细胞生物学03971

1、细胞生物学复习讲义 冲刺！二、细胞生物学的主要研究内容细胞生物学研究与教学内容一般可分为细胞结构功能与细胞重要生命活动两大基本部分 。从20世纪60年代开始，在细胞生物学教科书中，细胞结构和功能知识内容所占比例较多。由于细胞超微结构研究积累的大量资料大大充实与拓宽了细胞结构与功能的知识范畴。从70年代中期开始，现代细胞生物学教科书中细胞重要生命活动的知识所占比重越来越大。由于分子生物学概念、内容与方法的引入， 当前细胞生物学研究内容大致归纳为以下诸多领域：(一)细胞核、染色体以及基因表达的研究 (二)生物膜与细胞器的研究 (三)细胞骨架体系的研究 (四)细胞增殖及其调控 (五)细胞分化及其调控

2、 (六)细胞的衰老与凋亡 (七)细胞的起源与进化 (八)细胞工程 (九)细胞信号转导三、当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域细胞生物学与分子生物学相互渗透与交融是总的发展趋势。换句话说，细胞分子生物学或分子细胞生物学将是今后相当一段时间的主流。 第二章细胞基本知识概要第一节 细胞的基本概念一、细胞是生命活动的基本单位近年比较普遍的提法是:细胞是生命活动的基本单位。 (一)一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位只有病毒是非细胞形态的生命体。(二)细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位在细胞内一切生化过程与试管内的生化过程的根本不同点是，细胞表现为有严格程序的、

3、自动控制的代谢体系。(三)细胞是有机体生长与发育的基础一切有机体的生长与发育是以细胞的增殖与分化为基础的，近年认为细胞凋亡是生物生长发育不可缺少的平衡因素，与细胞增殖、分化具有互补作用。(四) 细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性每一个细胞，都包含着全套的遗传信息，即全套的基因，也就是说它们具有遗传的全能性。(五)没有细胞就没有完整的生命细胞共同的基本点: 1 所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜，即细胞膜。细胞膜使细胞与周围环境保持相对的独立性，造成相对稳定的细胞内环境，并通过细胞膜与周围环境进行物质交换和信号转导。 2 所有的细胞都有两种核酸:即DNA与RNA，作

4、为遗传信息复制与转录的载体。而非细胞形态生命体病毒只有一种核酸，即DNA或RNA作为遗传信息的载体。 3 作为蛋白质合成的机器-核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内，是任何细胞(除个别非常特化的细胞)不可缺少的基本结构，它们在翻译多肽链时，与mRNA形成多聚核糖体。4 所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂，遗传物质在分裂前复制加倍，在分裂时均匀地分配到两个子细胞内，这是生命繁衍的基础与保证。一、病毒的基本知识病毒(virus)主要是由一个核酸分子(DNA或RNA)与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体。病毒虽然具备了生命活动的最基本特征(复制与遗传)，但不具备细胞的形态结构，是不"完全&

5、quot;的生命体。第三种观点越来越具有说服力。认为病毒是细胞的演化产物的观点，其主要依据与论点如下: 1 由于病毒的彻底寄生性，没有细胞的存在也就没有病毒繁殖。因此病毒决不可能起源在细胞之先，只能是先有细胞后有病毒。 2 有些病毒(如腺病毒)的核酸与哺乳动物细胞DNA某些片段的碱基序列十分相似。 3 病毒可以看做是DNA与蛋白质或RNA与蛋白质形成的复合大分子，与细胞内核蛋白分子有相似之处。由此推论:病毒可能是细胞在特定条件下"拥出"的一个基因组，或者是具有复制与转录能力的mRNA。这些游离的基因组，只有回到它们原来的细胞内环境中才能逆行复制与转录。Ø 为什么说

6、支原体是最小、最简单的细胞?一个细胞生存与增殖必须具备的结构装置：细胞膜、遗传信息载体 DNA与RNA、进行蛋白质合成的一定数量的核糖体以及催化主要酶促反应所需要的酶，这些在支原体细胞内已基本具备。一个细胞体积的最小极限直径不可能小于100nm，而现在发现的最小支原体细胞的直径已接近这个极限。细菌核糖体的沉降系数为70s，由大亚单位(50s)与小亚单位(30s)组成，大亚单位含有23SrRNA、5SrRNA与30多种蛋白质，小亚单位含有16SrRNA与20多种蛋白质。30s的小亚单位对四环素与链霉素很敏感，50s的大亚单位对红霉素与氯霉素很敏感，这些抗生素大概是通过多肽链翻译这一环节起抑菌作用

7、的。一、真核细胞的基本结构体系真核细胞可以在亚显微结构水平上划分为三大基本结构体系:1以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统;2以核酸(DNA或RNA)与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统;3由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。植物细胞却有一些动物细胞所没有的特有的细胞结构与细胞器，如细胞壁、液泡与叶绿体及其他质体。下面我们简单介绍一下植物细胞所特有的细胞器。(1)细胞壁 细胞壁是在细胞分裂过程中形成的，细胞壁的主要成分是纤维素，还有果胶质、半纤维素与木质素等。细胞壁的某些部位有间隙，原生质可以由此沟通，形成胞间连丝。(2)液泡 液泡是由脂蛋白膜包围的封闭系统，内部是水溶液，溶有盐、糖与色

8、素等物质。是植物细胞的代谢库，起调节细胞内环境的作用。液泡另一功能可能具有压力渗透计(osmometer)的作用，使细胞保持膨胀状态。(3)叶绿体叶绿体是植物细胞内最重要、最普遍的质体，它是进行光合作用的细胞器。叶绿体利用其叶绿素将光能转变为化学能。第四章细胞膜与细胞表面第一节 细胞膜与细胞表面特化结构Ø 流动镶嵌模型主要强调：膜的流动性，膜蛋白和膜脂均可侧向运动；膜蛋白分布的不对称性，有的镶在膜表面，有的嵌入或横跨脂双分子层。Ø 还有学者提出“液晶态模型”(强调生物膜的膜脂处于无序(流动性)和有序(晶态)之间动态转变的)以及“板块镶嵌模型”(强调生物膜是由具有流动性程度不

9、同的“板块”镶嵌而成的等)。这些模型都可以看作是对流动镶嵌模型的完善或补充。Ø 最近有人提出脂筏模型(1ipid rafts model)，即在生物膜上胆固醇富集而形 成有序脂相，如同“脂筏”一样载着各种蛋白，这一模型可解释生物膜的某些性质与功能，但仍需要更多的证据。二、膜脂(一)成分膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇3种类型。3胆固醇和中性脂质胆固醇的功能：调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降低水溶性物质的通透性二)膜脂的运动方式4种热运动的方式：1沿膜平面的侧向运动每秒移动2m的距离。侧向运动是膜脂分子的基本运动方式，具有重要的生物学意义。2脂分子围绕轴心的自旋运动。3脂分子尾部的摆

10、动 4双层脂分子之间的翻转运动(三)脂质体脂质体(1iposome)是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。三、膜蛋白膜蛋白的种类繁多，多数膜蛋白分子数目较少，但却赋予细胞膜非常重要的生物学功能。 (一)类型膜蛋白可分为两大基本类型：Ø 膜周边蛋白(peripheral proteins)或称外在膜蛋白(extrinsic proteins)Ø 膜内在蛋白(integralproteins)或称整合膜蛋白。Ø 膜周边蛋白为水溶性蛋白，靠离子键或其他较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子结合，只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下

11、来，膜结构并不被破坏。Ø 膜内在蛋白与膜结合非常紧密，只有用去垢剂使膜崩解后才可分离出来。 (三)去垢剂l 由于SDS对蛋白质的作用较为剧烈，引起蛋白质变性l 非离子去垢剂也可使细胞膜崩解，但对蛋白质的作用比较温和，五、膜的不对称性 (一)细胞膜各部分的名称与细胞外环境接触的膜面称质膜的细胞外表面(extrocytoplasmic surface， ES)，与细胞质基质接触的膜面称质膜的原生质表面(protoplasmic surface，PS)。冷冻蚀刻技术制样过程中，膜结构常常从双层脂分子疏水端断裂，这样又产生了质膜的细胞外小页断裂面(extrocytoplasmic face，

12、EF)和原生质小页断裂面(proto plasmic face，PF)(图47) (二)膜脂的不对称性膜脂的不对称性是指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。 (三)膜蛋白的不对称性膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性。七、膜骨架与细胞表面的特化结构(一)膜骨架膜骨架是指细胞膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持细胞膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。细胞连接可分为三大类：(1)封闭连接(occluding junctions)，紧密连接(tight junction)是典型代表，它将相邻细胞的质膜密切地连接在一起阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内

13、。(2)锚定连接(anchoring junctions)，通过细胞骨架系统将细胞与相邻细胞或细胞与基质之间连接起来。锚定连接又分为与中间纤维相关的锚定连接，包括桥粒(desmosome)和半桥粒(hemidesmosome)；以及与肌动蛋白纤维相关的锚定连接。主要有粘着带(adhesion belt)和粘着斑(focal adhesion)。(3)通讯连接(communicating junctions)，主要包括间隙连接(gap junction)、神经细胞间的化学突触(chemical synapse)和植物细胞中的胞间连丝(plasmodesmata)。 四、细胞表面的粘着因子 细胞与

14、细胞间的粘连是由特定的细胞粘着因子钙粘素等介导的，细胞之间的锚定连接也需要粘着因子钙粘素和整联蛋白(integhns)等参与(表42)粘着因子均为整合膜蛋白，在胞内与细胞骨架成分相连。目前至少可分成五种以上的类型，多数要依赖Ca2+或Mg2+才起作用。 1钙粘素 2选择素(selectin) 3免疫球蛋白超家族的CAM(1gsuperfamily) 4整联蛋白第三节 细胞外被与细胞外基质细胞外基质(extracellularmatrix)是指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络结构(图419)。一、 胶原 2分子结构胶原纤维的基本结构单位是原胶原。原胶原是由三条多肽链盘绕成的三

15、股螺旋结构，二、糖胺聚糖和蛋白聚糖 1糖胺聚糖l 糖胺聚糖(glycosaminoglycan)是由重复的二糖单位构成的长链多糖，其二糖单位之一是氨基己糖-氨基葡萄糖或氨基半乳糖 (故称为糖胺聚糖)；另一个是糖醛酸。l 透明质酸(hyaluronicacid)是一种重要的糖胺聚糖，是增殖细胞和迁移细胞胞外基质的主要成分，尤其在胚胎组织中。同时也是蛋白聚糖的主要结构组分。l 透明质酸在结缔组织中起强化、弹性和润滑作用。 2蛋白聚糖蛋白聚糖(proteoglycan)由糖胺聚糖与核心蛋白(coreprotein)的丝氨酸残基共价连接形成的巨分子四、弹性蛋白弹性纤维与胶原纤维共同存在，分别赋予组织以

16、弹性及抗张性。五、植物细胞壁植物细胞壁由纤维素、半纤维素、果胶质等几种大分子构成，其功能为细胞提供一个细胞外网架，对细胞起支持作用等。第五章 物质的跨膜运输与信号传递 第一节 物质的跨膜运输 (一)简单扩散其通透性主要取决于分子大小和分子的极性。小分子比大分子容易穿膜，非极性分子比极性分子容易穿膜，带电荷的离子跨膜运动则需要更高的自由能，无蛋白的人工脂双层对带电荷的离子是高度不透的。 (二)协助扩散1 协助扩散的特征： (1)转运速率高。 (2)存在最大转运速率(Vmax)，可用达到最大转运速率一半时的葡萄糖浓度作为其Km值，用以衡量某种物质的转运速率。 (3)转运的特异性，如红细胞质膜，D构

17、型的葡萄糖Km为1.5 mmol/L，而L构型的葡萄糖Km值>3 000 mmol/L。 (4)细胞膜上存在膜转运蛋白(membranetransportproteins)。2 膜转运蛋白可分为两类:一类称载体蛋白(carrier proteins)，它既可介导被动运输，又可介导主动运输（逆浓度或电化学梯度的）；另一类称通道蛋白(channel proteins)，只能介导被动运输（顺浓度或电化学梯度的）。 (2) 通道蛋白及其功能离子通道具有两个显著特征：一是具有离子选择性（离子的大小与电荷），转运速率高（106个离子/s，是载体蛋白的最快速率的1 000倍以上。二是离子通道是门控的，

18、即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，通道开关应答于适当的信号。因此离子通道又区分为电压门通道(voltage-gated channel)、配体门通道(1igand-gated channel)和压力激活通道(stress-activated channel)。二、主动运输根据主动运输过程所需能量来源的不同可归纳为由ATP直接提供能量和间接提供能量以及光能驱动的主动运输三种基本类型(图55)。 (一)由ATP直接提供能量的主动运输钠钾泵Na+K+泵由a和b二个亚基组成， a亚基是一个跨膜多次的整合膜蛋白，具有ATP酶活性，因此Na+K+泵又称为Na+K+ ATP酶。 b亚基是具有组织特

19、异性的糖蛋白。 (三)协同运输协同运输(cotransport)是一类由Na+-K+泵(或H+泵)与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。协同运输又可分为共运输(symport)和对向运输(antiport)。1 共运输物质运输方向与离子转移方向相同如小肠上皮细胞和肾小管上皮细胞吸收葡萄糖或氨基酸等有机物，就是伴随Na+从细胞外流人细胞内而完成的。在某些细菌中，乳糖的吸收则伴随H+从细胞膜外进入细胞三、胞吞作用与胞吐作用(一) 胞吞作用胞吞作用是通过细胞膜内陷形成囊泡，称胞吞泡(endocyticvesicle)，将外界物质裹进并输入细胞的过程。胞吞作用又可分为两种类型：胞饮

20、作用(pinocytosis)：胞吞物为溶液，形成的囊泡较小，胞饮作用形成的胞吞泡又称胞饮泡吞噬作用(phagocytosis)：胞吞物为大的颗粒性物质(如微生物和细胞碎片)，形成的囊泡较大，吞噬作用形成的胞吞泡称吞噬泡。 (二)受体介导的胞吞作用受体介导的胞吞作用：被转运的大分子物质(配体)首先与细胞表面互补性的受体相结合，形成受体大分子复合物，在网格蛋白参与下形成有被小窝(coatedpits)，然后是深陷的小窝脱离质膜形成有被小泡(coatedvesicles)。受体介导的胞吞作用是一种选择浓缩机制(selective concentrating mechanism)，既可保证细胞大量地

21、摄人特定的大分子，同时又避免了吸入细胞外大量的液体。与非特异性的胞吞作用相比，效率增加1 000多倍。(三)胞吐作用胞吐作用是将细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。组成型的胞吐途径 (constitutive exocytosispathway)：所有真核细胞都从高尔基体分泌的囊泡向质膜流动并与之融合，新合成的囊泡膜不断地供应蛋白和脂类更新质膜，确保细胞分裂前质膜的生长；调节型胞吐途径(regulated exocytosispathway)：分泌细胞产生的分泌物(如激素、粘液或消化酶)储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去(

22、图513)。一、细胞通讯与细胞识别 (一)细胞通讯细胞通讯(cellcommunication)是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。细胞以三种方式进行通讯：细胞通过分泌化学信号进行细胞间相互通讯，这是多细胞生物最普遍采用的通讯方式；细胞间接触性依赖的通讯(contact-dependent signaling)，细胞间直接接触，通过与质膜结合的信号分子影响其他细胞；细胞间形成间隙连接使细胞质相互沟通，通过交换小分子来实现代谢偶联或电偶联(见间隙连接部分)。1 细胞分泌化学信号的作用方式可分为：Ø 内分泌(endocrine)，由内分泌细胞分泌信号分子(激素)

23、到血液中，通过血液循环运送到体内各个部位，作用于靶细胞(图515A)。Ø 旁分泌(paracrine)。细胞通过分泌局部化学介质到细胞外液中，经过局部扩散作用于邻近靶细胞(图515B)。这对创伤或感染组织刺激细胞增殖以恢复功能具有重要意义。Ø 自分泌(autocrine)。细胞对自身分泌的物质产生反应(图515C)。自分泌信号常见于病理条件下，如肿瘤细胞合成和释放生长因子刺激自身，导致肿瘤细胞的增殖失控。通过化学突触传递神经信号(neuronalsignaling)(图515D)。当神经元细胞在接受刺激后，神经信号通过动作电位的形式传至末梢，刺激突触前膜分泌化学信号(神经递

24、质或神经肽)，快速扩散作用于突触后膜，实现电信号化学信号电信号转换和传导。此外，通过分泌外激素传递信息也属于通过化学信号进行细胞间通讯，作用于同类的其他个体。 (二)细胞识别与信号通路细胞识别(cell recognition)是指细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子(配体)选择性地相互作用，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的过程。(三)细胞的信号分子与受体 1细胞的信号分子细胞的信号分子(signal molecule)根据其溶解性通常可分为亲脂性和亲水性两类：Ø 亲脂性信号分子：主要代表是甾类激素和甲状腺素Ø 亲水性信号分子：包括神经递质

25、、生长因子、局部化学递质和大多数激素，气体性信号分子：在20世纪80年代后期，发现和证实一氧化氮(nitricoxide，NO)在生物体内是一种重要的信号分子和效应分子， NO是迄今在体内发现的第一个，它能进入细胞直接激活效应酶，参与体内众多的生理病理过程，因而成为人们所关注的“明星分子”(star molecule)。2受体受体(receptor)是一种能够识别和选择性结合某种配体(信号分子)的大分子，当与配体结合后，通过信号转导(signal transduction)作用将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。 3第二信使与分子开关第二信使学说(se

26、cond messenger theory)：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，第二信使的降解使其信号作用终止。第二信使：第一信使与受体作用后在胞内最早产生的信号分子称为第二信使(second messenger)。目前公认的第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、二酰基甘油(DG)等，细胞内信号传递作为分子开关的蛋白质可分两类：一类磷酸化开关蛋白(switch protein)：由蛋白激酶使之磷酸化而开启，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而关闭，许多蛋白激酶本身是开关蛋白，构成信号传递的磷

27、酸化级联反应；另一类GTP结合开关蛋白：由GTP结合蛋白（G蛋白）组成，结合GTP而活化，结合GDP而失活。 二、通过细胞内受体介导的信号传递配体：甾类激素分子是化学结构相似的亲脂性小分子，可以通过简单扩散跨越质膜进入细胞内。与细胞质内各自的受体蛋白结合，形成激素受体复合物，并能穿过核孔进入细胞核内，激素和受体的结合导致受体蛋白构象的改变，提高了受体与DNA的结合能力，激活的受体通过结合于特异的DNA序列（受体依赖的转录增强子）调节基因表达。NO是具脂溶性的气体，可快速扩散透过细胞膜，到达邻近靶细胞发挥作用。NO的生成需要一氧化氮合酶 (nitric oxide synthase，NOS)的催

28、化，以L-精氨酸为底物。NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上NO的多少直接与NO的合成有关。内源性NO由NOS催化合成后，扩散到邻近细胞，使鸟苷酸环化酶活性的增强，cGMP合成增多。cGMP作为新的信使分子介导蛋白质的磷酸化等过程，发挥多种生物学作用。细胞表面受体分属三大家族(图520)：Ø 离子通道偶联的受体(ion-channel-linked receptor)；有组织分布特异性，主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞Ø G蛋白偶联的受体(G protein-linked receptor)；Ø 酶偶联的受体(enzyme-linked receptor)。

29、；后两种存在于几乎所有类型的细胞。 (二)G蛋白偶联的受体G蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白的简称由a、b、g三个亚基组成G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，当G蛋白a亚基与GDP结合，处于关闭态；a亚基结合GTP而被活化，即处于开启态。4 由G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。 （1）cAMP信号通路细胞外信号与相应受体结合，导致细胞内第二信使cAMP的水平变化而引起细胞反应的信号通路。这一信号通路的首要效应酶是腺苷酸环化酶(A-cyclase)，通过腺苷酸环化酶调节胞内cAMP的水平。cAMP可被磷酸二酯酶限制性地降解清除。这是真核细胞应答

30、激素反应的主要机制之一。 cAMP信号通路由质膜上的5种成分组成：激活型激素受体：(Rs)；抑制型激素受体(Ri)；与GDP结合的活化型调节蛋白(Gs)；与 GDP结合的抑制型调节蛋白(Gs)；催化成分，即腺苷酸环化酶(C)。 Rs和RiRs是与Gs相互作用的激活型激素受体(如肾上腺素b受体)；Ri是与Gi相互作用的抑制型激素受体(如肾上腺素a受体)。Rs都能与Gs相互作用激活腺苷酸环化酶活性，提高胞内的cAMP水平。Ri都能与Gi相互作用抑制腺苷酸环化酶活性，降低胞内的cAMP水平。Rs和Ri具有相似的7次跨膜结构，胞外结构域识别并结合胞外信号分子，胞内结构域与G蛋白偶联。 Gs和Gi Gs

31、和Gi在信号转导过程中起着分子开关的作用，它将受体与腺苷酸环化酶偶联起来，使细胞外信号跨膜转换为细胞内信号，即第二信使 cAMP。 Gs和Gi均由a、b、g亚基组成，其b、g 亚基相同，而a亚基各不相同。l A Gs的调节作用：当细胞没有受到激素刺激，Gs处于非活化态时，Gs蛋白为异三聚体，a亚基与GDP结合，此时腺苷酸环化酶没有活性；当激素配体与Rs受体结合后，导致受体构象改变，暴露出与Gs结合的位点，膜的流动性使激素受体复合物与Gs结合，Gs的a亚基构象改变，从而排斥GDP，结合GTP而活化，使三聚体Gs蛋白解离出 a 亚基和 b、g 亚基复合物，并暴露出a亚基与腺苷酸环化酶的结合位点；a

32、亚基与腺苷酸环化酶结合，使之活化，并将ATP转化为cAMP。活化的b、g亚基复合物也可直接激活胞内靶分子，具有传递信号的功能，如心肌细胞中G蛋白偶联受体在结合乙酰胆碱刺激下，活化的"bg亚基复合物能开启质膜上的K通道，改变心肌细胞的膜电位。此外 b、g亚基复合物也能与膜上的效应酶结合，对结合GTP的a亚基起协同或拮抗作用。随着GTP的水解使a亚基恢复原来的构象并导致与腺苷酸环化酶解离，终止腺苷酸环化酶的活化作用。a亚基与b、g 亚基重新结合，使细胞回复到静止状态。l B Gi的调节作用： Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过两个途径：当Gi与 GTP结合，Gi的a亚基与b、g亚基解离后

33、，一是通过a亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；二是通过b、g亚基复合物与游离的Gs a亚基结合，阻断 Gs的a亚基对腺苷酸环化酶的活化。 细菌毒素对G蛋白的修饰作用：霍乱毒素能使ADP核糖基共价结合到Gs的a亚基上，致使a亚基丧失了GTP酶的活性，与a亚基结合的GTP不能水解成GDP，结果使a亚基处于持续活化状态，因而腺苷酸环化酶持续活化。致使小肠上皮细胞中cAMP增加100倍以上，导致膜蛋白让大量Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。霍乱病患者的症状是严重腹泻，其主要原因就是霍乱毒素使腺苷酸环化酶被“锁定”在活化状态， 百日咳毒素催化Gi的a亚基ADP核糖基化，结果降低了GTP与G

34、i的a亚基结合的水平，使Gi的a亚基不能活化，从而阻断了Ri受体引起的对腺苷酸环化酶的抑制作用。 腺苷酸环化酶 腺苷酸环化酶结合在质膜上的，它是一种糖蛋白，跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP。 在正常情况下细胞内cAMP的浓度10-6molL，当在激素激活腺苷酸环化酶后，cAMP急剧增加，产生快速应答；细胞内还有另一种酶即环腺苷酸磷酸二酯酶(PDE)，可降解cAMP生成5AMP，导致细胞内cAMP水平下降。细胞内cAMP浓度的迅速调节是细胞快速应答胞外信号改变的重要基础。在信号传递过程中，信号的放大作用和信号的终止作用同等重要，同时并存。cAMP信号通

35、路的主要效应是激活靶酶和开启基因表达，这是通过蛋白激酶A完成的。cAMP特异地活化cAMP依赖的蛋白激酶(Akinase)而表现出不同的效应。蛋白激酶A由两个催化亚基和两个调节亚基组成，在没有cAMP时，以钝化复合体形式存在。cAMP与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基。活化的蛋白激酶A催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性。从而影响细胞代谢和细胞行为。这是细胞快速应答胞外信号的过程。还有一类细胞缓慢应答胞外信号的过程，这就是cAMP信号通路对细胞基因表达的影响。 这一过程涉及细胞核机制，所以需要几分钟乃至几小时。这一

36、信号通路控制多种细胞内的许多过程，从内分泌细胞的激素合成到脑细胞有关长期记忆所需蛋白质的产生。 该信号途径涉及的反应链可表示为：激素G蛋白偶联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMPcAMP依赖的蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录。 磷脂酰肌醇信号通路 磷脂酰肌醇信号通路是通过G蛋白偶联的受体介导的另一条信号通路。 胞外信号分子与细胞表面G蛋白偶联受体结合，激活质膜上的磷脂酶C(PLC)，使质膜上4，5二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)水解成1，4，5三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DG)两个第二信使，使胞外信号转换为胞内信号。 IP3动员细胞内源钙(内质网中)到细胞溶质，使胞内Ca2+浓度升高；Ca2+作为胞

37、内第三信使参与广泛的生理过程，活化各种Ca2+结合蛋白引起细胞反应；钙调蛋白(calmodulin，CaM)是一种真核细胞普遍存在的Ca2+应答蛋白，含4个结构域，每个结构域可结合一个Ca2。 Ca2+与无活性CaM结合形成活化态的Ca2+CaM复合体，然后再结合靶酶将其活化，这是一个受Ca2+浓度控制的可逆反应。 DG激活蛋白激酶C(PKC)，活化的PKC进一步使底物蛋白磷酸化，并可活化Na/H交换引起细胞内pH升高。PKC是钙和磷脂酰丝氨酸依赖性酶，具有广泛的作用底物，参与众多生理过程，在许多细胞中，PKC的活化可增强特殊基因的转录。已知至少有两条途径：一是PKC激活一条蛋白激酶的级联反应

38、，导致与DNA特异序列结合的基因调控蛋白的磷酸化和激活，进而增强特殊基因的转录；二是PKC的活化，导致一种抑制蛋白的磷酸化，从而使细胞质中基因调控蛋白摆脱抑制状态释放出来，进入细胞核，刺激特殊基因的转录。 磷脂酰肌醇循环途径: PIP2是真核细胞质膜中普遍存在的一种化学成分，在磷脂酶C(PLC)的作用下释放出IP3，同时生成DG。IP3信号的终止是通过依次的去磷酸化形成自由的肌醇，DG通过两种途径终上其信使作用：一是被DG激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油。 磷脂酰肌醇信号通路的最大特点是同时产生两个胞内信使，分别激动即IP3Ca2+和DGPKC两个信号传

39、递途径，实现细胞对外界信号的应答，因此把这一信号系统又称之为“双信使系统”(double messenger system)。 (三)与酶连接的受体1 受体酪氨酸激酶及RTKRas蛋白信号通路 受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases，RTKs)又称酪氨酸蛋白激酶受体，是细胞表面一大类重要受体家族，包括6个亚族。它的配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。这条信号通路的特点是不需信号偶联蛋白(G蛋白)，而是通过受体本身的酪氨酸蛋白激酶的激活来完成信号跨膜转导。受体酪氨酸激酶(RTKs)的多肽链只跨膜一次，胞外区是配体结合结构域，胞内区肽段是酪

40、氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点。配体 (如EGF)在胞外与受体结合并引起构象变化，但单个跨膜a螺旋无法传递这种构象变化，因此配体的结合导致受体二聚化(dimerization)形成同源或异源二聚体，从而在二聚体内彼此相互磷酸化受体胞内肽段的酪氨酸残基，即实现受体的自磷酸化(autophosphorylation)。现认为二聚化是一次跨膜的酶连受体被激活的普遍机制。自磷酸化的结果是激活了受体的酪氨酸蛋白激酶活性。 活化的RTK可以结合多种细胞溶质中带有SH2结构域的结合蛋白或信号蛋白，由此启动信号转导，其中一类是接头蛋白(adaptor proteins)，其作用是偶联活化受体与其他

41、信号分子，构成信号转导复合物，如生长因子受体结合蛋白2(GRB2)；另一类是在信号通路中有关的酶，如：GTP酶活化蛋白(GTPase activating protein，GAP)、磷脂酰肌醇代谢有关的酶(磷脂酶Cg，3磷脂酰肌醇激酶)等。这两类RTK结合蛋白都具有两个高度保守而无催化活性的结构域即SH2和SH3。因为这两种结构域首先在Src蛋白中发现，所以称作Src同源区(Src homolog region 2 和3，SH2和 SH3)。这两种结构域，SH2选择性结合不同位点的磷酸酪氨酸残基，SH3选择性结合不同的富含脯氨酸的序列。在RTK介导的信号通路中，Ras蛋白是一种具有分子开关作用

42、的关键组分(正如G蛋白在信号转导中所起的重要作用一样)。Ras蛋白能够通过一系列激酶磷酸化级联反应(phosphorylation cascade)将 RTK介导的信号从活化的Ras蛋白向下游传递，诱导不同类型细胞的分化或增殖。Ras蛋白是ras基因表达产物。是一种由190个氨基酸残基组成的小的GTP结合蛋白，具有GTPase活性，分布于质膜胞质一侧，结合GTP时为活化态，而结合 GDP时为失活态。所以Ras蛋白具有分子开关的作用。Ras蛋白从失活态到活化态的转变，先要GDP释放才会有GTP的结合，GDP的释放需要鸟苷酸释放因子(GRF)参与；Ras蛋白从活化态到失活态的转变，则要GTP酶活化

43、蛋白 (GAP)的促进；所以GRF和GAP都与Ras蛋白参与的信号转导相关。GAP因具有SH2结构域可直接与活化的受体结合。GRF有SH3结构域，但没有SH2结构域，因此不能直接和受体结合，而接头蛋白含SH2和SH3两类结构域，在配体激活受体后，接头蛋白通过SH2与受体的磷酸酪氨酸残基结合，再通过SH3与GRF结合，GRF与膜上的Ras接触，从而活化Ras。而Ras的失活则由活化受体上已结合的GAP参与下进行，即导致Ras蛋白结合的GTP水解成GDP。 五、细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息 (一)细胞信号传递的基本特征(1)多途径、多层次的细胞信号传递通路具有收敛或发散的特点。(

44、2)细胞的信号转导既具有专一性又有作用机制的相似性。(3)信号转导过程具有信号放大作用，但这种放大作用又必须受到适度控制，这表现为信号的放大作用和终止作用的并存。(4)当细胞长期暴露在某种形式的刺激下，细胞对刺激的反应将会降低，这就是细胞进行适应。第六章细胞质基质与细胞内膜系统细胞质基质是指在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质，称 (cytoplasmicmatrixOrcytomatrix)。其体积约占细胞质的一半。细胞的内膜系统是在结构、功能乃至发生上相关的，由膜围绕的细胞器或细胞结构。主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。一、细胞质基质的组成用差速离心的方

45、法分离细胞匀浆物中的各种细胞组分，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分。生物化学家多称之为胞质溶胶。二、细胞质基质的功能 2控制蛋白质的寿命决定蛋白质寿命的信号。这种信号存在于蛋白质N端的第一个氨基酸残基每种蛋白质开始合成时，N端的第一个氨基酸都是甲硫氨酸(细菌中为甲酰甲硫氨酸)，但合成后不久便被特异的氨基肽酶水解除去，然后由氨酰tRNA蛋白转移酶(aminoacyl-tRNA-protein transferase)把一个信号氨基酸加到某些蛋白质的N端，最终在蛋白质的N端留下一个不稳定的或稳定的氨基酸残基。泛素是一个由76个氨基酸残基组成的小分子蛋白，具有多种生物学功能。在蛋白质降解过程中

46、，多个泛素分子共价结合到含有不稳定氨基酸残基的蛋白质的N端，然后一种 26S的蛋白酶复合体或称蛋白酶体(proteosome)将蛋白质完全水解。 第二节 内 质 网 一、内质网的两种基本类型糙面内质网多呈扁囊状，排列较为整齐，因在其膜表面分布着大量的核糖体而命名。它是内质网与核糖体共同形成的复合机能结构其主要功能是合成分泌性的蛋白和多种膜蛋白光面内质网是脂质合成的重要场所，细胞中几乎不含有纯的光面内质网，它们只是作为内质网结构的一部分二、内质网的功能1蛋白质的合成2脂质的合成3蛋白质的修饰与加工4新生多肽的折叠与装配5内质网的其他功能 光面内质网具有解毒功能。第三节 高尔基复合体一、 高尔基体

47、的形态结构高尔基体至少由互相联系的 4个部分组成1高尔基体顺面膜囊(cis Golgi)或顺面网状结构(cisGolgi network，CGN)一般认为，CGN接受来自内质网新合成的物质并将其分类后大部分转入高尔基体中间膜囊，小部分蛋白质与脂质再返回内质网。返回内质网的蛋白质具有KDEL(或HDEL)这一信号序列，它是驻留在内质网内蛋白的特有序列。CGN区域还可能具有其他生物活性，如蛋白丝氨酸残基发生O连接的 糖基化；跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化；。 2高尔基体中间膜囊(medial Golgi)多数糖基化修饰、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成都发生在中间膜囊中。扁平膜囊特

48、殊的形态使其具有很大的膜表面，从而大大增加了进行糖的合成与修饰的有效面积。 3高尔基体反面的膜囊(trans Golgi)以及反面高尔基体网状结构(trans Golginetwork，TGN)TGN的主要功能是参与蛋白质的分类与包装，最后从高尔基体中输出，某些“晚期”的蛋白质修饰也发生在TGN中二、 高尔基体的功能2蛋白质的糖基化及其修饰内质网和高尔基体中所有与糖基化及寡糖的加工有关的酶都是整合膜蛋白。它们固定在细胞的不同间隔中，其活性部位均位于内质网或高尔基体的腔面。寡糖链的合成与加工非常像在一条装配流水线上，糖蛋白从细胞器的一个间隔输送到另一个间隔，固定在间隔内壁上的一套排列有序的酶系，

49、依次进行一道道加工，前一个反应的产物又作为下一个反应的底物，确保只有加工过的底物才能进入下一道工序。 3蛋白酶的水解和其他加工过程不同的多肽采用不同的加工方式，推测其原因是：有些多肽分子太小，在核糖体上难以有效地合成，如仅由5个氨基酸残基组成的神经肽；有些可能缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号；更重要的是可以有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用第四节 溶酶体与过氧化物酶体溶酶体(1ysosome)是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。其主要功能是进行细胞内的消化作用。一、溶酶体的结构类型大致可分为初级溶酶体(primary lysosome)、次级溶酶(secondaryl

50、ysosome)和残余体(residualbody)。溶酶体膜在成分上也与其他生物膜不同：嵌有质子泵，借助水解ATP释放出的能量将H+泵人溶酶体内，使溶酶体中的H浓度比细胞质中高100倍以上，以形成和维持酸性的内环境；具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运；膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。二、溶酶体的功能 1 清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞 2防御功能3其他重要的生理功能四、溶酶体与过氧化物酶体2过氧化物酶体的功能 过氧化物酶体中常含有两种酶：一是依赖于黄素(FAD)的氧化酶，其作用是将底物氧化形成H202；二是过氧化氢酶，它的作用是将H202分解，

51、形成水和氧气。由这两种酶催化的反应，相互偶联，从而可使细胞免受H202的毒害。一、信号假说与蛋白质分选信号信号假说(signal hypothesis)，即分泌性蛋白N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。蛋白质首先在细胞质基质游离核糖体上起始合成，当多肽链延伸至80个氨基酸左右后，N端的信号序列与信号识别颗粒结合，使肽链延伸暂时停止，并防止新生肽N端损伤和成熟前折叠，直至信号识别颗粒与内质网膜上的停泊蛋白 (SRP受体)结合，核糖体与内质网膜的易位子(translocon)结合。此后，信号识别颗粒脱离了信号序列和核糖体，返回细胞质基质中重复使用，肽

52、链又开始延伸。以环化构象存在的信号肽与易位子组分结合使孔道打开，信号肽穿入内质网膜，引导肽链以袢环的形式进入内质网腔中，这是一个需GTP的耗能过程。与此同时，腔面上的信号肽酶切除信号肽。肽链继续延伸直至完成整个多肽链的合成。引导肽链穿过内质网膜的信号肽可以看作为开始转移序列(start transfer sequence)。肽链中还可能有某些序列与内质网膜有很强的亲和力而结合在脂双层之中，这段序列不再转入内质网腔中，称为停止转移序列(stop transfer sequence)。如果一种多肽只有N端信号序列而没有停止转移序列，那么这种多肽合成后一般进入内质网腔中；如果一种多肽的停止转移序列位

53、于分子的中部，那么这种多肽最终会成为跨膜蛋白。含有多个起始转移序列和多个停止转移序列的多肽将成为多次跨膜的膜蛋白。这种肽链边合成边转移至内质网腔中的方式称共转移线粒体、叶绿体中绝大多数蛋白质以及过氧化物酶体中的蛋白质也是在某种信号序列的指导下进入这些细胞器中。有人称之为导肽或前导肽(1eaderpeptide)，其基本的特征是蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中，因此称后转移(posttranslocation)。二、蛋白质分选的基本途径与类型如果从蛋白质分选的类型或机制的角度看，可分为四种基本类型： 1 蛋白质的跨膜转运(transmembranetransport) 2膜泡运输

54、(vesiculartransport) 3选择性的门控转运(gatedtransport)4细胞质基质中的蛋白质的转运三、膜泡运输目前发现三种不同类型的有被小泡具有不同的物质运输作用。 1网格蛋白有被小泡A 负责蛋白质从高尔基体TGN向质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输。B 在受体介导的细胞内吞途径中负责将物质从质膜运往细胞质，C 从胞内体到溶酶体的运输。 2. COP有被小泡 负责从内质网到高尔基体的物质运输。COP有被小泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。 3COPI有被小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白(escaped proteins)返回内质网。四、细胞结构体系的装配生物大分子的装配

55、方式大体可分为自我装配(self-assembly)、协助装配(aid ed-assembly)和直接装配(direct-assembly)以及更为复杂的细胞结构及结构体系之间的装配。装配具有重要的生物学意义： 1减少和校正蛋白质合成中出现的错误 在装配过程中装配校正机制可排除畸形的亚单位。 2可大大减少所需的遗传物质信息量 3通过装配与去装配更容易调节与控制多种生物学过程 第七章细胞的能量转换-线粒体和叶绿体一、 线粒体的形态结构 (二)线粒体的超微结构线粒体是由两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构。主要由外膜(outer membrane)、内膜(inner membrane)、膜间隙(intermembrane space)及基质(matrix)或内室(inner chamber)4部分组成。1外膜相对分子质量为10X103以下的小分子物质均可通过小孔进入膜间隙。2内膜内膜对物质的通透性很低，能严格地控制分子和离子通过，这种“不透性”在ATP的生成过程中起重要作用。二、 线粒体的化学组成及酶的定位 (二)线粒体酶的定位(一)氧化磷酸化的分子结构基础2 ATP合成酶(ATPsynthetase)或FlFoATP酶(或HATP酶)位于线粒体内膜上，是生物体进行能量转换的核心酶。参与氧化磷酸化，催化合成ATP。 (二)氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说的主要内容是：呼吸链的