细胞生物学讲义瞿中和高教版.docx
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细胞生物学讲义瞿中和高教版
贯穿在两个或两个以上基粒之间的没有发生垛叠的类囊体称为基质类囊体,它们形成了内膜系统的基质片层(stromalamella)。
由于相邻基粒经网管状或扁平状基质类囊体相联结,全部类囊体实质上是一个相互贯通的封闭系统。
类囊体做为单独一个封闭膜囊的原始概念已失去原来的意义,它所表示的仅仅是叶绿体切面的平面形态。
类囊体膜的主要成分是蛋白质和脂类(60:
40),脂类中的脂肪酸主要是不饱含脂肪酸(约87%),具有较高的流动性。
光能向化学能的转化是在类囊体上进行的,因此类囊体膜亦称光合膜,类囊体膜的内在蛋白主要有细胞色素b6/f复合体、质体醌(PQ)、质体蓝素(PC)、铁氧化还原蛋白、黄素蛋白、光系统Ⅰ、光系统Ⅱ复合物等。
2.1.3 Stroma基质
》是内膜与类囊体之间的空间。
》主要成分包括:
•碳同化相关的酶类:
如RuBP羧化酶占基质可溶性蛋白总量的60%。
•叶绿体DNA、蛋白质合成体系:
如,ctDNA、各类RNA、核糖体等。
•一些颗粒成分:
如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。
2.2 Functions
》主要作用:
光合作用Phtosynthesis.
》包括:
(1)光合电子传递反应—光反应(LightReaction);
(2)碳固定反应—暗反应(DarkReaction)。
光合作用的是能量及物质的转化过程。
首先光能转化成电能,经电子传递产生ATP和NADPH形式的不稳定化学能,最终转化成稳定的化学能储存在糖类化合物中。
分为光反应(lightreaction)和暗反应(darkreaction),前者需要光,涉及水的光解和光合磷酸化,后者不需要光,涉及CO2的固定。
分为C3和C4两类。
2.2.1 LightReaction
在类囊体膜上由光引起的光化学反应,通过叶绿素等光合色素分子吸收、传递光能,水光解,并将光能转换为电能(生成高能电子),进而通过电子传递与光合磷酸化将电能转换为活跃化学能,形成ATP和NADPH并放出O2的过程。
包括原初反应、电子传递和光合磷酸化。
(一)原初反应Primaryreaction
》光能的吸收、传递与转换,形成高能电子。
(二)电子传递与光合磷酸化
1、电子传递链组分:
(1)光合色素:
包括叶绿素、类胡萝卜素,比例约为3:
1;叶绿素分为a、b,比例约为3:
1。
(2)集光复合体(LHC):
由大约200个叶绿素分子和一些肽链构成;全部叶绿素b和大部分叶绿素a都是天线色素。
(3)光系统Ⅱ(PSⅡ):
P680
(4)细胞色素b6/f复合体(cytb6/fcomplex)
(5)光系统Ⅰ(PSI):
P700
2、光合磷酸化Photophosphorylation
Photophosphorylation:
由光照所引起的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程。
①最初电子供体是H2O,最终电子受体是NADP+。
②电子传递链中唯一的H+-pump是cytb6f复合物。
类囊体腔的质子浓度比叶绿体基质高,该浓度梯度产生的原因归于:
H2O光解、cytb6f的H+-pump、NADPH的形成。
ATP、NADPH在叶绿体基质中形成。
③电子沿光合电子传递链传递时,分为非循环式光合磷酸化和循环式光合磷酸化两条通路。
CyClicPhotophosphorylation:
循环式传递的高能电子在PSⅠ被光能激发后经cytb6f复合物回到PSⅠ,PSⅡ不参加。
结果是不裂解H2O、不产生O2,不形成NADPH,只产生H+跨膜梯度,合成ATP。
2.2.2 DarkReaction
利用光反应产生的ATP和NADPH,使CO2还原为糖类等有机物,即将活跃的化学能最后转换为稳定的化学能,积存于有机物中。
这一过程不直接需要光(在叶绿体基质中进行)。
》C3途径(C3pathway):
亦称卡尔文(Calvin)循环。
CO2受体为RuBP,最初产物为3-磷酸甘油酸(PGA)。
》C4途径(C4pathway):
亦称哈奇-斯莱克(Hatch-Slack)途径,CO2受体为PEP,最初产物为草酰乙酸(OAA)。
》景天科酸代谢途径(Crassulaceanacidmetabolismpathway,CAM途径):
夜间固定CO2产生有机酸,白天有机酸脱羧释放CO2,进行CO2固定。
MitochondriaonVSChloroplast
》叶绿体内膜并不向内折叠成嵴;》内膜不含电子传递链;》除了膜间隙、基质外,还有类囊体;》捕光系统、电子传递链和ATP合成酶都位于类囊体膜上。
OxidativephosphorylationvsPhotophosphorylation
氧化磷酸化
光合磷酸化
细胞器部位
线粒体内膜
叶绿体类囊体膜
电子传递系统
呼吸链
PSⅠ、PSⅡ
电子供体
NADH/FADH2
H2O的光解
电子终受体
1/2O2
NADP+
传递电子跨膜次数
2
3
H+浓度差
膜间隙高,基质低
类囊体高,基质低
偶联因子
F0F1ATP合成酶
CF0CF1ATP合成酶
产生ATP所需的H+
2个
3个
产生ATP的目的
消耗有机物,产生ATP,供生物体使用
利用ATP,合成有机物
相同3 SemiautonomousOrganelles
SemiautonomousOrganelle:
自身含有遗传表达系统(自主性);但编码的遗传信息十分有限,其RNA转录、蛋白质翻译、自身构建和功能发挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息(自主性有限)。
3.1 mtDNA&ctDNA
》形状、大小、数量:
-双链环状;
-动物mtDNA的周长约5μm,约16.5kb,酵母mtDNA较大;
-ctDNA大小差异较大,一般周长约40-60μm;
-每个线粒体中约6个mtDNA,每个叶绿体中约12个ctDNA.
》mtDNA和ctDNA均以半保留方式进行自我复制.
》mtDNA复制的时间主要在细胞周期的S期及G2期,DNA先复制,随后线粒体分裂;ctDNA复制的时间在G1期。
复制仍受核控制。
1963年M.和S.Nass发现线粒体DNA(mtDNA)后,人们又在线粒体中发现了RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖体、氨基酸活化酶等进行DNA复制、转录和蛋白质翻译的全套装备,说明线粒体具有独立的遗传体系。
虽然线粒体也能合成蛋白质,但是合成能力有限。
线粒体1000多种蛋白质中,自身合成的仅十余种。
线粒体的核糖体蛋白、氨酰tRNA合成酶、许多结构蛋白,都是核基因编码,在细胞质中合成后,定向转运到线粒体的,因此称线粒体为半自主细胞器。
利用标记氨基酸培养细胞,用氯霉素和放线菌酮分别抑制线粒体和细胞质蛋白质合成的方法,发现人的线粒体DNA编码的多肽为细胞色素c氧化酶的3个亚基,F0的2个亚基,NADH脱氢酶的7个亚基和细胞色素b等13条多肽。
此外线粒体DNA还能合成12S和16SrRNA及22种tRNA。
mtDNA分子为环状双链DNA分子,外环为重链(H),内环为轻链(L)。
基因排列非常紧凑,除与mtDNA复制及转录有关的一小段区域外,无内含子序列。
每个线粒体含数个mtDNA,动物mtDNA约16-20kb,大多数基因由H链转录,包括2个rRNA,14个tRNA和12个编码多肽的mRNA,L链编码另外8个tRNA和一条多肽链。
mtDNA上的基因相互连接或仅间隔几个核苷酸序列,一些多肽基因相互重叠,几乎所有阅读框都缺少非翻译区域。
很多基因没有完整的终止密码,而仅以T或TA结尾,mRNA的终止信号是在转录后加工时加上去的。
叶绿体DNA由Ris和Plaut1962最早发现于衣藻叶绿体。
ctDNA呈环状,长40~60μm,基因组的大小因植物而异,一般约200Kb-2500Kb。
数目的多少植物的发育阶段有关,如菠菜幼苗叶肉细胞中,每个细胞含有20个叶绿体,每个叶绿体含DNA分子200个,但到接近成熟的叶肉细胞中有叶绿体150个,每个叶绿体含30个DNA分子。
和线粒体一样,叶绿体只能合成自身需要的部分蛋白质,其余的是在细胞质激离的核糖体上合成的,必需运送到叶绿体,才能发挥叶绿体应有的功能。
已知由ctDNA编码的RNA和多肽有:
叶绿体核糖体中4种rRNA(20S、16S、4.5S及5S),20种(烟草)或31种(地钱)tRNA,约90多种多肽。
3.2 Proteinsynthesis
》人mtDNA:
16569bp,37个基因:
编码12S、16SrRNA;22种tRNA;13种多肽。
》线粒体的蛋白质来源两部分:
-绝大部分是由核DNA编码,在细胞质基质的核糖体上合成,再转运到线粒体各部分;
-少数是由mtDNA编码,在线粒体的核糖体上合成。
ctDNA编码的RNA和多肽有:
叶绿体核糖体中全部的4种rRNA;30/31种tRNA;约90多种多肽。
》参加叶绿体组成的蛋白质来源有3种情况:
-由ctDNA编码,在叶绿体核糖体上合成;
-由核DNA编码,在细胞质核糖体上合成;
-由核DNA编码,在叶绿体核糖体上合成。
3.3 线粒体和叶绿体蛋白质的运送和装配
》由核基因编码,在细胞质核糖体上合成的线粒体和叶绿体蛋白质,属翻译后转运(post-translationaltranslocation);其运输方式为跨膜转运transmembranetransport。
3.3.1 线粒体蛋白质的转运
》在转运前以前体蛋白(PrecursorProtein)形式存在,包括:
N端的导肽(leaderpeptide/sequence,precursorchain)+成熟形式的蛋白(matureform).
》导肽的特点:
-多位于肽链的N端,由大约20-80个氨基酸构成,含丰富的氨基酸带正电荷的氨基酸和羟基氨基酸,几乎不含带负电的氨基酸;
–形成一个两性α螺旋,带正电荷的氨基酸残基和不带电荷的疏水氨基酸残基分别位于螺旋的两侧;
–对所牵引的蛋白质没有特异性要求。
》线粒体内、外膜之间存在着接触点,信号肽牵引蛋白质前体运送时,可通过内外膜的接触点,一步进入基质。
3.3.2 叶绿体蛋白质的转运
叶绿体蛋白转运运输机理与线粒体的相似。
如:
》都是翻译后后转译;
》具有接触点(contactsite);
》N端具指导信号:
转运肽(transitpeptide),使用后被信号肽酶切除。
》转运到基质中的前体蛋白,其N端转运肽仅含有导向基质的序列。
》转运到类囊体腔中的前体蛋白,其N端转运肽分两部分,指导转运到基质的前一部分被切除后,暴露出指导其进入类囊体腔中的序列。
》由ctDNA编码并在内囊体核糖体上合成的一些蛋白质结合于内囊体膜上。
4 TheirReproduction&Origin
4.1 Reproduction
4.1.1 ReproductionofMitochondrion
线粒体的增殖是通过已有的线粒体的分裂,有以下几种形式:
1、间壁分离,分裂时先由内膜向中心皱褶,将线粒体分类两个,常见于鼠肝和植物产生组织中。
2、收缩后分离,分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个,见于蕨类和酵母线粒体中。
3、出芽,见于酵母和藓类植物,线粒体出现小芽,脱落后长大,发育为线粒体。
4.1.2 ReproductionofChloroplast
》在个体发育中叶绿体由原质体发育而来。
》在有光条件下原质体的小泡数目增加并融合形成片层,发育为基粒,形成叶绿体。
》在黑暗生长时,原质体小泡融合速度减慢,并转变为排列成网格的三维晶格结构,称为前片层体,这种质体称为黄色体。
在有光下仍可发育为叶绿体。
》幼小叶绿体能靠分裂而增殖。
》成熟叶绿体一般不再分裂或很少分裂。
在个体发育中叶绿体由原质体发育而来,原质体存在于根和芽的分生组织中,由双层被膜包围,含有DNA,一些小泡和淀粉颗粒的结构,但不含片层结构,小泡是由质体双层膜的内膜内折形成的。
在有光条件原质体的小泡数目增加并相互融合形成片层,多个片层平行排列成行,在某些区域增殖,形成基粒,变成绿色原质体发育成叶绿体。
在黑暗性长时,原质体小泡融合速度减慢,并转变为排列成网格的小管的三维晶格结构,称为原片层,这种质体称为黄色体。
黄色体在有光的情况下原片层弥散形成类囊体,进一步发育出基粒,变为叶绿体。
叶绿体能靠分裂而增殖,这各分裂是靠中部缢缩而实现的,在发育7天的 幼叶的基部2-2.5cm处很容易看到幼龄叶绿体呈哑铃形状,从菠菜幼叶含叶绿体少,ctDNA多,老叶含叶绿体多,每个叶绿体含ctDNA少的现象也可以看出叶绿体是以分裂的方式增殖的。
成熟叶绿体正常情况下一般不再分裂或很少分裂。
4.2 Origin
》内共生学说(endosymbionthypothesis):
线粒体和叶绿体分别起源于原始真核细胞内共生的细菌和蓝藻。
》非内共生学说(asymbionthypothesis):
也称细胞内分化学说,认为真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好氧细菌,线粒体和叶绿体的发生是质膜内陷、扩张和分化的结果。
内共生学说(endosymbionthypothesis)主要依据:
1.在形态大小和膜结构方面,线粒体和细菌相似,叶绿体和蓝藻相似;
2.具半自主性(mtDNA/ctDNA),线粒体和叶绿体基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似;
3.有自己完整的蛋白质合成系统,能独立合成蛋白质,蛋白质合成机制有很多类似细菌而不同于真核生物;
4.线粒体和叶绿体的核糖体在大小和反应性质上与原核生物相似;
5.能生长,并象细菌一样以二分方式繁殖;
6.能在异源细胞内长期生存,说明线粒体和叶绿体具有的自主性与共生性的特征。
7.线粒体的祖先很可能来自反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌;发现介于胞内共生蓝藻与叶绿体之间的结构--蓝小体,其特征在很多方面可作为原始蓝藻向叶绿体演化的佐证。
不足之处:
》从进化角度,如何解释在代谢上明显占优势的共生体反而将大量的遗传信息转移到宿主细胞中?
》不能解释细胞核是如何进化来的,即原核细胞如何演化为真核细胞?
》线粒体和叶绿体的基因组中存在内含子,而真细菌原核生物基因组中不存在内含子,如果同意内共生起源学说的观点,那么线粒体和叶绿体基因组中的内含子从何发生?
非内共生学说(asymbionthypothesis)
》成功之处:
解释了真核细胞核被膜的形成与演化的渐进过程。
》不足之处:
-实验证据不多;
-无法解释为何线粒体、叶绿体与细菌在DNA分子结构和蛋白质合成性能上有那么多相似之处;
-对线粒体和叶绿体的DNA酶、RNA酶和核糖体的来源也很难解释。
-真核细胞的细胞核能否起源于细菌的核区?
ChapterⅧ Nucleus&Chromosome
一、教学目的和要求:
概括起来,本章的教学目的可总结为:
1掌握细胞核的结构与功能;2掌握染色体的结构与功能。
二、教材分析:
概述:
本章内容为真核细胞三大结构体系之“细胞遗传信息表达结构体系”,是细胞生物学的重点章节之一。
选用教材内容全面,层次清晰;但在部分知识点缺乏丰富的图片或模式图,给学生充分认识其结构和功能造成一定的障碍。
大部分知识点难度较小,但数量多;另有部分知识点和分子生物学联系紧密,由于学生尚未系统学习分子生物学,也给教学带来一定难度。
教学重点:
1核膜及核孔复合体;2染色体的空间结构。
教学难点:
核孔复合体与核仁的结构与功能。
三、教学设想:
教材处理:
详略得当,对简单知识点略;对上述重难点部分精讲;丰富课件的图表以补充教材的不足。
教学方法:
主要采用讲授法和例证法,辅以提问和讨论。
教具:
CAI课件
四、教学内容:
(6学时)
1781年Trontana发现于鱼类细胞,1831年,Brown发现于植物。
成熟的植物筛管和哺乳类红细胞没有细胞核。
在原核细胞中,DNA集中,但无核膜包围,故称拟核(nucleiod)。
核一般呈圆形,但因生物的种类而异。
在旺盛分裂的组织中,核呈圆形,在长形细胞中多呈椭圆形,在扁平细胞中多为扁圆形,在蛾蝶类的丝腺细胞中为分枝状,在胚乳细胞中呈网状。
细胞核的大小与细胞大小有关,最小的核直径不足1μm,而最大的核如苏铁科某些植物卵细胞核直径可达500~600μm。
植物细胞核的直径通常在1~4μm左右,动物为10μm左右。
在同一种生物,由于遗传物质的含量是恒定的,因此核的大小也比较恒定。
常以核质比来估算核的大小NP≈0.5,分裂期细胞NP>0.5,衰老细胞NP<0.5。
通常一个细胞一个核,肝细胞和心肌细胞可有双核,破骨细胞可有6~50个细胞核,骨骼肌细胞可有数百个核;高等植物的毡绒层可有2~4个核。
正在生长的细胞中,核位于细胞中央,在分化成熟的细胞中,常因细胞内含物或特殊结构的存在,核被挤到边缘。
细胞核的主要结构包括:
①核被膜(nuclearenvelope)、②核仁(nucleolus)、③核基质(nuclearmatrix)、④染色质(chromatin)、⑤核纤层(nuclearlamina)等部分。
细胞核的主要功能有两个方面:
①遗传和②发育。
前者表现为通过DNA染色体的复制和细胞分裂,维持物种的世代连续性。
后者表现为通过调节基因表达的时空顺序,控制细胞的分化,完成个体发育的使命。
1 NuclearEnvelope
》NuclearEnvelope,位于间期细胞核的最外层,是细胞核和细胞质之间的界膜。
》生物学意义:
一方面构成核、质之间的天然选择性屏障;避免生命活动的彼此干扰;保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤。
另一方面介导核质之间的物质交换与信息交流。
是包在核外的双层膜结构。
它将DNA与细胞质分隔开,形成核内特殊的微环境,保护DNA分子免受损伤;使DNA的复制和RNA的翻译表达在时空上分隔开来;此外染色体定位于核膜上,有利于解旋、复制、凝缩、平均分配到子核,核被膜还是核质物质交换的通道。
1.1 核被膜是双层膜结构
1.1.1 Structure
》外核膜outernuclearmembrane,附有核糖体颗粒
》内核膜innernuclearmembrane,有特有的蛋白成份(如LBR)
》核纤层nuclearlamina
》核周间隙perinuclearspace
》核孔nuclearpore
》核纤层:
位于内核膜的内表面的纤维网络,可支持核膜,并与染色质及核骨架相连。
》核纤层由核纤层蛋白(lamin)构成,lamin是一类中间纤维,分为A、B两型。
核纤层的作用:
1.保持核的形态:
2.参与染色质和核的组装:
核纤层在细胞分裂时呈现出周期性的变化,在间期核中,核纤层提供了染色质(异染色质)在核周边锚定的位点。
在前期结束时,核纤层被磷酸化,核膜解体。
其中B型核纤肽与核膜残余小泡结合,A型溶于胞质中。
在分裂末期,核纤肽去磷酸化重新组装,介导了核膜的重建。
1.1.2 核被膜在细胞周期中的崩解与装配
新核膜来自旧核膜,且核被膜的去组装是非随机的,具有区域特异性domain-specific。
1.2 NuclearPoreComplex,NPC
》内外核膜在某些部位相互融合,形成环状开口,称为核孔Nuclearpore,在核孔上镶嵌着由多种蛋白质构成的复杂结构,称为核孔复合体NuclearPoreComplex,NPC。
》一般哺乳动物细胞平均有3000个核孔。
》细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多,反之较少。
FishTrapModel
1.胞质环cytoplasmicring,外环;
2.核质环nuclearring,内环;
3.辐spoke,可分三个结构域
-柱状亚单位(columnsubunit)
-腔内亚单位(luminalsubunit)
-环带亚单位(annularsubunit)
4.中央栓centralplug,又称transporter。
电镜下观察,核孔是呈圆形或八角形,一般认为其结构如fish-trap,主要包括以下几个部分:
①胞质环(cytoplasmicring),位于核孔复合体胞质一侧,环上有8条纤维伸向胞质;②核质环(nuclearring),位于核孔复合体核质一侧,上面伸出8条纤维,纤维端部与端环相连,构成笼子状的结构;③转运器(transporter),核孔中央的一个栓状的中央颗粒;④辐(Spoke):
核孔边缘伸向核孔中央的突出物。
1.2.2 ThecompositionofNPC
》构成核孔复合体的蛋白统称为“核孔蛋白”nucleoporin,Nup。
》核孔复合体主要由蛋白质构成,其总相对分子质量约为125×106,推测可能含有100余种不同的多肽,共1000多个蛋白质分子。
Nup的两类代表:
-gp210:
结构性跨膜蛋白;
-p62:
功能性的核孔复合体蛋白,具有两个功能结构域。
1.2.3 ThefunctionofNPC
》NPC的功能:
核质交换的双向、双功能、选择性亲水性通道。
-双向:
入核、出核;
-双功能:
被动运输、主动运输。
(一)通过NPC的被动运输
》根据资料推测,NPC的中央通道在介导被动运输时直径约为9nm,相当于可以允许60kDa以下的球形蛋白自由通过;
》由于各种因素的影响,并不是所有直径10nm以下的分子在核被膜两侧均匀分布;
(二)通过NPC的主动运输
1.选择性和双向性
-对运输颗粒大小的限制:
有效功能直径可被调节约10~20nm,甚至可达26nm;
-主动运输是一个信号识别与载体介导的过程,需要消耗能量,并表现出饱和动力学特征;
-主动运输具有选择双向性,即选择性地对不同的物质进行核输入或核输出。
2.亲核蛋白与核定位信号
》亲核蛋白(karyophilicprotein):
在细胞质内合成后,需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质.
》核定位信号(nuclearlocalizationsignal,NLS):
引导蛋白质进入细胞核的一段信号序列。
受体为importin。
–第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原,序列为:
pro-pro-lyslys-lys-Arg-Lys-val。
–NLS对连接的蛋白质无特殊要求,完成输入后不被切除。
》Ran蛋白,一类G蛋白,调节货物复合体的解体或形成。
3.出核转运和核输出信号
》不同RNA的出核转运:
-RNApolI转录的rRNA分子:
以RNP的形式离开细胞核,需要能量;
-RNApolIII转录的5srRNA与tRNA的核输出由蛋白质介导;
-RNApolII转录的hnRNA,在核内进行5’端加帽和3’端附加PolyA序列以及剪接等加工过程,然后形成成熟的mRNA出核;
》核输出信号(nuclearexportsignal,NES),引导RNP输出细胞核,受体为exportin。
mRNA的出核转运过程是有极性的,其5’端在前,3’端在后。
2 Chromatin
》1848年,Hofmeister发现于鸭跖草的小孢子母细胞。
》1879年,W.Flemming提出Chromatin。
》1888年,Waldeyer提出Chromosome。
ChromatinVSChromosome
》染色质(chromatin):
指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少
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