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文本内容:
2019-2020年高二生物《细胞生物学》教学设计
一、细胞的化学成分、亚显微结构及功能
(一)化学成分
1.水、无机盐
2.糖类
3.蛋白质(包括氨基酸、三字母缩写、蛋白质的四级结构、蛋白质的理化性质、变性实质)
4.酶类(概念、特征、分类、作用机理、影响酶活性的因素)
5.脂类
6.核酸(包括DNA和RNA)
7.其他重要化合物(包括ADP和ATP、NAD[+]和NADH[+]、NADP[+]和NADPH[+])第二信使cAMPcGMP
(二)结构及功能
1.细胞是生命活动的基本单位
2.细胞膜(理化性质、分子结构与物质运输等)
3.细胞内膜系统(内质网、高尔基体、溶酶体、液泡的结构与功能)
4.线粒体结构、功能
5.质体的类型和叶绿体的结构功能
6.核糖体
7.过氧化氢体、过氧化物酶体的结构功能
8.细胞核(核膜、染色体、核仁、核基质)和核功能
9.细胞壁成分与结构
10.细胞骨架系统(包括微丝、微管、中等纤维、微梁)的功能
11.原核细胞与真核细胞
12.动物细胞与植物细胞的比较
13.细胞分化和组织形成
二、细胞分裂
(一)细胞分裂的方式、意义
(二)有丝分裂
1.细胞周期(间期G
[1]、S、G
[2]的变化)
2.有丝分裂过程中染色体的变化规律、特征
(三)减数分裂
1.第一次分裂(染色体变化的主要特点)
2.第二次分裂(染色体变化的主要特点)
(四)有丝分裂与减数分裂的比较
(五)细胞的分化和衰老癌变
三、细胞代谢
(一)糖代谢(指异化)
1.糖的无氧呼吸(糖酵解)
2.糖的有氧呼吸(糖酵解、柠檬酸循环、氧化磷酸化)
(二)脂肪和蛋白质的代谢等(异化)与下同化作用共见《植物生理学》
(三)同化作用
1.光合作用的光反应(原初反应等)
2.暗反应(卡尔文循环)
(四)蛋白质的生物合成
1.转录
2.翻译
3.遗传密码
4.生物合成过程见《遗传变异》
(五)生物代谢类型中重点是原核细胞(微生物)的代谢等
1.光养和化养
2.自养和异养
3.厌氧和需氧
(六)细胞的全能性
(七)细胞工程和酶工程简介生物化学内容第一章化学元素及化合物【知识概要】
一、组成生物体的化学元素大量元素,如C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等微量元素,如Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl等生物界和非生物界具有统一性和差异性
二、组成生物体的化合物(-)糖类1.生物学功能糖类参与细胞组成,是生命活动的主要能源物质2.组成元素及种类糖类的组成元素为C、H、O,分单糖、寡糖、多糖三类葡萄糖(环状结构)果糖(环状结构)葡萄糖(链状结构)果糖(链状结构)核糖脱氧核糖单糖是不能水解的最简单的糖类,其分类中只含有一个多羟基醛或一个多羟基酮,如葡萄糖、果糖、核糖、脱氧核糖葡萄糖和果糖都是含6个碳原子的己糖,分子式都是C6H12O6,但结构式不同,在化学上叫做同分异构体如右上图所示核糖(C5H10O5)和脱氧核糖(C5H10O4)都是含有5个碳原子的戊糖,两者都是构成生物遗传物质(DNA或RNA)的重要组成成分结构式如下图所示寡糖(低聚糖)是由少数几个(1个以内)单糖分子脱水缩合而得的糖常见的是含有2个单糖单位的双糖,如植物细胞内的蔗糖、麦芽糖,动物细胞内的乳糖,存在于藻类细菌、真菌和某些昆虫细胞内的海藻糖等蔗糖的形成见下图葡萄糖、果糖、蔗糖多糖是由多个单糖缩聚而成链状大分子,与单糖、双糖不同,一般不溶于水,从而构成贮藏形式的糖,如高等植物细胞内的淀粉,高等动物细胞内的糖元纤维素是植物中最普遍的结构多糖例1请用最简便的方法,鉴别核糖、葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉分析鉴别核糖、葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉最简便的方法是显色法首先在这五种糖中各加入适量碘液,只有淀粉变蓝色,其余四糖不变色然后在除淀粉外的四糖中分别加适量的盐酸和间苯二酚,核糖呈绿色,葡萄糖呈淡红色,果糖呈红色,而蔗糖不变色这一下可鉴别出核糖和蔗糖再在葡萄糖和果糖中分别加入几滴清水,由于葡萄糖具有还原性而使溴水褪色,果糖无还原性,不能使溴水褪色,从而就能达到区分这两种糖的目的【参考答案】鉴别核糖、葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉的最简便方法
(二)脂类脂类是生物体内一大类重要的有机化合物,由C、H、O三种元素组成,有的(如卵磷脂)含有N、P等元素,不溶于水,但溶于乙醚、苯、氯仿和石油醚等有机溶剂1.生物学功能脂类是构成生物膜的重要成分;是动植物的贮能物质;在机体表面的脂类有防止机械损伤和水分过度散失的作用;脂类与其他物质相结合,构成了细胞之间的识别物质和细胞免疫的成分;某些脂类具有很强的生物活性2.种类(l)脂肪也叫中性脂,一种脂肪分子是由一个甘油分子中的三个羟基分别与三个脂肪酸的末端羟基脱水连成酯键形成的脂肪是动植物细胞中的贮能物质,当动物体内直接能源过剩时,首先转化成糖元,然后转化成脂肪在植物体内就主要转化成淀粉,有的也能转化成脂肪含氢多耗氧多,生成水多
(2)类脂包括磷脂和糖脂,这两者除了包含醇、脂肪酸外,还包含磷酸、糖类等非脂性成分含磷酸的脂类衍生物叫做磷酯,含糖的脂类衍生物叫做糖脂磷脂和糖脂都参与细胞结构特别是膜结构的形成,是脂类中的结构大分子
(3)固醇又叫甾醇,是含有四个碳环和一个羟基的烃类衍生物,是合成胆汁及某些激素的前体,如肾上腺皮质激素、性激素有的固醇类化合物在紫外线作用下会变成维生素D在人和动物体内常见的固醇为胆固醇例营养物质中,体外燃烧和体内氧化产热量相等而耗氧量较小的是 A.糖类 B.脂肪 C.蛋白质 D.脂肪和蛋白质
(三)蛋白质含量最多的有机化合物或占细胞干重一半以上蛋白质的元素组成C(50~55%)、H(6~8%)、O(20~23%)、N(15~18%)、S(0~4%)、稀有P等N的含量平均为16%——凯氏(Kjadehl)定氮法的理论基础蛋白质含量=蛋白氮×
6.25例测得某蛋白质样品的含氮量为
0.40g,此样品约含蛋白质多少克?A
2.0gB
2.5gC
6.4gD
6.25g
(一)蛋白质的结构和生物学功能1.蛋白质的基本组成单位——氨基酸组成蛋白质的氨基酸有20种,其中19种结构可用通式表示另一种为脯氨酸,它也有类似结构,但侧链与氮原子相接形成亚氨基酸除甘氨酸外,蛋白质中的氨基酸都具有不对称碳原子,都有L—型与D一型之分,为区别两种构型,通过与甘油醛的构型相比较,人为地规定一种为L型,另种为D一型当书写时—NH2写在左边为L型,-NH2在右为D一型已知天然蛋白质中的氨基酸都属L型D型氨基酸没有营养价值,仅存在于缬氨霉素、短杆菌肽等极少数寡肽之中,没有在蛋白质中发现英文中文R基结构R基特点等电点极性与否必需与否酸碱RAla丙 甲基 非极性 中性Arg精 δ-胍基 +极性半必需碱性脂肪族Asn天冬酰氨 β-酰氨 极性 中性Asp天冬 β-羧基 -极性 酸性脂肪族Cys半胱 β-巯基 极性 中性Gln谷氨酰氨 γ-酰氨 极性 中性Glu谷 γ-羧基 -极性 酸性脂肪族Gly甘 H 极性 中性His组 β-咪唑基 +极性半必需碱性杂环Ile异亮 烷烃链 非极性必需中性Leu亮 烷烃链 非极性必需中性Lys赖 ε-氨基 +极性必需碱性脂肪族Met甲硫(蛋) γ-甲硫基 非极性必需中性Phe苯丙 苯甲基 非极性必需中性芳香族Pro脯 亚氨基 非极性 中性杂环Ser丝 β-羟基 极性 中性Thr苏 β-羟基 极性必需中性Trp色 β-吲http://www.sogou.com/sogoupediaquery=%DF%C5\t_blank哚基 非极性必需中性杂环Tyr酪 β-苯酚基 极性 中性芳香族Val缬 烷烃链 非极性必需中性记忆技巧除甘AA外均为不对称C、均有旋光性;脂肪族、芳香族、杂环;极性(亲水)与非极性(疏水带正电荷、负电荷、不带电荷);必需(甲携来一本亮色书)半必需(精组,胚胎发育以及婴幼儿期间)与非必需;酸(2羧1氨)碱(2氨1羧)中(1氨1羧)性非基本氨基酸
1.氨基酸的衍生物蛋白质化学修饰造成的,有P-Ser、P-Thr、P-Tyr、OH-Pro、OH-Lys,最为重要的是Cyss胱氨酸,是由2分子Cys通过二硫建连接起来的,P
542.非蛋白氨基酸仅游离存在,瓜氨酸、鸟氨酸、β-丙氨酸
3.D-氨基酸缬氨霉素、短杆菌肽中含有六.氨基酸的性质
1.物理性质1紫外吸收各种氨基酸在可见光区都没有光吸收,而在紫外光区仅色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸有吸收能力利用紫外光法可以测定这些氨基酸的含量蛋白质在280nm的紫外光吸收绝大部分是由色氨酸和酪氨酸所引起的因此测定蛋白质含量时,用紫外分光光度法测定蛋白质在280nm的光吸收值是一种既简便而又快速的方法有共轭双键的物质都具有紫外吸收,在20种基本aa中,有4种是具有共轭双键的,Trp、Tyr、Phe、His,其中His只有2个双键共轭,紫外吸收比较弱,Trp、Tyr、Phe均有3个双键共轭,紫外吸收较强,其中Trp的紫外吸收最厉害,是蛋白质紫外吸收特性的最大贡献者,此3种氨基酸的紫外吸收特点如下Aa(氨基酸)Λm(最大吸收波长nM)E(消光系数A/Mol/L)Phe苯丙氨酸257
(259)2*102Tyr酪氨酸275
(278)
1.4*103Trp色氨酸280
(279)
5.6*1032旋光性仅Gly不具旋光性,其它19种都有,且自然选择为L-型3溶解性溶解于水,特别是稀酸稀碱溶液,不溶于乙醚、氯仿等有机溶剂4熔点均大于200℃,也就是说氨基酸都是固态,而同等分子量的其它有机物则是液态,这说明了氨基酸与氨基酸之间的结合力很强,是离子键,即氨基酸是以离子状态存在的,而不是以中性分子存在的
2.化学性质1解离和等电点对于含有一个氨基和一个羧基的α–氨基酸来说,在中性溶液中或固体状态下,是以中性分子的形式还是以两性离子的式存在呢?许多实验证明主要是以两性离子的形式存在中性分子形式两性离子形式氨基酸由于含有氨基和羧基,因此在化学性质上表现为是的一种兼有弱碱和弱酸的两性化合物氨基酸等电点的计算方法对于单氨基单羧基的氨基酸,其等电点是pK1和Pk2的算术平均值,即从pI=1/2(pK1+pK2)公式中求得;若是碰到R基团也解离的,氨基酸就有了多级解离,这个公式就不好用了,比如Lys、Glu、Cys等,要依次写出它从酸性经过中性至碱性溶溶解高过程中的各种离子形式,然后取两性离子两侧的pK值的算术平均值,即可得其pI值例如Asp解离时,有3个pK值,在不同pH条件下可以有4种离子形式,如下图所示在等电点时,两性离子形式主要是Asp+,因此Asp的pI=1/2(pK1+pK2)=1/2(
2.09+
3.86)=
2.98同样方法可以求得其他含有3个pK值的氨基酸的等电点aaCysAspGluLysHisArgPK’α-羧基
1.
712.
692.
192.
181.
822.19PK’α-氨基
8.
339.
829.
678.
959.
179.04PK’-R-基团
10.78(-SH)
3.86β-COOH)
4.25γ-COOH
10.53ε-NH2)6咪唑基
12.48(胍基)等电点的计算步骤先将氨基酸/多肽可解离基团的pK值自小到大按顺序排列侧链不含离解基团的中性氨基酸,其等电点是它的pK’1α-COOH和pK’2α–NH3+之和的一半pI=pK’1+pK’2/2同样,对于侧链含有可解离基团的氨基酸,其pI值也决定于两性离子两边的pK’值之和的一半酸性氨基酸pI=pK’(α-COOH)+pK’(R-COOH)/2碱性氨基酸pI=pK’(α–NH3+)+pK’(R-NH3+)/2PHPI溶液对PI而言偏碱带“-”向阳极移动PI与PH的关系PH=PI溶液对PI而言中性不带电,不发生向正极或负极移动PHPI溶液对PI而言偏酸带“+”向阴极移动3等电点的测定等电聚焦法这是一种特殊的电泳,其载体上铺有连续的PH梯度的缓冲液,然后将氨基酸点样,只要该处的PH与氨基酸的PI不同,则氨基酸就会带电,PH值PI时,aa带-电;PH值4氨基酸的重要化学反应反应基团试剂主要产物应用α-NH2茚http://www.sogou.com/sogoupediaquery=%DC%E1\t_blank三酮紫色、红色物对氨基酸显色α=NH2茚三酮黄色物Pro的鉴定α-NH2HNO2N2等游离aa定量,蛋白质水解程度α-NH2DNFB二硝基氟苯Sanger试剂DNP-aa二硝基苯黄色物蛋白质N端测定一级结构分析标准图谱α-NH2PITC苯异硫氰酸酯Edman试剂PTC-aa在无水的酸中环化成PTH-aa蛋白质N端测定一级结构分析aa顺序自动分析仪标准图谱α-NH2甲醛羟甲基-aa和二羟甲基-aa甲醛滴定aa含量(封闭氨基Arg的胍基α-萘酚次溴酸钠坂口试剂桃红色物鉴定ArgMet的-S-CH3H2O2过氧化物吸烟有害,烟中的过氧化物,弹性蛋白酶,抑制剂Met,肺气肿Cys的-SH碘代乙酸ICH2COOH过甲酸HCOOOH乙酸硫基HOOC-CH2-S-磺基HS3O-肽链拆分作用与CYSS上的二硫键His的咪唑基重氮苯磺酸Pauly试剂樱红色物(1His连2重)鉴定HisTyr的酚基重氮苯磺酸Pauly试剂桔黄色物鉴定TyrTyr的酚基磷钼酸、磷钨酸Folin试剂兰色物质定量测定蛋白质、TyrTrp的吲哚基对二甲基氨基苯甲醛兰色物质鉴定Trp例2根据蛋白质的有关知识回答下列问题
(1)氨基酸的极性由什么决定?组成蛋白质的20种氨基酸中具有极性的氨基酸有多少种?
(2)组成蛋白质的氨基酸中,哪一种不能参与形成真正的肽键?为什么
(3)什么是蛋白质的等电点(pI)?为什么说在等电点时蛋白质的溶解度最低?分析
(1)氨基酸的极性由其侧链基团(R)决定,组成蛋白质的20种氨基酸中具有极性的氨基酸有11种
(2)组成蛋白质的氨基酸中,脯氨酸(Pro)不能参与形成真正的肽镇,因为Pro是亚氨基酸,没有游离的氨基
(3)蛋白质分子所带净电荷为零时,溶液的pH值为该蛋白质的等电点处于等电点状态的蛋白质分子外层的净电荷被中和,分子之间相互聚集形成较大的颗粒而沉淀下来,故此时蛋白质的溶解度最低【参考答案】见分析过程例3
(1)下列氨基酸的混合物在pH
3.9时进行纸电泳,指出哪一些氨基酸朝正极移动,哪一些氨基酸如负极移动?氨基酸混合物的构成为丙氨酸(Ala)、丝氨酸(Ser)、苯丙氨酸(Phe)、亮氨酸(Leu)、精氨酸(Arg)、天门冬氨酸(Asp)和组氨酸(His)
(2)具有相同电荷的氨基酸,如Gly和Leu在纸电泳时总是稍稍分离,你能作出解释吗?
(3)一个含有Ala、Val、Glu、Lys和Thr的氨基酸混合物,在pH
6.0时进行纸电泳,然后用茚三酮显色请画出电泳后各氨基酸斑点的位置,并标明正极、负极、原点和不分开的氨基酸分析
(1)因为Ala、Ser、Phe和Leu的等电点在pH
6.0左右,将其放在pH
3.9条件下电泳时,Ala、Ser、Phe和Leu都带有电荷,因此它们均向负极移动由于His和Arg等电点分别
7.6和
10.8,在pH
3.9时虽都带正电荷,向负极移动,但因两者带正电荷数量不同,因此两者能分开Asp的等电点是
3.0,在pH
3.9条件下带负电荷,故向正极移动
(2)在电泳时,如果氨基酸带有相同的电荷,则分子量大的氨基酸比分子量小的氨基酸移动慢些,由于Leu的分子量比Gly大,所以Leu比Gly移动慢,因此能达到稍稍分离的目的
(3)在pH
6.0时,Glu带负电荷朝正极移动,Lys带正电荷负极移动Val、Ala、Thr的等电点在pH
6.0附近,移动距离很小,故不能完全分开电泳后谷氨基酸斑点的位置如下图所示【参考答案】见分析过程例4有一个蛋白质分子在pH7的水溶液中可以折叠成球状,通常是带极性侧链的氨基酸位于分子外部,带非极性侧链的氨基酸位于分子内部请回答
(1)在Val、Pro、Phe、Asp、Lys、Ile和His中,哪些位于分子内部,哪些位于分子外部?
(2)为什么在球蛋白内部和外部都能发现Gly和Ala?
(3)Ser、Thr、Asn和Gln都是极性氨基酸,为什么会在分子内部发现?
(4)在球蛋白的分子内部和外部都能找到Gys,为什么?分析
(1)Val、Pro、Phe、Ile是带有非极性测链的氨基酸,这些氨基酸残基位于分子内部;Asp、Lys、His是带有极性侧键的氨基酸,这些氨基酸残基位于分子的外部
(2)因为Ala和Gly两者的侧链都比较小,疏水性和极性都小;Gly只有一个H+与α–碳原子相连,Ala只有—CH3与α–碳原子相连,故它们既可以出现在分子内部,也可以出现在分子外部
(3)Ser、Thr、Asn、Gln在pH
7.0时含有不带电荷的极性侧链,参与分子内部的氢键形成,从而减少了它们的极性,故会在分子内部发现
(4)因为Cys属于不带电荷的极性氨基酸,可位于分子外部,但又由于Cys常常参与链内和链间的二硫键形成,使其极性减弱(少),放在球蛋白分子的内部也能找到Cys2.蛋白质的化学结构与空间结构蛋白质结构分
一、
二、
三、四级结构在蛋白质分子中,不同氨基酸以一定数目和排列顺序编合形成的多肽链是蛋白质的一级结构蛋白质分子的高级结构决定于它的一级结构,其天然构象(四级结构)是在一定条件下的热力学上最稳定的结构组成蛋白质的氨基酸,是借助肽键连接在一起的肽键是由一个氨基酸分子中的α氨基与相邻的另一个氨基酸分子中α–羧基,通过失水缩合而成,这样连起来的氨基酸聚合物叫做肽肽链上的各个氨基酸,由于在相互连接的过程中丢失了α–氨上的H和α–羧基上的OH,被称之为氨基酸残基在多肽链一端氨基酸含有一个尚未反应的游离氨基(一NH2),称为肽链的氨末端氨基酸或N末端氨基酸;另一端的氨基酸含有一个尚未反应的游离羧基(—COOH),称为肽链的羧基末端氨基酸或C末端氨基酸一般表示多肽链时,总是把N末端写在左边,C末端写右边合成肽链时,合成方向是从N末端开始,逐渐向C末延伸蛋白质的一级结构又称初级结构或化学结构,是指组成蛋质分子的多肽链中氨基酸的数目、种类和排列顺序,多肽链的数目,同时也包括链内或键间二硫键的数目和位置等蛋白质分子的一级结构是由共价键形成的,肽键和二硫键都属于共价键肽键是蛋白质分子中氨基酸连接的基本方式,形成共价主链二硫键(—S—S)是由两个半胱氨酸(残基)脱氢连接而成的,是连接肽链内或肽链间的主要化学键二硫键在蛋白质分子中起着稳定肽链空间结构的作用,往往与生物活力有关二硫键被破坏后,蛋白质或多肽的生物活力就会丧失蛋白质结构中,二硫键的数目多,蛋白质结构的稳定性就越强在生物体内起保护作用的皮、角、毛发的蛋白质中,二硫键最多蛋白质的二级结构是指多肽链本身折叠和盘绕方式,是指蛋白质分子中的肽链向单一方向卷曲而形成的有周期性重复的主体结构或构象这种周期性的结构是以肽链内或各肽链间的氢键来维持常见的二级结构有α–螺旋(螺旋的每圈有
3.6个氨基酸,螺旋间距离为
0.54nm,每个残基沿轴旋转100°)、β–折叠、β–转角等例如动物的各种纤维蛋白,它们的分子围绕一个纵轴缠绕成螺旋状,称为α–螺旋相邻的螺旋以氢键相连,以保持构象的稳定指甲、毛发以及有蹄类的蹄、角、羊毛等的成分都是呈α–螺旋的纤维蛋白,又称α–角蛋白β–折叠片是并列的比α–螺旋更为伸展的肽链,互相以氢铸连接起来而成为片层状,如蚕丝、蛛丝中的β–角蛋白结构域domain生物大分子中具有特异结构和独立功能的区域特别指蛋白质中这样的区域在球形蛋白中,结构域具有自己特定的四级结构其功能部依赖于蛋白质分子中的其余部分但是同一种蛋白质中不同结构域间常可通过不具二级结构的短序列连接起来蛋白质分子中不同的结构域常由基因的不同外显子所编码蛋白质的三级结构是指在二级结构的基础上,进一步卷曲折叠,构成一个很不规则的具有特定构象的蛋白质分子维持三级结构的作用力主要是一些所谓弱的相互作用,即次级键或称非共价键,包括氢键、盐键、疏水键和范德华力等盐键又称离子健,是蛋白质分子中正、负电荷的侧链基团互相接近,通过静电吸引而形成的,如羧基和氨基、胍基、咪唑基等基团之间的作用力疏水键是多肽链上的某些氨基酸的疏水基团或疏水侧链(非极性侧链)由于避开水而造成相互接近、粘附聚集在一起它在维持蛋白质三级结构方面占有突出地位范德华引力是分子之间的吸引力此外二硫键也对三级结构的构象起稳定作用具有三级结构的球蛋白是一类比纤维蛋白的构象更复杂的蛋白质肽链也有α–螺旋、β–折叠片等构象单元,这些构象单元之间由肽链中不规则卷曲的肽段相连接,使整个肽铸折叠成近乎球状的不规则形状酶、多种蛋白质激素、各种抗体以及细胞质和细胞膜中的蛋白质都是球蛋白和纤维蛋白不同,球蛋白的表面富有亲水基团,因此都能溶于水蛋白质的四级结构是由两条或两条以上的具有三级结构的多肽聚合而成特定构象的蛋白质分子构成功能单位的各条肽链,称为亚基,一般地说,亚基单独存在时没有生物活力,只有聚合成四级结构才具有完整的生物活性例如,磷酸化酶是由2个亚基构成的,谷氨酸脱氢酶是由6个相同的亚基构成的,血红蛋白是由4个不同的亚基(2个α肽链,2个β链)构成的,每个链都是一个具三级结构的球蛋白亚基聚合成四级结构,是通过分子表面的一些次级键,主要是盐键和氢键结合而联系在一起的有些蛋白质分子只有
一、
二、三级结构,并无四级结构,如肌红蛋白、细胞色素C、核糖核酸酶、溶菌酶等另一些蛋白质,则
一、
二、
三、四级结构同时存在,如血红蛋白、过氧化氢酶、谷氨酸脱氢酶等维系蛋白质分子的一级结构肽键;维系蛋白质分子的二级结构氢键;维系蛋白质分子的三级结构疏水键;维系蛋白质分子的四级结构范德华力、盐键、氢键、疏水键相互作用3.蛋白质的性质及生物学功能蛋白质是由许多氨基酸分子组成的,分子量很大所以它有的性质与氨基酸相同,有的性质又与氨基酸不同,如胶体性质、变构作用和变性作用等
(1)胶体性质蛋白质分子量很大,容易在水中形成胶体粒,具有胶体性质在水溶液中,蛋白质形成亲水胶体,就是在胶体颗粒之外包含有一层水膜水膜可以把各个颗粒相互隔开,所以颗粒不会凝聚成块而下沉
(2)变构作用含2个以上亚基的蛋白质分子,如果其中一个亚基与小分子物质结合,那就不但该亚基的空间结构要发生变化,其他亚基的构象也将发生变化,结果整个蛋白质分子的构象乃至活性均将发生变化,这一现象称为变构或别构作用例如,某些酶分子可以和它所催化的最终产物结合,引起变构效应,使酶的活力降低,从而起到反馈抑制的效果
(3)变性作用蛋白质在重金属盐(汞盐、银盐、铜盐等)、酸、碱、乙醛、尿素等的存在下,或是加热至70~100℃,或在X射线、紫外线的作用下,其空间结构发生改变和破坏,从而失去生物学活性,这种现象称为变性变性过程中不发生肽键断裂和二硫键的破坏,因而不发生一级结构的破坏,而主要发生氢键、疏水键的破坏,使肽链的有序的卷曲、折叠状态变为松散无序变性的实质是由于维持高级结构的次级键遭到破坏而造成的天然构象的解体,但未涉及共价键的破坏有些变性是可逆的(能复性),有些则不可逆种类繁多的蛋白质具有多种多样的生物学功能,归纳起来主要具有下列5个方面
(1)作为酶,蛋白质具有催化功能
(2)作为结构成分,它规定和维持细胞的构造
(3)作为代谢的调节者(激素或阻遏物),它能协调和指导细胞内的化学过程
(4)作为运输工具,它能在细胞内或者透过细胞膜传递小分子或离子
(5)作为抗体,它起着保护有机体,防御外物入侵的作用蛋白质是一切生命现象不可缺少的,即使像病毒、类病毒那样以核酸为主体的生物,也必须在它们寄生的活细胞的蛋白质的作用下,才能表现出生命现象补充
1.肌肉肌肉的伸张和收缩靠的是肌动蛋白和肌球蛋白互动的结果,体育生化
2.基因表达调节操纵子学说,阻遏蛋白
3.生长因子EGF(表皮生长因子),NGF(神经生长因子),促使细胞分裂
4.信息接收激素的受体,糖蛋白,G蛋白
5.结构成分胶原蛋白(肌腱、筋),角蛋白(头发、指甲),膜蛋白等生物体就是蛋白质堆积而成,人的长相也是由蛋白质决定的
6.精神、意识方面记忆、痛苦、感情靠的是蛋白质的构象变化,蛋白质的构象分类是目前热门课题
7.蛋白质是遗传物质?只有不确切的少量证据如库鲁病毒,怕蛋白酶而不怕核酸酶蛋白质有关专题计算见相关题型
(四)核酸1.生物学功能核酸是遗传信息的载体,存在于每一个细胞中核酸也是一切生物的遗传物质,对于生物体的遗传性、变异性和蛋白质的生物合成有极其重要的作用2.种类核酸分DNA和RNA两大类所有生物细胞都含有这两大类核酸(病毒只含有DNA或RNA)3.组成元素及基本组成单位核酸是由C、H、O、N、P等元素组成的高分子化合物其基本组成单位是核苷酸每个核酸分子是由几百个到几千个核苷酸互相连接而成的每个核苷酸含一分子碱基、一分子戊糖(核糖或脱氧核糖)及一分子的磷酸组成如图所示DNA的碱基有四种(A、T、G、C),RNA碱基也有四种(A、U、G、C)这五种碱基的结构式如下图所示DNA中碱基的百分含量一定是A=T、G=C,不同种生物的碱基含量不同RNA中A﹣U、G﹣C之间并没有等当量的关系2458含义在—CAT—和—GUC—的片断中有多少种核甘酸64.结构DNA一级结构中核苷酸之间唯一的连接方式是3’、5’﹣磷酸二酯键,如下图所示所以DNA的一级结构是直线形或环形的结构DNA的二级结构是由两条反向平行的多核音酸链绕同一中心轴构成双螺旋结构
(三)酶的特点及功能酶是由活细胞产生的、具有催化活性和高度专一性的特殊有机物,绝大多数是蛋白质少数是RNA酶被称为生物催化剂酶缺陷或酶活性被抑制都会引起疾病例如,人体缺乏酪氨酸酶会引起白化病许多中毒性疾病,如有机磷中毒、氰化物中毒、重金属的中毒等,都是由于某些酶的活性被抑制所引起的1.酶促反应的特点酶是生物催化剂,酶和一般催化剂的共同点是
①酶在催化反应加快进行时,在反应前后酶本身没有数量和性质上的改变,因而很少量的酶就可催化大量的物质发生反应
②酶只能催化热力学上允许进行的反应,而不能使本来不能进行的反应发生
③酶只能使反应加快达到平衡,而不能改变达到平衡时反应物和产物的浓度因此,酶既能加快正反应进行,也能加快逆反应进行酶促反应究竟朝哪个方向进行,取决于反应物和产物的浓度酶与一般的催化剂相比又有其特点,最突出的是它的高效性和专一性2.酶的化学本质通过对酶的性质、组成和结构等等方面的研究证实,酶是蛋白质(也有RNA)蛋白质分为简单蛋白质和结合蛋白质两大类酶按照化学组成也可分为单纯酶和结合酶两大类脲酶、胃蛋白酶和核糖核酸酶等一般水解酶都属于简单蛋白质,这些酶只由氨基酸组成,此外不含其他成分转氨酶、碳酸酐酶、乳酸脱氢酶及其他氧化还原酶等均属于结合蛋白质这些酶除了蛋白质组分外,还含有对热稳定的非蛋白的小分子物质,前者称酶蛋白,后者称辅因子酶蛋白与辅因子单独存在时,均无催化活力,只有二者结合成完整的分子时,才具有活力此完整的酶分子称为全酶(全酶=酶蛋白十辅因子)有的酶的辅因子是金属离子,有的是小分子有机化合物如维生素通常将这些小分子有机化合物称为辅酶或辅基辅酶或辅基并没有本质的差别,只不过是它们与蛋白质部分结合的牢固程度不同而已通常把与酶蛋白结合比较松的,用透析法可除去的小分子有机物称为辅酶;反之为辅基在酶的催化过程中,辅酶或辅基的作用是作为电子、原子或某些基团的载体参与反应并促进整个催化过程金属在酶分子中或作为酶活性部位的组成成分,或帮助形成酶活性所必需的构象一种辅酶常可与多种不同的酶蛋白结合而组成具有不同专一性的全酶可见决定酶催化专一性的是酶的蛋白质部分3.酶的活性中心和必需基团酶作为蛋白质,其分子比大多数底物要大得多,因此在反应过程中酶与底物的接触只限于酶分子的少数基团或较小的部位因分子中虽然有许多基团,但并不是所有的基团都与酶的活性有关,其中有些基团若经化学修饰(如氧化、还原、酰化、烷化等)使其改变,则酶的活性丧失,这些基团就称为必需基团常见的必需基团有Ser的羟基,His的咪唑基,Cys的巯基,Asp、Glu的侧链羧基等活性中心(或称活性部位)是指酶分子中直接和底物结合,并和酶催化作用直接有关的部位对于单纯酶来说,它是由一些氨基酸残基的侧链基团组成的对于结合酶来说,辅酶或辅基上的某一部分结构往往也是活性部位的组成部分酶的活性中心的必需基团可分为两种一种是与作用物结合的必需基团,称为结合基团,它决定酶的专一性;另一种是促进作用物发生化学变化的基团,称为催化基团,它决定酶的催化能力但也有些必需基团同时具有这两种作用另外还有些必需基团位于酶活性中心以外的部位,但仍是维持酶催化作用所必需的,这种称为酶活性中心以外的必需基团由此可见,酶除了活性中心以外,其他部分并不是可有可无的活性中心必需基团的作用,一方面使底物与酶依一定构型而结合成为复合物,这样有利于相互影响和作用;另一方面影响底物分子某些键的稳定性,键被打断或形成新的键,从而催化其转变某些酶,特别是一些与消化作用有关的酶,在最初合成和分泌时,没有催化活性,这种没有活性的酶的前体称为“酶原”酶原在一定条件下经适当的物质作用可转变为有活性的酶酶原转变成酶的过程称为酶原的激活这个过程实质上是酶活性部位形成或暴露的过程4,酶的催化机理一个反应体系中,任何反应物分子都有进行化学反应的可能,但并非全部反应物分子都进行反应因为在反应体系中各个反应物分子所含的能量高低不同,只有那些含能量达到或超过一定数值(此能量数值称为此反应的能阈)的分子,才能发生反应,这些分子称为活化分子,使一般分子变为活化分子所需的能量(即分子激活态与基态之间的能量差)称为活化能在一个反应体系中,活化分子越多,反应就越快,设法增加活化分子的数目就能加快反应的速度降低活化能,能使本来不够活化水平的分子也成为活化分子,从而增加了活化分子的数目活化能愈降低,则活化分子的数目就愈多酶的催化作用就是降低化学反应的活化能,如下图图所示由于在催化反应中只需较少的能量就可使反应物进入“激活态”,所以同非催化反应相比,活化分子的数量大大增加,从而加快了反应速度非催化过程与催化过程自由能的变化目前认为酶降低活化能的原因在于酶参与了反应,即它先与底物结合形成不稳定的中间产物,然后使中间产物再分解,释放出酶及生成反应产物此过程可用下式表示这样,把原来无酶参加的一步反应S===P(能阈较高),变成能阈较低的两步反应(S+E===ES和ES===E+P)反应的总结果是相同的,但由于反应的过程不同,活化能就大大降低了这就是目前所公认的中间产物学说关于酶与底物如何结合形成中间产物,又如何完成催化作用,目前有锁钥学说和诱导契合学说5.影响酶作用的因素影响酶促反应的因素有酶的浓度、底物浓度、pH值、温度、抑制剂和激活剂等酶促反应速度指的是反应初速度,此时反应速度与酶的浓度成正比关系,避免反应产物以及其他因素的影响研究某一因素对酶促反应速度的影响时,在保持其他因素不变的情况下,单独改变研究的因素
(1)酶的浓度;当底物浓度大大超过酶的浓度,酶的浓度与反应速度呈正比关系(见右图所示)
(2)底物浓度在酶浓度不变的情况下,底物浓度对反应速度影响的作图呈现矩形双曲线(见右图所示)当底物浓度很低时,反应速度随底物浓度的增加而急骤加快,两者呈正比关系随着底物浓度的升高,反应速度的增加幅度不断下降如果继续加大底物浓度,其反应速度不再增加,说明酶已被底物所饱和所有酶都有饱和现象,只是达到饱和时所需的底物浓度各不相同
(3)温度在一定的温度范围内一般化学反应速度均随温度升高而加快,酶促反应也服从这个规律酶是蛋白质,其本身因温度升高而达到一定高度时会变性,破坏其活性中心的结构,从而减低反应速度或完全失去其催化活性在某一温度时,酶促反应的速度最大,此时的温度称为酶作用的最适温度
(4)pH酶分子中含有许多极性基团,在不同的pH环境中,这些基团的解离状态不同,所带电荷的种类和数量也不尽相同,酶的活性中心往往只处于某一解离状态时最有利于同底物结合酶催化活性最大时的pH值称为酶作用的最适pH溶液的pH值高于或低于最适pH时都会使酶的活性降低,远离最适pH值时甚至导致酶的变性失活
(5)激活剂和抑制剂激活剂是指能增强酶活性的物质,如Cl-是唾液淀粉酶的激活剂与激活剂相反,凡能降低酶的活性,甚至使酶完全丧失活性的物质称为酶的抑制剂抑制剂对酶活性的抑制作用包括不可逆抑制和可逆抑制两类
①不可逆抑制作用,其抑制剂通常以共价键与酶活性中心上的必需基团相结合,使酶失活如有机磷化合物能与许多种酶活性中心丝氨酸残基上的羟基结合,使酶失活
②可逆的抑制作用包括竞争性抑制与非竞争性抑制两种在竞争性抑制中,抑制剂常与底物的结构相似,它与底物共同竞争酶的活性中心,从而阻碍底物与酶的结合,如丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制非竞争性抑制中的抑制剂可以与酶活性中心外的部位可逆结合,这种结合不影响酶对底物的结合底物与抑制剂之间无竞争关系,但酶一底物一抑制剂不能进一步释放出产物对酶促反应速度及其影响因素的研究具有重要的理论和实践意义
五、其他重要化合物【知识概要】
一、细胞内能合流通的物质——ATP1.ATP的结构ATP(三磷酸腺苷)是各种活细胞内普遍存在的一种高磷酸化合物(水解时释放的能量在20~92kJ/mol的磷酸化合物)ATP的分子简写成A-P~P~P,A代表由腺嘌呤和核糖组成的腺苷,P代表磷酸基团,~代表高能磷酸键ATP中大量化学能就贮存在高能磷酸键中ATP结构中的3个磷酸(Pi)可依次移去而生成二磷酸腺苷(ADP)和一磷酸腺苷(AMP),如上图2.ATP的作用ATP水解时释放出的能量,是生物体维持细胞分裂、根吸收矿质元素离子和肌肉收缩等生命活动所需能量的直接来源,是细胞内能量代谢的“流通货币”在动物肌肉或其他兴奋性组织中,还有一种高能磷酸化合物即磷酸肌酸,它也是高能磷酸基的贮存者,其中的能量要兑换成“流通货币”才能发挥作用如图右图所示磷酸肌酸与ATP关系磷酸肌酸、肌酸
二、NAD+和NADP+NAD+又叫辅酶Ⅰ,全称烟酰胺腺嘌呤二核苷酸;NADP+又叫辅酶Ⅱ,全称烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸它们都是递氢体,能从底物里取得电子和氢NAD+和NADP+都是以分子中的烟酰胺部分来接受电子的,所以烟酰胺是它们的作用中心接受电子的过程如下图所示这里虽然从底物脱下来的两个电子都被接受了,但脱下来的两个氢原子却只有一个被接受,剩下的一个质子H暂时被细胞的缓冲能力接纳下来,留待参与其他反应因此,NAD+和NADP+的还原形式被写作NADH和NADPH第二信使secondmessengers细胞表面受体接受细胞外信号后转换而来的细胞内信号称为第二信使而将细胞外的信号称为第一信使firstmessengers第二信使至少有两个基本特性:
①是第一信使同其膜受体结合后最早在细胞膜内侧或胞浆中出现、仅在细胞内部起作用的信号分子;
②能启动或调节细胞内稍晚出现的反应信号应答第二信使都是小的分子或离子细胞内有五种最重要的第二信使:cAMP、cGMP、12-二酰甘油diacylglycerolDAG、145-三磷酸肌醇inosositol145-trisphosphateIP
3、Ca2+等第二信使在细胞信号转导中起重要作用,它们能够激活级联系统中酶的活性以及非酶蛋白的活性第二信使在细胞内的浓度受第一信使的调节它可以瞬间升高、且能快速降低并由此调节细胞内代谢系统的酶活性控制细胞的生命活动包括:葡萄糖的摄取和利用、脂肪的储存和移动以及细胞产物的分泌第二信使也控制着细胞的增殖、分化和生存并参与基因转录的调节对环核苷酸的叙述哪一项是错误的A重要的环核苷酸有cAMP和cGMPBcAMP为第二信使CcAMP与cGMP的生物作用相反DcAMP分子内有环化的磷酸二酯键EcAMP是由AMP在腺苷酸环化酶的作用下生成的细胞生物学内容第二章细胞的结构和功能第一节细胞是生命活动的基本单位细胞的大小、形态
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)细胞内所含有的生活物质,真核细胞包括细胞质和细胞核、细胞膜原生质理论(protoplasmtheory)1861年由舒尔策MaxSchultze提出认为有机体的组织单位是一小团原生质这种物质在一般有机体中是相似的并把细胞明确地定义为:“细胞是具有细胞核和细胞膜的活物质”1880年Hanstain将细胞概念演变成由细胞膜包围着的原生质分化为细胞核和细胞质
3.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(cytoplasmicmiatrix)
(1)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
(2)细胞质基质(gytoplasmicmatrix)是细胞质的可溶相,是作为细胞器的环境而存在的
(3)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
4.原生质体potoplast脱去细胞壁的细胞叫原生质体是一生物工程学的概念如植物细胞和细菌或其它有细胞壁的细胞通过酶解使细胞壁溶解而得到的具有质膜的原生质球状体动物细胞就相当于原生质体4.细胞的发现1665年英国物理学家罗伯特·虎克用他自制的显微镜观察栓皮栎的软木切片时,把他看到的“小室”称为细胞——植物细胞死亡后留下来的细胞空腔,是一个死细胞2.细胞学说的建立自虎克发现细胞之后约170年,到1839年创立了细胞学说德国植物学家施莱登于1838年提出了细胞学说的主要论点,次年又经德国动物学家施旺加以充实,最终创立了细胞学说细胞学说的主要内容是细胞是动、植物有机体的基本结构单位,也是生命活动的基本单位这样,就论证了整个生物界在结构上的统一性,细胞把生物界的所有物种都联系起来了,生物彼此之间存在着亲缘关系
①细胞是有机体,一切动植物都是由单细胞发育而来,即生物是由细胞和细胞的产物所组成;
②所有细胞在结构和组成上基本相似;
③新细胞是由已存在的细胞分裂而来;
④生物的疾病是因为其细胞机能失常3.细胞学的发展进入本世纪以来,染色方法的改进,高速离心机的应用,特别是电镜的问世和放射性同位素的应用等,已使细胞生物学发展进入了较高的层次从1953年开始,逐渐兴起在分子水平上探讨生命奥秘的分子生物学分子生物学取得的卓越成就对细胞学的发展是一个巨大的推动细胞学逐渐发展成从显微水平、亚显微水平和分子水平三个层次上深入探讨细胞生命活动的学科
(二)细胞的形态与大小1.细胞的形状一个细胞与其他细胞分离而单独存在时,称游离细胞游离细胞常呈球形或近于球形但实际上由于细胞表面张力或原生质粘度的不均一性等原因,很多单独存在的游离细胞并不呈球状例如,动物的卵细胞、植物的花粉母细胞是球状或近于球状的细胞,人的红细胞呈扁圆状,某些细菌呈螺旋状,精子和许多原生动物具有鞭毛或纤毛,变形虫和白血球等为不定形细胞许多细胞构成组织,这样的细胞称组织细胞组织细胞的形状受相邻细胞的制约,并和细胞的生理功能有关例如肌肉细胞适于伸缩,神经细胞适于接受刺激、产生兴奋、传导兴奋2.细胞的大小细胞的体积很小,肉眼一般是看不见的,需要借助显微镜才能看到在显微技术和电镜技术中常用的单位有微米(μm或μ)、纳米(又叫毫微米nm)和埃三种1m=102cm=106μm=109Å细胞的直径多在10μm~100μm之间有的很小,如枝原体,其直径为
0.1μm~
0.2μm,是最小的细胞细菌的直径一般只有1μm~2μm有的细胞较大,如番茄、西瓜的果肉细胞直径可达1mm;棉花纤维细胞长约1cm~5cm;最大的细胞是鸟类的卵(鸟类的蛋只有其中的蛋黄才是它的细胞,卵白是供发育用的营养物质,不屑于细胞部分),如鸵鸟卵可达10cm,卵黄的直径可达5cm隆鸟卵直径可达20cm细胞的大小与生物体的大小没有相关性参天的大树与新生的小苗;大象与昆虫,它们的细胞大小相差无几鲸是最大的动物,但是它的细胞并不大,生物体积的加大,主要是细胞数目的增多造成的
3、细胞的大小及其分析影响细胞大小的因素
1.细胞的核质比与细胞大小有关,决定细胞上限;
2.细胞的相对表面积与细胞大小有关;
3.细胞内物质的交流与细胞大小有关
(三)原核细胞和真核细胞构成生物体的细胞可以分成两类原核细胞和真核细胞原核细胞代表原始形式的细胞,结构简单,只有一些低等的生物,如细菌、蓝藻、放线菌、枝原体等是由原核细胞构成的真核细胞结构复杂,大多数生物都是由真核细胞所构成1.原核细胞(Prokaryoticcell)原核细胞外部由质膜包围,质膜的结构与化学组成和其核细胞相似在质膜之外还有一层坚固的细胞壁保护原核细胞壁的化学组成与真核细胞不同,是由一种叫胞壁质的蛋白多糖所组成,少数原核细胞的壁还含有其他多糖和类脂,有的原核细胞壁外还有胶质层原核细胞内有一个含DNA的区域,称类核或拟核类核外面没有核膜,只由一条DNA构成这种DNA不与蛋白质结合形成核蛋白原核细胞中没有内质网、高尔基体、线粒体和质体等,但有核糖体和中间体核糖体分散在原生质中,是蛋白质合成的场所中间体是质膜内陷形成的复杂的褶叠构造,其中有小泡和细管样结构有些原核细胞含有类囊体等结构类囊体具有光合作用功能在原核细胞中还有糖原颗粒、脂肪滴和蛋白颗粒等内含物(见下图)蓝藻细胞模式图1.DNA2.核糖体3.细胞壁4.细胞膜原核生物的细胞具有两大特点
(1)遗传信息量少(仅有一个环状DNA);
(2)无膜围细胞器及核膜
1.最小、最简单的细胞——支原体(mycoplasma)又称霉形体,是最简单的原核细胞,支原体的大小介于细菌与病毒之间直径为
0.1~
0.3um约为细菌的十分之一能够通过滤菌器支原体形态多变有圆形、丝状或梨形,光镜下难以看清其结构支原体具有细胞膜,但没有细胞壁它有一环状双螺旋DNA,没有类似细菌的核区拟核能指导合成700多种蛋白质支原体细胞中惟一可见的细胞器是核糖体,每个细胞中约有800~1500个支原体可以在培养基上培养,也能在寄主细胞中繁殖支原体没有鞭毛无活动能力可以通过分裂法繁殖,也有进行出芽增殖的
2.原核细胞的两个代表——细菌和蓝藻细菌(bacteria)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蓝藻(blue-greenalgae)又称蓝绿藻或蓝细菌,是绿色植物中最原始的自养类型,含有蓝色素、红色素、黄色素、叶绿素等,故不一定都是蓝色颤藻、发菜、蓝球藻、念珠藻2.真核细胞真核细胞结构比原核细胞复杂,在同一个多细胞体内,功能不同的细胞,其形态结构也有不同在真核细胞中,动物细胞和植物细胞也有重要区别动物细胞质膜外无细胞壁,无明显的液泡此外,在细胞核的附近有中心粒,在细胞有丝分裂时,发出星状细丝,称为星体真核细胞的基本结构体系
1.生物膜系统以脂质及蛋白质成分为基础构建而成;
2.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;
3.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
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原核细胞和真核细胞的主要区别比较如下原核细胞与真核细胞结构的主要区别原核细胞真核细胞细胞大小很小(1~10微米)较大(10~100微米)细胞核无膜(称“类核”)有膜遗传系统DNA不与蛋白质结合一个细胞只有一条DNA核内的DNA与蛋白质结合,形成染色质(染色体)一个细胞有两条以上染色体细胞质无内质网无高尔基体无溶酶体无线粒体仅有功能上相近的中间体无叶绿体,但有的原核细胞有类囊体一般无微管、无微丝无中心粒有内质网有高尔基体有溶酸体有线粒体有叶绿体(植物细胞)有微管、微丝在中心粒(动物细胞)细胞壁主要由胞壁质组成主要由纤维素组成植物细胞和动物细胞的主要区别是植物细胞具有质体;其次,植物细胞的质膜外被细胞壁,相邻细胞间有一层胶状物粘合作用,称中层或胞间层在两个相邻细胞间的壁上,有原生质丝相连,称胞间连丝,使细胞间互相沟通最后在植物的分化细胞中往往有大液泡高等动物细胞“三无一有”第二节细胞膜细胞膜即细胞质膜,它不仅是细胞与外界环境的分界层,而重要的是它控制着细胞内外的物质交换此外,在真核细胞内还有丰富的膜系统它们组成具有各种特定功能的细胞器和亚显微结构例如,线粒体、叶绿体、高尔基体、溶酶体、细胞核、内质网等都是由膜围成的,有的并由膜构成内部的复杂结构细胞膜和内膜系统以及线粒体膜、叶绿体膜等统称为“生物膜”生物膜对细胞的一系列催化过程的有序反应和整个细胞的区域化提供了一个必需的结构基础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
(1)质膜的化学组成细胞膜主要由脂类和蛋白质组成,蛋白质约占膜干重的20%~70%,脂类约占30%~80%,此外还有少量的糖类不同细胞的细胞膜中各成分的含量出膜的功能而有所不同构成质膜的脂类中有磷脂、糖脂和类固醇等,其中以磷脂为主要组分磷脂主要由脂肪酸、磷酸和甘油组成(见下图)它是兼性分子,既有亲水的极性部分,又有流水的非极性部分,磷脂分子的构形是一个头部和两条尾巴这种一头亲水,一头疏水的分子称为兼性分子糖脂和胆固醇也都属于兼性分子一般地说,功能多而复杂的生物膜蛋白质比例大相反,膜功能越简单,所含蛋白质的种类越少例如,神经髓鞘主要起绝缘作用,蛋白质的只有三种,与类脂的重量比仅为
0.23线粒体内膜则功能复杂,因此含有蛋白质的种类约30种~40种,蛋白质与类脂的比值达
3.2之多构成质膜的蛋白质(包括酶)的种类很多,这和不同种类细胞的质膜功能有关,少者几种,多者可能有数十种由于分离提纯困难,迄今提纯的膜蛋白还为数不多从分布位置看,质膜的蛋白质可分为两大类一类只是与膜的内外表面相连,称为外在性蛋白或周缘蛋白另一类嵌入双脂质内部,有的甚至还穿透膜的内外表面,称为内在性蛋白分高外在性蛋白比较容易,但内在性不易分一般外在性蛋白占全部胰蛋白的比例较小,而内在性蛋白所占的比例较大质膜中的多糖主要以糖蛋白和糖脂的形式存在一般认为,多糖在接受外界刺激的信息方面有重要作用
(2)质膜的分子结构模型
1.双分子片层模型(bimolecularleafletmodel)这一模型是DanielliandDavson于1935年提出的,因此又称Daniellianddavson模型排为连续的两层
2.单位膜模型(Theunitmembranemodel)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三层模型
4.晶格镶嵌模型(蛋白液晶膜模型)
5.板块镶嵌模型
3.流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel)
(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
①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,如旋转、振荡、摆动、翻转,同时整个分子可作侧向扩散运动
②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关于质膜的分子结构,有许多不同的模型,其中受到广泛支持的是“流动镶嵌模型”其主要特点有两个一是强调了膜的流动性认为脂类的双分子层或者膜的蛋白质都是可以流动或运动的二是显示了膜脂和膜蛋白分布的不对称性如有的蛋白质分子镶在类脂双分子层表面,有的则部分或全部嵌入其内部,有的则横跨膜层在类脂层外面的蛋白质称为外在性蛋白,嵌入类脂层中的蛋白质和横跨类脂层的蛋白质称为内在性蛋白各种生物膜在功能上的差别可以用镶嵌在类脂层中的蛋白质的种类和数量的不同得到解释外在性蛋白主要处于水的介质中,而内在性蛋白只是部分暴露于水中,而主要处于油脂介质中,内在蛋白在这种双相环境中所以能保持稳定,是因为它也像磷脂分子那样具有亲水和疏水两个部分暴露在水介质中的部分由亲水性氨基酸组成,而嵌在脂质在的蛋白质部分主要是由疏水性氨基酸组成的现在已能分离出某些内在性蛋白,发现它们的疏水性氨基酸含量显著多于亲水性氨基酸,而外在性蛋白的这两类氨基酸的比例是大体相等的多糖只分布于膜和外侧,表现出不对称性脂质在膜中的分布也是不完全对称的,例如不饱和脂肪酸和固醇在膜的外侧较多流动镶嵌模型认为质膜的结构成分不是静止的,而是可以流动的许多试验证明,质膜中类眼分子的脂肪酸键部分在正常生理情况下处于流动状态一般认为膜脂所含脂肪酸的碳链愈长或不饱和度愈高,流动性愈大环境温度下降膜脂的流动性减弱,相反,在一定限度内温度升高则脂质的流动性增加质膜中的蛋白质也是能够运动的人们常提到的一个实验证据是1970年Frye.L.D和Eddidin.M的工作(见下图)他们用不同的荧光染料标记的抗体分别与小鼠细胞和人细胞的膜抗原相结合,它们能分别产生绿色和红色荧光当这两种细胞融合后形成一个杂交细胞时,开始一半呈绿色,一半呈红色,说明它们的抗原(蛋白质)是在融合细胞膜中互相分开存在的但在37℃下保温40分钟后,两种颜色的荧光点就呈均匀分布这说明抗原蛋白质可以在细胞膜中移动而重新分布这一过程基本上不需能量,因为它不因缺乏ATP而受抑制膜蛋白的运动受很多因素影响膜中蛋白质与脂类的相互作用、内在蛋白与外在蛋白相互作用、膜蛋白复合体的形成、膜蛋白与细胞骨架的作用等都影响和限制蛋白质的流动质膜中蛋白质的移动显然应和质膜的功能变化有关
(3)物质通过质膜进出细胞物质进出细胞必须通过质膜,质膜对物质的通透有高度选择性通透过程可分5种类型自由扩散、促进扩散、伴随运送、主动运输和内吞外排作用(见下图)通过细胞膜物质运输的五种形式
(1)简单扩散;
(2)促进扩散;
(3)伴随运送;
(4)主动运输;
(5)内吞外排作用自由扩散指物质顺浓度梯度直接穿过脂双层进行运输的方式既不需要细胞提供能量也不需要膜蛋白协助一般来说,影响物质进行自由扩散速度的因素主要是物质本身分子大小、物质极性大小、膜两侧物质的浓度差及环境温度等由于膜主要由类脂和蛋白质组成,双层类脂分子构成质膜的基本骨架,所以物质通过膜的扩散和它的脂溶性程度有直接关系大量实验证明,许多物质通过膜的扩散都和它们在脂肪中的溶解度成正比水几乎是不溶于脂的,但它经常能够迅速通过细胞膜有人推测膜上有许多小孔,膜蛋白的亲水基团嵌在小孔表面,因此水可通过质膜自由进出细胞促进扩散这也是一种顺浓度梯度的运动,但扩散是通过镶嵌在质膜上的蛋白质的协助来进行的有实验说明,K+不能通过磷脂双分子层的人工膜,但如在人工膜中加入少量缬氨霉素时,K+便可通过激氨霉素是一种多肽,是含有十二个氨基酸的脂溶性抗生素缬氨霉素和K+有特异的亲和力,在它的帮助下K+可以透过膜由高浓度处向低浓度处扩散缬氨霉素就相当于质膜中起载体作用的蛋白质葡萄糖过红细胞膜进入细胞的过程也是以这种促进扩散的方式进行的但葡萄糖通过膜进入细胞的过程,特别是在小肠上皮细胞,往往是以主动运输方式进行的主动运输物质由低浓度向高浓度(逆浓度梯度)进行的物质运输主动运输过程中,需要细胞提供能量一般动物细胞和植物细胞的细胞内K+的浓度远远超过细胞外的浓度,相反,Na+的含量一般远远低于周围环境为了细胞逆浓度梯度排出Na+,吸收K+的机制,发展了一种离子泵的概念,即靠这种泵的作用在排出Na+的同时抽进K+现在已经知道离子泵的能量来源是ATP凡是具有离子泵的组织细胞,其质膜中都有ATP酶系有实验证明,当注射ATP给枪乌贼(由于中了毒不能合成自己的ATP)巨大神经细胞时,细胞膜立即开始抽排钠和钾离子,并且一直继续到ATP全部用完为止关于泵的作用机制,有各种解释例如,一个存在于神经和肌肉细胞中的离子泵的模型,要求有一个蛋白质的载体,它横跨质膜,在质膜外侧一端和Na+结合,而在内侧一端和Na+结合在有ATP提供情况下,载体蛋白内外旋转,使K+转入内侧,而Na+转入外侧这样离子脱离载体蛋白后,K+即积累于细胞内,而Na+进入细胞外的环境中整个过程可以反复进行另外还有一种方式的物质运输,也是物质逆浓度梯度进入细胞的过程,叫伴随运输,又叫协同运输在此过程中物质运动并不直接需要ATP,而是借助其他物质的浓度梯度为动力进行的后一种物质是通过载体和前一种物质相伴随运动的比如动物细胞对氨基酸和葡萄糖的主动运输,就是伴随Na+的协同运输内吞作用和外排作用大分子物质要以形成小泡的方式才能进入细胞它们先与膜上某种蛋白质进行特异性结合,然后这部分质膜内陷形成小囊,将该物质包在里面随后从质膜上分离下来形成小泡,进入细胞内部这个过程称做内吞作用内吞的物质为固体者称为吞噬作用,若为液体则称为胞饮作用变形虫利用吞噬作用来获取食物吞噬后的小泡再与细胞质的溶酶体融合逐步将其吞进的物质分解哺乳动物的多形核白细胞和巨噬细胞利用吞噬作用来消灭侵入的病菌与内吞作用相反,有些物质通过形成小泡从细胞内部逐步移到细胞表面,与质膜融合而把物质向外排出这种运送方式称为外排作用分泌蛋白颗粒就是通过这种方式排出体外的内吞作用和外排作用与其他主动运输一样也需要能量供应如果氧化酸化作用被抑制,那么吞噬作用应就会被阻止;如果分泌细胞中的ATP合成受阻,则外排作用也不能继续进行
一、物质的跨膜运输
(一)被动运输(Passivetransport)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
1.简单扩散(simplediffusion)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(freediffusion)
2.协助扩散(facilitateddiffusion)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依赖物质浓度差,依赖于专一性的膜运输蛋白(转运膜蛋白)膜运输蛋白(memberantransportprotein)是镶嵌在质膜上的、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)通道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)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(activetransport)又称代谢关联运输(metabolicallylinkedtramsport),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
1.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Ca2+,叫钙泵(肌质网膜);运输H+,叫氢泵(细菌质膜)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Na+-K+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α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(α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
2.间接利用ATP的主动运输——伴随运输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
(五)胞吞与胞吐作用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,总称吞排作用这样的物质运输方式称膜泡运输,又称批量运输大分子物质及颗粒物质常以此方式进出细胞
1.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
(1)吞噬作用(phagocytosis)内吞较大固体物质,如颗粒白细胞、巨噬细胞
(2)胞饮作用(pinocytosis)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
2.胞吐作用(exocytosis)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
3.受体介导的胞吞作用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膜泡运输时由于质膜内陷或外凸也需消耗能量,可看作是一种主动运输方式
(4)细胞膜与细胞的识别——信息交流细胞识别是指生物细胞对同种和异种细胞的认识,对自己和异己物质的认识无论单细胞生物和高等动植物,许多重要的生命活动都和细胞的识别能力有关比如,草履虫有性生殖过程中的细胞接合,开花植物的雌蕊能否接受花粉进行受精,都要靠细胞识别的能力高等动物和人类的免疫功能更要依靠细胞的识别能力细胞识别的功能是和细胞膜分不开的因为细胞膜是细胞的外表面,自然对外界因素的识别过程发生在细胞膜如哺乳动物和人类的细胞识别当外来物质(例如大分子、细菌或病毒,在免疫学上称它们为抗原)进入动物和人体,免疫系统以两种方式发生反应,一是制造抗体,一是产生敏感细胞抗体和敏感细胞与抗原相结合,通过一系列反摧毁抗原,把抗原从体内消除掉抗原与抗体的识别,主要取决于细胞膜上表面的某些受体
(一)细胞通讯(cellmunication)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(cellrecognition)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(signalingpathway)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(signalmolecule)和被识别子(cognon)之称
(1)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
(2)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
(3)气体信号分子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
(1)第二信使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
(2)分子开关(molecularswitches)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
三、细胞内的信号传导
(一)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C末端区——结合激素;中部——结合DNA;N末端区——激活基因转录
(二)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
(1)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-cAMP10.对环核苷酸的叙述哪一项是错误的A重要的环核苷酸有cAMP和cGMPBcAMP为第二信使CcAMP与cGMP的生物作用相反DcAMP分子内有环化的磷酸二酯键EcAMP是由AMP在腺苷酸环化酶的作用下生成的
(2)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,激活磷酸二酯酶(PIC)催化使4,5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2,存在于真核细胞膜的成分)水解成1,4,5-三磷酸肌醇(IP3)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
(5)细胞膜与细胞连接在多细胞生物体内,细胞与细胞之间通过细胞膜相互联系,形成一个密切相关,彼此协调一致的统一体,称为细胞连接动物细胞间的连接方式有紧密连接、桥粒、粘合带以及间隙连接等(见下图)植物细胞间则通过胞间连丝连接紧密连接亦称结合小带,这是指两个相邻细胞的质股紧靠在一起,中间没有空隙,而且两个质膜的外侧电子密度高的部分互相融合,成一单层,这类连接多见于胃肠道上皮细胞之间的连接部位间隙连接是两个细胞的质膜之间有20Å~40Å的间隙的一种连接方式在间隙与两层质腹中含有许多颗粒这些颗粒的直径大约有80Å左右,它们互相以90Å的距离规则排列间隙连接的区域比连接大得多,以断面看长得多间隙连接为细胞间的物质交换化学信息的传递提供了直接通道间隙连接主要分布于上皮、平滑肌及心肌等组织细胞间粘合带是相邻细胞膜之间有较大间隙的一种连接方式,连接处相邻细胞膜间存在着15nm~20nm的间隙在这部分细胞膜下方的细胞质增浓,由肌动蛋白组成的环形微丝穿行其中粘合带一般位于紧密连接的下方,又称中间连接,具有机械支持作用见于上皮细胞间桥粒格相邻细胞间的纽扣样连接方式在桥位处两个细胞质腹之间隔有宽约250Å的间隙,其中有一层电子密度稍高的接触层,将间隙等分为二在桥粒处内侧的细胞质呈板样结构,汇集很多微丝这种结构和加强桥粒的坚韧性有关桥拉多见于上皮,尤以皮肤、口腔、食管、阴道等处的复层扁平上皮细胞间较多桥粒能被胰蛋白酶、胶原酶及透明质酸酶所破坏,故其化学成分中可能含有很多蛋白质胞间连丝植物细胞间特有的连接方式,在胞间连丝连接处的细胞壁不连续,相邻细胞的细胞膜形成直径约20nm~40nm的管状结构,使相邻细胞的细胞质互相连通胞间连丝是植物细胞物质与信息交流的通道,对于调节植物体的生长与发育具有重要作用总的来讲,细胞间连接的主要作用在于加强细胞间的机械连接此外对细胞间的物质交换起重要作用一般认为,间隙连接在细胞间物质交换中起明显的作用;中间连接部分也是相邻细胞间易于物质交流的场所;紧密连接是不易进行细胞间物质交换的部分;桥粒的作用看来也只是在于细胞间的粘着
(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,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(maculaeadherens)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(hemidesmosome)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
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)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(gapjunction)又有缝隙联结或接合斑、缝管连接或封闭筋膜之称,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.胞间连丝在植物细胞,两相邻细胞的壁之间靠一层称作胞间层的果胶类物质粘合在起,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,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
六、细胞外被(cellcoat)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
七、细胞外基质(extracellularmatrix)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)过滤作用细胞外物质主要包括胶原(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;氨基聚糖(GAC)、蛋白聚糖(PG)、粘多糖和粘蛋白;层粘连蛋白(LN)和纤粘连蛋白(FN)和弹性蛋白第三节细胞质真核细胞质膜以内核膜以外的结构称为细胞质细胞质主要包括细胞质基质和细胞器
(1)细胞质的基质细胞质基质亦称透明质,是细胞质中除去所有细胞器和各种颗粒以外的部分,呈均质半透明的胶体状物质其中包含了许多物质,如小分子的水、无机离子,中等分子的脂类、氨基酸、核苷酸,大分子的蛋白质、核酸、脂蛋白、多糖主要含有与中间代谢有关的数千种酶类故认为它呈复杂的胶体性质,可随环境条件的改变由溶胶变为凝胶状态或者相反,这成为某些细胞运动方式的动力细胞质的基质主要有两个方面的功能一是含有大量的酶,生物代谢的中间代谢过程大多是在细胞质基质中完成,如糖酵解途径、磷酸戊糖途径、脂肪酸合成、蛋白质合成、核苷酸代谢等;二是细胞质基质作为细胞器的微环境,为维护细胞器正常结构和生理活动提供所需的环境,也为细胞器的功能活动提供底物
3.提供物质运输的通路细胞与环境、细胞质与细胞核、细胞器之间的物质运输、能量交换、信息传递等都需通过细胞质基质来完成
4.影响细胞分化如卵子细胞质对于分化起重要作用在细胞质中存有形形色色的细胞器,其中有一些膜围细胞器,它们在结构及功能上彼此相关,甚至连通,共同组成一个庞大而精密复杂的系统——内膜系统
(2)细胞器
①线粒体线粒体是一种普遍存在于真核细胞中的细胞器,各种生命活动所需的能量大部分都是靠线粒体中合成的ATP提供的,因此有细胞的“动力工厂”之称线粒体主要由蛋白质和脂类组成,其中蛋白质占线粒体干重的一半以上此外还有少量的DNA、RNA、辅酶等线粒体含有许多种酶类,其中有的酶是线粒体某一结构特有的(标记酶),比如线粒体外膜的标记酶为单胺氧化酶,内膜为细胞色素氧化酶,膜间隙为腺苷酸激酶,线粒体基质的为苹果酸脱氢酶在大多数情况下,线粒体呈圆形、近似圆形、棒状或线状在电子显微镜下,线粒体为内外两层单位膜构成的封闭的囊状结构可分为以下四个部分外膜为一个单位膜,膜中蛋白质与脂类含量几乎均等物质通透性较高内膜也是一个单位膜,膜蛋白质含量高,占整个膜的80%左右内膜对物质有高度地选择通透性部分内膜向线粒体腔内突出形成嵴同时内膜内表面排列着一些颗粒状的结构,称为基粒基粒包括三个部分头部(F1因子,为水溶性蛋白质,具有ATP酶活性)、腹部(F0因子,由疏水性蛋白质组成)、柄部(位于F1与F0之间)膜间隙为内外膜之间围成的胜除其内充满无定形物,主要是可溶性酶、反应底物以及辅助因子等基质由内膜封闭形成的空间,其中含有脂类、蛋白质、核糖体、RNA及DNA研究表明,内外膜的通透性差别很大外膜容许电解物质、水、蔗糖和大至10000道尔顿的分子自由透入外膜上可能有20Å~30Å的小孔,便于小分子的通过内膜与外膜相反,离子各分子的通过要有特殊的载体帮助才能实现在线粒体内膜上存在的电子传递键,能将代谢脱下的电子最终传给氧并生成水,同时释放能量,这种电子传送链又称呼吸键它的各组分多以分子复合物形式存在于线粒体内膜中在线粒体内膜中,各组分按严格的排列顺序和方向(氧还电位由低到高),参与电子传递糖、脂肪、氨基酸的中间代谢产物在线粒体基质中经三羧酸循环进行最终氧化分解在氧化分解过程中,产生NADH和FADH2两种高还原性的电子载体在有氧条件下,经线粒体内膜上呼吸键的电子传递作用,将O2还原为H2O;同时利用电子传递过程中释放的能量将ADP合成ATP关于ATP形成,即氧化磷酸化作用的机制,目前,最为公认的是化学渗透假说它认为,电子在线粒体内膜上传递过程中,释放的能量将质子从线粒体基质转移至膜间隙,在内膜两侧形成质子梯度利用这一质子梯度,在ATP酶复合体参与下,驱动ADP磷酸化,合成ATP催化NADH氧化的呼吸链中,每传递两个电子,可产生3个ATP分子;而催化琥珀酸氧化的呼吸链中,每传送两个电子,只产生两个ATP分子线粒体中的DNA分子通常与线粒体内膜结合存在,呈环状,和细菌DNA相似已经证明,在线粒体中有DNA聚合酶,并且离体的线粒体在一定条件下有合成新DNA的能力线粒体DNA也是按半保留方式进行复制的,其复制时间与核DNA不同,而与线粒体的分裂增殖有关一般是在核DNA进行复制后,在核分裂前(G2)期,线粒体DNA进行复制,随后线粒体分裂在细胞进化过程中,最早的线粒体是如何形成的?这就是线粒体的起源问题目前,有两种不同的假说,即内共生假说和分化假说内共生假说认为线粒体是来源于细菌,是被原始的前真核生物吞噬的细菌这种细菌与前真核生物共生,在长期的共生过程中通过演化变成了线粒体另一种假说,即分化假说则认为线粒体在进化过程中的发生是由于质膜的内陷,再经过分化后形成的
一、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线粒体是由双层单位膜套叠成的所谓“囊中之囊”,在空间结构上人为划分为四大部分,即外膜、内膜、外室、内室
1.外膜(outermembrane)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10KD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)
2.内膜(innermembrane)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”,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
3.外室(outerspace)指内、外膜之间的窄小空隙,宽约6-8nm,又称膜间隙(intermembranespace)
4.内室(mnerspace)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(mitochondriamatrix)
二、线粒体的化学组成及定位
(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)
1.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;
2.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;
3.外室腺苷酸激酶(标记酶)、核苷二磷酸激酶;
4.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
二、线粒体和叶绿体是半自主性细胞器
(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无论是线粒体还是叶绿体,它们的自主性是有限的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-polymerase、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
三、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,在叶绿体特称为“转运肽”)共同组成导肽含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;
3.N-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
②叶绿体叶绿体是质体的一种,是绿色植物进行光合作用的场所质体是植物细胞所特有的它可分为具色素的叶绿体、有色体和不具色素的白色体叶绿体主要由脂类和蛋白质分子组成,此外在叶绿体基质中还有少量DNA和RNA电镜观察,叶绿体由双层单位膜构成(见下图)叶绿体结构示意图外被由两层单位膜构成,外膜通透性大,内膜物质有较强选择通透性内外膜间围有膜间隙基质叶绿体内充满流动状态的基质,基质中有许多片层结构每片层是由周围闭合的两层膜组成,呈扁囊状,称为类囊体类囊体内也是水溶液小类囊体互相堆叠在一起形成基粒,这样的类囊体称为基粒类囊体组成基粒的片层称为基粒片层大的类囊体横贯在基质中,连接于两个或两个以上的基粒之间这样的片层称为基质片层,这样的类囊体称基质类囊体光合作用过程中光能向化学能的转化是在类囊体膜上进行的,因此类囊体膜亦称光合膜在叶绿体的基质中有颗粒较大的油滴和颗粒较小的核糖体基质中存在DNA纤维,各种可溶性蛋白(酶),以及其他代谢有关的物质兰藻和光合细菌等原核生物没有叶绿体兰藻的类囊体是分布在细胞内,特别是分散在细胞的周边部位光合细菌的光合作用是在含有光合色素的细胞内膜进行的这种内膜呈小泡状或扁囊状,分布于细胞周围,称为载色体叶绿体中的DNA含量比线粒体显著多其DNA也是呈双链环状,不与组蛋白结合,能以半保留方式进行复制同时还有自己完整的蛋白质合成系统当然,叶绿体同线粒体一样,其生长与增殖受核基因及其自身基因两套遗传系统控制,称为半自主性细胞器关于叶绿体的起源和线粒体一样也有两种互相对立的假说,即内共生说和分化说按内共生假说,叶绿体的祖先是兰藻或光合细菌细胞的内膜系统(内质网、高尔基体、溶酶体、液泡的结构与功能)细胞质中由膜围成的、在结构、功能,乃至发生上有密切关系的小管、小泡和扁囊共同组成的膜系统主要包括核膜、内质网、高尔基体三大结构以及它们的产物——各种小泡和液泡内膜系统的出现是真核细胞区别于原核细胞的显著特点之一,其意义在于大大增加了细胞内膜的表面积,为多种酶特别是多酶体系提供了大面积的结合部位
(1)酶系统的隔离与连接;
(2)蛋白质、糖、脂肪的合成;
(3)加工包装运输分泌物;
(4)扩散屏障及膜电位建立;
(5)离子梯度的维持等
③内质网(endoplasmicreticulum,ER)1945年,著名超微结构学家K.B.Porter,在电镜下观察组织培养的鸡胚成纤维细胞时,发现有各种大小的管道相连成网状,并多处在细胞质的内质部位,故定名为内质网虽然以后发现这种细胞器不尽在内质部位,但仍延用至今这种结构与细胞内物质合成有关,故有细胞的生物合成“工厂”之称内质网是细胞质中由膜围成的管状或扁乎囊状的结构,互相连通成网,构成细胞质中的扁平囊状系统交织分布在细胞质中的由膜围成的扁囊或小管状管道系统内质网膜结构与质膜相同,但比质膜薄(5-6nm),有些部位可与核膜和某些细胞器膜相连,少数能与质膜相连
2.类型及分布特点内质网根据不同的形态结构,可分为两种类型一种是粗面内质网,其结构特点是由扁平囊状结构组成,膜的外侧有核糖体附着现在有大量实验证明,各种分泌蛋白质(如血浆蛋白、血浆清蛋白、免疫球蛋白、胰岛素等)都主要是在粗面内质网的结合核糖体上合成的还有种内质网是滑面内质网,多由小管与小囊构成不规则的网状结构,膜表面光滑,无核糖体颗粒附着主要存在于类固醇合成旺盛的细胞中根据内质网的细胞质面是否附有核糖体将ER分为二类即
(1)粗面内质网(roughendoplasmicreticulum,RER)由于它似与细胞核一样能为碱性染料染色,在历史上曾有过所谓核外染色质的叫法意指内质网膜及附在其上的核糖体
(2)光(滑)面内质网(smoothendoplasmicreticulum,SER)表面光滑,无核糖体附着,嗜酸性,在形态上常呈分枝状,小管或小泡的网状结构,很少象RER那样扩大成池,其膜也不如RER膜厚另外,SER的一端常与RER相连,有时还和高尔基复合体或核膜相连
3.内质网的化学组成蛋白质约占2/3(比质膜多)主要是酶类,其中CytP-450是内质网的标记酶脂类1/3(比质膜少)在滑面内质网高于粗面内质网,主要为磷脂和胆固醇
4.内质网的功能包括以下几点ER是细胞内生物合成的“工厂”,执行一系列的功能,有些功能是由RER或SER单独行使的,有些则是它们共同行使的*蛋白质的合成与转运(粗面内质网);*蛋白质的加工(如糖基化);*脂类代谢与糖类代谢(滑面内质网);*解毒作用(滑面内质网上有分解毒物的酶)
(1)粗面内质网的功能蛋白质合成;蛋白质改造及运输糖蛋白的合成过程在细胞中形成的一些分泌颗粒(酶原颗粒),它们的成分多为糖蛋白,蛋白质部分如上所述是在RER膜上的核糖体上合成的在ER腔面,首先在ER膜的多萜醇磷酸上添加形成(N-乙酰葡糖胺)2-(甘露糖)9-(葡萄糖)3,然后在糖基转移酶作用下将其寡糖芯整批移交给合成中的多肽链天冬酰胺的N原子上(N-连接)在ER和高尔基池的转运过程中以上寡糖芯被切除只剩下最近端的两个N-乙酰葡糖胺和3个甘露糖在Golgibody上,修剪后依次添加上岩藻糖、半乳糖、N-乙酰葡糖胺、唾液酸,多是加在肽链的丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸侧链的OH基上(O-连接)通过放射性同位素示踪证明,这些物质必须经过内质网向外运输,从这方面看,RER是物质运输的通道
①分泌蛋白的运输关于分泌蛋白的运输,Palade做了系统的研究,并提出了一般的运输模型——PalademodelPalade采用了3H-亮氨酸做脉冲标记追踪实验,表明在RER上合成的分泌蛋白,是经由内质网池进入高尔基复合体池,再包装成分泌颗粒排往胞外
②少量可溶性蛋白的运输这种蛋白质在RER上合成后便转入细胞质基质中
③膜蛋白这种蛋白质在RER上合成后,有两条可能途径,一是先进入ER腔中,再靠一定机制入膜,二是不经ER腔而直接入膜,这两种可能都在探讨中
(2)滑面内质网的功能解毒作用;脂类合成;糖代谢;作为分泌蛋白运输的通路
5.内质网的发生内质网是一种非常容易解体,也容易重新形成关于它的发生目前来说还是个悬而未决的问题,有种种猜测或设想例如,有人主张ER膜来自核膜,也有人意见相反肌质网是存在于高度特化的细胞——肌纤维中的特化滑面内质网(含有几个细胞核,是一个大的合胞体),是分布于肌原纤维之间的纵行小管状结构,功能是贮积钙离子,在肌肉收缩中起一定作用当受到冲动刺激时,可向肌浆中释放钙离子,达到一定浓度,引起肌肉收缩
⑨液泡与液泡系在植物细胞中有大小不同的液泡成熟的植物细胞有一个很大的中央液泡,可能占细胞体积的90%,它是由许多小液泡合并成的动物细胞中的液泡较小,差别也不显著液泡由一层单位膜围成其中主要成分是水不同种类细胞的液泡中含有不同的物质,如无机盐、糖类、脂类、蛋白质、酶、树胶、丹宁、生物碱等液泡的功能是多方面的,强维持细胞的紧张度是它所起的明显作用其次是贮藏各种物质,例如甜菜中的蔗糖就是贮藏在液泡中,而许多种花的颜色就是由于色素在花瓣细胞的液泡中浓缩的结果第三,液泡中含有水解酶,它可以吞噬消化细胞内破坏的成分最后,液泡在植物细胞的自溶中也起一定的作用植物有些衰老退化的细胞通过自溶被消化掉这时液泡破坏,其中的水解酶被释放出来,导致细胞成分的分解和细胞的死亡例如蚕豆子叶中约80%的RNA是在种子萌发的最初30天内逐渐被分解的但如果把液泡破坏,其中的核糖核酸酶释放出来的话,可在几小时内使核糖体RNA分解完这说明一旦液泡破坏,水解酶释放出来,可以很快使细胞自溶
⑤高尔基复合体(Golgiplex)1898年最初在神经细胞发现这种细胞器,以发明者的名字命名,称高尔基体形中高尔基器其主要成分是脂类、蛋白质及多糖物质组成其标志酶为糖基转移酶在电镜下可见高尔基体是由滑面膜围成的扁囊状和泡状结构组成的膜上无核糖体,因此它不能合成蛋白质典型的高尔基体表现一定的极性它的形状犹如一个圆盘,盘底向着核膜或内质网一侧凸出,而凹面向着质膜一侧凸面称形成面,凹面称成熟面形成面的膜较薄,与内质网膜相似,成熟面的膜较厚,与质膜相似高尔基器的第一个主要功能是为细胞提供一个内部的运输系统,它把由内质网合成并转运来的分泌蛋白质加工浓缩,通过高尔基小泡运出细胞,这与动物分泌物形成有关高尔基体对脂质的运输也起一定的作用高尔基体的第二个重要功能是能合成和运输多糖,这可能与植物细胞壁的形成有关第三个方面就是糖基化作用,即高尔基体中含有多种精基转移酶,能进一步加工、修饰蛋白质和脂类物质关于高尔基体的发生,倾向于认为它是由内质网转变来的
1.形态结构一个典型的高尔基复合体是由扁平囊泡、小泡和大泡组成的
(1)扁平囊泡扁囊的凸面靠近核侧,称形成面或未成熟面,又称顺面(cis);扁囊的凹面远离核侧,称分泌面或成熟面,又称反面(trans)
(2)高尔基小泡又称微泡或过度小泡位于主体结构的形成面周围直径在30-80nm左右,膜厚6nm,有两种类型,一种表面光滑,较多;另一种小泡膜表面有绒毛样层,特称衣被小泡数量较少
(3)高尔基液泡又称浓缩泡或大泡、分泌泡、分泌颗粒位于主体结构的分泌面周围,直径约在100-500nm一般认为它们是由扁平泡宽大的末端或成熟面局部膨大而形成,是高尔基复合体加工、包装的分泌产物,由于这些产物的成熟程度不同,造成不同的大泡其内物质的电子密度不同
2.化学组成蛋白质约占60%,多为酶类例如,硫氨素焦磷酸酶(TPP酶)、糖基转移酶(glycosyltransferase)、酸性磷酸酶及其他溶酶体酶,其中糖基转移酶是高尔基复合体的特征酶,它可以将低聚糖转移到蛋白质上形成糖蛋白脂类约占40%,主要为胆固醇,甘油三酯
3.高尔基复合体的功能
(1)作为细胞内的加工运输系统,形成分泌物实验表明,高尔基复合体类似一个加工厂,对来自内质网的蛋白质、脂类加工改造,然后装配起来,运出细胞这一运输途径是目前为多数人接受的,称为膜流动理论酶原颗粒在细胞表面将内容物排出后,其膜泡可返回高尔基体这种内膜系统在细胞内移动运转的现象称为膜流
(2)合成糖蛋白和糖鞘脂,对糖蛋白寡糖链进行修饰两类糖基化修饰糖一般结合在多肽链的4种αα残基上,N-连接连在天冬酰胺的氮原子上O-连接连在丝、苏、羟脯、羟赖氨酸的羟基上
(3)蛋白质的加工改造有些蛋白质(酶)合成是先形成无生物活性的前体物,再经过加工改造才具备活性,高尔基复合体具备这方面的功能
(4)膜的转变功能
(5)参与植物细胞壁的形成
(6)参与溶酶体的形成
4.高尔基复合体的发生高尔基体是一种易变结构,随时可解体和产生关于它的发生有不同的说法,倾向性看法(普遍认为)它是由内质网或核膜转变而来的,即RER失去核糖体,分离成光面膜小泡,由此合并成高尔基池;或者由SER分离出小泡,合并成高尔基池
(三)
⑥溶酶体(lysosome)溶酶体几乎存在于所有的动物细胞,植物细胞内的溶酶体,目前意见不一,有人认为植物细胞内有类似溶酶体的结构,而单独称为植物溶酶体,如圆球体、糊粉粒和蛋白质体液泡也具此功能溶酶体在各种细胞内的数量与形态差异很大,这是由于各溶酶体分别处于其生理功能的不同发展阶段的缘故
1.结构及化学组成电镜下观察,溶酶体是外包一层单位膜的圆泡状结构,平均大小约在
0.25-
0.8μm(
0.2-
0.5μm)之间,介于线粒体和微体之间溶酶体膜是一典型的单位膜,其化学成分主要是脂蛋白,磷脂含量也较多这层膜对溶酶体本身所含酶具有抗性,膜一旦破裂,则消化细胞,危及组织,故溶酶体有“自杀袋”之称
2.溶酶体的类型
(1)初级溶酶体(primarylysosome)是指刚从高尔基的边缘膨大分离出来,还未同消化物融合的潜伏状态的溶酶体(不含作用底物)内容物为均一的酶液,无活性
(2)次级溶酶体(Secondarylysosome)指初级溶酶体同消化物融合后,正在进行消化或已经消化后的泡状结构,又称消化泡(digestivevacuole)次级溶酶体又因所消化物质的来源和消化程度不同,分为
①异体吞噬泡(heterophagicvacuole)是初级溶酶体与吞噬小体融合后形成的泡状结构吞噬小体(phagosome)是细胞内吞异物后形成的泡状结构,又称初级内吞小泡
②自体吞噬泡(autophagicvacuole)是初级溶酶体含有细胞自身的部分物质,细胞器进行消化的泡状结构这部分细胞器可能是衰老的或多余的,这是一种自我保护作用
③残余小体(residualbody)次级溶酶体中的物质被消化完毕后,其残渣存在的泡状结构这时已失去酶活性或酶活性极弱异噬小体和自噬小体是正行使消化功能的次级溶酶体,而后溶酶体则是已经行使完消化功能的结构
3.溶酶体功能正常消化和防御作用;自体吞噬作用——暂渡“危机”;细胞的自溶作用——保证发育;溶酶体与细胞病理(实属溶酶体功能异常)
4.溶酶体的发生多数学者认为,溶酶体和其它分泌颗粒一样,其内含物是在RER上合成,输入到Golgi区,包上膜游离下来便成为溶酶体溶酶体是由一个单位膜围成的球状体主要化学成分为脂类和蛋白质溶酶体内富含水解酶,由于这些酶的最适pH值为酸性,因而称为酸性水解酶其中酸性磷酸酶为溶酶体的标志酶由于溶酶体外面有膜包着,使其中的消化酶被封闭起来,不致损害细胞的其他部分否则膜一旦破裂,将导致细胞自溶而死亡溶酶体可分成两种类型一是初级溶酶体,它是由高尔基囊的边缘膨大而出来的泡状结构,因此它本质上是分泌泡的一种,其中含有种种水解酶这些酶是在租面内质网的核糖体上合成并转运到高尔基囊的初级溶酶体的各种酶还没有开始消化作用,处于潜伏状态二是次级溶酶体,它是吞噬泡和初级溶酶体融合的产物,是正在进行或已经进行消化作用的液泡有时亦称消化泡在次级溶酶体中把吞噬泡中的物质消化后剩余物质排出细胞外吞噬泡有两种,异体吞噬泡和自体吞噬泡,前者吞噬的是外源物质,后者吞噬的是细胞本身的成分溶酶体第一方面的功能是参与细胞内的正常消化作用大分子物质经内吞作用进入细胞后,通过溶酶体消化,分解为小分子物质扩散到细胞质中,对细胞起营养作用第二个方面的作用是自体吞噬作用溶酶体可以消化细胞内衰老的细胞器,其降解的产物重新被细胞利用第三个作用是自溶作用在一定条件下,溶酶体膜破裂,其内的水解酶释放到细胞质中,从而使整个细胞被酶水解、消化,甚至死亡,发生细胞自溶细胞自溶在个体正常发生过程中有重要作用如无尾两栖类尾巴的消失等
④核糖体核糖体是在各类细胞中普遍存在的颗粒状结构,是一种非常重要的细胞器核糖体是无膜的细胞器,主要成分是蛋白质与RNA核糖体的RNA称为rRNA,约占60%,蛋白质约占40%,蛋白质分子主要分布在核糖体的表面,而rRNA则位于内部,二者靠非共价键结合在一起在真核细胞中很多核糖体附着在内质网的膜,称为附着核糖体,它与内质同形成复合细胞器,即粗面内质网在原核细胞质膜内侧也常有核糖体着附还有一些核糖体不附着在跟上,呈游离状态,分布在细胞质基质内,称游离核糖体附着在内质网膜上的核糖体与游离核糖体所合成的蛋白质种类不同,但核糖体的结构与化学组成是完全相同的核糖体由大、小两个亚单位组成由于沉降系数不同,核糖体又分为70S型和80S型70S型核糖体主要存在于原核细胞及叶绿体、线粒体基质中,其小亚单位为30S,大亚单位为50S;80S型核糖体主要存在于真核细胞质中,其小亚单位为40S,大亚单位60S核糖体是蛋白质合成的场所因此核糖体是细胞不可缺少的基本结构,存在于所有细胞中核糖体往往并不是单个独立地执行功能,而是由多个核糖体串连在一条mRNA分子上高效地进行肽键的合成这种具有特殊功能与形态的核糖体与mRNA的聚合体称为多聚核糖体
一、核糖体的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、小两个亚单位构成原核细胞、叶绿体、线粒体有70S、50S和30S;哺乳类线粒体有55S、35S和25S;真核细胞80S、60S和40S
二、核糖体的结构及装配
1.结构目前对细菌的核糖体了解较深,故以70S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
2.装配核糖体大小亚基与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亚单位的蛋白专同16SrRNA结合,50S亚单位的蛋白专同23SrRNA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16SrRNA,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
2.A位点(Asite,acceptorsite,aminoacylsite)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”)
3.P位点(Psite,peptidylsite)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.E位点(exitsite)肽酰转移后与即将释放的tRNA结合的位点,偏于小亚单位
5.G因子与肽酰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,位于大亚基(“靠背上”)
6.T因子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”)
四、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
⑦圆球体和糊粉粒植物细胞有具水解酶活性的结构,如圆球体它们都是由一个单位膜围成的球状体圆球体具有消化作用及贮存脂肪功能;糊粉粒也具消化作用,并且为蛋白质的贮存场所
⑧微体(microbody)过氧化氢体和过氧化物酶体微体也是一种由单位膜围成的细胞器,在大小上很难与溶酶体相区别,只是所含酶类不同微体是一类含有氧化酶、过氧化物酶或过氧化氢酶的细胞器,在形态上有卵圆形、哑铃形、圆球形在动、植物细胞中,普遍存在两种微体,即过氧化物酶和乙醛酸循环体微体也是一种由单位膜围成的细胞器它呈圆球状、椭圆形、卵圆形或哑铃形根据酶活性的差别可分为两种类型过氧物体和乙醛酸循环体过氧化物酶体是具有过氧化氢酶活性的小体,内含许多氧化酶、过氧化氢酶,能将对细胞有害的的H2O2转化为H2O和O2在植物叶肉细胞中,过氧化物酶体执行光呼吸的功能
1.过氧化物酶体(peroxisome)存在于动物细胞和高等植物的叶肉细胞中,含较多氧化酶其主要功能表现在
(1)解毒作用主要体现在动物细胞,这种微体含有与生成H2O2有关的酶,也含有分解H2O2的过氧化氢酶,将代谢过程中产生的对细胞有毒害的H2O2分解;
(2)分解脂肪酸等高能分子,向细胞直接提供热能;
(3)与胆固醇代谢有关;
(4)执行光呼吸(乙醇酸代谢)这一功能体现在植物细胞过氧化物酶体是乙醇酸氧化的场所,氧化的结果是摄取氧,释放CO2,这一过程只能在光照下,与叶绿体、线粒体联合进行,称为光呼吸(photorespiration)
2.乙酰酸循环体(glyoxysome)除含过氧化物酶体有关的酶系外,还含有乙醛酸循环有关的酶系,如异柠檬酸裂合酶、苹果酸合成酶等乙醛酸循环体除了具有分解过氧化物的作用,还参与糖异生作用等过程仅存在于高等植物细胞中,参与脂类代谢过程,含有同乙酰酸循环有关的酶,也含有过氧化物酶中的酶种子萌发时,乙酰酸循环体降解→脂肪→糖这一微体的主要功能是蔗糖异生作用,整个过程涉及三个细胞器、两个主要过程
三、蛋白质分选的基本途径与类型(核编码蛋白质如何进入线粒体、叶绿体)
1.在细胞质基质中合成多肽前体物;
2.前体物同细胞器表面受体结合;
3.穿膜进入细胞器内;
4.前体物被加工成成熟多肽前体物的穿膜活动也符合信号假说原理,即这些前体物具有氨基端顺序或肽链内部顺序——信号肽,特称导肽,高度疏水性靠此与细胞器膜上的信号肽顺序受体结合,穿膜进入细胞器,被信号肽酶切除信号肽,参与细胞器建成或功能活动
四、膜泡运输
1.网格蛋白有被小泡负责蛋白质从高尔基体的TGN向质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输另外,受体介导的内吞负责将胞外物质运往胞内等
2.COPII有被小泡负责从ER到高尔基体的物质运输
3.COPI有被小泡负责回收转运内质网逃逸蛋白返回内质网(“开放的监狱”)第8节.细胞核真核细胞具有细胞核除了哺乳动物成熟红细胞及高等植物的筛管细胞等少数几种细胞能在无核状态下进行生命活动外,多数真核细胞都具有细胞核细胞核是遗传信息的贮存场所,对于细胞结构及生命活动具有重要的调控作用
(1)核膜在电镜下真核细胞的核主要包括核膜、染色质、核仁和核基质四部分真核细胞具有核膜,核膜亦称核被膜,使遗传物质DNA与细胞质分开原核生物,如细菌、兰藻等不具核膜,即DNA和细胞质之间没有膜隔开核膜由内外两层膜组成内膜平滑,外膜靠细胞质的一侧有时附着有核糖体,并且常可看到外膜与粗面内质网是连续的,所以内外膜之间的核周腔经过内质网似乎可能和细胞处相通内外两膜在很多地方愈合形成小孔,称为核膜孔离子、比较小的分子可以通透核膜但像球蛋白、清蛋白等高分子则不能原样通过核膜高分子的进出核要由核膜孔通过
(2)染色质染色质是间期细胞核中易被碱性染料染色的物质,由DNA与蛋白质为主组成的复合结构,是遗传物质的存在形式在分裂期,细长的染色质高度凝集并螺旋化,缩短变粗,形成染色体染色体与染色质是化学组成一致、而在细胞周期的不同时期出现的两种不同构型结构在真核细胞中,核小体是构成染色质的基本单位,核小体是DNA与组蛋白结合形成的另外,染色质的成分还包括少量的RNA和非组蛋白在间期核中,染色质的形态不均匀根据其形态及染色特点可分为常染色质和异染色质两种类型常染色质折叠疏松、凝缩程度低,处于伸展状态,碱性染料染色时着色浅具有转录活性的染色质一般为常染色质异染色质折叠压缩程度高,处于凝集状态,经碱性染料染色着色深其DNA中重复序列多,复制较常染色质晚其中部分异染色质是由原来的常染色质凝集而来,还有一些异染色质除复制期外,在整个细胞周期中均处于集缩状态
(3)核仁光学显微镜下观察,真核细胞的间期核中可见到1个或多个球状小体称为核仁经研究发现,核仁结构主要是四种第一种结构是直径为150Å~200Å的颗粒成分第二结构是直径为20Å~30Å的纤维成分第三种结构是伸入到核仁中的染色质,它的电子密度比较低第四种结构部分是基质,即上述三种结构以外的部分核仁是核糖体RNA(tRNA)合成及核糖体亚单位前体组装的场所,与核糖体的生物发生密切相关核糖体RNA是在核仁合成的如组成80S型核糖体的rRNA共有四种5S、
5.8S、18S、28S,其中后三种是在核仁中合成的
(4)核基质间期核内非染色或染色很淡的基质称核内基质染色质和核仁悬浮于其中,它含有蛋白质、RNA、酶等核内基质亦称核液第八节细胞核与染色体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
一、核被膜(nuclearenvelope)亦称核膜(nuclearmembrane),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.内层核被膜膜厚度基本同外层核被膜,膜上无核糖体附着,显得比外层核被膜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(fibrousLamina)或核纤层(nuclearlamina),又有内致密层之称其厚度约在10-20nm,是位于细胞内核膜下的纤维蛋白或纤维蛋白网络
3.核周隙又有核围腔或核围池之称指两膜之间的空隙,宽约20-40nm,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
二、核孔(nuclearpore)现多称核孔复合体(nuclearporeplex)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,使细胞功能区域化部分离子、水分子、100D以下的小分子(单糖、双糖、aa、核酸、组蛋白、RNA聚合酶、DNA聚合酶等)可以自由通过核膜;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
三、染色质
(一)染色质和染色体的概念染色质这个概念最初是在1879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)高度重复的DNA(highlyrepetitiveDNA)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(middlerepetitiveDNA)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
(3)单一DNA(uniqueDNA)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
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,如精氨酸、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)从染色质到染色体
1.染色质的基本结构单位——核小体
(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、H
3、H4]2组成球形组蛋白的八聚体;
(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左右DNA连接两核心结构——连接区DNA(LinkerDNA)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
2.染色体包装的结构模型
(1)多级螺旋模型
①螺线管(粗纤维);
②超螺线管(超粗纤维);
③染色单体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
(2)染色体骨架一放射环模型主要解释30nm的螺线管如何进一步包装成染色体的由Leammli等报道,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
(四)常染色质和异染色质
1.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
2.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
四、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
3.着丝点(动粒)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,多为盘状依着丝粒在染色体上的位置,可将染色体划分为四类中间着丝粒染色体(M);亚中间着丝粒染色体(SM);近端着丝粒染色体(ST);端着丝粒染色体
4.染色体臂由着丝粒将染色体分为两臂,短臂P和长臂q
5.次缢痕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,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
1.ARS自主复制DNA序列,DNA复制起点,保证自我复制;
2.CEN着丝粒DNA序列,使两组子染色体平均分配到子细胞中去;
3.TEL端粒DNA序列,保证染色体的独立性和稳定性
(三)两种巨大染色体(giantchromorome)
1.灯刷染色体(lampbrushchromosome)
2.多线腺染色体(polyrenechromosome)
五、核仁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通常认为FC是染色体NORS的间期核副本
2.致密纤维成分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
(1)核仁周染色质包绕在上述三种结构外围;
(2)核仁内染色质深入到核仁内部
5.核仁基质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38SrRNA、酵母为37SrRNA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(guideRNA)参与加工编辑过程
3.核糖体亚单位的装配约30min成熟的小亚单位开始出现在细胞质,而大亚单位则在1min后才装配完毕第10节.细胞骨架细胞骨架普遍存在于真核细胞中,蛋白质纤维构成的网架体系主要包括细胞膜骨架、细胞质骨架和细胞核骨架三部分细胞骨架对于细胞形态的维持、细胞运动、物质运输、细胞增殖及分化等具有重要作用
(1)细胞膜骨架指细胞膜下由蛋白质纤维组成的网架结构,称为细胞膜骨架膜骨架一方面直接与膜蛋白结合,另一方面又能与细胞质骨架相连,主要参与维持细胞质膜的形态,并协助细胞膜完成某些生理功能
(2)细胞质骨架要指存在于细胞质中的三类成分微管、微丝和中间纤维它们都是与细胞运动有关的结构微管它是中空的圆筒状结构,直径为18nm~25nm,长度变化很大,可达数微米以上构成微管的主要成分是微管蛋白这种蛋白既具有运动功能又具有ATP酶的作用,使ATP水解,获得运动所需的能量除了独立存在于细胞质中的微管外,纤毛、鞭毛、中心粒等基本上也是由许多微管聚集而成,细胞分裂时出现的纺锤丝也是由微管组成此外,微管常常分布在细胞的外线,起细胞骨架的作用微管和功能在不同类型的细胞内并不完全相同,组成纤毛、鞭毛的微管主要与运动有关,而神经细胞中的微管可能与支持和神经递质的运输有关微丝微丝是原生质中一种细小的纤丝,直径约为50Å~60Å,常呈网状排列在细胞膜之下,在光镜下看不见,但如果微丝集合成束,则可在光镜下看到微丝的成分是肌动蛋白和肌球蛋白,这是肌纤维的运动蛋白由此可知,它有运动功能,细胞质的流动、变形运动等都和微丝的活动有关动物细胞在进行分裂时,细胞中央发生横缢,将细胞分成两个,也必须由微丝收缩而产生有的微丝主要起支架作用,与维持细胞的形状有关中间纤维其粗细介于微管和微丝之间,也是由蛋白质组成不同组织中,中间纤维的蛋白质成分有明显的差异中间纤维与微管、微丝一起形成一个完整的骨架体系,细胞起支撑作用同时参与桥粒的形成它外连细胞膜,内与核内的核纤层相通,它在细胞内信息传递过程中可能起重要作用
(3)细胞核骨架真核细胞核中也存在着一个以蛋白质为主要结构成分的网架体系,称为核骨架狭义地讲,核骨架就是指核基质,广义地讲,核骨架则包括了核基质、核纤层和核孔复合体等核基质为DNA复制提供空间支架,对DNA超螺旋化的稳定起重要作用核纤层为核被膜及染色质提供结构支架
(5)鞭毛和纤毛鞭毛和纤毛是动物细胞及某些低等植物细胞表面的特化结构,具有运动功能纤毛与鞭毛结构基本相同,包括两部分鞭杆、基体鞭杆轴心是由“9+2”排列的一束微管构成(包括一对平行单管微管的组成的中央微管及围绕中央微管外周的9个二联体微管)基体则无中央微管,外周由9个三联体微管组成,呈“9+0”结构这与中心粒的相同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细胞骨架是真核细胞中的蛋白纤维网架体系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;
(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
一、微丝(microfilament,MF)微丝即肌动蛋白纤维(actinmicrofilament),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
(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,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(cytochalasinB),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
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(cytoplasmicstreaming)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)
(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,即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
(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)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)可促进微管装配,增加其稳定性
(四)微管的功能
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)第三章细胞增殖及其调控
(五)细胞增殖中学教材中我们学过细胞周期的概念,即进行连续分裂的细胞从上一次分裂结束到下一次分裂完成所经历的过程细胞周期分为分裂间期和分裂期1.有丝分裂
(1)分裂间期分裂间期是细胞生长期,为分裂期作物质准备,包括G
1、S、G2三个时期G1期细胞结束上一次有丝分裂后进入G1期它是一个生长期在这个时期内细胞进行着一些物质的合成,并且为下阶段S期的DNA合成作准备,特别是合成DNA的前身物质、DNA聚合酶和合成DNA所必不可少的其他酶系,以及储备能量S期从G1期进入S期是细胞增殖的关键时刻S期最主要的特征是DNA的合成DNA分子的复制就是在这个时期进行的通常只要DNA的合成一开始,细胞增殖活动就会进行下去,直到分成两个子细胞G2期这个时期又叫做“有丝分裂准备期”,因为它主要为后面的分裂期作准备在G2期中,DNA的合成终止,但是还有RNA和蛋白质的合成,为分裂期纺锤体微管的组装提供原料
(2)分裂期(M期)细胞一旦完成了细胞分裂的准备,就进入有丝分裂期细胞分裂期是一个连续的过程,为了研究的方便,可以人为地将它分成前、中、后、末四个时期M期的细胞有极明显的形态变化间期中的染色质在M期浓缩成染色体形态染色体的形成、复制和移动等活动,保证了将S期复制的两套DNA分子平均地分到两个子细胞中去2.减数分裂减数分裂是一种特殊的有丝分裂,细胞连续分裂两次,而染色体只复制一次,形成的四个子细胞中的染色体数目比母细胞减少一半在进行减数分裂形成生殖细胞前要经过一个较长的生长期,称为减数分裂前间期,也包括G
1、S、G2三个时期但S期较长
(1)第一次分裂减数分裂的一些重要过程主要发生在第一次分裂中,特别是前期Ⅰ
①前期Ⅰ时间较长,又分为五个时期细线期是减数分裂过程的开始时期染色体已经进行了复制,一条染色体应由两条染色单体组成但一般看不出两条染色单体偶线期是同源染色体配对的时期粗线期染色体明显缩短变粗联会的同源染色体紧密结合,同源染色体的非姊妹染色单体间发生局部交换双线期联会的两条同源染色体开始分离,但在交叉点上它们还保持连在一起,所以两条染色体并不完全分开终变期一般核仁开始消失、核膜开始解体
②中期Ⅰ配对的同源染色体(二价体)排列于赤道面中,形成赤道板这时二价体因长短的不同和交叉数目的多少和有无而呈不同形态,比如环状、棒状、C字型、十字型等
③后期Ⅰ二价体中两条同源染色体分开,分别向两极移动但这时的每条染色体是由两条染色单体组成的应当强调的是,二价体由哪条染色体移向哪一极完全是随机的
④末期Ⅰ染色体到达两极后开始末期过程部分细胞进入末期后染色体解螺旋,核膜、核仁重现,通过胞质分裂形成两个子细胞但也有的细胞只形成两个子核,不进行胞质分裂减数分裂间期在减数分裂Ⅰ和减数分裂Ⅱ之间的间期很短,且并不进行DNA合成因而也不进行染色体的复制在有些生物甚至没有这个间期,而由末期Ⅰ直接转为前期Ⅱ
(2)第二次分裂第二次减数分裂基本上与普通有丝分裂相同前期Ⅱ时间较短中期Ⅱ染色体排列于赤道面,两条染色单体的着丝点分别向着两极,形成赤道板后期Ⅱ时两条染色单体分开,移向两极末期Ⅱ时染色体解螺旋化形成核膜,出现核仁经过胞质分裂,完成减数分裂过程3.无丝分裂无丝分裂是最早发现的一种细胞分裂方式,早在1841年就在鸡胚的血细胞中看到了因为分裂时没有纺锤丝出现,所以叫做无丝分裂又因为这种分裂方式是细胞核和细胞质的直接分裂,所以又叫做直接分裂关于无丝分裂,有不同的看法有人认为无丝分裂不是正常细胞的增殖方式,而是一种异常分裂现象;另一些人则主张无丝分裂是正常细胞的增殖方式之一,主要见于高度分化的细胞,如肝细胞、肾小管上皮细胞、肾上腺皮质细胞等无丝分裂的早期,球形的细胞核和核仁都伸长然后细胞核进一步伸长呈哑铃形,中央部分狭细最后细胞核分裂,这时细胞质也随着分裂,并且在滑面型内质网的参与下形成细胞膜在无丝分裂中,核膜和核仁都不消失,没有染色体的出现,当然也就看不到染色体的规律性变化但是,这并不说明染色质没有变化,实际上染色质也要进行复制,并且细胞要增大当细胞核体积增大一倍时,细胞核就发生分裂,核中的遗传物质就分配到子细胞中去至于核中的遗传物质DNA是如何分配的,还待进一步研究
一、细胞周期(cellcycle)细胞周期亦称有丝分裂周期(mitosiscycle),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(generationtime)
2.细胞周期的划分最早划分细胞周期的是HowardandPelc(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(mitosisphase或divisionphase),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(mitoticindex)
(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G0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(G0期)经PHA刺激→淋巴母细胞→进入分裂周期
(3)丢失细胞(losscell)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、衰老至死亡例如,角质细胞、神经细胞、肌细胞和红血细胞等
3.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G0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
二、细胞分裂(celldivision)
(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20min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(indirectdivision)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(cellplate)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)减数分裂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,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减数第一次分裂或减数分裂I(firstmeioticdivision,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减数第二次分裂或减数分裂II(secondmeioticdivision,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
(三)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细胞大小、抑素、cAMP、激素和接触抑制都能够影响细胞的分化有丝分裂与减数的比较一数数目是奇数还是偶数、二辨态是否有同源染色体、三看行为是否有联会四分体第十二节细胞分化与基因表达调控——细胞衰老、凋亡、癌变
(六)细胞分化细胞分化,简单说是在个体发育过程中细胞之间产生稳定差异的过程任何个体都是由许多在形态和功能上不同的细胞组成的,它们分别构成组织、器官、系统这些具有不同形态和功能的细胞是通过分化过程形成的细胞分化是现代生物学的基本问题之一1.细胞分化的原理
(1)细胞核的全能性在动物个体发育过程中,受精卵具有分化出各种组织和细胞,并建立一个完整个体的潜在能力,这种细胞称为全能细胞在胚胎发育的囊胚细胞和原肠胚细胞,虽然具有分化出多种组织的可能,但却不能发育成完整的个体,这部分细胞叫做多能细胞在动物长成后,成体中储存着保持增殖能力的细胞,它们产生的细胞后代有的可能分化为多种组织,有的可能只分化出一种细胞只能分化出一种细胞的类型叫做单能细胞看来,随着动物细胞分化程度提高,细胞分化潜能越来越窄,尽管如此,但它们的细胞核仍保持着原有的全部遗传物质,具有全能性高度分化的植物组织具有发育成完整植物的潜能,保持着发育的全能性
(2)基因的选择表达细胞分化并非由于某些遗传物质丢失造成的,而是与基因选择表达有关细胞的编码基因分为两类管家基因和奢侈基因管家基因是维持细胞生存必需的一类基因,在各类细胞中都处于活动状态奢侈基因是在不同组织细胞中选择表达的基因,与分化细胞的特殊性状直接相关,这类基因的丧失对细胞生存没有直接影响目前一般认为,细胞分化主要是奢侈基因中某些特定基因有选择地表达的结果2.细胞质、细胞核及外界环境对细胞分化的影响
(1)细胞质在细胞分化中的决定作用受精卵的分裂称卵裂卵裂过程的每次分裂,从核物质的角度看都是均匀分配到子细胞中,但是细胞质中物质的分布是不均匀的也许正是因为胞质分裂时的不均等分配,在一定程度上决定了细胞的早期分化
(2)细胞核在细胞分化中的作用细胞核是真核细胞遗传信息的贮存场所因此,在细胞分化过程中,细胞核对于细胞分化也肯定有重要的影响,它可能通过控制细胞质的生理代谢活动从而控制分化
(3)外界环境对细胞分化的影响细胞对邻近细胞的形态发生会产生影响,并决定其分化方向另外,在多细胞生物幼体发育过程中,环境中的激素作用能引发和促进细胞分化3.癌细胞在个体正常发育过程中,细胞有控制地通过有丝分裂增殖,有秩序地发生分化,执行特定的功能可是,有时部分细胞由于受到某种因素的作用则发生转化,不再进行终未分化,而变成了不受调节的恶性增殖细胞,这种细胞即称为癌细胞
(1)癌细胞的主要特征癌细胞的主要特征表现在无限增殖;接触抑制现象丧失;细胞间的粘着性降低,易分散和转移;易于被凝集素凝集;粘壁性下降;细胞骨架结构紊乱;产生新的膜抗原;对生长因子需要量降低等方面
(2)致癌因子及癌基因学说凡能引起细胞发生癌变的因子称为致因子主要包括三类化学致癌因子,物理致癌因子,病毒致癌因子一些学者对细胞癌变的机理提出了“癌基因学说”认为病毒对细胞的致癌作用是由于病毒基因组中的癌基因引起,而正常细胞中存在的癌基因是在早期进化过程中通过病毒感染而从病毒基因组中获得如果细胞癌基因受阻,则细胞能正常发育;在各种致癌因子作用下,细胞癌基因被活化而使细胞发生癌变
一、细胞分化(celldifferentiation)
(一)细胞分化的概念及特点简单说细胞分化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(differentialexpression)或顺序表达(Sequentialexpression)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-keepinggene”,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“Luxurygene”,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
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;
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
二、癌细胞(cancercell)癌细胞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60年代末发现癌基因的存在1908年,科学家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(Oncogenicvirus),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)细胞癌基因(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第十三节细胞的衰老与凋亡
一、细胞衰老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(biologyofsenescence)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
1.细胞核的变化核膜内折,染色质固缩,核仁不规
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
1.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
2.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
3.rDNA与衰老酵母染色体外rDNA环(ERC)的积累,导致细胞衰老
4.沉默信息调节蛋白复合物与衰老Sirplex存在于异染色质区,其作用在于阻断所在位点DNA转录
5.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
6.发育程序与衰老
7.线粒体DNA与衰老mtDNA突变积累与细胞衰老有关
8.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
9.基因调节衰老细胞+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)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Hela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
二、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
三、细胞凋亡(Apoptosis)
(一)细胞凋亡的概念及其生物学意义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(programmedcelldeath,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细胞凋亡的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
1.细胞凋亡与坏死细胞凋亡过程中,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(apoptoticbodies),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
2.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细胞发生凋亡或坏死,其细胞DNA均发生断裂,细胞内小分子量DNA片断增加,高分子DNA减少,胞质内出现DNA片断但凋亡细胞DNA断裂点均有规律的发生在核小体之间,出现180-200bpDNA片断,而坏死细胞的DNA断裂点为无特征的杂乱片断,利用此特征可以确定群体细胞的死亡,并可与坏死细胞区别
2、微生物的营养类型营养类型能源氢供体基本碳源实例光能无机营养型(光能自养型)光无机物CO2蓝细菌、紫硫细菌、绿硫细菌、藻类光能有机营养型(光能异养型)光有机物CO2及简单有机物红螺菌化能无机营养型(化能自养型)无机物无机物CO2硝化细菌、硫化细菌、铁细菌、氢细菌、硫黄细菌化能有机营养型(化能异养型)有机物有机物有机物绝大多数细菌和全部真核微生物专性好氧菌必须在较高浓度分子氧的条件下才能生长,它们有完整的呼吸链,以分子氧作为最终氢受体,具有SOD和过氧化氢酶兼性厌氧菌以在有氧条件下的生长为主也可兼在厌氧条件下生长的微生物微好氧菌只能在较低的氧分压下才能正常生长的微生物也是通过呼吸链并以氧为最终氢受体而产能耐氧菌可在分子氧存在下进行发酵性厌氧生活的厌氧菌它们的生长不需要任何氧,但分子氧对它们也无害厌氧菌一类严格的在无氧环境下生存的细菌,分子氧对它们有毒,即使短期接触也会抑制甚至致死,它们的细胞内缺乏SOD和细胞色素氧化酶,大多数还缺乏过氧化氢酶细胞的全能性1902年,德国植物学家哈伯兰特预言植物体的任何一个细胞,都有长成完整个体的潜在能力,这种潜在能力就叫植物细胞的“全能性”为了证实这个预言,他用高等植物的叶肉细胞、髓细胞、腺毛、雄蕊毛、气孔保卫细胞、表皮细胞等多种细胞放置在他自己配制的营养物质中(人工配制的营养物),称为培养基,这些细胞在培养基上可生存相当长一段时间,但他只发现有些细胞增大,却始终没有看到细胞分裂和增殖1934年,美国的怀特用无机盐、糖类和酵母提取物配制成怀特培养基,培养番茄根尖切段,400多天后,在切口处长出了一团愈合伤口的新细胞,这团细胞被称为愈伤组织法国的高斯雷特制成了一种固体培养基,使山毛柳、黑杨形成层组织增殖,最后形成了类似藻类的突起物1946年,中国学者罗士韦培养菟丝子的茎尖,在试管中形成了花 直到1958年,美国的斯蒂伍特在培养野生胡萝卜的根细胞时,终于得到了来自单个细胞的完整植株从此,哈伯兰特的预言,经过科学家们50余年的不断试验,终于得到证实体细胞克隆羊的诞生在全世界掀起了动物克隆热,它表明了动物体细胞的细胞核具有发育全能性;干细胞研究的突破使人们对细胞的发育全能性有了一个崭新的认识,即成熟组织中也存在具有全能性的干细胞,那么细胞全能性和细胞核全能性是否具有相同的含义呢?
一、细胞全能性和细胞核全能性是两个不同的概念 全能性最早用于动物胚胎学,是指分裂球发育成为完整胚的能力现在所谓的全能性问题指与合子具有相同遗传内容的体细胞、胚胎细胞或它们的细胞核是否也同合子一样具有相同的发育潜能,即细胞发育全能性和细胞核发育全能性问题所谓细胞全能性,是指细胞如受精卵一样,具有经过分裂、分化形成各种组织和细胞,最终发育成一个完整的个体的能力;细胞核全能性则指细胞虽不具备发育成一个完整个体的能力,但是当将其细胞核通过核移植等方法导入去核的卵细胞或受精卵,经过受体卵细胞质的诱导去分化、体细胞核和受体卵细胞质共同作用,依然可能发育成一个完整的个体因此,细胞全能性和细胞核全能性是两个完全不同的概念,不能混为一谈细胞核的全能性并不代表细胞具有全能性
二、植物体细胞具有全能性 无性繁殖技术,即利用营养器官进行植物栽培,在生产实践中已经有上千年的历史例如,用马铃薯的块根和番薯的块茎进行栽培可以得到完整植株,还有我们常说的“无心插柳柳成荫”也都是无性繁殖的真实写照虽然科学家隐隐约约认识到植物体细胞具有全能性,但是由于实验技术的限制,真正用科学的试验方法证明植物的组织和体细胞具有全能性,则是20世纪50年代的事 1902年,德国植物学家HabeaHandt就指出,植物的体细胞含有母细胞的全部遗传信息,具有发育成完整植株个体的潜能因而每个植物细胞都像胚胎一样,经离体培养能再生出完整植株以后许多科学家为证实这一论断做了不懈的努力1958年,Steward等将高度分化的胡萝卜根的韧皮部组织细胞放在合适的培养基上培养,发现根细胞会失去分化细胞的结构特征,发生反复分裂,最终分化成具有根、茎、叶的完整的植株;1964年,Cuba和Mabesbwari利用毛叶曼陀罗的花药培育出单倍体植株;1969年Nitch将烟草的单个单倍体孢子培养成了完整的单倍体植株;1970年Steward用悬浮培养的胡萝卜单个细胞培养成了可育的植株至此,植物分化细胞的全能性得到了充分论证,建立在此基础上的组织培养技术也得到了迅速发展
三、低等动物的细胞和高等动物早期胚胎细胞具有发育全能性 低等的动物细胞也具有发育成完整个体的全能性如高再生能力的典范——海鞘,它的一个血细胞就可产生一个完整的个体后生动物中还有几类动物拥有强大的再生能力,如海绵、腔肠动物及大多数涡虫纲动物,具有“冰生”能力的水螅身体的一部分就能重新生成一个完整的新个性虽然它们的再生各有特点,但是与组成身体的分化细胞高可塑性是分不开的 为证明高等动物的早期胚胎细胞同样具有发育全能性,RouxW
(1888)作了开创性的工作他用一根烧烫的针破坏蛙2-细胞胚胎中的其中一个细胞,以证明胚胎中的两个细胞的分化差异以及胚胎的发育情况结果他发现被破坏的细胞不再继续发育,而存活的另一个细胞则只能进一步发育成胚胎的左半部分或右半部分Roux据此认为这证明了从2-细胞时期起,胚胎两个分裂球未来的发育命运就已经被确定,毁掉一个细胞,另一个只能形成半个胚胎然而这个开创性的实验得出的结论却是错误的,原因可能是烧烫的针对胚胎的一部分造成了不可逆转的损伤,活的分裂球接触到死的分裂球从而影响了进一步的发育1933年,Schmidt完全重复了Roux所做的蛙的实验他把烫死的一个分裂球去掉,使存活的分裂球不受烫伤细胞的影响,结果存活的分裂球也能发育成完整的胚胎以后的相关实验都证明动物的早期2-细胞胚胎或4-细胞胚胎的单个细胞都具有细胞全能性,如1942年就证明了大鼠的2-细胞胚胎期的单个卵裂球能够发育成为幼体鼠,具有发育全能性;1968年又证明了兔8-细胞期的胚胎细胞仍然具有发育的全能性但是由于不同动物的胚胎在发育程度的分化时间上是不相同的,因此什么时期以前的胚胎细胞具有发育全能性因动物种类的不同而不同
四、高等动物的体细胞核具有发育全能性 与植物和低等细胞相比,高等动物体细胞的发育潜能有显著差异虽然在胚胎发育中,早期胚胎细胞具有发育的全能性,但随着分化程度的提高,细胞的发育潜能也逐渐变窄,细胞的生理活动也逐渐发生了不同的变化,如细胞的分裂能力逐渐降低,直至失去分裂能力成为末端分化细胞 但是通过细胞核移植技术能使高等动物的体细胞核去分化,重新获得较高的发育能力1996年英国罗斯林研究所的Wilmut等利用该技术成功获得体细胞克隆羊Dolly(多莉),这是第一例利用成年哺乳动物体细胞获得的克隆动物,因此在全世界引起轰动这一结果也为科学家100多年来孜孜以求的探索划上了一个完美的句号,即高等动物体细胞的细胞核具有发育全能性在以后不到4年的时间里,体细胞克隆山羊、牛、猪、小鼠相继问世 体细胞克隆动物的成功表明,尽管体细胞的分化程度高,细胞可塑性很低,但是以受精卵或卵细胞为受体,通过核移植后对体细胞核的重新编程,依然能发育成一个完整的个体也就是说,高等动物体细胞的细胞核仍然具有发育的全能性,只是可塑性很低,必须在适当的条件下才表现出来
五、高等动物的体细胞是否具有全能性?——一个还没有最后结论的话题 动物克隆的成功只能证明动物体细胞核具有发育全能性,对于成熟体细胞本身是否也具有发育全能性尚不能完全解释然而最近对于细胞研究的一系列新发现表明,在成熟机体的多种组织中均存在可多向分化的全能细胞——组织干细胞,不仅刷新了人们对于细胞的传统认识,而且也使科学家不得不重新认识高等动物体细胞的发育全能性问题 胚胎干细胞是取自胚胎内细胞团的一类具有发育全能性的细胞,能在体外长期传代培养而不失去发育的全能性但是人们很早也发现,在骨髓组织中也存在具有分化能力的干细胞,它们在血细胞更新、维持血细胞数量中发挥着重要作用后来又发现在皮肤、肝脏,甚至在人们认为不可能再生的神经等多种组织中同样发现了组织干细胞体外研究进一步证实,骨髓间充质干细胞还可以分化成脂肪细胞、神经细胞等;神经干细胞不仅可以诱导分化神经细胞,而且还能分化成血液细胞、肝细胞、肌细胞 以往一般认为组织干细胞是胚胎发育过程中遗留并且保存在成熟组织中的原始细胞,但也有学者认为,从成熟细胞具有发育潜能的角度来看,认为这些细胞是成熟组织中具有较强发育逆转潜能,即在特定条件下可恢复并表现发育阶段细胞特性的一部分体细胞可能更适宜些我国学者张颖清1985年在其全息理论中指出哺乳动物的体细胞具有发育全能性,这种潜在的能力在某种条件下可以完全显现基于此种观点,以及现在有关组织干细胞的发育潜能的一系列令人惊讶的全新发现,表明组织干细胞的发育灵活性还远非目前人类所了解,也许在未来的研究中会发现在某种特定的条件下,高等动物体细胞也具有如受精卵一样的发育潜能因此,高等动物的体细胞发育全能性问题可能还没有最后的定论细胞工程细胞工程是应用细胞生物学和分子生物学的方法,通过某种工程学手段,在细胞整体水平或细胞器水平上,按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得产品的一门综合性技术科学细胞工程涉及的内容很广,主要包括细胞培养、细胞质融合、细胞核或细胞器的移植等1.细胞培养细胞培养是将细胞从生物体内取出,然后接种在特制的培养容器内,并给予必要的生长条件,使它们在体外继续生长和增殖细胞培养成功的关键取决于两个因素一是营养,包括糖、氨基酸、维生素等二是生长环境,如一定温度、培养液的酸碱度和无菌条件等
①植物组织培养离体的植物器官、组织或细胞愈伤组织根、芽→植物体花粉培养离体的花药或花粉粒→单倍体植株原生质体培养去除细胞壁的原生质体→植株花粉培养已成为植物细胞育种的一种重要手段;原生质体培养一方面提高变异频率,另一方面为应用细胞工程技术进行遗传物质重组提供有用的材料
②原代培养、传代培养、细胞株、细胞系的关系细胞株细胞系细胞悬浮液——→10代细胞——→50代细胞——→原代培养传代培养
②动物的组织培养 ●动物胚胎或幼龄动物器官、组织单个细胞细胞悬浮液10代细胞50代细胞……2.植物体细胞杂交植物体细胞杂交是在原生质体培养技术的基础上,借用动物细胞融合方法发展起来的一门新型生物技术植物细胞杂交的过程包括原生质体的制备、诱导原生质体融合、杂种细胞的筛选和培养以及杂种植株的再生与鉴定等环节下面以烟草和大豆的体细胞杂交为例,简要介绍植物体细胞杂交的过程
(1)原生质体制备选取烟草植株上的幼嫩叶片细胞和培养好的大豆根尖细胞,用酶解法制备原生质体烟草的原生质体呈绿色,大豆的无色,在显微镜下很容易区别开来
(2)原生质体融合取等量烟草和大豆的原生质体混合后,加入聚乙二醇溶液在显微镜下观察,可以看到原生质体相互黏集在一起隔一段时间后,加入高钙、高pH的溶液,这时原生质体才开始融合原生质体融合包括膜融合和核融合两个过程诱导融合只能诱导细胞膜的融合,两个核的融合是在杂种细胞第一次有丝分裂时进行的诱导剂是PEG
(3)杂种细胞的筛选和培养烟草与大豆的原生质体融合后,将原生质体转移到适当的培养基上培养,使其再生出细胞壁这时,在细胞混合物中,不仅有烟草——大豆杂种细胞,还有烟草细胞、大豆细胞、烟草一烟草细胞、大豆一大豆细胞杂种细胞的筛选,可以用机械方法,也可以用生理学或遗传学方法以机械方法为例,根据两种亲本细胞在形态、色泽上的差异,将细胞分别接种在带有小格的培养皿中,每小格中约放1~3个细胞在显微镜下找出杂种细胞,并且标定位置等杂种细胞分裂成细胞团时,转移到培养皿中,培养成愈伤组织
(4)杂种植株的再生与鉴定杂种植株的再生是指以愈伤组织培养出杂种植株的过程由于烟草和大豆分别属于茄科和豆科植物,二者的原生质体融合后,至今只能长成杂种愈伤组织,还不能分化,因此谈不上杂种植株的再生与鉴定对于能够再生出杂种植株的烟草——海岛烟草、白菜——甘蓝、胡萝卜——羊角芹等,长出的植株究竟是不是杂种,还需要经过鉴定才能确定下来杂种植株的鉴定方法有形态学方法、生化方法(如电泳)、细胞学方法(如染色体组型分析)、分子生物学方法(如分子杂交)等
(2)细胞融合原理细胞膜的流动性在一定的条件下,将两个或多个细胞融合为一个细胞的过程称细胞融合,又称细胞杂交两个完整细胞的融合过程如图示A细胞仙台病毒或化学融合剂有丝分裂裂B细胞动物细胞的融合过程包括细胞准备、细胞融合、杂种细胞选择、杂种细胞克隆植物体细胞融合的过程大致包括细胞分离、原生质体制备、原生质体融合、杂种细胞筛选及其培养,然后再通过愈伤组织诱导分化出根、茎、叶,最后长成完整的植株现在已成功地运用植物细胞的质生质体的融合技术培养出马铃薯和番茄远缘杂交植株3.细胞重组细胞重组是指无核细胞与核体融合后构成质核重组细胞过程6.动物细胞融合与植物细胞杂交的比较动物细胞融合与植物体细胞杂交之间既有共性又有差异,如下表所示项目细胞融合原理融合方法诱导手段用途培养基植物体细胞杂交细胞膜的流动性去除细胞壁后诱导原生质体融合离心、电刺激、振动、聚乙二醇诱导克服远缘杂交不亲和的障碍,获得杂种植株基本培养基加激素(自养型进行异养)动物细胞融合细胞膜的流动性使细胞分散后诱导细胞融合同上,再加上灭活的病毒诱导制备单克隆抗体的技术之一同上,加血清(培养病毒加活细胞)二细胞工程的应用1.单克隆抗体技术由一个细胞进行多次繁殖形成的一个细胞群称为单克隆如第一个细胞可以产生某种抗体,这个单克隆就均能产生这种抗体,我们把由单克隆产生的抗体称之为单克隆抗体目前制备单克隆抗体的具体方法,主要有以下三步将抗原注射到小鼠体内进行免疫,取出受免细胞,与小鼠骨髓瘤细胞融合,用选择培养基选出杂交瘤细胞,逐一克隆或扩增,从中挑出能产生抗体的杂交瘤细胞,将杂交瘤细胞接种在培养瓶中扩大培养或注射到动物的体液中,作为腹水癌生长,然后再分离纯化单克隆抗体医药工业可针对某种病毒、病菌或肿瘤细胞生产单克隆抗体,在诊断、治疗方面的作用远远超过了传统药物目前世界上用来生产单克隆抗体的细胞有上千种,单克隆生产已成为一门新兴产业2.试管动物(婴儿)“试管动物或婴儿”是指经过体外受精和胚胎移植技术而产生的动物婴儿其过程如下单克隆抗体制备过程示意图离体的精子人工条件下离体的卵子(试管中受精)发育动物或人的子宫内“试管婴儿”技术主要是解决不孕问题,目前正在致力于创造“人造子宫”,以求实现体外妊娠3.克隆动物
(1)原理克隆动物一般指通过无性繁殖形成动物甚至高等哺乳动物后代,其后代的基因型与母本完全相同克隆是日常生活中常见的繁殖方法,如低等生物的分裂生殖、孢子繁殖、出芽生殖及高等植物的营养繁殖嫁接、扦插等均属于克隆,其理论基础是细胞的全能性细胞中含有发育为一个完整生物的全套遗传信息传统观点认为低等生物和植物细胞的全能性能被运用于克隆新个体,而动物成熟的体细胞虽具有全能性,但因已经分化了,只能产生身体某一部位的细胞,而不能发育为一个个体1996年8月,英国爱丁堡斯林研究所的胚胎学家威尔穆特率领的科研小组成功繁殖了世界上第一头克隆绵羊“多利”,改变了传统的认识,它向世人表明,由一个成熟绵羊体细胞核,提供产生一头羊羔所需的所有基因是完全可能的
(2)实例“多利”的培育程序如下图所示黑面绵羊A白面绵羊B去核卵细胞乳腺细胞核细胞核移植重组细胞电脉冲刺激早期胚胎胚胎移植绵羊C子宫妊娠、出生绵羊“多莉”
(3)优点克隆技术给人们带来许多益处
①在基础生命科学方面,由以往进行基因功能研究主要在小鼠等少数动物身上进行,到现在多种动物身上均可得到实现,这有利于更加清晰地揭示生命的本质和基因功能;是提供研究哺乳动物细胞的全能性及核质关系最有效的手段之一;还可以克隆各种濒危动物,如金丝猴、大熊猫等
②在医学方面,可为医学科学研究提供核基因型完全一致的实验动物,有利于揭示疑难疾病的发病机制,有助于抗衰老及其机制的研究;
③在农业科学方面,可快速育种和扩繁抗病力强、生产性能高的优良动物,可以研究动物的发病机理,寻求新的有效治疗药物
(4)忧虑但克隆人类也会带来难以预料社会、伦理、道德后果,需要相应的约束机制以保证克隆技术为人类服务
(5)关于克隆人类的新消息美国马萨诸塞州的生物技术公司AdvancedCellTechnology25日宣布,他们已经成功克隆出可获取治疗用干细胞的人体胚胎,但同时表示并没有计划尝试将这种人体胚胎移植入母体来繁殖克隆人,仅将其用于治病先进细胞技术有限公司的首席执行官米歇尔·怀斯特说“我们只是想去帮助患病的人我们讨论的并非是一个有手有脚的小胚胎,而是一群细胞而已”白宫发言人米勒怀思说,总统布什已经“表明了百分之百反对任何形式克隆人的态度”,并且全力支持美国众议院通过禁止克隆人的议案同时,布什还建议参议院也通过此项议案
(6)中国克隆动物研究大事记★60年代,生物学家童第周对金鱼、鲫鱼进行细胞核移植★1990年5月,西北农业大学畜牧所克隆一只山羊★1992年,江苏农科院克隆一只兔子★1993年,中科院发育生物学研究所与扬州大学农学院合作,克隆一只山羊★1995年7月,华南师大与广西农大合作,克隆一头奶牛、黄牛杂种牛★1995年10月,西北农大克隆6头猪★1996年12月,湖南医大克隆6只老鼠同年中国农科院畜牧所克隆一头公牛犊(以上为胚胎细胞克隆研究)★1997年3月,陈大元率先提出了克隆大熊猫的设想★1999年,中国科学院动物研究所研究员陈大元领导的小组将大熊猫的体细胞植入去核后的兔卵细胞中,成功地培育出了大熊猫的早期胚胎酶工程 细菌细胞直径不足2µm,每时每刻却发生着1500一2000个化学反应,由1000多种酶对这些反应进行催化和调制,生产着3000多种蛋白质,1000多种核酸;而且细菌合成效率惊人,它合成每个肽链只需百分之三秒,而现代最先进的蛋白质自动合成机器只能合成小肽,而且速度也慢,合成每个肽链需要7分钟,两者相差200多倍;它合成RNA和DNA的速度更是远远超过了人工合成;另外细胞中能量转换效率也很高,这一切都有赖于生物催化剂,这就是酶现已发现的酶约有几千种以上它们定位于各种细胞的不同细胞器中,催化细胞生长代谢过程中各种不同的化学反应,使这些反应在正常温度等条件下就可顺利进行 酶是细胞产物,但不一定非要在细胞内发挥作用,在细胞外,即在非细胞条件下也能发挥作用19世纪,人们已认识到酵母可以使葡萄糖发酵,产生酒精和二氧化碳,但是对于这一过程是如何进行的,当时主要有两种观点,而且一直未能达成一致1857年,法国著名的细菌学家巴斯德认为酒精发酵需要有完整的细胞结构才能实现;德国化学家李比西则认为酒精发酵要求的只是细胞中的某些物质,而不要求完整的细胞参与直到1897年,毕西纳不用完整的酵母细胞,而用酵母汁进行酒精发酵获得成功,从而证明生物体内的催化反应也可能在体外进行 正是基于这点,人们可以利用细胞中的酶能催化体外的生化反应,这就是酶工程得以发现的前提 我们都用过加酶洗衣粉,同一般的洗衣粉相比,加酶洗衣粉中含有蛋白质和脂肪酶等多种通过微生物生产出来的酶,因此,去除汗渍和油污的能力比较强我们知道,酶作为一类具有生物催化作用的有机物,是在活细胞内产生的那么,人们是怎样通过活细胞获得这种酶并且在生产和生活中使用这些酶的呢?这些都是通过酶工程来实现的 所谓酶工程,就是在一定的生物反应器中,利用酶的催化作用,将相应的原料转化成有用物质的技术,而且酶工程是生物工程的核心,没有酶的作用,任何生物工程技术都不能实现概括地说,酶工程是由酶制剂的生产和应用两个方面组成的
(一)酶制剂的生产 已知酶的种类大约有几千种,实际已被运用于工业生产的仅10余种,如已能够实现工业化大量生产的酶有淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、葡萄糖异构酶等,其中碱性蛋白酶用于加酶洗涤剂,占国际上酶销售额的首位,青霉素固化酶用于医疗,占世界用量第二位 早期酶制剂主要来源于动植物材料,而今酶的主要来源是微生物酶制剂的生产包括酶的生产、提取、分离纯化和固定化
1、酶的生产、提取和分离纯化
(1)酶的生产 酶普遍存在于动物、植物和微生物体内人们最早是从植物的器官和组织中提取酶的例如,从胰脏中提取蛋白酶,从麦芽中提取淀粉酶;现在,生产酶制剂所需要的酶大都来自微生物,这是因为同植物和动物相比,微生物具有容易培养、繁殖速度快和便于大规模生产等优点人们提供必要的条件,利用微生物发酵来生产酶
(2)酶的提取和纯化 从微生物、动植物细胞中得到含有多种酶的提取液后,为了从提取液中获得所需要的某一种酶,必须将提取液中的其他物质分离,这就是酶的分离纯化经过分离纯化后的得到的酶,活性不能降低,因此,分离纯化必须在适宜的条件下进行人们多选择不同种类和浓度的有机溶剂,以沉淀不同的酶蛋白,达到分离纯化酶的目的
2、酶的固定化 将分离纯化的酶制成酶制剂进行干燥处理,再适量加入相应的稳定剂和填充剂,制成粉状制剂,用它们来催化生化反应但其结果是酶制剂和产物混在一起,不能得到高纯度的产品;也很难让酶制剂进行重复使用怎么办呢?科学家们想到了酶的固定化 先将纯化的酶连接到一定的载体上(使酶固定化),使用时将被固定的酶投放到反应溶液中,催化反应结束后又能将被固定的酶回收 固定化酶一般是呈膜状、颗粒状或粉状的酶制剂,它在一定的空间范围内使用,产品的纯度高,没有酶的而且酶制剂可反复使用,这种技术是1969年日本首先研制成功,现已方法应用到生产中的固定化酶同自由酶相比,具有以下优点其一是稳定性高;其二是酶可反复使用;其三是产物纯度高;其四是生产可连续化和自动化;其五是设备小型化以及可节约能源等 我们知道,蔗糖几乎全部来源于甘蔗或甜菜,但是甘蔗和甜菜的种植范围都比较有限,因此,蔗糖的产量也就受到了影咱能不能利用淀粉来生产类似蔗糖的甜味剂呢?科学家通过α-淀粉酶、糖化酶和将葡萄糖异构酶连接到离子交换树脂上,或者包埋在明胶中,制成的固定化葡萄糖异构酶,这种固定化酶可以用于使葡萄糖转化成甜度更高的高果糖浆一些发达国家高果糖浆的年产量现已达到几百万吨,高果糖浆在许多饮料的制造中已经逐渐替代了蔗糖
3、固定化细胞 利用胞内酶制作固定化酶时,先要把细胞打碎,才能将里面的酶提取出来,这就增加了工序和成本人们设想直接固定那些含有所需胞内酶的细胞,并且就用这样的细胞来催化化学反应20世纪70年代,科学家研制成固定化细胞,并且用于生产例如,将酵母细胞吸附到多孔塑料的表面上或包埋在琼脂中,制成的固定化酵母菌细胞,可以用于酒类的发酵生产
(二)酶制剂的应用
1、治疗疾病 胰岛素是治疗糖尿病的常用药品,这种蛋白质是胰脏中胰岛细胞分泌的一种激素,是由两条肽链组成,一条由21个氨基酸组成,称为A链;另一条由30个氨基酸组成,称为B链胰岛素是治疗糖尿病的由于糠尿病患者很多,胰岛素的需要量很大,所以许多糖尿病患者使用的曾是猪的胰岛素但是,猪胰岛素与人胰岛素在化学结构上有一处差别猪胰岛素B链上最后一个氨基酸是丙氨酸,人胰岛素B链上最后一个氨基酸是苏氨酸因此,用猪胰岛素治疗人的糖尿病,容易使一些患者产生免疫反应现在,科学家可利用酶,切下并移去猪胰岛素B链上的那个丙氨酸,然后接上一个苏氨酸这样,猪的胰岛素就魔术般地变成人的胰岛素了; 尿激酶可以用来活化人体内的溶纤维蛋白酶原,使溶纤维蛋白酶原转化为溶纤维蛋白酶,是治疗脑溢血、心肌梗塞、肺动脉阻塞等疾病引起的血栓所需要的药物,它是能利用培养哺乳动物细胞得到的唯一可以商业化的治疗剂但由尿或组织培养的产物中提取价格较高,1980年4月,科学家已经通过质粒DNA诱发大肠杆菌生产出尿激酶,为在工业上利用酶工程方法生产酶开辟了道路; 青霉素是人们经常使用的一种抗生素但是,多年的使用使得不少病原菌对青霉素产生了抗药性,为此,科学家一方面研制新的抗生素以替代青霉素,另一方面设法通过有关的酶制剂来改造青霉素的分子结构,进而研制出新型的青霉素青霉素的分子是由一个母核和一个侧链组成的科学家利用青霉素酰化酶,将母核和侧链水解开,然后,利用化学合成的方法,使青毒素的母核与其他的侧链连接,从而研制出氨苄青霉素等新型的青霉素现在,制药厂已经能够利用固定化青霉素酰化酶反应器,成批地生产用于合成氨苄青霉素等新型青霉素的母核了; 再如,溶菌酶可分解病原菌的细胞壁,具有明显的抗菌和消炎作用;溶纤维蛋白酶具有溶解患者血管内纤维蛋白凝块的作用,可以用来治疗血栓病
2、产品加工 利用酶制剂生产一些产品,这一过程是在酶反器中进行的,酶反应器是指供酶制剂催化化学反应容器酶反应器分成多种,如具有固定化酶(或固定化细胞)的反应器叫做柱式酶反应器,柱式酶反应器是将含有底物的液体,以一定的速度连续不断地从一端注入装有固定化酶(或固定化细胞)的容器,在液体流经固定化酶(或固定化细胞)时,容器内就发生催化反应并且生成产物、含有产物的液体则连续不断地从容器的另一端流出同一般的化工容器一样,需要对酶反应器温度和pH等条件进行严格控制;不同的是,酶反应器必须进行无菌操作 食品加工业方面酿酒厂和饮料厂利用果胶酶来澄清果酒和果汁,效果十分明显;又如,葡萄糖氧化酶可以除去密封饮料和罐头中的氧气、从而有效地防止饮料和食品氧化变质;再如,用木瓜蛋白酶制成的嫩肉粉,可以使肉丝、肉片等烹调后吃起来嫩滑可口;例如,支链淀粉酶是分解多糖类支链淀粉的酶,它能把胚芽转变为色泽较好的麦芽糖糖浆麦芽糖的甜味没有葡萄糖浓,但很适口,且容易发酵、粘度大、溶解度大,用其制作糖果可以防止遇热变色,用于冰激凌可以防止产生砂糖结晶 日常生活方面照相业由于采用了酶技术使照相材料发生了很大变革;家庭用的洗衣粉里加了一些酶,它能够分解某些蛋白质等物质,使衣服上的血迹、汗渍等容易洗掉但是,由于这些酶比较脆弱,在漂白剂一同起作用下很容易被破坏,然而酶工程可以解决这一技术难题目前,市场上己经出现了能够和漂白剂一同起作用的去污酶洗衣粉科学家通过对去污酶结构上的两个氨基酸进行修改,提高了这种酶的抵抗力 化学工业方面酶制剂也得到了广泛应用,在塑料工业与合成纤维工业中,已经可以用酶制剂催化氢化链烯的生产; 其他方面,一些纺织原料也可以利用酶制剂进行加工例如,天然蚕丝(指家蚕吐出的蚕丝)的外表有一层丝胶,丝胶直接影响天然蚕丝的使用过去,人们只能在高温条件下用碱性物质脱去天然蚕丝上的丝胶现在,人们可以在温和的条件下,利用蛋白酶对天然蚕丝进行脱胶,脱胶后的蚕丝具有鲜亮的色泽和柔滑的手感
3、化验诊断和水质监测 根据葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化作用下形成葡萄糖酸和过氧化氢,过氧化氢在过氧化氢酶的催化作用下形成水和原子氧,而氧原子可以将某种无色的化合物氧化成有色的化合物,人们根据这个原理,将上述两种酶和无色的化合物固定在纸条上,制成测试尿糖含量的酶试纸,当它与尿液相遇时,依据尿液中葡萄糖含量由少到多而呈现出浅蓝、浅绿、棕或深棕色,这样糖尿病人就可以方便地为自己化验尿糖的情况了科学家根据同一原理,还研制出能够化验血糖数值的血糖快速测试仪,具有灵敏度高和速度快等优点 酚是一类对人体有害的化合物,经常通过炼油和炼焦等工厂的废水排放到河流和湖泊中,科学家利用固定化多酚氧化酶研制成多酚氧化酶传感器,可快速测定出水中质量分数仅有2×10—7的酚
4、用于生物工程其他分支领域 基因工程离不开内切酶和连接酶;植物体细胞杂交制备原生质体时,需要纤维素酶,人们把它们称为生物工程的工具酶,而这些酶可由酶工程得到无机物水-----生物体中含量达70%-90%碳酸盐磷酸盐硫酸盐卤化物酸盐金属离子无机盐NaKCaFe(磷酸盐为主)(Ca盐为主)有机物糖脂蛋白质核酸维生素激素(糖,脂,蛋白质,核酸为主)(蛋白质最为重要,核酸最为根本)自由水溶剂、代谢介质、调节结合水成分亲水物质蛋白质淀粉纤维素亲水性依次递减各种无机盐离子在体液中的浓度是相对稳定的,其主要作用有维持渗透压,维持酸碱平衡,特异作用等血红蛋白缺少抽畜过多肌无力细胞的化学成分a盐键(离子键)b氢键c疏水相互作用力d范德华力e二硫键f酯键5’﹣腺瞟吟核苷酸(5’﹣AMP)3’﹣胞嘧啶脱氧核苷酸(3’﹣dCMP)腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胸腺嘧啶(T)尿嘧啶(U)胞嘧啶(C)杂种细胞多核体受精卵胎儿一定阶段的胚胎。