緒論一、細胞生物學的研究對象、內容和任務

1.細胞生物學的研究對象和內容細胞生物學(cellbiology)是研究細胞生命活動基本規律的科學，是現代生命科學的基礎學科之一，其研究對象是細胞。細胞(cell)是除病毒以外的所有生物體的結構和功能的基本單位。過去對細胞的研究，主要是對細胞的形態結構、生理功能及其生活史方面進行的研究，稱為細胞學（cytology）,其核心是從顯微和亞顯微兩個結構層次研究細胞的結構與功能。細胞生物學是以細胞為研究對象，應用現代物理學、化學、實驗生物學、生物化學及分子生物學的技術和方法，從細胞整體水平、亞顯微水平和分子水平三個層次上研究細胞的結構及其生命活動規律的科學。一、細胞生物學的研究對象、內容和任務2.細胞生物學的研究任務細胞生物學的研究任務是將細胞整體水平、亞顯微水平和分子水平三個層次的研究有機地結合起來，以動態的觀點考察細胞及細胞器的結構和功能，全面而深入地解讀細胞的各項生命活動。

二、細胞生物學發展簡史

1.細胞的發現和細胞學說的建立

2.細胞學發展的經典時期（1）原生質理論的提出（2）細胞分裂的研究（3）重要細胞器的發現3.實驗細胞學的發展時期4.細胞生物學的形成和發展三、細胞生物學在生命科學中的地位和作用

細胞是生物體的結構與生命活動的基本單位，有了細胞才有完整的生命活動，對細胞的研究是全面深入地認識各種生命活動的出發點，細胞的知識是生命科學的共同基礎知識。正像著名的生物學家E.B.Wilson（1925）所說：“一切生命的關鍵問題最終都要到細胞中去尋找。因為所有生物體都是或曾經是一個細胞。”由此可見，細胞生物學是現代生命科學的基礎學科，并在現代生命科學研究中占有核心地位，成為重要的支柱。生物學中的許多分支學科，諸如形態學、解剖學、分類學、生理學、遺傳學、分子生物學和發育生物學等，都要求從細胞水平上來闡明各自領域中生命現象的機制。可以毫不諱言地說，脫離細胞，現代生物學的所有分支學科都將失去意義。

核糖體

第一節核糖體的類型及結構一、核糖體的形態、數目與分布核糖體呈不規則的顆粒狀，其表面沒有被膜包裹，直徑為l5~30nm，平均直徑約為25nm（圖7-1）。圖7-1不同側面觀的核糖體第一節核糖體的類型及結構核糖體常常分布在細胞內蛋白質合成旺盛的區域，其數量與蛋白質合成的程度有關。處在指數生長期的細菌中，每個細胞內大約有數以萬計的核糖體，其含量可達細胞干重的40%。而在培養的饑餓狀態的細胞內，僅有幾百個核糖體。般情況下，原核細胞約有1610個核糖體，真核細胞約有110個核糖體，蛋內質合成旺盛的細胞可以高達110個。真核細胞細胞質內的核糖體一般以兩種形式存在：一種游離在細胞質基質內，稱游離核糖體；而另一種附著于內質網的膜表面，稱附著核糖體。原核細胞的核糖體除游離于細胞質基質外，還常常附著于細胞膜內側。附著核糖體與游離核糖體所合成的蛋白質種類不同，但核糖體的結構與化學組成是完全相同的，它們在細胞中所占數目的多少與細胞的類型、發育階段及生理狀態有關。在合成分泌蛋白質的細胞，如胰腺細胞和漿細胞中，大多數核糖體附著在內質網膜上，肝細胞內75%的核糖體附著在內質網膜上，其余25%則游離于細胞質中；在迅速生長的胚胎細胞或腫瘤細胞內，大部分是游離核糖體，Hela細胞僅有15%的核糖體附著在內質網膜上。第一節核糖體的類型及結構二、核糖體的基本類型與成分1.核糖體的基本類型根據核糖體在蔗糖密度梯度離心時沉降系數不同，將核糖體分為70S核糖體和80S核糖體兩類。原核細胞核糖體的沉降系數為70S，為70S核糖體，其相對分子質量為250010，真核細胞線粒體和葉綠體內的核糖體近似于70S,也屬于70S；真核細胞胞質中核糖體的沉降系數為80S，為80S核糖體，相對分子質量為480010。不論70S或80S的核糖體，均由大小不同的兩個亞單位構成。體外實驗表明70S的核糖體在濃度小于1mmol/L的溶液中，易離解為50S與30S的大小亞單位，當溶液中濃度大于10mmol/L時，兩個核糖體常常形成100S的二聚體。80S核糖體具有類似的特征，隨著溶液中濃度的降低，80S的核糖體可離解為60S和40S的大小亞單位，當濃度增高時，80S的核糖體又可形成120S的二聚體。第一節核糖體的類型及結構2.核糖體的化學組成核糖體的主要成分是蛋白質與RNA。核糖體RNA稱為rRNA，蛋白質稱r蛋白。r蛋白分子主要分布在核糖體的表面，而rRNA則位于內部，二者靠非共價鍵結合在一起。在核糖體中rRNA約占60%，蛋白質約占40%。對核糖體的成分分析結果如表7-1所示

表7-1原核生物與真核生物核糖體成分的比較

第一節核糖體的類型及結構三、核糖體的結構在電鏡下，核糖體具有一定的三維結構（圖7-2）

圖7-2核糖體的立體結構第一節核糖體的類型及結構有人認為大亞單位上尚有一垂直于隧道的通道，在蛋白質合成時，新合成的多肽鏈中有30~40個氨基酸受到保護，不受蛋白水解酶的分解（圖7-3）。圖7-3真核細胞核糖體剖面圖性部位第一節核糖體的類型及結構核糖體具有復雜的三維結構，含有與蛋白質合成密切相關的四個功能活性部位（圖7-4）

圖7-4核糖體的4個活性部位第二節核糖體與蛋白質的生物合成

一、mRNA與遺傳密碼真核細胞的遺傳信息蘊藏于DNA雙鏈的核苷酸排列順序中。通過轉錄（以DNA為模板合成mRNA的過程），遺傳信息傳遞到mRNA分子中。mRNA是由四種堿基（U、C、A、G）組合而成的核苷酸單鏈。mRNA分子中三個相鄰的核苷酸堿基組成一個三聯體，特定的三個堿基順序構成一個密碼子,每個密碼子決定相應的氨基酸，如AAA決定賴氨酸、GCU決定丙氨酸。此外，還有一些密碼子是起始密碼（AUG）和終止密碼（UAA、UAG、UGA），啟動和終止肽鏈的合成。mRNA分子中的所有密碼子統稱為遺傳密碼。生物體內的20種氨基酸均有對應的遺傳密碼，因此mRNA分子中核苷酸的排列順序決定了多肽鏈中氨基酸的排列順序，進而決定了蛋白質的種類。第二節核糖體與蛋白質的生物合成二、tRNA與氨基酸轉運由于mRNA的密碼子不能直接識別氨基酸，所以氨基酸必須先與相應的tRNA結合形成氨基酰-tRNA，才能運到核糖體上。tRNA分子是由單鏈RNA折疊形成的類似于一種三葉草的葉型結構。在這個結構上與蛋白質合成關系最密切的有兩個區域：一個是氨基酸臂區，它可以特異性地與氨基酸連接；另一個重要區域是與mRNA密碼子互相配對的三個堿基即反密碼子。tRNA以其反密碼子來辨認mRNA的密碼子，通過堿基互補形成氫鍵連接，將相應的氨基酸轉運到核糖體上，進行蛋白質的合成。因此，某一特定的氨基酰-tRNA能否進入核糖體，取決于氨基酰-tRNA的反密碼子與mRNA密碼子是否互相識別(互相配對)。例如丙氨酸-tRNA的反密碼子為CGC，就可以和mRNA上的GCG密碼子相配，從而把丙氨酸帶入核糖體進行蛋白質合成。第二節核糖體與蛋白質的生物合成三、蛋白質的生物合成過程蛋白質生物合成的機理十分復雜，整個過程涉及三種RNA(mRNA、tRNA、rRNA)、幾種核苷酸(ATP、GTP)及一系列酶和蛋白輔助因子。幾年前，對它的認識只限于原核細胞的蛋白質合成，但近幾年來，對真核細胞蛋白質合成過程也有了較多的了解。下面以原核細胞為例來說明蛋白質的生物合成過程。第二節核糖體與蛋白質的生物合成1.肽鏈合成的開始肽鏈合成的啟動首先是在起始因子(initiation，IF)和GTP的作用下，核糖體30S小亞基與mRNA的起始密碼子AUG的所在部位結合，緊接著，第一個氨基酰-tRNA即甲酰甲硫氨基酰-tRNA也結合上去，形成30S起始復合體，然后大亞基再與小亞基結合，形成70S起始復合體(圖7-5A)。在70S起始復合體上，甲酰甲硫氨基酰-tRNA上的反密碼子與mRNA上的起始密碼子AUG互補配對，且恰好結合在核糖體的P位上。此時，空著的A位點準備接受下一個氨基酰-tRNA。起始復合體正如一臺啟動的蛋白質合成機器，開始合成蛋白質。第二節核糖體與蛋白質的生物合成2.肽鏈的延長肽鏈合成的延長是在起始復合體的基礎上，經過氨基酰-tRNA入位識別密碼子、多肽鏈形成及核糖體移位等過程，使氨基酸依次通過肽鍵縮合至應有長度的多肽鏈。首先按mRNA所暴露的密碼子決定相應的氨基酰-RNA進入A位，在肽基轉移酶和延長因子(elongationfactor，EF)作用下，P位上

的氨基酸與A位上的氨基酸之間形成肽鍵，于是P位上tRNA空載。隨后，由移位酶水解GTP為定向移動提供動力,核糖體沿mRNA由→向前移動一個密碼子。P位上空載的tRNA被釋放，A位上新的肽基-tRNA移到P位上，于是A位又空出，可接納下一個氨基酰-tRNA(圖7-5B)。如此循環往復使多肽鏈不斷延長。這樣，新生的多肽鏈上氨基酸的種類和排列順序完全是由mRNA分子攜帶的遺傳密碼所決定的。

第二節核糖體與蛋白質的生物合成圖7-5核糖體上多肽鏈的合成過程A.肽鏈合成的起始過程B.肽鏈的延長過程

細胞分化、衰老與凋亡

第一節細胞分化

一、細胞分化的基本概念細胞分化(celldifferentiation)是生物界中普遍存在的一種生命現象。細胞的分化是指相同細胞的后代，在形態、結構和生理功能上發生穩定性差異的過程。僅僅有細胞的增殖而沒有細胞的分化，生物體是不能進行正常的生長發育的。細胞分化的主要特點是：1.分化方向的確定早于形態差異的出現且保持穩定2.高度分化的細胞仍具有全能性第一節細胞分化高度分化的植物細胞仍然具有全能性，例如花藥離體培養及胡蘿卜根組織的細胞在適宜的條件下可以發育成完整的新植株（圖10－1）

圖10-1胡蘿卜分化細胞再生成完整的植株

第一節細胞分化二、細胞分化的機理1.細胞分化與基因表達通過體細胞的有絲分裂，細胞的數量越來越多。與此同時，這些細胞又逐漸向不同方向發生了分化，分化細胞間的主要差別是合成的蛋白質種類不同。而蛋白質是由基因編碼的，所以合成的蛋白質不同，主要是表達的基因不同，由于細胞內各個基因的活性有差別，不同基因在不同時間不同條件下被激活，從而形成不同結構的化學物質。細胞分化是基因選擇性表達的結果，不同類型的細胞在分化過程中表達一套特異的基因，其產物不僅決定細胞的形態結構，而且執行各自的生理功能。第一節細胞分化2.基因表達的調節每種類型的細胞分化是由多種調控蛋白共同調控完成的，通過組合調控的方式啟動組織特異性基因的表達是細胞分化的基本機制。對于真核細胞，特別是由數百種不同類型的細胞構成的高等動植物，其基因表達和調控更多的表現在細胞分化和細胞團體的協同與穩定，細胞分化的本質是基因選擇性表達的結果。當然，真核生物基因的選擇性表達不僅導致了細胞分化，同時也維持了各種不同類型細胞的正常功能。第一節細胞分化由于導致特定蛋白質合成的系列事件是由若干步驟組成的，所以真核細胞基因表達的調控是多級調控系統，其調控發生在多種水平上，受各種因素的影響。（1）轉錄水平的調控轉錄控制是真核生物控制基因表達的重要調控方式，通過轉錄調控，控制著基因在不同組織中進行差異表達，決定某個基因是否會被轉錄以及轉錄的頻率。（2）加工水平的調控真核基因轉錄產物要通過加工成為成熟的mRNA，然后向細胞質運送。RNA轉錄物加工的調節，分為兩種類型：簡單的轉錄單元，只能加工形成一種mRNA；復雜的轉錄單元，可以加工形成幾種不同的mRNA，表達不同的產物。對轉錄產物加工的控制，也是在RNA加工水平上調節基因表達的重要方式。第一節細胞分化（3）翻譯水平的調控是決定某種mRNA是否會真正得到翻譯以及翻譯的頻率和時間的長短。翻譯水平的調控機制，一般都是通過細胞質中特異的mRNA和多種蛋白質之間的相互作用來實現的。涉及到mRNA的細胞質定位、mRNA翻譯的調控和mRNA穩定性的調控等。

第一節細胞分化三、影響細胞分化的因素多細胞有機體在其分化程序與調節機制方面比單細胞生物顯得更為復雜，涉及很多影響因素,而細胞中組織特異性基因(tissue-specificgenes)的選擇性表達主要是由調控蛋白啟動的，因此，調控蛋白的組合是影響細胞分化的主要因素。然而，細胞內外的環境如胞外信號分子、細胞的記憶與決定、受精卵細胞質的不均一性、細胞間的相互作用與位置效應、環境對性別的決定等影響因素又直接地影響著調控蛋白的組合。第一節細胞分化1.胞外信號分子研究發現，在早期胚胎的發育過程中，一部分細胞會影響周圍細胞使其向一定方向分化，這種近距離細胞間的相互作用稱為胚胎誘導（embryonicinduction）或稱近端組織的相互作用。例如在眼的發育中就存在逐級誘導過程：早期的視泡誘導與之接觸的外胚層上皮細胞發育成晶狀體，又在視泡和晶狀體的共同誘導下使外面的表皮細胞形成了角膜。如把早期的視泡移植在頭部的其它部位，同樣可誘導與之接觸的外胚層發育成晶狀體。近端組織的相互作用是通過細胞旁分泌產生的信號分子旁泌素（又稱細胞生長分化因子）來實現的。

第一節細胞分化2.細胞記憶與決定細胞分化時的主要特征是細胞出現不同的形態結構和合成組織特異性蛋白質，演變成特定表型的類型。而分化中最顯著的特點是分化狀態的穩定性，特別是在高等真核生物中，分化狀態一旦建立即是十分穩定的，并能遺傳給許多細胞世代。一般的細胞生物活動引起的變化，如激素引起的變化，當刺激作用消失后，細胞又回到原來狀態。細胞分化則不同，它不會自發的逆轉。這是因為細胞的記憶與決定影響著細胞中組織特異性基因的選擇性表達。第一節細胞分化3.受精卵細胞質的不均一性由于細胞具有記憶能力，隨著分化信息不斷積累使之成為“決定”了的細胞，這種與分化細胞相關的信息在很多動物中可以上溯至受精卵。在很多物種中，決定細胞向某一方向分化的的初始信息儲存于卵細胞中，卵裂后的細胞所攜帶的信息已開始有所不同，這種區別又通過信號分子影響其它細胞產生級聯效應。這樣，最初儲存的信息不斷被修飾并逐漸形成更精細、更復雜的指令，最終產生分化各異的細胞類型。

第一節細胞分化4.細胞間的相互作用與位置效應多細胞生物的細胞是生活在細胞社會之中的，所以，各細胞群體必然要建立起相互協調的關系，這樣才能形成具有正常形態和有協調關系的生命活動的個體。因此，細胞的分化方向除了細胞質具有決定作用外，相鄰細胞間的相互關系也有重要影響。

第一節細胞分化5.環境對性別決定的影響性別決定是細胞分化和生物個體發育研究領域的重要課題之一。目前人們對環境影響性別的機制還不清楚，但一些實例又無疑表明，環境因素對細胞分化是可以產生影響的，并進而影響到生物的個體發育。這些影響因素又都是通過細胞自身的遺傳機構發揮作用的。其中典型的例子是許多爬行動物，例如有一種蝸牛類的軟體動物，它們的性別取決于個體間上下相互疊壓的位置關系，位于下方的個體發育為雌性，而位于上方的個體發育為雄性。另有一類蜥蜴類動物，在較低溫度條件下（24℃）全部發育為雌性，而溫度提高（32℃）則全部發育為雄性。

第一節細胞分化四、癌細胞的生物學特征及其發生1.癌細胞的特征：（1）無限地分裂增殖（2）癌細胞的形態結構發生了變化癌細胞細胞核的顯著變化就是染色體的變化。（3）癌細胞膜上的糖蛋白等物質減少（4）細胞間失去了間隙連接，相互作用改變（5）細胞死亡特性改變（6）失去生長的接觸抑制第一節細胞分化正常細胞在體外培養時，細胞通過分裂增殖形成彼此相互接觸的單層，只要鋪滿培養皿后就停止分裂，此現象稱接觸抑制或稱作對密度依賴性生長抑制。在相同條件下培養的惡性細胞對密度依賴性生長抑制失去敏感性，因而不會在形成單層時停止生長，而是相互堆積形成多層生長的聚集體(圖10-2)。這種現象也說明惡性細胞的生長和分裂已經失去了控制，調節細胞正常生長和分裂的信號對于惡性細胞已不再起作用。

第一節細胞分化（a）單層生長的正常細胞（b）堆積生長的癌細胞圖10-2正常細胞與癌細胞生長特性比較

第一節細胞分化2.癌基因與抑癌基因細胞發生癌變有其自身的原因。癌的發生涉及兩類基因：腫瘤抑制基因(tumorsuppressorgene)與癌基因(oncogene)。腫瘤抑制基因是細胞的制動器，它們編碼的蛋白質抑制細胞生長，并阻止細胞癌變。在正常的二倍體細胞中，每一種腫瘤抑制基因都有兩個拷貝，只有當兩個拷貝都丟失了或兩個拷貝都失活了才會使細胞失去增殖的控制，只要有一個拷貝是正常的，就能夠正常調節細胞的周期。從該意義上說，腫瘤抑制基因的突變是功能喪失性突變。相反，癌基因則是細胞加速器，它們編碼的蛋白質使細胞生長不受控制，并促進細胞癌變。大多數癌基因都是由于細胞生長和分裂有關的正常基因(原癌基因)突變而來。

第二節細胞衰老一、Hayflick界限細胞衰老是細胞的一種重要生命活動現象。然而對細胞衰老的認識卻經歷了一個曲折而漫長的過程，由早期細胞“不死性”的觀點發展到現今被普遍接受的細胞增殖能力和壽命有限的觀點。60年代初，Hayflick等人的研究證實：細胞，至少是培養的細胞，不是不死的，而是有一定的壽命；細胞的增殖能力不是無限的，而是有一定的界限，這就是著名的Hayflick界限。他們的工作是對細胞“不死性”學說的徹底否定。第二節細胞衰老二、衰老細胞的特征1.水分減少衰老細胞常發生水分減少的現象，結果使細胞脫水萎縮、體積變小，失去正常的球形。細胞內水分減少的原因可能是由于構成蛋白質親水膠體系統的膠粒受時間或其他因素的影響，逐漸失去電荷而相互聚集；膠體失水，膠粒的分散度降低，不溶性蛋白質增多，導致細胞硬度增加，新陳代謝的速度減慢而趨于老化。2.色素逐漸積累增多如細胞內脂褐素（也稱老年色素）會在衰老個體神經元的胞漿中沉積增加,老人的體表就會出現老年斑。脂褐素尤其在分裂指數低或不分裂的細胞，如肝細胞、肌細胞和神經細胞中的積聚更為明顯。隨著脂褐素占有面積的增大，阻礙了細胞內物質的交流和信息的傳遞，影響到細胞正常生理功能的進行，最后導致細胞的衰老和死亡。第二節細胞衰老3.化學組成與生化反應的改變在細胞衰老過程中，與細胞正常生長有關蛋白質的合成速度降低，而有些與細胞衰老有關的蛋白質如纖黏連蛋白、膠原蛋白卻大量合成。此外，有些酶的活性降低。例如，由于人的頭發基部的黑色素細胞衰老，細胞中的酪氨酸酶的活性也隨之降低，就會導致頭發變白。4.細胞質膜的流動性降低如細胞膜通透性功能改變，導致細胞質膜的流動性即物質運輸功能降低。隨著年齡的增大，膜結構中的磷脂含量逐漸下降，使質膜中膽固醇與磷脂的比值升高；但磷脂中不飽和脂肪酸含量及卵磷脂與鞘磷脂的比值卻隨年齡的增高而下降，使得細胞質膜的黏性增加，流動性降低。再加上質膜發生脂質過氧化反應，使細胞的興奮性降低，離子轉運的效率下降以及對內源性和外源性刺激的反應也隨之遲鈍。

第二節細胞衰老5.線粒體數量減少研究結果表明，普遍存在于動物和植物細胞中的線粒體數量，隨著年齡的增大而減少，其體積卻隨著年齡的增大而膨大，嚴重影響了細胞的有氧呼吸。6.染色質固縮，染色加深，細胞核增大，細胞呼吸速度減慢衰老的細胞內呼吸速度減慢，細胞核體積增大，染色質固縮、染色加深。細胞核結構在衰老變化中最明顯的是核膜內折。在體內細胞中也觀察到核膜不同程度的內折，神經細胞尤其明顯，這種內折隨年齡增長而增加，最后可能導致核膜崩解。染色質固縮化是衰老細胞核中另一個重要變化。除培養細胞外，體內細胞，如在老年果蠅的細胞中都可以觀察到染色質的固縮化。染色體端粒的縮短則是衰老細胞中最為顯著的變化。第二節細胞衰老三、細胞衰老的分子機制1.自由基理論2.有絲分裂鐘學說

3.線粒體DNA與衰老

4.自身免疫學說

5.神經內分泌學說

第二節細胞衰老四、個體衰老與細胞衰老的關系

機體中各類細胞本身的壽命很不一樣，一般來說，能夠保持持續分裂能力的細胞是不容易衰老的，分化程度高又不分裂的細胞壽命卻是有限的。表10-1列出了成年小鼠各類細胞的壽命

第三節細胞凋亡

一、細胞凋亡的概念與其生物學意義細胞凋亡也稱為程序性細胞死亡(programmedcellsenescence)，是指為了維持細胞內環境穩定，由基因控制的細胞自主的有序性死亡。細胞凋亡普遍存在于動物和植物的生長發育過程中，對于多細胞生物個體發育的正常進行起著非常重要的作用。細胞凋亡不僅參與形態的建成，而且能夠調節細胞的數量和質量。

第三節細胞凋亡二、細胞凋亡的形態學和生物化學特征1.細胞凋亡與壞死細胞死亡的一般定義是細胞生命現象不可逆的停止。細胞死亡有兩種形式：一種為壞死性死亡，是由外部的化學、物理或生物因素的侵襲而造成的細胞崩潰裂解；另一種為程序性死亡即細胞凋亡，是細胞在一定的生理或病理條件下按照自身的程序結束其生存。細胞凋亡與細胞壞死有三個根本的區別：第三節細胞凋亡（1）死亡的原因不同

物理性或化學性的損害因子以及缺氧與營養不良均導致細胞壞死，而凋亡細胞則是由基因控制的。（2）死亡的過程不同

壞死細胞的質膜發生滲漏，致使細胞腫脹，細胞器變形或腫大。而在細胞凋亡過程中，細胞不會膨脹、破裂，而是收縮并被割裂成膜性小泡后被吞噬。具體說是細胞膜發生反析，包裹了斷裂的染色質片段或細胞器后逐漸分離，形成眾多的凋亡小體(apoptoticbody)，凋亡小體又為鄰近的細胞所吞噬。（3）在細胞壞死的過程中，細胞膜發生裂解滲漏使內容物釋放到胞外，導致炎癥反應，并在愈合的過程中常伴隨組織器官的纖維化形成疤痕。而在細胞凋亡的過程中，細胞膜的整合性保持良好，細胞沒有被完全裂解，死亡細胞的內容物不會逸散到胞外環境中去，即整個細胞凋亡過程中內含物不泄漏，不會引起細胞炎癥反應，這是細胞凋亡與壞死的最大區別（圖10-5）。第三節細胞凋亡

圖10-5細胞的兩種死亡方式及其比較第三節細胞凋亡2.細胞凋亡的形態及特征細胞凋亡具有明顯的形態學特征，包括細胞變圓，染色質凝聚、分塊，胞質皺縮，凋亡小體的出現等。核DNA在核小體連接處斷裂成核小體片斷，并濃縮成染色質塊，隨著染色質不斷凝聚，核纖層斷裂消失，核膜在核孔處斷裂成核碎片。由于不斷脫水，細胞質不斷濃縮，細胞體積減小。整個細胞通過發芽、起泡等方式形成一些球形的突起，并在其基部絞斷而脫落，從而產生了大小不等的內含胞質、細胞器及核碎片的凋亡小體。最后，凋亡小體被周圍細胞吞噬和降解(圖10-6)。第三節細胞凋亡圖10-6凋亡細胞的形態結構變化

第三節細胞凋亡3.細胞凋亡的生物化學特征凋亡細胞所形成的最突出的生物化學特征是染色質DNA發生核小體間的斷裂，產生了含有不同數量核小體單位的片段，這種染色質DNA片段大小是有規律的，即都為180～200bp的整倍數。因此，抽提其中的DNA進行瓊脂糖凝膠電泳時，呈現出特征性的梯狀條帶譜型。DNA電泳形成的梯狀條帶(DNAladders)是細胞凋亡的典型特征，這個生化標志是目前檢測細胞凋亡最重要的一種方法。第三節細胞凋亡三、細胞凋亡的分子機制研究發現，所有的動物細胞都有一種相類似的控制細胞凋亡的機制，即通過一個自殺性蛋白酶家族的介導，這種蛋白酶在誘導程序性死亡信號的作用下通過自我切割而激活。激活的自殺性蛋白酶又可激活家族中的其它成員，引起蛋白質酶解的級聯反應。在該反應的系統中，上一級的信號激活下一級的一個關鍵蛋白，并快速將其水解，使信號得以放大。最后被激活的蛋白酶切割了正常細胞與凋亡細胞相關的關鍵蛋白，如核纖層蛋白，從而快速引起有控制的細胞凋亡。第三節細胞凋亡細胞凋亡與細胞壞死在形態學、生化反應的改變、分子機制、細胞結局等方面都有本質的區別（表10-2）。表10-2細胞凋亡與細胞壞死的比較第三節細胞凋亡四、植物細胞的凋亡研究發現，與動物一樣，細胞凋亡也廣泛存在于正常植物的發育中（如導管的分化、通氣組織的形成、糊粉層的退化、絨氈層細胞的死亡、胚胎發育過程中胚柄的退化、單性植物中花器官的退化等），以及對環境脅迫的反應（如缺氧、高鹽等）和對病原體入侵引發的過敏反應中。通常的細胞凋亡檢測手段也可以用于植物細胞凋亡的檢測，如DNA梯狀條帶、流式細胞術等。一般認為，動植物細胞的凋亡具有共同的或相似的機制，如采用免疫印跡法和特異的caspase四肽底物和抑制劑進行的研究表明，植物細胞凋亡過程中，出現類caspase3和類caspase6的活化，以及聚（ADP-核糖基）聚合酶和類核纖層蛋白的特異性降解。但總的來說，目前人們對植物細胞凋亡途徑所知很少，尚處于研究的起始階段。

細胞工程簡介第一節細胞工程的基本概念

細胞工程（cellengineering）是指應用細胞生物學和分子生物學的原理和方法，通過某種工程學手段，在細胞水平或亞細胞水平上，按照人們的意愿來改變細胞內的遺傳物質或獲得細胞產品的一門科學技術。因此，細胞工程的目的就是創造新品系，從細胞中分離提取人們所需要的生物化工產品或應用于其它未知領域。通過細胞大規模培養可以生產各種生物制品，第二節細胞工程的理論與實踐

一、細胞培養1.細胞培養方法（1）植物細胞培養①植物單細胞的制備植物單細胞制備的方法通常有機械法、酶法和愈傷組織誘導法等。機械法主要是通過機械磨碎的方法來獲得游離的單細胞。該方法獲得的細胞數量少，效率低，目前在生產中一般不采用這種方法。酶法是目前獲得單細胞最有效也最常用的方法。由于植物細胞壁的主要成分是纖維素和果膠，因此可用纖維素酶和果膠酶等專一性水解酶對葉片進行解離，從而釋放出游離的單細胞。第二節細胞工程的理論與實踐

②細胞培養

植物單細胞培養采用的方法有看護培養法、微室培養法和平板培養法等。看護培養法指用一塊生長活躍的愈傷組織來看護單個細胞，使其能夠生長、增殖的方法。微室培養是先把帶有一凹穴的載玻片及配套的蓋玻片滅菌，然后在無菌條件下，往載玻片凹穴中滴加一滴單細胞懸浮液，蓋上蓋玻片，再用融蠟或四環素膏封口（留通氣孔），最后置于恒溫箱培養的方法。平板培養法即把細胞與融化后即將冷凝的瓊脂培養基均勻混合，平鋪在培養皿中進行培養的方法。

第二節細胞工程的理論與實踐（2）動物細胞培養①動物單細胞的制備動物單細胞制備的方法有酶法、機械法和螯合劑解離法。目前最常用的方法是酶法，即將動物胚胎或幼齡動物的器官、組織取出后，放在含抗生素的平衡鹽溶液中，在無菌條件下，用胰蛋白酶或膠原酶解離主要成分為膠原蛋白、層粘連蛋白、纖粘連蛋白和彈性蛋白的細胞間基質，使組織分散，獲得單個細胞。②細胞培養動物細胞培養所用的液體培養基與植物細胞培養所用的培養基在成分上有所不同，條件更為苛刻，培養液中除了含有葡萄糖、氨基酸、無機鹽和維生素之外，還需要動物血清。培養液pH7.2～7.4，培養設備為CO2孵箱，溫度37℃左右。

第二節細胞工程的理論與實踐2.細胞培養在生產中的應用

（1）植物組織培養（2）植物次生代謝產物生產（3）疫苗和干擾素（4）干細胞第二節細胞工程的理論與實踐二、細胞融合

1.細胞融合技術（1）原生質體的制備①植物原生質體的制備由于植物細胞具有細胞壁，所以常用酶解法制備原生質體，即用復合酶制劑，如纖維素酶類、半纖維素酶類、果膠酶類、崩潰酶或蝸牛酶對細胞或組織進行酶解，釋放出裸露的原生質體。②動物單細胞的獲得動物細胞沒有細胞壁，但細胞間存在膠原蛋白、層粘連蛋白等連接物質，因此用胰蛋白酶或膠原酶解離胞間基質，可獲得動物單細胞

第二節細胞工程的理論與實踐（2）原生質體融合原生質體融合后所形成的融合細胞，含有來自不同親本的細胞核，因此又稱為異核體。植物異核體獲得的方法有無機鹽誘導融合法、高Ca2＋-高pH與聚乙二醇結合法、電融合誘導法等，動物細胞融合用的方法主要是滅活的仙臺病毒介導法。

（3）雜種細胞的篩選與鑒定兩親本原生質體進行融合處理后，產生的細胞并不都是雜種細胞。

第二節細胞工程的理論與實踐2.細胞融合技術在生產中的應用（1）創造植物新物種或新品種（2）單克隆抗體的生產與應用

圖11－1單克隆抗體制備流程圖第二節細胞工程的理論與實踐三、染色體工程1.染色體工程概念染色體工程（chromosomeengineering）指按照預先的設計，有計劃地添加、削減、替換染色體的全部、一部分或添加、削減染色體組以達到定向改變生物遺傳性狀、選育新品種的目的，是從染色體水平改變生物體遺傳組成的一門技術。染色體工程目前主要應用于植物的遺傳育種領域。

第二節細胞工程的理論與實踐2.染色體工程的應用（1）多倍體育種染色體組指形態、功能各不相同，但是攜帶著控制一種生物生長發育、遺傳和變異全部信息的一組非同源染色體。當植物體細胞中含有兩個染色體組時稱為二倍體，當體細胞中含有三個或三個以上染色體組時稱為多倍體。多倍體按染色體組的來源不同又分為同源多倍體和異源多倍體。自然條件下的同源多倍體指在配子產生過程中親本細胞發生了異常減數分裂，造成兩個配子或其中一個配子染色體數目不減半，通過自交而形成。

第二節細胞工程的理論與實踐（2）單倍體育種單倍體指體細胞只含有該物種配子體染色體數目的植株。與正常的二倍體相比較，單倍體植株一般形體矮小，花器官小，高度不育，本身在生產中沒有任何價值，但在育種上卻有著特殊的意義。用人工誘導的方法使單倍體植株染色體加倍，可以獲得純合的二倍體，不僅有利于隱性基因的表達，而且可以克服后代性狀分離，大大縮短了育種年限，一般只需兩、三年時間就可得到一個穩定的純系品種。獲得單倍體的方法有遠緣雜交、輻射、化學誘變、花藥花粉或未受精子房的離體培養等，其中花藥花粉培養是生產中最常用的方法。

第二節細胞工程的理論與實踐四、胚胎工程1.胚胎工程概念胚胎工程（embryoengineering）指對哺乳動物的胚胎進行某種人為的工程技術操作，然后讓其繼續發育，獲得人們所需要的成體動物的一種技術。主要包括體外受精、胚胎移植、胚胎分割及胚胎融合等技術。

第二節細胞工程的理論與實踐2.胚胎工程的應用隨著體外受精和胚胎移植技術的不斷成熟，胚胎工程也逐漸地由實驗室走向工業化生產，極大地推動了畜牧業的發展。我們知道，哺乳動物如牛、羊等，妊娠時間長，產仔數量少，繁殖速度慢。而通過胚胎移植可以獲得比自然繁殖多十幾倍甚至幾十倍的后代，擴大了良種的推廣范圍，增加了珍稀瀕危品種的數量。同時，胚胎冷凍保存技術的成功，使胚胎移植不再受時空的限制，在國際和國內進行交換時，可以完全代替活畜引種，大量節省了購買種畜的費用。

第二節細胞工程的理論與實踐五、核移植與重組技術1.核移植與重組技術概念核移植與重組技術（nucleustransplantationandrecombinanttechnology）指利用顯微操作技術將一種動物的細胞核移入同種或異種動物的去核成熟卵內，讓細胞核與細胞質重新組裝，從而獲得無性系克隆或新物種的一門技術。該技術主要包括供體核的制備、卵細胞去核、核卵重組等操作要點。2.核移植與重組技術的應用核移植與重組技術主要應用于創造新物種和克隆動物等方面。

細胞骨架

第一節細胞膜骨架

一、紅細胞的生物學特性1.紅細胞的形態結構成熟的紅細胞呈雙面凹陷或單面凹陷的盤狀結構(圖8-2)，直徑為7.5～8.3um，厚度1.7um，體積8.3um3，表面積為14.5um2，表面積與體積的比值較大，有利于細胞變形、氣體交換和攜帶。圖8-2電子顯微鏡下的紅細胞第一節細胞膜骨架由于紅細胞數量大，取材容易(體內的血庫)，極少有其它類型的細胞污染；其次成熟的哺乳動物的紅細胞中沒有細胞核和線粒體等膜相細胞器，細胞膜是它的唯一膜結構，所以易于提純和分離。將紅細胞分離后放入低滲溶液中，水很快滲入到細胞內部，使紅細胞膨脹、破裂，從而釋放出血紅蛋白(是紅細胞中唯一一種非膜蛋白)，此時的紅細胞就變成了沒有內容物的空殼，由于紅細胞膜具有很大的變形性、柔韌性和可塑性，當紅細胞的內容物滲漏之后，它的膜可以重新封閉起來(圖8-3)，仍然保持原來的形狀和大小，此時的紅細胞被稱為血影(ghost)。因此紅細胞為研究質膜的結構及膜骨架提供了理想的材料。第一節細胞膜骨架圖8-3紅細胞血影及小泡的形成第一節細胞膜骨架2.紅細胞的功能紅細胞的主要功能是把O2運送到體內各組織，同時把細胞代謝產生的CO2運送到肺中。紅細胞對O2和CO2的運輸與膜的性質有關。氧是一種小分子，它能夠自由擴散通過紅細胞膜進入紅細胞內，并被血紅蛋白結合。紅細胞膜的這種性質使得紅細胞能夠從肺中攝取氧，由于氣體CO2難溶于水溶液，進入紅細胞后就難以溶解到紅細胞的細胞質中。這要依賴于紅細胞質中的碳酸酐酶，它可將CO2轉變成水溶性的。水溶性的碳酸氫根陰離子通過紅細胞膜中的帶3蛋白，同離子進行交換排出紅細胞，所以將帶3蛋白稱為陰離子交換蛋白。這就需要紅細胞的質膜具有良好的彈性和較高的強度，而這些特性則是由膜骨架賦予的。

第一節細胞膜骨架二、紅細胞質膜蛋白與膜骨架根據SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳分析（圖8-4），血影的蛋白成分包括：血影蛋白、錨蛋白、帶3蛋白、帶4.1蛋白、肌動蛋白和血型糖蛋白等。圖8-4人紅細胞膜蛋白SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析(A)是考馬斯亮藍染色的譜帶；(B)表示凝膠上主要蛋白質的位置。第二節細胞質骨架一、微絲微絲(microfilament，MF)，又稱肌動蛋白纖維，是指真核細胞中由肌動蛋白組成，直徑為7nm的實心纖維（圖8-5、8-6）。圖8-5微絲纖維的負染電鏡照片圖8-6微絲纖維的結構模型

第二節細胞質骨架1.組成成分肌動蛋白是微絲的結構成分，相對分子量為43000，具三種異構體，即α、β和r-肌動蛋白。α-肌動蛋白分布于各種肌肉細胞中，β和r-肌動蛋白分布于肌細胞和非肌細胞中。肌動蛋白存在于所有真核細胞中，在進化上高度保守，不同來源的肌動蛋白其氨基酸順序差別甚微。第二節細胞質骨架2.裝配（1）微絲的組裝微絲是由球形肌動蛋白(G-actin)單體形成的多聚體，是由肌動蛋白單體鏈螺旋盤繞所形成的纖維，因此微絲亦稱為纖維形肌動蛋白(F-actin)。由于肌動蛋白單體具有極性，F-肌動蛋白裝配時呈頭尾相接，故微絲具有極性。在肌動蛋白溶液中，微絲可以表現出一端因加亞單位而延長，而另一端因亞單位脫落而縮短，在一定的肌動蛋白濃度下，F-肌動蛋白正極聚合的速度與負極解聚的速度相等，使F-肌動蛋白處于平衡狀態，其纖維長度不變，新聚合上的肌動蛋白單體從正極向負極作踏車式移動，這種現象稱為踏車行為（圖8-7）。第二節細胞質骨架在大多數非肌肉細胞中，微絲是一種動態結構，持續進行組裝和解聚，并與細胞形態維持及細胞運動有關。體內肌動蛋白的裝配在兩個水平上進行調節：①游離肌動蛋白單體的濃度；②微絲橫向連接成束或成網的程度。細胞內許多微絲結合蛋白參與調節肌動蛋白的組裝。圖8-7微絲組裝的踏車模型第二節細胞質骨架（2）微絲結合蛋白細胞中不同的微絲可以含有不同的微絲結合蛋白，形成獨特的結構或執行特定的功能。①肌球蛋白肌球蛋白一般由兩條分子量較高的多肽鏈(即重鏈)和兩對分子量較低的多肽鏈(即輕鏈)組成，包括頭部和桿部兩個區(圖8-8)。

圖8-8肌球蛋白的分子結構第二節細胞質骨架。圖8-9肌球蛋白分子聚合成兩極纖維第二節細胞質骨架②原肌球蛋白位于肌動蛋白螺旋溝內，原肌球蛋白結合于細絲，調節肌動蛋白與肌球蛋白頭部的結合。③肌鈣蛋白含3個亞基，肌鈣蛋白C與Ca2+特異結合；肌鈣蛋白T與原肌球蛋白有高度親合力；肌鈣蛋白Ⅰ抑制肌球蛋白ATP酶的活性。細肌絲中每隔40nm有一個肌鈣蛋白復合體結合到原肌球蛋白上(圖8-10)圖8-10細肌絲結構圖解

第二節細胞質骨架非肌肉細胞中也存在肌球蛋白、原肌球蛋白等；但在非肌肉細胞中尚未發現肌鈣蛋白。現已分離鑒定了多種微絲結合蛋白，簡述如下(表8-1)。表8-1主要的微絲結合蛋白

第二節細胞質骨架3.微絲的功能微絲具有多方面的功能：①構成細胞的支架，維持細胞的形態。如血管內皮細胞、成纖維細胞、軟骨細胞等胞質內微絲主要擔負支架作用；②細胞運動。如有絲分裂時染色體的運動、肌肉收縮、胞質分裂、細胞移動、細胞質運動；③細胞內運輸、細胞分泌活動。現介紹一下微絲的運動功能。（1）肌肉收縮骨骼肌細胞的收縮單位是肌原纖維(myofibrils)，肌原纖維由粗肌絲和細肌絲組裝形成，粗肌絲的成分是肌球蛋白，細肌絲的主要成分是肌動蛋白，輔以原肌球蛋白和肌鈣蛋白。肌小節基本結構見圖8-11。第二節細胞質骨架圖8-11肌小節模式圖第二節細胞質骨架肌肉細胞的收縮是由全部肌節的同時縮短引起的，目前許多足夠的證據支持肌肉收縮的滑動學說，此學說認為，肌肉收縮是粗肌絲和細肌絲之間相互滑動的結果（圖8-12）。圖8-12肌球蛋白分子沿肌動蛋白細絲滑動的周期性變化

第二節細胞質骨架（2）細胞運動細胞質膜下有一層富含肌動蛋白細絲的區域稱細胞皮質層。這一纖維網絡可以為細胞膜提供強度和韌性，維持細胞形狀。在體外條件下，向肌動蛋白溶液加入一定的細絲蛋白，可使肌動蛋白溶液從溶膠態變為凝膠態。細胞的各種運動，如胞質環流、變皺膜運動及吞噬都與肌動蛋白的溶膠與凝膠狀態及其相互轉化有關（圖8-13）。圖8-13進行變皺膜移動的成纖維細胞的縱切面第二節細胞質骨架（3）胞質分裂環有絲分裂末期，兩個即將分裂的子細胞之間產生一個收縮環（圖8-14）。

圖8-14動物有絲分裂時形成的收縮環

第二節細胞質骨架（4）微絨毛腸上皮細胞微絨毛的軸心微絲是非肌肉細胞中高度有序微絲束的代表，微絲呈同向平行排列，微絲束下端終止于端網結構。微絨毛中心的微絲束起維持微絨毛形狀的作用，其中不含肌球蛋白、原肌球蛋白和-輔肌動蛋白，因而無收縮功能。微絲結合蛋白如絨毛蛋白、毛緣蛋白等在微絲束的形成、維持及與微絨毛細胞膜連接發揮著重要作用。（5）應力纖維是真核細胞中廣泛存在的微絲束結構。由大量平行排列的微絲組成，其成分為肌動蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-輔肌動蛋白，其組織形式與肌原纖維相似，在細胞質中具有收縮功能。應力纖維與細胞間或細胞與基質表面的附著有密切關系。第二節細胞質骨架二、微管1.形態結構微管是由微管蛋白二聚體組裝成的長管狀細胞器結構，平均外徑為24nm，內徑15nm，在橫切面上，微管呈中空狀，微管壁由13根原纖維排列構成(圖8-15)。微管可裝配成單管，二聯管(纖毛和鞭毛中)，三聯管(中心粒和基體中)。端微管的端點使之延長，最終微管蛋白與微管達到平衡。圖8-15微管的結構模式圖第二節細胞質骨架2.組成微管由兩種類型的微管蛋白亞基，即α-微管蛋白和β-微管蛋白組成，是微管裝配的基本單位。微管蛋白分子在生物進化上可能是最穩定的蛋白分子之一。除極少數例外（如人的紅細胞），微管幾乎存在于所有真核細胞質中，原核生物中沒有微管。3.裝配

（1）組裝所有微管由相似的蛋白亞基裝配而成。首先，α-微管蛋白和β-微管蛋白形成長度為8nm的α

β二聚體，α

β二聚體先形成環狀核心，經過側面增加二聚體而擴展為螺旋帶，α

β二聚體平行于長軸重復排列形成原纖維。當螺旋帶加寬至13根原纖維時，即合攏形成一段微管。第二節細胞質骨架所有的微管都有確定的極性。微管的兩個末端在結構上不是等同的，細胞內所有由微管構成的亞細胞結構也是有極性的。微管的延長主要依靠在正極組裝GTP-微管蛋白，然后GTP水解為GDP或GTP與微管蛋白分離。在一定條件下，微管一端發生裝配使微管延長，而另一端發生去裝配而使微管縮短，稱為踏車現象。影響微管體外裝配的條件有微管蛋白濃度、pH、離子（Ca2+應盡可能除去，Mg2+為裝配所必需）和溫度（微管蛋白二聚體裝配成微管，微管解聚為二聚體）（圖8-16）。第二節細胞質骨架圖8-16體外微管的解聚與聚合第二節細胞質骨架（2）微管結合蛋白有幾種與微管密切相關的蛋白，附著于微管多聚體上，參與微管的組裝并增加微管的穩定性。然而，在實驗條件下，微管蛋白可以在去除這些蛋白的情況下組裝。因此這些蛋白稱為微管結合蛋白。所有不同的微管結構均由相同的-微管蛋白和-微管蛋白亞單位組成，其結構與功能的差異可能取決于所含微管結合蛋白的不同。（3）微管特異性藥物秋水仙素是最重要的微管工具藥物，用低濃度的秋水仙素處理活細胞，可立即破壞紡錘體結構，秋水仙素不像Ca2+、高壓和低溫等因素那樣直接破壞微管，而是阻斷微管蛋白組裝成微管。紫杉酚能促進微管的裝配，并使已形成的微管穩定。第二節細胞質骨架4.功能（1）維持細胞形態用秋水仙素處理細胞破壞微管，導致細胞變圓，說明微管對維持細胞的不對稱形狀是重要的。細胞突起部分，如纖毛、鞭毛、軸突的形成和維持，微管也起到了關鍵的作用。（2）鞭毛和纖毛運動鞭毛和纖毛是細胞表面的特化結構，具有運動功能。①鞭毛和纖毛的結構鞭毛和纖毛的結構基本相同。纖毛軸心含有一束“9＋2”排列的平行微管，“9＋2”排列是幾乎所有真核細胞鞭毛和纖毛的結構特征。中央微管均為完全微管，外圍二聯體微管由A，B亞纖維組成，A亞纖維為完全微管，由13個球形亞基環繞而成，B亞纖維僅由11個亞基構成(圖8-17)。第二節細胞質骨架圖8-17文昌魚精子尾部微管電鏡照片（周圍9組二聯管，中央一對中央微管）第二節細胞質骨架軸心的主要蛋白結構有：A.微管蛋白二聚體二聯體中的微管蛋白二聚體無秋水仙素結合部位；B.動力蛋白臂由微管二聯體伸出，同相鄰微管二聯體相互作用使纖毛彎曲。組成它們的動力蛋白是一種ATP酶，能為Ca2+、Mg2+所激活。是使纖毛產生運動的關鍵蛋白；C.微管連絲蛋白將相鄰微管二聯體結合在一起；D.放射幅條由9條外圍微管二聯體伸向中央微管（圖8-18）。

圖8-18鞭毛軸絲結構示意圖第二節細胞質骨架②纖毛運動機制滑動機制認為纖毛運動是由相鄰二聯體間相互滑動所致(圖8-19)。a.動力蛋白頭部與相鄰B亞纖維的接觸促使動力蛋白結合的ATP水解產物釋放，同時造成頭部角度的改變；b.新的ATP結合使動力蛋白頭部與相鄰B亞纖維脫開；c.ATP水解釋放的能量使頭部的角度復原；d.帶有水解產物的動力蛋白頭部與相鄰B亞纖維上另一位點結合，開始又一次循環。圖8-19纖毛運動的滑動機制第二節細胞質骨架通常鞭毛的運動表現為波動或者擺動，即鞭毛發生了彎曲運動。彎曲運動是由滑動運動轉化而來，只是雙聯微管間存在著連絲蛋白，使微管彼此束縛在了一起，從而使自由微管間的平行滑動變為鞭毛的彎曲運動（圖8-20）。圖8-20動力蛋白引起鞭毛彎曲圖解第二節細胞質骨架（3）細胞內運輸真核細胞內部是高度區域化的體系，細胞中物質的合成和功能部位往往是不同的，必須經過細胞內運輸過程。許多兩棲類的皮膚和魚類的鱗片中含有特化的色素細胞，在神經肌肉控制下，這些細胞中的色素顆粒可在數秒鐘內迅速分布到細胞各處，從而使皮膚顏色變黑；又能很快運回細胞中心，而使皮膚顏色變淺，以適應環境的變化。實驗表明，色素顆粒的運輸是微管依賴性的，色素顆粒實際上是沿微管而轉運的。這也充分說明了細胞骨架尤其是微管在胞內轉運中起關鍵性作用

第二節細胞質骨架三、中間纖維

1.化學成分及分子結構中間纖維的成分比微絲和微管復雜，中間纖維的分布具有嚴格的組織特異性。按其組織來源及免疫原性可分為5大類：(1)角質蛋白纖維只在上皮細胞或外胚層起源的細胞中表達；(2)波形纖維蛋白在間質細胞和中胚層起源的細胞中表達，分布較為廣泛；(3)結蛋白纖維在成熟的肌肉細胞中表達，也在少數其他細胞中發現，含有結蛋白；（4）膠質蛋白纖維只在中樞系統的膠質細胞中表達；（5）神經蛋白纖維在中樞相外周神經系統細胞中表達，包括分子量大小不同的蛋白質，蛋白質分子的大小與來源有關。第二節細胞質骨架圖8-21中間纖維電鏡照片第二節細胞質骨架2.裝配中間纖維蛋白組裝為中間纖維的過程如圖8-22所示，中間纖維蛋白的桿部組裝為中間纖維的主干。圖8-22中間纖維的裝配示意圖

第二節細胞質骨架3.功能對于中間纖維的功能目前了解的較少，通過熒光顯微鏡和電鏡的形態觀察，一般認為中間纖維在細胞生命活動中極為重要，其主要功能如下：①當用鹽或消化劑處理時，大部分微管和微絲被消化，而中等纖維仍連接在核膜上。因此，中等纖維可能對細胞核有固定作用；②中等纖維可能與微管和微絲共同在細胞內發揮運輸作用；③細胞分裂時，中等纖維對紡錘體與染色體起空間定向支架作用，并負責子細胞中細胞器的分配與定位；④在細胞癌變中發揮一定作用；⑤中等纖維蛋白可能與DNA的復制與轉錄有關。第三節細胞核骨架

一、核基質核基質的相關內容在細胞核與染色體一章已詳細的介紹過。核基質是指在細胞核內，除了核膜、核纖層、染色質及核仁以外的網絡狀結構體系。它不象微絲、微管和中間纖維那樣，由非常專一的蛋白成分組成，不同類型細胞核骨架成分可能有較大差別，目前已測定的核骨架蛋白有數十種，這些蛋白可以分為兩類：一類是各種類型的細胞共有的；另一類則與細胞類型及分化程度相關。二、染色體支架染色體骨架是指染色體中由非組蛋白構成的結構支架。染色體骨架的形狀與染色體基本相符，骨架四周是DNA放射環，其長度放射環的根部結合在染色體骨架上，且放射環的兩端結合于骨架同一部位。他們據此提出了染色體骨架／放射環模型

第三節細胞核骨架三、核纖層核纖層(nuclearlamina)普遍存在于高等真核細胞間期細胞核中，是位于細胞核內膜與染色質之間的纖維蛋白片層或纖維網絡。核纖層與核內膜緊密結合，由1至3種核纖層蛋白多肽組成(圖8-23)。圖8-23蛙卵母細胞核纖層的電鏡照片，核纖層蛋白形成方的網絡狀

第三節細胞核骨架2.化學組成核纖層由核纖層蛋白構成，在哺乳動物和鳥類細胞中，構成核纖層的纖維蛋白有3種，即核纖層蛋白A、B、C。在非洲爪蟾中有4種，即核纖層蛋白Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。哺乳動物核纖層蛋白A和核纖層蛋白C的結構和生化分析說明，這兩種蛋白各自均能體外自我裝配成10nm纖維，其軸向周期性與天然纖維相同(25nm)，且與中間纖維類似(21～23nm)。因此，可以認為核纖層蛋白具有中間纖維的所有結構特征，無論是單體，還是組裝成纖維，確實是中間纖維蛋白家族的成員。第三節細胞核骨架3.核纖層在細胞分裂中的周期性變化在細胞分裂過程中，核纖層發生解聚和重裝配。分裂前期，核膜崩解，核纖層蛋白高度磷酸化，核纖層解聚，核纖層蛋白彌散到胞質中。分裂末期，當核膜重現時，在染色體周圍重裝配，核纖層蛋白發生去磷酸化形成于細胞的核纖層。4.核纖層的功能核纖層與核膜、染色質及核孔復合體在結構上有密切聯系：（1）核纖層為核被膜及染色質提供了結構支架，它與維持核孔的位置和核被膜的形狀有關。（2）分裂期核纖層的可逆性降解和重裝配對核被膜的崩解和重建具有調節作用。

細胞核第一節核被膜與核孔復合體

一、核被膜核被膜位于間期細胞核的最外層，是細胞核與細胞質之間的界膜。核被膜在普通光學顯微鏡下不能顯示其結構，在電子顯微鏡下才能觀察到其精細結構。核被膜能使細胞核內環境的溫度、壓力、pH值和化學成分維持相對恒定，使其成為細胞中一個相對獨立和穩定的系統。一方面核被膜構成了核、質之間的天然選擇性屏障，將細胞分成核與質兩大結構與功能區域：DNA復制、RNA轉錄和加工在核內進行，蛋白質翻譯局限在細胞質中，減少了相互干擾，從而使細胞的生命活動更加有序和高效；另一方面核被膜并不是完全封閉的，核質之間進行著頻繁的物質、信息交流。第一節核被膜與核孔復合體核被膜（圖6-3）由內、外兩層平行但不連續的單位膜組成，每層單位膜的厚度約為7.5nm。面向胞質的一層為核外膜，表面常附有大量的核糖體顆粒，并且常與糙面內質網相通連。

圖6-3核被膜的電鏡照片第一節核被膜與核孔復合體二、核孔復合體1.結構模型

輻核孔復合體自被發現以來，不斷有新的結構模型提出，綜合近年來提出的核孔復合物新的結構模型（圖6-4、6-5），該復合物由環、輻、栓等結構亞單位組成。圖6-4核孔復合物立體模型

第一節核被膜與核孔復合體（1）胞質環又稱外環，位于核孔邊緣的胞質面一側，在環上有8條纖維對稱分布伸向胞質。（2）核質環又稱內環，位于核孔邊緣的核質面一側，比外環結構復雜，在環上也有8條纖維對稱分布伸向核內，并且在纖維末端形成一個直徑為60nm的小環，使核質環就像一個“捕魚籠”。（3）輻由核孔邊緣伸向核孔的中央，呈輻射狀八重對稱，結構較復雜。（4）栓又稱中心栓，位于核孔中心，也被稱作轉運器，可能與核質間物質交換有關。第一節核被膜與核孔復合體圖6-5兩棲類卵母細胞核孔核質面的表面結構第一節核被膜與核孔復合體2.功能核孔復合體在功能上可被認為是一種特殊的跨膜運輸蛋白復合物，并且是一個雙向性、雙功能的親水性核質交換通道。雙向性是指核孔復合體既介導蛋白質的入核轉運，又介導RNA、核糖核蛋白體（RNP）的出核轉運；雙功能是指它有被動擴散和主動運輸兩種運輸方式。（1）通過核孔復合體的被動擴散核孔復合體親水通道的有效直徑為9～10nm，即離子、小分子以及直徑小于10nm的物質原則上可以自由通過。（2）通過核孔復合體的主動運輸生物大分子的核質分配主要是通過核孔復合體的主動運輸完成的，具有高度選擇性。其選擇性表現在：①運輸顆粒大小的選擇。主動運輸的功能直徑比被動運輸大，核孔復合體的有效直徑的大小是可以被調節的；②通過核孔復合體的主動運輸是一個信號識別與載體介導的過程，并且需要有能量供應；③通過核孔復合體的主動運輸具有雙向性，即核輸入與核輸出。第一節核被膜與核孔復合體圖6-6通過核孔復合物選擇性輸入蛋白質示意圖第一節核被膜與核孔復合體核質蛋白向細胞核的輸入可描述如下（圖6-7）：①親核蛋白通過NLS識別importin，與NLS受體importin

二聚體結合，形成轉運復合物；②在importin的介導下，轉運復合物與核孔復合體的胞質環上的纖維結合；③纖維向核彎曲，轉運器構象發生改變，形成親水通道，轉運復合物被轉移到核質面；④轉運復合物與Ran-GTP結合，復合體解離，親核蛋白釋放；⑤與Ran-GTP結合的importin，輸出細胞核，在細胞質中Ran結合的GTP水解，Ran-GDP返回細胞核重新轉換為Ran-GTP；⑥importin

在核內載體蛋白的幫助下運回細胞質。第一節核被膜與核孔復合體圖6-7親核蛋白的核輸入過程第一節核被膜與核孔復合體核質蛋白向細胞核的輸入可描述如下（圖6-7）：①親核蛋白通過NLS識別importin，與NLS受體importin

二聚體結合，形成轉運復合物；②在importin的介導下，轉運復合物與核孔復合體的胞質環上的纖維結合；③纖維向核彎曲，轉運器構象發生改變，形成親水通道，轉運復合物被轉移到核質面；④轉運復合物與Ran-GTP結合，復合體解離，親核蛋白釋放；⑤與Ran-GTP結合的importin，輸出細胞核，在細胞質中Ran結合的GTP水解，Ran-GDP返回細胞核重新轉換為Ran-GTP；⑥importin

在核內載體蛋白的幫助下運回細胞質。對細胞核向細胞質的大分子輸出了解較少，大多數情況下，細胞核內的RNA是與蛋白質形成RNP復合物轉運出細胞核的，也是一種由受體介導的信號識別的主動運輸過程。

第二節染色質與染色體

一、染色質的組成

1.染色質DNA細胞里的DNA絕大部分存在于染色質中，它的含量十分恒定。進一步的研究表明，染色質DNA存在重復序列，并根據重復序列的頻率分為三類：高度重復序列，中度重復序列和單一序列。（1）高度重復序列這是由一些短的DNA片段組成的呈串聯重復排列的序列，在基因組中重復頻率高，幾乎所有真核細胞染色質DNA都有這種高度重復序列。衛星DNA就是這類高度重復順序。由于它所含有的G和C的量比大部分細胞DNA要略多或略少，這樣在CsCL2密度梯度離心中表現為主峰旁邊的一組小峰，稱衛星DNA，或隨體DNA。（2）中度重復序列在這一類中，核苷酸序列重復頻率在基因組中從幾十次到幾千次。包括組蛋白基因、rRNA基因、tRNA基因、5sRNA基因等。(3)單一序列這種DNA序列在基因組中只出現一次或若干次。除組蛋白外，細胞內許多種蛋白質都是由單一序列的DNA轉錄編碼的，原核細胞的基因也是單一序列。第二節染色質與染色體2.染色質蛋白質染色質DNA結合蛋白包括兩類：一是組蛋白，與DNA非特異性結合；另一類是非組蛋白,與DNA特異性結合。（1）組蛋白組蛋白是構成真核生物染色質的基本結構蛋白，是一類堿性蛋白質，可以和酸性的DNA緊密結合，這種結合一般不要求特殊的氨基酸序列，是非特異性的。（2）非組蛋白與組蛋白不同，非組蛋白是指染色體上與特異DNA序列結合的蛋白質，所以又稱序列特異性DNA結合蛋白，非組蛋白的特性是：①含有較多的天門冬氨酸和谷氨酸，帶負電荷，屬酸性蛋白質；②整個細胞周期都進行合成，不象組蛋白只在S期合成，并與DNA復制同步進行；③能識別特異的DNA序列，識別信息存在于DNA本身，位點在大溝部分。非組蛋白的功能是：①幫助DNA分子折疊，以形成不同的結構域，從而有利于DNA的復制和基因的轉錄；②協助啟動DNA復制；③控制基因轉錄，調節基因表達。因此，研究非組蛋白對深入揭示染色質包裝、DNA復制、轉錄、基因表達調控等具有重要意義。第二節染色質與染色體3.常染色質與異染色質真核細胞間期核染色質按其形態特征和染色性能區分為兩種類型，即常染色質與異染色質。(1)常染色質常染色質是正常情況下經常活動，有功能的染色質（圖6-8）。在電鏡下間期核內染色質纖維折疊壓縮程度低，處于伸展狀態，用堿性染料染色時著色較淺，多位于核的中央位置，并通到核孔的內面，形成所謂的常染色質通道。構成常染色質的DNA序列主要是一些單一序列和中度重復序列。常染色質的DNA復制一般較早，多發生在細胞周期S期的早期。結構基因及絕大多數基因位于常染色質上，遺傳活性大。（2）異染色質電鏡或光鏡下見到的染色質高密度的成分，實際上就是異染色質。在間期或分裂早期，異染色質是處于凝集狀態的DNA與組蛋白的復合物。由于這部分螺旋纏繞緊密，形成20～30nm直徑的纖維，故又稱濃縮染色質。一般位于間期核的邊緣。異染色質又分結構異染色質和兼性異染色質。第二節染色質與染色體圖6-8異染色質（深染）和常染色質（淺染）第二節染色質與染色體二、染色質的基本結構單位——核小體用溫和的方法裂解細胞核，在電鏡下觀察其內容物，大部分未經處理的染色質為直徑30nm的纖絲，經鹽溶液處理后解聚的染色質在電鏡下可見一系列的串珠樣結構，串珠的直徑為10nm（圖6-9）。A.30nm染色質纖維B.30nm染色質纖維解聚后的串珠結構，核小體的核心顆粒直徑為10nm圖6-9染色質纖維的電鏡照片第二節染色質與染色體圖6-10核小體的結構成分示意圖圖6-11組蛋白H1和核小體專一區域的結合第二節染色質與染色體三、染色質和染色體的關系1.染色體的多級螺旋模型核小體是染色體的基本結構單位，即染色體的一級結構。通過核小體，DNA長度壓縮了7倍，形成直徑為11nm的纖維(圖6-12)。圖6-12染色體多級螺旋模型第二節染色質與染色體2.染色體的輻射環模型圖6-13染色體結構的骨架模型a、去組蛋白后染色體骨架和DNA側環；b、c、d袢環DNA和非組蛋白交互后形成的各種結構。第二節染色質與染色體四、染色體的形態、結構與類型1.染色體的形態、結構中期染色體形態穩定，它由兩條染色單體組成，也稱為姊妹染色單體，彼此以著絲粒相連。（1）著絲粒染色體中連接兩個染色單體,并將染色單體分為兩臂（短臂和長臂）的部位。由于此部位的染色質較細、內縊,又叫主縊痕。此處DNA具高度重復,為堿性染料所深染。第二節染色質與染色體（2）次縊痕除了主縊痕外,在染色體上其他的縊縮部位即次縊痕,由于此處部分的DNA松懈,形成核仁組織區,故此變細。它的數量、位置和大小是某些染色體的重要形態特征。每種生物染色體組中至少有一條或一對染色體上有次縊痕。（3）核仁組織區（nucleolarorganizingregion,NOR）位于染色體的次縊痕部位，但不是所有的次縊痕都是NOR。該處是rRNA基因（5SrRNA基因除外）所在部位，與核仁的形成有關。（4）隨體由次縊痕隔開的一小塊圓形或圓柱形染色質叫隨體，通過次縊痕與染色體主體部分相連，是識別染色體的重要形態特征之一。根據隨體在染色體上的位置,可分為兩大類:隨體處于末端的,稱為端隨體;處于兩個次縊痕之間的稱為中間隨體。（5）端粒是染色體游離端的特化部位。屬于結構異染色質，是一個簡單序列大量重復的端粒序列。其生物學功能是維持染色體穩定，防止末端粘連和重組，錨定染色體于細胞核內，輔助線性DNA復制等。第二節染色質與染色體2.染色體類型根據著絲粒在染色體上的位置，可將染色體分為四種類型（圖6-15）

圖6-15染色體類型a.中著絲粒染色體b.近中著絲粒染色體c.近端著絲粒染色體d.端著絲粒染色體第二節染色質與染色體五、巨大染色體1.多線染色體（1）發現及分布多線染色體是由意大利細胞學家Balbiani于1881年在雙翅目搖蚊幼蟲的唾液腺細胞中發現，為體細胞永久性間期染色體(圖6-16)。

圖6-16果蠅唾腺染色體第二節染色質與染色體（2）成因

具有多線染色體的