細(xì)胞生物學(xué) 2真核細(xì)胞主要細(xì)胞器和細(xì)胞骨架

真核細(xì)胞主要的細(xì)胞器

及細(xì)胞骨架第二部分內(nèi)容提要線粒體、葉綠體細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體等細(xì)胞核細(xì)胞骨架一、線粒體和葉綠體都是能量轉(zhuǎn)換器，高效生成ATP。雙層膜結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)膜在能量轉(zhuǎn)換中起主要作用。都具有環(huán)狀DNA以及自身的轉(zhuǎn)錄、翻譯體系。（一）形態(tài)、結(jié)構(gòu)和分布線粒體的大小和數(shù)量反映了細(xì)胞的能量需求圖：細(xì)胞內(nèi)線粒體和微管分布的關(guān)系至少在酵母和培養(yǎng)的哺乳動物細(xì)胞中，線粒體不是以分散的、單個形式存在，是形成高度分支的、相互連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。（a）相差顯微鏡下的成纖維細(xì)胞，可見線粒體是深色的小體，呈現(xiàn)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。（b）線粒體縱向切片的透射電鏡顯微照片，展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其是內(nèi)膜折疊形成嵴。（c）線粒體定位在精子的中段，它們圍繞著鞭毛的近軸部分。精子運(yùn)動所需的ATP由這些線粒體提供。線粒體的結(jié)構(gòu)（a）浸軟的線粒體的掃描電鏡照片，顯示被線粒體內(nèi)膜折疊所圍繞的內(nèi)部基質(zhì)。（b）線粒體的三維重建結(jié)構(gòu)圖在重建圖中，外圍的線粒體內(nèi)膜以藍(lán)色表示，而穿入基質(zhì)形成嵴的內(nèi)膜則用黃色表示。（c）線粒體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模式圖線粒體的分布除了成熟的紅細(xì)胞，線粒體普遍存在于真核細(xì)胞在多數(shù)細(xì)胞中，線粒體均勻分布在整個細(xì)胞質(zhì)中，但在某些些細(xì)胞中，線粒體的分布是不均一的，有時(shí)線粒體聚集在細(xì)胞質(zhì)的邊緣。在細(xì)胞質(zhì)中，線粒體常常集中在代謝活躍的區(qū)域，因?yàn)檫@些區(qū)域需要較多的ATP，如肌細(xì)胞中有很多線粒體。另外，在精細(xì)胞、鞭毛、纖毛和腎小管細(xì)胞的基部都是線粒體分布較多的地方。線粒體除了較多分布在需要ATP的區(qū)域外，也較為集中的分布在有較多氧化反應(yīng)底物的區(qū)域，如脂肪滴，因?yàn)橹镜沃杏性S多要被氧化的脂肪。在光照下合成葉綠素，前質(zhì)體發(fā)育成葉綠體?；|(zhì)類囊體又稱基質(zhì)片層，伸展在基質(zhì)中彼此不重疊；基粒類囊體或稱基粒片層，可自身或與基質(zhì)類囊體重疊，組成基粒。菠菜葉綠體切片的電鏡照片示類囊體（二）線粒體和葉綠體是半自主性細(xì)胞器細(xì)胞器DNA的大小類似病毒DNA。線粒體和葉綠體具有自身的遺傳系統(tǒng)mtDNA編碼的基因包括rRNAs,tRNAs和一些線粒體蛋白。Theorganizationoftheliverwort(地錢)Chlgenome線粒體和葉綠體對核遺傳系統(tǒng)的依賴參與構(gòu)成線粒體和葉綠體的蛋白都有上千種，而這兩種細(xì)胞器DNA編碼并在細(xì)胞器內(nèi)部合成的蛋白數(shù)量和種類非常有限。絕大部分的蛋白質(zhì)是由核基因編碼的，在細(xì)胞質(zhì)核糖體上合成后，再轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞器中。線粒體和葉綠體的生長和增殖受到核基因組和自身基因組兩套遺傳系統(tǒng)的控制，前者的作用更為重要。線粒體膜上的三種蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)通道TOM,TIM和

OXA復(fù)合物是多亞基的膜蛋白，負(fù)責(zé)催化蛋白的跨線粒體膜的轉(zhuǎn)運(yùn)。TOM分布在線粒體的外膜，負(fù)責(zé)蛋白跨越外膜。TIM

(TIM23和

TIM22)分布在內(nèi)膜上，負(fù)責(zé)蛋白跨越內(nèi)膜。OXA分布在內(nèi)膜上，

負(fù)責(zé)將在線粒體內(nèi)合成的蛋白插入到內(nèi)膜上，也幫助TOM和TIM將一些蛋白送至線粒體基質(zhì)中。蛋白質(zhì)向線粒體的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)N-端的信號序列被TOM的受體識別，蛋白在特定的位點(diǎn)跨越線粒體的兩層膜。線粒體前體蛋白在胞質(zhì)中合成后，通過與胞質(zhì)中的hsp70分子伴侶的相互作用保持未折疊的狀態(tài)。ATP水解和H+梯度驅(qū)動了蛋白運(yùn)輸?shù)骄€粒體中。運(yùn)輸?shù)絻?nèi)膜和膜間隙的蛋白要求2個信號序列。2個信號序列指導(dǎo)蛋白定位到類囊體的膜上。TranslocationintothylakoidspaceorthylakoidMcanoccurbyanyoneofatleastfourroutes.（三）、線粒體和葉綠體的增殖和起源細(xì)胞器的生長和分裂決定了細(xì)胞中線粒體和質(zhì)體的數(shù)量。Mitfissionandfusion(adividingMitinalivercell);DividingorBuddingofMit.Chloroplasts:dividingandformationofchloroplastsfromproplastidsbeginsbythelight-inducedbuddingoftheinnermembrane.線粒體和葉綠體的起源通過比對多種細(xì)菌的rRNA序列，推測：線粒體是由紫細(xì)菌進(jìn)化而來；葉綠體是由藍(lán)細(xì)菌進(jìn)化而來。

線粒體和過氧化物酶體有一些共同特征：兩者都是通過預(yù)先存在的細(xì)胞器分裂而增殖的；兩者都從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中輸入預(yù)生成的蛋白質(zhì)；兩者都能進(jìn)行類似的氧化代謝。在一些哺乳動物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它們都存在一種酶—丙氨酸/乙醛酸氨基轉(zhuǎn)移酶。過氧化物酶體

通過蔗糖密度梯度離心分離到的純化的過氧化物酶體的電鏡照片，內(nèi)部通常含有致密的氧化酶晶體核心。

過氧化物酶體是過氧化氫（H2O2）合成和降解的場所，通過兩步反應(yīng)催化。過氧化物酶體（也稱微體）是一種多功能細(xì)胞器，含有50多種酶。這些酶涉及各種不同的活性。過氧化物酶體也存在于植物中，植物幼苗中含有一種獨(dú)特的過氧化物酶體——乙醛酸循環(huán)體。植物幼苗依靠儲存的脂肪酸提供能量和原料，以形成新的植株。植物幼苗中的乙醛酸循環(huán)體的定位（通過對過氧化氫酶的細(xì)胞化學(xué)染色而顯現(xiàn)）。棉花種子中子葉切片的光鏡照片。由線粒體或過氧化物酶體功能異常引起的疾病

線粒體病可由核基因缺陷或線粒體基因缺陷造成，因此這類疾病可有多種遺傳模式，如母系遺傳、孟德爾遺傳，或者兩者均有。更多的線粒體病是由線粒體DNA(mtDNA)的突變引起的。線粒體DNA沒有防止損傷的DNA修復(fù)系統(tǒng)，容易受到高水平的致突變的氧自由基的影響。如：帕金森?。≒D）。許多遺傳病的特征是單一的過氧化物酶缺乏，如：腎上腺腦白質(zhì)病變（ALD）。此病是由于缺乏一種膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，致使不能將極長鏈脂肪酸（VLCFA）轉(zhuǎn)運(yùn)到過氧化物酶體中進(jìn)行正常代謝。由于缺乏這種膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，VLCFA在腦部中積累并破壞髓鞘，引起腎上腺機(jī)能不全和神經(jīng)功能異常。二、細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)指在結(jié)構(gòu)、功能乃至發(fā)生上相互關(guān)聯(lián)、有膜包被的細(xì)胞器或細(xì)胞結(jié)構(gòu)主要包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、胞內(nèi)體和分泌泡。細(xì)胞質(zhì)中其他幾個膜性細(xì)胞器—線粒體、過氧化物酶體和葉綠體不是內(nèi)膜系統(tǒng)的部分。合成、分泌和內(nèi)吞途徑將內(nèi)膜系統(tǒng)統(tǒng)一為一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)（一）、研究細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)的技術(shù)1放射自顯影技術(shù)：通過標(biāo)記大分子的前體來示蹤大分子代謝的過程，分析它們不同時(shí)期在不同組織、細(xì)胞或細(xì)胞器中被攝取、轉(zhuǎn)運(yùn)、貯存及排出的動態(tài)變化，從而在不破壞組織和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的情況下了解細(xì)胞、組織和器官的代謝狀態(tài)。2.綠色熒光蛋白的應(yīng)用將編碼GFP的DNA與編碼所研究蛋白的DNA融合，得到的嵌合DNA導(dǎo)入能在顯微鏡下觀察的細(xì)胞。嵌合DNA一旦進(jìn)入細(xì)胞，所表達(dá)的嵌合蛋白含有融合于所研究蛋白末端的GFP。3.亞細(xì)胞組分的生化分析細(xì)胞勻漿后獲得的微粒體可以看做內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的模型4.遺傳突變體的研究篩選細(xì)胞質(zhì)膜上蛋白質(zhì)表現(xiàn)出異常分布的酵母突變體細(xì)胞，研究蛋白合成后的轉(zhuǎn)運(yùn)。（二）、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)1類型和分布：粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（rER）多由板層狀排列的扁平囊構(gòu)成；

在分泌蛋白質(zhì)旺盛及大量合成膜的細(xì)胞中豐富，而在未分化或者分化程度低的細(xì)胞中含量少。光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（sER）多為管狀或泡狀，在合成類固醇激素、脂類代謝旺盛的細(xì)胞中含量豐富。2內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能（1）粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能主要功能是進(jìn)行外輸性蛋白質(zhì)的合成、修飾加工、分選和轉(zhuǎn)運(yùn)。主要合成的蛋白質(zhì)包括分泌性蛋白、膜整合蛋白、可溶性駐留蛋白。一些蛋白是在剛起始合成不久轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，繼續(xù)蛋白的合成。在rER上，多肽鏈邊合成邊進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，主要是：分泌蛋白膜整合蛋白內(nèi)膜系統(tǒng)細(xì)胞器中的可溶性駐留蛋白：這類蛋白需要和其他細(xì)胞組分嚴(yán)格隔離，或者合成后需要進(jìn)行修飾和加工。

在“游離”核糖體上合成的蛋白

細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的駐留蛋白質(zhì)膜外周蛋白核輸入蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體、葉綠體和過氧物酶體的蛋白（2）sER的主要功能是脂類合成的重要場所。合成細(xì)胞所需的幾乎全部的膜脂。包括磷脂和膽固醇，其中最主要的是磷脂酰膽堿（卵磷脂）。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上合成的磷脂迅速轉(zhuǎn)向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面，可能和磷脂轉(zhuǎn)位因子（轉(zhuǎn)位酶）有關(guān)。磷脂的轉(zhuǎn)運(yùn)方式：出芽或磷脂轉(zhuǎn)換蛋白（PEP）的協(xié)助

（３）在rER腔內(nèi)進(jìn)行蛋白質(zhì)的修飾和加工。

進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的蛋白質(zhì)發(fā)生的主要化學(xué)修飾有糖基化、羥基化、酰基化和二硫鍵的形成。糖基化伴隨多肽的合成同時(shí)進(jìn)行，是最為常見的修飾方式，發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面。糖基化是在糖基轉(zhuǎn)移酶的催化下，由磷酸多萜醇將寡糖基轉(zhuǎn)移到有關(guān)的氨基酸上。糖基化的方式：(1)N-連接的糖基化（內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中）

N-乙酰葡萄糖胺寡糖基轉(zhuǎn)移到Asn殘基上(2)O-連接的糖基化（主要在高爾基體中）

N-乙酰半乳糖胺寡糖基轉(zhuǎn)移到Ser,Thr殘基或者Hylys/Hypro上。（４）新生多肽的折疊和組裝蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的停留時(shí)間很大程度上取決于蛋白正確折疊所需的時(shí)間?；坞逆溁蛭囱b配的蛋白亞基，一般不能進(jìn)入高爾基體中，在被識別后，通過轉(zhuǎn)位子Sec61p復(fù)合體從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔轉(zhuǎn)至細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，被蛋白酶體降解。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜腔面上有蛋白二硫鍵異構(gòu)酶，幫助和促進(jìn)蛋白正確折疊。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中有結(jié)合蛋白（bindingprotein,Bip，chaperone

），屬于Hsp70家族的成員，可以識別異常折疊的或未裝配好的蛋白亞基，并促進(jìn)它們重新的折疊和裝配。蛋白N-連接的糖基化與新生蛋白的質(zhì)量控制質(zhì)量控制可以保證錯誤折疊的蛋白不會離開內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中含有：Bip和calnexin(分子伴侶):識別并結(jié)合未折疊的或者錯誤折疊的蛋白，使其恢復(fù)正確構(gòu)象。蛋白二硫鍵異構(gòu)酶(PDI);糖基轉(zhuǎn)移酶（GT）：識別未折疊或錯誤折疊的蛋白，為寡糖鏈末端添加一個葡萄糖。蛋白二硫鍵異構(gòu)酶和Bip蛋白都含有4肽信號，保證它們滯留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，并維持較高的濃度。

Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL)His--Asp-Glu-Leu-COO-(HDEL)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的其他功能sER具有解毒的功能，如肝細(xì)胞的sER中含有一些酶，可以清除脂溶性的廢物和代謝產(chǎn)生的有害物質(zhì)。含合成制造膽固醇并進(jìn)一步產(chǎn)生固醇類激素的一系列酶，如睪丸間質(zhì)細(xì)胞。具有儲存Ca2+的功能，如在肌質(zhì)網(wǎng)膜上存在Ca2+-ATP酶，將泵入腔中。存在IP3受體，可能和信息傳遞有關(guān)。為細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中多種蛋白提供附著位點(diǎn)。（三）高爾基體是細(xì)胞內(nèi)大分子運(yùn)輸?shù)囊粋€主要的交通樞紐以及細(xì)胞內(nèi)糖類合成的工廠。１．高爾基體和細(xì)胞分泌活動除了分泌蛋白外，多種膜蛋白、溶酶體中酸性水解酶、膠原纖維等胞外基質(zhì)成分通過高爾基體完成定向轉(zhuǎn)運(yùn)。蛋白質(zhì)在高爾基體中分選及其轉(zhuǎn)運(yùn)的信息僅存在于編碼這個蛋白質(zhì)的基因的本身。

溶酶體酶的分選溶酶體酶具有一個共同的標(biāo)志：６-磷酸甘露糖（M6P),通過和高爾基體反面囊膜上結(jié)合的M6P受體的作用，使溶酶體的酶和其他蛋白質(zhì)分離并起到了局部濃縮的作用。M6P作為溶酶體酶分選標(biāo)記的發(fā)現(xiàn)I-celldisease(I細(xì)胞疾病)是一種罕見致命的遺傳病，患者的許多細(xì)胞的溶酶體充滿了未被降解的物質(zhì)。將患者的成纖維細(xì)胞體外培養(yǎng)研究，發(fā)現(xiàn)溶酶體酶的合成水平正常，但是分泌到培養(yǎng)基中，而非靶向到溶酶體中。分泌的酶缺少正常細(xì)胞中這些酶具有的M6P殘基。催化M6P生成的酶N-乙酰葡萄糖胺磷酸轉(zhuǎn)移酶缺失糖鏈在多數(shù)蛋白質(zhì)的分選中并不起決定性的作用,在肝細(xì)胞中溶酶體酶還存在不依賴于M6P的另一種分選途徑。２．蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾

rER上合成的大多數(shù)蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中發(fā)生了糖基化，在從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體以及各膜囊之間的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，連接在蛋白側(cè)鏈上的寡糖基會發(fā)生一系列有序的加工和修飾。

糖基化及其意義糖蛋白中的寡糖鏈的合成和加工沒有模板，依靠不同的酶在不同的間隔中經(jīng)歷復(fù)雜的加工過程完成。糖基化有利于高爾基體的分類和包裝，保證了糖蛋白的單向運(yùn)輸，對多數(shù)分選的蛋白質(zhì)來說，糖基化不是蛋白分選的信號。糖基化的主要作用是使蛋白質(zhì)在成熟過程中折疊成正確的構(gòu)象，并增加蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。蛋白質(zhì)糖基化類型

特征

N-連接

O-連接1.合成部位

粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體高爾基體2.合成方式來自同一個寡糖前體一個個單糖加上去3.與之結(jié)合的氨基酸殘基

天冬酰胺絲氨酸、蘇氨酸、羥賴氨酸、羥脯氨酸4.最終長度

至少5個糖殘基一般1～4個糖殘基，但ABO血型抗原較長5.第一個糖殘基

N—乙酰葡萄糖胺N—乙酰半乳糖胺等

ThecorecarbohydrateofN-linkedoligosaccharidesisassembledintherER.ModificationstoN-linkedoligosaccharidesarecompletedintheGolgicomplex.O-linkedoligosaccharidestakesplaceinGolgicomplex.３．蛋白酶的水解和其他加工過程一些多肽在rER中切除信號肽后成為有活性的成熟多肽，如一些生長因子。一些多肽在高爾基體中，在TGN膜結(jié)合的蛋白水解酶的作用下，特異水解成有生物活性的多肽。

（四）溶酶體1形態(tài)結(jié)構(gòu)與類型幾乎存在于所有的動物細(xì)胞中。溶酶體是單層膜圍繞、內(nèi)含多種酸性水解酶類的囊泡狀細(xì)胞器。主要功能是進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)的消化作用。

小鼠脾臟巨噬細(xì)胞中的溶酶體用電鏡細(xì)胞化學(xué)技術(shù)顯示其中含有的酸性磷酸酶，M：線粒體，L：溶酶體

溶酶體膜的特征嵌有質(zhì)子泵，形成和維持溶酶體中酸性的內(nèi)環(huán)境。具有多種載體蛋白用于水解的產(chǎn)物向外轉(zhuǎn)運(yùn)；

膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。

2溶酶體類型(１)初級溶酶體（primarylysosome）(２)次級溶酶體（secondarylysosome）是初級溶酶體和細(xì)胞內(nèi)的吞噬泡、胞飲泡融合形成的復(fù)合體，是進(jìn)行消化作用的溶酶體。分為：

自噬溶酶體（autophagolysosome）異噬溶酶體（phagolysosome）（３）殘余小體（residualbody），又稱后溶酶體。是未被消化的物質(zhì)殘存在溶酶體中形成的結(jié)構(gòu)。通過胞吐方式將內(nèi)容物排出。

Lysosomeisaheterogenous(異質(zhì)性)organellePrimarylysosomesSecondlysosomes

heterophagic

autophagicResidualbodyPrimaryLys.SecondLysMarkerenzyme(標(biāo)志酶):acidphosphatase3溶酶體的功能（1）清除無用的生物大分子、衰老的細(xì)胞器及衰老損傷和死亡的細(xì)胞。真核細(xì)胞通過溶酶體，以降解方式清除暫時(shí)不需要的酶或代謝產(chǎn)物。溶酶體和蛋白酶體共同清除衰老的細(xì)胞器和生物大分子，以及凋亡的細(xì)胞。（２）防御功能是某些細(xì)胞特有的功能，如：病原體感染刺激單核細(xì)胞分化成巨噬細(xì)胞，其中富含溶酶體，以及H2O2、O2-,共同作用殺死細(xì)菌。

作為細(xì)胞內(nèi)的消化“器官”為細(xì)胞提供營養(yǎng)；（３）其它重要的生理功能分泌腺細(xì)胞中，溶酶體攝入分泌顆粒參與分泌過程的調(diào)節(jié)；參與清除贅生組織或退行性變化的細(xì)胞；受精過程中的精子的頂體反應(yīng)。依賴于M6P的分選途徑的效率不高，部分溶酶體酶通過運(yùn)輸小泡直接分泌到細(xì)胞外。還存在不依賴于M6P的分選途徑。

溶酶體的發(fā)生－途徑多樣化溶酶體酶的合成及N-連接的糖基化修飾(rER)

高爾基體cis膜囊寡糖鏈上的甘露糖殘基磷酸化M6PN-乙酰葡萄糖胺磷酸轉(zhuǎn)移酶高爾基體TGN膜（M6P受體）溶酶體酶分選與局部濃縮以出芽的方式轉(zhuǎn)運(yùn)到前溶酶體磷酸葡萄糖苷酶磷酸化識別信號：信號斑溶酶體發(fā)生途徑

（五）細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選

1蛋白質(zhì)的合成：線粒體合成少量蛋白質(zhì)葉綠體細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中核糖體：絕大多數(shù)蛋白合成起始于此，通過定向運(yùn)輸(targetting)或分選到細(xì)胞的特定部位。真核細(xì)胞蛋白質(zhì)的定向運(yùn)輸與信號信號有關(guān)，這些信號序列或者位于蛋白的N端，或者位于C端，或者在蛋白序列的內(nèi)部，是由一些特定的氨基酸組成的。不同的信號序列會被特定的受體識別，從而引導(dǎo)蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)正確的定位。

2.蛋白質(zhì)的分選（proteinsorting）不含有分選信號的蛋白質(zhì)，將保留在細(xì)胞質(zhì)中，包括翻譯機(jī)器、細(xì)胞骨架、代謝相關(guān)的酶、多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子等。蛋白分選的信號序列也可以是一級結(jié)構(gòu)上不連續(xù)的一些片段，在蛋白質(zhì)折疊形成空間構(gòu)象時(shí)，彼此靠近，形成的信號稱為信號斑。

（1）分泌蛋白的分選機(jī)制——信號假說和共轉(zhuǎn)運(yùn)

G．Blobel，1999,NobelPrize

分泌蛋白的N端序列作為信號肽，指導(dǎo)分泌性蛋白到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上合成，蛋白邊合成邊通過易位子進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，在蛋白合成結(jié)束之前，信號肽被切除。信號假說涉及的相關(guān)成分：信號肽：位于蛋白質(zhì)N-端，一般有16－26個氨基酸，似乎專一性不強(qiáng)。信號識別顆粒(SRP）：是RNP復(fù)合物，可以結(jié)合信號肽、核糖體和停泊蛋白。信號識別顆粒的受體（或停泊蛋白，DP）：存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，特異地結(jié)合SRP。實(shí)驗(yàn)證據(jù)：

非細(xì)胞系統(tǒng)中蛋白質(zhì)翻譯過程與SRP、DP和微粒體

實(shí)驗(yàn)組別含編碼信號SRPDP微粒體序列的mRNA結(jié)果

1

+---產(chǎn)生含信號肽的完整多肽2

++--

合成70～100氨基酸殘基后，肽鏈停止延伸3

+++-

產(chǎn)生含信號肽的完整多肽4

++++

信號肽切除，多肽鏈進(jìn)入微粒體中

*“+”和“-”分別代表反應(yīng)混合物中存在（+）或不存在（-）該物質(zhì)。分泌性蛋白的合成分泌蛋白、整合膜蛋白、可溶性駐留蛋白是以共轉(zhuǎn)運(yùn)的方式分選的。線粒體、葉綠體、過氧化物酶體中絕大多數(shù)蛋白的合成和轉(zhuǎn)運(yùn)方式，蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成以后再轉(zhuǎn)移到這些細(xì)胞器中。蛋白的N－端具有導(dǎo)肽，被相應(yīng)細(xì)胞器膜上受體識別，在完成引導(dǎo)蛋白正確定位后被切除。后轉(zhuǎn)運(yùn)中，蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移過程需要ATP使多肽去折疊，還需要一些蛋白質(zhì)的幫助（如熱休克蛋白Hsp70）使其能夠正確地折疊成有功能的蛋白。（2）后轉(zhuǎn)運(yùn)：蛋白分選的基本途徑：共轉(zhuǎn)運(yùn)：分泌蛋白、細(xì)胞膜、溶酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體蛋白后轉(zhuǎn)運(yùn)：主要是線粒體、葉綠體、過氧化物酶體、細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)定位的蛋白3蛋白分選的類型（1）跨膜運(yùn)輸（transmembranetransport）

主要指在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體、質(zhì)體、過氧化物酶體等細(xì)胞器。有信號序列的引導(dǎo)；以單鏈或去折疊的形式穿過細(xì)胞器膜上的通道；有分子伴侶協(xié)助完成；（2）膜泡運(yùn)輸（vesiculartransport）蛋白質(zhì)通過不同類型的轉(zhuǎn)運(yùn)小泡從rER轉(zhuǎn)運(yùn)到高爾基體，進(jìn)而分選到細(xì)胞的不同部位。以出芽方式形成膜泡，包裹蛋白進(jìn)行運(yùn)輸，膜泡最終和靶膜融合，將蛋白運(yùn)送到特定位置；有三種不同的膜泡分別進(jìn)行運(yùn)送；只運(yùn)送正確折疊和組裝好的蛋白質(zhì)；在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，被轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或脂類物質(zhì)的方向不發(fā)生變化。

和膜泡運(yùn)輸有關(guān)的有被小泡：網(wǎng)格蛋白有被小泡：

負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)從高爾基體TGN向質(zhì)膜、胞內(nèi)體或溶酶體和植物液泡的運(yùn)輸；受體介導(dǎo)的內(nèi)吞途徑

COPI有被小泡：

負(fù)責(zé)回收、轉(zhuǎn)運(yùn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)逃逸蛋白。

COPII有被小泡：

負(fù)責(zé)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向高爾基體的物質(zhì)運(yùn)輸。

膜泡運(yùn)輸特點(diǎn)：

(1)消耗能量（屬于主動運(yùn)輸）

(2)可以同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)≥1種的大分子和顆粒物質(zhì)，也有稱之為批量運(yùn)輸（bulktransport)膜泡轉(zhuǎn)運(yùn)有兩種途經(jīng)：胞吞途經(jīng)（endocyticpathway）胞吐途經(jīng)（exocyticpathway）胞吞作用胞飲作用可以連續(xù)攝入溶液和分子，是組成型過程；吞噬作用有被吞噬物和細(xì)胞表面受體的結(jié)合和激活過程，是一個信號觸發(fā)過程。胞吞泡的形成機(jī)制不同，胞飲泡的形成需要網(wǎng)格蛋白、接合素蛋白等幫助，吞噬泡的形成需要微絲及其結(jié)合蛋白的幫助。受體介導(dǎo)的胞吞作用是大多數(shù)動物細(xì)胞通過網(wǎng)格蛋白有被小泡，從胞外攝取特定大分子的有效途徑。吞噬作用網(wǎng)格蛋白(clathrin)、接合素(adaptin)在有被小泡形成中的關(guān)系接合素蛋白既可以結(jié)合網(wǎng)格蛋白，也能識別跨膜受體胞質(zhì)面的尾部肽信號。dynamin蛋白在網(wǎng)格蛋白有被小泡形成中的作用

受體介導(dǎo)的胞吞過程中，不同受體的具有不同的胞內(nèi)體分選途徑：（1）循環(huán)到質(zhì)膜再利用，如LDL受體（2）進(jìn)入溶酶體被消化，如EGF受體（3）運(yùn)輸?shù)劫|(zhì)膜不同的結(jié)構(gòu)域，也叫做跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)（transcytosis），是在有極性的細(xì)胞中，將胞吞和胞吐結(jié)合的物質(zhì)跨膜運(yùn)輸。如母鼠的抗體經(jīng)乳汁被乳鼠攝取。胞吐途徑組成型胞吐途徑質(zhì)膜更新、胞外基質(zhì)成分的運(yùn)送、營養(yǎng)成分和信號分子的擴(kuò)散調(diào)節(jié)型胞吐途徑特化的分泌細(xì)胞的分泌物，包括激素、粘液或消化酶等。膜泡運(yùn)輸胞吞胞吐吞噬胞飲受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用組成型胞吐調(diào)節(jié)型胞吐（3）門控運(yùn)輸（gatedtransport）指在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)通過核孔復(fù)合體選擇性地從細(xì)胞核進(jìn)出。

通過核孔的運(yùn)輸；蛋白含有核定位信號；運(yùn)送的是已經(jīng)折疊或組裝好的蛋白。（4）細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)

與細(xì)胞骨架關(guān)系密切，機(jī)理尚不清楚。三、細(xì)胞核細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和功能染色質(zhì)

DNA

蛋白質(zhì)核仁細(xì)胞核是真核細(xì)胞內(nèi)最大、最重要的細(xì)胞器，是細(xì)胞遺傳與代謝的調(diào)控中心。

細(xì)胞核的組成：核被膜染色質(zhì)核仁核骨架（一）核被膜●位于間期細(xì)胞核的最外層，是細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間的界膜。外核膜：附有核糖體顆粒內(nèi)核膜:含特有的蛋白成份，如核纖層蛋白B受體核纖層：在內(nèi)層核膜下，由纖維蛋白構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與胞質(zhì)中間絲、核骨架有密切的聯(lián)系。核孔復(fù)合體:是內(nèi)外層核膜互相融合成的環(huán)狀開口。核被膜構(gòu)成核、質(zhì)之間的天然選擇性屏障。（1）避免生命活動的彼此干擾（2）保護(hù)DNA免受細(xì)胞骨架運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械力的損傷通過核孔復(fù)合體，調(diào)控核質(zhì)之間的物質(zhì)交換與信息交流。核被膜的解體與重建的動態(tài)變化受細(xì)胞周期調(diào)控因子的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)作用可能與核纖層蛋白、核孔復(fù)合體蛋白的磷酸化與去磷酸化修飾有關(guān)。末期前期（二）核孔復(fù)合體在真核細(xì)胞普遍存在的結(jié)構(gòu)，其數(shù)量、分布密度和分布形式隨細(xì)胞類型、細(xì)胞核功能狀態(tài)有很大的差別。一般轉(zhuǎn)錄功能活躍的細(xì)胞，數(shù)量較多。

經(jīng)典方法樹脂包埋超薄切片技術(shù)負(fù)染色技術(shù)冷凍蝕刻技術(shù)

HR-FESEM技術(shù)快速冷凍－冷凍干燥制樣技術(shù)胞質(zhì)面核質(zhì)面電鏡相關(guān)技術(shù)是研究核孔復(fù)合體的經(jīng)典方法胞質(zhì)環(huán)；核質(zhì)環(huán)；輻；中央栓核孔復(fù)合體的功能

特殊的跨膜運(yùn)輸?shù)鞍讖?fù)合體，并且是一個雙功能、雙向性核質(zhì)交換的親水通道。雙功能：被動擴(kuò)散主動運(yùn)輸雙向性：蛋白質(zhì)的入核

RNA、RNP的出核

通過核孔的雙向運(yùn)輸通過注射不同大小的膠體金顆粒，電鏡觀察。被動運(yùn)輸?shù)臈l件：直徑10nm以下；分子量小于60kd的球蛋白通過核孔復(fù)合體的主動運(yùn)輸?shù)倪x擇性表現(xiàn)在以下三個方面：

對運(yùn)輸顆粒大小的限制：有效功能直徑大于被動運(yùn)輸，甚至可達(dá)26nm，如RNP顆粒出核。

主動運(yùn)輸是一個信號識別與載體介導(dǎo)的過程，需要消耗能量，并表現(xiàn)出飽和動力學(xué)特征.

主動運(yùn)輸具有雙向性親核蛋白入核機(jī)制和核定位信號

親核蛋白是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成后，需要或能夠進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮功能的一類蛋白質(zhì)。如：組蛋白、核纖層蛋白以及一些在核質(zhì)之間穿梭的蛋白。NLS是存在于親核蛋白內(nèi)的一些短的氨基酸序列片段，富含堿性氨基酸殘基。核定位信號

(NLS)

NLS的氨基酸殘基片段可以是一段連續(xù)的序列（T抗原），也可以分成兩段，兩段之間間隔約10個氨基酸殘基（核質(zhì)蛋白）。NLS序列可存在于親核蛋白的不同部位，在指導(dǎo)完成核輸入后并不被切除。NLS只是親核蛋白入核的一個必要條件而非充分條件。Normalpyruvate

kinase:incytosolChimeric

pyruvate

kinasecontainingSV40NLS:innucleus核輸出

轉(zhuǎn)錄后的RNA通常需加工、修飾成為成熟的RNA分子后才能被轉(zhuǎn)運(yùn)出核。參與該過程的特殊蛋白因子中含有出核信號－核輸出信號。

RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄的rRNA分子：以RNP的形式離開細(xì)胞核，需要能量；

RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄的5srRNA與tRNA的核輸出由蛋白質(zhì)介導(dǎo)；RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄的hnRNA，在核內(nèi)進(jìn)行5’端加帽和3’端附加多聚A序列以及剪接等加工過程，然后形成成熟的mRNA出核。（三）、染色質(zhì)◆指間期細(xì)胞核內(nèi)由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成的線性復(fù)合結(jié)構(gòu),是間期細(xì)胞遺傳物質(zhì)存在的形式。其中DNA、組蛋白是染色質(zhì)的穩(wěn)定成分。在有絲分裂或減數(shù)分裂過程中,由聚縮形成染色體。

染色質(zhì)與染色體是在細(xì)胞周期不同的功能階段可以相互轉(zhuǎn)變的的形態(tài)結(jié)構(gòu)

染色質(zhì)與染色體具有基本相同的化學(xué)組成，但包裝程度不同,

構(gòu)象不同。1.染色質(zhì)DNA

（1）基因組：在真核細(xì)胞中，每條未復(fù)制的染色體包含一條DNA分子，一個生物貯存在單倍染色體組中的總遺傳信息，稱為該生物的基因組，在遺傳學(xué)上叫做C值。

基因組大小通常隨物種的復(fù)雜性而增加，但是不絕對，如：C值矛盾。

物種 基因組大小平均基因長（bp）基因數(shù)目大腸桿菌4.2×106bp，1.2Kb 約2350酵母1.3×107bp1.4Kb約6100果蠅1.4×108bp11.3Kb約8750

人3×109bp16.3Kb約2-3萬

C值與C值矛盾（2）染色質(zhì)DNA的類型：按序列在基因組中的拷貝數(shù)劃分：

非重復(fù)序列（單拷貝序列）：拷貝數(shù)1－5

中度重復(fù)序列：拷貝數(shù)102－105

高度重復(fù)序列：拷貝數(shù)105以上

按照序列的功能分：蛋白質(zhì)編碼序列可編碼的中度重復(fù)序列重復(fù)序列DNA：不編碼的中度重復(fù)序列高度重復(fù)序列間隔DNA蛋白質(zhì)編碼序列：所占比例隨生物復(fù)雜程度的不同而異。主要是非重復(fù)的單一DNA序列。串聯(lián)重復(fù)序列可編碼的中度重復(fù)序列

編碼產(chǎn)物包括tRNA，rRNA，snRNA和組蛋白。不編碼的中度重復(fù)序列DNA：

DNA轉(zhuǎn)座子假基因

LTR反轉(zhuǎn)座子非LTR反轉(zhuǎn)座子短散在元件長散在元件高度重復(fù)序列DNA衛(wèi)星DNA：

重復(fù)單位5－100bp,主要分布在著絲粒部位小衛(wèi)星DNA：

重復(fù)單位12－100bp,常用于DNA指紋分析

微衛(wèi)星DNA

：

重復(fù)單位1－5bp,用于遺傳圖譜構(gòu)建和個體鑒定2.染色質(zhì)蛋白負(fù)責(zé)DNA分子遺傳信息的組織、復(fù)制和閱讀分類：組蛋白：與DNA非特異性結(jié)合非組蛋白：與特定的DNA序列或組蛋白結(jié)合

（1）組蛋白：真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白，富含帶正電荷的Arg和Lys等堿性氨基酸，屬堿性蛋白質(zhì)，可以和酸性的DNA緊密結(jié)合（非特異性結(jié)合）。聚丙烯酰胺凝膠電泳（PAGE）可以區(qū)分出5種不同的組蛋白：H1，H2A，H2B，H3，H4。在功能上則分成兩組。①核小體組蛋白：

H2B、H2A、H3和H4,幫助DNA卷曲形成核小體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。沒有種屬及組織特異性，在進(jìn)化上十分保守；②H1組蛋白：在構(gòu)成核小體時(shí)，起連接作用,它賦予染色質(zhì)以極性。有一定的種屬及組織特異性，保守性低于核小體組蛋白。（2）非組蛋白：

主要指和特異DNA序列結(jié)合的蛋白，又稱序列特異性DNA結(jié)合蛋白，可以通過凝膠阻滯實(shí)驗(yàn)檢測。非組蛋白具有多樣性，代謝周轉(zhuǎn)快，包括核酸代謝和修飾的酶類，骨架蛋白，基因表達(dá)的調(diào)控蛋白等。識別DNA具有特異性識別信息來自于DNA序列自身，識別位點(diǎn)在DNA雙螺旋的大溝部分。具有多種功能，包括基因表達(dá)的調(diào)控和染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的形成。

非組蛋白的結(jié)構(gòu)模式

α螺旋-轉(zhuǎn)角-α螺旋模式

鋅指模式

亮氨酸拉鏈模式

螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)模式

HMG-盒結(jié)構(gòu)模式

3.核小體核小體是染色質(zhì)包裝的基本結(jié)構(gòu)單位間期細(xì)胞核分離的30nm染色質(zhì)絲串珠結(jié)構(gòu)①鋪展染色質(zhì)的電鏡觀察主要實(shí)驗(yàn)證據(jù)②用非特異性微球菌核酸酶消化染色質(zhì),部分酶解片段檢測結(jié)果由X-射線晶體衍射(2.8A)所揭示的核小體三維結(jié)構(gòu)（引自K.Luger等，1997）③應(yīng)用X射線衍射、中子散射和電鏡三維重建技術(shù)研究染色質(zhì)結(jié)晶顆粒

④SV40微小染色體分析與電鏡觀察

核小體結(jié)構(gòu)要點(diǎn)（1）每個核小體單位包括200bp左右的DNA超螺旋和一個組蛋白八聚體及一個分子H1。（2）組蛋白八聚體構(gòu)成核小體的盤狀核心結(jié)構(gòu)。（3）146bp的DNA分子超螺旋盤繞組蛋白八聚體1.75圈,組蛋白H1在核心顆粒外結(jié)合額外20bpDNA，鎖住核小體DNA的進(jìn)出端，起穩(wěn)定核小體的作用。包括組蛋白H1和166bpDNA的核小體結(jié)構(gòu)又稱染色質(zhì)小體。（4）兩個相鄰核小體之間以連接DNA相連，典型長度60bp，不同物種變化值為0～80bp。

。(5)組蛋白與DNA之間的相互作用主要是結(jié)構(gòu)性的，基本不依賴于核苷酸的特異序列，實(shí)驗(yàn)表明，核小體具有自組裝的性質(zhì)。(6)核小體沿DNA的定位受不同因素的影響，進(jìn)而通過核小體相位改變影響基因表達(dá)。核小體的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)要點(diǎn)示意圖（引自B.Alberts等）在用微球菌核酸酶降解染色質(zhì)時(shí)，反應(yīng)早期可得到166bp的片段，但不穩(wěn)定；進(jìn)一步降解則得到146bp片段，比較穩(wěn)定。推測可能原因是失去H1后，DNA兩端各有10bp的DNA，易被核酸酶作用而降解。4.染色質(zhì)組裝的模型（1）染色質(zhì)包裝的多級螺旋模型

一級結(jié)構(gòu)：核小體(nucleosome)

二級結(jié)構(gòu)：螺線管(solenoid)

三級結(jié)構(gòu)：超螺線管(supersolenoid)

四級結(jié)構(gòu)：染色單體（chromatid）

（2）染色體的骨架－放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型非組蛋白構(gòu)成的染色體骨架和由骨架伸出的無數(shù)的DNA側(cè)環(huán)構(gòu)成。30nm的染色線折疊成環(huán),沿染色體縱軸,由中央向四周伸出,構(gòu)成放射環(huán)。由螺線管形成DNA復(fù)制環(huán),每18個復(fù)制環(huán)呈放射狀平面排列,結(jié)合在核基質(zhì)上形成微帶。微帶是染色體高級結(jié)構(gòu)的單位,大約106個微帶沿縱軸構(gòu)建成子染色體。骨架-放射環(huán)模型的證據(jù)5.常染色質(zhì)和異染色質(zhì)(1)常染色質(zhì)

指間期核內(nèi)染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度低,處于伸展?fàn)顟B(tài)（典型包裝率750倍）,用堿性染料染色時(shí)著色淺的那些染色質(zhì)。主要是單一序列DNA

和中度重復(fù)序列DNA(如組蛋白基因和tRNA基因)

常染色質(zhì)狀態(tài)只是基因轉(zhuǎn)錄的必要條件而非充分條件。

(2)異染色質(zhì)：指間期細(xì)胞核中,折疊壓縮程度高,處于聚縮狀態(tài)的染色質(zhì)組分。

①結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)（或組成型異染色質(zhì)）除復(fù)制期以外，在整個細(xì)胞周期均處于聚縮狀態(tài)，形成多個染色中心。多定位于著絲粒區(qū)、端粒、次縊痕等處；由相對簡單、高度重復(fù)的DNA序列構(gòu)成；具有顯著的遺傳惰性,不轉(zhuǎn)錄也不編碼蛋白質(zhì)；與常染色質(zhì)相比，復(fù)制上表現(xiàn)為晚復(fù)制早聚縮；在功能上參與染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的形成，導(dǎo)致染色質(zhì)區(qū)間性，作為核DNA的轉(zhuǎn)座元件，引起遺傳變異。②兼性異染色質(zhì)在某些細(xì)胞類型或一定的發(fā)育階段,原來的常染色質(zhì)聚縮,并喪失基因轉(zhuǎn)錄活性,變?yōu)楫惾旧|(zhì)，如X染色體隨機(jī)失活。

異染色質(zhì)化可能是關(guān)閉基因活性的一種途徑。6.活性染色質(zhì)和非活性染色質(zhì)活性染色質(zhì)具有DNaseI超敏感位點(diǎn)。DNaseI超敏感位點(diǎn)的是染色質(zhì)上無核小體的DNA區(qū)段，通常位于5‘-啟動子區(qū)，長度幾百bp。DNaseI超敏感位點(diǎn)與啟動子功能有關(guān)，可能為RNA聚合酶、轉(zhuǎn)錄因子、蛋白調(diào)控因子提供結(jié)合位點(diǎn)。腦紅細(xì)胞珠蛋白基因卵清蛋白基因活性染色質(zhì)很少有組蛋白H1與其結(jié)合；活性染色質(zhì)的組蛋白乙?；潭雀?；活性染色質(zhì)的核小體組蛋白H2B很少被磷酸化；活性染色質(zhì)中核小體組蛋白H2A在許多物種很少有變異形式；組蛋白H3的變種H3.3只在活躍轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)中出現(xiàn)；HMG14和HMG17只存在于活性染色質(zhì)中?；钚匀旧|(zhì)在生化上具有特殊性活性染色質(zhì)在組蛋白修飾上的

特異性組蛋白的修飾，包括甲基化、乙?；土姿峄苯佑绊懭旧|(zhì)的活性。乙?；话闶腔钚匀旧|(zhì)的標(biāo)志，而甲基化和磷酸化則在兩類染色質(zhì)中都存在。不同組蛋白或同一個組蛋白在不同氨基酸殘基上的修飾決定了染色質(zhì)所處的狀態(tài)。例如：H3的第四位和第九位Lys的甲基化分別是活性和非活性染色質(zhì)的標(biāo)志。

H3K4:該位點(diǎn)甲基化激活基因轉(zhuǎn)錄

H3K9:該位點(diǎn)甲基化調(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，是異染色質(zhì)的標(biāo)志。組蛋白的修飾的意義：組蛋白的修飾可以改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)，影響轉(zhuǎn)錄活性。組蛋白修飾使核小體的表面發(fā)生改變，使其他的調(diào)控蛋白易于和染色質(zhì)相互接觸，間接影響轉(zhuǎn)錄活性。7.染色體及其功能元件染色體的結(jié)構(gòu)染色體的功能元件以及應(yīng)用特殊染色體染色體的主要結(jié)構(gòu)著絲粒與著絲點(diǎn)（動粒）

次縊痕

核仁組織區(qū)

隨體端粒（1）著絲粒與著絲點(diǎn)(動粒)著絲粒區(qū)也叫主縊痕，是一個高度有序的整合結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)和組成上非均一，至少包括三個結(jié)構(gòu)域。它們的整合功能，確保分裂中染色體和紡錘體整合，發(fā)生有序的染色體分離。動粒結(jié)構(gòu)域：在著絲粒的外表面中央結(jié)構(gòu)域：

著絲粒區(qū)的主體，由串聯(lián)重復(fù)的衛(wèi)星DNA組成。如：有CENP-B盒可與動粒蛋白結(jié)合。配對結(jié)構(gòu)域：

代表中期姐妹染色單體相互作用的位點(diǎn)，如：內(nèi)部著絲粒蛋白INCENP、染色單體連接蛋白和染色體配對有關(guān)。

染色體的復(fù)制和穩(wěn)定遺傳，至少應(yīng)具備以下關(guān)鍵序列（功能元件）:①確保自我復(fù)制的DNA復(fù)制起點(diǎn)(ARS)②使復(fù)制后的染色體能夠平均分配到子細(xì)胞中去的著絲粒(CEN)

③保持染色體獨(dú)立性和穩(wěn)定性的端粒(TEL)

（2）染色體DNA的三種功能元件ARS序列可以有效啟動DNA的復(fù)制由于引物的切除，新合成的DNA分子中的一條鏈末端不完整端粒酶在線性DNA復(fù)制末端完整性維持中的作用

端粒酶（telomerase）：具有逆轉(zhuǎn)錄酶的功能，以RNA為模板，將合成的端粒序列加到染色體的３‘端。在生殖細(xì)胞和部分干細(xì)胞中有端粒酶活性，端粒重復(fù)序列的長度與細(xì)胞分裂次數(shù)和細(xì)胞衰老有關(guān)。人工染色體的構(gòu)建和應(yīng)用（3）巨大染色體在某些生物的細(xì)胞中，特別是在發(fā)育的某些階段，可以觀察到一些特殊的、體積很大的染色體，叫做巨大染色體（giantchromosome）。多線染色體（polytenechromosome）燈刷染色體（lampbrushchromosome）

多線染色體

存在于雙翅目昆蟲的幼蟲組織細(xì)胞(如：唾液腺、氣管、腸和馬氏管)、某些植物細(xì)胞（如：胚珠細(xì)胞）來源于核內(nèi)有絲分裂(endomitosis)，即核內(nèi)DNA多次復(fù)制而細(xì)胞不分裂，產(chǎn)生的子染色體并行排列，且體細(xì)胞內(nèi)同源染色體配對，緊密的結(jié)合在一起，從而阻止染色質(zhì)纖維進(jìn)一步的聚縮，從而形成了體積巨大的多線染色體。管家基因位于多線染色體間帶,奢侈基因位于多線染色體帶上

燈刷染色體◆燈刷染色體普遍存在于動物界的卵母細(xì)胞，以兩棲類卵母細(xì)胞最為典型；在植物中也有燈刷染色體的報(bào)道。燈刷染色體是卵母細(xì)胞進(jìn)行減數(shù)分裂的第一次分裂時(shí)，停留在雙線期的染色體，包含４條染色單體。該狀態(tài)在卵母細(xì)胞中可以維持?jǐn)?shù)月或數(shù)年。兩棲類卵母細(xì)胞中的一個燈刷染色體燈刷染色體的形態(tài)和卵子發(fā)生過程中的營養(yǎng)物質(zhì)儲備密切相關(guān)。轉(zhuǎn)錄的RNA３’端借助RNA聚合酶固定在側(cè)環(huán)的染色質(zhì)軸絲上，游離的５’端捕獲大量的蛋白質(zhì)形成RNP，組成了環(huán)周圍的基質(zhì)。燈刷染色體合成的RNA主要是hnRNA，一些類型的mRNA可以翻譯成蛋白，有些mRNA和蛋白結(jié)合，存儲在卵母細(xì)胞中，暫時(shí)不翻譯。（四）、核仁是真核細(xì)胞間期核中最顯著的結(jié)構(gòu)，在有絲分裂中表現(xiàn)出周期性的消失和重建。核仁的大小、形狀和數(shù)目隨生物的種類、細(xì)胞類型和細(xì)胞代謝狀態(tài)而變化。是rRNA合成、加工和核糖體亞單位的裝配場所。1.核仁的超微結(jié)構(gòu)

核仁沒有被膜包裹，通過超薄切片的觀察，可以區(qū)分３種基本的核仁結(jié)構(gòu)組分：纖維中心(FC)

致密纖維組分(DFC)

顆粒組分(GC)

纖維中心：存在著rDNA,RNA聚合酶和結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子,纖維中心是rRNA基因的儲存位點(diǎn)。轉(zhuǎn)錄主要發(fā)生在致密纖維組分和纖維中心的交界處，并加工初始轉(zhuǎn)錄本。此處有特異性結(jié)合的蛋白。

顆粒組分區(qū)是核仁的主要結(jié)構(gòu)，由RNP顆粒構(gòu)成，是正在加工、成熟的核糖體亞單位前體顆粒。顆粒組分區(qū)是核糖體亞單位成熟和儲存的位點(diǎn)。2.核仁的功能

核仁的主要功能涉及核糖體的生物發(fā)生，是一個向量過程：即從核仁纖維組分開始,再向顆粒組分延續(xù)。這一過程包括rRNA的合成、加工和核糖體亞單位的裝配。含有rRNA基因的10個染色體袢環(huán)延伸進(jìn)入并簇集在核仁

編碼rRNA的DNA定位在一個或多個核仁形成的位點(diǎn)利用染色質(zhì)鋪展技術(shù)，觀察到rDNA轉(zhuǎn)錄為rRNA的形態(tài)學(xué)特征：①rDNA基因在染色質(zhì)軸絲上串聯(lián)重復(fù)排列；②沿著轉(zhuǎn)錄的方向，新生的rRNA鏈逐漸增長，形成”圣誕樹”樣結(jié)構(gòu)；③轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的５‘端首先形成RNP顆粒。rRNA基因的轉(zhuǎn)錄rRNA基因的轉(zhuǎn)錄采取受控的級聯(lián)放大機(jī)制①rDNA的組織方式是以5.8SrRNA,18SrRNA,28SrRNA的基因組成一個轉(zhuǎn)錄單位。②在真核細(xì)胞中，隨物種不同，100-5000個rDNA拷貝串聯(lián)成為重復(fù)序列，且成簇分布在少數(shù)染色體的NORs上。③rDNA的轉(zhuǎn)錄是由專一性的RNA聚合酶I進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的。（2）rRNA前體的加工：rDNA轉(zhuǎn)錄單位經(jīng)轉(zhuǎn)錄后產(chǎn)生相同的初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物前體，由于真核生物的rRNA加工過程較為緩慢，通過同位素標(biāo)記，可以分離到前體和多種的加工產(chǎn)物。5SrDNA同樣形成串聯(lián)重復(fù)序列，成簇排列，由RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄，經(jīng)加工后參與核糖體的裝配。rRNA前體的修飾和加工，涉及一系列的核酸降解切割及堿基修飾。小分子核仁RNA(snoRNAs)作為引導(dǎo)RNA參與了RNA的編輯加工過程。（3）核糖體亞單位的組裝

rRNA前體的加工過程是以RNP的方式進(jìn)行的。45SrRNA前體首先和蛋白質(zhì)結(jié)合，包裝成為80S的RNP復(fù)合物，80S的RNP逐漸失去一些RNA和蛋白質(zhì)，然后剪切形成２種大小不同的核糖體亞單位前體。

加工下來的蛋白質(zhì)和小的RNA存留在核仁中,可能起著催化核糖體構(gòu)建的作用。與GFP融合的核糖體蛋白基因轉(zhuǎn)染的人HeLa細(xì)胞的熒光顯微鏡照片，核糖體蛋白在胞質(zhì)中合成，在核仁中裝配成核糖體。

核糖體的成熟作用只發(fā)生在轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)以后,從而阻止有功能的核糖體與核內(nèi)加工不完全的hnRNA分子接近。3.核仁周期在細(xì)胞周期中，核仁是一個高度動態(tài)的結(jié)構(gòu)，在形態(tài)和功能上都發(fā)生很大的變化。核仁的動態(tài)變化是rDNA轉(zhuǎn)錄和細(xì)胞周期依賴的。在有絲分裂的中期和后期，核仁消失；在末期，核仁重建。核仁周期四、細(xì)胞骨架指存在于真核細(xì)胞中的蛋白纖維網(wǎng)架體系。細(xì)胞質(zhì)骨架：微絲（microfilament,MF）微管（microtubule,MT）中間絲（intermediatefilament,IF）膜骨架：核骨架：MicrotubulesMicrofilamemtsIntermediatefilaments細(xì)胞骨架是高度動態(tài)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)體系，不僅是重要的機(jī)械支撐、決定了細(xì)胞器和大分子空間定位，而且參與了幾乎所有形式的細(xì)胞運(yùn)動。（一）微絲與細(xì)胞運(yùn)動1.微絲的組成及其組裝

結(jié)構(gòu)：肌動蛋白（actin）單體G-actin組裝而成直徑7nm的骨架纖維，微絲在結(jié)構(gòu)上具有極性。肌動蛋白在進(jìn)化上高度保守，分成α，β，γ三種類型。微絲的組裝肌動蛋白單體具有極性,裝配MF時(shí)呈頭尾相接,故微絲具有極性。體外實(shí)驗(yàn)表明，MF正極與負(fù)極都能生長，生長快的一端為正極，慢的一端為負(fù)極；去裝配時(shí)，負(fù)極比正極快，表現(xiàn)為踏車行為（treadmilling）。肌動蛋白在體外的裝配肌動蛋白單體和多聚體之間的動態(tài)平衡受ATP水解和單體濃度的調(diào)控微絲特異性藥物◆細(xì)胞松弛素(cytochalasins)：可以切斷微絲,并結(jié)合在微絲正極阻抑肌動蛋白聚合,從而破壞微絲的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?！艄砉P環(huán)肽(philloidin)：與微絲側(cè)面結(jié)合,防止MF解聚，使微絲保持穩(wěn)定。Figure

16-52

Theeffectofcytochalasinontheleadingedgeofthegrowthconeofanervecellinculture.

AlivinggrowthconeisviewedbyNomarskidifferential-interference-contrastmicroscopybothbefore(A)andafter(B)treatmentwithcytochalasin.Thecellin(B)hasthenbeenstainedwithrhodamine

phalloidintorevealtheactinfilaments(C).Notehowtheregionbehindtheleadingedgeofthecytochalasin-treatedgrowthconeisdevoidofactinfilaments.細(xì)胞松弛素的作用2微絲網(wǎng)絡(luò)動態(tài)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)與細(xì)胞運(yùn)動肌動蛋白纖維的不同存在形式和微絲結(jié)合蛋白的種類有關(guān)。微絲結(jié)合蛋白對肌動蛋白纖維的動態(tài)裝配有調(diào)節(jié)作用，以行使特定的功能。

MF-bindingproteins微絲的存在方式永久性結(jié)構(gòu)肌肉中的細(xì)肌絲、微絨毛中的軸心微絲暫時(shí)性結(jié)構(gòu)胞質(zhì)分裂環(huán)中的微絲細(xì)胞中的微絲A微絨毛；B細(xì)胞質(zhì)中的張力纖維；C偽足；D胞質(zhì)分裂環(huán)微絲組裝的特點(diǎn)：肌動蛋白單體在體外組裝的結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜性和有序性上有欠缺。在大多數(shù)的非肌肉細(xì)胞中，微絲是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)，持續(xù)地進(jìn)行組裝和去組裝。體內(nèi)肌動蛋白的組裝受到微絲結(jié)合蛋白的調(diào)節(jié)：游離肌動蛋白的存在狀態(tài)微絲結(jié)合蛋白的種類及其存在狀態(tài)微絲結(jié)合蛋白將微絲組織成以下三種主要形式平行束:MF同向平行排列，如微絨毛與絲狀偽足。收縮束:MF反向平行排列，如應(yīng)力纖維和有絲分裂收縮環(huán)。凝膠狀網(wǎng)絡(luò):細(xì)胞皮層中微絲排列形式，MF相互交錯排列。熒光標(biāo)記的抗actin的抗體顯示成纖維細(xì)胞中應(yīng)力纖維的分布偽足的形成胞質(zhì)分裂環(huán)3分子馬達(dá)（molecularmotor）分子馬達(dá)包括：依賴于微管的驅(qū)動蛋白（kinesin）、動力蛋白（dynein）依賴于微絲的肌球蛋白（myosin）分子馬達(dá)的功能：結(jié)合微管或微絲、一些細(xì)胞器或膜性小泡，利用ATP水解產(chǎn)生的能量驅(qū)動運(yùn)輸。肌球蛋白分類：傳統(tǒng)的肌球蛋白（II型肌球蛋白）非傳統(tǒng)的肌球蛋白（除II型之外的I－XV型）

ATPaseBindingsitesMyosinII--DimerMainlyinmusclecellsThickfilamemtsThickandthinfilamentsslidingmodel（二）

微管及其功能微管幾乎存在于所有的真核細(xì)胞內(nèi)，是由微管蛋白（tubulin）裝配而成的中空的管狀結(jié)構(gòu)。微管由微管蛋白亞基組裝而成，每個亞基是由α微管蛋白和β微管蛋白結(jié)合而成的二聚體，是微管裝配的基本單位。微管的形態(tài)：

微管是微管蛋白二聚體裝配成的長管狀結(jié)構(gòu)，平均外徑24nm?？裳b配成單管,二聯(lián)管(纖毛和鞭毛),三聯(lián)管(中心粒和基體)。大部分微管在細(xì)胞質(zhì)中形成暫時(shí)性結(jié)構(gòu)，一些形成相對穩(wěn)定的“永久性”結(jié)構(gòu)。1微管的形態(tài)和組裝間期的細(xì)胞質(zhì)微管紡錘體微管纖毛細(xì)胞基體和纖毛

α-微管蛋白和β-微管蛋白形成αβ二聚體,αβ二聚體平行于長軸重復(fù)排列形成原纖維(protofilament)，至13根原纖維時(shí),即合攏形成一段微管。微管中αβ二聚體亞單位的排列構(gòu)成了微管的極性。微管的裝配微管蛋白加上或者釋放主要發(fā)生在（＋）極，微管的延長主要依靠在（＋）極裝配GTP微管蛋白，然后GTP水解成GDP或GTP與微管蛋白分離。微管的裝配具有踏車現(xiàn)象。

CharacteristicsofMTassemblyDynamicinstabilityduetothestructuraldifferencesbetweenagrowingandashrinkingmicrotubuleend.GTPcap;Catastrophe:accidentallossofGTPcap;Rescue:regainofGTPcap在體內(nèi)：微管蛋白的合成是自我調(diào)節(jié)的，多余的微管蛋白單體結(jié)合于合成微管蛋白的核糖體上，導(dǎo)致微管蛋白mRNA降解(負(fù)反饋)。微管特異性藥物◆秋水仙素(colchicine)阻斷微管蛋白組裝成微管，可破壞紡錘體結(jié)構(gòu)。◆紫杉酚(taxol)能促進(jìn)微管的裝配,并使已形成的微管穩(wěn)定。溫度與微管的組裝和去組裝也有關(guān)。微管組織中心（MTOC）具有起始微管的組裝和延伸的細(xì)胞結(jié)構(gòu)叫做微管組織中心（microtubuleorganizingcenter,MTOC）。間期和G0期微管、紡錘體微管起源于中心體（centrosome），由一對互相垂直的中心粒（centrioles）組成。纖毛和鞭毛內(nèi)部的微管起源于基體（basalbody）。

WhythecentrosomecanactasMTOCStructureNocentriolesinPlantandfungiMTarenucleatedbyaproteincomplexcontaining-tubulinThecentrosomeisthemajorMTOCofanimalcells所有的MTOC在細(xì)胞內(nèi)的功能是相似的，控制微管的數(shù)量、極性、原纖維的量、以及組裝的時(shí)間和位置。所有的MTOC都有一種共同的蛋白組分γ

－tubulin，是微管聚集的關(guān)鍵成分。γ

－tubulin位于中心體周圍的基質(zhì)中，環(huán)形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為αβ微管蛋白二聚體提供起始裝配位點(diǎn)。中心體和基體是同源結(jié)構(gòu)，在某些時(shí)候可以相互轉(zhuǎn)變。中心體和基體都有自我復(fù)制的性質(zhì)，一般在S期復(fù)制。微管結(jié)合蛋白（microtubule-associatedproteins,MAPs）MAPs通常由單基因編碼，目前的研究發(fā)現(xiàn)MAP大多在神經(jīng)細(xì)胞中表達(dá)。研究的較為清楚的是MAP2和tau。在結(jié)構(gòu)上，具有微管結(jié)合域（穩(wěn)定微管的作用），其他部分則突出于微管表面。

OrganizationofMTbundlesbyMAPs.Spaci