1、細胞生物學復習講義 沖刺！二、細胞生物學的主要研究內容細胞生物學研究與教學內容一般可分為細胞結構功能與細胞重要生命活動兩大基本部分 。從20世紀60年代開始，在細胞生物學教科書中，細胞結構和功能知識內容所占比例較多。由于細胞超微結構研究積累的大量資料大大充實與拓寬了細胞結構與功能的知識范疇。從70年代中期開始，現代細胞生物學教科書中細胞重要生命活動的知識所占比重越來越大。由于分子生物學概念、內容與方法的引入， 當前細胞生物學研究內容大致歸納為以下諸多領域：(一)細胞核、染色體以及基因表達的研究 (二)生物膜與細胞器的研究 (三)細胞骨架體系的研究 (四)細胞增殖及其調控 (五)細胞分化及其調控

2、 (六)細胞的衰老與凋亡 (七)細胞的起源與進化 (八)細胞工程 (九)細胞信號轉導三、當前細胞生物學研究的總趨勢與重點領域細胞生物學與分子生物學相互滲透與交融是總的發展趨勢。換句話說，細胞分子生物學或分子細胞生物學將是今后相當一段時間的主流。 第二章細胞基本知識概要第一節 細胞的基本概念一、細胞是生命活動的基本單位近年比較普遍的提法是:細胞是生命活動的基本單位。 (一)一切有機體都由細胞構成，細胞是構成有機體的基本單位只有病毒是非細胞形態的生命體。(二)細胞具有獨立的、有序的自控代謝體系，細胞是代謝與功能的基本單位在細胞內一切生化過程與試管內的生化過程的根本不同點是，細胞表現為有嚴格程序的、

3、自動控制的代謝體系。(三)細胞是有機體生長與發育的基礎一切有機體的生長與發育是以細胞的增殖與分化為基礎的，近年認為細胞凋亡是生物生長發育不可缺少的平衡因素，與細胞增殖、分化具有互補作用。(四) 細胞是遺傳的基本單位，細胞具有遺傳的全能性每一個細胞，都包含著全套的遺傳信息，即全套的基因，也就是說它們具有遺傳的全能性。(五)沒有細胞就沒有完整的生命細胞共同的基本點: 1 所有的細胞表面均有由磷脂雙分子層與鑲嵌蛋白質構成的生物膜，即細胞膜。細胞膜使細胞與周圍環境保持相對的獨立性，造成相對穩定的細胞內環境，并通過細胞膜與周圍環境進行物質交換和信號轉導。 2 所有的細胞都有兩種核酸:即DNA與RNA，作

4、為遺傳信息復制與轉錄的載體。而非細胞形態生命體病毒只有一種核酸，即DNA或RNA作為遺傳信息的載體。 3 作為蛋白質合成的機器-核糖體，毫無例外地存在于一切細胞內，是任何細胞(除個別非常特化的細胞)不可缺少的基本結構，它們在翻譯多肽鏈時，與mRNA形成多聚核糖體。4 所有細胞的增殖都以一分為二的方式進行分裂，遺傳物質在分裂前復制加倍，在分裂時均勻地分配到兩個子細胞內，這是生命繁衍的基礎與保證。一、病毒的基本知識病毒(virus)主要是由一個核酸分子(DNA或RNA)與蛋白質構成的核酸-蛋白質復合體。病毒雖然具備了生命活動的最基本特征(復制與遺傳)，但不具備細胞的形態結構，是不"完全&

5、quot;的生命體。第三種觀點越來越具有說服力。認為病毒是細胞的演化產物的觀點，其主要依據與論點如下: 1 由于病毒的徹底寄生性，沒有細胞的存在也就沒有病毒繁殖。因此病毒決不可能起源在細胞之先，只能是先有細胞后有病毒。 2 有些病毒(如腺病毒)的核酸與哺乳動物細胞DNA某些片段的堿基序列十分相似。 3 病毒可以看做是DNA與蛋白質或RNA與蛋白質形成的復合大分子，與細胞內核蛋白分子有相似之處。由此推論:病毒可能是細胞在特定條件下"擁出"的一個基因組，或者是具有復制與轉錄能力的mRNA。這些游離的基因組，只有回到它們原來的細胞內環境中才能逆行復制與轉錄。Ø 為什么說

6、支原體是最小、最簡單的細胞?一個細胞生存與增殖必須具備的結構裝置：細胞膜、遺傳信息載體 DNA與RNA、進行蛋白質合成的一定數量的核糖體以及催化主要酶促反應所需要的酶，這些在支原體細胞內已基本具備。一個細胞體積的最小極限直徑不可能小于100nm，而現在發現的最小支原體細胞的直徑已接近這個極限。細菌核糖體的沉降系數為70s，由大亞單位(50s)與小亞單位(30s)組成，大亞單位含有23SrRNA、5SrRNA與30多種蛋白質，小亞單位含有16SrRNA與20多種蛋白質。30s的小亞單位對四環素與鏈霉素很敏感，50s的大亞單位對紅霉素與氯霉素很敏感，這些抗生素大概是通過多肽鏈翻譯這一環節起抑菌作用

7、的。一、真核細胞的基本結構體系真核細胞可以在亞顯微結構水平上劃分為三大基本結構體系:1以脂質及蛋白質成分為基礎的生物膜結構系統;2以核酸(DNA或RNA)與蛋白質為主要成分的遺傳信息表達系統;3由特異蛋白分子裝配構成的細胞骨架系統。植物細胞卻有一些動物細胞所沒有的特有的細胞結構與細胞器，如細胞壁、液泡與葉綠體及其他質體。下面我們簡單介紹一下植物細胞所特有的細胞器。(1)細胞壁 細胞壁是在細胞分裂過程中形成的，細胞壁的主要成分是纖維素，還有果膠質、半纖維素與木質素等。細胞壁的某些部位有間隙，原生質可以由此溝通，形成胞間連絲。(2)液泡 液泡是由脂蛋白膜包圍的封閉系統，內部是水溶液，溶有鹽、糖與色

8、素等物質。是植物細胞的代謝庫，起調節細胞內環境的作用。液泡另一功能可能具有壓力滲透計(osmometer)的作用，使細胞保持膨脹狀態。(3)葉綠體葉綠體是植物細胞內最重要、最普遍的質體，它是進行光合作用的細胞器。葉綠體利用其葉綠素將光能轉變為化學能。第四章細胞膜與細胞表面第一節 細胞膜與細胞表面特化結構Ø 流動鑲嵌模型主要強調：膜的流動性，膜蛋白和膜脂均可側向運動；膜蛋白分布的不對稱性，有的鑲在膜表面，有的嵌入或橫跨脂雙分子層。Ø 還有學者提出“液晶態模型”(強調生物膜的膜脂處于無序(流動性)和有序(晶態)之間動態轉變的)以及“板塊鑲嵌模型”(強調生物膜是由具有流動性程度不

9、同的“板塊”鑲嵌而成的等)。這些模型都可以看作是對流動鑲嵌模型的完善或補充。Ø 最近有人提出脂筏模型(1ipid rafts model)，即在生物膜上膽固醇富集而形 成有序脂相，如同“脂筏”一樣載著各種蛋白，這一模型可解釋生物膜的某些性質與功能，但仍需要更多的證據。二、膜脂(一)成分膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇3種類型。3膽固醇和中性脂質膽固醇的功能：調節膜的流動性，增加膜的穩定性以及降低水溶性物質的通透性二)膜脂的運動方式4種熱運動的方式：1沿膜平面的側向運動每秒移動2m的距離。側向運動是膜脂分子的基本運動方式，具有重要的生物學意義。2脂分子圍繞軸心的自旋運動。3脂分子尾部的擺

10、動 4雙層脂分子之間的翻轉運動(三)脂質體脂質體(1iposome)是根據磷脂分子可在水相中形成穩定的脂雙層膜的趨勢而制備的人工膜。三、膜蛋白膜蛋白的種類繁多，多數膜蛋白分子數目較少，但卻賦予細胞膜非常重要的生物學功能。 (一)類型膜蛋白可分為兩大基本類型：Ø 膜周邊蛋白(peripheral proteins)或稱外在膜蛋白(extrinsic proteins)Ø 膜內在蛋白(integralproteins)或稱整合膜蛋白。Ø 膜周邊蛋白為水溶性蛋白，靠離子鍵或其他較弱的鍵與膜表面的蛋白質分子或脂分子結合，只要改變溶液的離子強度甚至提高溫度就可以從膜上分離下

11、來，膜結構并不被破壞。Ø 膜內在蛋白與膜結合非常緊密，只有用去垢劑使膜崩解后才可分離出來。 (三)去垢劑l 由于SDS對蛋白質的作用較為劇烈，引起蛋白質變性l 非離子去垢劑也可使細胞膜崩解，但對蛋白質的作用比較溫和，五、膜的不對稱性 (一)細胞膜各部分的名稱與細胞外環境接觸的膜面稱質膜的細胞外表面(extrocytoplasmic surface， ES)，與細胞質基質接觸的膜面稱質膜的原生質表面(protoplasmic surface，PS)。冷凍蝕刻技術制樣過程中，膜結構常常從雙層脂分子疏水端斷裂，這樣又產生了質膜的細胞外小頁斷裂面(extrocytoplasmic face，

12、EF)和原生質小頁斷裂面(proto plasmic face，PF)(圖47) (二)膜脂的不對稱性膜脂的不對稱性是指同一種膜脂分子在膜的脂雙層中呈不均勻分布。 (三)膜蛋白的不對稱性膜蛋白的不對稱性是指每種膜蛋白分子在細胞膜上都具有明確的方向性。七、膜骨架與細胞表面的特化結構(一)膜骨架膜骨架是指細胞膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網架結構，它參與維持細胞膜的形狀并協助質膜完成多種生理功能。細胞連接可分為三大類：(1)封閉連接(occluding junctions)，緊密連接(tight junction)是典型代表，它將相鄰細胞的質膜密切地連接在一起阻止溶液中的分子沿細胞間隙滲入體內

13、。(2)錨定連接(anchoring junctions)，通過細胞骨架系統將細胞與相鄰細胞或細胞與基質之間連接起來。錨定連接又分為與中間纖維相關的錨定連接，包括橋粒(desmosome)和半橋粒(hemidesmosome)；以及與肌動蛋白纖維相關的錨定連接。主要有粘著帶(adhesion belt)和粘著斑(focal adhesion)。(3)通訊連接(communicating junctions)，主要包括間隙連接(gap junction)、神經細胞間的化學突觸(chemical synapse)和植物細胞中的胞間連絲(plasmodesmata)。 四、細胞表面的粘著因子 細胞與

14、細胞間的粘連是由特定的細胞粘著因子鈣粘素等介導的，細胞之間的錨定連接也需要粘著因子鈣粘素和整聯蛋白(integhns)等參與(表42)粘著因子均為整合膜蛋白，在胞內與細胞骨架成分相連。目前至少可分成五種以上的類型，多數要依賴Ca2+或Mg2+才起作用。 1鈣粘素 2選擇素(selectin) 3免疫球蛋白超家族的CAM(1gsuperfamily) 4整聯蛋白第三節 細胞外被與細胞外基質細胞外基質(extracellularmatrix)是指分布于細胞外空間，由細胞分泌的蛋白和多糖所構成的網絡結構(圖419)。一、 膠原 2分子結構膠原纖維的基本結構單位是原膠原。原膠原是由三條多肽鏈盤繞成的三

15、股螺旋結構，二、糖胺聚糖和蛋白聚糖 1糖胺聚糖l 糖胺聚糖(glycosaminoglycan)是由重復的二糖單位構成的長鏈多糖，其二糖單位之一是氨基己糖-氨基葡萄糖或氨基半乳糖 (故稱為糖胺聚糖)；另一個是糖醛酸。l 透明質酸(hyaluronicacid)是一種重要的糖胺聚糖，是增殖細胞和遷移細胞胞外基質的主要成分，尤其在胚胎組織中。同時也是蛋白聚糖的主要結構組分。l 透明質酸在結締組織中起強化、彈性和潤滑作用。 2蛋白聚糖蛋白聚糖(proteoglycan)由糖胺聚糖與核心蛋白(coreprotein)的絲氨酸殘基共價連接形成的巨分子四、彈性蛋白彈性纖維與膠原纖維共同存在，分別賦予組織以

16、彈性及抗張性。五、植物細胞壁植物細胞壁由纖維素、半纖維素、果膠質等幾種大分子構成，其功能為細胞提供一個細胞外網架，對細胞起支持作用等。第五章 物質的跨膜運輸與信號傳遞 第一節 物質的跨膜運輸 (一)簡單擴散其通透性主要取決于分子大小和分子的極性。小分子比大分子容易穿膜，非極性分子比極性分子容易穿膜，帶電荷的離子跨膜運動則需要更高的自由能，無蛋白的人工脂雙層對帶電荷的離子是高度不透的。 (二)協助擴散1 協助擴散的特征： (1)轉運速率高。 (2)存在最大轉運速率(Vmax)，可用達到最大轉運速率一半時的葡萄糖濃度作為其Km值，用以衡量某種物質的轉運速率。 (3)轉運的特異性，如紅細胞質膜，D構

17、型的葡萄糖Km為1.5 mmol/L，而L構型的葡萄糖Km值>3 000 mmol/L。 (4)細胞膜上存在膜轉運蛋白(membranetransportproteins)。2 膜轉運蛋白可分為兩類:一類稱載體蛋白(carrier proteins)，它既可介導被動運輸，又可介導主動運輸（逆濃度或電化學梯度的）；另一類稱通道蛋白(channel proteins)，只能介導被動運輸（順濃度或電化學梯度的）。 (2) 通道蛋白及其功能離子通道具有兩個顯著特征：一是具有離子選擇性（離子的大小與電荷），轉運速率高（106個離子/s，是載體蛋白的最快速率的1 000倍以上。二是離子通道是門控的，

18、即離子通道的活性由通道開或關兩種構象所調節，通道開關應答于適當的信號。因此離子通道又區分為電壓門通道(voltage-gated channel)、配體門通道(1igand-gated channel)和壓力激活通道(stress-activated channel)。二、主動運輸根據主動運輸過程所需能量來源的不同可歸納為由ATP直接提供能量和間接提供能量以及光能驅動的主動運輸三種基本類型(圖55)。 (一)由ATP直接提供能量的主動運輸鈉鉀泵Na+K+泵由a和b二個亞基組成， a亞基是一個跨膜多次的整合膜蛋白，具有ATP酶活性，因此Na+K+泵又稱為Na+K+ ATP酶。 b亞基是具有組織特

19、異性的糖蛋白。 (三)協同運輸協同運輸(cotransport)是一類由Na+-K+泵(或H+泵)與載體蛋白協同作用，靠間接消耗ATP所完成的主動運輸方式。協同運輸又可分為共運輸(symport)和對向運輸(antiport)。1 共運輸物質運輸方向與離子轉移方向相同如小腸上皮細胞和腎小管上皮細胞吸收葡萄糖或氨基酸等有機物，就是伴隨Na+從細胞外流人細胞內而完成的。在某些細菌中，乳糖的吸收則伴隨H+從細胞膜外進入細胞三、胞吞作用與胞吐作用(一) 胞吞作用胞吞作用是通過細胞膜內陷形成囊泡，稱胞吞泡(endocyticvesicle)，將外界物質裹進并輸入細胞的過程。胞吞作用又可分為兩種類型：胞飲

20、作用(pinocytosis)：胞吞物為溶液，形成的囊泡較小，胞飲作用形成的胞吞泡又稱胞飲泡吞噬作用(phagocytosis)：胞吞物為大的顆粒性物質(如微生物和細胞碎片)，形成的囊泡較大，吞噬作用形成的胞吞泡稱吞噬泡。 (二)受體介導的胞吞作用受體介導的胞吞作用：被轉運的大分子物質(配體)首先與細胞表面互補性的受體相結合，形成受體大分子復合物，在網格蛋白參與下形成有被小窩(coatedpits)，然后是深陷的小窩脫離質膜形成有被小泡(coatedvesicles)。受體介導的胞吞作用是一種選擇濃縮機制(selective concentrating mechanism)，既可保證細胞大量地

21、攝人特定的大分子，同時又避免了吸入細胞外大量的液體。與非特異性的胞吞作用相比，效率增加1 000多倍。(三)胞吐作用胞吐作用是將細胞內的分泌泡或其他某些膜泡中的物質通過細胞質膜運出細胞的過程。組成型的胞吐途徑 (constitutive exocytosispathway)：所有真核細胞都從高爾基體分泌的囊泡向質膜流動并與之融合，新合成的囊泡膜不斷地供應蛋白和脂類更新質膜，確保細胞分裂前質膜的生長；調節型胞吐途徑(regulated exocytosispathway)：分泌細胞產生的分泌物(如激素、粘液或消化酶)儲存在分泌泡內，當細胞在受到胞外信號刺激時，分泌泡與質膜融合并將內含物釋放出去(

22、圖513)。一、細胞通訊與細胞識別 (一)細胞通訊細胞通訊(cellcommunication)是指一個細胞發出的信息通過介質傳遞到另一個細胞產生相應的反應。細胞以三種方式進行通訊：細胞通過分泌化學信號進行細胞間相互通訊，這是多細胞生物最普遍采用的通訊方式；細胞間接觸性依賴的通訊(contact-dependent signaling)，細胞間直接接觸，通過與質膜結合的信號分子影響其他細胞；細胞間形成間隙連接使細胞質相互溝通，通過交換小分子來實現代謝偶聯或電偶聯(見間隙連接部分)。1 細胞分泌化學信號的作用方式可分為：Ø 內分泌(endocrine)，由內分泌細胞分泌信號分子(激素)

23、到血液中，通過血液循環運送到體內各個部位，作用于靶細胞(圖515A)。Ø 旁分泌(paracrine)。細胞通過分泌局部化學介質到細胞外液中，經過局部擴散作用于鄰近靶細胞(圖515B)。這對創傷或感染組織刺激細胞增殖以恢復功能具有重要意義。Ø 自分泌(autocrine)。細胞對自身分泌的物質產生反應(圖515C)。自分泌信號常見于病理條件下，如腫瘤細胞合成和釋放生長因子刺激自身，導致腫瘤細胞的增殖失控。通過化學突觸傳遞神經信號(neuronalsignaling)(圖515D)。當神經元細胞在接受刺激后，神經信號通過動作電位的形式傳至末梢，刺激突觸前膜分泌化學信號(神經遞

24、質或神經肽)，快速擴散作用于突觸后膜，實現電信號化學信號電信號轉換和傳導。此外，通過分泌外激素傳遞信息也屬于通過化學信號進行細胞間通訊，作用于同類的其他個體。 (二)細胞識別與信號通路細胞識別(cell recognition)是指細胞通過其表面的受體與胞外信號物質分子(配體)選擇性地相互作用，從而導致胞內一系列生理生化變化，最終表現為細胞整體的生物學效應的過程。(三)細胞的信號分子與受體 1細胞的信號分子細胞的信號分子(signal molecule)根據其溶解性通常可分為親脂性和親水性兩類：Ø 親脂性信號分子：主要代表是甾類激素和甲狀腺素Ø 親水性信號分子：包括神經遞質

25、、生長因子、局部化學遞質和大多數激素，氣體性信號分子：在20世紀80年代后期，發現和證實一氧化氮(nitricoxide，NO)在生物體內是一種重要的信號分子和效應分子， NO是迄今在體內發現的第一個，它能進入細胞直接激活效應酶，參與體內眾多的生理病理過程，因而成為人們所關注的“明星分子”(star molecule)。2受體受體(receptor)是一種能夠識別和選擇性結合某種配體(信號分子)的大分子，當與配體結合后，通過信號轉導(signal transduction)作用將胞外信號轉換為胞內化學或物理的信號，以啟動一系列過程，最終表現為生物學效應。 3第二信使與分子開關第二信使學說(se

26、cond messenger theory)：胞外化學物質(第一信使)不能進入細胞，它作用于細胞表面受體，而導致產生胞內第二信使，從而激發一系列生化反應，最后產生一定的生理效應，第二信使的降解使其信號作用終止。第二信使：第一信使與受體作用后在胞內最早產生的信號分子稱為第二信使(second messenger)。目前公認的第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、二酰基甘油(DG)等，細胞內信號傳遞作為分子開關的蛋白質可分兩類：一類磷酸化開關蛋白(switch protein)：由蛋白激酶使之磷酸化而開啟，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而關閉，許多蛋白激酶本身是開關蛋白，構成信號傳遞的磷

27、酸化級聯反應；另一類GTP結合開關蛋白：由GTP結合蛋白（G蛋白）組成，結合GTP而活化，結合GDP而失活。 二、通過細胞內受體介導的信號傳遞配體：甾類激素分子是化學結構相似的親脂性小分子，可以通過簡單擴散跨越質膜進入細胞內。與細胞質內各自的受體蛋白結合，形成激素受體復合物，并能穿過核孔進入細胞核內，激素和受體的結合導致受體蛋白構象的改變，提高了受體與DNA的結合能力，激活的受體通過結合于特異的DNA序列（受體依賴的轉錄增強子）調節基因表達。NO是具脂溶性的氣體，可快速擴散透過細胞膜，到達鄰近靶細胞發揮作用。NO的生成需要一氧化氮合酶 (nitric oxide synthase，NOS)的催

28、化，以L-精氨酸為底物。NO沒有專門的儲存及釋放調節機制，靶細胞上NO的多少直接與NO的合成有關。內源性NO由NOS催化合成后，擴散到鄰近細胞，使鳥苷酸環化酶活性的增強，cGMP合成增多。cGMP作為新的信使分子介導蛋白質的磷酸化等過程，發揮多種生物學作用。細胞表面受體分屬三大家族(圖520)：Ø 離子通道偶聯的受體(ion-channel-linked receptor)；有組織分布特異性，主要存在于神經、肌肉等可興奮細胞Ø G蛋白偶聯的受體(G protein-linked receptor)；Ø 酶偶聯的受體(enzyme-linked receptor)。

29、；后兩種存在于幾乎所有類型的細胞。 (二)G蛋白偶聯的受體G蛋白是三聚體GTP結合調節蛋白的簡稱由a、b、g三個亞基組成G蛋白在信號轉導過程中起著分子開關的作用，當G蛋白a亞基與GDP結合，處于關閉態；a亞基結合GTP而被活化，即處于開啟態。4 由G蛋白偶聯受體所介導的細胞信號通路主要包括：cAMP信號通路和磷脂酰肌醇信號通路。 （1）cAMP信號通路細胞外信號與相應受體結合，導致細胞內第二信使cAMP的水平變化而引起細胞反應的信號通路。這一信號通路的首要效應酶是腺苷酸環化酶(A-cyclase)，通過腺苷酸環化酶調節胞內cAMP的水平。cAMP可被磷酸二酯酶限制性地降解清除。這是真核細胞應答

30、激素反應的主要機制之一。 cAMP信號通路由質膜上的5種成分組成：激活型激素受體：(Rs)；抑制型激素受體(Ri)；與GDP結合的活化型調節蛋白(Gs)；與 GDP結合的抑制型調節蛋白(Gs)；催化成分，即腺苷酸環化酶(C)。 Rs和RiRs是與Gs相互作用的激活型激素受體(如腎上腺素b受體)；Ri是與Gi相互作用的抑制型激素受體(如腎上腺素a受體)。Rs都能與Gs相互作用激活腺苷酸環化酶活性，提高胞內的cAMP水平。Ri都能與Gi相互作用抑制腺苷酸環化酶活性，降低胞內的cAMP水平。Rs和Ri具有相似的7次跨膜結構，胞外結構域識別并結合胞外信號分子，胞內結構域與G蛋白偶聯。 Gs和Gi Gs

31、和Gi在信號轉導過程中起著分子開關的作用，它將受體與腺苷酸環化酶偶聯起來，使細胞外信號跨膜轉換為細胞內信號，即第二信使 cAMP。 Gs和Gi均由a、b、g亞基組成，其b、g 亞基相同，而a亞基各不相同。l A Gs的調節作用：當細胞沒有受到激素刺激，Gs處于非活化態時，Gs蛋白為異三聚體，a亞基與GDP結合，此時腺苷酸環化酶沒有活性；當激素配體與Rs受體結合后，導致受體構象改變，暴露出與Gs結合的位點，膜的流動性使激素受體復合物與Gs結合，Gs的a亞基構象改變，從而排斥GDP，結合GTP而活化，使三聚體Gs蛋白解離出 a 亞基和 b、g 亞基復合物，并暴露出a亞基與腺苷酸環化酶的結合位點；a

32、亞基與腺苷酸環化酶結合，使之活化，并將ATP轉化為cAMP。活化的b、g亞基復合物也可直接激活胞內靶分子，具有傳遞信號的功能，如心肌細胞中G蛋白偶聯受體在結合乙酰膽堿刺激下，活化的"bg亞基復合物能開啟質膜上的K通道，改變心肌細胞的膜電位。此外 b、g亞基復合物也能與膜上的效應酶結合，對結合GTP的a亞基起協同或拮抗作用。隨著GTP的水解使a亞基恢復原來的構象并導致與腺苷酸環化酶解離，終止腺苷酸環化酶的活化作用。a亞基與b、g 亞基重新結合，使細胞回復到靜止狀態。l B Gi的調節作用： Gi對腺苷酸環化酶的抑制作用可通過兩個途徑：當Gi與 GTP結合，Gi的a亞基與b、g亞基解離后

33、，一是通過a亞基與腺苷酸環化酶結合，直接抑制酶的活性；二是通過b、g亞基復合物與游離的Gs a亞基結合，阻斷 Gs的a亞基對腺苷酸環化酶的活化。 細菌毒素對G蛋白的修飾作用：霍亂毒素能使ADP核糖基共價結合到Gs的a亞基上，致使a亞基喪失了GTP酶的活性，與a亞基結合的GTP不能水解成GDP，結果使a亞基處于持續活化狀態，因而腺苷酸環化酶持續活化。致使小腸上皮細胞中cAMP增加100倍以上，導致膜蛋白讓大量Na+和水持續外流，產生嚴重腹瀉而脫水。霍亂病患者的癥狀是嚴重腹瀉，其主要原因就是霍亂毒素使腺苷酸環化酶被“鎖定”在活化狀態， 百日咳毒素催化Gi的a亞基ADP核糖基化，結果降低了GTP與G

34、i的a亞基結合的水平，使Gi的a亞基不能活化，從而阻斷了Ri受體引起的對腺苷酸環化酶的抑制作用。 腺苷酸環化酶 腺苷酸環化酶結合在質膜上的，它是一種糖蛋白，跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸環化酶催化ATP生成cAMP。 在正常情況下細胞內cAMP的濃度10-6molL，當在激素激活腺苷酸環化酶后，cAMP急劇增加，產生快速應答；細胞內還有另一種酶即環腺苷酸磷酸二酯酶(PDE)，可降解cAMP生成5AMP，導致細胞內cAMP水平下降。細胞內cAMP濃度的迅速調節是細胞快速應答胞外信號改變的重要基礎。在信號傳遞過程中，信號的放大作用和信號的終止作用同等重要，同時并存。cAMP信號通

35、路的主要效應是激活靶酶和開啟基因表達，這是通過蛋白激酶A完成的。cAMP特異地活化cAMP依賴的蛋白激酶(Akinase)而表現出不同的效應。蛋白激酶A由兩個催化亞基和兩個調節亞基組成，在沒有cAMP時，以鈍化復合體形式存在。cAMP與調節亞基結合，改變調節亞基構象，使調節亞基和催化亞基解離，釋放出催化亞基。活化的蛋白激酶A催化亞基可使細胞內某些蛋白的絲氨酸或蘇氨酸殘基磷酸化，于是改變這些蛋白的活性。從而影響細胞代謝和細胞行為。這是細胞快速應答胞外信號的過程。還有一類細胞緩慢應答胞外信號的過程，這就是cAMP信號通路對細胞基因表達的影響。 這一過程涉及細胞核機制，所以需要幾分鐘乃至幾小時。這一

36、信號通路控制多種細胞內的許多過程，從內分泌細胞的激素合成到腦細胞有關長期記憶所需蛋白質的產生。 該信號途徑涉及的反應鏈可表示為：激素G蛋白偶聯受體G蛋白腺苷酸環化酶cAMPcAMP依賴的蛋白激酶A基因調控蛋白基因轉錄。 磷脂酰肌醇信號通路 磷脂酰肌醇信號通路是通過G蛋白偶聯的受體介導的另一條信號通路。 胞外信號分子與細胞表面G蛋白偶聯受體結合，激活質膜上的磷脂酶C(PLC)，使質膜上4，5二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)水解成1，4，5三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DG)兩個第二信使，使胞外信號轉換為胞內信號。 IP3動員細胞內源鈣(內質網中)到細胞溶質，使胞內Ca2+濃度升高；Ca2+作為胞

37、內第三信使參與廣泛的生理過程，活化各種Ca2+結合蛋白引起細胞反應；鈣調蛋白(calmodulin，CaM)是一種真核細胞普遍存在的Ca2+應答蛋白，含4個結構域，每個結構域可結合一個Ca2。 Ca2+與無活性CaM結合形成活化態的Ca2+CaM復合體，然后再結合靶酶將其活化，這是一個受Ca2+濃度控制的可逆反應。 DG激活蛋白激酶C(PKC)，活化的PKC進一步使底物蛋白磷酸化，并可活化Na/H交換引起細胞內pH升高。PKC是鈣和磷脂酰絲氨酸依賴性酶，具有廣泛的作用底物，參與眾多生理過程，在許多細胞中，PKC的活化可增強特殊基因的轉錄。已知至少有兩條途徑：一是PKC激活一條蛋白激酶的級聯反應

38、，導致與DNA特異序列結合的基因調控蛋白的磷酸化和激活，進而增強特殊基因的轉錄；二是PKC的活化，導致一種抑制蛋白的磷酸化，從而使細胞質中基因調控蛋白擺脫抑制狀態釋放出來，進入細胞核，刺激特殊基因的轉錄。 磷脂酰肌醇循環途徑: PIP2是真核細胞質膜中普遍存在的一種化學成分，在磷脂酶C(PLC)的作用下釋放出IP3，同時生成DG。IP3信號的終止是通過依次的去磷酸化形成自由的肌醇，DG通過兩種途徑終上其信使作用：一是被DG激酶磷酸化成為磷脂酸，進入磷脂酰肌醇循環；二是被DG酯酶水解成單酯酰甘油。 磷脂酰肌醇信號通路的最大特點是同時產生兩個胞內信使，分別激動即IP3Ca2+和DGPKC兩個信號傳

39、遞途徑，實現細胞對外界信號的應答，因此把這一信號系統又稱之為“雙信使系統”(double messenger system)。 (三)與酶連接的受體1 受體酪氨酸激酶及RTKRas蛋白信號通路 受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases，RTKs)又稱酪氨酸蛋白激酶受體，是細胞表面一大類重要受體家族，包括6個亞族。它的配體是可溶性或膜結合的多肽或蛋白類激素，包括胰島素和多種生長因子。這條信號通路的特點是不需信號偶聯蛋白(G蛋白)，而是通過受體本身的酪氨酸蛋白激酶的激活來完成信號跨膜轉導。受體酪氨酸激酶(RTKs)的多肽鏈只跨膜一次，胞外區是配體結合結構域，胞內區肽段是酪

40、氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位點。配體 (如EGF)在胞外與受體結合并引起構象變化，但單個跨膜a螺旋無法傳遞這種構象變化，因此配體的結合導致受體二聚化(dimerization)形成同源或異源二聚體，從而在二聚體內彼此相互磷酸化受體胞內肽段的酪氨酸殘基，即實現受體的自磷酸化(autophosphorylation)。現認為二聚化是一次跨膜的酶連受體被激活的普遍機制。自磷酸化的結果是激活了受體的酪氨酸蛋白激酶活性。 活化的RTK可以結合多種細胞溶質中帶有SH2結構域的結合蛋白或信號蛋白，由此啟動信號轉導，其中一類是接頭蛋白(adaptor proteins)，其作用是偶聯活化受體與其他

41、信號分子，構成信號轉導復合物，如生長因子受體結合蛋白2(GRB2)；另一類是在信號通路中有關的酶，如：GTP酶活化蛋白(GTPase activating protein，GAP)、磷脂酰肌醇代謝有關的酶(磷脂酶Cg，3磷脂酰肌醇激酶)等。這兩類RTK結合蛋白都具有兩個高度保守而無催化活性的結構域即SH2和SH3。因為這兩種結構域首先在Src蛋白中發現，所以稱作Src同源區(Src homolog region 2 和3，SH2和 SH3)。這兩種結構域，SH2選擇性結合不同位點的磷酸酪氨酸殘基，SH3選擇性結合不同的富含脯氨酸的序列。在RTK介導的信號通路中，Ras蛋白是一種具有分子開關作用

42、的關鍵組分(正如G蛋白在信號轉導中所起的重要作用一樣)。Ras蛋白能夠通過一系列激酶磷酸化級聯反應(phosphorylation cascade)將 RTK介導的信號從活化的Ras蛋白向下游傳遞，誘導不同類型細胞的分化或增殖。Ras蛋白是ras基因表達產物。是一種由190個氨基酸殘基組成的小的GTP結合蛋白，具有GTPase活性，分布于質膜胞質一側，結合GTP時為活化態，而結合 GDP時為失活態。所以Ras蛋白具有分子開關的作用。Ras蛋白從失活態到活化態的轉變，先要GDP釋放才會有GTP的結合，GDP的釋放需要鳥苷酸釋放因子(GRF)參與；Ras蛋白從活化態到失活態的轉變，則要GTP酶活化

43、蛋白 (GAP)的促進；所以GRF和GAP都與Ras蛋白參與的信號轉導相關。GAP因具有SH2結構域可直接與活化的受體結合。GRF有SH3結構域，但沒有SH2結構域，因此不能直接和受體結合，而接頭蛋白含SH2和SH3兩類結構域，在配體激活受體后，接頭蛋白通過SH2與受體的磷酸酪氨酸殘基結合，再通過SH3與GRF結合，GRF與膜上的Ras接觸，從而活化Ras。而Ras的失活則由活化受體上已結合的GAP參與下進行，即導致Ras蛋白結合的GTP水解成GDP。 五、細胞信號傳遞的基本特征與蛋白激酶的網絡整合信息 (一)細胞信號傳遞的基本特征(1)多途徑、多層次的細胞信號傳遞通路具有收斂或發散的特點。(

44、2)細胞的信號轉導既具有專一性又有作用機制的相似性。(3)信號轉導過程具有信號放大作用，但這種放大作用又必須受到適度控制，這表現為信號的放大作用和終止作用的并存。(4)當細胞長期暴露在某種形式的刺激下，細胞對刺激的反應將會降低，這就是細胞進行適應。第六章細胞質基質與細胞內膜系統細胞質基質是指在真核細胞的細胞質中，除去可分辨的細胞器以外的膠狀物質，稱 (cytoplasmicmatrixOrcytomatrix)。其體積約占細胞質的一半。細胞的內膜系統是在結構、功能乃至發生上相關的，由膜圍繞的細胞器或細胞結構。主要包括內質網、高爾基體、溶酶體、胞內體和分泌泡等。一、細胞質基質的組成用差速離心的方

45、法分離細胞勻漿物中的各種細胞組分，存留在上清液中的主要是細胞質基質的成分。生物化學家多稱之為胞質溶膠。二、細胞質基質的功能 2控制蛋白質的壽命決定蛋白質壽命的信號。這種信號存在于蛋白質N端的第一個氨基酸殘基每種蛋白質開始合成時，N端的第一個氨基酸都是甲硫氨酸(細菌中為甲酰甲硫氨酸)，但合成后不久便被特異的氨基肽酶水解除去，然后由氨酰tRNA蛋白轉移酶(aminoacyl-tRNA-protein transferase)把一個信號氨基酸加到某些蛋白質的N端，最終在蛋白質的N端留下一個不穩定的或穩定的氨基酸殘基。泛素是一個由76個氨基酸殘基組成的小分子蛋白，具有多種生物學功能。在蛋白質降解過程中

46、，多個泛素分子共價結合到含有不穩定氨基酸殘基的蛋白質的N端，然后一種 26S的蛋白酶復合體或稱蛋白酶體(proteosome)將蛋白質完全水解。 第二節 內 質 網 一、內質網的兩種基本類型糙面內質網多呈扁囊狀，排列較為整齊，因在其膜表面分布著大量的核糖體而命名。它是內質網與核糖體共同形成的復合機能結構其主要功能是合成分泌性的蛋白和多種膜蛋白光面內質網是脂質合成的重要場所，細胞中幾乎不含有純的光面內質網，它們只是作為內質網結構的一部分二、內質網的功能1蛋白質的合成2脂質的合成3蛋白質的修飾與加工4新生多肽的折疊與裝配5內質網的其他功能 光面內質網具有解毒功能。第三節 高爾基復合體一、 高爾基體

47、的形態結構高爾基體至少由互相聯系的 4個部分組成1高爾基體順面膜囊(cis Golgi)或順面網狀結構(cisGolgi network，CGN)一般認為，CGN接受來自內質網新合成的物質并將其分類后大部分轉入高爾基體中間膜囊，小部分蛋白質與脂質再返回內質網。返回內質網的蛋白質具有KDEL(或HDEL)這一信號序列，它是駐留在內質網內蛋白的特有序列。CGN區域還可能具有其他生物活性，如蛋白絲氨酸殘基發生O連接的 糖基化；跨膜蛋白在細胞質基質一側結構域的酰基化；。 2高爾基體中間膜囊(medial Golgi)多數糖基化修飾、糖脂的形成以及與高爾基體有關的多糖的合成都發生在中間膜囊中。扁平膜囊特

48、殊的形態使其具有很大的膜表面，從而大大增加了進行糖的合成與修飾的有效面積。 3高爾基體反面的膜囊(trans Golgi)以及反面高爾基體網狀結構(trans Golginetwork，TGN)TGN的主要功能是參與蛋白質的分類與包裝，最后從高爾基體中輸出，某些“晚期”的蛋白質修飾也發生在TGN中二、 高爾基體的功能2蛋白質的糖基化及其修飾內質網和高爾基體中所有與糖基化及寡糖的加工有關的酶都是整合膜蛋白。它們固定在細胞的不同間隔中，其活性部位均位于內質網或高爾基體的腔面。寡糖鏈的合成與加工非常像在一條裝配流水線上，糖蛋白從細胞器的一個間隔輸送到另一個間隔，固定在間隔內壁上的一套排列有序的酶系，

49、依次進行一道道加工，前一個反應的產物又作為下一個反應的底物，確保只有加工過的底物才能進入下一道工序。 3蛋白酶的水解和其他加工過程不同的多肽采用不同的加工方式，推測其原因是：有些多肽分子太小，在核糖體上難以有效地合成，如僅由5個氨基酸殘基組成的神經肽；有些可能缺少包裝并轉運到分泌泡中的必要信號；更重要的是可以有效地防止這些活性物質在合成它的細胞內起作用第四節 溶酶體與過氧化物酶體溶酶體(1ysosome)是單層膜圍繞、內含多種酸性水解酶類的囊泡狀細胞器。其主要功能是進行細胞內的消化作用。一、溶酶體的結構類型大致可分為初級溶酶體(primary lysosome)、次級溶酶(secondaryl

50、ysosome)和殘余體(residualbody)。溶酶體膜在成分上也與其他生物膜不同：嵌有質子泵，借助水解ATP釋放出的能量將H+泵人溶酶體內，使溶酶體中的H濃度比細胞質中高100倍以上，以形成和維持酸性的內環境；具有多種載體蛋白用于水解的產物向外轉運；膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。二、溶酶體的功能 1 清除無用的生物大分子、衰老的細胞器及衰老損傷和死亡的細胞 2防御功能3其他重要的生理功能四、溶酶體與過氧化物酶體2過氧化物酶體的功能 過氧化物酶體中常含有兩種酶：一是依賴于黃素(FAD)的氧化酶，其作用是將底物氧化形成H202；二是過氧化氫酶，它的作用是將H202分解，

51、形成水和氧氣。由這兩種酶催化的反應，相互偶聯，從而可使細胞免受H202的毒害。一、信號假說與蛋白質分選信號信號假說(signal hypothesis)，即分泌性蛋白N端序列作為信號肽，指導分泌性蛋白到內質網膜上合成，在蛋白合成結束之前信號肽被切除。蛋白質首先在細胞質基質游離核糖體上起始合成，當多肽鏈延伸至80個氨基酸左右后，N端的信號序列與信號識別顆粒結合，使肽鏈延伸暫時停止，并防止新生肽N端損傷和成熟前折疊，直至信號識別顆粒與內質網膜上的停泊蛋白 (SRP受體)結合，核糖體與內質網膜的易位子(translocon)結合。此后，信號識別顆粒脫離了信號序列和核糖體，返回細胞質基質中重復使用，肽

52、鏈又開始延伸。以環化構象存在的信號肽與易位子組分結合使孔道打開，信號肽穿入內質網膜，引導肽鏈以袢環的形式進入內質網腔中，這是一個需GTP的耗能過程。與此同時，腔面上的信號肽酶切除信號肽。肽鏈繼續延伸直至完成整個多肽鏈的合成。引導肽鏈穿過內質網膜的信號肽可以看作為開始轉移序列(start transfer sequence)。肽鏈中還可能有某些序列與內質網膜有很強的親和力而結合在脂雙層之中，這段序列不再轉入內質網腔中，稱為停止轉移序列(stop transfer sequence)。如果一種多肽只有N端信號序列而沒有停止轉移序列，那么這種多肽合成后一般進入內質網腔中；如果一種多肽的停止轉移序列位

53、于分子的中部，那么這種多肽最終會成為跨膜蛋白。含有多個起始轉移序列和多個停止轉移序列的多肽將成為多次跨膜的膜蛋白。這種肽鏈邊合成邊轉移至內質網腔中的方式稱共轉移線粒體、葉綠體中絕大多數蛋白質以及過氧化物酶體中的蛋白質也是在某種信號序列的指導下進入這些細胞器中。有人稱之為導肽或前導肽(1eaderpeptide)，其基本的特征是蛋白質在細胞質基質中合成以后再轉移到這些細胞器中，因此稱后轉移(posttranslocation)。二、蛋白質分選的基本途徑與類型如果從蛋白質分選的類型或機制的角度看，可分為四種基本類型： 1 蛋白質的跨膜轉運(transmembranetransport) 2膜泡運輸

54、(vesiculartransport) 3選擇性的門控轉運(gatedtransport)4細胞質基質中的蛋白質的轉運三、膜泡運輸目前發現三種不同類型的有被小泡具有不同的物質運輸作用。 1網格蛋白有被小泡A 負責蛋白質從高爾基體TGN向質膜、胞內體或溶酶體和植物液泡運輸。B 在受體介導的細胞內吞途徑中負責將物質從質膜運往細胞質，C 從胞內體到溶酶體的運輸。 2. COP有被小泡 負責從內質網到高爾基體的物質運輸。COP有被小泡具有對轉運物質的選擇性并使之濃縮。 3COPI有被小泡負責回收、轉運內質網逃逸蛋白(escaped proteins)返回內質網。四、細胞結構體系的裝配生物大分子的裝配

55、方式大體可分為自我裝配(self-assembly)、協助裝配(aid ed-assembly)和直接裝配(direct-assembly)以及更為復雜的細胞結構及結構體系之間的裝配。裝配具有重要的生物學意義： 1減少和校正蛋白質合成中出現的錯誤 在裝配過程中裝配校正機制可排除畸形的亞單位。 2可大大減少所需的遺傳物質信息量 3通過裝配與去裝配更容易調節與控制多種生物學過程 第七章細胞的能量轉換-線粒體和葉綠體一、 線粒體的形態結構 (二)線粒體的超微結構線粒體是由兩層單位膜套疊而成的封閉的囊狀結構。主要由外膜(outer membrane)、內膜(inner membrane)、膜間隙(intermembrane space)及基質(matrix)或內室(inner chamber)4部分組成。1外膜相對分子質量為10X103以下的小分子物質均可通過小孔進入膜間隙。2內膜內膜對物質的通透性很低，能嚴格地控制分子和離子通過，這種“不透性”在ATP的生成過程中起重要作用。二、 線粒體的化學組成及酶的定位 (二)線粒體酶的定位(一)氧化磷酸化的分子結構基礎2 ATP合成酶(ATPsynthetase)或FlFoATP酶(或HATP酶)位于線粒體內膜上，是生物體進行能量轉換的核心酶。參與氧化磷酸化，催化合成ATP。 (二)氧化磷酸化的偶聯機制化學滲透假說的主要內容是：呼吸鏈的