细 胞 生 物 学 教 案
. 第一章 绪 论 第一节 细胞生物学研究内容与现状
一、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科 1.细胞学（Cytology）：是研究细胞的结构、功能和生活史的科学 2.细胞生物学（Cell Biology）：运用近代物理学和化学的技术成就以及分子生物学的概念与方法，从显微水平、亚显微水平和分子水平三个层次上，研究细胞的结构、功能及各种生命活动规律。
二、细胞生物学的主要研究内容 1. 细胞核、染色体及基因表达 基因表达与调控是目前细胞生物学、遗传学和发育生物学在细胞和分子水平相结合的最活跃领域。
2.生物膜与细胞器的研究 膜及细胞器的结构与功能问题（“膜学”）。
3. 细胞骨架体系的研究 胞质骨架、核骨架的装配调节问题和对细胞行使多种功能的重要.性。
4. 细胞增殖及调控 控制生物生长和发育的机理是研究癌变发生和逆转的重要途径（“再教育细胞”）。
5. 细胞分化及调控 一个受精卵如何发育为完整个体的问题。（细胞全能性） 6 .细胞衰老、凋亡及寿命问题。 7. 细胞的起源与进化。
8. 细胞工程 改造利用细胞的技术。生物技术是信息社会的四大技术之一，而细胞工程又是生物技术的一大领域。目前已利用该技术取得了重大成就（培育新品种，单克隆抗体等），所谓21世纪是生物学时代，将主要体现在细胞工程方面。 三、当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域 1. 染色体DNA与蛋白质相互作用关系；
2. 细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控； 3 .细胞信号转导的研究； 4 .细胞结构体系的装配。
第二节 细胞生物学发展简史 一 细胞生物学研究简史
1.细胞学创立时期 19世纪以及更前的时期（1665—1875），是以形态描述为主的生物科学时期；
2. 细胞学经典时期 20世纪前半世纪（1875—1900），主要是实验细胞学时期； 3. 实验细胞学时期（1900—1953）； 4. 分子细胞学时期（1953至今）。
总过程概括为：细胞发现→细胞学说建立→细胞学形成→细胞生物学的发展 （1665） （1838—1839） （1892） （1965）
R.Hooke Schleiden、Schwann Hertiwig DeRobertis
二、 细胞的发现（discovery of cell）以及细胞学说的建立及其意义（The cell theory） 1.1838年，德国植物学家施莱登（J.Schleiden）关于植物细胞的工作，发表了《植物发生论》一文（Beitrage zur Phytogenesis）.
2.1839年，德国动物学家施旺（T.Shwann）关于动物细胞的工作，发表了《关于动植物的
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结构和生长一致性的显微研究》一文，论证了所有动物体也是由细胞组成的，并作为一种系统地科学理论提出了细胞学说。
○1细胞是生物体的基本结构单位（单细胞生物，一个细胞就是一个个体）；
○2细胞是生物体最基本的代谢功能单位（动、植物的各种细胞具有共同的基本构造、基本特性，按共同规律发育，有共同的生命过程）； ○3细胞只能通过细胞分裂而来。
三、细胞学的诞生（细胞学的经典时期和实验细胞学时期） 1 原生质理论的提出 2 关于细胞分裂的研究 3 重要细胞器的发现 4 遗传学方面的成就 四、细胞生物学的兴起
1965年，D.Robetis将他原著的《普通细胞学》更名为《细胞生物学》（第四版），率先提出这一概念。
五、分子细胞生物学
第二章 细胞基本知识概要
第一节 细胞的基本概念 一、细胞和原生质的概念
1.细胞： 细胞是由膜包围的，能进行独立繁殖的最小原生质团，是生命活动的基本单位，是生物体最基本的形态结构和功能活动单位。 2.原生质（Protoplasm）：指细胞内所含有的生活物质（构成细胞的生活物质），真核细胞包括细胞膜、细胞质和细胞核。 细胞质（Cytoplasm），指质膜以内核以外的原生质。它不是匀质的，其结构大体划分为两部分，一部分是有形结构，称为细胞器（Organelle），另一部分是可溶相，称细胞质基质（Cytoplasmic miatrix）。 细胞器（Organelle）：指存在于细胞中，用光镜或电镜能够分辩出的，具有一定形态特点，并执行特定功能的结构。
细胞质基质（Gytoplasmic matrix），是细胞质的可溶相，是作为细胞器的环境而存在的。 细胞核（nucleus）：遗传物质的集中区域，在原核生物细胞称拟核（nucleoid）或类核区。
第二节 非细胞形态的生命体——病毒（略）
第三节 原核细胞与真核细胞
原核细胞（Prokaryotic cell）具有两大特点：
1遗传信息量少（仅有一个环状DNA）,无膜围细胞器及核膜 2最小、最简单的细胞——支原体（mycoplasma） 为何说支原体是最小的细胞？
3原核细胞的两个代表——细菌和蓝藻
细菌（bacteria， bacterium）主要来自对大肠杆菌（E.coli）的研究。
细菌是原核细胞的典型代表，特点是：无典型的细胞核，有细胞壁，细胞质中除核糖体外无其它细胞器。
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蓝藻（Blue-green algae）
又称蓝绿藻或蓝细菌，是绿色植物中最原始的自养类型，含有兰色素、红色素、黄色素、叶绿素等，故不一定都是兰色。
第四节 真核细胞基本知识概要
大约在12—16亿年前在地球上出现，是具有典型细胞核和核膜、核仁，体积较大，结构较复杂，进化程度较高的一类细胞。 一、真核细胞的基本结构体系
生物膜系统 以脂质及蛋白质成分为基础构建而成。
遗传信息表达结构系统 以核酸与蛋白质为主要成分构建而成。 细胞骨架系统 由特异蛋白质分子装配而成。
综合原核细胞和真核细胞的特点，二者的根本区别可归纳为下面两条： 1细胞膜系统的分化与演变
真核细胞以膜分化为基础，分化为结构更精细，功能更专一的单位——各种膜围细胞器，使细胞内部结构与职能分工。而原核细胞无此情况。 2遗传信息量大与遗传装置的复杂化
真核细胞的遗传信息可达上万个基因，并具重复序列，染色体功能具二倍性或多倍性。原核细胞为单倍性。仅为一条环状DNA分子，细菌只有几千个基因。 二、细胞的大小及其分析
原核细胞多在1—10或1—5μm，细菌多在3—4μm，支原体只有0.1μm。 动物细胞多在（10—100μm，20—30μm， 15—70μm）。最大的细胞要属鸵鸟卵，可达10 cm，卵黄只有5cm。隆鸟卵直径可达20 cm。 那么，细胞的大小是怎样决定的呢？
首先，细胞的核质比与细胞大小有关，决定细胞上限。 其次，细胞的相对表面积与细胞大小有关。 最后，细胞内物质的交流与细胞大小有关。
三、细胞形态结构与功能的关系
细胞的形态结构与功能的相关性和一致性是多数细胞的共性。
四、细胞的化学成分及在原生质中的造形
膜系统：主要以脂蛋白构成，包括细胞膜、核膜，以及一系列细胞器膜。
颗粒系统：由蛋白质或核蛋白组成，如存在于线粒体内膜上的基本颗粒（F因子），亦称内膜亚单位（inner membrane subunits ）和核糖核蛋白体，分别是氧化磷酸化和合成蛋白质的场所。
纤维系统：由蛋白质和核酸组成。
第三章 细胞生物学研究方法
第一节 细胞形态结构的观察方法 一、 光学显微镜技术
（一） 普通复式光学显微镜技术
（二）荧光显微镜（fluorescence microscope）
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（三）暗视野显微镜（darkfield microscope） （四）相差显微镜（phase contrast microscope） （五）激光共焦点扫描显微镜（略） （六）微分干涉显微镜（略） 二、电子显微镜技术
（一）电镜设计原理及分类 （二）电镜的种类
（三）透射式电子显微镜 （四）光镜与电镜的主要区别
综上可见，电镜与光镜区别主要在于：
（1） 光源不同 光镜为可见光或紫外线；电镜为电子束 （2） 透镜不同 光镜为玻璃；电镜为电磁透镜 （3） 真空
（4）显示记录系统
（五）扫描式电子显微镜 扫描电镜的特点 扫描电镜的基本结构 （六）电镜样品制备技术 1 超薄切片技术（详见光盘）
2 负染色（negative staining）技术
3 核酸大分子的制样技术（大分子铺展技术，Kleinschmidt法） 4 整装细胞电镜技术
5 电子显微镜细胞化学技术 是能过特殊的细胞化学反应，使待测物转变成某种不溶性的电子致密沉淀物，并利用电镜在超微结构水平上对产物进行定位和半定量。主要有各种酶的定位，其次是核酸、蛋白质、脂肪、碳水化合物等的定位。 酶的化学定位技术
免疫细胞化学电镜技术（见本编第十一章）。 6 冰冻蚀刻技术（freeze etching） 7 扫描式电镜制样技术
第二节 细胞组分的分析方法 （生化分析法）
一、超速离心技术分离细胞（组分）及生物大分子 （一） 各种离心技术——分离细胞器、生物大分子
离心方法：根据分离对象和目的不同，采用不同的离心方法，制备离心和分析离心。
（1）制备离心 (preparative centrifuge) 分离和纯化亚细胞成分和大分子，目的是制备样品。
差速离心法：是最常用的方法，根据不同离心速度所产生的不同离心力，将各种亚细胞组分和各种颗粒分离开来。
密度梯度离心（区带离心法）
a、速率区带离心法（蔗糖密度梯度离心） b、等密度梯度离心法（氯化铯密度梯度离心）
（2）分析离心（analytical centrifuge） 分析和测定制剂中纯的大分子的种类和性质，
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如浮力密度和分子量、生物大分子的构象变化、分析样品的纯度等。此工作必须是在制备离心的基础上进行。
（二）细胞的选择性抽提（分离蛋白质、核酸大分子） （三）柱层析的技术（分析蛋白质和核酸） （四）电泳技术
（五）色谱分析技术（色谱学——分离纯化样品） （六）氨基酸分析技术 二、细胞化学技术
（一）组织化学和细胞化学法
基本原理：利用某些化学物质和某些细胞成分发生化学结合，从而显示出一定的颜色，进行定性和定位研究的方法。
（二）免疫细胞化学法（特异蛋白抗原的定位与定性） 基本原理：此项技术是将免疫学中抗原、抗体以及补体间专一性反应结合显微或亚显微组织学的一些研究方法的统称。是免疫学原理与光镜或电镜技术的结合。 抗体的标记
抗体标记的方法很多，有铁蛋白标记法、免疫酶标记法、免疫金标记法、杂交抗体标记法、搭桥标记法、同位素标记法、荧光标记法等。 三、细胞内特异核酸序列的定位与定性 （一）DNA序列测定技术
（二） 核酸分子杂交技术（molecular gbridization technique） （特异核酸的定性定位）
概念 两条具有互补核酸顺序的单链核酸分子片断，在适当的实验条件下，通过氢键结合，形成DNA-DNA、DNA-RNA或RNA-RNA双链分子的过程。 印迹杂交 (blot hybridization)
用已知的带有标记的特定核酸分子（或抗体、蛋白质分子）作为探针，与通过印迹被转移的核酸分子（或抗原、蛋白质分子）片段杂交的过程。
（1） Southern blotting （DNA印迹法） 将分离的DNA片段通过毛细管作用转移到硝基纤维素膜上，用DNA探针与之杂交的过程。是以发明此项技术的人名命名的（E?M?Southern）。是体外分析特异DNA序列的方法。
（2） RNA印迹术（Northern blotting） （3） 蛋白质印迹术（Western blotting）
（4） Eastern blotting（Western blotting的变形） 当用凝胶进行抗原抗体反应，再进行印迹的方法）。
（5） DNA与蛋白质的体外吸附技术（Southwestern blotting） 结合了Western印迹与southern印迹两种实验方法的特点而设计的一种检测序列特异性DNA结合蛋白的实验方法（翟P51）。
（6） 原位杂交（Insitu hybridization） 用已知的带有标记的特定核酸分子作为探针，来测定与之成互补关系的染色体DNA区段的位置。 四、电镜放射自显影技术
原理 这是一种利用放射性同位素作为标记物对细胞化学物质进行超显微结构的定位、定性或定量的实验技术。
五、定量细胞化学分析技术 （一） 显微分光光度测定技术
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第三节 细胞培养、细胞工程与显微操作技术
一、细胞培养
（一）动物细胞培养
（二）植物细胞的培养 包括单倍体细胞的培养和原生质体培养
“全能性”—指生物体的每一生活细胞，处于适当条件下，都具有进行独立生长发育，并形成一个完整生物个体的能力。 1单倍体细胞的培养 2原生质体培养
3植物细胞杂交（融合）
（三）突变株和非细胞体系在细胞生物学研究中的应用 二、细胞工程
概念 应用细胞生物学和分子生物学的理论、方法和技术，按人们的预定设计蓝图有计划的保存、改变和创造细胞遗传物质，以产生新的物种和品系，或大规模培养组织细胞以获得生物产品。
该技术在细胞和亚细胞水平上开辟了基因重组的新途径，不需分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，只需将遗传物质直接转入受体细胞，就可形成杂交细胞。 主要技术领域
细胞（组织、器官）培养：in vivo 在体、活体、生物体内 in vitro 离体、生物体外
细胞融合（体细胞杂交、细胞并合） 细胞拆合（细胞质工程、细胞器移植） 染色体（组）工程
繁殖生物学技术（胚胎冷冻技术、试管婴儿、生物复制、胚胎移植、发育工程、胚胎工程、胚胎分割技术、胚胎融合技术、嵌合体）
组分移植技术 将细胞的组分（核、质、染色体、甚至基因）直接移植到另一个细胞中去的技术
第四章 细胞膜与细胞表面
第一节 细胞膜与细胞表面的特化结构 一、细胞膜的结构模型 细胞膜（Cell membrane） 指围绕在细胞最外层，由脂类和蛋白质组成的薄膜。是所有细胞共有的包被（原生质，细胞质）的一层膜。又有原生质膜（Plasmalemma）之称，通常简称质膜（Plasma membrane）。
1、 双分子片层模型（bimolecular leaflet model）
这一模型是Danielli & Davson于1935年提出的，因此又称Danielli & davson模型。 2、 单位膜模型（The unit membrane model）
这个模型是1957~1959年，英国伦敦大学的罗伯逊（Robertson），通过电镜观察后提出的。 3、流动镶嵌模型（fluid mosaic model） 这个模型的主要内容可归纳为：
○1脂类物质以双分子层排列，构成膜的骨架；
○2镶嵌性 蛋白质分子镶嵌在脂双层的网架中。存在方式有内在蛋白（整体蛋白）和外在蛋白（边周蛋白）。○3不对称性 蛋白质分子和脂质分子在膜上的分布具不对称性，膜两侧
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的分子性质和结构不同。
○4流动性 脂质双分子层和蛋白质是可以流动或运动的
脂质分子的运动性：有实验表明，类脂分子的脂肪酸链部分在正常生理状态下，可作多种形式的运动：旋转、振荡、摆动、翻转，同时整个分子可作侧向扩散运动。
蛋白质分子的运动性：有侧向扩散和旋转两种方式，受周围膜质性质和相态的制约。荧光抗体免疫标记可观察。
综合流动镶嵌模型之内容，不难看出，其突出特点在于，流动性、镶嵌性、不对称性和蛋白质极性。由此造成各种膜的功能差异。 4、晶格镶嵌模型（蛋白液晶膜模型） 5、板块镶嵌模型
最近有人提出脂筏模型（Lipid rafts model）。目前认为，这些模型并无本质区别，只是对流动镶嵌模型的进一步补充说明，不能作为膜的通用模型。 二、质膜的化学组成
细胞膜几乎全都是脂类（50%）和蛋白质（40%），仅含少量糖类（2~10%糖脂和糖蛋白）和微量核酸（细菌质膜、核膜、mit、chl内膜），结合方式及存在意义尚不清楚。 （一）膜脂（Lipids） （二）蛋白质（Protein）（膜蛋白） （三）糖类（Carbohydrate）
三、质膜的功能（function of c.m） 质膜与外界环境隔离开，通过它保持着一个相对稳定的细胞内环境，在细胞生命活动中行使着多种重要功能，概括为：物质运输，能量转换，信息传递，细胞识别，细胞连接，代谢调控，膜电位维持等。
四、骨架与细胞表面的特化结构
膜骨架（membrane associated cytoskeleton）
指质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理机能。早期有人称膜下溶胶层，实质为膜骨架。 第二节 细胞连接
细胞连接可分为三大类：即
一、封闭连接
紧密连接（tightjunction ）为典型的封闭连接，又称结合小带或封闭小带（zonula oceludens），是相邻两细胞膜紧紧靠在一起的连接方式，中间无空隙，并且两质膜外表面互相融合，所以电镜下观察呈三暗夹两明的五层结构。 二、锚定连接
通过这种连接方式将相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连成一个坚挺、有序的细胞群体。
1、桥粒和半桥粒（与中间纤维有关）
○1桥粒（desmosme， maculae adherens） 指相邻细胞间形成的“钮扣”样结构，联结处约有30nm的间隙，间隙充满丝状的粘多糖性物质，其中有一层电子密度较高的接触层，或称中央层（桥粒蛋白）将间隙等分为二。
○2半桥粒：位于表皮基细胞与基膜接触的一面，由于相对应的为基膜而不是细胞，因而称半桥粒（hemides mosome）。
2、粘着带与粘着斑（与肌动蛋白丝有关）
○1粘着带 介于紧密连接与桥粒之间，亦称为中间连接。是相邻细胞间有较宽（15~20nm）
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间隙的一种联结方式。
○2粘着斑 是肌动蛋白纤维与细胞外基质之间的连接方式。如贴壁细胞的贴壁行为，通过粘着斑贴在瓶壁上。 三、通讯连接
1 间隙连接（gap junction） 又有缝隙联结或接合斑（nexus）、缝管连接或封闭筋膜（fascia occludens）之称，是相邻细胞间有2-3nm间隙的一种连接方式。电镜下观察联结处呈四暗夹三明的七层结构之称。 2 植物细胞的连接——胞间连丝（Plasmodesma）
在植物细胞，两相邻细胞的壁之间靠一层称作胞间层（中胶层middle tamella）的果胶类（Pectin）物质粘合在起，但在有些部位，细胞壁及胞间层并不连续，在此有原生质丝通过而勾通相邻两细胞，这便是植物细胞特有的连接方式——胞间连丝，是指相邻植物细胞穿通细胞壁的细胞质通路。
3 化学突触：是可兴奋细胞之间的连接方式，通过释放神经递质（如乙酰胆碱）来传导神经冲动，电信号→化学信号→电信号 （四）细胞表面的粘着因子
第三节 细胞外被与细胞外基质 一、细胞外被（Cell coat） 又称糖萼（glgcocalyx），指由细胞产生的、与细胞膜外表面联系密切的粘多糖类物质。由于它林立在细胞表面，与质膜中蛋白质和脂类结合，故可认为它是质膜的组成部分，但有其独立性。有人将细胞外被与质膜比喻成“毛”与“皮”的关系。 二、细胞外基质（extracellular matrix） 分布于细胞外空间（如细胞之间或细胞表面），由细胞分泌的蛋白和多糖构成的网络结构。与膜关系不密切，功能在于：○1细胞间粘着；○2保护作用；○3维持细胞外环境（调节细胞周围的物质浓度）；○4过滤作用等等。在形态发生中作用重大，包括：细胞迁移、增殖、形态变化、分化、保护、组建等。 主要包括四大类物质 （一）胶原（collagen）：属糖蛋白类物质，为纤维状蛋白多聚体，含量最高，具刚性，抗张强度大，构成细胞外基质的骨架体系。 （二）氨基聚糖（glycosaminoglycan GAC）和蛋白聚糖（proteoglycan，PG）（粘多糖，粘蛋白）
（三）层粘连蛋白（Lamimin，LN）（较大的糖蛋白分子）和纤粘连蛋白（fibronectin，FN）（由两条或更多的肽链及一些低聚糖组成。对细胞迁移作用大）。 （四）弹性蛋白
第五章 物质的跨膜运输与信号传递
第一节 物质的跨膜运输
一、 被动运输（Passive transport）
指通过简单扩散或协助扩散实现物质从浓度高处经质膜向浓度低处运输的方式。运输速率依赖于膜两侧被运送物质的浓度差及其分子大小、电荷性质等。不需要细胞代谢供应能量。 （一）简单扩散（simple diffusion）
指物质顺浓度梯度的扩散，不需要消耗细胞本身的代谢能，也不需专一的载体（膜蛋白），只要物质在膜两侧保持一定的浓度差，物质便扩散穿膜，又称自由扩散（free diffusion）。
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特点：
（二）协助扩散（facilitated diffusion） 又称促进扩散。绝大多数在细胞代谢上非常重要的生物分子，如各种极性分子和某些无机离子（糖、氨基酸、核苷酸及细胞代谢物等）是不溶于脂的（非脂溶性物质），但它们可以有效地进入细胞，只是扩散速度并不总是随浓度梯度的增大而加快，而是在一定限度内同物质浓度成正比，超过一定限度，即使提高浓度差，扩散速度也不会再高。分析知它们是通过另一种被动运输方式——协助扩散进行的。这种运输方式除了依赖物质浓度差以外，还必须依赖于专一性的膜运输蛋白（转运膜蛋白）。 膜运输蛋白（memberan transport pr.）: 镶嵌在质膜上的、与物质运输有关的跨膜蛋白质称膜运输蛋白，是一种横穿脂双层的跨膜分子，包括两类： 1隧道蛋白（channel pr.）（通道蛋白、槽蛋白）：以其亲水区构成亲水通道和离子通道，允许水及一定大小和电荷的离子通过。
离子通道（亦称门孔、门隧道）通常呈关闭状态，只有当膜电位或化学信号物质刺激后才开启通道。膜电位刺激开放的离子通道称电位门通道；化学信号物质刺激开放的通道称配体门通道。
2载体蛋白（carrier pr.）：识别结合特异性底物后通过构象变化实现物质转移。类似于酶与底物的作用，故又称“透性酶”（Permease）。
综上，凡是借助于载体蛋白和通道蛋白顺浓度梯度的物质运输方式称facilitated diffusion、或促进扩散或易化扩散。葡萄糖进入红细胞，进入小肠上皮细胞通常以这种方式。
协助扩散有三个特点：○1低浓度时比简单扩散速度快；○2存在最大转运速度；○3有转运膜蛋白存在，故具有选择性、特异性。 二、主动运输（active transport）
又称代谢关联运输（metabolically linked tramsport），是物质运输的主要方式。包括由ATP直接提供能量和间接提供能量两种运输方式。 （一）ATP直接提供能量的主动运输—离子泵 所谓离子泵是一种位于细胞膜上的ATP酶，是一（穿膜）内在蛋白，能将ATP水解成ADP+pi，同时释放能量，ATP酶构象发生变化，带来离子的转位，将物质逆浓度梯度运输。
在质膜上，作为“泵”的ATP酶很多，它们都具有专一性，不同的ATP酶运输不同的物质或离子，因此，我们可以分别称它们为某物质的泵。如运输Ca++，叫钙泵（肌质网膜）；运输H+，叫氢泵（细菌质膜）等等，质子泵又分为P型（真核质膜上）、V型（溶酶体膜）、H+—ATP酶（线、叶、细菌质膜）。现以钠—钾泵为例，说明离子泵的工作机制。
Na+—K+泵是存在于质膜上的由∝和β二个亚基组成的蛋白质。在有Na+、K+、Mg2+存在时就能把ATP水解成ADP+Pi，同时，把Na+和K+以反浓度梯度方向进行穿膜运输。可见Na+-K+泵是一种由Mg2+激活的Na+-K+-ATP酶。1957年，J.skou首先发现并阐述其机制，一般设想：
在膜内侧，Na+、Mg2+与酶（∝亚基）结合，促使酶与ATP反应，释放H3PO4，并与酶结合，引起酶构象变化，与Na+结合部位转向膜外侧。此时的构象亲K+排Na+，当与K+结合后，使酶脱去H3PO4，酶构象恢复，结合K+的一面转向膜内，此时构象亲Na+排K+，这样反复进行，不断在细胞内积累K+，将Na+排出细胞外。
（二） 间接利用ATP的主动运输——伴随运输（或称协同运输，co-transport） 指一种溶质的传递要同时依赖于另一种溶质的传递。如果两种溶质的传递方向相同，称同向运输（symport），如果方向彼此相反，则称反向运输（antiport）。 （三）基团转移
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早见于细菌，也见于动物细胞。靠共价修饰（需能） （四）物质的跨膜转运与膜电位
○1调节渗透压；○2某些物质的吸收；○3产生膜电位；○4激活某些生化反应；如细胞内高浓度K+是核糖体合成蛋白质及糖孝解过程中重要酶活动的必要条件。 三、胞吞与胞吐作用
还有一种物质运输的方式不同于此，是细胞膜将外来物包起来送入细胞或者把细胞产物包起来送出细胞。前者称胞吞作用，后者称胞吐作用，总称吞排作用（Cytosis）。这样的物质运输方式称膜泡运输（transport by vesicle formation），又称批量运输（bulk transport）。大分子物质及颗粒物质常以此方式进出细胞。 （一）胞饮作用与吞噬作用
某些物质与膜上特异蛋白质结合，然后质膜内陷形成囊泡，称胞吞泡（endocytic vesicle）。将物质包在里面，最后从质膜上分离下来形成小泡，进入细胞内部。根据内吞的物质性质，将其分为：
吞噬作用（Phagocytosis）吞噬泡，内吞较大固体物质，如颗粒白细胞、巨噬细胞。
胞饮作用（Pinocytosis）胞饮泡，内吞液体或极小颗粒，白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、植物根细胞。
（二） 胞吐作用（exocytosis）又称外卸
某些代谢废物及细胞分泌物形成小泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融合后将物质排出。如：小肠上皮的杯状细胞向肠腔中分泌粘液，经溶酶体消化处理后的残渣排向细胞外等过程。 关于衣被小泡运输（Coated vesicle）
存在于真核细胞中，具有毛刺状外表面的一类小泡（50—250nm）。可以是内膜系统的有关细胞器芽生而成，也可以是由质膜内陷，断裂形成，进行细胞器间的物质运输。 （三） 受体介导的胞吞作用（receptor—mediated endocytosis） 某些大分子的内吞往往首先同质膜上的受体结合，然后质膜内陷形成衣被小窝，继之形成衣被小泡，这种内吞方式称受体介导的胞吞作用。 需说明的是，膜泡运输时由于质膜内陷或外凸也需消耗能量，故可看作是一种主动运输方式。 第二节 细胞通讯与信号传递 一、细胞通讯与细胞识别 （一）细胞通讯（cell communication）指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。
（二）细胞识别与信号通路（cell recognition） 细胞识别的现代概念是：细胞识别是细胞通过其表面的特殊受体与胞外信号物质分子（配体）选择性的相互作用，从而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应，这种现象或过程称为细胞识别。
可见，细胞识别是细胞通讯的一个重要环节。细胞接受外界信号，通过一整套特定机制，将胞外信号转化为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称之为细胞信号通路（Signaling pathway）。细胞识别正是通过各种不同的信号通路实现的。 （三）细胞的信号分子与受体 1 细胞的信号分子
信号分子，即配基 （Ligands）：指能够被受体识别的各种类型的大、小分子物质。又有信号分子（ Signal molecule ）和被识别子（cognon）之称。
亲脂性信号分子：甾类激素、甲状腺素。直接进入细胞与细胞质或核中受体结合，形成激素受体复合物，调节基因表达。
亲水性信号分子：神经递质、生长因子、多数激素等，不能直接进入细胞，先与膜上受体结
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合，再经信号转换机制，在细胞内产生→第二信使（cAMP和肌醇磷脂），或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶的活性，引起细胞的应答反应。
20世纪80年代发现一氧化氮（NO）是一种重要的信号分子和效应分子，它能进入细胞直接激活效应酶，参与体内重多的生理病理过程，成为人们关注的“明星分子”。 2 受体（receptor）
受体的概念最早是1910年Ehrlich提出的，近来有人建议改称“识别子”（cognor）。 受体都是蛋白质大分子（多为糖蛋白），一般至少包括两个结构功能区域，即与配体结合的区域及产生效应的区域。组成糖链的单糖种类、数量及排列方式不同，从而形成该细胞特定的“指纹”，是细胞之间、细胞与其他大分子之间联络的“文字”和“语言”。
根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为两类，即细胞内受体（受胞外亲脂性信号分子的激活）和细胞表面受体（受胞外亲水性信号分子的激活）。二着通过不同的机制介导不同的信号传递通路。 3 第二信使与分子开关
通过分泌化学信号进行细胞间通讯的过程：化学信号分子的合成→信号细胞释放化学信号分子→转移至靶细胞→被受体识别→信息跨膜传递→引起细胞内生物学效应。 第二信使（second messenger） 70年代初，Sutherland及其合作着提出激素作用的第二信使学说，认为胞外化学物质（第一信使）不能进入细胞，它作用于细胞表面受体，而导致产生胞内第二信使，从而激发一系列生化反应，最后产生一定的生理效应，第二信使降解使其信号作用终止。
分子开关（molecular switches） 在细胞内一系列信号传递的级联反应中，必须有正、负两种相反相成的反馈机制进行精确控制，即对每一步反应既要求有激活机制又必然要求有相应的失活机制。
二、通过细胞内受体介导的信号传递
亲脂性小分子（甾类激素、甲状腺素）穿膜进入细胞，通过与细胞内（细胞质或核）受体结合传递信号。
这类受体有三个结构域：1、C末端区——结合激素；2、中部——结合DNA；3、N末端区——激活基因转录。
三、通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递
亲水性信号分子（神经递质、蛋白激素、生长因子等）一般不能直接进入细胞，而是通过与膜上特异受体结合对靶细胞产生效应。
根据信号转导机制和受体蛋白类型的不同，细胞表面受体分属三大家族： 1、 离子通道偶联的受体
是由多亚基组成的受体—离子通道复合体，本身既有信号结合位点，又是离子通道。 2、G蛋白偶联的受体
这类受体与酶或离子通道的作用要通过与GTP结合的调节蛋白（G蛋白）相耦联，在细胞内产生第二信使，从而将外界信号跨膜传递到细胞内进而影响细胞生物学效应。 由G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路主要包括两类： Ⅰ、cAMP信号通路
激素（第一信使）→激活受体 →进一步激活腺苷酸环化酶，使ATP→cAMP（第二信使），然后通过激活一种或几种蛋白激酶来促进蛋白酶的合成，促进细胞分化，抑制细胞分裂。 受体和腺苷酸环化酶由G蛋白耦连在一起，并使细胞外信号跨膜转换成细胞内信号—cAMP。 Ⅱ、磷脂酰肌醇信号通路
外界信号分子 识别并结合膜表面受体，激活 PIP2磷酸二酯酶（PIC） 催化 使4，5一二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2，存在于真核细胞膜的成分）水解 成 1，4，5一三磷酸肌醇和（IP3）
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和二酰基甘油（DG）两个第二信使， IP3可引起胞内Ca2+ 升高，通过结合钙调素并使之构象改变，进而与受体酶结合形成钙调素—酶复合物， 进一步调节受钙调素调节的酶的活性，最后引起对胞外信号的应答。 DG可激活蛋白激酶C（PKC），使细胞内PH 升高，进而引起对胞外信号的应答。 3、与酶偶联的受体
这类受体一旦被配基（信号分子）活化即具有酶的活性。这类受体均为跨膜蛋白质。
第七章 细胞的能量转换—线粒体和叶绿体
第一节 线粒体与氧化磷酸化
一、线粒体形态、大小、数目和分布 二、线粒体的超微结构 本世纪50年代后，在电镜下观察研究线粒体的结构问题。是由双层单位膜套叠成的所谓“囊中之囊”，在空间结构上人为地划分为四大部分，即外膜、内膜、外室、内室。 （一）外膜（outer membrane）
指包围在线粒体最外面的一层膜，看上去平整光滑而具有弹性，膜厚约6nm。对各种小分子物质（分子量在10000 doldon以内，如电解质、水、蔗糖等）的通透性较高，有人认为外膜上具有小孔（ф2~3nm）。
（二）内膜（inner membrane）
也是一单位膜，约厚6~8nm。内膜不同于外膜。首先是在结构上，内膜不是平滑的，而是由许多向线粒体腔内的突起（褶叠或小管），被称为“线粒体嵴”（mitochondria cristae），是线粒体最富有标志性的结构，它的存在大大扩大了内膜的表面积，增加了内膜的代谢效率。 （三）外室（outer space）（膜间隙）
指内、外膜之间的窄小空隙，宽约6~8 nm，又称膜间隙（intermembrane space）。 （四）内室（mner space）
指由内膜包围的空间，其内充满蛋白质性质的物质，称线粒体基质（mitochondria matrix）。
三、线粒体的化学组成及定位（chemical composition） （一）蛋白质 外膜含量（60%）低于内膜含量（80%），主要为酶类（约120余种）。 外膜：单胺氧化酶（标记酶）、NADH—细胞色素C还原酶、脂肪酸辅酶A连接酶等等； 内膜：呼吸链酶系（细胞色素氧化酶为标记酶）、ATP合成酶、琥珀酸脱H酶等等； 外室：腺苷酸激酶（标记酶）、核苷二磷酸激酶；
内室：三羧酸循环酶系（其中苹果酸脱H酶是标记酶）、脂肪酸氧化酶、蛋白质合成酶系等等
（二）脂类 外膜中含量（40%）高于内膜中的含量（20%）。其中内膜不含胆固醇，而含心磷脂较多。
（三）核酸 基质中有DNA，称mt—DNA
四、线粒体的功能——生物氧化（biological oxidation） 亦称细胞呼吸（cellular respiration），指各类有机物质在细胞内进行氧化分解，最终产生CO2和 H2O，同时释放能量（ATP）的过程。包括TCA环、电子传递和氧化磷酸化三个步骤，分别是在线粒体的不同部位进行的。 （一） 生物氧化的分区和定位
（二）电子传递和氧化磷酸化的结构基础
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虽然电子传递和氧化磷酸化偶连在一起，但它们又是通过不同的结构完成的。1968年，E.Racker等的亚线粒体小泡重建实验说明了这一问题（图示）。 由此可见，电子传递是在线粒体内膜上，氧化磷酸化由基粒承担。 1 电子传递链（呼吸链）（electron transport chain， respiration chain）
呼吸链是由存在于线粒体内膜上的众多酶系和其它分子组成的电子传递链。 （1）复合物I NADH—Q还原酶，催化NADH的2个电子→辅酶Q
（2）复合物Ⅱ 琥珀酸—Q还原酶，催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋白传至辅酶Q （3）复合物Ⅲ 细胞色素还原酶，催化电子从辅酶Q传至CytC （4）复合物Ⅳ 细胞色素氧化酶，将电子从CytC→氧。 2 基粒（F1—FO复合物）的超微结构
F1—FO复合物，又称内膜亚单位、呼吸集合体、ATP酶复合物、ATP合成酶等。这一结构最初是在1962年，由Fernadezmoran经负染色在电镜下观察到的，后来D.Green将其称为线粒体基粒，后改称基粒，实际上是一种ATP酶复合体，分子量约在448000。
它是由多条多肽链构成的复合结构，可分为三部分，即头、柄、膜三部。在ATP形成过程中共同发挥作用。
3 氧化磷酸化的偶联机制
（1）化学偶联假说（Chemieal coupling hypothesis）
（2）构象偶联假说（Conformational coupling hypothesis） （3）化学渗透学说（Chemiosmotic coupling hypothesis）
亦称电化学偶联学说，是1961年英国生化学家P.Mitchell提出的。对电子传递和氧化磷酸化问题作了较为另人信服的解释，故普遍为人接受，米切尔因此而获1978年诺贝尔化学奖。 这一假说的中心思想是：在电子传递过程中所释放的能量转化成了跨膜的氢离子浓度梯度的势能，这种势能驱动氧化磷酸化反应，合成ATP。
（1）NADH提供一对电子，经电子传递链，最后为O2所接受。 （2）电子传递链中的载氢体和电子传递体相间排列，每当电子由载氢体传向电子传递体时，载氢体的H+便释放到内膜外。一对电子在呼吸链三次穿膜运动，向外室排放三对H+ 。 （3）内膜对H+具有不可透性，故随电子传递过程的不断进行，H+ 在外室中积累，造成膜两侧的质子浓度差。
（4）外室中H+有顺浓度梯度返回基质的倾向，当H+通过F1—FO复合物时，ATP酶利用这一势能合成ATP。
（5）F1—FO复合物需2个质子合成一个ATP。
第二节 叶绿体与光合作用（chloroplast & photosynthesis） 叶绿体是植物细胞特有的双层膜围成的细胞器，它对生物界的存在和进化有着重大贡献（三个最初：一是人类、动物、多数微生物的食物的最初来源；二是人类社会利用的古生物燃料——煤、石油、天然气的最初来源；三是地球上氧气的最初来源），主要功能在于：吸收光能，合成碳水化合物，同时产生分子氧，总称为光合作用（photosynthesis）
一、叶绿体的形状、大小、数目、分布 二、超微结构
近年来，先后有许多学者采用超薄切片、负染色和冰冻蚀刻等先进技术，研究叶绿体的形态和组成，揭示叶绿体囊状膜系统的超微结构。 1 叶绿体膜（chl membrane）
是两层光滑的单位膜（内、外膜）6-8nm，也称外被（outer envelope），是一个有选择的屏障，
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控制着叶绿体代谢物质的进入和排出。 2 基质（stroma）
指叶绿体膜包围的，无结构，呈流动状态的物质。即叶绿体内膜与类囊体之间无定形物质，在基质中存在：
（1）叶绿体DNA 环状，每一叶绿体内可含有几十个拷贝；（2）70S核糖体；（3）mRNA、tRNA；（4）酶类；（5）RUBP羧化酶；（6）各种离子。 3 类囊体
类囊体在基质中有两种形式存在，一种是较小的扁囊，多个5—30（10—100个）相互叠置成一摞，形成的结构称基粒（grana）。每一叶绿体中约含有40—80个基粒。组成基粒的类囊体称基粒类囊体（granum-thylakoid）或基粒片层（grana lamella）。另一种是较大的扁囊，贯穿于基粒之间，称基粒间类囊体或基质类囊体（stroma-thylakoid）或基质片层（stroma lamella）。它们顺着叶绿体的纵轴彼此平行排列。其存在意义在于，使膜片层的总面积大大超出叶绿体的面积。
可见基粒thylokoid中有PSI和PSII的机能单位，并分布在膜内表面，是PSII核心颗粒和捕光复合物结合成的。
而基质thylokoid中多有PSI的机能单位，多布于膜外侧。
除上述内在蛋白外，还有组成电子传递链的众多载体，包括○1PQ（质体醌）、○2PC（质体兰素，plastcyanin）、○3细胞素（Cytb—559，Cytf—553，Cytb6—563等）、○4铁硫蛋白（铁氧还蛋白ferrdoxin，Fd）、○5黄素蛋白。故将类囊体称为光合膜。
三、化学组成
四、叶绿体的功能——光合作用（photosynthesis）
绿色植物细胞，吸收光能，还原CO2，并利用水提供氢合成碳水化合物，同时放出分子氧的过程，称为光合作用。总过程分为两个阶段：光反应和暗反应。
（一） 光反应（Light reaction）
叶绿素等色素分子捕获光能，将光能转化为ATP和NADPH的化学能，并放出氧的过程，是在类囊体膜上进行的，为能量转换过程。
光反应包括三个基本反应：原初反应、电子传递反应、光合磷酸化。 （1）原初反应（primary reaction）：指聚光色素分子吸收光量子传到反应中心进行光化学反应的物理过程。包括光能的吸收、传递与转换。
（2）电子传递反应：包括三个阶段：NADP+的还原反应；PSII与PSI之间的传递；放氧反应。
（3）光合磷酸化反应：在有光存在下，当电子沿电子传递链传递时，形成ATP的过程称为光合磷酸化（photophosphorylation）。
当电子从还原势高处（Q）向还原势低的PSI传递时，能量下降，利用这一能量将ADP磷酸化形成ATP，这一过程称非循环式光合磷酸化（电子通路是开放的）。 当NADPH NADP+比值大时（缺少NADP+时），铁氧还蛋白（Fd）则将电子通过cytb6、cytf、pc传给P700+，利用这一能量使ADP磷酸化形成ATP，称循环式光合磷酸化（电子通路是闭合的）。
（4）光合磷酸化机制 在一对电子的传递过程中，膜外消耗了三个质子，膜内则增加了四个质子，随着过程的不断进行，膜内外便建立了质子梯度，有向膜外穿出的趋势，当每3对H+通过CF1-FO复合物时，在CF1的催化下，合成一个ATP。
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（二） 暗反应（dark reaction）
利用光反应产生的ATP和NADPH还原CO2形成碳水化合物，将活跃化学能变为稳定化学能，是在叶绿体基质中进行的。为物质代谢过程。
在高等植物固定CO2有三条途径：卡尔文循环（C3途径）、C4途径（Hatch-slack途径）和景天科酸代谢。卡尔文循环是最基本、最普通的，只有这一途径具备合成淀粉之能力，又称C3途径。
第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 一、线粒体与叶绿体的DNA （一）线粒体DNA （mt-DNA） （二）叶绿体DNA（ct-DNA） 二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成 （一） 线粒体的蛋白质合成
线粒体基质中除有DNA外，还有各种RNA、核糖体、氨基酸活化酶等，说明它能合成自我繁殖所需的某些成分，但数量不多，只占线粒体全部蛋白质的10%，约有13种（20个分子）左右。有人估算： ×10（每周10个核苷酸）=14705对核苷酸，能编码4902个氨基酸（除以3），假设一个蛋白质分子由150个氨基酸组成，则能编码30个左右蛋白质分子，如果除去编码ｍRNA、rRNA、tRNA的信息量（占总信息量的30%），余下的信息量只能编码约20个左右的蛋白质分子。
综上所述，线粒体有自身的DNA，有一整套蛋白质合成系统，能够复制和再生，使其一代代传下去，所以具有一定的自主性。 （二）叶绿体蛋白质的合成
叶绿体中的蛋白质（酶）一部分是在叶绿体中由它自己的DNA编码，经过mRNA转录和翻译形成的，有一部分则是由核基因编码，在细胞质中形成后转入叶绿体的。还有一部分是由核基因编码，在叶绿体的核糖体上合成。 三、对细胞核和细胞质的依赖性大
无论是线粒体还是叶绿体，它们的自主性是有限的，下面以线粒体为例说明之。 核质蛋白质合成系统通过合成某些酶类来调节线粒体的蛋白质合成系统。在有氯霉素存在的条件下培养链孢霉细胞，这时线粒体的蛋白质合成受抑制，但线粒体的三羧酸循环酶类、电子传递链中的NADH脱氢酶、CytC、以及DNA-Poly-merase、RNA-Polymerase、核糖体蛋白质、各种氨基酸活化酶等有关线粒体DNA复制和基因表达的酶类依然存在。而这些酶是由核基因编码，在细胞质中合成，然后转移到线粒体的。这说明细胞质的蛋白质合成系统（或者说核——质蛋白质合成系统）通过合成某些酶类来调节线粒体的蛋白质合成系统。
又：在有放线菌酮存在下培养链孢霉细胞，由于细胞质蛋白质合成系统受抑制，结果培养一段时间后，线粒体的合成活性也显著下降。这足以说明线粒体对细胞核和其他细胞质部分有很大依赖性。实际上也是这样，线粒体DNA所编码的蛋白质只有它自身全部蛋白质的10%，绝大部分是由核DNA编码的。 从上述看出，线粒体的生长增殖是受核基因组和线粒体基因组两套遗传系统的共同控制，故称线粒体为半自主性细胞器。
四、物质进出线粒体的穿膜机制
细胞质中合成的蛋白质运送至线粒体，大多数以前体的形式存在，而且是需能过程。 前体蛋白质包括有功能的“成熟”形式和氨基未端引伸出的一段导肽（引肽，Leader seguences，
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在叶绿体特称为“转运肽”）共同组成。导肽约含20~80个氨基酸，又叫氨基末端指导肽。进入线粒体的过程大致为：○1带有N-末端导肽的前体蛋白质首先与外膜上受体结合；○2蛋白质横跨外、内膜；○3N-末端导肽被基质中的蛋白酶切制；○4活化的成熟蛋白质进入基质。
五、线粒体、叶绿体的增殖与起源 （一）线粒体的增殖
（二）叶绿体的发育、增殖和起源
第八章 细胞核与染色体
一、形态、大小、数目、分布
1形态 间期细胞核形态多样，一般为圆形或卵形。其形态与生物的种类、细胞的形状、细胞类型、发育时期以及机能状态有关。
2大小 多数细胞核在5—30μm。小的不到1μm，大的可达500—600μm（苏铁科某植物的卵细胞核）。通常：低等生物1—4μm 高等动物5—10μm 高等植物5—20μm
3数目 通常一个细胞只有一个核，也有两个以上的多核现象及在某一发育时期的无核现象。 4分布 细胞核多位于细胞中央，但也有各种不同情况，如上皮细胞的核偏于基底侧；横纹肌的细胞核靠近质膜；植物细胞成熟后若有较大液泡，核则被挤在一边。 二、细胞核的结构
在固定和染色的细胞中，可观察到细胞有下列结构：核被膜、染色质、核仁、核液（质）四部分。
第一节 核被膜与核孔复合体 一、核被膜（nuclear envelope） 亦称核膜（nuclear membrane），由此使遗传物质DNA与细胞质分开。电镜下证实为双层单位膜呈同心性排列。除两膜之间有间隙外，膜上还有些特化结构。所以，认为核被膜含义深刻，包括内容多，并执行重要的生理功能。 （一）核被膜结构 1 外层核被膜（ONE）（外核膜） 膜厚6.5—7.5nm，相邻细胞质的一面常有核糖体附着，并有时与内质网（RER）相连，因此显得粗糙不平。 2 内层核被膜（INE）（内核膜）：膜厚度基本同ONE，膜上无核糖体附着，显得比ONE平滑。但在其内表面常附有酸性蛋白质分子的聚合物组成的纤维网状结构（密电子物质），称纤维层（fibrous Lamina）或核纤层（nuclear lamina），又有内致密层之称。其厚度约在10—20nm（30—160nm），是位于细胞内核膜下的纤维蛋白或纤维蛋白网络。 3 核周隙（perinuclear space）又有核围腔或核围池之称。指两膜之间的空隙，宽约20—40nm（10—50nm），内充满液态无定形物质（蛋白质、酶类、脂蛋白、分泌蛋白、组蛋白等），它是核质之间活跃的物质交换渠道（有些部位直接与ER或Golgi池相通）。
4 核孔（nuclear pore）核膜并不完全连续，在许多部位，核膜内外两层常彼此融合，形成环状孔道，称为核孔，它们是核质之间的重要通道。 （二）核被膜在细胞周期中的崩解与装配
核膜在细胞周期的不同时期，有相应的变化方式。在S期：表面积有增大趋势；在间期：表现出周期性崩解（前期末）消失，重建（末期）过程。
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二、核孔（nuclear pore）现多称核孔复合体（nuclear pore complex） 核孔直径通常在70—80nm或更大（80—120nm），70nm为常见，通道直径只有9nm。核孔数目在各细胞有所不同，一般占膜面积的8%。代谢旺盛，分化程度低，转录活动强的细胞，数目多，密度大。如两栖类处于灯刷染色体阶段和卵母细胞，密度可达35—65/μm2，总数达30×106个，而同一个体（两栖类）的成熟红细胞密度只有3个/μm2，总数只有150—300个。
（一）结构模型
对核孔复合体结构的解释有：纤丝模型、捕鱼笼式模型、圆柱状模型等。
1 纤丝模型（Franke & Scheer 1974） 在内外口边周有密电子的环状物质存在，称为环带，环带不是匀质的，其结构包括孔环颗粒（annular granules）：在内、外口周缘各排列有8个对称的、直径约10—25nm的球状颗粒，即孔环颗粒。孔环颗粒本身是由微细粒子和纤丝相盘绕而成。纤丝可分别在核被膜的核质面和胞质面与细胞核、细胞质中的基质蛋白相连甚至可以伸出很多（20—60nm）。中央颗粒（central granules）中央栓：在核孔中央有一粒状或棒状的颗粒，称中央颗粒，直径约5—30nm，并不充满整个核孔。中央颗粒有纤丝与孔环颗粒及周围孔壁相连，推测它与核孔的开闭有关。由于它具有核糖核蛋白体性质，在核质交换中起一定作用。所有人认为可能是由核内向胞质移动的核糖体前体一时附着于核孔，尚无定论。此外，还有辐（8个）、伸向核质，胞质的纤维等。 2捕鱼笼式模型（滴漏样模型）：此模型从横向看，从周边到核孔中心依次为环、辐、栓。从纵向看，由核外到核内依次为胞质环、辐（+栓）、核质环（核蓝），以及与核篮相连的“caber”网络。
胞质环，又称外环。
核质环则称为内环，向内形成捕鱼笼式的核篮。
辐由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对称，进一步分为柱状亚单位、腔内亚单位和环带亚单位。
栓（中央栓或中央颗粒）“transporter”。 3 圆柱状模型（1992）。
（二）化学成分 核孔蛋白（nucleoporin,Nup） （三）核被膜的主要功能
1 屏障作用 核被膜为内膜系统的组成部分，是将DNA局限在细胞核的关键结构，使细胞功能区域化。
2 核——质间物质和信息的通道 通过膜的物质运输：（1）部分离子、水分子、100道尔顿以下的小分子（单糖、双糖、āā、核酸、组蛋白、RNA聚合酶、DNA聚合酶等）可以自由通过核膜；（2）有些大分子物质常以小泡形式排出核外（内膜局部先形成小泡，移向外膜，融合后排出，另外方式是物质先进入核周腔，然后经外膜外排或进入与核周腔相通的内质网腔。 通过核孔复合体的物质运输：核孔复合体可看作是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体，构成核质间双功能、双向选择性运输的通道，双功能分为被动运输和主动运输。双向性为介导入核和出核转运。
被动扩散：功能直径约9—10nm，甚至12.5nm，允许离子、水溶性分子、代谢物小蛋白分子穿梭于核—质之间，进行自由扩散和协助扩散。
主动运输：对进出核的物质具高度选择性。表现在（1）对运输颗粒大小的选择，有效直径可调节；（2）是一个信号识别与载体介导的过程，需要ATP；（3）具有双向性。 进核物质（核输入）：复制、转录、染色体构建、核糖体组装等所需因子及酶运至核内。亲核蛋白的核输入：此类蛋白质一般含有特殊的氨基酸信号序列，称为核定位信号（NLS），
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存在于亲核蛋白的功能区域，对蛋白质进入核起“定向”“定位”的作用，从而保证整个蛋白质通过核孔的核输入。NLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，可以是连续的或不连续的，指导进入核后也不被切除。 出核物质（核输出）：各种RNA、核糖体亚单位。RNA的核输出是一种具有高度选择性的信号指导的过程。例mRNA及U1snRNA的5’端m7G帽子结构是二者核输出的关键，此现象称作帽结合活性。此外，RNA无论在核内还是核外，都是以RNA –蛋白质复合体形式存在，RNA的出核实际上是RNA-蛋白质的出核，蛋白质分子上可能有出和出核信号，称核输出信号（NES）。 3 作为酶分子的支架
核膜上富集大量酶系（约50种），以膜蛋白形式镶嵌在核膜的磷脂分子层中，彼此保持一定的间距和组合，使各种生化反应有序进行，并进行彼此间的正、负反馈调节。 4 作为基因调控的阀门
核膜可能参与DNA的合成及RNA前体的修饰。由于三种RNA分子要通过核孔进入 胞质，所以核孔的启闭和孔径的变化，能直接有效地调节转录信息的流量。 5 在染色质（体）的定位及细胞分裂时发挥作用 染色质的终未细丝常常连接在核孔上，这有助于解释为何非常复杂的染色质在异常活跃的细胞核内不致紊乱。
6 具有某些生物合成之功能 核膜上附有核糖体，可进行蛋白质的合成。
第二节 染色质（Chromatin） 一、概念及化学组成 （一）概念
1 染色质 这个概念最初是在1879（1882）年由Flemming提出的，其含义是指细胞核内易被碱性染料染色的物质。
2染色体 1888年，Waldeyer提出。染色质在有丝分裂时高度螺旋化形成染色体，所以染色体是指在细胞分裂时，由染色质凝集而成的棒状结构。即由DNA、组蛋白、非组蛋白等所形成的特定形态结构。
可见，染色质和染色体不存在成分上的差异，只是构型不同。它们是同一物质在细胞周期中不同阶段的运动形态。 （二）化学组成
通过分离的染色质生化分析与放射性同位素掺入的研究说明染色质的主要成份是DNA与组蛋白，同时还有非组蛋白和少量的RNA：
1 染色质DNA
是生物遗传信息的载体，是染色质的主要成分。真核细胞中每条染色单体只包装一条线性DNA分子，即一个DNA分子与染色体蛋白质等一起形成染色质纤维，经过多次螺旋卷曲，最后形成染色单体。一个DNA分子中有基因活性的区段只占10%左右。 （1）三种DNA序列（一级结构的多样性） （1）高度重复的DNA（highly repetitive DNA） 重复次数在数百万次（105以上），如小鼠随体DNA可达107，重复序列短，这种DNA不能转录，多分布在着丝粒区、端粒区及异染色质区。 （2）中等重复DNA（middle repetitive DNA） 重复次数在几十次——几千次（10—105），重复序列较长，这种DNA多数是不编码的，但有些区段能转录，多分布于次缢痕区。
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（3）单一DNA（unique DNA）其顺序在基因组中只有一次或少数几个拷贝，多是结构基因顺序，能转录mRNA，是最终合成蛋白质的密码。 （2）三种构型的DNA（二级结构的多型性）
生物界物种的多样性寓于DNA分子4种核苷酸千变万化的不同排列之中。DNA一级结构具多样性；二级结构具有多型性。 DNA二级结构具有多形性 2 染色质蛋白质
（1）组蛋白：与DNA非特异性结合。这种蛋白质种类不多，都含有较多的碱性氨基酸，如精、赖氨酸，依所含这两种氨基酸的比率不同将组蛋白分为五类。
（2）非组蛋白：指染色体上与特异DNA序列相结合的蛋白质，故又称序列特异性DNA结合蛋白。
3 序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式
序列特异性DNA结合蛋白，在与DNA结合时，其结构域可有以下几种不同的模式。 （1）α螺旋—转角—α螺旋模式 （2）锌指模式 （3）亮氨酸拉链模式 （4）螺旋-环-螺旋结构模式 （5）HMG框结构模式
三、染色质的基本结构单位——核小体 （一）实验证据
1、用温和方法使核破碎，将染色质铺在钢网上在电镜下观察，间期染色质呈纤丝状结构，直径约在20—30nm，称染色质粗纤维。
2、进一步用盐溶液处理，则显示10nm串珠状结构，称染色质细纤维，实际上是由核小体串连成的丝状结构—核小体丝。
3、再用微球菌核酸酶消化10nm的染色质细纤维后进行电泳，则得到200个bp或其倍数的DNA片段。
据此，Olins等提出了核小体结构模型。也曾称钮体（υ—body）和核粒。其结构要点包括： （1）每个核小体包括200bp左右的DNA和一个组蛋白八聚体分子及一分子组蛋白H1； （2）[H2A、H2B、H3、H4]2 组成球形组蛋白的八聚体；【H2AH2B(H3)2?(H4)2H2AH2B】 （3）166bp的DNA（核心DNA）以左手方向盘绕八聚体2圈，不含H1时，为146个bp的DNA缠绕1.75周。（组蛋白H1和166bpDNA的核小体结构称为染色质小体） （4）H1锁封DNA进出口，附在八聚体上
（5）34bp（0~80）左右DNA连接两核心结构——连接区DNA（Linker DNA）
Olins & Kornberg认为：多个核小体连接而成10nm的形似念珠的染色质丝（核小体丝）是染色质的一级结构。
四、染色体包装的结构模型 （一）多级螺旋模型 1 螺线管（体）（粗纤维）（二级结构，间期存在形式） 2超螺线体（管）（超粗纤维）（三级结构，是染色质在有丝分裂前期的存在形式）
美人Bak（1977）观察到，由30nm的螺线体再进一步螺旋化，便形成一条直径为400nm（0.4μm）的圆简状结构，即为超螺线体。 3 染色（单）体（Chromosome）（四级结构，是染色质在有丝分裂中期的存在形式）
由超螺线体再经折迭螺旋，形成长2—10μm直径约2000nm（2μm）的染色单体，由于在间期已经复制，故这时观察到的染色体，应包括两条染色单体。 （二）染色体骨架一放射环模型
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主要解释30nm的螺线管如何进一步包装成染色体的。由Leammli等报道，认为：30nm螺旋管折叠成环，沿染色体纵轴由中央向四周伸出，构成放射环。 纵轴的中央为非组蛋白构成的染色体骨架，由30nm的螺线管折叠形成的DNA侧环（18个）从骨架向四周伸出形成“微带”，大约106个微带纵向排列构成子染色体。 五、常染色质和异染色质 常染色质（euchromatin）：指间期核内染色质丝折叠压缩程序低，处于伸展状态，染色较浅的染色质。染色质丝折迭疏松，含有单一的或中等重复顺序的DNA，大多数能进行转录，（是具有活动功能的染色质）。但并非所以基因都具转录活性。其位置常远离核内膜。 异染色质（heterochromatin）：指间期核中染色质丝折叠压缩程度高，处于凝集状态，染色较深的染色质，实际上是染色质丝未伸展开的部分，又称为染色中心和假核仁。这部分染色质很少转录，处于不活动状态，其位置近核被膜。
（1）结构异染色质、组成型异染色质（constitutive heterochomatin）：又称恒定型异染色质，指在各种类型细胞，除复制时期以外的整个细胞周期都保持浓缩状态的染色质，最后复制。 （2）兼性异染色质（Facultative heterochromatin）：又称功能型异染色质，指在某些细胞类型或一定发育时期和生理条件下，由原来的常染色质凝缩，并丧失基因活性变成的异染色质。
第三节 染色体
一、中期染色体的形态结构
1染色单体 分裂中期由着丝粒相连在一起的，含一个DNA分子的一条棒状结构，互称为姐妹染色单体。
2着丝粒（Centromere） 是主缢痕处中期两条染色单体相互联系在一起的特殊部位。也是两臂染色质连续的部分，是染色体上DNA高度重复的序列形成的染色质复合结构，属于染色体的正常组成成分。
在中期染色体上，着丝粒染色很浅或不染色，包括三个结构域： （1）着丝点（动粒）结构域； （2）中央结构域； （3）配对结构域。 2 着丝点（动粒）（Kinetochore） 是在主缢痕处两个染色单体的外侧表面部位的特殊结构，是附加上去的，它与纺锤丝微管接触，每条染色单体上有一个着丝点，多为盘状，故有着丝盘之称。
依着丝粒在染色体上的位置，可将染色体划分为四类： 染色体类型 臂指数 （q / p）
中间着丝粒染色体（M） 1.0~1.69（1.0~1.67）
亚中间着丝粒染色体（SM） 1.7~2.99（1.68~3.00） 近端着丝粒染色体（ST） 3.0~6.99（3.01~7.00） 端着丝粒染色体（T） ＞7.01＞7.0，只有一条臂。 4 染色体臂（arm） 由着丝粒将染色体分为两臂，短臂P和长臂q，臂比（指数）（arm ratio=q/p） 5 次缢痕（付缢痕或次级缢痕secondary—）是主缢痕以外的浅染内缢节段，不是所有染色体都有，具有次缢痕的染色体称核仁组织染色体。在次缢痕上、下两端的染色体片段仍保持成一直线，无角度差，以此与主缢痕区别。核仁组织区（NOR）：是rRNA基因（rDNA）存在部位，与间期形成核仁有关。
6随体（satellite） 某些借助次缢痕相连的球形小体，但不是所有与次缢痕相连的部位都是随体。如人类第13，14，15，21，22对染色体有随体。带有随体的染色体称sat—染色体。 7 端粒（telomere） 指染色体两端部的特化结构，通常是由富含G的短串联重复序列DNA
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组成。具有极性，断裂的染色体在此处不能连接，而其他部位可以随机连接。其生物学作用在于维持染色体的完整性和个体性。
二、染色体DNA的关键序列（功能元件）
为确保染色体在细胞世代中的稳定性，起码应具备3个结构要素，被称为染色体DNA的关键序列。
ARS 自主复制DNA序列——DNA复制起点，保证自我复制；
CEN 着丝粒DNA序列——使两组子染色体平均分配到子细胞中去； TEL 端粒DNA序列——保证染色体的独立性和稳定性。
三、核型与染色体显带
四、两种巨大染色体（giant chromorome） （一） 灯刷染色体（lampbrush chromosome） （二） 多线腺染色体（polyrene chromosome）
第四节 核仁（Nucleoli，Nucleolus）
核仁是真核细胞间期核中最显著的细胞器，在活细胞用普通光学显微镜便可看到，这是由于核仁的折光性强，与细胞其他结构可显出明显的界限。在细胞核内呈浓密的球状小体。据报道，这个细胞器最早是有Fontana于1881年首次发现。 一、核仁超微结构
电镜下可明显地区分出三种基本结构组分： 1 纤维中心（fibrillar centers ，FC）
是包埋在颗粒组分内部的一个或几个浅染的低电子密度的圆形结构，实质是rDNA（可通过电镜细胞化学和放射自显影验证）。通常认为FC是染色体NORS的间期核副本。 2 致密纤维成分（dense fibrillar component ，DFC）
是核仁结构中电子密度最高的组分，呈环形或半月形包围FC，由致密的纤维构成，实质是rDNA进行活跃转录合成rRNA的区域。 3 颗粒组分（granular component，GC）
是正在加工成熟的核糖体亚单位前体颗粒，直径约在15—20nm，实质为rRNA—Pro性质。 4 核仁相随染色质
核仁周染色质：包绕在上述三种结构外围； 核仁内染色质：深入到核仁内部。
5 核仁基质（nucleoplasm）是上面几种成分的存在环境，应用Rnase和Dnase处理核仁后的残余结构组分，又称核仁骨架。在间期核非染色或染色很浅，主要由蛋白质构成，悬浮各种酶类及大分子。这部分实际上与核基质（核液）相通，故有人认为它们属同一物质。 二、核仁的主要功能
是制造核糖体，更确切的说，是核糖体主要成份rRNA的合成加工及核糖体大、小亚单位装配的场所。 1 rRNA的合成
2 rRNA前体的加工 在不同生物，初始转录产物（rRNA前体）大小不同，哺乳类为45srRNA（13000个核苷酸）、果蝇为38s rRNA、酵母为37s rRNA。分别被加工、切割成不同大小的rRNA分子。小分子核仁核糖核蛋白（snoRNPs）作为引导RNA（guide RNA）参与加工编辑过程。
3 核糖体亚单位的装配 约30分钟成熟的小亚单位开始出现在细胞质，而大亚单位则在1
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小时后才装配完毕。
三、核仁在细胞周期中的动态变化
在mitosis前期：核仁变小，颗粒区与纤维区渐消失；前期未，中期：核仁消失，由于rRNA转录暂停，rDNA逐渐缩回，凝缩到染色体中形成了染色体的次级缢痕；未期：核仁重建；间期：重建完毕。
第五节 染色质结构与基因转录 第六节 核基质与核体 一、 核基质
1 概念 存在于真核细胞核内除染色质、核膜与核仁外的一个以蛋白质成分为主的纤维网架结构体系。
2 组成 70年代初，Berezney & Coffey 从大鼠肝细胞中分离出一种非染色质蛋白纤维，他们用核酸酶（DNase和RNase）与高盐溶液处理核，将DNA、RNA、组蛋白抽提后发现核内仍残留有纤维蛋白的网架结构。称为核骨架（nuclear skeleton）或核基质（nuclear matrix），这些纤维的直径在3—30nm，单丝直径在3—4nm。
3功能 这种结构与DNA的有序空间排列、染色体DNA的包装、DNA复制、基因表达、病毒复制及Hn—RNA的加工有关。
染色体骨架 指染色体中由非组蛋白的构成的结构支架，与染色体高级结构的构建有关。1971年，stubblefield and wary用超声波、2 mo1/L NaCl或6mo1/L尿素处理中国仓鼠染色体，除去染色体中DNA和组蛋白后，还观察到一些带状结构。
Laemmli等进一步用2 mo1/L Nacl或硫酸葡聚糖、肝素溶液处理Hela细胞中期染色体去除组蛋白，发现染色体中存在非组蛋白骨架，即所谓染色体骨架。
二、 核体（nuclear bodies,NBs）
间期核中除染色质与核仁以外的，分布在染色质空间的亚核结构域。
第九章 核糖体（ribosme）
第一节 核糖体的类型与结构 一、基本类型及化学成分
以沉降系数不同划分为三种类型，每种类型均有大、小两个亚单位构成。 单体 亚单位
原核细胞、叶绿体、线粒体 70 S 50 S 30 S 哺乳类线粒体 55 S 35 S 25 S 真核细胞 80 S 60 S 40 S 二、结构及装配 （一）结构
目前对细菌的核糖体了解较深，故以70 S核糖体来介绍其结构。
大亚单位呈半圆形，一侧伸出三个突起，中央有一凹陷。小亚单位呈长条形，约于1/3长度处有一细的缢痕，使小亚单位分为大小两个部分。二者结合起来时，凹陷部位彼此对应，形成一隧道。 （二）装配
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核糖体大小亚基与rRNA之间，以及大小亚基之间，rRNA与蛋白质之间可以自行装配，但详细机理尚未查清，根据目前的研究，至少可以肯定以下事实。
（1）30S亚单位的pro 专同 16S rRNA结合，50S亚单位的pro 专同 23S rRNA结合，若将其混合，则装配不成有功能的亚单位。
（2）从不同细菌提取出30S亚单位的蛋白质和16S rRNA，混合后可装配成有功能的30S亚单位，说明无种间差异。
（3）原核细胞与真核细胞的亚单位不能形成有功能的核糖体。
（4）E.coli的核糖体和（玉米中）叶绿体的核糖体相似，相互交换亚单位仍具功能。 （5）E.coli的核糖体和线粒体的核糖体不同，相互交换后不能装配。 三、核糖体蛋白质与rRNA的功能 在单个核糖体上，可区分多个功能活性部位，在蛋白质合成过程中各有专一的识别作用和功能。
○1与mRNA结合的位点：在16SrRNA的3`端有一段顺序同多数原核生物的mRNA(AUG上游3-9个碱基)的核糖体结合位点有互补关系，以便使mRNA结合在小亚基上。 ○2A位点（A site，acceptor site，aminoacyl site），氨酰基位点
亦称氨基酸部位或受位，是接受氨酰基tRNA的部位，偏于大亚单位（大亚基“座斗”，右侧“扶手”；小亚基“头部”和“颈部”）。 ○3P位点（P site ,peptidyl site），肽酰基位点 亦称肽基部位或放位，是与延伸中的肽酰tRNA的结合位点。偏于小亚单位（小亚基“头部”，大亚基“座斗、扶手”）。
○4肽酰转移后与即将释放的tRNA结合的位点——E位点（exit site），偏于小亚单位。 ○5与肽酰tRNA由A部位移位到P部位有关的转移酶的结合位点 亦称转移酶Ⅱ，简称G因子，位于大亚基（“靠背上”）。 ○6肽酰转移酶的催化位点
亦称转移酶I或T因子，是肽链形成时，催化氨基酸之间形成肽键的肽合成酶(催化P位上肽酰tRNA的基羟基与处在A位上氨酰基tRNA的氨基之间形成肽链)。位于大亚基上（“座斗”和“右侧扶手”）
rRNA与蛋白质比较，在核糖体上，rRNA是主要作用成分。此外，尚有其它众多因子。 第二节 多聚核糖体与蛋白质的合成 一、多聚核糖体
大小亚单位的结合与分离受Mg2+的影响 ，在进行蛋白质合成时，4-5个以上的单体被mRNA串联起来，这种成串的核糖体称为多核糖体（poly ribosomes）。 二、蛋白质的合成
核糖体之功能是合成蛋白质。具体作用可能在于：
一是与mRNA的连接，在16S rRNA的3′端有一段顺序同多数原核生物的mRNA的核糖体结合部位有互补关系，从而使30S亚单位能识别mRNA的起始端。 二是为多肽链的形成提供表面位置，由大亚单位行使。
三是供tRNA结合，在5S rRNA上有一段顺序同tRNA中的TψCG有互补顺序。 合成过程 １ 翻译起始 2 多肽链延长 3 翻译终止
三、RNA在生命起源中的地位
RNA可能是生命起源中最早的生物大分子。既能向DNA一样具有遗传信息载体的功能，又
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能向蛋白质一样具有酶的催化功能，推测在最早出现的简单生命体中应具备这一双重功能的特性。
知道RNA具有催化功能是近些年来的事，人们把一系列具有催化作用的RNA统称为核酶（ribozyme）。
推测最早生命形式的遗传物质的载体是RNA而不是DNA。在漫长的进化过程中，RNA催化产生了蛋白质，进而DNA取代了RNA的遗传信息功能，蛋白质取代了绝大多数RNA酶的作用，逐渐演化成今天的细胞。
DNA链比RNA链稳定，且DNA链中的T取代了RNA中的U使之更易于修复，则也可能储存大量的信息并能更稳定的遗传。由于蛋白质结构的多样性和构象的多变性，不仅比RNA更有效的催化多种反应，而且也提供更为复杂的细胞结构组分。
第10章 细胞骨架（Cytoskeleton）
概述 细胞骨架是真核细胞中的蛋白纤维网架体系，可以说是迄今为止，最新发现的一类细胞器，也是当前细胞生物学研究中最活跃的领域之一，并且这种研究正方兴未艾。
真正确认细胞中骨架系统的存在，则是在本世纪60年代，人们对制作电镜标本的固定剂和条件作了改动之后。1963年，Slauterback使用戊二醛（代替锇酸）在室温（代替0℃）下固定标本，首先在水螅刺细胞中发现了细胞骨架成分之——微管，同年，Porter在植物细胞中也发现了微管的结构。
那么细胞骨架的概念如何呢？包括哪些内容呢？ 细胞骨架是真核细胞中的蛋白纤维网架体系。早期狭义的范围主要指胞质骨架，现代广义的理解应为：
细胞骨架（cell skeleton）
细胞骨架的主要功能是（1）维持细胞形态多样性（2）行使细胞运动（3）保持细胞内结构的合理空间布局与有序性（4）细胞内物质的传递与运输（5）参与细胞内信号传导（6）作为多种蛋白、酶和细胞器的支持点（7）参与蛋白质合成（多聚体3，端锚定在骨架纤维上才启动）（8）核骨架、染色体骨架参与染色质和染色体的构建（9）核骨架为基因表达提供空间支架（10）细胞骨架参与细胞周期的调节，并与细胞分化和细胞衰老关系密切。 第一节 细胞质骨架（Cytoskeleton） 一、微丝（microfilament,MF）
即肌动蛋白纤维（actin microfilament），是真核细胞中由肌动蛋白组成，直径约7nm的骨架纤维。
微丝在细胞中可以两种状态存在，一种是微丝互相平行排列成束，形成有规则的稳定结构，如肌细胞中形成粗丝和细丝。另一种状态是网络状，在非肌细胞中这种状态较多。 （一）化学组成
微丝是由总称为收缩蛋白（Contractile P）的物质组成，主要是肌动蛋白和微丝结合蛋白。 1 肌动蛋白（actin） 是由一条多肽链构成的哑铃（颗粒）形分子，分子量为43000（43KD）。以单体或多聚体的形式存在。单体的肌动蛋白呈球状（哑铃形），称G-肌动蛋白。目前已分离出6种。多聚体的肌动蛋白呈纤维状，称F-肌动蛋白；单体具有极性，装配时呈头尾相接，故微丝具极性。F-肌动蛋白往往以双股螺旋形式存在（两条肌动蛋白单链呈右手螺旋盘绕形成的纤维）。近几年来有人提出，微丝是由一条肌动蛋白单链形成的右手螺旋。
2 微丝结合蛋白 除肌动蛋白作为微丝的主要成分外，在不同细胞中的不同微丝，还可以有不同的微丝结合蛋白，共同形成独特的结构并执行特定的功能。
（1）与肌肉收缩有关的微丝结合蛋白 包括肌球蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白三种。
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肌球蛋白（myosin）
原肌球蛋白（tropomysin，Tm）。 肌钙蛋白（tropnin）
（2）非肌肉细胞中的微丝结合蛋白
横连蛋白 提供肌动蛋白的结合部位，将几条肌动蛋白丝连结起来。主要包括：α-辅肌动蛋白、细丝蛋白、毛缘蛋白、纽带蛋白等。
戴帽蛋白（切断和封端蛋白） 可结合到肌动蛋白丝的一端，调节丝的长度和装拆，如凝溶蛋白、断解蛋白、绒毛蛋白等。
单体稳定蛋白 可结合肌动蛋白单体，抑制G-肌动蛋白的聚合。 （二）装配
微丝是一种动态结构，持续进行组装和解聚。微丝可以随环境不同发生装配和解聚。G-actin可在微丝两端添加，但（+）极组装的速度较（-）极快，在一定条件下，可表现为一端因加亚单位而延长，另一端因亚单位脱落而减短，这种现象称踏车行为。 （三）特性
微丝对某些药物具明显的反应，其中主要的一种是细胞松弛素B（cytochalasin B），是从真菌长蠕孢代谢物中提取的一种生物碱，对微丝具有专一破坏作用（可切断微丝）。可利用此特性来研究微丝在细胞中的作用。
鬼笔环肽则可抑制肌动蛋白丝的解聚，使肌动蛋白纤维稳定。只与F肌动蛋白结合，而不与G肌动蛋白结合。 （四）功能
从已有资料来看，微丝具有多方面功能，但主要表现在两大方面：一是与微管一样起支架作用，维持细胞形状；二是参与细胞的各种运动。下面仅就微丝的运动作用作一介绍。 1 肌肉收缩
（1）结构与化学组成
肌肉→肌纤维束→肌纤维（肌细胞）→肌原纤维。此外，肌纤维中还有横小管和肌质网等。 肌原纤维的结构：光、电镜下观察，肌原纤维上排列着整齐的明、暗相间的带（横纹）。与Z线相连的为细肌丝，处于暗带的为粗肌丝。肌节就是由粗、细肌丝平行相间排列而成。 （2）收缩机制
电镜下观察肌肉收缩时肌原纤维的变化，发现A带长度不变，只是Ⅰ带随收缩程度不同而有变化，由此推论粗肌丝的长度是不变的。
又知道，从一个肌节的H带未端到下一个肌节的H带起端，这一距离等于细肌丝总长度，当肌肉作最大收缩时，H带消失，而这一距离总长度未变，故认为细肌丝的长度也未发生变化。
据上述现象，1959年，赫胥黎和汉森（Huxley ＆ Hanson）提出了肌肉收缩的滑动学说——“滑动丝模型”，认为在肌肉收缩时肌纤维长度的改变是由于两类肌丝相互滑动之结果， 2 微绒毛 微绒毛的轴心结构是典型的高度有序的微丝束，不具收缩功能。
3 应力纤维 应力纤维是真核细胞质的平行排列的微丝束，具有收缩功能。可能在细胞形态发生、细胞分化和组织形成等方面发挥作用。
4 细胞质流动（cytoplasmic streaming） 有两种细胞质流动方式：胞质川流和穿梭运动。 5 细胞移动 指整个细胞的运动：a、具鞭毛、纤毛的细胞运动（眼虫、草履虫、精子等）靠微管滑动；b、不具鞭毛、纤毛的运动（变形虫、白血球、巨噬细胞）靠微丝运动的，胞质溶液中的微丝束。
6 在细胞分裂中的作用（胞质分裂环） 二、微管（microtubule）
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（一）形态结构及化学组成
微管是细胞质中细长而具一定硬性的圆管状结构（中空圆筒状），外径24~25nm；内径15nm，长度变化不等，可达数微米。它是一种蛋白质性质的细胞器，广泛存在于真核细胞中（近来在少数细菌中也有发现）。
1967—1968年发现组成微管的化学成分主要是微管蛋白（tubulin），是一种酸性蛋白质。1971年知道这种蛋白质有两个亚基（两型）——α型和β型。通常情况下，二者结合在一起，成为异二聚体，是构成微管的基本单位。
组成微管的化学成分除微管蛋白外，还包括其它一些蛋白质。通称为微管关联蛋白。 主要分为两类：一是微管动力蛋白（马达分子），如Kinesin、Dyenin 等。对物质延微管运动起定向驱动作用。二是微管结合蛋白，已发现两大家族，即MAP蛋白类和Tau蛋白类。它们对骨架空间构建及细胞形态建成的关系极为密切。另外，还有一种称为tau蛋白，它可以控制微管延长。 （二）微管的装配
微管是一种不断更新、多变的细胞器，能自行聚合（装配）和解聚（分解）。装配方式是：首先α微管蛋白和β微管蛋白形成αβ二聚体，然后二聚体首尾相接形成原纤维，进一步经过侧面增加而扩张成片层。当聚合达到13条原纤维时，合拢形成一段微管（带状→片状→筒状）。新的二聚体不断添加上去，使微管延长。 （三）微管的特性（properties）
微管对某些外界因子敏感 首先低温和高钙可促进微管分解。此外，每一异二聚体上有秋水仙素和长春花碱等的结合位点，一旦结合则阻止微管聚合，并引起原有微管解聚。所以秋水仙素是微管的专一性抑制剂，常用作细胞分裂的阻断剂。 紫杉酚，重水（D2O），二者可促进微管装配，增加其稳定性。 （四）微管的功能
微管具有多方面功能，主要是支架和运动，现综合如下： 1 支架作用——维持细胞形状 2 控制细胞内物质运输 3 参与非肌细胞的运动
4 控制细胞分裂时染色体的运动
5 微管组成的细胞器——中心粒、基体 三、中间纤维（丝）（intermediate filament，IF）
亦称中等纤维或居间纤维。直径介于微管与微丝（粗肌丝与细肌丝）之间，直径10nm。无论秋水仙素，还是细胞松弛素B对此均无作用。 （一）成分
中间纤维成分复杂，类型多样。根据中间丝组织来源及免疫性性质不同分为： ○1张力丝（角蛋白丝）：又称张力原纤维，存在于动物上皮、表皮细胞，由角蛋白组成。（如桥粒的胞质斑上）。
○2结蛋白丝：存在于平滑肌，由结蛋白组成，为肌球、肌动蛋白丝提供支架。
○3波形丝：存在于成纤维细胞、间质细胞、中胚层来源的细胞，外形呈波纹状，由波形纤维蛋白组成。
○4神经丝：存在于神经细胞，组成网状。 ○5神经胶质纤维：存在于神经胶质细胞。 （二）结构特征及装配
1 非螺旋化的头部（N端）和非螺旋化的尾部（C端），其氨基酸顺序和肽链长度在不同中间纤维中差别较大。
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2 中部为中间纤维的主干，称为杆部（rod），长40-50nm，是由两个相邻亚基的对应α-螺旋区形成的双股超螺旋。此部分高度保守，在不同中间纤维都是类似结构。 在形成中间纤维时，首先是两条中间纤维多肽链形成超螺旋二聚体，然后两个二聚体反向平行以半交叠方式形成四聚体，再由四聚体首尾相接形成原纤维，最后每8根原纤维构成圆柱状的10nm中间纤维。 （三）功能
目前，对中间丝的功能了解甚少，根据现有资料，综合归纳下面几点：○1比微管、微丝耐消化（相当稳定），估计对核有固定作用，强制细胞核处在一定位置。○2可能与微管、微丝一起，共同起某些物质的运输作用。○3细胞分裂时可能对纺锤体和染色体有空间定向支架作用，并负责子细胞中细胞器的分配与定位。另外，通过桥粒，中间纤维在细胞间连续，对维持上皮连续性至关重要。由于中间纤维蛋白的表达具有组织特异性，推测它与细胞分化关系密切，对胚胎发育，上皮分化有影响作用。另外，对RNA的运输及转译活动有影响。 四、微梁网架（microtrabecular lattice）
微梁网架是70年代由美国学者Porter用超高压电镜发现的，是细胞质中一些细短纤维连接成的不规则的网架（示图）。直径在2—3nm、3—4nm长度一般小于0.2μm。这些纤维在细胞质中不形成集束，主要横跨在微管与微丝之间，形成致密的立体网络，起更精密的支架作用。
第二节 细胞核骨架 一、核基质 二、染色体骨架 三、核纤层
第十一章 细胞增殖及其调控
第一节 细胞周期与细胞分裂 一、细胞周期（Cell cycle） （一） 概述
细胞周期亦称有丝分裂周期（mitosis cycle），细胞生长到一定程度，不是繁殖就是死亡。细胞分裂后产生的新细胞生长增大，随后又平均地分裂成两个和原来母细胞“一样”的子细胞，细胞这种生长与分裂的循环称细胞周期。 1细胞周期的概念
具体地说，细胞周期是指细胞从一次分裂结束开始生长，到下一次分裂终了所经历的过程。又叫细胞的一个生活周期，是一个细胞物质积累与细胞分裂的循环过程。一个周期所占用的时间，即为细胞的一个世代（generation time）。 2 细胞周期的划分
最早划分细胞周期的是Howard ＆ Pelc （1951—1953），从细胞形态的变化考虑，将细胞周期划分为间期（interphase）和分裂期（mitosis phase或division phase），间期是物质准备和积累阶段，分裂期则是细胞增殖的实施过程。
间期难以靠形态学指标划分，Howard发现DNA是在间期的一定时间合成的，于是，他将间期划分为DNA合成前期（G1），DNA合成期（S）和DNA合成后期（G2）。M期依形态学指标分为前、中、后、未四个时期，各个时期又称为时相。整个周期表示为：G1→S→G2→M。 从细胞增殖的角度来看，G1期细胞可分为3类：
○1增殖细胞（周期中细胞、连续分裂的细胞） 有些细胞（少数），可以离开变动期进入固定期，然后进入S期，重新开始分裂增殖，它们是能继续增殖的细胞。在一群细胞中，只
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有一小部分细胞进入M期。进入M期细胞所占该群细胞的百分数，称有丝分裂指数（mitotic index）。
○2休止细胞（静止期细胞） 有些细胞通常情况下不能合成DNA，处于静止状态可达数月甚至更久，但当给予某种刺激时，可重新进入细胞周期，可见这些细胞是暂时不继续增殖，但具潜在增殖能力。1963年，Lajtha将这些休止细胞叫Go期细胞，指一种暂不增殖而又保持着分裂潜力的，在一定条件下可恢复增殖能力的细胞。认为它们是暂时退出细胞周期的细胞。如肝、肾细胞、淋巴细胞（Go期）经PHA刺激→淋巴母细胞→进入分裂周期。
○3丢失细胞（loss cell） 终端分化细胞或不育细胞、不分裂细胞。这部分细胞终生处于G1期，通过分化、衰老至死亡。如角质细胞、神经细胞、肌细胞、红血细胞等。
（二）细胞周期各时相的主要事件
1 G1期 此期可再细分为变动期和固定期。所有通过M期的细胞都要进入G1期的变动期，以后便走向不同的命运。
处在G1期的细胞，除丢失细胞外，不管是增殖细胞，还是Go期细胞，当它们待要进入细胞周期时，首先进行旺盛的物质合成，为进入S期作各种准备。 2 S期
S期长短差异，是与复制单位多少决定的。
S期的活动，是由于细胞内产生了一种蛋白质性质的DNA合成诱导者。有人将S期细胞与G1期细胞融合后培养，可引起G1期细胞核DNA复制提前。 3 G2期 继续为进入M期创造物质条件
细胞能否顺利通过G2期进入M期，受到G2期检验点的控制，这一调控点有人称作R2。有人设想，可能与cAMP有关，也有人认为抑素在该期仍有作用。当这种细胞受适宜刺激后，无需DNA复制，可直接进入周期。 4 M期
（三）细胞周期的研究方法 1 细胞周期各时相长短测定
（1）标记有丝分裂百分数法（Percentage of labelled mitosis ，PLM法） 此法目的是测定某一细胞群体的细胞周期的总时间Tc和各个时相的时长。
方法简述：给机体注入3H—TdR，处于S期细胞吸收3H—TdR被标记，随后G2期细胞开始出现标记细胞，接着在一短的tm时间后，出现的全是标记分裂相，并在ts—tm时间内保持不变，最后标记分裂相聚然消失。依标记分裂指数曲线升降过程，可推求出细胞周期各时相的时长。
（2）流式细胞分选仪测定法
2 细胞周期同步化法（cell synchrony） 是指将细胞群体阻留在细胞周期同一时相的方法。 自然同步（natural synchrony） 在自然界中，有些生物本身有部分地或短时间的细胞分裂同步的现象。
人工同步法 指用人为的方法，使培养细胞分裂同步化。 （1）诱导同步法（induction synchrony），这一方法是用物理、化学方法处理培养细胞，使之停留在细胞周期的某一时相。 a、DNA合成阻断法（代谢抑制法）：过量TdR可将细胞阻止在G1/S交界处。 b、中期阻断法（分裂抑制法）秋水仙碱→M期 缺异亮氨酸→G1期
（2）选择同步法（selection synchrony） 用人工方法，从细胞群体中选出某一发育时期的细胞。
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a、分裂细胞收获法： b、细胞沉降分离法： c、选择性失活法： d、膜淘洗法：
3 细胞融合法 利用不同时相细胞间的融合，可以探讨各时相的生化变化及调控。 （四）特异的细胞周期 卵裂之特点：
○1周期短，几乎只有S、M。
○2卵内物质重新分布而无细胞的生长。 ○3核质比例越来越大渐近正常细胞。
二、细胞分裂（cell division） （一）原核细胞的分裂
原核细胞和真核细胞的细胞分裂方式有很大的不同。原核细胞的分裂方式简单，细胞周期短，在适宜条件下可大量繁殖（如细菌每20分钟就可分裂一次），其分裂方式为一分二或二分裂，习惯上又称无丝分裂或直接分裂。 （二）真核细胞的分裂
真核细胞的分裂较原核细胞复杂的多，根据细胞在分裂过程中所表现的形式不同，大体分为三种类型，无丝分裂，有丝分裂和减数分裂。 1 无丝分裂（amitosis）
又称直接分裂（direct division）因为这种分裂方式是细胞核和细胞质直接分裂。是发现最早的一种细胞分裂方式。早在1841年，R.Remak首先在鸡胚血细胞中观察到这种分裂方式。因为在分裂过程中没有出现纺缍丝和染色体的变化，所以1882年，Flemming提出无丝分裂的概念。
2 有丝分裂（mitosis）
最初称这种分裂方式为核分裂（karyokinesis），因为在分裂过程中出现纺缍丝和染色体等一系列变化，然后才出现细胞的真正分裂，所以又称为间接分裂（indirect division）或有丝分裂。1882年Flemming提出，还由于这种分裂方式是多细胞生物体的体细胞的分裂方式，故又称体细胞分裂。 有丝分裂过程的分析
有丝分裂是一连续的复杂动态过程，为叙述方便，根据形态学上的变化，按这些过程的先后顺序分为前期（前中期）、中期、后期和未期。下面以动物细胞的分裂为例，说明各期特点 胞质分裂（cytokinesis）
除特殊组织细胞外，多数细胞在染色体解旋和核膜形成的同时，便进行细胞体的分裂，或称胞质分裂。但也有胞质分裂与核分裂不同步的。 动物细胞的胞质分裂，是以缢缩和起沟的方式进行的，缢缩的动力推测是由于在细胞质周边有一个微丝组成的“收缩环”，它的紧缩使细胞产生缢束，在缢束处起沟，使细胞一分为二。 植物细胞的胞质分裂，因带有细胞壁的缘故，另具特点。是靠形成细胞板来完成的。
在分裂未期，赤道面处的纺缍丝保留下来，并增加微管数量，向四周扩展，形成桶状结构—成膜体（phragmoplast）。来自内质网和高尔基复合体的含有多糖的小泡移向成膜体，小泡膜融合在一起而成为细胞板（cell plate）。一些充满果胶类物质的小泡，继续向细胞板间添充，形成中胶层及初生壁成分。最后细胞板两层膜和亲体细胞的质膜融合，将细胞一分为二。 3 减数分裂（meiosis）
meiosis是真核细胞中一种特殊类型的细胞分裂，出现在进行有性生殖的生物的生殖细胞中，
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是1883年Beneden最先阐述的，指通过两个细胞周期使染色体数目减少一半的细胞分裂方式。由于发生在生殖细胞成熟过程中，所以又有成熟分裂（maturation division）之称。 通过减数分裂使亲代与子代之间的染色体数目保持恒定，保证了物种的相对稳定性；另外在减数分裂过程中，发生非同源染色体的重新组合，以及同源染色体间的部分交换，从而使配子的遗传基础多样化，这就为生物的变异及其对环境条件的适应性提供了重要的物质基础。因此，减数分裂是生物有性生殖的基础，是生物遗传、生物进化和生物多样性的重要基础保证。
（1）由mitosisi向meiosis的转变
精原细胞和卵原细胞是进行mitosis的，为什么到了初级性母细胞就改为减数分裂了呢？是什么因素控制调节这种分裂方式的转变的呢？这些问题尚不清楚，推测可能是多因素的综合作用结果，不过根据有些学者初步实验，可以断定这种转变是发生在前减数分裂的G2期。减数分裂前间期的G2期。 （2）减数分裂过程的分析
第一次减数分裂或减数分裂Ⅰ（first meiotic division，meiosisⅠ）包括：前期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ、未期Ⅰ和胞质分裂Ⅰ六个阶段。然后，通过一个短暂的间期进入减数分裂Ⅱ。 第二次减数分裂或减数分裂Ⅱ（second meiotic division，meiosisⅡ）包括：前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ、未期Ⅱ）
减数分裂Ⅰ有其鲜明特点，主要表现在前期Ⅰ染色体配对和基因重组。减数分裂Ⅱ与一般有丝分裂雷同。
前期Ⅰ根据染色体的形态变化可划分为以下几个时期： 细线期
偶线期（合线期） 粗线期 双线期
4 Meiosis的生物学意义及其与Mitosis之比较 5 影响细胞分裂的因素
能够影响细胞分裂的因素很多，而且极为复杂，目前还没达到对其全面认识的水平，下面仅就已取得的资料作一介绍。
（1）细胞大小（2）抑素（3）cAMP （4）激素 （5）接触抑制（contact inhibition）
第二节 细胞周期的调控
真核细胞周期有两个基本事件：一是S期进行染色体复制，二是M期将复制的染色体分到两个子细胞中去。在这两个基本事件前，均有一段间隙期，即G1期和G2期。在这两个间隙期，细胞进行着复杂的决定过程。在G1晚期，作为一个新周期的开始点，亦即细胞决定启动新一轮自我复制的位点（Start point或restriction Point）受到复杂精细的调控，根据发育需要，或者开始新一轮增殖，或者退出周期分化为特殊功能的细胞或暂时进入G0期，决定要进入分化状态或G0期的细胞，不能越过“Start”或“restriction”位点。而要增殖的细胞必须有生长因子的作用，命令细胞通过“start”位点，启动新一轮自我复制。因此，细胞周期存在着G1/S转换和G2/M转换两个重要的控制点。 一、MPF的发现及其作用
1 染色体超前凝集实验——细胞促分裂因子
2 非洲爪蟾卵细胞质注射实验——促成熟因子（MPF）
1971年，利用非洲爪蟾卵细胞质注射实验，发现在成熟的卵细胞的细胞质中，必然有一种物质可以诱导卵细胞的成熟。他们把这种活性物质称为卵细胞促成熟因子（maturation
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promoting factor）或细胞促分裂因子（mitosis-promoting factor）或M期促进因子（M phase-promoting factor）,用 MPF表示。 二、p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系
裂殖酵母的cdc2基因，是第一个被分离出来的cdc基因，它的表达产物是一种相对分子量为34×103的蛋白，被称为p34cdc2。进一步研究发现，p34cdc2具有蛋白激酶活性（丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶），可以使多种蛋白质底物磷酸化，因而被称为p34cdc2激酶。在G1/S转换和G2/M转换两个地方都发挥作用（即阻断细胞周期在晚G1期或G2期）。
芽殖酵母的cdc28基因是继cdc2基因之后第二个被分离出来的cdc基因，它的表达产物也是一种相对分子量为34×103的蛋白，被称为p34cdc28。它也是一种蛋白激酶，在G2/M转换过程中起中心调节作用，同时对G1/S转换也是必需的。 后来的实验不断证明，，p34cdc2和MPF是同源物，都具有蛋白激酶活性并促进G2/M转换。 三、周期蛋白
与此同时，另有科学家以无脊椎动物海胆卵为材料进行细胞周期调控的研究。1983年报道，通过35S-Met标记示踪，在海胆卵中发现两种特殊蛋白质（分子量约45~60KD），其含量随细胞周期进程变化而变化，一般在细胞间期内积累，在细胞分裂期内消失，在下一个细胞周期又重复这一消长现象。即在每一轮间期开始合成，G2/M时达到高峰，M期结束突然被水解掉，下一轮间期又重新积累合成。把这两种蛋白质命名为细胞周期蛋白（cyclin），简称周期蛋白。揭示cyclin是细胞周期调控者，是诱导细胞进入M期所必需。
进一步的实验又证明，周期蛋白可能参与MPF的功能调节。MPF的生化成分包括两个亚单位，即Cdc2蛋白和周期蛋白。当两者结合后，表现出蛋白激酶活性。Ccd2为催化亚基，周期蛋白为调节亚基。
四、CDK激酶和CDK激酶抑制物 1 CDK激酶
在分离的10多个cdc2相关基因所编码的蛋白质（Cdc2）都含有两个共同特点：一个是它们都含有一段类似的氨基酸序列，另一个是它们都可以与周期蛋白结合，并将周期蛋白作为其调节亚基，进而表现出蛋白激酶活性。因而它们被统称为周期蛋白依赖性蛋白激酶（Cyclin-dependent kinase），简称CDK激酶。所以后来又将cdc基因称为CDK基因。实际上CDK是cdc2（细胞分裂周期基因）等基因编码的蛋白激酶（P34cdc2激酶、P34cdc28激酶等）。
2 CDK激酶抑制物
指细胞内存在的一些对CDK激酶活性起负性调控的蛋白质（Cyclin-dependent kinase inhibitors，CDKIS）。是能与CDKS结合并抑制其活性的一类蛋白质，是CDKS的负调控因子，具有确保细胞周期高度时序性的功能，在细胞周期的负调控过程中扮演重要角色。目前已发现多种。
细胞周期“驱动器”：指推动细胞周期的进程及各个时相间过渡的一组全酶复合物，包括CDKS，CDKIS及CDKS的正调控因子——周期蛋白（cyclin）。
五、细胞周期运转调控
在细胞周期中最主要的事件是遗传信息载体DNA在“DNA复制期”进行复制，DNA复制的起始标志着细胞周期的启动。因此，对DNA复制起始的调控是控制细胞周期的重要环节。 （一）DNA复制起始位置的调控
DNA复制的起始位置通常不是随机的，而是从染色体某一特定位点上开始。这个位点被称为DNA复制起始点（Origin of DNA RepLication），当前最为流行的观点是，DNA复制起始点是通过起始蛋白质结合在特定的DNA顺式序列上形成的。这一模型在原核生物和动物病
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毒的DNA复制中得到证实，但真核细胞要远比该模型复杂得多。 DNA起始序列（ARS：Autonomously Replication Seguence）；起始蛋白质（ORC：origin Recognition complex）
（二）复制起始位置的选择发生在G1期
G1期早期的CHO细胞核放入爪蟾卵抽提物中进行体外复制，DNA复制起始位置是随机的；G1期中晚期的CHO细胞核放入瓜蟾卵抽提物中复制，其起始位置就与细胞自身体内复制起始位置一致，不再是随机的了。
这表明在真核生物细胞周期的G1期中存在一个DNA定点复制的调控点，这个点被称为“DNA复制起始位置决定点（Origin Decision Point，ODP）。这是继70年代中期发现的第一个哺乳动物细胞周期调控点（限制点，Restriction Point）以来第二个被发现的细胞周期调控点，它把细胞周期调控与DNA复制的起始控制联系了起来。
第十二章 细胞分化与基因表达调控
引言 上面我们介绍了细胞分裂的有关问题，较为普遍的细胞分裂方式为有丝分裂和减数分裂，在生物的个体发生中，这两种分裂方式交替发生，以保证生物种族的延续。 第一节 细胞分化
一、细胞分化（ cell differentiation）的概念及特点 概念 简单说细胞分化（cell differentiation）是个体发育过程中细胞之间产生稳定差异的过程。 所以，细胞分化是指同源细胞通过分裂，发生形态、结构与功能特征稳定差异的过程。 二、细胞分化的实质
1 细胞分化是基因选择性表达的结果
在个体发育过程中基因按照一定程序相继活化的现象，称为基因的差次表达（differential expression）或顺序表达（Sequential expression） 。即在同一时间内不是所有的基因都具活性，而是有的有活性，有的无活性，有些细胞是这部分基因有活性，有些细胞则是另外一些基因有活性。
2 组织特异性基因和管家基因
一类是维持细胞最基本生命活动的基因，是所有一切细胞都需具备的，由此译制基本生命活动所必需的结构和功能蛋白。这类基因称“House-keeping gene”，译为“管家基因”，它们与细胞分化关系不大。如编码与细胞分裂、能量代谢、细胞基本建成有关的蛋白质的基因属此类。另一类是译制特异蛋白质的基因，与细胞的基本生存无直接关系，但与细胞分化关系密切，被称为“Luxury gene”，译为奢侈基因。 3 组合调控引发组织特异性基因的表达 三、影响细胞分化的因素 弄清了细胞分化的实质，研究者们便把注意力集中到基因选择表达的控制机理方面。除细胞核与细胞质的相互作用对细胞分化的影响外，包括环境在内的诸多因素均对细胞分化有重要的影响。
（一）细胞的全能性
（二）影响细胞分化的因素 1 胞外信号分子 2 细胞记忆与决定
3 受精卵细胞质的不均一性 4 细胞间的相互作用与位置效应 5 环境对性别决定的影响
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6 染色质变化与基因重排 7 细胞核对细胞分化的作用 8 细胞质对细胞分化的作用 四、细胞分化与胚胎发育 第二节 癌细胞（cancer cell）
是生物体内由正常细胞转变成的不受控制地恶性增殖细胞，细胞一旦发生癌变，其生物学属性则发生一系列变化。可认为是不正常的细胞分化过程。 一、主要特征 二、致癌因素
三、癌基因（Oncogene，onc）与抑癌基因 60年代末发现癌基因的存在。
本世纪初（1908）发现多种病毒可引起肿瘤的发生，称这些病毒为肿瘤病毒或致癌病毒（Oncogenic virus），有DNA肿瘤病毒和RNA肿瘤病毒，主要的是RNA肿瘤病毒，被称为逆转录病毒（retrovirus）。其中含有病毒癌基因（V-oncogne） RNA肿瘤病毒 ↓侵染 寄主细胞 RNA ↓反转录
cDNA（互补DNA） ↓
DNA双螺旋 ↓
整合到寄主染色体一同复制，
此时称细胞癌基因（C-oncogene）或原癌基因（proto—oncogene）
指存在于细胞中的与V-oncogene相对应的同源序列。原癌基因（细胞癌基因）存在于正常的细胞中，处于被阻遏状态或许还参与细胞正常活动。但是 Proto-oncogene（C-oncogene） ↓致癌因子
oncogene（癌基因） ↓
导致细胞发生癌变
第三节 真核细胞基因表达的调控 一、复制水平上对基因表达的调控
主要包括：染色体消减和失活，以及基因扩增。 意义：基因扩增是一种通过改变基因数量来调节基因表达的方式，以便在短期内产生出某一基因拷贝，以调节基因表达。 二、转录水平上对基因表达的调节
通过某种机制，在一定时间控制mRNA的转录。如果是这样，那么细胞分化的本质就是不同类型的细胞专门活化某种特定的基因，转录形成特定的mRNA的过程。 真核细胞没有象原核细胞那样的操纵子及其紧密连锁的基因，其特点在于既受基因调控的顺式作用元件影响，同时又受反式作用因子的影响，二者的相互作用实现真核转录调控。顺式作用元件（cis-acting elements）。
指与特定蛋白质编码区连锁在一起的对转录起调控作用的DNA序列结构，包括启动子、增
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强子和近来发现的抑制子（沉寂子silencer）。 ○1启动子（promotor） ○2增强子（enhancer）
反式作用因子（trans-acting factors）
指能直接或间接地识别或结合各顺式调控元件核心序列（8-12bp）上，参与调控靶基因转录效率的一组蛋白质。目前已分离纯化或鉴定的有几百之多，主要包括各种基因调控蛋白。其功能都是通过与特异DNA序列相互作用而实现的，因此反式作用因子必须具备两种能力：一是它们必需识别定位在影响特殊靶基因的增强子、启动子和其它调控元件中的特异性靶序列；二是对于一个转录因子或正调控蛋白还要求它们能够通过与RNA聚合酶或其它转录因子结合而行使功能。 三、转录后水平调控 1、hnRNA的修饰加工
a、5′末端“戴帽”：即在5′末端的鸟嘌呤的N-7位上产生甲基化，变成7-甲基鸟苷（M7G），使5′末端成为5′-M7G-PPP。
生物学意义：可能阻止5′末端继续添加核苷酸，不受磷酸酶和核酸酶降解，起稳定mRNA的作用，并利于同核糖体小亚基结合，形成起始复合物。
b、3′-末端加“尾”：即在3′末端加上多个（200-250个）腺苷酸，形成PolyA“尾”。
生物学意义：促使3′末端与内质网结合，而使3′末端稳定，另外可能有延长mRNA寿命的作用。利于从核孔中输出。
c、部分核苷酸甲基化：某些腺苷酸的第6位碳被甲基化形成m6A，功能不清。 2、mRNA的选择性拼接（修剪拼接） 指切去内含子，将外显子连接的过程。 5′外显子↓GT……内含子……AT↓外显子-3′ 内含子（intron）：真核生物中不连续基因中的居间序列。 外显子（exon）：被内含子隔开的基因序列。
内含子序列的精确切除是一种高度专一的作用过程，它需要mRNA前体中特异的识别信号，也需要细胞中识别这些信号的特定因子。目前认为核内的小分子RNA（small nucleur RNA，SnRNA）及其蛋白质复合物（SnRNP）可作为信号识别的特定因子。（小核糖核蛋白颗粒） 存在于真核细胞核中与RNA加工过程有关的RNA。是由RNA聚合酶III催化合成的。 SnRNA长约90~220个核苷酸，共分6种，分别编号为U1……U6。其中U3位于核仁中，与28srRNA的成熟有关。U1在核液中与mRNA的剪接加工有关。它对hn-RNA中的内含子外显子接点有辨认能力，能把转录本中在内含子、外显子接点切断，并进一步将外显子连接起来。SnRNA非常稳定，不游离有存在，常常同特有蛋白质结合成复合物—小核糖核蛋白颗粒（snRNPs）。
拼接方式有两种：一是切除内含子后，将外显子规范地拼接成成熟的mRNA，称为组成型拼接。这样一个基因只产生一种成熟的mRNA，也只产生一种蛋白质产物。另一种拼接方式。是可调控的选择性拼接，因而产生不同的成熟mRNA，翻择产生不同的蛋白质。 3、mRNA的选择性运输
细胞可以在不同情况下选择地将不同的hnRNA加工成mRNA，并把它们运至细胞质，这便是mRNA的选择性加工运输。这种运输是一种通过核孔的主动运输方式，其可能机制大体分为：○1依赖于核孔复合体上受体蛋白对RNA分子的特异性识别，缺少识别信号便保留在核内；○2不需要识别信号，除被特别保留在核内的RNA外：其余RNA都自动地输出细胞核；○3存在选择输出和选择保留的联合机制。 四、翻译和翻译后加工水平的调控
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在这个水平上调控，主要是控制mRNA的稳定性和mRNA翻译起始的调控。
所谓在翻译水平上的调节，是说基因转录的各种mRNA并不都能翻译成蛋白质，在不同细胞中有不同的mRNA得到翻译，结果不同细胞具有不同的蛋白质，细胞内才有了差别（分化），是否有这种调节机制呢？
人们早就注意到在海胆未受精卵中存在着较稳定（未活化）的mRNA，这种mRNA只有在受精后才能翻译，称为母体mRNA（maternal mRNA）。推测这种mRNA可能在未受精卵中被蛋白质遮盖，或被局限在细胞内某一特定区域而不能被翻译。而在受精后从这类束缚中解放出来，开始翻译成蛋白质。所以认为，在真核细胞对基因表达调节的一条重要途径是产生稳定性的mRNA，处于隐蔽状态，在一定条件下进行翻译。 1、mRNA的稳定性
通过mRNA稳定性的变化来调控基因表达。原核细胞绝大多数的mRNA不稳定，靠其快速合成和快速降解来调整其基因表达以适应环境之变化。
真核细胞的mRNA相对来说稳定的多，影响mRNA的稳定性除mRNA分子3`端特殊信号序列外，某些mRNA的稳定性还受细胞外信号的影响。如激素。
在3`端非翻译区含有一长段含A和U的核苷酸序列，与其不稳定性有关。 2、mRNA翻译起始的调控
通过控制mRNA翻译的起始，来进行基因表达的调控。“隐蔽mRNA”，在受精前贮存并不起始翻译的mRNA。在受精后被激活，合成蛋白质，满足快速卵裂之需。
真核细胞mRNA相当稳定，可生存很长时间，例：海胆卵mRNA直到受精后才转译，种子中的mRNA要到萌发时才转译，为什么出现这种现象，有人提出“蒙面信使”理论：认为mRNA贮藏在由mRNA和核糖体以及一个蛋白质外壳组成的细胞质颗粒中，免遭酶的攻击而可长期保存，当有某种诱导因子时，除掉外壳进行转译。 3、翻译后加工水平调控
蛋白质合成后通常还需加工、修饰和正确折叠才能成为有功能活性的蛋白质。因此，在此水平上也存在表达的调控问题。
由上可知：细胞分化的基因表达调控主要是在转录水平上。总之，细胞分化机理是一相当复杂而又未能彻底阐明的课题，有待于今后详尽研究。 第四节 几种分化细胞 一、红血细胞（红血球）
二、免疫防卫系统——淋巴细胞的分化 1 细胞的基本防御能力
特异性免疫 是先天具有的普遍的免疫方式，由各类吞噬细胞和补体行使。
第十三章 细胞的衰老与凋亡
第一节 细胞衰老
概 述 细胞衰老的研究只是整个衰老生物学（老年学，人类学）研究中的一部分。所谓衰老生物学（biology of senescence）（或称老年学，gerontology）是研究生物衰老的现象、过程和规律。其任务是要揭示生物（人类）衰老的特征，探索发生衰老的原因和机理，寻找推迟衰老的方法，根本目的在于延长生物（人类）的寿命。
多细胞有机体细胞，依寿命长短不同可划分为两类，即干细胞和功能细胞。干细胞在整个一生都保持分裂能力，直到达到最高分裂次数便衰老死亡。如表皮生发层细胞，生血干细胞等。
一、 早期的细胞衰老研究
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100年前，魏斯曼曾提出种质不死而体质会衰老和死亡的学说，后来，Carrel和Ebeling认为细胞本身不会衰老,衰老是由于环境的影响造成的。特别是20世纪40-50年代，由于L系小鼠细胞和Hela细胞系的建立，又使细胞不死性的观点更加巩固。直到60年代初，Hayflick等人的出色工作对细胞不死的观点彻底动摇了。
二、Hayflick界限
Hayflick通过对不同生物的胚成纤维细胞的体外培养，发现物种寿命和培养细胞寿命之间存在着确切的相互关系。 Hayflick巧妙的设计实验，进一步证明了决定细胞衰老的因素在细胞内部，而不是外部环境。 取老年男性个体的细胞（间期无巴氏小体）和年轻女性个体的细胞（间期有巴氏小体）进行单独或混合培养，并统计其倍增次数。结果发现，混合培养中的两类细胞的倍增次数与各自单独培养时相同，即在同一培养液，当年轻细胞旺盛增殖的同时，年老细胞就停止生长了； 年轻细胞的胞质体与年老的完整细胞融合时，得到的杂种细胞不能分裂； 年老细胞的胞质体与年轻的完整细胞融合时，杂种细胞的分裂能力几乎与年轻细胞相同。充分说明决定细胞的衰老是细胞核，而不是细胞质。
体外培养的细胞，不是不死的，而是有一定寿命的，它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限。即Hayflick界限。从而引出了细胞最高分裂次数的问题。
三、细胞在体内条件下的衰老
●在机体内，细胞的衰老和死亡是常见的现象，甚至在个体发育的早期也会发生；
●正常情况下终生保持分裂的细胞，其分裂能力也表现出随着有机体年龄的增高而下降； ◆衰老动物体内，细胞分裂速度显著减慢，其原因主要是G1期明显延长； ◆衰老个体内的环境因素影响了细胞的增殖和衰老；
◆骨髓干细胞移植实验说明随着年龄的增加，干细胞增殖速度也趋缓慢.
四、衰老细胞结构的变化 （一）生活细胞的基本特征 （二）衰老细胞结构的变化
1 细胞核的变化：核膜内折，染色质固缩，核仁不规则。
2 内质网的变化：年轻动物：RER 发育好、排列有序；年老动物：RER弥散、总量减少。 3 线粒体的变化：数量随龄减少，体积随龄增大。由于线粒体是细胞呼吸和氧化的中心，有人称它是决定细胞衰老的生物钟。而有些研究者则认为线粒体不是衰老的启动者，而是受害者。
4 致密体（脂褐质）的生成：是由溶酶体或线粒体转化而来的。它是自由基诱发的脂质过氧化作用的产物。
5 膜系统的变化：目前资料表明，膜的改变确实与衰老有密切关系，年轻的功能健全的细胞膜是典型的液晶相。 6 细胞骨架体系的变化：
7 高尔基体和溶酶体的变化：数量随衰老明显增多。 8 蛋白质合成的变化：合成速率降低。
五、细胞衰老的分子机制（原因及假说）
从古到今，人们对衰老的机理有各种各样的理解，提出了数不清的假说和理论，据统计，迄今为止曾提出过的衰老假说和理论竟多达300种以上！这数百条思路，除了完全的谬误之外，
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多是从不同角度和深度反映了衰老这一复杂过程的某一侧面或层次。直到90年代以来，其分子机制的研究才有了重大进展，比如单基因的突变导致寿命的显著延长、端粒和端粒酶与细胞衰老关系的发现等。下面介绍60年代起开始出现的一系列衰老理论。 （一）氧化性损伤学说（自由基理论）
Harman50年代（1956）提出。认为衰老的一条重要的途径是因自由基脂质的过氧化而引起细胞功能的多方面异常。 （二）端粒与衰老 发现端粒长度确实与衰老有着密切的关系，提出细胞衰老的“有丝分裂钟”学说（Harley,1990）。端粒由富含G、C简单重复顺序所组成，其长度随细胞衰老过程而逐渐缩短，但端粒酶却可维持端粒的长度。
（三）rDNA与衰老 酵母染色体外rDNA 环（ERC）的积累，导致细胞衰老。
（四）沉默信息调节蛋白复合物与衰老 Sir complex 存在于异染色质区，其作用在于阻断所在位点DNA转录。
（五）SGS1基因、WRN基因与衰老 SGS1基因和WRN基因同源,编码解旋酶;酵母sgs1突变体寿命明显短于野生型（平均9.5代:24.5代）; wrn突变引发早老症。 （六）发育程序与衰老
（七）线粒体DNA与衰老 Sen-DNA(80年代);mtDNA突变积累与细胞衰老有关。 （八）衰老因子积累说，亦称“蛋白质合成差错成灾说”
Megbegeeb（1962）orgel（1973）提出，认为有缺陷的酶→干扰复制、转录、翻译等水平→错误积累→直至成灾
（九）基因调节——Smith假说
衰老细胞+年轻细胞→异质双核细胞（年轻细胞核DNA合成受抑制） 衰老细胞+Hela细胞→异核体（衰老细胞被诱导合成DNA） 说明：○1衰老细胞产生了DNA合成抑制剂，穿过胞质，影响正常年轻细胞核中DNA合成。 ○2Hela细胞则不受这种抑制剂的影响，相反，它们产生DNA合成起始因子，并诱导衰老细胞核的DNA合成。
大脑的衰老中心：近年来：Franks，Finch等，提出在大脑存在一个“衰老控制中心”，这就是神经内分泌轴（下丘脑—垂体—内分泌系统）→调控机体各种生理功能。
六、细胞死亡
细胞死亡是细胞衰老的结果，是细胞生命现象的终止。包括急性死亡（细胞坏死）和程序化死亡（细胞凋亡）。
细胞死亡最显著的现象，是原生质的凝固。事实上细胞死亡是一个渐进过程，要决定一个细胞何时已死亡是较因难的。除非用固定液等人为因素瞬间使其死亡。
那么，怎样鉴定一个细胞是否死亡了呢？通常采用活体染色法来鉴定。如用中性红染色时，生活细胞只有液泡系染成红色，如果染料扩散，细胞质和细胞核都染成红色，则标志这个细胞已死亡。
七、关于人类的衰老和寿命问题
人类寿命有无极限？极限是多少？抗衰老，求长寿，古往今来，人之常情，时至今日，更为人们所关注。研究表明：
○1哺乳动物自然寿命为生长发育期的5—7倍，借此推论，人类完成生长发育约在20~22周岁，自然寿命应是100—150岁。
○2哺乳动物的自然寿命为性成熟的8—10倍。 ○3海弗里克（Hayflick）：人体细胞可进行50次左右有丝分裂，每次细胞周期为2—4年，
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这样推论，人的寿命应在120岁左右。
1 遗传与人类寿命：先天性，父辈主宰。父、母享有高寿，其子女往往也是高寿者。
2 寿命与性别有关：人寿保险公司统计说明，♀性动物＞♂性动物，女人＞男人，为什么？众说纷纭。
3 环境与人类寿命：后天因素多样错综复杂。体魄、环境、心理、社会、营养、疾病等。其中营养及体力活动较为重要。
4 职业与人类寿命： 职业作为一种重要的社会因素，对人类寿命有一定的影响。日本统计，从事管理工作人员，平均寿命最长，依次为国家机关工作人员、专业技术人员、商业工作人员、农业工作人员、一般生产工人、体力劳动者、矿工。
总得说来，近20年来，细胞衰老的研究取得了长足的进步，但离开真正揭示细胞衰老的本质，还要走很长的路。一旦揭开了细胞衰老的秘密，那么延缓衰老，延长寿命将成为可能，但辩证唯物主义告诉我们，真正的长生不老是不可能的。
我们研究了解细胞衰老死亡规律，目的并不是为了避免死亡，而是要延缓细胞衰老的到来。 我们讴歌生命，也不必诅咒死亡，有生必有死，无死亦无生，我们不赞成死亡，但长生不死是进化和发展的敌人。但愿我们每个人都能较长时间生活在这个美好的世界，为人类的进步与文明做更多的贡献。
第二节 细胞凋亡(Apoptosis)
一、细胞凋亡的概念及其生物学意义 概念：细胞凋亡是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程，所以也常常被称为细胞编程死亡（programmed cell death,PCD）。凋亡细胞将被吞噬细胞吞噬。
这一假说是基于Hayflick界限提出的：1961年Hayflick根据人胚胎细胞的传代培养实验提出。指细胞在发育的一定阶段出现正常的自然死亡，它与细胞的病理死亡有根本的区别。 生物学意义：细胞凋亡对于多细胞生物个体发育的正常进行，自稳平衡的保持以及抵御外界各种因素的干扰方面都起着非常关键的作用。例如：蝌蚪尾的消失，骨髓和肠的细胞凋亡，脊椎动物的神经系统的发育，发育过程中手和足的成形过程。 二、细胞凋亡的形态学和生物化学特征 （一）细胞凋亡与坏死(necrosis)
二者的主要区别是，细胞凋亡过程中，细胞质膜反折，包裹断裂的染色质片段或细胞器，然后逐渐分离，形成众多的凋亡小体（apoptotic bodies），凋亡小体则为邻近的细胞所吞噬。整个过程中，细胞质膜的整合性保持良好，死亡细胞的内容物不会逸散到胞外环境中去，因而不引发炎症反应。相反，在细胞坏死时，细胞质膜发生渗漏，细胞内容物，包括膨大和破碎的细胞器以及染色质片段，释放到胞外，导致炎症反应 （二）细胞凋亡的形态学特征 1 凋亡的起始：细胞表面的特化结构如微绒毛消失，细胞间接触的消失，但细胞膜依然完整；线粒体大体完整，但核糖体逐渐从内质网上脱离，内质网囊腔膨胀，并逐渐与质膜融合；染色质固缩，形成新月形帽状结构等形态，沿着核膜分布。
2 凋亡小体的形成：核染色质断裂为大小不等的片段，与某些细胞器如线粒体一起聚集，为反折的细胞质膜所包围。细胞表面产生了许多泡状或芽状突起，逐渐形成单个的凋亡小体。 3 凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化 （三）细胞凋亡的生化特征
1 细胞凋亡的主要特征是形成大小为180～200bp特征性的DNA ladders。
2 凋亡细胞组织转谷氨酰胺酶tTGtissue Transglutaminase）积累并达到较高水平。 （四）诱导细胞凋亡的因子
1 物理性因子：包括射线（紫外线，? 射线等），较温和的温度刺激（如热激，冷激）等。
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2 化学及生物因子：包括活性氧基团和分子，DNA和蛋白质合成的抑制剂，激素，细胞生长因子，肿瘤坏死因子?（TNF?），抗Fas/Apo-1/CD95抗体等。 （五）细胞凋亡的检测
◆形态学观测：染色法、透射和扫描电镜观察 ◆DNA电泳：DNA片段就呈现出梯状条带
◆TUNEL测定法，即DNA断裂的原位末端标记法 ◆彗星电泳法（comet assay）
◆流式细胞分析：根据凋亡细胞DNA断裂和丢失，采用碘化丙啶使DNA产生激发荧光，用流式细胞仪检出凋亡的亚二倍体细胞，同时又能观察细胞的周期状态。 三、细胞凋亡的分子调控机理 （一）Caspase家族与凋亡
1 Caspase家族 Caspase活性位点是半胱氨酸(Cysteine)，裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽键，因此称为Cysteine aspartic acic specific protease，即Caspase。 2 Caspase活化 Caspase自身以非活化的Procaspase存在，其激活依赖于其他的Caspase在它的天冬氨酸位点裂解活化或自身活化。
3 胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径（凋亡信号通路）
当细胞接受凋亡信号分子(Fas,TNF等)后，凋亡细胞表面信号分子受体相互聚集并与细胞内的衔接蛋白(Adaptor protein)结合，这些衔接蛋白又募集Procaspases聚集在受体部位，Procaspase相互活化并产生级联反应，使细胞凋亡。
下游Caspases活化后，作用底物：裂解核纤层蛋白，导致细胞核形成凋亡小体；裂解DNase结合蛋白，使DNase释放，降解DNA形成DNA Ladder；裂解参与细胞连接或附着的骨架和其他蛋白，使凋亡细胞皱缩、脱落，便于细胞吞噬；导致膜脂PS重排，便于吞噬细胞识别并吞噬。
（二）Bcl-2、线粒体与细胞凋亡（待修改补充）
Bcl-2是一种原癌基因，是ced-9在哺乳类中的同源物，能抑制细胞凋亡。Bcl-2蛋白的羧基末端有一穿膜的结构域，可与线粒体及内质网膜相结合。Bcl-2家族成员的基因中，常常含有三个保守的Bcl-2同源区，即BH1，BH2和BH3。哺乳动物细胞中发现的Apaf2即是CytC。 当Caspase8活化后，它一方面作用于Procaspase3，另一方面使Bid裂解成2个片段，其中含BH3结构域的C-端片段被运送到线粒体，与Bcl-2/Bax的BH3结构域形成复合物，导致细胞色素C释放。CytC与胞质中Ced4同源物Apaf-1(凋亡蛋白酶活化因子apoptosis protease activating factor)结合并活化Apaf-1，活化的Apaf-1再活化Procaspase9，最后引起细胞凋亡。
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