the form of electromagnetic radiation from the sun. light energy is converted by photosynthesis into chemical energy that is restored in energy-rich carbohydrates. 地球表面所有生命体所需要的能量都是来自于太阳辐射的电磁能。光能通过光合作用转化为化学能以能量丰富的碳水化合物储存起来。首先植物

通过光合作用将光能转化为化学能储藏，这个过程就是通过细胞那的叶绿体完成，在被动物食用，通过细胞吸收转化的能量。 F. Cells are able to response to stimuli细胞能对刺激产生反应

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.植物或动物体内的细胞对于刺激的反应激烈程度要显著低于单细胞动物。但是他们是有反应的，他们拥有感应器官（体）能在特定情况下与外界环境产生互动反应。例如，细胞表面的某种受体能够识别荷尔蒙和对应的生长因子。

G. Cells engage in numerous mechanical activities细胞参与众多有机制的机体活动，原因也就在于细胞是机体的组成者，机体每一部分的结构与功能单位。

Cells are sites of bustling activity. Materials are transported from place to place, structure are assembled and then rapidly disassembled, and, in many cases, the entire cell moves itself from one site to another.细胞是活跃复杂活动的部位。物质由一个地方运到另一个地方，组织装配然后又迅速解散，在众多的事例里，都显示是整个细胞将他们自己由一个部位移到另一个部位。细胞内部和细胞与细胞之间是不断在进行活动的，例如细胞内的一些细胞器上的部位会在特定信号刺激下产生反应，开启或者闭合；红细胞会在血管里流动，结合或释放氧分子

Fibroblast moves over the surface of culture dish. 整个图片显示的就是纤维组织母细胞培养皿表明上移动

H. Cells are capable of self-regulation细胞由自我的能耐 Ordered state requires constant regulation. If failure of a cell to correct a mistake when it duplicates its DNA may result in a debilitating mutation.

有序的系统需要不断的调整。如果一个细胞在他复制DNA的时候没能纠正错误（即出错），那么很有可能导致衰退突变。

3.The Size of Cells细胞大小

a）diameter 直径

一般说来，真核细胞的体积大于原核细胞，卵细胞大于体细胞。大多数动植物细胞直径一般在20~30μm间。鸵鸟的卵黄直径可达5cm，支原体仅0.1μm，人的坐骨神经细胞可长达1m。

表3-1 几种细胞的大小

名称 人卵 m）

b)Measured in units of 单位尺度换算 micrometers: 1um=10-6 meter nanometers: 1nm=10-9 meter

c) Cell size is limited:同种细胞的大小是一定的范围内的， nucleus/cytoplasm ratio;核质比 surface area/volume ratio;面积与体积比

下面这张图显示了一些物质形态的机体在大小上的比较

原子——分子——生物大分子（lipid脂质分子，蛋白质大分子）——类菌质体——线粒体——细菌——细胞核——真核细胞——青蛙卵——鸡蛋——某些长的神经和肌肉细胞——人类 4. The chemical basis of cell细胞的基本生化知识点 Water 70%水含量

Biological molecules: 26%生物大分子含量 Inorganic and others: 4% 无机物等其他共含

细胞的主要成分有碳水化合物,脂类,蛋白质,核酸,水和无机盐

(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.

口腔上皮肝细红细变形伤寒菌 肺炎球细胞 胞 20 胞 7 虫 100 菌 2.4x0.5 0.2x0.1 大小（μ120 75 食物储存多糖 在植物中为淀粉(a white,tasteless,solid carbohydrate found in the seeds,tubers,and other partsof plants.有直链amyloses和支链amylopectin之分);在动物中为糖元glycogen(an orderless, white powder constituting the principal carbohydrate stored in animal cells).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(cell coat),与识别和黏着等有关,动物细胞表面的抗原(antigen),血型(blood group)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—acetylmuramic acid),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(amphipathic Lipid),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.动物细胞膜的主要磷脂为脑磷脂(cephalin)和卵磷脂(lecithin)[any of a group of yellow-brown fatty substances,occuring in animal and plant tissues and egg yolk,used in foods,cosmetics,etc.].在细菌细胞膜,叶绿体和线粒体膜中还有一种心磷脂(cardion lipin).

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:①Small polar ②Large polar

③Intermediate potarity ④Small nonpolar ⑤Large nonpolar 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(Colinear translation)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(pleated sheet structure),如纤维蛋白,蚕丝的丝心蛋白.α-螺旋型(α-helix structure):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DNA donble helix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臵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melting temperature用Tm表示.G. C多者(即三H)Tm高,A-T多者Tm低,AT / G C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DNA donble helix,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.

PCR技术实际上就是应用了这门技术。PCR：聚合酶链反应(Polymerase Chain Reaction ,PCR)是80年代中期发展起来的体外核酸扩增技术。能在一个试管内将所要研究 的目的基因或某一DNA片段于数小时内扩增至十万乃至百万倍,使肉眼能直接观察和判断；可从一根毛发、一滴血、甚至一个细胞中扩增出足量的DNA供分析研 究和检测鉴定。

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(molecular hybridization techniques),用这种方法可对转录RNA的对应基因进行研究. 重链H(A G多者)与轻链L(A T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.

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Cytochrome oxidase的组分之一. Zn

出现在

Carbonnic anhydrase(碳酸酐酶),lactic

dehydrogenase(乳酸脱氢酶)和glutamate dehydrogenase(谷氨酸脱氢酶)中. 一般来说，K+比Na+多,K+含量保持稳定,而Na+则变化很大.

5. Two fundamentally different classes of cells: Prokaryotes and eukaryotes两种根本上不同的细胞：原核细胞和真核细胞 * Prokaryotic and eukaryotic cells are distinguished by the size and the types of internal structures or organelles, esp. nuclear envelope.从细胞内部结构的大小和特征或者某些细胞器的有无来区分原核与真核细胞，例如核被膜的有无。

* Prokaryotes are represented by the various forms of bacteria, they arose 3.5 billion years ago;多种多样的细菌是原核细胞生物的典型存在形式，它们出现35亿年前。

* Protists, fungi, plants, and animals are eukaryotes, arose 1.5 billion years ago.一些单细胞生物，菌类，一切植物和动物都是真核细胞生物，出现在15亿年前 图片显示的是一种蓝细菌

The world’s most ancient known life. A 3.5 billion-year-old cast of a filamentous cyanobacterium from western Austria它是已知的世界上最古老的生命体，换言之就是最早出现的原核细胞之一，最早出现的细胞之一。它来自澳大利亚西部，是一种有着35亿年高龄的丝状蓝细菌。*Prokaryotic and eukaryotic cells display many basic differences as well as similarities. 原核与真核细胞之间既有着许多不同点，也有许多相类似的地方。

*The similarities reflect the fact that eukaryotic cells almost certainly evolved from prokaryote ancestors这些相类似的地方也成了真核细胞是由原核细胞发展进化而来的证据。就这一点而言，我们刚刚说的两类细胞的出现时间也是证据之一，从考古学得出原核细胞是在35亿年前就出现了，而真核细胞则是在15亿年前才出现的。 5.1 Similarity 相同点Both types of cells share an identical genetic language, a common set of metabolic pathway, and many common structural features, such as plasma membrane.两种细胞

都有着相同的基因表达方式，相同的代谢路径，以及许多相似的结构特征，比如细胞质膜。

5.2 Characteristics that distinguish prokaryotic and eukaryotic cells二者之间的不同点

A. Complexity: Prokaryotes are relatively simple, eukaryotes are more complex in structure and function复杂程度：原核细胞相对而言十分简单，而真核细胞在结构和功能上要复杂得多。 下面这张图片上有植物动物以及一种蓝细菌的细胞模型，很明显我们可以看到：首先从大小上来说，原核要小于真核，且小很多，表面上的原因可以从第二个不同处来说，真核细胞里有许许多多的内部结构及各种细胞器，分别负责不同的功能，而原核细胞里就相对来说要少的多。

而这样的大小差异还有着更深层的决定因素，下面我们来给大家具体谈谈：

我们知道细胞是生物体最基本的结构与功能单位,它要进行生命活动必须具备三大基本条件,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,细胞便能生活,表现出各种生命现象. 细胞大小 下限可能决定于能安臵最低数目和大小的必要细胞组分,使细胞存活的最小体积,上限决定于细胞核能控制细胞质的程度.

对于原核细胞来说，它们的内部基本上就只存在执行上述三大基本功能的结构，DNA是遗传信息载体，有细胞膜以及一些光合片层及菌色素等结构。而对于真核细胞来说，它们的内部有这那么多纷繁复杂的结构，那么自然需要有相应的空间去安臵，另外研究表明，即使最小的真核细胞，它所含的遗传信息量也比最复杂的原核细胞的信息量多出许多，所以真核细胞一般比原核细胞大也就不言而喻了。

然而，原核生物在地球上的分布广度与对生态环境的适应性远比真核生物大得多，这是否能说明一个问题，越是简单的构成，其生存适应能力反而越强。

下面这张图显示的是电镜下所拍摄的一种细菌细胞及一种真核动物细胞

首先看原核细胞上的一些结构，我们可以看到环状DNA分子链（遗传物质是一条不与或极少与组蛋白结合的环状双螺旋脱氧核糖核酸（DNA）丝，不构成染色体（有的原核生物在其主基因组外还有更小的能进出细胞的质粒DNA）比真核细胞的DNA结构要简单的多） Septum隔膜，这是在细胞是细胞膜内陷形成的膜类结构 Nucleoid拟核，也叫核区组织，也就是说它并不是真正意义上的细胞核，只是遗传物质所在区域。正常情况下，一个细菌细胞内只有一个核区，在细菌处于生长增殖状态时，由于DNA分子复制次数与细胞次数并不同步，所以一个细菌细胞内可能同时存在几个DNA分子，即往往出现几个核区组织。

Mesosome中膜体，又叫做间体或者质膜体，也是由细胞膜内陷形成，能扩大质膜表面积，提高代谢效率，有拟线粒体Chondroid之称，此外还可能与DNA的复制有关。

Pveriplasmic space周质空间，质体与胞壁间的间隙

再看动物细胞的结构，有数十种的细胞器，例如细胞核，核膜，细胞膜，lysosome（溶酶体），peroxisome（过氧化物酶体，动物细胞中的微体），高尔基体，粗面内质网，等等，那么它们的功能就不多作介绍，在前面的动物学中应该都已经介绍过了。

B. Genetic material: All cells store their hereditary info in same liner chemical code (DNA)遗传物质：所有细胞都将它们的遗传信息储存在DNA链上，有着化学结构编码的链装结构

a. Prokaryotes have a nucleoid region whereas ekukaryotes have a membrane-bound nucleus. 原核细胞有一个核区，而真核细胞则拥有一个包着核被膜的细胞核

b. Eukaryotes have many chromosomes that are made of DNA and protein whereas prokaryotes have a single ,“naked” DNA chromosome

真核细胞有许多染色体，它们由DNA链结合蛋白质组成，而原核细胞只有一条简单的裸露的DNA环状丝

这张图片上显示的是一个典型细菌的电子显微照片及模式图 很明显它的DNA分子链只是在一个区域分布，而其周围并没有任何膜结构

c. Most Eukaryotes have several orders of magnitude more genetic material than prokaryotes, although the simplest eukaryotic cell is only slight more DNA (4.6mm in yeast encoding 6200

proteins)

than

the

most

complex

prokaryote

(bacteria:0.25-3.0 mm.)大多数真核细胞都比原核细胞拥有更多的遗传物质，即便是最简单的真核细胞的DNA（4.6mm，大约能编码6200种蛋白质），也比最复杂的原核细胞的含量多一些，（细菌的DNA长度在0.25-3.0mm之间）。

C. cytoplasmic organoids细胞质中的结构组织

Eukaryotes have membrane-bound organelles and cytoskeletal proteins; prokaryotes have neither. 真核细胞有膜包裹的细胞器以及细胞骨架系统而原核则没有

Both have ribosomes, but they differ in size: those of prokaryotic cells are smaller and contain fewer components二者都有核糖体，但是大小却不同：原核细胞中的核糖体要小一些且组分更少，更简单。

D. Cellular reproduction细胞繁殖

Eukaryotes divide by mitosis; prokaryotes divide by simple fission.真核细胞以有丝方式进行细胞繁殖，原核则是以简单的无丝方式进行。（无丝又称为直接，由R. Remark（1841）首次发现于鸡胚血细胞。表现为细胞核伸长，从中部缢缩，然后细胞质，其间不涉及纺锤体形成及染色体变化，故称为无丝。无丝不仅发现于原核生物，同时也发现于高等动植物，如植物的胚

乳细胞、动物的胎膜，间充组织及肌肉细胞等等。有丝又称为间接，由W. Fleming (1882)年首次发现于动物及E. Strasburger（1880）年发现于植物。特点是有纺锤体染色体出现，子染色体被平均分配到子细胞，这种方式普遍见于高等动植物。） E. Locomotion细胞运动

Eukaryotic cells possess a variety of complex locomotion mechanism, whereas those of prokaryotes are quite simple, usually being accomplished by cilia and flagella; certain eukaryotes, including protists and sperms, also have flagella, but they differ in both form and mechanism from prokaryotic flagella.真核细胞拥有一系列复杂的运动机制，我们在前面的内容中也简单提到过，例如成纤维细胞在培养皿上的移动。而原核细胞则非常简单，一般通过纤毛及鞭毛来完成；有些真核细胞包括单细胞生物及精子细胞，也有鞭毛，但它们在外形和结构上是完全不同于原核细胞生物的鞭毛，原核细胞的鞭毛是由几条螺旋或平行的称为鞭毛蛋白的弹性蛋白构成，没有类似真核细胞的复杂微管结构。

下面这张图上左边是原核细胞的鞭毛，右边是真核细胞的鞭毛结构图 大家可以看到原核细胞的鞭毛结构十分简单，只有一条蛋白丝，而真核细胞的鞭毛上却有这复杂的微管组织（9＋2模式）

6. Types of Prokaryotic Cells: Two Subkingdoms原核细胞的两个典型，也可称之为原核生物的两个属或亚门

Tree of life has three primary branches. 生命树有三个最初的分支

Prokaryotes are divided into two major groups:原核生物被分成两个主要的组系：

A. Subkingdom Archaea (or aechaeacteria)古核细胞（古核细菌） B. Subkingdom Bacteria (eubacteria)细菌（真细菌）

从整个树形图上我们可以看出古细菌与真核生物的进化关系似乎更近一些。事实上，古核生物细胞的形态结构与遗传结构装臵和原核细胞相似，但有些分子进化特征更接近真核细胞。这张图还指出，现在这三种分支的生物之间存在的几乎是唯一的一个共同点就是它

们的核糖体RNA上仍有某些相同的序列。同时也体现出万物皆有共同的祖先。

6.1 Bacteria 真细菌

Apart from archaebacteria, all other type are classified in the domain bacteria.除了古细菌外，其他类型的细菌都划归为真细菌。

A. This domain includes the smallest living cells, the mycoplasma (0.2um diameter), which are also the only prokaryotes lacking cell wall.这一领域包括世界上最简单的细胞——支原体（直径0.2um），它也是唯一一个没有细胞壁的原核细胞。

Most Bacteria and Archaea have 1000-4000 genes大多数真细菌和古细菌含有约1000—4000个基因

The smallest known cells---the Mycoplasma目前所知的最小细胞是支原体

0.1～0.3μm;直径在0.1～0.3μm之间

smallest genome: 482 genes, minimal essential gene：256拥有最小的基因组：482个基因，而一般认为生命体所需的最基本基因数是256个

B. Bacteria are present in every conceivable habitat on earth, from the permanent ice shelf of the antarctic to the driest African deserts, to the internal confine of plants and animals. Bacteria have even been found living in rock layers situated several kilometers beneath the earth’s surface真细菌存在于地球上任何一个你可以想象的到的空间，从南极冰架到非洲沙漠，然而地球上的动植物生存空间却是限定在一个很小的空间。细菌甚至可以生活在距离地球表面几千米深的岩石层中。可见细菌分布的广泛性，虽然目前与真核生物的种类相比，已发现的原核生物种类虽不甚多，但其生态分布却极其广泛，生理性能也极其庞杂。有的种类能在饱和的盐溶液中生活；有的却只能在蒸馏水中生存；有的能在0℃下繁殖；有的却以70℃ 最适温度；有的是完全的无机化能营养菌，以二氧化碳为唯一碳源；有的却只能在活细胞内生存。在行光

合作用的原核生物中，有的放氧，有的不放氧；有的能在PH为10以上的环境中生存，有的只能在PH为1 左右的环境中生活；有的只能在充足供应氧气的环境中生存，而另外一些细菌却对氧的毒害作用极其敏感。有的可利用无机态氮，有的却需要有机氮才能生长；还有的能利用分子态氮作为唯一的氮源等。

C. The most complex prokaryotes are the cyanobacteria. 最复杂的原核生物就是蓝藻

Cyanobacteria contain elaborate arrays of cytoplasmic membrane, which is similar to the synthetic membranes present in chloroplasts of plant cells and serve as sites of photosynthesis蓝藻的细胞质膜拥有一些复杂功能装臵，类似于植物细胞内发挥光合作用的叶绿体，这些称之为光合片层的结构可以提供蓝藻进行光合作用的能力。

Many cyanobacteria are capable of not only of photosynthesis, but also of nitrogen fixation, the conversion of N2 gas into reduced forms of nitrogen (NH3) that can be used by cells in the synthesis of nitrogen-containing organic compounds, including amino acid and nucleotides.许多蓝藻不仅有光合作用的能力，还拥有固氮的能力，将氮气转化为NH3的形式，NH3将被用于细胞合成一些含氮有机化合物的合成原料，包括氨基酸和核苷酸。

6.2 Archae古细菌

Archae includes several groups of organisms. The best known Archaea are species that live in extremely inhospitable environments, and are often referred to “extremophile” .古细菌包括几个组系的生命有机体，最为人们所熟知的古细菌是一类生活在极为恶劣环境中的我们称之为‚嗜极菌”，例如 嗜酸生物：最适生长pH值小于等于3。 嗜碱生物：最适生长pH值大于等于9。 嗜盐生物：需要最少0.2M盐浓度生活的生物。

耐金属生物：可以忍受高浓度重金属，如铜、镉、砷、锌的生物。 寡养生物：在营养物浓度很低的环境中生活的生物。好氧生物：需要氧气维持生活。

微好氧生物：需要较低氧气分压生活的生物。 厌氧生物：需要缺氧环境维持生活。 石内生物：生活在巖石内部的生物。

石下生物：生活在沙漠地区或极地巖石之下的生物。 嗜压生物：最适生长于高压环境的生物。 嗜冷生物：生活在15℃或者更低温度下的生物。 嗜热生物：可以在60~80℃下生活的生物。 耐旱生物：只需要少量水分就能生活的生物。 耐辐射生物：可以忍受高强度辐射的生物

这类嗜极生物是可以﹝或者需要）在‚极端‛环境中生长繁殖的生物，通常为单细胞生物。‚极端‛环境的定义是人类中心论的，而对这些生物本身而言，这些环境却是很普通的。也就是说，严格来讲，这些‚极端环境‛是一些生物可以生存的地方，不论人类认为这些地方是普通的还是极端的。举例来说，人可以被分类为嗜温好氧生物。 这里有一个观点需要陈述的是并不是所有的嗜极生物都是古细菌一派的，还有少数存在于真细菌甚至是真核生物中，例如嗜冷的恐蠊（昆虫）和南极磷虾（甲壳类）就属于嗜极后生动物

*Included among the Archaea are the methanogens(capable of converting CO2 and H2 into CH4); the halophiles(living in salty environ); acidophiles(living at a pH as low as 0); and thermophiles(living at very high temperature)除嗜极菌外，古细菌包括一些功能菌例如产甲烷菌（能将CO2 and H2 into CH4） 7. Two fundamental classes of eukaryotic cells: animal cells and plant cells两种真核生物细胞：动物细胞和植物细胞

图片显示的是一个真核细胞的部分结构，大家可以看到溶酶体（lysosome）、细胞膜、高尔基体、细胞核、光滑内质网、线粒体、chromatin染色质、核仁

7.1 Fundamental components基本组成

Three basic structural systems:三大基本组成 A. Endomembrane 细胞内膜系统 B. Genetic systems遗传装臵系统 C. Cytoskeleton细胞骨架系统

7.2 Two main classes of eukaryotic cells: animal cells and plant cells两种真核生物细胞：动物细胞和植物细胞

左图显示的是动物细胞，右图显示的是植物细胞 Comparison of animal and plant cell两者之间的比较 Cell wall细胞壁 Vacuole液泡 Chloroplast 叶绿体

细胞壁和叶绿体是一般植物细胞有而一般动物细胞所没有的，植物细胞的液泡大，几乎占了细胞的大部分位臵，而绝大多数动物细胞都没有这项结构即便有也是十分细小且位臵不固定的。

下面的图中画了三种细胞，动物细胞是成纤维细胞，这是一种穿行于结缔组织中的细胞，植物细胞是典型的幼嫩叶肉细胞，原核细胞是芽孢杆菌。显示出三种细胞间的异同。

8. The origin of eukaryotic cells真核细胞起源

Endosymbiont theory, our earliest ancestors were presumed to have been anaerobic heterotropic cell. And at some stage of evolution, a large, anaerobic, heterotrophic prokaryote ingested a small, aerobic prokaryote.(step1)

内共生学说，这个学说认为，真核细胞是通过若干不同种类的原核细胞生物结合共生而造成的，这些共生的原核生物与宿主细胞建立了紧密的相互依存的关系，同时在复制和遗传上建立了统一的协调的体系，这样的共生的组合就成为真核生物的祖先。

我们最早的祖先被推测为是一种厌氧细胞，经过几段时期的进化后，一个大的厌氧的原核细胞吸收了一个小的需氧的原核细胞。然后这个小的需氧细胞在厌氧的大细胞内并逐渐演变成原线粒体，大细胞繁殖后其子代细胞必然会有携带原线粒体的小细胞，接着再不断地演化成为今天的拥有现代线粒体动植物细胞。

最早提出内生说的是A. F. Schimper，他在1883年发现绿藻和高等植物的叶绿体能够自行繁殖，并发现它们在形态上与自由生活的蓝藻很相似，从而提出质体来自寄生的蓝藻的假说。所谓内共生，就是指一种较大的细胞把另一种较小的细胞“吞吃”到细胞里面，但并不把小细胞消化掉，而是与其建立起一种互惠的共生关系，即大细胞利用小细胞的某种功能，从中得益，小细胞则利用大细胞提供的环境与食物，得以更好地生存。建立内共生关系的大细胞与小细胞可以是同一类的细胞，但在更多的情况下是不同类的细胞。内共生的例子在现代生物界还是有不少的。有真核细胞共生于其他种类的真核细胞的情况，如许多种单细胞的绿藻、甲藻和硅藻可以共生于高等植物、真菌、其他藻类以及脊椎动物和无脊椎动物的细胞中。此外，也有原核细胞共生于真核细胞的情况。例如，蓝藻可以共生在真菌、变形虫、鞭毛虫以及已失去叶绿体的绿藻的细胞中，蓝藻可以进行光合作用，为宿主提供一定的养分；细菌也可以共生在真核生物的细胞中，在不少昆虫的特殊细胞中，就有正常共生的细菌，这些细菌对于宿主来说往往是有重要生理意义的；特别有意思的是，一种巨大的（大小有2至3毫米）池沼多核变形虫的细胞中并没有线粒体，但却有一些需氧的胞内共生细菌，这些细菌实际上是起到了线粒体的作用。

细胞器官的内共生起源学说就是根据自然界中比较普遍地存在着细胞内共生这一现象，认为一些细胞器官也是通过细胞内共生的过程而起源的。设想一种较大的单细胞生物“吞吃”了另一种较小的单细胞生物，两者首先建立起内共生的关系，然后在细胞进化的过程中，被“吞吃”的小细胞逐步高度特化，不能再在细胞外长期生存，从而就成为了细胞内的一种具有专门功能的细胞器官。由于建立内共生关系的那两种生物原来是生存而且在进化上是有共同祖先的，只不过在建立内共生关系后，被“吞吃”的那一种发展为细胞器官，从属于“吞吃”它的那种生物细胞，所以简单概括起来，内共生学说其实就是“本是同根生，相吞成主仆”。

9. Model organisms 模式生物（所谓模式生物通常指人们研究生命现象过程中长期、反复作为研究材料的物种，如，果蝇、线虫、拟南芥等。人们在对这些物种的形态、解剖、生理、生化、细胞及遗传进

行全面分析和归纳的基础上，把它们作为典范，将对其研究得出的规律，推演到相关的生物物种中，从而加快了对其他各种生物的研究）

Living organisms are highly diverse, and the results obtained from a particular exp. As a result, the cell and molecular biologists have focused their research on a small number of representative or model organisms. Analysis may depend on the species being studied.生命体是多种多样的，种类可以以指数级来断定。因此细胞和分子生物学家们都将他们的研究集中在一小部分典型和模式生物。研究分析的依据都是来自于正在被研究的物种。

我们知道这地球上的生物有成千上万种，有许多生物根据进化学、分类学等学科的研究结果，将各种生物划归到各自的界门纲目科属种中去，对于研究者来说，那么有着各种各样的，使得他们不能一一研究所有的物种，于是学者们选择每个物种的代表来研究，这样可以推测出相近物种的特性。

Five model systems representing a wide range of eukaryotes have captured most of attentions: 代表广大真核生物的五种模式系统吸引了大多数的关注：

a. Budding yeast, Saccharomyces cerevisiae;酿酒酵母 b. Mustard plant, Arabidopsis thaliana;拟南芥 c. Nematode, Caenorhabditis elegans; 秀丽线虫 d. Fruit fly, Drosophila melanogaster;黑腹果蝇 e. Mouse, Mus musculus小家鼠

人们对于这五种生物的研究可以说是全方位的，并且也从中获益匪浅。

酿酒酵母是第一个完成基因组测序的真核生物，在基因组序列信息研究上取得了重大的进展，并且成为后基因组研究的主要模式材料，在基因功能、转录组、蛋白质组等方面获得了许多重要的成果，为高等生物，以及人基因组的研究提供了很好的借鉴，并为深入认识酵母以及生命的进化提供了基本的信息。

拟南芥作为模式植物广泛用于植物生命科学研究。2000 年完成了拟南芥的全基因组测序工作，通过测序获得的拟南芥基因组核苷酸序列全部公布在互联网上，有力地推动了植物生命科学研究向前发展。科学家提出的‚2010 计划‛旨在通过全世界植物科学家的努力，到2010 年能够尽可能多地了解拟南芥基因的功能。通过拟南芥研究所获得的信息将有助于人类对控制不同植物复杂生命活动机制的认识。

在1873 年，Braun 报道了他在柏林郊外发现的一种拟南芥突变体，这可能是拟南芥研究历史中所发表的最早一项在分类学之外的研究工作。他当时所发现的这个突变体极有可能就是植物科学研究领域中为人们所熟知的A G A M O U S ( AG ) 基因的突变体，这个基因是花发育A B C 模型中的C 类基因。Meyerowitz 实验室于1990 年报道了对AG 基因的克隆[2]。之后，另一个值得注意的工作是Laibach 在1907年首次报道的对拟南芥染色体的研究并最终确定了拟南芥具有5 条染色体。Laibach 于1943 年详细阐述了拟南芥作为模式生物的优点，并在他之后的工作中大力推动了对拟南芥的研究。在Laibach和其他一些科学家的共同努力下，促成了1965年在德国哥廷根召开的第一届国际拟南芥会议。现在，这个会议已发展成国际拟南芥研究的一项科学盛事[3]，每年举办一次，2007 年在我国首都北京召开。

20 世纪80 年代，分子生物学技术的迅猛发展，给植物科学研究带来了巨大的机遇。1986 年，Meyerowitz实验室首次报道了对拟南芥中一个基因的克隆[4]。同年，Horsch实验室报道了根癌农杆菌介导的T-DNA 对拟南芥进行的遗传转化。1988 年，Meyerowitz实验室发表了拟南芥基因组的首个RFLP 图谱[5] 。在之后的几年中，相继报道了T-DNA 插入突变基因的克隆、基于基因组图谱的基因克隆[6~8]。这些突破使人们逐渐认识到拟南芥作为实验材料对植物生命进行探索的价值。

作为模式生物，拟南芥为我们提供了一个契机。与动物相比，植物不能移动，因此植物的生长发育与环境的联系更为密切，它既需要不断地感受并适应外界的变化，同时又必须保持内部代谢的平衡和稳

定，在某种程度上植物具有更为复杂的信号整合网络。在人们认识了一些基本的途径以及找到了这些途径中的元件之后，利用拟南芥这样的模式系统，将能够更快、更完整地了解植物生命过程的奥秘，造福于人类。

1963年,英国的Brenner发现秀丽隐杆线虫成虫细胞数量不多,功能也不复杂,身体透明,可以在显微镜下观察细胞的过程,是研究发育生物学和神经生物学理想的模型动物[1]。

1974年，Brenner发现用乙基甲烷磺酸盐可诱导秀丽隐杆线虫特异的基因突变［$］。这种将基因分析与在显微镜下观察细胞相结合的研究方法引发了Brenner等在这一领域的一系列重大发现，并成为后来的许多相关发现的基础。

目前，秀丽隐杆线虫几乎应用到从胚胎发育学到老年学等各个生物学研究领域， 其中最杰出的成果是，Brenner等对器官发育及程序性细胞死亡基因机制的研究，因此获得了2002年度诺贝尔生理学或医学奖。

2003年8月初，利用‚Pubmed‛生物医学数据库检索‚Celegons\"，查到相关论文2篇。根据网上检索的资料估计，全世界有近200家研究机构，正在利用秀丽隐杆线虫进行科学研究。黑腹果蝇是遗传学研究的模式系统动物小家鼠是大家比较熟悉的，那么对它的研究也是数不胜数，可以说从宏观到微观，它都参与到了，实验室的小白鼠啊！

图片显示从左到右：拟南芥、秀丽线虫、小家鼠 10. Viruses病毒

By the end of 19s, the work of Louis Pasteur and others had convinced that the infectious diseases of plants and animals were due to presence of bacteria. But studies of tobacco mosaic disease soon pointed to the existence of another types of infectious agent.19世纪末，Louis Pasteur 以及其他一些学者认为动植物中的一些传染病是因为细菌的出现造成的。但是烟草花叶病的研究很快指出是其他类型的传染介质致病。伊凡诺夫斯基（D．I．Iwanowski）于12年首次证明了这个病害是由滤过性病原体即病毒所引起的。也就是我们现在所熟知的烟草花叶病毒 tobacco

mosaic virus 缩写TMV，是烟草花叶病等的病原体，属于Tobamovirus群。烟草花叶病和番茄花叶病早有研究为一般大众所了解。患病后植物的叶上出现花叶、叶片畸形和植株矮缩。病叶厚薄不均，叶色浓淡不匀、畸形皱缩。这种病毒病很容易通过汁液摩擦而传染。在疏苗、移植、中耕，特别是打顶去芽等各项农事操作中，借人手和工具的接触，就可以传播病害。

Investigators concluded that certain were caused by pathogens that were even smaller, and presumably simpler, than the smaller bacteria. They named these pathogens viruses.研究者推测，致病的物质是源自一些比小细菌更小更简单的病原体。他们称之为病毒

In 1935, Wendell Stanley crystallized the virus responsible for TM disease and the crystals were infective.1935年，Wendell Stanley将导致烟草花叶病的病毒结晶化并从叶片中分离出来，这些结晶体是极具传染性的。斯坦利（W．M．Stanley）认为病原体是蛋白质并于1935年首先从病叶榨汁中分离到病毒状结晶，后来又了解到这个蛋白质还含有核酸，并肯定病原就是这个病毒。

TMV is a rod-shaped particle consisting of a single molecule of RNA surrounded by a helical shell composed of protein subunits.烟草花叶病毒是一种棒状病毒微粒，一个微小颗粒就是一个病毒，是由蛋白亚基组成的螺旋状外壳包裹RNA链形成的。

该病毒极其稳定，在病叶内能大量地增殖，所以从1升病叶榨汁中可提纯2克结晶。病毒质粒是长300毫微米、直径15毫微米的棒状体，有一条分子量为2×106道尔顿的单链RNA。核酸被2130个分子量为17530道尔顿的蛋白质亚基所包裹。作为病原体的寄主范围是很广的，现已知对单子叶植物22科中的198种植物具有寄生性。

下面两张图，前者是烟草花叶病毒的外形，接着是其在电镜下的照片，我们可以看到它由蛋白质外壳和核酸链组成

Viruses are responsible for dozens of human diseases, including AIDS, polio, influenza, measles and a few types of

cancers病毒也是许多人类疾病的致病原因，包括AIDS，小儿麻痹症，流行性感冒，麻疹，以及一小部分癌症

10.1 shapes: viruses occur in a wide variety of very different shapes, sizes and constructions形状：病毒有着成千上万中不同的形状，大小和构造

这张图上的三种病毒：A是一种能引起呼吸系统感染的腺病毒B是艾滋病病毒，C是一种T偶数噬菌体，需要注意的是这张图上所画的病毒的大小并不在统一的标尺下画的，也就是说它们的大小比例不是现在所看到的这样。

10.2 viral composition and structure病毒的组成和结构

Outside of a living cell, the virus exists as a particle or virion. Virion contains a small amount of genetic material that can be singl-stranded or double-stranded, RNA or DNA.病毒并不属于细胞范畴，它通常是以病毒微粒的形式存在，病毒粒子包括少量的遗传物质，它们可能呈单链也可能呈双链，可能是RNA，也可能是DNA。

Some viruses have as few as 3 or 4 genes, but others may have as many as several hundreds一些病毒可能只有3－4个基因，而另一些则可能由上百个。

下面这张图上显示的是几种不同类型的病毒基因组模式，最小的病毒只含有很少量的基因，只有一个RNA或DNA基因组；最大的病毒则含有上百个基因，并且一般是双链DNA的基因组模式，举几个简单的例子：单链RNA——烟草花叶病毒，R17型噬菌体，小儿麻痹病毒；双链RNA——理奥病毒，是respiratory-enteric-orphan病毒之简写，它通常会合并其他一些疾病造成问题。例如病毒性关节炎，肠炎等等；单链DNA——细小病毒；单链环状DNA——M13和X174型噬菌体；双链环状DNA——SV40和多瘤病毒；双链DNA——T4噬菌体，疱疹病毒；终端由蛋白质以共价键连接的双链DNA——痘病毒。这种独特的末端结构（同环形）可以解决一些病毒基因组的DNA链末端核苷酸分子的复制困难这一问题。

The genetic material of the virion is surrounded by a protein capsule or capsid, which is generally made up of a specific number of subunits.病毒粒子的遗传物质通常是由一层蛋白质壳包裹着，这层壳一般是由一系列亚基组成。

Many viruses have a capsid whose subunits are organized into a polyhedron, as such adenovirus许多病毒壳体上的亚基大多以多面体的构型组成壳体，例如腺病毒

Each virus has a protein on its surface that is able to bind to particular surface component of host cell, which determines the specificity of virus.每种病毒的表面都有一类蛋白质，它们可以附着到宿主细胞表面特定的区域，这也决定了病毒的专一性。

Most viruses have a narrow host range, though so me viruses have a wide host range大多数病毒所能侵害的宿主范围都是很窄的，然而也有些病毒有着广泛的宿主范围。也就是说大多数的病毒都具有侵染的专一性，比如一种病毒只能侵染一种或几种细胞，而有些病毒却能侵染众多的细胞。

*Change in host specificity can have a dramatic consequences. 改变宿主专一性这一特征将会带来巨大的影响。

*The worst influenza epidemic came in 1918, when a strain referred to Spanish influenza virus was responsible for death of more than 20 million people worldwide.1918年出现了一次最严重的流行性感冒，这种被称之为西班牙流行性感冒病毒的菌株导致了全世界超过2000万人的死亡。

*Studies suggest that it was bale to infect a wide variety of cells in addition to those of respiratory tract.研究指出，这种病毒除了侵染呼吸道细胞外还可以侵染众多其他类型的细胞。

10.3 viral reproduction病毒复制

*Virions, by themselves, are unable to reproduce, metabolize, or carry out any of activities associated with life. For this reason, viruses are not considered to be organisms.

病毒粒子本身并不能进行复制，代谢或执行一些与生命活动相关的行为，正因为如此，病毒就不被认为是生命体。

*However, once it attach to a host cell, it can change the activities of host cells尽管如此，一旦它进入到一个宿主细胞后，它就能改变宿主细胞的各种活动。

The genetic material of virus contains the necessary information to alter the activities of host cell. When invading into a host cell, virus can behave in two way:病毒的遗传物质包含改变宿主细胞活动的必要信息

(1)arrests the normal activities of host and redirect host cell’s synthesis;阻止宿主细胞进行正常的生命活动，然后改变宿主细胞组织结构

(2)inserts or integrates its DNA into the DNA of host cell将它自己的DNA插入或整合进宿主细胞的DNA链中

这张图显示的就是病毒侵染宿主细胞的一种较为普遍的路径，首先病毒随即附着到细胞膜上，当病毒表面的识别结构与敏感细胞表面的受体结合即发生了特异性的吸附，病毒就可以被细胞以主动吞饮的方式进入宿主，在蛋白水解酶的作用下，病毒壳体裂解释放出壳内遗传物质，RNA以本身作为模板进行复制，利用宿主的代谢系统翻译出‚早期蛋白‛，它们可以抑制宿主遗传物质复制，并提供酶催化自身，利用宿主内的材料不断复制新的RNA分子，再利用早期蛋白提供的蛋白质外壳重新组装成新的病毒粒子，再以出芽的方式放出宿主细胞体外。

下面这个图是电镜下被病毒侵染的细胞照片，左边细胞内的那些黑点就是细胞内组装好的新病毒，右边显示了病毒以出芽方式放出细胞体外，继续侵染其他的细胞。

10.4 Viroids

In 1971, T.O. Diener of the US department of agriculture reported that potato spindle-tuber disease is caused by an agent consisting of a mall circular RNA that totally lacks a protein coat and named it a viroid. 1971年美国农业部的T.O.

Diener研究报告指出马铃薯纺锤块茎类病毒是一种没有蛋白质壳体包裹仅由一条环状RNA链形成的类病毒。

RNAs of viroids range in size from 200 to 600 nucleotides, a tenth the size of the smaller viruses类病毒RNA长约200到600个核苷酸，只有一些小病毒的十分之一大小。

10.5 prion朊病毒，是一类蛋白酶传染性因子（蛋白酶感染性初级子,蛋白感染素）

In 1982, Stanley Prusiner of Uni. Of Calfronia suggested that , unlike viruses, the agent responsible for CJD lacked nucleic acid and instead was composed of solely of protein. He called the protein a prion.1982年Calfronia 大学的Stanley提及非病毒，以CJD为代表的一类缺少核酸物质仅由蛋白质组成的粒子，他称它们为朊病毒

*The prion protein was soon shown to be encoded by a gene (PRNP) within cell’s chromosomes. The gene is expressed within normal brain tissue and encode a protein called PrPc. A modified version of the protein (PrPsc) is present in brain of human with CJD.这种朊病毒很快被发现是由细胞染色体内的一种基因——PRNP编码的。这种基因是在正常的脑组织内表达编码出一种叫做PrPc的蛋白质。在人脑内经修饰后成为PrPsc蛋白，包含了CJD粒子。

*Unlike normal PrPc, PrPsc accumulates within nerve cells, forming aggregates that kill the cells 不同于正常的PrPc蛋白质，PrPsc蛋白质累积在神经细胞上，累积到一定程度时就会杀死这些细胞。

10.6 Viral origins病毒起源

a)Viruses had to arise after their hosts evolved;病毒出现在它们的宿主细胞出现之后

b)Viruses probably arose as fragments of host chromosomes.病毒可能是由宿主细胞染色体上的一些碎片形成的。

第三章 细胞生物学研究方法

Chapter 3 Techniques in Cell Biology 第一节 显微技术

利用光学系统或电子光学系统设备，观察肉眼所不能分辨的微小物体形态结构及其特性的技术。包括：①各种显微镜的基本原理、操作和应用的技术；②显微镜样品的制备技术；③观察结果的记录、分析和处理的技术。

细胞生物学的建立和发展得益于光学显微镜的发明；

在介绍细胞生物学发展简史的时候我们就提过，细胞的发现与显微镜的发明是紧密相连的，没有显微镜就不可能有细胞学的发展，那么延伸下去讲很可能也就没有我们今天正在学习的细胞生物学了。前面也提到过，第一台显微镜就是1604年荷兰的眼镜商詹森父子发明的，其放大倍数不超过10倍，当然，在当时一定是以可见光作为光源，属于光学显微镜。发展至今，现代最先进的光学显微镜的分辨率已经可以达到0.2μm的级别了。

电子显微镜的发明使对细胞结构和功能的研究达到了新的水平。 1934年由M.诺尔和E.鲁斯卡在柏林制造成功第一台实用的透射电子显微镜。其成象原理和光学显微镜相似，不同的是它用电子束作为照射源,用电子透镜代替玻璃透镜,整个系统在高真空中工作。由于电子波长很短，所以分辨率大大提高。在电镜制作的实验阶段就曾尝试观察生物材料。1934年布鲁塞尔大学的L.马顿在美国就发表过用锇酸固定的茅膏菜植物叶子切面的电镜图。1949年A.克劳德、K.R.波特和E.皮克尔斯获得了第一张细胞超显微结构的电镜图。到20世纪50年代，透射电子显微镜在生物学的研究中已被广泛的应用。分辨率已由最初的500埃提高到小于2埃。

50年代扫描电子显微镜在英国首先制造成功。它是利用物体反射的电子来成象的，相当于光学显微镜的反射象。扫描电子显微镜景深大,放大倍率连续可变,特别适用于研究微小物体的立体形态和表面的微观结构。70年代以来，扫描电镜发展很快，在固体样品上可反射多种电子，结合信号分析装臵，已成为研究物质表面结构的有力工具。目前扫描电镜的分辨率已由最初的 500埃提高至50～30埃。

电子显微镜的另一个发展是研制超高压电镜以增加分辨率和对原样品的穿透力。制成了 3兆伏的加速电压的超高压电镜，可用来研究整体细胞和物质的分子结构象或原子结构象。

光学显微镜与电子显微镜的主要差别在所使用的光源不同，但分辨率却相差非常大：

光学显微镜的最大分辨率：0.2μm 电子显微镜的分辨率：0.2nm

这里需要提出来的一点就是光学显微镜的光源并不仅仅是我们通常知道的普通可见光，那么还包括有紫外光、红外光、激光等等。而电镜的照明源则是电子束。照明源的不同是导致光镜和电镜间分辨率有巨大差异的最主要原因。关于分辨率我们下面会稍详细地介绍。一、显微镜的成像原理

所有类型的显微镜，镜像的形成都需要3个基本要素： 1、照明系统； 2、被观察的物品； 3、聚焦成像的透镜系统

由照明系统激发出光或者是其他照明物质落到被测样品上，一并通过透镜系统成像。那么至于透镜是如何成像的，我想大家在初高中学习物理的时候就已经了解了，在这里就不多说了。

照明系统的波长是显微镜成像的重要因素，因为波长能决定被检测物体的最小极限，波长越长，波幅的跨度就越大，所能观察到物体的极限就越大，不是说波长越大就能看清越小的物体，相反是波长越小分辨率才越高

1、分辨率（Resolution）

是指能分辨出相邻两个物点间的最小距离的能力。

一般规定：显微镜或人眼在25cm明视距离处，能清楚分辨被检物体细微结构最小间隔的能力，称分辨率，以‚R‛作简写。我们书本上是用‚D‛来表示，这里的D可能是Distance的意思，也就是认为它是最小距离的意思

分辨力可用公式计算：R=0.61λ /N.A. N.A.＝ｎsinα式中： λ =波长；n=介质折射率；α=镜口角（标本

对物镜镜口张角的1/2），N.A.=镜口率（numeric aperture）又叫数值孔径，一般在物镜的镜筒上都有相应的标示，用来反应该镜头分辨力的大小，其数字越大，表示分辨率越高。镜口角总是要小于90˚，sin α 的最大值小于1。无论是书本上还是我们这里的公式，最终的计算结果都是一样的。

下面这张图显示的是显微镜的光路系统，照明源将光投射到样品上，再由透过样品或从样品转射的光通过透镜系统在另一端汇聚成像。 这张表显示的是不同光源或者叫做照明源的波长 2、最大分辨率

从公式上就可以看出， R值越小，分辨率越高，即需要波长λ尽可能地小，和镜口率N.A.尽可能大。 可见光中以蓝光波长最短， λ=450nm；

目前最好的玻璃透镜的α=70 Ά ， sin α =0.94; 空气的折射率n≈1； 所以光镜的最大分辨率：

R=450/1*0.94=292nm=0.3μm 3、分辨极限与放大率

显微镜的最大分辨率即是它的分辨极限，也就是显微镜在最佳的观察条件下的分辨本领。使用最短波长光作照射源，用最好的玻璃制作透镜（使得镜口角达到最大），在介质相对折射率最小的介质中进行观察等等。而在实际情况下，由于各种条件的往往使得显微镜的分辨能力达不到其分辨极限。

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=物镜的放大率*目镜放大率

放大率受分辨极限的。一般，光学显微镜的最大放大率只能是数值孔镜（N.A.）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。 二、光学显微镜

（一）、普通双目显微镜 *照明系统：可见光源

*光学放大系统：由物镜和目镜组成，都是由玻璃透镜组构成；在物镜上方装有4个棱镜，使物镜的光线平分为两路到达目镜，原因就在于双目观察，需要讲光分成两分进入两个目镜，这也是为什么双目显微镜的亮度要比单筒的暗。

* 机械和支架系统：保证光学系统的准确配制和灵活 2、倒臵显微镜

组成和普通显微镜一样，只不过物镜与照明系统颠倒，普通显微镜在载物台之下，倒臵显微镜在载物台之上，用于观察培养的活细胞，具有相差物镜。我们知道活细胞一般不便于做化学处理，而相差物镜利用样品中的密度差别造成的色度反差成像就使得不必要对样品进行染色处理。这种相差成像的原理我们会在后面的相差显微镜中再进行讲述。

大家看下面这个仪器就是倒臵显微镜，在我们的实验室中也有，大家可以看到它的载物台要比一般的显微镜大，那么这也是为了便于放臵承载活细胞或组织的培养皿等器物，这也就是它的照明系统与光学系统倒过来的原因之一，为了扩大载物台。下周的实验课我会带大家逐一认识。

3、暗视野显微镜（dark field microscope）

聚光镜有挡光片，使照明光线不直接进入物镜，只允许被标本反射和衍射的光线进入物镜，因而视野的背景是黑的，物体的边缘是亮的。

能观察 4~200nm的微粒子，分辨率可比普通显微镜高50倍。

下面这张图显示的就是暗视野显微镜的光路系统，光线经过挡光板遮挡后，只有一些散余的光学进入聚光器，之后这些余光照射到stage上的样品标本，标本遇光发生反射或散射，散射的光线投入物镜内，成像。

在日常生活中，室内飞扬的微粒灰尘是不易被看见的，但在暗的房间中若有一束光线从门缝斜射进来，灰尘便粒粒可见了，这是光学上的丁达尔现象。暗视野显微镜就是利用此原理设计的。它的结构特点主要是使用遮光板或暗视野聚光器，使光源的光束被阻挡．不能由下而上地通过标本进入物镜，只有少数散光被聚光器集中

倾斜地照射在观察的标本上，标本遇光发生反射或散射，一些很少的散射光线投入物镜内，在暗视野中所观察到的是被检物体的衍射光图像．并非物体的本身，所以只能看到物体的存在和运动，不能辨清物体的细微结构。但被检物体为非均质时，并大于1／2波长，则各级衍射光线同时进入物镜，在某种程度上可观察物体的构造。一般暗视野显微镜虽看不清物体的细微结构，但却可分辨0.004um以上的微粒的存在和运动，这是普通显微镜(最大的分辨力为0.2um)所不具有的特性，可用以观察活细胞的结构和细胞内微粒的运动等。 4、荧光显微镜

是对能发荧光的物质进行定性和定量研究的工具。它是目前在光镜水平上对特异性的蛋白质等生物大分子定性定位最有力的工具。利用荧光显微镜的技术包括免疫荧光技术和荧光素直接标记技术。 细胞中有些物质如叶绿素等，受紫外线照射后可发荧光； 有些物质本身虽不能发荧光，但用荧光染料染色，紫外线照射也发荧光。

某些物质在一定短波长的光（如紫外光）的照射下吸收光能进入激发态，从激发态回到基态时，就能在极短的时间内放射出比照射光波长更长的光（如可见光），这种光就称为荧光。若停止供能，荧光现象立即停止。有些生物体内的物质受激发光照射后，可直接发出荧光（称为自发荧光），如叶绿素的火红色荧光。有的生物材料本身不发荧光，但它吸收荧光染料后同样也能发出荧光（称为间接荧光），如叶绿体吸附吖啶橙后可发橘红色荧光本实验利用荧光显微镜对发荧光的叶绿体进行观察。

荧光显微镜中只有激发的荧光可以成像，因为产生激发光的光全被样品和照相机之间的滤光片吸收了。 荧光显微镜和普通显微镜区别：

1、照明方式通常为落射式，即光源通过物镜投射于样品上；而一般普通显微镜则是光先照到样品再进入物镜。

2、光源为紫外光，波长较短，分辨力高于普通显微镜；

3、有两个特殊的滤光片，光源前的用以滤除可见光，目镜和物镜之间的用于滤除紫外线，用以保护人目。

我们看下面这张图上显示的光路系统：首先照射光通过第一层滤光片，只容波长在450－490间的蓝色光通过，蓝色光照到分解光镜上，分解光镜可以反射低于510nm的光而传送高于510nm的光，这样也就使得蓝光被反射到下面的物镜上，继而落射到样品上，样品被激发出的荧光又通过透镜到达分解光镜，此时的荧光已经是属于波长大于510nm的可见光，于是这些可见光就可以穿过分解光镜，进入到第二层滤光片，再经过目镜的二次放大成像。

再看这张图片是一张显示纤维细胞的荧光显微镜照片（微管呈绿色、微丝红色、核蓝色），各个部分不同的颜色是由于各个部位结构不同，吸附荧光染料的分量也就不同，因而所能激发出的荧光波长不同也就显示出不同的颜色。

5、激光共聚焦扫描显微境（laser confocal scanning microscope） *用激光作光源，逐点、逐行、逐面扫描成像，激光与荧光收集共用一个物镜，物镜的焦点即扫描激光的聚焦点，也是瞬时成像的物点。 *调焦一次，扫描在样品一个平面。调焦深度不一时，可获样品不同层次图像，经计算机模拟，能显示样品的立体结构。 *激光波长短，光束细，分辨率是光镜的3倍。

激光共聚焦扫描显微镜既可以用于观察细胞形态，也可以用于细胞内生化成分的定量分析、光密度统计以及细胞形态的测量。

下面来看几张图片，第一张是就是激光共聚焦扫描显微镜仪器图，第二张是它的光路图也就是工作原理图，我们来看，激光器发出的激光束经过小孔，经双色镜（分解光镜）反射后，通过物镜汇聚到样品的某一个焦点上，样品中的荧光物质在激光的激发下发射沿各个方向的荧光，一部分荧光经过物镜汇聚成像，再通过共焦小孔，由检测器接收。通过调整焦点（这里的焦点指的是穿过物镜的光在样品上的焦点）以获得样品不同焦平面的图象，最后由计算机叠加构成样品的三维结构图。

第三张图是一张激光共聚焦扫描图片，蓝色为细胞核，绿色为微管。

第四张图是用普通显微镜与激光共聚焦扫描显微镜观察同一个原肠胚胎细胞结构，可以很明显的看到分辨率的差别。

6、相差显微镜（phase-contrast microscope）

由Zernike于1932年发明，并因此获1953年诺贝尔物理奖。 最大的特点是可以观察未经染色的标本和活细胞。 基本原理：

把透过标本的可见光的光程差变成振幅差，从而提高了各种结构间的对比度，使结构变得清晰可见。

光线透过标本后发生折射，偏离了原来的光路，同时被延迟了1/4λ，如再增加或减少1/4λ，则光程差变为1/2λ，两束光合轴后干涉加强，振幅增大或减小，提高反差。

光波有振幅（亮度）、波长（颜色）及相位(指在某一时间上光的波动所能达到的位臵)的不同。当光通过染色标本时，因标本的亮度和颜色在不同部位不同，也就是说发生变化，人们的眼睛才能观察到波长和振幅的变化，这就是普通显微镜下能够观察到染色标本的道理。而活细胞和未经染色的生物标本，细胞只是各部微细结构的折射率和厚度略有不同，即各部分密度稍微不同，光波通过时，波长和振幅并不发生变化，仅相位有变化(相应发生的差异即相差)，而这种微小的变化，人眼是无法加以鉴别的，故在普通显微镜下难以观察到。相差显微镜能够改变直射光或衍射光的相位，并且利用光的衍射和干涉现象，把相差变成振幅差(明暗差)，同时它还吸收部分直射光线，以增大其明暗的反差。因此可用以观察活细胞或未染色标本。构造上，相差显微镜不同于光镜之处：1、环形光阑（annular diaphragm） 位于光源与聚光器之间，使透过聚光器的光线形成空心光锥，焦聚到标本上。2、相位板（annular phaseplate）在物镜中加了涂有氟化镁的相位板，可将直射光或衍射光的相位推迟1/4λ。

它实际上起到夸大相位差的作用，使得明暗差更明显。那么这里就涉及到一个光线叠加或抵消的干涉现象的知识。下面这张图表示的就是光线干涉效应，当两束光是同相的，那么结果就是起到光叠加增强光亮的效果，相反，如果不同相，那么就会产生相互抵消使得光亮减弱，正是因为这个原理，使得落在不同密度区域的两束光有的叠加有的则抵消，于是就形成了明暗差。相位板的夸大更强化了明暗差别，从而表现出肉眼可见的明暗区别图象。

Figure 3-2. Interference between light waves. When two light waves combine in phase, the amplitude of the resultant wave is larger and the brightness is increased. Two light waves that are out of phase partially cancel each other and produce a wave whose amplitude, and therefore brightness, is decreased.

下面这个照片就是几个活细菌在相差显微镜下的照片。 7、微分干涉显微镜（differential-interference microscope）

1952年，Nomarski在相差显微镜原理的基础上发明。

优点是能显示结构的三维立体投影影像。与相差显微镜相比，标本可略厚，折射率差别更大，故影像立体感更强。

微分干涉显微镜用的是偏振光，这些光经棱镜折射后分成两束，最初两束光相位一致，在穿过标本相邻的区域后，由于标本的厚度和折射率不同，引起了两束光发生了光程差。也就转化为明暗区别了，增强了样品反差并具有很强的立体感。

DIC显微镜使细胞的结构，特别是一些较大的细胞器，如核、线粒体等，立体感特别强，适合于显微操作。目前像基因注入、核移植、转基因等的显微操作常在这种显微镜下进行。 二、电子显微镜

光学显微镜受照射光波长的，在可见光下其分辨极限只有0.2nm，即使在紫外光下，最大分辨率也只有0.1nm，要观察更精细的结构，只有借助分辨率更高的电子显微镜。

（一）透射电子显微镜(transmission electron microscope，TEM)

•Ruska 1932年发明。

•以电子束为光源，波长比可见光和紫外光短得多。且电子束的波长

与发射电子束的电压平方根成反比。也就是说这些电子束的波长是可以随时改变的，改变电压即能改变电子束波长，随时改变电镜的分辨率。

•最大分辨率达0.2nm。

下面这张就是电镜的仪器图，我们实验室现在也有一台，型号也是最新的。 1、透射电镜的结构

由5部分组成：

1、电子照明系统：电子；位于镜筒最上端

2、真空系统：用真空泵和油扩散泵获得高真空；真空腔就在镜筒以及一些腔室包括样品室、观察室、照相室等等，另外就负责制造真空的附属仪器，真空泵和油扩散泵等等。

3、电磁透镜成像系统：规范电子的行为；在镜筒内和镜筒周边部位 4、记录系统：用荧光屏观察影像，用照相系统记录影象； 5、电源系统：提供高压稳压。电镜主机外围设备

下面这张图片显示的普通显微镜与电镜的光路系统，我们书本上也有这张比较图，比较发现其实它们的光路工作系统是基本上相同的，虽然它们的基本原理和构造完全不同。 2、电镜制样技术

我们书本上提及了电镜的分辨率与分辨本领，指出分辨本领是电镜处于最佳状态下的分辨率，电镜的分辨本领可以达到0.2nm，而实际上却不能达到，其中生物制样技术就是其极大的因素之一，也是最主要的因子。说白了也就是目前的技术不可能将样品在保持完好无损的状态下切到近乎0的厚度，即便是未来的若干年也不一定能达到，那么只有不断发展以寻求更好的技术，而不是强求最好的。 （1）超薄切片技术

这张图显示的超薄切片技术流程，实际操作起来实际上远不如这么几个步骤这样简单，每一步都必须谨慎细心，错一步兴许就完全失败。书上有。

由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度约50nm左右的超薄切片。这种切片需要用超薄切片机（ultramicrotome）制作。

我们的书本上已经将每一步都进行了解说，固定是为了保持观察样品的真实性，目前用的较多的是锇酸等固定剂；包埋是为了样品中各种细微结构在切片过程中都得到均匀良好的支撑，使得切成的超薄切片仍能保持连续完整并有足够的强度，并能耐受干燥以及观察时的电子轰击、高温和真空挥发；对于完成如此薄的切片工作，普通的金属刀片是不行的，一般使用玻璃刀或钻石刀，因为这种刀的切口更光

滑，不易发生卷刃的情况；染色，一般使用重金属盐染色。原因在于重金属的原子对电子束形成散射，从而提高图象的反差。

莱卡超薄切片机的切片机部分。

copper grid used to support the thin sections of a specimen in the transmission electron microscope. 铜网是用于支撑超薄切片制成电镜样品的用具，铜网上附着有碳膜或塑料膜以支撑样品，尤其是一些液体样品。

Two common chemical fixatives used for electron microscopy. The two reactive aldehyde groups of glutaraldehyde enable it to cross-link various types of molecules, forming covalent bonds between them. Osmium tetroxide is reduced by many organic compounds with which it forms cross-linked complexes. It is especially useful for fixing cell membranes, since it reacts with the C=C double bonds present in many fatty acids. 这张图上显示的是两种最常用的固定剂：戊二醛和锇酸的分子结构图，戊二醛可以使得不同类型的分子交联形成共价键。锇酸可以在组织间形成众多复杂的交联共价键，尤其适用于细胞膜的固定，原因就在于C=C双键将许多脂肪酸连接起来。

锇酸是一种强氧化剂，与氮原子有较强的亲和力，因而对于细胞结构中的蛋白质成分有良好的固定作用。它还能与不饱和脂肪酸反应使脂肪得以固定。此外，四氧化锇还能固定脂蛋白，使生物膜结构的主要成分磷脂蛋白稳定。它还能与变性DNA以及核蛋白反应，但不能固定天然DNA、RNA及糖原。四氧化锇固定剂有强烈的电子染色作用，用它固定的样品图象反差较好。

戊二醛 (glutaraldehyde C5H8O2)，戊二醛的优点是对糖原、糖蛋白、微管、内质网和细胞基质等有较好的固定作用，对组织和细胞的穿透力比四氧化锇强，还能保存某些酶的活力，长时间的固定(几周甚至1～2个月)不会使组织变脆。

下面这张图就是一个植物细胞的电镜照片，可以很清楚的看到各类细胞器

通过观察连续切片，就可以勾画出细胞或某个细胞器的立体构象。

（2）负染色技术

负染是用重金属盐（磷钨酸、醋酸双氧铀）对铺展在载网上的样品进行染色；

吸去染料，干燥后，样品凹陷处铺了一薄层重金属盐，而凸的出地方则没有染料沉积，呈负染效果，分辨力可达1.5nm。 (3)冰冻蚀刻(freeze-etching)

样本臵-196℃液氮中冰冻。然后用冷刀骤然将标本断开，冰在真空下迅速升华，暴露出断面结构，称蚀刻。

蚀刻后，向断面喷涂一层铂和碳，加强反差和强度。再用次氯酸钠溶液消化样品，剥下碳和铂的膜，即复膜。复膜代表标本蚀刻面的形态，电镜下的影像即代表标本断面的结构。 这张图显示的是负染色技术流程

下面这张是喷铂装臵，里面是真空的环境，铂金丝在其中融化蒸发成雾，这样样品架上的样品表面就能被喷上铂金膜。

再来这个就是一张用负染色技术制作的细胞照片，我们可以看到细胞断层处的一些细胞器立体外形，尤其是一些膜类结构的外形，例如核膜以及核膜上的孔。

（二）扫描电镜（Scanning electron microscope (SEM) *问世于20世纪60年代； *用来观察标本的表面结构。

*扫描电镜的分辨力为6~10nm，最大有效放大倍率为20000X。 工作原理

*用细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与样品的表面结构有关。

*次级电子由探测器收集，转为光信号，再经光电倍增管和放大器转为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示扫描图像。图像为立体，显示标本表面结构。

图片上显示的是扫描电镜的工作原理图，

为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，要喷涂上一层重金属微粒，重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号。

这张图是人类血细胞的扫描图，大家可以看到细胞清晰的立体的表面形态，但是内里的结构是看不到的。

再来是培养中的小鼠成纤维细胞扫描照片

接着这是普通光学显微镜、透射电镜、扫描电镜三者的光路图我们可以看到它们之间的一些相同和不同的地方。

对于扫描电镜来说虽然它提供的是样品表面的信息，但是操作简单，制片要求不如透射电镜高，而分辨率远超过光镜，故它仍然是实验室里重要的分析仪器。

三、扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope,STM) Binnig等1981年发明，根据量子力学原理中的隧道效应而设计。

简单的讲就是，在阻碍物一边平动的粒子，当动能小于阻碍物高度时，按经典力学，粒子是不可能穿过阻碍物的。对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率穿过阻碍物，实际也正是如此，这种现象称为隧道效应。

Binnig等因此获得1986年诺贝尔物理学奖。 （一）工作原理

当原子尺度的针尖在不到一纳米的高度扫描样品时，此处电子云重叠，外加2mV~2V电压，针尖与样品之间产生隧道效应而有电子逸出，形成隧道电流。电流强度和针尖与样品间的距离有函数关系。 样品表面原子凹凸不平，使探针与物质表面间的距离不断改变，致电流改变。将改变的电流图像化即可显示出原子水平的形态。 （二）主要特点

1、分辨率高，横向为0.1~0.2nm，纵向可达0.001nm； 2、可在固态、液态和气态下进行观察； 3、非破坏性观察。 四、原子力显微镜

(atomic force microscope, AFM) * Binning在STM基础上发明。 * 特点：不要求样品是导电体。

原理：针尖安装在灵敏的悬臂上，当针尖原子与样品表面原子间的原子力变化时，悬臂发生偏移，通过激光可测出，并扫描出原子水平的结构图像。

第二节 细胞分离技术

要对细胞的各个成分进行分析，那么首先我们需要将它们单独分离出来，于是就需要有相应的技术支持。 一、离心技术

离心是研究各种细胞器和大分子基本手段。 高速离心机：转速为10~25Kr/min；

超速离心机：转速超过25Kr/min，离心力大于Kｇ。 (一)差速离心(differential centrifugation)

*在密度均一的介质中由低速到高速逐级离心，分离不同大小的细胞和细胞器。

*差速离心中细胞器沉降的顺序：核、线粒体、溶酶体与过氧化物酶体、内质网与高基体、核糖体。 速度逐渐提高，样品按大小先后沉淀

那么通过这种手段我们就可以逐级的收集我们所需要的成分。 (二)密度梯度离心(density gradient centrifugation) 1、速度沉降:用于分离密度相近而大小不等的细胞或细胞器。 2、等密度沉降:适用于分离密度不等的颗粒。

这张图上，A图就是速度沉降，将要分离的细胞组分铺放在溶液表面，这种溶液是形成密度梯度的高溶解性的惰性物质溶液，各组分由于各自的大小、形状等不同就会以不同的沉降速率沉降，形成了不同的沉降带，于是我们就可以用取样器逐层取收集了；B图是等密度沉降，将样品与溶液混匀，成为等密度的混合液，经离心后，低密度组分将在高密度组分之上。

二、细胞电泳(cell electrophoresis)

*一定pH下，细胞表面带正或负电，可在外加电场下发生泳动。 *各种细胞带电量不同(ξ电位)，（ξ读作‚可赛）在一定电场中的泳动速度不同。通过测定电泳速度可推算出细胞的ξ电位。

*ξ电位常因细胞生理和病理状态而异，在诊断疾病上有一定价值。

实际上电泳目前还在分子生物学等领域应用十分的广泛，它已经是生物学的基本研究技术之一了。这个我们以后学习到相关的知识时再做具体介绍。

第三节 细胞组分分析方法

揭示细胞内生物大分子物质的功能及其相互间的关系。 一、细胞化学技术

利用染色剂可同细胞的某种成分发生反应而着色的原理，对某种成分进行定性或定位研究。

能显示蛋白质、核酸、酶、糖类、脂类、无机物等。 1、Schiff反应

细胞中的醛基可使Schiff试剂中的无色品红变为红色。常用于显示糖和脱氧核糖核酸（Feulgen反应）。

DNA经过弱酸水解，其上的嘌呤碱基和脱氧核糖之间的键打开，使得脱氧核糖的一端形成游离的醛基，这些醛基在原位与Schiff试剂（无色品红亚硫酸溶液）反应，形成紫红色的化合物，使得细胞内含有DNA的部位呈紫红色的阳性反应。 2、金属沉淀法

利用金属化合物在反应过程中生成有色沉淀，借以辨认所检查的物质或酶活性。如磷酸酶分解磷酸酯底物后，反应产物最终生成CoS或PbS有色沉淀，而显示出酶活性。

所谓显示酶活性就是指酶成功催化了反应

Electron micrograph of a cell showing the location of a particular enzyme (nucleotide diphosphatase) in the Golgi apparatus. A thin section of the cell was incubated with a substrate that formed an electron-dense precipitate upon reaction with the enzyme

这张细胞的电镜照片显示的是一种在高尔基体中的特殊酶——二磷酸核苷酶的位臵，细胞的超薄切片显现出这种酶催化反应后形成的高密度沉淀状产物。

3、脂染色法：借苏丹染料溶于脂类而使脂类显色。 4、茚三酮反应：显示蛋白质。

5、联苯胺反应：过氧化物酶分解H202。产生新生氧，后者再将无色的联苯胺氧化成联苯胺蓝，变成棕色化合物。

以上这些都是利用一些化学试剂的特异性反应结果来使得人们对相应的细胞内的化学组分进行定位和定性的研究。 二、免疫细胞化学 （immunocytochemistry）

*根据免疫学原理，利用抗体同抗原特异性结合，对抗原进行定位。 *将抗体结合上标记物，再与组织中的抗原反应，可在光镜或电镜下显示出该抗原存在于细胞或组织中的部位。

很明显，这是细胞生物学与免疫学结合研究的技术。

1、免疫荧光法(immunofluorescent technique)，采用荧光素（异硫氰酸酯、罗丹明）标记。

将荧光色素同抗原或抗体结合，然后使其与组织切片或细胞涂片标本中各个相对应的抗体或抗原结合，用荧光显微镜检查其定位的方法。由于此法是孔斯（A．H．Coons）和卡普兰（M．H．Kaplan，1950）所创用的。因此又称为孔斯法（Co-on’s method）。免疫荧光法有直接法和间接法（sa-ndwich法）。直接法依靠荧光抗体与抗原或荧光抗原同抗体的结合；与此相反，间接法首先使抗原（抗体）结合相对应的抗体（抗原），然后让那种抗体（抗原）与相对应的荧光抗原（抗体）结合。间接法比直接法能增大荧光量，检出敏度亦佳，应用范围广。

2、酶标免疫法(enzyme-labeled antibody method)，采用酶（辣根过氧化物酶）标记，酶与底物反应后形成不透明的沉积物，显示出抗原存在的部位。

对于酶标免疫法来说其产物甚至可以在普通显微镜下观察 3、免疫电镜技术：用重金属标记，如胶体金

对于免疫电镜技术来说，它包括免疫铁蛋白技术、免疫酶标技术和免疫胶体金技术，由于胶体金本身的诸多优势，使得免疫胶体金技术越来越受到研究者的青睐。免疫电镜照片：抗体用胶体金颗粒标记. 显示胰岛素分泌细胞中胰岛素的存在部位和方式。

Secretory vesicle分泌泡囊 lysosome 溶酶体dense core致密中心

三、放射自显影术(radioautography)

*用于研究被标记化合物在组织和细胞中的分布及动态。

*原理：将放射性同位素(14C和3H)标记的化合物导入生物体内，将标本制成切片，涂上卤化银乳胶，经放射性曝光，使乳胶感光。经显影显示黑色银颗粒，即可知标本中标记物的位臵和数量。

在生物学研究中，常用的放射性同位素主要是能量低、射程短、电离作用强β的射线如3H，14C，32P，35S，125I，45Ca，等或其它化合物。例如将

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I注入体内可观察碘在甲状腺内的碘化部位及过程;又如把

H标记的胸腺嘧啶苷或氨基酸注入体内，可以研究细胞内DNA合成及

蛋白质合成及其代谢过程。还可对标本中银颗粒数目进行定量分析；也可用液体闪烁计数器对细胞或匀浆的放射强度进行定量研究。 *这种技术与电镜结合，则为电镜放射自显影术。

下面这张图显示了放射自显影技术的操作流程，首先是在含放射性同位素的培养基中培养细胞，使得同位素标记的生物大分子前体进入到细胞中——清洗和固定细胞——脱水后用蜡或者塑料物质包埋制作细胞切片——将切片固定在载玻片上——将它们放入液体乳胶中，这一步要在暗室中操作（因为其中还有溴化银这类感光物质）——将处理后的载玻片放在暗盒中自显影数天——观察到标记了同位素的部位就是细胞中银颗粒所在的位臵 四、分子杂交技术(molecular hybridization)

互补的核苷酸序列通过Walson-Crick碱基配对形成稳定的杂合双链分子DNA分子的过程称为杂交。

* 是在DNA分子变性和复性基础上发展起来的一种技术。

* 原理：具互补核苷酸序列的两条单链核苷酸分子，适宜条件下，可结合形成DNA-DNA，DNA-RNA或 RNA-RNA杂交的双链分子。

核酸分子单链之间有互补的碱基顺序，通过碱基对之间非共价键（主要是氢键）的形成即出现稳定的双链区，这是核酸分子杂交的基础。杂交分子的形成并不要求两条单链的碱基顺序完全互补，所以不同来源的核酸单链只要彼此之间有一定程度的互补顺序（即某种程度

的同源性）就可以形成杂交双链。分子杂交可在DNA与DNA、RNA与RNA或RNA与DNA的二条单链之间进行。由于DNA一般都以双链形式存在，因此在进行分子杂交时，应先将双链DNA分子解聚成为单链，这一过程称为变性，一般通过加热或提高pH值来实现。使单链聚合双链的过程称为退火或复性。用分子杂交进行定性或定量分析的最有效方法是将一种核酸单链用同位素或非同位素标记成为探针，再与另一种核酸单链进行分子杂交。这样杂交以后干什么呢？我们知道杂交过程是高度特异性的,可以根据所使用的探针已知序列就可以进行特异性的靶序列检测。也就是说我们就可以确定特殊核苷酸序列在染色体上或者在细胞中的位臵了。

核酸分子杂交具有很高的灵敏度和高度的特异性,因而该技术在分子生物学领域中已广泛地使用于克隆基因的筛选、酶切图谱的制作、基因组中特定基因序列的定性、定量检测和疾病的诊断等方面。因而它不仅在分子生物学领域中具有广泛地应用,而且在临床诊断上的应用也日趋增多。

* 可测定单链核苷酸间序列有否互补。

下面简单介绍两种最常用的杂交技术 (一)原位杂交(in situ hybridization)

用来检测染色体上的特殊DNA序列。

原位杂交能在成分复杂的组织中进行单一细胞的研究而不受同一组织中其他成分的影响，因此对于那些细胞数量少且散在于其他组织中的细胞内DNA或RNA研究更为方便；同时由于原位杂交不需要从组织中提取核酸，直接对细胞进行操作，对于组织中含量极低的靶序列有极高的敏感性，并可完整地保持组织与细胞的形态，更能准确地反映出组织细胞的相互关系及功能状态。 1、带放射性DNA探针；使用同位素标记 2、免疫探针法，使用胶体金标记

这是其中两种方法，实际上是用两种探针

这张图显示的是用同位素标记的探针与染色体上相应部位结合后放射自显影显现出与其互补序列的位臵。我们可以看到几乎都是在端粒的位臵。

（二）Southern杂交

Southern 杂交是分子生物学的经典实验方法。其基本原理是将待检测的DNA样品固定在固相载体上，与标记的核酸探针进行杂交，在与探针有同源序列的固相DNA的位臵上显示出杂交信号。通过Southern杂交可以判断被检测的DNA样品中是否有与探针同源的片段以及该片段的长度。

* 是体外分析特异DNA序列的方法。

* 先用性内切酶将DNA切成片段，经凝胶电泳分离后，转移到醋酸纤维薄膜上，再用标记的探针杂交，辨认出与探针互补的特殊核苷序列。

这张图显示的是Southern杂交的操作流程，首先是基因组酶切和电泳，分离出已知片段大小以及序列的DNA碎片，制作成我们所需要的探针——转膜（这是为了将凝胶上的酶切片段转导尼龙膜上）——标记探针——杂交自显影 五、定量细胞化学技术

前面讲的大多是定性定位方法，下面来讲几种对细胞内成分定量分析的方法

（一）显微分光光度测定技术

显微分光光度测定技术是利用细胞内某些物质对特异性光谱吸收的原理，用来测定这些物质如核酸与蛋白质等在每一个细胞内含量的一种实验技术。

细胞中有些成分具特定的吸收光谱，如核酸的吸收波长为260nm，蛋白质为280nm。

根据细胞成分的这种特性，可用显微分光光度计对某些成分进行定量测定。

以紫外分光光度计为例，在紫外可见光的范围内，对于一个特定的波长，吸收的程度正比于试样中该成分的浓度，因此测量光谱可以进行定性分析，而且根据吸收与已知浓度的标样的比较，还能进行定量分析。

（二）流式细胞术（flow cytometery） *对单个细胞进行分选与定量分析。

流式细胞术可以定量的测定某一细胞中的DNA、RNA或某一特异蛋白的含量，以及细胞群体中上述成分含量不同的细胞的数量，特别是它还可将某一特异染色的细胞从数以万计的细胞群体中分离出来，以及将DNA含量不同的中期染色体分离出来，本事是非常大的。 *原理：对待测成分染色或抗体标记，用鞘液的液滴包裹单个细胞，在激光束照射下，细胞发出散射光和荧光，经探测器检测，转换为电信号，依据电信号进行分选。

*所用仪器为流式细胞仪。分离纯度达99%。

第四节 细胞培养、细胞工程与显微操作技术 一、细胞培养（cell culture）

*高等生物由多细胞构成，整体条件下要研究单个细胞或某群细胞在体内的活动、功能很困难。把活细胞进行体外培养观察研，方便得多。 *细胞培养就是选用最佳生存条件对活细胞进行培养的技术。

细胞培养是当前细胞生物学乃至整个生命科学研究与生物工程中最基本的实验技术。目前细胞生物学的一些热门研究课题都与细胞培养分不开。 （一）动物细胞培养

1、群体培养(mass culture):将含一定数量细胞的悬液臵于培养瓶中，让细胞贴壁生长，汇合后形成均匀的单细胞层；

2、克隆培养(clonal culture)，将高度稀释的细胞悬液加入培养瓶中，各个细胞贴壁后，经生长增殖每个细胞形成一个细胞群落，称为克隆（clone）。

从图片上我们可以看出，群体培养形成的是一片细胞，而克隆培养则是形成一小堆一小堆的细胞群落。

原代培养 （primary culture）：从动物机体取出的进行培养的细胞群。用浓度与活性适中的胰酶或胶原酶与EDTA等将细胞连接处消化，使得细胞成为一个一个体分散开来，给予良好的营养液与无菌的培养环境，加入一定量的小牛血清，助细胞的贴壁生长与，无菌很重要，往往细菌的速度要比细胞的繁殖速度快，如果培养液中混入了细菌那么培养到最后很可能是一瓶菌液。原代培养的细胞生长

较缓慢，且繁殖一定代数后(一般10代)停止生长，需更换培养基。 传代培养（Passage）：原代细胞繁殖到一定代数了，原先的培养瓶中的养分不够了，这是它们停止生长的主要原因之一，那么这时需要更换新的培养基。于是将细胞从一个培养瓶转移到另外一个培养瓶。 （二）植物细胞培养

植物细胞培养的基础就在于细胞的全能性，这也是动物活体克隆的基础原理

1、组织培养：诱发愈伤组织，培养再生植株。

2、细胞悬浮培养：愈伤组织培养基础上发展起来。制取植物代谢产物。

3、原生质体培养：诱导分化成植株；易进行遗传转化；进行细胞融合；细胞膜包裹的那团物质就是原生质体

4、单倍体培养：花药或花粉培养获得单倍体植株，人工加倍后可得纯合个体。 单倍体是指染色体只有正常的一半，举个例子说明，我们知道人由46条染色体，23对同源染色体，拥有两套相同的染色体，单倍体就是指细胞只有一套染色体。花粉是植物的性细胞组成的，它只拥有了一套染色体，那么由它分化的细胞也只有一套的染色体，所得到的植株也就只有一半染色体，人工加倍是指采用物理或者化学处理的方法，使得单倍体植株的染色体加倍，形成两套甚至多套染色体。而这几套染色体的每一对都是完全一样的。我们知道一对同源染色体上的等位基因有可能一条上为显性而另一条上为隐性，不完全一样，这就是杂合体，而纯合体的等位基因要么都显性要么就都隐性。 这张图片上是组织培养形成的愈伤组织，愈伤组织继续分化就会形成根茎叶等等。

二、细胞工程(cell engineering)

按照人类的需要或愿望，采用工程学手段，对细胞进行遗传改造的技术。

（一）细胞融合 （cell fusion）

*通过培养和诱导，两个或多个细胞合并成一个双核或多核细胞的过程 。

*同种细胞在培养时靠在一起的2个细胞自发合并，称自发融合；异种

细胞间须经诱导才能融合，称诱发融合。 诱导细胞融合的方法

1、生物方法：仙台病毒、副流感病毒的包衣含融合蛋白，可介导病毒同宿主细胞融合，也可介导细胞与细胞融合。 2、化学方法：聚乙二醇PEG； 3、物理方法：电激和激光。

化学和物理方法可造成膜脂分子排列的改变，诱导相接触的细胞发生融合。

对于细胞融合，我们的实验室中还有专门的细胞融合仪 （二）单克隆抗体技术(monoclonal antibody)

单克隆抗体技术是基于细胞融合的基础上发展起来的，广泛应用于生物学和医学领域。如诊断各类病原体、肿瘤特异性抗原和肿瘤相关抗原的检测、机体微量成分的测定等等。

*英国科学家Kohler和Milstein 1975年创立该项技术，获1984年诺贝尔生理学奖。

*正常淋巴细胞具分泌抗体的能力，但不能在体外长期培养，瘤细胞可在体外长期培养，但不分泌抗体。两者融合后，既可无限繁殖，又可产生抗体。

（三）显微操作技术（micromanipulation）

是指在高倍复式显微镜下，利用显微操作器（micromanipulator）进行细胞或早期胚胎操作的一种方法。

显微操作技术包括细胞核移植、显微注射、嵌合体技术、胚胎移植以及显微切割等。

这张图是用于显微操作的显微镜，之前我们也提到过微分干涉显微镜，目前大多是使用这种显微镜进行

下面这个图是正在被进行显微操作的细胞，这时是在向一枚老鼠的卵细胞中注入某种物质。 第五节 遗传/基因工程

将不同来源的基因，按照人们的设计，在体外构建成杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性，获得新品种。

这张图上显示的是转基因操作的一般步骤，首先向T质粒的DNA

上插入一段外源DNA序列，再将它转入农杆菌中，再由农杆菌转染植物组织，使得新的DNA进入植物细胞，通过组织培养的方式将受感染的植物细胞培养成新的植株，就获得了转入一段外源DNA的品种。右边的图显示的是一种叫做叶圆片法转染 一、PCR技术（polymerase chain reaction）

即聚合酶链式反应技术，用于在体外将微量的目标DNA大量扩增。 反应过程：

1、变性：90℃下使DNA双链解离；

2、复性：60℃下退火，使引物与模板结合；3、延伸：升温至70℃，在引物的引导下合成模板单链的互补链，从而形成DNA双链片段。经20次循环，扩增大量目标DNA。 二、DNA克隆技术 也叫DNA重组技术 三、植物基因工程

主要步骤：植物组织培养→愈伤组织→用带目标基因的细菌感染→分化产生新植株→筛选出带目标基因的植株 四、选择性基因剔除 (gene knockout)

基因剔除鼠：用突变基因(CFTR- )构建质粒→感染来自胚囊的干细胞→筛选出感染成功的干细胞→臵入胚囊→发育成嵌合体鼠→用带CFTR- 的精子与野生鼠(CFTR + )交配→产生杂合体→经杂合体间交配产生纯合体

第四章 细胞质膜与细胞表面 学习的目的

1、掌握细胞膜的分子组成及结构模型； 2、了解细胞膜骨架及其它表面特化结构； 3、掌握细胞外基质的主要成分及其特点； 4、掌握细胞表面的主要粘着因子； 5、掌握细胞连接的主要类型及其特点； 第一节 细胞膜与细胞表面特化结构

细胞膜（cell membrane）又称质膜(Plasma membrane)，是区分细胞内部与周围环境的动态屏障，也是细胞物质交换和信息传递的通道。

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具有许多生命功能的界面,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、质膜的化学组成

主要由膜脂和膜蛋白组成，另有少量糖，以糖脂和糖蛋白形式存在。

膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。 （一）膜脂

主要有磷脂、鞘磷脂、糖脂和胆固醇。

那么这几种脂肪分子我们在第二章介绍细胞化学组分的时候已经简单的介绍过，下面我们将讲解它们具体在细胞膜组成中的特点。

1、磷脂：是构成膜脂的基本成分，占总膜脂50％以上。 结构：以甘油为骨架，结合2个脂肪酸链和1个磷酸基团，磷酸基团上再连接胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等。

特点：具1个极性头和2个非极性的尾。

从书上的图中我们也可以看到，一般来说磷脂的极性头部是朝外，而非极性尾部则是朝内的，头部亲水而尾部则疏水(由于细胞内环境和外环境中都有水，这样的分子构型使得膜的结构稳定)

下面这张图就是磷脂的分子结构，我们可以看到 Fatty acyl chains:脂肪酸链 Glycerol：甘油

Phosphocholine：磷脂酰胆碱 Phosphate：磷酸基团 Alcohol：乙醇 Choline：胆碱

我们看到蓝色分子结构区域为极性头部和黄色显示为波浪型的非极性的尾部，由两条脂肪酸链组成，而在头部为胆碱和磷酸基团共同构成磷脂酰胆碱，头尾由中间的甘油结合在一起。

以上我们介绍的是一般磷脂的分子构成，有两个非极性的尾部，但也不所有都是，线粒体内膜和某些细菌质膜上的心磷脂就具3个非极性区。

磷脂的脂肪酸碳链

多为偶数，由16，18或20个碳原子组成。

常含不饱和脂肪酸，并多为顺式，顺式不饱和脂肪酸在烃（ting）链中产生30度的弯曲。

这张图也是磷脂的分子结构图，我们可以看到由胆碱林、磷酸基团、甘油分子构成的极性头部，还有两条非极性的脂肪酸链尾部。所谓的不饱和脂肪酸是指分子结构[CH3(CH2)nCOOH]中至少含有一个碳碳双键的脂肪酸。由于含有不稳定的碳碳双键易与绝大多数物质发生化学反应所以称为“不饱和”脂肪酸。相对而言，饱和就是指原子间的共价键都是稳定单键。我们看到左边的一条都是单键，而右边的则是有一个碳碳双键，它们之间呈30度的构型也是由于各自的基团都少了一个氢原子，打个比方，两股绕在一起的绳子如果其中一股缺了一小段，再连到一起，很自然整条绳子就一定会弯。 2、鞘磷脂

以鞘胺醇为骨架，与1条脂肪酸链组成尾部，头部也与磷酸结合。 脑和神经细胞富含鞘磷脂，原核细胞和植物无鞘磷脂。 我们看这张图显示的鞘磷脂分子构型图，中间为鞘胺醇分子，左边为脂肪酸链，右边是胆碱和磷酸基团构成的头部 3、糖脂

是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，约占总膜脂的5％，神经细胞膜约占5-10％。

也是两性分子。结构与鞘磷脂相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱。

最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，只有一个半乳糖残基作极性头部；

变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。

这张图上显示的几种糖脂的结构：1. 半乳糖脑苷脂2. GM1神经节苷脂3.这是在神经节苷脂分子中的唾液酸结构

蓝色的基团都是糖残基，替代了磷脂酰胆碱成为头部，连接在鞘胺醇分子上，尾部依然是由两条脂肪酸链

神经节苷脂是神经元质膜中具特征性成分。

家族性白痴病患者就是细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂GM2 加工成GM3，GM2累积在神经细胞中，使中枢神经系统退化

人的ABO血型也是由糖脂所决定：人的血型是A型、B型、AB型还是O型，是由红细胞膜脂或膜蛋白中的糖基（也称为ABO血型抗原，ABO血型决定子）决定的。即A血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)，B血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是半乳糖(Gal)，O型则没有这两种糖基，而AB型的人则在末端同时具有这两种糖基。A血型的人具有一种酶（A酶），这种酶能够将N-乙酰半乳糖胺添加到糖链的末端；B血型的人具有在糖链末端添加半乳糖的酶（B酶），AB血型的人具有上述两种酶；O血型的人则缺少上述两种酶，在抗原的末端既无N-乙酰氨基半乳糖，又无半乳糖。 4、胆固醇

仅存在真核细胞膜上，动物细胞膜上含量高，植物细胞中含量少。 分子结构：分3部分，羟基作极性头部，非极性的类固醇环和一个碳氢链尾。

特点：分子较其它膜脂小，双亲性低。所谓双亲性是指亲水性和亲油性

我们看胆固醇的分子构型，a图是其中的类固醇环结构，右边是整个胆固醇分子，我们可以看到，它极性的羟基分子头部，中间是类固醇环，上面是一个碳氢链尾

下面这个图也是对胆固醇分子的三种勾画

胆固醇的功能主要是提高脂双层稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。我们知道胆固醇它的亲水性是低的。

一个例子，在无胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。为什么？没有了胆固醇，膜的通透性变大，稳定性降低。

下面这个图是胆固醇在脂双层分子中。 5、脂质体（liposome）

一种人工膜。在水面，磷脂分子亲水头部插入水中，疏水尾部伸向空气，搅动后形成双层脂分子的球形脂质体。

在脂质体中裹入DNA就可用于转基因，或制备的药物，利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。在脂质体内裹进药物等生物大分子，利用脂溶性药物融脂膜，使得药物进入机体内。 （二）膜蛋白

依与脂分子的结合方式，可分为： 1、整合蛋白(integral protein) 2、外周蛋白(peripheral protein)

3、脂锚定蛋白(lipid-anchored protein)。 这是三种蛋白的模式图 1、整合蛋白(integral protein)

多为跨膜蛋白（transmembrane proteins），两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。

整合蛋白可以是单次跨膜、多次跨膜、多亚基跨膜等，一般含25-50%的α螺旋。

这个图也显示的三种蛋白的图从上到下，依次是整合蛋白，外周蛋白，脂锚定蛋白。

单次跨膜蛋白：跨膜区域是右手α螺旋，二硫键和寡聚糖链都在非细胞质面。而在细胞质面，由于细胞内还原性环境，不形成二硫键

从图中也可以看到，上面是细胞外，有二硫键和寡聚糖链，而在细胞内则没有，硫原子结合了氢原子。

亲水通道的整合蛋白跨膜区域有两种组成形式：

一、由多个两性α螺旋组成亲水通道：人红细胞膜上的带3蛋白。

二、由两性β折叠组成亲水通道 ：线粒体内膜上的孔蛋白。 图中显示的就是α螺旋 整合蛋白的分离。

由于有疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂(detergent)才能从膜上洗涤下来，常用的有：

（1）离子型去垢剂SDS；

（2）非离子型去垢剂Triton-X100。

阴离子去垢剂十二烷基磺酸钠 (SDS)和非离子型去垢剂Triton X-100 的结构

下面这张图显示的是去垢剂作用前后的蛋白分子状况，去垢剂加入后与膜蛋白疏水部分结合，非极性部分

Solubilizing membrane proteins with a mild detergent. The detergent disrupts the lipid bilayer and brings the proteins into solution as protein-lipid-detergent complexes. The phospholipids in the membrane are also solubilized by the detergent. 细胞膜与去垢剂在溶液处后，使得细胞膜崩解，形成去垢剂分子与蛋白疏水部分结合的复合物，以及与膜脂分子结合的复合物 2、外周蛋白

外周蛋白是靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质或脂的亲水部分结合，因此当改变溶液离子强度或提高温度可从膜上分离。

整合蛋白和外周蛋白有时难区分，部分外周蛋白质由多亚基构成，其中有的亚基为跨膜蛋白，有的则是外周蛋白。 3、脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）

（1）是糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘着分子和引起羊瘙痒病的PrPC属这类蛋白。

（2）与插入质膜内小叶的长碳氢链结合，如三聚体GTP结合调节蛋白的α和γ亚基。 二、膜的结构模型及特点 (一)结构模型

有关膜结构的研究开始于19世纪末，10年，Overton提出了脂肪栅膜结构；

1925年，Gorter等根据Langmuir利用水盘展脂单层的技术，提出了脂双层结构；直到1935年才认识到膜蛋白的存在，并提出了膜脂和膜蛋白结构模型

图中a为脂肪栅膜结构模型，b为脂双层结构模型 1、片层结构模型

1935，Danielli 等通过测定甘油三酯在水中的表面张力，并与细胞表面张力相比较，提出了双分子片层模型或三明治模型。要点：

（1）膜骨架为脂双层；

（2）脂双层内外都有一层极薄的蛋白；

（3）蛋白质为非折叠的完全伸展的肽链；（这个观点在现在看来就是不正确的了）

（4）膜上有孔，表面也为蛋白质覆盖。 2、单位膜结构模型

1959年，Robertson通过电镜观察，发现细胞膜类似铁轨，呈暗-明-暗结构。

总厚度7.5nm，中间层3.5nm，内外两层各2nm，并推测暗层为蛋白质，透明层为脂，并建议将这种结构称为单位膜。要点：

（1） 蛋白质为单层β折叠片状，多为糖蛋白； （2）膜两侧蛋白质分布不对称。 3、流动镶嵌模型

1966年，Singer和Nicolson提出。要点：

（1）蛋白质不是伸展的片层，而是以折叠的球形镶嵌在脂双层中，呈不对称分布；

（2）膜具有一定的流动性，不是封闭的板块结构，以适应细胞各种功能的需要。

这张图就是流动镶嵌模型对细胞膜的新构型，也是目前对于细胞膜结构的公认的模型。 (二)膜的不对称性

1、膜脂的不对称性：是指在膜的两侧各类脂的含量不同。糖脂的分布呈完全不对称，只分布于膜的外小叶。

我们前面学习过，膜脂有这么几种，磷脂、鞘磷脂、糖脂和胆固醇

哺乳动物细胞质膜中存在的四种主要磷脂. 其中三种是甘油的衍生物，另一种是鞘氨醇的衍生物。黄色是磷酯酰乙醇胺，绿色是磷酯酰丝氨酸，红色是磷酯酰胆碱，棕色是鞘磷脂。

人红血细胞脂双层中磷脂和糖脂的不对称分布：黄色：磷酯酰乙醇胺，绿色：磷酯酰丝氨酸，红色：磷酯酰胆碱，棕色：鞘磷脂。兰色的六角形：糖脂。我们可以很明显看出各种膜脂在两个层面中的含量明显是不对称的。胆固醇一般认为在脂双层中均等分布。 2、膜蛋白的不对称性

膜蛋白的分布是绝对不对称的，一方面，在膜内外两侧，蛋白分布的数量不一样，同时，每种膜蛋白在膜内都有特定的排布方向。

以整合蛋白为例，它在膜内外的蛋白亚基本身就不对称。 （三）膜的流动性

1、膜流动性的表现形式 A、膜脂的运动

脂的流动是造成膜流动的主要原因，膜脂的运动主要有3种方式：这三种运动方式在我们的课本P76都有介绍

（1）侧向扩散（lateral diffusion）；扩散速度为10－8cm2/s，每秒移动2um的距离，侧向扩散产生分子间的换位，它是膜脂分子的基本运动方式，具有重要的意义。

（2）旋转（rotation），膜脂分子自身围绕轴心旋转。 （3）翻转扩散（transverse diffusion），一般极少发生，但在细胞某些膜系统上频率较高，如内质网。图中显示了三种运动方式

B、膜蛋白的运动

（1）随机移动：在整个膜上随机移动；

（2）定向移动：从膜的一端向另一端定向移动；（可能是电位变化导致）

（3）局部扩散：在局部位臵作旋转扩散和侧向扩散。

2、膜流动性的研究方法（1）人鼠细胞融合实验：使用两种颜色的荧光抗体分别标记人和鼠的细胞表面，再利用病毒处理使得二者融合，10分钟后不同颜色的荧光在细胞表面扩散，40分钟后两种荧光均匀分布在细胞表面，这就清楚的显示了与荧光抗体结合的膜蛋白在质膜上的运动。

（2）荧光漂白恢复技术 (FRAP)：P83页

（3）细胞的成斑成帽反应：P82本来均匀分布的膜蛋白，经过长时间处理后，由于膜流动性的存在就会使得一些荧光标记重新排布，聚集在某些部位，成斑。 3、影响膜流动性的因素 A、影响膜脂流动的因素： （1）温度：影响膜脂的相变；

（2）脂肪链的长度；越短膜的流动性越大 （3）脂肪酸的饱和度；不饱和程度越高流动性越大

（4）胆固醇含量。由于胆固醇的双亲性低，使得它既有与磷脂分子相结合其运动的作用，也有将磷脂分子隔开使其更易流动的作用，总的就是防止膜脂由液相变为固相保证其流动性。

Influence of cis-double bonds in hydrocarbon chains. The double bonds make it more difficult to pack the chains together and therefore make the lipid bilayer more difficult to freeze. 这张图显示的是脂肪酸链饱和度的影响，由于双键的存在使得链难以稳定，同时也似地膜脂分子难以固定。 B、蛋白质运动的因素

（1）质膜下的细胞骨架与膜蛋白结合蛋白质的移动； （2）细胞外基质的成分与膜蛋白结合了膜蛋白的移动； （3）细胞间的蛋白质相互作用了蛋白质移动；

这张图片上的例子显示，细胞膜中蛋白质侧向运动的四种方式： （A）蛋白质自身能够组成大的聚合物； （B）蛋白质与细胞外的大分子物质结合； （C）蛋白质与细胞骨架结合；

（D）蛋白质同相邻细胞上的蛋白质结合。

细胞连接也蛋白质的流动，关于细胞连接我们在后面的章节将具体介绍。

三、细胞膜的功能 1. 界膜与渗透屏障。

2. 使细胞内区室化及功能定位。 3. 为物质运输提供通道，并进行调节。 4. 含细胞外信号受体，并进行信号转导。 5. 参与细胞间的相互作用。 四、膜骨架与细胞表面特化结构

细胞膜常常与膜下结构相互联系，协同作用，并形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。细胞表面的特化结构主要包括：膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等等，分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有关。 （一）膜骨架

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态并协助质膜完成多种生理功能。

人红血细胞是研究膜结构和膜骨架理想材料

1、红细胞血影 红细胞分离——低渗溶液——红细胞吸水膨胀——红细胞破裂——内容物流出——质膜重排封闭——没有任何内容物的红细胞（血影） 2、红细胞的特性

寿命120d，一生行程500km，并要穿过直径小于自身直径一半的脾窦，经受各种瓣膜涡流的冲击。 3、红细胞膜骨架

红细胞质膜内侧一种特殊结构，是由膜蛋白与纤维蛋白组成的网架结构。

图中桔色色网状结构就是红细胞膜骨架系统 4、红细胞膜蛋白与膜骨架

SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析（根据蛋白质大小不同来将它们分开）：红细胞膜中约有15种蛋白质，参与膜骨架形成的蛋白有：

（1）血影蛋白（spectrin）；（2）血型糖蛋白 A（glycophorin A）；（3）带3蛋白（band 3 protein）；（4）锚定蛋白（ankyrin）；（5）带4.1蛋白；（6）肌动蛋白（actin）；

血影蛋白是膜骨架的基本成分，在红细胞膜中是以四聚体形式存在，每个四聚体又是由两个二聚体组成，每个二聚体进一步又是由两条反向平行的a链 and b链组成。B链上的磷酸基团是二聚体相互结合组成四聚体的部位。 5、膜骨架的形成

分三步：

（1）四聚体血影蛋白在带4.1蛋白的帮助下与肌动蛋白寡聚体结合组成膜骨架的基本网络；

（2）带4.1蛋白以静电稳定性同血型蛋白结合；

（3）锚定蛋白与带3蛋白及血影蛋白相互作用，将骨架蛋白锚定在质膜上。

Adducin 内收蛋白：由两个亚基组成的二聚体，每个红细胞约有30，000个分子。它的形态似不规则的盘状物，高5.4nm,直径12.4nm。内收蛋白可与肌动蛋白及血影蛋白复合体结合，并且通过Ca2 和钙调蛋白的作用影响骨架蛋白的稳定性，从而影响红细胞的形态。 （二）微绒毛（microvilli）

动物细胞表面伸出的细长指状突起，直径约0.1μm。长度因细胞不同。

微绒毛的内芯由肌动蛋白丝束组成，蛋白丝间由微绒毛蛋白和丝束蛋白横桥相连。

肌动蛋白丝束与质膜间有侧臂(含myosin I和钙调蛋白)相连，将肌动蛋白丝束固定。

微绒毛的存在扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交换。

小肠上的微绒毛，使细胞的表面积扩大了30倍，大大有利于大量吸收营养物质。 （三）皱褶

某些细胞表面的扁形突起，称皱褶或片足。

皱褶形态上不同于微绒毛，宽而扁，高几微米。

巨噬细胞表面普遍存在这种结构，与吞噬颗粒物质有关。 （四）内褶

是质膜由细胞表面内陷形成的结构，同样具有扩大了细胞表面积的作用。

常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。 (五)纤毛(cilium)和鞭毛(flagellium)

在发生和结构上并没有差别，都来源于中心粒，均由9+2微管构成。

有的细胞靠纤毛(草履虫)或鞭毛(精子)在液体中穿行；有的细胞（动物上皮细胞）纤毛的摆动是推动物质越过细胞表面，进行物质运送。

第二节 细胞外被与细胞外基质

细胞外被（cell coat），又称糖萼（glycocalyx）或糖被，曾用以指细胞质膜外的一层粘多糖物质，但外被中的糖都与蛋白质或脂组成糖蛋白或糖脂，是细胞膜的正常结构部分。也就是说细胞外被是糖蛋白和糖脂，它们保护膜蛋白以及执行细胞识别的功能。

下面这个图是糖萼的示意图，我们可以看到，（从左到右依次是细胞被——糖单位——跨膜的糖蛋白——吸附的糖蛋白/糖脂——跨膜的蛋白多糖——细胞外表面）下面是脂双层。细胞外被就是外面这一层含糖基的蛋白和脂类。

细胞外基质（extracellular matrix，ECM）

是存在于细胞外的、由细胞自身分泌的大分子物质构成的网络结构。

细胞外基质将细胞粘连在一起形成组织，同时形成一个巨大的细胞架结构，在组织内起支撑作用；并通过信号转导系统影响细胞的形状、代谢、功能、迁移、增殖和分化。

细胞外基质的大分子物质种类繁多，大致可分四类： （1）胶原；

（2）非胶原糖蛋白：纤连蛋白和层粘连蛋白 （3）糖氨聚糖与蛋白聚糖；

（2） 弹性蛋白

这张图是细胞外基质的主要成分与结构示意图，从左到右依次为，胶原（黄色），纤维蛋白（紫色），层粘连蛋白（绿色），蛋白聚糖（花序状）。

细胞外基质主要成分形状、大小的比较。绿色为蛋白质；红色为糖胺聚糖。

Fibronectin：纤连蛋白；fibrillar collagen：胶原纤维；laminin：层粘连蛋白；tenascin：粘蛋白；type Ⅳ collagen：Ⅳ型胶原；hyaluronan：透明质酸；decorin：核心蛋白多糖；perlecan：蛋白多糖; aggrecan:蛋白聚糖 一、胶原（collagen）

是动物体内含量最丰富的蛋白质，约占人体蛋白质总量的30％以上。

遍布体内各种组织，是细胞外基质中最重要的水不溶性纤维，是细胞外基质的骨架。

可由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞及某些上皮细胞合成并分泌到细胞外。 这张图上中间的大细胞就是成纤维细胞，而周围这种条状的物质就是胶原纤维。 1、种类和结构

已发现的胶原有20余种，由不同基因编码，具不同的化学结构及免疫学特性。

目前了解较多的是下面这几种胶原，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ及Ⅵ型胶原为有横纹的纤维形。

胶原的基本结构是原胶原，原胶原是由三条肽链形成三股螺旋。 下面这个图显示了原胶原的螺旋构型。每个原胶原单位长约300nm，直径约1.5nm。

Ⅰ型胶原的原胶原由二条α1链及一条α2链构成。每条α链均含重复的Gly-X-Y序列。Gly是甘氨酸，X常为Pro（脯氨酸），Y常为羟脯氨酸或羟赖氨酸残基。由这样三种氨基酸形成Gly-X-Y序列，除了这些重复外还会由一些其他的氨基酸序列或者连接基团，形成不同种的肽链。

重复的Gly-X-Y序列使α链卷曲为左手螺旋，每圈含3个氨基酸残基。三股这样的螺旋再相互盘绕成右手超螺旋，即原胶原。

典型胶原分子的结构.

(A) 胶原氨基酸链的模型，每个球代表一个氨基酸。链中含约1000个氨基酸，并呈左手螺旋排列，每个螺旋包括3个氨基酸残基，并且3个氨基酸中含1个甘氨酸。所以胶原的氨基酸序列是由重复的 Gly-X-Y 序列构成。X通常为脯氨酸，Y通常为羟脯氨酸。

(B) 胶原分子的模型，图示胶原是由3条a链相互缠绕形成的3股螺旋。

2、胶原的合成与装配

胶原蛋白先在RER（粗面内质网）上合成，称前α链，其两端各具一段不含Gly-X-Y序列的前肽。

3条前α链的C端前肽借二硫键形成链间交联，使3条前α链“对齐”排列。再从C端向N端形成三股螺旋结构。前肽部分呈非螺旋卷曲。含前肽的三股螺旋分子称原胶原(procollagen)。

这个前肽的作用很象是绳子的结头，比如我们要将三股绳子绕成一股，一般是先将三股绳子的一端先打个结固定，再各自搓揉，当三股绳子通过这样螺旋的劲道自己螺旋成一大股后，再在另一头打个结，这样整个绳子就定形了，这两个结就是通过前胶原两端的250个氨基酸残基组成的C端和150个氨基酸残基组成的N端相互各自作用形成的。我们称为C端前肽和N端前肽，它们没有Gly-X-Y序列，而是含有较多的酸性氨基酸及芳香族氨基酸残基，还有半胱氨酸残基，它们可以在N端前肽形成链内二硫键，在C端前肽形成链内和链间二硫键，用以稳定前胶原的三条多肽链。

这个过程，首先在粗面内质网中合成带有信号肽的早前胶原，形成三股螺旋前进行切除信号肽以及蛋白修饰的工作，例如脯氨酸及赖氨酸残基需进行羟基化修饰。脯氨酸的羟化需脯氨酰-4羟化酶及脯氨酰-3羟化酶催化。这样形成的前α链自发聚合成前胶原。

Vc是两种酶的辅助因子。Vc缺乏使脯氨酸不能羟化，不能形成原胶原，未羟化的前胶原肽链会在细胞内降解。

这种Ⅰ型胶原通常分布在皮肤、肌腱、骨、韧带等位臵，缺少了就会使得这些组织的细胞间粘连程度降低，组织就会容易松散了，这样造成的后果是很严重的。

膳食中缺乏维生素C可导致血管、肌腱、皮肤变脆，易出血，称坏血病。

原胶原在高尔基体被修饰后以膜泡形式分泌到细胞外。 在细胞外，原胶原被两种专一性的水解酶切除N端和C端前肽，再通过侧向共价交联，相互呈阶梯式排列，聚合成原纤维。

胶原原纤维中的交联键是由侧向相邻的赖氨酸或羟赖氨酸残基氧化后所产生的两个醛基间进行缩合而形成的。

我们用下面这张图来综合讲述胶原纤维合成的一整套流程 1．前α链的合成：起始于粗面内质网，并继续在高尔基体中进行，这个图上的大的泡状结构我们就用它来代表内质网和高尔基体，首先内质网中合成一条带有信号肽的早前胶原

2．对这条早前胶原上的赖氨酸和脯氨酸进行羟基化修饰 3．进一步进行糖基化

4．三条前α链的C端前肽借二硫键形成链间交联，使3条前α链“对齐”排列，再从C端向N端形成三股螺旋结构。此时还含有前肽结构。

5．三股螺旋状的前胶原被高尔基体通过小泡分泌到体外 6．再被细胞吐出到细胞外部

7．在酶的作用下，前肽被切下来，形成了原胶原单位 8．原胶原通过侧向共价交联，相互呈阶梯式排列，聚合成胶原纤维分子。

9．多个胶原纤维分子聚合到一起成为胶原纤维

The cross-links are formed in several steps. First, certain lysine and hydroxylysine residues are deaminated by the extracellular enzyme lysyl oxidase to yield highly reactive aldehyde groups. The aldehydes then react

spontaneously to form covalent bonds with each other or with other lysine or hydroxylysine residues. Most of the

cross-links form between the short nonhelical segments at each end of the collagen molecules. 这张图上显示了几种交联键，赖氨酸和羟赖氨酸残基被细胞外的赖氨酸氧化酶氧化为醛，它们在多肽链间自发地形成共价交联，属于肽链内键。大多数的交联键都是在胶原分子末端的一些短的非螺旋结构处形成。属于链间键，用来稳固各个原胶原单位的。总的来说，这些交联键是用来稳定和强化胶原纤维的。

由原胶原装配成原纤维时，原胶原蛋白呈1/4交替平行排列，一个原胶原分子的头部与下一个原胶原分子的尾部有一个小的间隔。这样的结构就使得整个胶原纤维分子上出现周期性的横纹，因为每个原胶原的长度基本是固定在300nm的，所以横纹的宽度也基本是固定的67nm。从下面的图上我们就可以看出，A、B对应着可以看到，红色是胶原分子重叠的部位，而灰色的是中间由间隙的部位，于是在电镜下就由了这样的不同的明暗呈现。下面这张也是一张胶原纤维的电镜照片。

由于成熟胶原的肽链不含前肽，不能再“对齐”排列，胶原变性后不能自然复性重新形成三股螺旋。通过前面的学习我们知道只有前胶原才有前肽结构，对于成熟的胶原，没了结头，很显然就不能自发地再形成螺旋。

原胶原是可溶性蛋白，经共价交联后成为具有抗张强度的不溶性胶原。

胚胎及新生儿的胶原因缺乏分子间的交联而易于抽提。随年龄增长，交联日益增多，皮肤、血管及各种组织变得僵硬，成为老化的一个重要特征。 3、胶原的分布与功能

Ⅰ型胶原分布最广泛，存在于皮肤、肌腱、韧带和骨中，常形成粗的纤维束，具很强的抗张强度。

Ⅱ型胶原主要存在于软骨中；

Ⅲ型胶原形成微细的纤维网，广泛分布于伸展性强的组织（结缔组织）；

Ⅳ型胶原形成二维网格样的结构，是基膜的主要成分和支架。

二、糖胺聚糖与蛋白聚糖

1．糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）

GAG是由重复二糖单位构成的无分枝长链多糖。二糖单位常由氨基已糖（氨基葡萄糖或氨基半乳糖）和糖醛酸组成。硫酸角质素中糖醛酸由半乳糖代替。

糖胺聚糖依糖基的组成、连接方式、硫酸化程度及位臵可分6种：透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角质素。

左边两个图都是蛋白聚糖的模式图，从上到下依次未，核心蛋白、硫酸软骨素、硫酸角质素。右边是其中三种糖胺聚糖的分子式，分别是透明质酸、硫酸软骨素、硫酸角质素

这张图上面指出了三种蛋白的分子量，decorin：核心蛋白多糖分子量为40000个单位，aggrecan：聚集蛋白聚糖，来自软骨素上的聚糖，分子量为3×106 个单位，ribonuclease：核糖核酸酶，分子量为15000。左边是糖胺聚糖，是无分枝的多糖，右边是一种短的分枝的寡糖链，一些低聚糖和寡糖往往分枝。 透明质酸（hyaluronic acid，HA）

是唯一不发生硫酸化的氨基聚糖。在胚胎发育中起有重要作用。 分子全部由葡萄糖醛酸及乙酰氨基葡萄糖二糖单位重复构成。糖链长，可含10万个糖基。

HA分子表面有大量带负电荷的亲水性基团，可结合大量水分子，能形成粘稠的胶体，占据很大的空间，产生膨胀压。

HA也是唯一能以游离形式存在的糖胺聚糖，其他糖胺聚糖均与核心蛋白质共价结合构成蛋白聚糖。 2．蛋白聚糖（proteoglycan）

是糖胺聚糖(除透明质酸)与核心蛋白质上的丝氨酸残基共价结合形成的大分子物质。

一个核心蛋白质分子上可以连接1至100个以上GAG链。所连接的GAG链可以是同种也可以是不同种。

核心蛋白质的丝氨酸残基(常有Ser-Gly-X-Gly序列)装配上糖胺聚糖(GAG)链是高尔基复合体中进行。

其糖基化过程：通过逐个转移糖基，首先合成由四糖组成的连接桥(Xyl-Gal-Gal-GlcUA)，然后再延长糖链，并对所合成的重复二糖单位进行硫酸化及差向异构化修饰。

蛋白聚糖中的GAG与核心蛋白间的连接。四个糖组成的序列先连接在丝氨酸上，然后 GAG链的其它部分被合成，一次添加一个糖基。

多蛋白聚糖单体常以非共价键与HA形成多聚体。在这种蛋白聚糖多聚体种，HA作为一个长轴，将蛋白聚糖连接在一起，形成更大更复杂的蛋白聚糖复合体。

这个图是软骨中的蛋白聚糖的电镜照片，右边是对它的成分分析模式图，我们看到，中间蓝色的主轴是透明质酸组成，绿色的分支是核心蛋白，其根部的黑色颗粒是连接蛋白，红色的小分支是硫酸软骨素

蛋白聚糖的功能： （1）因带负电荷，能结合大量阳离子，形成水合层，进而形成胶状物。使组织具较大可塑性和抗挤压能力。

（2）透明质酸能游离形式存在，起润滑作用。 （3）蛋白聚糖多聚体能与胶原结合形成网络；

（4）可作为细胞粘着的位点，在胚胎发育中对细胞的移动具作用。

二、纤连蛋白和层粘连蛋白

1、纤连蛋白(fibronectin，FN)：是一种大型的糖蛋白，存在于所有脊椎动物，分子含糖4.5－9.5％，糖链结构依组织细胞来源及分化状态而异。

FN以可溶形式存在于血浆及各种体液中，称血浆FN ；以不溶形式存在于细胞外基质及细胞表面，细胞FN。

各种FN均由相似的亚基(220KD)组成，是同一基因编码的产物 。 血浆FN(450KD)由二条相似的肽链在C端以二硫键联成V字形二聚体。细胞FN为多聚体。

FN的每个亚基都是由若干个结构域组成，结构域之间由对胰蛋白酶敏感的肽链连接。

有些结构域能与其它ECM胞外基质（如胶原、蛋白聚糖）结合，使细胞外基质形成网络；有些能与细胞表面受体结合，使细胞粘着在ECM上。

FN将细胞连接到细胞外基质上 细胞膜上的受体蛋白通过FN与胞外的胶原结合。

FN肽链中的一些短肽序列为细胞表面的各种FN受体识别与结合的最小结构单位。

在肽链的与细胞相结合的模块中存在RGD（Arg-Gly-Asp）序列，为与细胞表面某些整合素受体识别与结合的部位。

化学合成的RGD三肽可抑制细胞在FN基质上粘附。 抢占了细胞本身的结合位点。

图：FN的结构模型：纤连蛋白上的每个亚基都是由多个结构域构成，具有与细胞表面受体、胶原、纤维蛋白和硫酸蛋白多糖高亲和性的结合部位，从左到右依次的结合位臵为：含肝素结合位点，胶原结合位点、纤维蛋白结合位点、细胞表面受体结合位点、肝素结合点、纤维蛋白结合位点。与细胞膜蛋白结合区的RGD三肽序列是细胞识别的最小的结构单位。

FN的功能：介导细胞粘着；促进细胞迁移 三、层粘连蛋白（laminin，LN）

LN也是一种大型糖蛋白，与Ⅳ型胶原一起构成基膜，是胚胎发育中最早出现的细胞外基质成分。

LN由一条重链（α）和二条轻链（β、γ）以二硫键交联而成，外形呈十字形，三条短臂都由肽链的N端序列构成。每条短臂包括二个球区及二个短杆区，长臂也由杆区及球区构成 。

图：三条链，三个短臂，由二个球区和两个短杆区组成，一个长臂由杆区和一个大球区组成，中间是重链部分，两边是轻链部分，轻重是通过分子量来区分，各个球区依然是含有可以和其他蛋白或基质分子结合的位点。

LN分子中至少存在8个与细胞结合的位点。如，在长臂靠近球区的链上有IKVAV五肽序列可与神经细胞结合。鼠LNα1链上的RGD序列，可与αvβ3整合素结合。

已发现7种LN分子，8种亚单位（α1，α2，α3，β1，β2，β3，γ1，γ2），分别由8个基因编码。 （我们前面说的FN的各种亚基都是由同一基因编码）

LN是含糖量很高（15-28％）的糖蛋白，具50条左右N连接的糖链，是糖链结构最复杂的糖蛋白，且LN的多种受体是识别与结合其糖链结构的。 LN的功能：

（1）在基膜的组装中起重要作用； （2）使细胞固定在基膜上； （3）在胚胎发育中起作用 四、弹性蛋白（elastin）

弹性蛋白由二种类型短肽段交替排列构成。一是疏水短肽，赋予分子以弹性；另一为富含丙氨酸及赖氨酸残基的á螺旋，负责在相邻分子间形成交联。

图：弹性蛋白的构象呈无规则的卷曲状态的，其间通过赖氨酸残基相互交联呈网状结构。下面是经拉伸后的弹性蛋白。

弹性蛋白的氨基酸组成似胶原，富于甘氨酸及脯氨酸，但少含羟脯氨酸，不含羟赖氨酸，没有Gly-X-Y序列，不形成规则的三股螺旋结构。

弹性蛋白分子间的交联比胶原更复杂。通过赖氨酸残基参与的交联形成富于弹性的网状结构

弹性纤维主要存在于脉管壁及肺，在其它组织中也存在。 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。 老年组织中弹性蛋白的生成减少，降解增强，以致组织失去弹性。 图：这是一张狗血管的电镜照片，左边这个是血管图，我们可以看到血管壁上由着弹性纤维构成的网状结构。右边是放大倍数增加后所拍摄的弹性纤维

五、基膜（basal lamina）

是一种复合的细胞外结构，通常位于上皮和内皮细胞的基底面，是细胞外基质特化的区域。

在肌肉、脂肪和施旺细胞（schwann cell）表面也存在。

图：扫描电镜图，上面BL显示的就是基膜的位臵

基膜是由不同的蛋白纤维组成的网状结构，主要成分为LN和Ⅳ型胶原，还有巢蛋白（entactin）、基底膜蛋白（perlecan）、装饰蛋白（decorin）等。

其中，LN与巢蛋白（entactin）形成1:1紧密结合的复合物，通过巢蛋白与Ⅳ型胶原结合。 基膜的功能

（1）对组织起支撑作用； （2）作为渗透性屏障；

（3）决定细胞的极性，影响细胞的迁移。 六、植物的细胞外结构：细胞壁

细胞壁对于植物的形态具有决定性作用。作用：（1）提供机械强度；（2）使细胞免受渗透和机械伤害；（3）免受病虫害。 1、细胞壁的化学组成

1）纤维素(cellulose):由葡萄糖构成的多聚体；

2）半纤维素(hemicellulose):由几种单糖构成的异质多聚体； 3）果胶(pectin):由半乳糖醛酸和它的衍生物组成的异质多聚体。

4）木质素(lignin):由聚合的芳香醇构成。 5）糖蛋白(glycoprotein):伸展蛋白（extensin）

图：第一个电镜照片显示了初生壁和次生壁，右边的是经放大后的细胞壁的照片，下面是其模式图，可以看到半纤维素、纤维素、糖蛋白和果胶。

2、初生壁（primary cell wall）

是细胞生长期形成的。

主要由纤维素、半纤维素、果胶和糖蛋白组成；

初生壁中果胶含量较高，结构较松散，有利于细胞壁进一步扩展。 初生壁的结构模型：显示两种主要的多糖网络。呈相互垂直排列的纤维素微纤维，（绿色）通过半纤维素（红色）的氢键胶连成网络。这个网络与果胶网络（兰色）交织在一起。纤维素和半纤维素赋予细胞壁以延展性，果胶网络赋予细胞壁抗压能力。初生壁中，纤维素、

半纤维素和果胶的含量几乎相等，中层则富含果胶，将细胞粘合在一起。

3、次生壁（secondary cell wall）

是细胞停止生长后分泌形成的。

主要成分是纤维素和木质素，不含果胶。 结构紧凑、坚硬。 第三节 细胞识别与粘着

细胞识别（cell recognition）是指细胞对同种或异种，同源或异源细胞，以及对自己或异己分子的认识和鉴别。

细胞粘着（cell adhesion）是指相邻细胞或细胞与细胞外基质以某种方式粘合在一起，组成组织或与其他组织分开。

从次序上讲，细胞识别在先，细胞粘着在后，识别是粘着的基础。在粘着的基础上，细胞再通过各种连接方式，将细胞紧密地连接在一起，形成各种组织。 一、细胞识别和粘着的机制

细胞识别主要是糖的作用，特别是糖被在细胞识别中起的重要作用。

糖被中的糖链虽然很短，但由于其结合方式的多种多样，能形成大量不同的识别基团。

引起细胞粘着的主要是膜蛋白，将参与细胞粘着的分子称为细胞粘着分子。

二、细胞粘着分子（cell adhesion molecule，CAM）

是参与细胞与细胞间及细胞与细胞外基质间粘着的分子。细胞粘着分子都是跨膜糖蛋白，结构由3部分组成：

1、胞外区，肽链的N端，带糖链，负责与配体识别； 2、跨膜区，多为一次跨膜；

3、胞质区，肽链C端，与细胞骨架相连。 细胞粘着因子的作用机制有三种模式：

（1）两相邻细胞表面的同种CAM分子间的相互识别与结合（亲同性粘着）；

（2）两相邻细胞表面的互补CAM分子间的相互识别与结合（亲异性粘着）；

（3）两相邻细胞表面的相同CAM分子借细胞外的连接分子相互识别与结合。

细胞粘着分子的作用方式可分为五类：

（1）钙粘素；（2）选择素（selectin）；（3）免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily）；（4）整联蛋白；（5）透明质酸粘素。 一、钙粘素（cadherin）

钙粘素属亲同性CAM，其作用依赖于Ca2＋。

对胚胎发育中的细胞识别、迁移、组织分化及成体组织器官的形成具重要作用。

已鉴定出30种以上钙粘素，分布于不同的组织。

研究较清楚的有：（1）E-钙粘素（存在于表皮）；（2）N-钙粘素（神经）；（3）P-钙粘素（胎盘）。

典型的钙粘素分子结构图：我们可以看到这是一个跨膜蛋白，有着组成细胞识别分子的典型的三个区域：1、胞外区，细胞外部分折叠成5个相似的结构域，其中3个含Ca2+-结合位点。我们可以看到肽链的N端，带糖链，负责与配体识别；

离质膜最远的结构域介导细胞与细胞粘着。在这个结构域中的His（组氨酸）-Ala（丙氨酸）-Val（缬氨酸）序列与介导作用有关。

2、跨膜区，

3、胞质区，肽链C端，与细胞骨架相连。细胞质区域通过大量的附着蛋白与肌动蛋白纤维相连，这些附着蛋白包括3个连锁蛋白（catenin）和一个目前尚不知特性的蛋白。它们与下面的细胞骨架上的肌动蛋白结合 钙粘素的作用

1、介导细胞连接：介导上皮细胞相互粘着，是粘合带的主要成分，桥粒中也有钙粘素。

2、参与细胞分化：对胚胎细胞的分化及成体组织（上皮及神经）构筑有重要作用。

3、抑制细胞迁移：癌细胞表面E钙粘素减少，致癌细胞易从瘤块脱落，侵袭与转移。

这是一张显示钙粘蛋白介导的钙离子依赖性细胞粘附的模式图，属亲同性连接，连接处就是在距质膜最远的结构域。 二、选择素（selectin）

选择素属亲异性CAM，其作用依赖于Ca2＋。 主要参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘合。 选择素的胞外区由三个结构域构成： （1）N端的C型凝集素结构域；

（2）EGF（Epidermal growth factor内皮生长因子样区域）样结构域；

（3）重复次数不同的补体结合蛋白结构域；

通过凝集素结构域来识别糖蛋白及糖脂分子上的糖配体。 炎症部位，嗜中性白细胞上的寡聚糖与内皮细胞上的选择素相互作用，并暂时粘着在内皮细胞上。

(A) P-selectin的凝集素结构域与特定的寡聚糖结合。 (B)与选择素结合的寡聚糖结构： GlcNAc = N-乙酰葡萄糖胺；NANA = 唾液酸。

A图中上半部分是白细胞，白细胞上的红色小叉就是寡糖链，结合中间的选择素上的C型凝集素结构域，下面是内皮细胞。 B图是寡聚糖结构图，

已知选择素有三种类型：L-选择素、E-选择素及P-选择素。 E选择素及P选择素所识别与结合的糖为唾液酸化及岩藻糖化的N乙酰氨基乳糖结构（sLeX及sLeA）。

sLeA结构存在于白细胞表面。多种肿瘤细胞表面也有sLeX及sLeA结构。

P-选择素存在于血小板及内皮细胞。炎症时，活化的内皮细胞表面首先出现P-选择素，随后出现E-选择素。

炎症组织释放的白细胞介素I（IL-1）及肿瘤坏死因子（TNF）等可活化脉管内皮细胞，刺激E选择素的合成。

L-选择素存在于各种白细胞表面，参与炎症部位白细胞出脉管过程。

白细胞表面的L-选择素，与活化内皮细胞表面的P-及E-选择素识别与结合，召集血液中的白细胞在炎症部位的脉管内皮上粘附，最后穿过血管进入炎症部位。

三、免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily，Ig-SF）

免疫球蛋白超家族的分子中都含免疫球蛋白（Ig）样结构域，作用不依赖于Ca2＋。

了解最多的是NCAM(nerve-cell adhesion molecular,神经细胞粘着分子)，它们在神经细胞粘着中起主要作用。

这张图表示的是几种神经细胞粘着分子的结构模式图，图中glycosyl-phosphatidylinositol anchor表示糖基磷脂酰肌醇锚定在细胞膜脂中

除免疫球蛋白结构域外，还有T细胞受体，B细胞受体，及细胞粘着因子等。

有的是亲同性CAM：神经细胞粘着因子(NCAM)及血小板-内皮细胞粘着因子(Pe-CAM)；

有的是亲异性CAM，如细胞间粘着分子(I-CAM)及脉管粘着分子(V-CAM)等。I-CAM及V-CAM的配体是整合素。 四、整联蛋白（integrin）

整联蛋白是由α和β两个亚基形成的异二聚体。已发现16种α亚单位和9种β亚单位。按不同组合构成20余种整联蛋白。

α亚单位的N端有结合二价阳离子的结构域，胞质区都有一个非常保守的KXGFFKR序列（AspXAspXAspGlyXXAsp天冬氨酸，甘氨酸），与整合素活性的调节有关。

我们可以看到α亚单位上有象梳子的结合二价阳离子的区域，图中黄色的圆球就是二价阳离子，右边是β亚基，我们还可以看到二硫键，两种亚基上都有这丰富的二硫键，它们有利于俩亚基形成紧密折叠结构，抵抗蛋白水解酶作用

整联蛋白可以介导细胞与细胞外基质，及细胞与细胞之间的粘着，其识别的主要部位是配体上的RGD序列，我们之前在介绍纤连蛋白的时

候曾提到过RGD序列，它是由Arg精氨酸-Gly甘氨酸-Asp天冬氨酸三种残基组成的三肽序列。

整联蛋白在信号转导上起有重要作用。

这张图上显示的就由胞外基质中的纤连蛋白，锚定在细胞膜上的整联蛋白的β亚基上有着RGD序列的识别位点，同时我们可以看到α亚基上的二价阳离子的结合区域，那么至于整联蛋白的作用机制我们将在第六章进行具体的介绍。

含β1亚基的整联蛋白主要介导细胞与细胞外基质间的粘着。 含β2亚基的整联蛋白存在于各种白细胞表面，介导细胞间的相互作用。

含β3亚基的整联蛋白主要存在于血小板表面，介导血小板的聚集，并参与血栓形成。

β4可与肌动蛋白及相关蛋白质结合，α6β4整合素以层粘连蛋白为配体，参与形成半桥粒

第四节 细胞连接（cell junction）

细胞与细胞间或细胞与细胞外基质的联系结构称细胞连接，是局部细胞膜特化形成。可分3大类：1、封闭连接（occluding junction）；2、锚定连接（anchoring junction）；3、通讯连接（communicating junction）。

一、封闭连接 （occluding junction） （一）紧密连接（tight junction）

存在于脊椎动物上皮细胞间，长约50-400nm，相邻细胞间质膜紧密结合，没有缝隙。

紧密连接位于上皮细胞的上端

电镜下可见，连接区域具蛋白质形成的焊接线（嵴线）网络，封闭了细胞与细胞间的空隙。

紧密连接的焊接线由跨膜蛋白构成，主要的跨膜蛋白有claudin和occludin（封闭蛋白）。都是跨膜四次的蛋白。

Solute molecular溶质分子，我们可以看到，中间是一些跨膜蛋白讲两个细胞的膜焊接到一起，这些蛋白是如何形成右图中的嵴线的，这个目前还有待于探究。

消化道上皮、膀胱上皮、脑毛细血管内皮及睾丸支持细胞间都有紧密连接。

其作用是：封闭相邻细胞间的接缝，防止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内，保证了机体内环境的相对稳定。

(A) 模式图：显示添加在上皮细胞一侧的示踪物不能通过紧密连接处；

(B) 电镜照片：显示无论是从上皮细胞尖部（左）还是基底部（右）添加高电子密度物质，都不能透过紧密连接处。 （二）间壁连接(septate junctions)

存在于无脊椎动物上皮细胞的封闭连接。

连接蛋白呈梯子状排列，形状非常规则，被连接的细胞内成分为肌动蛋白纤维。

间壁连接存在于无脊椎动物 二、锚定连接

（一）粘合带与粘合斑

1、粘合带（adhesion belt）呈带状环绕细胞，一般位于上皮细胞紧密连接的下方。在连接处相邻细胞的间隙约15～20nm。

这张图中显示的是粘着带的模式图，我们可以看到红色框内的就是粘着带，位于紧密连接下方，下面是一张电镜图，我们可以清楚的看到它是位于紧密焊接的部位下方

参与粘着带连接的是钙粘素。两个细胞的钙粘素细胞外结构域相互作用形成桥，使两者连接起来，但并不融合，保留15～20nm的间隙。

我们在这张图中可以看到，左边显示的粘着带的带形分布，右边我们可以看到钙粘素跨膜蛋白。粘合带处的质膜下方有与质膜平行排列的肌动蛋白纤维束，钙粘蛋白通过附着蛋白与肌动蛋白束相结合。

因此，相邻细胞中的肌动蛋白丝束通过钙粘蛋白和附着蛋白形成了一个广泛的网络，把相邻细胞联系在一起。

这张图显示的就是我们刚才所说的 2、粘合斑(adhesion plaque)

是细胞与细胞外基质间的一种连接方式，参与连接的是整联蛋白（integrin）通过整联蛋白把细胞中的肌动蛋白束和细胞外基质纤连蛋白连接起来。

体外培养的成纤维细胞就是通过粘着斑附着在瓶壁上。 （二）桥粒(desmosome)与半桥粒

1、桥粒：存在于承受强拉力的组织中，如皮肤、口腔、食管等处的上皮细胞间和心肌中。常位于粘着带下方。

相邻细胞间形成纽扣状结构，细胞膜间的间隙约30nm，桥粒也是通过钙粘素将相邻细胞连接起来。

右图中那一片结构域就是桥粒，包括了钙粘素、附着蛋白、纤维等

质膜下方有附着蛋白质，如片珠蛋白、桥粒斑蛋白等，形成厚约15～20nm的致密斑，与中间纤维相连。

中间纤维因细胞类型而异，上皮细胞中为角蛋白丝（keratin），心肌细胞中为结蛋白丝（desmin）。

因此相邻细胞中的中间纤维通过细胞质斑和钙粘素构成了细胞骨架网络。

这张图电镜图我们可以清楚的看到胞膜上的细胞质斑，以及与其连接的一些纤维丝，中间由一些不是很明显的钙粘素蛋白 2、半桥粒（hemidesmosome）

是上皮细胞基底面与基膜(由四型胶原和层粘连蛋白构成的细胞外基质的特化结构)间的连接方式，结构类似桥粒，与桥粒不同的是：

（1）只在质膜内侧形成桥粒斑结构，另一侧为基膜；也就是只有一半的细胞质斑。

（2）跨膜连接蛋白为整合素(integrin)而不是钙粘素，整合素是胞外基质的受体；

（3）细胞内的附着蛋白为角蛋白(keratin)。

这个图显示的是半桥粒连接上皮细胞基面和基膜，我们可以看到中间一块黑色的区域，就是整个半桥粒的区域，它只有上面一侧有细胞质斑，下侧是上皮细胞的基膜，中间是整合素。

α6β4整合素以层粘连蛋白为配体，参与形成半桥粒，它连接这基膜和保外的一些蛋白丝

小肠上皮细胞中桥粒与半桥粒的分布：角蛋白纤维（ keratin）通过桥粒和半桥粒连接，在细胞间及细胞与细胞外基质间形成一个网络。图中这些蓝色的扣子都是桥粒，连接这相邻的细胞，下面这些深色的是半桥粒，连接细胞基面和基膜。 三、通讯连接

是一种特殊的细胞连接方式，除有机械的细胞连接作用外，还可在细胞间形成电偶联或代谢偶联。

动物细胞的通讯连接为间隙连接（gap junction）； 植物细胞的通讯连接为细胞间连丝（plasmodesmata） （一）间隙连接（gap junction）

存在于几乎所有动物细胞中。连接处相邻细胞间有2～4nm的缝隙，且连接区域比紧密连接大得多，直径可达0.3μm。

基本单位是连接子(connexon)，由6个相同或相似跨膜蛋白亚单位环绕而成，直径8nm，中心形成一直径约1.5nm孔道。

图中左图是从纵面观察的大面积的和小面积的间接连接，右边是从平面观察。

左图是电镜下的连接子照片，我们看到的一个个小洞就是一个个连接子。右边是连接子模式图

这张图更清晰的展示了连接子的结构，由6个跨膜蛋白构成，两个连接子在细胞膜之间形成一个约1.5nm的通道，俩细胞间隙约2－4nm，

向细胞内注射分子量不同的染料，证明间隙连接的通道可允许分子量小于1200Dalton的物质通过。

表明细胞内的小分子，如无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸和维生素等有可能通过间隙连接的孔隙。

这张图显示的就是上述实验

间隙连接的通透性是可调节的。在实验条件下，降低细胞PH值，或升高钙离子浓度均可降低间隙连接的通透性。

当细胞破损时，大量钙离子进入，导致间隙连接关闭，以免正常细胞受到伤害。实际上是改变外界环境条件会导致蛋白质的构象发生改变，下图显示了这样的细胞机制 间隙连接的功能

1、参与细胞分化：胚胎发育早期，间隙连接可建立小分子物质浓度梯度，为细胞提供”位臵信息”，诱导细胞向一定方向分化。

2、协调代谢：把不能利用次黄嘌呤合成核酸的成纤维细胞和野生型共同培养，两种细胞都能合成核酸 。

3、构成电紧张突触：平滑肌、心肌、神经末梢间均有这种连接。可将电兴奋传递到相邻细胞。 （二）胞间连丝（plasmodesmata）

是植物细胞特有的通讯连接。由穿过细胞壁的质膜围成的通道，直径20-40nm。通道中有一由膜围成的筒状结构，称连丝小管，由SER（Smooth endoplasmic reticulum平滑内质网）特化而成，管的两端与SER相连。

连丝小管与胞间连丝的质膜间，填充有一圈胞质溶胶，一些小分子可通过胞质溶胶环。

图示了胞间连丝的结构模式图，我们可以看到SER特化形成的微丝小管结构，desmotubule微丝小管

胞间连丝在功能上与动物细胞的间隙连接类似，允许小于1000Da的分子通过。

与间隙连接不同，胞间连丝的孔能扩张。某些植物病毒能制造特殊的蛋白质同胞间连丝结合，使胞间连丝孔径扩大，使病毒粒子在细胞间散播和感染。

植物自身也能合成移动蛋白介导细胞间的大分子运输。 （三）化学突触（synapse）

是存在于可兴奋细胞间的一种连接方式，其作用是通过释放神经递质来传导兴奋。结构上包括3个部分：

突触前膜(presynaptic membrane)； 突触后膜(postsynaptic membrane)； 突触间隙(synaptic cleft)。

这张图显示的一个神经细胞的突触与肌肉细胞结合的模式图，我们可以看到它的三个结构部分，上面是突触前膜，突触小泡，突触后膜连接在目的细胞上，还有突触间隙。

下面这个是模式图。也可以清晰的看到这几个结构。

神经元的突起末梢膨大呈球形，称突触小体(synaptic knob)。 突触前膜：突触小体的膜；

突触后膜：与突触前膜相对的胞体膜或突起的膜；

突触间隙：两膜之间的间隙。宽约20-30nm，含有粘多糖和糖蛋白等。

突触小体内有许多囊泡，称突触小泡(synaptic vesicle)，内含神经递质。

当神经冲动传到突触前膜，突触小泡释放神经递质，与突触后膜的受体结合，使配体门离子通道打开，引起突触后膜去极化或超极化。

Adherens junction粘合连接（锚定连接） Tight junction 紧密连接 Gap junction间隙连接 Desmosome桥粒

请大家回去总结一下这几种连接方式的异同。

第五章 物质的跨膜运输与信号传递

Chapter Five Movement of substance across membrane and Cell signaling

第一节 物质的跨膜运输 Learning Objectives:

1. Principles of membrane transport;跨膜运输的一些概念 2. Passive transport and active transport;被动运输和主动运输 3. Two main classes of membrane transport proteins: Carriers and Channels;两种主要的参与跨膜运输的蛋白质：载体蛋白和通道蛋白

4. The ion transport systems;离子运输体系 5.Endocytosis

and

Exocytosis:cellular

uptake

of

macromolecules and particles.胞吞和胞吐：大分子和颗粒物质的跨膜运输方式。

细胞膜是防止细胞内外物质自由流动的屏障，保证了细胞内环境的稳定，使各种生化反应能有序运行。但细胞必须与环境发生信息、物质与能量的交换，才能完成特定生理功能。

物质通过细胞膜的运输方式：

（1）被动运输；（2）主动运输；（3）胞吞与胞吐作用。 一、被动运输（passive transport）

物质依靠自身浓度梯度驱动以简单扩散或协助扩散的方式透过细胞膜进入细胞的运输方式。该过程需顺着浓度梯度，不需要额外的能量。

（一）简单扩散（simple diffusion） 也称自由扩散（free diffusing），特点： （１）沿浓度梯度(或电化学梯度)扩散； （２）不需要提供能量； （３）没有膜蛋白协助。

只靠膜两侧保持一定的浓度差，小分子会沿着浓度梯度降低的方向转运，外面浓度高于内环境，外面的小分子就进到细胞内，内环境浓度高于外面小分子就从里面跑到外面。

某种物质对膜的通透性（P）可根据它在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数（D）来计算：P=KD/t，t为膜的厚度。

简单扩散的因素是物质的脂溶性、分子大小和带电性 脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；小分子比大分子容易透过，非极性分子比极性容易透过。

一个特殊情况，水，它是具有极性的，但是它可以通过膜并且相对与某些小分子来说还要更快，一个重要原因就是它很小，它只有三个原子构成，膜脂是处于动态的，水分子就可以由膜脂运动而产生的间隙中通过。

下面列举几种不同通透力的分子：

非极性的小分子如O2、CO2、N2可很快透过脂双层；

不带电荷的极性小分子，如水、尿素、甘油等也可透过人工脂双

层，速度慢；

分子量略大的葡萄糖、蔗糖则难透过；

带电荷的离子：H+、Na+、K+、Cl－、HCO3－高度不通透的 这张图显示了不同物质透过人工脂双层的能力，从左到右依次为非极性小分子如O2和一些不带电荷的小型极性分子如水可以通过膜；带电离子不能通过；一些含烃基团的分子可以通过，但往往分子较大，会慢；一些大型的不带电荷的极性分子如葡萄糖很难通过。 （二）协助扩散（faciliatied diffusion）

那么我们刚刚说的那些难通过的大的极性分子和带电离子也不是说就此就不能进入到细胞或者从细胞中出去了，我们的细胞给予它工具去协助进行跨膜运输

极性物质及带电离子在膜蛋白帮助下，顺着离子梯度，不消耗ATP进入细胞的一种运输方式。我们称之为协助扩散，特点： （１）需要膜蛋白帮助：通道蛋白和载体蛋白；

（２）比自由扩散转运速率高；这个很明显，有适当工具和没工具的进行同一个工作，通常都是有工具的比较有效率 （３）存在最大转运速率；这个没什么好说的

（４）有特异性。例如载体蛋白在协助扩散时具有高度的特异性,其上有结合点,只能与某一种或少数几种物质进行暂时性、可逆的结合和分离。即一个特定的载体只运输一种或几种类型的化学物质, 甚至一种分子或离子。

（５）受各种抑制：竞争性抑制、变性剂抑制 １、载体蛋白（carrier proteins）

是多次跨膜蛋白（细胞粘着分子则一般都是一次跨膜蛋白），与被运输的离子和分子结合，通过自身构型的变化或移动完成物质运输。载体蛋白既参与被动运输，也参与主动运输。由载体蛋白进行的被动物质运输, 不需要ATP提供能量。

具有特异性结合位点，只能与某种物质进行暂时性、可逆性结合和分离。这与我们前面提到的一致。

具有酶的特性：转运过程有类似酶与底物的作用曲线。 载体蛋白对物质的转运过程具有类似于酶与底物作用的动力学

曲线，这个我们书上的图5－2有显示；可被类似物竞争性抑制，这个很好理解，当有了其他具有类似功能的物质存在同一个空间的时候，它的转运速率也就自然降低，受到抑制，这些也都是酶的特性。但与酶不同的是: 载体蛋白不对转运分子作任何共价修饰。

下面这个图显示的是载体蛋白通过构象改变介导溶质（葡萄糖）被动运输的假想模型图。膜上的载体蛋白以两种构象存在：‚pong‛型和‚ping‛型，状态‚pong‛时，溶质结合位点在膜外侧暴露，状态‚ping‛时，则朝内。该模型认为，两种构象的转变是随机的，不依赖于是否与溶质结合和可逆性原则，假如溶质在膜外浓度高，则状态‚pong‛向状态‚ping‛转换比反过来更常发生，因此溶质是顺着浓度梯度进入到细胞。

下面这个是典型的葡萄糖在葡萄糖转运蛋白的协助下进入细胞的流程。

2、通道蛋白（channel protein）

形成跨膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，又称离子通道。通道蛋白是一类横跨质膜的蛋白,只参与被动运输,能使适宜大小的分子及带电荷的分子通过简单的自由扩散运动, 从质膜的一侧转运到另一侧。

单体蛋白或多亚基蛋白通过疏水的氨基酸链进行重排,形成亲水性通道。

不与被运输物结合，也不会移动,并且是从高浓度向低浓度运输,所以运输时不消耗能量。运输速度快，无饱和性。通道蛋白本身并不直接与小的带电荷的分子相互作用, 这些小的带电荷的分子可以自由的扩散通过由脂双层中膜蛋白带电荷的亲水区所形成的亲水性通道。

具有高度选择性。所以在细胞膜中有各种不同的通道蛋白 具有开关两种构型，所形成的通道是门控性

离子选择性(ionic selectivity)：不同通道对不同离子的通透性不同。是由通道的结构所决定，只允许具特定离子半径和电荷的离子通过。

依离子选择性的不同，通道可分为钠离子通道、钙离子通道、钾

离子通道、氯离子通道等。

但通道的离子选择性只是相对的，如钠通道主要对Na+通透，对NH4+也通透。 门通道的类型：

（1）配体门通道(ligand gated channel)； （2）电位门通道(voltage gated channel)；

（3）环核苷酸门通道(Cyclic Nucleotide-Gated Ion Channels) （4）机械门通道(mechanosensitive channel)。

这张图显示的是这几种门通道的模式图，从左到右依次是电压门通道，配体门通道（胞外配体），配体门通道（胞内配体），压力激活型（是一种机械门通道）。 1、配体门通道

表面受体与细胞外特定配体(ligand)结合，引起门通道蛋白发生构象变化，使“门”打开。又称离子通道型受体。 阳离子通道：乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体； 阴离子通道：甘氨酸和γ－氨基丁酸受体。

N-乙酰胆碱受体是了解较多的配体门通道。由4种不同亚基组成的5聚体。

亚基通过氢键等非共价键，形成一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构，其中的两个α亚单位是同两分子Ach（乙酰胆碱）相结合的部位。

这张图上显示了N-乙酰胆碱受体的模型，横切面上在α亚单位处的黄色圆点就是同两分子Ach（乙酰胆碱）相结合的位点，

Ach门通道作用机制：当受体的两个α亚单位结合Ach时，引起通道构象改变，通道瞬间开启，膜外Na+内流，膜内K+外流。使该处膜内外电位差接近于0值，形成终板电位，引起肌细胞动作电位，肌肉收缩。而图中的2个红色螺旋分子即α银环蛇毒素，当它们与乙酰胆碱受体结合后，便不能开启通道，导致肌肉麻痹。

其实配体门在工作时，例如Ach门通道结合Ach时，通道是处于开启和关闭交替进行的状态，只不过开启的概率大一些（90％）。Ach释放后，瞬间即被乙酰胆碱脂酶水解，通道在约1ms内关闭，如果

Ach存在的时间过长（约20ms后），则通道会处于失活状态。

而我们上面提到的α银环蛇毒素还有筒箭毒都可与乙酰胆碱受体结合，但是它们不能使得通道门打开，这样就不能引起肌细胞动作电位，肌肉收缩不了，处于麻痹状态。 2、电位门通道（voltage-gated channel）

电位门通道是对细胞内或细胞外特异离子浓度发生变化时，或对其他刺激引起膜电位变化时，致使其构象发生变化，门打开。它是受膜内外电压变化控制的一类门通道。举个例子：神经肌肉接点由于Ach配体门通道开放而引起终板电位时，这个电位改变可使相邻肌细胞膜中存在的Na+和K+电位门通道开放，引起肌细胞动作电位；动作电位传到肌质网，使得Ca2+通道打开，引起Ca2+外流，从而引发肌肉收缩。

根据对Na+、K+、Ca2+通道蛋白质结构分析，发现它们一级结构中的氨基酸排列有较大的同源性，属同一蛋白质家族，由同一个远祖基因演化来。

K+电位门通道由四个α亚基(I-IV构)成，每个亚基均有6个(S1-S6)跨膜α螺旋段，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样β折叠 (H5区)，构成通道的内衬，大小可允许K+通过。

这张图显示的就是K+电位门通道蛋白的构象，左上图显示的是一个α亚基的构象，我们可以看到6个(S1-S6)跨膜α螺旋段，位于胞质面的N和C端，连接S5-S6段的发夹样β折叠(H5区)，左下图显示的就是S4肽段的氨基酸构象，右图显示的是三个α亚基构成的门通道纵剖面图。

为什么上图特别将S4肽段的构象提出来呢？K+通道也具有开启、关闭和失活三种状态。目前认为S4段是电压感受器，它高度保守，属疏水片段，但每隔两个疏水残基有一个带正电的Arg（精氨酸）或Lys（赖氨酸）残基。S4段上的正电荷可能是门控电荷，膜去极化时(膜外-，膜内+)，引起带正电的氨基酸转向胞外侧面，通道蛋白构象改变，“门”打开。大量K+外流，此时相当于K+的自由扩散。

K+电位门和Ach配体门一样，只是瞬间(几毫秒)开放，然后失活。此时N端的球形结构，堵塞在通道，通道失活，稍后球体释放，

“门”处于关闭状态。

下面的图显示的意思都是显示K+电位门的球体堵塞和释放的过程。

学习过几种通道作用机制后，我们就能比较容易理解前面提到的离子选择性(ionic selectivity)：不同通道对不同离子的通透性不同。也就比较容易理解选择过滤器的作用机制，这是由通道的结构所决定，只允许具特定离子半径和电荷的离子通过。这个结构就是选择过滤器。链霉菌的钾离子通道KcsA也是由四个亚单位构成，但每个亚基只有两个跨膜片段，结构简单。1998年，Roderick Mackinnon等用X射线衍射技术获得了高分辨的KcsA通道图象，发现离子通透过程中离子的选择性主要发生在狭窄的选择性过滤器中。选择性过滤器长1.2nm，孔径约为0.3nm（K+脱水后直径约0.26nm），内部形成一串K+特异结合位点，从而只有K+能够排队通过通道。

河豚毒素（Tetrodotoxin，TTX）能阻滞钠通道，它的作用机理就是毒素带正电荷的胍基伸入钠通道的离子选择性过滤器，和通道内壁上的游离羧基结合，毒素其余部分堵塞通道外侧端，妨碍钠离子进入，导致肌肉麻痹。

3、环核苷酸门通道

CNG通道与电压门通道家族关系密切，从蛋白质序列看，与电压门钾通道结构相似，通道为四聚体结构，每个亚基也有6个跨膜片段，P区构成孔道内侧。

CNG通道中，细胞内的C末端较长，含环核苷酸的结合位点。 环核苷酸门通道分布于化学感受器和光感受器中，与膜外信号的转换有关。

气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，激活腺苷酸环化酶产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。

4、机械门通道

我们知道细胞可以接受各种各样的机械力刺激，如摩擦力、压力、牵引力、重力、剪切力等。细胞将机械刺激的信号转化为电化学信号最终引起细胞反应的过程称为机械信号转导。

机械门通道是受机械力控制的一类通道。比较明确的两类机械门通道：

（1）牵拉活化或失活的离子通道，几乎存在于所有的细胞膜。目前研究较多的有血管内皮细胞、心肌细胞以及内耳中的毛细胞等。

（2）剪切力敏感的离子通道，仅发现于内皮细胞和心肌细胞。 牵拉敏感的离子通道是指能直接被细胞膜牵拉所开放或关闭的离子通道。特点：

（1）对离子的无选择性、无方向性、非线性及无潜伏期。 （2）多为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主。

当内皮细胞被牵拉时，由于通道开放引起Ca2+内流，使以Ca2+介导的血管活性物质分泌增多，Ca2+还可作胞内信使，导致进一步的反应。

内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力敏感的感受装臵，声音的振动推开牵拉门通道，使离子进入听觉毛细胞，建立起一种电信号，从毛细胞传递至听觉神经和大脑。 下面的图显示的就是这个流程。绿色的细胞就使内耳毛细胞，我们看它顶部听毛的放大图，通道蛋白的门由一根纤维连着，声音振动使得纤维牵拉门，门打开，离子进入毛细胞，建立的电信号从毛细胞就传到了其附近的听觉神经细胞，再由神经细胞传递至大脑。

5、水通道

细胞内外的水分子被认为是以简单扩散的方式透过脂双层膜。 但某些细胞在低渗溶液中对水的通透性极高, 难以简单扩散来解释，如红细胞在低渗溶液中的溶血。而蛙类卵母细胞在低渗溶液不膨胀。因此人们推测水的跨膜转运除了简单扩散之外，可能还存在某种特殊的机制，并提出了水通道的概念。

1988年，Agre发现红细胞膜上有一个28 KD 的疏水性跨膜蛋白，称为CHIP28；

1991年， Agree得到CHIP28的cDNA 序列，并将它的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀破裂。

纯化的CHIP28臵入脂质体，也得到同样结果。

细胞的这种吸水膨胀现象能被Hg2+（汞）抑制，而Hg2+是已知的唯一能抑制水通透的物质。

这些研究揭示了细胞膜上存在水通道，Agre因此与离子通道研究者MacKinnon共享2003年诺贝尔化学奖。

在人类细胞中至少已发现11种此类蛋白，称水通道蛋白（Aquaporin，AQP），均具选择性的让水分子通过的特性。

在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中已发现35种这类水通道。 二、 主动运输 1、特点：

(1)依赖载体蛋白。(2)逆浓度或电化学梯度运输；(3)需要能量(由ATP直接供能)或与释放能量的过程偶联(协同运输)；(4)具选择性和特异性。

主动运输所需的能量来源主要有： 1、水解ATP提供能量：Na/K泵 2、离子浓度梯度动力：协同运输。 3、光能驱动，如细菌。

图中依次显示的是协同运输，提供ATP的泵，光能驱动模式图我们下面将对这几种主动运输作具体介绍，重点是几种泵。 2、参与主动运输的泵

参与主动运输的载体蛋白称泵，本质上是ATPase。类型： 1、P型泵：运输时需磷酸化，主要是Na+ /K+ 泵，Ca++泵 2、V型泵：小泡存在，需ATP，但不磷酸化

3、F型泵：细菌、线粒体和叶绿体，在能量转换中起作用； 4、ABC型泵：存在于所有细胞，以ATP供能。 四种ATP驱动的离子泵的模式图。 (一) 钠钾泵：P型泵

由2个大亚基（α亚基）、2个小亚基（β亚基）组成的4聚体。 α亚基是跨膜蛋白，在膜内侧有ATP结合位点，细胞外侧有乌本苷的结合位点；α亚基还有Na+、K+结合位点。

工作原理：通过磷酸化和去磷酸化产生构象的变化，导致与Na+、

K+的亲和力变化。

1、运输过程

在膜内侧Na+与泵（也就是酶）结合，激活ATP酶活性，使得ATP水解，酶（泵）被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+亲和力低，对K+亲和力高，因而在膜外侧释放Na+、而与K+结合。而当K+与磷酸化酶（泵）结合后促使酶（泵）去磷酸化，这样酶（泵）的构象又恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶（泵）亲和力降低，使得K+在膜内被释放，而又与Na+结合。

总结果：每一循环消耗1个ATP，转运出3个Na+，转进2个K+。 下面这张图显示的就是刚才那个过程。Affinity亲和力 2、Na+-K+泵作用

（1）维持细胞内渗透压，保持细胞的体积；（2）维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细胞的静息电位。

钠钾泵的一个特性就是它对离子的转运依赖自磷酸化过程，ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象的变化。通过自磷酸化来转运离子的离子泵就叫做P-type，与之相类似的还有钙泵和质子泵，它们组成了功能与结构相似的一个蛋白质家族。下面我们就来简单介绍钙泵和质子泵。

（二）钙离子泵：P型泵

钙离子泵对于细胞是非常重要的，因为钙离子通常与信号转导有关，是细胞内的重要信使物质，钙离子浓度的变化会引起细胞内信号途径的反应导致一系列的生理变化。细胞内通常需要保持较低的钙离子浓度（10-7M），比细胞外钙离子浓度（10-3M）低几个数量级。我们知道依着被动运输体系，胞膜内外是要保持一致浓度的，那么现在出现这样的状态主要就是由于质膜和内质网膜上存在钙离子转运体系，也就是钙泵。当然细胞出现这样胞膜内外钙离子浓度梯度是有它的道理的，这个我们将在今后的篇章会给大家再作解释。

钙泵的工作原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。

图示为钙泵工作流程，与钠钾泵相似。

(三)质子泵（H+泵）

用于转移H+的泵，有3类：P-type、V-type、F-type。 1、P-type：存在于真核细胞的细胞膜上。载体蛋白利用ATP使自身磷酸化，通过构象改变来转移质子或其他离子。植物细胞膜上的H+泵功能类似于动物细胞上的钠钾泵。这在我们前面也讲过，凡是通过自磷酸化过程来转运离子的泵都属于P-type

2、V-type：位于动物溶酶体及植物液泡膜上，更宽一些的说，它存在于小泡的膜上，溶酶体膜、动物细胞的内吞体、高尔基体的囊泡膜、植物液泡膜等。由许多亚基构成，（见47张幻灯片图），它主要是把细胞质中H+泵进细胞器。载体蛋白水解ATP获得能量，但不进行磷酸化。

3、F-type：

位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上。详细的结构我们将在线粒体与叶绿体一章讲解。它也是由许多亚基构成的管状结构，工作方式与P型、V型泵相反：H+沿浓度梯度运动，所释放能量与ATP耦联起来，所以也叫ATP合酶，F是氧化磷酸化或者光合磷酸化偶联因子（factor）的缩写。

（四）ABC转运器

最早发现于细菌，是细菌质膜上的一种运输ATP酶(transport ATPase)，属一个庞大而多样的蛋白家族，成员都含两个高度保守的ATP结合区(ATP binding cassette：[ 改变将与之结合的底物转移至膜的另一侧。

图示ABC转运器的模式图。我们看到ATP结合位点，结合ATP后二聚化，也就是两个跨膜蛋白结合到一起。47中也有模式图

这种转运体系在细胞中非常重要，在大肠杆菌中有78个基因（占全部基因的5％）编码ABC转运器蛋白，在动物中可能更多。虽然每一种ABC转运器只转运一种或一类底物，但是其蛋白质家族中具有能转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质的成员。ABC转运器还可以催化脂双层的脂类在两层之间翻转，这在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。

])，故名ABC。

他们通过结合ATP后发生二聚化，ATP水解后解聚，通过构象的

真核细胞被发现的第一个ABC转运器是多药抗性蛋白(MDR)，该基因在癌细胞中过表达，降低了化疗的疗效。

ABC转运器还与病原体对药物的抗性有关。真菌对临床用的抗真菌药物氟康唑 、酮康唑、伊曲康唑等药物产生耐药性的原因是通过MDR蛋白降低了细胞内药物浓度。 三、协同运输（cotransport）

是一类靠间接能量工作的主动运输方式。所需能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度。维持这种电化学势就是靠钠钾泵或质子泵。

动物细胞常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动，植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。

依物质运输方向与离子沿浓度梯度转移方向分：同向协同(symport)与反向协同(antiport)。

1、同向协同（symport）

是指物质运输方向与离子转移方向相同。

动物小肠细胞对葡萄糖的吸收即伴随着Na+的进入。细胞内的Na+又被钠钾泵泵出，细胞内始持较低Na+浓度，形成电化学梯度。

在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入，每转移一个H+吸收一个乳糖分子。

图示小肠对葡萄糖的吸收，刚刚说过，协同运输的能量就是来自膜内外的离子的电化学浓度梯度，所以我们看到膜内外Na+浓度梯度，导致动物小肠细胞对葡萄糖的吸收，同时由于伴随着Na+的进入，为了继续进行吸收工作，因此要保证胞内Na+低浓度水平，钠钾泵发挥了它的作用，将Na+转运了出去。

2、反向协同（antiport）

指物质跨膜运输方向与离子转移方向相反。

动物细胞以Na+/H+反向协同运输转运H+调节细胞内pH值，并以钠钙反向协同保持细胞中低钙浓度。也就是Na+的进入伴随了H+和钙离子的外排。

红细胞膜上的带3蛋白是利用Na+驱动来进行Cl--HCO3-交换，即Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流。

图示几类转运蛋白，依次为ATP驱使的几类泵，离子通道，转运

器

（uniporter：单输送体，一种离子或底物由浓度高向浓度的转运symporter共输送体，两种共进，但未必是依循浓度梯度，antiporter反向转运体，一进一出）

请大家课后总结这几种转运蛋白的知识点，基本概念，工作原理或流程等等。

第三节 膜泡运输的基本概念

这一节的内容是比较好理解的，可以说是本章最容易的一节了 真核细胞通过胞吞作用(endocytosis)和胞吐作用(exocytosis)完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。

转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，故又称膜泡运输。有人统称细胞的胞吞和胞吐活动为吞排作用

由于这个过程涉及膜的融合与断裂，也需能量，属主动运输 一、吞噬作用（phagocytosis）

细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。

吞噬现象是原生动物获取营养物质的主要方式，在后生动物中吞噬是一种保护机制而非摄取营养。如在哺乳动物中，中性颗粒白细胞和巨噬细胞具有极强的吞噬能力，以保护机体免受异物侵害。

图示的是巨噬细胞吞噬细菌的过程。 二、胞吞作用（endocytosis）

细胞吞入的物质为液体或极小的颗粒物质，这种内吞作用称为胞吞作用。

胞吞作用存在于白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植物细胞。

三、胞吐作用（exocytosis）

与胞吞作用的顺序相反，某些大分子物质通过形成小囊泡从细胞内部移至细胞表面，小囊泡与质膜融合，将物质排出细胞外，这个过程称胞吐作用。

细胞内不能消化的物质和合成的分泌蛋白都是通过这种途径排

出的。 四、穿胞运输

动物组织中，有的细胞通过胞吞和胞吐相偶联，在细胞的一侧形成胞吞小泡穿越细胞质，在另一侧使小泡中的物质释放出去。

如肝细胞从血窦中吸收免疫球蛋白A(IgA)，通过穿胞运输送到胆微管；

大鼠母鼠血液中抗体经穿胞运输进入乳汁。 五、胞内膜泡运输

细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递也通过膜泡运输方式进行。如从内质网到高尔基体再到溶酶体，细胞分泌物的外排，都要通过过渡性的小泡进行转运。胶原的合成，原胶原分子就是始于内质网，再转到高尔基体继续合成，最后通过膜泡转运到胞外形成胶原纤维的。

胞内膜泡运输沿微管运行，动力来自两种马达蛋白(motor proteins)：

(1)动力蛋白(dynein)，沿微管向负端移动；

(2)驱动蛋白(kinesin)，可以牵引物质向微管正端移动。通过这两种蛋白的作用，可使膜泡被运抵一定区域。

图示的就是胞内膜泡运输及外排作用。

第二节 细胞通讯与信号传递

The English poet John Donne:“No man is an island.” 这句名言的意思就是任何一个人只要在这个地球上就必定不是可以存在的，他一定会通过各种各样的直接或者间接的方式与周围的其他人或生物接触联系，这也同样适用于其他的生物。对于组成生物的细胞来说，必然也存在着各种联系。本节我们就来学习细胞与细胞之间是如何进行通讯的。 Learning Objectives:

1. Some of the basic characteristics of cell signaling 细

胞通讯的一些基本概念

2. The types of signal molecules, receptors, molecular switches and effectors;信号分子，受体，分子开关和其相应效应器开关蛋白的类型

3. The different signal transduction pathways;不同的信号转导途径

4. The convergence, divergence, and cross talking between different signaling pathways.存在于信号传递通路中的‚收敛‛、‚发散‛和‚交谈‛现象。

生命与非生命物质最根本的区别：生命是一个完整的自然的信息处理系统。

生命现象是信息在同一或不同时空传递的现象，生命进化实质是信息系统的进化。

信息物质如核酸和蛋白质信息在不同世代间传递维持了种族的延续。

信息系统使有机体适应内、外环境的变化，维持个体的生存； 单细胞生物通过反馈调节，适应环境的变化。

多细胞生物是由各种细胞组成的细胞社会，除反馈调节外，更有赖于细胞间的通讯与信号传导，协调不同细胞的行为： （1）调节代谢；（2）实现细胞功能：肌肉的收缩，腺体分泌等； （3）调节细胞周期； ④控制细胞分化； ⑤影响细胞的存活。

这张图表达的就是细胞发生信号传导后将会引起一系列的细胞活动，当胞外配体（一些化学信号物质）与我们细胞表面的受体结合后就会通过一些路径将信号传递到胞内外，引发例如酶化学反应、细胞骨架功能表达、离子渗透活动的变化、DNA合成、RNA合成等活动

这张图表示：每个细胞都会对胞外不同的信号分子组合产生不同的反应。比如，ABC三个信号分子会影响到细胞的存活，加入DE导致，加入FG导致分化，拿掉所有的分子，即没有信号分子结合意味着与外界断了联系，导致死亡 一、细胞通讯的基本特点

（一）两个容易混淆的概念

细胞信号传导（cell signaling）：细胞合成和释放信号分子，并将信息传递给其它细胞的过程。强调信号的产生与细胞间传送。

信号转导（signal transduction）：信号分子与细胞细胞表面受体作用，通过细胞内信使，引起细胞应答反应的一系列过程。强调信号的接收与转换方式和结果。

（二）细胞通讯的方式 4种方式：

（1）通过信号分子；细胞分泌化学信号分子进行细胞间的相互通讯。

（2）通过相邻细胞表面分子的粘着；细胞粘着分子，比如钙粘素，选择素，整联蛋白，尤其是整联蛋白，当时我们就提到过它在信号转导上起到重要的作用。

（3）通过细胞与细胞外基质的粘着；这两类都属于细胞间接触性的通讯，通过与质膜结合的信号分子影响其他细胞。

（4）通过间隙连接。我们在上一章介绍间隙连接的时候，学习过间隙连接就是通讯连接的一种，组成它的基本单位是连接子，它是由六个蛋白亚基围绕成的，中间有个直径大约1.5nm的孔道，它可以允许小于1200D的小分子物质通过。细胞间就可以通过间隙连接的连接子孔道使得细胞质相互交换小分子来实行代谢耦联或者电耦联。

归为2大类：

（1）不依赖于细胞接触的细胞通讯；比如信号分子通讯方式 （2）依赖于细胞接触的细胞通讯。剩下的可以说都是接触型的了

（三）细胞通讯的基本过程 1、信号分子的合成：内分泌细胞； 2、信号分子释放进入周围环境； 3、信号分子向靶细胞的运输：血液； 4、靶细胞对信号分子的识别和结合：受体； 5、胞外信号跨膜转导，产生胞内信号； 6、胞内信号作用于效应分子，引起细胞应答。

图示：胞外信号分子与细胞表面受体蛋白识别结合，胞外的信号

跨膜转导后在胞内形成各类信号，作用到不同的effectors（效应分子）上，形成不同功能效应的蛋白质，比如用于催化新陈代谢的酶，基因蛋白用于改变基因表达，作用到细胞骨架蛋白上会改变细胞的形状或者运动。

（四）细胞通讯涉及的要素 1、实现信号传导的信号分子； 2、进行信号接收的受体；

3、进行信号转导的第二信使；用来将胞外信号转为胞内信号 4、引起细胞应答的效应分子。 （五）信号分子与信号传导 1、信号分子(signal molecule)

生物细胞所接受的信号既可使物理信号（光、热、电流），也可是化学信号，有机体细胞间的通讯中最广泛的是通过化学信号分子实现。

信号分子是指细胞内某些化学分子，既非营养物，也非能源和结构物，也不是酶，唯一的功能是在细胞内和细胞间传递信息，如激素、神经递质、生长因子等。

2、信号分子的共同特点

多细胞有机体中有几百种信号分子在细胞间传递信息，包括蛋白质、短肽、氨基酸衍生物、核苷酸、脂类、胆固醇衍生物和气体分子（NO）等。共同特点：

（1）特异性：只能与特定的受体结合；

（2）高效性：几个分子即可触发明显的生物学效应：级联放大（级联放大（cascade amplification）：在体内的不同部位，通过一系列酶的酶促反应来传递一个信息，并且初始信息在传递到系列反应的最后时，信号得到放大，这样的一个系列叫作级联系统）；

（3）可快速失活：完成信息传递后被降解或修饰失去活性。自控性强。

3、信号分子类型及信号传导方式 依溶解性可分2类：

（1）水溶性：只能与膜表面受体结合。水溶性激素、神经递质、

细胞生长因子。

（2）脂溶性：可穿膜进入细胞，与胞内受体结合。甾类激素和甲状腺素。

依产生和作用方式可分4类： （1）内分泌激素；（2）神经递质； （3）局部化学介质；（4）气体分子。 （1）激素（hormone）

由分泌细胞合成并分泌到血液，包括肽类激素，类固醇激素，氨基酸衍生物。分泌方式称内分泌（endocrine）。特点：

A、最广泛的传递信息方式；

B、通过血液循环系统传播，速度快； C、低浓度，10-8-10-12M；

D、传输距离最远，覆盖整个生物体；

E、长时效，血中微量激素足以维持长久作用。 （2）局部介质（local mediator）

由各类细胞分泌到细胞外液的信号分子：细胞生长因子；淋巴因子等。这种分泌方式称旁分泌（paracrine）。

特点：通讯距离短，仅几毫米，只能作用于周围细胞。 自分泌（autocrine）：细胞对自身分泌的物质产生反应：前列腺素。

（3）神经递质（neurotransmitter）

神经细胞末梢释放出的小分子信号分子：乙酰胆碱。特点： 1）仅作用于与之相连的靶细胞； 2）作用部位精准，速度快； 3）对受体亲和力低，作用时间短。

图示几种信号传导的方式：A是旁分泌：由各类细胞将信号分子分泌到细胞外液，对其他的细胞影响，B是突触，是神经细胞传递信号的特殊方式，C是内分泌，由分泌细胞合成并分泌信号分子到血液，D是自分泌，细胞分泌物质对自身细胞产生反应

（4）气体分子（NO）

NO（一氧化氮）是可溶性有毒气体，可快速扩散透过细胞膜，进

入邻近的靶细胞起作用。常视为一种局部介质。特点：

1）半衰期短，易被氧化成根离子或亚根离子。 2）细胞内没有专门的储存和释放调节机制。 （5）细胞膜上的信号分子

依赖于细胞接触的通讯中，信号分子都位于细胞膜上，两个细胞通过信号分子与受体的接触传递信息。

胚胎发育过程中，依赖于细胞接触的信号传导对于细胞识别和组织形成具重要作用。

图示的是两种通讯方式，上面是不接触型的，一个细胞分泌信号分子释放到周围，信号分子再和另一细胞表面的受体识别并结合产生效应，下面是接触型的，信号分子都位于细胞膜上，两个细胞通过信号分子与受体的接触传递信息。

（六）受体(receptor)与信号接收

是一种能够识别和选择性结合某种配体(信号分子)并能引起细胞功能变化的生物大分子。

含2个功能区：与配体结合区和产生效应区。当受体与配体结合后，构象改变，启动一系列过程，最终表现为生物学效应。

受体与配体间的作用具4个特征： (1)特异性；一对一识别结合(2)饱和性；受体只能结合一定数量的配体(3)高亲和力；(4)可逆性。可装可卸，这才能完成信号由胞外转到胞内。

根据受体在细胞中的位臵，将受体分为： （1）细胞表面受体(cell surface receptor)；

（2）细胞内受体(intracellular receptor)。存在于胞内细胞核以及胞质溶胶中

1、细胞内受体

细胞内受体介导亲脂性信号分子的信息传递。主要位于细胞核中，也有的位于细胞质溶胶。

具两个结构域：一个是与DNA结合的结构域；另一个是激活基因转录的N端结构域。此外还有两个结合位点，一个是配体结合位点；另一个是与抑制蛋白结合的位点。很显然这两个位点一个是为了启动受体，而另一个则是为了停止受体活动。

2、细胞表面受体(cell surface receptor)

细胞表面受体介导亲水性信号分子的信息传递，可分： (1)离子通道耦联受体(ion-linked receptor)； (2)G蛋白耦联受体(G-protein linked receptor)； (3)酶联受体(enzyme-linked receptor)。

每种细胞都有独特的受体和信号转导系统，细胞对信号的反应不仅取决于受体的特异性，而与细胞的固有特征有关。

相同的信号可产生不同的效应，如Ach可引起骨骼肌收缩、降低心肌收缩频率，引起唾腺细胞分泌。

不同信号产生相同的效应，如肾上腺素、胰高血糖素，都能促进肝糖原降解。

细胞持续处于信号分子刺激下的时候，细胞通过多种途径使受体钝化，产生适应。如：①修饰或改变受体，如磷酸化，使受体与下游蛋白隔离，即受体失活(receptor inactivation)。

②暂时将受体移到细胞内部，即受体隐蔽（receptor sequestration）

③通过内吞作用，将受体转移到溶酶体中降解，即受体下行调节（receptor down-regulation）

（七）信号转导与第二信使

由细胞表面受体将细胞外信号(第一信使)转换而成的细胞内信号称第二信使(secondary messenger)，是信号转导过程中第一个出现在细胞质中的具信使作用的分子。作用是对胞外信号起转换和放大的作用。

第二信使都是小的分子或离子。公认的第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG），Ca2+被称为第三信使。

（八）蛋白激酶与细胞应答

蛋白激酶是一类磷酸转移酶，作用是将 ATP 的磷酸基转移到底物特定的氨基酸上，使蛋白质磷酸化。

在信号转导中的作用：（1）通过磷酸化调节蛋白质的活性。（2）通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞应答。 二、细胞表面受体介导的信号转导

细胞表面的三类受体，离子通道受体存在于可兴奋细胞，G蛋白耦联受体和酶耦联受体则存在于大多数细胞，在信号转导的早期表现为激酶级联事件，也就是经过一系列蛋白质的逐级磷酸化，使得信号逐级传送和放大。

（一）离子通道型受体及其信号转导

一类自身为离子通道的受体，即配体门通道（ligand-gated channel）。

主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，信号分子为神经递质。我们曾讲过，离子通道型受体分阳离子和阴离子通道两种，阳离子通道包括乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受体，阴离子通道包括甘氨酸和γ－氨基丁酸受体。

乙酰胆碱门受体就是现在了解比较多的一类阳离子受体，它是Na、Ca离子通道。

神经递质与受体的结合改变通道蛋白构象，导致离子通道开启或关闭，改变质膜离子通透性，在瞬间将胞外化学信号转换为电信号，改变突触后细胞的兴奋性。我们来看离子通道受体的作用机理图，首先大家对这张图应该有印象，我们曾在细胞连接中的通讯连接中介绍过它，这一类是通讯连接三类连接中的一种——化学突触，另外两类是动物细胞的间隙连接和植物细胞的胞间连丝。在当时对化学突触的结构介绍中就提到过突触后膜也就是靶细胞膜表面有着接受神经突触小体释放出的神经递质的受体，这个受体就是一类配体门离子通道。当神经冲动传到突触前膜，突触小泡释放神经递质，与突触后膜的受体结合，使配体门离子通道打开，引起突触后膜去极化或超极化，也就是引起阳离子通过通道流入或流出，化作电信号传递到胞内进行一系列的细胞应答反应。

再讲一点关于乙酰胆碱受体的知识点，乙酰胆碱受体是由α、β、γ、δ四种亚基构成的五聚体，亚基通过氢键等非共价键，形成一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构（图），其中的两个α亚单位是同两分子Ach相结合的部位。当受体的两个α亚单位结合Ach时，引起通道构象改变，通道瞬间开启，膜外Na+内流，膜内K+外流。但受体处于通道开放构象状态时限短暂，几十毫秒内又回到关闭状态。然

后乙酰胆碱解离，受体恢复到初始状态。因此乙酰胆碱受体有3种构象，关闭、开放和失活。（图）

图示了神经肌肉接点处的离子通道型受体，这里就牵涉到两个门通道，一个是配体门通道，也就是我们所说的离子通道受体，另一个是电位门通道，它是受膜内外电压变化控制的一类门通道，当细胞内外离子浓度发生变化时，引起膜电位变化，使其构象变化，“门”打开。这张图上绿色的为电位门通道，而蓝色的是配体门通道，左边是信号分子未释放前，各门都处于关闭状态，神经递质自突触小体中释放后与离子通道受体结合，门打开，膜外Na+内流，膜内K+外流。使该处膜内外电位差接近于0值，形成终板电位，也就是此时膜内外离子浓度发生变化，因此引起了相邻肌细胞膜中Na+和K+电位门通道开放，从而引起了肌细胞动作电位，动作电位传到肌质网，引起了Ca2＋通道打开引起Ca2＋外流，引发了肌肉收缩。

（二）G蛋白耦联受体及其信号转导 1、G蛋白的结构

G蛋白即GTP结合蛋白（GTP-binding protein），位于质膜胞质侧，属膜外周蛋白，由α、β、γ三个亚基组成异源三聚体。

αγ亚基通过脂肪酸链锚定在质膜上，α亚基上有GTP/GDP结合位点，并具GTP酶活性及ADP核糖化位点。（图）

图中三个结构，中间是G蛋白，我们可以看到三个亚基，左边是与G蛋白耦联受体，右边是作为效应分子的酶，也是个跨膜蛋白。

G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用：

当α亚基与GDP结合时G蛋白处于关闭状态，此时α亚基与βγ亚基呈三聚体状态。

α亚基结合GTP后处于开启状态，一方面与βγ亚基分离，与特异蛋白结合，引起信号转导；另一方面能催化所结合的GTP水解，恢复无活性的三聚体状态。

图示了G蛋白激活与失活的循环，当胞外受体与配体结合时，导致受体胞内结构域与α亚基耦联，并促使α亚基结合的GDP被GTP交换而活化，因而处于开启状态，并传递信号。

图示G蛋白作为分子开关的过程，实际上也就是说这类受体，光

是信号分子与受体结合还没有用，必须由G蛋白来开启信号转换传递即信号转导的工作。

G蛋白耦联受体为7次跨膜蛋白，（图示）胞外结构域识别并结合胞外信号分子，胞内结构域与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在胞内产生第二信使，将胞外信号跨膜转导到胞内。

G蛋白耦联受体包括多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体，味觉、视觉和嗅觉中接受外源理化因素的受体亦属这类受体。

图示G蛋白耦联受体为7次跨膜蛋白的模式图。

2、由G蛋白耦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。

cAMP信号通路（PKA通路）

胞外信号与相应受体结合，调节腺苷酸环化酶活性，通过第二信使cAMP水平的变化，将细胞外信号转变为细胞内信号。

A、cAMP信号通路的组分

（1） 激活型激素受体(Rs)或抑制型激素受体(Ri)：Rs结合Gs，激活腺苷酸环化酶活性；Ri结合Gi ，抑制腺苷酸环化酶活性；

（2）刺激型G蛋白(Gs)或抑制型G蛋白(Gi)；

（3）腺苷酸环化酶(Adenylyl cyclase, AC)：12次跨膜糖蛋白，是G蛋白的效应物，能催化ATP生成cAMP，引起细胞应答。

图示腺苷酸环化酶的模式构象图，

其实上述三个就构成了我们所熟知的G蛋白耦联受体的三大要素，下面的两个组分则是作为信号被接受后，催化细胞应答反应以及终止信号的物质。

（4）蛋白激酶(Protein Kinase A，PKA)

cAMP信号通路的主要效应是激活靶酶和开启基因表达，这些就是通过蛋白激酶A来完成。它是由两个催化亚基和两个调节亚基组成，无cAMP时，以钝化的四聚体形式存在。有cAMP时，cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基。

活化的PKA催化亚基可使特定蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，改变这些蛋白的活性，进一步影响相关基因的表达。

图示书中139的图5－27

图示cAMP信号通路与基因表达

(5)环腺苷酸磷酸二酯酶：可降解cAMP生成5’-AMP，起终止信号的作用。很显然，整个通路是以cAMP作为信使物的，它不存在通路也就被切断了。

B、Gs（刺激型G蛋白）调节模型

细胞处于静息状态时，Gs呈非活化态，α亚基结合GDP，此时腺苷酸环化酶（也就是效应分子）无活性；

当激素配体与Rs（也就是激活型激素受体）结合后导致Rs构象改变，暴露出与Gs结合位点，使得激素－受体复合物与Gs结合，Gs的α亚基构象改变，从而使得GDP被释放，结合GTP而活化，使得三聚体Gs蛋白解离出α亚基和βγ亚基复合体，暴露出与腺苷酸环化酶结合位点，此时结合GTP的α亚基与腺苷酸环化酶结合，使之活化并将ATP转化为cAMP。

结合GTP的α亚基的功能是激活腺苷酸环化酶。

随着使命的完成，α亚基所结合的GTP水解成GDP，α亚基恢复原来的构象，终止对腺苷酸环化酶的活化作用。α亚基与βγ亚基重新结合，形成没有活性的三聚体。

图示Gs调节模型

霍乱毒素能催化ADP核糖共价结合到Gs的α亚基上，使α亚基丧失GTP酶的活性，GTP永久结合在Gs的α亚基上，使α亚基处于持续活化状态，腺苷酸环化酶永久性活化。这样一来，机体的机能必定受到破坏，导致霍乱病患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。

而对于G蛋白上的另外两个亚基并不是作为没用的附属物存在的，它们也是具有自身的功能。

活化的βγ亚基复合物也可直接激活胞内靶分子，具信号传递功能。

如心肌细胞中G蛋白耦联受体在结合乙酰胆碱刺激下，活化的βγ亚基复合物能开启质膜上K+通道，改变心肌细胞膜电位。

βγ亚基复合物也能与膜上效应酶结合，对结合GTP的α亚基起协同或拮抗作用。

细胞内cAMP浓度大幅升高后，cAMP特异性地激活cAMP依赖的蛋白激酶(PKA)。被激活的PKA可作用多种底物，引起多种反应。

在同一细胞中，既可通过磷酸化细胞质中的靶蛋白而立即发挥作用，如磷酸化糖原分解的酶类，启动糖原分解成葡萄糖的反应；也可缓慢地发挥作用：通过磷酸化基因蛋白，影响基因表达。

在不同细胞中，PKA通过磷酸化不同套蛋白质，而起到不同的作用。

图示糖原降解 ： cAMP和PKA信号立即发挥作用的例子 cAMP激活蛋白激酶，蛋白激酶又激活了磷酸化酶，磷酸化酶激活催化糖原分解的酶类，这些酶促成了糖原转化为葡萄糖。

因此，对于作用于细胞质中靶蛋白cAMP信号通路可表示为： 激素→G蛋白耦联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→依赖cAMP的蛋白激酶A→靶蛋白（酶）→引起细胞代谢改变。

cAMP和PKA信号调节基因表达：

激活的PKA 进入细胞核，将CRE (cAMP response element, DNA上的调节区域)结合蛋白(CREB)磷酸化，调节相关基因的表达。

故对于调节基因表达的cAMP信号通路可表示为：

激素→G蛋白耦联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→依赖cAMP的蛋白激酶A→基因蛋白→基因转录

图示的是cAMP通路中蛋白激酶启动糖原降解和进行基因的流程图。首先胞外配体和受体结合后引发G蛋白作用，使得ATP水解成为cAMP，激发了保质中蛋白激酶的活性，蛋白激酶和各类底物结合，激发各种反应酶的作用，从而引发一系列反应，向4走激活了磷酸化酶，促成糖原合成，向5走激活的磷酸化酶又激活磷酸化糖原分解的酶类，这些酶促成了糖原转化为葡萄糖。向9走进入细胞核内，将CRE结合蛋白磷酸化，从而调节相关基因表达。

这张图也是显示同一细胞内cAMP的作用简图 C、Gi调节模型

Gi（抑制型G蛋白）调节主要用于终止cAMP信号。其作用机理主要是通过对腺苷酸环化酶的抑制作用来实现cAMP信号的终止。可通过两个途径：

（1）α亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性； （2）βγ亚基复合物与游离Gs的α亚基结合，阻断Gs的α亚基对腺苷酸环化酶的活化。

图示Gi调节模型，左边是刺激型G蛋白，右边是抑制型G蛋白，Gi直接与腺苷酸环化酶结合，抑制活性，或者βγ亚基复合物与游离Gs的α亚基结合，阻断Gs的α亚基对腺苷酸环化酶的活化。为什么会产生游离α亚基啊，我们前面讲过的，配体与受体结合后构象改变使得G蛋白与其结合，导致G蛋白构象发生改变，从而使得α亚基被解离出来。

百日咳毒素催化Gi的α亚基ADP-核糖基化，降低了GTP与Gi的α亚基结合的水平，使Gi的α亚基不能活化，阻断了Ri受体对腺苷酸环化酶的抑制作用。

D、感觉器官中的G蛋白偶联受体 （1）视觉感受器中的G蛋白

视紫红质(rhodopsin, Rh)是视杆细胞中的光感受蛋白，为7次跨膜蛋白，是G蛋白偶联型受体。

光照使Rh构象改变，构象改变的Rh激活G蛋白(transducin，Gt)，G蛋白再激活cGMP磷酸二酯酶，将细胞中的cGMP水解，从而关闭钠通道，引起细胞超极化，产生视觉。

图示视觉感受器中的G蛋白 视觉产生过程可表述为：

光信号→激活Rh→G蛋白(Gt)→cGMP磷酸二酯酶激活→胞内cGMP水解并减少→Na+离子通道关闭→胞内离子浓度下降→膜超极化→神经递质释放减少→视觉反应。

（2）嗅觉感受器中的G蛋白

嗅觉的产生取决于来自于嗅神经细胞的神经脉冲。人体有500多种嗅觉受体，每种嗅神经细胞只含1种嗅觉受体，不同嗅神经细胞的激活使我们感受到不同气味。

过程：气味分子→嗅神经细胞上的嗅觉受体→G蛋白→腺苷酸环化酶激活→cAMP → cAMP配体门离子通道打开→动作电位→大脑

（3）味觉感受器中的G蛋白

舌上的味蕾含感觉细胞，感觉细胞只能传递四种基本味道(酸、咸、甜、苦)中的一种，另一种“鲜”味是由一种特化的感觉细胞传递。

咸和酸的感受：食品中的钠离子或质子通过离子通道进入感觉细胞，引起细胞膜去极化。

苦和甜的感觉：食品中各种化合物与感觉细胞上的T2R受体结合→G蛋白→腺苷酸环化酶激活→cAMP → cAMP配体门离子通道打开→动作电位→大脑

3、磷脂酰肌醇途径（PKC）

(1) 信号转导过程：胞外信号与G蛋白耦联受体结合→激活质膜上磷脂酶C(PLCβ) →质膜上4,5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)水解→ 1,4,5-三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DG)两个第二信使。使得胞外信号转为胞内信号，故又称“双信使系统”

IP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca2+浓度升高，激活各类依赖钙离子的蛋白。

DG位于质膜，可活化与质膜结合的蛋白激酶C(Protein Kinase C，PKC)。

PKC以非活性形式分布于胞质中，当细胞接受刺激，产生IP3，使得Ca2+浓度升高，PKC便转到质膜表面，被DG活化。

图示IP3和DG作用

这张图显示的也是磷脂酰肌醇信号通路图，书上140页有这样一个图。

（2）PKC的作用

PKC可使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化，引发不同细胞中的不同反应，比如细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等等，它是一种多功能性激酶。大体作用是以下两类

a、激活细胞质中的某些酶，参与生化反应；

b、作用于细胞核中的转录因子，参与基因表达，所的基因多与细胞生长和分化相关。

（3）Ca2+的作用

在磷酸肌醇途径中，除PKC具有重要的作用外，细胞内Ca2+的

升高也具有非常多的重要的细胞功能。包括激活或抑制不同的酶及运输系统；改变膜的离子透性；诱导膜融合；改变细胞骨架的结构和功能。

Ca2+不是通过自身而是通过细胞内钙结合蛋白去完成这些功能。 钙调素(calmodulin，CaM) 是一类重要的钙结合蛋白，存在于所有真核细胞中，由单一肽链构成，有4个Ca2+结合位点，结合Ca2+后构象改变，可结合蛋白激酶、cAMP磷酸二酯酶、离子通道，甚至是Ca2+运输蛋白。

Ca2+在植物细胞中的作用

Ca2+在植物细胞中也具重要作用。光、温度、压力、重力及激素刺激下，植物细胞中的Ca2+发生急剧变化，并引起相应的反应。

植物叶片气孔的大小主要是通过Ca2+：不利条件→刺激ABA（脱落酸）释放→保卫细胞膜中Ca2+通道打开→ Ca2+进入细胞质，触发细胞器中Ca2+释放→细胞质中Ca2+浓度升高→质膜钾输出通道打开，输入通道关闭→细胞膨压下降→气孔缩小。

图示钙离子植物叶片气孔大小

图示钙调素作用下，钙离子在细胞中的循环，虽然钙调素导致胞内钙离子浓度升高，但在细胞器上的钙泵又将胞质内的钙离子泵进钙离子库，配合钙调素共同作用。

（4）PKC信号途径终止

a、 IP3信号的终止：通过去磷酸化形成IP2，或被磷酸化形成IP4。

b、Ca2+信号的终止：由质膜上Ca2+泵和Na+-Ca2+交换器抽出细胞，或由内质网膜上钙泵进内质网腔。

c、DG信号的终止：被DG-激酶磷酸化成为磷脂酸；或被DG酯酶水解成单酯酰甘油。

这三种PKC信号途径中的组分任何一种被抑制都会导致通路终止。

（三）酶联受体（enzyme linked receptor）又称酶耦联受体 分2类：

（1）一是本身具激酶活性，如肽类生长因子（EGF，PDGF，CSF

等）受体；

（2）二是本身没有酶活性，但可连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。

共同点：

（1）通常为单次跨膜蛋白；

（2）接受配体后发生二聚化而激活，启动下游信号转导。 已知5类：

（1）受体酪氨酸激酶； （2）酪氨酸激酶连接的受体； （3）受体酪氨酸磷脂酶； （4）受体丝氨酸/苏氨酸激酶； （5）受体鸟苷酸环化酶。

下面来介绍与酶联受体信号转导相关的信号分子及结构域 1、酪氨酸激酶 可分三类：

（1）受体酪氨酸激酶，为单次跨膜蛋白，在脊椎动物中已发现50余种；

（2）胞质酪氨酸激酶，如Src家族、Tec家族、ZAP70家族、JAK家族等；

（3）核内酪氨酸激酶，如Abl和Wee。 2）小G蛋白(Small G Protein)

因分子量小(20~30KD)得名，也具GTP酶活性，也是多种细胞反应的分子开关。

第一个被发现的小G蛋白是Ras，它是ras基因的产物。 其它的还有Rho，SEC4，YPT1等，微管蛋白β亚基也是。 小G蛋白的共同特点：

a、结合GTP成活化形式，使下游分子活化，当GTP水解成GDP时，回到非活化状态。与Gα类似。

b、进行GDP →GTP臵换时，需鸟苷酸交换因子(guanine nucleotide exchange factor, GEF)帮助。

c、GTP酶活性低，进行GTP水解时，需GTP酶激活蛋白(GTPase

activating protein, GAP)帮助。

3）介导信号分子结合的结构域

SH2结构域：约100个aa，介导蛋白与含磷酸酪氨酸的蛋白分子结合。

SH3结构域：约50个aa，介导蛋白与富含脯氨酸蛋白分子结合。 PH结构域：约100~120个aa，可与膜上磷脂类分子PIP2、PIP3、IP3结合，使含PH结构域蛋白由细胞质中转到细胞膜上。

1、受体酪氨酸激酶及RTK-RAS信号途径

受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，RTKs）既是受体，也是酶。由3部分组成：

胞外区是结合配体结构域；单次跨膜a螺旋区；胞内段含酪氨酸蛋白激酶结构域，并具有自磷酸化位点。

已知50多种，主要是Insulin（胰岛素）和各种生长因子。 图示各类受体酪氨酸激酶 ，英文解释如下 EGF(epidermal growth factor):表皮生长因子 IGF1(insulin-like):胰岛素样生长因子1 NGF(nerve):神经生长因子

PDGF(platelet-derived):血小板生长因子

M-CSF(macrophage colony stimulating factor):巨噬细胞菌（集）落刺激因子

FGF(fibroblast):成纤维细胞生长因子 VEGF(vacularendothelial):血管内皮生长因子 HGF(hepatocyte):肝细胞生长因子 （2）RTK-RAS信号途径

配体在胞外与受体结合并引起构象变化，导致受体二聚化(dimerization)，形成二聚体，在二聚体内两个单体彼此相互磷酸化各自胞内段酪氨酸残基，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性。

图示受体酪氨酸激酶的二聚化和自磷酸化，受体酪氨酸激酶活化后，与磷酸化的酪氨酸残基结合胞内信号蛋白将与之结合向胞内传递信号。

活化的RTK激活RAS，再由活化的RAS引起蛋白激酶的磷酸化级

联反应。

Ras是小G蛋白，要释放GDP结合GTP才能激活，这个过程需GEF（鸟苷酸交换因子，Sos）参与。

因此，RTK要激活Ras，必须先激活Sos

但RTK又不能直接激活Sos，因为Sos没有SH2结构域，只有SH3结构域，不能直接和RTK结合，需接头蛋白（Grb2）的连接。

接头蛋白Grb2既有SH2也有SH3结构域，可通过SH2与受体的磷酸酪氨酸结合，再通过SH3与Sos结合，这样活化的RTK就使Sos激活， 激活的Sos与膜上的Ras接触，活化Ras。

图示活化的RTK如何通过接头蛋白（Grb2）激活Sos再由Sos接触并激活RAS，这种活化的小G蛋白催化ATP生成cAMP，再引起蛋白激酶的磷酸化级联反应。

Ras的失活需要GTP的水解，而Ras本身的GTP酶活性不强，需GTP酶激活蛋白（GAP）的参与，GAP具有SH2结构域，可直接与活化的受体结合而被激活。

这点就符合了G蛋白的反应特性，我们前面讲过G蛋白结合GDP时为无活性三聚体状态，但结合了GTP后就会分离出有活性的α亚基，激活膜上的效应蛋白，催化反应生成cAMP，激活蛋白激酶传递信号，完成任务后α亚基上结合的GTP会水解程GDP，于是α亚基又与βγ复合体重新形成无活性三聚体。在这里胞内的GTP酶激活蛋白（GAP）与受体结合时，因为它有SH2结构域，这样就会激活Ras本身的GTP酶活性，使得GTP水解为GDP，这样就使得Ras失活。

图示了Ras在两种效应蛋白作用下激活和失活的循环图 活化的Ras与Raf (MAPKKK)的N端结构域结合并使其激活，Raf是丝氨酸/苏氨酸(Ser/Thr)蛋白激酶。

活化的Raf磷酸化另一种蛋白激酶MAPKK，使其活化。 MAPKK又磷酸化MAPK的苏氨酸和酪氨酸残基使之激活。 活化的MAPK进入细胞核，可使许多转录因子活化，如将Elk-1激活，促进c-fos，c-jun的表达。

图示受体与胞外配体比如一些生长因子结合后，二聚化并自磷酸化，结合接头蛋白（Grb2）和Sos激活小G蛋白Ras酶，也就是将

Ras上的GDP替换为GTP，于是与Raf (MAPKKK)的N端结构域结合并使其激活，活化的Raf磷酸化另一种蛋白激酶MAPKK，使其活化，MAPKK又磷酸化MAPK的苏氨酸和酪氨酸残基使之激活，活化的MAPK进入细胞核，使转录因子TF活化，促使了基因表达的改变，从而进一步引发了机体结构或功能的改变。

这张图我们书上146页有，表示的是活化的PKC和Ras蛋白激活的激酶磷酸化级联反应。这和我们刚才讲述的流程图是类似的。这里要强调的是激活的Ras蛋白引发了三种蛋白激酶的磷酸化级联反应，增强和放大了信号，级联反应的最后磷酸化一些蛋白，改变基因表达模式；这些是终致细胞行为（包括细胞增殖或分化，细胞存活或凋亡）改变的关键；同伙PKC激活的靶酶可能是Raf，也可能是其他丝氨酸或苏氨酸蛋白激酶

这张图显示的是由酶联受体引起的一系列信号转导途径，向左是RTK-RAS信号途径，而向右是磷脂酰肌醇途径，这也是G蛋白偶联受体的信号通路之一，也就是说我们的酶联受体即可引发RTK-RAS信号途径，也可以引发磷脂酰肌醇途径。

RTK-Ras信号通路可概括如下：

配体→RTK→adaptor→GRF（一种Sos蛋白）→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→进入细胞核→转录因子→基因表达。

Adaptor本意是插座结合器等的意思，在我们这里应该指的就是接头蛋白（Grb2）

配体与RTK受体酪氨酸激酶结合，通过Adaptor及胞内的GRF激活Ras蛋白，活化的Ras蛋白激活了Raf（MAPKKK）酶活性，紧接着引发磷酸化级联反应，最后的MAPK又磷酸化了一些转录因子，影响了基因表达。

2、受体酪氨酸激酶与胰岛素介导的信号转导

胰岛素受体也属受体酪氨酸激酶，是由α和β两种组成四聚体型受体，其中β亚基具激酶活性，可将胰岛素受体底物(insulin receptor substrates, IRSs)磷酸化。

IRS作为多种蛋白的停泊点，可结合并激活具SH2结构域的蛋白。 图示了胰岛素受体

图示了IRS作为多种蛋白的停泊点，可结合并激活具SH2结构域的蛋白，我们可以看到它可以结合很多种蛋白。

磷脂酰肌醇3-激酶(phosphotidylinositol 3-kinase, PI3K)是能IRS激活的蛋白之一。它催化PI形成PI(3,4)P2和PI(3,4,5)P3，这两种磷酸肌醇可作为胞内信号蛋白(含PH结构域)的停泊位点，并激活这些蛋白。主要信号通路有：

（1）通过激活BTK(Bruton's tyrosine kinase)，再激活磷脂酶Cγ（PLCγ），引起磷脂酰肌醇途径。

（2）激活磷脂酰肌醇依赖性激酶

PDK1(phosphoinositol dependent kinase)，PDK1激活转位到膜上的蛋白激酶B(PKB，丝氨酸/苏氨酸激酶，如Akt)。

激活的PKB(Akt)返回细胞质，将细胞凋亡相关的BAD蛋白磷酸化，抑制BAD的活性，从而使细胞存活。

图示蛋白激酶B的活化，磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)被IRS激活，催化PI形成PI(3,4)P2和PI(3,4,5)P3结合胞内蛋白激酶B并激活它们，例如图中的Akt原本结合在胞膜上，被活化后进入到胞质中，引发生理生化反应。

3、受体丝氨酸/苏氨酸激(receptor serine/threonine kinases)

单次跨膜蛋白，胞内区具丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性，以异二聚体行使功能。

主要配体是转化生长因子-β(TGF-β）家族成员：TGF-β1~TGF-β5，都具类似结构与功能。

依细胞类型不同，可抑制细胞增殖、刺激胞外基质合成、刺激骨骼形成、通过趋化性吸引细胞和作为胚胎发育过程中的诱导信号。

4、受体酪氨酸磷酯酶(receptor tyrosine phosphatases) 单次跨膜蛋白，胞内区具酪氨酸磷酯酶活性，胞外配体与受体结合激发该酶活性，使胞内信号蛋白磷酸酪氨酸残基去磷酸化，使细胞保持较低磷酸酪氨酸残基的水平。

作用与RTK相反，且参与细胞周期。对具体配体尚不了解。 与酪氨酸激酶一样，细胞中也存在胞质酪氨酸磷酯酶，具两个

SH结构域，称SHP1和SHP2，通过SHP1可以与细胞因子受体连接，使Jak（一类非受体酪氨酸激酶家族）去磷酸化。

SHP1结构域缺陷的老鼠，各类血细胞异常。说明胞质酪氨酸磷酯酶与血细胞分化有关。

5、受体鸟苷酸环化酶(receptor guanylate cyclase) 单次跨膜蛋白，胞外区是配体结合部位，胞内区具鸟苷酸环化酶活性。

主要配体是心房排钠肽(ANPs)。血压升高时，心房肌细胞分泌ANPs，与分布在血管平滑肌和肾细胞上的受体鸟苷酸环化酶结合，促进肾细胞排水、排钠，同时导致血管平滑肌细胞松弛，使血压下降。

作用过程：

ANPs与受体结合激活受体胞内段鸟苷酸环化酶活性，使GTP转化为cGMP，cGMP作为第二信使激活依赖cGMP的蛋白激酶G(PKG)，导致靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化。

除受体鸟苷酸环化酶外，胞质基质中也有可溶性的鸟苷酸环化酶，是NO（一氧化氮）这种受体的靶酶。

6、酪氨酸激酶连接受体(tyrosine kinase associated receptor)

单次跨膜蛋白，本身不具酶活性，但结合配体后发生二聚化而激活，连接胞内酪氨酸蛋白激酶(如JAK)，其信号途径主要有JAK－STAT。细胞因子受体超家族属这类受体。

主要配体包括细胞因子(cytokine)，如白介素(IL)、干扰素(IFN)、集落刺激因子(CSF)、生长激素(GH)等，在造血细胞和免疫细胞通讯上起作用。

JAK（just another kinase或janus kinase）是一类非受体酪氨酸激酶家族，已发现四个成员：JAK1 、JAK2 、JAK3 和TYK1。

其结构不含SH2 、SH3结构域，C端有两个相连的激酶区。 JAK的底物为STAT，即信号转导子和转录激活子(signal transducer and activator of transcription，STAT)，具SH2和SH3结构域。

STAT被JAK磷酸化后发生二聚化，然后穿过核膜进入核内，调

节相关基因的表达，这条信号通路称为JAK-STAT途径。

可概括如下：

1、 配体与受体结合导致受体二聚化； 2、 二聚化受体激活JAK； 3、 JAK将STAT磷酸化；

4、 STAT形成二聚体，暴露出入核信号； 5、 STAT进入核内，调节基因表达。 下面两张图显示的都是JAK-STAT信号途径 四、 胞内受体介导的信号转导

我们曾介绍过细胞内受体介导亲脂性信号分子的信息传递。胞内受体本质上是激素激活的基因蛋白。主要位于细胞核中，也有的位于细胞质溶胶。

在细胞内，受体与抑制性蛋白结合，处于非活化状态。配体与受体结合，导致抑制蛋白解离，使受体激活，露出DNA结合位点。

3个结构域：C端的激素结合位点，中部富含Cys，含DNA或Hsp90结合位点，及N端的转录激活结构域。

图示胞内受体的结构模式图，我们可以看到3个结构域：C端的激素结合位点，中部富含Cys（胱氨酸），含DNA或Hsp90（一种热休克蛋白）结合位点，及N端的转录激活结构域。开始在激素结合位点和DNA结合位点处共同结合着一个抑制蛋白，当配体来了之后，将抑制蛋白释放，由C端的激素结合位点结合激素配体，同时暴露处DNA结合位点。

下面来介绍几种胞内受体对应的配体 1、甾类激素

甾类激素是结构相似的亲脂性小分子，可扩散进入细胞并与胞质内特异受体结合，形成激素-受体复合物并进入细胞核。

激素和受体结合使受体蛋白构象改变而激活，通过结合特异DNA序列调节基因表达。

所结合序列是受体依赖的转录增强子，结合可增加某些相邻基因的转录。

甾类激素诱导的基因活化分两个阶段：

（1）初级反应：直接活化少数特殊基因，发生迅速； （2）次级反应：初级反应的产物再活化其它基因，对初级反应起放大作用。

这类激素作用通常表现为影响细胞分化等长期生物学效应。 甲状腺素和雌激素也是亲脂性小分子，受体位于细胞核内，作用机理与甾类激素相同。

也有个别的亲脂性小分子，如前列腺素，受体在细胞膜上。 lNO是一种可快速透过细胞膜进入细胞内部的气体信号分子，作用于邻近细胞。

R．Furchgott等三位美国科学家因发现NO作为信号分子而获1998年诺贝尔医学与生理学奖。

血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，NO的生成由一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）催化，以L精氨酸为底物，以NADPH作为电子供体，生成NO和L瓜氨酸。

NOS是一种Ca2+/钙调蛋白敏感性的酶， Ca2+/钙调蛋白与NOS结合而激活其活性。

信号传导过程：血管内皮细胞表面结合乙酰胆碱，使胞内Ca2+浓度升高，激活NOS，细胞合成并释放NO，NO扩散进入平滑肌细胞，与胞质鸟苷酸环化酶(GTP-cyclase，GC)活性中心的Fe2＋结合，改变酶构象，使酶活性增强及cGMP增多。

cGMP可降低血管平滑肌中的Ca2+离子浓度。引起血管平滑肌的舒张，血管扩张、血流通畅。

图示鸟苷酸环化酶活性中心的Fe2＋结合NO后，酶构象改变，使酶活性增强及cGMP增多

图示信号传导过程 图示NO作用机制 也是显示NO作用机制的

甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO，可使血管松弛，减轻心脏负荷和心肌的需氧量 。 五、由整联蛋白介导的信号传递

正常细胞和恶性细胞的主要区别之一是：

在离体培养时，正常细胞的培养基中必须加入细胞外基质，才能贴壁生长。而恶性细胞不需要细胞外基质就可贴壁生长。

这是因为正常细胞的生长与，需要与细胞外基质建立联系。主要由细胞膜上整联蛋白承担。

整联蛋白上有细胞外基质纤连蛋白、胶原、蛋白聚糖结合的位点。除将细胞固着在细胞外基质上，整联蛋白还为细胞外基质调节细胞内的活动提供了通道。

细胞外基质与整联蛋白结合后，能诱导细胞产生钙离子释放、磷脂酰肌醇第二信使、酪氨酸磷酸化等应答，并因此影响细胞的生存、、分化等生命活动。

1、整联蛋白介导粘着斑装配的信号转导

当整联蛋白与胞外基质结合时粘着斑即开始装配。粘着斑装配的信号由整联蛋白传递到Rho蛋白。 Rho也是一种小G蛋白，起分子开关的作用。

活化的Rho激发两条不同的信号通路：

第一条：活化的Rho→PI5K → 磷酸化PIP生成PIP2→ 结合微丝结合蛋白等靶蛋白→ 微丝结合蛋白从肌动蛋白中解离→ 肌动蛋白纤维解体和单体游离→单体加到新形成的微丝末端

第二条：活化的Rho →激活Rho激酶→磷酸化肌球蛋白轻链磷酸酶并使之失活→使肌球蛋白活化，并有利于微丝的装配与形成。

2、由粘着斑中整联蛋白介导的信号转导

（1）启动基因表达：整联蛋白结合胞外基质→激活酪氨酸激酶Src →磷酸化并激活FAK（粘着斑激酶） →与Grb2（具SH2）结合→与GEF（Sos）结合→活化Ras →启动MAPK级联→激发与细胞生长和繁殖相关基因的转录。

（2）促进特异蛋白合成：整联蛋白结合胞外基质→激活酪氨酸激酶Src →磷酸化并激活FAK（粘着斑激酶） →结合并激活PI3K（具SH2） →催化产生PIP2和PIP3 →激活p70s6K →磷酸化核糖体小亚基S6蛋白→核糖体优先翻译特异蛋白质。 六、细胞信号传递的基本特征

1、信号的趋同：图中显示整联蛋白、G蛋白偶联受体、酶联受

体都可以激活SOS蛋白再由它激活小G蛋白Ras，接着引起MAPK级联反应。

2、信号的趋异：图中显示的胰岛素受体的例子，这种受体可以激活其胰岛素受体底物IRS，而这种蛋白用有多种底物的结合位点，可引发不同的应答反应

3、信号的串扰（cross talking）：图中显示的是酶联受体和G蛋白偶联受体，都可以进行磷脂酰肌醇途径，因此导致一些相同的产物出现，而其中一些产物的出现又会对其他产物的作用产生干扰和影响，例如IP3引起Ca离子浓度升高，而Ca离子又会影响PKC的作用。

第六章 细胞基质与内膜系统 本章学习的目的

1、了解真核细胞区室化(compartmentation) 区室化只的也就是真核细胞内的内膜系统，这也是真核细胞与原核细胞之间的主要区别之一。

2、掌握内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化酶体的结构和功能及相互关系

3、蛋白质合成后的修饰途径及部位 4、蛋白质分选的类型 5、膜泡运输的途径及机制 第一节 细胞质基质(cytosol)

首先，在这里我要请大家区分两个概念：细胞质和细胞基质，从结构上说，细胞基质是细胞质的一部分，细胞质是指细胞质膜以内除细胞核以外的所有部分,其中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.这其中大部分的细胞器都是由内膜系统围绕而成。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.

1.溶胶:除去可辩识细胞器后的胶态物 2.组成:各种酶,胞质骨架

3.胶体是蛋白质同水分子形成水合物 4.高度有序，这是它的重要特质 5.细胞质基质的基本功能

1)中间代谢的场所。糖酵解、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径、糖原合成 2)为细胞器提供所需离子环境 3)为细胞器行使功能提供底物。

4)细胞质骨架：提供锚定位点，各种组分区域化.

5)参与蛋白质修饰、选择性降解等。讲到蛋白质修饰，实际上就是部分或全部改变蛋白质构象，我们在第五章讲述各类信号通路的时候，就已经涉及到细胞质基质参与蛋白质修饰这项内容了，比如在胞质内进行的信号转换就是通过蛋白磷酸化或去磷酸化等等。将信号转换和放大。 第二节 内质网

Porter等1945年观察小鼠成纤维细胞时，发现细胞质内部具网状结构，称内质网endoplasmic reticulum，ER.

ER常和质膜及核膜相连，并与高尔基体关系密切，并常伴有许多线粒体。 一、ER的形态

ER膜是细胞中最多的膜，占总膜面积一半。遍布于整个细胞内, ER是内膜封闭成的网状管道系统，具多型性。

由单层膜围成的管状,分枝状,囊状,池状的结构,构成一个连续的网状膜系统(即膜围成的ER腔是连通的，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,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.

图一显示粗面内质网结构图，图二显示光面内质网结构图。 •RER功能是合成各种蛋白，分泌旺盛细胞中较多，未分化细胞和肿瘤细胞中较少。

•SER是脂类合成场所，常为出芽位点，将合成proteins（蛋白质）和lipids（脂类分子）运到高尔基体

•SER一般是作为ER管道网络的一部分，细胞中几乎不含有纯的光面内质网

肌质网(sacroplasmic reticulum)：肌细胞中特化SER。膜上的Ca2+-ATP酶将胞质中的Ca2+泵入腔中储存，使肌质网中Ca2+浓度比胞质中高出千倍。受神经冲动的刺激时，Ca2+释放入胞质中，引起肌肉收缩。关于内质网作为钙库储存钙离子并发挥生理生化作用，我们在前面已经讲过，这里就不再赘述 二、 ER的组成

ER膜含约60%蛋白和40%脂类，脂中磷脂酰胆碱含量高，鞘磷脂含量低，胆固醇少。这与细胞膜的组成大体类似，脂类的种类要少，没有糖脂。等等

ER约有30多种膜结合蛋白，还有30多种位于内质网腔。标志酶是葡糖-6-磷酸酶，它们普遍存在于内质网上。

核糖体结合糖蛋白只分布在RER. P450酶系只分布在SER。

•RER膜上有一种叫易位子(translocon)的蛋白复合体，直径约8.5nm，有2nm通道，与新合成多肽转运有关。

•细胞匀浆时，由破碎ER形成的近球型的囊泡结构,称为微粒体(microsome)，含ER膜与核糖体。研究中将其与ER等同对待 三、ER的功能

最主要的功能就是合成蛋白质和脂类。分泌蛋白和跨膜蛋白都在ER合成。

合成的脂类除满足自身需要，还供给高尔基体、溶酶体、内体、质膜、线粒体、叶绿体等膜性细胞结构。

下面分述两种内质网的功能异同 (一)SER的功能

SER具许多功能，如糖原分解，类固醇激素合成，脂肪合成与转运，肝细胞解毒，肌肉收缩等。 1、糖原分解释放游离的葡萄糖

ER中，G-6-Pase能催化G-6-P水解生成葡萄糖和磷酸。 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-磷酸中的磷酸根脱掉,在输送中使之降解为葡萄糖,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.

肝细胞功能之一是维持血液Glu的衡定：肝细胞SER表面附有糖原颗粒，肌体需Glu时，糖原被转化为G-1-P，变为G-6-磷酸。膜对磷酸化糖不通透，G-6-P去磷酸化后才穿过质膜，进入血液。 2、类固醇激素的合成

分泌类固醇激素的肾上腺细胞、睾丸间质细胞和黄体细胞等都有丰富SER。SER上分布有合成胆固醇和转化胆固醇为激素的全套酶系，合成胆固醇，并将其氧化、还原、水解成各种类固醇激素。 3、脂的合成与转运

SER是脂类合成主要场所。甘油三酯是由SER合成并贮存ER腔中。

细胞膜所需的膜脂全都在SER合成， SER上有合成磷脂所需的酶。

SER合成的磷脂由胞质面转向ER腔面，转位由ER膜中翻转酶帮助完成。

SER合成磷脂向其它膜结构转运的2种方式：

1）通过水溶性载体蛋白-磷脂交换蛋白(PEP)，在膜结构间转移磷脂：PEP与磷脂结合形成水溶性复合物进入cytosol，扩散遇上其它膜后，PEP释放磷脂，将它插在膜上。

2）以出芽方式（这里所谓出芽方式实际上就是只利用膜泡运输，我们曾介绍过的）将磷脂转运到高尔基体、溶酶体和细胞膜。 4、解毒作用

SER独特功能是对农药、污染物、毒素等有毒物进行解毒。反应在肝细胞SER进行，故称肝细胞的解毒作用。

Cyt P450是肝细胞SER的膜蛋白，属单加氧酶，或羟化酶。它催化O2中的1个氧原子加到不溶于水的废物上使之羟化，溶于水并

被转出细胞；另一氧原子被NADH（辅酶－烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）还原成水。

5、钙离子的调节作用

肌细胞有发达的肌质网,是肌细胞钙库,含钙结合蛋白,1个钙结合蛋白结合30个左右Ca2+ 。

细胞受激时，肌质网中Ca2+释放进入胞质，参与信号传递；信号消除时， Ca2+又被肌质网上的Ca2+-ATPase泵回腔中。

多数真核细胞中，ER是主要Ca2+库之一。且ER膜上有三磷酸肌醇(IP3)的受体。这个受体就是配体门钙通道，我们第五章介绍过的G蛋白耦联受体介导的磷脂酰肌醇途径中就提到过，外界信号通过G蛋白耦联受体转化后生成的第二信使分子IP3就可以与内质网上的配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca2+浓度升高，激活各类依赖钙离子的蛋白。

（二）RER的功能-蛋白质转运

蛋白质都在核糖体合成，但都起始于cytosol，有些在合成不久转到ER合成，这些蛋白主要有：

① 分泌蛋白、如激素、抗体；

②跨膜蛋白，并决定膜蛋白在膜中排列方式; ③需严格分开的酶，如溶酶体的水解酶； ④需进行修饰的蛋白，如糖蛋白。

有些核糖体在合成蛋白质时一直保持游离状态,主要合成可溶性胞浆蛋白,膜外周蛋白和锚定蛋白,过氧化物酶体蛋白,核蛋白等.

在ER核糖体上合成的蛋白质与在游离核糖体上合成的蛋白质的种类和去向不同

为什么会有这种不同?或为什么有些核糖体要附着在ER上合成蛋白质?是什么原因决定了核糖体在合成蛋白质时是游离还是附着到ER？为此科学家进行了大量研究

1. 膜结合核糖体合成的蛋白质能跨ER膜进入ER腔

60s，Redman用RER小泡研究膜结合核糖体合成的蛋白质是否会进入RER腔。

将RER小泡臵加放射性标记aa的蛋白质合成体系中短暂温育，

再加嘌呤毒素，蛋白质合成提前终止,从核糖体上释放不完全多肽

收集RER小泡，去垢剂破坏泡膜结构使得其中的物质释放出来,分析表明，RER小泡中释放的多肽含放射性标记，这就表明了新合成的多肽能跨过ER膜进入ER腔

图示了上述实验的流程，其中的微粒体就使内质网小泡，通过细胞匀浆搅拌后得到的。 2.信号序列的提出

是什么原因指导这些多肽跨过ER膜的呢？1971年美国Blobel等提出了两点推测：

1）分泌蛋白的N端含一段特别的信号序列可将多肽和核糖体引导到ER膜上；

2）多肽通过ER膜上的转运蛋白进入ER腔，并在合成的同时转移。 3. 信号序列存在的实验证据

72年，Milstein等用无细胞系统合成IgG（免疫球蛋白G）轻链时，获得了信号序列存在的直接证据。

在无细胞体系中用编码IgG轻链的mRNA指导合成多肽，合成的多肽比成熟的IgG在N端多出一段肽链，有20个aa，推测，这段肽具信号作用，使IgG透过ER并继而分泌到细胞外。怎么到外面的啊？内质网是相通的，它又与质膜相连，于是就能够将合成的蛋白转到胞外。

Blobel等用微粒体和无细胞体系进行大量研究，证实了信号序列的存在。

(1)在无细胞体系中加与不加RER小泡，蛋白质合成的产物不同：

将分泌蛋白的mRNA在无细胞体系中翻译时，如不加RER小泡，获得的翻译产物的长度比从细胞中分泌出的蛋白质长。如在这种无细胞体系中添加RER小泡，翻译产物与从细胞中分泌出来的蛋白质长度相同。因此推测信号序列在引导蛋白质进入内质网后被切除了。

图示了加小泡与不加小泡后合成蛋白质的区别，反应了推测信号序列在引导蛋白质进入内质网后被切除了

(2)蛋白水解酶实验证明多肽在合成的同时就开始向ER转运：

在分泌蛋白进行体外翻译的无细胞体系中(含有RER小泡)加蛋

白水解酶，不能使新合成多肽水解。如同时加入去垢剂，则能将蛋白质水解，说明新生肽链是边合成边运输的。进入ER后的新生肽得到了ER的保护，才不会被蛋白水解酶水解。 4. 信号序列的一般特征及信号假说

Blobel还发现信号序列具共同特性：一般为15-35个aa残基，N端含有1或多个带正电荷的aa，其后是6-12个连续的疏水aa；

这些信号序列在蛋白质合成时将核糖体引导到ER，进入ER后被切除。

1975年，Blobel正式提出信号假说，信号假说的要点： 1)蛋白的合成起始于胞质中游离核糖体

2)N端信号序列露出核糖体后，靠自由碰撞与ER接触，N端信号序列的疏水性插入ER膜中；

3)蛋白质继续合成，以絆环形式穿过ER膜

4)如果是分泌蛋白，除信号序列被信号肽酶切除外，全部进入ER腔；若是膜蛋白，则由一个或多个停止转移信号将蛋白质锚定在ER膜上。

Blobel提出的信号假说，揭示了细胞中不同蛋白质在合成后如何找到自己的工作岗位，发现了蛋白质与生俱来的“地址标签”。

该发现开辟了一个全新的医学、细胞生物学和分子生物学研究领域，为此获得1999年诺贝尔医学/生理学奖。 5. 新蛋白复合物发现对信号假说补充

81年，Blobel等发现在核糖体与ER结合过程需几种蛋白质复合物的参与。该发现明确了信号序列同核糖体结合的细节

第1个复合物是信号识别颗粒(signal recognition particle，SRP)。是1种核糖核蛋白复合体，沉降系数11S，含6条不同肽链和一个7SRNA

SRP有3个功能部位：翻译暂停结构域，信号识别结合位点，SRP受体蛋白结合位点。

SRP能识别游离核糖体上合成的信号肽，并结合，暂时中止新生肽的合成；同时SRP与ER上的停靠蛋白(docking protein，DP)结合，使核糖体附着到ER膜，并进行新生肽的转移。

SRP对没有信号序列的蛋白质不起作用。

图示SRP结构

图示SRP转运新生肽的流程 6.蛋白质的共翻译转运机制:信号假说

经补充的信号假说更合理，核心内容：

核糖体同ER的结合受制于mRNA中特定密码序列(可翻译成信号肽)，具这种密码序列的新生肽才能同核糖体一起附着到ER膜特定部位。

信号序列有两个基本的作用：

1.与SRP的识别和结合,引导核糖体与ER的结合 2.通过信号序列的疏水性,引导新生肽跨膜转运 7. 蛋白质共翻译转运的机理

RER上合成的蛋白质有2类:

A、分泌蛋白在ER合成后对信号肽的切除，可释放到ER腔，成可溶性蛋白，再进行下游运输。

B、膜蛋白的共翻译转运较复杂，先要靠疏水区滞留在ER膜上；同时膜蛋白分单次和多次跨膜，还有定向。

膜蛋白的转运同样可以用信号假说进行解释。 图示蛋白质共翻译转运机理 (1)起始转移信号

蛋白质N端的信号序列除作信号被SRP识别，还具起始穿膜转移作用。

在蛋白质共翻译转移过程中，信号序列的N端始终是朝ER外侧，插入转运通道后与通道内的信号序列结合位点(受体)结合，其后的肽序列是以伴环的形式通过运输通道。

N端的起始转移序列是可切除的。 (2)内部信号序列

不位于N端，但具信号序列作用。

可作蛋白质共翻译转运信号被SRP识别，同时也是起始转移信号，可插入转运通道，与通道中受体结合，引导多肽序列转运。

内部转移信号是不可切除的，同时又是疏水的，所以它是膜蛋白的一部分。

图示内部信号序列作用机理 (3)终止转移肽与单次跨膜蛋白

跨膜蛋白的形成除与内部信号序列有关外，也与终止转移信号相关

终止转运信号位于新生肽中，是一段使肽链终止转移的信号序列。可使蛋白锚定在膜中。

单次跨膜蛋白在结构上只有一个终止转移序列，没有内部转移信号，但是在N端有一个信号序列作为起始转移信号。

图示终止转移肽的作用机理图 (4)二次跨膜蛋白与多次跨膜蛋白

二次跨膜就是在蛋白质中有两个跨膜的疏水区，含1个内部信号序列和1个终止转移信号。

多次跨膜蛋白有多个跨膜的疏水区，含多个起始跨膜信号序列与多个终止转移信号。

图示二次跨膜蛋白 概括起来:

新生肽是否含终止转移信号决定了新生肽是成为可溶性蛋白还是膜蛋白。

N端信号序列和内部信号序列都可作起始转移信号,N端信号序列可切除,内部信号序列不可切除

跨膜蛋白的跨膜次数是由内部信号序列和终止转移信号序列的数目决定的

信号序列都是疏水aa区,可视多肽链中疏水aa区的数目和位臵推测其跨膜情况

蛋白质转入内质网上合成的要素及具体过程的总结 (1) 要素: 至少涉及4种成分

①信号肽: 引导新合成肽链转移到ER上一段多肽,也是引导肽链进入ER腔序列,又称开始转移序列

②信号识别颗粒(SRP): 与信号序列结合,导致蛋白质合成暂停. ③ SRP受体: ER膜整合蛋白,与SRP特异结合,使核糖体泊定在ER上.

④终止转移序列: 肽链上一段特殊序列,与ER亲合力高,阻止肽链释放到ER腔,使其成跨膜蛋白。 (2) 具体过程

游离核糖体开始合成蛋白质→信号肽与SRP结合→肽链延伸终止→SRP与ER上的受体结合→SRP脱离信号肽→肽链在ER上继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入ER腔→信号肽切除→肽链延伸至终止→翻译体系解散。

这种肽链边合成边向ER腔转移的方式，称为co-translation(共翻译转运)。

图示蛋白质转移到内质网上合成的过程 8. Bip蛋白在ER蛋白质转移和装配中的作用

进入ER腔中蛋白很快与Bip蛋白结合。Bip是IgG重链结合简称，是一类分子伴侣，属Hsp70家族

Bip同进入ER蛋白的疏水aa结合，防止肽链不正确折叠和聚合，然后Bip同ATP结合，并通过ATP的水解释放出结合的多肽。释放的多肽很快折叠，或同别的亚基组装成完整的蛋白质。

正确折叠和装配的蛋白不会同Bip再结合，但如折叠或装配不正确，Bip马上同其结合。

图示Bip蛋白在ER蛋白质转移和装配中的纠正作用 9.蛋白质在ER中的修饰

新生肽进入ER腔后除要正确折叠外，还要进行各种修饰后才运送到其它部位。

这些修饰包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有ER上合成的蛋白质最终被糖基化。

1）蛋白质糖基化(glycosylation)有2种：

(1)N-糖基化:主要在ER进行.糖为N-乙酰葡糖胺，糖供体为核苷糖，如GDP-甘露糖。糖分子先被糖基转移酶转到膜中的磷酸长醇，再被寡糖转移酶转到肽链特定序列(Asn-X-Ser/Thr)Asn(天冬酰氨)上

(2)O-糖基化:糖为半乳糖或N-乙酰半乳糖胺,与Ser、Thr和Hyp（羟脯氨酸）的OH连接. O-连接糖基化在高尔基体进行.

二图均示N-糖基化流程

2）羟基化：在合成胶原蛋白时，Pro（脯氨酸）和Lys（赖氨酸）都需羟基化。

3）形成脂锚定蛋白：新合成的蛋白质除成为跨膜蛋白或可溶性蛋白外，有的还通过酰基化同ER上的糖脂结合，将自己锚在ER膜上。 第三节:高尔基复合体(Golgi complex)

又称高尔基体(Golgi body,Golgi apparatus)， 18年Golgi用银染法在猫头鹰的神经细胞内观察到，定名为高尔基体

真核细胞中普遍存在。大多数共翻译转运的蛋白质进入ER后都要通过膜运输机制转运到其它部位，第一站就是高尔基体

图示培养的上皮细胞中高尔基体的分布（高尔基体为红色，核为绿色）

一、高尔基体的形态结构和极性

1. 形态结构: 由数个扁平囊泡堆在一起。扁平囊泡呈弓形或半球形。 主要包括3种结构组分：

①扁平膜囊堆:高尔基体主体部分,4~8个扁平囊平行排列,单层膜构成,中间为囊腔,周缘呈泡状。

②液泡:又称分泌泡或成熟泡,扁平膜囊扩大末端,与物质的成熟运输有关。

③ 小泡:扁平膜囊周围有许多小泡，多集中在形成面，是来自ER的分泌泡。

2. 高尔基体的极性

高尔基体不同的膜囊具不同功能。分3个区隔:

①靠近ER的一面,是管状囊泡形成的网络结构，称为形成面、顺面或内侧面(cis face)。其网络结构称为高尔基体内侧网络(cis Golgi network,CGN)

②中间膜囊：由扁平膜囊和管道构成

③对着质膜的一面称成熟面、反面或外侧面(trans face).外侧面也是一个网络，称外侧网络(TGN)

图示了高尔基体的结构图，三个区域，反面、中间膜囊、顺面，上面的黄色小泡时正在离开反面的分泌小泡，下面绿色的小泡时来自

内质网的分泌小泡。

图2显示的是高尔基体各部分的名称，从上到下一次是：正在形成中的分泌小泡、反面网状结构、高尔基体的三层膜囊结构（反面、中间、顺面）、顺面网状结构、内质网向高尔基体转运的小泡、内质网上伸出的平滑突起、过渡期的小泡类物质。

图示高尔基体的极性，实际上就是指它结构的区室化，不对称。 3. 各区隔的功能

内侧面网络(CGN)：为高尔基体的入口区，是初级分选站，接受由ER合成的物质，并分类后转入中间膜囊。

中间膜囊：是糖基修饰、糖脂形成及糖合成部位

外面网络(TGN)：是高尔基体的出口区，蛋白质分选信号在此被特异性受体接受，进行分类、集中，形成不同分泌小泡，最后输出

可用细胞化学研究不同区隔的结构和功能： ①高尔基体的cis面膜囊具嗜锇性；

②高尔基体trans面的膜囊能被焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)的细胞化学反应显示；

③高尔基体中间膜囊能被烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)的细胞化学反应显示

图示高尔基体的三个不同功能分区，高尔基体不同区隔上所含有的化学物质不同，能产生各自不同生化反应，各区隔行使功能不同: 高尔基体顺面具很强的嗜锇性;而进行蛋白质糖基化的甘露糖甙酶主要位于高尔基体的中间膜囊;而核苷二磷酸的酶主要位于高尔基的反面

4. 高尔基体的化学组成

高尔基体膜含60%蛋白和40%脂类，具一些和ER共同的蛋白成分。膜脂中的磷脂含量介于ER和质膜之间。

高尔基体的膜上含丰富的酶类，主要包括：糖基转移酶、氧化还原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、转移酶和磷脂酶.

标志性酶是糖基转移酶 5. 数量和分布

只存在于真核生物.

各种细胞中含高尔基体数量不等,平均20个,低等真核生物中有的仅1-2个,有的多达上万个

分泌旺盛的细胞中高尔基体很多,而肌肉细胞和淋巴细胞中则较少见

二、高尔基体主要功能

将ER合成的蛋白质进行加工、分类与包装,分门别类地送到细胞特定部位或分泌到细胞外。

1. 蛋白质的糖基化: N-连接的糖链合成始于ER，完成于高尔基体。

许多糖蛋白还具O-连接的糖链。O-连接的糖基化在高尔基体中进行。

高尔基体可将多个氨基聚糖链通过木糖连接在核心蛋白丝氨酸残基上，形成蛋白聚糖（这是一类细胞外基质组成）。

图示N连接的糖基化开始于RER,而后在高尔基体中进行不同的修饰，黄色：N－乙酰氨基葡萄糖，蓝色：甘露糖，绿色：葡萄糖，土黄色：半乳糖，红色：唾液酸类的物质，首先蛋白质在内质网内，天冬酰胺连接的糖基被脱去一些葡萄糖基团和甘露糖基团，进入高尔基体后又被脱去一些甘露糖基团，接着又加入一个N－乙酰氨基葡萄糖，紧接着脱去两个甘露糖，加入一个N－乙酰氨基葡萄糖，最后在每个末端N－乙酰氨基葡萄糖上加入半乳糖和唾液酸 2、参与细胞分泌活动

负责对ER合成的蛋白质进行加工，分类，并运出，其过程可概括为：

RER上合成蛋白质→进入ER腔→以出芽形成囊泡→进入CGN→在medial cisternae中加工→在TGN形成囊泡→囊泡与质膜融合、排出。

运输过程还有另外一种假说：潴（zhu）泡成熟假说，关于运输模型我们将在后面的章节具体讲述。

图示高尔基体与细胞分泌，组成型分泌：在这种分泌途径中, 运输小泡持续不断地从高尔基体运送到细胞质膜，并立即进行膜的融合，将分泌小泡中的蛋白质释放到细胞外, 此过程不需要任何信号的触发, 它存在于所有类型的细胞中。在大多数细胞中, 组成型分泌途

径的物质运输不需要分选信号, 从内质网经高尔基体到细胞表面的物质运输是自动地进行的。组成型分泌途径除了给细胞外提供酶、生长因子和细胞外基质成分外，也为细胞质膜提供膜整合蛋白和膜脂。组成型分泌小泡通常称为运输泡(transport vesicles)，是由高尔基体反面网络对组成型分泌蛋白的识别分选后形成的。

调节型分泌：又称诱导型分泌, 见于某些特化的细胞，如内分泌细胞。在这些细胞中,调节型分泌小泡成群地聚集在质膜下，只有在外部信号的触发下，质膜产生胞内信使后才和质膜融合，分泌内容物。调节型分泌小泡形成的方式可能与溶酶体相似, 分泌蛋白在高尔基体反面网络中通过分选信号与相应的受体结合, 使其分选到分泌泡中。分泌泡比运输溶酶体的运输小泡大, 所含的蛋白质远远多于膜受体的量, 因此有人认为这种分选可能更象细胞表面的受体介导的内吞过程, 有网格蛋白参与。

调节型途径中形成的小泡称为分泌泡(secretory vesicles),这种小泡的形成机制与组成型分泌小泡是不同的。在一些特化的分泌细胞中, 合成一些特殊的产物,如激素、粘液(mucus)、消化酶,这些产物先被贮藏在分泌泡(secretory vesicles)中,这些小泡通过出芽离开反面高尔基网络并聚集在细胞质膜附近, 当细胞受到细胞外信号刺激时,就会与细胞质膜融合将内含物释放到细胞外。如血糖的增加, 细胞会发出信号释放胰岛素。

调节型分泌有两个特点:一是小泡的形成具有选择性; 第二个特点是具有浓缩作用,可使被运输的物质浓度提高200倍。

高尔基体对蛋白质的分类，是由蛋白质上的信号肽与受体间的相互作用而决定。

KDEL(Lys-Asp-Glu-Leu-coo-)序列是ER滞留信号，高尔基体将把携带有这类信号的蛋白质押回ER。

其它不同部位的蛋白都具不同的滞留信号，分选包装到不同的运输小泡。运输到指定地方。

没有特别信号的将进入非特异的分泌小泡

3. 进行膜的转化：高尔基体膜的厚度和化学组成都介于ER和质膜间，因此高尔基体在进行着膜转化的功能.

4. 将蛋白水解为活性物质: 有些分泌蛋白在ER合成后是蛋白原，送到高尔基体后被水解，形成成熟的分泌蛋白。如胰岛素合成 5、参与形成溶酶体。 6、参与植物细胞壁的形成。

7、合成植物细胞壁中的纤维素和果胶质。

第四节:溶酶体(lysosome)

1955年de Duve首次用电镜观察到了溶酶体。 一、溶酶体的形态

溶酶体是动物细胞的膜性细胞器，由单层膜包被，呈囊泡状，含多种酸性水解酶，主要功能是进行细胞内消化

是一种动态结构，同类型细胞中形态大小不同，同一细胞不同发育阶段也不同

植物细胞中也有类似溶酶体的细胞器，如圆球体，糊粉粒和大液泡等

二、溶酶体的结构类型

具异质性，不同来源的溶酶体在形态、大小及内含的水解酶种类都不同，标志酶为酸性磷酸酶(acid phosphatase) 。 依完成生理功能的不同阶段可分： ①初级溶酶体(primary lysosome)； ②次级溶酶体(secondary lysosome)； ③残体(residual body)。

图示溶酶体的形成和它们在消化过程中所扮演的角色，A吞噬外界物质，B内吞作用，C自噬性小泡在线粒体附近出现，D通过胞吐作用将酸性水解酶释放到细胞外基质中，吞噬了外界物质的小泡与高尔基体形成的含有酸性水解酶的小泡（初级溶酶体），以及一些胞内体共同融合成异噬性溶酶体，这些胞内体也是由内吞作用形成从小泡逐渐发展而来；由自噬了线粒体的小泡与高尔基体形成的含有酸性水解酶的小泡融合形成自噬性溶酶体，这两个都是次级溶酶体，二者融合后体内进行类似消化过程活动，之后将营养物质释放到细胞内，剩下残体，接着被细胞通过外排作用排出胞外。

图示对溶酶体的标志酶酸性磷酸酶定位显示:大的膜细胞器含有浓密的铅沉淀，是溶酶体;两小的可能是来自于高尔基体的含酸性水解酶的小泡。

1、初级溶酶体 (primary lysosome)

呈球形，直径0.2~0.5um，内含物均一，无明显颗粒，由高尔基体分泌形成。

含多种酸性水解酶，但没活性，只有当溶酶体破裂，或其它物质进入，才有活性。

水解酶包括：蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酸酶、硫酸酯酶、磷脂酶类，约60余种，均属酸性水解酶，最适pH值约为5。

溶酶体膜与其它生物膜有明显的不同：

① 膜有质子泵，将H+泵入溶酶体，形成和维持酸性内环境。 ② 膜蛋白高度糖基化，防止自身膜蛋白被降解。

图示初级溶酶体电镜照片

图示初级溶酶体模式图，表明其结构

图示溶酶体和内体中的低pH值:用一种对pH敏感的荧光探针标记蛋白质,然后让这种蛋白质通过细胞内吞,可以用以探测溶酶体和内体中pH值.不同的颜色反映了不同的pH值。

在溶酶体中(红色)的pH值约为5； 而内体中(兰色和绿色)pH从5.5到6.5。 2、次级溶酶体(secondary lysosome)

是初级溶酶体与吞噬泡融合后形成的消化泡，是正在进行消化的溶酶体，内含水解酶和相应底物

根据底物来源的不同，又可分为2种类型:

异噬溶酶体(phagolysosome): 消化的物质是经吞噬或胞饮所摄入的细胞外物质

自噬溶酶体(autophagolysosome): 消化的物质来细胞内蜕变、破损的细胞器或局部细胞质。

图示次级溶酶体电镜照片 3、残体

又称后溶酶体(post-lysosome)已失去酶活性，仅留未消化的残

渣。

残体可通过外排作用排出细胞，也可能留在细胞内逐年增多，如肝细胞中的脂褐质。

图示肝细胞中的脂褐质 三、溶酶体的功能

主要进行细胞内消化，与细胞防御及自溶有关

异体吞噬及防御作用：通过溶酶体的作用，保护细胞免受细菌与病毒的浸染，多细胞动物具专门的吞噬细胞。

自体吞噬: 是溶酶体对细胞自身结构的吞噬降解,清除无用的生物大分子，受损及衰老细胞器等，也为细胞器的构建提供原料

自溶作用(autolysis)：是细胞的自我毁灭，即溶酶体将酶释放出来将细胞自身全部降解

其它一些功能:

细胞凋亡：注定要消除的细胞出芽形成凋亡小体，被巨噬细胞吞噬并消化。

为细胞提供营养物: 内吞并降解LDL（血清脂蛋白）获得胆固醇 参与分泌调节: 如将甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素。 形成精子顶体：顶体释放出溶酶体酶，溶解卵子的外被及滤泡细胞,产生通道,使精子进入卵细胞

图示溶酶体的主要功能——消化功能，流程我们在前面也提到了，吞噬泡与胞内体、自噬泡融合形成溶酶体，将物质消化后释放营养物质到胞内，形成的残体排出体外。 四、溶酶体的发生

初级溶酶体是在高尔基体的trans面以出芽方式形成，其形成过程:

RER上合成溶酶体蛋白→ER腔糖基化修饰→高尔基体Cis面膜囊→N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶识别溶酶体水解酶的信号斑→将N-乙酰葡糖胺磷酸转移在1~2个甘露糖残基上→在中间膜囊切去N-乙酰葡糖胺形成M6P配体→与trans膜囊上M6P受体结合→选择性地包装成初级溶酶体。（书P186页）

图示溶酶体发生由RER合成并糖基化修饰后形成的溶酶体蛋白前体进入高尔基体，经过一系列蛋白修饰后在中间膜囊中形成M6P，M6P又与反面膜囊上受体（绿色）结合，之后以出芽方式形成初级溶酶体，在与胞内体融合，形成次级溶酶体。

M6P途径: 溶酶体酶运输主要途径

溶酶体酶前体从RER运到高尔基体顺面，在那甘露糖残基被磷酸化。

在TGN, 磷酸化的酶结合到M6P受体, 受体指导酶进入网格蛋白有被小泡。

网格蛋白解离成无被小泡，与初级内体融合。 低pH下，酶从M6P受体上解离，脱磷酸化。

受体再循环回到高尔基体, 酶进入运输泡，运输泡由次级内体出芽形成，和溶酶体融合

图示溶酶体发生途径，和我们书中186页一样的 五、内体（endosome）

细胞内一种膜结合细胞器，有初级内体(early endosome)和次级内体(late endosome)

主要特征是酸性、但不含溶酶体酶

初级内体是由内吞形成的含内吞物的膜结合细胞器，是指状或小泡状的网络结构集合体

次级内体呈酸性，具分拣作用，能分选结合物的受体，让受体再循环到质膜或高尔基体 六、溶酶体与疾病

1. 矽肺(silicosis):石末沉着病，磨工病

SiO2尘粒吸入肺泡被巨噬细胞吞噬，含矽尘的吞噬体与溶酶体融合。吞噬的SiO2不能消化，且表面形成硅酸，硅酸的羧基与溶酶体膜脂或蛋白形成氢键，导致吞噬细胞溶酶体崩解，细胞破坏，矽尘释出，又被其它巨噬细胞吞噬，如此反复。

受损或破坏的巨噬细胞释放“致纤维化因子”，激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化，弹性降低，呼吸功能下降 2. 各类贮积症(storage disease):由遗传缺陷引起，溶酶体酶发生

变异，功能丧失，底物在溶酶体中贮积，影响细胞功能，常见的贮积症有：

(1)台-萨氏综合症(Tay-Sachs diesease)：又称黑蒙性家族痴呆症，溶酶体缺氨基已糖酯酶A,导致神经节苷脂GM2积累，影响细胞功能。

患者表现为渐进性失明、痴呆和瘫痪，2~6岁死亡。主要出现在犹太人群中。

(2) II型糖原累积病(Pompe病)：常染色体缺陷遗传病.溶酶体缺α-1,4-葡萄糖苷酶，糖原在溶酶体积累，使心肝舌肿大和骨骼肌无力。

患者多为小孩,两周岁前死亡

(3) Gaucher病:脑苷脂沉积病,巨噬细胞和脑神经细胞的溶酶体缺乏β- 葡萄糖苷酶造成。葡萄糖脑苷脂沉积在溶酶体,巨噬细胞变成Gaucher细胞

患者肝脾淋巴肿大，中枢神经发生退行性变化，常在1 岁内死亡。

(4)细胞内含物病(inclusion-cell disease，I-cell disease)：严重的贮积症，N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶单基因突变引起，导致高尔基体中加工的溶酶体酶不能形成M6P分选信号，酶被运出胞外。

病人成纤维细胞溶酶体中没水解酶，使底物在溶酶体中大量贮积，形成“包涵体(inclusion)”。

病人肝细胞中有正常的溶酶体，说明溶酶体形成还具M6P之外的途径。

3. 肺结核：结核杆菌不产生内、外毒素，也无荚膜和侵袭性酶。但菌体成分硫酸脑苷脂能抵抗胞内的溶菌酶，使结核杆菌在肺泡内大量生长繁殖，导致巨噬细胞裂解，释放出的结核杆菌再被吞噬，最终引起肺组织钙化和纤维化

4. 类风湿性关节炎：溶酶体膜很易脆裂，其释放的酶导致关节组织损伤和发炎 。

第五节 过氧化物酶体(peroxisome) 一、形态结构

过氧化物酶体又称微体(microbody)，由 Rhodin (1954)首次在

鼠肾小管上皮细胞中发现。

具异质性，在不同生物及不同发育阶段不同。直径约0.2~1.5um，呈圆形，椭圆形或哑呤形不等,由单层膜围绕而成。

普遍存在于真核细胞，肝、肾细胞尤丰富

共同特点是含1至多种依赖于黄素(flavin)的氧化酶和过氧化氢酶，已发现40多种氧化酶，以尿酸氧化酶(urate oxidase)含量高，有些种类形成酶结晶构成的核心。

标志酶为过氧化氢酶，作用是将H2O2水解

过氧化物酶体与溶酶体不同，不是来源于ER和高尔基体。 图示人肝细胞过氧化物酶体(Ps，没有尿酸氧化酶结晶) 图示烟草叶肉细胞的过氧化物酶体(具有尿酸氧化酶形成的晶体状核心) chloroplast：叶绿体，mitochondrion：线粒体。 二、过氧化物酶体的功能

1. 防止细胞产生H2O2，对细胞起保护作用

各类氧化酶的共性是将底物氧化后，生成过氧化氢。RH2+O2→R+H2O2

氢的过氧化物有毒，过氧化物酶体可通过两种方式消除细胞中的过氧化氢

(1) 过氧化氢酶可利用H2O2，将其它底物(如醛、醇、酚)氧化.反应为:R′H2+H2O2→R′+2H2O

(2) 过氧化氢酶亦直接使过氧化氢还原成水： 2H2O2 → 2H2O + O2 2. 使毒性物质失活

过氧化氢酶可利用H2O2氧化各种底物，如酚、甲酸、甲醛、乙醇等，使有毒物变成无毒物

这种作用对于肝、肾细胞尤为重要。人饮入的乙醇一半是以这种方式被氧化成乙醛。 3. 对氧的调节作用

细胞中的氧主要由2种细胞器消耗：线粒体和过氧化物酶体。低氧时，线粒体利用氧的能力比过氧化物酶体强；高氧时，过氧化物酶体的氧化反应占主导地位，使细胞免受高浓度氧的毒害

4. 脂肪酸的氧化

动物中过氧化物酶体参与了脂肪酸β氧化，动物组织25-50%脂肪酸由过氧化物酶体氧化，其它由线粒体氧化。

大鼠在服用降脂灵后，肝细胞过氧化物酶体酶浓度升高10倍。 5. 含氮物质的代谢

尿酸是核苷酸和某些蛋白质降解代谢的产物，尿酸氧化酶可氧化去除这种代谢废物

在植物中过氧化物酶体主要作用有：

①参与光呼吸，将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢;

②种子萌发时，进行脂肪β-氧化，产生乙酰辅酶A，经乙醛酸循环，产生乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循环，因涉及乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体(glyoxysome)。 三、过氧化物酶体的生物发生

从系统发生角度看，过氧化物酶体可能是一种古老的细胞器，在光合生物出现后，大气中的氧含量逐渐提高，而氧对早期的生物具毒害作用，过氧化物酶体的功能是消除细胞内的氧，并产生细胞所需要的某些代谢物。

过氧化物酶体中黄素蛋白、氧化酶和过氧化氢酶间可形成简单的呼吸链，但没能量转换功能。线粒体产生后取代了过氧化物酶体的这种功能，且电子传递与ATP合成相偶联

从个体发生角度看，过氧化物酶体来源于已存在过氧化物酶体的。

过氧化物酶体中所有的酶都由核基因编码，在cytosol中合成，由信号肽 (-Ser-Lys-Leu-COO-)引导，进入过氧化物酶体。

Zellweger综合症是与过氧化物酶体有关的遗传病，也叫脑肝肾综合症，患者过氧化物酶体中，酶蛋白输入有关的蛋白变异，过氧化物酶体是“空的”。脑、肝、肾异常，出生3-6月死亡

第六节: 蛋白质分选与膜泡运输

哺乳动物细胞中可检出的蛋白质达1-2万种，除少数在线粒体和

叶绿体合成外，绝大多数都在核糖体合成，然后通过特定机制转运到细胞特定部位。该过程称蛋白质定向运输(protein targeting)或分选(protein sorting).

一、蛋白质分选的基本途径与类型 蛋白质分选有2种途径：

①在cytosol中完成多肽链合成，转运到cytosol特定部位和一些细胞器：细胞核、线粒体、叶绿体、过氧化物酶体

②蛋白质在RER合成，经高尔基体运至溶酶体、细胞质膜或细胞外，ER和高尔基体自身的蛋白成分也由这条途径完成

依蛋白类型和运输方式，又将蛋白质分选分为4种类型： 1. 蛋白质跨膜转运：cytosol中合成的蛋白质转运到ER,线粒体,质体和过氧化物酶体.

2. 膜泡运输：通过运输小泡进行运输

3. 选择性门控转运：指cytosol中合成的蛋白通过核孔复合体选择性地进出细胞核

4. cytosol中蛋白质转运

图示蛋白质分选途径：红色箭头表示门控转运，是细胞质与细胞核之间进行蛋白质转运方式；蓝色表示跨膜转运，牵涉到过氧化物酶体、质体、线粒体、内质网；绿色表示膜泡运输，是指蛋白质通过内质网进入高尔基体进入溶酶体，或分泌小泡进出胞膜的过程。 二、蛋白质分选信号

细胞内至少有两类蛋白质分选信号：

1. 信号序列：蛋白质一级结构中的线性序列.

2. 信号斑(signal patch)：蛋白质折叠时，不相邻信号序列折叠在一起构成信号斑,了解较少

信号序列决定特定蛋白的转运方向：输入ER的蛋白质N端有一段信号序列；由高尔基体返回ER的蛋白质，C端的KDEL序列。

图示信号序列和信号斑

这张表上显示的是一些含有特定顺序氨基酸的蛋白质序列，每种序列可以引导特定的蛋白质分选动作。 三、膜泡运输

细胞必须具精密而有效的机制，确保RER合成的各种蛋白，在高尔基体TGN通过形成不同的转运泡被分选转运，各就各位，发挥其功能。

膜泡运输是蛋白质运输的一种特有方式，普遍存在于真核细胞，除蛋白质加工修饰外，还涉及各种不同膜泡定向运输及复杂的过程

运输小泡是在膜的特定区域以出芽方式产生。表面有一个由蛋白质构成的衣被(coat)。

衣被有2个主要作用：

①选择性地将特定蛋白聚在一起，形成运输小泡

②如同模具一样决定运输小泡的外部特征，使相同性质的运输小泡具相同的形状和体积。 (一)有被小泡及其类型

细胞分泌和内吞过程，膜上形成的小泡常由不同蛋白质包被，称有被小泡(coated vesicles)，已发现有3种类型的有被小泡具物质运输作用。1.网格蛋白有被小泡(calthrin-coated vesicles)：从高尔基体TGN出芽形成的选择性分泌小泡，包括溶酶体酶运输小泡及细胞质膜由受体介导的内吞泡，都是由网格蛋白参与形成，这些小泡表面都包裹着一层聚合的网格蛋白

2．COPⅡ被膜小泡，它是介导非选择性运输的一种小泡。这种小泡参与从ER到高尔基体内侧网络，从高尔基体内侧网络到中间膜囊、从中间膜囊到高尔基体TGN网络的运输。这种小泡表面包裹的是外被蛋白Ⅱ (coat protein Ⅱ)，外被蛋白是一个大的复合体，称为外被体(coatmer)

3．COPⅠ被膜小泡，负责回收、转运ER逃逸蛋白(escaped proteins)返回ER，包括从高尔基体外侧网络运向内侧，以及将蛋白质从高尔基体内侧运回ER。

3种类型的小泡不仅外被蛋白不同，小泡形成时所需要的小GTP结合蛋白和衔接蛋白也不相同。 但是三者在小泡的形成方式和所需要的基本成分是基本一致的

图示三种小泡的电镜照片，可以看出在外形上，三个小泡的外被

就是不同的。

图示三种小泡的工作路径

表总结了三种小泡在形成时所需GTP酶种类，衔接蛋白、运输方向上的不同点。

(二)小泡运输的分选信号

3种不同类型运输小泡的形成和定向运输都是由信号指导的。 如KDEL信号是ER蛋白的滞留信号，因此KDEL是COPⅠ被膜小泡形成的信号。

小泡形成不仅需信号,同时也需衔接蛋白和信号受体。 图示KDEL序列作为蛋白信号，和衔接蛋白、信号受体共同引发运输小泡形成的模式图。

（三）网格蛋白有被小泡形成的机制

网格蛋白有被小泡介导高尔基体到内体、溶酶体、液泡的运输，及质膜到内膜区隔的膜泡运输

1、网格蛋白(clathrin)及包被亚基：进化上高度保守，1条重链和1条轻链组成二聚体。

三个二聚体形成包被的基本单位—三脚蛋白体。

多个三脚蛋白体再组装成五边或六边形网格结构:包被亚基。再由亚基组装成网格蛋白小泡

图示网格蛋白

2、衔接蛋白(adaptin)和发动蛋白(dynamin)：

在网格蛋白被膜小窝形成时，网格蛋白和膜之间有一种蛋白质起衔接作用，即是衔接蛋白。是在网格蛋白有被小泡形成时起中介作用的蛋白质。

已发现4种不同类型衔接蛋白，可分别结合不受体，形成不同性质转运小泡，如AP1参与高尔基体→内体的运输、AP2参与质膜→内体的运输、AP3参与高尔基体→溶酶体运输

在网格蛋白有被小泡形成时，还需发动蛋白的参与。发动蛋白是一种胞质溶胶蛋白，能同GTP结合并将其水解。

发动蛋白在被膜小窝的颈部聚合，通过水解GTP调节自己收缩，将小泡与膜割开。

3、网格蛋白有被小泡的形成和运输机制：

网格蛋白有被小泡的形成可分3个过程：

形成网格蛋白被膜小窝(pit):内吞时，吞入物首先同表面受体结合，然后网格蛋白装配的亚基结合上去，诱导膜凹陷形成小窝。

形成网格小泡:在被膜小窝形成处，以出芽方式形成小泡，在发动蛋白作用下与质膜割裂,成为网格蛋白有被小泡。

网格小泡形成后，很快脱去网格蛋白外被，成为无被小泡。 图示网格小泡的形成

图示网格蛋白有被小泡的掐断过程 图示网格小泡的组成 图示网格小泡的形态 (四) COP被膜小泡的形成机制

COPⅠ是一种胞质溶胶蛋白，由7个亚基组成。COPI在出芽小泡的溶胶面聚合，形成被膜小泡

COPI小泡的形成也可分为3步：

一种胞质小GTP蛋白:装配反应因子(ARF)，释放GDP，结合GTP，形成ARF-GTP，并整合到高尔基体膜中。

COPI同ARF及高尔基体膜蛋白胞质区结合。

在脂酰CoA帮助下形成COPI被膜小泡.很快COPI包被开始去聚合，并与膜分离。

ARF被认为是COPⅠ外被装配和去装配的信号,在COP被膜小泡中起着重要的作用.

ARF同GDP结合无活性,其脂肪酸的尾部隐藏在蛋白质空间结构中,不能和膜结合.结合GTP后,ARF构型改变,暴露出脂肪酸链,并插到供体膜中.同膜结合的ARF-GTP可同外被结合,形成被膜小泡.

COPI介导的运输是从高尔基体到ER的回流. 图示COP I衣被小泡的形态

图示COPI介导的运输是从高尔基体到ER的回流.的模式图 3、COPⅡ小泡的形成：

COPII介导ER到高尔基体的运输，小泡先在ER形成，其外被蛋白与COPI相似但不同。

COPII是多亚基复合物，亚基有Sec23/Sec24复合物、Sec13/Sec31复合物、Sec16等

COPII小泡装配时，也需Sar1的G蛋白参与。Sar1同GTP结合后，诱导COPII蛋白不同亚基结合并与ER结合，组装成一个完整的小泡。

图示COPⅡ小泡的组成 图示COP II衣被小泡的组装 图示COPI和COPII衣被小泡 四、小泡的定向运输、停靠与融合机制

选择性和非选择性运输小泡，对运输方向都具高度选择性，能准确到达目的地，说明：所有的运输小泡的膜上可能都有某种标志，指示着它们沿一定方向前进，最终准确到达目的地。

那么定向运输和停泊的标志是什么呢？到达目的地后又是如何停泊的呢？ 又是如何突破膜结构障碍释放出内含物的呢?

Rothman等发现，动物细胞融合需一种可溶性细胞质蛋白：N-乙基马来酰亚胺敏感蛋白(N-ethlmaleimide-sensitive fusion protein, NSF)，及其它几种可溶性NSF附着蛋白(soluble NSF attachment protein, SNAP).

NSF/SNAP能够介导不同类型的小泡融合，说明它们没有特异性 (一)运输小泡寻靶：SNARE假说

Rothman等提出了SNARE假说：膜融合的特异性是由其它蛋白所提供，他把这种蛋白称为SNAP受体(SNAP receptor)，或称SNARE，这种蛋白可以作为膜融合时SNAP的附着点。

SNAREs作用是保证特异性识别，并介导运输小泡与靶膜融合，动物细胞发现20多种SNARE，分布于特定膜上，运输小泡上的叫v-SNARE，靶膜上的叫t-SNARE。

v-SNARE和 t-SNARE都有1个螺旋结构域，能相互缠绕形成跨SNARE复合体，将运输小泡的膜与靶膜拉在一起，使运输小泡特异性停泊和融合

含SNARE的脂质体和含匹配SNARE的脂质体间可融合，但速度很慢，说明除SNARE外，还有其它的蛋白参与。

图示SNARE复合体

图示真核细胞中的基本组分包括: 在运输小泡上v-SNAREs, 在目标膜上的t-SNAREs(t-SNAP, Rab GTPase, NSF和几种 SNAPs) (二)Rab蛋白在小泡运输与融合中的调节作用：

小泡融合时有Rab蛋白的参与，Rab也是一种小GTP蛋白，能同GTP结合并水解GTP。

调节机制：供体膜上GDP释放蛋白识别cytosol中特异Rab，诱导GDP释放并结合GTP，Rab构型改变，露出脂基团，将Rab锚定在膜上。小泡形成后，在V-SNARE引导下，到达受体膜T-SNARE部位，Rab帮助小泡与受体膜结合。

GTP水解后Rab从膜上释放，小泡却锁定在受体膜上，释放的Rab进入胞质溶胶中再利用。

图示Rab的调节机制 3. 小泡融合模型

根据SNARE假说及Rab蛋白的研究表明,小泡合成时,需V-SNARE、T-SNARE和融合蛋白SNAP25。将含纯化的V-SNARE的人工脂质体与含T-SNARE/SNAP25复合物的脂质体一起温育，两种膜渐渐融合在一起。

在细胞中融合只要几秒种，但需几种胞质溶胶蛋白参与，包括NSF、ɑ-，β-和γ-SNAP，其作用可能是使V-SNARE、T-SNARE/SNAP25解离便于再利用，同时扩大融合

图示t-和v-SNARE

在SNARE接到新一轮的运输小泡停泊之前，SNARE必须以分离的状态存在，NSF催化 SNARE的分离，它是一种类似分子伴侣的ATP酶，能以ATP作能量通过插入几个接头蛋白(adaptor protein)将SNAREs复合体的螺旋缠绕分开。

图示SNARE复合体的解离

在神经细胞中SNARE负责突触小泡的停泊和融合，破伤风毒素和肉毒素等细菌分泌的神经性毒素实际上是一类特殊的蛋白酶，能选择性地降解SNARE，从而阻断神经传导。

精卵融合、成肌细胞的融合均涉及SNAREs，病毒融合蛋白的工

作原理与SNAREs相似，介导病毒与宿主质膜的融合。

图示病毒融合蛋白的工作原理 五、膜泡运输的动力来源

胞内膜泡运输沿微管或微丝运行，在马达蛋白的作用下，可将膜泡转运到特定的区域。

与膜泡运输有关的马达蛋白有3类： ①动力蛋白(dynein)，向微管负端移动； ②驱动蛋白(kinesin)，牵引物质向微管正端移动 ③ 肌球蛋白(myosin)，向微丝+极运动。

图示驱动蛋白介导的膜泡沿微管移动 图示动力蛋白和驱动蛋白介导膜泡运输的模型 六、膜的生物发生

有关质膜及内膜系统的膜的来源,有2个模型:

自我装配模型:利用已有的材料装配而成.如将脂和蛋白质在体外装配时,总能形成脂质体.但脂质体总是对称的,而或细胞中膜结构是不对称的.

已有膜的生长模型:新合成的脂和蛋白不断插入已有的膜.由于插入的方式可以有选择地插入膜的一侧或另一侧,保证了膜的不对称性

(一)膜脂的生物来源及不对称分布

大多数磷脂是在ER上合成，可通过2种方式运送到膜结合细胞器:①通过磷脂转运蛋白运送到线粒体、叶绿体、过氧化物酶体等；②通过出芽和膜融合.与蛋白质一道运输高尔基体及质膜。

保持膜脂不对称性：

①磷脂交换蛋白对磷脂的运输和插入具选择性；②热动力学使磷脂呈不对称分布：膜内外两侧环境不同。③ER上有翻转酶，通过翻转酶造成膜的不对称性

（二）膜整合蛋白和外周蛋白的形成

通过水泡性口炎病毒（VSV）研究：

膜的外周蛋白是在游离核糖体上合成，并以可溶性形式释放到细胞质溶胶中，然后与质膜的溶胶面结合成为外周蛋白。

膜整合蛋白先在ER合成并插入到ER膜中，随小泡转运到高尔基体加工，最后转运到质膜。另外，糖蛋白上的糖是在ER腔中加上去的，在整个运输过程都位于腔面，与质膜融合后位于膜外侧，这就是为什么糖蛋白都朝向细胞外的原因

图示膜的不对称性的保持 （三）膜锚定蛋白的形成

1、质膜外侧的糖脂锚定蛋白：这类蛋白先在糙面ER上合成，然后在ER腔中与糖基磷脂酰肌醇（GPI）结合，通过运输小泡与质膜融合，含糖的一面外翻而面向细胞外侧；

2、质膜内侧的脂肪酸锚定蛋白：这类蛋白是水溶性的，在游离核糖体合成后释放到细胞质溶胶中，然后与质膜中的脂肪酸结合

第七章细胞的能量转换：线粒体和叶绿体 Chapter Seven Mitochondria 第一节 线粒体与氧化磷酸化

线粒体被称为细胞内的能量工厂。人体内的细胞每天要合成几千克的ATP，95%是由线粒体中的呼吸链所产生。

线粒体通过氧化磷酸化，进行能量转换。 线粒体发现及功能研究简史

10年Altaman发现线粒体,命名为bioblast。 18年Benda将这种颗命名为mitochondrion。 1900年L. Michaelis发现线粒体具有氧化作用。 1948年Green证实线粒体含所有三羧酸循环的酶。 1949年Kennedy发现脂肪酸氧化是在线粒体内完成。 1976年Hatefi等纯化了呼吸链四个的复合体。 1961-1980年Mitchell提出氧化磷酸化化学偶联学说。 一、线粒体的形态结构 （一）形态、大小、数量和分布

1. 形态：粒状或杆状，因种类和生理状态，可呈环形，哑铃形、线状、分杈状。

2. 大小：直径0.5~1μm，长1.5~3.0μm，胰脏分泌细胞中可长

达10~20μm，称巨线粒体。人成纤维细胞则更长，可达40μm。

线粒体形状与大小也随着代谢条件不同而改变。

3. 数量：不同类型细胞中M相差大，有的仅1个，有的数百或数千，同类型细胞中数目稳定。

在代谢活跃的细胞中数量多；植物常较动物少；红细胞中无线粒体。

4. 分布：常均匀分布在胞质，但也有不均匀分布，常集中在代谢活跃的区域。

M常结合在微管上，可向功能旺盛区域迁移。 （二）线粒体的结构

线粒体由内外两层单位膜封闭形成，包括外膜、内膜、膜间隙和基质4个部分。

1、外膜 (out membrane)

全封闭的单位膜，厚6nm，脂和蛋白含量近相等;

具孔蛋白(porin)构成的亲水通道（就是我们书中讲到的小孔），可以使得分子量<5KD的分子通过进入膜间隙。外膜通透性较高，膜间隙环境和cytosol中相似。

具一些特殊酶类，如色氨酸降解的酶、脂肪链延伸的酶。标志酶为单胺氧化酶。

2、内膜 （inner membrane）

厚约6-8nm，通透性低，甚至于我们会称之为‚不透性‛，它会严格地控制离子和分子的通透，仅让不带电荷小分子通过，大分子和离子通过内膜需特殊转运系统。

蛋白质/脂类>3:1。其中心磷脂含量较高约20%，这是成为通透性屏障的主要原因，无胆固醇。

氧化磷酸化的电子传递链位于内膜。

内膜向基质褶入形成嵴(cristae)，嵴有2种类型：①板层状；②管状。多呈板层状。

嵴上有基粒，这些基粒含有ATP酶复合体，由头部(F1)和基部(F0)构成，F0嵌入内膜。

内膜具丰富的酶，主要为参与电子传递与ATP合成的酶类，及参

与运输与合成的酶类，标志酶为细胞色素C氧化酶。

图示内膜两种形状嵴的模式图 3、膜间隙(intermembrane space)

宽6-8nm，含大量可溶性酶、底物和辅助因子 膜间隙的pH值与胞质相似。

标志酶为腺苷酸激酶，催化ATP分子的末端磷酸基团转移到AMP 4、基质（matrix）

除糖酵解外，其它生物氧化的酶均在基质中：TCA循环、脂肪酸和丙酮酸氧化的酶。

标志酶为苹果酸脱氢酶。

含一套完整的转录和翻译体系：mtDNA，70S核糖体，tRNA 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。

二、线粒体的功能

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AT P,供机体各种生命活动的需要.

主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP

下面我们以真核细胞为例来具体地讲述线粒体氧化磷酸化的工作过程

(一)真核细胞中的氧化作用(oxidation) 葡萄糖和脂肪酸是真核细胞能量的主要来源。 1. 糖的氧化: 分为3个阶段： 1) 在胞质中，糖氧化生成丙酮酸； 2) 丙酮酸进入线粒体，脱羧生成乙酰CoA 3) 乙酰CoA进入TCA循环，彻底氧化

2. 脂肪的氧化：在胞质中水解成脂肪酸，脂肪酸进入线粒体基质，通过β氧化途径生成乙酰CoA，及1分子NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）和FADH2（黄素腺嘌呤二核苷酸）。

乙酰辅酶A是线粒体能量代谢的核心分子。

3. TCA循环：乙酰CoA和草酰乙酸结合成一个含3个羧酸的柠檬酸，柠檬酸经氧化脱羧，经酮戊二酸、琥珀酸，降解成草酰乙酸，每循环一次生成2分子CO2、一分子GTP、4分子NADH和一分子FADH2。

4. 辅酶在能量传递中的作用:

TCA循环的净产物是FADH2和NADH，含循环中底物氧化释放的电子，共5对，可用于ATP合成。

胞质糖酵解也产生NADH，可通过苹果酸-天门冬氨酸穿梭和甘油-磷酸穿梭，将电子传递给线粒体的FAD，形成FADH2，参与ATP合成。

(二)呼吸链与电子传递

呼吸链(respiratory chain)，是内膜上的一组酶复合体。功能是进行电子、H+的传递及氧的利用，产生H2O和ATP。

TCA循环后，大部分能量储在NADH和FADH2中，需将还原型辅酶氧化才能将能量释放出，该过程涉及电子从NADH或FADH2传递到氧。

在内膜中一系列的电子载体进行的电子传递过程中，NADH或FADH2所含能量逐步释放，最后储存在ATP的高能磷酸键中。

电子经呼吸链流动称电子传递，ADP转变成ATP称磷酸化，两者的偶联即氧化磷酸化。

（三）氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)的分子基础 1、电子载体

与电子结合并将其传递下去的物质:电子载体。

呼吸链电子载体：黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫蛋白、辅酶Q。

(1) NAD：烟酰胺嘌呤二核苷酸，脱氢酶的辅酶，连接TCA循环和呼吸链，将氢交给黄素蛋白。

(2)黄素蛋白(flavoprotein)：

由一条多肽链结合一个辅基组成的酶类, 辅基为FMN或FAD，每

个FMN或FAD可接受2个电子和2个质子。呼吸链上有以FMN为辅基的NADH脱氢酶，以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。

•(3)细胞色素(cytochrome)：含血红素铁，以Fe3+和Fe2+互变传递电子，呼吸链中有5类细胞色素:a、a3、b、c、c1；a、a3含铜原子。

血红素基团的铁可传递单个电子

aa3分子中,还含2个铜原子,靠其化合价的变化,把电子从a3传递到氧

(4) 铁硫蛋白(Fe/S protein)：属细胞色素类，分子结合的是铁和硫，非血红素，称铁硫中心。一般含4个原子，2个铁和2个S，称2Fe-2S，也有4Fe-4S。

也是通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，且一次只能传递1个电子

(5)辅酶Q (coenzyme Q)：脂溶性小分子醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。

有3种氧化还原形式：氧化型醌Q，还原型氢醌(QH2)和介于两者间的半醌(QH)。

每个醌能接受和传递2个电子和质子 2、氧化还原电位与载体排列顺序

同种物质得失电子的两种状态称氧还对。如NAD+和NADH，两者间有电位差，即氧还电位

可在标准条件下测定标准氧还电位。标准氧还电位越小，提供电子的能力越强

通过测定电子载体的氧化还原电位，可推断其在呼吸链中的排列顺序

3、电子传递复合物

用脱氧胆酸(离子型去污剂)处理内膜、分离出呼吸链的4种复合物，即复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内膜，细胞色素C位于内膜的膜间隙侧(C侧)，属膜外周蛋白。

（1）复合物Ⅰ

NADH脱氢酶，哺乳动物中由42条肽链组成。含1个FMN和6个Fe/S，以二聚体存在。

作用：催化NADH的2个电子传至辅酶Q，并将4个H+由基质(M侧) →膜间隙(C侧)。电子传递方向：NADH→FMN→Fe-S→Q

结果：NADH + 5H+(M) + Q→NAD+ + QH2 + 4H+ (C) （2）复合物Ⅱ

琥珀酸脱氢酶，4条肽链，含1个FAD，2个Fe/S

传递低能电子，催化电子从琥珀酸→CoQ，传递过程：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。不转移质子。

反应结果为：琥珀酸+Q→延胡索酸+QH2 （3）复合物 Ⅲ

CoQ- cyt c还原酶，由11条不同肽链组成，以二聚体存在，单体含2个cyt b (b562，b566)、一个cyt c1和一个Fe/S。

作用：催化电子从辅酶Q → cyt c，每转移一对电子，同时将4个H+转移至膜间隙。

结果：2氧化态cyt c1 + QH2 + 2 H+(M)→2还原态cyt c1 + Q+ 4H+(C)

复合物Ⅲ的电子传递和“Q循环”有关

辅酶Q能在膜中自由扩散，在内膜C侧，QH2将一个电子交给Fe-S→细胞色素c1→细胞色素c，被氧化为半醌(QH)，并将一个质子释放到膜间隙，半醌将电子交给细胞色素b566→b562，释放另外一个质子到膜间隙。

cyt b566得到的电子为循环电子，传递路线为：半醌→b566→b562→辅酶Q。在内膜M侧，辅酶Q可被复合体Ⅰ（复合体Ⅱ）或cyt b562还原为氢醌。一对电子由辅酶Q到复合物Ⅲ的电子传递过程中，共有四个质子被转移到膜间隙，其中两个质子是辅酶Q转移的。

（4）复合物 Ⅳ

cyt c氧化酶，以二聚体存在，单体含1个cyt a、a3和2个Cu原子。作用：将电子从cyt c →氧。

传递路线：cyt c→CuA→heme a→a3- CuB →O2

每转移一对电子，从基质中摄取4个H+，其中2个用于水形成，

另2个被转至膜间隙。

结果： 4还原态cyt c + 8 H+(M) + O2 →4氧化态cyt c + 4H+(C)+ 2H2O

4、两条主要的呼吸链

呼吸链传递的主要是NADH，而FADH2较少，可将呼吸链分为主、次两条：

主链由复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成，催化NADH氧化 次链由复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成，催化琥珀酸氧化 （二）ATP合酶(ATP synthetase)的结构和作用机理 F0F1-ATP酶，是生物能量转化的核心酶。参与氧化磷酸化和光合磷酸化，催化合成ATP。

也存在线粒体内膜、叶绿体类囊体膜、异氧菌和光合菌质膜上。 膜结合状态下具有ATP合成活性，分离状态下具水解ATP的活性。 1. ATP合酶的结构

(1)F1: 由5种多肽组成的九聚体(3α3βγδε)，α和β单位交替排列，如桔瓣。γ贯穿αβ复合体，并与F0接触，ε帮助γ与F0结合。δ与F0的两个b亚基形成固定αβ复合体的结构。具3个ATP合成催化位点,每个β亚基一个。

(2)F0: 由3个亚基组成的15聚体(1a:2b:12c)。c亚基在膜中形成物质运动的环，b亚基与δ固定F1；a亚基是质子通道。

F1和F0通过转子和定子联系起来，在合成或水解ATP时，转子在通过F0的H+推动下,依次与3个β亚基作用，调节β亚基催化位点构象变化；定子在一侧将α3β3与F0连接起来。F0的作用之一,利用跨膜质子势转换成扭力矩，推动转子旋转

氧化磷酸化与电子传递的偶联

呼吸链中有3个部位自由能变化较大，是呼吸链氧化还原放能与ATP合成偶联部位，可被特异性抑制剂阻断。

复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ每传递一对电子，释放的自由能都足够合成1分子ATP，这三个复合物是呼吸链中电子传递与氧化磷酸化偶联的3个位点，各处生成1分子ATP。

NADH呼吸链有3个偶联位点，可生成3个ATP.

FADH2呼吸链只合成2分子ATP，因为复合物Ⅱ不是ATP合成的偶联位点。

生物氧化产生ATP的统计

一个葡萄糖分子经细胞呼吸全过程产生的ATP 糖酵解：底物水平磷酸化产生 4 ATP（胞质） 己糖分子活化消耗 2 ATP（胞质） 产生 2NADH，经电子传递产生 4或 6 ATP

净积累 6或8 ATP 丙酮酸氧化脱羧：产生 2NADH(M)，生成 6ATP 三羧酸循环：底物水平的磷酸化产生(M) 2ATP； 产生 6NADH（M），生成 18ATP； 产生 2FADH2（M），生成 4 ATP 总计生成 36或38 ATP

（三）氧化磷酸化的偶联机理

氧化与磷酸化的偶联机制一直是研究氧化磷酸化作用的关键 主要的假说有：

1、化学渗透学说(chemiosmotic coupling hypothesis) 2、构象偶联假说(conformational coupling hypothesis) 1、化学渗透假说：质子动力势

Mitchell P.1961提出“化学渗透假说(Chemiosmotic Hypothesis)”，70年代化学渗透假说得到大量实验的支持，成为一种较为流行的假说，Mitchell也因此获得1978年诺贝尔化学奖。

化学渗透学说：电子沿呼吸链传递时，释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，线粒体内膜对离子高度不通透，使膜间隙的H+浓度高于基质，在内膜两侧形成pH梯度(△pH)及电位梯度(Ψ)，共同构成电化学梯度，即质子动力势(△P)。

△P=Ψ-(2.3RT/F)△pH

T为绝对温度，R为气体常数，F为法拉第常数

质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP合酶流回基质，使ATP合酶构象改变，将ADP和Pi合成ATP

2、构象耦联假说

1979年Boyer提出构象耦联假说，要点有：

1．ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP。

2．F1有三个催化位点，三个催化位点的构象不同、与核苷酸的亲和力不同。在L构象(loose)，ADP、 Pi与酶疏松结合；在T(tight)构象与酶紧密结合；在O构象(open)ATP与酶的亲和力低，被释放。

3．质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，带动γ亚基旋转，γ亚基端部高度不对称，它的旋转引起β亚基3个催化位点构象的周期性变化(L、T、O)。每个亚基要经过3次构象改变才能催化合成1个ATP。

支持构象耦联假说的实验有：

1．日本的吉田（Massasuke Yoshida）等人将α3β3γ固定在玻片上，在γ亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有ATP的溶液中温育时，在显微镜下可观察到γ亚基带动肌动蛋白纤维旋转。

2．在另外一个实验中，将荧光标记的肌动蛋白连接到ATP合酶的F0亚基上，在ATP存在时同样可以观察到肌动蛋白的旋转。

（四）氧化磷酸化抑制剂

电子传递抑制剂可用来研究呼吸链各组分的排列顺序，当呼吸链某一特定部位被抑制，底物一侧均为还原态，另一侧均为氧化态，可用分光光度计检测，各组分氧化态和还原态具不同的吸收峰。

1. 电子传递抑制剂: 包括以下类型：

①抑制NADH→CoQ电子传递:阿米妥、鱼藤酮、杀粉蝶素A。 ②抑制Cyt b→Cyt c1电子传递:抗霉素A ③抑制细胞色素氧化酶→O2: CO，CN，NaN3，H2S

2．磷酸化抑制剂: 与F0结合结合，阻断H+通道，从而抑制ATP合成：寡霉素、二环己基碳化二亚胺(DCC)

3．解偶联剂(uncoupler): 使氧化和磷酸化脱偶联，氧化仍可进行，而磷酸化不能进行。解偶联剂为离子载体或通道，能增大内膜对H+通透性，消除H+梯度，无ATP生成，使氧化释放出的能量全部以热的形式散发

动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体中有独特的解偶联蛋白，与维持体温有关。

常用解偶联剂主要有：

质子载体：2，4-二硝基酚(DNP)，羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼(FCCP)。

质子通道: 增温素。 其它离子载体：缬氨霉素。

某些药物：如过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升高。

三、线粒体的半自主性

63年发现线粒体DNA(mtDNA)后，又在线粒体发现RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖体等进行DNA复制、转录和蛋白质翻译的全套装备，说明线粒体具遗传体系。

线粒体能合成蛋白质，但合成能力有限。线粒体1000多种蛋白质中，自身合成的仅十余种。线粒体核糖体蛋白、氨酰tRNA 合成酶、许多结构蛋白， 都是核基因编码， 在胞质中合成，定向转运到线粒体，故称线粒体为半自主细胞器。

利用标记氨基酸培养细胞，用氯霉素和放线菌酮分别抑制线粒体和胞质蛋白质合成，发现人的mtDNA编码的多肽为细胞色素c氧化酶的3个亚基，F0的2个亚基，NADH脱氢酶的7个亚基和细胞色素b等13条多肽。

mtDNA还合成12S和16SrRNA及22种tRNA。

mtDNA分子为环状双链DNA，外环为重链(H)，内环为轻链（L）。 基因排列非常紧凑，大多数基因无内含子序列(在转录后的加工中，从最初的转录产物除去的内部的核苷酸序列。术语内含子也指编码相应RNA内含子的DNA中的区域。大多数真核结构基因中的间插序列（intervening sequence）或不编码序列。它们可以转录，但在基因转录后，由这些间插序列转录的部分（也可用内含子这个术语表示）经加工被从初级转录本中准确除去，才产生有功能的RNA。基因的编码部分称外显子。内含子常比外显子长，且占基因的更大比例。真核基因所含内含子的数目、位臵和长度不尽相同，如鸡卵清蛋白基因的

外显子被7个内含子隔开，鸡卵伴清蛋白基因有17个内含子，α-珠蛋白基因有2个内含子，卵粘蛋白基因有6个内含子等)。

基因组变化较大，动物细胞mtDNA较小，约16.5kb，酵母达80kb。 每个细胞含几百个线粒体，每个线粒体又含多个mtDNA，但mtDNA的总量不到核基因组的1%.

多数基因由H链转录，包括2个rRNA，14个tRNA 和12个编码多肽的mRNA。

L链编码另外8个tRNA和一条多肽链。

mtDNA上的基因相互连接，一些多肽基因相互重叠， 几乎所有阅读框都缺少非翻译区域。

很多基因没有完整的终止密码， 仅以T或TA 结尾，mRNA终止信号是在转录后加工加上去

图示线粒体DNA上的基因可以编码rRNA、tRNA和一些多肽链，以人为例，人的线粒体DNA有16,569bp的碱基对组成，可以编码13条多肽，包括NADH脱氢酶的7个亚基，细胞色素b，细胞色素c氧化酶的3个亚基，F0的2个亚基。

线粒体在形态、染色反应、化学组成、物理性质、遗传体系等方面，都很像细菌，所以推测其起源于内共生（也就是说现在的线粒体是由远古的大原核细胞吞噬小的原核细胞，二者共生后不断演化而来）。在进化过程中内部的好氧细菌逐步丧失了性，并将大量遗传信息转移到了宿主细胞中，形成了它自身的半自主性。

线粒体遗传体系和细菌相似的特征： ①DNA为环形分子，无内含子； ②核糖体为70S型；

③RNA聚合酶被溴化乙锭抑制不被放线菌素D所抑制；④tRNA、氨酰基-tRNA合成酶不同于胞质中的；

⑤蛋白合成起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA； ⑥对细菌蛋白合成抑制剂氯霉素敏感，对胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感。

MtDNA基因编码蛋白也使用核基因通用密码，但也有不同，以哺乳动物为例，主要不同有：

①UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码；

②内部甲硫氨酸由AUG和AUA编码，起始甲硫氨酸由AUG，AUA，AUU和AUC编码；

③AGA，AGG不是精氨酸密码子，而是终止密码子。 线粒体有4个终止密码子UAA，UAG，AGA，AGG。

mtDNA表现为母系遗传。突变率高于核DNA，且缺乏修复能力。 五、线粒体的增殖

线粒体主要是通过已有的线粒体的进行增殖的，有以下几种形式：

1、间壁分离，时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分成两个，常见于鼠肝和植物产生组织中。

2、收缩后分离，时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后为两个，见于蕨类和酵母线粒体中。

3、出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。

第二节 叶绿体与光合作用

Chapter nine chloroplast and photosynthesis

一切生命活动所需的能量来源于太阳能。绿色植物是主要的能量转换者。

叶绿体是植物细胞特有的能量转换细胞器，它利用光能同化二氧化碳和水，合成糖，并产生氧气。

地球上植物每年将6X1014 kg碳转变成糖，同时释放4X1014kg的氧气。

绿色植物的光合作用是地球上有机体生存、繁殖和发展的根本源泉。

一、叶绿体与质体

叶绿体是质体的一种，与其它质体不同，叶绿体是唯一含类囊体膜结构的质体。

质体还包括：白色体、有色体、蛋白质体、油质体、淀粉质体，均由前质体分化发育而来。

二、叶绿体的形态与数量

1.形态：高等植物：呈双凸透镜形。藻：网状、带状和星形等，可达100um

2.数量：因种、细胞类型、生态、生理状态不同。高等植物叶肉细胞含50～200个，占细胞质的40%。

3.分布：均匀分布在胞质中，或聚集在核周围或沿壁分布，光照影响分布。

图示叶绿体结构，绿色的是类囊体组成的基粒结构。 三、叶绿体的结构

由外被(envelope)、类囊体(thylakoid)和基质(stroma) 组成。 含3种不同的膜：外膜、内膜、类囊体膜，及3种腔：膜间隙、基质和类囊体腔。

图示叶绿体结构，重点显示了基粒（绿色堆积体）

图示小麦叶细胞：(A)液泡周围的细胞质仅极薄的一层,含叶绿体; (B)叶绿体中有淀粉粒（中间三个白色颗粒）和脂滴（黑色小颗粒）. (C)基粒由类囊体膜堆垛而成.

图示同样是叶绿体的结构

图示线粒体和叶绿体的结构比较，外膜、内膜、膜间隙、基质（线粒体中是matrix，叶绿体中是stroma，称叶绿体基质）、叶绿体类囊体腔、DNA、核糖体、叶绿体内的类囊体膜，线粒体上还有嵴

1、外被（envelope）

由双层膜组成，都是连续的单位膜，厚6-8nm，膜间为10~20nm的膜间隙。

外膜有孔蛋白，孔径较大，允许10-13kd的分子通过，通透性较大。

内膜通透性低，仅O2、CO2和水能自由通过。

内膜上有很多运输蛋白，选择性地转运出入Chl（叶绿体）的分子。

转运蛋白的运输作用都是协助运输，须依靠浓度梯度的驱动。 运输蛋白的另一个机制：交换，如磷酸交换载体：Pi与3-磷酸甘油醛交换

内膜上还有起穿梭作用的载体：二羧酸交换载体，基质和胞质间NADP的电子传递是靠这种作用进行

2、类囊体（thylakoid） （1）形态结构:

单层膜围成的扁平囊，沿叶绿体长轴平行排列。含光合色素和电子传递链。

基粒(grana)：多个类囊体堆叠。基粒间的类囊体就称之为基质类囊体。

经基质片层相联，全部类囊体形成一个相互贯通的封闭系统。 （2）类囊体膜的化学组成

蛋白质与脂比值达60:40。脂中磷脂含量仅5-20%，脂肪酸为不饱和亚麻酸，约87%，流动性高。

膜蛋白主要有细胞色素b6/f复合体、质体醌(PQ)、质体蓝素(PC)、铁氧化还原蛋白、黄素蛋白、光系统Ⅰ、光系统Ⅱ复合物等。

3、叶绿体基质的组成

碳固定的酶类：核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBPase)，占基质可溶性蛋白总量的60%。

叶绿体DNA、蛋白质合成体系：ctDNA、RNA、核糖体等。 颗粒: 主要是淀粉粒，储存光合产物。 四、叶绿体主要功能: 光合作用

光合作用是能量及物质的转化过程：光能先转化成电能，经电子传递产生ATP和NADPH，最终转化成稳定的化学能储存在糖类化合物中。

光合作用分为光反应和暗反应。光反应需光，进行水的光解和光合磷酸化。暗反应不需光，进行CO2固定。

（一）光反应（light reaction）

通过叶绿素等光合色素吸收光能，将光能转变成化学能，形成ATP和NADPH的过程。

可分为3个主要步骤: 光能吸收、电子传递、光合磷酸化。 1、光吸收

指叶绿素分子被光激发至引起第一个光化学反应的过程，包括光

能吸收、传递和转换。是光反应最初始的反应，又称原初反应(primary reaction)

主要作用是固定光子。光能被聚光色素吸收后，传递至作用中心。在作用中心发生最初的光化学反应，使电荷分离将光能转变成化学能

（1）光合色素

叶绿素(chlorophll)：一类含脂的色素，位于类囊体膜中。由2部分组成：核心部位是一个卟啉环,功能是光吸收；另一部分是一个长的脂肪烃侧链，称叶绿醇，侧链插入类囊体膜。

类胡萝卜素，帮助叶绿素提高吸光效率。 在红藻和蓝细菌中还有藻胆素。

图示叶绿素分子结构，红色部分就是其中的卟（bu）啉（lin）环结构

植物有几种类型的叶绿素，差别在于烃侧链的不同。

主要有叶绿素a和叶绿素b，叶绿素a存在于真核生物和蓝细菌中，叶绿素b存在于高等植物和绿藻中。不同类型的叶绿素对光的吸收也不同。叶绿素a吸收的波长在420-460nm，而叶绿素b吸收的波长在460-5nm

（2）光合作用单位(photosynthetic uint)

光合作用的功能单位是由叶绿素、类胡萝卜素、脂和蛋白质组成的复合物，也叫光系统。

每一个光系统有两个基本成分：捕光复合物(light harvesting complex)和光反应中心。

A、捕光复合物：由约200个叶绿素分子和一些与蛋白质相连的类胡萝卜素组成。

色素分子也称天线色素，捕获光能，并将光能以诱导共振方式传到反应中心色素。

叶绿体中全部叶绿素b和大部分叶绿素a、类胡萝卜素和叶黄素都是天线色素。

图示捕光复合物：红色photon：光子，共振转移到反应中心色素上，再将电子转移到电子受体

•B.反应中心：由1个中心色素分子Chl、1个原初电子供体和1

个原初电子受体组成。

•反应中心的基本成分是蛋白质和脂，少数叶绿素a分子与这些脂蛋白结合

•反应中心色素的最大特点：吸收光能被激发后，产生电荷分离和能量转换

图示光系统中的捕光复合体及反应中心，绿色小方片是天线色素，组成捕光复合体，用于捕捉光子，中间是反应中心，用于进行光能转换。

（3）光能的吸收、传递与转换

光的吸收和光能的传递都是由光系统完成，光系统中捕光色素吸光后，由基态变成激发态，并以共振机制相互传递，最后传给反应中心一对特殊的叶绿素a。

叶绿素a被激发，同时释放出电子给电子初级受体，叶绿素a呈带正电荷的氧化态，受体呈带负电荷的还原态

氧化态叶绿素a从原初电子供体获得电子还原，就这样不断地氧化还原，就使得叶绿素A不断地将电子传递给原初电子受体

图示光能吸收、传递与转换的过程，光系统由三个部分组成，叶绿素、原初电子供体和原初电子受体，叶绿素吸收光子后被激发，使得本来低能状态的电子变成高能状态，释放出电子给电子初级受体，这样就使得叶绿素成为带正电荷的氧化态，受体呈还原态，接着，供体提供电子给叶绿素，使得叶绿素回复原来状态，接着外界又提供给供体一个电子，使得受体释放出所携带电子，通过其他机制转移给其他结构，这样就完成了将光能转变为化学能的过程。

2、电子传递

光合电子传递链是由一系列电子载体构成，同呼吸链电子载体相似，但有不同：

(1)线粒体的载体位于内膜，光合作用的载体位于类囊体膜； (2)线粒体将NADH和FADH2的电子传给氧，光合作用是将来自水的电子传给NADP；

(3)线粒体电子传递是一个放能过程，合成ATP；光合作用电子传递是一个吸热过程。

（1）电子载体和电子传递复合物

同呼吸链一样，光合作用的电子载体也是细胞色素、铁氧还蛋白、黄素蛋白和醌

参与光合作用的细胞色素是cyt b6和cyt f； 铁氧还蛋白也是通过Fe3+与Fe2+循环传递电子

参与光合作用的黄素蛋白主要是NADP+还原酶，催化电子从氧还蛋白传给NADP+

质体蓝素(PC)：一种含铜蛋白，靠Cu2+与Cu+循环传递电子。 质体醌(PQ)：同呼吸链中UQ一样，靠醌和醌醇循环传递电子 NADP+是最后的电子受体，接受两个电子被还原 同线粒体一样，光合作用中的电子载体也组成复合体

光合电子传递链中有3种复合体，其中两个是光系统（PSⅡ和PSⅠ）的组成部分，另一种是细胞色素b6/f复合物。

A．光系统Ⅱ（PSⅡ）

中心色素吸收峰为680nm，又称P680。

>12条多肽链。含一个捕光复合体(LHCⅡ)、一个反应中心和一个含锰原子的放氧的复合体。

D1和D2为两条核心肽链，结合中心色素P680、去镁叶绿素及质体醌。

作用：从光中吸收的能量将水裂解,并将其释放的电子传递给质体醌.

B．光系统Ⅰ（PSI）

中心色素能被700nm光激发，又称P700。

包含多条肽链，由一个捕光复合物Ⅰ(LHCⅠ)和一个反应中心构成。

三种电子载体分别为A0(1个chl a分子)、A1(维生素K1)及3个的4Fe-4S(FeSX,FeSA,FeSB)。

作用是将电子从PC传给铁氧还蛋白(Fd) C．细胞色素b6/f复合体(cyt b6/f complex)

以二聚体存在，单体含4个不同的亚基。细胞色素b6(b563)、细胞色素f、铁硫蛋白、以及亚基Ⅳ(质体醌的结合蛋白)。

（2）光反应与电子传递

光合作用的电子传递是在两个不同的光系统中进行，即由PSⅠ和PSⅡ协同完成。

PSⅡ和PSⅠ的反应是接力式： PSⅡ把电子从低于H2O的能量水平提高到一个中间点,而PSⅠ又把电子从中间点提高到高于NADP+的水平。

PSⅡ中的光反应及电子传递 在PSⅡ中发生的反应可分为两大块:

A. 水的裂解: PSⅡ将LHCⅡ吸收的光能→P680 →P680* →原初电子受体去镁叶绿素(ph-)

P680*带正电→从原初电子供体Z(反应中心D1蛋白上的一个tyr侧链)得电子而还原→ Z+从含Mn蛋白的放氧复合体上获取电子→氧化态的放氧复合体从水中获取电子→水光解。

水光解的结果是: 2H2O→O2 + 4H+ + 4e-

B. 从P680向PQB的电子传递: P680→去镁叶绿素(ph-)→D2上结合的PQA → D1上的PQB →还原态PQB2- →从基质中吸2个H+成PQH2.

还原型PQH2从光系统Ⅱ复合体上游离下来，另一氧化态PQ从类囊体膜中PQ库中得到补充

综合：在PSⅡ中的电子传递路线为：H2O→Mn→P680→Ph→PQA→PQB

PSⅠ中的光反应及电子传递

PSⅠ将LHCⅠ吸收的光能传给P700，被激发P700释放一个高能电子，沿A0→A1→FeSX→ FeSA→FeSB依次传递，传给铁氧还蛋白(Fd)

最后经铁氧还蛋白-NADP还原酶作用，将电子传给NADP+，形成NADPH。

失去电子的P700从PC处获取电子还原。 电子从PSⅡ向PSⅠ的传递

在PSⅡ中电子从水传递到PQH2（这实际上是PSⅡ系统的最终产物，一种携带了2个电子的电子载体）

PQH2是脂溶性，并可在脂双层中扩散移动

PQH2将电子传给cytb6/f复合体（光合电子传递链中的第三个结构），同时将质子由基质转到类囊体腔。

Cytb6/f将电子传给位于类囊体腔侧的含铜蛋白PC中的Cu2+. PC（是PSⅠ的电子供体）再将电子传递到光系统Ⅰ。实现电子从PSⅡ向PS Ⅰ的传递

图示类囊体膜中的电子传递及非循环光合磷酸化，我们再将过程用图讲述一遍，PSⅡ作用是使得水光解，水光解后将电子传递给含Mn蛋白的复合体，它再将电子提供给反应中心D1蛋白上的原初电子供体Z，Z接着将电子传给中心色素P680，680将电子传递给电子受体（ph，去镁叶绿素），再传给D2蛋白上的PQA，再给D1蛋白上的PQB，从基质中吸收H＋，成为PQH2，它在膜中扩散，将电子传递给cytb6/f复合体，经由这个复合体将电子传递给膜中的PC蛋白，同时将H＋释放到类囊体腔中去，再由作为光系统Ⅰ的电子供体，它提供电子给P700，电子沿着A0→A1→FeSX→ FeSA→FeSB依次传递，传给铁氧还蛋白(Fd)，最后经铁氧还蛋白-NADP还原酶作用，将电子传给NADP+，形成NADPH。在这个电子传递的过程中建立了H＋梯度，激发膜上的 ATP合酶作用，进行ATP合成。电子传递的每个步骤都是一个氧化还原的过程。

图示非循环光合磷酸化

•两个光系统相互配合，利用所吸收光能将一对电子从水传递到NADP+，电子传递呈Z字形，称Z链或光合链。

•它通过光系统传递体将两个原初光化学反应联系起来。电子传递体可按氧化还原电位排列，负值越大还原势越强，正值越大表示氧化势越强，电子依氧化还原势定向转移。

图示在光合作用过程中氧化还原势的变化，也是呈现一个Z字形变化

3、光合磷酸化(photophosphorylation) 光引起电子传递与磷酸化相偶联生成ATP的过程. (1)光合磷酸化的类型: 按电子传递方式分为两种：

A. 非循环式光合磷酸化; B. 循环式光合磷酸化. A. 非循环式(non-cyclic)

在线性电子传递过程，光驱动电子经两个光系统传给NADP+，并在电子传递过程建立H+梯度，驱使ADP磷酸化产生ATP。

包括PSⅠ和PSⅡ光系统，终产物有ATP、NDAPH和分子氧。 非循环式光合磷酸化有两个部位：H2O与PQ间，PQ与Cytb6/f间

每产生一个氧分子，可产生2.4个ATP分子

图示非循环式光合磷酸化: 电子呈Z形传递的过程称为非循环式光合磷酸化，当植物在缺乏NADP+时，电子在光系统内Ⅰ流动，只合成ATP，不产生NADPH，称为循环式光合磷酸化。

B. 循环式(cyclic):

光驱动的电子从PSⅠ传递给Fd后不传给NADP+，而是传给cytb6/f，再经PC传回PSⅠ。电子传递是一种闭合的回路,故名循环式.

电子循环流动,产生H+梯度,从而驱动ATP的合成. 只涉及PSⅠ,只产生ATP,不产生NADPH和氧. 植物缺乏NADP+时,就会发生循环式光合磷酸化 图示循环式光合磷酸化 （2）光合磷酸化的机制

A、H+电化学梯度的建立：电子传递过程，3种因素可在类囊体膜的两侧建立起质子梯度：

①水的光解：发生在类囊体腔，释放4个电子和一个分子氧的同时，释放4个H+；

②PQ是质子载体，传递4个电子时，要从基质中摄取4个H+，并释放到类囊体腔中；

③电子最后传给NADP+，需从基质中摄取2个H+将NADP+还原成NADPH，使基质中H+降低

B、CF0-CF1ATP合酶：光合磷酸化的能量转换单位是CF0-CF1ATP合酶，简称CF1颗粒。位于类囊体膜上，朝向叶绿体基质。

光合磷酸化机制与线粒体磷酸机制相似,同样可用化学渗透学说来说明

3个H+穿过CF1-CF0ATP合酶才产生一个ATP

图示氧化磷酸化和光合磷酸和的比较 ，线粒体的ATP合酶是存在于内膜上，叶绿体的在类囊体膜上，建立的质子动力势：线粒体是膜间隙到基质，叶绿体是类囊体到基质，

前面讲的都是光反应部分，下面我们要接着讲暗反应 （二）暗反应

光反应是第一阶段，是通过叶绿素等光合色素吸收光能，将光能转变成化学能，形成ATP和NADPH的过程。

第二阶段是进行CO2的固定，合成糖：利用光反应的NADPH( NAD+和NADP+：即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+，辅酶Ⅰ）和烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸（NADP+，辅酶Ⅱ，是NADPH的氧化形式）)和ATP，使CO2还原成糖，不需要光，在叶绿体基质中进行。

高等植物进行CO2固定有3条途径：

1、C3途径；2、C4途径；3、景天科酸代谢。

C3途径是最基本的途径，只有这条途径能合成淀粉等；另两条途径只能固定和转运CO2，不能单独形成淀粉等。

图示叶绿体中的光合作用: 在光合电子传递反应中,水被氧化,释放出氧气,而在碳固定反应中二氧化碳被同化产生碳水化合物

1、 C3途径(C3 pathway)

又称卡尔文 (Calvin)循环。分3个阶段：

(1)CO2的羧化: RuBP（核酮糖-1,5-二磷酸）羧化酶作用，CO2与RuBP形成2个分子3-磷酸甘油酸(PGA)。

(2)还原阶段：PGA在激酶作用形成1,3-二磷酸甘油酸，在甘油醛磷酸脱氢酶作用被NADPH还原成甘油醛-3-P。吸能反应，光反应NADPH和ATP在此利用。能量在这阶段储存

(3)RuBP的再生：甘油醛-3-P变化形成5-P-核酮糖，激酶作用变成RuBP，需消耗一个ATP。

图示碳反应的固定初反应，也就是暗反应的第一个阶段CO2的羧化

•C3循环用ATP及NADPH，将CO2固定，循环1次只固定1个CO2，6次才能把CO2固定成1个己糖

•将CO2变成葡萄糖需消耗18分子ATP和12分子NADPH，可表示为: 6CO2+18ATP+12NADPH → C6H12O6+18ADP +18Pi+12NADP+

•在细胞质中，2个分子的3-P-甘油醛通过缩合反应生成1,6-二磷酸果糖，再进一步转变成葡萄糖

图示C3循环，

2、C4途径(C4 pathway)

亦称Hatch-Slack途径，CO2受体为磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，初产物为草酰乙酸(OAA)。

利用C4途径固定CO2的植物称C4植物，如玉米、甘蔗、高梁和一些热带草本植物

C4植物有两种类型的光合细胞：叶肉细胞和维管束鞘细胞。CO2固定在叶肉细胞，固定的CO2在维管束鞘细胞中释放，进入卡尔文循环。

C4植物由两类细胞配合固定CO2，效率高 3、景天科酸代谢途径

生长在干热环境下的景天科等肉质植物，气孔白天关闭，夜间开放，只能夜晚吸收CO2

景天科酸代谢(Crassulacean acid metabolism，CAM)：与C4途径相似，也是通过PEP羧化酶固定CO2，生成草酰乙酸，进一步还原为苹果酸。夜间形成的这些有机酸暂时储存在液泡，白天气孔关闭，苹果酸从液泡中扩散到溶胶中。裂解释放出CO2，进入卡尔文循环。

到这里我们就把光合作用介绍完了 三、叶绿体的半自主性

叶绿体也是半自主性，有自身的DNA和蛋白质合成体系。绿色植物的细胞内存在3个遗传系统。

叶绿体DNA(ctDNA)呈环状，周长40~60μm，基因组大小因植物而异，一般200Kb-2500Kb。

ctDNA数目的多少与植物发育阶段有关。菠菜幼苗叶肉细胞中，含20个叶绿体，每个叶绿体含200个ctDNA，接近成熟的叶肉细胞

中有叶绿体150个，每个叶绿体含30个DNA分子。

图示地钱的叶绿体DNA分子结构

•叶绿体也只能合成自身需要的部分蛋白质，其余是在胞质游离核糖体上合成。

•已知由ctDNA编码的RNA和多肽有：叶绿体核糖体中4种rRNA(20S、16S、4.5S及5S)，20种(烟草)或31种(地钱)tRNA，90多种多肽。

四、叶绿体的增殖与起源

个体发育中，叶绿体由原质体发育而来，原质体存在于分生组织中，双层包被，含DNA，一些小泡和淀粉颗粒等，不含片层结构。

有光时，原质体小泡数目增加并融合形成片层，多个片层平行排列成行，在某些区域增殖，形成基粒，发育成叶绿体。

叶绿体能靠增殖，方式是中部缢缩

叶绿体数目的增多主要是依靠幼龄叶绿体的，成熟叶绿体通常不再。

在系统发育过程中，由于叶绿体在形态、结构、化学组成、遗传体系等方面与蓝细菌相似，推测叶绿体可能也起源于内共生的方式，是寄生在细胞内的蓝藻演化而来的。

叶绿体与线粒体结构和功能的比较

叶绿体和线粒体都是真核细胞中与能量代谢相关的细胞器，有着相同的起源和增殖方式，且都是半自主性细胞器。但两者在结构与功能上也有很大的不同:

结构上，线粒体是双膜结构，有两个区室，而叶绿体是三膜结构，有三个区室。

线粒体内膜向内折皱成嵴，ATP合酶位于嵴上，主要功能是传递电子和合成ATP。而叶绿体内膜少有内折。

•功能上，线粒体是有机物氧化的场所，通过氧化磷酸化将释放的自由能转变成可利用的化学能储存在ATP。叶绿体是光能的捕获者和有机物的制造者，光能的捕获和转化是通过光合作用来完成的。但两者都是通过电子传递和建立H+梯度来实现能量的转换。

•在质子梯度建立上二者有许多相似,也有区别，叶绿体中H+梯

度是在类囊体膜两侧建立,在线粒体中，H+梯度是在内膜两侧建立的.

第八章 细胞核与染色体

Chapter ten Nucleus and chromosome

主要内容:

(1)典型的非期细胞核包括那几种主要组分 (2)核膜及核孔复合体

(3)染色质的主要组成成分及染色体的装配 (4)核仁

第一节 细胞核(nucleus)概述

1781年Trontana发现于鱼类细胞核。

1831年，Brown在植物中也发现，并正式明nucleus。 细胞核是储存遗传物质的场所，除成熟的植物筛管和哺乳类红细胞没有细胞核外，所有真核细胞都有细胞核。

一、核的形态

核一般呈圆形，不同类型细胞中不同，也有椭圆形、长形、扁圆形、枝状、网状等。

在生长的细胞中，核位于细胞，在成熟的细胞中，常因细胞内含物或特殊结构的存在，核被挤到边缘。

通常1个细胞1个核，肝细胞和心肌细胞可有双核，破骨细胞可有6~50个细胞核，骨骼肌细胞可有数百个核；高等植物的毡绒层有2~4个核。

二、核的大小

高等动物:5-10μm；高等植物:5~20μm；低等植物:1~4μm。 核与胞质间通常存在一个比例:核约占细胞总体积10%左右。是细胞最大体积主要因素之一

同一生物，遗传物质含量恒定，核大小也较恒定

常以核质比来估算核的大小:NP=VP/VC-VP; NP≈0.5,细胞NP>0.5,衰老细胞NP<0.5。

三、核的结构

细胞核的主要包括：

①核被膜（nuclear envelope）；

②核仁（nucleolus）；主要功能是转录rRNA和组装核糖体亚单位。

③核基质（nuclear matrix）；或称核骨架指除核被膜、染色质、核纤层及核仁以外由蛋白质组成的核内网架体系。

④染色质（chromatin）；

⑤核纤层（nuclear lamina）。位于内核膜下方的一种由核纤蛋白单体组装起来的多聚体纤维网络结构

二图均示细胞核结构

第二节 核被膜与核孔复合体

包在核外的双层膜结构。将DNA与胞质隔开，形成核内特殊微环境，保护DNA分子免受损伤；使 DNA复制和RNA翻译表达在时空上分隔开来；

此外染色质定位于核膜上，有利于解旋、复制、凝缩、平均分配到子核；核被膜还是核质物质交换的通道。

一、核被膜

1、外核膜：面向胞质，附有核糖体，并与RER相连，是RER特化部分。

细胞骨架成分常与外核膜相连，起固定作用及维持细胞核形态 2、内核膜面向核基质，与外核膜平行，表面光滑，无核糖体。内表面网络状纤维蛋白质:核纤层，支持核膜。

3、核周间隙(perinuclear space)：又称核周腔，是两层核膜间的空隙，宽20~40nm，腔内电子密度低，不含固定结构。核周隙与内质网腔相通

两层核膜相互平行但不连续，常在某些部位融合形成环状开口，即核孔

图示核被膜的TEM照片 图示核被膜的模式图

二、核孔复合体(nuclear pore complex,NPC)

核孔是核内外膜融合形成的开口，在核孔上镶嵌着一种复杂的结构：核孔复合体。

所有的真核细胞其间期核上都存在NPC

哺乳动物细胞平均3000个核孔。活动旺盛的细胞中核孔数目多，反之少：蛙卵细胞核有37.7X106个核孔，成熟后仅150~300个核孔。

1、核孔复合体的结构

呈八角形，外径120nm，结构如fish-trap（捕鱼篓），包括 ①胞质环或外环:位于胞质侧，环上有纤维对称分布伸向胞质；

②核质环或内环:位于核质侧，对称连有纤维，向核内伸入50-70nm，末端形成1个小环，小环也由8个颗粒构成，笼子状结构；

③栓(plug)或转运器:核孔的一个栓状颗粒； ④辐(Spoke):核孔边缘伸向核孔的突出物。 图示核孔结构 图示核孔复合物

2、核孔复合体与物质运输

核孔是细胞核与细胞质间物质交换的通道 双功能：被动运输和主动运输

被动运输:小分子物质自由扩散通过核孔进入核

主动运输:信号识别与载体介导的过程,需ATP,并有饱和动力学特征.

双向：出核和入核转运

入核:核蛋白在胞质合成，通过核孔定向输入核; 出核:核中合成的RNA、核糖体亚基通运到胞质; 图示双向运输

图示被动运输，也是以被动扩散的方式进行核运输 3.大分子物质跨核膜运输相关因子

(1)核蛋白：胞质中合成，运输到核内起作用的一类蛋白，包括:组蛋白、DNA合成酶、RNA转录及加工的酶类、各种因子

(2)核蛋白含一段特殊aa序列，引导蛋白入核，称核定位信号(nuclear localization signal，NLS)

第一个被确定NLS是SV40病毒的T抗原，它在胞质合成后很快

积累在核中。其NLS为：pro-lys-lys-lys-Arg-Lys-val，任何aa替换，都会失效

NLS由4-8个氨基酸组成，含有Pro、Lys和Arg，没专一性，入核后不被切除。

图示大蛋白分子运进细胞核需要核定位信号 (NLS)，属主动运输，图中显示的是一些蛋白质含有核定位信号的在核孔复合物处进行主动运输

图示两类蛋白激酶，左图是普通型的丙酮酸激酶，在胞质中；右图是嵌合型的丙酮酸激酶，包含了核定位信号，存在于胞核中。

图示T抗原，野生型含有核定位信号,而突变型的核定位信号序列中的一个赖氨酸突变为苏氨酸，这样核定位信号就被破坏了，于是突变型的T抗原就进入不了胞核，而沉积在胞质中，我们看图中明亮的部分就是T抗原沉积的部分。

图示金标记的核质素正在穿越核孔

(3)核内蛋白输出也需信号介导，也含一段特殊序列:核输出信号(nuclear export-signal, NES)

有些蛋白常要往返核质与胞质间，这些穿梭蛋白既有NLS也有NES

(4)输入蛋白:不仅需NLS,还须与cytosol中水溶性NLS受体结合:输入蛋白(importin),才能穿过NPC

(5)输出蛋白(exportin):存在于核中,识别NES

(6)Ran蛋白，一种小G蛋白，具GTP酶活性，调节货物-受体复合体的组装和解体。在这里也就是调节上述蛋白的信号序列与核上的信号受体组装及解体

4、核孔复合体的物质运输 （1）核蛋白的输入模型：

在胞质中，输入蛋白ɑ、β和货物蛋白形成一个运输复合体，其中输入蛋白ɑ识别并结合NLS，输入蛋白β与NPC的胞质纤维作用使NPC构象变化，将复合物转运到核内。在核中，转运复合体与RAN-GTP结合，使复合体解体，货物蛋白释放。

输入蛋白ɑ、输入蛋白β和RAN-GTP复合物回到胞质。在胞质中，

RAN-GTP水解形成RAN-GDP，并与输入蛋白β解离，RAN-GDP返回核内再结合GTP

图示RAN蛋白在核内外输入输出的机制 左边图示核蛋白输入机制 图示核蛋白输入细胞核的过程 (2)核内RNA和蛋白质的运输:

A、RNA输出：真核细胞中RNA在输出前要进行加工\\修饰成为成熟RNA.

核中不同的RNA有着不同的修饰方式

①rRNA：在核仁与从胞质运进的核糖体蛋白结合,以核糖核蛋白颗粒(RNP)运出核,需能量.

②5S rRNA和tRNA转运由蛋白质介导

③异质RNA(hnRNA),先在核内5’端加帽和3’端附加多聚A序列,及剪切加工,形成成熟的mRNA出核

B、蛋白质输出：输出蛋白通过NES与核中特异的核输出受体：exportin 1结合而输出，该过程也需Ran蛋白。

exportin 1与货物蛋白的NES和Ran-GTP结合形成复合物，复合物通过NPC(机制不详)进入胞质。在胞质中，Ran-GTP水解成Ran-GDP,复合物解体，货物蛋白释放，Ran-GDP和exportin 1回到核内.

右边图示蛋白质输出的机制 三、核纤层

位于内核膜下方的一种纤维网络 由核纤蛋白单体组装起来的多聚体纤维 组装分3步:

1、由2个核纤层蛋白多肽链通过各自的ɑ螺旋区相互缠绕形成螺旋化的螺旋；

2、二聚体通过头尾相连形成长的多聚体； 3、多聚体间通过侧向连接形成核纤层 图示核纤层的层层结构模式图

核纤层蛋白可以通过2种方式与内核膜连接：

1、核纤层蛋白翻译后在C末端的一个半胱氨酸残基添加脂，然后通过脂锚定在核膜上；

2、核纤层蛋白与内核膜的膜蛋白结合，结合的内核膜蛋白将核纤层蛋白组织成网络结构

2.核纤层的作用

1.保持核的形态:是核被膜支架,用高盐、非离子去污剂和核酸酶去除大部分核物质,核纤层仍能维持核轮廓.核纤层与核骨架及穿过核被膜中间纤维相连,使胞质骨架和核骨架成一连续网络结构

2.参与染色质和核的组装：核纤层在细胞时呈周期性变化，在间期核中，核纤层提供了染色质在核周边锚定位点。在前期结束时，核纤层被磷酸化，核膜解体。B型核纤肽与核膜残余小泡结合，A型溶于胞质中。在末期，核纤肽去磷酸化重新组装，介导了核膜的重建

图示有丝过程中核膜的解体与重新形成，这个过程也涉及到核纤层的解体和重新形成。

第三节 染色质

1848年，Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体。 1888年，Waldeyer正式定名为Chromosome。

1879年，Flemming提出了染色质(chromatin)这一术语，用以描述染色后细胞核中强烈着色的细丝状物质。

后经证明染色质和染色体是同一物质在不同细胞周期中的形态表现。

一、染色质与染色体的概念

染色质是指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构，是间期细胞遗传物质的存在形式。

染色体是指细胞在有丝或减数过程中，由染色质聚缩而成的棒状结构

两者的主要区别：不在于组成，而在于包装程度的不同 真核细胞包装DNA主要是以染色质和染色体两种形式： 染色质，丝状，直径10－30nm，散布在胞核中，由DNA、蛋白、和RNA构成；

染色体,细胞期时的存在形式，由染色质缩短变粗呈棒状。

二、染色质的化学组成

染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成，比例为1:1:(1-1.5):0.05。

DNA与组蛋白的含量比较恒定，非组蛋白含量随生理状态变化较大，RNA含量最少。

（一）染色质DNA DNA是遗传信息的携带者

生物的遗传信息储存在DNA的核苷酸序列中， 即DNA的一级结构。 DNA的序列可分3种类型：单一序列、中度重复序列(101-5)和高度重复序列(>105)。

DNA还存在丰富的二级结构，主要有3种类型：B-DNA、Z-DNA、A-DNA。

生物基因组中的基因大体可分为两大类： 1）非重复的编码DNA序列；

2）中度重复序列：储存着选择性表达信息

a.短散在重复元件(short interspersed elements, SINEs);其长度少于500bp

b.长散在重复元件(LINEs):长度多于1000bp

(3)高度重复序列:含100000个拷贝,由一些短的DNA序列呈串联排列,可分为不同类型:

卫星DNA(satellite DNA): 重复单位5-100bp,主要存在于染色体着丝粒部位.

小卫星DNA(minisatellite DNA): 重复单位12-100bp,每个小卫星区重复序列的拷贝数是高度可变的,可用DNA指纹技术鉴定

微卫星DNA:重复单位1-5bp,串联成50-100bp的序列,具多态性,不同个体间明显区别，这里的多态性指的是不同个体的DNA中所含的微卫星DNA的长度不同。

DNA不仅有一级结构的多样性,二级结构也具多样性 DNA二级结构分三种:

(1)B型:右手双螺旋,最稳定的形式,细胞内多数DNA为B型,是活性最高的一种构象

(2)A型:是B型的变构形式,也是右手双螺旋,A型更紧凑,主要区别是大沟和小沟不同

(3)Z型:左手螺旋,也是B型的变构形式 图示三种不同构象的DNA双螺旋 (二)染色质蛋白质

染色质蛋白负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读. DNA结合蛋白主要包括两大类：

1.组蛋白(histone),与DNA非特异性地结合 2.非组蛋白(nonhistone),与DNA特异性结合 1. 组蛋白 (Histone)

组蛋白属碱性蛋白，富含带正电荷Arg，Lys等碱性aa，能够与带负电荷的磷酸基团作用,等电点一般都在Ph10.0以上，其含量恒定，真核细胞中有5种组蛋白，分为两类：

一类是高度保守的核心组蛋白(core histone)或核小体组蛋白,包括H2A、H2B、H3、H4四种；

另一类是可变的连接组蛋白(linker histone)H1

核心组蛋白分子较小(102-135aa),无种属特异性，非常保守，特别是H4，牛和豌豆H4的102个aa中仅2个不同，而分岐约3亿年。

保守的原因：一是核心组蛋白中绝大多数aa都与DNA或其它组蛋白作用，可臵换而不引起致命变异的氨基酸残基很少；二是所有生物中与组蛋白相互作用的DNA磷酸二脂骨架都是一样的。

H1分子较大,有215个aa,具组织和种属特异性. 图示四种核心蛋白 2. 非组蛋白

与特异DNA序列结合的蛋白，又称序列特异性DNA结合蛋白。特性：①属酸性蛋白，带负电荷。是一类不均一蛋白,具组织特异性和发育阶段特异性

②整个细胞周期都合成，而组蛋白只在S期合成;

③能识别特异的DNA序列，识别信息在DNA本身，位点在大沟，识别与结合靠氢键和离子键。

非组蛋白的功能是：

①帮助DNA分子折叠，以形成不同的结构域，从而有利于DNA的复制和基因的转录；

②协助启动DNA复制；

③控制基因转录，调节基因表达。 序列特异性DNA结合蛋白的结构特征

参与基因表达的非组蛋白可分不同蛋白家族,具不同的与DNA结合的结构域:

(1)锌指结构:主要有2种类型： Cys2/His2指和Cys2/Cys2指。 Cys2/His2

指

含

保

守

序

列

:

-Cys-X2-4-Cys-X3-Leu-X2-His-X3-4-His-序列，其中的2个Cys（半胱氨酸）和2个His（组氨酸）与锌离子形成配位键，形成环（锌指）

Cys2/Cys2指含保守序列:-Cys-X2-Cys-X13-Cys-X2-Cys- (2)螺旋-转角-螺旋基序：每个单体由20个aa的小肽组成螺旋-转角-螺旋结构，其中一个为识别螺旋，负责识别DNA大沟的特异序列，另一个没碱基特异性，与DNA的磷酸戊糖骨架接触。与DNA结合时以二聚体形式发挥作用，依靠蛋白质氨基酸侧链与特异碱基对间形成氢键

(3)亮氨酸拉链基序: 形成二聚化是识别特异性DNA序列蛋白的共同原则，亮氨基酸拉链是富含亮氨基酸残基的一段序列组成的二聚化结构。两个蛋白分子的ɑ螺旋靠Leu残基间的疏水作用形成一条拉链,但与DNA结合的结构域不在拉链区。

(4)螺旋-环-螺旋基序: 两个螺旋之间被一个环所隔开，与螺旋-转角-螺旋的差别：它的两个螺旋的一侧还有一段疏水链，这两个疏水侧链能将两个多肽连在一起，形成同源或异源二聚体

图示上述几种结构域

(三)染色质的基本结构-核小体

70S’初,用非特异性核酸酶处理染色质，发现常会形成长度200bp的片段，但用同样的酶处理裸露的DNA，形成随机大小的片段。推测染色体DNA除某些位点，都得到了保护。

电镜观察也发现染色质是颗粒状结构组成的串珠状结构。 图示了几种例证，验证染色质的结构

1． 用核酸酶处理小鼠肝细胞的染色质，整条染色质用酶处理后得到染色质片段，染色质片段再经过去蛋白处理，得到纯的DNA片段，电泳结果发现有一系列不同大小的片段，这就表示染色体DNA除某些位点，都得到了保护

2． 图示了电镜下的核小体由染色质联系

1974年，Kornberg根据这些实验结果及其它一些研究，提出了染色质包装的基本单位：由DNA和组蛋白组成的核小体(nucleosome)。

核小体是一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成，结构特点有：

①每个核小体包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心和一个H1； ②由H2A、H2B、H3、H4各2分子形成八聚体，构成核心颗粒； ③DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合

④相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接DNA。 图示核小体的结构图

同上，蓝色丝状是DNA链，黄色是八聚体核心蛋白，紫色是H1蛋白，每个核小体约10nm直径，包裹核心蛋白的DNA链是由146对碱基构成，

组蛋白构成的八聚体是核小体的核心，构成方式如下

H1分子位于连接核小体的连接丝上，连接丝的长度大约由15－50对碱基构成

200bp的DNA是由连接丝和包裹核小体的DNA链构成，包裹核小体的部分大约围绕1.75个圈

这张图上显示的核心蛋白八聚体的构成过程 三、染色质的包装：从DNA—染色体

人体细胞平均含有60亿个碱基对的DNA，分布在46条染色体上，每个碱基对长度约0.34nm， 60亿个碱基对的总长约2m。而细胞核直径不足10um。因此，DNA是以螺旋和折叠的方式压缩起来，压缩比例高达上万倍。

染色质是以核小体作为基本单位进行包装压缩的，经30nm染色

质纤维、超螺线管、最后压缩成染色体，共经四级包装。

(1)从DNA到核小体：是染色质包装的第一步，DNA长度压缩7倍，形成直径11nm纤维。

(2)从核小体到螺线管：细胞中染色质不是以核小体形式存在，而是直径30nm纤维。该纤维由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，构成外径30nm、内径10nm管状结构，称螺线管。这是染色质包装二级结构，长度再压缩6倍

(3)从螺线管到超螺线管：30nm纤维进一步螺旋化，形成一系列的螺旋域或环，这些环附着在支架蛋白(scaffold)上，螺旋环进一步形成超螺旋环，此时直径是700nm，该过程又压缩40倍。

(4)从超螺旋到染色体:压缩5倍 从DNA到染色体总计被压缩8400倍 图示30nm和11nm染色质纤维

这张图显示的是骨架－放射环结构模型，这是对Hela细胞中期染色体进行去蛋白处理后，电镜下显示的由剩余的少量非组蛋白构成的染色体骨架和以骨架为轴心伸出的无数DNA侧环，这些侧环相互折叠，这个模型就是染色体的骨架－放射环结构模型

这张图显示的是染色体的逐级包装，DNA双螺旋链，直径2nm，与组蛋白共同组装为核小体的串珠结构，直径11nm，进一步螺旋化成为螺旋管，直径30nm，这个阶段实际上就是它的染色质阶段，再进一步螺旋化，同时形成以染色体骨架为轴心的放射状环结构，这些环有300nm的宽幅，这些环进一步折叠形成超螺旋，直径达到700nm，超螺旋再折叠，最终形成染色体结构。

图示同上

上面就是关于染色体是如何由DNA包装而来的，下面我们来介绍两种染色质

三、异染色质和常染色质

间期核染色质可分异染色质(heterochromatin)和常染色质(euchromatin)。

常染色质是进行活跃转录的部位，呈疏松的环状，电镜下表现为浅染；易被核酸酶在一些敏感的位点降解。

异染色质的特点：间期处于凝缩状态，无转录活性，也称非活动染色质；是遗传惰性区；细胞周期中表现为晚复制、早凝缩，即异固缩

图示异染色质(深染部分)和常染色质(核内浅染部分) 结构异染色质(constitutive heterochromatin)：在所有细胞内都呈异固缩的染色质，多定位于着丝粒区，端粒，次缢痕及染色体臂的某些节段，在间期聚集成多个染色中心，由相对简单的高度重复序列构成。

图示荧光原位杂交显示的着丝粒卫星DNA，图中着丝粒处呈现黄色的区域就是结构异染色质的部分。

兼性异染色质(facultative heterochromatin)：指不同细胞类型或不同发育时期出现的异染色质区

雌性哺乳动物的X染色体就是一类特殊的兼性异染色质。雌性有两条X染色体，其中一条X染色体常表现为异染色质，也就是间期表现无转录活性的染色体，称巴氏小体(barr body)。它是所有雌性所特有的染色体。

人胚胎发育到16天后，一条X染色体转变为巴氏小体，呈块状紧靠核膜，染色反应为深染。检查羊水中胚胎细胞的巴氏小体可预测胎儿的性别。如果有巴氏小体就是女婴，如果没有就是男婴，这可以做早期的胎儿性别预测

图示白细胞中的巴氏小体(鼓槌状结构) 图示X染色质失活假说，要点如下：

1）雌性哺乳动物体细胞内仅有一条X染色体是有活性的。另一条X染色体在遗传上是失活的，在间期细胞核中螺旋化而呈异固缩为X染色质。

2）X染色体的失活是随机的。异固缩的X染色体可以来自父方或来自母方。但是，一旦某一特定的细胞内的一个X染色体失活，那么此细胞而增殖的所有子代细胞也总是这一个X染色体失活，即原来是父源的X染色体失活，则其子女细胞中失活的X染色体也是父源的。因此，失活是随机的，但是，是恒定的。

3）X染色体失活发生在胚胎早期，大约在妊娠的第16天。在此

以前的所有细胞中的X染色体都是有活性的。

右图中的杂色猫是体现X染色质失活的例证，由于失活染色质的存在导致与之连锁遗传的毛色基因在雌雄体上表达不同，雌体含有失活X染色质，使得杂交体的猫皮毛呈现黄黑的色块。这个在今后的遗传学会给大家再具体介绍。

四、中期染色体(chromosome)结构

染色体是细胞在有丝中期遗传物质特定的存在形式,是间期染色质紧密包装的结果。中期染色体形态稳定是染色体形态和计数最佳时期

同一物种的染色体数目相对稳定，性细胞染色体为单倍体(haploid)，用n表示；体细胞为2倍体(diploid),以2n表示。 还有一些物种的染色体成倍增加成为4n、6n、8n等，称为多倍体。 不同物种中染色体数目不同

如人类2n=46，小麦2n=42，水稻2n=24。

在植物中染色体最少的是一种菊科植物仅2对，最多的是瓶尔草属一些物种，可达400-600对。

在动物中染色体最少的是一种介壳虫的雄虫仅有2条染色体，最多的是一种灰蝶有217-223对。

图示中期染色体在不同物种中数目、大小、形状都呈现多样化。 图示染色体各部分的名称，上到下，随体，次缢痕，短臂，主缢痕，长臂，端粒

图示人的第十四号染色体 1、着丝粒(centromere)和动粒

着丝粒是染色体中连接两个染色单体、并将染色单体分为短臂和长臂的结构。该区域染色浅且内缢，也叫主缢痕(primary constriction).

该区域染色线的螺旋化程序低，DNA含量少，染色很浅或不着色。 一般动植物的染色体具一个位臵固定的着丝粒.有些生物整个染色体都具着丝粒活性，称全着丝粒,如线虫、蝶、蛾等。

图示着丝粒的结构

着丝粒的基本功能:(1)将两条染色单体结合在一起；(2)为动粒

的装配提供结合位点。

动粒(kinetochore)由着丝粒结合蛋白在有丝期间装配起来、附着于主缢痕外侧的圆盘状结构

每1个中期染色体含有两个动粒，位于着丝粒两侧

哺乳动物的动粒有内外两层，内层又称内板，是由动粒蛋白与ɑ卫星DNA结合组装而成，它结合在着丝粒上。外层又称外板，由一些特异蛋白质在内板上装配而成，含微管正端结合的蛋白质

图示动粒结构图

图示着丝粒结构域，OP外板，IP内板，动粒下就是着丝粒的区域 可根据着丝粒位臵将染色体分为4类：

①中着丝粒染色体:着丝粒位于中部,长短臂相等 ②近中着丝粒染色体:着丝粒偏离中部,长短臂长度不以; ③近端着丝粒染色体:着丝粒靠近一端,长臂极长,短臂极短; ④端着丝粒染色体:着丝粒位于末端,只有长臂 2、次缢痕与核仁组织区

除主缢痕，染色体上其它的缢缩部位称次缢痕，也是染色体重要标志

核仁组织区(nucleolar organizing region,NOR):是特定染色体的次级缢痕处,含rRNA基因(不包括5SrRNA)的一段染色体区域,与核仁形成有关.

并非所有的次缢痕都是NOR

人有5对染色体即13、14、15、21、22号染色体上有核仁组织区 3、随体(satellite)和端粒(telomere):

随体：位于染色体末端的圆形片段，通过次缢痕与染色体主体相连，染色体主要特征之一。末端的随体称端随体，两个次缢痕间称中间随体。

端粒是染色体两个端部特化结构。作用是维持染色体的稳定性。打断染色体，没端粒的染色体末端有粘性，会与其它片段相连或两端相连成环状

端粒由高度重复序列串联而成，高度保守，不同生物的端粒序列相似，哺乳类序列为TTAGGG

端粒起细胞计时器作用，端粒核苷酸复制和基因DNA不同，

每复制一次减少50-100bp，其复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶(telomerase)完成，正常体细胞缺乏此酶，故随细胞而变短，细胞随之衰老。从这里我们知道了，细胞的衰老很可能和端粒有关

图示荧光原位杂交显示的端粒(上)和端粒序列(下)

上面主要讲了染色体的结构组成，下面我们再来讲讲它的一些功能元件

染色体DNA的3种功能元件

DNA的准确复制和分离,有赖于3个功能单位:

①自主复制序列(ARS)，是DNA复制的起点，为染色体起始复制所必需.酵母基因组含200-400个ARS，大多数具有一个11bp富含AT的共有序列

②着丝粒序列(CEN) ，是细胞时两个姐妹染色体附着的区域，由大量串联的重复序列组成，如α卫星DNA，其功能是参与形成着丝粒，使细胞中染色体能够准确地分离；

③端粒序列(TEL) ，是染色体两端的特殊序列，不同生物的端粒序列都很相似，富含G，由长5-10bp的重复单位串联而成。【A(ADENINE 腺嘌呤)、T(THYMINE 胸腺嘧啶)、G(GUANINE 鸟嘌呤)、C(CYTOSINE 胞嘧啶)】。

在人类中，这种基本的序列为：-GGGTTG-

功能是保持染色体的稳定：不环化、不粘合、不被降解。 端粒是由端粒酶指导合成。该酶是反转录酶，自身含有一个RNA分子，可作为延长DNA末端合成的模板

图示三种功能元件，端粒起保护作用，复制起点进行染色质起始复制，着丝粒是期姊妹染色单体附着区域

书上也有这个例证图，图示着丝粒的功能，能准确地进行染色体分离，使得每个子细胞中都含有相同的遗传信息，大大提升了细胞存活率。

图示端粒的功能，保护末端不粘合

端粒酶一般存在于生殖细胞中，在体细胞中一般没有，成体的端粒长度要比幼体的端粒短，端粒的缩短，是源自于细胞启动了自杀程序，所以我们可以利用这样的程序来消灭机体内的癌细胞，因为90％

的人肿瘤细胞都含有激活的端粒酶，可以启动端粒合成，这样细胞在增殖的过程中由于端粒的不缩短就不能启动癌细胞自杀程序，如果可以抑制端粒酶就可以使得癌细胞自杀。

（三）核型与带型

这是我们对染色体进行研究分析的两个点，早期对染色体研究主要用组织切片，因染色体经常不在同一平面，很难对染色体观察和计数，以致于对人到底有多少条染色体的争论到1956年才确认，主要归功于50年代后发展起来的低渗处理，压片技术以及秋水仙处理和细胞培养技术。

60S末至70S发展的各种染色体分带技术，使染色体的研究进入了一个黄金时代。为人类遗传病的鉴定，物种的血缘关系与进化研究、遗传育种等方面提供了重要的依据

核型(karyotype)和染色体显带

1.核型:染色体组型,指染色体组在有丝中期的表型,包括数目、大小、形态特征等.

通过对染色体测量及相关计算,进行分组、排对、配对,并进行形态学分析过程,称核型分析

2.染色体分带:用特殊的染色方法，使染色体产生明显色带(暗带)和未染色的明带相间的带型，形成不同的染色体个性。

染色体分带技术应用是能明确鉴别核型中的任何一条染色体，乃至某一移位片段

图示一种蝉（Platypleura kaempferi）的有丝核型 常用的几种分带技术

Q带：荧光染料喹吖因染色，紫外光照射呈明暗不同带区。暗带是富GC区，明带是富AT区

G带：染色片用盐溶液、胰酶或碱处理，再用Giemsa染料染色，暗带为富AT区

C带：显示着丝粒区附近的结构性异染色质 N带：用于核仁组织区的酸性蛋白

R带：是G带的反带，高温处理后，用吖啶橙或Giemsa染色 T带：染色体末端区的特殊显带法，能产生特殊末端带型

图示人类Q带核型，Q带显示的带纹与G带相似，暗带富含AT 图示人类G带核型，G带显示的是染色体上富含AT的区域 图示人类C带核型，C带显示的是着丝粒异染色质 四、巨大染色体

(一)多线染色体:1881年Balbiani发现于摇蚊幼虫唾腺细胞.主要存在于双翅目昆虫的幼虫,特点：

①体积巨大:比其它体细胞染色体粗100多倍，体积大1000多倍，是核内有丝结果，不发生细胞，于是DNA多次复制产生的子染色体平行排列并以同源配对,紧密结合在一起,阻止了染色体纤维凝聚

②多线性:每条染色体由500-4000条解旋的染色体合并在一起形成。

③同源染色体紧密配对，合并成1个染色体 ④横带纹:染色后呈现出明暗相间的带纹。

⑤膨突和环:幼虫发育某个阶段，多线染色体某些带区疏松膨大，形成膨突(puff)。膨突是基因活跃转录部位

图示唾腺染色体

图示多染色线染色体，我们可以比较发现普通有丝时候的染色体要比多线染色体大的多。

图示多线染色体，其中有些地方是鼓出来的，这些突出的地方是染色线未配对的地方。

还有一类巨大染色体 （二）灯刷染色体

是卵母细胞第一次减数时，停留在双线期的染色体。二价体，含4条单体，由轴和侧丝组成

染色体轴由染色粒(染色质紧密螺旋化的部位)轴丝构成，从染色粒向两侧伸出两个类似的环，呈对称分布，每个环约含100kbDNA

普遍存在于动物卵母细胞，两栖类最典型。植物细胞也有。 灯刷染色体的形态与卵子发生中物质储备相关，大部分DNA以染色粒形式存在，没有转录活性，侧环是RNA转录活跃区域。侧环上的RNA主要是mRNA，常与蛋白质结合形成无活性的RNP颗粒（核糖核蛋

白颗粒），储备作受精后用。

图示灯刷染色体结构 图示灯刷染色体的侧环结构

第四节 核仁(nucleolus)

圆球形，1-2个，或3-5个。核位臵不固定:或近核膜，数量和大小因细胞种类和功能而异。

蛋白质合成旺盛和增殖快的细胞有较大和数目较多的核仁，反之核仁很小或缺。

在有丝期呈现周期性消失与重建:在前期消失，末期又重现。 主要功能是转录rRNA和组装核糖体亚单位。 一、核仁的结构

无界膜包围，电镜下可辨认的区域有3个:

①纤维中心（FC）：被致密纤维包围的1个或几个低电子密度的圆形结构，主要成分为RNA聚合酶和rDNA，rDNA是裸露的分子

②致密纤维组分（DFC）：呈环形或半月形包围FC，由致密的纤维构成，是新合成的核糖核蛋白(RNP)，转录主要发生在FC与DFC的交界处。

③颗粒组分（GC）：由直径15-20nm的颗粒构成，是不同加工阶段的RNP。

图示核仁结构； 同上

二、核仁的功能

核仁是合成核糖体的工厂，涉及rRNA的转录加工和核糖体大小亚基的装配。

每个rRNA基因转录单位由RNA聚合酶Ⅰ转录，产生相同的初始转录物：前rRNA。负责前rRNA加工的酶是RNase。

核糖体的装配和rRNA合成同时进行，前体rRNA的加工是以核蛋白方式进行的。

45S前rRNA首先与蛋白结合形成80S的RNP，然后再剪切形成大小不同的核糖体亚单位前体

编码5S rRNA的基因不在NORs，是由RNA聚合酶Ⅲ所转录，转录后经适当加工即参与核糖体大亚单位的装配

实验证明，在30min内，小亚基(含18S rRNA)即装配出现在细胞质中，而大亚基(含28S、5.8S和5S)装配约需1小时才能完成

核糖体的成熟主要发生在被转移到细胞质后。

图示核仁功能，核糖体发生地，首先在纤维中心和致密纤维组织中合成前rRNA，经由致密纤维组织和颗粒组分的加工后转到细胞质中进一步加工为成熟的核糖体。

图示RNA转录特征，图中应该是rRNA，不是rDNA，也就是核仁组织区进入到核仁内，帮助完成核仁组装

同上

图示rRNA基因串联重复排列，象圣诞树，且转录方向是从树尖到树根，

图示rRNA的合成与加工

图示前rRNA成核糖核蛋白片段

5SrRNA的合成与加工，5SrRNA是由许多基因共同编码，这些基因并不在核仁组织区，是由RNA聚合酶Ⅲ所转录，它的3‘端会在加工过程中被切除

图示核糖体组装 三、核仁周期

核仁是一种动态结构，随细胞周期变化而变化，即形成-消失-形成，这种变化称为核仁周期

在细胞有丝期，核仁变小，并逐渐消失；在末期， rRNA的合成重新开始，核仁形成。

分子机制尚不清楚

第四节 核基质(nuclear matrix)

核基质或称核骨架(nucleoskeleton)为真核细胞核内由蛋白质组成的网络结构。

具体是指除核被膜、染色质、核纤层及核仁以外的核内网架体系。 它与DNA复制，RNA转录和加工，染色体组装及等生命活动密切相关。

核骨架的功能

1. 为DNA复制提供支架，DNA是以复制环形式锚定在核骨架上，骨架上有DNA复制所需酶，DNA自主复制序列(ARS)也结合在骨架上。

2. 是基因转录加工场所，RNA的转录也需DNA锚定在核骨架上，骨架上有RNA聚合酶结合位点，RNA合成是在骨架上进行。新合成RNA也结合在骨架上，并在此加工和修饰。

3. 参与染色体构建，核骨架与染色体骨架为同一类物质，30nm纤维结合在核骨架上，形成放射环状结构，进一步包装成光镜可见的染色体。

第十章 细胞骨架

Chapter ten Cytoskeleton

细胞骨架(cytoskeleton):真核细胞中的蛋白纤维网络结构。发现时间晚，原因在于原来处理材料细胞使用低温(0-4℃)固定，易导致骨架解聚。直到60s，采用戊二醛常温固定细胞，才使人们发现细胞骨架。

细胞国家除维持细胞形态，还能承受外力、保证细胞结构有序，还参与许多生命活动:

牵引染色体分离；

物质运输小泡和细胞器沿细胞骨架定向转运；

肌细胞中，细胞骨架和结合蛋白组成动力系统；白细胞迁移、精子游动、神经细胞轴突和树突的伸展与骨架有关；

植物细胞中骨架指导细胞壁的合成。

图示了细胞骨架的功能：1、是细胞的组成成分之一，支撑细胞形态；2、与胞内运输有关；3、收缩性与能动性；4、特殊组织

细胞骨架主要由3类蛋白纤丝构成：微管、微丝、中间纤维。 微管主要分布于在细胞核周围，并呈现放射状向细胞质四周扩散；

微丝主要分布在细胞质膜的内侧； 中间纤维分布在整个细胞。

第一节 微丝(microfilament，MF)

微丝是由肌动蛋白(actin)组成的直径7nm纤维，又称肌动蛋白纤维(actin filament)。

微丝和它的结合蛋白(association protein)以及肌球蛋白(myosin)三者构成化学机械系统，利用化学能产生机械运动。

一、 微丝的结构单位

肌动蛋白是微丝的结构单位.所有真核细胞有肌动蛋白,进化高度保守。

肌动蛋白有单体和多聚体2种形式:

单体肌动蛋白由一条多肽结构的球形分子,又称球状肌动蛋白(G-肌动蛋白);

多聚体肌动蛋白形成肌动蛋白丝,称纤维状肌动蛋白(F-肌动蛋白)

F-肌动蛋白呈双股螺旋.两股肌动蛋白丝同方向 二、微丝的装配

F-肌动蛋白是由G-肌动蛋白装配而成.

G-肌动蛋白呈球形,由2个裂片构成,中间有1个裂,是肌动蛋白的ATP酶活性部位,能结合ATPase和Mg2+

ATP在装配过程中起有重要的作用,肌动蛋白聚合伴随ATP水解：聚合前，G-肌动蛋白需结合ATP，再结合到F-肌动蛋白两端，结合后ATP逐步降解

F-肌动蛋白的装配可分3步：

1.成核：G-肌动蛋白聚合成不稳定的寡聚体，3-4亚基可作为“种子”或“核”。

2.延伸：G-肌动蛋白从核的两端添加；采用我们前面所说的结合和降解ATP的方式。

3.稳定期：G-肌动蛋白与F-肌动蛋白达到平衡

F-肌动蛋白装配是可逆的过程，在Mg2+、K+、Na+浓度较低时，F-肌动蛋白趋于去聚合

F-肌动蛋白具极性：G-肌动蛋白均从一个方向加上去。结合ATP裂一端为(-)端,另一端为(+)端.

(+)端生长速度快于(-)端5-10倍

微丝装配时,G-肌动蛋白添加到F-肌动蛋白的速度等于G-肌动蛋白脱下来的速度,称踏车.

微丝的动态平衡:有些微丝是永久性结构,如微绒毛中的轴心微丝;多数动物细胞中,约70%肌动蛋白是游离的单体,在单体和微丝间存在动态平衡

影响G-肌动蛋白与F-肌动蛋白平衡的毒素:

1、细胞松弛素B：真菌分泌的生物碱，同微丝的正端结合，引起F-肌动蛋白解聚

2、鬼笔环肽：与聚合的微丝结合，抑制微丝的解体，破坏了动态平衡

图示的是微绒毛中的永久性微丝结构 三、微丝结合蛋白

纯化的肌动蛋白在体外能聚合成肌动蛋白纤维，但不能相互作用，也不具功能.

体内肌动蛋白纤维被不同肌动蛋白结合蛋白组织成不同的结构，执行不同功能。

已分离的微丝结合蛋白有100多种，主要类型：

1.核化蛋白: 在体内和体外都可促进肌动蛋白的核化，作用就像一个模板。

2.单体隐蔽蛋白： 同G-肌动蛋白结合,抑制它们的聚合,50%肌动蛋白为可溶性肌动蛋白，高于组装所需临界浓度。这些蛋白与其它蛋白结合，构成一个隐蔽蛋白库。需组装纤维时才被释放

3.封端蛋白:调节肌动蛋白纤维长度，结合在(+)或(-)极形成“帽子”，阻止单体添加

4.微丝解聚蛋白: 主要存在于肌动蛋白丝快速变化的部位，同肌动蛋白丝结合，使微丝去组装。

图示了应该是封端蛋白。

6.交联蛋白:每种蛋白含2个以上微丝结合部位，将多条纤维连在一起形成纤维束或网络。分2类:成束蛋：可将F-肌动蛋白交联成平行的束；成胶蛋白：促使形成肌动蛋白微丝网。

7.纤维切割蛋白:能结合在微丝中部,将微丝切断,控制肌动蛋白丝长度

8.膜结合蛋白:如粘着斑蛋白可将肌动蛋白纤维连接在膜上，参与构成粘合带

图示了肌动蛋白在细胞中的排列方式 图示了四种交连方式的肌动蛋白结构。

图示细丝蛋白二聚体将肌动蛋白纤维连接成网络结构。 图示了各种类型的微丝结合蛋白，monomer单体在1核化蛋白作用下成为肌动蛋白纤维的中心，2单体隐蔽蛋白，3封端蛋白，4微丝聚合蛋白，5微丝解聚蛋白，6交联蛋白，7纤维切割蛋白，8膜结合蛋白

四、肌肉的组成及收缩的机制

骨骼肌由一束肌细胞组成。肌细胞是圆柱形长细胞，多核，胞质中有成束的肌原纤维。

肌原纤维与长轴平行，有明暗相间的带，明带为I带，暗带为A带。I带中有一着色较深的线，称Z线，将肌原纤维分成一系列重复单位—肌节

肌原纤维由粗肌丝和细肌丝组成，粗肌丝主要成分是肌球蛋白，细肌丝主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。

图示了肌肉结构

（一）肌球蛋白(myosin)

属马达蛋白，微丝是肌球蛋白运行的轨道.

肌球蛋白也是ATPase,水解ATP产生机械能，在微丝上的运动都是从(-)移向(+)极.

所有肌球蛋白都有3个结构域:

① 头部结构域:含与肌动蛋白、ATP结合位点，负责产生力； ② ɑ螺旋颈区:同钙调素轻链结合，调节头部活性 ③ 尾部结构域:决定是同膜还是同其它尾部结合

已发现15种myosin,以Myosin I和II最丰富.V型也研究的较清楚.3种类型肌球蛋白结构异同:

Myosin V和myosin II都是二聚体，含2个重链和4个轻

链,Myosin I 是单体,含1个重链和2个轻链.

Myosin I 和Myosin V都含与膜结合的尾。

Myosin I、V存在于非肌细胞中;Myosin II是肌纤维主要成分,参与形成应力纤维和胞质收缩环;I、V型结合在膜上与膜泡运输有关，神经细胞富含myosin V 。

（二）原肌球蛋白(tropomyosin.Tm)

原肌球蛋白由两条平行的多肽链扭成ɑ螺旋，每条Tm首尾相连,形成一条连续的链, 呈长杆状。

原肌球蛋白与肌动蛋白结合，位于肌动蛋白双螺旋的沟中，每条Tm含7个肌动蛋白结合位点，其长度相当于7个肌动蛋白.

主要是加强和稳定肌动蛋白丝，抑制肌动蛋白与肌球蛋白结合 （三）肌钙蛋白(troponin,Tn)

肌钙蛋白由3个亚基(Tn-T,Tn-I,Tn-C)组成的复合物 Tn-C特异地与钙结合;

Tn-T与原肌球蛋白有高度亲和力，

Tn-I能同肌动蛋白和Tn-T结合,抑制肌球蛋白与肌动蛋白的结合，

细肌丝中每隔40nm就有一个肌钙蛋白复合体. （四）肌肉收缩的滑动模型

肌细胞上的动作电位引起肌质网Ca2+电位门通道开启，肌浆中Ca2+浓度升高，肌钙蛋白与Ca2+结合，引发原肌球蛋白构象改变，暴露出肌动蛋白与肌球蛋白的结合位点。

肌球蛋白通过结合与水解ATP、不断发生周期性的构象改变、引起粗肌丝和细肌丝的相对滑动。

肌动蛋白的工作原理可概括如下：

① 肌球蛋白结合ATP，引起头部与肌动蛋白纤维分离； ② ATP水解，引起头部与肌动蛋白弱结合；

③ Pi释放，头部与肌动蛋白强结合，头部向M线方向弯曲(微丝的负极)，引起细肌丝向M线移动

④ ADP释放ATP结合上去，头部与肌动蛋白纤维分离。如此循环

四、微丝的功能

1.形成应力纤维：在粘着斑的细胞质膜的下方有肌动蛋白成束排列,这种结构即称应力纤维

非肌细胞中的应力纤维与肌原纤维类似：含原肌球蛋白、 myosin II、细丝蛋白和α辅肌动蛋白

培养的成纤维细胞中具有丰富的应力纤维，并通过粘着斑固定在基质上。

应力纤维在细胞形态发生、分化和组织形成起重要作用 2、微绒毛：肠上皮细胞微绒毛有轴心微丝，微丝呈同向平行排列，（+）端指向微绒毛的尖端。不含肌球蛋白等，无收缩功能，起维持微绒毛形状的作用

3、细胞的变形运动：变形虫、巨噬细胞和白细胞等没运动器官，能依靠细胞形态的变化进行移动，称变形运动。靠胞质环流形成伪足，细胞沿伪足方向前进。

细胞内流动的细胞质称内质，从尾部流向伪足，并在细胞两侧形成较硬的外质。细胞后部外质破坏向前提供新的内质，产生内质和外质的循环转化，引起细胞前移。

外质与内质间的转变称凝胶-溶胶转变，实质是肌动蛋白聚合体与单体间的转变

4、细胞的爬行

高等动物中的细胞移动是很多活动所必需，如伤口的愈合、防止感染、血块凝集等，但难以观察，只能用培养的细胞观察

分为四步：

① 微丝纤维生长，细胞表面突出，形成片足； ② 在片足与基质接触的位臵形成粘着斑； ③ myosin作用下微丝纤维滑动，细胞主体前移； ④ 解除细胞后方粘着点。如此循环，细胞前移动

5、胞质：有丝末期，2个将分离的子细胞之间产生收缩环，收缩环由平行排列的微丝和myosin II组成。随着收缩环的收缩，两个子细胞的胞质分离。在细胞松驰素存在的情况下，不能形成胞质环。

6、顶体反应：精卵结合时，微丝使顶体突出穿入卵子的胶质里，融合后受精卵细胞表面积增大，形成微绒毛，微丝参与形成微绒毛，有利于吸收营养。

(5) Contractile ring: For cytokinesis

7、细胞内运输：微丝可作为马达蛋白进行物质运输的轨道，如小泡的运输，可通过肌球蛋白Ⅰ同微丝蛋白结合，将小泡沿微丝的（-）端向（+）端运输

8、细质环流：由肌动蛋白与肌球蛋白相互作用引起。在胞质环流中，肌动蛋白的排列方向相同，（+）端朝向细胞质流动的方向，肌球蛋白可沿着肌动蛋白纤维（-）端向（+）端移动。

第二节 微管（microtubule，MT）

微管是细胞质骨架的主要成分，是由微管蛋白构成的中空管状结构，外径平均24nm，内径15nm.长度变化不定.

细胞内微管呈网状和束状分布，能与其它蛋白共同组装成纺锤体、基体、中心粒、纤毛、鞭毛、轴突、神经管等结构

图示微管纤维

一、微管的基本构件：微管蛋白

微管是由ɑ微管蛋白和β微管蛋白组成。

ɑ微管蛋白和β微管蛋白具相似三维结构，能紧密结合形成异二聚体，是微管装配的基本构件。

微管蛋白异二聚体头尾相连，形成细长的原纤维，13条这样的原纤维纵向排列形成微管的壁。

每个二聚体有2个GTP结合位点，一个位于ɑ亚基，为不可逆结合，另一个位于β亚基，结合上的GTP能水解成GDP

图示微管蛋白分子模型 ，图中taxotene可能是紫杉醇(taxol)结合位点，紫杉醇是红豆杉属植物中的一种复杂的次生代谢产物, 也是目前所了解的惟一一种可以促进微管聚合和稳定已聚合微管的药物。同位素示踪表明,紫杉醇只结合到聚合的微管上,不与未聚合的微管蛋白二聚体反应。细胞接触紫杉醇后会在细胞内积累大量的微管，这些微管的积累干扰了细胞的各种功能,特别是使细胞停止于有

丝期，阻断了细胞的正常。

二、微管的类型

微管有单体、双联体和三联体3种

多数情况，微管以单体形式存在，大部分胞质微管是单体，在低温、秋水仙素作用下解聚，属不稳定微管。

双联体是构成纤毛和鞭毛的周围小管，属运动类型微管，对低温、秋水仙素稳定。双联体由单体融合而成，有23根原纤维。

三联体见于中心粒和基体，由33根原纤维组成，对低温、秋水仙素稳定。

图示单体、双联体和三联体3种微管中原纤维排列方式，双体存在于纤毛和鞭毛中，三体存在于中心粒和基体中。

三、微管的装配

除特化细胞外，多数胞质微管都不稳定，能快速组装和去组装。 1.微管组装的起始点:

微管组织中心(MTOC):微管在生理状态及实验处理解聚后重新装配的发生处。

MTOC不仅为微管的生长提供了生长起点,还决定了微管的方向性.靠近MTOC的一端的微管由于生长慢而称为负端,远离MTOC的一端微管生长快,称为正端.

在有丝中,微管的(-)端指向一极,(+)端指向中心与染色体接触

神经细胞中微管指向是个例外,树突中既有(+)端也有(-)端指向细胞体,但轴突中微管极性相同

动物细胞的MTOC为中心体，基体是纤毛和鞭毛的MTOC. 植物没中心体,MTOC是核外膜表面的成膜体

中心体(centrosome)是动物细胞中决定微管形成的一种细胞器,间期位于核附近,期位于纺锤体的两极.由两个相互垂直的中心粒构成，呈L形,周围是一些无定形或纤维形、高电子密度的物质，称外中心粒旁质。

中心粒(centriole)直径0.2mm，长0.4mm，由9组间距均匀3联微管构成，不直接参与微管蛋白的核化，具有召集PCM（中心粒旁

质）的作用。

基体是纤毛和鞭毛的MTOC,但只含有1个中心粒. 图示中心粒结构模型 图示中心体照片

图示微管从MTOC处开始组装

图示基体结构模型Basal body structure 图示微管方向，负端指向MTOC，即靠近MTOC 2、γ微管蛋白在微管装配中的作用

所有微管组织中心都具有γ微管球蛋白，这种球蛋白的含量很低，可聚合成环状复合体，像模板一样参与微管蛋白的核化，帮助α和β球蛋白聚合为微管纤维。

图示γ微管蛋白的结构， 3、微管的装配

首先，两种微管蛋白形成长度为8nm的二聚体，ɑβ二聚体先沿纵向聚合形成一个短的原纤维；

第二步：以原纤维为基础，经侧面增加二聚体成为弯曲的片状结构,至13根原纤维时,即合拢形成一段微管;

第三步：新的二聚体不断加入新生微管的端点,最终微管蛋白与微管达到平衡

4、微管的极性： 具两层含义：

①装配的方向性：微管装配时，ɑβ二聚体是以首尾排列方式进行组装，装配成的微管一端是ɑ微管蛋白组成的环，另一端为β环

②装配速度不同：(+)端生长速度快,(-)端慢,同样,去组装时也是(+)端快,(-)端慢

5、影响组装和去组装的因素

影响微管稳定性的因素很多：GTP浓度、温度、压力、pH、微管蛋白临界浓度、药物等

高浓度的微管蛋白适合微管的生长,低浓度的微管蛋白易引起GTP水解,形成GDP帽结构,使微管解聚

GTP的低速水解适合微管的生长,高速水解造成微管解聚.

6、影响微管稳定性的药物

秋水仙素(colchicine)：生物碱，能结合到未聚合的微管蛋白二聚体上，形成的复合物加到微管的正负两端，可阻止其它微管蛋白二聚体继续添加或丢失，破坏了微管的动态性质

高浓度秋水仙素处理时，细胞内微管全部解聚，低浓度处理时，微管保持稳定，细胞阻断在中期

紫杉醇(taxol):只结合到聚合的微管上,能促进微管的装配,使已形成的微管稳定,使细胞周期停在有丝期

7.微管的动态性

踏车(treadmilling):微管组装处于动态平衡的一种现象微管(+)端结合上去的ɑβ二聚体与(-)端释放出来的速度相等,微管总长不变.

生长与缩短:细胞内的微管常处于生长和缩短的动荡状态(+)端结合的是由结合GTP的微管蛋白二聚体组成的帽结构,微管趋于生长;结合的是GDP帽结构,则趋于缩短

图示微管组装的动态特征 四、微管结合蛋白（MAP）

根据序列分析分两种类型： Ⅰ型和Ⅱ型

Ⅰ型：包括MAP1A和MAP1B，含几个重复的氨基酸序列：Lys-Lys-Glu-X，作为同带负电的微管蛋白结合的位点，可中和微管蛋白间的电荷，维持聚合体的稳定。

MAP1A和MAP1B是存在于神经组织轴突和树突中的大的纤维状蛋白

Ⅱ型：包括MAP2、MAP4、Tau。这些蛋白含有几个与微管蛋白结合的18氨基酸的重复序列.

MAP2存在于树突，有一个碱性的微管蛋白结合结构域和一个酸性的外伸结构域(臂状)，可与膜、中间纤维形成交联桥

MAP4存在最广泛，神经及非神经细胞中均有。细胞时可调节微管稳定性

Tau存在于轴突和树突中，可使微管交联成束，使树突中的微管维持稳定

图示MAP2模式图

图示MAP2和Tau蛋白的不同模式图，以及表现为他们的昆虫细胞的不同形态。

MAP的功能：

①使微管相互交联成束，也可使微管同质膜、微丝和中间纤维交联。

②通过与微管成核点作用促进微管的聚合。 ③在细胞内沿微管转运囊泡和颗粒 ④提高微管的稳定性 六、微管的功能 1、支架作用

微管具一定机械强度，能抗压和抗弯曲，给细胞提供了机械支持力，使细胞维持一定的形态。

在培养的细胞中，微管呈放射状排列在核外，(+)端指向质膜，形成平贴在培养皿上的形状。

微管能帮助细胞产生极性,在神经轴突中，微管束沿长轴排列，确定轴突的方向.

微管对细胞内部结构及细胞表面突起的维持具有重要作用 2、细胞内物质的运输

微管是胞内物质运输路轨，破坏微管会抑制运输

与微管结合起运输作用的马达蛋白有两类：驱动蛋白kinesin，动力蛋白dynein，均需ATP供能。

①Kinesin由1条轻链和2条重链构成，具2个球形的头,是动力产生部位,1个扇形尾,是货物结合部位。通过结合和水解ATP，使颈部构象改变，两个头部交替与微管结合，沿 “行走”，将“尾部”结合的“货物”从微管(-)端转运到(+)端。

②动力蛋白Dynein分子量巨大，由两条相同的重链和一些轻链及结合蛋白构成(鞭毛二联微管外臂的动力蛋白具有三个重链)。

作用主要有：

A.在有丝中推动染色体的分离; B.驱动鞭毛的运动;

C.向着微管（-）极运输小泡，与驱动蛋白运输方向相反 3、纤毛与鞭毛的运动

纤毛与鞭毛是细胞特化结构，两者没绝对界限,短而多者称纤毛，长者而少称鞭毛，直径相似。

两者结构相似：由基体和鞭杆2部分构成，鞭杆轴心含9+2排列的微管：9个二联微管和1对微管构成。二联微管由AB两个管组成，A管对着相邻的B管伸出两条动力蛋白臂，并向鞭毛发出一条辐。

基体的微管为9+0，且为三联微管，类似中心粒 轴心的主要蛋白结构有:

①微管蛋白二聚体,无秋水仙素结合位点;

②动力蛋白臂:由二联体的A亚基伸出,与相邻二联体B亚基相互作用使纤毛弯曲.动力蛋白也是ATP酶,能被Ca2+、Mg2+所激活；

③微管连接蛋白：将相邻二联体连接在一起； ④放射幅条：9条，二联体A亚基伸向微管； ⑤内鞘：包裹微管

纤毛和鞭毛运动的微管滑动模型:

① A管上的动力蛋白与相邻二联管B管接触,使动力蛋白结合的ATP水解,并释放出ADP+Pi;

②ATP水解改变了动力蛋白头部的构象和角度,使头部向相邻二联管的正端滑动,使相邻二连管间产生弯曲力;

③新结合的ATP,促使动力蛋白头部与B管脱离;

④ATP水解使动力蛋白头部角度复原,与相邻二联管的B管上的另一位点结合,开始下一循环

4、参与细胞的有丝与减数

细胞过程中染色体的分离是靠纺锤体的形成、运动和解聚开完成的

纺锤体又称有丝器，它是在有丝期间，从中心粒形成的各种微管：动粒微管、极微管、星微管等

图示染色体运动，实际上显示的期，微管微丝发生和解离的过程

绿色丝状就是微管结构

有丝器的形成有赖于中心体的复制，并分别移到两极。 中心体在细胞周期中具有复制-分离-复制的周期，称中心体循环 中心体循环始于G1期，两个子代中心粒达到了足够长度，但仍处于同一中心体，有丝早期，中心体裂开，每对中心粒移向细胞相反的两端，然后装配成有丝器

图示有丝器的形成和解体

在有丝过程中，染色体的分离依靠两种力的作用：①动粒微管去装配产生的拉力；②极微管聚合产生的推力

根据所使用的力，有丝可分为两个阶段：后期A和后期B 后期A，染色体运动的力主要是由动粒微管去装配产生的拉力，此时的运动称向极运动

后期B，染色体运动的力主要是极微管聚合产生的推力，此时的运动称染色体极分离运动

微管去聚合作用假说：主要解释后期A向极运动的一种模型： 微管的正端插入动粒的外层，微管蛋白和动粒蛋白分子有亲合性，微管蛋白在此端可以去组装。在动粒中，ATP分子水解可提供能量，驱动微管上的动力蛋白向两极移动，将染色体拉向两极

图示假说模型

纺锤体微管滑动假说：是关于后期B染色体分离机制的一种假说：

首先，极微管在正端添加二聚合体延长，使两极的极微管重叠； 然后，在重叠的极微管之间产生滑动，形成将两极分开的力

第三节 中间纤维(intermediate filament, IF)

直径为10nm，直径介于微管和微丝之间得名。

IF是一种坚韧、耐久的蛋白质纤维，较稳定，既不受细胞松弛素的影响也不受秋水仙素影响

IF具组织特异性，不同类型细胞含不同IF蛋白。肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF，可用IF抗体鉴定肿瘤来源。多数细胞含有1种中间纤维，少数含2种以上。

图示中间纤维模型 一、类型

IF是一类形态相似，组成有明显差异的蛋白质，成分比微丝和微管复杂，依组织来源及免疫原性分5类：

1、角蛋白：存在于上皮细胞中，分α和β两类。β角蛋白分布于体表、体腔上皮细胞中。α角蛋白存在于头发、指甲。

2、结蛋白：存在于肌肉细胞中，主要功能是使肌纤维连在一起。 3、胶质纤维酸性蛋白：存在于星形神经胶质细胞中,起支撑作用。 4、波形纤维蛋白：存在于间质细胞及中胚层来源细胞，一端与核膜相连，另一端与桥粒相连，将核和细胞器固定在特定空间。

5、神经丝蛋白：存在神经元中，由三种分子量不同的多肽组成的异聚体，功能是提供弹性使神经纤维易于伸展和防止断裂。

二、结构

中间纤维蛋白分子含一个310个氨基酸残基组成的α螺旋杆状区，及两端非螺旋化的球形头部(N端)和尾部(C端) 。

杆状区高度保守，由螺旋1和螺旋2构成，每个螺旋区还分为A、B2个亚区，由3个非螺旋式的连结区连结在一起。

头部和尾部的氨基序列在不同类型中间纤维中差异大，可进一步分为①H亚区：同源区；②V亚区：可变区；③E亚区：末端区。

图示几种中间纤维结构和通用结构模式 三、中间纤维的装配： 大致可分为3步：

①两个单体以相同的方向形成1个双股超螺旋二聚体(角蛋白为异二聚体)；

②两个二聚体反向平行组装成四聚体；

③多个四聚体以首尾相连的方式装配成原纤维；原纤维长度变化不定。

最终形成的IF的横切面上大多有32条多肽 图示中间纤维组装

由于在IF装配过程中，由两个2聚体组成四聚体是是反向平行的，所以和微丝、微管不同的是，IF没有极性。

细胞内的中间纤维蛋白绝大部分组装成中间纤维，而不象微丝和微管哪样存在蛋白库，仅约50%左右的处于装配状态。

IF的装配与温度和蛋白浓度无关，不需要ATP或GTP。 四、IF的结合蛋白

IF的结合蛋白(IFAP)的功能是介导中间纤维交联成束、成网，或交联到质膜或其它骨架成分上，已知的IFAPs约15种，主要有：

丝聚蛋白(flanggrin):使角蛋白交联成束。 网蛋白(Plectin):将波形蛋白与微管交联在一起。 锚蛋白(Ankyrin): 把结蛋白纤维与质膜相连。 BPAG1:将IF同致密斑相连,参与形成半桥粒; 桥粒斑蛋白Ⅰ和Ⅱ:参与桥粒的形成; IFAPs的共同特点： ①具有中间纤维特异性。 ②表达有细胞专一性。

③不同的IFAP可存在于同一细胞中与不同的中间纤维组织状态相联系。

④在细胞中某些IFAP的表达与细胞的功能和发育状态有关。 五、中间纤维的功能：

了解较少，尚没找到与IF特异结合的药物，主要有三个方面： ①为细胞提供机械强度支持：IF在细胞质内形成了一个完整的支撑网络系统，并通过整联蛋白与质膜和细胞外基质相连；在内部可直接与MT和MF及其它细胞器相连，赋予了细胞一定强度和支撑力。

②参与细胞连接：参与了桥粒和半桥粒连接 ③维持细胞核稳定：核纤层蛋白是IF的一种

第十一章 细胞增殖及其

第一节 细胞周期与细胞Cell Cycle

细胞增殖是生命的基本特征：种族繁衍、个体发育、机体修复等离不开细胞增殖。

胚胎发育从1个受精卵增至1012细胞，成年1014;

成人每秒有数百万新细胞产生，补偿血细胞、小肠粘膜细胞和上

皮细胞的衰老和死亡。

细胞增殖是通过细胞周期(cell cycle)实现，细胞周期的运行受相关基因严格监视和。

细胞增殖失控对个体是癌症，个体无限繁殖对地球是灾难。大肠杆菌按20min1次，两天即可超过地球的重量。

一、细胞周期

细胞周期：细胞结束到下一次细胞结束所经历的过程。可分4个阶段：

①G1期(gap1)：完成到DNA复制前的间隙 ②S期(synthesis phase)：DNA复制期；

③G2期(gap2)：DNA复制完成到开始前的一段时间； ④M期(mitosis)：细胞开始到结束。 图示细胞周期的四个阶段

依行为，可将真核细胞分为3类：

①持续细胞，在细胞周期中连续运转称周期细胞，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。

②静止期细胞，暂时脱离细胞周期，在适当刺激下可重新进入细胞周期，称G0细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。

③不细胞，指不可逆地脱离细胞周期，不再的细胞，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等。

细胞周期的时间长短与物种的细胞类型有关： 小鼠十二指肠上皮细胞的周期为10h；

人类胃上皮细胞24h，骨髓细胞18h，培养的人成纤维细胞18h. 不同类型细胞的G1长短不同，是造成细胞周期差异的主要原因。而S+G2+M变化相对较小

二、细胞周期中各时相的主要事件

1、G1期：从完成到DNA复制前的时期，又叫合成前期。合成rRNA、蛋白质、脂类和糖类。在末期，DNA合成酶活性增加

2、S期：DNA合成期，主要事件：DNA合成，还合成组蛋白、DNA复制所需酶

3、G2期：DNA含量已加倍，主要合成ATP、RNA、蛋白质等，为有丝

作准备；

4、M期：染色质凝聚成染色体，平均分配到两个子细胞中

三、细胞周期时间的测定

标记有丝百分率法(PLM)是常用的测定细胞周期时间的方法。原理:对细胞进行脉冲标记、定时取材、放射自显影显示标记细胞，统计标记有丝细胞百分数的办法测定细胞周期。

① 细胞经3H-TDR(胸腺嘧啶核苷)后，S期细胞均被标记。 ② S期细胞经G2期才进入M期，初始PLM=0（自标记开始为0，S期细胞）。

③开始出现M期细胞时，表示S期细胞已渡过G2期，从PLM=0到出现PLM的时间间隔为TG2。

④ S期细胞逐渐进入M期，PLM上升，达到最高点（表示这时是能进行有丝的细胞都进行过了有丝）时说明来自处于S最后阶段的细胞，已完成M，进入G1期。从开始出现M到PLM达到最高点(≈100%)的时间间隔就是TM。

⑤ PLM下降时，表明处于S期最初阶段的细胞也已进入M期，出现LM到PLM又开始下降的一段时间等于TS。

⑥ 从LM出现到下一LM出现的时间就是TC，根据TC=TG1+TS+TG2+TM即可求出的TG1长度。

图示细胞周期各阶段的时间与PLM的关系 四、细胞同步化(synchronization)

为研究细胞周期中不同阶段的生化特征，须获得大量细胞周期一致性的细胞，即是细胞同步化。

细胞同步化分自然同步化和人工同步化。 自然同步化是自然过程中存在的现象

人工同步化是利用细胞培养方法用各种理化因素处理获得的同步化生长细胞。常用的人工同步化有诱导同步化和选择同步化

（一）自然同步化

1.多核体：粘菌只进行核，胞质不，形成多核体。多核处于同一胞质中，进行同步化，使细胞核达108，体积达5~6cm。

2.水生动物受精卵：海胆卵可同时授精，最初3次同步；海

参卵受精后，前9次同步。

3.增殖抑制解除后的同步：真菌休眠孢子移入适宜环境后，它们一起发芽，同步。

（二）人工同步化 1.选择同步化

1）有丝选择法：细胞单层培养时，有丝细胞变圆隆起，与培养皿附着性低，振荡使之脱离器壁，悬浮培养，可获一定数量中期细胞。优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害；缺点：获得细胞数量较少(约1%～2%）.

2）沉降分离法：不同时期细胞体积不同，在给定离心场中沉降的速度与其半径的平方成正比，可用离心方法分离。优点：可用于任何悬浮培养的细胞，缺点：同步化程度较低。

2.诱导同步化

1）DNA合成阻断法：用DNA合成抑制剂，可逆地抑制DNA合成，不影响其它时期细胞，最终可将细胞群阻断在S期或G/S交界处。常用的抑制剂有高浓度ADR、5-氟脱氧尿嘧啶、羟基脲、氨甲蝶呤等。可逆性好

2）中期阻断法：利用破坏微管聚合的药物将细胞阻断在中期，常用药物有秋水仙素和秋水仙酰胺。该过程可逆性差

第二节 细胞

一、细胞的类型

细胞(cell division)可分3种类型:

无丝(amitosis)：直接，核伸长，中部缢缩，后质，无纺锤体形成及染色体变化。原核生物及高等动植物均有

有丝(mitosis):间接: 有纺锤体、染色体,染色体均分到子细胞，普遍存在于高等动植物。

减数(meiosis):染色体复制一次细胞两次，是高等动植物配子体形成方式。

二、有丝

有丝是细胞周期的M期进行的活动

M期持续的时间很短,但形态变化很大,依形态变化的特征,常分5个时期:当然，很多时候我们是说有四个时期，这里把前期和中期之间加插了一个早中期，是因为这个时期也有着自身特别的状态

①前期(prophase) ②早中期(premetaphase) ③中期(metaphase) ④后期(anaphase) ⑤末期(telophase)。 （一）前期 (prophase) 前期发生的主要事件： ①染色质凝缩;

②极确定,纺锤体开始形成; ③核仁解体; ④核膜消失。

最显著特征是染色质经螺旋化和折叠，变短变粗，形成光镜下可分辨的染色体，每条染色体包含2个染色单体。

（二）早中期

核膜解体后细胞即进入早中期。 该时期主要事件是纺锤体装配.

染色体进一步凝缩,形成明显的X染色体结构.

染色体剧烈地活动,徘徊于两极之间,并被纺锤体捕获:一侧纺锤体微管的自由端捕获一条染色体一侧的动粒,接着另一侧纺锤体捕获另一侧的动粒,该过程是随机的.

图示早中期和中期 （三）中期

每条染色体整齐地排列在赤道板.

位于染色体两侧的动粒微管长度相等,作用力均衡. 极微管在赤道区域相互搭桥 图示中期 （四）后期

姊妹染色单体分开并移向两极，当子染色体到达两极后，标志该

期结束。

图示后期A和后期B，后期A，染色体运动的力主要是由动粒微管去装配产生的拉力，此时的运动称向极运动；后期B，染色体运动的力主要是极微管聚合产生的推力，此时的运动称染色体极分离运动

（五）末期

子染色体到达两极，染色体解螺旋成细丝状,核膜和核仁重新组装。

(六)胞质

M期主要进行核,也涉及胞质 胞质开始于后期,完成于末期

动物细胞的胞质是以形成缢缩和起沟方式完成：由大量平行排列的肌动蛋白和myosin（肌球蛋白）装配成收缩环，收缩环工作原理和肌肉收缩一样，使肌动蛋白环紧缩，最终将胞质一分为二

图示动物细胞的胞质收缩环

植物细胞的胞质不同于动物，末期两极微管消失，中间微管保留，并数量增加，形成桶状的成膜体。

图示植物细胞成膜体的形成，我们曾介绍过，动物细胞的微管组织中心，也就是微管发生处是中心体，而植物细胞没有中心体，所以它的微管组织中心是核膜上的成膜体，由成膜体最终形成胞间连丝。

来自高尔基体的囊泡沿微管运到成膜体中间，融合形成细胞板。囊泡内物质沉积为初生壁和中胶层，不断运来的囊泡使细胞板扩展，形成完整的细胞壁，将子细胞一分为二。

囊泡膜形成新的质膜，两侧质膜来源于共同的囊泡，膜间有连通的管道，形成胞间连丝。

三、 减数（Meiosis）

减数的特点是DNA复制一次，细胞连续两次，形成四个单倍体的子细胞。

减数过程中同源染色体间发生交换，使配子的遗传多样化，增加了后代的适应性。

通常，减数Ⅰ分离的是同源染色体，所以称为异型(heterotypic division)或减数(reductional division)。

减数Ⅱ分离的是姊妹染色体，类似于有丝，也称同型(homotypic division)或均等(equational division)。

图示减数模式图 第一次减数

1、前期Ⅰ持续时间长,变化最复杂,呈现许多减数的特征性变化:同源染色体配对与交换，分为5个时期：

1)细线期：

染色体已经复制，并开始凝缩，所以又称为凝线期(synizesis)，但染色体呈细线状，光镜下分辨不出两条染色单体。

在有些物种中表现为染色体细线一端在核膜的一侧集中，另一端放射状伸出，形似花束，称为花束期(bouquet stage)。

2)偶线期：

同源染色体发生配对，配对的过程又称联会(synapsis)。 配对的结果是两条结合在一起的染色体，称为二价体(bivalent)。每一对同源染色体都经过复制，含四个染色单体，又称四分体(tetrad)。

在同源染色体联会的部位形成联会复合体(synaptonemal complex，SC)。

3)粗线期：

持续时间较长。染色体明显变粗变短，结合紧密，是明显的四分体。

同源染色体非姊妹染色单体间发生交换，而且在联会复合体部位的中间有一圆球型结构形成，称重组节

也有DNA合成，称P-DNA，编码一些与DNA修复、连接的酶类 4）双线期：染色体进一步缩短，已看不到联会复合体。联会的同源染色体开始分离，但非姐妹染色体间还存在交叉点(chiasma)。

植物双线期一般较短，但动物双线期停留的时间长，人的卵母细胞在5个月胎儿已达双线期，直到排卵都停在双线期。

在鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及昆虫中，双线期的二价体解螺旋形成灯刷染色体。

5）终变期：

染色质在被装配成短棒状染色体。四分体在核内均匀分布。 交叉的数目和位臵在二价体上不固定，随时间向端部移动，称端化，端化过程一直进行到中期。

核仁开始消失，核被膜解体。

中心粒已加倍，中心体移向两极，纺锤体装配 2、中期Ⅰ

核被膜解体是中期Ⅰ开始的标志。

纺锤体微管侵入核区，捕获分散于核中的四分体 四分逐渐向赤道方向移动，最终排列在赤道面。

每个二价体有4个动粒、同源染色体中的一条的动粒位于一侧。从一极发出的微管只与一条同源染色体的两个动粒相联

3、后期I

二价体的两条同源染色体分开，分别向两极移动

由于每条染色体仍含两条染色单体，每个极让含有两套染色体。 同源染色体移向两极是随机的，使来自母本和父本染色体发生随机组合，产生基因组的变异。

如人有23对染色体，染色体组合方式有223种(不包括交换)，除同卵孪生外，几乎不可能得到遗传上等同的后代。

4、末期Ⅰ与减数间期

经后期Ⅰ后,细胞进一步变化有两种类型:

①染色体到达两极后，解旋为细丝状、核膜重建、核仁形成，并进行胞质,形成2个子细胞

②没有明显的染色体解聚,而是立即进行第二次减书。 （二）、减数Ⅱ

可分前、中、后、末四个四期，与有丝相似

每个过程中细胞的形态变化也与有丝相似：如在末期Ⅰ形成子细胞，则在前期Ⅱ发生核被膜解体，重新进行染色体凝聚。中期Ⅱ，染色体排列在赤道板，姐妹染色体中的动粒分别被两极的微管结合；后期Ⅱ：着丝粒对称断裂，姐妹染色体被拉向两极；末期Ⅱ：染色体完全移向两极，开始去凝聚，重新形成核膜。

经过两次减数形成4个子细胞，但在不同生物种类中这4

个子细胞命运不同。

在雄性动物中，4个子细胞大小相似，进一步发展为精子。 在雌性动物中，第一次为不等，产生1个大的卵母细胞和1个小的极体，极体很快死亡解体。卵母细胞进行第二次减数，也是不等，产生1个卵细胞和1个第二极体，该极体也很快死亡解体。

三、减数的遗传重组及其机制

1、联会复合体(SC)是减数偶线期两条同源染色体间形成的一种结构，与染色体配对，交换和分离密切相关。

电镜下SC由3部分组成：两侧是约40nm的侧生组分，电子密度高，主要是DNA、RNA和组蛋白；两侧之间为宽约100nm中间区，电子密度低，为组分，约30nm，为非组蛋白。

侧生组分与组分之间有横向排列的粗约7~10nm的SC纤维，使SC外观呈梯子状。

从形态来看，SC形成偶线期，成熟于粗线期，并存在数天，消失于双线期。

一直认为SC将同源染色体组织在一起，使伸入SC的DNA之间产生重组，但实验证明SC的形成晚于基因重组的启动，且在基因突变不能形成SC的酵母中，同源染色体间可以发生交换。现在认为它与同源染色体间的交换有关。

图示一种昆虫的联会复合体 2、染色体重组：交换与交叉

在同源染色体联会期间，同源染色体要发生断裂和重接，在此过程中发生同源染色体间的交换。

随着双线期进行，交叉开始远离着丝粒，并逐渐向染色体臂的端部移动，即端化

交叉是交换的结果，交叉是可见的，而交换是不可见的

第三节 细胞周期

细胞周期的研究有几十年历史

50-60年代，细胞周期4个时期的发现在细胞周期研究中起

有重要作用

近十多年，细胞周期取得重要突破 一、蛋白激酶在细胞周期中的作用 （一）细胞融合实验

70年，Colorado大学的Rao用处于细胞周期不同阶段的同步化细胞：G1期间和S期HeLa细胞进行融合

发现S期细胞中有促进G1期细胞进行DNA复制的起始因子 但S期细胞中的起始复制因子对已进行了DNA复制的G2期的细胞核没效果

其它一些融合实验证明：M期细胞总能诱导非有丝细胞中的染色体凝聚：染色体超前凝聚（PCC）

将M期细胞于其他间期细胞融合后发现，不同时期的间期细胞与M期细胞融合，产生的PCC的形态也不同。

由于G1期、S期和G2期细胞中染色质的状态不同，PCC的形态也不同：

G1期PCC为单线状，因DNA未复制； S期PCC为粉末状，DNA多个部位开始复制； G2期PCC为双线染色体，DNA复制已完成。 （二）促成熟因子的发现

M期细胞可以诱导PCC，提示在M期细胞中存在一种诱导染色体凝集的因子，称促成熟因子（Maturation promoting factor，MPF）。

88年从非洲爪蟾卵中纯化出MPF。经鉴定：MPF主要含P32和P45两种蛋白质。P32和P45结合后表现出蛋白激酶的活性。从而证明MPF是一种蛋白激酶。

（三）p34cdc激酶及其与MPF的关系

Hartwell利用芽殖酵母分离出几十个温度敏感型突变体； Nurse以裂殖酵母也分离出温度敏感突变体；

所有突变体在正常温度下能进行细胞，而在限定温度下不能，是由特定基因突变所导致

酵母中这些与细胞相关的基因被称为cdc（cell division cycle）基因

Cdc基因依发现顺序而命名：cdc2、cdc25等

Cdc基因是第一个发现的基因，表达产物是一种34KD的蛋白，称p34cdc2，具蛋白激酶活性，在裂殖酵母细胞周期中起重要作用

Cdc28是第二个被出来的基因，其产物也是一种34KD的蛋白，称p34cdc28，也是一种蛋白激酶，在芽殖酵母细胞周期中起重要作用。

P34cdc28和p34cdc2都在G2/M转变中起调节作用，两者是同源物。 P34cdc28对G1/S转换也必需

P34cdc2和P34cdc28本身都不具备激酶活性，只有同其它蛋白结合才具激酶活性，如p34cdc2需与p56cdc16结合才表现激酶活性

P34cdc2与MPF的关系：Nurse等经免疫实验证明：P32是P34cdc2的同源物；

Tim Hunt以海胆卵为材料研究发现在卵细胞中有2种蛋白随细胞周期变化而变化，并称之为细胞周期蛋白（cyclin）

对MPF进一步研究证实，MPF的另一种组分为细胞周期蛋白B，而且细胞周期蛋白B与酵母P56cdc13为同源物

基于这些研究，MPF的组成被确定下来：含cdc2蛋白和周期蛋白两个亚基，其中cdc2为催化亚基，周期蛋白为调节亚基，两者结合后才具激酶活性

图示MPF的组成

（四）细胞周期蛋白（cyclin）

83年发现后，已经从各种生物中克隆了数十种周期蛋白：酵母中：Cln1-3、Cld1-6；高等动物：A1-2、B1-3、C、D1-3等

有些周期蛋白只在G1期表达并只在G1/S转化中起作用，称G1期周期蛋白：Cln1-3、C、D、E

有些在间期积累，但只在M期才具调节作用，称M期周期蛋白：周期蛋白A、B

所有周期蛋白具有共同结构特点：

①100个左右aa的周期蛋白框，介导周期蛋白与CDK（细胞周期依赖性蛋白激酶）结合，不同的框识别不同的CDK；

②在N端有一9个aa组成的特殊序列，称破坏框，主要参与泛

素介导的周期蛋白A和B的降解；

③G1期周期蛋白N端没有破坏框，但C端含有一段特殊的PEST序列（这个序列被认为与G1期周期蛋白的更新有关）

不同细胞周期蛋白分别在细胞周期的不同时期表达，并与不同CDK结合，调节CDK的激酶活性

讲到这里我们可以了解到，周期蛋白是一些调节复合物中的调节亚基部分，而CDK就是催化亚基部分。比如我们前面提到的MPF因子。

图示不同类型的周期蛋白 （五）泛素介导的cyclin的降解

泛素(ubiquitin)由76个氨基酸组成，高度保守，普遍存在于真核细胞，故名泛素。

共价结合泛素的蛋白质能被蛋白酶体识别和降解，这是细胞内短寿命蛋白和一些异常蛋白降解的普遍途径，泛素相当于蛋白质被摧毁的标签。26S蛋白酶体是一个大型的蛋白酶，可将泛素化的蛋白质分解成短肽。

泛素蛋白加到周期蛋白上需三种不同酶的介导： ①泛素蛋白活化酶（E1）： ②泛素蛋白缀活酶（E2）： ③泛素蛋白连接酶（E3）：

三种酶介导的周期蛋白泛素降解的过程：

首先，E1上的Cys与泛素蛋白的羧基端结合形成硫酯键使泛素蛋白激活；然后，泛素蛋白从E1上转移到E2的Cys上；E2和E3一起将泛素蛋白转移到周期蛋白的Lys上进行多泛素化；最后，多泛素化的周期蛋白被蛋白酶体降解

有3种cyclin激发爪蟾卵母细胞的成熟：cyclin A和两个结构相似的cyclin B。3种蛋白在N端都有一个被称为破坏框的同源区

在有丝后期，周期蛋白开始降解：在周期蛋白合成不久，就有泛素蛋白与之结合，后通过多泛素蛋白化作用，将周期蛋白进行标记，以便蛋白酶体将周期蛋白降解

图示细胞周期蛋白的降解盒与降解途径 （六）APC的活性与cyclin B的降解

触发周期蛋白多泛素化的E3又称促后期复合物（APC）；周期蛋白B的降解是通过对APC活性的控制进行调节的，其模型为：

当MPF活性在有丝中期达高峰时，MPF将APC磷酸化并激活。APC介导周期蛋白多泛素化，使得蛋白酶体作用到周期蛋白B，引起周期蛋白B降解。由于周期蛋白B是MPF的必需亚基，它的降解导致MPF失活。在G1期APC失活，导致周期蛋白B浓度升高，提高了MPF活性，细胞进入下一有丝期

图示周期蛋白B的降解途径 （七）CDK和CDK抑制物

CDK（cyclin-dependent kinase）即细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶，只有在和周期蛋白结合后才表现出激酶活性。

已发现的CDK有CDK1-8，cdc2是第一个被发现的，被命名为CDK1 在CDK中有一小段序列相当保守，称PSTAIRE序列，参与同周期蛋白的结合

细胞中还有对CDK进行负的物质，称CDK抑制物（CDKI），主要分两大家族：

①Ink4(Inhibitor of cdk 4)：P16ink4a、P15ink4b、P18ink4c、P19ink4d，特异性抑制cdk4。

②Kip(Kinase inhibition protein)：P21cip1 (cyclin inhibition protein 1)、P27kip1(kinase inhibition protein 1)、P57kip2等，能抑制大多数CDK活性

P21cip1还能与DNA聚合酶δ的辅助因子PCNA产品(proliferating cell nuclear antigen)结合，直接抑制DNA的合成。

经过上述研究，有关细胞周期的机制已逐步变得较为清晰：CDK激酶在细胞周期中起核心作用，不同类型的周期蛋白与不同的CDK结合，构成不同的CDK激酶的活性，对细胞周期不同时期进行调节

2001年美国人Leland Hartwell、英国人Paul Nurse、Timothy Hunt因对细胞周期机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。

二、真核细胞的细胞周期模型

3种类型CDK：G1期、S期和M期CDK复合物。

细胞被激活进入细胞周期→G1CDK复合物表达→诱导S期CDK抑制物降解，激活S期CDK复合物→将DNA预复制物中蛋白质的调节位点磷酸化→激活DNA预复制物，阻止新预复制复合物形成→DNA复制→激活M期CDK复合物→诱导染色体凝聚、核膜解体、纺锤体装配，激活后期启动复合物→使后期抑制物降解，细胞从M期转到后期→APC诱导M期周期蛋白降解→M期CDK活性降低→染色体去凝聚、核膜重建，形成两个子细胞

细胞生长因子

生长因子是一大类与细胞增殖有关的信号物，已发现几十种，具促进细胞增殖功能，又称有丝原(mitogen)

生长因子可通过ras途径可激活MAPK，MAPK进入核内，促进细胞增殖相关基因表达。如通过一种未知途径激活c-myc，myc作为转录因子促进cyclin D、SCF、E2F等G1-S有关的许多基因表达，细胞进入G1期。

图示生长因子作用机理

cyclin D表达与CDK4、CDK6结合，使下游的蛋白质Rb磷酸化，磷酸化的Rb释放出转录因子E2F，促进多个基因的转录，包括编码cyclinE、A和CDK1的基因。

图示Cyclin D与CDK结合使Rb释放结合的转录因子E2F 在G1-S期， cyclinE与CDK2结合，促进细胞通过G1/S点进入S期。

向细胞内注射CyclinE的抗体能使细胞停滞于G1期，说明细胞进入S期需要CyclinE参与。

同样将CyclinA的抗体注射到细胞内，能抑制细胞DNA合成，说明CyclinA是DNA复制所必需。

DNA复制 :是由起始复制点开始，起始复制点即自主复制序列。在细胞周期中，起始复制点上结合有起始识别复合体(ORC)，作用象一个停泊点，供调节因子停靠。

cdc6是其中1个调节因子，在G1期cdc6含量增高，并结合在

ORC上，促进MCM复合体和其它蛋白结合到ORC上，形成预复制复合体(pre-RC)

S-CDK触发pre-RC启动，并将cdc6磷酸化，使其脱离ORC，磷酸化的cdc6随后被SCF参与的泛素化途径降解,保证了DNA只复制一次。

在G2-M期，cyclinA、cyclinB与CDK1结合，CDK1使底物蛋白磷酸化、如将组蛋白H1磷酸化导致染色体凝缩，核纤层蛋白磷酸化使核膜解体等下游细胞周期事件。

M期CDK的激活

M期CDK的激活起始于M期cyclin的积累，在胚胎细胞周期中cyclin一直在合成，其浓度取决于降解的速度；但多数细胞的周期中，cyclin的积累是因为G2-M期M-cyclin基因转录的增强。

随着M-cyclin的积累，结合周期蛋白的M-CDK（CDK1）增加，但没有活性，因为Wee1激酶将CDK1的Thr14和Tyr15磷酸化，这种机制保证了CDK-cyclin能不断积累，在需要时突然释放。

在M期，Wee1的活性下降，cdc25使CDK去磷酸化，CDK活化。cdc25可被两种激酶激活，一是polo激酶，另一是M-CDK自身。

激活的M-CDK还可抑制它的抑制因子Wee1的活性，形成一个反馈环。因此少量CDK被cdc25，立即就会有大量的CDK被活化。

CDK的激活还需Thr161的磷酸化，它是在CDK激酶(CAK)的作用下完成的。

图示CDK1的激活需要Thr14（苏氨酸）和Tyr15（酪氨酸）去磷酸化和Tyr161的磷酸化

在中期当MPF活性达到最高时，通过一种未知的途径，激活后期促进因子APC，将泛素连接在cyclinB上，导致cyclinB被蛋白酶体(proteasome)降解，完成一个细胞周期。

到下一个细胞周期时,G1期CDK复合物可将APC磷酸化使其失活,使周期蛋白A和B能在S期和G2期逐步积累

三、细胞周期的检验点（check point）

细胞要，须正确复制DNA和达到一定体积，在获得足够物质支持前，细胞不能进行。细胞周期的运行，是在一系列称为检验

点的严格监控下进行的，当DNA发生损伤，复制不完全或纺锤体形成不正常，周期将被阻断。

图示四个主要检测点，包括G1/S检验点、S期检验点、G2/M检验点、中-后期检验点

细胞周期检验点由感受异常事件的感受器、信号传导通路和效应器构成，主要包括：

①G1/S检验点:酵母中称start点，哺乳动物中称R点(restriction point)，控制细胞由G1期进入S期，相关的事件包括：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？

②S期检验点：DNA复制是否完成？

③G2/M检验点：是决定细胞一分为二的控制点，相关的事件包括：DNA是否损伤？细胞体积是否足够大？

④中-后期检验点（纺锤体组装检验点）：任何一个着丝点没有正确连接到纺锤体上，都会抑制APC（促后期复合物）的活性，引起细胞周期中断。

ATM(病变基因)是与DNA损伤检验有关的一个重要基因。 ATM编码1个蛋白激酶，结合在损伤DNA上，能将某些蛋白磷酸化，中断细胞周期。信号通路有:

①激活Chk1(checkpoint kinase),Chk1引起cdc25的Ser216磷酸化，使cdc25失活，抑制M-CDK的活性，使细胞周期中断。

②激活Chk2，使P53磷酸化而激活，P53作为转录因子，导致P21的表达，P21抑制G1-S期CDK的活性，从而使细胞周期阻断。

第十二章 细胞分化与基因表达

Chapter Twelve Cell differentiation and its regulation 第一节：细胞分化（differentiation）

细胞分化是胚胎细胞后，未定形的细胞在形态和生化组成上向专一性或特异性方向发展的过程

细胞分化的结果是演变成特定表型的细胞类群，这些细胞在形态上特化，在功能上专一化

一、影响细胞分化的因素

1、细胞质对细胞分化的诱导：

2、细胞间的相互作用对细胞分化的诱导： 3、形态发生过程中的位臵效应 4、激素对细胞分化的影响 5、分化的抑制

三、细胞分化的分子基础

细胞分化是基因选择性表达的结果，但基因表达与分化之间具体关系仍不清.

管理分化的基因组中所表达的基因可以分为两大类： 1、持家基因与奢侈基因

持家基因：维持细胞最低限度功能所不可缺少的基因，在所有类型细胞中都表达

奢侈基因：组织特异性基因：是在各类组织中特异表达的基因 2、基因差异表达及调节：

细胞分化是细胞按一定程序发生差别基因的表达，在某个程序中按照相关的机制，开放某些基因，关闭某些基因。

分化细胞间的差别通常是一群而不是一个基因表达的差异 四、真核基因表达的

1、基因组：在DNA水平上调节基因活性，主要有DNA甲基化与DNA重排

2、转录水平的：转录起始的控制 3、转录后的加工：剪切

4、翻译水平的：mRNA的稳定性、翻译起始复合物控制、蛋白质合成速度

5、翻译后加工：切割、共价修饰

第二节 干细胞（stem cell）

干细胞（stem cell，SC）是一类具有自我更新能力的多潜能细胞，在一定条件下能分化成多种功能的细胞

一、干细胞的分类和特点 (一)干细胞的分类有两种：

1、根据干细胞所处的发育阶段分：胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES cell）和成体干细胞（somatic stem cell）

2、根据干细胞发育的潜能分：全能干细胞（TSC）、多能干细胞和单能干细胞

(二)全能性、多能性和单能性

受精卵能够分化出各种细胞、组织，形成一个完整的个体，其分化潜能称为全能性(totipotent)。

随着分化发育的进程，细胞的分化潜能逐步受到局限，但仍能发育分化成多种表型或细胞，细胞的这种分化潜能称多能性。

经过器官分化，各种组织的发育命运最终决定，在形态上特化、在功能上专一化，称单能性。

图示了几种细胞，从左到右，受精卵最初分化成几个全能性的细胞，接着发育为胚胎细胞，为多能性细胞，接着细胞进一步分化成为胎儿，再来就是成体，机体内都包含了多能性的细胞，大多数都成为了单能性的细胞。

根据干细胞的分化能力，可以分为：

全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。全能干细胞可以分化为机体内的任何一种细胞，直至形成一个复杂的有机体。

多能干细胞可以分化为多种类型的细胞，如造血干细胞可以分化为12种血细胞。

单能干细胞只能分化为一种类型的细胞，且自我更新能力有限。

图示三种干细胞的演化

植物的枝、叶、根都有可能长成一株完整的植株，细胞培养的结果也证明即使高度分化的植物细胞也可以培养成一个完整的植株，绝大多数植物细胞具有全能性。

成熟动物细胞不具备全能性，原因不在细胞核而在细胞质，大量的核移殖实验证实，分化细胞的核仍保留完整的基因组DNA。

（三）细胞转分化与再生

1、转分化：一种类型的分化细胞转变成另一种类型分化细胞的现象

2、脱分化：分化细胞失去其特有的结构与功能变成具有未分化

细胞特征的过程：植物愈伤组织

再生：狭义：指生物的器官损伤后，长出与原来形态、功能相同的结构的现象：壁虎的尾、蝾螈的肢、螃蟹的足，失去后可重新形成；水螅、蚯蚓、蜗虫等低等动物的每一段都可形成一个完整的个体。

广义：从分子、细胞到组织器官都有再生。人体内每秒中约有600万个新生的红细胞替代相同数量死亡红细胞

(四)干细胞的特征

1、终生保持未分化或低分化特征； 2、能无限；

3、在机体的中的数目、位臵相对恒定； 4、具有自我更新能力；

5、具多向分化潜能，能分化成不同类型的组织细胞； 6、的慢周期性，大多数干细胞处于G0期； 7、两种方式：

①对称：形成两个相同的干细胞； ②不对称：形成一个干细胞和一个祖细胞。 二、胚胎干细胞（stem cell，ES）

胚胎干细胞是指从胚胎内细胞团或原始生殖细胞筛选分离出的具有多能性或全能性的细胞 。

1、主要特性：

①在不同条件下具不同的功能状态：有抑制因子时呈未分化状态生长；无抑制因子时分化成各种细胞；悬浮培养时可形成胚状体

②具有发育分化成各种类型细胞的多潜能 2、胚胎干细胞的应用

①作为生产克隆动物的高效材料：作核供体；ES与胚胎嵌合克服远缘杂交困难

②生产转基因动物的高效载体：以ES作载体进行外源基因的合理整合，进行细胞水平研究

③发育生物学研究的体外模式：比较ES细胞体外分化不同阶段基因转录和表达，研究胚胎发育及细胞分化的机制 ④新型药物的筛选：代替实验动物

⑤加快组织工程的发展：人工诱导定向分化，培育出特定的组织和器官，用于医学治疗的目的

三、成体干细胞

成体组织器官中，很多细胞仍具自我更新及分化产生不同组织细胞的能力，即成体干细胞。

1、造血干细胞：造血；

2、神经干细胞：脑部的中枢神经干细胞，子代细胞可分化成神经系统的大部分细胞

3、其它：肌干细胞：发育为成肌细胞；成骨干细胞：分化为骨细胞、软骨细胞、肌细胞

第三节 癌细胞

癌细胞（cancer cell）是一种突变的体细胞，脱离了细胞社会的控制，能无限增殖产生肿瘤，并对有机体的组织和器官形成破坏。

肿瘤（tumor，neoplasm）可分为良性和恶性肿瘤两大类。 良性肿瘤：生长缓慢，与周围组织界限清楚，不发生转移，对人体健康危害不大。

恶性肿瘤：生长迅速，可转移到身体其它部位，还会产生有害物质，破坏正常器官结构，使机体功能失调，威胁生命。

肿瘤组织由实质和间质两部分构成，

实质是肿瘤细胞，是肿瘤的主要成分，具有组织来源特异性。 间质起支持和营养肿瘤实质的作用，不具特异性，一般由结缔组织和血管组成，有时还有淋巴管。

一、癌细胞的基本特征

癌细胞主要是指恶性肿瘤细胞，具特征：

1、失去生长与的接触抑制：正常细胞体外培养时在培养器皿表面形成单层后即停止，也即是细胞达到相互接触后停止，称接触抑制；而恶性细胞失去了这种接触抑制作用，形成多层堆积的聚集体。

2、细胞周期失控，能持续的与增殖。

3、具有迁移性，细胞粘着和连接相关的成分发生变异或缺失，

相关信号通路受阻，细胞失去与细胞间和细胞外基质间的联结，易从肿瘤上脱落。许多癌细胞具有变形运动能力，并且能产生酶类，使血管基底层和结缔组织穿孔，使它向其它组织迁移

4、定着依赖性丧失：正常真核细胞，除成熟血细胞外，须粘附于特定的细胞外基质上才能抑制凋亡而存活，称定着依赖性(anchorage dependence)。肿瘤细胞失去定着依赖性，可在琼脂、甲基纤维素等支撑物上生长。

5、去分化现象：肿瘤细胞中表达的胎儿同功酶达20余种。胎儿甲种球蛋白(甲胎蛋白)为胎儿所特有，但在肝癌细胞中表达，可做肝癌早期检定的标志特征。

6、体外培养的癌细胞对生长因子（血清）的需求量显著降低：癌细胞能通过自分泌刺激其细胞增殖。某些瘤细胞还能释放血管生成因子，促进血管向肿瘤生长。获取营养物质。

7、代谢旺盛：肿瘤组织的DNA和RNA聚合酶活性均高于正常组织，核酸分解过程明显降低，DNA和RNA的含量均明显增高。

8、蛋白质合成及分解代谢都增强，但合成代谢超过分解代谢，并可夺取正常组织的蛋白质分解产物，使机体处于严重消耗的恶病质状态。

9、线粒体功能障碍：即使在氧供应充分时也主要以糖酵解途径获能。

10、可移植性：正常细胞移植时，因免疫排斥，不易存活。但肿瘤细胞具可移植性，人肿瘤细胞可移植到鼠类，形成移植瘤。

11、死亡特性改变：正常细胞在生长因子不足或受到伤害时就会启动PCD；癌细胞丧失了PCD机制。

12、染色体异常：常出现非整倍性染色体组，有丧失或增加。 13、细胞骨架变化：细胞骨架少而杂乱无章，导致形态变化很大。 二、肿瘤形成(oncogenesis)

包括始发突变、潜伏、促癌和演进等过程: 始发突变：细胞在致癌物作用下发生基因突变; 潜伏期：突变发生后因环境不适没发展为肿瘤；

促癌：在促癌剂作用下开始增殖的过程，是可逆的过程；

演进：肿瘤在生长过程中越来越变得具有侵袭力的过程，是不可逆的。

（一）肿瘤形成的内因

恶性肿瘤的形成往往涉及多个基因的突变，与原癌基因、抑癌基因突变的逐渐积累有关。

1、原癌基因(proto-oncogene)是细胞内与细胞增殖相关的基因，是维持机体正常生命活动所必需，进化上高等保守。原癌基因的结构或区发生变异，基因产物增多或活性增强时，使细胞过度增殖，从而形成肿瘤。

1911年Rous发现鸡肉瘤无细胞滤液能引起鸡产生新的肉瘤，后证实病原体为罗氏病毒( RSV)，为此获得1966年的诺贝尔奖。70年Temin 和Batimore证实RSV是一种反转录病毒，获75年诺贝尔奖。

70sVarmus和Bishop发现RSV中的致瘤基因是src基因，用src的cDNA和其它基因组杂交，发现src的同源物普遍存在于动物细胞。原来src编码一种胞质酪氨酸激酶，参与细胞增殖相关的信号转导，是细胞的正常组分。

原癌基因的产物主要包括： ①生长因子：sis；

②生长因子受体：fms、erbB；

③蛋白激酶及其它信号转导组分：src、ras、raf； ④细胞周期蛋白：bcl-1； ⑤细胞凋亡因子：bcl-2； ⑥转录因子：myc、fos、jun。

2、癌基因（oncogene）：依其来源可分为两类：

①细胞癌基因：多由原癌基因突变而来。编码的蛋白使细胞生长不受控制，促进细胞癌变。

②病毒癌基因 原癌基因的激活:

基因本身或其区发生了变异，导致基因的过表达，或产物蛋白活性增强，使细胞过度增殖，形成肿瘤。

在肝癌中cyclinA过渡表达，在乳腺癌中常有cyclinA、B、D1、E

等过渡表达。

①点突变:ras基因家族以点突变为主，如膀胱癌细胞中克隆出来的基因与正常细胞相比仅相差1个核苷酸。

② DNA重排:正常情况下原癌基因表达水平较低，当染色体发生易位或倒位时，原癌基因处于强启动子下游，而过度表达。

③插入激活：某些不含v-onc的弱转化逆转录病毒，其前病毒DNA插入宿主DNA中，引起插入突变，如逆转录病毒MoSV两端各有一相同的冗长末端重复序列(LTR)，不编码蛋白质，含有启动子、增强子等成分，LTR整合到细胞癌基因c-mos邻近处，使c-mos处于LTR的强启动子和增强子作用之下而被激活，导致成纤维细胞转化为肉瘤细胞.

④基因扩增：在某些造血系统恶性肿瘤中，癌基因扩增极常见，如前髓细胞性白血病细胞系和这类病人的白血病细胞中，c-myc扩增8~32倍。

⑤原癌基因的低甲基化：致癌物质的作用下，甲基化酶的活性降低，使原癌基因的甲基化程度降低而导致癌症。

3、抑癌基因

抑癌基因的产物是抑制细胞增殖，促进细胞分化，并抑制细胞迁移，起负作用，抑癌基因的突变是隐性突变或功能丧失突变。

正常二倍体细胞中，每一抑癌基因有两个拷贝，只有当两个拷贝都失活时才使细胞增殖失控

抑癌基因的产物主要包括： ①转录调节因子：Rb、p53； ②负转录因子：WT；

③CDK抑制因子(CKI)：p15、p16、p21；

④信号通路的抑制因子：ras GTP酶活化蛋白（NF-1），磷脂酶； ⑤DNA修复因子：BRCA1、BRCA2。

⑥与发育和干细胞增殖相关的信号途径组分：APC、Axin等。 Rb(人类视网膜细胞瘤)基因是第一个被克隆的抑癌基因。Rb的突变导致视网膜瘤。

在G1期Rb与E2F结合，抑制E2F的活性，在G1/S期Rb被CDK2

磷酸化失活而释放出转录因子E2F，促进蛋白质的合成。

二、肿瘤形成的外因

人类肿瘤80％是由于与外界致癌物接触引起，依性质可分为化学、生物和物理致癌物3大类。依在致癌过程的作用分为:启动剂、促进剂、完全致癌物。

启动剂:可直接改变细胞遗传物质DNA的成分或结构，一般1次接触即可完成，引起的细胞改变是不可逆的。

促进剂本身不能诱发肿瘤，只有在启动剂作用后方可促使肿瘤发生。如用启动剂二甲基苯并蒽(DMBA)涂抹动物皮肤并不致癌，但几周后再涂抹巴豆油，则引起皮肤癌，巴豆油中的有效成分是佛波醇酯，能模仿二酰基甘油(DAG)信号，激活蛋白激酶C。

有些致癌物的作用很强，兼具启动和促进作用，单独作用即可致癌。称为完全致癌物。如多环芳香烃、芳香胺、亚硝胺、致癌病毒等。

1、化学致癌物

①亚硝胺类:致癌性强，变质蔬菜及食品中含量较高，能引起消化系统、肾脏等多种器官的肿瘤

②多环芳香烃类:苯并芘，涂抹在皮肤上，可引起皮肤癌，皮下注射则可诱发肉瘤。存在于沥青、汽车废气、煤烟、香烟及熏制食品中；

③芳香胺类:乙萘胺、联苯胺诱发泌尿系统癌症

④烷化剂类:芥子气、环磷酰胺，引起白血病、肺癌、乳腺癌； ⑤氨基偶氮类:二甲基氨基偶氮苯，可引起肝癌

⑥碱基类似物:5-溴尿嘧啶、5-氟尿嘧啶，结构与正常的碱基相似，能替代正常碱基掺入DNA链中干扰DNA复制合成；

⑦氯乙烯，聚氯乙烯塑料是由氯乙烯单体聚合而成。大鼠长期吸入氯乙烯气体，诱发肺、皮肤及骨癌。

⑧某些金属，如铬、镍、砷等也可致癌。

化学致癌物引起肿瘤的作用机制很复杂:少数致癌物进入人体后可直接诱发肿瘤，称直接致癌物。多数化学致癌物进入人体后，需经体内代谢活化，才能引起肿瘤发生，称间接致癌物。在体内参与代谢的主要为P450酶系。

化学致癌物还可抑制甲基化酶，引起细胞中胞嘧啶的甲基化水平降低，还可能激活某些癌基因，使细胞癌变。

直接或间接导致DNA发生突变的致癌物称基因毒性致癌物，化学致癌物均属于此类。

但乳腺癌、前列腺癌和子宫膜癌的致癌物是有激素活性的甾体类化合物，它们并不损伤基因，但能促进细胞，称非基因毒性致癌物，如雌二醇可引起卵巢癌和乳腺癌。

并不是所有的致癌物都是诱变剂，当然也并非所有的诱变剂都是致癌的。

（二）生物性致癌因素 生物性致癌因素包括 病毒、细菌、霉菌。

以病毒与人体肿瘤的关系最为密切。 1．肿瘤病毒

与人类肿瘤发生关系密切的病毒有4类：

①逆转录病毒:引起人类T淋巴细胞白血病的人T淋巴细胞白血病病毒(HTLV)、成人 T细胞白血病病毒(ATLV)和爱滋病病毒(HIV)等病毒都属于逆转录病毒。

病毒感染机体后，遗传信息整合到宿主细胞的染色体中，成为细胞的组成部分，受到正常细胞的调节控制，病毒处于静止状态，但受致癌物的作用后，被激活病毒表达而诱发肿瘤

②乙型肝炎病毒(HBV)：人肝癌细胞DNA中有HBV的碱基序列。HBV整合到细胞 DNA中，使细胞 DNA发生缺失、插入、转位、易位。

③乳头状瘤病毒(HPV):与生殖道肿瘤(如宫颈癌)的发生有密切关系，并与口腔、咽、喉、气管等处的乳头状瘤和皮肤疣等良性病变有关。

④EB病毒：是一种疱疹病毒，与儿童的 Burkitt淋巴瘤和成人的鼻咽癌发生有关。

2．霉菌:已知有数十种霉菌毒素对动物有致癌性,黄曲霉毒素（aflatoxin）是研究最多的一种

(三）物理因素

1．电离辐射:原子弹爆炸引起白血病增高，是著名的例子。辐射可引起染色体、DNA的突变，或激活潜伏的致癌病毒。

2．紫外线:引起细胞DNA断裂、交联和染色体畸变，还可抑制皮肤的免疫功能，使突变细胞逃脱免疫监视，有利于皮肤癌和基底癌的发生。

大气层的臭氧减少，地表紫外线强度增高，诱发人体皮肤癌的危险性大增。大气臭氧减1%，皮肤癌增加2-6％

与肿瘤形成相关的信号途径

肿瘤细胞和干细胞有很多相似之处，如：均有自我更新和无限增殖的能力；较高的端粒酶活性；相同的调节自我更新的信号转导途径，如Wnt、Hedgehog、Notch、NF-κB等信号途径

① Notch信号通路造血干细胞的自我更新，Notch信号通路的过度表达可诱导恶性淋巴瘤。

②Hedgehog信号通路参与早期神经系统发育和毛囊形成的。Hedgehog途径中的抑制物突变后，信号系统活性增高，可诱导中枢神经系统肿瘤，如Patched基因突变，可引起Gorlin’s综合症和小鼠的小脑肿瘤。

③在黑色素瘤和一些肠道肿瘤中存在异常Wnt信号，尤其是Wnt途径的组分，如β-catenine、APC、Axin等发生基因突变。

APC基因在结肠腺瘤样息肉(adenomatous polyposis coli)病人中发现的。

APC基因属Wnt信号途径的负因子，APC蛋白可与β-catenin连接，促进β-catenin降解，而β-catenin在细胞内积累后，可进入细胞核，与T细胞因子TCF结合，促进相关基因的表达。

第十三章 细胞衰老与凋亡

Chapter Thirteen Cell senescence and apoptosis

“生、老、病、死”是生命的四个必然的过程 人类面临着三种衰老：

①生理性衰老：随年龄增长所表现出的生理退化，一切生物皆存在

②病理性衰老：由于内在或外在原因使人体发生病理性变化，使衰老提前发生，称早衰

③心理性衰老：由于心态的提前老化而影响整体功能

第一节 细胞衰老

一、衰老的概念

衰老(aging，senescence)：随年龄增加，生物内环境稳定性下降，结构与生理机能退行性变化，趋向死亡不可逆的过程。

衰老发生在整体水平、种群水平、个体水平、细胞水平以及分子水平等层次。

机体的衰老并不等于所有细胞的衰老，但细胞的衰老与机体衰老密切相关

二、细胞的寿限

1、Hayflick界限(Hayflick limitation)：细胞在体外培养条件下，即使条件适宜，细胞也不能无地进行，而是有一定界限

细胞的能力与个体年龄有关，从胎儿肺得到的成纤维细胞可传代50次，而从成人得到的肺成纤维细胞只能传代20次。

2、细胞的寿限

各类细胞的寿命各不相同，一般来说，能够保持持续能力的细胞相对不容易衰老，分化程度高又不的细胞寿命大多有限

人体细胞的动态分类

人体细胞寿命依增殖，分化，生存时间，分4类

①更新组织：执行某种功能的特化细胞，一定时间后衰老死亡，由新细胞分化补充，如上皮细胞、血细胞。

②稳定组织细胞：分化程度较高，功能专一，一般没明显衰老，不，但终生保持能力，受破坏时，其余细胞也能，补充失去的细胞，如肝、肾细胞。

③恒久组织细胞：高度分化细胞，一生没细胞更替，破坏后不能得补充。如神经细胞，骨骼细胞和心肌细胞。

④可耗尽组织细胞：卵巢实质细胞，一生中逐渐消耗，不能得到

补充，最后消耗殆尽。

三、细胞衰老的形态学特征

细胞衰老主要是细胞生理生化的变化，也反映在细胞形态结构和功能上：

1、细胞内水分的减少：蛋白质水合能力下降,衰老细胞水分减少，细胞皱缩，体积缩小。

2、核变化:核膜内折，染色体固缩化，端粒缩短

3、线粒体的变化：随年龄增大，数量减少，体积增大，内容物呈网状化并形成多囊体，mtDNA缺失突变

4、质膜的变化：流动性下降，磷脂减少，不饱和脂肪酸下降；膜脂过氧化，对刺激反应性下降

5、内质网的变化：RER趋向减少和无序化 6、蛋白质合成：核糖体合成效率及准确性降低

7、色素生成及致密体形成：色素生成随衰老而增加，并在溶酶体或线粒体中沉积

四、分子水平的变化

衰老细胞DNA、蛋白质和脂类等成分损伤，代谢能力降低，主要表现：

DNA：复制与转录受抑制，个别基因异常激活，端粒DNA丢失，线粒体DNA特异缺失，DNA氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。

RNA：mRNA和tRNA含量降低。

蛋白质：含成下降，蛋白质糖基化、氨甲酰化、脱氨基等修饰，使蛋白质稳定性、抗原性、可消化性下降，自由基使肽断裂、交联而变性。aa由左旋变右旋

酶分子：活性中心被氧化，Ca2+、Zn2+、Mg2+、Fe2+等丢失，酶分子二级结构、溶解度、等电点改变，酶失活

脂类：不饱和脂肪酸被氧化，引起膜脂间或与脂蛋白间交联，膜流动性下降。

四、细胞衰老的分子机制

对衰老机理具有不同学说，主要有:

差错学说(Error theories):强调衰老是由于细胞中的各种错误积累引起.

遗传学说(Genetic/Programmed theories):强调衰老是遗传决定的自然演进过程。

（一）差错学说

细胞衰老是细胞成分因内外环境受损，因缺乏完善修复，使“差错”积累，导致细胞衰老。

根据“差错”的“主因”的不同，又可分不同学说。 1.代谢废物积累(waste product accumulation) 代谢产物超量积累危害细胞，引起衰老.

褐脂质沉积是典型例子:脂褐质是长寿蛋白和DNA、脂类形成的巨交联物。脂褐质结构致密，在溶酶体不能水解也不能外排，在细胞内沉积，阻碍物质交流和信号传递，使细胞衰老.

老年性痴呆(AD)是由β-淀粉样蛋白沉积引起。 2．大分子交联(cross linking):

过量的大分子交联是衰老的主要因素，如DNA交联和胶原交联均可损害其功能，引起衰老。

在临床方面胶原交联和动脉硬化、微血管病变有密切关系。 3．自由基学说(free radical theories)

（1）自由基性质:自由基是指在原子核核外层轨道上具有不成对电子的分子或功能基团。

如AB两个原子各提供一个电子通过共价键形成分子A:B，这两个电子是配对的，如发生均裂,A和B各带走一个电子形成.A和.B，即称自由基。

自由基种类：氧自由基、氢自由基、碳自由基、脂自由基，以氧自由基化学性质最活泼。

氧自由基主要包括：超氧自由基.O2，羟自由基.OH和H2O2 自由基产生的因素：

外源性:由环境辐射、光解、化学物质等引起的 内源:由代谢反应产生,是自由基主要来源途径： ①线粒体呼吸链电子泄漏产生；

②过氧化物酶体的多功能氧化酶催化底物羟化。

③机体血红蛋白、肌红蛋白可经非酶促反应产生自由基。 （2）自由基对生物大分子的损伤

自由基含未配对电子，具高度活性，易与细胞内的生物大分子发生反应，并发生伤害

①自由基与核酸分子中的碱基发生加成反应，.OH加到碱基双链上,破坏碱基产生基因突变

②自由基可加成到膜脂及不饱和脂肪酸双链,引起脂质过氧化,并产生新的自由基

③自由基常攻击肽链上的脯氨酸残基，造成蛋白质断裂。同时，自由基还引起蛋白质交联、破坏蛋白质高级结构

④自由基的氧化也常损伤细胞骨架蛋白：肌动蛋白与氧化型谷胱甘肽（GSSG）之间形成二硫键，导致分子表面电荷改变，引起大分子聚集

(3)衰老的自由基学说

美国科学家Harman1955年提出，核心内容: ①衰老是自由基对细胞成分的有害攻击所造成; ②该学说提出的自由基是氧自由基;

③维持体内适当水平的抗氧化剂和自由基清除剂可延长寿命和推迟衰老

正常细胞内存在清除自由基的防御系统，包括

①酶系统: 超氧化物歧化酶(SOD)，过氧化氢酶(CAT)，谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX);

②非酶系统: VE、醌类物质等电子受体。

将铜锌超氧化物岐化酶基因导入果蝇，使转基因株具3个拷贝的SOD基因，其寿命比野生型延长1/3。为衰老的自由基学说提供了证据。

4．线粒体DNA突变

线粒体是自由基浓度最高的细胞器，氧化磷酸化过程中，1-4%的氧转为活性氧(ROS)。

mtDNA裸露，易受伤害发生突变，mtDNA复制的聚合酶γ没校正功能，复制错误频率高。

mtDNA突变使呼吸链受损，自由基堆积，循环 脑、心、骨骼肌的氧负荷最大，是最易衰老组织 5.体细胞突变与DNA修复

外源理化因子，内源自由基均可损伤DNA，使体细胞突变。辐射可致年轻的哺乳动物出现衰老症状，与个体正常衰老相似。

正常机体存在DNA修复机制，可使损伤DNA修复，年龄增加修复能力下降，使DNA错误累积，最终细胞衰老死亡。

DNA的修复并不均一，转录活跃基因被优先修复，在同一基因中转录区被优先修复，彻底的修复仅发生在细胞的DNA复制时期，这使干细胞能永保青春。

6．重复基因失活

真核生物基因组中存在大量重复序列。

主要基因的选择性重复是基因组的保护机制，也是决定细胞衰老的因素，重复基因的一个拷贝受损或关闭后，其它拷贝被激活，直到最后一份拷贝用完，细胞因缺少某种重要产物而衰亡。

小鼠肝细胞重复基因的转录灵敏度随年龄增加而降低，哺乳动物rRNA基因数随年龄增加而减少

（二）遗传学派

衰老是遗传决定的自然演进过程，一切细胞均有内在的预定程序决定其寿命，而细胞寿命又决定种属寿命的差异，外部因素只能使细胞寿命在限定范围内变动

1．程序性衰老(programmed senescence)

生物的生长、发育、衰老和死亡都由基因程序控制，衰老是某些基因依次开启或关闭的结果。

小鼠肝中，胚胎早期表达的胞质丙氨酸转氨酶为A型，随后停止表达，在衰老时表达B型。

其它类似的衰老标志物(markers):如肝中的衰老标志蛋白也是在老年期表达。

衰老还与神经内分泌系统退行性变化及免疫系统的程序性衰老有关。

2．细胞衰老的端粒假说

细胞增殖次数与端粒有关。体细胞染色体端粒DNA随细胞次数增加而缩短。细胞DNA复制1次端粒缩短1段，至Hayflick点时，启动DNA损伤检测点，不可逆退出细胞周期，走向衰亡。

人成纤维细胞端粒每年缩短14-18bp，染色体的端粒具细胞计数器功能。

端粒长度与端粒酶活性有关，端粒酶是一种反转录酶，由RNA和蛋白质组成，所含的RNA是合成端粒DNA的模板，而所含的反转录亚基则催化端粒DNA的合成。

生殖细胞、干细胞和肿瘤细胞端粒酶活性较高，正常体细胞端粒酶活性低，呈抑制状态

3．长寿基因（longevity genes）

各种动物都有相当恒定的平均寿命和最高寿命，成人早衰症(Werner‘s syndrome)病人平均39岁时出现衰老，47岁左右死亡，患婴幼儿早衰症的小孩在1岁时出现明显衰老，12-18岁夭折。

由此看物种寿命主要取决于遗传物质，DNA链上可能存在“长寿基因”或“衰老基因”决定个体寿限.

细胞衰老时，衰老相关基因(SAG)表达活跃，人1号、4号及X染色体上发现SAG。

线虫均寿命3.5d,age-1 突变,提高均寿命65%，最大寿命110%,该突变型有较强的抗氧化酶活性

早老综合症患者体内解旋酶基因存在突变，该基因位于8号染色体短臂，称WRN基因。

淀粉样蛋白前体基因(APP)突变，导致基因产物β淀粉样蛋白易于在脑组织中沉积，引起AD。

第二节 细胞坏死与凋亡

死亡是生命的普遍现象，但细胞死亡并非与机体死亡同步。正常组织中，常发生“正常”的细胞死亡，它是维持组织机能和形态所必需。

细胞死亡的方式通常有2种： ①细胞坏死(necrosis)。

②细胞凋亡(apoptosis)。 一、细胞坏死

细胞受到化学因素(如酸、碱、毒物)、物理因素(如热、辐射)和生物因素(如病原体)等环境因素伤害，引起细胞死亡的现象。是一种被动死亡

细胞坏死初期，细胞质膜通透性增加，线粒体和ER肿胀、崩解，结构脂滴游离、空泡化，蛋白质颗粒增多，核发生固缩。胞质蛋白变性、凝固或碎裂，嗜碱性核蛋白降解，细胞质呈强嗜酸性，坏死细胞苏木精/伊红染色，胞质呈红色，原有微细结构消失

坏死后期，细胞膜破裂，细胞内容物流出，引起周围组织炎症反应。

二、细胞凋亡(cell apoptosis)

又称程序性细胞死亡(PCD)：是细胞接受基因指令后的主动死亡。 凋亡的细胞散落在正常组织中，无炎症反应，不遗留疤痕。死亡细胞的碎片很快被巨噬细胞或相邻细胞所清除，不影响其它细胞的功能

程序性细胞死亡表现出明显的形态学特征：

①核酸内切酶活化，使染色质DNA在核小体连接部位断裂，形成约200bp整数倍的核酸片段，凝胶电泳图谱呈梯状；

②染色质在核膜下聚集成染色质块，细胞不断脱水，胞质凝缩，核膜在核孔处断裂，细胞以出芽方式形成凋亡小体（apoptotic body）；

③凋亡小体内有结构完整的细胞器、凝缩的染色质，可被邻近细胞吞噬消化，始终有膜封闭，没内溶物释放，不引起炎症。

第三节 细胞凋亡的分子机理

细胞凋亡和增殖是生命的基本现象，是维持体内细胞数量动态平衡的基本措施。

在胚胎发育阶段以细胞凋亡清除多余的和已完成使命的细胞，保证了胚胎的正常发育；

在成年阶段通过细胞凋亡清除衰老和病变细胞，保证了机体健

康。

细胞凋亡是受基因的精确过程 apoptosis的途径主要有:

1、胞外信号激活细胞内凋亡酶caspase； 2、线粒体释放凋亡酶激活因子激活caspase

活化的caspase可将胞内重要蛋白降解，引起细胞凋亡。 一、凋亡相关的基因和蛋白

细胞凋亡的涉及许多基因，包括一些与细胞增殖有关的原癌基因和抑癌基因。其中研究较多的有ICE、Apaf-1、Bcl-2、Fas/APO-1、c-myc、p53、ATM等。

1．Caspase家族

Caspase属半胱氨酸蛋白酶，近似线虫ced-3，是引起细胞凋亡的关键酶，被信号途径激活后，能将细胞内蛋白质降解，使细胞不可逆走向死亡

特点有：

①酶活性依赖于半胱氨酸残基的亲核性；

②在天冬氨酸后切断底物，命名为caspase (cysteine aspartate-specific protease)；

③都由2大、2小亚基组成的异四聚体，大、小亚基由同一基因编码，前体切割产生2个活性亚基

Caspase的研究源自于对线虫的研究

线虫生命周期短，细胞数量少，成熟的成虫若是雌雄同体则有959个体细胞，约2000个生殖细胞。若是雄虫则有1031个体细胞和约1000个生殖细胞。神经系统由302个细胞组成，这些细胞来自于407个前体细胞，这些前体细胞中有105个发生了程序死亡。

Robert Horvitz 采用体细胞突变方法发现共有14 个基因在C. elegans 细胞凋亡中起作用。

在细胞凋亡的实施阶段起作用的主要有3个：Ced-3、Ced-4和Ced-9。

Ced-3和 Ced-4的作用是诱发凋亡。

Ced-9抑制Ced-3、Ced-4的作用，使凋亡不能发生，Ced-9功能

不足胚胎因细胞过度凋亡而死亡

人类与线虫ced-3同源的基因是白介素-1 β转换酶(ICE)基因，该酶能将白介素前体切割为活性分子，故名。

人类已发现11个ICE同源物，分2亚族：ICE亚族,参与炎症反应；

ced-3家族又可分为:

执行者(executioner)：caspase-3、6、7，可直接降解胞内结构蛋白和功能蛋白，引起凋亡，但不能通过自催化或自剪接方式激活；

启动者(initiator)：caspase-8、9，受到信号后，能以自剪接激活，引起caspase级联反应，如caspase-8可依次激活caspase-3、6、7。

细胞中还有caspase抑制因子，称IAPs(inhibitors of apoptosis proteins)，属一个庞大的蛋白家族。能通过BIR结构域(baculovirus IAP repeats domain)与caspase结合，抑制其活性。

2．Apaf-1

Apaf-1称凋亡酶激活因子-1(apoptotic protease activating factor-1)，线虫同源物为ced-4，在线粒体参与的凋亡途径中具重要作用。

Apaf-1含3个结构域： ①CARD:能召集caspase-9；

②ced-4 同源结构域，能结合ATP/dATP；

③C端结构域，含色氨酸/天冬氨酸重复序列，细胞色素c结合到该域，引起Apaf-1多聚化而激活

Apaf-1能激活Caspase-3，但需细胞色素c(Apaf-2)和caspase-9(Apaf-3)参与。

Apaf-1/细胞色素c复合体与ATP/dATP结合后，Apaf-1就可通过其CARD结构域召集caspase-9，形成凋亡体(apoptosome)，激活caspase-3，启动caspase级联反应。

3．Bcl-2家族

Bcl-2为凋亡抑制基因，是膜整合蛋白，功能相当于线虫的ced-9。已发现19个同源物，在线粒体参与的凋亡途径中起作用，

能控制线粒体中细胞色素c等凋亡因子的释放。

Bcl-2成员含1-4个Bcl-2同源结构域(BH1-4)，并常有一个羧端跨膜结构域。

BH4是抗凋亡蛋白所特有的结构域， BH3是与促进凋亡有关的结构域。

依功能和结构可将Bcl-2基因家族分2类， 抗凋亡：Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w、Mcl-1； 是促进凋亡：Bax、Bak、Bad、Bid、Bim，

Bcl-2蛋白主要位于线粒体外膜，它拮抗促凋亡蛋白的功能。 大多数促凋亡蛋白位于胞质，一旦细胞受到凋亡因子诱导，即向线粒体转位，通过寡聚化在线粒体外膜形成跨膜通道 ，或开启线粒体的PT孔，使线粒体中凋亡因子释放，激活caspase，导致细胞凋亡。

4．Fas

Fas又称APO-1/CD95，属TNF受体家族。分布于胸腺细胞，激活T和B淋巴细胞、巨噬细胞、肝、脾、肺、心、脑、肠、睾丸和卵巢细胞等。

Fas蛋白与Fas配体结合后，会激活caspase，使靶细胞凋亡。 5．p53

一种抑癌基因，功能是在G期监视DNA的完整性。如有损伤，则抑制细胞增殖，直到DNA修复完成。如果DNA不能被修复，则诱导其凋亡.

6．myc

人类恶性肿瘤细胞中都发现有c-myc的过度表达，它能促进细胞增殖、抑制分化。

在凋亡细胞中c-myc也是高表达，作为转录因子，一方面它能激活那些控制细胞增殖的基因，另一方面也激活促进细胞凋亡的基因，给细胞两种选择：增殖或凋亡。当生长因子存在，Bcl-2基因表达时，促进细胞增殖，反之细胞凋亡。

7.ATM

ATM是与DNA损伤检验有关的一个重要基因。发现于毛细血管扩

张性共济失调症患者，大约有1%的人是ATM缺失的杂合子，表现出对电离辐射敏感和易患癌症。正常细胞经放射处理，DNA损伤会激活修复机制，如DNA不能修复则诱导细胞凋亡。ATM是DNA损伤检验点的一个重要的蛋白激酶

二、Fas介导的细胞凋亡

Fas具3个富含半胱氨酸的胞外区和1个称为死亡结构域(Death domain，DD)的胞内区。

Fas与配体结合后，三聚化使胞内的DD区构象改变，然后与接头蛋白FADD的DD区结合

FADD的N端DED区(death effector domain)就能与Caspase-8(/10)前体蛋白结合，形成DISC (death-inducing signaling complex)

caspase-8、10通过自剪激活，启动caspase级联，使caspase-3、-6、-7激活，可降解胞内结构蛋白和功能蛋白，最终导致细胞凋亡。

Caspase 可激活CAD(caspase-activated DNase)的核酸酶，CAD能将核小体连接区切断，形成约为200bp整数倍的核酸片段。正常情况下CAD存在于胞质中，并与抑制因子ICAD/DFF-45蛋白结合，不能进入胞核。Caspase活化后可以降解ICAD/DFF-45，释放出CAD，使它进入胞核降解DNA。

三、线粒体与细胞凋亡

细胞应激反应或凋亡信号能引起线粒体细胞色素c释放，作为凋亡诱导因子，cyt c能与Apaf-1、caspase-9前体、ATP/dATP形成凋亡体(apoptosome)，召集并激活caspase-3，引发caspases级联，导致细胞凋亡。

细胞色素是通过线粒体PT孔或Bcl-2家族成员形成的线粒体跨膜通道释放到细胞质中。