细胞生物学-电子教材:第一章

第一章 生物学与医学

第一节   生命是地球上物质运动发 展的高级形式

  生物 living things

  非生物non-living things

  生命现象 

  有机体

一、生物体具有高度复杂的组织结构

   细胞（亚细胞结构  细胞器)

   组织

   器官

   器官系统

   有机体

二、生物体不断与外界环境进行物质交换

同化作用：摄取外界物质→合成代谢

异化作用：转化、分解自身物质→分解代谢

物质代谢：代谢过程的物质交换过程。

能量代谢：伴随物质代谢的能量转换过程。

新陈代谢：是指自然界物质与其周围环境进行物质交换和相互作用的过程。

三、生物体能对外界环境变化产生应答

应答：生物体 对环境变化产生的适当的反应。

刺激：外界环境的变化就构成对生物体的刺激。

应激性：生物对刺激产生应答的特性。

效应器：机体的某些器官。

四、生长和发育

生长：生殖细胞→受精卵→个体

发育：新生儿→儿童→青年→成年→中年→老年

五、生殖及死亡

死亡是发育的必然结果，是一切生命必然归宿。

   个体的死亡和生命绵延的矛盾是通过生殖来解决的。

六、遗传与变异

  遗传→象   变异→不象

七、进化

   进化：是生物体在世代相继的漫长岁月中的历史性发展。

   适应性

   多样性

第二节   生命的物质基础与进化

一、生命的物质基础

（一)细胞内小分子

  氨基酸、葡萄糖、脂质

（二)细胞内大分子

  蛋白质

 核酸

人类细胞中有两套同源DNA分子，分别来自父母，每一套DNA分子称为一个基因组。

二、生命的起源与进化

前细胞→细胞

单细胞→多细胞

低级→高级

第三节  生物学的分支及发 展趋势

一、生物学的分支学科

  生物学：以生物界为研究对象，探究生命现象的本质及其发生、发展规律的科学。是有关生命的科学，故称为生命科学。

二、生物学的发展趋势

（一)由宏观向微观深入

   细胞→亚微结构→DNA

（二)边缘科学兴起

  数量遗传学、生物力学、生物信息学等。

  边缘科学的兴起是近代科学发展的特点。

（三)向综合研究的方向发展

  生态学和生态系：综合研究生物与环境间的关系。

  细胞生物学：对细胞的结构、功能、发育、遗传、变异等生命现象的深入探讨。

（四)向改造生物的方向发展

  遗传工程、细胞工程等。

第四节  细胞与分子生物学发展简史

一、细胞的发现和细胞学说的创立

   （1665~1875)

   1590年 Janssen兄弟制造复式显微镜

   1665年 Hooke 第一个发现了细胞

   1838年~1839年 Schleiden和Schwann分别论证植物和动物都是由细胞组成，首次 提出细胞学说 。 

   1858年 Virchow “一切细胞来自细胞”

  二、经典细胞学发展时期（1875~1898)

  1875年Hertwing受精卵中两个亲本核的融合

  1880年Felmming发现了动物细胞间接分裂

  1888年Waldeyer发现染色体 Boveri发现中心体

  1894年Altmann发现了线粒体

  1898年Golgi发现了高尔基体

三、实验细胞学发展时期（1900~1943)

1866年Mendel 《植物杂交实验》

1900年Correns Tschermak de Vries 重新发现Mendel的遗传三大定律

1926年Morgan 《基因论》

1928年 Griffith 肺炎球菌转化实验,在40年代初期证明了转化因子是DNA。

四、分子生物学发展时期（1944)

1944 Avery Macleod McCarthy证明了肺炎球菌转化因子是DNA分子

1952年 Hershey Chase 在噬菌体中证明其遗传物DNA

1953年 Watson Crick 提出DNA分子双螺旋结构模型。

1958年 Meselson stal 发现DNA分子的半保留复制；Crick提出信息流的“中心法则”。

1961年 Nirenberg Mattaei 发现三联体遗传密码子。

1970年代 限制性内切酶，DNA序列测定，基因克隆。

1980年代 PCR技术

1991年 美国遗传学界提出人类基因组项目（HGP)

1997年 英国克隆羊多利问世

2003年4月14日由美、英、日、发、德、中六国科学家构建的国际人类基因组测序联合体宣布，人类基因组全序列测序完成（除着丝粒和端粒部位目前技术未能检测的部分)，HGP的所有目标全部完成；

21世纪是生命科学的世纪；

是分子生物学的世纪；

是神经生物学的世纪。

第五节   细胞与分子生物学在生物医学科学中的地位

一、是细胞与分子水平的普通生物学

普通生物学是建立在全部生物医学科学的成就上，同时也是一切生物学分支的基础。

细胞与分子生物学是在生物大分子、亚细胞及细胞水平研究各种生命现象。

二、是学习现代医学的基础

  1.医学科学是生物学基本理论的应用

   人的生、老、病、死机制

   防病、治病（如：SARS)

  2.生物科学每一重大发现都促进了医学的发展

   抗生素的发现与应用

   遗传三大定律与遗传病

   各种遗传病的诊断

  3.医学实践又不断地推动着生物科学的前进

   人体健康、延年益寿

   人类与自然环境

第二章 细胞的基本结构与生物大分子

   细胞是生命存在的基本结构和功能单位

   多细胞生物的细胞可分为生殖细胞和体细胞。

   各种细胞都有不同的功能，细胞的大小、形 态都是与它们的功能相适应的。

   细胞的大小：0.01mm(10μm)[支原体0.1μm]

   细胞的形态：取决于其功能与所处的环境

   细胞的化学成分：C、H、O、N等组成无机物和有机物，有机物又分为生物小分子和生物大分子

第一节   细胞的基本结构

一、原核细胞的基本结构

（一)支原体（最小、最简单的原核生物)

（二)细菌（典型的原核生物)

  1.细胞膜（磷脂双分子层)、细胞壁（肽葡聚糖)

  2.细胞质：有部分细胞器及拟核

二、真核细胞的基本结构

  1.细胞膜：典型的磷脂双分子层结构

  2.细胞质：具各种细胞器及细胞质基质

  3.细胞核：具核膜、核仁、染色质（体)及核液

电镜下真核细胞的基本结构分为：

膜相结构：细胞膜（质膜)、内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化氢体、线粒体及核膜

非膜相结构：核糖体、微管、微丝、中心粒、

   细胞质基质、核仁、染色质（体)及核基质

表2-1 原核细胞与真核细胞的主要区别

第二节  生命现象的载体——蛋白质

　   蛋白质是构成生命有机体，维持生命活动最主要的物质成分之一。

  其功能为：构成生物体的形态结构，代谢过程的催化反应和调节，机体的运动，物质的运输，免疫防御，遗传调控及记忆等。

一、蛋白质的化学组成

   C（50~56%)、H（6~7%)、O（19~24%)、N（13~19%)、S（0~4%)、P、Fe、Cu、I

（一)氨基酸——组成蛋白质分子的基本单位

  组成人体蛋白质的氨基酸有20种，为含有氨基的有机酸，主要是R侧链不同。化学通式为：

 H

 |

  H₂N—C—COOH

 |

 R

（二)肽键和肽链

  肽键：由一个氨基酸的氨基（-NH₂)与相邻氨基酸的羧基（-COOH)脱去一分子水缩合而成。

  肽：氨基酸与氨基酸连在一起称为肽。

   二肽：两个氨基酸脱去一分子水由肽键连接而成。

三肽：三个氨基酸连接起来。

多肽：多个氨基酸连接在一起的化合物。

多肽链：多肽是氨基酸以一定的顺序连接起来形成的一条长链。

二、蛋白质的分子结构

   功能性的蛋白质分子多表现出复杂的空间结构

   一级结构：包括所含氨基酸的数目、种类和排列顺序，同时也包括链内和链间的 二硫键数目和位置。

   如：胰岛素（86氨基酸→51氨基酸)

    蛋白质的一级结构是蛋白质高级结构和功能的基础，如果多肽链一级结构中氨基酸排列顺序有一个氨基酸发生变化，就会影响蛋白质分子的高级结构的空间构型，而产生畸形的蛋白质分子，就不能执行正常的生物学功能。如Hbs

二级结构：α螺旋、β折叠

β -折叠(β  -pleated sheet)

三级结构：在二级结构的基础上，由氨基酸侧链之间通过氢键、二硫键和离子键等再度折叠和盘旋而形成的，为球蛋白。

四级结构：由几条多肽链 各自在三级结构基础上形成蛋白质分子的结构亚基，亚基之间相互以非共价键联结成聚合体。

三、蛋白质的类型及在生命活动中的作用

   蛋白质的类型

单纯蛋白：单纯由氨基酸组成的蛋白质，

  如清蛋白、组蛋白等。

结合蛋白：由单纯蛋白质与非蛋白质成分

  （辅基)相结合而成。

   辅基可以是有机化合物，如糖、脂、核酸；

也可以是无机物，如磷酸、金属离子。

例如：糖蛋白、核蛋白等。

蛋白质在生命活动中的作用

（一)结构和支持作用

   蛋白质几乎存在于细胞的各个部位，是细胞各个结构的主要成分。如细胞骨架。

（二)催化作用

   蛋白质参与细胞内的各种代谢活动

   单纯蛋白酶类：胰蛋白酶

   结合蛋白酶类：含有低分子有机化合物、金属离子、维生素的酶类。

（三)传递和运输作用

   细胞膜上的激素受体蛋白、神经递质受体蛋白起着传递信息的作用；

   细胞膜上的镶嵌蛋白负责物质的跨膜运输，如Hb.

（四)运动功能

微管蛋白参与细胞分裂和细胞的多种运动功能，肌动蛋白、肌球蛋白相互滑动导致肌肉收缩。

（五)防御作用

抗体——免疫球蛋白

（六)调节作用

神经体液调节依赖膜受体蛋白，如肽类激素。

  转录调节因子：锌指蛋白、亮氨酸拉链  

四、感染蛋白和感染蛋白病

  蛋白质通过为其编码的遗传物质而显示遗传性，细菌、病毒通过其含有的遗传物质而有传染性。

   20世纪80年代分子生物学揭示蛋白质可兼具遗传性和传染性，那就是感染蛋白（prion)。

   感染蛋白由细胞PRNP基因编码，在正常脑组织中表达，分布于神经细胞表面，为正常蛋白质，称细胞态感染蛋白(PrPc )

   Creutz-Jacob病是人类一种导致运动协调功能丧失于痴呆的罕见致命性脑病。它既是遗传的，也可以是获得性的。患者脑组织中是PrPc 的一种修饰体，被称为羊瘙痒感染蛋白(PrPSc), PrPSc累积于神经细胞形成集结物而导致细胞死亡。

第三节  遗传信息的载体——核酸

  核酸是生物体内一类重要的生物大分子。它不仅存在细胞核内，也存在细胞质及某些细胞器中。

   核酸同生物性状的遗传变异现象有关，核酸在控制生命活动，如生长、发育、繁殖等有序性方面起主导作用。

一、核酸的化学组成和种类

   Levene(1934)的研究工作证明核酸分子是有许多单核苷酸聚合而成的聚合物。

  核酸中的核苷酸都是一磷酸核苷酸，但是进行核酸合成时，都是以三磷酸核苷酸的形式作为原料而出现的。

   核苷酸除了组成核酸外，还在生命活动中起着重要的作用，例如提供能量（ATP、GTP)或作为信号物质（cAMP、cGMP)。

   磷酸二酯键：核酸大分子是由许多单核苷酸连接聚合形成的长链，所以又称为多聚核苷酸。单核苷酸之间以3`，5`磷酸二酯键相连。

核酸的分类：核糖核酸（ribonucleic acid RNA)

脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid DNA)

  DNA   RNA

组成  脱氧核糖  核糖

    A、G、C、T A、G、C、U

分布   细胞核 细胞质

  胞质线粒体中少量 胞核核仁中少量

结构  双链   单链

   双螺旋结构  三叶草形、线形、发夹形

功能   贮存遗传信息 表达遗传信息

   传递遗传信息

二、DNA的结构与功能

（一)DNA的结构

Watson和Crick模型（1953)

1.骨架：脱氧核苷酸长链

2.碱基配对原则：A=T G三C

3.双螺旋结结构

两条多核苷酸链反向平行排列，脱氧核糖与磷酸残基排列在长链的外侧，碱基位于长链内侧，碱基之间以氢键相连接，连接规律是A与T互补，形成两个氢键即A=T；G与C互补，形成三个氢键即G三C。

   DNA双链围绕个“中心轴”向右盘旋形成双螺旋状结构的分子。

   螺旋上每隔0.34nm有一个碱基对，每螺旋一圈有10个碱基对，故螺距为3.4nm

DNA的分子结构－Watson和Crick模型

? DNA由两条走向相反的互补核苷酸链围绕一个“中心轴”向右盘旋形成双螺旋状结构的分子。

? 脱氧核糖与磷酸残基排列在长链的外侧，构成DNA分子的骨架，不携带遗传信息。

? 碱基位于长链内侧，相对应的碱基之间以氢键相连接，连接规律是A与T互补，形成两个氢键即A=T；G与C互补，形成三个氢键即G三C，这种有规律的对应排列，称为“碱基互补原则”。四种碱基（A、T、C、G)的排列顺序称碱基序列，携带遗传信息。

? 螺旋上每隔0.34nm有一个碱基对，每螺旋一圈有10个碱基对，故螺距为3.4nm。

（二)DNA分子的主要功能

1.储存遗传信息

2.以自身作为摸板进行自我复制

3.转录合成RNA

? DNA分子构型的种类

? B-DNA

? A-DNA

? Z-DNA

三、RNA的种类、结构和功能

   RNA的分子结构是以单链结构或假双链结构（部分区域链内碱基配对形成)的形式存在。

 如rRNA和tRNA和结构。

（一)信使RNA（mRNA)

   从细胞核内DNA分子上转录遗传信息，作为合成蛋白质的指令。

（二)转移RNA（tRNA)

转运活化的氨基酸到核糖体上。

氨基臂：

TψC环：

D环：

反密码环：

反密码子：

（三)核糖体RNA（tRNA)

 是核糖体的主要成分，主要是维系核糖体的立体结构。

（四)核小RNA（SnRNA)

  与mRNA前体的加工有关。

（五)反义RNA

  在mRNA的翻译过程中起调节因子作用。

思考题

１、名词解释：生物大分子、磷酸二酯键、碱基互补原则、

  碱基序列、核酶

2、概述细胞的物质组成及其在生命活动中的作用。

3、比较DNA与RNA的区别。

4、概述DNA分子双螺旋结构模型的要点。

5、简述DNA分子的主要功能。

6、简述RNA的种类与功能。

7、概述蛋白质分子的结构及其功能。

第三章 细胞膜及其表面结构

细胞膜：围在细胞质表面的一层薄膜，又称质膜或原生质膜。

关于“膜”的几个概念：

生物膜：细胞中所有的膜结构统称生物膜。

  生物膜 细胞膜

   胞内膜细：胞内所有的膜结构。

膜相结构：细胞内具有膜包裹的所有结构。

内膜系统：在结构、功能及发生上为连续统一体的细胞内膜相结构。

单位膜：生物膜的结构单位。

  电镜下观察生物膜，可见为“两暗一明”的三层结构通常将这三层结构型式作为一个单位，称为单位膜。

细胞膜出现的意义及作用：

? 原始生命进化的关键，细胞形成的前提；限定细胞范围，保持细胞内外的区别；物质运输（进行细胞内外物质的运输)；可识别、接受外界信号，进行信息传递。即：保持细胞有相对独立和稳定的内环境，它是细胞膜内外物质流、信息流、能量流的出入门户。

细胞表面：是以质膜为主体，包括质膜和质膜外，表面的细胞被（糖被)以及质膜内侧的膜下溶胶层，它们共同组成了一个多功能复合体系。细胞表面对于维持细胞内环境的稳定和与细胞外环境不断进行物质交换、能量转换、信息传递以及细胞间相互识别都起着重要的作用，是细胞进行生命活动的重要结构基础。

第一节   细胞膜化学组成和结构模型

细胞膜的化学组成

? 膜脂   50%

? 膜蛋白 40%

? 膜糖类 10%左右

? 水

? 金属离子

表：各种生物膜组成近似值

膜  蛋白质（％) 脂类（％)  糖类（％) 蛋白质／脂类

髓鞘 18   79 3  0.23

质膜  

血小板  33-42  50-51  7.5

人红细胞  49 43 8   1.1

变形虫 54 42 4   1.3

小鼠肝细胞   46 54   2-4 

淋巴细胞  60 40   5-10 1.5

Hela细胞  60 40   2.4  1.5

牛视网膜杆状细胞  51   49   4 1.0

革兰氏阳性菌75  25 3.0

类菌质体   58 37   1.5 1.6

（一)膜脂

? 磷脂（主要)占50%以上

? 糖脂

? 胆固醇

  膜脂的分子结构特点：

膜脂分子都是兼性分子（双亲媒性分子)

有一个极性的“头部”（含磷酸等极性基团，有亲水性)，

  两条非极性的“尾部”（脂肪酸链、有疏水性)。

脂分子的排列特性

膜脂分子在水溶液中可能有两种形式：

   球状的分子团

  双分子层(bilayer)

实验证明：膜脂分子在水溶液中能自动形成双分子层结构，为了更进一步减少双分子层两端疏水部与水接触的机会，脂质分子在水中排成双分子层后往往易于形成一种自我封闭的结构-脂质体

1.磷脂：

磷酸甘油酯：以甘油为骨架，甘油分子1、2位羟基与形成酯键，3位羟基与磷酸形成酯键。

   脂肪酸链的长短（14~24 碳)和不饱和程度不同。

   胆碱→磷脂酰胆碱（卵磷脂)

如：磷脂酸+ 乙醇胺→磷脂酰乙醇胺（脑磷脂)

  L丝氨酸→磷脂酰丝氨酸

鞘磷脂：结构和构象与磷脂酰胆碱相似，但它以鞘氨醇代替甘油，其氨基与脂肪酸形成酰胺键结构称N 酰基鞘氨醇，醇基与磷酸胆碱借酯键连接后形成鞘磷脂，只有一条脂肪酸链。

真核细胞的细胞膜内含有大量的胆固醇。胆固醇亲水的羟基头部紧靠磷脂极性头部，将固醇环部分固定在近磷脂头部的碳氢链上，其余部分游离。细胞膜中的胆固醇与磷脂的碳氢链相互作用阻止磷脂凝集成晶体结构。

3.糖脂

糖脂是含有一个或几个糖基的脂类，约占细胞膜外层脂类分子的5%。

动物细胞膜中的糖脂主要为鞘氨醇的衍生物，结构似鞘磷脂，只是糖基取代了磷脂酰胆碱，与鞘氨醇的羟基结合。

例如：脑苷脂与鞘磷脂不同的是以半乳糖或葡萄糖取代了磷脂酰胆碱。

（二)膜蛋白

   膜蛋白是细胞膜功能的主要承担者，膜蛋白的

含量和种类与细胞膜的功能密切相关。

膜蛋白的类型：

1.外在蛋白（extrinsic  protein)，占20-30%

   分布在膜的内外表面，主要在内表面，为水溶性，它们与膜脂的极性头部结合，或与内在蛋白相互作用，间接与膜结合。

2.内在蛋白（intrinsic  protein )，占70---80%

   以不同的程度嵌入类脂双分子层，故称为镶嵌蛋白。有的贯穿类脂双分子层，两端暴露于膜的内外表面，故称为跨膜蛋白。与膜结合牢固。

膜蛋白与脂双层分子的结合方式图

膜蛋白的功能

 膜内在蛋白的功能：

  受体（识别，传递信息)

  载体蛋白（物质运输)

  酶（催化、供能如ATP酶)

  通道蛋白

  抗原（镶嵌在膜中的糖蛋白或糖脂  如血型抗原)

  G蛋白（介导信号转导)

? 膜周边蛋白的功能：

运动蛋白（有肌动蛋白、肌球蛋白的性质)

参入细胞胞吞作用

参入细胞变形运动

参入细胞质分裂时胞膜的分隘作用

调节镶嵌蛋白的位置

  支持蛋白（桥粒蛋白)

（三)膜糖类

分布： 细胞膜表面（外侧)

内膜系统的非质侧

种类：半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖胺、唾液酶，共七种。（自然界中有100多种)

存在形式：与膜蛋白或膜脂共价结合形成糖蛋白和糖脂，即以糖蛋白和糖脂的形式存在于细胞膜表面形成细胞被。 

二、细胞膜的特性

? 不对称性

? 流动性

生物膜结构上的不对称性，保证了膜功能的方向性。例如信号的接受与传递。

（一)细胞膜的不对称性：

? 膜脂分子分布不对称

? 膜蛋白分子分布不对称

? 膜糖类分子分布不对称

1.膜脂的不对称性：

内外两层的脂类分子不同。

   如红细胞膜：

? 鞘磷脂和大多数磷脂酰胆碱位于外层磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺位于内层

? 糖脂位于细胞膜脂双层的外侧(糖脂位于内膜系统的非细胞质侧)

2.膜蛋白的不对称性

? 跨膜蛋白的方向性

? 酶结合点的不对称性

? 骨架蛋白结合的不对称性

? 糖蛋白的不对称性

（二)细胞膜的流动性

   生物膜是一种动态的结构具有膜脂的流动性和膜蛋白的运动性。膜的流动性是指膜的脂类和蛋白质两类分子的运动性。

生物膜具有液晶态结构（介于液态与晶态之间的过渡状态)，在生理常温下呈液晶态，当温度下降到某一点时，液晶态转变为晶态，温度上升时又转变为液晶态，这一引起相变的温度称为相变温度。液晶态的膜有流动性。

1.膜脂分子的运动

膜脂分子的运动形式：

（1)横向扩散运动 

（2)旋转运动

（3)摆动运动

（4)伸缩振荡运动

（5)旋转异构运动

（6)翻转运动

2.膜蛋白的分子运动

（1)横向扩散运动

（2)旋转扩散运动

3.膜流动性的影响因素 

（1)膜脂脂肪酸链的长短与不饱和度：

   脂肪酸链长，流动性小；

   不饱和度高，流动性大。

（2)胆固醇含量：

   在相变温度上，限制膜的流动性。

   在相变温度下，增强膜的流动性。

（3)卵磷脂/鞘磷脂的比值：成正比。

（4)膜蛋白的影响：成反比。

三、细胞膜的分子结构

? 关于细胞膜的分子结构，提出的模型很多，但目前比较公认的是液态镶嵌模型，所以在此主要介绍这一模型。

（一)单位膜模型

Robertson（50年代)在电镜下观察而提出，指出各种生物膜在形态学上的共性，具有一定的理论意义。

主要论点：

  1、连续的脂质双分子构成膜的主体（骨架)，它具有液晶态特性，不仅有固体分子排列的有序，且有液体分子的流动性。

  2、球形蛋白质分子嵌入，贯穿或附着于脂双分子层中。

  3、糖类附着在膜的外表面，与表层的脂类和蛋白质结合形成糖蛋白和糖脂。

   故名液态镶嵌模型

此模型是现在公认的膜结构模型

? 优点：

  1、能解释许多膜功能现象，如物质运输、信号识别、能量转换等。

  2、说明了膜的动态性（流动性)。

  3、说明了膜功能的不对称性。

? 缺点：

１、未说明膜蛋白分子对脂类分子流动性的控制作用。

实际上特定的膜蛋白酶周围需要有特定的磷脂才 有活

性，如钠、钾-ATP酶需要有磷脂酰丝氨酸、钙-ATP酶

需要有磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺。

２、未说明膜各部分流动性的不均匀性。

所以又提出“晶格镶嵌模型”和“板块模型”作为补充。

（三)晶格镶嵌模型

Wallach（1975)用液晶相变的理论来解释膜具有流动性的原因，认为生物膜中流动的脂类是在可逆地进行无序（液态)和有序（晶态)的相变，膜蛋白对脂类分子的运动具有控制作用，提出“界面脂”(晶格)可控制脂类分子的运动。

第二节 细胞膜与细胞内外物质转运

? 膜的通透性：是指细胞膜允许一定物质穿过的性能。

特点是：

? 具有选择性地允许或阻止一些物质通过细胞膜，对物质进出细胞起着调节和控制作用；

? 维持膜内外离子浓度及膜电位，保持膜内外渗透压平衡，从而保证了机体的细胞进行正常的生命活动。

与细胞膜有关的物质运输形式有：

  小分子和离子的穿膜运输：被动运输和主动运输

 大分子和颗粒状物质的膜泡运输：内吞作用和胞吐作用

一、被动运输（passive transport)

  被动运输（易化扩散)：是指物质顺浓度梯度，由浓度高的一侧通过膜运输到浓度低的一侧的穿膜扩散，不消耗代谢能的运输方式。

   简单扩散(simple diffusion)

   离子通道扩散(channel-mediated diffusion)

   载体扩散(carrier- mediated diffusion)

（一)简单扩散

不需消耗细胞本身的代谢能，也不需要专一的膜蛋白分子，只要物质在膜两侧保持一定的浓度差，即可发生这种运输。（利用浓度梯度的势能)

  人工脂质特征：

  1.脂溶性物质

  2.不带电荷的极性分子

  3.葡萄糖透不过

  4.带电荷分子离子透不过

? （二)通道扩散

   细胞膜不仅能透过水和非极性分子，而且也能让各种极性分子快速通过。这是由于细胞膜中有一类特异的蛋白质负责转运这类溶质分子，这类蛋白质称为转运蛋白，是跨膜蛋白分子

的复合物。有以下存在形式：

1.通道蛋白（channel protein)

脂质双分子层中膜蛋白带电荷的亲水区形成水通道，能使适当的分子和带电荷的溶质通过单纯扩散运动从膜的一侧到另一侧。

2.闸门通道（ gated channel )

这类转运蛋白所形成的孔道具有闸门的作用。闸门不是连续开放，而是瞬时开放，在对特定的刺激发生反应的瞬时打开，其它时间是关闭的。

（1)配体闸门通道：当闸门通道蛋白接受胞外配体刺激时构想发生变化，使闸门打开。

（2)电压闸门通道：该闸门通道是对细胞内外特异性离子浓度变化发生反应。例如胞内游离Ca2+浓度升高时，启动K+闸门通道开放。

   闸门通道的开放和关闭常常是连续相继进行的过程。当物质通过一个闸门通道时，引起另一个闸门通道的开放。第一个闸门通道的快速关闭，又调整了第二个闸门通道系统的活动。

（三)载体扩散（carrire-mediated diffusion)

?    载体扩散：是指借助于载体蛋白顺浓度梯度的物质运输方式。一些非脂溶性或亲水性的物质，如糖、氨基酸、核苷酸和金属离子等，它们借助细胞膜上某些载体蛋白的帮助，以载体扩散的方式通过细胞膜。

? 载体蛋白具有高度的特异性，载体上有结合部位，能特异性地与某一物质进行暂时性的可逆结合。一个特定的载体蛋白只能运输一个类型的化合物甚至仅一种分子或离子。

? 载体分为分子载体和离子载体

? 分子载体：转运葡萄糖分子的载体蛋白。180个/秒

? 离子载体：如缬氨霉素是一种活动的离子载体，能增加膜对K+的通透性。

? 载体扩散的速率在一定限度内与物质的浓度差成正比，当扩散率达到一定水平，就不再受溶质浓度的影响。因为载体蛋白的结合部位被占据，载体处于饱和状态。

二、主动运输（active transport)

? 主动运输：指细胞膜利用代谢能来驱动逆浓度梯度方向的运输。

? 特点是：逆浓度梯度、需载体的参与、消耗代谢能

（一)离子泵:

   离子泵就是膜上的一种ATP酶，在质膜上作为泵的ATP酶有很多种，都具专一性，不同的ATP酶运输不同的离子。如Na+-K+泵、Ca泵

? Na+-K+泵必需要有Na+、K+、Mg2+存在时才能被

激活，催化ATP酶水解，为Na+运出膜外侧和K+运入膜内侧提供能量。

? 细胞膜外：Na+ 145m  K+   5m

? 细胞膜内：Na+  25m K+   150m

? 5.8  ：1   1  ：30

? 水解1个ATP分子可输出3个Na+，转入2个K+ ，1000ATP/1个ATP酶/秒

? 当ATP酶抑制剂鸟本苷占据K+位点后Na+-K+ ATP酶被抑制。

? 2. Ca2+泵：

?    Ca2+ATP酶是胞膜上使Ca2+逆浓度梯度转运系统。该泵 mw 10KD，由100个氨基酸组成。

? 真核细胞的胞质中Ca2+浓度极低≤10-7mol/L

?    胞外Ca2+浓度极高约10-3mol/L

?    当细胞对外界刺激发生反应时， Ca2+就顺着它的浓度梯度流入细胞，借助Ca2+的这种流动，把细胞外的信号传入细胞内。细胞内Ca2+增加了， Ca2+泵就可以把Ca2+主动地泵出胞外，以维持胞内的Ca2+浓度。（一个ATP分子可转运2个进入肌质网)

（二)离子梯度驱动的主动运输

?   有些物质主动运输的动力是由其他物质的浓度梯度

为动力进行的，而不是直接由ATP水解来驱动。

   例如小肠上皮细胞能不断吸收葡萄糖或各种氨基酸等，这种运输过程中都伴随有Na+进入细胞。Na+一方面与葡萄糖或氨基酸相伴进入细胞，另一方面又由Na+泵不断送出细胞。为间接主动运输

  伴随运输假说：需同向转运载体（具葡萄糖和Na+结合位点)

钠泵

三、膜泡运输

? 大分子和颗粒物质在细胞内的转运过程是由膜包围形成小泡进行运输，所以称为膜泡运输。

特点是：1.伴随着膜的运动，膜本身结构的融合重组和转移

  2.与主动运输一样，也需要消耗代谢能

（一)胞吞作用（endocytosis )

   细胞膜表面发生内陷，由细胞膜把环境中的大分子和颗粒物质包围成小泡，脱离细胞膜进入细胞内的转运过程。根据吞入物质的状态、大小及特异程度不同分为：吞噬、吞饮（胞饮)和受体介导的入胞作用

1.吞噬作用(phagocytosis),  吞噬体(phegosome)是细胞摄取较大的固体颗粒或分子复合体，如：细菌和细胞碎片等物质。

  吞噬作用 形成的囊泡为吞噬体，它与初级溶酶体结合形成次级溶酶体，内含物被降解，未被降解的物质保留在次级溶酶体内，形成残质体。

2.胞饮作用 (pinocytosis) 

  是细胞摄取液体和溶质的过程，形成的囊泡较小。当细胞周围环境中某些液体物质达到一定浓度时，引起细胞产生胞饮作用，形成胞饮小泡。胞饮作用是依赖微丝的收缩作用而完成的。

3.受体介导的胞吞作用receptor mediated  endocytosis)

  是特异性很强的内吞作用，这是一种选择性的浓缩机制，能使细胞摄入大量的特定配体，而不是摄入大量的细胞外液。

   大分子先与膜上的特异性受体相识别并结合，然后经过有被小窝进入细胞，其速率比溶于细胞外液中的物质通过液相内吞作用进入细胞要快。

3.低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL) 

   LDL颗粒  ：髓心约含1500个胆固醇分子，外围包绕一层磷脂，以及一种特异性的膜蛋白分子——载脂蛋白Apo-B100嵌插在脂质单层中。

（二)胞吐作用（exocytosis )

胞吐作用：也叫出胞作用、外排作用，是一种与内吞作用相反的过程。

   细胞分泌产生的激素、酶类以及未消化的残渣等物质都是以该种方式运输的。

第三节 膜受体与膜抗原

一、膜抗原的种类和功能

? 高等动物的细胞表面有各种各样表示其属性的标记

——膜抗原（细胞表面抗原)

   表示  属于哪一个种族——种族抗原

哪一个个体——组织相容性抗原

哪一种组织器官——组织分化抗原

   处于哪一发育阶段——胚胎抗原

   ABO血型系统不仅存在于红细胞上，也见于其它细胞，甚至存在由细胞分泌的各种体液中。

近年来发现某些疾病似乎与血型有关，如

   A血型——易患胃癌，血浆中胆固醇浓度高于O血型

   O血型——类风湿关节炎患者较多

   B血型——风湿性心脏病患者较多

2.MN血型

  MN血型抗原也是红细胞膜上的糖蛋白，其抗原性与糖链和蛋白质均有关系。氨基酸排列的区别是：第一位和第五位氨基酸   M血型是丝氨酸、甘氨酸

N血型是亮氨酸、谷氨酸

（二)组织相容性抗原

能引起个体间组织器官移植排斥反应的抗原，其化学成分为糖蛋白。如：小鼠的H-2及人的HLA

HLA存在于人类各种有核细胞和血小板的质膜上，现在已知道的主要组织相容性抗原有120种。

二、膜受体的种类及功能

  膜受体：细胞膜上能与胞外某些物质特异性结合的蛋白质分子称为膜受体。

  配体：与膜受体结合的物质，如神经介质、激素等

  细胞膜受体与细胞识别、免疫应答、细胞间信号传递以及代谢调节密切相关。

（一)膜受体的分子结构和特点

  膜受体的化学组成一般为糖蛋白、脂蛋白和糖脂蛋白

单体型受体：由一个镶嵌蛋白分子构成的受体。

复合型受体：由分别嵌入在膜内外侧的两个或多个蛋白质分子聚合在一起构成的受体。

1.膜受体的分子结构

（1)调节单位：胞外的部分，多为糖蛋白带有糖链的部分，是配体结合的部分。

（2)催化单位：向着胞质的部位，一般具有酶的活性

需受体与化学信号结合激活后才具活性。

（3)传导部分：是受体与效应物之间的偶联成分。将受体所接受的信号转换为蛋白质的构象变化，传给效应部。

2.细胞膜受体的特性

（1)受体的特异性：

化学信号与受体之间的结合具有一定的专一性，它们之间依靠分子与分子间的立体空间构象互补，即分子的立体特异性使信号与受体分子之间存在高度的亲和力，把两者契合在一起。

   有些信号可以与一种以上的受体结合，从而使细胞产生不同的效应。

（2)可饱和性：

细胞中各类受体的浓度相对恒定，因此受体与配体的结合有一个饱和度。

（3)具有高度的亲和力：

   受体与配体的结合力称为亲和力。

   当溶液中只有极低浓度的配体时，就能使靶细胞膜受体结合达到饱和。

（4)可逆性：

   受体与配体是以非共价结合，键的强度弱。当结合引起生物效应后，受体与配体复合物解离。

（5)特定的组织定位：

   受体只存在靶细胞，一定的细胞表面有一定的受体。 

（二)膜受体的分类

1.离子通道受体

2.G蛋白相偶联受体

3.生长因子受体

（三)受体的功能

1.膜受体和细胞识别

  细胞识别：是指细胞对同种和异种细胞的认识，对自己和异己的认识。

（1)细胞识别是细胞膜的一种功能

   吞噬异物

   受精过程

（2)细胞识别的分子基础：

  各类细胞的识别大多与细胞膜中的糖蛋白分子有关，而且多数是以糖链为决定簇。各种细胞的寡糖链的单糖有一定的排列顺序。特定的单糖顺序象指纹一样，具有各种细胞的特征。

细胞识别的分子基础是细胞表面受体之间或受体与大分子之间互补形式的相互作用。可能方式有：

相同受体间相互作用

受体与细胞表面大分子间相互作用

相同受体与游离大分子间相互作用

2.膜受体与信息传递

  细胞通讯：多细胞生物的细胞之间存在的相互作用和影响。

  由于有了细胞通讯，才能使所有的细胞协调、合作，从而保证整体生命活动。

  细胞之间的通讯要通过细胞之间的信号传递来完成

即由细胞释放的一些化学物质（信息分子)经细胞外液去影响和作用其他细胞。

  信息分子有：局部化学介质、激素和神经递质等作为第一信使，作用于靶细胞膜相应的受体，信息转换成胞内的调节信号（第二信使)，诱发、改变或调节细胞的活动。 

肾上腺β-受体、胰高血糖素受体激活腺苷酸环化酶，使细胞内cATP浓度升高。

乙酰胆碱M受体，激活鸟苷酸环化酶，使cGMP浓度升高。

思考题：

１、生物膜主要由哪些分子组成？它们在膜结构中各起什么

作用？

２、膜蛋白有哪些类型？各有何功能？

３、什么是细胞膜的液态镶嵌模型？请您给予评价。

４、举例说明膜的不对称性和流动性。

5、为什么说细胞表面是一个复合的结构体系和多功能体系？

6、解释并区别：

   单位膜 ／ 生物膜

   内膜系统/胞内膜

   细胞表面 ／细胞被

   主动运输/被动运输

   胞吞作用/胞吐作用

   膜抗原/膜受体

   细胞识别

第四章 细胞内膜系统

细胞是以膜包裹，并由膜进行空间分隔，这个膜就细胞内膜，有别于细胞表面的质膜，是真核细胞特有的、完成细胞的各种复杂生命活动过程所必需的结构。

   内膜出现的意义：

1.使细胞内部空间分隔成与其功能相适应的不同区室；

2.为细胞内部各种功能的进行提供了充足的表面；

3.内膜上的镶嵌蛋白可执行细胞中的各种功能；

4.是真核细胞特有的，是细胞进化的标志。  

 内膜系统：细胞内膜构成了多种形态各异、功能不同的膜性细胞器，并在结构功能和形态发生上具有一定联系，构成了一个完整的系统，即内膜系统。

它包括：

  内质网

  高尔基体

  溶酶体

  过氧化物酶体

  各种转运小泡

  核膜膜

第一节   内质网（ endoplasmic  reticulum，ER)

内质网在细胞中广泛分布，构成一个与核膜相连，外延至细胞膜的连续的整体膜性网状结构体系。

Porter（1954)观察到管状、囊状结构连接成的网状结构多集中靠近核的胞质区域而命名为内质网。

一、内质网的形态结构

内质网是细胞质中相互连通的膜性管网状系统，有管状、泡状、扁平囊状三种形态，共同构成相互连通的网状膜系统。膜厚约5-6nm

? 内质网占细胞全部膜结构50%以上，内质网将细胞内10%以上的空间分隔包围，形成内质网腔。内质网腔是一个独立进行特殊生理生化过程的环境。

二、内质网的类型

粗面内质网rER 光面内质网sER

结构特点  膜表面粗糙 膜表面光滑

    有核糖体附着  无核糖体附着，

形态特点  扁平囊状   泡状、管状

功能特点  分泌蛋白的运输   脂类、糖元的合成与

和加工  分解、解毒

分布特点  蛋白分泌及代谢   脂类、糖类代谢旺盛

旺盛的细胞 的细胞如小肠上皮细

如胰腺细胞 胞、分泌激素的细胞

三、内质网的化学组成

磷脂：30~40%；（含丰富的磷脂酰胆碱)

蛋白质 ：60~70%；（有30多种)

内质网膜的蛋白质含量高于细胞膜。

内质网的标志酶：葡萄糖-6-磷酸酶

四、内质网的功能

（一)粗面内质网的功能

1.核糖体的附着与蛋白质的合成

  附着核糖体与游离核糖体合成的蛋白质不同，附着核糖体合成的多肽链氨基端（N端)都有一段15 ~ 30个氨基酸残基的以疏水氨基酸为主构成的肽段，被称为信号肽。

Blobel提出了信号假说。

（1)与附着核糖体合成有关的成分

? 信号识别颗粒（SRP)  （有3种存在方式)

? 信号识别颗粒受体（SRP受体)（rER膜上)

? 核糖体连接蛋白  （rER膜上)

? 信号肽受体（rER膜上)

信号识别颗粒（SRP)由6条不同的肽链结合1分子7S rRNA组11S核糖体蛋白。能识别信号肽。

SRP以三种状态存在：与SRP受体结合；游离于细胞质中；与核糖体结合。

（2)附着核糖体与蛋白质的跨膜移位

   a.合成分泌蛋白时，游离的核糖体首先合成一段信号肽。

   b.胞质中的SRP立即与信号肽结合，并导致 核糖体-mRNA 翻译体系构象改变，暂时中止多肽链的合成。

   c.mRNA-核糖体-信号肽-SRP复合体向内质网膜接近，内质网膜上SRP受体识别复合体中的SRP，恢复构象，多肽合成重新启动。同时，由于构象改变，SRP、SRP受体与核糖体分离，循环回细胞质，准备在次介导核糖体的附着。

  d.核糖体与内质网膜上的核糖体连接蛋白结合，成为附着核糖体。

  e.信号肽也被信号肽受体识别，并引导其跨膜移位进入内质网腔，后继的新生肽链也陆续跨膜进入内质网腔。

  f.合成结束后，核糖体脱离内质网膜，大、小亚基解离，重新游离于细胞质中。大多数信号肽进入内质网腔后，即被信号肽酶切除。

2.蛋白质糖基化 

  附着核糖体上合成的蛋白质在进入内质网腔后，立即被修饰。即将单糖和低聚糖连接到多肽链的氨基酸侧链上，称为蛋白质糖基化。

糖基化必须有糖基转移酶的参与，糖基转移酶的活性位点只存在于内质网和高尔基体腔内。

在rER中，糖链被连接在多肽链中的天冬酰胺残基（Asn)的氨基基团上，故称之为N-连接糖基化。但并非所有的天冬酰胺都能糖基化。

3.内质网腔中蛋白质的其他修饰行为

（1)催化形成二硫键

  二硫键异构酶催化-SH氧化形成-S-S-，使多肽链形成稳定的次级结构。

（2)正确的折叠装配

  内质网腔内有伴侣蛋白，它能协助多肽链正确折叠及蛋白质亚基正确适时装配。

（二)光面内质网的功能

  在特定的细胞内执行特定的功能，

1.脂类合成与运输

  sER中存在胆固醇的合成、激素转化及其它脂类合成的有关酶系。sER是脂类的合成与运输的主要场所。  如肾上腺皮质细胞、睾丸间质细胞和卵巢黄体细胞sER均很发达，呈分支细管或小泡状  膜脂的合成是内质网构建膜的重要步骤。

2.糖原的合成与分解

糖原的分布与sER紧密联系，说明sER与糖原合成有关；sER中有磷酸化酶，糖原分解也有内质网有关。

3.药物代谢与解毒

  sER上存在与解毒作用有关的酶和酶系，集中了多种重要的氧化酶系，如细胞色素P450、NADPH-细胞色素C还原酶等等，许多对机体有害的物质，如药物和毒物等经氧化酶系的作用可以被解毒和转化。

如：给动物服用大量的苯巴比妥，动物肝脏内sER显著增加。

4.与HCl 、胆汁的形成有关

5.在肌细胞中是Ca++贮存场所

可通过释放和回收Ca++调节肌肉收缩。

  以上一些功能在一些细胞的糙面内质网上也可发生。

第二节   高尔基复合体

   一、高尔基体的形态结构

   高尔基复合体是由一层单位膜包围而成的复杂的囊泡系统，电镜下由小（囊)泡、扁平囊和大（囊)泡组成。

  扁平囊（3~10层)外观略呈扁盘状，有凹面和凸面，凸面称为形成面或未成熟面，附近有许多小泡，是从附近内质网芽生而来，将内质网合成的蛋白质运送到高尔基体，故又称运输小泡。凹面称为分泌面或成熟面，附近有许多大泡，为分泌泡。

高尔基体是一个动态平衡的结构。

   高尔基复合体是一种具有极性的细胞器，其扁平囊的两个面在细胞中的朝向是固定的。高尔基复合体的形态变化较大，功能复杂，现在多采用顺面（cis face)相当于形成面（未成熟面)和反面（trans face)相当于成熟面（分泌面)，来描述高尔基复合体的极性。

  通过形态和细胞化学分析，将高尔基体分为膜囊区（致密区)和连接区（非致密区)。连接区是连通各膜囊区的管道网。膜囊区即扁平囊堆，

从顺面到反面还可分为：

（一)顺面管网结构

  由一层膜形成的中空管，并相互吻合连通所形成的网状结构。

（二)顺面囊

   由靠近顺面管网结构的几层扁平囊组成。

（三)反面囊

由2~4层扁平囊组成，越靠近反面，扁平囊上出现的穿孔越多。

（四)反面管网结构

扁平囊靠反面的最后1~2层，呈管状吻合连通的复杂网状结构

二、高尔基复合体的化学组成

  高尔基体的化学组成介于细胞膜和内质网之间，鼠肝细胞的高尔基体约含60%蛋白质，40%脂类。

高尔基体各部分的标志酶为：

顺面管网结构：嗜锇反应

顺面扁平囊：烟酰胺腺嘌呤二核苷（NADP)酶反应

   反面扁平囊：TPP（焦磷酸硫胺素)酶反应

   反面管网结构：胞嘧啶单核苷酸酶反应。

三、高尔基复合体体的功能

Rothman提出  顺面囊：进行磷酸化作用；磷酸转移酶

  中扁囊：将乙酰葡萄糖胺加到蛋白质上；转移酶

  反面囊：对糖链的末端进行修饰；半乳糖转移酶

（一)蛋白质的糖基化及糖链的修饰

蛋白质合成在进入内质网腔后即已进行初步糖基化。随后，糖蛋白在高尔基体中被进一步糖基化和进行糖链修饰，使蛋白质更具多样性，细胞具特异性。 

   连接在蛋白质侧链氨基上（N-连接)的寡糖有两类：

复合寡聚糖：核心为甘露糖；末端有乳糖、唾液酸、岩藻糖残基等

高甘露寡聚糖：只有两个N-乙酰葡萄糖胺和多个甘露醇残基

   许多糖蛋白还通过O-连接糖基化的方式进行修饰，这种方式使将糖基选择性的连接到如丝氨酸或苏氨酸残基侧链-OH基上。

  糖基化的每一种糖基只能由特定的糖基转移酶催化连接。在高尔基体中，不同的糖基转移酶定位于不同区室的扁平囊中，蛋白质按顺序通过这些区室逐步转运的过程中被扁平囊

中特定的酶依次切除或连接上糖基，使最后的成熟糖蛋白上的糖链有特定的次序，从而实现糖蛋白的多样性和特异性。

（二)蛋白原的水解

  许多蛋白质产物刚从内质网合成时是分子较大的蛋白原，蛋白原必须在高尔基体中水解切除部分肽段或修饰成为成熟的分泌蛋白。

  如胰岛素。刚合成的称前胰岛素原，在内质网腔中切除信号肽，成为胰岛素原（86个氨基酸)。再运送到高尔基体通过特异的蛋白酶切除C肽段，使之成为独立的A肽段和B肽段，组成有活性的胰岛素（51个氨基酸)。

（三)蛋白质的分拣与运输

1.溶酶体酶蛋白的分拣运输与溶酶体的形成  

在顺面囊中溶酶体的酶蛋白上的甘露糖被磷酸转移酶催化而成为6-磷酸甘露糖，而6-磷酸甘露糖可保护溶酶体酶蛋白上的甘露糖基，在高尔基体不同区室运输过程中免遭切除。

6-磷酸甘露糖作为一种化学信号被位于反面囊内的膜镶嵌受体识别结合，使溶酶体酶蛋白因此而选择性富集，并在反面管网结构被膜包装出芽脱落，形成内体性溶酶体。

  在酸性条件下，6-磷酸甘露糖与受体分离，受体形成空泡，返回到高尔基体反面管网区域或细胞膜上。

  6-磷酸甘露糖与受体分离后即被去磷酸化成为甘露糖

2.分泌蛋白的分拣运输

细胞的分泌蛋白种类很多，一些分泌蛋白通过基本分泌途径形成小泡持续不断的通过胞吐作用分泌到细胞外，这种方式又称连续分泌。如胞外基质中的糖蛋白、蛋白质类激素和各种酶类；

特殊的分泌细胞还可将分泌物质以很高的浓度储存在分泌泡中，暂时存留在细胞质，当受到一定的条件刺激时才释放到胞外，这种方式称为调节分泌，或称调节分泌途径。如消化酶的分泌。

当蛋白质从高尔基体以出芽方式形成小泡时，小泡外表面常出现笼形蛋白被，成为有被小泡，其作用是介导跨膜受体的选择性运输。

  另外，从内质网到高尔基体扁平囊之间有被小泡是非选择性运输。

第三节 溶酶体（Ly)与内体

  溶酶体是从高尔基体以出芽方式形成的，为直径很小的囊状小体，内含多种酸性水解酶，可以消化多数外源性和内源性物质。

一、溶酶体的结构

  溶酶体是一层厚约6nm的单位膜包围而成的囊泡状结构，多呈圆形或椭圆形囊泡，大小不一。溶酶体内容物有较高的电子密度，故较容易将溶酶体与其它细胞器区分开来。

图：光镜下的内皮细胞：绿色荧光定位溶酶体、红色显示线粒体

二、溶酶体的酶

内含60多种水解酶。大多为酸性水解酶，最适PH在4~6。这些酶可分为六大类：蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、脂酶、磷酸酶、硫酸酶等。可将蛋白质、脂肪、多糖、核酸等物质水解成能被细胞重新利用的小分子物质，从而为细胞的代谢提供原料。

   但是不同类型的细胞的溶酶体中所含酶的种类和数量是不同的，相同类型细胞的不同溶酶体所含的酶也不尽相同。

   溶酶体膜标志酶：酸性磷酸酶。

三、溶酶体的类型

   根据溶酶体的功能状态以及溶酶体中是否含有被水解的底物，通常将溶酶体分为初级溶酶体、次级溶酶体和残余小体。

（一)初级溶酶体

初级溶酶体是刚从高尔基体出芽形成的内含多种水解酶的含酶小体，此时小泡缺乏被水解的底物，小泡内的酶亦无活性。

   初级溶酶体的形成是一个以甘露糖-6-磷酸为化学信号的、受体介导的选择性包装过程。

（二)次级溶酶体

初级溶酶体在细胞质中与含被水解底物的小泡融合，从而时水解酶激活，开始水解，此时的溶酶体就称次级溶酶体。

  在水解的过程中，溶酶体膜上的质子泵通过利用水解ATP释放的能量向溶酶体内泵入大量H+，以维持水解酶所需的pH为5.0的酸性环境。

根据底物的来源和种类，含底物的小泡可分为三类：

1.内体或称内吞体：是通过内吞作用摄入胞外大分子物质形成的；

2.自噬体：是细胞内由来自内质网膜包围衰老或已不需要的细胞器和细胞器碎片形成的；

3.吞噬体：是特殊细胞如巨噬细胞和中性粒细胞吞噬大颗粒或微生物及异体细胞时形成的。

（三)残余小体

消化过程中，一些物质无法消化，或由于细胞衰老，水解酶活性下降，致使一些底物不

能完全被水解而残留在溶酶体内，这种含有残余底物的溶酶体称为残余小体。有些残体能通

过胞吐作用将残余物质排出胞外，有些则长期驻留于细胞中不被排出，如脂褐质等。

四、内体与溶酶体

内体或内吞体是细胞膜通过内陷、出芽形成的特殊酸性囊泡，与细胞的内吞作用以及溶酶体的形成、发育和成熟有关。

根据其与溶酶体的关系，可将内体分为两种形式：早期内体和晚期内体。

五、溶酶体的功能

（一)消化作用

1.异噬作用

溶酶体对细胞外源性物质的消化作用称为异噬作用。

   细胞的异噬作用既可以消化外界物质获取营养，又可以消除异体物质进行机体防御，是细胞利用外源物质和构成防御屏障的重要形式。

2.自噬作用

细胞内因生理或病理而被破坏、损伤或衰老的细胞器通过形成自噬体，并被溶酶体消化，溶酶体的这一功能即自噬作用。

   溶酶体本身也可以相互吞噬（溶噬)，以降解过剩的溶酶体。   细胞在饥饿状态下通过溶酶体的自噬作用消化部分自身物质，可以维持细胞生存避免整个细胞死亡。

  在衰老和病理状态下，细胞也会发生自噬作用，这是一种病态反应。

3.分泌自噬

溶酶体对细胞内分泌颗粒的吞噬作用称为分泌自噬。

在分泌细胞中，溶酶体可与一部分分泌颗粒融合，然后将这些分泌颗粒降解。

  如哺乳动物的母体中断哺乳时，乳腺细胞内的乳汁颗粒可以通过上述作用而重新利用。

（二)自溶作用

  如细胞内溶酶体膜破裂而使消化酶释放到细胞质中将导致细胞本身被消化，这就是细胞的自溶作用。

正常机体个体发育过程中，组织器官的形成是由基因的特殊程序控制的，在这一过程中溶酶体起重要作用。例如蝌蚪变成蛙时尾部的消失。

非正常生理下，如动物机体死亡后细胞溶酶体

膜迅速破裂导致机体的迅速腐烂。

病理状态下，溶酶体膜破裂造成的细胞自溶作用也很常见。如类风湿。

（三)胞外消化

溶酶体也可以通过向胞外释放酶蛋白而消化胞外物质。

   如精子的顶体，释放水解酶，消化卵外膜的滤泡细胞，使精子顺利进入卵细胞。

   另外，破骨细胞也是通过将溶酶体中的酶释放到细胞外而产生骨质溶解作用的。

六、溶酶体与人类疾病

（一)溶酶体与职业病

  矽肺是工矿企业工人的职业病，由于长期吸入二氧化硅（SiO₂)粉尘，硅尘被巨噬细胞吞噬，形成吞噬体，并与溶酶体结合形成吞噬溶酶体。二氧化硅在溶酶体中无法消化而聚集形成硅酸。硅酸使溶酶体膜破裂，引起巨噬细胞死亡，诱导成纤维细胞增生，形成矽肺。

（二)先天性溶酶体病

  先天性溶酶体病：是指遗传因素导致溶酶体缺乏某种酶，致使相应底物不能被消化而蓄积在溶酶体中导致的代谢障碍性疾病，又称为贮积性疾病。

已知有40多种先天性溶酶体病。由于特定的酶缺乏或不能正常行使其功能，导致相应的底物不能被消化而蓄积于次级溶酶体内，大量含有蓄积底物的次级溶酶体积累造成细胞溶酶体过载，影响了细胞及胞内溶酶体的正常功能，引起疾病。

? 如Ⅱ型糖原蓄积症即是先天性溶酶体病。此病是由病人体内细胞溶酶体缺乏α-1,4-葡萄糖苷酶，使糖原分解无法正常进行，大量糖原蓄积于溶酶体，由此而导致多个器官功能受损。

第四节   过氧化物酶体

  过氧化物酶体又称微体，是一层单位膜包裹而成的囊泡状细胞器，普遍存在于真核细胞中。

  过氧化物酶体内含多种氧化酶，如尿酸氧化酶、D-氨基酸氧化酶、过氧化氢酶等。

  植物中有很多微体，如乙醛酸循环体。

过氧化氢（H₂O₂)是细胞中物质氧化产生的副产物，它对细胞有一定的毒害作用。过氧化氢酶可将细胞内多余的H₂O₂消化还原成水和氢。起解毒作用。

 过氧化氢酶是过氧化物酶体的标志酶。

   RH₂ + O₂  → H₂O₂

   H₂O₂ + R'H₂ → R' + 2H₂O

思考题

１、何谓内膜系统，包含哪些细胞器？

２、简述内质网的形态、分类及功能。

３、简述高尔基体的形态、结构与功能。

４、细胞中的溶酶体有几种类型？溶酶体有几种消化功能？每一种消化的特点如何？

５、试述内质网、高尔基体、溶酶体三种细胞器在结构和功能上的相关性。

6、试述酶蛋白合成后在内膜系统中的加工及运输过程。

第五章  细胞骨架系统

细胞骨架（cytoskeleton)：真核细胞内由微管、微丝、中间丝等蛋白纤维组成的网状结构系统。

   这些网络结构对细胞的形态结构、运动、物质运输、信息传递及增殖与分化等都有重要作用。

Kolzoff(1928)提出细胞骨架概念。

Shanterback(1963)在水螅细胞中发现微管。

   目前，细胞骨架研究已进入分子水平。

图：光镜下细胞骨架：红色荧光显示微丝 、黄色显示微管、

兰色显示细胞核。

图：电镜下显示微丝

第一节 微管

  分散在细胞质中（多数细胞)，存在于所有真核细胞，

  胞内呈网状或束状分布、平行成束排列（神经细胞)、

或排列为一定的几何图形样结构（中心粒、鞭毛、纤毛)。

一、微管的形态结构和存在形式

  图：中空、管状纤维，外径24~26nm，

内径15nm，管壁厚5nm，长短不一。

1.结构：

微管蛋白α、β亚基聚合成异二聚体，异二聚体相连排列而成原纤维。

2.存在形式

单管：质膜下的微管，不稳定

二联管：鞭毛、纤毛的杆部，稳定

三联管：中心粒、鞭毛、纤毛的基体部，稳定

二、微管的分子组成

   微管主要由微管蛋白构成，包括微管  蛋白α、β、γ。

   α、β微管蛋白占微管总蛋白量80~95%，通常以α、β异二聚体存在。

   γ微管蛋白存在于微管组织中心（微管装配始发区域，微管极性的确定及在细胞分裂中起作用)。

三、微管的组装及调节

（一)微管的体外装

装配条件：α、β异二聚体达临界浓度(约1mg/ml)，有Mg2+、无Ca2+、pH6.9、37℃，GTP提供能量。

   （+)装配快 （－)装配慢。

     踏车运动：一定条件下，

   （+)组装  （－)去组装。

   图：Characteristics of MT assembly

（二)微管的体内装配

   遵循体外装配规律，还受严格时间、空间控制。

   时间控制：如纺锤丝微管的聚合与解聚发生在细胞分裂期，这是生命活动的特殊时刻。

   空间控制：微管组织中心，微管装配的特殊始发区域，包括中心体、基体、动粒

   正常生理状态下，装配先由微管组织中心开始。

微管组织中心：活细胞中，微管组装时，总是以某部位为中心开始聚集， 这 个中心称为微管组织中心,包括中心粒、 星体和动粒等。

微管组织中心决定细胞微管的极性，微管的负端指向微管组织中心，正端离开微管组织中心。

γTuRC存在于微管组织中心，就像一颗种子，成为更多异二聚体结合上去的核心，微管从此生长、延长。

? 图：MT are nucleated by a protein complex containing ?-tubulin

（三)微管装配的调节

   体内微管蛋白的合成是可以自我调节的多余的微管蛋白单体结合于合成微管蛋白的核糖体上，导致微管蛋白mRNA降解。

   微管在体内的装配和去装配，在时间和空间上高度有序。

   如：细胞分裂期微管的装配、去装配。

   γ微管蛋白或γTuRC中的某些蛋白质被磷酸化，从而打开γTuRC组织形成微管的能力。

（四)微管敏感的药物

  紫杉酚（加速聚合)

  秋水仙素（解聚)

  长春碱（抑制聚合)

  nocodazole（阻断聚合)等

四、微管结合蛋白

  微管结合蛋白：一些同微管结合的辅助蛋白，总与微管共存，参与微管装配，是微管的结构和功能所必需的成分。

（1)碱性的微管结合区域：与微管结合，加速微管成核作用。

（2)酸性的突出区域：以横桥的方式与其他骨架纤维相连接。

高等生物的微管结合蛋白有：

   MAP1：

   MAP2：使微管成束时保持较宽的间隔。

   MAP4：

   Tau：  使微管成束时紧密。

五、微管的主要功能

（一)构成细胞内的网状支架，支持和维持细胞形态

（二)参与中心粒、纤毛和鞭毛形成

1、中心粒：

  9组三联管围成圆筒状结构。动物细胞中主要的微管组织中心。

  中心粒为成对存在且相互垂直短筒状小体。

  每个短筒状小体由9组三联体微管斜向排列呈风车状排列而成，为(9*3)结构

2、纤毛

3、鞭毛

（三)维持细胞内细胞器的定位和分布

  使内质网在细胞质中展开分布，使高尔基体靠近细胞核，染色体向两极移动等。

（四)为细胞内物质运输提供轨道

  细胞内物质的定向运送，特别是膜泡运输，与微管的存在有关。例如神经递质、细胞分泌颗粒、色素颗粒及线粒体的快速运动都是沿微管进行的。

  马达蛋白：胞质动力蛋白、驱动蛋白

图：马达蛋白

第二节  微丝

一、微丝的形态结构和存在形式：

图：光镜下绿色显示肌动蛋白

二、微丝的分子组成

G肌动蛋白（肌动蛋白单体，呈哑铃形)

   ATP（或ADP)

   Mg2+和K+或Na+

F肌动蛋白（丝形肌动蛋白)

肌动蛋白分子球形，直径为2-3nm，有三类，即?、?、?，有极性。?单体存在于肌细胞中；?和?单体存在于非肌细胞中。

图：肌动蛋白分子结构

肌动蛋白纤维：

“T型”纤维：倾向于组装。与ATP结合

“D型”纤维：倾向于去组装。与ADP结合

   鬼笔环肽抑制微丝解聚，稳定肌动蛋白纤维；

   细胞松弛素抑制肌动蛋白的聚合。

三、微丝的组装及其调节

极性组装：组装速度快的一极为正端，组装速度慢的为负端。

在一定条件下，微丝正端组装，负端去组装，表现出踏车现象。

微丝体内装配有成核作用。

微丝装配受ATP、Ca2+、Na+、K+、功能、外部信号影响。

四、微丝结合蛋白

（一)肌细胞中的微丝结合蛋白

1、原肌球蛋白：由两条平行的多肽链形成的

螺旋结构，长约40nm，位于肌动蛋白纤维的螺旋沟内。

2、肌钙蛋白：是一种特大的球蛋白，由3个亚基组成。

3、肌球蛋白：是一种收缩蛋白，有多种类型。

图：球形单体 G-肌动蛋白的两个亚基

肌球蛋白常聚合为两极纤维

（二)非肌细胞中微丝结合蛋白

   有 40多种，主要与微丝装配及功能有关。大多以简单的方式与肌动蛋白相结合，形成多种不同的亚细胞结构，并具有多种功能。

  如：血影蛋白、绒毛蛋白。

五、微丝的主要功能

（一)支撑作用

  1、形成应力纤维

  2、支持微绒毛

（二)参与细胞运动

  1、变形运动

  2、细胞分裂

  3、肌肉收缩

（三)参与胞内信息传递

图：Thick and thin filaments sliding model

图：Excitation-contraction coupling process

第三节  中间丝

中间丝直径直径8~10nm，介于微管和微丝之间，也称中间纤维、中等纤维。是细胞骨架的一种主要成分在细胞构建、分化等多种生命活动中起重要的作用。

一、中间丝的形态结构和分布

中空管状结构

结构极稳定

分布具有高度的组织特异性。

二、中间丝的化学组成和分类

（一)化学组成  

中间丝蛋白是一个多基因家族、具高度同源性，化学性质各不相同，结构上具有多形性，受发育阶段的调节。

头部：位于N-末端，非螺旋结构，球形区域；

杆部：四段高度保守α螺旋形成的超螺旋；

尾部：C-末端球形区域。

（二)分类

1、角蛋白纤维：上皮细胞、毛发、指甲。

2、神经元纤维：神经元轴突等。

3、波形蛋白样纤维：间质细胞、肌肉细胞、胶质细胞等。

4、核纤层蛋白：细胞内层核膜。

三、中间丝的组装及其调节

组装：

   (1)二聚体（两相邻亚基对应α螺杆区形成双股超螺旋)。

   (2)四聚体亚单位（指向相反的超螺旋二聚体交错排列而成)。

   (3)八聚体原纤维（四聚体组装成)。

   (4)中空管状中间丝（八聚体疏水侧面相互作用组装成中空管状的中间丝)。

图：IFs assemble from fibrous subunits

调节：

  中间丝组装、去组装机制不清楚，正常条件下，蛋白质磷酸化调节中间去组装。

中间丝装配的特点：

①α螺旋是反向平行排列，两端对称，无极性；

②遵循半分子长度交错原则进行装配；

③蛋白纤维可形成同种聚合体或异种聚合体；

④体外装配无需其他物质参与；

⑤中等纤维蛋白绝大部分装配成中等纤维；

⑥中间丝头尾非螺旋区起稳定中间丝和连接其他结构的作用，是中间丝组装毕不可少的。   

四、中间丝结合蛋白

非中间丝组成蛋白，但在结构和功能上与中间丝有密切联系。如：

  使角蛋白成束的filaggrin，

  使波形蛋白成束的plectin。

 另外还有MAP2、血影蛋白、ankyrin、desmoplakin

 五、中间丝的功能

（一)细胞内支撑作用

（二)参与相邻细胞间、细胞与基膜间的连接

（三)参与细胞内信息传递及物质运输

（四)与细胞分化有关

图：Summary: Cytoskeletal functions

微管、微丝、中间纤维的比较

   微管   微丝 中间纤维

组成  微管蛋白  肌动蛋白  角蛋白、结蛋白、  

   微管相关蛋白 微丝结合蛋白 波形蛋白、

  胶原纤维蛋白

  神经丝蛋白

直径  20-30nm 6-7nm 7-11nm

结构  管状 双螺旋状 管状

组装能量 GTP  ATP 无

作用因素 秋水仙素   细胞松驰素   秋水仙素

  鬼笔环肽 胰酶

 功能 细胞支架、 支架、 细胞器定位等

   运动等  胞内运输等  

细胞骨架与疾病

1.男性不育

2.老年痴呆

3.进行性肌萎缩

第六章  核糖体

   核糖体是由rRNA和蛋白质组成的复合生物大分子。

   核糖体是细胞中合成蛋白质的场所。

图：电镜下显示内质网腔和表面附着核糖体

第一节  核糖体的一般特征

一、核糖体的种类

   原核细胞核糖体：70S（50S+30S)

   真核细胞核糖体：80S（60S+40S)

  细胞质核糖体  

  叶绿体核糖体

  细胞器核糖体

  线粒体核糖体

 沉降系数：是衡量物质在离心力作用下沉降的速度，一般以S单位来表示。

 核糖体的数量与细胞的功能密切相关。

原核细胞约有16×103个核糖体。

真核细胞约有1×106个核糖体。

蛋白质合成旺盛的细胞中核糖体的数量就多。

二、核糖体的形态大小

形态大小不规则颗粒状,直径15～25mm，无膜包被(非膜性细胞器)。

大、小亚基以特定形式聚合成功能性的核糖体。

   核糖体合成蛋白质时，大小亚基必须结合成完整核糖体。

   大、小亚基分散于细胞质中――非功能态；

   大、小亚结构结合，游离于细胞质中或附着于内质网上----功能态。

图：细胞中核糖体的存在形式：

  游离核糖体   游离于细胞质基质。

  附着核糖体   附着于内质网上。

三、核糖体的化学组成

  rRNA 60%

  蛋白质40%

原核细胞   真核细胞

核糖体   70s  80s

亚基 50s+30s   60s+40s

rRNA   5s、16s、23s 5s、5.8s、18s、28s

蛋白质  55种（34+21)  83种（50+33)

四、核糖体的聚合与解聚

  Mg2+浓度1~10mmol/L，大小亚基聚合

成单核糖体；

  Mg2+浓度<1mmol/L， 单核糖体解离

   成大小亚基；

  Mg2+浓度>10mmol/L，2个单核糖体 

   结合成二聚体。

 多聚核糖体：多个核糖体同时结合在一个mRNA分子上。  

第二节  核糖体的结构和功能

  一、核糖体的结构

（一)rRNA结构

  核糖体中，单链rRNA分子的自身碱基相互配对，形成双链配对区。配对区呈干状，并以链内氢键结合成螺旋状；非配对区呈环状或泡状，与配对区相间排列，形成特定次级结构，在此基础上，rRNA再进一步折叠成特定空间结构。

图： rRNA一级结构由1542个核苷酸组成。

1、5’结构域：1~556个核苷酸；

2、中心结构域：557~918个核苷酸，是与蛋白质结合的部位；

3、3’结构域：920~1396个核苷酸，位于小亚基的头部；

4、第四结构域：1409~1491个核苷酸，靠近小亚基的裂口处

（二)蛋白质在核糖体结构中的地位

核糖体中，蛋白质亚基的位置是特定的，决定于：

①蛋白质与rRNA特殊的识别和结合关系， ②与蛋白质的作用有关。

核糖体空间结构中，rRNA和蛋白质的对应关系取决于：

①rRNA的核苷酸序列、空间结构；

②蛋白质氨基酸种类、顺序、空间结构。

（三)核糖体的重要活性部位

1、mRNA结合位位于小亚基上与mRNA结合

2、氨酰tRNA结合位（A位或受位)大亚基上，接受氨基酸―tRNA位

3、肽基tRNA结合位（P位或给位)小亚基上，释放tRNA位

4、转肽酶部位：大亚基上，催化肽键形成

5、中央管与出口位：大亚基上，新生肽链出口位

6、GTP酶位：大亚基上， 移位A ?P

7、内质网膜附着位点及其他酶和相关因子结合位点：

二、核糖体的功能

合成蛋白质的机器

   游离核糖体合成细胞本身所需结构蛋白，如细胞内代谢酶、红细胞内血红蛋白、肌细胞的肌动蛋白等。

   附着核糖体合成分泌蛋白，如激素、抗体、酶类等， 溶酶体酶也是附着核糖体合成的。

（一)rRNA的功能

   rRNA在核糖体构建和功能执行（主要为蛋白质合成)上占主导地位。  

1、rRNA在核糖体形态构建中的作用

  在核糖体形态构建过程中，rRNA起骨架作用，

  蛋白质依其与rRNA特定碱基序列识别，定位在特定的空间位置 。

2、rRNA在蛋白质合成中的作用

 (1)与mRNA相互作用

 (2)与tRNA相互作用

(3)在核糖体大小亚基联合中的作用

 (4)rRNA参与催化肽键形成

核酶：具有催化生化反应能力的RNA。

（二)核糖体蛋白质的功能

   在蛋白质合成过程中起间接、辅助作用 。

核糖体的形成

形成位置：核仁

形成过程：核仁组织中心的rDNA为rRNA基因，rDNA转录形成rRNA；

蛋白质由胞质经核孔进入核仁区，与rRNA组装为大、小亚基，再经核孔进入胞质。

第七章  线粒体

? 线粒体（单数mitochondrion，复数mitochondria)在真核细胞普遍存在是细胞内转能、贮能和放能中心，细胞生命活动所需能量80%以上，由其提供，常被喻为“动力工厂”。

? 1894年，Altmann用光学显微镜发现胞内杆状、颗粒状结构，称为原生粒。

? 1897年，Benda用结晶紫染色，观察到线状、颗粒状细胞器，称为线粒体。

? 1900年，Michaelis用詹纳斯绿染色，证明线粒体是氧化还原场所。

? 1948年，Hogeboom分离出线粒体，证明线粒体是细胞呼吸部位。

? 1963年，Nass在鸡卵母细胞发现mtDNA。

第一节  线粒体的形态结构及分布

 一、线粒体的形态、大小及数目

（一)线粒体的一般形态

光镜下，线粒体的形状多种多样，有粒状、杆状、圆形、哑玲形、星形、“丫”形，以粒状、杆状为最多。

  细胞种类不同，生理状况不同，则线粒体形态各异。

  线状 粒状

   短  长（生长)

图：渗透压变动引起线粒体性状和大小的改变

图：从细胞的立体结构看线粒体的形态

短棒状或小球状

（二)线粒体的大小和数目

? 线粒体的大小

? 一般直径为0.5~1.0μm，长2~3μm，最长可达10μm。

?  线粒体数目

? 不同细胞、不同组织线粒体数目不同，其范围在1万~50万个； 一般地，生理活动旺盛的细胞线粒体要比代谢不旺盛细胞线粒体数目多。

不同细胞中数目不同，约1--50万个不等。

二、线粒体的分布

? 线粒体在胞内分布有一定规律性，常位于需能较多的部位。

? 如：肾小管细胞、肌细胞的肌原纤维、精子的尾部等。

三、线粒体的超微结构

? 电镜下，线粒体是两层单位膜围成的、封闭的囊状结构。

? 主要由  外膜、内膜、膜间腔、基质四部分组成。

线粒体的结构——超微结构

  （一)外膜：均厚5.5nm，由整齐圆柱状蛋白组成，有多种转运蛋白形成通道，10KD以下的物质可通过。

  （二)内膜：厚约4.5 nm，通透性小，具高度选择通透性。膜蛋白丰富，且形成许多呼吸链。

  嵴：内膜内折形成许多指状突起。

  基粒（ATP酶复合体)：内膜上的颗粒状结构。

ATP酶复合体 能催化ADP→ATP，属跨膜蛋白。

? 1、F1因子：位于头部，按3α：3β：1γ：1δ：1ε比例组成，催化ATP合成（须头+柄+基片相连)。

? 2、ATP酶调节成分：①F1抑制蛋白  位于头部上缘，与F1因子结合，抑制ATP合成（反馈调节)。②寡霉素敏感性授与蛋白  位于柄部，阻断ATP合成。③蛋白F6  位于柄部，F0和F1结合必需蛋白。

? 3、F0因子 位于内膜，按1a：2b：12c单位比例组成，内膜质子通道。

   （三)膜间腔：也称 嵴内腔（外腔)－ 内膜与外膜之间的腔隙。含许多酶类、底物、辅助因子。内外膜紧密接触处称接触点，为线粒体蛋白的入径处。

   （四)基质（内腔、嵴间腔)：内膜所围的内部空间，含三羧酸循环、脂肪酸氧化等有关的酶及线粒体DNA、rRNA、 tRNA等。

第二节  线粒体的化学组成及酶的定位

一、线粒体的化学组成 

（一)蛋白质

?   蛋白质分布与线粒体功能活动有关。  

?    ①可溶性蛋白酶、周围蛋白；

?    ②不溶性蛋白膜蛋白。

?（二)脂类

?   磷脂占90%左右，含丰富心磷脂和少量胆固醇。内外膜蛋白质/脂类比例不同。

二、线粒体中酶的定位

?    含多种酶，已确认120余种。

第三节  线粒体的功能

? 线粒体是细胞氧化场所，线粒体能进行内外物质交换、可参与多种生命现象形成。

? 细胞氧化：在酶的催化下，细胞将供能物质（氨基酸、脂肪、糖等)氧化并释放能量的过程。又称细胞呼吸（消耗O2，放出CO2，H2O)。

细胞氧化过程

一、糖酵解。

二、乙酰辅酶A生成。

三、三羧酸循环。

四、电子传递和氧化磷酸化偶联。

   通过糖酵解、乙酰辅酶A生成、三羧酸循环、氧化磷酸化，一分子葡萄糖 →→→ 38（或36)分子ATP，其中仅2分子ATP在线粒体外形成。

? 电子传递和氧化磷酸化

? 一分子葡萄糖经无氧氧化，丙酮酸脱氢和TAC

? 循环共产生6分子CO2和12对H，这些H必须进一步氧化成为水,整个有氧氧化过程才能完成。但H并不能与O2直接结合, 一般认为H必需首先解离为H+和e-, 

? 电子经过线粒体内膜上酶体系的逐级传递最终使1/2 O2成为O-，后者再与基质中的2个H+化合生成H2O。这一传递电子的酶体系是一系列能够可逆地接受和释放H+和e-的化学物质所组成，它们在内膜上有序地排列成相互关联的链状称为呼吸链。

? 氧化磷酸化：经糖酵解和三羧酸循环产生的NADH和FADH2是两种还原性的电子载体，它们所携带的电子经线粒体内膜上的呼吸链逐级传递给O2并将H+从线粒体基质泵入膜间隙，这在膜间隙和基质间产生了H+质子梯度，当H+通过ATP合成酶装置进入基质时，可使ADP分子与磷酸基团合成ATP。

?    ADP+Pi →ATP

第四节  线粒体的遗传与半自主性

? 线粒体的半自主性可自我复制、转录和翻译。

线粒体自主性   有其特殊的蛋白质合成系统。

    有其特殊的物质转运系统。

? 线粒体非自主性：mtDNA信息量小，只能合成约10%的内膜蛋白，线粒体内90%以上酶及结构蛋白为核基因组蛋白。

图：线粒体的遗传

?   mtDNA具遗传性。线粒体遗传属母系遗传。

一、线粒体DNA的结构特点

?    在真核细胞中，线粒体DNA大多为双链闭环分子，裸露。

? 外环为重链（H)，

? 内环为轻链（L)。

?   一个线粒体内可有1个或几个mtDNA分子 。

? 人mtDNA  全长16569bp

?   2个rRNA

? 编码   22个tRNA

?   13种蛋白质

? 其特点是：基因排列紧凑，无内含子

? 线粒体DNA也是以自身为模板，进行半保留复制；

? 线粒体DNA聚合酶是核基因编码的；

? 线粒体DNA的复制与核DNA的复制是不同步的，它不限于S期，可延续在整个周期；

? 线粒体DNA具有其独特的遗传密码，即启始密码不同、终止密码不同、有些氨基酸的密码也不同。

二、线粒体的蛋白质合成与运输

? 线粒体的蛋白质

? 线粒体内有百余种蛋白，它本身仅能合成10%左右，其余属于核基因决定的线粒体蛋白。

核基因决定的蛋白进入线粒体的方式：

? ①少数蛋白直接插入接触点，进入线粒体后，沿内膜移动。

? ②多数蛋白合成后，在肽链N-端连接引导肽，引导肽和线粒体膜结合，跨膜运输。

? 引导肽（引导序列)：一段可引导蛋白质进入线粒体并使其定位的氨基酸序列，连接在进入线粒体蛋白肽链的N-端。

?    线粒体外膜上有：

?    与蛋白质跨膜转运有关的受体

?    插入蛋白

?    线粒体蛋白前体上含：

?    引导肽

?    停止转运肽。

? 核基因决定的线粒体蛋白，在跨膜移位前必须转变为折叠状态，才能顺利穿膜，穿膜后，又须恢复相应折叠，方可发挥功能。

? 分子伴侣可协调、伴随目的蛋白跨膜移位，参与目的蛋白的解折叠和重折叠。

? 线粒体的起源  

?   1．内共生假说

?   细菌被原始前真核细胞吞噬未被消化，反而与前真核细胞共生，最终演化为线粒体。

?   2．分化假说

? 原始的原核细胞的细胞膜内陷分化而成。

第五节 线粒体与医学

   线粒体是一敏感的细胞器,可随细胞代谢状况而发生变化，与医学有一定关系。

一、线粒体作为疾病诊断和环境因素测定的指标：

  缺血--内室浓缩、外室扩大、

  体积增加、凝集、肿胀

  低渗--颗粒化、肿胀

  辐射--缺嵴、空化

  肿瘤--线粒体数目减少

? （一)线粒体与肿瘤

? 肿瘤组织代谢的特点是无氧酵解，肿瘤细胞呼吸减弱，其线粒体较相应组织为少，线粒体内嵴减少，电子传递酶系及ATP酶含量减少。  致癌物质易与线粒体DNA结合，使线粒体DNA发生突变。

? （二)线粒体对缺血性损伤的反应

? 当机体组织和器官缺血时，细胞内氧压即下降，线粒体失去呼吸控制；缺血在1小时之内，线粒体内室浓缩、外室扩大、体积增加；持续缺血线粒体发生凝集、肿胀、基质成分变性，以致解体消失。

? 二、药物或毒物对线粒体的作用

  一氧化碳中毒（缺氧、呼吸链受阻)

   氰化物中毒（分子小、扩散快、与细胞色素氧化酶结合，阻断电子传递)

? 三、线粒体DNA突变与疾病

? 主要累积神经、肌肉系统。

 如：KSS 综合症：眼肌麻痹、小脑、心脏异常。

   MELAS 综合症：中风样发作、癫痫、痴呆。

   Leber’s遗传性视神经病：视神精坏，中内视力消失。

线粒体心肌病：心力衰竭、全身肌无力伴水肿等、周围视力存在。

帕金森病：震颤性麻痹，痴呆等。

? 线粒体遗传的特点：母系遗传

? 遗传瓶颈：指卵母细胞发育到成熟的卵细胞时，线粒体的数目从105个锐减到少于100个的过程。它可以使突变线粒体DNA不能传下去。

? “阈值”效应：指突变的线粒体DNA在某一特定的组织中储存的数量达到某一数值时，才影响到细胞的功能导致疾病。

? 四、线粒体与衰老

? 线粒体DNA突变或缺失，可引起细胞氧化作用受损，氧自由基量加大，随即线粒体损伤也加大，这些损伤与几种退化性疾病，如帕金森病、早老性痴呆症等衰老现象均有关系。

? 由于线粒体DNA的损伤不易修复，通过溶酶体的自噬作用所清除的异常线粒体有限，造成携带受损DNA的线粒体随年龄逐渐积累。

? 五、线粒体与细胞凋亡

? 细胞凋亡：是一种由基因控制的细胞自杀性死亡过程。细胞凋亡的特征表现为细胞体积收缩、染色体凝集、DNA片段化、核膜崩解、磷脂酰丝氨酸的外翻等，机体无炎症反应。

? 线粒体是细胞凋亡的执行者。实验表明，在凋亡早期阶段（5小时内)，仅能观察到线粒体DNA降解，而细胞核DNA不发生改变。

? 六、线粒体疾病的基因治疗

? 由于线粒体疾病的异质性和技术上的很多问题，到目前没有有效的治疗方法。一般常使用抗氧化剂治疗，协同因子的替代物和营养物质支持疗法。

? 目前，针对线粒体DNA突变主要有三个基因治疗方案。

? 1.采用基因打靶的方法，使反义寡核苷酸定位于线粒体内。

? 2.采用基因打靶的方法，让定位于线粒体内的外源DNA执行突变的线粒体DNA的功能。

? 3.将外源DNA通过基因打靶定位于细胞核中。

第八章  细胞核

  Leeuwenhoek(1674)发现细胞核。

  R.Brown（1831)为细胞核命名。

细胞核是遗传物质储存、复制和转录的场所，是细胞生命活动控制中心。

细胞核的出现是生物进化史上一极重要的转折点。原核细胞与真核细胞最主要的差别在于无完整的细胞核。

细胞核的形状一般与细胞的形态相适应。

细胞核形态结构在细胞周期不同阶段，变化很大。

细胞核的大小、位置和数目常因细胞的类型不同而有很大差异。

真核细胞通常只有一个细胞核，但肝细胞、软骨细胞、破骨细胞、肾管细胞、肠系膜间皮细胞等可有几个到多个核。

第一节  细胞核的化学组成与结构

  一、细胞核的化学组成

（一)核酸

   DNA（DNP)、RNA（RNP)。

（二)蛋白质

   组蛋白、组蛋白。

（三)其他

   少量脂类、水和无机盐。

 核蛋白质

 组蛋白：结构稳定，含量恒定，DNA/组蛋白（1：1)。

 非组蛋白：（含参与DNA复制和转录等的酶30余种)

有种属和组织特异性。

二、细胞核的显微结构与亚显微结构

光镜下，细胞核含核膜、核仁、染色质、核液。

电镜下，细胞核的结构精细、复杂。

电镜下细胞核（兰色)

（一)核膜

核内膜

核外膜

核周间隙

核孔、核孔复合体

核纤层

1、内外层核膜与核周间隙

   内外核膜均为单位膜，厚约7.5nm。

   核内膜与外膜平行排列。

   在核孔处，核内、外膜互相融合。

   细胞分裂前期，核膜快速崩解成水泡，分裂末期，水泡又融合成新的核膜。

2、核孔与核孔复合体 

   核孔是细胞核-质物质交换结构。

 核孔的直径70nm。10~60个核孔/1μm2核膜。核孔占核表面积的5%~38%。分化低，合成旺盛细胞，核孔数目多。

电镜下的核孔（内外核膜及核孔)

核孔复合体

（1)8个柱状亚基  沿核孔膜紧密排列，形成核孔壁。

（2)8个环形亚基：分布于核孔壁中间部位。

（3)腔内亚基：大型跨膜糖蛋白，锚定核孔复合体。

（4)环孔亚基：位于核孔内、外核膜侧。

核孔复合体中央是一条直径9nm、长15nm圆柱形含水通道，可允许水溶性物质出入核与胞质之间，对大分子物质运输具选择性。

3、核纤层

核纤层：纤维状网络结构，由纤维蛋白组成，位于内层核膜靠核质一侧。

核孔复合体内层与核纤层连接。

核纤层功能：支持核膜，固定核孔作用。

   为染色质提供附着位点。

   对分裂期细胞核膜的崩解和重组起调控作用（核纤层蛋白的磷酸化和去磷酸化过程)。

4、核膜的主要功能

（1)包围核物质形成特定代谢环境。

（2)将RNA合成与蛋白质合成分开。

（3)沟通细胞核、质间物质交流。

（4)合成生物大分子。

（二)染色质与染色体

染色质和染色体是同一物质在间期和分裂期不同形态结构的表现 。

1、染色质的化学组成

（1)DNA

   结构、性质稳定，同种生物细胞DNA含量恒定。

（2)组蛋白

   富含精氨酸、赖氨酸，为碱性。H1、H2A、H2B、H3、H4，除H1外，高度保守；可抑制DNA复制、转录。

（3)非组蛋白

富含天门冬氨酸、谷氨酸，为带负电荷的酸性蛋白；非组蛋白种类繁多，每种含量少，具高度的特异性，功能各异。可与组蛋白结合，能解除组蛋白对DNA的抑制。

（4)RNA

含量少，主要为新合成的mRNA、tRNA、rRNA前体。

2、染色质的结构

Kornberg提出染色质的基本结构单位——核小体（nucleosome)；直径约2nm的DNA细丝将直径约11nm的“核小体”串联起来形成“串珠” 。

（1)核小体：

  染色质的基本结构单位。

   核心粒（八聚体)：（2H2A+2H2B+2H3+2H4)11nm。

   DNA：146bp DNA绕核心粒1.75圈。

   连接DNA ：长度约60bp，结合一个H1分子。

  组蛋白H1分子有一个球状的中心和两个伸展的氨基端和羧基端臂，其球状中心与核小体上特定位点结合，两臂与DNA缠绕核心粒的进出口端结合，以锁定核小体。

（2)螺线管（30nm染色质纤维)

   每圈绕有6个核小体。外径  30nm  内径  10nm  螺距  11nm

   H1位于内部（对螺线管形成、稳定起作用)

3、染色体的构建

Laemmli等（1979年)提出的襻环模型。该模型认为30nm染色质纤维折叠成襻环，沿染色体纵轴（非组蛋白支架)由中央向四周放射状伸出。

（1)染色体支架与襻环结构

染色体支架：

位于染色体核心部位。

非组蛋白组成，密集纤维网。

中期染色体2条单体的支架在着丝粒区相连接，呈现出中期染色体的框架形态。

襻环：在染色体支架周围，许多密集、连续的环，自然状态下，环状结构由螺线管构成。

一个襻环中DNA平均长度为63000bp，含315个核小体。

襻环是染色质独立的功能单位，即DNA复制和转录的单位。因此，襻环结构是间期染色质的基本存在形式。

（2)微带和染色单体

J.Painta等（1984年)提出襻环模型：

以染色体支架为轴心，每18个襻环呈放射状平面排列形成微带，约106个微带沿轴心支架纵向排列，构建成染色单体

4、染色质类型

   （1)常染色质：间期核内处分散状态，有功能活性，不易着色。

   （2)异染色质：间期核内凝集状态，无功能活性，深染。

   组成型异染色质：凝集状态（各类细胞全部发育过程)。

   兼性型异染色质：凝集状态（一定细胞类型，一定发育阶段)如X小体。

异染色质(间期核)－凝集状态，着色深，无功能染色质，位于核周。

常染色质(间期核)－分散状态，着色浅，具活性，位于核中部。

染色质的类型

常染色质    异染色质

间期染色程度   染色浅   染色深

分布  核中央   核膜附近

螺旋化程度   低  高

呈疏松状态   呈凝集状态

DNA序列   单一序列和  高度重复序列

部分重复序列

功能状态 活跃的DNA分子部分 不活跃的DNA分子部分

   进行转录和翻译 不能转录和翻译

（三)核仁

核仁的形态、大小和数目，依细胞种类、生理状态不同而变化，且与蛋白质合成效率有关。

1、核仁的化学组成

   核糖体蛋白

   组蛋白   约80%

   非组蛋白

 多种酶等

RNP 为11%

DNA为8%

  2、核仁的结构

   （1)核仁关联染色质：包括核仁周围异染色质和核仁内常染色质。

   （2)纤维结构：电子密度致密部分，呈环状、半月状。rRNA与蛋白质组成核蛋白纤维，构成核仁海绵状支架。

   （3)颗粒结构：高电子密度颗粒。rRNA和蛋白质复合物（核糖体亚基前体)。

   （4)基质：低电子密度。无定型蛋白质性液体。

3、核仁周期

   核仁周期：细胞周期中，前期末核仁消失，末期核仁重建，呈现周期性变化。

分裂期时，染色质浓缩，含rRNA基因的DNA襻环逐渐缩回到染色体，rRNA合成停止，整个核仁先缩小继而消失。

在新生的子代细胞中，染色体解旋为染色质，含rRNA基因的核仁组织区也呈松展状态，重新开始合成rRNA，随着rRNA的积累和包装，DNA襻环周围又组建成新的核仁。

4、核仁功能

  核仁是进行rRNA转录和核糖体亚基组装的场所。

（1)rDNA高效转录

（2) rRNA剪接加工

（3)核糖体组装

  一个正常的核仁大约含有200个rRNA基因，由于rRNA基因是多拷贝，又是快速转录的，因此，在展开的核仁染色质标本中，可见到：rDNA高效转录，所形成的一连串重复的箭头样结构。

rRNA合成过程：长轴纤维(DNA)开始转录(箭头先端)  转录沿DNA长轴移动 rRNA(两侧轴丝)逐渐加长 转录结束(箭尾)。

一个箭头结构代表一个rRNA转录单位，两侧细丝是转录中的rRNA。

rRNA的剪接加工及核糖体组装

（四)核基质

核液：光镜下间期细胞核，除染色质和核仁外的不着色或着色线的部分。

现在认为，核液为蛋白质（含酶)、水、无机盐、纤维蛋白网络结构。

核基质：核液中存在的纤维蛋白网络结构。与细胞质中的骨架相似，又有一定的联系，因此又称为核骨架。

1、核骨架形态结构与化学组成

 形态结构：蛋白纤维（直径3~30nm)

  颗粒结构。

  纤维从颗粒结构呈辐射状伸出，相互联系构成精细的三维网络结构，充满整个核内空间。

化学组成：蛋白质（90%以上)

少量RNA、DNA。

2、功能

（1)维持细胞核的形态结构。

（2)参与DNA包装和染色体构建。

（3)DNA复制的支架。

（4)RNA合成及加工的场所。

第二节  细胞核的功能

细胞核是遗传物质DNA存在的主要场所，是细胞生命活动和细胞生长、分化及繁殖的调控中心。

 一、核DNA贮存、复制和传递

 二、核DNA转录 mRNA、

  rRNA、

  tRNA、

     SnRNA、

  7sRNA等。

第三节 细胞核与疾病

 一、染色体畸变与染色体病

  染色体病：由于染色体畸变导致的疾病。

 二、核基因突变与核基因遗传病

（一)分子病

   分子病：基因突变导致蛋白质分子一级结构异常，从而引起的疾病。

（二)先天性代谢病

   先天性代谢病 ：基因突变导致酶异常，从而引起遗传性酶缺陷，造成代谢紊乱。

第九章  细胞增殖周期和生殖细胞发生与受精

  细胞增生是机体维持正常生命活动的必要方式之一。

  细胞增生是生命延续的一种必需的生物学行为。

  细胞增生表现严格的时间性和空间性。

  细胞增生具有周期性。

第一节  细胞增生周期

细胞增生周期的概念

细胞增生周期（细胞周期cell cycle)：细胞从前一次分裂结束开始到下一次分裂结束为止，所经历的全过程。

  DNA合成前期(G1期)

  间期  DNA合成期(S期)

  DNA合成后期(G2期) 

细胞周期

   前期

  分裂期（M) 中期 

   后期

   末期

   细胞周期室：在依DNA含量变化划分为四个时期的基础上，又依据RNA含量变化将每个期划分为１～２个室。

不同生物、不同组织、不同细胞，其细胞周期时间差异大，其中S+G2+M时间变化小，G1期时间变化大。

一、细胞周期动态变化及各期主要特征

细胞周期各时相DNA含量的变化（见图)

（一)G1期（DNA合成前期)

1、RNA合成：

   是细胞进入S期的必要条件。

   无论细胞周期哪个阶段，只有RNA含量和染色体凝集达到一定程度（阈量),才能进入增殖活性状态。 

2、蛋白质合成：

如触发蛋白、钙调蛋白、细胞周期蛋白、DNA复制所需要的酶及各种前体物质等。

触发蛋白合成量达到一定程度，G1→S 。

限制点 (restriction  point，R点)：G1细胞对环境因素（胞内外调节细胞周期的因素)的敏感点。限制点是调节细胞周期开和关的“阀门”，是不可逆转的控制点。细胞只执业兽医有通过R点，才能从G1期进入S期。

由于R点的作用，Ｇ1期可能形成三种细胞：

   继续增殖细胞  能通过R点 ，完成细胞周期。如皮肤生发层细胞、骨髓造血细胞等。

   暂不增殖细胞  长时间停留在G1期，又称 G0期细胞。如肝、肾、胰的实质细胞等；肝细胞属暂不增殖细胞，肝部分切除后，可分裂修复。

   不再增殖细胞  分化细胞。失去增殖能力，永远停留在G1期 ，属不育细胞。如红细胞、肌细胞、神经元等。

（二)S期（DNA合成期)

1、DNA复制

   从DNA合成开始到DNA合成结束的全过程，结果使DNA含量增加1倍。DNA复制是细胞增殖的关键。DNA合成受阻，M期推迟。

 2、蛋白质合成 

S期激活因子（细胞周期蛋白A和CDK2的复合物)：DNA复制启动时，需要的启动信号，（G1和S交界时合成，S期结束时瞬即消失)。

酶、组蛋白合成。

微管蛋白合成与中心粒复制。

（三)G2期（DNA合成后期)

  加速合成新的RNA和蛋白质。

  为进入Ｍ期作准备：促成熟因子（细胞周期蛋白+CDK)的活化，微管蛋白合成，磷脂合成。 

该期MPF能使组蛋白H1、H3及核纤层蛋白磷酸化，促进染色质的凝集和核膜破裂。

（四)M期（有丝分裂期)

Ｍ期时间短。细胞核发生急剧而明显的形态学变化。

分裂期是一个连续的过程，分为前、中、后、末期四个时期。

M期发生的主要事件：

（1)染色质组装形成染色体；

（2)有丝分裂器形成；

（3)核膜和核仁的消失与重建；

（4)收缩环形成及胞质分裂。

1、前期：

   从染色体凝集到核仁、核膜消失。

   染色体凝集，分裂极确定，核仁解体、核膜消失。

2、中期：

从核仁、核膜消失到有丝分裂器的形成。染色体最大程度凝缩，排列在赤道面上。

动粒：染色体在着丝粒外侧有一个特化部位。它是由多种非组蛋白构成的一盘状附加结构。其主要功能是和纺锤体微管相联系，起着微管组织中心的作用，微管可穿透动粒。

3、后期：

从着丝粒分离到染色单体到达两极。

着丝粒纵裂二，染色单体分别向两极移动。

在后期启动因子（APC)，染色单体分开，并在纺锤体微管的牵引下逐渐移向两极。

    染色体分离的动力并非来自与两极相连的纺锤体微管的张力。而是由于动粒微管向极端的不断解聚，而使微管变短，同时微管解聚出来的微管蛋白又不断地聚合到极间微管末端，从而使极间微管伸长。

4、末期：

   从染色体到达两极至两个子细胞的形成。

   染色体到达两极，解旋，核膜、核仁重新形成，细胞膜内陷，最终形成两个子细胞。

二、细胞增殖周期的调节

1、细胞分裂周期基因  cdc：在细胞周期的不同阶段，形成不同的基因产物（酶、受体、载体等功能性的蛋白)，以调节代谢过程，达到控制细胞的增生。

2、细胞周期蛋白cyclin：是一类随细胞周期的变化呈周期性的出现与消失的蛋白质，可分为A、B、C、D、E等几大类。

3、促成熟因子MPF p34cdc2（Cdk1)和Cyclin B

MPF能使组蛋白H1上与有丝分裂有关的特殊位点，在细胞分裂的早、中期发生磷酸化，因而被认为可能参与了有丝分裂的启动及染色质的凝集；

MPF特异性地使核纤层蛋白在有丝分裂期处于高度磷酸化状态，引起核纤层结构解体、核膜破裂。

MPF的作用还涉及某些DNA结合蛋白，通过对这些蛋白的磷酸化，来降低其在M期与DNA结合的能力，以促进染色体的凝集。

4、生长因子：通过与细胞膜上的生长因子受体相结合，把调节增生的信息传递到细胞内部。

有促进细胞增生的生长因子，也有抑制细胞增生的生长因子。

癌细胞或转化的细胞的增生不依赖于外源性的生长因子。

5、胞内信使

  cAMP导致细胞分化起作用的。

  cGMP对细胞增生却起着重要的调节作用。

6、抑素

7、有丝分裂因子抑制物

三、细胞增生周期与医学

（一)细胞增生与组织再

在有机体的发育过程中，一部分细胞经过分化、衰老、直至死亡后，需要有新生的细胞不断进行补充、更新，这种维持正常生理功能的补充称为生理性再生。

组织再生按照群体细胞的增生状况可以分为三种类型：

更新型  如造血干细胞和皮肤基底细胞

稳定型  如肝、肾、骨骼等高度分化的组织

恒定型  即高度分化的神经组织和 肌肉组织

（二)细胞增生与肿瘤

1．癌基因与细胞增生

   癌基因（oncogene)是指能引起细胞恶性转化的核酸片段。

   现将细胞中与病毒癌基因（V-onc)同源的基因称为细胞癌基因（C- onc)，未活化的C- onc被称为原癌基因。原癌基因经过突变、重排和倍增后，将导致细胞增殖失控，结果引起癌变。

2．肿瘤的增殖周期特点 

   肿瘤细胞周期与正常细胞周期时间基本相似 。

（1)在肿瘤组织中也含有增殖细胞群、暂不增殖细胞群和不再增殖细胞群。 

（2)细胞增生周期失控   抑素对癌组织的控制作用失调，肿瘤细胞失去了正常细胞所具有的接触抑制现象。

（3)G0期的肿瘤细胞对各种药物的敏感性很低 。

3．增殖周期与肿瘤治疗

（1)细胞周期与抗癌药物的分类和选用

（2)择机用药  

根据细胞周期代谢活动特点,选用不同的治疗药物,进行化疗。

（3)杀灭G0期细胞，预防癌变复发

Ｇ0期的肿瘤细胞对化疗药物不敏感，又有肿瘤复发的潜在危险。可利用血小板源生长因子激活Ｇ0期细胞，将其驱入Ｇ１期，进入增殖状态，再用理化疗法就可以收到较为理想的效果。

第二节  生殖细胞的发生

  一、精子发生和卵子发生

（一)精子的发生：睾丸  精曲小管

M  A型精原C

精原C M1  M2

  B型精原C   初级精母C 次级精母C 精C 精子

增殖期  生长期 成熟期 变形期

（二)卵子发生

   卵巢 生殖上皮 

   M2   卵C

  M   M1   次级卵母C

卵原C   卵原C  初级卵母C 极体

极体 

   极体

增殖期 生长期 成 熟 期  精子发生和卵子发生的异同

相同点：

形成过程相同。 都经过减数分裂期。

不同点：

   开始的时间不同：卵原细胞的增殖期和生长期在胚 胎期已完成，青春期则进行成熟期，每月只成熟一个卵子；  精原细胞则在青春期开始增殖，且连续进行。

结果不同：一个初级卵母细胞形成一个卵子和三个极体；一个初级精母细胞形成四个精子。卵子的发生无变形期。

二、生殖细胞发生过程中的减数分裂

减数分裂是有性生殖个体成熟时，在生殖细胞形成过程中所发生的一种特殊的分裂方式。整个细胞周期中，DNA复制1次，细胞分裂2次，结果产生染色体数目减半的精子和卵子（2n   n),故称为减数分裂。 

 减数分裂前间期

 第一次减数分裂：前Ⅰ、中Ⅰ、后Ⅰ、末Ⅰ。

  减数分裂间期

 第二次减数分裂：前Ⅱ、中Ⅱ、后Ⅱ、末Ⅱ。 

涉及减数分裂的一些概念

同源染色体：大小及着丝粒位置相同的、能相互配对的一对染色体，其中一条来自父亲,一条来自母亲。

   联会: 同源染色体的配对又称联会。

   联会复合体:联会时，同源染色体之间，形成的一种蛋白质的复合结构。

   二价体：联会后的一对同源染色体。

   姐妹染色单体：一条染色体（二分体)的两条染色单体 ，互称姐妹染色单体。

   非姐妹染色单体：同源染色体的染色单体之间，互称非姐妹染色单体。   

   四分体：粗线期中，染色体变粗变短,复制的染色体已能看清,可见二价体的４条染色单体，故称四分体。

   二分体：有两条染色单体的一条染色体。

   单分体：有一条染色单体的一条染色体。

（一)减数分裂过程

1、减数分裂前间期

   G1期

   S期：延长,99.7%DNA合成，0.3%DNA以后在偶线期合成。

   G2期：产生DNA合成抑制因子。

  细线期：染色体线。

  偶线期：同源染色体联会二价体。

①前I   粗线期：染色体浓缩 、四分体、互换。

  双线期：染色体浓缩 、同源染色体分离 、交叉端化。

  终变期：染色体高度浓缩  核仁、核膜消失，纺锤体形成。

②中I：二价体排列在赤道面上。

③后I：同源染色体完全分开，二分体分别移向两极。

④末I：二分体到达两极，解旋、伸长，核仁、核膜重新出现，形成两个子细胞。

3、减数分裂间期

   短暂，无DNA复制。

前期Ⅱ：二分体凝集，核仁、核膜消失。

中期Ⅱ：二分体排列于赤道面上形成赤道板。

后期Ⅱ：着丝粒纵裂，形成二条单分体，各单分体被纺锤丝拉向两极。

末期Ⅱ：各单分体移至两极后，核膜、核仁形成，胞质分裂。

减数分裂与有丝分裂比较：

有丝分裂   减数分裂

分裂次数： 一次 两次

分裂过程：

前期：无联会、交叉   有联会、交叉

中期：二分体位于赤道板  四分体位于赤道板

后期：二分体分离  同源染色体分离

末期：染色体数目不变 染色体数目减半

分裂结果：两个子细胞  四个子细胞

染色体数目不变 染色体数目减半

（二)减数分裂中相关机制

1、同源染色体联会发生于偶线期

   中央组分：非组蛋白

联会复合体   L-C纤维：非组蛋白

   侧生组分：蛋白质、DNA

   联合复合体(能稳定同源染色体，便于非姐妹染色单体之间的交换和重组)的形成，始于细线期，消失于双线期。

偶线期DNA（Z-DNA)（0.3%DNA)合成。

2、同源非姐妹染色单体交换

在减数分裂中，人类同源染色体交换平均2~3次，交换可能由重组结介导。

   联会是交换的必要条件。

3、X、Y染色体配对与分离

 X、Y染色体配对、交换，是在一端小范围进行。

（三)减数分裂生物学意义

1 、维持生物染色体数目恒定

 2、生物多样性：

 ①组合变异；

如：人223=840万生殖细胞。

②重组变异。

如：人 223 *  223= 70万亿 ，未考虑2.36个交叉.

第三节 受精与受精卵

受精；精子和卵子相结合的过程。

受精卵：受精后的卵细胞，又称为合子。

一、受精的条件和过程

（一)受精的条件

   去能

   获能

（二)受精的过程

二、受精的生物学意义

（一)受精是新个体生命的开始

（二)恢复二倍体个体

（三)决定新个体的性别

第九章  细胞增殖周期和生殖细胞发生与受精

  细胞增生是机体维持正常生命活动的必要方式之一。

  细胞增生是生命延续的一种必需的生物学行为。

  细胞增生表现严格的时间性和空间性。

  细胞增生具有周期性。

第一节  细胞增生周期

细胞增生周期的概念

细胞增生周期（细胞周期cell cycle)：细胞从前一次分裂结束开始到下一次分裂结束为止，所经历的全过程。

  DNA合成前期(G1期)

  间期  DNA合成期(S期)

  DNA合成后期(G2期) 

细胞周期

   前期

  分裂期（M) 中期 

   后期

   末期

   细胞周期室：在依DNA含量变化划分为四个时期的基础上，又依据RNA含量变化将每个期划分为１～２个室。

不同生物、不同组织、不同细胞，其细胞周期时间差异大，其中S+G2+M时间变化小，G1期时间变化大。

一、细胞周期动态变化及各期主要特征

细胞周期各时相DNA含量的变化（见图)

（一)G1期（DNA合成前期)

1、RNA合成：

   是细胞进入S期的必要条件。

   无论细胞周期哪个阶段，只有RNA含量和染色体凝集达到一定程度（阈量),才能进入增殖活性状态。 

2、蛋白质合成：

如触发蛋白、钙调蛋白、细胞周期蛋白、DNA复制所需要的酶及各种前体物质等。

触发蛋白合成量达到一定程度，G1→S 。

限制点 (restriction  point，R点)：G1细胞对环境因素（胞内外调节细胞周期的因素)的敏感点。限制点是调节细胞周期开和关的“阀门”，是不可逆转的控制点。细胞只有通过R点，才能从G1期进入S期。

由于R点的作用，Ｇ1期可能形成三种细胞：

   继续增殖细胞  能通过R点 ，完成细胞周期。如皮肤生发层细胞、骨髓造血细胞等。

   暂不增殖细胞  长时间停留在G1期，又称 G0期细胞。如肝、肾、胰的实质细胞等；肝细胞属暂不增殖细胞，肝部分切除后，可分裂修复。

   不再增殖细胞  分化细胞。失去增殖能力，永远停留在G1期 ，属不育细胞。如红细胞、肌细胞、神经元等。

（二)S期（DNA合成期)

1、DNA复制

   从DNA合成开始到DNA合成结束的全过程，结果使DNA含量增加1倍。DNA复制是细胞增殖的关键。DNA合成受阻，M期推迟。

 2、蛋白质合成 

S期激活因子（细胞周期蛋白A和CDK2的复合物)：DNA复制启动时，需要的启动信号，（G1和S交界时合成，S期结束时瞬即消失)。

酶、组蛋白合成。

微管蛋白合成与中心粒复制。

（三)G2期（DNA合成后期)

  加速合成新的RNA和蛋白质。

  为进入Ｍ期作准备：促成熟因子（细胞周期蛋白+CDK)的活化，微管蛋白合成，磷脂合成。 

该期MPF能使组蛋白H1、H3及核纤层蛋白磷酸化，促进染色质的凝集和核膜破裂。

（四)M期（有丝分裂期)

Ｍ期时间短。细胞核发生急剧而明显的形态学变化。

分裂期是一个连续的过程，分为前、中、后、末期四个时期。

M期发生的主要事件：

（1)染色质组装形成染色体；

（2)有丝分裂器形成；

（3)核膜和核仁的消失与重建；

（4)收缩环形成及胞质分裂。

1、前期：

   从染色体凝集到核仁、核膜消失。

   染色体凝集，分裂极确定，核仁解体、核膜消失。

2、中期：

从核仁、核膜消失到有丝分裂器的形成。染色体最大程度凝缩，排列在赤道面上。

动粒：染色体在着丝粒外侧有一个特化部位。它是由多种非组蛋白构成的一盘状附加结构。其主要功能是和纺锤体微管相联系，起着微管组织中心的作用，微管可穿透动粒。

3、后期：

从着丝粒分离到染色单体到达两极。

着丝粒纵裂二，染色单体分别向两极移动。

在后期启动因子（APC)，染色单体分开，并在纺锤体微管的牵引下逐渐移向两极。

    染色体分离的动力并非来自与两极相连的纺锤体微管的张力。而是由于动粒微管向极端的不断解聚，而使微管变短，同时微管解聚出来的微管蛋白又不断地聚合到极间微管末端，从而使极间微管伸长。

4、末期：

   从染色体到达两极至两个子细胞的形成。

   染色体到达两极，解旋，核膜、核仁重新形成，细胞膜内陷，最终形成两个子细胞。

二、细胞增殖周期的调节

1、细胞分裂周期基因  cdc：在细胞周期的不同阶段，形成不同的基因产物（酶、受体、载体等功能性的蛋白)，以调节代谢过程，达到控制细胞的增生。

2、细胞周期蛋白cyclin：是一类随细胞周期的变化呈周期性的出现与消失的蛋白质，可分为A、B、C、D、E等几大类。

3、促成熟因子MPF p34cdc2（Cdk1)和Cyclin B

MPF能使组蛋白H1上与有丝分裂有关的特殊位点，在细胞分裂的早、中期发生磷酸化，因而被认为可能参与了有丝分裂的启动及染色质的凝集；

MPF特异性地使核纤层蛋白在有丝分裂期处于高度磷酸化状态，引起核纤层结构解体、核膜破裂。

MPF的作用还涉及某些DNA结合蛋白，通过对这些蛋白的磷酸化，来降低其在M期与DNA结合的能力，以促进染色体的凝集。

4、生长因子：通过与细胞膜上的生长因子受体相结合，把调节增生的信息传递到细胞内部。

有促进细胞增生的生长因子，也有抑制细胞增生的生长因子。

癌细胞或转化的细胞的增生不依赖于外源性的生长因子。

5、胞内信使

  cAMP导致细胞分化起作用的。

  cGMP对细胞增生却起着重要的调节作用。

6、抑素

7、有丝分裂因子抑制物

三、细胞增生周期与医学

（一)细胞增生与组织再

在有机体的发育过程中，一部分细胞经过分化、衰老、直至死亡后，需要有新生的细胞不断进行补充、更新，这种维持正常生理功能的补充称为生理性再生。

组织再生按照群体细胞的增生状况可以分为三种类型：

更新型  如造血干细胞和皮肤基底细胞

稳定型  如肝、肾、骨骼等高度分化的组织

恒定型  即高度分化的神经组织和 肌肉组织

（二)细胞增生与肿瘤

1．癌基因与细胞增生

   癌基因（oncogene)是指能引起细胞恶性转化的核酸片段。

   现将细胞中与病毒癌基因（V-onc)同源的基因称为细胞癌基因（C- onc)，未活化的C- onc被称为原癌基因。原癌基因经过突变、重排和倍增后，将导致细胞增殖失控，结果引起癌变。

2．肿瘤的增殖周期特点 

   肿瘤细胞周期与正常细胞周期时间基本相似 。

（1)在肿瘤组织中也含有增殖细胞群、暂不增殖细胞群和不再增殖细胞群。 

（2)细胞增生周期失控   抑素对癌组织的控制作用失调，肿瘤细胞失去了正常细胞所具有的接触抑制现象。

（3)G0期的肿瘤细胞对各种药物的敏感性很低 。

3．增殖周期与肿瘤治疗

（1)细胞周期与抗癌药物的分类和选用

（2)择机用药  

根据细胞周期代谢活动特点,选用不同的治疗药物,进行化疗。

（3)杀灭G0期细胞，预防癌变复发

Ｇ0期的肿瘤细胞对化疗药物不敏感，又有肿瘤复发的潜在危险。可利用血小板源生长因子激活Ｇ0期细胞，将其驱入Ｇ１期，进入增殖状态，再用理化疗法就可以收到较为理想的效果。

第二节  生殖细胞的发生

  一、精子发生和卵子发生

（一)精子的发生：睾丸  精曲小管

M  A型精原C

精原C M1  M2

  B型精原C   初级精母C 次级精母C 精C 精子

增殖期  生长期 成熟期 变形期

（二)卵子发生

   卵巢 生殖上皮 

   M2   卵C

  M   M1   次级卵母C

卵原C   卵原C  初级卵母C 极体

极体 

   极体

增殖期 生长期 成 熟 期  精子发生和卵子发生的异同

相同点：

形成过程相同。 都经过减数分裂期。

不同点：

   开始的时间不同：卵原细胞的增殖期和生长期在胚 胎期已完成，青春期则进行成熟期，每月只成熟一个卵子；  精原细胞则在青春期开始增殖，且连续进行。

结果不同：一个初级卵母细胞形成一个卵子和三个极体；一个初级精母细胞形成四个精子。卵子的发生无变形期。

二、生殖细胞发生过程中的减数分裂

减数分裂是有性生殖个体成熟时，在生殖细胞形成过程中所发生的一种特殊的分裂方式。整个细胞周期中，DNA复制1次，细胞分裂2次，结果产生染色体数目减半的精子和卵子（2n   n),故称为减数分裂。 

 减数分裂前间期

 第一次减数分裂：前Ⅰ、中Ⅰ、后Ⅰ、末Ⅰ。

  减数分裂间期

 第二次减数分裂：前Ⅱ、中Ⅱ、后Ⅱ、末Ⅱ。 

涉及减数分裂的一些概念

同源染色体：大小及着丝粒位置相同的、能相互配对的一对染色体，其中一条来自父亲,一条来自母亲。

   联会: 同源染色体的配对又称联会。

   联会复合体:联会时，同源染色体之间，形成的一种蛋白质的复合结构。

   二价体：联会后的一对同源染色体。

   姐妹染色单体：一条染色体（二分体)的两条染色单体 ，互称姐妹染色单体。

   非姐妹染色单体：同源染色体的染色单体之间，互称非姐妹染色单体。   

   四分体：粗线期中，染色体变粗变短,复制的染色体已能看清,可见二价体的４条染色单体，故称四分体。

   二分体：有两条染色单体的一条染色体。

   单分体：有一条染色单体的一条染色体。

（一)减数分裂过程

1、减数分裂前间期

   G1期

   S期：延长,99.7%DNA合成，0.3%DNA以后在偶线期合成。

   G2期：产生DNA合成抑制因子。

  细线期：染色体线。

  偶线期：同源染色体联会二价体。

①前I   粗线期：染色体浓缩 、四分体、互换。

  双线期：染色体浓缩 、同源染色体分离 、交叉端化。

  终变期：染色体高度浓缩  核仁、核膜消失，纺锤体形成。

②中I：二价体排列在赤道面上。

③后I：同源染色体完全分开，二分体分别移向两极。

④末I：二分体到达两极，解旋、伸长，核仁、核膜重新出现，形成两个子细胞。

3、减数分裂间期

   短暂，无DNA复制。

前期Ⅱ：二分体凝集，核仁、核膜消失。

中期Ⅱ：二分体排列于赤道面上形成赤道板。

后期Ⅱ：着丝粒纵裂，形成二条单分体，各单分体被纺锤丝拉向两极。

末期Ⅱ：各单分体移至两极后，核膜、核仁形成，胞质分裂。

减数分裂与有丝分裂比较：

有丝分裂   减数分裂

分裂次数： 一次 两次

分裂过程：

前期：无联会、交叉   有联会、交叉

中期：二分体位于赤道板  四分体位于赤道板

后期：二分体分离  同源染色体分离

末期：染色体数目不变 染色体数目减半

分裂结果：两个子细胞  四个子细胞

染色体数目不变 染色体数目减半

（二)减数分裂中相关机制

1、同源染色体联会发生于偶线期

   中央组分：非组蛋白

联会复合体   L-C纤维：非组蛋白

   侧生组分：蛋白质、DNA

   联合复合体(能稳定同源染色体，便于非姐妹染色单体之间的交换和重组)的形成，始于细线期，消失于双线期。

偶线期DNA（Z-DNA)（0.3%DNA)合成。

2、同源非姐妹染色单体交换

在减数分裂中，人类同源染色体交换平均2~3次，交换可能由重组结介导。

   联会是交换的必要条件。

3、X、Y染色体配对与分离

 X、Y染色体配对、交换，是在一端小范围进行。

（三)减数分裂生物学意义

1 、维持生物染色体数目恒定

 2、生物多样性：

 ①组合变异；

如：人223=840万生殖细胞。

②重组变异。

如：人 223 *  223= 70万亿 ，未考虑2.36个交叉.

第三节 受精与受精卵

受精；精子和卵子相结合的过程。

受精卵：受精后的卵细胞，又称为合子。

一、受精的条件和过程

（一)受精的条件

   去能

   获能

（二)受精的过程

二、受精的生物学意义

（一)受精是新个体生命的开始

（二)恢复二倍体个体

（三)决定新个体的性别

第十一章  细胞基因组的复制与表达

第一节  核酸的复制

   真核、原核生物、少数病毒遗传物质为DNA双链；

  大多数病毒遗传物质为DNA单链、RNA单链、RNA双链。

  一、DNA复制

（一) 双链DNA复制的一般特征

1、半保留复制

  半保留复制

  特定的复制起始点

  双向复制

1958年，Meselson和Stahl在放射性核素重氮（15N)与轻氮（14N)的培养基中，合成DNA，用CsCl浓度梯度离心，区分新旧DNA分子，证明：DNA复制确实是半保留复制。

半保留复制的实验依据：密度梯度实验、 梯度离心结果

2、特定的复制起始点

DNA复制起始点（约有几百个核苷酸长)。如：细菌中为富含AT的保守序列（9bp、13bp)。 复制起始点下游含有AT丰富区，这种特征有利于双链的解旋。

3、双向复制

  DNA从同一复制起始点开始，双向复制，形成2个复制叉，电镜下为复制泡。

复制叉：DNA复制时，已打开的2条单链与未解开双链间形成丫形复制子：DNA复制单位，含一个复制起始点。

原核生物：一个复制起始点,一个复制子。

真核生物：多个复制起始点，多个复制子。

（二)大肠杆菌环状双链DNA的复制

见图

1、DNA解旋

  ①开放复合物

dnaA（复制起始蛋白) 识别复制起始点，并与DNA复制起始区特定位置结合，形成复合体。

dnaB蛋白（解旋酶)利用ATP供能，作用于氢键，使复制起始点附近区域的DNA双链解开成为两条单链。

②解旋酶（dnaB蛋白)

  dnaB结合DNA链上，负责解开DNA双螺旋。

③单链DNA结合蛋白（SSB)

  解开的单链很快被SSB结合，维持单链状态 。

2、DNA聚合酶的特征和RNA引物的合成

DNA pol I 切除RNA引物等

DNApolⅢ  DNA复制中主导聚合酶

（1) DNA聚合酶特征:

  需DNA模板

  需RNA引物

  只能催化dNTP到引物游离3′—OH，新链延伸5′→3′

 (2) RNA引物合成

引发体：解旋酶（DnaB蛋白)+引物酶（DnaG编码)+ DNA复制起始区域

引物酶（DnaG编码)：识别复制起始点，作为模板，合成RNA引物。

引物:由引物酶催化合成的短链RNA分子。

复制的延长：在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式，逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。

3、前导链和后随链

 前导链：一个复制叉中，以3′→5′片段为模板，连续合成的子链。

 后随链：一个复制叉中，以5′→3′链为模板，以不连续方式合成的子链，其合成滞后于前导链。

   由于5′→3′ 模板链与聚合酶Ⅲ前进的方向相反，模板链便折叠与聚合酶Ⅲ前进的方向一致。解开一段链后，在合成一段引物的基础上，再合成一个DNA片段，即形成冈崎片段。每解开一段DNA链后,合成一个冈崎片段。

冈崎片段：DNA片段+RNA引物 。

E.coli冈崎片段有1000-2000个核苷酸；

真核细胞冈崎片段只有100-200个核苷酸。

原核生物DNA复制过程(见图)

4、多种机制保证复制的真实性

   错配校读：DNA聚合酶与正确核苷酸亲和力高，可通过构象变化，使不正确核苷酸脱落。还可利用其3′→5′外切酶活性，切除不正确核苷酸。

（三)真核细胞DNA复制

1、 真核细胞DNA有多个复制起始点

   DNA+组蛋白   染色质

   复制速度慢、DNA分子巨大

   所以需多个复制起始点。同时进行复制， 每条染色体（1个DNA分子)可有100-1000个复制起始点。

2、组蛋白的复制与装配

  随复制叉前进，核小体暂时松散，组蛋白不断合成，其新、老八聚体可与任一条DNA结合成核小体。

3、端粒(telomere)的复制

  真核细胞DNA复制时，最后一个冈崎片段的RNA引物没有地方合成，但每条染色体的末端的端粒、端粒酶，解决了这个问题。

  端粒：真核生物染色体末端的结构(一段延伸的DNA)，含有许多小的随机序列，长度大约1000bp。   

端粒功能:

   维持染色体的稳定性

   维持DNA复制的完整性

  端粒酶：端粒上结合一种特殊酶（RNA—蛋白复合物)，能识别DNA末端，并以酶本身DNA为模板，使端粒部分不断延长，为后随链复制提供合成引物的模板。

（四)大肠杆菌噬菌体φ×174单链DNA复制

   φ×174DNA  ： 环状、  单链。

滚筒复制

   （＋)DNA

（+)DNA （－)DNA    （+)DNA

母链  复制型  子链

二、RNA复制

（一)呼吸道肠道病毒双链RNA的复制

（+)RNA   释放 （+)RNA

  双链

（－)RNA   （+)RNA （－)RNA

  （mRNA)

蛋白质

（二)脊髓灰质炎病毒（+)RNA单链的复制

（+)RNA   （－)RNA   （+)RNA

   ①子代病毒RNA

（+)RNA   ②作为mRNA指导蛋白质合成

   ③合成（－)RNA

（三)牛水疱性口炎病毒（－)RNA单链的复制

     ①合代子代（－)RNA

（－)RNA （+)RNA

     ②作为mRNA指导蛋白质合成

（四)反转录病毒RNA复制

  1、Rous肉瘤病毒RNA复制

  Temin、Baltimore（1970)发现反向转录酶。

反转录酶 （+)RNA   反转录酶

（+)RNA （-)DNA   （-)DNA

   母链

   复制  （-)DNA  转录

   （+)DNA   （+)RNA

   &n执业医师bsp; 子链

  反转录病毒细胞内的逆转录现象（见图)

   反转录病毒 （+)RNA：

    子代病毒RNA 病毒蛋白质

 （+)RNA   作为mRNA指导合成

    合成（-)DNA 反转录酶 等

 反转录酶特征：

  ①以（+)RNA为模板，反向转录出（-)DNA，形成异质双链。

  ②水解异质双链中RNA。

  ③以（-)DNA为模板，合成（复制)（+)DNA，产生双链DNA。

   Rous肉瘤病毒RNA复制和表达（见图)

2、艾滋病毒 （HIV)

HIV也是一种反转录病毒，含有反转录酶。遗传物质也为2条相同的（+)RNA，各由9 749个核苷酸组成。复制过程与Rous肉瘤病毒类同。

HIV可致艾滋病（获得性免疫缺陷综合征)。12月1日世界艾滋病日，

81年世界发现首例艾滋病人，目前全世界是以8500多人/天受到感染，我国29省市均被波及。

第二节 基因的转录

   基因表达：基因通过转录、翻译，形成功能多肽和蛋白质的过程。

   转录：信息从遗传物质转到另一种信息大分子RNA，即将DNA的碱基顺序转换成RNA的碱基顺序。

   转录酶：催化转录反应的酶（DNA指导的RNA聚合酶)。

   转录单位：RNA聚合酶作用DNA片段，即每次转录起始点到终止点的DNA顺序。

一、原核生物的转录

（一)转录酶和转录单位

   RNA聚合酶：催化mRNA、tRNA、rRNA合成。

核心酶α2ββ′催化作用， 延长转录产物。

全酶

    σ转录起始因子  解读转录起始信号。

转录单位：操纵子，产生的mRNA为多顺反子mRNA。

（二)启动子

   保守序列

   Pribnow框，－10附近。

   TTGAC，－35附近。

（三)转录过程

1、起始

  闭合复合体（全酶+启动子)

   DNA解旋

  开放复合体

  +ATP（或GTP)

σ因子解离

   2、延长

   核心酶沿3′→5′方向移动，边移动，DNA双螺旋局部解开。

DNA3′→5′

杂交螺旋

RNA5′→3′ 

   基  因   基因链（意义链)   遗传信息

（ DNA ) 反基因链（反意义链)  转录模板

   转录以反基因链作为模板,这样转录产物的碱基序列与基因的遗传信息保持一致。如 :

　5′A T G G T C G A A G T A G 3′ 基因链

　3′T A C C A G C T T A A T C 5′  模板链

5′A U G G U C G A A G U A G 3′ mRNA

3、终止

   E.coli有两种转录终止机制:

①ρ因子不依赖终止

   终止部位：GC丰富区 含回文序列

AT丰富区 一系列T残基

茎环结构使转录终止的机理：

使RNA聚合酶变构，转录停顿；

使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。

②ρ（Rho)因子依赖终止

   ρ因子终止RNA聚合酶作用。

   ρ因子终止作用，取决于ρ因子以足够速度赶上RNA聚合酶。

   ρ因子是一种有6个46KD亚基的六聚体蛋白质。具有ATP酶活性和解旋酶活性。

ρ因子作用：

   帮助RNA聚合酶识别终止序列，并停止转录。

   水解ATP，利用所释放的能量，将RNA链从酶和模板中释放出来。能与RNA聚合酶结合将其解离下来。

二、真核生物的转录

起始→延长→终止

其特点与原核生物不尽相同。

（一)RNA聚合酶和转录单位

   RNA聚合酶

     聚合酶 I：位于核仁，合成28s、5.8s、18s rRNA及SnRNA的合成。

  聚合酶Ⅱ：位于核质中，合成mRNA。

  聚合酶Ⅲ：位于核质中，合成tRNA、5s rRNA、SnRNA。

  转录单位：一个结构基因，mRNA为单顺反子mRNA。

（二)启动子和转录因子

启动子：在真核生物不同基因的启动子往往含有不同类型的元件。如RNA

聚合酶Ⅱ 转录的基因其启动子大多为TATA框，少数为CpG岛。

通用转录因子(TF)

转录因子：真核生物在转录的起始阶段还需要多种蛋白因子的参与，这些因子的与σ因子作用相似。它们存在所有RNA聚合酶Ⅱ 作用的启动子上，故称为通用转录因子。以TFⅡ表示（TFⅡD 、TFⅡA、TFⅡB和 TFⅡH)

（三)染色质水平的转录

   转录时，需要转录激活因子影响，暴露转录活性区域，帮助聚合酶和通用转录因子结合到染色质DNA上。

   这些转录激活因子称为介体。另外还需与染色质修饰有关的酶，如组蛋白乙酰化酶等。

转录延长中的核小体移位（见图)

转录终止—— 和转录后修饰密切相关。

三、转录产物及其加工

（一)mRNA 

  mRNA是结构基因的转录产物占胞内RNA5%。

  翻译区（AUG……UAG)+非翻译区。

1、原核生物 mRNA

   转录和翻译紧密偶联，mRNA合成后不需加工，便可指导蛋白质合成。

2、真核生物 mRNA

   真核生物的转录和翻译在时间和空间上是分开的。原初转录产物要 经过复杂的加工，才能形成长度为原先1/4~1/5的成熟的mRNA。

真核生物 mRNA形成:

  hnRNA原初转录产物→加帽、加尾、剪接、编辑→成熟mRNA。

①加帽：新链RNA5′端，加5′-磷酸-7-甲基鸟苷（m7GPPPN1)作为帽子。

②加尾：组蛋白mRNA除外，mRNA3′端  加150~200polyA，该部位－10  ~ －35为AAUAAA。

③剪接：mRNA前体中，切除内含子，连接外显子的过程。

GU-AG规律。内含子索套结构。

④编辑：mRNA前体碱基序列改变，mRNA序列与外显子序列不一致。

  普遍存在于原生动物和植物的线粒体、叶绿体中，高等生物则很少出现。

帽子结构（见图)

鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰（见图)

5′和3′剪接位点周围的同源序列（见图)

mRNA的剪接:（见图)

 snRNP与hnRNA结合成为并接体。除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。

mRNA的编辑(mRNA editing) （见图)

  RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工(differential RNA processing)。

（二)rRNA

约占胞内RNA80%，分子最大。

原核生物rRNA（5s、16s、23s)

真核生物rRNA（18s、5.8s、28s、5s)

1、  原核生物rRNA

手段和时间分配)

DNA（一个转录单位)

   RNA聚合酶

  rRNA前体

16SrRNA   5SrRNA 23sRNA

  +21种蛋白质  +34种蛋白质

小亚基   大亚基

2、真核生物rRNA

   一个转录单位（DNA)

RNA聚合酶I

  45SrRNA前体  

  RNA聚合酶Ⅲ

18SrRNA   5.8SrRNA   28SrRNA   5SrRNA

+33种蛋白质   +50种蛋白质

小亚基 大亚基

（三)tRNA

约占胞内RNA15%，分子量最小，75~90核苷酸。

RNA聚合酶Ⅲ转录后，tRNA前体需加工：

 ①剪接：切除5′引导序列和3′端；切除内含子，连接外显子；3′端加CCA，以连接氨基酸。

 ②局部碱基配对: 呈三叶草形。

 ③形成反密码环: CCA对侧， 环上有反密码子。

   * tRNA的结构—— 倒L形

其功能：活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。

无论密码子与反密码子，书写或读码时，方向均为5′→3′。

遗传密码摇摆性：反密码子与密码子不严格配对。

如：tRNA丙氨酸  3′……CGI……5′

   mRNA   5′……GCU……3′

   mRNA   5′……GCC……3′

   mRNA   5′……GCA……3′

密码子、反密码子配对的摆动现象（见表)

第三节  基因的翻译

一、翻译

　　多肽链合成：  起始→延长→终止

 　 mRNA是工作模板

tRNA解读mRNA密码，转运相应的氨基酸

rRNA是核糖体的主要成分

翻译的开始是氨基酸的活化，即：

氨基酰-tRNA合成酶

氨基酸 + tRNA   氨基酰- tRNA

ATP  AMP＋PPi

翻译的各阶段：（图)起始→延长→终止

（一)起始：

 1、起始位点识别

   原核生物   真核生物

   小亚基   小亚基 +起始因子

  mRNA  S-D序列 5′帽、Kozak序列

   AUG、GUG   AUG

2、起始氨酰tRNA（Met-tRNAi)

   真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAifMet

3、起始复合物

   起始因子 （IF)+mRNA+ Met-tRNAiMet +小亚基+ GTP +大亚基

（二)延长

 1、核糖体活性部位

  A位（进入位)氨酰tRNA结合位。

  P位（肽链形成)肽酰tRNA结合位。

  E位（转肽脱酰)无负荷tRNA临时占据和释放的部位。

2、进位

　　 新的氨基酸进入A位。

 根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。

延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongation factor, EF)

原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts) EF-G

真核生物：EF-1 、EF-2

原核生物  延长因子EF-T催化进位。（图)

3、转肽

   由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。

   P位的氨基酸或多肽转至A位的氨基酸上并形成肽键，使P位空出。 4、移位

　核糖体向3’端移动一个三联体密码子位置，既氨酰tRNA A→P（移动一个密码子距离)tRNA→E 。

 脱落：无负荷tRNA自核糖体上脱落下来。

真核生物延长过程（图)

  真核生物肽链合成的延长过程与原核基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。

   另外，真核细胞核蛋白体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。

（三)终止

识别

  释放因子（RF)——UAA或UAG或UGA

  转肽酶——转肽作用丧失

水解

（P位)酯键（多肽链——tRNA)

 多肽链释放 蛋白质合成装置解离

多聚核蛋白体(polysome)——使蛋白质合成高速、高效进行。

嘌呤霉素作用示意图

二、翻译后的加工

1、新生蛋白质有限水解

   如：跨膜蛋白中信号肽切除。

   前胰岛素原：含109个氨基酸（N端信号肽23个)

   胰岛素原：86个氨基酸（A链21、B链30、C链35)

   加工的过程首先在内质网腔将信号肽切除，并以二硫键将B链与A链连接，最后在高尔基体中把C  链切去。

2、某些氨基酸残基的共价化学修饰

如：糖基化、乙酰化、磷酸化、甲基化等。

3、蛋白质折叠与“折叠病”

　　 分子病：由于基因突变造成蛋白质分子一级结构改变引起的疾病。

　　  如：地中海贫血症。

　　 折叠病：由于蛋白质分子空间构象改变（氨基酸序列没有改变)引起的疾病。这种三维空间结构异常，通过致病蛋白质分子间作用，感染正常蛋白质而造成。

　　  如：疯牛病、老年性痴呆症、囊性纤维病变、家族性高胆固醇症、家族性淀粉样蛋白症、某些肿瘤、白内障等等。

   蛋白质折叠

近半个世纪以来,研究与中心法则有关问题，而获得诺贝尔奖的学者先后多达34位。

   分子生物学的中心法则中，DNA和RNA的复制、DNA转录成RNA、RNA逆转录成DNA以及翻译多肽链的过程和机制，基本上已经阐明。

　　  多肽链折叠成蛋白质的过程，是中心法则至今留下的空白。

   美国“科学美国人”曾经载文称，用当今最快的计算机，模拟计算蛋白质折叠，要花一百年！

   多肽链如何折叠成蛋白质？多肽链的一级结构到底如何决定它的空间结构？既然前者决定后者，一级结构和空间结构之间，肯定存在某种确定的关系。

  　　核苷酸中 “三联密码”可决定氨基酸顺序。有人提出：多肽链一级结构决定空间结构，其中的密码可叫作“第二遗传密码”。

三、信息流及其中心法则

遗传信息的流动：转录、翻译

信息流基本路线（中心法则)

第十四章  细胞的整体性

真核细胞各组成部分形态结构不同，功能各异，但它们在结构上相互联系，功能上相互依存，都不能离开细胞独立存在。细胞是高度统一整体，是生命基本结构、功能单位 。

第一节  结构上的整体性

一、生物膜具有统一的单位膜构型

细 胞 膜  组成：脂类、蛋白质

   生物膜 结构：单位膜

细胞内膜  特点：不对称性、流动性

细胞进化历程

   核膜

质膜内褶    内质网 

   高尔基体等

线粒体等

二、膜相结构的相互联系和膜的转移(膜流 )

膜流：细胞膜和细胞内各种膜相结构之间的相互联系和转移。

各种膜相结构虽有各自的空间位置，但它们之间的关系极为密切，彼此按一定的方式相互联系，构成一个统一的整体。

如：高尔基复合体是一个处于动态平衡的细胞器。

内质网芽生出的小泡→高尔基复合体扁平囊 →形成分泌泡 →分泌物出胞，泡膜重组到细胞膜。 

细胞对异物的吞噬和胞饮所形成的吞噬体和胞饮体，又使细胞膜的一部分转移到细胞内。

  三、非膜相结构的相互联系

   微管（细胞骨架)13×

   微管  纤毛、鞭毛   9×2＋2

 微管蛋白   中心粒 9×3

   纺锤体

   星体

第二节 功能上的整体性

  一、膜相结构在功能上的统一性

（一)区域化作用

膜相结构把细胞分为若干功能区域。如：核膜、溶酶体膜、线粒体膜。

（二)增加胞内生化反应表面积

在细胞极有限空间内，膜系统建立大面积表面，使代谢反应高效率进行。如：内质网、线粒体内膜。

二、细胞核和细胞质相互依存

1、细胞核控制细胞质

   核DNA→转录→翻译→结构蛋白

   胞质内代谢酶  线粒体内代谢酶

2、核的生理功能依赖细胞质

核代谢所需物质，能量靠胞质供给。如：核糖体大、小亚基生长、加工、组装。

三、代谢环节的相互依存

1、质膜的物质运输。

2、一些代谢反应的完成，如：分泌性糖蛋白的合成、加工、分泌。

3、线粒体供能（ATP)。

4、细胞周期的变化，协同作用。综上所述，细胞是高度统一的整体。

第十六章  生物工程原理及其医学应用

  生物工程通常包括细胞工程、基因工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程等。

第一节 细胞工程原理及其应用

   细胞工程：应用细胞生物学和分子生物学方法，在细胞水平上进

行遗传操作，改变细胞遗传特性和生物学特性，以获得具特定生物学特

性的细胞和生物个体的技术。

一、体外细胞培养

细胞培养：单个细胞或细胞群在体外条件下的培养技术。

  原代细胞培养

  传代培养 

  细胞株

  细胞系

二、细胞融合

细胞融合（细胞杂交)：两个或多个细胞融合成一个杂种细胞（双核或多粒)的过程。

   自然融合 仙台病毒

   人工诱导融合   融合剂   聚乙二醇

   电穿孔法等

融合细胞筛选：药物抗体筛选、营养缺陷筛选、温度敏感性筛选 。

细胞融合过程（见图)

三、单克隆抗体

   单克隆抗体：从一种单个B细胞繁殖的细胞克隆可以获得大量均质的抗体。

   医学应用： 1、导向药物载体

     2、临床诊断

细胞融合用于单克隆抗体的生产（见图)

克隆、克隆人、克隆技术

克隆：由一个细胞或个体以无性方式重复分裂或繁殖所形成的一群细胞或一群个体，在不发生突变的情况下一个克隆内的所有成员具有完全相同的遗传结构。

   分子克隆:含有目的基因的重组DNA分子。

   细胞克隆或细菌克隆:一群相同的细胞或细菌。

   产生一个重组DNA分子；

 一个细胞或一个细菌的分裂增殖。

克隆人：即通过无性繁殖形成的人,由于克隆人会带来一系列社会问题, 所以目前禁止进行。

克隆技术：非常广泛，如分子克隆、细胞克隆、细菌克隆、克隆动物等，具有巨大的经济效益。

四、干细胞工程

   干细胞：一类具有自我更新能力和多项分化增殖潜能的原始细胞。

   胚胎干细胞、

   成体干细胞。

   胚胎干细胞体外可被诱导分化的细胞：造血细胞、内皮细胞与血管发生、神经细胞、心肌和其他肌肉细胞、脂肪细胞和软骨细胞等。

五、细胞工程的应用

（一)组织工程

  器官或组织克隆

（二)动物生动反应器

转基因羊、牛等

（三)细胞治疗

细胞替代、基因治疗

第二节 基因工程原理及其应用

基因工程（重组DNA技术)：生物基因分离或合成出来，通过载体转入受体细胞，亦与受体细胞DNA整合，再经过表达，产生人类所需要的基因、产物、转基因生物。

   取得目的的基因

   选择载体

   目的基因+载体

   基因转移

   受体细胞筛选

一、重组DNA技术

（一)制备目的基因的方法

   化学合成法

   酶促合成法

   从染色体基因组中分离

限制酶（限制性核酸内切酶)

   从原核生物中制备

   特定切点

   切出黏性末端

制备目的基因的方法

   1、化学合成法

   体外化学合成，为已知基因核苷酸顺序，短DNA片段。

  2、酶促合成法

逆转录酶  DNA聚合酶

mRNA   cDNA  双链DNA

3、从染色体基因组中分离

   限制酶

核内大分子DNA DNA片段

   ↓+载体DNA

   转化宿主细胞   基因库

  ↓

  分离特定基因

(二)载体的选择

   载体：与目的基因结合，将其导入受体细胞，并可自我复制的工具。

   常用载体：质粒、病毒、粘粒、酵母人工染色体（YAC)。

   特点：分子量小、自我复制、多个单切限制位点、药物选择性遗传标记。

(三)目的基因与载体连接

粘端连接

平端连接

同聚物末端连接

1.粘端连接

2.平端连接

3.同聚物末端连接

 (四)将重组DNA分子导入受体细胞

  转化：重组DNA分子引入受体细胞。

   细菌转化  电穿法

   真核细胞基因转移   显微注射法

病毒转移法

（五)基因文库

1.基因组文库

2.cDNA文库

（六)带有目的基因细胞的筛选

  筛查带有目的基因的细胞。

（七)染色体步移

二、DNA聚合酶链反应扩增技术

PCR是一种在体外特异扩增DNA片段的技术

条件：1.单链模板DNA

   2.寡核苷酸引物

   3.dNTPs

   4.DNA聚合酶

（一)热变性

（二)退火

（三)引物延伸

三、DNA测序原理（见图)

四、基因工程的医学应用

（一)基因诊断

1.基因诊断定义和基本原理

基因诊断：利用DNA重组技术直接探查基因的存在和缺陷，从而对人体状况和疾病作出诊断。

基本原理（1)探针杂交（2)PCR

2.基因诊断基本技术和方法

DNA探针技术

RFLP

PCR

3.基因诊断的临床应用

   遗传病的基因诊断

   恶性肿瘤的基因诊断

   感染性疾病的基因诊断

   它应用（如对妊娠早期的胎儿进行性别鉴定)

（二)基因治疗

（三)转基因动物

（四)生产基因工程产品