= H 中 KR 六 4 dD: I 7 Boe R t ee BRAK Dt B J. 刘易斯 MB 夫 K. 316 细胞 分 Digitized by the Internet Archive in 2011 with funding from 1 Institute of Botany, CAS and Internet Archive | http://www.archive.org/details/xibaofenzishengw01 baib 2 ,1t/ sa ere 2 Sid oy AE ae BxuR Dawe J. ae HO mge Kone 1D * RAL 等 F EWR TK ft 2k Mm 社 1.9.9.0 wi A 容 简介 本 书 是 近年 来 细胞 生物 学 方面 的 一 本 巨著 , 也 是 一 本 很 好 的 人 门 指 南 。 内 容 概 括 了 1981 年 前 所 有 细胞 生物 学 和 分 子 生物 学 领域 中 的 主要 成 就 ,以 现代 生物 学 的 观点 介绍 了 细胞 生物 学 的 主要 方面 ， 并 以 较 多 的 篇 幅 讨 论 了 发 生生 物 学 ,组 织 学 ,免疫 生物 学 和 神经 生物 学 。 全 书 分 三 部 分 , 共 十 九 章 ， 取材 严谨 ,概念 清楚 ,并 附 有 大 量 精美 插图 。 可 供 细 胞 生物 学 ,分子 生 物 学 研 究 和 教学 工作 者 ,特别 是 研究 生 和 高 年 级 学 生 参 考 * 也 适 于 大 学 低 年 级 学 生 及 目 学 者 阅读 。 译本 分 上 下 两 册 出 版 * 上 册 包 括 两 部 分 ,十 三 章 。 Bruce Alberts-Dennis Bray。]julian Lewis Marin Raff-Keith Roberts- James D. Watson MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELL Garland Publishing, Inc., 1983 细胞 分 子 生物 学 + i B. 艾 伯 茨 ” D. 布雷 J. MAM ee GK K. 罗伯茨 J. D. Ke a 赵 寿 元 等 译 EWE 等 校 责任 编辑 LSE ea mae i K 北京 东 黄 城 根 北 街 16 号 + OMAE Re AIS EDR 新 华 书 店 北京 发 行 所 发 行 各 地 新 华 书店 经 售 * 1990482 BAR 一 版 FAK: 787x1092 1/16 1990 年 2 月 第 一 次 印 习 ”印张 ;49 1]/2 HRM 23 印 数 2 0001 一 1 300 字数 > 1 152 000 ISBN 7-03-000833-2/Q。130 定价 ; 51.40 元 前 言 科学 知识 的 增长 是 一 个 悖 理 。 当 资 料 积累 到 令 人 眼花 引 乱 的 惊人 数量 时 , 杂乱无章 的 事实 和 难 解 的 奥秘 却 能 得 到 合理 的 解释 ,从 浑 沌 迷 乱 中 会 呈现 出 简明 条 理 。 一 门 学 科 的 基本 原理 渐 趋 清晰 。 当今 的 细胞 生物 学 就 是 这 种 情况 。 在 分 子 水 平 进行 分 析 的 新 技 A, 正 揭 示 出 活 细胞 的 惊人 的 精美 和 经 济 , 以 及 细胞 功能 活动 原理 的 令 人 满意 的 统一 性 。 本 书 将 讨论 这 些 原理 。 本 书 不 是 一 本 百科 全 书 , 而 是 一 本 人 门 指 南 。 大 家 都 认为 细胞 生 Ay ROAR AUR, 很 多 事实 仍 有 待 阐明 。 但 这 些 尚 未 解决 的 问题 却 是 动人 心弦 的 ,我 们 打算 提出 这 些 问 题 , 以 激励 读者 参加 到 揭 开 奥秘 的 事业 中 来 。 因此 ， 我 们 不 是 简 单 地 提出 未 知 领域 中 互 不 连贯 的 事实 ,而 是 经 常 大 胆 地 提出 一 些 假 说 供 读者 去 思考 ,并 和希 望 加 以 评论 。 《细胞 分 子 生 物 学 ?主要 讨论 真 核 细 胞 而 不 是 细菌 ， 书 名 本 身 反 映 了 在 分 子 水 平 上 洞 察 事物 的 头等 重要 性 。 本 书 的 第 一 部 分 和 第 二 部 分 正 是 从 这 种 观点 来 分 析 细 胞 和 概述 细 忠生 物 学 课程 的 传统 材料 。 但 是 分 子 生物 学 本 身 讲 得 不 够 充分 。 构 成 多 细胞 动 植物 的 真 核 细 胞 是 高 度 社会 化 的 机 体 , 它们 的 生存 依靠 合作 和 分 工 。 想 要 了 解 这 些 细 胞 怎样 发 挥 功能 ,必须 研究 细胞 在 多 细胞 集体 中 的 情况 ,以 及 单个 细胞 内 部 的 活动 。 这 是 两 个 截然 不 同 的 层次 上 的 研究 , 但 都 相互 决定 着 彼此 的 研究 重点 和 方向 。 所 以 我 们 在 本 书 第 三 部 分 讨论 了 多 细胞 动 植物 中 细胞 的 行为 。 因 此 ， 与 别 的 细胞 生物 学 教科 书 相 比 ， 本 书 以 更 多 的 篇 幅 去 讨论 发 育 生物 学 、 组 织 学 ` 免 疫 生物 学 和 神经 生物 学 。 虽 然 基础 细胞 生物 学 课程 对 这 些 材料 可 以 只 作为 选读 教材 或 补充 读物 而 一 笔 带 过 ， 但 这 些 材料 却 代表 了 我 们 对 细 胞 的 了 解 的 主要 内 容 , 而 且 对 决定 继续 攻读 生物 学 或 医学 的 人 们 来 说 特别 有 用 。 本 书 广 博 的 内 容 正 是 表达 了 我 们 的 信心 , 即 细胞 生物 学 应 是 现代 生物 学 教学 的 中 心 。 本 书 主 要 供 初 次 选修 细胞 生物 学 课程 的 大 学 生 、 研 究 生 和 医学 院 学 生 们 阅读 。 虽然 我 们 假定 大 部 分 读者 至 少 已 读 过 生物 学 引 论 这 类 课程 ， 但 我 们 还 是 力图 把 本 书写 成 甚至 使 一 个 生物 学 的 门外汉 从 头 学 起 也 能 跟 得 上 。 另 一 方面 , 我 们 也 希望 对 从 事 研 究 工 作 的 科学 家 在 浩瀚 无 塌 的 知识 领域 中 寻 疯 前 进 指 南 时 也 有 所 神 益 。 为 此 ，, 我 们 开 列 的 文献 目 录 远 远 超过 一 般 大 学 生 的 需要 ,同时 还 力求 挑选 在 大 多 数 图 书馆 里 都 能 借 到 的 资料 。 本 书 是 部 巨著 ,酝酿 准备 的 时 间 之 长 , 三 倍 于 母 象 怀胎 的 时 间 ，, 五 倍 于 母 鲸 怀胎 的 时 间 。 许 多 人 共 襄 此 事 。 每 一 章 都 经 初稿 作者 和 审 稿 修订 者 的 反复 推敲 , 所 以 每 一 章 都 是 许多 人 的 共同 作品 。 此 外 ,有 几 位 未 参加 写作 的 局 外 的 专家 提供 了 书面 材料 ,本 书 作 者 们 对 此 作 了 加 工 润色 ,以 期 保持 全 书 的 统一 风格 。 本 书 各 章 均 请 专家 审阅 ,他 们 的 评论 和 改 正 意见 是 非常 宝贵 的 。 对 每 一 章 做 出 贡献 的 人 们 的 全 部 名 单 附 后 , 谨 向 他 们 致谢 。 Paul R. Burton( 堪 萨 斯 大 学 )，Douglas Chandler (阿利 桑 那 州立 大 学 )，Ursula Goodenough 《华盛顿 大 学 ) Robert E. Pollack (哥伦比亚 大 学 )，Robert E. Savage (斯 瓦 思 摩 尔 学 院 ) 和 Charles F. Yocum ( 密 欧 根 大 学 ) 审阅 了 全 部 或 一 部 分 书稿 , 提出 了 许多 有 益 的 意 见 。 大 学 生 们 也 阅读 了 书稿 A BF RATE BI He Be aS HE HE Miranda Robertson 收集 和 分 析 了 许多 位 学 生 和 局 外 专家 们 所 提 的 意见 和 建议 。 她 要 求 每 一 页 都 应 该 是 清晰 易 懂 和 前 后 呼应 , 凡 不 符 要 求 的 都 推倒 重 写 ; 她 对 大 学 生 们 容易 读 懂 的 本 书 的 问世 起 了 很 大 作用 。Lydia Malm 给 十 五 章 和 十 六 章 画 了 很 多 幅 图 , 许多 科学 家 惠 赠 了 照片 ,他们 的 名 字 写 在 刊 出 照片 的 插图 中 。 感 谢 我 们 的 家 庭 \ 同 事 和 学 生 对 我 们 几 年 来 的 苛求 和 照顾 不 周 持 宽容 态度 ,我 们 说 向 他 们 致 菊 。 最 后 ,我 们 特别 要 感谢 编 辑 和 出 版 者 。 Tony Adams 在 更 明确 地 体现 本 书 的 内 容 上 起 了 很 大 作用 ，Roth Adams 以 使 作者 感到 忆 亚 的 和 需 态 度 和 高 效率 组 织 了 本 书 的 撰写 。Gavin Borden 出 版 了 本 书 。 他 的 慷慨 和 有 殷勤 使 撰写 工作 进行 得 很 愉快 对 我 们 也 颇 有 教 益 。 欢迎 读者 们 提出 建议 和 指正 。 来 信 请 寄 : Gavin Borden, Garland Publishing, Inc., 136 Madison Avenue, New York NY 10016 转交 我 们 收 。 [RACE EVER) »* ii 。 中 序 目前 天 家 对 低估 细胞 的 复杂 性 过 于 心安 理 得 了 。 我 们 已 了 解 绝 大 多 数 生物 体 的 细胞 。 致使 我 们 在 很 大 程度 上 已 不 再 去 穷 究 细胞 的 底 草 。 当 我 们 刚 学 习 初步 的 科学 原理 时 , 马 上 就 被 告知 所 有 生物 都 是 由 细胞 构成 的 ,细胞 来 自己 经 存在 的 细胞 的 生长 和 分 裂 ; 细 胞 或 是 单个 存在 成 为 单 细 胞 生物 ,或 是 成 为 极 复杂 的 生物 体 的 组 成 部 分 ,这 些 生 物体 有 几 十 亿 个 相互 作用 且 高 度 特 化 的 单位 。 细 胞 在 大 小 .形状 和 功能 上 的 多 样 性 ,使 之 得 以 循 着 如 此 通 异 的 方向 去 进化 。 只 按 细胞 的 不 同名 称 和 独特 性 质 来 分 类 是 很 少 引 人 人 胜 的 。 但 当 我 们 第 一 次 用 简易 的 中 学 显微镜 去 观察 生活 在 池塘 水 滴 中 的 单 细 胞 生物 如 变形 虫 或 草 履 虫 时 ， 教 科 书 中 村 燥 乏 味 的 事实 就 有 了 新 的 意义 。 那 时 。 细 胞 是 一 个 令 人 惊异 的 、 活 生生 的 运动 着 的 生物 体 , 人 们 很 自然 地 会 想 知道 它 是 由 什么 样 的 分 子 所 构成 , 它 怎 能 如 此 有 规律 地 生长 和 分 弄 以 产生 更 多 的 同类 。 可 是 在 20 世纪 50 年 代 以 前 , 这 个 问题 似乎 超越 了 科学 家 力所能及 的 范围 。 那 时 除了 用 愈 来 愈 好 的 显微镜 去 发 现 愈 来 愈 多 的 细胞 结构 、 集 中 于 描述 性 的 形 态 学 研究 外 , 别 无 其 他 选择 。 我 们 常 给 细胞 的 结构 取 一 些 富有 想像 力 的 名 称 , 例 如 动 质 或 线粒体 , 却 不 了 解 为 什么 在 那个 地 方 会 有 这 些 结构 以 及 它们 是 如 何 发 挥 功 能 的 。 BRA 怪 , 许 多 人 发 觉 这 种 研究 方法 难 如 入 意 ,因而 从 研究 细胞 本 身 转向 揭示 作为 其 基础 的 日 益 经 得 起 逻辑 分 析 的 化 学 反应 。 这 批 从 “生物 学 家 转 来 的 生化 学 家 ?立刻 发 现 细胞 怎样 利用 食物 分 子 中 的 能 量 去 构建 新 的 生物 学 分 子 , 进而 发 现 细胞 如 何 能 生长 和 分 裂 而 不 违背 热力 学 的 名 言 : 所 有 的 化 学 反应 必定 趋向 最 大 限度 地 生成 热 和 无 序 。 这 一 重大 成 就 极 大 地 鼓舞 了 越 来 越 多 的 科学 家 ， 他 们 认为 细胞 的 本 质 全 在 于 细胞 的 分 子 结构 和 分 子 降解 或 生成 的 酶 反应 路 线 。 可 是 仍 不 能 确定 基因 在 这 幅 化 学 图 景 中 所 处 的 位 置 。 特 别 是 在 把 构成 一 个 典型 的 蛋白 质 分 子 的 玫 百 个 氨基 酸 正确 地 连接 起 来 时 基因 是 否 直接 起 作用 。 直到 20 世纪 40 年 代 , 在 概念 上 还 全 然 不 清楚 这 是 怎么 发 生 的 ， 而 且 也 没有 人 料 到 在 1953 年 到 1966 年 间 竟 会 以 无 比 迅 速 的 步伐 研究 出 遗传 信息 的 性 质 和 传递 于 是 由 于 如 此 清楚 地 确定 了 DNA 的 主宰 作用 , 诱 使 人 们 认为 了 解 了 核酸 也 就 了 解 了 生命 状态 的 本 质 ， 而 且 认为 已 战胜 了 生物 学 所 面临 的 最 大 的 挑战 。 这 种 看 法 我 们 不 能 苟同 。 ATP 和 DNA 之 间 的 相互 联系 途径 不 管 有 多 人 么 奇妙 也 不 可 能 产生 出 活 细胞 。 哪怕 是 一 个 最 简单 的 细胞 。 也 是 一 个 比 通常 所 能 想像 得 到 的 远 为 复杂 的 客体 。 比 任何 一 台 刻 今 设 计 出 的 计算 机 控制 的 智能 机 远 为 精巧 。 简单 的 观察 就 能 强 有 力 地 指出 这 一 点 。 我 们 不 一 定 非得 透 过 细胞 的 外 表 来 观察 , 就 能 认识 到 使 细胞 能 以 如 此 合理 的 方式 进行 活动 的 生物 学 结构 必定 是 无 比 微妙 而 灵活 的 。 例如 ,随同 成 纤维 细胞 的 移动 ,细胞 的 形状 发 生 极 复杂 的 变化 。 这 些 结缔 组 织 细胞 是 帮助 粘 合 多 细胞 机 体 组 织 的 细胞 外 基质 的 主要 制造 者 。 动 物体 内 ,成 纤维 细胞 必定 时 刻 准 备 移 人 新 形成 组 织 的 地 方 。 成 纤维 细胞 从 动物 体内 取出 后 在 体外 培养 ,就 能 用 显微镜 进行 ea 111 人 分 析 ; 缩 时 电影 分 析 已 广泛 地 记录 了 随同 它们 从 一 处 到 另 一 处 的 移动 而 出 现 的 形态 上 的 变化 。 分 离 出 来 而 营养 良好 的 单个 成 纤维 细胞 因而 被 发 现 是 不 知 休息 的 、 显 然 是 不 知 满足 的 细胞 ,它们 无 法 安静 地 呆 着 ,而 是 内 在 地 注定 要 移动 的 细胞 。 成 纤维 细胞 及 其 所 有 后 代 会 不 断 地 移动 和 生长 直到 塑料 培养 严 的 旗 面 辅 满 了 一 层 紧 挨 着 的 细胞 。 运动 中 的 成 纤 维 细胞 很 像 伸展 着 伪 足 的 变形 虫 ,我 们 早 在 初中 科学 课 上 就 观察 到 这 种 情况 ,但 它们 各 自 -运动 的 细节 则 并 不 相同 。 成 纤维 细胞 的 移动 是 由 快速 而 实际 上 是 狂乱 地 伸 出 丝 状 延伸 物 ( 微 突 ) 和 层 状 突起 ( 层 足 ) 所 发 动 的 。 每 一 个 突起 物 都 能 牢固 地 附着 在 它 前 面 的 培养 四 表面 上 。 这 样 的 附着 导致 细胞 的 细胞 质 及 其 被 包围 的 细胞 核 朝 前 流动 。 被 推动 前 进 的 突起 物 远 远 多 于 牢固 附 着 的 突起 物 。 那些 不 能 附着 的 突起 物 则 像 “ 皱 袜 一 样 被 上 层 的 细胞 表面 扫 向 后 面 , 最 后 被 送 到 细胞 的 后 部 。 因 此 ,有 大 量 可 供 附着 的 点 ,但 只 牢固 地 结合 在 最 合适 的 位 置 上 。 成 纤维 细胞 长 期 持续 的 单独 移动 的 能 力 并 非 所 有 细胞 的 共性 。 例如 肠 壁 或 皮肤 中 的 单个 上 皮 细 胞 在 体外 培养 时 ,它们 没有 移动 的 趋向 。 因 此 ,特定 类 型 细胞 的 运动 行为 好 像 是 注定 的 ;而且 实 际 上 如 同 所 有 其 他 重要 的 细胞 事件 一 样 , 很 难说 是 机 遇 决 定 的 。 结 果 是 在 多 细胞 生物 体内 ， 一 个 细胞 最 后 所 处 的 精确 位 置 是 由 元 数 个 调 榨 得 很 好 的 生化 步骤 所 规定 的 :这些 生化 步 又 有 效 地 使 细胞 只 能 按 特 定 的 构 型 与 别 的 细胞 和 谐 协调 地 结合 ;而 别 无 其 他 选择 。 ‘ems EST RK PROS REMAN, RTL AGM eee 盖 王 所 发 生 的 一 切 。 令 人 欣 蒜 的 是 我 们 现在 已 拥有 尖端 的 显微镜 术 、 生 物化 学 和 遗传 工 程 等 方法 ,使 我 们 实际 上 有 同等 成 功 的 机 会 去 研究 细胞 的 几乎 所 有 的 复杂 情况 。 RHE 经 发 现 看 似 无 定形 的 细胞 质 物质 内 。 含 有 由 特定 的 纤维 状 蛋白 聚集 成 的 交织 图 型 。 这 些 由 更 小 的 亚 基 蛋 白质 分 子 构成 的 丝 状 结构 ， 被 装配 成 精细 的 骨架 和 指导 细胞 运动 的 分 子 机 器 。 本 书 将 逐步 深信 地 谈 到 如 何 通过 复杂 分 子 之 间 特 定 的 相互 作用 。 来 构建 和 维持 各 种 各 样 的 细胞 结构 成 分 。 我 们 还 将 粗略 地 勾 划 出 这 些 细胞 结构 成 分 如 何 使 细胞 得 以 生长 和 分 裂 , 如 何 使 细胞 的 结构 出 现 我 们 称 之 为 细胞 运动 和 分 化 的 那 种 变态 , 正 是 这 种 变态 使 细 胞 参与 了 多 细胞 生物 体 的 构建 。 我 们 也 希望 能 表达 出 笼罩 在 至 今 我 们 还 不 知 该 如 何 着 手 的 许多 问题 上 的 神秘 之 谜 。 表 达 出 由 于 当前 细胞 生物 学 取得 巨大 成 就 而 带 来 的 欢欣 鼓舞 的 心情 ， 最 后 的 但 并 非 无 关 紧要 的 是 希望 表达 出 细胞 的 美 , 这 是 远 辑 的 美 * 也 是 视觉 的 5 e ive Se — a. 相差 显微镜 下 观察 到 的 小 鼠 成 纤维 细胞 (3T3 细胞 ) 的 运动 行为 。( 左 图 ) 当 细胞 平 铺 在 表面 上 时 ， 朝 外 伸 出 针 状 微 突 和 片 状 层 足以 寻找 合适 的 附着 位 置 。 层 足 间歇 地 朝 后 卷 缩 必 皱 袜 >)， 然 后 再 伸 出 。《 中 图 ) 成 纤维 细胞 平展 后 ,以 层 足 为 前 导 采 取 一 种 有 极 性 的 形状 > 开始 沿 着 培养 四 表面 币 伏 诊 行 。 在 这 四 张 连 续 的 显 微 照 片 中 ， 我 们 可 看 到 行进 方向 来 了 个 突然 改变 。(〈 右 图 ) 在 进行 有 丝 分 裂 时 ,一 个 平展 的 细胞 在 形成 有 丝 分 裂 纺锤 体 之 前 收缩 集 拢 ;两 个 子 细胞 在 分 离 后 又 重新 采取 平展 的 位 置 。 每 一 组 连续 拍摄 的 显 微 照 片 是 按 自 上 至 下 的 次 序 排 列 。(《Guenter Albrecht-Buchler 赠 ) IMA RAMI EL REBORN RAH. REAR ME AEE» fal IY AGF ea RAS EF AE ERR CS”). 方 框 内 是 整个 细胞 的 低 倍 照片 ? 细 胞 直径 约 为 25 pm, (Guenter Albercht-Buchler 赠 ) BY eS BOSS 六 NS OS ici Ae Ait BAe kK LMR A CBE). > HMA HMA BES 很 于 净 。 在 瞳 视 野 照 明 下 BOWeMSS if ews ALM IBININ 25E. (Guenter Albercht- Buchler 赠 ; 从 J. Nalt. Cancer Inst. Monograph 60,1982 复制 ) (a) 径 迹 的 扫描 电镜 照片 ?图 示 底 层 上 有 许多 极 细 的 金 粒 \` 细 胞 ,以 及 留 在 细胞 〈 箭 头 所 示 ) 后 面 的 没有 金 粒 的 径 迹 。 线 眉 表 示 20 um, (b) 母 本 3T3 小 鼠 细胞 的 分 支 径 迹 的 暗 视野 显微镜 照 片 ? 该 细胞 从 “s” 处 出 发 ;在 “d?” 处 分 成 二 条 相似 的 径 迹 ?这 是 姐妹 细胞 “c1” 和 “c22? 的 径 迹 。 SR BER7K 500 pm, (c) 两 个 3T3 小 鼠 细 胞 Col 和 4 ‘ 人 - g t 和 = . . ’ i al | © 人 1 Cotes 4 ' 下 i $ « ” =>? ” rf 4 2 ; c ie aN ww 证 igs . * © rae — \ _ « 机 . ; ‘ | 人 ~ : y i. a . or) * e® ef v 4 ee oA | ; 9 yap 大 ioe u 7 ; ty 4; ] 4 \ T y - ped i 4 va =) AA . RES ' : rN tee ‘or ath pe a ra 1 y 全 人 “ y We Fh gs ‘sy 7 rd PRA a mii 7s : { eee cae - 4 要 IS. a \ “nh 7 4 ‘ a hae 上 # =* 4 7 “fe 二 if yee Terre Las 4 i ° > } 还 1 本店 ae ae et y . et “ 几 wl, bi | Ay LAS * 人 1 和 “7 cit “7 " 7 * t ay tt ES os Ls ~ Gi ‘ al.d- 四 ty ) N . xn 5 | en Fa ‘ a . : 六 a 了 . - i \ i Ane © ,. ' ’ 4 4 j 《 4 } A} ; ' ry oe ¥ - | 7 和 4 ‘ d r ’ we We y re his 中 aut 7, i ee a die Reh Leth Whe vay “+ 2 = ee et Mes ag LW a att Bs 二 ot Aah 前 言 序言 致 读者 I 细 胞 概述 第 一 章 ”细胞 进化 .ee é 3) 从 分 子 到 第 一 个 细胞 .pp G3) 从 原核 生物 到 真 核 生 物 ……………- inppiaineld ao aaa Sis fore RoubA onide tlds a> osheionltnwbe = 015 Seite ba tenia eT1 ) 从 单 细 胞 到 多 细胞 生物 :PP stestebanatestgetescercreeseermeeO ge ( 28 ) 第 二 章 小 分 子 、 能 量 和 生物 合成 和 ( 42 ) 细胞 的 化 学 组 分 .ee (42) He OD AAT RE ROBE Bik - one cere eee cece eeeeeececeeeecceeereseenecsengeseeseeesseseessees 和 (57) 食物 与 细胞 能 量 的 获得 eee rerccrnccveescccisescevicitesels vices vec c amine Re sine sideplel cle's tie his baitelsig ( 67 ) 生物 合成 与 有 序 的 产生 :pp (74) 分 解 代 谢 和 生物 合成 的 相互 协作 ole v0 0 m0 6¥ 0 00s ones esses 000 ccc nsla csie(erwd cfeiceRhirisslae anise « ala ( 82 ) 第 三 章 “” 大 分 子 ， BM. WMS R ec eee oa 2p see ng a ate» - (91 ) Ay F- FR) PAI TL Feo ccecccccceeeescevececeewesscscereeceeesssesseseseneesessesesseneneseseeseenes (91) 于 (98 ) FE RHA -----enecnccesccereccsscecceecscsecccccoccecsccregresssecessesseesesterseesesessebas (109) Fey IDI GE -0- ser son see seosereccesserssosccoseescensessessesrrnssree sensi paepby sah dh cb a} (130) 第 四 章 ” 如 何 研究 细胞 .pe (143) 1 (143) Zi) Ob | Saeco 《160) ATH at =O) eS ion es doe ae eee cere rere (164) Fic SE TA i Se A Pe HB ec ee eee c eee acne ences cea eee cssccsecaeseeneenees (176) TNA Fo os unawenasnoncenntangeanusenennancasnedae qin murebccni geben eth adnwdvan sta (181) II 细胞 的 分 子 结构 第 五 章 基本 的 遗传 机 理 a Voleeue'ea'e seb vee sade cases venveperecccesnsocsecesssh deccwscwunvis seaweed ve (193) Be ETAT Ae ee te et eete eee eccctsccacnsesnccsccecsccnssnecseabensensccecsasibeussdycceecscsen sees (193) oe 28 | be ee oe CCC ELULEE CELE CE CCC EPPO err ery re sr aie ae ae (206) DNA 复制 机 理 .pe (215) Fiver ee ceeenvencenennecevaeeccnscccccceccstcceececsseseesseseetereseseesaesoensseseessceeene es (227) APE: hs] ee ALS REE CLLEL LORE LLES EEL ELUTE LIER ELLE Leos noe ee (235) 和 Wiseetesseereseeaneeneeeseseeseaeeeeseeneeeeteeteecentnaceserscteeeeteeeeteney (247) PELE pn icSe meen ccavessncnconesnrane¥udiignens ns cvvndebgleasss rise ddvsieveine ses ssesae esas teem (256) FELT ZKAG Si-nc were eee ereeceece nb orcsvoucesewssDuPnstcntesccscnstectscesseecesonnsenme (275) 小 分 子 的 跨 膜 转运 .pp (277) KS) Ff ROBT TBR PSB. EDP HE eee eee eee ec een eneeeesecsceseneeneeceeons (292), B+ es AAG REMKDS FSR FES AI EE BR FE IK AYE HR eee eee ee eee ence e eee ee cncceerceceecrecsccneerseseunececmecnerne (419) 基因 调节 机 制 与 细胞 “记忆 有 (440) DNA’ FEF ISR ES HEAY, sseseecesae see scaseecite eles beDk ee batt dot beetle een (452) aa OE a AS 2 Sg 0 2 7 ee (463) SEIT fie sserersescesccccccccececscncnscacccascaccecscscoccecscsecscscsscseseccescvensesseeegeudens (464) 下 (480) 和 (491) FF FSB BEIT Yess cccccccsccccscscscceccceccencetetlectoeccscsescorcccsossesawedeaneauney (504) SE IT A FTF SR AS AE YE Hs con ce cc neces ecnsetcnececcecencscccccececcecnecseseneaseoseuees (508) 第 十 章 细胞 骨架 :3 (526) 两 遇 缩 让 天 (526) SP FEI Tfpicdeccceccecsecccccecscaccececdssscccscdecccscscsscsescsccsausossnsstecaessasersenseuew (540) 作为 动态 装配 物 的 微 管 和 肌 动 蛋白 丝 的 一 般 特 征 .pp (549) “ 微 管 组 织 中 心 和 微 管 相 关 蛋 自作 (558) AE WL PA a eh LE B22 AS Se GEE ED [eee cece cece eee ereeeeees (562) LPT SE ZS URE. once ececrecscncceccccscsenccccncnscccsrsecsesteresaserenccsasessacescrensesrecsecseans (573) Sr Weal FE A A YE SE Pino eecwncecescescecrscesescrsenverressescnccen nen obi dulediale ite nile whe las (579) 第 十 一 章 . 细胞 生长 和 分 裂 -pp (591) 细胞 分 裂 的 控制 站 生生 生生 pp 和 (591) 肿瘤 病毒 作为 研究 细胞 周期 控制 的 工具 0 人 (601) 本 (609) 全 基 的 远 将 入 2 Ghhd (620) 四 第 十 二 章 “细胞 间 的 粘连 和 细胞 外 基质 .ppp (650) 细胞 闻 识 别 和 细胞 粘连 ee (650) Yat HHS BE ona eceveceecccnnccossersconscserssssenseesenonssenenecenaeesencesssaneeearsesseaooees (659) 细胞 外 基质 ooooeoeeesesseseeeoososoossesoooeoosooososooosooooooooooooooooooiooooooooooeoeooooosooooosooo。 (670 ) 第 十 三 章 细胞 之 间 的 化 学 信号 发 放 PITT rrr er ee eee (693) 三 种 不 同 的 化 学 信号 发 放 策略 : 局 部 的 化 学 介 导 因子 、 激 素 和 神经 递 质 …… (694) en Hed Py SE te Bp SS SE. SUE HOVE FA BLA eeeeeeeeeeeeeee eee eeeeeeeeees (704) 细胞 表面 受 体 介 导 的 信号 发 放 :作为 第 二 信使 的 cAMP AEB BEF voor (708) 作为 第 二 信使 的 CAMP 和 和 钙 离子 的 作用 方式 pp (718) 靶 细 胞 的 适应 :pe (728) 参考 文献 pe (738) * xilie TMB Ee ‘a CLG Y arg satvete wees dar saynscnueleveaneiemuywnes eyes we eens ment ect eng heeencernneesees (QRS). catoemnnwteniddadiedn ayes. = BUR Rag Mee: BAe eee Ro Hee (O23) precetetereeees | 人 “ie ‘ 3 4 (2a) ma svgonnganowe oo 一 (oo) esti s Be A le ae - Be ec cere 1 — i (263) Bo Rip As ja sb me els ae scebclilienhninpannel™ F (Hd), - oe sey EA ehhes Sia ES ane 7 (ROR) - pe i AE diel de ee Dae mer OOS SHER ONE Tee RORY eee ERA DAA GRY RI Ree PRIN) eeeeterecestecec tes ccreeteatienst er THAR tas onthe the ‘ i (BSN): seat w een ernnenaeeawe cs ore Once vo seep. dd sacdis detavaeee a wee Ait cu ware : (BER). dee ets nen od cobs baal eee geen abiva quate OL ek a me : af Comey 7 Pi } . - Aid 本 La ee ae ‘ , P a ee b a ’ ha # An ps a. é — nr r : 1 gars 出 ; a ne tes | ; ee . ? y : . . 5 oe a r 三 is 7; de at ; ae ee Ce esd ys 了 cet ‘ suey ary SS ai Neri: “ty | i f aw ee nt al ees Ark. ’ » ro sos hein le tld ou gyda ye ON ed . 1 ; , : ¥ ee Fos ae : q 5 . 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Pe 全 ‘ial ¢ compas ee # es shop gl 工 细胞 概述 生长 中 的 酵母 细胞 的 扫描 电镜 照片 。 这 些 单 细胞 真 核 生 物 增 殖 时 芽 出 小 的 了 于 细胞 。 (fra Herskowitz #{J Eric Schabatach 赠 ) 第 一 章 细胞 进化 所 有 生物 都 由 细胞 构成 ,细胞 是 以 膜 为 界 的 小 室 , 充 满 着 浓 的 化 学 溶液 。 最 简单 的 生 命 形式 是 单个 细胞 ,以 一 分 为 二 的 方式 增殖 。 诸 如 人 那样 的 高 等 生物 像 座 细 胞 城 ; 一 群 群 细胞 行使 着 各 种 特定 的 功能 ,通过 错综复杂 的 通讯 系统 相互 联系 。 从 某 种 意义 上 讲 , 细 胞 界 于 分 子 和 人 之 间 。 我 们 研究 细胞 的 目的 ,一 方面 要 搞 清 楚 它们 怎样 由 分 子 构成 , 另 一 方 面 要 搞 请 楚 它们 怎样 通力 合作 构成 像 人 那样 复杂 的 生物 体 。 大 家 都 相信 ， 所 有 的 生物 体 以 及 构成 生物 体 的 所 有 细胞 都 是 通过 进化 从 一 个 共同 的 祖先 细胞 传 下 来 的 。 进 化 包括 两 个 基本 过 程 :(1) 遗传 信息 发 生 随机 变异 ,从 一 个 个 体 传 至 其 后 裔 ;(〈2) 遗传 信息 的 选择 ,以 助 遗 传 信息 载体 的 生存 和 增殖 。 进 化 是 生物 学 的 中 心 法 则 ,有 助 于 我 们 弄 懂 生 物 界 中 令 人 迷惑 的 变异 。 本 章 与 全 书 一 样 ， 讨 论 从 分 子 到 多 细胞 生物 体 的 进程 。 它 讨论 细胞 的 进化 ， 细 胞 首 先 作为 由 更 小 的 部 分 构成 的 生命 单位 ,然后 作为 更 大 结构 的 构成 单位 。 通 过 进化 的 讨论 ， 初步 介绍 细胞 组 分 和 细胞 活性 ， 详 细 内 容 在 以 后 各 章 按 大 体 相同 的 顺序 进行 讨论 。 我 们 从 地 球 上 第 一 个 细胞 的 起 源 开 始 ， 讨 论 某 些 类 型 大 分 子 的 特性 如 何 使 遗传 信息 得 以 传递 和 表达 ， 如 何 使 进化 得 以 发 生 。 包 在 膜 内 的 这 些 分 子 为 目 我 复制 的 细胞 提供 必需 品 。 然 后 讨论 从 小 的 类 菌 细 胞 到 当今 更 大 \ 更 复杂 的 动 植 物 细胞 的 进化 过 程 中 发 生 的 主要 变迁 。 最 后 ,提出 独立 生存 的 单个 细胞 可 能 形成 大 的 多 细胞 生物 体 的 途径 ,这 些 单个 细胞 在 形成 像 脑 那 样 复杂 器 官 时 如 何 变 成 特 化 的 和 通力 协作 的 细胞 。 探讨 进化 显然 有 各 种 危险 : 我 们 知识 中 的 大 片 空白 只 能 靠 猜测 来 弥补 ， 而 猜测 在 许 多 细节 上 很 可 能 是 错误 的 。 但 是 ， 从 化 石 以 及 从 当今 生物 体 和 分 子 的 比较 研究 使 我 们 有 足够 的 证 据 对 生命 进化 的 主要 阶段 作出 明智 的 猜测 。 从 分 子 到 第 一 个 细胞 ， 在 生命 出 现 前 的 条 件 下 可 形成 简单 的 生物 分 子 NMR Re ICA ET, ARAB. WAM Me AT 熔融 状态 ? 大 气 是 否 含 氨 或 甲烷 ?然而 ,看 来 大 家 都 认为 地 球 到 处 有 火山 喷发 ,内 电 和 暴 雨 。 即 便 有 游离 氧 那 也 是 微乎其微 ， 根 本 没有 臭氧 层 吸收 来 目 太 阻 的 强烈 的 紫外 线 辐 to 简单 的 有 机 分 子 ( 即 含 碳 分 子 ) 可 能 就 是 在 这 样 的 条 件 下 产生 的 。 最 可 靠 的 证 据 来 目 实验 室 的 实验 。 如 果 诸 如 CO,, CH. NH: MH 的 混合 气体 与 水 一 起 加 热 , 由 放电 或 紫 外 线 辐射 提供 能 量 , 则 它们 便 起 反应 ,形成 小 的 有 机 分 子 一 一 通常 种 类 甚 少 , 但 每 类 数量 颇 大 〈 图 1-1)。 在 这 些 产物 中 ， AATHKA WMA (H-C=N) NAHE H (Domo). 另 在 水 溶液 内 进行 进一步 反应 (图 1-2)。 最 重要 的 是 产生 了 细胞 内 发 现 e 3 . 的 四 大 类 小 有 机 分 子 一 一 氨基 酸 、 核 背 酸 、 糖 和 脂肪 酸 。 尽管 这 些 实验 还 不 能 精确 地 重演 地 球 上 的 早期 条 件 ,， 但 却 简单 明了 地 前 明 有 机 分 子 的 形成 是 轻而易举 的 。 当 然 , 演 化 中 的 地 球 远 远 胜 过 乍 何 实验 者 ; 地 球 很 大 , 能 产生 各 种 各 样 条 件 。 最 主要 的 是 它 历 史 悠久 一 已 有 几 亿 年 。 在 这 样 的 环境 中 ， 当 代 细 胞 内 发 现 的 许多 简单 有 机 分 子 , 看 来 当时 很 可 能 兽 在 某 个 时 刻 和 某 个 地 点 高 浓度 地 积累 着 。 多 核 苷 酸 能 指导 自身 合成 ” 诸如 氨基 酸 和 核 背 酸 那样 的 简单 有 机 分 子 能 结合 形成 大 的 多 聚 体 。 一 个 氨基 酸 能 与 另 一 个 氨基 酸 连 接 ,形成 一 个 肽 键 ,而 两 个 核 苦 酸 能 通过 磷酸 二 酯 键 相连 。 这 些 反 应 重复 进行 ,分 别 形 成 多 肽 和 多 核 背 酸 等 线性 多 聚 体 。 在 现在 的 生物 体 中 ， 通 常 把 多 肽 ( 称 为 蛋 白质 ) 和 多 核 背 酸 ( 核 糖 核酸 [RNA] 及 脱氧 核糖 核酸 [DNA] 两 种 形式 ) 看 作 最 重要 的 组 成 。20 种 氨基 酸 构成 蛋白 质 的 共同 的 构造 单位 ，RNA 和 DNA 分 子 则 各 由 4 MRE 酸 构成 。 生 物 合成 为 什么 选 的 是 这 些 单 体 而 不 是 化 学 上 相似 的 其 它 单 体 ， 对 此 人 们 只 能 猜测 。 最 早 的 多 聚 体 可 能 有 几 种 形成 方法 一 例如 ,加 热 干 的 有 机 化 合 物 ,或 高 浓度 无 机 多 磷酸 盐 的 催化 。 试 管 中 的 相似 反应 的 产物 是 长 度 不 等 和 顺序 随机 的 多 聚 体 ， 在 什么 位 置 上 加 上 氨基 酸 或 核 背 酸 主要 靠 机 会 (图 1-3)。 然 而 ,多 聚 体 一 旦 形成 便 影响 其 它 多 聚 体 的 形成 。 尤 其 是 充当 聚合 反应 模板 的 多 核 昔 酸 能 确定 新 多 核 背 酸 中 核 背 酸 的 顺序 。 例 如 ,由 一 种 核 背 酸 组 成 的 多 聚 体 ( 多 尿 昔 酸 ， 即 poly U) 能 充当 模板 ， 去 合成 另 一 种 核 背 酸 组 成 的 第 二 种 SR K( SAR. A poly A)。 这 种 模板 作用 取 决 于 一 种 多 聚 体 优 先 与 另 一 种 多 聚 体 结合 。 只 要 使 制造 poly A 所 需 的 亚 基 排 列 在 poly U 的 表 面 ，poly U zh poly A 的 形成 (图 1-4)o 互补 核 萌 酸 之 间 的 专 一 配对 ， 很 可 能 在 生命 起 源 中 起 关键 作用 。 例 如 , RRNA 那样 的 多 核 苷 酸 是 由 4 种 核 背 酸 包含 碱 基 尿 味 叭 (U) 、 腺 味 吟 (A)、 胞 旷 啶 (C) 和 鸟 喀 啶 (G) 构 成 的 链 。 因 为 碱 基 A 与 U 之 间 和 碱 基 G 与 C 之 间 互 补 配对 ， 所 以 在 有 利于 聚合 的 条 件 下 , 当 RNA 溶液 内 加 进 活 图 1-1 模拟 原始 地 球 条 件 的 典型 实验 。 给 盛 在 “化 的 核 昔 酸 混合 物 时 , 便 产 生 新 的 RNA 分 于 ,其 & CE 和 -的 密闭 容器 内 的 水 加 热 中 核 背 酸 连 接 的 顺序 同 原 来 的 RNA BRIS 和 交 补 。 也 就 是 说 ,新 分 子 很 像 原 来 分 子 乓 攻关 硬 品 , 原来 分 子 中 的 每 一 个 A 与 拷贝 分 子 中 每 一 个 U 相 对 应 ， 等 等 。 原来 RNA 链 的 核 背 酸 顺 序 所 包含 的 信息 基本 上 保存 在 新 形成 的 互补 链 中 。 第 二 轮 找 贝 以 互补 链 为 模板 ， 恢 复原 来 的 顺序 (图 1-5)。 这 类 互补 模 梳 机 制 十 分 简单 ， 并 在 生物 系统 的 信息 传递 过 程 中 起 主导 作用 。 每 个 细 胞 所 含 的 遗传 信息 编码 在 它 的 多 核 苷 酸 分 子 的 核 萌 酸 顺序 之 中 ， 这 种 信息 依靠 互补 的 碱 基 配 对 作用 而 代 代 相 传 。 i 在 试管 里 快速 形成 多 核 昔 酸 需 要 有 特定 的 蛋白 质 催化 剂 ， 即 酶 ， 在 “生命 出 现 前 的 汤 ” 里 没有 酶 。 但 无 机 物 形式 或 金属 离子 HCHO FRE 形式 的 效率 较 差 的 催化 剂 却 早 就 存在 ;总 NH-CH.COOH oe. 之 ， 催 化 剂 只 不 过 是 加 速 只 要 时 间 充裕 总 Boe cue se AE EATEN, FEWER MA oul DARI AS Ae AEP. PST Ha PH Be we a. am 前 体 的 供应 都 很 充裕 ， 所 以 很 可 能 逐渐 建 ise Pecans wai 立 了 多 核 昔 酸 的 慢 复制 系统 。 iM 自我 复制 分 子 经 受 自然 选择 ieee RK 在 有 利 的 条 件 下 。 核 背 酸 丰富 的 汤 里 ee eon Pea SRR FART. S— ER es WERERA TOME MORA BE... loon PNM ERAT, ATR 图 1-2 图 1-1 所 示 实 验 可 能 发 现 的 一 些 化 合 物 。 BKR 免 地 会 发 生 许 多 差错 。 原 始 多 核 苷 酸 的 不 示 的 化 合 物 是 当今 活 细胞 的 重要 组 分 。 完善 的 新 拷贝 也 就 传 下 来 了 。 于 是 ， 原 始 多 核 苷 酸 分 子 中 的 核 背 酸 顺 序 不 断 改变 ,直到 它 一 度 代表 的 信息 完全 丧失 为 止 (图 1-6)。 但 是 ， 多 核 彰 酸 不 仅 是 以 抽象 的 方式 携带 信 aS [a 息 的 一 串 符号 。 它 们 具有 影响 它们 行为 的 化 学 个 are 5 加 问 性 。 核 音 酸 的 特定 顺序 赋 于 整个 分 子 以 一 系列 特 OMNES) EE BE CEP IT Bh A & AY Bpwnig 核 彰 酸 能 同 环境 中 的 游离 核 童 酸 配 对 形成 新 的 多 和 聚 体 一 样 ， 它 们 也 能 同 多 聚 体 本 身 内 部 的 互补 核 | : 昔 酸 残 基 配 对 。 多 核 苷 酸 链 一 部 分 顺序 GGGG 能 与 同一 分 子 另 一 区 的 C C C C 顺序 牢固 结合 。 由 此 产 东 各 种 各 样 的 三 维 折 蚕 ， 整个 分 子 所 取 的 SHE] 独特 形状 完全 取决 于 它 的 核 音 酸 顺 序 (图 1-7)。 多 核 些 酸 三 维 折 状 结构 既 影 响 其 稳定 性 ， 又 影响 其 复制 的 能 力 。 所 以 复制 混合 物 中 各 种 形状 的 多 核 背 酸 并 不 是 都 能 复制 的 。 有 的 太 长 ， 有 的 折 昔 得 太 紧 ;不 能 作为 有 效 的 模板 。 另 二 些 在 一 、 般 条 件 下 可 能 不 稳定 。 事 实 上 ,实验 室 研究 表明 。 RNA 分 子 的 复制 经 受 了 -种 方式 的 自然 选择 ,各 种 不 同 的 有 利 顺序 最 后 能 否 占 优势 ， 完 全 取决 于 图 1-3 4 种 核 音 酸 ( 轿 中 用 字 脉 A.U\G 和 C 代 “当时 所 处 的 条 件 。 表 ) 可 自发 地 进行 脱水 聚合 。 产 物 是 长 度 和 顺序 所 以 , 像 RNA 分 子 那样 的 多 核 苷 酸 有 两 个 PEPE SE RI» 重要 特性 : 它 携带 信息 ,编码 在 核 昔 酸 顺 序 之 中 ， 通过 复制 过 程 传递 ; 它 有 一 种 独特 的 折 短 结构 ;决定 它 如 何 发 挥 功 能 和 应 答 外 界 条 件 。 这 两 个 特性 一 一 个 是 信息 方面 的 ， 一 个 是 结构 方面 的 一 是 发 生 进 化 所 需 的 两 个 基本 要 二 5 e fo Jum [2 } : ate SAA 三 a4 O mwas a BORG All Gy 回回 1-4 核 苷 酸 对 之 间 (C 和 G,A 各) 通过 相当 对 的 化 学 键 而 优先 结合 (上 图 ) 这 种 配对 作用 使 一 个 多 核 背 酸 充当 合成 另 一 个 多 核 背 酸 的 模板 。 “步骤 2 uHcHcHAHsHsHu 互补 顺序 形成 原来 的 顺序 15 多 核 背 酸 顺序 的 复制 (图 示 RNA 分 子 )。 步 艰 1 原来 的 RNA 分 子 充当 模板 ， 形 成 互 补 顺序 沟 RNA 分子。 步骤 2 ;这 一 互补 的 RNA 分 子 本 身 充 当 模板 形成 原来 顺序 的 RNA 分 子 。 因 为 每 一 模板 分 子 能 产生 许多 互补 链 拷贝 ， 所 以 这 些 反应 结果 使 原来 的 顺序 “增殖 ?。 素 。 RNA 分 子 的 核 昔 酸 顺序 类 似 于 生物 体 的 遗传 信息 ， 即 基因 型 。 折 登 的 三 维 结构 类 似 于 表现 型 一 一 遗传 信息 表达 , 它 是 自然 选择 作用 的 对 象 。 信息 从 多 核 苷 酸 流 往 多 肽 所 以 人 们 提出 ,大 约 35 亿 至 40 亿 年 前 , 在 地 球 的 某 些 地 方 ,多核 背 酸 的 目 体 复制 系 统 开始 了 进化 过 程 。 不 同 核 苷 酸 顺 序 的 多 聚 体 竞争 可 用 的 前 体 物 质 以 构成 目 己 的 拷贝 ， 如 同 现在 的 生物 竞争 一 样 ; 胜 败 取决 于 制造 拷贝 的 准确 性 和 速度 ,也 取决 于 这 些 拷 贝 的 稳 定性 。 然而 , 尽管 多 核 背 酸 的 结构 很 适宜 于 信息 的 贮存 和 复制 , 但 是 这 些 分 子 不 够 多 样 化 。 不 足以 为 活 细胞 提供 结构 和 功能 的 所 有 构建 单位 。 另 一 方面 ， 多 肽 由 许多 种 不 同 的 氨基 酸 组 成 ,它们 的 多 种 多 样 的 三 维 形 式 常 带 有 许多 个 反应 部 位 ,使 它们 非常 适宜 于 执行 各 种 各 样 的 结构 和 化 学 的 任务 ， 详 细 内 容 在 第 三 章 讨论 。 甚 至 通过 生命 出 现 前 的 合成 机 构 所 产生 的 随机 的 氨基 酸 多 聚 体 , 可 能 已 有 催化 特性 ， 有些 多 聚 体能 加 强 RNA 分 子 的 复制 s es 6 。 RELL ALK SUMS MARY A ERE ERR. AB FS ESR EEA INOIR APRN S ROTM, TERE LNOAE FE | Saba 1-8) AHAHEHEHSHY) (EL J, Se RHE et AT HE RE IB? << 编码 在 它们 顺序 中 的 信息 如 何 确定 不 同类 型 的 多 ell 聚 体 的 顺序 呢 ? 在 当今 的 生物 体内 , RNA 指 导 多 eral HeHeHe) 肽 的 合成 一 一 蛋白 质 合 成 ， 但 这 是 需要 十 分 精致 的 生化 机 构 的 过 程 。 一 种 RNA 分 子 携带 着 特定 OC [HAH]. {AHS HE] 多 驮 的 遗传 信息 ， 而 一 套 别 的 RNA 分 子 与 氨基 if E 酸 吉 合 ;这 两 种 RNA 分 子 相 互 形成 互补 碱 基 对 ， ~ 使 信息 RNA 分 子 中 的 核 背 酸 顺 序 能 指导 特定 回 的 氨基 酸 整合 进 延 伸 的 多 肽 链 中 。 新 蛋白 质 的 装 配 发 生 在 核糖 体 的 表面 ， 核 糖 体 是 一 些 复 杂 的 颗 SS 候 < 粒 。 由 几 个 大 RNA 分 子 和 50 多 种 不 同 的 蛋白 质 组 成 。 虽 然 难题 逐个 地 被 解 开 ， 但 进化 过 程 中 如 何 产生 这 么 复杂 的 机 制 , 至 今 仍然 是 个 谜 。 最 ge 有 魅力 的 证 据 来 源 之 一 是 遗传 "词典 *， 或 遗传 密 “加 HSHUHAHSH LuHsHuHAHsHc | U (65 码 , 核 昔 酸 三 联 体 通过 遗传 密码 转译 成 氨基 酸 。 因 为 所 有 生物 体内 的 密码 基本 相同 ， 它 必然 在 进化 -SS 的 很 早 阶段 就 已 固定 ， 它 可 能 含有 能 获得 原始 转 译 的 一 种 方法 的 痕迹 。 mI 不 管 进化 的 最 初步 又 是 怎么 样 的 ,只 要 RNA NN 分 子 一 旦 能 指导 蛋白 质 合成 ， 它 们 就 有 潜力 安排 X 一 个 规模 庞大 的 化 学 工具 车 间 。 现 在 原则 上 已 能 图 16 复制 差错 能 使 RNA 分 子 的 顺序 发生 合成 催化 各 种 化 学 反应 的 酶 ， 包 括 催化 越 来 越 多 ， 抽 化 "AAA CCCU eed a nieTeiED 的 蛋白 质 和 RNA 分 子 的 合成 。 一 旦 核酸 的 进化 ”改变 成 UGCAAC。 同 时 还 产生 许多 其 他 顺序 ， 发 展 到 它们 所 确定 的 酶 能 帮助 制造 它们 自身 时 ， 如 多 个 剃头 所 示 。 复杂 系统 的 增殖 将 大 大 地 加 速 。 在 当今 某 些 细菌 病毒 的 生活 周期 中 ,， 就 可 看 到 这 种 自动 催化 过 程 的 沟 在 的 爆发 性 : 病毒 进入 细 菌 后 ,指导 和 蛋白质 合成 ,蛋白 质 选 择 性 地 催化 病毒 复制 ,以 致 在 短 时 间 内 病毒 便 占 据 整个 细胞 (图 1-9 和 1-10)。 LU HAHUYHAHSHC] \\ 了 膜 确定 了 第 一 个 细胞 “核酸 控制 蛋白 质 合 成 ， 无 疑 是 导致 第 一 个 细胞 形成 的 关键 事件 之 一 。 另 一 个 关键 事 件 必 定 是 外 膜 的 建立 。 某 种 RNA 控制 下 合成 的 蛋白 质 除 非 仍 留 在 RNA 附近 ,否则 不 一 定 有 利于 这 种 RNA 的 增殖 ; 而 且 只 要 这 些 蛋 白质 在 复制 RNA 分 子 群 体 间 自 由 扩 散 ， 它 们 同样 有 益 于 可 能 存在 的 任何 参加 竞争 的 'RNA。 如 果 出 现 一 种 RNA 变种 能 制 造 更 好 的 酶 ,在 RNA 变种 与 其 他 RNA 的 竞争 中 ,这 种 新 酶 并 不 能 选择 性 地 只 对 RNA 变种 的 生存 作出 贡献 。 直 到 某 种 形式 的 区 室 进化 到 能 包含 RNA 分 子 制 造 的 蛋白 质 , 从 而 使 这 些 蛋白 质 主要 限于 RNA 目 用 时 ,才能 升 始 按照 RNA 所 产生 的 蛋 白 质 的 性 质 来 C AY AI 一 U pl cc 一 cc uy C cil pete UHI A CT Ae, UF ill a AN Aili uy 二 A A 广 咱 一 |u ah AH iti tu \Z Cecy Ze SSS 图 1-7 同一 条 多 核 苷 酸 (RNA) 链 的 不 同 区 域 间 的 核 背 酸 配对 ， 使 分 子 取 不 同形 状 。 © RNA: 的 复制 循环 LujtaHsHsHaHaAHcHcHuHAHsu | 1 ame He eel 原始 蛋白 质 \ x 4 os ue, 图 1-8 和 蛋白质 能 充当 有 效 的 化 学 反应 催化 剂 * 如 形成 核 背 酸 或 使 核 苷 酸 聚 合成 RNA。 所 以 , 能 指导 适当 的 蛋白 质 合成 的 RNA 分 子 能 加 速 其 自身 的 复制 , 如 图 所 示 。 选择 RNA 分 子 (图 1-11)。 现在 的 细胞 都 包 着 一 层 质 膜 , 质 膜 由 磷酸 酯 和 蛋白 质 组 成 。 在 电镜 下 观察 , 质 膜 像 约 * ge 图 1-9 ”显示 病毒 在 细菌 内 生长 的 一 系列 电镜 照片 。 当 病毒 吸附 在 细菌 外 表面 (也 可 见 图 1-10) 把 DNA 注入 细菌 细胞 时 感染 便 开 始 了 。 5 分 钟 内 病毒 已 指导 一 套 特定 的 蛋白 质 合 成 ， 有 些 蛋 白质 使 寄主 细菌 的 DNA 降解 ;有些 蛋白 质 则 催化 病毒 DNA 复制 。 感 染 15 分 钟 后 细胞 内 所 见 的 致密 颗粒 是 未 成 熟 的 病毒 颗粒 病毒 DNA 装 进 了 球状 的 蛋白 质 外 壳 ( 外 壳 先 在 别处 制 成 ?如 插 图 所 示 )。 在 感染 30 分 钟 的 样品 中 可 见 病 毒 颗粒 继续 在 成 熟 , 积 累 在 细胞 内 。(E. Kellenberger J) 7nm BRAKE, 由 于 磷酸 酯 分 子 尾 对 尾 地 包装 , 所 以 看 上 去 明显 地 呈 三 层 。 在 试管 内 只 要 简单 地 把 磷酸 酯 和 水 混合 在 一 起 ,就 能 制造 出 人 造 膜 ,外 观 极 像 天 然 膜 。 在 适当 的 条 件 下 ,这 种 人 造 膜 包 成 密闭 的 囊 ， 直 径 在 1 一 10wm 之 间 。 虽 然 这 些 囊 是 惰性 的 , 像 肥皂 泡 一 样 , :但 不 难 想像 由 于 包装 着 一 群 与 众 不 同 的 分 子 ,， 它们 就 能 形成 空间 隔离 的 功能 单 位 。 有 人 假设 在 生命 出 现 前 的 汤 里 ,磷酸 酯 分 子 自 发 地 装配 成 这 种 膜 结构 ,包装 着 自我 复 ai RNA 和 和 蛋白质 分 子 的 混合 物 时 ,形成 了 第 一 个 细胞 。。 一 且 RNA 密封 在 闭合 腊 图 1-10 病毒 颗粒 感染 了 一 个 多 小 时 后 的 细菌 细胞 的 高 倍 电镜 照片 。 感 当 周 期 几乎 已 完成 ,细菌 行将 崩 裂 ， 向 周围 释放 几 百 个 新 的 感染 性 病毒 。 这 张 电镜 照片 和 图 1-9 那 张 电镜 照片 所 示 的 病毒 都 是 噬菌体 T4。(H. Kellenberger 赠 ) 内 -它们 就 能 开始 进化 ;进化 不 止 是 根据 它们 目 己 的 结构 ,而 且 按 照 它们 所 制造 的 蛋白 质 : RNA 分 子 的 核 彰 酸 顺 序 现 在 能 表达 细胞 的 整个 特性 。 支原体 是 最 简单 的 活 细胞 上 述 的 进化 历程 当然 是 猜测 的 : 还 没有 可 追 溯 到 第 一 个 细胞 起 源 的 化 石 记 录 。 但 根 据 当今 的 生物 体 和 实验 结 黑 确 能 令 人 信服 地 证 明 ， 这 样 地 进化 的 主要 特征 是 正确 的 。 生 命 出 现 前 的 小 分 子 合 成 、RNA 的 自我 复制 、RNA 顺序 转译 成 氨基 酸 顺 序 和 脂 质 分 子 装配 成 以 膜 为 界 的 间隔 一 一 全 部 发 生 在 35 至 40 亿 年 前 ,以 产生 第 一 个 细胞 。 将 这 种 猜测 的 第 一 个 细胞 和 现在 最 简单 的 细胞 即 支 原 体 作 一 番 比 较 是 大 有 , 神 益 的 。 支原体 是 小 的 类 菌 生 物体 ， 通 常 过 着 寄生 生活 , 与 动 植物 细胞 密切 相关 (图 1-12), 有 些 支原体 直径 约 0.3wm， 含 足够 的 核酸 ,指导 合成 约 750 West 蛋白 质 的 最 低 数目 。 我 们 所 描述 的 第 一 个 细胞 和 支原体 GREIF 时 在 的 细胞 ) 之 间 的 一 个 重要 差别 是 ,后 者 的 遗传 信息 贮存 在 DNA 内 ， 而 不 是 在 RNA 内 。 现在 的 细胞 内 可 找到 这 两 类 多 核 背 酸 ,但 它们 以 通力 协作 的 方式 发 挥 功能 ,各 自 进化 到 执行 特定 的 任务 。 化 学 上 的 个 小 差别 使 两 种 分 子 有 不 同 的 功能 。DNA 作为 遗传 信息 的 永久 贮存 库 , 它 不 同 于 RNA, 主要 以 双 链 方式 存在 ， 由 一 对 互补 的 多 核 苷 酸 分 子 组 成 。 以 这 种 方式 贮存 的 遗传 信息 不 仅 比较 稳定 ,而 且 双 链 排列 允许 修复 机 制 发 挥 作用 : 一 条 完整 无 损 的 链 充 当 模 板 , 校正 或 修复 对 应 的 损伤 链 。DNA 又 经 互补 碱 基 配对 原理 指导 合成 特定 的 RNA OF, Ri. 在 是 在 类 型 稍 有 不 同 的 核 背 酸 之 间 配 对 。 所 产生 的 单 链 RNA 分 子 然后 执行 其 他 两 个 2 基本 功能 ;指导 和 蛋白质 合 成 ,在 某 些 情况 下 , 像 蛋 白质 那样 具有 结构 的 作用 。 支原体 细胞 除了 有 各 种 类 型 的 核 背 酸 外 ， 还 含有 许多 酶 和 结构 蛋白 ,有 的 在 细胞 内 ,有 的 则 埋 aa 在 膜 内 ; 这 些 分 子 集 在 一 起 合成 周围 环境 所 不 供 ane 应 的 必需 小 分 子 ， 重 新 分 配 驱 动 生物 合成 反应 以 ee 及 维持 细胞 内 适当 的 化 学 条 件 所 需 的 能 量 。 后 一 7 种 代谢 功能 的 进化 将 在 下 一 节 中 讨论 。 NE Be Boag 小 三 Ge Bt eo 原始 的 本 地 球 上 的 活 细胞 很 可 能 是 约 35 亿 年 前 分 子 a 自发 聚合 而 成 的 。 根 据 我 们 对 当今 生物 体 以 及 它 wv (= 们 所 含 分 子 的 知识 ,第 一 个 细胞 出 现 之 前 ,至 少 先 iia 经 历 三 个 阶段 : (1) 必须 通过 互补 碱 基 配 对 反应 形成 能 指导 自身 合成 基 RNA 多 聚 体 ; (2) 必须 有 区 空 有 RNA 分 子 指导 含 成 蛋白 质 的 机 制 ; (3) 必须 和 tend 装配 成 脂 质 膜 以 密闭 RNA PEARATHAR 总 复制 混合 物 。 在 稍 晚 一 些 的 进化 过 程 中 ，DNA (一 取代 RNA 成 为 遗传 物质 。 \gs Ca 从 原核 生物 到 真 核 生物 - 人 们 认为 ， 现 在 地 球 上 的 所 有 生物 都 起 源 于 ay 让 十 亿 年 前 诞生 的 一 个 原始 细胞 。 这 个 细胞 的 增 ， 图 1-11 细胞 似 的 区 室 所 占 进化 优势 的 示意 图 。 canon uv， = 在 能 合成 蛋白 质 的 自我 复制 RNA 分 子 的 混合 殖 能 力 胜 过 CARAS. 在 细胞 分 裂 和 进化 过 程 群体 中 (图 1-8 所 示 ) 任何 能 产生 更 有 用 的 蛋白 中 处 领先 地 位 ,最终 使 大 地 披 上 了 绿 装 ,改变 了 大 。 质 的 改进 型 RNA 必然 与 其 竞争 者 共享 这 种 蛋

A poate wns A QO @ A age tas ya (3-383). A 一 一 一 图 1-15 代谢 途 各 进化 的 两 种 可 能 路 线 的 示意 图 。 生 命 出现 前 合成 产生 的 有 关 物 质 (A\、B\C,、D) 供应 给 左 图 的 细胞 。 其 中 之 一 物质 D 是 代谢 上 有 用 的 物质 。 当 细胞 耗 尽 了 的 供应 时 ， 通 过 新 酶 的 进化 获得 选择 优势 ,这 种 新 酶 能 从 密切 相关 的 物质 C 产生 D。 通 过 一 系列 相似 的 步骤 ， 重 要 的 基 本 代谢 途径 可 能 发 生 进化 。 右 图 细菌 获得 大 量 代谢 有 用 的 化 合 物 A。 在 进化 过 程 中 出 现 一 种 酶 ， 这 种 酶 偶尔 获得 使 物质 A 转 化 成 物质 了 B 的 能 力 。 然 后 细胞 内 发 生 了 其 他 变化 。 使 细胞 能 利用 这 种 新 物质 。 一 系列 酶 的 相继 出 现 构成 了 很 长 的 反应 链 。 境 中 的 分 子 存活 和 生长 ,这 些 分 子 是 “生命 出 现 前 的 汤 ”的 遗物 。 当 这 些 目 然 资 源 逐 渐 耗 尽 时 , 则 已 产生 了 酶 .能 制造 更 多 有 机 分 子 的 生物 体 便 占 巨大 的 选择 优势 。 这 样 , 细 胞 具有 的 了 酶 的 补足 物 就 逐渐 增加 ,产生 了 当今 生物 体 的 代谢 途径 。 图 1-15 表明 进化 过 程 中 司 能 产 生 代谢 途径 的 两 条 路 线 e 如 末代 谢 反 应 的 进化 是 把 新 的 酶 反应 相继 累加 在 已 有 的 酶 反应 上 ， 则 最 古老 的 反应 就 像 树干 中 最 老 的 年 轮 , 最 靠近 代谢 树 ” 的 中 心 , 合 成 最 重要 的 基本 构件 。 糖 磷酸 的 转变 肯定 占据 代谢 中 的 这 一 位 置 ， 一 系列 酵 解 反应 在 所 有 转变 中 起 很 主要 作用 。 葡 萄 糖 在 无 氧 条 件 下 通过 酵 解 而 降解 ( 即 无 氧 酵 解 )。 最 古老 的 代谢 途径 不 得 不 是 无 氧 的 ， 因 为 在 原 和 SRD , iy AG 2 es 图 1-16 从 生物 体 的 细胞 色素 “呼吸 系统 的 蛋白 质 ) 的 氨基 酸 顺 序 推 断 生 物体 之 间 的 进化 关系 。 该 树 的 每 一 末端 分 枝 代表 不 同 的 种 ， 连 接任 意 两 个 种 之 间 的 分 枝 总 长 度 与 种 间 细 胞 色素 < 的 不 同 氨基 酸 的 数目 成 正比 。 这 种 方法 所 得 的 进化 树 很 像 根据 解剖 结构 和 化 石 记录 得 到 的 进化 树 。( 引 自 M. O. Dayhoff and R. M. Schwartz Ann, N. Y. Acad, Sci. 361: 92—104, 1981) 始 的 地 球 大气 中 没有 氧 。 实 际 上 每 个 细胞 内 都 发 生 酵 解 ， 酵 解 驱动 腺 背 三 磷酸 即 ATP 的 形成 ,所 有 细胞 都 用 ATP 作为 化 学 能 的 能 源 。 以 糖 磷酸 反应 为 中 心 连接 着 几 百 种 其 他 的 化 学 反应 。 其 中 有 些 反 应 负责 合成 小 分 子 , 许 多 小 分 子 又 被 用 于 进一步 的 反应 ,制造 生物 体 专 一 的 大 的 多 聚 体 。 另 一 些 反 应 把 作 为 食物 摄 和 人 的 复杂 分 子 降解 为 较 简 单 的 化 学 单位 。 这 些 代谢 反应 的 最 突出 的 特性 之 一 是 ,它们 发 生 在 所 有 各 种 生物 体内 。 差 异 肯定 存在 : 在 细菌 \ 酵 母 和 绿色 植物 内 以 不 同方 法 制造 赖 毛 酸 ,而 高 等 动物 则 完全 不 制造 赖 氨 酸 ;许多 专 一 的 代谢 产物 只 限于 某 些 属 或 种 才能 制造 ;但 广义 上 看 , 极 大 多 数 反 应 和 催化 这 些 反应 的 大 多 数 酶 存在 于 细菌 到 人 的 所 有 生物 体内 ; 为 此 可 以 相信 ， 在 产生 所 有 这 些 生 物体 的 原始 古老 细胞 内 ， 早 就 存在 这 些 反 应 。 催化 基础 代谢 反应 的 酶 虽然 继续 发 挥 相同 的 基本 功能 ， 但 在 生物 体 进化 成 各 种 类 型 时 ,已 经 历 了 逐步 的 变化 。 为 此 ,不 同 现存 物种 的 同一 种 酶 的 氨基 酸 顺 序 为 种 间 进 化 关系 提供 了 极 有 价值 的 指标 〈 图 1-16)。 由 此 所 得 的 证 据 完 全 可 与 化 石 记录 之 类 的 其 他 来 源 的 证 据 相 媲美 。 活 细胞 DNA 中 的 核 彰 酸 顺 序 甚至 隐藏 着 更 丰富 的 信息 产 。 近年 来 发 展 起 来 的 分 析 方法 可 大 量 测定 DNA 顺序 ,进行 种 间 比 较 ; 可 以 预见 ，DNA 顺序 分 析 将 以 前 所 未 有 的 准确 性 仍 湖 进化 过 程 。 ik see CO, 和 N， 如 果 最 早 的 代谢 步骤 进化 到 填补 早期 生命 出 现 前 所 合成 的 有 机 分 子供 应 缺 档 时 ， 则 人 当 这 些 化 合 物耗 尽 时 又 会 发 生 什么 情况 呢 ? 一 种 强大 的 选择 优势 将 属于 能 利用 大 气 中 碳 、 氮 原 子 ( 取 CO, WNBA WAM KO (AE TK. ART BRED, CO. MN, 也 还 是 很 稳定 的 。 所 以 , 除了 需要 大 量 复杂 的 化 学 反应 外 ,还 需 大 量 能 量 , 使 它们 转化 成 不 稳 定 的 形式 , 即 转化 成 有 机 分 子 , 如 单 糖 。 以 CO, 为 例 , 进 化 到 获得 这 种 转化 的 机 制 是 光合 作用 ,在 光合 诈 用 中 ,从 太阳 捕获 的 辐射 能 驱动 CO 转变 成 有 机 化 合 物 。 阳 光 与 色 素 分 子叶 绿 素 相互 作用 ,使 电子 激发 至 较 高 能 态 。 当 电子 落 回 低能 态 时 ， 它 所 释放 的 能 量 驱动 由 蛋白 质 分 子 促进 和 指导 的 化 学 反 应 。 最 早 的 光驱 动 反 应 之 一 很 可 能 是 形成 高 能 化 合 物 ATP 的 核 背 酸 磷酸 化 ， 另 一 个 光 驱动 反应 产生 "还原 力 ”大气 的 CO, AN, 中 的 碳 氮 原 子 处 于 氧化 和 情 性 状态 。 要 使 它们 比较 活泼 , 使 它们 参加 生物 合成 反应 ,一 个 方法 是 使 它们 还 原 , 即 给 它们 大 量 电子 。 在 还 原 过 程 中 ,叶绿体 使 电子 脱离 弱电 子供 体 , 转移 至 强 电子 供 体 , 叶绿体 参与 的 这 一 反应 需 要 光 ; 然后 ， 强 电子 供 体 使 CO, TIN: 还 原 。 比 较 各 种 当今 细 东 中 的 光合 作用 机 制 后 提 出 ， 电 子 的 最 初 来 源 之 一 是 HS, M 了 HS 所 得 的 原始 废物 是 硫 元 素 。 后 来 出 现 了 虽然 难度 较 大 , (MMR HO 中 得 到 电子 的 过 程 ， 于 是 O. 开始 作为 废物 累积 在 地 球 的 大 气 中 。 蓝藻 菌 〈 又 称 蓝 绿营 ) 是 当今 使 磷 和 氮 转 化 成 有 机 分 子 从 而 进入 生物 圈 的 主要 途径 。 它们 包括 那些 现在 存在 的 最 自给 自足 的 生物 体 , 它们 能 使 CO， 和 Nz “固定 "成 有 机 分 子 ， 从 一 级 近似 邯 虑 , 它们 能 生活 在 只 有 水 和 空气 的 环境 中 ;它们 这 样 生活 的 机 制 很 可 能 保持 十 亿 多 年 稳定 不 变 。 细菌 能 使 食物 进行 有 和 氧 氧化 当前 许多 人 只 关心 人 类 活动 对 环境 造成 的 后 果 。 但 在 过 去 ， 其 他 生物 体 已 给 地 球 环 境 造 成 巨大 的 变化 (然而 变化 是 极其 缓慢 的 )。 地 球 大 气 成 分 的 变化 最 为 明显 ， 随 着 光合 作用 的 出 现 , 大 气 已 从 实际 上 没有 氧 分 子 的 混合 物 变 成 含 氧 219 的 化 合 物 。 因为 氧 是 极 活泼 的 化 学 元 素 ; 它 能 与 大 多 数 细胞 质 组 分 发 生 反应 ,所 以 它 对 许多 早期 生物 体 很 可 能 是 有 毒 的 ,正如 它 对 现在 的 厌 氧 菌 是 有 毒 的 一 样 。 然 而 ,这 种 活性 也 提供 了 一 种 化 学 能 源 ， 毫 不 奇 茎 ， 它 已 被 生物 体 在 进化 过 程 中 开发 利用 了 。 生 物体 由 于 利用 了 氧 , 便 能 更 完全 地 氧化 它们 所 吸收 的 分 子 。 例 如 ,在 有 氧 情况 下 ,葡萄 糖 完全 分 解 成 Co, 和 HO， 但 在 无 氧 条 件 下 ,只 能 分 解 成 无 氧 酵 解 的 最 终 产 物 乳 酸 或 乙醇 。 因 此 ,从 每 克 葡 萄 糖 可 得 到 更 多 的 能 量 。 食 物 分 子 有 氧 氧化 一 通常 称 为 呼吸 一 释放 的 能 量 用 于 ' 驱 动 ATP 的 合成 ， 这 个 过 程 很 像 营 光 合作 用 的 生物 体 用 太阳 能 量 产生 ATP。 在 这 两 个 过 程 中 ,有 一 系列 电子 转移 反应 ， 在 有 膜 区 室内 外 产生 一 个 H+ 梯度 ; 然后 Ht 梯度 用 于 驱动 ATP 的 合成 。 当 前 ,包括 大 多 数 原核 生物 在 内 的 极 大 多 数 生 物体 部 利用 呼吸 作用 。 真 核 生物 含有 几 种 不 同 的 细胞 器 当 大 气 中 需 积 氧 分 子 时 ,依然 存在 的 ,最 初出 现 的 生命 类 型 厌 氧 生物 会 怎样 呢 ? 在 含 氧 丰富 的 世界 上 ， 它 们 因 不 能 利用 氧 而 处 于 劣势 。 有 些 厌 氧 菌 无 疑 已 经 绝 灭 。 有 些 厌 氧 离 发 展 了 呼吸 能 力 , 或 找到 了 无 氧 的 小 环境 ,它们 在 此 小 环境 中 继续 度 着 无 氧 的 生活 。 然 ,这 5 ¢ e 16 * 动物 细胞 。 普通 动物 细胞 的 超 薄 切 上 ONE LG Seam aimee ae 9 Ip ye 1-95} Ie ; haa af are acai [+ j 0-100~4m—_——+} 细胞 的 膜 系统 ile 胞 的 外 界面 是 质 膜 ， 为 连续 的 脂 质 内 质 网 a eye inet Sy 其 中 埋 着 Meee ae ee ° 9 了] 空 a pipet at 脂 双 层 内 质 网 膜 结交 上 与 核 被 外 肛 连 续 , 而 在 脂 质 ARE Aa hk Ale i PL. EARN -RERATHE, SH 在 外 表面 , 含有 从 事 蛋白 质 合成 的 核糖 体 。 细胞 质 有 些 蛋 白质 作为 录 和 通道 ， 使 特定 的 分 子 进 出 细胞 。 高 尔 基 器 以 膜 为 界 的 平 盘 堆 麦 系统 ,涉及 修饰 、 分 类 和 包装 大 分 子 ， 分 泌 或 释放 到 其 他 细胞 器 。 所 ik. ER thie Ascii wt Aa ern ea entre a 内 含 与 细胞 内 消 ， 内 含 产生 高 尔 基 器 周围 有 许多 小 的 以 腊 为 界 的 小 淘 (50nm 或 更 大 些 )。 Cs 人 7) 这 些小 泡 被 认为 携带 高 尔 基 器 HARA KE ZN Hie Sed 0.2-0.5 2m 组 合 图 A 真 核 细 胞 : 它 细胞 核 Py ee 104 核 是 细胞 内 最 引 人 注 目的 细胞 器 。 双 层 膜 组 成 的 核 被 膜 把 它 与 细胞 质 隔 开 。 所 有 的 染色 体 DNA 在 核 内 ，DNA 与 同等 质量 的 组 蛋白 结合 ， 包 装 成 染色 质 。 核 内 物质 通过 核 被 膜 上 称 为 核 孔 的 开口 与 细胞 质 沟通 。 染色 质 细胞 骨架 线粒体 在 胞 液 中 ， 蛋 白质 丝 排列 成 网 络 ， 线粒体 大 小 与 细菌 相仿 ， 是 所 有 真 核 细胞 使 细胞 有 一 定形 状 ， 并 构成 细胞 运动 的 DL) > 利用 氧 与 食物 分 子 结合 时 释放 的 基础 。 在 动物 细胞 内 ， 含 细胞 中 心 粒 对 能 量 制造 ATP 。 的 核 附近 区 域 常 组 成 细胞 骨架 。 三 种 主 要 的 细胞 骨架 纤 丝 是 ， 1 微 管 Garrats ke Gees om 2 肌 动 蛋白 丝 直径 agit te e = 。 上 7nm epee Seay See 3 中 等 纤维 氧化 的 最 后 阶 基质 空隙 包含 许多 Wand BEE te py a 7B BG HE 特殊 的 植物 细胞 细胞 器 叶绿体 一 这 些 含 叶绿素 的 质 体 是 eM ce 在 所 有 高 等 植物 内 发 现 的 以 双 层 膜 为 界 manatee lie f AMA ， 0， 的 细胞 器 。 精致 的 内 膜 系统 包含 光合 作 Safe RM OW me ‘x HOPE BE. Sh it 类 厢 体 :了 液 泡 膜 内 腊 = 基质 细胞 壁 -一 植物 细胞 周围 的 — Ne 硬 壁 ， 由 处 于 其 它 多 本 基质 MY ERK KK |i 3 sf 1 EA) AY ME EE HEH ie RE ee OO > VY) ' LORRI. has r iz 一 LAIn /-———~5m—_____—] 质 腊 | ESS: 们 的 主要 细胞 器 一 览 图 。 ay * |; ¢ 和 5 es 41-1] 核 含 有 真 核 细胞 的 大 部 分 DNA, RK 图 1-18 在 所 有 真 核 细 胞 中 ， 线粒体 使 营养 片 为 电镜 下 观察 到 的 哺乳 动物 细胞 的 超 薄 切 片 。 分 子 氧 化 降解 。 从 这 张 电镜 照片 中 可 见 ， 它 们 (Daniel S. Friend) | 具有 光滑 的 外 膜 和 高 度 卷 绕 的 内 膜 。 (Daniel s. Friend §§) 示 内 膜 的 伸展 系统 。 膜 的 扁平 囊 内 含 叶 绿 素 * 排 列 成 堆 ， 即 基 粒 (g)。 这 种 叶绿体 还 含有 大 的 淀粉 积 到 物 (s)。(]， Burges 赠 ) 而 ， 第 三 类 厌 氧 菌 似乎 发 现 了 更 巧妙 的 对 未 来 意义 更 为 深远 的 生存 策略 : 它们 与 好 氧 型 细 腹 密切 结合 ， 共 生 在 一 起 。 这 就 是 当今 真 核 型 细胞 起 源 的 最 合乎 情理 的 解释 (ASA A)， 本 书 主 要 讨论 真 核 细 胞 。 根据 定义 ， 与 原核 细胞 对 比 真 核 细胞 有 一 个 核 ( 核 的 希腊 字 为 “caryon"， 核 内 含有 ° 18 * 细胞 的 大 部 分 DNA, DNA 密封 在 双 层 膜 内 (图 1-17)。 Ai, DNA 在 区 室内 与 细胞 其 余 物 质 即 细胞 质 分 开 ， 大 多 数 的 细胞 代谢 反应 发 生 在 细胞 质 内 。 而 且 在 细胞 质 内 许多 不 同 的 细胞 器 可 被 识别 , 其 中 两 个 突出 的 是 线粒体 和 叶绿体 《图 1-18 和 1-19)。 两 者 各 自 密 封 在 自己 的 双 层 膜 内 ， 它 们 的 膜 不 同 于 核 导 围 的 膜 。 线 粒 体 几乎 是 真 核 细 胞 的 共同 特征 ,而 叶绿体 只 存在 于 有 光合 作用 能 力 的 真 核 细 胞 内 ,也 就 是 说 ,只 能 存在 于 植物 内 ,在 动物 或 真菌 都 没有 发 现 。 这 两 种 细胞 器 都 被 认为 起 源 于 共生 。 真 核 细 胞 的 氧化 代谢 依靠 线粒体 线粒体 与 自由 生活 的 原核 生物 很 相似 : 例如 ,它们 的 大 小 和 形状 往往 类 似 于 细菌 , 含 DNA， 以 一 分 为 二 的 方式 增殖 。 破 碎 真 核 细 胞 并 分 离 它们 的 组 分 可 以 证 明 , 线粒体 负责 呼吸 ， 而 且 在 真 核 细胞 内 的 其 它 地 方 不 发 生 呼 吸 作用 。 无 线粒体 的 动物 细胞 和 真菌 细胞 是 厌 氧 生物 体 ， 它 们 的 能 量 来 自 效率 不 高 和 自古 就 有 的 酵 解 过 程 。 现 在 有 许多 细菌 能 呼 吸 , 它 们 赖 以 呼吸 的 机 制 明 显 地 类 似 于 线粒体 的 。 所 以 , 真 核 细胞 看 来 很 可 能 就 是 原始 厌 氧 生物 的 后 裔 , 厌 氧 生物 通过 知人 好 氧 菌 而 在 氧气 充足 的 世界 上 生存 。 与 其 说 它们 消化 了 细菌 ,不 如 说 它们 养育 了 细菌 并 保持 共生 ,有 目 的 在 于 能 使 细菌 消耗 大 气 中 的 氧 以 产生 能 量 ， 正 像 我 们 饲养 乳牛 ， 它 们 吃 的 是 草 产 的 是 奶 。. 当 然 ; 我 们 还 不 能 完全 证 明 这 就 是 过 去 所 发 生 的 事情 ,但 是 有 某 些 现存 微生物 为 上 述 进 化 顺序 提供 了 证 据 :例如 ,一 种 罕见 的 真 核 生 物 一 一 池 沼 多 核 变形 虫 (Pelomyxa palustris) 没有 线粒体 , 却 同好 氧 菌 建立 了 永久 的 共生 关系 。 叶绿体 可 能 是 原核 薄 的 后 裔 叶绿体 进行 光合 作用 的 方式 ,很 像 原 核 的 蓝 营 菌 ,以 附着 在 叶绿体 膜 上 的 叶绿素 吸收 阳光 。 有 些 叶 绿 体 的 结构 极 像 蓝 营 菌 ， 它 们 的 大 小 和 带 有 叶绿素 的 膜 堆 爸 的 方式 都 相似 (图 1-19)。 此 外 ,叶绿体 经 分 裂 而 增殖 , 含 DNA。 所 有 这 些 足以 提出 叶绿体 是 从 在 真 核 细胞 内 安家 的 蓝藻 菌 进化 而 来 ， 叶 绿 体 执行 光合 作用 以 报答 寄主 为 它们 提供 了 居住 和 营 养 的 环境 。 营 光合 作用 的 细胞 与 其 他 类 型 的 细胞 共生 ,实际 上 是 一 种 普遍 现象 ,可 若 察 到 在 许多 现在 的 真 核 细 胞 中 含有 真正 的 蓝藻 菌 ( 图 1-20)。 图 1-21 RH. 真 核 生 物 按 共 生理 论 的 进化 起 源 。 但 必须 强调 , 线粒体 和 叶绿体 与 如 今 的 好 氧 菌 和 蓝藻 菌 除 了 相似 外 ,还 有 重大 的 差别 。 例 如 , 它们 的 DNA 含量 极 少 , 构成 它们 的 分 子 大 部 分 是 在 真 核 细 胞 的 其 他 地 方 合 成 后 再 输入 细胞 器 。 假 定 它们 确实 起 源 于 共生 菌 , 则 它们 已 经 历 了 很 大 的 进化 变化 ,已 完全 依赖 于 它们 的 寄主 。 某 个 原始 厌 氧 细胞 获得 线粒体 是 否 为 真 核 生物 发 生 的 关键 步骤 ， 它 是 否 把 厌 氧 细胞 的 其 他 特性 一 起 带 进 真 核 生 物 而 进化 ? 我 们 缺乏 证 据 回答 这 个 问题 : 现存 的 真 核 细胞 不 仅 都 含有 线粒体 ， 而 且 还 有 许多 有 别 于 原核 细胞 的 其 他 特性 ( 表 1-1)。 这 些 功能 合 在 一 起 使 真 核 细胞 拥有 种 种 不 同 的 能 力 , 所 以 不 可 能 说 哪 种 能 力 最 先进 化 。 真 核 细胞 含有 各 种 排列 的 内 膜 真 核 细 胞 的 体积 比 原 核 细 驳 大 得 多 ,通常 要 大 一 干 多 倍 , 它 们 所 含 的 细胞 物质 的 量 大 多 数 也 成 比例 地 增加 ;例如 ， 人 体 细胞 所 含 的 DNA 为 典型 细菌 DNA 的 800 倍 。 体 积 e, 19, ° Ke th HR HE) Feat g “Ty Ae HE Ee WA BIS 19 A A BR J OL SS BS EH 表面 的 质 膜 进出 ,又 因为 膜 也 是 许多 重要 反应 的 场所 ,所 以 增加 细胞 体积 就 得 增加 细胞 表 面 。 gh i a eam 体积 就 要 按 长 度 的 立方 增加 ， 表面 积 按 长 度 的 平方 增加 ,这 ae te 5 人 : ae see 和 2 池河 图 1-20 现代 的 蓝藻 菌 的 一 个 近亲 ， 以 永久 共生 关系 生活 在 另 一 细胞 内 (这 两 生物 体 合 称 为 Cyanophore paradoxa), if 车 菌 正 在 经 历 分 裂 。(D.， Pickett-Heaps 赠 ) HE EHS TA ee ies SR bad sc Se 真 核 生物 的 未 知 的 厌 氧 原核 祖先 是 几何 学 的 事实 。 所 以 ， 如 果 大 的 足 核 细胞 要 像 原 核 细 胞 那样 保持 很 高 的 表面 积 与 体积 之 比 , 则 它 的 膜 必须 卷 曙 、 拆 登 和 其 他 方式 的 精心 安排 ， 以 增加 它 的 表 面积 。 这 可 能 部 分 地 解释 了 内 膜 的 一 个 基 。 本 特性 , 即 内 膜 结构 复杂 而 多 样 。 膜 围 住 BAEK EAA Hak. 它 NBRKKERMKS, OAR (A 1-22), 那 里 除了 合成 细胞 向 外 输出 的 物 质 外 , 还 合成 细胞 膜 的 脂肪 和 和 蛋白质。 它 们 还 形成 一 堆 堆 扁 平 的 囊 ， 构 成 高 尔 基 器 (图 1-23)， 各 种 有 机 分 子 的 合成 和 运输 都 与 高 尔 基 器 相关 。 PE RAM 古代 原核 生物 Bl 真 核 生物 的 假设 的 起 源 :， 好 氧 的 原核 生物 与 厌 氧 的 原核 生物 共生 。 体 ; 深 酶 体内 贮存 胞 内 消化 所 需 的 酶 , 免 遭 细胞 未 身 的 蛋白 质 和 核酸 的 侵袭 。 同 样 ; 蜡 转 住 过 氧 物 酶 体 ,那里 产生 和 降解 有 害 活 性 的 过 氧化 氧 。 它 们 还 形成 小 泡 , 在 植物 中 形成 大 的 充满 液体 的 空 泡 。 所 有 这 些 以 膜 为 界 的 结构 相当 于 细胞 质 内 的 明显 的 区 室 。 在 典型 的 、 动物 细胞 内 ， 这 些 区 室 几乎 占据 全 部 细胞 体积 的 一 半 。 细 胞 质 还 有 一 个 间隔 通常 称 为 胞 液 , 它 包 括 以 障 为 界 的 细胞 器 之 外 的 所 有 一 切 物 质 。 我 们 列举 的 所 有 的 有 膜 结构 都 在 细胞 的 内 部 。 那 么 ,它们 怎样 才 有 助 于 解决 我 们 二 « 20 « #1-1 原核 生物 和 真 核 生 物 的 比较 原核 类 真 核 类 Oe 生物 体 on Ea AI SR ES REAM RR aya 细胞 大 小 长 度 一 般 为 1 一 10um 长 度 一 般 为 10 一 100wm 代谢 厌 氧 或 好 氧 好 氧 细胞 器 极 少 或 是 没有 核 ,线粒体 ,叶绿体 ,内 质 网 等 DNA 细胞 质 中 环 状 DNA 很 长 的 DNA ,含有 许多 非 编码 区 ;组 织 成 染色 体 ; 以 核 被 为 界 RNA 和 蛋白 质 ”| 在 同一 区 室内 合成 RNA 和 蛋白 质 核 内 合成 和 加 工 RNA ， 细 胞 质 内 合成 重 白质 细胞 质 无 细胞 骨架 、 细 胞 质 流 ,内 知 作 用 ,外 排 作用 ”| 细胞 骨架 由 蛋白 纤 丝 组 成 ;细胞 质 流 ;内 知 作用 和 外 排 作用 细胞 分 列 通过 二 分 弄 通过 有 丝 分 裂 (或 减 数 分 裂 ) 细胞 组 织 主要 为 单 细 胞 主要 为 多 细胞 ;有 细胞 分 化 开始 所 提出 的 问题 和 向 细胞 提供 与 其 大 的 体积 相 适 应 的 表面 积 呢 ? 这 个 问题 的 回答 取决 于 以 膜 为 界 的 间隔 与 细胞 外 部 的 交换 。 这 种 交换 得 目 真 核 细胞 独特 的 内 吞 和 外 排 过 程 。 在 内 香 过 程 中 ,外 表 膜 部 分 内 陷 并 红 断 , 形成 以 膜 为 界 的 细胞 质 小 泡 , 内 含 外 界 物质 或 吸 附 在 细胞 表面 的 物质 。 外 排 作 用 是 其 逆 过 程 , 细 胞 内 以 膜 为 界 的 小 泡 与 质 膜 融 合 ,将 它们 的 内 含 物 释放 至 外 界 介质 。 因 此 ， 在 细胞 深 处 围 住 区 室 的 膜 能 增加 细胞 与 外 界 交换 物质 的 有 效 表 面积 。 以 后 几 章 中 我 们 将 会 看 到 , 真 核 细胞 中 的 各 种 膜 和 以 膜 为 界 的 区 室 已 变 得 高 度 专 一 ， 有 些 用 作 分 谈 , 有 些 用 作 吸 收 ,' 有 些 用 于 特定 的 生物 合成 过 程 等 AB AWA MBAR 细胞 越 大 , 其 内 部 结构 越 复杂 和 越 专 一 ,这 些 结构 对 保持 它们 的 适当 位 置 和 控制 它们 的 运动 的 要 求 也 就 越 高 。 所 有 真 核 细 胞 都 有 内 部 骨架 ， 即 细胞 骨架 ， 它 使 细胞 有 一 定形 状 * 能 笃 动 ,能 安放 细胞 器 并 使 之 能 从 细胞 的 一 部 分 转移 至 另 一 部 分 。 细 胞 骨架 由 蛋白 质 丝 网 络 组 成 , 其 中 最 重要 的 两 种 是 肌 动 蛋白 丝 和 微 管 ( 图 1-24)。 这 两 种 蛋白 质 丝 必定 来 和 目 进 化 的 初期 ， 因 为 在 所 有 的 真 核 细 胞 内 发 现 它们 几乎 是 一 成 不 变 的 。 这 两 种 蛋白 质 丝 关系 到 细胞 运动 的 产生 ;例如 ,在 纤毛 和 鞠 毛 中 , 肌 动 蛋白 丝 参与 肌肉 的 收缩 ,而 微 管 是 主 妥 的 结构 因子 和 力量 产生 因子 ;纤毛 和 鞭毛 是 某 些 细胞 表面 伸 出 的 长 形 突起 ,它们 像 凌 子 那样 凌 打 ,起 着 推进 器 的 作用 。 肌 动 蛋白 丝 和 微 管 对 于 真 核 细胞 细胞 质 内 的 内 部 运动 也 是 必 不 可 少 的 。 因 此 ， 有 丝 分 裂 纺锤 体 那 种 形式 的 微 管 , 是 真 核 细胞 分 裂 时 使 DNA 均等 地 分 给 两 个 子 细胞 的 机 构 的 重要 部 分 所 以 ,无 微 管 的 真 核 细 胞 便 不 能 增殖 。 在 这 一 个 以 及 其 他 例子 中 ,如 靠 自由 扩 散 则 运动 不 是 太 慢 ,就 是 太 乱 ,对 细胞 分 有 裂 没有 用 处 。 事 实 上 ,有 人 曾经 提出 , 真 核 细胞 里 的 细胞 器 多 半 直 接 或 间接 地 吸附 于 细胞 骨架 ， 它 们 只 能 通过 需 能 的 转移 过 程 沿 着 细胞 骨 以 的 轨道 移动 。 原生 动物 中 包括 已 知 的 最 复杂 的 细胞 原生 生物 最 能 阐明 真 核 单 细胞 所 能 获得 的 复杂 性 。 这 些 原生 生物 是 自由 生活 的 单 细 e 2! « ee Ae ummm Cee 它们 可 以 营 光 合作 用 或 捕食 为 生 , 可 以 是 活 图 1 22 eriorrerewereee 显 示 内 质 网 的 光滑 区 和 粗糙 区 。 (George Palade 赠 ) 动 的 也 可 以 是 国 着 的 。 它 们 的 形态 往往 是 很 复杂 的 ,含有 诸如 感觉 刚毛 、 光 感受 器 ,鞭毛 \. 足 状 附 胶 、 OE SRR RS a BREE le 的 ,但 却 像 许 许多 多 细胞 生物 体 那样 复杂 而 多 能 。 称 为 原生 动物 或 “最 早 的 动物 ”的 原生 生物 尤其 是 如 此 。 FiER (Didinium) 是 捕食 性 原生 动物 。 体 呈 球 状 , 直径 约 150wm， 围 着 两 个 纤毛 环 ; 前 端 和 宇平 ,有 一 个 隆起 物 ， 很 像 鼻子 (图 1-25)e ME 虫 凭 借 纤 毛 同 步 拍 打 而 在 水 中 高 速 游 动 。 樟 毛虫 的 捕食 对 象 通常 是 另 一 种 原生 动物 草 履 虫 ， 当 珊 到 适当 的 捕食 对 象 时 ， 从 鼻 区 释放 大 量 使 敌 麻 阁 的 小 刺 。 模 毛 虫 吸 附和 吞 吻 草 履 虫 时 成 空心 球 状 ,以 便 知 食 与 它 本 身 一 样 大 小 的 其 它 细胞 ,这 种 复杂 的 行为 一 一 游 亏 数 是 由 质 膜 下 的 细胞 骨架 结构 产生 的 。 例 如 ， 平 行 的 微 管束 实际 上 是 在 这 种 细胞 皮质 内 ， 形 成 每 条 纤毛 的 世 ， 使 纤毛 能 拍打 。 但 是 ,原生 动物 尽管 很 奇特 ,并 不 代表 真 核 细 ， 胞 进化 的 顶峰 。 出 现 的 更 大 的 事情 是 ,不 是 把 各 种 复杂 性 集中 于 一 个 细胞 ， 而 是 各 类 不 同 细胞 之 间 的 分 工 。 多 细胞 生物 进化 的 过 程 中 ,来 和 目 同 一 祖 先 的 细胞 相互 分 化 ,有 的 细胞 高 度 发 展 这 一 特性 ， 有 的 细胞 高 度 发 展 另 一 特性 ， 形 成 了 一 项 大 协作 事业 的 专业 分 工 。 基因 能 开 能 关 高 等 动 植物 体内 各 种 特 化 的 细胞 类 型 是 大 不 相同 的 (组 合 图 B )。 这 似乎 令 人 迷 惑 不 解 ， 因 为 多 细胞 生物 体内 所 有 的 细胞 都 密切 相关 ， 都 是 刚 刚 从 同一 个 前 体 细 胞 一 一 受精 卵 传 下 来 的 。 共 同 的 谱系 意味 着 有 相似 的 基因 ; 那么 怎样 会 产生 差 别 的 呢 在 少数 情况 下 ， 细 胞 特 化 涉及 址 传 物质 的 丧失 :， 一 个 极端 的 例子 是 哺乳 动物 的 红细胞 ， 在 分 化 过 程 中 丧失 了 整个 细胞 核 澡 但 大 多 数 动 杆 物 的 细胞 ， 几乎 都 保留 着 受精 卵 所 含 的 全 部 遗传 信息 。 特 化 不 取决 于 基因 的 丧失 或 获得 ,而 取决 于 基因 表达 的 变化 。 即使 是 细菌 也 不 是 一 直 在 制造 它们 所 有 各 种 类 型 的 蛋白 质 ， 但 它们 能 按照 外 界 条 件 e 22° 调整 合成 水 平 。 例 如 ,有 些 菌株 只 在 要 利用 乳糖 时 才 制 造 专门 为 乳糖 代谢 所 需 的 蛋白 质 。 有 些 细菌 在 条 件 不 利 时 ， 抑 制 大 多 数 正 常 的 代谢 过 程 , 形 成 钨 子 ,孢子 有 硬 而 不 可 渗透 的 外 壁 和 成 分 改变 的 细胞 质 。 真 核 细胞 有 了 更 复杂 的 控制 基因 表达 的 机 制 ,这 些 机 制 影响 整个 相互 作用 的 基因 产物 系统 。 一 组 组 基因 被 激活 或 抑制 ,以 应 答 内 外 两 种 信号 。 膜 的 成 分 、 细 胞 骨架 、 分 泌 产物 ,甚至 代谢 一 一 所 有 这 些 和 其 他 特性 必定 随 细胞 分 化 而 协调 地 变 化 。 例 如 同一 动物 体内 ， 专 司 收缩 的 骨骼 肌 细 胞 与 分 这 硬性 骨 基 质 的 成 骨 细 胞 是 协调 的 《组合 图 B， 第 24 页 )。 细 胞 特性 如 此 巨大 的 转化 反映 了 基 _. SS : 因 表达 的 稳定 变化 。 在 真 核 细胞 中 ,引起 如 此 变化 “图 1-23 HAO Hee B 示 高 尔 基 器 ,高 尔 基 器 由 膜 的 扁平 诈 组 成 ,排列 成 的 次 制 已 进化 到 原 该 细胞 无 法 与 之 比拟 的 程度 。 多 层 (也 可 见 组 合 图 A) RMR BSH OSI 胞 外 的 物质 的 合成 和 包装 ， 并 参 预 将 新 合成 的 蛋 真 核 细胞 所 含 的 DNA 远 多 于 确定 蛋白 质 所 需 白质 引入 正确 的 细胞 区 室 (Daniel S. Friend 赠 ) 的 量 Lem ee See A 真 核 细胞 含有 大 量 DNA; 我 们 已 经 讲 到 过 ， 人 体 细 胞 的 DNA 含量 几乎 是 典型 细 tum iS Raia rts 图 1-24 在 这 张 动物 细胞 的 电镜 照片 中 可 看 到 细胞 骨架 的 两 个 主要 组 分 : 微 管 和 肌 动 蛋白 丝 。 ( 引 自 B. S. Spooner, Bioscience 25: 440—451, 1975, 照片 经 版 权 所 有 者 美国 生物 科学 研究 所 5 同意 复制 ) » Z3¥e 细胞 类 型 LE - Ba Re OB 上 皮 ， 它 们 排列 的 内 外 表面 。 | 人 体内 有 200 多 种 ee ICH LEE. 有 纤毛 的 细胞 不 同类 型 的 细胞 。 Ak SRM E. Kg 其 自由 表面 上 的 纤 分 泥 细 胞 一 一 火 多 数 这 些 细胞 装配 成 Senne, LANERA, | COPE. fe 上 皮层 有 一 些 细胞 将 不 同类 型 的 组 织 ， 皮层 上 的 物质 《如 iy on on re se a AURA LNRM RE ah) eae 结缔 组 织 | ALS @| < 一 基底 层 神经 组 织 相 邻 的 上 皮 细胞 通过 连接 点 结合 在 一 大 多 数组 织 含有 起 ， 连 接点 增强 片 层 机 械 强 度 ， 使 小 各 种 类 型 细胞 的 分 子 不 能 通过 。 片 层 置 于 基底 层 上 。 结缔 组 织 体内 器 官 和 组 织 之 间 的 空隙 充满 结 。 骨 由 成 骨 细胞 构成 :成 骨 细 胞 分 泌 胞 外 “， 泊 积 在 胸 外 基 SOR RSARERRRERER em GRAMEEN. BURR Eh ACE AB AD 9 eee 两 种 主要 类 型 的 胞 外 蛋白 纤维 : RREA ER 脂肪 细胞 是 体内 最 大 纲 胞 之 一 。/RRcscs 它们 负责 生产 和 贮存 脂肪 。 大 人 人 secrexx WY 的 脂肪 滴 将 核 和 细胞 质 扩 到 边 EAE RAR we 中 的 成 纤维 细胞 神经 组 织 2 i ig 4 轴 突 将 电信 号 传 离 细胞 体 。 fice 这 些 信号 是 由 通过 神经 细 - 胞 膜 的 离子 流产 生 的 。 sii a | , , fie ET ath PSS BB Mame oso SS 元 (或 肌 细胞 ) 形成 特定 连接 神经 细胞 或 神经 元 ， 专门 用 于 通讯 。 Fp ARBRE FR ABBE BLES SS 的 场所 。 在 突 触 处 ， 信号 从 一 AM, AAA CAS 细胞 的 特 化 细胞 围绕 轴 突 ， ”个 神经 元 传 至 另 一 神经 元 〈 或 MRAM AR. PRSER Be 从 神经 元 传 至 肌 细 胞 )。 组 合 图 B 将 椎 动物 的 ee 24 。 分 泌 上 皮 细 胞 往往 集 SR, SAS

: A PN, -mt Ca Gr) H » O-HwoO, uo >On eR NG=Bnmd A ee roe fH \ eo» \ A \/ tat ae H H Q 0 直 H ae AS 9 H H O-H / mb 所 以 参与 水 的 气 键 结构 的 物质 是 ME 亲 水 的 ， 相 对 地 易 溶 于 水 。 Qi 得 H x 水 结构 氨 键 点 阵 中 水 分 子 暂时 ; 虽然 水 分 子 整个 呈 中 性 〈 有 同 数 的 2 pbs tee 电子 和 质子 )， 但 电子 是 不 对 称 地 水 分 子 短暂 地 与 4 个 其 余 水 分 分 布 ， 使 分 子 呈 极 性 。 Ls J yy & Vv babs 8 ABFA hh SAK, 这 些 核 带 有 小 量 净 正 电 。 弱 的 负 电 区 出 现在 想象 的 四 面体 的 另外 两 角 上 的 氧 原 子 附近 。 SBE 因为 水 分 子 是 航 化 的 ， 所 以 两 个 相 邻 的 水 分 子 能 形成 键 ， 称 为 氢 键 。 氢 键 的 强度 只 有 共 价 键 强度 的 1/20 左 右 。 当 3 个 原子 位 于 一 直线 时 氢 键 最 强 « 44 @ 子 连 接 ， 称 为 “不 定 聚 集 ”。 水 的 粘性 决定 其 许多 反常 的 特性 ， 如 高 表面 张力 、 高 比 热 和 高 蒸发 热 。 3+ ar Lee 2 5* (0) stu (0) 257 LN/ At 组 合 图 C 水 的 化 学 特性 及 Bi tee is ee ee ee ee ee eee Bi 7k A ELE FE AED ER ee 两 个 (或 两 个 DLE) 被 水 国 绕 的 朴 水 基 团 有 联合 的 趋势 ， 因为 它们 可 由 此 而 使 水 的 氢 键 结构 不 易 分 Be BAF Ba _ 酸 是 溶液 内 释放 Ht 离子 〈 质 子 ) 的 物质 ) O~ Hang 例 旭 下 人 O 2 H H cH, —€ =a CHG & Uf \| OH mS 水 本 身 略 有 电 酸 碱 质子 Bly, BES x mE, VaR pO = H—0, 碱 是 溶液 内 接收 H+ 离 子 〈 质 子 ) 的 物质 性 。- H o tt 例如 CH Stein CH,-—NH? sl RF 酸 H,O ==> Ht + OH H BE P ip 、 参 浓度 pH 溶液 的 酸性 由 其 2 s 这 23 1: iz Ya 必 ja 所 含 H+ 离 子 的 浓 。 划 | 10- ers mE. HTH Bl 10-， 4 00.20; 7 便 起 见 ， 我 们 用 yo" 5 BL, of 2 PHEE, 10~* 6 “As Ps Loy 7 Of" td pH= — log, [H*] 10% 8 oO Om 纯 水 Loy 9 are 7 SE Oa dies Glee [H*]=10~? | ap 二 水 从 低 渗 溶液 流向 高 渗 深 液 的 运动 造成 moles/liter 10-8 12 静水 压 的 增加 。 处 于 渗透 平衡 的 两 种 溶 1078 13 RA SE BR. og 14 其 对 生物 分 子 行为 的 影响 0” 457° e* og par eA SHE ISK EY A SE 或 分 枝 树 或 环 它 身 原子 形成 强 共 价 键 。 因 此 ， 碳 成 子 能 连接 成 链 。 NE MK / / ee Nea \/ Na : AB Pe i: Un vat Pog ae Le tae ——C eee pes jon Safes 这 入 5 | /SR [ vasa //V\ | | 也 可 写成 盖 | | ease Ser A Dy YF Hb BY DE ET RE 碳 和 氢 在 一 起 构成 稳定 的 化 (形成 共享 的 电子 对 )。 每 一 原子 能 形 成 固定 数目 的 共 价 键 ， 呈 一 定 的 空间 合 物 ， 称 为 烃 。 烃 是 非 极 性 i, RRA, RAB 日 排列 。 ae Su ps i i k i nee H—c— 双 键 存在 并 有 不 同 的 空间 排列 H H Se 外 6) 甲烷 甲 基 ele Bie i 部 分 脂肪 酸 链 ， jp H.C, at jCHs peta pear Ama. 如 果 双 键 是 在 I o 如 eS aa 隔 一 的 碳 原子 间 ， 则 成 键 电子 /CC 了 在 分 子 内 移动 ， 通 过 称 为 共振 的 HG 现象 使 结构 稳定 。 eae : ern Booed tbe / HCL < of ec ay wane! he PN cc CG CH, | H fo H Y is 7. x a. H H ae ce 3) : x ye ae 常 写 成 C—G C—C 2, bs O | UA ae UY ‘be L CH, ey ee” rd ee 46° 组 合 图 D 生物 分 子 中 C0 LS CN 化 合 物 许多 生物 化 合 物 含 结合 氧 的 碳 ， 例 如 ， BARR ASARE BREE nF Zi | 合成 带 正 电 。 —t-on —OH KR ” . i yu tod | pi é CN) +H CN _ us mm HLA Bee: om 所 以 它们 是 碱 性 的 C=O KARA 酸 和 胶结 合成 酰胺 。 它 们 比 酯 稳 te 定 。 它 们 不 同 于 胶 ， 在 水 中 不 带 / 电 。 一 个 例子 是 肘 键 。 O ei) et di 一 COOH 称 为 羧基 。 _¢ 4 Fo 水 中 失去 H+ 离 子 \ af ey ‘OH = 变 成 一 COO- OF a So leks elias ri H Rae tia eg) 氨 也 出 现在 几 种 环 化 合 物 中 : | Woke OE NR, p $28 : NA ~C~ pause ar da ad Sk +H,0 Fa ai > | OH HO—-C— ORG O” Ne | H BBS H;PO,_ : OUR E RS ERS «=| | WRAL 2 mee 成 P 或 P，0 | AD 5 ii ibe saa dace Vintec Pete enim ee | 一 他 OH oO- aed 人- . 磅 酸 基 和 羧基 结合 ， 或 是 两 个 或 两 个 以 上 的 磷酸 基 相 结合 ， 形 成 酸 酝 广 | 大 mai ro 0S f +Hzo0 中 7 | H 0 二 0O- 一 C 0 O : 本 .0- | I 常 写成 nal Conan rae 0-0-0 +H,0 i 四 = 8 当 非 常 利 于 酸 酝 水 解 时 这 些 反应 很 容易 倒 过 来 常见 的 化 学 键 的 基 团 oO a ee 47 。 大 致 阅 来 ;细胞 含有 四 类 小 有 机 分 子 : 单 糖 、 脂 肪 酸 、 氨 基 酸 和 核 苷 酸 。 CGOR shed + AS * 3 H NH, Ho rae _COO 图 2-2 活体 只 合成 理论 上 它们 能 制造 的 有 机 分 子 的 一 小 部 分 。 图 示 的 6 个 氨基 酸 中 ， 细 胞 只 制 造 顶 上 的 一 个 ( 色 氮 酸 )。 每 一 类 含有 许多 具有 共同 的 化 学 性 质 的 不 同 成 员 。 虽 然 有 些 细胞 的 化 合 物 不 属于 这 四 类 ， 但 这 四 类 包括 小 分 子 以 及 由 这 些小 分 子 构 成 的 大 分 子 。 合 在 二 起 右 细胞 质量 的 极 大 部 分 ( 表 2-1)。 糖 是 细胞 的 营养 分 子 最 简单 类 型 的 糖 即 单 糖 是 通 式 为 (CH2O)。 的 化 合 物 ,其 中 为 正 整数 , 从 3 至 7 Ol, MED FAN CHO, (2-3). BEE 有 羟基 以 及 醛 基 c=o) 或 酮 基 ( c= (_ De=o) (> O)o ,一 个 糖 的 羟基 可 与 另 一 个 糖 的 醛 基 或 酮 基 结合 ， 脱 水 形成 二 糖 (组 合 图 E, 第 52 页 )。 更 多 的 单 糖 以 相同 的 方式 加 成 ， 使 低 聚 糖 ( 三 糖 ` 四 糖 等 等 ) 的 长 度 越 来 越 长 ,一 直 长 到 拥有 几 千 个 单 糖 单位 ( 残 基 ) 的 非常 大 的 多 糖 。 因 为 每 一 个 单 糖 有 几 个 自由 的 羟基 ,它们 能 与 另 一 单 糖 (或 一 些 其 他 化 合 物 ) 相 连 , 所 以 , 可 能 有 的 多 糖 结构 的 数量 很 大 。 即 使 由 两 个 葡萄 糖 残 基 组 成 的 简单 的 二 糖 也 能 有 ,11 种 变 体 〈 图 2-4)， 而 3 个 不 同 的 己 糖 (C,H,,0,) 可 连 在 一 起 ,构成 几 干 种 不 同 的 三 糖 。 为 此 ,很 难 讽 定 任何 特定 多 糖 的 结构 ;根据 现 有 的 方法 ,测定 6 个 连接 糖 的 排列 (例如 糖 蛋白 中 的 糖 ) 所 花费 的 时 间 ， 比 测定 含有 好 几 于 个 核 音 酸 的 DNA 分 子 的 核 音 酸 序列 的 时 间 还 要 长 。 葡萄 糖 是 许多 细胞 的 主要 党 养 化 合 物 。 一 系列 氧化 反应 使 这 种 己 糖 变 成 较 小 的 糖 衍 2-1 ABA T Ot Sar | 5 ania ae a nag ph 28 AL | | 占 细胞 器 重 | 每 种 类 型 分 的 百分比 (92)| 子 正 数目 量 的 百分比 | 子 数目 水 70 1 读音 梧 及 其 前 体 0.4 200 无 机 离子 1 20 脂 质 及 其 前 体 2 50 糖 及 其 前 体 200 | 其 他 小 分 子 te ~200 氨基 酸 及 其 前 体 0.4 100 KD F(BAR. EMS) 22 一 500 引 自 S. E. Lutia, S. ] Gould and S. Singer, A View otf Lite. Menlo Park,Ca:Benjamin-Cummings, 1981. 生物 ,最 终 变 成 CO， 和 HO, HARA Bk C,H,,0, OO 一 >0C0) 二 06.O 干 能量 在 葡萄 糖分 解 过 程 中 ， 生 物 合成 反应 中 必 不 可 少 的 能 量 和 “还 原 力 ”，。 ATP 和 NADH 的 两 种 关键 性 的 分 子 的 形式 被 利用 和 贮存 。 ° 48 主要 以 分 别称 为 Hae SAMS eo NER 2. Tee AA Ee 淀粉 , 它们 被 用 于 贮存 能 量 , 以 备 不 时 之 需 。 但 是 糖 的 功用 并 非 完 全 局 限于 产能 和 贮 能 。 例如 , 重要 的 胞 外 结构 物质 (如 纤维 素 ) 是 由 简单 的 多 糖 组 成 的 s。 又 如 小 而 复杂 的 无 重复 糖分 子 序列 常 共 价 地 与 糖 蛋 白 中 的 蛋白 质 以 及 糖 脂 中 的 脂 相连 接 。 这 些 糖 蛋 旦 稿 脂 的 短 低 素 糖 链 中 可 能 存在 的 巨大 变化 ， 被 认为 可 在 细胞 内 和 细胞 间 的 奇妙 的 识别 过 程 中 起 作用 。 年 肪 酸 是 细胞 了 的 组 分 十 六 烧 酸 (图 2-5) 那样 的 脂肪 酸 有 了 两 个 明显 不 同 的 区 域 :长 长 的 碳 氧 链 ， 它 是 朴 水 的 (不 深 于 水 ) ,无 化 学 活性 ; 凑 酸 基 团 , 在 溢 液 中 电离 ,非常 Co 亲 水 ( 溶 于 水 ), 易 形成 酯 和 胺 事实 上 细胞 内 几乎 所 有 的 脂 = yf. ,, yer eet ete vee te a mee, a 胞 内 发 更 的 许多 不 同 的 脂肪 酸 在 矶 氢 链 的 长 度 以 及 它们 所 WNP WA ba 含 的 碳 - 碳 双 链 的 数目 和 位 EE 等 方面 存在 不 同 的 化 学 特 幅 | i" CBee Fe , 图 2-3 MAIC BABI A 脂肪 酸 是 有 价值 的 营养 源 , 因 为 它们 能 分 解 产生 ATP， 葡 葡 糖 的 结构 根据 重量 比 计算 ， 其 ATP 能 量 相当 于 葡萄 精 能 量 的 两 倍 。 它们 以 甘油 三 酯 分 子 小 滴 的 形式 贮存 在 许多 细胞 的 细胞 质 内 ， 甘 油 三 酯 分 子 由 3 条 脂肪 酸 链 组 成 ， 每 条 链接 一 个 甘油 分 子 (组 合 图 F )。 有 需要 时 ,脂肪 酸 链 能 从 甘油 三 酯 中 释 、 放出 来 ,分 解 成 二 碳 单元 。 这 些 二 碳 单元 在 称 为 乙酰 辅酶 A 的 分 子 内 表现 为 乙酰 基 团 。 它们 在 各 种 产能 反应 中 进一步 降解 ,关于 产能 反应 将 在 下 面 讨论 。 但 是 , 脂肪酸 的 最 重要 的 功能 是 构成 细胞 膜 。 包 囊 着 所 有 的 细胞 和 围 住 它们 内 部 细 胞 器 的 那些 薄 而 不 可 透 的 片 层 主要 由 磷脂 组 成 , 构 脂 是 小 分 子 , 类 似 于 甘油 三 酯 ,因为 它 们 都 是 由 脂肪 酸 和 甘油 构成 的 。 然 而 ,在 磷脂 中 ,甘油 连接 两 个 而 不 是 三 个 脂肪 酸 链 。 甘 铀 的 其 余部 位 由 磷酸 基 团 占据 , 磅 酸 基 团 又 与 另 一 个 小 的 亲 水 化 合 物 例如 乙 豆 胺 , 胆 碱 或 丝氨酸 相连 。 每 一 个 磷脂 分 子 都 有 一 个 由 两 条 脂肪 破 链 组 成 的 朴 水 的 尾 。 以 及 一 个 磷酸 基 团 所 在 的 亲 水 的 极 性 头 基 团 。 因 此 ,磷脂 分 子 实际 上 是 去 垢 剂 , 从 它们 的 特性 看 来 , 这 是 很 明显 的 。 小 量 的 磷脂 会 在 水 面 上 铺 开 ,形成 单 层 磷脂 分 子 ; 在 此 薄膜 中 , EDR AR ee 起 ; 朝向 空气 ,而 头 部 基 团 则 与 水 接触 (组 合 图 )。 两 片 如 此 的 膜 可 尾 尾 相 联 , 构 成 磷脂 夹层 , 即 脂 双 层 , 它 是 所 有 细胞 膜 的 结构 基础 。 H O 氨基 酸 是 蛋白 质 的 亚 基 常见 的 氨基 酸 在 化 学 上 是 各 不 相同 的 ,但 是 它们 都 含 一 个 羧 酸 基 团 和 一 个 氮 基 ,两 者 部 与 一 个 碳 原 子 相 连 〈 图 2-6)。 它们 用 作 蛋 白质 合成 的 亚 基 ; 蛋白 质 是 长 的 线性 的 氨基 酸 多 聚 体 ， 这 些 氮 基 酸 通过 一 个 氨基 酸 的 羧 酸 基 团 与 下 一 个 氨基 酸 的 氨基 之 间 的 肽 键 而 首尾 相连 (图 2-7)。 蛋白 质 有 20 种 常见 的 氨基 酸 , 各 有 一 个 不 同 的 侧 链 与 “ 碳 原子 相连 (Al 2-8 和 组 合 图 G )。 同 样 的 20 种 氨基 酸 在 所 有 的 蛋白 质 包括 细菌 \ 植 物 和 动物 制造 的 蛋白 质 内 反复 出 现 。 虽 然 正 好 选 上 这 20 种 氯 基 酸 或 许 是 进化 偶然 性 的 一 个 实 锡 ,但 是 它 « 49 e O O £16 OH CH,OH CH,OH CH,OH pes cy ow, AM 本 ee O Bi-+4 OH CH,OH CH,OH CH,0OH rica Or~o bh es cl 一 2 CH,OH CH,OH CH,0H SA: O O O aa fi-+2 oO. . CH,OH CH,OH CH,OH CH,0H 9 S 2 i al-+4 Bi} 2 O O O 9 al 一 6 Bia 2-4 由 两 个 D- 葡 萄 糖 单位 组 成 的 11 个 二 糖 。 虽 然 这 些 二 糖 仅 在 两 个 葡萄 糖 单位 之 间 键 连 的 类 型 有 所 不 同 ， 但 是 它们 化 学 特性 各 异 。 因 为 与 蛋白 质 和 脂 结合 钓 低 聚 糖 可 能 有 6 种 或 6 种 以 上 的 糖 EAH AAO > 连 成 线性 的 或 分 校 的 排列 , 所 以 可 能 存在 的 不 同类 型 低 聚 糖 的 数 目 是 极 大 的 。 们 提供 的 化 学 多 能 性 却 是 极其 重要 的 。 我 们 将 会 看 到 , 总 的 看 来 氨基 酸 侧 链 的 特性 决定 了 它们 所 组 成 的 蛋白 质 的 特性 ,构成 了 蛋白 质 的 全 部 各 种 各 样 的 复杂 功能 的 基础 。 核 苷 酸 是 DNA 和 RNA 的 亚 基 在 核 背 酸 中 , 几 种 含 氮 的 环 状 化 合 物 之 一 ( 常 称 为 碱 基 ， 因 为 它们 能 与 了 ”结合 ) 与 也 携 囊 磷酸 基 团 的 五 碳 糖 ( 核 糖 或 脱氧 核糖 ) 相 连 。 在 核 音 酸 中 发 现 的 含 氮 环 之 间 有 很 强 的 族 类 相似 性 。 胞 喀 啶 〈C) 、 胸 腺 喀 啶 (T) 和 尿 喀 啶 (U) 称 为 喀 喧 化合物 。 因 为 它 们 都 是 六 元 喀 啶 环 的 简单 的 衍生 物 ; 鸟 味 叭 (G) ARE (A) EERE, AA 个 五 元 环 与 六 元 环 融合 在 一 起 (组 合 图 蔚 )。 核 背 酸 可 充当 化 学 能 的 载体 。 尤 其 是 腺 味 叭 的 三 磷酸 酯 ATP (图 2-9) 可 参与 细胞 内 成 百 个 反应 之 间 的 能 量 传递 。 它 的 两 个 活性 的 易 水 解 的 末端 磷酸 基 团 在 食物 氧化 期 间 被 迫 形成 共 价 键 ， 一 个 或 两 个 高 能 "磷酸 基 团 水 解释 放 的 能 量 能 在 别处 用 于 驱动 能 力 上 不 利 的 生物 合成 过 程 。 其 他 核 苷 酸 衍生 物 用 作 传 送 特定 化 学 基 团 的 载体 ,如 将 氧 原子 或 糖 残 基 从 一 个 分 子 传送 至 另 一 个 分 子 。 环 腺 萌 酸 (cAMP) 是 含 腺 嘎 叭 环 状 磷 酸 衍生 物 ， « 0 。 一 已 一 口 一 () nn 工 工 0 ' GH2 , N-H CHa | SEP H-C——CH, CH, Oo=C | GH, N-H aa onF CH, ya’ a 2p He 4590 H-C——CH2—CH,—C. Sha 0=5 CH N—-H. H 2 H | SO GH, | 四 BAR H—C——CH2~CH,—CH=CH2—N-H CH, Wee Teter O=¢ H CHs CH3 i H25 十 六 烷 酸 。 A 图 2-6 ” 丙 氨 酸 在 pH7 图 2-7 蛋白 质 分 子 的 一 小 部 分 。 图 示 的 4 个 氮 示 电 离 形 式 的 羧 酸 基 团 溶液 中 ，* 呈 电离 状态 。 当 基 酸 通过 称 为 肽 键 的 共 价 键 连接 在 一 起 。 所 以 蛋 CAMB). BASKEN 游离 氨基 白质 有 时 称 为 多 肽 。 酸 的 氨基 和 羧基 上 的 电 fi IK | 用 作 细 胞 内 通用 的 信号 分 子 ,控制 许多 不 同胞 内 反应 的 速率 。 细胞 内 pH 接近 7， 几乎 全 部 羧 酸 和 胺 都 带 足 电 荷 。 我 们 已 在 第 一 章 内 提 到 过 ，, 核 苷 酸 的 特殊 意义 是 保存 生物 信息 。 核 昔 酸 用 作 构 成 核 酸 的 结构 单位 。 核 酸 是 长 长 的 多 聚 体 , 其 中 核 苷 酸 亚 基 通 过 一 个 核 昔 酸 糖 残 基 上 的 IR 基 和 下 一 个 核 背 酸 糖 残 基 上 的 5 磷酸 基 之 间 形 成 磷酸 酯 而 共 价 连接 (图 2-10)。 有 两 种 主要 类 型 的 核酸 , 它们 的 区 别 在 于 多 聚 骨架 中 糖 的 类 型 不 同 。 核糖 构成 的 核酸 称 为 核糖 核酸 即 RNA， 含 有 碱 基 A、U、G 和 C。 脱 氧 核糖 (核糖 2' 位 置 上 的 羟基 被 氢 替 代 ) 构 成 的 核酸 称 为 脱氧 核糖 核酸 即 DNA， 含 硕 基 A、T、G 和 C。DNA 或 RNA 多 聚 体 中 的 碱 基 顺 序 代表 活 细胞 的 遗传 信息 。 不 同 核酸 分 子 上 的 碱 基 通 过 非 共 价 的 作用 相互 识 别 的 能 力 ( 称 为 碱 基 配 对 ) 一 - G 与 C 作 用 ,A 与 T 或 0 作用 一 构成 了 全 部 遗传 和 进化 的 基础 ,这 一 点 将 在 下 一 章 内 阐明 。 小 结 活 有 机 体 是 自主 的 自我 繁殖 的 化 学 系统 。 它 们 由 一 组 特征 性 的 而 种 类 有 限 的 以 碳 为 基础 的 小 分 子 构 成 ,对 所 有 现存 物种 来 说 这 些小 分 子 基本 相同 。 它 们 的 主要 种 类 有 糖 、 脂 肪 酸 、 氨 基 酸 和 核 昔 酸 。 糖 是 细胞 的 主要 化 学 能 源 , 并 结合 成 多 糖 以 贮存 能 量 。 脂 肪 酸 对 贮 能 也 是 很 重要 的 ， 但 是 它们 最 重要 的 功能 是 形成 细胞 膜 。 由 氮 基 酸 组 成 的 多 聚 体 构 成 了 多 种 多 样 的 、 多 功能 的 大 分 子 。 称 为 蛋白 质 。 核 昔 酸 与 细胞 内 的 信号 发 送 相关 ,在 能 量 传递 中 起 着 主要 的 作用 ,但 它们 的 独特 的 作用 则 是 作为 信息 大 分 子 RNA 和 DNA 的 亚 基 。 ea5l 。 环形 H CH,OH 糖 的 醛 基 或 恒基 能 与 羟基 反应 是 NOH H OH H #4 # HO A OHH —C < fHO-C- 0-0-0 H CH,OH 9. opy | H H MRAM BON > 4 ) 来 说 ， 核糖 Fi H 这 反应 能 发 生 在 同一 分 子 内 ， 形成 五 或 六 元 环 。 if = | 单 精 Ba ‘aa tees err atom GO\ 人、 H、 ea CH,0H (-o- Pe C oF NG 不 荷 电 的 极 性 链 Ho 甘氨酸 yt (Gly ,2%G) FAM ABA (Asn, 或 N) {Gln ;或 Q) at a =, 1 mae cg ye, H CHe H CHa 7 : CH o” NH, i : pb 07 NH, c 虽然 酰胺 N 在 中 性 pH 下 不 带电 ， 但 它 是 有 极 性 的 。 HO ERE ER nae (Cy s, BUC) H CHez SH = PLA ED IER TE RO 一 -CH 全 SCcH: 一 HAR FE Bi 2A BAR (Ser, XS) (Thr, kT) (Tyr, XY) ran ie: Hg 一 N 一 C 一 一 a 一 N 一 Rental OH OH OH Jk Mi 2H] —___ _»_ > OH 合成 有 关 的 20 种 氨基 酸 SERRE ME BAR Fi AR (Ala, st A) * (Val, tV) ota jae DT a Naa H CH, H -CH 亮 氨 酸 SRR (Leu, %L) (lleu, #1) ig ‘oe ip oes: Se | CH ~CHe a del CH, CH; CHs fs AAAR (Pro, XP) (Phe, st F) ee a : ARO LT. as Soe CH ow _CHa H CHe CH; 《实际 上 是 一 个 氨基 酸 》 HF imaAm i, AB (Met, 2M) (Trp,2kW) ant ry eae see hal: H 人 H CHa | ete Chea é Bs SN j H CH, Ab ERE | ATRRED THA ea 59 « ' "Oar REET RHR AD, ADT MME Bike RB eee rt. C 5 羟基 相连 。 常 见 的 有 一 、 Be Ro 4 pone 在 AMP 中 O 磷酸 使 核 音 酸 带 负电 “e 60 ® BTR Hi FR HH A OE 5 碳 糖 和 1 个 或 几 个 BREA ho 它们 都 是 BALE O | si . mist ONC Ck 点 HC N-#8 fb | BE P 5 SY 4 C : | | H wt 5 (C1) 用 于 糖 - 糖 键 。 人 gee H 在 细胞 内 见 命名 法 会 混淆 ， cig gal HR PS EERIE, = A 0 , il 5 O PR 20 O- We 磷酸 二 酯 键 | O-—F=0 5 CH, O. 3 OH YF Mi + | em KR KMS BAKE Ee AMP =Jit i — Bem: dAMP=Shi 4 bk HE 1 AR UDP= Ik #— ARR ATP=Rf=W& 等 等 核 苷 酸 有 许多 其 他 功能 1, 左 它们 的 易 水 解 的 栈 告 键 上 揽 人 带 化 学 能 NH, by = N “SN O O- O ee | | | | NA NZ WE O O O a9 $i; ATP Or OL 2 与 其 它 基 团 结合 成 辅酶 NH, 到 的 主要 核 苷 酸 类 型 及 其 衍生 物 一 览 e 61 。 冷 物 体 时 所 引起 的 分 子 运动 的 变化 ， 可 以 推导 出 这 一 关系 。 虽 然 这 些 详细 的 定量 关系 与 O oor ow i | | 糖 + O, 区 是 糖 的 氧化 分 解 的 逆反 应 。 然 而 ,这 一 简单 的 反应 式 却 隐藏 着 揽 床 的 暗 反 应 的 本 质 , 后 者 包含 许多 连锁 的 反应 步骤 。 而 且 , 当 最 初 固定 的 CO, 形成 糖 ， 以 后 的 代谢 反应 就 立即 ; 把 这 些 糖 转化 成 植物 细胞 必 不 可 少 的 其 他 小 分 子 和 大 分 子 。 化 学 能 通过 植物 到 动物 动物 和 其 他 不 进行 光合 作用 的 生物 不 能 从 阳光 直接 获得 能 量 ， 所 以 不 得 不 依靠 摄食 植物 所 取得 的 间接 的 ”能 量 来 维持 生存 。 植 物 细胞 制造 的 有 机 分 子 为 摄食 植物 的 生物 体 提供 结构 成 分 和 燃料 。 所 有 的 各 种 类 型 的 植物 分 子 包括 糖 ` 蛋 白质 、 多 糖 、 脂 质 和 许多 其 7 * 它 分 子 都 能 为 此 目的 服务 。 植物 和 动物 之 间 的 交往 不 完全 是 单 向 的 。 植物 、 动 物 和 微生物 在 地 球 上 共存 了 那么 长 时 间 , 以 致 许多 植物 ,动物 和 微生物 已 成 为 其 他 nA at 植物 、 动 物 和 微生物 环境 的 不 可 缺少 的 一 部 分 s 光 合作 用 释放 出 来 的 氧 被 几乎 所 有 生物 的 有 机 分 子 的 氧化 所 消耗 。 今 日 通过 绿叶 的 光合 作用 “固定 ” 到 大 型 有 机 分 子 中 去 的 一 些 CQ。 分子 则 是 昨天 动物 通过 呼吸 作用 而 释放 到 大 气 中 去 的 。 Ast; 碳 的 利用 是 个 循环 的 过 程 , 它 涉及 整个 生物 圈 * 越 “过 生物 个 体 之 间 的 界限 (A 2-13). ARN 系列 相似 的 循环 原则 土 有 可 能 追查 氛 、 磷 和 硫 原 子 从 一 个 生物 分 子 到 另 一 个 生物 分 子 的 陈 迹 。 细胞 通过 生物 分 子 氧化 获得 能 量 细胞 中 的 碳 、 氧 原子 不 是 处 于 亡 们 最 稳定 的 形式 。 由 于 地 球 大 气 含有 大 量 氧 , 碳 的 能 力学 上 最 稳定 形式 为 CO,， 氢 的 能 力学 上 最 稳定 形式 为 H:O。 所 以 细胞 能 从 葡萄 糖 或 蛋白 质 分 子 获 得 能 量 ， 只 要 允许 它们 的 碳 、 氢 原子 与 氧 结合 ,相应 地 产生 CO, 和 H:O 。 然 而 细胞 并 不 是 像 燃 烧 那 样 ， 通过 一 个 步骤 就 使 分 子 氧化 。 它 使 待 氧化 分 子 通 过 许多 反应 ,而 只 有 极 少 数 反 应 涉及 直接 加 氧 。 我 们 必须 对 氧化 过 程 有 一 个 清晰 的 概念 ， 才 能 追查 图 2-11 为 了 对 活 细胞 进行 简单 的 热力 学 分 析 ， RMIT MMM. Peetierg Oe ay bor 就 上 述 的 意义 而 论 ， 氧 化 作用 不 只 是 意味 着 子 。 在 上 面 这 张 图 中 ， 细 胞 和 宇宙 其 余部 分 的 分 加 上 氧 原子 ， 它 更 兰 这 地 活用 于 电子 从 一 个 原 于 人 天 人 人 转移 至 另 一 个 原子 的 任何 反应 。 这 种 意义 的 氧化 “其 余部 分 中 分 子 的 随机 运动 包括 键 变形 的 增加 所 作用 是 指 电子 的 减 除 ， 而 还 原作 用 即 氧化 作用 的 eee ee ee eeeeek ite 让 本 其 逆 过 程 , 则 是 指 电子 的 增加 。 因 此 , 如果 Feet 失 周围 环境 放 热 可 使 细胞 内 部 变 成 高 度 有 序 ， 而 与 去 一 个 电子 变 成 Feet, 则 被 Fe+ 氧 化 了 ; mR 此 同时 ， 整 个 宇宙 则 变 成 更 为 无 序 。 原子 得 到 一 个 电子 变 成 Cl-, 则 氯 原子 被 还 原 了 。 电子 仅 在 共 价 键 连接 的 原子 之 间 部 分 转移 时 ,也 使 用 同样 的 术语 。 例如 , 当 碳 原子 与 氧 、 氧 或 硫 这 些 电 负 性 原子 共 价 结合 时 , 它 放 弃 的 电子 比 它 共享 的 电子 来 得 多 , 即 获得 部 分 正 电荷 ,所 以 说 它 被 氧化 了 。 WR, C-H 键 内 的 矶 原子 相对 地 有 较 多 的 电子 ,所 以 说 它 被 还 原 了 (图 2-14)。 在 细胞 内 ， 营 养 物 氧化 把 有 机 分 子 中 的 C 和 世 原子 〈 它 们 在 那里 相对 地 有 较 多 的 电 子 , 处 于 还 原状 态 ) 转 化 成 CO， 和 HO，C 和 H 原 子 在 CO,， 和 _H:O 中 放弃 了 电子 , 所 以 是 高 度 氧化 了 。 电 子 从 碳 和 和 氢 移 至 氧 ,使 所 有 的 原子 都 获得 较 稳 定 的 状态 ,因而 能 力学 上 是 有 利 的 。 通 过 一 系列 中 间 反 应 ,电子 逐步 地 发 生 转 移 , 在 大 多 数 情况 下 , 这 一 系列 反 ee 63 ¢ di sytem as, Bo 太阳 -1 oa 人 “水 中 的 CO。 } co 7 呼吸 WF OR 光合 省 用 [ATP ] [NADPH 腐殖质 和 溶解 的 有 机 物质 at EL 图 2 12 绿色 植物 光合 作用 的 两 个 阶 委 图 2-13 ” 碳 循环 。 一 个 个 碳 原 子 通过 植物 \ 细 菌 和 海 营 的 光合 作用 活动 而 整合 人 生物 的 有 机 分 子 。 碳 原子 通过 循 坏 途 径 进 人 动物 、 微 生物 和 土壤 与 海洋 中 的 有 机 物质 中 。 当 有 机 分 子 被 细胞 氧化 或 被 大 EAD AREA GN » CO, 便 又 贮存 在 大 气 内 。 应 涉及 氧 原子 组 分 在 分 子 间 的 转移 。 有 机 分 子 在 一 系列 酶 促 反应 中 分 解 虽然 碳 的 能 力学 最 有 利 形式 为 CO.， 氢 的 能 力学 最 有 利 形 式 为 HO， 但 是 活 有 机 体 并 不 烟消云散 * 同 样 理由 ,您 手 上 的 书 也 不 会 突然 起 火 燃烧 : 两 者 都 存在 于 亚 稳 态 的 能 槽 之 中 (图 2-15), 它们 需要 有 活化 能 ,才能 转化 成 较 稳 定 的 构 型 。 就 书 而 论 ,点 着 的 火柴 能 提供 活化 能 。 对 活 细胞 来 说 ,可 以 不 甚 剧 烈 的 和 破坏 性 较 小 的 方式 获得 同样 的 结局 。 高 度 专 一 的 蛋白 质 催 化 剂 〈 即 酶 ) 通过 降低 结合 分 子 所 能 进行 的 特定 反应 的 活化 能 而 与 生 物 分 子 结合 。 酶 通过 选择 性 地 降低 某 一 途径 的 激活 能 , 来 确定 采取 可 供 选 择 的 几 个 反应 途径 中 哪 一 个 途径 (图 2-16)o “各 种 细胞 分 子 就 是 以 这 种 方式 定向 通过 特定 的 反应 途径 的 。 活 有 机 体 的 成 就 多 半 归 之 于 细胞 能 制造 大 量 特 异 的 酶 。 各 种 酶 都 是 蛋白 质 , 有 独特 的 三 维 构象 ,可 形成 一 个 活性 部 位 ,把 一 组 特定 的 其 他 分 子 ( 底 物 ) 结 合 在 它 的 表面 。 酶 以 这 样 的 方式 与 其 底 物 结合 ,以 致 可 加 速 底 物 所 能 进行 的 许多 化 学 反应 中 的 一 个 特定 反应 ， 典型 情况 下 速率 可 增加 OC 多 倍 。 没有 一 种 其 它 类 型 的 催化 剂 可 以 与 酶 的 专 一 性 和 效率 相提并论 。 | 氧化 反应 释放 的 部 分 能 量 与 ATP 的 形成 偶合 细胞 之 所 以 能 从 葡萄 糖 的 “燃烧 ”获得 霄 用 的 能 ， 完 全 是 因为 细胞 以 极其 复杂 的 和 有 «64° 控制 的 方式 使 葡萄 糖 燃烧 。 通过 酶 指导 的 反应 途径 , 产生 生物 有 序 的 合成 或 合成 代谢 的 8 化 学 反应 与 提供 能 量 的 降解 或 分 解 代谢 反应 紧密 介 iin 合 。 图 2-17 的 力学 模拟 可 说 明 偶合 反应 和 非 偶合 的 分 解 代谢 反应 之 间 的 主要 差别 。 图 中 用 岩石 从 基 | 崖 上 落下 代表 能 力学 有 利 的 化 学 反应 。 落 下 的 岩石 的 动能 通常 以 它们 击 地 时 产生 的 热 的 形式 完全 浪费 We 掉 ( 组 合 图 A )。 但 是 ,经 过 精心 设计 ,部 分 动能 可 用 | 于 推动 叶轮 ,从 而 擒 起 一 桶 水 (组 合 图 B Yo ZEB 1 中 ,因为 岩石 只 有 推动 叶轮 后 才能 到 达 地 面 ,所 以 我 H % < | H AR o=c=0 ALR | 图 2-14 后 烷 的 碳 原 子 通 过 逐步 图 2-15 阐明 活化 能 原理 的 示意 图 。 化 合 物 失去 氢 原 子 而 读 化 成 二 氧化 碳 的 碳 富 屋 ?通过 被 转化 为 化 合 物 工 而 获得 较 低 和 较 原子 。 每 转化 一 步 ， 便 有 电子 从 碳 有 利 的 能 态 。 然 而 ?除非 称 能 获得 足以 进行 原子 上 丢失 ， 使 碳 原 子 转化 至 能 力 反应 的 活化 能 ?这 种 转化 就 不 会 发 生 。 学 上 较 稳 定 的 状态 《〈《 即 碳 的 氧化 程 度 变 得 更 高 )。 未 催化 iE 1 HY BE RE 图 2-16 AAAS on te So) FRR Bh EN RRA VO, Eh, 球 代表 洪 ENBMRA> CHTHMKA THAR ime ERE. AFRO RRKIEDS LAPIN 4 种 不 同化 学 反应 的 活化 阻碍 ERWOATH.—TRM LRA RE AMS ERA BL 服 任 一 能 量 阻 碍 。 在 右边 的 箱子 中 ? 酶 催化 作用 只 降低 1 号 反应 的 活化 能 ,因而 允许 利用 所 得 的 能 量 进行 这 一 反应 。 ° 65 。 SAAT AK. OT 作为 热 而 释放 的 能 量 相应 地 减少 贮存 在 擒 起 水 桶 内 的 潜在 的 动能 可 用 来 起 动 各 种 不 同 的 水 压 机 图 2-17 阐明 偶合 化 学 反应 的 力学 模型 的 示意 图 。A 所 示 的 自发 反应 可 用 来 模拟 葡萄 糖 直 接 氧 化 成 co， 和 HO。 只 产生 热 。B, 上 述 反应 与 另 一 个 反应 偶合 ;第 二 个 反应 可 用 来 模拟 ATP 的 合成 。B 中 产生 的 适用 性 更 广 的 能 可 用 来 驱动 其 他 的 细胞 过 程 ? 如 C 所 示 。 Mik, 岩石 下 落 的 自发 反应 已 经 与 擒 起 一 桶 水 的 非 自 发 反应 直接 偶合 。 应 当 指出 。 在 分 图 B 中 ,因为 部 分 能 量 现在 用 来 做 功 ; 所 以 岩石 击 地 的 速度 小 于 分 图 A 中 的 岩石 击 地 的 速 度 , 所 以 , 以 热 的 形式 浪费 掉 的 能 量 也 相应 地 较 少 。 在 细胞 内 , 酶 起 着 我 们 的 模拟 中 的 叶轮 的 作用 ,使 食物 的 自发 燃烧 与 产生 核 背 三 磷酸 ATP 的 反应 偶合 。 正 如 图 2-17 中 贮存 在 擒 起 一 桶 水 的 能 量 可 分 出 一 部 分 去 起 动 各 种 不 同 的 水 压 机 (组 合 图 C )，ATP 可 用 作 方 便 而 又 多 功能 的 能 库 或 能 量 的 通货 ,以 驱动 细胞 所 需 的 许多 不 同 的 化 学 反应 。 ATP 水 解 产 生 细胞 的 有 序 ATP 因 不 甚 稳定 而 充当 化 学 能 载体 。 在 细胞 质 内 的 条 件 下 ，ATP BABAK 。166J。 释放 无 机 磷酸 (Pi)， 并 释放 出 大 量 的 可 用 能 。 因 此 , FE KS eT RA YT 为 高 能 键 , 虽然 就 共 价 键 本 身 而 论 并 没有 什么 特殊 。ATP 水 解释 放 的 能 也 能 驱动 其 他 反 ”应 ,只 要 这 些 反 应 能 以 某 种 方式 与 ATP 水 解 过 程 偶合 。 ATP 水 解 驱动 的 多 种 反应 包括 参与 生物 分 子 的 合成 的 反应 ,参与 分 子 越过 细胞 膜 的 主动 运输 的 反应 ， 以 及 参与 力 和 运动 产生 的 反应 。 这 三 种 过 程 在 建立 生物 有 序 中 都 起 着 重大 的 作用 。 生 物 合 成 反应 中 形成 的 大 分 子 携带 信息 ;催化 特定 的 反应 ,在 细胞 内 和 胞 外 空间 中 装配 成 高 度 有 序 的 结构 s 膜 围 成 的 泵 可 维持 细胞 内 部 的 特殊 组 成 ， 允许 信号 在 细 胞 内 和 细胞 闻 传 递 。 最 后 ; 力 和 运动 的 产生 不 仅 使 细胞 的 细胞 质 内 含 物 成 为 有 组 织 的 ,而 且 使 细胞 本 身 游 移 活 动 ,装配 成 有 结构 的 组 织 。 小 结 活 细胞 是 高 度 有 序 的 ,为 了 生长 和 存活 ,必须 在 它们 内 部 建立 秩序 s 这 在 热力 学 上 之 所 以 可 能 ,完全 是 因为 源源 不 断 地 输入 能 量 , 部 分 能 量 以 热 的 形式 从 细胞 向 它们 的 环境 释 放 。 能 量 归 根 结 蒂 来 自 太 阳 的 电磁 辐射 。， 后 者 促使 像 绿 色 植物 那样 的 进行 光合 作用 的 生 物 内 形成 有 机 分 子 。 动 物 在 偶合 于 ATP 的 一 系列 酶 催化 反应 中 ， 通 过 吸收 和 和 氧化 这 些 有 机 分 子 而 获得 能 量 。 ATP 是 所 有 细胞 共同 的 能 量 通货 ， 它 的 水 解 与 其 他 一 些 反应 价 全 ,而 驱动 建立 秩序 的 各 种 能 力学 不 利 过 程 。 食物 与 细胞 能 量 的 获得 … 食物 分 子 分 三 步 分 解 而 产生 ATP 蛋白 质 、 脂 质 和 多 糖 构成 了 我 们 所 吃食 物 的 主要 成 分 ， 它 们 必须 先 分 解 成 小 分 子 , 我 们 的 细胞 才能 够 利用 它们 。 这 些 分 子 的 酶 促 分 解 或 分 解 代 谢 可 分 三 个 阶段 进行 (图 2-18)c 我 们 首先 简单 地 概述 这 三 个 阶段 ,然后 较 详细 地 讨论 其 中 的 两 个 阶段 。 在 第 一 阶段 中 ,大 型 多 聚 分 子 分 解 成 它们 的 单 体 亚 基 一 一 蛋白 质 分 解 成 毛 基 酸 ,多 糖 分 解 成 糖 ,脂肪 分 解 成 脂肪 酸 和 甘油 。 这 些 初步 的 过 程 称 为 消化 ,通过 分 刻 出 来 的 酶 的 作 用 而 主要 发 生 在 细胞 外 。 在 第 二 阶段 中 ， 最 终 的 小 分 子 进 入 细胞 ， 在 细胞 质 内 进一步 降 解 。 糖 的 大 多 数 的 碳 和 和 氢 原子 转化 成 丙酮 酸 , 然 后 进入 线粒体 ,丙酮 酸 在 线粒体 内 转化 成 乙酰 辅酶 A 的 乙酰 基 (〈 图 2-19)。 乙酰 辅酶 A 像 ATP 一 样 ， 是 个 化 学 性 质 活 涛 的 化 合 物 , 水 解 时 灵 放 出 大 量 的 能 量 。 脂 肪 酸 的 氧化 也 产生 大 量 的 乙酰 辅酶 A。 分 解 代谢 的 最 后 阶段 ， 即 第 三 阶段 , 乙酰 辅酶 A 的 乙酰 基 完 全 降解 成 CO, 和 H,0, 大 多 数 ATP 就 是 在 这 最 后 阶段 中 产生 的 。 通过 一 系列 偶合 的 化 学 反应 ,理论 上 从 糖 类 和 脂肪 氧化 成 HO 和 CO, 所 得 的 一 半 以 上 的 能 量 投入 于 驱动 能 力学 不 利 反 应 Pi 十 ADP 一 >ATP。 因为 其 余部 分 的 氧化 能 被 细胞 作为 热 释 放出 去 ， 所 以 这 样 产 生 的 ATP 在 宇宙 中 创造 了 净 无 序 , 而 符合 热力 学 第 二 定律 。 通过 ATP 的 产生 ， 最 初 得 自 糖 类 和 脂肪 氧化 的 能 量 重新 分 布 成 便于 包装 和 易于 释 放 的 化 学 能 形式 。 在 典型 的 细胞 内 ,整个 胞 内 空间 的 溶液 内 约 有 10" 个 ATP 分 子 , 在 那 Hi, ATP 返回 到 ADP 和 磷酸 基 的 能 力学 有 利 的 水 解 ,给 各 种 能 力学 不 利 反 应 提供 驱动 这 些 双 应 的 能 量 。 ° 67 。 [31 阶段 大 分 子 分 解 成 图 2-18 导致 食物 变 成 废物 的 分 解 代 谢 的 三 个 阶段 的 简单 图 解 。 这 一 系列 反应 产生 ATS 接着 ATP 被 用 于 推动 生物 合成 反应 和 细胞 内 其 他 需 能 的 过 程 。 甚至 无 氧 时 酝 解 也 能 产生 ATP 分 解 代谢 第 二 阶段 的 最 重要 部 分 是 一 系列 称 为 酵 解 的 反应 一 葡萄 糖 的 溶 胞 (分 解 ) 作用 。 在 酵 解 过 程 中 ， 有 六 个 碳 原子 的 葡萄 糖分 子 转化 成 各 有 三 个 碳 原子 的 两 个 丙酮 酸 分 子 , 这 一 转化 需要 依次 发 生 9 个 酶 促 反应 ， 而 涉及 一 系列 含 磷酸 基 团 的 中 间 产 物 (图 2- 20)。 从 逻辑 上 看 来 ,这 种 依次 发 生 的 反应 可 分 成 三 部 分 : 〈I1) 在 反应 至 4 中 ,葡萄 糖 转 化 成 三 碳 醛 即 甘 油 醛 -3- 磷 酸 ， 这 一 转化 需要 投入 ATP 形式 的 能 量 ;!(2) 在 反应 5 和 6 中 ， 甘 油 醛 -3- 磷 酸 的 醛 基 氧 化 成 羧 酸 , 由 此 反应 所 得 的 能 量 与 ATP 中 产生 的 新 的 高 能 磷酸 键 偶 合 ; 〈3) 在 反应 7、8 和 9 中 ,回收 第 一 反应 程序 中 最 初 投 入 的 ATP。 在 酵 解 完成 后 ，ATP 收 支 情况 表明 净 收 入 为 两 个 ATP 分 子 (每 一 个 葡萄 糖分 子 )， 这 是 在 反应 5 和 6 中 产生 的 。 所 以 ,这 两 步 是 酵 解 的 关键 。 ,因为 在 这 一 程序 中 唯 有 这 两 步 反应 才 从 无 机 磷酸 基 产 生 高 能 磷酸 键 ， 所 以 这 两 个 反应 可 充分 说明 细胞 内 的 反应 偶合 在 一 起 以 收获 氧化 作用 释放 出 的 能 量 的 方法 (图 2-21). ERM RMS, ACAD « 68 。 NH, | Oo Ce ee" ee eee : H,;C—¢ Is-¢-G-N-C-€-G-N-U-¢—C-—G-0-F -0-B-O-CHy a o | 让 二 法 HHH OH CH;3H sand? Oo 二 H H H H ‘i OH . 二 二 了 一 人 = H,0O 下 Il oO ZR NH, No CA G. +N wot Il 上 a eb coger nie ee ee : | : H+4S-—C—C—N-C-—C—C C 一 上 人 汪汪 HHH 48H 图 2 19 关键 性 的 代谢 中 间 产 物 乙酰 辅酶 A 的 结构 。 在 分 解 代谢 第 二 阶段 ( 见 图 2-18) 产生 的 乙 酰基 与 辅酶 A (CoA) 共 价 结合 。 的 离子 : 一 个 质子 加 两 个 电子 ) 离开 甘油 醛 -3- 磷 酸 的 醛 基 ， 而 转移 至 载体 分 子 NAD+ (图 2?-22)。 同 时 ,如 图 2-21 所 示 。 从 溶液 中 所 得 的 磷酸 离子 通过 高 度 活 泼 的 键 与 新 产生 的 将 基 结合 。 在 酵 解 的 反应 6 中， 这 一 活泼 的 磷酸 基 转 移 至 ADP， 形 成 ATP, BEA 由 的 羧基 。 所 以 这 两 个 反应 的 总 结果 是 ， 糖 醛 氧化 成 羧 酸 ， 无 机 磷酸 转化 成 ATP 上 的 高 能 键 ，NAD” 分 子 还 原 成 NADH, 这 对 出 色 的 偶合 反应 很 可 能 是 最 早出 现在 进化 细 胞 中 的 代谢 步骤 之 一 。 它 们 除了 形成 葡萄 糖 代谢 的 中 心 外 ,在 光合 作用 期 间 , 它 们 还 被 光 激活 反应 产生 的 NADPH 和 ATP 逆向 驱动 ， 所 以 它们 在 光合 作用 的 固 碳 过 程 中 起 着 关键 性 的 作用 。 对 大 多 数 动物 细胞 来 说 ， 酵 解 仅 是 分 解 代谢 第 三 阶段 的 前 奏 。 因 为 丙酮 酸 形成 后 很 快 就 进入 线粒体 ,完全 氧化 成 Co, 和 苇 0。 然 而 ,就 厌 氧 生物 体 (不 利用 氧 分 子 的 生物 体 )， 以 及 无 氧 条 件 下 也 能 发 挥 功能 作用 的 像 骨骼 肌 那 样 的 组 织 而 论 , 酵 解 可 成 为 细胞 ATP 的 主要 来 源 。 在 这 些 例子 中 ,丙酮 酸 在 线粒体 内 并 不 降解 ,而 是 待 在 胞 液 内 。 根 据 生 物体 的 类 型 不 同 , 或 是 转化 成 乙醇 加 CO, (如 在 酵 母 中 ), 或 是 转化 成 乳酸 (如 在 肌肉 中 ) 而 排泄 出 去 。 在 这 些 称 为 发 酵 的 无 氧 产 能 反应 中 ,为 了 用 光 酵 解 反应 5 中 产生 的 还 原 力 ,丙酮 酸 需 进 一 步 反 应 ,以 产生 继续 酵 解 所 需 的 NAD+。 氧化 分 解 代 谢 产 生 更 大 量 的 可 利用 能 通过 酵 解 反应 从 葡萄 糖 无 氧 产生 ATP 的 效率 颅 低 。 无 氧 酵 解 的 最 终 产 物 仍 含 大 量 e 69 e 进一步 氧化 就 能 释放 的 化 学 能 。 只 有 在 分 子 氧 由 于 蓝藻 菌 光 合作 用 的 结果 而 积累 在 地 球 的 大 气 中 二 后 ， 和 氧化 微生物 和 真 核 细胞 的 线粒体 中 才 有 可 能 出 现 氧化 分 解 代 谢 《 细 胞 呼 | re cr a (6) 21 ATPt CH;~(P) 2 ee | (| 2XL_ffitnecs-mae 反应 6 全 于 站 : ATP | G Te = leant | @) CH,—-(P) [Ca A220 酵 解 的 中 间 产 物 。 每 一 个 编号 的 反应 由 221 酵 解 反应 5 和 6: BAR 不 同 的 酶 催化 。 在 步骤 4 ， 六 碳 糖分 型 成 两 个 三 ee ATP 和 NADH 的 形成 偶合 。 碳 糖 ， 以 致 在 这 一 步 邓 之 后 的 各 个 步骤 中 分 子 数 〈 见 贺 2-20) 目 加 倍 。 反 应 5 和 6 是 负责 ATP 和 NADH 分 子 净 合成 的 反应 。( 见 正文 ) 吸 ) 的 进化 。 早 期 ,无 氧 分 解 代谢 过 程 主宰 着 地 球 上 的 生命 。 分 解 代谢 过 程 外 加 了 需 氧 的 阶段 (图 2-18 的 第 三 阶段 ), 这 就 给 细胞 提供 了 从 食物 分 子 摄 取 能 量 的 更 加 有 效 得 多 的 方 法 。 这 个 第 三 阶段 以 柠檬 酸 循环 (也 称 三 羧 酸 循环 或 克 雷 伯 氏 循环 ) 为 起 点 ， 以 氧化 磷酸 化 告终 ,两 者 都 发 生 在 好 氧 菌 和 真 核 细胞 的 线粒体 内 。 代谢 作用 受 柠 檬 酸 循环 的 控制 柠檬 酸 循环 的 主要 功能 是 氧化 以 乙酰 辅酶 A 分 子 形式 进入 循环 的 乙酰 基 。 因 为 乙酰 基 不 直接 氧化 ,而 只 是 与 循环 一 周 之 末 再 生 的 较 大 分 子 草 酰 乙酸 共 价 加 成 ,所 以 这 些 反 应 才 形 成 循环 。 如 图 2-23 所 示 ， 循 环 以 乙酰 辅酶 A 与 草 酰 乙酸 之 间 反 应 生成 称 为 柠 楼 酸 的 ea 70 。 H H NADH NH, 由 区 | HeN-C-T ~CH JN HC | 有 CNrCH SNXN-C、NACH tf Bigg teat 9 agi ies O Ji Wis 0 3 于 下 H H H H OH OH OH OH bs me [ew H NAD* NH; ; | 2 pie HaN-C-CA CH Prey HC | HCL cH NACNZOH | s H-C—0H + NAp' 一 一 9=o + NADH+H* 2-22 4} ARIMA RRMA HONADH I NADE Esai, NADtA PHIM 酰胺 环 的 部 分 能 接受 多 带 一 个 电子 的 氢 原 子 ( 气 离子 H-) 形 成 NADH, €xX—BREH, Mw 酰胺 环 有 还 原 稳定 性 , 它 不 再 因 共 扼 而 稳定 。 因 此 ， 外 加 的 氢 离 子 易 转移 至 其 他 分 子 。 在 乙醇 那 梓 的 底 物 分 子 的 生物 氧化 过 程 中 ( 见 图 的 下 半 部 分 ); 阁 物 失去 两 个 氢 原 子 。 其 中 一 个 氢 原 子 作为 氢 离 子 加 在 NAD+ 上 ,产生 NADH, 8—7 STE MRE (HY) 释放 到 溶液 里 去 ( 见 图 9-16)。 三 次 酸 分 子 开 始 。 此 后 发 生 一 系列 反应 ,在 这 些 反 应 中 ,柠檬 酸 的 6 个 碳 原 子 中 两 个 碳 原子 氧化 成 CO:, 形 成 另 一 个 草 酰 乙酸 分 子 ,使 循环 重复 。( 因 为 每 一 次 循环 新 加 进去 的 两 个 碳 进 入 本 檬 酸 分 子 的 部 位 不 同 于 氧化 成 CO 时 碳 在 柠檬 酸 中 的 位 置 , 所 以 只 有 在 经 过 几 次 循环 之 后 ,它们 本 身 才 得 以 氧化 o) 尔 后 ,这 些 反应 产生 的 CO, 从 线粒体 扩散 出 去 并 脱离 细胞 。 在 柠檬 酸 循 环 过 程 中 ， 以 几 种 不 同方 式 捕获 森 檬 酸 中 C 一 互 和 C 一 C 键 氧化 时 释放 的 能 量 。 在 循环 的 一 个 步骤 (琥珀 酰 辅酶 A 至 琥珀 酸 )， 通 过 类 似 于 以 上 讨论 的 酵 解 机 制 产生 高 能 磷酸 键 。 (虽然 这 一 反应 产生 CTP, MAH ATP， 但 是 所 有 的 核 背 三 磷酸 从 能 力学 上 衡量 是 等 价 的 ， 因为 存在 着 诸如 ADP + GTP==ATP + GDP 那样 的 交换 反 Wo) 所 有 其 余 捕获 的 氧化 能 量 都 投入 将 载 氢 分 子 转化 成 它们 的 还 原形 式 中 ; 每 循环 一 周 ， 有 三 个 NAD+ 分 子 转化 成 NADH, —-*+ BARE BAM (FAD) 转化 成 FADH,, . 从 进入 柠檬 酸 循环 的 乙酰 基 制 造 CO， 所 需 的 外 加 的 氧 原 子 不 是 由 氧 分 子 提供 ,而 是 由 水 提供 的 。 每 一 次 循环 分 解 三 个 水 分 子 ， 用 它们 的 氧 原 子 制造 CO, BNHAHAR 了 Bey figr [Faia NAD* bs NADH+H+ paren of | _sesveee [Ac] - — NAD*® FADH; CGOj NADH+He) FAD pe 2 Se to .- = — ie- —Loeee ® GTP Se oe GDP = BSH RA BA” EB 2-23 柠檬 酸 循环 。 在 线粒体 和 好 氧 菌 中 ， 由 丙酮 酸 产生 的 乙酰 基 进 一 步 氧 化 。 乙 酰基 的 碳 原 子 转化 成 CO:, 而 氢 原 子 则 转移 至 载体 分 子 NAD+ 和 FAD, +> MHANARTERUES(#) 的 步骤 中 以 水 的 形式 进入 循环 ( 详 见 图 9-12)。 号 " + He 一 [B:Hj] == B:- + HY+ 暂时 的 中 间 产物 图 2 24 分 子 癌 电子 的 转移 相当 于 氢 原 子 的 转移 。 在 这 一 例子 中 ， 由 于 加 上 气 原 子 而 使 分 子 B 还 Rie WR B-H 是 敲 性 分 子 , 则 所 原子 易 在 溶液 内 分 解 ? 而 给 出 质子 ( 即 Ht). Ate 的 基本 要 领 是 电子 的 转移 ， 转 移 的 电子 保持 在 B 中 。 子 进入 底 物 分 子 , 能 量 升 高 ,( 与 乙酰 基 的 氧 原子 一 起 ) 移 至 NADH 那样 的 载体 分 子 。 在 线粒体 的 另 一 场所 ,由 这 些 激活 的 氢 原 子 携 囊 的 能 量 为 产生 ATP 的 反应 所 利用 ;后 者 的 氧化 磷酸 化 (在 下 文 详细 讨论 ) 才 需 从 大 气 中 摄取 氧 。 所 以 ,线粒体 既是 细胞 的 动力 室 , 又 是 食物 分 子 的 碳 氢 原子 最 终 氧 化 的 场所 。 所 有 的 分 解 代 谢 过 程 ,不 管 是 以 糖 、 脂 肪 还 是 蛋白 质 为 起 始 ， 最 终 都 向 线粒体 集中 。 除 了 丙酮 酸 处 ;脂肪酸 和 一 些 氨基 酸 也 从 胞 共 进 入 线粒体 ,它们 在 线粒体 内 转化 成 乙酰 辅酶 A 或 柠檬 酸 循环 的 其 他 中 间 产 物 之 一 。 线粒体 除了 可 以 产生 许多 种 生物 合成 所 需要 的 ATP 之 外 ， 还 通过 产生 重要 的 含 碳 中 间 物 ,如 草 酰 乙酸 和 c- 酮 成 二 酸 ， 而 起 着 生物 合成 反应 起 始点 的 作用 。 这 些 物 质 从 线 粒 体 返 至 胞 液 , 它 们 在 胞 波 内 用 作为 合成 必需 分 于 如 氨基 酸 的 前 体 。 ae a en Ee Bee ee Oe ee ee ee ee 电子 向 氧 转 移 而 驱动 ATP Hem’ 氧化 磷酸 化 是 分 解 代谢 的 最 后 一 步 ， 大 部 分 代谢 能 旦 是 在 这 一 步 释放 的 。 在 这 一 过 fz"), NADH 和 FADH, 分 子 把 它们 从 食物 分 子 氧 化 获得 的 电子 转移 给 分 耶 氧 Qi 这 一 反应 形式 上 相当 于 氧 在 空气 中 燃 浇 形成 水 释放 出 大 量 的 化 学 能 。 一 部 分 能 量 用 于 制 造 ATP， 其 余 以 热 的 形式 释放 。 ” 虽然 NADH 和 FADH, 氧化 的 下 个 化 学 过 程 涉及 所 向 氧 转 移 , 但 是 完整 的 氨 原 子 并 不 直接 转移 。 重要 的 是 从 氢 原 子 获得 电子 。 这 是 因为 所 原子 易于 分 解 成 电子 和 质子 (CH+)， 这 电子 此 后 能 单独 转移 到 只 接受 电子 的 分 子 ， 而 质子 仍 留 在 水 深 液 中 (图 2-24)。 由 于 同样 的 理由 ， 如 果 电 子 单独 授 于 对 氢 有 强 杀 和 力 的 分 子 , 则 通过 从 溶液 中 回收 质子 。 氢 原 子 可 自动 地 重新 构成 。 在 氧化 磷酸 化 过 程 中 , KA NADH 和 FADH; 的 电子 传 过 一 连 串 载体 分 子 , 但 是 完整 的 氨 原 子 存在 与 否 取决 于 载体 的 特性 。 电子 沿 电子 转移 链 的 一 系列 转移 发 生 在 线粒体 的 内 膜 上 ， 所 有 的 载体 分 子 都 埋 在 内 膜 之 中 。 电 子 每 转移 一 步 , 便 降 至 低能 态 一 次 ,直到 最 后 它们 转移 至 已 扩散 到 线粒体 中 去 的 氧 分 子 。 氧 分 子 对 电子 有 最 强 的 亲和力 , 因 此 束缚 在 氧 上 的 电子 处 于 最 低 的 能 态 。 这 些 电子 降 至 低能 态 时 释放 出 来 的 能 量 以 尚未 完全 了 解 的 方式 将 质子 从 线粒体 内 室 泵 出 (图 2-25), 因而 产 生 跨 线粒体 内 膜 的 电化 学 质子 梯度 。 pee oN Si Sa ~ Oy op, i un 2-2 通过 电子 转 移 反应 而 产生 跨 膜 互 + 梯 度 的 示意 2-26 9 种 必需 氨基 酸 。 人 细 图 。 高 能 电子 (例如 得 自 代谢 物 的 氧化 ) 按 次 序 着 过 载体 胞 不 能 合成 它们 , 所 以 A、B 和 C 至 低能 态 。 在 这 张 图 中 ,载体 B 在 膜 中 排列 使 必须 由 食物 提供 。 得 它 在 电子 通过 时 可 从 一 侧 摄取 Ht+, -从 另 一 侧 释放 有 4 最 终 的 HI+ 梯 度 代表 一 种 贮 能 的 形式 ?线粒体 中 的 其 它 膜 蛋白 利用 这 种 能 量 促使 ATP 形成 ( 见 图 9-34), 反 过 来 ,这 一 梯度 又 促使 质子 回流 ,通过 膜 中 的 酶 复合 物 ,将 磷酸 基 加 在 ADP 上 , 在 线粒体 内 产生 ATP. 新 制造 的 ATP 从 线粒体 转移 到 细胞 的 其 它 地 方 , 进 一 步 起 动 各 种 代谢 反应 。 电子 传递 链 的 特性 和 ATP 合成 的 机 制 将 在 第 九 章 详 细 讨论 。 © P73 ye 氨基 酸 和 核 苷 酸 是 氢 循 环 的 一 部 分 到 现在 为 止 所 讨论 的 代谢 变化 只 限于 4 种 元 素 一 一 碳 ` 氨 、 氧 , 磷 。 我 们 还 没有 讨论 氨 和 硫 的 代谢 。 这 两 种 元 素 是 蛋白 质 和 核酸 的 重要 组 分 ; 蛋白 质 和 核酸 则 是 细胞 的 两 种 最 重要 的 大 分 子 , 大 约 占 细 胞 干 重 的 三 分 之 二 。 氮 和 硫 原子 通过 一 系列 可 逆 的 循环 ,在 化 合 物 之 间 以 及 生物 体 与 环境 之 间 转 移 。 虽然 地 球 大气 中 分 子 扰 含 量 丰 富 ， 但 是 它 的 化 学 性 质 不 活 涛 。 只 有 少数 现存 物种 能 将 分 子 氮 结 合 进 有 机 分 子 , 这 一 过 程 称 为 固氮 作用 s 固 扰 发 生 在 某 些微 生物 中 * 也 通过 闪 电 之 类 的 某 些 地 球 物理 过 程 发 生 。 总 的 说 来 ， 固 氮 对 于 生物 圈 是 必 不 可 少 的 ,没有 它 * 地 球 上 的 生命 也 就 不 复 存 在 。 然而 ， 当 今生 物 中 只 有 一 小 部 分 氮 化 合 物 代 表 固 氮 的 新 鲜 产 物 。 大 多 数 有 机 的 氮 已 循环 了 一 段 时 间 , 众 一 个 活 有 机 体 传 递 到 另 一 个 活 有 机 体 。 因 此 ，。 固氮 反应 可 以 说 对 整个 氮 的 供应 起 着 补充" 作 用。 例如， 宥 椎 动物 实际 上 已 摄 人 食物 中 蛋白 质 和 核酸 中 所 有 的 氮 。 在 体内 ,这 些 大 分 子 分 解 成 氨基 酸 和 核 背 酸 ,然后 用 它们 构成 其 他 分 子 。 生物 合成 中 未 利用 的 氨基 酸 能 氧化 产生 代谢 能 。 它 们 的 大 多 数 碳 、 和 氢 原 也 最终 形成 CO, 或 孙 O， 而 它们 的 氮 穿 梭 般 不 停 地 通过 各 种 形式 ,最 终 成 为 尿素 ， 排 出 体外 。 各 种 氨基 酸 被 作 了 不 同 的 加 工 ;并 且 有 一 整 列 的 酶 反应 被 用 于 它们 的 分 解 代 谢 。 相 反 , 另 一 个 不 同系 列 的 反应 可 允许 柠檬 酸 循环 的 中 间 产 物 用 于 合成 若 千 氨基酸” 和 蛋白质 中 的 20 种 氨基 酸 有 一 半 左 右 是 养 椎 动物 能 制造 的 ， 其 余 的 氨基 酸 必须 靠 食物 提供 ,为 此 ,后 者 被 称 为 必需 氨基 酸 (图 2-26). panies "alia temas 而 这 些 途 径 在 兰 椎 动物 的 进化 过 程 中 已 经 丧失 。 小 结 动物 细胞 被 认为 分 三 个 阶段 从 食物 获得 能 量 。 在 第 一 阶段 件 , 蛋 白质、 多 糖 和 脂肪 经 胞 外 反应 分 解 成 小 分 子 。 在 第 二 阶段 中 ,这 些小 分 子 在 细胞 内 降解 产生 乙酸 辆 酶 A 和 有 限量 的 ATP 及 NADH。 这 些 是 唯一 能 在 无 氧 条 人 御 下 产能 的 反应 。 在 第 三 阶 盘 中 ,乙酸 辅酶 人 分 子 在 线粒体 内 降解 ,产生 CO， 和 氢 原 子 。 氢 原子 与 NADH 那样 的 载体 分 子 相 连 。 氢 原子 的 电子 通过 复杂 的 载体 链 ,最 终 导致 氧 分 子 还 原 成 水 。 ABT (Ht) 受 这 些 电子 转移 步骤 中 释放 出 的 能 量 驱动 ， 从 线粒体 中 输出 s 路线 粒 体内 膜 的 最 终 电化 学 质子 梯度 ,被 用 于 驱动 大 多 数 细胞 ATP 的 合成 。 生物 合成 与 有 序 的 产生 细胞 内 任 一 瞬间 都 发 生 着 成 千 上 万 的 不 同 的 化 学 反应 。 这 些 反应 联接 成 链 ， 一 个 反 应 的 产物 成 为 下 一 个 反应 的 底 物 。 原则 上 一 个 化 合 物 可 转变 为 另 一 个 化 合 物 。 无 论 如 何 , 像 大 城市 路 上 的 汽车 通行 一 样 ,细胞 内 的 许多 代谢 途径 有 可 能 或 是 向 内 的 ,或 是 向 外 的 "。 如 前 所 述 , 向 内 的 路 线 由 分 解 代 谢 反应 组 成 ， 它 们 可 以 把 食物 分 子 转化 成 糖 和 糖 磷酸 。 向 外 的 路 线 由 生物 合成 反应 组 成 ,以 酵 解 的 中 间 物 和 柠檬 酸 循环 (以 及 它们 有 关 的 化 合 物 ) 开 始 , 产 生 较 大 和 较 复 杂 的 细胞 分 子 。 es 74 。 wen 图 2.27 GZ ATP 水 解 过 程 中 ,可 切 下 未 端 磷酸 基 ， 从 而 根据 细胞 内 条 件 产生 每 摩尔 11 B13 F 的 可 用 能 。 | rian ani + @HP) HO—p—O-CH, + O-—p-0-p— OH O Oo Oo swe ahd atk 一 磷酸 EAR 2 a 『 ®)+® O-—f-OH + HO-F—OH 0 0 BEAR wie 图 2-28 ATP 水 解 的 另 一 条 路 线 , 首 先 形 成 焦 磷 酸 , 然 后 焦 磷酸 再 水 解 。 这 条 路 线 产 生 的 有 用 能 约 为 图 2-27 反 应 的 一 倍 。 在 此 图 和 上 一 张 图 中 显示 ， 得 自 水 的 五 原子 与 水 解 后 的 磷酸 基 相 连 。 然 而 ,在 细胞 质 的 pH 下 :实际 上 大 多 数 磷酸 基 分 解 ,形成 游离 的 氢 离 子 Ht, e75e 1. 谷 氨 酰 法 合成 2 .多 核 苷 酸 合成 2-29 典型 的 @+@@~A-B 脱水 反应 的 例子 。 此 图 适用 于 所 有 各 种 情况 ; 通常 核 背 酸 水 解 可 将 化 合 物 图 激活 为 @#, 以 驱动 原本 不 利 的 反应 。 在 以 下 所 示 两 例 之 一 中 ， 从 谷 氨 酸 和 氨 侣 成 谷 氨 酰 腕 , 需 水 解 一 个 磷酸 键 。 在 另 一 例 中 ,每 加 一 个 核 昔 酸 到 DNA 或 RNA 中 去 ， 就 得 水 解 两 个 磷酸 键 ( 多 核 彰 酸 合成 )。 e 76° 生物 合成 的 能 量 来 自 ATP 的 水 解 ATP 分 子 的 水 解 直 接 或 间接 地 推动 整个 细胞 内 本 来 不 利 的 反应 ,包括 所 有 的 生物 合 成 反应 。 在 这 反应 中 释放 的 大 量 能 量 有 几 个 来 源 , 包 括 游离 形式 磷酸 基 ( 缩 写成 已 或 加 ) 的 高 度 稳 定性 , 以 及 ATP 分 子 内 两 个 相 邻 磷酸 基 之 间 不 利 的 电 人 和 荷 排斥 的 释放 (图 2-27)。 在 另 一 条 ATP 水 解 途径 中 ,两 四 一 加 键 水 解释 放 约 两 倍 的 能 量 ;在 此 情况 下 ，ATBP 水 解 成 AMP 〈 腺 彰 一 磷酸 ) 和 钙 一 @( 焦 磷酸 )， 释 放 的 @ 一 OFS ARF BUF PS AIH Eas (A 2~28)}, 到 现在 为 止 ,我 们 很 不 严格 地 使 用 术语 AE” RETR RE SEL LER 能 的 变化 。 如 我 们 先前 所 说 ,以 热 的 形式 释放 的 能 量 , 通过 提高 分 子 运动 的 剧烈 性 和 使 分 子 发 生变 形 , 产 生 无 序 ; 根据 热力 学 第 二 定律 , 唯 有 结果 净 增 加 宇宙 无 序 的 那些 反应 才能 自发 地 发 生 。 反应 期 间 所 发 生 的 目 由 能 的 变化 用 AG 表示 ，AG 定义 为 反应 发 生 时 字 宙 中 所 产生 的 无 序 量 的 直接 量 纲 。 释放 大 量 自由 能 的 反应 是 那些 有 很 大 负 AG 和 产生 大 量 无 序 的 反应 。 虽 然 这 些 反 应 的 发 生 速率 取决 于 其 它 因子 ,如 获得 特定 的 酶 ( 见 下 文 )， 但 是 它们 有 很 强 的 发 生 趋 势 。 相 反 ,AG 为 正 值 的 反应 在 宇宙 中 产生 净 有 序 , 不 能 自发 地 发 生 。 这 些 能 力学 上 不 利 的 反应 只 有 在 与 负 AC 很 大 的 另 一 个 反应 偶合 ,使 整个 过 程 的 AG 为 负 时 才 会 发 生 。 生物 合成 反应 常常 直接 与 ATP 水 解 偶合 酶 虽然 可 加 速 能 力学 上 有 利 反应 , 却 不 能 迫使 能 力学 不 利 反应 发 生 。 用 水 来 比拟 , 酶 本 身 不 能 使 水 流 上 山 。 但 是 ,细胞 为 了 生长 和 分 裂 , 它 们 必须 这 样 做 :它们 必须 从 小 而 简 单 的 分 子 建 造成 大 而 复杂 的 分 子 。 我 们 已 经 知道 ,要 做 到 这 一 点 一 般 得 通过 酶 , 酶 使 化 学 能 (最 初 得 自 太阳 ) 的 大 放 与 完成 能 力学 不 利 的 反应 偶合 。 让 我 们 较 详 细 地 讨论 如 何 获得 这 种 偶合 试想 像 一 个 典型 的 生物 合成 反应 ， 两 个 单 体 A 和 了 B 在 脱水 (也 称 缩合 ) 反 应 中 连接 在 一 起 ,从 中 释放 出 水 : A-H + B-OH —~>A-B 十 H,O (为 了 方便 起 见 , 我们 把 A-H 和 B-OH SROM®). KIFEMERMILAW A-B 的 逆反 应 ( 称 为 水 解 ) 几 乎 总 是 能 力学 上 有 利 的 反应 。 例 如 ,和 蛋白质、 核酸 和 多 糖水 解 成 它 们 亚 基 的 情况 就 是 如 此 。 细胞 从 @ 和 @ 制 造 A-B 的 总 的 策略 与 细胞 从 燃烧 葡萄 糖 制造 ATP 的 策略 相同 : 多 步骤 途径 使 能 力学 不 利 地 合成 意 想 的 化 合 物 与 甚至 能 力学 上 较 有 利 的 反应 偶合 〈( 见 图 2-17)。 在 许多 情况 下 所 利用 的 能 力学 上 有 利 的 反应 是 ATP 分 子 的 水 解 。 在 从 四 和 加 制造 A-B 的 偶合 途径 中 ,来 自 ATP 水 解 的 能 量 首先 把 国 转 换 成 高 能 的 中 间 化 合 物 ， 后 者 接着 直接 与 @ 反 应 ,产生 A-B。 最 简单 的 机 制 涉及 磷酸 基 从 ATP 转移 至 ®, Uk ®-OPO ( 即 @ 四 -@)， 在 此 情况 下 ;反应 这 径 只 包括 两 步 : l. ® + ATP—+®-® + ADP ra ® + ®-B——>A-B+ 加 因为 中 间 物 ©O-© 形成 后 又 分 解 (可 能 很 快 ,但 仍 结合 在 酶 分 子 的 表面 )。 整 个 发 生 的 反 e 77 e 应 是 ® + ®——>A-B #1 ATE —>ADP + ® 请 注意 ,第 一 个 反应 因 与 第 二 个 反应 直 摇 偶 合 而 被 迫 发 生 。 偶合 反应 的 结果 取决 于 自由 能 的 总 变化 对 于 大 多 数 的 反应 过 程 可 作 数 量 上 的 预测 。 根 据 现 已 收集 到 的 大 量 热力 学 数据 , 已 可 计算 细胞 中 大 多 数 重 要 的 代谢 反应 的 目 由 能 变化 。 因 此 ， 途 径 中 全 部 目 由 能 的 变化 就 是 各 分 步 中 能 量变 化 的 总 和 。 假定 有 两 个 反应 A—>B 和 C->D 反应 中 的 AG 值 分 别 为 每 摩尔 十 1 和 一 9 千 卡 , 而 且 这 两 个 反应 能 偶合 在 一 起 , 则 偶合 反应 的 AG 将 为 每 摩尔 一 8 千 卡 (让 我 们 回想 一 下 ,一 摩尔 物质 有 6 X 10 ”个 分 子 )。 这 说 明 , 即使 是 一 个 不 是 自发 地 发 生 的 具有 正 AG 的 反应 ,也 能 被 另 一 个 反应 所 驱动 。 然 而 ， 这 要 求 后 一 反应 具有 足够 大 的 负 AG， 并 要 求 存 在 使 两 个 反应 能 偶合 在 一 起 的 机 制 。 ATP 水 解 成 ADP 和 无 机 磷酸 的 AG 取决 于 所 有 反应 物 的 浓度 ( 见 第 480 页 ), 但 在 细胞 内 的 正常 条 件 下 , 它 是 处 在 每 摩尔 一 11 至 一 13 干 卡 之 间 。 原 则 上 ,这 一 水 解 反 应 能 用 来 驱动 AG 为 每 摩尔 十 10 千 卡 的 不 利 反应 ,只 要 可 得 到 适当 的 反应 途径 。 然 而 ,对 许多 生物 合成 反应 ， 例 如 核酸 合成 和 蛋白 质 合成 前 的 氨基 酸 激 活 * 即 使 每 摩尔 一 13 千 卡 也 是 不 够 的 s。。 在 种 种 情况 下 ，ATP 水 解 的 途径 改变 成 最 初 产 生 AMP 和 @-@ (A 酸 ) (LA 2-28)。 然后 焦 磷 酸 本 身 在 第 二 步 中 水 解 ， 又 可 得 到 每 摩尔 一 13 FRO HS 生物 合成 途径 实际 上 是 不 可 逆 的 ， 这 完全 是 因为 逆反 应 所 需 的 焦 磷 酸 很 快 就 转移 了 【图 2-29)。 辅酶 参与 特定 的 化 学 基 团 的 转移 我 们 刚才 已 了 解 到 ，ATP 通过 与 另 一 个 分 子 反应 ， 形 成 高 活性 的 磷酸 化 的 中 间 产 物 ,驱动 生物 合成 反应 。 因 为 新 的 磷酸 键 易 折断 ,释放 自由 能 ， 所 以 第 二 个 分 子 可 容易 地 与 其 他 分 子 相连 。 这 一 普遍 的 原理 并 不 限于 ATP 协调 的 反应 :其 他 各 种 化 学 上 不 稳 定 的 键 连 也 有 这 样 的 表现 。 例如 ， 特 定 的 载体 分 子 可 参与 乙酰 基 或 甲 基 那 样 的 化 学 基 轩 的 转移 〈 表 2-2)。 同 一 种 载体 分 子 往往 参加 许多 需要 其 基 团 的 不 同 的 生物 合成 反应 。 表 2-2 参与 基 团 转移 反应 的 一 些 辅酶 辅酶 转移 的 基 团 辅酶 转移 的 基 团 ATP 磷酸 基 HDR 羧基 NADH,NADPH 氢 加 电子 ( 氢 离 子 ) S- 腺 背 甲 硫 氨 酸 甲 基 辅酶 A 乙酰 基 UDP- 葡 萄 糖 Ail ta a 辅酶 是 小 分 子 ， 与 一 些 酶 结合 是 酶 活性 所 必需 的 分 子 。 表 中 每 一 个 辅酶 是 小 化 学 基 团 的 载体 分 子 , 它 参加 各 种 反应 ， 基 团 在 这 些 反应 中 转移 至 另 一 分 子 。 有 些 辅酶 与 它们 的 酶 共 价 连接 ; 有 些 辅酶 则 与 酶 结合 得 不 甚 紧密 。 葡萄 糖分 解 过 程 中 产生 的 乙酰 辅酶 A 是 这 种 载体 分 子 的 一 个 例子 。 它 携带 一 个 乙酰 « 78. ATP } 两 责 酸 羚 化 本 2-30 ”辅酶 生物 素 转移 羧基 。 生 物 素 充当 羧基 (一 COO-) 的 载体 分 子 。 在 图 示 的 反应 顺序 中 。 生物 素 与 丙酮 酸 羧 化 酶 共 价 结合 。 来 自 磷 酸 氢 离子 (OHCOi ) 的 活化 的 羧基 ， 在 需要 从 ATP 分 子 水 解 输入 能 量 的 反应 中 与 生物 素 偶 合 。 此 后 这 一 羧基 转移 到 丙酮 酸 的 甲 基 形成 草 酰 乙酸 。 基 , 这 个 乙酰 基 通 过 活性 的 硫 酯 键 而 与 CoA 相连 ( 见 图 2-19)。 这 一 乙酰 基 吻 转移 至 另 一 个 分 子 ， 如 延伸 的 脂肪 酸 分 子 。 另 一 个 重要 的 例子 是 生物 素 : 它 在 许多 生物 合成 反应 中 携带 羧基 (图 2-30)。 像 乙酰 辅酶 A、 生 物 素 和 ATP 那样 的 分 子 称 为 辅酶 ,因为 它们 牢 牢 地 结合 在 酶 的 表面 ,是 酶 活性 所 必 不 可 少 的 分 子 。 有 许多 小 分 子 称 为 维生素 ,在 饮食 中 所 需 的 量 极 微 ,可 在 体内 转化 成 辅酶 。 生物 合成 需要 还 原 力 我 们 已 了 解 ， 细 胞 内 可 连续 不 断 地 发 生 氧化 和 还 原 的 反应 。 一 方面 食物 分 子 中 的 化 学 能 通过 作为 燃烧 的 一 种 形式 的 氧化 过 程 释 放出 来 ; 另 一 方面 ,为 了 制造 生物 分 子 ， 细 胞 特别 需要 进行 一 系列 需要 有 化 学 能 输入 的 还 原 反 应 。 利 用 在 ATP 合成 中 起 同样 作用 的 偶合 反应 原理 ， 化 学 能 投入 NADH 中 的 氢 与 烟 酰胺 环 之 间 高 能 键 的 合成 。 然 后 ， 这 一 高 能 键 为 原本 不 利 的 酶 反应 提供 能 量 ， 把 氨 〈 作 为 氢 离 子 ) 转移 至 另 一 分 子 。 所 以 说 NADH 和 NADPH (很 易 由 NADH 转化 而 成 ) 携 带 还 原 力 ”。 为 了 搞 清 楚 这 一 过 程 实际 上 是 如 何 进行 的 ， 现 仅 基 虑 一 个 生物 合成 步 又: 脂 类 分 子 胆固醇 合成 中 的 最 后 一 个 反应 。 在 这 反应 中 ， 为 了 还 原 碳 - 碳 双 键 , 两 个 氨 原 子 加 在 多 核 RRA | CA 2-31)。 正如 大 多 数 的 生物 合成 反应 一 样 ， 这 一 反应 所 需 的 两 个 氨 原 子 由 来 自 NADPH 的 一 个 氢 离 子 ， 以 及 来 自 溶液 的 一 个 质子 (Ht) 提供 (HE :十 于 一 2H.)。 正 如 NADH 一 样 , 从 NADPH 转移 的 氢 离 子 是 烟 酰胺 环 的 一 部 分 ,而 且 容 易 丢 失 , 因 为 环 失去 它 就 能 转变 为 比较 稳定 的 芳香 状态 ( 见 图 2-22)。 所 以 NADH 和 NADPH 都 能 将 这 一 氢 离 子 保持 在 高 能 键 中 ,而 在 获得 适当 的 酶 催化 时 ， 这 一 氢 离 子 能 从 NADH e 79 。 或 NADPH 转移 到 另 一 分 子 。 NADH 和 NADPH 之 间 化 学 特性 的 差异 是 微不足道 的 : NADPH 在 远离 活性 区 的 7- hi SA AS NADPH + H* NADP* ip Cc H | 22-31 FAME wakReasZ—HERA 区 2-322 NADPH 的 结构 ， 这 种 结构 不 同 于 一 步 s /通过 来 自 载体 分 子 NADPH HA BF NADH (图 2-22) 之 处 仅 在 于 多 了 一 个 磷酸 其， 和 来 自 溢 液 的 质 了 于 CH+) ;实现 C=C RAE. 而 使 得 它 可 以 被 某 些 酶 (通常 是 参与 生物 合成 的 酶 ) 选 择 性 地 识别 。 分 子 部 分 多 一 个 磷酸 基 ( 图 2-32)。 就 反应 本 身 来 说 ,这 一 磷酸 基 并 不 重要 ,但 是 它 有 助 于 把 NADPH 作为 辅酶 而 结合 在 一 定 的 酶 上 。 一 般 而 论 ，NADH 与 催化 分 解 代谢 反应 的 酶 起 作用 :而 NADPH 则 与 催化 生物 合成 反应 的 酶 起 作用 。 这 味 意 着 , 改变 NADH 和 NADPH 浓度 可 分 别 调节 分 解 代 谢 途 径 和 生物 合成 途径 。 反复 进行 脱水 反应 而 合成 生物 多 聚 体 细胞 合成 的 主要 大 分 子 是 多 核 背 酸 (DNA 和 RNA)、 多 糖 和 有 蛋白质。 它们 的 结构 层出不穷 ,包括 已 知 的 最 复杂 分 子 。 虽 然 如 此 ,它们 可 以 通过 有 限 几 种 化 学 反应 而 从 少数 小 分 子 ( 称 为 单 体 或 亚 基 ) 合 成 单 体 加 成 为 蛋白 质 、 多 核 背 酸 和 多 糖 的 情况 示 于 图 2-33。 虽然 各 种 多 聚 体 的 合成 反 应 涉及 不 同 种 类 的 共 价 键 和 不 同 的 酶 及 辅助 因子 ,但 基本 上 是 很 相似 的 。 在 各 种 情 次 下 ， 亚 基 的 加 成 都 是 通过 脱水 反应 * 即 从 反应 物 中 去 除 水 分 子 而 发 生 的 。 如 同 前 面 讨 论 的 比较 普遍 的 例子 (第 77 页 ),， 过 些 多 聚 体 的 形成 需要 输入 化 学 能 ;而 这 种 化 学 能 是 通过 把 生物 合成 反应 偶合 于 核 萌 三 磷酸 的 能 力学 上 有 利 的 水 解 作 用 的 标准 策略 而 最 终 获 得 的 。 总 之 ;至少 要 有 一 个 有 关 的 核 苷 三 磷酸 裂解 ,产生 焦 磷 酸 ， 焦 磷酸 再 TK i > 对 这 一 反应 外 加 一 个 驱动 力 (图 2-28)。 聚合 反应 中 的 活化 的 中 间 产 物 的 取向 有 两 种 : 或 是 引起 头 端 聚 合 ， 或 是 引起 尾 遍 聚 e。 80° 葡萄 糖 wR CH2OH CHz2OH ”CHzOH O 一 一 O O 入 OH 十 OH OH Ca 去 可 HO OHEESSHO ! OH OH 6 | 能 量 来 自 核 HE H> CH = e 2 | 磷酸 水 解 O 0 CH20H CH20H CH2OH O O O 9 OH 9 OH OH OH OH |) O=P-O- hE EAKHE O=P—O- HO 和 COAT sey 三 磷酸 水 解 0 -一 -一 { OH OH OH CH CH. 糖 原 十 H;O rire BAR OH OH AR 蛋白 质 9 OF. ys O He 28 Jo! ey BED: GR + 0=P-O-) the A Fa yd Bit) ak HO 0 TS Sera O=P-O- CR H ‘Rp OH f R HH | | 0 LA- si H Ko | 渍 : 有 BHR +0 £233 ”合成 三 种 生物 多 聚 体 的 多 聚 反应 的 示意 图 。 虽然 各 种 反应 涉及 一 些 不 同 的 酶 和 其 它 中 间 产 物 ,它们 仍然 是 相似 的 。 在 每 一 种 情况 下 ,合成 都 卡 及 失 水 (脱水 ) THEMEN KERR 及 产生 无 机 焦 磷 症 。 只 要 简单 地 加 上 水 (水 解 ) 就 要 发 生 逆 反应 ， 使 所 有 三 种 多 聚 体 都 分 解 。 LL 芯 问 延 仁 ]( 例 如 看 白质， 脂肪 酸 ) | 旦 端 延 伟 ，]( 例 如 DNA，RNA ,多 糖 ) LOO © + De OAL THELILIHLI+ 每 一 we ue 每 一 单 体 带 一 个 为 Oo 用 来 加 成 下 一 个 单 体 O—Hatetnnte i OOOOOOCre-+ose® o= m2 ; ‘Salat CH,-C-CH.CHx(PP) state m CH; CH -C=CHCH:{P)-P) =A ii ES RR cH CH, CH,-C=CHCH, CH,-C=CHCH:{P+) 拢 牛 儿 焦 磷酸 PP CH, CH, CH, CHy-C=CHGY, CH,-C=CHCH, CH, CCHCHP-®) 焦 磷 酸 法 呢 酯 N ce sag ea ; 2 个 分 子 缩合 y P [> ; | L H Ss HO ~ NADP* NADPH 2CH, HO CH, HO H,O Oz fi lB 7- Hi BAB +20 Bie 图 2-35 发生 在 细胞 内 的 一 些 化 学 反应 。(A ) 从 酵 解 途径 和 柠 橡 酸 循环 ( 示 以 黑色 粗 线 ) 辐 射 延 伸 出 500 个 左右 的 普通 代谢 反应 。 典 型 的 晴 乳 类 细胞 合成 10 000 多 种 蛋白 质 , 大 部 分 是 酶 。 在 这 代谢 迷津 中 覆 上 黑色 阴影 的 命定 的 一 段 途径 中 ， 从 乙酰 辅酶 A 合成 胆固醇 。 这 段 途 径 的 具体 细节 放大 后 显示 在 迷津 的 右 人 出 和 下 侧 (B)。 e 83 e@ SA BR ERAT (82 AE A HE AR A 需要 在 激烈 运动 期 间 尤其 显得 迫切 ， 这 时 肌肉 收 oe —— TATA es Ut | 是 如 此 ， 这 时 为 了 存活 必须 从 脂肪 酸 和 氨基 酸 形 成 葡萄 糖 Se, 醇 解 期 间 。 葡 萄 糖 正常 分 解 成 丙 醋酸 是 由 9 ein 个 不 同 的 酶 依次 催化 。 大 多 数 酶 催化 的 反应 是 容 7) 易 逆转 的 ,但 是 有 3 个 反应 步 又 (2-20 序列 中 HTH. 3 和 9) 实 际 上 是 不 可 送 的 。 事 实 上 ， 在 个 这 些 正常 驱动 葡萄 糖分 解 的 反应 中 出 现 大 的 负 自 ! 由 能 的 变化 。 对 于 以 相反 方向 进行 的 \ 从 丙酮 酸 制造 葡萄 糖 的 反应 来 说 ， 这 三 个 反应 都 必须 通过 ae oat ee os 25 Bo Jk PAA Halse BETA = ME RHO 制 第 一 个 酶 《这 个 酶 是 合成 催 旁 路 反应 ， 这 些 反应 通过 化 学 能 的 输入 而 沿 着 上 行 方向 驱动 (图 2-38)。 因 此 , 每 当 一 个 葡萄 糖 细胞 内 的 浓度 。 分 子 降解 成 两 个 丙酮 酸 分 子 时 可 产生 两 个 AIP 分 子 ， 而 葡 糖 异 生 期 间 的 逆转 反应 则 需要 水 解 4 个 ATP 分 子 和 两 个 GTP 分 子 。 这 相当 于 每 合成 一 个 葡萄 糖分 子 , 总 共 水 解 6 个 ATP To 图 2-38 中 的 旁 路 反应 必定 受到 严密 控制 ,所 以 仅 当 需 要 能 量 时 葡萄 糖 才 分 解 , 仅 当 细 胞 营养 供应 充足 时 葡萄 糖 才 合 成 。 如 果 前 进 和 逆转 的 反 应 都 允许 无 限制 地 进行 , 则 它们 将 穿梭 般 地 在 无 效 的 循环 中 向 前 向 后 代谢 ,而 无 目的 地 消耗 大 量 ATP。 用 一 个 例子 就 可 以 说 明 这 些 控 制 机 制 的 精密 。 酵 解 步 又 3 是 葡萄 糖 形成 期 间 必 须 旁 路 的 反应 之 一 。 通 常 这 一 步骤 涉及 果糖 -6- 磷 酸 上 加 一 个 来 自 ATP 的 磷酸 基 团 ,并 被 果 糖 磷酸 激酶 所 催化 。 这 一 特定 的 酶 被 AMP 和 ADP 所 激活 , 被 AIP、 柠 檬 酸 和 脂肪 酸 所 折 制 。 换 言 之 , 当 能 量 供 应 不 足 ，AMP 和 ADP RAN. 这 种 酶 便 被 激活 ， 当 能 量 供应 (以 ATP 形式 ) 或 脂肪 酸 和 柠檬 酸 〈 来 自 氨 基 酸 ) 那样 的 食物 供应 充足 时 便 被 抑制 。 催化 导致 葡萄 糖 形成 的 逆转 ( 旁 路 ) 反 应 的 酶 是 果糖 二 磷酸 酶 。 这 种 酶 是 由 同样 的 反馈 控 制 分 子 反 方向 调节 的 ,所 以 它 是 在 磷酸 果糖 激酶 不 起 作用 时 才 起 作用 的 。 请 注意 ,磷酸 果糖 激酶 是 被 ADP 激活 的 ,而 ADP 则 是 磷酸 果糖 激酶 催化 反应 的 产 物 (ATP + 果糖 -6- 磷 酸 一 ADP + 果糖 -1,6- 二 磷酸 ); 磷酸 果糖 激酶 又 是 被 ATP 所 抑制 的 ，ATBP 是 它 的 底 物 之 一 。 因 此 ,这 种 酶 接受 复杂 的 正 反馈 控制 。 在 某 些 情况 下 ,这 种 反馈 控制 可 5 起 明显 的 酶 活性 振荡 ,并 导致 各 种 酵 解 中 间 物 浓度 的 相应 振荡 (图 2-39)。 虽然 目前 还 不 知道 这 些 特 定 振荡 的 生理 意义 ， 但 是 它们 可 以 说 明 少 数 几 种 酶 如 何 能 产生 生物 振荡 器 。 理 论 上 ,这 种 振荡 可 提供 一 个 内 在 的 钟 ,使 细胞 能 够 计时 "”， 例 如 按照 固定 的 时 间 间 隔 来 行使 某 些 功能 。 酶 可 被 共 价 变化 所 激活 和 抑制 ” 刚刚 讨论 过 的 这 些 反 馈 控 制 可 使 反应 序列 的 速率 ， 由 于 代谢 中 不 时 出 现 的 波动 而 得 到 连续 的 和 自动 的 调节 。 当 要 求 活性 持续 变化 时 间 较 长 ,超过 几 分 钟 或 几 小 时 时 ,细胞 对 © 84 ee | Thy Pn ee — | | | | RA AM | | 磷酸 | | i KAA OS Es EA ae | 2 sem = isa | ay , | Ea | 高 丝氨酸 a! —-/ i NLL xm \ Peni : | | | Sa | ro Ae we | fanart | poo | Peace +? a7 saa] 图 2-37 细菌 中 赖 氨 酸 , 甲 硫 氨 酸 、 苏 氨 酸 和 蜡 亮 氨 酸 合成 中 的 反馈 抑制 。 虚 线 箭头 指示 产物 “ 反 馈 ? 抑 制 酶 的 位 置 。 请 注意 ，3 个 不 同 的 酶 ( 称 为 同 工 酶 7) 催化 初 反应 各 为 不 同 的 产物 所 抑制 。 酶 有 不 同 的 调节 方法 。 这 些 方法 涉及 酶 的 可 逆 的 共 价 变化 。 这 种 变化 常常 但 并 非 总 是 通 过 在 酶 中 特定 的 丝氨酸 、 苏 氨 酸 或 酷 氨 酸 残 基 上 加 一 个 磷酸 基 来 完成 。 磷 酸 基 来 自 ATP， 蛋白 质 激酶 催化 其 转移 。 我 们 在 下 一 章 将 讨论 磷酸 化 作用 如 何 改变 酶 的 形状 。 以 此 提高 或 抑制 酶 的 活性 。 另 一 种 酶 称 为 磷 蛋 白 磷酸 酶 ,可 除去 磷酸 基 ,逆转 磷酸 化 作用 。 酶 的 共 价 变化 又 给 代谢 控制 增加 了 一 种 手段， 因为 它 使 特定 的 反应 途径 可 被 与 代谢 中 间 物 本 身 无 关 的 信号 例如 激素 所 调节 。 反应 不 仅 在 细胞 内 而 且 在 有 机 体内 分 室 进 行 ! 一 个 细胞 的 所 有 的 代谢 反应 并 非 个 个 都 发 生 在 同一 个 亚 细 胞 区 室内 。 因 为 细胞 的 不 同 部 位 有 不 同 的 酶 ,所 以 化 学 组 分 不 仅 在 化 学 上 而 且 在 物理 上 都 有 其 流动 的 通道 。 当 催化 连续 反应 的 两 个 酶 形成 酶 复合 物 时 ,使 出现 最 简单 的 空间 隔离 形式 ,第 一 个 酶 的 产物 不 必 通 过 细胞 质 扩 散 ,就 可 以 与 第 二 个 酶 相遇 。 第 一 个 反应 一 结束 ,第 二 个 反应 就 * 85 。 AF a2 — ~_ dee 四 研 酸 志 醇 两 本 琶 — | X2 图 2-38 葡 糖 异化 期 间 产 生 葡萄 糖 的 反应 与 降解 狂 萄 糖 的 反应 的 比较 。 降 解 CAE) 反应 是 能 力学 上 有 利 的 (自由 能 变化 小 于 零 )? 而 合成 反应 需 输入 能 量 。 为 了 合成 葡萄 糖 ;需要 不 同 的 “ 旁 路 酶 "使 酵 解 反应 1\3 和 9 通过 旁 路 。 反 应 物 的 总 通 量 取决 于 在 这 些 关 键 性 步 蚊 中 起 作用 的 反馈 控制 机 制 。 86 。 加 入 底 物 NADH/NADf+ 比 率 20 40 60 80 时 间 《〈 分 ) 一 一 一 图 2-39 含 酵 解 所 需 的 酶 和 辅助 因子 的 提取 物 中 突然 加 进 葡 萄 糖 \ 可 使 NADH 那样 的 中 间 物 的 请 度 产 生 大 幅度 的 周期 性 波动 。 这 些 代 谢 振荡 部 分 起 因 于 酵 解 酶 即 磷酸 果糖 激酶 的 正 反馈 控制 。 8 AIA SA OMSK | 红 粒 体内 呼吸 +12 不 二 氨 硫 幸 ie Seat F 424 4° intat H240 大 的 多 酶 复合 物 的 一 个 例子 一 -丙酮 酸 脱 气 图 2-41 真 核 细 胞 内 葡 葡 糖分 解 酶 的 结构 。 在 此 ， 反 应 中 间 产 物 直 接 从 一 个 酶 传 至 另 各 步骤 的 分 离 。 酵 解 发 生 在 胞 液 一 个 酶 。 这 一 酶 复合 物 催化 丙酮 酸 转化 成 乙酰 辅酶 A。 A> 而 柠 榜 酸 循环 和 氧化 磷酸 化 反应 则 仅 发 生 在 线粒体 内 。 e 87 e RATT ie AEKNBRAKNTET-AANDRMMABU SRW ih Pi, Aad 酸 转 化 成 乙酰 辅酶 A 通 过 三 个 化 学 步骤 进行 ， 所 有 这 三 步 反 应 都 发 生 在 同一 个 大 的 酶 复 合 物 上 (图 2-40) ,而 且 在 脂肪 酸 合成 中 ， 一 种 酶 的 集合 体 甚 至 可 催化 更 长 的 反应 序列 无 怪 乎 一 些 最 大 的 酶 复合 物 与 蛋白 质 和 DNA 那样 的 大 分 子 的 合成 有 关 。 细胞 内 的 下 一 水 平 的 空间 隔离 是 把 功能 上 相关 的 酶 限制 在 同一 膜 内 或 膜 围 成 的 细胞 器 彼 态 区 室内 。 葡 萄 糖 的 氧化 代谢 就 是 一 个 很 好 的 例子 (图 2-41)。 酵 解 后 ,丙酮 酸 从 胞 该 充分 地 被 援 人 线粒体 内 区 室 , 后 者 包含 与 柠檬 酸 循环 有 关 的 所 有 的 酶 和 代谢 物 。 而 且 ， 线粒体 内 膜 本 身 包 含 可 催化 此 后 的 氧化 磷酸 化 反应 的 所 有 的 酶 ,包括 与 电子 从 NADH 转 B20, URS ATP 合成 有 关 的 酶 。 因此 可 以 把 整个 线粒体 看 作 是 一 个 小 型 的 生产 ATP 的 工厂 。 同 样 ,其 他 细胞 器 , 如 细胞 核 \ 高 尔 基 器 \ 深 酶 体 都 可 被 看 作 特 化 的 室 , 其 中 有 功能 上 相关 的 酶 局 限 在 那里 ,执行 着 专门 的 任务 。 从 某 种 意义 上 讲 , 活 细胞 像 一 座 现代 化 的 城市 ,有 很 多 专门 的 机 构 集中 在 市 内 不 同 的 地 区 ,这 些 地 区 通过 各 种 交通 路 线 而 取得 普遍 的 相互 联系 。 多 细胞 有 机 体 的 空间 组 织 超越 单个 的 细胞 。 机 体 的 不 同 组 织 有 一 套套 不 同 的 酶 ， 以 不 同 的 方式 对 生物 整体 的 生存 作出 贡献 。 除了 激素 或 抗体 那样 的 特殊 产物 有 所 不 同 外 ， 同一 生物 体内 各 种 类 型 细胞 之 间 共同 的 ”代谢 途径 也 有 显著 的 差异 。 虽 然 实际 上 所 有 细 胞 都 包含 参与 酵 解 柠檬 酸 循环 \ 脂 质 合 成 和 分 解 ,以 及 氮 基 酸 代谢 的 酶 ,但 是 不 同 组 织 中 的 这 些 过 程 的 水 平 则 有 待 于 微调 ， 以 应 答 生 物体 的 需要 。 神 经 细胞 可 能 是 机 体内 最 任性 图 2-42 ” 肝 细 胞 和 肌 细 胞 之 间 代 谢 协作 的 示意 图 。 积 极 收缩 的 肌 细 胞 的 主要 燃 料 是 葡萄 糖 * 大 量 的 葡萄 糖 由 肝 细胞 供应 。 肌 肉 内 葡 敬 糖 无 氧 分 解 的 最 终 产物 FLEE HT IA Rite 成 葡萄糖。 的 细胞 ,它们 简直 不 贮存 糖 原 或 脂肪 酸 , IL ce RE UE DE DA 糖 供应 给 积极 收缩 的 肌 细胞 ， 并 使 肌 细胞 产生 的 乳酸 通过 再 循环 而 重新 成 为 葡萄 糖 CA 2-42)。 所 有 各 种 类 型 的 细胞 都 具有 它们 自己 的 独特 代谢 特性 ， 它 们 不 仅 在 运动 \ 紧 张 和 饥饿 时 ,而 且 在 正常 状态 下 ,都 进行 着 广泛 的 协作 。 小 结 细胞 内 同步 进行 的 成 千 上 万 种 不 同 的 化 学 反应 是 相互 密切 协作 的 。 多 种 调和 控 机 制 在 细胞 内 千变万化 的 条 件 下 调节 着 关键 性 酶 的 活性 。 一 种 很 普遍 的 调节 形式 是 快速 的 可 逆反 馈 抑制 ， 它 通过 代谢 途径 的 终 产 物 而 作用 于 该 途径 的 第 一 个 酶 。 较 长 时 期 持续 形式 的 调节 是 一 种 酶 被 吨 一 种 酶 作 了 化 学 修饰 ， 这 种 修饰 往往 是 通过 悦 酸 化 作用 。 各 种 调节 * 88 。 机 制 联合 起 来 就 能 在 细胞 的 代谢 中 产生 大 的 长 期 持续 的 变化 。 并 非 所 有 的 细胞 反应 个 个 都 发 生 在 同一 种 细胞 区 室内 ， 内 膜 的 空间 隔离 使 得 细胞 器 可 以 执行 它们 各 自 的 专门 的 生 化 任务 。 (ZMBe EHR] + 计算 机 绘制 的 包含 129 FRRRODEAA NA BAERS. (Michael Connolly 赠 ) 区 ec 一 « 90 。 第 三 章 “” 大 分 子 :结构 .形状 和 信息 细胞 的 主要 大 分 子 一 一 蛋白 质 、 核 酸 和 多 糖 一 一 是 从 上 一 章 所 讨论 的 小 分 子 , 如 氨基 酸 、 核 背 酸 和 糖 的 多 聚 体 等 合成 的 它们 的 复杂 而 又 精确 限定 的 结构 使 它们 拥有 独特 的 特 性 ,使 它们 能 执行 细胞 所 有 最 独特 的 功能 。 大 分 子 负责 装配 细胞 组 分 , 催化 化 学 变化 , 产 生 运动 ; 以 及 负责 遗传 一 一 这 是 最 基本 的 。 这 些 极 重要 的 功能 的 事实 根据 是 生物 大 分 子 携带 信息 。 写 到 和 蛋白质 或 DNA 分 子 结构 中 去 的 是 生物 信息 , 它 在 与 其 他 大 分 子 作用 过 程 中 被 读 出 "。 这 种 信息 的 贮存 、 转 移 和 使 用 的 原理 是 本 章 的 主要 内 容 。 分 子 的 识别 过 程 ， 除 水 分 外 ,细胞 的 大 部 分 均 由 大 分 子 构成 ( 表 3-1)。 在 典型 情况 下 ,它们 的 分 子 量 约 在 10000 和 1000 000 之 间 , 大 小 界 于 第 二 章 讨 论 的 细胞 的 有 机 分 子 与 核糖 体 和 病毒 等 较 大 的 生物 活性 单位 之 间 ( 图 3-1)。 正如 第 二 章 中 所 擅 述 的 那样 ， 大 分 子 是 从 小 糖 、 氨 基 酸 和 核 苷 酸 ~ 0.5 一 Inm。 分 子 量 的 亚 基 装 配 而 成 ， 小 分 子 的 亚 基 一 一 相 加 ae 形成 长 长 的 链 状 多 聚 体 ( 见 图 2-33), 通常 只 有 oa 一 类 亚 基 形成 各 种 链 的 结构 : 氨基 酸 与 氨基 酸 相 BQ 连 形 成 蛋白 质 ; 核 苷 酸 与 核 背 酸 相连 形成 核酸 ; 糖 与 糖 相连 形成 多 糖 。 因 为 亚 基 的 精确 顺序 是 大 分 子 功 能 的 关键 ， 所 以 它 的 生物 合成 需要 有 一 种 机 制 来 准确 地 确定 多 聚 体 链 上 的 每 一 位 置 由 哪 一 个 亚 基 占 有 。 核糖 体 ~30nm ERED KOON 7 xy SN 大 分 子 携带 的 信息 依靠 非 共 价 的 弱 键 来 表达 大 分 子 链 通过 共 价 键 保持 在 一 起 ， 共 价 键 很 细菌 细胞 一 1000nm 强 , 足 以 使 大 分 子 内 的 亚 基 顺 序 长 期 保存 。 但 是 ， SKOOL 这 个 序列 所 携带 的 信息 是 通过 end CR 9 信息 是 通过 许多 弱 的 非 共 价 键 2 QR 来 表达 的 。 这 些 弱 键 在 同一 大 分 子 的 不 同 部 位 之 体 和 不 同 大 分 子 之 间 形 成 。 所 以 ， 它 们 既 确 定 大 图 3-1 蛋白 质 分 子 大 小 与 其 分 子 链 的 三 维 结构 。 又 确定 这 些 结构 如 何 相互 作 RQ Ay Filo 在 生物 分 子 中 遇 到 的 非 共 价 键 通常 分 为 三 类 , 即 : 离子 键 、 氢 键 和 范 德 瓦 耳 斯 引力 。 鸡 一 种 重要 的 弱 力 是 由 水 的 三 维 结构 产生 的 , 它 可 人 迫使 划 水 基 聚 在 一 起 ,从 而 把 芯 水 基 对 水 分 子 氨 键 网 络 的 破坏 作用 减 到 最 小 。 从 水 溶液 产生 的 这 种 排斥 力 可 形成 键 , 它们 有 时 e 91] 。 表 3-1 LAY A A 9 Fh 细胞 总 重量 的 百分比 细胞 总 重量 的 百分比 大 肠 杆 菌 哺乳 动物 细胞 组 分 哺乳 动物 细胞 H,O ES 3 无 机 离子 (Na+ Kt, 1 其 他 脂 质 2 Mgz+,Caz+,CI- 等 ) 多 糖 2 各 种 小 代谢 物 Ean 15 18 细胞 总 体积 2 勾 10-2cms 4% 107-%cm? RNA 6 al 相对 细胞 体积 1 2 000 “DNA EARS, DNA 和 RNA 都 是 大 分 子 。 脂 质 虽 然 也 具有 大 分 子 的 某 些 特性 ， 但 一 般 不 算 大 分 子 ; 例 如 ?大 多 数 脂 质 是 由 较 小 分 子 合成 的 线性 多 聚 体 ( 乙 酰 辅 酶 A 上 的 乙酰 基 7? 并 自我 装配 成 较 大 的 结构 ( 膜 )。 分 子 A 和 B 以 及 A 和 C 的 表面 匹 配 得 不 好 ， 只 能 少数 几 个 弱 TR: 热 运动 使 它 们 很 快 分 离 。 分 子 A 与 其 它 分 子 《B、C 和 D) 随机 相遇 SFAM DAR 图 3-2 阐明 弱 键 如 何 调节 大 分 子 之 间 的 识别 过 程 的 示意 图 称 为 第 四 种 非 共 价 弱 键 ， 一 般 称 为 茧 水 键 。 第 94 页 的 组 合 图 I 将 分 别 讨论 和 解释 这 四 种 类 型 的 弱 键 。 =22 共 价 和 非 共 价 化 学 键 am EE (kcal/mol) 在 真空 中 在 水 中 90 90 80 1 4 1 1 1 ; 键 的 类 型 共 价 键 离子 键 A 范 德 瓦 耳 斯 引力 键 的 强度 可 用 折断 键 所 需要 的 能 来 测量 (这 里 用 每 摩尔 的 千 卡 数 或 kcal/mol 来 表示 )。( 一 千 卡 是 指 1 000 克 水 的 温度 提高 1*C 所 需要 的 能 量 。 另 一 种 广泛 使 用 的 单位 是 千 焦 ? 相 当 于 0.24 kcal。) 各 种 键 的 强度 因 有 关 原 子 及 其 所 处 的 真实 环境 的 不 同 ? 而 有 很 大 的 差异 所 以 上 述 的 数值 仅仅 是 供 参考 的 约略 数字 。 应 当 指出 ， 细 胞 中 的 水 环境 可 极 大 地 减弱 非 水 分 子 之 间 的 离子 键 和 气 键 两 者 (组 合 图 I )。 « 92 。 在 水 溶液 环境 中 , 非 共 价 键 比 共 价 键 约 弱 100 倍 ( 表 3-2), Abb 37"C 时 热 碰撞 的 平均 能 量 稍 强 。 所 以 , 同 共 价 键 不 一 样 , 一 个 非 共 价 键 确实 是 太 弱 了 ,以 致 不 能 忍受 热 运动 的 冲击 ; 热 运动 可 将 分 子 冲 开 , 要 使 两 个 分 子 表 面 保持 在 一 起 , 需要 有 大 量 的 非 共 价 键 。 由 于 仅 当 两 个 分 子 表 面相 互 精确 地 组 配 时 才能 形成 大 量 的 这 种 键 〈 图 3-2), 这 就 说 明生 物 识别 ,例如 发 生 在 酶 及 其 底 物 之 间 那 种 识别 的 专 一 性 。 同样 , 弱 的 非 共 价 力 可 确定 同一 分 子 的 不 同 区 域 如 何 组 配 在 一 起 。 原 则 上 , 像 蛋 白 质 那样 的 可 曲 性 长 链 可 以 多 种 不 同 的 方式 折 伍 起 来 ,在 每 种 折 县 方式 中 ,这 种 链 都 可 建立 不 同 的 弱 相 互 作 用 组 。 然 而 , 实际 上 细胞 的 大 多 数 蛋 白质 只 有 一 种 稳定 的 折 有 登 方 式 : 在 进 化 过 程 申 已 选择 出 氨基 酸 亚 基 的 顺序 ， 使 原子 的 一 种 三 维 排列 (或 构象 ) 能 形成 多 种 弱 相 互 作用 。 扩散 是 分 子 识别 的 第 一 步 两 个 分 子 在 相互 识别 从 而 表达 它们 表面 的 信息 之 前 , 它们 必须 相互 紧密 接 船 。 六 由 热 运 动 来 完成 , 热 运动 使 分 子 从 它们 的 出 发 点 向 外 移动 , 即 扩散 。 当 液体 中 的 分 子 相互 迅 速 地 磁 拉 和 反弹 时 ,一 个 分 子 先是 朝 一 个 方向 运动 ,然后 又 朝 另 一 个 方向 运动 , 它 的 轨迹 构成 了 “随机 漫步 *( 图 3-3)e 这 种 分 子 移动 的 平均 距离 与 时 间 的 平方 根 成 正比 ,也 就 是 说 ， 如 一 个 分 子平 均 1 秒 钟 移动 um, 则 移动 2 pm 需 4 秒 钟 , 移动 3 wm 需 9 秒 钟 ， 依 此 类 推 。 所 以 ,扩散 是 分 子 移动 有 限 距 离 的 有 效 方法 。 将 荧光 染料 和 其 他 标记 分 子 注射 于 细胞 的 实验 表明 ， 小 分 子 通过 细胞 质 扩散 的 速率 似乎 与 在 水 内 扩散 一 样 快 s NPT. ATP 那样 大 小 的 分 子 只 需 约 0.2 秘 就 可 以 扩散 平均 10 wm 2 @ 的 距离 一 -相当 于 水 动物 细胞 的 直径 。 然 而 。 大 分 子 的 移 AA 动 要 慢 得 多 。 它 们 不 仅 确实 具有 固有 的 较 慢 的 扩散 速率 ,而 [4 且 它 们 的 运动 由 于 与 细胞 质 内 位 置 固 定 的 许多 其 他 大 分 子 图 3-3 随机 漫步 。 深 液 中 的 分 ® 受到 连续 的 冲击 ， 所 以 随机 地 运 热 运动 不 仅 使 分 子 聚集 而 且 使 它们 分 离 动 。 这 种 运动 使 分 子 在 很 短 的 时 间 内 扩散 到 整个 细胞 。 两 个 大 分 子 之 间或 者 一 个 大 分 子 和 一 个 小 分 子 之 间 的 相遇 可 通过 简单 的 扩散 而 随机 地 发 生 。 一 次 相遇 可 能 立即 形成 复合 物 (在 这 种 情况 下 形 成 的 速率 被 说 成 是 扩散 限制 的 速率 ), 或 者 复合 物 形成 的 速率 较 慢 ， 在 相互 作用 的 表面 能 组 配 之 前 ,一 个 或 两 个 分 子 的 结构 再 作 一 些 调整 。 在 无 论 哪 种 情况 下 ,一 旦 两 个 相互 作用 的 分 子 靠 得 足够 近 时 , 它们 相互 之 间 就 形成 众多 的 弱 键 ,这 些 键 一 直 保 存 到 随机 的 热 运动 MED THF A ko 7 通常 ,复合 体 中 分 子 的 结合 越 强 , 它们 解 离 的 速率 便 越 慢 。 在 一 种 极端 的 情况 下 , 成 键 的 能 量 与 热 运动 的 能 量 相 比 可 忽略 不 计时 ,两 个 分 子 解 离 便 与 它们 结合 一 样 快 。 在 另 一 种 极端 情况 下 , 键 的 能 量 很 高 ,致使 解 离 难得 出 现 。 两 个 分 子 之 间 键 合 的 精确 程度 是 识 别 过 程 专 一 性 的 有 用 的 指数 。 为 了 搞 清楚 如 何 测量 结合 强度 , 试 考虑 分 子 A 与 分 子 B 的 结合 反应 。 这 一 反应 一 直 e 93 。 弱化 学 键 BOA one RR 有 机 分 子 可 通过 非 共 价 的 为 了 使 玻 水 基 团 对 氢 键 连 的 水 网 络 的 破坏 短程 力 与 其 它 分 子 相互 作 作用 减 到 最 小 ， 水 迫使 疏水 基 团 聚 在 一 起 。 用 S 以 这 种 方式 聚 在 一 起 的 疏水 基 团 常 说 成 是 通过 HIKES” mRE—RAN. tak Jae eh ae 站- me aj & che M/k j/ OHA AH tig & Skil. Manne ; 5 - A x Seventad, RUF ER on 4 A wo oe i=-H Ho 4 ‘. a H / eel Nee 2 5. > ; bg AHH Me Me arene: (都 曙 电 负 性 ， 如 人 ye od Pee wand HO) 之 问 共享 一 个 所 原子 ， 产 生 ery -本 ZA YZZXA)IIIINNNICO Yzzz 共 价 键 Bee ahh #2 一 0.2nm 长 水 中 的 氧 键 r! . 因为 两 个 可 溶 分 子 之 间 任何 新 的 氢 键 的 形成 都 可 导致 原 存 的 水 分 子 之 间 氢 键 的 当 三 个 原子 在 一 直线 上 时 氢 键 最 强 : 让 ee 1 TO JN HUI} an “ 大 分 子 中 的 例子 : =O = 合 在 一 tf I if 7 氢 键 使 两 条 多 肽 链 结合 在 一 起 -ao 1 fr Rit | | | 医 Hq | |: | CHP : es H Deets ce ee NS 9 一 OU 一 H sles © ma ‘pn 0 H ai -- | DNA 或 RNA 中 氨 键 使 两 个 碱 基 G 和 C 结合 Le atta L.. H\、 卫 N-HnlQ 、_vNsC- 和 CT CE Cc eS 4 NY / S H—C NuwiH-N = CoN ss / XN Zi N cr \ CAD 一 CS 4 区 ee Nyy 组 合 图 I 把 大 分 子 结合 94。 _— is ww ww wwe， a Fa 1g FAR TPE RAE Cee aE (离子 键 ) 或 部 分 带电 基 团 之 间 3+ 8- weme())}i\((()—= Ades AS -之 间 的 吸引 力 为 CE 其 中 D = 介 电 常数 (真空 D = 1; 水 D =80) IT 三 分 开 的 距离 无 水 时 离子 力 很 强 。 它 们 与 矿物 如 大 理 石 和 玛瑙 的 强度 YO “ERIKA 任何 两 个 原子 距离 非常 近 时 ， 由 于 它们 的 电荷 起 伏 而 显示 出 弱 的 键 连 相 互 作用 。 这 个 力 称 为 范 德 瓦 耳 斯 引力 。 +R fie = Thi 原子 间 上 距离 一 -一 在 这 一 点 范 德 瓦 耳 斯 力 最 佳 在 一 起 的 主要 类 型 非 共 价 弱 键 一 览 ”水 中 的 离子 键 3 四 NH H 但 是 在 生物 系统 中 离子 键 是 很 重要 的 ; 与 带 正 电 底 物 结 合 的 酶 常常 在 适当 的 地 方 有 带 负 电 的 氨基 酸 侧 链 。 各 种 原子 都 有 具 最 佳 范 德 瓦 耳 斯 力 的 半径 1.2A 2.0A ipa LAR (0.12nm) (0.2nm) (0.15nm)(0.14nm) 虽然 单独 的 范 德 瓦 耳 斯 引力 是 很 弱 的 ， 但 是 当 两 个 大 分 子 表 面 非 常 紧 密 相连 © 95 。 进行 到 它 到 达 平 衡 点 为 止 ;在 平衡 点 时 ， 复 合 物 AB 的 解 离 量 和 生成 量 相等 。 平衡 点 时 A、B 的 浓度 和 复合 物 AB 的 浓度 可 用 来 确定 反应 的 平衡 常数 (K)， 解 释 见 图 3-5。 这 一 常数 有 时 称 为 亲 和 和 常数, 通常 用 来 测量 两 个 分 子 之 间 的 结合 强度 ; 结合 越 强 , 亲 和 常 数 值 便 越 大 。 < 两 个 分 子 相 互 结合 反应 的 平衡 常数 直接 与 结合 的 标准 自由 能 变化 (AG?) 相 A AG° HH 3-3 所 示 的 方程 式 计算 ,这 一 方程 也 能 用 来 计算 对 应 于 一 系列 民 值 的 AG” 值 。 生 物 系 统 中 简单 的 结合 性 相互 作用 的 亲 和 常 数 常 处 在 10: 一 10" 升 每 摩尔 的 范围 之 内 , 它 代 表 结 合 能 在 4 一 14 于 卡 每 摩尔 范围 内 。 举 一 个 更 复杂 的 相互 作用 的 例子 ， 试 考 虑 有 丝 分 裂 ， 在 从 中 期 至 末期 的 30 分 钟 左 右 时 间 内 ， 每 条 染色 体 可 能 都 得 继续 不 断 地 与 它 的 纺锤 丝 相 连 。 如 果 一 条 染色 体 成 功 地 分 进 准确 的 子 细胞 ， 即 hE Py 图 3-4 一 小 块 动物 细胞 的 示意 图 。 展现 高 密度 的 蛋白 纤维 以 及 细胞 内 包含 的 膜 围 成 的 细胞 器 。 大 分 子 的 扩散 因 其 与 细胞 质 内 许多 其 他 大 分 子 相互 作用 而 受阻 碍 ， 而 小 分 子 扩散 则 几乎 像 在 水 中 一 样 快 。 图 示 的 细胞 因 贴 近 表 面 而 展 平 。 在 每 1 000 次 有 丝 分 发 中 失败 少 于 1 次 ， 这 条 染色 体 必 须 连 接 其 纺锤 体 至 少 要 有 30 分 钟 X 1 000 RABAR = 3 X 10° 分 钟 。 因为 失败 是 一 种 随机 过 程 ， 为 了 使 人 细胞 全 部 46 条 染色 体 在 1 000 次 有 丝 分 裂 中 不 出 现 1 次 分 离 差 错 , 它们 与 纺锤 体 连 接 的 时 间 必 须 延 长 46 倍 , 即 1.4 X 10° 分 钟 。 这 就 算出 了 染色 体 解 离 速率 的 最 大 许可 值 。 而 且 , 我 们 能 从 染色 体 的 扩散 速率 确定 解 离 的 最 大 速率 ,这 就 有 可 能 计算 出 亲 和 和 常数 天 的 最 小 值 ( 如 图 3-5 所 讨论 的 那样 )。 所 得 之 值 (至 少 1 升 每 摩尔 ) 代表 至 少 一 23 TRE 摩尔 的 自由 能 变化 。 这 种 变化 平均 由 23 个 氢 键 产生 。 分 子 识别 过 程 决 不 可 能 完美 无 缺 分 子 在 溶液 内 扩散 的 快速 运动 不 是 它们 所 具有 的 唯一 的 能 量 形 式 。 在 正常 温度 下 ， 所 有 的 原子 ,包括 构成 细胞 的 原子 ,还 具有 振动 、 旋转 和 电子 分 布 等 形式 的 能 量 。 这 种 能 量 主要 通过 分 子 碰撞 而 随机 地 分 布 于 不 同 的 原子 。 所 以 , 虽然 大 多 数 原子 的 能 量 水 平 接 近乎 均值 , 一 小 部 分 原子 仍 将 具有 极 低 或 极 高 的 能 量 。 假定 已 知 温度 和 两 状态 之 间 的 能 差 , 就 有 可 能 计算 分 子 存在 两 种 能 态 之 一 的 机 率 。 两 能 态 的 能 差 越 大 ,高 能 态 的 机 率 例 如 染色 体 脱 离 纺锤 丝 , 相 对 于 低能 态 的 机 率 而 言 就 变 得 越 来 越 小 。 无 论 如 何 , 只 有 在 这 种 能 差 成 为 无 穷 大 时 ,高 能 态 相 对 于 低能 态 的 机 率 才 成 为 零 ( 表 3-3)o 因为 分 子 间 的 相互 作用 存在 着 随机 的 因素 ,所 以 分 子 间 的 作用 决 不 可 能 绝对 可 靠 。 结 果 , 细 胞 连续 不 断 地 发 生 差错 。 甚 至 能 力学 不 利 的 反应 偶尔 也 会 发 生 ; 例 如 ,通过 共 价 键 相 互 连 接 的 两 个 原子 最 终 将 分 离 。 同 样 , 酶 对 其 底 物 的 专 一 性 决 不 可 能 是 绝对 的 ,因为 区 别 ee 96 © 3-3 自由 能 之 差 和 平衡 常数 之 间 的 关系 [ABl_ x AB 的 自由 能 减 A + 8B 的 自由 [AB] _x AB 的 自由 能 减 A + B 的 自由 [A][8] fC kcal/mol ) [A ][B] 能 (kcal/mol) 10° sida 1 0 10+ ~5.7 10-# 1.4 10° 一 4.3 | 10-7 2.8 10? oss 10-3 4.3 10 —1.4 10-+ 5.7 1077 Td 8 EE Ea IN a Sa ES ER Ee ale eee Ma hn SD SR Ba 如 果 A + B=—>AB 反应 能 达到 平衡 , 则 ABM AB 的 相对 量 取决 于 它们 之 间 自 由 能 差 入 G?"。 表 中 之 值 是 37°C 下 计算 出 来 的 ?计算 的 方程 式 为 5 [AB] 一 一 及 a ey AG T In FAJIB] LAB}. -ae°/r™ Go wal Bip ri Dey ie 其 中 全 G 是 以 kcal/mol 为 单位 "代表 标 准 条 件 下 (所 有 组 分 的 浓度 为 1.0 摩尔 每 升 ) 的 自由 能 之 差 。 eat BEd. 解 离 速率 = (WE aE HB) x (AB 的 浓度 ) V4 fo. Cry 结合 速率 二 《结合 速率 常数 x (AMIE) x ( BIREE) 平衡 时 : 结合 速率 = 解 离 速率 (结合 速率 常数 ) x (APRIL) x ( B 浓 度 )= (fee sae a aE) x (AB 浓度 ) (AB IRIE) _ 结合 速率 常数 CAKE) x( BREE) 解 离 速率 常数 ~ PK [AB] \_ [A] [B] 图 3-5 平衡 原理 。 分 子 A 和 了 B SORA AB 之 间 的 平衡 。 由 于 (1) 和 2) 的 两 个 相反 反应 之 间 的 平衡 而 得 以 维持 。 结 合 反应 和 解 离 反应 的 速率 常数 之 比 等 于 反应 的 平衡 常数 区 。 因 为 分 子 A 和 B 必须 磁 擅 才能 反应 ?所 以 ,在 反应 (2)? 中 合成 速率 是 与 各 浓度 之 积 成 正比 的 。 结 果 ;[AJXTB] 之 积 出 现在 尼 的 最 终 表达 式 中 。 在 图 示 的 数学 式 中 , 民 是 指 亲 和 常数 ， 其 值 越 大 ,A 和 了 之 间 结 合 就 越 强 。 这 种 形式 的 平衡 常 数 也 称 结合 常数 (单位 为 升 / 摩 尔 )o 平 衡 常 数 也 能 另行 定义 为 此 处 所 示 常 数 的 倒数 ， 称 为 解 离 常数 《单位 为 摩尔 / 升 )。 一 种 分 子 与 另 一 种 分 子 的 识别 决 不 可 能 是 完美 无 缺 的 。 只 有 在 细胞 进化 出 使 两 个 选择 对 e 97 。 N 象 的 能 差 成 为 无 限 大 的 机 制 时 ,才能 完全 避免 差错 。 因 为 细胞 只 能 支配 有 限 的 能 量 , 所 以 它们 被 迫 容 忍 一 定 水 平 的 失败 ,并 用 特殊 的 修复 反应 校正 它们 的 许多 差错 。 另 一 方面 ,差错 总 是 难免 的 。 要 不 是 在 制造 DNA 过 程 中 发 生 偶尔 的 差错 ， 进 化 也 就 不 可 能 发 生 , 这 一 点 将 在 下 面 讨论 。 小 结 大 分 子 的 信息 包含 在 确定 其 表面 的 三 维 外 形 的 亚 基 顺 序 之 中 。 这 些 外 形 又 通过 非 共 价 的 能 键 决 定 一 个 分 子 与 吨 一 分 子 之 间 的 识别 ， 或 同一 分 子 的 不 同 部 位 之 间 的 识别 。 分 子 相互 识别 的 过 程 是 , 首先 通过 随机 扩散 而 相遇 ， 然 后 再 结合 ,结合 强度 可 用 平衡 常数 来 表达 。 因 为 使 识别 确实 无 误 的 唯一 方法 是 使 结合 能 保持 无 穿 大 ,所 以 活 细胞 常常 出 差错 特殊 的 修复 过 程 校正 需要 校正 的 差错 。 Be BR 基因 由 DNA 构成 已 经 知道 ， 只 要 人 们 播种 谷物 或 饲养 动物 ， 每 一 颗 种 子 或 每 一 个 受精 卵 就 必定 都 包 含 着 生物 发 育 的 潜在 的 计划 或 设计 。 当 今 ,遗传 学 这 门 学科 是 在 假定 存在 不 可 见 的 含有 言 息 的 因子 这 一 前 提 下 成 长 起 来 的 ; 这些 因子 称 为 基因 ,基因 分 布 在 每 一 次 细胞 分 裂 所 产 生 的 两 个 子 细胞 之 中 。 细 胞 在 任何 一 次 分 裂 之 前 ,必须 给 它 的 基因 制造 出 复 本 ,以 便 给 它 的 每 一 个 子 细胞 都 提供 一 套 完整 的 基因 。 精细 胞 和 卵细胞 中 的 基因 携带 遗传 信息 , 代 代 相传 。 虽然 生物 特性 的 遗传 似乎 很 神秘 ,但 从 有 辑 推理 , 它 必然 涉及 服从 物理 学 和 化 学 定律 的 原子 组 配 ; 换 言 之 基因 必须 由 分 子 组 成 。 最 初 , 这 些 分 子 的 性 质 是 难以 想像 的 。 细 胞 内 存 贮 何 种 分 子 才能 指导 发 育 中 的 生物 的 活动 ,以 及 准确 而 又 几乎 无 限制 的 复制 呢 ? 到 了 19 世纪 未 ， 生 物 学 家 已 认识 到 , 当 细 胞 开始 分 裂 时 在 核 内 变 得 可 见 的 染色 体 是 遗传 信息 的 载体 。 但 是 , 这 些 染 色 体 中 的 脱氧 核糖 核酸 (DNA) 是 构成 基因 的 物质 的 证 据 , 却 是 在 晚 得 多 的 时 候 才 从 有 关 细 菌 的 研究 中 获得 的 。1944 年 ,有 人 证 明 , BIT 菌株 的 纯化 的 DNA 加 到 稍 有 不 同 的 另 一 细菌 株 中 , 第 一 种 菌株 所 特有 的 遗传 特性 便 授 于 另 一 个 菌株 。 这 一 发 现 令 人 惊奇 ;实际 上 直到 50 年 代 初 才 为 人 们 普遍 接受 ， 在 此 之 前 一 般 只 相信 蛋白 质 才 有 足够 复杂 的 构象 用 来 负载 贮存 在 基因 中 的 信息 。 今天 ， 由 DNA 携带 遗传 信息 并 把 它 贮 存在 其 核 背 酸 长 链 中 这 一 概念 已 经 成 为 现代 生物 学 思想 中 的 基本 概念 ,以 致 人 们 有 时 难以 设想 这 个 概念 居然 曾经 填补 了 知识 上 的 空白 。 DNA 分 子 由 两 条 通过 碱 基 对 结合 在 一 起 的 互补 长 链 组 成 : MRA RE] DNA 在 化 学 上 的 简单 性 ,就 能 理解 遗传 学 家 何以 难以 承认 DNA 为 基 因 的 物质 的 原因 。DNA 链 是 一 条 不 分 支 的 多 聚 体 ， 仅 由 4 种 不 同 的 亚 基 组 成 。 这 4 种 WHED AEA DEPRES (A). Teme (C). SEM (GC) 和 胸腺 喀 啶 〈T) 的 脱氧 BMRA. 核 背 酸 通 过 共 价 的 磷酸 二 酯 键 连 接 在 一 起 ,磷酸 二 酯 键 使 一 个 脱毛 核糖 基 FRY 5° 碳 与 下 一 个 脱氧 核糖 的 3 碳 相 连 ( 组 合 图 H )。 4 种 碱 基 连 接 在 重复 的 糖 -磷酸 链 es 98 。 上 ,就 像 4 个 不 同 种 类 的 珠子 挂 在 一 条 项 链 上 一 样 (图 3-6)。 核 背 酸 长 链 如 何 能 编码 生物 体 甚 至 细胞 的 指令 呢 ? 这 些 信息 怎么 能 拷贝 出 来 从 一 代 细胞 传 给 下 一 代 细 胞 呢 ? BREF DNA 分 子 的 三 维 结构 。 里 在 50 年 代 初 ， 根据 拉 成 纤维 的 DNA 样品 的 X 射 线 衍射 分 析 提 出 ，DNA 分 子 是 由 两 条 链 组 成 的 螺旋 多 聚 体 。 DNA 的 螺旋 结构 是 不 足 为 奇 的 ， 因 为 多 聚 体 中 各 相 邻 亚 基 取向 若 有 规则 ， 便 往往 形成 螺旋 。 但 是 ,关键 在 于 DNA 为 双 链 这 一 事实 。 沿 着 这 一 事实 所 提供 的 基本 线索 ,1953 年 作出 了 一 个 DNA 模型 ,这 模型 符合 于 所 观察 到 的 射线 衍射 图 ,从 而 解决 了 DNA 的 结构 问题 。 \ 这 模型 的 一 个 很 重要 的 特点 是 DNA 分 子 的 全 部 碱 基 均 处 于 双 螺旋 的 内 侧 , 糖 磷酸 则 处 在 外 侧 (图 3-6 和 3-7)。 由 此 一 条 链 上 的 碱 基 必 定 非 常 靠 近 另 一 条 链 上 的 碱 基 。 事 实 上 , 碱 基 是 匹配 得 如 此 密切 ,以 致 要 求 一 条 链 上 的 每 一 个 碱 基 通 过 非 共 价 键 与 另 一 条 链 上 的 互补 碱 基 专 一 地 配对 。 该 模型 预示 ,为 了 使 两 条 链 很 好 地 匹配 在 一 起 ,这 种 互补 碱 基 配对 必定 涉及 一 个 大 的 嗓 叭 碱 基 (A 或 G, 各 有 双环 ) 与 一 个 较 小 的 喀 喧 碱 基 ( 工 或 C, 各 有 单 环 ) 之 间 的 配对 。 这 个 模型 的 筑 构 还 揭示 , G 与 C 或 A 与 T 之 间 所 能 形成 的 有 效 氢 键 数 比 任何 其 他 组 合 的 氨 键 数 都 要 多 , 在 DNA 双 螺 旋 中 ,A 与 工 之 间 以 及 G 与 C 之 间 的 互 补 碱 基 配 对 为 不 同 物种 DNA 制备 的 早期 生化 分 析 提 供 了 解释 。 这 些 分 析 已 经 证 明 , 虽 然 DNA 的 核 昔 酸 组 成 变化 很 大 (例如 ,不 同类 型 细菌 的 DNA HA 残 基 从 13 狗 变化 到 36%), 但 一 般 规 律 是 ,在 数量 上 G 一 C,，A 一 T。 DNA 结构 为 遗传 提供 了 解释 、 基因 携带 的 生物 信息 的 形式 必须 可 以 精确 地 拷贝 和 传 给 所 有 的 后 代 细胞 。DNA 双 螺旋 结构 的 发 现 其 意义 是 巨大 的 ， 因 为 根据 这 一 结构 立即 提示 了 完成 这 种 关键 性 信息 传 递 过 程 的 普遍 机 制 。 因 为 每 一 条 链 都 包含 着 精确 地 与 其 对 应 链 的 核 昔 酸 序列 互补 的 核 背 酸 序列 ,所 以 这 两 条 链 实际 上 都 带 有 相同 的 遗传 信息 。 如 果 我 们 把 这 两 条 链 称 为 A 和 A-“， 则 链 A 可 用 作 制 造 新 链 A 的 模子 或 模板 ，A ” 链 也 可 以 相同 的 方式 制造 新 链 A。 由 于 链 A 与 链 A 的 分 离 ， 每 一 条 链 都 成 为 产生 新 互补 配偶 链 的 模板 。 遗 传 信息 也 就 通过 这 样 的 过 程 而 被 复制 出 来 。 虽然 ，DNA 依靠 它 的 核 背 酸 的 线性 序列 携带 信息 ， 这 是 三 基 配 对 机 制 的 直接 结果 。 可 以 把 每 一 种 核 彰 酸 即 A、C、T 和 G 看 作 简 单 的 4 字母 表 中 的 字母 , 利用 这 些 字 母 可 以 把 生物 信息 以 线性 自动 收报 机 纸 带 " 形 式 书写 出 来 。 不 同 物种 的 动物 因为 它们 的 细胞 里 相应 的 DNA 分 子 携带 不 同 的 核 音 酸 序列 亦 即 携带 不 同 的 生物 信息 , 所 以 它们 是 各 不 相 同 的 。 因为 na 个 核 背 酸 长 的 DNA 链 中 不 同 的 可 能 序列 的 数目 为 4， 所 以 即使 用 并 不 过 分 长 的 DNA， 能 够 产生 的 生物 变种 的 数目 也 是 很 大 的 。 典型 的 动物 细胞 含有 一 米 长 的 DNA (3 X 10 核 背 酸 )。 微 小 的 细菌 病毒 的 遗传 物质 写成 4 字母 的 线性 顺序 可 占据 书本 的 整整 的 一 页 CA 3-8); 一 个 动物 细胞 内 携带 的 遗传 信息 如 果 也 这 样 写 则 可 写成 整整 一 本 500 000 多 页 的 书 ! 虽然 基因 复制 的 原理 既 别 致 又 简单 ,细胞 内 进行 这 种 复制 的 实际 机 理 却 是 复杂 的 , 涉 及 多 种 不 同 种 类 的 蛋白 质 。 基本 反应 如 图 3-9 所 示 ， 在 这 一 反应 中 , 称 为 DNA BRAS « 99 。 RNA ee ua “RNA 的 电镜 照片 ， Ne) a OG | ot Cs O 〇 1 3"* 键 5 5s 可 O2 AR RNA 的 4 种 碱 基 Sey 胞 喀 啶 尿 喀 喧 Hg mem ) 人 pi Hy. ~C~ VN 2cx.7H HA UCWH CYAN, gs eae CG Nr Y oT Ncw \ Tr New i FLY MLS SLO EM LM LE MB AE AY ys che ie hae 糖 -磷酸 主 链 图 3-6 DNA 和 RNA 的 结构 。 DNA 和 RNA 都 是 核 苷 酸 的 线性 多 聚 体 〈 见 组 合 图 H)> DNA 在 两 个 方面 不 同 于 RNA : (1) 糖 -磷酸 主 链 包含 脱氧 核糖 而 不 是 核糖 ; (27DNA 包含 胸腺 mene(T RRM), GECZMURAST(RNA 中 为 A 与 可 ) 之 间 的 特定 的 氢 键 产生 互补 性 碱 基 配 对 。 在 DNA 分 子 中 ， 核 苷 酸 顺 序 互补 的 两 条 反 向 平行 的 链 配 对 成 右 旋 双 螺旋 每 ras ¢ 100° DNA fi Hk- BREESE DNA 奈 基 对 的 4 HIE H | f Cy | Sto RE BE | 上 fame ne on s9 ONES yay a ee: iH = 1 I | E ie Ny BO NNCNS 3 小 沟 RY 一 圈 螺 旋 约 由 10 个 碱 基 对 形成 。RNA 是 单 链 "但 它 包含 可 以 随机 配对 过 程 形 成 的 短 的 互补 碱 基 配对 局 部 区 域 。RNA 中 这 些 双 螺 旋 区 的 构象 显示 于 图 3-7。( 电 镜 照 片 由 Mei Lie Wong[DNAJ， 和 Peter Wellauer [RNAJ] 赠 ) 2101 ¢ 3-7 DNA 双 螺 旋 ( 右 ) 和 双 链 RNA 螺旋 的 一 个 区 域 ( 左 7 的 空间 结构 模型 。 这 两 种 结构 都 是 从 两 条 反 向 平行 的 核酸 链 形成 ,并 且 通 过 互补 碱 基 配 对 而 结合 在 一 起 的 ;它们 在 螺 距 和 碱 基 对 取向 上 稍 有 不 同 。 图 示 的 DNA 螺旋 称 为 B 型 螺旋 ?RNA 螺旋 称 为 A 型 螺旋 ;虽然 这 些 结构 分 别 是 DNA 和 RNA 的 最 稳定 的 双 螺 旋 形 式 但 不 是 唯一 可 能 的 形式 ( 见 374 页 )。( 根 据 Sung-Hou Kim PPR Be) 的 酶 催化 脱氧 核糖 核 音 酸 加 在 DNA 链 的 3 末端 。 加 在 链 上 的 每 一 个 核 背 酸 实际 上 是 Bi AREA EH RR 从 这 激活 的 核 背 酸 释 放 焦 磷酸 及 其 后 的 水 解 可 为 DNA 复制 反应 提供 能 量 , 并 使 反应 完全 不 可 逆 。 DNA 螺旋 的 复制 从 其 两 条 互补 的 DNA 链 的 局 部 分 离开 始 。 然 后 每 条 链 充当 模板 ， 通过 连续 加 成 脱氧 核糖 核 背 三 磷酸 形成 新 的 DNA 分 子 (图 3-10)。 每 一 个 步骤 中 加 入 的 核 昔 酸 都 被 选用 ， 选 用 的 过 程 要 求 它 形成 与 亲 代 模 板 链 中 的 下 一 个 核 背 酸 配对 的 互补 碱 基 对 ,从 而 产生 与 模板 链 顺 序 互补 的 DNA 子 链 。 遗 传 信息 就 这 样 被 全 盘 复制 出 来 。 也 ， 就 是 说 , 最 终 形成 了 两 条 完整 的 DNA 双 螺旋 ， 每 一 条 双 螺旋 在 核 音 酸 顺 序 上 与 充当 模 *，102。 GAGTTTTATCGCTTCCATGACGCAGAAGTTAACATT TTCGGATATTTCTGATGAGTCGAA ABATTATCTTGATAAAGCAGGAAT TACTACTGCT TGTTTACGAATTAAATCGAAGTGGAC TGCTGGCGGAAAATGAGAAAAT TCGACCTATCCTTGCGCAGCTCGAGAAGCTCTTACTIT GCGACCTTTCGCCATCAACTAACGATTCTGTCAAAAACTGACGCGT TGGATGAGGAGAAG TGGCTTAATATGCTTGGCACGT TCGTCAAGGACTGGTTTAGATATGAGTCACATTTTGTT CATGGTAGAGATTCTCTTGTTGACATTT TAAAAGAGCGTGGATTACTATCTGAGTCCGAT GCTGTTCAACCACTAATAGGTAAGAAATCATGAGTCAAGTTACTGAACAATCCGTACGTT TCCAGACCGCTTTGGCCTCTATTAAGCTCATTCAGGCTTCTGCCGTTTTGGATTTAACCG AAGATGATTTCGATTTTCTGACGAGTAACAAAGTTTGGATTGCTACTGACCGCTCTCGTG CTCGTCGCTGCGTTGAGGCTTGCSTTTATGGTACGCTGGACTTTGTGGGATACCCTCGCT TTCCTGCTCCTGTTGAGTTTATTGCTGCCGTCATTGCTTATTATGTTCATCCCGTCAACA TT CAAACGGCCTGTCTCATCATGGAAGGCGCTGAATT TACGGAAAACATTATTAATGCCG TCGAGCGTCCGGTTAAAGCCGCTGAATTGTTCGCGTTTACCTTGCGTGTACGCGCAGGAA ACACTGACGTTCTTACTGACGCAGAAGAAAACGTGCGTCAAAAATTACGTGCGGAAGSAG TGATGTAATGTCTAAAGGTAAAAAACGTTCTGGCGCTCGCCCTGGTCGTCCGCAGCCGTT GCGAGGTACTAAAGGCAAGCGTAAAGGCGCTCGTCTTTGGTATGTAGGTGGTCAACAATT TTAATTGCAGGGGCTTCGGCCCCTTACTTGAGGATAAATTATGTCTAATATTCAAACTGG CECCGAGCGTATGCCGCATGACCTTTCCCATCTTGGCTTCCTTGCTGGTCAGATTGGICG TCTTATTACCATTTCAACTACTCCGGTTATCGCTGGCGACTCCTTCGAGATGGACGCCGT TGGCGCTCTCCGTCTTTCTCCATTGCGTCGTGGCCTTIGCTATTGACTCTACTGTAGACAT TTTTACTTTTTATGTCCCTCATCGTCACGTTTATGGTGAACAGTGGATTAAGTTCATGAA GGATGGTGTTAATGCCACTCCTCTCCCGACTGTTAACACTACTGGTTATATTGACCATGC CGCTTTTCTTGGCACGAT TAACCCTGATACCAATAAAATCCCTAAGCATTTGTTTCAGGG TTATTTGAATATCTATAACAACTATTTTAAAGCGCCGTGGATGCCTGACCGTACCGAGGC TAACCCTAATGAGCT TAATCAAGATGATGCTCGTTATGGTTTCCGTTGCTGCCATCTCAA AAACATTTGGACTGCTCCGCT TICCTCCTGAGACTGAGCTTTCTCGCCAAATGACGACTTC TACCACATCTATTGACATTATGGGTCTGCAAGCTGCTTATGCTAATTTGCATACTGACCA AGAACGTGATTACTTCATGCAGCGTTACCATGATGTTATTTCTTCATTTGGAGGTAAAACG CTCTTATGACGCTGACAACCGTCCTTTACTTGTCATGCGCTCTAATCTCTGGGCATCTGG CTATGATGTTGATGGAACTGACCAAACGTCGTTAGGCCAGTTTTCTGGTCGTGT7CAACA GACCTATAAACATTCTGTGCCGCGTTTICTTTGTTCCTGAGCATGGCACTATGTTTACTCT TGCGCTTGTTCGTTTTCCGCCTACTGCGACTAAAGAGAT TCAGTACCTTAACGCTAAAGG TGCTTTGACTTATACCGATATTGCTGGCGACCCTGTTTTGTATGGCAACTTGCCGCCGCG TGAAATTTCTATGAAGGATGTTTTCCGTTCTGGTGATTCGTCTAAGAAGTTTAAGATTGC : TGAGGGTCAGTGGTATCGTTATGCGCCTTCGTATGTTTCTCCTGCTTATCACCTTICTTGA AGGCTTCCCATTCATTCAGGAACCGCCTTCTGGTGATTTGCAAGAACGCGTACTTATTCG CCACCATGAT TATGACCAGTGTTTCCAGTCCGTTCAGTTGTTGCAGTGGAATAGTCAGGT TAAATTTAATGTGACCGTTTATCGCAATCTGCCGACCACTCGCGATTCAATCATGACTTE GTGATAAAAGAT TGAGTGTGAGGTTATAACGCCGAAGCGGTAAAAATTTTAATTTTTGCC GCTGAGGGGT TGACCAAGCGAAGCGCGGTAGGTTTTCTGCTTAGGAGTTTAATCATGTTT CAGACTTTTATTTCTCGCCATAATTCAAACTTTTTTTCTGATAAGCTGGTTCTCACTTCT GTTACTCCAGCTTCTTCGGCACCTGTTTTACAGACACCTAAAGCTACATCGTCAACGTTA TATTTTGATAGTTTGACGGTTAATGCTGGTAATGGTGGTTTTCTTCATTGCATTCAGATG GATACATCTGTCAACGCCGCTAATCAGGTTGTTTCTGTTGGTGCTGATATTGCTTTTGAT GCCGACCCTAAATTTTTTGCCTGi TTGGTTCGCTTTGAGTCTTCTTCGGTTCCGACTACC CTCCCGACTGCCTATGATGTTTATCCTTTGAATGGTCGCCATGATGGTGGTTATTATACC GTCAAGGACTGTGTGACTATTGACGTCCTTCCCCSTACGCCGGGCAATAACGTTTATGTT GGTTTCATGGTTTGGTCTAACTTTACCGCTACTAAATGCCGCGGATTGGTTTCGCTGAAT H CAGGTTATTAAAGAGATTATTTGTCTCCAGCCACT TAAGTGAGGTGATTTATGTTTGGTG | CTATTGCTGGCGGTATTGCTTCTGCTCTTGCTGGTGGCGCCATGTCTAAATTGTTTGGAG | GCGGTCAAAAAGCCECCTCCGGTGGCAT TCAAGGTGATGTGCTTGCTACCGATAACAATA CTGTAGGCATGGGTGATGCTGGTATTAAATCTGCCATTCAAGGCTCTAATGTTCCTAACC CTGATGAGGCCGCCCCTAGTTTTGTTTCTGGTGCTATGGCTAAAGCTGGTAAAGGACTTC TTGAAGGTACGT TGCASGCTGGCACTTCTGCCGTTTCTGATAAGTTGCTTGATTTGGTTG SACTTGGTGGCAAG TCT SCCGCTGATAAAGGAAAGGATACTCGTGATTATCTIGCTGCTG CATTTCCTGAGCTTAATGCT TGGGAGCGTGCTGGTGCTGATGCTTCCTCTGCTGGTATGG TTGACGCCGGATTTGAGAATCAAAAAGAGCTTACTAAAATGCAACTGGACAATCAGAAAG AGAT TGCCGAGATGCAAAATGAGACT CAAAAAGAGAT TGCTGGCATTCAGTCGGCGACTT CACGCCAGAATACGAAAGACCAGGTATATGCACAAAATGAGATGCTIGCTTATCAACAGA ASGAGTCTACTGCTCGCGTTGCGTCTATTATGGAAAACACCAATCTTTCCAAGCAACAGE AGGTTTCCGAGATTATGCGCCAAATGCTTACTCAAGCTCAAACGGCTGGTCAGTATTTTA CCAATGACCAAATCAAAGAAATGACTCGCAAGGTTAGTGCTGAGGTTGACTTAGTTCATC AGCAAACGCAGAATCAGCGSTATGGCTCTTCTCATATTGGCGCTACTGCAAAGGATATTT CTAATGTCGTCACIGATGCTGCTTICTGGTGTGGTTGATATTTTTCATGGTATTGATAAAG CTGTTGCCGATACTTGGAACAATTTCTGGAAAGACGGTAAAGCTGATGGTATTGGCTICTA ATTTGTCTAGGAAATAACCGTCAGGATTGACACCCTCCCAATTGTATGTTTTCATGCCTC CAAATCTTGGAGGCTTTTTTATGGTTCGTTCTTATTACCCTTCTGAATGTCACGCTGATT ATTTTGACTTTGAGCGTATCGAGGCTCT TAAACCTGCTATTGAGGCTTGTGGCATTTCTA CTCTTTCTCAATCCCCAATGCTTGGCTTCCATAAGCAGATGGATAACCGCATCAAGCTCT TGGAAGAGATTCTGTCTTTTCGTATGCAGGGCGTTGAGTTCGATAATGGTGATATGTATG TTGACGGCCATAAGGCTGCTTCTGACGTTCGTGATGAGTTTGTATCTGTTACTGAGAAGT TAATGGATGAATTGGCACAATGCTACAATGTGCTCCCCCAACTTGATATTAATAACACTA TAGACCACCGCCCCGAAGGGGACGAAAAATGGTTT TTAGAGAACGAGAAGACGGTTACGC AGTTTTGCCGCAAGCTGGCTGCTGAACGCCCTCTTAAGGATATTCGCGATGAGTATAATT ACCCCAAAAAGAAAGGTAT TAAGGATGAGTGT TCAAGATTGCTGGAGGCCTCCACTATGA ; 1 AATCGCGTAGAGGCTTTSCTATTCAGCGTT TGATGAATGCAATGCGACAGGCTCATGCTG ATGSTTGGTTTATCGTTTTTGACACTCTCACGT TGGCTGACGACCGATTAGAGGCGTTTT ATGATAATCCCAATGCTTTGCGTGACTATTTTCGTGATATTGGTCGTATGGTTCTTISCTG CCGAGGGTCGCAAGSCTAATGATTCACACGCCGACTGCTATCAGTATTTTTGTGTGCCTG AGTATGGTACAGCTAATGGCCGTCTTCATTTCCATGCGGTGCACTTTATGCGGACACTTC CTACAGGTAGCGTTGACCCTAATTTTGGTCGTCGGGTACGCAATCGCCGCCAGTTAAATA GC TTGCAAAATACGTGGCCTTATGGTTACAGTATGCCCATCGCAGTTCGCTACACGCAGG ACGCTTTTTCACGTTCTGGTTGGTTGTGGCCTGi TGATGCTAAAGGTGAGCCGCTTAAAG CTACCAGTTATATGGCTGTTGGTTTCTATGTGGCTAAATACGT TAACAAAAAGTCAGATA TGGACCTTGCTGCTAAAGGTCTAGGAGCTAAAGAATGGAACAACTCACTAAAAACCAAGL TGTCGCTACTTCCCAAGAAGCTGTTCAGAATCAGAATGAGCCGCAACTTCGGGATGAAAA TGCTCACAATGACAAATCTGTCCACGGAGTGCT TAATCCAACT TACCAAGCTGGGTTACG ACGCGACGCCGTTCAACCAGATAT TGAAGCAGAACGCAAAAAGAGAGATGAGATTGAGGC TGGGAAAAGT TACTGTAGCCGACGTT T TGGCGGCGCAACCTGTGACGACAAATCTGCTCA AATTTATGCGCGCTTCGATAAAAATGATTGGCGTATCCAACCTGCA 1 图 3-8 简单 的 细菌 病毒 风 X174 的 全 部 遗传 信息 包含 在 一 条 DNA Hh, AnKRANRER 序列 (应 该 从 左 到 右 一行 一 行 地 连续 往 下 读 , 就 像 读 普通 的 教科 书 那样 )。 板 的 亲 代 DNA 螺旋 完全 根 同 。 因 为 每 一 条 原始 的 链 在 过 程 之 末 以 成 为 不 同 的 子 分 子 而 告终 ,所 以 我 们 阅 DNA 复制 机 制 是 ` 半 保留 的 "图 3-11)。 DNA 复制 中 的 差错 造成 突变 ; DNA 复制 给 和 印象 最 深刻 的 特点 是 它 的 准确 性 ， 这 种 准确 性 是 由 形成 一 台 “ 复 制 机 -的 蛋白 质 的 复合 体 所 提供 的 。 KA ae 机 器 起 三 方面 的 作用 :(1) 它 依靠 与 模板 Op 链 进行 碱 基 配 对 而 选择 正确 的 核 苷 酸 ; eee (2) Bil Aes Oran REEF ERE EE EE KER 9 (3) 它 提 供 了 校正 机 制 ， 消 除 取 位 不 当 O--P=0 WER. 复制 机 的 精确 度 是 很 高 的 ， wie 在 一 个 DNA 分 子 中 , 碱 基 序列 的 复制 ， 在 加 入 的 10* 个 核 背 酸 中 ,所 发 生 的 差错 人 全 不 到 一 次 。 然而 ， 复 制 机 极 少 漏 掉 或 多 加 几 个 1 作 到 碱 基 ， 或 者 在 原来 应 该 放 C 的 地 方 放 了 S| eee T, 或 以 A 代 替 G. DNA 序列 中 的 任何 + 这 类 差错 构成 了 遗传 错误 , 称 为 突变 。 这 La 种 差错 所 造成 的 结果 有 两 个 。 首先 , 错 SNE ROR Goi 误会 在 全 部 未 来 的 世代 中 复制 出 来 ， 因 图 3-9 ABM DNA 链 3/ 为 “ 坏 的 ”DNA 序列 同好 的 DNA 序列 TRO 6 Rae heat 一 样 都 被 忠实 地 复制 。 其 次 ， 错 误 可 按 突变 在 细胞 中 发 生 的 部 位 而 对 细胞 产生 重大 的 影响 。 40 年 代 初 ,遗传 学 家 已 经 确 当地 证 明 ， 称 为 基因 的 遗传 单位 规定 了 一 个 个 蛋白 质 的 结构 。 所 以 ,基因 的 DNA 序列 的 变化 所 引起 的 突变 有 可 能 使 一 个 关键 性 的 蛋白 质 失 活 ， 从 而 导致 细胞 死亡 。 在 这 种 情况 下 ,变化 了 的 DNA 序列 就 次 失 了 。 另 一 方面 ， 突 变 可 以 发 生 在 非 基本 区 域 而 不 起 作用 ,这 称 为 同 义 突变 。 碱 基 配对 的 错误 在 极 罕见 情况 下 会 导致 基因 的 改善 。 它 可 改变 蛋白 质 ,使 其 变 成 < 更 好 的 " 酶 ,或 提供 更 有 效 的 结构 。 在 这 些 罕见 的 情况 中 ; 带 有 突变 的 生物 体 将 有 优势 ,因而 在 大 多 数 群体 中 突变 基因 最 终 可 通过 自 ‘de ERE. 基因 的 核 音 酸 顺序 确定 蛋白 质 的 氨基 酸 顺 序 ， DNA 所 包含 的 信息 并 不 立即 影响 细胞 。 只 有 当 它 用 来 指导 蛋白 质 的 合成 时 ， 它 才 能 确定 细胞 的 化 学 特性 和 物理 特性 。 大 约 就 在 生物 物理 学 家 用 和 射线 衍射 法 分 析 DNA 的 三 维 结构 的 间 时 ,生物 化 学 家 正在 深入 研究 蛋白 质 的 化 学 结构 。 当 时 已 知 蛋 白质 是 通过 相继 的 肽 键 连接 在 一 起 的 氨基 酸 链 ， 但 是 还 没有 肯定 各 种 类 型 的 蛋白 质 包含 着 独特 的 氨基 酸 顺 序 。 只 有 到 了 50 年 代 初 ; 才 发 现 了 这 一 点 ,这 时 测 出 了 小 型 蛋白 质 胰岛 素 的 序列 , 并 证 明 它 含有 一 连 串 的 定位 ° 104 。 O O--P=0 ， ?9 | wae ||| eae OCH, H.C Lo 9 5 al 0 《 9 O--P=0 9 ite : ae o=P-o-- 3° O O O O ou hel tess: a b o- 0 ok O 0” pes 1 O 链 从 5 3 方向 延伸 0=P-o0- 0 O He bs 3-10 —Se MAHAR Seis DNA 链 (模板 链 ) 之 间 的 碱 基 配对 指导 着 具 有 互补 碱 基 序列 的 DNA 子 链 的 形成 明确 的 氨基 酸 (图 3-12)。 正如 解决 DNA 结构 妃 是 了 解 遗传 学 和 遗传 的 分 子 基础 的 必由之路 一 样 , 确定 胰岛 素 顺序 也 是 了 解 蛋白 质 的 结构 与 功能 的 关键 。 如 果 胰 岛 素 有 了 明确 的 `. 遗 传 上 确定 的 顺序 ， 则 其 它 各 种 蛋白 质 都 可 能 如 此 。 而 且 , 人 们 还 似乎 有 理由 设想 , 蛋白 质 的 特性 取决 于 它 的 氨基 酸 组 分 精确 排列 的 次 序 。 DNA 和 蛋白质 都 由 线性 的 亚 基 序列 组 成 同时 突变 基因 制造 的 蛋白 质 的 生化 分 析 最 终 表明 ， 两 个 序列 是 共 线 性 的 ， 也 就 是 说 ，DNA 中 核 背 酸 排列 的 次 序 与 它们 所 确定 的 蛋白 质 中 氨基 酸 次 序 相 对 应 。 因 此 分 子 生 物 学 的 中 心 问题 就 成 为 : 细胞 如 何 完成 这 样 一 种 生物 化 学 上 错综复杂 的 转变 , 即 如 何 将 DNA 中 的 核 背 酸 序列 翻译 成 蛋白 质 中 的 氨 基 酸 序列 。 部 分 DNA 序列 复制 成 RNA 以 制造 蛋白 质 ? 蛋白 质 的 合成 涉及 DNA 的 特定 区 域 ( 称 为 编码 区 或 基因 ) 拷贝 出 化 学 上 和 功能 上 类 型 不 同 的 多 核 彰 酸 称 为 核糖 核酸 ， 即 RNA。 同 DNA 一 样 ，RNA 也 是 由 线性 的 核 ¢ 105。 昔 酸 序列 组 成 ， 但 有 两 个 小 小 的 化 学 差异 : (1) RNA 的 糖 -磷酸 主 链 包含 核糖 ,而 不 是 LS Mage 脱氧 核糖 ; (2) 碱 基 胸腺 喀 啶 CT) 被 非常 & 近似 的 碱 基 尿 旷 啶 (U) 所 替代 〈 见 图 3-6)。 Z RNA 既 保 持 拷贝 它 的 _DNA 序列 的 2 所 有 信息 ， 也 保持 DNA 的 碱 基 配 对 的 特 ts 性 一 一 因为 U 与 A 配对 的 方式 和 T 与 A 配 es 对 的 方式 相同 (23-6), RNA 分 子 通过 称 & S 为 DNA 转录 的 过 程 合成 ，DNA 转录 在 很 包 Ss 多 方面 类 似 于 DNA 复制 。 DNA 的 两 条 链 g S 之 一 充当 模板 ， 检 验 每 一 个 新 来 的 核糖 核 a 入 他 昔 酸 的 配对 能 力 。 当 一 个 核糖 核 昔 酸 达到 与 & & & 5 DNA 模板 良好 的 匹配 时 , 它 便 作为 一 个 共 2 2 & 价 键 连接 单位 而 整合 人 延伸 的 RNA 链 。 多 2 2 2 DNA 转录 有 几 个 重要 方面 不 同 于 eB ie DNA 复制 。 一 个 方面 是 ， 一 条 链 退火 成 人 A ws Ww DNA, RNA 产物 并 不 保留 。 一 旦 完成 & 8 S $332 S RNA 复制 。 原 始 的 DNA 螺旋 重新 形成 ， 88888888 并 释放 出 RNA 分 子 。 因而 RNA 分 子 是 88R88885 单 链 的 。 此 外 ，RNA 与 DNA 相 比 较 短 。 因为 它们 是 从 DNA 的 有 限 区 域 拷贝 出 来 子 代 DNA Sie 的 一 一 这 足以 制造 一 个 或 几 个 蛋白 质 。 从 图 3-11 DNA 的 半 保 留 复制 。 在 DNA 特定 区 域 制 造 的 RNA 的 量 可 以 控 ne 制 ,一 些 基因 可 用 来 制造 大 量 的 RNA, 所 以 一 条 条 链 通过 许多 细胞 世代 仍 一 些 基 因 却 一 点 也 不 转录 。 大 致 上 说 来 , 基 保持 它们 的 完整 性 。 因 表达 之 所 以 能 控制 ， 那 是 因为 存在 着 基 因 调 节 有 蛋白 ,这 些 蛋白 质 确定 DNA 的 哪 几 段 被 复制 。 在 每 一 细胞 世代 ,同一 DNA 片段 可 制造 出 几 千 个 RNA 转录 本 。 在 真 核 细胞 内 ,有 许多 这 种 RNA 分 子 在 离开 细胞 核 到 细胞 质 内 充当 指导 蛋白 质 合 成 的 信使 RNA CBD mRNA) 之 前 ,发 生 了 大 量 的 化 学 变化 。 因为 每 一 个 mRNA 分 子 能 转译 出 好 几 千 个 多 肽 链 拷贝 ， 所 以 DNA 的 一 个 小 区 域内 所 包含 的 信息 可 指导 大 量 特定 的 蛋白 质 的 合成 。 以 丝 心 蛋白 为 例 ， 它 是 丝 的 主要 组 分 ,在 每 一 个 丝 腺 细胞 内 ,单个 丝 心 蛋白 基因 可 制造 出 mRNA 10° 个 拷贝 ， 每 个 mRNA 指导 10 个 丝 心 蛋白 分 子 的 合成 ， 在 为 期 4 天 的 周期 内 ,每 一 个 细胞 总 共 可 生产 出 10 个 丝 心 蛋白 分 子 。 mRNA 中 的 核 昔 酸 序列 被 三 个 一 组 地 “解读 "和 转译 成 氨基 酸 ? 60 年 代 初 破译 了 所 谓 的 遗传 密码 , 即 基 因 的 多 核 彰 酸 序 列 转译 成 蛋白 质 的 氨基 酸 序 列 的 规则 。 充 当中 间 体 的 mRNA 分 子 中 的 核 苷 酸 序列 被 证 明 是 三 个 一 组 地 挨 着 次 序 解读 的 。 核 彰 酸 的 每 一 个 三 联 体 称 为 密码 子 , 可 以 确定 一 个 氨基 酸 , 原则 上 每 一 个 RNA 序列 都 能 按 三 种 不 同 移 码 译 读 中 的 任何 一 种 来 转译 ,究竟 按 哪 一 种 读 码 法 来 转译 ,取决 于 ° 106 ors ae 分 子 上 移 码 译 读 过 程 开始 的 确切 位 置 (图 3-13)o 总 之 ,在 这 些 移 码 译 读 中 ,只 有 一 种 会 产生 有 功能 的 蛋白 质 。 因 为 除了 RNA 信使 的 起 始 和 结束 处 外 没有 标点 符号 ， 所 以 移 码 译 读 决 定 在 转译 过 程 的 起 始 ， 并 在 此 后 保持 下 去 。 因为 RNA 是 4 种 不 同 核 背 酸 的 线性 多 聚 体 ， 所 以 有 邓 = 64 个 可 能 的 密码 子 三 联 体 (请 记 住 ， 三 联 体 中 的 核 背 酸 顺 序 很 重要 )。 通 常 在 蛋白 质 内 只 发 现 20 种 不 同 的 氨基 酸 , 所 以 ， 大 多 数 氨基 酸 必定 由 几 个 密码 子 确 定 ; 也 就 是 说 ,遗传 密码 是 简 并 的 。 密 码 示 于 图 3-14, 它 是 很 保守 的 ,细菌 \ 植 物 和 人 类 等 各 种 生物 的 密码 都 相同 。 30 21 | S tRNA 使 氨基 酸 与 核 昔 酸 组 匹配 ， mRNA 密码 子 不 能 用 酶 识别 底 物 的 方 法 直 接 识 别 它 们 所 确定 的 氨基 酸 。 转 译 使 用 既 识 别 氢 基 酸 又 识别 核 彰 酸 碱 基 组 的 "连接 物 ”分子 。 这 些 连接 物 由 一 套 小 RNA 分 子 组 成 , 称 为 转移 RNA Tt S | (或 tRNA)， 每 个 tRNA 长 度 只 有 :70 至 90 个 KE Bo “每 个 tRNA 分 子 都 有 一 个 折叠 的 三 维 构象 ， 胰岛 素 由 两 条 多 肽 链 组 成 > 每 条 链 有 专 一 的 由 遗传 决定 的 所 字母 符号 列 于 组 合 图 G ;图 中 的 一 S 一 S 一 键 是 半 胱 氨 酸 残 基 之 这 种 三 维 构象 由 那 种 把 _DNA 螺旋 的 两 条 链 结合 在 一 起 的 非 共 价 相互 作用 所 保持 。 正 如 前 面 指出 的 那样 。 DNA 螺旋 是 由 许多 互补 碱 基 对 的 结合 力 所 形 成 的 。 在 (RNA 那样 的 多 核 背 酸 单 链 中 。 有 同样 类 型 的 碱 基 配 对 相互 作用 发 生 在 同一 条 链 上 的 一 些 核 背 酸 残 基 之 间 。 这 就 使 RNA 分 子 以 独特 的 方式 折 又 起 来 》 折 倒 方 式 对 连接 体 行使 功能 来 说 是 重要 的 。tRNA 分 子 的 4 个 短 的 片段 含有 像 图 3- 7 中 那样 的 双 螺 旋 结构 。 但 是 特别 重 要 的 是 在 分 子 的 两 端 各 有 三 个 不 配对 的 核 昔 酸 残 基 : 一 端的 顺序 可 变 的 三 联 体形 成 反 密 码 子 , 能 与 mRNA 分 子 中 一 个 互补 的 三 联 体 碱 基 配对 ,而 分 子 的 游离 3 端的 三 联 体 (CCA 顺序 ) 则 能 以 共 价 方式 与 特定 的 氨基 酸 相连 (图 3-15)。 其 他 类 型 的 RNA 分 子 , 包括 形 成 核糖 体 结 构 核心 的 核糖 体 RNA (rRNA) 分 子 和 mRNA ( 见 下 文 )， 虽 然 它们 比 RNA KES, ARE 登 得 那么 紧 , 但 有 实验 证 据 表明 ,它们 也 含有 具有 — S | | Phe—Va, —Asn —GIn—His —Leu—Cys —Gly — Ser —His—Leu— Val —Glu—-Ala—Leu—Tyr — Leu —Val—Cys—Gly--Glu—Arg—Gly—Phe—Phe — Tyr—Thr—Pro—Lys—Ala S | 图 3-12 和 牛 胰岛 素 的 氨基 酸 序列 。 基 酸 序列 。 用 来 规定 氨基 酸 的 _ Gly —Il :—Val —Glu—Gln— Cys —Cys —Ala—Ser —Val—Cys —Ser—Leu —Tyr—Gin—Leu—Glu—Asn—Tyr—Cys—Asn A 1 B 链 1 By 独特 的 三 维 构象 的 区 域 。 核糖 体 从 一 端 至 另 一 端 读 出 RNA 信息 ” 遗传 信息 从 mRNA 传 至 蛋白 质 的 密码 子 识别 过 程 依赖 于 那 种 把 遗传 信息 从 DNA “5， 3 GCUG._AGE4GUU; ACC. AU Thr —Leu———Ser——— Val 2 GB A Bee BO ee ae ——Ser——Ala———_ Leu——-Pro——= CU, CAG ,,CGU,, UAC, CAU Gln: =Arg 一 一 一 TYr 一 一 His 一 图 3-13 和 蛋白质 合 成 中 三 种 可 能 的 移 码 译 读 。 RNA 中 的 核 昔 酸 序列 三 个 一 组 地 顺序 从 于 端 读 至 3“ 端 。 从 而 转译 成 氨基 酸 。 所 以 同一 个 RNA 序列 可 依赖 于 “ 移 码 译 读 " 而 确定 3 种 完全 不 同 的 氨基 酸 序列 。 的 机 制 在 第 五 章 讨 论 。 传 至 DNA 以 及 从 DNA 传 至 RNA 的 相同 的 硕 基 对 的 相互 作用 (图 3-16)e 但 是 ,使 RNA 分 ” 子 在 mRNA 上 排列 成 序 的 机 制 是 复杂 的 ， 这 需 要 有 核糖 体 ， 核 糖 体 是 由 约 一 百 种 不 同 的 蛋白 质 与 几 个 结构 RNA 分 子 (TRNA) 结 合 而 成 的 复合 体 。 每 一 个 核糖 体 仿佛 是 一 人 台大 的 生化 机 :tRNA 分 子 在 生化 机 上 有 目 行 就 位 ,以致 读 出 编码 在 mRNA 中 的 遗传 信息 。 核 糖 体 首 先 结合 在 mRNA 分 子 的 特定 部 位 上 ,确定 一 种 移 码 译 读 , 并 确定 蛋 白质 的 氨基 末端 。 然后 ， 当 核糖 体 沿 着 mRNA 分 子 移动 时 ， 每 移动 一 次 翻译 一 个 密码 子 。 利 用 tRNA 分 子 把 氨基 酸 加 至 延伸 的 多 肽 链 末 端 〈 图 3-17), 当 核 糖 体 到 达 信 使 的 端 部 后 , 它 与 新 制 造 的 蛋白 质 羧基 末端 一 起 从 mRNA 分 子 的 3 端 释放 进 细 胞 质 。 核 糖 体 结构 的 详情 和 和 蛋白质 合成 核糖 体操 作 效 率 很 高 : ”一 个 细菌 核糖 体 可 在 一 秒 钟 内 把 20 个 氨基 酸 加 在 伸延 的 多 第 一 位 第 二 位 小 {i 位 (3 Ha) 图 3-14 遗传 密码 。RNA 中 的 三 核 萌 酸 组 (HBT) 在 蛋白 质 合成 过 程 中 按 所 示 的 规则 转译 成 氨基 酸 。 例 如 ,密码 子 GUG 和 GAG 分 别 转译 成 缚 氨 酸 和 谷 氨 酸 。 请 注意 ,第 二 个 核 苷 酸 为 U 或 C 的 那些 密码 子 有 可 能 确定 较 芯 水 的 氨基 酸 ( 与 组 合 图 G 比 较 )。 ° 108。 图 3-15 #SHRARM tRNA, EAH, KERMA SUR tRNA 分 子 中 的 内 螺旋 区 域 的 碱 基 配 对 。 右 面 是 根据 尽 射 线 衍射 分 析 绘 制 的 分 子 实际 形状 的 示意 图 。 密 点 区 表示 碱 基 对 把 、 两 条 链 保持 在 一 起 的 地 方 。 Ae Ls 人 体 一 秒 钟 内 制造 约 5X105 个 血红 蛋白 拷贝 , 血红 蛋白 含有 由 574 个 氨基酸 组 成 的 特异 序列 。 小 结 DNA 中 的 线性 核 荐 酸 序列 携带 着 遗传 信息 。 每 一 个 DNA 分 子 含有 两 条 互补 的 核 HR, CNet G 一 C 和 A—T 碱 基 对 的 氢 键 而 相互 匹配 。 DNA 复制 是 复制 遗 传 信息 , 它 是 通过 一 条 新 的 互补 链 聚 他 于 每 一 条 老 链 上 而 实现 的 。 遗传 信息 的 表达 涉及 DNA 中 的 线性 核 音 酸 序列 转译 成 为 蛋白 质 中 共 线性 氨基 酸 序 Al, DNA 的 一 个 有 限 的 片段 先 拷贝 成 mRNA 的 互补 链 ， 然 后 通过 称 为 核糖 体 的 大 型 复合 物 的 催化 反应 把 后 者 转译 成 为 蛋白 质 。 用 于 蛋白 质 仓 成 的 氨基 酸 与 一 族 小 的 tRNA 分 子 相连 ,每 个 tRNA 通过 互补 的 碱 基 配 对 相互 作用 识别 mRNA 中 的 三 个 一 组 的 核 昔 Ro mRNA 中 的 核 苍 酸 序列 按照 通用 的 遗传 密码 三 个 一 组 地 从 一 端 读 到 另 一 端 。 蛋白 质 结 构 " 蛋白 质 构 成 细胞 的 大 部 分 ， 占 细胞 干 重 的 一 半 以 上 ( 表 3-1)。 蛋白 质 确定 细胞 的 形 状 和 结构 ， 也 充当 分 子 识 别 和 催化 的 工具 。 虽然 DNA 确实 贮存 制造 细胞 所 需 的 信息 ， (xR SGA. DNA 本 身 几 乎 不 宣 接 影响 细胞 过 程 。 例如 ， 血 红 蛋 白 基 因 不 能 运载 氧 ; 而 这 却 是 它 所 确定 的 蛋白 质 的 特性 。 用 计算 机 术语 来 说 ,核酸 代表 "软件 ”一 一 细 腹 从 其 亲 代 接受 的 指令 。 和 蛋白质 构 成 “硬件 "一 一 执行 寄存 在 存 贮 器 内 的 程序 的 物 理 仪 。 109 。 5’ 入 中 有 下 万 下 阁员 GCT A’ GCG Ar Ee eee Cnn G Can 转录 CCAUCCCUAAACCCUGGA 四川 山 O MMi | AgcheoNS 5! . 将 [Prof Ser eI ree arg] ， 显 示 所 有 的 有 规则 氢 键 相互 作用 区 表现 为 螺旋 ( & 螺旋 ) 或 一 组 组 箭头 (B 片 层 )。(D7“ 香 肠 模型 "显示 多 肽 链 的 行径 ， 但 略 去 了 所 有 的 细节 。 应 该 指出 ?所 有 的 球 蛋白 核心 都 是 紧密 地 排列 着 原子 的 。 因 此 :由 模型 B、 C 和 D 产 生 的 结构 空缺 的 印 像 是 不 正确 的 。(A 和 B, Richard J. Feldmann 赠 ; C, Jane Ri- chardson 赠 ) 外 表面 。 在 这 错综复杂 表面 上 , 不 同 原子 的 取 位 和 化 学 性 质 使 得 每 一 个 蛋白 质 与 其 它 大 分 子 表面 和 小 分 子 的 结合 都 是 专 一 的 ( 见 下 文 )。 从 化 学 观点 看 来 , 蛋白 质 是 已 知 的 最 复 杂 的 分 子 。 在 不 同 的 蛋白 质 链 中 反复 出 现 共同 的 折 垒 型式” 虽然 蛋白 质 链 的 折 登 所 需要 的 全 部 信息 都 包含 在 其 氨基 酸 序列 内 ， 但 是 我 们 至 今 沿 e113 ° 图 3-22 8 片 层 是 球 蛋白 的 一 部 分 形成 的 共同 的 结构 。 上 图 示 免 疫 球 蛋 白 分 子 的 一 个 由 115 个 氨基 酸 组 成 的 区 ， 方 框 内 标 出 一 个 片 层 结构 区 。 下 图 详尽 地 显示 了 完整 的 反 向 平行 的 B 片 层 。 请 注意 ， 每 个 肽 键 都 通过 氢 键 与 相 邻 的 肽 键 结合 。 球 蛋白 的 实际 片 层 结构 通常 没有 图 示 的 B 片 层 那 么 有 规则 * 许 多 片 层 稍 扭曲 未 搞 清 楚 如 何 解读 "这 种 信息 ,以 期 预测 已 知 序列 的 蛋白 质 的 详细 的 三 维 结构 。 因 此 ,只 得 通过 对 蛋白质 晶体 所 作 的 精细 的 入 射线 衍射 分 析 TREE TAMAR. SAIL 这 项 技术 已 完整 地 分 析 了 200 多 种 蛋 昌 质 。 每 一 种 蛋白 质 都 有 特异 的 构象 ， 它 们 很 不 规 则 ， 要 用 整整 一 章 的 篇 幅 才 能 充分 描述 三 维 构 型 的 细节 。 蛋白 质 的 完整 结构 可 用 空间 结构 模型 或 金属 丝 型 模型 表示 。 图 3-21 A 和 了 B 就 是 用 这 些 模型 显示 和 解释 溶菌 酶 结构 的 。 但 鉴于 这 两 种 模型 中 所 见 的 大 量 细节 往往 使 多 肽 主 链 的 途径 看 不 清楚 。 所 以 蛋白 质 构 象 最 好 用 图 3-21C 和 D 这 两 种 比较 示意 的 模型 来 表 示 。 图 中 所 有 的 侧 链 和 实际 的 原子 都 略 而 不 绘 , 以 便 容 易 追 踪 主 链 的 主 径 。 当 比 较 不 同 蛋白 质 分 子 的 三 维 结构 时 ,可 以 明显 看 出 ,虽然 每 种 蛋白 质 的 总 的 构象 是 独特 的 ,但 是 在 这 些 大 分 子 部 分 结构 中 , 几 种 折 倒 型 式 会 重复 地 出 现 。 有 两 种 型 式 特别 普 遍 , 因 为 它们 是 肽 键 本 身 之 间 有 规则 的 氢 键 形成 相互 作用 的 结果 ,而 与 侧 链 相 互 作 用 的 独 特 型 式 无 关 。 这 两 种 型 式 都 是 1951 年 根据 丝 和 发 的 不 同 的 和 射线 衍射 图 ,从 模型 构造 研 究 正 确 地 预测 出 来 的 。 这 两 种 已 发 现 的 有 规则 的 折 受 型 式 现在 称 为 Pp 片 层 和 螺旋 : 前 者 见于 丝 中 的 丝 心 蛋白 ,后 者 见于 皮肤 及 其 附 物 例如 毛发 .指甲 和 羽毛 中 的 角 蛋 白 。 。114 。 H3-23 «iS Ch e—h ,通常 由 球 蛋 白 的 一 部 分 形成 。(A 7) 显示 载 氧 分 子 肌 红 蛋 白 (153 个 氮 基 酸 长 )? 黑 色色 出 一 个 < 螺旋 区 的 轮廓 。(B) 示 一 个 完整 的 < 螺旋 的 细节 。 像 8 片 层 那样 每 一 个 肽 键 都 通过 氢 键 与 相 邻 肘 键 相连 。 为 了 清楚 起 见 每 一 个 氨基 酸 的 侧 链 都 略 而 不 绘 ( 见 下 图 ); 这 些 侧 链 沿 螺旋 外 侧 径 向 突出 。 8 片 层 结构 构成 了 大 多 数 (虽然 不 是 全 部 ) 球 蛋白 核心 的 大 部 分 区 域 。 图 3-22 举例 显示 了 抗体 分 子 的 一 部 分 在 这 个 例子 中 ， 当 伸 展 的 多 肽 链 目 身 来 来 回回 地 折 有 伍 时 , 便 形 成 反 向 平行 的 8 PE. 同时 链 的 各 眉 走 向 都 与 其 相 邻 段 的 走向 相反 。 这 就 形成 了 一 种 由 相 邻 多 肽 链 中 肽 键 之 间 的 氢 键 约束 在 一 起 的 很 牢固 的 结构 ， 因 而 反 辐 平行 的 8 片 层 常常 形成 球 蛋白 结构 的 骨架 。 密切 相关 的 平行 的 & 片 层 常 常 在 两 侧 覆 加 o 螺旋 , 形成 层 状 结 构 , 这 个 单位 也 可 用 作 骨 架 , 围 绕 着 这 种 骨架 可 以 形成 许多 球 蛋 白 。 一 条 多 肽 链 可 以 有 规则 地 自我 盘 绕 , 构 成 刚性 的 圆柱 体 。 在 这 个 圆柱 体 中 ,每 一 个 肽 键 可 通过 氧 键 有 规则 地 与 链 中 其 他 肽 键 结合 , 从 而 产生 < 螺旋 。 很 多 球 蛋白 都 包含 由 这 些 o 螺旋 组 成 的 短 区 域 (图 3-23). iin xc 螺旋 的 长 杆 区 则 见于 例如 可 增强 皮肤 及 其 附 物 强 度 的 细胞 内 < 角 蛋 白 纤 维 。 3-24 显示 有 和 没有 侧 链 的 螺旋 和 8 A RAS Ta 型 。 | 多 种 多 洋 的 罩 白质 结构 由 于 氨基 酸 侧 链 的 多 样 性 , 蛋白 质 所 能 形成 的 结构 类 型 是 很 多 的 。 一 个 极端 的 例子 是 见于 细胞 外 空隙 的 胶原 族 分 子 。 在 胶原 中 ,， 有 三 条 独立 的 多 肽 链 ， 每 条 链 都 富 含有 睛 氢 酸 ,并 且 每 隔 两 个 尸 基 出 现 甘 氨 酸 。 这 些 多 肽 链 相互 缠绕 ,产生 有 规则 的 三 股 螺旋 。 这 些 *，115 。 四 图 3-24 «RN SR RENSASARN, AAASRRME, CALABRMH. (Ale 螺旋 ( 肌 红 和 蛋白 结构 的 一 部 分 )。 (〈B7p 片 层 区 ( 伴 刀 豆 球 蛋白 A 结 构 的 一 部 分 )、(Ricbard |. Feldmann 赠 ) 胶原 分 子 300 x 1.5 nm 图 3-25 ”胶原 是 三 条 伸展 的 平行 排列 的 蛋白 质 链 形成 的 三 股 螺旋 。 许多 杆 状 胶原 分 子 交 联 在 一 起 形成 坚韧 的 不 能 伸展 的 胶原 原 纤 维和 纤维 。 胶原 分 子 进一步 有 规则 地 排列 在 一 起 , PERRET RU 相 邻 赖 氮 酸 残 基 之 间 的 共 价 交 联 而 结合 在 一 起 , 产生 抗 张强 度 很 强 的 纤维 (图 3-25 )o * 116° ee LAS E326 弹性 蛋白 由 可 塑性 多 肽 组 成 , 后 者 交 联 在 一 起 ,形成 橡皮 状 的 基质 。 当 基质 伸展 时 ,每 一 个 分 子 就 解 开 螺 旋 形 成 伸展 的 构象 。 弹 性 蛋白 和 胶原 蛋白 由 于 氨基 酸 序 列 极 不 相同 ， 所 以 它们 的 ; 物理 性 质 区 别 极为 明显 。 另 一 极端 的 例子 是 细胞 外 的 弹性 蛋 折 ,弹性 蛋 折 中 相对 不 定型 的 多 肽 链 共 价 地 交 联 在 一 起 ,产生 像 橡 皮 那 样 的 弹性 物质 。 如 图 3-26 所 示 ， 弹性 蛋白 之 所 以 具有 弹性 是 由 于 各 个 蛋白 质 分 子 一 旦 受到 拉力 就 能 可 逆 地 把 螺旋 解 开 。 弹 性 蛋白 像 胶 原 一 样 可 分 刻 到 细 胞 外 空隙 ,在 那里 它 使 像 动脉 和 肺 这 样 的 组 织 得 以 无 损伤 地 变形 和 伸展 ( 见 第 十 二 章 )e 同样 的 基本 化 学 结构 即 氨基 酸 链 能 够 形成 那么 多 不 同 的 结构 :高 效 的 橡皮 状 物质 ( 弹 性 蛋白 ), 坚 如 钢 的 丝 索 ( 胶 原 ), 具 有 酶 功能 的 球 蛋白 上 各 种 各 样 的 催化 表面 ,确实 令 人 惊 奇 。 图 3-27 显示 和 比较 了 300 个 氨基 酸 长 的 多 肽 链 在 理论 上 所 能 呈现 的 各 种 不 同 的 形 状 。 我 们 已 经 强调 指出 ,实际 呈现 的 构象 完全 取决 于 氨基 酸 序 列 。 蛋白 质 呈 现 不 同 水 平 的 结构 组 织 虽然 即使 是 二 个 小 蛋白 质 其 折 县 方式 也 是 极 多 的 ， 但 发 生 折 又 的 方式 看 来 有 一 定 的 Pat, 在 第 一 级 扳 水 平 ， 邻近 的 一 段 段 多 肽 链 内 氢 键 的 相互 作用 产生 @ 螺旋 和 片 层 , 它们 构成 了 蛋白 质 的 二 级 结构 。 此 外 , a 螺旋 和 8 片 层 的 一 些 组 合 本 身 特别 稳定 ,并 常 存 在 于 多 种 不 同 的 蛋白 质 中 。 这 些 “ 结 构 铸 件 ” 常 形成 更 高 一 级 水 平 结 构 的 基础 , 这 一 级 水 平 的 结构 称 为 蛋白 质 区 。 蛋 白质 区 是 当 小 的 球 蛋白 单位 ， 由 一 段 多肽 链 组 成 ; :包含 150 个 或 数量 更 少 的 氨基 酸 。 它们 似乎 是 构成 球 蛋白 的 标准 单位 ( 见 下 文 )。 若 干 不 同 的 蛋白 质 通常 通过 相对 自由 的 一 段 段 多 肽 链 而 连接 在 一 也, 形成 球 蛋白 。 最 后 ,各 个 球 蛋白 本 身 常 装配 成 较 大 的 蛋白 质 聚 合体 。 因此 , 一 个 大 型 蛋白 质 结构 可 分 成 几 个 不 同 的 结构 水 平 , 低 水 平 依次 构成 高 水 平 (图 3-28)。 这 些 组 构 水 平 相当 于 阶梯 ,新 合成 的 蛋白 质 沿 着 它 逐 级 上 升 地 折 又 成 为 其 天 赋 的 结构 。 许 乡 可 能 的 多 肽 链 只 有 相当 少数 几 个 结构 有 效 因为 20 种 氨基 酸化 学 上 各 不 相同 ,同时 每 一 种 氮 基 酸 原则 上 可 存在 于 蛋白 质 链 的 任 eli7¢ 胶原 三 股 螺旋 29nm 长 45nm 长 片 层 7X7X0.8nm O 球 直径 4.3nm ， -伸展 的 链 一 100nm 长 图 3-27 £4 300 个 氨基 酸 的 蛋白 质 分 子 所 可 能 有 的 大 小 和 形状 。 结构 的 形成 由 氨基 酸 序 列 确 定 。( 引 有 自 D.E.Metzler,Biachemistry. New York: Academic Press, 1977) $a OE -§—-FR-G- 4h 1. 二 级 结构 B- 片 必 4., 蛋 白质 聚合 图 3-28 蛋白 质 结构 水 平 。 蛋白 质 的 三 维 结构 可 用 4 种 不 同 的 折 县 水 平 来 描述 ， 每 一 级 水 乎 由 前 一 级 水 平 构成 ， BERK. RIALS tr Ak» MER MAR RAR 结构 ， 第 一 级 折 和 县 水 平 称 为 二 级 结构 ?第 二 和 第 三 级 折 有 登 水 平 的 组 合 称 为 三 级 结构 ?第 四 级 折 有 登 水 平 称 为 蛋白 质 的 四 级 结构 。 何 位置 , 所 以 4 个 氨基 酸 长 有 20X20X20X20 一 160 000 种 不 同 的 可 能 的 多 肽 链 , Bl» 氨基 酸 长 有 20° 个 不 同 可 能 的 多 肽 链 。 对 于 约 300 个 氨基 酸 长 的 典型 的 蛋白 质 , 可 给 出 10 多 种 不 同 的 蛋白 质 。 然而 ,我 们 知道 ,只 有 极 少 部 分 可 能 的 蛋白 质 可 形成 有 用 的 三 维 构象 。 绝 大 多 数 的 蛋 白质 预期 具有 多 种 不 同 的 构象 ,它们 的 © 118 « 大 致 相等 ,而 各 有 不 同 的 化 学 特性 。 因 为 这 种 图 3-29 弹性 蛋白 酶 (A) 和 麻 蛋 白 酶 (B) 的 三 维 构象 的 比较 。 在 这 两 个 进化 相关 的 蛋白 酶 中 ,只 有 细 点 部 分 的 多 肽 链 残 基 的 相应 的 氨基 酸 是 相同 的 。 但 是 ， 它 们 的 构象 是 极 相似 的 。 图 中 图 出 活 性 部 位 ; 这 两 个 蛋白 酶 都 含有 一 个 活化 的 丝氨酸 残 基 。《( 见 图 3-467 不 稳定 性 是 与 维持 细胞 存活 所 需 的 高 度 有 序 有 矛盾 的 ， 所 以 这 样 的 蛋白 质 在 进化 过 程 中 已 被 目 然 选择 所 淘汰 。 现存 的 蛋白 质 由 于 具有 独特 的 折 受 性 能 而 显示 出 令 人 惊奇 的 错综复杂 的 结构 和 化 学 特性 。 不 仅 是 氨基 酸 顺 序 可 使 一 种 构象 极其 稳定 , 而 且 这 种 构象 还 具有 准确 的 形状 和 化 学 特性 ,以 完成 细胞 内 的 催化 或 结构 功能 。 和 蛋白 质 的 构成 是 很 精确 的 ,一 个 氨基 酸 中 只 要 有 人 少数 几 个 原子 发 生 改 变 就 可 以 破坏 其 结构 * 造 成 巨大 的 影响 。 但 是 我 们 应 该 记 住 , 它 们 是 漫长 的 进化 历程 中 的 少数 幸存 者 * 大 多 数 有 比较 随机 的 构象 的 蛋白 质 , 不 太 有 用 ， 因而 已 被 自然 选择 所 淘汰 。 新 蛋白 质 常 因 老 蛋白 质 的 微小 变化 而 进化 细胞 具有 可 使 基因 在 进化 过 程 中 复制 和 修饰 的 遗传 机 制 ( 见 455 页 )。 因此 , 一 旦 进 化 出 具有 独特 的 三 维 构象 和 有 效 的 表面 特性 的 蛋白 质 序列 。 它 的 基本 结构 便 能 整合 人 许 多 其 他 的 蛋白 质 。 在 现存 的 生物 体 中 ,功能 相近 的 不 同 蛋白 质 常 有 相似 的 氨基 酸 序列 。 人 们 相信 :这些 种 类 的 蛋白 质 是 从 一 个 祖先 基因 进化 而 来 的 :这 一 基因 在 进化 过 程 中 复制 产 生 其 它 的 基因 ,突变 逐渐 积累 在 这 些 基 因 中 ,从 而 产生 具有 新 功能 的 蛋白 质 。 众 所 辕 知 的 例子 是 一 族 蛋 白质 切割 (蛋白 水 解 ) 酶 , 称 为 丝氨酸 蛋白 酶 。 这 一 族 酶 包 括 消 化 酶 例如 靡 蛋白酶 . 胰 蛋 白 酶 和 弹性 蛋白 酶 ,以 及 许多 其 他 的 蛋白 酶 例如 控制 血液 北 SENG. 如 果 比 较 一 下 其 中 的 任意 两 个 酶 ， 就 可 发 现 它们 的 氨基 酸 序列 中 约 UP 的 位 置 被 同样 的 氨基 酸 占据 。 根据 和 射线 结 晶 学 检测 ,它们 的 三 维 构象 的 相似 性 其 全 更 明显 : ”在 这 些 几 百 个 氨基 酸 长 的 多 肽 链 中 ， 扭 曲 和 转折 的 细节 大 多 数 是 相同 的 (图 °119 6 1 | 一 图 3-30 蛋白质 区 的 组 合 。 毗 邻 的 分 开 的 蛋白 质 表 面 在 3-31 ”含有 两 个 分 开 的 折 驮 区 的 一 个 蛋白 进化 过 程 中 能 产生 称 为 配 体 的 小 分 子 的 新 结合 部 位 的 一 质 的 示意 图 。 如 图 所 示 ， 配 体 的 结合 部 位 党 般 原 理 的 示意 图 。 处 在 这 样 的 区 之 间 。 3- 磷酸 甘油 酸 =: Sk 结合 部 位 SEN AT PEA Bt H13-32 由 两 个 区 组 成 的 蛋白 质 的 结构 。 在 这 个 香肠 式 模 型 中 ，% 螺旋 区 用 粗 的 圆柱 体 表 示 ， 而 8 片 层 区 则 用 箭头 指示 。 图 示 的 酶 是 磷酸 甘油 酸 激酶 (416 个 氨基 酸 长 )， 圈 出 两 个 底 物 可 能 的 结 合 部 位 。 当 两 个 底 物 结合 时 ,两 个 区 相互 靠拢 。 这 样 的 移动 形成 活性 部 位 。 〈 引 自 R. D. Banks et al., Nature 279: 773—777, 1979, 由 H. C. Watson 改 绘 ) © 120 A - — ea ed 3-29), 但 是 , 各 种 丝氨酸 蛋白 酶 有 十 分 不 同 的 功能 。 氨基 酸 的 某 些 变化 使 这 些 酶 有 不 同 的 表现 这 些 变 化 很 可 能 是 在 进化 过 程 中 选择 出 来 的 ， 因 为 它们 导致 底 物 专 一 性 和 调节 特 性 的 变化 ,使 这 些 酶 今天 有 不 同 的 功能 特性 。 另 一 些 氨基 酸 的 变化 可 能 是 “中 性 ”的 ,它们 之 所 以 能 保存 下 来 ,只 因为 wit 它们 并 没有 改变 酶 的 基本 结构 和 功能 。 因 为 突变 是 随机 的 "" 过 程 ,所 以 必然 也 存在 有 害 的 变化 ,它们 改变 了 这 些 酶 的 三 维 结构 ,足以 使 它们 的 功能 失效 具有 这 些 变化 的 蛋白 质 已 经 消失 ， 因 为 制造 它们 的 个 体 想必 因 处 于 劣势 而 被 自然 选 | 择 淘汰 。 因此 ,细胞 含有 整套 的 结构 上 相关 的 多 肽 链 : 它 们 一 方 面 有 共同 的 祖先 ,一 方面 又 有 不 同 的 功能 ,这 一 点 是 完全 不 wa 足 为 奇 的 。 图 3-33 ”从 一 种 类 型 的 蛋白 Hit Ae 3 b 质 亚 基 形 成 二 聚 体 的 示意 新 蛋白 质 常 通过 不 同 多 肽 区 的 组 合 而 进化 和 一 且 细 胞 内 已 构成 若干 稳定 的 蛋白 质 表 面 ， 则 通过 它 i heel eo MZ ARTE VEE TULA BEARER, ROUPERRAAH 性 的 新 表面 。 在 图 3-30 所 举 的 示意 的 例子 中 ,一 个 蛋白 质 的 不 同 部 位 与 三 个 其 他 蛋白 质 结合 ,可 以 产生 三 个 不 同 的 结合 位 点 。 在 细胞 中 , 球 蛋白 的 这 种 通过 复合 而 形成 较 大 的 、 有 功能 的 蛋白 聚合 体 是 常见 的 ;虽然 典型 的 多 肽 链 分 子 量 为 40 000 至 50 000 (4 300 至 400 个 氨基 酸 ), 并 且 几 乎 没有 比 这 一 大 小 大 两 倍 以 上 的 多 肽 链 ， 但 许多 蛋白 质 聚 合体 分 子 量 却 有 一 百 多 万 。 另 一 个 从 现存 链 制 造 新 蛋白 质 的 有 关 而 又 不 同 的 方法 是 把 相应 的 DNA 序列 连接 起 来 , 从 而 导致 形成 一 条 较 大 的 多 肽 链 。 新 蛋白 质 的 多 肽 链 的 不 同 部 分 可 独立 地 折 倒 成 | 不 同 的 球 蛋白 区 。 根 据 这 一 事实 可 识别 出 用 上 述 方法 产生 的 蛋白 质 。 很 多 蛋白 质 都 具有 这 样 的 < 多 区 ?结构 ,同时 从 以 上 讨论 过 的 进化 方面 来 考虑 ， 可 以 预见 ,与 另 一 分 子 的 重要 的 结合 部 位 常常 处 在 不 同 区 的 并 列 的 地 方 (图 3-31)。 图 3-32 显示 了 一 个 特定 的 多 区 蛋 白质 的 结构 。 细胞 通过 连接 原 存 的 氨基 酸 序列 而 把 氨基 酸 序列 聚集 在 一 起 的 进化 策略 (图 3-30 和 3-31) ,显然 要 比 通过 随机 的 DNA 突变 而 从 头 衍生 新 的 蛋白 质 序列 的 方案 有 效 得 多 。 随 机 突变 产生 的 大 多 数 多 肽 肯定 缺乏 独特 的 构象 ,所 以 几乎 没有 什么 用 处 。- 相反 ,已 建立 的 蛋白 质 区 或 片段 连接 在 一 起 至 少 可 产生 一 个 独特 的 表面 的 新 组 合 。 事实 上 , 真 核 细 胞 的 基因 组 构成 的 方法 似乎 有 利于 DNA 序列 通过 偶然 的 重 排 而 产生 新 的 基因 ，, 新 的 基因 编 码 蛋 白质 区 的 新 的 组 合 ( 见 第 八 章 )。 蛋白 质 亚 基 在 细胞 内 能 自我 装配 成 大 的 结构 在 细胞 内 ， 能 使 几 个 蛋白 质 区 联合 成 结合 部 位 的 原理 在 产生 大 得 多 的 结构 中 同样 也 起 作用 。 像 酶 复合 体 、 核 糖 体 、 蛋 白质 丝 、 病 毒 和 膜 那样 的 超 分 子 结构 不 是 由 一 个 巨大 的 共 价 连接 的 分 子 构成 ;相反 ,它们 由 预先 形成 的 大 分 子 亚 基 聚 合体 非 共 价 地 装配 而 成 。 = 全 忆 站 m 人 利用 小 亚 基建 造 大 结构 有 几 个 好 处 : (C1) 从 一 种 或 几 种 重复 小 亚 基建 造 大 结构 减少 所 需 的 遗传 信息 量 ; (2) 亚 基 通 过 能 量 颇 低 的 多 键 而 联合 ， 使 得 组 装 和 拆 外 都 容易 控制 ; (3) 亚 基 妆 配 使 结构 合成 的 差错 减 到 最 小 。 因 为 装配 过 程 中 有 校正 机 制 起 作用 ， 排除 了 是 形 的 亚 基 。 图 3-34 “两 个 佣 司 的 蛋白 质 单 体形 成 二 缚 体 的 空间 结构 模型 。 图 示 的 鼻 白 质 是 细胞 色素 co (Richard J. Feldmann 赠 ) F ©1226 单一 类 型 的 蛋白 质 亚 基 能 彼此 相互 作用 形成 几何 形状 规则 的 聚合 体 ” 如 果 重 白质 有 一 个 结合 部 位 与 它 自己 表面 的 一 个 区 域 互补 ， 它 便 自 发 地 装配 成 聚合 结构 。 在 最 简单 的 可 能 情况 下 。 结 合 部 位 可 自身 识别 ,形成 对 称 的 二 聚 体 。 许多 酶 和 其 他 和 蛋白质 形成 这 种 二 聚 体 ， 后 者 在 大 型 聚合 结构 的 形成 中 常 充当 亚 基 (图 3-33 和 3-34)。 如 果 蛋 白质 的 结合 部 位 与 不 包括 结合 部 位 的 自身 表面 区 域 互补 ， 则 将 形成 一 条 亚 基 链 。 由 于 两 个 结合 部 位 的 某 些 取向 ， 这 条 链 很 快 自身 相连 而 终止 形成 一 个 由 7.3、4 或 更 多 亚 基 组 成 的 闭 合 环 (图 3-35)。 较 普 遍 的 情况 是 ,产生 无 限 延伸 的 亚 基 多 聚 体 ， 而 且 如 果 每 一 亚 基 以 相同 的 方式 与 其 相 邻 的 亚 基 结 合 ， 则 多 聚 林 中 的 亚 基 将 排列 成 螺旋 (图 3-35)。 所 以 。 螺 旋 是 由 非常 简单 的 结 构 构 成 的 。 细胞 内 常见 的 螺旋 结构 的 例子 是 肌 动 蛋白 丝 , 它 有 两 条 相互 缠绕 的 螺旋 丝 ,由 一 种 称 为 肌 动 蛋白 的 球 蛋 白 亚 基 形 成 。 因 为 每 一 个 亚 基 除了 与 其 同一 链 上 的 相 邻 亚 基 作 用 外 ， 还 与 相对 链 上 的 亚 基 相 互 作 用 。 所 以 两 条 链 增加 了 装配 的 稳定 性 和 强度 。 机 械 强度 特别 重要 的 分 子 通常 由 丝 状 而 不 是 球状 亚 基 构 成 ， 因 为 丝 状 亚 基 构 成 的 分 子 使 ”图 3-35 一 种 蛋白 质 亚 基 以 图 示 的 方式 重复 地 自 蛋白 质 -和 蛋白质 接触 的 区 域 更 广 (图 3-36)。 i ells dace ha 蛋白 质 亚 基 也 可 能 装配 成 扁平 的 片 层 , 亚 基 在 其 中 排列 成 六 角 点 阵 。 特 化 的 膜 转运 蛋白 有 时 可 在 双 脂 层 内 以 这 种 方式 排列 , 例如 着 椎 动物 细胞 之 间 的 间 阶 连接 。 各 个 亚 基 的 几何 结构 稍 加 改变 ， 六 角 片 层 就 能 转变 成 管 (图 3-37); 这 种 圆柱 状 的 管子 与 某 些 长 形 sit sieap a noel 图 3-36 细胞 形成 的 两 种 简单 的 蛋白 质 螺旋 。 肌 动 蛋白 螺旋 包含 双 链 球 蛋白 亚 基 ， 每 一 亚 基 与 4 个 其 它 亚 基 接 触 。 胶 原 螺 旋 由 三 条 伸展 的 蛋白 链 组 成 它们 长 距离 地 相互 盘 绕 ;形成 很 强 的 杆 状 结 构 。(〈 请 注意 ， 这 两 个 图 解 中 的 比例 尺度 不 同 ) 。 123。 ~ 一 一 一 一 一 -ee 一 六 角 堆 积 的 片 层 图 3-37 ”六角 堆积 的 亚 基 可 形成 扁平 的 片 层 或 管 图 3-38 在 某 些 渍 毒 中 ， 大 量 相同 的 蛋白 质 亚 基 堆 积 在 一 起 ， 产 生 球 状 外 壳 ， 包 讲 着 核酸 分 子 即 RNA 或 DNA。 由 于 几何 原因 ,用 完全 对 称 的 方法 堆积 ,相同 的 亚 基 不 得 越过 60 [此 种 排列 显示 于 (A 轨 ?这 就 限制 了 蛋白 质 外 壳 所 能 携带 的 核酸 数量 。 然 而 ， 如 果 亚 基 的 位 置 不 完全 对 等 * 则 可 有 较 大 数目 的 亚 基 构 成 较 大 的 外 壳 。( B ) 图 所 示 的 外 壳 由 180 个 相同 的 亚 基 构成 每 一 亚 基 处 于 三 种 不 同 的 “ 准 对 等 ?堆积 排列 之 一 的 状态 。 在 该 图 中 可 见 , 一 个 亚 基 排列 成 五 聚 体 (以 虚线 表示 7) 而 其 余 两 个 黑色 和 浅 色 亚 基 改 排 成 六 聚 体 。 为 了 制造 这 样 的 外 壳 , 蛋 白质 亚 基 必 须 具 备 足 够 的 可 塑性 ， 以 适应 三 种 稍 不 同 的 堆积 排列 * 如 图 中 三 种 亚 基 所 示 。( 根 据 Arthur J. Olson 提供 的 照片 绘制 ) 病毒 蛋白 质 衣 壳 的 形成 相关 。 闭合 结构 诸如 环 、 管 或 球 的 形成 可 使 结构 更 加 稳定 ,因为 它 增加 了 在 蛋白 质 亚 基 之 间 形成 的 键 的 总 数 。 很 多 具有 中 空 的 球状 结构 的 简单 病毒 的 蛋白 质 外 壳 充 分 地 体现 这 一 原 理 。 这 些 衣 壳 常常 由 几 百 个 相同 的 蛋白 质 亚 基 构 成 , 它们 包 训 着 和 保护 着 内 部 的 病毒 核 酸 (图 3-38 和 3-39)。 这 种 外 壳 中 的 蛋白 质 必 定 具 有 适应 性 特别 强 的 结构 ,因为 它 必 须 作 - 多 种 不 同 的 接触 并 改变 其 排列 ,以 输出 核酸 和 启动 病毒 增殖 。 自我 装配 的 聚合 体 可 包括 不 同 的 蛋白 质 亚 基 和 核酸 ” 许多 大 型 的 细胞 结构 是 由 不 同 的 蛋白 质 混 合 物 构 成 的 。 在 某 些 例子 ,如 病毒 和 核糖 体 中 ，RNA 或 DNA 也 可 能 形成 结构 的 一 部 分 。 就 像 上 述 较 简单 的 结构 一 样 ， 装 配 很 多 复杂 到 合 体 的 信息 则 是 包含 在 大 分 子 亚 基本 身 结构 之 中 的 。 这 可 由 下 列 事实 予 以 证 。124 。 Se BN Ei AOA EF, BS RHE BY EIR A eH eR RE CH ty, j Teh ap epee ether sbtgs bf echt id 2am 一 长 杆 状 体 ， 蛋 白质 的 圆柱 体 围绕 其 中 螺旋 状 RNA 核 心 而 排列 (图 3-40 和 3-41)。 QR DESH RNA 和 和 蛋白 质 亚 基 在 深 流 内 混合 在 一 起 ， 它 们 便 可 以 重新 结 合 而 形成 具有 充分 活性 的 病毒 颗粒 。 这 种 装配 过 程 无 比 复杂 ， 涉 及 形成 蛋 白质 双环 ， 起 着 加 入 延伸 病毒 外 壳 的 中 间 产 物 的 作用 。 另 一 个 能 从 组 分 部 分 重新 装配 的 复杂 大 分 子 聚 合体 是 细菌 核糖 体 。 这 些 核糖 体 由 约 55 种 不 同 蛋白 质 分 子 和 3 种 不 同 的 rRNA 分 子 组 成 。 如 果 在 适当 条 件 下 泪 试管 内 将 58 个 独立 的 组 分 进行 温 育 ， 它 们 便 自 发 地 重新 形成 原来 的 结构 (图 3-42)。 最 重要 的 是 : 这 些 重新 构成 的 核糖 体能 够 进行 蛋白 3-39 Bei MSR Re, 23-40 烟草 花 叶 病毒 CTMV) 的 电镜 凤 片 。 该 病毒 由 一 ; 该 病毒 的 外 壳 是 根据 图 3-38(B) 的 准 对 长 RNA 分 子 和 一 个 圆柱 状 蛋白 RAR BARNS 等 堆积 方案 构成 的 。 它 由 一 个 单一 类 型 则 由 相同 的 蛋白 质 亚 基 紧密 螺旋 排列 而 成 ;RNA 包 讲 在 蛋 | 的 分 子 量 为 41000 的 蛋白 质 的 180 个 找 折 质 外 壳 之 中 。 只 要 在 试 答 内 混合 纯化 的 RNA 和 外 壳 蛋 、 贝 组 成 。(Robley Williams 赠 ) 白质 ,使 它们 自我 装配 ,就 能 制 得 外 形 正 常 的 全 侵 染 性 的 病 毒 颗粒 。(Robley Williams 赠 ) 质 的 合成 。 如 所 预测 , 核糖 体 的 重新 装配 遵循 特定 的 途径 : 某 些 蛋 白质 质 先 与 RNA 结合 ; 。125。 3-41 显示 自我 装配 的 两 个 阶段 的 烟草 花 叶 病毒 模型 。 外 者 蛋白 质 分 子 与 单 链 RNA 分 子 ( 深 色 ) 结合 ;形成 螺旋 复合 物 。 CRichard J. Feldmann 赠 ) e126 ° RAK -SAwWRE HEART IAG Wt SS. BEAM A Bo 目前 还 不 清楚 ， 某 些 比 较 复 杂 的 自我 装配 过 程 是 怎样 被 调节 的 。 例 如 。 细 胞 内 的 许 多 结构 似乎 有 精确 限定 的 长 度 ， 比 它们 的 组 分 大 分 子 长 好 几 倍 。 这 个 长 度 是 如 何 确定 的 还 是 个 恋 。 但 是 根据 游标 卡尺 原理 假设 的 一 个 机 制 可 显示 于 图 3-43。 图 中 两 个 杆 状 分 30S 亚 基 CPP ea F,Pg = WL + 62 Fangs 一 -一 一 fos & 16SRNA 21 个 蛋白 质 ww Q°X@ QF UP pS God Ouse ©§ a) SSN AD Bg oy 29 wr bears 50S 亚 基 5SRNA 34 个 蛋白 质 3-42 ”细菌 核糖 体 的 自我 装配 。 如 果 在 适当 条 件 下 温 育 55 种 不 同 蛋白 质 和 3 种 不 同 的 RNA 分 子 , 则 它们 可 以 重新 装配 成 有 功能 的 核糖 体 。 子 形成 参差 不 齐 的 复合 物 。 因 为 分 子 有 稍 不 相同 的 长 度 * 所 以 只 有 到 了 某 一 点 ;它们 的 末 端 才 对 齐 。 在 这 一 点 便 停 止 进一步 延伸 。 自我 装配 是 有 限制 的 ” | 人 们 不 禁 要 问 ， 通 过 非 共 价 键 结合 在 一 起 的 所 有 的 细胞 结构 是 否 都 能 自我 装配 ? 线 | 3-43 Hit bavi RE RRAERARRAKWKE. 图 中 箭头 分 子 和 杆 状 分 子 形 成 参差 不 齐 的 复合 物 ,复合 物 一 直 延 伸 到 它们 的 末端 完全 对 齐 为 止 。 在 上 例 中 ,正好 在 7 个 箭头 分 子 和 8 个 杆 状 分 子 相互 作用 之 后 到 达 这 一 点 ;在 下 一 例 中 ， 3 个 箭头 分 子 和 8 个 杆 状 分 子 相互 作用 后 到 达 这 一 点 。 | 粒 体 ` 纤 毛 ` 肌 原 纤 维 ， 甚 至 整个 细胞 是 否 都 能 从 它们 的 组 分 大 分 子 深入 自 发 地 形成 ? 答 案 是 否定 的 ,因为 对 大 而 复杂 的 结构 来 说 , 装配 的 部 分 信息 是 由 特殊 的 酶 ， 以 及 只 起 模具 或 模板 作用 而 在 最 终 装 配 成 的 结构 中 并 不 出 现 的 其 他 细胞 蛋白 质 所 提供 的 。 甚 至 有 些小 结构 也 缺乏 一 些 它们 自己 的 装配 所 需 的 配件 。 例 如 ,在 一 个 小 细菌 病毒 形成 过 程 中 , 由 一 种 蛋白 质 亚 基 组 成 的 头 结构 是 在 另 一 种 蛋白 质 组 成 的 临时 结构 上 装配 起 来 的 。 因 为 这 另 一 种 蛋 白 质 在 最 终 的 病毒 颗粒 中 并 不 出 现 , 所 以 头 结构 一 旦 拆 开 就 不 能 自发 地 重新 装配 。 其 他 已 知 的 例子 是 ， 蛋 白 酶 的 切割 在 装配 过 程 中 是 一 个 基本 的 和 不 可 逆 的 步骤 。 对 于 某 © 127° | RUHR | ea, ‘SH 二 硫 键 使 特定 的 折 竺 保持 稳定 : <== = 底 物 的 尿 R 除去 连接 肽 ， 留 下 完整 的 ss: 双 链 胰岛 过 = sg H-C~ c=olllll [H—NC 1 # diets 胰岛 素 8 S 还 原作 用 把 两 条 链 不 可 | 逆转 地 分 离开 来 SH SH SH SH + GT ae SH SH 3-44 因为 多 肽 激素 胰岛 素 合成 时 是 一 种 大 型 蛋 3-45 蛋白 质 与 其 配 体 之 间 的 气 白质 〈 胰 岛 素 原 )， 后 者 在 它 折 又 成 特定 的 形状 后 被 键 连接 。 根 据 酶 - 底 物 复合 物 的 射 蛋白 酶 所 肥 解 ， 所 以 这 种 激素 在 它 的 二 硫 键 还 原 后 线 晶体 学 分 析 的 测 定 ， 这 里 显示 的 就 不 能 自发 地 重新 形成 它 的 原来 的 构象 。 部 分 去 除 相互 作用 可 说 明 核 糖 核酸 酶 如 何 与 胰岛 素 原 的 多 肽 链 可 使 分 子 自动 地 重新 装配 所 需 的 其 RNA 底 物 的 一 部 分 结合 在 一 起 。 ( AGW AA RITE 些 细菌 病 毒 外 壳 , 甚至 对 于 某 些 简单 的 蛋白 质 聚 合体 ,包括 结构 蛋白 胶原 蛋白 和 激素 胰岛 素 的 装配 情况 确实 如 此 (图 3-44)。 从 这 些 相 对 简单 的 例子 可 见 , 像 线粒体 或 纤毛 那样 复 杂 的 结构 的 装配 ,似乎 很 可能 除了 涉及 降解 酶 催化 的 不 可 逆 的 加 工 步骤 外 ,还 涉及 其 他 细 WA DRT WN Sia +o 至 于 某 些 复 杂 的 细胞 器 ,贮存 在 结构 内 的 信息 本 身 可 能 需要 制造 新 的 拷贝 。 因 此 ,一 个 细胞 器 例如 线粒体 或 高 尔 基 复合 体 的 大 分 子 组 分 ， 在 细胞 成 长 时 通常 通过 与 细胞 器 膜 的 特定 识别 有 关 的 过 程 , 而 装配 成 相应 的 原 存 的 结构 〈 第 七 章 )。 如 果 一 个 细胞 分 解 成 它 的 组 分 大 分 子 , 则 有 可 能 不 可 复 得 地 丧失 基本 信息 ,因为 这 些 细胞 器 的 组 分 不 可 能 自行 重 新 装配 。 所 以 ， 在 这 种 意义 上 说 ， 认 为 制造 细胞 所 需要 的 全 部 信息 都 包含 在 它 的 DNA 中 , 那 是 不 正确 的 。 小 结 一 个 蛋白 质 分 子 的 三 维 构象 是 由 其 氨基 酸 序列 来 确定 的 。 多 肽 链 不 同 部 分 之 癌 的 非 ， 共 价 作用 使 特定 的 折 亚 结构 保持 稳定 。 带 欧 水 侧 链 的 氨基 酸 倾向 于 集聚 在 分 子 的 内 部 。 ° 128。 活性 丝氨酸 N—-H-Po—CH; / “Ly 图 3-46 酶 活性 部 位 上 异常 活泼 的 氨基 酸 。 图 示 的 例子 是 在 糜 蛋 白 酶 和 弹性 蛋白 酶 那样 的 酶 中 发 现 的 “ 继 电 系 统 ?。 这 两 个 酶 与 底 物 结合 时 可 使 它们 活性 部 位 上 的 丝氨酸 活化 〈 见 图 3-29)。 然 后 这 个 丝氨酸 与 酶 底 物 形成 暂时 的 共 价 键 ， 催 化 肽 键 水 解 ， 如 图 3-49 所 示 。 图 3-47 图 示 的 硫 胺 素 焦 磷 酸 CTPP) 那 样 的 辅酶 是 小 分 子 , 它 们 与 酶 的 表面 结合 ， 使 它 催化 特定 Riv. TPP 的 活性 集中 在 其 “酸性 ” 碳 原子 上 ， 后 者 易 与 底 物 分 子 的 碳 原子 交换 它 的 氢 原 子 。 TPP 分 子 的 其 它 区域 有 可 能 充当 “把 柄 ”使 酶 在 准确 的 位 置 把 握 住 辅酶 。 肽 主 链 之 间 局 部 的 氧 键 作 用 形成 5 螺旋 和 有 片 层 。 小 的 球 蛋 白 区 域 称 为 区 ， 它 们 是 构成 许多 蛋白 质 的 标准 组 件 ;它们 通过 一 段 段 得 的 多 肽 链 连 接 在 一 起 ,构成 球 蛋白 。 那 种 使 蛋白 质 折 得 相同 的 力 使 蛋白 质 聚 集成 聚 全 结构。 自己 表 面 有 结合 部 位 的 蛋白 质 能 装配 成 二 聚 体 或 较 大 的 低 聚 体 ` 闭 合 环 、 球 或 螺旋 多 聚 体 。 许 多 不 同 蛋白 质 的 混合 。 129。 i 3-48 计算 机 产生 的 4 个 不 同 的 酶 与 辅酶 或 底 物 结合 的 空间 结构 模型 。 在 每 一 种 情况 中 ， 结合 的 配 体 示 以 深 色 : 〈A) 结 合 血红 素 的 细胞 色素 “;〈B) 结 合 黄 素 单 核 苷 酸 的 黄 素 氧 还 蛋白 ;(C)7 结 合 二 核 背 酸 的 核糖 核酸 酶 ; 以 及 (D) 结 合 低 聚 糖 的 卵 清 溶菌 酶 。(Richard J. Feldmann 赠 ) 物 , 也 包括 结构 核酸 ,可 在 试管 内 自发 地 装配 成 大 的 复杂 结构 。 然 而 ,在 许多 装配 过 程 中 ， 可 出 现 不 可 逆 的 步骤 ,所 以 ,如 果 细 胞 内 的 结构 分 解 成 它们 的 组 分 ， 就 不 是 所 有 的 结构 都 能 自发 地 重新 装配 了 。 aa A Jt Wy De” 蛋白 质 分 子 的 化 学 特性 几乎 完全 取决 于 暴露 在 其 表面 的 残 基 ， 它 们 能 与 其 他 分 子 形 *。 130。 3-49 BAN SHRMURRN NWA. EAR 的 例子 中 SERRA SKEAHRES SAAN 活化 的 丝氨酸 残 基 形 成 共 价 键 ( 见 图 3-46)s 当 多 肽 链 的 非 结合 部 分 扩散 开 时 发 生 第 二 步 反 应 (未 显示 ) 在 此 反应 中 ,水 分 子 水 解 了 新 形成 的 共 价 键 , 从 而 释放 出 与 酶 表面 结合 的 多 肽 部 分 ,并 在 丝氨酸 的 195 号 部 位 恢 3-59 酶 反应 速率 (V) 随 底 物 浓度 而 变 。 浓 度 增加 时 反应 速率 也 增加 ?直至 达到 最 大 值 CVaaz)。 此 时 :所 有 的 酶 分 子 都 与 底 物 结合 ,反应 速率 被 酶 表面 催化 处 理 的 速率 所 限制 。 对 大 多 数 的 酶 来 说 * 反 应 速率 达到 最 大 值 一 半 时 的 底 物 浓度 (KM) 是 底 物 结合 牢 度 的 度 量 ， 大 Km 值 代表 弱 结 合 , 反 之 也 然 。 复 一 个 氨 原 子 。 成 不 同类 型 的 非 共 价 弱 键 。 蛋 白质 分 子 与 另 一 种 分 子 ( 称 为 配 体 ) 有 效 地 相互 作用 需 妥 在 它们 之 间 同 时 形成 一 些 弱 键 。 所 以 ， 唯 有 能 与 蛋白 质 紧 紧 地 结合 的 配 体 才 是 与 蛋 日 质 表 面 精确 匹配 的 配 体 。 蛋白 质 与 配 体 结合 的 区 域 称 为 结合 部 位 ,通常 取 空 穴 的 形式 ,由 氨基 酸 在 蛋 白 质 表 面 特定 排列 而 成 。 这 些 氨基 酸 往往 属于 多 肽 链 上 分 得 很 开 的 部 分 (图 3-45), 它 们 只 代表 全 部 氨基 酸 的 一 小 部 分 。 蛋 白质 分 子 的 其 余部 分 可 用 于 把 多 肽 链 维持 在 准确 的 位 置 ， 以 及 为 调节 提供 额外 的 结合 部 位 ; 蛋白 质 里 面 的 部 分 仅仅 在 给 分 子 表面 提供 适当 的 形状 和 强 度 方面 , 才 常 党 是 重要 的 。 蛋白 质 的 构象 确定 蛋白 质 的 化 学 性 质 蛋白 质 上 相 邻 表面 残 基 常 相互 作用 从 而 改变 选 定 的 毛 基 酸 侧 链 的 化 学 活性 。 这 些 相 互 作 用 分 成 几 种 类 型 。 第 一 种 类 型 是 ,多 肽 链 的 相 邻 部 分 有 可 能 相互 作用 ,从 而 限制 水 分 子 进 入 蛋白 质 表面 的 其 他 部 位 。 因 为 水 分 子 有 形成 氢 键 的 趋势 ， 所 以 它们 将 与 配 体 竞争 蛋白 质 表 面 的 选 定 的 侧 链 。 如 有 排除 水 分 子 , 则 大 大 增强 蛋白 质 与 其 配 体 之 间 氨 链 〈 以 及 离子 相互 作用 ) 的 *T3h - KGKo MALEK, MEA AMAR KBE ADF. 而 不 影响 瑟 体 本 身 进 入 的 机 制 简直 是 难以 想像 的 。 然 而 ,因为 水 分 子 有 很 强 的 形成 氢 键 的 趋势 ,所 以 它们 可 以 存在 于 大 的 氢 键 网 络 之 中 (组 合 图 1, 第 94 页 )， 而 且 个 别 分 子 要 想 脱离 这 一 网 络 进入 蛋白 质 表面 的 间隙 ,往往 是 能 力学 上 不 利 的 。 第 二 种 类 型 是 , 相 邻 的 极 性 氨基 酸 侧 链 的 集聚 改变 了 它们 的 化 学 活性 。 例 如 ,通过 蛋 白质 折叠 的 方式 能 迫使 一 些 带 负 电 的 侧 链 聚 集 在 一 起 ， 以 对 抗 它 们 相互 排斥 。 当 发 生 这 样 的 情况 时 ， 便 大 大 增强 每 一 侧 链 对 带 正 电 的 离子 的 亲 和 性 。 选 定 的 氨基 酸 侧 链 还 通过 氢 键 而 相互 作用 ， 从 而 使 通常 不 活 涛 的 侧 链 〈 如 图 3-46 所 示 的 丝氨酸 上 的 一 CH2OH) 变 得 很 活泼 ,以 致 它们 能 参与 形成 或 分 裂 选 定 的 共 价 键 的 反应 。 所 以 ,每 一 个 蛋白 质 分 子 表面 有 独特 的 化 学 活性 ,这 种 化 学 活性 不 仅 取决 于 暴露 出 来 的 氨基 酸 侧 链 , 而 且 取 决 于 它们 的 精确 的 相互 取向 。 为 此 ,即使 是 同一 种 蛋白 质 分 子 的 丙 个 稍 不 相同 的 构象 ,它们 的 化 学 性 质 也 可 能 大 相 径 庭 。 当 侧 链 活性 不 足以 完成 其 面临 的 任务 时 ,蛋白 质 常 求助 于 选 定 的 非 多 肽 分 子 , 而 结合 于 它们 的 表面 。 这 些 酶 体 在 酶 促 反 应 中 充当 辅酶 , 它们 与 蛋白 质 结合 得 很 牢 , 使 它们 实际 上 成 为 蛋白 质 本 身 的 一 部 分 。 例 如 ,在 血红 蛋白 和 细胞 色素 中 的 含 铁 的 血红 素 , 与 转移 醛 基 有 关 的 酶 中 的 硫 胺 素 焦 磷 酸 ， 以 及 与 转移 羧基 有 关 的 酶 中 的 生物 素 。 当 辅酶 与 蛋白 质 表面 结合 时 ， 各 种 辅酶 以 其 所 能 提供 的 独特 的 化 学 活性 而 被 选择 。 辅 酶 除了 其 活性 中 心 外 ,还 有 其 他 残 基 使 其 与 寄主 蛋白 结合 (图 3-47)。 辅酶 往往 是 很 复杂 的 有 机 分 子 ， 它 们 与 蛋白 质 结合 时 的 确切 的 化 学 性 质 没 有 完全 了 解 。 图 3-48(A) 和 (B) 显 示 两 个 酶 与 它们 辅酶 结合 的 空间 结构 模型 。 5 结合 底 物 是 酶 催化 的 第 一 步 * 蛋白 质 最 重要 的 功能 之 一 是 充当 酶 ， 催 化 特定 的 化 学 反应 。 这 样 情况 下 的 配 体 便 是 底 物 分 子 , 底 物 与 酶 结合 是 化 学 反应 必 不 可 少 的 前 奏 [ 图 3-48(C) 和 (D)]。 酶 使 化 学 反应 获得 极 高 的 速率 , 远 远 超过 任何 人 工 催化 剂 所 能 发 挥 的 作用 。 这 样 的 高 效率 归 因 于 几 个 因 素 。 首 先 , 酶 可 提高 催化 部 位 的 底 物 分 子 的 局 部 浓度 ,使 适当 的 原子 持 正 确 的 取向 ， 以 便 进行 下 一 步 反 应 。 但 是 ,最 重要 的 是 ,有 些 结合 能 直接 帮助 催化 : 底 物 分 子 形成 反应 的 最 终 产 物 之 前 ， 经 过 一 系列 几何 结构 和 电子 分 布 的 中 间 形 式 的 变化 。 当 分 子 与 酶 表面 结合 时 ,这 些 中 间 形 式 的 自由 能 ,尤其 最 不 稳定 的 跃迁 态 的 中 间 形 式 的 自由 能 大 大 地 降低 。 通 常 ， 酶 对 不 稳定 的 跃迁 态 底 物 的 亲 和 性 比 对 稳定 态 底 物 的 亲 和 性 强 得 多 。 酶 利用 从 这 种 结合 相互 作用 取得 的 能 量 ,帮助 它们 的 底 物 到 达 特 定 的 跃迁 态 , 从 而 大 大 加 速 一 个 特定 的 反应 。 有 些 酶 与 一 个 或 几 个 底 物 共 价 地 相互 作用 ,使 底 物 与 氨基 酸 (如 丝氨酸 \ 半 胱 氨 酸 、 组 氨 酸 或 种 氨 酸 ) 相 连 ,或 与 辅酶 分 子 〈 如 磷酸 吡 哆 酸 ) 相连 。 这 样 的 酶 反应 往往 分 阶段 进 行 : 一 个 底 物 先进 入 结合 部 位 ;成 为 共 价 结合 ,然后 再 与 酶 表面 的 另 一 个 底 物 反应 〈 图 3- 49)o 因为 酶 作用 方式 的 关系 ,在 一 定时 间 内 ,一 个 酶 能 处 理 的 底 物 的 数量 是 有 限 的 。 如 采 底 物 的 浓度 增加 , 则 形成 产物 的 速率 也 就 可 提高 到 最 大 值 (图 3-50)。 此 时 ， 酶 分 子 与 底 物 的 结合 饱和 ， 因 而 反应 的 速率 仅 取决 于 底 物 分 子 的 处 理 速率 。 这 一 速率 用 周转 率 来 表 * 132° 示 ; 许 多 酶 的 周转 率 数 为 每 秒 钟 约 1 000 个 底 物 分 子 。 常常 用 来 表征 酶 特性 的 另 一 个 动力 学 参数 是 Kw， 它 是 使 反应 速率 到 达 最 大 速 率 一 半 时 的 底 物 浓度 (图 3-50)。 低 Ku 值 意味 着 酶 在 低 浓 度 底 物 时 到 达 最 大 催化 速率 , 通 稼 表示 酶 与 其 底 物 结合 得 很 牢 。 酶 加 速 反应 速率 而 不 改变 乎 衔 不 管 酶 变 得 何等 的 复杂 ， 它 都 不 能 使 它 催化 的 化 学 反应 在 能 力学 上 有 所 得失 。 像 已 讨论 过 的 简单 的 结合 相互 作用 一 样 , 任 何 一 个 既定 的 化 学 反应 都 有 一 个 平衡 点 ,在 这 一 点 上 , 正 反 应 和 逆反 应 的 通 量 是 相等 的 ;所 以 最 终 不 出 现 进一步 的 变化 ( 见 图 3-5)。 如 采 酶 使 正 反 应 即 A+ BAB 的 速率 增 大 10 倍 , 它 必 然 也 使 逆反 应 即 ABA + B 的 速率 增 大 10 倍 。 正 向 与 逆向 反应 速率 之 比 仅 取决 于 A，B 和 AB NRE. KMD ARB 的 强 酶 结合 与 产物 分 子 AB 的 弱 酶 结合 的 任何 组 合 都 不 能 改变 这 一 基本 的 化 学 事实 。 不 管 反 应 是 否 受 酶 催化 ,平衡 点 始终 严格 保持 不 动 。 许多 酶 通过 与 AITP 水 解 偶合 使 反应 优先 向 一 个 方向 前 进 “ 活 细胞 代表 一 个 不 平衡 的 化 学 系统 : 在 代谢 途径 中 ， 每 一 个 酶 的 产物 通常 用 作为 另 一 个 酶 的 底 物 , 且 很 快 被 消耗 掉 。 更 重要 的 是 ,如 在 前 面 第 二 章 讨论 的 那样 ， 根 据 酶 催化 途径 ,许多 反应 可 通过 与 ATP 水 解 成 ADP 和 无 机 磷酸 基 偶 合 而 被 起 动 。 为 了 使 此 成 为 可 能 ,ATP 库 本 身 要 维持 在 远离 平衡 点 水 平 上 , ATP 与 其 水 解 产物 之 比 要 高 ( 见 第 九 章 )o 因此 ,这 个 ATP Re “Ba 的 作用 ， 使 能 量 和 原子 源源 不 绝地 疲 过 细胞 ， 沿 着 酶 确 定 的 途径 前 进 。 对 活 系 统 来 说 ,- 回 化 学 平衡 靠近 象征 着 衰老 和 死亡 。 多 酶 复合 物 有 助 于 提高 细胞 代谢 的 速率 酶 加 速 代 谢 反 应 的 效率 以 及 它们 在 细胞 内 的 组 构 都 是 维持 生命 的 关键 。 实 际 上 ， 细 胞 必须 与 不 可 和 避免 的 趋向 化 学 平衡 的 衰老 过 程 赛 跑 。 如 果 重 要 反应 的 向 前 速率 不 比 逆向 速率 大 ,细胞 会 立即 死亡 。 从 一 个 典型 的 哺乳 动物 细胞 每 一 二 分 钟 就 周转 掉 ( 即 完全 降解 和 置换 ) 其 整个 ATP 库 的 事实 ,可 以 了 解 到 细胞 代谢 的 速率 。 对 每 一 个 细胞 来 说 ， 这 种 周转 象征 着 每 秒 钟 大 约 利用 10 ATP 分 子 (对 人 体 来 说 ,每 分 钟 约 消耗 一 克 ATP), 细胞 反应 速率 之 所 以 那么 快 ， 那 是 因为 酶 催化 剂 的 效率 高 。 许 多 重要 的 酶 效率 已 很 高 ,以 致 进一步 提高 其 效率 均 属 徒劳 ,因为 在 它们 催化 的 反应 中 限制 速率 的 步骤 就 是 酶 与 其 底 物 碰撞 的 步骤 ;也 就 是 说 ,反应 速率 是 受 扩散 限制 的 。 如 果 反 应 受 扩 散 限 制 , 则 反应 速率 将 取决 于 酶 及 其 底 物 两 者 的 浓度 。 因 此 ,对 一 系列 很 快 发 生 的 反应 来 说 ， 每 一 种 代谢 中 间 物 以 及 有 关 的 酶 的 浓度 都 必须 很 高 。 如 果 细 胞 进 行 大 量 不 同 的 反应 , 则 所 能 达到 的 反应 物 的 浓度 就 受到 限制 。 事 实 上 ,大 多 数 代谢 物 出 现 的 浓度 为 微 摩尔 〈10-*mol/ 工 ) 数量 级 , 而 大 多 数 酶 浓度 比 一 微 摩 尔 低 得 多 。 所 以 ,怎么 可 能 维持 很 快 的 代谢 速率 呢 ? 答案 在 于 细胞 组 分 的 组 构 。 参 与 反应 顺序 的 各 种 酶 聚集 在 一 起 形成 大 的 多 酶 复合 体 ， 也 能 不 增加 误 物 浓度 而 提高 反应 速率 。 用 这 样 的 方法 , 酶 A 的 产物 可 直接 传 到 酶 B ,并 且 接二连三 直至 传 到 最 终 产 物 , 即 使 细胞 内 底 物 浓度 很 低 , 也 不 需 限制 扩 获 的 速率 。 这 种 酶 中 133 9 SE DSU ec AS Oe Yee ae IR sO I RC CB USM Wary 复合 物 是 很 普遍 的 ， 图 2-40 显示 丙酮 酸 脱 氢 酶 复合 体 的 结构 。 大 的 多 酶 复合 体 也 参与 RNA, DNA 和 有 蛋白质 合成 ,虽然 它们 的 结构 特性 尚未 充分 了 解 。 另 有 两 种 机 制 与 细胞 内 膜 有 关 , 已 进化 到 可 克服 细胞 内 的 动力 学 问题 。 细胞 内 膜 提高 受 扩散 限制 的 反应 的 速率 ” 真 核 细胞 的 广泛 的 细胞 内 膜 至 少 用 两 种 不 同 的 方法 提高 反应 的 速率 ， 否 则 反应 速率 将 受到 扩散 速率 的 限制 。 第 一 ， 膜 能 把 底 物 以 及 所 有 作用 于 底 物 的 酶 隔离 到 同一 个 膜 局 限 的 室内 ， 例 如 线粒体 内 或 细胞 核 内 。 假 定 各 种 这 样 的 室 占 典型 细胞 总 体积 的 10 多, 则 在 这 些 细胞 器 内 反应 物 的 浓度 可 以 是 无 室 间 隔 的 同样 细胞 内 浓度 的 10 倍 (图 3-51)o 当 各 种 类 型 的 细胞 器 室 的 总 体积 相对 于 细胞 总 体积 而 减少 时 ， 则 它 的 扩散 限制 反应 速率 的 加 速 便 可 相应 地 增加 。 第 二 ， 膜 可 能 将 反应 物 的 扩散 局 限于 膜 本 身 的 二 维 空间 ， 所 以 酶 与 其 底 物 的 相互 碰 撞 机 会 要 比 它 们 在 三 维 空间 内 的 扩散 多 得 多 。 虽 然 在 膜 内 分 子 扩散 的 速率 比 在 溶 该 内 慢 100 倍 , 但 是 ,如 果 典 型 真 核 细胞 内 的 两 种 反应 物 先 与 内 质 网 那样 的 内 膜 结 合 ， 那 么 它们 碰 在 一 起 的 速率 就 要 快 得 多 (图 3-52), RES 脂 分 子 合成 的 酶 和 底 物 而 论 ， 所 指出 的 膜 的 捕获 过 程 似乎 肯定 起 作用 ， 使 底 物 直 接 深 解 在 双 脂 层 内 ; 而 且 它 可 能 还 可 以 加 速 多 种 也 利用 膜 结合 酶 的 其 他 反应 。 蛋白 质 分 子 能 可 逆 地 改变 它们 的 形状 ” 因为 细胞 生命 力学 通常 需要 稳定 的 分 子 结 构 ， 所 以 进化 压力 压制 多 肽 随机 地 从 一 种 构 型 变 图 3-51 。 漠 限 制 的 区 室 。 真 核 细胞 中 ， 由 于 相互 作用 分 子 限 成 另 一 种 构 型 的 能 力 。 然 而 ， 选 择 压力 并 不 是 完 制 在 一 个 亚 细 胞 区 室内 ， 使 作 ioe inte Pa see ey vata 全 消除 这 种 能 力 。 而 是 把 它 限制 在 高 度 特 异 的 方 式 , 致 使 许多 ( 若 不 是 大 多 数 ) 蛋白 质 分 子 有 可 能 在 几 种 不 同 而 相关 的 稳定 构 型 之 间 发 生 可 逆 的 转变 。 具 有 这 种 特性 的 蛋白 质 称 为 变 构 蛋 白 。 例 如 ,这 种 蛋白 质 能 在 其 内 部 形成 几 组 可 供 选 择 的 能 量 大 致 相等 的 氢 键 ,每 组 不 同 的 氢 键 需要 改变 不 同 折 和 做 的 多 肽 链 之 间 的 空间 关系 。 只 有 某 些 独特 的 分 子 构 型 能 力学 上 是 有 利 的 ， 任 何 中 间 构 象 都 是 不 稳定 的 。 图 3-53 示 意 地 说 明 形 成 不 同 构 型 的 原因 ; 介 于 A 构 型 与 B 构 型 之 间 的 中 间 构 象 是 不 稳定 的 ， 因 为 它 不 能 形成 两 组 有 利 氢 键 的 任何 一 组 。 每 一 个 独特 构象 的 变 构 蛋白 都 有 稍 不 相同 的 表面 ， 因 而 与 其 他 分 子 相互 作用 的 能 力 也 就 不 同 。 两 个 构象 中 往往 只 有 一 个 构象 对 特定 的 配 体 有 强 亲和力 ;在 这 种 情 次 下 , 配 体 的 存在 与 否决 定 着 蛋白 质 所 取 的 构象 〈 图 3-54)。 当 有 两 个 不 同 的 配 体 各 对 同一 蛋 折 质 的 不 同 表面 专 一 时 ， 一 种 分 子 的 浓度 便 常 可 改变 蛋白 质 对 另 一 种 分 子 的 亲和力 。 这 种 变 构 变化 对 于 许多 生物 过 程 调节 都 是 重要 的 。 变 构 蛋白 参与 代谢 调节 变 构 蛋白 是 控制 通过 代谢 途径 流量 的 反馈 调节 所 必 不 可 少 的 〈 第 82 页 )。 例 如， 在 代谢 途径 初始 时 起 作用 的 酶 几乎 总 是 变 构 蛋 白 ， 它 作为 两 种 不 同 的 构象 而 存在 。 一 种 是 。134 。 10pm (A) (B) 305) HP 2 分钟 图 3752 Kiwi. 当 膜 把 三 维 扩 散 转 变 为 二 维 扩散 时 加 快 了 反应 速率 。 图 示 一 系列 理论 计 算 的 结果 。(A ) 无 膜 扩 散 时 ,平均 一 个 分 子 在 10um 直径 的 球 内 找到 任何 一 个 " 彼 " 所 需 时 间 A 30 分 钟 。(B) 若 靶 固 定 在 膜 上 ,扩散 时 间 便 大 大 减少 。 此 时 ， 平 均一 个 分 子 击 中 一 个 大 膜 约 需 费 1 秒 钟 接 着 在 膜 内 找到 靶 的 平均 扩散 时 间 为 2 分 钟 。(C ) 现 在 内 膜 面积 减少 了 10 倍 , 平 均一 个 分 子 找 到 膜 需要 10 秒 钟 但 在 膜 内 通过 扩散 击 中 役 要 比 (B) 快 10 倍 。 因 此 ， 在 小 膜 内 碰撞 过 程 的 效率 最 高 ?与 (A) 中 情况 相 比 ;效率 提高 了 近 100 倍 。 构象 RA RE 构象 B 稳定 的 构象 B 图 3-53 变 构 蛋白 的 两 种 不 同 构象 。 构象 A 和 了 各 含 图 3-54 蛋白质 构 象 因 结合 配 体 而 稳定 。 一 种 配 体 两 个 气 键 y 所 以 ， 它 们 比 任何 中 间 构象 都 稳定 。 若 仅 与 一 变 构 蛋白 的 一 种 构象 牢固 地 结合 ,可 使 其 改 变 构 象 而 与 配 钵 取得 最 佳 的 结合 。 活性 构象 ;在 其 活性 部 位 与 底 物 结合 ， 并 在 代谢 途径 中 催化 底 物 变 成 下 一 个 反应 的 物质 。 另 一 种 是 无 活性 构象 ,在 蛋白 质 表面 的 不 同 的 地 方 (调节 部 位 ) 与 同一 途径 的 最 终 产物 紧 密 地 结合 。 当 最 终 产物 积累 时 ,该 酶 便 变 成 失 活 的 构象 ,原因 是 产物 与 调节 部 位 的 结合 可 使 这 种 构象 稳定 ( 见 图 3-54)。 在 其 他 情况 下 :, 酶 与 细胞 缺乏 途径 产物 时 所 积累 的 配 体 结 合 时 发 生 的 变 构 转换 可 激活 代谢 途径 中 的 酶 。 在 这 些 调节 方式 中 ， 细 胞 仅 当 需 要 产物 时 才 制 造 一 定 的 产物 ,并 自动 维持 所 有 代谢 物 的 相对 恒定 的 浓度 。 变 构 蛋白 对 于 细胞 发 送信 号 极为 重要 ” 我 们 曾经 提 到 , 当 反 馈 调 节 有 关 的 变 构 蛋白 至 少 有 两 个 结合 部 位 ,一 个 是 酶 底 物 的 结 合 部 位 ,一 个 或 几 个 是 调节 配 体 的 结合 部 位 。 这 些 部 位 占据 蛋白 质 表面 的 不 同 区 域 ,识别 完全 不 同 的 小 分 子 或 离子 。 但 是 ,我 们 刚刚 了 解 到 的 , 配 体 与 一 个 部 位 的 结合 可 通过 改变 e135 EC ra ace) eh 底 物 栈 人 一 一 一 一 一 一 一 一 -一 “一 1 个 底 物 分 子 3 个 以 上 底 物 分 子 的 慢 结合 的 快 结合 3-55 ”一 种 底 物 分 子 与 一 种 酶 的 协作 性 结合 。 在 变 构 亚 基 的 聚合 体 中 ,一 个 亚 基 的 构象 往往 影响 其 相 邻 亚 基 的 徇 象 。 因 此 ,一 个 底 物 分 子 与 一 个 酶 的 结合 可 能 影响 其 他 底 物 分 子 与 该 酶 结合 的 亲和力 。 蛋白 质 的 构象 而 影响 另 一 个 部 位 。 这 一 事实 引出 了 非常 有 力 的 总 的 细胞 组 构 原 理 , 因 为 这 意味 着 ， 细 胞 内 的 任何 一 种 酶 反应 或 代谢 过 程 都 可 被 任何 其 他 一 种 酶 反应 或 代谢 过 程 所 调 厂 ， 而 不 管 后 者 有 什么 样 的 化 学 性 质 。 例如 肌 细胞 内 糖 原 的 产生 和 分 解 可 通过 变 构 酶 而 与 Ca ” 的 浓度 联系 在 一 起 ， 因 为 当 Ca” 的 浓度 变化 时 ， 变 构 酶 可 改变 它们 的 活性 。 变 构 蛋 白 常常 表现 为 相同 亚 基 的 有 聚 合体 ， 这 时 它们 是 特别 有 效 的 信号 发 送 装置 。 因 此 ， 一 个 亚 基 的 构象 能 影响 相 邻 亚 基 的 构象 ,产生 类 似 放大 的 效果 。 例 如 ， 与 蛋白 质 亚 基 上 的 一 个 部 位 结合 的 反应 的 初始 速率 图 3-56 显示 图 3-55 的 变 构 酶 的 活性 随 底 物 浓 度 而 改变 。 底 物 分 子 的 “协作 ?结合 产生 特征 性 S 形 反 应 曲线 ， 与 非 变 构 酶 的 简单 的 饱和 动力 底 物 分 子 (或 其 它 配 体 ) 可 使 其 他 亚 基 的 构象 稳定 ， 使 其 他 底 物 分 子 更 易 与 酶 结 合 (图 3-55)。 当 底 物 浓度 提高 时 ,这 种 行 学 ( 弧 形 ) 形 成 对 照 ( 见 图 3-50)。 为 可 使 酶 活性 出 现 特征 性 的 S 形 提高 (图 3-56)。 变 构 蛋 白 的 这 种 作用 颇 像 一 个 开关 , 它 用 最 短 的 时 间 在 两 种 状态 之 间 转 换 ( 见 13-38), 蛋白 质 可 推拉 成 不 同 的 形状 > _ 细胞 内 所 有 定向 运动 取决 于 蛋白 质 产 生 的 力 。 但 是 怎样 才能 控制 蛋白 质 分 子 的 运动 Me? 在 回答 这 一 问题 之 前 ， 我 们 必须 先 讨 论 细胞 调节 变 构 蛋白 构象 的 一 些 方法 。 试 考虑 一 个 变 构 蛋白 , 它 能 取 两 种 不 同 的 构 型 , 即 低能 型 C (无 活性 ) 和 高 能 型 C* (有 活性 ); 能 量 相差 约 4.3 干 卡 "每 摩尔 (相当 于 蛋白 质 表面 形成 4 个 氢 键 的 能 量 )。 假使 能 差 是 这 些 ， 构象 C 将 在 能 量 上 有 利 1 000 倍 ( 见 表 3-3)， 因 而 蛋白 质 几乎 总 是 取 无 活性 的 构象 然而， 有 两 种 不 同 的 方式 迫使 蛋白 质 取 活 性 构象 。 在 某 种 意义 上 ,和 蛋白质 与 小 分 子 量 的 配 体 结合 ,能 被 拉 - 成 活性 C” 构象。 假使 这 一 配 体 只 与 C* 结合 , 则 这 一 构象 的 能 量 将 被 选择 性 地 减少 ,而 不 影响 C 的 能 量 (图 3-57)o 因为 配 体 相对 较 弱 地 与 蛋白 质 结合 ( 它 的 能 量 大 多 数 用 在 拉 长 蛋白 质 的 形状 ,以 便 接 纳 配 1) 1! 卡 王 4.1868 焦 耳 。 s 136。 tA a ‘ Pe = ‘ i ee ee oe . Pee kcal/mole | 2.8 cane nit 侠 副 ‘ati 上 图 3-57 ”这 张 示意 图 描绘 配 体 与 变 构 蛋白 的 活性 构象 结合 ,全 G 为 一 7 .1 千 卡 /摩尔 (相当 于 亲 和 常数 为 10: 升 /摩尔 )。 因 此 ， 配 体 的 结合 把 酶 从 其 正常 能 量 有 利 的 无 活性 构象 C“ 拉 ”至 其 活性 构 象 Cx。 在 此 例 中 ,在 无 配 体 时 无 活性 构象 与 活性 构象 之 比 为 1000:1， 而 在 存在 配 体 时 则 为 100:1 〈 见 表 3-37。 GEE 构象 变化 解除 bee oF at 图 3-53 ATP SEAM. EKA, RES PHRANEREWRN RRC 可 产生 不 利 的 电荷 排斥 ;而 变 成 活性 构象 C* , 则 可 解除 一 部 分 电荷 排斥 。 因 此 ， 磷 琶 化 作用 把 酶 “ 推 ? 成 活性 徇 象 。 然 而 ?请 注意 ,这 不 是 磷酸 化 作用 的 唯一 的 作用 方式 。 在 研究 得 最 详细 的 糖 原 磁 酸 酶 的 例子 中 ,磷酸 化 作用 反而 产生 电荷 吸引 ， 它 通过 使 蛋白 质 分 离 的 两 部 分 结合 在 一 起 而 引起 变 构 变化 。 体 ), 所 以 很 易 分 离 , 蛋 白质 的 这 种 构象 变化 是 完全 可 逆 的 。 另 一 种 方法 是 利用 化 学 能 的 输入 来 把 构象 C " 推 ” 成 活性 型 C*， 这 种 转化 就 更 不 可 逆 了 。 这 一 共同 的 机 制 涉及 磷酸 基 从 ATP 转移 至 蛋白 质 的 丝氨酸 、 苏 氨 酸 或 酷 氨 酸 残 基 ， 形成 共 价 键 。 假 定 这 样 产生 的 电荷 排斥 不 利于 构 型 Ce。 如 果 在 活性 C* 型 中 的 这 种 排 斥 降 低 , 则 有 可 能 发 生 从 C 至 C* 的 转变 (图 3-58)。 在 真 核 细胞 内 可 普遍 观察 到 控制 性 蛋 折 质 磷酸 化 可 以 活化 或 抑制 特定 蛋白 质 的 功能 ;事实 上 ,哺乳 动物 细胞 内 制造 的 所 有 不 ANS ARPA 1/10 含有 共 价 结合 的 磷酸 基 。 有 时 可 以 观察 到 ,在 体外 把 ADP 加 进 这 样 的 一 个 磷酸 化 蛋白 中 , 便 能 制造 ATP。 这 种 情况 的 发 生 ， 直 接 证 实 ATP 水 解释 放 的 大 量 能 量 已 经 在 初始 磷酸 化 期 间 被 贮存 在 应 ° 137° SS a Me ON Ce EWERRMRZH. HE, AWARE 质 构象 的 这 种 能 量 驱动 的 变化 是 怎样 产生 运动 从 而 做 有 用 功 的 呢 ? 蛋白 质 构 象 中 能 量 驱动 的 变化 可 以 做 有 用 功 假定 蛋白 质 需要 沿 着 细 丝 例如 微 管 或 DNA 分子 “走动 。 图 3-59 显示 异 构 蛋 昌 如 何 通过 取 不 同 的 构 型 而 可 能 做 到 这 一 氮 。 由 于 驱动 这 些 构象 有 规则 地 变化 不 要 花 什么 力 气 , 所 以 形状 的 变化 是 完全 可 逆 的 ,蛋白 质 随 机 地 沿 着 细 丝 或 纤维 来 回 徘徊 。 因为 定向 的 蛋白 质 运动 做 净 功 ,所 以 热力 学 定律 要 求 , 它 必须 消耗 来 自 某 些 其 他 来 源 的 自由 能 (否则 就 能 用 它 来 制造 永 动机 )。 所 以 ,不 管 我 们 怎样 使 图 3-5? 的 模型 变化 , 例 如 加 入 有 利于 某 些 构象 的 配 体 , 若 不 加 入 能 源 就 不 能 使 图 示 的 蛋白 质 分 子 跑 动 。 \ \\ 3-59 变 构 的 “走动 蛋白 质 的 示意 图 。 3-60 ”一 个 “走动 的 蛋白质。 在 这 个 蛋白 虽然 蛋白 质 的 三 种 不 同 构象 允许 它 在 与 纤 丝 质 中 ;结合 的 ATP 分 子 的 水 解 驱动 三 种 不 保持 结合 时 ，* 仍 可 随机 地 前 后 来 回 徘徊 ,但 它 同 的 构象 作 有 次 序 的 转变 。 其 中 的 一 个 转变 始终 不 能 朝 一 个 方向 移动 。 与 ATP 的 水 解 偶合 ,使 循环 基本 上 不 可 逆 。 结果 ， 和 蛋白质 始 终 沿 着 纤 丝 向 右 移动 。 * 138° 现在 所 需要 的 是 使 一 系列 蛋白 质 构 象 发 生 单 向 变化 的 方法 。 例 如 ， 只 要 使 其 中 任何 一 个 步 又 变 成 不 可 逆 的 ， 整 个 循环 就 只 能 朝 着 一 个 方向 前 进 。 做 到 这 三 点 的 二 个 方法 是 通过 刚才 讨论 过 的 机 制 , 即 通过 磷酸 化 - 脱 磷酸 循环 来 驱动 蛋白 质 分 子 的 变 构 变化 . 然而 ， 不 涉及 蛋白 质 磷 酸化 的 ATP 水 解 也 可 能 驱动 蛋白 质 的 异 构 变化 。 例 如 ;图 3-60 所 示 的 修 改 的 周期 性 走动 图 解 中 ，ATP 结合 把 蛋白 质 从 构象 1“ 拉 ?成 构象 2; 然后 ,结合 的 _ATP 2 e oe eee N ex: ooh eis oe | aoe 图 3-61 ， Nat 梯度 驱动 葡萄 糖 泵 原理 的 示意 图 。 REMMRARAR 1 态 时 ,葡萄 糖 更 有 可 能 与 泵 结合 ;因而 Na 和 和 葡萄糖 CGIC ) 进 入 细胞 (通过 乓 ~ 乒 转变 ) 比 它们 离开 细胞 (通过 乒 -> 乓 转变 ) 经 常 得 多 。 结 果 ， 这 系统 把 葡萄 糖 和 Nat 都 带 进 了 细胞 。 ° 139° 水 解 ,产生 结合 的 ADP 和 Pi， 把 构象 2 推 成 构象 3; 最 后 ,结合 的 ADP 和 Pi 的 释放 ， 驱动 蛋白 质 再 返回 至 构象 1。 因为 1 一 2 一 3 一 1 的 转变 是 由 ATP 水 解 的 能 量 驱动 的 ,所 以 这 一 系列 转变 在 生理 条 件 下 是 完全 不 可 逆 的 (也 就 是 说 ，ADP ,与 P; 通过 1->3 ->2->1 的 途径 而 重新 组 合 成 ATP 的 可 能 性 是 极 低 的 )。 这 意味 着 ,整个 循环 只 朝 着 一 个 方向 前 进 , 因 而 在 这 一 示意 的 例子 中 ,蛋白 质 分 子 连续 不 断 地 向 右 移 动 。 以 这 种 方式 产生 定向 运动 的 蛋白 质 例子 包括 重要 的 肌 村 白 , 即 肌 球 蛋白 和 DNA 螺旋 酶 (在 DNA 复制 中 起 着 重要 作用 的 蛋白 质 )。 大 量 不 同 的 蛋白 质 机 器 运用 相似 的 机 制 产生 连贯 的 运动 。 所 有 这 些 蛋 白质 在 它们 水 解 ATP 期 间 都 有 能 力 经 受 周 期 性 的 形态 变化 ;有 些 蛋 白质 在 此 过 程 中 暂时 磷酸 化 ,而 有 些 蛋白 质 则 不 然 。 ATP 驱动 的 与 膜 结合 的 变 构 蛋 白 可 充当 泵 ” 异 构 蛋白 除了 产生 机 械 力 外 ,不 能 利用 ATP 水 解 的 能 量 做 其 它 形 式 的 功 ,如 把 特定 的 离子 抽 进 或 抽出 细胞 。 例如 ， 存 在 于 所 有 的 动物 细胞 的 质 膜 中 的 称 为 Na+ 一 K+ATP 酶 的 变 构 蛋白 在 由 ATP 协调 的 磷酸 化 驱动 的 构象 变化 的 每 一 周期 内 可 以 把 3Nat+ 抽 出 细 胞 和 把 2K+ 抽 进 细胞 。ATP 驱动 泵 消耗 大 多 数 细胞 的 全 部 能 量 需 求 的 30% WE, 这 一 事实 反映 了 ATP 驱动 泵 的 重要 性 。 大 量 抽 进 抽出 K+ 和 Nat 使 细胞 内 的 Nat+ 浓 度 比 细 胞 外 的 低 ，K+ 浓 度 比 细胞 外 的 高 ,从 而 使 质 膜 的 两 侧 产 生 了 两 种 相反 的 离子 梯度 。 如 我 们 现在 就 要 讨论 的 ， 贮 存在 这 些 和 其 他 离子 梯度 中 的 能 量 可 进一步 被 用 于 驱动 各 种 其 他 的 膜 结 合 变 构 蛋 白 的 构象 变化 ,使 它们 为 细胞 做 有 用 功 。 蛋白 质 分 子 可 利用 离子 梯度 做 有 用 功 ” 虽然 ATP 和 其 他 的 核 背 三 磷酸 是 极 重要 的 ,但 是 它们 不 是 唯一 容易 获得 的 作 有 用 功 的 能 源 。 另 一 种 重要 的 能 源 存 在 于 各 种 细胞 膜 两 侧 的 离子 梯度 之 中 ， 它 们 贮存 和 释放 能 量 的 方式 类 似 于 水 坝 两 侧 的 水 压 差 。 PH, Na*-K* ATP 酶 产生 的 质 膜 两 侧 的 大 的 Na* 梯度 ,可 用 于 驱动 其 他 质 膜 结合 蛋白 质 泵 ,把 葡萄 糖 或 氨基 酸 抽 进 细 胞 。 至 今 还 不 知道 这 种 离子 驱动 的 蛋白 质 泵 的 工作 细节 (它们 似乎 无 疑 是 复合 物 )。 但 是 图 3-61 这 幅 简 图 说 明 , 质 膜 结 合 蛋 白 构 象 的 变化 有 可 能 被 Na- PEE PT). HSA Me 葡萄 糖 抽 进 细胞 。 ATP 水 解 驱动 的 膜 结 合 的 变 构 泵 也 能 逆向 工作 ， 运 用 离子 梯度 中 的 能 量 来 合成 ATP。 事 实 上 ,我 们 将 在 第 九 章 中 了 解 到 , 正 是 通过 这 样 的 机 制 ， 在 线粒体 内 膜 两 侧 Ht (质子 ) 梯 度 中 得 到 的 能 量 可 被 用 于 合成 动物 界 所 利用 的 大 多 数 ATP, 小 结 蛋白 质 的 生物 功能 取决 于 其 表面 的 详细 的 化 学 特性 。 结 合 部 位 形成 为 表面 空 穴 * 有 精 确 位置 的 氮 基 酸 链 通 过 蛋白 质 折 秋 而 聚集 在 空 穴 内 s 酶 催化 所 结合 底 物 分 子 的 化 学 变化 ， 它们 常常 运用 小 而 紧密 结合 的 辅酶 分 子 扩展 它们 的 反应 范围 。 酶 反应 的 速率 名 被 扩散 所 限制 , 当 酶 和 底 物 都 局 限 在 同一 细胞 区 室内 时 ， 酶 反应 的 速率 便 提 高 了 。 当 配 体 与 变 构 蛋白 的 表面 结合 时 ， 变 构 蛋 白 便 可 逆 地 改变 它们 的 形状 。 一 个 配 体 产 。140 。 生 的 变化 可 影响 另 一 个 配 体 的 结合 ,从 而 提供 了 一 种 调节 各 种 细胞 过 程 的 机 制 。 这 种 蛋 白质 外 形 的 变化 常 可 通过 消耗 化 学 能 而 被 单方 向 地 驱动 例如 ,蛋白 质 可 通过 变 构 变化 与 ATP 水 解 的 偶合 而 做 有 用 功 一 一 诸如 产生 一 种 机 械 力 或 把 离子 抽 过 膜 。 【 王 顺 德 译 “” 汪 开 治 术 ] es141 * 这 几 张 逐 级 放大 的 扫 揪 电镜 照片 未 普通 针 尖 上 的 细菌 细胞 。 (Tony Brain 和 科学 杂志 有 照片 资料 库 赠 ) 对 细菌 大 小 的 感性 认 座 。 es 142。 SMe MTA i 细胞 水 而 复杂 ;以致 难 以 观察 它们 的 结构 ;难以 揭示 它们 的 分 子 组 成 , 并 且 更 难 发 现 细胞 内 各 种 成 分 如 何 发 挥 其 功能 。 已 经 发 展 了 大 量 各 种 各 样 的 技术 对 细胞 加 以 研究 ， 而 这 些 技术 的 有 效 性 和 局 跟 性 大 体 上 决定 了 我 们 对 细胞 所 持 有 的 现代 括 念 。 细 胞 生物 学 中 的 大 多 数 进展 一 一 包括 近年 来 最 令 人 振奋 的 进展 ， 都 是 由 于 新 方法 的 引进 才 获得 的 。 因 此 要 了 解 细胞 生物 学 ,就 必须 了 解 某 些 与 之 有 关 的 实验 技术 。 本 章 我 们 将 简要 地 论述 现代 细胞 生物 学 最 重要 的 研究 方法 ， 并 阐明 这 些 方法 的 原理 和 构成 这 些 原 理 的 基础 。 这 些 方法 有 很 多 将 在 后 面 的 几 章 里 提 到 ， 届 时 我 们 还 要 作 更 详 细 的 讨论 。 显微镜 检 术 : 一 个 典型 的 动物 细胞 的 直径 为 10 一 20_ wm。 或 者 说 比 肉 眼 可 见 的 最 小 微粒 还 要 小 4/5, 因此 ;直到 19 世纪 初叶 应 用 精良 的 光学 显微镜 才 发 现 动 植物 组 织 是 单个 细胞 的 集 合体 。1835 年 Schleiden 和 Schwann 据 以 提出 细胞 学 说 ”的 这 一 发 现 标 志 着 细胞 生 物 学 的 正式 诞生 。 动物 细胞 不 仅 很 小 ,而且 它们 还 是 无 色 和 透明 的 ; 因此 ， 只 有 在 19 世纪 末 叶 发 展 出 能 提供 充分 反差 而 使 细胞 可 见 的 各 种 染色 方法 ; 才 可 能 发 现 细胞 的 精细 结构 和 较 大 的 内 部 细胞 器 。 终 于 , 在 19 世纪 40 年 代 初 ,由 于 电子 显微镜 以 及 细胞 保存 和 染色 的 综合 技 术 的 发 展 细 胞 内 部 结构 的 高 度 复杂 性 才 被 揭示 出 来 。 4-1 比较 了 现代 光学 显微镜 和 电子 显微镜 的 分 辨 范围。 在 这 些 显微镜 下 ,细胞 的 外 形 及 其 内 含 物 ， 取 决 于 光 和 电子 的 特性 以 及 细胞 对 不 同 染色 和 制备 过 程 的 反应 性 。 这 些 问 题 妥 在 以 后 的 几 节 里 讨论 。 光学 显微镜 可 分 辨 间距 为 0.2nm 的 细节 ” 一 般 来 说 ， 一 定 波长 的 射线 不 能 用 来 探测 比 它 自己 波长 小 得 多 的 结构 细节 。 这 是 所 有 显微镜 的 主要 局 限 性 。 因 此 光学 显微镜 分 辩 的 最 大 极限 决定 于 光 的 波长 。 根 据 光 的 颜 色 不 同 波长 的 范围 大 约 是 从 0.4um 到 0.7um, 在 实际 应 用 中 , 大 小 为 500 nm(0.5um) 的 细菌 和 线粒体 就 是 在 光学 显微镜 下 能 清晰 看 到 的 最 小 物体 了 ， 比 这 更 小 物体 的 细节 由 于 光 衍 射 作 用 而 不 能 分 辨 。 要 了 解 其 原因 ,我们 就 必须 查 明 一 束 光 波 通过 显微镜 的 透 镜 时 发 生 了 什么 现象 。 光 衍 射 是 由 于 以 微小 差别 的 光路 通过 一 个 光学 系统 的 波 间 的 干涉 而 引起 的 。 如 果 两 列 波 恰好 同 相 ,波峰 对 波峰 , 波 谷 对 波 谷 ,它们 就 会 互相 增强 而 使 亮度 增加 。 祖 反 ,如 果 两 列 波 异 相 , 它 们 就 会 相互 干涉 ,以 致 相互 抵消 (图 4-2)o 光 与 物体 间 的 相互 作用 会 改变 光波 。143 。 Ses Ve Be ENIAC ee ’ Hon Ao cna Kee SEA DOF RF ny | | 1cn Imm 100“m 10um lum 100nm 10nm lnm O.inm(1Ay 电子 显微镜 41 画 在 对 数 标尺 上 的 细胞 和 它们 的 成 分 的 大 小 ， 同 时 标 出 光学 显微镜 和 电子 显微镜 的 应 用 范围 。 下 列 长 度 单位 通常 用 于 显微镜 检 术 : pn 微米 ) 一 10-sm nm( 毫 微米 ) 一 10-9m =A (2) 107! 间 相 的 关系 ,并 且 会 产生 这 种 干涉 作用 .例如 ,用 相同 波长 的 光照 射 的 一 条 直 边 的 影像 被 高 倍 地 放大 便 是 一 组 平行 线 , 而 一 个 圆 点 就 好 像 一 组 同心 圆 ( 图 4-3)o 同 样 道理 ,通过 显微镜 看 到 的 单个 点 就 像 一 个 模糊 的 圆 盘 。 这 禅 两 个 紧 靠 在 一 起 的 物体 小 点 的 图 像 就 会 相互 重合 ,合并 成 一 个 图 像 。 OA 透镜 的 改善 并 未 能 克服 光 的 波 相 所 千 Vv 成 的 局 限 性 。 因 此 ,就 可 见 光 而 言 , | 清楚 地 看 到 两 个 物体 的 极限 分 辨 能 力 ,也 就 是 所 谓 分 辩 极 限 ,为 0.2xmoe 这 是 19 世纪 末 叶 显微镜 制造 者 所 能 \ 达到 的 极限 ， 现 代 工厂 制造 的 显微镜 V 也 不 过 如 此 。 尽 管 有 可 能 按 需 要 将 图 亮 像 放 大 ,例如 ， 将 图 像 投 影 到 屏幕 上 ， 但 也 决 不 可 能 在 光学 显微镜 下 看 清 比 0.2 wm 更 细微 的 物体 。 二 列 波 同 相 SWiK | a 图 4-2 光波 间 的 干涉 。 当 二 列 光 波 同 相 登 加 时 所 形成 图 4-3 当 光 通过 放 在 光源 和 观察 者 之 间 wT 波 的 振幅 增 大 亮度 增加 。 二 列 异 相 的 光波 相互 抵消 :所 体 物 的 边缘 时 所 观察 到 的 被 高 度 放大 了 的 于 水 效应 产生 波 的 振幅 和 亮度 减 小 。 衍射 对 细胞 的 研究 并 非 总 是 起 阻碍 作用 的 :相反 ,以 后 我 们 将 会 看 到 由 衍射 引起 的 二 涉 是 怎样 被 用 来 在 显微镜 下 对 活 细胞 进行 研究 ， 怎 样 用 于 发 现 生物 结构 中 有 规律 的 周期 。144 。 MAPLE MI 包 埋 在 蜡 或 树脂 内 的 标本 i4 次 薄 切 片 带 | 切片 带 放 在 载 片 上 ， 染色 ， 用 盖 片 封装 < 同 相 波 未 经 gs 色 蜡 相 波 ae (B) F4-4 示意 图 表示 一 块 包 埋 的 组 织 图 4-5 fle (A) 的 着 色 部 分 使 得 透 过 它 的 特定 波长 光波 的 振 量 降 如 何 用 切片 机 切片 ,以 备 在 光学 显 微 低 。 因 此 可 以 直接 观察 到 细胞 的 有 色 图 像 。 BURA BACB) 镜 下 观 Ro 的 光 ， 振 幅 不 发 生 显著 的 改变 ， 因 此 很 多 细节 不 能 直接 地 被 看 到 。 但 是 发 生 在 光线 相 上 的 变化 在 相差 和 分 光 于 涉 差 显微镜 下 就 可 用 来 产生 出 一 个 反差 显著 的 像 。 性 特征 。 但 是 首先 我 们 要 讨论 增 大 细胞 能 见 度 的 化 学 染色 法 的 应 用 。 | | 】 细胞 的 不 同 成 分 可 被 选择 地 染色 …” 大 多 数 细胞 (重量 的 70 多 是 水 ) 中 只 有 很 少 的 内 含 物 是 不 透 光 的 。 因 此 大 多 数 未 经 处 理 的 细胞 在 普通 光学 显微镜 下 几乎 是 看 不 见 的 。 使 细胞 成 为 可 见 的 一 种 方法 是 用 选择 性 的 有 机 染料 把 细胞 染色 。 19 世纪 初叶 对 纺织 品 染料 的 需求 迎 来 了 有 机 化 学 的 兴盛 时 期 。 有些 染料 被 发 现 可 用 于 生物 组 织 的 染色 ， 并 出 乎 意料 地 还 经 常 表 现 出 对 细胞 的 一 些 特殊 部 位 一 一 核 或 膜 一 一 的 染色 具有 选择 性 ,使 得 细胞 的 内 部 结构 被 看 得 请 楚 得 多 了 。 今 天 已 有 丰富 多 样 的 有 机 染料 被 应 用 ,其 富有 色彩 的 名 称 诸如 孔 誉 绿 (Malachite green)、 苏 丹 黑 (Sudan black ) 和 考 马 斯 监 4(Coomassie blue), 其 中 每 一 种 染料 对 特殊 的 亚 细 胞 成 分 都 具有 某 些 特异 的 e145 - PS Tapa 亲和力 。 例 如 苏 木 精 (hematoxylin) 染 料 对 带 负 电 性 的 分 子 具 有 亲和力 , 因此 能 显示 出 细 胞 内 DNA 和 RNA 的 分 布 状况 。 但 是 有 许多 染料 的 特异 性 的 化 学 基础 还 未 搞 清 。 了 最近: 已 使 用 了 比 有 机 染料 更 特异 的 染色 剂 。 例 如 。 将 酶 与 底 物 分 子 接触 ,那么 就 会 图 4-6 ”用 四 种 不 同类 型 的 光学 显微镜 帮 到 的 在 组 织 培养 中 的 成 纤维 细胞 。(A) 像 是 光线 直接 透 过 细胞 即 明 视 野 显 微 镜 技术 得 到 的 。 其 他 的 几 个 像 是 由 书 中 所 讨论 的 几 种 技术 分 别 得 到 的 ，(B) 相差 显微镜 检 术 (C) Nomarski 分 光 -干涉 - 相 差 显微镜 检 术 >(D) 障 视野 显微镜 检 术 。 大 多 数 的 现代 化 显微镜 都 只 要 调换 光学 部 件 就 能 得 到 这 四 种 像 。 在 底 物 与 某 一 特殊 酶 反应 处 产生 一 个 定位 的 可 见 产 物 , 借 此 可 以 对 细胞 内 的 一 些 酶 定位 。 针对 一 些 特 殊 大 分 子 的 抗体 可 用 来 与 这 种 酶 共 价 偶 联 ,或 与 欧 光 染料 结合 ,然后 用 于 标 出 / 细胞 内 这 种 大 分 子 的 分 布 。 用 于 显微镜 观察 的 组 织 通常 经 过 固定 和 切片 大 多 数 的 生物 组 织 在 染色 前 必须 先 固 定 。 固 定 使 得 染料 可 以 透 和 细胞， 使 得 细胞 中 的 大 分 子 交 联 而 变 得 稳定 ， 并 固着 在 一 定 的 位 置 上 。 某 些 早期 的 固定 方法 是 将 材料 短期 。146。 浸入 酸 或 是 像 甲 醇 那样 的 有 栅 深 剂 中 5 棚 现 在 的 固定 方法 往往 是 将 细胞 放置 在 活性 的 醛 类 内 ， 特 别 是 甲醛 和 戊 二 醛 内 。 后 二 者 会 与 蛋白 质 的 自由 氨基 形成 共 价 键 因此 将 邻近 的 分 子 联 在 一 起 。: 固定 和 染色 并 不 是 显微镜 检 者 所 使 用 的 唯一 制 片 步骤 。 大 部 分 组 织 都 太 齐 了 ， 以 至 于 它们 的 细胞 不 能 被 高 分 辩 地 直接 观察 。 因 此 ,这 些 组 织 首先 要 切 成 薄片 (切片 )。 然 后 将 每 一 切片 放 在 载 玻 片 的 表面 。 切 片 是 由 一 种 操作 起 来 像 切 肉 机 那样 的 称 为 切片 机 的 机 器 切 出 来 的 。 适 用 于 光学 显微镜 观察 的 切片 的 标准 厚度 为 1 一 10 wm, 这 是 用 锋利 的 金属 刀 切 成 的 (图 4-4)o 组 织 一 般 太 软 ,不 能 直接 切 成 薄 切 片 ,因此 在 固定 之 后 往往 将 组 织 包 埋 在 液态 的 石 虹 或 塑性 树脂 内 ， 使 之 次 人 并 包围 住 整 块 组 织 。 包 埋 介 质 以 后 硬化 (通过 冷却 或 聚合 ) 成 一 个 固体 小 块 , 这 样 就 可 用 于 切片 机 切片 了 。 显然 存在 这 样 一 种 严重 的 危险 ; 即 作 任何 固定 的 处 理 都 可 能 使 细胞 的 结构 变形 。 采 用 另 一 种 制 片 方法 可 以 减少 这 种 危险 性 ， 就 是 不 需 固定 或 包 埋 的 快速 冷冻 法 。 冷 冻 的 组 织 可 以 直接 用 一 种 特殊 的 ,装置 在 冷 室 的 切片 机 ( 称 为 冰冻 切片 机 cryostat) 切 片 。 尽 管 以 这 种 方法 制 出 的 冷冻 切片 具有 保持 组 织 更 接近 原来 形状 的 优点 ,但 是 制作 起 来 困难 ;而 且 冰 晶体 的 存在 会 使 许多 形态 上 的 细节 结构 丢失 。 活 细胞 可 以 在 相差 或 分 光 - 干 涉 -相差 显微镜 下 观察 、 在 固定 或 染色 的 过 程 中 ， 使 细胞 的 一 些 成 分 丧失 或 变形 的 可 能 性 一 直 使 显微镜 检 者 感到 困扰 。 利 用 多 种 技术 观察 细胞 可 以 获得 可 靠 的 保证 : 假如 用 这 些 不 同 的 技术 都 得 到 同样 的 图 像 ;那么 这 个 图 像 多 半 是 代表 了 细胞 的 真正 结构 ,而 不 是 人 为 产物 。 确定 存在 于 活 细胞 内 的 一 个 结构 的 最 可 靠 的 方法 就 是 在 这 些 细胞 活着 时 用 显微镜 观 察 ， 而 不 作 预 先 的 男 定 或 染色 。 这 就 需要 设计 一 些 能 利用 细胞 的 衍射 特性 的 特殊 光学 系 绕 ? 当 光线 透 过 一 个 活 细胞 时 ， 光 波 的 相 发 生变 化 :光线 透 过 细胞 的 一 个 相对 较 厚 或 绞 臻 密 的 部 分 (例如 核 ) ,会 被 延 阻 ,结果 该 光线 相对 于 透 过 邻接 的 较 薄 的 细胞 质 区 域 的 光线 来 | 说 ;和 粗 位 发 生 了 改变 。 相 差 显 微 镜 和 分 光 干 涉 差 显微镜 都 是 利用 两 列 光 波 重合 时 所 产生 HTB. 使 用 这 种 显微镜 。 一 个 活 细胞 的 许多 细节 才能 清楚 地 观察 到 (图 4-5 和 图 4-6)。 利用 由 不 同 细胞 成 分 发 出 的 散射 光 是 观察 未 染色 细胞 细节 结构 的 一 个 较 简 单 的 方 法 。 在 暗 视 野 显 微 镜 下 ,照明 的 光线 是 从 旁边 进 和 的 ,因此 只 有 散射 光 能 进入 显微镜 的 透 So 这 样 细胞 就 成 子 衬 在 黑暗 背景 上 的 一 个 被 照明 的 物体 。 同 祥 的 安排 能 用 来 探测 标本 中 的 荧 光 5 关于 荧光 显 微 贷 技 及 的 应 用 ， 我 们 将 在 以 后 讨论 。 同 一 细胞 用 四 种 不 同 的 光 | 学 显微镜 得 到 的 像 如 图 4-6 所 示 。 这 开 种 显微镜 的 最 大 优点 之 一 就 是 它们 能 观察 细胞 的 活动 。 研 究 参与 诸如 有 丝 分 裂 和 细胞 选 移 过 程 中 的 运动 。 因 为 许多 细胞 运动 之 慢 使 得 在 实际 时 间 上 看 不 出 来 。 所 以 用 缩 时 电影 ( 显 微 电影 摄影 术 ) 或 电视 录像 就 很 有 帮助 。 这 样 ， 时 间 间 隔 很 短 的 连续 图 像 被 记录 下 来 了 , 当 影 片 或 电视 录像 带 以 正常 速度 放映 时 ,这 些 情 节 就 似乎 被 大 大 加 快 了 。 这 种 方法 可 以 确定 细胞 及 其 细胞 器 运动 的 精确 方式 和 速率 。 光学 显微镜 检 未 发 展 史 上 的 里 程 碑 列 于 表 4-1, \ =) Gat be ahs ol 3 A Ch ee eee A em 4-1 光学 显微镜 发 展 史上 的 一 些 重要 发 现 1611 1655 1674 1833 1835 1857 1876 1879 1881 1882 1886 1898 1924 1930 1941 1952 Kepler 提出 制作 复式 显微镜 的 一 个 方法 。 Hooke 用 复式 显微镜 描述 软木 切片 上 的 小 孔 , 并 将 它们 称 为 细胞”。 Leenwenhoek 报道 了 原生 动物 的 发 现 。9 年 以 后 他 首次 发 现 了 细菌 。 Brown 发 表 了 他 对 兰花 的 显微镜 观察 清楚 地 描述 了 细胞 核 。 Schleiden 和 Schwann 提出 了 细胞 学 说 ,指出 有 核 细 胞 是 动物 和 植物 结构 与 功能 的 单位 。 Kolliker 描述 了 肌肉 细胞 中 的 线粒体 。 Abbe 分 析 了 衍射 对 显微镜 成 像 的 作用 ， 并 提供 了 如 何 制作 显微镜 的 最 佳 设计 。 Flemming 十 分 清楚 地 描述 了 动物 细胞 中 染色 体 在 有 丝 分 裂 中 的 行为 。 Retzius 描述 了 许多 动物 组 织 ， 其 详细 程度 至 今 还 没有 任何 其 他 的 光学 显微镜 专家 能 超过 他 。 在 以 后 20 年 中 ，Retzias、Cajal 和 其 他 组 织 学 家 发 明了 染色 法 并 商定 了 显 微 解剖 学 的 基础 。 Koch 用 苯胺 染料 对 微生物 染色 ， 鉴 定 了 引起 肺结核 和 霍乱 的 细菌 。 在 以 后 的 20 年 里 ， 其 他 的 细菌 学 家 > 如 Klebs 和 巴 斯 德 (Pasteur) 利 用 显微镜 观察 经 染色 后 的 材料 ;鉴定 了 许多 其 他 疾病 的 病原 体 。 Zeiss 按 艾 伯 的 设计 制作 了 一 系列 的 透镜 。 使 得 显微镜 学 家 能 在 可 见 光 的 理论 极限 上 分 辩 细 胞 的 结构 。 BRE (Golgi) 用 硝酸 银 染 色 细 胞 ， 首 次 发 现 和 描述 了 高 尔 基 器 。 Lacassagne 和 他 的 同事 们 首次 发 明了 生物 标本 中 的 放射 性 外 定位 的 放射 自 显影 六 法 。 Lebedeff 设计 和 制造 了 第 一 台 干 涉 显微镜 。1932 年 Zernike 发 明了 相差 显微镜 。 这 两 项 发 展 使 得 未 染 色 的 活 细胞 首次 被 详细 观察 。 Coons 用 抗体 结合 荧光 染料 检测 细胞 抗 原 。 Nomarski 设计 了 光学 显微镜 的 分 光 干 水 相差 系统 ,并 取得 专利 ;该 系统 现 仍 以 他 的 名 字 命 名 。 电子 显微镜 分 辨 细胞 的 精细 结构 ” 用 电子 代替 光 可 降低 由 可 见 光 造成 的 分 辩 极 限 ， 这 是 因为 电子 的 波长 要 短 得 多 。 电 子 运 动 得 越 快 ， 本 以 十 万 伏特 加 速 的 电子 显微镜 其 电子 波长 为 0.004 om, ”在 理论 上 这 样 的 电子 显微镜 的 分 辩 率 应 为 0.002 nm; 但 是 由 于 电子 透 镜 的 像 差 要 比 玻璃 透镜 的 像 差 大 得 多 ， 现代 电子 显微镜 的 实际 分 辩 能 力 最 好 的 也 不 过 是 0.1 nm(1A)( 图 4-7), 并 且 由 于 标本 制备 方面 的 问题 。 反 差 和 辐射 的 损坏 使 得 电子 显微镜 对 生物 标本 的 分 辩 率 被 限制 在 大 约 2 nm(20&A)。 不 过 这 已 经 比 光 学 显微镜 的 分 辩 率 高 出 100 倍 ice rf 透射 电子 显微镜 (TEM) 在 整体 设计 上 和 光学 显微镜 没什么 大 的 不 同 。 只 是 比 光 镜 更 大 些 , 而 且 是 倒置 的 (图 4-8)e 照明 源 是 一 根 电极 丝 , 或 者 说 阴极 装 在 2m 高 的 一 个 简 形 圆柱 体 的 顶端 ， 发 射 出 电子 。 如 果 要 形成 线性 的 电子 束 。 首 图 4-7 ae Gitte SURLY 充 点 显示 的 是 单个 多 原子。 邻 法 金 ” 先 要 将 简 内 的 空气 抽出 ,造成 真空 。 从 原子 间 的 距离 大 约 为 0.2nm(2A )。(Graham Hils: 赠 ) 由 极 丝 发 射 的 电子 由 邻近 的 阳极 加 速 ， 一 个 微 孔 形成 电子 束 穿 过 圆 简 。 磁 线圈 装 在 圆 简 的 间隙 使 电子 束 聚 焦 ， 就 像 在 光学 。148 。 显微镜 里 玻璃 透镜 将 光线 聚焦 一 样 。 标 本 通过 一 个 气 阅 〈air lock) 送 和 人 真空 ,然后 放置 在 聚焦 的 电子 束 下 。 按 照 物 质 局 部 的 密度 ， 有 些 电 子 穿 过 标本 时 被 散射 ， 其 余 的 电子 就 聚焦 在 照相 底片 上 或 磷 光 屏幕 上 成 像 , 其 方式 与 光学 显微镜 的 成 像 相 类 似 。 由 于 散射 的 电 子 从 像 中 失去 了 ,标本 的 致密 部 分 表现 为 电子 流 减 少 的 区 域 。 用 于 电子 显微镜 的 生物 标本 需 作 特 殊 制 备 ” 电子 显微镜 开始 用 于 研究 生物 材料 时 ,发 现 了 许多 以 往 未 曾 想像 到 的 细胞 结构 。 但 是 为 了 研究 生物 标本 ,电子 显微镜 专家 还 必须 发 展 新 的 包 埋 、 切 乒 和 组 织 染色 方法 。 标本 的 制备 发 生 过 各 种 问题 。 既 然 组 织 放置 于 高 度 真 空 里 ， 那 么 标本 在 制备 的 某 一 直接 看 到 的 像 在 菊 光 屏 上 的 像 光学 显微镜 透射 电镜 扫描 电镜 | 48 示意 图 表示 光学 显微镜 ,透射 电镜 和 扫描 电镜 的 主要 特征 强调 这 些 显微镜 在 整体 设计 上 的 相似 点 。 两 种 电镜 要 求 标本 放 在 真空 内 。 Oo yy tA 秘 盖 碳 膜 或 塑料 膜 的 铜 网 格 CH, i Q 0 sccrts WE TT cee CH D HH ii os r \@ TP iy PS Sm tah Naser OR DIRE ER 图 4-9 戊 二 醛 和 四 氧化 铁 是 电镜 标本 的 常用 固定 剂 。 成 二 醛 的 二 图 4-10 在 透射 电镜 中 ， 铜 网 用 来 托 住 个 活性 醛 基 能 与 各 种 不 同类 型 的 分 子 交 联 在 一 起 ,形成 共 价 键 , 并 置 薄 切 片 标 本 的 示意 图 。 换 出 黑体 表示 的 所 原子 。 四 氧化 钱 的 四 个 氧 可 被 许多 有 机 化 合 物 还 原 并 形成 交 联 复合 物 。 这 对 于 细胞 膜 特别 有 效 ， 因 为 它 可 与 存在 于 脂肪 酸 中 的 C 一 C 双 键 反应 。 。149。 a #150 > 4-11 BRR DH. RSD I, RAL, 内 质 网 、 高 尔 基 器 和 核糖 体 。 ， (Brian Gunning 赠 ) er 4-12 细胞 的 电镜 照片 表示 在 高 尔 基 器 内 一 个 特殊 酶 CBR AR ARABS) 的 定位 。 mma ES 底 物 温 育 , 酶 与 底 物 反 应 处 形成 一 电子 密集 的 沉淀 物 。 (Diniel Friend 赠 ) ， | 阶段 必须 加 以 干燥 。 为 了 避免 因 王 燥 而 引起 的 变形 , 温 的 组 织 一 般 用 双 功 能 的 交 联 剂 成 二 醛 ( 它 能 与 邻近 的 蛋白 质 分 子 共 价 偶 联 ) 和 钱 酸 ( 它 能 结合 和 稳定 脂 双 层 膜 及 组 织 蛋白 ) 的 混合 物 固定 (图 4-9). 因为 电子 的 穿 透 力 有 限 ,所 以 组 织 必须 制 成 50 至 100 nm 厚 的 切片 (大 约 一 个 细 胞 厚度 的 1/200)。 为 了 切 出 这 样 的 薄片 ,组 织 必 须 先 用 单 体 树脂 浸透 ， 再 聚合 成 塑胶 的 固体 块 ， 在 特制 的 切片 机 上 用 锐利 的 玻璃 或 钻石 刀 切 片 ， 然 后 放 在 一 个 圆 形 的 小 金属 网 格 上 (图 4-10), 电子 显微镜 中 的 反差 取决 于 标本 中 原子 的 序数 : 原子 序数 越 高 ,散射 的 电子 就 越 多 ， 反差 也 就 越 大 。 生 物 分 子 是 由 序数 很 低 的 原 子 组 成 的 (主要 是 碳 ` 氧 和 氨 )o 为 了 使 它们 看 得 见 ， 生 物 材 料 的 薄 切 片 就 要 放 人 重金 属 盐 内 染色 ， 例 如 放 人 铀 和 铅 的 盐 内 。 按 照 被 这 ema. NAVARA RAH 不 同 程度 的 反差 。 例 如 脂 质 倾向 于 染 得 黑 一 点 ,这样 就 显示 出 细胞 膜 所 在 的 部 位 (图 4- 11)o AMR. 特殊 的 大 分 子 可 以 在 细胞 的 蕊 片 内 作 特 殊 标 记 。 例 如 将 切片 在 底 物 内 培 养 , 酶 与 底 物 的 反应 会 造成 一 个 局 部 的 电子 密集 的 沉淀 物 的 沉积 这样 就 可 以 对 一 些 酶 定 SS e727 7D 图 4 和 13“ 示 意图 表明 单 张 的 蒲 切片 有 时 怎样 给 人 以 锚 . 误 的 印象 。 在 这 个 例子 中 ,大 多 数 通过 含有 一 个 分 又 线 1 粒 体 的 细胞 的 切片 将 表现 出 含有 两 个 或 三 个 分 离 的 线 粒 体 。 而 且 切片 4 至 7 可 以 解释 为 一 个 线粒体 正 处 于 分 裂 过 程 中 。 但 从 连续 的 切片 可 以 重建 真实 的 三 维 形状 。 图 4-14 从 内 耳 毛细 胞 表面 伸 出 的 呈 风 骏 管 样 排列 的 静 纤 毛 的 扫描 电镜 照片 (R. Jacobs 和 A. J. Hudspeth 赠 ) © 151° fir (A 4-12)。 也 可 将 抗体 结合 到 这 些 酶 上 ， 或 者 结合 到 电子 密集 的 分 子 上 【例如 含 铁 的 铁 蛋 白 ), 即 可 用 于 定位 抗体 所 识别 的 大 分 子 物 。 三 维 像 可 通过 电子 显微镜 检 术 获得 ' 薄 切 片 实际 上 是 组 织 的 二 维 切 斤 ， 不 能 表达 细胞 成 分 的 三 维 排列 。 尽 管 在 原则 上 可 以 从 成 百 上 千张 的 连续 切片 重组 成 立体 图 形 ， 但 这 是 一 个 乏味 而 宛 长 的 制作 过 程 (图 4- 13)o 幸好 ，。 还 有 更 直接 的 方法 可 得 到 标本 三 维 像 。 用 扫描 电镜 (SEM) 来 观察 标 本 就 是 方法 之 一 。 在 扫描 “电镜 中 ， 电 子 束 从 标本 的 表面 被 反射 ， 而 不 是 像 透射 电子 显微镜 那样 透 过 标本 。 观 察 来 自 灼 热电 子 极 丝 攀 的 标本 经 固定 。 干 燥 后 镜 上 一 薄 层 在 家 St pes 真空 里 蒸发 的 重金 属 一 “该 过 程 被 称 为 投影 (shadowing)。 在 SEM( 它 一 [EEE 般 比 透 射电 子 显微镜 小 ， 装 备 更 简单 一 些 ) 中 标本 被 聚焦 的 电子 束 扫描 : 自 上 方 喷 镀 起 增强 作用 的 碳 膜 当 电子 束 击 中 标本 时 会 从 金属 表面 ‘kas Wises ic 产生 二 次 级 电子 ,二 次 级 电子 被 检测 ， 并 在 电视 屏幕 上 转换 成 像 。 由 于 散射 LEE | KFS RRS TRS RAO 一 一. 对 角度 ,图 像 就 会 出 现 亮 扣 和 黑 影 ,这 指 贝 漂浮 在 强 浴 齐 的 表面 就 形成 了 标本 的 三 维 形状 (图 4-14)。 sb igh 洗 清 拷贝 并 放 在 铜 网 上 观察 BLS ne OE? oe 图 4-15 ”用 铂 投影 的 单个 肌 球 蛋白 分 子 的 电镜 照片 , 肌 球 蛋白 是 肌肉 收缩 装置 的 主要 成 分 。(Arthur Elliot 赠 ) AN 图 4-16 示意 图 表示 一 个 标本 表面 的 金属 投影 找 贝 是 皇 样 制备 的 。 注 意 ， 金 属 的 厚度 反映 了 原来 标本 的 表面 轮廓 。 大 多 数 型 号 的 SEM 能 达到 的 分 辩 率 不 是 很 高 的 (大 约 10nm， 有 效 放大 倍数 为 2 万 倍 ): 因此 该 技术 主要 用 于 观察 大 小 在 完整 的 单个 细胞 与 小 生物 之 间 的 材料 。 在 一 定 限 度 内 使 标本 在 电子 束 中 倾斜 并 从 两 个 不 同 角度 摄影 ， 从 常规 的 薄 切 片 能 取 得 三 维 像 。 当 最 后 得 到 的 一 对 显 微 摄 影 底片 通过 立体 镜 观察 时 ,标本 就 形成 了 三 维 图 像 。 以 这 种 方法 所 能 观察 到 的 标本 的 次 度 ,取决 于 电子 的 穿 透 力 , 也 就 是 电子 的 能 量 。 因 此 建 e152 。 造 了 高 压 电子 显微镜 ,以 一 百 万 伏特 :而 非 十 万 伏 使 电子 加 速 高 压 电 镜 可 观察 厚 达 1 微米 KD Fre 冰冻 断裂 和 冰冻 蚀刻 电子 显微镜 检 术 提供 了 新 的 细胞 图 像 ” 在 干燥 的 标本 上 蒸发 上 一 层 重 金属 (如 铂 ) 的 薄膜 ( 即 所 谓 投影 ), 不 仅 可 用 于 扫描 电镜 ， 而 且 也 可 用 于 透射 电镜 观察 某 些 标本 。 有 些 标本 非常 薄 或 非常 小 ,在 投影 之 后 ,电子 束 能 ， 直接 穿 透 过 去 ;单个 的 分 子 ,病毒 和 细胞 壁 就 是 例子 (图 4-15)。 但 是 其 他 的 标本 太 厚 了 ; 因 此 投影 之 后 ,一 定 要 把 有 机 物质 溶解 出 来 ,这样 就 只 剩 下 该 标本 表面 的 薄 金 属 拷贝 了 。 找 贝 再 用 碳 膜 增强 。 这 样 标本 就 可 以 放 在 网 格 上 在 电镜 下 观察 了 。 因 为 金属 从 一 个 角度 喷 镀 在 标本 上 ,有些 地 方 的 金属 膜 就 会 比 另 一 些 地 方 的 厚 一 些 ( 图 4-16)。 结 果 产 生 投影 效 应 ,得 到 了 一 个 三 维 的 像 。 另 二 种 拷贝 方法 是 特别 有 用 的 。 其 方法 之 一 是 冰冻 断裂 电子 显微镜 检 术 ， 它 是 唯一 能 看 到 细胞 膜 内 部 的 方法 。 细 胞 加 防冻 州 在 液 氮 (-196%C) 中 冷冻 ， 以 免 冰 昆 形成 引起 变 形 ,然后 冻 块 用 刀锋 切 开 。 断 裂 面 经 常 通 过 脂 双 层 膜 的 水 中 间 层 ,因此 将 细胞 膜 的 内 部 (A) 断 裂 法 seman (BRA mint fy ca RO OE | . 被 蚀刻 的 aanee Si 图 4-17 EB RK RECA DH, KUMAR. MARA SEE RMEROHA. 在 冰冻 蚀刻 法 (B) 中 ,标本 首先 如 (A) 剖 开 * 然 后 用 在 真空 中 使 水 升华 的 方法 降低 冰 面 ,这 样 就 暴露 出 了 细胞 的 一 部 分 外 表面 。 随 后 就 制备 冰冻 表面 的 找 贝 (如 图 4-16 所 描述 ) 置 于 透射 电镜 下 观察 。 "153。 暴露 出 来 (图 4-17), 形成 的 断裂 面 用 铂 投影 ,有 机 物质 溶解 掉 , 拷 贝 漂浮 出 来 , 放 在 电镜 下 观察 。 这 和 样 拷贝 上 发 现 有 小 颗粒 散布 着 ( 称 为 膜 间 粒 )。 据 推测 它们 主要 是 由 被 横 切 的 脂 双 层 戏 的 蛋白 质 大 分 子 组 成 的 (图 4-18)。 这 一 技术 首次 证 明 在 细胞 相互 接触 处 的 许多 - Jy 418 KR) LEMOS. MEE RE, BR U9 AIS SR LISA 尽管 在 所 有 的 质 膜 里 都 能 看 到 膜 内 颗粒 ， 但 很 少 像 些 细胞 里 这 样 密集 。(N. J. Severs fe) ere ey ne a ROLDAN RRA Te TO I HOGG 不 是 膜 的 内 表面 )。 在 这 个 技术 中 ,细胞 再 次 在 液 氮 温 度 中 冷冻 ,然后 冻 块 用 刀锋 切 开 , 随 后 在 真空 中 提高 温度 使 冰 升 华 。 这 样 细胞 周围 的 冰 面 下 降 (细胞 内 下 降 的 程度 要 小 一 些 ); 该 过 程 称 为 冷冻 于 燥 ( 图 4-17)。 细 胞 用 蚀刻 法 暴露 出 来 的 部 分 再 “如 常规 的 电镜 冰冻 断裂 法 那样 做 成 铀 拷贝 。 HEAR. UT EMR BERANE AKA R HAART RROD 率 。 现在 用 标本 极 迅 速 地 冷 冻 (冷冻 速率 大 于 20scy/mstc) 来 改进 该 方法 上 从 而 阻止 了 大 冰晶 的 形成 3 这 种 快速 冷冻 是 将 细胞 标本 一 下 子 投 在 用 一 269c) 的 液 所 冷冻 的 铜 块 上 达到 的 。 假 如 冷冻 的 细胞 以 后 再 加 以 彻底 的 冷冻 干燥 。 那 么 就 会 取 Bio Ra RRARL MMM, BT AAC RMANNEERAO RES ARDY Mi, CHARA ANS HS A 通过 细胞 质 进 行 深度 蚀刻 ,然后 制 成 金属 拷贝 Ay 它们 的 结 4 MR RTT ORNAL, AMOI, oe BEGAN RPT. UC (NO EAA SNS Henser fq) 楚 ( 图 4-19), 电镜 能 分 辨 单个 大 分 子 在 理想 条 件 下 ， 现代 电 镜 能 分 办 间距 在 1 一 2 A 的 结构 。 虽 则 在 实用 上 镜 检 生物 标 .154 。 在 冰冻 蚀刻 法 中 不 需要 用 防冻 剂 ， 因 为 防冻 得 特别 明显 的 效果 。 这 种 深度 蚀刻 法 揭示 了 细胞 DR 本 ad nim 4-20 肌 动 蛋白 丝 负 染色 法 的 电镜 照片 。 可 见 到 每 根 丝 的 直径 约 6 am， 近 看 ?可 见 每 一 条 肌 动 ， 蛋白 丝 是 由 两 条 螺旋 状 肌 动 球 蛋白 链 组 成 。 (Roger Craig 赠 ) 强度 产生 散射 。 某 一 方向 散射 光束 的 强度 取决 于 从 一 个 物体 的 某 一 部 位 产生 的 散射 和 另 一 部 位 产生 的 散射 发 生 于 水 的 方式 。 图 中 在 各 种 可 能 方向 的 散射 强度 用 从 物体 发 出 的 箭头 的 密 度 表 示 。 COMMU GUNN a ; | INI 人 NAN A INNA 0 TUTTE OS 入 射 辐射 光束 CUTTY 该 方向 放射 光束 相互 抵消 Te 9 fit TT ; NY Wii), MUNIN? Sey aD HH EN HH Hi th Ome 人 ~>| | 的 障 点 | | 图 4-21 由 直径 与 辐射 波 波长 相似 的 单个 物体 产生 的 散射 。 辐射 落 到 物体 上 以 不 同 的 方 向 和 不 同 的 | 422 晶体 辐射 的 散射 。 当 许多 相同 的 物体 以 晶 格 排列 时 ， 每 一 物体 产生 的 散射 均 与 另 一 物体 产生 的 散射 发 生 干 处 。 只 有 在 一 定 方向 (根据 物体 在 排列 中 的 空间 隔 ) 散 射 光束 相互 加 强 ， 在 排列 的 衍射 图 谱 上 产生 亮点 。 某 个 亮点 的 强度 取决 于 排列 中 每 一 个 物体 如 图 4-21 作 单独 观察 时 在 这 个 方向 散射 的 强度 。 5 153 2 本 很 少 能 达到 这 样 的 分 辩 率 ,不 过 , EMSS HWADT(DNA 或 大 的 蛋白 质 ) 时 ,就 非常 接近 这 一 分 辩 率 ,这 是 常规 的 很 有 价值 的 观察 法 。 为 了 造成 必要 的 反差 ,要 把 分 离 出 的 大 分 子 吸 附 到 一 个 碳 包 被 的 网 格 上 并 用 重金 属 ( 如 铂 、 包 或 金 ) 作 投影 ( 见 图 4-15)o 用 负 染 色 法 可 以 把 大 分 子 观察 得 更 详尽 。 这 种 方法 是 将 大 分 子 放 到 有 碳 膜 的 网 格 上 沥 干 ,再 用 高 浓度 的 重金 属 盐 ( 如 醋酸 铀 ) 溶 液 洗 涤 。 当 样品 干燥 后 ， 除 了 大 分 子 所 在 处 ， 整个 网 格 就 覆 上 了 一 层 很 薄 的 重金 属 膜 。 由 于 大 分 子 比 周围 重金 属 履 盖 处 更 易 让 电子 通 过 ,这 样 就 产生 了 一 个 反 的 ， 或 者 说 负 的 像 。 负 染色 法 特别 适用 于 观察 大 分 子 的 聚合 体 ， 如 病毒 、 核 糖 体 \ 均 一 的 纤维 或 重复 亚 基 的 平面 薄片 (图 4-20), 晶 状 排列 的 分 子 的 微细 结构 可 以 从 衍射 图 来 推测 即使 是 经 过 染色 加 工 的 单个 分 子 只 能 产生 一 个 微弱 的 模糊 不 清 的 像 。 想 通过 延长 观察 的 时 间或 者 增强 照明 光束 来 获得 更 佳 信息 的 努力 是 注定 要 失败 的 因为 这 会 使 被 观 察 的 物体 损坏 和 分 解 。 为 了 发 现 分 子 结构 的 细节 。 必 须 将 来 自 许多 分 子 的 信息 综合 起 来 以 消除 单个 像 的 随机 误差 。 这 对 于 以 规则 晶 状 排列 的 物质 是 可 能 的 ， 这 类 物质 中 大 量 的 分 子 是 同 向 的 ， 并 且 规 则 地 排 布 在 空间 位 置 上 。 为 获得 所 需 信息 的 标 准 技术 依赖 于 衍射 。 首先 考虑 将 单个 物体 〈 例 如 单 个 分 子 ) 放 人 任何 一 种 射线 之 中 ,其 波长 小 于 该 物体 的 大 小 。 物 体会 使 一 部 分 辐射 光 发 生 散射 。 经 散射 后 的 辐射 光 可 以 认为 由 一 组 重 登 的 波 组 成 ,每 列 波 都 是 由 物体 的 一 个 不 同 的 部 位 发 出 的 。 当 这 些 波 重 登 时 ， ，， 它 们 就 发 生 干涉 ， 产 生出 一 个 辐射 的 分 布 ， 即 为 衍射 图 谱 。 衍 射 图 谱 可 用 放 在 离 物体 一 定 距 离 的 屏幕 上 描记 下 来 ， 并 可 根据 物体 从 不 同方 向 发 生 的 衍射 量 来 记述 (图 4-21)o OE EE oe. 物质 的 结构 决定 了 衍射 图 谱 的 式 图 4-23 蛋白质 晶 体 的 部 分 和 射线 衍射 图 一 畦 殊 的 晶体 有 样 。 反 过 来 ， 在 理论 上 从 一 个 给 定 结构 。( 有 Robert strou 助 于 确定 蛋白 水 解 酶 ( 胰 蛋 白 酶 ) 的 原子 结构 。(Rob d 赠 ) 的 衍射 图 谱 的 完整 描述 就 能 推测 产 生 该 图 谱 的 物质 的 结构 。 实 际 上 , 单 分 子 的 衍射 图 谱 太 弱 太 不 稳定 而 不 能 用 于 此 种 目的 。 现在 假定 有 许多 相同 的 物体 按 晶 格 排列 ,并 且 又 用 辐射 光束 照明 (图 4-22). 每 一 物 体 产生 的 散射 均 与 另 一 物体 产生 的 散射 发 生 干涉 。 根 据 物 体 排列 的 间隔 ， 仅 在 某 些 方向 各 散射 光束 增强 ， 在 衍射 图 谱 上 产生 一 个 亮点 。 因 此 晶体 排列 的 完整 衍射 图 谱 将 由 许多 不 同 强度 的 分 离 的 亮点 组 成 (图 4-23)o 衍射 图 谱 中 各 个 亮点 的 相对 强度 取决 于 排列 中 各 物体 的 散射 特性 。 事 实 上 ， 某 个 亮 点 的 强度 与 从 一 个 代表 它 的 单独 物体 在 同一 方向 产生 散射 的 平均 强度 是 成 比例 的 。 因 此 ° 156° 在 衍 时 图 谱 中 光 点 的 位 置 取决 于 晶 格 排列 中 物体 的 安排 方式 ， 而 光 点 的 强度 则 给 册 了 一 个 表示 单个 物体 内 部 结构 的 信息 而且 这 信息 婚 精 确 又 丰富 ,因为 它 是 从 大 量 相同 的 信息 来 源 加 以 综合 而 成 的 实际 上 ,根据 晶体 排列 衍射 图 谱 的 完整 描记 常 可 推测 由 之 组 成 的 各 物体 的 结构 ,正如 我 们 将 看 到 的 那样 。 根据 衍射 重建 图 像 的 技术 能 从 电镜 照片 到 得 额外 的 信息 ' 原则 上 从 一 个 衍射 图 谱 为 重建 一 个 图 像 , 可 以 用 任何 一 种 辐射 光 进 行 , 只 要 它 的 波长 适合 于 对 该 物体 的 观察 图 4-24 表示 如 何 用 该 方法 从 一 张 晶 体 排列 分 子 的 显然 模糊 的 电 镜 照片 来 推出 分 子 结构 较 详细 的 信息 。 电 镜 照 片 (不 是 分 子 排列 本 身 ) 被 放 人 激光 束 的 通 路 上 ,从 光学 衍射 图 谱 可 以 重建 呈 晶 体 排列 的 代表 单个 分 子 的 像 。 除 此 之 外 :我 们 可 以 更 方便 地 不 用 光束 而 改 用 讶 算 机 对 来 自 电镜 照片 的 衍射 图 谱 作 计算 。 然 后 ， 由 计算 机 处 理 | iD) SSSI ager ater ree seen | x 25 0% < Ag as dale 4-24 衍射 用 于 对 二 维 空间 排列 的 分 于 的 电镜 照片 作 平 均 加 工 。(Ay 一 种 小 藻类 的 细胞 壁 内 高 度 有 序 排 列 的 糖 蛋白 分 子 的 原始 电镜 照片 。 暗 区 代表 染料 ， 亮 区 代表 糖 蛋白 分 子 。 这 个 像 经 计算 后 的 衍射 图 谱 如 (B) 所 示 * 由 衍射 图 谱 决定 的 这 个 像 的 一 个 小 区 的 重建 像 如 (C ) 所 示 。 分 子 形状 的 细节 在 重建 像 里 看 得 很 清楚 〈 该 像 中 现 以 暗 区 代表 糖 蛋 白 分 子 )， 但 在 原始 照片 里 难以 分 辨 出 来 。 (Graham Hills 和 Peter Shaw 赠 ) ° 1576 RE ie ee ea eee Ris er els 衍射 图 谱 重建 像 。 这 种 重建 像 的 技术 均 化 了 来 自 排列 中 所 有 分 子 的 信息 。 因 此 能 显示 原来 照片 中 在 各 个 分 子 像 中 被 随机 “ 噪 声 ”所 掩盖 而 不 清楚 的 细 节 。 这 种 方法 对 于 在 〈 二 维 平面 上 ) 形成 晶体 排 列 的 分 子 。 如 一 些 胰 蛋白 ,特别 有 价值 在 顺利 的 情况 下 。 根 据 电 镜 观察 重建 的 像 对 一 个 蛋白 质 分 子 形状 的 分 辩 率 可 以 达到 大 约 0.7 nm(7 有 A)。 但 这 仍 不 能 满足 对 分 子 结构 作 完整 描述 的 要 求 。 因 为 分 子 中 的 原子 相隔 的 距离 仅 0.1 或 0.2 amo 电子 显微镜 检 术 发 展 史上 的 一 些 里 程 碑 概述 于 表 4-2。 X 射 线 衍射 显示 分 子 中 原子 的 三 维 空间 排列 衍射 在 分 析 分 子 结构 上 最 重要 的 应 用 是 使 用 X 射 线 。X 射 线 衍射 甚至 比 最 熟练 的 电镜 技术 所 ‘BAS ”在 光学 显 向 锐 下 见 到 的 清原 贰 ”能 达到 的 分 辩 率 还 好 。 用 波长 约 为 01 am 的 酸化 酶 的 哩 体 。(Robert Fletterick 赠 ) 和 射线 从 一 个 晶体 产生 的 衍射 图 谱 可 以 推断 组 成 该 晶体 的 分 子 中 单个 原子 的 排列 。 和 射线 与 可 见 光 或 电子 束 不 一 样 ， 它 不 能 透 过 一 个 标 表 4-2 电镜 发 展 中 的 重大 事件 及 其 在 细胞 生物 学 上 的 应 用 1897 1924 1926 1931 1935 1939 1944 1945 1948 1952 1953 1956 1957 1957 1959 1963 1965 1968 1979 J. J. Thomson 宣布 存在 负电 荷 粒 子 , 后 来 称 为 电子 。 de Broglie 提出 运动 的 电子 具有 波 像 性 。 Busch 证 明 用 圆 简 状 的 磁 透 镜 可 以 使 电子 束 聚 焦 ， 黄 定 了 电子 光学 的 基础 。 Ruska 和 他 的 同事 创造 了 第 一 台 透 射电 镜 。 Knoll 证 明 扫 描 电 镜 的 可 行 性 ,三 年 后 Von Ardenne 建造 了 一 人 台 舱 形 的 装置 。 Siemans 最 早 推出 批量 生产 的 透射 电镜 。 Williams 和 Wyckoff 介绍 了 金属 投影 技术 。 Porter, Claude 和 Fullam 用 电镜 观察 了 在 组 织 培养 中 经 猴 酸 固定 和 染色 的 细胞 。 Pease 和 Baker 可 靠 地 制备 了 生物 材料 的 薄 切 片 (0.1--0.2hm 厚 )。 Palade, Porter 和 Sjostrand 发 展 了 固定 和 薄 切 片 技术 , 使 许多 细胞 内 的 结构 第 一 次 被 看 到 。H.E. HA 黎 (H. 忆 .Huxley) 是 第 一 个 应 用 这 些 技术 证 明 骨 骼 肌 含 有 重 琶 排 列 的 蛋白 质 丝 ， 支 持 了 肌肉 收缩 的 “滑动 丝 ” 假 说 。 Porter 和 Blum 发 明了 第 一 台 被 广泛 应 用 的 超 薄 切片 机 该 机 汇集 了 Claude 和 Sjostrand 所 介绍 的 许 多 特点 ， Glauert 和 他 的 助手 证 明 环 氧 树脂 Araldite 是 电镜 使 用 的 高 效 包 埋 剂 。 五 年 后 , Cuft 介绍 了 另外 一 种 包 HEMYHR Epon, Roberson 描述 了 细胞 膜 的 三 层 结构 ,这 是 首次 在 电镜 下 被 观察 到 。 最 早 由 Steere 发 展 起 来 的 冰冻 断裂 技术 经 Moore 和 Miihlethaler 加 以 完善 。 后 来 (1966)Branton 证 明 冰 冻 断 裂 法 可 用 来 观察 膜 的 内 部 结构 。 Brenner 和 Horne 发 展 了 四 年 前 由 Hall sae 使 之 成 为 观察 病毒 ,细菌 由 蛋白 质 丝 的 常规 技术 。 Sabatini Bensch 和 Barrnet fre T He ORL RHR Ho 剑桥 仪器 厂 生 产 了 第 一 台 商 品 扫描 电镜 。 de Rosier 和 Klug 描述 了 从 电镜 照片 重 现 三 维 结构 的 技术 。 Heuser,Reese 和 他 们 的 同事 在 高 速 冷 冻 基 础 上 发 展 了 高 分 辩 率 深度 蚀刻 技术 。 "158。 = - 本 后 聚焦 形成 通常 类 型 的 像 ， 但 是 它 的 衍射 图 谱 却 很 容易 被 记录 在 照相 底片 上 。 而 且 | 射线 比 电子 有 更 大 的 穿 透 力 。 这样 所 用 的 标本 就 可 以 厚 得 多 。 由 于 含水 的 生物 材料 可 以 用 和 射线 衍射 观察 :这 就 放免 了 因 电 镜 制 片 必需 的 制备 过 程 所 引起 的 变形 。 用 于 高 分 辩 率 的 研究 需要 大 的 、 高 度 有 序 的 晶体 。 穿 透 晶 体 的 射线 主要 被 标本 中 的 电子 散射 。 因 此 带电 子 多 的 大 原子 散射 的 和 射线 比 小 原子 的 多 ， 所 以 CN、O 和 了 RF RAR RARE). ANE LARA, PUM ea PHRF , 造 成 一 个 和 射线 散射 的 强 点 。 从 衍射 图 谱 倒转 过 来 制作 成 样品 分 子 中 原子 的 三 维 排列 是 一 件 很 复杂 的 事 。 像 蛋白 质 这 样 大 的 和 不 规则 分 子 所 产生 的 和 射线 的 衍射 图 谱 的 解释 直 到 1960 年 才 完 成 ( 表 4-3)。 甚 至 在 今天 ,这 也 仍 是 一 个 重大 的 任务 ， 它 涉及 到 好 几 个 月 的 数据 自动 收集 和 好 几 小 时 的 大 型 计算 机 处 理 。 而 通常 合适 的 蛋白 质 大 晶体 的 产生 是 一 个 更 慢 的 步骤 (图 4-25)。 为 了 获得 足够 的 衍射 信息 ,需要 有 几 套 晶体 其 中 有 些 要 用 重 金属 原子 插 人 到 特殊 的 点 上 来 修饰 。 蛋 白质 晶体 的 生成 是 一 项 经 验 性 的 技巧 ， 对 任何 一 种 分 子 取得 成 功 都 可 能 花费 好 几 年 的 功夫 。 表 4-3 X 射线 晶体 学 发 展 史上 的 里 程 碑 及 其 在 生物 分 子 上 的 应 用 1864 Hoppe-Seyler 结晶 和 命名 了 血红 蛋白 。 1895 Réntgen 观察 到 一 种 新 的 穿 透 辐射 ,他称 之 为 X 射 线 , 这 是 阴极 射线 (电子 ) 击 中 金属 彼 产 生 的 。 1912 Von Laue 用 和 射线 透 过 硫化 锌 晶体 得 到 了 第 一 张 XX 射 线 衍 射 图 谱 。 W. L. Bragg 和 W. H. Bragg 提 出 和 射线 衍射 图 谱 与 产生 该 图 谱 的 晶体 中 原子 排列 间 的 明确 关系 。 1926 Sumner 从 刀 豆 的 抽 提 物 中 得 到 脲酶 结晶 ,并 证 明 该 蛋白 质 结 晶 有 催化 活性 。 1931 = Pauling 发 表 了 他 的 第 一 篇 关于 “化 学 键 特性 ”的 论文 详细 说 明了 共 价 键 联 结 的 规律 。 ”1934 Bernal 和 Crowfoot 发 表 了 第 一 张 骨 和 蛋白酶 晶体 的 详尽 的 XX 射线 衍射 图 谱 。 1935 Patterson 发 明了 从 斑 射 线 的 数据 确定 原子 间 间 隔 的 分 析 方法 。 1941 = Astbury 取得 了 第 一 张 DNA WX HATHA. | 1951 “Pauiing 和 Corey 提出 L- 氮 基 酸 链 的 <- 螺 旋 构 像 和 8 折 琶 的 结构 ， 这 两 种 结构 以 后 在 很 多 种 蛋白 质 中 | | 被 发 现 。 1953 Watson 和 Crick 根据 Franklin 和 Wilkins 的 X 射 线 衍 射 图 谱 提 出 了 DNA 的 双 螺 旋 结 构 模 式 。 1954 Perutz 和 他 的 同事 发 展 出 用 重 原子 方法 去 解决 蛋白 晶体 图 描记 术 中 的 相位 问题 。 1960 Kendrew 首次 以 0.2 om 的 分 辩 率 描述 了 一 种 蛋白 质 (抹香鲸 的 肌 红 蛋白 ) 的 细微 结构 *Perutz 提出 了 更 大 的 血红 蛋白 的 低 分 辩 率 的 结构 。 1966 = Phillips 描述 了 溶菌 酶 的 结构 。 这 是 首次 对 酶 结构 作 详 细 分 析 。 1976 Kim,Rich 和 Klug 及 其 同事 们 利用 和 射线 衍射 ?描述 了 CRNA 三 维 结构 的 细节 。 1977 一 1978 Holmes 和 Klug 确定 了 烟草 花 叶 病毒 CTIMV) 的 结构 ，Harrison 和 Rossman 确定 了 两 个 小 的 球 型 病毒 的 结构 。 尽管 有 这 些 困难 ,X 射 线 衍 射 还 是 一 项 广泛 应 用 的 技术 ,因为 它 是 确定 大 多 数 分 子 中 原子 详细 排列 情况 的 唯一 方法 。 例如 , 一 个 有 良好 结晶 的 蛋白 质 的 结构 可 以 推算 到 分 辩 率 为 0.3nm 至 0.4nm， 显 示 出 多 肽 链 的 主要 层次 ,但 其 他 的 细节 就 很 少 知 道 。 用 优质 晶 体 , 再 加 上 辛勤 地 工作 ,可 以 获得 0.15nm 的 分 辩 率 ,显示 出 蛋白 质 中 几乎 所 有 的 非 氢 原 村 的 方位 。 小 结 多 种 显微镜 技术 均 适 用 于 研究 细胞 。 活 细胞 可 以 用 相差 、 干 涉 或 暗 视野 光学 显微镜 来 观察 ， 面 固定 后 的 死 细胞 可 以 用 各 种 染料 或 者 用 与 细胞 中 的 特殊 成 分 结合 的 更 专 一 的 © 159 SE ee ae A aie Se La MM et el ME 试剂 来 染色 。 透 射电 镜 可 以 更 高 的 分 辨 率 观察 细胞 ， 并 显示 出 细胞 器 、 膜 和 蛋白 丝 的 排 ， 列 。 电 子 密度 标记 试剂 可 以 用 来 对 细胞 内 或 细胞 表面 的 特殊 大 分 子 定位 。 应 用 电镜 冰冻 断裂 法 可 以 看 到 细胞 膜 的 内 部 ,而 扫描 电镜 能 显示 细胞 表面 的 立体 外 形 。 单个 大 分 子 的 形状 用 一 种 重金属 投影 法 或 者 用 负 染 法 多 画 出 来 后 可 以 在 透射 电镜 下 观察 到 。 但 是 一 个 分 子 的 每 个 原子 要 精确 定位 只 有 将 这 个 分 子 装配 成 大 晶体 才 行 。 在 这 -种 情况 下 ,和 射线 束 能 穿 透 一 个 电 体 ,构成 晶体 分 子 的 原子 的 三 维 排列 。 届 Be cect 射 图 谱 推断 。 细 胞 培 养 " 在 合适 的 条 件 下 多 种 动 植物 细胞 在 组 织 培养 中 中 能 存活 、 繁 殖 ， 甚 至 表现 有 分 化 特 柱 。 因此 可 以 确定 加 入 或 去 除 一 些 特殊 的 分 子 (如 激素 或 生长 因子 ) 对 细胞 行为 的 影响 ， 并 可 得 到 纯 的 细胞 群体 用 于 生化 分 析 或 研究 不 同类 型 细胞 闻 的 相互 作用 。 对 培养 细胞 的 实验 常 被 称 为 离 体 的 (in vitro， 实 际 上 是 在 玻璃 器 血 中 ) 的 实验 。 生物 化 学 家 使 用 该 术 、 语 有 不 同 的 含义 , 指 的 是 活 细胞 外 部 发 生 的 生化 反应 。 离 体 实验 极 有 利于 研究 在 客 养 亚 ， 严格 限制 的 条 件 下 的 细胞 的 复杂 行为 同时 其 观察 结果 必须 迟早 与 在 活体 的 自然 环境 中 的 细胞 行为 核实 。 细胞 能 在 培养 四 中 生长 ” 组 织 培养 始 于 1907 年 为 解决 神经 生物 学 中 一 个 争论 而 设计 的 实验 。 被 检验 的 假说 称 为 “神经 元 学 说 ,认为 每 根 神经 纤维 都 是 从 单个 神经 细胞 生长 册 来 的 ,而 不 是 许多 细胞 融合 的 产物 。 为 了 验证 这 个 论点 , 几 小 片 脊 索 被 放 到 温暖 潮湿 的 盒子 中 的 凝固 的 血浆 上 ， 并 定期 在 器 微 镜 下 观察。 一 天 或 数 天 后 ， 可 以 见 到 单个 神经 细胞 伸 出 长 而 细 的 突起 进 人 血浆 凝 块 。 由 此 确认 了 神经 元 学 说 ,并 且 黄 定 了 细胞 培养 革新 的 基础 。 1907 年 最 早 的 实验 包括 组 织 小 碎片 (或 称 外 植 体 ) 的 培养 。 现 在 更 普遍 的 是 培养 从 组 alas ay ADR KAMER. KHON > 细胞 培养 (图 4-26) 具 有 极 大 的 优点 , 能 使 实验 者 从 组 织 中 混合 存在 的 各 类 细胞 中 纯化 出 单一 类 型 的 细胞 ， 央 而 能 在 话 离 状 态 下 观察 它们 。 SAREE: <= aeeere GWERBFRHERK, BZEARKAD 上 才能 生长 和 分 裂 。 这 种 机 械 支 持 物 原 来 是 用 血浆 凝 块 ， 现 在 往往 被 塑料 的 组 织 培养 四 表面 所 取代 。 但 是 细胞 对 其 要 求 有 所 不 同 ,有 些 细胞 不 能 生长 和 分 化 ， 图 4-26 在 组 织 培养 中 生长 的 大 鼠 成 纤维 细胞 扫描 电镜 照 ”例如 胶原 。 Fr (Guntor Albrecht-Buehler Sq) 言 接 从 一 个 有 机 体 组 织 制 备 培养 称 * 160° 除非 培养 四 涂 上 一 层 细胞 外 基 I 分 ， 为 原 代 培养 。 在 大 多 数 情况 下 , 原 代 培 养 中 的 细胞 可 以 从 培养 四 中 取出 ,用 于 形成 大 量 的 继 代 培 养 ; 可 以 用 这 种 方法 几 个 星期 或 几 个 月 地 重复 传代 。 这 样 的 细胞 经 常 表 现 出 原 有 组 织 的 分 化 特性 : 成 纤维 细胞 依旧 分 刻 胶 原 ; 来 自 胚 胎 骨 骼 肌 的 细胞 融合 成 肌肉 纤维 , 并 在 培养 自 中 自发 地 收缩 ;神经 细胞 伸 出 轴 突 ， 可 被 电 兴 奋 , 并 与 其 他 神经 细胞 形成 突 触 ; 上 皮 细 胞 形成 具有 完整 上 皮 的 许多 特性 的 伸展 层 。 因 为 这 些 现象 发 生 于 组 织 培养 ， 所 以 它 们 易于 用 在 完整 组 织 所 不 能 使 用 的 方法 加 以 研究 。 化 学 成 分 明确 的 培养 基 可 以 鉴别 特殊 的 生长 因子 ” 直到 70 年 代 初 , 组 织 培养 还 类 似 科 学 和 魔法 的 混合 体 。 虽然 血浆 凝 块 已 代 之 以 塑 料 培养 四 和 含有 明确 规定 混合 的 盐 、 氮 基 酸 和 维生素 的 液体 培养 基 , 但 是 ,大 多 数 的 培养 基 还 含有 一 定 比例 的 成 分 还 不 大 明确 的 生物 物质 ,例如 马 血 清 、 胎 牛 血清 或 者 鸡 胚 的 粗 抽 提 物 。 当 前 ， 大 多 数 常规 的 组 织 培养 仍 使 用 这 种 培养 基 〈 表 4-4)， 但 为 了 确定 一 个 特定 类 型 细胞 的 生长 和 分 化 的 特殊 要 求 ， 这 种 培养 基 就 不 适用 了 。 表 4-4 适用 于 培养 哺乳 动物 细胞 的 典型 培养 基 组 成 IER: 维生素 盐 类 | 其 他 MAR EDR NaCl 葡萄 糖 DEAE 胆 碱 KCI #Bx SAMAR 叶酸 NaH,PO, BK 组 氨 酸 尼克 酰胺 NaHCO, 酚 红 FRAR 泛酸 CaCl, 全 血清 | RAR 维生素 Bs MgCl, 1 MAK HEE 甲 硫 氨 酸 维生素 B: AM | 苏 氨 酸 | HAE | MA 45 He Ws 葡 葡 糖 用 5 一 10 mmol/L KE, RRP Ih ALL LAY RE 4 0-1 BRO.2 mmol/L; 维生素 浓度 低 于 毫 摩尔 的 100 倍 ? 即 约 为 1 am。 通常 将 马 或 小 牛 血清 ,加 至 总 体积 的 10 9%。 青 霉 素 和 链 霉 素 是 抗生素 ， 加 入 后 抑制 细 菌 的 生长 。 酚 红 是 pH 指示 染料 , 它 的 颜色 作为 一 个 监察 用 来 保证 pH 大 约 在 7.4。 堵 养 物 通常 生长 在 一 种 备 有 细胞 可 附着 的 表面 的 容器 内 。 容 器 置 于 37"C、59oCO,,9596 空 气 的 培养 箱 中 。 | 维持 不 同类 型 细胞 生长 的 各 种 化 学 成 分 明确 的 培养 基 的 开发 工作 由 此 兴起 。 这 些 培养 基 经 常 含有 许多 细胞 在 培养 中 生存 和 繁殖 所 需要 的 各 种 蛋白 质 生长 因子 中 的 一 种 或 几 种 : 例如 某 些 神经 细胞 在 培养 中 需要 微量 的 神经 生长 因子 (NGF) 使 其 分 化 和 存活 。 就 像 在 完整 动物 中 一 样 。 还 发 现 一 些 在 特殊 类 型 的 细胞 发 育 和 生存 中 起 重要 作用 的 其 他 因子 ， 而 应 用 化 学 成 分 明确 的 培养 基 去 寻找 新 的 因子 就 容易 多 了 。 真 核 细胞 的 细胞 系 是 纯 系 细胞 的 一 个 方便 来 源 大 多 数 关 椎 动物 细胞 在 组 织 培养 中 经 过 一 定 次 数 的 分 裂 就 会 死亡 :例如 ,人 的 皮肤 细 . 胞 在 死亡 前 只 能 分 裂 50 一 100 次 。 这 种 有 限 的 寿命 反映 了 该 细胞 来 源 的 动物 的 寿 限 。 例 如 ,来 目 患 有 会 引起 早衰 和 死亡 疾病 的 人 的 细胞 在 组 织 培养 中 的 寿命 就 更 短 。 但 是 偶尔 变 * 161» OR (ke a RN ok ee A ke 异 的 细胞 实际 上 会 在 培养 中 永远 存活 。 这 样 的 细胞 可 以 无 限 增殖 成 为 一 个 细胞 系 《 表 4- 5)e 细 胞 附 在 固体 表面 时 ,它们 通常 生长 得 最 好 , 当 它 们 在 培养 下 的 表面 形成 连续 的 ,或 者 汇合 的 细胞 层 时 ,一 般 就 停 引 生长 。 表 4-5 一 些 常用 的 细胞 系 细胞 系 细胞 种 类 和 来 源 细胞 系 细胞 种 类 和 来 源 3T3 Be AF EH HC) BD) L6 成 肌 细 胞 (大 鼠 ) BHK21 BAF HE an Bl A FF NL FB BD PC12 嗜 铬 细胞 (大 鼠 ) HeLa 上 皮 细 胞 (人 ) SP2 奖 细 了 驳 ( 小 鼠 ) PTK1 ER aC) SS) 这 些 细 了 胞 系 有 很 多 是 来 自 肿瘤 的 ,它们 都 能 在 组 织 培养 中 无 限 地 增殖 ,并 至 少 表现 出 某 些 来 源 细胞 的 分 化 特性 < BHK21 细胞 ;HeLa 细胞 和 SP2 MRE RTF RASE K 其 他 细胞 在 固体 培养 基质 上 才能 扩 增 在 培养 中 无 限制 地 分 裂 的 变异 细胞 通常 与 癌 细 胞 有 明显 区 别 ， 后 者 无 论 在 体内 还 是 在 体外 都 无 限制 地 分 裂 。 癌 细胞 与 其 他 的 细胞 系 不 一 样 ,常常 不 需要 附 在 表面 ,它们 在 培 养 下 中 增殖 所 达到 的 密度 大 大 超过 正常 细胞 。 用 诱发 肿瘤 的 病毒 或 化 学 试剂 转化 的 正常 细胞 可 实验 性 地 诱导 出 相似 的 特性 。 如 将 形成 的 瘤 性 转化 细胞 系 注射 到 动物 体内 会 引起 ”肿瘤 。 经 转化 和 未 经 转化 的 细胞 系 在 细胞 研究 中 作为 大 量 同型 细胞 的 来 源 都 非常 有 用 。 特别 是 由 于 这 些 细 胞 能 在 一 70*c 不 定期 地 贮存 ,并 在 冻 融 后 仍 能 产生 活 细胞 。 细胞 系 的 均一 性 可 用 克隆 化 进一步 提高 。 克 隆 是 来 源 于 单个 祖先 细胞 的 细胞 群 。 绍 胞 克隆 最 重要 的 用 途 之 一 是 分 离 在 特殊 基因 上 有 缺陷 的 突变 细胞 系 ;， 研究 在 一 种 特异 蛋 白质 上 有 缺陷 的 细胞 , 常 可 揭示 许多 有 关 该 蛋白 质 在 正常 细胞 中 的 功能 。 细胞 能 融合 在 一 起 形成 杂种 细胞 有 可 能 将 一 个 细胞 与 另 一 个 细胞 融合 ,形成 一 个 有 两 个 分 离 核 的 , 称 为 异 核 体 的 组 合 细胞 。 通 常用 某 些 灭 活 的 病毒 或 者 聚 乙 二 醇 处 理 细胞 的 悬浮 液 即 可 使 细胞 融合 ， 以 上 两 种 处 理 都 会 改变 细胞 的 质 膜 , 使 细胞 有 相互 融合 的 倾向 。 异 核 体 提供 了 一 种 方法 去 混合 两 个 分 离 细胞 的 成 分 一 一 原生 质 膜 、 细 胞 质 和 核 ,以 便 研 究 它们 的 相互 作用 。 例如 , 利用 杂种 细胞 的 三 个 克隆， 在 离心 后 的 两 种 细胞 的 ae 悬 液 中 加 入 融合 剂 | 选择 性 培养 基 只 允许 异 核 体 繁殖 并 形成 杂 种 细胞 ， 以 后 再 使 之 Jo.09, . 克隆 化 杂种 细胞 人 的 成 纤维 UPR tg 细胞 - 4-27 ”示意 图 表示 人 的 细胞 和 小 鼠 的 细胞 怎样 融合 产生 蜡 核 体 (每 一 异 核 体 有 两 个 或 多 个 校 )* 最 后 形成 杂种 细胞 (有 一 个 融合 的 核 )。 这 种 特殊 的 杂种 细胞 对 于 在 人 的 特定 的 染色 体 上 作 基 因 图 是 很 有 用 的 ,因为 人 的 大 多 数 染色 体 很 快 随机 地 丢失 了 , 留 下 的 克隆 仅 保留 一 条 或 几 条 染色 体 。 其 他 种 类 细胞 融合 形成 的 杂种 细胞 常 保留 它们 染色 体 的 大 部 分 。 ° 162° Fi Ae H&E I 8 Sm HS Ee fh FTE EE A I, OR 活 而 产生 RNA， 最 终 能 复制 出 它 的 DNA。 膜 蛋白 能 在 质 膜 内 水 平方 向 移动 的 第 一 个 直接 证 据 是 来 自 小 鼠 细胞 和 人 细胞 融合 的 实验 : 小 鼠 细胞 和 人 细胞 表面 的 蛋白 质 开 始 限 于 在 异 核 体 原 生 质 膜 自己 的 那 一 半 , 但 很 快 就 扩展 并 混合 到 整个 细胞 的 表面 。 最 后 异 核 体 进行 有 丝 分 裂 ,产生 一 个 杂种 细胞 ,其 中 分 离 的 核 的 核 膜 破 裂 ， 所 有 的 染 色 休 汇合 人 一 个 大 核 ( 图 4-27)。 这 样 的 杂种 细胞 可 以 克隆 化 ， 形 成 杂种 细胞 系 。 由 于 它 们 不 稳定 和 易 委 失 染 色 休 , 因此 对 绘制 人 类 染色 体 的 基因 图 谱 特 别 有 用 。 融合 小 鼠 和 人 的 细胞 是 绘制 基因 图 的 常用 方法 。 由 于 未 知 的 原因 , 这 些 杂种 细胞 随机 地 丢失 人 的 染色 体 , 这 样 就 产生 了 多 种 不 同 的 小 鼠 - 人 的 杂种 细胞 系 ， 每 一 系 中 仅 包含 一 条 或 数 条 人 的 染 色 体 。 对 许多 这 样 的 细胞 系 作 分 析 就 有 可 能 确定 人 的 特定 染色 体 的 特定 生化 功能 。 例 如 。 唯 有 含 人 的 第 一 号 染色 体 的 杂种 细胞 合成 人 的 尿 苷 磷酸 激 酶 ， 这 就 表明 编码 这 个 酶 的 基 因 位 于 第 一 号 染色 体 上 。 组 织 培养 发 展 史 上 的 一 些 重要 发 现 列 于 表 4-6。 40 表 4-6 组 织 培养 发 展 史 上 的 里 程 碑 1885 = Roux 证 明 鸡 胚 细 胞 可 以 在 动物 体外 的 盐 溶液 中 生存 。 .1907 Harrison 在 淋巴 凝 块 上 培养 两 栖 类 的 脊 介 , 证 明了 轴 突 是 由 单个 神经 细胞 延伸 产生 的 。 1910 Rous 用 小 鸡 肿瘤 细胞 的 过 泪 抽 提 洲 诱发 一 个 肿瘤 ,后 来 证 明 其 中 含有 RNA 病毒 (Rous 肉瘤 病毒 )。 1913 Carrel 证 明 只 要 细胞 在 无 菌 条 件 下 定期 地 得 到 营养 就 可 以 在 培养 中 长 期 地 生长 。 1948 = Barle 和 他 的 同事 们 分 离 了 L 细胞 系 的 单个 细胞 ,并 表明 这 些 细胞 在 组 织 培养 中 形成 了 细胞 克隆 。 1952 Gey 和 他 的 同事 从 人 的 官 颈 瘤 建 立 了 一 个 可 连续 传代 的 细胞 系 , 以 后 成 为 著名 的 HeLa 细胞 系 。 | 1954 Levi-Montalcini 和 他 的 助手 们 证 明神 经 生长 因子 CNGF) 刺 激 组 织 培养 中 轴 突 的 生长 。 | 1955 ”Eagle 首次 对 组 织 培养 中 的 细胞 的 基本 营养 要 求 作 了 系统 研究 ， 并 发 现 动物 细胞 能 在 补充 一 小 部 分 血清 蛋 白 的 小 分 子 的 成 分 明确 的 混合 物 内 增殖 。 1956 = Puck 和 他 的 助手 以 改变 生长 要 求 的 办 法 ,从 HeLa 细胞 的 培养 中 选 出 突变 体 - 1958 Temin 和 Rubin 发 展 了 定量 检测 纯化 的 Rous 肉瘤 病毒 感染 小 鸡 细 胞 的 方法 。 在 随 后 的 10 年 BM, Sto cker, Dulbecco, Green 和 其 他 的 病毒 学 家 建立 了 该 病毒 的 和 其 他 类 型 病毒 的 转化 特征 。 1961 = Hayflick 和 Moorhead 证 明 培 养 的 人 成 纤维 细胞 经 一 定 次 数 的 分 裂 后 死亡 。 1964 ~— Littlefield 介绍 HAT 培养 基 用 于 体 细胞 杂种 细胞 的 选择 性 生长 。 同 时 结合 细胞 融合 技术 ,这 使 得 体 细胞 遗传 学 成 为 可 行 。 2 Kato 和 Takeuchi 从 组 织 培养 中 的 单个 胡 枕 卜 根 细胞 培育 出 一 株 完整 的 植物 。 1965 Ham 介绍 一 种 成 分 明确 的 无 血清 培养 基 , 它 能 维持 某 些 哺乳 动物 细胞 的 生长 。 | Harris 和 Watkins 用 病毒 诱导 人 和 小 鼠 细胞 融合 ,产生 了 第 一 批 哺乳 类 细胞 的 异 核 体 。 1968 = Augusti-Tocco 和 Sato 使 得 小 鼠 神经 细胞 肿瘤 (成 神经 细胞 瘤 ) 适 应 于 组 织 培 养 ， 并 分 离 出 一 些 能 被 电 兴 奋 和 伸 出 神经 突起 的 克隆 。 当 时 还 分 离 出 许多 已 分 化 的 其 他 细胞 系 * 其 中 包括 骨骼 肌 和 肝 细 胞 系 。 1975 Kohler 和 Milstein 培养 出 第 一 个 分 这 单 克隆 抗体 的 杂交 瘤 细 胞 株 。 1976 = Sato 和 他 的 助手 发 表 了 最 早 的 一 系列 论文 来 证 明 不 同 的 细胞 株 在 无 血清 培养 基 中 的 生长 需要 不 同 的 激素 和 生长 因子 的 混合 物 。 小 结 假如 给 予 适 当 营 养 物 的 培养 基 , 很 多 动物 和 植物 的 细胞 在 培养 瓶 中 能 生存 ,通常 还 能 增殖 ; 不 同 种 类 的 细胞 要 求 不 同 的 营养 物质 ， 其 中 包括 一 种 或 数 种 特殊 的 蛋白 质 生 长 因 子 。 尽 管 大 多 数 的 动物 细胞 经 过 一 定 次 数 的 分 裂 会 死亡 ,但 是 在 培养 中 会 自发 地 产生 极 少数 变异 细胞 ， 它们 可 以 作为 细胞 系 而 无 限期 地 生存 下 去 。 来 自 一 个 原始 祖先 细胞 的 克 ° 163° SE a ee ae dC a a ee I 洪 可 以 从 细胞 系 获得 ,这 使 我 们 有 可 能 把 有 单一 蛋白 质 缺 陷 的 突变 细胞 分 离 出 来 。 WH 不 同 种 类 的 细胞 融合 可 产生 异 核 体 (有 两 个 核 的 细胞 ), 异 核 体 最 终 形 成 杂种 细胞 (有 一 个 融合 的 核 )。 这 种 细胞 可 用 于 研究 两 种 不 同 细胞 成 分 疗 的 相互 作用 ,并 提供 一 种 将 基因 定 位 在 特定 染色 体 上 的 简便 方法 。 细胞 及 其 成 分 的 分 级 分 离 ” 当 我 们 能 够 用 显微镜 检 术 确定 在 细胞 和 组 织 中 的 大 分 子 集合 物 和 细胞 器 的 布局 ， 而 且 甚 至 用 特殊 的 染色 方法 对 特殊 的 大 分 子 定 位 时 ， 对 一 个 细胞 详细 的 分 子 水 平 上 的 了 解 还 需要 作 生 化 分 析 。 这 种 分 析 一 般 需 要 有 裂解 细胞 ,因此 破坏 了 细胞 解剖 学 上 的 精巧 结构 。 为 了 在 分 析 中 保留 尽 可 能 多 的 有 关 这 些 分 子 原来 位 置 的 信息 ,生物 学 家 发 展 了 一 种 技术 ， 有 控制 地 裂解 组 织 和 细胞 ,这样 ;不同 的 细胞 成 分 在 生化 分 析 前 能 被 分 离开 来 。 细胞 可 以 从 组 织 中 分 离 出 来 ,并 可 按 不 同类 型 分 开 ” 很 多 类 型 的 已 分 化 细胞 是 不 容易 建成 培养 细胞 系 的 。 无 论 如 何 , 用 于 大 规模 生化 分 析 的 细胞 还 是 直接 从 动物 或 植物 的 组 织 中 分 离 出 来 更 为 经 济 和 快速 。 不 利 的 是 高 等 动 杆 物 的 所 有 组 织 都 包含 各 种 类 型 混合 的 细胞 , 它们 必须 在 分 析 前 分 离开 。 通过 破坏 连接 细 胞 的 细胞 外 基质 和 胞 间 连 接 物 , 先 将 组 织 制备 成 单 细 胞 悬浮 液 。 要 得 到 最 好 的 活 的 分 离 细胞 通常 是 取 自 胎儿 或 新 生 儿 的 组 织 。 方法 是 将 这 种 组 织 用 蛋白 酶 (如 胰 和 蛋白酶 和 胶原 酶 ) 和 与 Caz+ 结 合 或 整合 的 试剂 (如 乙 二 胺 四 乙酸 , 即 EDTA) 处 理 , 然后 用 温和 的 机 械 破碎 法 将 它们 分 离 成 单个 细胞 。 有 一 些 方法 被 用 来 从 混合 的 细胞 悬浮 液 中 分 离 不 同类 型 的 细胞 。 其 一 就 是 利用 细胞 物理 特性 的 差别 。 例如 用 沉降 或 离心 可 以 将 大 的 细胞 与 小 的 细胞 , 重 的 细胞 和 轻 的 细胞 分 离开 来 ;这 些 技术 我 们 在 讨论 细胞 器 和 大 分 子 分 离 时 还 要 阐述 ,它们 原来 就 是 为 此 目的 而 发 展 起 来 的 。 另 一 个 方法 是 依据 有 些 细胞 能 牢固 地 粘 在 玻璃 和 塑料 上 ， 因 而 能 将 它们 与 附着 力 差 的 那些 细胞 分 离开 来 。 后 一 技术 的 一 个 重要 改进 是 依赖 于 抗体 的 特异 结合 特性 。 仅 与 组 织 中 一 种 细胞 的 表 面 特异 性 结合 的 抗体 能 与 各 种 基质 一 一 如 胶原 、 多 糖 珠 或 塑料 一 偶 联 形成 一 个 亲 和 表 面 , 只 有 被 抗体 识别 的 细胞 才能 附着 上 去 。 用 温和 的 振 摇 方 法 或 用 酶 (如 胶原 酶 ) 分 解 可 被 消化 的 基质 (如 胶原 ), 即 可 回收 已 结合 的 细胞 。 最 完美 的 细胞 分 离 技 术 是 用 与 荧光 染料 偶 联 的 抗体 标记 分 离 特异 性 细胞 ， 然 后 在 电 子 荧光 激活 细胞 分 类 器 中 将 标记 的 细胞 和 未 标记 的 细胞 分 开 ， 以 单列 在 细 流 中 运行 的 单 个 细胞 通过 激光 束 作 荧 光 检 测 。 震 动 的 喷嘴 使 顺 流 而 下 形成 的 微 滴 多 数 或 含 一 个 细胞 或 不 含 细胞 。 这 些 只 含有 一 个 细胞 的 小 液 滴 在 形成 的 片刻 ,自动 地 被 带 上 正 电 或 负电 ,这 取 决 于 微 滴 是 否 含有 荧光 细胞 ;然后 在 一 个 强 电场 中 使 它们 转向 进入 一 个 适当 的 容器 中 。 偶 尔 大 群 细胞 (从 光 散 射 增加 可 探测 到 ) 是 不 带电 荷 的 ,于 是 被 扔 进 废物 贮 器 (图 4-28)。 这 种 机 器 能 在 1 000 个 细胞 中 将 需要 的 一 个 细胞 选 出 , 它 每 秒 钟 能 把 5 000 个 细胞 分 门 别 类 。 。164 。 a FEES | ky Q 带 正 电 的 一 小 组 i IE RE SE Fiesty — hen ae xe 单个 的 不 带 荧光 滴 根 据 检 测 是 单个 E Q a 的 带 荧光 的 细胞 o 一 2000 V | -amv 所 +@ “细胞 收集 器 装 不 偏转 液 滴 的 烧瓶 图 4-28 ”荧光 活化 细胞 分 类 器 的 示意 图 。 当 一 个 细胞 通过 激光 束 图 4-29 制备 超 离心 机 的 示意 图 。 样 虽 时 ,对 细胞 作 奖 光 监 测 。 小 小 滴 里 含 的 单个 细 苞 根据 它们 是 否 有 欧 光 而 得 到 正 的 或 负 的 电荷 。 小 液 滴 然后 经 过 一 个 电场 ， 根 据 它 们 带 的 电荷 偏 斜 进入 收集 管 。 注 意 ， 必 须 将 细胞 的 浓度 调节 到 大 多 数 的 小 液 滴 不 含 细胞 。 大 部 分 的 液 滴 和 所 有 大 集群 细胞 一 起 流 ABBE G0 放 在 插入 金属 转 头 中 一 圈 圆 柱 型 孔 的 管 内 。 转 头 高 速 运转 产生 巨大 的 离心 力 ， 使 品 中 的 颗粒 沉降 。 真空 可 以 减少 摩擦 ， 因此 避免 了 转 头 发 热 ， 并 使 制 准 系统 将 样 品 保持 在 4YCo。 用 超 离 心 可 以 分 离 细胞 器 和 大 分 子 ” 一 个 纯 的 细胞 群体 可 以 用 各 种 方法 来 破碎 : 渗透 性 冲击 ,超声 振荡 .迫使 细胞 通过 一 个 小 孔 , 或 者 把 它们 磨 碎 。 这 些 方 法 将 许多 细胞 的 膜 成 分 (包括 质 膜 内 质 网 膜 和 高 尔 基 器 的 膜 ) 裂 成 碎片 ,这 些 碎 片 马上 又 会 再 拼合 成 一 个 封闭 的 小 泡 。 假 如 按 这 些 破 碎 细 胞 的 方法 小 心 操作 ,是 能 得 到 完整 的 核 ` 线 粒 体 、 溶 酶 体 和 过 氧化 酶 体 等 细胞 器 的 。 这 样 细胞 群 就 变 成 含有 膜 包围 颗粒 的 浓 稠 巧 浮 液 的 可 溶性 抽 提 物 , 每 个 颗粒 都 有 不 同 的 大 小 \ 电 和 荷 和 密度 。 假如 仔细 地 选择 匀 浆 液 ( 这 要 求 对 每 个 细胞 器 作 广 泛 的 试验 以 确定 是 否 适 合 )。 那么 不 同 的 颗粒 就 可 以 保持 它们 在 完整 细胞 中 原来 细胞 器 的 生化 特性 。 ， 直到 本 世纪 40 年 代 初 期 制备 超 离心 机 商品 化 之 后 ， 才 有 可 能 分 离 混 合 物 中 的 各 种 成 分 , 在 制备 超 离 心机 中 破碎 细胞 的 抽 提 物 被 高 速 旋 转 ( 图 4-29)e 大 的 成 分 如 核 和 未 破 ° 165° 0 A RAS ONS aed We es NS er ME 碎 的 细胞 ,在 相对 较 低 的 速度 下 很 快 地 沉降 下 来 ,在 离心 管 的 底部 形成 一 个 小 团 块 ; 在 稍 高 一 点 的 速度 下 线粒体 的 小 团 块 沉降 下 来 ;在 更 高 的 速度 下 ,离心 更 长 的 时 间 ， 先 可 以 收 集 到 封闭 的 小 泡 ,然后 是 核糖 体 ( 图 4-30)。 所 有 这 些 部 分 都 是 不 纯 的 ,但 再 次 悬浮 这 些小 团 块 ,重复 离心 若干 次 就 能 去 掉 很 多 杂质 。 体 、 溶 酶 体 、 ae had 沉淀 物 中 含 2 一 一 一 > 微粒 体 、 小 泡 沉淀 物 中 含 核糖 体 ee ei 4-30 RRARWVEH GMI MEY RAAAS MRO 图 4-31。 4 WHER at BAC E BS BR BRST 度 离心 来 分 级 分 离 它 们 的 成 分 。 一 般 亚 细 胞 成 分 越 小 ?使 它们 沉 上 时 ， 在 离心 时 根据 它们 的 大 小 作 不 同 速度 降 所 需要 的 速度 越 大 。 图 中 各 步 离心 代表 的 速度 是 ; 的 沉降 。 为 了 稳定 沉降 带 防 止 对 流 混 和 ， 离 低速 : ”1000Xg 10 分钟 pik: 20000Xg 20 分钟 Bik: 80000Xg 1 小 时 极 高 速 : 150 000Xg 3 小 时 © 166° LY REESE HO TE EK >» SPREE ES 心 管 底部 方向 递增 《典型 的 值 从 5% El] 20% 浓度 的 蔗糖 )。 离心 以 后 不 同 的 成 分 可 以 逐 个 地 收集 ,最 简单 的 是 将 塑料 离心 管 穿孔 ;如 图 示 从 底部 收集 芒 滴 。 将 细胞 匀 浆 在 离心 管 中 的 盐 溶液 顶 上 铺 成 一 条 狭 带 再 超速 离心 ， 可 取得 更 好 的 分 离 效果 。 为 了 使 沉降 成 分 稳定 ,防止 对 流 引起 混合 ,样品 狭 带 下 的 盐 深 液 含有 密度 逐步 增加 的 (密度 梯度 ) 极 易 溶 解 的 惰性 物质 ,例如 蔗糖 。 在 这 些 条 件 下 ,不 同 的 部 分 以 不 同 的 速率 沉降 ,形成 一 条 条 清晰 的 带 , 各 区 带 可 分 别 收集 之 (图 4-31)。 每 一 成 分 沉降 的 速率 取决 于 它们 的 大 小 和 形状 ,通常 是 用 沉降 系数 即 * 值 来 表示 的 ( 表 4-7)o 目前 超速 离心 机 的 旋转 速度 可 以 达到 80 000r/min， 产 生 的 离心 力 达到 重力 的 500 000 倍 。 在 这 样 大 的 离心 力 下 ， 即 使 较 小 的 大 分 子 ， 如 tRNA 分 子 ， 单 个 酶 分 子 也 会 根据 它们 的 大 小 彼此 分 离开 Ko 超速 离心 机 也 可 用 于 按 细胞 成 分 的 浮力 密度 而 不 是 根据 它 的 大 小 将 它们 分 离 。 在 这 种 情况 下 , 样品 是 通过 含有 高 浓度 的 蔗糖 或 氧化 钨 垂直 梯度 溶液 沉降 下 来 的 。 细胞 成 分 顺 梯度 向 下 沉降 到 一 个 与 它 自 己 的 密度 相等 的 位 置 ,并 在 这 个 位 置 床 浮 着 不 再 向 下 沉降 。 这 个 方法 是 如 此 灵敏 , 它 可 以 将 含 较 重 同位 素 ( 如 PC 或 PN) 的 大 分 子 和 正常 的 未 标记 的 大 分 子 分 离开 来 。 事 实 上 氧化 钨 方法 是 1957 年 为 了 分 离 在 含 “N 核 背 酸 前 体 中 培养 的 细菌 群体 产生 的 标记 和 未 标记 的 DNA 而 发 展 起 来 的 。 这 个 经 典 实验 提供 了 DNA 半 保 留 复 制 的 直接 证 据 。 4-7 某 些 代表 性 的 沉降 系数 颗粒 或 分 子 WREAK 颗粒 或 分 子 沉降 系数 AMG tk 9400S 核糖 体 RNA 分 子 : 28S 烟草 花 叶 病毒 198S tRNA 分 子 4S 核糖 体 80S 血红 蛋白 分 子 4.5S 沉降 系数 (S) 在 种 单位 中 是 从 -2z/24 求 出 的 ; 式 中 是 旋转 中 心 距 离 (以 层 米 表示 )，dz/a+ 是 沉降 速度 〈 以 悍 | K/PRA), OERDUMBRANARRE (UUNE/PRM). AAKHARETA DRE, MUBRUAS SH (svedberg unit) S 表示 * 即 1 S=1X10-%s, 复杂 的 细胞 加 工 过程 的 分 子 细节 只 有 通过 对 细胞 成 分 进行 分 级 分 离 的 研究 才能 确定 ” 作为 分 离 细 胞 器 和 其 他 大 的 亚 细 胞 成 分 的 主要 方法 之 一 的 超速 离心 法 在 确定 细胞 不 同 成 分 的 功能 上 也 起 着 极为 重要 的 作用 。 例 如 , 可 用 于 纯化 来 自 线粒体 和 叶绿体 的 部 分 ， 达到 对 这 些 细胞 器 在 能 量 相互 转换 上 主要 功能 的 理解 。 同 衬 ,从 内 质 网 和 高 尔 基 器 形成 的 封闭 小 泡 也 能 被 相互 分 开 、 用 以 作为 完整 细胞 器 的 小 型 译本 一 一 这 可 使 得 每 一 细胞 器 的 许多 功能 被 详细 地 分 析 。 分 级 分 离 的 细胞 抽 提 物 ,也 称 作 无 细胞 系统 ,被 广泛 地 用 于 研究 细胞 内 发 生 的 加 工 过 程 。 只 有 用 这 种 方式 , 才能 将 一 个 生物 加 工 过 程 与 细胞 中 发 生 的 所 有 其 他 的 复杂 的 副 反 应 分 离开 来 加 以 研究 , 并 从 而 确定 详细 的 分 子 机 制 。 这 种 方法 早期 的 一 个 芯 果 是 阐明 了 蛋白 质 合 成 的 机 制 。 起 始点 是 能 将 RNA 分 子 翻 译 成 蛋白 质 的 细胞 的 粗 抽 提 物 。 这 种 粗 抽 提 物 一 步 一 步 地 分 级 分 离 ; 依 次 产生 核糖 体 、 tRNA 和 各 种 酶 ， 它 们 在 一 起 组 成 了 合 成 蛋白 质 的 机 器 。 一 旦 个 别 纯 的 成 分 可 用 来 分 别 地 加 入 或 不 加 入 , 那么 这 些 成 分 在 加 工 过 程 中 所 起 的 确切 的 作用 就 可 以 弄 清 楚 。 后 来 ,同一 系统 被 用 来 破译 遗传 密码 , 即 利用 已 知 顺序 的 合成 的 多 聚 核糖 核酸 作为 信使 RNA (mRNA) 被 翻译 而 做 到 的 。 今 天 各 种 体 外 的 翻译 系统 结合 各 种 DNA 克隆 技术 , 用 来 确定 提纯 的 mRNA 的 制备 物 所 编码 的 蛋 * 167 » GSI, “DSS cae ar OR ae DR Se) eal Ce ee ri OO 白质 ( 见 185 页 和 表 4-13)。 在 分 级 分 离 的 细胞 抽 提 物 制 备 中 应 用 的 一 些 方法 其 发 展 的 里 程 碑 列 于 表 4-8。 表 4-8 超速 离心 机 和 无 细胞 抽 提 物 制备 发 展 中 的 重大 事件 1897 Buchner 证 明 酵 母 的 无 细胞 抽 提 物 可 以 将 糖 发 酵 生 成 二 氧化 碳 和 酒精 , 黄 定 了 酶 学 的 基础 。 1926 Svedberg 发 展 出 第 一 台 分 析 超 离心 机 ,并 用 其 估计 血红 蛋白 的 分 子 量 约 为 68000。 1935 Pickels 和 Beams 介绍 了 作为 制备 器 具 而 设计 的 离心 机 的 一 些 亲 特点 。 1938 Behrens 用 差 速 离心 从 肝 细 胞 中 分 离 核 和 细胞 质 ， 在 本 世纪 40 年 代 和 50 年 代 的 早期 由 Claude, Brachet, Hogeboom 和 其 他 人 进一步 发 展 了 用 于 细胞 器 分 级 分 离 的 技术 。 1949 Szent-Gyorgyi 证 明 从 骨骼 肌 细胞 中 分 离 的 肌 原 纤维 在 加 入 ATP 时 发 生 收缩 。1955 年 Hotman-Ber- ling 发 展 出 了 一 个 相似 的 使 纤毛 摆动 的 无 细胞 系统 。 1951 Brakke 用 起 糖 溶液 中 的 密度 梯度 离心 提纯 了 一 种 植物 病毒 。 1953 de Duve 用 离心 法 分 离 了 溶 酶 体 , 以 后 又 分 离 了 过 氧 物 酶 体 。 1954 Zamecnik 和 他 的 同事 发 展 出 第 一 个 无 细胞 系统 进行 蛋白 质 合 成 。 随 后 10 年 经 过 积极 的 研究 活动 搞 清 了 遗 传 密码 。 1957 Meselson, Stahl 和 Yinograd 发 展 了 在 氧化 钨 溶液 中 的 密度 梯度 离心 来 分 离 核酸 。 细胞 生物 学 发 展 的 一 个 主要 目的 是 发 展 能 完成 十 分 复杂 的 加 工 过 程 《 如 有 丝 分 裂 的 纺锤 体 上 染色 体 的 分 离 ) 的 无 细胞 系统 。 但 是 最 终 无 细胞 系统 的 分 析 还 要 依赖 于 该 系统 的 每 个 蛋白 质 成 分 的 完全 分 离 。 在 下 一 节 里 将 要 讨论 这 是 怎样 获得 的 。 利用 层 析 分 离 蛋 白质 蛋白 质 分 级 分 离 通 常 最 有 用 的 方法 之 一 是 层 析 ， 这 一 技术 原来 是 为 分 级 分 离 低 分 子 量 的 组 分 (如 糖 和 氨基 酸 ) 而 发 展 起 来 的 。 用 于 分 离 小 分 子 的 最 普通 的 一 种 层 析 是 分 配 层 析 。 这 种 技术 最 方便 的 形式 是 将 一 滴 样 品 点 在 一 张 吸收 纸 上 ( 在 纸 层 析 中 ) 或 一 张 塑料 膜 上 ,或 点 样 在 覆盖 一 薄 层 非 活性 的 吸收 剂 物质 (如 酯 酸 纤 维 或 硅胶 ) 的 玻璃 上 ( 薄 层 层 析 )。 然后 让 一 个 混合 溶剂 (如 水 和 酒精 )， 从 纸 的 一 头 涂 透 。 当 溶剂 移动 横越 薄膜 时 , 带 走 了 样品 中 溶 于 该 溶剂 的 分 子 。 溶剂 是 经 选择 的 , 使 得 其 中 的 一 种 溶剂 对 吸收 剂 物质 的 吸附 比 另 一 种 溶剂 强 。 因 此 最 容易 溶解 在 吸收 溶剂 中 的 那些 分 子 相 对 地 移动 迟缓 ， 而 在 另 一 溶剂 中 最 容易 溶解 的 分 子 移动 较 快 。 层 析 王 燥 后 染色 (图 4-32)， 即 可 检测 出 不 同 分 子 的 位 置 。 多 种 方式 的 纸 层 析 和 薄 层 层 析 依然 广泛 地 用 于 分 析 许 多 不 同 的 小 分 子 物 。 蛋白 质 分 级 分 离 中 用 得 最 多 的 是 柱 层 析 。 混 合 的 蛋白 质 溶液 通过 含有 多 和 孔 固 体 基 质 的 柱 , 不 同 的 蛋白 质 由 于 它们 与 基质 的 相互 作用 而 被 不 同 程度 地 滞留 。 这 样 , 不 同 的 蛋白 质 从 柱 的 底部 流出 时 就 能 被 分 别 收集 (图 4-33)。 已 经 发 展 出 很 多 种 基质 能 将 蛋白 质 分 离 而 不 改变 其 天 然 结 构 。 这 些 基 质 根据 蛋白 质 的 电荷 、 大 小 或 者 它们 对 基质 上 特殊 化 学 基 团 的 结合 能 力 , 对 不 同 的 蛋白 质 加 以 区 别 。 用 于 上 述 目的 的 许多 不 同类 型 的 基质 已 经 商品 化 (图 4-34)。 离子 交换 柱 充 填 着 带 正 电 或 负电 小 珠 , 因此 蛋白 质 按 其 表面 电荷 的 排 布 被 分 级 分 离 。 芷 水 柱 填 满 了 芷 水 侧 链 伸 出 的 小 珠 ,这样 , 臣 水 区 暴露 的 蛋白 质 就 被 滞留 了 。 凝 胶 过 滤 柱 填 满 了 多 孔 性 的 小 珠 , 它 是 根据 蛋白 质 的 大 小 将 它们 分 离 : 当 过 柱 时 ， 分 子 小 得 足以 进入 小 孔 的 蛋白 质 次 人 连续 的 凝 胶 珠 内 ,而 分 子 大 的 留 在 凝 胶 珠 之 间 , 因 此 能 更 快 地 通过 柱 ， 最 早 六 出 。 凝 胶 过 滤 层 析 除 提供 了 一 种 分 离 分 子 的 方法 外 ， 还 是 一 个 方便 的 测定 分 子 大 小 的 方法 s * 168° 一 种 特殊 的 蛋白 质 通 常 不 能 过 一 次 柱 层 析 就 可 从 混合 物 中 分 离 出 来。 因为 每 一 次 过 柱 一 般 只 能 使 混 合 物 中 该 蛋白 质 的 比例 增加 不 超过 20 倍 。 由 于 大 多 数 蛋白 质 少 于 细 胞 总 蛋白 质 的 1/1 000, 所 以 ， 通 常 的 样品 需要 依次 用 不 同类 型 的 柱 将 它们 纯 化 (图 4-35)。 一 个 更 为 有 效 的 方法 称 为 亲 和 层 析 ， 该 方法 利用 发 生 在 “图 4-32 用 纸 层 析 分 离 小 分 子 。 祥 品 加 到 起 点 并 干燥 以 后 ， 含 有 机 蛋白 质 表面 有 重要 生物 学 意义 的 结 种 混合 溶剂 的 溶液 因 毛 细 管 作用 缓慢 地 流 过 纸 。 样品 中 的 不 同 成 分 舍 的 相互 作用 。 例如 , 假使 一 种 酶 Ce Ghee eke 汪 共 的 底 物 与 一 个 惰性 基质 (如 多 糖 珠 ) 从 一 个 大 的 溶剂 驻 器 不 断 向 柱 的 项 部 加 入 溶剂 各 入 的 样品 ia 洗 脱 并 收集 已 分 级 分 离 的 分 子 | 图 4-33 用 柱 层 析 法 分 离 分 子 。 样品 加 入 用 玻璃 或 塑料 制 成 的 含有 浸 在 深 剂 中 的 可 透 性 固体 基 质 圆柱 的 顶部 。 然 后 大 量 的 溶剂 被 压 入 , 慢 慢 地 透 过 柱 当 溶剂 从 底部 流出 时 分 别 收集 在 试管 中 。 样品 中 的 各 种 成 分 以 不 同 速度 通过 柱 ， 因 此 被 分 级 分 离 。 共 价 偶 联 ,那么 被 基质 截留 下 来 的 酶 仅 含 有 极 少 的 其 他 蛋白 质 。 用 相似 的 方法 ,特异 抗体 能 与 基质 偶 联 ,该 基质 可 用 来 纯化 抗体 所 能 识别 的 分 于 。 由 于 这 种 亲 和 柱 的 严格 专 一 性 ， 有 时 过 一 次 柱 就 能 达到 1 000 一 10 000 倍 的 纯化 。 蛋白 质 的 大 小 和 亚 单位 的 组 成 可 以 用 SDS 聚 丙烯 酰胺 凝 胶 电 泳 测定 2 由 于 蛋白 质 表面 有 带 正 电荷 或 负电 荷 的 氨基 酸 基 团 ， 所 以 蛋白 质 往往 带 有 净 正 电荷 或 净 负 电荷 。 假如 对 一 个 含 蛋白 质 分 子 的 溶液 加 上 一 个 电场 , 那么 蛋白 质 就 会 按照 它 的 净 电 荷 、 大 小 和 形状 以 一 定 速度 移动 。 这 一 技术 ( 称 为 电泳 ) 用 来 分 离 游离 在 水 溶液 中 或 * 169 。 Ne: eC ne ELS A 含 在 固体 多 和 孔 性 基质 (如 淀粉 ) 溶 液 中 的 蛋白 质 混 合 物 。 在 本 世纪 60 年代 中 期 ， 这 个 方法 的 一 个 改良 一 一 称 为 SDS BAAR RRR 泳 一 一 发 展 起 来 了 。 在 对 蛋白 质 常规 分 析 作 革 命 性 改进 的 方法 中 , 蛋白 质 在 其 中 迁移 的 惰性 基质 由 聚 丙烯 酰胺 高 度 交 联 的 凝 胶 组 成 的 。 凝 胶 一 般 是 在 临 用 前 由 单 体 聚 合 制备 的 ，， 它 的 孔径 能 够 调节 ,因此 能 够 小 到 足以 滞留 我 们 想 要 分 析 的 蛋白 质 的 迁移 。 ， 、 蛋白 质 本 身 也 并 不 处 于 简单 的 水 溶液 状态 ,而 是 在 一 种 含 很 强 的 ， 带 负电 的 去 拍 剂 ， 十 二 烷 基 磺 酸 钠 (SDS) 的 溶液 中 (图 4-36)。 因 为 这 种 去 拍 剂 和 蛋白 质 分 子 的 臣 水 区 结 合 , 使 蛋白 质 展 开 成 伸展 的 多 肽 链 ,单个 蛋白 质 分 子 失 去 了 它 与 其 他 蛋白 质 或 者 脂 质 分 子 的 联系 ,并 自由 地 溶解 在 去 垢 剂 的 溶液 中 。 此 外 通常 还 加 入 莹 基 乙 醇 之 类 的 还 原 剂 ,使 存 ， 在 于 蛋白 质 中 的 任何 S—S 键 断裂 ,这 样 就 能 分 析 以 多 亚 单位 分 子 组 成 的 多 肤 。 当 被 SDS 溶解 的 蛋白 质 混 合 物 通 过 一 块 聚 丙烯 酰胺 平板 电泳 时 发 生 了 什么 呢 ? 由 于 这 些 蛋白 质 与 许多 带 负 电荷 的 去 垢 剂 分 子 结合 ,所 以 当 加 上 电压 时 ,每 个 蛋白 质 都 向 正 极 迁 移 。 但 是 ,小 的 蛋白 质 比 大 的 蛋白 质 通过 凝 胶 筛 网 的 孔 要 容易 得 多 ,结果 从 一 个 复杂 的 混合 物产 生 了 一 系列 按 分 子 量 大 小 依次 排列 的 分 离 的 蛋白 质 区 带 ( 图 4-37)。 存 在 于 混 合 物 中 的 主要 蛋白 质 用 考 马 斯 蓝 之 类 的 染料 对 凝 胶 染 色 很 容易 显示 出 来 ， 而 次 要 的 蛋白 ” 质 可 用 银 染 法 在 凝 胶 上 检 出 (该 方法 可 检 出 一 区 带 中 少 至 long 的 蛋白 质 )。 一 个 特殊 的 :蛋白质 可 以 用 放射 性 同位 素 或 荧光 染料 偶 联 的 抗体 加 以 标记 ,使 之 在 这 种 凝 胶 上 被 鉴定 ; 当 在 凝 胶 上 被 分 离 的 蛋白 质 被 转送 (用 印迹 法 ) 到 硝酸 纤维 纸 上 后 ,通常 就 使 用 上 述 方法 。 这 在 以 后 鉴定 核酸 中 我 们 将 叙述 。 SDS 聚 丙烯 酰胺 凝 胶 电泳 的 方法 比 先前 任何 一 种 蛋白 质 分 析 方 法 更 为 有 效 , 这 主要 是 由 于 它 能 分 离 任何 蛋白 质 , 不 论 蛋 白质 在 水 溶液 中 固有 的 溶解 度 如 何 。 膜 蛋白 、 细 胞 骨 架 的 蛋白 质 成 分 和 大 分 子 聚 合 物 的 部 分 蛋白 质 , 都 能 被 离 解 成 分 离 状 态 。 由 于 该 方法 是 严格 按照 它们 的 大 小 分 离 多肽 的 ， 所 以 该 方法 也 能 使 我 们 了 解 任何 蛋白 质 复合 体 的 分 子 量 和 亚 单位 组 成 (图 4-37)。 聂 丙烯 酰胺 凝 胶 双 向 电泳 可 以 在 单 层 凝 胶 上 分 析 1 000 个 以 上 的 蛋白 质 ” 紧 靠 的 蛋白 质 带 或 峰 容 易 重合 ,因此 任何 单 向 分 离 的 方法 ,如 SDS AA hei We eee 电泳 或 层 析 法 只 能 分 辩 相 对 较 少 数目 的 蛋白 质 (一 般 少 于 50 个 )。 一 种 新 的 , 称 为 双向 电 泳 的 分 析 蛋 白质 的 方法 是 1975 年 发 展 起 来 的 。 将 两 种 不 同 分 离 方法 的 特点 结合 起 来 , 双 向 电泳 能 以 双向 蛋白 质 图 谱 的 形式 分 辨 1 000 个 以 上 不 同 的 蛋白 质 。 第 一 步 将 样品 溶解 于 小 体积 的 含有 非 离子 去 拍 剂 、 变 性 剂 (尿素 ) 和 和 斑 基 乙醇 的 溢 液 中 。 该 溶液 将 所 有 的 多 肽 链 溶 解 、 变 性 和 解 聚 而 不 改变 它们 原来 的 电荷 。 多 肽 链 被 一 种 称 为 等 电 聚 焦 的 方法 分 级 分 离 ， 这 是 根据 这 样 的 事实 ， 即 一 个 蛋白 质 分 子 的 净 电 和 荷 随 周 围 溶 液 的 pH 而 变化 。 对 每 一 种 蛋白 质 都 有 一 个 特定 的 PH, 称 为 等 电 点 ,在 该 处 蛋 自 质 无 净 电 荷 , 因 此 在 电场 里 不 移动 。 在 等 电 聚 焦 中 ， 蛋 白质 在 一 支 聚 丙烯 酰胺 凝 胶 的 细 管 中 电泳 , 其 中 pH 的 梯度 是 用 特种 缓冲 液 的 混合 物 设置 起 来 的 。 每 一 种 蛋白 质 都 移动 到 与 它 的 等 电 点 相应 的 位 置 并 停留 在 那儿 〈 图 4-38)。 这 是 双向 凝 胶 电 泳 中 的 第 一 向 。 在 第 二 步 ， 含 有 分 离 蛋白 质 的 凝 胶 被 放 人 SDS 中 浸泡 ， 这 些 蛋白 质 通 过 一 块 SDS 聚 丙烯 酰胺 凝 胶 平 板 电泳 ， 按 大 小 作 进 一 步 的 分 级 分 离 。 这 时 每 个 多 肽 链 就 根据 它们 的 © 170° 分 子 量 移动 到 凝 胶 上 一 个 分 离 的 点 上 了 。 这 就 是 双向 电泳 的 第 二 向 。 留 下 的 未 被 分 离 的 仅 是 那些 大 小 相同 和 等 电 点 相同 的 蛋白 质 ， 这 种 情况 较 罕 见 。 每 种 多 肽 链 存在 的 痕迹 量 可 用 不 同 的 染色 方法 检测 ， 假 如 蛋白 质 样 品 用 放射 性 同位 素 标记 的 ， 则 可 用 放射 自 显影 来 检测 。 单 层 双向 凝 胶 上 能 辨认 的 多 肽 链 可 达 2000 个 ,足以 检测 一 个 细 昔 里 的 大 多 数 蛋 白质 (图 4-39)。 这 种 方法 的 分 辩 力 是 如 此 之 高 * 以 致 两 个 几乎 相同 的 、 仅 差 一 个 带电 氮 基 BNE A ith TRADI | 层 析 和 电泳 发 展 史上 的 一 些 里 程 碑 列 于 表 4-9 蛋白 质 选 择 性 地 有 裂解 可 生成 一 组 特殊 的 多 肽 片段 ” 虽然 分 子 量 和 等 电 点 是 蛋白 质 的 特性 ， 然而 最 终 肯 定 地 鉴定 蛋白 质 还 有 赖 于 确定 它 的 氨基 酸 顺 序 。 这 个 过 程 的 第 一 步 包 括 将 蛋 白质 裂解 成 较 小 的 片段 ， 仅 此 裂解 过 程 就 可 提供 大 量 有 关 蛋 白质 的 有 用 信息 。 蛋 白水 解 酶 类 以 及 化 学 试剂 均 适 用 于 在 特定 的 氨基 酸 残 基 之 间 裂 解 蛋 白质 ( 表 4-10)。 例 如 胰 蛋 白 酶 的 切口 在 赖 氨 酸 或 者 精 氨 酸 残 基 的 羧基 端 ， 而 化 合 物 溴 化 氰 切 在 与 甲 硫 氨 酸 残 基 邻 近 的 肽 键 上 。 因 为 这 些 酶 和 化 学 制剂 在 相对 较 少 的 蛋白 质 部 位 上 裂解 蛋白 质 ， 就 会 产生 相当 大 的 肽 。 假 如 这 些 肽 的 混合 物 接着 用 层 析 和 电泳 方法 分 离 , 其 所 产生 的 图 形 , 或 者 说 肽 图 是 判定 产生 这 些 肽 的 蛋白 质 的 方法 ， 即 有 时 称 为 蛋白 质 的 “指纹 图 谱 ”( 图 4-40)。 蛋白 质 指纹 图 谱 是 在 1956 年 发 展 起 来 溶剂 流 回 | 溶剂 流向 ge : (《B) 凝 胶 过 滤 层 析 溶剂 流向 〈《C) 亲 和 层 析 图 4-34 “一些 不 同类 型 层 析 基 质 的 示意 图 。 在 离子 交换 层 BTCA DH ,不 溶性 基质 带 离子 电荷 ?能 滞留 带 相反 电荷 的 分 子 。 通 常用 于 分 离 蛋 白质 的 这 类 基质 有 带 正 电 的 二 乙 氨 基 乙 基 纤 维 素 〈DEAE- 纤 维 素 ) 和 带 负 电 的 羧 甲 基 纤 维 素 的 ， 作 为 比较 正常 血红 蛋白 与 镰 状 细胞 贫血 (CM-FER) 及 磷酸 纤维 素 。 要 分 离 的 分 子 和 离子 交换 症 病 人 血红 蛋白 突变 型 的 一 种 方法 。 由 发 现 一 个 单 肽 的 差别 ， 最 后 归 因 于 一 个 氨基 酸 的 改变 ， 这 是 突变 可 以 改变 蛋白 质 中 单个 氨基 酸 的 第 一 个 证 明 。 蛋白 质 指纹 图 谱 的 一 个 改进 通常 是 与 基质 结合 的 牢 度 取决 于 离子 强度 和 洗 脱 液 的 pH, 因此 >pH 可 作 系 统 性 的 变化 (如 图 4-35) 以 获得 有 效 的 分 离 。 在 凝 胶 过 滤 层 析 (B) 中 基质 是 惰性 的 ， 但 是 多 孔 的 。 小 得 足以 进 人 基质 的 分 子 要 通过 较 大 容积 的 溶剂 ， 因 此 通过 柱 时 移动 得 较 慢 。 商 业 上 已 提供 广 范围 孔径 的 交 联 多 糖 小 RHR 糖 和 琼脂 糖 ) 适 用 于 分 子 量 从 500 到 超过 5X 10° 的 各 类 分 子 的 分 级 分 离 。 亲 和 层 析 〈C) 利用 与 特异 配 体 (如 抗体 分 子 或 酶 的 底 物 ) 共 价 连接 的 不 溶性 基质 来 结合 特异 的 蛋白 SDS 凝 胶 电 泳 结合 起 来 应 用 。 从 SDS 凝 胶 质 。 通 过 这 样 的 亲 和 层 析 柱 一 次 往往 可 获得 高 度 的 纯化 。 e171. OT ae TER TS a Sh eT ea (EERE 相对 是 -一 ao RY X'S 管 号 一 一 汇集 这 些 管用 于 下 一 步 往 层 析 CB) EE Bit eT 相对 量 Y KARIM —— _ | 汇集 这 些 管用 于 下 一 步 柱 层 析 (ORME 相对 量 — 管 号 a [Sa 汇集 这 些 管 、 现 在 其 中 含有 高 纯度 的 蛋 和 白质 图 4-35 ”三 种 不 同 的 层 析 步骤 依次 用 于 纯化 一 个 蛋白 质 所 得 到 的 典型 性 结果 。 在 这 个 例子 中 首 先 将 全 部 细胞 抽 提 物 透 过 充填 离子 交换 树脂 的 柱 进行 分 级 分 离 (A)。 洗 柱 ， 结 合 的 蛋白 质 被 加 入 到 柱 顶 浓度 逐步 增加 的 盐 溶液 洗 脱 。 与 离子 交换 树脂 亲和力 最 低 的 蛋白 质 直接 通过 柱 ， 从 底部 首 先 流出 被 收集 。 滞留 的 蛋白 质 根据 它们 与 树脂 的 亲和力 依次 洗 脱 一 一 与 树 蜀 越 是 结合 得 紧密 的 蛋 白质 需要 越 高 浓度 的 盐 溶液 来 洗 脱 它们 。 所 需 蛋 白质 洗 脱 成 一 个 狭 的 峰 , 可 用 它 的 酶 活性 检测 到 。 有 活性 的 这 部 分 被 汇集 起 来 ,用 于 第 二 步 凝 胶 过 滤 层 析 (B)。 还 未 纯化 的 蛋白 质 的 管 号 仍 用 它 的 酶 活性 来 确定 ,汇集 活性 部 分 并 在 含有 被 固定 的 酶 的 底 物 的 亲 和 柱 (C) 上 被 纯化 为 均 质 。 切 下 的 某 种 蛋白 质 与 木瓜 蛋白 酶 之 类 的 蛋白 酶 混合 。 假 如 小 心地 控制 蛋白 酶 的 量 和 消化 的 时 间 ， 就 会 产生 一 组 大 的 、 不 完全 裂解 的 多 肽 片段 。 当 在 第 二 次 SDS 凝 胶 上 分 析 时 ， 此 混合 物 即 产生 一 组 单一 而 清晰 的 区 带 ， 这 样 通常 就 足以 确定 用 不 同方 法 分 离 的 两 种 蛋 “172。 eer 1833 1850 1906 1933 1942 i946 24-9 层 析 和 电泳 发 展 史上 的 里 程 碑 及 其 在 生物 分 子 上 的 应 用 fe ie ae ace ee ee eee ?他 是 后 来 层 析 分 柱 * 从 而 发 明了 柱 层 出 后 纸 层 Runge 利用 Tswett 将 植物 叶子 的 石油 抽 提 物 通 过 Tiselus 介绍 了 在 盗 候 中 分 离 蛋 白质 的 电泳 Martin 和 Synge 发 展 了 分 配 层 析 ,导致 了 两 Stein 和 Moore 第 一 次 确定 了 一 种 蛋白 质 的 : Smithies 用 淀粉 做 成 的 凝 胶 通过 电 瀛 分离 血清 蛋白 质 THR AE 现 。 门 最 析 的 基 酸 组 成 ?他 们 最 初 用 淀粉 柱 层 析 ， 以 后 又 发 展 出 了 离子 交 1955 = ‘ Sanger 完成 了 和 后 胰岛 素 氨 基 酸 顺 序 的 分 析 ， 这 是 第 一 个 被 作 顺序 分 析 的 蛋白 质 。 1956 La ld 了 第 一 个 蛋白 质 的 指纹 图 谱 ， 证 明 镰 状 细胞 的 血红 蛋白 与 正常 的 血红 蛋白 间 的 差别 在 于 一 个 f 1959 Raymond 介绍 了 聚 丙烯 酰胺 凝 胶 电泳 ， 这 种 用 于 电泳 分 离 蛋白 质 要 优 于 淀粉 凝 胶 ; 又 改进 了 组 冲 系 统 ， 使 几 年 后 Ornstein 和 Davis 得 以 发 展 出 有 高 度 分 辩 率 的 电泳 分 离 。 1966 “Maizel 介绍 用 十 二 烷 基 础 酸 钠 改 进 了 和 蛋 pete lung NS 电泳 。 1975 O°’ Farrell 装置 了 一 个 双向 电泳 凝 胶 系 统 用 于 蛋白 质 混合 物 的 分 析 ,在 该 方法 中 ,把 SDS RAMA 电泳 和 按 等 电 点 分 离 法 结合 起 来 了 。 AMAWE, ASB, | 用 二 硫 桥 连 起 来 的 蛋白 质 marae Cc) AS 与 SDS MACH ier a CH, ， ¥; 2 HC \ oe yee SDS 分 子 ing | | ow. 聚 丙 烯 酰胺 凝 胶 电 泳 H2C Yen, 9 Ha 8 ' | 。 | Hack sa | OH G 由 = a A — . Na* Na* CS 由 SDS 8 IZ RE 聚 丙烯 酰胺 凝 胶 板 图 4-36 alt —hedk MR ACSDS CEA 图 中 是 离子 形式 ) MARA C-RECBAE SDS A he Pk He Hee Ak A AE 两 种 化 学 试剂 。 图 4-37 AAR SDS AMMAR BK. KE 种 蛋白 质 分 离 的 有 效 方法 。 每 个 多 肽 链 与 带 有 负电 N+ bee (SDS) 形成 复合 物 ， 因此 迁移 时 作为 负电 荷 的 SDS- 蛋 白质 复合 物 通过 到 丙 烯 酰胺 多 和 孔 的 凝 胶 。 由 于 在 这 种 条 件 下 ， 多 肽 越 小 迁移 的 速度 就 越 大 ， 所 以 这 种 技术 可 用 来 测定 多 肽 链 近似 的 分 子 量 和 和 蛋白质 亚 单位 的 组 成 。 表 4-10 裂解 蛋白 质 肽 键 的 一 些 常用 试剂 氨基 酸 1 氨基 酸 ? Bs REA A MARA AR 任何 一 种 氨基 酸 Bee ALAA NS AAA, BAR BAR 任何 一 种 氨基 酸 V8 AAS GAR 任何 一 种 氨基 酸 化 合 物 RA 甲 硫 氮 酸 任何 一 种 氨基 酸 aa 任何 一 种 氨基 酸 it AB DAR RSUNRLRALH HN. RARER 1 的 羧基 被 释放 出 来 ;这 种 氨基 酸 按照 通常 的 写法 位 于 裂解 肽 键 的 左边 ( 见 组 合 图 G)。 了 | 在 等 电 点 蛋白 质 Se hae, “lean SiS leah, SR eam a = nan pHAG.S 稳定 的 p 卫 梯度 图 4-38 利用 等 电 聚 焦 分 离 蛋 白质 分 子 。 在 低 pH 高 了 + 浓度 )。 和 蛋白 质 的 羧基 基 团 倾向 于 不 带 电 (一 COOH), 氮 基 基 团 完全 带电 (例如 一 NHj#7, 使 大 多 数 蛋白 质 带 一 净 正 电荷 。 在 高 .5 杞 ,次 基 团 带 负电 (一 COO-)， 碱 性 基 团 倾向 于 不 带电 (例如 一 NH2:), 使 大 多 数 蛋白 质 带 一 个 净 负 电荷 ( 见 图 2-8)。 和 蛋白 质 在 它 的 等 电 点 pH 不 带电 。 因 此 当 一 个 含有 固定 的 pH 梯度 的 管子 放 人 一 全 强 电场 时 , 管 中 存 在 的 每 一 种 蛋白 质 将 发 生 迁 移 ; 直 到 在 它 的 等 电 pH 形成 一 明显 的 区 带 。( 如 图 所 示 ) 白质 是 否 一 样 。 短 的 氨基 酸 顺 序 可 以 用 自动 分 析 仅 分 析 一 旦 蛋白 质 被 有 裂解 成 较 小 的 肽 ,下 一 步 分 析 的 必然 步骤 就 是 确定 每 个 分 离 出 来 的 肽 片段 的 氨基 酸 顺 序 。 这 是 最 初 在 1967 年 设计 的 通过 一 系列 重复 的 化 学 反应 完成 的 。 首 先 , 将 这 个 肽 放 入 一 个 仅 与 这 个 肽 氨基 末端 的 目 由 氨基 基 团 反应 的 化 学 药品 中 。 然后 将 这 个 化 学 药品 放 到 弱酸 中 进一步 激活 ， 这 样 就 专 一 地 切 开 了 连接 氨基 终端 的 氨基 酸 与 肽 链 的 肽 键 , 释 放 的 氨基 酸 用 层 析 方 法 鉴定 。 余 下 的 多 肽 少 了 一 个 氨基 酸 ,然后 再 进行 同样 的 反应 顺序 ,直到 肽 中 的 每 一 个 氨基 酸 都 被 确定 为 止 。 这 些 反 应 的 重复 性 使 它们 可 以 自动 化 地 进行 ， 一 种 称 为 氨基酸 顺序 分 析 仪 的 仪器 已 ©1746 经 商品 化 生产 , 用 于 肽 片 段 氨基 酸 顺 序 的 自动 测定 。 最 后 一 步 是 排列 各 种 肽 片段 在 完整 多 肽 链 上 的 顺序 。 这 是 通过 比较 用 不 同 蛋白 酶 裂解 同一 蛋白 质 得 到 的 数 套 不 同 的 重 倒 肽 片段 的 顺序 得 到 的 。 ， 最 近 蛋 白质 顺序 测定 技术 的 改进 大 大 增加 了 它 的 速度 和 灵敏 度 。 这 部 分 是 由 于 缩小 工 顺序 分 析 仪 的 结构 ,部 分 是 由 于 用 于 氨基 酸 分 析 的 快速 \ 高 分 辨 型 柱 层 析 的 改进 。 在 这 种 称 为 HPLC【《 高 性 能 液 相 色谱 ) 的 层 析 仪 中 ， 待 测 溶液 通过 一 个 细 长 的 填 满 小 珠 的 柱 。 | TUBE EF OR. af Cae iy AeA en LE Q Ee OS 层 而 和 电泳 形成 的 双向 图 或 “指纹 图 ? 可 鉴定 该 蛋白 质 图 4-39 大肠 杆菌 细胞 里 的 所 有 和 蛋白 质 用 又 丙烯 酰胺 凝 胶 4-40 ”和 蛋白质 的 肤 图 或 指纹 图谱 双向 电泳 分 级 分 离 。 每 一 个 点 代表 一 个 不 同 的 多 肽 链 。 蛋 的 产生 。 在 这 种 情况 蛋白 质 用 胰 蛋 白 白质 首先 根据 它们 的 等 电 点 用 等 电 聚 焦 法 从 左 到 右 分 离开 。 酶 消化 ， 产 生 许多 小 的 多 肽 片段 的 混 这 些 蛋白 质 再 进一步 根据 它们 多 肽 的 分 子 量 ， 用 电 瀛 法 在 合 牺 。 然 后 用 电泳 和 分 配 层 析 法 作 双 SDS 存在 的 情况 下 自 上 而 下 分 级 分 离 。 注 意 ,不 同 蛋白 质 是 向 分 级 分 离 。 所 得 到 的 斑点 图 谱 就 是 | 以 十 分 不 相同 的 量 存在 的 。(Patrick O° Farrell 赠 ) 让 分 析 蛋 白质 的 鉴定 依据 。 i} 在 高 压 下 追 使 溶液 通过 这 个 柱 , 这 样 在 几 分 钟 内 ,而 不 是 在 数 小 时 之 内 ， 就 完成 了 层 析 分 离 , 而 且 分 辩 率 也 提高 了 。 由 于 这 些 改进 ,氨基 酸 分 析 的 灵敏 度 比 原来 的 方法 提高 了 数 千 ”175.。 aT eh eel ode Mt ke heme ae a fio 现在 有 可 能 测定 只 有 几 微克 蛋白 肽 的 氨基 末端 几 十 个 氨基 酸 的 顺序 , 这 些 量 仅 来 自 一 块 SDS RA MiB RRA 尽管 有 这 些 改进 ,并 且 测 定 过 程 已 经 半自动 化 ,对 一 个 蛋白 质 的 整个 氨基 酸 顺 序 的 测 定 仍 是 一 项 艰巨 的 任务 , 随 着 多 肽 链 的 长 度 增 加 ,其 困难 也 增加 。 有 100 个 氨基 酸 残 基 的 蛋白 质 ， 顺 序 分 析 常 需 经 过 艰苦 工作 ， 但 是 有 时 被 测定 的 肽 片段 是 难 溶性 的 ， 那 就 不 能 用 常规 的 方法 了 。 因 此 , 如 我 们 以 后 要 讲 到 的 ,大 多 数 蛋白 质 的 顺序 确定 是 用 克隆 该 蛋白 质 基因 ， 然 后 用 更 有 效 和 更 快 的 DNA 顺序 测定 方法 参照 遗传 密码 来 翻译 氨基 酸 的 顺 序 。 小 结 来 自 胎儿 和 新 全 儿 组 织 的 分 离 细胞 常用 作 各 种 类 型 细胞 纯化 的 起 始 材料。 这 种 纯化 了 的 细胞 , 即 同 源 的 培养 细胞 系 , 可 用 破碎 细胞 法 作 生 化 分 析 。 并 用 超速 离心 法 将 其 组 分 分 级 分 离 。 在 很 多 情况 下 ,分 级 分 离 细胞 的 抽 提 物 作为 有 功能 的 无 细胞 系统 用 于 分 析 复 杂 的 细胞 加 工 过 程 , 如 蛋白 质 合 成 和 DNA 的 复制 。 存在 于 可 深 性 细胞 抽 提 物 中 数量 相对 较 多 的 蛋白 质 可 以 容易 地 用 柱 层 杭 纯 化 。 由 于 不同 种 类 柱 的 基质 的 发 展 ， 使 得 有 生物 活性 的 蛋白 质 可 以 根据 它们 的 分 子 量 、 电 荷 特性 或 者 对 其 他 分 子 的 亲 和 性 而 被 分 离 。 在 一 个 典型 的 纯化 过 程 中 ,样品 依次 通过 儿 个 这 桩 的 柱 ， 从 一 个 柱 得 到 的 富 集 组 分 再 过 下 一 个 柱 。 一 旦 蛋白 质 纯 化 至 均 质 ， 它 的 氨基 酸 顺 序 就 可 以 被 测定 。 该 蛋白 质 首先 裂解 成 一 组 较 小 的 有 拓 ， 然 后 它们 的 气 基 酸 顺 序 用 灵敏 的 自动 化 程序 测定 。 甚至 非常 少量 的 蛋白 质 的 分 子 量 和 亚 单位 组 成 也 可 用 SDS RAR RRR 测 定 。 在 双向 凝 胶 电 泳 中 ,用 第 一 向 等 电 聚 焦 电 泳 * 随 后 用 第 二 向 SDS RA Ke BHR 电 泳 将 蛋白 质 分 离 成 分 开 的 点 。 这 些 电泳 分 离 法 甚至 能 用 于 正常 情况 下 不 溶解 的 蛋 自 质 。 用 放射 性 同位 素 和 抗体 示 踪 细胞 的 分 子 一 个 分 子 的 几乎 所 有 的 特性 一 一 物理 的 、 化 学 的 或 生物 的 一 一 原则 上 都 可 用 来 作为 检测 它 的 一 个 方法 。 在 细胞 生物 学 的 研究 中 , 经 常 或 者 根据 分 子 的 光学 特性 一 一 不 论 纯 的 或 与 染料 结合 的 物质 , 或 者 根据 它们 的 生物 学 活性 加 以 检测 。 在 这 一 节 里 我 们 认为 有 两 种 检测 法 特别 有 用 : 即 放射 性 同位 素 及 抗体 示 踪 法 。 每 种 方法 能 检测 复杂 混合 物 中 的 特殊 分 子 。 两 种 方法 都 极其 灵敏 ， 在 最 佳 条 件 下 能 检 出 少 于 1000 个 分 子 的 样品 。 能 以 极 高 的 灵敏 度 检 测 放射 性 原子 ” 大 多 数 天 然 的 元 素 是 略 有 差异 的 同位 素 的 混合 物 ， 它 们 在 原子 核 的 重量 上 虽 相 互 不 同 , 但 是 由 于 有 相同 的 外 层 电子 ， 所 以 有 相同 的 化 学 性 质 。 放射 性 同位 素 的 核 是 不 稳定 的 ,并 通过 随机 的 衰变 产生 不 同 的 原子 。 在 衰变 过 程 中 ,放出 含 能 的 粒子 (如 电子 ) 或 者 辐射 (如 7 射线 )o se。 176。 R41] 在 生物 学 研究 中 一 些 常用 的 放射 性 同位 素 同位 素 半衰期 | 同位 素 半 误 其 sp 14K 14C 5570 年 134 8.1K “Ca 164% 5 87 3H 12。3 年 同位 素 按 它们 发 出 的 8 辐射 (电子 7) 的 能 量 递减 次 序 排 列 。”'1 也 发 射 了 射线 。 半 衰 期 是 指 一 个 同位 素 的 5096 原 子 衰变 所 需要 的 时 间 。 虽然 天 然 的 放射 性 同位 素 很 少 ( 由 于 它们 的 不 稳定 性 ), 但 在 核反应 中 ,其 他 的 原子 被 高 能 粒子 麦 击 , 可 以 大 量 地 产生 放射 性 原子 〈 表 4-11), 因此 很 容易 得 到 以 放射 性 同位 素 标记 的 生物 中 常见 的 元 素 。 同位 素 的 辐射 可 以 用 很 多 不 同 的 方法 探测 。 利用 电子 ( 8 粒 子 ) 在 一 种 气体 里 的 电离 作用 ,可 用 盖 革 计数 器 对 它 测 定 , 或 者 利用 它们 在 闪烁 液 中 产生 的 闪光 可 在 闪烁 计数 器 内 测定 。 用 这 些 方 法 可 以 测定 生物 标本 中 特殊 同位 素 的 量 。 我 们 也 可 以 通过 同位 素 对 胶片 乳 剂 内 的 银 粒 子 的 作用 使 之 成 为 可 见 的 斑点 对 该 同位 素 定 位 。 这 些 测定 方法 是 极其 灵敏 的 ,在 适当 条 件 下 ,几乎 每 一 次 衰变 一 一 也 就 是 每 个 衰变 的 放射 性 原子 一 一 都 能 被 探测 到 。 放射 性 同位 素 用 来 追踪 细胞 和 有 机 体内 的 分 子 2 放射 性 在 生物 学 中 最 早 的 应 用 是 追踪 光合 作用 时 碳 的 化 学 途径 。 单 细胞 的 绿 菠 在 含 有 放射 性 标记 的 CO, (*CO,) 的 大 气 中 生存 , 在 它们 暴露 于 阳光 后 的 不 同时 间 内 用 纸 层 析 分 离 它们 的 可 溶性 成 分 。 SAKA CO, 的 “C 小 分 子 用 放 在 干燥 后 的 纸 层 析 图 上 的 照相 底片 来 测定 。 这 样 就 可 鉴定 从 CO, 生成 糖 的 光合 作用 途径 中 大 多 数 主要 的 成 分 。 放射 性 分 子 可 以 用 来 跟踪 细胞 中 几乎 所 有 的 活动 过 程 。 在 一 个 典型 的 实验 中 ， 一 个 放射 性 的 前 体 被 加 入 到 细胞 中 ， 这 样 放 射 性 的 分 子 就 与 原来 存在 的 未 标记 的 分 子 混 在 一 起 了 ， 因 为 它们 仅 是 在 原子 核 的 重量 上 有 差别 , 所 以 这 两 种 分 子 都 受到 细胞 同样 的 处 理 。 放射 性 分 子 在 位 置 或 化 学 型 式 上 的 变化 可 以 作为 时 间 的 函数 来 示 踪 。 这 种 实验 的 分 辩 率 和 常 因 脉冲 追踪 标记 记录 法 的 使 用 而 提高 ,在 这 种 技术 里 ,放射 性 物质 (脉冲 ) 只 是 极 短暂 地 加 入 ,然后 洗 掉 并 换 上 无 放射 性 的 分 子 (追踪 )。 经 过 不 同 的 时 间 后 ,取得 样品 , 于 是 在 每 个 时 间 点 上 的 放射 性 物质 的 位 置 和 化 学 结构 就 能 测定 出 来 (图 4-41)。 图 4-41 示意 图 画 出 一 个 典型 的 用 放射 性 同位 素 的 脉冲 追踪 实验 。A、B、C、D 标 出 的 小 室 代 表 细胞 中 不 同 的 区 室 ( 用 放射 自 显影 或 细胞 分 级 分 离 的 实验 测定 )? 也 代表 不 同 的 化 学 化 合 物 ( 用 层 析 或 其 他 的 化 学 方法 测定 )。 °177 。 利用 这 些 方法 甚至 可 以 追踪 如 软骨 和 骨 的 蛋白 质 这 样 稳定 \ 无 反应 性 的 分 子 的 命运 。 事实 上 ， 放 射 性 示 踪 物 的 使 用 ， 证 明了 在 活 细胞 中 几乎 所 有 的 分 子 都 不 断 地 被 降解 和 取 代 。 没 有 放射 性 同位 素 , 这 样 慢 的 转换 就 不 可 能 被 测 出 来 今天 ,几乎 所 有 放射 性 形式 的 普通 小 分 子 都 可 以 从 市 场 上 得 到 ,而 实际 上 任何 生物 分 子 , 不 管 它 怎 样 复杂 ,都 能 用 放射 性 标记 。 化 合 物 通常 是 将 放射 性 原子 挨 人 在 它们 结构 上 的 特殊 位 置 制 备 成 的 ,使 得 同一 分 子 不 同 部 分 各 自 的 命运 可 以 被 跟踪 (图 4-42)o 放射 性 在 细胞 生物 学 上 应 用 的 一 个 重要 方面 ， 是 通过 放射 自 显影 定位 完整 细胞 或 组 织 切 片 中 有 放射 活性 的 化 合 物 。 这 一 方法 是 将 活 细胞 短期 地 暴露 于 特异 的 放射 性 化 合 物 的 “脉冲 ”之 中 ,并 在 固定 和 为 了 光学 或 电子 显微镜 检 所 作 的 处 理 以 前 ,与 放射 性 化 合 物 一 起 温 育 不 同 的 时 间 。 然 后 , 在 每 一 制备 样品 之 上 涂 一 薄 层 的 感光 乳胶 。 样品 在 暗 处 存放 数 天 以 后 一 一 在 此 期 间 放 射 性 同位 素 发 生 衰变 一 一 乳胶 即 可 显影 。 每 个 细胞 中 有 放射 性 的 部 位 ,是 根据 暗黑 的 银 颗 粒 来 确定 的 。 艾 如 ,将 细胞 与 放射 性 的 DNA 前 体 CH- 胸 腺 障 啶 脱氧 核 背 ) 一 起 温 育 ， 可 发 现 DNA 是 在 细胞 核 内 合成 的 并 保留 在 核 内 。 与 上 述 不 C ar Sn on HRA c@) HC lI C CH ob Cut Sy eet ee Lys, CZA1 H & eae RR ATP['*C(U)] ee 下 Af esitk i 公 NOR | aa ‘ 】 1 nck : I, | ， 下 a bea abndeg Oak ee N NBA SR | ge Le he vi ae Moora 一 一 针对 免 抗 体 ATpl2,82Hl by 108 sl Sea NH, ’ | om NY oy, £ cP ; VA C Sy Ls 4 s 1 | 1 aa! | ui 8h — Ongar er heal Ve OG 时 o- oO” oe “ihe wh] 图 4-43，” 玫 示 抗 体 如 何 用 来 给 为 显微镜 检 术 而 制 AN 备 的 标本 中 的 特殊 分 子 定位 的 示意 图 。 图 示 中 的 改 OH OH 变 ( 称 为 间接 免疫 细胞 化 学 ) 特 别 灵敏 ， 因 为 结合 到 抗原 上 的 每 一 个 抗体 本 身 被 识别 第 一 种 抗体 的 许多 第 二 种 抗体 所 识别 。 第 二 种 抗体 与 标记 分 子 共 价 相 图 4-42 市场 上 提供 的 ATP 的 三 种 放射 性 形式 放射 性 原 ， 连 ， 因 此 能 在 显微镜 下 被 探测 到 。 标 记分 子 包括 菊 子 以 黑体 表示 。 用 于 区 别 放 射 性 原子 的 位 置 和 种 类 的 命名 法 ， 光 素 或 者 碱 性 芒 香 红 ( 若 丹 明 )〈 用 于 奖 光 显微镜 检 也 于 图 中 标 出 。 术 ) 和 铁 蛋 白 ( 用 于 电子 显微镜 检 术 )。 同 的 是 ,以 放射 性 RNA 的 前 体 CH- 尿 喀 啶 核 苷 ) 标 记 的 细胞 ,可 揭示 RNA 最 初 在 细 胞 核 内 合成 ,但 后 来 很 快 地 聚集 在 细胞 质 内 。 | 抗体 可 用 于 探测 和 分 离 特殊 的 分 子 ” 抗体 是 脊 椎 动物 防御 感染 而 产生 的 蛋白 质 。 它 们 在 蛋白 质 中 的 特殊 性 是 因为 它们 有 几 百 万 种 不 同 的 结构 ,每 一 抗体 都 有 一 个 不 同 的 特异 地 识别 诱导 它们 产生 的 分 子 (抗原 ) 的 结合 部 位 。 抗体 对 抗原 的 严格 的 特异 性 , 使 它们 成 为 细胞 生物 学 家 有 力 的 工具 (图 4- 43). 用 荧光 染料 标记 后 的 抗体 ,在 通过 奖 光 显微镜 检 术 对 细胞 中 特异 的 分 子 定位 时 有 极 大 的 价值 (图 4-44); 如 果 它 们 偶 联 着 电子 密度 大 的 分 子 《 如 铁 蛋 白 ), 则 在 电子 显微镜 中 可 高 分 辩 率 地 对 细胞 抗原 定位 。 抗体 作为 生化 工具 , 常 被 用 来 对 经 聚 丙烯 酰胺 凝 胶 电泳 分 级 分 离 后 的 特殊 蛋白 质 作 鉴 定 。 而 且 抗 体能 偶 联 到 非 活性 的 基质 上 制备 成 亲 和 柱 ,该 柱 既 可 用 于 纯化 来 自 细胞 粗 抽 提 物 的 特异 大 分 子 , 或 者 , 抗原 如 在 细胞 表面 , 也 可 用 于 从 蜡 质 性 的 细胞 群 中 检 出 活 细胞 的 特异 类 型 。 通常 , 抗体 是 由 给 动物 (如 免 或 山羊 ) 注 射 若 二 次 抗原 样品 后 产生 的 , 然后 收集 富 含 抗体 的 血清 。 这 种 抗 血 清 包 含 抗体 的 异 质 性 混杂 物 ,每 种 都 是 由 一 个 不 同 的 抗体 分 弯 细 胞 (一 个 B 淋巴 细胞 ) 产生 的 。 不 同 的 抗体 识别 抗 原 分 子 的 不 同 部 位 ,以 及 在 抗原 制备 中 的 杂质 。 抗 血清 对 特殊 抗原 的 特异 性 ;有 时 候 可 以 肝 堆 除 兮 纤 合 其 他 分 卫 的 企 需 要 的 搞 体 分 了 而 提高 ;例如 ,针对 蛋白 质 必 产生 的 抗 血 清 能 够 通过 Y 和 乙 抗 原 的 亲 和 柱 ,以 去 除 任何 杂 有 抗 hae Se 的 抗体 。 不 过 ,这 种 抗 血清 的 异 质 性 仍然 限制 了 已 们 的 可 刊 用 性 。 图 4-44 〈A) 培 养 的 上 皮 细 胞 外 周 部 分 的 电镜 照片 。 显 示 微 答 和 其 他 微 丝 的 分 布 。 (B) 用 间接 免 疫 细胞 化 学 方法 对 同一 区 域 的 微 管 蛋白 ( 微 管 的 蛋白 亚 基 ) 的 荧光 抗体 染色 。 箭 头 指 出 每 个 微 管 在 两 旺 图 中 都 容易 被 认 出 。( 引 自 M. Osborn, R. Webster and K. Weber, J. Cell Biol. 77: R27—R34, 1978. 洛克 菲 勒 大 学 出 版 社 同意 复制 ) 人 杂交 瘤 细胞 系 提供 了 单 克 隆 抗 体 的 一 个 永久 性 来 源 1967 年 新 技术 的 发 展 克服 了 抗 血清 异 质 性 的 问题 , 这 种 技术 革新 了 抗体 作为 细胞 生 来 自 B 淋巴 细胞 肿瘤 AA FAX SUR RE 的 突变 细胞 株 meee O 2) se 38 了 淋巴 细胞 (培养 ”〈 可 以 在 正常 培养 基 无 限 生 长 ， 见 天 后 会 死亡 ) 但 在 选择 培养 基 中 会 死亡 ) a A 生成 物 平 铺 在 多 孔 培 养 板 上 分 泌 抗 X 的 抗体 只 有 杂交 瘤 才能 在 选择 培养 基 上 生长 [an | beeo a a 测试 上 清 液 中 抗 X 的 抗体 ， 并 将 阳性 孔 中 的 细胞 以 每 孔 一 个 细胞 克隆 化 让 细胞 繁殖 ， 然 后 测定 抗 叉 | 抗体 的 上 清 液 ， 阳 性 的 克隆 持续 产生 抗 X 的 抗体 图 4-45 “示意 图 表明 如 何 制备 针对 一 个 特殊 抗原 和 产生 均一 性 的 单 克 隆 抗体 的 杂种 细胞 (或 杂交 瘤 )。 选 择 性 生长 的 培养 基 内 含有 抑制 剂 (氨基 喉 叭 )， 它 能 阻 断 核 背 酸 生物 合成 的 通 路 。 因 此 细胞 就 必须 通过 旁 路 来 合成 核酸 ， 而 与 正常 B 淋巴 细胞 融合 的 突变 细胞 的 这 个 旁 路 是 有 缺陷 的 。 因 而 ， 原 来 丙 种 融合 的 细胞 都 不 能 单独 生长 。 只 有 杂种 细胞 才能 生存 。 物 学 工具 的 应 用 。 该 技术 包括 单个 产生 抗体 的 B 淋巴 细胞 的 克隆 化 ,这样 就 能 大 量 得 到 均一 型 的 抗体 。 由 于 了 淋巴 绍 胞 在 培养 中 的 寿命 通常 是 有 限 的 ， 可 将 来 自 免疫 小 鼠 单个 的 产生 抗体 的 B 淋巴 细胞 与 来 自 无 限 繁 殖 的 B 淋巴 细胞 肿瘤 的 细胞 融合 。 从 形成 的 异 质 性 的 杂种 绍 胞 的 混合 细胞 中 我 们 可 以 选择 出 那些 既 有 能 力 产生 特种 抗体 又 能 在 细胞 培养 中 无 限 繁 殖 的 杂种 细胞 。 这 些 杂交 瘤 被 扩 增 成 细胞 克隆 ， 每 个 克隆 可 成 为 一 种 单 克隆 抗体 的 永久 和 稳定 的 来 源 《〈 图 4- 45 )。 因为 单 克 隆 抗体 是 一 个 了 淋巴 细胞 的 产物 ， 它 们 是 由 一 群 相 同 的 抗体 分 子 组 成 的 ， 每 个 分 子 都 有 相同 的 抗原 结合 部 位 。 例如 , 这 个 结合 部 位 将 识别 一 个 蛋白 质 上 五 个 或 六 个 氨基 酸 侧 链 的 特殊 基 团 的 限定 构象 ， 或 识别 多 糖 中 相似 数 目的 糖 残 基 。 由 于 单 克隆 抗体 均一 的 特 : 异性 ， 它 们 比 常规 的 抗 血 清 有 大 得 多 的 优点 ， 后 者 通常 包含 着 能 识别 甚至 在 一 个 小 的 大 分 子 上 各 种 不 同 抗原 部 位 的 抗 体 。 但 是 杂交 瘤 技术 最 重要 的 优点 是 能 制备 出 针对 未 提纯 的 分 子 的 单 克 隆 抗 体 。 即 使 这 种 分 子 在 一 个 复杂 的 混合 物 中 含量 很 少 。 这 个 优点 来 自 这 样 的 事实 ， 即 产生 特殊 抗体 的 各 杂交 瘤 细胞 克隆 能 够 从 产生 各 种 不 同 抗体 的 大 量 的 、 不 同 的 杂种 细胞 混合 物 中 筛选 出 来 。 因 此 在 原则 上 单 克 隆 抗 体能 够 针对 细胞 中 的 任何 蛋白 质 制 备 出 来 。 每 一 单 克隆 抗体 能 作为 一 个 特殊 的 探 针 , 既 可 以 细胞 学 方法 定位 蛋白 质 , 又 可 纯化 蛋白 质 。 以 便 研 究 它 的 结构 和 芒 能 。 据 估计 存在 于 典型 哺乳 动物 细胞 中 10 000 种 左右 的 蛋白 质 ， 其 中 已 被 分 离 的 不 到 5% ,这 就 很 难 想像 细 胞 生物 学 这 个 领域 会 不 受到 单 克隆 抗体 革命 的 影响 。 "，180。 抗体 和 其 他 大 分 子 可 以 被 注入 到 活 细胞 中 抗体 分 子 常 用 于 使 与 它们 结合 的 分 子 失 活 。 例 如 将 神经 生长 因子 的 抗体 注 人 到 新 生 的 小 鼠 中 ,阻碍 了 某 些 类 群 的 神经 细胞 的 发 育 。 同 样 * 与 特定 类 型 的 细胞 表面 分 子 起 反应 的 抗体 能 够 用 来 从 混合 的 群体 中 清除 这 些 细胞 。 外 面 加 入 的 抗体 不 能 接触 到 活 细胞 内 的 蛋白 质 , 因为 大 分 子 不 能 竣 人 原生 质 膜 。 但 是 由 于 原生 质 膜 是 自我 封闭 的 (seef-sealing)， 我 们 有 可 能 用 细 玻 璃 针 将 抗体 和 其 他 大 分 子 引 入 真 核 细胞 的 细胞 质 中 。 例 如 , 抗 肌 球 蛋白 的 抗体 往 人 海胆 卵 , 可 阻止 卵细胞 分 裂 成 两 个 细胞 ， 虽 然 细胞 核 分 发 正常 。 这 一 观察 表明 肌 球 蛋白 在 有 丝 分 裂 期 使 原生 质 分 裂 的 收缩 过 程 中 起 决定 性 作用 ， 但 提示 了 在 有 丝 分 裂 的 纺锤 体形 成 中 并 不 需要 肌 球 蛋白 的 参 与 。 单 克隆 抗体 的 高 度 特 异性 以 及 易 被 制备 成 浓缩 状态 ， 对 于 上 述 应 用 方式 特别 适宜 。 微 注 射 正 被 越 来 越 多 地 应 用 于 不 仅 将 抗体 ,而 且 也 将 其 他 的 大 分 子 ， 甚 至 细胞 器 导 人 到 哺乳 动物 的 细胞 中 ; 一 个 熟练 的 实验 者 在 组 织 培 养 下 中 在 一 小 时 就 能 注射 几 百 个 细 胞 。 另 一 种 方法 是 可 以 用 脂 质 小 泡 或 红血球 空 壳 ( 血 影 细胞 ” ) 将 特殊 的 大 分 子 同 时 导 人 大 量 的 哺乳 动物 细胞 中 去 。 这 种 小 泡 或 血 影 细 胞 先 装 满 要 导 和 人 细胞 的 物质 ,然后 使 之 与 活 细胞 的 质 膜 融合 ， 这 样 它们 的 内 含 物 就 递交 给 了 疫 细 胞 的 细胞 质 。 在 合适 的 条 件 下 , 细 胞 群体 中 50 驳 以 上 的 细胞 能 以 这 种 供应 方式 获得 分 子 。 小 结 细胞 中 的 任何 分 子 能 以 一 个 或 多 个 的 放射 性 原子 掺 入 加 以 标记 。 这 些 不 稳定 的 原子 晓 变 时 放出 辐射 ， 因 而 可 示 踪 该 分 子 。 -放射 性 同位 素 在 细胞 生物 学 中 多 方面 的 应 用 包括 对 代谢 途径 的 分 析 和 用 放射 自 显影 定位 细胞 中 单个 大 分 子 。 抗体 也 是 对 特异 性 生物 分 子 检测 和 定位 的 多 用 途 的 灵敏 工具 。 眷 椎 动物 制造 儿 百 万 个 不 同 的 抗体 分 子 ， 每 个 抗体 都 有 一 个 能 识别 某 个 分 子 特 殊 区 的 结合 部 位 。 杂交 瘤 技术 使 我 们 取得 有 单一 特异 性 的 单 克 隆 抗 体 的 数量 实际 上 是 无 限 的 。 在 原则 上 ， 可 以 制备 镍 对 任何 细胞 大 分 子 的 单 克 隆 抗体, 并 可 以 用 来 定位 和 纯化 这 种 分 子 , 至 少 在 有 些 情况 下 还 可 用 来 分 析 它 的 功能 。 重组 DNA 技术 > 本 世纪 70 年代 早 期 ，DNA 对 生化 学 家 来 说 是 最 难 加 以 分 析 的 细胞 成 分 。 由 于 DNA 极 长 和 化 学 上 的 单调 性 ,遗传 物质 的 核 苷 酸 顺 序 只 能 用 间接 的 方法 测定 * 如 通过 蛋 白质 和 RNA 的 顺序 分 析 或 遗传 分 析 。 今天 这 种 情况 完全 改变 了 。 DNA 从 细胞 中 最 难 分 析 的 大 分 子 变 成 最 容易 分 析 的 大 分 子 。 现在 已 有 可 能 切取 DNA 特殊 的 区 段 ， 获 得 几乎 是 无 限 数 量 的 该 区 段 的 拷贝 ,并 且 以 一 天 几 百 个 核 苷 酸 的 速度 来 测定 它们 的 顺序 。 新 的 重组 DNA 技术 提供 了 有 力 的 新 方法 来 了 解 真 核 生物 基因 调控 表达 的 复杂 机 制 , 它 大 大 地 减少 了 传统 的 测定 一 个 蛋白 质 氮 基 酸 顺序 的 方法 的 使 用 。 相同 方法 的 潜心 *。181。 研究 为 蛋白 质 激 素 和 疫苗 大 规模 经 济 地 生产 提供 了 广阔 的 商品 化 生产 的 前 景 ， 虽 然 现时 这 还 是 很 费力 和 昂贵 的 。 重组 DNA .技术 是 各 种 技术 综合 组 成 的 ;有 些 是 新 的 ; 有 些 是 从 其 他 领域 ,如 微生物 遗传 学 移植 过 来 的 〈 表 4-12)。 最 重要 的 技术 是 (1) 用 限制 性 核酸 酶 专 一 地 切 开 DNA; 表 4-12 重组 DNA 技术 发 展 的 主要 阶段 Miescher 第 一 次 分 离 了 _ DNA。 Avery 提供 了 在 细菌 的 转化 中 携带 遗传 信息 的 是 DNA ， 而 不 是 蛋白 质 的 证 据 。 : Watson 和 Crick 在 Franklin 和 Wilkins X 射线 衍射 研究 结果 的 基础 上 提出 了 DNA 结构 的 双 螺 旋 模 式 。 Marmur 和 Doty RET DNA 的 复 性 作用 ， 确 定 了 核酸 杂交 反应 的 专 一 性 和 可 行 性 。 Arber 提出 了 第 一 个 证 据 * 证 明 DNA 限制 酶 的 存在 导致 以 后 对 该 类 酶 的 提纯 ， 并 由 Nathans 和 H. Smith 应 用 于 DNA 序列 分 析 。 1966 Nireberg, Ochoa 和 Khorana 阐明 了 遗传 密码 。 1967, Gellert 发 现 了 DNA 连接 酶 ,该 酶 将 PNA MAREE. : 1972-1973 Boyer, Cohen Belg, W)SGHE 2 i te((Lee 1H sly OS Oi Ae tel A 5 A Sl ey ea 化 技术 。 1975—1979 Sanger,Barrell, Maxam 和 Gilbert 发 展 了 快速 DNA 序列 分 析 方 法 。 1869 1944 1953 ; 1961 1962 (2) ake» A 5 AARP HN 合 能 力 使 有 可 能 极 准确 极 灵 敏 地 鉴定 出 DNA 或 RNA 的 特殊 序列 ; (3) DNA 克隆 化 ， Hat 7 | . 只 要 一 个 特殊 的 DNA FERRE AE MRS oo Sep 制 的 遗传 成 分 (质粒 或 病毒 )。 它 就 能 在 细菌 或 酵 ogc ABA} [Tt chs 母 细胞 中 扩 增 ;(4) 克 隆 化 DNA 片段 中 核 萌 酸 的 DNA 顺序 分 析 。 限制 性 核酸 酶 在 专 一 的 核 苷 酸 序列 上 水 解 DNA 分 子 ” ] 很 多 细菌 产生 称 为 限制 性 核酸 酶 的 一 类 酶 ， Hine IIL. 用 以 降解 侵入 的 外 源 DNA 分 子 以 保护 自身 。 每 “ANE aaa 3 种 内 切 酶 识别 DNA 中 四 个 到 六 个 核 音 酸 的 序 列 。 在 细菌 本 身 基因 组 内 相应 的 核 音 酸 序列 是 由 RRM (A) 或 胞 旷 啶 (C) 残 基 上 的 甲 基 化 掩 饰 起 来 的 ， 但 是 任何 侵入 细胞 的 外 源 DNA 立 图 4-46 被 三 个 常用 的 限制 性 核酸 酶 识别 的 DNA 核 昔 酸 序列 。 如 图 例 所 示 ，, 这 些 序列 通常 长 度 是 六 人 aS 昔 酸 序列 在 被 识别 的 区 段 都 是 相同 的 。DNA 的 二 股 链 在 识别 序列 上 或 其 邻近 被 切 开 ， 切口 经 常 是 交错 的 ，i Hind Il 为 例 。 限制 性 内 切 酶 是 从 各 种 细菌 中 得 到 的 :Hpa DKA Bit Rie mH AC Hemo philu sparainfluenzae), Eco RI 来 自 大 肠 杆 菌 ;Hind WU 来 自流 感 嗜 血 杆 菌 CHemophilus influ- enzde), © 182° 即 被 这 种 核酸 酶 识别 出 来 , CASA DNA 螺旋 链 都 被 切断 (图 4-46)。 从 不 同 种 的 细菌 中 已 提纯 了 限制 性 核酸 酶 ,现在 有 商品 供应 的 核酸 酶 在 100 种 以 上 ， 其 中 大 多 数 能 识别 不 同 的 核 许 酸 序 列 。 一 个 特殊 的 限制 性 核酸 酶 可 将 任意 长 度 的 DNA 双 螺 旋 切 成 一 系列 称 为 “限制 性 片段 AT 段 。 通 过 比较 用 不 同 限制 性 核酸 梅 综合 处 理 后 从 一 个 特殊 遗传 区 段 产 生 的 DNA 片段 的 大 小 ， 可 以 构建 成 一 个 限制 图 ， 用 以 表明 每 一 个 限制 切 点 和 它 邻 近 切 点 有 关 的 位 置 。 因 为 这 样 的 图 反映 了 在 这 个 区 段 里 所 选择 的 核 背 酸 序列 的 排列 ， 因 此 ， 对 两 个 或 更 多 相关 基因 作 这 种 图 的 比较 ， 就 可 以 粗略 地 估计 它们 之 间 的 同 源 性 。 Blin, 人、 猩猩 和 黑猩猩 自从 它们 在 进化 中 分 离 以 来 的 大 约 500 万 年 到 1 000 万 年 里 ,它们 在 染色 体 上 为 血红 蛋白 链 编码 的 整个 区 段 的 限制 图 ， 也 可 以 认为 是 核 背 酸 序 列 ， 大致 没 有 改变 (A 4-47), ay 02 e '. Pa - ab eg dd® mf i hbmihmfg hbmihcma d bg fe \ ab cg d mf. hbmihmfg hbmihema d gsbg fe REE eg ad ef i hb ihefig hb) ihe ad g f e 小 猩猩 e : Ce : b abc 9 d mf i hbmihmf gi hbmihc ma d eg f 2 AAA KEE b cg d a ihf m bmihfih bmih ma d cbhg { b c gq d fh b hf bhe d bg af KAR ! | 0 10 20 30 40 DNA 碱 基 对 数 (X 1000) 图 4-47 ”人 和 各 种 灵 长 类 的 为 血红 蛋白 编码 的 一 往 基 因 的 DNA 限制 图 。 每 个 图 中 的 二 个 方块 表示 相当 于 <- 珠 蛋白 基因 的 DNA 位 置 。 每 个 字母 代表 一 个 不 同 的 限制 性 核酸 酶 的 切 点 。 每 个 切 点 的 位 置 是 比较 了 用 厅 同 限制 性 核酸 酶 单独 地 和 共同 地 处 垦 的 DNA 所 产生 的 DNA Fr Be ag 大 小 而 确定 的 。 (Elizabethb Zimmer 和 Alan Wilson Je) 带 粘 人 性 末端 的 线 型 质粒 DNA 分 子 a BY RAE DNA’ A et: a 含有 染色 体 DNA 插入 欧 的 质粒 DNA 分 于 人 TTAA 用 同一 限制 性 核酸 酶 切 染 色 体 DNA 所 产生 的 许多 DNA 片段 中 的 一 个 图 4-48 很 多 种 限制 性 核酸 酶 产生 的 粘性 末端 ( 见 图 4-46) 使 两 个 DNA 片段 通过 互补 的 核 昔 酸 碱 基 对 的 相互 作用 连 在 一 起 。 以 这 种 方式 接 起 来 的 DNA 片段 能 在 DNA 连接 酶 催化 的 反应 中 共 价 连接 。 在 本 例 中 形成 了 一 个 含有 染色 体 DNA 插 人 的 杂交 质粒 DNA 分 子 。 许多 限制 性 核酸 酶 产生 交错 的 切口 , 这 样 在 两 族 段 上 就 会 留 下 短 的 单 股 示 端 。 这 称 为 粘性 末端 ” ,因为 它们 能 与 同一 酶 切 成 的 任何 未 端 形 成 互补 碱 基 对 。 一 个 环形 的 DNA 分 子 用 这 种 限制 性 核酸 酶 切 成 的 单 切口 ,通过 它 粘 性 末端 的 “退火 ”( 碱 基 配 对 ) 将 有 助 于 再 形成 一 个 坏 。 用 限制 性 酶 产生 的 粘性 未 端 在 DNA 重组 技术 中 一 直 是 很 重要 的 ,因为 ° 183 = 它们 能 将 任何 两 个 DNA 片段 连接 起 来 ， 只 要 这 些 片 段 是 用 同一 种 限制 性 核酸 酶 产生 的 ,并 因此 具有 互补 的 粘性 未 端 。 一 旦 两 端 用 互补 的 碱 基 配 对 连接 起 来 ,它们 就 可 以 被 称 A “DNA 连接 酶 "的 酶 愈合 , 即 在 DNA 每 股 链 的 相反 端 之 间 形 成 共 价 的 磷酸 键 ( 图 4- 48 )。 限 制 性 酶 和 DNA 连接 酶 的 结合 使 用 有 可 能 将 任何 DNA 的 片段 移植 到 自我 复制 ， 的 成 分 中 去 。 选 定 的 DNA 序列 可 以 用 克隆 化 大 量 产生 ” 可 以 将 任何 来 源 的 DNA RADI RAMA AAS (RK) A DNA 中 去 ， 然 后 让 噬菌体 和 质粒 在 细菌 (或 者 酵母 ) 中 生 se ine tigi 长 而 将 DNA 扩 增 至 数 百 万 倍 以 上 ;这 三 过 程 称 Ra 为 DNA 克隆 化 。 质粒 是 环形 的 双 链 DNA 小 oe oe C29 分 子 ， 自 然 发 生 于 细菌 和 酵母 中 ， 在 寄主 细胞 增 0 殖 时 ,它们 也 作为 一 个 独立 的 单位 复制 。 REE DN a 们 通常 只 作为 寄主 细胞 总 DNA 的 一 小 部 分 , 它 们 却 带 有 重要 的 基因 ， 例 如 对 抗菌 素 有 抗 性 的 基 ‘ical th lia 因 。 这 些 基 因 和 相对 较 小 的 质粒 DNA 均 被 用 于 DNA 重组 技术 中 。 名 由 于 质粒 DNA 小 得 多 , 所 以 很 容易 将 它 与 全 寄主 细胞 的 DNA 分 离 , 并 加 以 纯化 用 作 克 隆 化 有 抗 性 而 能 生长 | 载体 的 提纯 的 质粒 DNA 先 用 限制 性 核酸 酶 切 一 | 全 全 ee 次 ， 然后 与 要 克隆 化 的 DNA 片段 退火 相连 。 由 此 于 产生 的 杂交 质粒 DNA 分 子 再 转 导 到 经 加 工 后 暂 菌落 接 逢 到 大 容积 培养 中 时 人 允许 大 分 子 透 过 的 细菌 中 去 。 经 过 处 理 的 细胞 只 有 一 部 分 接受 质粒 。 这 些 细胞 可 根据 质粒 赋予 的 抗生素 抗 性 加 以 筛选 ， 因 为 只 有 这 些 细 胞 能 在 | @e 抗生素 存在 的 情况 下 生长 。 当 这 些 细 戎 分 裂 时 ， BaD NA sete | 质粒 也 复制 , 产生 大 量 的 导 和 人 的 DNA HEE oS Tl (图 4-49)。 在 增殖 的 最 后 阶段 ;这 种 质粒 的 GG DNA 分 子 被 提纯 , 导 和 人 的 DNA 廊 段 用 同一 限制 图 4-49 利用 在 细菌 中 DNA 的 克隆 性 内 切 酶 作 第 二 次 处 理 切 开 (4-50), 技术 将 一 个 特殊 的 _DNA 序列 纯化 和 克隆 化 的 DNA 经 常 是 用 一 个 特殊 的 限制 性 请。 eae am 竹 民 的 训 内 切 酶 切 开 一 个 细胞 的 整个 基因 组 得 到 的 。 以 这 种 方式 会 得 到 大 量 的 DNA FFB ,例如 从 一 个 哺乳 动物 的 基因 组 总 会 得 到 10 到 10? AA, 因此 克隆 化 过 程 可 能 产生 数 百 万 个 不 同 的 细 著 或 酵母 的 菌落 每 个 菌落 内 的 质粒 携带 不 同 的 基因 组 DNA 插入 序列 。 必须 将 含有 需要 的 基因 组 DNA 侈 段 的 质粒 的 少数 菌落 选 出 ,并 让 它们 增殖 形成 一 个 大 的 细胞 群 ,或 者 称 为 克隆 。 筛 选 所 需 的 菌落 在 往 是 克隆 过 程 中 最 困难 的 任务 。 常 规 用 于 鉴定 含有 一 个 特异 的 被 克隆 化 的 DNA 片 般 的 菌落 的 技术 要 用 到 与 被 克隆 化 的 DNA 互补 的 放射 性 核 酸 探 针 。 我 们 现在 将 要 讨论 这 样 的 探 针 是 怎样 制备 的 。 。184 。 特殊 的 mRNA 分 子 的 拷贝 可 以 被 克隆 化 ?3 上 文 描述 的 克隆 技术 有 时 可 称 为 " 鸟 枪 法 *， 因 为 整个 基因 组 _DNA 被 切 成 大 量 的 ， 纯化 的 含有 被 克隆 的 DNA 片段 的 质粒 TTA nap 根据 两 个 DNA 片段 大 小 的 差别 分 离 人 下 下 Nag 一 -一 一 一 ATEEECCCTIEAA 纯化 的 被 克隆 的 DNA 片段 r 入 TTA x 图 4-50 从 一 个 包含 重组 DNA 分 子 的 质粒 回收 被 克隆 的 _DNA HE. ROKK DNA Fr BeC ULES 4-48) 相 同 的 限制 性 核酸 酶 从 质粒 里 再 将 该 片 眉 切 出 来 。 随机 地 携带 基因 的 三 段 。 结 果 , 有 的 包含 一 部 分 基因 很 多 片段 却 只 含有 不 编码 的 DNA， TRA AEA, 另 一 种 策略 是 从 只 选择 那些 转录 为 RNA 的 DNA 序列 人 手 开始 克 噬 化 过 程 。 做 法 是 从 细胞 抽 提 出 mRNA (或 者 提纯 的 mRNA 的 亚 组 分 ) 然 后 将 其 中 每 个 RNA 分 子 做 成 DNA 拷贝 ( 称 为 cDNA 分 子 )。 这 通过 反 转 录 酶 有 可 能 做 到 ,因为 反 转 录 酶 以 RNA 为 模板 ， 催 化 相反 的 过 程 , 合成 互补 DNA, 而 不 是 催化 DNA 转录 成 RNA, 用 反 转 录 酶 合成 的 单 链 cDNA 可 以 用 DNA 聚合 酶 转变 为 双 链 的 cDNA 分 子 , 再 插 和 人 到 质粒 中 做 成 克隆 (图 4-51)。 质粒 可 以 用 这 样 的 方法 构建 ,即使 得 被 克 恬 的 CDNA 在 细胞 内 指导 由 cDNA 编码 的 特殊 蛋白 质 大 量 合成 。 用 这 种 "遗传 工程 "的 方法 细菌 或 酵母 能 被 诱导 大 量 制 造 有 用 RUE A ARR ERMAN TIERS FA, CDNA DARKE HSE TEN RADAEAN EH. 这 个 方法 是 用 放射 性 核 背 酸 前 体 做 成 单 链 CDNA, 由 此 做 成 的 放射 性 标记 的 DNA 能 以 下 述 方 诸 与 互补 的 基因 组 克隆 杂交 。 因为 cDNA 是 从 mRNA 做 成 的 ， 所 以 它 与 编码 蛋白 质 的 基因 组 DNA 相当 ， 并 且 它 与 克隆 里 的 DNA 杂交 融 表 明 该 克隆 包含 着 编码 mRNA 分 子 基 因 的 一 部 分 。 克隆 化 的 DNA 片段 可 立即 作 序列 分 析 ? | 当前 ,已 有 可 能 简单 而 快速 地 测定 被 克隆 的 DNA 片段 的 序列 。 这 些 方法 之 一 的 原 理 在 图 4-52 和 图 4-53 中 示 明 。 这 种 新 技术 业已 导致 了 100 多 个 哺乳 动物 全 部 基因 的 DNA 序列 的 确定 ， 其 中 包括 为 胰岛 素 `. 血 红 和 蛋白、 干扰 素 和 细胞 色素 C 编码 的 基因 。 目 前 测定 一 个 蛋白 质 氨 基 酸 序列 最 容易 最 准确 的 方法 是 对 编码 它 的 基因 作 序 列 分 析 ， 然 后 用 遗传 密码 作词 典 , 从 核 音 酸 序列 反 推 出 蛋白 质 的 序列 。 尽管 在 原则 上 有 6 种 不 同 的 读 码 ;, 从 它 可 以 将 任何 DNA 的 序列 读 成 蛋白 质 ( 每 一 链 上 有 三 种 读 码 )， 通 党 认为 只 是 那 种 不 经 稼 出 现 终止 密码 的 序列 才 是 准确 的 序列 。 DNA 顺序 的 信息 量 是 这 样 地 大 《之 10" BAB) ,以致 必 须 用 计算 机 来 贮存 和 分 析 。 核酸 杂交 反应 提供 了 测定 特殊 核 苷 酸 序列 的 一 个 灵敏 方法 ” = DNA 水 溶液 加 热 到 100°C 或 者 置 于 非常 高 的 PHC > 13) 时 ,通常 将 双 螺 旋 的 二 * 185° i 股 链 连 在 一 起 的 互补 碱 基 对 断 开 , 双 螺 旋 立 即 解 开 成 二 股 单 链 。 这 个 被 称 为 DNA 变性 过 程 , 很 多 年 来 被 认为 是 不 可 逆 的 。 但 是 在 1961 年 发 现 ,假如 互补 的 DNA MHZ 65°C 保存 较 长 时 间 很 容易 重新 形成 双 螺旋 《该 过 程 称 为 DNA 复 性 或 杂交 )。 两 股 单 链 的 核 用 32P 在 5 " 端 标记 的 原 DNA 片段 次 个 - TGCACTTGAACGCATGCT | Re RB —h ERR ques RNA AF 产生 各 种 长 度 的 放射 性 的 片段 ES mRNA/cDNA 碱 处 理 : Mes 降解 的 mnRNA oh ee : pats Tepe 带 放 射 性 标记 的 片段 “未 标记 的 片段 eszEEEEEERE9S5B 用 于 克 作 化 的 这 些 片段 被 病 胶 电泳 严格 按 其 长 度 分 离 ; ES slGcDNA 只 有 放射 性 片段 站 能 为 放射 自 显影 术 检 测 到 cDNA 克隆 图 4-51 一 个 mRNA 分 子 的 DNA 拷贝 4-52 在 一 特定 类 型 的 核 蔡 酸 上 随机 裂解 一 条 DNA 链 而 (cDNA ) 是 由 反 转 录 酶 产生 的 ， 该 酶 是 一 种 产生 的 一 组 DNA AER SK 裂解 都 是 通过 温和 的 化 学 处 理 ， 病毒 的 酶 ; 它 以 单 链 RNA 为 模板 合成 一 条 从 链 上 切除 一 个 核 昔 酸 ?而 让 绝 大 多 数 这 类 被 切除 过 的 核 苷 酸 互补 的 DNA 和 链 , 因 此 形成 DNA/RNA 杂 链 保持 完整 。 只 有 左边 5 末端 的 [”P] 磷 酸 基 困 有 放射 性 。 交 螺 旋 链 。 用 碱 处 理 DNA/RNA 杂交 螺旋 链 ， 可 选择 性 地 将 RNA 链 降解 成 核 音 酸 。 余下 的 单 链 | of CHE ay 6 a ee ||| bres H,C : o=P—@- i ia 5 _ athe OH fs fe) 2 9 9 (o 三 IC ee O--P-o- ir QrP—O> 2 O=Pp-—O- Be On) Os H O OH OH MEA B= BRK a O res O=P-o-, Ho 链 从 5“ 到 3 端 方向 生长 CH. 5 ee 图 5-I 由 RNA 聚合 酶 所 催化 的 反应 。 在 每 一 步骤 中 ,根据 DNA 模板 链 上 外 露 的 碱 基 选 择 能 与 之 配对 的 三 磅 酸 核 苷 ;接着 它 以 单 磷酸 核 背 的 形式 加 在 生长 的 RNA 链 3" 端 羟基 上 ( 黑 箭 头 )e 因此 ， 新 的 RNA 链 由 于 到 3" 端 方向 生长 ， 并 与 DNA 模板 链 的 序列 互补 。 - 端 向 3’ 端 逐渐 伸 长 (图 5-1)，RNA 聚合 酶 不 断 地 增 沙 核 苷 酸 ， 一 直到 它 遇 上 DNA 中 的 第 二 个 特异 的 核 昔 酸 序列 一 一 终止 信号 一 一 为 止 , 在 这 里 ,到 合 酶 将 DNA 模板 和 新 合 成 的 RNA 链 都 释放 出 来 。 酶 移动 时 ,形成 了 一 小 段 RNA-DNA 双 螺旋 ;但 不 如 DNA- DNA 双 螺旋 稳定 ， 所 以 马上 置换 其 中 的 RNA 而 重新 建立 起 DNA-DNA WHE. 结 果 , 每 一 条 完成 的 RNA 链 从 DNA 模板 上 释放 出 来 成 为 单 链 的 RNA 分 子 (图 5-2)6 WE, DNA 的 任何 一 疏 都 可 以 拷贝 成 两 个 不 同 的 mRNA 分 子 一 两 条 DNA 链 中 的 每 一 条 都 可 以 拷贝 出 一 个 mRNA 分 子 。 事 实 上 ，, 被 拷贝 的 只 是 一 条 DNA #, 至 于 哪 一 段 被 找 贝 则 根据 它 两 旁 的 基因 而 定 。 启 动 子 DNA 序列 (起 始 信号 ) 是 指出 那 条 链 要 被 拷贝 的 “路 标 ”。 启动 子 使 RNA 聚合 酶 朝 一 个 方向 通过 一 个 给 定 的 遗传 区 段 ， 这 就 自动 地 确定 了 两 条 链 中 的 哪 一 条 将 解读 (图 5-3)。 作为 天 肠 杆 菌 RNA 聚合 酶 启动 子 的 DNA 序列 已 研究 得 很 清楚 了 。 它 们 的 共同 特 征 是 聚合 酶 识别 两 眉 长 为 6 个 核 昔 酸 的 序列 ,在 两 外 序 列 之 间 有 一 段 约 25 TERE 。194 。 识别 DNA (图 5-4)。 如 图 5-4 HATA, MAS RGR HES Ay DNA FEST 也 有 共同 的 特征 。 真 核 生 物 细胞 有 三 种 不 同 的 RNA RAM; 基本 上 类 似 于 细菌 的 聚合 酶 ,但 它们 起 始 信号 和 终止 信号 是 不 同 的 ,并 县 特征 不 是 很 明显 ( 见 第 八 章 )。 上 面 所 说 的 只 是 大 体 轮廓 ;省略 了 许多 细节 ,在 许多 情况 下 ,在 产生 mRNA 分 子 之 前 一 定 还 有 许多 复杂 步骤。 例如 ,基因 调节 蛋白 有 助 于 决定 哪 一 眉 DNA 被 RNA RAG 所 转录 ， 从 而 在 决定 细胞 制造 哪些 蛋白 质 中 起 重要 作用 。 此 外 ， 在 原核 生物 中 mRNA 分 子 虽然 是 直接 由 DNA 转录 Kaname eee 所 产生 ， 但 在 高 等 真 核 细 胞 中 ， 大 多 数 ”的 起 始 信号 的 终止 信号 RNA 转录 本 先 要 经 过 RNA 加 工 过 程 大 FO OONOAONRORIONY te 大 改变 后 ， 才 离开 细胞 核 而 进入 细胞 质 ini te 成 为 mRNA。 产 生 mRNA 时 的 所 有 这 DNA 螺旋 打开 些 特殊 问题 我 们 将 在 第 八 章 谈 到 细 脑 总 POON IOI : 核 时 作 详 细 讨论 。 现 在 ， 我 们 假定 细胞 WO aa 已 产生 了 有 功能 的 mRNA 分 子 。 看 它 prs 们 是 怎样 指导 蛋白 质 合成 的 。 蛋白 质 合成 天 生 就 是 极 复杂 的 事 ， Pe ets YY | R / vat ; 构成 蛋白 质 合成 基础 的 分 子 过 程 极 ，，。 ， 1 人 证人 5 MM amie | 其 复杂 。 虽 然 我 们 已 能 描述 其 中 许多 过 3 懂得 DNA 转录 、DNA 修复 以 及 DNA DNA Sen HCE N° SDNA-RNA MRE | 挟 制 的 意义 o 例 如 我们 现在 知道 参与 蛋 — SORIUPPROW OPW a, 白质 合成 的 RNA 分 子 有 三 种 (mRNA、 止 并 释放 出 tRNA 和 rRNA) 而 不 是 一 种 ， 但 我 们 ah Jee | 并 没有 完全 了 解 为 什么 非 如 此 不 可 。 因 [ 此 ， 和 蛋白 质 合成 的 细节 大 部 分 是 作为 事 实 而 被 认识 到 的 ， 丝 毫 没有 一 种 清晰 的 概念 结构 。 真正 了 解 了 蛋白 质 合 成 的 机 理 后 将 图 5-2 Bx sian 聚合 酶 从 DNA 上 称 为 启动 子 的 特定 的 的 关键 必定 是 RNA 链 化 学 与 多 肽 合成 Ramee HHH 30 METRE. 所 以 一 条 有 5 000 个 村 | ZIWRA SAHARA ERE AE NTE 8 2 ER. Be RNA Re 怎么 会 由 RNA SEH ART BBE I Ae 定 的 ? 迄今 我 们 还 不 知道 RNA 有 这 些 化 学 性 质 能 使 它 同 氨基 酸 优先 结合 ， 不仅 能 提供 能 量 去 形成 肽 键 ,而 且 能 指定 哪些 氨基 酸 连 接 在 一 起 。 在 弄 清 这 些 问 题 之 前 ,我 们 必须 设 法 进一步 阐明 当今 发 生 的 蛋白 质 合 成 的 细节 ,希望 能 由 此 揭示 出 原始 生命 的 情况 。 tRNA (转运 RNA) 分 子 是 蛋白 质 合 成 中 的 重要 角色 ， 氨 基 酸 在 聚合 成 多 肽 之 前 先 与 tRNA 分 子 相 连接 (图 5-5)。 氮 基 酸 的 羧基 端 与 RNA 相连 接 而 被 活化 成 高 能 形式 。 es。 195 。 从 而 自发 形成 肽 键 生成 多 肽 。 因 为 游离 氨基 酸 不 可 能 直接 加 到 生长 着 的 多 肽 链 上 ， 所 以 这 些 活 化 过 程 是 蛋白 质 合成 所 必需 的 。 自 发 产生 的 只 是 肽 键 因 加 水 而 水 解 的 逆 过 程 。 从 右 往 左 移动 的 RNA RAGA | 上 面 那 一 条 链 作为 模板 制造 RNA , 7 GGGGGGGG 有 el Fa ae npr GCACATACGGGGGGGGCCATICACE dah 9 Bere 从 左 往 右 移动 的 RNA 聚合 酶 用 下 面 那 一 条 链 作 为 模板 制造 RNAA 图 5-3 因 作 为 模板 用 的 DNA 链 一 定 是 从 其 3" 端 横 移 至 5 端 ( 见 图 5-1)， 所 以 RNA RGR 移动 的 方向 决定 了 两 条 DNA 链 中 哪 一 条 将 作为 合成 RNA MRK RABBANHAR WHE 它 启 动 处 的 启动 子 序 列 的 取向 所 决定 。DNA 双 螺 旋 的 任何 一 段 的 两 条 链 中 ， 一 般 只 有 一 条 链 被 转录 。 转 录 产 生 的 每 个 RNA 分 子 的 极 性 和 核 昔 酸 序列 "除了 QU 取代 工 外 ， 同 作为 模板 与 之 配对 的 那 条 DNA 链 完 全 相同 。 蛋白 质 合成 时 决定 氮 基 酸 加 在 哪里 的 是 tRNA 分 子 而 不 是 与 tRNA 分 子 相 连接 的 氮 基 酸 。 这 是 由 一 个 巧妙 的 实验 证 明 的 。 先 用 化 学 方法 把 与 tRNA 连接 的 氨基酸 变 成 Fa -种 氮 基 酸 ( 半 胱 氨 酸 变 成 丙 氨 酸 ), 如 果 让 这 些 杂 种 CRNA 分 子 在 无 细胞 系统 中 指导 蛋白 质 合成 ， 则 蛋白 质 链 中 凡 使 用 这 种 tRNA 的 地 方 都 插 人 了 错误 的 氨基 酸 (A 5-6), 因此 ,成功 地 解码 一 部 分 取决 于 把 每 个 活化 氨基 连接 到 与 其 对 应 的 tRNA 分 子 上 去 的 机 理 的 准确 性 。 mRNA 的 密码 子 与 每 个 tRNA 分 子 的 反 密 码 子 之 间 配 对 的 准确 性 ,对 mRNA 的 成 功 解 码 同 祥 地 重要 ( 见 图 5-9)。 只 有 mRNA 和 tRNA 分 子 结合 在 核糖 体 上 合适 的 位 置 上 ,才能 有 效 地 形成 这 些 碱 基 对 。 遗 憾 的 是 ,我 们 还 得 在 若干 年 后 才能 深入 地 了 解 这 些 核糖 体 介 导 的 结合 的 相互 作用 。 正 如 第 201 页 所 示 ,核糖 体 是 非常 复杂 的 分 子 聚 合体 , 近 期 内 不 太 可 能 在 分 子 水 平 上 正确 地 确定 它们 的 结构 。 专 一 的 酶 使 每 个 氨基 酸 与 其 相应 的 tRNA 分 子 偶 联 : 每 个 tRNA 分 子 怎 样 识别 其 相应 的 氨基 酸 ? 回答 是 一 组 氮 酰 tRNA 合成 酶 把 每 个 氨基 酸 与 其 相应 的 tRNA 分 子 连 接 起 来 。 不 同 的 氨基 酸 有 不 同 的 合成 酶 : ”一 种 合成 酶 使 甘 氮 酸 与 tRNASS 相连 接 , 另 一 种 合成 酶 使 丙 氨 酸 与 tRNA 相连 接 , 依 此 类 推 ， 如 图 5-7 所 示 : 连 接 反 应 分 两 步 进行 ,结果 形成 氮 酰 tRNA 分 子 〈 图 5-8)。 tRNA 分 子 是 把 核酸 序列 的 信息 转换 成 蛋白 质 序列 信息 的 最 终 “接头 "。 (he tRNA 合成 酶 构成 了 对 解码 过 程 同样 重要 的 第 二 组 专 一 接头 。 因 此 ， 遗 传 密码 是 两 组 连 接 的 接头 翻译 的 ， 每 组 接头 都 以 高 度 专 一 性 与 另 一 组 接头 的 分 子 表面 相 匹配 。 它 们 的 结 es 106 。 合 通过 mRNA 4Fh=Et RAR ANKE W—AEBY BRT —k SAT 氨基 酸 ( 图 5-9)。 氨基 酸 被 加 到 生长 着 的 多 肽 链 的 羧基 端 上 蛋白 质 合 成 的 基本 反应 是 在 生长 着 的 多 肽 链 末端 的 羧基 与 氨基 酸 的 游离 氨基 之 间 形 成 肽 键 。 因 此 ,蛋白 质 链 是 从 其 氨基 端 向 羧基 端 逐步 合成 的 。 在 整个 过 程 中 ,多 肽 链 生长 DNA 模 板 转录 RN 伏击 攻克 -本 -让 一 > AGGUCCACG (B) 终 止 信号 5' —CCCACAGCCGCCAGITTCCGCTGGCGGGAITTTIHAAC TTTC TTTAATGA—3' 3' —GGGTGTCGGCGGTC AAGGCGACCGCCG TAAAATTGAAAGAAATTACT— §° ‘ DNA 模 板 | 转录 5 — CCCACAGCCGCCAGUUCC GCUGGCGGGAMUTU] —OH 3 RNA 转录 本 thy = | RNA Wik J u°c fGlnIGI Valualy! Iolrulg! . IehulG| RAEARN A HE Gl Ar aE eee ak CnnlG! re InlG1 iG yuulCy 2 *s —cccac*® “fuut]—ons 图 5-4 大 肠 杆菌 的 RNA 聚合 酶 合成 RNA 时 的 起 始 信号 和 终止 信号 。 〈《A) 聚 合 酶 在 启动 子 序 列 处 起 始 。 一 般 认 为 ,在 RNA CRRA) 起 点 之 前 的 大 约 第 35 个 到 第 10 个 核 昔 酸 之 间 的 两 小 妇 序 列 是 启动 子 。 图 示 两 眉 6 核 苷 酸 序列 中 的 每 一 段 都 只 能 出 现 很 少 改变 , 才 不 致使 启动 子 的 活性 消失 。 一 般 认 为 ?图 示 的 其 余 的 DNA 序列 不 重要 。 | (B)SRABERK LAK TRU REF RRS RS EAORARE IN» RAM 就 停止 . 作用 了 。 所 以 ?DNA 序 列 的 适当 组 合 构成 了 终止 信号 。 如 图 所 示 * 在 新 合成 的 RNA 链 中 ,自身 互 补 的 序列 ( 碟 线 框 内 ) 将 迅速 形成 发 夹 螺 旋 。 业已 证 明 许 多 种 不 同 的 自身 互补 序列 都 有 这 种 功能 ， 因此 ， 构 成 终止 信号 这 一 部 分 所 需 的 看 来 不 是 这 种 核 昔 酸 序列 ?而 是 这 种 发 夹 螺旋 。 中 的 羧基 端 由 于 与 CRNA 分 子 共 价 连接 肽 基 -tRNA 分 子 而 保持 着 活化 状态 。 这 种 共 价 键 在 每 一 周期 中 发 生 断 裂 , 但 由 于 新 氨基 酸 带 来 相同 的 键 而 立刻 得 到 替换 (图 5-10)。 A 此 * 蛋 折 质 合成 时 加 上 去 的 每 个 氨基 酸 都 带 有 活化 能 ,这 种 活化 能 用 于 加 上 下 一 个 氨基 栈 而 不 是 为 它 自己 加 上 去 时 用 的 (这 是 图 2-34 中 描述 的 ”顶端 生长 "的 一 个 例子 )。 a pA HSS 典型 的 cRNA AFAZA CAF WHR. AMAA TARA. 右面 是 X MARRS ATM EY HE RA 体 图 。(B) 为 (A) 图 所 示 结 构 的 实体 模型 tRNA 分 子 有 20 & fh pt — Bh A AE B/D — Hh CRNA 分 子 。 虽 然 它们 的 核 背 酸 序列 不 同 ,但 折 私 方式 相似 。 在 所 有 情况 下 ， 氨基 焉 都 连接 在 tRNA 分 与 苯 丙 氨 酸 连接 的 tRNA 分 子 称 为 tRNA CRA F3' Hy CCA 序列 中 的 A 残 基 上 。 Sung-Hou Kim 赠 ) tRNAs 体外 合成 时 形成 的 正常 蛋白 质 “ 半 胱 氨 酸 经 过 化 学 修饰 变 成 两 氨 酸 后 仍 占 tRNA ee) J yy Ly Ay Al at A ata “Ai 起 节 ata Met ] tRNAs @ 体外 合成 时 形成 的 异常 蛋白 质 fh wei 图 5-6 证 明 在 蛋白 质 合成 时 “识别 ?加 上 每 个 氨基 酸 的 位 置 的 只 是 tRNA， 而 不 是 与 其 相 j 5 a 28 不 是 与 其 相连 接 的 OH Ae) OETA ELE tRNA 腺 苷 酸 氨基 酸 i H,N-C—c29 OE eu hae | ‘E ; AMP et | tRNA | B57 ”氨基酸 被 复 酰 !RNA 合成 酶 激活 后 用 于 蛋白 质 合成 的 本 个 阶段 。 图 示 利用 ATP KM | 释放 的 能 量 使 每 个 氨基 酸 以 高 能 键 与 其 RNA 分 子 相连 。 这 个 氨基 酸 首先 将 其 次 基 直 接 与 AMP 结合 形成 腺 苷 酸 氨 基 酸 而 被 激活 , 同 AMP 结合 通常 是 一 个 不 利 的 反应 , 它 由 提供 AMP 的 ATP 分 子 的 水 解 所 驱动 。AMP 与 氨基 酸 上 的 凑 基 相 连接 不 必 离开 合成 酶 ,就 转移 到 tRNA 分 子 3 庙 糖 的 产 基 上 。 这 种 转移 使 得 氨基 酸 通 过 活化 的 栈 键 与 tRNA 相连 ,最 后 形成 氨 酰 RNA 分 子 。 “每 个 加 上 去 的 氨基 酸 由 它 连 接 的 tRNA 分 子 同 mRNA 链 之 间 的 互补 碱 基 配 对 相互 作用 而 选 出 : 在 转译 过 程 中 :转译 机 构 沿 着 MRNA 分 子 从 5 端 向 3' 端 移动 ,每 次 读 出 mRNA 序 列 的 三 个 核 音 酸 。 每 个 氨基 酸 由 mRNA 分 子 中 的 核 萌 酸 三 联 体 ( 密 码 子 ) 所 确定 ， 密 码 子 同 tRNA 分 子 反 密码 子 端的 三 个 互补 核 昔 酸 序列 相配 对 。 细 胞 中 有 许多 种 tRNA 分 *。199。 ERY oh ae ee ee ee Ae (A) (B) 5-8 AM tRNA 键 的 结构 。 氨 基 酸 的 羧基 端 与 核糖 形成 一 个 酯 键 (在 核糖 的 2 氧 或 3' 氧 上 )。 〈A) 结 构 示 意图 人 B) 相 当 于 (A ) 方 框 区 的 真正 结构 。 tRNAT? 与 密码 子 UGG 结合 fs ABA BAAR: 色 氢 酸 被 它 的 密码 子 所 识别 图 5-9 遗传 密码 通过 两 个 连接 的 “接头 ”而 被 转译 的 示意 图 。 一 个 接头 是 氨 栈 tRNA 合成 酶 ; 它 使 一 个 特定 氨基 酸 与 其 相应 的 (RNA 相 侦 联 ; 另 一 个 接头 是 !RNA 分 子 ， 它 接着 同 mRNA 上 的 相应 核 昔 酸 序列 相 结合 。 子 , 因 为 能 与 每 个 密码 子 进 行 碱 基 配 对 的 只 是 其 中 的 一 种 ,所 以 是 密码 子 决定 了 加 到 生长 中 的 多 肽 链 未 端 上 去 的 特定 的 氨基 酸 残 基 ( 图 5-11)o 三 个 核 昔 酸 可 以 组 成 64 种 序列 (4X4X4)* 大 多 数 mRNA 分 子 有 这 些 序列 。 64 个 密码 子 中 有 3 个 不 编码 氨基 酸 , 用 来 终止 多 肽 链 ; 它们 是 终止 密码 子 。 剩 下 的 61 个 密码 FRA 20 种 毛 基 酸 编码 ,所 以 ,大 多 数 氨基 酸 的 密码 子 不 止 一 个 。 因 此 ,我们 说 遗传 密码 是 简 并 的 (图 5-12 )。 遗传 密码 的 简 并 性 意味 着 或 是 (1) 一 种 tRNA 分 子 可 以 同一 种 以 上 的 密码 子 进 行 碱 基 配 对 ,或 是 (2) 每 种 氨基 酸 有 不 止 一 种 tRNA。 事实 上 ， 两 者 都 是 正确 的 。 有 些 氨基 酸 有 不 止 一 种 tRNA 分子。 此外， 有些 tRNA 分 子 的 结构 只 需 同 密码 子 前 面 两 个 核 昔 酸 * 200 。 = eee H SAE BOK BR PFE 出 来 的 tRNA 分 子 HO OR HH 2B HH Re jo H,N-C-CN-C-C-N-C- ENSOCNES DC“, | R, HHO R, HO UGH 0 : Vi . 连接 到 生长 着 的 连接 到 生长 着 的 Se Jk Be PR EE ta 大 Ua A | 下 和 仙人 多 肽 链 羧基 端的 EO eg ADCs 图 5-10 多 肽 链 通 过 在 其 羧基 末端 上 逐个 加 上 氨基 酸 而 延长 。 因为 生长 着 的 羧基 端 已 被 tRNA 分 子 的 共 价 结合 所 激活 ?所 以 每 个 肽 链 的 形成 在 能 量 上 是 有 利 的 。 激 活 生 长 端的 肽 基 -tRNA 键 是 在 每 个 周期 中 加 上 新 的 tRNA 分 子 时 再 生 的 。 正确 地 碱 基 配 对 ,第 三 个 核 背 酸 容许 错误 配对 (或 者 变动 )o 为 了 调节 核酸 的 生物 活性 ， 一 条 完整 的 核 彰 酸 链 中 的 核 音 酸 如 同 蛋 日 质 中 的 氨基 本 可 被 共 价 地 改变 。 尤其 在 tRNA 分 子 群体 中 有 许多 种 被 改变 的 核 背 酸 ， 每 一 种 都 是 在 tRNA 合成 后 通过 共 价 修饰 而 生成 的 ;图 5-13 举 了 几 个 例子 。 AERA BER WR 和 反 密 码 子 的 碱 基 配 对 ,从 而 使 tRNA 分 子 容易 识别 合适 的 mRNA 密码 子 。 另 一 种 转 录 后 修饰 在 tRNA 分 子 中 也 是 常见 的 ，tRNA 最 初 是 较 长 的 RNA 转录 物 的 一 部 分 , 先 从 那里 切 下 来 , 然后 通过 一 种 酶 把 CCA 三 个 碱 基 加 到 3° 端 而 成 为 完整 的 tRNA。 原核 生物 和 真 核 生 物 都 出 现 这 种 tRNA 的 加 工 反 应 。 mRNA 前 体 的 全 面 加 工 则 只 发 生 在 真 核 生 物 ( 见 第 八 章 )。 在 核糖 体 催 化 蛋白 质 合 成 ? 我 们 刚 摘 述 的 蛋白 质 合成 反应 需要 有 一 个 复杂 的 催化 机 构 来 引导 ,例如 ,多 肽 链 的 生 长 端 必须 与 mRNA 分 子 对 准 , 才 能 保证 MRNA 中 每 一 个 相继 的 密码 子 咕 合 一 个 tRNA 分 子 。 这 意味 着 多 肽 链 的 生长 端 每 加 上 一 个 氨基 酸 后 , 沿 着 mRNA 移动 必须 正好 是 三 个 BER. 由 蛋白 质 和 RNA 分 子 组 成 的 很 大 的 多 酶 复合 体 一 一 核糖 体 ， 使 得 蛋 日 质 合 成 时 的 这 些 事件 成 为 可 能 。 真 核 生 物 和 原核 生物 的 核糖 体 的 结构 和 功能 都 非常 相似 。 每 个 核糖 体 由 一 大 一 小 两 个 亚 单位 组 成 。 RNA 约 占 真 核 生物 核糖 体 的 重量 的 一 半 : 一 个 核糖 体 RNA(rRNA) 分 于 和 大 约 33 种 核糖 体 蛋白 组 成 小 的 亚 单位 , 3 种 rRNA 分 子 和 40 多 种 核糖 体 蛋白 构成 大 的 亚 单位 。 原 核 生 物 核 糖 体 略 小 一 些 ， 所 含 组 分 也 少 些 (图 5-14), 这 两 类 核糖 体 都 有 一 条 沟 可 容纳 一 条 生长 着 的 多 肽 链 ， 另 有 一 条 沟 可 容纳 一 个 mRNA 分 子 。 这 些 沟 的 长 度 分 别 相当 于 约 30 个 氨基 酸 和 35 个 RNA RHR ° 201 ** ee a ae 核糖 体 沿 着 mRNA 链 逐 渐 移 动 ” 一 个 核糖 体 上 有 两 个 不 同 的 tRNA 分 子 结合 部 位 : _ 个 部 位 上 结合 通常 与 多 肤 链 ALR Ay SKE 2 HN 3 图 5-11 加 到 多 肽 链 生 长 端 上 的 每 个 氨基 酸 ， 是 由 该 氨基 酸 所 连接 的 tRNA 分 子 上 的 反 密 码 子 同 mRNA 链 上 的 下 一 个 密码 子 之 间 互 补 的 碱 基 配 对 所 选 定 。 生长 端 连接 的 tRNA 分 子 , 称 为 肽 基 -tRNA 结合 部 位 ;或 了 位 ; 另 一 个 部 位 则 结合 进入 的 载 有 氨基 酸 的 tRNA 分 子 , 称 为 氨 酰 tRNA 结合 部 位 ;或 A 位 。 tRNA 分 子 不 管 结合 在 哪个 部 位 上 ，, 它 的 反 密 码 子 核 彰 酸 必须 同 .mRNA 的 互补 密码 子 形成 碱 基 配 对 ,这 样 才能 在 部 位 上 结合 住 。 人 位 和 了 P 位 如 此 靠近 ,以 致 结合 在 每 一 部 位 上 tRNA 分 子 能 同 邻 接 的 mRNA 分 子 中 的 密码 子 形 成 碱 基 配对 (图 5-15)。 . 多 肽 链 在 核糖 体 上 的 延伸 过 程 可 看 成 是 包含 三 个 独立 步骤 的 循环 (图 5-16)。 第 一 步 , 核 糖 体 上 的 A 位 空 着 ， 隔 壁 的 P 位 被 占 着 ， 于 是 一 个 氨 栈 (RNA 分 子 与 A 位 上 露出 来 的 mRNA HET 昔 酸 形成 碱 基 配 对 。 结 合 在 核糖 体 的 A 位 上 。 第 一 步 ,多 肽 链 羧 基 端 与 P 位 上 的 tRNA 分 子 脱 开 ， 通过 了 肽 键 同 A 位 上 tRNA 分 子 相连 的 氨基 酸 相连 接 。 这 个 反应 由 紧密 结合 在 核糖 体 上 的 肽 基 转 移 酶 所 催化 。 第 三 步 , 随 着 核糖 休 沿 着 mRNA DT 精确 地 向 前 移动 三 个 核 萌 酸 ，A 位 上 新 的 肽 基 - tRNA 移 位 到 P 位 上 。 这 一 步 需 要 能 量 ， 通过 所 be Diy GTP 分 子 的 水 解 使 一 种 核糖 体 蛋白 发 生 系列 构 象 变化 , 从 而 驱动 这 一 步 反 应 《 见 , 139 贡 )。 作 为 第 三 步 移 位 过 程 的 一 部 分 第 二 步 中 在 p 位 产生 的 游离 tRNA 分 子 从 核糖 体 上 释放 后 又 重新 进入 细胞 质 tRNA 库 。 所 以 ?第 三 步 结束 时 * A 位 又 空 出 来 接纳 与 下 一 个 氨基 酸 连 在 一 起 的 一 个 新 的 tRNA 分 子 * 这 样 。 循 环 又 重新 开始 。 因 为 在 最 适 条 件 下 一 个 细菌 每 进行 一 次 循环 只 需 妥 1/20 秒 , 所 以 , 20 秒 钟 左右 就 可 以 合成 平均 大 小 为 400 个 氨基 酸 的 一 个 蛋白 质 。 在 大 多 数 细胞 中 ,和 蛋白质 合成 所 消耗 的 能 量 多 于 其 他 任何 生物 合成 过 程 。 每 形成 一 个 新 的 肽 键 共 需 4 个 高 能 磷酸 键 断 裂 。 每 一 个 RNA 分 子 装载 一 个 氨基 酸 需要 用 去 其 中 的 两 个 高 能 磷酸 键 ( 氏 5-7)。 而 两 个 用 来 驱动 合成 期 间 发 生 在 核糖 体 上 的 两 个 循环 反应 ,一 个 用 于 第 一 步 中 氨 酸 tRNA 的 结合 ， 另 一 个 用 于 第 三 步 中 核糖 体 移 位 e 。202。 三 个 终止 密码 子 中 的 一 个 到 达 时 从 核糖 体 上 释放 出 一 条 蛋白质 链 “ 前 已 提 到 MRNA 中 有 三 个 密码 子 是 终止 密 、 码 子 ， 它 们 终止 转译 过 程 。 任 何 一 个 终止 密码 子 (UAA,UGA 或 UAG) 到 达 核 糖 体 的 A 位 时 ,就 有 一 种 叫做 释放 因子 的 蛋白 质 直接 与 之 结合 。 这 种 结合 打 乱 了 附近 的 肽 基 转移 酶 的 活性 ， 使 得 它 催化 在 肽 基 -tRNA 上 涛 加 一 个 水 分 子 , 而 不 是 基 加 一 个 氨基 酸 的 游离 氨基 ,结果 ,生长 着 的 多 肽 链 的 羧基 端 就 从 同 它 相连 的 tRNA 分 子 上 解脱 下 来 。 因为 通常 就 是 靠 这 种 连接 使 生长 着 的 多 肽 链 与 核 糖 体 相连 的 ,所 以 ,合成 好 蛋白 质 就 释放 到 细胞 质 中 (图 5-17)。 起 始 过 程 决定 蛋白 质 合 成 的 读 码 ” 原则 上 ， 可 用 三 种 读 码 中 的 任何 一 种 来 解 译 RNA 序 列 ,每 种 读 码 会 产生 完全 不 同 的 多 肽 链 ( 见 图 3-13), 当 核 糖 体 与 mRNA PTAC KE 始 译 复合 物 时 就 决定 了 三 个 码 组 中 哪 一 个 要 被 解 读 。 这 个 复合 物 是 在 mRNA 上 多 肽 链 开 始 的 那 个 点 上 装配 的 。 起 始 过 程 很 复杂 ， 它 涉及 由 起 始 因 子 这 种 蛋 白质 所 催化 的 许多 步骤 ， 起 始 因 子 本 身 很 多 是 由 几 条 多 肽 链 所 组 成 。 因 为 起 始 因子 的 复杂 性 ， 所 以 ,起 始 的 许多 细节 还 不 清楚 。 不 过 ,有 一 点 是 清 楚 的 ， 即 每 个 核糖 体 是 以 两 个 分 开 的 亚 单 位 在 mRNA 链 上 装配 起 来 。 小 的 核糖 体 亚 单位 先 装 上 去 ,在 同 mRNA 结合 之 前 ,在 每 个 小 亚 单位 上 装 上 能 识别 密码 子 AUG 并 带 有 甲 硫 氮 酸 的 特殊 的 起 始 子 tRNA。 这 种 装载 反应 由 一 种 起 始 因子 所 催化 : 它 叫 起 始 因子 2, 或 者 IF-2。 一 些 真 核 细胞 蛋白 合成 的 总 速率 由 这 种 因子 所 控制 ( 见 下 页 )。 核糖 体 的 小 亚 单位 通过 连接 在 它 上 面 的 起 始 子 tRNA 分 子 同 AUG 起 始 密码 子 配对 ,从 而 结 合 在 mRNA 分 子 上 ,就 在 那里 开始 了 蛋白 质 合成 (图 5-18 )。 一 个 mRNA 分 子 通常 有 许多 AUG 序列 ,每 个 AUG 序列 编码 甲 硫 氨 酸 。 但 是 , 绝 大 GUA GUC UAC GUG AGC AGU ccc Ucc ACC CCA UCA ACA UUC CCG UCG ACG UUA UUG CUA . AUA ~CUC GGA GGC GCG CGG GAC AAC UGC GAA CAA GGG CAC AUC CUG AAA GCC CGC GCU CGU GAU AAU UGU GAG CAG GGU CAU AUU CUU AAG AUG UUU CCU UCU ACU UGG UAU GUU lleu Leu His Asp Asn Cys Glu GIn Gly Arg Ala 请 注意 大 多 数 氨基 酸 的 密码 于 个 止 个 核 背 酸 有 变动 。 一 — Ap iin Lis AS FAS 图 5-12 BH. BI FEMS BRA Aw A. © 202 ¢ 2/8) wind bs (V,N- PES HN Se idee 3 On TE RS [N®-(A?- 5M) BREF ] “CH 一 CH 一 人 N 2 Pb Ain CER ME (=A) Ha Nc; H yeu 和 — 上 核糖 有 尿 喀 啶 中 的 氧 被 硫 取 代 (4 GR HH) 5-13 tRNA 分 子 中 发 现 的 几 种 稀有 碱 基 * 它 们 都 是 正常 核 苷 酸 挨 入 多 核 背 酸 链 后 通过 共 价 修 饰 产生 的 。 在 大 多 数 tRNA 分 子 中 , 约 109o 的 核 苷 酸 是 这 样 修饰 的 。( 见 图 5-5 A) 一 一 29 nm 一 一 / | Gln S 分 子 量 1, 800; 000 分 子 量 1, 000, 000 5SKNA| 23SRNA_ lesRNA < 一 120 3000 1500 wee | BEM 1% TR ~ 34 种蛋 白质 一 21 各 蛋白 质 [RBA WBE | —~ 32nm= as 分 子 量 ‘4, 500, 000 分 子 量 1, 500, 000 分 子 量 3, 000, 000 Pell 13SRNA 5.8SRNA 28SRNAI|5SRNA ; SS Sea 2000 ts = 二 Bee BHB Hee cooon ae BRB 一 33 种 蛋白 质 . 一 45 种 蛋白 质 (CO Reena) 图 5-14 原核 生物 核糖 体 和 真 核 生物 核糖 体 的 结构 的 比较 。 尽 管 结构 有 差别 ,但 功能 十 分 相似 。 多 数 不 用 作 起 始 密码 子 , 在 其 他 章节 已 阐明 了 ， 哪 一 个 AUG 被 识别 为 起 译 密码 于 取决 于 mRNA 核 背 酸 序 列 的 其 他 部 分 。 起 始 过 程 结 束 时 ,与 核糖 体 的 小 亚 单位 结合 的 所 有 起 始 因子 都 被 印 下 来 ,让 核糖 体 的 大 亚 单 位 与 小 亚 单位 结合 在 一 起 。 ° 204° 这 样 就 形成 了 一 个 具有 完整 功能 的 核糖 体 。 起 始 子 RE 图 5-15 “核糖 体 上 3 个 主要 的 RNA 结合 部 位 示意 图 。 左 按 是 空 着 的 核糖 体 ， 右 边 是 有 负载 的 核糖 体 。 tRNA 分 子 竖 立 着 结合 在 核糖 体 的 P 位 。 通过 把 第 二 个 氮 酰 RNA 分 子 结合 在 核糖 体 的 A 位 上 而 直接 开始 蛋白 质 链 的 合成 (图 5-18)。 以 后 就 如 前 面 所 描述 的 那样 进行 蛋 鼎 质 合成 延伸 期 的 几 个 步骤 ( 见 图 5-16 中 的 第 2 步 )。 因为 起 始 子 tRNA 分 子 总 是 携带 甲 硫 氨 酸 ， 在 原核 生物 中 是 甲 硫 氨 酸 的 氨基 - 甲 酰 衍生 物 。 因 此 ， 新 合成 的 蛋白 质 的 氨基 端 都 有 一 个 甲 硫 氨 芭 。 甲 硫 氮 酸 对 蛋白 质 的 功能 并 不 重要 ， 所 以 发 生 在 它 摊 人 后 不 久 常 因 许 多 种 蛋白 质 毛 基 端 少数 残 基 有 限 的 蛋白 质 水 解 而 被 除去 。 真 核 生 物 蛋 白质 合成 的 总 速率 受 起 始 因子 控制 ” 第 十 一 章 将 讨论 到 多 细胞 生物 的 细胞 只 在 合适 的 环境 中 才 增 殖 。 虽 然 细 胞 的 信号 刺 激 细胞 生长 和 分 裂 的 机 理 还 不 知道 ， 但 是 它们 的 主要 作用 之 一 必定 是 增加 蛋白质 合成 的 总 速率 ， 决 定 这 种 速率 的 是 什么 ? 直接 在 组 织 中 进行 研究 非常 困难 。 但 在 组 织 培养 中 的 细胞 缺乏 必需 氨基 酸 、 葡 萄 糖 或 者 血清 时 ， 它 们 的 多 肽 链 起 始 速率 显著 受到 抑制 ， 可 以 证 明 这 是 蛋白 质 合 成 起 始 因子 IF-2 失 活 的 结果 ， 此外， 已 知 至 少 在 一 种 细胞 未 成 熟 的 红细胞 中 IF-2 活性 的 降低 是 通过 它 的 三 个 蛋 昌 质 亚 单位 之 一 的 磷酸 化 来 控制 的 ,这 提示 真 核 细胞 的 蛋白 质 合 成 速率 部 分 地 受 专 一 性 蛋白 质 激 酶 所 控制 ， 激 酶 处 于 活性 形式 时 抑 制 蛋白 质 合成 的 起 始 。 可 以 推测 ， 当 细胞 在 合适 的 环境 中 时 可 通过 使 蛋白 质 激 酶 失 活 而 引起 细胞 增殖 。 蛋 自 质 合成 许多 所 需 的 起 始 因子 虽然 在 真 核 生 物 和 原核 生物 中 完成 相同 的 基本 功 能 ， 但 在 真 核 生 物 中 远 比 原核 生物 中 多 而 复杂 。 许 多 额外 成 分 可 能 是 调节 和 蛋白， 它们 通 过 控制 蛋白 质 合成 在 多 细胞 真 核 生 物 中 协调 细胞 生长 。 原核 生物 蛋白 质 合 成 的 许多 抑制 物 是 有 用 的 抗生素 " 现代 医学 所 用 的 最 有 效 的 抗生素 ， 很 多 都 在 于 抑制 细菌 蛋白 质 的 合成 。 这 些 药物 很 多 是 利用 原核 生物 核糖 体 和 真 核 生 物 核 糖 体 结构 和 功能 的 差异 。 抗 生 素 的 这 种 选择 性 常 使 人 体能 经 受 相 当 高 浓度 的 抗生素 而 不 出 现 过 分 的 毒性 。 因 为 不 同 的 抗生素 同 细菌 核糖 体 不 同 的 蛋白 质 亚 复合 体 相 结合 。 所 以 ， 常 抑制 合成 过 程 中 的 不 同步 最。 表 5-1 列举 了 。205 人 最 常用 的 这 类 药物 及 其 专 一 效应 。 该 表 还 列举 了 另 一 些 常用 的 蛋白 质 合成 抑制 剂 。 其 中 有 些 作 用 于 真 核 生 物 细 胞 。 因 为 它们 可 阻 断 从 DNA 到 蛋白 质 过 程 中 的 特定 步骤 , 所 以 AAAGACCE CACUCUUCUGGCAGAGA ie hens : 3° 图 5-16 ”核糖 体 上 和 蛋白质 合 成 的 延伸 期 。 图 示 蛋 白质 链 合成 期 间 一 次 又 一 次 重复 的 三 步 循 环 。 第 一 步 ， 氮 酰 tRNA 分 子 与 核糖 体 上 的 A 位 结合 ;第 二 步 , 形 成 一 个 新 的 肽 键 ; 第 三 步 ， 核 糖 体 沿 着 mRNA HEH MEE 酸 的 一 段 距 离 核糖 体 “复原 ?， 循 环 又 可 以 重复 。 表 中 所 列 化 合 物 已 广泛 用 于 生化 和 细胞 生物 学 研究 。 小 结 在 能 够 合成 蛋白 质 之 前 ， MAHA DNA 转录 过 程 产 生 相 应 的 MRNA 分 子 , 再 输送 到 细胞 质 中 。 然 后 ， 各 种 机 构 开 始 起 作 用 。 从 核糖 体 的 小 亚 单位 同 mRNA 分 子 相 结合 而 开始 ,一 个 特定 的 起 始 子 tRNA 分 子 把 核糖 体 的 小 亚 单 位 装 在 mRNA 上 专用 的 起 始 密码 子 上 。 加 上 核糖 体 的 大 亚 单 位 以 构 成 完整 的 核糖 体 ， 接 着 是 蛋白 质 合成 的 延伸 期 。 通 过 由 三 个 相继 步骤 组 成 的 一 个 循环 ,每 一 个 氨基 酸 被 加 到 生长 着 的 多 肽 的 半 基 末端 上 ,这 三 个 步骤 是 : AM tRNA 结合 ， 接 着 形成 肽 键 ; 然 后 是 核糖 体 移 位 。 核 糖 体 沿 着 mRNA 分 子 自 5 端 向 3 端 从 一 个 密码 子 到 下 一 个 密码 子 行进 着 ， 直 至 过 到 三 个 终止 密 码 子 牛 的 一 个 。 然 后 二 个 释放 因子 同 终 诗 密 码 子 结合 ,转译 终止 ,合成 的 多 肽 链 从 核糖 体 上 释放 出 来 E rpg : Ait tRNA 作为 解码 装置 ,使 mRNA 中 特定 的 三 个 核糖 核 昔 酸 组 成 的 序列 转译 成 新 合成 蛋白 质 的 某 一 特定 的 氨基 酸 。 20 种 氨基 酸 中 的 每 一 种 通过 分 两 步 的 识别 过 程 适 合 于 一 个 密码 子 : 第 一 步 是 特定 的 气 酰 tRNA 合成 酶 识别 氨基 酸 ， 把 氨基 酸 连 接 在 专 一 的 tRNA 分 子 上 ;第 二 步 是 tRNA 分 子 中 的 反 密码 子 识别 mRNA 链 中 由 三 个 核 蔡 酸 组 成 的 特定 序列 。 每 一 种 氨基 酸 至 少 有 一 种 专 一 HAR tRNA 合成 酶 和 一 种 专 一 的 tRNA。 DNA 修复 机 理 … 就 一 个 物种 来 说 遗传 的 变化 也 许 有 利于 它 的 长 期 生存 。 但 是 在 它 的 短期 存活 期 间 却 是 绝对 准确 地 保持 其 遗传 记录 。 适 当地 保持 遗传 物质 的 稳定 ， 不 仅 要 求 每 一 细胞 世代 有 。 206。 o 7 ee AUGAACUGGUAGCGAUCG - ty oS oy - 3’ 图 5-17 ”蛋白质 合成 的 最 后 一 个 时 期 。 BK 因子 与 一 个 终止 客 码 子 结合 使 转译 停止 : 合成 好 的 多 肽 释放 出 来 ， 核 糖 体 解 离 成 为 两 个 单独 的 亚 单 位 。 OS eee) 与 起 始 因子 结合 的 ” 核糖 体 小 亚 单位 ImRNA 结 合 合 | 形成 第 一 个 肽 链 Zeta \ 图 5-18 蛋白 质 合 成 的 起 始 期 。 ARK 核 生 物 中 发 生 的 事件 ， 而 细菌 中 发 生 的 过 程 非常 相似。 第 1 步 和 第 2 步 是 指 图 5-16 HARARE Rh Oo * 207 。 表 5-1 蛋白 质 或 RNA 合成 的 抑制 剂 抑制 齐 专 一 效应 只 作用 于 原核 生物 * 四 环 素 阻止 氨 酰 tRNA 结合 在 核糖 体 的 A 位 上 Bx 阻止 从 起 始 复合 物 到 链 延 伸 的 核糖 体 的 转变 REX 阻 断 肽 基 转移 酶 在 核糖 体 上 反应 (图 5-16) 中 的 第 二 步 红 霉 素 阻 断 在 核糖 体 上 的 移 位 反应 (图 5-16) 中 的 第 三 步 TBR it 5RNAR AM STUDI RNA 链 的 起 始 ( 阻 作用 于 原核 生物 和 真 核 生物 IERNA 合成 ) 厌 叭 侮 素 通过 它 加 到 生长 着 的 多 肤 链 未 端 使 新 生 多 肤 链 提前 释放 放 线 菌 素 D 与 DNA 结合 从 而 阻 断 RNA RANEMUB CLE RNA 只 作用 于 真 核 生 物 合成 ) eR A PALL TRAE 9 BERBERA EY REC 5-16 中 的 第 二 步 ) oc 1 AE 通过 优先 与 RNA RAK I 结合 而 阻 断 mRNA 合成 * 真 核 生物 线粒体 (和 了 时 绿 体 ) 的 核糖 体 对 抑制 剂 的 敏感 性 常 同 原核 生物 的 核糖 体 祖 似 。 极其 精确 地 拷贝 DNA 序列 的 机 理 , 而 且 还 需要 一 种 修复 DNA 中 自然 发 生 的 偶然 损伤 的 机 理 。 在 探讨 这 些 复 制 与 修复 机 理 之 前 , 我 们 先 要 简短 地 讨论 DNA 序列 是 怎样 从 一 代 到 下 一 代 不 走样 地 保持 下 去 的 。 以 极 高 的 保 真 性 维护 DNA 序 列 " 对 DNA 序列 的 变化 速率 (突变 率 ) 只 能 间接 地 加 以 估计 。 一 种 办 法 是 比较 几 个 不 同 物种 的 同一 种 蛋白 质 的 氨基 酸 序列 ;: 先 根 据 化 石 记 载 ， 估 计算 出 一 对 物种 在 多 少年 前 是 从 一 个 共同 祖先 那里 趋 异 分 化 ,然后 ,与 不 同 的 氨基 酸 所 占 百 分 数 作 比 较 。 由 此 我 们 可 以 算出 蛋白 质 的 1 多 氨基 酸 中 发 生 稳 定 变 化 所 需 的 平均 年 数 。 因 为 一 般 说 ， 每 一 个 这 样 RIZE GRR TY AS AEA DNA 序列 中 的 一 个 改变 , 所 以 可 用 这 个 数值 来 估算 基因 中 发 生 一 次 稳定 突变 所 需 的 平均 年 数 。 因为 有 些 突 变 有 损 于 蛋 昌 质 的 功能 ,因而 在 选择 压力 下 从 群体 中 消失 ,所 以 总 是 低估 了 实际 突变 率 。 但 有 一 族 已 研究 过 的 蛋白 质 几乎 不 存在 这 个 问题 。 这 些 蛋白 质 是 血 纤维 BAK: 它们 是 凝血 过 程 中 血 纤维 蛋白 原 被 激活 形成 血 纤维 蛋白 时 丢掉 的 长 为 20 个 残 ” 基 的 片段 。 因 为 血 纤 维 蛋白 肽 没有 直接 的 功能 ， 所 以 它们 的 氨基 酸 几 乎 都 可 改变 。 对 血 纤维 蛋白 肽 的 分 析 ( 图 5-19) 表 明 ， 平均 长 度 为 400 个 氮 基 酸 组 成 的 蛋白 质 大 约 每 20 万 年 有 一 个 氮 基 酸 随机 发 生 改 变 。 最 近 ，DNA 序列 分 析 技 术 有 可 能 测定 几 种 哺乳 动物 基 因 组 的 同 源 非 编码 区 中 DNA 序列 的 相似 性 。 得 到 的 突变 率 估计 值 与 研究 血 纤 维 蛋 白 肽 得 到 的 数值 非常 一 致 直接 测 出 的 自发 突变 率 与 进化 估计 值 相符 合 * 观察 生长 着 的 细胞 基因 组 的 目 发 变化 可 以 较 直 接地 估计 DNA 序列 复制 的 差错 率 。 估计 在 非常 大 的 动物 群体 (例如 果 蝇 或 小 鼠 群体 ) 中 新 突变 型 出 现 的 频率 ， 或 普查 体外 培 养 的 细胞 中 某 些 酶 的 变化 都 可 以 做 到 这 一 点 。 虽 然 估计 的 只 是 近似 值 ， 但 用 上 述 两 种 方 法 得 到 的 数据 都 同 10° 对 碱 基 复 制 时 约 有 一 个 碱 基 对 发 生 改 变 的 差错 率 相 符 。 在 哺乳 动 。 208。 每 100 个 氨基 酸 中 的 氨基 酸 改变 每 100 个 氨基 酸 中 的 氨基 酸 改 变 20 40 GO . 80 00 物种 趋 异 后 的 年 数 〈《X10") 200 400. 600 800 1000 物种 趋 异 后 的 年 数 〈x 10°) 图 5-19 在 进化 过 程 中 血 纤 维 5-23 血红 蛋白 和 细胞 色素 < 中 的 氨基 酸 变化 速率 与 蛋白 肽 的 氨基 酸 改 变速 率 血 纤 维 蛋 白 肽 的 氨基 酸 变化 速率 的 比 较 。 进 化 过 程 中 , 血 红 和 蛋白 和 细胞 色素 < 变化 得 比 血 纤维 蛋白 肽 要 慢 得 多 。 500 400 表 5-2 观察 到 的 不 同 蛋白 质 在 进化 期 间 ue 氨基 酸 序列 的 变化 速率 Aiea 蛋白 质 单位 进化 时 间 ( 百 万 年 ) 和 a 血 纤 维 蛋 白 肽 1.2 五 血红 蛋白 6.1 mS 细胞 色素 C dl 5 组 蛋白 H4 600 0 50 40 60- 了 80 100 “单位 进化 时 间 ? 的 定义 是 该 蛋白 质 在 其 所 含 年 龄 的 每 100 个 氨基 酸 中 出 现 一 个 可 接受 的 氨基 酸 改 变 所 需 的 平均 时 间 。 图 5-21 美国 大 肪 瘤 的 死亡 率 与 年 龄 的 关系 。 指 数 上 升 表 明 ,产生 这 种 痪 细胞 需要 有 几 个 独立 的 遗传 事件 。 物 中 ， 这 个 数值 相当 于 每 一 细胞 世代 每 一 单 倍 体 基因 组 大 约 有 三 个 改变 。 给 一 个 平均 大 小 的 蛋白 质 编码 的 基因 有 约 10 碱 基 对 ,这 基因 约 需 10' 细胞 世代 才 积累 一 个 突变 。 如 果 我 们 假定 一 个 生殖 系 ( 从 亲 代 的 卵 到 子 代 的 卵 ) 平 均 每 年 约 五 个 细胞 世代 ， 则 这 一 数值 与 一 个 平均 大 小 的 于 因 每 20 万 年 发 生 一 次 突变 这 样 一 个 进化 突变 率 估计 值 是 一 致 的 。 e。 209。 蛋白 质 的 突变 大 多 数 是 有 害 的 ,被 自然 选择 所 淘汰 两 种 生物 的 某 一 蛋白 质 中 氮 基 酸 差 异 的 数目 同 这 两 种 生物 趋 异 后 的 时 间作 图 、 可 得 一 条 相当 直 的 线 。 这 就 是 说 , 趋 异 后 的 时 间 越 长 ,差异 的 数目 越 多 。 为 方便 起 见 , 直线 的 Rm . INNAH OH O eer} i H Be na 互 变异 构 转移 2 国人 N“H 0 ja N Te HR ES AS )o TAF, DNA rh Ay eae Be 2 i SE DR EE A SKS TE ALA 100 个 (图 5-22)。 能 够 © 212° 改变 DNA Rn 能 使 DNA 碱 基 发 生变 化 ， 紫外 线 能 够 促使 DNA 中 两 个 相 邻 的 胸腺 喀 啶 碱 基 共 价 结合 (形成 胸腺 喀 啶 二 聚 体 )。 这 些 还 只 是 我 们 DNA 中 自发 产生 的 许多 变化 中 的 几 种 。 可 以 预期 大 多 数 变 化 会 导致 DNA 复制 后 产生 的 子 DNA 中 一 个 或 几 个 碱 基 对 的 缺失 ， 或 导致 碱 基 对 的 替换 (例如 ， 由 于 与 工 极为 相似 ， 所 以 能 与 A 形 成 互补 碱 基 对 ， 因 此 C 行 次 脱 氨 变 成 Q， 最 后 会 使 C-G 碱 基 对 变 成 T-A 碱 基 对 ,( 见 100 页 )。 正 如 我 们 已 经 看 到 的 这 些 变化 对 生物 会 有 灾难 性 的 后 果 。 基因 的 稳定 性 归 因 于 DNA 修复 ” 尽管 在 人 体 细胞 DNA 中 每 天 由 于 热能 而 发 生成 千 上 万 次 随机 变化 ， 但 _ 年 内 每 丰 细胞 DNA 序列 中 至 多 只 积累 几 个 稳定 的 改变 。 解 FLL DNA 修 复 过 程 以 很 高 的 效率 消除 了 这 些 捐 。 上、 An i. 伤 各 种 修复 机 制 全 有 款 于 存在 遗传 信息 的 两 个 #0, DNA 双 螺 旋 的 每 条 链 是 一 份 找 贝 。 如 图 i Lh 5-23 的 图 解说 明 ,。 一 组 酶 识别 并 除去 受 损伤 链 中 ， 发 生变 化 的 部 分 ,然后 ， 由 另 一 种 酶 即 DNA Re 酶 通过 互补 的 碱 基 配 对 复制 出 贮存 在 “好 ” 链 中 的 a] al 信息 ,使 切 去 部 分 恢复 原样 。 最 后 ,由 DNA 连接 BH: DNA 螺旋 中 留 下 的 缺口 修复 成 一 条 完整 - +E 的 DNA 链 。- ‘ec aay me: BCS LAN DNA 损伤 。 根 据 图 5-24 中 的 简略 表示 来 看 ,这 类 损伤 的 修复 效率 极 高 。 首 先 ， 一 种 修复 核酸 酶 识别 丢失 碱 基 的 位 置 ， 在 改 ae ie 变 的 位 置 上 切 开 DNA 的 磷酸 二 酯 骨 淋 。 然 后 在 图 5-27 DNA 中 里 基 化 胞 喀 啶 残 苇 脱 拔 产生 胸 原 切 点 两 旁 进一步 切割 除去 附近 的 核 背 酸 (包括 。 腺 喀 啶 而 不 产生 尿 喀 啶 , 尿 喀 啶 DNA Bet WSR) 之 后 ， 就 如 图 5-23 所 示 , 恢复 了 SRA TRAE 没有 损伤 的 DNA 序列 。 另外 一 条 非常 重要 的 修复 途径 涉及 一 组 DNA 糖 基 化 酶 (DNA glycosylase)， 每 一 种 酶 识别 DNA 中 改变 的 一 种 碱 基 ， mse eae 上 除去 (图 5- 25)。 一 般 认 为 这 种 酶 至 少 有 20 种 ,其 中 包括 除去 脱 氨 的 胞 喀 啶 、 脱 所 的 腺 嘎 吟 、 不 同类 型 的 煤化 碱 基 、 带 有 开 环 的 碱 基 及 碳 - 碳 双 链 偶然 变 成 碳 - 碳 单 链 的 碱 基 的 那些 酶 。 图 5-26 表 示 除 去 脱 氨 胞 喀 啶 的 过 程 作为 在 所 有 情况 下 起 作用 的 普遍 机 制 的 例子 。 首 Jory Men DNA 糖 基 化 酶 除去 损伤 的 碱 基 。 然 后 第 二 种 酶 识别 脱 去 碱 基 的 糖 (就 是 图 5-24 所 示 的 识别 脱 嘎 叭 的 DNA 所 在 位 置 的 酶 )， 在 DNA 那 一 点 上 切 开 磷酸 二 酯 骨 架 。 当 另 一 种 酶 把 和 在 损伤 碱 基 同 一 条 链 上 的 旁边 的 核 萌 酸 切 去 后 ，DNA 聚合 酶 催化 DNA 修复 合成 。 结 果 , 由 于 偶然 脱 氨 而 产生 的 尿 喀 啶 又 恢复 为 胞 喀 啶 (图 5-26)。 两 种 不 同方 法 已 直接 证 明 除 去 偶然 脱 氨 的 DNA 碱 基 的 重要 性 。 第 一 ,缺少 尿 喀 喧 DNA 糖 基 化 酶 的 突变 型 细菌 中 , 通常 情况 下 C-G 变 为 T-A 碱 基 对 的 很 低 的 自发 突变 率 提 高 了 UREA 第 二 个 例子 是 在 DNA 序列 的 特定 点 上 ， 有 些 胞 旷 啶 碱 基 常 会 电 # 2)3" © Hy ae 基 化 产生 5- 甲 基 胞 旷 啶 。 细 菌 和 高 等 生物 细胞 中 都 出 现 这 种 情况 。 在 研究 某 个 细菌 基因 时 发 现 , 这 种 甲 基 化 作用 会 提高 甲 基 化 位 置 上 的 突变 机 率 。 这 个 结果 可 归 因 于 5= 甲 基 胞 mite Aiea ree DNA 的 正常 成 分 胸腺 喀 啶 残 基 , MARE RE. AANA RR WE-DNA 糖 基 化 酶 不 能 识别 这 些 特 殊 的 胞 喀 啶 脱 氨 作用 ,结果 不 能 得 到 修复 (图 5-27)5 由 于 不 同 的 DNA 糖 基 化 酶 识别 DNA 中 各 种 不 同类 型 的 碱 基 损 伤 , 所 以 大 多 数 异 -和 常 碱 基 很 快 被 切除 ,形成 了 一 个 失去 碱 基 的 位 置 。 然 后 ,每 一 个 这 样 的 位 置 被 恢复 脱 叮 吟 磊 基 的 同一 个 有 效 的 修复 系统 所 修复 。 : . \ 细胞 还 有 另 一 条 多 步骤 切除 途径 , 几乎 能 够 除去 引起 很 大 损伤 的 任何 一 种 DNA 损 伤 。 这 些 “大 损伤 ”包括 DNA 碱 基 与 有 致癌 能 力 的 大 的 烃 类 (例如 ， 荣 并 花 和 日光 产生 的 胸腺 连 啶 二 聚 体 ) 共 价 反 应 所 造成 的 损伤 。 在 这 些 情 况 下 ,需要 有 一 个 大 的 多 酶 复合 体 来 识别 DNA 双 螺 旋 中 的 大 损伤 而 不 是 茶 个 碱 基 的 改变 。 第 一 步 是 切 开 损伤 旁边 的 磷 酸 二 酯 骨架 。 第 二 步 是 切除 损伤 ,在 原 处 重新 合成 DNA ( 见 图 5-23)e 细胞 对 DNA 修复 酶 作 了 大 量 投资 ， 反 映 了 这 些 修复 过 程 对 生命 的 重要 性 。 例如 ， 7 天 然 的 DNA 碱 基 非 天 然 的 DNA 碱 基 O on =| Salhi | AT LE th os [rae | 图 5-23 图 示 DNA 碱 基 的 所 有 自发 脱 氨 产物 , 当 它们 出 现在 DNA 时 都 因为 是 非 天 然 碱 基 而 可 以 被 识别 。 对 着 色 性 干 皮 病 患者 所 作 的 遗传 学 分 析 表 明 ， 单 是 切除 “大 损伤 "就 至 少 要 有 5 HM. 酵母 所 作 的 更 全 面 的 遗传 学 分 析 表 明 DNA 修复 酶 至 少 有 50 多 种 ， 每 种 酶 始终 在 监督 着 每 个 细胞 中 的 DNA} Pe DNA 双 螺 旋 的 结构 和 化 学 性 质 使 它 容 易 得 到 修复 如 果 DNA 的 第 四 种 核 苷 酸 是 尿 喀 喧 ,而 不 是 胸腺 旷 啶 ( 它 就 是 5- 甲 基 尿 喀 啶 )， 则 我 们 上 面 所 说 的 去 除 脱 氮 胞 喀 啶 的 机 理 〈 图 5-26) 就 不 会 起 作用 。 胞 喀 喧 自发 脱 氨 生成 Rete, 所 以 识别 并 切除 这 些 偶发 损伤 的 修复 酶 也 会 切除 这 种 DNA 中 的 正常 的 尿 喀 啶 (图 5-28 )。 同 样 次 黄 味 叭 是 能 与 胞 喀 啶 专 一 配对 的 最 简单 的 嘎 叭 碱 , 配对 时 形成 两 个 氢 键 。 但 是 次 黄 味 叭 是 腺 嗓 叭 的 直接 脱 所 产物 (图 5-28 )。 RRM LK MBO TREY 产生 鸟 茜 叭 ， 由 此 演变 成 有 三 个 氨 键 的 G-C 对 。 因 此 ， 腺 嗓 叭 和 鸟 味 叭 这 两 种 味 叭 碱 就 不 能 通过 上 自发 脱 氨 而 相互 转变 。 于 是 , DNA 中 每 一 个 可 能 的 脱 所 事件 产生 一 种 非 天 然 WE, 能 被 一 种 特殊 的 DNA 糖 基 化 酶 识别 并 除去 (图 5-28)。 因此 碱 基 的 化 学 性 质保 证 脱 氨 作 用 可 被 检 出 。 但 精确 的 修复 一 一 以 及 对 Schroedinger 二 难 推理 的 基本 答案 一 有 赖 于 双 螺 旋 的 两 条 链 各 目 有 遗传 信息 拷贝 。 只 有 二 份 拷贝 在 同 一 个 碱 基 对 上 同时 受到 损伤 ， 细 胞 才 会 没有 一 个 完好 的 拷贝 作为 DNA 修复 的 模板 , 但 很 少 会 出 现 这 种 情况 。 遗传 信息 也 能 贮存 在 单 链 DNA 中 ， 一 些 很 小 的 病毒 是 单 链 基因 组 。 但 这 样 的 DNA 不 能 进行 修复 ， 所 以 这 些 病 毒 的 突变 率 很 高 。 只 有 基因 组 极 小 的 生 物 才能 将 它们 的 遗传 信息 编码 在 不 是 DNA 双 螺 旋 的 结构 中 。 小 结 ” 在 整个 进化 期 间 从 非 必 需 蛋 白质 和 _ DNA 序列 的 变化 速率 , 可 以 估算 出 高 等 真 核 生 驴 中 DNA 序列 借以 维持 的 保 真 性 。 这 种 保 真 性 录 之 高 ,以 致 3X 10? RETA EAB 肠 基 因 组 平均 每 年 影响 到 生殖 系 的 只 有 15 个 碱 基 对 的 变化 。 但 是 ， 不 可 各 免 的 化 学 衰变 过 程 使 这 桩 大 小 的 基因 组 每 天 有 成 千 上 万 个 DNA 核 蔡 酸 受到 损伤 。 只 是 由 于 有 各 种 各 桂 的 _ DNA 修复 酶 在 不 断 地 监测 着 DNA ,并 除去 损伤 的 核 划 酸 ,遗传 信息 才能 稳定 地 贮存 在 DNA 序列 之 中 。 DNA 修复 过 程 有 头 于 DNA 双 吕 族 的 每 一 条 钾 各 贮存 着 遗传 信息 的 一 份 拷贝 。 所 以 一 条 链 上 的 偶然 损伤 可 被 修复 酶 切除 ,根据 未 损伤 钾 中 的 信息 重新 合成 一 条 完好 的 链 。 oot DNA 复制 机 理 生物 除了 由 DNA 修复 来 保持 DNA 序列 的 完整 性 外 , 还 必须 在 再 次 细胞 分 发 之 前 准确 地 复制 自身 的 DNA, DNA 复制 时 , 聚合 速率 在 细菌 中 约 为 每 秒 500 PRAM, 在 哺乳 动物 中 约 为 每 秒 50 个 核 萌 酸 。 显 然 , 复制 酶 必须 既 准 确 又 迅速 。 速 度 和 准确 是 借助 几 种 不 同 蛋 户 质 组 成 的 多 酶 复合 物 来 达到 的 ， 多 酶 复合 物 指导 复制 过 程 并 构成 一 台 精 组 的 复制 机 器 ”。 碱 基 配 对 是 DNA 复制 和 DNA 修复 的 基础 ” DNA 复制 的 定义 是 DNA 核 背 酸 序列 (或 DNA 的 某 一 段 ) 通过 互补 的 碱 基 配 对 。215 。 (A 与 工 或 U 配 对 , G 与 C 配 对 ) 复 制 成 为 互补 的 核酸 (DNA 或 RNA) 序列 的 过 程 。 这 个 过 程 要 求 DNA 中 的 每 个 核 背 酸 能 被 尚未 聚合 的 互补 的 核 音 酸 所 识别 ;要求 DNA 最 旋 的 两 条 链 分 开 ,至 少 是 暂时 分 开 ,让 每 个 碱 基 上 的 氢 键 供 休 基因 和 氢 键 受 体 基因 暴露 出 来 进行 碱 基 配 对 。 然 后 ， 进 入 的 相应 核 背 酸 单 体 (A、G、C 和 T) 在 酶 催化 的 聚合 作用 下 呈 直 线 排 成 一 条 新 的 核酸 链 。1956 年 ,发 现 了 第 一 个 核 背 酸 聚 合 酶 ， 定 名 为 DNA 合 酶 。 已 证 明 这 种 酶 的 底 物 是 脱氧 核 音 三 磷酸 ,它们 按 图 5-29 中 所 示 的 分 步 机 理 聚 合 在 ‘pe DNA 模板 上 。 我 们 已 经 看 到 。 这 种 酶 是 如 何在 DNA 修复 时 发 生 作 用 .的 (图 5- 23)% DNA 复制 时 , 每 一 条 老 的 DNA 链 作 为 形成 新 链 的 模板 。 所 以 很 长 的 _DNA_ 序列 据说 是 “ 半 保 留 地 复制。 一 个 分 裂 细 胞 的 两 个 子 细胞 都 继承 一 条 新 的 _DNA 双 螺 旋 ; 其 中 含 一 条 老 链 和 一 条 新 链 ( 见 图 3-11)。 本 世纪 60 年 代 初 期 用 短 脉 冲 LSH] 胸 昔 标记 正在 复制 的 整 条 染色 体 ， 放射 自 显影 分 析 结 果 发 现 了 沿 着 亲 体 DNA 螺旋 移动 的 局 部 复制 区 。 由 于 它 具 有 Y 形 结构 ;所 以 称 这 种 活性 区 段 为 DNA 复制 又 。 在 每 一 个 这 样 的 区 段 中 ,合成 着 DNA 的 两 条 新 的 子 螺 iio | DNA 复制 又 是 不 对 称 的 ” 本 世纪 60 年 代 出 现 的 最 简单 的 DNA 复制 机 理 为 ， 两 条 新 链 都 是 随 着 复制 又 从 DNA 分 子 的 一 端 向 另 一 端 移动 时 ,在 复制 又 处 一 个 一 个 地 加 上 核 背 酸 而 不 断 生长 的 中 但 因为 DNA 螺旋 中 的 两 条 DNA 链 是 反 向 平行 的 ， 所 以 ， 这 种 机 理 就 要 求 一 条 子 链 从 5 端 向 3 端 生长 ， 另 一 条 子 链 则 从 3' 端 向 5 端 生长 (图 5-30)。 这 样 一 种 复制 又 就 要 求 有 两 种 DNA 聚合 酶 。 一 种 聚合 酶 按 图 5-29 中 所 示 , 从 5 端 向 3 OR Ae 大 的 每 一 个 脱氧 核 背 三 磷酸 单 体 都 带 有 为 沙 加 它 自 身 所 需要 的 三 磷酸 活化 作用 。; 另 一 种 DNA 聚合 酶 从 3 端 向 5 端 移动 。 需 通过 所 谓 的 “顶端 生长 "方式 起 作用 ， 此 时 生长 中 的 DNA 链 未 端 常 有 为 相继 核 昔 酸 添加 时 所 需 的 三 磷酸 活化 作用 。 尽管 生物 化 学 研究 发 现 在 其 他 地 方 确 有 几 种 “顶端 生长 ”聚合 过 程 , 但 实际 凸 没有 这 种 从 3’ 端 到 下端 的, DNA 聚 合 酶 ( 见 图 2-34)o 那 未 。3' 端 向 引 端的 DNA 合成 是 怎么 进行 的 呢 ?9 本 世纪 60 年 代 后 期 放射 性 标 记 DNA 前 体 的 实验 首次 回答 3 个 问题 。 如 果 将 高 放射 性 的 [H] HMSO Be 细胞 中 几 秒 钟 , 只 有 在 复制 又 后 面 刚 复 制 的 DNA 上 标记 。 这 种 选择 标记 法 揭示 ,在 细菌 的 生长 又 处 临时 有 一 些 长 为 1 000 到 2 000 个 核 昔 酸 的 片段 (由 于 历史 的 原因 ,通常 都 称 这 些 片段 为 网 崎 片段 ;在 真 核 生物 中 ,它们 只 长 100 到 200 PTH). IRAs WEBI 片段 只 从 链 的 5 端 向 链 的 3' 端 合成 ， 而 且 在 合成 后 由 DNA 修复 期 间 封 住 DNA 螺旋 中 缺口 的 同一 种 DNA 连接 酶 连接 起 来 形成 DNA 长 链 ( 图 5-23)。 现在 知道 ， 复 制 又 具有 如 图 5-31 所 示 的 那 种 不 对 称 结构 。 连续 合成 的 DNA 子 链 称 为 前 导 链 (leading strand)， 它 的 合成 先 于 不 连续 合成 的 那 条 子 链 ， 不 连续 合成 的 子 链 叫 做 后 随 链 (lagging strand)。 虽 然 从 总 体 上 说 后 随 链 是 从 3’ WI 5’ 端 合 成 , 但 实际 上 每 个 片 朋 还 是 从 5 端 向 3 端 合成 ,所 以 这 条 链 的 合成 是 延迟 了 。 因 为 又 的 滞后 三 侧 频 的 DNA 是 通过 不 连续 的 ,“ 背 后 缝合 ”(backstitching) 机 理 合成 的 ， 所 以 又 上 只 需 从 e216» airtel ae Re ie a, are Tae ii abo oho roth -OH O--P- 6a. a oe DO- Leal ese th oa re = H,c_ O= ee O- HG 30 os: ees O- O- Q =P=0 OP H, ay i ae | 5 ean nd oo 0-6 Ma ‘ oe o- H,c_0 4 O ee 5 65/ 至 3/ 链 生长 的 方向 =P- . 1 o~ CH, ULES ail a 6 [we] 6 EB 5- 29 DNA 聚合 酶 催化 的 反应 中 的 两 个 连续 步骤 。 RVR MS TARE ROR BE 酰 的 水 解 来 驱动 ( 见 77 页 )。 如 图 所 示 * 通 过 与 露出 来 的 一 条 模板 链 上 的 核 背 酸 碱 基 配 对 ， 每 次 从 核 音 酸 中 选 出 一 个 核 背 酸 , 然 后 按 弯 箭头 所 示 的 酶 促 催化 反应 共 价 结合 。 结 果 是 新 的 DNA GEM 3 端 向 3 端 生长 。 除 模板 链 外 ， 反 应 还 需要 一 段 现 成 的 多 核 背 酸 链 。 新 的 核 背 酸 链 就 加 在 它 的 3 OH 端 上 ;这 段 链 叫做 DNA 聚合 酶 的 引物 。 5’ 端 向 3 端 这 种 类 型 的 DNA 聚合 酶 。 DNA 复制 的 高 保 真性 需要 一 种 “校对 ”机理 DNA 复制 时 复 本 的 保 真性 如 此 之 高 ， 以 致 每 复制 10' 个 碱 基 对 大 约 只 出 现 一 个 差 错 ， 这 是 保持 3X10 个 DNA 碱 基 对 的 哺乳 动物 基因 组 时 所 要 求 的 。 但 是 ,可 能 的 互补 碱 基 对 不 只 是 标准 的 互补 碱 基 对 。 预料 在 正常 DNA 中 会 临时 出 现 四 种 DNA 碱 基 的 罕 见 的 互 变异 构 形式 , 约 占 1/10' 或 1/10'。 这 些 形成 了 错 配 。 例 如 ,罕见 的 C 的 互 变异 构 形 成 与 A 配 对 ,而 不 是 与 G 配 对 ,所 以 就 造成 突变 (图 5-32)。 因 此 ; DNA, 复制 的 高 保 真 性 取决 于 校对 ”机 理 。 “BOP MEE RABE LAR DNA 聚合 酶 的 一 些 特 殊 性 质 。 与 RNA RA MG 个 同 ，DNA 聚合 酶 不 是 靠 把 两 个 核 萌 三 磷酸 连接 起 来 开始 合成 新 的 多 核 昔 酸 链 。 它 们 绝对 妥 求 在 碱 基 已 配对 的 多 核 萌 酸 链 的 3’-OH tL RIM BER ( 见 图 5-29)。 这 条 预先 存在 的 、 要 加 上 另外 核 背 酸 的 链 叫做 引物 。 测 试 各 种 合成 的 DNA 分 子 能 否 用 作 DNA 育 合 酶 的 模板 时 发 现 ， 只 有 在 碱 基 已 配对 的 3'-OH 端 上 有 引物 链 的 DNA 分 子 能 直接 复制 (图 5-33)。 DNA 分 子 3'-OH 末端 如 是 错误 配对 的 ( 碱 基 没 有 配对 ), 就 不 能 用 作 模板 。 当 碰 上 这 类 错 配 的 DNA 时 ,已 知 用 于 复制 的 DNA 聚合 酶 利用 其 内 在 的 3'-5' 外 ° 217° OPO“ MS of sw 区 INAS 人 5/ ooo 3° 1 aa 图 5-30 ”图 示 雪 觉 上 认为 的 最 简单 (不 正确 ) 的 DA Sue. man, BRT DNA 链 都 连续 生长 ,需要 从 5 端 向 3 端 和 从 3 端 向 5 端的 核 背 酸 聚 合作 用 。 最 新 合成 的 ae DNA# 5-31 一 个 真实 的 复制 又 结构 。 两 条 DNA 子 链 都 从 5' 端 向 3' 端 合成 ， 这 就 要 求 后 随 链 上 合 成 的 DNA 是 由 一 系列 小 片 DNA 连接 而 成 。 Se ae. 4 oe N) < My ‘ Ly | ay ( EC ES N 正常 的 互 变 Z M a si e[oe 罕见 的 亚 氨 基 互 变异 构 形 式 -A - aa Be, 5-32 预期 的 一 种 罕见 的 不 正确 的 碱 基 配 对 ; 当 胞 旷 啶 处 于 其 不 利 的 互 变异 构 形式 时 ， 就 可 以 与 腺 嘎 叭 形成 有 效 的 氢 re PNOLOKORUIONOIORG? a ee AAAAA PaO MOR OROROROROIONGY AAAAAAAAA 5-23 已 测定 为 DNA 聚合 酶 引物 模板 的 两 种 合成 DNA 分 于 在 这 类 测定 中 ,只 有 当 元 链 3 -OH 端的 碱 基 是 配对 的 情况 下 ， 元 链 的 3-OH 端 才能 延伸 。 Te & 元 链 & ¢ + Z facta Se let? om AAA 上 AAA OF 二 AA AAA A AA 模板 链 罕见 的 C 的 互 变异 构 形 式 (C*) 偶然 与 A 配 对 ,从 而 被 DNA 聚合 酶 摊 入 元 链 T Ture ce 二 TELTEJ OP) COH TARTAR TARTAN TS. — 2_(P) (P) (P) (P) (P) (P) (P) (P) C AAAAAAAAA 由 于 C+ 迅 速 发 生 互 变异 构 转 移 | 成 为 正常 的 胞 哮 喧 (CC)， 从 而 | wT ESA 的 入 基本 AAA AAA AK ial a LARLY’ — OHA 阻碍 了 DNA RBS ETCH 进一步 传 长 Teo AS At A A ACA AL ASS | DNA 聚合 酶 带 有 的 3 一 5/ C 核酸 外 切 酶 活力 回 过 头 去 切 @ 攻 OH 一 | 除 未 配对 的 3 一 OH 端 , 结 果 使 元 链 上 出 现 碱 基 配对 的 3’—OH HH 十 YP) PIT A AAAAAAAA DNA 聚合 酶 不 断 把 核 苷 酸 添加 在 元 链 上 碱 基 配 对 的 站 AT YA AR 图 5-34 由 原核 生物 的 PNA RAMEE 的 DNA 合成 期 间 ， 已 知 的 切除 差错 的 校 对 过 程 示意 图 。 迄 今 ， 还 不 可 能 证 明 高 等 真 核 生 物 中 分 离 出 的 大 多 数 DNA 聚合 酶 也 有 这 种 机 理 。 切 酶 活力 通过 水 解 作 用 把 引物 末端 上 未 配对 的 残 基 切 去 。 一 直到 足够 的 核 昔 酸 自 3 端 切除 以 重新 生出 一 个 碱 基 配 对 的 末端 和 产生 有 活性 的 模板 引物 时 为 止 。 *21) gaat gaat ll ORNS Rd) aes or 由 些 可见，DNA RGM" 目 我 校正 "的 作用 , 当 DNA 聚合 酶 沿 着 DNA 移动 时 会 切除 它 目 己 在 聚合 时 的 差错 。 这 样 的 校对 被 认为 是 如 图 5-34 所 示 ， 切 除 罕见 的 互 变 异 构 碱 基 的 配对 。 RB, DNA 到 合 酶 的 一 个 重要 优点 是 在 没有 引物 时 ， 它 不 能 将 两 个 脱氧 核 背 三 磷酸 连接 在 一 起 去 发 动 合成 新 的 多 核 背 酸 链 。 正 是 需要 有 一 个 碱 基 完 全 配对 的 末端 ， 使 DNA 聚合 酶 具有 自我 校正 的 特性 。 要 使 这 样 一 种 酶 在 完全 没有 引物 的 情况 下 成 功 地 区 别 碱 基 配 对 的 和 未 配对 的 生长 中 的 3 -OH 端 , 从 而 去 发 动 合 成 显然 是 不 可 能 的 。 相 反 , 人 参与 基因 转录 的 RNA 聚合 酶 不 需要 自我 校正 ， 因 为 在 制造 RNA 转录 物 时 可 以 多 WARN Ho RNA 聚合 酶 能 在 没有 引物 的 情况 下 开始 合成 新 的 多 核 背 酸 链 。 而 且 在 RNA 合成 以 及 将 mRNA 序列 转译 成 蛋白 质 序 列 的 独立 过 程 中 差错 频率 约 为 开光 TORG DNA 从 5 Sipe] 3 端 复制 本 来 就 是 很 准确 的 两 条 子 链 如 果 都 是 连续 合成 的 (如 图 5-30 所 示 )， 则 需要 有 第 二 种 DNA RAH 沙 加 脱氧 核 背 三 磷酸 使 链 从 3 端 向 5 生长 , 但 并 没有 发 现 这 种 酶 , 上 一 节 的 论证 也 对 此 提出 了 一 种 解释 。 如 果 有 这 样 一 种 3 一 5 的 聚合 酶 ( 带 有 活化 的 三 磷酸 的 是 生长 的 5 链 而 不 是 进入 的 单 核 背 酸 )， 那 未 聚合 时 出 现 的 差错 就 不 能 单 靠 水 解 来 切除 了 ,因为 这 样 形 成 的 裸露 的 5- 链 端 会 马上 终止 DNA 合成 。 因此 ,校正 刚 添 加 在 DNA 链 3 端 上 的 错 BAGH, LORIE MIR MIZE DNA 链 5 端 上 的 错误 配对 碱 基 要 容易 得 多 。 因 此 年 看 之 下 ,图 5-31 所 示 的 DNA 复制 机 理 则 比 图 5-30 所 示 的 不 正确 机 理 更 为 复杂 和 更 难 控制 ， 但 它 只 涉及 DNA 从 于 端 向 3 端 合成 使 这 种 真实 机 理 更 为 准确 。 在 后 随 链 上 合成 小 段 引 物 分子 需 要 一 种 特别 的 核 苷 酸 聚 合 酶 复制 又 一 旦 形成 ,就 不 断 为 前 导 链 上 的 DNA 聚合 酶 提供 碱 基 配 对 的 链 端 ， 由 此 合 成 新 链 。 可 是 ,在 又 的 后 随 一 侧 的 DNA RAMA te 4 秒 钟 就 可 合成 每 个 DNA TE, 而 后 必须 在 模板 链 上 更 前 的 位 置 上 开始 合成 全 新 的 片段 〈 图 5-31)e。 发 动 合 成 每 一 个 这 RAS DNA 片段 需要 有 碱 基 配 对 的 引物 ， 而 产生 这 种 引物 又 需要 有 一 种 特殊 的 机 理 。 这 种 机 理 涉及 RNA 引物 酶 的 聚合 酶 ， 这 种 酶 利用 核糖 核 彰 三 磷酸 合成 长 约 10 + aR Be RNA 引物 (图 5-35)。 在 后 随 链 上 每 隔 一 段 合 成 这 些 引物 ,再 通过 DNA RSMAS 作用 而 延长 ,这 样 就 开始 形成 每 一 个 冈 崎 片段 ( 见 图 5-31)。 这 种 DNA 聚合 酶 分 子 继续 HK, 直至 磁 到 连接 在 前 面 DNA 片段 ? 端 士 的 RNA 引物 为 止 。 一 条 连续 的 DNA 链 的 生成 ， 先 是 把 在 后 随 链 上 合成 的 许多 片段 连接 起 来 , 一 个 特殊 的 DNA 修复 系统 迅速 切除 老 的 RNA 引物 ,并 用 DNA 取代 之 。 然 后 ，DNA 连接 酶 把 新 DNA J; Bey 3’ 端 与 前 一 个 DNA FrBeny 5° 端 连接 起 来 而 完成 了 这 一 过 程 (图 5-36)。 为 什么 宁愿 用 可 切除 的 RNA 引物 ,而 不 用 看 似 更 经 济 的 不 切除 的 DNA 引物 ? 日 我 校正 的 聚合 酶 不 能 从 无 到 有 地 发 动 链 的 合成 的 论据 也 意味 着 相反 的 含意 : 一 种 能 发 动 从 无 到 有 地 合成 链 的 酶 就 不 能 有 效 地 进行 自我 校正 。 因 此 ， 任 何 引发 冈 崎 睫 段 合成 的 酶 必然 会 制 出 较 不 准确 的 复 本 (至 少 在 10 中 有 一 次 差错 )。 即使 留 在 最 终 产物 中 的 这 种 复 本 的 数量 , 少 到 只 占 整个 基因 组 的 5 多 《例如 ,每 个 有 200 ERAN DNA 片段 中 有 10 ”220。， 由 RNA 引物 RNA 酶 催化 合成 新 引物 的 RNA 引物 3' EE 5 3' 人 5' 5’ 3° 上 添加 核 苷 酸 ， 发 动 合成 新 的 内 崎 片段 3’ G5’ 3’ Game 5， 5 AS OE 2” 后 随 链 模板 上 | 聚合 酶 结束 DNA 片段 2 REF eee 5’ 5) Sea SE 3° 切除 老 的 RNA 引物 ，、 被 DNA 取代 3 EE Ee) 5° ‘ 5) ESA 39 ， | S\N DNA 连接 酶 封闭 缺口 使 新 的 led ye SE AoE AE 8 HO 5 --3/ 3! REARS en) 5 5 =- Po 5! GR 3 图 5-35 RNA 引 驳 酶 催化 反应 的 示意 图 。 该 酶 在 后 随 链 上 图 5-36 jai Let DNA 片段 合成 的 合成 短 的 RNA 引物 。 与 DNA 聚 合 酶 不 同 , 这 种 酶 可 以 通 步骤 。 真 核 生 物 中 ,在 后 随 链 上 每 隔 约 200 个 过 将 两 个 核 苷 三 磷酸 结合 在 一 起 的 方式 发 动 新 的 多 核 苷 酸 链 核 音 酸 合 成 一 个 RNA 引物 ， 每 个 RNA 引 合成 。 如 图 所 示 ， RNA 引物 酶 在 合成 一 小 侦 多 核 背 酸 链 后 就 物 长 10 SRR. RNA 引物 酶 的 起 始 信号 停止 工作 这样, DNA 聚合 酶 就 可 以 在 这 个 引物 的 3 tm bes OPERAS, HMA RE MARKT. RRA AK » MU ee EF HS —RAPAlo BEB) ,结果 也 会 大 大 增加 总 的 突变 率 。 由 此 看 来 ， 认 为 用 RNA 引发 而 不 用 DNA 引发 是 一 种 进化 , 它 必 然 带 来 强大 优势 的 看 法 是 有 道理 的 ,因为 引物 中 的 核糖 核 间 酸 会 自 动 地 给 这 些 序 列 做 上 要 切除 的 坏 拷贝 ”的 标志 。 特异 蛋白 质 帮 助 解 开 复制 又 前 面 的 DNA mek 为 了 让 进入 的 脱氧 核 苷 三 磷酸 能 同 亲本 模板 链 进行 碱 基 配 对 ,复制 又 前 面 的 DNA 双 螺旋 必须 迅速 解 开 。 可 是 在 正常 情况 下 ，DNA 双 螺 旋 非 常 稳 定 , 碱 基 配 对 结合 牢固 ， 以 致 要 在 试管 中 将 两 条 链 分 开 需 要 接近 讲 水 的 温度 (90°C) 才 行 。 因 此 ,大 多 数 DNA RFA 酶 都 只 能 在 已 成 为 单 链 的 模板 链 上 复制 DNA 分 子 。 需 要 有 另 一 些 蛋 白质 去 帮助 解 开 双 螺旋 , 从 而 为 DNA 聚合 酶 提供 合适 的 露出 碱 基 的 DNA 模板 去 进行 复制 ， 这 些 蛋白 质 有 了 两 种 : 1. 螺旋 松 解 蛋 白 一 也 叫 单 链 DNA 结合 (SSB) 蛋白 [single strand DNA-bending (SSB) proteins], 这 些 蛋白 质 通过 协作 方式 与 DNA 的 单 链 结合 (图 8-7)。 然 后 在 单 链 DNA 上 排 成 一 行 。 展 开 它 的 骨架 并 让 DNA 碱 基 暴 露出 来 以 便 进 行 碱 基 配 对 ， 虽 然 螺 中 3 DNA Rah DNA 模板 链 的 _ 单 链 区 ， 带 有 一 ”~ 小 段 碱 基 配 对 成 的 a 螺旋 松 解 的 蛋白 质 单 体 SS S SOUS BO 蛋白 质 协 同 结合 使 一 段 链 伸 直 5 37 螺旋 松 解 重 白 对 单 链 DNA 结构 的 影响 的 图 解 。 这 些 蛋 白质 通过 图 示 的 协作 方式 与 DNA 结合 后 ;在 DNA 上 排 成 长 串 , 使 DNA 模板 链 伸 直 ,便于 DNA RATER. AE 单 链 DNA 中 的 "发 夹 "是 由 小 段 互补 核 背 酸 序列 偶尔 匹配 形成 的 。 图 5-38 ”一般 认为 ,复制 又 前 面 的 DNA 螺旋 通过 DNA 5-39 图 示 DNA 复制 时 产生 的 “螺旋 问题 "， 解 螺旋 酶 与 螺旋 松 解 蛋白 的 联合 作用 以 很 快 的 速度 解 开 。 复制 又 以 每 秒 500 MARAT BE Bh RA DNA 螺旋 必须 每 秒 钟 旋转 50 圈 。 旋 松 解 蛋白 不 直接 与 双 螺旋 形式 的 DNA 结合 ,但 它们 可 以 通过 与 单 链 DNA 结合 ， 使 DNA 双 螺 旋 变 得 很 不 稳定 ,从 而 有 利于 解 开 螺旋 的 过 程 。 此 外 ， 它们 的 存在 还 可 以 解 开 在 DNA 中 已 成 为 单 链 的 区 段 内 部 所 形成 的 弱 的 发 夹 状 螺旋 。DNA 聚合 酶 分 子 在 后 随 链 上 的 真正 模板 是 由 于 有 蛋白质 结合 而 被 拉 直 了 的 一 段 单 链 DNA (图 5-37)o 一 般 认 为 ， 螺 旋 松 解 蛋白 在 细胞 中 以 这 种 方式 覆盖 了 单 链 DNA 的 大 部 分 区 段 ， 因 而 在 DNA e (222.9 DNA 双 螺 旋 的 一 端 相 对 于 另 一 端 来 说 是 不 能 旋转 的 iS ‘| DNA 拓 朴 cH.) 7 变 构 栈 活性 \c/ we a DNA 拓 朴 变 构 酶 与 DNA 的 . 互 锁 的 两 个 环 状 放松 拧紧 的 螺旋 ”六 CHAN 磷酸 共 价 结合 ， 从 而 使 DNA 全 的 两 人 € Ce fe 1 DNA 拓 朴 恋 构 酶 与 DNA 两 条 链 可 道 地 共 价 结合 ， es a leatan `\ 现在 DNA 双 螺旋 的 两 端 紧 族 断 开 ， 形 成 一 cop 可 以 互相 旋转 了 ,这 样 就 人 蛋白质 闸 门 拓 朴 变 构 酶 闸门 | 先 开 后 关 ， 让 第 二 个 DNA 螺旋 通过 ( § CH: ) | 贮存 在 磷酸 酷 氨 酸 刍 中 ， 人 3 使 反应 成 为 可 逆 的 2 ©) ; | ns) RK RRO eH AER OH ay J ()-< - - 分 开 的 两 个 rei : 环 状 DNA c ae et Les 双 螺 旋 HB. EDN A 4 yr) ith ae aie AD a 7 oo ) 到 未 改变 的 形式 & yo ae 结合 图 5-40 DNA NP MMM COTTER OLR ARE. f . wer Laren: Se SERN DNA 形成 暂时 的 共 价 键 y 产 生 一 个 磷酸 酷 氨 酸 残 基 。 旋 通 过 反应 的 实例 。 原核 nat caine [ DNA 拓 杆 异 构 酶 。 物 都 有 这 些 酶 ,也 许 具有 多 种 功能 。 。 223。 DNA SARA 完成 一 个 冈 崎 片段 /7 et mi 后 随 链 模板 5-42 在 DNA 复制 又 上 工作 的 几 种 主要 蛋白 质 一 览 修复 和 遗传 重组 中 也 起 重要 作用 。 2. 复制 蛋白 (replication protein) 是 由 ATP 驱动 ,在 - DNA 上 行走 的 机 器 。 如 在 肌肉 中 那样 ，ATP 的 水 解 可 改变 蛋白 质 的 形状 ， 使 之 能 做 机 械 功 。 图 3-60 说 明 一 个 假 设 的. DNA 结合 蛋白 质 如 何 利用 ATP 沿 着 DNA 走动 。 事 实 上 已 经 证 明 , 这 些 蛋 白质 是 DNA 解 螺旋 酶 参与 解 天 DNA 复制 区 上 的 DNA 螺旋 。 图 5-38 表示 DNA 复制 时 ,螺旋 松 解 蛋白 如 何 同 由 ATP 驱动 的 DNA 解 螺 旋 酶 合作 解 开 DNA 螺旋 。 防止 DNA 缠绕 的 其 他 专 一 性 蛋白 质 ” 由 于 不 准确 地 把 DNA 画 成 一 部 平面 的 “梯子 ”， 所 以 迄今 我 们 忽略 了 “螺旋 问题 `。 实际 上 ,复制 叉 上 每 复制 10 个 碱 基 , 亲 本 双 螺 旋 就 必须 绕 着 它 的 轴 转 一 圈 ( 图 5-39)。 所 以 复制 又 移动 时 ,又 前 的 染色 体 在 正常 情况 下 必须 迅速 旋转 ,对 长 的 染色 体 来 说 ， 这 是 需 要 输入 大 量 能 量 。 据 认 为 ， 一 类 叫做 DNA 拓 朴 变 构 酶 〈topoisomerases) AYE A iis 过 在 螺旋 中 形成 一 个 转 体 ” ,就 可 解决 这 个 问题 以 及 DNA 转录 时 所 产生 的 类 似 问题 。 DNA 拓 朴 变 构 酶 可 看 成 是 可 逆 的 核酸 酶 ”, 它 先是 切断 DNA 链 , 然 后 把 自身 共 价 BAC brink» 拓 朴 变 构 酶 造成 的 暂时 ”缺口 ”使 缺口 两 侧 的 DNA Byes atk MAY 磷酸 二 酯 键 旋转 ,从 而 放松 拧紧 了 的 螺旋 (图 5-40)。 因为 共 价 结合 的 蛋白 质 -DNA 键 是 高 能 量 键 , 它 保留 着 已 断 的 磷酸 二 酯 键 的 能 量 , 所 以 形成 缺口 的 反应 是 可 逆 的 ， 蛋 白质 一 且 离 去 ,缺口 就 闭合 ,因此 ,重新 封闭 很 迅速 且 不 需要 另外 输入 能 量 。 这 种 机 理 全 然 天 同 于 DNA 修复 过 程 中 DNA 连接 酶 重新 封闭 事前 存在 的 缺口 的 机 理 ( 图 5-23 和 5-36)。 与 拓 朴 变 构 酶 不 同 ;DNA 连接 酶 必需 利用 ATP 分 子 生成 高 能 磷酸 键 , 在 活化 缺口 处 裸露 的 5 端 方 能 将 缺口 两 端的 DNA 连接 起 来 DNA EW MA MAM. HERA AAU I BY DNA 拓 朴 变 构 酶 ， 因 为 它们 在 DNA 双 螺 旋 中 产生 一 个 可 逆 的 单 键 断裂 (图 5-40)。 最 近 已 鉴别 出 I 型 DNA 扼 朴 变 构 酶 。 这 些 酶 与 DNA 的 两 条 键 共 价 结合 * 在 DNA 螺旋 中 造成 暂时 的 双 键 ， 使 第 二 个 DNA 双 螺 旋 通 过 断裂 处 ,然后 干净 利落 地 重新 封 亲 断口。 所 以 ,这 类 本 在 解 开 环 .224 。 KK DNA 分 子 或 分 开 两 个 互 锁 的 DNA 环 时 是 很 有 效 的 (图 5-41)e 对 解决 DNA 复制 时 所 产生 的 各 种 DNA 缠绕 问题 ， 使 每 条 染色 体 复制 时 形成 的 DNA 两 条 长 子 螺旋 全 部 分 开 ,I 型 DNA 拓 朴 变 构 酶 可 能 起 重要 作用 。 任何 一 个 想 不 用 剪刀 而 解 开 一 团 乱 麻 似 的 钓鱼 线 的 人 ,最 容易 体会 到 这 种 酶 解决 这 个 问题 时 的 用 途 。 真 核 生 物 与 原核 生物 的 DNA 复制 基本 相似 ” 图 5-42 总 结 了 DNA 复制 的 主要 步 又。 在 复制 又 上 有 了 两 个 相同 的 _DNA 聚合 酶 分 子 在 工作 ,一 个 在 前 导 链 上 。 另 一 个 在 后 随 链 上 。 当前 导 链 上 的 _DNA 聚合 酶 分 子 与 螺 旋 松 解 蛋白 及 DNA 解 坚 旋 酶 一 齐 工作 时 ,DNA 螺旋 就 解 开 。 虽 然 前 导 链 上 的 _DNA 聚 突变 型 细胞 在 20C 下 能 合成 DNA 而 在 37C 下 不 能 合成 DNA 复制 起 点 局 突变 型 细胞 中 缺失 INIT LUUNIUUNNNNNIIIUNIIUNIIINNI rit 1 或 有 缺陷 的 酶 分 子 TO, Vue OAT EIN oS DNA! ， = 局 部 解 开 37C 下 细胞 裂解 的 提取 物 加 入 合成 DNA 的 放射 性 标记 的 前 体 分 级 分 离 RNA sam 一 一 一 FUN — 前 导 链 合成 es BFF 37°C mA un QTL) iti Vu Tt 在 体外 没有 DNA 人 台 成 一 个 分 部 收集 的 管子 中 有 并 开始 合成 新 DNA 链 37C 下 体外 合成 的 DNA ， 所 以 含有 突变 型 细胞 中 所 pan) BRAG SA BRIE Ha : .后 随 链 上 合成 RNA sr ~ S ia 和 11111 1 iit 7 TTL UE i, Tmmmrr> LT oak 3 形成 完整 的 复制 又 ， 带 着 前 导 链 〈 上 面 ) aan an nm 5 emit FEM Ba 图 5-43 利用 DNA 复制 有 缺陷 的 细菌 和 噬菌体 突变 图 5-44， 设 想 在 复制 起 点 开始 形成 复制 又 过 程 的 简 型 原核 生 歇 CNA 复制 时 必需 的 但 功能 未 知 的 酶 。 这 图 。 还 不 了 解 起 始 过 程 的 细节 。 种 “体外 互补 分 析 ` 略 作 修 改 * 可 用 来 对 分 离 突变 型 的 其 他 许多 过 程 作 生化 研究 。 eo225:。 合 酶 分 子 能 连续 行进 ,后 随 链 上 的 DNA 聚合 酶 分 子 则 必须 相隔 一 段 才 重 新 起 动 , Ak. 这 条 链 上 合成 的 DNA 是 一 连 串 短片 段 ( 冈 崎 片段 )。 当 DNA 聚合 酶 把 脱氧 核 昔 酸 头 加 在 后 随 链 模板 上 由 RNA 引物 酶 制造 的 短 RNA 引物 上 时 ,就 开始 合成 冈 崎 片 有 侦 ; 4 DNA 连接 酶 使 3 端 与 前 面 一 个 片段 的 5 端 连接 时 合成 就 结束 。 图 5-42 中 的 资料 多 半 得 自 本 世纪 70 年 代 后 期 ,那个 时 候 已 有 能 作 离 体 DNA 复 制 的 细 落 和 史 菌 体 的 多 酶 系统 。 各 种 基因 的 突变 型 从 而 促进 了 这 些 系统 的 发 展 。 主要 由 于 难以 获得 所 需 的 突变 型 , 所 以 有 关 真 核 生 物 DNA 复制 的 酶 学 细节 至 今 还 不 清楚 。 然 而 ,复制 的 基本 情况 包括 复制 叉 的 几何 图 形 以 及 RNA 引物 的 利用 等 ,原核 生 物 和 真 核 生 物 看 来 似乎 是 一 样 的 。 主 要 区 别 是 , 真 核 DNA 被 复制 裸露 的 不 是 DNA 而 是 染色 质 , 在 染色 质 中 DNA 与 组 蛋白 紧密 结合 。 如 第 八 章 中 所 述 组 蛋白 构成 盘 状 复合 体 , 真 核 DNA 绕 在 它们 工 面 形 成 一 有 规则 的 结构 ,叫做 核 小 体 。 在 DNA _ 上 每 隔 200 个 碱 基 对 有 一 个 核 小 体 , 这 就 解释 了 后 随 链 上 新 的 DNA 片段 开始 间隔 ,在 真 核 生 物 中 的 (要 隔 100 一 200 个 核 音 酸 ) 是 细 戎 中 的 (间隔 1 000 一 2 000 个 核 背 酸 ) 1/10。 此 外 ,如 果 核 小 体 的 作用 是 暂时 阻止 聚合 酶 行进 ， 那 末 染 色 质 的 存在 就 可 解释 为 什么 真 核 生物 复制 又 的 移动 速度 只 有 细菌 复制 叉 的 1/10 ,如 果 存 在 的 是 裸露 DNA 就 难以 解释 了 。 复制 又 在 复制 起 点 上 形成 ” 在 从 细菌 到 哺乳 动物 的 各 种 各 样 生物 中 , 复制 叉 似乎 起 源 于 一 种 岂 做 复制 泡 (repli- cation bubble) 的 结构 ， 在 这 里 亲本 DNA 螺旋 的 两 条 链 已 相当 分 开 ， 并 作为 合成 两 条 互补 子 链 短片 段 的 模板 (图 5-44 下 方 )。 原 则 上 ,DNA 螺旋 局 部 区 段 中 的 碱 基 对 被 又 起 始 蛋白 (fork-initiation protein) 拆 开 露 出 一 条 单 猴 DNA, RNA 引发 酶 能 在 上 面 合成 RNA 引物 。 那 末 ， 复 制 叉 就 这 样 开 始 了 (图 5-44)。 但 这 种 复制 叉 的 起 始 过 程 在 细胞 提 取 液 中 特别 难以 重复 ,所 以 ,对 参加 这 过 程 的 特殊 的 酶 以 及 完成 这 个 过 程 的 确切 方式 都 不 知道 。 业已 证 明 : 细菌 以 及 真 核 细胞 中 生长 的 几 种 病毒 的 复制 泡 ， 是 在 复制 起 点 那 种 特殊 DNA 序列 处 形成 的 。 这 些 序列 长 约 300 个 核 昔 酸 ,在 好 几 种 情况 下 证 明 , 它们 含有 与 特 异 蛋 白 相 结合 的 区 段 ,这 些 特异 蛋白 是 复制 叉 起 始 过 程 所 必需 的 。 一 般 认 为 ,在 真 核 生 物 基因 组 中 存在 着 类 似 的 具有 蛋白 质 结合 部 位 的 复制 起 点 ,只 是 尚 缺 乏 确 妆 的 证 据 。 真 核 细胞 中 复制 叉 的 起 始 与 生长 的 一 般 方 式 , 将 在 第 十 一 章 中 结合 细胞 周期 中 DNA 合成 期 的 描述 作 详 细 讨 论 。 因 为 形成 复制 叉 的 确切 机 理 可 能 同 控制 动物 细胞 生长 的 过 程 密切 相关 ,所 以 阐明 这 一 机 理 特 别 重 要 。 小 结 DNA 复制 的 惊人 的 患 实 性 ;部 分 由 于 在 DNA 双 螺 旋 的 两 条 从 5 端 向 3 端的 链 上 发 生 核 苍 酸 聚合 作用 ,这 使 能 把 有 自我 校正 功能 的 DNA 聚合 酶 用 于 所 有 的 合成 。 因 为 DNA 螺旋 的 两 条 链 是 反 向 平行 的 ,所 以 5 端 向 3 端的 DNA 合成 只 能 在 一 条 链 上 连续 进行 = 在 后 随 链 上 通过 “反面 终 合 "过 程 合成 小 段 DNA。 因 为 自我 校正 的 DNA 聚合 酶 不 能 起 始 一 条 新 链 , 所 以 后 随 链 上 的 这 些 DNA 片段 是 由 小 段 RNA 引物 分 子 所 引发 , 苇 着 这 些 小 段 RNA 引物 被 切除 而 被 DNA 所 代替 。 * 226° DNA 复制 需要 多 种 蛋白 质 的 合作 ,其 中 有 ,(1)DNA 聚合 酶 和 RNA 引物 酶 ,以 催 (WR SLRRRS: (2) DNA 解 螺旋 酶 和 螺旋 松 解 蛋 白 ， 以 帮助 解 开 DNA 螺旋 进行 复制 ; (3) DNA 连接 酶 和 一 种 降解 RNA 引物 的 酶 ， 使 后 随 链 上 不 连续 合成 的 DNA 片段 连接 在 一 起 ; (4) RNA 拓 朴 异 构 酶 ,以 帮助 解决 螺旋 鲁 绕 问题 ;〈5) 目 前 还 未 弄 清 其 特性 的 起 始 蛋白 * 它 帮助 在 复制 起 点 上 形成 新 的 复制 又 Wie: 本 章 至 此 已 讨论 了 DNA 转录 和 蛋白 质 合成 的 基本 过 程 ,已 阐明 了 遗传 信息 怎样 通 过 DNA 修 复 和 复制 而 世代 相传 的 。 现 在 我 们 将 叙述 病毒 怎样 利用 细胞 的 一 般 遗 传 机 理 > 重点 讨论 病毒 独 有 的 一 些 DNA 复制 机 理 。 病毒 是 可 移动 的 基因 ” 病毒 最 初 被 描述 为 只 能 在 细胞 中 繁殖 的 致 病因 子 。 由 于 它们 的 超 微 大 小 可 以 通过 即 使 是 最 小 的 细 蓝 也 通 不 过 的 超 微 斌 器 。 在 电子 显微镜 出 现 之 前 ， 虽 然 已 有 人 推测 病毒 可 能 是 获得 从 一 个 细胞 进入 另 一 个 细胞 的 能 力 的 裸露 基因 ,但 它们 的 性 质 还 是 模糊 不 清 的 。 20 世纪 30 年 代 。 利 用 超速 离心 机 有 可 能 把 病毒 从 宿主 细胞 的 组 分 中 分 离 出 来 。 到 了 20 世纪 40 年 代 初 ,开始 窒 出 所 有 病毒 都 含 核酸 的 概念 。 这 进一步 使 人 们 推测 。 病 毒 与 遗传 物质 执行 着 同样 的 功能 。 这 种 想法 为 细菌 病毒 ( 哈 菌 体 ) 的 研究 所 证 实 。 1952 年 * 有 人 证 明 进 入 细 蓝 宿主 细胞 的 只 是 噬菌体 DNA, TAMARA. WER DNA 发 动 了 复 制 ,结果 每 一 个 被 感染 的 细胞 中 产生 了 几 百 个 子 噬菌体 。 因此 ;应 把 病毒 看 作为 是 遗传 因子 ,外 面包 着 一 层 保护 性 外 壳 ， 可 从 一 个 细胞 进入 另 一 个 细胞 。 病 毒 繁殖 本 身 对 于 它 所 在 的 细胞 来 说 往往 是 致死 的 。 被 感染 的 细胞 有 了 许多 病毒 以 后 就 裂解 。 由 此 又 给 了 病毒 进入 邻近 细胞 的 机 会 。 许 多 病毒 感染 的 临床 表现 都 反 RT a Ae A A HOS Ho ! 病毒 外 壳 的 结构 ,所 含 核酸 的 类 型 ,病毒 进入 细胞 的 方式 ， 进 入 细胞 后 在 细胞 中 复制 的 机 理 , 各 种 病毒 都 不 一 样 。 图 5-45 和 5-46 说 明了 病毒 结构 上 的 差异 。 病毒 的 让 传 成 分 是 DNA 或 RNA” 所 有 DNA 病毒 外 面 的 病毒 特异 蛋白 质 分 子 , 都 由 病毒 DNA 编码 。 起 初 认为 ， 病 毒 DNA 分子 实际 上 是 编码 一 种 蛋白 质 的 单个 基因 。 但 现在 已 型 清楚 病毒 核酸 分 子 , 即 使 是 已 知 的 最 小 病毒 的 核酸 分 子 都 带 有 几 种 蛋白 质 的 信息 。 较 大 的 病毒 基因 组 ,例如 ,T4 鸣 菌 体 的 基因 组 ,编码 几 百 种 蛋白 质 。 所 以 ,病毒 的 核酸 成 分 可 看 成 是 微小 染色 体 。 在 有 些 病毒 ， 如 烟草 花 叶 病毒 (TMV) 中 发 现 的 RNA 开始 时 不 太 清 楚 其 重要 意 Mo 当 RNA 存在 时 DNA RAGE, 所 以 最 合理 的 推测 是 RNA 一 定 是 这 种 病毒 的 遗传 成 分 。 但 在 本 世纪 50 年 代 初 , 这 种 推测 是 公然 违抗 RNA 的 唯一 作用 在 于 把 DNA 的 遗传 信息 转移 给 蛋白 质 的 信条 。 到 1956 年 ,非但 能 从 TMV 中 得 到 RNA 纯 制剂 ,而 目 还 证 明 在 没有 任何 TMV 蛋白 存在 的 情况 下 具有 感染 能 力 。 不 久 又 发 现 其 他 许多 病 $— Vl FHKRABE .流感 病毒 和 麻疹 病毒 一 -都 含 RNA,RNA 携带 遗传 信息 ° 227 ——— —— O UEDNA , HOUR T 4 Ie 一 双 链 环 状 DNA ， 例 如 SV 40 和 多 瘤 病毒 EBL oeulrcos 共 价 结合 有 末端 蛋白 的 双 链 DNA， 例如 腺 病毒 a 本 单 甸 DNA ， 例 如 细小 病毒 每 一 端 都 共 价 连 接 的 双 链 DNA， gpl tO Ha BE PREEEMRDNA , fil inee a OX 174 FIM 13 CC 一 一 一 臣 5-45。 几 种 病毒 基因 组 的 示意 图 〈 不 按 比 例 )。 最 大 的 病毒 含有 几 百 个 基因 和 一 个 双 链 DNA 基因 组 。 因 为 DNA 链 末 端 最 后 几 个 核 昔 酸 复制 困难 ， 所 以 其 中 有 些 DNA 分 子 上 可 能 有 特殊 的 端 (以 及 环 的 形式 )。 能 力 在 今天 已 是 无 可 争辩 的 了 。 TAI 可 以 是 蛋 BRKT SRR 起 先 认 为 病毒 外 壳 只 是 由 蛋白 质 分 子 所 构成 ， 也 许 只 是 由 一 种 主要 蛋白 质 分 子 所 构 成 。 一 般 认 为 ,病毒 感染 是 从 病毒 染色 体 与 其 蛋白 质 外 壳 分 离 时 开始 , 随 之 染色 体 自 我 复 制 而 形成 许多 个 相同 的 拷贝 , 并 以 病毒 编码 的 RNA 链 作 为 信使 合成 病毒 专 一 的 外 壳 蛋 白 。 然 后 ， 就 在 子 病毒 的 染色 体 周 围 自 发 装配 病毒 的 外 壳 蛋 白 ， 从 而 形成 许多 个 子 病毒 (Al 5-47)e 现在 我 们 认识 到 ， 这 些 最 初 的 看 法 尽管 总 的 说 是 正确 的 。 但 从 病毒 可 通过 极其 多 样 的 途径 来 完成 其 生活 史 这 一 点 来 看 ,都 是 过 于 简单 化 了 。 首 先 , 大 多 数 病毒 的 蛋白 质 外 壳 《或 衣 壳 ) 所 含 的 多 肽 链 不 止 一 种 它们 往往 排列 成 好 几 层 。 其 次 ,在 许多 病毒 中 ,和 蛋白质 衣 壳 外 面 还 包 着 一 层 膜 ,这 层 膜 含 脂 质 和 和 蛋白质, 结构 与 所 有 细胞 的 质 膜 相 似 。 这 些 被 膜 病毒 的 脂 质 成 分 虽然 同 宿主 细胞 的 质 膜 一 样 ， 但 蛋白 质 是 病毒 特异 的 。 许 多 被 膜 病 毒 将 它们 最 外 层 的 膜 装 配 在 宿主 细胞 的 质 膜 中 , 子 病 毒 就 像 车 似 的 掏 掉 ( 图 5-48)e 这 种 出 芽 过 程 可 使 病毒 颗粒 不 破 还 质 膜 就 离开 细胞 ,因而 不 会 杀 死 细胞 ,第 七 章 中 将 对 此 作 较 详细 的 讨论 。 病毒 染色 体 通常 编码 一 种 或 多 种 参与 病毒 核酸 复制 的 酶 ” 染色 体 通常 不 仅 编码 病毒 外 壳 蛋 白 ,而 且 还 编码 复制 病毒 核酸 所 需 的 酶 。 例 如 ， e<22B。 图 5-46 Q2 ASPET OMAR RARER: 比例 见 (B) 所 示 ]j。(A)T4 MERE MRRADTANS DNA 的 大 病毒 。 贮 放 在 噬菌体 头 部 的 DNA 通过 圆柱 形 的 尾巴 注 人 细菌 (James Pauison 赠 )。(B) 马 铃 昔 和 病毒 ,一 种 含 RNA 基因 组 的 丝 状 植物 病毒 (Craham Hills 赠 )。(C) 腺 病毒 。 一 种 能 够 感染 人 体 细 胞 的 含 DNA 的 病毒 。 人 各自 质 衣 壳 构 成 这 种 病毒 的 外 表 面 (Mei Lie Wong 赠 )。(D) 流 感 病毒 一 种 含 DNA 的 动物 大 病毒 * 它 的 蛋白 质 衣 壳 外 面 还 包 B—ER, (R. C. Williams 和 H. W. Fisher 赠 ) PEKANT4 喉 菌 体 DNA 至 少 编码 30 种 酶 ， 以 保证 优先 于 宿主 DNA 有 选择 地 迅速 复 i T4 染色 体 (图 5-49). 这 些 蛋白 质 连 续 催化 T4 DNA 复制 并 选择 性 地 将 5- 羟 甲 基 胞 memes A T4 DNA 中 代替 胞 喀 啶 。 T4 基因 组 编码 的 其 他 蛋白 质 还 有 选择 性 地 降解 大 ii DNA 的 核酸 酶 。 另 一 些 则 改变 宿主 细菌 的 RNA 聚合 酶 分 子 , 使 在 不 同 的 感染 时 期 转录 不 同 的 鸣 菌 体 基因 组 。 较 小 的 DNA 病毒 ,例如 猴 病 毒 SV40 和 小 噬菌体 %X174 所 带 遗 传 信息 很 少 ,更 多 地 依靠 宿主 细胞 的 酶 来 合成 病毒 蛋白 质 和 DNA。 但 即使 是 这 些 病 毒 也 还 是 要 编码 几 种 竹 , 以 便 有 选择 地 发 动 它们 自身 的 DNA 合成 。 因 为 病毒 如 要 顺利 繁殖 必须 制服 细胞 的 la S ,否则 就 会 阻止 病毒 DNA 在 每 一 个 细胞 周期 中 增殖 几 次 。 Le。 一 外 壳 蛋 白 Bc | DNA A MAHER 子 病毒 颗粒 的 装配 和 从 细胞 中 释放 出 来 5-47 所 有 病毒 中 最 简单 的 生活 史 。 图 中 假设 的 病毒 由 图 5-48 ”一 个 动物 细胞 的 超 薄 切片 电子 显 微 蚀 编码 单个 病毒 衣 壳 蛋白 的 双 链 DNA 小 分 子 组 成 。 已 知 没有 照片 ,从 细胞 上 一 个 被 膜 病 毒 (Semliki 森林 病 一 种 病毒 比 这 更 简单 。 毒 ) 的 几 个 拷贝 正在 出 芽 。 (MM. Olsenfil G. Gritfiths 赠 ) 各 种 形式 的 病毒 革 因 组 ” RH DNA 双 螺 旋 时 合乎 逻辑 地 认为 DNA 只 有 这 种 形式 : 如 果 一 条 多 核 昔 酸 链 偶然 受到 损伤 ， 它 的 互补 链 能 够 把 断 片 纶 在 一 起 直到 损伤 修复 为 止 。 但 对 病毒 染色 体 不 必 有 这 种 担心 ,特别 是 它们 比较 短 只 有 几 个 核 昔 酸 一 一 同 含 几 百 万 个 核 昔 酸 的 细胞 基因 相 比 它们 遭 到 损伤 的 机 会 很 小 。 此 外 ,病毒 的 一 个 生活 周期 产生 几 百 个 子 DNA 分 子 , 因 此 少数 几 个 受到 损伤 实际 是 无 足 轻 重 的 。 于 是 回想 起 本 世纪 五 十 年 代 和 六 十 年 代 期 间 发 现 许多 DNA 小 病毒 含有 单 链 _DNA 就 不 足 为 奇 了 。 有 一 段 时 期 人 们 曾 推测 ,这 些 病 毒 可 能 以 一 种 根本 不 同 的 方式 来 复制 DNA， 但 现在 知道 它们 先 产 生 一 种 双 链 的 复制 中 间 物 , 并 认为 所 有 DNA 复制 都 要 生成 互补 链 的 。 第 一 个 详细 研究 过 的 病毒 染色 体 是 简单 的 线 状 DNA WHE, 但 病毒 染色 体 也 可 以 是 环 状 DNA 双 螺 旋 (SV40 MARIS). MRA DNA 链 (M13 和 X174 吻 菌 体 )， 或 线 状 单 股 DNA 链 (细小 病毒 )。 最 近 还 发 现 更 复杂 的 线 状 双 螺 旋 。 在 某 些 叭 菌 体 和 腺 病毒 类 型 的 动物 病毒 中 ,蛋白 质 分 子 是 同 它们 DNA 链 的 5 端 共 价 连 接 的 ， 而 来 自 很 大 的 斗 病 毒 的 DNA 具有 反 向 平行 的 两 条 链 ， 每 一 端 通过 磷酸 二 酯 键 共 价 连接 (图 5-45)e 这 些 形式 的 DNA 都 需要 有 独特 的 酶 反应 来 完成 自我 复制 。 病毒 染色 体能 整合 在 宿主 染色 体 中 ” 起 初 总 认为 病毒 染色 体 进入 细胞 后 最 希望 得 到 的 结果 是 立即 增殖 ， 这 是 生成 大 量子 e.230.。 病毒 的 前 奏 。 但 是 ,许多 病毒 可 以 潜伏 状态 存在 ,这 时 宿主 细胞 中 有 病毒 基因 组 但 没有 活 性 ,而 且 不 产生 后 代 。 直 至 20 世纪 50 ERA BASE RD Feil BM AS 表面 上 看 没有 被 感染 的 细菌 ， 在 接触 紫外 线 后 被 诱导 产生 子 喉 菌 体 。 以 后 的 实验 证 明 ， 这 些 溶 原 性 细菌 的 染色 体 中 带 有 完整 的 病毒 染色 体 ， 这 些 整 合 病毒 的 染色 体 叫 做 原 病毒 。 能 够 整合 到 细菌 染色 体 中 去 的 叹 菌 体 称 为 溶 原 性 噬 菌 体 。 最 熟知 的 例子 是 1 噬菌体 。1 感染 合适 的 大 肠 杆菌 宿主 细胞 时 ,通常 产生 几 百 个 子 2 颗粒 ?而且 在 细菌 细胞 溶解 时 释放 出 来 ， 这 是 裂解 感染 。 在 极 难得 的 情况 下 感染 的 线 状 DNA 分 子 环 化 ,并 通过 位 置 专 一 的 重组 事件 整合 到 宿主 大 肠 杆 菌 的 环 状 染色 体 中 。 成 功 地 整合 后 就 产生 带 有 A 原 病 毒 染色 体 的 溶 原 性 细菌 。 它 在 受到 环境 伤害 (例如 ， 接 触 紫外 线 或 电离 辐射 ) 之 前 一 直 正常 地 增殖 。 这 些 伤害 发 出 信号 使 整合 的 原 病毒 离开 宿主 染色 体 开始 进 和 人 正常 的 病毒 复制 周期 。 这 样 ， 整 合 的 原 病 毒 在 其 宿主 受到 损伤 时 不 但 不 会 死亡 ， 反 而 有 机 会 逃 和 附近 未 受 损 伤 的 大 肠 杆菌 细胞 中 (图 5-50)。 RNA 病毒 也 通过 形成 互补 链 复 制 “” RNA 病毒 增殖 时 也 涉及 互补 链 的 形成 。R17 噬菌体 和 脊 呆 灰质 炎 病 毒 等 许多 研究 得 很 清楚 的 病毒 的 染色 体 都 是 单 链 ,但 也 有 双 螺 旋 RNA 的 病毒 染色 体 , 例如 ,逆转 录 病 毒 , 它 们 感染 酵母 和 哺乳 动物 等 各 种 生物 。 在 所 有 情况 下 ， RNA 复制 都 由 病毒 RNA 染色 体 编码 的 依赖 于 RNA 的 RNA 聚合 酶 (复制 酶 ) 所 催化 。 这 些 酶 党 抄 人 子 病 毒 颗粒 ， 所 以 在 病毒 感染 时 , 它们 可 立即 用 来 开始 复制 病毒 RNA。 象 流 感 病毒 或 水 疱 性 口 炎 病 毒 等 这 些 所 谓 的 负 链 病毒 ， 总 0 一 = DNA 拓 朴 变 构 酶 一 DNA 解 螺旋 酶 RNA 引物 酶 一 DNA KRGE 100 — — DNA #7259 一 Rie RE 150 一 一 DNA ithe as 5-49 工 + 叹 菌 体 DNA 复制 的 Ke, T4 MAKEAA 1600008 个 碱 基 对 组 成 ,编码 150 多 种 蛋白 质 ， 其 中 包括 参与 DNA 夏 制 的 蛋白 质 。 其 余 的 蛋白 质 包括 许多 参与 鸭 菌 体 头 尾 装 配 的 蛋白 质 〈 见 图 5-48 A), 是 把 复制 酶 包 人 子 病 毒 颗 粒 。 就 这 些 病 毒 来 说 ， 感 染 链 不 编码 任何 蛋白 质 。 只 有 它 的 互 补 链 带 着 有 用 的 遗传 信息 ， 其 中 包括 给 病毒 复制 酶 和 它 的 外 壳 蛋 白 编 码 的 序列 。 基 此 如 无 所 需 的 复制 酶 ,感染 链 就 不 起 作用 。 病毒 RNA 的 合成 总 是 开始 于 RNA 模板 的 3” 端 (新 病毒 RNA 分 子 的 5” 端 ), 从 5 端 向 3 端 进行 直至 模板 的 5 端 。 病 毒 RNA 的 合成 没有 校正 差错 的 机 理 ， 但 只 要 RNA 染色 体 比 较 短 ， 这 就 不 是 一 个 严重 缺陷 。 所 有 RNA 病毒 的 基因 组 都 小 于 DNA 大 病毒 ,这 是 它们 的 复制 机 理 比 较 原 始 的 必然 结果 。 图 5-51 描绘 出 病毒 复制 其 基因 组 的 一 些 途 径 。 病毒 息 传 因子 能 使 细胞 癌变 ” DNA 病毒 能 在 其 中 裂解 增殖 的 细胞 称 受 纳 细胞 。 病 迁 不 能 在 其 中 复制 的 是 非 受 纳 "过 到 as tate DNA 吸附 在 宿主 细胞 上 并 注入 ap a | a 5 Bee Fert: , 整 台 的 病毒 DNA 与 宿主 染色 体 heer 一 起 复制 ， 产 生 新 的 整合 病毒 ae? DNA 的 拷贝 haF 图 5-50 AMERAKMITE Re 4 基因 组 约 含 50 000 个 碱 基 对 ， 编 码 约 50 种 蛋白 质 。 EHIME DNA 可 以 线 状 或 环 状 存在 。 如 图 所 示 这 种 唆 菌 体 可 通过 裂解 途径 或 溶 原 途径 增殖 。 在 以 溶 原状 态 生 长 时 ,对 细胞 DNA 的 损伤 会 把 整合 的 病毒 DNA( 原 病毒 ) 从 宿主 染色 体 上 切 下 来 ， 从 而 转 AE K. DNA 的 进入 和 从 风色 体 上 切 下 是 位 置 专 一 的 遗传 重组 事件 ,由 4 整合 酶 蛋白 催化 。 细胞 。 在 少数 情况 下 ，DNA 病毒 将 非 受 纳 细 胞 转化 成 为 癌 细 胞 。 肿瘤 转化 时 ， 一 个 或 几 个 病毒 基因 整合 进 宿主 细胞 的 基因 组 ,在 那里 合成 通常 只 有 病毒 增殖 时 制造 的 蛋白 质 。 虽然 我 们 还 未 确切 了 解 病毒 产物 使 细胞 癌变 的 原因 ， 但 在 有 些 情 况 下 肯定 有 蛋白 酶 的 参 与 ;这 方面 的 情况 将 在 第 十 一 章 讨 论 肿瘤 病毒 遗传 学 时 作 较 详细 的 阐述 。 最 初 令 人 费解 的 是 RNA 肿瘤 病毒 , 病毒 感染 同时 导致 细胞 表面 非 致 死地 释放 子 病 毒 产物 和 感染 细胞 发 生 永久 性 变化 ,使 之 变 成 癌 细 胞 。 直 至 观察 到 DNA 合成 抑制 剂 可 阻 断 病毒 增殖 和 癌 的 转化 才 弄 清楚 RNA 病毒 感染 如 何 导致 永久 的 遗传 变化 。 这 瞳 示 着 DNA 合成 是 RNA 肿瘤 病毒 增殖 的 必要 条 件 , 1970 年 发 现 了 逆转 录 酶 证 明 该 假设 ° 232 oe —_ = “a” O——+-0-8 0045 teat Oe O40 OD <6 末端 蛋白 AN ee i+ | ae ia ‘ae |p ( 正 链 ) 人 1: IB: ee 依赖 RNA 的 >, 病毒 蛋白 合成 | dima ed eMac sci ( 负 链 ) “ad iddeeacs | cap 7 aii 图 5-51 各 种 病毒 复制 其 基因 组 时 所 用 的 不 同 对 策 。 在 图 中 标 有 黑 点 的 地 方 , 末端 蛋白 共 价 结合 在 DNA 链 的 末端 ;这 些 蛋白 质 在 其 各 自 的 复制 过 程 中 起 着 重要 作用 。 请 注意 正 链 和 负 链 RNA 病毒 之 间 的 主要 差别 是 ,后 者 在 制造 病毒 蛋白 前 必 先 合成 RNA 正 链 。 为 此 ， 负 链 病毒 的 衣 帝 中 必须 有 一 种 或 多 种 病毒 聚合 酶 分 子 , 因 为 它 的 宿主 细胞 中 没有 类 似 的 酶 。 是 正确 的 , 感染 的 RNA HU KHMER RE SEE DNA, Alt. RNA 肿瘤 病毒 为 逆转 录 病 毒 ， 其 中 包括 众所周知 的 第 一 个 肿瘤 病毒 一 一 Rous 肉瘤 病毒 。 图 5-52 简单 表明 了 逆转 录 病 毒 的 生活 周期 。 病毒 是 如 何 进化 的 ? 即使 是 最 大 的 病毒 也 大 量 依赖 宿主 细胞 来 进行 生物 合成 ;例如 ,已 知 的 病毒 中 没有 一 个 是 自己 制造 核糖 体 :或 自己 产生 所 需 的 ATP。 所 以 很 明显 , 细胞 的 进化 一 定 在 病毒 之 前 。 最 初 的 病毒 的 前 体 也 就 是 核酸 小 片 有 假 ， 这 种 小 片段 发 展 了 不 依赖 宿主 细胞 染色 体 而 独立 增殖 的 能 力 。RNA 病毒 的 前 体 也 许 类 似 于 在 植物 细胞 中 发 现 的 类 病毒 〈viroid); 这 些小 的 RNA 环 一 只 有 300 到 400 个 核 昔 酸 一 一 因为 它们 不 编码 任何 蛋白 质 , 所 以 是 完全 依靠 植物 细胞 的 酶 来 复制 的 。 类 病毒 只 以 裸露 的 RNA 分 子 存 在 ， 没 有 衣 壳 ,所 以 上 只 有 当 供 体 和 受 体 细胞 受到 损伤 时 才 在 植物 之 间 传 播 〈 其 他 病毒 是 靠 衣 壳 而 进入 完整 细胞 的 )。DNA 病毒 可 能 是 从 一 般 细 胞 染色 体 偶 然 产 生 的 环 状 小 分 子 进 化 来 的 ,在 自然 选择 的 压力 下 ， 这 些 独 立 复 制 的 因子 不 管 是 RNA 还 是 DNA， 料 想 可 从 宿主 细胞 获得 。 233。 ( DNABRR | na 进 宿 主 染色 体 | A ‘Sree SER la — DNA :RNA 及 然后 | Se4e= DNA :DNA 双 螺旋 bce bag 7 RNA ° se 被 腊 aaa BO rv DR ME jas 转译 | 2 @) ara ee | CTR 装配 成 许多 个 新 进入 细胞 PAIR behets ERE meme TES 颗粒 中 有 rt a 图 5-52 逆转 录 病 毒 生 活 史 。 逆 转录 酶 是 一 种 DNA RGB, 它 首 先 制 出 病毒 RNA THR 始 DNA 拷贝 ,然后 再 合成 第 二 条 DNA 链 ? 生 成 RNA 基因 组 的 双 链 DNA BW, HAR 宿主 酶 催化 > 这 种 DNA 双 螺 旋 整 合 进 宿主 染色 体 ,这 是 合成 新 病毒 RNA 分 子 所 必需 的 。 能 促进 它们 自身 增殖 的 核 背 酸 序列 ， 其 中 包括 给 蛋白 质 编码 的 序列 。 由 此 就 产生 了 类 似 于 第 四 章 讨论 过 的 DNA 小 质粒 那样 的 RNA 或 者 DNA 分 子 。 质 粒 象 类 病毒 也 没有 衣 壳 ,因此 不 能 象 病毒 那样 地 在 细胞 间 传 播 。 质粒 获得 编码 衣 壳 的 基因 之 时 ， 也 称 就 是 第 一 个 病毒 出 现 之 日 。 但 衣 壳 能 包 的 核酸 数量 有 限 ， 所 以 它 的 大 小 限制 了 病毒 能 含有 的 基因 数目 。 人 迫使 病毒 充分 利用 其 有 限 的 基 因 组 ,以 致 有 些小 病毒 ( 象 6X174) 就 出 现 了 重 仅 基 因 , 利 用 编码 一 种 蛋白 质 的 一 部 分 核 昔 酸 序列 〈 读 码 相同 或 不 同 ) 来 编码 第 二 种 蛋白 质 。 另 一 些 病毒 则 进化 成 为 有 较 大 的 衣 壳 , 因 此 可 获得 有 用 的 新 基因 ,其 中 一 部 分 是 通过 与 其 它 病毒 重组 而 获得 ， 一 部 分 是 从 宿 主 细 胞 处 获得 。 病毒 具有 通过 物种 屏障 转移 DNA 的 独特 能 力 ， 因此 几乎 可 以 肯定 病毒 在 其 他 生 物 的 进化 过 程 中 起 重要 作用 。 它 经 常 与 宿主 染色 体 发 生 重组 ， 获 得 宿主 染色 体 的 随机 片 段 , 并 将 它们 带 到 不 同 的 细胞 或 生物 中 。 此 外 ,病毒 DNA 的 整合 拷贝 ( 原 病 毒 ) 成 为 大 多 数 生 物 基因 组 的 永久 部 分 。 虽 然 这 种 DNA 常会 改变 。 以 致 不 能 形成 完整 的 病毒 。 但 由 于 它们 仍 能 编码 蛋白 质 ， 所 以 其 中 有 些 对 细胞 还 是 有 用 的 。 病 毒 可 与 不 同 生 物 的 基因 库 混 合 而 进化 。 从 一 个 完全 不 同 的 角度 来 看 ,病毒 在 细胞 生物 学 中 也 很 重要 。 因 为 它们 比较 简单 ,所 以 对 它们 的 繁殖 所 作 的 研究 进展 非常 迅速 。 并 已 阑 明了 细胞 中 许多 基本 的 分 子 机 理 。 对 于 我 们 接 下 来 讨论 的 遗传 重组 机 理 尤 其 是 如 此 。 小 结 病毒 是 感染 颖 粒 ,由 包 在 蛋白 质 衣 克 内 的 DNA 或 RNA 分 子 (病毒 基因 组 ) 所 组 成 病毒 只 能 在 宿主 细胞 中 增殖 ， 通 过 打 乱 宿主 细胞 的 遗传 机 理 来 仁 殖 自身 。 不 同 的 病毒 基 因 组 结构 及 其 复制 方式 也 不 相同 。 病 毒 感染 的 常见 结果 是 被 感染 的 细胞 裂解 ， 释 放出 + 234° ASM. AYMBHRECHAEREA, RERZAEMES GEMMA -VA 制 。 因 为 病毒 有 时 可 把 宿主 DNA 序列 从 一 个 物种 带 到 另 一 个 物种 ,所 以 有 可 能 在 进化 过 程 中 使 不 同 的 基因 库 不 时 混合 。 遗传 重组 机 理 3 前 面 几 节 我 们 讨论 了 细胞 中 的 ONA 序列 世 世 代 代 保 持 很 少 改 变 的 机 理 ， 并 叙述 了 病毒 如 何 利用 这 些 机 理 的 变化 以 复制 其 自身 的 基因 组 。 现 在 我 们 将 详细 令 述 可 导致 核 背 酸 序列 重 排 的 机 理 : 它们 总 起 来 叫做 遗传 重组 , 是 一 组 发 生 在 DNA 螺旋 两 个 独立 区 段 之 间 的 遗传 交换 反应 ,这 些 反 应 既 有 关系 而 又 不 相同 。 遗传 重组 事件 可 分 成 两 类 一 一 一 般 重组 和 专 一 位 点 重组 。 一 般 重 组 时 ， 遗 传 交换 发 生 在 同 源 DNA 序列 之 间 , 最 常见 的 是 发 生 在 同一 条 染色 体 的 两 份 拷贝 之 间 。 减 数 分 裂 过 程 中 同 源 染 色 体 区 段 的 交换 是 熟知 的 一 个 例子 ， 这 一 事件 发 生 在 卵 和 精子 发 育 早期 紧 密 联 合 的 染色 体 之 间 【〈 第 十 四 章 )。 重 组 可 增加 交配 群体 的 染色 体 上 基因 组 合 的 多 样 性 ， 从 而 增加 在 变化 着 的 环境 中 存活 的 机 会 (第 十 四 章 )。 虽 然 减 数 分 裂 只 限于 真 核 生 物 ， 但 由 于 这 样 的 基因 混合 的 优势 极 大 ， 以 致 在 原核 生物 中 也 出 现 交配 和 一 般 重 组 引起 的 基因 更 新 分 配 。 位 点 专 一 重组 不 同 于 一 般 重 组 , 它 不 要 求 DNA 的 同 源 性 ， 而 是 在 两 个 参加 重组 的 DNA 螺旋 的 一 条 链 或 两 条 链 上 专 一 的 短 核 昔 酸 序列 处 发 生 交换 。 所 以 ， 位 点 专 一 重组 会 改变 基因 组 中 核 彰 酸 序列 的 排列 。 这 些 变化 有 时 好 像 是 有 计划 有 组 织 的 ,就 象 一 个 整 合 的 细菌 病毒 从 细菌 染色 体 上 切 下 来 时 那 种 情况 。 但 在 另 一 些 情况 下 ， 这 些 变 化 又 是 毫 无 规律 可 言 ,就 象 转 位 成 分 进入 基因 组 时 那样 。 目前 还 不 可 能 曾 明 高 等 真 核 生 物 中 遗传 重组 的 生 交 化 学 。 就 像 DNA 复制 一 样 , 我 们 所 知道 的 有 关 这 些 过 程 的 分 子 纪 节 多 半 来 自 比 较 容易 研究 的 一 些 生 物 系 统 ， 例 如 大 肠 杆菌 和 它 的 病毒 一 般 重 组 过 程 由 同 源 DNA 螺旋 的 互补 链 间 的 碱 基 配 对 相互 作用 所 指 一 般 重 组 涉及 DNA 链 互 换 的 中 间 产 物 , 这 还 有 待 进一步 研究 。 此 外 ， 重 组 的 确切 途径 不 同 生物 可 能 是 不 同 的 。 但 对 交配 的 细菌 、 病 毒 以 及 真菌 所 作 的 详细 遗传 学 分 析 表 明 , 一 般 重 组 的 主要 结果 总 是 相同 的 。 1. 这 个 过 程 的 最 终结 果 是 ,两 个 同 源 的 DNA 双 螺旋 断 开 ， 两 个 断 端 同 相 对 的 两 个 断 端 重新 愈合 再 形成 两 个 完整 的 双 螺 旋 , 每 个 双 螺 旋 中 含有 原来 两 个 DNA 分 子 的 一 部 分 (图 5-53)。 2. 交换 部 位 ( 即 图 5-53 中 彩色 螺旋 与 黑色 螺旋 的 接合 处 ) 可 发 生 在 参加 重组 的 染色 体 的 同 源 核 背 酸 序列 中 的 任何 地 方 。 3. 一 个 螺旋 的 一 条 链 与 另 一 个 螺旋 的 一 条 链 在 交换 部 位 上 进行 碱 基 配 对 ， 在 两 个 不 同 的 DNA 螺旋 之 间 形 成 交错 连接 (staggered joint) (图 5-54)。 这 些 交错 连接 可 长 达 几 千 个 碱 基 对 ,后面 将 阐明 它们 是 怎么 形成 的 。 4. 在 交换 的 地 方 核 苷 酸 序列 不 改变 ;断裂 和 重新 愈合 过 程 如 此 准确 ,以 致 没有 一 个 核 $233 音 酸 缺失 ,获得 或 改变 。 一 般 重 组 途径 用 来 保证 只 在 DNA 螺旋 中 DNA 序列 同 源 程度 大 的 两 个 区 段 间 发 生 交 换 反 应 。 交 换 处 形成 的 交错 连接 保证 了 这 一 点 ， 因 为 它 要 求 原 来 两 个 螺旋 的 链 之 间 2 个 同 源 DNA 螺旋 已 交换 的 染色 体 w 5-53 ”两 个 同 源 DNA 双 螺 旋 断 裂 和 重新 愈 合 ? 产 生 两 条 交换 过 的 染色 体 。 有 相当 长 的 碱 基 配对 区 。 但 交错 连接 是 怎么 形成 的 , 将 配对 的 两 个 同 源 DNA 螺旋 又 是 如 何 识别 它们 的 同 源 序 列 的 ?正如 我 们 将 明白 的 ， 同 源 区 先 通过 碱 基 配对 直接 地 互相 识别 。 然 后 来 自 两 个 DNA 螺旋 的 互补 链 之 间 形 成 的 碱 基 对 指导 一 般 重组 过 程 ， 所 以 它 只 发 生 在 长 眉 DNA 序列 配对 区 段 之 间 , 而 不 改变 染色 体 的 结构 。 一 般 重 组 是 在 DNA 双 螺 旋 一 条 链 上 的 缺口 处 开始 ?# ,35 DNA 双 螺 旋 的 两 条 链 不 仅 互相 通过 碱 基 配 对 ,而 且 彼 此 绕 成 螺旋 。 因此 ,两 个 同 源 的 DNA 双 螺 旋 之 间 不 会 发 生 有 效 的 碱 基 配 对 作用 ， 除 非 其 中 一 个 双 螺 旋 的 一 条 链 中 先 有 一 个 缺口 ， 使 那 条 链 自 由 了 才能 发 生 所 需 的 解 螺 旋 和 重新 螺旋 的 事件 。 同 理 , 两 个 DNA 双 螺 旋 链 间 的 发 生 相 互 交 换 至 少 要 有 两 个 缺口 , 每 个 DNA 双 螺 旋 的 一 条 链 上 各 有 一 个 。 最 后 ,如 要 产生 图 5-53 中 所 示 的 那 种 断裂 和 重新 愈合 ,显然 四 条 链 都 必需 断裂 ,只 有 这 样 每 一 条 断 链 才 能 与 另 一 条 对 应 的 断 链 重新 愈合 .这些 形 成 缺口 的 事件 是 如 何 完成 和 协同 , 以 保证 只 在 两 个 DNA 螺旋 共有 一 长 段 配对 DNA 序列 时 才 产 生 缺 口 的 ? 观察 各 种 生物 后 得 到 的 一 条 线 素 是， 只 要 在 DNA 螺旋 的 一 条 链 上 产生 一 个 缺口 ,就 足以 引起 一 般 重 组 事件 。 所 以 ， 已 知 能 在 DNA 链 中 引起 这 类 缺口 的 因素 如 7 或 入射 线 辐射 都 能 引发 遗传 重组 。 例 如 ， 在 脊 椎 动物 细胞 中 , 这 些 使 DNA 产生 缺口 的 因素 诱发 处 于 有 丝 分 裂 细 胞 周期 S 期 和 G; 期 的 每 条 染色 体 的 两 条 姊妹 染色 单 体 之 间 发 生 交 换 ( 图 5-55)。 因为 这 种 姊妹 染色 单 体 交 换 发 生 在 相同 染色 体 的 相同 拷贝 之 间 。 它 们 并 没有 使 不 同 的 基 因 组 重新 分 配 ; 所 以 ,用 遗传 方法 是 检查 不 出 的 。 但 用 一 种 特殊 的 染色 法 还 是 可 以 将 两 条 姊妹 染色 单 体 彼此 区 别 开 来 ， 所 以 ， 根 据 在 有 丝 分 裂 中 期 看 到 的 “染色 深浅 的 染色 体 ” (harlequia chromosome) 可 以 容易 地 检 出 交换 (图 5-56)。 在 真 核 生物 减 数 分 裂 期 间 和 细菌 中 发 生 类 似 的 重组 事件 时 ， 很 可 能 有 一 种 酶 在 开始 配对 的 分 散 ( 而 不 是 随机 的 ) 的 位 置 上 造成 缺口 。 图 5-57 表示 在 DNA 双 晶 旋 的 两 个 扎 补 区 段 之 间 , 由 这 样 一 个 缺口 引起 的 最 早 的 碱 基 配 对 作用 的 一 般 方 式 。 虽 然 详 细 情 况 还 不 清楚 ,但 研究 了 一 些 有 关 的 蛋白 质 后 ,证 明 在 一 般 重 组 途径 中 有 这 样 的 步 又。 现在 就 讨论 230 © 已 交换 的 染色 体 oe — - a oe 一 ~ 一 一 一 一 一 一 一 一 ~ - i 上 Het eH +. (amt tha ttt LU yt } pang Gag ee 人 ; 5 fet: pete He HER 3 i - ' — ”姊妹 染色 单 体 通过 遗传 重组 这 了 —K ”而 交换 了 DNA 双 螺旋 片断 wtTS Ch 的 6 个 位 置 ，， ET 5-53 PAAR RE RAE RAY Hy 5-55 SIRS 8 RAISER a ON FREI) DNA 双 、 : 通过 交错 连接 而 愈合 。 这 样 的 连接 常 长 螺旋 中 交换 事件 的 关系 。 Te a HALAS sea | ILE Awa 和 驳 染 色 体 。 下 面 一 条 表示 已 染色 的 ; 面 是 解释 它 的 结构 。 一 般 认为 ，， MATEY “每 条 染色 单 体 由 二 个 很 eon 双 坚 旋 所 组 成 (详细 讨论 见 第 作 TUN 44 aise kee mg 章 2e 染色 单 体 1 A yy 色 单 体 2 是 妒 妹 ; 是 在 同一 细胞 中 由 同一 过 ose pha gana wig 体 DNA 螺 旋 复 制 产生 的 ( 见 第 十 一 章 )。 最 初 合成 的 染色 单 体 1 用 Tee 区 | SSF D INA WHE Se aR, Be fete oe 2 二 过 绕 为 黑 相 线 的 曙 放 才 示 5 用 bt 一 种 侍 殊 汪 色 方法 标记 每 个 DNA 子 螺 放 中 的 染色 质 ， 可 检 出 所 示 Meg Gaede 图 5-56)。 人 由 5 Ti ana ih ee vs . 图 5-56 中 期 染色 体 中 看 到 的 姊妹 扫 色 单 体 交换 。 左 图 的 染色 体 来 自 对 照 细 胞 ; 只 RAD BE fa | oy) 体 过 经 交换 。 右 图 的 染色 体 来 自 经 过 处 理 以 诱发 DNA 产生 缺口 的 细胞 ,每 条 染色 单 体 都 经 过 许 | 多 次 染色 体 交 换 。 请 注意 每 条 姊妹 染色 单 体 上 交替 染色 图 案 (也 请 看 图 5-55)。 (Judy Bodycote ， 和 Sheldon Wolff 赠 ) * 237.0 缺口 露出 单 链 最 初 的 链 交换 ee GRE a 一 -> 5-57 正在 经 历 一般 重 组 的 两 个 同 源 DNA 双 螺 旋 之 间 开 始 出 现 链 交换 的 示意 图 。 一 条 DNA 链 上 产生 一 个 缺口 ,使 这 条 链 自 由 了 ,然后 这 条 链 侵入 第 二 个 螺旋 中 形成 一 小 眉 配 对 区 。 只 有 核 苷 酸 序 列 互补 的 两 个 DNA 分 子 能 按 这 种 方式 进行 碱 基 配 对 ,从 而 开始 一 般 重 组 事件 。 jaro 4 Bate DNA 单 链 同 DNA DREYER ACH 有 关 遗 传 重组 过 程 的 酶 学 知识 ， 多 半 来 自 对 在 一 般 重组 途径 中 有 缺陷 的 大 肠 杆菌 突 变型 所 作 的 研究 。 研 究 这 些 突变 型 细菌 已 鉴别 出 发 生 这 些 事件 所 必需 的 特殊 蛋白 质 。 一 种 蛋白 质 就 是 大 肠 杆 菌 SSB 蛋白 , 它 是 同一 种 螺旋 松 解 蛋 白 ,对 大 肠 杆 菌 DNA 复制 也 必 不 可 少 。 通 过 以 协同 形成 入 的 方式 同 细胞 中 所 有 DNA . 单 链 的 糖 -磷酸 骨架 紧密 结合 ,这 些小 蛋白 质 (19 000 道 尔 顿 ) 伸 展 而 破坏 链 的 构象 ,使 它们 的 碱 基 暴 露出 来 (图 5-58)。 处 于 伸展 构象 的 DNA 单 链 很 容易 同 核 昔 三 磷酸 形成 互补 碱 基 对 (DNA 复 制 时 )， 或 与 另 一 条 DNA 单 链 互 补 形成 互补 碱 基 对 ,如 在 重组 时 发 生 的 。 碱 基 配 填 相互 作用 对 一 般 重组 可 在 试管 中 模拟 来 说 极为 重要 ， 模 拟 是 通过 已 分 离 成 单 能 的 DNA 复 性 来 进行 的 。 当 两 条 配对 的 _DNA 单 链 上 的 互补 核 音 酸 序列 由 于 随机 AIEEE RMR DNA 复 性 , 把 在 它们 之 间 形 成 的 小 段 双 螺旋 集结 起 来 。 风 旋 集结 的 步骤 相当 缓慢 , 随 之 是 极 快 的 “ 拉 钾 " 步 又 ,此 时 双 螺旋 生长 使 碱 基 配对 作用 达到 最 大 程度 (图 5-59)。 当 大 肠 杆 菌 的 螺旋 松 解 蛋白 (SSB 蛋白 ) 与 这 些 DNA 链 结 合并 使 它们 的 构 像 伸展 时 ,就 加 快 螺旋 集结 的 速率 , 从 而 在 生理 条 件 下 可 使 链 重 接 的 总 速率 增 加 一 千 多 倍 。 但 这 种 被 催化 的 配对 反应 发 生 在 两 条 DNA 单 链 之 间 , 所 以 不 足以 说 明 遗 传 重组 开始 时 的 配对 事件 ， 因 为 这 发 生 在 双 螺旋 之 间 。 已 知 在 大 肠 杆 菌 中 至 少 还 涉及 另 一 种 蛋白 质 即 Rec A 和 蛋白。 Rec A 蛋白 是 以 在 1965 年 鉴别 出 在 染色 体 配 对 中 起 主要 作用 的 基因 命名 的 ， 经 过 生物 化 学 家 的 长 期 探索 ,终于 在 1976 年 纯化 了 这 个 重要 而 又 捉摸 不 透 的 基因 产物 。 证 明 它 是 38 000 道 尔 顿 的 蛋白 质 ， 有 几 种 令 人 感 兴趣 的 酶 活力 。 象 螺旋 松 解 蛋 白 一 样 ，Rec A 蛋白 也 牢固 地 结合 在 DNA 单 链 上 , 它 能 帮助 一 条 有 缺口 的 链 离 开 DNA 双 螺 旋 (如 图 5-57 中 所 要 求 的 陡 样 )。 它 同时 也 能 同 DNA 双 螺 旋 相 结合 , 使 单 唾 同 双 螺旋 结合 在 一 起 (图 5-60 A), Rec A 蛋白 还 是 一 种 依赖 于 DNA 的 ATP 酶 ， 另 有 一 个 与 ATP 结合 和 水 解 ATP 的 部 位 。 所 以 它 能 驱动 蛋白 质 的 一 系列 构象 变化 ， 使 图 5-60A 中 所 。238 。 示 的 三 链 复 合体 转变 为 图 5-60B 中 所 示 三 链 复合 体 。 最 后 的 这 个 反应 是 关键 的 反应 ， 因 为 它 使 单 链 和 双 螺 旋 之 间 发 生 直 接 的 碱 基 配 对 ， 一 般 认 为 重组 的 一 些 主要 事件 就 是 通过 这 种 作用 开始 的 。 虽 然 这 个 关键 反应 的 详细 情况 目前 还 不 清楚 ,但 根据 一 个 模型 ，Rec ABA AA ATP 水 解释 放出 的 能 量 帮 助 一 条 单 链 沿 着 一 个 双 螺 旋 移 动 ， 这 有 助 于 寻找 碱 基 配 对 开始 时 所 需 BAK ET BR FP INIA] DX ES KDA IEHA, AMAT PARY OR he #1 OA (SSB GA) Rec A 蛋白 合作 ， 就 容易 发 生 反 应 。 这 可 能 就 是 大 肠 杆 菌 如 缺少 其 中 的 一 种 蛋白 质 时 ， 遗 传 重 组 将 大 大 减少 的 原因 。 遗传 重组 通常 与 交叉 链 的 闪 换 有 关 ” 一 般 认 为 ， 遗 传 重组 中 缓慢 而 困难 的 步 又 是 氏 5 .53 结合 螺旋 松 解 蛋白 ， 为 DNA 单 链 三 基 在 两 个 双 螺 旋 之 间 开 始 建立 单 链 互 换 ( 图 5-57)。 nme Le oD ee 因为 在 这 种 最 初 的 交换 后 。 两 个 相互 作用 的 螺旋 ，DNA SMA ante ex 中 的 同 源 DNA 序列 就 靠拢 对 交 了 。 配 对 区 迅速 5B 2 ; 扩大 ， 两 个 螺旋 之 间 很 快 建立 起 链 的 进一步 交换 。 在 这 些 事件 发 生 期 间 切除 了 有 限 的 几 BAIA RE DNA 的 局 部 重新 合成 ,这 与 DNA 修复 中 的 一 些 事件 很 相像 。 但 由 于 有 多 种 可 能 姓 , 所 以 在 不 同 生物 中 ,甚至 在 同一 细胞 的 不 同事 件 中 。 在 这 个 阶段 以 后 会 出 现 不 同 的 途径 。 在 大 多 数 途 径 中 , 参加 重组 的 DNA 螺旋 都 形成 一 种 中 间 结 构 一 交叉 链 的 互 换 (cross-strand exchange), 图 5-61 是 形成 这 种 结构 的 最 简单 方式 。 在 交叉 链 互 换 时 ,最初 配 对 的 两 个 同 源 _DNA 螺旋 现在 通过 四 条 链 中 两 条 的 互 换 而 连接 一 起 ,这 两 条 互 换 的 链 各 来 自 一 个 螺旋 。 保持 这 种 结构 不 需 破坏 碱 基 配 对 ,这 种 结构 有 几 个 令 人 感 兴趣 而 重要 的 特点 : (1) 两 个 同 源 DNA 螺旋 之 间 的 交换 点 一 两 条 链 交 又 的 地 方 一 “可 以 通过 分 又 移动 (branch migration) 的 自发 过 程 沿 着 螺旋 迅速 地 前 后 移动 (图 5-62)。 这 种 分 又 移动 可 大 大 增加 来 自 不 同 DNA 螺旋 的 相互 作用 链 之 间 的 碱 基 配 对 区 ,这 可 能 是 已 重组 的 链 之 间 配 对 区 相当 长 的 原因 ( 见 图 5-54)。 (2) 交叉 链 互 换 含有 两 条 交换 链 和 两 条 非 交换 链 。 经 过 图 5-63 中 所 示 的 一 系列 旋转 运动 ,这 种 结构 可 以 异 构 化 。 异 构 化 改变 了 两 对 链 的 位 置 ,结果 原来 两 条 非 交 换 链 变 成 交换 链 ,反之 亦 然 。 为 了 重新 产生 两 个 分 开 的 DNA 螺旋 从 而 终止 配对 过 程 ,必须 切 去 两 条 交叉 链 。 如 果 在 交叉 链 互 换 异 构 化 之 前 切 去 它们 。 那 未 ,两 个 原来 的 DNA 螺旋 几乎 没有 改变 地 相互 分 离 , 只 有 很 短 一 段 单 链 DNA 发 生 交换 (图 5-63)。 但 如 在 异 构 化 过 程 中 切 去 两 条 交叉 链 ， 每 个 原来 的 DNA 螺旋 中 都 有 一 段 通过 交叉 点 同 另 一 个 螺旋 的 段 连接 ; 换言之 ， 丙 个 DNA 螺旋 都 发 生 交 换 ( 图 5-63)。 图 5-64 表明 这 一 过 程 的 实际 情况 ,有 丝 分 裂 细胞 中 的 两 条 姊妹 染色 单 体 ， 或 减 数 分 裂 细胞 中 的 两 条 同 源 的 姊妹 染色 单 体 之 间 ， 都 可 能 发 生 这 种 情况 (第 十 四 章 )。 虽 然 图 5-64 和 5-63 中 所 示 的 关键 性 的 互 换 异 构 化 会 以 某 种 速度 自我 产生 ,但 它 可 能 也 是 酶 驱动 的 ,或 由 细胞 通过 其 它 方式 调节 的 。 有 些 类 型 的 调节 很 可 能 在 减 数 分 裂 期 间 起 作用 ,因为 © 239。 o oa o oO E E REN A A B B 一 -一 一 人 > C D D E E 25-59 DNA 体外 复 性 时 ， 由 已 分 开 的 链 重 新 形成 DNA 双 螺 旋 。 螺 旋 的 重新 形成 有 赖 于 A 条 互补 链 的 随机 碰撞 。 虽 然 这 种 碰撞 多 半 没 有 结果 ,如 左 图 所 示 ; 但 少数 碰撞 会 导致 形成 已 有 互补 碱 基 对 的 短 区 段 (螺旋 核 晶 作用 )。 然 后 ， 迅 速 形成 拉链 就 完成 了 每 一 个 螺旋 。 通 过 这 种 尝试 和 错 误 的 过 程 ， 一 条 DNA 链 可 在 几 百 万 条 不 配对 的 DNA 链 中 找到 它 的 互补 链 。 互 补 链 的 尝试 和 错 性 的 试 配 识别 似乎 是 所 有 一 般 重 组 事件 的 开始 。 那 时 配对 的 两 个 DNA 双 螺 施 必定 形成 联 会 丝 复合 物 的 精细 结构 (第 十 四 章 )。 一 般 重组 有 助 于 DNA 修复 过 程 * 有 些 射线 或 化 学 物理 在 DNA. 螺旋 丙 条 链 的 同一 部 位 上 同时 引起 损伤 的 机 率 粗 当 大 此 时 不 可 能 靠 上 述 任何 一 种 DNA 修复 机 制 来 修复 这 种 损伤 。 研 究 细菌 得 到 了 充分 的 证 据 表明 , 虽 有 靠 其 他 方法 不 能 修复 的 严重 的 DNA 损伤 ,在 遗传 重组 事件 过 程 中 出 现 的 一 些 特殊 的 DNA 修复 过 程 却 可 以 排除 这 种 损伤 。 尽 管 还 不 知道 这 种 修复 途径 , 但 有 一 点 是 清楚 的 , 即 在 关键 的 配对 过 程 中 ,遗传 信息 的 四 份 拷贝 (四 条 DNA 链 ) 是 暂时 地 聚集 * 240° eS”... nn TTT 7 在 一 起 (图 5-63)。 原则 上 这 有 可 能 在 姊妹 染色 单 体 之 间 进 行 修复 ， 即 使 一 个 DNA 螺 旋 的 两 条 DNA 链 在 同一 碱 基 附 近 受 到 损伤 。 前 面 讨论 过 的 姊妹 染色 单 体 交换 (图 5-55 和 5-56) 可 能 起 作用 ,尽管 它们 发 生 在 体 细 胞 中 ， 而 且 重新 分 配 的 只 是 相同 基因 。 专 一 部 位 重组 酶 将 特定 的 DNA 序列 在 基因 组 中 搬 进 搬出 ” 另 一 种 遗传 重组 的 作用 范围 比 刚才 描述 的 一 般 重 组 系统 狭窄 得 多 。 这 里 ， 整 个 重组 过 程 一 - 包括 使 两 个 DNA 螺旋 连 在 一 起 的 最 初 的 识别 步 又 一 是 由 一 种 重组 酶 指导 的 ,两 个 重组 分 子 之 间 不 一 定 有 碱 基 配对 (即使 在 确实 发 生 碱 基 配对 的 系统 中 。 形 成 了 只 有 几 个 碱 基 对 的 交错 连接 )o 时 中 各 ， 惠 六 人 有 自在 和， 人 DDNA 分 了 因为 重组 酶 识别 重组 DNA 分 子 中 一 条 链 或 两 条 ， 与 RecA 蛋 白 一 起 在 体外 保温 时 * 非 碱 基 配 对 复合 链 上 的 特异 核 背 酸 序 列 ， 而 且 就 是 在 这 些 序列 上 体 的 形成 要 先 于 碱 基 配对 复合 体 的 形成 。 发 生 重组 的 ,所 以 这 种 重组 叫做 专 一 部 位 重组 。 有 一 个 系统 能 使 一 种 细菌 病毒 一 - 1 WE A 在 大 肠 杆菌 染色 体 中 跑 进 跑 出 ， 这 是 所 发 现 的 第 一 个 这 样 的 系统 。 负 责 这 个 反应 的 酶 是 1 整合 酶 , 它 由 一 个 病毒 基因 编码 。 纯化 的 酶 进行 图 5-65 所 示 的 反应 。 这 种 整合 酶 识别 两 人 段 非 同 源 的 DNA 序列 ， 一 段 在 环 状 的 喉 菌 体 DNA 双 螺 旋 上 ， 一 眉 在 细 汞 染色体 上 。 进 行 重组 反应 时 ， 吹 菌 体 DNA 双 螺 旋 的 两 条 链 暂时 断裂 ， 然 后 与 细菌 DNA 双 螺 旋 中 同样 断裂 的 链 的 未 端 重新 愈合 。 重组 酶 使 细菌 和 噬菌体 染色 体 上 的 专 一 部 位 紧 靠 在 一 起 ,然后 开始 所 需 的 DNA 切割 和 重新 连接 等 反应 。 这 一 过 程 中 的 各 个 步 又 进行 得 如 此 之 快 ， 以 致 在 正常 情况 下 不 可 能 检 出 推测 可 能 存在 的 _ DNA_ 过渡 形式 。 如 图 5-66 所 示 , 1 噬菌体 也 可 以 颠倒 实现 一 种 专 一 部 位 重组 机 制 ， 它 可 使 噬菌体 从 其 附着 位 置 上 下 来 以 便 在 细菌 细胞 中 迅速 增殖 。 一 般 认 为 发 育 中 的 B 淋巴 细胞 也 出 现 同样 的 反应 ,在 这 种 缅 胞 中 通过 特定 DNA 序列 的 缺失 , 使 免疫 球 蛋 白 基因 重 排 (第 十 蕊 章 )。 有 人 认为 , 它 还 引起 沙门 氏 菌 的 控制 外 壳 的 基因 的 倒 位 。 原核 生物 和 真 核 生 物 的 染色 体 中 都 发 现 一 组 移动 的 遗传 因子 ， 它 们 能 以 类 似 于 1 me 菌 体 的 方式 在 宿主 基因 组 中 跑 进 跑 出 。 其 中 有 些 跟 1 一 样 也 是 病毒 ， 能 以 颗粒 形式 从 一 个 细胞 跑 到 另 一 个 细胞 ,这 些 病 毒 的 DNA (或 者 RNA) 基因 组 外 面 有 一 外 壳 保 护 ， 使 它们 能 从 细胞 中 出 来 和 重新 进入 细胞 。 但 是 ,许多 能 移动 的 遗传 成 分 并 不 形成 病毒 颗粒 ， 不 能 离开 细胞 。 结果 ,这 些 DNA 序列 只 能 在 一 个 细胞 及 其 子 代 的 染色 体 上 移动 ， 所 以 它们 被 称 为 转 位 成 分 。 像 许多 病毒 一 样 ， 转 位 成 分 可 借助 专 一 识别 其 DNA 的 专 一 位 点 重组 系统 而 移动 ,即使 当 它们 整合 在 宿主 基因 组 中 时 候 也 是 如 此 。 虽然 对 病毒 和 转 位 成 分 插 人 基因 组 的 方式 还 未 完全 了 解 , 但 有 一 点 是 清楚 的 , 那 就 是 不 同 的 移动 成 分 有 不 同 的 机 制 。 不 同 于 1 吧 菌 体 识别 染色 体 的 专 一 “附着 部 位 ”， 许 多 因 子 在 染色 体 上 的 插 人 位 置 多 少 是 随机 选择 的 。 虽 然 有 些 移动 成 分 的 整合 可 能 与 整合 酶 有 关 , 这 种 酶 与 1 鸣 菌 体 的 酶 相似 ,但 从 细菌 研究 已 经 知道 。， 有 些 转 位 成 分 是 通过 更 复杂 的 。241 。 专 一 位 置 重组 过 程 而 移动 的 。 对 于 这 些 成 分 来 说 , 整合 事件 伴随 着 转 位 成 分 DNA 序列 两 条 同 源 DNA 螺旋 交叉 链 互 换 的 结构 图 5-“1， 交 又 链 互 换 的 形成 。 由 图 5-27 所 示 的 结 夫 变 成 交 又 链 互 换 可 通过 许多 可 能 的 途径 ,但 图 中 只 画 出 一 条 途径 。 |X| 的 复制 , 使 这 种 DNA 序列 不 必 离 开 染 色 体 上 原来 的 位 装 就 可 插 人 染色 体 上 新 的 位 置 (图 5-67 ) 0 一 般 认 为 ， 整 合 形成 的 病毒 和 转 位 遗传 成 分 散 布 在 所 有 细胞 的 整个 基因 组 中 , 但 这 个 转 位 成 分 的 特性 只 是 在 细菌 、 酵 母 、 玉 米 、 以 及 果 蝇 中 研究 得 比较 清楚 。 转 位 成 分 有 多 种 类 型 ， 每 一 种 被 未 知 信 号 偶然 激活 而 进入 其 基因 组 ,或 从 其 基因 组 中 出 来 ， 这 一 过 程 是 由 各 种 专 一 位 点 酶 复合 体 所 催化 ， 但 它 们 的 特性 目前 还 了 解 得 很 少 。 因 为 这 种 移动 本 来 就 是 极其 难得 发 生 的 (例如 ,对 于 许多 细菌 转 位 成 分 来 说 ， 每 10 细胞 也 代 中 只 有 一 次 )， 所 以 常常 难以 判 断 这 些 DNA 序 列 的 存在 。 它们 有 时 被 看 成 是 寄生 物 , 在 每 个 细胞 中 常 有 多 份 拷贝 在 典型 的 情况 下 ， 转 位 遗传 成 分 的 DNA 序列 (其 长 度 范围 在 几 百 个 碱 基 对 到 几 万 个 碱 基 对 ) 两 端 是 相同 的 核 苷 酸 序列 。 据 推测 专 一 部 位 重组 酶 就 是 通过 识别 这 两 端 起 作用 的 ， 从 而 将 这 两 端 之 间 的 DNA 序列 在 染色 体 中 移 进 移出 。 分 又 移动 | 图 5:62 在 交叉 链 互 换 时 迅速 发 生 分 又 移动 ， 由 此 增加 了 来 自 不 同 DNA 双 螺 旋 的 链 之 问 的 碱 基 配 对 数 。 除了 本 身 移 来 移 去 之 外 , 转 位 成 分 偶尔 还 可 使 宿主 基因 组 的 邻近 DNA 序列 移动 或 者 重 排 。 例 如 ,它们 经 常 造成 邻近 核 昔 酸 序列 的 缺失 ,或 带 着 它们 一 起 转移 到 另 一 个 位 置 上 。 所 以 , 由 转 位 成 分 引起 的 染色 体 DNA 序列 的 排列 比 以 前 所 了 解 的 更 不 稳定 ， 基 因 组 中 许多 进化 上 的 重要 变化 ,很 可 。 242。 能 是 由 它们 引起 的 。 Aw | 汪 ilk 16 Zee Dk 染色 体 交换 2 个 同 源 的 DNA 螺旋 xara Se #180 ° ~ ew As i 图 5-63 ”交叉 链 互 换 的 变 构 化 。 如 不 变 构 化 * 切 去 两 条 交叉 链 后 就 终 正 互 换 ， 这 时 两 条 染色 体 没 有 交换 (图 的 上 方 )。 发 生 了 变 构 化 ， 切 去 两 条 交换 链 后 形成 交换 的 两 条 染色 体 ( 图 的 下 半 部 分 )。 | 小 结 遗传 重组 机 理 使 大 段 大 段 的 DNA 双 螺 旋 能 从 一 条 染色 体 移动 到 另 一 条 。 进 化 出 现 的 反应 途径 使 两 个 DNA 螺旋 由 于 断裂 和 重新 愈合 所 造成 的 破坏 减 到 最 小 程度 ,这样 就 很 容 巡 恢 复 为 两 条 完整 的 染色 体 。 重 组 事件 分 为 两 大 类 。 在 一 般 重 组 时 ， 开 始 的 一 些 反 应 有 赖 于 两 个 DNA 双 螺 旋 的 将 重组 的 链 之 间 广 泛 地 碱 基 配 对 。 因 此 ， 这 些 事件 只 发 生 在 两 个 同 源 的 DNA 分 子 之 间 ; 虽 然 它 们 涉及 染色 体 之 间 基 因 的 交换 ， 但 在 正常 情况 下 ， 。243 。 AME RAI AAR ( 环 状 DNA ie) 整合 酶 -蛋白 复合 体 ft LF ee ie | 整合 在 细菌 染色 体 DNA me DNA | 号 2 A B C D E at 已 交换 的 染色 体 图 5-64 “两 条 同 源 染 色 体 间 发 生 一 次 遗传 重组 图 5-65 AME A DNA 插 和 人 大肠 杆菌 宿主 染色 你 中 的 专 事件 的 图 解 。 发 生 如 图 5-63 所 述 的 交叉 链 互 换 一 位 点 重组 事件 。 图 中 用 细 点 小 方块 表示 的 DNA 序列 是 的 变 构 化 。 整合 酶 识别 的 专 一 部 位 。 AMMADNABASERESDNA# Begs 2) 8 ee 染色 体 中 的 转 位 站 传 成 分 | amp Cc 人 人 一” ae ey AHL HO | TLE 转 位 DNA 序列 不 但 复制 而 且 在 新 部 位 上 插入 的 复杂 事件 B D 游离 形式 的 环 状 AMR KDNA pee eer oe 染色 体 DN A HAMMER | 图 5-66 ”通过 图 5-65 中 所 示 的 反应 的 逆反 应 ， 和 叭 菌 5-67 转 位 遗传 成 分 在 一 条 染色 体 上 移动 , 就 这 体 从 宿主 染色 体 上 下 来 。 这 一 反应 由 整合 酶 和 第 二 种 噬 里 所 示 的 这 种 因子 来 说 ， 息 需 在 其 原来 位 置 上 移 位 菌 体 蛋 白 的 复合 体 所 催化 。 第 二 种 蛋白 质 的 活性 受到 调 也 可 以 发 生 移 动 。 用 细 点 小 方块 表示 两 女 相 同 的 A Wee AR 色 体 ( 见 图 5-50)。 DNA 序列 ， 它 们 常 位 于 这 些 转 位 成 分 两 端 。 它们 并 不 改变 一 条 染色 体 中 的 整个 基因 序列 。 相 反 ,在 专 一 部 位 重组 事件 中 ,配对 反应 是 SRAREAW AR DNA 序列 来 进行 的 ,这 种 识别 由 蛋白 质 介 导 。 因此 ， 这 第 二 类 重 组 事件 通常 会 改变 染色 体 中 核 昔 酸 序列 的 相对 排列 。 [ 匈 信 芳 译 RK] 。245 。 Q z 起 g {J R eg IR > ee HO eg ie | a : x ae =e ie 对 其 他 真 核 细胞 膜 的 扫描 电镜 照片 。 由 于 质 膜 是 VIRB 人 兢 红 细胞 = ad / , 、 到 “五 - £ | 8 * ; 所 oye > a dy 区 。 5 SA » t 有 ， =, . \o = N e 第 六 草 质 TB 在 原始 生命 的 产生 过 程 中 。 质 膜 的 形成 是 关键 的 一 步 。 因 为 没有 质 腊 ， 细 胞 形式 的 生命 就 不 能 存在 。 围 在 每 个 细胞 外 的 质 膜 规定 了 细胞 的 范围 并 使 细胞 内 的 物质 与 外 界 环境 之 间 保 持 着 必要 的 差别 。 但 质 膜 不 仅仅 是 一 个 被 动 性 的 屏障 ， 它 还 是 一 个 有 高 度 先 择 性 的 过 洪 器 ,维持 质 膜 两 侧 不 同 的 离子 浓度 ,允许 营养 物 进入 细胞 和 废物 离开 细胞 。 所 有 生物 膜 ;包括 质 虎 以 及 真 核 细胞 的 各 种 内 膜 ,都 具有 一 个 共同 的 结构 : 它们 都 是 _ 由 脂 质 与 蛋白 质 的 分 子 以 非 共 价 键 的 形式 联结 成 的 集合 体 。 如 图 6-1 所 示 。 脂 质 分 子 组 成 连续 的 脂 双 层 ,厚度 为 4 一 5amo 这 种 脂 双 层 是 膜 的 基本 结构 ,大 多 数 水 溶性 分 子 是 不 易 透 过 这 层 屏障 的 。 蛋 白质 分 子 则 "“ 淤 解 于 脂 双 层 中 ,执行 膜 的 各 种 功能 : 某 些 蛋白 质 分 子 负责 转运 特定 的 物质 进出 细胞 ; 某 些 则 是 酶 分 子 ,催化 各 种 与 膜 有 关 的 反应 ; 而 另 一 些 则 在 细胞 骨架 与 细胞 外 的 基质 之 间 起 着 结构 联系 作用 ,或 者 作为 细胞 的 受 体 ,接受 与 变换 来 自 细 胞 环境 的 化 学 信号 。 所 有 的 细 胸 吃 都 是 动态 的 液体 结构 :大 部 分 脂 质 与 蛋白 质 分 子 都 能 在 膜 平面 上 快速 移动 。 此 外 ;， 膜 还 是 一 种 非 对 称 的 结构 在 膜 两 侧面 上 的 脂 质 与 蛋白 质 的 组 成 是 不 一 样 的 ,从 而 反映 了 席 两 侧 的 功能 也 是 不 一 样 的 。 | 尽管 在 不 同类 型 的 膜 中 。 脂 质 与 蛋白 质 的 成 分 可 以 有 很 大 的 不 同 ， 但 是 本 章 所 讨论 的 关于 膜 结构 与 功能 的 基本 概念 同 桩 适用 于 质 膜 和 细胞 的 各 种 内 膜 。 在 讨论 了 生物 膜 的 ” 主要 成 分 一 一 脂 质 、 蛋 白质 与 碳水 化 合 物 一 一 的 结构 与 组 成 后 ， 我 们 将 讨论 细胞 转运 小 分 子 物 质 进 出 膜 的 机 理 以 及 输送 大 分 子 物 质 与 大 颗粒 通过 质 膜 的 另外 一 些 完全 不 同 的 机 理 。 有 生物 膜 中 脂 质 分 子 是 组 成 双 层 的 这 一 点 首先 由 1925 年 完成 的 一 次 实验 证 明 。 用 丙 酮 提取 红细胞 膜 上 的 脂 质 ,使 之 译 于 水 面 。 利 用 一 个 可 移动 的 栅栏 来 缩小 这 些 脂 质 所 占有 的 面积 ,直至 形成 一 个 单 分 子 的 薄 异 ( 单 层 )。 这 个 单 层 薄膜 最 后 所 占有 的 面积 , 约 为 原来 红细胞 表面 面积 的 一 倍 。 由 于 红细胞 中 唯一 的 膜 就 是 质 膜 ， 实 验 的 结论 是 : 此 质 膜 中 的 脂 质 分 子 必定 是 一 个 连续 排列 的 脂 层 。 这 个 结论 是 对 的 ， 但 后 来 得 知 ， 它 所 根据 的 两 个 假设 都 是 错误 的 ,但 两 者 恰好 相互 补偿 ,结论 却 变 对 了 。 一 方面 ， 丙 酮 并 不 能 提取 所 有 的 脂 质 。 另 一 方面 ， 红 细胞 的 表面 积 是 根据 它 的 干 制备 物 计 算 的 ， 这 个 数字 远 远 低 于 在 湿 制品 中 所 观察 到 的 实际 面积 。 但 从 这 个 实验 中 所 引出 的 结论 却 对 于 细胞 生物 学 产生 了 深 远 的 影响 ; 远 在 它 被 实际 证 实 之 前 , 脂 双 层 已 经 被 大 家 采纳 作为 大 多 数 膜 结构 模型 中 的 一 个 组 成 部 分 了 。 对 于 高 度 有 序 的 生物 膜 的 射线 衍射 研究 证 实 ， 这 些 生物 膜 的 大 部 分 脂 质 分 子 是 以 。247 。 双 层 形式 排列 的 。 所 有 的 生物 膜 都 是 脂 双 层 的 证 据 来 自 以 下 的 事实 : 即 在 冰冻 状态 下 ， 可 用 力学 的 方法 使 一 切 生 物 膜 从 中 间 裂 开 〈 在 两 个 脂 单 层 之 间 ), 此 现象 可 在 冰冻 断裂 电 镜 检查 中 观察 到 。 为 什么 所 有 的 膜 结 构 都 是 以 脂 双 层 的 形式 构成 的 呢 ? 一 个 理由 是 : 这 些 脂 质 分 子 具 有 特殊 的 性 能 ,即使 在 细胞 外 ,它们 也 可 以 自己 集聚 成 双 层 结构 。 膜 脂 是 亲 水 脂 分 子 ,能 自动 形成 脂 双 层 : 站 质 分 子 不 溶 于 水 ， 但 很 容易 溶解 于 有 机 溶剂 中 。 在 大 多 数 动物 细胞 质 膜 的 组 成 成 Pom ”分 中 , 脂 质 约 占 50% RAH lum X lum 的 脂 双 层 , 大 约 有 5 X 10° 个 脂 质 分 子 , 或 者 说 一 个 小 的 动 物 细胞 的 质 脂 中 约 含有 10? 脂 质 分 子 。 细 胞 膜 的 三 种 主要 脂 质 是 磷脂 (含量 最 丰富 )、 胆 固 醇和 糖 脂 。 它 们 都 是 亲 水 脂 分 子 , 换 句 话说 ,它们 有 一 个 亲 水 (或 极 性 ) 的 未 端 和 一 个 朴 水 ( 非 极 性 ) 的 末端 。 举例 来 说 ， 图 6-2 AA ARH — PSR AN BSF, GAMER ABKHREEB. BBW KA 一 (通常 在 14 一 24 个 碳 原子 之 间 )。 其 中 一 个 尾部 常常 含有 一 个 或 多 个 顺 式 双 键 (不 饱和 ); 而 另 一 尾部 则 不 含 双 键 (饱和 )。 如 图 6-2 所 示 , 尾 部 的 双 键 部 位 造成 一 个 弯曲 。 尾 部 长 度 以 及 饱和 状态 的 不 同 很 为 重要 ， 因为 它们 影响 到 膜 的 流动 性 ( 见 下 文 )。 当 亲 水 脂 分 子 被 水 环境 包围 时 ,它们 就 集聚 起 来 ,掩藏 它们 的 下 水 未 端 而 让 亲 水 的 头 部 与 水 接触 。 有 两 种 方法 可 以 做 到 此 点 : 形成 球状 的 胶 团 , 把 尾部 包 在 里 面 ;或 者 形成 双 层 , 把 蕊 水 的 尾部 夹 在 亲 水 头 部 的 中 间 。 图 6-3 示 这 两 种 可 能 性 。 绝 大 部 分 的 磷脂 与 糖 脂 能 在 水 环境 中 自动 形成 双 分 子 层 结构 。 因 此 ， 生 物 膜 中 的 脂 质 部 分 的 形成 是 一 个 自我 装配 的 过 程 。 此 外 ， 此 种 脂 双 层 有 自 相聚 合 形成 封闭 性 腔 室 的 倾向 , 借 此 可 以 避免 留 下 游离 的 边缘 ,否则 牙 水 未 端 将 与 水 接触 。 同 理 ， 这 种 脂 双 层 受 到 破损 时 也 会 自动 再 度 封闭 。 脂 双 层 除 了 有 这 种 能 自我 装配 与 自我 封闭 的 特点 外 ， 还 具备 了 作为 细胞 膜 理 想 结构 的 另外 一 些 特点 。 其 中 最 重要 的 一 点 是 它 的 流动 性 。 我 们 将 会 看 到 ,此 点 对 于 细胞 的 许 多 功能 来 说 是 至 关 重 要 的 。 图 6-1 部 分 细胞 膜 〈 约 10 am“) 的 三 维 结构 示意 图 各 双 层 是 一 个 二 维 的 流体 ， 说 来 奇怪 ,直到 本 世纪 70 年 代 早期 ， 科 学 家 才 开 始 认识 到 脂 质 的 单个 分 子 能 在 脂 双 层 中 自由 扩散 。 最 初 的 证 据 来 自 对 人 工 合成 的 脂 双 层 的 研究 。 在 实验 研究 中 有 两 种 类 型 IMEI AA: 〈1) 一 种 脂 双 层 形成 球状 小 泡 , 称 为 脂 质 体 ， 其 直径 从 25nm 到 lam 。248 。 CH CH. oe ee CH, CH 一 顺 式 双 键 (A) CH, CHCH, (Cc) CH; CB) 图 6-2 〈A) 磷 脂 酰基 胆 碱 中 磷脂 分 子 的 示意 图 。(B) 结 构 式 ;(C ) 空 间 模型 ;8(D) 符 号 。 为 了 区 别 饱和 的 脂肪 酸 链 与 不 亿 和 的 脂肪 酸 链 ， 在 绘图 中 把 不 饱和 的 脂肪 酸 链 画 成 有 一 个 明 显 的 弯曲 ， 而 不 是 只 有 轻 度 的 挠 曲 。 事 实 上 在 不 饱和 的 脂肪 酸 中 只 有 双 键 处 呈 刚 性 。 由 于 链 的 其 他 部 分 的 碳 - 碳 单 键 都 能 自由 转动 ,因此 饱和 的 及 非 饱 禄 的 脂肪 酸 链 均 趋向 于 在 各 自 的 磷酸 脂 单 层 ALLE THEA oF RAE 大 小 不 等 ,取决 于 如 何 制 备 (图 6-4); (2) 另 一 种 脂 双 层 , 称 为 黑 膜 (black membrane), 它 形成 于 水 箱 隔 板 的 穿孔 上 (图 6-5)。 目前 已 使 用 过 多 种 技术 来 测定 单个 脂 质 分 子 以 及 它 的 各 种 成 分 的 运动 。 举例 来 说 ， 人 们 可 以 构建 一 个 脂 质 分 子 ， 使 它 的 头 部 极 性 基 团 携带 一 个 自 旋 标记 `， 例 如 一 个 硝 酰 基 ; 它 含有 一 个 不 配对 的 电子 ,电子 的 自 旋 能 产生 一 种 能 用 电子 自 旋 共振 光谱 议 ESR 检 测 出 来 的 顺 磁 性 信号 。 借 此 很 容易 测 出 脂 双 层 中 这 个 有 自 旋 标记 的 脂 质 分 子 的 运动 以 及 运动 的 方向 。 研 究 显示 ， 在 人 工 脂 双 分 子 层 中 脂 质 分 子 很 少 从 一 侧 单 分 子 层 转移 到 另 一 单 分 子 层 。 这 种 被 称 为 是 翻转 "的 过 程 , 其 发 生 率 以 单个 分 子 来 计算 ,两 周 内 还 不 到 一 次 《图 6-6)o 而 另 一 方面 ,在 同一 单 分 子 层 内 脂 质 分 子 极 易 与 其 邻近 分 子 交换 位 置 (1 BAN 10 次 )。。 这 就 造成 很 快 的 横向 扩散 ,其 扩散 系数 D 约 为 10 “cm /s。 这 意味 着 平均 每 一 个 脂 质 分 子 大 约 在 1 秒 内 扩散 (移动 ) 的 距离 为 2wm 左右 ,相当 于 一 个 大 的 细菌 的 长 度 。 此 外 ,研究 还 表明 单个 脂 质 分 子 能 绕 其 纵 轴 很 快 地 旋转 ,它们 的 烃 链 是 可 以 弯曲 的 ， 靠 近 站 双 层 中 心 处 弯曲 最 甚而 靠近 极 性 头 部 则 弯曲 最 小 (图 6-6)。 在 离 体 的 生物 膜 以 及 在 较 简单 的 全 细胞 如 支原体 、 细 菌 及 无 细胞 核 的 红细胞 上 也 作 过 类 似 的 标记 脂 质 分 子 的 研究 。 研 究 表明 ， 细 胞 膜 上 脂 质 分 子 的 行为 与 合成 的 脂 双 层 大 。249 。 体 相 同 : 生物 膜 的 脂 质 成 分 是 一 种 双 维 的 流体 ,其 组 成 的 分 子 能 迅速 移动 ,但 大 都 局 限于 它们 所 处 的 单 分 子 层 内 。 i. @ ¥ ¢ ese | WNIAVes =~ = - AE NG BCH a - 77, aly J 和 份 和 时 水 620290000 ; HI I hy 1 | Hi BEAGLE Ay oe | Side i UTS 8 0680 0604 25nm 图 6-3 磷脂 胶 粒 与 磷脂 双 层 横断 面 的 示 H6-4 小 球状 脂 质 体 的 横断 面 。 实 验 研 究 中 意图 。 在 水 中 磷脂 分 子 能 自发 地 形成 此 类 常用 脂 质 体 作 为 模型 噶 材 料 。 结构 。 (很 少 发 生 ) 脂 双 层 〈 黑 膜 ) 和 6 旋转 65 称 为 黑 膜 的 人 工 脂 双 层 横 切面 示 意 6-6 在 脂 双 层 中 磷脂 分 子 的 几 种 可 能 的 图 。 它 形成 于 水 箱 隔 板 的 穿孔 上 。 黑 膜 可 用 运动 类 型 。 于 测定 人 工 膜 的 次 透 特 性 。 脂 双 层 的 流动 性 取决 于 它 的 组 成 用 单一 类 型 磷脂 所 构建 的 人 工 脂 双 层 可 在 一 个 特定 的 凝固 点 上 由 液态 转变 成 刚性 的 晶体 (或 凝 胶 )。 此 种 物 态 转变 称 为 相 变 (phase-transition)。 而 如 果 磷 脂 分 子 的 碳 氧 链 较 短 或 者 有 双 键 的 话 , 则 膜 的 凝固 点 也 较 低 ( 即 ,难以 凝结 )。 链 愈 短 ， 则 尾 端 碳 氢 链 愈 不 易 发 生 相 互 作 用 ;而 顺 式 - 双 键 在 碳 氧 链 上 产生 弯曲 , 则 使 链 之 间 的 集聚 更 为 困难 (图 6-7), 人 工 脂 双 层 可 由 不 同 种 类 的 磷脂 组 成 ,它们 具有 不 同 的 饱和 度 ( 因 而 具有 不 同 的 相 变 Fi)» HERR] RATA SLR (phase separation): 其 中 同类 型 的 磷脂 分 子 在 到 达 它 们 各 自 共 有 的 凝固 点 时 分 别 集聚 成 不 同 的 胶 团 。 由 于 在 生物 膜 中 饮 和 与 不 饱和 的 脂肪 酸 链 常 存在 于 同一 个 脂 质 分 子 中 ( 即 一 条 链 是 饱和 的 , 另 一 条 链 是 不 饱和 的 ), 因 此 它们 不 能 以 这 种 方式 分 离 。 膜 流 动 性 的 另 一 个 决定 因素 是 胆固醇 。 真 核 细胞 的 质 膜 含有 比较 多 的 胆固醇 ， 其 分 子 数 与 磷脂 分 子 相 比 可 达到 1:1, 胆固醇 除了 具有 调节 疲 动 性 的 作用 外 ， 还 被 认为 能 提 © 250。 高 脂 双 层 的 力学 稳定 性 。 在 脂 双 层 中 胆固醇 分 子 的 羟基 靠近 磷脂 分 子 头 部 的 极 性 基因 ， 其 平板 状 当 环 与 磷脂 分 子 内 紧 靠 头 部 极 性 基 团 的 那 段 碳 氢 链 相互 作用 并 使 它 大 致 固定 ， 剩 下 该 链 的 其 余部 分 可 以 弯曲 (图 6-8)。 在 绝 大 多 数 真 核 细 胞 质 膜 在 所 具有 的 胆固醇 含 量 范 围 内 , 它 还 能 防止 碳 氢 链 聚 合 和 结晶 。 这 样 ,胆固醇 就 可 抑制 由 温度 诱发 的 相 变 , 从 而 防 正 了 流动 性 在 低温 下 突然 大 幅度 降低 的 可 能 性 。 利用 一 些 不 能 合成 胆固醇 的 动物 细胞 突变 株 作 实验 ， 也 提示 了 胆固醇 在 维护 膜 的 力学 稳定 性 方面 的 重要 作用 。 实 验 显 示 ， 除 非 在 培养 基 中 加 入 胆 固 醇 ， 和 否则 这 些 细胞 很 快 自 溶 。 加 入 的 胆固醇 被 整合 到 质 膜 中 ,使 脂 双 层 趋向 稳定 ,并 使 细胞 得 以 存活 。 质 膜 具有 流动 性 这 一 点 必然 具有 重要 生物 学 意 义 , 因 为 细菌 、 酵 母 和 其 他 一 些 变温 生物 的 温度 随 外 界 温度 的 变化 而 上 下 波动 ， 它 们 就 必须 不 时 改变 其 质 障 脂肪 酸 的 成 分 以 维持 相对 恒定 的 流动 性 。 究 竟 Tee aay A M aN 出 带 有 顺 式 双 键 的 人 饱和 的 碳 氢 直 链 不 饱和 的 碳 氢 键 图 6-7 “不 饱和 碳 氢 链 中 的 双 键 使 碳 氧 链 不 易 集 在 一 起 ,从 而 增加 磷脂 双 层 的 流动 性 。 哪些 主要 的 膜 活动 最 依赖 于 脂 双 层 的 流动 状态 ,这 还 有 待 进 一 步 阐明 。 但 我 们 已 知 ; 当 脂 OH A) (B) nm (C) 0 i we |) 头 部 极 性 基因 = an pias 图 6-8 〈A) 胆 固 醇 的 结构 式 B) 示 意图 ;C ) 在 单 层 : 内 两 个 磷脂 分 子 间 的 相互 作用 。 。 251。 双 层 的 粘度 超过 阔 值 时 , 某 些 转运 过 程 会 停止 ， 膜 上 酶 的 活性 会 消失 。 脂 双 层 是 膜 蛋白 的 溶剂 表 6-1 对 各 种 不 同 生物 膜 的 脂 质 组 成 作 了 比较 。 真 核 细 胞 质 膜 与 细菌 质 膜 不 同 的 是 ， 细菌 质 膜 通 常 仅 由 一 种 主要 类 型 的 磷脂 所 组 成 ,而 且 不 含 胆固醇 ,但 绝 大 部 分 真 核 细胞 的 质 膜 不 仅 含 有 大 量 的 胆固醇 ， 而 且 还 有 多 种 磷脂 。 举 例 来 说 ， 人 红细胞 质 膜 含有 四 种 磷 脂 一 一 磷脂 酰 胆 碱 、 鞘 磷脂、 磷脂 酰 丝氨酸 和 磷脂 酰 乙 醇 胺 。 图 6-9 表示 了 这 些 分 子 的 结 WA; 注意 只 有 磷脂 酰 丝 氨 酸 带 有 净 负 电荷 ， 而 其 他 三 种 分 子 在 生理 性 pH 时 呈 电 中 性 。 表 6-1 各 种 不 同 细胞 膜 脂 质 组 成 的 近似 值 占 总 脂 质 的 重量 百分比 磷脂 酰 乙 醇 胺 磷脂 酰 丝氨酸 磷脂 酰 胆 碱 BABAR 糖 脂 其 他 人 们 可 能 会 问 ， 为 什么 真 核 细 胞 的 质 膜 含 有 如 此 多 种 的 磷脂 ， 并 且 它 的 头 部 基 团 在 大 小 \ 形 状 与 所 带电 人 荷 等 方面 都 不 同 。 在 寻找 这 个 答案 时 ,可 以 这 样 设想 : 即 膜 脂 是 膜 蛋 白 的 二 维 溶剂 ,正如 同 在 水 环境 中 水 是 蛋白 质 的 三 维 溶 剂 一 样 。 可 能 某 些 膜 蛋白 只 能 在 具 有 特定 的 磷脂 头 部 基 团 时 才能 发 挥 其 功能 ， 正 如 同 在 水 溶 芒 中 许多 酶 需要 有 特定 的 离子 才 有 活性 一 样 。 下 列 发 现 与 这 个 观点 是 一 致 的 : 在 把 功能 性 的 膜 蛋白 插 人 到 人 工 的 脂 双 层 中 的 某 些 实验 中 ,这 些 蛋白 质 似乎 需要 某 些 特定 的 磷脂 才能 充分 发 挥 其 功能 。 质 蜡 的 脂 双 层 是 不 对 称 的 ' 在 已 经 作 过 分 析 的 质 膜 中 , 脂 双 层 的 两 半 的 脂 质 成 分 具有 了 明显 差异 。 在 人 红细胞 中 ， 绝 大 多 数 末 端 为 胆 碱 基 团 的 脂 质 分 子 都 位 于 脂 双 层 的 外 层 ， 而 绝 大 部 分 末端 为 氨基 酸 基 团 的 磷脂 都 位 于 避 层 (图 6-10), 前 者 要 比 后 者 更 为 饱和 ,因此 头 部 基 团 的 不 对 称 分 布 也 必然 伴 有 尾部 碳 氨 基 团 的 不 对 称 。 此 外 ， 带 有 负电 荷 的 磷脂 酰 丝 氨 酸 位 于 内 层 。 其 结果 是 两 个 单 层 间 有 着 明显 的 电荷 差 。 由 于 脂 质 分 子 在 两 个 单 层 间 翻 转 的 几率 很 小 ， 所 以 这 种 不 对 称 可 能 是 在 内 质 观 上 合 ¢ 2529 成 脂 双 层 时 便 形 成 了 ,通过 酶 再 把 特定 脂 质 分 子 从 一 个 单 层 转移 到 另 一 个 单 层 4336 页 )， 这 种 脂 质 不 对 称 必 定 有 其 功能 。 例 如 , 它 可 能 有 助 于 保持 膜 蛋白 在 脂 双 层 中 的 正确 方位 ; 我 们 将 看 到 ,所 有 的 膜 蛋白 与 膜 的 联系 也 是 高 度 不 对 称 的 ,这 点 对 于 它们 的 功能 发 挥 是 至 关 重 要 的 。 CH; CH3 ee Onin CHsx!_CHs CHa. | CHa | | ® | ei ist mihi brie CH2 CH2 ‘ i ea CHe CH» y ° ° " ? 9 O 上 | SH:-GH-cH: CHC CH C 了 -CH 一 CH | | O O & bits ol ip a C=0 C=0 Q C=0 C=O 8 3 Nag gee "ai 脂肪 酸 “ 一 <> OO HRW me BUR UA A A wR E | ron nee, ae BRAGA CAPR BA mr 学 ifs sy a 图 6-9 - 人 红细胞 腊 主 要 磷脂 的 结构 式 和 符号 。 注 意 :不 同 的 头 部 基 团 用 不 同 的 符号 表示 。 神 经 酰胺 的 结构 式 见 图 6-11。 在 动物 细胞 的 质 膜 上 ， 分 布 最 不 对 称 的 脂 质 分 子 是 糖 脂 ， 这 是 一 类 含有 低 聚 糖 的 脂 质 。 这 些 令 人 感 兴趣 的 分 子 仅 存在 于 脂 双 层 的 外 层 ， 而 它们 的 糖 基 暴 露 在 细胞 表面 上 细胞 外 空 孙 RA 图 6-10 ”人 红细胞 脂 双 层 中 磷脂 与 糖 脂 不 对 称 分 布 的 示意 图 。 磷 脂 的 符号 同 图 6-9。 糖 脂 的 头 部 基 团 以 六 角形 符号 表示 。 胆 固 醇 未 画 出 。 (图 6-10)。 组 成 糖 脂 分 子 头 部 的 低 聚 糖 是 很 复杂 的 ; 这 一 点 再 加 上 它们 在 细胞 表面 上 所 处 的 关键 位 置 ， 提 示 这 些 低 聚 糖 可 能 在 细胞 间 通 讯 上 起 一 定 的 作用 。 不 过 此 作用 尚 待 证 实 。 糖 脂 位 于 所 有 质 肛 的 表面 ,但 亡 的 功能 尚 不 清楚 - 所 有 的 动物 细胞 质 膜 可 能 都 有 糖 脂 , 大 约 占 外 部 单 分 子 层 中 脂 质 分 子 的 5%。 BAB 。253。 的 含量 因 动 物种 类 不 同 而 异 ,甚至 同一 动物 的 各 组 织 中 含量 亦 可 不 一 。 在 细菌 或 植物 中 ， 几乎 所 有 的 糖 脂 均 由 甘油 衍生 而 来 ,而 在 动物 细胞 中 糖 脂 几 乎 全 来 自 冰 氨 醇 , 一 种 长 的 氨 醇 (图 6-11)。 动 物 细胞 的 糖 脂 , 称 为 蒜 糖 脂 , 其 基本 结构 类 似 于 来 自 甘 油 的 磷脂 , 具有 一 个 极 性 的 头 部 基 团 和 两 条 站 水 的 碳 氢 链 (但 一 条 来 自 式 氨 醇 ， 另 一 条 是 脂肪 酸 链 )。 但 是 所 有 的 糖 脂 分 子 均 有 其 特点 , 即 头 部 的 极 性 基 团 都 是 由 一 个 或 多 个 糖 残 基 所 组 成 。 不 论 是 真 核 细 胞 或 原核 细胞 , 质 膜 中 最 常见 的 糖 脂 都 包括 中 性 糖 脂 , 其 头 部 的 极 性 基 lr 1 一 15 种 以 上 的 中 性 糖 所 组 成 。 某 些 中 性 糖 仅见 于 某 些 哺乳 类 动物 ， 而 且 常 常 仅 存 在 于 这 些 动物 的 某 些 组 织 中 。 一 个 突出 的 例子 是 半 乳 糖 脑 苷 脂 ,这 是 最 简单 的 糖 脂 之 一 ， 它 的 头 部 极 性 基 团 只 包括 一 个 半 乳 糖 (图 6-11)。 EFL EES a HAO BSI 芋 是 能 使 神经 绝缘 的 多 层 膜 。 散 糙 实 际 上 也 就 是 包 绕 在 神经 纤维 外 面 的 多 层 质 膜 ， 是 由 一 种 特 化 的 成 购 鞘 细胞 (myelinating cell) 形 成 的 ( 见 第 十 八 章 )。 这 些 细胞 的 特点 是 在 其 质 膜 上 有 大 量 的 半 乳 糖 脑 昔 脂 ， 几 乎 占 外 单 分 子 层 的 0% 由 于 它 在 其 他 膜 上 上 的 量 很 OH OH CHzOH HO O oH oH 9 CH, CH, CH, HC NH, n—¢ NH H-¢ NH H 一 9 一 OH 一 og oH HC HC HC cu ea - cH CH, CH, CH! | CH, cH, CH, én, CH， CH, CH, CH, én, CH, CH; = du, a: Ci con 和 Ct FS CH, CH, CH, a CH, CH, é ch CH y" CH, CH, CH, CH, Hs ' 区 CHs CH, CH, a am HSER 2291 RETR | 图 6-11 fj eH AA BNE FL RN EF OH I >, AKG EER RAANEPEABE ER, KERNEN BANS Ro Fe BARN ee HAE I. EATS SE RIE CORK N- CRA RM «2546 或 NANA), 22936 (ERS ARH fh LAT (图 6-12)。 神 经 节 昔 脂 在 神经 元 的 质 膜 中 最 为 丰富 , 占 总 脂 质 的 6% ,不 过 在 大 多 数 细胞 类 型 中 都 可 找到 神经 节 苷 脂 ,只 是 含量 较 少 。 到 目前 为 止 , 得 到 鉴定 的 已 有 30 余 种 不 同 的 神经 节 背 脂 。 图 6-13 列举 了 某 些 常 见 的 类 型 ， 同时 也 介绍 了 命名 的 方法 。 关于 糖 脂 的 功能 可 能 有 哪些 ， 目 前 只 有 一 些 线索 。 举 例 来 说 ;神经 节 昔 脂 Gm (图 6-13) 是 一 种 细胞 表面 受 体 ,霍乱 菌 毒素 与 之 结合 可 导致 严重 腹泻 ; 霍乱 毒素 仅 与 细胞 表面 有 Gu 的 细胞 相 结合 ， 包 括 肠 道 的 上 皮 细 胞 。 虽 然 不 能 说 与 细 菌 毒素 结合 是 神经 节 昔 脂 的 正常 功能 ， 但 这 种 现象 提示 此 昔 脂 可 能 是 接受 细胞 间 正常 信号 的 受 体 。 目 前 已 有 愈 来 合 多 的 糖 脂 能 用 特定 的 抗体 加 以 鉴别 ， 所 以 已 有 可 能 用 这 些 抗体 来 查 明 这 些 奇妙 分 子 的 功能 。 原 则 上 ， 人 们 可 将 抗体 结合 到 细 ”图 6-12 RCN CRS HALO, Ree | A NDAD. 还 是 被 促进 。 BB HE AY ER AE 糖 头 部 基 玩 Bi 7K AY AS ， 双 层 核心 图 6-13 ”一些 有 代表 性 的 神经 节 苷 脂 及 其 标准 名 称 。 在 Gxk\C\Gw\Gpi 和 Gr :中 ,字母 M、 D 和 工 代表 唾液 酸 残 基 的 数目 (分 别 是 1,2 与 3)? 而 用 5 减 去 电 中 性 的 糖 残 基数 目 即 可 得 出 字母 后 面 的 数字 。NANA = N-Z Ait AARC HEIR); Gal = 半 乳 糖 ; Glc = 葡萄 糖 ;GaINAc 一 N- 乙 酰 氨 基 半 慑 糖 胺 。 半 驰 糖 ,葡萄 糖 和 N- 乙 酸 氮 基 半 乳糖 胺 都 是 电 中 性 而 唾液 酸 则 携带 负 电荷 (图 6-12)。 小 结 所 有 生物 膜 都 是 由 连续 的 脂 双 层 所 组 成 ,各 种 膜 蛋 白 即 炭 在 其 中 。 脂 双 层 是 流动 的 ， 脂 质 分 子 能 在 各 自 的 单 分 子 层 内 迅速 地 移动 。 但 是 脂 质 分 子 很 少 能 自发 地 从 一 个 单 分 子 层 翻转 到 另 一 单 分 子 层 中 去 。 膜 脂 分 子 是 亲 水 脂 分 子 ,在 水 中 , 绝 大 部 分 都 能 自发 地 形成 脂 双 层 。 因 此 ， 细 胞 的 脂 双 层 能 自我 装配 * 如 有 破损 亦 能 自动 闭合 。 在 质 肛 的 脂 双 层 中 有 三 种 主要 的 脂 质 分 子 : REBAR S BE WERT ESDBATEMWERARAAM 此 外 ,一 个 真 核 细胞 中 不 同 的 膜 各 具 不 同 的 脂 质 成 分 。 2255" Rk & A 虽然 生物 膜 的 基本 结构 是 由 脂 双 层 所 决定 的 ， 但 它 的 特定 功能 却 主 要 是 由 蛋 自 质 来 完成 的 。 因 此 膜 上 的 蛋白 质 的 类 型 和 数量 就 反映 了 膜 的 功能 :在 主要 对 神经 纤维 起 绝缘 作 FARI HEH RE a ROA 25% , 而 在 负责 转换 能 量 的 膜 中 (例如 线粒体 和 叶绿体 的 内 Ik) KA 75 史 是 蛋白 质 ; 一 般 的 质 膜 则 介 于 两 者 之 间 , 大 约 50 多 是 蛋白 质 。 当 然 , 脂 质 分 子 与 蛋白 质 分 子 相 比 ,体积 小 得 多 ,因此 膜 上 的 脂 质 分 子 总 是 远 多 于 蛋白 质 分 子 。 学 例 来 说 ,在 一 个 含 50 多 蛋白 质 的 膜 中 ,大 概 每 有 1 个 蛋白 质 分 子 就 有 50 个 脂 质 分子 。 许多 膜 蛋白 分 子 是 借助 与 脂 质 分 子 间 的 疏水 性 相互 作用 而 保持 在 脂 双 层 中 的 * 直到 前 不 久 ,科学 家 还 错误 地 认为 , 膜 蛋白 在 脂 双 层 的 两 侧 表面 上 各 形成 一 个 平展 的 单 层 。 现 在 人 们 知道 ， 许 多 膜 蛋 白 是 直接 插 人 到 脂 双 层 内 (图 6-14)。 与 脂 质 分 子 一 样 ， 这 些 膜 蛋白 通常 也 是 中 极 两 性 分 于 : CHIRK Sle MAA ABAD FAY BKM 相互 作用 ,而 亲 水 部 分 通常 暴露 在 膜 的 一 侧 或 两 侧 (更 常见 ), 与 水 环境 相 接 触 。 某 些 膜 蛋 白 的 蕊 水 性 可 由 于 与 一 个 或 多 个 脂肪 链 的 共 价 结合 而 增强 ， 这 些 链 帮助 蛋白 质 固定 在 脂 Mi Ao 图 6-14 中 极 两 性 的 膜 蛋白 的 图 图 6-15 膜 蛋 白 与 脂 双 层 连结 的 四 种 可 能 方式 的 示意 解 。 这 些 膜 蛋白 分 子 是 借助 与 脂 图 。 虽 然 已 知 一 些 蛋白 质 是 穿越 脂 双 层 的 (17* 而 另 一 些 质 分 子 的 烃 链 间 的 牙 水 性 相互 作 则 通过 与 其 他 膜 蛋白 的 非 共 价 结合 而 保持 在 脂 双 层 上 “′ 用 而 保持 在 脂 双 层 中 的 。， (37， 但 始终 未 能 明确 证 实 是 否 有 些 膜 蛋白 其 多 肽 链 只 部 分 进入 脂 双 层 (62)。 最 近 有 证 握 表 明 ， 某 些 膜 蛋 白 上 有 一 条 或 多 条 共 价 结合 的 脂肪 酸 链 ， 这 些 链 能 帮助 把 蛋 白质 固定 在 单 层 上 ; 这 些 蜡 蛋白 大 多 的 是 跨 膜 蛋白 ， 人 和 但 少数 则 可 能 不 是 ( 4 )。 由 膜 上 去 除 蛋白 质 的 难 易 度 相差 很 大 ,有 些 膜 蛋白 仅 用 温和 的 方法 (例如 用 盐 溶液 提 取 ) 就 能 释 出 ,而 另 一 些 则 需 用 去 拍 剂 或 有 机 溶剂 破坏 了 整个 脂 双 层 后 才能 提取 。 这 两 种 极端 的 类 型 通常 分 别称 为 外 周 蛋白 及 整合 蛋白 。 但 是 这 种 根据 操作 方法 所 作 的 分 类 不 能 错误 地 班 解 为 就 代表 了 这 些 蛋 白质 与 脂 双 层 之 间 联 系 的 分 子 结构 ， 这 一 方面 通常 我 们 并 不 清楚 。 许 多 蛋白 质 穿 过 脂 双 层 暴露 在 膜 两 侧 的 水 环境 中 ,这 些 蛋白 质 称 为 跨 膜 蛋白 。 另 一 些 蛋 白质 则 仅 在 脂 双 层 的 一 侧 与 水 接触 ; 其 中 一 些 借助 与 跨 膜 蛋白 的 非 共 价 联系 而 男 定 在 膜 上 ,而 另 一 些 蛋 白质 则 因 其 上 有 共 价 结合 的 脂肪 酸 链 ,借助 这 些 链 而 得 以 男 定 在 一 侧 单 层 中 (图 6-15)。 * 256° Fl) ABBAS 7K 4S BREDA ENE IR ZI PLLA ATU AB BY 2 BA ERE SEP Be BR eR PHBWCK. KRARRAARES REN RELMARAIUW SAKE RAR, i AAUBAAFERERELA RECA RA. MASKED o 螺旋 或 8 折 有 登 层 的 形 式 穿 过 脂 双 层 时 , 肽 键 间 形 成 的 氢 键 最 多 。 同 样 理 由 ,可 能 肽 链 在 通过 脂 双 层 之 后 才 会 改 变 方 向 ,因为 链 的 弯曲 会 丧失 正常 的 氢 键 之 间 的 相互 作用 。 因 此 ,仅仅 穿 过 脂 双 层 一 部 分 ASS AERA. —Ritk. BARBRA MHh—-# SRABAANEAR). BAH Remo 7VERAFt IEMA RH AT WREDERRA ANAM EAT, EMER K 脂 分 子 ， 具 有 在 水 中 能 形成 胶 团 的 趋 % (A 6-16), 4AM AIA» "ERY Bit 7k tin AR Se IR TY Bie 7K 区 结合 ， 从 而 取代 了 脂 质 分子 。 由 于 去 垢 剂 的 另 一 端 是 极 性 的 ,这 样 ,就 会 去 拍 剂 胶 园 BEA | 1 2 re oe HED We eee Kx “ ox 如 SSL ett eX Ny ee cx <> 9 Ty ceco] Ska aE —yic® A 水 溶性 蛋白 质 - 脂 质 - ss < | Bik tee 去 拍 剂 复合 体 “Ol? ceuncg 去 拍 剂 混合 胶 粒 图 6-16 水 中 去 拆 剂 胶 粒 的 横断 面 。 我 们 说 图 6-17 用 去 垢 剂 浴 解 膜 蛋白 。 去 拍 剂 破 | 去 拍 剂 是 亲 水 脂性 的 ,是 因为 它 具有 极 性 端 和 坏 脂 双 层 ， 把 蛋白 质 溶 于 溶液 中 ,形成 蛋白 非 极 性 端 两 者 。 质 - 脂 质 -去 垢 剂 复 合 物 。 膜 上 的 磷脂 也 被 SJE WE 把 膜 蛋白 以 去 垢 剂 -蛋白 复合 物 的 形式 带 到 溶液 中 《虽然 一 些 结合 牢固 的 脂 质 分 子 仍然 结合 在 膜 蛋 白 上 ; 见 图 6-17)。 去 拍 剂 的 极 性 端 可 以 是 之 电 的 〈 离 子 )， m+ bese Real (SDS); hale Ae HAY, MN“ AAI” (triton) 去 振 剂 。 这 两 种 用 得 最 多 的 去 拍 剂 的 结构 见 图 6-18。 当 除 去 去 拍 剂 后 ,原来 溶解 的 膜 蛋白 在 水 溶液 中 又 变 得 极 难 溶 了 ,从 而 形成 含有 多 种 物质 的 混合 物 从 溶液 中 析出 〈 图 6-19)。 因此 , 膜 蛋白 要 比 水 溶性 蛋白 难 提 纯 , 难 以 研究 。 还 有 一 个 麻烦 : 强 去 垢 剂 ( 特 别 是 离子 型 的 ) 往 往 与 膜 蛋白 天 然 结 构 内 部 的 “ 朴 水 核心 结 合 , 从 而 将 膜 蛋白 展开 ( 见 图 3-18); 这 样 溶解 下 来 的 蛋白 质 由 于 丧失 了 正常 的 三 维 结构 ， 因而 也 没有 活性 ,无 法 用 于 功能 性 的 研究 。 已 展开 了 的 蛋白 质 称 为 变性 蛋白 。 然 而 ,在 最 顺 利 的 情况 下 ,可 以 用 低 浓 度 的 温和 去 垢 剂 保持 膜 蛋白 的 可 咨 性 ,并 在 活性 状态 〈 即 或 不 是 完全 正常 的 状态 ) 下 加 以 研究 。 SDS- 聚 丙烯 酰胺 凝 胶 电 泳 给 膜 蛋白 的 研究 带 来 了 革命 去 拍 剂 溶解 技术 用 于 研究 各 种 膜 的 主要 蛋白 质 已 取得 巨大 成 果 。 此 法 的 一 般 过 程 。257。 是 : 首先 ;把 膜 放 在 1 多 的 强 去 垢 剂 SDS 溶液 ( 它 可 以 破坏 所 有 和 蛋白质- 蛋白质、 蛋白 质 - 旨 质 的 非 共 价 结合 ,并 使 蛋白 质 完全 展开 ) 中 加 热 到 100*c ,再 把 它 铺 在 含 _ SDS 的 聚 丙烯 酰胺 凝 胶 的 上 面 ， 最 后 在 强 电场 中 电泳 几 小 时 。 由 于 离子 型 SDS 结合 在 蛋白 质 上 的 量 大 约 和 多 肽 链 的 量 相等 ， 因 而 ， 去 拍 剂 的 负电 荷 大 大 超过 了 蛋白 质 本 身 的 电荷 。 KR, 蛋白 质 分 子 在 电场 中 的 迁移 率 就 主要 由 它 的 分 子 量 决定 : 分 子 量 越 大 ， 受 到 凝 胶 上 聚 两 烯 酰胺 分 子 的 复杂 网 络 的 阻 滞 作 用 也 越 大 ， 从 而 移动 也 越 慢 。 当 用 能 与 蛋白 质 结合 的 染料 〈 如 考 马 斯 蓝 ) 染色 后 ， 在 凝 胶 上 就 可 以 看 出 主要 的 膜 蛋白 分 别 形成 的 带 ( 见 图 4- 37 )o 最 近 , 双 向 凝 胶 电泳 技术 也 用 于 膜 蛋白 的 研究 ;到 目前 为 止 , 用 这 种 技术 已 从 一 种 质 膜 中 区 分 出 50 多 种 膜 蛋 白 。 由 于 微量 的 蛋白 质 是 很 难 检测 的 ， 所 以 毫 无 疑问 ,在 一 个 典型 的 质 膜 上 必然 还 会 存在 许多 其 他 蛋白 质 。 用 红细胞 空 壳 可 以 研究 膜 蛋白 的 胞 质 面 ? 比 起 其 他 任何 真 核 细胞 膜 来 ， 我 们 对 人 类 红细胞 质 膜 了 解 得 最 多 。 这 有 许多 原因 : (1) 可 以 取得 大 量 的 红细胞 (如 从 血库 中 )， 比 较 不 易 夹 杂 其 他 类 型 细胞 ; (2) 因为 质 膜 是 红 绚 胞 唯一 的 膜 ,因而 分 离 时 也 不 会 夹杂 细胞 内 膜 , 而 这 个 问题 是 制备 其 他 类 型 细胞 质 膜 的 一 个 严重 问题 ; (3) 制 备 红 细胞 膜 KN SH RAG, ASAE REAR CH; Ke CH,—C —CH, ig ee 水 溶性 蛋白 质 - 脂 质 -去 拍 剂 复合 体 CH, | i | HC. CH CH, ; | | ChHz O | he Ne ve oH, CH, 1 | cH, Pane ae Ea ] CH, O | Ty, 1? am ? ‘SD O—s=o 0 Of Nag Al F a at EAE Y. -100 已 聚集 的 蛋白 质 图 6-18 常用 的 两 种 去 垢 剂 的 结构 : 图 6-19 当 从 去 垢 剂 溶解 的 膜 蛋白 中 去 除去 垢 A 十 二 烷 基 克 酸 钠 (SDS)7 是 阴离子 型 去 后 ， 相 对 裸露 的 蛋白 质 分 子 (上 面 只 结合 有 少数 脂 垢 剂 ;“ 去 利通 "X-100 是 非 离 子 型 去 质 分 子 ) 趋 向 于 沫 集 在 一 起 以 埋藏 它们 的 划 水 区 ,从 垢 剂 s 而 形成 绞 大 的 团 粒 由 溶液 中 析出 。 。258。 BRAT LT o FA HRA BRR BE Lb A HPS AIK» 7k aS A 2a (5 20H HE BH HS Be Be RHA)» A TTT 释 出 血红 蛋白 〈 这 是 唯一 的 一 种 主要 的 非 膜 蛋白 ); (4) 我 们 既 可 以 研究 破损 的 空 壳 (在 此 情况 下 ,试剂 可 以 和 膜 的 内 外 两 个 表面 作用 ), 也 可 以 待 其 重新 闭合, 这 时 ,试剂 只 能 和 膜 的 外 表面 起 作用 。 此 外 ,用 红细胞 空 壳 还 可 制 成 内 侧面 外 翻 的 小 泡 〈 图 6-21)， 因 而 ， 可 以 分 别 研究 细胞 膜 的 外 侧面 和 内 侧面 〈 胞 质 面 )o。 正 是 应 用 这 种 闭合 的 和 不 闭合 的 血 影 细胞 才 第 一 次 证 实 了 某 些 膜 蛋白 完全 贯穿 脂 双 分 子 层 ， 以 及 证 实 了 脂 双 分 子 层 是 不 对 称 的 。 瞳 蛋 白 位 于 哪 一 侧 , 可 以 用 两 种 方法 测定 。 其 一 是 用 不 能 穿 过 膜 的 共 价 标记 试剂 ( 例 如 ,放射 性 或 荧光 标记 的 试剂 )， 它 只 能 和 暴露 面 的 特定 基 团 共 价 结合 ( 见 后 )。 然 后 把 膜 溶解 ,用 聚 丙烯 酰胺 凝 胶 电泳 分 离 膜 蛋 白 ,再 借 放 射 目 显影 术 探 测 放射 性 或 者 在 紫外 线 照 射 下 观察 荧光 均 可 寻找 到 标记 的 蛋白 质 。 运 用 这 样 的 向 量 标记 法 ， 可 以 确定 某 一 特定 的 蛋白 质 (在 凝 胶 上 是 一 条 带 ) 在 膜 上 的 方位 。 如 果 一 个 膜 蛋白 同时 在 外 侧面 〈 如 标记 完整 细胞 或 闭合 的 血 影 细胞 ) 和 内 侧 (细胞质 ) 面 〈 如 标记 内 面 外 翻 小 泡 ) 上 得 到 标记 ， 那 就 ”必定 是 一 个 跨 膜 蛋白 。 另 一 Se AIS IRS AMES Ss SER STR 9 7 UTA sR — SE Mill GSA EBB Gs BBA 必定 是 一 个 跨 膜 蛋白 。 用 单 向 SDS- 聚 丙烯 酰胺 凝 胶 电泳 分 析 人 红细胞 质 膜 大 致 可 分 出 15 条 主要 的 区 带 , 分 子 量 在 15 000 到 250 000 之 间 。 其 中 三 种 蛋白 质 一 一 血 影 蛋 白 、 血 型 糖 蛋白 和 带 III 蛋白 (band IID 一 一 占 膜 蛋白 总 量 的 60%( 以 重量 计 ) 以 上 (图 6-22)。 这 三 种 蛋 自 质 在 膜 中 的 排列 方法 是 £620 ”人 红细胞 的 扫描 电镜 照片 。 它 呈 双 四 回 各 不 相同 的 。 因而 ， 我 们 可 以 以 它 盘 状 ,无 核 。(Bernadette Chailley 赠 ) 们 为 例 来 说 明 目 前 已 知 的 膜 蛋 白 和 膜 联系 的 三 种 基本 方式 。 ee 7 elt 破损 的 空 过 tl | lo NE ETT 封闭 的 空 过 全 uF © oO hails 正常 方向 的 小 泡 oO oO 内 面 外 翻 的 小 泡 图 6-2 -21 gave 闭合 的 与 未 闭合 的 血 影 细 胞 、 正 常 方向 的 小 泡 和 内 面 外 翻 小 钨 。 小 泡 膜 的 方向 由 裂解 过 程 中 的 离子 条 件 押 决定 。 0250 。 33S Bee Mes & ET SH BY 人 类 红细胞 质 膜 上 的 大 多 数 蛋白 质 分 子 仅仅 暴露 在 内 表面 〈 胞 质 面 ) 上 与 水 环境 接 触 ,， 这 其 中 大 部 分 在 离子 浓度 很 低 的 溶液 中 就 可 以 从 膜 上 解脱 出 来 。 其 中 含量 最 多 的 就 是 血 影 蛋白 , 它 是 一 种 长 纤维 状 的 分 子 ， 约 占 膜 蛋 白 总 量 的 30%, 每 个 细胞 约 有 3 X 10° 个 分 子 (图 6-23)。 人 血 影 蛋白 由 两 条 非常 大 的 肽 链 (分 别 为 220 000 和 240 000 道 尔 顿 ) 组 成 ,在 膜 的 胞 质 面 排 成 网 格 状 (图 6-24)。 有 证 据 表 明 肌 动 蛋白 以 及 至 少 还 有 另 一 种 蛋 自 质 也 参与 网 格 的 形成 。 人 们 认为 网 格 有 助 于 维持 红细胞 的 双 凹 圆 盘 形 状 ， 而 当红 细胞 通 过 狭 窜 的 毛细 血管 时 又 允许 其 变形 。 血 影 蛋白 通过 一 种 被 称 为 锚 蛋白 的 蛋 折 间接 地 与 带 HI 蛋白 分 子 胞 质 端 相互 作用 ( 见 下 ), 这 便 大 大 限制 了 带 Ul 蛋白 在 膜 乎 面 的 扩散 。 | 分 子 量 约 数 O 3 2 240 000 220 000 100 000 pumas aim - 30 000 mmm 2 中 ? (B) 图 6-22 (〈A) 图 表示 SDS-RARRKBRHKERHADMERERHAS ( 考 马 斯 蓝 染 色 )》; (B) 图 表示 凝 胶 上 三 条 主要 了 膜 蛋白 带 的 位 置 。 凝 胶 上 的 其 他 带 , 含 量 较 低 的 蛋白 质 , 在 此 图 中 已 略 去 。 血 型 糖 蛋白 上 大 量 的 糖 基 减 慢 了 它 的 迁移 速度 ,因而 和 分 子 量 大 得 多 的 带 III 和 蛋白 分 子 跑 得 一 样 慢 。 (Vincent Marchesi 赠 ) 由 于 以 上 原因 , 血 影 蛋白 可 以 看 作 是 红细胞 细胞 骨架 的 一 个 组 分 ,而 不 是 细胞 质 膜 的 组 分 。 目 前 对 血 影 蛋白 的 兴趣 主要 在 于 ,希望 从 血 影 蛋白 中 能 了 解 有 核 细 胞 的 其 他 纤 丝 状 蛋白 是 怎样 与 质 膜 相互 作用 的 (虽然 血 影 蛋白 本 身 似 乎 只 见于 红细胞 ,但 在 其 他 细胞 中 最 近 也 发 现 了 类 似 的 蛋白 质 )。 我 们 以 后 还 将 看 到 ,细胞 内 的 纤 丝 状 蛋白 似乎 能 控制 有 核 细 胞 的 某 些 质 膜 蛋白 的 分 布 和 移动 。 血型 糖 蛋白 以 单 根 w PRVHRAF TA MPH EME 血型 糖 蛋 白 是 又 露 在 人 类 红细胞 膜 外 侧 的 丙种 主要 蛋白 质 之 一 。 它 是 第 一 个 完全 确 定 了 氮 生 酸 顺 序 的 膜 蛋白 , 也 是 真 核 细胞 质 膜 蛋白 中 了 解 得 最 多 的 蛋白 质 e。 -血型 糖 蛋白 是 跨 膜 的 糖 蛋白 ,有 131 个 氨基 酸 , 大 部 分 在 膜 的 外 侧 , 这 也 是 它 亲 水 氨基 端 所 在 的 部 位 。 在 蛋白 质 的 这 个 部 位 结合 了 所 有 的 碳水 化 合 物 一 一 约 100 个 糖 残 基 分 别 位 于 16 MAAR 糖 侧 链 上 一 -这 部 分 约 占 分 子 总 量 的 60 多 。 实 际 上 ,全 部 细胞 表面 碳水 化 合 物 中 的 绝 大 部 分 (包括 90 多 以 上 的 唾 波 酸 ， 因 此 也 就 包括 细胞 表面 上 的 大 部 分 负电 荷 ) 都 在 血型 糖 蛋 白 上 。 血 型 糖 蛋白 的 亲 水 羧基 端 与 胞 质 接触 ,而 约 20 spa 段 则 以 o 螺旋 的 形式 穿 过 非 极 性 的 脂 双 分 子 层 (图 6-25 )。 * 260 « Ee rs—“‘ i‘ rt!!! —_ 和 血 影 蛋 白 一 样 ， 血 型 糖 蛋白 也 只 见于 红细胞 中 。 尽管 每 个 红细胞 有 6 Xx 10 个 以 上 的 血型 糖 蛋白 分 子 , 但 它们 的 功能 还 是 不 清楚 的 。 事 实 上 ， 某 些 人 ，。 其 红细胞 膜 上 缺乏 这 种 蛋白 质 , 但 表现 却 完 全 健康 。 人 类 红细胞 膜 的 带 II 蛋白 是 一 种 转运 蛋白 ” . 与 血型 糖 蛋白 不 同 , 带 II 蛋白 在 血细胞 的 专职 功能 方面 起 着 重要 的 作用 。 之 所 以 把 这 和 神 蛋白 质 称 为 带 II 是 根据 SDS-ARPY hes Bie He Be 电泳 后 它 与 其 他 膜 蛋 白 所 处 的 相对 位 置 。 像 血型 糖 蛋白 一 样 , 带 III 也 是 跨 膜 蛋白 ， 但 它 穿 过 腊 时 折价 程 度 更 高 或 者 呈 球 形 的 构象 ， 而 它 的 多 肽 链 可 能 来 回 穿 过 脂 双 分 子 层 多 次 〈 图 6-26)。 & 的 分 子 量 约 为 100 000 (KA 800 FREER) CR 有 的 少量 碳水 化 合 物 暴露 于 外 表面 。 这 个 蛋白 质 好 像 是 二 聚 体 , 每 个 细胞 约 含 x 10 SIR. 图 6-23“” 铂 投影 的 血 影 蛋白 分 子 电 镜 照 片 。 每 个 分 子 由 两 条 末端 相连 的 多 肽 链 组 成 。 (D.M- Shotton 赠 引 上 和 目 D. M. Shotton, B. E. Burkey, and D. Branton, J. Mol. Bzol.131:303-- 329, 1979, Copyright by Academic Press Inc. (London ]Ltd.) 红细胞 的 主要 功能 是 把 O. 从 肺 带 到 各 组 织 , 又 把 组 织 中 的 CO, 带 回 到 肺 。 有 足够 的 证 据 表明 , 带 IJ 有 助 于 这 种 交换 作用 。 当 红细胞 通过 肺 部 时 ,通过 HCO; 与 Cl 的 交换 ,排出 CO:。 此 种 离子 交换 的 发 生 需 要 通过 膜 上 的 一 个 特殊 的 阴离子 通道 。 用 特异 其 他 细胞 肌 动 蛋白 ie 骨架 蛋白 Ue WEA 血型 糖 蛋白 图 6-24 血 影 蛋白 分 子 在 人 类 红细胞 膜 内 表面 ( 胞 质 面 ) 的 可 能 排列 格局 。 两 条 血 影 蛋白 多 Ket 平行 排列 成 线 状 * 互相 缠绕 形成 易 弯曲 的 二 聚 体 ( 见 图 6-23)。 血 影 蛋白 二 聚 体 的 头 部 互 租 连接 形 ROARK ,并 通过 短 的 肌 动 蛋白 纤维 及 其 他 蛋白 质 联 在 一 起 在 膜 的 胞 质 面 形成 网 络 。 血 影 蛋 白 分 子 还 通过 另 一 种 称 为 锚 蛋 白 的 间接 地 和 带 I 蛋白 相互 作用 。 * 261。 往 抑 制剂 结合 通道 蛋白 可 以 阻 断 这 个 通道 。 通 过 修饰 抑制 剂 使 被 结合 的 蛋白 带 上 放射性 已 能 断定 红细胞 膜 阴 离子 通道 蛋白 即 为 带 Ul 蛋白 。 一 般 说 来 。 不 难 理解 像 带 III 那样 大 部 分 埋 在 脂 双 层 中 的 跨 膜 蛋白 是 怎样 介 导 极 性 分 子 被 动 地 通过 非 极 性 脂 双 层 的 。 例 如 , 带 III (或 其 二 聚 体 ) 可 以 形成 一 个 其 大 小 和 电 图 6-25 “人 类 红细胞 并 上 的 血型 糖 蛋白 的 示意 图 。 单 个 字母 表示 氨基 酸 残 基 的 种 类 ,全 称 详 见 38 一 59 页 。 © 262° (2b Sik A KELL HCO; 和 Cl 沿 各 自 的 浓度 梯度 通过 脂 双 层 。 但 是 ， 对 于 血型 糖 蛋白 这 样 单 纯 以 “螺旋 的 形式 贯穿 膜 的 分 子 ， 就 无 法 想像 它 靠 本 身 性 质 能 介 导 这 种 形式 的 转运 。 因 此 ,有 足够 的 理由 认为 ， 就 其 与 脂 双 层 的 联系 方式 来 说 ,直接 参与 主动 或 被 动 运输 极 性 分 子 穿 过 膜 的 蛋白 质 更 像 带 I 而 不 像 血 型 糖 蛋白 。 当然 要 搞 清 这 些 蛋白 质 到 底 是 怎样 工作 , 需要 了 解 它们 在 脂 双 层 中 的 确切 三 维 结构 。 可 是 到 目前 为 止 还 不 知道 带 III 蛋白 的 三 维 结构 。 唯 一 已 被 了 解 这 些 细 市 的 膜 转运 蛋 白 是 一 种 叫 细菌 视 紫 红 质 的 蛋白 质 ， 它 存在 于 某 些 细菌 的 质 膜 上 , 是 一 种 受 光 激活 的 质子 〈H-) Ro HFS 可 能 与 高 等 生物 的 膜 转运 蛋白 有 关 ,这 里 我 们 暂时 离开 原 题 , 来 简单 地 讨论 一 下 这 个 细菌 膜 蛋白 的 结构 和 功能 。 Vs 从 11 ha a I\ 脂 双 层 Vale Tin my SU 668 细胞 质 图 6-26 I 蛋 护 在 人 类 红细胞 膜 上 的 可 能 排列 方式 ;图 中 画 出 血型 糖 蛋白 作为 对 照 。 虽 然 还 A Ds Tw WU 蛋白 在 膜 中 是 扒 样 排列 的 ,但 有 证 据 表 明 , 它 几 次 穿 过 脂 双 层 。 注 意 : 血型 糖 蛋白 的 氨基 端 在 细胞 外 侧 ， 而 带 Ul 蛋白 的 氨基 端 被 认为 是 在 细胞 内 。 细菌 视 紫 红 质 是 一 个 质子 泵 ; 它 在 穿越 脂 双 层 时 反复 盘 成 7 条 a 螺旋 ” SRA Th ATER (Halobacterium halobium) 细菌 的 紫 膜 " 是 细菌 质 膜 中 一 种 特 化 的 诬 片 (图 6-27)。 它 只 含有 一 种 蛋白 质 分 子 ， 即 细菌 视 紫红 质 , 由 248 个 氨基 酸 所 组 成 。 每 个 分 子 含有 一 个 能 吸收 光 的 辅 基 即 发 色 团 ( 称 为 视 黄 醛 )， 后 者 与 脊椎 动物 视网膜 杆 细胞 的 视 紫 红 质 中 的 发 色 团 相同 〈 见 第 十 八 章 )。 视 黄 醛 与 蛋白 质 的 赖 氨 酸 侧 链 共 价 连接 ; 当 受到 -- 个 光子 激活 时 ,激发 态 的 发 色 团 引 起 蛋白 质 构 象 的 变化 , 其 结果 是 导致 两 个 H+ 从 细胞 内 转移 到 细胞 外 。 这 种 转移 建立 了 跨越 质 膜 的 H” 和 电压 梯度 ， 这 个 梯度 又 带动 ATP 的 产生 。 。263。 由 于 视 紫 红 质 分 子 排列 成 平面 晶 格 (很 像 一 个 二 维 的 晶体 )， 因 而 能 利用 低 强 度 电 子 显微镜 及 复杂 的 小 角度 电子 衍射 分 析 的 技术 重建 其 三 维 结构 并 确定 它 在 膜 上 的 取向 ， 分 辩 率 达到 0.7nm。 后 一 种 方法 类 似 于 用 文 射线 衍射 法 分 析 可 溶性 蛋白 的 三 维 晶体 [虽然 兽 用 和 射线 衍射 的 方法 研究 过 一 种 病毒 的 膜 糖 蛋白 〈 见 图 7-30 )， 但 至 目前 为 止 还 未 曾 制备 出 一 个 合适 的 细胞 膜 蛋白 的 三 维 晶体 ]。 正 如 图 6-28 所 示 ， 每 个 细菌 视 紫 红 质 分 子 折 县 成 7 条 紧 靠 在 一 起 的 @ 螺旋 (每 个 < 螺旋 含有 约 30 个 氨基 酸 ), 并 以 与 膜 几乎 垂直 的 角度 穿越 脂 双 层 。 由 于 最 近 的 研究 提示 这 些 c 螺 旋 之 间 并 未 形成 一 个 大 的 水 通道 ， 所 以 很 可 能 质 子 是 沿 着 由 @ 螺旋 的 侧 链 所 建立 的 接力 系统 传递 过 去 的 ， 不 过 有 关 在 分 子 水 平 上 的 细节 仍 不 清 图 6 27 盐 生 盐 杆菌 的 示意 图 。 示 斑 状 紫 膜 , 其 “” 楚 。 因 为 只 有 质子 (以 及 电子 ) 能 够 以 这 种 方式 通 is Se ee 过 ， 细 菌 视 紫红 质 不 大 可 能 为 其 他 离子 的 跨 膜 运 输 提 供 一 个 普遍 竹 的 模型 。 暴露 出 下 断 烈 面 BWP 断裂 面 图 6 28 细菌 视 紫 红 质 分 子 的 结构 及 E629 ”冰冻 断裂 电子 显 向 镜 检 术 提供 了 脂 双 层 胞 其 与 脂 双 层 的 关系 。 多 肽 链 穿 过 脂 双 质 面 ( 称 为 P 面 ) 的 内 部 世 水 区 和 外 侧面 ( 称 为 三面 ) 层 时 盘旋 成 7 个 % 螺旋 。 蕊 水 区 的 图 像 。 经 过 图 示 的 断裂 过 程 后 ， 用 铀 和 碳 投影 暴露 的 断裂 面 ,并 消化 除去 有 机 物 ,这 样 得 到 的 铂 复 制 物 再 用 电镜 观察 。 用 冰冻 断裂 电子 显微镜 检 术 能 观察 膜 转 运 蛋白 ” 冰冻 断裂 电子 显微镜 检 坟 是 唯一 可 用 来 观察 膜 内 朴 水 区 的 方法 。 该 法 的 程序 是 先 将 细胞 用 液 氮 ( 一 196*c ) 冻 成 冰 块 ,再 使 之 断裂 。 断 裂 平 面 往往 通过 一 切 生 物 膜 脂 双 层 结构 的 中 间 朴 水 区 ,将 双 层 结构 分 裂 成 两 个 单 层 。 然 后 用 铀 和 碳 投影 暴露 的 断裂 面 ,消化 除 掉 有 机 物质 ,这 样 得 到 的 铀 复制 物 便 可 用 电镜 观察 。 如 图 6-29 所 示 , 用 这 种 技术 可 暴露 和 SHACRAMMAM: 一 面 代表 脂 双 层 靠 细胞 质 (或 原生 质 ) 半 边 的 内 部 疏水 区 〈 称 为 p 面 ), 另 一 面 则 代表 脂 双 层 靠 外 半边 的 内 部 朴 水 区 ( 称 为 E 面 )。 用 这 种 方法 制备 的 人 类 红细胞 膜 在 它 的 P 和 王 两 个 断面 上 都 散布 着 小 的 突起 ， 称 为 膜 内 颗粒 。 颗 粒 的 大 小 比较 均匀 (直径 为 7.5nm), 随 机 分 布 , P 面 上 的 颗粒 比 下 面 上 更 为 。264 。 密集 (图 6-30)。 由 于 在 无 蛋白 质 的 人 工 脂 双 层 里 一 般 说 来 没有 膜 内 颗粒 , 当 它 们 断裂 时 ， 表面 显得 很 平滑 ,因此 生物 膜 中 的 这 些 颗粒 可 能 主要 是 由 蛋白 质 所 组 成 的 。 在 冰冻 断裂 电 子 显 微 镜 检 术 中 如 果 多 肽 能 作为 颗粒 而 显现 的 话 , 那 末 多 肽 本 身 、 或 者 作为 一 个 较 大 的 团 粒 体 的 一 部 分 都 必须 横 穿 质 膜 ,而 且 它 在 双 层 膜 内 的 体积 还 必须 大 得 足以 形成 投影 。 虽 然 还 不 确切 知道 人 类 红细胞 膜 中 的 膜 内 颗粒 是 由 哪些 蛋白 质 组 成 的 ， 但 它们 的 主要 成 分 可 能 是 带 III 蛋白 ,因为 带 III 二 聚 体 的 数量 (大约 每 个 细胞 500 000 个 ) 和 所 观察 到 的 颗粒 的 数量 很 相近 。 而 且 在 用 纯化 的 带 III 蛋白 分 子 人 工 重建 脂 双 层 再 进行 冰冻 断裂 时 ， 可 以 观察 到 典型 的 直径 为 7.5nm 的 膜 内 颗粒 e 图 6-39 从 类 红细胞 的 冰冻 断裂 电镜 照片 。 值 得 注意 的 是 ,在 原生 质 (P) 面 上 的 腊 内 颗粒 的 密度 比 外 侧 (E) 面 上 的 要 高 。(L.， Engstrom 和 D. Branton 赠 ) 在 冰冻 断裂 时 , 跨 膜 蛋白 会 发 生 什么 变化 呢 ? 当 脂 双 层 被 分 裂 成 两 个 单 层 时 ,这 种 蛋 白质 的 或 是 靠 里 侧 的 一 半 或 是 靠 外 侧 的 一 半 必 须 从 与 之 相连 的 冰冻 单 层 中 拉 出 来 。 另 一 种 可 能 是 多 肽 链 (如 果 共 价 键 断裂 的 话 ) 会 在 它 穿 过 双 层 的 地 点 断裂 在 这 种 情况 下 ,这 种 蛋白 质 不 会 显现 为 膜 内 颗粒 )。 既然 带 II 蛋白 分 子 显现 为 膜 内 颗粒 ,因此 它们 在 冰冻 断 裂 时 似乎 并 未 断裂 。 估 计 它们 仍然 是 完整 的 ,因为 它们 的 大 部 分 是 位 于 脂 双 层 的 内 部 。 此 外 , 带 III 蛋白 分 子 由 靠 细胞 质 那 侧 的 表面 伸展 出 来 的 多 肽 链 要 比 从 脂 双 层 外 表面 延伸 出 来 的 要 多 得 多 ， 因 此 在 冰冻 断裂 时 它们 被 保留 在 冰冻 双 层 里 面 半 边 的 机 会 比 起 留 在 外 面 半边 的 机 会 要 多 ,这 就 可 以 解释 为 什么 膜 内 颗粒 在 红细胞 膜 的 里 层 (p 层 ) 密度 较 高 的 原 因 。 另 一 方面 , 像 血型 糖 蛋白 那样 的 蛋白 ,在 冰冻 断裂 过 程 中 或 者 被 折断 或 者 它 的 小 羧基 端 尾部 从 冰冻 的 里 层 被 拉 出 来 。 在 这 两 种 情况 下 ， 可 能 在 量 上 都 不 足以 被 显现 出 来 成 为 膜 内 颗粒 (图 6-31)o 最 近 已 能 用 一 些 业已 分 离 出 的 转运 蛋白 (包括 带 Il), 在 合成 的 双 层 膜 中 ,重建 有 功 能 的 膜 运输 系统 。 迄 今 为 止 ,各 种 被 研究 过 的 转运 蛋白 都 能 在 冰冻 断裂 电子 显微镜 中 表现 为 一 种 颗粒 。 了 既然 大 部 分 转运 蛋白 在 双 层 膜 中 都 有 足够 的 量 能 在 双 层 膜 的 磷脂 背景 中 被 分 辨 出 来 ,因此 大 多 数 膜 内 颗粒 很 可 能 代表 了 具有 某 种 运输 功能 的 蛋白 质 。 有 核 绍 胞 质 膜 的 某 些 蛋白 质 可 以 用 向 量 标 记 试剂 加 以 研究 与 红细胞 不 同 , 有 核 细胞 具有 各 种 各 样 的 细胞 内 膜 包括 核 \ 内 质 网 、 高 尔 基 器 、 线 粒 体 \ 溶 酶 体 和 各 种 液 泡 的 晓 。 通 常 质 膜 的 面积 还 不 到 细胞 总 膜 面积 的 10%。 正 是 由 于 这 。265。 人 种 原因 ， 只 有 先 将 这 种 质 膜 与 细胞 内 膜 分 开 才 能 对 它们 进行 直接 研究 。 但 分 离 通 常 是 很 困难 的 ,几乎 所 有 的 质 膜 制备 物 都 是 不 纯 的 。 另 一 种 方法 是 使 用 前 文 已 讨论 过 的 那 种 不 能 透 过 膜 的 向 量 标记 试剂 。 这 种 试剂 能 标记 并 识别 仅 暴 露 在 细胞 表面 的 那些 蛋白 质 。 用 这 二 = 人 脂 双 层 ERR P 断裂 面 VW aay We eau VAY 43 图 6-31 图 示人 红细胞 膜 中 的 血型 糖 蛋白 和 带 IT 5} FEOK RTA A A AE ASE Ko Ar IN 子 通常 留 在 内 层 (P) 断 裂 面 上 * 并 且 其 量 大 ， 能 被 显示 为 膜 内 颗粒 。 而 血型 糖 蛋 分子 则 可 能 被 折断 或 留 在 外 CE) 断面 上 > 在 上 述 的 两 种 情况 下 都 不 能 被 显示 为 膜 内 颗粒 。 种 方法 ,大 多 数 质 膜 蛋白 质 均 能 标记 ,而 溶解 在 细胞 质 中 或 与 细胞 内 膜 相 结合 的 蛋白 质 则 不 能 标记 。 在 定向 标记 法 中 普通 使 用 的 一 种 试剂 是 乳 过 氧 物 酶 , 它 在 有 过 氧化 所 〈H:O,) 和 放射 性 碘 化 物 (”I) 存在 时 , 使 碘 化 物 氧化 为 一 种 反应 能 力 更 强 的 与 酶 结合 的 形式 。 这 种 活化 的 试剂 能 够 碘 化 其 他 有 蛋 互 质 中 的 酷 氨 酸 和 组 氨 酸 残 基 。 但 是 由 于 这 种 碘 的 活性 形式 未 从 乳 过 氧 物 酶 中 释放 出 来 , 而 大 的 酶 分 子 本 身 并 不 能 穿 透 膜 ， 因 此 当 用 于 完整 细 胞 时 , 只 有 暴露 在 细胞 表面 上 的 蛋白 质 才能 被 碘 化 ， 也 即 被 标记 (图 6-32)。 这 种 方法 的 缺点 是 只 能 鉴别 出 全 部 质 膜 蛋白 质 中 的 一 个 亚 群 ， 即 只 是 暴露 在 双 层 外 带 有 栈 氨 酸 或 组 氮 酸 残 基 的 蛋白 质 。 若 要 选择 性 地 标记 有 核 细 胞 质 膜 的 靠 细 胞 质 的 那个 表面 ， 则 非常 困 难 。 目 前 解决 这 个 问题 的 方法 是 将 分 离 的 质 膜 制备 成 无 漏 孔 的 \ 内 面 外 翻 的 液 泡 。 然而 制备 物 的 纯度 仍然 是 一 个 有 待 解决 的 问题 。 | AB ich ez, Cia ew Ae SA AaB, — A A YE 有 更 多 的 各 种 蛋白 质 。 例 如 通过 乳 过 氧 物 酶 催化 的 碘 化 作 用 ， 在 一 个 典型 的 培养 的 有 核 细胞 的 外 膜 上 能 检测 出 50 种 以 上 各 不 相同 的 蛋白 质 。 迄今 为 止 对 膜 上 的 大 多 数 蛋 白质 的 配置 状况 或 功能 ,所 知 不 多 。 但 是 最 近 已 经 知道 ,许多 膜 蛋 白质 在 膜 平面 方向 上 是 能 够 移动 的 ,对 此 我 们 将 在 下 面 进 行 讨论 。 当 两 个 细胞 融合 时 ,其 质 膜 蛋白 迅速 混合 在 一 起 * 证 明 腊 蛋白 在 质 膜 平面 上 可 以 移动 的 直接 证 据 来 自 1972 年 的 一 个 很 精巧 的 实验 。 该 实验 是 用 小 鼠 细胞 与 人 细胞 融合 的 人 工 杂 种 细胞 进行 的 ( 异 核 体 , 见 163 页 )。 这 些 细胞 在 培 ° 266 养 基 中 能 存活 的 事实 ,证明 融 合 的 质 膜 在 其 结构 和 功能 上 仍然 是 完整 的 。 因 此 ,人 们 可 以 提出 这 样 的 问题 : 究竟 两 种 不 同 的 质 膜 区 仍然 是 分 开 的 还 是 这 两 组 分 子 (特别 是 膜 蛋白 ) 已 混合 在 一 起 了 呢 ? 用 两 组 抗体 进行 的 实验 生动 地 回答 了 这 个 问题 , 一 组 抗体 只 与 人 细 胞 上 的 蛋白 质 结 合 , 另 一 组 抗体 则 只 与 小 鼠 细 胞 上 的 蛋白 质 结合 。 用 红色 荧光 染料 若 丹 明 标记 显示 人 类 和 蛋白质 的 抗体 , 在 绿色 荧光 染料 荧光 素 标 记 显 示 小 鼠 蛋 白质 的 抗体 。 在 大 多 数 异 核 体 细胞 中 , 人 和 鼠 的 蛋白 质 最 初 是 限制 在 各 自 的 一 半 中 , 形成 绚丽 的 效 光 图 形 。 但 在 一 小 时 之 内 ,两 组 蛋白 质 已 扩展 到 整个 表面 并 且 混 合 在 一 起 ,表明 了 它们 在 组 合 的 膜 平面 上 能 迅速 地 扩散 (图 6-33), 20H-~ H.0 ‘a — 酶 - 底 物 复 合体 放射 性 碳化 物 / HO H | 图 6-32 用 乳 过 氧 物 酶 催化 的 碘 化 作 用 选择 性 地 标记 位 于 质 膜 外面 的 蛋白 质 。 如 图 所 示 , 所 有 涉 人 旨 双 层 的 流动 结构 使 膜 蛋白 能 迅速 地 扩散 , 并 使 膜 蛋白 之 间 能 相互 作用 。 CHET 一 种 简单 的 方法 ， 使 膜 的 组 分 能 从 在 它们 合成 后 最 初 插入 到 膜 上 的 位 置 扩 布 到 细胞 的 其 他 区 域 。 它 人 允许 膜 互相 融合 而 不 失去 膜 对 通 透 性 的 控制 , 并 且 确 保 膜 分 子 在 细胞 分 裂 时 均等 地 分 配给 子 代 细胞 。 如 果 膜 不 具有 流动 性 ， 则 很 难 想像 细胞 如 何 能 存活 、 生 长 和 繁 殖 。 了 膜 蛋白 可 被 抗体 交 联 而 签 聚 成 斑 片 ” 当 荧 光 抗体 和 暴露 在 细胞 表面 上 特定 的 质 膜 蛋白 结合 时 ， 它 们 可 诱导 这 些 蛋 白 聚 集 / 成 碍 片 ， 像 在 淋巴 细胞 (负责 免疫 反应 的 特殊 类 型 白细胞 ， 见 第 十 七 章 ) 就 是 如 此 。 由 于 抗体 分 子 是 双 价 的 , 即 它 们 有 两 个 抗原 (能 与 抗体 结合 的 蛋白 质 或 其 他 物质 ) 结 合 部 位 ,所 以 它们 能 与 可 溶性 抗原 产生 交 联 ， 形 成 大 的 抗体 -抗原 复合 物 ， 并 从 深 沪 中 析出 。 Ht . 267 和 体 结合 而 诱导 发 生 的 抗原 在 细胞 表面 上 的 簇 聚 就 类 似 于 这 种 沉淀 反应 ,但 在 这 种 情况 下 ， 它 是 在 二 维 膜 平面 上 发 生 的 .为 了 使 抗体 与 膜 蛋白 交 联 形成 大 的 复合 物 , 这 些 蛋白 质 必 须 在 脂 双 层 中 自由 地 侧 向 运动 ,这 意味 着 膜 必 定 是 流动 的 。 在 还 没有 认识 到 膜 是 流动 的 之 前 ， 标 记 抗体 就 已 广泛 地 被 用 于 查看 淋巴 细胞 表面 上 NEARS, 但 是 观察 到 的 成 簇 分布 现象 曾 被 误 认 为 这 就 是 膜 蛋白 的 通常 分 布 方式 。 Fil 用 单价 的 抗体 片断 可 以 证 明 签 聚 现 象 实际 上 是 抗体 结合 的 直接 后 果 。 用 木瓜 蛋白 水 解 酶 消化 抗体 所 得 到 的 单价 抗体 户 断 仅 有 一 个 抗体 结合 部 位 ， 因 此 它们 不 能 交 联 邻近 的 膜 蛋 白 。 用 荧光 染料 标记 这 些 单 价 抗体 分 子 发 现 ， 虽 然 它 们 仍 能 与 淋巴 细胞 表面 上 的 蛋白 质 分 子 结合 ,但 它们 的 分 布 是 弥散 的 ; 不 能 形成 由 双 价 抗 体 分 子 诱 生 的 禾 聚 物 ( 图 6-34)o 现 已 证 明 ， 阁 今 所 研究 过 的 所 有 有 核 细 胞 的 多 种 不 同 膜 蛋白 (以 及 糖 脂 ) 都 具有 这 种 由 抗体 诱导 的 膜 分 子 簇 聚 现象 。 不 仅 能 用 抗体 诱导 成 班 ， 而 且 也 能 用 一 类 与 抗体 完全 不 jy eat cod “RMA BURA 图 6 33 表示 图 证 明 在 鼠 - 人 杂种 细胞 上 质 膜 蛋白 互相 混合 的 实验 。 最 初 ， 鼠 和 人 的 蛋白 质 仅 局 限 在 新 形成 的 异 核 体质 膜 中 各 自 的 半边 ,但 随 着 时 间 的 推移 ,它们 交 混 在 一 起 。 。268。 同 的 称 为 外 源 凝 集 素 的 蛋白 质 来 诱导 。 这 些 蛋白 质 ,通常 是 从 植物 中 分 离 出 来 的 ,具有 两 个 或 多 个 结合 部 位 ,能 与 细胞 表面 的 糖 蛋 白 和 糖 脂 上 的 特定 的 碳水 化 合 物 残 基 相 结合 ; 因 此 ,外 源 凝集 素 和 抗体 一 样 ,能 与 具有 对 应 的 碳水 化 合 物 残 基 的 分 子 交 哮 。 淋巴 细胞 FPR AA 单价 抗体 片断 [人 ] 的 双 价 抗体 [人 ] (抗原 ) 了 针对 膜 蛋白 ee @. eae a 7 弥散 荧光 图 6-34 表示 在 淋巴 细胞 表面 由 抗体 诱发 的 抗原 成 斑 ( 签 聚 ) 现 象 。 单价 抗体 弥散 地 分 布 在 淋巴 细胞 的 表面 ?而 双 价 抗体 则 交 联 抗原 ,并 将 抗原 簇 聚 成 斑 片 。 利用 抗体 或 外 源 凝集 素 ( 这 些 结合 性 分 子 总 称 为 配 体 ) 与 铁 蛋 白 偶 联 后 能 在 分 子 水 平 上 观察 到 膜 蛋 白 的 分 布 情 况 。 因为 铁 蛋 白 的 电子 密度 大 , 因此 能 用 电子 显微镜 观察 到 单 个 分 子 。 用 单价 配 体 或 通过 化 学 方法 "固定 ”细胞膜 使 膜 蛋白 不 能 移动 , 可 阻止 配 体 诱导 的 簇 聚 现象 发 生 。 此 时 , 如 用 与 铁 蛋 白 偶 联 的 配 体 探测 膜 上 的 大 分 子 时 , 则 可 发 现 悬 各 在 小 体 中 的 单个 细胞 ,其 质 膜 上 的 大 分 子 是 弥散 地 分 布 的 [图 6-35(A)]。 另 一 方面 ,在 未 经 固 定 的 膜 上 用 与 铁 蛋白 偶 联 的 多 价 配 体 进行 探测 时 ， 被 标记 的 分 子 又 重新 香 聚 成 更 片 [图 6-35(B)]。 交 联 的 膜 和 蛋白 在 Mi 过 程 中 主动 地 转移 到 细胞 的 一 极 ” 在 淋巴 细胞 表面 上 用 多 价 配 体 诱导 形成 的 开 帮 能 迅速 地 集中 在 淋巴 细胞 的 一 端 上 ， 形成 一 个 a eC 6-36 和 图 6-37)。 加 帽 过 程 需 几 分 钟 ， 帽 盖 几 乎 总 是 位 于 淋巴 细胞 的 昨 端 ( 尾 端 是 指 淋 巴 细胞 在 一 个 表面 上 移动 时 的 后 部 儿 图 6-36)。 但 是 ， 很 清楚 ， 加 巾 过 程 并 不 妥 求 细胞 非 运 动 不 可 ， 因 为 即使 淋巴 细胞 保持 在 悬浮 液 中 而 不 能 与 表面 互相 作 FURY WWE ARE. SRW BMRA, tae RA eK ANC AY BEML 到 。 但 不 同 的 是 ， 成 斑 是 被 动 现象 ， 加 帽 是 一 个 主动 的 过 程 ， 它 需要 能 量 (ATP) 和 完 整 的 肌 动 蛋白 纤 丝 。 MBNA ARs. 但 在 进行 加 由 过 程 的 淋巴 细胞 , 其 外 表 形 状 往往 与 一 个 在 表面 上 移动 的 淋巴 细胞 相似 。 此 外 ,能 沿 着 表面 移动 的 大 多 数 真 核 细胞 , 当 它们 的 表面 分 于 与 多 价 配 体 交 联 后 都 能 形成 帽 盖 , 但 不 能 游 动 的 细胞 则 不 能 形成 帽 造 。 这 些 观察 表明 © 269 。 MEAL il MASH BEAN. MRUANEARA ERE ARKE-BOGK 与 多 价 配 体 的 作用 方式 是 相同 的 话 。 那 么 甚至 还 可 以 把 细胞 运动 看 作为 加 帽 过 程 的 副 产 品 。 按 照 这 种 观点 , 当 细胞 把 支撑 表面 推 向 它 的 尾部 时 , 实际 上 是 细胞 本 身 向 前 移动 了 。 从 另 一 个 角度 也 可 以 用 运动 的 观念 来 解释 加 帽 的 现象 。 当 可 溶性 交 联 配 体 与 在 悬 溯 和 被 中 的 细胞 膜 结合 时 ,细胞 作出 了 反应 ,仿佛 它 正 在 与 一 个 固体 表面 互相 作用 : Tea 了 它 的 运动 机 构 , 随 后 形成 帽 盖 。 从 这 个 角度 看 问题 ,加 帽 现象 为 研究 细胞 运动 提供 了 一 种 方便 的 方法 。 图 6-35 电子 显 徽 照片 显示 : A. hk 5 46 CEG EXO SEH ROR KAD TORR > 每 个 黑 点 表示 一 个 铁 蛋 白 分 子 。(Durward Lawson 赠 ) 已 与 抗体 或 其 他 配 体 交 联 的 膜 分 子 往往 被 细胞 援 和 人 内 部 。 这 个 过 程 称 为 配 体 次 时 的 内 和 大作 用。 虽然 在 淋巴 细胞 中 大 多 数 这 类 内 知 作 用 一 般 仅 在 帽 盖 完成 之 后 才能 发 生 (图 6-36), 但 它 在 很 大 程度 上 取决 于 与 配 体 结合 的 特异 性 细胞 表面 分 子 。 在 某 些 情况 下 , 配 体 和 与 之 结合 的 分 子 不 是 被 内 大 而 是 从 细胞 表面 脱落 下 来 。 在 298 页 将 详细 讨论 配 体 诱 SHOW BEA th PRS ASP SAE URINE (adsorptive endocytosis)]。 ZESHIB GN“ D00S [alk PPA AAAI: 流动 假说 和 牵引 假说 ” | 已 有 两 种 假说 用 来 解释 加 帽 过 程 。 一 种 假说 认为 ， 细 胞 在 尾 端 通过 内 香 作 用 逐步 地 摄 入 质 膜 ， 以 小 泡 的 形式 将 它们 运 过 细胞 质 再 重新 插入 前 部 的 质 膜 中 〈 外 排 作 用 ，exo- cytosis， 见 294 页 )， 由 此 产生 的 膜 的 连续 流动 使 碍 片 迅 速 地 转移 至 细胞 的 后 部 。 按照 这 种 假说 ,在 质 膜 中 各 个 蛋白 质 分 子 扩散 的 速度 是 相当 迅速 , 因此 尽管 膜 在 流动 , 它们 仍 © 270° 4 1 1 和 RRA A Ain, AREA RRAKMERADANAN, EMT BOR 慢 ,因此 膜 流 动能 将 它们 转移 到 细胞 的 一 个 极 上 (图 6-38 )。 小 泡 的 定向 运输 需要 肌 动 蛋 白 纤 丝 和 ATP， 从 而 驱动 了 膜 的 流动 。 也 有 人 提出 一 种 类 似 的 假说 用 来 解释 成 纤维 细胞 的 运动 。 加 帽 过 袜 的 另 一 种 假说 认为 ， 经 配 体 交 联 而 得 聚 的 膜 蛋白 与 细胞 质 内 肌 动 蛋白 纤 丝 收缩 系统 互相 作 用 ,于 是 被 这 些 纤 丝 牵引 到 细胞 的 尾部 (图 6-39)。 这 个 假说 所 遇 到 的 困难 是 ,实际 上 任何 一 种 蛋白 质 (甚至 糖 脂 ) 都 能 被 适当 的 多 价 配 体 交 联 成 帼 盖 。 看 来 ,这 种 假说 要 求 一 定 的 条 件 ， 即 在 膜 下 的 肌 动 蛋白 纤 丝 能 以 某 种 方式 识别 得 聚 的 膜 分 子 ， 而 不 管 它们 是 什么 分 子 就 与 它们 结合 。 但 这 种 识别 能 力 是 难以 想象 的 。 不 过 如 果 有 一 类 特殊 的 膜 蛋白 能 与 肌 动 蛋白 纤 丝 互 相 作 用 ， 而 其 他 膜 蛋 白 (或 糖 脂 ) 在 科 育 时 能 结合 或 捕获 这 些 特殊 的 蛋白 质 分 子 , 那 么 这 种 识别 也 有 可 能 发 生 。 虽然 业已 证 实 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 在 斑 片区 及 幅 区 有 积聚 现象 ,并 已 被 引用 来 支持 牵引 假说 ,但 仍然 没 有 明确 的 实验 证 据 人 允许 我 们 在 流动 和 牵引 两 种 假说 之 间作 一 丘 择 。 但 不 管 最 后 的 答案 是 什么 ,对 加 巾 现 象 的 兴趣 已 经 促使 人 们 将 注意 力 集 中 到 某 些 质 膜 蛋 白 与 细 胞 骨架 之 间 的 互相 作用 上 。 其 他 的 一 些 实验 也 已 经 证 淋巴 细胞 “6-0-8. -9- Loo ae AA ia 图 6-36 加 帽 的 示意 图 。 KISHORE 迅速 地 转移 到 淋巴 细胞 的 尾部 ,并 在 那里 形 成 " 帽 盖 "。 以 后 这 些 抗体 (以 及 与 之 结合 的 蛋白质 ) 往 往 又 被 援 和 人 内 知 小 泡 ， 而 淋巴 细 胞 也 呈现 运动 的 形状 。 明 , 质 膜 并 不 是 一 个 独立 的 细胞 器 ， 它 在 结构 和 功能 上 都 与 复杂 的 细胞 骨架 有 联系 ( 见 第 十 章 )。 图 6-37 Zee eB, 显 ba ee ARICA TEM Ee ERT > RR BEA MIE SILA) Ap tA. AKH AGMA FR 2 on HEY 5 ROTA CE BAH --FP GR BARR BE ECAH 形成 帽 盖 。 (Stefanello de Pefris je) 抗体 诱导 的 膜 蛋白 的 重新 分 布 能 用 来 判断 两 个 多 肽 在 质 膜 上 是 否 互 相关 联 膜 生物 化 学 的 一 个 重要 目标 是 确定 在 特定 的 膜 上 的 不 同 分 子 之 闻 的 确切 关系 。 例 如 ， 可 以 提出 这 样 的 问题 :两 个 不 同 的 膜 多 肽 A 和 B 是 否 互相 连结 。 回 答 此 问题 的 一 个 方法 是 271 «2 分 别 使 用 针对 两 种 不 同 多 肽 的 标记 抗体 ,用 抗 A 抗 体 集聚 A 分 子 成 为 斑 片 和 帽 盖 , 然 后 再 用 抗 B 的 单价 抗体 广 段 来 观察 B 分 子 发 生 什 么 变化 (图 6-40)o 如 果 B 随 A 移动 就 可 假定 它们 在 膜 上 是 连接 的 。 但 如 果 了 在原 位 不 动 , 那 么 这 两 个 多 肽 显然 是 不 连接 的 。 用 不 同 的 ON Wah $0 heey 收缩 系统 未 交 联 的 蛋白 质 图 6-38 加 幅 现 象 的 膜 流动 的 假说 。 膜 泡 在 淋巴 细胞 的 图 6-39 MIM RNAS Ri. 尾部 被 援 和 人 ,然后 被 转运 穿 过 细胞 质 ， 最 后 重新 插 人 膜 的 在 细胞 表面 蛋白 质 交 联 形成 斑 前 部 。 它 在 细胞 表面 造成 膜 的 流动 ;将 大 片 交 联 的 蛋白 质 片 后 它们 能 直接 或 间接 地 与 细 转移 到 细胞 的 尾部 。 即 使 内 知 作 用 发 生 在 整个 细胞 表面 胞 内 肌 动 蛋白 丝 收缩 系统 互相 《 某 些 类 型 的 细胞 似乎 就 是 如 此 )， 但 只 要 在 某 个 局 部 区 作用 ， 纤 丝 把 斑 片 牵 到 淋巴 细 域 有 膜 重 新 插 人 ， 膜 的 流动 就 会 出 现 。 胞 的 尾部 。 荧光 染料 (如 荧光 素 和 若 丹 明 ) 偶 联 , 则 可 同时 观察 两 种 抗体 。 用 这 种 方法 研究 过 的 大 多 数 蛋白 质 (主要 是 淋巴 细胞 质 膜 上 的 蛋白 质 ) 都 能 单独 加 帽 。 这 意味 着 大 多 数 膜 蛋白 没有 稳 定 的 、 长 距离 的 相互 联系 。 噶 蛋 白 的 侧 向 扩散 速率 是 能 定量 测定 的 ” 和 膜 脂 一 样 , 膜 蛋 白 也 能 围绕 与 脂 双 层 平面 相 垂 直 的 轴 旋转 (旋转 扩散 ) 和 在 膜 中 作 横向 移动 ( 侧 向 扩散 ), 但 它们 不 能 在 脂 双 层 中 跨 层 移动 (翻转 )。 通过 对 多 种 不 同 膜 的 各 祁 不 同 蛋白 质 分 子 的 侧 向 扩散 速率 作 测定 ， 发 现 数值 变动 范围 是 相当 大 的 ， 扩 散 系数 在 5 X 10%cm?/s 和 10-2cmz/s 之 间 ( 作 为 比较 ， 可 追忆 膜 内 磷脂 分 子 的 扩散 系数 ， 约 为 10-scmz?/s)。 也 许 最 精确 的 测量 是 在 状 椎 动物 视 杆 细胞 的 盘 膜 里 对 单个 视 紫红 质 分 子 进 行 的 。 所 用 的 方法 是 ， 先 用 强烈 的 高 度 聚 焦 的 光束 使 位 于 杆 状 细胞 一 边 的 视 紫红 质 分 子 中 的 发 色 团 〈 视 黄 醛 ) 迅速 漂白 ， 然 后 测量 已 漂白 的 分 子 扩 散 到 未 漂白 的 一 边 所 需 要 的 时 间 (图 6-41)。 利 用 这 种 技术 测 得 视 紫红 质 的 扩散 率 大 约 是 5 X 10-"cm?j/s。 最 近 采用 一 种 类 似 的 方法 来 研究 活 细胞 质 膜 中 特定 蛋白 质 分 子 的 扩散 速率 。 这 种 方法 是 用 激 光束 照射 细胞 表面 的 一 块 小 面积 ,使 与 细胞 表面 分 子 结合 的 荧光 抗体 被 漂白 ,然后 测定 相 。 272。 邻 的 未 漂白 分 子 扩散 到 漂白 区 所 需要 的 时 间 。 发 现 使 用 这 种 方法 测 得 的 各 种 不 同 的 质 腊 蛋白 的 扩散 速率 要 比 视 紫红 质 分 子 的 扩散 速率 慢 10 一 1000 倍 。 对 此 ,一 种 可 能 的 解释 是 See B 随 人 一 起 加 由 图 6-40 测定 两 种 膜 蛋 白 A 和 了 是 否 相 联 的 方法 。 如 果 A 和 了 不 相 联 ， 刚 当 抗 A 抗 体 使 A 聚 成 “ 帽 盖 ?时 ，B 仍然 保持 散在 分 布 (1)。 如 果 A 和 了 B 是 相 联 的 (2), 则 了 随 A 一 同 聚 成 < 刀 盖 ?。 注 意 要 用 单价 抗体 片断 检测 B 的 分 布 ， 以 避免 抗体 直接 诱导 B 的 得 聚 。 某 些 蛋白 质 因 与 膜 上 或 邻近 膜 的 其 他 大 分 子 互相 作用 而 降低 了 扩散 速率 。 另 一 种 可 能 是 ,高 强度 的 激光 束 可 能 会 破坏 细胞 膜 , 从 而 引起 扩散 速率 的 大 幅度 降低 。 细胞 有 限制 它们 的 某 些 膜 蛋白 侧 向 流动 的 方法 认识 到 生物 膜 是 一 种 二 维 流 体 , 是 在 理解 膜 结 构 和 功能 方面 的 一 个 重要 进展 ,但 是 如 把 生物 膜 描绘 成 一 个 脂 质 的 海洋 任 蛋白 质 在 其 中 自由 标 译 , 则 又 把 问题 过 于 简单 化 了 。 已 知 有 许多 膜 蛋白 在 横 癌 移动 能 力 方面 是 受到 限制 的 。 例如 , 在 覆盖 各 种 腔 体 的 上 皮 细 胞 中 , 质 膜 的 某 些 酶 和 转运 蛋白 只 限于 细胞 的 上 表面 ,而 另 一 些 酶 和 转运 蛋白 则 局 限于 基底 面 及 侧面 。 造 成 这 种 限制 的 原因 是 由 于 一 种 特殊 类 型 的 细胞 连接 形成 一 个 限制 屏障 〈 这 种 连接 又 称 为 紧密 连接 , 见 图 6-42)。 然而 ,这 些 蛋白 质 分 子 中 的 大 部 分 则 很 可 能 在 各 自 的 限制 区 内 自由 扩散 。 但 是 在 细胞 连接 处 的 运动 却 受 到 更 加 严格 限制 ， 因 为 用 来 构成 细 ERNIE AREER THER LRA BINS 在 理论 上 有 几 种 能 控制 膜 蛋白 侧 向 流动 的 方法 。 图 6-43 中 表示 出 三 种 方法 。 一 种 方式 可 以 用 盐 生 盐 杆 菌 的 紫 膜 作为 范例 。 在 这 种 紫 膜 中 , 细菌 视 紫 红 质 分 子 集聚 成 大 的 二 维 晶体 ,在 此 晶体 中 蛋 白 质 分 子 间 的 相对 关系 是 固定 的 。 大 的 聚合 体 扩 散 得 极 慢 ,实际 上 是 不 动 的 [图 6-43(A)]o。 第 二 种 情况 , 膜 蛋白 的 移动 能 力 受 限 是 因为 它们 与 细胞 外 结构 发 生 相 互 作用 ， 例 如 两 个 互相 作用 的 细胞 质 膜 上 的 特异 蛋白 质 集 聚 形成 一 个 特殊 细胞 连 接 [ 图 6-43(B)]。 最 后 一 种 情况 ,如 前 所 述 , 膜 蛋白 分 子 的 运动 和 分 布 也 可 能 因 与 细胞 质 中 的 蛋 昌 质 集聚 体 ( 如 肌 动 蛋白 丝 ) 相 互 作 用 而 受 控制 [图 6-43(C)]， 正 如 血 影 蛋白 牵 住 "273 " t 所 民 3 被 漂白 的 视 紫红 质 分 子 AIATATATGD UVWWU ON YY 在 不 到 一 分 钟 的 时 间 里 ， 漂 白 的 和 未 漂白 的 视 紫 红 质 分 子 因 侧 向 扩散 而 得 以 随机 分 布 视 杆 细胞 6-41 测定 视网膜 视 杆 细胞 盘 膜 中 视 紫 红 质 分 子 的 侧 向 扩散 速率 。 使 细胞 一 侧 的 视 紫 红 质 分 子 漂白 ， 并 测定 它们 扩散 到 未 洁白 区 的 速率 。 红细胞 质 膜 中 的 某 些 蛋白 质 一 样 (图 6-24)。 在 分 子 水 平 上 , 有 核 细 胞 中 的 细胞 质 成 分 与 膜 蛋白 之 间 互 相 作 用 的 细节 ,现在 还 不 清楚 ,但 这 是 一 个 非常 活跃 的 研究 领域 。 《C) 6-42 上皮 细 胞 的 示意 图 显示 各 种 不 同 图 6-43 限制 质 膜 蛋白 侧 向 移动 的 三 种 方式 。 的 膜 蛋白 可 以 被 限制 在 膜 的 一 个 特定 的 区 域 它们 能 集聚 成 大 的 聚合 体 〈A7) (例如 在 盐 生 内 。 蛋 白质 A( 在 膜 的 顶部 ) 和 B( 在 膜 的 基底 盐 杆菌 紫 膜 中 的 细菌 视 紫 红 质 分 子 )。。 它们 部 和 侧 部 ) 可 以 在 它们 各 自 的 膜 区 内 作 侧 向 与 细胞 外 的 蛋白 质 〈《B)，, 或 与 细胞 内 的 蛋白 扩散 。 但 是 它们 不 能 进入 其 他 膜 区 ，* 因 为 一 种 ACC EE 而 受到 牵制 。 特殊 的 细胞 连接 (又 称 为 紧密 连接 ) 阻 止 了 它 们 。 小 结 综 上 所 述 , 脂 双 层 决定 了 生物 膜 的 基本 结构 ,而 蛋白 质 担 负 着 膜 的 大 部 分 功能 ， 例 如 作为 特异 性 受 体 \ 酶 或 转运 体 (transporter), 大 多 数 膜 蛋白 具有 莹 水 表面 , 这 使 它们 不 ° 274° — neue . ee ee ee ee eee — wt eg 6 Oe RFK. EVNRUSHARMPIERMEAS: 许多 蛋白 质 穿 过 双 层 ， 或 者 是 以 单个 a 螺旋 的 形式 穿 过 ,或 者 是 反复 折 秋 ,因而 多 肽 几 度 路 过 双 层 。 属 于 后 一 种 的 大 多 数 可 能 是 转运 蛋白 ， 它 们 在 脂 双 层 的 平面 里 具有 足够 大 的 体积 可 以 在 冰冻 断裂 电子 显微镜 检 时 显 现 为 膜 内 颗粒 。 其 他 一 些 膜 蛋白 则 并 不 穿 过 双 层 ,而 只 是 在 膜 的 这 一 边 或 那 一 边 接触 水 环 境 。 这 些 蛋 白质 也 许 通过 与 本 身 共 价 连接 的 脂肪 酸 链 ， 或 者 通过 与 横 穿 膜 的 蛋白 质 的 非 共 价 的 相互 作用 而 与 膜 结合 。 和 双 层 里 的 脂 质 分 子 一 样 ， 许 多 膜 蛋 白 能 在 膜 的 平面 里 扩散 。 膜 蛋白 可 通过 多 价 配 体 如 抗体 或 外 源 凝 集 素 而 相互 交 联 成 级 ， 这 就 是 这 种 移动 能 力 的 一 种 表 证 ; 在 某 些 细胞 里 ;这些 化 被 转移 到 细胞 的 一 端 形成 一 个 帽 盖 "。 然 而 细胞 可 以 限制 一 些 质 膜 蛋白 的 侧 向 移动 ,其 办 法 是 借 位 于 质 膜 的 外 侧面 或 胞 质 面 的 大 分 子 牵 住 这 些 膜 蛋白 。 BRAY eK Tt A MABRRAMNKRAAARKLAD, AMD ECR Ue SRE ACREADSE 价 结合 , 少 部 分 是 与 脂 质 ( 糖 脂 ) 共 价 结合 ,一 般 认 为 大 多 数 暴露 在 细胞 表面 的 质 膜 蛋白 分 子 带 有 糖 残 基 , 而 在 大 多 数 质 膜 的 外 单 分 子 层 里 , 脂 质 分 子 中 携带 碳水 化 合 物 的 分 子 还 不 到 十 分 之 一 。 另 外 ;单个 糖 蛋白 能 有 许多 个 低 聚 糖 侧 链 ,而 每 个 糖 脂 分 子 则 只 有 一 个 低 聚 糖 侧 链 。 总 之 ,在 质 膜 中 碳水 化 合 物 按 重量 计算 占 总 量 的 2 多 至 10%。 生物 膜 的 糖 类 只 见于 质 膜 的 非 胞 质 面 ” 正如 我 们 所 看 到 的 , 生物 膜 明 显 地 不 对 称 : “外 单 分 子 层 和 内 单 分 子 层 中 的 脂 质 是 不 一 样 的 (至 少 质 膜 是 如 此 )， 暴 露 在 这 两 层 表面 的 多 肽 也 总 是 极 不 相同 的 。 糖 类 的 分 布 则 更 加 不 对 称 , 因 为 内 膜 与 质 膜 的 糖 脂 和 糖 蛋 昌 的 低 聚 糖 侧 链 仅 位 于 非 胞 质 侧 的 表面 :在 质 膜 上 , 糖 残 基 都 暴露 在 细胞 外 , 而 在 内 膜 这 些 残 基 都 是 面向 膜 室内 腔 。 细胞 衣 或 称 多 糖 被 ， 这 两 个 词 常 被 用 来 描述 大 多 数 真 核 细胞 表面 上 富 含 糖 类 的 周 缘 区 。 该 区 可 用 各 种 不 同 的 染料 ,例如 钉 红 (ruthenium red) 来 显示 (图 6-44)。 这 些 糖 类 包括 与 质 膜 相 连 的 糖 蛋白 和 糖 脂 的 低 聚 糖 侧 链 ,不 过 它 也 常 包括 先 被 分 泌 出 来 ,以 后 又 被 吸附 在 细胞 表面 的 糖 蛋白 和 和 蛋白 多 糖 ( 图 6-45)o( 蛋 白 多 糖 是 由 很 多 的 多 糖 链 连 接 到 一 个 蛋白 核心 组 成 的 见 ，678 页 )。 在 这 些 被 吸附 的 大 分 子 中 ， 有 些 是 细胞 外 基质 的 成 分 ， 因 此 要 明确 哪里 算是 质 膜 结束 处 ， 哪 里 算是 细胞 外 基质 起 始 处 ， 这 主要 是 一 个 语意 学 的 问 题 。 虽然 细胞 表面 有 着 高 浓度 的 糖 类 必定 会 对 质 膜 的 很 多 功能 有 着 重要 的 影响 , 但 其 影 响 的 性 质 仍然 不 明 。 细胞 表面 的 糖 类 很 可 能 对 绍 胞 间 相 互 作用 有 重要 作用 ,但 一 直 难 以 证 明 这 一 点 “ 和 目 然 界 中 发 现 的 单 糖 类 超过 100 多 种 ,但 在 膜 糖 蛋白 和 膜 糖 脂 中 只 有 9 种 ,其 中 主要 的 是 半 乳 糖 .甘露 糖 . 岩 藻 糖 . 半 乳 糖 胺 、 葡 糖 胺 、 葡 萄 糖 和 唾液 酸 。 唾液 酸 的 残 基 常 见于 糖 类 侧 链 的 末端 ， 真 核 细 胞 表面 上 特征 性 的 净 负 电荷 主要 由 它 造成 。 糖 蛋白 和 糖 脂 的 低 聚 糖 侧 链 可 以 是 很 复杂 的 。 虽 然 它们 包含 的 糖 残 基 常 常 不 到 15 个 , 但 侧 链 常 具 分 支 , 其 中 的 糖 通过 各 种 不 同 的 键 连接 在 一 起 。 从 理论 上 说 , 仅仅 三 个 糖 残 基 就 可 以 连 在 一 起 形 © 275 px 1 C00 多 种 不 同 的 三 糖 。 目 前 要 测 定 膜 蛋白 和 膜 脂 上 的 这 些 复杂 的 低 聚 糖 侧 链 的 顺序 ， 在 技术 上 仍 存在 很 多 困难 ,因此 在 大 多 数 情况 下 ,它们 的 详细 结构 还 不 清楚 。 图 6-44 电子 显 微 图 淋巴 细胞 表面 ， 由 知 红 染色 显示 出 细胞 衣 《【〈 多 糖 被 )。 (A. M. Glauert 和 G. M. W. Cook 赠 ) 膜 糖 脂 和 膜 糖 蛋 白 中 低 聚 糖 侧 链 的 功能 还 不 清楚 。 有 可 能 , 位 于 某 些 跨 膜 糖 蛋 白 上 的 低 聚 糖 侧 链 有 助 于 蛋白 质 在 细胞 膜 上 的 固定 及 定位 以 防止 其 消 人 细胞 质 或 在 脂 双 分 子 层 中 翻转 。 这 种 糖 类 对 于 稳定 糖 蛋白 的 折 登 结构 可 能 有 一 定 作 用 。 另外 , 它 可 能 协助 引导 膜 糖 蛋白 定位 在 细胞 内 或 细胞 上 的 适当 部 位 上 ， 正 如 位 于 深 酶 体 酶 上 的 一 些 特殊 的 糖 链 能 引导 那些 可 溶性 糖 蛋 白 到 达 溶 酶 体 上 一 样 但 是 这 些 不 可 能 是 膜 糖 蛋 自 糖 类 仅 有 的 功能 ,因为 如 果 用 一 种 能 抑制 多 种 膜 糖 蛋白 糖 基 化 的 抗生素 [ 衣 霉 素 (tunicamycin) ] 来 处 2, 2 x SANZ, KOK 2 一 一 糖 脂 图 6-45 细胞 衣 ( 多 糖 被 ) 的 图 解 它 是 由 膜 糖 脂 及 膜 糖 蛋 白 的 低 聚 糖 侧 链 以 及 被 吸附 的 糖 蛋白 和 蛋白 缘 鳍 所 组 成 。 图 中 被 吸附 的 蛋白 聚 糖 未 表示 出 来 。 注 意 所 有 的 糖 类 都 在 细 胸 膜 的 外 面 * 理 细胞 的 话 ， 部 分 这 样 得 出 的 没有 糖 的 蛋白 质 照 样 能 正常 地 戏 人 质 膜 ， 而 且 看 来 位 置 正 常 , 也 相当 稳定 。 此 外 ,定向 .固定 ,稳定 和 寻 的 等 功能 并 不 能 归 之 于 糖 脂 分 子 中 的 糖 类 ，。 也 不 能 用 此 来 解释 糖 蛋白 中 某 些 糖 链 的 复杂 性 。 质 膜 糖 蛋白 与 糖 脂 上 某 些 低 聚 糖 结构 的 复杂 性 以 及 它们 在 细胞 表面 上 所 处 的 位 置 提 * 276。 A, 它们 在 极为 复杂 的 细胞 间 识 别 过 程 中 可 能 具有 重要 作用 。 有 些 细胞 具有 能 与 特定 的 低 聚 糖 相 结 合 的 表面 蛋白 ;理论 上 ,这 种 外 源 凝集 素 能 识别 其 他 细胞 表面 的 低 聚 糖 ， 从 而 在 细胞 的 交互 作用 中 起 引导 作用 。- 虽然 有 证 据 表明 在 植物 中 有 这 种 交互 作用 , 而 且 尽 管 有 越 来 越 多 的 间接 证 据说 明 在 动物 中 细胞 表面 的 糖 类 也 具有 此 种 作用 ， 但 却 很 难 加 以 证 Xo 小 结 在 所 有 真 核 细胞 的 质 膜 中 ， 暴 露 在 细胞 表面 的 大 多 数 蛋 白质 以 及 外 脂 单 层 中 的 脂 质 分 子 具 有 共 价 结合 的 低 聚 糖 儿 。 这 些 糖 钾 可 以 是 很 复杂 的 ， 在 大 多 数 情况 下 ， 其 确切 的 顺序 还 不 清楚 。 虽然 这 些 糖 类 的 功能 还 有 待 进 一 步 搞 清 ,但 至 少 有 一 部 分 糖 链 可 能 在 细 胞 间 的 识别 过 程 中 起 作用 。 小 分 子 的 跨 膜 转 运 由 于 脂 双 层 内 部 是 朴 水 性 的 ,因此 对 绝 大 多 数 极 性 分 子 来 讲 , 脂 双 层 是 一 个 高 度 不 通 透 的 屏障 ,从 而 防止 了 细胞 内 大 部 分 水 溶性 成 分 的 外 溢 。 但 也 正 是 由 于 这 个 原因 ,细胞 不 得 不 发 展 出 一 种 特殊 的 方式 来 使 极 性 分 子 通过 细胞 膜 。 例如 , 细胞 必须 摄取 必需 的 营养 物质 ， 并 排出 代谢 废物 。 它 们 也 需要 调节 细胞 内 离子 的 浓度 ， 这 意味 着 要 转运 特定 的 离 子 进 出 细胞 。 转 运 小 分 子 物 质 通 过 脂 双 层 是 依靠 一 组 特 化 的 跨 膜 蛋 白 来 完成 的 。 每 一 种 跨 膜 蛋白 负责 转运 一 种 特定 的 分 子 或 一 组 密切 相关 的 分 子 。 细 胞 还 发 展 了 一 种 转运 大 分 子 ( 如 蛋白 质 ), 甚 至 大 的 颗粒 通过 质 膜 的 方法 。 Bini: 与 小 分 子 转运 的 机 制 迎 然 不 同 ， 这 将 在 后 面 章节 中 予以 讨论 。 在 本 节 中 我 们 将 看 到 ,生物 膜 对 单个 离子 的 选择 通 透 性 ,造成 了 细胞 内 与 细胞 外 液 间 离子 组 成 的 巨大 区 别 ( 表 6-2)。 这 可 使 细胞 膜 以 离子 梯度 的 形式 贮存 势能 。 这 种 跨 膜 离 表 6-2 ”一 个 典型 哺乳 动物 细胞 的 内 外 离子 浓 度 细胞 外 浓度 (mmol/L) 细胞 外 浓度 细胞 内 浓度 成 分 (mmol/L) (mmol/L) 细胞 内 浓度 (mmol/L) Ca*+ f27 (=10 mol/L 是 游离 的 ) ut 4% 10-10-74 | 4 又 10-5C10-7.4 mol/L 即 pH7.4)| mol/L Bf) pH7.4) 2.3I—) ”由 于 细胞 的 正 负电 荷 应 该 相等 (也 就 是 电 中 性 )， 因 而 细胞 内 阴离子 的 大 量 短缺 反映 了 绝 大 部 分 细胞 成 分 是 带 Bra ah CHCO;,POP 蛋白质、 核酸 ， 以 及 带 有 磷酸 盐 和 羧基 的 代谢 物 等 )。 子 梯度 可 以 用 来 制造 ATP， 驱 动 各 种 转运 过 程 ,以 及 传送 各 种 电讯 号 。 在 讨论 这 些 特 异 性 转运 蛋白 以 及 由 其 中 一 些 转运 蛋白 所 造成 的 离子 梯度 之 前 ， 应 先 了 解 一 下 无 蛋白 质 的 脂 双 层 的 通 透 特性 。 无 蛋白 质 的 脂 双 层 对 离子 是 不 通 透 的 ,但 对 水 却 可 自由 通 透 ” 如 采 给 予 足 够 时 间 ， 那 末 实 际 上 任何 分 子 都 会 沿 着 它 的 浓度 梯度 穿 过 一 个 无 蛋白 质 ”277。 的 脂 双 层 扩 散 过 去 。 但 是 分 子 通过 无 蛋白 质 脂 双 层 的 扩散 速率 则 差异 很 大 , 主要 取决 说 分 子 的 大 小 和 它 在 油 内 的 相对 溶解 度 。 一 般 说 来 。 分 子 越 小 ， 以 及 在 油 中 的 溶解 度 越 大 《 即 蕊 水 性 或 非 极 性 的 程度 愈 大 ), 则 它 扩 散 通 过 脂 双 层 的 速率 越 快 。 小 的 非 极 性 分 子 很 容易 在 脂 双 层 中 溶解 ,从 而 能 很 快 通 过 脂 双 层 。 不 带电 荷 的 极 性 分 子 如 果 足 够 小 的 话 : 也 FERRI WHE MWe Pld, CO, 〈44 道 尔 顿 )、 乙 醇 (46 道 尔 顿 ) 和 尿素 (60 道 尔 顿 ) 能 很 快 通过 ; 甘油 (92 道 尔 顿 ) 不 太 容易 通过 ; 而 葡萄 糖 (180 道 尔 顿 ) 几 乎 不 能 通过 (图 6-46)。 重 要 的 是 ,水 (18 道 尔 顿 ) 虽 然 相对 不 溶 于 油 , 却 能 很 快 地 通过 脂 双 层 。 这 种 快速 的 扩散 率 部 分 是 由 于 水 分 子 很 小 而 且 不 带电 荷 ; 另 外 ,人 们 认为 水 分 子 的 偶 极 结构 容许 它 能 异常 快 的 通过 脂 双 层 含 有 脂 质 头 部 基 团 的 部 位 。 对 比 之 下 , 脂 双 层 对 所 有 带电 荷 的 分 子 (离子 ) 不 管 这 分 子 是 多 么 小 ,都 是 高 度 不 通 透 BY: 这 些 分 子 所 带 的 电荷 以 及 高 度 的 水 合 状态 阻止 它们 进入 脂 双 层 的 烃 相 。 所 以 人 工 脂 双 层 对 水 的 通 透 性 比 对 其 至 很 小 的 离子 ,如 Na” 或 KY BZ XK 10 倍 (图 6-47)o 高 通 透 性 -2 了 H20 10 二 区 10% 琉 水 分 子 ws sae ee ee ee RR * se 甘油 H,0 = 10-8 的 极 性 分 子 co, =e 88% = 10-8 = 大 的 不 带电 荷 bol 的 极 性 分 子 下 和 oe 1d es | Woos, KP \Ss 离子 317 1 Kt 8 a) Ca2*t, CI 一 os eo - Na* 10-12 Tag2+ Pa < a “ 人 工 脂 双 层 0 4 RHE 图 6 46 人工 脂 双 层 对 不 同 种 类 分 子 的 相对 通 透 性 H6 47 各 种 分 子 通过 人 工 脂 双 层 的 通 透 系数 (cm/sec) 膜 结合 的 转运 蛋白 能 转运 特异 的 小 分 子 通过 细胞 膜 与 仆 工 脂 双 层 一 样 ,细胞膜 能 容许 水 和 非 极 性 分 子 借 单 纯 物 理 扩散 作用 透 过 来 。 但 是 细胞 膜 也 可 计 - 各 种 极 性 分 子 , 如 离子 , 糖 、 氨 基 酸 、 核 苷 酸 及 很 多 细胞 代谢 产物 通过 ， 而 这 些 极 性 分 子 只 能 极 缓慢 地 通过 人 工 脂 双 层 。 现 已 知道 另 有 特定 的 膜 蛋白 负责 转运 这 些 溶质 通过 细胞 膜 。 这 些 蛋 白质 称 为 膜 转运 蛋白 ,它们 具有 多 种 形式 ,并 存在 于 各 种 类 型 的 生物 膜 中 。 每 种 不 同 的 蛋白 质 转运 一 种 类 型 的 化 合 物 ( 如 离子 . 糖 或 氨基 酸 )* 而 且 通 常 仅 仅 是 这 类 中 的 一 种 特定 的 分 子 类 型 。 曾 发 现 单 基 因 突变 使 细菌 失去 转运 某 些 特定 的 糖 类 es 278° 通过 质 膜 的 能 力 , 这 首次 表明 转运 蛋白 的 这 种 特异 性 。 在 某 些 因 遗 传 性 疾病 影响 肾脏 与 蚁 道中 某 些 特定 溶质 转运 的 患者 中 ,也 发 现 了 类 似 的 突变 。 有 些 转 运 蛋 白 只 能 将 一 种 溶质 从 细胞 膜 的 一 侧 转运 到 另 一 侧 ， 这 些 蛋 白质 称 为 单 转 和 运 《uniport)。 另 一 些 称 为 共 转 运 (cotransport) 系统 的 功能 ,具体 地 说 ,就 是 一 种 溶质 的 转运 依赖 于 同时 或 先后 另外 一 种 溶质 的 转运 。 这 两 种 可 以 是 同方 向 的 ( 同 向 转运 ) 或 者 是 反方 向 的 ( 反 向 转运 )( 图 6-48)。 例如 ， 糖 类 进入 许多 细菌 是 通过 氧 离子 与 糖分 子 的 同 向 内 流 而 发 生 的 。 而 真 核 细胞 质 膜 上 钠 钾 泵 ( 见 下 面 ) 则 起 着 对 向 转运 的 作用 ， 把 钠 泵 出 细胞 而 让 钾 进 入 细胞 内 。 | 许多 膜 转 运 蛋白 是 通过 所 谓 的 被 动 运输 过 程 使 一 些 特定 的 溶质 透 过 HME, WR ee 转运 的 分 子 不 带电 荷 ， 则 膜 两 侧 的 浓度 差 (浓度 梯度 ) 便 决定 了 这 个 被 动 运输 的 方向 。 然 面 * 如 要 质 带 有 净 电 荷 ,那么 跨 膜 的 浓度 梯度 和 总 电梯 度 ( 即 膜 电位 ) 共 同 决定 它们 的 运 输 。 这 两 种 梯度 一 起 构成 了 电化 学 梯度 (electrochemical gradient), 事实 上 ,所 有 的 质 膜 都 具有 了 跨 膜 电位 (电压 梯度 )。 细 胞 内 侧 相 较 外 侧 为 负 。 这 种 电位 使 正 电 荷 离子 容易 进 人 细胞 而 阻 抑 负 电荷 离子 的 进入。 有 些 介 导 被 动 运输 的 转运 蛋白 形成 水 通道 、 容许 体积 和 电荷 的 大 小 都 适当 的 溶质 以 单纯 扩散 方式 通过 脂 双 层 ;这 些 蛋 白质 称 为 通道 蛋白 (channel Protein), 其 他 的 被 称 为 载体 蛋白 (或 载体 ,或 转运 体 ), 它 们 能 与 特定 的 分 子 相 结合 后 被 转运 过 细胞 膜 这 过 程 叫 做 易 化 扩散 (facilitated diffusion) 被 转运 的 分 子 i a ded 有 些 载体 蛋白 的 功能 与 泵 类 似 ， 能 le Pei | SPE BE a | 学 梯度 而 运 动 , 这 种 过 程 称 为 主动 。 Ps ene 们 ne 同 ， 主动 运输 必须 与 一 种 代谢 能 源 紧密 偶 联 ( 图 6-49)。 大 多 数 情 况 , 下 ， 可 能 是 载体 蛋白 促使 ATP 水 单 转运 同 向 转运 反 向 转运 解放 能 ,或 者 是 发 生 与 Nat 或 Ht 的 共 转 运 ， 而 后 两 种 离子 是 顺 着 它 们 各 自 的 电化 学 梯度 运动 的 。 图 6-48 转运 蛋白 的 单 转运 、 同 向 转运 和 反 向 转运 作用 。 转运 蛋白 形成 一 个 通过 脂 双 层 的 连续 的 蛋 白质 通道 * 我 们 发 现 所 有 经 过 仔细 研究 并 已 确定 它们 在 膜 上 的 位 置 的 膜 转运 蛋白 都 是 空 过 旨 双 尾 的 * 或 者 至 少 它们 本 身 是 穿 过 脂 双 层 的 一 个 大 结构 中 的 一 部 分 ,而 日， 它们 在 脂 双 层 中 的 体积 也 很 大 ， 因此 可 以 在 冰冻 断裂 电子 显微镜 下 显现 为 膜 内 颗粒 。 由 于 转运 蛋白 形成 一 条 连续 的 蛋白 质 通道 穿越 细胞 膜 ， 因此 所 转运 的 特定 溶质 毋 需 直接 接触 脂 双 层 内 部 的 疏水 区 。 对 于 转运 蛋白 的 详细 结构 和 功能 的 认识 ， 进展 很 缓慢 。 这 主要 由 于 很 难以 将 它们 分 离 为 溶解 的 状态 。 爱 然 已 有 好 几 百 种 可 溶 蛋 白 的 氨基 酸 顺 序 都 已 经 全 部 确定 , 但 仅仅 是 在 最 近 才 搞 清 了 第 一 个 跨 膜 转运 蛋白 (细菌 视 紫红 质 ) 的 全 部 氨基 酸 顺序 。 此 外 也 没有 一 入 转运 蛋白 能 得 到 适宜 于 作 和 射线 衍射 结构 分 析 的 结 量 。 尽管 如 此 , 现在 已 有 可 能 对 一 * 279° HRS SARTRE PF CRRCTBAALIENE, BRETIN 转运 功能 。 先前 提 到 的 细菌 视 紫红 质 是 一 个 特殊 的 例子 , 因为 它 在 盐 生 盐 杆菌 属 细菌 的 t | 电化 学 梯度 ee \ 2 简单 扩散 易 化 扩散 ee Pere Ie 被 动 运输 主动 运输 图 6-49 顺 电 化 学 梯度 的 被 动 运输 和 逆 电 化 学 梯度 进行 的 主动 运输 。 被 动 运输 既 可 通过 单 纯 扩 散 ， 又 可 通过 易 化 扩散 而 自发 产生 。 主 动 运输 则 需要 代谢 能 的 输入 。 虽 然 不 带电 荷 的 小 分 子 能 直 接 通 过 脂 双 层 ， 但 是 带电 荷 的 分 子 (包括 所 有 小 离子 ) 只 有 经 过 通道 蛋白 或 载体 蛋白 才能 表现 明显 的 运送 速率 。 紫 膜 里 呈现 二 维 晶 体 结 构 ( 在 膜 中 它 起 着 被 光 激 活 的 Ht RNA) ARIE te 便 测 定 它 的 三 维 结构 而 无 需 分 离 它 或 使 之 结晶 。 载体 蛋白 的 作用 类 似 与 膜 结合 在 一 起 的 酶 ” 一 个 载体 蛋白 能 特异 地 结合 和 运载 一 个 溶质 分 子 通过 脂 双 层 ， 这 过 程 很 像 酶 一 一 底 物 的 反应 过 程 , 而 有 关 的 载体 的 作用 亦 类 似 特 化 的 与 膜 结合 在 一 起 的 酶 。 每 类 载体 蛋白 都 具有 一 个 与 溶质 ( 底 物 ) 结 合 的 特定 结合 部 位 。 当 载体 蛋白 饱和 时 〈 亦 即 所 有 的 结合 部 位 都 已 被 占 满 了 ) 转 运 速率 最 大 。 这 时 的 速率 称 为 Vaax， 每 种 载体 蛋白 均 有 其 特有 的 数 值 。 此 外 ,每 个 载体 蛋白 对 它 的 溶质 来 说 ,都 具有 一 个 特征 性 的 结合 常数 ，Kw， 这 相当 于 当 转 运 率 达 到 其 最 大 值 的 一 半 时 的 溶质 浓度 (图 6-50 )。 载 体 蛋 白 与 溶质 的 结合 可 特异 地 被 竞争 性 抑制 剂 所 阻 断 (抑制 剂 竞 争 相同 的 结合 部 位 , 它 可 以 被 载体 蛋白 转运 ， 也 可 以 不 被 载体 蛋白 转运 ), 也 可 被 非 竞 争 性 抑制 剂 所 阻 断 (抑制 剂 可 以 在 其 他 部 位 上 结合 ,但 能 特 异地 改变 载体 蛋白 的 结构 )。 但 它 与 酶 - 底 物 反应 间 的 相似 性 是 有 限 的 , 因为 载体 蛋 白 对 被 转运 的 溶质 并 无 共 价 修饰 作用 。 尽管 载体 蛋白 在 分 子 水 平 上 是 如 何 作用 的 细节 还 不 清楚 ， 但 这 过 程 不 可 能 是 通过 和 蛋 白质 在 脂 双 层 中 来 回 移动 成 翻转 完成 的 。 更 为 可 能 的 是 ,载体 蛋白 横 跨 膜 层 , 当 溶 质 被 跨 膜 转 运 时 ,它们 只 发 生 可 逆 的 构象 改变 。 图 6-51 是 易 化 扩散 中 这 种 转运 过 程 的 一 企 可 能 模型 。 在 这 类 模型 中 仅 需 作 一 些 很 小 的 改变 即 可 使 载体 蛋白 与 一 种 能 源 , 例如 ATP 水 解 或 一 种 离子 梯度 偶 联 起 来 (图 6-54), 因 而 能 起 到 和 泵 的 作用 将 溶质 逆 电 化 学 梯度 转运 过 去 。 * 280 » 载体 蛋白 运用 ATP 水 解 的 能 量 来 转运 离子 的 一 个 重要 的 例子 是 钠 钾 和 泵 。 它 对 动物 细胞 之 能 形成 跨 膜 电位 起 了 决定 性 作用 。 跨 质 膜 的 膜 电位 是 由 Nat-K* Reh” 膜 电位 的 离子 基础 最 初 是 在 对 枪 乌贼 巨神 经 轴 突 的 研究 中 确立 的 。 这 种 神经 轴 突 很 粗 (直径 约 1Imm)， 很 容易 插 人 一 个 细 管 ,因而 可 用 固定 成 分 的 盐 溶 液 取 代 其 细胞 质 。 这 样 就 可 以 控制 质 膜 两 侧 的 离子 浓度 ， 从 而 证 明 : 了 《1) 膜 电位 主要 是 由 K* 浓度 梯度 决定 ; 〈2) 静 止 CL LES 时 质 膜 对 K+ 的 通 透 性 比 对 Na* 或 其 他 的 阳 离 2 载体 介 导 的 扩散 子 的 通 透 性 为 大 ,而 +* 浓 度 梯 度 和 各 种 离子 通 透 和 性 间 的 差别 则 又 是 由 质 膜 本 身 的 特定 转运 蛋白 的 Se 性 质 所 决定 的 。 有 两 种 转运 蛋白 对 膜 电位 的 产生 和 维持 是 至 关 重 要 的 (图 6-52 )。 第 一 种 是 Na+-K+ 泵 ， 它 把 Ku 被 转运 分 子 的 浓度 Na” 泵 出 细胞 ,把 KY AA. A, MIA 。 图 6-59 ”蛋白质 通道 介 导 的 扩散 与 载体 蛋白 介 导 K+ 浓度 比 细胞 外 大 ,而 Nat 浓度 正好 相反 。 另 ， 的 扩散 :前 者 的 扩散 率 总 是 与 溶质 的 浓度 成 正比 ， 顺 其 陡峭 的 浓度 梯度 渗 漏 到 细胞 外 。 由 于 Kt 的 浓度 就 侵 定 与 此 载体 的 溢 质 结合 常数 (Kxt) 相等 净 流 出 ， 相 对 于 细胞 外 来 说 ,细胞 内 就 带 有 负电 。 由 此 产生 的 膜 电位 又 阻止 人 ”通过 次 漏 通道 外 漏 。 当 膜 电位 达 一 75mV 时 ， 由 浓度 梯度 造成 的 人 ”外 漏 的 趋势 就 和 电势 RH IDR Kt 内 流 的 趋势 完全 平衡 。 在 这 个 平衡 点 上 ，K” 的 电化 学 梯度 消 Ko Aim, 就 没有 Kt 的 净 移 动 : BEARER MBH BH K* 数目 相等 。 i 1 pC heey ® Res x) {008 panne 98990 ON le Woedd © eases S [oe ™ Oe A ® 运 蛋 白 介 导 的 易 化 扩散 图 6-51 图 解 载体 蛋白 的 构象 变化 如 何 介 导 极 性 溶质 A 的 易 化 扩散 。 载体 蛋白 有 两 种 不 同 的 By 象 :“ 兵 " 态 时 ,A 的 结合 部 位 暴露 在 双 层 外 侧 ;* 乒 " 态 时 ， 同 一 部 位 位 于 双 层 内 侧 。 虽 然 这 一 过 程 是 完全 可 逆 的 ,但 当 双 层 外 的 A 的 浓度 较 高 时 ,在 载体 蛋白 “ 兵 " 态 结合 的 A 就 多 。 这 样 ， 就 有 A 顺 浓度 梯度 的 向 内 流动 。 因为 Kt Sea Nat 也 有 低 度 的 通 透 性 ， 部 分 Nat 就 顺 着 电化 学 梯度 漏 人 细胞 肉 。 这 部 分 Na” 的 净 流 入 使 细胞 内 电 性 朝 正 的 方向 变化 ,从 而 降低 了 膜 电 位 ,这 又 引起 K* 进一步 外 盗 。 如 果 没 有 Na*-K* 泵 把 Na” 泵 出 细胞 和 把 K” 摄 人 细胞 以 维 持 膜 两 侧 浓 度 梯 度 的 话 ,， 这 种 流动 最 终 将 导致 膜 两 侧 的 Na*、K* 浓度 平衡 而 使 膜 电位 消失 。 e 281。 在 不 同 于 枪 乌贼 神经 元 的 其 他 细胞 中 ,尽管 膜 对 某 些 离子 的 通 透 性 可 以 有 所 不 同 , 但 膜 电位 的 产生 也 遵从 同样 的 机 理 ( 由 于 种 属 和 细胞 类 型 的 不 同 , 它 们 的 膜 电 位 可 以 在 一 20 OS) op «Qu Kt=20mM {| 上 Ee e484 ee il econ a seas ee aaa (ZL LL LD a AT ED EET LS FE 要 = | GT MOG SE, 4 CBS EFF a> FE A LS I ME EF LE LP RF eb EA a a a ae EF LF GIT Fi LEI EL ee ee eee ee / 二 十 十 十 十 士 十 才 二 十 十 十 十 寸 十 十 十 质 膜 H6-52 枪 乌贼 巨 轴 突 膜 电位 的 起 因 : Nat-K*R H+ ARAN KA Nat 浓度 梯度 。K+ 活 漏 通道 使 膜 对 尺 + 的 通 透 性 比 对 Nat+ 或 其 他 阳离子 的 通 透 性 为 大 。 因 而 ;KKt+ 顺 其 浓度 梯度 漏出 细 胞 外 。 结 果 相对 于 外 侧 (细胞 外 空隙 ?内 侧 (细胞 质 7 就 带 负电 。 除 Na+\K+ 和 CI- 外 ,还 有 其 他 阳离子 和 阴离子 存在 ,它们 的 含量 使 得 除 靠 近 质 膜 两 侧 表 面 外 ,阳离子 总 浓度 和 阴离子 总 浓度 恰 相 平衡 。 mV 到 —200mV 之 间 )。 例 如 ,许多 质 膜 对 Clo 是 通 透 的 , 因而 Cl 对 膜 电位 的 产生 也 起 了 重要 作用 。 质 膜 上 普遍 存在 的 Na+-K+ 和 泵 是 一 种 ATP 酶 ? 几乎 所 有 动物 细胞 质 膜 都 含有 Na+-K+ 泵 。 它 的 作用 是 对 向 转运 ,主动 地 逆 浓 度 梯 度 把 Nat 和 泵 出 细胞 外 ,把 Kt 摄 人 细胞 内 (对 于 Nat RD, WSR) HH Nat- K+ 泵 维持 的 Na+-K+ 浓度 梯度 不 仅 能 产生 和 维持 膜 电位 。 而且 还 控制 细胞 容积 和 驱动 糖 及 氨基 酸 的 主动 运输 ( 见 后 )。 因 此 ,动物 细胞 中 三 分 之 一 以 上 的 能 源 都 被 Nat+-K+ 泵 所 消耗 , 这 也 就 毫 不 足 怪 了 。 在 有 电 活动 的 神经 细胞 中 , 每 次 去 极 化 后 都 需 重建 膜 电位 ， 消耗 的 能 量 高 达 细 胞 总 能 量 需 求 的 70 驳 。 在 对 Nat+-K+ 泵 的 认识 上 的 一 个 主要 进展 是 1957 年 发 现 了 一 种 酶 , 它 能 催化 ATP 水 解 为 ADP 和 磷酸 ， 但 需要 Na+、K+ 才能 充分 发 挥 其 活力 。 一 个 把 Na+-K+ ATP 酶 和 Na+-K+ 泵 联系 起 来 了 的 重要 线 素 ， 是 人 们 观察 到 一 种 已 知 的 Nat-Kt ROME Fi. AF te ATH Na+-K+ ATP 酶 。 但 是 ATP 的 水 解 提供 能 量 来 驱动 Nat-K+ AQ 最 主要 证 据 是 来 自 对 红细胞 空 壳 的 研究 。 在 研究 中 ， 可 以 改变 膜 任何 一 侧 的 离子 浓度 、 ATP 和 药物 ， 因 而 可 以 观察 这 些 改变 对 离子 苇 运 和 ATP 水 解 的 效应 。 实验 中 发 现 : (1) Na+、K+ 转运 是 和 ATP 水 解 紧 紧 偶 联 在 一 起 的 ， 缺 一 方面 另 一 方面 就 不 能 发 生 ; (2) 仅 当 Nat 和 ATP 存在 于 细胞 空 壳 内 ,而 Kt 存在 于 细胞 空 过 外 时 才能 发 生 离 子 蓝 运 和 ATP 水 解 ;(3) 乌 本 苷 必需 存在 于 细胞 外 侧 才 起 抑制 作用 。 在 外 侧 ， 它 和 K+ Bee 结合 部 位 ; (4) 每 个 ATP 分 子 的 水 解 ( 一 个 ATP 酶 分 子 每 秒 钟 可 水 解 100 个 ATP 分 *，282。 子 ) 泵 出 3 个 Nat, HA 2 K* (图 6-53) ， 虽然 以 上 实验 提供 了 令 人 信服 的 证 据说 明 ATP 为 泵 动 Na*、K” 通过 质 膜 提供 能 量 ， 但 它 并 不 能 解释 ATP 水 解 时 是 如 何 和 离子 转运 偶 联 在 一 起 。 人 们 发 现 AITP WA 端 磷 酸 基 团 在 Nat 存在 的 条 件 下 转移 到 ATP 酶 的 天 冬 氮 酸 残 基 上 ， 这 一 事实 也 为 此 提供 了 部 分 解释 。 这 个 磷酸 基 团 随后 又 在 人 * 存在 的 条 件 下 被 水 解 ， 正 是 这 最 后 的 一 步 可 以 被 乌 本 苷 所 抑制 。 依赖 Na* 的 磷酸 化 过 程 可 能 改变 了 ATP 酶 的 构象 。 其 结果 就 是 把 Nat 转运 出 细胞 外 。 而 依赖 K+ 的 去 磷酸 化 过 程 则 导致 Kt 的 摄 人 并 使 ATP Be 回复 到 原来 的 构象 《图 6-54)。 实际 上 ， 红 细胞 空 壳 上 的 Na*-K* 泵 是 可 以 逆转 的 : 如 果 Nat-K* 浓度 梯度 升 高 到 Na*-K* 泵 不 能 对 付 的 程度 时 ， 这 些 离子 就 顺 着 浓度 梯度 Tis). EA seA HH ADP 和 磷酸 合成 ATP. 这 也 提示 ,磷酸 化 的 ATP ing a 高 张力 下 的 构象 ， 它 松弛 并 放出 能 量 ( 和 磷酸 ), 或 者 把 人 ”和 泵 和 人 空 壳 ,或 者 ( 当 Nat 浓度 梯度 极 大 时 ) 合 成 ATP, Eig, Na*-K* ATP 酶 已 经 提纯 ， 发 现 它 由 一 个 跨 膜 的 催化 亚 基 ( 约 100 000 道 尔 3(Na* K* Rye 合 部 位 sis wi ATP ADP+P; 图 6-53 Nat+-K+ ATP 酶 逆 浓 度 梯 度 主动 摄 和 人 Kt, Rit Nat 的 示意 图 。 每 个 ATP OTK 解 时 ， 排 出 三 个 Na+， 摄 人 两 个 Kt, ERSAAM Kt 竞争 ATP 酶 外 侧 的 同一 部 位 。 虽然 Nat-K+ ATP 酶 在 这 里 画 成 二 聚 体 , 膜 中 可 能 存在 的 至 少 是 个 四 聚 体 * 由 两 个 大 亚 基 和 两 个 小 亚 基 所 组 成 。 顿 ) 和 一 个 与 催化 亚 基 相 联 的 糖 蛋白 ( 约 45 000 道 尔 顿 ) 组 成 。 前 者 的 胞 质 面 有 Nat 及 ATP 的 结合 部 位 ,外 侧面 有 K” 及 乌 本 彰 的 结合 部 位 , 它 可 逆 地 磷酸 化 和 去 磷酸 化 。 糖 蛋白 的 功能 不 清楚 。 用 下 述 方法 ， 可 以 用 提纯 的 ATP 酶 重建 为 有 功能 的 Na*-K+ 泵 : 把 ATP 本 溶解 在 去 拍 剂 中 纯化 ,然后 和 适当 的 磷脂 混合 ;把 去 拍 剂 用 透析 法 去 除 后 ， 就 可 形成 膜 小 泡 ， 这 些小 泡 在 Mg + 和 ATP 存在 的 条 件 下 ,可 以 向 相反 的 方向 泵 动 Nat 和 K* (图 6-55 )。 Na*-K* ATP 酶 可 通过 调节 细胞 内 溶质 的 浓度 来 调节 细胞 容积 ” HH Na*-K* ATP 酶 每 报 人 2 个 必要 泵 出 3 个 Nai, 因而 它 是 “ 生 电 的 ” (electrogenic); 即 具 有 在 质 膜 两 侧 建 立 膜 电 位 的 趋势 ， 使 细胞 内 比 起 细胞 外 呈 电 负 性 。 这 样 ，Na-"-K” ATP 酶 对 膜 电 位 的 产生 有 少许 (20 多) 直接 作用 。 然而 ， 正 如 我 们 已 经 知道 的 那样 ， 大 部 分 (80 7% ) 膜 电位 是 由 Na-"-K” ATP 酶 维持 的 Na*. K* 浓度 梯度 。 283。 MLR K* 的 通 透 性 比 对 Na* 或 其 他 阳离子 为 大 这 两 方面 来 维持 的 。 Na*-K* ATP 酶 也 协助 调节 细胞 容积 。 这 是 因为 它 可 以 控制 细胞 内 溶质 的 浓度 ,从 而 可 改变 渗透 压 使 细胞 膨胀 或 皱 缩 。 在 细胞 内 的 大 分 子 可 对 质 膜 产生 涂 透 压 的 作用 。 此 MONS 7 MONG AD a) Se [K* 图 6-54 Nat-KtATP AEAUEL(KMA Nat 的 结合 在 ATP MAR LOUK Reet (2) 导 致 ATP 酶 的 构象 变化 ,因而 把 Nat 运 过 膜 释 放 在 外 侧 (3)。 然 后 Kt 的 结合 在 外 表面 (47 及 随后 的 去 磷酸 化 (5) 又 使 酶 恢复 原 有 构象 而 把 Kt BUR, 释放 在 胞 质 中 (6)。 这 些 变化 和 图 6-51 所 示 的 “ 乒 = 二 乓 ?变换 相似 。 所 不 同 的 是 这 些 变化 过 程 中 有 酶 的 磷酸 化 和 去 磷酸 化 ， 它 使 图 示 的 转变 顺序 进行 而 使 本 能 有 效 地 工作 。 外 ,这 些 大 分 子 多 数 是 带电 的 ， 它 必然 伴 有 带 相 反 电 和 荷 的 离子 比如 Nat 的 存在 ,这 更 增 加 了 渗透 压 作 用 。 作用 在 质 膜 内 表面 的 渗透 压 被 细胞 外 液 的 溶质 分 子 (主要 是 Na ”和 Cl") 造成 的 活 透 压 所 平衡 。 然 而 ;Na 、CI- 有 顺 浓度 梯度 进入 细胞 的 颁 向 ， 可 能 破坏 平衡 并 引起 细胞 肿胀 。 Na -KK”ATP 酶 恰好 解决 了 这 一 问题 : 它 把 盗 人 的 Na* 离子 直接 泵 出 细胞 ,同时 通过 维持 细胞 内 的 电 负 性 来 抗衡 Cl- 的 浓度 梯度 的 作用 :阻止 了 Cl- BTA Na*-K* ATP 酶 在 控制 细胞 容积 中 起 了 重要 作用 。 这 一 点 是 通过 以 下 观察 得 到 证 实 的 : 如 采用 抑制 Na*-K* ATP 酶 的 乌 本 背 处 理 动 物 细胞 ,细胞 就 会 串 胀 ， 有 时 还 可 能 胀 破 。 当然 ,细胞 还 可 利用 其 他 方式 解决 竣 透 压 问题 : 植物 细胞 和 细菌 质 膜 外 有 一 层 较 硬 的 细胞 壁 可 防止 细胞 被 胀 破 ;变形 虫 则 把 由 涂 透 压 引起 的 多 余 水 分 收集 在 收缩 泡 里 ， 再 定期 排放 到 细胞 外 去 。 但 是 , 对 大 多 数 多 细胞 动物 的 细胞 来 说 。 Nat-Kt ATP 酶 是 至 关 重 要 的 。 图 6-56 表示 有 细胞 壁 的 细胞 和 无 细胞 壁 的 细胞 对 高 姿 液 和 低 盗 溢 的 反 RE Cat 和 泵 也 是 与 膜 结合 的 ATP he” 在 真 核 细胞 的 胞 质 中 Ca* 浓度 维持 在 很 低 〈《 私 10-’mol/L) 的 水 平 上 ， 而 细胞 外 © 284。 NaF-K" ATF ATP Big: 1 fats ne 06 a) 党 人 EY EE x) ssn, WZ Nv 4 Vee aS yf 脂 质 -去 拍 剂 胶 粒 提纯 Na+-K+ATP 酶 江 用 透析 法 去 除去 拍 剂 WS he ate aN “ JSPR | 把 有 功能 的 Nas-K* SN NG! ATP REBA BEE AE SS Na “ts SN 图 6-55 浴 解 、 提 纯 和 重建 在 磅 脂 小 泡 上 有 功能 的 Nat-Kt ATP 酶 分 子 。 重 建 是 在 高 浓度 的 Nat 和 ATP 人 of ATP Ref RRR Cat 浓度 却 高 得 多 ( 约 10°%mol/L), 接受 细胞 外 信号 时 。 Ca* 顺 着 它 显著 的 浓度 梯 度 流 入 细胞 ;而 这 种 流动 是 把 细胞 外 信号 穿 过 质 膜 传人 细胞 内 的 一 种 重要 方式 。 Ca ”的 浓度 梯度 部 分 是 由 质 膜 上 的 Ca* 泵 所 维持 的 ，Ca” 泵 可 以 把 Ca’* 主动 地 泵 出 细胞 外 。 虽然 目前 已 经 知道 一 部 分 Ca* 泵 也 是 ATP 酶 ,但 它 一 直 未 被 分 离 提 纯 , 同 时 对 它 的 结 构 和 功能 也 了 解 得 不 多 。 对 肌 细 胞 肌 质 网 上 类 似 的 膜 结合 Ca* 和 泵 则 知道 得 要 多 一 些 。 肌 质 网 在 肌 细 胞 内 形 成 精细 的 管状 网 络 ,并 是 细胞 内 储存 Ca * 的 场所 。 Ca * 泵 的 作用 是 把 Ca* 从 细胞 质 泵 人 肌 质 网 中 ( 当 神 经 冲动 使 肌 细胞 去 极 时 ，Ca+ 从 肌 质 网 释放 到 胞 质 中 ， 刺 激 肌肉 收缩 )。 像 Na*-K* 泵 一 样 ，Ca* Rte ATP 酶 ,在 它 的 泵 周期 中 。 也 有 磷酸 化 和 去 磷酸 化 现象 。 每 个 酶 分 子 在 它 的 胞 质 面 上 每 秒 钟 可 水 解 10 个 ATP 分 子 , 而 在 每 个 ATP 分 子 水 解 时 ， 把 两 个 Ca* RAMUS HF Ca” ATP 酶 是 肌 质 网 上 唯一 的 主要 蛋白 。 285。 质 ( 约 占 总 蛋白 质 的 90 多 左右 ), 它 比 较 容易 提纯 。 它 是 一 条 包含 1 000 个 氨基 酸 残 基 的 多 肽 链 ; 如 把 它 挨 人 磷 酯 泡 〈 像 上 述 处 理 Na*-K* ATP 酶 一 样 )， 当 这 种 ATP 酶 水 解 ATP AYR AIA A Ca’t, 红细胞 细胞 外 空 孙 的 离子 浓度 SN A 植物 细胞 Ss: 细胞 辟 SSeS 图 6-56 ”人 红细胞 和 植物 细胞 对 细胞 外 液 渗 透 压 改变 的 反应 。 AL AARATE IRIE Bk BR 而 植物 细胞 则 由 于 细胞 壁 的 保护 而 不 会 发 生 类 似 现象 。 两 种 细胞 都 在 高 次 液 中 皱 缩 ， 植 物 细胞 腊 还 从 细胞 壁 上 缩 离 。 合成 ATP 的 膜 结合 酶 是 反馈 工作 的 转运 ATP 酶 ” 在 厌 氧 菌 的 质 膜 、 真 核 细 胞 的 线粒体 和 叶绿体 内 膜 上 ， 都 发 现 了 和 上 述 的 转运 ATP 酶 相 类 似 的 酶 。 但 它们 在 这 些 部 位 的 正常 作用 正好 相反 : 它们 不 是 由 ATP 水 解 而 驱动 离子 转运 (如 Nat-K* ATP 酶 和 Ca’* ATP 酶 )， 而 是 膜 两 侧 的 H* 浓度 梯度 驱动 由 ADP 和 磷酸 合成 ATP, 因此 ， 这 些 酶 被 称 为 ATP Ske H* 浓度 梯度 是 由 氧化 磷酸 化 (在 细菌 和 线粒体 中 ) 或 光合 作用 (在 叶绿体 中 ) 形 成 的 ;在 盐 生 盐 杆 菌 中 , 则 由 光 激 活 的 也 ”和 泵 (细菌 视 紫 红 质 ) 形 成 。 在 所 有 以 上 的 这 些 例子 中 ， 酶 都 可 以 朝 任 一 方向 工 a“ A Ps =n a \ Z @ \ ae My O20 (wo) 细胞 外 空 阶 ©O90 patie os. 66908 606009 000 0008 脂 双 层 1 ， tiie fie Hi | rh | 的 Leeee 060080 600 0008 细胞 质 Na+ -驱动 的 X 和 葡萄糖 裁 体 蛋白 ® ATP ADP NN ~ « — i eo = — as ee 图 6-57 葡萄 糖 同 向 转运 的 示意 图 。 才 明 葡 萄 糖 的 主动 运输 怎样 被 Na* 浓 度 梯 度 所 驱动 ;而 此 浓 度 梯 度 则 由 ,Nat-K+ATP 酶 产生 和 维持 。 * 286° a rr em xn i -。 作 ， 这 主要 依赖 于 所 给 的 条 件 : 它 既 可 以 水 解 ATP 并 泵 动 Ht WR. hal H’ 以 相反 方向 流 过 酶 的 时 候 合成 ATP, 这 些 酶 将 在 第 九 章 详 细 讨 论 。 主动 运输 可 以 由 离子 梯度 驱动 很 多 主动 运输 系统 是 用 贮存 在 离子 梯度 中 的 能 量 来 驱动 ， 而 不 是 直接 由 ATP 水 解 而 驱动 的 。 所 有 这 样 的 系统 都 属于 共 转 运 系统 一 有些 是 同 向 转运 ， 有 的 是 反 WANS ps 向 转运 。 动 物 细胞 的 共 转运 离子 通常 是 sx Na+o 例 如 动物 细胞 能 主动 摄 人 某 些 业 NS 和 氨基 酸 就 是 由 Nat 的 跨 膜 梯度 供 能 | N 4 NA i enone ay Sn RL a 8 SRST ark 是 由 一 个 同 向 转运 系统 完成 的 。 即 葡萄 NS nace BAL Nat 结合 在 葡萄 糖 载体 蛋白 的 不 : 同 部 位 上 ;Nat 顺 电化 学 梯度 流入 细胞 ， bik 因而 ,在 某 种 意义 上 说 ， 把 葡萄 糖 也 " 拉 MES “SHH. Na* 浓度 梯度 越 大 , 葡萄 糖 进入 的 速率 越 快 。 相 反 ， 如 果 细 胞 外 WAS Na* 浓度 明显 降低 ， 葡 萄 糖 转运 也 就 停止 。 和 和 葡萄糖 同时 进入 细胞 的 Nat 由 Na+-K+ ATP 酶 泵 出 , 以 维持 Na* 梯度 , 故 Na+-K+ ATP 酶 也 间接 地 参与 驱动 葡萄 糖 的 转运 (图 6-57)。 图 3-61 的 假设 模型 (可 能 过 于 简单 ) 表示 这 个 同 向 转运 系统 是 怎样 工作 的 。 TA eR ， 同 的 氨基 酸 载体 蛋白 《每 种 载体 对 应 一 葡 荀 糖 经 细胞 顶 面膜 泵 入 细胞 内 ， 然 后 由 存在 于 细胞 侧面 和 ar , eh + 如 ， 底面 膜 上 一 个 不 同 的 葡萄 糖 载体 蛋白 的 介 导 ， 把 葡萄 糖 以 易 组 密切 让 关 的 氨基 酸 ) elm i 组 Way HACER NE BARE HEN I. Wh AEE A 成 同 向 转运 系统 。 Na+ 也 可 驱动 反 向 Nat 梯度 由 底面 和 侧面 质 膜 上 的 Nat-K+ ATP 酶 维持 ,这 转运 系统 。 例 如 ， 当 海胆 卵 受 精 时 。 细 SSNS, Be aE 胞 内 pH 值 大 幅度 升 高 ,激活 卵 内 蛋白 质 和 DNA 的 合成 ; pH 的 这 个 变化 是 由 Nat+ 内 流 驱动 H+ 外 流 造成 的 。 在 许多 细胞 中 ,与 Nat 偶 联 的 载体 蛋白 把 代谢 物 (如 糖 和 氨基 酸 ) 带 进 细胞 。 然 而 ， 在 某 些 上 皮 细 胞 ， 比 如 那些 参与 从 肠 腔 中 吸收 营养 物质 的 细胞 ， 转 运 蛋白 在 质 膜 上 的 分 布 是 不 对 称 的 ,从 而 有 助 于 吸收 物质 的 跨 细胞 转运 (transcellular transport)。 像 图 6-58 所 示 那 样 , 与 Not 偶 联 的 同 向 转运 系统 存在 于 上 皮 细 胞 顶 面 的 质 膜 上 (吸收 面 ), 把 营养 物质 转运 进 细胞 。 而 细胞 的 底面 和 侧面 质 膜 上 则 有 不 依赖 Not 的 转运 蛋白 。 它 让 营养 物质 顺 浓度 梯度 离开 细胞 。 这 些 细胞 质 膜 两 侧 的 Nat 浓度 梯度 则 由 底面 和 侧面 膜 上 的 Nat-K* ATP 酶 维持 。 肾 和 肠 上 皮 细胞 也 采用 类 似 的 机 制 把 水 从 一 个 细胞 外 空隙 双 到 另 一 细胞 外 空隙 。 二 EAI 一 * 287 « 在 许多 上 皮 细 胞 中 , 质 膜 面积 由 于 形成 数 以 千 计 的 微 绕 毛 而 大 量 增加 。 微 绒毛 是 顶 面 上 很 细 的 指 状 罕 起 (图 6-58), 它 可 使 细胞 总 吸收 面积 增加 25 倍 之 多 ， 因 而 也 大 大 提高 了 细胞 的 转运 能 力 。 在 细菌 中 大 部 分 由 离子 梯度 驱动 的 主动 运输 系统 是 用 Ht 而 不 用 Nat 作为 共 转 运 离子 。 例 如 ,把 绝 大 部 分 糖 和 氨基 酸 摄 人 细菌 中 是 由 质 膜 两 侧 的 Ht 离子 梯度 驱动 的 。 乳 糖 载体 蛋白 ( 透 性 酶 或 称 M 和 蛋白 ) 是 研究 得 最 透彻 的 一 种 蛋白 质 。 它 是 一 个 单一 的 跨 膜 蛋 FAi( 30 000 道 尔 顿 ), 起 着 与 也 ” 同 加 转运 一 样 的 功能 ; 转运 进 细胞 一 个 乳糖 分 子 需要 一 个 质子 的 协同 转移 。 细菌 的 主动 转运 可 以 通过 基 团 转移 "来 完成 ， 还 可 能 通过 水 溶性 结 合 蛋白 的 介 导 迄今 为 止 ， 我 们 已 经 知道 主动 转运 可 由 光 〈 如 细菌 视 紫 红 质 )、ATP 水 解 或 者 离 予 梯度 来 驱动 。 从 理论 上 讲 , 还 可 以 有 第 四 种 方法 ， 那 就 是 以 某 种 方式 去 改变 分 子 使 其 不 能 从 它 进 入 细胞 的 同一 通道 逸 出 ， 从 而 抓 住 "了 这 个 分 子 。 事 实 上 ，, 某 些 细菌 用 的 是 这 样 一 种 称 作 基 团 转移 的 机 制 。 例 如 ,在 某 些 细菌 中 ， 糖 类 的 主动 运 进 质 膜 涉 及 到 糖 的 主 动 磷酸 化 。 由 于 它 被 离子 化 而 不 能 再 亚 酸 转移 酶 系统 漏出 ， 其 结果 是 糖 的 磷酸 化 物 聚 积 在 和 Oe OU Doeeee 2H HED Ao WES 9 388 Tot HS SI EO BR | mann a 2 SUA 酸化， 细胞 内 未 磁 酸 化 的 糖 的 小 麻 一 8 680 CC 直 维 持 很 低 ， 因 而 糖 的 浓度 梯度 不 断 ‘aia 地 推动 糖分 子 进 和 细胞。 研究 得 最 多 的 系统 是 细菌 ， 它 的 磷酸 化 机 制 很 复 BEAN? A FANE Soe 图 6-59 细菌 通过 基 困 转移 方式 主动 运输 。 HARSe PH 殊 磷 酸 转移 系统 在 糖 经 过 膜 时 把 糖 磷酸 化 。 磷 酸根 供 体 是 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 而 不 是 ATP, 杂 ，, 至 少 包 括 四 个 膜 蛋白 ,并 且 用 的 是 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 ( 而 不 用 ATP) 作为 高 能 磷酸 根 的 供 体 ( 图 6-59)。 在 细菌 中 ， 很 多 糖 和 氨基 酸 的 主 动 运输 系统 包括 一 组 特殊 的 水 溶性 蛋白 质 。 它 们 存在 于 质 膜 和 细胞 壁 之 闻 的 空隙 一 一 质 周 空隙 (periplasn'ic space)。 这 些 蛋 白质 有 具有 结合 溶质 分 子 的 特殊 结合 部 位 ,因此 称 为 质 周 结合 蛋白 (periplasmic binding protein)。 虽 然 它们 的 全 部 氨基 酸 顺 序 甚至 三 维 结构 都 已 确定 ,但 是 它们 到 底 怎样 发 挥 作 用 还 不 清楚 。 总 之 , 除 结合 蛋 折 外 ,至 少 还 有 一 种 蛋 白质 是 转运 所 需要 的 ， 可 能 是 每 种 结合 蛋白 把 与 它 结合 的 溶质 传 给 一 特定 的 跨 膜 转运 蛋 白 , 但 这 还 有 待 于 证 实 。 起 转运 作用 的 结合 蛋白 似乎 还 在 趋 化 性 中 起 受 体 的 作用 。 趋 化 性 是 一 个 很 重要 的 过 程 , 它 使 细菌 朝 特定 营养 物质 浓度 增高 的 方向 运动 。 在 趋 化 过 程 中 ,很 多 不 同 的 结合 蛋白 会 聚集 在 那些 较 少 的 把 信号 传 到 细胞 内 部 的 膜 蛋白 上 。 这 样 做 是 有 意义 的 ， 因 为 在 转运 过 程 中 许多 结合 蛋白 共用 少量 跨 膜 蛋 白 是 符合 节约 原则 的 。 某 些 跨 膜 蛋白 通道 是 受 控 的 , 仅 瞬 时 开放 “ 我 们 知道 ,在 被 动 运输 中 有 两 类 膜 转 运 蛋白 起 作用 :(1) 具有 膜 结 合 酶 特性 的 载体 蛋 白 ;(2) 可 以 让 体积 和 电荷 合适 的 溶质 分 子 以 简单 扩散 形式 通过 的 臣 水 性 跨 膜 通道 蛋白 。 ° 288。 Ten ee Sat? or ee 与 载体 调节 的 转运 的 不 同 处 是 ,经 被 动 通道 转运 蛋白 质 是 不 会 饱和 而 没有 Vinaxs 它 的 速 率 可 以 比 易 化 扩散 时 快 得 多 ( 见 图 6-50), 一 些 转运 蛋白 形成 的 通道 是 持续 开放 的 ， 而 另 一 些 则 只 是 瞬时 开放 的 。 后 者 可 称 为 是 “ 受 探 ?的 。 某 些 “ 受 控 ” 通 道 仅 当 细 胞 外 的 配 体 与 细胞 表面 的 特定 受 体 结合 时 才 开 放 ， 这 样 的 通道 称 为 配 体 调 控 通 道 (ligand gated channels)。 另 一 些 仅 在 膜 电 位 变化 时 才 开 放 , 因 而 称 电 压 调控 通道 (voltage gated channels) (图 6-60)。 还 有 一 些 是 当 细 胞 内 特 定 离 子 浓度 变化 时 开放 ， 例 如 ， 胞 液 中 游离 Cat 浓度 增加 时 , ee K+ 通道 才 开放 。 大 多 数 情况 下 , 受 控 通 道 有 自动 关闭 的 机 制 。 它 能 迅速 关闭 ,即使 当 起 初 引 起 通道 开 放 的 刺激 还 继续 起 作用 时 亦 是 如 此 。 考 虑 一 下 神经 肌肉 接头 ， 在 那里 沿 神经 传 来 的 冲动 刺激 肌肉 收缩 ， 这 一 看 来 很 简单 的 反应 至 少 包含 着 四 种 不 同 “ 受 挖 ?通道 的 顺 次 开放 和 关 闭 ;, 而 这 一 切 发 生 在 不 到 一 秒 钟 的 时 间 内 (图 6-61)。 1. 当 神 经 冲动 到 达 神 经 终 板 时 :就 启动 了 这 个 过 程 ; 膜 电位 的 下 降 (去 极 化 ) 使 这 个 终 板 上 质 膜 的 cat+ 电压 调控 通道 瞬时 开放 。 因 为 细胞 外 Ca+ 浓度 总 比 细胞 内 游离 Cat 浓度 高 1000 RUE. 因而 Ca+ 就 会 涌 进 终 板 内 。 刺 激 终 板 分 这 神经 递 质 一 一 乙酰 胆 碱 。 2. 释放 的 乙酰 胆 碱 结合 在 对 侧 肌 细胞 质 膜 的 乙酰 胆 碱 受 体 上 。 这 些 受 体 是 配 体 调控 阳离子 通道 ,可 让 Na+、K+ 通过 。 当 该 通道 和 乙酰 胆 碱 结合 后 ， 它 能 瞬时 开放 。 由 于 细 胞 外 的 Na* 比 细胞 内 高 得 多 ,而 K* 则 相反 ,所 以 当 通 道 开 放 时 ( 约 为 1ms)， 就 有 Na+ 的 净 流 入 和 Kt 的 净 流 出 。 因 Nat 的 跨 膜 电化 学 梯度 较 大 ,由 乙酰 胆 碱 激活 的 通道 所 RAR Nat 就 大 大 超过 流出 的 人 + ,因而 肌 细胞 膜 产 生 局 部 去 极 化 。 (A ) 配 体 调控 通道 被 转运 的 分 子 一 一重 ese, of Ne oe 69 IT lay. acre eee TTY) ay YY} II reves @ 开放 的 通道 ° 《B) 电 压 调 控 通 道 : WHEAT @ 9 ses 199 : 909 iT , An oo of 6 bebe 电化 学 梯度 5 Seale nee @@ ccm Ps 图 6-60 两 类 受 控 离 子 通道 的 示意 图 。 通道 只 有 当 蛋 白质 处 于 “开放 ?” 构 型 时 才 容许 离子 顺 电化 学 梯度 流动 。(A) 所 示 的 通道 是 配 体 调控 通道 ; 当 细 胞 外 配 体 与 它 结合 时 (或 结合 到 与 它 相 联 的 膜 蛋白 上 ) 它 才 开 放 。 而 (B) 所 示 的 通道 是 电压 调控 通道 ， 当 膜 去 极 化 时 才 开 放 。 ° 289。 3. 同一 肌 细 胞 膜 上 还 含有 其 他 主要 让 Na” 通过 的 蛋白 质 通道 。 当 肌 细 胞 膜 发 生 去 极 化 时 ,这 些 Na” 的 电压 调控 通道 可 短暂 开放 , 让 Na* 涌 进 细胞 使 细胞 膜 进一步 去 极 化 。 而 这 个 去 极 化 又 使 更 多 的 Nat 电压 调控 通道 开放 ;其 结果 形成 一 个 去 极 化 波 ( 称 为 动作 电位 ) 扩 散 到 整个 肌 细胞 膜 。 Ca 调控 通道 -一 肌 质 网 Ze AB SE FB Gs ale Na * satis a ae 已 活化 的 神经 - 肌 连 接点 导致 肌肉 收缩 图 6-61 神经 肌肉 接头 的 示意 图 。 表 明 由 神经 冲动 引起 肌肉 收缩 过 程 中 有 关 的 几 种 受 控 通 道 。 数 字 表 示 不 同 受 控 通 道 的 开放 顺序 。 4. 由 于 这 个 动作 电位 ， 又 引起 肌 质 网 膜 上 的 Ca+ 通道 瞬时 开放 ,使 Cal BA HOE 中 。 正 是 由 于 细胞 内 Ca 浓度 的 突然 增加 就 引起 细胞 内 肌 原 纤维 的 收缩 。 因为 细胞 内 Na+ 或 /和 Cal 电压 调控 通道 可 以 产生 动作 电位 ,它们 就 被 认为 有 " 志 活性 ”的 。 但 是 ， 配 体 调控 通道 并 不 是 只 局 限 在 电 活性 细胞 中 ， 它 可 能 存在 于 许多 真 核 细胞 压 膜 上 ,其 功能 是 把 细胞 外 信号 传人 绍 胞 内 。 离子 通道 的 不 对 称 分 布 可 产生 离子 流 使 细胞 具有 极 性 ” 虽然 大 多 数 细胞 具有 明确 的 极 性 ;二 端的 形态 和 功能 与 另 一 端 有 差别 ,但 这 些 细胞 胡 何 会 “知道 哪里 是 前 面 ,哪里 是 后 面 ,至今 仍 完全 是 个 谜 。 有 证 据 表 明 ， 质 膜 上 离子 通道 的 不 均匀 分 布 可 产生 细胞 肉 的 离子 流 而 有 助 于 细胞 极 性 的 建立 。 例 如 ， 在 普通 褐色 海藻 墨 角 菠 《Fucws) 的 卵 中 存在 着 可 测 得 到 的 从 顶 极 流向 底 极 的 电流 。 这 个 电流 的 产生 与 维 持 可 能 是 由 于 在 顶 极 有 Ca?+ 的 被 动 流入 以 及 在 其 他 部 分 有 Co 的 主动 排出 。 此 点 反 映 了 在 质 膜 上 可 能 有 Cat 通道 和 Caz+ 泵 的 不 对 称 分 布 (图 6-62)。 这 个 电流 流 过 卵 ， 通过 电泳 作用 ,使 细胞 内 高 度 带 电 的 物质 移动 。 有 证 据 表明 ， 这 电流 使 细胞 质 定向 从 而 影响 以 后 的 胚胎 发 育 。 尽 管 二 个 典型 的 体 细胞 比 卵 细胞 小 得 多 ,但 如 因 膜 转运 蛋白 分 布 不 对 称 而 引起 细胞 内 局 部 的 离子 流动 促使 某 些 体 细 胞 带 有 极 性 , 那 也 就 不 足 为 怪 了 。 2 离子 载体 可 增加 人 工 合成 膜 和 生物 膜 对 离子 的 通 透 性 ”* 离子 载体 是 一 些 臣 水 性 的 小 分 子 ,溶解 于 脂 双 层 中 增加 脂 双 层 对 离子 的 通 透 性 。 绝 大 多 数 离子 载体 是 由 微生物 合成 的 (可 能 是 一 种 用 于 削弱 其 竞争 对 手 的 生物 武器 ), 其 中 一 些 已 用 作 抗 生 素 。 它 广泛 用 于 研究 人 工 膜 、 细 胞 器 ,最 近 还 用 来 研究 完整 的 细胞 ,用 以 增加 膜 对 某 些 特 定 离子 的 通 透 性 。 离子 载体 有 两 类 一 一 活动 离子 载体 (mobile ion car- riers) 和 通道 构成 者 〈channel formers) 〈 图 6-63)。 它 们 都 可 以 把 需 转 运 的 离子 的 电荷 屏蔽 起 来 ,从 而 使 离子 可 以 通过 脂 双 层 的 蕊 水 性 内 部 。 由 于 它们 不 和 能 源 偶 联 ， 所 以 它 仅 能 让 离子 顺 着 电化 学 梯度 流动 THAR Bhi ACH 医 6 62 ”表明 墨 角 菠 卵 质 膜 上 转运 蛋白 的 不 对 称 从 分 布 产生 细胞 内 电流 的 示意 图 。 有 人 认为 电流 有 助 于 使 卵细胞 极 化 ?因而 影响 以 后 的 胚胎 发 育 。 D -经 基 异 友 栈 被 转运 的 离子 al / . 工 -乳糖 人 和信 09 000 09008 = ERA 9 6 AURIS SCOR Y D ) D-sam 全 全 人 rar tins if EAN xo : 6é 0000 8006 oo d L, ) 1. -SRB NG Hay kA 活动 载体 图 6-63 活动 离子 载体 和 构成 通道 的 离子 载体 的 示意 图 。 图 6-64 AABN RRA, 两 种 载体 都 仅仅 在 顺 电化 学 梯度 时 才 产 生 净 的 离子 流 。 中 央 有 6 PARIS K+ 结 合 。 妥 氮 霉 素 是 活动 离子 载体 的 一 个 例子 。 它 是 一 个 环 状 的 多 聚 体 ,可 增加 膜 对 Kt 的 通 透 人 性。 环 状 分 子 外 部 是 茧 水 的 (由 拔 氮 酸 侧 链 组 成 ), 它 和 脂 双 层 的 碳 氢 化合物 核心 接 触 , 而 极 性 的 内 部 则 恰好 可 容纳 一 个 K+ (图 6-64)。 顷 所 霉 素 顺 着 电化 学 梯度 转运 Kt, 其 方法 是 在 膜 的 一 侧 结 合 K+ ,以 扩散 的 形式 穿 过 膜 ,在 膜 的 另 一 侧 释 放 K+。 由 于 它 在 两 个 方向 上 来 回 穿梭 ,所 以 仅 当 向 某 侧 移动 的 载体 结合 的 钾 离 子 比 另 一 侧 多 时 , 才 会 有 净 的 转运 。 离子 载体 A23187 是 活动 离子 载体 的 另 一 个 例子 但 它 转运 的 是 两 价 阳离子 如 Cat 和 Mg 。 在 平常 所 见 的 低 浓 度 时 ,这 种 离子 载体 是 一 种 离子 交换 运输 工具 ,每 把 一 个 两 4 4) ba 价 阳 离子 带 人 细胞 内 ,都 同时 带 出 两 个 Ht。 因 而 和 统 氨 每 素 不 同 , 它 不 使 膜 去 极 化 。 当 活 细胞 和 A23187 接触 时 ，Cax+ 顺 着 显著 的 电化 学 梯度 涌 进 胞 液 。 因 此 在 细胞 生物 学 中 这 种 离子 载体 广泛 用 于 增加 胞 液 内 游离 Ca 的 浓度 。 如 果 膜 的 温度 低 于 它 的 凝固 点 ,活动 离子 载体 就 不 能 扩散 通过 脂 双 层 。 转 运 也 随 之 停止 。 这 种 对 温度 的 依赖 性 可 用 于 鉴别 离子 载体 是 不 是 活动 载体 。 因 为 和 活动 载体 相 反 。 构 成 通道 的 离子 载体 即使 在 脂 双 层 已 经 凝固 时 还 能 继续 正常 地 转运 。 HR A 是 一 种 构成 通道 的 离子 载体 。 它 是 一 条 由 15 个 氨基 酸 组 成 的 线 状 多 肽 ;所 有 氨基 酸 都 具 朴 水 性 侧 链 。 推 想 在 脂 双 层 中 两 个 这 样 的 分 子 靠 在 一 起 形成 跨 膜 通 道 , 选 择 性 地 只 让 单价 阳离子 顺 着 电化 党 梯度 流动 。 这 些 二 聚 体 是 不 稳定 的 ,不 断 地 形成 和 解 离 。 因 而 ,一 个 通道 的 平均 开放 时 间 只 有 一 秒 钟 左 右 。 在 存在 较 大 电化 学 梯度 的 情 况 下 , 短 杆 菌 肽 A 的 每 个 开放 通道 每 秒 钟 可 以 转运 2X 10? 个 阳离子 。 这 个 数目 相当 于 相同 时 间 内 单个 活动 载体 可 能 转运 的 离子 数目 的 一 千 倍 。 小 结 脂 双 层 对 大 多 数 极 性 分 子 来 说 是 高 度 不 通 透 的 。 为 了 能 把 这 些 分 子 运 入 或 运 出 细胞 ， 质 膜 含有 许多 特殊 的 转运 蛋白 。 每 种 蛋白 都 把 一 种 特殊 的 深 质 运 过 质 膜 。 这 些 转运 蛋白 形成 穿 过 脂 双 层 的 连续 蛋白 通道 。 许 多 转运 蛋白 的 作用 与 酶 相 类 似 ， 即 它们 具有 与 被 转 运 的 分 子 结合 的 特定 结合 部 位 。 这 些 蛋白 质 称 为 载体 蛋白 。 某 些 载体 蛋白 仅 使 被 结合 的 溶质 分 子 以 易 化 扩 涛 的 形式 穿 过 双 分 子 层 。 另 一 些 则 通过 ATP 水 解 或 者 离子 结合 等 形 式 引 起 一 系列 的 构象 变化 ,从 而 可 以 像 泵 一 样 逆 着 电化 学 梯度 主动 运输 结合 溶质 分 子 o 在 所 有 动物 细胞 质 驱 上 存在 的 一 个 十 分 重要 的 泵 是 Na+-K+ ATP 酶 。 它 利用 ATP 水 解 的 能 量 主 动 地 把 Nat 泵 出 细胞 ,而 把 Kt 摄 入 细胞 。 另 一 类 转运 蛋白 则 在 脂 双 层 中 形成 一 个 开放 通道 以 简单 扩散 的 形式 让 分 子 物 质 顺 着 电化 学 梯度 流动 。 比 起 通道 蛋白 来 ， 这 些 被 动 通道 所 允许 跨 膜 流动 的 量 要 大 得 多 。 一 些 通道 是 持续 开放 的 , 另 一 些 则 是 受 控 的 ,其 瞬时 的 开 闭 取决 于 细胞 外 信和 号 配 体 、 膜 电位 变化 或 者 细胞 内 的 离子 浓度 。 大 分 子 和 颗粒 物质 的 跨 膜 转运 : 内 吞 和 外 排 虽然 转运 蛋白 可 以 介 导 许多 极 性 小 分 子 通过 细胞 膜 , 但 它们 却 不 能 转运 大 分 子 , 比 如 蛋白 质 、 多 聚 核 苷 酸 和 多 糖 等 。 然 而 ,大 多 数 细胞 都 能 排出 或 援 人 某 些 特定 的 大 分 子 ， 使 其 能 跨越 质 膜 。 有 的 细胞 甚至 可 以 知人 大 颗粒 。 细 胞 完成 这 种 功能 的 机 制 是 与 介 时 小 分 子 溶 质 和 离子 转运 的 机 制 完全 不 同 的 。 它 涉及 到 膜 结 合 小 泡 的 依次 形成 和 融合 。 例 如 :为 了 把 胰岛 素 分 谈 出 来 ,产生 胰岛 素 的 细胞 把 胰岛 素 分 装 在 细胞 内 小 泡 中 ,然后 ， 小 钨 与 质 膜 融合 ,向 细胞 外 腔 开 放 ， 把 胰岛 素 释放 到 细胞 外 。 这 个 融合 过 程 称 外 排 (图 6-65)o 在 所 有 的 真 核 细 胞 中 ， 还 有 其 他 小 泡 也 通过 同样 的 过 程 把 新 的 质 膜 组 分 从 高 尔 基 吉 带 到 质 膜 上 。 细胞 通过 相似 的 机 制 摄 人 大 分 子 和 颗粒 物质 ， 不 过 顺序 相反 。 要 摄 人 的 物质 逐渐 被 小 部 分 质 膜 包 右 ,然后 内 陷 , 收 缩 并 与 质 膜 分 离 形 成 一 个 包含 摄 和 人 物 的 小 泡 (A 6-65) ik * 292 « a 个 过 程 称 内 吞 。 由 于 小 泡 的 大 小 不 同 可 把 内 香 分 为 两 种 类 型 : 胞 饮 ， 它 通过 较 小 的 小 泡 把 液体 和 (或 ) 深 质 摄 和 人 细胞; 吞噬, 它 通过 较 大 的 小 泡 ( 通 常 称 液 泡 ) 把 大 颗粒 如 微生物 和 细胞 碎片 摄 人 细胞 。 大 多 数 细胞 主要 通过 胞 饮 把 液体 和 溶质 不 断 地 摄 人 细胞 内 ， 只 有 少 数 特殊 的 吞噬 细胞 把 大 颗粒 物质 吞 进去 。 由 于 这 个 原因 对 多 数 细胞 来 说 ， 胞 饮 和 吞噬 这 两 个 术语 可 以 互 换 地 使 用 。 内 乔 和 外 排 的 一 个 重要 特征 是 分 泌 或 摄 人 的 大 分 子 物质 是 包 在 小 泡 内 的 ， 它 一 般 不 和 细胞 内 其 他 大 分 子 或 细胞 器 混合 。 通 过 目前 尚 不 清楚 的 机 理 ， 每 个 小 泡 仅 与 特定 的 膜 结构 融合 ， 这 样 就 保证 了 细胞 内 外 大 分 子 的 有 秩序 的 运送 。 一 个 新 合成 的 大 分 子 在 细胞 外 排 99900000090 TU Wi = Nl, Qs Mei = Fee c= Se 2 =S20%e = SS 00 8 ZS oy % 0 SS NE NANNS Gee SS Ely Lai ae Abii ; ®@ 088ng9900099909 人 or0 Room ngo9g89898089499899009Danata8808499 人 8 oogyagp @ 99900naq8g8 0 Nis © Vera nee SUINUINIMZZ = Sia : =e Bony, 2 aes > alias ght! 2200p 99.9292 2p “we ae SEA rf 00 at: * ie wiii4 Po, th x RS OM, be wg, 9907? 0000 oS @ 和 区 所 RS - 电 RNUN 会。 % .22 SSe@ eo, %: CW" 6 “4-2 2 @ =: ss © eS: se ° Ze Be %S: 23° = eS, ° 0&2 fy © XS <， Ss m°°* = nag SX AN Cy SS) 6 BSS 0g 人 AS 2 ® OSS 2 Sees8 %9640% goon Sg 2 SS $,90090909009900 0008 SES Zoo 0vagan agenevo veovure we lerer pay 400009 RGAARAS A RAR AAS WU © aayiyurivevivn VNNNS Zeer,” aaaeisiananseeN NOS ear aayTAN @ 3 ee yy & e © @ eh e ® ® 6 9 图 6-65 三 种 融合 过 程 ( 内 吞 、 外 排 和 出 芽 ) 中 双 层 的 粘 附和 接合 。 内 吞 、 外 排 在 本 章 中 讨论 。 出 芽 是 形成 胞 内 转运 小 泡 的 一 个 步 归 , 则 在 第 七 章 讨 论 。 注 意 。 由 于 双 层 粘 附 这 一 步 的 不 同 , 内 吞 和 外 排 并 非 单纯 的 互 为 相反 的 过 程 。 外 排 时 ， 两 个 质 膜 的 胞 质 面 单 层 互相 粘 附 ,而 内 吞 时 ,两 个 质 膜 的 非 胞 质 面 单 层 互相 粘 附 。 推 想 这 种 差别 使 内 吞 和 外 排 能 得 到 分 别 的 调节 。 。 293。 内 不 同 区 室 间 的 转运 与 这 个 过 程 很 相似 ; 在 内 质 网 和 高 尔 基 复合 体 上 的 芽 生 小 泡 (图 4- 65) 可 以 移动 并 与 细胞 内 其 他 内 膜 相 融 合 。 虽 然 现 在 已 经 清楚 ,小 泡 的 快速 和 大 规模 的 形 成 和 融合 是 所 有 真 核 细 胞 的 一 个 基本 特性 ， 但 是 驱动 和 引导 这 些小 泡 沿 着 特定 的 路 线 运 输 的 分 子 机 理 还 有 待 于 探索 。 细胞 外 排 是 通过 胞 内 小 泡 与 质 膜 融合 的 方式 进行 的 “ 大 多 数 细胞 都 能 向 外 分 泌 大 分 子 物 质 〈 常 常 也 可 分 所 较 小 的 分 子 )。 在 真 核 细胞 中 ， 分 沁 几 乎 都 是 靠 外 排 。 某 些 分 泌 的 大 分 子 依附 在 细胞 表面 ,成 为 细胞 衣 的 一 部 分 ,还 有 一 些 摊 入 到 细胞 外 基质 中 。 再 有 一 些 则 扩散 到 间 质 液 和 (或 ) 血 液 中 作为 其 他 细胞 的 营养 或 Blase 像 第 七 章 描述 的 那样 ,分 泌 的 蛋白 质 是 由 粗 面 内 质 网 (ER) 上 的 核糖 体 合成 的 。 合 成 的 蛋白 质 进入 粗 面 内 质 网 管 并 被 粗糙 内 质 网 形成 的 转运 小 泡 携带 转运 到 高 尔 基 揽 合 体 上 。 在 那里 ,这 些 蛋 白质 被 修饰 .浓缩 和 分 类 、 最 后 装 人 小 泡 中 。 小 光 与 高 尔 基 器 分 离 ， 最 终 与 质 膜 融合 (图 6-66)。 相 反 , 分 这 的 小 分 子 则 是 主动 地 转运 至 预先 已 形成 好 的 分 沁 小 泡 内 。 而 这 一 过 程 通常 是 靠 离子 梯度 所 驱动 。 此 外 小 分 子 常常 与 小 泡 内 特定 的 大 分 子 结合 。 这 样 , 它 能 以 高 浓度 储存 而 不 产生 过 高 的 渗透 梯度 。 某 些 物质 是 不 断 地 由 产生 该 物质 的 细胞 分 这 出 来 ， 而 另外 一 些 物 质 则 储存 在 分 沁 小 泡 中 , 仅 当 细胞 被 外 界 信号 触发 时 才 分 这 。 促 使 分 这 的 信号 一 般 是 化 学 信号 ， 例 如 激素 ， 粗糙 内 质押 分 沁 小 泡 它 可 以 与 细胞 表面 的 受 体 相 结 bias ei 合 。 受 体 的 激活 常常 可 引起 胞 液 中 游离 Cal 浓度 瞬时 增加 ， 从 而 启动 了 外 排 的 过 程 。 使 分 沁 小 泡 与 质 膜 融合 。 把 它 的 内 容 物 释 放 到 细胞 外 。 分 这 小 泡 的 膜 则 挨 入 质 膜 中 (图 6-65)。 以 后 又 可 以 通过 内 春 作 用 特异 性 地 回收 ， 可 能 再 被 整合 到 新 的 分 沁 小 泡 中 。 临 时 加 在 质 腊 商 尔 基 吕 外 2。 上 的 小 泡 膜 的 量 可 以 很 大 ; 在 H6 66 分 这 出 的 蛋白 质 所 经 历 的 道路 胰腺 腺 泡 细 胞 中 ， 当 细 胞 受到 刺激 而 分 这 时 ,大约 有 900 pm? 的 小 泡 蜡 插入 顶 质 膜 上 (而 顶 质 膜 的 面积 只 有 30xm?)。 触发 的 外 排 现象 是 质 膜 和 胞 质 的 一 种 局 部 反应 触发 的 外 排 现 象 很 可 能 是 Ca ”局 部 地 作用 在 分 刻 细 胞 上 从 而 引起 部 分 胞 质 及 其 上 的 质 膜 所 起 的 局 部 反应 。 这 个 结论 是 由 用 肥大 细胞 所 做 的 实验 提示 的 。 当 特殊 配 体 与 肥 大 细胞 的 表面 受 体 相 结合 时 ， 就 触发 肥大 细胞 分 谱 组 胺 。 正 是 由 于 肥大 细胞 所 分 论 的 组 胺 才 引 起 许多 过 敏 反 应 中 令 人 不 舒服 的 症状 ， 如 发 痒 和 打 栈 吨 。 把 肥大 细胞 放 在 含 可 海 性 刺激 物 的 培养 基 中 培养 时 ,整个 细胞 表面 都 表现 外 排 现 象 (图 6-67)。 然 而 ， 如 果 将 再 激 性 配 体 吸 附 在 固体 小 珠 上 ,使 它 仅 能 和 肥大 细胞 表面 的 局 部 区 域 接触 ,结果 是 肥大 细胞 ©2946 Li en, 仅 在 与 小 珠 接触 的 区 域 才 有 外 排 现象 (图 6-68)。 显 然 ， 当 肥大 细胞 被 触发 时 ,并 不 是 整 个 细胞 都 发 生 反应 。 受 体 的 激活 Ca*+ 的 内 流 , 以 及 随后 发 生 的 外 排 现 象 ; 都 局 限 在 细胞 受 刺激 的 特定 区 域 。 这 就 证 明了 质 膜 的 一 个 重要 特性 : 个 别 部 分 可 以 不 依赖 于 其 他 部 分 独立 地 起 作用 。 图 6-67 大 鼠 肥 大 细 乃 为 外 排 现象 的 电子 显 微 照 片 。(A ) 表 示 未 受 刺激 的 细胞 ; 〈B) 表 示 细 胞 被 细胞 外 可 溶性 配 体 激活 正在 分 这 其 内 储 的 组 胺 。 含 组 胺 的 小 泡 颜 色 较 深 ， 已 释 出 组 胺 后 的 小 泡 颜 色 变 痰 。 仍 留 在 释放 后 小 泡 内 的 物质 是 一 种 大 分 子 网 络 ,正常 情况 下 与 储存 的 组 胺 相 结合 。 一 旦 一 个 分 刻 小 泡 与 质 膜 融合 它 还 可 与 细胞 内 一 定数 目的 其 他 小 泡 融合 。 这 样 * 肥 大 细胞 的 许多 小 泡 可 以 通过 与 其 他 开放 的 小 泡 相 连 ,间接 地 通 向 外 界 。 其 结果 是 ， 在 (B) 图 中 ”细胞 含有 几 个 由 许多 小 泡 膜 融合 成 的 大 腔 ,这 些 膜 已 与 质 膜 连 成 一 片 。 所 有 这 些 腔 都 与 细胞 外 相通 。 然 而 在 细胞 的 某 一 个 切面 上 ,这 种 现象 并 不 总 是 能 看 得 出 来 。 ( 引 自 D. Lawson, C. Fewtrell, B Gomperts, and M. Raff, J. Exp. Med. 142:391—402, 1975) 胞 液 中 局 部 Ca’* 浓度 的 增高 怎样 会 引起 邻近 的 分 刻 小 泡 与 质 膜 融合 的 呢 ? 因为 用 完全 由 带 负 电极 性 头 部 基 团 的 磷脂 所 构建 的 脂 质 体 可 以 在 高 浓度 Ca* (2107*mol/L) 介 导 下 融合 ， 所 以 有 人 推论 说 Ca * 本 身 就 可 以 介 导 细胞 ROMA. 然而 ， 在 一 切 研 究 过 的 例子 中 ， 都 发 现 除 Ca+ 的 流入 , 外 排 还 需要 ATP。 此 外 ， 细 胞 内 的 Ca+ 浓度 也 不 可 能 高 到 足以 直接 介 导 融合 。 不 管 是 什么 机 制 ， 很 可 能 这 一 过 程 还 包括 Cat 结合 蛋白 ,例如 调 钙 蛋白 ( 当 它 与 Ca* 结合 后 可 发 生 显著 的 构象 变化)。 膜 融合 过 程 包 括 脂 双 层 的 粘 附和 随后 的 接合 “ 由 于 具有 双 层 结构 ,细胞 膜 横断 面 的 电镜 照片 看 起 来 像 一 个 夹心 面包 ,两 条 平行 的 致 密 线 中 夹 有 一 条 明亮 的 空 阶 。 当 两 层 膜 融合 时 ,首先 它们 互相 紧密 贴 合 ( 双 层 粘 附 ) ,产生 一 个 包含 5 层 的 图 像 ,中 间 的 致密 带 是 由 两 个 单 层 粘 附 在 一 起 形成 的 (图 6-69), ZESDHE 过 程 的 电镜 照片 中 ,这 种 5 层 图 像 只 是 偶然 见 到 ,可 能 是 由 于 这 一 过 程 是 暂时 的 缘故 。 在 融合 过 程 中 , 粘 附 层 很 快 重新 组 合 ( 双 层 接合 ) 形 成 连续 的 膜 , 使 分 刻 小 泡 向 细胞 外 空隙 开 放 ( 图 6-65)。 双 层 粘 附和 双 层 接合 〈 它 们 共同 组 成 膜 融合 过 程 ) 是 细胞 膜 的 一 个 基本 的 现象 ;不 仅 发 生 在 外 排 与 内 吞 过 程 中 ， 还 发 生 在 细胞 分 裂 和 细胞 融合 时 (图 6-70)。 内 知 作 用 在 大 多 数 细胞 中 是 持续 进行 的 “ 几乎 所 有 真 核 生物 的 细胞 都 持续 不 断 地 以 内 知 ( 胞 饮 ) 小 泡 的 形式 一 点 一 点 地 摄 人 其 © 295 ¢ 质 膜 。 这 种 连续 发 生 的 (而 不 是 诱导 产生 的 ) 过 程 常 称 为 固有 (constitutive) 过 程 。 细 胞 外 小 (以 及 溶解 在 其 中 的 一 切 物质 ) 被 庄 在 小 泡 中 并 摄 人 。 如 果 将 一 种 示 踪 剂 〈 例 如 从 关 根 中 分 离 出 来 的 辣 根 过 氧 物 酶 ) 引 入 细胞 外 波 中 ,那么 这 种 液 相 内 香 作 用 可 以 被 观察 甚至 被 定量 。 用 四 氧化 猴 固 定 的 方法 可 以 使 辣 根 过 氧 物 酶 与 其 底 物 的 反应 产物 具有 较 高 的 电 子 密度 。 因 此 ,如 果 细 胞 先 在 过 氧化 物 酶 中 温 育 ,然后 冲洗 ,用 成 二 醛 固 定 , 并 使 之 接触 底 物 ,然后 用 四 氧化 铁 再 次 固定 ,那么 在 电镜 下 可 很 容易 地 看 到 内 吞 小 泡 内 的 反应 产物 (A 6-71)。 摄 人 的 过 氧化 物 酶 的 量 与 它 在 细胞 外 波 中 的 浓度 平行 ， 且 随 着 时 间 的 推移 而 增 加 。 图 6-68 ”肥大 细胞 的 电子 显 微 照片 ， 它 被 固体 小 珠 上 图 6-69 示意 图 表明 ， 当 分 这 小 泡 的 刺 溅 物 激活 而 分 这 组 胺 。 外 排 现 象 仅 发 生 在 与 小 珠 的 双 层 粘 附 到 质 膜 上 但 尚未 接合 之 接触 的 区 域 。( 引 自 D. Lawson, C. Fewtrell, and 前 ,用 电镜 观察 到 的 5 层 像 。 M. Raff, J. Cell Biol. 79:394—400, 1978) 固有 内 吞 作 用 (constitutive endocytosis) 的 速率 因 细 胞 种 类 不 同 而 异 ， 但 是 这 种 速 率 是 相当 惊人 的 。 例 如 ,一 个 巨 鸣 细胞 每 小 时 摄取 量 可 达到 它 本 身 容 量 的 25 多 。 这 意味 着 , 它 每 分 钟 摄取 其 质 膜 的 3 多 ,或 约 半 小 时 内 摄取 了 100 多 的 质 膜 。 成 纤维 细胞 的 内 香 的 速度 不 到 巨 吻 细 胞 的 三 分 之 一 ,但 一 些 变形 虫 摄 取 其 质 膜 的 速率 则 比 巨 哦 细胞 还 要 快 。 因 为 一 个 细胞 的 表面 积 和 体积 在 这 过 程 中 仍 保持 不 变 ， 显 然 此 时 细胞 必然 通过 外 排 作 用 持 续 不 断 地 又 把 膜 加 到 细胞 表面 上 ,其 速率 和 内 香 膜 的 一 样 快 。 鉴 于 速率 如 此 之 快 ,又 无 证 据 可 以 证 明 质 膜 有 类 似 的 降解 速率 ,因此 可 以 断定 ,被 内 吞 的 膜 脂 和 和 蛋白质 必 定 是 反复 循 环 并 还 给 质 膜 , 而 不 是 被 降解 。 关 于 质 膜 如 何 再 循环 , 此 点 还 不 请 楚 ; 至 于 何 种 质 膜 成 分 被 内 摄 从 而 参加 这 种 大 规模 的 再 循环 过 程 也 尚未 确切 地 知道 。 质 膜 的 广泛 再 循环 是 膜 六 假设 的 一 个 基本 要 点 ,这 个 学 说 的 提出 是 为 了 解释 加 巾 现 象 和 细胞 运动 。 大 多 数 内 吞 小 泡 最 后 都 和 溶 酶 体 融 合 ”” 内 大 小 泡 呈 现 各 种 形状 和 大 小 (直径 通常 在 50 一 400nm 之 间 ), 并 常常 通过 互相 融合 及 (或 ) 与 细胞 内 其 他 修 泡 融 合 而 增 大 。 在 大 多 数 细胞 内 , 绝 大 部 分 内 大 小 泡 ( 用 上 述 过 氧 物 酶 的 方法 看 到 的 ) 最 后 和 称 为 初级 溶 酶 体 的 小 泡 融 合 而 形成 次 级 溶 酶 体 , 这 是 细胞 内 消 化 的 专门 场所 (图 6-72)。 由 于 溶 酶 体内 含 多 种 降解 (水 解 ) 酶 , POS A ADS ORS 酶 体 融合 后 , 泡 内 的 大 多 数 大 分 子 物 质 迅 速 被 分 解 ; 小 的 分 解 产 物 如 氨基 酸 、 糖 和 核 痛 酸 ° 296 等 透 过 溶 酶 体 膜 被 转运 到 胞 质 液 中 ,在 那里 他 们 能 被 细胞 利用 。 另 一 方面 ,大 部 分 内 吞 小 泡 的 膜 成 分 不 被 降解 ; 它们 通过 一 些 迄 今 未 明 的 机 理 (可 能 是 通过 出 车 过 程 ) 锌 回 收 ， 并 (直接 或 间接 地 经 高 尔 基 器 ) 送 还 到 质 膜 上 去 (图 6-72)o 细胞 融合 细胞 分 异 双 分 子 层 粘 险 MAF BER : 图 6-70 细胞 分 裂 和 细胞 融合 过 程 中 的 膜 融合 〈 包 括 双 层 的 粘 附和 接合 )。 ARMS LE | : SHAN, MASTERS Bi TURNED | 图 6-71 人 工 培 养 的 成 纤维 细胞 中 的 内 知 小 泡 。 细 胞 先 在 含有 过 氧 物 酶 的 溶液 中 温 育 了 30 分 钟 。 细 胞 经 固定 并 与 过 氧 物 酶 的 底 物 接触 后 * 因 其 反应 产物 的 电子 密度 较 大 * 故 可 使 内 知 小 泡 中 的 过 氧 物 酶 得 以 被 鉴别 。 (了 Ralph M. Steinman 赠 ) 然而 ,并 不 是 所 有 内 吞 小 泡 都 与 溶 酶 体 融合 。 在 某 些 细 胞 中 ,一 些 特 化 的 内 吞 小 泡 穿 ， 越 细 胞 质 并 通过 外 排 作用 将 其 内 容 物 释放 到 细胞 的 其 他 表面 上 。 这 些小 泡 绕 过 溶 酶 体 将 ， 物质 从 细胞 的 一 个 表面 往返 运输 到 细胞 的 另 一 表面 。 这 种 横越 细胞 的 转运 方法 是 小 血管 内 皮 细 胞 采用 的 方法 之 一 ,它们 把 物质 从 血 流 中 转送 到 细胞 外 液 中 去 。 在 糊 椎 动物 的 内 皮 细胞 ,这 一 过 程 是 由 直径 为 70nm 的 小 泡 所 介 导 的 ,这 些小 泡 有 时 彼此 互相 融合 并 与 细胞 表面 融合 ,形成 一 种 横越 细胞 的 衬 膜 的 通道 。 。297。 FSANS) BRAKES” 大 多 数 真 核 细 胞 都 含有 一 种 特殊 类 型 的 小 泡 。 这 种 小 泡 直径 在 50 一 250nm 之 间 , 常 规 电子 显微镜 下 显示 在 其 胞 质 表面 有 毛 状 结构 覆盖 〈 图 6-73)。 其 中 某 些 有 衣 小 泡 据 认 为 是 参与 级 胞 内 细胞 器 之 间 的 泡 性 转运 。 而 另 一 些 则 是 通过 质 膜 有 衣 区 的 内 陷 继 之 与 腊 分 离 而 持续 不 断 产 生 的 : 这 些 有 衣 区 称 为 有 衣 小 LM] (coated pit) (图 6-73 和 图 6-74),。 约 占 培养 的 成 纤维 细胞 表面 积 的 2 多 。 在 形成 的 数秒 钟 内 ， 内 吞 有 衣 小 泡 失去 其 外 衣 。 然 后 和 细胞 内 的 其 他 小 泡 融合 。 最 后 。 大 多 数 小 泡 将 其 内 容 物 转送 到 初级 咨 酶 体 中 去 。 有 衣 小 泡 现 已 被 分 离 出 。 人 们 发 现 泡 膜 含有 一 些 主要 蛋白 质 。 其 特征 搞 得 最 清楚 的 是 一 种 称 之 谓 笼 蛋 白 (clathrin) 的 蛋白 质 。 它 是 一 种 高 度 Le 保守 的 纤维 状 蛋白 质 (180 000 GHAR). BAL — AN 较 小 的 多 肽 〈 约 35 000 首尔 顿 ) 一 起 在 有 衣 小 泡 图 6-72 ABMS WREMARAU RIE ”表面 形成 一 种 特征 性 的 多 面体 覆盖 物 。 这 种 覆盖 oP Pe Wie SAU be ee POA AAEM DAES AE Se SAMA BO GUG KARR Sf [ = VFR K( triskelion)],H=tEEH SKA TORRE EWG REO Me ate STRUM SKM, =RRAERAR 示 另 一 种 途径 )。 上 排列 成 由 六 边 形 和 五 边 形 组 成 的 篮 状 网 络 〈 图 6-75)。 在 适合 的 条 件 下 ， 分 离 出 的 三 支架 体能 自动 地 重新 组 合成 典型 的 多 面体 篮 状 物 (即使 没有 小 泡 )。 据 认为 ， 与 有 衣 小 泡 晓 相连 的 其 他 蛋白 质 则 负责 把 笼 蛋白 外 衣 结 合 到 小 泡 上 ， 以 及 将 质 膜 受 体 集聚 在 有 衣 小 凹 与 有 衣 小 泡 中 (参看 下 一 节 )。 在 一 些 细胞 内 (但 不 是 全 部 ), 这 种 有 衣 小 凹 常常 见于 胞 质 肌 动 蛋白 丝 束 之 上 [这 种 丝 束 亦 称 为 张力 纤维 (stress fiber)]。 这 种 关系 表明 质 膜 上 的 有 衣 区 能 与 细胞 骨架 相互 作 用 , 它 使 我 们 联想 起 以 前 在 图 6-39 所 示 加 帽 过 程 的 模型 中 假设 的 相互 作用 。 有 衣 小 上 四 和 有 衣 小 泡 为 某 些 特定 大 分 子 的 受 体 介 导 内 吞 作用 提供 了 专门 的 通道 ”” 在 大 多 数 动物 细胞 中 ， 有 衣 小 凹 和 有 衣 小 泡 为 摄取 细胞 外 彼 中 特定 大 分 子 提 供 专 门 的 通道 ， 这 一 过 程 称 为 受 体 介 导 内 香 作 用 (或 吸附 内 吞 作 用 )。 和 细胞 表面 特定 受 体 相 结 合 的 大 分 子 经 过 有 衣 小 止 进入 细胞 ， 其 速率 比 溶 于 细胞 外 沪 中 的 物质 通过 液 相 内 吞 作 进 人 细胞 要 快 得 多 。 因 而 , 受 体 介 导 内 吞 作用 是 一 种 选择 性 的 浓缩 机 制 , 能 使 细胞 摄 人 大 量 特定 的 配 体 而 不 需 相 应 地 摄 人 大 量 的 细胞 外 液 。 已 经 知道 ,在 -个 重要 的 过 程 是 通过 受 体 介 导 内 乔 作 用 而 完成 的 ,这 就 是 动物 细胞 对 胆固醇 的 摄取 。 胆 固 醇 的 摄取 为 细胞 提供 了 质 膜 合 成 所 必需 的 大 部 分 胆固醇 。 如 果 这 种 摄取 被 阻 断 ,胆固醇 就 会 在 血 中 积聚 ,并 可 导致 在 血管 壁 形成 动脉 粥 样 硬化 斑 块 。 大 部 分 在 血 中 循环 的 胆固醇 是 和 和 蛋白质 结合 成 复合 物 , 这 种 复合 物 称 为 低 密 度 脂 蛋白 ,或 LDL. 这 些 大 的 球形 颗粒 直径 为 22nm， 每 个 颗粒 含有 一 个 核心 由 约 1 500 个 胆固醇 与 长 链 脂 ° 298 « » en oy ><. ' 6-73 ”表示 人们 推 想 的 由 有 衣 小 四 到 有 衣 小 泡 的 一 系列 形成 过 程 的 电子 显 微 照 片 。 图 中 所 示 1 ， 为 二 不 母 鸡 的 大 卵 母 细胞 在 形成 卵黄 的 过 程 中 ， 有 衣 小 四 和 有 友 小 泡 摄 入 脂 蛋 白 颗 粒 的 情景 。 这 里 的 小 目 和 小 泡 要 比 在 正常 细胞 内 所 看 到 的 大 许多 倍 。 (M. M. Perry 和 A. B. Gilbert ,455] A J. Cell Sct. 39:257—272, 1979) 肪 酸 合成 的 酯 组 成 ;胆固醇 酯 的 核心 之 外 包 绕 着 一 个 脂 双 分 子 层 , 此 脂 双 层 仅 含有 单一 种 类 的 蛋白 质 (图 6-76)。 当 动 物 细胞 需要 用 胆固醇 合成 膜 时 , 它 就 制造 LDL 受 体 蛋 白 ,并 将 这 些 受 体 蛋白 插 人 到 细胞 的 质 膜 上 去 。 其 中 大 部 分 受 体 蛋白 均 自发 地 和 有 衣 小 凹 连 在 一 起 。 那 些 不 与 有 衣 小 止 相连 的 ,也 因 与 LDL 结合 而 引导 移 向 有 衣 小 凹 。 HAR DM ABT HAI Ai. 所 有 与 LDL 受 体 结合 的 LDL 颗粒 都 很 快 地 被 摄 人 细胞 。 有 衣 小 泡 很 快 地 失去 覆盖 物 , 与 其 他 小 泡 融 合 形成 较 大 的 泡 ， 称 为 内 含 体 ;这 些 内 含 体 又 与 初级 溶 酶 体 融 合 形成 次 级 溶 酶 体 。 这 样 。 在 与 细胞 表面 受 体 结合 的 10 一 15 分 钟 内 。LDL 被 运送 到 深 肯 体 内 ,在 溶 酶 体内 ,胆固醇 酯 被 水 解 成 游离 胆固醇 ,可 供 细胞 合成 新 膜 之 用 如果 细胞 内 游离 胆固醇 积聚 过 多 ,细胞 就 停止 自己 合成 胆固醇 , 并 且 停 止 合 成 LDL 的 受 体 蛋 白 , 因 此 自制 的 和 摄 人 的 胆固醇 均 减 少 ( 图 6-77)。 EX 在 某 些 患者 这 条 途径 由 于 制造 LDL 受 体 蛋 白 的 基因 有 缺陷 而 受阻 ,因此 ,他 们 的 细 胞 不 能 从 血 中 摄取 LDL。 其 结果 是 这 些 患者 血 中 胆固醇 浓度 很 高 ,从 而 容易 引起 过 早 地 发 生动 脉 粥 样 硬 化 ， 其 中 大 多 数 人 在 早年 死 于 冠 心病 。 这 种 异常 既 可 能 由 于 丧失 LDL 受 体 与 LDL 结合 的 部 分 ， 也 可 能 是 由 于 缺少 LDL 受 体 与 有 衣 小 凹 结合 的 部 位 。 在 后 一 情况 下 ，LDL 受 体 蛋 白 的 数目 正常 ,但 它们 却 不 能 集中 到 质 膜 的 被 膜 区 (图 6-78)。 虽 然 LDL 能 与 这 些 突变 型 细胞 的 表面 结合 ， 但 它们 却 不 能 进 和 人 细胞 内 。 这 直接 证 明了 有 衣 小 止 在 胆 男 醇 的 受 体 介 导 内 知人 作用 中 的 重要 性 。 像 内 吞 小 泡 膜 的 其 他 能 再 循环 的 成 分 一 祥 ， 进入 细胞 内 的 大 多 数 LDL 受 体 蛋 白 并 未 在 溶 酶 体内 被 破坏 ;它们 迅速 地 返回 到 质 膜 上 去 ,和 有 衣 小 凹 结合 , 并 再 次 进入 细胞 内 (图 6- -和 25 ， me 许多 细胞 表面 受 体 只 有 在 与 配 体 结合 后 才 与 有 家 图 6-74 电子 显 微 照 片 显示 在 培养 的 成 纤维 细胞 Mg” TOReRALN aI MOK wee oem enh, cag ”许多 通过 有 衣 小 四 进入 细胞 的 细胞 表面 受 体 SRIRAM RAE Jews, J Cell Bo ange 动 地 和 有 衣 小 四 结 | 如 胰岛 素 的 受 体 蛋白 是 弥散 地 分 布 在 成 纤 维 细胞 表面 的 。 在 胰岛 素 与 受 体 结合 后 Besa 受 体 复 合体 和 有 衣 小 四 结合 ,并 进入 细 胞 内 。 也 有 可 能 是 ， 胰 岛 素 Sa ARE 合 后 改变 了 受 体 蛋 白 的 构象 ， 使 它 能 被 有 衣 小 凹 的 蛋白 质 成 分 所 识别 。 在 这 种 情形 下 ， 进 和 人 细胞 内 的 许多 胰岛 素 受 体 和 胰岛 素 一 起 在 溶 酶 体内 被 降解 ， 因 此 细胞 表面 的 胰岛 素 受 体 的 浓度 降低 。 通 过 这 种 称 为 受 体 向 下 调节 (receptor down regulation) 的 过 程 ， 细 胞 外 液 中 的 激素 浓度 能 调节 其 靶 细胞 表面 的 受 体 浓 度 。 并 非 所 有 的 内 吞 作 用 都 涉及 到 有 衣 小 止 : 内 知 小 泡 也 可 从 质 膜 的 无 衣 区 形成 。 然 而 ,目前 还 不 能 断定 有 多 少 比 例 的 液 相 内 吞 作用 是 由 平滑 小 泡 引 导 的 ,多 少 比例 是 受 有 衣 小 泡 引 导 的 。 一 些 大 分 子 能 直接 穿 过 细胞 膜 ” 虽然 大 多 数 大 分 子 是 通过 内 吞 和 外 排 进 出 细胞 膜 的 ， 但 还 存在 大 分 子 直 接 穿 过 细胞 ROH Ol, 在 细菌 中 ,存在 着 专门 的 通道 能 使 DNA 分 子 穿 过 细胞 壁 和 质 膜 以 利 遗 传 交 换 : 例如 , 在 遗传 转化 过 程 中 ， 某 种 细菌 的 遗传 结构 因 它 们 与 纯化 的 DNA 分 子 接触 而 发 生 改 变 。 在 真 核 细胞 中 ， 正 在 合成 中 的 分 刻 蛋 白质 可 直接 穿 过 粗糙 内 质 网 膜 而 转移 。 此 外 ,一些 细菌 蛋白 的 毒素 能 穿 过 动物 细胞 膜 。 在 胞 波 内 发 挥 作用 。 在 以 上 的 这 些 例子 中 ,大 分 子 似乎 在 透 过 细胞 膜 时 并 未 形成 小 泡 , 但 其 机 理 不 明 。 特 化 的 天 噬 细胞 摄取 与 其 表面 特定 受 体 相 结合 的 颗粒 >% 在 原生 动物 中 吞噬 作用 是 取 食 的 一 种 方式 ; 大 颗粒 报信 到 吞噬 泡 ， 再 与 溶 酶 体 融 。 300。 i ee - (B) 图 6-75 有 衣 小 泡 的 笼 蛋 白 外 衣 的 结构 。(A ) 用 铀 投影 的 笼 蛋白 三 支架 体 的 电镜 照片 。 人 们 认 、 为 ,每 一 个 三 支架 体 是 由 3 条 笼 蛋白 多 肽 链 和 3 个 较 小 的 多 肽 链 组 成 的 。(B7 有 衣 小 泡 胞 质 面 上 三 支架 体 的 可 能 排列 方式 。36 个 三 支架 体 组 成 了 一 个 由 12 个 五 边 形 和 8 个 六 边 形 组 成 的 网 状 结构 。 图 中 用 点 线 标 出 两 个 三 支架 体 。 其 他 大 小 形状 不 同 的 被 膜 小 泡 被 认为 同样 也 是 由 12 个 五 边 形 加 上 数量 不 等 的 六 边 形 构 成 。 三 支架 体 的 劈 能 弯曲 * 再 加 上 互相 重 琶 的 排列 方式 就 增加 了 结构 的 力 学 强度 与 柔韧 性 。 (A, 引 自 E. Ungewickell and D. Branton, Nature 289: 420—422, 19815 B， 根 据 R. A. Crowther and B. M. F. Pearse, J. Cell Biol. 91:790—797, 1981) ~~ ABRIAZ AR ” 脂 双 屋 图 6 76 低 密 度 脂 蛋白 (LDLI) 颗粒 横断 面 的 示意 图 。 每 一 颗粒 含 两 份 重 250 000 道 尔 顿 的 温 白 A> CARE LDL 结合 到 细胞 表面 受 体 上 。 合 。 随 后 ,消化 过 程 的 产物 进入 胞 流 作 为 营养 而 被 利用 。 多 细胞 生物 中 的 大 多 数 细胞 不 能 有 效 地 吞食 大 颗粒 ,只 得 将 这 一 任务 留 给 专职 的 ` 吞 史 细胞 来 完成 。 在 哺乳 动物 中 ,有 两 种 白细胞 充当 吞噬 细胞 : 巨 唉 细胞 (广泛 分 布 在 血液 和 组 织 中 ) 和 多 形 核 折 细胞 (也 称 作 多 形 或 嗜 中 性 白细胞 )。 这 两 种 细胞 通过 吞噬 人 侵 的 微生物 来 防御 感染 (图 6-79)。 巨 吃 细 胞 对 清除 衰老 的 被 破坏 的 细胞 以 及 细胞 碎片 也 起 重要 作用 。 从 数量 上 来 考虑 :后 一 作用 显得 重要 得 多 : 在 每 个 人 中 ， 巨 噬 细 胞 每 天 要 吞噬 10" 个 以 上 的 衰老 红细胞 。 和 在 ¢ 301。 质 膜 LDL 2k EA he) 次 级 溶 酶 体 VB SS ES AA 小 \ 泡 @) 5 初 级 溶 Con: F = iol Or’ De es Saree - oe 初级 党 酶 体 ge os vi 和 游离 胆固醇 2 抑制 LDL ”抑制 胆 邯 受 体 合成 醇 合 成 图 6 77 通过 有 衣 小 上 四 和 有 衣 小 泡 的 受 体 介 导 内 吞 作用 调节 细胞 内 的 胆固醇 水 平 。 注 意 LDL 在 次 级 溶 酶 体内 被 破坏 但 内 含 体 上 的 LDL 受 体 蛋 白 却 被 回收 ,并 再 循环 到 质 膜 上 去 。 LDL 结合 部 位 ro eee aH Ate | Dales (A) LDL 受 体 蛋 白 AKAM 结合 部 位 有 衣 小 四 (B) ARAMA BOL 图 6-78 结合 到 一 个 正常 细胞 质 膜 的 有 胡 小 四 的 LDL 受 体 蛋 白 (A)。 注 意 : 即使 无 LDL 结合 时 ,一 些 LDL 受 体 还 是 集中 到 有 衣 小 四 内 。(B) 显 示 一 个 突变 型 细胞 ;LDL 受 体 蛋白 是 异常 的 ， 缺乏 能 使 它们 结合 到 有 衣 小 四 上 去 的 结合 部 位 。 这 种 细胞 与 LDL 结合 ,但 不 能 摄取 LDL, 原生 动物 中 一 样 ,吞噬 细胞 中 的 吞噬 泡 和 初级 溶 酶 体 融 合 而 形成 次 级 盗 酶 体 , 被 吞食 的 物 质 在 次 级 溶 酶 体 中 被 降解 。 无 法 消化 的 物质 仍 留 在 次 级 溶 酶 体内 ,形成 残 体 。 为 了 被 吞噬 ,各 种 颗粒 必须 首先 和 吞 唉 细胞 表面 结合 。 然 而 ,并 非 所 有 结合 的 颗粒 都 被 吞食 ,吞噬 细胞 有 各 种 特殊 的 表面 受 体 ,这些 受 体 在 功能 上 和 细胞 的 吞 鸣 结 构 密切 相 关 。 我 们 了 解 得 最 清楚 的 受 体 是 能 识别 抗体 分 子 的 受 体 。 抗 体 保 护 我 们 抵抗 感染 微生物 的 主要 方法 之 一 是 抗体 与 微生物 表面 结合 形成 一 外 衣 ， 然 后 这 外 衣 被 巨 叹 细胞 和 多 形 核 白细胞 表面 的 特定 受 体 所 识别 。 被 抗体 所 包 庄 的 颗粒 和 这 些 受 体 相 结合 能 诱导 细胞 伸 出 Ake. 伪 足 吞 进 颗粒 并 融合 成 为 吞噬 泡 ( 图 6-80)。 关于 能 介 导 吞噬 作用 的 其 他 种 类 受 休 则 知道 得 很 少 。 虽 已 知 吞 噬 细 胞 能 识别 和 援 取 衰老 或 被 破坏 的 细胞 和 某 些微 生物 , 但 在 抗体 未 参加 的 情况 下 , SAMRAT, 则 仍 有 待 我 们 去 探索 发 现 。 。302 。 LDL 受 体 蛋 站 的 有 缺陷 的 >, : 7 : ; 吞 改作 用 是 一 种 局 部 反应 。 它 是 通过 一 种 " 膜 -拉链 ”的 机 理 进 行 的 * 现在 我 们 能 适当 处 理 红细胞 ， Cee me TA 结合 但 不 被 吞噬 。 已 同 这 种 红细胞 结合 的 巨 噬 细 胞 再 去 吞噬 被 抗体 历 包 历 的 细菌 时 ,那么 只 有 细菌 被 知人 ;即使 红 细 胞 结合 在 紧 靠 活跃 吞噬 部 位 近 旁 也 不 会 被 吞噬 。 这 表明 ,吞噬 作用 和 外 排 作 用 一 样 ,是 仅 限于 质 膜 上 一 个 区 域 及 其 下 面 的 细胞 质 结构 的 局 部 反应 。 如 采 巨 噬 细 胞 与 已 被 抗体 均匀 履 盖 的 淋巴 细 胞 接触 ,那么 它 就 吞噬 这 一 淋巴 细胞 。 然 而 。 如 果 抗体 分 子 已 因 加 帽 过 程 而 被 局 限 到 淋巴 细胞 的 一 ho UL 270 页 )。 那 么 巨 叹 细 胞 的 质 膜 就 只 扩展 到 淋巴 细胞 的 由 区 ,而 整个 淋巴 细胞 不 被 吞食 (图 6- 81)。 因 而 很 清楚 ,被 抗体 覆盖 的 靶 细 胞 和 巨 叹 细 胞 表面 受 体 最 初 的 相互 作用 还 不 足以 触发 扼 人 作 用 。 这 仅仅 是 引起 了 膜 的 一 个 逐渐 扩大 贴 附 范围 的 过 程 ， 如 用 委 使 站 细胞 完全 被 吞噬 泡 图 6-79 多 形 核 白 细胞 正在 吞噬 一 个 酵母 细胞 的 扫描 电镜 照片 。 ( 引 自 ], Boyles and D. RB. Bainton, Cell, 24: 905—914, 图 6 29 SS 这 细菌 正 处 在 分 型 过 程 中 。 (Dorothy F. Bainton 赠 -) 1981) *。303。 如 果 证 所 围 住 的 话 , 还 需 受 体 与 抗体 持续 的 接触 。 这 启示 ， 香 噬 作 用 是 按 一 种 " 膜 - 拉 链 >”(mem- brane-zippering) 机 理 进 行 的 。 团 盖 在 淋巴 细胞 . 表面 上 的 抗体 ZEW EH HOHE it 成 帽 的 抗体 图 6-81 一 个 实验 的 示意 图 * 表 明知 鸣 作用 是 按 “ 膜 -拉链 ?的 机 理 进 行 的 。 ( 见 正文 ) Bia: 它们 是 怎样 被 驱动 .引导 和 调节 的 小 泡 迅 速 地 、 持 续 不 断 地 在 真 核 细胞 的 各 种 膜 性 细胞 器 之 间 穿 梭 往来 。 质 膜 上 的 外 排 作 用 和 内 吞 作用 只 不 过 是 这 种 复杂 的 运输 过 程 中 最 容易 研究 的 特例 。 尽 管 这 种 小 泡 运 输 极 为 重要 ， 但 对 于 它 的 驱动 、 引 导 和 调节 的 分 子 机 理 却 知道 得 非常 少 。 有 一 点 是 清楚 的 , 那 就 是 这 些 过 程 需要 能 量 代谢 ,可 能 是 以 ATP 水 解 的 形式 ;但 能 量 如 何 被 利用 ,也 还 不 知道 。 有 证 据 表 明 ， 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 (以 及 它们 的 某 些 辅助 蛋白 质 ) 在 吞噬 作用 中 参与 伪 足 的 形成 和 运动 但 这 些 蛋白 质 在 液 相 及 受 体 介 导 的 内 大 作用 中 、 或 在 外 排 作 用 中 、 或 在 细胞 内 将 小 泡 从 一 部 分 膜 移 到 另 一 部 分 的 过 程 中 是 否 也 起 作用 , 则 不 清楚 。 小 泡 如 何 会 知道 去 哪儿 ?在 小 泡 胞 质 表 面 上 必定 有 一 些 分 子 会 引导 小 泡 到 相对 应 的 膜 上 去 ， 但 关于 这 些 分 子 的 性 质 和 种 类 却 不 知道 。 泡 性 转运 中 持续 发 生 的 膜 融合 现象 应 会 引起 大 规模 的 膜 混合 ,但 细胞 内 的 各 种 膜 仍 保持 其 特有 的 组 成 。 这 种 组 成 的 恒定 不 变 ， 意味 着 如 发 生 混合 ， 同 时 也 必然 伴 有 特异 性 的 回收 过 程 。 但 这 些 特殊 的 膜 成 分 如 何 被 识 别 ， 以 及 (例如 在 小 泡 融合 后 ) 如 何 从 内 含 体 膜 或 质 膜 上 回收 这 些 特 殊 膜 成 分 呢 ? 这 个 问 题 将 在 下 一 章 详细 讨论 。 小 结 大 多 数 细胞 分 别 通过 外 排 作用 和 内 符 作 用 分 泌 和 摄取 大 分 子 。 在 外 排 作 用 中 ， 当 特 殊 的 细胞 内 小 泡 和 质 膜 融合 时 ,其 内 容 物 就 被 释放 到 胞 外 。 在 内 吞 作用 中 ， 次 序 则 相反 : 质 膜 的 某 一 局 部 区 域 会 内 凶 并 收缩 形成 小 的 ( 胞 饮 的 ) 或 大 的 ( 知 呼 的 ) 小 泡 。 大 多 数 内 香 小 泡 最 终 与 初级 洲 酶 体 融 合 形成 次 级 深 酶 体 , 在 那里 ,小 泡 中 的 大 分 子 大 多 被 消化 ， 而 小 泡 中 的 大 部 分 膜 成 分 则 通过 某 种 方式 被 回收 并 送 还 给 质 膜 。 外 排 作用 和 内 知 作 用 都 是 质 。304 。 膜 及 其 下 的 细胞 质 的 局 部 反应 。 大 多 数 动 物 细胞 连续 地 一 点 一 点 地 内 摄 其 质 膜 并 形成 内 吞 小 泡 ， 它 们 能 以 这 种 方式 摄取 细胞 外 液 及 其 中 溶质 一 一 这 一 过 程 称 之 为 液 相 内 和 大 作用。 一 部 分 小 泡 由 质 膜 的 平滑 ， 部 位 形成 ,而 另 一 些 则 由 质 膜 的 有 衣 区 形成 ,这 些 有 衣 区 称 为 有 衣 小 凹 。 有 衣 小 凹 和 有 衣 小 泡 为 浓缩 和 摄取 某 些 胞 外 大 分 子 提 供 特 殊 的 通道 ， 这 些 大 分 子 必 须 和 有 衣 小 凹 内 的 特 定 的 受 体 蛋 白 先 结 含 一 一 这 一 过 程 称 为 受 体 介 导 内 知 作 用 。 细胞 外 大 杜 粒 , 像 细 胞 碎 居 或 来 犯 的 微生物 ,主要 是 由 专职 的 吞 鸣 细 胞 内 春 * 这 些 细胞 在 其 表面 有 各 种 专门 的 受 体 el WEE IE Ao [ 刘 泽 得 译 SR 校 ] e305。 SERN AWN RE iend 赠 ) 尔 1S. Fr 16 的 电镜 照片 ， 每 个 高 暗色 。(《Dani x e ge BK ae ie £8 : 8 BF € © ak 3 Poe “细胞 内 膜 及 生物 大 分 子 合成 细胞 质 占 整 个 细胞 质量 的 大 部 分 。 细 胞 质 是 一 种 极为 复杂 的 大 小 分 子 混 合体 ， 其 中 70% 的 重量 为 水 分 ,15 多 220% 为 蛋白 质 。 一 个 典型 的 动物 细胞 中 大 约 含有 100 亿 个 (10°) 蛋白 质 分 子 , 分 属 一 万 个 不 同 的 类 型 。 若 在 高 倍 光 学 显微镜 下 观察 活 细胞 ,细胞 质 呈现 为 一 种 相当 无 定形 的 、 凝 胶 状 的 物质 ,其 中 有 散在 分 布 的 颗粒 迅速 千 游 浮动 。 但 实际 上 细胞 质 的 组 织 结构 要 比 在 光学 显微镜 下 所 见 严 密 得 多 。 在 电子 显微镜 下 ， 可 以 看 到 细 胞 质 含 有 许多 不 同 的 细胞 器 ,每 一 细胞 器 都 具有 一 组 特殊 的 蛋白 质 : 来 专门 执行 某 种 特殊 功能 。 除 细胞 器 外 ,其 人 的 细胞 质 就 叫 胞 波 。 胞 流 中 穿 播 敬 布 着 致密 的 蛋白 质 丝 的 网 状 结 构 ,总称 细胞 骨架 〈cytoskeleton)。 许 多 种 蛋白 质 直 接 或 间接 与 细胞 骨架 结合 。 此 外 ， A 几乎 所 有 有 蛋白质 都 对 某 些 其 他 类 和 蛋白质 具 有 选择 性 的 亲 合 力 ， 所 以 数组 蛋白 质 可 结合 在 一 起 构成 时 隐 时 现 的 大 型 簇 状 物 。 但 是 在 研究 过 程 中 细胞 质 的 组 织 结构 大 部 分 被 破坏 ， 因此 目前 对 细胞 质 的 这 种 复杂 结构 的 细节 知道 得 很 少 。 然而 ;要 了 解 细胞 就 必须 了 解 细胞 质 , 那 么 了 解 细胞 质 当 如 何 着 手 ? 方法 之 一 是 将 细 胞 质 内 各 种 蛋白 质 分 离 ,分 析 每 种 蛋白 质 的 详细 结构 及 化 学 特性 。 另 一 种 方法 是 将 细胞 质 按 内 部 不 同 的 亚 结构 支 解 ,然后 单独 研究 各 种 结构 的 功能 及 化 学 特征 。 本 章 在 探讨 胞 波 、 内 质 网 \ 高 尔 基 器 `. 过 氧 物 酶 体 及 溶 酶 体 功能 时 ,主要 采用 后 面 一 种 方法 。 两 种 与 细胞 能 量 转化 有 关 的 细胞 器 : 线粒体 及 叶绿体 将 在 第 九 章 ， 细 胞 骨架 将 在 第 十 章 分 别 详 细 讨 论 。 高 等 细胞 结构 的 区 室 化 大 型 真 核 细胞 需 有 内 障 许多 生命 依 关 的 生化 过 程 是 在 细 起 膜 内 或 膜 表面 进行 的 。 举 例 来 说 ， 氧 化 磷酸 化 反 应 及 光合 作用 均 需 在 半 透 膜 存在 时 进行 ,以 便 质 子 转运 与 ATP 合成 成 对 发 生 。 此 外 , 腊 本 身 可 作为 新 膜 成 分 合成 的 结构 支架 。 在 原核 生物 中 (如 细菌 ), 所 有 上 述 作用 (及 其 他 许 多 作用 ) 均 在 细胞 膜 上 完成 。 一 般 而 论 ,细胞 膜 是 原核 细胞 中 唯一 的 膜 。 除 具 有 细胞 核 外 ， 真 核 细胞 最 显著 的 特征 在 于 具有 多 种 多 样 的 包围 细胞 器 及 小 泡 的 内 膜 。 据 认为 ， 细 胞 内 膜 系统 为 大 体积 细胞 所 必需 ( 134 页 )。 一 个 典型 的 真 核 细胞 ， 直 线 长 度 为 典型 细菌 (如 大 肠 杆菌 ) 的 10 倍 。 所 以 ,就 相对 体积 而 言 ， 真 核 细 胞 外 围 膜 面积 要 小 得 多 。 显 然 单 靠 细 胞 质 膜 无 法 提供 足够 表面 积 或 容纳 足够 膜 结 合 性 酶 分 子 ， 以 维持 膜 承 担 的 各 种 极 重要 功能 。 因 而 细胞 内 必需 另 含 大 量 的 附加 膜 结构 。 细胞 内 膜 将 细胞 分 隅 为 特异 性 的 区 室 原则 上 , 真 核 细胞 可 简单 地 通过 质 膜 反 复 内 陷 ( 或 外 突 ) 而 增加 细胞 膜 的 表面 积 。 但 实际 上 ， 真 核 类 细胞 内 膜 与 细胞 质 膜 间 ,以 及 细胞 内 膜 相互 间 在 物理 和 化 学 性 质 上 均 有 区 *。 307。 别 。 细 胞 内 膜 将 细胞 分 隔 成 为 具有 不 同 功 能 的 区 室 , 每 一 区 室 由 封闭 的 、 选 择 性 通 透 的 膜 构成 边界 。 每 一 区 室 为 一 分 离 的 亚 细 胞 反应 容器 ， 具 限制 性 能 的 膜 在 这 一 容器 中 保持 并 浓缩 着 一 套 独特 的 酶 ,从 而 赋 于 每 一 区 室 以 特异 性 的 功能 。 复杂 的 真 核 细胞 也 只 有 几 种 主要 细胞 区 室 、 七 种 主要 细胞 区 室 为 多 数 真 核 细 胞 所 共有 (图 7-1)。 细胞 核 是 DNA 及 RNA 的 合成 场所 。 围 绕 细 胞 核 的 细胞 质 由 胞 波及 晤 浮 于 其 中 的 细胞 器 组 成 ， 细 胞 的 多 数 中 间 代 谢 作 用 ,包括 在 游离 核糖 体 上 的 蛋白 质 合 成 ， 均 在 胞 液 中 进行 。 内 质 网 (ER) 及 其 膜 结 合 核糖 体 ， 合 成 新 的 整合 膜 蛋白 及 预定 分 变 的 蛋白 质 ， 并 为 细胞 其 余部 分 合成 新 的 膜 脂 质 。 高 尔 基 器 的 作用 与 交通 警 相仿 ， 指 挥 通过 其 中 的 大 分 子 驰 向 正确 的 细胞 内 目的 地 ， 并 常 对 大 分 子 进 行 共 价 修饰 《如 对 蛋白 质 分 子 的 选择 性 切割 和 糖 基 化 )。 线 粒 体 及 (植物 中 的 ) Bree 体 产 生 用 于 驱动 耗 能 性 生物 合成 反应 的 ATP 之 大 部 。 溶 酶 体 则 含有 种 种 消化 酶 ， 主 要 降解 大 分 子 及 从 细胞 外 摄取 的 Mito 最 后 ， 过 氧 物 酶 体 〈 又 称 微 体 ， microbodies) 为 含有 参与 种 种 氧化 反应 rae eT 的 酶 类 的 小 泡 状 物 。 一 般 每 种 由 膜 分 陋 Sil AHAENE ER, Sksereweme, OS Hk AKA AKER GK, Rokk PRADER, LRAEAA AM Ale 体 分 别 代表 由 至 少 一 层 选择 性 可 透 肛 分 隔 于 细胞 其 余部 分 的 “” 间 各 异 的 活性 。 这 些 细胞 器 的 总 和 占据 细胞 总 体积 的 大 部 ( 表 7-1)。 HABA 更 加 特异 性 功能 的 细胞 器 (如 贮存 受 激发 后 释放 的 酶 或 激素 的 小 体 )， 则 只 存在 于 某 些 高 度 特 化 的 细胞 中 。 表 7-1 典型 肝 细 胞 内 主要 细胞 区 室 所 占 相 对 体 积 细胞 区 室 Hai 线粒体 粗糙 内 质 网 池 光滑 内 质 网 加 高 尔 基 池 * 一 般 认为 各 个 粗糙 及 光滑 内 质 网 池 互 相连 接 形成 单一 大 区 室 。 相 反 ， 高 尔 基 器 在 细胞 中 则 由 堆积 的 池 组 成 许 多 分 散 的 结构 这 些 结构 间 联 系 的 紧密 程度 尚 不 清楚 。 所 有 细胞 器 中 细胞 内 膜 的 总 量 相当 可 观 。 如 在 表 7-2 中 所 分 析 的 两 种 不 同 哺乳 类 动 物 细胞 中 ,内 质 网 的 总 表面 积分 别 为 细胞 膜 面积 的 25 及 12 倍 , 就 面积 和 质量 而 言 ， 细 胞 质 膜 在 绝 大 多 数 真 核 细 胞 中 只 占 次 要 地 位 〈 图 7-2)。 “308。 R1-2 真 核 细 胞 中 多 数 膜 被 用 来 构成 细胞 器 占 细胞 膜 总 量 百分比 ， 占 细 胸膜 总 量 百分比 > 膜 类 型 和 膜 类 型 ae a . 肝 细 胞 | 外 分 泌 细胞 | _ 肝 细胞 ”| 外 分 泌 细胞 质 腊 2 5 AR 32 17 O as ER 膜 35 0 细胞 核 光滑 ERM Pe gy abe 4 内 腊 0.2 0.7. 二 “高 尔 基 器 膜 7 | 100 fe Spa pea BE .上 “未 测 3 线粒体 AMG KIB 0.4 未 测 外 膜 7 4 过 氧 物 酶 体 膜 0.4 KM 这 两 种 细胞 体积 差别 相当 大 。 因 肝 细 胞 平均 体积 为 000pm? APNEA 1 000 pon? 故 两 种 细胞 腊 总 面积 分 别 估计 为 110 000 pm? 及 13 000 pm’, ash “2 2 SI anaes 5 了 图 72 肝 细 跑 局 部 横断 面 的 电子 显 徽 照片 ， 表 明 各 主要 细胞 区 室 。(Daniel S、Friend 赠 ) -， 细胞 区 室 使 细胞 能 同时 进行 多 种 互 不 相 容 的 化 学 反应 细胞 区 室 的 作用 之 一 是 防止 竞争 性 酶 反应 之 间 相互 干扰 。 例 如 ， 需 要 的 蛋白 质 在 胞 液 中 合成 ,不 需要 的 蛋白 质 在 溶 酶 体 中 水 解 。 脂 肪 酸 在 胞 液 中 合成 后 ,用 于 膜 生物 合成 及 e309-en 人 PERC AN ERA HE ORR BS) MEKEU ERAS, SH 类 在 内 质 网 中 被 加 在 蛋白 质 上 ,其 后 又 在 高 尔 基 器 中 被 除去 或 修饰 。 过 氧 物 酶 体 为 细胞 分 室 化 〈compartmentalization) 的 重要 性 提供 了 极 好 的 例证 。 过 氧 物 酶 体 为 含有 各 种 重要 氧化 酶 的 小 泡 (直径 为 0.1 Blum, 这 类 氧化 反应 的 产物 之 一 是 具 潜 在 致死 性 的 氧化 剂 过 氧化 所 〈H:O:)， 由 如 下 类 型 的 反应 生成 : RH, 十 O,——>R + H,O, 式 中 , R 为 一 种 被 氧化 的 有 机 小 分 子 。 由 于 过 和 氧 物 酶 体内 还 含有 能 将 HO, 裂解 为 H,0 及 9, 的 过 氧化 氢 酶 ， 所 以 这 一 过 和 氧化 物 在 其 生成 处 即 被 摧毁 ， 从 而 没有 机 会 来 危害 胞 Ko 病毒 揭示 寄主 区 室 间 存在 着 高 度 有 组 织 的 通道 : 许多 动物 病毒 基因 组 中 只 含有 能 组 成 不 超过 4 至 5 个 基因 的 极 有 限 的 核酸 。 这 些 基 因 大 多 为 成 熟 病毒 由 粒 (病毒 体 ) 的 结构 蛋白 编码 。 这 种 病毒 遗传 容量 是 十 分 有 限 的 ， 这 就 迫使 它们 不 得 不 利用 寄主 细胞 内 有 关 通 道 以 完成 自身 复制 过 程 。 在 生活 局 期 中 。 病 毒 一 般 遵 循 特定 顺序 经 过 细胞 内 各 区 室 。 从 而 揭示 害 主 细胞 中 重要 合成 反应 是 如 何 分 室 化 的 。 有 些 人 利用 具 被 膜 的 动物 病毒 , 即 基因 组 由 脂 双 层 膜 包 于 的 病毒 ,已 对 细胞 分 室 化 进 行 了 相当 深 人 的 探索 。 跟 着 具 被 膜 病毒 的 生活 周期 。 就 如 同 周游 细胞 一 样 。 以 一 种 经 详 细 研 究 过 的 Semliki 森林 病毒 为 例 ,该 病毒 是 由 含有 RNA 的 核 壳 体 (nucleocapsid) 和 一 种 与 任何 生物 膜 类 似 ， 由 册 双 娠 及 蛋白 质 组 成 的 外 膜 构成 的 (图 7-3)。 基因 组 RNA 包装 在 由 规则 排列 的 20 面体 蛋白 质 ( C 蛋白 ) 组 成 的 衣 壳 中 。 衣 壳 由 仅 含 3 种 蛋白 质 ( 称 E1、E2 及 E3) 的 脂 双 层 紧密 围绕 。 这 些 所 谓 外 膜 蛋 白 是 一 种 横 跨 脂 双 层 的 糖 蛋 白 ,并 穿 过 核 壳 体 的 C 蛋白 ， 从 下 面 连 接 膜 及 核 壳 体 。 外 膜 蛋 白糖 基 化 部 分 总 是 出 现 于 脂 双 层 的 外 围 。 在 电子 显微镜 下 可 看 到 这 些 蛋白 质 的 复合 物 构成 病毒 表面 向 外 伸 长 的 “ 穗 ”( 图 7-3A )o 如 图 7-4 所 示 ， 病 毒 感染 始 于 病毒 与 寄主 细胞 质 膜 上 的 蛋白 质 受 体 结合 。 这 一 结合 导致 病毒 颗粒 被 选择 性 地 纳入 质 膜 表 面 的 有 衣 小 思 (coated pits), 有 衣 小 目 经 内 陷 后 在 细胞 内 形成 有 衣 小 泡 (coated visidles)。 含 有 经 内 大 作用 摄 人 的 病毒 颗粒 的 小 泡 迅速 与 具 光滑 表面 被 称 为 内 含 体 (endosome) 的 中 间 小 泡 融合 , 内 含 体 转 而 再 与 深 酶 体 融 合 。 据 此 ， 病 毒 以 一 种 特殊 途径 ， 即 有 衣 小 四 一 有 衣 小 泡 一 溶 酶 体 途 径 进入 细胞 。 细 胞 一 般 通 过 此 途径 扣 人 结合 于 外 膜 的 特殊 蛋白 质 及 小 颗粒 。 不 同 的 是 病毒 不 被 深 酶 体 消 化 。 病 毒 能 逃避 被 消化 的 命运 是 因为 被 膜 蛋白 具 特 异性 质 。 在 溶 酶 体 酸 性 pH 环境 中 ， 被 膜 蛋 白 可 促使 相 邻 脂 双 层 融合 。 结 果 在 病毒 被 纳入 溶 酶 体 后 。 病 毒 被 膜 就 与 溶 酶 体 腊 融合 ,使 裸 核 壳 体 逸 人 胞 液 (图 7-4)。 在 胞 液 中 核 壳 体 “ 脱 去 ” 脂 质 被 膜 ， 释 放出 的 基因 组 RNA 经 寄主 细胞 核糖 体 翻 译 ， 产生 一 种 以 病毒 基因 编码 的 RNA 聚合 酶 。 RNA 聚合 酶 继而 制造 更 多 的 RNA 找 贝 ,其 中 有 些 作为 信使 RNA， 指 导 合成 病毒 的 四 种 结构 蛋白 , 即 衣 壳 C 蛋白 及 三 种 被 膜 蛋白 : Bt EZ | 32° B35 衣 壳 及 被 膜 蛋白 在 细胞 质 中 遵循 不 同 途径 分 别 在 不 同 的 区 室内 合成 :被 膜 蛋白 ,与 二 e310» i ge ge he on - B73 几 个 完整 Semliki 森林 病毒 颗粒 结构 的 负 当 电子 显 微 照 片 (A) 及 病毒 横断 面 示意 图 (B)。 每 一 病毒 颗粒 中 约 有 240 个 衣 壳 C 蛋白 及 240 个 糖 蛋白 穗 状 复合 体 的 拷贝 。 病 毒 外 被 膜 由 族 入 脂 双 层 的 穗 状 糖 蛋 白 构成 。( 电 镜 照 片 由 Kai Simons 赠 ) it ABR ASMA 核 壳 体 f ety $O} tk 51 RAE Pan coy its Bre GED vee EET MRNA | 这 \ | \ease — pe RNA | eememmmate 7 oe E7-4 Semliki 森林 病毒 生活 史 示 意图 。 病 毒 寄生 寄主 细胞 进行 它 的 所 有 生物 化 学 合成 。 般 细胞 膜 糖 蛋白 相同 ,由 附着 于 粗糙 内 质 网 的 膜 结合 核糖 体 合成 ,而 壳 体 蛋白 则 与 一 般 胞 波 蛋白 相 似 , 由 胞 流 中 游离 的 核糖 体 合成 。 。311。 新 合成 的 衣 壳 蛋 蝗 分 布 于 细胞 的 胞 液 中 。 在 胞 液 中 衣 壳 蛋白 与 新 复制 的 基因 组 RNA 结合 ,形成 新 病毒 核 壳 体 。 相 反 ; 被 膜 蛋白 则 嵌 人 内 质 网 膜 ， 并 在 该 处 糖 基 化 。 在 保持 膜 结合 状态 下 ,被 膜 蛋白 先 被 转运 至 高 尔 基 器 (在 此 处 被 进一步 糖 基 化 ), 然 后 再 被 转运 至 质 膜 ( 图 7-4)。 病毒 核 壳 体 与 被 膜 蛋白 最 终 在 细胞 质 膜 处 汇合 。 经 核 壳 体 与 被 膜 蛋白 的 特殊 反应 的 结果 , 核 壳 体 被 包 人 一 部 分 质 膜 中 ,这 部 分 质 膜 富 含 病毒 编码 的 嵌 在 宿主 细胞 脂 质 中 的 被 膜 蛋 折 。 然 后 , 据 目前 还 不 甚 了 解 的 过 程 , 核 壳 体 车 生出 细胞 外 ， 继 而 以 带 有 完整 被 膜 的 方式 ， 从 细胞 上 绞 缩 脱离 〈 图 7-4)。 不 同 病 毒 沿 着 不 同 通道 穿 越 细 雹 、 | Semliki 森林 病毒 这 种 具 被 膜 病 毒 可 用 来 探索 细胞 本 身 的 分 室 化 。 这 类 研究 变化 无 穷 , 依 所 利用 病毒 而 异 , 有 些 区 室 被 病毒 利用 ,其 余 则 不 被 利用 。 如 多 数 含 DNA 病毒 不 是 在 胞 液 ,而 是 在 细胞 核 中 复制 ,并 转录 生成 RNA, 另 一 些 病毒 则 以 直接 与 质 膜 融 合 的 方式 进入 细胞 ， 而 不 是 通过 溶 酶 体 间接 进入 细胞 。 在 特 化 的 顶端 质 膜 及 侧 底 质 膜 有 差 别 的 特 化 细胞 中 ， 有 些 病 毒 只 在 顶端 质 膜 处 出 荐 ， 有 些 病 毒 只 在 侧 底 质 膜 出 芽 〈 图 7-5 及 7-6)， 而 另 一 些 则 根本 不 在 细胞 质 膜 处 ， 而 在 内 质 网 膜 、 高 尔 基 器 膜 或 核 膜 内 层 处 出 ZF, 此 时 病毒 或 以 分 记性 外 排 作 用 。 或 以 诱导 细胞 溶解 的 方式 脱离 细胞 。 根据 被 膜 病毒 特异 地 从 不 同 细胞 膜 出 芽 的 事实 ,直接 证 明 这 些 膜 具有 不 同性 质 ,也 证 明 即 使 在 同一 种 膜 中 可 能 存在 各 种 不 同 区 域 。 再 者 。 这 类 现象 表明 膜 融 合 事件 可 依 病毒 所 含 的 特殊 被 膜 蛋白 而 被 引导 发 生 于 此 种 或 他 种 膜 。 后 面 我 们 将 看 到 相同 类 型 的 特异 性 靶 是 细胞 内 不 同 区 室 本 身 形成 的 关键 。 由 此 。 研 究 具 被 膜 病 毒 有 助 于 揭示 寄主 细胞 如 何 指导 及 组 织 生 物 合成 反应 的 机 制 。 | 小 结 真 核 知 胞 含有 大 量 的 细胞 内 膜 。 把 几乎 占 一 半 体积 的 细胞 器 分 隔 形成 独立 的 细胞 区 室 。 几 乎 所 有 细胞 都 具有 六 种 主要 细胞 器 : 内 质 网 、 细 胞 核 \ 高 尔 基 器 、\ 线 粒 体 、 溶 酶 体 及 过 氧 物 酶 体 。 植 物 细胞 另外 还 含有 叶绿体 作为 主要 的 细胞 器 ， 除 细胞 器 外 的 细胞 区 室内 均 为 胞 液 。 当 病毒 感染 真 核 细胞 时 ,其 生物 合成 依次 在 细胞 区 室内 和 进行。 因此， 病毒 生 活 周期 可 揭示 细胞 内 生物 合成 反应 通常 是 怎样 较 分 室 化 方式 进行 的 。 胞 ” a 多 数 中 间 代 谢 过 程 在 胞 液 中 进行 所 谓 “ 中 间 代 谢 ?” 指 一 整套 的 化 学 反应 ， 通 过 这 些 反 应 细胞 降解 一 些小 分 子 〈 主 要 以 ATP 或 质子 梯度 形式 捕获 其 中 大 部 分 化 学 能 ); 并 合成 另 一 些小 分 子 作为 细胞 结构 、 功 能 及 生长 所 需 的 大 分 子 的 前 体 。 所 有 中 间 代 谢 都 在 细胞 质 中 进行 ,其 中 多 数 发 生 于 胞 站 。 一 :项 胞 液 约 占 细 胞 总 体积 的 55 匈 《 表 7-1), 胞 液 中 富 含 几 千 种 催化 酵 解 , 葡 糖 异 生 及 生物 合 | BOS EGR . 核 昔 酸 及 氨基 酸 等 反应 的 酶 。 此 外 ; 胞 液 中 尚 含 有 种 决定 细胞 形状 ;5 引起 侈 重量 。312。 质 韦 贯 性 运动 及 形成 有 助 于 组 织 胞 液 内 各 类 酶 催化 反应 的 总 支架 的 细胞 骨架 蛋白 〈 见 第 十 章 )s 胞 液 重量 中 约 20% 为 蛋白 质 , 所 以 尽管 在 电子 显 微 照片 中 显得 相当 无 定形 , 胞 液 实际 上 为 一 种 高 度 有 组 织 的 胶 质 实体 ,而 不 是 一 种 简单 的 酶 分 子 溶液 。 例 如 ,通过 细胞 学 全 究 已 知 直接 包围 高 尔 基 器 的 胞 液 与 紧密 环绕 细胞 核 的 胞 液 不 尽 相 同 。 然 而 ， 由 于 一 旦 细胞 破裂 后 这 类 结构 极 难保 存 , 目 前 对 其 形成 的 机 制 几乎 一 无 所 知 。 几 种 主要 化 合 物 在 转化 为 贮存 形式 的 代谢 途径 中 ， 可 产生 易 在 显微镜 下 观察 到 的 产物 。 脂肪 酸 的 贮 存 形 式 , 即 脂肪 (甘油 三 酯 ) 是 最 显而易见 ,同时 也 是 最 重要 的 例子 。 如 图 7-7 所 示 。 在 许多 细胞 中 这 种 不 溶性 甘油 三 酯 在 胞 液 中 合并 形成 大 型 无 水 小 滴 (直径 约 为 0.2pm 至 5 jim)。 为 了 贮存 脂肪 而 特 化 了 的 脂肪 细胞 中 ; 这 类 脂 ” 质 小 滴 直 径 可 达 80wm ,实际 上 充满 了 整个 胞 液 。 AP 另 一 类 主要 可 见 的 贮存 分 子 是 糖 原 ， 是 葡萄 糖 的 多 (Daniel S. Friend 赠 ) tk, HMAEMKLAOWEBR EER, 在 许多 细胞 中 糖 原 大 型 单 分 子 (HAH 10 —40nm), 在 电子 显 微 照片 中 呈 粒 状 。 合成 及 降解 糖 原 所 必需 的 酶 结合 于 糖 原 颗粒 表面 ( 医 7-8)。 多 种 蛋白 质 在 胞 液 中 由 核糖 体 合成 在 胞 流 中 合成 的 多 种 蛋白 质 之 中 有 催化 中 间 代 谢 化 学 反应 的 酶 c 每 一 蛋白 质 都 通过 信使 RNA (mRNA) 分 子 自 核 进入 细胞 质 并 附 于 被 称 为 核糖 体 的 大 型 核糖 核 蛋 日 颗粒 这 一 过 程 来 合成 的 。 在 此 mRNA 顺序 被 译 成 相应 的 氨基 酸 顺 序 。 由 于 蛋白 质 合成 机 制 的 细节 已 在 第 五 章 中 介绍 ,本 章 将 只 提 及 与 真 核 细胞 质 结构 有 关 的 特性 。 每 一 核糖 体 由 大 小 亚 单位 组 成 。 每 当 蛋 白质 合成 后 都 作 可 逆 性 的 分 离 ， 图 7-9 描绘 细菌 核糖 体 的 一 般 大 小 及 形状 。 真 核 类 核糖 体 略 大 一 些 ， 但 显然 以 与 细菌 核糖 体 相仿 的 方式 构成 ,功能 更 是 类 似 ( 见 图 5-14 Do 核糖 体 为 最 大 直径 约 达 30nm 的 复杂 结构 物 ， 其 中 所 含 RNA 重量 略 超过 蛋白 质 。 核糖 体 RNA 分 子 (rRNA) 组 成 核糖 体 的 骨 染 , 数 十 种 蛋 日 质 , 每 种 在 每 一 核糖 体 中 仅 含 一 份 :自动 装配 在 骨架 上 。 tRNA 除 在 核糖 体 蛋白 装配 方面 起 重要 作用 外 ,还 与 转移 RNA (tRNA) 及 mRNA 的 选择 性 区 域 形成 特殊 互补 碱 基 对 ， 作 为 核糖 体 - mRNA- tRNA 识别 过 程 的 关键 部 分 。 核 糖 体 被 恰当 地 比 作 一 种 大 型 蛋白 质 合成 器 , 这 种 合成 器 不 仅 将 蛋白 质 合成 所 需 原料 安排 在 恰当 的 空间 位 置 上 ， 还 提供 催化 多 肽 链 形成 的 全 过 程 Bit fia A Bo 多 个 核糖 体 与 单个 信使 RNA 分 子 结合 形成 多 核糖 体 " 蛋白 质 合成 可 分 三 个 不 同 阶段 : 起 始 、 延 伸 及 终止 (第 五 章 )。 起 始 阶段 需要 两 种 不 同 信号 ,其 一 促使 mRNA 分 子 结合 于 核糖 体 , 这 种 信号 在 真 核 及 原核 生物 中 不 同 〈 见 317 页 所 述 )。 另 一 信号 为 可 被 特殊 起 始 tRNA AGH Him) 识别 的 起 始 密码 子 AUG, 起 始 tRNA 必须 与 AUG 密码 子 配 对 以 启动 合成 每 一 新 多 肽 链 。 在 GTP 水 解 所 释 能 ° 313 ° Tra i RH HF 水 疱 性 口 炎 病毒 只 从 侧 底 质 膜 出 菠 图 7-6 电子 显 微 照 片 示 一 类 具 被 膜 病毒 从 组 织 培养 的 上 皮 细 胞 顶端 质 膜 出芽 , 而 另 一 类 病毒 自 相 同 细胞 的 侧 底 质 膜 出 芽 。 这 种 上 皮 细胞 从 底面 附着 于 培养 到 的 方式 生 Ke CE. Rodriquez- Boulan 和 D. D. Sabatini 赠 ) 量 的 驱动 下 ,核糖 体 按 5 至 3 方向 沿 mRNA 移动 ， 从 而 开始 延伸 阶段 。 延 伟 阶 段 的 每 一 步 ， 其 反 密 码 子 与 mRNA 下 一 个 密码 子 互 补 的 特种 氨 酰 tRNA 分 子 和 核糖 体 结合 。 与 tRNA 连接 的 氨基 酸 则 被 转移 至 延伸 中 多 肽 链 的 羧基 末端 。 所 以 肽 链 合成 总 是 由 蛋 白质 的 氨基 末端 向 羧基 末端 延伸 。 终 止 阶 段 则 是 在 遇 到 三 种 终止 信号 之 一 时 发 生 ， 从 而 将 已 完成 的 产物 从 核糖 体 上 释放 。 由 于 多 肽 链 的 折 有 登 多 在 合成 进程 中 发 生 ， 所 以 已 合成 的 蛋白 质 一 经 释放 通常 即 具 活性 。 氨基 酸 以 每 秒 20 个 的 速度 被 挨 人 多 肽 链 ， 因 此 合成 一 个 普通 大 小 的 蛋 白 质 只 需 20 一 60s。 然 而 即使 在 如 此 短暂 的 时 间 内 :新 核糖 体 在 前 一 核糖 体 已 翻译 足够 氨基 酸 顺 序 。314。 也 让 出 足够 空间 后 , 即 跃 上 RNA 分 子 的 5 端 ,从 而 形成 多 次 起 始 。 因 此 :在 正 溃 生理 条 HEF Sb FIERMERAN mRNA 存在 于 多 核糖 核 蛋 白 体 或 多 核糖 体 中 ,多 核糖 体 是 由 | 相隔 80 个 核 背 酸 的 数 个 核糖 体 沿 着 一 条 信使 RNA ， = 分 子 组 成 (图 7-10 及 7-11)。 多 核糖 体 为 几乎 所 有 细胞 的 共性 。 细 胞 溶解 后 通过 高 速 离心 将 多 核糖 体 与 胞 波 中 单 核糖 体 分 离 (图 7-12)。 鉴 别 这 样 分 离 出 的 多 核糖 体 中 存在 有 某 种 特殊 的 mRNA DF, Bl 可 作为 相应 编码 顺序 是 在 制备 出 多 核糖 体 的 这 一 细 了 苞 中 被 活跃 翻译 的 最 好 证 明 。 为 鉴别 某 种 mRNA 的 存在 ， 可 用 自 多 核糖 中 分 离 出 的 mRNA 混合 物 指导 体外 蛋白 质 合 成 ， 再 将 该 混合 物 解码 。 也 可 利 用 核酸 分 子 杂 交 技 术 检验 这 些 mRNA 与 特异 性 的 克隆 DNA 探 针 的 顺序 同 座 性 。 人 a | 图 7 7 RMEERMeeAe whem 蛋白 质 的 合成 可 被 特异 性 抑制 剂 阻 抑 脂 质 滴 的 电子 显 微 照片 。 这 些 滴 状 物 在 细 许多 药物 及 毒素 能 专 一 性 地 影响 蛋白 质 合成 的 了 质 内 用 作 贮 能 库 。(Daniel S，Friend 赠 ) 各 主要 步骤 ,因此 对 搞 清 细 胞 内 有 关机 制 极为 有 用 。 这 类 研究 中 最 常用 的 药物 为 氧 霉 素 、 BRAMLEY GA. MANS HTM WME KEE RAR, 单 层 特异 酶 分 子 图 7-8 冰 椎 动物 碳水 化 合 物 主 要 贮存 形式 糖 原 颗 粒 的 电子 显 微 照 片 及 示意 图 。 糖 原 的 合成 及 降 解 由 结合 于 颗粒 表面 的 酶 催化 ， 其 中 包括 合成 性 糖 原 合 成 酶 及 降解 性 糖 原 磷 酸化 酶 。 图 中 示 磷 酸 化 酶 的 三 维 结构 。 (Robert Flettevick 和 Daniel S. Friend 赠 ) 惟 化 形成 多 肽 键 。 但 在 真 核 细 胞 中 氧 霉 素 只 抑制 线粒体 中 (以 及 植物 叶绿体 中 ) 核 糖 体 上 的 蛋 白 质 合成 ， 而 放 线 菌 酮 则 只 影响 胞 波 核 糖 体 。 对 这 两 种 药物 敏感 性 的 差异 可 反映 两 类 核糖 体 在 结构 上 的 不 同 ， 同 时 提供 一 种 判断 某 种 蛋白 质 是 否 在 线粒体 (或 叶绿体 ) 中 合 ~315 成 的 有 效 方法 。 叮 叭 霉 素 属 一 种 与 氨基 酸 连 接 的 tRNA 分 子 的 结构 类 似 物 ， 当 核糖 体 误 认 嗓 叭 霉 素 为 真正 的 氨基 酸 。 并 将 其 共 价 连接 于 延伸 中 的 多 肽 链 羧 基 端 时 ， 即 能 过 时 kK——— 30 nm 一 于 图 7-9” 细 茵 核糖 体 三 维 模型 三 面 观 ， 图 中 示 配 对 的 小 亚 单位 ( 斜 线 部 分 ) 及 大 亚 单位 ( 密 点 部 分 )。 在 真 核 生物 中 ， 大 亚 单位 含有 一 大 二 小 rRNA 分 子 及 约 45 种 蛋白 质 ;小 亚 单位 含有 不 同 的 大 rRNA 分 子 及 约 33 种 蛋白 质 。 依 沉 降 速 度 不 同 ， 大 小 亚 单 位 一 般 分 别称 ”为 “60S> 及 “40S? 亚 单位 (完整 核糖 体 沉降 速度 为 80 S), 一 个 典型 肝 细 胞 内 含有 10? Bea 每 一 核糖 体质 量 约 为 4,5X10* 首 尔 顿 (其 中 rRNA 及 蛋白 质 约 各 半 )。 因 此 核糖 体 约 占 此 类 细胞 干 重 的 5965 蛋白 质 合成 中 较 不 活跃 的 细胞 含 较 少 BORK. 地 造成 肽 链 终止 及 释放 ( 表 5-1) 0 某 些 蛋白 质 通过 与 制造 这 些 蛋白 质 的 信使 RNA 的 结合 来 调节 自身 合成 的 速度 ， 在 某 种 情况 下 ,细胞 内 的 蛋白 质 浓度 必须 精密 调节 , 因 这 些 蛋 白质 过 量 时 对 细菌 有 害 。 著名 的 例子 是 核糖 KE 白 ， 若 细胞 内 核糖 体 蛋 白 含量 超过 rRNA 可 结合 量 这 些 蛋白 质 中 有 许多 将 不 加 区 别 地 结合 于 各 种 RNA 分 子 。 细 胞 是 如 何 保证 核糖 体 中 80 种 左右 的 蛋白 质 按 rRNA 合成 的 步 又 形成 等 量 蛋白 质 的 呢 ? 这 一 课题 已 在 细菌 中 进行 了 详细 的 研究 。 若 把 某 种 核 糖 体 蛋 白 基 因 的 多 份 找 贝 插 人 大 肠 杆 菌 〈 利 用 质粒 载体 )， 可 观察 到 为 这 种 蛋白 质 编码 的 信使 RNA 的 量 急 又 增加 ， “图 7-19 EXETER ARMAMENT OM Kero 细胞 质 中 通常 挤 满 了 这 种 多 核 糖 体 。 有 些 自由 存 在 于 胞 液 ， 有 些 与 膜 结合 。(George Palade fit) 但 蛋白 质 本 身 合 成 速度 只 略为 增高 。 进 一 步 研究 证 明 在 许多 情况 下 ， 若 把 游离 核糖 体 蛋 白 加 入 体外 蛋白 质 合 成 体系 ， 可 专 一 性 地 抑制 为 这 种 蛋白 质 编码 的 mRNA 的 翻译 过 程 。 这 些 引 和 注目 的 发 现 提 示 ， 细 菌 核糖 体 的 合成 是 由 一 种 反馈 调节 系统 协调 的 。 在 这 一 调节 系统 中 ， 过 量 的 蛋白 质 结合 在 为 之 编码 的 mRNA 5” 端 附近 的 特殊 碱 基 顺 序 或 结构 上 ,从 而 阻 抑 这 种 蛋白 质 自身 的 合成 (图 7-13)。 尽管 对 此 类 翻译 调节 作用 的 例子 目前 所 知 甚 少 ， 但 若 在 今后 发 “316° PLR KR 由 不 具 如 图 7-13 所 示 的 此 类 调节 机 制 ， 即 具有 协调 最 终 装配 成 一 定 结构 (如 核糖 体 ) 的 各 种 相互 作用 的 蛋白 质 的 合成 ,将 令 人 十 分 恢 订 。 真 核 生物 每 一 信使 RNA 分 子 上 只 能 合成 一 种 多 肽 链 真 核 及 原核 信使 RNA 在 结构 及 功能 上 有 所 不 同 。 真 核 mRNA 分 子 ( 除 在 线粒体 或 叶绿体 中 合成 者 外 ) 于 转录 后 立即 a as 在 核 中 被 修饰 ( 见 393 页 )。 结 果 ， 这 些 RNA 分 子 在 5 端 通常 具有 由 一 个 7- 甲 基 乌 背 残 基 连 接 于 三 磷酸 组 成 的 独特 “WR” 结构， 并 在 3” 端 具 有 一 串 约 200 个 腺 苷 残 基 ( 多 聚 A")。 多 聚 A 在 翻译 过 程 中 起 何 作用 〈 如 果 有 作用 的 话 ) 目 前 尚 不 清楚 。 但 5 HE 沉降 方向 多 核糖 体 ”80S 单 核糖 体 核糖 体 数 生长 中 的 多 肘 链 数 一 图 7-11 多 核糖 体 简 图 。 蛋 白质 合成 始 于 图 7-12 通过 离心 沉降 将 多 核糖 体 与 单 核糖 体 小 亚 单位 与 信使 RNA 分 子 上 适当 部 位 结 及 其 亚 单位 分 离 的 示意 图 。 此 法 基于 大 的 分 子 合 。 当 多 肽 链 完成 后 ， 大 小 亚 单位 均 与 聚合 体 比 小 的 在 强 重 力 场 中 沉降 较 快 的 事实 。 mRNA 分 离 。、\ 见 第 五 章 ) 一 般 在 蔗糖 梯度 中 进行 沉降 > 以 使 溶液 稳定 防 止 对 流 混合 作用 。 子 为 翻译 的 关键 ， 可 被 核糖 体 专 一 地 认 作 蛋白 质 合成 的 起 始 信号 。 在 酵母 菌 中 进行 的 巧 妙 遗 传 学 实验 揭示 ,蛋白 质 合 成 一 般 可 起 始 于 任何 一 个 最 接近 5 帽子 结构 的 AUG 密码 子 , 然 后 以 对 mRNA 三 联 密码 依次 解码 的 方式 进行 , 直至 遇 到 终止 密码 子 为 止 。 RNA 链 中 其 余 为 数 众多 的 AUG 密码 子 均 不 能 作为 起 始点 。 因 超 越 第 一 个 终止 密码 子 ( 指 在 终止 密码 子 3 边 ) 后 信使 RNA 顺序 不 再 被 翻译 ,所 以 每 一 mRNA 分 子 只 能 生成 一 种 多 肽 。 ; | 就 上 述 各 点 而 论 ,原核 mRNA SHR mRNA 相当 不 同 ( 图 7-15)。 细 菌 mRNA FE 无 3 SRA, MES 帽子 ,而 具有 存在 于 同一 mRNA 分 子 多 处 的 特殊 起 始 顺序 。 这 些 起 始 顺序 可 与 核糖 体 rRNA 中 特殊 区 域 形 成 碱 基 对 ,从 而 在 邻近 AUG 密码 子 处 启动 蛋 白质 当成。 再 者 ,虽然 钥 菌 核糖 体 可 识别 表示 多 肽 结束 的 终止 密码 子 , 但 这 些 核 糖 体 却 可 * 317° ”快速 合成 失去 的 核糖 体 X 亚 单位 sd vi Xi | SLA / & @ 念 ec. 3° & 核糖 体 X 亚 单位 的 合成 受阻 5 eo 9g "45 < | 多 © ® 6. 过 量 的 核糖 体 X 亚 单位 ene 7-13 ”细菌 中 核糖 体 蛋白 质 合成 的 协调 机 制 的 详细 示意 图 。 这 一 协调 机 制 为 目前 所 知 的 少 至 几 例 特异 的 翻译 机 制 之 一 。 7- 甲 基 鸟 并 mRNAS it 图 7-14 在 真 核 信使 RNA 分 子 5 RMN TA. 注意 与 具 正 电 荷 的 7- 甲 基 岛 背 的 不 寻常 连接 方式 以 及 核糖 上 2' 羟 基 的 甲 基 化 (第 二 个 核糖 并 非 一 定 甲 基 化 ) ¢ 318° — ind 滑 过 终止 密码 子 而 在 下 一 个 AUG 处 起 始 第 二 条 多 肽 合成 。 结 果 , 细菌 信使 RNA it 为 多 顺 反 子 性 (polycistronic), 即 可 为 由 同一 mRNA 分 子 分 别 翻译 的 多 种 蛋白 质 编码 。 相反 ,所 有 真 核 mRNA 均 为 单 顺 反 子 性 〈《monocistronic)， 即 每 一 信使 RNA 分 子 只 能 翻译 一 种 多 肽 。 真 核 类 常 合成 多 蛋白 ” 尽管 有 上 述 mRNA 多 肽 合成 的 限制 , 真 核 类 同一 信使 RNA 分 子 还 是 可 能 为 多 种 相关 酶 活力 (related ezymatic activity) 编码 。 此 时 mRNA 被 译 为 一 条 大 型 多 功能 租 白 质 , 有 些 多 蛋白 被 特殊 酶 切割 ,产生 几 种 不 同 的 酶 ,但 另 一 些 多 蛋白 则 保持 为 一 条 完整 的 多 功能 多 肽 。 如 图 7-16 所 示 * 真 核 类 一 系列 相关 酶 活力 可 连接 于 一 条 多 聚 蛋白 ， 而 在 原核 类 中 相 一 一 | 一 一 一 C 蛋 白 BRA ?和 蛋白 上 2. 真 核 关 mRNA | 5 OG {PPP 图 例 : 非 编码 序列 信息 BES REA Ri BH 终止 密码 子 一 一 RNA 序 列 译 成 蛋白 质 序列 图 7-15 原核 类 及 真 核 类 信使 RNA 分 子 结构 比较 图 。 虽 然 两 种 mRNA 分 子 均 以 在 5 端 具有 三 磷酸 基 团 的 形式 合成 ? 真 核 类 RNA 分 子 却 立 即 获得 ;帽子 结构 。 因 这 种 幅 子 结构 为 起 始 核糖 体 的 结合 所 需 ? 所 以 核糖 体 在 真 核 mRNA S'S mRNA 结合 并 启动 蛋白 质 合 成 。 相反 ， 原 核 类 mRNA 链 内 部 可 具有 多 个 核糖 体 结合 部 位 。 似 酶 活力 往往 参与 分 离 的 酶 亚 单位 的 非 共 价 复合 体 。 这 一 区 别 部 分 原因 是 真 核 细胞 由 于 体积 增加 约 一 千 倍 后 亚 单位 拼合 增加 困难 ,同时 也 可 能 由 如 图 7-15 所 示 的 mRNA 翻译 机 制 的 不 同 所 致 很 多 蛋白 质 在 合成 后 进行 共 价 修饰 " 若非 大 多 数 , 至 少 有 许多 蛋白 质 自 核 糖 体 释 放 后 尚 要 经 受 某 种 类 型 的 共 价 修饰 ,目前 已 知 的 对 氨基 酸 支 链 的 修饰 作用 有 100 多 种 ， 通 常 属 调节 蛋白 质 生 物 活力 的 可 道 性 修饰 ¢ 319 真 核 闫 mRNA | i ne eg | sacinat a 具 3 个 催化 B Y 部 位 的 多 蛋白 原核 类 mRNA —_— a | {enka Pee Bs "a s ween \og / pM 由 三 种 分 离 蛋白 组 成 Y 的 蛋白 质 复 合体 图 7- 16 ”所 认为 在 夏 核 类 中 较 常 见 具 有 图 7-17 ”蛋白 激酶 及 蛋白 磷酸 酯 酶 催化 蛋白 质 支 多 种 酶 活力 的 蛋白 质 ( 多 蛋白 )。 在 细菌 链 羟 基础 酸化 和 脱 磷酸 化 的 两 种 相对 作用 的 示 中 ,相似 的 酶 可 由 译 自 单个 的 长 mRNA 意图 。 如 图 所 示 ， 磷 酸化 作用 通常 引起 蛋白 质 构 分 子 的 不 同 区 域 的 分 离 蛋白 链 装配 而 成 。 象 的 变 构 性 变化 ， 从 而 增高 或 降低 酶 活力 。 ( 见 721 页 )。 最 常见 的 例子 为 对 蛋白 质 中 丝氨酸 、 苏 氨 酸 或 栈 氨 酸 支 链 中 经 选择 的 自由 羟 基 的 磷酸 化 作用 (图 7-17)。 依 蛋白 质 而 不 同 ， 磷 酸化 作用 可 提高 或 降低 蛋白 质 的 功能 活 性 被 称 为 蛋白 激酶 的 一 类 酶 可 按 上 述 方式 利用 ATP 催化 蛋白 质 磷酸 化 。 此 类 激酶 本 身 的 活力 则 被 如 cAMP 或 Ca” 的 浓度 之 类 的 细胞 内 关键 性 信号 严格 调节 。 蛋 白质 的 磷酸 化 作用 因 胞 该 中 存在 大 量 磷酸 酯 酶 而 属 可 逆 过 程 。 当 蛋白 激酶 作用 停止 ， 磷 酸化 酶 的 磷 酸 将 被 磷酸 酯 酶 除去 ,从 而 使 酶 活力 恢复 到 磷酸 化 之 前 的 水 平 。 酷 氨 酸 支 链 腺 苷 酸化 (在 此 作用 中 ATP 的 AMP 部 分 被 可 逆 地 接 上 酷 氨 酸 羟基 团 ), 以 及 谷 氮 酸 支 链 的 可 逆 性 甲 基 化 , 则 为 另外 的 重要 调 市 体系 。 其 余 产 生 于 胞 波 的 蛋白 质 共 价 修饰 是 属于 永久 性 修饰 ， 这 类 修饰 为 蛋白 质 发 挥 活力 | 所 必需 。 例 如 ,多 种 酶 具有 共 价 结合 的 辅酶 (如 生物 素 、 硫 辛酸 及 磷酸 吡 哆 醛 )o 辅 酶 在 酶 反 应 机 制 中 起 重要 作用 。 其 余 为 数 众多 的 不 可 逆 修 饰 作 用 的 确切 功能 尚 不 清楚 。 例 如 , 许 多 胞 流 蛋 白质 的 氨基 端 经 乙酰 化 修饰 ( 被 阻挡 ")。 而 有 些 经 选择 的 赖 氮 酸 氨基 则 可 被 甲 基 化 。 其 他 多 种 永久 性 共 价 修饰 作用 只 发 生 于 将 离开 胞 液 转运 至 细胞 内 别处 或 细胞 外 的 蛋 白质 。 如 ,内 质 网 中 分 认 性 胶原 蛋白 中 约 半 效 且 氨 酸 残 基 被 羟基 化 ,成 为 产 晴 氨 酸 。 此 羟基 化 反应 可 增强 胶原 蛋白 的 三 螺旋 结构 ( 见 672 页 )。 此 类 另 一 重要 例子 为 向 蛋白 质 中 谷 氮 酸 残 基 沃 加 第 二 个 羟基 , 以 形成 对 Cat 具 高 度 亲 和 力 的 二 羟 酸 一 一 7- 产 基 谷 氮 酸 。 这 种 结构 被 用 来 形成 可 被 多 种 与 血 凝 作用 有 关 的 Ca 结合 蛋白 所 利用 的 Ca * 结合 部 位 。 320. 此 外 多 数 分 泌 性 糖 蛋白 的 碳水 化 合 物 联 结 着 天 冬 酰 胺 ， 或 极 少数 联结 着 丝氨酸 或 苏 氨 酸 的 残 基 ; 膜 蛋白 则 可 具有 共 价 相连 的 脂肪 酸 。 上 述 修饰 作用 有 的 发 生 于 内 质 网 上 ,有 些 如 下 面 将 讨论 的 则 发 生 于 高 尔 基 古 上 。 为 数 众 多 的 蛋白 质 是 特异 的 分 座 细 胞 所 分 弯 的 ,如 一 些 内 分 泌 细 胞 分 沁 多 肽 类 激素 。 胰腺 泡 细 胞 分 刻 消 化 酶 。 许 多 这 类 和 蛋 白质 最 初 以 大 分 子 形式 合成 ,然后 被 专门 的 蛋 日 酶 切 割 成 为 具有 活力 的 蛋白 质 。 此 类 切割 作用 可 发 生 于 高 尔 基 属 ,或 发 生 在 发 育 中 的 分 让 泡 ， ， 亦 或 发 生 在 分 泌 之 后 。 这 取决 于 是 那 一 种 蛋白 质 。 有 些 共 价 修饰 作用 被 认为 是 具有 调节 性 的 。 特 别 是 许多 分 刻 性 酶 (包括 消化 性 蛋白 酶 ) 是 以 无 活力 的 前 体 ( 称 为 酶 原 ) 的 形式 合成 和 分 泌 的 。 如 果 在 细胞 内 合成 有 活力 的 酶 ， 则 对 细胞 有 害 。 这 些 酶 只 有 在 细胞 外 经 一 种 或 多 种 特异 的 蛋白 水 解 切割 而 被 修饰 后 , 才 具 有 活力 。 某 些 蛋白 质 在 合成 后 不 久 即 被 降解 ” 细胞 内 蛋白 质 的 浓度 是 由 其 合成 与 降解 速度 间 的 平衡 所 决定 的 ， 所 以 细胞 内 存在 着 恒定 的 蛋白 质 转换 过 程 。 蛋 白质 合成 速度 一 般 通 过 调节 可 供 翻 译 的 mRNA 的 量 来 控制 。 另外 :细胞 也 可 调节 基 种 蛋白 质 被 摧毁 的 速度 来 控制 这 种 蛋白 质 的 浓度 。 蛋白 质 降解 可 能 是 一 种 随机 过 程 , 因 在 一 定时 间 内 : 老 的 蛋白 质 分 子 并 不 比 新 的 更 易 被 降解 。 然 而 :由 于 一 个 细胞 内 不 同 蛋白 质 对 降解 过 程 的 固有 易 感 性 不 同 , 各 种 蛋白 质 以 显著 不 同 的 速度 转换 。 一 个 “典型 ”蛋白 质 分 子平 均 在 合成 后 约 两 天 被 跨 解 ,但 就 个 别 蛋 白质 而 言 ,平均 降解 期 可 短 至 数 分 钟 , 长 至 数 月 ,甚至 数 年 。 多 数 蛋 白质 具有 致密 的 结构 因而 对 蛋白 水 解 作用 ， 也 就 是 对 降解 作用 具有 一 定 的 抗 性 。 和 蛋白 质 降 解 的 重要 作用 之 一 为 请 除 细胞 内 有 缺陷 的 蛋白 质 。 有 缺损 的 蛋白 质 或 从 由 于 生物 合成 过 程 中 的 错误 而 造成 的 有 缺陷 的 基因 编码 生成 ， 或 从 原 具 正 常 功 能 的 多 肽 自发 变性 而 成 。 这 些 “异常 ”蛋白 质 的 较 松 散 的 结构 可 能 使 它们 较 易 受 蛋 白水 解 作 用 攻 to 作为 这 一 精密 控制 过 程 的 一 环 ，ATP 水 解 所 释放 的 能 量 可 能 被 用 来 在 一 种 特殊 多 肽 与 降解 的 蛋白 质 之 间 形 成 共 价 键 。 这 种 特殊 的 多 肽 ,由 于 在 从 细菌 到 人 类 各 种 极 不 同 的 生物 中 广泛 存在 而 被 称 为 泛 素 〈ubigquitin)， 显 然 这 标志 着 被 它 所 结合 的 蛋白 质 将 迅速 噬 解 。 许多 在 细胞 内 易 被 迅速 降解 的 正常 “蛋白质 都 是 一 些 在 代谢 途径 中 催化 决定 速度 步 遇 的 酶 。 合 成 这 些 关键 性 蛋白 质 的 速度 通常 受 环境 的 调节 。 以 促使 最 有 效 地 利用 该 代谢 途径 。 只 有 当 不 断 迅 速 降解 时 ， 这 些 酶 的 浓度 才能 受 合成 速度 的 变化 所 决定 的 新 水 平 而 被 迅速 调节 。 有 目前 尚 不 清楚 降解 这 些 蛋 白质 的 机 制 是 否 与 降解 有 缺损 的 蛋白质 的 机 制 有 所 不 同 。 并 非 所 有 在 胞 流 中 合成 的 蛋白 质 都 留 在 胞 液 中 。 正如 在 下 节 中 将 讨论 的 ,有 些 参与 翻译 的 核糖 体 与 内 质 网 结合 形成 膜 结合 核糖 体 。 许 多 预定 形成 各 种 细胞 器 和 细胞 器 膜 的 蛋白 质 ， 以 及 所 有 预定 要 分 泌 出 去 的 蛋白 质 都 由 这 类 核糖 体 合成 。 然而 ,一些 由 胞 流 中 游离 核糖 体 翻 译 的 蛋白 质 也 可 离开 胞 液 。 如 组 蛋白 及 其 他 多 种 染色 质 蛋白 ,在 胞 疲 中 一 经 合成 后 即 迅速 扩散 穿越 大 型 核 膜 孔 ,并 与 核 内 有 关 结 构 结合 。 叶绿体 及 线粒体 中 大 部 分 蛋白 质 ,以 及 过 氧 物 酶 体 中 至 少 部 分 蛋白 质 ,由 胞 液 中 游离 核糖 体 合成 后 ,再 经 运输 穿越 围 比 上 述 各 有 关 细 胞 器 的 膜 。 e321e 小 结 胞 液 包括 除 细胞 器 外 的 所 有 细胞 空隙 ， 在 真 核 类 中 一 般 占 整个 细胞 体积 的 50 匈 至 60 狗 。 多 数 中 间 代 谢 过 程 及 细胞 生长 和 生存 所 需 的 蛋白 质 的 合成 均 在 胞 液 中 进行 细胞 内 某 种 蛋白 质 含 量 依 其 合成 速度 (主要 由 核 中 有 关 mRNA 合成 速度 支配 ) 及 降解 速度 间 风 平衡 而 定 。 有 些 蛋 白质 在 细胞 内 被 不 断 迅 速 降 解 ， 其 作用 可 能 是 使 细胞 能 依 调 节 信 和 号 而 迅速 改变 这 些 蛋 白质 的 浓度 。 蛋 白质 的 可 逆 性 共 价 修饰 为 细胞 内 调节 特定 蛋白 质 活性 提 : 供 了 一 个 重要 机 制 。 如 许多 细胞 蛋白 质 的 活性 是 由 磷酸 化 和 脱 磷酸 化 循环 所 控制 。 内 质 网 所 有 细胞 均 含 有 内 质 网 (endoplasmic reticulum，ER)， 一 般 内 质 网 膜 占 细胞 的 整个 膜 成 分 一 半 以 上 ( 表 7-2)。 尽管 内 质 网 膜 是 高 度 卷曲 的 , 但 仍 认为 它 是 围绕 一 封闭 囊 的 单一 连续 膜 。 这 一 被 封闭 的 内 部 空间 , 称 为 ER 腔 或 ER 池 , 通 党 占有 细胞 总 体积 的 百 分 之 十 以 上 ( 表 7-1), ER 腔 由 单一 膜 (ER BR) Sieik has. ER 膜 还 起 着 这 两 个 细胞 区 室 间 时 讯 媒介 的 作用 。 因 ER 膜 与 外 层 核 膜 是 连续 的 , 因此 ER 腔 与 核 内 空间 也 只 由 一 层 膜 : 即 内 层 核 膜 所 分 隔 。 相 反 ,ER 腔 与 高 尔 基 器 区 室 相互 间 则 由 两 层 膜 分 隔 , 一 般 认 为 这 两 种 细胞 区 室 间 的 大 分 子 交 流 需 经 运输 小 泡 进 行 (图 7-18)。 ER 为 细胞 提供 一 种 机 制 , 用 来 分 离 属 于 胞 液 及 不 属于 胞 滚 的 新 合成 的 分 子 。 此 外 > ER 在 合成 用 来 建造 其 余 细胞 器 的 大 分 子 方面 起 重要 作用 。 预定 要 运输 到 高 尔 基 器 , 质 Lae Be Te PB Ak BRS MSN ONS OTE Tg Sa Dal 及 复杂 的 碳水 化 合 物 的 合成 都 与 ER 高 尔 基 器 腔 5 Rm 有 关 。 因 此 ,了 解 ER 的 生物 化 学 特 oR. § 性 对 了 解 其 它 许 多 细胞 结构 的 起 源 是 SSRRLopo 很 重要 的 。 最 近 用 ER 阐明 生物 合 OLD wre: 成 途径 方面 所 取得 的 进展 ， 是 由 于 无 ee ee 痢 、 ， ay a3 细胞 系统 的 发 展 。 在 这 种 系统 中 有 关 ess SBI eee 3 BT DE PAE BEAT ‘ERE ree N SIS Ss we : SUSE VULVA AS a = is SNE Rak 。。 附着 的 核糖 体 限于 ER“ 粗糙” 区 域 “- 细胞 核 NS 在 电子 显 微 照片 中 可 容易 地 区 分 图 7-18 ER 腔 与 其 他 三 种 与 之 穿插 的 细 耻 区 室 分 隔 的 示意 图 。 ”存在 于 一 些 细胞 内 的 两 种 具 不 同 功能 注意 ER BSMRRARA-EBOM I ER 腔 及 高 尔 基 器 “的 ER 区域 :在 膜 的 胞 质 面 布 满 核 糖 腔 之 间 则 由 两 层 膜 分 隔 。 图 中 所 示 高 尔 基 器 的 朝向 为 在 分 泌 细 SR 胞 中 所 见 ,在 许多 它 类 细胞 中 高 尔 基 器 的 朝向 相反 ， 即 高 尔 基 器 “ 体 的 粗糙 ER, 以 及 实质 上 属 同一 膜 。 反面 朝向 细胞 核 。 但 无 任何 核糖 体 附 着 的 光 消 ER, ik 两 个 区 域 在 形态 上 很 不 相同 : 粗糙 ER 由 被 称 为 “ 池 "(cisternae) 的 堆积 状 扁平 小 囊 构成 ,而 光滑 ER 则 为 由 纤细 小 管 组 成 的 网 状 结构 (图 7-19 及 7-20)。 核 被 膜 的 外 层 膜 上 和 常 布 满 核糖 体 并 与 粗糙 ER 相连 。 在 ER 的 腔 面 从 未 发 现 核 糖 体 这 一 事实 ,首先 表明 2 322° ER 的 生物 合成 功能 ( 指 蛋白 质 合成 ) 是 跨 膜 不 对 称 分 布 的 。 尽管 粗糙 ER 存在 于 除 精子 外 的 全 部 有 核 细胞 中 , 但 在 分 刻 蛋 白质 的 特 化 细胞 〈 如 胰腺 泡 细 胞 及 分 刻 抗 体 的 奖 细 胞 ) 或 大 量 合成 膜 的 细胞 (如 未 成 熟 的 卵细胞 或 视 杆 细胞 ) 中 特别 丰 富 。 此 时 细胞 内 多 至 半数 的 核糖 体 与 ER 结合 。 在 分 刻 蛋 白质 的 细胞， 由 核糖 体 分 刻 到 ER BASE IA FH ER 腔 明 显 膨 胀 (图 7-21 及 图 7-22). 光滑 ER 不 参与 蛋白 质 的 合成 。 虽然 在 某 些 特 化 细胞 中 相当 丰富 〈 见 下 节 ) ,就 绝 大 多 数 细胞 〈 包 括 多 数 分 弯 性 细胞 ) Mit. 光滑 ER 只 不 过 是 粗糙 ER PAAR AASB X 域 act at & — 图 7-19 示 粗 糙 及 光滑 ER 的 极 不 相同 形态 的 电子 显 微 照 片 。 照片 中 所 示 为 乍 丸 中 产生 类 固 醇 激 素 " 含 丰富 光滑 ER 的 Leidig 细胞 。 还 可 看 到 大 圆 球 型 脂 质 滴 的 一 部 分 《Daniel S. Friend 赠 》 (Al 7-23)o 此 类 区 域 通常 被 称 为 过 渡 ER(transitional ER， 而 不 称 为 光滑 ER) ,作为 供 细 胞 内 运输 的 装载 新 合成 的 蛋白 质 及 脂 质 的 小 泡 出 芽 脱 落 的 特异 性 区 域 ( 见 下 节 )。 7-20 肝 细 胞 中 光滑 及 粗糙 ER 区 域 三 维 结构 重建 图 。 粗糙 ER 形成 定向 堆积 的 扁平 池 ，, 每 一 池 具 有 20 nm 至 30 nm 宽 的 腔 。 与 池 连 接 的 是 光滑 ER RR ER 膜 形成 由 直径 为 30 nm 至 60 nm. 小 管 组 成 的 纤细 网 状 结构 。 据 信 ER 膜 为 一 连续 结构 ,包围 单一 腔 。( 仿 照 R，V. Krs- tic, Ultrastructure of the Mammalian Cell. New York: Springer-Verlag, 1979) 某 些 特 化 细胞 中 富 含 光 滑 ER” 有 时 在 脂 质 代 谢 的 特 化 细胞 中 光滑 ER 属 主要 细胞 器 。 例 如 ,肝脏 中 的 主要 细胞 类 型 一 一 肝 细 胞 一 一 是 产生 外 运 脂 蛋白 颗粒 的 主要 场所 。 合 成 脂 蛋白 脂 质 部 分 的 酶 位 于 光 te ER RL. Fat ER 还 含有 催化 与 药物 及 有 害 代谢 产物 解毒 的 一 系列 反应 有 * 323 CA) 图 7.21 蜥 蝎 卵 母 细胞 (未 成 熟 卵 细胞 ) ert tr pee ER 的 j 电子 显 微 照片 。(A ) 堆积 状 粗糙 ER /\ihEH DRM. (B) HM. (Nigel uniwin BW) (B) ! 人 关 的 酶 。 研究 最 详尽 的 一 类 解毒 反应 是 由 被 称 为 细胞 色素 P450 的 酶 催化 的 。 这 种 蛋白 质 利用 来 自 NADPH 的 高 能 电子 借 ER 中 特殊 还 原 酶 的 传递 ， 将 羟基 加 至 溶 于 脂 双 层 中 的 任何 一 种 具有 潜在 危害 的 非 水 溶性 碳 氨 化 合 物 上 。 人 然后, 位 于 ER 膜 的 其 他 酶 向 这 些 羟 基 落 加 带 负 电荷 的 水 溶性 分 子 〈 如 硫酸 盐 或 葡 糖 醛 酸 )。 通 过 这 一 系列 反应 后 ,本 来 将 被 永久 固着 在 细 胆 肛 的 非 水 溶性 欧 物 或 代谢 物 可 获得 足够 的 水 溶性 ， 因而 可 离开 细胞 图 7-22 RHE e EF ER BERAMIT. 在 这 个 特 化 的 分 泌 蛋 白质 的 细胞 中 ,ER 腔 膨胀 (与 图 7-19 比较 )。(Daniel S. Friend 赠 ) 其 余 类 型 的 细胞 也 含有 大 量 光 滑 ER 如 以 胆固醇 为 原料 合成 省 族 激素 的 细胞 (如 罕 丸 中 的 有 关 细 胞 ) 具 有 展开 的 光滑 _ ER， 来 容纳 合成 胆固醇 并 将 其 修饰 , 以 形成 当 族 激 并 随 尿 液 排 出 。 因 单 靠 粗糙 ER 不 足以 容纳 这 些 和 其 他 必要 的 酶 ， 所 以 在 正常 情况 下 肝 细 胞 膜 主 要 由 光 滑 ER 组 成 ( 表 7-2)。 - 当 某 类 化 合 物 ， 如 药物 中 的 苯 巴 比 妥 ,大 量 进 入 循环 系统 后 ,解毒 酶 在 肝脏 中 异乎 寻常 地 大 量 合成 。 此 时 光滑 ER 的 表面 积 可 在 数 天 内 加 倍 。 药物 清除 后 ，。 过 量 光滑 ER 大 约 通过 溶 酶 体 的 特异 性 处 理 〈 包 括 自体 吞噬 泡 结构 ) 去 除 。 光 滑 ER 可 于 5 天 内 恢复 正常 。 这 些 急 剧变 化 的 调控 机 制 尚 属 未 知 。 卫 下 于 于 素 的 酶 ( 见 图 7-19 所 示 之 例 )。 肌肉 细胞 内 含有 被 称 为 肌 质 网 的 特 化 而 精致 的 光滑 ER, ws%324 。 可 吸收 胞 液 中 的 Ca’*, FEA Ca’* 的 Ca’t-ATP He HAI ER 上 存在 的 主要 膜 蛋 .和 白 。 从 胞 液 中 排除 Ca’* 可 使 肌 原 纤维 在 每 次 肌肉 收缩 后 得 以 松弛 。 | ER 的 粗糙 及 光滑 区 域 可 用 物理 方法 分 离 ” 为 研究 ER 和 人 必须 将 ER RSA ED To 从 直观 来 看 ， : : iene: 这 是 一 件 艰 巨 的 工作 , 因 ER 与 细 胞 质 内 其 他 成 分 犬 牙 交 错 。 幸 运 的 是 ,， 当 组 织 或 细胞 经 匀 浆 化 被 破坏 Ja. ER 破碎 为 许多 较 小 〈 直 径 约 100 nm) 且 相 对 较 易 被 纯化 的 封闭 小 胞 ,这 些小 泡 称 为 微粒 体 。 来 自 粗 糙 ER 的 微粒 体 上 布 满 核糖 体 , 故 称 为 粗糙 微粒 体 。 核 糖 体 总 是 存在 于 此 类 微粒 体 的 外 表面 ， 说 明 微 粒 体内 部 在 生化 学 上 相当 于 ER 腔 (图 7-24)。 ZORA 2 ， “发 现 许 多 体积 与 粗糙 微粒 体 相仿， 图 7-23 “小 鼠 上 皮 细 胞 中 的 一 眉 ER 过 渡 区 域 , 可 见 运输 小 泡 在 此 ”但 无 核糖 体 附着 的 小 泡 。 这 类 光 清 出 芽 。 亦 见 图 7-18, (Daniel S. Friend 赠 、 微粒 体 部 分 来 自 ER 的 光滑 区 域 。 部 分 来 自 质 异 、 高 尔 基 器 以 及 线粒体 的 泡 状 碎片 (比例 随 组 织 而 异 )。 所 以 ， 尽 管 粗 糙 微 粒 体 等 于 ER 粗糙 区 域 ， 但 光滑 微粒 体 的 来 源 却 不 易 确定 。 由 于 肝 细 胞 中 光滑 ER 大 量 存在 ， 所 以 用 匀 浆 中 多 数 光滑 向往 你 来 自 认 疹 ER。 因 核 糖 体 含 有 大 量 RNA ,使 粗 糙 微 粒 体 比 光 渭 微粒 体 致 密 。 所 以 ， 可 在 芒 糖 密度 梯度 中 将 混合 物 况 降 达到 平衡 ， 使 粗糙 及 光 请 微粒 体 得 以 分 离 ( 图 7-25)。 若 比较 组 织 ( 如 肝脏 ) 中 所 分 离 出 的 粗糙 及 光滑 微 粒 体 的 酶 活力 及 多 肽 组 成 等 特性 ， 可 发 现 这 些 特 性 尽管 不 完 全 相同 ， 却 相 当 类 似 。 看 来 大 部 分 ER 腊 成 分 ， 正 如 可 预期 在 液体 的 连续 的 、- _ : _ oe 膜 系 统 之 间 发 生 的 一 样 ， 可 在 ER 图 7-24 站 化 的 粗 凡 微粒 体 部 分 的 功 切 片 电子 显 微 妥 片 。 微粒 体 表 膜 粗糙 及 光滑 区 域 之 间 自 由 扩散 。 面 附 有 核 糖 体 的 球状 小 泡 。 (George palade 赠 ) ER 膜 可 以 容易 地 在 保持 功能 的 情况 下 纯化 。 因而 粗糙 微粒 体 可 做 为 研究 由 ER 进 行 的 多 种 不 同 过 程 的 特别 有 用 的 制品 。 小 泡 在 局 部 解剖 学 上 以 与 粗糙 ER 相同 的 方式 封闭 ,使 其 胞 质 面 易 受 可 在 离 体 加 和 人 的 成 分 的 影响 , 对 生化 学 家 来 说 , 粗糙 微粒 体 代表 仍 具有 和 蛋白 质 合成 、 糖 基 化 及 障 合 成 能 力 的 内 质 网 的 一 个 小 型 可 靠 的 翻版 。 « 325° ——_ ame OS chee O A BK ) 租 料及 光 清 以 具 递增 蔗糖 浓度 梯度 的 离心 管 图 7-25 自 ER 中 纯化 粗糙 及 光滑 微粒 体 的 分 离 程序 示意 图 ER 粗糙 区 域 全 有 负责 结合 核糖 体 的 特异 蛋白 质 “ 因 ER 膜 与 所 有 的 膜 相 同 , 属 二 维 液 相 结构 , 若 无 特殊 的 约束 ,多 数 蛋白 质 及 脂 质 将 在 粗糙 及 光滑 区 域 之 间 自 由 均衡 。 然 而 : 当 比 较 分 离 的 肝 微 粒 体 时 ,可 发 现 某 些 成 分 具 存 在 于 粗糙 ER ,而 不 存在 于 光滑 ER 的 事实 , 说 明 必 有 某 些 特殊 约束 机 制 存在 。 特别 是 粗糙 ER 膜 上 大 概 含 有 非 均衡 分 布 的 特殊 蛋白 质 , 既 可 结合 核糖 体 , 又 使 粗糙 ER Ska 平 状 (图 7-20)。 粗糙 ER 上 的 核糖 体 部 分 地 由 延伸 的 肽 链 固 着 于 ER 膜 , 当 多 肽 链 在 合成 后 ,它们 穿越 ER 膜 ( 见 以 下 所 述 )。 然而 , 当 用 嗓 叭 霉 素 一 类 药物 终止 肽 链 合成 时 ,核糖 体 依然 牢 男 地 附着 于 粗糙 微粒 体 膜 。 若 将 微粒 体 悬 汉 于 高 浓度 盐 溶液 中 , 则 可 将 核糖 体 剥 离 o 高 浓度 盐 溶 液 的 作用 是 破坏 核糖 体 与 粗糙 微 粒 体 特殊 膜 蛋白 之 间 的 相互 作用 。 此 外 ，, 核糖 体 可 以 和 与 之 分 离 的 粗糙 微粒 体 膜 重 新 联结 。 核 糖 体 与 膜 上 有 限 的 部 位 以 高 亲和力 迅速 结合 ,使 RIC 的 膜 重 新 获得 当初 分 离 时 所 具有 的 核糖 体 数目 。 核糖 体 上 的 结合 部 位 位 于 大 亚 单位 ， 大 概 附着 于 粗糙 ER 膜 上 两 种 特异 的 糖 蛋白 上 。 这 两 种 蛋白 称 为 核糖 体 结合 蛋白 (ribophorins)， 横 跨 ER KR. 并 只 存在 于 ER 粗 糙 区 域 。 尚 不 请 楚 防 止 核糖 体 结合 蛋白 扩散 至 光滑 ER 膜 的 机 制 。 核糖 体 结合 蛋白 可 通过 在 脂 双 层 膜 形成 大 型 二 维 结晶 的 方式 而 被 分 隔 ， 或 借 双 层 膜 两 面 的 纤维 蛋白 系 挂 于 适当 的 位 置 上 ， 不 管 机 制 如 何 , 这 些 都 可 能 与 粗糙 ER 的 外 形 要 比 光滑 ER 扁平 有 关 。 膜 结 合 核糖 体 合 成 的 蛋白 质 在 翻译 过 程 中 穿越 膜 ” 许多 蛋白 质 在 某 一 时 期 必须 穿越 细胞 膜 所 设置 的 通 透 性 屏障 。 此 类 例子 极 多 ,其 中 最 明显 的 为 蛋白 质 从 细胞 分 淡出 来 (分 刻 蛋 白 )。 在 这 例子 中 , 核糖 体 结合 于 ER RAB 于 解决 使 水 溶性 蛋白 质 穿越 疲 水 性 膜 的 问题 : 蛋白 质 在 合成 过 程 中 , 尚未 折 县 形成 最 终 亲 水 性 构象 前 ,就 如 线 一 般 穿 过 ER 膜 。 一 旦 进入 粗糙 ERB. 预定 分 这 的 蛋白 质 即 通 过 高 尔 基 器 转运 ,然后 被 分 刻 到 细胞 外 。 所 以 ,分 刻 蛋 白 一 经 合成 ,就 永远 与 胞 液 隔离 。 s。 326。， 另 一 个 类 似 的 但 更 不 可 思议 的 问题 是 预定 要 横 跨 脂 双 层 的 膜 蛋白 提出 的 。 通常 ,这 类 多 肽 链 的 大 型 亲 水 性 部 分 以 末端 向 上 暴露 于 细胞 内 膜 的 腔 侧 面 ， 或 暴露 于 局 部 解剖 学 上 相当 于 质 膜 外 侧面 的 那 一 侧 (图 7-26)。 与 分 这 蛋白 不 同 , 膜 蛋白 一 般 仅 少量 合成 , 因 而 较 难 探索 其 合成 方式 。 然 而 ,有 一 种 膜 蛋白 , 即 具 被 膜 的 水 泡 性 口 炎 病毒 (VSV) WC 蛋白 ,可 由 细胞 大 量 合成 。 当 这 种 病毒 感染 细胞 时 ,只 有 一 种 膜 蛋 白 〈G 蛋白 ) 被 细胞 合 成 ,而 在 未 被 感染 的 细胞 中 则 合成 成 千 上 万 种 不 同 的 蛋白 质 。 所 以 在 经 病毒 感染 的 细胞 中 较 易 跟踪 G 蛋白 的 合成 过 程 。 与 分 泌 蛋白 相同 的 是 。G 蛋白 多 肽 链 的 大 部 分 在 合成 后 即 被 运送 穿越 ER 膜 。 但 与 分 泌 蛋 白 不 同 的 是 ，G 蛋白 并 不 被 释放 进入 ER 腔 , 而 由 多 肽 链 中 一 小 眉 站 水 性 片段 固定 在 脂 双 层 上 。 因 此 G 和 蛋白 保持 膜 结合 状态 ,而 穿越 ER 膜 的 500 个 氨基 酸 则 从 包 囊 最 终 形成 的 病毒 颗粒 的 脂 双 层 中 伸 出 ,形成 外 部 的 “ 穗 *。 翻译 产物 在 合成 过 程 中 横 穿 ER 膜 的 膜 结 合 核糖 体 被 说 成 是 参与 “定向 施放 ” (vectorial discharge)。 “定向 施放 ”这 一 术语 可 强调 这 一 过 程 的 两 个 重要 特征 。 首 先 , 核 糖 体 只 存在 于 ER 膜 的 胞 液 面 ， 所 以 多 肽 链 的 穿越 膜 的 运送 必然 具有 "方向 性 ”, 即 由 胞 KER (多 肽 以 氨基 端 为 首 ， 按 蛋白 质 合成 方向 穿越 膜 , 所 以 这 种 运送 亦 带 方向 性 )。 第 二 ,施放 ”一 词 强调 这 一 过 程 属 一 种 主动 需 能 过 程 。 延 伸 的 多 肽 穿越 膜 的 机 制 尚 不 清楚 ， 而 且 这 一 过 程 所 需 能 的 来 源 亦 属 未 知 。 但 目前 已 可 利用 无 细胞 系统 对 这 类 问题 进行 生化 研究 。 涉 及 定向 施放 的 可 能 是 一 种 未 知 的 转运 蛋白 。 就 象 一 种 需要 能 量 驱 动 的 多 肽 和 泵 那 样 。 支持 定向 施放 的 直接 证 据 来 自 细 菌 实验 定向 施放 的 概念 最 早 来 自 1965 年 进行 的 实验 , 实验 表明 , 用 嗓 叭 霉 素 使 微粒 体 释 放 的 多 种 新 合成 的 多 肽 是 被 隔离 在 微粒 体腔 内 的 。 直至 1977 年 又 进行 了 一 系列 令 人 非常 信服 的 实验 ,如 其 他 许多 得 出 重要 生物 学 发 现 的 实验 一 样 , 这 些 实验 也 无 例外 地 是 在 细菌 METH FHWA ER (Bacillus subulis) 之 类 的 革 兰 氏 阳 性 细菌 分 刻 大 量 酶 , 因 细菌 中 无 ER, 这 些 酶 由 结合 于 质 膜 的 核糖 体 合成 。 在 图 7-27 所 示 实 验 中 曾 发 现 , 若 将 蛋白 水 解 酶 加 和 已 被 除去 细胞 壁 的 完整 细菌 细胞 , 则 可 选择 性 水 解 这 些 分 这 性 多 肽 链 的 一 端 ,而 多 肽 链 的 另 一 端 , 即 正在 细胞 内 被 核糖 体 合成 的 一 端 , 则 不 被 水 解 ， 这 表明 生长 中 多 肽 链 的 一 端 必然 暴露 于 细胞 外 表面 。 此 外 ,几乎 新 合成 多 肽 的 所 有 部 分 都 可 被 蛋白 酶 攻击 ,只 剩 下 含 50 个 氨基 酸 残 基 的 未 被 消化 族 段 。 因 当 游 离 核糖 体 受 轻 度 蛋白 水 解 后 ,在 核糖 体内 可 HAV 30 个 氨基 酸 残 基 的 抗 性 片段 ,这 些 观 察 提示 了 在 定向 施放 过 程 的 任何 瞬间 每 一 多 肽 中 只 有 约 20 个 氨基 酸 残 基 留 于 膜 内 。 这 一 长 度 的 肽 链 仅 够 单程 横 跨 脂 双 层 。 虽 经 尝试 ,但 此 类 试验 在 真 核 类 粗糙 微粒 体 中 并 不 成 功 。 主 要 问题 是 ,在 真 核 类 中 有 关 局 部 解剖 结构 正好 相反 ,生长 中 的 多 肽 被 封闭 在 微粒 体内 ,而 目前 尚 无 使 外 加 蛋白 酶 只 在 微粒 体内 部 起 水 解 作用 的 方法 。 膜 结 合 核糖 体 来 自 被 特殊 信号 顺序 引 至 ER 膜 的 游离 核糖 体 ” 尽管 与 粗糙 ER 膜 结合 的 核糖 体 可 有 选择 地 合成 预定 进行 定向 施放 的 蛋白 质 , WH 无 证 据 表 明 这 些 核糖 体 本 身 与 游离 存在 于 细胞 质 中 的 有 何不 同 。 据 目 前 观点 , 膜 结合 糖 体 只 不 过 是 由 于 这 些 入 糖 体 正 在 翻译 多 肽 链 而 被 特异 地 引入 ER 膜 而 已 。 。 327。 有 关 核 糖 体 是 如 何 被 引 至 ER 膜 的 主要 发 现 来 自 对 抗 杀 (免疫 球 蛋白 ) 合成 的 详尽 研究 。 免 疫 球 蛋 白 的 轻 链 及 重 链 是 免疫 系统 浆 细胞 的 主要 分 变 产 物 (第 十 七 章 )o 当 替 免 BRE AAA mRNA 在 体外 被 游离 核糖 体 翻 译 时 ， 轻 链 被 合成 为 含有 通 币 不 存 在 于 分 泌 产物 中 的 20 个 额外 氨基 酸 残 基 的 前 体形 ere Do KK BI 5 | SAK ie F RE BARRE N ip eae 端 。 但 是 在 体外 用 附着 于 粗糙 微粒 体 的 核糖 体 合成 = 的 轻 链 则 没有 这 种 额外 的 氨基 端 肽 。 这 一 发 现 证 实 了 早先 的 有 关 肽 引导 序列 可 作为 将 核糖 体 引 向 ER 膜 粗糙 区 域 的 信号 之 设想 (图 7-28)。 因 此 , 某 些 可 识别 含有 信号 肽 的 蛋 白 质 的 受 体 必须 专 存在 于 ER 膜 的 粗糙 区 域 。 KK X_n EEX oe. ete tetate 内 质 网 的 XK OK OOO) EO OOS? oo 蛋白 酶 抗 性 片断 (长 度 为 50 个 氨基 酸 ) 图 7-26 四 种 不 同 蛋白 质 的 示意 图 。 着 重 描 图 7-27 细菌 中 定向 运输 略图 去除 细胞 壁 后 (形成 原 绘 每 种 蛋白 质 在 合成 过 程 中 已 通过 ER 脂 双 生 质 体 ) 使 细胞 短暂 摄取 放射 性 氨基 酸 以 标记 与 质 膜 层 的 部 分 。 图 示 三 种 不 同 膜 蛋白 及 一 种 分 谱 结合 的 核糖 体 合 成 的 多 肽 链 。 由 于 部 分 生长 中 多 肽 链 蛋白 ， 网 格 区 域 代 表 每 种 蛋白 质 中 已 跨 过 双 已 被 运送 穿越 膜 , 因 此 可 被 蛋白 酶 消化 。 此 图 未 按 比例 层 的 部 分 。 绘制 ， 实 际 上 核糖 体 直径 只 有 细菌 细胞 直径 的 四 十 分 之 一 。 这 一 观点 被 以 后 的 发 现 有 力 地 证 实 : 当 胰 及 的 主要 分 泌 蛋 白 在 体外 被 游离 核糖 体 合 成 时 , 被 翻译 为 在 体内 未 发 现 的 含有 类 似 氨 基 端 引导 顺序 的 多 肽 前 体 (前 分 这 蛋白 )。 此 后 ,对 原核 及 真 核 类 中 数 十 种 分 记性 及 膜 组 成 蛋白 的 前 体形 式 又 有 报道 。 .在 这 些 蛋白 质 前 体 中 ,尽管 实际 顺序 有 很 大 差别 ,但 氨基 端 信号 序列 均 含 有 大 量 朴 水 性 氨基 酸 残 基 。 目 前 已 知 这 些 信号 序列 实际 上 在 多 肽 合成 全 部 完成 以 前 。 就 被 只 存在 于 粗糙 微粒 体 上 的 特 殊 蛋 白 酶 于 粗糙 ER 的 腔 侧 面 切除 。 这 种 在 合成 后 被 切除 的 氨基 端 序列 从 未 在 胞 液 的 蛋白 质 中 发 现 过 。 胞 液 中 开始 合成 预定 运往 ER 的 蛋白 质 的 核糖 体 必须 被 引 向 粗糙 ER 以 进行 定向 施放 。 但 是 ER 膜 如 何 特异 地 识别 这 些 核糖 体 呢 ? 近来 有 证 据 表明 , 当 核 糖 体 合成 特有 的 信号 肽 后 , 胞 液 中 立即 就 有 一 种 多 亚 单位 蛋白 与 这 些 核糖 体 结合 。 这 种 被 称 为 信号 识 BIE (signal recognition protein) 的 蛋白 质 , 可 在 核糖 体 结合 于 粗糙 ER 膜 前 终止 蛋 白质 的 进一步 合成 。 据 猜 测 , 由 于 这 一 蛋白 质 可 同时 识别 新 合成 蛋白 质 的 氨基 端 及 粗糙 ER 膜 上 的 有 关 受 体 , 故 可 将 核糖 体 结合 于 ER, 当 定向 施放 过 程 开 始 后 ,核糖 体 上 的 蛋 白质 合成 即 得 恢复 。 尽 管 ER 膜 上 受 体 的 性 质 不 明 , 核糖 体 结合 蛋白 则 可 能 参与 稳定 核 糖 体 -ER 复合 体 。 。 328° 人 Pac GPs fo pmo Bo gd COON GANSSS Gc’ EPE ge ae ee | d 切除 信 was 如 图 7-28 信号 肽 假说 示意 图 。 为 简明 起 见 ? 图 中 只 示 单 个 核糖 体 ， 而 未 示 多 核糖 体 。 HUA AHWR BK SMH ER 结合 需 两 种 不 同 的 相互 作用 : 核糖 体 本 身 对 ER 上 特殊 膜 蛋 A 《可 能 为 核糖 体 结合 蛋白 ol, 326 页 ) 的 亲和力 "以 及 生长 中 多 肽 链 氨基 端 信号 肽 与 膜 受 体 间 的 相互 作用 。 然而 *“ 且 蛋白 质 穿越 膜 的 运送 开始 后 ,生长 中 多 肤 链 本 身 即 取代 第 二 种 作用 而 起 协助 固守 核糖 体 的 作用 。 遗传 学 证 据 支 持 信号 假说 > 企 原核 关中 进行 的 遗传 学 分 析 可 以 两 种 不 同方 式 来 验证 引导 序列 充当 蛋白 质 定向 施 放 信号 的 设想 。 《1) 已 分 离 出 许多 大 肠 杆 菌 膜 蛋白 突变 型 ， 在 这 些 突变 型 中 , 有 关 膜 蛋白 不 插 人 膜 中 ， 而 留 在 细胞 质 内 。 可 发 现 这些 突 变 多 数 改 变 了 蛋白 质 氨基 端的 引导 序列 。 《2) 在 特别 设计 的 大 肠 杆菌 菌株 中 ， 为 结合 膜 蛋白 多 肽 链 及 胞 液 蛋白 〈cytosolic_protein) 多 肽 链 编码 的 DNA 片段 被 融合 而 产生 新 的 杂种 蛋白 。 AY RE WKH RRS ELS i SHS He BP BACB) TF SET eb He FRY 9 FBR Se 部 分 是 进入 膜 所 必需 的 。 在 大 肠 杆 菌 中 利用 杂种 蛋白 进行 的 实验 揭示 了 有 关 信 号 序列 的 另 一 重要 事实 ， 尽管 把 生长 中 多 肽 引 向 膜 需要 这 些 序列 ， 但 有 时 单 靠 这 些 序列 本 身 却 难 以 完成 这 一 使 命 。 a 7 ORAL ASR SS SAE SR RE SEMEN | STL AURA A Bek IE FS ti Bu FS] Se HAT Be 5 BA SE OX IRE FA Pcs — MO IE = oe Ma. 正 是 这 种 结构 ,而 不 是 引导 序列 本 身 , 为 特有 的 膜 嵌 和 人 过 程 所 必需 。 某 些 蛋白 质 是 根据 翻译 后 输入 机 理 穿越 膜 而 不 是 以 定向 施放 方式 穿越 膜 : 有 些 蛋 白质 可 在 核糖 体 合成 很 久 后 再 穿越 某 类 膜 。 例如 , 线粒体 及 叶绿体 中 多 数 蛋 白质 由 核 基因 编码 (第 九 章 )。 这 些 蛋 白质 在 胞 液 中 合成 并 释放 ,然后 再 通过 需 能 过 程 ( 翻 译 后 输入 ) 穿 过 有 关 细 胞 器 膜 。 有 趣 的 是 多 数 按 此 方式 输入 的 蛋白 质 也 含有 在 穿越 线 粒 体 或 叶绿体 膜 后 即 被 切除 的 氨基 端 引导 序列 。 已 知 这 类 引导 序列 为 提供 经 识别 后 可 指引 © 329'。 蛋白 质 至 正确 位 置 的 信号 "所 必需 。 这 两 种 细胞 器 的 膜 必 然 都 含有 辨认 相应 的 氨基 端 信 号 的 特异 性 受 体 。 这 些 受 体 可 能 在 功能 上 与 一 种 由 能 驱动 的 泵 连接 ， 这 种 泵 可 驱使 被 识 HNNSAAF MR, 并 可 能 在 此 过 程 中 将 蛋白 质 分 子 暂时 伸展 (图 7-29)。 SS COOH 图 7-29 HeRDHEaRRTEA. SAVKAWNKESAERKANR AA RRB. Ame GETEARFER. GAREARUOMMRER MAHA CRE ARMERERARL 体 及 叶绿体 的 现象 某 些 膜 蛋白 可 按 翻 译 后 穿越 方式 进 人 或 部 分 穿越 ER 膜 。 这 类 膜 蛋白 可 能 包括 这 样 HEA: 它们 的 大 部 分 被 埋 于 脂 双 层 , 而 只 将 小 部 分 暴露 于 膜 的 非 细 胞 质 的 一 侧 。 不 难 想 像 ,这 类 牙 水 性 蛋白 为 何在 释 人 胞 液 后 ,或 甚至 在 合成 过 程 中 ， 仅 仅 溶 于 脂 双 层 。 将 蛋白 质 中 相对 较 小 的 亲 水 部 分 运送 穿越 脂 双 层 所 需 的 能 量 可 取 自 将 蕊 水 部 分 由 水 性 环境 移 至 蕊 水 脂 双 层 所 产生 的 自由 能 。 位 于 线粒体 外 膜 的 某 些 蛋 白质 似乎 在 胞 液 核 糖 体 合成 后 以 这 种 方式 进入 膜 内 。 即使 只 考虑 上 述 少数 几 例 ,已 可 清楚 地 认识 到 ,蛋白 质 中 必然 存在 着 多 种 不 同类 型 的 信号 序列 。 有 些 信号 将 蛋白 质 引 向 ER, 其 他 则 将 蛋白 质 引 向 线粒体 或 叶绿体 (植物 细胞 中 )。 有 关 的 识别 系统 必然 具有 高 度 选择 性 ,因为 看 来 重 白 质 是 可 相当 可 靠 地 被 引 至 细胞 内 正确 的 位 置 上 的 。 在 粗糙 ER 上 合成 的 大 多 数 蛋白 质 都 是 糖 基 化 的 ” 糖 基 化 作用 是 ER 主要 的 生物 合成 功能 之 一 。 值得 注意 的 是 分 刻 前 或 运送 到 细胞 内 其 余 目 的 地 前 (如 高 尔 基 器 、 溶 酶 体 或 质 膜 ) 停留 在 ER 腔 的 多 数 蛋 白质 都 属于 糖 蛋白 (图 7-30)。 相 反 。 胞 液 中 的 可 溶性 蛋白 质 则 都 未 被 糖 基 化 。 了 解 糖 基 化 过 程 的 一 个 重要 进展 是 发 现 了 只 有 一 种 低 聚 糖 (由 N- 乙 酰 葡 糖 胺 .甘露 糖 及 葡萄 糖 组 成 ) 在 ER 中 被 转移 至 蛋白 质 ， 并 且 这 一 低 聚 糖 总 是 与 蛋白 质 中 天 冬 酰胺 RY St LAO NH, 基 团 连接 (图 7-31)。 成 熟 糖 蛋 白 中 所 有 与 天 冬 酰 胺 连接 的 低 聚 糖 结 构 的 多 样 性 均 来 自 对 这 种 唯一 前 体 结构 的 大 幅度 修饰 ， 这 些 修 饰 作 用 多 发 生 于 通过 高 尔 基 器 的 运行 过 程 中 (项 342 页 )。 这 种 与 天 冬 酰 胺 连接 的 低 聚 糖 (N- 连 接 低 聚 糖 ) 是 目前 糖 蛋白 中 最 普遍 的 一 种 糖 基 。 除 此 之 外 , 还 常 可 发 现 低 聚 糖 与 丝氨酸 、 苏 氨 酸 或 羟 赖 氨 酸 残 基 侧 链 上 的 OH 基 团 相连 (O- 连 接 低 聚 糖 )。 目前 尚 不 清楚 这 种 糖 基 化 作用 是 在 ER 开始 的 或 是 只 在 高 尔 基 器 中 发 生 , 对 其 细节 也 了 解 得 不 多 。 细胞 内 发 生 糖 基 化 作用 的 位 置 可 利用 放射 自 显影 术 来 判断 。 例如 。 若 把 甲状 腺 切片 短暂 地 与 CH] 甘露 糖 温 育 ， 可 发 现 多 数 3H 摊 人 甲状 腺 细胞 所 合成 的 主要 糖 蛋 白 上 ， 即 与 甲状 腺 球 蛋白 相连 的 低 聚 糖 上 。 为 判断 这 一 反应 在 细胞 内 发 生 的 地 点 ,可 将 细胞 用 CH] 甘露 糖 短 暂 标记 ,然后 按 图 7-32 所 示 步 又 加 工 ， 用 于 电子 显微镜 观察 。 将 细胞 薄 “3350 切片 用 照相 乳剂 薄 层 覆盖 ,这 样 切 片 中 ;HH 衰变 的 部 位 可 由 覆盖 切片 的 感光 薄膜 上 的 银 粒 显 示 ( 图 7-33)。 当 在 电子 显微镜 下 观察 时 ， 可 判断 OH 相对 于 已 知 细胞 结构 的 位 置 。 此 类 实验 的 结果 极为 明显 : CH] 甘露 糖 只 斤 人 ER 中 (图 7-34)。 Be, 7-30 APREAHSRAW, RASTER RMR SANA MAMROE, 〈《A 3 免疫 球 蛋 白 ( 抗 体 ) 分 子 。(B) 膜 糖 蛋白 : 流感 病毒 血 凝 素 。 糖 蛋白 或 谈 和 细胞膜， 或 分 沁 于 细胞 外 ,在 重量 上 可 含有 少 至 1 9%9， 多 至 85 9 的 碳水 化 合 物 。 某 些 富 含 碳水 化 合 物 的 糖 蛋白 每 一 分 子 中 可 含 数 十 至 数 百 个 低 聚 糖 链 。《〈 照 片 由 Richard J. Feldmann 赠 ) ° 331。 了 一 ae 一 一 3 也 放射 标记 的 < 组 织 经 漂洗 、 Az. Bix yA Cro anaes FA wey’ 环 氧 桂 脂 Ly | 漂浮 于 水 面 的 切片 图 7-31 于 ER 膜 的 腔 侧 面 加 入 多 种 蛋白 质 并 图 7-32 将 薄 组 织 切片 加 工 以 使 用 电子 与 天 冬 酰 胺 连接 的 低 聚 糖 结构 图 。 着 色 糖 基 组 成 显 微 放射 自 显影 术 定 位 放射 性 的 示意 低 聚 糖 的 “核心 区 域 "。 在 许多 糖 蛋白 中 ， 只 有 位 图 。 包 埋 前 将 未 挨 人 产物 的 所 有 放射 性 于 核心 区 域 的 糖 基 才 可 逃避 在 高 尔 基 器 中 进行 的 通过 固定 及 漂洗 步骤 清除 ， 而 产物 本 身 对 低 聚 糖 的 大 幅度 修剪 作 用 〈 见 图 50)。 必须 留 在 组 织 内 ，* 这 些 都 是 十 分 重要 的 。 低 聚 糖 在 ER 的 腔 侧 面 加 在 合成 中 的 多 肽 儿 上 据 信 低 聚 糖 向 天 冬 酰胺 的 转移 实际 上 发 生 于 ER 膜 的 腔 侧面 。 催化 这 一 转移 过 程 的 酶 属 一 种 活性 部 位 又 露 于 腔 侧面 的 膜 结合 蛋白 。 这 一 事实 可 解释 为 何 从 未 接触 ER 腔 AIRE AARC dN 7-35 所 示 ， 低 聚 糖 预先 作为 一 个 整体 形式 ,然后 在 蛋白 质 上 的 靶 天 冬 酰胺 残 基 一 露出 ER 膜 腔 侧 面 后 , 就 立即 以 一 步 酶 促 反 应 的 形式 转移 到 这 一 残 基 上 。 这 种 转移 方式 提供 与 位 于 Asn-X-ser 或 Asn-X-Thr (X 为 任何 氨基 酸 ) 顺 序 中 的 肢 天 冬 酰胺 (Asn) 残 基 结 合 的 最 大 机 会 。 上 述 两 种 顺序 结合 在 糖 蛋 扎 中 出 更 的 机 。 332。 会 比 在 非 糖 基 化 的 细胞 质 蛋 白 中 出 现 的 机 会 要 少 得 多 。 显 然 在 糖 蛋白 进化 过 程 中 有 不 利 于 这 些 顺 序 出 现 的 选择 压力 。 许 多 部 位 上 发 生 的 糖 基 化 作用 无 疑 可 干扰 蛋白 质 分 子 的 折 Bo 7a ta de (OVE ACE FH 质 面 ， 将 给 定向 施放 机 制造 成 严重 困 难 ， 因 这 时 定向 施放 过 程 将 不 得 不 迁就 BE REA AIRFARE HE. MATA 统 可 使 低 聚 糖 及 多 肽 在 腔 侧面 相互 结合 前 就 以 不 同 的 机 制 分 别 转运 穿 越 膜 即 可 使 问题 简单 化 。 银 豆 胀 的 内 质 网 池 图 7-34 甲状 腺 球 蛋 白 在 温 育 于 ["HJ 甘露 糖 中 的 甲状 腺 细胞 内 合成 的 示意 图 。 利用 以 上 两 图 所 示 方 法 ,可 将 银 粒 定位 于 粗糙 ER ,表明 图 7-33 放射 自 显影 术 的 原理 。 图 中 银 粒 相对 于 电子 显 微 放 大 像 的 [HH] 甘 露 糖 在 该 处 掺 人 甲状 腺 球 蛋 白 。 然 而， 位 置 指明 CH) 甘露 糖 挫 人 糖 蛋白 的 位 置 。 因 ?H 衰变 而 放射 HA 本 法 的 分 辩 率 〈 约 140 nm ) .不 足以 将 产物 在 电子 可 在 略 偏离 放射 源 处 使 银 粒 显影 ， 故 对 放射 性 分 子 的 定位 与 电 ER 池 空 隙 定位 ,但 图 中 仍 标 出 产物 在 ER 池 子 显微镜 的 分 辩 率 相 比 不 够 准确 。 中 的 大 约 位 置 。 低 聚 糖 借 活 化 脂 质 供 给 多 肽 ,并 几乎 立即 被 修饰 ? 如 图 7-35 中 所 示 一 系列 反应 要 求 即 将 转移 至 天 冬 酰 胺 残 基 的 低 聚 糖 在 ER 腔 侧面 以 活化 "形式 存在 。 活 化 则 由 低 聚 糖 通过 高 能 键 与 供 体 分 子 相连 而 实现 。 本 世纪 70 年 代 初 发 现 活化 供 体 是 一 种 特殊 脂 质 分 子 长 蓝 醇 。 这 是 这 方面 研究 的 一 个 主要 进展 。 低 聚 糖 通过 焦 磷 酸 键 与 脂 质 供 体 相 连 。 您 聚 糖 在 这 种 与 膜 结合 的 脂 质 分 子 上 ， 以 糖 与 糖 连 接 的 方式 组 成 。 各 种 糖 先 在 胞 液 中 形成 核 苷 酸 - 糖 中 间 物 而 被 活化 。 然 后 这 些 中 间 物 依次 将 其 中 的 糖 (直接 或 间接 ) 供给 HC 7-36)。 长 英 醇 具 高 度 疏 水 性 分子 相 当 长 , EH 22 个 5 碳 单位 , 可 较 脂 双 层 的 BERKS SU bo ATR REM WRT, 与 其 相连 的 低 聚 糖 也 被 牢 牢 地 固定 在 将 发 生 糖 基 化 反应 的 ER 的 腔 侧 面 。 在 ER 中 和 蛋 曰 质 最 初 糖 基 化 作用 之 后 ,接着 就 是 最 终 大 幅度 重建 (remodeling) 低 ¢ 333° NH2 与 脂 质 相 连 的 {RAE BR 图 7-35 蛋白质 在 ER WIILERWREAR. -ASABHA ER 腔 ， 即 在 其 受 体 天 冬 酰胺 残 基 上 糖 基 化 。 如 在 图 7-31 中 所 示 的 低 聚 糖 作为 一 个 完整 单位 通过 与 膜 结 合 的 糖 基 转 移 酶 催化 的 反应 被 转移 至 天 冬 酰 胺 。 脂 质 LCP HP)-1GIeNAc] —[Man}—[Gle] 5 7-36 4“RpRROhApRAB a Me ER 膜 上 进行 与 脂 质 连 接 的 低 聚 糖 的 合成 。 图 中 旨 质 指 长 落 醇 ,与 脂 质 相连 的 焦 磷酸 键 可 活化 低 聚 糖 ,使 其 随后 转移 到 蛋白 质 。 聚 糖 过 程 的 第 一 步 。 三 个 葡萄 糖 残 基 从 多 数 ( 但 大 概 非 所 有 ) 糖 蛋白 的 低 聚 糖 中 除去 。 因 这 种 低 聚 糖 的 “修剪 或“ 加工” 过 程 还 将 在 高 尔 基 器 中 继续 ,我 们 将 留 在 后 面 章节 中 继续 讨论 。 amt ER 膜 上 合成 磷脂 及 胆固醇 是 组 建 所 有 脂 双 层 的 主要 构件 。 它 们 都 在 ER 膜 上 合成 。 实 际 上 , 除 虽 肪 酸 及 两 种 线粒体 磷脂 外 ( 见 下 节 )。 所 有 细胞 内 制造 的 脂 质 都 在 ER PLA Rte PALL. ER 的 主要 功能 之 一 就 是 生产 为 制造 新 细胞 膜 所 需 的 几乎 所 有 脂 质 及 和 蛋 白质。 。334。 Mt -@-@-5 Se) BY ch Be A -aao EAGLE Fa NMA TT 20 4 NG hf SCY eh II yey “hit Se ATED 6 ON es BY ga AY OS GS 26 a BB 20 a = HY pT 2g “TORN MS THM xd He pg /图 Ercy WH mA Ww = 5 对 | |2 = a B) |B B Bs O=9 6=5 O=9, "HO~HO—"HO (4) “HO—HO—*HO 四 | 由 Era ig i} [lz | a) 7HO—HO—*HD | 台 果 ae d = Hi i ‘ee Wea rar” BMH FSH 7 Rik aim ® 335 » 装配 脂 质 双 层 的 所 有 基本 原理 可 依据 磷脂 的 生物 合成 过 程 描述 。 在 ER 合成 的 主 要 磷脂 是 磷脂 酰 胆 碱 (又 称 卵 磷脂 ), 卵 磷脂 可 由 两 个 脂肪 酸 , 一 个 磷酸 甘油 及 一 个 胆 碱 通 过 三 步 合 成 (图 7-37)。 每 一 步 反 应 都 由 酶 催化 , 这 种 酶 溶 于 ER 脂 双 层 , 它 的 活性 部 位 朝向 胞 沪 。 第 一 步 , 酰基 转移 酶 将 胞 液 中 的 脂肪 酸 及 磷酸 甘油 浓缩 产生 磷脂 酸 。 这 是 一 种 非 水 咨 性 的 化 合 物 , 一 旦 合成 就 可 保留 在 脂 双 层 内 。 脂 双 层 中 的 磷脂 酸 可 作为 下 一 步 酶 反应 的 底 物 ,以 此 类 推 。 ”根据 膜 装配 的 观点 ,图 7-37 所 示 途 径 中 的 最 重要 一 环 是 发 生 于 第 一 步 反 应 的 新 合成 脂 质 插入 脂 双 层 。 随 后 各 步 修饰 脂 质 项 端 基 团 ,从 而 修饰 脂 双 层 的 化 学 性 质 , 但 并 不 导致 膜 的 增长 。 旨 质 的 生物 合成 是 非 对称 性 的 ” 脂 质 生 物 合成 与 脂 双 层 的 增长 之 间 的 实际 联系 最 先是 通过 细菌 实验 痔 明 的 。 因 为 绍 菌 没 有 细胞 内 膜 , 所 以 磷脂 可 以 在 质 膜 处 合成 。 并 且 发 现 新 合成 的 磷脂 分 子 最 初 只 存在 于 质 膜 脂 双 层 的 胞 质 面 ( 单 层 )。 这 一 发 现 展现 出 一 幅 脂 双 层 在 细菌 或 真 核 细 胞 中 如 何 增生 的 简明 图 。 因 磷脂 合成 中 的 几乎 每 一 步 反 应 均 利用 仅 在 胞 外 中 存在 的 代谢 物 ( 即 脂 酰 辅 酶 A、 磷 酸 甘油 、CDP- 胆 碱 )， 催 化 各 步 反 应 的 酶 的 活性 部 位 必然 也 朝向 胞 液 。 所 以 即使 最 初 将 早期 产物 "固定 ”于 双 层 体内 (发 生 于 图 7-37 第 一 步 反 应 ), 以 后 也 要 将 新 典 人 的 脂 质 进行 修饰 ， 以 形成 其 他 脂 质 , 所 有 这 一 切 都 发 生 在 脂 双 层 的 同一 边 。 这 种 机 制 可 以 把 任何 脂 双 层 变 为 单 层 。 因 为 新 脂 质 的 人 戏 和 ,也 就 是 使 膜 伸展 ,将 只 限 于 双 层 的 胞 波 面 。 很 明显 ,必然 存在 某 种 机 制 , 使 磷脂 能 迅速 跨越 ER 双 层 而 平衡 分 布 ， 以 便 对 面 单 层 与 胞 波 面 单 层 平行 伸展 。 在 人 工 合成 的 脂 双 层 中 , 脂 质 不 按 此 方式 MR”. 但 脂 质 确实 可 在 数 分 钟 内 跨越 ER 或 细菌 膜 而 达到 平衡 , 这 一 速度 几乎 为 单 靠 自发 的 “翻转 "所 能 达到 速度 的 100 000 fF. 磷脂 以 这 种 速度 从 一 个 单 层 癌 另 一 单 层 运动 的 现象 只 能 在 进行 脂 质 生 物 合成 的 膜 中 才能 观察 到 。 璧 如， 动物 细胞 质 膜 中 就 无 这 种 现象 。 所 以 ,在 ER 〈 及 细菌 质 膜 ) 中 必然 存在 一 种 引起 脂 质 运动 的 机 制 。 一 个 值得 重视 ， 但 尚 未 被 证 实 的 想法 是 , 脂 质 的 平衡 是 由 于 只 存在 于 这 类 膜 的 一 种 特异 转移 蛋 折 的 催化 (图 7- 38) 特异 蛋白 质 将 磷脂 从 ER 转移 到 线粒体 ” 线粒体 合成 磷脂 的 能 力 有 限 , 因而 在 利用 磷脂 方面 有 特殊 困难 。 就 多 数 膜 而 言 , 如 高 尔 基 器 膜 、 溶 酶 体 膜 及 质 膜 ， 可 同时 获得 小 该 泡 形 式 的 蛋白 质 及 脂 质 (由 ER 合成 )6 但 线粒体 膜 并 不 通过 接受 由 他 处 合成 的 膜 而 增长 。 蔡 代 的 方式 是 ， 在 线粒体 外 合成 的 脂 质 及 和 蛋白质， 在 以 ”可 溶性 ”而 不 是 以 膜 结合 形式 获得 后 ， 分 别 挨 人 线粒体 膜 。 尽 管 某 些 蛋 白质 可 由 线粒体 内 部 本 身 特 有 的 核糖 体 合成 ( 见 512 页 )， 多 数 线粒体 蛋白 质 是 通过 胞 臣 中 游离 核糖 体 与 合成 的 水 溶性 多 肽 前 体 的 输入 而 获得 的 。 同 样 ， 线 粒 体 中 两 种 带 负 电荷 的 脂 质 ,磷脂 酰 甘油 及 心 磷脂 ,也 是 在 线粒体 膜 上 合成 的 。 其 他 脂 质 , 如 磷脂 酰 胆 碱 、 磷 脂 酰 乙醇 胺 , 则 必须 从 ER (合成 处 ) 或 其 他 已 从 ER 获得 脂 质 的 甸 胞 膜 输 入 。 脂 质 分 子 是 如 何 转移 到 线粒体 膜 的 呢 ? = 330." a A i ls 全 ) a Bik mse a He) 了 ts ZA 图 7-38 、 脂 质 分子 从 _ER 双 层 的 一 层 (页 ) 图 7-39 ”运输 小 泡 介 导 的 由 ER 向 各 细胞 内 位 置 运 向 另 一 层 翻 转 的 示意 图 。 因 新 合成 的 脂 质 送 膜 结合 的 和 可 溶性 的 物质 的 示意 图 。 运输 泡 在 分 子 只 加 至 胞 质 页 ， 某 些 特殊 机 制 〈 可 能 .ER 过 湾 区 出 芽 , 并 与 高 尔 基 器 融合 C1)。 小 泡 自 高 涉及 与 膜 结合 的 转移 酶 ) 必然 将 部 分 脂 质 尔 基 器 再 次 出 芽 、 融 合 将 这 些 物 质 运 向 细胞 内 各 处 。 分 子 转移 至 腔 页 ， 使 膜 以 双 层 形式 增生 。 AAR eit 7 种 不 同 的 小 泡 运 输 途 径 。 途 径 2 及 7 分 至 少 在 多 数 双 层 中 两 页 各 含有 不 同 的 脂 质 别 向 质 膜 顶 膜 及 侧 底 噶 提供 不 同 的 成 套 蛋 白质 。 -此 混合 物 。 此 类 非 对 称 双 层 可 在 转移 酶 优先 外 * 由 ER 合成 ， 对 ER 功能 必需 的 物质 被 选择 性 识别 某 些 脂 质 时 生成 。 地 保留 在 原 处 。 这 一 难题 似乎 可 依靠 特殊 的 磷脂 转移 蛋白 ， 即 一 种 在 膜 间 转移 单个 磷脂 分 子 的 水 溶 性 蛋白 来 解决 。 每 一 转移 蛋白 只 识别 特殊 类 型 的 磷脂 ， 并 只 与 一 个 磷脂 分 子 结合 。 膜 双 层 体 间 的 转运 通过 下 列 方式 完成 : 蛋白 质 从 一 种 膜 中 “提取 ”一 个 磷脂 分 子 ， 将 此 脂 质 埋 人 结合 部 位 。 然 后 扩散 而 去 , 当 遇 到 具 适 宜 性 质 的 另 一 种 膜 时 ,转移 蛋白 就 将 结合 的 磷脂 送 入 新 的 脂 双 层 。 在 许多 离 体 情 况 下 ,转移 蛋白 在 所 有 膜 之 间 , 以 随机 方式 分 送 磷脂 。 即 使 是 随机 交换 过 程 ， 也 可 导致 磷脂 从 富 含 脂 质 的 膜 输 向 脂 质 贫乏 的 膜 。 这 是 因为 脂 质 分 于 倾向 于 优先 在 对 脂 质 具 高 度 亲 和 性 的 膜 中 沉积 ， 同 时 优先 从 对 脂 质 具 低 杀 和 性 的 膜 中 移 去 。 例 如 , 单 靠 这 一 过 程 , 磷脂 酰 胆 碱 及 磷脂 酰 乙 醇 胺 分 子 可 从 ER( 合 成 处 ) 转 向 线 粒 体 膜 。 转 移 蛋白 能 否 以 更 特异 性 的 方式 将 磷脂 运 至 目标 , 目前 尚 不 清楚 。 内 部 细胞 器 的 腔 侧 面 在 局 部 解剖 学 上 相当 于 细胞 的 外 部 由 ER 疝 其 他 部 位 运送 的 大 分 子 被 包 右 在 从 ER 过 渡 区 域 挤 出 的 小 运输 泡 内 (图 7-39)。 这 些小 泡 被 含有 ER 膜 脂 质 及 蛋白 质 的 脂 双 层 封闭 , 小 泡 内 则 含有 来 自 ER BAY 可 洲 性 蛋白 质 。 当 此 类 小 泡 与 特殊 的 靶 膜 (细胞 器 膜 或 质 膜 ) 融合 后 , 泡 膜 组 分 即 成 为 靶 膜 的 一 部 分 (图 7-40)， 同 时 泡 内 所 含 可 溶性 蛋白 则 被 运送 至 靶 的 细胞 器 腔 ( 当 划 为 质 膜 时 , 蛋白质 被 分 刻 到 细胞 外 )。 尽 管 生化 过 程 尚 不 清楚 ， 小 泡 出 荐 和 融合 的 反复 循环 看 来“ 在 从 一 种 细胞 器 向 另 一 种 细胞 器 运输 大 分 子 方面 起 重要 作用 。 参与 此 类 细胞 内 运输 的 小 。 337。 图 7-40 示 膜 的 面 性 在 运输 小 泡 介 导 的 图 7-41 具有 局 部 解剖 学 上 等 价 空间 ( 斜 线 部 分 ) 运输 过 程 中 被 保存 。 注 意 供 体 区 域 膜 蛋 的 细胞 的 示意 图 。 原 则 上 ”运输 小 泡 的 出 芽 和 融 Fy Be As (ee BR SR BS Hh TE EB 合 的 循环 允许 任何 一 种 腔 与 腔 之 间或 腔 与 细胞 外 被 保存 ,可 溶性 物质 则 在 腔 与 腔 之 间 运 送 。 部 进行 交流 。 泡 可 能 属于 前 所 描述 的 有 衣 小 泡 。 如 图 7-40 所 示 ， 小 泡 的 出 全 及 融合 过 程 必然 保持 膜 的 两 面 性 。 即 任何 ER 的 跨 膜 不 对 称 性 都 在 细胞 内 的 运输 并 转交 给 靶 膜 的 过 程 中 被 保存 下 来 ， 这 就 使 细胞 生物 学 家 简 化 了 有 关 各 种 细胞 器 间 相 互 关 系 的 观念 。 因 出 芽 及 融合 的 反复 循环 可 使 任何 一 种 细胞 器 腔 内 的 小 物质 运送 到 任何 其 他 细胞 器 腔 内 或 细胞 外 ,所 以 ,每 一 细胞 器 腔 在 局 部 解剖 学 上 相当 于 细胞 外 部 (图 7-41)。 这 一 重要 事实 也 有 助 于 了 解 在 细胞 内 发 生 的 各 种 内 吞 或 外 排 作用 。 通过 ER 持续 伸展 而 增长 的 膜 保证 了 跨 膜 不 对 称 的 扩展 ER 实在 可 算是 一 座 合成 膜 蛋 白 及 膜 脂 质 以 输 到 细胞 其 余部 分 的 制 膜 工 三。 在 这 座 工厂 中 糖 蛋白 生物 合成 的 局 部 位 置 为 糖 蛋白 在 膜 中 非 对 称 方向 性 的 起 源 提 供 了 直接 解 . 释 。 例 如 ， 碳 水 化 合 物 只 在 ER 的 腔 侧面 被 结合 人 蛋白 质 。 因 ER 腔 侧面 在 局 部 解剖 学 上 与 细胞 外 部 相当 ,又 因为 所 有 质 膜 糖 蛋白 都 在 .ER 发 生 糖 基 化 作用 ， 质 膜 碳水 化 合 物 应 只 出 现 于 质 膜 外 侧面 ， 事 实 也 正 是 如 此 。 在 质 膜 的 胞 质 面 则 不 应 发 现 碳水 化 合 物 。 膜 蛋白 多 肽 链 不 对 称 排列 的 原因 也 是 不 难 了 解 的 。 蛋 白质 永远 只 从 含有 合成 这 些 蛋 ARM KB KI EA ER 膜 。 因 了 膜 蛋白 一 经 插入 即 不 能 反 向 跨越 双 层 , 某 种 多 肽 的 338 。 每 一 分 子 必然 与 这 种 多 肽 的 其 余 各 分 子 具 有 同样 的 不 对 称 方 癌 性 。 利用 局 部 解剖 学 的 等 价 原则 关 能 说 明 任何 一 种 膜 土 的 蛋白 质 的 方向 性 与 别 种 膜 上 的 蛋白 质 的 方向 性 有 关 。 例 如 ， 任 何 通过 前 所 述 及 的 定向 施放 机 制 插 人 ER 的 跨 膜 蛋白 (图 7-28) 将 在 腔 侧 面具 氮 基 端 , RM RR ETA 7-42 所 示 局 部 解剖 学 的 原因 ， 这 种 蛋白 质 通过 细胞 内 运输 抵达 质 膜 后 ,将 使 其 氨基 端 朝 外 , 羧基 端 朝 内 。 事 实 上 ，, KE 是 最 常见 的 跨 膜 蛋白 的 定向 方式 。 图 7-42 示 跨 膜 蛋白 对 ER 膜 的 插入 具 方 向 性 ,如 何在 这 种 蛋白 质 被 运输 到 其 他 膜 时 仍 被 保留 。 当 组 成 膜 的 新 大 分 子 一 个 接 一 个 地 结合 人 原 有 的 非 对 称 ER 膜 时 ,由 于 迅速 向 两 侧 扩散 ,这 些 分 子 很 快 变 得 与 原 有 组 分 无 法 区 别 。 这 样 ,通过 封闭 泡 内 唯一 接受 面 ( 胞 液 面 ) 的 不 断 扩 展 而 增生 的 _ER 膜 , 产 生 了 可 扩展 到 整个 细胞 的 膜 的 不 对 称 性 。 小 结 ER 可 作为 生产 多 数 细胞 器 中 蛋白 质 及 脂 质 组 分 的 工厂 。ER 广阔 的 膜 中 含有 许多 生物 合成 酶 ,包括 与 几乎 所 有 细胞 脂 质 含 成 有 关 , 以 及 与 将 一 种 特异 的 和 天 冬 酰 胺 相连 的 低 聚 糖 加 到 多 数 ER 蛋白 有 关 的 酶 。 将 要 分 泌 或 输送 到 其 他 数 种 细胞 器 的 新 合成 的 蛋 自 质 必 须 先 运送 至 ER。 对 需 运 送 蛋 白质 的 选择 过 程 通常 由 生长 中 多 肽 链 氨 基 端 存在 的 信和 号 序列 -所 指导 。 合 成 载 有 这 种 信号 序列 的 多 肽 的 胞 液 核糖 体 将 与 ER 膜 上 的 受 体 蛋白 质 结合 。 然 后 ,全 部 或 部 分 多 肽 被 活跃 地 运送 穿越 ER RUA ER 腔 。 最 后 预定 在 ER 腑 内 发 挥 作 用 的 蛋 和 白质、 分泌 蛋 白 及 将 转运 到 其 他 细胞 器 腑 内 的 蛋白 质 完 全 进入 ER 腔 。 许 多 蛋白 质 并 不 释 放 进 入 ER 腔 , 而 将 部 分 多 肽 链 留 于 ER 膜 的 胞 液 面 。 据 认 为 跨 膜 蛋白 中 有 一 些 继续 留 在 ER 膜 , 其 余 的 则 被 选择 输出 ， 用 于 建造 高 尔 基 器 、 深 酶 体 ,. 过 氧 物 酶 体 、 质 膜 及 内 层 核 膜 。ER 中 蛋白 质 揪 入 及 糖 基 化 过 程 的 不 对 称 性 怕 成 了 ER 膜 蛋 白 及 细胞 器 膜 蛋 白 的 极 性 。 °° 339 ° 高 尔 基 器 # 高 尔 基 器 是 由 一 群 连 着 小 泡 的 盘 状 池 组 成 的 高 尔 基 器 通常 位 于 近 细 胞 核 区 域 ， 在 动物 细胞 中 高 尔 基 器 常 分 布 在 代表 细胞 中 心 的 一 对 中 心 粒 附 近 。 正 常情 况 下 高 尔 基 器 由 许多 组 有 膜 包 围 、 具 光滑 表面 的 小 池 组 成 。 每 组 扁平 盘 状 小 池 形 成 直径 约 1w&m、 类 似 一 仅 盘 子 的 结构 ,叫做 高 尔 基 志 ,又 叫 高 尔 基体 网 (dictyosome) (图 7-43 R 7-44). BBW RRERABGA 6 个 小 池 , 虽然 在 低 等 真 核 生物 中 此 数字 可 高 达 30 以 上 。 每 一 细胞 内 高 尔 基 抬 的 数目 变化 相当 大 , 依 细胞 类 型 ,可 少 至 一 个 , 多 至 数 百 个 。 在 某 些 特 化 细胞 中 ， 高 尔 基 器 甚至 可 占 细胞 体积 的 相当 大 的 一 部 分 。 可 举 小 肠 上 皮 上 辐 胜 腔 分 记 粘 波 的 杯 状 细胞 为 例 , 粘 澈 中 糖 蛋白 的 糖 基 化 作用 主要 在 高 尔 基 器 中 进行 。 有 膜 包 围 的 大 群 小 泡 (直径 约 50nm) 常 与 高 尔 基 霹 相连 。 这 些小 泡 簇 聚 在 高 尔 基 器 与 ER 相 邻 面 以 及 每 一 小 池 巾 胀 端 部 附近 的 高 尔 基 始 周围 《图 7 一 44)。 某 些 高 尔 基 泡 ” 中 被 一 种 多 面体 网 格 Be” (图 7-45)。 可 和 营 见 此 类 被 包 右 的 小 泡 从 高 尔 基 池 中 出 芽 。 许 多 合成 大 量 分 泌 物 的 特 化 细胞 ， 除 含 上 图 7- 和 ”植物 细胞 ( 衣 蔬 Chazzydozzo- 图 7-44 根据 电子 显 微 照 片 绘制 的 动物 细胞 高 尔 205) 的 高 尔 基 器 横断 面 电 子 显 微 照 片 。 基 器 三 维 结构 图 。 ERR )HRARA BK 通常 在 植物 细胞 中 高 尔 基 器 比 在 动物 端 部 ， 小 泡 似 从 此 处 HEF CERAM OR. OV. Krs- 细胞 中 清楚 , 并 与 其 他 细胞 内 膜 明 显 分 tiC，Ultrastructure of the Mammalian Cell. BH. (George palade 赠 ) New York: Springer-Verlag, 1979) 述 小 型 高 尔 基 泡 外 ,还 含有 一 种 称 为 分 泌 颗粒 或 疲 泡 的 大 型 分 刻 泡 (AAA! 000mm) (A 7-46)。 这 些 较 一 般 大 得 多 的 泡 位 于 高 尔 基 器 的 最 靠近 质 膜 面 ， 其 中 含有 浓缩 的 细胞 分 Wo PROTA + 340° B7-4 自 牛 脑 中 分 离 纯 化 了 的 有 衣 运 输 小 泡 制备 物 的 电子 显 微 照 片 。 据 信 这 种 小 泡 在 各 种 细 胞 中 往返 穿梭 于 高 尔 基 池 。( 引 自 S. R. Pfeffer 7 and R. B. Kelly, J. cell Biol. 91: 385—395, | B7-46 纯化 的 大 型 分 这 泡 制 备 物 的 电子 显 微 照 片 。 这 类 泡 1981) 只 在 特异 性 分 沁 的 细胞 中 发 现 。(Daniel S. Friend 赠 ) 高 尔 基 器 在 结构 及 生物 化 学 上 均 有 极 性 > 高 尔 基 器 具有 两 个 不 同 的 面 : 正面 或 形成 面 ,以 及 反面 或 成 熟 面 。 正 面 紧 靠 粗 糙 ER 的 光滑 过 渡 区 域 ( 见 323 页 )。 在 分 这 细胞 中 反面 是 与 质 膜 最 接近 的 一 面 ， 在 该 处 可 发 现 大 型 分 刻 泡 只 与 高 尔 基 操 反面 联系 ,正在 形成 中 的 分 泌 泡 的 膜 往往 是 与 最 后 一 个 (最 靠 反 侧 ) 高 尔 基 池 的 反面 连续 的 。 相 反 , 小 型 高 尔 基 泡 则 较 均 匀 地 沿 志 分 布 。 一 般 认 为 蛋 昌 质 经 正面 目 ER 进入 高 尔 基 夫 , 再 从 反面 离开 ,转运 至 多 种 目的 地 。 然 而 ,目前 尚 不 请 楚 蛋 白质 穿越 高 尔 基 器 的 确实 途径 ， 也 不 了 解 蛋 白质 如 何在 高 尔 基 志 中 从 一 个 小 池 向 另 一 个 HEE {To | PRES ATMEL MKS LEARN. WM, ANADWHERERHRERA 侧 变化 。 靠 正面 的 膜 较 薄 (类 似 ER 型 )， 靠 反面 的 膜 则 较 厚 〈 类 似 质 膜 型 )。 当 与 电子 显微镜 检 结 合 ,使 用 组 织 化 学 法 在 高 尔 基 器 中 定位 某 种 蛋白 质 时 , 曾 获得 更 引 人 注 意 的 结 Fo 某 些 此 类 试验 表明 在 高 尔 基 抬 内 的 膜 结合 酶 活性 (图 7-47) 的 分 布 有 着 明显 的 极 性 。 一 个 特别 引信 人 和 人 胜 的 生物 化 学 发 现 是 溶 酶 体 酶 ,如 酸性 磷酸 酯 酶 ,在 高 尔 基 吉 最 靠 反 侧 的 池 及 其 附近 一 些 被 包 庄 的 泡 中 浓缩 ,这 表明 投向 溶 酶 体 的 特殊 小 泡 在 此 区 域 装配 。 尽管 浓缩 分 认 产 物 的 大 型 分 刻 泡 只 与 最 靠 反 侧 的 高 尔 基 池 相 联系 ， 但 是 利用 组 织 化 学 方法 可 发 现 所 有 成 操 的 小 池 中 都 含有 分 泌 蛋 白 。 在 生物 化 学 方面 对 高 尔 基 器 尚 不 了 解 高 尔 基 器 也 许 是 细胞 中 大 分 子 运 输 的 主要 调度 机 构 。 许 多 种 痰 分 子 在 成 熟 过 程 的 某 AGERE ER 中 合成 后 不 久 ) 需 经 过 高 尔 基 结构 的 某 部 分 。 这 些 分 子 包括 分 泌 蛋 白 、 9 品种 也 MEARE ARE CL 678 页 ), 还 包括 糖 脂 、 质 膜 糖 蛋白 \ 溶 酶 体 蛋 白 , 以 及 植物 中 的 细胞 壁 物 质 。 很 清楚 , 当 大 分 子 通过 时 ,高 尔 基 器 还 对 这 些 分 子 进行 共 价 修饰 。 这 些 修饰 作用 AC ER 中 附着 于 蛋白 质 上 的 天 冬 酰 胺 连接 的 低 聚 糖 ; 特异 性 蛋白 水 解 ; 或 对 蛋白 质 中 经 选择 的 丝氨酸 和 苏 氨 酸 糖 基 化 ; 硫酸 盐 化 ， 以 及 加 脂肪 酸 。 修饰 作用 包括 的 生物 化 学 步骤 有 些 已 经 知道 ， 有 些 酶 甚至 已 被 纯化 。 然 而 ， 生 化 事件 ， 分 子 运 输 方式 《大 分 子 通过 此 方式 被 拣选 送 往 不 同 细胞 区 室 )， 以 及 高 尔 基 器 特有 的 极 性 形态 之 间 的 确 切 关 系 , 至 今 仍 是 一 个 正 疝 当 代 生 物化 学 家 挑战 的 谜 。 7-47 SERA AE Be tb REDE EAR IES SLA A ACE DCAD 未 经 染色 ;(B7 铁 优先 在 靠近 正 侧 的 小 池 被 还 原 ;(C ) 硫 胺 素 焦 磷酸 酶 的 定位 ; (D) 酸 性 磷酸 酯 酶 定位 在 最 靠 反 侧 的 小 地。 染色 方 法 请 见 图 7-57。(Daniel S. Friend 赠 ) RAKE VANES TESS RH” 虽说 不 同 的 蛋白 质 可 被 极 不 相同 地 糖 基 化 ， 一 种 多 肽 链 中 的 每 一 条 在 成 熟 过 程 中 的 各 个 阶段 通常 都 含有 相同 的 低 聚 糖 。 事 实 上 ， 某 种 新 合成 蛋白 质 的 精确 糖 基 化 模式 可 利 用 来 跟踪 蛋白 质 通过 细胞 区 室 的 途径 。 如 333 页 所 述 , 糖 基 化 作用 的 第 一 步 发生 于 ER, 此 时 主要 只 有 一 种 低 聚 糖 与 蛋白 质 结合 。 多 数 附 着 于 各 种 成 熟 蛋白 质 的 低 聚 糖 在 结构 上 的 差异 ,是 由 于 在 穿越 高 尔 基 器 以 后 的 修饰 作用 所 造成 的 。 在 成 熟 糖 蛋白 上 可 发 现 两 大 类 与 天 冬 酰胺 相连 的 低 聚 糖 : 复合 低 聚 糖 及 高 甘露 糖 低 FEE (A 7-48)。 有 时 上 述 两 类 低 聚 糖 可 (在 不 同 部 位 ) 附 着 于 同一 多 肽 链 。 高 甘露 糖 低 聚 糖 只 含 甘 露 糖 及 N- 乙 酰 葡 糖 胺 。 复 合 低 聚 糖 则 除 此 之 外 ,还 含有 数量 不 定 的 半 乳 糖 及 唾 冬 酸 残 基 , 还 可 能 含有 岩 藻 糖 。 特 别 使 人 感 兴趣 的 是 唾液 酸 , 因 这 是 在 糖 蛋 白 中 唯一 有 负 电荷 的 糖 残 基 。 区 分 复合 低 聚 糖 的 “ 核心" 及 “末端 "区 有 一 定 意义 ,因为 这 两 个 区 域 分 别 由 在 ER 及 。342 。 高 尔 基 器 中 加 入 的 糖 基 组 成 。 内 部 的 核心 区 与 天 冬 酰胺 相连 ,含有 2 个 N- 乙 酰 葡 糖 胺 及 3 个 甘露 糖 残 基 。 虽 说 低 聚 糖 在 数量 上 比 原 在 ER 中 加 进 的 少 , 所 有 核心 区 域 的 糖 都 是 以 原来 与 脂 质 相 连 的 低 聚 糖 形式 加 上 去 的 。 复 合 低 聚 糖 末端 区 由 数目 不 定 的 、 与 核心 区 甘 露 糖 相连 的 N- 乙 酰 葡 糖 胺 - 半 乳 糖 - 吐 液 酸 三 糖 单位 组 成 。 末 端 区 经 常 被 截 短 , 只 含 双 糖 CN- 乙 酰 葡 糖 胺 - 半 乳 糖 ), 或 甚至 只 含 N- 乙 酰 葡 糖 胺 。 除 此 之 外 ， 岩 藻 糖 残 基 通常 可 加 人 或 不 加 入 至 连接 天 冬 酰 胺 的 核心 区 N- 乙 酰 葡 糖 胺 残 基 上 。 所 有 上 述 糖 基 都 不 是 以 与 脂 质 相 连 的 低 聚 糖 形式 在 ER 加 上 的 ,而 全 部 都 在 高 尔 基 器 中 加 入 。 相反 ;成熟 低 聚 糖 中 高 甘露 糖 只 含 2 个 N- 乙 酰 葡 糖 胺 及 较 多 的 、 其 数目 与 原先 和 脂 质 相连 的 低 聚 糖 前 体 相近 的 甘露 糖 残 基 。 成 熟 高 甘露 糖 低 聚 糖 中 的 所 有 糖 残 基 都 是 在 ER 中 作为 与 脂 质 相连 的 前 体 的 一 部 分 加 入 的 。 在 高 甘露 糖 低 聚 糖 以 及 复合 低 聚 糖 中 失 去 的 甘露 糖 残 基 , 都 被 高 尔 基 器 中 的 特异 性 甘露 糖苷 酶 切除 。 显然 ， 使 糖 蛋白 变 为 最 终 形 式 的 修饰 作用 需要 一 系列 特殊 的 甘露 糖 音 酶 及 糖 基 转 移 酶 。 若 将 肝 或 肾 组 织 的 匀 浆 差 速 离心 ， 则 可 将 高 尔 基 膜 以 不 寻 稼 的 低 密 度 泡 状 物 形 式 分 离 , 这 些 经 分 离 的 高 尔 基 膜 中 含有 上 述 酶 。 事 实 上 , 通常 用 来 判断 高 尔 基 器 衍生 泡 状 物 的 标记 ,就 是 半 乳 糖 基 转 移 酶 的 存在 。 三 类 糖 基 转移 酶 按 严格 预定 次 序 落 加 未 端 3 个 糖 基 ( 依 N- 乙 酰 葡 糖 胺 - 半 乳 糖 -唾液 Bi) THERA SKA CA 7-49). 所 有 上 述 反应 都 在 高 尔 基 器 腔 侧面 进行 。 至 于 作为 糖 基 转 移 酶 底 物 的 糖 核 苷 酸 如 何 抵达 高 尔 基 器 腔 侧面 , 则 尚 不 清楚 。 这 一 多 糖 基 转 移 酶 系统 阐明 了 低 缘 糖 合成 的 最 普遍 原则 : 无 论 在 何 处 合成 的 低 聚 糖 , 其 中 的 糖 都 是 按 特 定 的 顺序 连接 起 来 的 ， 这 是 因为 在 这 一 系列 反应 中 ,每 一 步 糖 基 化 的 产物 是 被 一 下 个 酶 看 作 唯 一 的 底 物 来 识别 的 。 相 反 , 其 余 主 要 大 分 子 UDNA、RNA 及 蛋白 质 ) 的 顺序 则 需 币 用 同样 的 酶 (一 种 或 数 种 ) ,反复 采 用 一 套 重 复 步 又, 从 模板 上 拷贝 下 来 。 在 合成 复杂 碳水 化 合 物 时 ,每 一 步 需 要 一 种 不 同 的 酶 以 提供 适当 程度 的 特异 性 ,并 催 化 具有 复杂 顺序 的 小 型 低 训 糖 ， 形 成 多 种 不 同 的 共 价 连接 。 尽 管 在 合成 简单 重复 的 糖 顺 序 时 , 大 型 多 到 体 也 遵循 同样 的 总 的 方式 , 但 此 时 却 只 需 少 数 几 种 特异 性 的 酶 (如 糖 原 或 植物 细胞 壁 多 糖 合成 时 )e 低 聚 糖 修饰 途径 是 精确 程序 化 的 ” 水 疱 性 口 炎 病毒 的 成 熟 糖 蛋白 (G 蛋白 多 327 页 ) 含 有 在 核心 区 具有 3 个 甘露 糖 残 基 的 复合 低 聚 糖 [图 7-48(A )]。 所 以 , 原 有 9 个 甘露 糖 残 基 中 的 6 个 已 在 高 尔 基 器 中 切 去 。 然而 , 当 病 毒 感染 某 些 在 高 尔 基 器 中 不 能 将 第 一 个 N- 乙 酰 葡 糖 胺 加 至 核心 "区 的 酶 的 突 变 细 胞 时 (图 7-50， 第 3 步 )，G 蛋白 上 的 低 聚 糖 则 含有 5 个 而 不 是 3 个 甘露 糖 残 基 的 核 Io 这 表明 切除 最 后 2 个 甘露 糖 残 基 是 依据 预先 向 核心 加 第 一 个 N- 乙 酰 葡 糖 胺 而 定 的 。 随后 进行 的 生物 化 学 研究 表明 低 聚 糖 的 加 工 依 图 7-50 中 所 示 高 度 有 序 的 连续 途径 进行 。 只 有 当 一 个 N- 乙 酰 葡 糖 胺 先 被 转移 至 图 ia waa 0a AR Hees 酶 才 切 除 额 外 两 个 甘露 糖 。 这 些 重 要 发 现 提出 了 低 聚 糖 的 修饰 途径 遵循 合成 特异 顺序 糖 类 时 所 用 的 总 原则 ， 同 时 表明 这 一 途径 能 多 么 精确 。 在 被 严密 程序 化 的 一 系列 切割 中 ， 某 一 步 反 应 的 产物 只 能 作为 这 一 体系 中 下 一 个 酶 的 唯一 底 物 (图 7-50)。 “sa 核心 区 末端 区 图 7-48 与 天 冬 酰 胺 连接 的 两 类 主要 低 育 灶 : “复合 > 低 聚 猪 (A) 及 “高 甘露 糖 ? 低 聚 糖 (B)。 图 中 BiG: KAMRAN; 甘露 糖 ;Man; N- 乙 酰 葡 糖 胺 ，GlcNAc; N- 乙 酰 神经 氨 酸 (唾液 Ba) ,NANA;9\48 Gal; 氨基 酸 ，aa。 正确 修饰 程序 是 由 低 聚 糖 加 工 初期 的 不 可 逆 “ 开 关 ” 确 定 的 对 各 种 成 熟 的 低 聚 糖 结构 多 样 性 进行 检查 时 发 现 : 虽然 所 有 结构 的 改变 都 是 由 于 脂 连接 低 聚 糖 的 最 初 前 体 的 改变 ， 但 获得 这 些 不 同 结构 所 需 的 修饰 途径 却 常常 是 独一无二 的 。 没 有 一 种 修饰 途径 能 产生 所 有 的 已 知 结构 。 究 更 开关 怎样 才能 确定 糖 蛋白 沿 哪 一 条 加 工程 序 进行 呢 ? 这 种 决定 性 的 信息 必然 包含 在 与 低 聚 糖 相连 的 多 肽 中 。 因 为 不 同 的 蛋 白质 都 从 同样 的 低 聚 糖 开 始 , 而 都 以 不 同 的 低 聚 糖 结尾 。 目 前 这 种 修饰 酶 已 纯化 ;正在 加 紧 研 究 ， 相 信 很 快 就 可 搞 请 这 一 决定 加 工 过 程 的 细节 。 高 尔 基 器 中 碳水 化 合 物 的 修饰 作用 可 通过 放射 自 显影 法 检 出 ” 将 细胞 与 CH] 甘露 糖 短暂 温 育 后 ,进行 电子 显 微 放 射 目 显影 检测 ， 可 证 明 ER 是 这 种 糖 挫 人 糖 蛋白 的 唯一 场所 ( 见 333 页 )。 类 似 的 实验 利用 其 他 糖 类 也 已 进行 过 了 。 例 如 ， 50H] N- 乙 酰 葡 糖 胺 短暂 温 育 后 导致 ER 及 高 尔 基 器 的 同时 标记 。 因 N- 乙 酰 葡 糖 胺 婚 存在 于 复合 低 聚 糖 " 核心 "区 ,又 存在 于 末端 "区 , 这 种 标记 的 结果 是 可 以 想像 得 到 的 (图 7-48)。 但 与 [PH] 半 乳 糖 及 [HI] 唾液 酸 温 育 后 ,开始 只 能 在 覆盖 高 尔 基 器 的 区 域 发 现 感 光 银 粒 。 事 实 上 ， 这 一 实验 结果 第 一 次 最 有 力 地 证 明 这 些 糖 基 只 在 高 尔 基 器 中 被 结合 人 低 聚 糖 。 当 细 胞 与 [5H] 甘 露 糖 短暂 温 育 (脉冲 ) 后 ， 将 细胞 继续 在 无 放射 性 培养 小 中 培养 一 段 时 间 ( 追 踪 ), 可 观察 到 OH 标记 的 糖 蛋白 自 ER 迅速 移动 到 高 尔 基 区 域 ,然后 再 转移 到 其 他 目的 地 ,包括 质 膜 各 部 分 , 深 酶 体 及 细胞 外 部 ,表明 由 高 尔 基 器 调度 的 分 子 运输 的 复杂 性 。 43446 a ae ae es — “运送 所 需 时 间 。 如 系 新 合成 蛋白 质 约 需 10 分 钟 自 ER 运 至 高 尔 基 器 ,再 需 30 至 60 分 钟 通过 高 尔 基 器 ,输送 到 最 终 目 的 地 。 预定 分 泌 的 蛋白 质 包 装 在 与 高 尔 基 器 相连 的 分 泌 小 泡 中 ,随后 与 质 膜 融合 ” 所 有 细胞 都 具有 高 尔 基 器 。 这 种 重要 的 细胞 器 为 多 种 蛋白 质 的 后 期 合成 步骤 所 需 ， 通过 这 些 后 期 步骤 ，ER 中 最 初生 成 的 多 肽 链 经 共 价 修饰 而 Ro 我 们 将 看 到 ， 高 尔 基 器 也 为 分 离 过 程 所 需要 ， 由 于 分 离 才 可 能 使 随后 发 生 的 这 些 蛋白 质 转运 到 细胞 的 特定 位 置 上 。 除 上 述 作 用 外 ,高 度 特异 的 分 刻 细 胞 利用 高 尔 基 器 ,在 与 高 尔 基 器 连接 的 分 变 小 泡 中 将 某 种 或 数 种 产物 浓缩 并 大 量 贮存 。 无 论 何 时 细胞 受 特 殊 信号 刺激 后 ， 这 些小 泡 将 GlcNAc [UDP } Gal [CMP] NANA [CMP] 高 尔 基 膜 、 图 .7-49 在 高 尔 基 器 中 按 步 加 入 糖 基 以 形成 复合 低 聚 糖 的 示意 图 。 三 种 不 同 糖 基 转 移 ', 酶 利用 与 核 音 酸 连 接 而 活化 的 糖 基 作 为 底 物 依次 进行 作用 。 尚 不 清楚 糖 核 苷 酸 如 何 从 胞 疲 运 送 至 高 尔 基 器 的 腔 侧面 。 缩写 式 请 见 图 7-48。 泡 内 所 贮 物质 迅速 排 至 细胞 外 。 尽 管 许多 细胞 并 不 具有 这 类 分 认 小 泡 ， 但 通过 对 特异 分 记 细 胞 的 研究 ,对 高 尔 基 器 的 功能 有 了 一 般 性 的 了 解 。 有 关 分 谈 过 程 的 知识 大 多 来 自 对 胰腺 泡 细胞 的 放射 自 显 影 研 究 。 这 种 外 分 泌 细胞 被 专门 用 来 分 刻 各 种 消化 酶 及 酶 原 ( 无 活性 的 酶 ， 随 后 经 特殊 的 蛋白 水 解 切割 激活 )。 分 认 的 蛋白 质 包括 胰 蛋 白 酶 原 、 麻 蛋白 酶 原 、 淀 粉 酶 、 脂 肪 酶 、 脱 氧 核糖 核酸 酶 及 核糖 核酸 酶 。 细胞 内 加 工 及 包装 这 些 蛋白 质 的 途径 提供 了 一 个 模型 ， 可 用 来 了 解 分 刻 及 有 关 过 程 在 生 物 学 上 的 来 龙 去 脉 因 胰 腺 泡 细胞 合成 的 大 部 分 蛋白 质 预 定 是 要 分 刻 的 ， 因 此 就 有 可 能 用 放射 自 显 影 术 结合 电子 显微镜 检 术 术 追 踪 分 废 蛋白 从 合成 至 施放 的 途径 (事实 上 , 正 是 为 进行 此 类 古 究 才 发 展 了 这 种 将 两 者 结合 的 技术 )o 经 : 互 氨基 酸 脉 冲 标记 后 ,在 无 放射 性 的 培养 疲 中 通过 不 同时 间 的 追踪 , 发 现 新 合成 的 具 放射 性 的 蛋白 质 自 粗 糙 ER 通过 ER 光 消 过 渡 区 进入 高 尔 基 器 (图 7-51)。 这 段 细胞 内 转运 途径 是 需要 能 量 的 , 当 使 用 药物 阻止 ATP 合成 后 , 分 WEARS ER lle Ree Boo LBA), 因 任 何 遵循 一 定 方向 的 移动 过 程 必然 在 其 中 某 步 或 数 步 是 依赖 能 量 的 。 随后 ;可 发 现 CH) 蛋白 质 出 现 于 浓缩 泡 中 ， 浓 缩 泡 为 与 高 尔 基 夫 反面 结合 的 大 型 未 成 熟 分 记 泡 (图 7-52)。 在 某 些 类 型 的 分 刻 细胞 中 , 浓缩 泡 与 高 尔 基 志 是 不 相同 的 ， 但 在 0345-0 内 质 网 高 尔 基 器 TESTS 1 加 2 个 GItNAc、3 个 Gal 和 3 个 NANA 后 生成 完全 的 低 聚 糖 © 图 7-50 在 ER 及 高 尔 基 器 中 发 生 的 低 聚 糖 加 工 过 程 示意 图 。 因 为 此 过 程 调度 有 序 ， 羽 致 图 中 擅 示 每 步 反应 均 依赖 这 一 系列 中 的 上 一 步 反 应 。 所 以 ,在 文中 描述 的 突变 细胞 中 , 因 催化 第 三 步 反 应 的 酶 缺失 而 使 第 4, 第 5 步 反应 被 阻 。 图 中 第 5 步 反应 实际 上 代表 上 图 所 示 的 一 系列 连续 反应 。 缩写 式 见 图 7-48。 六 多 数 细胞 中 浓缩 泡 实际 上 与 最 靠 反 侧 的 高 尔 基 吉 膨 胀 端 部 相连 续 ， 据 信 由 此 端 部 形成 浓缩 泡 。 分 泌 蛋 白 以 稀 溶 波形 式 进入 浓缩 泡 , 在 此 处 经 一 定时 间 后 蛋白 质 被 浓缩 (所 以 被 。346-。 o a. aa Os ) SSeS Ses 称 为 浓缩 泡 ”) » PAE PAD Ws ZED PR OAL). DWAR ARE wii DB ET RA IARI CA 7-46 及 7-52), 分 刻 蛋 白 在 浓缩 泡 中 的 浓缩 过 程 不 需 能 量 。 在 胰腺 泡 细胞 中 ， 浓 缩 作 用 大 概 由 带 正 电 荷 的 胰 分 论 蛋 白 与 带 负电 荷 的 蛋白 多 糖 之 间 的 相互 作用 实现 。 蛋白 聚 糖 是 在 高 尔 基 器 中 硫酸 化 并 与 蛋白 质 相连 的 大 型 多 糖 。 这 一 月 发 静电 反应 产生 无 渗透 活性 的 沉淀 物 , 导致 水 分 目 浓 缩 泡 中 被 动 外 疹 。 在 别 种 细胞 中 ,类似 的 浓缩 过 程 由 其 他 方式 推动 。 例 如 ,在 为 胰岛 素 分 刻 作 准备 时 ,胰岛 素 的 活 透 性 由 于 导致 蛋白 质 结晶 的 金属 复合 物 的 形成 而 降低 。 3 分 钟 : 20 分 钟 : 90 分 钟 : 银 粒 在 ER 上 银 粒 在 高 尔 基 器 上 银 粒 在 分 泌 小 泡 中 图 7-51 利用 电子 显 微 放射 自 显影 技术 (图 7-32) 研 究 先 经 [5H] 氨 基 酸 短暂 脉冲 标记 ,再 于 非 放 射 性 培养 液 中 温 育 (“ 追 踪 ”) 不 同时 间 的 胰腺 泡 细 胞 实验 结果 的 示意 图 。 黑 色 点 代表 随时 间 推 移 而 逐 渐 更 接近 细胞 外 部 的 显影 银 粒 ， 表 明 新 合成 蛋白 质 分 子 的 运输 途径 。 这 类 细胞 的 不 寻常 之 处 在 于 其 合成 的 蛋白 质 大 部 分 从 细胞 分 泌 出 去 。 浓缩 的 分 粥 蛋白 质 贮存 在 位 于 细胞 顶 膜 区 域 的 高 尔 基 器 与 分 这 管 腔 之 间 的 分 刻 泡 中 。 分 谈 蛋 白 通过 外 排 作 用 由 细胞 施放 。 在 外 排 过 程 中 分 这 泡 与 质 膜 融合 ， 将 所 含 物 释 于 外 部 ( 见 294 页 )e 外 排 是 一 种 高 度 特异 并 被 严格 调控 的 过 程 。 分 记 泡 只 与 质 膜 的 顶 膜 部 分 融合 , 因而 避免 向 细胞 间 空 隙 , 或 细胞 内 其 余 细 胞 器 中 进 乞 无 效 甚 至 是 危险 的 施放 。 此 外 ， 外 排 只 对 特异 性 信号 才 发 生 反 应 。 胰 腺 泡 细 胞 外 排 的 刺激 信号 或 是 乙酰 胆 碱 〈 神 经 递 质 ), 或 是 肠 促 胰 酶 肽 (激素 )。 当 需 胰 酶 消化 时 ， 这 些 信号 分 子 分 别 由 神经 或 小 肠 细 且 释 出 e 了 膜 组 分 的 再 利用 当 分 认 泡 与 质 膜 融合 后 ,不 仅 其 中 所 含 物质 被 细胞 施放 ,分 泌 泡 膜 也 成 为 质 膜 的 一 部 分 ,这 必然 导致 质 膜 表面 积 的 增长 。 但 在 分 认 过 程 中 分 讼 细胞 表面 积 只 呈 暂 时 性 增加 。 显 然 膜 成 分 必定 以 与 由 外 排 过 程 挨 人 时 大 致 相同 的 速度 从 表面 除去 ,或 被 回收 后 再 利用 (图 7-53)。 除 维持 细胞 各 区 室 间 膜 量 恒定 分 布 外 ,回收 再 利用 是 一 种 经 济 的 方法 。 所 有 运输 小 泡 的 膜 ( 包 括 分 变 小 泡 ) 是 高 度 特 化 并 具有 泡 形成 及 融合 所 需 的 特有 多 肽 。 将 这 些 蛋 和 白 质 在 运输 过 程 中 回收 再 利用 数 次 ,显然 要 比 只 用 一 次 即 奔 去 要 合理 得 多 。、 预期 回收 再 利用 会 发 生 于 细胞 内 的 各 条 运输 途径 。 最 好 将 各 种 运输 泡 设 想 为 一 种 可 重复 使 用 的 往返 运载 系统 ,在 往返 循环 的 前 半 圈 通过 融合 , FRR”. 然后 通过 再 出 芽 ( 印 货 ) 与 原 产生 运输 小 泡 的 细胞 器 重新 融合 〈 见 图 7-56)。 由 此 而 来 的 一 个 基本 上 尚 ss347。 无 答案 的 问题 是 : 货物 如 何 被 不 可 逆 地 投递 至 目的 地 ， 而 不 是 在 被 往返 运载 系统 联系 的 两 种 细胞 恬 之 间 简 单 地 和 平衡。 有关 答 案 将 成 为 了 解 蛋白 质 在 细胞 内 转运 机 制 的 关键 。 已 分 泌 出 的 分 子 ， 。 有 顶部 质 膜 \ 外 排 ， 图 7-52 胰腺 泡 细 胞 高 尔 基 器 的 电子 图 7-53 ”假设 的 经 项 膜 分 刻 后 膜 成 分 再 利用 的 分 这 显 微 照 片 ， 示 成 熟 过 程 各 阶段 的 浓缩 性 上 皮 细 胞 示意 图 。 有 时 膜 的 回收 似乎 由 有 衣 小 HJ. (George palade 赠 ) 泡 中 介 ， 但 其 中 的 精确 机 制 尚 不 清楚 。 了 膜 融 合 及 再 利用 可 通过 电子 显微镜 检 术 得 到 证 实 ” 在 神经 - 肌 连 接点 〈 图 7-54)， 可 在 电子 显微镜 下 跟踪 运输 小 泡 往返 运载 系统 的 高 度 同步 化 的 周期 。 在 位 于 神经 - 肌 连 接点 的 神经 轴 突 的 突 触 区 域 ( 即 神经 末梢 );, 充 满 着 数 百 个 大 小 一 致 的 (直径 约 50nm) 小 泡 , 每 个 小 泡 中 含有 神经 递 质 乙 酰 胆 碱 。 刺 激 神经 后 可 引 起 同步 突 发 的 外 排 现象 ,小 泡 与 神经 末梢 的 质 膜 融合 , 因而 从 末梢 施放 乙酰 胆 碱 , 并 启动 了 上 毗邻 贞 肉 细胞 的 收缩 。 融合 现象 是 因 膜 电位 改变 所 诱导 的 神经 末梢 内 局 部 性 Ca ok 度 升 高 而 激发 的 。 神 经 末梢 在 每 次 激发 后 外 排 速度 可 提高 10 000 FUE, 甚至 还 能 保持 这 样 的 外 排 速度 数 毫秒 之 久 。 由 一 次 神经 脉冲 同步 启动 的 神经 突 触 的 周期 性 变化 ， 可 在 准备 进行 电子 显 微 六 观察 前 通过 极 迅 速 地 在 波 氨 中 将 组 织 冻 结 而 证 实 。 部 分 有 关 实 验 结 采 如 图 7-55 所 示 。 TERI 激 后 5 毫秒 内 ,神经 末梢 质 膜 中 出 现 明显 的 宛 口 ,每 个 元 口 代 表 一 个 含 神经 递 质 的 小 泡 与 质 膜 的 融合 点 。 融合 局 限 在 位 于 两 列 直 线 排列 的 膜 内 颗粒 附近 的 质 膜 中 的 特殊 区 域 ( 称 做 “活化 区 ”)。 在 随后 的 两 毫秒 内 融合 作用 完成 ,外 排 口 消失 ; 可 观察 到 小 泡 障 蛋 白质 组 分 已 插入 质 膜 , 因 突 触 泡 膜 内 颗粒 显著 比 最 初出 现在 质 膜 中 的 大 。 在 随后 的 数 百 毫 秘 内 。 这 些 大 型 颗粒 自 最 初 融合 点 越 移 越 远 ， 在 电子 显微镜 下 估计 的 这 些 大 颗粒 的 扩散 系数 (2x10-"cm"/s) 表明 小 泡 蛋 白 在 脂 双 层 中 随机 移动 , 目 由 与 质 膜 成 分 混合 下 一 步 为 从 质 膜 中 回收 罕 触 泡 的 特异 蛋白 组 分 〈 如 大 型 膜 内 颗粒 )e 分 这 后 后 10 #b 5h 内 出 现在 神经 末梢 质 膜 上 的 有 衣 区 域 ( 或 "小 四 ”) 变 得 不 计 其 数 ， 同 时 大 型 膜 内 颗粒 被 收 集 其 中 。 刺 激 后 20 秒 内 ， 有 衣 小 四 由 内 吞 作用 从 膜 中 挤 出 ， 形 成 了 有 衣 小 泡 ( 图 7-45)a 这 些 泡 内 含有 突 触 泡 原 有 的 蛋白 质 成 分 ,而 在 数秒 钟 前 , 这些 蛋白 质 还 与 其 他 质 膜 组 分 完 。348 。 膜 内 颗粒 的 Te -hAI—o OC FE heh By Be a HS UL 细胞 膜 内 颗粒 的 突 触 小 泡 的 线性 陈列 膜 整 合 蛋白 人 IWS INNS 静止 态 | OAS 机 ates. 2 eat 入 S ve OOC PAS QOS Cx a0, C) OOO SAK) NS SS NS AAS & SOS Os oo oo BS OOMCRCXCoc00 0000000022 OY ® 图 7-5! HAR SAAR 异性 突 触 一 一 神经 - 肌 连 接点 的 三 维 结构 图 。 上 方 为 放大 的 横 切 面 图 , 表明 神经 被 激发 后 的 事件 。〈 亦 见 图 7-557 +3496 全 混杂 一 起 。 这 一 循环 以 包 被 的 外 衣 脱 离 有 衣 小 泡 而 结束 。 然 后 ， 有 衣 小 泡 中 重新 充满 乙酰 胆 碱 ,形成 具 光 滑 表 面 的 再 生 突 触 泡 。 上 述 安排 可 能 与 突 触 泡 惊人 的 统一 尺码 有 关 ， BE ht WANES AMARA RAR RE 上 述 回 收 途 径 可 通过 在 密 电 子 细胞 外 标记 物 (如 铁 蛋 白 ) 存 在 时 刺激 神经 而 获得 进 一 步 证 据 。 这 些 标记 物 迅速 出 现 于 有 衣 小 泡 内 但 最 终 则 在 突 触 泡 中 出 现 。 有 衣 小 泡 被 认为 在 细胞 内 至 白质 拣选 中 起 主要 作用 ? 有 衣 小 泡 除了 介 导 多 种 内 大 作用 外 ， 它 似乎 负责 转运 在 ER 及 高 尔 基 器 间 ， 以 及 高 尔 基 器 与 质 膜 间 的 膜 蛋 白 。 不 同 种 类 的 有 衣 小 泡 大 概 与 这 类 泡 的 一 系列 不 同 功能 有 Ko 图 7-55 电子 显微镜 下 观察 到 的 受 刺 激 后 神经 - 肌 连 接点 膜 上 的 循环 性 变化 。 左 边 为 突 触 前 膜 胞 质 面 侧 (“P 面 ?7 的 冰冻 断裂 电子 显 微 照片 。 (AD) 项 止 态 ;(B\E) 突 触 泡 在 膜 内 颗粒 的 线 状 阵列 附近 融合 ;(C\F) 通过 有 衣 小 上 四 和 有 衣 小 泡 进行 往 聚 及 回收 突 触 泡 。 请 与 图 7-54 eR. (John Heuser 赠 ) 如 前 所 详 述 ( 见 298 页 ); 有 衣 小 泡 的 明显 特征 是 具有 几乎 标准 的 多 面体 篮子 或 外 衣 ”。 外 衣 本 身 主 要 由 一 种 结构 蛋白 , 笼 蛋 日 ， 以 及 在 这 种 运 polis 接 的 一 种 小 多 肽 组 成 。 辅 助 蛋白 在 细胞 内 转运 事件 中 至 少 具 有 两 种 重要 功能 : 第 一 ， 须 为 与 特殊 “货物 ?分子 有 关 的 有 衣 小 目 非 胞 液 面 ( 腔 面 ) 提 供 结合 部 位 ， meee 子 被 包装 在 有 衣 小 泡 内 。 第 二 ， 每 一 运输 泡 内 物质 可 被 准确 投递 至 细胞 内 膜 正确 WA 的 事实 ,说 明 运 输 泡 中 必然 存在 着 不 同 的 亚 群 ,每 个 亚 群 在 表面 具有 被 竟 膜 互补 性 SK *350。 识别 的 特有 辅助 蛋白 ( ”停靠 标记 ”), 图 7-56 描述 了 这 种 设想 中 的 过 程 。 有 衣 小 泡 可 看 做 小 型 拣选 机 器 。 有 衣 小 泡 的 窗 格 状 外 衣 看 来 是 为 带 有 一 定货 物 负 倘 的 小 泡 能 从 膜 中 出 芽 而 设计 的 ， 这 些小 泡 的 选择 作用 则 必然 由 于 其 他 存在 于 有 衣 小 泡 膜 的 辅助 蛋白 一 方面 可 抓 住 特殊 货物 蛋白 ,同时 又 排斥 其 他 膜 成 分 。 事 实 上 ,由 有 衣 小 泡 介 导 的 运输 可 能 是 细胞 实现 分 子 拣 选 的 主要 方法 。 载 有 货物 的 Fe} 有 胡 运 输 小 泡 mys re 高 尔 基 | 体腔 | | ae |e ae. 印 下 的 货物 SEA Me PRR 货物 受 体 9 货物 分 子 图 停 千 标记 受 体 eae a RAST 图 7-56 ”将 有 衣 运 输 小 泡 引 向 特异 性 细胞 内 膜 的 一 种 可 能 机 制 的 示意 图 〈 详 见 正文 )。 在 此 例 中 示 将 “货物 ”从 高 尔 基 器 腔 最 终 向 溶 酶 体腔 运输 。 为 什么 要 有 高 尔 基 器 ”? 初 看 之 下 , 似乎 可 省 却 高 尔 基 器 。 细胞 内 所 有 拣选 及 包装 程序 为 何不 能 在 运送 到 高 尔 基 器 前 ,就 在 蛋白 质 的 生成 处 由 ER 解决 呢 ? 如 此 的 拣选 过 程 肯 定 可 以 在 ER KER 生 , 因 ER 中 的 许多 膜 结合 蛋 折 ( 例 如 核糖 体 结合 蛋 白 和 参与 脂 质 及 低 到 糖 合成 的 酶 ) 被 有 选择 地 保留 而 不 外 运 。 考虑 到 新 合成 分 子 拣选 的 重要 性 , 可 对 上 述 问题 提供 一 般 性 答案 。 为 维持 细胞 不 同 区 室 间 的 功能 的 (如 酶 功能 的 ) 差 别 , 则 要 求 对 蛋 白 质 的 拣选 以 极 低 的 差错 率 进 行 。 如 此 低 的 差错 率 大 概 难 以 仅 靠 在 ER 中 的 一 次 拣选 达到 。 因 而 这 就 表明 ,分 布 于 ER 及 最 终 目的 地 间 的 高 尔 基 器 起 着 编辑 者 的 作用 ,得 以 发 生 几 个 连续 拣选 步骤 ,从 而 降低 总 的 差错 Ky 另外 , 值得 注意 的 是 在 ER Ri RE SPT E ABR MAA HES TRAE ER 中 合成 ,而 这 种 低 聚 糖 结构 的 大 部 分 则 在 高 尔 基 器 中 被 降解 。 下 面 将 讨论 到 ,这 些 相 互 竞 争 的 成 对 反应 相当 关键 ， 因 这 些 反 应 可 在 决定 向 细胞 内 哪个 区 室 运 送 新 合成 的 大 分 子 时 起 重要 作用 。 e351 ¢ 小 结 高 尔 基 器 是 有 极 性 的 结构 ， 由 一 群 被 小 泡 包围 的 盘 状 小 池 形 成 的 具有 方向 性 的 染 组 成 。 在 高 尔 基 妈 正 面 附近 ,来 自 ER 腔 及 膜 的 蛋 和 白质, 大概 通过 有 衣 小 泡 ;* 被 运送 到 高 尔 基 池 腔 内 及 膜 中 。 一 旦 进入 高 尔 基 腔 , 蛋 白质 就 以 各 种 方式 修饰 ,形成 最 终 的 成 熟 分 子 o 特 别 是 原先 在 ER 中 结合 了 蛋白 质 的 与 天 冬 酰胺 相连 的 低 聚 糖 链 。 通 过 切除 或 添加 经 选择 的 糖 基 而 被 大 幅度 修饰 。 这 些 不 同 的 共 价 修饰 过 程 各 遵循 一 系列 高 度 有 序 的 酶 促 途 径 中 的 一 条 支 路 。 途 径 的 选择 则 由 各 条 多 肽 链 本 身 尚未 被 了 解 的 特性 决定 。 蛋白 质 一 般 通 过 高 尔 基 器 中 接近 氮 的 最 靠 反 侧 的 区 域外 运 至 多 种 细胞 内 或 细胞 外 的 目的 地 。 将 蛋白 质 准 确 拣选 以 进行 选择 性 外 运 是 高 尔 基 器 的 主要 功能 之 一 。 据 认为 分 类 主要 由 国 侥 小 池 的 有 衣 小 泡 介 导 。， 并 依赖 存在 于 高 尔 基 膜 可 办 认 运 送 蛋 自 质 上 特殊 标记 By KAS | 溶 酶 体 与 过 氧 物 酶 体 ” 溶 酶 体 是 细胞 内 消化 的 主要 场所 1949 年 ， 对 肝 匀 浆 中 碳水 化 合 物 代谢 的 酶 学 研究 中 曾 注意 到 酸性 磷酸 酯 酶 (用 做 对 照 的 酶 ) 分 析 中 出 现 的 某 些 无 规律 的 变化 。 如 在 蒸 钢 水 制备 的 提取 物 中 :水 解 酶 活性 比 在 用 渗透 平衡 的 茂 糖 溶 小 制备 的 提取 物 中 要 高 。 酶 活性 在 放置 一 段 时 间 的 制备 物 中 比 在 新 鲜 制 备 的 要 高 。 同 时 ,放置 一 段 时 间 的 制备 物品 的 酶 活性 不 再 与 沉降 颗粒 有 关 。 此 后 不 和 久 ， 对 若干 种 其 余 水 解 酶 也 有 类 似 报 导 。 上 述 观察 导致 发 现 一 种 新 的 细胞 器 , 称 为 溶 酶 体 。 深 酶 体 为 一 种 含水 解 酶 的 膜 质 囊 , 用 来 控制 细胞 内 大 分 子 的 消化 。 因 奖 透 溶解 及 老化 而 引 起 的 膜 损伤 , 使 酶 在 细胞 提取 物 中 按 非 沉 淀 形式 释放 。 但 通常 溶 酶 体 膜 的 通 透 性 障碍 足 以 防止 酶 逸 人 细胞 。 现 已 知 溶 酶 体 中 含有 约 40 种 酶 。 它 们 都 是 水 解 酶 ,包括 蛋白 酶 、 核 酸 酶 、 糖 背 酶 、 脂 肪 酶 、 磷 脂 酶 、 磷 酸 酯 酶 及 硫酸 酯 酶 。 所 有 上 述 酶 都 属 酸性 水 解 酶 , 在 细胞 器 内 pH 维持 在 5 为 最 佳 活性 状态 。 虽然 溶 酶 体 膜 在 正常 情况 下 对 这 些 酶 无 通 透 性 , 但 这 些 酶 需 酸性 环境 才 呈 最 佳 活性 的 事实 是 在 万 一 发 生 渗 漏 时 可 以 保护 胞 质 不 受 可 能 造成 的 损害 。 与 其 他 所 有 细胞 器 相似 , 溶 酶 体 不 仅 含 有 独特 的 一 套 酶 ,还 拥有 独特 的 周围 膜 。 如 所 预料 ,这 种 膜 允 许 大 分 子 的 最 终 消化 产物 漏出 ,从 而 使 产物 能 被 细胞 分 这 或 再 次 利用 。 此 外 , 据 信 溶 酶 体 膜 内 含有 一 种 特殊 转运 蛋白 ,这 种 蛋白 可 利用 ATP 水 解 时 释放 的 能 量 将 H+* 泵 入 深 酶 体腔 ， 从 而 维持 腔 内 pH 为 5。 膜 内 还 应 含有 “停靠 标记 受 体 ” BA, At 溶 酶 体 标 记 , 使 之 成 为 细胞 内 特 珠 运输 泡 融合 的 靶 ( 图 7-56)。 某 些 小 分 子 以 无 电荷 形式 穿越 溶 酶 体 膜 ， 然 后 在 溶 酶 体腔 内 酸性 环境 中 捕获 一 个 质 子 , 而 带 有 电荷 。 一 且 带 电荷 后 ,此 类 分 子 就 因 具 有 较 强 亲 水 性 而 不 易 再 通过 溶 酶 体 脂 双 层 。 所 以 ,这 些 分 子 进 入 溶 酶 体 的 速度 比 离 去 速度 快 , 结 果 在 溶 酶 体内 高 度 浓缩 。 此 类 物 质 中 重要 一 例 为 抗 闪 疾 药物 氯 奎 ,将 毛 夺 加 和 完整 细胞 , 可 升 高 谥 酶 体内 的 pH 值 ; 因 而 在 实验 室 中 稼 被 用 做 溶 酶 体 功能 的 抑制 剂 。 ° 352 © 组 织 化 学 染色 表明 溶 酶 体 是 异型 性 的 细胞 器 ” 在 溶 酶 体 首次 经 生物 化 学 法 描述 后 约 十 年 ， 这 种 细胞 器 再 次 被 电子 显 微 细 胞 化 学 法 所 鉴别 。 由 于 溶 酶 体 在 形状 及 大 小 上 的 极端 差异 ,党 有 必要 采用 由 某 种 水 解 酶 (如 磷酸 酯 酶 或 硫酸 酯 酶 ) 的 反应 产物 形成 的 密 电子 沉淀 来 判断 电子 显 微 照 片 中 某 种 细胞 器 是 否 是 i : VARS (ACA 7-57). 根据 这 一 指标 ,可 发 现 溶 酶 体 存在 于 所 有 真 核 细胞 中 。 肝 细胞 深 酶 体 被 。 研究 得 最 彻底 , 肝 溶 酶 休 为 直径 约 0.5 um 的 圆 形 泡 , 具 有 充满 水 解 酶 的 密 电 子 核心 (水 解 q 酶 在 重量 上 占 核 心 的 60 多 WE). 图 7-57 电子 显 微 照相 中 常用 以 图 7-58 通过 me 48 EE — 个 细胞 的 两 显示 溶 酶 体 酶 擒 标记 酶 一 一 酸性 张 切 片 的 电子 显 微 照 片 * 含 致密 沉淀 的 有 障 包 围 的 较 大 磷酸 酯 酶 位 置 的 细胞 化 学 方法 的 细胞 器 是 次 级 溶 酶 体 ， 其 形态 多 样 性 反映 了 这 种 溶 酶 简 图 体 所 含 消化 物质 的 量 及 质 的 不 同 。 两 个 初级 溶 酶 体 在 上 图 由 箭头 指出 。(Doanill S. Friend 赠 ) mE ICS LOH 型 性 与 所 有 其 余 细胞 器 所 具有 的 相对 较 统 一 的 超 微 结构 不 同 。 这 一 形态 差异 反映 了 由 酸性 水 解 酶 中 介 的 一 系列 广泛 不 同 的 消化 作用 。 其 中 包括 胞 内 、 胞 外 组 成 要 素 的 消化 及 转换 , 胚胎 发 生 中 预定 的 细胞 死亡 , 对 经 吞噬 报 人 的 微生物 的 消化 ， ° 353% 甚至 包括 细胞 营养 ( 因 溶 酶 体 是 从 内 知 摄 人 的 血清 脂 蛋 白 中 吸收 胆固醇 的 主要 场所 ,( 见 299 页 )。 由 上 述 理由 ,最 好 将 溶 酶 体 看 做 具有 含 大 量 水 解 酶 这 一 共同 特征 的 不 同 细胞 器 的 集合 体 。 一 般 可 将 溶 酶 体 区 分 为 两 大 类 型 : 初级 溶 酶 体 , 即 新 合成 ,尚未 与 底 物 接触 进行 消化 的 溶 酶 体 ; 以 及 次 级 溶 酶 体 , 即 含有 底 物 及 水 解 酶 。 具 不 同形 态 的 膜 质 囊 。 WR 体 由 初级 溶 酶 体 与 多 种 有 膜 包 被 的 底 物 多 次 融合 产生 (图 7-59)。 所 以 次 级 溶 酶 体 的 形 态 因由 各 种 途径 摄 人 及 包装 不 同 的 底 物 而 异 : 大 溶 酶 体 因 知 噬 作 用 形成 , 小 溶 酶 体 因 内 香 作 用 形成 ,等 等 。 7-59 设想 次 级 盗 酶 体 由 秽 泡 与 一 系列 含 新 合成 的 水 解 酶 的 小 型 初级 溶 酶 体 融合 而 成 的 数 种 途径 的 示意 图 。 形 成 过 程 的 精确 途径 及 其 区 别 尚 不 清楚 。 次 级 溶 酶 体 由 于 形态 多 种 多 样 ,因而 常 有 特别 的 名 称 。 (1) 大 型 消化 泡 , 通过 吞噬 大 型 颗粒 (如 细菌 ) 形 成 ; (2) 多 泡 体 , 为 含有 无 数 直径 约 50 nm 的 小 泡 的 膜 质 囊 ; 《3) 目 体 吞噬 泡 , 为 含有 (假定 在 消化 中 ) 细 胞 内 膜 或 细胞 器 (如 线粒体 或 分 刻 小 泡 ) 的 溶 酶 体 结构 此 外 尚 有 很 多 其 它 名 称 ( 图 7-59)e 为 避免 混乱 , 最 好 把 注意 力 集中 在 初级 溶 酶 体 上 。 初级 溶 酶 体 是 如 何 形成 的 ? 何 种 机 制 指导 这 些 溶 酶 体 与 被 包装 的 底 物 专 一 地 融合 ? © 3546 人 初级 溶 酶 体 由 高 尔 基 器 出 芽 形 成 ” 细胞 学 证 据 表明 初级 溶 酶 体 从 高 尔 基 器 中 最 靠 反 侧 的 池 出 芽 形 成 。 在 此 区 域 有 无 数 直径 约 50 nm , 含 酸性 水 解 酶 活性 ,与 高 尔 基 器 联系 的 小 泡 ( 有 衣 而 光滑 )。 当 从 高 尔 基 器 出 芽 被 “当场 捕获 "时 ,这 些 泡 总 是 被 笼 蛋白 包 夺 。 根 据 最 简单 的 看 法 ,初级 溶 酶 体 是 由 高 尔 基 器 中 挤 出 的 有 衣 小 泡 衍生 而 成 ,出 芽 后 笼 蛋 白 外 衣 从 泡 上 脱落 。 若 此 观点 正确 , 溶 酶 体 生 物 形 成 的 问题 可 简化 为 酸性 水 解 酶 如 何 专门 在 高 尔 基 器 某 区 域 积聚 ,并 被 装 人 有 衣 小 泡 。 然而 ,即使 在 高 尔 基 器 的 最 靠 反 侧 的 区 域 , 也 只 有 一 小 部 分 有 衣 小 泡 或 其 他 小 泡 含有 明显 水 解 酶 活性 。 这 反映 了 以 下 事实 即 有 衣 小 泡 参与 细胞 内 大 分 子 的 多 种 不 同 途径 的 包装 和 运输 。 所 以 , 溶 酶 体 酶 必须 在 许多 来 自 高 尔 基 器 的 亚 群 中 以 某 种 方式 找到 正确 的 有 衣 小 泡 群 。 有 三 条 非 直接 证 据 提 示 溶 酶 体 水 解 酶 在 _ER 合成 ,然后 在 转运 至 高 尔 基 器 之 前 被 移 和 人 ER Bo 1. 细胞 化 学 染色 法 表明 , 某 些 酸性 水 解 酶 活性 既 存在 于 ER ,又 存在 于 高 尔 基 器 组 分 中 。 2. 深 酶 休 酶 是 依靠 质 膜 和 分 泌 蛋 白质 以 定向 施放 的 方式 进入 粗糙 内 质 网 时 所 用 的 同 一 氨基 端 引 导 肽 ( 即 信号 序列 ) 来 启动 合成 的 。 3. 所 有 溶 酶 体 水 解 酶 实际 上 都 是 糖 蛋 白 , 含 有 必须 在 ER 获得 的 低 聚 糖 。 对 溶 酶 体 酶 的 低 聚 糖 的 组 成 进行 更 深入 研究 后 提供 了 一 个 有 关 此 类 酶 在 细胞 内 如 何 被 包装 的 重要 线索 。 至 今 为 止 , 所 纯化 的 深 酶 体 酶 很 少 含有 一 个 磷酸 化 甘露 糖 残 基 。 基 于 以 下 将 讨论 的 证 据 , 结 论 是 已 知 高 尔 基 膜 上 的 受 体 可 识别 这 种 低 聚 糖 上 的 特有 部 分 ,这 些 受 体 负 有 将 水 解 酶 包装 进 变 成 初级 溶 酶 体 的 有 衣 小 泡 的 使 命 。 溶 酶 体 酶 缺陷 患者 的 体外 培养 细胞 中 的 溶 酶 体 功 能 可 通过 在 培 闫 液 中 加 入 缺失 的 酶 而 纠正 人 类 中 有 无 数 先天 性 溶 酶 体 代谢 异常 者 , 其 中 许多 都 华 有 严重 的 临床 症状 。 KHER 者 都 是 以 缺失 某 种 酸性 水 解 酶 的 溶 酶 体 为 特征 的 。 结 果 造 成 溶 酶 体内 所 缺失 酶 的 底 物 以 完整 大 分 子 或 经 部 分 消化 后 的 残 基 形 式 大量 积 聚 。 依 缺 失 酶 的 种 类 而 异 , 各 种 底 物 中 的 任何 一 种 都 可 能 积聚 。 这 包括 葡 糖 胺 聚 糖 (从 前 称 为 粘 多 糖 )、 糖 蛋白 、 糖 原 、 脂 质 及 糖 名 。 溶 酶 体 中 异常 积聚 物 的 出 现 是 正常 细胞 功能 需要 溶 酶 体 降解 活性 实际 水 平 的 直接 证 BA 因 充 满 异常 积聚 的 物质 而 膨胀 的 溶 酶 体 可 干扰 正常 细胞 功能 ,从 而 造成 该 疾病 的 临 床 表现 (图 7-60)。 对 这 些 遗 传 性 疾病 进行 的 生物 化 学 研究 , 已 提供 了 一 个 范例 , 即 在 分 子 水 平 上 对 医学 难题 的 研究 ,如 何 能 有 助 于 深入 了 解 细胞 生物 学 的 基本 问题 的 。 目前 关于 溶 酶 体 生 物 发 生 的 观点 ， 多 数 来 自 于 最 初 为 阐明 一 种 称 为 粘 多 糖 病 的 溶 酶 体 疾病 中 所 涉及 某 种 分 子 缺陷 的 一 系列 卓越 的 实验 。 这 种 疾病 使 溶 酶 体 大 量 积 聚 葡 糖 胺 聚 糖 ( 粘 多 糖 , 见 678 页 )。 粘 多 糖 病 之 一 为 赫 勒 氏 (Hurler) 症 , 病人 具 特 有 的 骨骼 变形 。 电子 显微镜 观察 表明 这 种 病人 的 多 数 细胞 内 含有 充满 葡 糖 胺 聚 糖 的 大 型 消化 泡 ， 葡 糖 胺 聚 糖 在 正常 情况 下 是 细胞 外 基质 的 成 分 。 赫 勒 氏 症 患者 皮肤 的 成 纤维 细胞 可 在 离 体 组 织 培养 时 生长 ， 并 被 证 实 带 有 与 在 体内 时 相同 的 溶 酶 体 缺陷 。 然 而 。 当 正常 成 纤维 细胞 与 = 355 e 赫 勒 氏 症 患 者 细胞 共同 生长 时 , 异常 细胞 不 再 积聚 葡 糖 胺 聚 糖 。 缺陷 细胞 的 2 ERR” 可 单独 从 正常 细胞 生长 的 培养 芒 中 纯化 出 来 ,从 而 被 证 明 为 c-L- 艾 杜 糖苷 酸 酶 〈c- 工 - iduronidase), 也 就 是 缺陷 细胞 溶 酶 体 中 缺失 的 特殊 水 解 酶 。 因 不 同 的 溶 酶 体 酶 缺陷 的 酶 系 可 采用 类 似 方法 用 不 同 的 酶 纠正 ， 显 然 多数 溶 酶 体 水 解 酶 可 被 正常 细胞 少量 释 人 培养 液 。 这些 酶 则 可 再 次 被 原来 细胞 或 其 他 细胞 摄 和 人 。 尚 不 了 解 这 些 水 解 酶 被 释放 的 原因 及 方式 ， 但 已 证 明 从 培养 液 中 摄取 水 解 酶 依赖 于 特殊 的 细 胞 表面 蛋白 ,通过 由 受 体 中 介 的 内 吞 作 用 发 生 。 据 推测 , 酶 - 受 体 复合 体 被 内 卷 进入 有 衣 小 泡 , 这 种 泡 最 终 与 有 缺陷 的 溶 酶 体 融 合 , 向 溶 酶 体 提 供 所 需 水 解 酶 。 如 此 , PR ES 者 成 纤维 细胞 几乎 可 摄取 一 半 量 的 外 加 的 c-L- 艾 杜 糖 昔 酸 酶 ， 却 很 少 吸 收 培养 液 中 所 BWKER Ko 7-60 上 暗 视 野 显 微 镜 下 看 到 的 体外 培养 的 活 成 纤维 细胞 的 外 观 。 溶 酶 体 中 致密 胞 质 内 含 物 显 现 为 围绕 黑色 细胞 核 的 白斑 。(A ) 取 自 具 盗 酶 体积 聚 病 患 者 的 细胞 ;(B) 正 常 细 胞 。〈George H. Thomas 赠 ; 引 自 H. A. Taylor et al., Clin. Genet,4:388—397, 1973) RARSHRB-RE NM Resi KAT BRA” 所 有 溶 酶 体 水 解 酶 必然 有 一 种 共同 特征 。 使 它们 能 高 亲 和 人 性 地 结合 于 特异 性 细胞 表 面 受 体 , 并 且 随 后 可 有 效 地 进入 细胞 。 这 种 识别 标记 ”的 概念 通过 对 另 一 种 溶 酶 体 异 常 ， 即 工 细胞 症 〈I-cell-disease) 的 类 似 研究 而 加 强 。 这 种 取 自 单 基因 突变 纯 合 的 病人 的 经 培 养 的 成 纤维 细胞 ,其 溶 酶 体 中 几乎 不 含水 解 酶 ,但 这 些 酶 却 以 极 高 浓度 在 细胞 外 的 彼 体 中 出 现 。 一 个 关键 性 的 发 现 是 ,由 工 细胞 释放 人 培养 祸 中 的 水 解 酶 都 不 能 被 正常 细胞 上 的 受 体 识别 ,因此 这 些 水 解 酶 不 被 细胞 摄 人 。 例 如 , 从 工 细胞 症 成 纤维 细胞 培养 液 中 提取 的 cx- 工 - 艾 杜 糖 背 酸 酶 不 能 纠正 体外 培养 的 赫 勒 氏 症 细胞 ， 也 不 被 细胞 摄 和 人 ,尽管 这 种 酶 本 身 却 具 有 完全 的 水 解 酶 活性 。 相 反 , I 细胞 症 成 纤维 细胞 可 结合 、 内 吞 , 并 保持 正常 细胞 释 放 的 水 解 酶 。 简 单 的 解释 是 工 细胞 症 中 单一 基因 缺陷 影响 一 种 可 把 识别 标记 加 给 多 种 水 解 酶 的 酶 。 结果 从 工 细胞 中 释放 的 水 解 酶 不 能 被 I 细胞 或 正常 细胞 识别 而 摄 人 (图 7- 61)o | {BIE Fi Ane 1 AK Ra. RLM SAI ic — Oa 7A EE BE 9- ER AR SP Ro 将 正常 水 解 酶 用 一 种 可 切除 末端 磷酸 基 团 的 酶 处 理 后 , 可 使 这 些 水 解 酶 转变 成 被 称 为 ， 弱 摄 和 人 型 "(low-uptake)， 其 形式 很 难 与 I 细胞 释 放 的 酶 区 别 。 此 外 , 当 将 甘露 糖 -6- 磷 酸 加 入 组 织 培养 祖 后 , 该 物质 本 身 可 与 细胞 表面 受 体 结 合 ,因而 可 作为 对 多 种 不 同 的 正常 咨 酶 体 水 解 酶 援 人 过 程 的 有 力 竞争 性 抑制 剂 。， © 356。 细胞 内 水 解 酶 可 能 借 甘 露 糖 -磷酸 标记 物 引 向 初级 溶 酶 体 ” 当 正 常 成 纤维 细胞 在 含有 足够 甘露 糖 -6- 磷 酸 , 以 阻止 从 细胞 外 摄取 水 解 酶 的 培养 液 中 生长 很 多 氏 以 后 ,它们 的 溶 酶 体 仍 具有 正常 功能 ,并 含有 通常 应 含 的 各 种 水 解 酶 。 这 一 现象 排除 了 在 正常 情况 下 ,新 合成 溶 酶 体 酶 通过 胞 外 “分 泌 -回收 ?途径 进入 新 深 酶 体 的 可 能 性 。 因 些 , 1 细胞 溶 酶 体 中 无 水 解 酶 的 现象 暗示 了 含 甘露 糖 -磷酸 的 低 聚 糖 可 被 存在 于 细胞 内 的 特殊 受 体 当 作 标 记 来 识别 的 。 事 实 上 ，, 目前 已 知 高 尔 基 器 及 ER. 膜 上 均 含 有 与 质 膜 上 相同 的 甘露 糖 -磷酸 受 体 o 引 导 水 解 酶 被 特异 地 装 和 人 初级 溶 酶 体 的 应 是 这 种 细胞 内 受 体 。 当 正确 识别 标记 丢失 后 (如 在 工 细 胞 症 中 ) ,水 解 酶 即 不 再 被 包装 ,而 是 穿越 高 尔 基 器 ,源源 不 断 地 分 泌 到 细胞 外 。 识别 标记 7-61 培养 中 的 正常 及 突变 细胞 分 刻 及 回收 次 酶 体 水 解 酶 过 程 示 意图 位 于 三 种 细胞 质 膜 上 的 特殊 受 体 蛋 白 使 它们 能 将 加 入 培养 小 的 水 解 酶 报信 各自 的 盗 酶 体 。 赤 勒 氏 细 胞 无 合成 <-L- 艾 杜 糖 背 酸 酶 的 能 力 ， 此 缺陷 可 通过 向 培养 滚 中 添加 这 种 酶 (由 正常 细胞 释放 ) 而 纠正 。 工 细 胞 可 合成 所 有 水 解 酶 ， 但 因为 缺失 为 这 些 酶 摄 人 细胞 及 在 细胞 内 运送 至 溶 酶 体 所 需 的 标记 而 全 被 分 刻 。 饶 有 兴趣 的 是 ,实验 业已 证 明 水 解 酶 一 旦 进入 溶 酶 体 后 , 即 失去 甘露 糖 -磷酸 标记 。 失 去 标记 可 能 有 助 于 将 酶 稳定 在 溶 酶 体内 ,以 防止 在 膜 再 利用 过 程 中 ,被 识别 该 标志 的 受 体 重新 收回 这 些 酶 ( 见 图 7-56)。 过 氧 物 酶 体 碟 由 光滑 ER 出 芽 形 成 过 氧 物 酶 体 是 一 种 几乎 存在 于 所 有 真 核 细胞 中 的 细胞 器 。 这 种 细胞 器 一 般 在 密度 梯 度 离心 时 与 溶 酶 体 同时 沉降 。 直到 60 年 代 初 , 人 们 才 普 遍 意识 到 过 氧 物 酶 体 以 独立 的 细胞 器 形 式 存 在 。 那 时 ， 采 用 生物 化 学 与 电子 显 微 技 术 相 结合 的 方法 ， 鉴 定 了 这 种 细胞 器 * 它 由 一 层 膜 包围 ,直径 约 为 0.5 um, 在 肝 细 胞 中 至 少 是 三 种 氧化 酶 ; 即 D- 氮 基 酸 氧化 酶 .尿酸 氧化 酶 .过 氧化 氢 酶 的 浓缩 源 。 随 后 ,由 于 对 可 占 过 氧 物 酶 体 蛋白 总 量 40% 的 过 氧化 氢 酶 的 组 织 化 学 染色 技术 的 发 展 ， 证 明 小 型 (0.15 一 0.2 wm) 过 氧 物 酶 体 (“ 微 过 氧 物 酶 体 " ) 普 遍 存在 于 哺乳 动物 细胞 中 。 大 型 过 氧 物 酶 体 则 只 限于 相对 少数 几 类 细胞 。 有 时 , 因 过 和 氧 物 酶 体 中 含有 一 个 “晶体 样 " 核 心 而 在 电子 显 微 照 睫 中 相当 醒目 (图 7-62). 这 种 核心 属 一 种 含 高 度 浓 缩 的 过 氧 物 酶 体 酶 的 管状 结构 ,但 经 常 是 不 存在 的 。 与 线粒体 相同 ,过 氧 物 酶 体 是 氧 (9:) 利 用 的 主要 场所 。 实 际 上 ,有些 学 者 认为 过 氧 物 ©. 357° 酶 体 代 表 一 种 当 氧 进入 大 气 后 ， 在 原始 的 前 真 核 细胞 中 进行 各 种 有 氧 代谢 的 古老 细胞 器 的 退化 形式 。 根 据 这 一 观点 ,线粒体 的 形成 使 过 氧 物 酶 体 在 很 大 程度 上 被 细胞 废 去 不 用 。 许多 原 在 过 氧 物 酶 体 中 以 不 产生 能 量 方法 进行 的 同一 反应 ， 目 前 可 在 线粒体 中 通过 氧化 磷酸 化 作用 与 ATP 同时 生成 。 而 继续 在 过 氧 物 酶 体 中 进行 的 氧化 反应 , 不管 线粒体 的 存在 与 否 仍 将 对 细胞 是 有 用 的 。 与 上 述 假说 一 致 的 是 ， 新 过 氧 物 酶 体 可 能 通过 相对 来 说 比较 原始 的 机 制 形 成 的 。 据 asia ER GK FRAT ER 膜 形成 前 细胞 器 。 然 后 ,这 种 细胞 器 前 体 在 光 消 ER 的 某 区 域 形 成 芽 。 包括 过 氧化 氢 酶 及 尿酸 氧化 酶 在 内 的 几 种 主要 过 氧 物 酶 体 的 酶 在 胞 液 中 合成 ， 并 在 形成 中 通过 涉 及 过 氧 物 酶 体 膜 的 特殊 识别 过 程 转运 到 过 氧 物 酶 体 。 因 成 熟 过 氧 物 酶 体 常 与 光 请 ER 的 细小 袖 套 状 突出 物 相 连 (图 7-62)， 据 认为 许多 成 熟 过 氧 物 酶 体 仍 附着 于 ER，, 而 不 出 车 离 去 ,以 形成 自由 绍 胞 器 。 TA wih Al ARRAS RRA” ee name 过 氧 物 酶 体 含 有 细胞 内 大 部 分 过 氧化 氢 梅 。 cr Fn TAAMAER TERN ehh, 56 —PRER ANSE RANT ICH ER hes a BRE HRESURT PM. ETA: RH, + 0, 一 >R + H,O, it At Ss A) FEL th +E A -HO,, 通过 H,O,R’N,—>R’ 十 2HO 这 类 过 氧化 " 反 应 ,来 氧化 各 种 包括 酚 、 甲 酸 、 甲 醛 及 乙醇 等 一 系列 底 物 。 除 此 之 外 ，R 了 在 低 浓 度 时 ， 过 氧 物 酶 将 HO， 转 变 为 H,O: 2H0, 一 >2IHONiTO， 后 一 反应 有 时 被 看 做 一 种 安全 装置 ， 可 防止 强 氧 化 剂 HO, 在 无 充分 所 原子 供 体 (R H2) 供应 时 的 危险 积聚 。 对 过 氧 物 酶 体 功能 来 说 重要 的 是 ,这 一 细胞 器 的 膜 有 特殊 的 通 透 性 ， 可 使 无 机 离子 及 所 有 分 子 量 不 超过 芒 糖 的 低 分 子 量 物质 轻易 通过 。 据 认 为 肝 及 肾 细 胞 中 的 大 型 过 氧 物 酶 体 对 各 种 分 子 的 解毒 具有 重要 意义 。 mM, 我们 饮 人 的 乙醇 中 几乎 一 半 在 此 途径 中 被 氧化 成 乙 醛 。 正常 情况 下 , 过 氧 物 酶 体 至 少 耗 去 肝 所 吸收 氧 的 百 分 之 十。 除 解 毒 反 应 外 ,过 氧 物 酶 体 还 利用 一 种 特殊 HO, 生成 酶 ,来 催化 脂肪 酸 裂 解 为 乙酰 辅酶 A。 产 生 的 乙酰 辅酶 A 则 可 经 过 胞 该 转运 到 线粒体 ,加 入 柠檬 酸 循环 ,或 供 它 处 进行 的 生物 合成 反应 使 用 。 据 估计 四 分 之 一 至 二 分 之 一 的 脂肪 酸 在 过 氧 物 酶 体 中 降解 , 其 余 ee nae a 过 氧 物 酶 体 中 所 含 的 酶 随 细 胞 类 型 而 异 * 对 过 氧 物 酶 体 代 谢 难 以 进行 笼统 描述 , 因 这 种 细胞 器 的 成 分 变化 极 大 。 同一 生物 中 的 不 同 细胞 党 含有 一 组 相当 不 同 的 酶 。 更 有 甚 者 ,在 某 些 细胞 中 ,过 氧 物 酶 体 的 数目 及 内 。358。 ——————— 含 物 依 条 件 而 变化 。 例 如 :在 糖 中 生长 的 酵母 菌 细胞 中 含有 极 少 过 氧 物 酶 体 ,在 含 甲 醇 环 境 中 生长 的 细胞 则 生成 大 量 可 氧化 甲醇 的 特殊 过 氧 物 酶 体 ， 而 生长 在 脂肪 酸 中 的 细胞 却 含有 无 数 促 使 脂肪 酸 裂 解 为 乙酰 辅酶 A 的 过 氧 物 酶 体 。 对 植物 中 的 两 种 不 同类 型 的 过 氧 物 酶 体 已 进行 了 透彻 的 研究 。 一 类 存在 于 叶片 中 。 叶 /中 的 这 种 细胞 器 催化 将 CO, 固定 于 碳水 化 合 物 反 应 的 副产品 的 氧化 。 这 一 过 程 被 称 为 光 呼 吸 , 因 在 此 过 程 中 利用 CO， 而 释放 CO;( 见 496 页 )。 在 萌发 的 种 子 内 则 存在 一 种 类 型 极为 不 同 的 过 氧 物 酶 体 ， 这 种 过 氧 物 酶 体 将 贮存 在 种 子 脂 质 中 的 脂肪 酸 转化 为 幼小 植 株 物 质 生产 中 所 需 的 糖 。 由 于 这 一 过 程 的 完成 需 通过 称 之 为 乙 醛 酸 循环 的 一 系列 反应 ,这 ) SHEA © —2. C3} ——=ER AT-63 在 ER 中 合成 的 蛋白 质 进行 细胞 内 拣选 的 简 图 。 蛋 白质 基 于 所 含 “地 址 标记 ”而 被 引 向 细胞 内 不 同位 置 。 但 溶 酶 体 的 识别 标记 未 知 。 利 用 抑制 N- 连 接 糖 基 化 作用 的 霉 素 (tunicamycin) 进行 的 实验 表明 在 许多 情况 下 溶 酶 体 识别 标记 中 并 不 需要 N- 连 接 的 低 聚 糖 。 注 意 ， 据 认为 过 氧 物 酶 体 膜 由 ER 直接 出 芽 形 成 ( 见 图 7-62)， 一 旦 形成 后 这 种 膜 可 提供 将 胞 液 中 合成 的 经 选择 的 可 溶性 蛋白 质 泵 人 过 氧 物 酶 体 的 重要 系统 。 如 此 ， 过 氧 物 酶 体 以 与 线粒体 大 致 类 似 的 方式 获得 许 多 其 中 所 含 的 蛋白 质 。 © 3529e 种 过 氧 物 酶 体 又 称 为 乙 醛 酸 循环 体 (glyoxysomes)。 在 乙 醛 酸 循环 中 ,过 氧 物 酶 体 中 的 脂 肪 酸 降解 产生 的 2 个 乙酰 辅酶 六 分 子 可 用 于 合成 琥珀 酸 ， 琥 珀 酸 离开 过 氧 物 酶 体 并 转化 为 葡萄 糖 。 由 于 乙 醛 酸 循环 不 发 生 在 动物 细胞 中 , 所 以 动物 细胞 没有 将 脂肪 转化 为 碳水 化 合 物 的 能 力 。 类 似 溶 酶 体 途 径 中 所 用 的 拣选 机 理 可 同样 在 其 他 细胞 区 室 中 起 作用 ” 有 关 将 酸性 水 解 酶 拣选 到 溶 酶 体 的 引 人 注 目的 实验 观察 提示 ， 细 胞 内 对 多 种 蛋白 质 的 拣选 可 能 以 大 致 相同 的 方式 进行 。 当 采 用 有 蛋 质 或 低 聚 糖 结构 中 某 种 共同 特征 作为 “地 址 标记 ”时 , 下 列 模式 可 用 以 确定 蛋白 质 在 恰当 类 型 的 有 衣 小 泡 中 包装 (图 7-63 )o 1. 新 合成 的 蛋白 质 ( 及 其 他 大 分 子 ) 通 过 ER 时 , MBF LARA EME 澳 。 含 有 某 些 类 型 的 低 聚 糖 或 其 他 标记 的 蛋白 质 被 ER 膜 上 受 体 保留 , 其 余 所 有 蛋白质 则 目 动 外 运 到 高 尔 基 器 。 2. 许 多 被 运 到 高 尔 基 器 的 蛋白 质 被 一 系列 低 育 糖 修饰 酶 辨认 ， 这 些 酶 以 特有 方式 进 一 步 改变 蛋白 质 的 碳水 化 合 物 的 侧 链 。 某 些 经 修饰 的 低 聚 糖 侧 链 与 位 于 高 尔 基 膜 上 的 特 味 受 体 蛋 白 结合 , 因 相关 的 一 组 蛋白 质 具 有 相同 的 低 聚 糖 标 记 , 这 些 蛋白 质 被 相同 受 体 捕 获 。 同 样 ,其 余 高 尔 基 受 体 可 识别 并 捕获 经 其 他 方式 标记 的 蛋白 质 。 3. 有 些 类 型 的 高 尔 基 受 体 分 子 把 捕获 的 蛋白 质 分 子 保留 在 高 尔 基 器 肉 。 其 余 蛋 白质 则 分 散 于 高 尔 基 膜 中 ,并 包装 在 特异 类 型 的 有 衣 小 泡 中 ， 这 些小 酒 是 将 受 体 及 所 携 货 物 运 到 特定 细胞 区 室 的。 4. 所 有 未 能 在 高 尔 基 器 中 与 特殊 受 体 结合 的 大 分 子 被 运 到 细胞 外 。 在 这 种 模式 中 ，ER 或 高 尔 基 器 中 任何 未 被 特殊 受 体 捕获 的 大 分 子 ， 不 管 是 否 因为 意外 ,都 将 通过 ER 及 高 尔 基 器 最 终 被 运 到 质 膜 。 因此 ， 可 溶性 蛋白 的 分 泌 只 需要 一 种 由 ER 及 高 尔 基 器 中 正常 拣选 机 理 做 出 的 ETP” hands-off) RE. 这 就 可 用 来 解释 为 什么 缺少 低 聚 糖 标 记 ( 如 在 工 细胞 症 中 ) 的 溶 酶 体 水 解 酶 会 分 刻 出 来 。 在 发 现 高 尔 基 器 80 余年 后 ， 这 一 重要 细胞 器 中 进行 的 拣选 过 程 的 有 关 分 子 细节 正 在 开始 展现 。 尽 管 图 7-63 所 示 过 程 只 是 一 种 理论 上 的 推测 ,但 也 反映 了 目前 实验 中 有 关 拣选 机 理 的 一 般 要 点 。 一 些 依然 存在 的 中 心 问 题 是 : 〈1) 需 委 确 切 了 解 地 址 和 祭 记 的 实质 ; (2) 乔 清 这 些 标记 在 运输 过 程 中 如 何 被 修饰 而 将 蛋白 质 引 到 正确 地 点 〈 如 将 酶 引 到 ER 或 当 尔 基 膜 )， 或 将 蛋 日 质 运 到 更 远 的 位 置 ; 《3) 委 确定 这 一 地 址 密码 如 何 被 介 导 转运 的 有 衣 小 泡 破 译 的 。 小 结 过 氧 物 酶 体 是 特 化 来 用 分 子 气 进 行 氧化 反应 的 细胞 器 。 这 种 细胞 器 产生 过 氧化 氢 酶 既 可 利用 又 可 破坏 的 过 氧化 氧 。 深 酶 体 是 专门 进行 细胞 内 消化 的 细胞 器 ， 含 有 在 PH BAS TSH CARMAN pH 值 ) 具 最 佳 活性 的 特征 而 被 称 为 酸性 水 解 酶 的 多 种 多 样 水 解 酶 。 水 解 酶 在 ER 中 合成 ， 经 高 尔 基 器 加 工 , 再 从 高 尔 基 器 被 特异 的 有 衣 小 泡 运 到 溶 酶 体 。 即使 只 缺乏 一 种 溶 酶 体 水 解 酶 ,也 可 能 造成 严重 的 遗传 性 疾病 ,这 表明 深 酶 体 消化 作 用 对 正常 细胞 功能 的 重要 性 。 一 种 被 称 为 | 细胞 连 的 疾病 则 因 在 溶 酶 体 中 缺失 全 部 水 解 ¢ 360。 he gS, Fe ge ie Co a © 酶 而 发 生 。 HAREXRRSAMAAAPRRASERE- RRA RAKREEED 况 下 可 作为 地 址 标记 附着 于 溶 酶 体 水 解 酶 、 从 而 使 这 些 蛋 白质 可 被 位 于 高 尔 基 膜 的 受 体 蛋白 分 类 。 和 蛋白质 表 面 的 不 同 低 聚 糖 及 其 他 特征 似乎 可 被 用 来 作为 地 址 标记 , 以 进行 细 胞 内 的 蛋白 质 分 类 。 双 膜 细胞 器 :细胞核 .线粒体 及 叶绿体 至 此 ，。 有 关 细 胞 内 运输 机 制 的 讨论 尚未 涉及 将 新 合成 蛋白 质 运 送 至 细胞 核 、 线 粒 体 及 (植物 中 ) 叶 绿 体 的 问题 。 所 有 上 述 细 胞 器 都 被 两 层 分 离 的 膜 包 围 ,据说 这 类 膜 构 成 细胞 器 的 被 膜 。 两 层 膜 虽 都 含有 脂 双 层 , 但 蛋白 质 组 成 差别 极 大 ,这 反映 了 功能 上 的 差异 。 除 此 之 外 , 由 于 存在 两 层 同 心 膜 因而 在 细胞 器 内 产生 了 两 个 独立 的 空隙 : 外 层 及 内 层 膜 之 间 的 膜 际 空隙 及 被 内 层 膜 包 围 的 较 大 区 室 。 在 以 下 讨论 中 ,我 们 将 称 这 种 最 内 层 的 区 室 为 细胞 器 腔 。 通 币 称 线粒体 腔 为 基质 空隙 (matrix space), 称 时 绿 体腔 为 间 质 (stroma)。 细 胞 内 的 拣选 机 制 不 仅 应 将 适当 的 新 合成 蛋白 质 投 递 到 各 个 双 膜 细胞 器 ， 还 必须 将 这 些 蛋 白质 引 到 四 种 亚 细 胞 器 区 室 之 一 : SR ARR Rms PR RS 这 些 双 膜 细胞 器 中 的 蛋白 质 多 在 细胞 器 外 合成 ,然后 穿越 内 外 两 层 膜 进入 腔 内 ,或 只 穿越 外 膜 , 抵达 内 膜 上 或 膜 际 空隙 中 的 最 终 位 置 上 。 据 认 为 内 外 膜 间 的 特 化 的 粘 附 部 位 (adhesion sites) 有 利于 这 些 分 子 的 转运 。 具有 内 外 细胞 莘 的 细菌 可 视 为 双 膜 细胞 器 的 模型 基于 细菌 遗传 学 分 析 的 威力 及 细菌 是 自由 生长 机 体 的 事实 。 对 大 肠 杆菌 及 沙门 氏 菌 双 膜 系统 的 了 解 要 比 对 真 核 细胞 器 的 双 膜 了 解 得 更 深 。 如 图 7-64 及 7-65 Pa, 大 肠 杆 诡 被 膜 是 一 种 由 内 外 两 层 脂 质 膜 及 夹 在 其 中 的 一 种 使 细胞 坚硬 的 粘 肽 层 构成 的 复杂 结 构 。 内 外 两 层 膜 各 含有 不 同 的 膜 蛋白 质 , 具有 极 不 相同 的 功能 。 两 层 膜 通过 称 之 为 粘 附 部 位 的 不 连续 区 域 联 系 。 虽 可 在 大 肠 杆菌 细胞 的 电子 显 微 照片 中 观察 到 粘 附 部 位 , 但 这 类 结构 更 易于 在 各 种 细菌 、 病 毒 附着 细菌 外 膜 处 观察 到 (图 7-66)。 者 不 考虑 坚硬 的 中 间 层 ， 细 菌 双 膜 可 做 为 分 析 穿 越 真 核 双 膜 细胞 器 两 层 膜 运 输 过 程 He UR onal ’ 人 it 2 A 4 bl a had Be ati ae Lae Pe CAM Praha Ne oe oul WO sure AEM ti q ty KS Ray ey Pit “A i al 1 oF TLL ane fr rel. fi av vive he at im Hl co Spas: nh 中 机 uy ee mae C mat Vey Se Py tee iff Wr ai ge iS 脂 双 层 Ri a 7} FAM dt Le i; in yee 76! 大 肠 杆菌 外 膜 小 块 断面 示意 图 。 注意 两 层 同心 脂 双 层 膜 将 细胞 质 与 外 界 隔离 。 坚硬 的 粘 肽 层 是 极为 多 孔 的 ,并 与 外 层 膜 的 一 种 小 型 蛋白 质 分 子 共 价 相连 。 图 中 黑 线 代表 低 聚 糖 链 ,它们 是 和 外 层 膜 的 外 面 单 层 的 特有 脂 多 糖分 子 相连 。 为 简明 起 见 , 只 显示 少数 几 条 低 聚 糖 链 。 * 361-¢ W 的 极 好 模式 。 然而 , 蛋白 质 运 输 的 方向 却 相反 ,在 细菌 中 , 腔 内 (细胞 质 ) 合 成 的 某 些 蛋白 质 向 外 移动 ,而 在 真 核 细 胞 中 , 许多 在 外 面 ( 胞 锌 ) 合 成 的 蛋白 质 向 内 运 人 细胞 器 腔 ( 图 7- 67)。 Se % 图 7-65 分裂 中 的 大 肠 杆 菌 横 断面 的 电 图 7-66” 附 于 大 肠 杆 菌 双 层 膜 粘 附 部 位 的 细菌 病 FORMA. 细胞 正 处 于 分 裂 过 程 中 ， SHBTERRMRA. AS TEMA RULES 双 层 膜 及 粘 肽 层 的 排列 清晰 可 见 。 〈3 引 的 DNA 注入 细胞 内。 (5| 自 M. Bayer, H. Bl. D. J. Burdett and R. G. E. Mur- Thurow and M. H. Bayer, Virology 94: ray,J- Bacteriol.119:303—324,1974) 95—118, 1979) 跷 蛋白 可 在 粘 附 部 位 的 内 外 双 层 膜 之 间 和 移动” 现在 某 些 细菌 外 膜 蛋白 质 已 可 进行 诱导 合成 ， 然 后 再 利用 特异 抗体 探测 出 现在 外 膜 上 的 蛋白 质 。 此 类 研究 已 证 明 至 少 部 分 蛋白 质 首 先 在 特殊 膜 的 粘 附 部 位 或 其 附近 进 大 外 膜 , 这 提示 了 这 些 部 位 在 内 外 膜 间 大 分 子 运 输 方 面 起 重要 作用 。 我 们 已 提 及 在 大 肠 杆 菌 中 “工程 化 地 "由 大 肠 杆菌 膜 蛋白 氨基 端 及 胞 彼 蛋 白 羧基 端 构 成 杂种 蛋白 的 巧妙 实验 ( 见 329 页 )。 当 含 有 大 肠 杆 菌 外 膜 蛋白 氨基 端的 杂种 分 子 合成 后 ,可 发 现 某 些 分 子 主 要 只 插 人 细菌 内 膜 , 而 不 插 人 细菌 外 膜 。 这 就 提示 了 预定 分 往 大 肠 杆菌 外 膜 的 蛋白 质 首 先 被 插 人 内 膜 , 随后 再 将 这 些 分 子 转 人 外 膜 时 则 需要 第 二 信号 。 有 些 杂种 分 子 中 的 第 二 信号 是 有 缺陷 的 。 这 些 观察 指出 膜 蛋白 以 独立 的 两 步 运输 穿越 真 核 双 膜 的 可 能 性 。 根据 这 一 观点 ， 新 合成 的 细胞 器 膜 蛋白 扒 有 一 个 使 它们 能 与 适当 外 膜 结 合 , 然后 插 人 其 中 的 信号 序列 。 在 双 层 平面 中 扩散 后 , 所 有 在 外 膜 中 的 蛋白 质 最 终 将 与 粘 附 部 位 相遇 。 位 于 粘 附 部 位 的 受 体 蛋白 就 能 选择 性 地 将 扒 有 特殊 标记 的 膜 蛋白 运送 到 内 膜 ( 图 7-68)。 这 一 转移 过 程 可 能 是 耗 能 的 . 单 癌 的。 因此, 仍 留 在 真 核 细 胞 器 外 膜 的 将 只 是 那些 无 适当 转移 标记 的 蛋白 质 。 目 前 ,这 类 有 关 选 择 性 膜 际 转移 的 模式 只 是 一 种 常 被 借用 的 假说 , 因 设想 中 的 粘 附 部 位 受 体 至 今 尚 未 被 验证 。 “362。 双 膜 细胞 器 必须 从 胞 液 同 时 向 腔 内 运输 可 溶性 及 膜 结合 蛋白 ,现在 我 们 将 讨论 蛋白 质 如 何 连续 穿越 两 层 膜 。 粘 附 部 位 在 把 水 溶性 分 子 转运 到 双 膜 细胞 器 腔 时 可 能 也 起 作用 “ 图 7-68 所 示 的 膜 蛋白 运输 途径 也 可 被 脂 质 及 其 他 溶 于 脂 双 层 的 蕊 水 性 小 分 子 采用 ， 但 水 溶性 分 子 不 能 以 此 方式 进入 细胞 器 。 小 型 水 溶性 分 子 一 般 被 特异 转运 豆 白 运送 穿越 单个 的 双 层 膜 ， 而 在 双 膜 细胞 器 的 外 层 膜 上 则 存在 着 蛋白 质 孔 使 小 型 可 溶性 分 子 得 进入 膜 际 空间 。 第 二 组 转运 蛋白 必 存在 于 内 膜 ， 以 使 位 于 膜 际 空隙 的 分 子 进入 腔 内 (图 7-69)。 因 这 两 种 转运 蛋白 不 同 , 位 于 腔 内 及 膜 际 空隙 的 分 子 也 大 不 一 样 ( 见 第 九 章 )。 然而 ， 像 蛋白 质 这 样 的 大 的 可 溶性 分 子 究竟 如 何 被 运 到 这 些 细 胞 器 中 的 YE? ”虽说 原则 上 可 利用 细胞 质 运 输 小 泡 ， 但 这 种 方式 可 能 使 被 运 到 细胞 器 用 内 的 分 子 仍 留 在 泡 中 (图 7-70 ,途径 1)。 图 7-67 大肠 杆菌 和 某 些 真 核 生 物 的 细胞 器 之 间 的 相似 性 。 Aa “ei 内 部 空隙 ( 称 为 腔 ) 是 被 一 外 膜 包 围 着 的 。 外 膜 则 由 两 层 同心 而 这 正 可 能 是 运输 小 泡 不 能 被 高 尔 基 器 。” 膜 组 成 ， 其 中 每 层 都 是 包 埋 了 膜 蛋白 的 脂 双 层 。 蛋白 质 输入 运 到 线粒体 或 叶绿体 的 原因 。 此 外 。 有 《并 穿越 ) 这 两 层 膜 的 机 理 ， 细 菌 和 真 核 生物 可 能 相似 。 关 线 粒 体 的 实验 表明 预定 分 往 腔 (基质 ) 的 蛋白 质 并 不 先进 入 膜 际 空隙 ( 见 518 页 )。 原 则 上 :， 大 分 子 可 从 胞 液 通过 完全 在 膜 际 空隙 内 进行 的 泡 出 芽 和 融合 循环 进入 细胞 腔 (图 7- 70 ,途径 2), 然 而 :在 细菌 或 细胞 器 的 双 膜 间 , 从 未 发 现 这 种 小 胞 介 导 类 型 的 运输 过 程 。 某 些 新 合成 的 蛋白 质 排出 \ Bs 选择 性 的 内 部 空隙 膜 间 运 和 给 A N 由 信和 号 序列 中 介 4 ove HAIN EBE H7-63 双 膜 细胞 器 中 粘 附 部 位 可 在 内 外 双 层 间 选 择 性 运送 脂 质 及 膜 蛋白 的 示意 图 通过 粘 附 部 位 上 的 横 跨 两 层 膜 的 特殊 蛋白 质 通道 ， 将 可 溶性 分 子 送 入 双 膜 细胞 器 腔 是 一 种 最 可 能 的 机 制 。 已 知 被 称 为 核 膜 孔 复 合体 (Nuclear pore complexes) 的 连接 细胞 核 内 外 膜 的 独特 结构 可 将 蛋白 质 及 核酸 运 出 和 运 人 细胞 核 ( 见 413 页 )。 更 接近 线粒体 及 叶绿体 情况 的 是 , 大 肠 杆菌 中 细菌 病毒 与 特殊 粘 附 部 位 结合 (图 7-66), 并 将 其 DNA 直 5 363 » a 接 通过 这 些 结合 部 位 注入 细胞 。 虽然 已 在 线粒体 及 叶绿体 中 观察 到 粘 附 部 位 。 但 至 今 这 些 部 位 尚 无 可 作为 选择 性 孔 的 直接 证 据 。 分 离 这 些 粘 附 部 位 进行 生物 化 学 分 析 始 终极 为 困难 。 或 许 。 与 在 大 肠 杆 菌 中 的 模式 相同 。 线 粒 体 及 叶绿体 上 的 粘 附 部 位 是 不 稳定 的 。 它们 不 断 分 解 , 而 且 再 在 不 同 地 方 重新 形成 。 图 7-69 水 溶性 分 子 被 运 入 双 膜 细胞 器 的 一 种 途 径 的 示意 图 。 这 些 细胞 器 在 膜 际 空 队 积 聚 可 溶性 分 子 ， 并 选择 性 地 将 其 中 部 分 运 和 人 腔 内 。 凡 具有 相应 转运 蛋白 的 分 子 均 可 按 这 种 方式 运送 。 小 结 | 图 7-70 来 自 胞 液 的 运输 小 泡 不 能 用 来 将 水 溶性 分 子 运送 至 双 膜 细胞 器 腔 的 示意 图 。 虽 然 分 子 可 通过 运输 小 泡 被 运 至 膜 际 空 阶 ， 然后 在 另 一 泡 内 进入 腔 ( 途 径 1 )， 但 结果 这 些 分 子 却 不 能 灾 放 进入 腔 内 。 然 而 ,原则 上 水 溶性 分 子 可 通过 完全 在 膜 际 空隙 进行 的 泡 出 芽 和 融合 循 环 而 直接 从 胞 液 送 入 腔 内 (或 相反 )( 途 径 2) 但 从 未 发 现 发 生 这 类 小 泡 运 输 方式 。 与 翌 R、 高 尔 基 器 及 溶 酶 体 不 同 ， 细 胞 核 、 线 粒 体 及 叶绿体 被 两 层 分 离 的 双 层 膜 包 围 。 虽 然 被 运 到 腔 内 的 分 子 可 独立 穿越 每 层 膜 ,但 连接 这 两 层 膜 的 特殊 粘 附 部 位 似乎 与 这 种 运输 有 关 。 就 线粒体 及 叶绿体 而 论 ,这 种 运输 过 程 可 能 比 核 膜 更 特殊 。 在 核 膜 ,大 型 核 膜 孔 复 他 体 使 大 分 子 能 迅速 运 出 和 运 入 核 。 + 3646 【 素 世 真 译 ec 查 士 货 校 ] 第 作 章 A 胞 核 细胞 的 DNA 组 分 隔离 在 细胞 核 中 , 细胞 核 则 以 一 双 层 膜 为 界 , 称 为 核 被 膜 。 核 被 膜 是 区 别 真 核 细胞 与 原核 细胞 的 本 质 特 征 。 核 被 膜 将 DNA 复制 和 RNA 合成 这 两 个 重要 的 遗传 过 程 同 细胞 质 中 的 核糖 体 分 开 , 遗传 信息 是 在 核糖 体 上 转译 成 蛋白 质 的 。 看 来 核 被 膜 的 最 重要 功能 之 一 就 是 使 RNA 合成 与 蛋白 质 合成 分 开 。 否 则 , 核 膜 的 进化 是 难于 理解 的 。 原 核 生物 与 真 核 生 物 之 间 还 有 其 他 重大 差别 ,但 这 些 差 别 看 来 都 是 次 要 的 。 例如 ， 原核 生物 的 基因 组 通常 要 小 得 多 ， 真 核 生 物 DNA 则 与 特 化 蛋白 一 一 组 蛋白 紧密 复合 在 一 起 。 组 蛋白 把 DNA “包装 ”起 来 并 协助 调节 DNA 的 活性 。 但 是 细胞 核 的 存在 并 不 意味 着 基因 组 必然 要 大 以 及 组 蛋白 必然 存在 。 最 大 的 细菌 DNA 组 与 最 小 的 真 核 生 物 DNA 组 差不多 一 样 大 。 而 单 细 胞 的 甲 党 是 一 类 真 核 生物 , 它 有 核 被 膜 , 却 没有 组 蛋 日 。 由 此 看 来 , 即使 对 于 DNA 含量 较 少 的 小 细胞 来 说 ， 细 胞 核 和 细胞 质 两 部 分 的 分 隔 也 是 有 好 处 的 。 但 如 果 说 分 子 遗 传 学 的 中 心 法 则 (DNA->RNA-> 蛋 白质) Ea 对 于 所 有 的 活 细胞 都 适用 的 话 ， 为 什么 应 该 如 此 呢 ? -一 目前 我 们 能 得 到 的 最 好 回答 是 : 在 真 核 细胞 中 。 将 RNA 合成 (转录 ) 在 时 间 上 和 空间 上 与 蛋白 质 合成 ( 转 20 Pe 译 ) 分 开 是 具有 重要 意义 的 。 在 原核 生物 细胞 中 。 转 录 各 An 和 蛋白质 合 成 是 同时 进行 的 , 即 当 核糖 体 转译 RNA 分 子 的 5 端 时 ，RNA 分 子 的 3 端 还 在 合成 中 。 A 此 在 RNA 转录 本 被 转译 成 蛋白 质 之 前 是 没有 什么 机 会 改 SS | aS) 变 这 个 转录 本 的 。 相反 ， 在 真 核 生 物 中 ,RNA 转录 信使 RNA 本 在 被 转译 成 蛋白 质 之 前 可 以 在 细胞 核 中 加 以 广泛 的 的 转 详 改变 。 这 种 改变 称 为 RNA 加 工 , 它 是 真 核 生 物 中 遗 Y kak 传 信息 传递 过 程 的 一 个 重要 的 中 间 步 又 ， 之 后 才 将 加 工 好 的 RNA 从 细胞 核 中 转运 到 细胞 质 中 的 核糖 体 上 (图 8= 划 我 们 将 会 看 到 ,至 少 有 一 种 类 型 的 RNA Mey 在 真 大 是 加 中 闪 天 于 的 基 由 质 玉 记 工 一 一 称 为 RNA 剪接 对 于 细胞 功能 是 大 有 好 处 “过程 (CDNA-~>RNA~ 和 看 白质 2) 的 示意 图 。 的 5 此 外 ;RNA 剪接 还 使 真 核 生物 细胞 能 演化 出 具有 ， eee eee ieee oe cana 间断 结构 的 基因 ， 这 有 利于 新 蛋白 质 的 出 现 。 所 以 要 加 工 和 RNA 转运 两 个 步骤 。 说 明 真 核 生 物 细胞 存在 细胞 核 的 道理 是 不 难 的 。 这 一 章 所 介绍 的 资料 相当 丰富 。 在 开始 两 节 中 , 我 们 叙述 真 核 生 物 的 _ DNA 是 怎么 装配 成 为 染色 体 , 并 概述 RNA 合成 和 加 工 所 涉及 到 的 基本 机 理 。 第 三 节 叙 述 核 被 膜 的 结构 。 接 着 对 控制 真 核 生 物 基因 表达 的 机 理 进 行 详尽 的 讨论 。 最 后 , 本 章 的 最 后 一 节 讨 论 真 核 生物 基因 组 进化 过 程 的 本 质 。 © 365° aie DNA 组 成 染色 体 的 过 程 : 在 本 世纪 的 最 初 四 十 年 内 ,生物 学 家 对 DNA 能 在 染色 体 中 拟 带 遗传 信息 的 可 能 性 FEAT Bik. 部 分 是 因为 核酸 被 误 认 为 只 含有 简单 重复 的 四 核 背 酸 序列 (例如 AGCT AGCT AGCT……)。 但 是 ,现在 我 们 知道 ，DNA 是 一 种 非常 长 的 、 不 分 支 的 线性 多 聚 体 : 它 可 以 包含 好 几 百 万 个 核 背 酸 , 这 些 核 彰 酸 的 排列 顺序 不 规则 但 却 非 随机 , 而 遗传 信 息 正 蕴藏 在 这 个 核 音 酸 的 排列 顺序 中 。 这 个 线性 的 由 四 个 字母 组 成 的 遗传 密码 是 以 三 个 核 背 酸 作 为 一 个 单词 。 它 直截了当 地 解决 了 将 大 量 遗 传 信息 贮存 于 很 小 的 空间 内 的 问题 。 在 DNA Hh, 每 190 “SR” (BHR) 所 占 的 直线 距离 只 有 3.4 X 10’nm 《0.034cm)， 所 占 总 体积 大 约 为 10nm” (10-2 cm’), Ak, —*+ BH 20um 的 典型 人 体 细 胞 一 一 其 ( 单 倍 体 ) DNA 序列 含有 3 X 10 个 核 音 酸 一 理论 上 讲 它 的 全 部 遗传 信 息 可 以 装 在 一 个 每 边 长 1.5 wm(1.5Xx 10~cm) 的 立方 体 中 。 比 较 起 来 ,一 本 包含 3X 10° 个 字母 的 书 大 约 要 有 100 万 页 。 但 是 ， 尽 管 如 此 紧凑 ,现在 看 来 在 高 等 动 植 物 中 仍 只 有 一 小 部 分 DNA 用 于 编码 蛋 白质 或 编码 必需 的 非 转译 RNA， 如 转移 RNA 和 核糖 体 RNA。 通常 称 这 些 区 段 为 编 码 DNA, 虽然 对 不 编码 区 段 的 DNA 的 功能 尚未 完全 了 解 ,但 有 些 区 段 中 无 疑 包含 具 有 必要 生物 功能 的 序列 ,这 包括 决定 每 条 染色 体 中 DNA FARRAR. DNA 的 折 县 之 所 以 在 真 核 生物 细胞 中 很 重要 ， 是 有 两 方面 的 原因 。 第 一 ,很 长 的 DNA 分 子 要 有 规律 地 包装 在 细胞 核 中 就 必须 折 县 起 来 。 第 二 ,基因 组 区 段 在 某 一 种 细胞 中 的 正确 折 受 方式 能 决定 该 区 段 的 基因 活性 。 在 下 面 各 节 中 我 们 介绍 真 核 生 物 所 特有 的 蛋白 质 一 一 组 蛋白 , 它 对 于 真 核 生物 DNA 的 折合 起 着 很 重要 的 作用 。 组 蛋白 是 已 知 最 保守 的 蛋白 质 之 一 所 有 生物 的 DNA 都 是 与 各 种 不 同 的 DNA 结合 蛋白 紧密 结合 在 二 起 的 。 这 些 蛋 白质 可 以 作为 酶 来 介 导 像 RNA 合成 这 样 的 重要 功能 ,还 可 以 作为 结构 蛋白 协助 把 细胞 核 中 的 DNA 组 织 起 来 。 习惯 上 把 真 核 生物 中 的 DNA 结合 蛋白 分 成 两 大 类 :组 蛋 自 和 非 组 蛋白 染色 体 蛋白 。 后 者 是 干 百 种 具有 各 种 不 同 功能 的 不 同 蛋白 质 的 总 称 。 而 组 蛋 白 是 指 一 类 定义 明确 的 结构 蛋白 。 与 其 他 染色 体 蛋 白 相 比较 ,组 蛋白 的 数量 非常 之 大 (每 个 细胞 中 每 种 类 型 约 有 六 千 万 份 )。 事 实 上 ,它们 的 总 量 与 细胞 DNA 的 总 量 天 约 相等 。 由 于 历史 的 原因 ， 我 们 把 有 组 蛋白 与 之 结合 的 DNA 称 为 染色 质 (一般 认为 所 有 真 核 细 胞 的 核 DNA 都 是 如 此 )。 组 蛋白 是 较 小 的 蛋白 质 ， 内 含 高 比例 的 带 正 电 荷 的 氨基 酸 ( 赖 氨 酸 和 精 毛 酸 ); 正 电 荷 有 助 于 组 蛋白 与 DNA 的 紧密 结合 而 与 核 苷 酸 顺 序 无 关 。 组 蛋白 可 能 是 一 直 保持 与 DNA 结合 在 一 起 的 ,所 以 ,有 可 能 在 多 数 有 基因 组 参与 的 反应 中 起 重要 作用 。 真 核 生 物 细 胞 中 有 五 种 组 蛋白 ,分 为 两 大 类 。 第 一 类 包括 核 小 体 组 蛋白 ,这 是 一 些 负 责 把 DNA 折 县 起 来 形成 核 小 体 的 小 蛋白 质 〈 有 关 情 况 将 在 下 一 节 中 详细 讨论 )。 用 组 蛋白 H2A, H2B, H3 和 H4 来 表示 它们 。 这 四 种 类 型 的 组 蛋白 是 所 有 已 知 蛋白 质 中 最 保守 的 : 例如 ， 吏 豆 和 奶牛 的 组 蛋白 HH4 的 氨基 酸 顺 序 中 只 有 两 个 氨基 酸 的 差异 (图 。 366。 8-2). 这 种 保守 性 表示 ,这 些 组 蛋白 的 几乎 全 部 氨基 酸 都 和 它们 的 重要 功能 有 关 。 第 二 类 只 有 组 蛋白 Hl, 每 个 细胞 中 有 好 几 种 不 同 的 但 亲缘 关系 很 近 的 变种 。 除了 中 心 的 核心 区 外 ，Hl 组 蛋 日 的 氨基 酸 顺 序 在 进化 中 的 保守 狂 要 比 核 小 体 的 其 他 四 种 类 型 小 得 多 。 组 蛋白 与 DNA 的 结合 导致 形成 染色 质 的 颗粒 单位 一 一 核 小 体 每 条 人 染色 体 中 的 DNA 双 螺旋 要 是 伸展 开 来 的 话 ， 平均 会 有 5 cm FAK AE 折 负 责 把 这 样 长 的 DNA 分 子 包装 在 直 径 只 有 几 微米 的 细胞 核 中 。 包 装 有 好 几 Sania 个 层次 。 现 在 我 们 对 染色 质 结构 有 了 比 oe 较 深 入 的 了 解 , 那 是 由 于 1974 年 发 现 了 Gly 叫做 核 小 体 的 基本 包装 单位 。 在 经 过 处 cy oe 理 已 解 开 较 高 层次 的 包装 之 后 拍摄 下 来 1 EEE 的 电镜 照片 中 (图 8-3B), 核 小 体 使 染色 Gly RBA BEIM i 用 降解 DNA 的 酶 进行 消化 可 以 除 Lis cma 去 DNA“ 链 "上 的 核 小 体 " 珠 ”。 (降解 a DNA 和 RNA 的 酶 都 叫 核酸 酶 ,而 只 降 Ab 解 DNA 的 酶 则 叫做 脱氧 核糖 核酸 酶 或 Pe saps - 者 DNase)。 常 用 于 分 离 一 个 个 核 小 体 Hi 的 酶 是 一 种 细菌 酶 一 mR eR ne ARABI. RABIES ~Val-Lou-Arg-Asp-Agn~ fh 间 的 DNA 被 降解 。 HS DNA 受到 Leu-4Arg Arg-lle-Ala-Pro-Lys-Thr-lle-Glv-Gin 与 它 结 合 的 组 蛋白 的 保护 而 免 遭 消化 ， Ala-Arg-Arg- Gly -Gly -Val ~Lys-Arg-Ile-Ser-Gly .; oy 这 留存 下 来 的 是 一 个 长 146 BRA Phe LN va -Gy-ArgT-Gu-en-Tyr- 放 sLeu-Glu 链 DNA 片段 核 小 体 珠 ,这 些 DNA- 组 蛋白 复合 物 ， 在 电镜 照片 中 呈现 为 盘 状 颗粒 ,直径 约 为 lam, 每 个 核 小 体 念 SR 珠 中 含有 一 组 共 8 个 组 蛋白 分 子 四 aig se thee 种 高 度 保守 性 核 小 体 组 蛋白 HOA HB, H3、H4 各 两 个 分 子 。 这 些 组 蛋白 形成 一 个 蛋白 质 核心 ,在 它 四 周围 绕 着 DNA 8-2 组 蛋白 蕊 4( 四 种 核 小 体 组 蛋白 之 一 ) 的 所 基 酸 顺序 。 PEC 8-4) 为 了 突出 起 见 ， 将 带 正 电 荷 的 氨基 酸 以 黑体 表示 。 图 中 还 表 明 ( 其 他 三 种 核 小 体 组 蛋白 也 一 样 ) 延伸 的 氨基 末端 < 尾 ?可 在 未 经 消化 的 染色 质 中 ，DNA FE 以 通过 个 别 赖 氨 酸 的 乙酰 化 和 丝氨酸 的 磷酸 化 《 见 图 8-9 和 8-10) 而 在 细胞 中 发 生 可 逆 的 变化 。 图 中 画 的 是 牛 的 也 4 的 个 BUMS ESR BUMS 顺序 BUS ch OO RA A Ren, RR — Me Rs me FT BU MASE > a BEEK HE DNA 异 亮 氨 酸 和 一 个 赖 氨 酸 变 成 精 氨 酸 。 局 开 , 它 的 长 度 不 一 ， 约 有 60 个 碱 基 对 左右 。 这 种 连接 DNA 加 上 核 小 体 珠 就 构成 了 完整 的 核 小 体 。 所 以 ， 每 一 核 小 体 含 约 200 个 碱 基 对 的 _DNA (图 8-4). 一 个 平均 大 小 的 蛋白 质 约 含 400 个 氨基 酸 (分 子 量 约 为 50 000), 所 以 ， 需 要 有 1200 * 367 « -Asn - Val -Ile -Arg- Asp- Ala - Val - Thr \ 说 Val-Thr-Lys-A rg-Lys-Ala- His- Glu-Thr ae 、Ala- Met - Asp— Val - Val ~Tyr—Ala—Leu -Lys, 个 左右 的 碱 基 对 来 编码 它 。 因为 染色 质 中 每 200 个 碱 基 对 构成 一 个 核 小 体 ， 所 以 1200 个 碱 基 对 的 编码 DNA 与 6 个 核 小 体 相 结合 ,而 人 类 单 倍 体 基因 组 为 3X10 个 DNA fk 基 对 ,所 以 有 1.5 X10’ 个 核 小 体 。 许多 核 小 体 装 配 在 一 起 形成 高 度 有 序 规则 结构 在 活 细胞 中 ,染色 质 必 须 保持 一 种 高 度 紧 凑 的 状态 ,所 以 ， 可 能 很 少 采用 长 串珠 的 方 式 。 而 是 核 小 体 彼 此 堆 起 来 形成 规则 的 阵列 其 中 的 DNA 高 度 浓 缩 。 当 在 电镜 网 格 上 对 细胞 核 作 非常 温和 的 溶解 时 可 以 看 到 ， 大 部 分 染色 质 为 直径 约 30nm 的 纤维 (图 8-3A); 联接 DNA 核 小 体 的 组 站 ~O “串珠 ”形式 核酸 酶 消化 联接 DNA “ae 200 个 碱 基 对 的 重复 单位 onus ‘ ff BRE 下 的 解 离 八 聚 体 核 小 体 核心 S CZ t | a - 解 离 DNA 双 螺 dy 49 A 9S AN H2A H2B H3 H4 图 8-3 经 去 浓缩 处 理 前 后 的 染色 质 线 电镜 B84 核 小 体 珠 结构 的 示意 图 。 用 微 球 苦 核酸 酶 对 联接 照片 。(A) 表 示 天 然 结 构 常 称 为 30 nm 4 DNA 作 局 部 消化 后 将 珠 从 染色 质 中 释放 出 来 。 每 个 核 小 体 珠 中 有 一 个 八 聚 体 组 蛋白 核心 * 在 它 四 周围 绕 着 一 个 146 维 。〈B) 表 示 染 色 质 去 浓缩 后 的 串珠 形状 ， 放大 倍数 相同 。 这 两 种 形式 染色 质 的 示意 个 碱 基 对 的 DNA 双 螺旋 。 这 个 蛋白 质 核心 是 由 组 蛋白 蕊 2A、 图 见 图 8-24。 这 些 电镜 照片 是 根据 图 8-35 H2B\H3 和 再 4 各 两 个 组 成 。 这 些 组 蛋白 各 含 102 到 135 中 所 述 的 步骤 加 以 修改 而 拍摄 的 s(A，Bar- 个 氨基 酸 。 染色 质 以 串珠 状 存在 时 ， 每 个 核 小 体 珠 与 其 相 bara Hamkalo [§; B. Victoria Foe 赠 ) 邻 的 珠 通 过 一 条 裸露 的 联接 DNA “ 线 ? 彼 此 连接 。 这 种 染色 质 包装 的 基本 形式 通常 就 叫做 30nm 染色 质 纤维 。 关于 在 这 种 30nm 的 基本 染色 质 纤 维 中 核 小 体 的 包装 方式 曾 提出 过 两 个 不 同 的 模型 ， 如 图 8-5 所 示 。 按 照 这 两 个 模型 , 一 条 含 5 cm DNA 的 人 染色 体 的 染色 质 伸展 开 来 时 大 © 368 。 约 1.2mm 长 ,而 以 串珠 状 构 像 存在 时 则 有 2 cm 左右 长 。 组 蛋白 Hl 帮助 将 核 小 体 包 装 在 一 起 看 来 ;负责 把 核 小 体 包装 起 来 形成 30nm 纤维 的 是 组 蛋白 Hl。 每 个 HI 分 子 有 一 个 球状 中 心 区 ， 向 两 侧 分 别 伸 出 一 个 氨基 末端 “ 药 ”" 和 一 个 羧基 末端 臂 (图 8-6)。 球 状 部 分 与 每 个 核 小 体 上 的 特殊 部 位 相连 ， 一 般 认 为 ， 伸 出 的 臂 不 仅 与 相 邻 核 小 体 的 组 蛋白 核心 接触 ,而且 还 在 联接 DNA 接 向 核 小 体 的 地 方 将 联接 DNA 盖 起 来 。 通 过 这 种 方式 , 组 蛋白 HI 使 核 小 体 聚 拢 形成 一 种 有 规则 的 重复 排列 (图 8-6)。 组 蛋白 HI 结合 的 一 个 重要 特征 没有 在 图 8-6 中 表示 出 来 , 那 就 是 ， 往 往 是 8 个 或 者 更 多 个 组 蛋白 H1 分 子 成 群 地 es 与 DNA 结合 在 一 起 。 这 种 类 型 的 相互 作用 叫做 协同 结合 ”RN (cooperative binding)， 这 是 因为 任何 一 个 组 蛋白 HI OF 与 DNA 结合 时 ， 总 倾向 于 与 已 结合 的 组 蛋白 H1 分 子 相 靠近 。 与 基因 组 结合 的 其 他 许多 蛋白 质 也 是 以 一 种 协同 方式 结合 的 。 所 有 这 些 蛋白 质 结合 时 总 是 形成 由 许多 分 子 组 成 的 让 。 这 种 协同 结合 的 一 般 特 征 如 图 8-7 所 示 。 我 们 将 会 看 到 ,染色 质 似乎 是 包装 成 较 大 的 单位 ,每 个 大 [rete HH 1 ot Say 1K). Us 4 8-6 ASA H | 帮助 把 相 邻 的 核 小 体 包装 在 一 起 的 方式 ， 组 蛋白 的 确 切 结构 及 其 氨基 末端 和 羧基 末端 劈 与 图 8-5 为 说 明 串 珠 状 核 小 体 如 何 包装 成 30nm 基本 纤维 而 核 小 体 相 互 作 用 的 正确 部 位 ， 都 还 不 提出 的 两 个 不 同 模型 。 图 8-3A 电镜 照片 中 所 看 到 的 这 种 当 知道 。 但 互 1 的 球形 核心 好 象 是 按 图 色 质 的 真正 结构 现在 还 不 清楚 。 甚 至 有 可 能 在 染色 体 的 不 同 中 所 画 的 那样 与 每 个 核 小 体 相 连 。 每 区 段 中 采用 不 同类 型 的 包装 形式 。 一 组 蛋白 蕊 1 分 子 约 含 220 个 氨基 酸 。 单位 当 它 所 含 的 基因 有 活性 时 可 以 通过 去 浓缩 而 改变 其 结构 。 如 果 染 色 质 是 通过 组 蛋白 Hl 分 子 间 的 协同 相互 作用 组 织 起 来 的 话 , 那 么 , 染色 质 的 不 同 功 能 区 就 会 像 细 小 的 结晶 一 样 , 而 在 基因 活化 期 间 当 Hl 分 子 自发 生变 化 或 者 被 移 除 时 ， 每 个 功能 区 会 突然 伸展 FF (A 8-8 )o ° 369 1h 蛋白质 分 子 2 更 喜欢 ? WAH Nantes SEERA Ee mae 蛋白 质 分 子 色 质 随机 结合 位 置 上 结合 ， SASS 结合 最 后 结果 : 空位 上 结合 mms) 和 A( 式 当 色 质 )》 1) DYDD 5 -7+ EE @ @ 白质 所 覆盖 , 而 其 @Q@ 他 区 段 上 则 没有 @ 四 蛋白 质 图 8-7 一般 图 解 表明 以 协同 结合 方式 与 DNA 或 者 与 染色 质 中 和 蛋白质 结合 的 任何 蛋白 RAT 么 要 成 往 地 结合 ,图 示 与 某 一 区 段 “ 全 或 无 " 式 的 结合 。 图 并 不 是 所 有 核 小 体 都 是 通过 同一 方式 包装 起 来 的 在 试管 中 纯化 的 组 蛋白 可 与 任何 DNA 分 子 形成 核 小 体 ,这 包括 正常 情况 下 不 与 组 蛋白 结合 的 细菌 DNA。 所 以 ,在 染色 质 的 电镜 照片 中 看 到 , 核 小 体 是 DNA PAK Be 有 的 特征 这 是 不 足 为 奇 的 。 但 是 核 小 体 并 不 像 在 这 些 照 片 中 所 示 的 那样 一 致 。 事 实 上 ， DNA 的 重要 功能 是 靠 基 因 组 个 别 区 段 中 染色 质 核 小 体 结构 的 细微 改变 来 调节 的 。 虽然 这 些微 小 的 然而 在 生物 学 上 却 是 很 重要 的 结构 差异 的 分 子 基础 ,有 很 多 还 是 不 知道 的 ,但 是 ,引起 染色 质 结构 异 质 性 的 原因 有 几 个 是 可 以 肯定 的 。 其 中 有 些 变化 好 像 主要 是 发 生 在 含有 活性 基因 的 染色 质 区 段 中 。 核 小 体 组 蛋白 的 异 质 性 已 经 知道 ， 每 种 类 型 核 小 体 组 蛋白 都 可 以 发 生 一 系列 的 共 价 修饰 ,例如 ,个 别 赖 氨 酸 侧 链 会 乙酰 化 (图 8-9) ,两 个 别 丝氨酸 会 磷酸 化 (图 8-10)5 但 是 ,每 种 类 型 组 蛋白 中 只 有 一 部 分 经 过 这 两 种 方式 修饰 ( 见 图 8-2), 所 以 有 些 核 小 体 含 修 饰 过 的 组 蛋白 ， 而 另外 一 些 则 没有 。 因 为 这 些 修饰 是 发 生 在 那些 进化 过 程 中 特别 保守 的 氨基 酸 上 的 ， 所 以 非常 可 能 在 细胞 中 有 重要 功能 。 有 些 组 蛋白 修饰 反应 在 形成 以 后 可 以 迅速 发 生 逆反 应 。 最 为 显著 的 是 ， 组 蛋白 己 栈 基 转 移 酶 经 常 在 赖 氨 酸 上 加 上 乙酰 基 ,然后 组 蛋白 脱 乙酰 基 酶 再 将 乙酰 基 除 去 。 因 此 ; 乙 酰基 在 组 蛋白 上 的 平均 时 间 大 约 只 有 10 分 钟 左 右 。 这 就 是 说 ,一 个 细胞 接受 到 合适 的 信 号 后 ,能 够 迅速 改变 它 的 核 小 体 的 乙酰 化 型 式 。 一 般 认 为 ,在 有 活性 基因 的 染色 质 中 ;组 蛋白 的 乙酰 化 作用 是 加 强 的 。 | 另外 一 种 可 逆 的 组 蛋白 修饰 作用 在 细胞 中 将 一 种 进化 中 非常 保守 的 .74 个 氨基 酸 组 成 的 蛋白 质 共 价 结合 于 组 蛋白 H2 A 分 子 的 大 约 1/10 处 ， 这 种 蛋白 质 叫做 泛 素 《图 8- 11)。 这 些 特殊 的 pH2A 分 子 好 像 只 在 有 活性 基因 的 间 期 染色 质 中 才 有 。 每 次 有 丝 分 虱 时 ,染色 体 浓缩 , 它 就 暂时 消失 。 核 小 体 组 蛋白 的 修饰 作用 并 非 全 部 都 是 可 逆 的 。 例 如 ， 许 多 细胞 合成 一 种 或 一 种 以 上 的 “组 蛋白 变种 ”。 它 们 的 氨基 酸 顺 序 与 该 组 蛋白 的 大 多 数 分 子 稍 有 差异 。 这 些 组 蛋白 变种 的 意义 尚 不 知道 。 组 蛋白 Hl RE 虽然 每 个 核 小 体 大 约 有 一 个 HI 分 子 。 但 并 非 所 有 HI 分 子 都 是 一 样 的 。 在 有 些 细胞 中 至 少 有 5 种 不 同 的 亚 型 ,它们 都 能 够 在 个 别 的 氨基 酸 侧 链 上 磷酸 化 。 这 些 不 同类 型 的 HI 组 蛋白 与 核 小 体 结合 可 能 就 使 染色 质 在 功能 上 产生 B Ho « 3706 由 于 含量 丰富 的 非 组 入 白 蛋白 质 与 选中 的 核 小 体 结合 造成 的 异 夸 性 大 多 数 非 组 蛋白 染色 体 蛋 白质 的 含量 都 非常 少 。 例 如 ,有 些 已 知 的 基因 调节 蛋白 ,每 个 细胞 大 约 只 有 10 000 个 分 子 , 或 者 每 3 000 个 核 小 体 大 约 只 有 一 个 拷贝 。 要 想 分 离 出 足够 量 的 这 些 稀有 蛋白 质 来 进行 分 析 研 究 是 很 困难 的 。 由 于 这 个 原因 ,迄今 为 止 , 只 有 对 含量 最 丰富 的 非 组 蛋白 蛋白 质 进 行 过 详细 的 研究 。 这 些 蛋白 质 的 量 大 到 每 10 个 核 小 体 就 有 一 个 分 子 (每 个 细胞 中 超过 一 百 万 个 ), 所 以 不 可 能 它们 中 的 多 数 都 能 识别 特异 DNA 顺序。 相反: 它们 可 能 只 是 影响 染色 质 的 较 一 般 结构 特征 ,例如 基因 转录 所 必需 的 结构 特征 。 被 次 发 的 协同 的 组 蛋白 H LAER 图 8-8 因为 组 蛋白 H I 使 染色 质 的 核 小 体 协同 包装 ， 所 以 染色 质 的 一 个 局 部 区 域 应 该 起 结构 单 位 的 作用 。 本 图 描述 了 一 个 单位 在 接收 到 某 一 个 外 界 来 的 调节 信号 时 突然 去 浓缩 的 情况 。 一 般 认 为 * 这 样 一 种 类 型 的 染色 质 去 浓缩 过 程 是 基因 活化 过 程 的 基础 。( 见 图 8-93) 含量 丰富 的 非 组 蛋白 蛋白 质 包括 “高 迁移 率 群 ”(high-mobility group)， 即 HMG 蛋 自 ,之 所 以 如 此 称呼 是 因为 它们 比较 小 ,带电 多 ， 所 以 电泳 时 移动 快 。 特 别 有 意 义 的 是 两 种 亲缘 关系 很 近 的 ,叫做 HMG14 和 HMG17 WEAR. 这 两 种 蛋白 质 在 所 有 哺乳 类 动物 细胞 中 都 有 。 像 组 蛋白 乙酰 化 作用 和 与 泛 素 结合 组 蛋白 H2A 分 子 一 样 ， 它 们 似乎 也 专门 寻找 那些 含有 活性 基因 的 核 小 体 ， 由 其 中 一 种 的 两 个 分 子 与 每 个 核 小 体 珠 直接 结 合 。 在 DNA 双 螺 旋 上 间隔 地 存在 着 与 特殊 DNA 序列 相 结合 的 蛋白 质 ? 含量 较 少 的 非 组 蛋白 蛋白 质 包括 那些 与 染色 体 上 特异 DNA 序 列 结合 的 蛋白 质 。 这 些 es。 371 。 序列 特异 性 蛋白 质 (sequence-specific protein) 中 有 些 负责 控制 对 DNA 序列 的 解读 方式 。 组 蛋白 中 的 特定 赖 氨 酸 赖 氨 酸 通过 乙酰 化 作用 除去 了 一个 正 电荷 图 8-9 组 蛋白 中 特定 的 赖 氨 酸 通过 可 逆 的 乙酰 化 作用 除去 了 一 个 正 电 荷 。 如 前 面 表示 组 蛋白 互 4 氨基 酸 顺 序 的 图 (图 8-2) 中 所 示 的 那样 ， 发 生 这 种 类 型 修饰 的 赖 氨 酸 是 位 于 四 种 核 小 KABA 的 每 一 种 的 氨基 末端 的 前 面 30 个 氨基 酸 中 的 。 这 种 控制 最 先是 在 细菌 中 证 明 的 ， 当 ASL. Fee AS DNA AA. Ma 参与 乳糖 代谢 的 一 系 列 基因 合成 RNA, 它 起 着 一 种 基因 调节 蛋白 的 作用 ， 只 有 在 其 正 需要 这 些 基 因 的 蛋白 质 产 物 时 ,， 才 将 : 这 种 调节 蛋白 从 DNA 上 除去 ( 见 422 页 )c 乳糖 阻 遏 蛋白 与 一 段 长 21 碱 基 对 的 特异 组 蛋白 中 的 特定 丝氨酸 丝氨酸 通过 磷酸 化 :作用 加 上 负电 荷 图 8-10 组 蛋白 中 特定 丝氨酸 通过 可 逆 的 磷酸 化 作用 加 上 负电 荷 。 那 些 含 有 一 个 磷酸 化 氨基 酸 或 一 个 己 酰 化 氨基 酸 的 核 小 体 与 其 他 核 小 体 会 有 差异 。 NDA 序列 紧密 结合 。 还 有 其 他 几 种 通过 与 特异 DNA 序列 结合 来 控制 基因 活性 的 细菌 蛋白 质 也 已 经 研究 得 很 彻底 。 就 象 乳糖 阻 遏 蛋白 一 样 , 这些 蛋白 质 好 像 是 从 DNA 的 外 面 来 识别 某 一 段 DNA 序列 ,而 且 与 DNA 结 合 时 也 不 破坏 碱 基 的 配对 (图 8-12)e 最 近 , 已 经 从 真 核 细胞 中 分 离 出 两 种 基因 调节 蛋白 。 其 中 一 种 叫做 工 抗 原 , 是 由 猴 病 毒 SV40 编码 的 一 种 蛋白 质 。 这 种 大 蛋白 质 与 病毒 DNA 上 一 段 约 为 36 个 碱 基 对 的 特 异 序列 结合 ,这 一 序列 在 DNA 上 靠近 病毒 DNA 复制 及 RNA 转录 的 开始 处 连续 重复 了 三 次 (图 8-13)。 像 乳 糖 阻 遇 蛋 白 一 样 , 工 抗原 与 DNA 结合 后 就 阻 断 了 特异 病毒 基因 的 转录 ;同时 , 只 有 与 它 结合 后 病毒 DNA 才能 在 邻近 部 位 开始 复制 。 真 核 生物 中 与 特异 DNA 序列 相 结 合 的 另 一 种 研究 得 较 请 楚 的 蛋白 质 就 是 所 谓 的 5$ * 372。 el ee Ee ——— 40% AH2A B8-1l 核 小 体 中 某 组 蛋白 HA 分 子 与 泛 素 共 价 结合 ,通过 H2A 的 一 个 赖 氨 酸 侧 链 与 泛 素 的 羧基 末端 结合 。 含有 这 种 所 谓 uH2A 组 蛋白 的 核 小 体 与 其 他 核 小 体 是 不 同 的 。 人 一 阻 过 蛋白 一 iy | (B) 图 8-12 结合 在 DNA 上 的 叹 菌 体 基因 调节 蛋白 的 结构 。 图 示 的 蛋白 质 分 子 是 和 叹 菌 体 cro 蛋 白 的 二 聚 体 ， 它 的 三 维 结构 已 通过 和 射线 衍射 分 析 确 定 。cro 蛋白 与 DNA 结合 的 部 位 已 通过 模型 建造 研究 推断 出 来 。(A)， 与 DNA 螺旋 结合 的 圆 架 模型 。(B), (A) 中 所 示 的 _ DNA- 和 蛋白 质 复合 体 的 实体 模型 。 在 这 个 模型 中 ， 和 蛋白 质 中 每 个 氨基 酸 用 球 来 表示 ，, 而 带 密 点 和 黑色 的 球 代 表 DNA 骨架 。(Brian W. Metthews 赠 ， 根 据 W. F. Anderson, D. H. Ohlendorf, Y. Takeda and B. W. Matthews, Nature 290:754 一 758 ,1981 . 重 绘 ) 转录 因子 ;有 了 它 才 能 启动 合成 5SRNA 一 一 一 种 小 的 核糖 体 RNA。 这 个 蛋白 质 以 低 聚 物 的 形式 与 5SRNA 基因 中 间 附 近 的 长 约 35 个 硕 基 对 的 序列 相 结合 ( 见 图 8-34)。 另外 还 有 千 百 种 识别 不 同 特异 DNA 序列 并 帮助 确定 合成 哪些 RNA 的 蛋白 质 还 有 待 于 发 现 ， 上 述 这 些 DNA 结合 蛋白 可 认为 是 它们 的 原型 。 在 多 细胞 生物 中 ,在 决定 每 种 细胞 类 型 制造 哪些 蛋白 质 时 ， 有 一 组 这 样 的 调节 蛋白 被 认为 起 着 主要 作用 。 除 了 调 市 转录 以 外 ， 识别 特异 DNA 序列 的 蛋白 质 无 疑 还 参与 其 他 遗传 过 程 ， 例 如 启动 DNA 的 合成 ， 将 连续 的 DNA 长 分 子 折 县 成 具有 不 同 功能 的 区 域 等 ， 这 些 将 在 下 面 讨 论 。 一 段 真 核 生 物 DNA 在 脱 去 其 组 蛋白 后 可 能 就 像 图 8-14 中 表示 的 那样 ,特异 的 DNA 结合 蛋白 间隔 地 分 布 在 双 螺 旋 上 ,通过 这 种 方式 来 调节 特异 区 段 的 基因 活性 。 但 是 目前 。 有 关 真 核 生物 中 这 些 蛋 白质 的 情况 知道 得 非常 少 。 e。 3736 1 k 3590p Na Bhi xt 二 二 es (A) 病毒 mRNA SV40DNA S V40T 抗 原 的 rien | 3 个 特异 D NA Eee 一- 序列 结合 在 一 起 病毒 mRNA TS 1 图 8-13 SV 40 的 工 抗原 蛋白 与 病毒 DNA —*#EKRHAA. (AA=RHRW DNA 序列 SEA 36 个 碱 基 对 ,位 于 靠近 病毒 DNA 复制 及 病毒 RNA 合成 的 起 始 处 ， 这 三 个 重复 顺序 与 工 抗原 的 三 个 四 聚 体 分 子 相 结 合 。(B) 与 纯 SV 40 DNA 结合 的 三 个 工 抗原 分 子 的 电镜 照片 。 虽 然 病 毒 DNA 原 为 环形 ,但 已 用 限制 性 核酸 酶 切割 ,所 以 图 中 是 酶 切 后 产生 的 线性 DNA NAR, 每 个 蛋白 质 球 是 重 400000 AR APG. (Richard Myers, Robert Tjcan 和 Robley Wil- liams 赠 ) 蛋白 质 可 以 通过 与 碱 基 对 形成 氨 键 和 辨认 螺旋 的 几何 形状 来 识别 特异 DNA 序列 DNA 结合 蛋白 是 怎么 识别 特异 -DBNA 序列 的 呢 ? 虽然 从 原理 上 来 说 DNA 螺旋 可 以 采取 几 种 不 同 的 形式 , 然 迄 今 所 知 最 稳定 的 是 B- 型 DNA 螺旋 , 它 的 结构 如 图 8-15A 所 示 。 每 个 碱 基 对 都 有 一 部 分 露出 在 两 条 分 开 的 沟 中 , 宽 的 那 条 叫做 大 沟 * 罕 的 那 条 叫做 8-15B), 在 这 些 询 中 ,四 种 可 能 的 碱 基 对 排列 中 的 每 一 种 CA-T, T-A, 6-C 或 C-G)， 由 于 它们 突出 的 原子 的 排列 不 同 而 可 以 被 专 一 地 识别 。 所 以 我 们 认为 ,每 个 序列 特异 DNA 结合 蛋白 上 毛 基 酸 侧 链 的 排列 , 都 是 为 了 最 大 量 地 增加 蛋白 质 与 某 一 特 异 碱 基 对 序列 间 的 氢 键 结合 。 图 8-15B 表示 一 个 氨基 酸 与 一 个 碱 基 对 间 的 一 种 可 能 相 小 沟 ( 图 互 作用 。 8-14 5s DNA 序列 结合 的 不 同 蛋 白质 间隔 地 分 布 在 一 有 侦 DNA 螺旋 上 的 示意 图 但 是 这 可 能 不 是 借以 识别 特异 DNA 顺序 的 唯一 根据 。 根据 对 合成 的 小 DNA 的 入 射线 衍射 研究 表明 ，DNA 螺 旋 的 确切 几何 形状 是 可 以 随 核 背 酸 顺序 的 差异 而 有 不 同 。 虽然 多 数 DNA 是 处 于 图 8-15 A 所 示 的 那 种 B- 型 ， 但 由 特殊 序列 组 成 的 局 部 区 段 可 以 形成 一 种 稍 有 不 同 的 右手 螺旋 , PKA A- 型 DNA ( 见 图 3-7)。 MARRY ene 交替 组 成 的 序列 如 GCGCGCGC， 可 以 形成 一 种 十 分 不 一 样 的 左手 双 螺旋 , 称 为 Z-DNA。 可 以 预期 ， 含 有 这 种 构 像 发 生 了 改变 的 DNA 螺旋 的 区 段 在 染色 体 中 是 很 少 的 , 但 因为 它们 可 以 为 蛋白 质 专 一 地 识别 ， 所 以 一 定 具 有 重要 的 生物 学 功能 。 具有 更 普遍 意义 的 是 , 发 现在 B 型 DNA 中 碱 基 的 确 切 倾斜 度 及 碱 基 对 之 间 的 螺旋 扭 角 取 决 于 序列 中 彼此 邻接 的 那些 核 背 酸 .螺旋 中 这 些小 的 变化 将 使 原子 (包括 PNA 的 磷酸 在 内 ) 从 它们 的 理想 位 置 上 位 移 大 约 +0.1nm (图 8= 16)。 可 以 预期 ,所 有 识别 特异 序列 的 DNA 结合 蛋白 都 能 辨认 出 这 些 位 移 。 +3746 I a a rl ee ee Sane ee 小 沟 7. CHa: * oni 工人 \ ka ; po sag OS 于 ja 2 oes .N—HIUIN’: 0 Ge ee Oe we Ste NALS. Se -* Se ik Ge 8-15 DNA 结合 蛋白 对 DNA 碱 基 对 的 识别 作用 。(A7B 型 -DNA 双 螺旋 有 大 沟 和 小 沟 。 碱 基 对 的 边缘 伸 到 这 些 沟 中 ， 使 DNA 结合 蛋白 能 够 通过 气 键 相互 作用 从 螺旋 外 面 识别 不 同 的 DNA 顺序 。 在 (B) 中 提出 了 一 个 氨基 酸 与 一 个 A-T 碱 基 对 之 间 在 大 沟 中 发 生 的 一 种 丰 互 作 用 ， 这 是 顺 螺旋 轴 观 察 时 所 见 。 B- 型 DNA 螺旋 是 右手 螺旋 。 \ 组 蛋白 阻止 其 他 DNA 结合 蛋白 接近 DNA ， 因 而 能 够 影响 基因 的 调节 | 虽然 核 小 体 中 所 有 DNA 都 可 以 自由 地 与 小 分 子 相 撞 。 但 是 , 它 与 核 小 体 珠 的 结合 必然 限制 它 与 大 分 子 的 交互 作用 。 这 就 是 说 。 核 小 体能 限制 调节 蛋白 与 它们 所 结合 的 特 异 DNA 序列 的 接近 。 就 某 些 调节 蛋白 来 说 ,可 能 只 有 当 DNA HOOKS AR 小 体 时 才能 结合 。 但 其 它 基因 调节 蛋白 大 概 只 要 特异 _ DNA 序列 正好 位 于 珠 间 比 较 容易 、 接近 的 联接 区 中 就 可 以 与 之 结合 。 | 3 因为 核 小 体 珠 在 核 小 体 中 的 位 置 可 以 干预 其 他 蛋白 质 与 DNA 的 结合 从 而 影响 着 基因 表达 和 其 他 的 过 程 , 所 以 可 以 预期 ,在 染色 质 的 有 些 区 段 中 核 小 体 的 定位 应 是 非 随机 的 ,这样 就 暴露 出 其 他 蛋白 质 必须 识别 的 DNA 序列 。 由 于 核 小 体 的 间隔 多 少 是 固定 的 ， 所 以 DNA 上 一 个 核 小 体 的 确切 位 置 也 会 影响 到 其 邻近 核 小 体 的 位 置 。 因 此 , 一 个 区 用 中 的 整个 重复 的 核 小 体 结构 的 位 置 必须 定 得 正好 ,使 某 一 特定 DNA 序列 正好 在 没有 核 小 体 的 位 置 上 ,或 者 是 在 一 段 联接 DNA 中 。 核 小 体 的 这 种 序列 特异 定位 叫做 核 小 体 定 相 (muclecsome phasing)， 图 8-17 中 的 这 些 核 小 体 可 以 说 是 定 相 的 。 事实 上 ， 我 们 将 会 看 到 ,至 少 在 有 些 情况 下 , 核 小 体 是 非 随机 地 定位 在 DNA 上 的 ， 不 仅 可 以 观察 到 核 小 体 定 相 ,而 且 可 以 看 到 偶然 的 " 空 档 ”( 没 有 核 小 体 )。 。375。 | ee ER IP BT EY 用 微量 的 脱氧 核糖 核酸 酶 (DNase 1) 处 理 细胞 核 就 可 以 检 出 没有 核 小 体 的 DNA 图 8-16 B-DNA 螺旋 的 磷酸 二 酯 键 骨架 表示 由 于 部 近 碱 基 对 之 间 的 螺旋 扭 角 的 改变 导致 螺旋 构象 的 变化 。 图 中 〈 虚 线 ) RAR 5S'-GCATTG- ACTCAGCG-3' 这 样 一 个 核 苷 酸 序列 中 磷酸 盐 的 实际 轨迹 。 作 为 比较 ， 还 画 出 一 个 理想 的 正规 B 螺旋 中 的 磷酸 盐 轨迹 ( 黑 线 )。 相 邻 碱 基 对 的 不 同 结合 造成 的 捏 角 平均 约 为 34" ， 范围 在 28 到 40° jal, (Edward Trifonov 4. RGB IIB W- Kabsch,C. Sander, and E. Trifonov, Nucleic Acids Res. 10:1097—1104, 1982) 区 段 ， 因 为 这 种 酶 在 低 浓 度 时 只 消化 游离 DNA， 但 不 消化 与 核 小 体 连 在 一 起 的 联接 -DNA。 经 过 这 样 处 理 的 染色 质 优先 在 DNA 顺序 中 相隔 数 于 个 碱 基 对 的 小 段 之 间断 开 。 这 些 对 DNase 超 敏 部 (hypersensitive site) 揭示 :基本 的 30nm 染色 质 纤维 实际 上 更 象 一 串 大 “染色 质 念珠 "， 而 不 像 一 条 连续 的 绳子 样 的 纤维 (图 8-18 )o 关于 对 DNase 超 敏 部 位 可 能 在 基因 调节 中 起 着 重要 作用 的 证 据 来 自用 SV40 病毒 所 做 的 实 验 ，SV40 的 DNA 是 组 织 成 一 种 含有 核 沙 体 的 ye fe ES 构 。 SV40 DNA 中 含有 一 个 无 核 小 体 KE. KAK 300 PRE HA DR DNase 1 消化 。 这 个 裸露 的 区 段 的 位 置 非常 靠近 病毒 DNA 复制 和 RNA 合成 开始 的 地 方 (图 8-13)e。 同样 ， 细胞 染色 质 中 对 DNase 超 敏 的 区 段 很 多 正好 位 于 一 个 活性 基因 的 5 Wl. BH RNA 转录 起 始点 不 到 200 个 碱 基 对 。 一 般 认 为 ,其 中 每 一 部 位 都 是 一 个 除去 了 核 小 体 的 区 段 ， 为 的 是 让 调节 分 于 和 (或 ) RNA 聚合 酶 分 子 能 与 之 结合 并 启动 新 RNA 链 的 合成 。 与 这 一 观点 相 一 致 的 是 ， 发 现 位 于 胰 岛 素 基因 5 ' 侧 的 某 个 对 DNase I 高 度 敏感 的 部 位 只 存在 于 制造 胰岛 素 的 细胞 的 染色 质 中 ， 而 在 不 制造 胰岛 素 的 其 它 细 胞 的 染色 质 中 则 不 存在 。 这 样 的 核 背 酸 超 敏 部 位 是 怎样 形成 的 ， 目 前 尚 不 知道 。 虽然 有 证 据 表明 有 核 小 体 定 相 的 现象 存 在 ， 但 是 ,对 于 核 小 体 定 相 有 什么 作用 还 不 清楚 。 OF 在 的 证 握 来 自用 微 球菌 核酸 酶 或 是 高 剂量 DNase I 处 理 的 细胞 核 的 实验 ,在 这 种 情况 下 , 这 种 酶 优 先 切断 相 邻 核 小 体 念珠 之 间 的 连接 DNA。 这 些 实验 证 明 , 核 小 体 的 位 置 至 少 在 某 些 染 色 质 区 段 中 是 与 特异 性 DNA 序列 保持 精确 关系 的 。 还 不 知道 是 什么 原因 使 得 核 小 体 定位 或 定 相 得 如 此 精确 ， 也 不 知道 定 相对 染色 质 功 能 到 底 有 什么 作用 。 但 是 下 述 推测 是 很 吸引 人 的 , 即 在 不 同类 型 的 细胞 中 ， 核 小 体 在 同一 基因 上 是 以 不 同 的 位 相 排 列 的 ,因而 决定 基因 能 否 表达 。 是 。376。 Pe Qi ak = eae. =. ie =a ee See eS A Se Se —— f . ’ Pe 定 相 的 核 小 体 细胞 1 ABCDEFGHIJKLMNOPORST 细胞 2 “ ABCDEFGHIJKLMNOPORST HEARS * Aik EA 质 所 间隔 细胞 3 ABCDEFGHIJKLMNOPORST Sy < Re A Le ACE 细胞 4 ”ABCDEFGHIJKLMNOPORST SS SE a (A) 随机 定位 的 核 小 体 细胞 1 ABCDEFGHIJKLMNOPORST mi 2 ABCDEFGHIJKLMNOPORST 细胞 3 ABCDEFGHIJKLMNOPORST > GR PD 《| 细胞 4 “ABCDEFGHIJKLMNOPORST 到 ] wy Gy SE 连接 区 中 的 DNA BRB PH 是 比较 容易 接近 的 “DNA 是 不 可 接近 的 a iB) 30 nm 纤维 图 8-17 表示 定 相 的 核 小 体 与 随机 定位 的 夏 小 8-18 一段 染色 质 表 示 在 规则 的 核 小 体 之 间 的 差异 。(A ) 当 核 小 体 在 一 段 染 色 质 中 ‘25 ZS ie AK RDNA ,其 中 的 是 定 相 时 ,在 一 切 同 一 类 型 的 细胞 中 蛋白 质 都 DNA 非常 容易 被 DNase I 消化 .这些 区 能 接近 相同 的 特异 DNA 序列 加 以 识别 。(B) 段 中 可 能 由 于 有 特殊 的 非 组 蛋白 染色 体 蛋 在 另 一 段 染 色 质 中 ， 核 小 体 的 位 置 可 以 不 同 。 白质 与 DNA HAAS MURA he 每 条 染色 体 可 能 含有 一 条 由 一 系列 环 状 区 域 (looped domains) 组 成 的 非常 长 的 DNA 分子" 一 般 认 为 ， 一 个 完整 的 真 核 生 物 染 色 体 的 已 解 开 螺旋 的 DNA 就 是 一 条 线性 DNA 分 子 。 假 定 人 单 倍 体 基因 组 中 的 23 条 染色 体 都 是 这 样 BAR, 每 条 染色 体 就 是 一 条 平均 长 度 为 3 x 10° 二 23 = 1.3 X 10° HBA DNA 分 子 。 这 相当 于 一 条 平均 约 5 cm 长 的 解 开 螺旋 DNA ， 而 典型 的 细胞 核 直径 大 约 为 5 um (5X10-'cm)， 这 样 ,就 产生 了 一 个 难于 克服 的 包装 问题 。 因 为 将 DNA 包装 成 30nm 的 染色 质 纤 维 只 不 过 把 5 cm 减 少 到 1mm 多 一 点 ,所 以 还 必须 进行 几 次 更 高 层次 的 折 登 。 某 些 特 殊 的 染色 体 , 例 如 许多 著 母 细胞 中 的 灯 刷 染色 体 和 某 些 昆虫 细胞 中 的 多 线 桨 色 体 的 外 观 最 早 提示 了 再 高 一 层次 折合 的 可 能 性 质 。 正 如 后 面 将 要 讨论 到 ,这 两 种 类 型 的 染色 体 好 像 是 由 一 连 串 环 状 区 域 组 成 。1972 年 还 证 明 大 肠 杆 菌 染 色 体 一 一 一 个 长 约 1 mm, 没有 组 蛋白 的 环 状 DNA OF ¢ 377 。 一 一 也 是 折叠 成 为 一 连 串 类 似 的 环 。 现 在 看 来 ,这 种 形式 的 染色 体 组 织 可 能 是 很 普遍 的 。 兽 有 人 提出 ,染色 质 中 的 环 状 区 域 是 依靠 DNA 结合 蛋白 组 成 和 保持 的 ,估计 DNA 结合 蛋白 可 能 是 通过 识别 特异 性 DNA 序列 而 把 两 侧 的 30 nm FH RE B, BH DNA 序列 就 组 成 每 个 环 的 颈 部 (图 8-19)。 根 据 间接 估计 , 像 果 晶 和 人 这 样 不 同 的 生物 ， 环 状 区 域 的 平均 大 小 却 差不多 ; 虽然 不 同 环 的 大 小 可 以 相差 很 多 。 但 是 ， 典 型 的 环 中 的 DNA 长 度 在 20000 到 80000 个 碱 基 对 之 间 。 这 就 是 说 , 一 条 典型 的 人 染色 体 可 能 有 (1.3 X10°)+(C5 X109) 一 2 600 个 环 状 区 域 ， 而 每 个 梁 色 质 环 含有 平均 长度 为 400 nm (0.4 um) 的 30nm 纤维 (图 8-20), 不 过 即使 采取 图 8-20 中 所 画 的 那 种 环 状 区 域 形 式 ， A te this em 长 的 DNA 分 子 仍 然 还 有 100 wm 长 :所 以 ,必须 要 再 进一步 盘 卷 才能 装 进 细胞 核 中 。 20 ,000 一 80 ,000 HR IE XT 一 | 30nm 染 色 质 纤维 HKE BR 8-19 一段 30nm 染 色 质 882 一段 染色 体 折 县 成 一 连 串 环 状 区 域 的 示意 图 。 每 纤维 折 和 县 成 一 个 环 状 区 域 个 区 域 大概 包 含 20000 到 80000 个 碱 基 对 的 双 螺 旋 DNA， 缩 卷 成 30 nm 染色 质 纤 维 。 有 有丝分裂 娄 色 体 上 的 带 显 示 了 一 种 更 高 的 组 织 层 次 " 灯 刷 染色 体 和 多 线 染 色 体 是 间 期 染色 体 , 只 是 因为 具有 特殊 的 性 质 ， 才 能 看 得 到 ,这 些 性 质 将 在 后 面 解释 。 间 期 时 ,大 多 数 染色 体 因为 伸展 得 太 开 并 且 太 纤 细 。 所 以 观察 不 到 它们 的 环 ; 只 有 在 进行 有 丝 分 裂 ,它们 盘 卷 起 来 形成 更 紧密 的 结构 时 ， 才 能 作 结构 方面 的 研究 (图 8-21)。 通 过 这 种 盘 卷 就 可 以 把 一 条 5 cm 长 的 DNA 卷 缩 到 5 wm 左右 。 与 此 同 时 ,细胞 中 所 有 的 组 蛋白 Hl 分 子 都 在 其 五 个 不 同 的 特异 丝氨酸 残 基 处 磷酸 化 。 因为 组 蛋白 HL 有 把 核 小 体 包装 在 一 起 的 功能 (图 8-6). 由 此 看 来 。 它 的 磷酸 化 很 可 能 是 造成 有 丝 分 裂 期 间 染 色 体 浓缩 的 原因 之 一 。 图 8-22 画 出 了 一 条 典型 的 有 丝 分 裂 中 期 染色 体 。 两 个 子 DNA 分 子 各 自 折 倒 形成 一 种 由 两 部 分 组 成 的 结构 , 它 包括 两 条 子 染 色 单 体 由 一 种 叫做 着 丝 粒 的 结构 连 在 一 起 这 些 有 丝 分 裂 染色 体外 面 通 常 覆 盖 着 各 种 各 样 的 分 子 , 其 中 包括 大 量 的 核 蛋白 ( 见 410 页 和) 这 层 履 盖 物 一 旦 剥 去 ， 就 可 以 在 电镜 照 上 请 上 看 到 每 条 染色 单 体 组 成 由 中 轴 发 出 的 染色 质 环 (图 8-21 和 8-23)。 这 些 显微镜 照片 有 力 地 支持 下 述 看 法 : 所 有 染色 体 都 是 由 一 连 串 环 状 区 域 所 构成 的 。 对 于 每 条 染色 单 体 中 DNA 的 排列 情况 , 看 法 还 是 不 一 ,不 过 ,为 了 说 明 怎 样 能 使 染色 质 有 组 织 地 折 倒 起来， 我 们 在 图 8-24 中 将 每 条 染色 单 体 画 成 为 绕 成 紧 密 螺旋 状 而 且 包装 得 紧 紧 的 一 连 串 环 状 区 域 。 图 8-24 还 表示 了 形成 这 样 一 种 结构 的 各 HAA BW. ° 378° a 人 类 基因 组 由 23 对 染色 体 组 成 (其 中 包括 一 对 性 染色 体 )。 所 以 ， 每 个 二 售 体 细 胞 的 染色 体 总 共 为 46 条 。 有 丝 分 裂 时 这 46 条 染色 体 的 全 部 特征 叫做 人 类 核 型 。 应 用 1970 年 以 后 研制 出 的 细胞 学 方法 可 以 将 每 条 人 染色 体 一 一 明确 地 鉴定 出 来 。 其 中 有 些 方法 要 用 一 些 只 在 与 某 些 类 型 DNA 序列 相 结合 时 才 发 出 荧光 的 染料 对 有 丝 分 裂 染色 体 进 行 染色 。 虽 然 这 些 染料 的 专 一 性 很 低 , 好 像 是 主要 只 能 将 富 含 A-T 碱 基 对 的 DNA “与 富 含 G-C 碱 基 对 的 DNA 区 分 开 来 。 但 是 ， 用 它们 可 以 得 到 每 条 有 丝 分 裂 染 色 体 的 精细 带 型 不 仅 非 常 清楚 ， 而 且 可 以 重复 (图 8-25)。 如 图 8-26 所 示 , 因 为 每 种 类 型 染 色 体 的 带 型 都 是 独特 的 ,所 以 对 于 每 条 染色 体 都 可 以 进行 鉴定 和 标号 。 图 8-21 有 丝 分 型 时 形成 的 一 条 典型 高 度 浓缩 染色 体 8-22 一 条 典型 的 有 丝 分 Wh 的 一 修女 的 扫描 电镜 照片 。 每 条 染色 体 在 有 丝 分 裂 前 期 染色 体 示 意图 。 在 细胞 周期 早 期 就 复制 了 ;所 以 它 是 由 两 条 一 桩 的 、 成 对 的 染色 单 体 所 中 通过 DNA 复制 产生 两 个 子 组 成 。( 引 有 自 M. P. Marsden and U. K. Laemmli, DNA 人 分子, 这 里 的 两 个 染色 单 体 各 Cell 17: 849—858, 1979) 含 其 一 。 检查 有 丝 分 裂 很 早 时 期 的 人 体 染 色 体 ( 那 时 的 染色 体 还 没有 中 期 那么 浓缩 ) 可 以 估计 出 ,整个 单 倍 体 染 色 体 组 至 少 含 2 000 个 由 富 含 A-T 碱 基 对 DNA 组 成 的 不 同 的 带 。 有 丝 分 裂 期 间 随 着 浓缩 过 程 的 进行 ,这 些 带 渐渐 合并 为 少数 较 宽 的 带 (图 8-26)。 为 什么 有 这 些 带 存在 完全 是 一 个 恋 。 即 使 图 8-26 中 画 得 最 细 的 带 也 有 30 几 个 环 状 区 域 , 估计 在 这 样 长 (100 万 个 碱 基 对 以 上 ，, 或 者 接近 一 个 典型 的 细菌 基因 组 ) 的 DNA 序列 中 , 碱 基 对 的 平均 组 成 应 是 随机 的 。 推 测 真 核 生物 基因 组 可 能 就 是 以 这 样 区 段 为 单位 发 生 作 用 的 。 例 如 ,一 组 相 邻 的 ,染色 质 结构 类 似 的 环 状 区 域 可 能 形成 带 ( 图 8-27), 可 能 员 有 这 样 才能 在 间 期 时 形成 一 个 染色 质 的 功能 单位 。 有 大 量 染 色 体 带 的 存在 是 从 果 蝇 到 人 这 样 多 种 多 样 的 物种 中 有 丝 分 裂 染 色 体 的 普遍 特征 so 而 且 染 色 体 的 确切 带 型 在 长 时 期 的 进化 过 程 中 保持 不 变 。 例 如 ,在 黑猩猩 \ 大 猩猩 及 猩猩 的 染色 体 中 可 以 清晰 辨识 出 与 人 类 每 条 染色 体 相 当 的 部 分 ,其 带 型 几乎 一 样 (只 是 发 ° 379 6 8_23 PRCT) LAM AN AMIR EAs BRIM 示 从 染色 单 体 中 轴 发 出 的 染色 质 纤 维 环 。(Victoria Foe 赠 ) 生 过 一 次 染色 体 融合 ,致使 人 染色 体 为 46 条 而 不 是 类 人 猿 的 48 条 )e 这 有 力 地 表明 ， 染 色 体 大 范围 的 空间 组 织 对 于 正确 的 基因 表达 是 重要 的 ， 带 的 存在 反映 组 织 单位 的 一 种 重 要 类 型 。 在 多 线 染色 体 中 可 以 看 到 间 其 基因" 虽然 有 丝 分 裂 染色 体 的 带 型 对 我 们 有 启发 而 且 很 吸引 人 ， 但 是 它 并 没有 提供 能 阐明 个 别 基 因 的 组 织 或 功能 的 详细 情况 ， 因 为 即使 是 可 辨认 的 最 狭 的 带 也 可 能 有 . 10 到 100 个 基因 长 度 。 要 想 能 够 在 个 别 基 因 的 水 平 上 检 出 染色 质 结构 中 的 变化 ， 就 一 定 要 检查 在 间 期 中 伸展 开 来 的 染色 体 。 在 普通 细胞 中 ,因为 间 期 染色 质 线 太 细 , 缠 结 太 多 ， 所 以 不 可 能 进行 观察 。 但 是 在 有 些 昆 虫 细 胞 中 ,因为 有 一 种 叫做 多 线性 的 特殊 现象 ,所 以 可 以 看 到 一 种 清楚 的 显 带 带 型 ， 每 条 带 可 能 就 相当 于 单个 的 基因 。 多 线 染色 体 是 昆虫 幼虫 某 些 分 这 细胞 所 特有 的 , 这 些 细胞 经 历 多 次 DNA 合成 周期 而 未 发 生 细胞 分 裂 ， 因 而 长 得 非常 Ko 结果 形成 的 巨型 细胞 所 含 的 DNA 组 分 多 达 正 常情 况 的 几 千 倍 。 当 这 些 细 胞 所 含 的 标准 染色 体 数目 增加 时 ,就 称 它们 为 多 倍 体 , 而 当 所 有 的 同 源 染 色 体 依 然 保 持 并 排 在 一 起 形成 一 条 巨型 染色 体 时 ， 就 称 它们 为 多 线 染 色 体 。 有 些 大 的 昆虫 细胞 最 后 直接 由 多 线 转变 成 多 倍 体 , 这 种 现象 证 明 , 这 两 种 不 同 的 染色 体 状 态 是 密切 相关 的 。 多 线 染 色 体 的 基本 结构 一 定 与 正常 染色 体 的 相 类 似 。 因为 这 些 细 陶 的 体积 非常 之 大 ， 并 且 因 为 一 条 条 染色 质 线 精确 地 并 排 在 一 起 互相 粘 附 而 阻止 了 相互 缠绕 ,所 以 在 光学 显微镜 下 很 容易 看 到 多 线 染色 体 。 此 外 :在 这 些 间 期 染 色 体 中 ,每 条 染色 质 线 中 的 一 个 个 环 状 区 域 是 直线 排列 着 的 ,而 不 是 象 通常 那样 彼此 盘 绕 着 。 果 蝇 幼 虫 唾 腺 细胞 四 条 染色 体 中 的 多 线性 现象 是 研究 得 最 清楚 的 ;在 这 些 染色 体 中 ， ¢ 380。 DNA 双 螺旋 XONCNCNONOK am DG 加 eG Rete kee cages “opan | ou 图 8-24 染色 质 包 装 的 不 同 层 次 ,最 后 造成 高 度 浓缩 的 中 期 染色 体 的 示意 图 。 DNA 已 重复 了 10 个 周期 而 子 代 染 色 体 并 没有 分 离 , 结 果 是 1 024(—2") 条 同样 的 染色 质 线 并 排 地 排列 在 一 起 。 将 多 线 染 色 体 染色 并 在 光学 显微镜 下 观察 时 。 可 以 看 到 暗 带 和 了 明 带 《后 者 叫做 间 带 ) 清 楚 地 交替 着 。 一 般 认 为 ,每 条 带 就 是 一 组 对 齐 排 列 的 1 024 个 同 源 的 环 状 区 域 (图 8-28), 在 整个 果 晶 基因 组 中 可 以 检 出 5 000 条 左右 的 带 , 估 计 每 条 带 按 单 倍 染色 体 计 含 有 的 DNA 碱 基 对 为 3 000 一 30 000〈 视 带 的 大 小 而 定 )。 因 为 这 些 带 可 以 通过 它们 不 同 的 厚度 与 间隔 而 加 以 识别 (图 8-29 和 8-30), 所 以 ， 可 以 给 每 条 带 编 上 一 个 号 码 而 得 到 一 幅 多 线 染 色 体 “图 谱 ”。 间 带 中 的 DNA 量 比较 少 ,它们 的 结构 与 功能 还 不 知道 。 每 个 娄 色 质 环 状 区 域 可 能 相当 于 一 个 独立 的 功能 单位 ” 可 以 观察 到 某 些 突变 型 果 蝇 染色 体 发 生 了 一 定 的 变化 ， 通 过 分 析 这 些 变化 已 能 把 一 个 一 个 的 基因 定位 于 果 蝇 的 多 线 染 色 体 上 ,而 且 还 可 以 证 明 ,每 条 带 就 相当 于 一 个 独特 的 遗传 区 段 。 其 他 的 遗传 学 研究 表明 , 果 蝇 只 制造 5 000 种 左右 的 必需 蛋白 质 ,这 个 数字 正 好 等 于 染色 体 带 的 数目 。 例 如 ， 黑 腹 果 蝇 (Drosobjz1a melanogaster) 染色 体 上 两 个 研究 得 。 381。 i 相当 清楚 的 基因 一 Eeste 和 白眼 之 间 的 区 段 , 含有 14 AMIN, 经 过 紧张 实验 力求 在 这 个 区 段 中 分 离 出 尽 可 能 多 的 突变 型 ， 但 所 分 离 出 的 几 百 个 突变 型 只 形成 18 个 遗传 上 的 独立 群 〈 互 补 群 ) :也 即 18 个 基因 。 同 样 , 在 另 一 段 约 含 50 条 可 见 带 的 染色 体 上 找 出 了 大 约 50 个 基因 。 用 这 些 技术 不 能 确定 某 一 基因 是 在 一 条 带 中 ， 还 是 在 间 带 中 。 但 是 在 果 晶 中 ,基因 与 染色 质 环 状 区 域 至 少 大 致 上 是 相符 的 ,这 和 启示， 一 般 的 环 状 区 域 中 含有 的 DNA 序列 只 编码 一 种 必需 蛋白 质 。 图 8-25 三 对 在 进行 有 丝 分 裂 的 人 体 染 色 体 的 荧光 显 微 照片 。(A) 用 A-T 碱 基 对 专 一 竹 染料 Hoescht 33258 染色 ，(B) 用 G-C 碱 基 对 专 一 性 染料 橄榄 霉 素 染 色 。 短 棒 表 示 着 丝 粒 的 位 置 。 注意 : 在 A 中 亮 的 带 在 B 中 暗 ; 而 8 中 亮 的 在 A 中 障 ， 所 以 它们 彼此 恰好 是 互补 的 。〈 引 自 K. F. Jorgenson, J. H. van de Sande, and C. C. Lin, Chromosoma 68: 287—302, 1978) 果 蝇 多 线 染 色 体 的 每 一 条 带 都 代表 一 个 独立 的 功能 单位 ,支持 这 个 结论 的 还 有 下 述 现象 : 当 基 因 开始 合成 RNA 时 ,个 别 的 带好 像 松 开 来 了 ( 见 434 页 )。 这 些 松 开 的 带 称 为 染色 体 胀 泡 (chromosome puff)， 它 们 按 着 特定 的 顺序 出 现 和 消失 , 这 种 情况 反映 了 在 果 蝇 发 育 的 不 同 阶段 中 基因 活化 的 规律 型 式 ( 见 图 8-97)o 但 是 ,如 果 我 们 将 果 晶 的 整个 基因 组 分 成 5 000 份 ,那么 就 会 发 现 ， 每 一 个 基因 平均 就 有 20 000 个 DNA 碱 基 对 ,这 比 编码 一 个 平均 大 小 为 400 个 氨基 酸 的 蛋白 质 所 需要 的 1 200 个 碱 基 对 数 要 多 得 多 。 如 我 们 将 要 看 到 的 ,大 多 数 基因 组 中 的 DNA 要 比 编码 必需 蛋白 质 所 需要 的 多 。 其 中 有 些 可 能 是 编码 非 必需 蛋白 质 ， 有 些 是 不 编码 的 。 某 些 不 编码 的 DNA 很 可 能 在 形成 每 个 环 状 区 域 的 组 织 时 起 着 一 种 结构 作用 。 从 果 蝇 多 线 染色 体 来 推论 。， 有 理由 认为 像 人 这 样 一 些 高 等 真 核 生 物 细胞 中 染色 质 环 。382。 8-26 根据 有 丝 分 裂 中 期 《每 条 左 半 边 的 染色 体 ) 和 早 前 期 (每 条 右 半边 的 染色 体 ) 形 象 测定 的 人 夫 核 型 中 每 条 染色 体 带 型 的 标准 图 。 时 前 期 染色 体 比 中 期 染色 体 要 细 长 得 多 ， 所 以 可 以 检 出 的 带 也 要 多 得 多 。 这 里 显 带 所 用 的 染色 试剂 似乎 对 富 含 A-T 的 DNA 序列 具有 特异 人 性。 注意 : 每 种 类 型 染色 体 只 画 出 一 条 ， 实际 上 有 丝 分 型 时 每 种 类 型 的 染色 体 有 两 条 。 (3A J. J- Yunis, Science 191: 1268—1270, 1976) * 383 « 单条 染色 体 的 环 状 区 域 染色 体 上 的 一 系 、 列 环 状 区 域 、 经 过 多 个 DN A 复 制 ， 周期 形成 许多 并 排 的 单条 染色 体 ， 在 每 一 环 状 区 域内 ae | 折 又 方式 相似 的 环 状 me. te La CH 果 蝇 多 线 染 色 体 5000 条 带 中 的 6 条 带 (CH 1024 条 单 染 色 体 的 je 环 并 排 包装 而 成 ) 图 8-27 图 解 相 邻 的 环 状 区 域 是 以 类 似 方式 包装 在 图 8-23 ”假想 示意 图 : 同 源 的 环 状 区 域 染 色 质 中 ， 它 们 成 往 后 就 可 以 产生 有 丝 分 裂 染 色 体 上 并 排 包装 而 形成 多 线 染 色 体 上 可 以 看 到 看 得 到 的 带 。 根 据 图 示 ， 可 以 假定 这 些 带 是 存在 于 整 Ht. 在 每 条 带 之 内 ， 好 象 是 30 omy 个 间 期 的 一 种 重要 组 织 单位 ， 只 不 过 它们 只 能 在 染色 色 质 纤维 环 紧 紧 地 包装 在 一 起 来 形成 比 体 为 了 进入 有 丝 分 裂 而 开始 浓缩 时 清楚 地 看 到 。 这 里 所 示 要 浓密 得 多 的 结构 。 状 区 域 也 是 功能 单位 。 此 外 :在 这 些 生 物 中 ,每 个 环 状 区 域 可 能 只 含 一 个 基因 。 或 者 几 个 基因 。 染色 质 的 不 同 功能 区 所 含 的 核 小 体 似 乎 是 以 不 同方 式 组 织 起 来 的 在 光学 显微镜 和 电子 显微镜 下 ， 多 线 染 色 体 上 一 条 一 条 的 带 都 有 其 特有 的 形态 〈 图 8-30 和 8-31)。 这 表明 ,不 同 的 带 一 一 相当 于 不 同 的 环 状 区 域 一 一 具有 稍为 不 同 的 染色 质 结 构 。 根 据 果 蝇 多 线 染 色 体 的 获 光 抗体 染色 研究 得 到 类 似 的 结论 : 抗 组 蛋白 抗体 使 带 均 一 地 染 上 色 ,而 抗 某 些 非 组 蛋白 蛋白 质 的 抗体 则 只 染 某 些 带 ,而 不 染 另 一 些 带 (图 8-32)。 染色 质 带 之 间 存 在 结构 差异 的 另外 证 据 来 自 另 一 些 实验 : 让 分 离 出 来 的 多 线 染 色 体 接触 高 浓度 的 无 机 离子 而 使 染色 质 发 生 去 浓缩 。 有 些 带 好 象 对 高 浓度 的 K “特别 敏感 ,而 另外 一 些 带 则 对 高 浓度 的 Mg” 特别 敏感 ,等 等 。 这 些 类 型 的 差异 不 可 能 只 局 限于 昆虫 ， 只 不 过 是 昆虫 因 其 有 多 线 染色 体 而 容易 用 显 。384。 ON tee oO elo 染色 体 3 fag X It rm aes Pa aR Lt ae a a 6s : ee oS IE i 5} Ss SE a R deve 色 体 的 大 小 a / SN “ 信 CV E: 4 a Ape 一 人 ro NS ge Amy 米色 体 1 从 ey, = 两 条 同 源 染 色 体 < 人 mi Ie IN Baie Be 6.141. 4 ee cnt =) ge ‘ 请 We PS : = 这 和 < eee = 2 所 . @, i oo i 20 um NL ‘cn. = ‘A f ge py %, ae 图 8-29 一 个 果 蝇 唾 腺 细胞 中 的 全 部 多 线 染 色 体 。 为 使 这 些 染 色 体 展开 以 利 观察 , 这 里 是 在 显 微 载 玻 片上 做 的 压 片 。 注 意 有 四 对 不 同 染 色 体 。 每 条 染色 体 与 其 同 源 染色 体 紧 密 配对 ， 四 对 染色 体 在 靠近 它们 的 着 丝 粒 的 地 方 连 在 一 起 ;这 些 着 丝 粒 集合 在 一 起 形成 一 个 大 的 “染色 中 心 "。 这 里 由 于 所 用 的 压 片 方法 使 染色 中 心 已 分 为 两 半 。 (Ch 据 T. S. Painter, J. Hered. 25: 465—476, 1934 .修改 ) 微 镜 观 察 罢了 。 不 同 哺乳 动物 基因 染色 质 结构 间 的 差异 可 以 通过 它们 的 DNA 对 某 些 核酸 酶 的 敏感 性 的 不 同 来 检 出 ， 但 是 这 种 方法 的 分 辩 水 平 要 差 得 多 了 。 我 们 将 会 看 到 ， 哺乳 动物 基因 的 特殊 染色 质 结 构 似乎 对 核 基 因 在 细胞 中 的 表达 能 力 有 影响 。 *。385。 大 多 数 染 色 体 DNA KRBUES OR” 根据 好 几 方 面 的 理由 可 以 认为 ， 高 等 生物 基因 组 中 的 大 部 分 DNA 是 不 编码 必需 蛋 日 质 的 。; daar gt dod ae DNA REE RETR DNA 的 核 背 酸 顺 序 之 前 ,有 好 图 8-30 一段 果 蝇 唾 波 腺 多 线 染色 体 的 光学 显 微 镜 照 片 。 显 示 不 同 的 染色 体 带 有 可 辨别 的 特 殊 型 式 。 这 些 带 在 间 期 染色 体 中 就 存在 》 是 巨 型 多 线 染 色 体 所 特有 的 一 种 性 质 。 注 意 不 应 与 图 8-25 中 所 画 的 带 相 混 淆 ,那些 带 要 粗 得 多 ,是 用 特殊 染色 技术 在 正常 有 丝 分 裂 染色 体 上 染 出 的 。 (Joseph G.Gall 赠 ) 几 个 显然 是 解释 不 通 的 现象 。 例 如 ,不 同 生 物 单 倍 体 基因 组 的 DNA 相对 含量 与 生物 的 复杂 性 没有 系统 的 关系 。 人 体 细 胞 所 含 的 DNA 量 要 比 大 肠 杆 菌 这 种 细菌 多 800 倍 ， 但 是 有 些 两 栖 动 物 和 植 物 所 含 的 DNA 则 是 人 体 细 胞 的 30 CA 8-33), 这 一 怪 现 象 是 不 能 用 有 些 生物 中 每 个 基因 有 许多 拷贝 来 解释 的 ， 因 为 从 对 许多 生物 的 DNA 复 性 的 研 究 中 可 以 请 楚 看 到 : ASP BRAM DNA AM, 多 数 DNA 序列 只 有 一 个 拷贝 。 有 时 在 近 缘 物种 之 间 也 可 以 看 到 DNA 含量 有 很 大 的 差异 ， 这 一 点 生动 地 说 明 DNA 含量 与 遗传 复杂 性 没有 相关 性 。 最 明 显 的 例子 就 是 两 栖 动物 。 它 们 的 DNA 含量 在 不 同 的 物种 之 间 可 以 相差 100 倍 5 种 群生 物 学 家 作 过 估计 ,高 等 生物 的 DNA 到 底 有 多 少 真正 编码 必需 蛋白 质 的 基因 (MESSI 节 这 些 基 因 )5 推论 过 程 大 致 如 下 : ” 罕 变 是 一 种 偶 ， 然 发 生 的 过 程 ,突变 时 ,DNA 序列 中 个 别 核 彰 酸 以 一 种 很 低 但 却 稳定 的 速率 发 生变 化 。 因 为 当 这 些 突 a 六 图 8-31 一 小 段 果 蝇 多 线 染 色 体 的 超 薄 切 片 电镜 照片 .不同 的 染色 体 带 有 不 同 的 样子 ,这 表明 它们 所 含 的 染色 质 是 以 各 自 特 有 的 方式 包装 起 来 的 。 (Viekko Sorsa 赠 ) 变 发 生 在 一 个 必需 的 DNA 序列 中 时 , 大 多 数 突变 对 生物 是 有 害 的 ， 所 以 能 够 稳定 保持 下 来 的 必要 基因 的 数目 是 有 限 的。 根据 观 察 的 突变 率 估 计 ， 哺 乳 动物 基因 组 中 可 以 参与 ， ° 386° ath ta)! 图 8-32 RSA IK CARER AUER, (BME IIH FARA REA 蛋白 质 的 单 克 隆 抗 体 时 所 见 。 注 意 : RA—DDDHTRAARHAMEAPEMALA, —RA 为 ,只 有 在 可 能 是 “活性 ” 的 染色 质 区 中 才 有 这 种 情况 。 ( 引 自 G. C. Howard, S. M. Abmayr, L. A. Shinefeld, V. L. Sato, and S.°C. R. Elgin, J. Cell Biol. 88:219—225,1981) 调节 或 者 编码 必需 蛋白 质 的 基因 不 能 超过 1 SEAS 这 些 考虑 的 最 重要 的 意义 是 ,尽管 从 原则 上 来 说 ,哺乳 动物 的 基因 组 是 大 到 足以 编码 过 300 万 个 一 般 大 小 的 蛋白 质 (3X10 核 背 酸 )， 但 是 还 没有 生物 可 能 容纳 得 了 超过 30000 个 以 上 的 必需 蛋白 质 。 果 覃 大 约 有 5 000 个 必要 基因 ,根据 这 一 观点 ， 人 是 不 可 能 比 果 蝇 复杂 6 倍 以 上 的 。 a BF PLETE REO LT aE | oe. OO : ARB 44 coracsieessess or 哺乳 类 wh 105 10° 10” 108 10° 107° 101! 每 个 单 倍 体 基因 组 所 含 的 核 苷 酸 对 的 数目 8-33 ”从 最 小 的 原核 细胞 、 支 原 体 ， 直 到 某 些 植物 和 两 栖 动 物 的 最 大 细胞 ， 单 倍 体 基 因 组 的 DNA 量 可 以 相差 100 000 倍 。 注 意 : -人 体 基 因 组 大 小 (3 义 10" 个 核 苷 酸 对 7) 要 比 其 他 一 些 生 物 小 得 多 。 | 高 等 真 核 生 物 基因 组 中 的 其 余 DNA 是 干什么 的 ?我们 已 经 指出 , 其 中 有 些 可 能 名 粹 是 在 染色 质 组 织 中 起 结构 作用 的 。 在 本 章 后 面 的 一 些 章节 中 ， 我 们 将 讨论 有 关 不 编码 DNA 的 性 质 的 最 新 证 据 , 以 及 关于 它们 的 功能 的 其 他 一 些 假说 。 不 论 答案 如 何 , 根据 图 8-33 所 列 的 数据 可 以 清楚 地 看 到 ,一 个 高 等 真 核 生 物 细胞 可 以 携带 着 大 量 额 外 DNA 而 没有 很 大 的 影响 ,这 表明 :在 进化 过 程 中 并 不 存在 选择 压力 来 促使 DNA 含量 减少 到 只 含 ¢ 387 « 有 必需 基因 。 小 结 哺乳 动物 基因 组 约 含 有 3XI10'DNA 核 苦 酸 , 但 是 人 们 认为 ,这 些 DNA 中 只 有 一 小 部 分 是 编码 必需 蛋白 质 的 o 虽 然 其 余 的 DNA 的 功能 还 不 知道 ,但 是 其 中 有 些 很 可 能 参与 形 成 真 核 染 色 体 的 高 层次 结构 。 大 致 上 可 以 把 染色 体 看 成 是 一 个 组 织 成 为 一 连 串 环 状 区 域 的 相当 长 的 DNA 分 子 , 尽 管 它 含有 好 几 万 个 碱 基 对 ,但 每 个 环 状 区 域 可 能 只 有 一 个 《或 几 个 ) 编 码 蛋 白质 的 序列 。 在 真 核 生 物 中 ， 儿 乎 所 有 的 DNA 都 与 等 量 的 组 蛋白 紧密 结合 形成 一 串 小 盘 状 DNA- 蛋白 质 晤 粒 ， 叫 做 核 小 体 。 核 小 体 结构 之 问好 象 间 隔 着 一 小 段 一 小 段 的 游离” DNA， 这 些 DNA 可 能 是 结合 调节 蛋白 的 部 位 。 其 中 有 些 蛋 白质 可 能 是 帮助 核 小 体 定 位 或 者 是 定 相 的 ,这 样 就 可 以 使 特异 DNA 序列 暴露 在 邻近 核 小 体 之 间 而 更 易 被 接近 。 通常 , 核 小 体 包装 在 一 起 形成 更 为 浓缩 的 结构 。 在 这 些 结构 中 ， 核 小 体 具 有 各 种 各 样 变型 ， 并 与 不 同 的 附加 蛋白 质 相 结合 。 DNA 和 与 之 结合 的 所 有 和 蛋白质 组 成 的 整个 复合 物 就 叫做 染色 质 。 基 因 组 不 同 区 段 折 杰 成 染色 质 的 方式 可 以 稍 有 不 同 。 看 来 ,这 些 差异 之 中 至 少 有 一 些 是 对 于 基因 表达 具有 功能 意义 的 。 RNA 合 成 及 其 加 工 ” RNA 合成 首先 出 现 于 原核 生物 ， 他 们 的 转录 机 器 要 比 真 核 生物 的 简单 。 在 原核 生 物 中 ， 只 有 一 种 RNA 聚合 酶 催化 所 有 RNA 的 合成 。 一 种 特殊 的 DNA 序列 《启动 子 ) 指 明 RNA 合成 要 在 哪里 开始 ， 然 后 RNA 聚合 酶 就 与 启动 子 相 结合 , 并 沿 着 DNA 模板 链 移动 ,从 5 端 向 3 端的 方向 每 次 加 上 一 个 核 背 酸 使 生长 链 延 伸 ( 见 图 5-2)。 当 达 到 第 二 个 序列 即 终止 信号 时 ,就 与 DNA 分 离 并 释放 出 新 合成 的 RNA 链 。 所 以 ， 每 个 RNA 分 子 就 是 基因 组 中 较 短 区 段 里 的 一 段 DNA 单 链 的 核 背 酸 序列 的 单 链 拷贝 。 真 核 生物 DNA 转录 的 基本 原理 虽然 与 在 原核 生物 中 的 一 样 ， 但 是 机 构 要 复杂 得 多 。 首 先 , 它们 有 三 种 不 同 的 RNA 聚合 酶 ， 每 一 种 酶 转录 不 同 的 基因 。 每 种 真 核 生 物 RNA 聚合 酶 比 细 蓝 中 的 聚合 酶 要 复杂 得 多 : RREDHNBHS 条 多 肽 链 组 成 , 而 真 核 生物 的 酶 包含 9 到 11 条 多 肽 链 。 此 外 , 纯 的 细菌 RNA 聚合 酶 在 试管 中 就 可 以 很 好 地 发 挥 作用 ,只 需要 加 上 裸露 DNA 就 可 以 进行 转录 了 。 而 真 核 生 物 RNA 聚合 酶 还 需 加 上 其 他 东西 才能 发 挥 作用 。 部 分 地 是 由 于 这 一 个 原因 ,所 以 直到 1979 年 能 在 体外 分 析 真 核 生 物 转录 机 制 的 系统 才 可 供 利 用 。 在 真 核 生物 中 由 三 种 不 同 的 RNA 聚合 酶 来 制造 RNA“ 三 种 真 核 生 物 `RNA 聚合 酶 中 ,只 有 RNA RAMI 是 转译 蛋白 质 基 因 的 。 其 他 两 种 是 用 来 合成 组 成 蛋白 质 合成 机 器 部 件 的 RNA 的 ; 聚合 酶 BE KAR RNA, 而 聚合 酶 UW 制造 各 种 非常 小 的 但 稳定 的 RNA， 其 中 包括 tRNA 和 核糖 体 中 较 小 的 5S RNA。 三 种 RNA 聚合 酶 可 以 通过 它们 对 e- 鸦 膏 曹 碱 的 敏感 性 来 加 以 区 别 ,c- 狼 膏 埋 碱 是 *。 388 » Mich 4) es HEA PRES. RNA 聚合 酶 I Ao-VOPMMHME, RNA RAB I 对 这 种 毒物 十 分 敏感 ; 而 RNA RAK III 对 它 中 度 敏 感 。 这 三 种 RNA 聚合 酶 都 与 细菌 聚合 酶 一 样 ,分 子 量 为 50 万 左右 。 人 们 可 以 想到 ,这 三 种 酶 分 别 识 别 DNA 上 的 不 同 起 始 们 号。 聚合 酶 ARAM I 都 识别 转录 起 始 部 位 上 游 的 DNA FFI, Bln, RAB IU 的 识别 序列 包括 两 朋 短 的 DNA 序列 ,一 侦 从 RNA 合成 起 始点 上 游 大 约 25 个 核 苷 酸 处 开始 ， 而 另 一 个 从 上 游 再 远大 约 50 个 核 苷 酸 处 开始 。 这 种 识别 部 位 的 安排 方式 与 细菌 RNA 聚合 酶 的 情况 非常 相像 ( 见 图 5-4)。 相 反 ,RNA RAM II 好 像 能 识别 特殊 的 基因 调节 蛋白 。 其 中 包括 5S BRAT; 这 种 蛋白 质 以 一 种 低 聚 物 的 形式 与 5$S RNA 基因 中 部 的 一 段 序 列 结合 , 这 种 结合 便 促 使 RNA RAB UW 由 大 约 45 个 核 苷 酸 以 外 处 开始 合成 RNA (图 8-34)。 从 这 幅 图 来 看 RNA RAB Ul 分子 会 在 5S RNA 合成 时 与 调节 蛋白 相 碰 , 但 事实 上 在 聚合 酶 通过 时 ,这 种 蛋白 质 好 像 依 然 结 合 着 而 并 不 仿 碍 转录 。 “高 等 ” 真 核 生 物 细 胞 约 包含 40000 个 RNA AAG II 分 子 , 40 000 个 RNA 3H Aig I 分 子 和 20 000 个 RNA 聚合 酶 III 分 子 。 但 是 ,所 有 RNA 聚合 酶 的 确切 浓度 是 有 变化 的 , 视 细 胞 生长 速率 而 定 。 有 关 这 三 种 真 核 生 物 RNA 聚合 酶 的 情况 还 有 许多 尚 待 进一步 研究 。 到 目前 为 止 , 只 在 有 其 他 一 些 特性 还 不 很 清楚 的 蛋白 质 存在 的 情况 下 , 才 能 够 用 这 几 种 酶 在 体外 来 起 动 RNA 的 合成 。 所 有 真 核 生 物 , 包括 像 酵 母 和 人 这 样 不 同 的 真 核 生 物 ,都 需要 有 三 种 不 同 的 RNA 聚合 酶 才能 转录 的 原因 ,还 有 待 于 揭示 。 因为 所 有 的 信使 RNA 前 体 都 是 RNA RAMU 转录 的 ， 所 以 一 个 细胞 制造 哪些 种 蛋白 质 也 得 由 这 种 酶 来 决定 。 因 而 我 们 下 面 的 讨论 大 部 分 将 只 集中 在 这 种 聚合 酶 所 合 成 的 RNA 转录 本 的 合成 过 程 及 其 命运 上 。 RNA 聚合 酶 II 转录 某 些 DNA 序列 的 次 数 要 比 转录 另 一 些 DNA 序列 多 得 多 ?mm 要 确定 转录 时 的 生化 需要 必须 进行 纯 聚 合 酶 的 体外 实验 ， 但 是 从 这 些 实验 却 得 不 到 关于 转录 机 构 在 细胞 中 行使 功能 时 其 结构 和 动态 的 请 晰 图 像 。 相 反 , 在 细胞 染色 质 的 电镜 照片 中 却 能 看 到 长 侦 DNA 和 与 之 结合 的 RNA 聚合 酶 “正在 转录 ”的 情况 。 从 一 般 的 超 薄 切片 电镜 照片 中 只 能 看 到 颗粒 状 的 染色 质 团 块 ， 这 表示 细胞 核 中 还 有 相当 多 的 亚 结构 ( 见 图 8-61), 但 很 少 显示 出 关于 基因 怎么 转录 的 情况 。 如 果 设 法 和 弄 破 细 胞 核 ,使 它 的 内 含 物流 在 电镜 的 铀 网上， 那么 ， 看 到 的 情况 要 详细 得 多 ( 见 图 8-35)。 这 时 ,在 离 已 溶解 的 细胞 核 中 心 最 远 的 地 方 , 染 色 质 非常 之 稀 。 以 致 可 以 看 到 一 条 一 条 的 染 色 质 线 旦 现 前 面 图 8-3 中 所 示 的 那 种 串珠 状 外 观 CA 8-36)。 活跃 地 在 进行 转录 的 RNA 聚合 酶 分 子 看 上 去 是 一 个 大 的 球形 颗粒 。 后 面 拖 着 一 条 RNA 分 子 的 尾巴 (图 8-37)。 活 性 RNA RGA II 分 子 的 颗粒 常常 只 是 单个 存在 ， 附 近 没 有 类 似 的 分 子 。 这 表明 ,多 数 基 因 只 是 偶尔 才 转 录 成 mRNA 前 体 ;一 个 聚合 酶 转录 完毕 后 , 另 一 个 才 开 始 , 不 过 偶尔 也 可 以 看 到 有 许多 聚合 酶 颗粒 (以 及 RNA FERAL) HE 在 一 起 。 这 些 成 得 的 聚合 酶 颗粒 只 出 现在 少数 以 高 频率 转录 的 基因 上 (图 8-38)。 上 面 的 RNA 分 子 的 长 度 沿 着 转录 的 方向 增长 结果 形成 一 种 特有 的 圣诞树” 的 外 观 。 这 样 的 簇 构成 一 分 具体 的 转录 单位 ， 它 有 一 个 独特 的 RNA 聚合 酶 I 的 起 始 部 位 和 终止 部 位 (图 8-39)。 。389。 详尽 的 生化 研究 业已 证 实 并 扩展 了 电镜 检查 得 到 的 结 采 ， 得 到 三 条 主要 结论 。 1. 真 核 生物 RNA RAMBO RAKED RNA 聚合 酶 分 子 一 样 ， 是 在 染色 体 的 特异 位 点 上 开始 和 终止 转录 的 ; 9255 IER ， pei RR eee R NA 转录 本 pppG R NA 聚合 酶 卫 的 一 个 识别 部 位 控制 蛋白 与 特异 DNA 结 合 并 盖 住 约 50 个 碱 基 对 DNA| $= pppA RNA 转 录 本 或 bppG 图 8-34 web RNA RA UH Ut 所 识别 的 不 同类 型 起 始点 ， 像 细菌 RNA RARE 真 核 RNA 聚合 酶 工 一 样 ，RNA RAK U 识别 的 特异 DNA 序列 好 像 在 RNA 合成 起 点 十 游 。 但 识别 序列 部 分 可 延伸 到 距 RNA 链 起 点 150 个 核 音 酸 的 地 方 《这 里 表示 的 只 是 RNA R 合 酶 的 启动 序列 中 的 一 小 部 分 )。 MR, RNA 聚合 酶 II 却 独特 地 识别 一 个 基因 调节 蛋白 (这 里 是 5 S 转录 因子 ), 这 种 蛋白 与 聚合 酶 合成 RNA 起 始点 的 下 游 的 一 个 序列 相 结 合 。 2. RNA SARE IL 在 一 个 转录 单位 中 产生 的 成 品 RNA 分 子 的 平均 长 度 约 为 8 000 KEM. KEI 10 000 到 20 000 个 核 萌 酸 的 RNA 分 子 也 很 常见 。 编 码 一 个 平均 为 400 个 氨基 酸 的 蛋白 质 需 要 1200 个 核 背 酸 的 RNA ,上述 这 些 长 度 比 1200 SBE 酸 要 长 得 多 ,这 反映 了 真 核 生物 基因 有 特殊 的 结构 ,这 将 在 后 面 详细 讨论 。 但 是 目前 应 指 出 。 一 个 转录 单位 不 一 定 正好 等 于 一 个 基因 : 有 些 RNA 转录 本 可 能 没有 功能 * 而 另 一 ° 390° 些 转录 本 则 生产 不 止 一 个 基因 的 产物 。 3. 不 同 RNA HABE II 起 始 部 位 的 作用 效率 极 不 相同 ， 因 此 有 些 基 因 的 转录 速率 要 比 另 一 些 高 得 多 。 电 镜 照 片 中 观察 到 的 转录 型 式 与 生化 研究 的 结果 相当 一 致 ， 生 化 研 Perey ye 究 的 结果 表明 , 虽然 有 许多 不 同 的 信使 RNA DT 盐 浓 度 溶液 小 消 积累 在 细胞 中 ， 但 其 中 大 多 数 只 存在 少量 拷贝 〈 表 :加 六 机 转录 发 生 在 包装 于 核 小 体 中 的 DNA 上 ” 由 四 种 核 小 体 组 蛋白 (H2A、H2B\、JH3 和 了 H4) 形 成 的 复合 物 与 DNA 结合 得 如 此 牢固 , 以 致 每 个 组 蛋 白 八 聚 作 〈 图 8-4) 几乎 不 离开 与 之 相 结 合 的 特殊 DNA 区 段 。 现 在 已 经 清楚 ， 即 使 在 DNA 转录 和 DNA 复制 期 间 DNA 仍然 是 包装 在 核 小 体 上 的 。 所 以 展开 的 染色 质 的 电镜 照片 通常 显示 出 ， 在 染色 质 的 转录 和 不 转录 区 段 中 到 处 都 是 核 小 体 珠 的 规则 图 像 ( 见 图 8-37 和 .8-38)o 真 核 生 物 RNA 必须 从 DNA- 组 蛋白 复合 体 止 转录 下 来 ,而 不 是 像 在 原核 类 中 的 那样 从 裸露 . 而 桨 色 体 展开 DNA 上 转录 下 来 ， 这 一 现象 看 来 对 真 核 生 物 基因 8-35 在 使 细胞 核 温和 溶解 、 铺 开 ， 并 8-36 “用 图 8-35 中 介绍 的 方法 在 电镜 下 看 到 的 一 个 典型 与 细胞 碎片 分 离 后 ,用 电镜 技术 检查 细胞 细胞 核 。 可 以 看 到 缠 结 在 一 起 的 一 大 团 染 色 质 从 咨 解 的 细胞 核 染色 质 的 一 种 方法 。 核 中 流出 来 ; 只 有 在 离 这 困 缠 结 最 远 的 边缘 上 的 染色 质 才 秘 到 足以 能 在 高 倍 下 进行 有 意义 的 观察 。(Victoria Foe 赠 ) 的 调节 方式 是 有 相当 重要 的 意义 的 。 即 使 染色 质 是 以 串珠 状 展开 的 形式 存在 ， 也 难于 想 像 RNA 聚合 酶 在 转录 包装 在 核 小 体 上 的 DNA 时 ， 核 小 体 本 身 的 构 像 却 不 发 生 任 何 暂时 性 的 变化 。DNA 以 象 30 nm 纤维 这 种 比较 浓缩 的 染色 质 形式 存在 时 ，RNA 聚合 e 39] 。 NS 上 ee : : : ee : ~ ‘ ses the : OY : Ge : ie 4A ee Oe “ .* Pe i Be oR Bet 。 oe of ee oe eet SS 3 gee : - é Hee Ss 人 be : ay ae ee ; sae * scabies hatte seater “Se 蛋白 质 的 途径 中 有 着 关键 性 的 不 同 。 在 最 先进 化 出 基本 遗传 机 制 的 原核 生物 中 , 每 个 RNA 分子 是 由 编码 蛋白 质 氨基 酸 所 必需 的 一 连 串 核 苷 酸 组 成 的 , 近 RNA 分 子 5 端的 核 苷 酸 编码 蛋白 质 的 氨基 末端 ， 近 3' 端的 核 苷 酸 编码 蛋白 质 的 羧基 末端 〈 图 8-43 上 面 )。 KREMER 本 虽说 也 具有 同样 的 极 性 ( 近 RNA 分 子 5 端 总 是 编码 蛋白 质 氨基 末端 的 氨基 酸 ); 但 它 们 经 常 间 插 地 含有 长 段 不 编码 的 RNA 序列 , 这 些 长 段 序列 是 从 基因 中 称 做 间 插 序列 或 者 内 含 子 的 区 段 中 复制 下 来 的 为 了 使 转录 本 转变 成 能 够 编码 完整 蛋白 质 的 信使 RNA 分 子 , 必 须 从 每 个 RNA 转录 本 上 切除 这 些 内 含 子 序列 (图 8-43 下 面 )。 1977 年 发 现 断裂 基因 (interrupted gene) 是 完全 出 平 意料 的 。 因 为 内 含 子 序列 两 边 的 编码 RNA 序列 能 在 内 含 子 序列 切除 后 相互 连接 在 一 起 ` (图 8-44), 所 以 RNA 加 工 反应 叫做 RNA 剪接 。 RNA 剪接 看 来 是 在 RNA 输出 到 细胞 质 之 前 在 细胞 核 中 发 生 的 ; 剪接 范围 可 能 非 常 广泛 ,能 使 很 长 的 细胞 核 hnRNA 分 子 ( 长 达 50 000 PREM) 变 成 短 得 多 的 细胞 质 mRNA 分 子 (通常 为 500 到 3 000 个 核 背 酸 )。 由 此 看 来 , 真 核 生物 核 被 膜 的 作用 就 是 使 新 创造 的 RNA 分 子 与 细胞 质 核糖 体 暂时 分 开 ,一 直到 RNA 加 工 过 程 拣选 出 要 转译 成 蛋白 质 的 区 段 之 后 再 接触 。 核酸 杂交 分 析 表 明 (185 页 )， 大 部 分 迅速 降解 的 细胞 核 RNA 序列 与 留存 下 来 的 RNA 序列 是 不 同 的 。 内 含 子 的 移 除 有 助 于 解释 为 什么 在 一 个 典型 的 哺乳 动物 细胞 的 总 DNA 序列 中 虽然 有 7 多 ZB 10% 转录 成 为 细胞 核 RNA， 但 是 细胞 质 mRNA HAG DNA 序列 的 1 狗 2% 左右。 一般 认为 ,这 种 差额 大 部 分 是 由 于 移 除 的 内 含 子 序 列 所 造成 的 。 在 讨论 这 样 一 种 复杂 的 遗传 系统 是 怎么 出 现 的 和 为 什么 会 出 现 之 前 ， 必 须 说 明 一 下 关于 内 含 子 序列 及 其 移 除 过 程 机 理 方面 的 一 些 已 知情 况 。 细胞 核 中 的 小 核糖 核 蛋 白 颗粒 可 能 帮助 指导 RNA 加 工 ” 内 含 子 的 大 小 从 100 到 10 000 个 核 背 酸 不 等 。 它们 与 编码 序列 的 明显 不 同 之 处 在 于 内 含 子 的 大 多 数 核 昔 酸 序列 常常 可 以 通过 实验 加 以 改变 ， 而 对 基因 功能 不 发 生 很 大 的 影响 。 此 外 ,内 含 子 似乎 在 进化 过 程 中 迅速 积累 突变 ,这 就 使 人 们 提出 ， 它 们 一 点 功能 也 没有 而 基本 上 是 遗传 的 “废物 ” ;这 种 提 法 将 在 后 面 加 以 分 析 。 但 是 ,在 内 含 季 的 每 一 端 有 几 个 核 背 酸 是 不 能 改变 的 ,否则 就 会 破坏 该 基因 的 功能 ,这 几 个 核 昔 酸 在 所 有 顺序 已 知 的 内 含 子 中 几乎 都 是 一 样 的 。 人 们 认为 这 些 边缘 序列 就 是 RNA 航 接 的 信号 。 目 前 我 们 只 有 一 个 关于 它们 是 怎么 起 作用 的 重要 线索 :已 经 证 明 , 这 种 保守 的 边缘 序列 与 细胞 核 中 富 有 的 一 种 小 型 核 内 核糖 核 蛋 白 颗 粒 〈sn RNP) 中 的 一 段 RNA 分 子 是 互补 的 。 这 种 是 ¢ 396° GAD RN A 转 录 本 是 直接 转译 的 许多 真 核 生物 R N A 转 录 本 转译 前 需要 加 工 el 内 合子 序列 内 含 子 序列 Bee | IE 人 | AAAAAAA RNA 加 工 过 程 中 pmsl 切除 的 内 含 子 信使 RN A rae: AAAAAAA @ Gpeo (2 H PASE Le4l 3’ _ 5° 起 始 密码 子 ce 转译 H2N 蛋白 质 COOH 图 8-43 ”原核 生物 和 真 核 生 物 RNA 转录 本 的 核 苷 酸 序列 的 比较 。 只 有 真 核 生 物 转录 本 含有 间 插 序 列 (内 含 子 )* 在 mRNA 转译 成 蛋白 质 之 前 ， 必 须 切 去 这 些 序 列 。 HEE RNA 转录 本 上 形成 的 核糖 核 蛋 白 中 的 一 种 次 要 成 分 , 它 可 能 是 通过 与 内 含 子 序 列 的 两 端 形 成 RNA-RNA 双 螺 旋 而 使 两 端 靠拢 ,从 而 促使 RNA 剪接 的 (图 8-45)。 一 般 认 为 ,这 种 结构 的 形成 伴随 着 酶 的 切割 和 重新 连接 的 反应 ,结果 是 除去 了 内 含 子 顺 序 而 编码 顺序 依然 完好 无 损 (图 8-44)。 这 些 反 应 必须 准确 地 进行 ,因为 即使 是 一 个 核 音 酸 的 差错 也 会 因 产 生 的 mRNA 分 子 中 的 读 码 移 位 而 使 它 的 信息 变 得 无 意义 。 除了 刚才 讨论 过 的 sn RNP 颗粒 外 ,还 有 其 他 好 几 种 核糖 核 蛋白 小 颗粒 。 像 那些 人 们 认为 在 RNA 剪接 中 起 作用 的 颗粒 (在 每 个 细胞 中 有 10' 个 拷贝 ) 一 样 , 其 他 的 这 些 颗 粒 也 很 丰富 ,而 且 其 中 许多 都 位 于 细胞 核 中 。 很 可 能 是 ,其 中 一 些 核糖 核 蛋 白 颗 粒 协 助 引 导 特 异 RNA 脱出 细胞 核 ( 见 403 页 )， 而 另 一 些 则 指导 其 他 类 型 RNA 加 工 过 程 ， 其 中 包括 在 核 仁 中 装配 新 核糖 体 等 事件 ( 见 405 页 )o 所 有 这 些 核 糖 核 蛋白 颗粒 在 许多 方面 都 与 核糖 体 相像 。 虽 然 它们 要 小 得 多 〈 每 个 约 。 397。 供 体 接点 受 体 接点 pial RE era 上 一 内 含 子 序列 一 一 | 7 | 将 供 体 和 受 体 连接 在 一 起 的 环形 成 > 在 磷酸 二 酯 键 骨 架 中 | “产生 两 处 切断 二 二 ES 二 二 icine ES aes S |Y = 去 UZ dl] SN 0 CT 切除 的 内 合子 序列 图 8-44 RNA 剪接 反应 图 解 。 进 行 剪接 时 ,从 RNA 转录 本 上 切除 内 含 子 序列 ?结果 使 MRNA 的 编码 序列 连 在 一 起 。 进 行 这 种 RNA 加 工 反应 时 ,必须 切 去 一 让 RNA， 剩 下 的 分 子 在 配对 的 所 谓 “ 供 体 ? 和 “ 受 体 ?剪接 点 序列 处 重新 连接 起 来 。 为 250 000 道 尔 顿 ,而 一 个 核糖 体 有 4 500 000 BAM), 但 它们 也 含有 许多 多 肽 链 与 一 个 稳定 的 RNA 分 子 复 合 在 一 起 。 一 般 认 为 。 小 型 核糖 核 蛋 白 颗粒 也 像 核糖 体 一 样 是 通过 RNA-RNA 碱 基 配对 的 互补 性 来 识别 核酸 顺序 的 , 它们 协助 将 催化 各 种 复杂 反应 的 蛋 昌 质 亚 单位 定位 。 在 一 个 RNA 转录 本 上 可 以 去 除 许多 个 内 含 子 序列 ”” 假如 内 含 子 序 列 是 按 图 8-45 所 示 的 那 种 方式 去 除 的 , 那 末 在 剪接 过 程 中 任何 一 个 内 含 子 5 端的 序列 (为 方便 起 见 叫 做 供 体 接点 ) 都 能 和 任何 另外 一 个 内 含 子 3 端的 序列 (为 方便 起 见 叫做 受 体 接点 ) 连接 在 一 起 。 将 两 个 不 同 内 含 子 的 供 体 和 受 体 部 分 组 合 在 一 起 的 实验 证 实 了 这 种 预测 。 所 产生 的 杂种 内 含 子 序列 可 以 被 maith cio) 8-46), 鉴于 内 含 子 的 所 有 供 体 接点 和 所 有 受 体 接点 在 RNA 剪接 时 都 起 相同 作用 ， 估 们 感 到 很 奇怪 , ES Wik. 曾 克 隆 过 并 分 析 过 的 许多 肴 椎 动物 基因 都 含有 多 个 内 含 子 《在 卵 请 蛋白 中 有 7 个 ， 而 举 个 极端 的 例子 ， 在 溶胶 原 蛋白 的 “ 链 中 有 50 多 个 )。 如 果 供 体 接 所 和 受 体 接点 是 随机 配对 进行 前 接 的 话 ， 那 末 内 含 子 之 间 的 有 功能 的 mRNA -序列 就 会 和 失 ， 这 样 会 带 来 灾难 性 的 后 果 。 为 了 制造 某 一 种 蛋白 质 ，RNA 剪接 机 构 必 须 保 证 每 个 *，398。 供 体 接点 通常 只 与 在 线性 RNA 顺序 的 下 游 (5 到 3 ) 方向 上 最 接近 的 受 体 接 点 互相 配 对 (图 8-47)。 至 于 接点 的 这 种 顺序 配对 是 怎么 实现 的 ， 目 前 尚 不 知道 ,不 过 一 般 认 为 ， RNA 转录 本 中 内 含 子 序列 的 确切 三 维 构 像 是 重要 的 。 但 是 我 们 现在 会 看 到 ， 在 有 些 情 况 下 ,不 存在 这 种 从 了 到 3 方向 的 简单 剪接 方式 。 这 些 例外 之 所 以 重要 是 因为 它们 开始 表明 ,断裂 基因 对 细胞 可 能 有 什么 好 处 。 供 体 返点 i en AGGUAAGU peg TTT TTT 三 三 5 eee 在 供 体 接点 处 切割 和 再 重 连接 在 受 体 拼接 点 处 | 先 切割 再 重 连 接 ， 蛋白 颗粒 (U1) RARE Z TIER YS SF FF ta eT = a ee -A G G 一 一 一 去 除 内 含 子 序 列 后 剪接 成 的 信使 RN A 图 8-45 假定 有 一 种 特异 的 叫做 U 1 的 小 型 核 内 核糖 核 蛋 白 颗 粒 参 加 RNA 剪接 过 程 的 示意 图 。 这 种 颗粒 有 一 小 女 结 合 RNA 分 子 (165 个 核 音 酸 长 )， 其 中 部 分 序列 是 与 hnRNA 分 子 上 内 含 子 两 边 的 核 背 酸 序 列 互补 的 。 有 人 认为 * 通 过 碱 基 互 补 配 对 *U 1 RNA 就 可 以 使 供 体 和 受 体 接点 聚拢 到 一 起 以 为 图 8-44 所 示 的 剪接 反应 作 准 备 。 同样 的 RNA 转录 本 可 以 经 过 不 同方 式 加 工 产生 编码 好 几 种 蛋白 质 的 mRNA 虽然 大 多 数 内 含 子 序列 看 来 是 没有 什么 特异 功能 的 ,但 是 有 越 来 越 多 的 证 据 表 明 , 因 为 有 与 它们 联合 的 剪接 机 构 的 存在 ， 所 以 给 细胞 蓉 加 了 额外 的 遗传 可 塑性 。 这 种 可 塑性 之 所 以 可 能 是 因为 同一 个 RNA 转录 本 可 以 通过 不 同方 式 的 剪接 产生 几 种 不 同 的 蛋白 质 。 已 经 知道 ,在 分 化 过 程 中 有 些 转 录 本 的 剪接 方式 是 会 发 生变 化 的 ,结果 , 同样 的 DNA 编 码 顺 序 在 细胞 发 育 过 程 中 可 以 派 上 不 同 的 用 场 。 RNA 前 接 赋予 的 多 样 性 最 先是 在 腺 病毒 中 发 现 的 ， 这 是 一 种 感染 动物 细胞 的 大 病 毒 。 它 的 基因 组 指导 合成 一 些 很 长 的 RNA 转录 本 ,每 个 RNA 转录 本 含有 编码 许多 种 不 同 必需 蛋白 质 的 序列 。 不 同 的 RNA 加 工 途 径 从 同一 个 RNA 转录 本 制造 出 不 同 的 mRNA 分 子 ， 结 果 就 可 以 用 同一 个 5 帽子 序列 来 启动 合成 好 几 种 不 同 的 蛋白 质 。 这 样 。 399。 一 来 却 彻底 违背 了 剪接 信号 的 顺序 配对 规则 。 第 七 章 曾 讲 过 ,由 RNA RAM II 分 子 制 造 的 每 一 个 RNA 转录 本 的 5 端 都 有 一 个 帽子 核 背 酸 ， 这 个 帽子 后 来 成 为 mRNA 分子 中 启动 合成 蛋白 质 的 信号 。 通 常 ， 即 使 mRNA 分 子 中 确 是 有 多 个 起 始 和 终止 密码 子 , 但 从 5 帽子 起 ， 第 一 个 终止 密码 子 下 游 的 编码 序列 是 不 会 被 转译 的 ,这 是 因为 一 到 达 终 止 密码 子 mRNA 就 会 自动 地 脱离 核糖 体 e 因此 ,一 个 RNA 转录 本 一 旦 加 工 成 mRNA 后 ,就 只 能 编码 一 种 蛋白 质 。 另 一 方面 ,如 果 RNA 加 工 机 构 把 某 些 编码 序列 当 作 内 含 子 看 待 而 将 它们 除去 , 那 末 同一 个 细胞 核 转 录 本 就 能 够 产生 几 种 不 同 的 信使 RNA。 这 样 5 帽子 就 可 以 剪接 在 几 种 不 同 编码 序列 的 正常 的 RN A eK D1 Al D2 A2Q | | | | AAAAAA LA oe ©G ppp [SS 相当 于 用 重组 DAN ARR 从 DN A 上 去 除 的 区 段 修饰 过 的 RN A 转 录 本 | | | AAAAAA 6 ii ct A EP ER 为 剪接 酶 所 识别 并 切除 图 8-4 实验 概 图 表明 如 果 将 两 个 不 同 内 含 子 的 供 体 接点 (“Ai>) 和 受 体 接点 () 切 除 则 D， 可 以 和 A :在 RNA 转录 本 中 联结 起 来 。 前 面 ， 从 而 启动 几 种 不 同 蛋白 质 的 合成 〈 图 4-48)。 对 同一 RNA 转录 本 的 不 同 加 工 是 怎么 控制 的 还 不 知道 。 病毒 采用 这 种 选择 式 的 RNA 加 工 的 方针 的 好 处 可 能 就 是 市 约 : 病毒 为 了 把 它们 的 基因 包装 在 病毒 颗粒 中 ,就 必须 将 基因 组 的 大 小 缩减 到 最 小 。 一 个 DNA 编码 序列 在 不 同 的 细胞 发 育 阶 段 可 以 制造 出 不 同 的 蛋白 质 现在 知道 , 至 少 有 一 类 细胞 的 编码 序列 所 产生 的 RNA 转录 本 可 以 通过 不 止 一 种 方 式 加 工 。 不 过 ， 它 并 不 是 产生 一 种 完全 不 同 的 蛋白 质 ， 而 是 通过 初级 RNA 转录 本 在 细 胞 发 育 过 程 中 发 生变 化 来 改变 剪接 式样 ,产生 同一 种 蛋白 质 的 新 变种 。 这 种 变化 就 发 生 在 淋巴 细胞 形成 抗体 分 子 的 时 候 ( 见 第 十 七 章 )o 在 淋巴 细胞 的 生活 史 早 期 ,抗体 是 结合 在 质 膜 上 的 。 以 后 ,同一 抗体 却 分 刻 在 外 。 分 站 形式 与 膜 结合 形式 大 部 分 是 一 样 的 ,只 是 在 羧基 末端 有 所 不 同 , 膜 结合 形式 的 羧基 末端 有 一 长 串 疏 水 氨基 酸 ， 抗 体 就 是 通过 这 些 氨 基 酸 固定 在 质 膜 上 的 ， 而 分 刻 形式 的 羧基 末端 只 有 一 串 短 得 多 的 水 溶 性 氨基 酸 。 所 以 从 膜 结合 形式 的 抗体 转变 为 分 刻 形式 的 抗体 要 求 mRNA 3 端 有 不 同 的 核 背 酸 顺 序 来 为 蛋白 质 的 不 同 羧基 末端 编码 。 膜 结合 形式 的 蛋白 质 是 通过 将 所 有 编码 序列 都 转录 到 核 RNA 中 形成 一 个 长 的 初 级 转录 本 而 产生 出 来 的 。 编 码 膜 结合 蛋白 的 朴 水 羧基 末端 的 核 背 酸 恰 好 位 于 受 体 接点 的 400 。 下 游 ,靠近 这 个 长 转录 本 末端 的 地 方 (A 8-49), 正常 的 RNA Boe tee KR 与 编码 蛋白 质 其 余部 分 的 核 背 酸 接 在 一 起 。 在 这 种 连接 过 程 中 ， RED BHD TAKE 性 尾巴 的 核 昔 酸 则 被 去 除 : 转录 本 中 最 后 的 供 体 剪 接 信号 刚好 位 于 编码 这 些 水 溶性 氨基 酸 的 核 音 酸 之 前 ,所 以 ,这 些 核 昔 酸 就 被 当成 了 内 含 子 的 一 部 分 而 被 切除 (图 8-49), 相反 :分 泌 形式 的 分 子 是 从 一 个 较 短 的 初级 转录 本 来 的 ,这 个 转录 本 正好 终止 于 长 转 录 本 中 最 后 的 受 体 接点 之 前 ， 所 以 再 远 一 些 的 编码 膜 结合 形式 分 子 中 臣 水 羧基 末端 的 核 昔 酸 就 被 除去 了 。 由 于 不 再 有 受 体 接 点 能 与 邻近 编码 水 溶性 氨基 酸 的 核 痛 酸 旁 边 的 供 体 接点 结合 ,所 以 这 一 段 核 背 酸 仍 保留 在 最 终 的 mRNA 中 而 被 转译 (图 8-49)。 初级 RN A 转 录 本 终止 AUG gern 内 含 子 序列 1 D3 A3 |D5 AS 上 一 #80004. xm ————_—_ 通过 RN A 加 工 去 除 内 含 子 序 列 起 始 “终止 AAA 至 到 |oH mRNA 3’ 受 体 转译 H,N-{__}c0on Rit zB 图 8-47 鸡 那 清 蛋白 基因 的 初级 RNA 转录 本 表示 必须 要 有 组 织 地 除去 7 个 内 含 子 后 才能 得 到 有 功能 的 RNA 分 子 。 与 图 8-46 中 一 样 供 体 接点 用 “D? 来 表示 受 体 接点 用 “A? 来 表示 。 有 两 条 途径 可 以 产生 编码 分 族 型 分 子 的 较 短 的 转录 本 : 提前 停止 转录 。 或 者 将 长 初 级 转录 本 断裂 后 再 在 新 形成 的 3 端 加 上 poly A。 病 毒 实验 证 明 ， 通 过 在 不 同 部 位 断裂 和 加 poly A 可 以 得 到 不 同 3 端的 初级 转录 本 。 但 是 目前 还 不 知道 到 底 是 怎么 控制 编 码 抗体 的 RNA 转录 本 的 长 度 才能 产生 上 述 切换 过 程 。 什么 是 基因 ”? 自从 发 现 真 核 生 物 基 因 中 有 内 含 子 以 及 它们 的 编码 序列 可 以 通过 不 止 一 种 的 方式 拼 在 二 起 ， 对 于 基因 的 确切 定义 又 产生 了 新 的 问题 。 本 世纪 40 年 代 初 期 ， 根 据 对 脉 孢 菌 (Neurospora) 的 生化 遗传 学 研究 ， 最 先 从 分 子 水 平 上 给 基因 下 了 一 个 明确 的 定义 。 更 里 些 时 候 , 是 从 功能 上 给 基因 下 的 定义 ,认为 它 是 基因 组 中 的 一 个 区 豚 ， 减 数 分 裂 时 作为 一 个 分 离 单 位 ,并 产生 像 果 蝇 的 红眼 或 白眼 ,或 者 殉 豆 的 圆 型 种 子 或 皱 首 型 种 子 这 样 一 些 界 线 分 明 的 表 型 性 状 。 在 对 脉 孢 菌 研究 之 后 ,人 们 了 解 到 ,大 多 数 基 因 相 当 于 基因 组 中 的 一 个 区 眉 , 它 指导 合成 一 种 酶 ,这 就 导致 关上 了 “一 个 基因 ,一 条 多 肽 链 ”的 中 心 原则 。 已 经 。401 。 | 全 长 的 mRNA 分 子 | 非 编 码 序 列 ”编码 序列 终止 ie 终止 AUG ! | | RPR @ oe ae dr tale H,.N[_______]}CooH 经 RN A 剪 接 把 帽子 移 到 编码 序列 OAM RNADFHE 终止 终止 AUG | AUG | AAAAAA 6p EEE Ey Ra @ @ | Seem 2 NCS icy COOH 经 RN A 剪 接 把 帽子 移 到 编码 序列 3 mM RNADFHE | A H,N[___]CooH 图 8-48 在 有 些 病毒 中 ,同一 个 RNA 转录 本 可 以 通过 几 种 不 同 的 方式 加 工 ， 然后 输出 到 细胞 质 中 去 成 为 三 种 (或 更 多 种 ) 不 同 的 mRNA 分 子 ， 各 编码 一 种 不 同 的 蛋白 质 。 在 每 种 情况 下 ， 只 有 最 接近 5 帽子 的 编码 序列 转译 成 mRNA 分 子 。 证 明 , 这 个 假说 给 后 来 的 研究 工作 带 来 极 大 的 好 处 。 于 是 ， 到 了 本 世纪 60 年 代 ， 人 们 对 基因 表达 的 机 理 了 解 得 更 加 清楚 时 ， 开 始 把 基因 定义 为 一 段 DNA， 它 的 转录 产物 是 编 码 一 条 多 肽 链 的 mRNA (或 者 是 一 种 像 tRNA 或 rRNA 那样 的 结构 RNA). 本 世 纪 70 年 代 末 期 发 现 的 断裂 基因 也 很 容易 纳 人 基因 的 最 初 定义 ， 只 要 我 们 专 指 由 某 一 种 DNA 序列 转录 来 的 RNA 编码 某 一 条 多 肽 链 就 行 了 。 但 是 现在 知道 ， 有 些 DNA 序列 由 于 RNA 剪接 方式 的 不 同 , 可 以 至 少 产生 两 种 不 同 的 mRNA 分 子 , 因 此 也 至 少 可 产生 两 种 生物 功能 各 异 的 不 同 蛋白 质 。 那 么 ,基因 的 定义 到 底 怎 么 下 呢 ? 目前 看 来 ,最 好 还 是 保留 一 个 基因 一 条 多 肽 链 的 定义 。 这 就 是 说 ,在 那些 同一 DNA 序列 对 应 一 条 以 上 的 多 肽 链 的 情况 下 ， 可 以 认为 在 染色 体 上 几 个 基因 互相 重 登 。 只 有 在 我 们 更 多 地 了 解 了 大 量 高 等 真 核 生物 基 因 的 结构 与 功能 的 情况 以 后 才能 知道 真 核 生物 中 这 种 重 登 基因 的 出 现 频率 有 多 大 。 。402 。 同时 ,内 含 子 的 存在 对 于 另 一 些 重要 过 程 也 是 有 意义 的 。 从 细胞 核 输出 RNA 需要 有 分 子 信号 2 如 采 要 防止 新 合成 的 RNA 在 加 工 之 前 就 碰 到 核糖 体 ,就 必须 要 有 一 种 选择 性 输出 细胞 核 RNA 的 机 制 。 而 事实 上 ,转录 出 的 全 部 RNA 中 只 有 5% 左右 离开 细胞 核 。 虽 然 特异 的 输出 信号 还 没有 鉴定 出 来 过 , 但 是 至 少 从 有 些 情 况 看 来 ， 它 们 是 在 RNA 剪接 过 程 中 产生 的 。 现 在 已 经 能 够 选择 性 地 除去 真 核 生 物 基因 中 的 某 些 内 含 子 ， 再 把 这 些 修 改过 的 基因 播 到 培养 细胞 中 让 它们 在 核 中 转录 。 已 经 测验 过 好 几 种 基因 了 从 这 些 基 因 中 去 除了 不 同 数目 的 内 含 子 。 奇怪 的 是 ,发 现 DNA 中 至 少 要 有 一 个 内 含 子 ， 否 则 它 的 转录 本 就 只 能 留 在 核 内 。 这 启示 这 些 RNA 的 输出 需要 与 RNA BORAGE 4 it 作用 (图 8-50)。 短 RNA 转 录 本 “长 RNA 转 录 本 DNA 终止 于 此 终止 于 此 供 体毛 点 序列 | HEATED < | 转录 ay! ERNAHRA SERNA eA 终止 密码 子 I 终止 密码 子 了 终止 密码 子 T | ois AAAAAA a ae | AAAAAA HN [二 -OH _—_ a+ . 因为 失去 了 受 体 剪 接点 ， 所 以 内 含 子 序列 未 被 移 除 ALF 1 | AAAAAA s & 2 &. Fans OH a | 转译 RASH REREA Si 7a Gale RE A WLLLLLL Le ~ COOH 人 nn Fe AY Bik BK 末端 的 亲 水 肽 图 8-49 从 同一 DNA 序列 合成 两 种 近 缘 蛋白 质 。 在 抗体 基因 制造 的 长 初级 RNA 转录 本 的 3 端 附 近 有 内 含 子 序 列 , 在 RNA 拼接 过 程 中 这 个 内 含 子 序列 被 去 除 。 这 样 就 得 到 编码 膜 结合 抗体 分 子 (免疫 球 蛋 白 ) 的 mRNA 分 子 。 相 反 在 受到 抗原 刺激 后 ,产生 较 短 的 初级 RNA 转录 本 ， 它 没有 所 示 的 受 体 接点 。 所 以 长 的 转录 本 中 被 去 除 的 内 含 子 序列 在 短 的 转录 本 中 却 未 被 去 除 。 因 此 由 于 原先 定位 于 被 切除 内 含 子 中 的 mRNA 序列 的 转译 而 合成 抗体 分 子 的 亲 水 羧基 末端 部 分 。 结 果 就 形成 分 刻 抗 体 分 子 而 不 是 膜 结合 抗体 分 子 。 但 是 并 不 是 所 有 的 真 核 生 物 基因 都 有 内 含 子 因 此 一 定 还 可 以 通过 其 他 方式 产生 RNA 分 子 的 输出 信号 。 。403。 核 正常 基因 人 工 组 建 的 没有 内 含 子 的 基因 pee TTT a= TT 5} 加 工 并 输出 fT Es) mRNA 图 8-50 实验 示意 图 : RHI MRNA 分 于 转运 到 细胞 质 中 去 ， 必 须 存在 内 含 子 再 将 其 切除 ， 而 不 存在 内 含 子 是 不 行 的 。 核糖 体 RNA 和 转移 RNA 是 在 弟 联 排列 的 成 套 同样 基因 上 制造 的 ? 到 目前 为 止 , 我 们 讨论 了 基因 转录 和 随后 发 生 的 RNA 转录 后 加 工 的 基本 机 理 。 现 在 我 们 把 注意 力 集 中 到 某 些 需要 量 特别 大 的 特殊 基因 产物 是 怎么 在 细胞 中 合成 的 问题 上 。 对 于 特 化 细胞 中 许多 最 丰富 的 蛋白 质 ， 其 中 包括 红细胞 的 血红 蛋白 和 肌肉 细胞 的 肌 红 和 蛋白 ,合成 它们 的 基因 在 每 单 倍 体 基因 组 中 只 有 一 个 。 这 些 蛋白 质 之 所 以 含量 这 么 高 ， 是 因为 从 基因 上 转录 下 来 的 许多 mRNA 分 子 中 的 每 一 个 mRNA 分 子 每 分 钟 可 以 转录 出 多 达 10 个 蛋白 质 分 子 。 这 样 , 在 正常 情况 下 ， 每 个 细胞 世代 中 每 个 mRNA 分 子 可 产 生 10 000 多 个 蛋白 质 分 子 。 但 是 ,在 一 个 正在 生长 的 细胞 中 ,要 制造 它 的 1000 万 个 核糖 体 , 每 一 种 核糖 体 RNA 在 每 个 细胞 世代 中 都 必须 合成 1 000 万 个 拷贝 ,而 由 于 RNA 就 是 基因 的 最 终 产物 ,所 以 也 不 存在 可 以 扩大 生产 的 转译 步 又。 事实 上 ,细胞 是 因为 含有 编 码 核糖 体 RNA 基因 (rRNA 基因 ) 的 许多 拷贝 才 得 以 产生 足够 数量 的 核糖 体 RNA 的 。 人 细胞 中 每 单 倍 体 基因 组 约 有 200 个 rRNA 拷贝 , 一 小 簇 一 小 繁 地 分 布 在 五 条 不 同 的 染色 体 上 ( 见 407 页 )， 而 非洲 爪 蟾 细胞 每 单 倍 体 基因 组 中 约 有 600 个 rRNA 基因 拷贝 > 而 且 是 育成 一 簇 存在 于 一 条 染色 体 上 。 不 过 ，rRNA 基因 的 组 织 和 rRNA 合成 的 一 般 型 式 在 所 有 真 核 生物 中 都 是 一 样 的 。 这 种 高 度 保守 的 CRNA 基因 的 许多 拷贝 是 串联 排 列 在 染色 体 上 的 ,每 个 基因 与 邻近 基因 之 间隔 有 不 转录 区 段 , 称 为 间隔 DNA， 这 种 间隔 区 段 的 长 度 及 顺序 各 有 不 同 。 因 为 有 这 种 重复 排列 以 及 它们 的 转录 速率 很 高 ,所 以 在 分 散 ”的 染色 质 制 片 中 可 以 很 容易 看 到 rRNA 基因 的 串联 排列 (图 8-51)。RNA RABD FLL 及 与 它们 相连 的 转录 本 非常 密集 (典型 情况 下 每 个 基因 有 100 个 左右 ), 它们 以 与 DNA 直 的 方向 向 两 侧 伸展 ,使 每 个 转录 单位 都 呈现 “圣诞树 "的 外 观 。 正 如 前 面 指出 的 那样 (图 ° 404° 8-39), 每 一 棵 树 的 顶部 就 相当 于 DNA 上 开始 转录 的 起 点 ,而 RNA 聚合 酶 分 子 及 其 转 录 本 突然 消失 的 地 方 就 是 tRNA RAWAM. rRNA 基因 由 RNA 聚合 酶 I 转录 ， 而 每 个 基因 都 产生 同样 的 初级 RNA 转录 本 。 在 人 类 ,这 种 RNA 转录 本 叫做 45S RNA， 约 有 13 000 核 背 酸 长 。 每 45S RNA 在 装配 ”为 核糖 体 颗粒 离开 细胞 核 之 前 被 切 而 产生 最 后 核糖 体 的 28S RNA ( 约 5 000 PRET RE)» 18S RNA ( 约 2 000 个 核 昔 酸 ) 和 5. 8S RNA( 29160 个 核 音 酸 ) 的 一 个 找 贝 ( 见 204 页 )o 这 三 种 不 同 的 rRNA 都 来 自 同一 个 初级 转录 本 ， 这 就 保证 了 它们 的 数量 是 相等 的 。 每 个 初级 转录 本 的 其 余部 分 ( 约 6 000 个 核 苷 酸 ) 在 核 中 被 降解 (图 8-52)。 一 般 认 为 , 这 些 多 余 的 RNA 序列 在 核糖 体 装配 时 起 短暂 的 作用 ,而 核糖 体 的 装配 是 在 45S RNA 合成 时 名 给 未 。 ， 5 3 ae ani fF Sins ‘Ae , ee - a oa es $ : i ee ; 8-51 电镜 下 看 到 的 45 SRNA 核糖 体 RNA 前 体 在 串 列 的 rRNA 基因 上 转录 时 的 情况 。 在 上 面 一 幅 放 大 倍数 较 低 的 图 中 ,注意 转录 基因 与 不 转录 基因 的 间隔 区 相间 排列 的 型 式 。〈 引 自 V. E. Foe, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 42: 723—740,1978) 其 他 作 串 联 排列 而 且 有 类 似 的 不 编码 间隔 区 的 基因 有 编码 核糖 体 大 亚 单位 的 5S TRNA 基因 【唯一 单独 转录 的 FRNA), URS He] tRNA 的 基因 。 这 两 类 基因 都 是 由 RNA RAK Ul 转录 的 。 串 联 排列 基因 编码 蛋 鱼 质 的 例子 不 多 , 组 蛋白 基因 是 其 中 之 一 ,它们 是 由 RNA 聚合 酶 I] 转录 的 。 辣 。，405。 45S rRNA 前 体 Ss? 3° pppISWNYZ777 77 ZZ ANS SSSI ZZ ZZ ZZ OK [_—__________13 ,0.00 + 4% # fi #¢ ————__—_| RNA dm Poo eR 18 SrRNA 5.8SrRNA 22SrRNA IROL EM. 5/ cu Beg. 5 3° } 别处 合成 的 日 SSTRNAL 5° 32 SMEAR 这 部 分 并 入 核 ， 糖 体 小 亚 单位 BAAD BM 图 8-52 图 解 45 SrRNA 前 体 分 子 加 工 成 三 种 不 同 核糖 体 RNA, 注意 有 近 一 半 的 核 苷 酸 序列 在 核 中 被 降解 。 核 仁 是 一 台 生 产 核糖 体 的 机 器 ” 重复 基因 的 连续 转录 保证 了 rRNA 的 充分 供应 。 新 合成 的 rRNA 马上 与 核糖 体 蛋 白质 包装 成 核糖 体 。 这 种 包装 是 在 核 内 ,在 一 种 叫做 核 仁 的 大 的 弥散 样 结构 中 进行 的 。 核 仁 中 含 大 的 DNA 环 , 其 上 的 rRNA 基因 由 RNA RAMI 以 飞快 的 速率 转录 下 来 o。 这 样 一 个 DNA 环 叫做 核 仁 组 织 区 。 在 电镜 照片 中 可 以 看 到 rRNA 包装 过 程 的 开端 : 每 棵 “圣诞 树 ” 中 每 个 核糖 体 RNA 的 5 尾巴 包 有 一 个 富 含 蛋白 质 的 颗粒 (图 8-51)。 这 些 颗粒 在 其 它 类 型 的 RNA 转录 本 中 是 不 出 现 的 , 它们 可 能 就 反映 了 在 核 仁 中 发 生 的 第 一 个 蛋白 质 -RNA 相互 作用 。 利用 放射 性 短期 标记 新 合成 的 RNA， 可 以 追踪 核 仁 的 生物 合成 功能 。 进一步 培养 不 同时 间 后 ， 利 用 细胞 分 级 分 离 方法 把 放射 性 核 仁 分 离 出 来 。 这 些 实验 证 明 ， 完 整 的 45S 转录 本 先 装 人 一 个 大 的 复合 体 中 , 这 个 复合 体 含有 从 细胞 质 输入 的 许多 不 同 的 蛋白 质 , 要 知 所 有 和 蛋白质 都 是 在 细胞 质 中 合成 的 (图 8-53)。 这 些 蛋 白质 中 包括 组 成 核糖 体 的 70 种 不 同 多肽 链 的 大 部 分 ,以 及 其 它 一些 蛋 白质 和 小 的 RNA 分 子 。 一 般 认 为 ， 这 些 分 子 是 催化 组 建 核 糖 体 的 ， 在 核糖 体 亚 单位 以 成 品 形式 输出 到 细胞 质 中 去 时 这 些 分 子 还 留 在 核 仁 中 。 45S rRNA 分 子 加 工时 ,其 核 蛋 白 大 颗粒 失去 部 分 RNA 和 和 蛋白质, 然后 分 开 形 成 核 糖 体 的 大 亚 单位 和 小 亚 单位 的 前 体 。 在 放射 性 脉冲 标记 30 分 钟 之 内 ,首先 从 核 仁 中 出 来 进入 细胞 质 的 是 含 18S rRNA 的 成 熟 核糖 体 小 亚 单位 o 而 含 28S$，5.8S 和 5Sr RNA 的 成 熟 核糖 体 大 亚 单位 的 装配 需 花 更 长 的 时 间 ( 大 约 1 小 时 )， 所 以 核 仁 中 所 含 的 未 完成 的 核糖 体 大 亚 单位 要 比 小 亚 单位 多 。 只 有 当 这 些 亚 单位 转移 到 细胞 质 中 去 时 才 发 生 核 糖 体 成 熟 过 程 中 最 后 一 些 步 又。 这 种 推迟 可 防止 有 功能 的 核糖 体 接近 细胞 核 中 还 没有 加 工 好 的 hnRNA 分 子 。 核 仁 具有 一 种 高 度 有 组 织 的 结构 ” 根据 现在 所 知道 的 有 关 核 仁 功 能 的 知识 可 以 了 解 它 的 一 些 结构 的 意义 。 正 如 在 光学 。406 。 显微镜 下 所 看 到 的 ， 在 不 进行 有 丝 分 裂 的 细胞 核 中 最 清楚 的 结构 就 是 大 的 、\ 球 状 的 核 仁 。 因此 ,早期 的 细胞 学 家 们 对 核 仁 进行 了 非常 仔细 的 研究 ， 结 果 1898 年 的 一 篇 综述 就 列 出 了 大 约 700 篇 参考 文献 。 到 本 世纪 40 年 代 ， 细 胞 学 家 们 证 明 ， 核 仁 中 含有 高 浓度 的 RNA 和 蛋白质 。 可 是 ,到 60 年 代 才 发 现 它 的 主要 功能 是 合成 核糖 体 RNA AACR 糖 体 。 有 关 核 仁 组 织 的 某 些 细节 可 以 在 电镜 中 看 到 。 与 细胞 质 的 细胞 器 不 同 ， 核 仁 没 有 膜 将 它 维持 在 一 起 ;相反 ,看 上 去 好 像 是 由 未 完成 的 核糖 体 前 体 彼 此 通过 未 知 的 方式 特异 地 结合 在 一 起 的 。 在 典型 的 电镜 照片 中, 核 仁 里 可 以 分 出 三 个 大 致 分 隔 的 区 域 (A 8-54): C1) 浅 染 组 分 ， 含 有 来 自 染 色 体 核 仁 组 织 者 的 DNA; (2) 颗粒 组 分 含有 直径 为 153nm 的 颗粒 ,相当 于 最 成 熟 的 核糖 体 前 体 颗粒 ; 〈3) 致密 纤维 组 分 ,由 许多 细 的 Som 的 核 蛋 白 纤 维 组 成 ,相当 于 RNA 转录 本 。 核 仁 组 织 者 D N 入 环 im o> ?tRNA 基因 / 转录 | wee | www . 前 体 人 转运 和 活化 过 程 产生 - i 3h AY Be ANS: 60 S 亚 单位 图 8-53 ”核糖 体 合成 过 程 中 核 仁 的 功能 的 示意 图 。 大 的 45 SrRNA 转录 本 先 装 人 一 个 核糖 核 蛋 白 大 颗粒 中 其 中 包含 许多 从 细胞 质 输入 的 核糖 体 蛋白 。 当 这 种 颗粒 还 留 在 核 仁 中 时 , 它 便 有 选择 地 丢弃 了 一 些 片 朋 而 加 工 成 为 未 成 熟 的 核糖 体 大 亚 单位 和 小 亚 单位 s 一 般 认 为 这 两 种 亚 单位 只 有 在 通过 核 膜 孔 转运 到 细胞 质 中 去 时 才 变 成 最 终 有 功能 的 形式 。 。407。 核 仁 的 大 小 反映 了 它 的 活性 ,不 同 细胞 的 核 仁 大 小 可 以 相差 很 多 ,即使 在 同一 种 细胞 中 其 大 小 亦 有 变化 。 例 如 ,在 一 些 休 眼 的 植物 细胞 中 , 核 仁 很 小 ， 但 是 在 制造 特大 量 蛋 白 质 的 细胞 中 ， 核 仁 可 占 到 整个 核 的 体积 的 25 多 。 大 小 上 的 差异 主要 是 由 颗粒 组 分 的 收 缩 或 扩展 来 决定 的 ,这 可 能 是 在 核糖 体 基 因 转 录 水 平 上 控制 的 : 分 散 染色 质 的 电镜 检查 表明 ,活性 核糖 体 基因 所 占 比 例 的 大 小 和 每 个 基因 的 转录 速率 可 以 随 环境 的 变化 而 不 同 。 QOMVOO®@ 前 期 Bie (nd 中 期 Ni (i 后 其 Ng oy GJ] Lee BR le (9) DNA 复 制 ®@ (e) S DNA 复 制 Senet ; 图 8-54 {eRe MI Cee 片 , 示 三 个 不 同 区 域 (A ) 核 的 整体 图 ;(B) 细 节 图 。 图 8-55 “入 细胞 中 核 仁 外 观 在 细胞 周期 中 的 变化 。 这 幅 图 中 只 画 出 细胞 核 。 © 408 + 和 SS — ee ee ee ee eee ee eee ww OO a it Of O68 os ts of H8-56 有丝分裂 时 看 到 的 人 体 染 色 体 组 。 表 示 核 糖 体 RNA 基因 位 于 13,14,15,21 和 22 号 染 色 体 上 ( 核 仁 组 织 者 区 用 黑色 小 点 表示 )， 以 及 5S rRNA 基因 位 于 1 号 染色 体 上 。 这 些 位 置 是 用 有 丝 分 裂 染 色 体 与 放射 性 标记 的 相应 RNA 分 子 进行 原 位 杂交 而 确定 的 。 注 意 每 种 染色 体 只 画 出 一 条 ,每 条 中 含有 两 条 配对 的 染色 单 体 。 实 际 上 ， 在 进行 有 丝 分 裂 的 所 有 二 倍 体 细胞 中 ,每 条 标 上 号 码 的 染色 体 都 有 两 个 拷贝 及 两 条 染色体 (女性 )， 或 一 条 染色体 及 一 条 Y 染 色 体 ( 男 性 ), 每 个 都 是 由 一 对 相同 的 染色 单 体 所 组 成 ( 见 图 8-22)o 图 8-57 培养 生长 的 人 类 成 纤维 细胞 的 光学 显 微 照 片 ， 示 核 仁 融合 的 不 同 阶段。 CE. D. Jordan 和 MeGovern 赠 ) 。409 。 核 仁 是 在 每 次 有 丝 分 裂 后 在 特定 染色 体 上 重新 装配 起 来 的 ” 在 细胞 周期 的 不 同时 期 ，。 核 仁 的 外 貌 有 明显 的 变化 〈 图 8-55)。 细胞 接近 有 丝 分 裂 时 , 核 仁 先是 缩小 ,然后 消失 ,此 时 染色 体 浓 缩 , 所 有 的 RNA 合成 停止 。 一 般 情况 下 , 在 中 期 细胞 中 是 没有 核 仁 的 。 在 有 丝 分 裂 结束 (末期 ) 时 ， 核 糖 体 RNA 合成 又 重新 开始 ， 此 时 ,在 染色 体 核 糖 体 RNA 基因 的 地 方 又 重新 出 现 小 的 核 仁 。 在 人 类 中 ,核糖 体 RNA 基因 位 于 图 8-56 中 所 示 的 5 条 不 同 染 色 体 的 顶端 附近 (也 10 条 伸展 的 间 期 染色 体 各 自 为 核心 提供 一 条 产生 rRNA 的 DNA 环 分 离 出 的 核 仁 上 带 有 断裂 的 染色 体 环 图 8-58 人 细胞 的 高 度 示意 图 表示 一 个 核 仁 中 含 rRNA 基因 的 染色 质 环 是 分 别 由 10 条 不 同 的 染色 体 提 供 的 。 提 纯 的 核 仁 对 于 核 仁 功 能 的 生化 研究 来 说 是 非常 有 用 的 ;如 图 所 示 * 把 染色 质 环 从 其 染色 体 上 扭 断 下 来 ， 就 可 以 得 到 这 种 纯 的 核 仁 。 就 是 说 ,在 46 条 染色 体 中 的 10 条 上 有 核糖 体 RNA 基因 )。 相应 地 ,有丝分裂 后 每 一 个 人 体 细胞 形成 10 个 小 核 仁 但 这 个 阶段 难得 看 到 ,因为 它们 生长 迅速 ,很 快 就 融合 成 一 个 间 期 细胞 所 特有 的 大 核 仁 〈 图 8-57)。 Alt, 在 一 个 还 没有 开始 DNA 合成 之 前 的 二 倍 体 人 细胞 中 ， 一 个 核 仁 就 含有 10 个 不 连 在 一 起 的 DNA 环 ， 分 别 由 10 条 染色 体 中 的 一 条 所 形成 的 。 将 核 仁 从 细胞 中 分 离 出 来 的 时 候 , 这 些 DNA 环 就 被 扭 断 ， 从 染色 体 中 洲 离 出 来 (图 8-58)。 有 丝 分 裂 过 程 中 , 解 离 的 核 仁 中 的 RNA 和 蛋白质 组 分 发 生 了 什么 变化 ? 看 来 ,至 少 有 一 些 是 分 布 在 所 有 中 期 染色 体 的 表面 ,然后 被 运载 到 两 个 子 细胞 核 的 每 一 个 中 去 。 在 未 期 染色 体 浓缩 时 ,这 些 RT RCA DMD DRE USAR CS 小 结 大 多 数 细胞 mRNA 是 通过 一 个 复杂 的 过 程 产生 的 ， 一 开始 在 核 中 合成 和 转录 后 加 工 的 是 核 不 均一 RNA (hnRNA) ,接着 是 选择 性 地 将 RNA 转运 到 细胞 质 中 去 。hnRNA 初级 转录 本 是 由 RNA RSM UAT MEA, LHS 端 加 上 一 个 特殊 核 巷 酸 〈 加 由 )， 在 3 端 又 接 上 一 个 多 腺 昔 酸 的 尾巴 。 这 些 过 程 之 后 往往 还 要 经 过 一 次 或 多 次 的 RNA We. We. A hnRNA 之 中 去 除 叫做 间 插 序列 (或 内 含 子 序列 ) 的 区 段 。 通 过 这 个 过 程 ,初级 RNA 转录 本 大 部 分 在 核 中 被 去 除 并 被 降解 。 结 果 ， 虽 然 hnRNA 的 生产 速率 。410。 一 般 占 到 细胞 RNA 合成 的 一 半 左 右 , 它 所 生成 的 mRNA 却 只 占 一 个 细胞 中 稳 态 RNA 的 3 多 AA 与 编码 蛋白 质 的 大 多 数 基因 不 同 , 编 码 由 RNA 聚合 酶 1 和 III 所 合成 的 结构 RNA 的 基因 通常 在 基因 组 中 有 多 份 拷贝 AEH RA KR RNA Roky III 分 子 制 造 tRNA 和 核糖 体 的 5S 小 RNA。 含 有 较 大 RNA 的 大 RNA 前 体 分 子 是 在 细胞 核 内 一 个 叫做 核 仁 的 特殊 细胞 器 中 由 RNA 聚合 酶 I 分 子 催化 合成 的 ， 核 仁 中 有 来 自 不 同 染 色 体 核 仁 组 织 者 区 的 TRNA 基因 (rDNA), 核 仁 是 细胞 所 有 核糖 体 的 装配 场所 。 核 被 膜 ” 细胞 核 外 面包 着 双 层 膜 * 核 被 膜 将 细胞 核 内 含 物 〈 核 质 ) 与 细胞 质 分 开 。 核 被 膜 是 由 两 个 脂 双 层 组 成 的 双 层 跷 ,两 层 之 间 相 隔 20 到 40nm ， 这 个 腔 隙 叫做 核 周 腔 ( 图 8-59 和 8-60)。 在 超 薄 切片 的 电镜 照片 中 可 以 看 到 ， 外 层 核 膜 是 与 内 质 网 (ER) EH. REA RW (RER) 一 样 ， 外 层 核 膜 的 外 表面 常常 也 布 满 了 从 事 于 蛋白 质 合 成 的 核糖 体 〈 图 8-61)。 由 于 ER SARI (A 8-60)， 所 以 可 以 把 核 周 腔 和 外 层 核 膜 都 看 成 是 内 质 网 的 一 块 小 的 特 化 区 域 ( 见 表 7-2 )。 在 称 为 核 膜 孔 的 局 部 区 域 ,外 膜 与 内 层 核 膜 连 在 一 起 。 因 此 ,整个 膜 表面 在 结构 上 是 连续 的 (图 8-62), 不 过 我 们 将 会 看 到 ， 内 层 和 外 层 在 功能 上 以 及 生物 化 学 上 都 非常 不 一 样 。 因 为 核 被 膜 与 ER HER. 所 以 核 膜 可 以 通过 同 ER 膜 直 接 进行 物质 交换 而 生长 ， 它 还 可 以 迅速 扩大 和 缩小 (图 8-62)。 这 还 有 助 于 在 有 丝 分 裂 过 程 中 ， 伴 随 着 核 膜 的 崩 解 和 重新 形成 ， 核 膜 面积 的 迅速 变化 。 当 一 个 以 前 静止 的 核 开 始 迅 速 合成 RNA 或 DNA 的 时 候 ， 内 质 网 (CER) 图 8-59， 一 个 典型 细胞 核 的 横 切 面 图 。 核 被 膜 是 个 双 层 图 8-60 说 明 内 质 网 与 核 膜 之 间 相 互 栈 ， 它 的 外 层 膜 与 内 质 网 膜 相 连续 。 内 层 核 膜 和 外 层 核 关系 的 三 维 图 像 膜 的 脂 双 层 在 核 膜 孔 处 融合 在 一 起 。 。411。 核 席 面积 也 显著 扩大 。 LEE 8-61 7M ER SH aD HS UR ES ees 因 为 大 部 分 染色 质 处 于 伸展 的 间 期 状态 ,所 以 辨别 不 出 各 个 染色 体 。 双 层 膜 系统 的 一 个 好 处 就 是 内 外 两 层 核 膜 各 自 特 化 分 别 与 核 质 或 细胞 质 中 的 组 分 发 生 相 互 作 用 。 例 如 ,一 般 认 为 ,内 膜 中 的 特异 蛋白 质 与 构成 它 下 面 核 片 层 (nuclear lami- na) 的 一 套 蛋 白质 相互 作用 。 核 片 层 帮助 确定 核 的 外 形 ” 核 被 膜 在 其 内 层 膜 的 核 质 一 侧 有 一 个 电子 致密 层 (图 8-63)。 这 个 纤维 层 (或 叫做 核 片 层 ) 的 厚度 在 不 同 的 细胞 中 是 不 一 样 的 ， 在 有 些 细胞 中 用 显 微 技 术 根 本 就 看 不 到 。 然 而 ,生物 化 学 证 据 证 明 , 几 乎 在 所 有 的 真 核 生 物 细胞 中 都 存在 有 核 片 层 , 而 人 们 认为 * 核 片 层 在 组 织 核 被 膜 及 其 里 面 的 染色 质 方面 起 着 关键 性 作用 。 核 片 层 由 一 个 纤维 网 所 组 成 ,分 离 出 来 的 网 是 一 层 无 膜 的 东西 ， 内 含 一 些 特 化 蛋白 ， 核 膜 上 的 孔 就 是 由 这 些 特 化 蛋白 构成 的 (图 8-64)。 在 脊 椎 动物 中 , 核 片 层 主要 是 由 三 种 比较 大 的 多 肽 自发 装配 而 成 的 ,有 人 认为 ,这 种 较 大 的 多 肽 是 与 埋 在 内 膜 脂 双 层 中 的 特异 蛋白 质 结合 在 一 起 的 。 一 般 认 为 ， 与 核 片 层 结合 的 其 他 组 分 是 结合 在 染色 质 的 特异 部 位 上 的 ,因此 可 引导 染色 质 与 核 被 膜 的 相互 作用 。 图 8-65 中 所 示 的 细胞 显 微 照 片 是 用 与 核 片 层 蛋白 相 结合 的 荧光 标记 抗体 染色 的 。 图 8-66 是 核 片 层 结构 及 其 与 染色 质 相互 作用 的 示意 图 。 核 广 层 多 肽 对 于 每 次 有 丝 分 裂 时 核 膜 的 消失 和 重新 形成 可 能 是 有 帮助 的 在 早 中 期 ， 这 些 蛋 白质 大 多 数 从 核 膜 中 释放 出 来 ,散布 在 细胞 质 中 。 一 般 认 为 * 这 种 可 逆 的 解 离 过 程 似乎 是 受 这 三 种 核 片 层 蛋 白 的 暂时 磷酸 化 控制 的 ， 转 而 引起 有 丝 分 裂 过程 中 所 观察 到 的 核 被 膜 的 崩 解 。 ° 412 。 PORK St RH ie a BY” 由 于 已 经 概述 过 的 原因 ( 见 361 页 )， 像 核 被 膜 那样 的 双 层 膜 系统 给 分 子 运输 带 来 特 殊 的 困难 。 为 了 克服 这 些 困 难 , 所 有 真 核 生 物 (从 酵母 到 人 ) 的 核 被 膜 上 都 开 有 核 膜 孔 , 每 个 孔 的 四 周 包围 着 一 种 称 为 核 膜 孔 复合 体 的 大 的 盘 状 结构 (内 径 约 80nm)。 在 核 被 膜 的 内 外 两 面 ， 每 个 复合 体 四 周 是 排列 成 八角 形 的 8 个 蛋白 质 大 颗粒 (图 8-67A 和 8-68)。 在 垂直 于 膜 乎 面 所作 的 切面 中 可 以 看 到 ， 核 膜 孔 复合 体 的 边缘 跨 过 核 周 腔 , 把 内 外 膜 的 脂 双 层 连 在 一 起 , 包 绕 在 每 个 孔 的 边缘 (图 8-67)。 这 些 内 外 层 核 膜 连 在 一 起 的 区 域 可 能 使 咨 解 在 膜 中 的 脂 溶 性 物质 〈 脂 类 和 了 膜 蛋 白 ) 得 以 从 合成 这 些 物质 的 内 质 网 膜 流 到 内 层 核 膜 中 去 (图 8-62)5 人 们 认为 ， 在 每 个 复合 体 中 心 所 看 到 的 孔 是 个 aaa OKBOTL» (CO KMEREA ETERS He AOE Hose has 出 提供 主要 通道 。 常 常 看 到 孔 的 中 心 塞 有 一 个 大 的 8-63 一 个 典型 哺乳 动物 细胞 核 的 电镜 照片 , 它 有 一 个 清晰 的 核 片 层 , 厚 度 约 40nm。 由 于 在 许多 细胞 中 片 层 都 很 薄 ,所 以 在 这 类 电镜 照片 中 看 不 到 。 速 扩大 的 示意 图 。 (Larry Gerace 赠 ) 图 8-62 在 正常 细胞 周期 的 末期 之 后 ， 或 者 静止 细胞 开始 活跃 地 合成 RNA 或 DNA 的 时 & BRE 中 心 颗 粒 ， 据 认为 是 新 合成 的 核糖 体 和 其 他 粒子 物质 ， 正 在 运输 通过 孔 中 心 时 被 拍摄 下 来 的 (图 8-67)。 虽然 穿孔 运输 的 直接 证 据 还 没有 ,但 是 已 经 有 很 多 间接 的 证 据 支 持 这 种 看 法 。 例 如 ,注入 细胞 的 小 分 子 (5 000 道 尔 顿 或 更 小 ) 通 过 核 被 膜 扩 散 得 极 快 , 简直 可 以 认为 它们 是 自由 地 透 过 核 膜 的 。 17 000 道 尔 顿 的 蛋白 质 在 2 分 钟 内 就 在 细胞 质 与 细胞 核 之 间 达 到 平衡 ， 而 44 000 道 尔 顿 的 蛋白 质 达 到 平衡 要 30 分 钟 。 注 和 人 细胞 超过 60 000 道 尔 顿 的 球形 蛋白 ， 则 几乎 就 不 能 进入 细胞 核 。 对 这 些 实验 资料 所 作 的 定量 分 析 表 明 ， 核 被 膜 的 表现 相当 于 核 膜 孔 复合 体 中 有 一 根 直径 9nm， 长 15nm 的 充满 水 的 圆柱 形 管 道 ( 图 8-69), 这 种 大 小 符合 于 在 某 些 电镜 照片 中 看 到 的 小 的 、 不 规则 的 、 开 口 的 管子 。 核 被 膜 的 作用 是 将 核 质 与 许多 在 细胞 质 中 起 作用 的 颗粒 、 细 丝 以 及 大 分 子 隔 开 。 例 。413 。 如 ,成 熟 的 细胞 质 核糖 体 由 于 太 大 而 不 能 通过 这 个 直径 9nm 的 管子 ,这 样 就 保证 了 所 有 蛋 白 质 的 合成 都 只 能 在 细胞 质 中 进行 。 核 膜 孔 或 许 能 选择 性 地 转运 大 颗粒 ” 如 果 考 虑 到 一 个 典型 哺乳 动物 细胞 的 核 被 膜 上 有 3 000 到 4 000 个 核 膜 孔 复合 体 (每 om’ 膜 面积 上 约 有 11 个 孔 : 要 是 膜 上 的 孔 尽 可 能 地 挤 紧 , 则 每 wm ”中 和 孔 的 最 高 密度 可 达 60 的 o 一 个 正在 合成 DNA 的 细胞 要 把 新 合成 的 DNA 装 到 核 小 体 中 去 , 需要 每 3 分 钟 从 细胞 质 输入 约 10' 个 组 蛋白 分 子 : 这 就 是 说 ， 每 个 孔 每 分 钟 要 输入 100 个 左右 的 组 蛋 白 分 子 。 如 果 是 迅速 生长 中 的 细胞 ， 那 么 在 同一 细胞 中 每 个 孔 每 分 钟 大 约 还 同时 要 输出 3 个 装配 好 的 核糖 体 到 细胞 质 中 去 。 尽 管 如 此 ， 那 也 只 是 总 运输 量 中 的 一 小 部 分 。 细胞 核 输出 新 的 核糖 体 亚 单位 尤其 成 问题 。 因为 这 些 颗 粒 的 直径 太 大 ( 约 有 15 nm ) 而 不 能 通 过 9nm 的 通道 。 通 常 假 设 这 些 颗 粒 是 专门 由 一 个 主动 运输 系统 运输 通过 膜 的 ,在 这 种 运输 过 程 中 ， 颗粒 形状 还 必须 大 大 地 改变 。 表 示 颗 粒 正在 通过 孔 的 电镜 照片 支持 这 种 看 法 ， 核 膜 孔 复合 体 因 核 蛋白 而 着 色 很 深 这 个 事实 也 支持 这 种 看 法 。 有 人 coe i 认为 ,信使 RNA 分 子 与 特殊 蛋白 质 复合 形成 核糖 图 8-63 分 离 出 来 的 一 段 核 片 层 (L), 上 有 与 之 相 “ 核 蛋白 颗粒 后 ， 也 是 通过 这 种 方式 选择 性 地 输出 连 的 核 腊 孔 复合 体 (箭头 )。 GIN. Dwyer 的。 and G. Blobel, J. Cell Biol. 70: 581—591, 1976) 对 于 大 型 大 分 子 也 存在 类 似 的 问题 ， 例 如 DNA 聚合 酶 和 RNA 聚合 酶 ,尽管 大 小 至 少 有 100 000 到 200 000 道 尔 顿 ,但 也 必须 输入 细 胞 核 - 要 是 这 些 蛋白 质 能 改变 成 杆 状 构象 而 不 是 球状 构象 ,那么 就 能 钻 过 孔 。 或 者 ,它们 可 与 孔 缘 上 某 种 类 型 受 体 蛋 白 相 互 作 用 而 通过 孔 , 这 些 蛋 白质 使 通道 变 大 而 让 它们 通过 去 。 在 某 些 但 不 是 所 有 细胞 的 细胞 质 中 ,有 与 核 膜 孔 复合 体 类 似 的 复合 体 堆积 在 一 起 , 叫 做 环形 族 层 (图 8-70)。 这 些 结构 最 常见 于 生殖 细胞 以 及 蛋白 质 合 成 活性 高 的 细胞 ,包括 大 多 数 肿 瘤 细 胞 。 虽 和 然 它 们 可 能 是 核 被 膜 材料 的 额外 贮备 ， 但 细胞 中 存在 这 样 的 结构 就 使 人 们 想到 , 核 膜 孔 复合 体 可 能 还 有 运输 之 外 的 第 二 种 功能 ,例如 , 在 RNA 或 者 核糖 体 加 工 的 一 些 步 又 中 起 直接 的 作用 。 遗憾 的 是 ， 核 膜 孔 复合 体 至 今 仍 是 细胞 中 还 有 待 于 进 了 现代 生物 化 学 研究 的 若干 重要 结构 之 一 。 核 片 层 的 内 表面 协助 将 染色 体 组 织 起 来 > 很 可 能 。 核 片 层 外 表面 协助 将 核 膜 孔 固定 在 应 有 的 位 置 上 并 使 核 被 膜 保持 应 有 的 形 状 ， 而 核 片 层 的 内 表面 则 保持 间 期 染色 体 的 某 些 区 跋 紧 靠 在 内 层 核 膜 上 。 由 于 可 以 看 到 紧 贴 在 内 层 核 膜 里 面 的 染色 质 (特别 浓缩 的 染色 质 ， 在 电镜 下 看 得 很 清楚 ) 不 见于 每 个 核 。414 。 y nll 图 8-65 〈 左 7) 组 织 培养 生长 的 两 个 哺乳 动物 细胞 的 光学 显 微 照 片 。( 右 ) 同 一 细胞 的 荧光 显微镜 昭 片 ， 它们 的 核 片 层 蛋 白 用 免疫 荧光 法 染色 。 在 这 些 细胞 中 只 能 看 到 细胞 核 。(《Frank，Mckeon 和 Marc Kirschner 赠 ) NS 核 片 层 蛋白 质 图 8-66 高度 示 意 的 核 片 层 图 , 它 是 由 核 片 层 蛋白 亚 单位 组 成 的 纤维 圆 ， 核 片 层 蛋白 既 组 成 核 被 BR, R5RERNHHDRUAA ERED, 核 片 层 的 三 个 主要 多 肽 的 分 子 量 为 60 000 一 70 000, BAFRREARWEM BERD. FLEW RAE ERED 相 协 调 的 (图 8-63), 这 里 没有 染色 质 , 因 而 细胞 质 与 核 质 之 间 的 道路 是 敞开 的 ， 这 也 一 定 反映 了 和 孔 四 周 区 域 中 核 片 层 的 结合 性 质 的 某 种 改变 。 迄今 为 止 ,讨论 到 核 被 膜 时 仿佛 它 是 一 种 非常 不 规则 的 结构 似 的 ,在 它 的 表面 上 散乱 地 分 布 着 孔 ， 而 染色 质 片 段 也 乱七八糟 地 附着 在 它 的 内 表面 上 。 但 是 认为 一 种 重要 的 细 胞 内 结构 在 空间 上 是 无 规则 排列 的 想法 ， 和 常常 是 错误 的 ,细胞 核 也 不 例外 。 例 如 ,在 有 些 情况 下 会 发 现 , 核 模 孔 在 核 被 膜 中 的 排列 是 高 度 有 组 织 的 。 图 8-71 表示 在 一 个 蕨 类 孢子 的 长 形 细胞 核 中 所 观察 到 的 \ 平 行 排列 着 的 核 膜 孔 。 在 另 一 些 细胞 的 核 被 膜 上 ,或 是 见 到 。415 。 in ite VE 合体 颗粒 核 被 膜 的 外 腊 | 二 <= sr re ED 中 心 显 粒 核 被 膜 的 内 膜 (A) 核 膜 孔 复 合体 核 膜 孔 复 a ke 核 膜 孔 复合 体 合体 颗粒 中 心 颗粒 图 8-67 图 解 示 核 被 膜 中 核 膜 孔 复合 体 的 排列 。(A ) 顶 面 观 和 中 心 垂 直 切 面 。“ 中 心 颗粒 "在 有 些 孔 中 可 以 看 到 :而 在 另 一 些 孔 中 则 看 不 到 。 虽 然 这 些 颗 粒 可 能 是 孔 的 组 成 部 分 * 但 人 们 往往 认为 它 们 是 正在 运送 过 孔 时 被 拍摄 到 的 大 复合 体 。(〈《B) 一 小 块 核 膜 的 三 维 图 像 。 镁 聚 成 群 的 核 膜 孔 , 或 是 存在 没有 核 膜 孔 的 特殊 区 域 , 它 们 的 方位 与 细胞 本 身 有 特别 的 关 系 (图 8-72)。 这 种 排列 可 能 反映 了 核 片 层 中 的 某 些 相应 的 组 织 。 在 某 些 细胞 中 ,很 容易 在 间 期 辨认 出 特殊 染色 体 的 特殊 区 域 ,这 是 因为 它们 不 同 寻常 的 浓缩 状态 或 染色 特性 的 关系 。 例 如 , 在 果 晶 中 ,所 有 四 条 染色 体 的 某 一 区 段 聚集 形成 一 个 染色 中 心 , 用 DNA 专 一 荧光 染料 染色 时 显得 特别 的 亮 。 如 果 检 查 果 蝇 胚胎 的 细胞 则 会 发 现 , 每 个 细胞 的 染色 中 心 都 朝向 外 表面 (图 8-73)。 同样 发 现 , 果 蝇 幼 虫 多 线 细胞 中 的 巨大 间 期 染色 体 在 相 邻 细胞 的 立体 关系 上 也 具有 类 似 的 方位 和 排列 〈 图 8-74), 这 些 观察 表明 ,至少 在 某 些 细胞 核 中 ,染色 体 的 特殊 区 段 是 与 核 族 层 的 特殊 部 位 相 结合 的 。 通 过 这 种 方式 , 核 被 膜 内 表面 就 可 以 协助 将 内 部 的 染色 体 组 织 起 来 。 。416 。 : : 8-68 BIRLA AKA RBH Ne 照片 。 注 意 ， 每 个 孔 四 周 有 8 个 大 颗粒 组 成 的 环 。 每 个 颗粒 都 比 核糖 体 要 大 。 (A. C. Fabergé 赠 ) 图 8-70 ERE RAN BS ne a i 中 看 到 的 环形 片 层 。(Richard G. Kessel 赠 ; 引 自 JUltzastrrct Res., Supplement 10，1968 ) 小 结 通过 核 膜 孔 的 开放 通道 的 估计 大 小 图 8-69 ”一 个 核 膜 孔 复合 体 断 面 的 示意 图 。 画 在 | LEMME SME AOR | 的 相对 大 小 。 在 有 些 电镜 照片 中 可 以 看 到 和 孔 内 大 部 分 为 看 不 太 清楚 的 线 所 填 满 ， 可 能 正 是 这 些 | 线 使 有 效 孔径 缩小 到 图 中 9 am 管子 那样 大 小 。 图 8-71 一 个 蕨 类 孢子 长 形 核 膜 的 冰冻 断裂 电 镜 照 片 ， 示 核 膜 孔 复合 体 有 规则 地 排 成 平行 行 列 。(Don H. Northcote 赠 , 引 自 K. Robe- rts and D.H. Northcote,Microsc. Acta 71: 102—120, 1971) 细胞 核 四 周 有 一 个 由 两 层 同 心 排列 的 膜 组 成 的 被 膜 。 外 层 核 膜 与 ER 膜 相连 续 , 内 、 外 层 核 膜 之 间 的 核 周 腔 也 与 ER EM MHASH RNA 分 子 和 核糖 体 都 是 在 细胞 核 中 制造 好 后 再 输出 到 细胞 质 中 去 的 ， 而 在 细胞 核 中 发 挥 作用 的 蛋白 质 却 全 部 是 在 细胞 质 中 合成 的 因而 只 能 由 外 输入 。 一 般 认 为 。 细 胞 核 与 细胞 质 之 闽 的 物质 交换 是 通过 核 膜 孔 进行 的 ， 核 膜 孔 是 由 内 外 层 核 膜 连接 起 来 形成 的 沟 管 。 这 些 地 方 的 核 膜 孔 复合 体 是 一 种 大 的 超 分 子 结构 ， 好 象 是 由 核 片 层 将 它 组 织 起 来 并 固定 在 应 有 的 位 置 上 的 。 核 片 层 是 一 ° 417 e EA 2&4 Aa AEN BR Eo AR RAAD, 并 把 染色 体 组 织 起 来 。 图 8-72 在 一 个 精子 细胞 核 图 8-73 ”细胞 胚 盘 期 的 果 晶 胚胎 问 期 细胞 的 低 倍 光学 显 微 照 一 端的 成 短 核 腊 孔 的 冰冻 断 片 。 染 色 体 经 荧光 染色 。 注 意 ， 当 色 最 亮 的 区 域 (染色 中 心 ) urls Bi I 都 是 朝 胚 胎 外 表面 排列 的 ;这 个 染色 中 心包 含 四 个 染色 体 ( 见 图 8-29) 中 每 一 个 的 特殊 区 段 。〈John Sedat 赠 ) 图 8-74 果 蝇 唾 腺 细胞 的 大 形 多 线 染色 体 在 细胞 核 中 的 折 笃 形状 。 形状 复杂 ,但 却 可 重 现 于 每 个 细胞 。 为 了 发 现 图 示 的 结构 ， 需 要 对 一 个 细胞 中 荧光 着 色 的 染色 体 的 一 系列 光学 切片 进行 非常 复 杂 的 分 析 。( 根 据 David Agard 和 John Sedat 提供 的 照片 重 绘 ) . © 418 » 425 tll He Al Ze ids HY HES A 高 等 真 核 生物 的 许多 细胞 在 形态 和 功能 上 都 有 明显 的 差异 ( 见 24 页 )。 因 为 高 度 特 化 的 细胞 往往 合成 大 量 的 一 种 或 几 种 蛋白 质 , 所 以 ,细胞 分 化 很 可 能 让 及 到 编码 那些 蛋 昌 质 的 特殊 DNA 序列 的 扩 增 。 另 一 方面 ,由 于 细胞 分 化 几乎 总 是 不 可 逆 的 ,因此 , 有 些 生物 学 家 推测 ,分 化 是 选择 性 地 失去 某 些 DNA 序列 (或 者 基因 )。 但 是 ,这 两 种 想法 都 没有 得 到 证 实 。 BK. 细胞 分 化 决定 于 选择 哪些 DNA 序列 来 纺 码 蛋白 质 , 而 DNA 序列 本 身 并 没有 发 生 任 何不 可 逆 的 变化 ;这 极 少 有 例外 ,有 关 例 外 我 们 将 在 以 后 详 述 。 多 细胞 生物 的 细胞 都 含有 同样 的 DNA” 证 明 动 物 基因 组 恒定 性 的 最 好 的 证 据 来 自 将 业已 完全 分 北 的 蛙 细胞 核 注射 到 去 核 娃 卵 中 去 的 实验 ,这 些 实验 将 在 第 十 五 章 中 叙述 。 注 入 的 “ 供 fk? AE AE HS SS tk” ON EE TE BS AAT iB 有 各 种 各 样 的 分 化 细胞 , 它们 的 DNA FEDER 原先 业已 分 化 了 的 供 体 细胞 核 。 所 以 供 体 DNA ERD UE ERE BERS EW DNA, 在 利 用 各 种 植物 进行 的 实验 中 也 得 到 类 似 的 结论 。 进 行 这 类 实验 时 ， 先 将 已 分 化 的 组 织 块 放 在 合成 培 养 基 中 培养 ;然后 分 离 成 单 细胞 。 这 些 单个 细胞 常常 能 再 生出 一 株 完整 的 成 体 植 株 来 (图 8-75)。 进一步 证 明 在 峭 椎 动物 的 发 育 过 程 中 没有 大 Big DNA 丧失 或 者 重 排 的 证 据 来 自 对 不 同类 型 细胞 有 丝 分 裂 中 浓缩 染色 体 的 详细 带 型 的 比较 研 3 (8-25 和 8-26)。 根 据 这 个 标准 来 看 ,人 体 中 所 有 分 化 细胞 的 染色 体 组 都 是 一 样 的 。 利用 重组 DNA 技术 所 做 的 更 为 灵敏 的 实验 ( 见 182 页 ) 使 我 们 能 进一步 排除 掉 通过 不 断 的 DNA 扩 增 来 进行 分 化 的 可 能 性 。 迄 今 为 止 最 有 力 的 证 据 表明 编码 特 殊 分 化 细胞 所 特有 的 大 量 蛋 白质 的 每 个 基因 只 有 一 个 拷贝 ， 即 使 在 几乎 专门 用 来 合成 这 些 蛋白 质 的 细胞 中 也 是 如 此 。 例如 。 ee ee eee 鸡 红 纸 胞 让 红 蛋白 亚 单位 、 蚕 丝 腺 细胞 的 丝 心 蛋 “ 力 ;形成 一 个 由 子 细胞 组 成 的 克隆 ,它们 后 来 能 够 白 ; 以 及 鸡 输卵管 腺 细胞 的 卵 清 蛋白 ,都 只 有 一 个 ，， 组 织 起 来 再 生成 完整 的 植株 ( 见 第 十 九 各 )。 有 功能 的 基因 。 此 外 ， 在 所 有 的 情况 下 。 这 些 基 因 及 其 前 后 的 核 苷 酸 序列 好 象 在 所 有 已 。419 。 \ 在 营养 丰富 的 f—\\ 液体 培养 基 中 es weit Phe ed bp i 经 测验 过 的 动物 细胞 中 都 是 一 样 的 ， 不 管 那些 细胞 是 否 制造 这 种 蛋白 质 。 类 似 的 研究 表 明 , 在 所 有 分 化 细胞 中 ， 编 码 蛋 白质 的 其 它 DNA 序列 大 部 分 也 是 一 样 的 。 不 同 细胞 类 型 合成 不 同 的 蛋白 质 组 合 ” 多 细胞 生物 中 不 同 细 胞 类 型 是 因为 合成 和 积累 不 同 的 蛋白 质 组 合 ， 才 变 得 彼此 不 一 样 的 。 但 例如 要 产生 像 肌肉 细胞 和 成 纤维 细胞 这 样 不 同 的 两 种 细胞 ， 究 竟 需 要 多 大 的 蛋 白质 的 差异 ? 虽然 我 们 还 不 知道 这 一 基本 问题 的 答案 ， 但 是 还 是 可 以 提出 某 些 一 般 性 的 说 法 。 1. 因为 有 许多 功能 对 所 有 的 细胞 来 说 都 是 一 样 的 ， 所 以 一 个 生物 中 的 任何 两 个 细胞 都 有 很 多 的 共同 的 蛋白 质 。 这 里 面包 括 一 些 含量 丰富 的 蛋白 质 , 例 如 细胞 骨架 的 蛋白 质 、 组 蛋白 和 非 组 蛋白 染色 体 蛋白 、 一 些 内 质 网 和 高 尔 基 膜 所 必需 的 蛋白 质 、 核 乒 层 蛋白 、 RNA 包装 蛋白 \ 核 糖 体 蛋 白 , 等 等 。 含量 丰富 的 蛋白 质 是 比较 容易 鉴定 的 ， 其 中 有 许多 看 来 在 不 同类 型 细胞 中 都 是 一 样 的 。 参 与 重要 代谢 反应 的 多 种 不 同 酶 在 不 同 细胞 类 型 中 也 是 一 样 的 。 2. 某 些 含量 丰富 蛋白 质 是 高 度 特 化 的 。 其 中 有 些 蛋白 质 除非 是 在 它们 发 挥 作用 的 特 化 细胞 中 ， 和 否则 即使 用 最 灵敏 的 测定 方法 也 不 能 检 出 。 例 如 ， 虽 然 编 码 各 种 血红 蛋白 的 DNA 序列 在 所 有 哺乳 类 动物 细胞 中 都 存在 ,血红 蛋白 却 只 能 在 红细胞 中 检 出 。 3. 虽然 每 种 类 型 特 化 细胞 的 独特 形态 和 行为 可 能 表明 存在 着 许多 细胞 类 型 专 一 性 蛋 白质 ,但 是 ,即使 应 用 双向 聚 丙烯 酰胺 凝 胶 电泳 * 也 只 有 2000 种 左右 含量 最 丰富 的 蛋白 质 《每 细胞 中 的 存在 量 有 50 000 以 上 拷贝 ) 能 够 在 不 同 细胞 类 型 之 间 进 行 比 较 。 不 管 比 较 的 是 组 织 培养 生长 的 两 个 不 同 的 细胞 系 ( 例 如 ,肌肉 细胞 和 神经 细胞 ), 还 是 幼 鼠 的 两 种 不 同 组 织 的 细胞 (例如 肝 、 肾 ,或 者 肺 )， 用 这 种 技术 都 得 到 类 似 的 结果 。 绝 大 部 分 被 检 的 蛋白 质 在 检查 的 两 种 细胞 类 型 中 都 有 合成 ， 而 合成 速率 之 差 不 到 5 倍 。 只 有 很 少 一 部 分 蛋白 质 其 合成 速率 在 两 种 细胞 类 型 中 相差 很 大 ， 或 甚至 是 只 存在 于 一 种 细胞 类 型 中 。 对 不 同 mRNA 序列 的 数目 的 研究 表明 ， 一 个 典型 的 高 等 真 核 生物 细 胞 合成 10 000 到 20 000 种 不 同 的 蛋白 质 〈 表 8-1), 但 有 许多 种 蛋白 质 由 于 太 少 ， 所 以 连用 双向 聚 丙 烯 酰胺 凝 胶 电 泳 都 不 能 检 出 。 要 是 这 些 比 较 少 的 蛋白 质 也 有 像 比 较 丰 富 的 蛋白 质 那样 的 相 似 性 与 差异 的 模式 ， 那 末 只 需要 相当 少 的 蛋白 质 差 异 就 一 定 足 以 在 细胞 行为 上 产生 很 大 的 差异 。 可 是 即使 在 这 种 情况 下 ， 高 等 真 核 生物 的 不 同 细胞 类 型 尽管 其 染色 体 组 看 来 是 一 样 的 ,但 还 是 制造 出 许多 种 不 同 的 蛋 白 质 。 不 同类 型 细胞 转录 不 同 的 基因 组 合 ” 已 知 不 同类 型 细 跑 之 间 的 差异 有 赖 于 它们 所 制造 的 特殊 蛋白 质 , 那 么 ,蛋白 质 合成 是 在 什么 水 平 上 受 控 制 的 还 有 待 于 确定 。 从 DNA 到 和 蛋白质 的 途径 中 的 任何 或 所 有 步骤 都 有 可 能 参与 控制 (图 8-76)。 原则 上 讲 , 细 胞 类 型 之 间 的 差异 可 以 通过 下 面 几 种 方式 产 生出 来 : (1) 控制 某 一 基因 的 转录 方式 或 转录 时 间 (转录 控制 ); (2) 控制 初始 RNA 转 录 本 的 加 工 方式 (加工 控制 ); 3) 决定 哪些 细胞 核 中 竣工 的 mRNA 要 输出 到 细胞 质 中 去 (运输 控制 ); (4) 决定 哪些 细胞 质 中 的 mRNA 由 核糖 体 进行 转译 《转译 控制 )， 或 者 。420 。 (5) 决定 要 将 哪些 细胞 质 中 的 mRNA 分 子 稳定 下 来 (mRNA 降解 控制 )。 虽然 控制 可 以 视 蛋白 质 和 细胞 类 型 不 同 而 在 任何 一 个 水 平 上 进行 ,但 是 我 们 现在 知道 ,非常 重要 的 一 部 分 擅 制 过 程 是 发 生 在 这 条 途径 中 的 第 一 步 的 , 即 初 级 RNA 转录 本 合成 的 时 候 。 证 明 转 录 控 制 重要 性 的 最 令 人 信服 的 证 据 来 自 对 肝 中 制造 的 RNA 与 脑 中 制造 的 RNA 进行 比较 的 实验 。 实验 有 赖 于 利用 由 肝 mRNA 制造 的 “cDNA” 探 针 。 首先 ， 从 肝 和 脑 的 细胞 中 分 离 出 细胞 核 , 将 它们 与 高 放射 性 的 RNA 前 体 〈( 核 背 三 磷酸 ) 一 起 保温 ， 所 以 在 这 些 细胞 核 中 合成 的 RNA 转录 本 是 有 放射 性 标记 的 。 然 后 按 图 8-77 和 8-78 中 所 述 的 方法 对 这 些 RNA 分 子 进行 测定 。 这 种 测定 方法 是 设计 用 来 测验 ， 脑 细胞 核 中 制造 的 hnRNA 是 否 含有 相当 于 肝 细胞 质 中 所 有 的 ,但 在 脑 细胞 质 中 没有 的 mRNA 分 子 的 BERET. 肝 细 胞 的 hnRNA 作为 阳性 对 照 , 因 为 它 必然 含有 这 些 序列 。 在 这 种 检定 方 法 的 有 限 灵敏 度 范围 之 内 。 没 能 发 现 脑 细胞 hnRNA 序列 与 所 测定 的 11 种 不 同 的 肝 专 一 mRNA 中 的 任何 一 种 相对 应 * 所 以 脑 甸 胞 中 的 细胞 质 中 没有 这 些 mRNA 及 它们 所 编码 的 蛋 白质 ， 主 要 是 由 于 脑 细胞 核 中 相应 基因 没有 转 录 。 换 言 之 ,对 于 这 些 随机 选 来 的 肝 专 一 RNA 来 说 ， 脑 细胞 与 肝 细 胞 之 间 的 差异 主要 是 通过 放射 性 R N A 分 子 1 | sees MRRNA 转录 本 2 | ma SSS 细胞 Bi buenas BN AM ides 3 [ses 细胞 质 图 8-77 图 解 示 一 种 可 用 以 检 出 有 特异 顺序 的 放 射 性 转译 控制 ， RNA 分 子 的 通用 方法 如 果 RNA 分 子 能 与 作 探 针 的 特 BR ik | 52 & REDNA Jr Bhat RNA/DNA 杂交 双 螺 旋 的 话 , 那 同 的 mRNA sac wrt Wee ZEMERLEGRAR RIL, Bin TEE Mk 2 Ne N A 旗 解 控制 射 性 被 检 出 。 在 正文 述 及 的 实验 中 , 相当 于 各 种 不 同 基 因 的 纯 DNA 片 骂 是 通过 下 法 得 到 的 : ZG mRNA 混 蛋白 质 [AwmmRval 合 物 逆转 录 ， 再 将 产生 的 cDNA 分 子 进行 克隆 。 在 每 一 实验 中 各 用 一 种 纯 DNA BEE RST CD 图 8-76 图 解 真 核 生物 中 能 控制 基因 表达 的 5 个 不 同 水 平 。 图 8-78)。 转录 控制 来 决定 的 。 上 述 实验 中 所 用 分 析 方 法 的 灵敏 度 是 有 限 的 。 如 果 脑 细胞 核 中 对 肝 专 一 性 基因 的 转 录 降 低 10 到 50 倍 ( 视 所 用 的 特殊 探 针 而 定 ), 那 么 就 会 漏 检 。 在 少数 有 利 的 情况 下 ,已 能 更 灵敏 地 检测 在 一 种 类 型 细胞 中 大 量 转录 的 DNA 序列 是 否 在 另 一 种 类 型 的 细胞 中 也 ° 421° 转录 。 这 类 实验 表明 ,两 种 类 型 细胞 之 间 的 基因 转录 速率 可 以 相差 到 100 万 倍 。 如 采 这 些 结果 是 普遍 正确 的 话 , 那 么 表明 ,不 表达 的 真 核 生物 基因 "“ 漏 过 ”转录 控制 的 机 会 要 比 细菌 中 的 不 表达 基因 小 得 多 (在 细菌 中 ,表达 基因 与 不 表达 基因 之 间 的 转录 速率 的 已 知 最 大 差异 约 为 1 000 倍 )。 这 表明 ,在 高 等 真 核 生 物 中 ,至 少 有 些 不 表达 基因 的 关闭 机 制 不 仅 与 关闭 不 需要 的 细菌 基因 时 所 用 的 机 理 不 同 , 而 且 比 它 更 为 有 效 。 我 们 在 讨论 转录 控制 机 制 时 首先 来 考虑 一 个 对 细菌 和 真 核 生物 都 适用 的 基因 控制 一 般 模 型 在 细菌 中 ,基因 调节 蛋白 与 特异 DNA 序列 相 结 合 来 开动 或 关闭 基因 转录 。 KH 与 肝 细 胞 的 胞 质 m RN A 分 子 互 补 但 不 与 脑 细胞 的 胞 质 m RN A 分 子 互补 的 单 链 ne 与 脑 细胞 核 中 合成 的 初级 RN A 转 录 与 肝 细 胞 核 中 合成 的 初级 RN ARR 只 能 在 肝 细 胞 核 中 检 出 有 互补 RNA 分 子 合成 。 结 论 : 相当 于 这 种 肝 专 一 _ 四 及 NA 分 子 的 DNA 序 列 在 脑 细 胞 “ 核 中 是 不 转录 的 图 8-78 图 解 表 示 在 哺乳 动物 细胞 中 基 因 表 达 大 多 是 受 基因 转录 水 平 的 控制 的 基因 阻 遏 蛋白 和 基因 活化 蛋白 已 充分 型 请 楚 了 ， 它们 很 可 能 提供 重要 的 启示 ， 协 助 我们 了 解 真 核 生物 中 更 为 复杂 的 基因 表达 调控 机 制 。 阻 遏 蛋白 抑制 细菌 中 特异 基因 的 表达 和? 大 肠 杆菌 染色 体 是 一 条 约 3 XI105 碱 基 对 的 环 tk DNA 分 子 。 这 DNA 足以 编码 大 约 2500 个 不 同 蛋白 质 ， 不 过 在 任 一 时 间 内 只 制造 其 中 的 二 部 分 蛋白 质 。 大 肠 杆 著 是 根据 细胞 内 特殊 代谢 物 的 水 平 来 调节 许多 基因 表达 的 。 已 经 知道 ， 原 核 生 物 中 的 基因 调节 几乎 都 是 发 生 在 转录 水 平 上 的 。 基 因 控 制 机 制 最 早 是 在 本 世纪 50 年 代 和 60 年 代 通 过 研究 大 肠 杆菌 合成 乳 糖水 解 酶 的 实验 而 搞 清 的 ,大肠 杆菌 需要 将 乳 糖 这 种 双 糖水 解 成 葡萄 糖 和 半 乳 糖 这 两 种 单 糖 。 这 些 实验 导致 乳糖 阻 遏 蛋白 的 最 终 提 纯 和 鉴定 ; 前 面 已 经 讨论 过 这 种 蛋白 质 与 一 特异 的 DNA 序 列 结合 的 情况 (371 页 )。 这 种 蛋白 质 和 一 个 21 个 实验 ( 亦 见 图 8-77)7 碱 基 对 的 特异 操纵 基因 DNA 序列 结合 就 使 特异 基因 转录 停止 ， 这 个 操纵 基因 序列 在 大 肠 杆 菌 基因 组 中 只 有 一 个 拷贝 ,而且 与 邻接 的 RNA 育 合 酶 结合 部 位 〈 启 动 基因 部 位 ) 部 分 重 登 。 阻 遏 物 与 操纵 基因 结合 时 -妨碍 了 RNA 聚合 酶 进入 其 结合 部 位 ,从 而 阻 断 邻近 DNA 区 段 的 转录 (图 8=79)。 乳糖 阻 遏 蛋白 本 身 又 受 一 种 小 的 糖分 子 的 调节 ,这 种 小 的 糖分 子 叫做 别 乳 糖 (allo- lactase)， 是 在 细胞 中 存在 乳糖 的 情况 下 产生 的 。 当 别 乳 糖 达 到 足够 高 的 浓度 时 , 它 就 诱 导 阻 遏 蛋白 分 子 发 生 一 种 变 构 构象 变化 , 使 后 者 从 DNA 上 松 开 ,而 使 转录 得 以 进行 : 这 时 我 们 就 说 这 个 基因 是 “去 阻 遇 了 。 所 以 大 肠 杆菌 细胞 只 是 在 有 乳糖 存在 的 情况 下 才 制造 乳糖 降解 所 必需 的 酶 (图 8-80)。 这 种 特异 基因 阻 遏 现象 ,在 细菌 中 现 已 知道 很 多 其 他 的 例子 。 在 所 有 的 例子 中 ,一 种 特异 的 信号 女 放 配 体 (例如 别 乳 糖 ) 为 不 同 的 基因 阻 遏 蛋白 所 识别 ， 这 种 基因 阻 遏 蛋白 与 DNA 中 的 特异 絮 纵 基因 序列 有 亲和力 。 这 个 配 体 一 旦 与 阻 遏 蛋白 结合 就 使 阻 遇 蛋白 与 特异 DNA 序 放 的 亲和力 下 降 , 结 果 。 操 纵 基 因 邻 近 的 转录 单位 就 被 开动 。 另 一 方面 , 特 异 的 信号 发 放 配 体 也 同样 可 以 用 来 使 邻接 的 转录 单位 关闭 。 在 这 种 情况 下 ， 配 体 与 阻 遇 ° 422。 蛆 退 蛋 白 结合 部 位 = Te MRA MRA, WRNA ARE REN E25 A, ARRAN HER KGEA DNA WW RMS RARE, MRNA 聚合 酶 结合 ， 结 果 进 行 转录 图 8-79 图 解 原核 生物 中 特异 基因 阻 过 蛋白 控制 基因 转录 的 机 理 。 阻 过 蛋白 和 RNA 聚合 酶 与 DNA 中 不 同 的 特异 核 昔 酸 序列 紧密 结合 ;这 些 序列 分 别 作为 操纵 基因 部 位 和 启动 基因 部 位 。 阻 过 蛋 让 "g ee | CIM 图 8-80 图 解 细菌 中 的 基因 去 阻 过 过 程 。 一 种 特异 的 小 分 子 ( 这 里 是 别 乳 糖 ) 作为 配 体 与 阻 过 蛋 结合 ,使 阻 遏 蛋白 由 DNA 上 脱离 ?从 而 激活 特异 基因 。 在 这 个 例子 中 ， 合 成 的 单一 RNA 转 录 本 编码 参与 乳糖 代谢 的 三 种 不 同 蛋白 质 ; 因为 编码 这 些 蛋 白质 的 基因 是 邻接 的 并 受到 协同 的 调 节 控 制 ， 所 以 说 每 个 基因 是 同一 个 乳糖 操纵 子 的 组 成 部 分 。 。 423 © 蛋白 结合 引起 的 变 构 变化 是 增加 而 不 是 降低 阻 遏 蛋白 与 其 特异 DNA 序列 之 间 的 亲 积 力 ,注意 ,在 前 一 种 情况 下 ,增加 配 体 浓度 会 开动 特异 基因 的 转录 ， 而 在 第 二 种 情况 下 却 抑制 特异 基因 的 转录 。 然 而 ， 因 为 没有 调节 蛋白 时 的 转录 总 是 要 比 有 调节 蛋白 时 的 转录 多 得 多 ,所 以 这 两 种 机 制 原 理 上 是 一 样 的 。 因 此 ,这 种 类 型 的 基因 调节 叫做 负 调 节 。 在 高 等 真 核 生 物 细胞 中 可 能 是 基因 活化 蛋白 起 主要 作用 除了 负 调 节 以 外 。 还 有 通过 基因 活化 蛋白 的 调节 (图 8-81)。 在 大 肠 杆菌 中 ， 有 些 RNA 转录 单位 中 的 RNA 聚合 酶 结合 部 位 较 弱 ， 这 种 部 位 需要 靠 第 二 种 蛋白 质 与 邻接 的 特异 DNA 序列 的 结合 才 起 作用 。 阻 过 蛋白 与 DNA 部 位 结合 的 方式 使 它 堵 住 RNA 名 活化 蛋白 结合 部 位 = 操纵 基因 roy 启动 基因 =RNA 聚 合 酶 结合 部 位 如 果 活 化 蛋白 存在 , 则 RN A 聚合 酶 结合 ， 结 果 进 行 转 录 如 果 活 化 蛋白 不 存在 ， 则 有 RN A 至 自 质 聚合 酶 不 能 结合 ， 结 果 就 不 转录 | RA DNA 图 8-81 原核 生物 中 特异 基因 活化 蛋白 控制 基因 转录 机 人 制 的 示意 图 。 除非 在 附近 的 操纵 基因 部 位 上 同时 有 基因 活化 蛋白 存在 ， 和 否则 所 示 的 启动 基因 部 位 DNA 序列 与 RNA 聚合 酶 的 结合 是 FERS. 应 当 将 这 种 机 制 与 基因 阻 过 机 制 相 比较 CLA 8-79). 聚合 酶 结合 部 位 ,而 基因 活化 蛋白 结合 部 位 的 位 置 正 好 在 育 合 酶 部 位 的 边缘 ,而 且 活化 蛋 白 是 促进 RNA 聚合 酶 的 结合 。 但 是 在 其 他 所 有 方面 , 基因 激活 蛋白 与 阻 遇 蛋 白 都 完全 相似 。 像 阻 遏 物 一 样 ,它们 也 常常 与 特异 配 体 结合 ,这 些 配 体 通过 增加 或 降低 活化 蛋白 对 DNA 的 亲和力 而 分 别 使 基因 开动 或 关闭 。 但 是 在 这 种 情况 下 ， 因 为 有 基因 调节 蛋白 存 在 时 的 转录 比 没有 基因 调节 蛋白 时 的 转录 多 ,所 以 这 种 类 型 的 基因 控制 叫做 正 调节 。 在 图 8-82 中 总 结 和 比较 了 正 调节 方式 和 负 调 节 方 式 。 有 些 细菌 基因 调节 蛋白 可 以 与 基因 组 中 好 几 个 不 同 的 部 位 结合 。 结 合 在 某 个 部 位 上 时 阻 遏 转录 ,而 结合 在 另 一 个 部 位 上 时 则 启动 转录 。 这 些 不 同 的 作用 是 由 于 调节 蛋白 结合 。424 。 部 位 与 RNA 聚合 酶 结合 部 位 的 间隔 略 有 不 同 所 致 (图 8-83)e 有 间接 证 据 表明 , 真 核 生 物 中 的 有 些 调节 蛋白 也 可 以 在 基因 调节 中 起 正 调节 因子 或 负 调 节 因 子 的 作用 ， 视 受 控 的 特殊 基因 而 定 ,但 是 在 典型 的 高 等 真 核 生 物 细 胞 中 * 只 有 7 多 的 DNA 序列 转录 为 RNAo。 看 来 。 由 成 千 上 万 不 同 的 阻 遏 蛋白 来 关闭 其 余 93 多 的 DNA 上 的 特异 转录 是 不 大 可 能 的 。 而 常识 却 表明 ， 高 等 真 核 生 物 细胞 一 定 是 利用 某 些 普遍 适用 的 设置 来 阻 遏 基因 的 表 Js ,而 用 非常 特异 的 基因 调节 蛋白 作为 基因 活化 因子 ,来 启动 特异 基因 的 转录 。 两 种 相互 作用 的 基因 调节 蛋白 ， 互 相 阻 遏 对 方 的 合成 在 细菌 细胞 中 可 以 产生 稳定 的 记忆 真 核 生 物 细 胞 对 激素 一 类 环境 壤 号 发 生 反应 的 方式 与 细菌 对 养料 的 反应 方式 差不多 相同 。 都 是 通过 使 特异 基因 可 逆 地 活化 或 失 活 的 方式 〈 见 705 页 ) 但 是 基因 表达 的 总 型 式 一 也 就 是 说 ， 在 某 一 个 特殊 细胞 中 起 作用 的 特定 基因 组 合 是 在 该 真 核 生 物 发 育 过 程 中 逐步 确定 的 ， 而 且 一 旦 确定 ， 它 似乎 就 不 再 受 细胞 外 界 环境 中 的 任何 变化 的 影 响 。 这 些 基因 表达 的 型 式 如 此 稳定 地 从 一 个 细胞 世代 转 到 下 一 个 细胞 世代 ， 而 且 造 成 性 状 上 的 根本 差异 ,以 致 身体 中 许多 细胞 类 型 虽然 基因 组 都 一 样 ,它们 的 表现 却 好 像 它 们 征 遗传 上 独立 的 物种 一 样 。 这 样 一 种 稳定 遗传 的 基因 调节 型 式 在 细菌 中 却 是 例外 ,而 不 是 常 例 。 但 是 ,有 一 个 了 解 得 特别 清楚 的 重要 例子 将 有 助 于 盖 明 真 核 生物 基因 调节 方面 的 一 些 问 题 。 这 是 一 种 开 GATE iil me so HVS Ga ME ER 7 er ae 结合 的 阻 过 蛋白 ”结合 的 活化 _RNAR AH ‘ w 失 活 基因 ， ae < 本 i Dy | 最 KR - 83 加 入 配 体 将 阻 过 看 Vy es ee era S eee wile 去 除 而 使 基因 关闭 配 体 结合 使 ney, | tial aia 2 mRNA 与 DNA 结 合 二 一 一 一 -了 除去 配 体 将 阻 遇 蛋 自 GG 失 活 眶 过 物 7 : pi” 去 除 而 使 基因 开动 TRAC (tS A 去 除 而 使 基因 关闭 8-82 原核 生物 中 特异 基因 调节 蛋白 控制 基因 转录 的 不 同 机 制 。 注 意 ， IMA we S BERG fk AT 过 去 除 DNA 上 的 基因 阻 过 蛋白 (左上 图 ); 或 者 让 基因 活化 蛋白 与 之 结合 ( 右 下 图 )? 而 使 基因 启动 。 同样 ;加 入 抑制 性 配 体 可 以 通过 去 除 DNA 上 的 基因 活化 蛋白 (右上 图 )， 或 者 让 基因 阻 过 蛋 AS 之 结合 (左下 图 )， 而 使 基因 关闭 。 。425 。 关 样 的 机 制 , 它 决定 细菌 病毒 1 REE AIT BS i I A SEE RE 整合 到 宿主 细胞 DNA 中 随 着 细菌 分 裂 而 自动 复制 。 病 毒 的 这 种 生存 方式 的 选择 是 受 吃 菌 体 的 小 基因 组 编码 的 蛋白 质 控制 的 ,噬菌体 总 共有 约 50 个 基因 。 在 这 种 状态 中 , 叹 菌 体 基因 的 转录 一 定 非 常 不 一 样 , 例如 ， 整 合 到 宿主 DNA 的 病毒 必须 避免 产生 负责 病毒 繁殖 的 病毒 蛋白 质 ， 因 为 这 对 宿主 细胞 是 致死 的 。 一 种 转录 型 式 或 另 一 种 转录 型 式 一 且 确定 ,那么 就 稳定 地 维持 下 去 。 结 果 , 整 合 的 1 噬菌体 就 能 静 静 地 隐藏 在 大 肠 杆 菌 宿主 基 因 组 中 ,经 过 成 于 上 万 次 的 细胞 世代 而 不 表现 。 对 于 这 个 重要 而 复杂 的 4 基因 调节 系统 的 详细 情况 读者 可 以 在 其 它 地 方 查阅 到 ， 这 里 只 需 对 它 的 几 个 一 般 性 质 强调 一 下 就 够 了 。 这 个 系统 的 核心 就 是 该 病毒 合成 的 两 种 调节 蛋白 : 1 阻 遏 蛋白 和 cro 蛋白 , 这 两 种 蛋白 质 都 是 在 与 另 一 个 基因 的 操纵 基因 部 位 结合 时 阻止 另 一 个 蛋白 质 的 合成 。 只 有 两 种 稳定 状态 : 在 状态 1( 溶 源 状态 ) 时 ,1 FS 蛋白 占 优 势 地 位 ， 这 时 只 有 1 阻 遏 物 合成 ， 而 没有 cro 蛋白 合成 ; 在 状态 2( 裂 解 状 态 ) 时 ，cro 蛋白 占 优势 地 位 ,这 时 只 有 co 蛋白 合成 ,而 没有 阻 遏 蛋白 合成 (图 8-84)。 这 两 种 蛋白 质 中 的 这 一 种 或 另 一 种 占 优势 时 又 进一步 控制 另外 一 组 基因 ,结果 是 ,在 稳定 整 合 的 噬菌体 中 大 部 分 DNA 是 静止 于 状态 1, 而 在 状态 2 时 却 大量 转 录 、 复 制 、 装 到 新 的 叹 菌 体外 壳 中 去 ,直到 最 后 通过 宿主 细胞 的 裂解 而 释放 出 来 。 同一 基因 调节 蛋白 阻 过 ZA AMMLEA B ar 被 活化 的 基因 B 图 8-83 ”示意 图 表明 单个 基因 调节 蛋白 与 DNA 结合 可 以 阻 歇 基 因 A 的 转录 而 活化 基因 B 的 转 录 。 细 菌 中 有 些 基 因 调节 蛋白 就 具有 这 样 的 双重 功能 。 人 侵 的 1 噬菌体 所 采用 的 生长 方式 并 不 是 随机 决定 的 。 例 如 ， 当 宿主 细菌 生长 得 好 时 ,病毒 往往 采取 状态 1, 让 病毒 DNA 与 宿主 染色 体 一 起 迅速 增殖 。 另 一 方面 , 当 整 合 病毒 处 于 有 病 的 细胞 中 时 ,就 从 状态 1 转变 成 状态 2. LAE es FP 地 离 去 。 。 426。 人 于 不 稳定 的 起 始 态 稳 态 1 ib SAM, ; 入 阻 过 蛋白 基因 cro 和 蛋白 基 因 _ = 一 一 一 NA 一 > bn Hane | _tmRNA, {mRNA RNA C eaten ee) Bee ih cro 香 和 白 的 合 合成 W | it cro 蛋 白 阻 止 5 === I jaRNA 入 阻 过 物 的 合成 被 阻 断 i} hy 一 一 图 8-84 决定 1 叭 菌 体 在 大 肠 杆 菌 宿主 细胞 中 的 生长 方式 的 开关 样 调节 系统 的 简化 图 。 在 状态 1 ( 溶 源 态 ) 时 ;有 大 量 的 和 4 阻 过 蛋白 合成 。 这 种 基因 调节 和 蛋白 关闭 其 他 几 种 叭 菌 体 蛋白 的 合成 ,其 中 包括 cro ZH. Alt. 病毒 DNA 整合 到 大 肠 杆 菌 染 色 体 中 ， 随 着 细菌 的 生长 而 自动 复制 。 在 状态 2 GRAD 时 ， 有 大 量 的 cro 蛋白 合成 。 这 种 基因 调节 和 蛋白 关闭 和 阻 遏 物 的 合成 。 结果 在 大 肠 杆菌 细胞 中 制造 出 多 种 噬菌体 蛋白 ， 而 病毒 DNA 得 以 自由 复制 ,最 终 形成 许多 鸣 菌 体 颗 袜 并 杀 死 细胞 。 ‘au | | | | | 稳 态 2 : 只 制造 cro 蛋白 | | | | | 在 真 核 生物 中 可 能 是 利用 同时 作用 于 许多 基因 的 基因 调节 蛋白 的 不 同 组 合 而 产生 不 同 组 织 的 从 1 叹 菌 体 学 到 的 重要 知识 是 ， 只 要 有 几 种 基因 调节 蛋白 通过 相互 影响 彼此 的 合成 和 活性 就 可 以 得 到 一 种 非常 复杂 的 行为 模式 。 从 可 供 真 核 生 物 利 用 的 基因 调节 因子 的 数 目 来 看 ,基因 调节 的 可 能 性 是 多 得 不 可 胜 数 的 。 对 于 在 复杂 的 多 细胞 真 核 生物 发 育 过 程 中 使 大 量 基因 按照 次 序 开关 的 分 子 机 理 ， 目 前 还 几乎 一 无 所 知 。 但 是 ,对 于 有 关 的 控制 过 程 的 性 质 , 还 是 可 以 从 某 些 对 胚胎 发 生 过 程 有 明显 影响 的 基因 突变 推断 出 来 。 尤 其 是 , 果 蝇 中 有 许多 单 基因 突变 会 使 身体 的 一 个 部 分 变 成 另 一 个 部 分 ;这 方面 的 情况 将 在 第 十 五 章 中 详细 讨论 。 例 如 ,一 种 叫做 触角 足 的 突变 会 使 正常 情况 下 要 生成 一 个 触角 的 整个 细胞 群 不 形成 触角 而 转 为 形成 一 条 腿 ， 结 果 产 生 一 个 在 其 头 上 长 出 一 条 腿 的 果 晶 (第 十 五 章 )。 造 成 这 种 全 面 转化 的 突变 类 型 叫做 同 源 异 形 突 变型 。 我 们 假定 这 些 突变 基因 所 编码 的 蛋白 质 是 主 基因 调节 蛋白 ， 每 种 蛋白 质 都 通 过 一 种 可 能 与 1 IM cro 蛋白 相 类 似 的 控制 方式 来 控制 大 量 的 其 他 基因 ,只 不 过 这 种 控制 的 规模 更 大 一 些 ( 图 8-85)。 果 蝇 中 同 源 异 形 突 变型 的 显著 特征 是 。 通 过 王 扰 单 基 因 产 物 的 作用 不 是 形成 一 团 无 定形 的 组 织 , 而 是 形成 另外 一 种 复杂 的 结构 。 这 个 现象 启示 , 果 蝇 中 大 量 不 同 组 织 的 组 合 是 通过 为 数 不 多 的 主 基因 调节 蛋白 的 不 同 组 合 而 产生 的 ,还 有 些 观 察 也 支持 这 种 看 法 ( 见 第 十 五 章 )。 由 于 缺少 一 种 基因 调节 蛋白 ( 罕 酮 受 体 蛋 白 ) 使 一 个 基因 型 为 男性 (XY) 的 人 发 育成 几乎 完全 像 女 人 这 种 现象 (707 DRA, 在 哺乳 动物 中 ,包括 人 在 内 ,情况 可 能 也 是 如 此 。 正 如 我 们 在 下 面 马上 就 要 讨论 的 ,这 种 组 合式 的 基因 调节 方式 可 以 使 复杂 生物 通过 为 数 较 少 的 主 基因 调节 蛋白 的 作用 而 得 以 发 育 生长 。 。427 。 8-85 示意 图 说 明 ， 如 何 “ 决 定 " 一 种 能 影响 细胞 中 许多 不 同 蛋白 质 产生 的 主 基因 调节 蛋白 是 否 产生 。 原则 上 ,少数 基因 调节 蛋白 的 不 同 组 合 可 以 有 效 地 确定 许多 不 同 细胞 类 型 ” 在 图 8-86 中 说 明了 组 合式 基因 调节 方式 的 要 点 ;图 中 每 个 编码 的 因子 代表 由 不 同 控 制 基因 制造 的 一 种 调节 蛋白 。 在 这 个 纯 属 假设 的 图 中 ,一 个 初始 细胞 类 型 产生 两 种 不 同类 型 的 细胞 ,用 A 和 了 B 来 表示 ,它们 仅仅 在 能 否 制 造 基因 调节 蛋 昌 四 这 一 点 上 有 所 不 同 。 这 种 差异 类 似 于 1 史 菌 体 的 两 种 状态 ， 后 者 取决 于 是 否 有 1 阻 遏 蛋 日 的 产生 。 其 中 每 种 细 胞 在 随后 的 发 育 过 程 中 ,先是 在 某 些 细胞 中 又 产生 基因 调节 蛋白 四 或 国 , 后 来 又 产生 基因 调节 蛋白 @@ 或 @。 最 后 ,由 5 HARA Saree 7 8 种 不 同 的 细胞 类 型 (由 细胞 G 到 细胞 N)。 在 图 8-86 中 所 示 的 系统 中 再 加 (@ 和 人 @) 两 个 基因 调节 有 蛋 白 ,那么 就 可 在 下 一 步 产生 16 种 细胞 类 型 。 如 再 经 历 10 个 这 样 的 步骤 ,原则 上 ,只 要 25 种 不 同 的 调节 蛋白 就 可 以 确 定 略 多 于 10 000 种 的 细胞 类 型 。 因 此 ,这 种 组 合 调节 方式 是 非常 有 效 的 。 此 外 ， 它 还 可 以 解释 果 蝇 的 同 源 异 形 突变 型 。 如 果 某 次 突变 除去 了 一 种 基因 调节 蛋白, 而 这 种 蛋白 质 在 正常 情况 下 是 在 发 育 早期 出 现 的 ,那么 ,整个 细胞 群 将 被 确定 为 另 一 类 群 。 这 时 突变 细 胞 所 含 的 基因 调节 蛋 昌 组 可 能 正好 与 另 一 不 同 结构 的 细胞 所 含 的 一 样 ， 因 而 相应 产生 了 那 一 种 结构 。 例 如 ,除去 图 8-86 中 的 蛋 折 质 @ ,会 使 一 个 果 蝇 的 触角 变 成 一 条 腿 。 启动 一 个 基因 需要 从 几 种 不 同 基因 调节 蛋白 输入 信息 ” 年 一 看 ,从 刚才 所 讨论 的 组 合式 基因 调节 方式 的 图 解 似乎 可 以 预测 ,细胞 王 与 细胞 B 的 差异 以 及 细胞 c 与 细胞 A 的 差异 都 是 由 于 同一 种 蛋 昌 质 的 有 或 无 ， 因 为 在 这 两 对 细胞 中 ,每 对 的 差异 就 在 于 其 子 细胞 中 又 加 上 调节 和 蛋白 四 ( 见 图 8-86)。 但 是 即使 在 细菌 系统 中 ,调节 蛋白 的 作用 也 并 不 总 是 彼此 独立 无 关 的 。 在 许多 情况 下 ,要 启动 一 个 基因 需要 两 种 不 同 的 调节 和 蛋 昌 的 相互 作用 。 已 证 明 , 在 高 等 真 核 生 物 中 , AMER RIED BR 激素 受 体 蛋白 ) 在 不 同 细胞 类 型 中 启动 不 同 蛋白 质 组 合 的 合成 。 因 此 ， 在 发 育 中 的 细胞 。428 。 里 ,由 于 诱导 合成 某 一 种 基因 调节 蛋白 而 造成 的 基因 表达 的 改变 是 不 一 样 的 , 视 该 细胞 过 去 的 历史 而 定 。 在 图 8-87 和 8-88 中 ,说 明了 两 种 基因 调节 蛋白 之 问 相 互 作用 的 许多 可 能 方式 中 的 两 WE fies 28 细胞 G 细胞 H 细胞 1 细胞 J $8 Hl K 344 fd L 这 些 细胞 产生 腿 这 些 细胞 产生 触角 - 图 8-86 高度 示 意图 说 明 胚胎 中 主 基 因 调 节 蛋 白 的 不 同 组 合 可 产生 许多 不 同 细胞 类 型 在 简 化 图 中 ， 每 次 细胞 分 裂 后 要 “决策 ?制造 一 对 不 同 主 基因 调节 蛋白 中 的 哪 一 种 (编号 的 圆圈 )。 根 据 子 细 胞 在 胚胎 场 (embryonic 人 eld) 中 的 相对 位 置 ,胚胎 左边 的 子 细胞 (本 页 左边 ) 总 是 诱导 每 对 中 的 偶 数 蛋 白质 的 合成 ， 而 胚胎 右 侧 的 子 细胞 总 是 诱导 奇数 蛋白 质 的 合成 。 这 种 决策 与 1 噬菌体 是 制造 ATE BY 蛋白 还 是 “ro 蛋白 的 决策 类 似 (图 8-84)。 像 和 噬菌体 的 决策 一 样 ， 我 们 假定 每 种 主 基 因 调 节 和 蛋白 的 产生 是 自我 维持 的 。 所 以 ,在 扩大 的 克隆 中 的 细胞 所 含 的 调节 蛋白 数量 越 来 越 多 ;而 其 中 的 每 一 种 蛋白 质 都 假定 可 控制 一 大 群 基 因 ( 见 图 8-85)。 种 方式 。 这 种 类 型 的 相互 作用 给 基因 调节 机 制 带 来 极 大 的 灵活 性 。 在 细菌 中 ，DNA 的 超 螺旋 化 有 利于 基因 的 转录 “ 迄今 为 止 ， 我 们 所 关心 的 一 直 是 基因 阻 遏 蛋白 和 基因 活化 蛋白 在 细菌 中 是 怎样 发 挥 作用 的 , 以 及 类 似 的 蛋白 质 在 真 核 生物 中 可 能 如 何 工 作 的 问题 。 现在 我 们 讨论 另外 一 种 完全 不 同 的 基因 控制 机 制 , 已 知 这 种 机 制 在 细菌 细胞 中 是 起 作用 的 。 这 种 调节 机 制 利用 。429 。 这 样 的 事实 : 即位 于 启动 基因 部 位 的 大 约 10 个 碱 基 对 必须 先 分 开 , 以 便 形 成 RNA-DNA 碱 基 对 , 然后 ，RNA 聚合 酶 分 子 才能 开始 合成 新 的 RNA 链 ( 见 图 5-2)。 要 使 这 10 个 碱 基 对 暴露 出 来 , 必须 先 解 开 一 圈 DNA 螺旋 ， 这 就 需要 启动 基因 两 侧 的 两 个 DNA 螺 旋 区 段 相对 旋转 一 圈 ( 图 8-89 A)。 但 是 , 已 知 细菌 细胞 中 的 DNA 螺旋 是 折 受 成 一 连 串 环 状 DNA 区 域 ， 所 以 每 一 个 环 中 DNA 螺旋 的 两 端 是 相对 固定 而 彼此 不 能 相对 旋转 的 。 结果 是 ，RNA 聚合 酶 分 子 每 次 开始 合成 新 的 RNA 链 的 时 候 ， 就 必须 形成 一 圈 DNA 超 螺旋 ， 以 补偿 在 DNA 双 螺 旋 中 解 开 的 10 个 碱 基 对 (图 8-89B), 由 于 DNA 的 超 螺旋 化 使 刚性 的 DNA 螺 旋 弯 曲 ， 所 以 图 8-89 B 所 示 的 过 程 在 DNA 中 将 产生 张力 使 得 它 在 能 量 学 上 处 于 比 图 8-89 A 中 的 过 程 更 不 利 的 状态 。 因 此 ,在 没有 补偿 因子 存在 的 条 件 下 , 发 生 在 限制 于 环 状 区 域内 的 DNA 上 的 RNA 合成 要 比 发 生 在 可 以 自由 旋转 的 DNA 上 的 为 少 。 iis 正常 浓缩 的 . AN Bem 调节 蛋白 四 号 诱导 染色 | RNAKAH = 调节 蛋白 @ 和 RN A | ist 图 8-87 图 解 示 一 种 可 能 的 机 制 ; 其 中 需要 图 8-88 图 解 与 图 8-87 不 同 的 另 一 种 可 能 机 两 种 调节 和 蛋白 才能 启动 转录 "最 后 合成 蛋白 fil» 也 表示 需要 两 种 调节 蛋白 才能 启动 转录 ， X “Bm ASAROSDNA 结合 之 后 ， 以 合成 蛋白 X。 这 里 需要 有 蛋白质 包 的 结合 蛋白 质 @ 才 能 结合 。 对 于 其 它 某 些 DNA 序 使 正常 染色 质 结构 去 浓缩 (或 者 以 其 他 方式 改 列 蛋 白质 巴 或 者 蛋白 质 四 单独 就 能 结合 并 变 其 结构 ) 后 蛋白 质 @@ 才 能 结合 有 证 据说 明 ， 启动 转录 。 已 知 在 原核 生物 中 有 这 种 类 型 在 真 核 生物 中 染色 质 结 构 的 改变 可 以 控制 基 的 双重 调节 的 明显 例子 。 因 表达 ( 见 图 8-93 )。 但 是 ,细菌 能 够 利用 环 状 区 域 中 没有 自由 旋转 这 一 点 来 促进 它们 的 RNA 合成 , 而 不 是 阻碍 RNA 的 合成 。 一 种 叫做 DNA 促 旋 酶 的 细菌 酶 利用 ATP 水 解 的 能 量 不 断 地 将 超 螺 旋 泵 送 到 DNA 中 , 通过 这 种 方式 使 每 个 环 状 区 域 保持 在 张力 状态 下 。 这 些 超 螺旋 是 负 超 螺旋 , 它 的 旋转 方向 与 RNA 聚 合 酶 结合 时 形成 的 正 超 螺 旋 相 反 。 结 果 由 RNA ARGH KA DNA 区 段 局 部 解 旋 是 除去 DNA 中 的 负 螺 旋 ， 而 不 是 加 上 正 螺旋 。 因 为 超 螺 旋 的 张力 在 启动 RNA 合成 时 是 减 小 了 , 所 以 这 种 合成 在 能 量 学 上 要 比 在 没有 超 teen DNA 上 进行 RNA 合成 更 为 有 利 (图 8-90), 假如 在 一 段 组 成 环 状 区 域 的 DNA 螺旋 中 有 一 缺口 ,那么 就 会 在 DNA 中 造成 一 次 “转轴 ”结果 使 得 整个 环 中 的 超 螺旋 张力 消失 ( 见 图 5-40)。 由 于 要 是 没有 这 种 超 螺旋 张 力 。 细 菌 基因 组 上 有 许多 启动 基因 序列 就 难以 发 挥 功能 ， 所 以 受 损伤 的 环 状 区 域内 的 RNA 合成 速率 就 会 下 降 , 只 有 等 完全 恢复 成 为 一 个 完整 的 双 螺 旋 时 才能 恢复 。 这 种 限制 条 件 可 能 对 细胞 反而 有 好 处 , 因为 它 往 往 可 以 使 移动 的 RNA 聚合 酶 分 子 不致 仿 碍 其 他 。 430 。 _ 一 些 要 在 DNA 上 造成 缺口 的 遗传 过 程 , 例如 DNA 68, DNA 复制 及 遗传 重组 过 程 (WAGE) 虽然 细菌 细胞 中 的 大 部 分 DNA 通常 都 是 保持 在 负 超 螺旋 张力 状态 下 , 但 是 看 来 在 真 核 生 物 细胞 中 ,大 多 数 DNA 不 是 这 种 情况 。 不 过 ,在 特殊 的 环境 下 , 例如 。 真 核 基 有 游离 末端 的 DN A 有 固定 末端 的 D NA ON REREAD ARIANA 上 kescsescseececsescecsoeo 解 开 10 个 D N A BSE Xt 解 开 10 个 D N A 碱 基 对 《一 图 螺旋 ) een =—., A x is Le as VV DNARRLAR HM D NA 螺旋 必须 形成 一 圈 超 螺旋 (A) (B) 8-89 IF DNA 螺旋 开始 转录 时 ， 沿 着 DNA 螺旋 传递 的 效应 。(A ) 每 解 开 10 个 碱 基 对 ， DNA 双 螺 旋 要 旋转 一 图。(B) 如 果 旋 转 不 了 ,那么 每 解 开 10 个 碱 基 对 就 要 在 DNA 双 螺 旋 中 形 成 一 个 DNA 超 螺旋 。 这 里 形成 的 超 螺 旋 称 为 “ 正 超 螺旋 ?。 因 活化 ， 或 者 它 的 染色 质 结构 发 生 改 变 的 时 候 。 染 色 质 的 个 别 环 状 区 域 有 可 能 出 现 超 螺 旋 张 力 ( 负 的 或 正 的)。 我 们 将 会 看 到 ， 真 核 生 物 基 因 调 节 机 制 的 深信 人 研究 还 只 是 刚刚 开 始 。 真 核 生物 细胞 中 基因 表达 的 调节 包括 一 些 在 细菌 中 不 曾 发 现 过 的 控制 类 型 原则 上 。 迄 今 为 止 所 讨论 过 的 全 部 基因 调节 机 制 在 原核 生物 和 真 核 生物 中 同样 能 很 好 地 发 挥 作用 s 但 是 正如 我 们 已 经 看 到 的 。 真 核 生物 基因 及 染色 体 并 不 是 和 原核 生物 基 因 及 染色 体 完全 一 样 的 。 在 真 核 生物 中 。 组 蛋白 和 DNA 紧 紧 包装 在 一 起 形成 染色 质 ， 而 在 形成 mRNA 时 RNA 要 经 历 广泛 的 剪接 ,这 两 者 是 真 核 生物 所 独 具 的 特点 ,对 于 调 节 具 有 特别 重要 的 意义 。 我 们 将 先 讨论 紧密 结合 的 染色 体 蛋白 在 真 核 生物 基因 表达 调节 中 的 作用 。 真 核 生物 DNA 是 由 组 蛋白 包装 起 来 的 。 组 蛋白 一 直 与 DNA 分 子 结合 在 一 起 从 不 离开 DNA 分 子 , 这 就 是 说 , 真 核 生物 RNA 聚合 酶 必须 对 包装 在 核 小 体 中 的 _ DNA 进行 转录 。 可 是 ， 大 部 分 桨 色 质 纤维 是 高 度 浓缩 的 ,因而 大 多 数 DNA 是 不 能 被 接触 到 的 ( 见 图 8-40)。 已 有 证 据 表明 , 某 眉 染 色 质 区 域 一 定 要 先 去 浓缩 而 后 才能 转录 。 这 个 条 件 似乎 给 真 核 生物 中 的 基因 活化 过 程 增添 了 一 个 在 细菌 中 不 需要 的 额外 步 又 。 真 核 生 物 基因 活化 机 制 看 来 就 是 将 整个 基因 中 的 染色 质 结 构 松 开 ” 一 个 证 明 活化 基因 中 染色 质 发 生 选 择 性 去 浓缩 的 重要 证 据 来 自用 胰 DNase I 处 理 分 离 的 细胞 核 的 实验 , 这 种 酶 在 高 浓度 时 连 核 小 体 中 的 DIYA 都 能 降解 。 如 果 这 种 酶 的 浓度 适中 , 并 非 所 有 的 DNA 都 被 消化 ， 被 降解 的 序列 是 7 多 左右 或 发 生 转 录 的 那 部 分 。 而 且 在 同一 生物 的 不 同 细胞 中 ,不 同 的 DNA 序列 发 生 降解 , 其 型 式 与 细胞 制造 的 RNA 的 不 同 模式 是 一 致 的 。 值 得 注意 的 是 ， 即 使 在 一 个 细胞 世代 中 只 转录 了 几 次 的 基因 ， 对 。431 。 DNase I 也 是 敏感 的 ,这 表明 , 使 这 些 区 段 变 得 非常 易 与 酶 接近 的 是 染色 质 的 特殊 状态 。 MA RNA 转录 过 程 本 身 ( 图 8-91)。 在 电镜 中 通常 是 检测 不 出 所 谓 活 跃 转录 的 核 小 体 与 不 活跃 的 核 小 体 之 间 的 区 别 的 。 但 是 在 某 些 昆虫 的 胚胎 中 却 发 现 一 个 明显 例外 、， 那 就 是 在 活化 的 rRNA 基因 区 段 中 有 着 看 来 并 非 珠 状 的 染色 质 清 楚 地 串 连 排列 着 (图 8-92 )。 因 为 这 些 基 因 依 然 包 着 组 蛋白 样 蛋白 质 , 所 以 有 人 提出 , 这 是 染色 质 中 核 小 体 已 经 被 打开 并 形成 伸展 构象 的 区 段 , 通常 在 它 核心 周围 包 绕 两 圈 的 DNA 已 经 解 开 ,以便 转录 。 没有 超 螺旋 的 有 -个 负 超 曙 RAR a a 有 一 个 正 超 螺旋 的 环 状 区 域 解 开 10 个 碱 基 对 | 解 开 10 个 碱 基 对 | PRET -3 a 解 开 10 个 碱 基 对 | 代 ERREEEELDESE \ SLR =< - 有 一 个 正 超 螺旋 ， 没有 超 螺 旋 的 有 两 个 正 超 螺旋 的 的 环 状 区 域 Hi KB 环 状 区 域 困难 容易 非常 困难 8-90 超 螺旋 张力 对 于 在 一 个 环 状 区 域 中 打开 螺旋 的 影响 。 细 菌 DNA 中 的 环 状 区 域 是 “ 负 向 超 螺 旋 的 ”这 就 使 得 RNA 的 合成 的 启动 要 比 在 没有 超 螺旋 的 染色 体 上 的 启动 来 得 容易 (〈 见 正文 )。 活性 染色 质 与 非 活性 染色 质 之 间 结 构 差异 的 生化 基础 是 什么 ?我 们 在 前 面 论述 核 小 体 的 章节 中 已 经 提 到 过 这 个 问题 。 组 蛋白 WH 与 核 小 体 结 合 帮 助 将 它们 包扎 在 一 起 ,看 来 , 组 蛋白 WH 至 少 与 某 些 活性 染色 质 的 结合 不 是 那么 紧密 的 。 虽 然 四 种 核 小 体 组 蛋白 的 量 还 是 与 平常 一 样 。 第 二 个 差异 是 ,在 活跃 转录 的 核 小 体 中 ,组 蛋白 好 像 特别 高 度 乙 酰 化 (370 页 )。 已 经 证 明 ， 在 邻近 核 小 体 之 间 乙 酰 化 程度 的 增加 会 降低 它们 在 体外 堆积 在 一 起 的 倾向 。 所 以 , 活性 染色 质 对 组 蛋白 Hl 亲和力 的 降低 及 其 乙酰 化 作用 的 增加 有 助 于 使 30nm 染色 质 纤维 转 为 珠 状 的 构 像 。 最 后 , 活性 基因 的 核 小 体 选择 性 地 与 HMG14 和 HMG17 这 两 种 小 而 丰富 的 非 组 蛋白 蛋白 质 结合 (371 页 ), 而 且 这 些 核 小 体 似 乎 富 含 与 泛 素 共 价 结合 的 组 蛋白 H2A (W370). 所 有 这 些 变化 可 能 在 活性 基因 染色 质 的 解 旋 中 起 着 重要 作用 。 se 432。 | 将 在 几 小 时 后 转录 的 基因 正在 活跃 转录 RNA 的 基因 FIRE DNasel 处理 eg 。 染色 质 区 Z/ 4! 4 af 本 wnt f 8-91 图解 用 胰 DNase 1 WAM RET IAIN e 3k MERE EAR RROD R 具 谐 在 活性 的 基因 的 DNA。 ete oo 图 8-92 昆虫 胚胎 的 伸展 开 的 染色 质 的 电镜 照片 , 可 以 看 到 两 个 串联 排列 的 rRNA 基因 的 染色 质 结 构 的 变化 。 在 这 些 胚 胎 中 好像 在 起 始 rRNA 合成 之 前 ,染色 质 由 珠 状 变 为 非 珠 状 。 有 人 认 为 ， 非 珠 状 染 色 质 是 DNA 已 从 核 小 体 珠 周围 解 旋 下 来 准备 转录 的 区 有 侦 。 ( 引 自 V. E Foe, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 42:723—740,1978) 真 核 生 物 基因 活化 可 能 是 通过 两 个 阶段 进行 的 在 转录 单位 活化 的 细胞 中 , 转录 单位 中 的 所 有 核 小 体 好 像 都 变 为 活性 形式 。 虽然 我 们 对 这 个 过 程 是 怎么 受到 控制 的 还 一 无 所 知 , 但 是 ,这 里 面 一 定 涉 及 到 一 组 与 原核 生物 中 的 完全 不 同 的 特殊 基因 调节 和 蛋白。 这些 蛋白 质 不 仅 必 须 识别 染色 质 上 的 一 个 特殊 部 位 ( 推 测 是 一 个 DNA 序列 ), 而 且 还 要 引起 邻近 染色 质 的 结构 变化 ,这 种 结构 改变 的 影响 从 识 别 部 位 开始 平均 至 少 要 传 到 邻近 的 40 个 核 小 体 去 (8 000 个 DNA 碱 基 对 ), 或 者 是 传 遍 五 个 染色 质 环 状 区 域 ( 见 后 )。 然 后 ， 已 裸露 的 活性 染色 质 区 段 中 的 特异 基因 的 转录 再 由 。433 。 4 目前 已 了 解 得 比较 清楚 的 类 似 于 细菌 的 基因 活化 蛋白 和 阻 遏 蛋白 的 基因 调节 蛋白 进行 调 节 。 所 以 , 真 核 生物 基 因 活 化 可 能 是 膛 过 两 个 阶段 发 生 的 ; 第 一 阶段 , 染色 质 结构 发 生 改 变 使 它 去 浓缩 ;第 二 阶段 , 在 去 浓缩 染色 质 中 的 特定 亚 区 中 启动 DNA 转录 (A 8-93), 在 多 线 染色 体 中 环 状 染 色 质 区 域 在 转录 时 打开 ?2 在 了 解 染 色 质 结 构 之 前 很 入， 对 有 果 蝇 幼虫 唾 波 腺 巨细 胞 多 线 染 色 体 的 研究 就 告诉 我 们 ， 在 基因 转录 的 同时 ，DNA 的 包装 情况 发 生 了 很 大 的 变化 。 我 们 已 经 介绍 过 这 些 染 色 体 是 如 何 由 重复 的 染色 体 复 制 产 生 的 1024 条 平行 的 染色 单 体 组 成 的 ( 见 381 页 )。 我 们 还 讨论 了 一 些 证 据 , 它 们 说 明 这 些 巨型 染色 体 上 的 带 在 结构 上 相当 于 染色 质 环 状 区 域 ,而 在 功能 上 则 相当 于 一 单个 基因 。 现 在 我 们 将 要 讨论 其 因 转 录 时 个 别 带 的 生物 化 学 和 外 貌 特征 又 发 生 哪 些 变化 。 旷 皮 素 , 这 种 昆虫 激素 是 控制 果 晶 多 线 染 色 体 的 基因 活性 的 主要 因子 之 一 , 它 的 量 呈 周期 性 地 增加 和 减少 ， 诱 导 转 录 那 些 编码 昆虫 幼虫 每 次 晓 皮 和 化 师 所 需要 的 蛋白 质 的 各 种 基因 。 用 CH 标记 的 放射 性 RNA HARA Ica. 再 用 放射 自 显 影 定 位 逐渐 加 长 的 RNA 转录 本 ,可 以 检 出 在 任何 时 间 中 转录 的 区 段 (图 8-94 和 8-95)o 这 种 分 析 表 明 , 大 多 数 有 活性 的 染色 体 区 段 都 发 生 去 浓缩 ,并 形成 前 面 已 简略 提 到 过 的 明确 的 染色 体 胀 泡 。 这 些 胀 泡 的 超 薄 切 斤 电 镜 检 查 表明 〈 图 8-96), RE DNA 的 浓缩 程度 要 比 30 nm 染色 质 纤维 中 差 得 多 。 AN DDN 第 1 阶段 ae ee 第 2 阶段 开动 基因 | RNA 聚合 本 ee 4 Bah 7 % i : s pe 4 ge 5 a pag Rs 7 六 patties Soe ys ka a $ H RO = = Sereeosevi 3 an — ‘6 BSI Ga a AAS Seen ae DELLE LLL 图 8-93 图 解 真 核 生物 基因 活化 过 程 中 8-94 AASRRAKECHIR GBA 两 个 阶段 的 一 般 性 质 。(A ) 在 阶段 1， 改 部 位 的 位 置 的 放射 自 显影 照片 。 在 染色 质 变 染 色 质 局 部 区 有 女 的 结构 准备 转录 。(B)7 上 伸展 开 来 的 区 段 (染色 体 胀 泡 ) 中 可 见 粒子 在 阶段 2， 基 因 调 节 和 蛋白 与 结构 改变 后 密度 最 高 表示 这 些 就 是 RNA 合成 最 活跃 的 染色 质 上 的 特异 部 位 结合 ,导致 RNA 的 场所 。 合成 。 根 据 这 个 观点 ， 原 核 生 物 中 的 转 录 只 为 真 核 生物 基因 调控 过 程 的 阶段 2 提供 了 一 个 模型 。 随 着 生物 通过 不 同 的 发 育 阶段 ， 在 转录 单位 相继 发 生活 化 和 失 活 以 及 制造 出 不 同 的 mRNA 和 和 蛋白质 的 时 候 ,新 的 胀 泡 出 现 而 老 的 胀 泡 消失 〈 图 8-97)。 在 每 个 胀 泡 还 相当 ° 4346 基因 调节 7 RNA— 小 ;染色体 带 型 还 辨别 得 出 的 时 候 对 胀 泡 进 行 观 查 , 可 见 大 多 数 胀 泡 都 是 由 一 条 染色 体 带 解 旋 而 来 (图 8-98)。 一 般 认 为 , 每 条 染色 体 带 是 由 环 状 区 域 折合 起 来 形成 的 (图 8-28)， 因此 这 就 表明 ， es ee MRA CSR SZAERAA. BSR . 质 上 特异 部 位 结合 ， 然 后 诱导 -RNA BR RA 体 的 免疫 荧光 染色 证 明 ， 大 多 数 可 以 被 旷 皮 素 诱 导 形成 胀 泡 的 带 至 少 有 一 种 特异 性 非 组 蛋白 是 共有 的 。 这 种 蛋白 质 可 能 协助 染色 质 中 的 DNA eee 虹 皮 素 受 体 蛋白 可 以 识别 的 构象 ， 因 此 是 在 图 8-93 中 所 示 真 核 生 物 基因 活化 作用 一 般 图 解 的 第 一 阶段 起 作用 的 ， 如 晓 皮 激素 受 体 蛋白 本 身 则 在 第 二 阶段 起 作用 。 胀 泡 形成 可 以 具有 ”传染 性 ”， 这 一 有 意义 的 现 象 与 局 部 染色 体 去 浓缩 机 制 大 有 关系 。 这 种 传染 性 有 赖 于 这 样 的 事实 ， 即 存在 于 这 些 二 倍 体 细胞 中 的 两 个 同 源 的 多 线 染 色 体 通常 是 紧密 配对 的 。 有 时 两 图 8-95 ”大 胀 泡 的 放射 自 显影 照片 ,标记 同 8-96 ”通过 一 个 大 染色 体 胀 泡 所 作 的 连 REE 图 8-94， 表 示 在 有 些 情况 下 RNA 合成 只 切片 的 电镜 照片 ;表示 一 个 突出 的 特长 转录 单位 的 能 在 胀 泡 的 部 分 区 段 中 进行 :而 在 胀 泡 中 含 RCC ) 中 的 短线 为 100nm,(D ) 为 这 个 转录 单位 有 去 浓缩 染色 质 的 其 余部 分 看 来 未 发 ER 一 部 分 的 三 维 重 建 图 ,可 以 看 到 许多 末端 有 球状 突 录 。(Jose Bonner 赠 ) | 出 的 RNA 转录 本 连 在 一 条 染色 质 纤 维 上 。( 引 自 K. Andersson. B.Rjérkroth, and B. Daneholt, Exp. Cell Res. 130:313—326, 1980) ARREKZ—A—-TRBEA. CORRRARA RM. MOREE RIKI. TA 个 同 源 染色 体 上 的 基因 则 是 正常 的 。 有 些 缺 陷 基 因 如 与 正常 基因 靠拢 。 则 可 被 诱导 形成 胀 泡 (图 8-99)。 为 了 解释 这 些 结果 ,有 人 提出 每 条 带 的 结构 就 象 一 个 小 的 晶体 ,一 条 带 的 染色 质 包装 情况 可 以 影响 其 同 源 带 ， 其 方式 正如 同 子 晶体 指导 形成 更 大 晶体 的 情况 。 有 可 能 由 调节 蛋 白 诱导 发 生 的 染色 质 结构 局 部 变化 会 通过 同样 机 制 传播 到 整 条 染色 体 带 。 。435 。 soa 图 8-97 ”时间 系列 照片 ,表示 在 黑 腹 果 蝇 多 线 染色 体 中 胀 泡 图 8-98 出 现 和 消失 的 情况 。 示 出 第 3 染色 体 左 臂 的 一 个 区 女 ,其 上 可 见 三 腺 细胞 中 五 个 非常 大 的 胀 泡 , 在 发 育 时 期 每 个 胀 泡 只 活动 很 短 时 间 ( 见 横 线 )。 这 是 22 小 时 内 发 生 的 一 系列 变化 ， 随 着 生物 发 育 可 以 重复 出 现 。(Michael Ashburner 赠 ) | av 证 fe aa te = se ae ‘ WBE RD AR TE ah 程 的 高 度 示 意图 未 活化 的 缺陷 ies oe 缺陷 基因 人 ， ”基因 人 在 胀 泡 形成 之 前 的 阶段 中 在 染色 体 带 没有 配对 时 只 有 配对 的 多 线 染色 体 母 本 染色 体 上 有 胀 泡 形成 ， 活化 的 缺陷 基因 A x sas Rie 2%, wer) g 2383 ae ails | —- 20km 一 一 . 当 两 带 紧 密 接 触 时 母 本 和 父 本 染色 体 上 都 有 胀 泡 形成 i pau Fao, 图 8-99 果 蝇 多 线 染 色 体 中 看 到 的 “感染 性 胀 泡 ? 现 象 。436。 | 在 伸展 的 环 状 区 域 中 可 以 看 到 灯 刷 染色 体 的 转录 单位 未 成 熟 的 卵 或 者 卵 母 细 胞 是 另 一 个 可 以 看 得 非常 清楚 的 活性 染色 体 的 材料 。 在 卵 母 细胞 分 化 的 早期 阶段 ,每 条 染色 体 复 制 , 准 备 开 始 进行 减 数 分 裂 。 复 制 后 的 同 源 染 色 体 配 对 形成 一 种 总 共 含 有 四 条 染色 单 体 组 成 的 结构 。 这 种 结构 可 以 持续 几 个 月 或 者 几 年 ， 此 期 间 卵 母 细胞 制造 其 最 后 发 育成 新 个 体 时 所 必需 的 大 量 mRNA 和 其 他 物质 〈 第 十 四 章 )o 在 这 期 间 , 减 数 分 裂 的 配对 染色 体 常 常 伸展 开 ,RNA 合成 非常 活跃 。 这 种 活动 伴随 有 长 染色 质 侧 环 的 伸展 。 侧 环 上 包 履 着 由 新 转录 的 RNA 组 成 的 致密 RNA- BARRA 物 。 这 些 所 谓 的 灯 刷 染色 体 虽 然 既 非 多 线 , 也 不 是 特别 地 浓缩 ,但 在 光学 显微镜 下 雪 是 可 见 的 (图 8-100)。 由 于 两 栖 动 物 的 灯 刷 染色 体 特 别 大 ,所 以 自从 它们 在 19 世纪 末 被 发 现 以 来 ， 研 究 得 最 为 详细 。 灯 刷 染色 体 的 组 织 结构 见 图 8-101, 转录 活动 的 型 式 在 侧 环 与 侧 环 之 间 是 不 一 样 的 。 许 多 侧 环 是 从 一 端 到 另 一 端 连续 转 录 的 ,因此 ,从 一 端 向 另 一 端 逐渐 增 粗 ， 侧 环 的 细 端 含有 最 短 的 RNA 转录 本 。 其 他 一 些 侧 环 是 不 连续 转录 的 ， 其 中 一 个 转录 单位 在 开始 转录 ,而 另 一 个 转录 单位 则 结束 转录 ,所 以 :在 侧 环 的 整个 长 度 上 是 粗细 不 一 的 。 而 有 些 侧 环 中 还 有 根本 不 转录 的 染色 质 区 段 (图 8-102)。 染 色 质 的 大 部 分 不 在 侧 环 中 ， 而 是 浓缩 于 染色 粒 中 ; 一 般 这 种 染色 质 是 不 转录 的 。 象 多 线 染色 体 上 的 可 发 生 胀 泡 的 带 一 样 ， 灯 刷 染 色 体 侧 环 相当 于 去 浓缩 并 在 活跃 转 录 的 染色 质 折 受 单 位 。 核 酸 杂 交 实 验证 明 , 一 定 的 侧 环 总 是 含 同样 的 DNA 序列 ,而 且 在 卵 母 细胞 生长 过 程 中 它们 始终 是 同样 地 伸展 着 。 从 某 些 方 面 来 看 , 灯 刷 染色 体 上 的 转录 活动 型 式 并 不 代表 一 般 体 细胞 的 特征 。 第 一 ， 所 有 的 侧 环 都 在 非常 活跃 地 转录 ,有 许多 还 形成 非常 长 的 转录 本 。 其 次 ,一 般 认 为 在 正常 细胞 中 不 转录 的 高 度 重复 DNA 序列 , 却 在 有 些 灯 刷 侧 环 中 发 生 转 录 ( 图 8-103)。 最 后 ， 8-100 两 栖 类 卵 母 细胞 中 见 到 的 高 度 伸展 的 灯 刷 染色 体 的 光学 显 微 照片 (Joseph G.Gall 赠 ) 。437 。 SSS So >Re, BTA STIC ee ee ar 10 um Sim bh Bs AY Be 色 体 gua HR HE 图 8-101 灯 吊 染色 体 结构 图 。 据 估计 ,在 许多 两 栖 动物 中 , 灯 刷 染色 体 组 总 共 含 有 约 10 000 个 不 同 的 染色 质 侧 环 其 余 DNA 高 EE wR 编 存在 于 染色 粒 中 。 注 意 ;每 个 全 环 相当 于 一 个 DNA 序列 ， 而 二 个 侧 环 在 一 个 细胞 中 有 四 个 复 本 。 这 是 因为 上 图 所 示 结 构 由 两 条 本 对 的 同 源 闽 色 体 组 成 而 每 条 染色 体 又 由 紧密 并 排 的 两 条 姊妹 染 单 体 所 组 成 。 这 种 四 线 结构 是 处 于 这 个 发 育 阶 自 的 卵 母 细胞 所 特有 的 ( 减 数 分 裂 双 线 期 见 第 十 四 章 )。 5 端 附近 的 RNA 剪接 方式 。 0.5 aA ees 藏 的 mRNA 分 子 在 灯 刷 染色 体 还 没有 达到 最 大 和 基 活跃 的 时 期 之 前 就 已 制造 好 了 ， 所 以 灯 刷 染色 体 的 大 多 数 庞大 的 转录 活动 似乎 并 未 导致 产生 mRNA. A 此 ， 大 部 分 活动 的 功能 还 是 难以 理 解 的 ， 而 且 这 可 能 只 是 卵 母 细胞 所 特有 的 现象 。 然 而 即使 这 种 转录 活动 型 式 是 卵 母 细胞 所 特有 的 ， 但 伴随 着 个 别 侧 环 的 转录 活动 而 出 更 的 选择 性 去 浓缩 现象 却 支 持 这 样 一 种 看 法 ， 即 侧 环 染色 质 区 域 是 所 有 ”染色 体 中 的 功能 单位 。 改变 一 个 初级 RNA 转录 本 的 两 端 可 以 改变 它 制造 的 蛋白 质 芳 直 过 真 核 生 物 染 色 质 结构 对 基因 活性 的 一 些 影响 之 后 ， 我 们 现 在 转向 讨论 RNA 剪接 的 重要 意义 ， 六 也 是 真 核 生 物 所 特有 的 。 我 们 已 Aten mrt RNA 加 工 的 改变 可 以 介 导 由 合成 膜 结合 抗体 分 子 各 痪 为 合成 分 泌 抗 体 分 子 〈 图 8-42 )。 在 那 种 情况 下 。 抗 体 分 子 的 羧基 林 庙 部 分 被 一 个 完全 不 同 的 氨基 酸 序 列 所 替代 ， 这 是 因为 在 初级 RNA 转录 本 3 端 加 poly A 的 地 方 2 本 了 改变 而 引起 的 RNA 剪接 方式 的 不 同 。 蛋 白质 氨基 末端 原则 上 也 可 通过 类 似 方式 发 生 改 变 ， 即 改变 转录 起 始 部 位 ， 导 致 改变 在 转录 本 染色 质 侧 环 dete RNA ALP RAT, RRSRT ATR RATES FAS 明 在 另外 一 些 情况 下 ， 同 一 生物 中 丙种 不 同类 型 细胞 可 以 从 同一 基因 制造 出 不 同 的 初 多 Teak, EESEA—AM, NEL AAORAAEAN ESR AR EAT 不 同 。 这 是 由 于 所 形成 的 初级 转录 本 有 不 同 的 了 端 和 3 Fito 在 许多 这 类 情况 下 可 以 预 期 ,通过 RNA 剪接 会 产生 改变 了 的 mRNA 分 子 , 而 它 又 编码 出 不 同 的 蛋白 质 。 这 些 以 及 其 他 观察 表明 ， 在 发 言 期 间 起 作用 的 基因 控制 过 程 不 仅 决定 了 定 DNA 的 转录 速率 。 而 且 还 砚 定 了 祖 级 著录 未 中 了 由 于 和 poly A FAO. BES 又 影响 随后 的 RNA 加 工 。 因 此 也 就 可 以 使 合成 的 蛋白 质 结构 发 生 宝 + 438° 因而 ， 有 关 ， RNA 转录 本 苇 录 方向 区、 aid | 8-103 村 生机 sae dee 复 DNA 序列 的 单 链 DNA 探 针 , 并 标 上 放射 性 。 在 (A) 中 使 染色 体 与 这 个 探 针 结合 , 充分 ER ee atone): 照片 中 显示 放射 性 的 伸展 侧 环 正在 合成 非常 长 的 RNA 转录 本 。 se- 写 上 面 含有 几 个 成 科 组 蛋白 基因 的 拷贝 。 这 些 长 的 RNA 转录 本 能 与 DNA 探 针 杂交 的 事实 证 , 探 针 中 的 重复 DNA 序列 已 转录 到 RNA 中 ,但 是 在 其 他 细胞 中 ， 这 种 序列 只 不 过 是 组 蛋白 2 « 5 agian (4| 8 M. O. Diaz, G. Barsacchi-Pilone, K. A. Mahon, and J. 7, Se eas Gall, Cell 24:649—659, 1981) DNA ESCM STA RICCO HR DIRS! > x HE BAU AR BE, JES HT a alee © 4396 RNA 加 工 和 输出 的 特异 性 变化 也 起 重要 控制 作用 吗 ? 初级 RNA 转录 本 的 平均 长 度 似乎 至 多 比 RNA 剪接 产生 的 成 熟 mRNA 分 子 长 10 倍 。 但 是 , 制造 出 的 hnRNA 的 总 量 中 只 有 1/20 离开 细胞 核 ( 见 393 页 )。 所 以 简单 的 计算 表明 ， 有 相当 一 部 分 (或 许 一 半 ) 初 级 转录 本 在 细胞 核 中 就 全 部 降解 了 ， 从 未 产生 输 出 的 mRNA 分 子 。 被 丢弃 的 RNA 可 能 就 是 那些 其 序列 不 能 转 人 mRNA 分 子 中 的 RNA, 而 其 中 有 些 可 能 就 是 大 量 的 储备 mRNA 分 子 , 它 们 只 在 其 他 细胞 类 型 中 经 过 适 当 加 工 才 成 为 mRNA。 在 这 种 情况 下 ，RNA 的 直接 加 工 和 输出 控制 对 于 细胞 发 育 来 说 是 重要 的 。 例如 , 不 同类 型 的 RNA 剪接 酶 可 以 在 不 同类 型 的 细胞 中 起 作用 ,由 同样 的 初级 RNA 转录 本 制造 出 不 同 的 mRNA, 但 是 我 们 已 经 介绍 过 ， 测 验 肝 细胞 和 脑 细 胞 中 这 种 控制 的 结果 是 负 的 ( 见 421 页 )， 而 且 秘 今 为 止 ,还 不 曾 发 现 过 明显 的 例证 。 小 结 特 化 的 高 等 真 核 生 物 细胞 由 于 它们 制造 不 同 的 蛋白 质 而 相互 有 蜡 。 作 为 这 些 差 异 基 础 的 基因 表达 控制 好 象 是 在 DNA 转录 水 平 上 发 生 作用 的 。 在 原核 生物 中 , 基因 调节 蛋 白 与 靠近 RNA 聚合 酶 起 始 部 位 的 特异 DNA 序列 结合 并 借 此 来 阻 遏 或 活化 邻近 基因 的 转录 。 据 认为 ， 在 高 等 真 核 生 物 中 ,基因 表达 的 控制 是 依靠 为 数 不 多 的 主 基 因 调 节 蛋 白 。 它 们 通过 一 种 组 全 方式 的 相互 作用 来 确定 大 量 的 不 同 细胞 类 型 与 组 织 类 型 。 原 则 上 讲 ， 一 套 交互 作用 的 原核 细胞 型 的 基因 调节 蛋白 就 可 以 导致 不 同 的 可 自我 维持 的 选择 性 基因 活动 型 式 , 从 而 也 就 解释 了 真 核 生 物 细胞 发 育 所 特有 的 基因 表达 的 克隆 遗传 。 但 是 大 多 数 真 核 生 物 基 因 调 节 和 蛋白 的 真正 作用 机 理 还 不 知道 ， 而 有 些 机 理 好 像 肯 定 要 比 原核 生物 中 的 复杂 。 尤 其 是 , 真 核 生物 基因 的 染色 质 必 须 去 浓缩 后 才能 转录 ,一 般 认 为 ， 使 染 色 质 结构 发 生 改 变 的 基因 调节 蛋白 是 在 另外 一 个 重要 水 平 上 控制 真 核 生 物 基 因 表 达 的 基 Fo _ ABET DL iil Aaa 记忆 在 高 等 真 核 生 物 细胞 中 , 某 种 基因 调节 型 式 一 旦 确定 ,就 往往 在 以 后 的 各 个 细胞 世代 期 间 都 保持 不 变 。 换言之 , 基因 在 一 个 克隆 内 的 所 有 子 细胞 中 有 开 则 恒 开 和 关 则 恒 关 ” 的 强烈 倾向 。 这 种 细胞 记忆 ”是 不 能 单 靠 永久 结合 在 DNA 中 控制 部 位 上 的 基因 调节 组 分 来 维持 的 , 因为 这 样 一 种 机 制 不 能 提供 持续 许多 细胞 世代 的 记忆 。 如 果 要 使 分 化 状 态 能 永久 地 遗传 下 去 ， 子 细胞 就 必须 能 得 到 亲 代 细胞 中 存在 的 调节 组 分 《或 者 调节 组 分 组 ) 的 新 拷贝 。 所 以 这 种 调节 组 分 本 身 一 定 是 在 每 个 细胞 世代 中 重新 制造 的 。 其 一 般 规 则 是 ， 如 果 这 个 基因 调节 组 分 原来 就 有 , 那么 就 再 合成 一 个 相同 的 ; 如 果 原 来 没有 ，, 那 末 就 不 要 合成 "。 换 言 之 ,控制 基因 调节 的 因子 也 必须 同时 以 正 反 馈 的 方式 来 控制 其 本 身 的 生产 。 正 是 这 种 正 反馈 环 才 赋予 系统 以 记忆 。 我 们 已 经 论述 过 1 只 菌 体 中 的 这 样 一 种 细胞 记忆 系统 , 它 涉 及 到 两 种 基因 调节 蛋白 ， 这 两 种 基因 调节 蛋白 与 DNA 上 操纵 基因 部 位 结合 ,并 相互 阻 遏 彼此 的 合成 ( 见 426 页 )o 在 这 一 节 中 ,我 们 将 概述 其 它 几 种 基因 调节 系统 , 推测 起 来 , 这 几 个 系统 在 高 等 真 核 生物 。440 细胞 中 协助 基因 表达 型 式 的 稳定 遗传 。 我 们 开始 先 回顾 一 下 染色 质 纺 构 在 控制 真 核 生 物 | 基因 表达 方面 的 作用 。 间 期 染色 质 的 高 度 浓缩 部 分 含有 特殊 失 活 的 基因 我 们 已 经 看 到 ,染色 质 环 可 能 代表 一 种 功能 单位 ,它们 的 转录 活性 需要 某 种 类 型 的 组 蛋白 和 非 组 蛋白 的 协助 ， 这 些 蛋 白质 帮助 染色 质 去 浓缩 , 从 而 使 它 的 DNA 可 以 与 其 他 基因 调节 蛋白 , 或 者 与 RNA 聚合 酶 本 身 接 触 。 镜 检 只 能 在 灯 刷 染色 体 和 多 线 染 色 体 中 在 单个 侧 环 的 水 平 上 检 出 染色 质 浓缩 状态 的 差异 。 虽 然 在 其 他 类 型 细胞 的 普通 染色 体 中 ] 也 可 以 看 到 这 种 差异 , 不 过 那 只 是 在 染色 质 的 更 广泛 的 区 段 上 看 出 差异 。 根据 在 显微镜 中 的 外 观 , 可 将 高 等 真 核 生 物 中 的 染色 质 分 为 两 大 类 : 浓缩 染色 质 或 称 异 染色 质 , 以 及 不 | 那么 浓缩 的 染色 质 或 称 常 染色 质 。 因为 异 染 色 质 在 间 期 还 是 浓缩 的 ， 看 上 去 仍 保持 染色 质 其 余部 分 仅 在 有 丝 分 裂 时 才 表现 的 那 种 结构 类 型 ,所 以 它 开 始 时 是 用 光学 显微镜 鉴定 出 来 的 。 后 来 发 现 , 象 有 丝 分 裂 议 图 8-104 细胞 核 超 薄 切 片 的 放射 自 显影 图 。 细 胞 核 取 自 章 用 HH] 尿 苷 脉冲 标记 以 标 册 RNA & 成 部 位 ( 银 粒 ) 的 细胞 。 白 色 区 域 为 蜡染 色 质 区 ， 它 倾向 于 堆积 在 核 被 膜 内 表面 。 由 于 样品 制备 的 特殊 方法 * 含 异 染 色 质 的 区 域 已 脱色 。 大 部 分 RNA 的 合成 发 生 在 靠近 这 些 异 染色 质 的 常 染 色 质 上 。 (Stan Fakan 赠 ) 染色 质 一 样 ， 异 染色 质 无 DNA 转录 活性 : 用 放射 性 RNA 前 体 与 细胞 一 起 培养 , 然后 放射 自 显影 ， 证 明 大 量 RNA 是 在 广大 的 常 染 色 质 区 中 合成 的 。 在 异 当 色 质 中 是 没有 标 记 的 (图 8-104)。 蜡染 色 质 中 的 DNA 是 在 每 个 细胞 周期 $ 期 的 晚期 才 复 制 的 〈 见 613 页 )。 这 可 能 反映 了 它 特别 浓缩 的 状态 ， 因 为 每 个 DNA 复制 又 附近 的 染色 质 线 都 需要 局 部 去 浓缩 。 蜡染 色 质 与 常 染 色 质 间 差 异 的 生化 基础 还 不 清楚 。 ° 441 。 FRERIWDAMTUR" 一 般 认 为 ,在 大 多 数 细胞 中 , 90% 左右 的 染色 质 无 转录 活性 ( 见 394 页 )o 虽 然 这 些 无 活性 染色 质 要 比 仅 占 7 一 10 多 的 在 有 转录 活性 区 段 中 的 染色 质 具 有 更 浓缩 的 构象 ,但 其 中 只 有 一 部 分 是 包装 在 具有 高 度 浓缩 构象 的 异 染 色 质 中 。 所 以 异 染 色 质 是 转录 上 无 活性 的 染色 质 中 的 一 个 特殊 类 型 ,可 以 认为 , 它 所 含 的 基因 在 细胞 及 其 所 有 子 伐 中 是 永久 关闭 着 的 。 某 些 染 色 体 区 段 在 一 切 细胞 中 都 浓缩 成 蜡染 色 质 ,这 些 就 叫做 生物 的 结构 异 染 色 质 。 其 它 区 段 只 在 有 些 细胞 中 浓缩 成 异 染 色 质 , 而 在 另 一 些 细胞 中 则 不 浓缩 ,这 些 区 段 为 细胞 的 功能 性 异 染色 质 。 一 般 认 为 , 结构 异 染色 质 的 DNA 在 任何 细胞 中 是 从 不 转录 的 、 是 即使 在 高 度 浓缩 的 有 丝 分 裂 染色 体 中 也 可 以 与 正常 染色 质 相 区 别 的 唯一 类 型 的 染色 质 。 在 人 染色 体 中 ， 它 位 于 每 条 有 丝 分 裂 染 色 体 着 丝 粒 的 周围 ， 用 特殊 染色 方法 可 以 看 到 它 是 一 些 染色 深 的 tr CA 8-105)。 在 其 他 某 些 哺乳 动物 中 ,结构 异 染色 质 呈 带 状 分 散在 整 条 染色 体 各 处 ,在 有 些 情况 下 甚至 组 成 染色 体 的 一 整 条 臂 。 间 期 时 , 结构 异 染 色 质 区 可 以 聚集 形成 染色 中 心 。 在 哺乳 动物 中 ,这 种 染色 中 心 的 数目 和 排列 随 细 胞 类 型 及 发 育 阶 段 而 异 。 结构 异 染 色 质 的 大 多 数 区 段 中 含有 比较 简单 的 串联 重复 的 DNA 序列 。 由 于 历史 上 的 原因 ,把 这 些 高 度 重复 的 序列 叫做 卫星 DNA 〈 见 452 页 )。 虽然 有 些 卫 星 DNA 在 减 数 分 裂 染 色 体 配对 时 好 象 有 一 定 作 用 ,但 是 在 其 它 方面 ,例如 它们 的 功能 以 及 它们 在 间 期 形成 的 浓缩 染色 质 结构 的 功能 都 还 不 清楚 。 功能 性 异 染 色 质 的 意义 比较 明显 。 它 几乎 无 疑 地 反映 了 不 同 细胞 类 型 遗传 活性 方面 的 一 些 稳定 差异 。 在 不 同 的 细胞 中 ,功能 性 异 染 色 质 的 总 量 相差 很 大 , 在 胚胎 细胞 中 好 像 非常 少 , 而 在 高 度 特 化 的 细胞 中 却 有 很 多 。 这 表明 ，, 随 着 细胞 发 育 的 进行 , 永久 失 活 的 基 因 越 来 越 多 ,它们 被 包 在 一 种 浓缩 形式 的 染色 质 中 ,不 再 能 与 基因 活化 蛋白 接触 。 功 能 性 异 染 色 质 中 不 含 大 量 高 度 重 复 的 DNA 序列 , 在 有 丝 分 裂 染色 体 中 也 无 法 用 染色 区 分 出 来 。 所 知道 的 关于 功能 性 异 染 色 质 的 情况 大 多 来 自 对 雌性 哺乳 动物 细胞 中 一 条 染色体 的 失 活 现象 的 研究 。 一 条 失 活 的 X 染色 体 是 可 以 遗传 的 ? 唆 性 哺乳 动物 的 所 有 细胞 都 有 两 条 和 染色 体 ， 而 雄性 细胞 有 一 条 染色体 和 一 条 了 染色 体 。 可 能 因为 双 份 的 和 染色 体 产物 是 致死 的 , 所 以 肉 性 细胞 发 展 了 一 种 使 每 个 细胞 中 两 条 和 染色 体 有 一 条 永久 失 活 的 机 制 。 在 小 鼠 中 , 这 种 失 活 发 生 在 发 育 的 第 3 天 至 第 6 天, 那 时 每 个 细胞 的 两 条 民 染 色 体 中 的 这 一 条 或 者 那 一 条 随机 地 浓缩 成 为 异 染色 质 e 在 光学 显微镜 下 看 , 间 期 时 这 条 致密 染色 体位 于 靠近 核 膜 的 地 方 , 成 为 一 种 叫做 Barr Fey) 体 的 特殊 结构 。 它 在 晚 S 期 复制 , 它 的 大 部 分 DNA 在 任何 子 细胞 中 都 不 转录 。 因 为 失 活 的 和 染色 体 是 如 实地 遗传 下 去 ,所 以 每 个 雌 体 是 一 个 由 细胞 克隆 群 所 组 成 的 嵌 合 体 , 在 大 致 一 半 细 胞 中 只 有 从 父 本 遗传 下 来 的 染色体 (X,) 有 活性 ， 而 在 另 一 半 细 胞 中 只 有 从 母 本 遗传 下 来 的 和 染色 体 〈Xa) 有 活性 。 一 般 在 成 年 动物 中 ,表达 X, 的 细胞 和 表达 Xin 的 细胞 是 成 簇 分 布 的 ,这 反映 了 这 样 一 个 事实 ， 那 就 是 在 胚胎 发 育 和 生长 期 间 姊 妹 细 泡 往 往 保 持 近邻 的 关系 。 例如 , 在 皮肤 上 可 以 检测 出 特别 大 片 的 含有 来 自 早 期 胚胎 同一 。 442 ， 细胞 的 子 代 的 皮肤 (图 8-106), 虽然 还 不 知道 和 染色 体 的 浓缩 是 如 何 发 生 的 ， 但 已 经 知道 浓缩 有 沿 着 染色 体 从 一 个 区 域 扩散 到 另 一 个 区 域 的 倾向 。 用 突变 型 动物 所 进行 的 研究 证 明了 这 一 点 ， 该 动物 的 一 条 和 染色 体 与 一 条 常 染 色 体 ( 非 性 染色 体 ) 的 末端 连接 在 一 起 了 。 在 突变 染色 体 中 , 靠近 失 活 和 染色 体 的 常 染色 体 区 往往 也 浓缩 成 色 体 在 胚胎 为 蜡染 色 质 。 所 以 它们 所 含 基因 的 失 活 也 BD \ anxicana LATHE KRW, X 染 色 体 失 活 现象 与 mo Jie 染色 质 结晶 过 程 相 类 似 ， 它 也 是 从 斑 染 色 体 上 某 一 核 晶 位 点 扩散 开 来 的 。 这 种 特别 紧凑 的 染色 体 结构 一 旦 随机 地 在 两 条 和 染 色 体 中 的 一 条 上 形成 ， 它 在 该 染色 体 以 后 复制 时 忠实 地 遗传 下 去 (图 8-107)。 真 核 生 物 基 因 的 关闭 可 能 是 通过 一 种 全 新 ea 52,53 ne ERS 的 可 遗传 机 制 来 实现 的 ”， Cnr 的 那 条 一 般 的 基因 控制 机 理 (例如 , 像 细菌 中 迪 色 体 拓 活 那 种 可 扩散 的 基因 调节 蛋白 的 作用 ) 是 不 能 解释 入 失 活 现象 的 遗传 ， 因 为 活性 和 XX 染 bas 正常 皮肤 (携带 有 突变 基因 的 那 条 驻 RE RIAD 图 8-106 HA—RIEWX REKM-RREXRAKH WRN ARADN. EE—-BMAl. AAEM MAE RX 染色 体 中 的 一 条 是 有 活性 的 。 突变 和 染色 体 携 有 能 引起 一 种 称 为 无 汗 性 外 胚 叶 性 发 育 异 常 的 皮肤 病 的 基因 。 其 表征 为 汗腺 的 缺陷 。 这 些 有 缺陷 的 皮肤 是 斑 块 状 的 ?表明 起 源 于 单一 细胞 克隆 ， 在 这 些 细胞 中 带 有 正常 基因 的 那 条 和 染色 体 是 失 活 的 。 98-105 ”人 中 期 染色 体 ， 用 特殊 技 术 染 色 使 结构 异 染色 质变 黑 。 数字 这 些 克隆 之 所 以 如 此 ,是 因为 失 活 和 染色 体 一 旦 发 生 失 活 之 后 和 字母 用 来 给 特异 染色 体 标 号 。 就 能 在 其 所 有 的 子 细胞 中 如 实地 遗传 下 去 ( 见 图 8-107)。 色 体 和 失 活 广 染 色 休 上 同样 的 DNA 序列 在 同一 细胞 核 中 所 受 的 调节 完全 不 同 。 一 种 可 能 性 是 , 失 活 染色 体 的 特殊 染色 质 结构 在 DNA 复制 时 靠 着 随 亲 代 核 小 体 带 过 来 的 结构 信息 直接 从 亲 代 DNA 螺旋 传 到 子 代 DNA 螺旋 ( 见 615 页 上 的 讨论 )。 下 面 我 们 将 会 看 到 , 任何 与 染色 质 协同 结合 且 不 离开 DNA 的 染色 体 蛋白 质 都 可 能 遗传 , 并 同 样 能 很 好 地 起 这 种 作用 。 我 们 还 将 探讨 真 核 生 物 中 这 种 直接 遗传 的 基因 表达 状态 的 其 他 几 种 可 能 的 解释 。 不 管 它 的 分 子 基础 如 何 ， 将 个 别 基因 组 区 段 包装 在 异 染 色 质 中 显然 是 一 种 细菌 所 不 能 利用 的 遗传 调节 机 制 。 这 类 真 核 生 物 所 独 有 的 基因 调节 方式 的 主要 特征 是 , RRA 稳定 记忆 是 贮存 在 直接 遗传 的 染色 质 结构 中 ， 而 不 是 贮存 于 能 在 细胞 核 中 到 处 扩散 的 自 我 调节 的 基因 活化 蛋白 的 稳定 反馈 环 之 中 。 使 这 些 大 片 染色 质 失 活 的 机 理 是 否 也 在 个 别 © 443。 在 此 克隆 中 只 有 Xnm 有 活性 在 此 克隆 中 只 有 人 Xp 有 活性 图 8-107 图 解难 性 哺乳 类 动物 中 浓缩 的 失 活 X 染 色 体 的 克隆 和 遗 传 染色 质 环 状 区 域 的 水 平 上 发 生 作 用 ,还 不 清楚 。 原则 上 协同 结合 的 基因 调节 蛋白 徐 是 能 直接 遗传 的 兽 提 出 过 好 几 种 比较 简单 的 基因 调节 机 理 来 解释 高 等 真 核 生 物 中 基因 调节 的 遗传 型 式 , 这 些 机 理 也 能 解释 我 们 刚才 讨论 的 无 活性 浓缩 染色 质 的 遗传 其 中 一 个 解释 系 假设 有 一 种 基因 调节 蛋白 , 它 存在 多 个 拷贝 ,这 些 拷 贝 协 同 结合 到 染 色 质 的 特定 部 位 上 去 飞 例 见 图 8-7)。 如 果 这 往 基 因 调 节 蛋 白 在 DNA 复制 时 仍然 结合 在 DNA 上 ， 那 未 通过 遗传 每 个 DNA 子 螺旋 会 获得 一 部 分 。 因为 蛋白 质 结合 是 协同 的 ,所 以 该 答 中 遗传 下 去 的 部 分 可 以 与 另外 的 游离 蛋白 质 单 体 结合 ,由 此 恢复 到 簇 的 原来 大 小 。 这 样 , 基因 的 调节 态 就 可 以 通过 其 染色 体 结 合 蛋白 直接 遗传 下 去 (图 8=108)。 原 WE, 这些 直 接 遗 传 的 蛋白 簇 能 以 稳定 的 方式 使 一 个 基因 开 或 关 。 目前 还 没有 证 明 这 种 基因 调节 机 理 的 例子 ， 由 于 要 进行 合适 的 实验 性 测试 是 困难 的 ， 所 以 这 些 图 式 还 不 能 验 证 。 。444 。 活性 基因 失 活 基因 DONA DNA 复 制 人 eo er. Meta 22 Smerer eR 68 ees 94 通过 协同 结合 力 028 | errors ea ed | “hae | | , : 调节 蛋白 bee | Ket | | 子 基因 都 有 活性 子 基因 都 没有 活性 图 8-108 DNA 复制 时 基因 表达 态 直接 遗传 的 一 般 图 解 。 按照 这 个 假设 的 模型 ， 协 同 结合 的 基 因 调 节 蛋 白 徐 有 一 部 分 直接 从 亲本 DNA 螺旋 传递 到 子 DNA 螺旋 。 每 个 遗传 下 去 的 簇 使 得 每 个 子 DNA 螺旋 与 同样 基因 调节 蛋白 的 另 一 些 拷贝 相 结合 。 但 因为 这 是 一 种 协同 的 结合 ( 见 图 8-7)， 所 以 从 缺乏 这 种 结合 基因 调节 蛋白 的 同一 个 亲本 DNA 螺旋 合成 DNA 将 依然 没有 这 种 蛋白 质 。 要 是 结合 的 基因 调节 蛋白 是 起 关闭 基因 转录 的 作用 ， 那 末 直 接 遗 传 的 是 无 活性 基因 态 , 这 就 象 正文 中 所 讨论 的 尽 染 色 体 失 活 的 情况 一 样 。 这 种 类 型 的 结合 基因 调节 蛋白 还 有 一 种 是 开局 基 因 转 录 的 ;在 那 种 情况 下 直接 遗传 下 去 的 是 活性 基因 态 , 正 像 这 里 所 示 的 那样 。 DNA 甲 基 化 型 式 的 直接 遗传 有 助 于 调控 某 些 哺乳 动物 基因 ” 在 哺乳 动物 细胞 中 唯一 已 经 有 一 些 直接 证 据 并 能 够 解释 细胞 记忆 的 基因 调节 机 理 就 是 DNA HE, 包括 人 在 内 的 许多 高 等 真 核 生 物 DNA 中 都 含有 少量 的 5-H We. EAE DNA 双 螺 旋 中 的 胞 啶 碱 基 通过 甲 基 化 形成 的 (图 8-109)。 已 知 这 种 甲 基 化 是 自动 遗传 的 ,这 是 因为 哺乳 动物 细胞 中 使 DNA 甲 基 化 的 酶 有 特殊 性 质 的 缘故 。 这 种 酶 似乎 存在 两 种 限制 条 件 : 一 个 是 ， 它 主要 只 能 使 CpG 序列 中 的 C 碱 基 甲 基 化 ; 第 =f, CpG 序列 必须 与 已 经 甲 基 化 的 CpG 序列 进行 碱 基 配 对 。 因此 ， 已 有 的 DNA 甲 基 化 方式 直接 通过 DNA 复制 遗传 下 去 (图 8-110)， 一 段 对 于 基因 活化 来 说 是 重 要 的 DNA 或 以 甲 基 化 形式 、 或 以 非 甲 基 化 形式 通过 重复 的 细胞 分 裂 而 稳定 地 保持 下 去 。 一般 说 ,无 活性 基因 DNA 往往 要 比 活性 基因 DNA 的 甲 基 化 程度 高 。 而 且 在 好 几 种 情况 下 已 经 证 明 , 含 甲 基 化 DNA 的 无 活性 基因 在 基因 活化 之 后 : 它 的 DNA RAR 基 化 了 。 但 是 , 这 些 观 查 却 不 能 排除 这 样 的 可 能 性 , BD DNA 甲 基 化 的 减少 是 基因 活化 的 原因 ,而 不 是 其 结果 。 证明 甲 基 化 改变 起 着 主导 作用 的 最 好 证 据 来 自 将 含有 5- 氨 胞 喀 啶 这 种 碱 基 类 似 物 (图 8-109) 的 核 萌 短 期 加 到 组 织 培养 细胞 中 的 实验 。 5- 氨 胞 喀 啶 是 AREAL. EBA DNA 后 就 会 降低 DNA 甲 基 化 的 普遍 水 平 。 可 以 看 到 , 如 果 细 胞 经 过 这 种 方式 处 理 后 ,特定 的 无 活性 基因 就 活跃 地 转录 起 来 , 与 此 同时 , 还 吸取 非 甲 基 化 的 胞 喀 啶 残 基 。 因为 在 没有 5- 氮 胞 旷 啶 存在 的 情况 下 ,活性 基因 态 一 般 能 维持 很 多 细 胞 世代 ,由 此 看 来 ,基因 原来 的 甲 基 化 极 可 能 就 是 引起 基因 无 活性 的 原因 。 目前 还 不 清楚 , 通过 DNA 甲 基 化 控制 基因 这 种 方式 有 多 人 么 广泛 。 例如 , 还 不 知道 它 是 否 对 雌性 哺乳 动物 中 存在 的 X 染 色 体 失 活 起 作用 ， 在 有 些 已 经 研究 得 很 清楚 的 例子 th, 当 基 因 表 达 状 态 改变 时 并 未 伴 有 甲 基 化 的 预期 改变 。 而 且 在 果 蝇 这 样 复杂 的 多 细胞 。445 。 真 核 生 物 的 DNA 中 好 象 根 本 没有 甲 基 化 胞 喀 啶 残 基 。 MPL DNA 甲 基 化 很 可 能 只 是 高 等 真 核 生物 细胞 用 以 产生 可 遗传 的 基因 调节 型 式 的 几 种 不 同 机 制 之 一 。 在 特殊 情况 下 局 部 DNA 序列 的 可 逆 重 排 也 可 以 使 基因 开启 和 关闭 ? 在 某 些 单 细胞 生物 中 ， 还 存在 一 种 更 为 彻底 的 机 制 可 以 产生 可 稳定 遗传 的 基因 调节 HA, 某 些 原核 生物 和 低 等 真 核 生 物 的 _DNA 可 以 重 排 而 使 特异 基因 活化 或 失 活 。 由 s-mtmee © DNA 序列 中 的 一 切 改变 在 以 后 的 DNA 复 bag HOA 制 过 程 中 都 将 忠实 地 复制 ， 所 以 这 样 一 种 由 重 排 ry af ae 决定 的 基因 态 也 遗传 给 它 的 所 有 子 代 。 虽 然 这 些 | 重 排 可 以 稳定 遗传 若干 世代 ,但 它们 是 可 逆 的 ,而 6 甲 基 化 机 o ”上 且 可 以 在 相当 长 的 时 期 内 重复 重 排 ， 以 致 会 产生 | | 交 变 的 基因 活性 模式 。 wef 在 沙门 氏 菌 中 存在 这 种 类 型 的 最 简单 的 机 制 ， 在 这 些 细菌 中 ， 一 段 1000 个 核 昔 酸 的 特殊 aa DNA 偶尔 会 倒 位 〈 图 8-111)。 可 以 说 这 段 DNA bles 是 在 (十 ) 态 和 (一 ) 态 之 间 “ 翻 转 >。 这 种 倒 位 对 基 Tec shag saa 因 表 达 的 影响 是 通过 这 1000 PRAM Bw nl, 子 部 位 来 实现 的 ,这 个 部 位 当 DNA 处 于 (十 ) 态 fs 时 使 细菌 合成 某 种 类 型 的 表面 外 壳 , 而 当 DNA ”处 于 (一 ) 态 时 则 合成 另 一 种 类 型 的 表面 外 壳 。 由 HI CERS PENCE, A ne FRIES ILO FRA, 所 以 整 不 细菌 于 CpG APIO ROMEE RAE. (BYERS ye ie Fe HH — Bh Ae hE CAM ALT Die, Haine LOO IM DNA SACRO ALE CHILE AE PER 时 ， 它 们 就 抑制 正常 的 胞 喀 啶 残 基 甲 基 化 。 护 细菌 免 遭 其 宿主 的 免疫 作用 。 如 果 宿 主 针对 一 种 类 型 外 壳 制 造 抗体 , 那 末 ,少数 由 于 基因 倒 位 而 使 其 外 壳 发 生 改 变 的 细菌 将 依然 能 存活 下 来 并 繁殖 。 在 有 些 酵 母 品 系 中 有 一 种 类 似 但 更 复杂 , 而 且 在 某 些 方面 也 更 有 意义 的 机 理 。 酵母 是 一 种 单 细胞 的 真 核 生 物 , 以 单 倍 体 状态 或 二 倍 体 状态 存在 ,二 倍 性 是 通过 一 种 由 两 个 单 倍 体 细胞 融合 在 一 起 的 称 为 接合 (mating) 的 过 程 而 达到 的 。 为 了 使 两 个 单 倍 体 细胞 接 合 ， 这 两 个 细胞 的 接合 型 必须 是 不 癌 的 。 在 普通 酿酒 酵母 〈8Saccpharomyce5 cerevisiae) 中 有 两 种 接合 型 ，w 和 “， 分 别 决定 于 占据 在 酵母 染色 体 称 为 接合 型 座位 的 特定 位 点 上 的 是 “基因 还 是 “ 基因 。 因 为 接合 型 是 遗传 的 , 所 以 近 缘 的 酵母 彼此 不 会 接合 。 但 是 单 倍 体 酵 导 细 胞 之 期 转换 它们 的 接合 型 。 接 合 型 的 变化 是 由 于 接合 型 座位 上 DNA 序列 发 生 改变 的 结果 。 不 过 这 种 改变 并 不 是 一 种 简单 的 倒 位 ,使 序列 或 者 “序列 得 以 表达 ,而 是 每 一 次 K 型 细胞 变化 成 为 “型 细胞 时 ,接合 座位 上 的 型 基因 被 切除 , 代 之 以 一 个 新 合成 的 @ 型 基因 ,这 个 基因 是 从 基因 组 中 其 他 地 方 的 一 个 无 活性 的 “ 型 “ 主 ” 基 因 复 制 出 来 的 。 因为 这 种 改变 涉及 到 从 一 个 活性 “ 槽 ”里 除去 一 个 基因 , 代 之 以 另 一 个 基因 ,所 以 这 种 机 理 就 被 称 为 盒 带 机 理 (cassette mechanism), 因为 虽然 接合 型 座位 上 原来 的 & 型 基因 被 除去 ， 但 在 基因 组 中 其 他 地 方 还 有 无 活性 。446 。 (CMs Hg ACCTATCGT ACET ATOGT ， 甲 基 化 的 SOR 3' my 5 3 Fi i , ie . ' 3' 5° aig (CAs a RE CATACEA TGCATAGCA ACGTATCGT . | Chi, Fi ; 不 被 识别 被 里 基 化 5’ DNA 复 制 ”” 酶 所 识别 TGCATAGCA | sitet ACGTATCGT.,, CH, 5 ACGTATCCT, ,, geet a) cs 3° “7 5! 3" 5 TGCATAGCA TGCATAGCA CH, CH, 在 子 DN A 螺 旋 的 新 亲 代 的 DN A 甲 基 化 型 ee bi PRA 式 遗传 给 两 个 子 螺 旋 图 8-110 认为 DNA 甲 基 化 型 式 如 实 遗 传 的 假想 图 解 。 在 真 核 生 物 DNA 中 ,CpG 序列 中 的 胞 喀 啶 碱 基 大 部 分 是 甲 基 化 的 ( 见 图 8-109)。 因 为 存在 有 受 甲 基 引 导 的 甲 基 化 酶 ?所 以 一 种 DNA 甲 基 化 型 式 一 旦 确定 下 来 ， 甲 基 化 部 位 往往 就 如 图 示 那 样 地 和 遗传 到 子 DNA 中 。 这 就 是 说 "生物 可 以 通过 克隆 遗传 的 方式 ， 利 用 DNA 甲 基 化 型 式 来 使 特异 基因 开 或 关 。 有 证 据 表 明 * 哺 乳 动 物 细胞 中 有 些 基 因 是 通过 这 种 方式 控制 的 ;无 活性 基因 DNA 甲 基 化 程度 要 比 活性 基因 DNA 为 高 。 | La 图 8-111 APPAR AY “RN” E— NE DNA 倒 位 就 可 使 细胞 中 的 基因 A 或 者 基因 B 交替 发 生 转 录 。 造 成 翻转 的 部 位 特异 重组 机 制 已 在 它 处 叙述 过 。 这 种 机 制 只 偶尔 被 激活 。 所 以 图 示 的 (二 ) 态 和 (一 ) 态 往往 在 细胞 的 每 个 克隆 中 真实 地 遗传 下 去 。 沙 门 氏 菌 中 的 控制 机 制 也 属于 这 种 类 型 ， 但 要 复杂 一 些 。 的 “型 主 基 因 , 所 以 , 这 种 变化 是 可 逆 的 。 偶 尔 会 有 一 个 “型 基因 的 新 拷贝 产生 ,并 重 新 插 人 而 使 基因 组 恢复 到 原来 状态 。 由 此 看 来 , 从 “ 型 主 基 因 和 “型 主 基因 复制 出 来 的 拷贝 起 着 用 一 次 便 可 扔 掉 的 DNA 使 带 的 作用 ， 它 们 每 隔 一 段 时 间 插 人 到 接合 型 座 位 (其 作用 有 如 放 音 磁头 )， 从 而 使 酵母 细胞 在 两 种 不 同 接合 型 之 间 变 来 变 去 (图 8-112)。 一 般 认 为 ,含有 接合 型 主 基 因 的 无 活性 部 位 与 含有 表达 基因 的 活性 部 位 之 间 的 差异 ， 。447 。 Se C3 XS 在 于 染色 质 的 结构 。 看 来 , 位 于 无 活性 部 位 的 基因 由 于 其 DNA 处 在 活性 蛋白 所 进 不 去 的 染色 质 结构 中 , 所 以 不 转录 。 可 是 当 移 到 接合 型 座位 上 时 ， 虽 然 还 是 同样 的 DNA Fe 列 , 但 染色 质 却 由 于 受 附近 染色 体 区 扩展 来 的 影响 而 采取 了 比较 开放 的 构象 。 原 则 上 , 许 多 不 同 DNA 序列 中 任何 一 种 序列 都 可 以 通过 这 样 一 种 盒 带 机 理 播 人 到 某 一 个 部 位 上， 因而 一 个 细胞 就 可 以 产生 许多 不 同 的 可 遗传 的 基因 型 式 。 最 近 , 有 人 发 现 了 一 种 类 似 的 机 理 , 它 可 以 使 覆盖 在 锥 虫 表面 的 主要 蛋白 质 产生 许多 变化 。 这 些 单 细 胞 真 核 生 物 在 人 和 家 畜 中 引起 诸如 展 睡 病 这 样 严 重 的 疾病 。 如 同 在 沙门 氏 茵 中 的 情况 一 样 ,这 些 表面 变化 可 以 使 锥 虫 避 开 宿 主 的 免疫 防御 。 实验 证 明 从 一 个 体 细胞 中 的 遗传 信息 可 以 再 生出 一 个 完整 的 生物 ( 见 419 页 )， 这 表 明 ,高 等 真 核 生 物 细胞 的 分 化 不 一 定 伴 有 DNA 序列 的 不 可 逆 变 化 。 不 过 这 类 观察 结果 却 启 示 了 另 一 种 可 能 性 ,， BD DNA 序列 的 可 逆 变 化 一 一 类 似 于 在 沙门 氏 菌 、 酵 母 及 锥 虫 5 接合 型 得 到 表达 mie 型 含有 活性 型 ay Sie 420 D NA 序列 的 Ho 2 oa 型 RNA 切除 下 来 的 c 型 ] 接合 型 转换 “] 序列 被 降解 82878 [a \ os SS a 型 DNA 序 列 的 新 拷贝 | a 接合 型 得 到 表达 | 含有 活性 型 DN 人 A 序列 的 接合 型 座位 Q& 型 RNA 图 8-112 使 酵母 能 在 wx 型 和 a 型 这 两 种 接合 型 之 间 换 来 换 去 的 “ 盒 带 机 理 ” 的 示意 图 。 原 则 上 ,这样 一 种 盒 带 机 理 也 可 以 插入 从 两 个 以 上 不 活动 部 位 上 复制 出 来 的 多 个 基因 拷贝 从 而 产生 各 种 各 样 的 基因 表达 型 式 。 如 图 8-111 中 的 机 理 一 样 涉 及 DNA 重 排 这 一 事实 表示 ， 基 因 表 达 的 改变 可 以 直接 遗传 给 予 细胞 。 。448 。 中 已 经 观察 到 的 变化 一 一 是 造成 基因 表达 产生 遗传 变化 的 原因 ， 而 这 些 变化 是 正在 发 育 的 体 细 胞 的 特征 。 在 体 细胞 中 染色 体 的 个 别 部 分 可 以 缺失 也 可 以 扩 增 ” 虽然 大 多 数 生物 的 体 细胞 在 发 育 和 分 化 过 程 中 似乎 保留 了 它们 的 全 部 完整 的 DNA， 但 却 不 存在 什么 先 验 的 道理 而 非 如 此 不 可 。 原 则 上 ,只 有 生殖 系 细胞 ORF) 必须 含 浓缩 染色 休 “ 一 染色 体 消减 | BAH 一 一 一 一 一 一 Cyclops divulsus 染色 体 浓缩 染色 质 染色 体 消减 | GAR _Cvclons strenuus 染色 体 - 剑 水 备 一 -一 种 淡水 挠 足 类 图 8-113 染色体 个 别 部 分 在 两 种 不 同 模 足 类 中 消减 方式 的 比较 。 如 图 解 中 说 明 的 那样 ;在 这 两 PREAH * 待 消减 的 染色 质 先 变 得 非常 浓缩 之 后 才 被 消减 。 失 的 片段 很 快 从 细胞 中 排出 。 有 完整 的 基因 组 。 事 实 上 ， 在 少数 例子 中 DNA 确实 发 生 广 泛 的 变化 。 EAH URW RED, Bl anil Bix PP AUG AE ES EA A seo 存在 或 许 是 最 生动 的 例子 了 。 它 们 在 发 育 的 很 早 时 期 , 卵 才 不 过 分 有 裂 几 次 以 后 ,所 有 分 裂 细 胞 , 除 一 个 以 外 ,都 去 除了 它们 染色 体 中 的 特定 异 染 色 质 部 分 ， 结 果 这 些 染色 体 的 大 小 只 有 其 原来 大 小 的 一 半 左 右 。 消 a2 Bx Aur a Sete oe | wna 5 72.879 图 8-114 图 解 rRNA 基 因 在 极 早 期 的 两 栖 动物 卵 母 细 胞 中 的 扩 增 情况 。 DNA 分 子 脱离 染色 体 后 就 合成 扩 增 的 基因 。 这 样 , 体 细胞 谱系 中 全 部 DNA 有 一 半 左 右 就 消失 了 ， 而 下 一 代 的 全 部 生殖 细胞 都 是 由 保留 着 完整 染色 体 的 那 对 子 细胞 产生 的 。 估 计 从 其 余 细 胞 中 丢失 的 DNA 可 能 含有 只 为 生殖 细胞 所 必需 的 序列 。 。449。 在 分 子 水 平 上 ,特异 染色 体 片段 的 丢失 一 定 是 由 于 在 DNA 序列 的 特异 部 位 上 切割 DAN 螺旋 的 结果 。 在 有 些 生 物 中 , 只 有 染色 体 端 部 被 切除 。 但 在 英勇 剑 水 孟 (Cyclops strenuus) jXPUR BA, 由 于 异 染色 质 片段 是 散布 在 整 条 染色 体 上 的 ， 所 以 去 除 它们 就 需要 多 处 切割 , 而 且 在 每 处 切割 之 后 都 需要 特异 DNA 的 再 连接 ， 以 使 染色 体 恢 复 完 整 (A 8-113), ZEEE BAR AO HR EE HS BE LS HE Se Hh th ERA ~DNA HE, 不 过 规模 要 小 得 多 。 在 淋巴 细胞 的 发 育 过 程 中 , 编码 抗体 分 子 的 基因 通过 这 样 的 重 排 产 生 多 种 多 样 不 同 的 抗体 蛋白 。 与 在 赔 足 类 中 的 情况 一 样 ,只 在 特异 DNA FF LGD 割 ,同时 伴 有 DNA 再 连接 的 过 程 ,而 这 些 过 程 只 安排 在 细胞 发 育 的 某 些 阶段 进行 ( 见 第 十 七 章 )。 不 过 在 形成 抗体 的 细胞 中 ,丢失 的 染色 体 只 占 整 个 基因 组 中 的 一 小 部 分 。( 不 要 把 这 种 重 排 与 RNA 加 工 中 的 事件 混淆 起 来 , 前 者 是 发 生 在 DNA 水 平 上 的 ,后 者 则 介 导 在 这 些 淋巴 细胞 中 由 膜 结 合 抗体 到 分 沁 抗 体 之 间 的 转变 。) 相反 地 ,在 有 些 特 化 细胞 中 ,特异 基因 是 扩 增 的 。 这 些 细胞 的 基因 组 有 一 小 段 在 一 个 细胞 世代 中 就 复制 好 几 次 ,结果 就 产生 某 个 特异 DNA 序列 的 多 个 附加 拷贝 。 这 见于 两 种 类 型 的 细胞 , 它们 都 必须 相当 快 地 制造 出 大 量 的 单 基 因 产 物 。 一 种 是 许多 动物 的 正在 发 育 的 卵 ( 卵 母 细 胞 ) , 它 必 须 制 造 并 贮藏 巨大 数量 的 核糖 体 。 例 如 ,在 极 早 期 的 非洲 爪 蟾 卵 母 细胞 中 ，rRNA 基因 扩 增 1 000 倍 左右 ,它们 产生 许多 游离 的 rDNA 分 子 ， 这 些 分 子 聚 集 在 一 起 形成 1 000 个 左右 的 附加 核 仁 (图 8-114)。 在 卵 生长 直至 成 熟 大 小 的 过 程 中 ,这 些 核 仁 中 合成 了 大 量 的 rRNA， 并 装配 了 大 量 核糖 体 ( 见 图 14-29)。 另 一 种 有 特异 基因 扩 增 的 就 是 滤 泡 细胞 ， 这 种 细胞 合成 和 分 记 形 成 昆虫 卵 坚硬 外 壳 ( 即 卵 壳 ) 的 蛋白 质 。 例 如 在 果 蝇 中 , 在 需要 产生 卵 壳 蛋白 之 前 ,编码 这 种 蛋白 质 的 DNA 序列 扩 增 约 30 (A 8=115)。 根据 我 们 现 阶 段 的 了 解 ， 虽 然 体 细胞 中 个 别 DNA 序列 可 以 缺失 、 改 变 、 或 者 扩 增 ， 但 是 基因 组 的 这 种 不 可 逆 变 化 在 高 等 动 植物 的 发 育 过 程 中 只 是 偶尔 发 生 。 染色 体 的 大 规模 重 排 通 常 是 有 害 的 ” 染色 体 数 目 与 排列 的 重大 变化 往往 会 引起 严重 畸形 这 一 点 是 毫 不 足 怪 的 。 人 为 了 保 持 正常 ,每 种 常 染色 体 必 须 有 两 份 ,而且 必须 只 有 两 份 。 偶 然 只 从 上 代 得 到 一 份 常 染色 体 的 胚胎 是 不 能 活 的 ,而 活 下 来 的 有 三 份 常 染色 体 的 个 体 (三 体 性 ) 常 常 呈 明 显 畸 形 : 只 有 第 21 号 染色 体 有 三 份 的 个 体 ( 患 先天 愚 型 ,或 称 Down 氏 综 合 征 ), 第 13 号 染色 体 有 三 份 的 th RBS 18 号 染色 体 有 三 份 的 个 体能 真正 活 下 来 。 染 色 体 的 正确 数目 对 于 正常 细胞 的 功能 与 发 育 来 说 显然 是 重要 的 。 通常 在 一 个 染色 体 之 内 或 者 在 染色 体 之 间 的 重 排 也 会 产生 不 能 成 活 的 胚胎 , 它 在 出 生 之 前 早 就 死去 。 但 在 人 类 中 曾 发 现 某 些 类 型 的 染色 体重 排 , 其 遗传 物质 的 总 数 并 没有 影 响 , 这 些 人 在 其 他 方面 都 完全 正常 。 有 5 对 单 辟 染色体 (第 13\`14、15、.21 和 22 染 色 体 ), 其 中 任何 两 个 染色 体 的 顶端 都 有 可 能 发 生 融 合 ， 结 果 形 成 双 劈 染色体 。 所 以 发 生 这 种 染色 体 融合 时 正常 个 体 中 只 有 45 条 染色 体 ,而 不 是 46 条 染色 体 。 此 外 ,在 正常 个 体 中 还 可 发 现 染色 体 易 位 ， 易 位 时 两 条 不 同 染 色 体 的 片段 互 换 ， 而 并 不 丢失 染色 体 物质 (图 8-116). 这 类 变化 的 影响 有 多 人 么 小 ,这 可 在 羌 鹿 (barking deer) 中 找到 一 个 最 明显 的 例子 : 芜 鹿 的 。450 。 两 个 近 缘 种 的 遗传 物质 几乎 完全 一 样 , 但 却 分 别 分 布 在 46 条 小 染色 体 或 者 6 条 大 染色 体 Ee 但 是 在 任何 动物 中 观察 到 的 特殊 的 染色 体 变化 决 不 是 对 可 能 发 生 的 全 部 变化 的 随机 选择 ;看 来 只 有 某 些 排列 才能 产生 正常 的 生物 。 特殊 的 复制 起 点 | Ap |sasf EAT eSB eR PR, = a z 3 ee a | 所 体 的 相互 易 位 | 图 8-115 ”图解 想像 的 果 蝇 滤 泡 细胞 图 8-116 ”图 解 通常 在 人 类 中 发 现 的 两 中 旷 壳 基因 进行 特异 扩 增 时 发 生 的 类 染色 体重 排 。 染 色 体 融合 时 MAR 过 程 的 类 型 。 如 图 所 示 ，* 这 里 的 扩 增 色 体 合 而 为 一 染色 体 相 互 易 位 时 两 基因 看 去 仍然 是 与 染色 体 连 在 一 起 条 染色 体 互 换 部 分 形成 两 条 重 排 的 染 的 。 Eiko 刚才 讨论 的 染色 体重 排 是 遗传 的 ,而且 存 在 于 每 个 细胞 中 。 但 是 在 动物 的 一 生 中 * 在 体 细 胞 中 也 可 以 发 生 同 一 类 型 的 重 排 ， 这 些 重 排 可 以 对 细胞 行为 有 巨大 影响 。 几 乎 人 的 所 有 肿瘤 细胞 都 有 各 种 各 样 的 染色 体 异 常 ,包括 易 位 \ 缺 失 及 重复 等 。 其 中 多 数 好 像 是 随 机 的 ， 但 是 在 某 些 情况 下 ， 一 种 特异 的 染色 体 变 化 可 以 重复 地 在 某 一 种 类 型 的 肿瘤 中 再 现 。 例 如 ,多 数 患 某 一 类 型 白血病 (慢性 骨 骨 性 白血病 ) 的 病人 的 瘤 细胞 在 第 22 号 染色 体 与 第 9 号 染色 体 远 端 之 间 有 个 易 位 。 同 样 地 ， 多 数 患 Burkitt 氏 淋 巴 瘤 的 病人 的 瘤 细胞 下 在 第 8 号 染色 体 与 第 14 号 染色 体 之 间 有 一 个 特殊 易 位 ,等 等 。 有 人 假定 ,这 些 可 重复 再 现 的 染色 体 变化 将 一 个 编码 某 种 调节 蛋白 的 基因 转移 到 了 一 个 高 度 表达 的 基因 的 旁 辽 ， 。451 。 由 此 制造 出 异常 大 量 的 调节 和 蛋白。 这 种 过 量 生产 可 能 是 由 于 被 易 位 基因 的 染色 结构 发 生 变化 而 引起 的 。 一 般 认 为 ， 这 种 变化 使 产生 肿瘤 的 细胞 能 够 逃脱 正常 生长 控制 。 这 些 控 制 的 性 质 以 及 逃脱 这 些 控制 的 方法 将 在 第 十 一 章 和 第 十 六 章 中 讨论 。 染色 体重 排 后 除非 是 每 条 染色 体 末 端 含 一 条 正常 染色 体 的 顶端 ,否则 是 不 稳定 的 ， 并 且 带 有 一 条 断 端 染色 体 的 细胞 最 终 要 死亡 。 染 色 体 顶端 叫做 端 粒 ， 为 保证 位 于 那里 的 DNA 双 螺 旋 的 末端 圆满 地 完成 每 次 DNA 复制 周期 ， 端 粒 的 结构 必然 要 很 特殊 。 最 近 用 酵母 细胞 进行 的 实验 表明 ,位 于 17 条 酵母 染色 体 的 每 个 顶端 的 端 粒 都 含有 一 个 近 缘 的 约 为 3 000 个 核 背 酸 长 的 DNA 序列 。 对 于 为 什么 要 在 一 条 染色 体 的 末端 正常 戴 上 这 样 K—E DNA 序列 的 帽子 还 不 了 解 。 小 结 看 来 ， 高 等 真 核 生物 中 细胞 ”记忆 ”的 某 些 机 理 是 在 染色 体 结 构 的 水 平 上 起 作用 的 。 尤其 是 把 基因 包装 成 蜡染 色 质 好 像 有 助 于 将 失 活 状态 遗传 下 去 ， 雌 性 哺乳 动物 细胞 的 两 条 X 染 色 体 中 一 条 失 活 的 现象 就 生动 地 说 明了 这 一 点 。 原核 生物 类 型 的 可 扩散 基因 调节 蛋白 不 能 承担 这 种 类 型 的 可 遗传 的 基因 控制 ， 因 为 单个 细胞 中 一 个 基因 的 两 个 相同 的 持 ALARM APH THAME HAMASRERE AE DNA 复制 过 程 中 的 直接 遗 传 ，DNA 甲 基 化 型 式 的 直接 遗传 ,以 及 局 部 重 排 的 DNA 序列 的 遗传 DNA 序列 的 组 织 与 进化 邓 在 现代 生物 的 基因 组 中 记载 着 大 量 的 进化 历史 。 一 部 分 历史 现在 可 以 从 用 重组 DNA 技术 确定 的 大 量 DNA 序列 中 推断 出 来 〈 见 185 页 )。 等 到 更 多 的 基因 的 序列 得 到 阐明 时 ,或 许 就 能 很 清楚 地 看 到 ， 编 码 特异 蛋白 质 的 DNA 序列 在 几 亿 年 来 是 如 何 进化 的 。 不 过 现在 ， 我 们 还 必须 以 一 种 概括 得 多 的 方式 来 论述 现存 基因 组 与 基因 组 借以 进化 所 经 过 的 过 程 之 间 的 关系 。 通 过 研究 现存 生物 DNA 的 行为 ,我 们 可 以 就 有 关 的 进化 事件 作 一 明智 的 推测 。 遗传 重组 驱动 进化 的 改变 如 讨论 有 关 DNA 复制 和 DNA 修复 过 程 时 所 指出 的 那样 (第 五 章 ), 编 码 蛋白 质 的 DNA 核 苷 酸 序列 为 什么 必须 准确 地 复制 和 保守 是 有 明确 的 理由 的 。 虽然 已 经 了 解 得 很 详细 的 DNA 序列 大 多 数 是 非常 稳定 的 (它们 在 每 200 000 年 中 每 1 000 碱 基 对 约 只 有 一 个 碱 基 对 发 生 随机 变化 ， 第 208 页 )， 但 某 些 序列 发 生 重 排 的 频率 却 令 人 吃惊 。 其 中 许多 是 高 度 重复 的 序列 ， 是 通过 遗传 重组 而 重 排 的 。 虽 然 对 这 些 重 排 的 全 部 意义 还 不 完 全 了 解 ， 但 是 其 中 有 些 对 进化 过 程 中 产生 多 样 性 起 着 重要 作用 。 在 这 一 节 中 ， 我 们 将 氢 述 某 些 重复 DNA 序列 ,以 及 它们 所 经 历 的 变化 。 大 多 数 真 核 生 物 DNA 的 一 大 部 分 是 由 重复 核 苷 酸 序列 组 成 的 ” 在 高 等 真 核 生 物 DNA 中 发 现 高 度 重 复 的 核 背 酸 序 列 是 令 人 十 分 吃惊 的 。 它 们 最 先是 由 确定 基因 拷贝 数 的 杂交 技术 发 现 的 。 测 定 步骤 包括 ， 先 使 基因 组 断裂 成 约 1.000 。452 。 MRBBRAVNE DNA 双 螺旋 ， 然 后 再 使 这 些 片 段 变性 形成 单 链 DNA。 单 链 片段 的 混合 物 在 使 双 螺 旋 构象 稳定 的 条 件 下 重新 结合 ， 结 合 速度 取决 于 每 个 片段 所 能 找到 的 互 补 链 有 多 少 。 因 为 要 重建 起 一 个 哺乳 动物 细胞 的 单 倍 体 基因 组 ,必须 总 共 把 约 600 万 个 ， 1000 个 核 苷 酸 长 的 不 同 DNA 片段 加 在 一 起 ， 所 以 反应 多 半 是 非常 缓慢 的 。 在 二 倍 体 细胞 中 任何 只 存在 两 个 拷贝 的 基因 必须 与 6 百 万 非 互 补 链 随机 碰撞 后 才能 偶然 碰 上 一 个 能 匹配 的 配偶 链 。 一 个 典型 哺乳 动物 细胞 的 DNA 经 过 这 样 的 分 析 之 后 ， 发 现 70 兄 左右 的 DNA 链 重 退 火 的 速度 慢 得 就 象 它们 都 是 非 重复 DNA 序列 似 的 , 全 部 结合 需要 好 几 天 。 但 其 余 的 30% DNA 链 大 多 数 退 火 要 快 得 多 。 这 些 链 中 含有 在 基因 组 中 重复 许多 次 的 序列 ， 所 以 它们 与 互补 对 像 的 相 撞 比 较 快 。 这 些 在 大 多 数 细菌 中 没有 发 现 的 高 度 重复 DNA 序 列 有 两 种 类 型 一 一 卫星 DNA 和 散 置 重复 DNA, 时 常 发 生 的 遗传 重组 事件 可 使 审 连 重复 的 卫星 DNA 序列 加 长 或 缩短 ” 在 刚才 令 述 过 的 那 种 实验 中 退火 最 迅速 的 DNA 链 通常 含有 由 小 段 核 背 酸 顺 序 串 连 组 成 的 重复 序列 (图 8-117)。 这 一 类 型 的 序列 中 的 重复 单位 可 以 只 有 一 个 或 两 个 核 背 酸 , 但 最 为 常见 的 是 170 到 250 个 核 痛 酸 长 的 重复 单位 。 这 些 串 连 重 复 的 DNA 序列 之 所 以 叫做 卫星 DNA, 是 因为 , 最 早 发 现 的 这 种 类 型 的 DNA 有 不 寻常 的 核 背 酸 比 率 ， 使 得 我 们 有 可 能 将 这 种 DNA 作为 一 种 次 要 组 分 (或 “ 随 体 ”) 与 细胞 的 大 部 分 DNA 区 别 开 来 。 卫 星 DNA 序列 好 像 是 不 转录 的 , 而 且 是 常常 位 于 与 染色 体 着 丝 粒 区 相 联 的 异 染色 质 中 。 在 有 些 哺乳 动物 中 ,一 种 类 型 的 卫星 DNA 序列 可 占 DNA 的 10 多 或 者 更 多 ,甚至 有 可 能 占据 整个 染色 体 臂 〈 每 个 细胞 有 几 百 万 个 重复 长 度 的 拷贝 )。 卫 星 DNA 序列 似 乎 在 进化 过 程 中 变化 得 非常 快 ,甚而 还 改变 了 它们 在 染色 体 上 的 位 置 。 例 如 ,人 基因 组 中 至 少 有 三 种 主要 的 卫星 DNA 序列 ,在 每 个 着 丝 粒 处 存在 着 由 这 三 种 卫星 DNA 序列 形 成 的 不 同 组 合 。 比 较 任 何人 的 两 条 同 源 有 丝 分 裂 染 色 体 ,常会 发 现 , 某 些 由 父母 亲 遗 传 下 来 的 卫星 DNA 序列 的 排列 彼此 存在 着 明显 的 差异 。 此 外 ,任何 两 个 近 缘 物种 的 卫星 DNA 序列 通常 也 有 明显 的 差异 。 这 与 该 基因 组 中 TATTTGATATTUTGATATTT GA 图 8- 117 一 个 简单 的 卫星 DNA 序列 ， 由 许多 一 段 眉 长 为 7 个 核 昔 酸 的 序列 串 连 重复 排列 而 成 。 这 种 特殊 DNA 序列 是 在 果 蝇 中 发 现 的 。 其 他 地 方 DNA 序列 的 高 度 保守 性 适 成 对 比 。 卫 星 DNA 迅速 进化 的 一 个 原因 是 , 它 的 重复 性 质 促 使 大 片 大 片 的 DNA 在 遗传 重组 过 程 中 重复 、 缺 失 。 这 种 重组 大 多 数 好 像 有 些 乱伦 ， 就 发 生 在 两 个 新 复制 的 DNA 子 螺旋 之 间 ( 图 8-118) 还 不 知道 ,卫星 DNA 的 这 种 遗传 不 稳定 性 是 不 是 对 生物 进化 有 什么 显著 的 影响 。 但 是 正如 我 们 将 会 看 到 的 ;类 似 的 一 一 不 过 罕见 得 多 的 一 一 重组 事件 使 有 遗传 活性 的 DNA 序列 重复 和 缺失 ,这 可 能 具有 重要 进化 作用 。 e 453 。 Me S240 2: site, No a eee Ore, | 重复 序列 D NA 的 复制 2 2 RS Re ANNE 3 2 | cag itn lar 相互 配对 后 因 重 组 而 导致 交换 -和 SHEL SD 1234159 2/7 es 3 1 4 \ aN 1 as 及 区、 人 2 ed 1M Po ae? ware Zug |DNA 复 制 完毕 Te see Me 26S 4-1 2°3rA-t 23°44 9"s"4" 人 31722304 -一 -一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 加 长 的 DNA 拷 由 Zeon — = HHHDNAKBR 图 8-118 图 解 经 常 发 生 的 遗传 重组 事件 的 类 型 。 人 们 认为 这 种 事件 是 使 卫星 DNA 序列 发 生 迅速 变化 的 原因 。 由 于 序列 的 重复 ， 所 以 依赖 同 源 碱 基 对 间 的 识别 来 进行 的 遗传 交换 有 时 便 不 能 对 等 。 珠 和 蛋白 的 进化 告诉 我 们 DNA 的 随机 重复 如 何 有 助 于 生物 的 进化 ” 一 个 氨基 酸 序列 一 旦 进化 成 为 一 个 有 用 而 且 按 独特 方式 折 倒 起 来 的 蛋白 质 区 域 之 后 ， 编 码 它 的 那个 DNA 序列 就 可 能 重复 ， 而 重复 的 拷贝 稍 加 改变 就 可 以 制造 出 另外 的 稍 有 不 同 的 蛋白 质 。 这 种 看 法 来 自 于 各 种 具有 不 同 功能 的 蛋白 质 的 氨基 酸 顺 序 及 结构 之 闻 的 正确 无 误 的 同 源 性 。 正如 我 们 强调 过 的 ,大 多 数 突变 是 有 害 的 。 在 单 倍 体 生物 中 ,一 个 必需 基因 必须 重复 © 454。 之 后 才能 经 受 任何 大 的 变化 而 不 致 危及 生物 的 生存 。 相 反 ， 在 二 倍 体 生物 中 ， 每 个 基因 总 是 带 有 第 二 个 “额外 ”拷贝 ,所 以 可 以 经 受 突变 而 不 一 定 致死 。 因 而 从 理论 上 说 ,二 倍 性 对 生物 是 有 好 处 的 。 这 是 因为 二 倍 性 使 生物 能 够 形成 新 蛋白 质 的 速率 大 大 增加 。 进 化 事 件 的 预期 顺序 将 在 第 十 四 章 中 讨论 。 比较 在 系统 发 生 进程 上 不 同 水 平 的 生 单 链 珠 蛋白 结合 物 的 不 同 分 子 形式 ， 我 们 就 可 以 重建 红 细 Tee) 胞 蛋白 血红 蛋白 事件 的 顺序 。 要 让 多 细胞 Sle 动物 长 大 到 它们 不 再 能 单纯 依靠 经 体 表 扩 散 来 取得 氧气 的 地 步 ， 就 必须 要 有 类 似 血 红 蛋 白 的 分 子 ; 因 此 ,在 全 部 养 椎 动物 和 许 多 无 脊 椎 动物 中 都 存在 有 类 似 的 分 子 。 最 原始 的 携带 氧气 的 分 子 是 一 种 由 一 条 大 约 血红 集 上 的 QE y Hone teem 含 150 个 氨基 酸 的 单 链 组 成 的 珠 蛋 白 。 在 复制 进化 出 第 二 许多 海洋 蠕虫 .昆虫 及 原始 鱼 类 中 ,氧气 就 条 珠 蛋 白 链 是 由 这 种 珠 蛋 白 来 携带 的 。 可 是 在 高 等 戎 椎 动物 中 ， 甸 红 蛋 折 分 子 是 由 两 类 珠 蛋 白 100 i= 300 = 500 700 图 8-119 1I- 链 和 4- 链 珠 蛋白 结构 的 比较 。 A 图 8-120 推测 人 类 不 同 珠 蛋白 链 的 起 源 的 中 的 4- 链 珠 蛋 白 就 是 血红 和 蛋白, 它 是 由 两 条 c- 进化 树 。 这 方面 的 资料 可 以 从 各 种 不 同 物种 珠 蛋 白 链 和 两 条 8- 珠 蛋白 链 组 成 的 复合 体 。 的 相应 蛋白 质 或 DNA 序 列 的 详细 比较 得 到 。 链 所 组 成 的 。 看 来 在 5 亿 年 前 在 高 等 鱼 类 的 进化 过 程 中 ,一 定 发 生 过 一 系列 基因 突变 和 重 复 * 这 些 事件 导致 出 现 两 种 略 有 不 同 的 珠 蛋 白 基因 ,分别 编码 各 个 基因 组 中 的 和 & 珠 蛋 白 链 。 在 现代 高 等 脊椎 动物 中 ,血红 蛋白 分 子 是 由 四 条 链 : 两 条 链 和 两 条 & 链 所 组 成 的 复合 体 (图 8-119)o 这 种 结构 比 单 链 的 珠 蛋白 有 效 得 多 ， 这 是 因为 op 分子 中 有 四 个 氧 结合 部 位 可 以 相互 作用 ， 因 而 在 结合 氧 和 释放 氧 的 时 候 这 种 分 子 的 构象 发 生 一 种 协同 的 变 构 变化 。 这 就 使 得 它 能 将 其 结合 氧 的 更 大 部 分 释放 给 组 织 。 往 后 ,在 哺乳 动物 进化 期 间 , 两 个 - 链 基 因 中 的 一 个 看 来 是 又 一 次 发 生 突变 和 重复 ， 结果 产生 7Y 链 , 这 种 链 是 专门 在 胚胎 (或 胎儿 ) 中 合成 的 ， 生 成 的 血红 蛋白 为 yzo 这 种 台 儿 血 红 和 蛋白 对 氧 的 亲和力 比 成 人 血红 蛋白 要 高 ， 因 而 对 胎儿 有 好 处 。 更 后 在 灵 长 类 进 。455 。 化 期 间 ， 进 一 步 发 生 重复 而 产生 8 珠 蛋 白 基 因 ， 因 而 形成 另外 一 种 数量 较 少 的 血红 蛋白 (o5:)， 只 见于 成 年 的 灵 长 类 中 (图 8-120)。 有 时 在 进化 过 程 中 还 出 现 s 珠 蛋 白 基 因 ，, 结 果 形 成 胚胎 类 型 的 血红 蛋白 (aez)。 基因 重复 过 程 产生 了 血红 蛋白 链 的 多 样 性 ,而 不 同 功能 的 多 肽 链 来 源 于 原先 的 8 链 ， 从 编码 不 同 功能 的 多 肽 链 的 基因 的 排列 可 以 清楚 地 看 到 基因 重复 过 程 的 最 终结 果 。 利 用 重组 DNA 技术 对 这 些 基 因 进 行 了 详细 的 分 析 ,结果 表明 ,它们 排列 成 一 系列 同 源 DNA 序列 ， 位 于 人 的 一 条 染色 体 的 50000 个 碱 基 对 范围 之 内 (图 8-121)。 同 样 的 分 析 还 表 明 , 这 一 区 段 中 某 些 重复 的 珠 蛋 白 DNA 序列 不 相当 于 基因 。 这 些 序列 称 为 假 基因 (pseu- do-gene) ;它们 虽然 与 有 功能 的 基因 是 明显 同 源 的 ,但 由 于 发 生 突变 使 它们 不 得 表达 。 这 样 一 些 假 基因 的 存在 是 不 足 为 奇 的 ,因为 并 非 每 次 DNA 重复 都 会 导致 产生 新 的 有 功能 的 基因 。 只 要 仔细 比较 由 蠕虫 一 鱼 一 哺乳 动物 一 人 这 个 漫长 谱系 中 这 些 基因 的 DNA 序列 便 可 以 在 我 们 的 染色 体 中 辨认 出 我 们 进化 历史 的 大 量 情况 〈 也 见 图 44k 重组 事件 通过 连接 编码 区 域 也 能 形成 新 型 蛋白 链 * 我 们 刚才 已 经 看 到 ， 如 何 通过 一 < -一 一 50.000 个 碱 基 对 一 > a 本 有 二 31 让 有 7 6 B ee eS ee eas NIRS 人 的 类 B 5K A LE FE 图 8-121 人 的 类 BREA ARR 图 8-122 免疫 球 蛋 白 分 子 示意 图 。 这 种 分 子 是 排列 。 一 般 认 为 所 示 基 因 之 间 的 DN- 由 四 条 链 组 成 的 复合 体 : ”两 条 重 链 分 别 由 四 个 A 是 不 编码 蛋白 质 的 。x 基因 位 于 一 共 价 结合 的 类 似 区 域 (1 一 4) 组 成 ;而 两 条 轻 链 各 条 不 同 染 色 体 上 的 另 一 个 基因 往 中 ， 含 两 个 这 样 的 区 域 。 所 有 这 些 蛋 白质 区 域 好 像 估计 这 个 基因 是 由 于 很 时 发 生 的 重 都 是 由 一 小 段 原始 蛋白 质 序列 的 系列 重复 进化 组 事件 而 与 6 基因 分 开 的 。 来 的 。 系列 基因 重复 形成 了 几 种 由 两 类 相互 作用 的 多 肽 链 组 成 的 不 同 血红 蛋白 分 子 。 类 似 的 DNA 重复 也 可 导致 新 的 单个 基因 的 出 现 。 由 这 样 一 些 基因 编码 的 蛋白 质 是 能 够 识别 的 ,因为 它们 是 由 重复 的 类 似 的 蛋白 质 区 域 组 成 的 ,这 些 区 域 靠 共 价 连接 ， 而 且 是 串联 排 列 的 。 例 如 ,免疫 球 蛋 白 ( 图 8-122)、 请 蛋白 及 胶原 蛋白 就 是 这 样 产 生 的 。 要 形成 编码 这 种 蛋白 质 的 单 基因 必须 经 历 多 次 重复 , 而 当真 核 生物 DNA, 中 有 间 插 ， 序列 (内 含 子 ) 存 在 时 ,重复 的 积累 可 能 要 比 没有 间 揪 序列 时 快 得 多 。 要 是 没有 内 含 子 , 那 末 将 只 有 少数 部 位 可 以 在 其 上 发 生 姊 妹 DNA 分 子 之 间 的 重组 交换 ,从 而 通过 重复 形成 有 用 的 蛋白 质 区 域 。 相 反 ,要 是 在 一 个 区 域 两 边 有 长 的 内 含 子 , 则 就 可 以 提供 许多 不 同 的 可 能 发 生 重 组 的 部 位 (图 8-123), 因此 ， 内 含 子 能 够 大 大 增加 有 利 的 重复 事件 的 发 生机 率 s 。456 。 Buk BANEA BET WE RERE— EN Tat A & ATER BAY DNA 序列 连 在 一 起 ,同样 地 , 内 含 子 通过 增加 这 种 偶然 重组 事件 的 发 生机 率 也 有 助 于 产生 新 的 有 用 蛋白 质 。 所 以 一 般 来 说 , 真 核 生 物 编码 序列 中 的 内 含 子 会 增加 新 蛋 日 质 出 现 的 速率 。 Iv 39 4b 7 92 1AaF234N8F 56789 Se Be Aa A a gia Waar 123456789 1 Sig ia 56789 | 重组 产生 交换 的 1|2-3-423 4/56 789 ili Ee 52 末 + ~ ESMaBRR + 156789 56789 没有 内 含 子 时 的 复制 | 有 内 含 子 时 的 复制 8-123 ”表示 内 含 子 的 存在 如 何 加 速 一 种 新 蛋白 质 的 偶然 产生 的 示意 图 。 这 种 新 蛋白 质 中 含有 重复 的 蛋白 质 区域 , 图 中 用 字母 <“ 2 3 4 ?来 表示 。 注 意 , 形 成 的 新 内 含 子 可 以 与 许多 不 同 的 内 部 序 列 发 生 作用 (图 8-46)。 这 就 是 说 ,在 许多 部 位 上 的 重组 都 可 以 导致 产生 一 种 含有 图 中 所 示 的 重复 的 蛋白 质 。 短 的 散 置 重 复 序列 在 真 核 生物 基因 组 中 很 常见 “ 卫星 DNA 序列 在 多 数 哺乳 动物 中 只 占 全 部 重复 DNA 的 三 分 之 一 左右 。 其 余 的 重复 序列 ( 占 细 胞 总 DNA 的 20 狗 左右 ) 重新 结合 的 速率 比 卫星 DNA 要 慢 ,但 比 单 找 贝 序 列 要 快 。 已 知 有 几 个 必需 基因 (编码 rRNA, 5S RNA, tRNA 及 组 蛋白 的 基因 ) 在 基因 组 中 是 重复 的 ， 它 们 在 这 种 重复 DNA 中 占 一 定 比 例 。 但 是 , 这 些 已 知 序列 占 基因 组 的 1 PASI, HUE DNA 一 样 ,这 种 重复 DNA 大 多 数 也 没有 已 知 的 功能 。 在 人 和 陆 齿 类 中 已 发 现 有 一 大 族 散 置 重 复 DNA 序列 ， 它 们 在 非 卫星 的 重复 DNA 中 占 大 部 分 。 这 一 类 有 亲缘 关系 的 DNA 在 好 几 个 方面 与 卫星 序列 不 同 : 1. 这 些 序列 不 是 在 染色 体 的 少数 几 个 部 位 上 串 列 重复 ， 而 是 有 千 万 个 单独 拷贝 获 置 在 整个 基因 组 中 ,每 个 找 贝 长 约 300 RAR. 2. 这 些 序列 有 很 多 能 有 效 地 转录 为 RNA, 可 能 表现 为 长 RNA 转录 本 的 一 部 分 ,也 可 能 作为 单独 的 短 的 RNA 分 子 。 3. 在 哺乳 动物 进化 期 间 。 这 些 顺 序 在 核 背 酸 序 列 上 和 位 置 上 的 变化 比 卫 星 DNA 序 列 要 慢 得 多 。 我 们 可 以 为 这 些 散 置 重 复 DNA 序列 推测 出 许多 不 同 的 功能 来 。 例 如 , 它们 可 能 成 为 DNA 复制 的 起 点 ,RNA 加 工 的 讯号 ,RNA 转录 的 调节 序列 , 染色体 的 结构 成 分 等 。 但 至 今 ,它们 的 功能 ,如 果 有 的 话 , 也 还 是 未 知 。 。457 。 转 位 成 分 ene eee 增殖 | | | aa ore DNA 整 合 在 许 多 不 同 部 位 上 整合 的 病毒 DN A 集 色 体 转录 产生 病毒 不 同 部 位 上 SS -—— Oh or 逆转 录 酶 从 。 mm a RN Ae 病毒 D N A 病毒 RN A 包 装 成 有 些 能 感染 其 他 细胞 的 病毒 © © 图 8-124 图 解 重复 DNA 序列 可 能 起 源 于 细胞 中 转 位 成 分 或 病毒 的 增殖 。 与 病毒 DNA 不 同 ， 转 位 成 分 DNA 是 不 包 到 离开 细胞 的 颗粒 中 去 的 。 所 以 要 是 转 位 成 分 增殖 的 话 * 它 只 在 一 个 细胞 之 内 增殖 。 基因 组 中 有 些 重复 DNA 在 顺序 上 相当 于 细胞 的 mRNA 分 子 一 一 没有 编码 该 mRNA 的 基因 中 所 有 的 内 含 子 ?而 且 有 一 条 poly-A“ 尾 巴 ?。 由 此 看 来 ， 病 毒 RNA 以 外 的 RNA 序列 也 可 以 偶然 通过 逆转 录 和 图 示 的 病毒 途径 进入 基因 组 中 。 。458 。 fa “Ba,” DNA 的 概念 很 可 能 ,这 些 散 置 重 复 DNA 序列 一 点 功能 也 没有 。 匹 其 是 ， 上 文 所 述 10°—10° 个 散 置 重复 DNA 序列 的 拷贝 可 能 是 在 很 久 以 前 一 一 人 与 虽 齿 类 趋 异 之 前 一 一 由 一 个 原始 序列 进化 来 的 ,这 个 序列 在 一 些 早期 哺乳 动物 基因 组 中 象 一 种 寄生 物 那 样 繁殖 传 布 。 因而 , 这 样 一 种 原始 DNA 序列 的 表现 就 像 一 个 病毒 或 者 转 位 成 分 ， 病 毒 和 转 位 成 分 都 可 以 被 看 成 是 寄生 在 它们 宿主 细胞 中 的 DNA 序列 。 两 者 都 是 通过 产生 与 其 自己 一 样 的 拷贝 而 增殖 ,然后 这 些 拷贝 可 以 插 人 到 宿主 的 DNA 中 , 随 着 宿主 染色 体 复 制 而 被 动 地 带 走 ( 图 8-124), 因此 ， 曾 有 人 提议 ， 应 把 存在 于 今天 生物 基因 组 中 的 许多 高 度 重 复 的 DNA 顺序 看 成 是 “自私 的 DNA”， 在 进化 过 程 中 得 以 被 选 留 下 来 只 是 因为 它们 能 在 高 等 生物 基因 组 中 重复 和 传 布 而 对 机 体 无 伤 。 这 类 DNA 序列 在 有 性 繁殖 的 物种 中 应 传 播 得 特别 快 , 因 为 母体 来 的 染色 体 可 以 被 父 体 来 的 基因 组 中 所 携带 的 转 位 成 分 所 传染 ， 反之 亦 然 。 于 是 ,这 种 自私 DNA 也 就 成 了 大 量 过 剩 的 不 编码 DNA 中 的 一 分 子 了 ， 这 些 不 编 码 DNA 序列 对 细胞 的 生存 并 非 必需 。 但 是 即使 说 散 置 的 重复 DNA 序列 的 原始 功 能 “只 是 它们 自己 的 生存 ,现在 看 来 ,它们 与 宿主 细胞 的 关系 好 象 已 经 变 成 了 共生 的 关系 。 例如 ,为 了 使 它们 对 宿主 的 有 害 影 响 降 低 到 最 小 的 程度 (从 而 使 它们 自己 的 存活 机 会 达到 最 大 ), 有 些 转 位 成 分 可 能 进化 出 相当 于 RNA 剪接 时 用 的 剪接 氮 的 末端 DNA 序列 ;这 样 , 如 果 它 们 万 一 插入 编码 DNA 序列 ， 它 们 也 会 脱出 而 对 原 mRNA 序列 无 伤 。 我 们 已 经 指出 ， 高 等 真 核 生物 的 编码 序列 中 插 人 许多 内 含 子 是 如 何在 基因 控制 机 理 及 新 蛋白 质 进化 这 两 个 方面 给 这 些 生物 创造 出 新 的 可 能 性 。 所 以 能 产生 新 内 含 子 的 自私 DNA 序列 对 其 宿主 可 能 是 有 好 处 的 。 基因 组 中 的 又 变 可 以 增加 生物 多 样 性 在 真 核 生 物 基 因 组 中 移居 了 这 样 多 种 多 样 的 非 必 需 DNA 片段 可 能 有 许多 原因 。 有 证 据 表明 ，, 酵母 细胞 昆虫 .以 及 某 些 植物 基因 组 中 ;, 某 些 这 样 的 “客人 ?会 不 时 被 激活 , 使 宿主 细胞 DNA 发 生 复杂 的 变化 , 结果 该 生物 的 几 个 特性 同时 发 生 改 变 。 此 后 ， 这 些 变 化 还 可 以 遗传 下 去 ,于 是 经 过 接连 几 个 循环 的 变化 和 自然 选择 ,就 可 以 产生 一 种 新 的 适应 于 新 环境 生态 位 (env ironmental niche) 的 生物 。 在 亚麻 植物 中 可 找到 这 种 变化 的 实例 , 这 种 植物 能 对 多 种 异常 条 件 (例如 , 土壤 中 的 磷酸 盐 太 多 ,或 者 氮 太 少 ) 发 生 反应 而 产生 变异 的 种 子 ， 由 这 些 种 子 长 成 的 子 株 在 一 些 生 长 特性 上 与 其 亲 株 不 一 样 。 至 少 在 有 些 情 况 下 可 产生 几 种 植株 类 型 ， 其 中 许多 的 性 状 可 以 遗传 ， 即 使 土 塘 条 件 改变 时 也 不 再 变化 。 有 两 种 变化 兽 进 行 过 详细 研究 :一 种 变化 使 得 植株 长 得 相当 矮 ,但 形态 还 是 相似 的 (这 种 植株 叫做 S 株 ); 另 一 种 变化 使 得 植株 长 得 稍 微 矮 一 点 = 旦 分 枝 多 得 多 ,而且 种 子 戎 果 无 毛 ( 这 种 植株 叫做 工 株 )( 图 8-125)。 生化 分 析 表 明 , 在 亲 代 植株 突然 变 为 S 株 或 者 工 株 时 ,， DNA 发 生 了 很 大 变化 。 虽 和 然 染色 体形 态 没有 可 检 出 的 变化 , 但 是 , 工 株 每 个 细胞 中 所 含 DNA 要 比 亲 株 多 10 匈 ， 这 是 因为 有 许多 不 同 DNA 序列 进行 差别 扩 增 的 结果 。 S$ 株 每 个 细胞 中 所 含 DNA BEE 亲 株 少 6 Fo, HE DNA 序列 发 生 选 择 性 缺失 现象 。 例 如 ,核糖 体 RNA 基因 数目 减 半 。 ° 459% WW DNA 中 发 生 许 多 不 同 的 变化 ， 但 不 知道 其 中 的 哪 一 些 是 引起 亚麻 形态 发 生 稳定 变 化 的 原因 。 这 些 变化 是 怎么 引起 的 也 不 清楚 。 但 是 在 30 多 年 前 就 已 经 在 玉米 中 观 查 到 一 种 类 似 的 诱发 的 遗传 变化 ,当时 对 玉米 作 过 一 流 的 遗传 学 和 细胞 学 分 析 ,结果 指出 是 一 FRAIL da T EMPEROR 再 把 参 果 种 子 种 在 标准 土壤 中 DNA 多 10% 总 D N A 稍 为 少 一 点 核糖 体 D N A 正 党 REED NARS RS 性 状 可 以 遗传 ”性 状 可 以 遗传 图 8-125 图解 亚麻 中 可 能 发 生 的 一 些 又 变 ,说明 见 正文 。 种 叫做 控制 因子 的 遗传 单位 的 活性 和 位 置 都 改变 的 缘故 。 现 在 认为 ， 这 些 控制 因子 与 在 分 子 水 平 上 研究 过 的 细 菌 . 果 蝇 及 酵母 中 的 转 位 成 分 ( 见 242 页) 是 相当 的 。 果 蝇 中 的 情况 可 能 与 玉米 中 的 情况 最 为 相 象 。 在 果 蝇 某 些 品系 的 杂交 中 可 以 诱发 某 一 类 型 转 位 成 分 大 范围 的 移动 ， 结 有 果 在 子 代 中 出 -一 一 一 一 图 8-126 ”表示 成 年 果 强 眼睛 由 于 转 位 成 分 造成 眼睛 颜色 变化 的 照片 ， 这 种 因子 播 在 白眼 基因 的 旁 邻 ， 白 眼 基因 是 产生 果 蝇 红眼 色素 所 必需 的 因 子 。 因为 转 位 成 分 引起 局 部 DNA 序列 发 生 改 ” 变 ， 所 以 改变 了 的 白眼 基因 只 在 近 眼 睛 背 腹 缘 的 那些 细胞 中 有 活性 ,结果 产生 的 眼睛 是 痰 黄色 的 ， 而 沿 着 眼睛 边缘 有 两 块 不 在 一 起 的 深 红 斑 。 如 果 诱发 那些 控制 个 别 眼 细胞 增生 的 基因 在 活性 上 发 生 类 似 的 并 具有 一 定 空间 模式 的 变化 ， 那 末 就 会 使 眼睛 的 形状 发 生 显著 变化 ， 这 对 于 突变 型 生物 有 较 类 的 适应 意义。 (了 Robert Levis 和 Gerald M. Rulin 赠 ) 现 高 频率 的 突变 型 (这 种 现象 叫做 杂种 不 育 )。 而 且 如 同 早 期 在 玉米 中 观察 到 的 ， 转 位 成 分 插入 有 果 蝇 染色 体 可 以 导致 邻近 基因 表达 型 式 发生 明 显 的 改变 (图 8-126)。 这 时 出 现 的 情况 是 ,偶然 的 或 剧烈 的 环境 压力 改变 了 生物 的 内 部 环境 ,并 激活 某 些 未 知 组 分 ,结果 使 类 似 转 位 成 分 的 DNA 序列 在 染色 体 中 跑 进 跑 出 ,有 时 造成 邻近 DNA 序列 的 扩 增 缺失、 重 排 或 者 表达 型 式 的 改变 。 通 过 这 类 又 变 事件 而 引起 的 精确 变化 至 少 部 分 是 由 机 会 来 决定 的 ,而 重要 基因 的 表达 的 水 平 \ 时 间 及 型 式 可 在 多 方面 发 生 稳 定 的 *。 460 改变 。 看 来 很 可 能 ， 生 物 经 受 这 种 偶然 发 生 的 激烈 的 DNA 重 排 的 能 力 有 助 于 进化 。 如 果 是 这 样 的 话 , 可 能 部 分 正 是 由 于 这 个 原因 ,所 以 细胞 携带 这 些 寄生 在 它们 的 基因 组 中 的 重复 DNA 序列 ,在 进化 中 取得 如 此 之 成 功 。 小 结 可 以 证 明 ， 最 复杂 高 级 的 生物 来 自 具 有 适应 能 力 最 强 的 基因 组 揭 细 胞 。 在 许多 真 核 生物 基因 组 中 DNA 发 生 重 排 的 频率 令 人 吃惊 ; 其 中 有 些 重 排 可 能 有 助 于 真 核 生物 产生 更 广 的 多 样 性 。 真 核 生 物 中 的 重复 DNA 序列 在 这 些 DNA 重 排 中 起 着 作用 ,这 就 可 以 解释 大 多 数 真 核 生 殉 的 基因 组 中 为 什么 有 这 样 多 的 重复 DNA 序列 。 有 些 重复 序列 以 单 拷贝 的 形式 散 置 在 基因 组 中 。 而 另 一 些 则 串联 排列 成 卫星 DNA-”。 后 者 进化 得 异常 快 , 可 能 是 通过 非 对 称 遗 传 重 组 (out of register genetic recom- bination) 事件 而 产生 的 ,在 基因 组 中 其 他 地 方 偶然 发 生 的 基因 复制 就 是 通过 同样 机 制 。 一 般 认为 ,这 种 随机 的 基因 复制 事件 有 助 于 进化 出 新 的 蛋白 质 。 LHRRE SRK] ethle ierre Favard 赠 ) BAL CP se FERS 压 电 镜 下 所 见 的 蜗牛 上 皮 细 胞 在 高 © 462 。 第 九 章 ”能 量 的 转化 :线粒体 和 叶绿体 细胞 核 不 是 真 核 细胞 内 唯一 含有 DNA WEE: 存在 于 所 有 真 核 细 胞 中 的 线粒体 和 局 限于 植物 的 质 体 (最 突出 的 是 叶绿体 ) 都 含有 它们 自己 的 DNA, 这 些 DNA 规定 着 其 功能 所 必需 的 部 分 机 构 。 虽 然 这 些 细胞 器 比 细胞 核 小 得 多 ,但 它们 数量 众多 ,因而 在 细 胞 内 通常 占据 很 大 的 容积 。 这 两 类 细胞 器 把 能 量 转变 成 可 用 以 驱动 细胞 反应 的 各 种 形式 。 它们 特殊 的 功能 反映 在 其 形态 结构 上 含有 大 量 的 内 膜 , 同 细胞 核 有 着 非常 明显 的 区 别 。 这 膜 在 这 些 “ 能 量 细胞 器 ”的 功能 中 起 着 两 种 决定 性 的 作用 。 第 一 ， 电 子 传递 过 程 所 需 的 构 架 , 转 变 氧 化 反应 的 能 量 为 更 有 用 的 形式 一 “特别 是 转变 为 ATP。 第 二 ,在 每 个 细胞 器 内 形成 一 大 的 内 部 区 室 , 其 中 集中 了 催化 其 他 重要 的 细胞 反应 的 各 种 特殊 的 酶 。 如 果 没 有 线粒体 ， 动 物 细胞 将 依赖 于 厌 氧 酵 解 ， 以 产生 它们 所 需 的 全 部 ATP。 但 分 解 葡萄 糖 为 丙酮 酸 的 酵 解 作用 。 只 能 从 糖 的 氧化 释放 出 全 部 可 利用 的 自由 能 的 一 小 部 分 。 在 线粒体 中 ,由 于 分 子 氧 〈0,) 的 作用 , 糖 (和 脂肪 酸 ) 的 代谢 ,最 终 氧 化 成 CO0， 和 HO， 所 得 到 的 能 量 可 被 有 效 地 利用 。 每 个 葡萄 糖分 子 产生 约 36 个 分 子 的 ATP ,而 单单 酵 解 作 用 只 产生 2 分 子 的 ATP, 叶 绿 休 同 线粒体 一 样 ,都 是 有 效 产 生 ATP 的 机 器 。 虽 然 它 们 的 能 量 来 源 完全 不 同 。 叶绿体 依赖 于 天 阳光 ,而 不 是 糖 或 脂肪 酸 ， 因 此 可 以 预料 到 它们 组 织 方式 上 的 基本 差别 。 但 是 事实 上 ,线粒体 和 叶绿体 两 者 均 按 相 同 的 基本 原理 来 构建 ,并 且 都 以 相同 的 方式 合成 gt ; 经 过 二 十 多 年 来 的 艰苦 研究 ,得 出 了 引 人 注 目的 结果 ,现在 已 确实 证 明 能 量 被 利用 于 生物 学 目的 的 主要 途径 不 仅 在 线粒体 和 时 绿 体 中 是 相同 的 ,而 且 在 细菌 中 也 是 相同 的 。 这 途径 由 一 已 知 的 叫做 化 学 次 透 作 用 (chemiosmosis) 过 程 所 控制 。 这 过 程 开始 于 高 能 电子 ， 它们 或 是 受 太阳 光 所 激发 或 捕获 自 富 含 电子 的 食物 。 这 些 电子 沿 着 一 条 媒 于 离子 透 不 过 的 上 膜 上 的 称 为 电子 传递 链 的 一 系列 蛋白 质 运 行 。 在 它们 沿 着 这 链 传递 的 过 程 中 ,这 些 电 子 逐 次 地 降落 到 较 低 的 能 量 水 平 。 由 这 些 电子 释放 出 来 的 能 量 被 利用 来 将 质子 从 膜 的 一 例 泵 到 另 一 侧 。 结 果 形 成 了 跨 膜 的 电化 学 质子 梯度 (electrochemical proton gradient), 贮存 在 这 梯度 中 的 能 量 又 转 而 为 膜 中 的 其 他 蛋白 质 所 利用 (图 9-1)。 在 线粒体 和 叶绿体 中 ,大 部 分 的 能 量 是 用 于 化 学 转变 ADP 和 Pi; 为 ATP， 而 另 一 些 能 量 则 推动 运输 特殊 的 代谢 物 出 人 细胞 器 。 在 细菌 中 ,这 电化 学 梯度 本 身 作 为 直接 可 利用 的 能 量 而 贮存 , 同 由 它 所 产生 的 ATP 同等 重要 。 例 如 ,这 梯度 不 仅 可 驱动 许多 运输 过 程 , 而 且 也 可 由 于 质子 的 返 流 驱动 细菌 鞭毛 快速 地 转动 而 细菌 游 动 。 一 般 认为 , 真 核 生 物 转换 能 量 的 器 官 是 直接 由 原核 生物 演化 来 的 。 在 进化 史 的 早期 ， 原始 真 核 细胞 吞 下 原核 生物 , 并 和 它们 以 共生 关系 发 展 。 这 将 可 解释 为 什么 线粒体 和 叶 绿 体 含有 它们 自己 的 DNA, 但 是 自 第 一 个 真 核 细胞 出 现 以 来 的 亿 万 年 中 , 线粒体 和 叶 绿 体 丢失 了 它们 自己 的 许多 基因 组 ,从 而 变 成 牢固 地 依赖 于 在 胞 液 中 合成 的 、 然 后 输入 每 。463 。 个 细胞 器 中 的 、 核 基因 组 编码 的 蛋白 质 。 反 过 来 说 ,这 些 宿 主 细胞 现在 也 依赖 这 些 细胞 器 来 供应 ATP, 以 进行 生物 合成 、 离 子 与 溶质 的 泵 运 和 维持 它们 生存 的 运动 等 经 常 性 工 作 。 去 阳光 食物 人 人 a 主动 运输 ATP 4 i BY) HE 204) $h 毛 转动 图 9-1 作为 普遍 机 制 的 化 学 滩 通 作用 : 能 量 首先 被 图 9-2 活 细胞 中 所 看 到 的 线粒体 形 利用 以 产生 跨 膜 的 电化 学 质子 梯度 。 这 梯度 作为 通 态 的 迅速 变化 用 的 能 量 贮存 ， 在 线粒体 ,叶绿体 和 细菌 中 可 以 各 种 不 同方 式 来 利用 。 2 a) a 线粒体 实际 上 占据 了 所 有 真 核 细胞 细胞 质 中 的 很 大 部 分 。 虽 然 它 们 的 大 小 在 光学 显 微 镜 下 足以 见 到 ， 并 在 19 世纪 已 经 确证 ， 而 曾 明 它们 功能 的 真正 进展 一 直到 1948 年 在 分 离 完 整 线粒体 的 操作 程序 被 建立 之 后 才 开 始 。 由 于 技术 上 的 原因 , 大 多 数 生 物化 学 研 究 是 用 从 肝脏 中 提取 出 的 纯化 的 线粒体 进行 的 。 每 个 肝 细 胞 含有 这 细胞 器 1 000 一 2 000 个 , 占 整 个 细胞 体积 大 约 五 分 之 一 。 线粒体 通常 被 描绘 为 坚硬 的 长 形 圆 柱 体 , 直 径 为 05—lum 然而 , 活 细胞 的 显 微 缩 时 摄影 图 象 表明 它们 是 可 移动 的 和 有 可 塑性 的 ， 与 电子 显微镜 所 看 到 的 静止 的 图 象 不 相 ， 符合 (图 9-2)。 当 它 们 在 细胞 质 中 运动 ， 线 粒 体 常常 表现 与 细胞 骨 架 的 微 管 联系 在 一 起 (图 9-3)。 从 这 种 联系 可 以 确定 不 同 种 类 细胞 中 线粒体 的 独特 方向 性 和 分 布 。 这 样 , 某 些 细胞 的 一 些 线粒体 形成 长 的 可 运动 的 纤 丝 或 链 (图 9-3); 而 在 其 他 种 类 细胞 中 ,它们 固定 在 ATP 耗 量 异常 高 的 部 位 : 如 在 心肌 中 它们 堆积 在 相 邻 的 肌 原 纤维 之 间 ， 它 们 也 补 率 地 缠绕 在 精 虫 鞭毛 的 周围 (图 9-4)。 线粒体 有 外 膜 、 内 膜 和 两 个 内 部 区 室 ? 线粒体 被 两 层 高 度 特 化 的 膜 所 包围 , 这 膜 对 它 的 活动 起 着 关键 的 作用 。 这 两 层 脂 双 ， 层 膜 的 每 一 层 含 有 一 群 独特 的 蛋白 质 集合 体 (collection), 并且 在 一 起 包围 和 形成 了 两 个 独立 的 线粒体 区 室 : 内 部 的 基质 空隙 和 一 较 狭 的 膜 间 空隙 。 如 果 把 纯化 的 线粒体 温和 地 破碎 ， 然 后 分 级 分 离 成 各 个 组 分 (图 9-5) ,线粒体 四 个 不 同 部 分 的 生化 组 成 就 可 能 被 测 。464 。 —— — a. a co ee 定 出 来 , 某 些 结果 在 图 9-6 中 说 明 。 这 些 和 其 他 方面 的 研究 已 经 证 明 外 谍 含 有 一 种 转运 蛋白 的 许多 揽 贝 ， 这 蛋白 质 形成 0 这 样 ， 外 膜 像 个 网 ， 所 有 10 000 道 尔 顿 或 更 小 些 的 分 ， 包 括 小 分 子 蛋白 ， 都 可 以 通过 。 这 些 分 子 能 够 进入 到 膜 间 空隙 , 但 其 中 的 大 多 数 不 ie crim sini 这 表明 ， 就 其 所 含 的 小 分 子 而 言 ， 膜 间 空 隙 在 化 学 上 相当 于 胞 液 , 而 基质 空隙 的 组 成 则 是 高 度 特异 化 的 。 图 9-3 (〈(A) 长 形 的 线粒体 组 成 的 链 的 光学 显微镜 照片 , 摄 自 一 组 织 培养 的 活 的 哺乳 动物 大 细胞 。 以 荧光 染料 活体 染色 。 所 用 的 若 丹 明 123 染料 对 线粒体 是 专 一 的 。 (B) 在 相同 细胞 上 以 荧光 染料 染色 微 管 ， 显 示 线 粒 体 沿 着 微 管 成 行 排列 。 标 尺 为 25 Am。 (Lan Bo chen 赠 ) 我 们 在 下 面 将 详细 地 阐述 线粒体 的 主要 工作 部 位 是 其 基质 空 阶 和 包围 这 些 空隙 的 内 膜 。 内 膜 的 特异 特征 之 一 是 异常 高 比例 的 心 磷 脂 , 这 是 一 种 磷脂 , 占 膜 脂 含量 10% 以 上 ， 被 认为 是 造成 离子 极 不 易 渗 透 的 原因 。 这 膜 还 含有 各 种 各 样 的 转运 蛋白 ,它们 使 内 膜 可 选 择 性 地 透 过 某 些小 分 子 , 这 些小 分 子 可 被 集中 在 基质 空隙 内 的 许多 线粒体 酶 系 所 代谢 。 基 质 中 包含 代谢 丙酮 酸 和 脂肪 酸 而 产生 乙酰 辅酶 A 的 酶 ， 以 及 在 柠檬 酸 循环 中 氧化 乙酰 畏 酶 A 的 酶 。 这 氧化 作用 的 主要 最 终 产物 是 CO, 〈 从 细胞 中 释放 出 来 ) 和 NADH, NADH 是 治 呼吸 链 传递 的 电子 的 主要 来 源 。 这 呼吸 链 在 线粒体 中 称 之 为 电子 传递 链 。 呼 吸 链 的 。465 。 多 酶 系 嵌 在 线粒体 的 内 膜 上 ,它们 是 线粒体 中 进行 氧化 磷酸 化 整个 过 程 所 必需 的 ,氧化 磷 酸化 作用 产生 动物 细胞 大 部 分 的 ATP, PS Be Soe ait le ARH Eek SHN LERSRAL RPT. OY HM (cristae), 由 于 这 些 皱 裙 ,使 肝 细 胞 线粒体 内 膜 总 面积 几乎 五 倍 于 其 外 膜 的 面积 , 约 构成 细胞 全 部 膜 的 三 分 之 一 ( 见 表 7-2)。 在 心肌 细胞 的 线粒体 中 ,其 旺 的 数量 较 肝 细胞 线粒体 的 大 两 倍 , 这 可 能 图 9-4 线粒体 局 部 集中 在 靠近 ATP 高 利用 的 特定 部 位 的 两 个 例 于 。 关于 所 产生 的 ATP 是 怎样 被 水 解 而 使 肌肉 ( 左 ) 和 真 核 细胞 鞭毛 ( 右 ) 运 动 的 讨论 ?请 阅 第 十 章 。 当 精 虫 尾部 鞭毛 发 育 时 ， 螺旋 缠绕 的 微 莹 暂时 性 地 环绕 着 轴 丝 , 这 有 助 于 线粒体 集中 于 尾部 。 反映 心肌 组 织 对 ATP 的 更 大 需求 。 不 同 种 类 细胞 线粒体 的 晴 也 表现 出 显著 的 形态 上 差 ill ,差别 的 意义 不 明 ( 图 9?-7)。 此 外 ,线粒体 通常 含有 特殊 的 酶 ,来 为 含有 这 种 线粒体 的 特 定 的 细胞 服务 。 然 而 在 这 一 章 里 我 们 将 不 去 注意 这 些 差 别 , 而 集中 注意 于 在 所 有 线粒体 中 普遍 存在 的 酶 及 其 特性 在 详细 地 阐述 线粒体 独特 活性 的 特征 一 一 电子 传递 过 程 之 前 ， 我 们 将 简要 地 描述 产生 呼吸 链 底 物 的 代谢 步骤 。 当 大 量 的 乙酰 辅酶 A 在 基质 空隙 中 由 丙酮 酸 和 脂肪 酸 产 生 时 就 开始 了 线粒体 的 氧化 作用 - 如 我 们 已 提 到 的 ， 线 粒 体 中 的 氧化 代谢 主要 是 由 胞 液 中 酵 解 产 生 的 脂肪 酸 和 丙酮 酌 提供 燃料 。 这 些 化 合 物 有 选择 地 从 胞 液 中 输入 线粒体 基质 , 在 这 里 它们 分 解 成 乙酰 辅酶 A 上 的 二 碳 乙 酰基 团 (图 9-8); 这 乙酰 基 团 随后 进入 柠檬 酸 循环 ,将 进一步 降解 。 这 过 程 以 沿 着 呼吸 链 运送 乙酰 基 衍 生 的 高 能 电子 而 结束 。 为 了 保证 连续 不 断 地 提供 氧化 代谢 以 燃料 ， 在 动物 细胞 中 脂肪 酸 和 丙酮 酸 是 以 贮藏 CAGE: 脂肪 贮存 脂肪 酸 , 糖 原 贮 存 葡 萄 糖 ,葡萄 糖 再 分 解 为 丙酮 酸 。 脂 肪 在 量 上 是 极 为 重要 的 ， 部 分 地 因为 它们 经 氧化 作用 所 释放 出 的 能 量 较 等 量 的 水 化 形式 糖 原 的 氧化 作 用 所 释放 的 能 量 多 五 倍 以 上 。 一 个 普通 成 年 人 有 足够 的 糖 原 , 供给 其 约 一 天 正常 活动 的 需要 ，, 而 足够 的 脂肪 则 可 供 其 近 一 个 月 的 需要 。 假若 我 们 主要 的 燃料 库 是 糖 原 而 不 是 脂 肪 ,那么 人 体 的 重量 将 平均 增加 约 60 磅 。 人 体 脂 肪 大 量 贮藏 在 脂肪 组 织 里 。 其 他 细胞 需要 时 , 它 就 从 脂肪 组 织 释 放 到 血液 中 。 。466 。 在 停止 进食 一 段 时 间 后 就 出 现 这 种 需要 。 正 常情 况 下 ,即使 经 过 一 个 夜晚 ,就 迅速 导致 脂 肪 的 代谢 。 所 以 在 早晨 ,进入 柠檬 酸 循环 的 多 数 乙 酰 辅 酶 A 是 由 脂肪 酸 而 不 是 由 葡萄 糖 产 生 的 ,然而 ,进餐 之 后 进入 柠檬 酸 循环 的 大 部 分 乙酰 辅酶 A 则 来 源 于 食物 中 的 葡萄 糖 ， 如 有 多 余 的 葡萄 糖 , 则 用 以 补充 消耗 的 糖 原 存储 ,或 用 以 合成 脂肪 。( 注 意 ， 糖 类 很 容易 转化 成 脂肪 ， 而 在 动物 细胞 中 脂肪 则 不 能 转化 成 糖 类 。) 一 个 脂肪 分 子 是 由 三 个 脂肪 酸 分子 所 组 成， 这 些 脂肪 酸 以 脂 键 联接 着 甘油 。 甘 油 三 脂 不 带电 荷 , 不 溶 于 水 ,在 胞 液 中 聚 结 成 滴 状 。 一 个 大 的 脂 肪 注 几 乎 占据 了 脂肪 细胞 的 整个 体积 ， 这 大 细胞 是 脂肪 组 织 贮藏 脂肪 所 特有 的 。 在 细胞 内 一 般 含 有 许多 较 小 的 脂肪 滴 , 如 心肌 细胞 ,其 能 量 供应 是 依赖 于 脂肪 酸 的 分 解 。 这 些 脂 肪 小 滴 通 常 与 线 粒 体 紧 密 联 系 ( 图 9-9)。 在 所 有 细胞 中 ,线粒体 外 膜 和 内 膜 上 的 酶 对 从 脂肪 分 子 产生 的 脂肪 酸 进 入 线 粒 体 基 质 的 运动 起 着 媒介 的 作用 。 在 基质 中 ， 每 个 脂肪 酸 分 子 被 一 系列 反应 循环 所 完全 分 解 ， 循 环 的 每 一 次 周转 同时 在 其 羧基 端 整齐 地 切 下 了 两 个 碳 :产生 一 个 乙酰 辅酶 A 的 分 子 (图 9-10)。 这 乙酰 辅酶 A 随 后 进入 到 柠檬 酸 循环 中 去 ， 进 一 步 被 氧化 。 六 碳 糖 葡萄 糖 在 胞 液 中 首先 被 分 解 成 两 个 分 子 的 三 碳 丙酮 酸 ， 它 们 仍然 保留 着 从 葡萄 糖 氧化 作用 所 能 产生 的 总 能 量 的 大 部 分 。 这 能 量 要 在 丙 酮 酸 进 入 线粒体 后 的 过 程 开 始 才能 获取 。 在 那里 ， 丙酮 酸 遇 上 了 比 核糖 体 还 大 的 酶 复合 体 一 一 丙酮 酸 脱 氢 酶 。 这 复合 体 含 有 三 种 不 同 的 催化 酶 五 种 不 同 的 辅酶 和 两 种 调节 酶 的 许多 拷贝 一 一 快速 转化 丙酮 酸 成 乙酰 辅酶 A 〈 图 9-11)。 这 乙酰 畏 酶 A 与 从 脂肪 酸 所 生成 的 乙酰 辅酶 A 一 起 ， 进 入 柠檬 酸 循环 。 柠檬 酸 循环 氧化 乙酰 辅酶 A 上 的 乙酰 基 团 ， 产 生 为 呼吸 链 所 用 的 NADH 和 FADH; 在 19 世纪 ， 生 物 学 家 注意 到 ,在 没有 空气 的 条 件 下 细胞 就 产生 乳酸 (或 乙醇 )， 而 在 有 空气 时 完整 的 线粒体 中 ， 水 的 流入 引起 了 线粒体 Wik, HMR, HAWK 在 低 摩尔 渗透 压 浓度 的 介质 (8) 2 BRA A 一 AY St BP S| ee TK 上 密度 梯度 离心 ， 把 外 膜 与 稠密 的 基质 及 其 周围 毁 层 分 离开 RAH, HARM 基质 成 分 中 分 离 出 来 了 WES) Say A Be 基质 Sb Hs 图 9-5 ”分 级 分 离 纯 化 线粒体 各 组 分 的 技术 使 有 可 能 研究 线粒体 的 每 个 部 位 的 不 同 蛋白 质 。 这 方 法 表明 ， 由 于 在 低 离 子 强度 的 介质 中 水 流入 线 粒 体 ， 使 基质 空间 大 大 膨胀 。 这 种 情况 有 利于 在 同 一 时 间 内 大 量 制备 线粒体 。 在 膨胀 时 ， 内 膜 的 晴 被 展开 ?而 外 膜 ( 没 有 皱 裙 ) 因 膨胀 而 破碎 ， 释 放 出 只 含有 内 膜 及 基质 的 结构 。 则 生成 CO, 和 HO。 为 了 证 明 需 氧 代谢 途径 ,一 切 的 努力 最 终 都 集中 到 丙酮 酸 的 氧化 ， 从 而 导致 1937 年 村 檬 酸 循 环 (citric acid cycle), FKPR= RBH Bt Fz BA (Krebs) 循环 的 发 现 。 现 在 已 经 清楚 ， 在 大 多 数 细胞 中 柠檬 酸 循环 是 占 碳 化 合 物 全 部 氧化 作用 的 。467 。 oo aM Ham tA) Sav CORUM] Elk a RE MY WEI CAR oe he ep HT AUR) < AACN CG IT EYEE AR ETS < ET BRE ORL LG ON YE 00001 MUM A EMAREY— EEK WIE : RES RD | | EH AMR UES CHT BA Th Sa A) CHT SUS LV RK CMY Ga MU BNI ECS) Sav BG chew HY SEMUWMS aly 痢 加 性 一 (z) WEEWNW eB MHUR IY WARBEKEKTA MUR AWALY ME eH BMY WMa © Bid P Gu aE SEL PORE AE TG CIM VN SHAT SH ME VN WEMMMMUNY URSA MOM BEN WS MD ASU OEY Ee MSE WV CA puena 'S laraed HYWWE) “HMM WNEL SRS YS ieGN SEDI) RARE PUA MG 996 9 SARI MINS I69 < MBM [6178 WO %9 ESM R SMEW CME WH 96H REDS : 0 e 468。 图 9-7 在 鼠 的 不 同 组 织 中 发 现 的 形态 BUR 图 9-8 “乙酰 辅酶 A 的 空间 结构 模型 。 乙 酰 不 同 的 线粒体 晴 。 这 些 差异 对 线粒体 功能 的 基 仅 是 这 整个 辅酶 的 一 小 部 分 。 以 $ 标志 效应 尚 不 知道 。 的 原子 是 硫 原子 ( 见 图 2-19)。 =32-, 其 主要 的 最 终 产 物 是 CO,, NADH 和 FADH, NADH 和 FADH, 将 它 们 的 电子 提供 给 呼吸 链 。 在 呼吸 链 反应 的 末了 ,这 些 电子 被 用 来 将 O, 还 原 为 H,0, 柠檬 酸 循环 开始 于 乙酰 辅酶 A 与 四 碳化 合 物 草 酰 乙酸 缩合 产生 六 碳 的 柠檬 酸 ， 这 循环 因此 而 得 名 。 随 后 ,由 于 七 个 连续 的 酶 介 导 反 应 的 结果 ， eo 7s 两 个 碳 原子 以 CO, 方式 被 转移 , 草 酰 乙酸 重新 生 le ood) ieee 成 。 这 样 的 循环 每 一 次 周转 ， 从 两 个 碳 原子 产生 本 人， 而 个 Co, 分 子 。 kA HR EEO AIOE 中 进入 的 (图 9-12)。 就 乙酸 而 论 , 其 最 终结 RE: CH:COOH (如 乙酰 辅酶 A) + 2H,O + 3NAD+ + FAD> 2CO, + 3NADH + FADH, 这 反应 借助 于 一 GTP 中 间 产 物 ,通过 在 酵 解 作用 中 发 生 的 一 种 磷酸 化 反应 ,也 产生 一 分 子 ATP 。 但 是 ,， 它 对 代谢 的 最 重要 贡献 是 从 乙酰 辅酶 A 抽 取 高 能 电子 。 这 是 在 乙 酰 辅 酶 A 的 两 个 碳 原 子 转化 成 CO 的 过 程 中 产生 的 。 这 些 由 NADH 和 FADH, 携带 的 电子 随后 被 传递 到 线粒体 内 膜 中 的 呼吸 链 ( 图 9-13)。 © 469。 = O R—CH,—CH,—CH, = 4 ATP CoASH 脂肪 本 ”AMP +2(P) ERS A © R—CHy—CH,—CH,—C7— ‘SCoA STAR 。 Ren ie «BER 酰 辅酶 A NADH NAD*+ 十 HH+ 图 9-10 在 线粒体 基质 中 被 催化 的 脂肪 栈 氧 化 循环 ， 如 图 所 示 * 这 循环 每 次 周转 均 缩 短 脂 肪 酸 两 个 碳 * 并 生成 一 分 子 乙 酰 辅酶 A ,以 及 一 分 于 NADH 与 一 分 子 FADH,, CoASH NAD* NADH + H* 图 9-11 图 解 线粒体 基质 中 转化 丙酮 酸 为 乙酰 辅酶 A 的 偶 联 反 应 。 催化 这 些 反应 的 大 酶 复合 体 《丙酮 酸 脱氧 酶 ) 的 结构 ,在 前 面 图 2-40 BAR 在 线粒体 内 膜 上 化 学 渗透 过 程 将 氧化 作用 的 能 量 转 人 ATP 虽然 柠 橡 酸 循环 是 构成 有 氧 代谢 的 组 成 部 分 ,但 在 通 癌 产生 NADH #1 FADH, 的 反 应 中 没有 一 个 可 直接 利用 氧 分 子 。 那 是 发 生 在 线粒体 内 膜 上 一 系列 最 终 分 解 代 谢 反 应 所 特有 的 功能 。 在 这 些 反应 中 ，NAD- 和 FAD 氧化 底 物 所 转移 出 来 的 电子 同 分 子 氧 结 合 , 形 成 可 利用 的 能 量 , 驱动 ADP 十 Pi 转化 成 ATP， 因 而 氧化 磷酸 化 作用 《oxidative phosphorylation) 一 词 被 用 以 来 描述 这 整个 过 程 ( 图 9-14)。 ° 470+ NADH + H* NAD* COOH ak H-—C-OH 1 CH, COOH COOH NAD* COOH TOOH : 1 延 胡 索 酸 NADH +H 人 o- AA = GHz ei 珀 酸 oe H H,0 c 2 gee .了 歼 珀 酰 辅酶 A 1 CH Soot COOH FADH Tt CoASH ‘a Ha NAD* 1 OOH FAD : CHa NADH + H* re GTP GDP 2 SCoA + ©) sae 图 9-12 “柠檬 屋 循环 。 这 中 间 产 物 以 它们 的 游离 酸 形式 表现 ， 虽然 它们 实际 上 是 离子 化 的 。 所 指 示 的 每 个 步骤 均 被 位 于 线粒体 基质 中 的 各 种 酶 中 的 一 种 所 催化 。 从 乙酰 辅酶 A 进 入 这 循环 的 两 个 碳 将 在 这 循环 之 后 的 转换 中 转变 成 CO:。 如 我 们 已 经 阐述 的 ,借助 呼吸 链 通过 氧化 磷酸 化 作用 而 生成 AITP， 是 依赖 于 一 种 化 学 渗透 过 程 。 当 这 假设 在 1961 年 第 一 次 提出 时 , 它 的 机 制 解答 了 细胞 生物 学 中 一 个 长 期 存在 的 问题 ;在 积累 了 足够 充分 的 证 据 而 被 人 们 普遍 接受 之 前 的 几 年 ,这 个 思想 显得 是 多 么 的 新 颖 。 先 前 ,人 们 相信 ATP 是 由 呼吸 链 合成 的 ,这 是 与 自 1937 年 以 来 早已 认识 的 由 酵 解 产生 ATP 的 机 制 相 同 。 而 酵 解 产生 ATP 的 机 制 设想 是 : 用 氧化 作用 的 能 量 来 产 生 一 联接 磷酸 基 团 和 某 些 中 间 化 合 物 之 间 的 高 能 键 ， 高 能 键 裂解 时 所 释放 的 能 量 推动 了 ADP 转化 为 ATP。 然而 ,探测 这 途径 中 所 预期 的 中 间 产 物 被 证 明 是 非常 困难 的 ; 这 转 难 并 不 出 乎 意料 ,因为 结果 证 明 , 那 种 中 间 产 物 是 没有 的 。 按照 化 学 疹 透 假说 ,高 能 的 化 学 中 间 产 物 被 一 介 于 化 学 过 程 〈 chemi”) MBB 《 osmosis ”来 自 希 腊 文 osmos， 推 动 ) 之 间 的 连接 所 替代 , 所 以 叫做 化 学 渗透 (chemios- mosis) (429-1), 428 NADH 和 FADH, 上 和 氢 的 高 能 电子 在 线粒体 内 膜 中 沿 电子 传 = 471° CoASH 图 9-13 主要 反应 物 进 入 和 排出 线粒体 的 流程 。 除 了 所 表示 的 交换 外 ,在 胞 液 中 由 酵 解 作用 产生 J NADH, 从 NADH 所 获得 的 电子 参与 到 电子 传递 链 。 这 传递 是 通过 几 种 “穿梭 “系统 中 的 一 种 来 间接 完成 。 这 些 系统 传送 一 还 原型 化 合 物 进 入 基质 在 这 里 它 被 氧化 以 产生 NADH (或 FADH:)， 随 后 又 被 传送 出 来 ， 被 胞 液 中 NADH 还 原 成 原先 的 化 合 物 。 线 粒 体内 膜 对 NADH 是 不 直接 渗透 的 。 递 链 传递 下 去 (呼吸 链 ) ， 从 一 个 载体 分 子 传 到 下 一 个 载体 时 所 释放 出 的 能 量 被 用 以 条 送 质子 从 线粒体 基质 穿 过 内 膜 进 入 膜 间 空隙 这 就 产生 一 跨 线粒体 内 膜 的 电化 学 质子 梯度 ， NADH + H7 + %02 NAD* + H,O0 . ADP+ @ ATP 氧化 碎 酸 化 作用 图 9-14 由 线粒体 催化 的 最 终 能 量 转换 。 这 过 程 叫做 氧化 磷酸 化 ;其 中 NADI 艺 氧化 的 部 分 能 量 成 为 AIP 上 的 磷酸 键 能 。 而 质子 返 流 降低 了 梯度 ,依次 被 用 于 推动 一 障 结合 酶 ， 即 ATP 合成 酶 ; 它 催 化 ADP + Pi 转化 成 AIP, 完 成 氧化 磷酸 化 过 程 。 NADH 和 FADH, 分 子 上 的 电子 是 存储 在 高 能 键 内 ， 只 有 在 这 些 电 子 同 9, 结合 时 细胞 氧化 作用 总 的 自由 能 的 大 部 分 才 被 释放 出 来 。 因 此 ， 在 氧化 作用 的 前 期 阶段 。 用 NADH 和 FADH, 作为 电子 的 载体 ， 可 保存 从 碳水 化 合 物 、 脂 肪 和 和 氮 基 酸 燃 烧 提 供 的 几乎 全 部 可 利用 的 能 量 , 一 直到 最 终 阶 段 。 随 后 ,在 活性 的 最 后 高 峰 , 利 用 内 膜 中 电子 传递 中 间 产 物 途 径 , 人 迫使 发 生 最 终 的 氧化 作用 。 这 些 电子 传递 中 间 产 物 获得 被 释 放出 来 的 能 量 , 并 最 终 用 于 推动 ADP 十 斑 一 ATP 的 反应 。 按 这 种 方式 ， 内 膜 具有 能 量 转换 机 器 的 功能 , 它 改变 NADH 氧化 作用 能 量 为 磷酸 键 能 (如 ATP)( 图 9-14)e Sg 在 只 vlad cid 系列 反应 ， 详 细 的 讨论 留待 480—491 页 。 。472。 表 9-1 化 学 渗透 学 说 在 六 十 年 代 早 期 提出 的 化 学 次 透 学 说 ?包含 四 个 独立 的 假设 。 从 线粒体 的 功能 方面 来 说 是 : C1) 线粒体 内 膜 上 的 呼吸 链 是 转移 质子 的 , 当 电 子 沿 着 呼吸 链 传递 时 , 它 将 Ht+ 从 基质 空 阶 泵 出 。 (2) 线粒体 ATP 合成 酶 复合 体 也 可 转移 质子 使 之 跨 过 内 膜 * 这 是 可 逆 的 * 它 可 利用 ATP 水 解 所 产生 的 能 量 将 H+ 和 泵 过 内 膜 ; 但 是 ,如 果 有 了 足够 大 的 Ht 梯度， 质子 就 以 相反 方向 流 经 这 复合 体 ， 推动 ATP 合成 。 (3) 线粒体 内 膜 对 Ht+、\OH 是 不 次 透 的 ?对 阴离子 和 阳离子 通常 也 不 次 Bo (4) 线粒体 内 膜 由 一 组 载体 蛋白 装配 而 成 * 这 些 蛋 白质 调节 主要 的 代谢 产物 出 入 内 膜 。 呼吸 链 将 电子 从 NADH 传递 到 氧 嵌 于 线粒体 内 膜 上 的 呼吸 链 ， 以 同样 的 普遍 机 制 捕获 其 他 分 解 代谢 反应 中 的 能 量 。 H, + 0, > HO 反应 是 分 为 若干 小 阶段 进行 的 。 所 以 大 部 分 的 能 量 可 转变 成 贮存 形 式 ,而 不 以 热 的 形式 释放 到 外 界 。 像 在 酵 解 或 柠檬 酸 循环 中 那样 , 它 包 含有 用 于 这 反应 的 间接 途径 。 但 是 有 一 重要 的 差别 : 被 氧化 的 分 子 是 氨 , 而 不 是 碳水 化 合 物 ,其 间接 途径 首 先是 将 氨 原 子 分 离 成 质子 和 电子 。 电 子 进 入 呼吸 链 ,而 质子 逸 到 水 溶液 的 环境 中 ;只 有 在 电子 到 达 呼 吸 链 未 端 之 后 ,质子 又 转 回来 ,中 和 由 电子 最 后 加 入 到 氧 分 子 所 产生 的 负电 荷 (图 9-15)。 由 于 大 部 分 的 反应 是 从 NADH EWA. MAEM FADH, 上 的 氧 开始 ,所 以 我 们 将 iBWAM NADH 开始 的 氧化 过 程 。 每 个 氢 原 子 (我 们 以 五 表示) 含有 一 个 电子 (e-) 和 一 个 质子 (H+)。 每 个 NADH 分 子 不 是 携带 单个 氢 原 子 ， 而 是 一 氢 负 离子 (一 个 氢 原 子 加 上 一 额外 的 电子 ，H:-)。 然而 ,由 于 质子 在 水 溶液 中 是 以 游离 形式 存在 的 ,所 以 实 际 上 相等 于 携带 一 个 氢 分 子 的 两 个 所 原子 (H:- + H+ 一 H)。 相应 地 ,在 NADH 的 生成 反应 中 ， 两 个 氢 原 子 是 从 底 物 分 子 中 同时 被 取出 ,产生 一 氢 负 离子 和 一 个 质子 ,如 图 9-16 所 示 。 当 一 氢 负 离子 (H:-) 从 NADH 被 分 离 出 , 重新 形成 NAD+， 这 氧 负 离子 转变 为 一 个 质子 和 两 个 电子 (H:- 一 Ht 十 2e-) 时 ， 沿 着 呼吸 链 的 电子 传递 就 开始 了 。 这 两 个 电子 被 传送 到 垦 于 线粒体 内 膜 上 许多 电子 载体 的 第 一 个 载体 上 。 这 阶段 电子 处 于 高 能 状态 。 当 它们 通过 呼吸 链 中 15 个 以 上 的 不 同 电子 载 体 分 子 的 序列 时 ,它们 的 能 量 就 逐渐 地 降低 。 就 大 部 分 的 载体 而 言 ? 电 子 是 从 一 个 金属 原子 传递 到 另 一 个 金属 原子 ,每 一 种 这 些 金属 均 以 不 同 的 方式 牢固 地 结合 在 蛋白 质 的 表面 ,这 就 改变 了 结合 原子 的 电子 亲 和 性 。 最 简单 的 电子 载体 是 一 小 的 朴 水 分 子 ， 叫 做 泛 柄 (ubiquinone) 或 辅酶 Q (coenzyme Q)。 每 个 泛 配 能够 获得 或 给 出 一 个 或 两 个 电子 , 它 还 可 从 介质 中 暂时 地 获得 一 个 质子 , 同 它 所 携带 的 每 个 电子 在 一 起 (图 9-17)。 在 呼吸 链 的 许多 蛋白 质 中 ,了 解 最 清楚 的 是 细胞 色素 C , 它 的 三 维 结构 已 由 广 光 衍射 量 体 分 析 法 所 测定 (图 9-18)。 在 呼吸 链 内 有 五 种 不 同 的 细胞 色素 ， 组 成 一 个 有 色 蛋 白质 族 。 这 些 蛋白 质 均 与 一 种 结合 的 血红 素 分 子 有 关 。 每 当 血 红 素 接受 一 个 电子 的 时 候 ， 它 的 铁 原 子 就 从 三 价 铁 〈FeIIIT) 变 成 二 价 铁 〈EFeIID) (图 9-19)。 除 了 细胞 色素 ,至 少 还 有 六 种 不 同 的 铁 - 硫 复合 体 \ 两 个 铜 原子 和 两 个 黄 素 , 它 们 同 呼吸 链 蛋白 质 紧密 结合 ,并 携带 电子 。 几 个 相 邻 的 载体 聚集 在 一 起 ,形成 大 的 呼吸 酶 复合 体 (respiratory enzyme comp- 。473 。 1/202 | saamemes - 2H+ * Bey NS H,0 9-15 图 解说 明 , 当 氢 被 燃烧 时 ， 大 部 分 作为 热 释 放 的 能 量 ( 左 图 ) 怎 样 代 之 以 被 利用 ， 并 通过 线粒体 内 膜 上 的 电子 传递 链 贮藏 ( 右 图 )。 多余 的 氧化 能 量 则 被 线粒体 以 热 的 方式 释放 出 来 。 NADH + H* a » 加 Lite [Lt st0 | “Ht 2 党 Hy ORS 一 一 + _ NAD” 一 人 到 被 氧化 的 底 物 图 9-16， 乙 醇 经 生物 氧化 成 乙 醛 ,设想 是 按 图 所 示 的 方式 进行 。 两 个 完整 氢 原 子 的 组 分 从 乙醇 丢 一 个 氢 负 离子 传递 到 NADH， 而 一 个 质子 逸 出 到 水 咨 液 中 。 在 这 过 程 中 所 描述 的 各 个 步 台 = 都 是 发 生 在 一 蛋白 质 的 表面 ， 为 乙醇 脱 氢 酶 上 的 特殊 的 化 学 基 轩 所 催化 (未 表示 出 来 )。〈 引 自 了 F. Cook, N. J. Oppenheimer, and W. W. Cleland, Biochemistry 20:1817—1825, 1981, 并 作 了 修改 ) 。474 。 9-17 泛 柄 (辅酶 Q ) 在 电子 传递 链 中 是 一 个 重要 的 载体 ,可 携带 一 个 或 两 个 电子 > 当 它 接收 每 一 个 电子 的 时 候 它 从 周转 水 溶液 中 拾取 一 个 质子 。 当 它 给 出 它 的 电子 给 链 中 下 一 个 载体 时 这些 质子 被 释放 出 来 。 其 芷 水 尾部 使 泛 醒 与 膜 连 接 在 一 起 。 在 哺乳 动物 中 它 一 般 含 有 -10 THROM 单 体 。 在 植物 中 柱 应 的 电子 载体 是 质 柄 * 它 同 泛 柄 基本 上 是 相同 的 。 lexes)， 这 在 下 面 将 描述 。 呼吸 链 中 每 个 后 续 的 载体 群 对 电子 的 亲 和 性 比 它 前 面 的 一 个 要 大 。 其 结果 ， 电 子 以 阶梯 式 从 NADH 传递 下 来 。 从 一 个 酶 复合 体 转移 到 另 一 个 ， 能 量 永 平 逐 级 降低 ， 一 直到 最 后 它们 被 传递 到 氧 。 氧 对 所 有 电子 具有 最 大 的 亲 和 性 。 细胞 色素 、 铁 - 硫 复合 体 和 铜 原子 每 次 只 能 携带 一 个 电子 ,而 每 个 NADH 可 给 出 两 个 电子 。 每 个 0 分子 需 接受 四 个 电子 才 生成 水 。 沿 着 电子 传递 链 有 几 个 电子 收集 点 和 电子 分 散 点 ,调节 着 电子 数量 的 变化 。 电子 沿 呼吸 链 传递 释放 出 的 能 量 , 以 跨 内 膜 的 电化 学 质子 梯度 的 形式 贮存 . 如 前 面 所 讨论 的 ,在 电子 传递 时 所 释放 出 来 的 许多 能 量 为 呼吸 链 的 各 部 分 所 利用 ,以 推动 质子 (At) 从 基质 空隙 到 膜 间 空 隙 运动 ,从 而 流出 到 线粒体 外 面 。 质 子 的 这 样 运动 具有 两 个 重要 的 后 果 。 - 工 生 成 一 个 跨越 线粒体 内 膜 的 pH 梯度 ,同时 在 基质 中 的 H* 浓度 显著 地 低 于 细胞 的 其 他 部 位 ,这 些 地 方 的 pH 一 般 接 近 于 7( 记 住 ,小 分 子 可 自由 地 穿 过 线粒体 的 外 膜 达 到 平衡 ,所 以 在 膜 间 空 隙 内 的 pH 将 与 胞 六 的 pH 相等 )。 2. 跨 过 线粒体 内 膜 产生 一 电位 梯度 ( 膜 电 位 ), 其 内 部 为 负 ， 外 部 为 正 (由 于 正 离子 的 净 外 流 所 致 )c pH 梯度 (ApH) 驱动 Ht 返回 进入 基质 ， 并 驱使 OH- 从 基质 中 流出 。 膜 电 位 (Ag) 则 表现 吸引 任何 正 离 子 进 入 基质 并 驱使 任何 负离子 外 流 , 因 而 增强 了 pH 梯度 对 OH- 和 也 ”离子 运动 的 作用 。 这 两 种 力 合 起 来 被 认为 构成 了 电化 学 质子 梯度 (图 9- 20). } 电化 学 梯度 发 挥 着 普通 所 认为 的 质子 动力 (proton-motive force) 的 作用 ,可 以 毫 伏 (mV) 为 单位 进行 测定 。 由 于 每 ApH 为 lpH 单位 ,具有 相当 于 约 60mV 膜 电 位 的 效 应 ,所 以 总 质子 动力 可 由 下 式 求 得 : 质子 动力 一 A — 60(ApH) ° 475。 在 一 典型 细胞 中 ,进行 呼吸 的 线粒体 中 的 质子 动力 大 约 为 220mV, HAA 160mV 的 腊 电位 和 约 为 一 1pH 单位 的 pH 梯度 组 成 。 贮 于 跨 内 了 膜 的 电化 学 质子 梯度 的 能 量 被 用 来 产生 ATP 和 输送 代谢 物 进 入 基质 空隙 线粒体 内 膜 含有 非常 高 的 蛋白 质 比 例 , 按 其 重量 约 70 多 为 蛋白 质 ;30 锡 为 脂肪 。 许 多 蛋白 质 属 于 建立 跨 内 膜 电 化 学 质子 梯度 的 电子 传递 链 。 另 外 的 主要 成 分 是 催化 ATP 合成 的 酶 AITP 合 成 酶 是 一 大 的 蛋白 质 复 合体 ， 通 过 它 质子 逆 电 化 学 梯度 而 返回 基质 。 旬 涡 轮机 一 样 , 这 个 蛋白 质 复合 体 可 转换 一 种 能 量 形式 为 另 一 种 形 式 。 在 线粒体 基质 中 ,在 与 质子 向 内 流动 相 偶 联 的 反应 中 ， 这 能 量 形 趟 可 使 ADP 和 Pi Spt ATP (图 9-21)。 但 是 ，ATP 合成 不 是 被 路 线 粒 体内 膜 的 电化 学 梯度 所 驱动 的 唯 一 过 程 。 在 线粒体 基质 (这 里 发 生 着 柠檬 酸 循环 和 其 他 代谢 反应 ) 里 的 酶 需要 有 高 浓度 的 底 物 供给 ， 而 ATP 合 成 酶 需要 有 ADP 和 磷酸 盐 ea RRS SCAG ee as a ee 于 蛋白 质 含 有 比 100 ASHRER RM UR WRU A Ai eA 9-31) SK RR) LOAF RE) 可 携带 一 个 电子 。 体内 膜 。 在 基质 与 胞 液 之 间 的 这 些 物质 交换 是 由 埋 于 内 膜 中 的 各 种 各 样 重要 的 转运 蛋白 质 来 介 导 的 。 在 许多 情况 下 ,这些 蛋白 质 逆 电 化 学 梯度 主动 运输 特定 的 分 子 , 这 是 需要 输入 能 量 的 过 程 。 对 大 多 数 的 代谢 物 来 说 ,这 能 量 是 从 共 转 运 其 他 分 子 时 降低 了 它 的 电化 学 梯度 来 提供 的 。 例 如 ， ADP 和 磷酸 盐 两 者 需要 被 输送 人 基质 空 除 。 ADP 是 由 —ADP-ATP 反 向 运输 系统 所 携带 : 每 输入 一 个 ADP 分 子 需 要 输出 一 个 ATP 分 子 ， 而 降低 它 的 电化 学 梯度 。 在 同时 ”一 个 同 向 转运 系统 (symport system) 将 磷酸 盐 的 向 内 移动 和 Ht AAR: Ht 离子 在 降低 了 它们 的 电化 学 梯度 时 进 人 基质， 拖 着 "磷酸 盐 一 起 。 丙酮 酸 是 线粒体 中 一 重要 的 燃料 ,也 是 以 这 种 方式 被 输送 进入 基质 (图 9-22)。 跨 线粒体 内 膜 的 电化 学 梯度 的 另 一 种 生物 功能 是 将 Ca+ 从 胞 液 泵 出 。 在 胞 液 中 ， 游离 的 Ca+ 浓度 维持 在 非常 低 的 水 平 〈 和 <10-?molHEL) BREW, AA Haw Cat HK 度 的 微小 变化 都 是 调节 各 种 各 样 细 胞 活动 过 程 的 言 号 。 内 膜 含 有 一 转运 蛋白 ， 它 利用 贮 于 跨 内 膜 的 电压 粒度 中 的 能 量 。 有 效 地 将 Cal? 运送 进入 基质 (图 9-23)。 P 源 于 电化 学 梯度 的 能 量 主要 是 用 以 输送 分 子 和 离子 进入 线粒体 ， 较 少 的 能 量 用 以 驱 动 ATP 合成 酶 。 例 如 ,如 果 相 当 大 浓度 的 Ca+ 加 到 呼吸 的 线粒体 中 , 那么 线粒体 就 完 - 476，。 全 停止 了 .ATP 的 生产 ， 所 有 电化 学 梯度 的 能 量 被 转 而 用 来 和 泵 送 _Ca*。 显然 这 里 必定 存在 着 某 种 机 理 ， 它 引导 贮 在 电化 学 梯度 中 的 能 量 通 向 任 一 给 定时 刻 最 需 能 量 的 那些 过 程 。 nt FEtttetettt tee RES RR da af SA ay xy 2B A 线粒体 内 图 9-19 共 价 地 连结 于 细胞 色素 < 的 血 图 9-20 PEER RRR eS ET 红 素 基 团 的 结构 。 由 于 不 同 细胞 色素 中 组 成 部 分 。 总 的 质子 动力 由 两 部 分 组 成 : 大 量 的 的 血红 素 具 有 稍为 不 同 的 结构 》 并 以 不 力 来 自 膜 电位 (以 AV Ad 表示 ) 小 量 的 力 来 同 的 方式 连结 于 和 蛋白质， 所 以 每 个 细胞 自 质子 浓度 梯度 (入 pbH)。 这 两 种 力作 用 于 驱动 质 色素 对 电子 具有 不 同 的 亲 和 人 性。 子 进入 基质 空隙 。 线粒体 中 ADP 快速 转化 成 ATP， 以 维持 细胞 质 的 ATP 库 中 有 充足 的 ATP 我 们 已 经 知道 ,在 线粒体 内 膜 中 有 一 特殊 的 转运 蛋白 质 , 它 执行 着 一 反 向 转运 系统 的 功能 ,可 利用 贮 于 跨 内 膜 的 电化 学 梯度 的 能 量 来 运送 ADP x AR Mh. Hee ATP (图 9-22)。 其 结果 。 由 于 胞 液 中 ATP 水 解 所 产生 的 ADP 分 子 迅速 进入 线粒体 。 再 次 补充 基质 中 的 ADP， 而 在 线粒体 基质 中 经 氧化 磷酸 化 所 形成 的 ATP 分 子 就 迅速 逸 出 到 Be CHR. CAKE BM ATP 分 子 穿梭 地 进出 线粒体 ,每 天 数 干 次 地 重新 补 充 ， 以 使 细胞 中 ATP 浓度 保持 在 高 于 ADP 浓度 的 5 一 10 倍 。 我 们 也 已 经 知道 ， 细 胞 中 生物 合成 的 酶 是 怎样 地 指导 它们 的 底 物 沿 着 特定 的 反应 途 径 进 行 , 它 们 通常 驱使 能 力学 上 不 利 的 反应 与 能 力学 二 有利 的 ATP 水 解 作 用 相 偶 联 (图 2-29)。 所 以 ,高 度 负荷 的 ATP 库 被 应 用 以 驱动 细胞 的 反应 过 程 ， 非 常 象 一 具 电 池 可 用 以 驱动 电动 机 那样 如 果 线 粒 体 的 活性 停止 了 ，ATBP 量 就 降低 ,细胞 的 电池 耗 尽 。 最 终 ， ATP 水 平 降低 到 一 定 程度 ， 此 时 能 力学 上 不 顺利 的 反应 就 不 再 能 被 ATP 水 解 所 驱动 To 初 看 起 来 ,这 样 状态 的 水 平 似乎 是 不 会 达到 的 ,除非 ATP 的 浓度 降落 到 零 。 但 事实 土 ， 在 一 限定 的 ATP 浓度 下 ,这 样 的 情况 会 很 快 地 出 现 : 而 ATP 浓度 是 依赖 于 细胞 中 和 Bi 的 浓度 。 要 阐明 为 什么 是 这 样 的 我们 必须 转 到 某 些 热 力学 的 基本 原理 上 。 477。 AG° 和 AG 之 间 的 差别 : 大 的 AG 负 值 是 细胞 ATP 水 解 作用 所 需要 的 " 根据 热力 学 第 二 定律 ， 化 学 反应 是 自发 地 沿 着 与 整体 的 无 序 状态 增加 相 适 应 的 方 铝 进行 的 。 在 第 二 章 里 ,我 们 指明 ， 以 热 的 形式 释放 能 量 到 周围 环境 的 反应 (例如 ATP 的 水 解 ), 由 于 提高 了 周围 环境 中 随机 分 子 运动 的 强烈 程度 ,其 整体 的 无 序 状态 也 移 于 增加 。 内 膜 外 膜 图 9-21 氧化 磷酸 化 的 一 般 机 制 。 当 一 高 能 电子 沿 电子 传递 链 传递 而 降低 能 量 时 ， 质 子 则 在 三 个 能 量 贮存 部 位 的 每 个 部 位 被 泵 出 基质 空隙。 这 些 质子 产生 了 跨 内 膜 的 电化 学 质子 梯度 。 这 梯度 驱动 质子 通过 AT 合成 酶 返回 基质 。 合 成 酶 是 一 跨 膜 蛋 白质 复合 体 ， 它 利用 质子 流 的 能 量 使 基质 中 的 ADP 和 了 i 合 成 ATP。 地 来 回 进行 。 各 种 反应 中 ,由 于 改变 了 起 反应 的 化 学 物质 的 浓度 ,也 可 能 影响 其 无 序 状 态 的 程度 。 一 个 反应 所 影响 的 整体 无 序 状态 的 最 终 变 化 。 可 以 由 与 这 反应 相 联 系 的 自由 能 变化 (change of free energy), AG, QAR: MARAE 大 大 降低 的 反应 (所 以 AG 是 大 的 负 值 )* 产 生 了 整体 上 的 最 大 的 无 序 状态 ， 反 应 非常 迅速 地 进行 着 。 细胞 内 部 正常 状态 下 ,水解 ATP 为 ADP 和 无 机 磷酸 所 需 的 自由 能 变化 是 在 每 摩尔 一 11 I-13 BR 闻 ， 使 得 这 水 解 反 应 极其 顺利 。 但 这 仅仅 由 于 细胞 中 ATP 的 浓度 保持 着 比 ADP 和 Pi 的 浓度 高 得 多 的 情 况 。 在 所 谓 的 “标准 状态 *? 下 ，ATP、ADP 和 Pi 都 以 福 同 的 每 升 一 摩尔 的 浓度 存在 ，ATP 水 解 的 AG 一 一 所 谓 反 应 的 标准 自由 能 变化 (standard free-energy chan- ge) 或 AG" 一 一 只 有 每 摩尔 一 7.3 干 卡 。 在 ATP K BEAST ADP 和 Pi 浓度 的 情况 下 ，AG 将 等 于 零 。 在 这 一 点 上 ,ADP 和 Pi 结合 形成 ATP 的 速率 将 正好 等 于 ATP 水 解 成 ADP 和 Pi 的 速率 。 换 名 话说， 当 AG 一 0， 反 应 处 于 平衡 状态 (图 9=24)o 然而 ,AG?" 值 是 一 常数 , 它 仅 依 赖 于 反应 物 的 性 质 ， 而 AG 值 则 是 可 变 的 ,依赖 于 反应 物 的 浓度 。 事 实 土 ， AG 值 表示 一 反应 距离 平衡 状态 有 多 远 。 因 此 ,是 AG, 而 不 是 AG?， 揭 示 某 反应 是 不 是 能 用 来 驱动 其 他 反应 。 在 细胞 中 ， 线 粒 体 中 ADP 有 效 地 转变 成 ATIP， 维 持 ATP 的 浓度 高 于 ADP 和 Pi, 并 通过 保持 细胞 中 ATIP 水 解 反 应 远离 平衡 状态 ,从 而 造成 AG 为 一 大 的 负 值 。 如 果 没 有 这 不 平衡 ，ATP 水 解 就 不 再 能 被 用 来 引导 细 胞 中 的 许多 反应 ， 许 多 生物 合成 反应 将 因此 而 没有 方向 细胞 呼吸 作用 具有 显著 的 高 效率 通过 氧化 磷酸 化 作用 的 途径 , 当 NADH 中 的 每 对 电子 传递 给 氧 时 ,提供 了 可 形成 3 个 ATP 分 子 的 能 量 (FADH, 中 的 一 对 电子 能 量 较 低 ,只 能 形成 2 个 ATP 分 子 )o 总 计 ， 每 分 子 乙 酰 辅酶 A 进 和 人 这 循环 可 形成 约 12 个 ATP 分 子 , 这 意味 着 从 1 个 葡萄 糖分 子 可 产生 24 个 ATP 分 子 , 从 1 个 棕榈 酸 分 子 (一 种 16 碳 脂肪 酸 ) 可 生成 96 个 ATP 分 子 6 ‘4786 = ett Sry lt masa ADP*" ATP4- 图 9-22， 由 跨 线粒体 内 膜 的 电化 学 质子 梯度 所 驱动 的 蒜 些 主动 运输 过 程 。 这 些 化 合 物 岁 可 自 由 地 渗透 过 外 膜 。 关 于 反 向 转运 和 同 向 转运 机 制 的 讨论 * 见 第 六 章 。 如 果 包 括 了 在 乙酰 辅酶 A 形 成 之 前 所 发 生 的 能 量 生成 反应 ， 那么 1 个 葡萄 糖分 子 的 完全 氧化 可 给 出 净 产 量 约 36 个 ATP 分 子 , 而 一 棕榈 酸 分 子 完全 氧化 可 得 约 129 个 ATP 分 子 。 这 些 数目 接近 于 最 大 值 , 因 为 线粒体 中 制造 ATP 的 真 实数 量 还 依赖 于 电化 学 梯度 能 量 中 有 多 少 是 用 于 ATP A 成 之 外 的 目的 。 当 脂 肪 和 碳水 化 合 物 燃 烧 直 接 成 为 CO， 和 HO 所 需 的 自由 能 变化 ,与 相应 的 生物 氧化 时 ATP 磷酸 键 中 贮 藏 的 总 能 量 相 比较 ， 结 果 氧 化 能 量 转化 成 ATP 键 能 的 效率 常常 要 大 于 30%, 这 明显 地 优 于 许多 人 工 制造 的 能 量 转换 装置 的 效率 。 如 果 细 胞 以 电动 机 或 汽油 发 动机 的 效率 (10 一 209) 作 功 的 话 ,那么 生物 将 必须 狼吞虎咽 地 吃 大 量 的 食 物 以 维持 它 自己 的 生命 。 而 且 。 由 于 所 有 被 浪费 的 能 量 均 以 热 的 形式 释放 出 来 ， 大 形体 的 生物 将 需要 发 展 出 更 为 有 效 的 机 制 。 才 能 将 热 散 发 到 环境 中 去 。 在 了 解 了 关于 细胞 的 呼吸 作用 后 ,同学 们 可 能 很 惊奇 ， 为 什么 细胞 中 化 学 的 相互 转化 常常 牵涉 到 这 么 复杂 的 途 ao 柠檬 酸 循环 和 呼吸 链 中 的 许多 步 又 的 确 可 被 绕道 进 行 ; 使 糖 最 终 氧 化 成 CO 和 Hi;O 的 反应 完成 得 更 为 直接 。 这 样 ,呼吸 作用 虽 可 更 易于 进行 ,但 这 对 细胞 将 是 一 种 灾害 。 因为 只 有 通过 包含 许多 中 间 物 的 氧化 途径 ， 这 些 中 间 物 的 每 个 化 合 物 所 不 同 于 前 面 一 个 的 仅 在 于 能 量 上 的 些小 差 异 。 才 能 使 由 氧化 作用 释放 的 大 量 自由 能 划分 成 一 小 部 分 细胞 质 中 很 低 的 Ca2+ 浓 度 Caz* PY fit 外 腊 图 9-23 “由 膜 电位 驱动 的 运输 过 程 的 作用 :和 钙 主 动 输入 线粒体 。 因为 线 粒 体内 部 大 部 分 的 钙 被 设想 是 以 磷酸 钙 的 形式 沉淀 ， 所 以 ` Ca+ MRA 只 需 作 相对 小 量 的 功 。 一 小 部 分 ， 才 可 能 以 偶 联 反应 的 方式 高 效率 地 转化 成 有 用 的 能 量 形 式 ( 见 图 2-17)。 * 479. 一 一 一 一 3 平衡 状态 : 合成 速率 一 水 解 速率 Gl pa hE ee | (ieee 1. ATP > ADP+® san (MEY) (AR) _CATP RE) 《合成 速率 常数 ) (ABP) x (BEE) (水 解 速 事 尝 数 ) 7 ABEL 2. ADP+® ATP Arise (PHAM) x (BEE) Se ADP [ADP][o] —~* x (See SS 4。 对 于 这 反应 在 平衡 状态 这 反应 没有 对 整体 无 序 状态 的 净 效 应 ， ATP—+>ADP + ® 所 以 AG 一 0, 因此 处 于 平衡 状态 ; 适用 下 列 方程 式 : Rr 7A Cac [ADP ][®] 但 是 在 平衡 状态 下 ， 反 应 物 的 浓度 必须 满足 平衡 方 这 里 入 G 和 人 入 Go 是 以 每 摩尔 千 卡 为 单位 。R 是 “程式 : 气体 常数 (2X10-* 千 卡 摩尔 -:"K-0, 工 是 绝对 温 cc a Bah 度 (“K), 所 有 的 浓度 均 以 每 立 升 摩尔 数 为 单位 。 IADIJLOJ 当 所 有 反应 物 的 浓度 是 1 mol/L, 则 AG = 入 ”所 以 在 平衡 状态 入 G* — RTIOK A RIAA G"( 因 为 RTlnl 王 0)。 因 此 入 G" 是 一 常数 ,规定 ， 道 入 G% 指 示 一 反应 的 平衡 点 ， 而 全 G 则 表示 这 反应 距 为 这 反应 的 标准 自由 能 变化 离 平 衡 有 多 远 。 [ATP] AG = AG® — RTin TADP]T@®] 图 9-24 以 ATP 水 解 反应 来 阐述 自由 能 变化 和 平衡 之 间 的 基本 关系 。 这 里 所 表示 的 平衡 常数 K 是 以 每 摩尔 升 数 为 单位 。 小 结 线粒体 进行 着 大 量 的 细胞 氧化 作用 ,并 产生 大 量 的 细胞 的 ATP。 线 粒 体 基质 空隙 含 有 大 量 的 各 种 酶 ,包括 氧化 丙酮 酸 和 脂肪 酸 为 乙酰 辅酶 A 的 酶 , 以 及 利用 忆 酰 辅酶 久生 产 大 量 NADH (和 FADH,) 的 柠檬 酸 循环 的 酶 。 埋 于 线粒体 内 膜 的 电子 传递 链 可 利用 氧 和 NADH 等 化 含 物 所 携带 的 活性 电子 结合 所 得 到 的 能 量 ， 将 基质 中 的 质子 泵 出 ,以 产生 一 跨 膜 的 电化 学 质子 梯度 。 这 梯度 一 包括 膜 电位 和 pH 差 所 起 的 作用 一 一 依次 被 内 蚤 中 的 蛋白 质 复 合体 利用 来 合成 ATP, 这 梯度 也 直接 驱动 有 选择 的 代谢 物 主动 凶 输 入 和 输出 基质 ， 给 与 ATP-ADP 交换 以 动力 ,使 细胞 的 ATP 库 保 持 在 高 度 抽 荷 状 态 。 me We RT 我 们 已 经 概略 地 考察 了 线粒体 具有 怎样 的 功能 ， 现 在 让 我 们 更 详细 地 来 研究 呼吸 链 一 一 电子 传递 链 ， 它 对 所 有 的 氧化 代谢 是 如 此 的 关系 重大 。 因 为 呼吸 链 的 各 组 成 也 是 线 粒 体 内 膜 固有 的 组 成 。 所 以 关于 它们 的 研究 构成 了 对 膜 生 物 学 的 主要 贡献 ， 提 供 了 生物 膜 各 个 蛋白 质 组 成 之 间 所 发 生 的 复杂 的 相互 作用 的 最 清楚 的 例证 。 从 线粒体 可 分 离 出 具有 功能 的 、 翻 里 朝 外 的 颗粒 对 于 呼吸 链 的 研究 ,完整 线粒体 不 容易 进行 实验 处 理 , 因 而 必须 将 其 破碎 。 用 超声 波 破碎 线粒体 ， 就 可 能 分 离 出 亚 线粒体 颗粒 ， 包 含有 破碎 的 风 膜 。 破 碎 的 呈 膜 可 重新 封闭 "© 480's RRA, HB 100nm (9-25), MRE WR RAO Fe 示 其 外 表面 散布 着 直径 为 9nm 的 小 球 , 以 小 柄 连接 于 膜 (图 9%-26)。 在 完整 的 线粒体 下， xe —— ATP 合成 酶 一 “是 包 在 内 膜 的 内 仙 ( 面 向 基质 )。 因而 这 亚 线粒体 颗粒 是 内 膜 里 翻 朝 外 的 小 泡 ， 它 们 原先 面向 基质 的 表面 则 暴露 在 周围 介质 中 。 结 果 它 们 可 以 让 由 地 与 代谢 物 接触 ,正常 情况 下 这 些 代谢 物 由 基质 供应 * 当 加 入 NADH, ADP 和 无 机 BE. 这 些小 颗粒 可 从 NADH 传递 电子 到 0;， 并 使 这 一 氧化 作用 与 ATP 合成 相 偶 联 。 ATP 合成 酶 可 以 被 纯化 ,并 可 以 活性 形式 加 回 到 膜 上 :六 最 先 使 催化 氧化 磷酸 化 作用 的 各 种 膜 蛋白 质 能 彼此 分 离开 而 又 不 破坏 它们 活性 的 试 验 ; 是 在 1960 年 完成 的 。 散 布 在 亚 线粒体 颗粒 表面 的 9am 大 小 的 蛋白 质 小 球 可 以 从 颗 粒 上 上 拆 离 下 来 ， 并 以 溶解 状态 将 其 纯 伦 。 经 拆 离 的 颗粒 仍然 能 够 在 有 氧 条 件 下 氧化 NADH， 但 它们 不 再 能 合成 ATP。 另 一 方面 ,纯化 的 小 球 起 着 ATP 酶 的 作用 ， 可 水 解 ATP 成 为 ADP 和 Pi, 当 纯化 的 小 球 (叫做 F, ATP. 酶 ) 被 加 回 到 被 拆 离 的 亚 线粒体 颗 粒 上 ;它们 的 ATP 酶 活性 就 逆转 ;重新 构成 的 亚 线 粒 Am hee 体 颗粒 可 立即 从 ADP 和 Pi 再 合成 ATP。 随后 的 研究 表明 。F，ATP 酶 是 一 个 较 大 的 含有 九 种 不 同 多 肤 链 的 跨 膜 复合 体 ( 约 500 000 道 尔 顿 ) 的 一 部 分 , 现在 已 知道 即 为 ATP 合成 酶 (也 叫做 Fu Fi ATP 酶 )。 复 合体 包含 了 整个 内 膜 蛋白 质 的 15%. JE acre 常 相似 的 ATP 合成 酶 亦 存在 于 叶绿体 和 细菌 膜 内 。 这 种 普遍 存在 的 蛋白 质 复合 体 含有 一 跨 腊 的 质子 通道 ， 7) (一 、 一 人 当 质 子 流 经 这 通道 ,降低 了 电化 学 梯度 时 。ATP 便 合 /二 成 。 ( OW ATP 合成 酶 功能 的 一 个 最 令 人 信服 的 证 据 是 q 得 自 1974 年 完成 的 一 个 实验 。 从 那 时 起 ,方法 学 上 的 “信和 ~ 一、 -~ 发 展 使 被 去 垢 剂 溶解 的 完整 的 膜 蛋白 质 可 移植 到 脂肪 了 小 泡 〈 脂 质 体 ) 上 ， 小 泡 是 由 纯化 的 磷脂 形成 。 因 此 ， 封闭 而 形成 的 这 就 有 可 能 组 成 一 种 杂交 膜 , 含 有 纯化 的 线粒体 ATP penne a 合成 酶 和 细菌 视 紫 质 一 一 种 细菌 的 光驱 动 质子 泵 ， 2% 小 当 这 些小 泡 暴露 在 光 下 ,被 细菌 视 紫 质 泵 人 小 泡 的 质 ®: 2 子 可 通过 ATE 合成 酶 返回 流出 。 引 起 了 外 面 淤 液 中 My ae: ATP 的 形成 (图 9-27)。 由 于 细菌 质子 泵 和 哺乳 动 物 的 ATP 合成 酶 之 间 直 接 的 相互 作用 看 来 极 不 可 PEGI Te AO 能 , 所 以 实验 强 有 力 地 支持 了 这 一 观点 ， 即 质子 转移 “图 9-25 从 纯化 的 线粒体 制备 亚 线粒体 O ATP 合成 是 去 各 两 个 ALIA HE ALE BRE Aw MS : 成 是 氧化 磷酸 化 过 程 中 的 两 个 独立 的 事 “Lampe & ATP 合成 酶 可 能 方向 相反 地 起 着 水 解 ATP FR Ht 的 作 月 2 ATP 合成 酶 是 一 可 逆 的 酶 复合 体 ; 它 能 利用 ATP 水 解 的 能 量 去 泵 动 质子 跨 过 线 粒 se。 481。 体 的 内 膜 ; 也 可 能 利用 降低 电化 学 质子 梯度 的 质子 流 来 生产 ATP (2 9-28), Ain. Ce 当 于 一 可 逆 的 偶 联 装置 。 进 行 电化 学 质子 梯度 和 化 学 键 能 的 相互 变换 。 它 的 作用 方向 依 赖 于 电化 学 质子 梯度 的 陡 度 和 因 ATP 水 解 产 生 的 区 域 化 AG 之 间 的 平衡 。 ATP 合成 酶 的 名 称 是 源 于 这 一 事实 * 即 它 正常 地 受 呼 吸 链 所 保持 的 很 大 的 电化 学 质 子 梯度 ( 见 图 9-20) 的 驱动 ,以 产生 大 部 分 的 细胞 ATP。 虽 然 准 确 的 数量 起 今 仍 有 争论 。 但 可 能 是 由 每 两 个 或 三 个 质子 通过 ATP 合成 酶 来 驱动 合成 一 个 ATP 分 子 。 为 了 便 于 下 面 叙 述 的 计算 ,我们 姑且 认定 其 数量 是 3。 在 任何 时 刻 ,无 论 ATP 合成 酶 是 以 合成 ATP 方向 或 水 解 ATP HABE. 依赖 于 为 转移 3 个 质子 穿 过 内 膜 进 大 基质 空隙 的 顺 自由 能 变化 _〈AGsar， 丰 于 0) 和 为 在 基质 中 合成 ATP 的 逆 自 由 能 变化 (AGArrsg。 大 于 0) 之 间 精 确 的 平衡 。 如 上 面 所 讨论 AY -AGarrse 的 值 依赖 于 线粒体 基质 空隙 中 的 ATPLADP 和 Pi 三 个 反应 物 准确 的 浓度 (图 9-24)。 另 方面 ; AGsa+ 值 与 跨 过 线粒体 内 膜 的 质子 动力 的 值 成 比例 下 面 的 例子 将 有 助 于 立 述 这 两 个 自由 能 变化 之 间 的 平衡 是 怎样 影响 ATP 合成 酶 。 如 图 9-28 说 明 中 所 解释 的 ,单个 质子 移动 进入 基质 降低 220mV 的 电化 学 梯度 ， AK 放 每 摩尔 5.06 FE (kcal/mol) 的 自由 能 ， 而 -3 个 这 样 的 粒子 的 移动 释放 出 三 倍 于 这 样 多 的 自由 能 (AG:ar 一 一 15.2kcal/mol)。 因此 。 如 果 质 子 动力 恒定 地 保持 在 220 mv, ATP 谷 成 酶 将 合成 ATP， 一 直到 ATP 和 ADP 与 Pi 的 比例 达到 AGAreaw 正好 等 于 十 15.2 cal/mol( 在 这 二 点 上 ，AGArpam + AGaa+ 一 0) 为 止 。 这 时 将 不 再 有 ATP 合成 酶 所 催化 的 ATP 净 合 成 或 水 解 。 假设 大 量 的 . ATP 突然 间 为 细胞 胸 液 中 需 能 反应 所 水 解 ， 引起 了 基质 中 ATP: ADP 的 比例 下 降 ， 这 时 AGArpsw 值 将 降低 ( 阅 图 9-24)。 ATP 合成 酶 将 开始 合成 ATP， 而 EMSS) ATP:ADP 的 原先 比例 。 换 名 话说, 如果 质子 动力 突然 降低 ， 然 后 保持 在 恒 定 的 200mV 7K Es AGsa+ 将 变 为 一 13.8 kcal/mol, 其 结果 ，ATP 合成 酶 将 开始 水 解 图 9-26 ， 亚 线粒体 颗粒 的 电子 显微镜 照片 。( Ephraim Racker 赠 ) © 4826 纯化 的 ATP 纯化 的 瑾 菌 视 紫 红 质 合成 酶 图 9-27 证 明 ATP 合成 酶 可 被 一 简单 的 质子 流 所 驱动 的 一 个 重要 实验 的 简略 图 。 把 光驱 动 的 细菌 质子 和 泵 (细菌 视 紫 质 ) 和 从 牛 心肌 线粒体 纯化 获得 的 ATP 合成 酶 ,与 磷脂 组 合 形成 一 小 泡 ， 这 小 泡 对 光 应 答 而 合成 ATP。 至 于 图 中 所 示 的 质子 途径 在 线粒体 中 是 否 常常 以 短路 的 方 式 一 这 被 汞 入 的 质子 沿 着 膜 流动 进入 ATP 合 成 酶 ,而 不 是 首先 进入 液 相 的 途径 * 这 个 问题 在 专家 中 是 有 争议 的 。 然 而 实验 表明 ， 质 子 不 像 旦 从 一 呼吸 酶 复合 体 直接 传递 到 ATP 合 成 酶 。 ATP “ATP ATP!) aTP ANP ATP | 图 9-23 ATP GRMBR—-KNEA kh, BAA 300,000 分 子 量 * 由 至 少 九 种 不 同 的 多 肽 链 组 成 。 整个 复合 体 也 可 称 为 EuF; ATP 酶 。 其 五 个 多 肽 链 构成 复合 体 的 球状 头 部 ， 可 被 分 离 出 来 BH F,ATP 酶 。 如 所 指出 的 ，ATP 合成 酶 起 着 可 逆 的 偶 联 装置 的 作用 ， 使 电化 学 质子 梯度 和 化 学 键 能 能 相互 转换 。 如 文中 所 阐述 的 ， 在 任何 给 定 的 时 A> 它 的 作用 方向 是 依 赖 于 跨 膜 的 质子 转移 和 从 ADP 及 MAK ATP 的 偶 联 过 程 的 净 自 由 能 变 化 。 在 圭 面 我 们 已 经 指出 y*ATBP 水 解 的 自由 能 变化 (全 G) 怎 样 依赖 于 三 种 反应 物 ATP.ADP 和 Pi 的 浓度 (图 9-24); ATP 合成 的 会 G 是 这 个 值 的 负 数 。 跨 膜 质子 转移 的 入 G 是 两 个 数值 的 总 和 : (1) 由 膜 电位 差 Ad 而 使 1 摩尔 的 任何 离子 运动 的 AG ,以 及 (2) 在 任何 两 个 区 室 之 间 的 浓度 差 使 1 摩 尔 分 子 运动 的 Ge 在 475 页 止 质子 动力 的 方程 式 兼 有 这 相同 的 两 种 成 分 ， 用 当量 的 膜 电位 的 增加 替代 浓度 差 ,以 产生 质子 “电化 学 势 "。 因 此 ,质子 转移 和 质子 动力 的 全 G 测量 了 相同 的 势能 ， 一 种 是 以 F 卡 表 示 ; 而 另 一 则 是 以 毫 伏 表示 。 在 它们 之 间 的 变 换 因 子 是 法 拉 弟 (Faraday)。 因 而 ， 生 GH+ 王 一 0.023( 质 子 动力 ) 这 里 入 Ga+ AU kcal/mol 为 单位 ?而 质子 动力 WILL mV 表示 。 每 220 mV 的 电化 学 质子 梯度 AGH+ 一 5.06 kcal/mol, * 483 @ 基质 中 的 一 些 ATP 一 一 直到 ATP 和 ADP 与 Pi 达到 新 的 平衡 CU AGarpan = 十 13.8 kcal/mol) 等 等 5 如 我 们 将 会 在 后 面 看 到 的 ,许多 细菌 中 ATP 合成 酶 的 作用 按 一 定 程 序 在 需 氧 代谢 和 厌 氧 代谢 之 间 反 向 转换 。 ATP 合成 酶 的 可 逆 性 是 把 离子 运动 偶 联 于 ATP 合成 或 水 解 的 其 他 膜 蛋白 所 共有 的 一 种 性 质 。 例 如 , 在 第 六 章 所 叙述 的 Nat-Kt RA Ca* RH 者 均 水 解 AITP， 并 可 利用 水 解 所 释放 的 能 量 去 和 泵 动 特定 的 离子 通过 膜 。 如 果 这 些 泵 的 任 一 种 处 于 由 它 所 传递 的 离子 梯度 异常 高 的 情况 下 , 它 将 逆向 起 作用 从 ADP 和 Pi 合 成 ATP， 而 不 是 水 解 - ATP。 因 此 ,如 象 ATP 合成 酶 ， 这 种 离子 泵 可 能 把 贮藏 在 跨 膜 离子 梯度 中 的 电化 学 能 量 直接 转换 成 ATP 中 的 磷酸 键 能 。 FIR OM ARO H* Hit A ARR 尽管 ATP 合成 酶 不 能 正常 地 从 基质 空隙 传递 Ht 穿 过 线粒体 内 膜 流 出 ,而 埋 在 膜 中 的 呼吸 链 通 常 却 能 做 到 ,从 而 产生 电化 学 质子 梯度 ,驱动 ATP 合成 。 呼 吸 链 将 质子 从 基质 空隙 向 外 转移 的 能 力 可 在 特定 条 件 下 以 实验 来 证 明 。 例 如 ， 离 体 线 粒 体 悬 浮 中 加 进 适 于 氧化 作用 的 底 物 , 通过 ATP 合成 酶 的 HY MAT R—-BS MAMA iko HR 有 空气 条 件 下 , 注 和 人 小 量 的 氧 到 这 制剂 中 ,引起 了 短暂 的 呼吸 作用 的 狂 发 ， 在 氧 耗 尽 之 前 持续 1 一 2 秒 钟 。 当 呼 吸 作 用 狂 发 时 ， 由 于 HY 从 基质 空隙 流出 所 造成 的 介质 的 突然 酸 非 极 性 端 极 性 端 | COO- Na 在 脱氧 胆 酸 盐 中 . HO OH- 没 有 这 一 OH 基 团 时 间 ( 秒 ) 图 9-29 线粒体 中 呼吸 作用 驱动 Ht 转移 的 实验 证 明 。 图 9-30 ”相对 较 温 和 的 阴离子 去 一 密封 小 室 ， 含 有 作为 呼吸 作用 电子 来 源 的 无 氧 的 纯化 垢 剂 , 胆 酸 盐 和 脱氧 胆 酸 盐 的 结 线粒体 的 悬浮 液 ; 以 及 可 消除 膜 电位 的 离子 载体 aie 构 。 它 们 的 强度 足以 溶解 膜 蛋白 BAK, 见 291 页 )。 当 以 注射 器 针头 脉冲 注入 氧 ， 结 质 , 常 被 应 用 而 不 损伤 酶 的 活力 - RSH pH 值 变化 如 图 所 示 。 其 后 加 入 二 硝 基 酚 , 由 于 使 质子 流 迅 速 通过 线粒体 内 膜 返 回 , 消 除了 pH 的 变化 ， 如 后 面 曲线 所 描述 。 化 ,这 可 用 灵敏 的 pH 电极 来 测定 。 随 后 经 过 1 一 2 分 钟 ，pH 回复 到 原先 的 数值 ， 因 为 Ht 经 不 同 的 缓慢 途径 跨 膜 滩 漏 而 返回 到 基质 空 阶 ( 图 9-29)o 相同 的 实验 也 可 用 亚 线粒体 颗粒 的 悬浮 液 来 进行 。 在 这 种 情况 下 , 当 注 人 氧气 时 , 介 质变 得 更 碱 ,因为 由 于 亚 颗粒 的 位 向 是 翻 里 朝 外 ,质子 征 和 汞 人 每 个 小 泡 中 去 。 * 484 。 FRRASHBEAR PHAR AK” 线粒体 内 膜 的 纯化 制剂 已 被 用 来 作为 纯化 包括 呼吸 链 在 内 的 各 种 各 样 蛋白 质 的 起 始 材料 。 较 为 远 和 的 离子 去 拍 剂 被 用 来 破碎 膜 ， 这 足以 使 个 别 成 分 优先 溶解 (图 9-30) ,最 终 证 实 从 NADH 到 氧 过 程 中 三 个 主要 的 膜 结合 的 呼吸 酶 复合 体 。 1. NADH 脱 氢 酶 复合 体 , 含 有 至 少 12 个 多 肽 链 ; 接 受 从 NADH 来 的 电子 ,并 传递 He (uQ), 泛 柄 是 一 小 的 脂 溶性 分 子 。 uaQ 传递 它 的 电子 到 第 二 个 呼吸 酶 复合 体 ， b-c, BE Ko 2. b-c .复合 体 , 含 有 8 个 不 同 的 多 肽 链 ， 设 想 是 以 二 聚 体形 式 存在 , 约 500 000 道 尔 顿 。 这 复合 体 本 身 含 有 两 个 细胞 色素 ;接受 从 泛 柄 来 的 电子 ,并 传递 给 细胞 色素 cc。 细胞 色素 < 是 一 小 的 外 转 膜 蛋白 质 , 传递 它 的 电子 给 细胞 色素 氧化 酶 复合 体 。 3. 细胞 色素 氧化 酶 复合 体 ( 细 胞 色素 aas)， 是 这 三 种 复合 体 中 最 具 特 征 性 的 , 包含 “有 7 个 不 同 的 多 肽 链 , 可 以 二 聚 体形 式 分 离 出 来 ， 约 250 000 道 尔 顿 。 每 个 单 体 已 证 明 是 以 图 9-31 所 描述 的 方式 坐落 在 膜 内 。 细胞 色素 氧化 酶 接受 来 自 细胞 色素 分 子 的 4 个 电子 (每 次 一 个 )， 最 终 传送 这 些 电 子 到 一 单个 结合 态 的 90; 分 子 上 ,从 而 形成 两 个 水 分 子 。 在 每 个 细胞 色素 氧化 酶 单位 内 有 多 电子 载体 ,这 对 其 他 呼吸 链 复 合体 似乎 也 是 存在 的 。 在 细胞 色素 氧化 酶 中 ,两 个 电子 先 进入 低 电 位 的 氧化 还 原 中 心 ( 细 胞 色素 a 4m hl f& HH ft 的 血红 素 和 一 连结 蛋白 的 铜 原子 ;Cu:)， 而 后 电子 依次 传递 包含 另外 的 铜 原子 和 po 细胞 色素 a 血红 素 的 结合 氧 部 位 。 每 f 个 结合 的 氧 分 子 是 怎样 精确 地 同 4 个 电 a\: | 子 和 4 个 质子 起 反应 而 产生 2 分 子 水 ， ， 总 过 现在 还 不 知道 。 AV. 3 \ on 经 测算 ， 大 多 数 细胞 所 吸取 的 总 氧 a ee BA 90% 为 细胞 色素 氧化 酶 反应 所 利 ”基质 空 障 4 nm 一 氧 (电子 受 体 ) 用 。 因 为 ， 具 强 毒性 的 氰 化 物 、 登 氮 化 “图 9-31 细胞 色素 氧化 酶 复合 体 和 它 的 电子 供 体 ， 以 及 受 体 物 和 一 氧化 天 地 与 这 复合 休 结 分 子 的 相对 大 小 和 形状 。 图 中 所 示 的 低 分 状 率 的 细胞 色素 氧 a em -sdihcilhiaegabiaetecniee eR SEE OTE HEE By RE ACA ABE He FRR 的 合 ,这 就 阻 断 了 所 有 的 电子 传递 。 二 维 晶 体 (结晶 薄片 ) 图 像 构成 的 。 在 双 层 膜 内 ,电子 传递 是 由 扩散 的 供 体 和 受 体 之 间 的 随机 碰撞 所 调节 ” 呼吸 链 的 三 个 主要 酶 复合 体 表 现 以 独立 的 实体 在 内 膜 双 层面 中 扩散 着 ; HIB, jms 它们 平均 扩散 约 40nm， 这 距离 大 约 为 其 本 身 直 径 的 六 倍 。 在 复合 体 之 间 携 带电 子 的 两 个 成 分 一 二 泛 柄 和 细胞 色素 比较 小 ,但 其 移动 较 酶 复合 体 约 快 10 倍 ; 它们 OT MARS HED FHT BARRA (~10-%cm’s'), 计算 表明 ， 在 这 些 载体 和 酶 复 合体 之 间 的 随机 碰撞 足以 容许 所 观察 到 的 电子 沿 呼吸 链 传递 的 速率 〈 每 个 复合 体 给 出 和 接受 一 个 电子 大 约 每 5 一 20ms 一 次 )。 因此 ， 就 没有 必要 另 假定 在 脂 双 层 中 电子 传递 量 白 质 具 有 结构 上 有 序 的 链 。 如 下 观察 支持 了 这 个 观点 。 经 计算 ,呼吸 链 的 各 种 组 成 是 以 不 同 量 存在 的 ,对 于 每 分 * 485。 F NADH 脱氧 酶 复合 体 ， 有 3 分 子 的 b-c 复合 体 ，7 分 子 细胞 色素 氧化 酶 复合 体 、9 分 子 细胞 色素 < 和 50 分 子 的 泛 柄 。 此 外 ,用 脂 质 体 同 亚 线粒体 颗粒 融合 的 方法 ， 使 过 量 的 磷脂 稀释 内 膜 的 蛋白 质 。 以 冰冻 断裂 的 电子 显 微 术 研究 这 种 颗粒 的 膜 ， 认 为 膜 上 呼吸 链 复合 体 比 正常 亚 线粒体 颗粒 上 的 要 分 开 得 远 得 多 ， 没 有 观察 到 有 序 的 排列 。 三 个 呼吸 酶 复合 体 的 每 一 个 氧化 还 原 电 位 的 很 大 降落 提供 了 泵 压 质子 所 需要 的 能 量 *" 象 HO 和 1/20, (或 ,NADH 和 NAD*) 成 对 的 化 合 物 ， 叫 做 共 耗 的 氧化 还 承 对 (conjugate redox pairs) ， 这 是 由 于 一 化 合 物 因 加 入 一 个 或 多 个 电子 和 一 个 或 多 个 质子 而 可 转变 成 另 一 个 化 合 物 一 -这些 质子 可 容易 地 从 任何 水 溶液 中 得 到 。 例 如 : 1/20; + 2e- + 2H+—+H,0 EARLE RS, — PE MEDAL RUN RAY 50250 YE Ay ke eRe ,维特 着 一 定 的 “H+ ER pH, ERM MAOT. URSHRWDR, OAR 对 的 两 个 成 员 的 50:50 seat — ie a "AC CCA Fh — XS DP) (E)， 这 是 测定 电子 载体 对 电子 的 亲 和 性 。 将 电极 置 于 含 适当 共 斩 氧 化 还 原 对 的 溶液 中 ， SDL et NADH RErfs-ee 用 以 生成 ATP 氧化 还 原 电位 (mV) | 目 由 能 (kcal) 电子 流动 方向 图 9-32 当 电子 沿 呼吸 链 往 下 流向 氧 时 ,氧化 还 原 电位 降落 。 氧 化 还 原 电 位 的 标准 符号 采用 己 ' 或 Eh 。 由 一 个 NADH 分 子 给 出 的 两 个 电子 ,每 个 电子 传递 所 需 的 标准 自由 能 变化 , 由 右边 纵 坐标 来 表示 。 从 FADH, 传递 的 两 个 电子 ? 比 从 NADH 传递 的 两 个 电子 产生 较 少 的 可 利用 的 能 量 。 其 原因 是 结合 于 蛋白 质 的 FADH, 较 之 NAD 瑞 ， 具 有 不 同 的 氧化 还 原 电 位 《在 0 mV RIA). 这 样 ; 它 的 电子 由 一 不 贮 能 的 过 程 传递 到 泛 醒 。 因 此 ,从 FADH, 到 氧 的 电子 传递 ， 仅 在 两 个 部 位 而 非 三 个 部 位 引起 质子 被 泵 出 (图 中 未 标明 )。 的 各 种 电子 载体 的 氧化 还 原 电 位 。 最 负 的 氧化 还 原 电 位 的 成 对 化 合 物 具有 对 电子 最 弱 的 亲 和 性 ， 因 此 它们 含有 最 强 趋 势 来 给 出 电子 和 最 弱 的 趋势 去 接受 电子 的 载体 。 -这 样 ， NADH 和 NAD? #9 50:50 的 混合 物 具 有 的 氧化 还 原 电 位 为 一 320mV， 这 表明 NADH 具有 强 的 趋势 来 给 出 电子 ,而 HO 和 1/20， 的 50:50 混合 物 具 有 的 氧化 还 原 电 位 为 +820mV, AHO, 具有 强 的 趋势 去 接受 电子 。 © 486。 图 9-32 表明 沿 呼吸 链 所 测定 的 氧化 还 原 电位 e 电 位 经 三 个 大 阶段 降落 ,每 个 阶段 是 通过 每 个 主要 的 酶 复合 体 。 在 任何 两 个 电子 载体 之 闻 的 氧化 还 原 电 位 变化 是 与 在 它们 之 闻 的 电子 传递 所 释放 的 自由 能 成 正比 (图 9-32)。 每 个 复合 体 起 着 能 量 转 换 装 置 的 作用 ，。 利用 自由 能 变化 , 随 着 电子 的 六 动 泵 质子 跨 过 膜 ; 产 生 了 电化 学 梯度 。 这 转换 可 分 别 以 每 个 纯化 的 复合 体 参 人 脂 质 体 来 直接 证 明 ( 见 图 9-27)e 当 三 个 离 体 的 复合 体 的 任何 一 个 与 适当 的 电子 任 体 和 受 体 在 一 起 时 ， 电 子 就 能 流 经 复合 体 ， 而 质子 则 跨 过 脂 质 体 膜 转移 。 ， 以 氧化 磷酸 化 为 基础 的 能 量 转换 机 制 要 求 每 个 蛋白 质 复合 体 以 固定 的 方向 埋 在 脂 双 层 膜 中 , 所 以 所 有 的 质子 都 以 同样 的 方向 被 泵 出 基质 空隙 ( 图 9-33)。 膜 蛋白 质 的 这 种 拓 量 机 构 〈vectorial organization) 是 用 不 透 过 膜 的 探 针 标记 膜 的 一 侧 或 另 一 侧 的 每 个 复合 nH? nH* nHt 2H+ +1/202 NADH b-c Rak 细胞 色素 氧 氢 酶 复合 体 (2S 图 9-33 图 解 当 从 NADH 传递 两 个 电子 到 氧 时 ,电子 流 经 三 个 主要 呼吸 酶 复合 体 。 泛 柄 和 细胞 色素 “ 在 复合 体 问 起 载体 作用 。 体 , 而 得 到 证 明 。 双 层 膜 的 这 种 独特 的 方向 性 是 所 有 膜 蛋 白质 的 共同 特性 ,也 是 它们 的 必 不 可 少 的 功能 。 呼吸 作用 的 质子 泵 机 制 尚 未 了 解 清楚 在 氧化 磷酸 化 作用 中 ,每 一 分 子 NADH 被 氧化 大 约 可 合成 最 多 三 个 ATP 分 子 ( 即 在 呼吸 链 中 ,每 两 个 电子 流 都 通过 所 有 的 三 个 酶 复合 体 )。 如 果 我 们 假定 ,由 于 ATP 合成 酶 每 合成 一 个 ATP 分 子 就 有 三 个 质子 流 返 回 ， 我 们 就 能 确定 酶 复合 体 每 传递 一 个 电 子 ， 平 均 可 泵 1.5 质子 〈 这 就 是 有 些 酶 复合 体 每 传递 一 个 电子 可 泵 一 个 质子 ， 而 另 一 些 WRAT BF )o 电子 传递 偶 联 于 质子 和 泵 的 分 子 机 制 ,对 于 不 同 的 呼吸 作用 酶 复合 体 似 乎 是 不 同 的 。 例 如 ， 当 电子 载体 泛 本 将 它 的 电子 给 与 bra 复合 体 时 ,质子 似乎 直接 被 泛 醒 泵 出 。 这 是 可 能 的 ， 因 为 泛 柄 从 其 水 介质 中 获取 一 个 H+ ， 也 一 起 获得 它 所 携带 的 电子 , 当 它 释放 电子 时 就 放出 HY 〈 见 图 9-17)。 泛 柄 是 自由 地 溶解 于 脂 双 层 膜 中 ,设想 它 可 接受 靠近 膜 内 表 面 的 电子 ,并 在 靠近 外 表面 给 出 电子 予 b-a Sak, 从 而 每 传递 一 个 电子 就 传送 一 个 质 子 通过 双 层 膜 ( 图 9-34)e 以 这 种 方式 , 传递 一 个 电子 就 可 能 泵 一 个 质子 。 同上 面 这 一 类 型 的 机 制 相 反 ， 对 细胞 色素 氧化 酶 复合 体 来 说 ， 没 有 明显 的 电子 载体 * 487。 也 能 携带 质子 的 证 据 。 在 这 种 情况 下 ， 似 乎 是 电子 传递 诱导 蛋白 质 构象 的 有 序 的 变 构 。 这 变 构 引起 蛋白 质 复 合体 本 身 某 部 分 可 能 泵 送 质 子 。 这 是 怎样 准确 地 完成 , 尚 不 知道 。 图 9-34 泛 柄 CuQ) 在 以 定向 地 接受 电子 和 给 出 电子 的 作用 下 ， 可 将 质子 从 基质 中 泵 出 。 如 图 所 示 ， 沁 醒 在 脂 双 层 膜 中 很 快 地 扩散 并 可 同时 携带 两 个 电子 和 两 个 质子 ( 见 图 9-17)。 其 他 具有 质子 化 和 去 质子 的 氧化 作用 和 还 原作 用 的 电子 载体 是 NADH. 和 FADH,, 设想 它们 也 是 以 这 方式 来 和 泵 质 了 于 。 然 而 ,就 所 观察 的 全 部 质子 流 来 计算 ， 以 这 样 的 机 制 每 个 电子 不 可 能 泵 足够 的 质子 。( 见 EX) H 离子 载体 消散 着 HW BE.AnRat ees ATP 合成 解 联 ” 自 本 世纪 四 十 年 代 以 来 ， 已 知 有 几 种 亲 脂 性 弱酸 起 着 解 联 剂 的 作用 。 加 人 这 些 低 分 子 量 有 机 化 合 物 到 细胞 中 ,可 停止 线粒体 进行 ATP 合成 ,但 并 不 阻 断 其 氧 吸 收 。 在 解 联 剂 存在 下 ,电子 传递 仍 以 高 速率 继续 着 ,但 不 产生 H* 梯度 。 对 这 效应 的 解释 是 既 简单 又 恰当 : 解 联 剂 起 着 WH 载体 或 离子 载体 (质子 载体 ) 的 作用 ,提供 了 另 一 条 HW 流通 过 线 粒 体内 膜 到 ATP 合成 酶 的 途径 。 这 短路 "所 造成 的 结果 是 质子 动力 完全 消失 ,不 再 合 成 ATP 。 这 机 制 在 图 9-35 中 以 正解 联 剂 2;4- 二 硝 基 酚 的 精细 研究 作 了 阐明 。 通常 呼吸 控制 通过 呼吸 链 抑制 电子 流 ” 当 一 解 联 剂 如 二 硝 基 酚 加 到 细胞 中 ,线粒体 显著 地 增高 了 它们 吸 氧 的 速率 ,这 是 由 于 电子 传递 速率 的 增高 。 这 反映 了 呼吸 控制 (respiratory control) 的 存在 。 这 一 榨 制 被 认为 是 通过 直接 抑制 电化 学 质子 梯度 对 电子 传递 速率 的 影响 而 起 作用 的 。 当 这 电化 学 梯 度 被 一 解 联 剂 所 消除 ,电子 传递 则 不 受 限 制 地 自由 进行 ,在 供给 底 物 的 情况 下 可 达到 最 高 的 速率 。 然而 。 当 梯度 提高 。 电 子 传递 变 得 较为 困难 ， 其 过 程 就 变 慢 下 来 。 如 果 用 实 验方 法 人 为 地 增 大 跨 内 膜 的 电化 学 梯度 ,正常 的 电子 传递 就 完全 停止 ,并 在 呼吸 链 的 某 些 部 位 能 够 测 到 逆向 的 电子 流 (reverse electron flow)! 最 近 的 观察 提示 ， 呼 吸 控制 反映 了 电子 传递 所 需 的 自由 能 变化 和 联结 电子 传递 的 质子 泵 所 需 的 自由 能 变化 之 间 的 简单 平 衡 一 一 换 句 话说 ,电化 学 质子 梯度 的 大 小 影响 着 电子 传递 的 速率 和 方向 ,差不多 也 以 同样 *， 488。 的 方式 影响 着 ATP 合成 酶 的 方向 性 。 呼吸 控制 正好 是 反馈 控制 的 一 个 精巧 的 联 锁 系统 的 组 成 部 分 ， 它 与 酵 解 、 脂 肪 酸 降 解 ， 柠 榜 酸 循环 和 电子 传递 的 速率 相 协 调 。 所 有 这 些 过 程 的 速率 受 着 AIP:ADP 比值 的 调节 ， 每 当 ATP 的 利用 增加 了 ,就 引起 ADP ACRES RIB HIRAI 中 部 位 被 认为 正好 是 线粒体 内 膜 上 的 ATP 合成 酶 。 当 ATP GXHSANRM ADP 和 Pi 的 浓度 增加 , 酶 的 工作 也 加 快 。 当 其 速率 升 高 , 酶 就 让 更 多 的 质子 流 人 基质 ， 从 而 更 迅速 地 消散 电化 学 梯度 。 梯 度 的 降落 , 反 过 来 增高 了 电子 传递 的 速率 。 包括 ATP 对 几 种 关键 酶 的 反馈 抑制 在 内 的 类 似 控制 ,作用 于 调节 呼吸 链 中 NADH 被 利用 的 速率 和 产生 的 速率 ,以 及 其 他 等 等 的 调节 。 这 许多 控制 机 制 共 同 作用 的 结 末 , 使 人 体 在 剧烈 运动 时 的 脂肪 和 糖 的 氧化 要 比 休息 时 加 快 5 至 10 倍 。 天 然 的 解 联 剂 可 转变 褐色 脂肪 中 的 线粒体 为 产生 热 的 机 器 ” 在 某 些 特殊 的 脂肪 细胞 中 ,线粒体 的 呼吸 作用 天 然 地 与 ATP 合成 机 制 解 联 。 这 些 细 胞 已 知 的 有 褐色 脂肪 细 允 ， 其 氧化 作用 的 能 量 全 部 以 热 的 方式 消失 ， 而 不 转变 为 AIP。 大 线粒体 内 膜 上 含有 一 特殊 的 传递 蛋白 质 ， 这 蛋白 质 允 许 质 子 自由 地 流动 而 降低 它们 的 电化 学 梯度 ,使 电子 传递 与 呼吸 控制 解 联 。 其 结果 细胞 以 高 速率 氧化 它们 贮藏 的 脂肪 ,并 PEM MIE ATP。 因 而 ,这 些 组 织 起 着 热 垫 " 的 作用 ,使 冬眠 动物 复苏 ， 并 防止 新 生 儿 的 敏感 部 位 受 冻 。 在 细菌 的 多 样 性 中 化 学 渗透 机 制 是 一 普遍 的 主题 细菌 利用 着 多 种 多 样 不 同 种 类 的 能 源 。 某 些 细菌 非常 象 动 物 细 胞 ， 糖 经 酵 解 作用 和 柠檬 酸 循环 被 氧化 成 CO, 和 HO, F#Amk AIP。 这 些 细菌 在 其 质 膜 内 含有 呼吸 链 , 非 常 相 似 于 线粒体 内 膜 中 的 呼吸 链 。 其 他 类 型 的 细菌 是 绝对 厌 氧 的 ,它们 仅仅 由 酵 解 (发 酝 作用 ) 或 由 使 用 氧 以 外 的 分 子 作为 最 终 电 子 受 体 的 电子 传递 链 , 来 获得 能 量 。 这 些 不 同 的 电子 受 体 可 能 是 氮 化 合 物 (硝酸 盐 或 亚 硝 酸 盐 ) 硫 化 合 物 (硫酸 盐 或 亚 硫 酸 盐 ) ,或 有 机 化 合 物 ( 延 胡 索 酸 盐 或 碳酸 盐 )o 电子 经 质 膜 中 的 一 系列 电子 载体 被 传递 到 这 些 受 体 。 这 些 电子 载体 类 似 于 线粒体 呼吸 链 上 的 电子 载体 。 除了 这 种 差异 之 外 ,所 有 迄今 已 研究 的 细菌 在 其 质 膜 中 都 庶 有 ATP 合 成 酶 ,这 是 同 线 粒 体 (和 叶绿体) 中 所 发 现 的 ATP 合成 梅 很 相似 。 在 缺乏 电子 传递 链 的 厌 氧 细菌 中 ,ATP 合成 酶 的 工作 是 逆向 的 ， 应 用 由 酵 解 所 生成 的 ATP 去 建立 跨 细菌 质 膜 的 质子 动力 。 在 其 他 所 有 细菌 中 ,由 电子 传递 链 产生 的 质子 动力 驱动 ATP 合成 酶 制造 ATP. 所 有 细菌 ,包括 严格 限于 发 酵 作 用 的 类 型 ,都 保持 有 跨 过 它们 质 膜 的 质子 动力 ， 这 个 事实 反映 了 电化 学 质子 梯度 在 跨 质 膜 逆 其 浓度 梯度 运输 物质 中 的 重要 作用 。 例如 ，Na+ 是 由 一 Na -也 反 向 转运 系统 泵 出 细菌 ,在 真 核 细 胞 中 Na*-H- 反 向 转运 系统 是 由 Na-- K* ATP 酶 所 取代 。 同 样 , 携 带 营 养 物 进 入 细菌 的 主动 运输 系统 也 是 Ht 同 向 转运 系统 ， 这 系统 中 关 雪 的 代谢 物 由 一 特殊 载体 蛋白 质 的 作用 ， 随 同一 个 或 多 个 质子 一 起 被 运 进 细 胞 内 。 大 多 歼 的 氨基 酸 和 许多 糖 是 以 这 方式 来 运输 的 (图 9-36)。 其 他 来 源 的 能 量 一 包 f& ATP 水 解 或 同 Na* 一 起 的 向 内 同 向 转运 一 一 驱动 某 些 细菌 载体 蛋白 质 的 主动 传递 但 这 些 类 型 是 比较 黎 少 的 。 相 反 : 在 动物 细胞 中 跨 过 质 膜 的 大 部 分 向 内 运输 是 由 Nat 梯 。 489。 (A) 有 氧 条 件 下 WFR \ ATP ARR ’ 高 PH 引起 质子 从 DNPS FRR Ht 低 pH 引起 质子 同 FA ry [ DNPSFHE 上 H* 图 9-35 解 联 剂 二 硝 基 酚 (CDNPBP) 对 质 图 9-36。 跨 细 茵 细胞 质 膜 所 产生 的 质子 动力 , 泵 子 流 经 线粒体 内 膜 的 传导 作用 。 不 带电 营养 物 进 入 细胞 ,并 排出 钠 。(A ) 在 需 氧 细菌 中 ， 荷 ( 质 子 化 ) 的 和 带电 荷 的 二 硝 基 酚 都 能 电化 学 质子 梯度 是 由 呼吸 链 生成 的 ?然后 被 AIP 穿 过 脂 双 层 膜 扩 散 ， 而 不 需要 传递 蛋白 合成 酶 用 于 产生 ATP。(B7 相 同 的 细菌 在 无 氧 条 质 。 由 于 电化 学 质子 梯度 的 作用 ， 二 硝 件 下 生长 * 则 由 酵 解 作用 产生 它 的 ATP。ATP 的 基 酚 分 子 在 膜 内 将 携带 比 膜 外 更 多 的 质 一 部 分 被 ATP 合成 酶 水 解 , 建 立 跨 膜 质子 动力 9 子 一 直到 质子 动力 完全 消失 。 以 驱动 运输 过 程 ( 如 文中 所 述 , 其 他 细菌 具有 的 电 子 传递 链 * 将 在 无 氧 条 件 下 泵 送 质 子 , 用 氧 以 外 的 分 子 作 为 电子 的 最 终 受 体 )。 度 来 驱动 ， 而 Na” 梯 度 是 由 Na*-K*ATP 酶 建立 。 小 结 在 从 NADH 到 0O， 的 过 程 中 ;呼吸 链 含有 三 种 主要 的 酶 复合 体 ,它们 埋 在 线粒体 内 赂 中 。 每 一 种 复合 体 都 可 被 纯化 , 插 到 合成 的 脂肪 小 泡 中 ,并 证 明 当 电子 通过 这 噶 被 传递 e 490 。 id 时 ,也 可 泵 送 质子 。 在 天 然 膜 中 ,可 移动 的 电子 载体 泛 配 和 细胞 色素 e ERT ERRRT 完善 。 电 子 流 的 途径 是 : NADH->NADH 脱 氢 酶 复合 体 一 泛 本 一 b-c 复 合体 一 细胞 色素 c~> 细 胞 色素 氧化 酶 复合 体 一 分 子 氧 (O,) 呼吸 酶 复合 体 是 揪 在 膜 内 ,具有 一 定 的 方向 性 ,所 以 所 有 的 质子 是 被 泵 出 基质 的 。 由 呼吸 链 产生 的 电化 学 质子 梯度 ， 经 另 一 个 叫做 ATP -合成 酶 的 跨 膜 蛋 白质 复合 体 的 作用 ,可 被 用 于 产生 ATP, ATP 合 成 酶 是 一 种 可 逆 的 偶 联 装置 ,在 正常 情况 下 它 转 换 进入 基质 的 质子 流 , 成 为 ATP 磷酸 键 能 ; 但 它 也 能 水 解 ATP, 朝 外 泵 质子 。 在 线粒体 、 叶绿体 和 细菌 中 的 这 一 昔 遍 现象 证 明了 在 所 有 细胞 中 化 学 渗透 机 制 的 重要 性 。 TRUS eae ”所 有 的 动物 和 大 部 分 微生物 依赖 于 从 周围 环境 中 不 断 地 摄取 大 量 的 有 机 化 合 物 而 生 存 。 这 些 化 合 物 为 生物 合成 提供 了 碳 架 ,并 通过 有 控制 的 氧化 作用 提供 代谢 能 量 , 以 驱动 所 有 的 细胞 活动 过 程 。 可 以 相信 ,在 原始 地 球 上 出 现 的 最 初 的 生物 ,能 利用 由 地 球 化 学 过 程 所 产生 的 丰富 的 有 机 化 合 物 ( 见 3 页 )。 但 是 大 多 数 这 些 化 合 物 在 几 十 亿 年 以 前 就 被 耗 尽 了 。 从 那 时 起 ,为 活 细胞 所 需要 的 所 有 有 机 物质 实际 上 都 是 由 营 光合 作用 的 有 机 体 ( 包 括 许 多 不 同类 型 的 光合 细菌 ) 所 生产 的 。 最 高 等 的 光合 细菌 是 蓝藻 菌 〈cyanobacteria)， 它们 很 少 需要 营养 物 。 它 们 利用 从 水 中 来 的 电子 和 太阳 光 的 能 量 去 转化 大 气 中 的 CQ 成 为 有 机 化 合 物 。 此 外 ,在 裂解 水 的 过 程 中 ,在 aH:O + nCO,>(CH,O), + n9: 反 应 中 ， 它们 将 氧化 磷酸 化 反应 所 需要 的 氧 释放 到 大 气 中 。 如 下 面 我 们 将 阐述 的 ， 从 更 为 原始 的 光合 细菌 进化 成 蓝 菌 ,这 首先 使 需 氧 生命 形式 的 发 展 成 为 可 能 。 其 后 重要 的 发 展 是 植物 的 出 现 ， 在 植物 中 光合 作用 是 由 细胞 内 的 细胞 器 一 一 叶绿体 来 实行 的 。 在 白天 光照 时 间 内 ,叶绿体 专门 执行 能 量 代谢 的 职能 。 当 夜晚 ,它们 停止 了 高 能 代谢 物 的 生产 ,而 植物 细胞 依靠 其 线 答 体 生产 ATP。 植 物 线粒体 同 动物 细胞 中 的 线 粒 体 是 非常 相似 的 。 基于 大 量 的 生物 化 学 证 据 , 普 遍 认为 ,叶绿体 是 蓝 菌 的 后 裔 , 它 被 原始 真 核 细胞 摄 人 ， 并 以 共生 方式 生活 着 。 按 这 个 观点 ,叶绿体 和 线粒体 间 的 许多 差别 ,部 分 是 由 于 从 不 同 细 菌 祖先 派生 出 来 的 ， 部 分 由 于 进化 的 变化 ， 这 反映 了 它们 在 真 核 细胞 中 的 不 同 作 用 。 然 而 ， 叶 绿 体 中 有 关 光 驱动 ATP 合成 的 基本 机 制 和 线粒体 中 呼吸 作用 驱动 ATP 合成 的 机 制 是 非常 相似 的 。 叶绿体 有 其 特别 的 区 室 ,但 仍 与 线粒体 相 象 ?m 叶绿体 以 化 学 盗 透 机 制 进行 它们 的 能 量 相互 转换 ,这 与 线粒体 的 工作 方式 非常 相似 ， 并 按 相同 的 原理 来 组 织 的 〈 图 9-37、9-38、9-39 和 9-40): 它们 具有 一 高 度 可 活 透 的 外 膜 , 有 一 渗透 性 低 的 内 膜 , 其 中 埋 有 某 些 特 殊 的 转运 蛋白 ， 以 及 在 内 、 外 膜 之 间 的 狭小 空 除 。 内 障 包 围 着 一 大 的 中 心 空隙 , 叫做 间 质 (stroma)， 它 同 线粒体 的 基质 (matrix) 类 似 , 含 有 许多 不 同 的 可 溶性 酶 。 然而 :叶绿体 和 线粒体 在 结构 上 有 一 重要 的 差别 。 叶 绿 体内 膜 不 皱 折 成 晴 , 且 不 含有 。491。 膜 膜 间 空隙 9-37 叶绿体 含有 三 种 性 质 不 同 的 膜 OM, ARMREAR), UMETETORHNA 部 区 室 一 一 膜 间 空隙 \ 间 质 空 险 和 类 诈 体 腔 。 类 诈 体 膜 含有 叶绿体 的 全 部 产生 能 量 的 系统 。 如 图 所 示 :， 个 别 类 诈 体 是 互相 联接 的 它们 趋向 于 吉 受 形成 集合 体 ?叫做 基 粒 。 图 9-38 典型 叶绿体 的 薄 切 片 电子 显 微 照 片 , 不 仅 表示 叶绿体 的 各 种 异 ， 也 显示 由 生物 合成 而 积 RRC HAMS PBN Bo (Kitty Plaskitt 赠 ) 电子 传递 链 。 光合 作用 的 吸收 光 系 统 \ 电 子 传递 链 和 ATP 合成 酶 均 包含 在 第 三 种 性 质 特殊 的 膜 上 , 这 膜 形成 一 东 扁 平 的 盘 状 的 囊 , 叫 做 类 囊 体 (thylakoid) (Aj 9-37), 每 个 类 圳 体 的 内 腔 同 许多 其 他 类 圳 体 的 内 腔 相 连 , 从 而 划 定 出 第 三 种 内 部 空间 ,叫做 类 圳 体腔 (thylakoid space)， 它 由 一 离子 不 透 过 的 类 囊 体 膜 (thylakoid membrane) 与 间 质 相隔 Blo 图 9-41 解释 了 线粒体 和 叶绿体 在 结构 上 的 相似 点 和 差别 。 一 般 来 说 。 人们 可 以 设 想 , 线 粒 体 转变 成 叶绿体 是 通过 一 个 过 程 , 该 过 程 使 线粒体 大 大 地 增 大 、 同 时 摘除 它 的 内 峭 并 将 其 释 人 基质 空隙 而 成 为 亚 线粒体 颗粒 。 这 样 过 程 可 使 线粒体 转变 为 叶绿体 。 这 里 需要 指明 的 ,产生 ATP 的 叶绿体 ATP 合成 酶 的 球状 末端 从 类 襄 体 膜 突 出 进入 间 质 ,这 TEMA ATP 合成 酶 从 每 个 线粒体 贱 膜 伸 向 基质 那样 ( 见 图 9-52)。 © 492。 图 9-39 ”放大 倍数 高 于 图 9-38 AUER PYSBINIZ. (Kitty Plaskitt 赠 ) 发 生 在 叶绿体 中 的 两 个 独特 反应 : 光驱 动 ATP 和 NADPH 的 产生 以 及 CO, 转化 成 碳水 化 合 物 光合 作用 中 所 发 生 的 许多 不 同 反应 ,可 归纳 为 两 大 类 :(1) 光 依赖 反应 〈light-depen- dent reactions)， 来 源 于 太阳 光 的 能 量 激发 叶绿素 中 的 一 个 电子 ， 使 这 电子 在 类 圳 体 弄 中 沿 着 氧化 链 行进 ， 这 和 在 线粒体 中 电子 沿 着 呼吸 链 转移 十 分 相同 。 这 电子 转移 过 程 用 来 泵 质子 跨 过 类 圳 体 膜 ， 由 此 产生 的 质子 动力 驱动 ATP 的 合成 。 同 时 ， 这 过 程 还 产生 转化 NADP* 成 NADPH 的 高 能 电子 。 在 这 过 程 中 ,水 被 氧化 ,提供 电子 给 NADPH, jf 释放 O.. (2) HRW (dark reactions)， 在 光 依 赖 反 应 中 所 生成 的 ATP 和 NADPH 分 别 作为 能 量 和 还 原 力 的 来 源 , 驱 动 CO， 转 化 成 碳水 化 合 物 〈 碳 固定 作用 ，carbon fixation), KAR WERK A ee, Bee, 虽然 它 们 需要 光 依赖 反应 的 产物 ,但 由 于 它们 不 直接 同 光 相 联 系 , 所 以 这 些 反应 叫做 暗 反应 。 因而 , 氧 的 形成 (需要 光 )》 和 二 氧化 碳 转 化 成 碳水 化 合 物 是 分 别 独 立 的 光合 作用 过 程 (图 9-42), 碳 固定 是 由 世界 上 最 丰富 的 酶 ,二 磷酸 核 酮 糖 羧 化 酶 所 催化 ” 硅 这 一 章 的 前 面部 分 我 们 已 经 谈 到 细胞 是 怎样 利用 由 碳水 化 合 物 氧 化 成 CO, 和 H,0 时 志 释 放 的 自由 能 生产 ATP。 因 此 很 显然 ,使 CO, 和 H:O 结合 而 生成 碳水 化 合 物 必定 是 一 很 不 顺利 的 反应 ,只 有 在 这 合成 与 其 他 顺利 的 反应 相 偶 联 , 这 反应 才 可 能 完成 。 图 9-43 解释 了 一 个 无 机 碳 ( 如 CO:) 原子 转变 成 有 机 碳 《〈 如 3- 磷 酸 甘油 酸 , 酵 解 中 的 中 间 产 物 ) 的 基本 反应 。1948 年 发 现 了 碳 固定 反应 ,在 叶绿体 间 质 中 ,是 由 一 (~500 000 道 尔 顿 ) 叫 做 二 磷酸 核 酮 糖 羧 化 酶 的 大 分 子 酶 所 催化 ;每 一 个 CO, 分 子 同 五 碳化 合 物 15- 二 磷酸 核 酮 糖 反 应 ， 生 成 两 个 分 子 的 三 碳化 合 物 3- 磷酸 甘油 酸 。 因为 每 个 二 磷酸 。:493 。 aa & 图 9-40 小麦 叶 细 上 胞 的 电子 显 微 照 片 。 注 意 含 有 叶绿体 的 细胞 质 环 ,包围 着 一 大 的 液 泡 。 (Kitty Plaskitt 赠 ) 线粒体 图 9-41 线粒体 和 叶绿体 的 比较 。 通 常 叶绿体 要 大 得 多 ， 并 含 类 襄 体 膜 和 类 改 体 腔 作 为 其 附加 特 fEo i> RAANARA DHT MAR. BADIA ANE EY BBE ED BULLY 3 NDE A 处 理 1 000 F). ATLA CEE TH RR EG IK TE SD, ERR 1X MS HS GA oe BE ARGH 50% 以 上 ,因而 它 被 普遍 地 认为 是 世界 上 最 丰 曲 的 酶 。 。494 。 在 碳 固定 循环 中 ,每 分 子 CO, 的 固定 需 耗 用 三 个 分 子 的 ATP 和 两 个 分 子 的 NADPH* 在 CO， 固定 的 实际 反应 中 ,并 不 需要 额外 能 量 的 输入 ， 它 依赖 于 高 能 化 合 物 15 二， 磷酸 核 酮 糖 的 不 断 供应 ,每 个 CO 分 子 加 在 这 化 合 物 上 (图 9-43)。 产生 这 化 合 nn “a 物 的 精确 途径 的 发 现 ， 是 早期 最 成 功 的 同位 素 应 用 之 一 ， 如 图 9-44 所 示 , 三 个 . 外 二 CO, 分 子 为 二 磷酸 核 酮 糖 效 化 酶 固定， AO (光化学 生成 6 个 3 磷酸 甘油 酸 分 子 (总 共 含 6 Bd X3=18 个 矶 原子 : 3. 个 来 自 CO,，15 个 来 自 15- 二 磷酸 核 酮 糖 ), 这 18 个 碳 原子 随后 进入 一 反应 循环 ， 再 次 产生 3 分 子 的 1.5- 二 磷酸 核 酮 糖 〈 总 共 含 3 Xx co; 5 一 15 个 碳 原子 ), 为 碳 固定 最 初步 骤 再 利用 ， 余 下 一 分 子 的 甘油 醛 -3- 磷 酸 (三 个 碳 原子) 是 为 净 收 益 , 在 这 碳 固定 循环 (或 Calvin-Benson 循环 ) 中 ,3 个 ATP 分 子 和 2 个 NADPH 分 子 被 用 于 使 每 个 9-42 叶绿体 中 光合 作用 反应 可 概括 地 分 为 光 依 赖 反 应 和 CO, 分 子 转化 成 碳水 化 合 物 ( 图 9-44 )。 暑 反 应 .水 在 光 依赖 反 应 中 被 氧化 ,而 二 氧化 碳 在 暗 反应 中 被 在 叶绿体 中 ， 由 碳 固 定 循 环 所 产生 男 定 。 的 甘油 醛 -3- 磷 酸 是 一 个 三 碳 糖 ， 它 亦 作为 糖 酵 解 中 的 主要 中 间 产 物 。 这 三 碳 糖 中 有 一 些 经 在 叶绿体 间 质 中 进行 的 重要 的 生 物 合成 反应 ， 转 化 成 为 脂肪 酸 、 氮 基 酸 和 淀粉 。 其 余 输 送 到 细胞 质 ， 在 细胞 质 中 它 的 大 部 分 经 过 酵 解 中 几 种 逆向 反应 而 迅速 地 转变 成 果 choCP) la Mier cH,o(P) ‘ CH,0(P) E00: b=C—G »o+ ea —— ial —< “fi Sa nF 707 be tes +H,0 (ah LL A-C=-0H H--C—0H eee) Lol) MeN On ee 中 间 产 物 oeue 9-43 二 氧化 碳 转化 成 为 有 机 碳 分 子 的 最 初 反应 。 这 个 反应 在 叶绿体 间 质 中 为 含量 丰富 的 梅 二 磷酸 核 酮 糖 状 化 酶 所 催化 。( 这 个 酶 也 可 叫做 核 酮 糖 二 磷酸 状 化 酶 ) 糖 -5- 磷 酸 和 葡 糖 -6- 磷 酸 。 这 两 种 糖 磷酸 随后 联结 在 一 起 ， 最 终生 成 双 糖 一 一 芒 糖 ， 葡 萄 糖 在 动物 细胞 中 所 起 的 作用 ， 在 植物 中 由 蔗糖 来 承担 ， 在 植物 细胞 间 糖 的 运输 是 以 蔗 糖 为 主要 形式 。 它 从 叶子 ,经 过 维 管束 (图 9-45) 输送 到 植物 的 其 他 部 位 ,提供 这 些 部 位 。495。 ee 3- BER H hm 6ATP 3 6ADP 5 -磷酸 核 酮 糖 | 5C 6 分子 1, 3- 二 磷酸 甘油 酸 6NADPH Osh o 6 NADP AN saF 6 FE 6® / 3C ot 兰 - = =e 不 pasa a = 个 Co ES CHO 甘油 醛 -3- 磷 酸 | 3C | | CHOH 3 个 CO;， 分 子 被 固定 ， 净 获得 1 ATH ME -3- BR, 而 净 耗 用 9 个 ATP 分 子 和 6 个 NADP 兵 分子 | vi, Ha, BLE 9-44 RAR. ATARAM EN, Ct me ->-HeM 5- 磷 酸 核 酮 糖 之 间 的 许多 中 间 产 物 在 这 里 没 列 出 来 。 所 需要 的 碳水 化 合 物 , 正 如 葡萄 糖 在 动物 体 中 是 经 血液 运输 一 样 。 在 热带 植物 中 , 碳 固定 被 区 室 隔 开 ,以 利于 在 低 浓度 CO, PEK” 许多 适应 于 炎热 .干旱 环境 下 生活 的 植物 ,如 玉米 .甘蔗 和 马 唐 ,它们 的 叶子 有 一 重要 的 特殊 性 质 。 这 种 特 化 性 状 是 有 用 的 ， 因 为 在 碳 固定 途径 中 第 一 个 酶 的 性 质 干 扰 了 植 物 避 免 水 分 丧失 而 进化 的 机 制 。 其 困难 在 于 二 磷酸 核 酮 糖 羧 化 酶 可 以 利用 Q， 也 可 以 利用 CO:， 作 为 底 物 加 到 1,5- 二 磷酸 核 酮 糖 上 去 。 虽 然 CO,， 可 优先 被 选择 ,但 O, 也 篆 常 加 到 1,5- 二 磷酸 核 酮 糖 上 ,产生 一 分 子 的 3- 磷 酸 甘 油 醛 (不 是 两 分 子 ) 和 一 分 子 的 二 碳化 合 物 一 一 乙醇 酸 盐 。 乙 醇 酸 盐 穿 梭 地 进 人 植物 过 氧 物 酶 体 ， 开 始 了 转化 二 分 子 的 乙 醇 酸 盐 成 为 一 分 子 3- 磷 酸 甘 油 酸 (三 碳 的 ) 和 一 分 子 CO, 的 过 程 。 因 为 这 整个 过 程 是 利 FARO, 并 释放 CO;,， 故 称 之 为 光 呼 吸 (photorespiration), 在 炎热 \ 干 旱 条 件 下 ,植物 被 扎 关 闭 它们 的 气孔 (叶子 上 气体 交换 的 小 孔 ), 从 而 阻止 。496 。 See ie 一 和 _ ee ae ce . ew ee ty Seer wae 人 .— 过 量 的 水 分 蒸发 ,并 引起 叶子 中 CO, 水 平 的 急剧 下 降 ， 此 时 光 呼 吸 就 占 优 势 地 位 。 许 多 植物 逐渐 进化 形成 一 种 精巧 的 机 制 , 使 得 它们 即使 在 非常 低 的 CQ, 浓度 下 仍然 能 够 有 效 地 生长 。 这 些 植物 中 , 碳 固定 循环 仅 在 特殊 的 维 帝 束 鞘 细 胞 (bundle-sheath cell) 的 时 绿 体 中 发 生 ， 维 管束 蒜 细 人 炮 含有 植物 全 部 的 二 磷酸 核 酮 糖 羧 化 酶 。 这 酶 保存 在 具有 高 浓度 CO, 的 条 件 下 , 高 浓度 CO, 是 由 周围 的 叶肉 细胞 CO, 和 泵 的 活力 来 提供 ， 从 而 避免 了 同 维 管 CH than #ekemam ="* O- ie) iS BA eB Q oa 图 9-45 C, 植物 叶子 和 C4 植物 叶子 的 形态 比较 。 ww EXAM P RAMEE ARAYA, & CH. CHs 可 能 进行 正常 的 碳 固定 循环 。 在 C. 植物 中 叶肉 细 胞 是 专门 起 Co; RAE» mA aed RE feo 在 维 管束 背 细 胞 中 它们 产生 高 CO,:0, 的 比值 。 维 图 9-46 ”叶绿素 的 关 构 。 电子 分 布 管束 输送 叶子 制造 的 莽 糖 到 其 他 组 织 。 遍及 图 中 以 虚 点 标 出 的 键 上 。 O, 作用 所 发 生 的 耗费 反应 (图 9-45)。 CO, 泵 "是 一 个 开始 于 特殊 的 CO, 固定 步骤 的 循环 , 广 固 定 步 骤 以 一 种 高 亲和力 与 二 氧化 碳 结 合 的 酶 ,在 叶肉 细胞 胞 液 中 催化 。 四 碳化 合 物 生 成 并 被 运 进 维 管 束 蒜 细胞 , 在 鞘 细 胞 中 它 被 分 解 产生 一 分 子 CO， 和 一 分 子 三 碳化 合 物 。 随 后 三 碳化 合 物 又 回转 到 时 肉 细 胞 中 ,再 捕获 另外 的 CO, 分子, 重新 开始 CO, RAM 当 给 和 泵 CO, 的 植物 以 一 脉冲 的 放射 性 “CO, 时 , “CO, 首先 同 叶肉 细胞 相遇 ,所 以 被 标记 的 第 一 个 有 机 化 合 物 含有 四 个 碳 ;相反 ,在 所 有 其 他 植物 中 首先 被 标记 的 是 三 碳化 s。.497,。 合 物 ( 阅 图 9-43)。 由 于 这 个 原因 , 泵 CO. 的 植物 被 称 为 C 植物 。 而 其 他 植物 称 为 C 植物 。 就 任何 矢量 运输 过 程 来 说 ，C, 植物 中 将 CQ， 屁 人 维 管束 精细 胞 的 循环 是 耗费 能 量 的 。 在 炎热 .干旱 环境 中 ,这 耗费 与 Co 植物 中 因 光 呼吸 造成 的 损失 相 比 , 常常 要 少 得 多 ， 因而 C, 植物 是 优越 的 。 但 是 在 寒冷 .潮湿 环境 下 供给 CO, 泵 的 能 量 是 不 大 用 的 ，C, 社 物 在 这 种 条 件 下 可 以 很 好 地 生长 。 叶绿体 捕获 的 光 能 是 用 来 从 弱电 子供 体 产 生 强 电子 供 体 ” 现在 ,我 们 回 过 来 讨论 从 - CO 和 HO 产生 碳水 化 合 物 这 需 能 很 多 的 反应 是 怎样 被 驱动 的 问题 (图 9-44)e, 在 叶绿体 中 ， 所 需要 的 能 量 是 来 源 于 由 叶绿素 分 子 ( 图 9-46) 所 天 线 叶绿素 分 也 反应 中 心 叶绿素 分 于 | 图 9-47 ARARENKREAK KAA UTR RREHKRBANRTFARM At. BUC AAAS AT RIE RUNS FAR RRE—E, KRAAILEATAFHOR, 叫做 天 线 复 合体 (antenna complex), 它们 通过 特殊 的 蛋白 质 牢 牢 地 固定 在 类 囊 体 膜 上 。 不 同 植物 具有 不 同 数量 的 辅助 色素 , 叫做 类 胡 梦 卜 素 (carotenoids)， 它 们 也 分 布 在 每 个 复合 体 中 。 成 簇 的 叶绿素 分 子 与 之 结合 的 特殊 蛋白 质 改变 了 叶绿素 分 子 ， 使 任何 一 个 叶 绿 素 分 子 所 吸收 的 光 能 汇集 于 复合 体 的 一 个 特殊 的 叶绿素 分 子 一 叫做 反应 中 心 叶 绿 素 (reaction-center chlorophyll) 上 。 如 此 ,每 个 天 线 复 合体 象 漏斗 一样, 收集 光 能 ， 并 导 向 一 单个 的 反应 中 心 (图 9-47 )o 在 溶液 中 ,一 个 离 体 的 叶绿素 分 子 中 电子 吸收 了 光 能 , 当 这 被 激发 的 电子 迅速 地 回 到 它 原来 的 能 量 水 平时 , 光 能 就 以 光 ( 菊 光 ) 和 热 的 方式 释放 出 来 (图 9-48). 但 是 反应 中 心 叶绿素 分 子 是 与 二 电子 受 体 和 一 电子 供 体 紧 密 联 结 的 ， 这 三 个 分 子 结合 在 一 起 形成 光合 系统 (photosystem) 的 核心 。 在 由 结合 的 蛋白 质 所 调节 的 反应 中 , 反应 中 心中 被 激发 的 电子 被 输送 给 电子 受 体 , 这 样 就 在 叶绿素 中 留 下 了 一 带 正 电荷 的 空 穴 , 它 对 电子 具有 很 高 的 亲 和 性 。 这 空 穴 迅速 地 被 从 邻近 的 电子 供 体 拉 出 的 电子 所 充满 〈 图 9-48 )o 这 样 的 光合 系统 能 够 使 光 产 生 一 净 电 子 , 从 一 个 弱电 子供 体 ( 一 个 具有 强 电子 亲 和 性 的 分 子 ) 传 递 到 另 一 分 子 ;由 于 电子 传递 的 结果 ,这 分 子 成 为 一 强 的 电子 供 体 。 如 此 ，, 正 稼 地 以 荧光 和 热 的 方式 释放 的 激发 能 量 消 失 了 , 代 之 以 提高 电子 能 量 , 从 而 产生 了 以 前 所 没 有 的 强 电子 供 体 。 。498。 weiter si 5. 30 EE Pa C)) ereawem le ‘ey 能 量 后 回复 到 它 》 原先 的 能 量 水 平 叶绿素 分 子 人 FX per ane 到 受 体 所 贮存 Le r eae oa 电子 供 体 Ts ee Pans eset es 以 充填 具有 高 电子 亲 和 性 的 空 穴 图 9-48 在 一 离 体 的 叶绿素 分 子 中 由 一 个 电子 所 吸收 的 光 能 以 光 和 热 的 形式 被 释放 出 来 (A)。 相 - 反 ， 一 个 光 系 统 利 用 叶绿素 所 吸收 的 光 能 从 弱电 子供 体 产生 出 一 强 电子 供 体 (B)。 非 循 环 光合 磷酸 化 产生 NADPH 和 ATP” 在 产生 ATP 和 NADPH ( 非 循环 光合 磷酸 化 ，noncyclic photophosphorylation) 的 最 复杂 的 光合 作用 形式 中 ,两 个 光 系 统 顺序 地 激发 每 个 电子 。 在 第 一 个 光 系 统 ( 由 于 历 史 的 原因 ， 叫 做 光 系 统 ID) 中 ， 经 一 了 解 甚 少 的 水 裂解 酶 的 作用 从 水 分 子 摘 去 四 个 电子 ， 以 充填 反应 中 心 叶 绿 素 分 子 由 光 的 作用 所 产生 的 空 六 ,从 而 经 H,O—>4H* + 4e- +0, 反应 而 生成 分 子 氧 。 由 于 每 个 水 分 子 的 裂解 ,产生 了 四 个 强 电子 供 体 , 并 利用 了 四 个 光量 子 。 随 后 每 个 强 电子 供 体 沿 电子 传递 链 传递 ， 这 电子 传递 链 同 线粒体 内 膜 上 所 发 现 的 呼 吸 链 十 分 相似 。 沿 着 这 途径 ,质子 被 泵 过 类 襄 体 膜 进 和 人 类 圳 体腔 ， 产 生 一 电化 学 梯度 ,经 ATP 合成 酶 复合 体 的 作用 驱动 ATP 合成 〈 图 9-49 和 图 9-50), 在 电子 传递 链 上 的 最 终 电 子 受 体 是 图 式 中 的 第 二 个 光 系 统 ( 光 系 统 工 )， 这 系统 接受 电子 进入 到 它 的 反应 中 心 叶绿素 分 子 被 光 激 发 所 留 下 的 空 穴 。 最 后 ,离开 光 系 统 工 的 电子 由 于 两 个 光量 子 的 作用 ， 顺序 地 被 激发 到 这 么 高 的 一 个 能 量 水 平 , 使 两 个 这 种 电子 〈 加 上 从 介质 中 来 的 一 个 质子 ) 就 能 驱动 NADP+ 还 原 为 NADPH (图 9-49)。 如 图 9-49 所 示 的 光合 作用 的 锯齿 样 图 形 ， 被 称 之 谓 Z FAS” (“Z-scheme”), 通 过 由 每 个 光 系 统 催 化 一 个 的 两 个 独立 的 电子 激发 步骤 ， 一 个 电子 由 束缚 电子 很 牢固 〈 氧 化 还 原 电 位 = 十 820mV) 的 水 传递 到 束缚 电子 较 松 的 (氧化 还 原 电位 一 一 320mV) 499 « NADPH。 这 两 个 步骤 都 是 需要 的 ,部 分 是 因为 可 见 光 的 单个 量子 不 足以 激发 一 个 电子 使 其 从 光 系 统 U 的 底部 直达 光 系 绕 | es 光 系 统 1 可 能 是 有 效 地 将 一 个 电子 从 水 传 递 到 NADP? 的 能 量变 化 所 需 。 更 重要 的 是 ， 两 个 独立 的 光 系 绕 的 作用 在 于 提供 足够 的 能 量 , 以 使 连接 两 个 光 系 绕 的 电子 传递 链 能 和 泵 再 穿 过 类 襄 体 膜 ， 从 而 利用 某 些 光 产 生 的 电子 能 以 生产 ATP. 叶绿体 能 通过 循环 光合 磷酸 化 产生 ATP， 而 不 产生 NADPH 在 刚刚 讨论 的 非 循环 光合 磷酸 化 的 图 式 中 ,每 一 对 电子 从 水 传递 到 NADP+ 以 产生 一 个 NADPH 分 子 ， 可 合成 比 一 个 分 子 略 多 一 点 的 ATP, 但 是 为 了 碳 的 固定 需要 比 NADPH 多 得 多 的 ATP ( 阅 图 9-44)。 叶绿体 可 以 制造 额外 的 ATP， 是 因为 它 有 另 一 条 可 利用 光 能 生产 ATP， 而 不 生产 NADPH 的 途径 , 这 途径 叫做 循环 光合 磷酸 化 (cyclic photophosphorylation)。 这 过 程 包括 一 循环 电子 流 ， 其 中 由 光 系 统 工 所 产生 的 高 能 电子 被 传递 回 到 电子 传递 链 中 的 前 几 个 步骤 ,而 不 传递 到 NADP+ 上 。 当 电 子 流 经 电 子 传递 链 ,质子 被 泵 穿 过 类 囊 体 膜 , 所 形成 的 电化 学 梯度 驱动 ATP 合成 (图 9-51)。 总 之 ,包括 通过 水 进行 光 还 原 NADP* 的 非 循环 光合 磷酸 化 ,是 由 光 系 统 I MERA II 的 联合 介 导 的 ,并 产生 NADPH, ATP 和 O:。 可 是 循环 光合 磷酸 化 只 包括 光 系 统 I。 氧化 还 原 电位 (mV ) nw = 一 ag op ae 1000L 电子 流动 方向 图 9-49 电子 通过 光合 成 产生 NADPH 和 ATP 的 Z 图 案 途 径 中 氧化 还 原 电 位 的 变化 。 从 水 到 NADP* py Pot» 产生 了 NADPH, Itoh, ATP ARMA AACR I MAB I 的 电子 传递 链 所 产生 的 电化 学 质子 梯度 ,以 合成 ATP . BRK BRA RRHMKAICIER 产 生 的 Ht+, 也 有 助 于 电化 学 梯度 的 产生 ,以 驱动 ATP 的 合成 。 产 生 ATP 的 Z 方 案 ? 叫 做 非特 环 光合 磷酸 化 ?用 以 区 别 于 图 9-51 所 表示 的 循环 图 式 。 更 具体 的 说 明 ， 请 阅 网 9-50。 ¢ 500。 产生 AITP， 而 没有 NADPH O, 的 形成 。 如 此 ,循环 和 非 循 环 电子 流 的 相对 活力 将 决 定 有 多 少 光 能 被 转化 成 还 原 力 (NADPH)， 有 多 少 光 能 转化 成 高 能 磷酸 键 (ATP)o 这 两 者 间 的 平衡 至 少 部 分 地 是 根据 对 NADPH 的 需要 而 自动 调节 的 。 应 注意 ,电子 流 是 非 循 环 的 还 是 循环 的 ， 是 取决 于 铁 氧 还 蛋 日 把 它 的 重新 活 tH $45 NADP*, REBS 导致 返回 到 b-f 复合 体 的 有 关 成 分 (比较 图 9-49 和 图 9-51)。 在 由 NADPH #A28if05| 起 的 低 浓 度 NADP* 的 情况 下 , 仅 生 产 ATP 的 循环 途径 将 是 通 汤 的 。 类 圳 体腔 2H+t++1/20, nHt . 图 9-50， 可 能 发 生 在 类 训 体 膜 上 的 光合 作用 中 的 民 方 案 电 子 流 。 链 上 高 度 流动 性 的 电子 载体 是 质 柄 (plastoquinone)( 非 常 相似 于 线粒体 的 泛 柄 )\ 质 体 蓝 素 ( 一 含 铜 小 分 子 蛋白 质 ) 和 铁 氧 还 蛋白 〈 一 含 铁 的 小 分 子 蛋 白质 )。be-f 复合 体 同 线粒体 的 b-ci 复合 体 十 分 相似 。 注意 ， 被 be-f 复合 fe SIA) BT AR UH AS WF > TEE PTE ARAL BE b-c 复合 体 从 基质 泵 出 一 样 ( 见 图 9-52)。 在 线粒体 和 叶绿体 中 ,质子 转移 的 空间 途径 是 相似 的 类 训 体 腔 的 存在 把 一 个 叶绿体 分 为 三 个 ,而 不 是 两 个 内 部 区 室 ,使 得 叶绿体 似乎 同 线 粒 体 完全 不 一 样 。 然 而 ,在 这 两 种 细胞 器 中 ,其 质子 转移 的 空间 途径 异常 相似 。 如 图 9-52 所 阐述 的 ,在 叶绿体 中 质子 从 间 质 (pH8) 被 泵 出 进入 类 圳 体腔 (pH 约 5), 产生 了 一 个 3 一 3.5 单位 的 梯度 。 这 代表 了 跨 过 类 襄 体 膜 大 约 200mV 的 质子 动力 (这 几乎 全 部 是 由 pH 梯度 贡献 , 而 不 是 膜 电位 的 贡献 )， 随 后 由 埋 在 类 圳 体 膜 中 的 ATP 合成 酶 驱动 而 合 hy ATP, 像 时 绿 体 的 间 质 一 样 A AE A pH 大 约 是 8, 但 这 pH 完全 是 由 于 质子 从 线 粒 体 泵 出 所 产生 的 ， 而 不 是 由 于 质子 泵 人 这 细胞 器 的 内 部 空间 所 引起 的 。 因 为 细胞 质 的 pH 保持 在 7 左右, 所 以 在 一 个 线粒体 中 其 主要 的 质子 动力 是 由 于 所 形成 的 膜 电位 产 生 的 ,而 不 是 由 于 pH 梯度 所 致 。 然 而 , 在 线粒体 和 叶绿体 中 ，ATP 合成 酶 的 未 端 催化 作用 均 是 在 pH HST 8 的 条 件 下 ,并 在 大 的 细胞 器 区 室 (基质 和 间 质 ) 内 进行 ,其 中 充 满 着 可 溶性 的 酶 。 因 而 ,在 这 里 合成 了 细胞 器 的 全 部 ATP (图 9-52)。 尽管 线粒体 和 时 绿 体 之 间 具 有 许多 相似 性 ， 但 是 叶绿体 结构 的 方式 较 易 于 用 来 研究 它们 的 电子 和 质子 传递 过 程 。 因 为 叶绿体 的 内 膜 和 外 膜 经 破碎 后 可 获得 完整 的 离休 的 类 囊 体 盘 。 这 些 类 圳 体 与 亚 线粒体 颗粒 相似 ,具有 一 膜 层 , 膜 上 的 电子 传递 链 具 有 NADP+、 ADP” 和 无 机 磷酸 的 利用 部 位 ， 均 可 自由 地 与 外 界 相通 。 但 是 类 囊 体 是 未 被 扰乱 的 天 然 "501 « 氧化 还 项 电位 (my) 结构 ， 它 们 比 人 工 从 线粒体 所 制备 的 亚 线粒体 颗粒 具有 大 得 多 的 活性 。 其 结果 是 用 吐 条 体 , 而 不 是 线粒体 ,所 进行 的 若干 初期 试验 证 明了 化 学 盗 透 机 制 的 主要 作用 。 象 线粒体 内 膜 一 样 , 叶 绿 体内 膜 含 有 载体 蛋白 ,以 利于 同胞 液 进行 代 谢 物 交换 ” 虽然 在 叶绿体 制备 物 中 光驱 动 的 光合 作用 反应 大 部 分 都 易于 研究 ， 但 是 它们 的 内 了 膜 和 外 膜 均 被 破坏 或 被 除去 ,因为 缺少 了 正常 存在 于 间 质 中 的 那些 重要 的 物质 ,这 样 的 叶 绿 体 不 能 进行 光合 作用 的 CO. 固定 。 时 绿 体 还 可 用 即 一 ”线粒体 种 方法 来 分 离 ， 使 其 保持 着 内 膜 的 完整 性 。 在 这 样 的 叶 绿 体 中 ,可 以 证 明 其 内 膜 具 有 选择 渗透 性 ,这 反映 了 内 膜 含有 特殊 的 载体 蛋白 。 更 为 明显 的 是 , 由 CO, 固定 fF 用 所 催化 产生 的 大 量 的 甘油 醛 -3- 磷 酸 可 被 一 有 效 的 反 疝 转运 系统 运送 到 叶绿体 外 面 ， 反 向 传递 系统 是 将 三 碳 pH? pH8 一 600 六 产生 循环 电子 流 的 分 流 途 径 一 400 一 200 400 光 pH5 pH8 pH7 上 叶绿体 图 9-51 循环 光合 磷酸 化 中 电子 流 的 途径 。 这 途径 可 9 =ATPSKS 产生 ATP, 而 不 产生 NADPH 或 0,。 是 非 循环 还 是 循 环 的 电子 流 发 生 ， 取 决 于 铁 氧 还 蛋白 把 它 的 有 活性 的 图 9-52 比较 在 线粒体 和 叶绿体 中 质 电子 给 与 NADP+ (如 图 9-49)， 还 是 给 与 可 导致 返回 子 流 和 ATP 合成 酶 的 方 向 性 -pH 相 到 bs-t 复 合体 的 有 关 成 分 。 每 当 NADPH 积 聚 , NADP+ 同 的 区 室 是 以 相同 的 小 点 密度 表 示 水 平 即 降低 > 则 趋向 有 利于 循环 的 途径 。 ( 见 正文 )。 糖 -磷酸 与 无 机 磷酸 盐 进 行 交 正 汕 情况 下 ,甘油 醛 -3- 磷 酸 给 胞 液 提供 大 量 的 碳水 化 合 物 来 源 ， 细 胞 利用 碳水 化 合 物 作为 许多 其 他 生物 合成 的 起 始点 。 但 是 甘油 醛 -3- 磷 酸 并 不 是 细胞 中 三 碳化 合 物 来 源 的 全 部 。 一 旦 它 进 入 到 胞 液 中 ,就 很 容易 经 生成 一 分 子 ATP 和 一 分 子 NADPH 的 反应 途径 转化 回去 成 为 3- 磷 酸 甘油 酸 〈 见 图 9-44, 碳 固定 循环 中 形成 甘油 醛 -3- 磷 酸 的 两 步 反应 的 逆转 )。 其 结果 ， 从 叶绿体 输 出 的 甘油 醛 -3- 磷 酸 也 为 其 余 的 细胞 代谢 提供 了 NADPH 和 ATP 的 主要 来 产 ( 图 9-53)o。 "502。 a aaa SS rs” ——- = sr ~~ - 2 CHO MF NADPH, ae ATP 和 有 机 分 子 Srp 人” 的 碳 主 斌 的 来 源 # @ CH20® ee - nee a ht 0 Bee as “ig. ‘Ex, 学 Ae xe sha ia 图 9-53 叶绿体 主要 代谢 途径 的 概 图 。 许多 在 叶绿体 内 发 生 的 并 对 重要 的 细胞 过 程 起 作用 的 其 他 反应 ,在 这 里 并 没有 都 表示 出 来 。 注 意 , 由 叶绿体 所 产生 的 ATP M NADPHEM 绿 体 间 质 让 直接 被 用 于 生物 合成 。 如 图 所 示 ， 叶绿体 不 象 线粒体 那样 * 只 是 间接 地 为 胞 波 提 供 ATFE。 叶绿体 也 进行 其 他 生物 合成 * 除了 光合 作用 之 外 ,叶绿体 还 进行 着 许多 对 于 植物 细胞 是 重要 的 生物 合成 ,例如 ， 许 多 细胞 的 脂肪 酸 是 由 位 于 叶绿体 间 质 中 的 酶 来 形成 的 ,在 这 里 可 以 方便 地 利用 ATP NADPH 和 碳水 化 合 物 。 并 且 时 绿 体 中 被 光 所 激发 的 电子 的 还 原 力 可 驱动 亚 硝酸 盐 (CNO; ) 还 原 成 为 氨 〈NH:); 氮 为 植物 提供 了 所 基 酸 和 核 苷 酸 合成 所 需要 的 氮 。 所 以 叶 绿 体 在 代谢 上 的 重要 性 远 远 超出 了 它 在 光合 作用 方面 的 独特 作用 ; 这 些 细胞 器 在 细胞 质 总 体积 中 独特 地 占据 着 很 大 部 分 ,也 反映 了 这 一 点 (图 9-40)。 小 结 叶绿体 进行 光合 作用 ，, 它 利用 太阳 光 激 发 叶绿素 的 电子 ,所 获得 的 高 能 电子 进入 电子 传递 链 , 而 不 是 从 食物 氧化 来 获得 能 量 。 因 此 ， 它 首先 是 一 生物 合成 的 器 官 , 而 不 是 一 降 解 的 器 官 。 有 两 类 电子 流产 生 : (1) 非 循环 电子 流 , 由 依次 连结 的 二 个 光 系 统 来 调节 ,从 水 传递 电子 到 NADP*， 以 产生 NADPH， 并 伴随 着 ATP 的 产生 ; (2) 循环 电子 流 , 仅 由 一 光 系 统 来 调节 ,通过 这 系统 电子 在 一 封闭 式 的 环 中 进行 循环 ， 仪 产生 ATP。 这 两 种 电子 传递 过 程 发 生 在 类 囊 体 上 ,引起 质子 被 泵 入 类 囊 体 腔 。 经 过 ATP CREWE. 子 返 回流 动 * 然 后 在 间 质 中 产生 所 有 的 叶绿体 ATP, 由 光合 作用 所 生成 的 ATP 和 NADPH 在 叶绿体 间 质 中 驱动 了 许多 不 同 的 生物 合 成 反应 ,其 中 包括 极其 重要 的 碳 固 定 循环 ，。 从 CO, 产生 碳水 化 合 物 。 碳 水 化 合 物 是 以 三 碳 糖 -磷酸 形式 , 同 其 他 许多 叶绿体 代谢 产物 一 起 运输 到 细胞 胞 液 中 去 。 © 503° 电子 传递 链 的 演化 细胞 和 有 山 体 的 许多 结构 、 功 能 及 进化 都 同 它们 对 能 量 的 需要 相 联系 。 我 们 已 经 知 道 ,对 如 此 不 同 来 源 的 能 量 , 如 阳光 和 葡萄 糖 的 氧化 作用 ;其 利用 的 基本 机 制 是 相同 的 。 显 然 , 合 成 ATP 的 有 效 方 法 是 在 进化 星期 出 现 的 ,从 此 以 后 , 仅 以 很 小 的 变化 一 直 保持 着 。 这 些 各 个 关键 的 组 成 成 分 一 一 ATP 合成 酶 .驱动 氧化 还 原 的 质子 泵 ， 以 及 光 系 统一 一 首 先是 怎样 产生 的 ? 对 发 生 在 进化 年 代 中 的 事件 ,其 学 说 不 可 避免 的 只 能 是 推测 ,而 不 容易 进行 试验 。 但 是 ， 某 些 现 代 的 细菌 中 所 残存 的 许多 不 同 的 原始 电子 传递 链 和 亿 万 年 前 地 球 环境 的 地 质证 据 提 供 了 丰富 的 线索 。 最 早 的 细胞 是 以 发 酵 过 程 生产 ATP” 如 第 一 章 所 述 ， 最 初 的 活 细 胞 被 认为 是 在 缺 氧 而 富 含 地 球 化 学 所 产生 的 有 机 分 子 的 环境 下 形成 的 。 所 以 最 早产 生 ATP 的 代谢 途径 必定 类 似 于 现代 的 发 酵 形式 。 (和 ) 导 致 乳酸 排出 的 发 酵 过 程 葡萄 糖 2ADP | 2NAD* UK RT 2ATP he 2NABH Sra oe 2NAD° 丙酮 酸 a 44 ed ag hae CB) & S55 3H AR HE Wh BY ad fe sth bse) 2NAD* 有 2ATP < iG ry it a 2NAD* ra mE een oT) co, 图 9-54 两 种 不 同类 型 的 发 酵 过 程 的 简 图 。(A ) 在 酵 解 中 被 耗 尽 了 的 NADt, 可 由 NADH (由 溶液 中 加 上 一 个 Ht+) 转 移 一 氢化 物 离子 到 丙酮 酸 以 产生 乳酸 而 再 次 形成 〈 这 类 反应 的 逆转 ?在 前 HS 9-16 中 已 说 明 )。 乳 酸 被 排出 。(B) 在 酵 解 中 耗 尽 了 的 NAD+ ,可 由 NADH( 由 溶液 中 加 上 一 个 质子 ) 经 两 次 连续 传递 氢化 物 离子 到 某 些 产生 琥珀 酸 的 化 合 物 上 去 而 再 次 产生 。 焉 珀 酸 被 排 出 ,而 一 分 子 丙酮 酸 被 保存 ,以 供 生 物 合成 之 用 。 在 发 酵 过 程 中 ，AIP 是 由 底 物 水 平 的 磷酸 化 事件 所 产生 ;磷酸 化 作用 利用 富 含 氢 的 有 机 分 子 ， 如 葡萄 糖 被 部 分 氧化 的 反应 途径 所 释放 出 来 的 能 量 。 没 有 可 被 利用 作为 氢 受 1 504 体 的 氧 , PRL NE ULM RAW AR GE Gt NADH 或 NADPH) 到 不 同 的 有 机 分 子 (或 到 同一 分 子 的 不 同 部 位 )， 使 得 这 些 分 子 变 得 更 为 还 原 。 在 发 酵 过 程 的 末了 ,所 生成 的 一 个 (或 多 个 ) 有 机 分 子 被 作为 代谢 废物 排泄 到 介质 中 ;其 他 物质 ， 如 丙酮 酸 ,保留 在 细胞 中 为 生物 合成 之 用 。 在 不 同 的 生物 中 ,其 排出 的 最 终 产 物 是 不 同 的 , 但 它们 都 是 有 机 酸 《 带 有 COOH 基 团 的 碳化 合 物 )。 在 细菌 细 胞 中 ， 这 些 最 重要 的 产物 包括 乳酸 〈 它 在 哺乳 动物 细胞 无 氧 酵 解 中 也 可 累积 ) 和 甲酸 、 乙 酸 \ 丙 酸 、 丁 酸 ,以 及 焉 珀 酸 。 现 存 细菌 中 的 两 种 不 同 发酵 途 径 在 图 9-54 fe T Bo 贮存 能 量 的 电子 传递 链 的 进化 使 厌 氧 细菌 有 可 能 利用 非 发 酵 的 有 机 化 合 物 作为 能 源 - 早期 的 发 酵 过 程 息 必 不 仅 提 供 ATP， 而 且 还 提供 基本 的 生物 合成 所 需 的 还 原 力 (如 NADH 或 .NADPH); 而 当 这 发 酵 作 用 是 能 量 产生 的 唯一 模式 的 时 候 , 许多 主要 的 代谢 途径 可 能 发 生 演 变 。 然 而 ,在 时 间 的 推移 中 ,这 些 原核 生物 的 代谢 活动 必然 改变 其 所 处 的 环境 ， 导 致 新 的 生物 化 学 途径 的 进化 。 下 面 系列 的 变化 似乎 是 发 酵 作 用 生成 的 废物 累积 的 结果 。 阶段 1 由 于 连续 不 断 地 分 迹 有 机 酸 ,环境 中 的 pH 下 (i TRE, BRN Rete Ht 和 泵 出 细胞 ; 以 避免 由 于 细胞 内 酸化 而 造成 的 死亡 。 这 些 和 泵 中 的 一 个 可 能 能 很 好 地 利用 ATP 水 解 所 产生 的 能 量 , 并 可 能 是 现代 ATP 合成 酶 的 原始 类 型 阶段 2 ”在 非 发 酵 的 有 机 酸 积 育 和 有 利于 消耗 AIP 的 质子 夺 进 化 的 同一 时 间 里 ,现成 的 为 质子 泵 和 所 有 其 他 生命 过 程 提供 能 量 的 发 酵 养 料 的 供应 就 减少 了 。 结 果 所 造成 的 选择 压力 绝对 有 利于 能 分 刻 A, MAK 证 酸 H—COOH 2H*++CO:z \ 细胞 外 部 > HT 一 C 二 CUGUHT IE2CCOUHI Po la lI | H—C—COOH |H;:C—COOH ERB 琥珀 酸 9-55 ”甲酸 的 氧化 由 延 胡 索 酸 通 过 贮存 能 量 的 电子 传递 链 来 调节 。 现 存 的 细菌 ,包括 大 肠 杆 菌 ， 能 利用 这 阶段 3 种 膜 结合 电子 传递 系统 泵 质子 跨 过 质 膜 。 甲 酸 -CO。， 对 的 氧化 还 原 电 位 是 一 420 mV pf EM RRR 图 9-56， 氧 化 磷酸 化 机 制 进化 的 三 个 的 电位 是 十 30 mV, 假设 的 阶段 ATP WOME, Foci ATP 贮存 起 来 供 其 他 细胞 活动 之 用 。 这 种 压力 可 能 导致 最 初 的 0/505 RASEAWrE, RASGEAIWDAAR ALAA CRED FZ FS 递 ， 作 为 传递 WH 跨 过 细胞 质 膜 的 能 Bh RAERREAAOAEMRRYAERMYA BL 酸 中 找到 它们 的 电子 供 体 和 受 体 。 这 些 电 子 传 递 蛋白 事实 上 可 以 从 现存 的 细菌 中 找到 ; 例如 ,图 9-55 表明 ， 某 些 现存 的 细菌 是 怎样 利用 相对 小 量 的 氧化 还 原 能 量 去 和 质 子 。 这 些 能 量 来 自 甲 酸 到 延 胡 索 酸 的 电子 传递 。 阶段 3 ”最 后 , 某 些 细 苦 的 电子 传递 系统 进化 了 , 它 能 充分 而 有 效 地 利用 比 正 好 维持 其 内 部 pH 所 需要 的 更 多 的 氧化 还 原 能 量 。 由 过 量 的 也 ”和 泵 所 产生 的 大 的 电化 学 梯度 可 使 质子 通过 ATP 驱动 的 质子 泵 漏出 返回 到 细胞 内 ， 从 而 使 质子 泵 逆向 运转 ,起 着 ATP 合成 酶 的 功能 作用 ,合成 AIP。 由 于 这 类 细菌 越 来 越 少 地 需要 发 酵 养 料 的 供应 , 所 以 它们 是 依赖 消耗 它们 的 邻近 者 而 得 以 增殖 。 这 三 个 关于 氧化 磷酸 化 机 制 进化 的 假设 的 阶段 ,总 结 在 图 9-56 Ao 由 于 还 原 力 到 之 不 尽 的 来 源 , 在 细胞 进化 过 程 中 光合 细菌 克服 了 一 个 主要 危机 - 正如 上 面 简 述 的 进化 步骤 解决 了 关于 维持 细胞 的 中 性 pH 和 能 量 的 丰富 贮存 两 方 面 的 问题 。 但 它们 还 留 下 了 另外 未 解决 的 同等 重要 的 问题 。 可 发 酵 的 有 机 养料 的 耗 尽 意味 着 必须 寻找 碳 的 某 些 另 外 的 来 源 ， 以 合成 作为 许多 其 他 细胞 分 子 前 体 的 糖 。 大 和 气 中 的 二 氧化 碳 提 供 了 丰富 的 潜在 的 碳 的 来 源 。 但 是 ， 要 转化 二 氧化 碳 成 为 像 碳 水 化 合 物 那样 的 NADP EBS H*++NADP* NADPH — 300 氧化 还 原 电 位 (mV) 电子 流动 方向 9-57 在 现存 的 绿 硫 菌 中 观察 到 的 较为 原始 形式 的 非 循环 光合 作用 中 电子 的 一 般 流 向 有 机 分 子 。 则 要 求 固定 的 二 氧化 碳 可 被 强 的 氢 供 体 , 如 NADH 或 NADPH 所 还 原 , 它 们 提供 从 CO, 生成 每 个 〈CH:O) 所 需 的 两 个 电子 ( 见 图 9-44). 在 细胞 进化 的 早期 ,这 类 强 的 还 原 剂 ,如 象 发 酵 过 程 的 产物 ,是 很 丰富 的 。 但 是 ， 当 发 酵 的 养料 供应 减少 和 大 部 分 ATP 开始 由 膜 结 合 的 ATP 合成 酶 来 产生 时 。NADH 的 充分 供应 也 将 消失 。 所 以 对 细胞 来 说 ， 十 分 紧迫 的 则 是 进化 出 一 条 能 产生 强 还 原 力 来 源 的 新 途径 。 在 可 发 酵 分 子 消 失 之 后 。 环 境 中 可 利用 的 主要 电子 供 体 是 由 碳水 化 合 物 、 硫 化 气 (HS) 和 水 通过 厌 氧 代谢 所 产生 的 有 机 酸 。 但 是 所 有 这 些 分 子 的 还 原 力 都 太 弱 卫 ,不 能 用 于 二 氧化 碳 的 固定 。 从 而 设想 ， 这 个 问题 是 首先 由 现存 的 绿 硫 菌 的 祖先 解决 的 。 绿 硫 菌 由 于 发 展 了 可 利用 太阳 光 能 的 机 制 而 实现 了 必要 的 进化 上 的 突破 。 现 存 的 绿 硫 效 利用 * 506。 ~ eae ee Esc - 光 能 从 硫化 氢 传 递 氨 原 子 (如 同一 个 电子 加 一 个 质子 ) 给 NADPH， 从 而 产生 了 碳 固定 所 需 的 强 还 原 力 (图 9-57)。 由 于 从 WS 转移 来 的 电子 是 比 从 水 来 的 电子 具有 更 负 的 氧化 还 原 电 位 〈 与 水 的 十 820mV 比较 为 一 230mV)， 这 些 细菌 中 所 存在 的 单个 光 系统 所 吸收 的 一 个 光量 子 , 足以 达到 一 相当 高 的 氧化 还 原 电 位 ， 以 生成 NADPH， 并 满足 一 相对 简 单 的 光合 作用 电子 传递 链 的 需要 。 第 一 步 , 到 了 约 2X10 年 以 前 蓝 苔 菌 的 出 现 。 生 物 进化 到 可 以 利用 水 作为 还 原 二 氧 化 碳 的 氢 源 。 这 就 需要 增加 第 二 个 光 系 统 , 按 顺 序 作 用 于 第 一 光 系 统 , 给 HO 和 NADPH 之 间 的 氧化 还 原 电位 的 巨大 间隙 搭桥 ( 见 图 9-49)。 这 进化 步骤 的 生物 学 后 果 是 具有 深远 影响 的 。 因 为 在 初始 时 期 ;生物 对 其 周围 环境 仅 有 很 少 的 化 学 上 的 要 求 ,所 以 它们 可 能 广 泛 地 分 布 ， 并 且 不 以 需要 HS 或 有 机 酸 作为 电子 来 源 的 早期 光合 细菌 那样 的 方式 进化 。 其 结果 :大量 生物 合成 的 被 还 原 的 有 机 物质 积累 起 来 了 ,这 是 氧 进入 大 气 的 最 初时 期 。 从 而 ,就 开创 了 后 来 发 展 的 细菌 和 更 复杂 的 生命 形式 它们 是 按 有 氧 代谢 途径 制造 ATP 利用 降解 碳水 化 合 物 和 其 他 还 原 有 机 分 子 最 终 成 为 Co， 和 HO 时 所 释放 的 大 量 能 量 。 mp fo 人 线粒体 | "es Veen 真 核 细胞 I ae : Cie) Cea) Catan) At EEE te A 光合 作用 消失 vi i mes [ sresemey it |= LV, en 7 1 一 一 一 ~、 祖先 发 酵 细菌 图 9-58 线粒体、 叶绿体 和 它们 的 细菌 祖先 的 可 能 进化 的 系统 发 育 树 。 如 图 所 示 ， 氧 呼吸 似乎 至 少 有 三 次 不 依赖 于 光合 作用 而 独立 进化 的 : 在 绿色 、 紫 色 和 蓝 绿色 ( 蓝 荣 菌 ) 光 合 细菌 的 系统 上 。 一 种 需 氧 的 紫色 细菌 发 展 成 为 线粒体 ?而 另 一 种 需 氧 的 蓝 绿 菌 (蓝藻 菌 ) 进 化 成 叶绿体 。 图 9-58 表明 铺 猜想 的 进化 途径 的 概况 。 : 进化 汕 汕 是 保守 的 ， 保 持 部 分 旧 的 ， 并 在 它 的 基础 上 产生 某 些 新 的 。 因 而 。 我 们 在 高 等 真 核 细 胞 线粒体 和 叶绿体 中 所 见 的 很 可 能 就 是 改变 了 形式 的 、 在 30 亿 年 之 前 为 厌 氧 细菌 所 利用 的 电子 传递 链 的 一 部 分 。 在 线粒体 呼吸 链 中 心 片段 (b-a 复合 体 ) 和 现代 的 细菌 和 了 叶绿体 的 电子 传递 链 的 相应 一 段 中 ， 在 泵 质子 的 酶 复合 体 的 功能 方面 有 特别 明显 © 507 。 的 同 源 性 。 小 结 初期 的 细胞 是 类 似 细菌 的 生物 ， 生 活 在 富 含 高 度 还 原 态 多 有 机 分 子 环境 中 ， 这 些 有 机 分 子 是 经 过 亿 万 年 的 历程 天 然 造 成 的 。 这 些 分 子 通过 转化 成 为 各 种 各 样 的 有 机 酸 而 衍 生出 大 多 数 ATP; 有 机 酸 将 作为 废料 被 排泄 出 。 这 些 发 酵 作用 引起 介质 的 酸化 ,可 能 导致 最 初 膜 结合 H+ 泵 的 进化 ,以 作为 维持 细胞 内 部 中 性 pH 的 一 种 方式 。 从 现存 细菌 的 特 性 可 以 清楚 看 出 ,在 这 种 无 氧 环 境 中 首先 出 现 了 电子 传递 驱动 Ht 泵 和 可 逆 的 ATP R 动 H+ 泵 的 合作 。 以 这 种 方式 ,由 所 积聚 的 非 发 酵 化 合 物 之 间 的 氧化 还 原 反 应 所 释放 的 较 少量 能 量 可 能 被 利用 来 产生 ATP。 细菌 利用 预先 形成 的 有 机 分 子 作为 碳 和 还 原 力 的 来 源 而 增殖 不 可 能 进行 得 很 长 妇 ， 因为 仅 由 地 质 化 学 过 程 来 重新 补充 这 些 来 源 是 非常 缓慢 的 。 因 此 。 可 发 酵 的 有 机 养料 的 医 乏 ， 必 然 导致 利用 二 氧化 碳 制 造 碳水 化 合 物 的 光合 细菌 的 进化 。 通 过 早期 进化 的 电子 传递 链 各 部 分 的 结合 ,原始 细胞 象 现 存 的 绿 硫 菌 一 样 可 捕获 光 能 ,去 产生 碳 固定 所 需要 的 还 原 力 。 接 着 蓝藻 的 更 为 复杂 的 光 含 电子 传递 链 的 出 现 , 导 致 大 量 的 氧 出 现在 大 气 中 。 而 且 由 于 生物 能 在 地 球 的 广 袁 区 域 中 增殖 ， 还原 态 的 有 机 分 子 再 次 积累 。 一旦 有 机 分 子 和 氧 两 者 都 十 分 丰富 了 ,电子 传递 链 就 成 为 能 适应 从 NADH PBRTAA, BPA 的 大 量 能 量 就 转化 成 可 利用 的 形式 ， 如 在 许多 细菌 中 所 发 展 的 高 效 的 需 氧 代谢 。 在 真 核 细胞 线粒体 中 运转 着 完全 相同 的 需 氧 机 制 ， 这 是 明显 的 证 据说 明 线 粒 体 是 从 星期 独立 的 细菌 进化 来 的 。 线粒体 和 时 绿 体 的 生物 发 生 * 新 的 细胞 器 必须 不 断 地 产生 ;以 跟 上 细胞 的 生长 和 分 裂 ,并 补充 静止 细胞 中 细胞 器 的 连续 不 断 的 降解 (ER). 细胞 器 的 生物 合成 需要 有 序 地 合成 其 必 不 可 少 的 蛋白 质 和 脂 肪 ,并 运送 每 个 成 分 到 恰当 的 细胞 区 室 。 这 复杂 的 过 程 由 两 个 基本 不 同 的 方式 来 完成 。 一 是 制造 完全 新 的 细胞 器 ,例如 在 第 七 章 所 讨论 的 溶 酶 体 ,是 由 高 尔 基 器 的 特定 部 位 出 芽 而 重新 造成 。 另 一 个 是 由 现存 的 细胞 器 生长 ， 并 分 裂 为 二 ， 这 是 新 的 线粒体 和 叶绿体 的 形 成 方式 。 因为 它们 是 以 相同 的 方式 产生 ， 所 以 本 节 内 对 这 些 能 量 细胞 器 常常 是 一 起 讨 论 。 线粒体 和 叶绿体 含有 为 其 复制 所 需 的 独立 的 遗传 系统 * Aiea 线粒体 和 时 绿 体 两 者 的 生物 合成 涉及 两 个 独立 的 遗传 系统 的 作用 : 比较 少 的 蛋白 质 是 由 细胞 器 DNA 编码 ， 并 在 细胞 器 内 的 核糖 体 上 制造 产生 。 而 多 数 蛋白 质 由 核 DNA 编码 ,在 胞 液 的 核糖 体 上 制造 产生 ,随后 运送 进入 细胞 器 。 在 完整 的 细胞 中 。 这 两 个 遗传 系统 对 于 建构 细胞 器 的 贡献 是 由 一 尚 很 少 了 解 的 反馈 机 制 紧密 偶 联 着 的 。 幸 运 的 是 ,这 种 偶 联 对 于 能 量 细胞 器 生物 合成 的 研究 ,不 是 绝对 的 : 离 体 的 细胞 器 短 时 间 置 于 试管 中 ,将 继续 制造 它们 的 DNA. RNA 和 和 蛋白质。 这 就 提供 了 一 种 手段 , 以 测定 哪些 基因 是 存在 于 细胞 器 DNA 内 ， 哪 些 蛋白 质 是 在 细胞 器 的 核糖 + 5038 * ee OPI, SSE a lO BR Ot ee 体 上 制造 。 另 一 种 方法 是 采用 特殊 的 抑制 剂 作用 于 完整 细胞 。 例 如 ， 药 物 放 线 菌 酮 抑制 胞 液 的 蛋白 质 合成 ,但 不 影响 由 叶绿体 或 线粒体 的 核糖 体 合成 蛋白 质 。 反 之 ,各 种 不 同 的 抗生素 ;如 氧 霉 素 . 四 环 素 和 红 霉 素 均 抑制 能 量 细胞 器 的 蛋白 质 合成 。 但 对 胞 液 中 的 蛋白 质 合成 无 明显 效应 。 某 些 抑制 剂 对 胞 液 中 和 细胞 器 中 蛋白 质 合成 的 不 ‘aS tO: 同 影响 在 图 9-60 中 表明 。 在 胞 液 和 能 量 细胞 器 之 间 蛋 白 质 的 流动 都 是 以 一 个 方向 进行 ; 特 NE 定 的 蛋白 质 被 运 入 线粒体 和 叶 绿 已 -8 体 。 但 已 知 没有 什么 蛋白 质 从 这 些 在 紫色 非 硫 细菌 中 的 循环 电子 流 细胞 器 中 运送 出 来 。 并 且 在 细胞 器 和 细胞 其 他 部 分 之 间 也 没有 RNA Os 和 DNA 分 子 的 交换 ;因此 ,如 果 一 TREE hare AXES 个 具有 功能 的 遗传 系统 从 细胞 器 中 委 失 了 。 细 胞 不 可 能 使 它 恢复 。 H0 ed \gj—* (3 随 着 细胞 的 生长 ， 它 所 含 的 线粒体 Bai oy RUA AR 和 叶绿体 的 数量 因 细胞 器 分 裂 而 增加 >” 新 的 线粒体 和 叶绿体 绝对 不 可 能 重新 产生 ,它们 总 是 由 已 有 的 线 et ales 粒 体 和 时 绿 体 生 长 、 分 裂 而 产生 。 Lae 对 活 细胞 的 观察 表明 。 线 粒 体 不 仅 “er 可 以 分 裂 。 有 时 它们 还 可 彼此 融合 在 一 起 。 然 而 ,平均 来 说 ,每 个 细胞 We __, B9-59 细菌 .叶绿体 和 线粒体 都 含有 一 电子 传递 复合 体 * 非 常 相 似 器 在 质量 上 必须 加 倍 。 随 后 在 每 于 线粒体 的 b-ci 复合 体 。 这 些 复合 体 都 接受 从 泛 柄 样 载体 (这 里 以 细胞 世代 分 成 两 半 。 电 子 显 微 照 片 Q 表 示 ) 来 的 电子 ， 并 泵 质子 穿 过 它们 各 自 的 膜 。 它们 被 假设 为 在 表明 ， 就 象 许 多 细菌 细胞 分 裂 中 所 发 生 的 一 样 ， 细 胞 器 的 分 裂 是 通过 其 内 膜 向 内 形成 沟 槽 开始 的 (图 9-61 和 9-62); 因而 ， 这 表明 细胞 器 的 分 裂 是 一 个 有 控制 的 过 程 ,而 不 是 由 于 偶然 一 变 为 二 所 引起 的 事件 。 在 大 多 数 细胞 中 ,各 个 能 量 细胞 器 是 在 整个 细胞 间 期 进行 分 裂 ,而 与 细胞 分 裂 或 彼此 之 间 没有 时 相 的 联系 。 同样 细胞 器 DNA 的 复制 是 发 生 在 整个 细胞 周期 ， 并 不 限于 核 DNA 合成 期 ( S 期 ) 内 。 虽 然 单个 DNA 分 子 似乎 是 随机 地 进行 复制 一 “所 以 在 一 给 定 的 细胞 周期 内 ,， 某 些 DNA 分 子 可 不 止 二 次 地 复制 ， 而 另 一 些 则 完全 不 复制 一 但 在 每 一 细胞 周期 内 细胞 器 DNA 分 子 的 总 数 将 只 增加 一 倍 ， 以 保持 每 个 细胞 的 细胞 器 DNA 量 的 恒定 。 然而 ,这 普遍 的 模式 有 例外 的 情况 ;在 仅 含 有 一 个 或 少数 几 个 叶绿体 的 某 些 藻 内 ， 细 胞 器 的 分 裂 正好 在 胞 质 分 裂 之 前 ， 其 分 裂 面 亦 同 随后 的 细胞 分 裂 的 分 裂 面相 一致。 因此 很 清楚 ,细胞 器 分 裂 在 某 些 情况 下 可 能 受 细胞 精确 的 控制 (图 9-63)。 NADH NAD” 一 细胞 核 -- 一 OR RT 一 -一 一 -一 图 9-60 线粒体 和 叶绿体 的 蛋白 质 生 物 合成 的 综 图 9-61 分 裂 中 的 线粒体 图 解 。 观 。 每 个 粗 箭头 表示 抑制 剂 对 线粒体 或 胞 流 蛋白 中 的 分 裂 方 式 是 从 类 似 9-62 图 中 那 质 合成 专 一 的 作用 部 位 。 详 细 内 容 见 正文 。 样 的 分 裂 中 线粒体 的 静态 图 像 推测 出 来 的 。 nN aCe SA ae IC Hey neem 9-62 FEED 图 9-63 在 简单 的 丝 状 划 klecsormidium 中 ， 其 叶绿体 分 裂 裂 的 线粒体 的 电子 显 微 发 生 在 有 丝 分 裂 早 期 的 一 特定 点 上 。 这 细胞 只 有 一 个 叶绿体 ， 照片 它 的 分 裂 面 与 随后 的 细胞 分 裂 面 是 一 致 的 。〔〈 引 自 本 D. Pic- kett-Heaps,Cytobios 6: 167—183, 1972) 多 数 线粒体 和 叶绿体 的 基因 组 是 较 小 的 环 状 DNA 分 子 ? 如 表 9-2 所 示 , 细 胞 器 DNA 是 比较 小 的 , 而 且 简 单 ,在 高 等 真 核 细 胞 中 它们 是 环 状 分 子 。 许多 细胞 器 DNA 分 子 的 大 小 是 与 病毒 DNA 分 子 大 小 在 相同 的 范围 内 。 在 所 有 生物 中 ,叶绿体 基因 组 的 大 小 是 一 样 的 ， 而 线粒体 基因 组 则 植物 的 要 比 动 物 的 大 得 多 。 ° 510° 在 哺乳 动物 (图 9-64) th, 线粒体 基因 组 是 单 环 状 DNA, 4) 11 000 000 aR REA 组 要 小 10 一 倍 )。 然 而 ,植物 含有 的 线粒体 基因 组 要 大 30 一 100 倍 , 由 许多 不 同 DNA 环 构成 。 对 高 等 植物 和 动物 之 间 这 种 差别 的 意义 还 不 了 解 。 表 9-2 细胞 器 DNA 分 子 的 大 小 和 结 构 质 - OU 线粒体 DNA 动物 (从 扁 虫 到 人 ) 环 状 9 一 12 在 任 一 物种 中 都 只 发 现 均一 大 小 的 分 子 高 等 植物 环 状 各 不 相同 在 所 有 已 研究 过 的 植物 中 ， 有 几 种 大 小 级 别 的 DNA 环 状 分 子 。 不 同 物 种 具有 总 的 遗传 信 息 含量 为 300 一 1 000X 10* 道 尔 顿 。 真菌 面包 酵母 环 状 50 kluyveromyces 环 状 22 原生 动物 je a 环 状 18 Re 线 状 27 叶绿体 DNA BBR KE 环 状 120 AR 环 状 90 高 等 植物 环 状 85 一 97 在 任 一 物种 中 只 发 现 均一 大 小 的 分 子 * 每 10 道 尔 顿 的 DNA 双 螺 旋 中 , 约 有 1500 DNA 碱 基 于 。 3 图 9-64 在 DNA 复制 过 程 拍摄 的 哺乳 动物 线粒体 DNA 分 子 的 电子 显 微 照 片 。 环 状 DNA 基 因 组 只 在 箭头 所 标志 的 两 点 之 间 进 行 复 制 。(David Clayton je) 如 表 9-3 中 的 例子 所 表明 的 ,所 有 的 线粒体 和 叶绿体 均 含 有 多 组 找 贝 的 细胞 器 DNA Fo HK DNA 在 线粒体 的 基质 中 和 叶绿体 的 间 质 中 通常 是 以 几 个 独立 的 往 分 布 着 。 被 认为 在 那里 同 内 膜 相 联 。 细胞 器 中 没有 组 蛋白 。 虽 然 尚 不 知道 这 DNA 是 怎样 包装 的 ， 人 。511 。 oA 但 其 基因 组 与 细菌 的 基因 组 非常 相似 ,而 不 象 真 核 细 胞 的 染色 质 。 在 哺乳 动物 缅 胞 中 。 线粒体 DNA 不 到 细胞 总 DNA 量 的 1%。 然而 ,在 其 他 细 胞 一 如 高 等 植物 的 叶子 或 两 栖 类 的 大 的 卵细胞 中 , 细胞 器 所 占 的 DNA 的 比例 可 能 要 大 得 多 ( 表 9-3) ,在 其 中 进行 的 细胞 RNA 和 有 蛋白质 的 合成 的 比例 也 相应 增加 。 %9-3 某 些 细胞 和 组 织 中 细胞 器 DNA 的 相对 含量 每 个 细胞 器 的 每 个 细胞 中 的 细胞 器 DNA 占 细胞 DNA 分 子 数 细胞 器 数量 总 DNA 的 百分比 mE ee | 510 1,000 | 5—10 100 <1 5—10 10? 99 2—50 2—50 15 酵母 中 ， 每 个 细胞 线粒体 在 数量 和 大 小 上 的 很 大 变化 是 由 于 线粒体 的 融合 和 碎 断 。 线粒体 和 叶绿体 含有 完整 的 遗传 系统 2 尽管 小 量 的 蛋白 质 是 由 线粒体 和 叶绿体 基因 组 编码 的 ， 但 能 量 细胞 器 可 进行 它们 自 身 的 DNA 复制 、DNA 转录 和 和 蛋 白 质 合成 。 这 些 过 程 发生 在 细胞 器 的 内 部 区 室 : 线 粒 体 的 基质 和 叶绿体 的 间 质 中 。 虽 然 调 节 这 些 过 程 的 蛋白 质 是 细胞 器 所 特有 的 ， 但 这 些 BAMA SAE ees DNA 编码 , 而 由 核 基 因 组 编码 。 这 一 事实 是 令 人 惊奇 的 : 细胞 器 蛋白 质 合成 机 构 与 细菌 的 合成 机 构 相 似 ， 而 不 同 于 真 核 细胞 的 合成 机 构 。 这 种 相似 性 在 叶绿体 中 更 为 明显 。 1. 在 对 不 同 抗生素 (如 氧 霉 素 ` 链 霉 素 ` 红 霉 素 和 四 环 素 ) 的 敏感 性 和 它们 的 结构 方面 ， 叶绿体 的 核糖 体 同 大 肠 杆 菌 的 核糖 体 非 常 相 象 。 例 如 ,叶绿体 ( 取 自 玉米 ) 的 核糖 体 RNA 的 核 音 酸 顺序 有 许多 部 分 和 大 肠 杆 菌 的 非常 相似 。 2. 叶绿体 中 的 蛋白 质 合成 象 细菌 中 的 一 样 ,是 从 N- 甲 酰 甲 硫 毛 酸 开始 , 而 不 象 真 核 细胞 胞 液 中 的 蛋 白 质 合 成 那样 ,从 甲 硫 氮 酸 开始 。 3. 叶绿体 核糖 体 可 能 利用 细菌 的 tRNA 进行 蛋白 质 合成 ,甚至 还 可 能 由 叶绿体 的 小 亚 单位 和 大 肠 杆 菌 的 大 亚 单位 联结 ,构建 具有 功能 的 杂交 核糖 体 。 从 所 有 这 些 方面 来 看 ， 叶绿体 核糖 体 不 同 于 同一 植物 细胞 胞 该 中 的 核糖 体 。 4. 叶绿体 mRNA 可 有 效 地 利用 从 大 肠 杆菌 制备 的 合成 蛋白 质 的 抽 提 被 ,来 进行 转 译 。 线粒体 转译 系统 亦 具 有 细菌 系统 的 许多 特性 :线粒体 核糖 体 对 抗 细菌 的 抗生素 敏感 ; 蛋白 质 合成 是 从 N- 甲 酰 甲 硫 氨 酸 开 始 。 然 而 ， 这 里 也 有 某 些 根本 的 差别 。 最 突出 的 表 现在 比较 线粒体 基因 的 核 背 酸 顺 序 和 由 它们 编码 的 蛋白 质 的 氨基 酸 顺 序 。 在 细胞 核 编码 蛋 折 质 和 细菌 的 通用 遗传 密码 中 用 作 终 止 密码 子 的 UGA; 在 哺乳 动物 和 酵母 的 线粒体 中 则 是 为 色 氨 酸 密码 子 。 并 且 , 还 有 儿 个 其 他 密码 子 具 有 不 同 的 意义 ,而 哺乳 动物 和 酵母 线粒体 的 某 些 密码 也 不 尽 相 同 〈 表 9-4)。 这 些 差异 是 由 线粒体 而 不 是 由 核 基 因 组 编码 的 线粒体 tRNA 的 独特 性 所 造成 ,在 后 面 将 对 这 个 问题 作 详细 的 讨论 。 为 什么 线粒体 遗传 。512。 密码 有 别 于 细菌 和 真 核 细胞 的 细胞 核 , 则 还 不 知道 。 表 9-4 “普遍 的 ”遗传 密码 和 两 种 线粒体 遗传 密码 之 间 的 美 别 * ee F 哺乳 动物 线粒体 的 编码 酵母 线粒体 的 编码 普遍 的 编码 UGA fae 色 氨 酸 终止 信号 AUA 甲 硫 氢 酸 甲 硫 氨 酸 tle CUA 亮 氨 酸 FSB 亮 氨 酸 | | 终止 信号 精 氨 酸 精 氨 酸 AGG * 黑体 字 才 示 其 编码 不 同 于 普遍 的 编码 。 酵母 对 研究 线粒体 生物 发 生 有 许多 方便 的 地 方 ,包括 可 用 于 遗传 分 析 4 许多 关于 线粒体 生物 发 生机 制 的 实验 现在 都 用 酿酒 酵 峡 (saccharomyces carlsbergen- 抗 氨 霉 素 的 突变 型 单 倍 体 酵 母 野生 型 单 倍 体 醇 母 ©» @2 a5 min 营养 性 有 丝 分 4 个 子 代 均 抗 氨 霉 素 APF RAT ME HK aR 图 9-65 图 解 酵母 线粒体 和 细胞 核 基 因 之 间 遗 传 型 式 的 差别 。 就 每 个 细胞 核 基因 来 说 , 由 减 数 分 裂 产生 的 四 个 细胞 中 的 两 个 遗传 来 自 一 个 亲 代 细胞 的 基因 ， 其 余 两 个 遗传 来 自 另 一 亲 代 细胞 的 基 因 ( 盏 德尔 遗传 )。 相 反 * 由 于 在 营养 性 生长 时 线粒体 有 丝 分 裂 分 离 ( 见 正文 )? 所 有 经 减 数 分 裂 得 到 的 四 个 细胞 只 能 遗传 其 两 个 亲 代 细胞 之 一 的 线粒体 基因 ( 非 孟 德尔 或 细胞 质 遗 传 )。 e513 °¢ sis) 和 面包 酵母 来 进行 ,这 有 几 种 原因 。 第 一 ,这 些 酵 母 当 生长 在 葡萄 糖 培养 基 中 时 具有 单独 靠 酵 解 而 生活 的 特异 能 力 。 所 以 不 需要 有 功能 的 线粒体 。 这 使 得 有 可 能 研究 强烈 地 干扰 线粒体 生物 发 生 的 线粒体 DNA 和 核 DNA 两 者 的 突变 。 对 几乎 所 有 的 其 他 生物 、 这 种 突变 是 致死 的 。 第 二 ， 酵 母 是 简单 的 单 细 胞 真 核 生物 ,容易 生长 ,并 具有 生物 化 学 特 征 。 最 后 , 酵母 能 以 单 倍 体 或 双 倍 体 生 长 ， 通 常 以 出 菠 方 式 ( 不 对 称 有 丝 分 裂 ，asymme- trical mitosis) 进行 无 性 生殖 。 但 是 它们 也 能 有 性 生殖 : 周期 性 地 两 个 单 倍 体 细胞 以 胜 交配 方式 融合 ,形成 一 双 倍 体 接 合子 ,接合 子 能 以 有 丝 分 裂 方 式 生 长 ， 或 经 减 数 分 裂 生 出 新 的 单 倍 体 细胞 。 实 验 地 控制 有 性 生殖 和 无 性 生殖 之 间 的 交替 ， 使 有 可 能 对 影响 线粒体 功能 的 基因 进行 广泛 的 遗传 分 析 。 也 有 可 能 用 这 些 方法 来 测定 这 样 的 基因 是 位 于 细胞 核 还 是 位 于 线粒体 ,因为 线粒体 基因 突变 是 不 按照 盏 德尔 定律 遗传 的 ,而 细胞 核 基 因 的 遗传 受 重 德尔 定律 支配 。 要 了 解 线粒体 基因 的 非 孟 德 尔 遗 传 (细胞 址 传 )， 就 要 考虑 当 两 个 酵母 单 倍 体 细胞 交 配 形成 一 个 二 倍 体 合子 时 ,该 基因 所 发 生 的 变化 。 图 9-65 所 阐明 的 例子 中 ; 一 个 酵母 扒 带 一 个 线粒体 蛋白 质 合成 的 抗 氧 霉 素 突变 ， 而 另 一 个 是 野生 型 (对 毛 霉 素 敏感 ) 的 。 这 些 基因 在 酵母 生长 在 一 种 诸如 甘油 的 底 物 上 时 很 易 鉴 别 ， 因 为 甘油 只 能 被 具 完 整 线粒体 的 酵母 代谢 ;在 氧 霉 素 存在 的 条 件 下 ,只 有 带 突变 线粒体 基因 的 细胞 才能 生长 。 二 倍 体 合子 开始 发 育 时 , 带 有 突变 型 和 野生 型 两 种 线粒体 ,但 是 当 接 合子 进行 有 丝 分 裂 ， 以 出 车 方式 产生 二 倍 体 子 代 时 ,只 有 有 限 数量 的 线粒体 进入 芽 内 。 随 着 连续 的 有 丝 分 裂 复制 ,一 个 偶 然 出 现 的 芽 将 接受 全 部 为 突变 型 的 或 野生 型 的 线粒体 。 随 后 ， 从 芽 生 出 的 全 部 子 裔 将 具 有 遗传 上 同一 的 线粒体 。 由 于 这 随机 的 过 程 , 仅 具 有 单一 线粒体 DNA 类 型 的 双 倍 体 酵 母子 代 最 终 产 生 了 一 一 这 叫做 有 丝 分 裂 分 离 (mitotic segregation) 过 程 。 当 仅 含 有 单一 线粒体 DNA 类 型 的 双 倍 体 细 胞 进行 减 数 分 裂 , 形 成 四 个 单 倍 体 子 细胞 时 ， 每 个 子 细胞 ， 接受 了 相同 的 线粒体 基因 。 这 种 遗传 型 式 叫 做 非 备 德尔 或 细胞 质 遗 传 ， 以 区 别 于 核 基 因 的 备 德 尔 遗 传 (图 9-65)。 当 这 种 情况 发 生 了 ,就 证 实 了 该 基因 是 位 于 线粒体 上 。 哺乳 动物 细胞 中 线粒体 基因 是 母体 遗传 的 细胞 质 遗 传 的 后 果 , 对 某 些 动物 ,包括 我 们 自己 在 内 ,具有 比 对 酵母 更 为 深远 的 意义 。 在 酵母 中 ,交配 的 两 个 单 倍 体 是 同样 大 小 的 , 贡献 出 同等 数量 的 线粒体 DNA 给 接合 子 。 因此 ， 酵 母 中 线粒体 遗传 是 双亲 性 的 〈biparental) 。 双亲 对 子 裔 线粒体 基因 库 的 贡献 是 相等 的 (虽然 正如 我 们 刚刚 看 到 的 ,经 过 营养 性 生长 的 若干 世代 之 后 ， 每 个 子 裔 通常 含有 的 线粒体 只 来 自 一 个 亲 代 )。 相 反 在 高 等 动物 中 ,卵细胞 提供 给 合子 的 细胞 质 总 是 比 精 子 提供 的 多 得 多 ,甚至 在 某 些 动物 中 精子 可 能 完全 不 提供 细胞 质 。 所 以 ,可 以 认为 高 等 动物 中 线粒体 的 遗传 是 单亲 性 Cuniparental) 的 ,或 者 更 精确 地 说 ,是 母体 遗传 的 ， 而 且 母 体 遗传 也 确 已 被 证 实 , 例 如 ,已 经 发 现 分 别 具 有 两 种 类 型 的 在 核 苷 酸 顺 序 上 略 有 不 同 的 线 粒 体 DNA 〈A 型 和 B 型 ) 的 不 同 品系 的 实验 大 鼠 。 当 带 有 A 型 线粒体 DNA 大 鼠 同 带 有 有 型 的 大 鼠 交配 ,其 子 裔 只 含有 母体 型 的 线粒体 DNA, 酝 母 的 小 突变 体 证 明了 细胞 核 在 线粒体 生物 发 生 中 的 头等 重要 性 在 酵母 中 有 一 类 线粒体 DNA 突变 体 , 其 所 含 的 线粒体 DNA 大 部 缺失 ， 线 粒 体 蛋 ee 51 和。 白质 合成 全 部 被 阻止 ， 所 以 这 种 酵母 不 能 建成 具有 功能 的 线粒体 。 因 它们 生长 在 低 浓 诬 葡萄 糖 培养 基 中 ,形成 小 的 菌落 , 故 称 为 细胞 质 小 突变 体 (cytoplasmic petite mutants), 虽然 小 突变 体 一 点 也 不 能 制造 线粒体 蛋 曰 质 , 不 能 建成 有 功能 的 线粒体 ,不 过 它们 含 有 前 线粒体 (promitochondria) ， 其 外 表 看 上 去 很 像 正常 的 线粒体 ,有 正常 的 外 膜 和 发 育 不 良 的 峭 的 内 膜 ( 图 9-66)。 前 线粒体 含有 许多 重要 的 酶 ,这 些 酶 由 核 基因 编码 ， 在 胞 科 的 核糖 体 上 生成 。 它 们 包括 有 DNA 和 RNA 聚合 酶 ,全 部 的 柠 榜 酸 循环 的 酶 和 许多 内 膜 蛋白 质 。 这 一 观察 明显 地 强调 了 细胞 核 在 线粒体 生物 发 生 中 的 头等 重要 。 这 里 附带 说 明 一 个 很 有 兴趣 的 问题 , 在 这 种 小 突变 体 中 ， 虽 然 其 线粒体 DNA 基因 28 Fr BEAT LIA Mh 20% 到 99.9% 的 不 同 程度 的 缺失 , 但 每 个 细胞 的 线粒体 DNA 总 量 却 总 是 大 致 上 同 野 生 型 酵母 一 样 。 这 数量 上 的 相册 是 由 于 一 个 尚 缺 乏 了 解 的 DNA 扩 增 过 程 导致 形成 衔接 重复 ”DNA 分 子 ， 达 到 约 同 野生 型 线粒体 DNA 同样 的 大 小 : 如 此 ,一 含有 50% 野生 型 线粒体 DNA 顺 序 的 小 突变 体 , 其 每 个 DNA 分 子 中 同样 片 眉 将 图 9-66 eee Te 表示 正常 线粒体 的 结构 (A7 和 小 突变 体 线粒体 的 结构 (8), 小 突 变 体 中 全 部 线粒体 编码 的 基因 产物 都 缺失 ?细胞 器 完全 由 细胞 核 编码 的 蛋白 质 所 构成 。 (Bardara Stevens 赠 ) 有 两 个 捞 贝 ; 而 一 种 只 含 0.1% 野生 型 线粒体 DNA 顺序 的 突变 体 则 其 每 个 DNA 分 子 将 含有 1 000 个 拷贝 的 同样 片段 。 因 而 ， 小 突变 体 可 用 来 获取 大 量 线粒体 DNA 的 特定 片段 ,这 实际 上 是 天 然 的 无 性 繁殖 。 酵母 线粒体 中 大 部 分 的 DNA 是 不 编码 的 ” 应 用 遗传 分 析 方法 与 其 他 手段 相 结 合 , 已 经 证 明 在 酵母 线粒体 基因 组 内 有 2 个 rRNA 基因 , 约 30 个 tRNA 基因 和 8 个 编码 蛋白 质 的 基因 。 这 8 个 蛋白 质 中 的 7 个 是 位 于 线 粒 体 内 膜 上 ,而 另 一 个 是 核糖 体 蛋 白质 。 每 一 种 这 些 蛋白 质 都 是 一 较 大 的 酶 复合 体 的 组 ° 515° 成 部 分 ， 酶 复合 体 大 部 分 是 由 从 胞 液 中 输入 的 亚 单位 所 构成 。 所 有 已 知 的 酵母 线粒体 DNA 基因 产物 不 到 DNA 的 潜在 密码 含量 的 20 罗 。 然而 对 那些 额外 的 基因 的 深入 研究 还 没有 成 功 。 造 成 这 不 相等 的 原因 是 在 酵母 基因 组 中 有 大 量 的 不 编码 DNA， 它 们 可 分 为 三 类 : (〈1) 某 些 酵母 线粒体 基因 含有 很 大 的 中 间 播 人 顺 序 (内 含 子 ); 例 如 ,细胞 色素 b 和 细胞 色素 氧化 酶 亚 单位 I 的 基因 大 于 由 蛋白 质 产物 所 预 期 的 基因 大 小 将 近 10 倍 。 在 不 同 的 酵母 品系 中 ,内 含 子 的 数量 和 大 小 有 明显 的 差别 。(2) 某 些 线粒体 mRNA 含有 不 编码 的 "前导 ”顺序 , 它 比 编码 顺序 长 许多 。(3) 将 近 一 半 的 酵母 线粒体 DNA 由 包含 95 多 以 上 的 A-T 碱 基 对 的 片段 所 组 成 。 虽 然 对 这 些 片 段 的 功能 尚 不 了 解 , 但 许多 这 类 DNA 不 象 是 作为 任何 蛋白 质 或 结构 RNA 的 密码 。 因为 这 么 多 的 酵母 线粒体 DNA 表现 为 不 编码 的 ， 表 9-2 中 所 列 的 较 小 的 线粒体 DNA 可 能 包含 大 多 数 具 有 少量 不 编码 DNA 的 重复 基因 。 虽 然 这 对 比 是 不 完全 的 ,但 迄 今 的 结果 倾向 于 证 实 这 个 推测 。 人 的 线粒体 基因 组 的 核 昔 酸 顺序 已 经 全 部 弄 清 ,并 且 它 具有 某 些 惊 人 的 特征 对 酵母 线粒体 基因 组 那么 容易 进行 研究 的 遗传 分 析 方法 ,对 人 的 细胞 却 是 不 能 适用 。 然而 ,现代 DNA 顺序 分 析 技 术 的 应 用 ( 见 185 页 )， 使 相对 较 小 的 人 线粒体 DNA 成 为 引 人 注 意 的 材料 ，1981 年 已 经 发 表 了 它 的 16 569 个 核 昔 酸 的 整个 顺序 。 把 这 顺序 同 已 知 的 线粒体 tRNA 顺序 和 线粒体 DNA 编码 的 蛋白 质 的 有 限 氮 基 酸 顺序 相 比 较 ， 有 可 能 来 标定 大 多 数 人 线粒体 基因 在 其 环 状 DNA 分 子 上 的 位 置 (图 9-67)。 2 个 rRNA 基因 、22 个 tRNA 基因 和 13 个 编码 蛋白 质 的 人 线粒体 基因 组 序列 的 定位 ,揭示 出 若干 令 人 惊讶 的 特征 : (1) 与 酵母 线粒体 基因 组 不 同 ， 几 乎 整个 人 线粒体 基 因 组 的 核 昔 酸 序列 看 来 都 编码 蛋白 质 和 RNA。 (2) 胞 小 中 氨基 酸 的 顺序 至 少 受 31 个 不 司 的 tRNA 所 规定 ,而 22 个 不 同 的 tRNA 足以 满足 线粒体 的 蛋白 质 合 成 : 正 浓 的 密码 子 - 反 密 码 子 配对 原则 在 线粒体 中 是 不 严格 的 ,所 以 许多 tRNA 分 子 能 识别 在 第 三 (不 稳 定 ) 位 置 上 的 四 个 核 背 酸 的 任何 一 个 ( 见 201 页 )。 这 "三 个 中 的 二 个 * 读 法 允许 一 个 tRNA 与 四 个 不 同 密码 子 的 任何 一 个 相配 对 。 这 就 许可 以 较 少数 量 的 不 同 tRNA 分 子 去 合成 蛋白 质 , 但 是 这 可 能 是 不 够 精确 的 。(3) 如 上 面 我 们 曾 指出 的 ,遗传 密码 是 可 以 变换 的 ,所 以 64 个 密码 子 中 有 4 个 具有 不 同 于 它们 在 胞 波 蛋 白质 合成 中 的 含义 ` 表 9-4)。 叶绿体 的 基因 组 比 酵 母 和 动物 线粒体 的 更 为 复杂 细胞 质 遗 传 首 先是 在 研究 植物 叶绿体 突变 基因 的 分 离 时 发 现 的 。 在 分 子 水 平 上 对 这 个 过 程 的 认识 仍然 不 完全 ,这 是 由 于 两 方面 的 原因 。 第 一 ,植物 包含 两 个 独立 的 细胞 质 遗 传 系统 ， 常 常 难以 确定 特定 的 细胞 质 突变 基因 是 位 于 线粒体 还 是 叶绿体 。 第 二 ， 叶 绿 体 DNA 较 动 物 和 酵母 线粒体 DNA 更 大 \ 更 复杂 ( 阅 表 9-2), 这 个 差别 造成 了 叶绿体 DNA 中 的 基因 分 析 更 加 困难 。 然 而 ,有 一 个 有 利 方 面 : 叶绿体 和 细菌 遗传 系统 极为 相似 , 叶 绿 体 DNA 和 mRNA 在 高 效率 的 细菌 转录 -转译 系统 里 可 精确 地 被 转录 或 被 转译 MA 兼 有 两 者 )。 细菌 细胞 抽 提 物 中 的 时 绿 体 DNA 的 体外 解码 ， 为 确证 特定 的 编码 蛋 白 质 基因 提供 了 一 有 用 的 方法 。 所 获得 的 结果 证 明 ,许多 蛋白 质 是 在 叶绿体 中 制造 的 ,但 是 它们 特殊 的 功能 已 被 确定 2 516。 的 却 是 很 少 。 如 同 线粒体 DNA 一 样 ， 叶绿体 基因 组 为 许多 多 酶 复合 体 提供 亚 单位 ， 这 些 复合 体 亦 含 有 由 胞 液 的 核糖 体制 造 的 亚 单位 。 ATP 合 成 酶 亚 单位 细胞 色素 氧化 酶 亚 单位 一 (227) = 蛋白 质 编码 区 域 (总 共 13 个 ) He =tRNA 基 因 【 总 共 22 个 ) 基因 组 的 总 长 =16,569 个 碱 基 对 细胞 色素 b 12S rRNA 复制 的 起 点 Ea AWN 7 图 9-67 ST RERMFCRHENARAKERANAN. 牛 和 小 鼠 线粒体 基因 组 DNA 的 顺序 也 已 经 测 出 ,并 具有 相同 的 结构 。 注 意 , 虽 然 有 13 个 蛋白 质 编码 区 域 ; 而 只 有 5 个 所 产生 的 蛋 白质 的 功能 为 已 知 ( 3 个 细胞 色素 氧化 酶 的 亚 单位 ，1 个 ATP 合成 酶 亚 单位 和 细 有 跑 色素 b Do 线粒体 仅 以 成 熟 的 形态 出 现 ， 而 叶绿体 在 植物 幼年 豚 胎 中 是 以 未 成 熟 的 前 质 体 形态 出 现 ( 第 十 九 章 )。 倘 若 植物 在 黑暗 中 生长 ,这 些 前 质 体 就 不 会 成 熟 。 当时 绿 体 DNA i 失 ， 叶 绿 体 的 发 育 亦 被 阻 留 在 前 质 体 状 态 。 这 样 的 叶绿体 突变 对 高 等 植物 是 致死 的 。 在 单 细胞 藻类 ,如 眼 虫 中 ,没有 功能 的 叶绿体 的 突变 细胞 ,只 要 供应 以 氧化 的 底 物 ,就 能 很 好 地 生活 。 这 种 叶绿体 突变 体 类 似 于 酵母 的 线粒体 小 突变 体 。 在 大 约 三 分 之 二 的 高 等 植物 中 ， 其 雄性 亲 代 的 叶绿体 (花粉 粒 中 所 包含 的 ) 不 进入 接 合子 ,因此 叶绿体 遗传 严格 地 是 母体 遗传 ， 在 另 一 些 植物 中 ， 其 花粉 叶绿体 进 人 接合 子 ， 使 这 种 叶绿体 遗传 为 双亲 遗传 。 有 缺陷 的 叶绿体 是 植物 花 斑 的 一 个 原因 : 在 一 个 接合 子 中 混合 有 正常 的 和 有 缺陷 的 叶绿体 ， 当 生长 时 它们 由 有 丝 分 裂 分 离 而 区 分 开 来 ， 在 时 子 上 现 出 绿色 和 日 色 交 错 的 斑纹 ; 绿色 斑纹 含 正 常 的 叶绿体 ， 而 白色 斑纹 则 含 缺陷 的 时 绿 体 。 在 线粒体 DNA L#R RNA 转录 本 ,在 它们 合成 之 后 进行 广泛 的 加 工 ” 叶绿体 中 的 RNA 合成 同 大 肠 杆 菌 中 的 RNA 合成 只 有 很 小 的 差别 ; 像 细菌 mRNA 一 样 , 叶绿体 mRNA 在 它们 的 5 端 或 其 长 的 3 -polyA 尾部 不 含 一 幅 子 结构 , 这 帽子 结构 是 大 多 数 真 核 细 胞 mRNA 的 特征 。 而 且 广 泛 的 RNA 加 工 过 程 似乎 不 涉及 多 数 成 熟 的 mRNA 的 生产 。 相反 , 经 过 详细 深入 的 研究 ， 已 知 在 人 和 酵母 的 线粒体 系统 中 RNA 前 体 的 加 工 起 着 重要 的 作用 。 在 人 的 细胞 中 ， 两 股 线粒体 DNA 链 的 转录 是 从 一 单个 启动 基因 开始 ， 并 以 相同 的 速率 进行 ,生成 两 条 巨大 的 RNA 分 子 , 每 个 RNA 分 子 含有 一 DNA 单 链 全 长 的 拷贝 。 因 此 ,转录 是 完全 对 称 的 。 在 一 股 单 链 上 转录 的 转录 本 一 一 由 于 它 在 CsCl 中 的 密度 ， 故 叫做 重 链 《〈 互 链 ) 一 一 被 核酸 酶 广泛 地 加 工 ， 获 得 了 2 个 rRNA, KMD tRNA 和 约 10 个 含 poltyA 的 RNA (图 9-68)。 而 轻 链 ( 工 链 ) 的 转录 二 被 加 工 , 仅 生成 8 个 tRNA 和 一 个 小 的 含 polyA 的 RNA; 转录 本 的 其 余 90% 似乎 不 含有 用 的 信息 ， 并 被 降解 。 含 polyA 的 RNA 可 彼 认 为 是 线粒体 的 mRNA; 它们 的 5 端 没有 帽子 结 * 517-¢ 构 ， 而 在 3 端 带 有 一 约 55 个 核 背 酸 的 polyA 尾部 。 尾 部 是 在 转录 后 由 线粒体 polyA ® 合 酶 的 作用 而 加 上 的 。 同人 的 线粒体 基因 不 一 样 , 某 些 酵母 线粒体 基因 含有 内 含 子 ， 须 由 RNA 剪接 而 被 EK Ri BABA KRW: 除了 一 个 基因 之 外 ,其 他 所 有 的 基因 都 在 同一 条 DNA 链 上 转录 ,这 DNA 链 具 有 为 几 个 基因 所 有 的 独立 的 启动 子 。 从 线粒体 内 共生 起 源 学 说 的 观点 看 来 ， 在 酵母 线粒体 中 (和 一 些 叶 绿 体 ) 基 因 中 发 现 内 含 子 是 惊人 的 。 因 为 细菌 基因 中 没有 发 现 内 含 子 。 并 且 内 含 子 常常 存在 于 一 个 品系 醇 母 的 线粒体 基因 中 ， 而 在 另 一 品系 酵母 相同 的 基因 中 却 没有 。 由 于 这 样 和 那样 的 理由 。 曾 认为 在 某 些 能 量 细胞 器 的 DNA 中 所 发 现 的 内 含 子 ， 是 代表 转 位 因子 的 痕迹 。 然 而 ， 不 论 在 细胞 器 DNA 中 所 观察 到 的 断裂 基因 的 来 源 , 或 它们 对 生物 的 效应 ， 都 是 不 清楚 的 。 由 需 能 的 过 程 输送 蛋白 质 进 入 线粒体 和 叶绿体 在 时 绿 体 和 线粒体 中 所 发 现 的 大 部 分 蛋 昌 质 是 从 细胞 胞 滚 运送 进去 的 。 这 就 提出 了 两 个 有 关 的 问题 : 细胞 是 怎样 指挥 蛋白 质 到 达 恰 当 的 细胞 器 ? 这 些 蛋白 质 又 是 怎样 进入 细胞 器 ? 关于 丰富 的 核 酮 糖 -1，5- 二 磷酸 涛 化 酶 的 小 亚 单位 (S) 输送 进入 叶绿体 间 质 的 研 究 , 提 供 了 部 分 的 回答 。 当 从 单 细 胞 菠 ( 衣 菠 ) 或 殉 豆 时 的 细胞 质 中 分 离 出 的 mRNA 被 用 来 编制 体外 蛋白 质 合 成 系统 时 ,所 产生 的 许多 蛋 和 白质 中 的 一 种 同 专 一 抗 $ 抗体 起 反应 。 在 体外 所 形成 的 S 蛋白 质 : 叫 做 前 S(pro-S)， 它 比 成 熟 的 S 要 多 大 约 SOT REM 当 完整 的 前 S 蛋白 质 同 完整 的 叶绿体 一 起 保温 时 ,前 S 被 吸入 细胞 器 ,由 时 绿 体 中 的 肽 链 内 切 酶 作用 转变 成 为 成 熟 的 So 成 熟 的 S 然后 同 核 酮 糖 -1，5- 二 磷酸 羧 化 酶 的 大 亚 单位 相 结合 ， 在 时 绿 体 间 质 中 形成 了 有 活性 的 酶 。 核 酮 糖 -1，5- 二 磷酸 羧 化 酶 的 大 亚 单位 是 在 叶绿体 核糖 体 上 生成 的 。 前 S 蛋 昌 质 的 输送 机 制 尚 不 知道 。 设 想 前 S 先 与 叶绿体 外 膜 上 一 受 体 蛋 白 结合 ， 可 能 是 在 外 膜 与 内 膜 之 间 的 粘 附 部 位 ， 随 后 由 一 依赖 能 量 的 过 程 ， 通 过 跨 膜 小 孔 (trans- membrane pore) 被 传送 进入 间 质 。 蛋白 质 输 入 线粒体 的 过 程 一 般 与 叶绿体 相同 。 如 果 纯 化 的 酵母 线粒体 与 细胞 抽 提 流 一 起 保 温 ,抽取 流 中 含有 新 合成 的 放射 性 标记 的 酵母 蛋白 , 则 核 编 码 的 线粒体 蛋白 可 与 胞 液 中 非 线粒体 蛋白 区 分 开 来 ;并且 有 选择 地 参 人 线粒体 ;其 方式 与 细胞 内 的 选择 吸收 十 分 相似 。 因 而 ,外 膜 蛋白 内 借 蛋 白 , 基 质 蛋白 和 膜 闻 空 隙 蛋白 均 可 找到 它们 进入 到 线粒体 中 各 自 特 定 区 室 的 途径 。 许多 预定 进入 内 膜 、 基 质 和 了 膜 间 空隙 的 新 合成 的 蛋白 质 均 含有 一 氮 基 末端 的 前 导 多 肽 ,在 输入 过 程 中 被 位 于 线粒体 基质 中 的 专 一 蛋白 酶 切 去 。 此 外 ,被 指定 到 达 这 三 个 不 同 的 线粒体 区 室 的 蛋白 质 的 输入 都 需要 跨 内 膜 电化 学 质子 梯度 。 而 预定 进 到 线粒体 外 膜 的 Ame ASE AR AYN CRAG BEE. BARES ABH DREARY 情况 。 这 些 和 其 他 的 观察 都 认为 四 种 不 同类 型 的 线粒体 蛋白 是 按 图 9-69 和 图 9-70 所 示 的 普遍 模式 输入 线粒体 的 。 曾 经 设想 ,除了 预定 进入 外 膜 的 蛋白 质 之 外 ,其 他 所 有 的 蛋白 质 都 由 发 生 在 膜 粘 附 部 位 的 需 能 过 程 而 驹 人 线粒体 内 膜 。 最 初 谱 人 之 后 的 蛋 日 酶 剪 切 被 ° 518° 认为 将 引起 每 个 蛋白 质 的 构象 变化 。 构 象 变化 或 者 使 蛋白 质 固定 在 内 膜 上 ， 或 是 使 蛋白 质 从 内 膜 伸 出 进入 相应 的 基质 空隙 或 膜 间 空隙 (图 9-70)。 蛋白 质 通 过 线粒体 或 叶绿体 膜 的 运输 ， 原 则 上 与 第 七 章 中 所 描述 的 蛋白 质 通过 内 质 网 膜 的 运输 相似 。 然而 。 有 若 于 重要 的 差别 。 第 一 ， 进 人 线粒体 基质 或 叶绿体 间 质 的 运输 必须 包括 穿 过 细胞 器 外 膜 和 Se aL 内 膜 两 层 膜 的 传送 。 而 进入 内 质 网 膜 的 运输 仅 须 穿 过 一 层 膜 。 此 外 ， 和 蛋白 质 进 入 内 质 网 膜 是 通 过 定向 施放 的 机 制 ， 开 始 于 核糖 体 上 仍 继续 合成 未 完全 的 蛋白 质 的 时 候 〈 共 转译 输入 ，co-transl- ational import) :而 蛋白 质 输 入 线 膜 间 空 跤 粘 附 部 位 胞 液 基质 外 膜 内 腊 a eee t 线粒体 图 9-68 ”在 线粒体 DNA HH 链 上 合成 的 单个 的 大 转录 图 9-69 SARA Dar 的 本 ， 经 加 工 生 成 2 个 rRNA,、14 个 RNA 和 10 个 含 polyA 的 线粒体 一 小 区 域 的 图 解 。 这 RNA, MAMA RNA 分 子 仍 被 转录 的 同时 * 大 多 数 一 部 位 被 认为 与 有 选择 地 输 RNA 就 进行 着 加 工 。 黑 点 表示 含有 RNA 顺 序 的 短 的 RNA 送 蛋 白质 进入 线粒体 有 关 。 区 域 。( 根 据 D. Ojala, J. Montoya and G.Attardi, 被 输送 的 蛋白 质 是 由 细 胞 核 Nature 290:470—474, 1981, RE PERE RZ) Seta, FHEEMRH A Ko 粒 体 和 叶绿体 , 则 设想 是 发 生 在 蛋白 质 已 合成 完全 之 后 (转译 后 输入 ， post-trans lationa import), 尽管 有 这 些 差异 ,细胞 在 每 种 情况 下 均 合 成 一 含有 “信和 号 序列 ”( “signal sequence”) 的 前 体 蛋白 ,这 信号 序列 指挥 蛋白 质 到 达 适 当 的 膜 上 。 在 许多 情况 下 ,在 运输 过 程 完成 之 后 ,信号 序列 就 从 前 体 上 被 切除 。 人 然而 , 某 些 蛋 白质 不 以 前 体 的 形式 合成 ;在 这 些 情况 下 ， 信号 序列 被 假定 是 位 于 成 熟 蛋白 的 序列 内 。 信 号 序列 的 特点 了 解 得 还 不 够 ， 但 它们 必须 有 几 种 不 同 的 类 型 ,每 种 类 型 指令 其 蛋白 质 朝向 细胞 内 的 不 同 区 域 。 例 如 ,可 以 设想 在 一 植物 细胞 中 某 些 在 胞 波 中 开始 合成 的 蛋白 质 将 被 输入 线粒体 ,而 另 一 些 则 被 送 入 叶绿体 : 有 一 些 进 入 过 氧 物 酶 体 ， 还 有 一 些 进入 内 质 网 膜 。 蛋 白质 的 精确 的 细胞 内 运输 路 线 所 包 含 的 复杂 过 程 才 开始 被 认识 ,这 在 第 七 章 里 已 详细 讨论 过 了 。 ©5196 被 前 切 ， ae 粘 附 部 位 E(t, 反应 的 需 能 传递 vile file ¢ 基质 蛋白 ee sini 77 oe 蛋白 质 前 体 被 在 粘 附 部 位 引起 构象 变 fle. ee ARE a 发 反应 [eases ame eo? sauna Ae REIMER Rr a tag 象 进一步 变化 ， & Bins axnw ( wanes Panmeenite P sm xine BE FY fel FE 全 陈 ae ‘Rp, 9-70 —-MPRRNREA, PRRBKAVNRAKEAREE WARE RMAARAAP HER Ht CLA 9-69). Hee mle EAE CO ABB Sp BD eB ,而 线粒体 则 主要 依靠 从 外 面 输入 ” 新 的 线粒体 和 叶绿体 的 生物 合成 除 需要 核酸 和 蛋白 质 之 外 ， 也 需要 脂肪 。 叶 绿 体能 合成 它们 自己 所 需要 的 脂肪 。 例 如 ;在 菠菜 叶子 中 ,虽然 脂肪 酸 的 去 饱和 作用 是 在 叶绿体 外 面 发 生 , 但 细胞 所 有 的 脂肪 酸 合成 都 在 叶绿体 中 进行 。 甚至 叶绿体 的 主要 糖 脂 也 是 在 当地 合成 的 。 另 方面 ,线粒体 所 需要 的 脂肪 大 部 分 由 外 面 输入 。 在 动物 细胞 中 :在 内 质 网 膜 中 所 合 成 的 磷脂 ,由 磷脂 转移 蛋白 的 作用 运送 到 线粒体 外 膜 ,随后 可 能 在 粘 附 部 位 移 人 内 膜 。 线 粒 体 本 身 所 催化 的 脂肪 生物 合成 的 主要 反应 是 把 磷脂 酸 转化 为 心 磷脂 。 这 是 线粒体 内 膜 中 的 一 种 主要 的 磷脂 , 约 占线 粒 体 总 脂肪 量 的 20% 9 线粒体 和 叶绿体 的 生物 合成 主要 受 细胞 核 控制 人 们 还 很 少 知道 细胞 核 和 细胞 器 的 遗传 系统 是 怎样 联络 ， 以 协调 它们 对 能 量 细胞 器 合成 的 作用 。 但 所 有 的 控制 显然 都 与 核 有 关 。 以 下 事实 说 明 ， 在 细胞 器 蛋白 质 合成 受理 的 突变 体 中 仍然 产生 出 正常 数量 的 前 细胞 器 ”( ”pro-organelles )。 在 这 些 前 细胞 器 中 仍然 正常 地 进行 细胞 器 DNA 和 部 分 细胞 器 RNA 的 合成 。 这 表明 有 关 酶 的 合成 和 运 送 , 以 及 这 些 过 程 的 时 间 安 排 与 控制 ,只 需要 细胞 核 的 基因 。 细 胞 核 也 必须 调节 细胞 器 核 糖 体 上 生产 的 蛋白 质 的 数量 ;对 于 某 些 叶绿体 蛋 白 质 ， 有 证 据 和 表明 这 种 调节 可 能 在 时 绿 你 DNA 转录 水 平 上 发 生 ,但 是 怎样 实行 的 则 尚 不 知道 。 虽然 细胞 器 生物 合成 主要 受 细胞 核 的 控制 ,但 是 至 少 在 线粒体 的 情况 下 ,有 证 据 提 示 有 某 种 来 自 细 胞 器 的 反馈 控制 。 当 完整 细胞 中 线粒体 蛋白 质 合成 受阻 时 ， 其 结果 使 输 大 的 与 线粒体 DNA, RNA 和 和 蛋白 质 合 成 有 关 的 酶 生产 过 剩 ,细胞 好 象 试 着 要 克服 这 种 合 * 520 。 成 受阻 。 虽 然 这 里 一 定 有 着 来 自 线粒体 的 信号 ,但 其 性 质 尚 不 知道 。 抑制 线粒体 蛋白 质 合成 的 药物 怎样 能 用 作 抗生素 而 对 病人 无 害 ” 以 抗生素 如 四 环 素 或 氧 霉 素 处 理 组 织 培养 的 人 的 细胞 ， 经 一 或 二 次 分 型 之 后 即 停止 生长 。 这 效应 是 由 于 线粒体 蛋白 合成 被 抑制 。 导 致 线粒体 不 正常 和 ATP 供应 不 足 。 然 而 ,这 些 药物 怎样 能 用 于 治疗 细菌 感染 而 不 杀伤 病人 ? 有 几 种 答案 : 1. 某 些 抗生素 ( 象 红 霉 素 ) 不 能 通过 哺乳 动物 线粒体 的 不 通 透 的 内 膜 。 2. 在 人 体内 大 多 数 细 胞 是 不 分 裂 的 ， 或 以 低速 率 分 裂 。 所 以 已 有 的 线粒体 替换 很 慢 (在 大 多 数组 织 中 。 每 五 天 或 更 长 时 间 中 才 有 一 半 的 线粒体 被 替换 )。 因 此 ,线粒体 蛋白 合 成 完全 被 阻 之 后 还 可 能 维持 许多 天 ,线粒体 才 完 全 耗 尽 。 3. 局 部 的 组 织 状况 可 防止 某 些 药物 到 达 特 别 敏感 细胞 的 线粒体 。 例 如 。 骨 髓 中 高 浓 BEAN Cat 可 导致 Ca+- 四 环 素 复合 物 的 形成 ,这 种 复合 物 不 能 进入 快速 分 裂 的 (所 以 是 脆弱 的 ) 血 细胞 前 体 。 这 些 因 素 的 配合 使 得 某 些 抑制 线粒体 生物 合成 的 药物 可 作为 抗生素 在 高 等 动物 中 应 用 。 只 有 两 个 例子 。 其 副作用 可 能 归 因 于 对 线粒体 的 效应 :以 高 剂量 氧 霉 素 长 时 间 医 治 病人 ,可 能 导致 骨骼 失去 制造 红细胞 或 白细胞 的 能 力 ;长 时 间 以 四 环 素 治疗 可 能 使 内 胜 上 皮 缺 损 。 在 这 两 个 例子 中 。 这 些 融 作用 是 否 确实 由 所 料 期 的 线粒体 生物 发 生 受阻 所 引起 ， 仍然 是 有 争议 的 。 线粒体 和 叶绿体 可 能 由 内 共生 的 细菌 进化 而 来 ? 我 们 已 经 强调 了 细胞 器 遗传 系统 的 "原核 "特性 ,叶绿体 尤为 明显 ;并 且 我 们 认为 这 可 能 是 由 于 它们 起 源 于 内 共生 细菌 ， 如 第 一 章 所 讨论 的 。 按照 内 共生 假说 蕊 endosymbiont hypothesis)， 真 核 细 胞 是 从 没有 线粒体 或 叶绿体 的 原始 生物 开始 ， 随 后 同 细菌 建立 起 了 稳固 的 内 共生 关系 ; 细菌 的 氧化 磷酸 化 系统 被 改造 而 为 真 核 细 胞 本 身 所 利用 。 因 为 动物 和 植物 的 线粒体 是 十 分 相似 的 ,以 致 可 假 届 线 粒 体 发 生 的 细胞 内 吞 活动 ,是 发 生 在 真 核 细 胞 进化 的 很 早 时 期 ,在 动物 和 植物 分 开 之 前 。 以 后 * 可 能 由 于 另 一 独立 的 涉及 蓝藻 菌 的 内 知事 件 而 衍生 出 叶绿体 ,出 现 了 第 一 个 植物 细胞 ( 见 图 1-21)。 因为 大 多 数 编码 现存 的 能 量 细胞 器 蛋白 质 的 基因 都 是 在 细胞 核 中 ， 似 乎 在 真 核 细 胞 进化 的 早期 曾 发 生 了 广泛 的 基因 从 能 量 细胞 器 到 细胞 核 DNA 的 转移 。 这 就 可 能 解释 ， 为 什么 某 些 线粒体 蛋白 的 核 基 因 密 码 保留 了 和 细菌 基因 显著 的 相似 性 : 例如 ， 鸡 的 线 粒 体 梅 一 一 超 氧 睹 化 酶 氨基 末端 的 氨基 酸 顺 序 与 细菌 同样 酶 的 相应 片段 ， 比 之 其 与 真 核 细 胞 胞 沪 中 所 发 现 的 相同 类 型 酶 的 氨基 末端 要 相似 得 多 。 线粒体 来 自 什 么 类 型 的 细菌 ? 许多 不 同类 型 细菌 的 细胞 色素 的 完整 氨基 酸 序 列 和 三 维 空 间 和 射线 晶体 分 析 提 供 了 一 个 重要 线索 ， 表 了 明 这 些 蛋 白 质 彼 此 之 间 ， 并 与 动物 和 植 物 线粒体 呼吸 链 的 细胞 色素 “ 都 有 密切 关系 。 这 些 数据 和 其 他 生物 化 学 的 资料 提出 了 在 图 9-58 所 表明 的 进化 树 * 看 来 线粒体 是 一 特殊 类 型 的 紫色 光合 细菌 的 后 代 , 这 种 光合 细菌 已 到 失 了 进行 光合 作用 的 能 力 而 只 留 下 了 呼吸 链 。 221 ¢ ARBtRNAs DMB KAO R 亚 单位 亚 单位 wae bea’ 柠檬 酸 循环 等 的 可 溶性 酶 [Uw DNAS AR wk wae 在 胞 液 中 合 ”| 一 一 -一 一 线粒体 蛋白 质 bata 成 的 蛋白 质 “| 一 一 一 一 geezan 图 9-71 胞 液 中 合成 的 、 而 后 输送 进入 线粒体 的 蛋白 质 ， 在 线粒体 遗传 系统 的 运转 中 起 着 重要 的 作用 ;此 外 ,并 提供 大 部 分 细胞 器 蛋白 。 动物 和 脉 孢 菌 的 线粒体 酵母 线粒体 ”植物 叶绿体 胞 液 中 合成 的 细胞 器 中 合成 的 图 9-72 在 不 同 的 线粒体 和 叶绿体 中 ，ATP 合成 酶 亚 单位 的 合成 部 位 是 不 同 的 。 本 图 表示 合成 酶 复合 体 的 图 解 结构 ， 而 不 表示 亚 单位 的 大 小 和 准 量 关 系 。 e 522° ES ee —" . 为 什么 线粒体 和 叶绿体 具有 它们 自己 的 遗传 系统 ? 为 什么 线粒体 和 叶绿体 需要 有 它们 自己 独立 的 遗传 系统 ， 而 其 它 细胞 器 如 过 和 氧 物 酶 体 和 溶 酶 体 没有 ? 这 个 问题 并 不 是 不 重要 的 ， 要 维持 一 独立 遗传 系统 从 所 需 附加 核 基因 来 看 ,代价 是 高 昂 的 : 总 共 至 少 有 90 种 蛋白 质 一 一 核糖 体 蛋白 (至 少 53 种 )、 氮 酰 tRNA 合成 酶 、DNA 和 RNA RAR. RNA 加 工 和 修饰 的 酶 ， 等 等 一 一 必须 由 细胞 核 基 因 编码 (图 9-71)。 所 研究 的 线粒体 和 叶绿体 内 大 多 数 蛋白 质 的 氨基 酸 顺 序 不 同 于 别处 这 ” 些 蛋 白质 类 似 物 的 氨基 酸 顺 序 ， 因 而 有 理由 设想 这 些 细胞 器 与 细胞 其 他 部 位 只 有 很 少 的 蛋白 质 是 共同 的 。 这 就 意味 着 细胞 核 必 须 提供 至 少 90 个 基因 ,以 保持 每 一 种 能 量 细 胞 器 的 遗传 系统 。 这 样 高 昂 代 价 的 安排 的 原因 是 不 请 楚 的 , 从 线粒体 DNA 核 昔 酸 顺 序 分 析 来 提供 回答 已 经 证 明 是 没有 希望 的 。 我 们 想 不 出 使 人 信服 的 理由 来 说 明 线 粒 体 中 制造 的 蛋白 质 为 什么 非 要 在 线粒体 中 ,而 不 能 在 胞 站 中 制造 。 能 量 细胞 器 中 基因 存在 的 一 般 解 释 是 , 某 些 蛋 日 质 所 以 在 细胞 器 内 部 合成 ,是 因为 它 们 的 非常 总 水 性 ,很 难 从 外 面 进 入 到 膜 上 的 一 定位 置 。 但 图 9-72 中 总 结 的 ATP 合成 酶 复合 体 方面 的 研究 结果 ， 使 这 解释 令 人 难以 相信 。 虽 和 然 复 合体 中 个 别 的 蛋白 质 亚 单位 在 进化 中 是 高 度 保守 性 的 ,但 亚 单位 的 合成 部 位 却 没 有 保存 下 来 。 在 叶绿体 中 ,有 若干 较 亲 水 的 蛋白 质 一 一 包括 复合 体 的 FATP 酶 部 分 的 五 个 亚 单位 中 的 四 个 一 一 是 在 叶绿体 核 MALE Ro TR ERR KA (Neurospora) 和 动物 细胞 中 ,ATP 酶 的 膜 部 分 上 的 一 种 非常 防水 性 的 亚 单位 ( 亚 单位 9 ) 是 在 胞 波 的 核糖 体 上 生成 ， 而 后 输入 线粒体 。 不 同 生物 中 ,为 功能 上 等 价 的 蛋白 质 亚 单位 的 编码 的 基因 位 置 的 多 样 性 〈 图 9-72)。 是 难以 用 任何 一 种 假定 现存 的 线粒体 或 叶绿体 遗传 系统 具有 特殊 的 进化 利益 的 假说 来 解释 的 。 通过 一 消除 过 程 , 所 有 这 些 留 下 了 不 能 令 人 满意 的 可 能 性 , 即 这 些 细 胞 器 遗传 系统 是 进化 的 言 遍 。 按 照 内 共生 假说 ， 这 可 能 意味 着 内 共生 体 转移 其 基因 到 细胞 核 中 去 的 过 程 并 未 进行 到 底 , 在 只 转移 了 大 部 分 基因 之 后 便 停 止 了 。 小 结 线粒体 和 叶绿体 在 需要 两 个 独立 的 遗传 系统 〈 即 细胞 器 和 细胞 核 的 遗传 系 统 ) 协同 作用 的 过 程 中 生长 和 分 裂 为 两 个 。 这 些 细胞 器 中 大 部 分 的 蛋白 质 是 由 细胞 核 DNA 编 码 ， 在 胞 液 中 合成 ， 而 后 个 别 地 输入 细胞 器 。 然而 ， 有 少数 细胞 器 蛋白 质 一 一 同 它 们 所 有 的 RNA 一 起 一 一 由 细胞 器 DNA 编码 ， 并 由 细胞 器 本 身 合 成 。 人 线粒体 整 个 基因 组 的 16000 个 以 上 核 昔 酸 的 全 部 顺序 的 测定 ， 揭 示 出 它 总 共 编 码 2 个 核糖 体 RNA，22 个 转移 RNA 和 13 个 不 同 的 多 肽 链 。 叶绿体 基因 组 比 人 线粒体 基因 组 的 大 10 倍 ， 想 来 是 含有 更 多 的 基因 。 而 细胞 核对 于 这 两 种 细胞 器 的 生物 发 生 是 起 着 头 等 重要 的 作用 ; 境 实 证 明细 胞 器 基因 组 功能 次 失 的 突变 体 仍然 可 以 形成 可 辨认 的 “前 细胞 #0 TREN KER SMM NRBATAHU, TAMAR SRA RX 有 差异 ， 这 使 得 追踪 它们 的 起 源 更 为 困难 。 然 而 ， 其 他 蛋白 质 的 相似 性 表明 ， 这 两 种 细 胞 器 是 起 源 在 原始 真 核 细 胞 同一 细菌 进入 稳定 的 内 共生 关系 的 时 候 : 设想 由 紫色 细菌 a 产生 线粒体 ， 而 后 由 蓝藻 菌 产 生 叶 绿 体 。 这 提示 了 ， 虽然 这 些 十 代 细 菌 的 许多 基因 仍然 具有 制造 细胞 器 蛋白 质 的 功能 ， 但 它们 的 大 部 分 由 于 未 知 的 原因 而 整合 进 细胞 核 基因 组 (Far 24 URI ° 5248 x x . a < 电子 显微镜 检 术 检 查 到 的 微 管 的 横 切面 。 这 种 外 径 约 25 am 的 微 管 成 分 ?见于 许多 粮 毛 状 原生 动物 。( 引 自 D. Woodrum and R. Linc 414. 洛克 非 勒 出 版 社 同 意 复制 ) 是 收缩 棒 或 轴 基 的 主要 结构 k. J. Cell Biol. 87: 404 一 6525/6 第 十 章 Al it FR 真 核 细 胞 不 仅 具 有 特定 的 形状 和 高 度 复杂 的 内 部 结构 ,而 且 还 能 改变 其 形状 ,重新 安 排 其 内 部 的 细胞 器 位 置 。 在 许多 情形 下 ,还 能 从 一 个 地 方 移动 到 另 一 个 地 方 。 形 状 内 部 结构 和 运动 这 些 特 性 ， 均 有 赖 于 细胞 质 内 由 蛋白 质 丝 组 成 的 作为 真 核 细 胞 骨骼 和 肌肉 ” 的 复杂 网 状 结构 一 一 细胞 骨架 (cytoskeleton)o 两 类 最 主要 的 细胞 骨架 纤维 是 , 肌 动 蛋白 丝 (actin flaments) 有 时 叫做 微 丝 ) 和 微 管 (microtubules), 二 者 均 由 球 蛋 白 亚 基 组 成 ,可 在 细胞 内 迅速 装配 和 解 聚 。 它 们 由 胞 质 内 未 聚合 的 亚 基 库 装配 出 来 ,其 控制 机 制 颇 为 精致 。 在 多 数 动物 细胞 中 ,还 见 有 另 一 类 蛋白 质 丝 ， 因 其 直径 介 于 肌 动 蛋白 丝 与 微 管 之 间 ， 而 被 称 之 为 中 等 纤维 (intermediate fila- ments), 除 上 述 三 类 主要 有 蛋白质 丝 外 ,细胞 骨架 还 含有 许多 不 同 的 辅助 蛋白 ,负责 丝 间或 丝 与 其 他 细胞 组 分 如 质 膜 之 间 的 连接 ,影响 丝 聚 合 的 速率 和 程度 。 一 系列 专门 的 辅助 蛋白 ,还 会 与 蛋白 质 丝 相互 作用 而 产生 运动 。 依靠 肌 动 蛋白 丝 的 肌肉 收缩 和 微 管 的 鞭毛 挥动 , 就 是 两 个 最 为 熟悉 的 例子 。 尽 管 这 些 运 动 涉 及 不 同 的 蛋白 质 系统 ,但 两 者 均 有 赖 于 ATP 水 解 ,以 及 一 蛋白 质 丝 相对 另 一 蛋白 质 丝 的 请 动 。 负责 肌肉 和 凌 毛 运动 的 纤 丝 其 排列 情况 的 异常 稳定 而 又 高 度 有 序 的 特征 ， 已 使 其 组 分 得 以 鉴定 , 其 作用 机 制 也 得 以 了 解 得 远 比 其 他 细胞 骨架 成 分 详尽 。 故 本 章 从 描述 肌肉 和 上 鞭毛 开始 , 以 此 作为 细胞 骨架 主要 成 分 的 介绍 。 第 二 节 则 介绍 膨 动 蛋白 丝 和 微 管 的 不 太 有 组 织 而 又 不 甚 稳定 的 排列 ,并 对 其 装配 和 解 聚 的 控制 进行 讨论 。 随 后 几 节 , 氢 述 中 等 纤维 及 细胞 骨架 主要 纤 丝 之 间 的 相互 作用 。 最 后 , 以 细胞 如 何 维持 其 空间 结构 和 细胞 如 何 运动 这 两 个 现代 细胞 生物 学 中 最 富 挑战 性 的 问题 ,作为 本 章 的 结尾 。 WL wl We. Bat 在 生物 所 表现 的 种 种 运动 形式 中 ,以 基于 肌肉 收缩 的 最 为 人 们 所 熟知 。 跑 、 走 、 游 沪 和 飞翔 , 均 有 赖 于 糊 椎 动物 体 的 肌肉 组 织 在 其 骨骼 上 迅速 收缩 的 能 力 。 .骨骼 肌 是 一 种 尺 人 的 、 在 随意 控制 下 产生 快速 运动 的 有 效 装置 。 而 与 此 密切 相关 的 肌肉 形式 一 = 心肌 和 平滑 肌 , 则 已 特 化 为 其 他 非 随意 运动 ` 如 心脏 的 搏动 和 肠 的 蠕动 。 各 种 类 型 的 肌肉 都 靠 积 极 收缩 而 产生 运动 。 这 种 收缩 , 在 几乎 所 有 的 细胞 中 则 是 依 人 靠 细 胞 内 的 一 种 复杂 而 有 力 的 蛋白 质 装置 , 以 一 种 更 为 基本 的 形式 , 产生 运动 而 完成 的 。 最 有 力 的 是 骨骼 肌 (及 类 似 的 无 峭 椎 动物 组 织 , 如 昆虫 的 飞翔 肌 )e 其 中 的 收缩 装置 是 如 此 高 度 有 序 ,以致 其 作用 机 制 可 由 其 超 微 结构 明显 地 反映 出 来 。 因 而 ,我 们 现在 对 于 肌肉 收 缩 才 有 了 极为 详细 的 了 解 , 以 及 有 了 活 细胞 如 何 利用 化 学 能 作 机 械 功 的 好 模型 。 © 526。 人 肌 原 纤维 是 骨骼 肌 细 胞 的 收缩 单位 骨骼 肌 由 细 长 的 肌纤维 组 成 ,其 中 的 每 一 根 肌 纤维 , 均 为 一 个 异常 巨大 的 、 由 许多 单 独 细胞 融合 而 成 的 好 胞 。 尽 管 肌纤维 因此 而 含有 许多 细胞 核 , 但 其 大 约 三 分 之 二 的 干 重 , 还 是 由 直 径 为 1 一 2 pm 沿 整个 细胞 长 轴 伸 展 的 长 圆柱 形 音 位 一 一 肌 原 纤维 所 组 成 的 (图 10-1)。 因 为 分 离 的 肌 原 纤维 能 在 ATP 存在 下 进行 收缩 , 故 其 显然 就 是 肌 细胞 的 收缩 单位 。 正如 我 们 即将 见 到 的 BB 样 ， 每 根 肌 原 纤维 本 身 还 含有 一 系列 由 细胞 骨架 蛋白 的 重复 装配 物 构成 的 微小 收缩 单位 。 肌 原 纤维 肌 原 纤维 由 粗 肌 丝 和 细 肌 丝 的 重复 闭 配 物 构 成 在 光学 显微镜 下 ， 很 容易 看 到 肌 原 纤维 的 收 缩 单位 ， 它 使 肌 原 纤维 呈 带 状 或 条 纹 状 外 形 。 每 个 有 规则 的 重复 单位 或 肌 节 (sarcomere)， 长 约 2.5um, 相 领 肌 原 纤维 的 肌 节 相 互 对 齐 排列 ， 至 使 整个 肌 细胞 也 呈 类 似 的 条 纹 状 外 形 (图 10-2)。 在 高 倍 镜 下 观察 纵 切面 ， 可 见 每 个 肌 节 中 均 有 一 系列 明暗 相间 的 条 纹 。 暗 条 纹 叫 A 带 、 明 条 纹 叫 Spee: I 带 。 在 工 带 中 央 , 还 有 一 条 致密 线 ,将 一 肌 节 同 下 一 肌 节 分 开 , 称 之 为 工 线 或 也 盘 ( 图 10-3)。 关于 横 纹 的 分 子 基 础 以 及 有 关 它 们 的 功能 意 BO! 骨骼 肌 细胞 (或 纤维 ) 的 短 断 片 图 解 义 的 一 个 重要 线索 ,是 在 1953 年 最 早 因 电子 显微镜 研究 生物 材料 薄 切 片 的 而 被 揭示 的 。 结果 发 现 ， 每 个 肌 节 都 含有 二 组 平行 和 部 分 重合 的 蛋白 质 丝 ; 粗 肌 丝 (thick filament) (长 约 1.6 wm、 直径 约 15 nm), 从 A 带 一 端 伸展 到 另 一 端 ; 细 肌 丝 (thin filament) (长 约 lum, 直径 约 sam), Fit 1 带 并 部 分 进入 A 带 (图 10-3)。A 带 粗 、 细 肌 丝 重 登 区 的 横 切面 显示 ， 粗 肌 丝 呈 有 规则 的 六 方 晶 格 阵列 ， 而 细 肌 丝 则 有 规则 地 分 布 在 它们 之 间 (图 10-4), 细胞 核 cane 1 Sr 1 在 肌 丝 相互 滑动 时 发 生 收缩 : 如 让 单 色 光 , 例 如 激光 , 射 过 一 个 活 的 肌 细胞 , 便 会 产生 一 系列 干涉 条 纹 。 这 就 为 肌 节 间 隔 提供 了 一 种 灵敏 的 测量 方法 。 测量 结果 表明 ，, 每 个 肌 节 都 会 随 肌肉 收缩 而 按 比例 缩短 。 这 样 ,如 果 一 根 含 有 2 000 个 肌 节 的 肌 原 纤维 ,从 5 cm 缩 到 4 cm( 即 缩短 约 20 狗 )， 那 末 其 中 的 每 个 肌 节 长 度 便 会 相应 地 从 2.5 pm 缩 至 2 wm, 当 肌 节 缩 短 时 ,只 是 工 带 长 度 缩减 ,致密 的 A 带 仍 保持 不 变 。 是 否 可 把 这 种 改变 简单 地 解释 为 , 收缩 系 由 粗 肌 丝 相对 细 肌 丝 滑动 所 致 ， 而 粗 、。 细 肌 丝 的 长 度 并 未 改变 (图 10- 5)。 于 1954 年 创立 的 这 种 简单 的 肌 丝 滑动 模型 ,对 认识 收缩 机 制 一 直 起 着 至 关 重 要 的 作 用 。 特 别 是 ,注意 到 相 邻 粗细 肌 丝 之 间 引 起 它们 滑动 的 那 种 分 子 间 的 相互 作用 。 。527“ 图 10-2 (AKERANE BUTERA RTE), SAMUS. 肌纤维 及 其 所 含 的 许多 肌 原 纤维 ( 见 图 10-1), 从 左上 方 斜 向 右 下 方 。(B)A 图 电子 显微镜 照片 的 细节 , 示 二 相 邻 肌 原 纤维 部 分 及 轮廓 清楚 的 一 个 肌 节 。(Roger Craig je) WL ~2.5 um Kk -一 洁 = 全 1 带 A ti 1 ai eo. aaa ia eee | | | Z & 2 盘 粗 肌 丝 细 肌 丝 图 10-3 单个 肌 节 的 图 解 ， 示 在 骨骼 肌 细胞 显微镜 照片 上 所 见 的 工 带 和 A ARO RE [ 见 图 10-2 (B)]。 © 528…。 图 10-4 Bh OUR TRORT BAB, TE, 细 肌 丝 如 何 按 晶体 规律 性 包装 在 一 起 。 与 -着 椎 动物 肌肉 相应 部 分 不 同 ? 粗 肌 丝 具 一 中 空中 心 ,如 在 右 侧 的 放大 照片 中 所 见 。 (| J. Auber, wh ~ . de Microsc. 8: 197-232, 1969) f 图 10-5 “肌肉 收缩 的 滑动 肌 丝 模型 ,其 中 的 粗 、 细 肌 丝 相互 滑动 而 未 缩短 。 肌 丝 滑动 模型 已 获得 几 个 不 同方 面 的 证 据 的 支持 。 肌 丝 本 身 的 长 度 不 会 随 肌肉 缩短 而 改变 ,已 为 电镜 观察 所 证 实 。 X 射 线 衍射 分 析 也 表现 ,每 种 肌 丝 中 亚 基 分 子 的 内 部 包 净 保持 不 变 。 肌肉 所 能 产生 的 机 械 张 力 , 则 随和 粗细 肌 丝 之 间 的 重 登 程度 而 变 , 就 好 象 张力 确 详 是 由 它们 之 间 的 滑动 相互 作用 所 产生 的 一 样 。 在 放大 从 数 很 高 的 电镜 照片 中 可 见 到 产生 张力 的 相互 作用 的 超 微 结构 基础 。 其 中 的 粗 肌 丝 具 有 许多 微小 侧 支 或 横 桥 ， 它 们 穿 过 大 约 13 nm 的 间隙 而 同 邻 近 的 细 肌 丝 相 连接 〈 图 10-6)。 现 已 知道 ,在 肌肉 收缩 中 ,粗细 肌 丝 就 是 通过 这 种 横 桥 的 犹如 成 排 纤 小 的 船 桨 的 周期 性 动作 而 相互 滑动 的 。 已 对 细 肌 丝 与 粗 肌 丝 的 相互 作用 蛋 白质 分 别 进 行 了 鉴定 ， s 29 。 它们 就 是 所 有 细胞 骨架 蛋白 中 最 为 丰富 的 肌 动 蛋白 ， 以 及 通常 与 产生 运动 的 细胞 结构 中 的 肌 动 蛋白 有 关 的 肌 球 蛋 折 。 对 从 肌肉 中 提取 的 肌 动 蛋 日 和 肌 球 蛋白 所 进行 的 生物 化 学 实验 ,已 使 我 们 获得 了 有 头 实际 上 存在 于 所 有 真 核 细胞 的 这 两 种 重要 蛋白 质 的 大 部 分 知 Ro 10-6 经 快速 冰冻 、 断 裂 和 深度 蚀刻 处 理 后 的 昆虫 飞翔 肌 的 电子 显微镜 照片 , 示 粗 、 细 肌 丝 的 近 晶 格 状 排列 。 跨 越 这 两 类 纤 丝 的 横 桥 则 是 肌 球 蛋白 头 部 。(John Heuser, Roger Cooke 赠 ) 细 肌 丝 主要 由 肌 动 蛋白 组 成 骨骼 肌 的 肌 动 蛋白 只 是 养 椎 动物 细胞 合成 的 至 少 六 种 不 同 肌 动 蛋白 中 的 一 种 。 所 有 真 核 生 物 , 除 最 原始 的 如 酵母 之 外 , 都 具有 多 肌 动 蛋白 基因 (multiple actin genes) ,它们 编码 不 同 组 织 的 细胞 中 的 、 或 不 同 发 育 阶 段 所 表达 的 、 稍 微 不 同 的 肌 动 蛋白 。 但 因 肌 动 蛋 白 基 因 极 为 保守 ,而 蛋白 质 之 闻 的 差异 又 是 这 样 微 小 , 以 致 至 少 在 体外 试验 中 , 来 源 甚 为 不 同 的 肌 动 蛋白 分 子 在 功能 上 可 以 互 换 。 Ak, 由 骨骼 肌 抽 提 的 肌 动 蛋白 分 子 的 主要 特 性 ,也 为 其 他 来 源 的 所 有 肌 动 蛋白 分 子 所 共有 。 肌 动 蛋白 一 般 是 通过 以 很 稀 的 盐 盗 该 处 理 肌 肉 于 粉 来 分 离 到 的 。 这 种 处 理 可 使 肌 动 蛋白 丝 折断 为 其 球状 亚 基 ,后 者 由 一 条 分 子 量 为 41 800、\ 有 时 称 为 球状 肌 动 蛋白 或 G 肌 动 蛋白 的 多 肽 组 成 。 每 分 子 G 肌 动 蛋白 与 一 个 紧密 结合 而 使 其 球状 构象 得 以 稳定 的 Ca *， 以 及 一 分 子 非 共 价 结合 的 ATP 关联 。 当 G 肌 动 蛋 昌 聚 合 形成 肌 动 蛋白 丝 ， 也 叫做 丝 状 肌 动 蛋白 或 了 肌 动 蛋白 时 , 所 结合 的 ATP 末端 磷酸 水 解 。 只 要 把 盐 浓 度 提高 到 近 于 细胞 内 的 水 乎 ,就 会 诱导 而 引起 聚合 : 肌 动 蛋 折 的 稀 盐 溶 沪 仅 比 水 溶液 稍 粘 一 点 ,但 随 着 肌 动 蛋白 分 子 聚 合 形成 纤 丝 ,粘度 即 迅速 显著 增高 。 虽然 ATP 在 肌 动 蛋白 聚合 过 程 中 水 解 ， 但 此 过 程 并 不 需要 能 量 。 肌 动 蛋 自 在 一 种 不 能 水 解 的 ATP 类 似 物 存在 下 会 照常 聚合 。 然而 ，ATP 水 解 却 会 大 大 加 快 肌 动 蛋白 聚合 的 速度 , 并 对 其 动力 学 具有 重大 影响 。 这 将 在 我 们 以 后 讨论 依靠 肌 动 蛋白 有 控 袁 合 的 细胞 活性 时 再 作 解 释 。 因为 肌肉 收缩 活性 依靠 的 不 是 这 些 特 性 , 而 是 稳定 的 肌 动 蛋白 丝 的 性 能 。 如 电镜 照片 中 所 见 , 肌 动 蛋白 丝 系 由 二 串 直 径 约 为 4 nm 的 球状 分 子 螺旋 盘 绕 而 成 ， 每 圈 13.5 个 分 子 (图 10-7 和 10-8)。 根据 它们 的 射线 衍射 图 , 和 荧光 标记 的 抗 肌 动 蛋 e 530。 ; 白 抗 体 对 肌 刷 工 带 区 的 染色 ,已 经 证 明 这 种 纤 丝 就 是 骨骼 肌 细 肌 丝 的 主要 成 分 。 然 而 , 构 成 肌肉 细 肌 丝 的 , 除 肌 动 蛋白 外 ,还 含有 下 面 将 要 述 及 的 其 他 几 种 蛋白 质 。 肌 动 蛋白 丝 呈 极 性 结构 , 故 其 两 端 有 所 不 同 。 肌 动 蛋白 丝 的 这 种 极 性 ,为 其 在 细胞 运 动 中 的 功能 所 必需 ,可 按 其 与 肌 球 蛋白 相互 作用 的 方式 进行 检测 。 但 在 我 们 讨论 这 种 相 互 作 用 之 前 ,还 必须 介绍 肌 球 蛋白 分 子 的 一 些 性 质 。 = Masa sh 图 10-7 负 娄 的 肌 动 蛋白 丝 的 图 10-8 肌 动 蛋白 丝 图 解 , 示 球 状 肌 动 蛋白 分 子 的 螺 电子 显微镜 照片 。 〈Roger 旋 排 列 。 虽 然 这 里 将 其 画 为 球形 ,但 和 射线 衍射 研究 Craig 赠 ) 却 表 明 每 个 肌 动 蛋白 分 子 实际 上 均 为 梨 形 ， 长 约 6.5 on, 最 宽 处 约 4 nm( 见 图 10-7)。 粗 肌 丝 主 要 由 肌 球 蛋白 组 成 肌 球 蛋白 几乎 可 从 每 种 养 椎 动物 细胞 提取 ， 并 总 是 存在 于 细胞 内 的 由 肌 动 蛋白 丝 形 成 收缩 东 的 部 位 。 肌 球 蛋 白 在 进化 过 程 中 , 远 不 如 肌 动 蛋白 那样 高 度 保守 ,已 见 有 数 种 不 同形 式 。 由 非 肌肉 细胞 提取 的 肌 球 蛋白 特性 将 在 后 面 几 节 中 讨论 。 骨 骼 肌 肌 球 蛋白 的 主 要 特征 是 它 能 在 体外 自发 聚合 形成 聚合 物 ， 这 种 聚合 物 比 其 他 类 型 的 肌 球 蛋白 形成 的 大 得 多 。 ih 可 以 通过 以 能 溶解 肌 球 蛋白 的 浓 盐 溶液 处 理 骨骼 肌 来 提取 肌 球 蛋白 。 经 过 这 样 处 理 的 肌肉 仅仅 失去 了 它 的 粗 肌 丝 。 粗 肌 丝 再 经 裂解 , 即 成 为 组 成 它 的 肌 球 蛋白 分 子 。 肌 球 蛋白 分 子 量 约 为 500 000， 见 于 电镜 照片 的 则 为 长 棒状 分 子 ， 并 各 具 两 个 球状 头 (图 10- 9)。 若 用 高 浓度 尿素 或 去 垢 剂 处 理 , 还 可 使 每 个 分 子 进一步 解 离 为 六 条 多 肽 链 : WAT 全 相同 的 200 000 道 尔 顿 的 重 链 , 以 及 两 对 分 别 约 为 20 000 道 尔 顿 和 16 000 道 尔 顿 的 轻 链 。 重 链 由 一 个 长 c 螺旋 部 分 附着 在 一 个 球状 凑 上 构成 。 在 完整 的 肌 球 蛋白 分 子 中 ,两 条 重 链 的 长 e 螺旋 就 会 相互 拓 绕 而 成 为 棒状 尾部 ,从 尾部 再 伸 出 两 个 头 来 ;而 其 中 的 每 一 个 头 部 , 则 是 由 一 条 重 链 和 一 分 子 每 种 轻 链 组 成 的 球状 头 复合 物 (图 10-10)。 we 即使 在 高 盐 浓 度 下 ,分离 的 肌 球 蛋白 分 子 仍 趋 于 形成 二 聚 体 。 在 生理 离子 强度 下 ,了 肌 球 蛋 白 溶 液 则 会 随 着 二 聚 体 聚 合 形成 大 纤维 而 变 得 混浊 起 来 。 在 一 些 条 件 下 , 后 者 与 天 然 的 肌肉 粗 肌 丝 极为 类 似 。 不 像 肌 动 蛋白 丝 , 肌 球 蛋白 丝 的 形成 不 是 通过 亚 基 头 尾 相 搂 。 而 是 通过 肌 球 蛋白 分 子 的 尾部 相 联 。 天 然 粗 肌 丝 主体 是 由 几 百 个 肌 球 蛋白 的 尾部 有 规则 地 交错 排列 包装 而 成 ， 从 而 使 其 头 部 得 以 一 个 个 地 向 外 突出 (图 10-11 AB), KE 具有 两 组 方向 相反 的 肌 球 蛋白 尾部 会 聚 的 中 央 裸 露 区 域 的 双 极 结构 。 肌 球 蛋白 分 子 的 球状 头 部 与 肌 动 蛋白 相互 作用 。 并 形成 肌肉 的 粗细 肌 丝 之 间 的 横 桥 。 ATP 水 解 促 使 肌肉 收缩 ? 肌 动 蛋白 与 肌 球 蛋白 的 相互 作用 随 化 学 能 转换 为 机 械 功 而 产生 一 种 连贯 性 的 收缩 力 。 骨 骼 肌 完成 这 种 转换 的 效率 极 高 ,只 有 30 一 50% 的 能 量 以 热量 损失 。 而 一 台 汽车 DOMME BIR Taco, 2D BARE ih 80—90% HOREE 本 个 球 尖 附 着 在 一 条 红 给 区 尼 上 。 APUUNUCSRAUIER, SEL ATP 水 解 为 ADP 和 无 Aime (David shotion 赂 机 磷 (PD)。 但 在 静止 的 肌肉 与 下 在 兴奋 收缩 的 肌肉 之 间 却 未 发 现 ATP 水 平 有 何 重要 差别 。 造 成 这 种 明显 矛盾 的 原因 是 ， 在 肌肉 细胞 的 细胞 质 中 存在 一 个 十 分 有 效 的 ATP 再 生 系统 。 其 中 存 有 一 种 高 水 平 的 活性 磷酸 化 合 物 一 杰 酸 肌 酸 (图 10-12)， 可 在 肌 酸 激酶 的 催化 下 与 ADP 反应 , 形成 肌 酸 和 ATP。 所 以 ,在 一 阵 短促 的 收缩 之 后 ,下 降 的 是 磷酸 肌 酸 水 平 ,即使 收缩 装置 本 身 消 耗 的 是 ATP。 于 是 这 种 磷酸 肌 酸 库 便 成 了 一 个 酷似 电池 一 般 的 ATP 能 量 供应 站 ， 而 到 肌肉 静止 时 再 充 人 通过 细胞 氧化 产生 的 新 的 ATP。 pat eee ON Sk cn te ae sa 10-10 肌 球 蛋白 分 子 图 解 , 示 组 成 它 的 两 条 重 链 和 四 条 轻 链 。 轻 链 具 有 两 种 不 同类 型 , 每 种 一 个 分 子 存 于 两 肌 球 蛋白 头 的 每 一 个 之 上 。 肌 球 蛋白 是 一 种 为 肌 动 蛋白 活化 的 ATP B” 肌肉 收缩 过 程 中 的 ATP 水 解 是 肌 球 蛋白 与 肌 动 蛋白 相互 作用 的 直接 结果 。 甚 至 肛 球 蛋白 也 可 独自 作为 一 种 水 解 ATP 的 酶 (ATP 酶 )。 但 纯化 的 肌 球 蛋白 本 身 , 不 是 一 种 很 活泼 的 ATP 酶 ; 每 分 子 肌 球 蛋白 差不多 要 30 秒 钟 才能 裂解 一 个 ATP OF. PRR SUA ATP 与 肌 球 蛋 白 的 起 始 结合 ,也 不 是 水 解 本 身 一 这 两 步 均 极为 迅速 ,而 是 “32。 LB OE OE Tee (A) 10-11 (ADSKRUMNRESBENZAR, AKAMA. MREATTBIYRELRE-E> 从 而 使 其 头 部 得 以 向 外 突出 。 跌 毕 中 央 的 裸露 区 域 则 全 由 肌 球 蛋白 尾部 构成 。(《B) ie BULA 离 的 肌 球 蛋白 粗 肌 丝 的 电子 显微镜 照片 。 示 中 央 的 裸露 区 域 。 (Roger Craig 赠 ) ATP 水 解 产物 (ADP 和 区 机 磷酸 Pi) 的 释放 , 它们 与 肌 球 蛋白 分 子 紧密 结合 , 形成 非 共 价 复合 物 ,从 而 阻止 了 ATP 的 进一步 结合 和 水 解 。 册 球 蛋白 水 解 ATP 的 速度 。 可 被 肌 动 蛋白 大 大 地 加 快 。 在 肌 动 蛋白 丝 存在 下 。 每 分 子 肌 球 蛋白 每 秒 钟 能 水 解 5 一 10 个 ATP 分 子 ， 而 与 正 Hn Man 在 收缩 的 肌肉 中 测 得 的 速度 相符 。 肌 动 蛋白 丝 对 i ge are er 于 肌 球 蛋白 ATP 酶 的 这 种 促进 反映 了 两 者 之 间 O- Nh 的 一 种 天 然 联 系 。 这 种 联系 不 会 影响 肌 球 蛋白 水 Bh HA WL 解 ATP 这 一 步 ， 而 是 促使 ADP 和 Pi 更 快 地 图 10-12 磷酸 肌 酸 在 兰 椎 动物 肌肉 和 其 他 组 织 从 肌 球 蛋白 分 子 上 释放 下 来 。 于 是 ， 如 下 面 两 节 中， 作为 高 能 磷酸 基 团 一 种 贮备 形式 。 其 高 能 磷 所 述 。 游 离 的 肌 球 蛋白 又 可 与 另 一 ATP 分 子 结 酸 基 团 通 过 肌 酸 激酶 作用 而 转移 到 ADP 上 。 合 而 重新 开始 反应 。 肌 球 蛋白 头 部 同 肌 动 蛋白 竺 结合 "" 同 肌 动 蛋白 丝 结合 及 ATP 水 解 都 发 生 在 肌 球 蛋白 分 子 的 球状 头 部 。 如 果 通 过 限制 性 的 蛋白 水 解 酶 作用 ，。 把 肌 球 蛋白 分 子 切 成 较 大 片段, 即 可 对 这 些 片段 进行 分 离 和 分 析 。 例如 木瓜 蛋白 酶 在 肌 球 蛋 白 亚 基 头 部 区 域 的 基部 将 其 切 开 。 而 释放 出 称 之 为 肌 球 蛋白 村 的 几乎 整个 尾部 及 两 个 分 开 的 球状 头 部 (图 10-13)。 肌 球 蛋 白 棒 像 完整 的 肌 球 蛋白 分 子 一 样 , 可 在 生理 盐 浓度 自我 装配 成 有 规则 的 大 聚集 物 , 只 是 没有 侧 支 。 酶 切 得 到 的 两 个 分 开 的 肌 球 蛋白 头 部 各 约 120 000 道 尔 顿 , MH MRBAWHB 1 (S1 片段)。 它 们 保留 了 完整 肌 球 蛋白 分 子 的 所 有 ATP 酶 活性 ， 以 及 和 肌 动 蛋白 丝 结合 的 特性 ， 并 可 用 于 分 析 肌 动 蛋白 与 肌 球 蛋白 之 间 的 相互 作用 。 肌 动 蛋白 丝 中 的 每 个 肌 动 蛋白 分 子 都 能 结合 一 分 子 S1。 肌 动 蛋白 丝 与 S1 的 复合 ° 533 ° 物 仍 显 示 肌 动 蛋白 丝 极 性 。 ERRAAHA H(A 10-14)， 这 类 复合 物 具 有 一 种 有 规则 的 特殊 结构 : 每 个 S1 片段 形成 一 个 侧 突 , 许 多 这 种 突起 受 加 成 像 , 便 产生 了 沿 肌 动 蛋白 ZG LEN. 这 些 经 过 装饰 的 肌 动 蛋白 丝 上 的 箭头 , 在 两 股 丝 状 肌 动 蛋白 双 螺 旋 上 都 指向 同一 方向 ,从 而 表明 了 其 固有 的 结构 极 性 。 在 肌 动 蛋白 丝 中 存在 着 结构 极 性 ， 使 预测 细 肌 丝 在 肌 节 中 的 取向 成 为 可 能 。 如 上 所 述 ， 构 成 S1 片段 的 肌 球 蛋白 头 部 区 域 在 粗 肌 丝 裸 露 区 域 两 侧 《 即 肌 节 A 带 两 侧 ) 的 取向 相反 。 由 于 这 些 头 部 区 域 须 同 重 受 部 位 中 的 细 肌 丝 相互 作用 , 便 有 理由 设想 , 肌 节 两 侧 的 细 肌 丝 也 具有 相反 极 性 。 可 用 S1 用 木瓜 蛋白 酶 裂解 四 a 2 $1 S1 3 图 10-13 以 蛋白 水 解 酶 木瓜 蛋白 酶 作 有 图 10-14 以 肌 球 蛋白 SIFRSRHMDSA 限 销 化 ， 使 肌 球 蛋白 分 子 在 其 头 、 尾 间 有 裂 丝 的 电子 显微镜 照片 。 结 合 的 S 1L 片段 向 一 面 倾 开 , 从 而 产生 一 根 肌 球 蛋 白 棒 和 两 个 S1 斜 , 其 螺旋 形 排列 便 呈 箭 甸 状 ， 而 表明 了 各 肌 动 FrEo 蛋白 丝 的 极 性 。 (Roger Craig 赠 ) 装饰 由 分 离 的 乙 盘 及 其 附着 的 肌 动 蛋白 丝 组 成 的 肌肉 片段 来 验证 这 一 预言 。 结 果 发 现 所 有 S1 箭头 都 背 向 Z 盘 ;而 指向 肌 节 中 心 ( 图 10-15)。 肌 球 蛋白 头 部 沿 着 肌 动 蛋白 丝 滑行 在 肌肉 收缩 中 ,粗细 肌 丝 相互 滑动 而 产生 机 械 力 的 分 子 机 制 是 什么 ” 获 自 电 镜 、 射 线 衍射 ,动力 学 分 析 及 其 他 研究 的 大 量 证 据 都 符合 下 述 模型 : 肌 球 蛋白 头 部 携带 着 前 一 次 ATP 水 解 的 产物 (ADP 和 Pi)* 从 其 在 粗 肌 丝 上 的 位 置 , 移 到 最 邻近 的 一 个 肌 动 蛋白 亚 基 。 这 种 运动 被 认为 由 随机 扩散 所 致 ,而 需 肌 球 蛋 白 分 子 具 有 挠 性 。 肌 球 蛋白 一 与 肌 动 SAA, ADP 和 Pi 即 从 肌 球 蛋 百 头 部 释放 , 从 而 使 其 倾斜 , 并 将 细 肌 丝 拉 至 粗 肌 丝 其 余部 分 上 方 。 在 此 有 效 划 动 (power stroke) 末尾 ， 一 个 新 鲜 的 ATP 分 子 与 头 部 结 合 ,使 其 再 次 脱离 肌 动 蛋白 丝 。 结 合 的 ATP 发 生 水 解 , 使 肌 球 蛋白 头 部 迅速 松弛 为 其 原 来 的 构象 ， 为 下 一 次 循环 作 好 了 准备 (图 10-16)。 与 此 有 关 的 一 般 原 理 见 第 140 页 的 讨 论 。 。534 。 | 一 + 一 一 一 一 EGS ZS DDO Y: ES 10-15 ALAM, 示 粗 、 细 肌 丝 在 中 线 两 侧 均 按 相同 对 应 极 性 重 倒 。 Alb, 每 个 肌 球 蛋白 头 都 被 认为 是 沿 着 邻近 的 一 根 肌 动 蛋 日 丝 ET”. 当 其 经 历 周 期 性 的 构象 变化 时 ， 便 拉动 了 肌 动 蛋白 丝 ， 而 使 其 相对 于 粗 肌 丝 请 动 。 一 旦 一 个 肌 球 蛋 白头 脱离 肌 动 蛋白 丝 , 这 根 纤 丝 又 会 借助 同一 粗 肌 丝 中 其 他 肌 球 蛋 折 头 的 作用 ,继续 向 前 滑行 。 因 此 , 若 对 正在 收缩 的 肌肉 中 的 一 根 完 整 的 粗 肌 丝 拍 一 张 快 照 ,就 会 显示 出 一 些 肌 球 蛋白 头 附着 在 肌 动 蛋白 丝 上 ,而 另 一 些 则 是 游离 的 。 为 此 ,在 肌 球 蛋 日 分 子 中 就 必需 有 一 定 程 度 的 弹簧 样 的 伸缩 性 。 每 根 粗 肌 丝 约 有 500 个 肌 球 蛋 白 头 , 在 快速 收缩 过 程 中 ,大 约 每 秒 循 环 5 次 。 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 借助 其 他 蛋白 质 而 固定 在 肌 原 纤维 中 的 一 定位 置 虽然 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 是 肌肉 收缩 中 的 主要 因素 ， 但 其 并 非 是 肌 原 纤维 中 的 唯一 蛋白 质 。 除 此 之 外 , 还 存在 大 量 的 辅助 "肌肉 蛋 日 ( 表 10-1), 如 同 将 要 述 及 的 那样 ,已 知 其 中 一 些 调节 收缩 ,而 另 一 些 似 乎 仅 具 结 构 作 用 。 例如 , 见于 乙 盘 区 域 的 c- 辅 肌 动 蛋 白 〈《c-actinin) 和 结 蛋白 (desmin), 即 被 认为 是 分 别 帮 助 决定 各 肌 布 的 纤 丝 排列 和 将 相 邻 表 10-1 肌 原 纤维 的 主要 蛋白 质 组 分 蛋白 质 ( 多 肽 分 子 量 ) 功 能 肌 动 蛋白 (42 000) 细 肌 丝 的 主要 组 分 肌 球 蛋白 (2X200 000-+4X 20 000) 粗 肌 丝 的 主要 组 分 ， 一 种 与 肌 动 蛋白 相互 作用 而 产生 收缩 的 ATP Ag cx- 辅 肌 动 蛋白 (2 义 95 000) 将 肌 动 蛋白 丝 固定 于 Z 盘 RMRE AC X35 000) 沿 肌 动 蛋白 丝 长 轴 结 合 ; 和 涉及 Ca 的 调节 肌 钙 蛋白 (18 000 十 21 000 十 37 000) 在 缺 钙 时 与 细 肌 丝 相 联 ， 从 而 阻止 此 处 肌 动 蛋 白 同 肌 球 蛋白 的 相互 作用 肌 节 包装 在 一 起 的 。 在 各 肌 节 末端 ,平行 的 肌 动 蛋白 丝 都 被 坦 于 乙 盘 一 侧 。 由 于 c- 辅 肌 *, 535: © 细 肌 丝 _ URE Save “ FLY ale! 5 se At AT P KAR 一 -一 一 一 肌 球 蛋白 头 部 AD 了 和 8 (QO SRN 呈 其 原始 构象 “* 可 一 SS SS 和 下 了 与 肌 球 蛋白 | AHURA, 使 其 由 ve 细 肌 丝 释放 @ /有效 划 动 : 肌 球 蛋 自 yy 头 部 经 历 构象 变化 并 释放 AD P MO 肌 球 蛋白 头 部 A) 10-16 (A) 图 示 肌 球 蛋白 分 子 如 何 利用 ATP 水 解 的 能 量 沿 肌 动 蛋白 丝 移 动 。 在 第 1 步 中 ， 肌 球 蛋白 头 部 携带 着 ATP 水 解 的 产物 (ADP + Fi7, 移 至 邻近 的 细 肌 丝 ; 这 一 运动 被 认为 是 由 扩 散 所 致 ,并 依赖 于 肌 球 蛋白 分 子 的 挠 性 匀 链 区 域 ( 见 B )。 在 有 效 划 动 (第 2 步 ) 中 ， 肌 球 蛋 白头 部 的 形状 伴随 ADP + Pi 释放 而 改变 ， 使 其 得 以 相对 拉动 细 肌 丝 。 在 第 3 步 中 ，ATP 分 子 与 肌 球 蛋 白头 部 结合 ,使 其 由 细 肌 丝 释 放 。 在 结束 这 一 循环 的 第 4 步 中 ;结合 的 ATP 分 子 水 解 , 肌 球 和 蛋白 头 部 回 到 它 的 原始 构象 。 每 个 肌 球 蛋白 分 子 的 两 个 头 部 , 则 被 认为 是 各 自 独立 循环 的 。(B) 图 示 肌 球 蛋 白 分 子 内 的 挠 性 匀 链 区 ， 使 其 头 部 得 以 自由 运动 。 动 蛋 日 在 体外 与 肌 动 蛋白 丝 末端 结合 ,在 肌 细 胞 内 又 专门 位 于 乙 盘 ， 因而 被 认为 是 用 来 在 2 盘 中 固定 肌 动 蛋白 丝 的 。 结 蛋白 则 是 一 种 中 等 纤维 蛋白 ， 因此 高 浓度 见于 相 邻 肌 原 纤 维 的 忆 盘 间 区 域 , 而 被 认为 有 助 于 那里 的 肌 原 纤维 相互 对 齐 (图 10-17)。 肌肉 收缩 系 由 细胞 内 的 Ca** 浓 度 升 高 而 启动 所 有 骨骼 肌 都 处 在 随意 控制 之 下 ,只 有 当 信号 从 其 运动 神经 传 来 时 ,它们 才 会 发 征收 缩 。 由 神经 兴奋 导致 肌肉 收缩 的 一 连 串 事件 有 赖 于 借以 传送 信号 的 肌 细 胞 膜 的 重要 特 化 。 一 且 神 经 冲动 触发 肌 细胞 质 膜 中 一 个 动作 电位 , 这 种 电 兴 奋 就 会 迅速 扩散 人 一 系列 RE » 以 及 由 质 膜 向 内 延伸 而 围绕 着 每 根 肌 原 纤维 Z 盘 的 横 小 管 或 工 小 管 (图 10-18) fifi 后 ,这 里 的 电信 号 又 会 被 设法 转移 到 邻近 的 肌 质 网 (sarcoplasmic reticulum), 肌 质 网 是 由 象 网 袜 一 样 围绕 着 每 根 肌 原 纤维 的 内 质 网 衍生 的 正在 融合 的 扁平 小 泡 所 构成 的 精 。 Cs fo 当 肌 质 网 为 工 小 管 传 来 的 电信 号 激活 时 ， 就 会 将 原先 贮 于 腔 内 的 大 量 Ca” 释 人 胞 液 。 于 是 游离 Ca* 浓度 又 增 , 启 动 了 肌 原 纤维 的 收缩 。 由 于 来 自 肌 细 胞 质 膜 的 信号 是 在 几 毫 秒 之 内 (通过 工 小 管 和 肌 质 网 ) 传 递 到 细胞 内 的 每 个 肌 节 的 ， 因 而 细胞 内 的 所 有 肌 原 纤维 就 会 同时 进行 收缩 。 肌 钙 蛋白 和 原 肌 球 蛋白 介 导 肌肉 收缩 的 Ca” 调节 依赖 ca*， 因 而 也 依赖 神经 传递 的 运动 指令 的 肌肉 收缩 ， 均 应 完全 归 因 于 一 组 专门 同 肌 动 蛋白 丝 紧 密 相 联 的 辅助 蛋白 。 在 试管 中 将 肌 球 蛋白 与 纯净 的 肌 动 蛋白 丝 混 合 时 ， 肌 球 蛋白 ATP 酶 即 被 激活 , MAE Ca* 存在 与 否 。 然而 在 一 正常 肌 原 纤维 中 , MRE 白 的 ATP 酶 活性 却 有 赖 于 Ca *。 这 一 差异 反映 了 这 样 一 个 事实 , 即 由 Ca * 调节 收缩 必 须 依靠 一 组 专门 的 辅助 蛋白 ,而 人 工 重 组 的 纤 丝 则 缺少 这 些 蛋 白质 (图 10-19)。 在 这 些 辅助 蛋白 中 ,有 一 种 具 刚 性 、 呈 棒状 的 蛋白 质 , 称 之 为 原 肌 球 蛋白 (tropomyo- sin)。 因 其 位 在 肌 动 蛋 折 丝 两 侧 的 斜 长 槽 内 ,从 而 强化 了 纤 丝 。 SOR cee te ae 图 10-17 AERA EN-HEBILZ AOR 图 10-18 涉及 收缩 信号 由 肌 细胞 质 菊 光 图 。 由 于 相 邻 肌 原 纤维 的 己 盘 连接 在 一 起 ,它们 即 可 膜 传递 到 该 细胞 中 去 的 所 有 肌 BA 作为 一 个 扁平 片 而 被 分 离 。 乙 盘 作为 未 染色 孔 出 现 , 而 它 维 的 膜 管道 系统 图 解 们 之 间 的 区 域 却 染 色 明 亮 , 提 示 结 蛋白 可 能 在 连接 Z 盘 中 起 作用 。(Bruce Granger 和 Elias Lazarides 赠 ) 涉及 Ca”* 调节 的 另 一 主要 蛋白 质 为 肌 钙 蛋白 (troponin) , 一 种 由 三 条 多 肽 ( 肌 铬 蛋白 TI 和 C ) 组 成 的 复合 物 。 肌 钙 蛋白 工 有 一 原 肌 球 蛋白 结合 部 位 ， 被 认为 是 负责 复合 物 定位 的 (图 10-19)。 当 肌 钙 蛋白 I 和 人 肌 和 钙 蛋 白 工 和 原 肌 球 蛋白 时 ,即使 在 Ca+ 存在 下 ， 此 复合 物 仍 会 抑制 肌 动 蛋白 同 肌 球 蛋白 的 相互 作用 。 进一步 加 入 肌 钙 蛋白 C,， 复合 物 即 告 完 成 ,但 在 缺 钙 条 件 下 , 肌 动 蛋白 同 肌 球 蛋白 的 相互 作用 仍 受 抑制 。 然 而 肌 钙 蛋白 可 结 合 4 分 子 Ca , 随 着 Ca+ 的 结合 , 即 可 解除 这 种 抑制 。 这 种 由 Ca 诱导 的 , 原 肌 球 蛋白 - © 537。 NAS AMMMASASNASAAS AMR, BT Ca 诱导 肌 原 纤维 收缩 的 基 础 。 MERA ae 图 10-19 肌肉 细 肌 丝 图 解 ， 示 原 肌 球 蛋 白 和 肌 和 钙 蛋 白 在 肌 动 蛋白 丝 上 的 位 置 。 〈《 引 自 Carolyn Cohen 提供 的 资料 ) 肌 钙 蛋白 和 原 肌 球 蛋白 是 如 何 控制 肌 球 蛋白 与 肌 动 蛋白 的 相互 作用 的 ? AUS 2, 每 七 个 肌 动 蛋白 分 子 才 有 一 个 结合 Ca 的 多 肽 ( 肌 钙 蛋白 C)( 图 10-19)， 但 其 控制 却 达到 了 整个 肌 动 蛋白 丝 长 轴 。 详 细 的 结构 研究 表明 ， 在 不 产生 收缩 力 的 静止 状态 下 ， 棒 状 原 肌 球 蛋白 分 子 , 掩 盖 了 肌 动 蛋白 丝 上 在 肌肉 积极 收缩 时 被 肌 动 蛋白 头 部 占据 的 位 置 。 因此 ， 原 肌 球 蛋 折 可 在 空间 上 阻 断 肌 动 蛋白 与 肌 球 蛋白 的 相互 作用 。 但 当 Ca’? 水 平 升 高 时 ， 原 肌 球 蛋白 分 子 稍 稍 位移 〈 可 能 是 对 与 之 结合 的 肌 馈 蛋白 分 子 形状 改变 的 应 答 )， 而 这 种 位 移 被 认为 使 肌 球 蛋 昌 头 部 得 以 同 肌 动 蛋白 丝 相互 作用 (图 10-20)。 这 就 好 像 肌 肉 收缩 是 由 一 个 打 人 肌 动 蛋白 与 肌 球 蛋白 之 间 的 微 模 来 控制 的 ， 微 槐 阻止 了 肌 动 蛋白 与 肌 球 蛋白 的 相互 作用 ， 而 仅 当 应 答 Ca”” 信号 时 方 被 除去 。 平滑 肌 肌 球 蛋白 为 依赖 Ca 的 磷酸 化 作用 所 激活 我 们 已 经 详细 描述 的 只 是 冰 椎 动物 体内 存在 的 三 种 主要 肌肉 类 型 之 一 的 骨骼 肌 。 另 外 两 种 是 心肌 和 平 请 肌 : 心肌 负责 心脏 搏动 (人 类 平均 一 生 大 约 收缩 30 (ZR) FI WL 负责 产生 诸如 胃壁 \ 肠 壁 及 血管 壁 组 织 的 缓慢 而 又 持续 较 长 时 间 的 收缩 。 所 有 这 三 种 肌 肉 都 均 含 有 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 ,并 按 滑动 肌 丝 机 制 进行 收缩 心肌 像 骨骼 肌 一 样 。 呈 现 横 纹 ,表明 其 有 一 类 似 的 由 肌 动 蛋白 丝 和 肌 球 蛋白 丝 组 成 的 结构 。 相反 ,平滑 肌 却 无 横 纹 。 它 由 长 锥 形 细胞 构成 ,这 种 细胞 具 一 单 核 ， 并 含有 与 细胞 长 轴 平 行 排列 的 粗细 肌 丝 。 然而 , 这 些 纤 丝 的 排列 不 像 骨骼 肌 和 心肌 中 见 到 的 那样 严格 有 序 , 也 未 出 现 肌 原 纤维 的 形成 。 平 请 肌 的 肌 动 蛋 折 和 肌 球 蛋 昌 都 属于 组 织 专 一 的 一 类 和 蛋 昌 质 。 肌 动 蛋白 的 氨基 酸 顺 序 和 骨骼 肌 或 心肌 的 稍 有 不 同 , 不 过 这 些 差异 对 于 已 知 功能 无 关 紧 要 。 而 平 请 肌 的 肌 球 蛋白 虽 与 骨骼 肌 极为 类 似 , 但 在 功能 上 的 两 个 十 分 重要 的 方面 却 有 所 不 同 : 〈1) 平 请 肌 的 ATP 酶 活性 水 平 , 即使 在 最 适 条 件 下 ， 仍 比 骨骼 肌 低 9/110 倍 , 且 活 性 更 直接 受 ca” 的 调节 。(2) 平 滑 肌 的 肌 球 蛋白 和 非 肌肉 细胞 的 肌 球 蛋白 相同 ， 只 有 当 其 轻 链 磷酸 化 时 , 才 能 与 肌 动 蛋白 丝 相 互 作用 ,从 而 导致 收缩 ;而 当 其 轻 链 脱 磷酸 时 ， 肌 球 蛋白 则 无 法 与 肌 动 AA EEA WA eS To SE te LDL ERB HY To BS 0 EA 00 Te EF Be Se BK ET SFY ULMER 的 ATP 酶 依赖 于 Ca…，, 因 为 磷酸 化 酶 ( 肌 球 蛋白 轻 链 激酶 ) 是 受 Ca’? 水 平 调节 的 oCa… 的 影响 是 由 一 结合 钙 的 蛋 日 质 一 一 钙 调 蛋白 (calmodulin) 所 介 导 ， 它 在 结构 及 功能 上 e 538° St PA MER BE ey ee 1 oe cea, Ca2+*- 调 钙 蛋 白 〈 未 活化 ) 十 oO 2 i>] Sa | 人 2 ey 3 a 激酶 -Ca2*- 调 钙 蛋 白 (活化 ) G fe WERE A {7 SS (未 活化 ) om ATP LL ’ ADP 于 Ca2+ 介 pied “mt : 露 的 肌 球 蛋白 肌 球 蛋白 - 图 10-20 细 肌 丝 的 截面 观 ， 示 原 肌 球 图 10-21 平滑 肌 收 缩 在 Cat 存在 下 医 化 的 分 级 SAMAR Ca+ 时 阻 断 肌 球 蛋白 头 反应 。 图 中 的 激酶 ,为 催化 二 不 同类 型 肌 球 蛋白 轻 与 肌 动 蛋白 的 相互 作用 。 链 上 的 一 特定 部 位 磷酸 化 的 酶 。 非 肌 肉 肌 球 蛋 白 分 子 按 同 一 机 制 峙 节 。 都 和 肌 钙 蛋白 C 极 为 类 似 〈 见 722 页 )。 BiWRAS Ca” 的 复合 体 使 肌 球 蛋白 轻 链 激 酶 活化 ， 否 则 该 激酶 就 很 少 会 倾向 于 磷酸 化 肌 球 蛋白 (图 10-21)。 其 他 几 个 因子 也 会 影 响 肌 球 蛋 白 轻 链 激酶 的 活化 ,例如 细胞 内 的 环 腺 背 酸 水 平 ,而 后 者 又 受 影响 平 请 肌 收 缩 的 激素 调节 。 因 此 ,平滑 肌 收 缩 像 骨骼 肌 一 样 ， 也 是 靠 Ca” 注 人 而 触发 的 。 但 触发 机 制 不 则 , 它 不 是 靠 来 自 随意 神经 的 冲动 ,而 是 靠 自主 系统 的 神经 或 激素 激活 。 紧 随 Ce” 与 可 溶性 蛋白 ( 钙 调 蛋白 ) 结合 之 后 的 酶 促 步骤 则 相当 缓慢 地 激活 平滑 肌 收缩 。 由 于 平 询 肌 细 胞 内 的 肌 球 蛋白 横 桥 周期 很 慢 , 只 容许 它们 缓慢 收缩 ,因而 毋须 快速 激活 。 鳃 调 蛋白 是 一 种 普遍 存在 的 蛋白 质 , 它 在 许多 细胞 中 介 导 依赖 Cat 的 过 程 ( 见 第 十 三 章 ), 而 肌 和 铬 蛋白 C 最 好 被 看 作为 一 种 特 化 形式 的 钙 调 蛋白 ， 它 在 平滑 肌 细 胞 中 已 发 展 到 直接 与 细 肌 丝 结合 , 从 而 提供 了 对 收缩 的 更 为 迅速 的 ca” 调节。 不 能 把 平 清 肌 细胞 视 为 骨骼 肌 细 胞 的 缓慢 而 构建 粗 劣 的 变 体 ， 它 们 完全 符合 对 其 为 数 不 多 的 要 求 。 事 实 上 , 它们 是 被 专门 设计 来 长 期 维持 张力 ,而 在 完成 同一 任务 时 所 需 水 FRAY ATP 只 是 骨骼 肌 的 115 一 1/10 倍 。 平 滑 肌 中 缓慢 的 肌 球 蛋白 横 桥 周期 阻止 了 肌肉 的 快速 收缩 ,但 它 却 使 得 肌肉 能 以 极 高 效率 保持 恒定 张力 。 。 539。 小 结 肌肉 收缩 系 由 肌 动 蛋白 丝 相对 肌 球 蛋白 丝 滑动 所 致 ， 由 肌 球 蛋白 丝 伸 出 的 肌 球 蛋白 分 子 头 区 ， 它 们 附着 在 邻近 的 肌 动 蛋白 丝 上 经 受 着 一 种 由 ATP 驱动 的 循环 :经 过 一 种 构 稍 上 的 变化 ,而 使 一 纤 丝 相对 另 一 纤 丝 滑动 ,然后 分 开 。 辅 助 肌 肉 蛋白 可 以 促进 这 一 循环 ,它们 使 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 丝 呈 平行 .重重 排列 ,并 具 正确 走向 和 产生 滑动 的 空间 。 其 他 两 种 辅助 蛋白 ， 即 肌 钙 蛋白 和 原 肌 球 蛋白 , 则 使 骨骼 肌 收 缩 可 受 Co 调节 。 在 低 Cai+ 水 平时 ,它们 以 一 种 能 阻止 肌 球 蛋白 头 部 的 接近 的 方式 与 肌 动 蛋白 丝 结合 。 而 当 Ca2+ 水 平 因应 答 电 刺激 而 升 高 时 , 肌 钙 蛋白 - 原 肌 球 蛋白 复合 体位 置 稍 变 , 致 使 肌 球 蛋白 头 部 得 以 与 肌 动 蛋白 丝 结合 ， 继 而 发 生 收缩 e 在 平滑 肌 中 ， 也 见 有 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 。 它 们 在 那里 产生 收缩 的 方式 与 骨骼 肌 中 的 基本 相同 。 但 平滑 肌 细胞 中 的 这 两 种 纤 丝 都 不 如 骨骼 肌 中 的 那样 高 度 有 序 ， 上 且 其 运动 依赖 于 Cat 调节 的 肌 球 蛋白 屋 酸 化 作用 。 fF Be wy’ 除 肌 肉 收缩 外 ,最 熟悉 的 一 种 细胞 运动 , 就 是 纤毛 挥动 。 纤毛 是 微小 的 毛 状 附 器 , 直 径 约 0.25 pm ,其 核心 含有 一 束 平行 排列 的 微 管 。 它们 从 多 种 细胞 表面 突出 ,见于 多 数 动 、 物种 类 及 一 些 低 等 植物 。 其 基本 功能 是 ,移动 细胞 表面 液体 或 推动 单个 细胞 穿 过 液体 。 例 如 ,原生 动物 无 论 捕 摄食 物 颗粒 或 进行 运动 都 使 用 纤毛 。 在 人 体 中 , 沿 呼 吸 道 排列 的 表皮 细胞 上 的 大 量 纤毛 〈10?/cm: 或 更 多 ) 可 将 粘液 层 连 同 捕获 的 尘 粒 及 死 细胞 一 起 。 一直 扫 到 口腔 ,而 后 即 被 吞咽 除去 ;纤毛 还 有 助 于 沿 输卵管 输送 卵子 。 像 基 于 肌 动 蛋白 丝 的 肌肉 收缩 机 制 一 样 , 基 于 微量 的 纤毛 运动 机 制 , 也 清楚 地 反映 在 图 10-22 一 片 海产 电 虫 肠 纤 毛 的 扫描 电子 显微镜 照片 。 虽然 纤毛 分 布 均匀 ， 但 相 邻 纤毛 挥动 协 调 ， 而 产生 一 系列 的 单 向 波动 。 这 些 波动 在 低 倍 放大 下 即 可 十 分 清晰 地 见 到 〈 右 )o CSIR J Ss Mcllor and J. S. Hyams, Micron 9: 91—94, 1978) ° 540° 它 的 超 微 结构 中 。 我 们 对 纤毛 如 何 挥动 的 了 解 ， 也 给 洞察 微 管 如 何 排列 才 会 产生 诸如 胞 内 运输 及 有丝分裂 之 类 的 运动 ,提供 了 重要 线索 。 纤毛 和 园 毛 传播 弯曲 运动 成 片 的 纤毛 ， 在 弯曲 时 旦 协调 的 单 向 波动 (图 10-22)。 每 根 纤毛 ， 似 一 根 纤 小 的 鞭子 一 样 拍打 : 先是 向 前 一 记 有 效 挥动 ， 此 时 纤毛 完 全 伸展 , 即 可 对 周围 液体 使 出 最 大 力量 ;接着 是 恢复 期 ， 纤 毛 通 过 使 粘 滞 力 降 至 最 低 的 伸展 运 动 , 而 回 到 起 始 位 置 ( 图 10-23)。 每 次 循环 需 0.1 一 0.2 秒 。 相 邻 纤 毛 的 周期 。 几 乎 是 但 却 不 完 全 是 同步 而 略 有 延迟 ， 产 生 如 图 10-22 所 示 的 惊人 图 像 。 精子 及 许多 原生 动物 的 简单 鞭毛 ， 其 内 部 结构 很 像 一 根 大 纤毛 。 但 通 芝 很 长 ， 因 此 往往 以 传播 准 正 弦 形 波动 取代 半 样 拍打 运动 。 不 过 ， 这 一 运动 的 基础 几 和 孚 肯定 像 纤 毛 一 样 ， 故 就 多 数 情形 而 言 ， 可 在 真 核 细胞 中 通用 纤毛 和 六 毛 两 词 。( 但 切 不 可 将 真 核 细 胞 的 鞭毛 和 细菌 的 蒜 图 19-24 AMAA KD REAR EST Dit ELF RA AEM RAR 7 SMe fee a ee 多 iAP. an oe Bere es: CMR i ets 图 10-23， 真 核 细胞 表面 的 纤毛 运动 图 解 。 推 毛 中 ? 均 有 作 "“? 十 2 排列 的 微 管 。 在 图 10-27 动 细胞 表面 液体 的 有 效 挥动 (第 1 和 第 2 阶段 六 的 横 切 面 的 图 解 中 ， 可 见 主要 结构 组 分 。 继 之 以 恢复 挥动 (第 3、 第 4 和 第 5 BI Bee (Mei Lewis Tilney Je) 毛 混 为 一 谈 , 它 们 全 然 不 同 。 细 戎 的 鞭毛 将 在 731 页 介绍 。) 纤毛 核心 含有 一 束 呈 9 十 2 排列 的 平行 微 管 纤毛 运动 是 通过 纤毛 核心 或 轴 丝 〈axoneme) 弯曲 而 产生 的 , 轴 丝 是 一 种 完全 由 微 管 * T4b 4 及 其 结合 蛋白 组 成 的 复杂 结构 。 作为 轴 丝 主要 结构 成 分 的 微 管 是 外 径 为 25 om 的 中 空 “ EAE, 它们 的 奇妙 而 清晰 的 排列 型 式 ， 曾 是 早期 电子 显微镜 检 坟 最 惊人 的 发 现 之 一 。 纤毛 轴 丝 由 九条 二 联 体 微 管 环绕 一 对 单 微 管 组 成 (图 10-24)。 这 种 “ 9 + 2 "排列 是 从 原 生动 物 到 人 的 几乎 所 有 类 型 的 纤毛 和 真 核 细胞 雁 毛 的 共同 特征 。 微 管 沿 纤毛 长 轴 延 伸 ， ae KA 10 wm, 但 在 有 些 细胞 中 可 达 200 wm, 图 10.235 (CA) 负 妆 微 答 的 电子 显微镜 照片 。(B) 一 根 微 管 的 横 切 面 及 其 13 个 清晰 的 亚 基 ,其 中 的 . 每 个 亚 基 相 当 于 一 个 分 开 的 微 管 蛋白 多 肽 。(A，Robley Williams 赠 ; B，Richard Linck 赠 ) 中 央 单 微 管 均 为 完全 微 管 ， 而 外 围 每 条 二 联 体 却 由 分 别 叫做 A、B 亚 纤维 的 一 条 完 全 微 管 和 一 条 不 完全 微 管 融合 而 成 ,因此 它们 有 合用 管 壁 。 在 横 切 面 中 ,可 见 每 条 完全 微 管 均 由 13 个 球状 亚 基 环 绕 而 成 ,而 外 赎 二 联 体 微 管 中 的 不 完全 的 B 亚 纤 维 , 仅 由 10 个 亚 基 构 成 。 KELME SADR PSS 微 管 由 分 子 量 为 50 000 道 尔 顿 的 球状 多 肽 一 一 微 管 蛋白 分 子 组 成 。 由 于 沿 神经 细 胞 轴 突 存在 大 量 微 管 ， 所 以 脊 椎 动物 的 脑 便 成 了 用 于 生化 研究 的 微 管 蛋白 的 最 丰富 的 来 源 。 由 此 来 源 抽 提 得 到 的 微 管 蛋 白 是 一 种 约 100 000 道 尔 顿 的 二 聚 体 ， 每 个 二 聚 体 又 由 两 种 氨基 酸 顺 序 密 切 相 关 的 多 有 路 一 “ 微 管 蛋白 和 A 微 管 蛋 白 构 成 。 当 从 微 管 蛋白 分 子 装配 成 微 管 时 ， 是 通过 一 个 二 聚 体 的 8 微 管 蛋白 与 相 邻 的 另 一 个 二 聚 体 的 “ 微 管 蛋白 连 接 ， 形 成 成 行 排列 的 微 管 多 肽 而 组 成 原 丝 〈protofilaments)o 通常 由 13 条 这 种 原 丝 并 排 围 绕 着 中 央 核 心 , 在 电镜 照片 中 看 来 是 个 空 腔 ( 图 10-25)。 SMX HART Ri 示 , 相 邻 原 丝 中 的 微 管 多 肽 不 是 旦 直线 排列 ,而 是 左右 交错 ， 这 样 便 在 每 个 微 管 壁 中 产生 了 一 种 由 微 管 蛋 白 分 子 组 成 的 有 规则 的 网 格 结构 (图 10-26), 微 管 蛋 白 分 子 装 配 成 微 管 有 几 个 重要 特征 与 肌 动 蛋白 装配 成 纤 丝 相 类 似 。 它 会 在 体 外 自然 发 生 ， 并 总 是 伴随 着 一 分 子 结合 核 音 酸 的 水 解 ， 即 使 在 微 管 蛋白 情况 下 ， 这 个 核 Me GTP, 而 非 ATP( 表 10-2)。 如 同 肌 动 蛋白 , 核 萌 酸 水 解 对 于 聚合 动力 学 有 着 决 定性 的 影响 。 细胞 内 的 微 管 装配 是 由 各 种 特 化 的 结构 组 织 的 、 它 们 提供 一 种 微 管 得 以 从 之 生长 的 基体 。 这 些 组 织 中 心 便 成 了 微 管 的 种 种 短暂 安排 的 核心 ,这 将 在 后 面 进 行 讨论 。 真 核 细 胞 纤毛 和 园 毛 的 微 管 ， 通 过 叫做 基体 的 特 化 结构 而 组 成 轴 丝 束 。 基体 用 作 。542。 “9 十 2 "排列 的 模板 并 产生 无 法 通过 体外 自然 装配 得 到 的 二 联 体 。 轴 丝 微 管 可 由 各 种 畏 助 蛋白 进一步 加 以 稳定 ,而 成 为 较 永 久 的 结构 。 像 在 肌 动 蛋 日 丝 中 一 样 , 纤 毛 微 管 产 生 运 动 的 能 力也 有 赖 于 它们 的 极 性 。 为 了 认 识 微 管 极 性 对 于 纤毛 运动 的 重要 性 ， 我 们 现在 必须 回头 对 纤毛 轴 丝 作 更 详细 的 剖析 。 纤毛 轴 丝 含有 由 蛋白 质 组 成 的 链 杆 、 辐 AUS 与 轴 丝 微 管 相关 联 的 还 有 许多 其 他 蛋白 质 结构 ， 它 们 相互 作用 为 纤毛 运动 提供 动力 ,从 而 使 其 产生 波浪 似 的 运动 。 其 中 最 重要 的 结构 是 由 每 个 外 围 二 联 体 突出 并 伸 向 相 邻 二 联 体 的 臂 。 它 们 按 24 nm 的 规定 间隔 沿 微 管 成 对 出 现 〈 图 10- 27)。 如 下 所 述 ， 这 种 由 称 做 动力 蛋 日 (dynein) 的 蛋白 质 组 成 的 臂 、 在 纤毛 运 动 中 起 着 必 不 可 少 的 作用 。 另 一 种 称 为 连 丝 蛋白 (nexin) 的 蛋白 质 ， 则 以 更 大 间距 形成 相 邻 二 联 管 间 的 链 杆 ; 这 些 链 杆 被 认为 极 富 弹性 ， 环 绕 整 个 轴 丝 形成 颇 像 桶 簿 的 带 。 每 个 二 联 管 还 有 一 个 向 内 伸 出 的 辐 条 (radial spoke)， 其 末端 为 一 球状 部 > (RIA. AMHAKSABA 成 , 细 长 蛋白 臂 从 中 央 一 对 微 管 伸 出 ,并 弯曲 绕 过 它们 (图 10-27)。 显 然 , 这 样 就 使 得 中 央 的 一 对 微 管 能 够 协助 调节 轴 丝 的 运动 。 从 轴 丝 侧面 查看 ， 可 将 动力 蛋 Alla. 22H. BRRARE 等 每 一 种 结构 都 视 为 一 系列 有 规则 的 按 其 固有 周期 性 分 布 的 突起 ( 表 10-3)。 纤毛 和 鞭毛 终止 于 细胞 内 侧 的 基体 (A) SOU, < 和 14 nm-> <— 28nm 一 -> (B) 原 纤维 、 在 展开 的 微 管束 中 13 条 原 纤维 的 排列 10-26 微 管 的 图 解 , 示 微 管 蛋白 多 肽 如 何 包 扎 在 一 起 而 形 成 圆柱 体 的 壁 。(A) 横 切 面 中 的 13 条 多 肽 。(B) 一 小 女 微 管 断 片 的 侧 视图 ， 其 中 的 微 管 蛋白 多 肽 成 直线 或 原 纤维 排 列 。 《C) 展 开 的 一 部 分 微 管 壁 , 示 两 类 微 管 蛋 白 多 肽 的 包扎 ; 13 条 原 纤维 中 的 每 一 条 均 由 一 系列 86 杂 三 聚 体 组 成 。( 引 自 Linda Amos 提供 的 资料 ) 《图 10-28)。 基体 是 一 种 由 平行 微 管 构 成 的 短 圆 柱 体 、 其 外 径 及 九重 对 称 均 与 轴 丝 本 身 相同 。 轴 丝 的 每 条 外 围 二 联 体 微 管 均 伸 人 基体 , 同 那里 的 另 一 个 部 分 微 管 相连 。 结果 基 体 便 含有 一 图 九条 融合 的 三 联 体 微 管 。 而 纤毛 的 两 条 中 心 微 管 在 其 到 达 基体 之 前 即 已 终 IE AEA RRA (SULA 10- 49 和 10-51)o 。543 。 10-2 肌 动 蛋白 与 微 管 蛋白 的 比较 肌 动 蛋白 微 管 蛋白 微 管 蛋白 BAKA FE 42 000 50.0000 BEA) | 聚合 所 需 的 50 000( 6 微 管 蛋 白 ) 因子 除去 Catal NaCl 未 聚合 形式 球状 ? 单 体 “| 球状 ,二 聚 体 (lc + 18) SAMAK 由 13 条 原 丝 组 成 的 中 BABAR ATP (每 | GTP (每 个 二 聚 体 两 空 管 (未 聚合 状态 )| 个 单 体 一 个 ?| 个) 纤 丝 直径 25nm 外 围 二 联 体 微 管 图 10-27 纤毛 横 切面 图 解 《这 种 结构 的 电子 显 微 照 片 已 示 于 图 10-24)。 微 管 的 各 种 突起 均 按 表 10-3 所 述 的 规则 间隔 沿 纤毛 出 现 。 图 10-28 ”通过 纤毛 原生 动物 四 量 虫 皮质 的 横 切面 的 电子 显微镜 照片 。 切面 轻 擦 细胞 表面 ， 而 以 连续 切片 显示 出 轴 丝 中 微 管 的 "9 十 2 排列 如 何 导 入 基体 的 ? 条 三 联 体 微 管 。 轴 丝 按 微 管 滑 动机 制 运动 ， 如 用 激光 束 切 下 细胞 的 一 根 鞭 毛 ， 这 个 被 分 离 的 结构 仍 会 继续 按 正常 方式 传播 弯曲 运动 。 因 此 ,显然 运动 装置 包含 在 轴 丝 本 身 之 中 ， 且 运动 不 依赖 基部 的 发 动机 (就 像 细 蔓 疾 毛 一 样 )。 若 将 一 根 分 离 的 轴 丝 置 于 含有 ATP、Mgx+ 或 Cat 的 盐 溶液 ,即使 在 其 质 膜 除去 之 后 ,的 确 仍 会 传播 弯曲 运动 。 。544 。 表 10-3 纤毛 轴 丝 的 主要 蛋白 质 结 构 轴 丝 成 分 ( 沿 轴 丝 的 周期 性 7 功 能 hs ARK (Sam) 微 管 的 主要 成 分 动力 蛋白 臂 (24nmy) 由 微 管 二 联 体 伸 出 、 并 同 相 邻 二 联 体 相互 作用 而 产生 弯曲 微 丝 蛋白 链 杆 (86nm) 把 相 邻 微 管 二 联 体 结合 在 一 起 放射 辐 条 (29nm) 由 9 条 外 围 二 联 体 中 的 每 一 个 伸 向 中 央 一 对 微 管 ij (14am) 作为 一 系列 侧 臂 的 突起 ?由 中 央 一 对 微 管 伸 出 ; 和 放射 辐 条 一 起 调节 纤毛 挥动 形式 已 用 蛋 折 水 解 酶 处 理 轴 丝 得 到 了 通过 微 管 消 动产 生 弯 曲 力 的 直接 证 据 。 这 种 处 理 使 连 丝 蛋 白 链 杆 和 辐 条 遭 到 破坏 ,而 动力 蛋白 臂 及 微 管 本 身 仍 保持 完整 。 经 部 分 消化 后 的 这 种 结构 对 ATP MASUR. 在 少 至 10 wmol/L 的 ATP 存在 下 ,也 会 纵 裂 成 为 构成 它 的 二 ARS ATP 使 轴 丝 拉 长 , 直至 原 长 的 九 倍 , 而 轴 丝 中 的 纤维 成 分 也 同时 由 松弛 结构 中 伸 出 (图 10-29)。 相 邻 的 外 围 二 联 体 似 乎 只 要 一 摆脱 其 侧 向 交 联 (如 由 连 丝 蛋白 TAA SEAT) BUA RG WAAR Do TE TEETH, 这 种 滑动 则 被 转换 为 弯曲 运动 ,如 图 10-30 所 示 。 10-29 分 离 的 四 腊 虫 纤毛 轴 丝 ,在 稍 经 蛋白 水 解 酶 胰 蛋 白 酶 处 理 , 以 解 开通 常 将 其 结合 在 二 起 的 组 白 纽 带 后 的 电子 显 数 镜 照 片 。 继 ATP 处 理 之 后 在 本 图 下 部 清晰 可 见 的 各 二 联 体 微 管 即 相 对 滑动 ?而 使 原 有 结构 长 度 增 加 9 倍 之 多 。( 引 自 F. D. Warner and D. R. Mitchell, J. Cell Biol. 89:35—44, 1981, 7S esEM AS Hea ES Gil) 为 支持 纤毛 弯曲 的 微 管 滑动 机 制 而 于 纤毛 弯曲 各 阶段 摄取 的 电镜 照片 显示 ， 微 管 长 度 并 无 明显 改变 。 而 且 由 于 以 规则 重复 型 式 出 现 ， 并 因而 可 作为 每 一 外 围 二 联 体 标 志 委 成 排 量 条 ， 在 弯曲 区 域 出 现 相对 位 移 ， 从 而 表明 了 微 管 在 轴 丝 内 的 相对 滑动 (图 10-31)。 动力 蛋白 负责 滑动 ” 由 于 相 邻 外 围 二 联 体 微 管 相对 滑动 ,其 间 就 必然 会 产生 一 种 力 。 在 完整 轴 丝 中 ,有 一 个 连 丝 蛋白 链 杆 的 触 点 。 但 因 其 如 上 所 述 的 可 为 蛋白 酶 处 理 所 破 坏 ， 而 此 时 滑动 却 未 受 到 损害 , 故 其 并 非 为 运动 所 必需 。 余 下 的 就 是 动力 蛋白 臂 。 通常 它们 并 不 完全 伸延 到 相 邻 二 联 体 之 间 的 整个 间隙 ,但 若 允 许 纤 毛 耗 尽 其 所 有 的 ATP， 即 可 使 动力 蛋白 臂 与 邻近 “545 。 “二 联 体 相 接触 (图 10-32), Oh, 动力 蛋白 臂 的 取向 还 会 发 生 改 变 :; 在 ATP 存在 时 朝 下 指向 基体 ;而 在 ATP 缺乏 时 则 与 微 管 二 联 体 成 直角 。 Mg2+-ATP — BRRKARE 二 联 体 滑 动 纤毛 中 的 二 联 体 导致 弯曲 形成 10-30 图 示 外 围 微 管 二 联 体 的 彼此 相对 滑动 (A), 如 何在 其 一 端 被 相互 条 缚 时 引起 弯曲 (B)。 已 有 充分 证 据 表 明 , 动 力 蛋白 臂 为 纤毛 运动 所 必需 。 在 严格 控制 的 条 件 下 ,从 裸露 轴 丝 选择 抽 提 动力 蛋白 臂 ， 轴 丝 运 动 即 随 此 臂 逐 渐 消 失 而 相 应 减 慢 。 一 且 将 其 全 部 除去 ， 运动 也 就 终止 了 。 而 且 这 一 程序 可 以 逆转 : 加 入 到 被 抽 提 的 轴 丝 外 转 二 联 体 中 去 的 纯化 动力 蛋白 重新 构成 侧 臂 ,并 恢复 微 管 进行 依 赖 ATP 的 滑动 能 力 。 但 是 动力 蛋白 如 何 产生 使 相 邻 微 管 相互 请 动 的 力 ? ”回答 这 一 问题 的 一 个 重要 进展 是 ,发 现 动力 蛋白 本 身 就 是 一 种 ATP 酶 。 动力 蛋白 是 一 神 由 多 个 多 肽 组 成 的 巨型 蛋白 质 , 其 主要 多 肽 分 子 量 约 为 400 000。 分 离 的 蛋白 质 的 ATP 酶 活性 较 低 , 但 若 加 入 纯化 的 微 管 ， 活 性 即 随 之 上 升 一 一 与 加 和 人 肌 动 蛋白 丝 促进 肌 球 蛋白 ATP 酶 活性 相似 而 大 小 不 同 的 一 种 效应 。 每 个 动力 蛋白 臂 所 产生 的 力 约 与 肌肉 中 一 分 子 肌 球 蛋白 产生 的 相似 ， 致使 与 之 接触 的 相 邻 微 管 二 联 体 得 以 向 纤毛 顶端 移动 。 可 对 纤毛 进行 遗传 学 剖析 ” 要 筛选 失去 运动 能 力 的 突变 型 机 体 ,一 般 并 不 困难 。 在 让 正常 个 体 通过 游 . 爬 、 飞 或 请 等 运动 形式 离开 之 后 , 留 下 的 那些 不 是 死 的 ,就 是 瘫痪 了 的 。 因 此 ,如 果 运 动 仅 仅 有 赖 于 一 种 能 动 有 要素, 例如 骨骼 肌 或 纤毛 ， 那 么 遗传 剖析 的 全 部 力量 可 被 用 于 分 析 它 的 内 部 结构 。 这 类 研究 的 最 好 对 象 。 就 是 单 细 胞 的 莱 因 衣 菠 (Chlamydomonas reinhardii), "EADS 根 鞭 毛 ， 使 其 能 在 水 中 推进 。 已 分 离 得 到 许多 不 会 运动 的 突变 型 : ”一 些 鞭 毛 装配 机 制 有 缺陷 和 无 鞭毛 或 鞭毛 发 育 不 全 ; 另 一 些 虽 有 灶 毛 ,但 不 会 运动 。 在 后 一 种 情况 缺陷 可 能 涉及 运动 机 制 的 一 种 蛋白 质 组 分 。 在 这 种 突变 型 鞭毛 的 电镜 照片 中 ， 即 可 清楚 见 到 各 种 不 同类 型 的 异常 结构 (图 10-33)。 在 第 一 类 突变 型 中 ， 唯 一 可 以 察觉 的 变化 是 丧失 了 动 力 蛋 白 臂 。 第 二 类 突变 型 仅 缺少 辐 条 ,而 第 三 类 突变 型 既 缺 一 对 中 央 微 管 , 又 缺 外 精 。 在 所 有 这 三 类 突变 型 中 ,分 离 的 无 膜 轴 丝 都 不 会 在 ATP 存在 下 发 生 运动 。 ， 在 人 体 中 也 会 出 现 纤 毛 缺陷 ， 各 种 遗传 形式 的 男性 不 衣 已 表明 就 是 由 于 精子 不 会 运 动 。 根 据 这 种 遗传 病 的 不 同类 型 ,精子 鞭毛 或 缺少 动力 蛋白 臂 ( 外 劈 或 内 臂 ) 和 辐 条 头 ,或 缺少 内 鞘 及 一 两 个 中 央 微 管 。 完全 一 样 的 缺陷 也 出 现在 一 些 患者 的 呼吸 道 纤毛 中 ,他 位 。546 。 7 \ oS by a \ 3x29 nm | FER 具 附 属 鞘 突 的 PRE 具 放 射 辐 条 的 5b — RK 图 10-31 弯曲 纤毛 基部 图 解 , 示 放射 辐 条 ( 按 三 个 一 图 10-32 纤毛 的 冰冻 蚀刻 电子 显 微 组 编号 ) 如 何 作为 沿 各 二 联 体 微 管 长 轴 的 标记 物 。 纤 镜 照 片 , 示 动力 蛋白 蓝 像 间隔 有 规则 毛 两 侧 辐 条 的 累进 位 移 表 明 ， 两 侧 的 二 联 体 微 管 在 作 的 棒 糖 一 样 ， 由 外 围 二 联 体 伸 出 ;而 相对 滑动 。 这 种 滑动 也 表现 在 轴 丝 顶端 ?弯曲 纤毛 内 与 相 邻 二 联 体 接 触 。 侧 的 二 联 体 就 突出 在 外 侧 的 二 联 体 之 外 。( 见 图 10-30B) (John Heuser 赠 ) 由 于 呼吸 道 纤毛 不 会 运动 ,无 法 清除 来 自 肺 、 窦 的 粘液 ， 而 通常 具有 漫长 的 伴随 多 发 性 支 气管 炎 和 慢性 窦 炎 的 呼吸 道 病 史 。 值得 注意 的 是 ， 大 约 一 半 患 有 纤毛 不 动 综合 征 的 病人 还 具有 一 种 极为 罕见 的 所 谓 内 上 脏 逆 位 , 即 通 稼 不 对 称 的 心 \ 肠 ` 肝 和 附属 器 官 的 位 置 与 正常 的 位 置 正好 相反 (整个 异 稍 的 复合 体 即 通常 所 说 的 Kartagener 综合 征 )。 因此 ， 人 体 早期 发 育 期 间 的 纤毛 单 向 挥动 。 被 认为 可 能 对 于 法 定 躯 体 的 正常 左右 对 称 起 着 决定 性 作用 。 微 管 滑 向 纤毛 弯曲 的 转化 有 赖 于 内 鞘 ” 辐 条 和 内 峙 看 来 控制 动力 蛋白 臂 的 活性 ,使 它 能 在 纤毛 中 产生 一 种 连贯 性 的 波动 。 要 \ asses" 是 所 有 动力 蛋白 臂 都 像 收 缩 肌 中 的 肌 球 蛋白 头 一 样 被 同时 激活 ， 轴 丝 就 只 会 扭曲 成 为 一 个 柠 紧 的 螺旋 。 为 能 产生 一 种 以 连贯 性 波动 由 纤毛 基部 传播 至 顶部 的 局 部 弯曲 ,就 要 有 协调 动力 蛋白 臂 作用 的 控制 。 这 种 控制 依赖 的 不 会 是 Ca” 或 其 他 离子 的 注 和 人 ， 因 为 如 上 所 述 ， 轴 丝 没 有 质 膜 仍 会 挥动 。 大 概 单个 动力 蛋白 臂 的 活化 ， 必 须 依 靠 轴 丝 其 余部 分 的 通过 蛋 曰 闻 相 互 作 用 传递 的 机 械 运动 。 图 10-33 《〈A) 将 不 会 运动 的 衣 莹 突变 型 的 无 放射 辐 条 峙 毛 ( 右 ) 与 野生 型 的 正常 六 毛 ( 左 ) 在 横 切 面 和 纵 切 面 上 进行 比较 的 电子 显微镜 照片 。(B) 当 用 双向 凝 胶 电泳 分 析 这 些 鞭 毛 的 蛋白 质 时 发现 ， 突变 型 缺少 许多 蛋白 质 。 箭 头 所 示 即 为 其 中 17 种 蛋白 质 的 位 置 ,它们 均 为 辐 条 组 分 。 在 突变 型 中 改 变 的 只 是 这 17 种 中 的 一 种 , 但 因此 蛋白 质 为 辐 条 装配 所 必需 , 而 由 此 形成 的 鞭毛 即 缺乏 所 有 这 些 和 蛋白质 。( 引 自 G. Piperno, B. Huang，Z. Ramanis, and D. Luck, J. Cell Biol. 88:73— 79, 1981 3% ARMAS MEARS HD 纤毛 的 内 鞘 看 来 涉及 这 种 “请 向 弯曲 ”的 转变 。 在 一 些 纤 毛 中 , 弯曲 方向 似 由 中 央 微 管 对 的 取向 所 决定 ,而 有 效 挥动 便 位 在 等 分 二 中 央 微 管 的 平面 中 。 另 一 些 轴 丝 生来 就 缺乏 中 央 微 管 对 ( 故 呈 9 十 0 排列) 它们 或 像 多 种 细胞 的 分 裂 间 期 形成 的 异常 单 生 纤毛 (所 谓 初 级 纤毛 ) 一 样 不 会 运动 ,或 像 一 些 昆 虫 精子 尾巴 一 样 运动 很 慢 。 关 于 弯曲 控制 的 进 一 步 证 据 来 自 缺 乏 内 鞘 或 辐 条 的 衣 营 突变 型 。 虽然 这 些 突变 型 中 的 无 膜 轴 丝 是 瘫痪 的 , 若 经 蛋白 酶 处 理 , 二 联 体 微 管 仍 会 相对 谓 动 。 这 一 事实 表明 ,动力 蛋白 臂 的 活化 通常 受 其 蛋 白质 抑制 , 通过 辐 条 和 内 鞘 传递 的 信息 则 可 解除 这 种 抑制 ,而 产生 整个 鞭毛 动力 蛋 折 臂 的 一 种 有 组 织 的 活化 型 式 。 小 结 纤毛 具有 一 个 圆柱 形 核心 ， 内 含 一 国 九 条 二 联 体 微 管 ， 使 纤毛 通过 相对 滑动 发 生 弯 曲 。 从 每 个 微 管 二 联 体 伟 出 由 动力 蛋白 组 成 的 侧 臂 。 这 些 动 力 蛋白 避 与 一 相 邻 二 联 体 之 。548 。 间 疯 接触 被 认为 是 通过 动力 蛋白 来 激活 ATP 水 解 , 并 注 征管 之 问 产 生 二 种 滑动 力 ， 诺 如 连 丝 蛋白 之 类 的 辅助 蛋白 将 环 状 排列 的 微 管 二 联 体 捆 在 一 起 * 使 其 滑动 范围 受到 限制 。 其 他 辅助 蛋白 则 同 纤毛 中 央 的 一 对 单 微 管 一 起 ,负责 调节 外 围 二 联 体 微 管 的 滑动 ,从 而 产 生 构 成 纤毛 挥动 基础 的 周期 性 纤毛 这 曲 。 作为 动态 装配 物 的 微 管 和 肌 动 蛋白 丝 的 一 般 特 征 肌 原 纤维 和 纤毛 都 是 较 永 久 的 专门 产生 重复 运动 的 结构 。 但 多 数 细胞 运动 依赖 的 却 是 在 细胞 周期 的 特定 阶段 或 应 答 外 来 信号 时 出 现 ， 而 后 又 消失 的 不 稳定 结构 。 其 中 最 熟 悉 的 是 在 细胞 分 裂 期 间 形 成 的 有 丝 分 到 纺 锤 体 及 收缩 环 。 这 些 及 其 他 细胞 运动 结构 都 是 由 微 管 和 肌 动 蛋白 丝 形成 的 。 它们 从 细胞 质 中 的 可 溶 微 管 蛋 白 和 肌 动 蛋白 库 装 配 ,而 当 其 不 再 需要 时 即行 解 聚 。 本 节 将 详细 描述 一 些 有 灯 于 这 种 暂时 装置 的 运动 ， 并 论 及 使 这 些 运动 成 为 可 能 的 答 管 蛋白 和 肌 动 蛋白 的 性 质 。 微 管 是 对 专 一 抗 有 丝 分 裂 药 物 敏感 的 高 变 不 稳定 结构 细胞 中 的 许多 微 管 的 排列 都 是 不 稳定 的 ,而 有 些 细 胞 的 功能 就 有 赖 于 这 种 不 稳定 性 。 在 有 丝 分 裂 间 期 , 微 管 从 细胞 中 央 辐 射 到 细胞 质 各 处 ， 但 当 有 丝 分 裂 刚 一 开始 ,这 些 细 胞 质 微 管 即 随 有 丝 分 裂 纺锤 体 微 管 开始 形成 而 解 聚 。 到 有 丝 分 裂 结束 , 这 一 过 程 又 会 逆转 过 来 。 在 一 种 与 变形 虫 密切 相关 的 单 细 胞 生物 太阳 虫 的 摄食 触手 中 ， 还 发 现 了 一 种 更 特 别 的 情形 。 每 个 触手 都 含有 包装 成 一 个 平行 束 的 数 百 条 微 管 (图 10-34)。 在 摄食 过 程 中 , 触手 常常 迅速 缩 进 胞 体 , 以 摄取 被 捕获 的 任何 猎物 。 这 种 缩 进 是 由 于 微 管 的 迅速 解 聚 而 引起 的 。 解 聚 也 可 通过 低温 或 Ca’* 处 理 产生 ;一 旦 升 高 温度 或 除去 Ca ,触手 和 微 管 又 会 迅速 重新 形成 。 上 述 这 类 过 程 都 有 赖 于 微 管 与 一 可 溶性 胞 质 库 之 间 的 微 管 蛋白 分 子 的 交换 : 在 一 典 型 培养 细胞 中 ,已 确定 只 有 50% 的 微 管 蛋白 是 在 正常 生长 条 件 下 聚合 的 。 但 不 同 微 管 结 构 的 稳定 性 差异 很 大 ,有 丝 分 裂 纺锤 体 就 是 最 不 稳定 的 一 个 。 这 种 不 稳定 性 可 见于 纺锤 体 对 各 种 与 微 管 蛋白 结合 并 阻止 其 聚合 的 药物 的 高 度 敏 感性 在 这 些 药物 中 , 以 由 草地 藏 红 花 抽 提 得 到 的 一 种 生物 碱 一 一 秋水 仙 碱 的 历史 最 长 ， 早 从 古 埃及 时 代 起 即 已 被 用 于 医 治 痛风 。 一 分 子 秋水 仙 碱 (图 10-35) 可 同一 个 微 管 蛋白 二 聚 体 紧 密 结合 , 从 而 阻止 它 的 聚合 。 在 分 裂 细胞 中 加 入 秋水 仙 碱 (或 相关 化 合 物 乙 酰 甲 基 秋 水 仙 碱 )， 就 会 导致 有 丝 分 虱 纺 狂 体 消失 ,使 细胞 阻 断 于 有 丝 分 裂 期 ( 见 629 页 )o 这 类 化 合 物 因 此 而 叫做 抗 有 丝 分 裂 药物 ( 表 10-4)e。 除去 这 类 药物 即 可 使 纺锤 体重 新 形成 , 有 丝 分 裂 继 续 进 行 。 长 青花 碱 和 KAM MEAN HMB, MR ZAHA. 它们 的 效用 在 于 有 丝 分 裂 纺锤 体 微 管 的 珠 解 优先 杀 死 了 迅速 分 裂 的 细胞 。 3 加 入 不 同类 型 的 另 一 药物 taxol 却 会 增加 (而 非 减 少 ) 体 外 微 管 蛋白 的 聚合 : 若 加 到 细胞 , 则 导致 游离 微 管 蛋白 装配 成 为 微 管 。 同 样 ,D;O( 重 水 ) 也 会 导致 一 种 向 微 管 蛋白 聚 合 的 转变 。 例 如 ,因此 而 增加 了 有 丝 分 裂 纺 锤 体 内 的 微 管 数 。 但 令 人 惊异 的 是 ,由 taxol 或 D,O 所 导致 的 细胞 内 微 管 稳定 性 的 增加 ， 对 于 微 管 功 能 却 像 其 解 聚 一 样 有 害 : 凡 由 taxol > 549 。 或 DO 来 保持 微 管 稳定 的 细胞 无 法 通过 其 生长 周期 , 而 停止 于 有 丝 分 裂 期 。 因 此 ,为 正 常 行使 功能 ,似乎 至 少 要 有 一 些微 管 处 在 动态 的 装配 和 解 聚 状 态 。 调 世 微 管 装配 或 影响 其 稳定 性 的 因 了 ,将 在 下 一 节 讨 论 。 现在 我 们 将 转向 一 些 依赖 于 肌 动 蛋 折 丝 装配 的 细胞 过 程 及 肌 动 蛋白 和 微 管 蛋白 聚合 的 动力 学 。 在 细胞 中 不 断 形成 和 破坏 的 肌 动 蛋白 允 “ 肌 动 蛋白 在 细胞 内 迅速 装配 成 为 纤维 有 几 个 很 明显 的 例子 。 印 象 最 次 的 一 个 是 无 脊椎 动物 精子 的 顶 体 反应 例如 , 当 海 胆 精子 逼近 卵子 时 ， 会 突然 放出 一 根 很 细 的 质 体 丝 (acrosomal process) ; 像 鱼 又 一 样 刺 穿 卵 子 被 膜 , 致 使 精 、 卵 二 膜 得 以 融合 〈 图 10-36)。 成 熟 的 顶 体 丝 大 约 含 有 25 条 很 长 的 肌 动 蛋白 丝 ， 它 们 是 由 肌 动 蛋白 分 子 通过 一 种 几乎 是 爆发 式 的 聚合 而 产生 的 ， 其 延伸 速度 可 达 每 秒 10wm 。 另 一 个 显著 “例子 。 风 发 生 在 血小板 中 。 血 小 板 为 缺乏 图 10-34 (〈A) 太 阳 虫 4czzosppaexiz72 的 光学 显 微 BRA (B)Actinosphaerium 摄食 触手 横 切 面 的 电子 显微镜 照片 。 每 个 触手 核心 均 由 微 管 组 成 的 两 个 同心 螺旋 形 物 所 构成 。(Lewis Tilney 赠 ) 10-35 ”秋水 御 碱 的 化 学 结 构 细胞 核 和 核糖 体 的 圆 形 细胞 片段 ,它们 能 在 血管 损伤 时 迅速 改变 形状 ,并 局 部 分 论 一 些 化 学 介 体 来 应 答 〈( 见 图 16-35)。 在 此 反应 过 程 中 , 血小板 上 出 现 了 许多 可 在 血块 形成 和 收 缩 中 起 作用 的 细 突 起 。 这 些 突起 含有 大 量 肌 动 蛋白 丝 , 是 由 未 聚合 的 肌 动 蛋 息 库 迅速 形 Ki. 其 后 的 收缩 不 是 由 于 解 离 ， 而 是 由 于 这 些 肌 动 蛋 折 丝 与 肌 球 蛋白 的 相互 作 用 所 Blo 在 多 种 细胞 表面 , FLA HL PEATE ARE (A 10-37), 这 些 结构 含有 一 个 由 肌 动 蛋白 丝 组 成 的 核心 ,它们 的 伸 出 和 缩 进 即 分 别 由 肌 动 蛋 折 的 聚合 和 解 聚 所 引起 : 例 如 ,在 一 个 未 受精 的 海胆 卵 表面 , 大 约 履 有 130 000 根 短 微 绒毛 。 当 卵 受精 时 , 皮质 颗粒 与 质 膜 的 融合 使 卵 的 表面 积 增加 一 倍 以 上 ， 这 种 额外 膜 就 是 由 微 绒毛 延伸 供给 的 。 每 根 微 绒毛 的 长 度 在 几 秒 之 内 即 可 由 0.3 wm 增 至 lam, 生物 化 学 实验 表明 , 这 种 延长 伴随 着 肌 动 蛋白 的 大 规模 聚合 。 在 诺 如 未 活化 的 精子 和 圆 形 血小板 之 类 的 细胞 中 ， 相 当 比 例 的 未 聚合 的 肌 动 蛋白 是 © 550 “oC fal — Fh eR HM rill SG Cprotilin) HEA RAAH Lebk,—-MeRUN. SSNBEA BA RHILT AA Sitka) wa. 这 种 16 000 道 尔 顿 的 蛋白 质 , SUAS eee hi ee 一 复合 物 ， 从 而 阻止 了 它们 的 聚合 。 似 乎 通过 隔离 肌 动 蛋白 分 子 , 抑 制 蛋白 即 可 作为 一 种 缓冲 剂 ,使 游离 肌 动 蛋 怕 的 有 效 浓度 保持 在 一 个 恒定 水 平 ;而 且 削 弱 抑 制 蛋白 - 肌 动 蛋白 相互 作用 的 调节 机 制 ， 原 则 上 也 能 触发 细胞 内 肌 动 蛋白 分 子 的 聚合 。 事 实 上 ， 细 胞 含有 许多 其 他 结合 肌 动 蛋白 的 蛋白 质 ， 其 中 一 些 则 与 抑制 蛋白 一 起 协同 控 制 细胞 质 中 肌 动 蛋白 丝 聚 合 的 形成 和 状态 。 改变 肌 动 蛋白 聚合 的 状态 ， 从 而 影响 细胞 行为 的 专 一 性 药物 2 在 所 有 细胞 的 肌 动 蛋 旦 分 子 与 肌 动 蛋白 丝 之 间 ， 都 存在 着 一 种 动态 平衡 ， 而 这 种 平衡 又 在 诸如 移动 和 吞 唉 之 类 的 各 种 细胞 运动 中 起 作用 。 但 是 难以 在 这 种 情况 下 图 10-36 ”显示 海胆 精子 顶 体 丝 延 伸 进 程 的 光学 显微镜 照片 在 人 工 活 化 精子 进行 顶 体 0 ee eee 反应 后 2 秒 开始 拍摄 每 张 间隔 0.75 秒 精 ER 子 头 部 右 方 的 驶 形 则 是 已 弯 出 视野 的 部 分 精子 尾巴 。( 引 自 L. G. Tilney and S. Inoug, 10-37 ”于 盖 在 培养 癌 细 胞 表面 的 短 的 J. Cell Biol. 93:820 一 827,1982. 洛克 菲 肌 动 蛋白 微 绒毛 的 扫描 电子 显微镜 照片 。 勒 大 学 出 版 社 同意 复制 ) (Giinter Albrecht-Buehler 赠 ) 检测 肌 动 蛋白 聚合 中 的 变化 。 因 为 它们 和 精子 或 血小板 的 活化 不 同 ， 不 会 产生 持续 时 间 较 长 而 易于 鉴定 的 效应 。 然而 。 影响 肌 动 蛋白 聚合 状态 的 药物 已 表明 会 破坏 许多 这 些 细胞 的 运动 CK 10-4), 例如 ,细胞 松弛 素 ( 图 10-38)， 是 一 族 由 各 种 霉菌 分 这 的 代谢 产物 , 会 使 许多 不 同类 型 的 脊椎 动物 细胞 运动 瘫痪 一 抑制 细胞 移动 吞噬 、\ 胞 质 分 裂 ， 以 及 抑制 叫做 微 刺 的 微小 细 胞 附属 器 的 产生 (〈 见 565 页 ) 和 上 皮层 的 折 和 县 成 管 。 但 是 ,它们 不 会 抑制 主要 涉及 微 管 的 有 丝 分 裂 , 也 不 会 影响 并 不 涉及 肌 动 蛋白 丝 装配 和 解 聚 的 肌肉 收缩 细胞 松弛 素 是 通过 专 一 地 结合 肌 动 蛋白 丝 一 端 (相当 于 以 S1 修饰 的 肌 动 蛋白 丝 的 “ 倒 刺 ” 端 )。 从 而 阻止 肌 动 蛋 en BOT Baws Mm VE A olaieihniesaliuhmolanbed (Amanita phalloides) 产生 的 剧 毒 生物 碱 。 同 细胞 松弛 310-4 结合 肌 动 蛋白 或 微 管 蛋 白 的 一 些 药 物 _f HF RK 结合 微 管 蛋 白 的 药物 PAAR AW BR, ZB BL EK AK AR 抑制 微 管 蛋 白 分 子 加 到 微 管 * 导 致 油管 解 聚 长 春花 碱 ,长 春 新 碱 诱导 形成 微 管 蛋白 的 拟 晶体 聚集 物 taxol 稳定 微 管 结合 肌 动 蛋白 的 药物 细胞 松弛 素 (B\D EE) 抑制 肌 动 蛋白 分 子 加 到 肌 动 蛋白 丝 , 导 致 纤 丝 解 聚 和 鬼 笔 毒 环 肽 稳定 肌 动 蛋白 丝 素 相反 , 它 使 肌 动 蛋白 丝 保 持 稳 定 , 并 使 其 解 聚 受到 抑制 。 这 种 药物 不 易 穿 过 质 膜 , 故 须 Lip Ea ip —HB#A Zia» 即 可 见鬼 笔 毒 环 肽 会 阻止 原生 动物 变形 虫 和 各 组 织 培 养 的 贿 椎 动物 细胞 的 迁移 ， 从 而 表明 肌 动 蛋白 丝 的 动态 装配 和 解 聚 ， 对 于 这 些 Heche — CH eos / t 肌 动 蛋白 丝 Hs" CH Wy A 《加 肌 动 蛋 自 单 体 的 1 HC / 临界 浓度 ) CH S i“ HC Ge do | NH HC on,” cH, A | 延迟 相 at jo] om yg 聚合 开始 细胞 松弛 素 B ， 图 10-38 细胞 松弛 素 B 的 化 图 10-39 按 增加 粘度 度量 的 肌 动 蛋白 聚合 的 过 程 。 聚 合 通常 系 由 学 结构 离子 强度 增加 所 启动 * 并 如 此 处 所 示 ?， 往 往 接着 起 始 延 迟 相 进 行 。 运动 至 关 重 要 。 由 于 鬼 笔 毒 环 肽 使 肌 动 蛋白 丝 保 持 稳 定 是 通过 高 度 专 一 地 沿 长 轴 与 其 结 合 , 故 其 荧光 衍生 物 已 被 用 于 细胞 内 肌 动 蛋白 丝 的 染色 ( 见 图 10-78)o 可 在 体外 研究 肌 动 蛋白 和 微 管 蛋 白 的 聚合 试管 中 的 纯化 肌 动 蛋白 的 性 质 为 此 蛋白 质 在 活 细胞 中 的 聚合 是 如 何 被 控制 的 提供 了 重要 线索 。 像 前 面 已 经 提 到 的 那样 ,骨骼 肌 肌 动 蛋白 能 在 体外 自然 装配 成 为 纤维 ,而 其 他 组 织 的 肌 动 蛋白 也 表现 出 极为 类 似 的 情形 。 确实 , 从 像 粘 菌 和 关 椎 动物 那样 相距 很 远 的 来 源 获 得 的 肌 动 蛋白 会 共聚 为 混合 肌 动 蛋白 丝 。 现 在 我 们 就 来 分 析 这 种 自发 反应 的 动力 e 552 2 学 。 肌 动 蛋白 的 有 效 聚 合 需要 ATP。 这 种 核 昔 酸 同 未 聚合 的 肌 动 蛋白 分 子 结合 并 当 肌 动 蛋白 分 子 加 至 聚合 物 时 发 生 水 解 。 聚 合 的 速度 则 非 始 终 如 一 ,而 是 开始 时 有 一 延迟 相 ， 此 时 粘度 无 明显 增加 (图 10-39)。( 前 已 述 及 , 肌 动 蛋白 的 聚合 ， 是 由 肌 动 蛋白 溶液 离子 强度 增加 所 致 ,并 可 通过 粘度 测量 进行 鉴 测 )。 延 迟 相 被 认为 反映 了 这 样 一 个 事实 ， 即 纤 丝 形成 的 第 一 步 特别 困难 。 在 此 期 间 。 必须 使 二 或 三 个 肌 动 蛋白 分 子 按 特 殊 几何 构象 聚 集 在 一 起 。 这 就 是 通常 所 说 的 集结 作用 (nucleation), 一 旦 此 步 完成 ， 进 一 步 问 纤 维 末 端 未 加 肌 动 蛋白 分 子 即 可 迅速 进行 。 é 净 解 聚 EE . 至 #4 pA rf zi 六 Ra | z = ris | | 9 | 临界 浓度 肌 动 蛋白 单 体 浓度 图 10-40， 肌 动 蛋白 丝 在 不 同 游离 肌 动 蛋白 分 子 浓度 下 的 生长 速度 。 低 于 临界 浓度 无 纤 丝 形 成 ， 存在 的 一 些 纤 丝 也 会 进行 负 生长 ( 亦 即 解 聚 )。 高 于 临界 浓度 则 纤 丝 形成 ， 并 通过 在 其 末端 添加 肌 动 蛋白 分 子 进 行 生长 。 但 随 游离 肌 动 蛋白 分 子 消耗 ， 其 浓度 下 降 , 直至 达到 临界 浓度 。 此 时 ， 净 生 长 速度 等 于 零 y 而 游离 肌 动 蛋白 分 子 与 纤 丝 达到 平衡 。 肌 动 蛋白 单 体 浓 度 最 终 会 降 到 一 点 , 即 分 子 结合 到 纤 丝 和 由 纤维 解 离 的 速度 相等 的 、 称 之 为 临界 浓度 的 游离 肌 动 蛋白 浓度 。 低 于 临界 浓度 肌 动 蛋 白 装配 即 无 法 进行 ,已 装配 的 纤 丝 也 开始 解 聚 (图 10-40)。 有 一 些 在 细胞 内 同 肌 动 蛋白 结合 的 蛋 白 质 ， 在 体外 已 表明 具有 集结 肌 动 蛋白 聚合 的 作用 ,而 影响 肌 动 蛋 昌 丝 的 形成 。 类 似 于 肌 动 蛋白 的 那些 装配 实验 可 用 纯化 的 能 形成 微 管 的 可 溶性 蛋白 一 一 微 管 蛋 白 来 进行 。 早 已 提 到 ， 微 管 蛋白 通常 以 含有 一 个 x- 微 管 蛋白 和 一 个 p- 微 管 蛋 白 多 肽 的 二 _ 聚 体 分 子 存在 ， 并 与 将 在 聚合 过 程 中 水 解 的 GTP 结合 。 但 是 除了 可 交换 的 在 聚合 过 程 中 水 解 成 GDP 的 GTP 之 外 ,各 微 管 二 聚 体 还 含有 一 分 子 紧 密 结合 的 GTP， 它 不 参与 .到 应 ;作用 尚 不 清楚 。 因 而 最 终 构 成 微 管 的 每 个 微 管 蛋 白 二 聚 体 含 有 一 分 子 GTP 和 一 分 ed ed we 在 试管 中 聚合 形成 的 微 管 与 细胞 中 见 到 的 那些 微 管 相 似 〈 图 10-41), 它们 在 高 温 G7°C)RG >. MF iki (4°c ) 解 聚 。 在 细胞 内 使 微 管 解 聚 的 药物 ， 如 秋水 仙 碱 或 长 青花 fist ARK taxol 那样 使 微 管 保 持 稳定 的 药物 ， 在 体外 系统 中 也 具有 相应 效果 。 此 外 , 微 | 管 辅助 蛋白 〈 见 558 页 ) 和 征调 节 和 蛋白 〈 钙 调和 蛋白) 见 722 页 ) 存 在 时 , 体外 的 微 管 装配 即 。553，。 被 完全 阻 断 ,或 可 被 微 摩 尔 量 的 Cat+ 逆转 。 这 一 事实 有 力 地 表明 ，Cax+ ATA 的 微 管 装配 。 如 图 10-39 和 10-40 所 示 ， 微 管 蛋白 装配 的 动力 学 与 肌 动 蛋白 装配 的 动力 学 十 分 相 似 。 由 于 形成 微 管 起 始 片 朋 而 出 现 的 延迟 相 发 生 在 较 迅 速 的 延长 相 之 前 。 游 离 的 微 管 蛋 图 10-41 通过 试管 内 聚合 制备 的 微 管 的 电子 显微镜 照片 。 微 管 是 在 电镜 观察 前 离心 成 为 沉淀 并 WA. (Olav Behnke 赠 )。 右上 角 插 图 中 为 类 似 微 管制 品 ， 放 大 倍数 稍 高 ， 以 模 切 面 为 主 。 (Richard Linck J) ty Qe oe 白 也 有 一 临界 浓度 ， 低 于 此 浓度 聚合 即 无 法 进行 。 像 基体 之 类 的 结构 ， 中 在 体外 和 细胞 内 .都 可 作为 微 管 集结 中 心 而 起 作用 (这 些 结构 将 在 本 章 稍 后 部 分 讨论 )。 上 co 了 肌 动 蛋白 丝 和 微 管 都 是 两 端 生长 速度 不 同 的 极 性 结构 ” AL 肌 动 蛋白 及 微 管 蛋白 聚合 物 之 所 以 具有 极 性 ， fir FIER RII Wo BSRANAAREANAMA EEA ARAN EM BAA Ete 两 端 生长 程度 上 有 所 不 同 中 起 重要 作用 。 专 二 蛋白 质 与 肌 动 蛋白 和 徽 管 蛋白 两 者 的 结合 ,已 被 有 效 地 用 于 测定 它们 的 极 性 。 合 有 肌 球 蛋白 分 子 头 部 区 域 的 肌 球 蛋白 Sl 片段 , 按 图 10-14 所 示 的 特有 箭头 图 形 , 装 饰 肌 动 蛋白 。 微 管 虽 无 如 此 方便 的 标记 ,但 最 近 发 现 ,在 特定 实验 条 件 下 ,游离 微 管 蛋白 分 子 会 加 到 原 有 微 管 外 侧 ,而 形成 横 切 面 呈 钩 状 的 弯曲 原 丝 层 。 此 钩 呈 顺 时 针 或 反 时 针 指 向 则 取 。554 。 决 于 微 管 极 性 。 在 神经 细胞 轴 突 、 纤 毛 ， 以 及 有 丝 分 裂 和 间 期 细胞 的 有 中 心 粒 的 区 域 中 ,也 已 表明 微 管 以 一 致 的 、 相 同 的 极 性 而 伸展 。 图 10-42 ”显示 微 管 在 一 端 优先 生长 的 电子 显微镜 照片 。 当 纤 毛 轴 丝 断 片 与 脑 微 管 蛋 白 在 聚合 条 件 下 温 育 时 ,由 轴 丝 一 端 ( 相 当 于 远离 完整 纤毛 基体 的 一 端 ) 产 生 的 微 管 , 比 从 另 一 端 产生 的 生长 快 (A) 在 (B) 图 中 ， 由 纤毛 外 国 二 联 体 的 小 断 片 产 生 的 微 管 ， 也 显示 出 生长 的 不 对 称 性 。 (Gary Borisy 赠 ) 在 肌 动 蛋白 丝 和 微 管 中 , 两 相反 未 端 生 长 和 解 聚 的 速度 都 很 不 相同 。 微 管 生 长 的 这 种 不 对 称 性 ,可 以 通过 先 让 微 管 蛋 白 分 子 在 纤毛 轴 丝 的 短片 眉 上 聚合 片刻 ,而 后 再 作 电 镜 检 查 来 进行 观察 (图 10-42)。 由 此 即 可 见 到 ,一 端 延 长 的 速度 是 另 一 端的 三 倍 。 生长 较 快 的 一 端 [ 称 为 (十 ) 端 ], 已 表明 是 纤毛 中 背 向 基体 的 一 端 ; 也 是 细胞 中 疝 正 在 生长 的 纤毛 水 加 微 管 蛋白 分 子 的 一 端 。 对 肌 动 蛋白 丝 所 作 的 类 似 实验 证 明 ， 生 长 较 快 的 一 端 相 当 于 肌 肉 中 埋 置 于 乙 盘 的 肌 动 蛋白 丝 未 端 。 似 乎 在 所 有 细胞 中 都 可 能 存在 着 选择 性 地 同 肌 动 蛋 白 丝 和 微 管 的 一 端 或 另 一 端 结合 的 蛋白 质 。 据 估计 ， 这 种 覆盖 蛋白 可 能 在 决定 细胞 骨 架 的 空间 排列 上 起 着 关键 性 作用 一 一 使 纤 丝 通过 结合 端 附着 到 其 他 细胞 结构 上 。， 并 分 别 控 制 亚 单位 在 任 一 末端 的 落 加 或 丢失 。 因 此 ， 肌 动 蛋白 丝 和 微 管 的 空间 结构 及 稳定 性 也 可 能 主要 取决 于 附着 到 它们 两 端的 那些 蛋白 质 。 肌 动 蛋白 和 微 管 蛋白 的 多 聚 体会 出 现 亚 基 的 “踩踏 车 “现象 肌 动 蛋白 和 微 管 蛋白 的 聚合 ,实际 上 并 不 需要 能 量 , 甚 至 在 不 能 水 解 的 核 苷 三 磷酸 类 似 物 存在 下 也 会 发 生 装 配 。 但 是 核 音 三 磷酸 在 聚合 期 间 的 水 解 ， 使 肌 动 蛋白 和 微 管 蛋 白 分 子 在 其 进入 多 聚 体 时 形状 发 生 改 变 ， 就 像 肌 球 蛋白 头 部 构象 随 其 ATP 水 解 而 改变 一 样 。 结 果 游 离 分 子 对 聚合 物 一 端的 亲和力 就 变 得 比 对 另 一 端的 大 。 换 名 话说， 纤 丝 一 端 ° 555 ° 《+ ) 端的 临界 浓度 Cy eas ee ee 微 管 生长 速度 游离 微 管 蛋白 二 聚 体 的 浓度 10-43 在 不 同 游离 微 管 蛋白 二 聚 体 浓度 下 的 微 管 生长 速度 。 除 纤 丝 (此 即 微 管 ) 两 端 具有 不 同 生长 速度 和 不 同 临界 浓度 外 ， 此 图 与 图 10-40 相似 。 因 此 ?游离 微 答 蛋 白 浓 度 有 一 个 范围 ( 斜 线 区 域 多 在 此 微 管 一 端 (十 ) 聚 合 而 在 另 一 端 (一 ) 解 聚 。 当 游离 微 管 蛋白 与 微 管 在 体外 达到 平衡 时 ， 即 无 兆 生 长 出 现 , 因 为 微 管 蛋白 分 子 脱离 一 端的 速度 。 与 其 加 到 另 一 端 上 的 速度 相等 。 在 此 条 件 下 ， 微 管 长 度 不 变 ， 而 出 现 微 管 蛋白 分 子 的 踩踏 车 现象 ( 见 图 10-44)。 10-44 显示 微 管内 的 微 管 蛋 白 分 子 踩踏 车 的 图 解 。 在 达到 平衡 时 ， 微 管 蛋白 分 子 (作为 08 杂 HFK) ASME A PRE. IE CTP 存在 下 ,一 端 (十 ) 为 净 增加 ， 而 另 一 端 为 净 丢 失 。 结 果 微 管 蛋 白 (这 里 用 深 色 表 示 ) 便 连续 不 断 地 从 微 管 一 端 移动 到 了 另 一 端 。 肌 动 蛋 良 丝 可 能 存在 类 似 情形 ， 其 中 的 踩踏 车 则 由 ATP 水 解 驱动 。 [( 十 ) 端 ] 的 临界 浓度 一 一 定义 为 添加 速度 与 解 离 速度 相 平衡 时 的 浓度 ( 见 第 553 页 ) 一 一 将 比 另 一 端 [( 一 ) 端 ] 的 来 得 低 。 这 就 导致 一 个 重要 后 果 ， 即 当 游 离 肌 动 蛋白 或 微 管 蛋白 分 子 浓 度 居 中 时 , 纤 丝 可 能 会 以 一 端 分 子 解 离 占 优势 ( 但 非 全 部 ), 而 另 一 端 添加 占 优势 的 稳定 状态 一 一 一 种 称 之 为 踩踏 车 〈treadmilling) 的 现象 一 存在 (图 10-43)。 在 此 稳定 状态 下 ,添加 到 (十 ) 端 的 速度 等 于 从 《一 ) 端 丢 失 的 速度 。 多 聚 体 的 净 生 长 也 就 等 于 零 。 然而 ， 即 使 多 聚 体 的 净 长 度 不 变 ， 个 别 分 子 仍 会 被 连续 不 断 地 从 多 聚 体 一 端 转 移 到 另 一 端 (图 10-44)。 分 离 的 肌 动 蛋白 丝 或 微 管 唆 踏 车 需要 能 量 ， 由 核 背 三 磷酸 水 解 提 供 。 人 否 则 它 就 可 能 成 为 一 种 永 动机 ,而 违反 热力 学 定律 。 虽 然 唆 踏 车 只 是 在 体外 相当 特殊 的 条 件 “Je * | 下 证 实 的 ,但 完全 有 可 能 在 细胞 中 出 现 , 只 要 供给 各 种 链 杆 和 挽 具 ， 它 们 原则 上 可 被 用 于 推拉 其 他 物质 。 具有 不 同 聚 合 临 界 浓度 的 (十 ) 端 和 (一 ) 端 的 存在 ， 对 于 细胞 内 纤 丝 的 空间 结构 也 具 有 重要 影响 。 就 微 管 蛋白 来 说 ,已 有 证 据 表明 , 细胞 质 中 的 游离 分 子 浓 度 甚 低 ， 以 致 游离 微 管 从 其 解 离 的 (一 ) 端 委 失 分 子 的 速度 要 比 加 到 (十 ) 端 来 得 快 , 最 终 就 消失 了 。 因 此 ,在 细胞 中 只 有 男 着 在 其 (一 ) 端 的 微 管 才 有 希望 保持 稳定 (图 10-45)。 事实 上 , 已 发 现 微 管 就 是 从 叫做 组 织 中 心 的 特定 区 域 生 长 出 来 的 ， 组 织 中 心 能 保护 其 (一 ) 问 免 受 解 聚 。 在 下 一 节 中 ,我 们 将 对 其 中 一 些 结构 以 及 调节 微 管 活性 的 其 他 成 分 进行 剖析 。 (-) wep od (=) 端 无 保护 (一 ) 端 被 保护 8 (— ) 端 无 保护 C+ ) 端 的 净 装 配 《一 ) 端 的 净 解 聚 快 于 结果 : 微 管 生长 〈++) 端 的 净 装 配 结果 : 微 管 消失 图 10-45 胞 质 微 管 的 空间 控制 模式 : 假定 游离 微 管 蛋白 浓度 保持 在 这 样 一 个 数值 ， 以 致 于 两 端 游离 的 微 管 将 会 解 聚 ， 而 只 有 (+ ) 端 游离 的 微 管 会 生长 。 在 此 情形 下 ， 只 有 当 细 胞 含有 可 供 微 管 《一 ) 端 结合 的 固着 部 位 而 不 致 出 现 游离 微 管 时 ， 微 管 才 会 存在 。 小 结 除了 在 被 装配 成 像 肌 原 纤 维 或 纤毛 这 类 稳定 结构 的 场所 之 外 。 肌 动 蛋白 丝 和 微 管 均 为 不 稳定 结构 。 它们 能 迅速 地 从 细胞 内 可 溶性 亚 单位 库 形成 ， 而 当 不 再 需要 时 又 会 迅速 解 聚 。 装 配 和 解 聚 之 间 的 这 种 平衡 为 促进 或 抑制 聚合 的 专 一 性 药物 所 扰乱 ， 而 分 别 导 至 蛋白 丝 或 未 聚合 蛋白 分 子 的 异常 积聚 肌 城 蛋白 丝 和 微 管 可 在 试管 中 由 纯化 的 肌 动 蛋白 和 微 管 蛋 白 分 子 自然 形成 。 两 者 聚 合 过 程 相 似 , 均 因 须 形成 小 的 集结 片段 而 呈现 起 始 延 迟 相 , 又 都 伴随 着 核 苍 三 磷酸 一 一 肌 动 蛋白 为 ,AIP，, 微 管 蛋 白 为 , GTP- 一 的 水 解 。 装 配 多 聚 体 为 两 端 生长 速度 不 同 的 极 性 结 构 。 有 迹象 表明 ，, 纤 丝 在 其 他 细胞 结构 上 的 固着 及 其 装配 或 解 聚 , 均 可 在 任何 一 端 进行 接 lo 伴随 装配 而 发 生 司 核 彰 酸 水 般 至 少 可 在 体外 导致 一 种 稳定 的 “踩踏 车 状态: 肌 动 蛋白 或 答 管 蛋白 分 子 添 加 到 肌 动 蛋白 丝 或 微 管 的 一 端 ， 而 同时 又 均衡 地 从 号 一 端 解 离 下 来 。 微 管 组 织 中心 和 微 管 相关 和 蛋白 在 细胞 质 中 单 根 徽 管 就 像 容 易 弯 曲 的 棒 一 样 ， 对 于 细胞 的 价值 将 是 有 限 的 。 它 们 必 须 同 细胞 其 他 部 分 相连 接 ， 才 能 作为 一 种 结构 骨架 或 参与 细胞 运动 。 多 数 微 管 以 一 端 固 着 :纤毛 终止 于 基体 ,而 间 期 细胞 中 的 胞 质 微 管 则 终止 于 邻近 细胞 核 的 叫做 细胞 中 心 的 特 定 区 域 - 基 体 和 细胞 中 心 都 起 集结 中 心 的 作用 , 微 管 在 经 实验 处 理解 聚 后 由 之 再 生 ; 为 此 ， 它们 被 称 为 微 管 组 织 中 心 。 此 外 ,许多 微 管 都 是 通过 附着 于 其 长 轴 的 辅助 蛋白 ,而 得 以 稳 定 或 与 其 他 结构 连接 。 胞 质 微 管 同 其 他 蛋白 相关 联 ” 高 度 纯 化 的 微 管 蛋白 在 CTP 存在 下 会 自然 装配 成 微 管 ， 但 它 却 远 不 如 不 太 纯 的 制 - 剂 那么 有 效 。 促 进 脑 微 管 聚合 的 杂质 是 辅助 蛋白 , 它们 分 为 两 大 类 : MAPs【〈 微 管 相关 和 蛋 白 ), 其 多 肽 链 分 子 量 为 200 000 一 300 000, 以 及 tau 蛋白 ,分 子 量 为 60 000 一 70 000( 图 10-46)。 当 被 纯化 之 后 ,这 两 类 辅助 蛋白 能 诱导 纯化 的 微 管 蛋白 聚合 ,并 与 新 形成 的 微 管 相 结 合 。tau 蛋白 看 来 是 同时 与 几 个 微 管 蛋 白 分 子 结合 ,从 而 促进 微 管 蛋白 聚合 。MABs Hl0-46 SDS RAMMR 图 1?)- 和 显示 在 缺乏 (上 部 ) 或 存在 (下 部 )MAPs 的 情况 下 胶 电 访 图 ， 显示 出 存在 于 部 分 聚合 的 微 管 横 切 面 和 纵 切 面 的 电子 显微镜 照片 。 注 意 MAPs 纯化 的 脑 微 管 的 多 肽 。 沿 微 管 长 轴 结 合 , 并 增加 相 邻 油管 间 的 间隔 。( 引 自 H. Kim, L.I. Binder, and J. L. Rosenbaum,J. Cell Biol. 80:266 —276, 1979 .洛克 非 勒 大 学 出 版 社 同意 复制 ) 的 作用 相似 ,但 不 同 之 处 在 于 , 它 由 两 个 结构 域 组 成 : 一 个 同人 微 管 结合 ， 另 一 个 向 外 伸 出 而 可 能 涉及 微 管 同 其 他 细胞 组 分 的 交 联 (图 10-47)。 针对 这 两 类 蛋白 的 抗体 沿 细 胞 微 管 的 整个 长 轴 结 合 。MAPs 和 tau 蛋白 见于 多 数 脊 椎 动物 细胞 ,而 被 认为 一 即使 尚未 证 - 208 4 BA —— Aa Ba a ak 2 2 HB oe SRA GE SB HES RAMEE BOSC AMIDA EA, Se A a a 质 中 的 微 管 。 核 周 微 管 密度 最 高 ,并 以 花边 状 细 丝 向 细胞 边缘 辐射 ( 见 图 10-61)e 如 果 先 以 秋水 仙 碱 解 聚 ,然后 使 其 再 生 , 微 管 的 发 生 可 看 得 最 清楚 (图 10-48)。 最 早出 现 的 再 生 微 管 是 一 两 个 叫做 星体 的 微星 状 结构 。 然 后 向 细胞 边缘 延伸 。 直 至 重新 建立 原 有 布局 。 如 用 微 管 钩 (microtubule hooks) 装饰 培养 细 胞 的 微 管 ,以 测定 其 极 性 , 即 可见 其 (十 ) 端 均 背 向 原始 星体 中 心 一 REAR HD. 几乎 所 有 动物 细胞 在 其 叫做 细胞 中 心 或 中 心 体 的 主要 微 管 组 织 中 心 的 中 央 。 都 有 一 对 中 心 粒 。 其 结构 如 图 10-49 所 示 。 它 是 一 种 直径 为 0.1pm 、 长 度 为 0.3um 的 圆柱 体 。 勉 强 能 在 光学 显微镜 下 见 到 。 像 纤毛 和 鞭毛 的 基体 一 样 〈 图 10-49B)， 中 心 粒 三 联 微 管 也 呈 畴 重 排 布 。 Ri, REMAKE 组 织 中 心 都 含有 中 心 粒 。 例 如 ， 在 高 等 植物 的 有 丝 分 裂 细胞 中 ， 微 管 就 终止 于 全 无 中 心 粒 的 电子 密度 不 够 分 明 的 区 域 。 同 样 在 小 鼠 卵 母 细胞 的 减 数 分 裂 纺锤 体 中 ， 也 未 见 到 中 心 粒 ， 虽 然 它 们 后 来 出 现在 早期 发 育 的 胚胎 中 。 图 10-48 显示 培养 细胞 内 微 管 ， 在 接触 乙酰 甲 基 秋水 仙 碱 一 小 时 后 恢复 的 免疫 荧光 显微镜 照片 。 在 洗 去 乙酰 、 ， 甲 基 秋 水 仙 碱 后 再 于 不 同时 间 使 用 抗 微 管 蛋白 抗体 对 中 心 粒 和 基体 在 结构 上 相同 ， 在 功能 上 可 以 。 细胞 进行 染色 。 微 管 首先 呈现 为 星 状 体 ;而 后 向 细胞 周 Fi” 围 延伸 。( 引 自 M.Osborn and K. Weber,Proc.Nail. Acad. Sci. USA 73:867 一 871 ,19767 中 心 粒 和 基体 具有 即便 不 是 同一 也 是 极 为 类 似 的 结构 ,而 在 许多 情形 下 可 以 互相 转变 。 例 如 * 单 细胞 绿 藻 一 一 衣 藻 有 两 根 鞭 毛 , 每 根 都 有 一 个 基体 。 当 有 丝 分 裂 开 始 时 ,鞭毛 被 吸收 ,基体 即 移 至 一 近 核 部 位 ,在 那里 组 织 有 丝 分 裂 纺锤 体 。 在 有 丝 分 裂 后 ， 中 心 粒 再 次 变 为 基体 ， 鞭 毛 也 重新 出 现 。 组 织 培养 的 贿 椎 动物 细胞 往往 具有 从 其 细胞 中 心 长 出 的 初级 纤毛 ,其 微 管 呈 9 十 OP 排列 。 这 种 纤毛 不 会 摆动 ， 它 仅 由 成 对 中 心 粒 中 的 一 个 中 心 粒 产生 ， 而 在 细胞 开始 有 丝 分 裂 之 前 消失 。 在 许多 生物 体 中 ,好 像 卵子 都 不 具有 活性 中 心 粒 , 而 精子 却 含有 基体 (或 中 心 粒 )， 在 受精 期 间 供给 卵子 。 这 些 精 子 中 心 粒 起 着 为 第 一 次 卵 裂 组 织 有 丝 分 裂 纺 锤 体 的 作用 。 通 过 实验 ,将 衣 营 或 纤毛 原生 动物 四 膜 虫 的 纯化 基体 注入 蛙 卵 ， 也 会 产生 一 种 类 似 的 组 织 作 用 。 这 些 基 体 在 细胞 质 中 诱导 形成 有 丝 分 裂 星体 这 一 事实 证 明 ， 当 基体 存在 于 具有 分 裂 倾向 的 细胞 质 中 时 , 即 可 起 中 心 粒 作用 。 i (A) 图 10-49 (AOA. CHRASRKASAR. SA=ERAKHSA-TREMRCAUH) 和 两 个 与 之 融合 的 不 完全 微 管 (B 亚 丝 和 C WH), 其 他 蛋白 质 形 成 链 杆 ， 把 圆柱 形 排 布 的 微 管 结 合 在 一 起 ( 横 短线 部 分 )。 中 心 粒 结构 与 纤毛 基体 结构 基本 相同 。(B) 通 过 原生 动物 Saccizobac- culus ambloaxostylus 皮质 内 三 个 基体 的 断面 电子 显微镜 照片 。( 照 片 由 D. T. Woodrum 和 HR R. W. Linck 赠 ) Lis BB , LA : t or et . 3 人 了 二 Pe ¥ IE et HRSG ae oth SSE OF ik ch 豆 co 1 poh Aeagakp in a ' ay UE AM 图 10-50 显示 新 复制 的 一 对 中 心 粒 的 电子 显微镜 照片 。 每 对 中 心 粒 都 是 其 中 一 个 被 横 切 而 另 一 个 被 纵 切 ， 从 而 表明 ， 每 对 中 心 粒 的 两 个 成 员 均 相互 成 直角 排列 。〈 引 自 M. McGill, D. P. Highfield, T. M. Monahan, and B. R. Brinkley, J. Ultrastruct. Res. 57:43—53,1976) © 560° 中 心 粒 通常 由 复制 产生 ” 要 不 是 为 DNA 复制 和 中 心 粒 加 倍 这 两 个 分 立 的 复制 事件 所 破坏 ,细胞 质量 会 在 束 个 动物 细胞 局 期 不 断 增 加 。 中 心 粒 加 倍 导致 纺锤 体 极 形成 ,使 细胞 核 在 有 丝 分 裂 时 一 分 为 二 。 在 培养 的 成 纤维 细胞 中 ,中 心 粒 加 倍 约 与 DNA 合成 同时 开始 。 中心 粒 通 常 成 对 出 现 , 相 互 成 直角 排列 。 新 的 一 对 中 心 粒 则 在 原 有 一 对 中 心 粒 附 近 形 成 ,其 过 程 实际 上 在 所 有 真 核 生 物 中 都 是 一 样 的 。 首 先 ， 一 对 中 心 粒 的 两 成 员 分 开 ; 然后 。 在 每 一 中 心 粒 基部 (可 能 是 离 基 体 中 的 纤毛 最 远 的 一 端 ) 分 别 形 成 一 个 与 原始 中 心 粒 垂直 的 子 中 心 粒 〈 图 10-50; 也 见 图 11-19)。 未 成 熟 的 中 心 粒 含 有 九重 对 称 排 列 的 单 微 管 , 大 概 每 条 微 管 均 可 作为 一 个 装配 成 熟 中 心 粒 的 三 联 体 微 管 的 模板 。 在 可 能 具有 数 百 根 纤毛 的 糊 椎 动物 细胞 中 ， 前 体 细胞 的 中 心 粒 直接 参与 了 许多 所 需 基体 的 形成 。 例 如 ,在 输卵管 和 气管 中 内 衬 纤 毛 上 皮 细 胞 的 分 化 过 程 中 ,成 对 的 中 心 粒 从 其 近 核 的 通常 位 置 移 到 将 由 此 形成 纤毛 的 细胞 顶部 。 每 个 中 心 粒 在 那里 不 是 以 典型 方式 形成 一 个 子 中 心 粒 , 而 是 形成 许多 电子 致密 的 卫星“。 然 后 再 由 这 些 卫星 产生 许多 基体 ， 并 移 到 质 膜 而 开始 形成 纤毛 。 例 然 ,似乎 也 有 从 头 形成 中 心 粒 的 情形 。 例 如 ,虽然 一 些 种 类 的 未 受精 卵 像 是 缺乏 功 能 中 心 粒 ,而 借用 精子 中 心 粒 来 进行 第 一 次 有 丝 分 裂 ( 见 上 面 )， 但 在 一 定 条 件 下 (如 离子 极 不 平衡 或 电 刺激 ), 一 个 未 受精 的 卵 也 可 以 产生 数量 不 定 的 许多 中 心 粒 。 这 些 中 心 粒 中 的 每 一 个 都 能 集结 形成 小 星体 ,其 中 的 一 个 星体 即 可 用 于 卵 裂 ,于 是 一 种 单 倍 体 生物 就 在 叫做 单 性 生殖 的 过 程 中 发 育 起 来 了 。 这 些 研究 提示 ， 可 能 在 未 受精 卵 的 细胞 质 中 存在 着 某 种 中 心 粒 前 体 。 中 心 粒 复制 的 独特 模式 及 其 世代 连续 性 表明 ， 它 们 可 能 是 自我 复制 的 、 自 主 的 细胞 器 ,甚至 可 能 携带 着 它们 自己 的 基因 组 。 虽 然 尚 无 直接 证 据 支 持 这 种 观点 ,但 是 已 有 中 心 粒 中 存在 功能 RNA 的 间接 证 据 。 中 心 粒 的 功能 是 什么 ? 要 想像 九重 对 称 的 中 心 粒 或 基体 、 怎 样 集 结 装配 成 具有 九重 对 称 排列 的 二 联 体 微 管 纤毛 是 比较 容易 的 。 但 这 种 刚性 对 称 似乎 并 不 适 于 在 分 裂 间 期 或 有 丝 分 裂 细胞 中 集结 成 近似 辐射 状 或 球状 排列 的 数 百 条 微 管 (图 10-51)。 事 实 上 ,经 仔细 检查 发 现 , 多 数 胞 质 微 管 都 不 是 直接 由 中 心 粒 产 生 ， 而 是 从 围绕 中 心 粒 的 一 种 致密 染色 物质 一 一 中 心 粒 周围 物质 发 出 的 。 在 没有 中 心 粒 的 细胞 中 , 微 管 也 终止 于 这 种 致密 染色 物质 , 它 必 然 相当 于 真正 的 胞 质 微 管 组 织 中 心 那么 中 心 粒 的 作用 是 什么 ?一 种 极端 观点 认为 ， 中 心 粒 是 一 种 仅 供 组 构 纤 毛 和 灶 毛 之 用 的 细胞 器 ,它们 与 细胞 中 心 及 有 丝 分 裂 纺锤 体 极 的 联系 ,只 是 反映 了 一 种 计划 将 形成 基体 的 潜能 平分 给 每 个 子 细胞 的 机 制 。 然 而 ， 在 两 极 含 有 中 心 粒 的 有 丝 分 裂 纺锤 体 是 高 度 集 中 的 ,并 具有 精致 的 向 四 面 八方 延伸 的 星 状 微 管 , 而 缺乏 中 心 粒 的 ,如 植物 细胞 , 则 无 星体 ,也 较 少 集中 于 两 极 。 再 者 ,其 他 证 据 也 似乎 表明 ， 动 物 细胞 中 心 粒 起 着 决定 中 心 粒 遇 围 物质 的 精确 位 置 ,乃至 整个 细胞 极 性 的 主要 组 织 者 作用 。 ° 561 © 细胞 骨架 的 微 管 10-51 图 解 显示 中 心 粒 与 基体 在 结构 上 即使 不 完全 相同 ?也 极为 相似 ， 它们 对 于 许多 不 同类 型 的 微 管 排 列 均 起 着 组 织 中 心 作用 。 小 结 多 数 微 管 都 和 辅助 蛋白 相关 联 。 例如 MAPs 和 tau 蛋白 ,它们 被 认为 能 调节 微 管 装 配 , 并 影响 微 管 同 其 他 细胞 组 分 的 相互 作用 。 其 他 微 管 辅助 蛋白 很 可 能 构成 部 分 微 管 组 织 中 心 , 使 细胞 内 微 管 能 以 一 端 附着 其 上 。 这 些 组 织 中 心中 最 突出 的 是 围绕 着 一 对 中 心 粒 的 细胞 中 心 。 基体 与 中 心 粒 , 在 结构 上 难以 区 分 ， 在 功能 上 可 以 互 换 , 但 其 在 集结 微 管 的 方式 上 有 所 不 同 。 基 体位 于 纤毛 轴 丝 基部 ,其 微 管 与 轴 丝 微 管 相 承 。 相 反 , 中 心 粒 不 能 直接 集结 使 微 管 生长 ,除非 通过 相关 联 的 无 定形 中 心 粒 周围 物质 。 中 心 粒 成 对 存在 ,通常 紧 挨 已 有 的 中 心 粒 形成 。 位 于 细胞 中 心 的 一 对 中 心 粒 , 通 过 它 对 许多 由 此 向 外 辐射 的 胞 质 微 莹 的 影响 ; 很 可 能 在 组 构 细 胞 骨架 中 起 着 关键 性 作用 。 非 肌 肉 细胞 中 的 肌 动 蛋白 丝 和 结合 肌 动 蛋白 的 蛋白 质 怪 肌 动 蛋白 在 所 有 真 核 细胞 的 蛋白 质 中 , 均 占 有 很 大 比例 。 例 如 在 成 纤维 细胞 中 ,几乎 占 总 蛋白 质 的 10 多 ,而 其 中 约 有 一 半 被 聚合 成 为 纤维 。 在 非 肌 肉 细胞 中 , 肌 动 蛋白 丝 至 少 具有 两 种 功能 : 形成 交 联 束 : 为 各 种 细胞 结构 及 延伸 物 提供 机 械 支 持 , 以 及 同 肌 球 蛋白 一 起 ,构成 被 认为 负责 许多 细胞 运动 的 各 种 收缩 系统 。 在 这 一 节 中 ,我们 将 首先 剖析 起 机 械 支持 作用 的 肌 动 蛋白 丝 束 。 然 后 讨论 几 个 有 关 非 肌肉 细胞 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 收缩 系统 的 例子 。 最 后 将 论 及 使 细胞 中 的 肌 动 蛋白 丝 组 成 三 维 网 络 的 许多 结合 肌 动 蛋白 的 蛋白 质 。 微 绒毛 含有 成 束 的 肌 动 蛋白 丝 ?* 许多 种 类 的 细胞 延伸 物 都 具有 交 联 的 肌 动 蛋白 丝 核心 。 虽 然 其 中 一 些 延 伸 物 能 够 进 行 诸 如 迅速 伸 出 和 缩 进 之 类 的 运动 但 肌 动 蛋白 核心 的 主要 功能 看 来 还 是 作为 一 种 机 械 ° 562° ————— ———V— ll Gite? i ee i” oe, 加 固 物 。 微 绒毛 就 是 最 熟悉 的 具有 这 种 结构 的 例子 。 它们 履 盖 在 多 种 上 皮 细 胞 的 裸露 表面 ， 特别 在 细胞 功能 需要 最 大 吸收 表面 积 的 地 方 。 如 在 肠 或 肾 中 。 这 些 指 状 延 伸 物 长 约 lum, H@H 0.1wm， 并 往往 像 刷 毛 一 样 捆扎 在 一 起 。 在 人 的 小 肠 中 ， 一 个 上 皮 细 胞 的 刷 状 缘 内 就 有 几 千 根 微 绒 毛 〈 图 10-52)， 而 使 其 吸收 面积 约 比 没有 微 绒毛 时 扩大 了 25 倍 。 一 根 微 弘 毛 的 核心 约 含 40 条 成 平行 束 沿 其 长 轴 伸 展 的 肌 动 蛋白 丝 。 在 微 绒毛 顶端 ， 肌 动 蛋白 丝 被 埋 置 在 一 个 难以 定义 的 由 无 定形 物质 构成 的 幅 盖 中 ， 而 在 微 绕 毛 基部 ， 它 们 则 延伸 进入 一 个 主要 由 肌 动 蛋白 丝 组 成 的 称 之 为 终 网 的 垂直 网 络 。 终 网 也 含有 肌 球 蛋 白 , 其 部 分 功能 可 能 是 产生 使 微 绒毛 保持 垂直 位 置 所 需 的 张力 。 AREROONAEGARARLES UREA S1 片段 判断 的 同一 极 性 ， 其 “ 合 刺 >( 十 ) 端 均 固 着 在 微 绒毛 顶端 (图 10-53)。 这 是 膜 上 附着 的 肌 动 蛋白 丝 的 通常 取向 ,也 相当 于 骨骼 肌 工 盘 的 肌 动 蛋白 丝 的 极 性 〈 图 10-53)。 同 微 绒毛 膜 的 连接 不 仅 发 生 在 顶 端 ,而 且 沿 其 长 轴 ， 一 个 由 侧 向 细微 连接 构成 的 螺旋 形 “ 楼 梯 ,就 是 从 肌 动 蛋白 纤维 核心 伸 长 到 微 绒毛 膜 的 。 图 10-52 RRA AR. (A) 在 去 握 剂 抽查 后 通过 迅速 冰冻 和 深度 蚀刻 得 到 的 。(B) 采 用 常规 的 薄 切 片 电 子 显 人 微 镜 检 术 得 到 的 。(A，John Heuser 赠 ;B, 引 自 P. T. Matsudaira and D. R. Burgess, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Bio!. 46:845—854, 1982) 在 刚性 徽 绒 毛 核 心中 ， 横 桥 也 能 把 邻近 的 肌 动 蛋白 丝 连接 在 一 起 。 这 些 横 桥 的 一 个 重要 组 分 是 结合 肌 动 蛋白 的 蛋白 质 毛 缘 蛋白 (fimbin)。 这 种 蛋白 质 也 见于 细胞 表面 的 其 他 含 肌 动 蛋白 延伸 物 。 在 微 绕 毛 中 ， 还 有 各 种 其 他 的 结合 肌 动 蛋白 的 蛋白 质 。 其 中 研究 得 最 广泛 的 是 绒毛 蛋白 (villin)， 但 其 功能 尚 不 清楚 。 对 于 这 些 及 其 他 结合 肌 动 蛋白 的 + JOS 蛋白 质 , 稍 后 将 作 更 详细 的 讨论 。 交 联 肌 动 蛋白 丝 的 刚性 排列 在 声音 探测 中 起 作用 * 含有 肌 动 蛋白 的 刚性 微 绒毛 , 除 吸 收 外 ,还 具有 其 他 功能 。 例 如 ,在 枪 乌贼 的 眼睛 内 ， 每 个 视网膜 细胞 都 具有 数 拾 万 根 被 紧密 包装 的 微 绕 毛 ， 而 每 根 微 绒毛 又 覆盖 着 一 层 光敏 膜 。 相 分 细胞 的 微 绒毛 有 规则 地 成 直角 排列 ， 致 使 动物 得 以 测 出 人 射 光 的 偏振 平面 (区 10-54), 无 定形 区 域 2 tt : 4 So ls, wt te, iS Felt hy at Mee Co ar ee POLL Shad pees 2 2 2 2 Cet eat ee. (A) (B) 图 10-53 ”显示 微 绒毛 (A7 和 肌肉 肌 节 图 10-54 Ht RAR By tL Bech PR EA 〈《B) 中 肌 动 蛋白 丝 极 性 的 图 解 。 BAR BR. MRE A HAIR se Hie FT HE AVA MERE BASS | Fr Bee tii tHE. 在 一 起 。 显 示 二 相 邻 视网膜 细胞 排 布 的 切面 与 视 这 些 纤 丝 的 (二 ) 端 位 在 微 绒毛 顶端 及 网 膜 相 垂 直 。 一 个 细胞 上 的 微 绒 毛 与 其 相 邻 细胞 的 Nl Z HH, PURE RR PAH » 0 A St SE Aa Se F LT BEER al © (Helen Saibil 赠 ) AS BA Se REC WU ee EN EE is A EE AE ES Fk SS BH SUR Cite eAR Sh). DeEAFAMI aE EOFEMEAKADE 动 。 这 些 运动 都 是 靠 细胞 表面 巨大 的 特 化 微 绒毛 探测 出 来 的 (图 10-55)。 它们 被 称 之 为 不 动 纤毛 〈stereocilia)。 虽 然 这 一 术语 会 造成 误解 ， 因 为 它们 含有 像 微 绒毛 一 样 由 肌 动 蛋白 丝 组 成 的 核心 ,而 不 像 真正 的 纤毛 那样 由 微 管 组 成 的 核心 。 在 每 个 毛细 胞 表面 ;都 有 成 排 的 不 动 纤毛 ,它们 按 长 度 递 减 顺序 排列 ,而 呈 管 风琴 外 形 ( 图 10-56)。 各 个 不 动 纤毛 是 刚性 结构 , 它 逐 渐变 细 形 成 一 尖端 而 与 细胞 表面 接触 。 在 探测 声音 时 ,不 动 纤毛 的 微弱 运动 被 转换 成 为 毛细 胞 中 的 电信 号 ,再 由 毛细 胞 将 信号 传 给 脑 ( 见 第 十 八 章 )。 不 动 纤毛 的 特殊 机 械 性 质 一 一 它们 的 刚性 及 在 其 于 基部 弯曲 的 能 力 ， 可 能 对 于 毛细 胞 精细 调节 的 灵敏 度 是 必 不 可 少 的 。 例 如 ,使 其 能 在 高 达 数 和 干 倍 的 杂乱 噪声 背景 上 ,对 一 特殊 频率 发 生 反应 (第 十 八 章 )。 这 些 机 械 性 质 可 能 取决 于 不 动 纤毛 核心 中 肌 动 蛋白 丝 交 。564。 联 的 方式 。 例 如 ， 蜥 蝎 不 动 纤毛 中 的 数 百 根 肌 动 蛋白 丝 ， 从 横 切面 看 来 ， 是 间隔 不 规则 的 ,但 纵 切 面 却 显示 其 纵向 严格 地 排 成 一 线 ,以 致 肌 动 蛋白 螺旋 的 交叉 点 均 位 在 同一 平面 。 如 图 10-57 所 解释 的 那样 ， ieee laine ea 5g deities 白 螺 旋 上 精确 的 空间 部 位 结合 ， 从 而 使 它们 形成 有 规则 的 肌 动 蛋白 束 , 却 不 需要 横 切 面 中 的 间隔 相等 。 在 许多 细胞 表面 都 存在 着 动态 肌 动 蛋白 丝 结构 ” 肠 的 刷 状 缘 中 的 微 绒毛 及 耳 内 的 不 动 纤毛 ， 均 属 一 定 类 型 上 皮 细 胞 的 较 永 久 特 化 ， 但 动态 肌 动 蛋白 丝 延 伸 物 在 真 核 细 胞 中 却 极 为 普遍 ,如 前 所 提 到 的 , 微 绕 毛 从 受精 后 的 海胆 卵 表 面 迅 速 伸 出 的 例子 一 样 。 当 组 织 培养 细胞 沉降 到 培养 下面、 迁移 或 长 圆 直 至 分 裂 时 ， 在 培养 物 表 面 会 伸 出 大 量 的 毛发 样 延 伸 物 ， 叫 做 微 刺 〈microspike) 每 根 宽 约 0.1wm， 长 5 一 10wm 〈 图 10-58)。 在 发 育 神经 轴 突 的 生长 端 (生长 锥 ), 则 会 形成 长 达 50wm 而 有 时 称 之 为 丝 状 伪 足 的 微 刺 ( 见 图 18-63)。 这些 延 伸 物 都 是 能 动 的 结构 ,它们 能 快速 形成 和 缩 进 ， 可 能 是 通过 肌 动 蛋白 丝 的 局 部 聚合 和 解 聚 , 虽 然 这 一 点 还 很 不 清楚 。 肌 动 蛋 白 丝 在 微 刺 中 的 定向 ， 均 按 其 在 肠 微 绒毛 中 的 同一 极 性 ， 尽 管 它们 的 排列 很 不 整 齐 (图 10-59)。 细胞 微 刺 被 认为 起 着 细胞 借以 探测 环境 的 感光 器 或 触角 的 作用 ( 见 第 十 八 章 )o 非 肌 肉 细胞 含有 微小 的 “肌肉 样 > 装配 物 ” 实体 纤 所 ee 肌 动 蛋白 丝 的 定向 排列 ， 并 不 限于 像 微 绕 毛 和 微 刺 一 。 图 10-55 比较 典型 实体 纤毛 与 典型 类 的 表面 突起 。 此 外 ,几乎 在 所 有 真 核 细胞 的 细胞 质 中 , 均 ”入 纺 世 大 从 的 力争 ee eee, 含有 成 束 的 肌 动 蛋白 丝 。 这 些 纤 丝 束 通过 它们 同 肌 球 蛋白 的 相互 作用 ， 能 够 收缩 并 产生 一 种 机 械 力 ,虽然 要 比 肌肉 产生 的 弱 得 多 。 一 个 最 明显 的 例 子 是 由 肌 动 蛋白 丝 和 肌 球 蛋白 构成 的 称 之 为 收缩 环 的 带 状 束 。 它 在 细胞 分 裂 期 间 出 现 ， 正好 位 于 质 膜 下 方 。 由 于 此 环 收缩 ,使 细胞 中 部 变 罕 ， 而 最 终 导致 两 子 细胞 分 离 ( 图 10- 60)。 收缩 环 阐明 了 关于 非 肌 肉 细胞 中 基于 肌 动 蛋白 的 收缩 的 两 个 要 点 。 首先 , 表明 有 肌 球 蛋白 的 参与 ， 因 为 当 将 抗 肌 球 蛋白 抗体 注 和 将 要 分 裂 的 海胆 卵 时 ， 核 的 分 裂 会 照常 进 行 ,但 因 收 缩 环 失效 而 使 细胞 质 无 法 分 裂 。 这 表明 ,这 种 收缩 像 肌肉 中 的 收缩 一 样 。 是 基 于 肌 动 蛋 白 丝 与 肌 球 蛋白 分 子 间 的 相互 作用 。 第 二 ,收缩 环 不 是 一 种 永久 结构 , 它 必须 在 细胞 分 裂 开始 时 装配 ,而 到 分 裂 结束 时 解 聚 。 许 多 其 他 基于 肌 动 蛋白 的 收缩 系统 ,也 只 是 在 需要 时 才 形 成 的 暂时 结构 。 然而 ;不 是 所 有 非 肌肉 收缩 的 装配 物 都 是 暂时 的 。 例如 , 与 所 谓 带 状 桥 粒 《belt de- smosome) 结构 (第 660 页 ) 相关 的 环 状 肌 动 蛋白 丝 东 ,就 是 较 持久 的 。 它们 见于 上 皮 细 胞 顶端 表面 附近 ,被 认为 在 细胞 形状 改变 中 ,尤其 是 在 胚胎 发 生 期 间 , 起 着 重要 作用 。 例 ° 565 ° H10-57 交 联 的 肌 动 蛋白 丝 图 解 。 图 左 描绘 的 5 条 肌 动 蛋白 丝 , 不 仅 平行 而 且 纵向 排 成 一 列 ; 故 其 螺旋 对 齐 (为 简单 起 见 ， 没 有 显示 个 别 的 肌 动 蛋白 分 子 )。 图 右 所 示 为 通过 一 束 这 样 排列 的 肌 动 蛋白 丝 所 作 的 横 切 面 。 可 见 像 毛 缘 蛋 白 这 样 一 类 的 交 联 蛋白 (黑色 )， 能 在 几 个 水 平 上 将 相 邻 肌 动 蛋白 螺旋 连 成 一 体 ， 即 使 蛋白 质 丝 的 并 排 包 装 是 不 规则 的 。 如 ,这 些 肌 动 蛋白 束 的 协同 收缩 会 压缩 细胞 顶端 ,而 使 上 皮 细 胞 层 在 胚胎 发 育 早期 出 现 有 规则 的 折 受 (这 将 在 第 十 五 章 作 更 详细 的 讨论 )。 虽然 收缩 环 和 带 状 桥 粒 的 作用 已 相当 清楚 ,但 其 他 肌 动 蛋白 丝 束 的 功能 还 不 甚 明 了 。 一 个 很 好 的 例子 是 称 为 应 力 纤维 〈stress fiber) 的 有 组 织 的 肌 动 蛋白 丝 束 ， 它 是 培养 细 胞 的 细胞 骨架 的 主要 组 分 (图 10-60)。 应 力 纤维 是 由 肌 动 蛋白 丝 和 相关 蛋白 组 成 的 束 状 物 , 其 典型 宽度 为 0.5 wm, KAY 5 pm， 位 在 邻近 培养 四 面 的 细胞 下 表面 附近 的 细胞 质 之 中 。 可 将 这 些 纤维 从 其 他 细胞 组 分 中 分 离 出 来 ,并 且 若 与 ATP 接触 ,就 会 发 生 收 缩 。 采 用 免疫 荧光 技术 可 清晰 地 将 其 显示 出 来 (图 10-61), 同时 还 表明 它们 含有 肌 动 蛋 折 \ 肌 球 蛋白 、c- 辅 肌 动 蛋白 和 原 肌 球 蛋白 。 其 中 一 些 蛋 白质 ,包括 肌 球 蛋白 , 沿 应 力 纤维 长 轴 呈 有 规则 的 周期 性 分 布 ,但 其 结构 细节 ， 如同 所 有 其 他 非 肌 肉 收缩 的 分 子 装 配 一 样 ， 尚 不 清 © 566。 一 Pe eS... ele * oe Bi ct a ere Es | ACTA 总- SA LES SR ea he ees SEES | Suey es 图 10-53 THREEKONAHRARAANHAST ERA. BRR PMN e= AA 类 型 的 突起 : 泡 、 扁 平 片 ( 或 板 状 伪 足 ) 和 微 刺 ( 见 图 10-86)。 后 者 看 来 像 是 起 着 感觉 器 的 作用 使 细胞 得 以 查 明 其 环境 特征 。(Giinter Albrecht-Buehler 赠 ) 图 10-59 显示 培养 的 人 胶 质 细胞 微 刺 的 高 倍 电 子 显 微 镜 照片 。 细胞 膜 及 细胞 可 溶性 蛋白 已 经 去 垢 剂 处 理 除去 , 肌 动 蛋白 丝 由 负 染 显示 。(CUno Lindberg, Anna-Stina Héglund 和 Roger Karlsson 赠 ) 楚 。 然 而 ,我 们 已 经 知道 非 肌 肉 肌 球 蛋白 的 一 些 特 性 。 非 肌 肉 细 胞 中 肌 球 蛋白 的 装配 是 依赖 Ca’ Hy” 几乎 在 所 有 真 核 细 胞 中 都 存在 各 种 形式 的 肌 球 蛋白 。 虽 然 所 有 肌 球 蛋白 同 肌 动 蛋白 的 结合 , 均 会 导致 它们 的 ATP 酶 活性 增加 ,但 只 是 在 骨骼 肌 和 心肌 中 ， 才 能 在 电镜 下 见 到 肌 球 蛋白 粗 丝 。 在 其 他 细胞 中 可 用 免疫 荧光 来 检测 肌 球 蛋白 ， 特 别 是 在 肌 动 蛋白 丝 组 织 成 为 收缩 束 的 区 域 。 但 是 未 能 在 电镜 下 见 到 肌 球 蛋白 分 子 的 详细 排列 。 非 肌肉 细胞 含 有 的 肌 球 蛋白 ,相对 肌 动 蛋白 而 言 , 要 比 肌 肉 细胞 少 得 多 ， 且 其 肌 球 蛋白 丝 也 比 骨 骼 肌 细 胞 的 粗 丝 要 小 得 多 ,也 更 不 稳定 。 这 并 不 奇怪 ,因为 它们 只 需 产 生 很 微弱 的 力 。 * 567° EULA MERE BI RA 22) xX RER ITS BUREAWEKREZ— OH 外 两 个 特征 是 , 非 肌 肉 肌 球 蛋白 的 活化 , 像 平 请 肌 肌 球 蛋白 一 样 ， 依 赖 于 肌 球 蛋白 轻 链 的 分 裂 细胞 磷酸 化 作用 ( 见 538 页 )， 以 及 磷酸 化 作用 诱导 非 肌肉 Kise 肌 球 蛋白 分 子 装 配 成 为 小 双 极 聚集 体 , 其 中 的 10—20 个 肌 球 蛋白 分 子 〈 同 骨骼 肌 粗 丝 中 500 个 左右 的 肌 球 蛋白 分 子 相 比 ), 是 通过 其 尾 区 的 到 集 作用 而 结合 在 一 起 的 (图 10-62 和 10-63). RFA MMAR A — FH, 磷酸 化 作用 由 通过 Ca 刺激 的 肌 球 蛋白 激酶 催化 ,以 致 非 肌 肉 肌 球 蛋白 的 聚合 状态 及 其 同 肌 动 蛋白 丝 相互 作用 的 能 力 ， 均 可 为 胞 流 中 游离 Ca’* 浓度 的 细 微 变 化 所 改变 。 细胞 内 Ca” 的 这 种 变化 通 汕 在 应 答 细 胞 外 信号 时 出 现 。 肌 动 蛋白 丝 往往 锚 着 在 细胞 膜 内 ? 会 收缩 的 装置 ， 为 发 挥 机 械 力 就 必须 锚 着 在 其 他 细胞 成 分 上 上。 因此， 即使 不 是 多 数 也 是 许多 肌 动 蛋白 丝 , 都 是 以 其 一 端 锚 着 在 细胞 膜 上 的 。 甚至 对 于 非 收 缩 性 的 肌 动 蛋白 装置 也 是 如 此 (例如 ,前 已 述 及 ， 微 绒 毛 核 心中 的 肌 动 蛋白 丝 不 仅 以 其 顶端 ， 而 且 沿 其 长 轴 附着 于 覆盖 的 质 膜 )。 培养 细胞 中 的 应 力 纤维 也 终 止 于 质 膜 上 的 称 之 为 附着 斑 的 特 化 区 域 (图 10-64)。 然 而 ， 这 种 膜 附着 物 在 收缩 环 及 带 状 桥 粒 肌 动 蛋白 束 中 图 10-60 “显示 非 肌肉 细胞 中 三 种 不 同 式样 “的 功能 意义 却 极 为 清楚 。 因 为 这 些 肌 动 蛋白 束 的 收缩 Fe EAC RR eae 会 压缩 细胞 表面 所 以 它们 必定 是 直接 或 间接 地 同 质 白质 。 膜 相 连 的 。 肌 动 蛋白 丝 是 怎样 附着 到 膜 上 去 的 尚 不 清楚 。 在 某 些 情况 下 ,可见 到 明显 的 束 状 物 质 从 肌 动 蛋白 丝 未 端 伸 到 质 膜 (图 10-65)。 在 另 一 些 情形 下 , 有 力 的 旁证 证 明 称 为 纽带 蛋白 (vinculin) 的 连结 蛋白 参与 。 用 荧光 抗体 已 经 证 实 , 无 论 是 在 应 力 纤维 未 端的 粘连 斑 或 是 在 带 状 桥 粒 中 ， 都 鉴定 出 有 纽带 蛋白 。 虽 然 这 一 结果 表明 ， 纽带 蛋 白 可 作为 一 种 锚 蛋 白 (archoring protein)， 将 肌 动 蛋白 丝 连 接 到 质 膜 上 ,但 其 本 身 并 不 是 一 种 膜 蛋 白 ， 故 其 很 可 能 是 用 作 在 肌 动 蛋白 与 膜 的 整合 组 分 之 间 起 连接 作用 。 变形 运动 和 成 纤维 细胞 移动 均 有 赖 于 肌 动 蛋白 丝 ” 肌 动 蛋白 丝 的 最 复杂 的 动态 装置 或 许 是 涉及 细胞 运动 的 。 如 同 本 章 最 后 一 节 所 强调 的 那样 ,诸如 移动 之 类 的 细胞 运动 ,包含 着 许多 细胞 骨架 成 分 的 协同 作用 。 然而 , 最 直接 的 依靠 ,还 是 正好 位 在 所 有 细胞 质 膜 下 方 的 一 薄 层 较 紊 乱 的 肌 动 蛋白 丝 。 对 此 卵 表层 活 性 ， 最 易 在 某 些 原 始 真 核 生 物 如 变形 虫 及 原 质 团 粘 菌 (plasmodial slime molds) 中 进行 研究 。 变形 虫 就 是 借助 不 断 伸 出 和 缩 进 的 粗 短 突 起 而 运动 的 。 这 种 突起 看 来 就 像 微 肢 一 样 支持 着 虫 体 ， 而 被 称 之 为 伪 足 (图 10-66)。 这 种 伪 足 很 大 (在 巨 形变 形 虫 中 大 于 *。 568。 Pak". 55 是 ee ed wk Re 图 10-61 [GQHRLRAWRR ROMA. REE Palihiic: (A) 抗 肌 动 蛋 自 抗 体 ， 以 显示 称 为 应 力 纤维 的 肌 动 蛋白 丝 束 ;(B) 抗 波形 纤维 蛋白 的 抗体 一 类 中 等 纤维 的 组 分 3 《C) 抗 微 管 蛋白 抗体 ?以 显示 胞 质 微 管 ?X(D) 抗 角 蛋 白 抗体 ,以 显示 这 些 细胞 的 另 一 类 中 等 eget a alt Ata Ns = ATP ‘ie fi tk BA ADP tee ay "Eeanuh ie 图 10-62 由 依赖 Ca?+ 的 蛋白 激酶 催化 的 非 图 10-63 ”通过 轻 链 磷酸 化 诱导 装配 的 非 肌 肌肉 肌 球 蛋白 轻 链 的 磷酸 化 作用 ， 不 仅 会 使 肉 肌 球 蛋 白 短 丝 的 负 妆 的 电子 显微镜 照片 。 肌 球 蛋白 活化 (如 图 10-21 对 平滑 肌 肌 球 蛋 白 (John Kendrick-Jones 赠 ) 所 示 的 那样 )* 还 会 使 肌 球 蛋白 分 子 装配 成 为 短 双 极 聚 集体 。 100 wm)， 在 光 镜 下 即 可 见 到 它们 的 皮质 层 及 其 他 内 含 物 ， 并 且 它 们 的 运动 很 迅速 ,以致 可 以 直接 进行 观察 。 大 多 数 脊 椎 动物 细胞 的 移动 完全 不 同 于 变形 虫 运动 ,它们 显得 极为 缓慢 。 已 用 成 红 维 细胞 一 易于 在 培养 条 件 下 生长 和 迁移 的 结缔 组 织 细胞 。 对 兰 椎 动物 细胞 移动 进行 了 ° 5692 最 广泛 的 研究 。 变 形 虫 的 直线 长 度 比 成 纤维 细胞 大 10 倍 , 其 运动 又 很 缓慢 , 以 臻 最 易 采 - 用 定时 显 微 电影 术 或 电视 录 相 进行 观察 。 当 成 纤维 细胞 运动 时 不 断 地 由 其 前 缘 形 成 薄板 状 突起 称 为 板 状 伪 足 (lamellipodia)。 其 中 一 些 成 为 基质 上 的 永久 附着 ， 但 是 在 细胞 上 表面 ， 会 有 许多 以 连绵 起 伏 的 波动 式 (有 时 称 为 袜 皱 ) 的 运 ， 动 缩 回 。 手 指 状 微 刺 可 从 板 状 伪 足 伸 出 ,这 些微 ee = filth SH RTT (FR 10-67)。 虽 然 像 在 组 织 ”培养 中 一 样 ， 只 有 当 细 胞 具有 游离 的 上 表面 时 才 会 发 生 福 皱 ， 但 它 很 可 能 反映 了 表面 膜 的 活动 和 (或 ) 细 胞 内 的 运动 ， 这 也 是 细胞 在 其 他 情况 下 发 生 移 位 的 原因 。 尽管 在 变形 运动 与 成 纤维 细胞 的 移动 之 间 存 在 着 明显 差异 ,但 其 机 制 却 可 能 基本 相似 。 的 确 ， 一 些 状 椎 动物 细胞 ,如 白细胞 ,也 是 以 伸 出 伪 足 进 行 运动 的 ,虽然 它们 的 伪 足 要 比 变形 虫 的 小 得 多 ， 运动 也 不 很 迅速 。 而 且 ， 成 纤维 细胞 的 移动 和 变 形 运动 对 于 分 别 阻止 肌 动 蛋白 丝 聚 合 和 解 聚 的 结 合 肌 动 蛋白 的 药物 细胞 松弛 素 B 和 和 鬼 笔 毒 环 肽 ， 都 是 敏感 的 。 这 说 明 两 种 不 同形 式 的 移动 都 有 赖 于 肌 动 蛋白 丝 的 装配 和 解 聚 。 cag ty 为 了 解 肌 动 蛋白 的 装配 和 解 聚 如 何 参与 细胞 国 10 .64 相差 (A) 和 反射 干涉 (B) 显微镜 照片 运动 我们 必须 在 转向 肌 动 蛋白 和 各 种 结合 肌 动 Te RMRGEMMEA Bonroune ， 稚 白 的 蛋白 质 之 间 相 半 作用 -可 能 在 体外 是 这 区 进行 观察 最 为 清楚 (B), 其 中 的 光线 是 由 附着 在 载 ”运动 的 基础 ) 之 前 ， 考 察 一 下 伴随 变形 运动 的 胞 玻 片 的 细胞 下 表面 反射 的 ; 附着 斑 表 现 为 变 暗 的 ee 斑纹 。(Julian Heath 赠 ) 质 运动 。 变形 运动 伴随 著 胞 质 中 的 凝 胶 - 溶 胶 转变 ” 借助 光学 显微镜 检 术 ， 可 将 变形 虫 细 胞 质 区 分 为 两 个 区 域 : 由 流动 胞 质 构 成 的 中 央 核心 , 称 为 内 质 (也 叫 原 生 质 溶胶 ) ,充满 折射 颗粒 和 细胞 器 ; 周围 的 透明 、 凝 胶 状 外 质 ( 或 原生 质 凝 胶 ), 相 当 于 正常 细胞 皮质 层 的 特 厚 变 异体 。 当 细胞 伸 出 伪 足 , 即 可 见 内 质 顺 伟 出 方向 流出 ,同时 像 是 在 其 顶端 凝结 成 为 较 硬 的 外 质 ; 在 细胞 其 他 部 位 , 看 来 外 质 在 变 为 较 易 流动 的 内 质 而 流向 伪 足 。 粘性 外 质 与 较 易 流动 的 内 质 之 间 的 这 些 转变 就 叫做 凝 胶 - 溶胶 转变 。 虽 然 对 此 尚 有 争议 ,但 变形 虫 的 运动 , 仍 在 某 种 程度 上 被 认为 是 由 于 外 质 厚 皮 质 层 的 收缩 。 这 种 收缩 挤 出 了 较 易 流动 的 内 质 , 从 而 产生 一 种 强 有 力 的 胞 质 流动 , 导致 各 Ph EAH © 在 无 细胞 分 隔 的 粘 菌 绒 泡 菌 和 巨型 营 类 细胞 丽 薄 (Nixella) 中 ， 也 会 出 现 明显 的 胞 质 流动 ,这 将 在 第 十 九 章 中 详细 讨论 。 大 量 旁 证 表明 ， 变 形 虫 和 绒 泡 菌 中 的 胞 质 流动 是 一 种 依赖 于 肌 动 蛋白 的 运动 : 【1) 肌 动 蛋白 丝 肯定 是 这 些 生 物体 中 最 丰富 的 丝 状 蛋白 , 且 集 中 于 外 质 ; (2) 当 把 结合 肌 动 蛋 白 的 药物 鬼 笔 毒 环 肽 注 人 这 些 生 物体 时 , 胞 质 流动 便 立 即 停止 ; (3) 这 些 细 胞 的 胞 质 粗 提 e。 570° sn -图 10-65 ”冰冻 蚀刻 电子 显微镜 照片 ， 示 肌 动 蛋 白 丝 附着 在 鸡 耳 毛细 胞 质 膜 上 的 一 个 远离 其 实体 “， 纤毛 的 区 域 。 深 度 蚀 刻 标本 的 断裂 平面 穿 过 质 膜 进入 下 面 的 肌 动 蛋白 丝 网 络 。 细 小 的 蛋白 束 (用 生 LAR) UNHRALAR EBLE. (N. Hirokawa 和 LG. Tilney 赠 ) ¢ ? 4 1 ] ar : > am r hie eee 图 10-66 正在 运动 的 变形 虫 示意 图 。 巨 图 10-67 ZEAE FEM MATIN A ee 型 变形 虫 直径 可 达 0.5 mam ,肉眼 可 见 。 子 显 敬 镜 照 片 。 下 图 是 该 细胞 前 缘 的 一 张 特写 , RR i 状 伪 足 和 微 刺 。(Uif Brunk 和 Peter Collins 赠 ) e571 ¢ 物 富 于 肌 动 蛋白 ,能 够 进行 收缩 而 略 显 流动 。 正 是 上 述 第 三 方面 的 证 据 使 得 研究 胞 质 流动 的 分 子 基 础 成 为 可 能 ,不 仅 变形 虫 ,而 且 像 巨 吧 细 胞 和 成 纤维 细胞 一 类 的 峭 椎 动物 细胞 的 富 含 肌 动 蛋白 抽 提 物 均 能 凝 胶 化 、 溶 胶 化 \ 收 缩 , 并 且 应 答 随 周围 基质 的 离子 组 成 的 轻微 变化 而 呈现 强 有 力 的 六 动 。 这 些 抽 提 物 的 生化 组 成 复杂 ， 但 它们 都 含有 作为 其 主 要 纤 丝 组 分 的 肌 动 蛋白 ， 以 及 许多 不 同 的 结合 肌 动 蛋白 的 蛋白 质 。 交 联 蛋白 能 产生 一 种 肌 动 蛋白 凝 胶 ” 汪 像 毛 缘 蛋 折 一样 微 小 致密 的 交 联 分 子 ， 可 将 肌 动 蛋白 丝 平行 整齐 而 牢固 地 结 合 在 一 起 ,成 为 紧密 的 肌 动 蛋白 丝 束 ( 见 图 图 10-68 丝 蛋 白 通 过 形成 两 相 邻 肌 动 蛋白 图 10-69 负 染 的 辅 肌 动 蛋白 交 联 的 肌 动 蛋 丝 间 的 挠 性 连接 而 产生 肌 动 蛋白 丝 的 RA 白 丝 的 电子 显微镜 照片 。( 引 自 B. M. Joc- 凝 胶 物 理性 质 的 三 维 贺 络 kusch and G. Isenberg, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78: 3005—3009, 1981) 10-57)。 但 并 非 所 有 的 肌 动 蛋白 交 联 蛋白 都 是 这 样 起 作用 : 有 些 很 长 而 能 弯曲 ， 并 且 可 连接 任何 靠近 的 肌 动 蛋白 丝 而 不 管 其 相对 走向 如 何 ， 因 此 产生 一 种 无 规则 的 三 维 网 络 (图 10-68)。 < 辅 肌 动 蛋白 和 丝 蛋 白 (filamin) 就 是 两 种 这 样 的 蛋白 质 , 最 初 由 肌肉 分 离 出 ， 但 现在 知道 在 许多 其 他 类 型 的 细胞 中 也 有 类 似 的 对 应 物 。 例如 。 丝 蛋 白 是 一 种 又 长 又 能 弯曲 的 分 子 , 分 子 量 约 为 250 000, 在 溶液 中 趋 于 形成 二 聚 体 。 每 个 单 体 都 有 一 个 肌 动 蛋白 丝 的 结合 部 位 ， 故 二 聚 体 特别 适 于 形成 不 规则 的 三 维 网 络 。 如 图 10-69 所 示 ， 2% 辅 肌 动 蛋白 也 具有 类 似 作用 。 Ak, 即使 向 肌 动 蛋白 丝 咨 液 加 入 数量 较 少 的 丝 蛋 白 或 辅 肌 动 蛋白 分 子 ， 对 其 物理 性 质 也 会 产生 显著 影响 由 粘性 流体 变 为 固体 凝 胶 。 有 裂解 蛋白 能 使 肌 动 蛋白 凝 胶 产 生 依赖 Ca’ 的 液化 作用 ” 在 变形 虫 和 其 他 细胞 的 胞 质 粗 提 物 中 , 凝 胶 - 溶 胶 转 变 对 于 Ca?* 水 平 极为 敏感 。 游 离 Ca” 浓度 由 107’ mol/L 增 至 10 “mol/L， 即 可 使 凝 胶 变 为 流体 ， 并 往往 产生 强 有 力 的 流动 。 含有 肌 动 蛋白 丝 和 丝 蛋 白 的 重组 凝 胶 不 虽 现 这 种 Ca** 敏感 性 。 这 就 意味 着 ， 必 定 还 有 一 些 别 的 因子 为 介 导 Ca 作用 所 必需 。 已 对 许多 候选 蛋白 质 进 行 了 鉴定 。 若 将 这 些 蛋 白质 加 入 由 肌 动 蛋白 丝 和 丝 蛋 白 构 成 的 凝 胶 , 就 会 使 其 应 答 Ca” 在 与 Ca” 反应 下 °572* 诱发 凝 胶 而 向 液态 转变 。 说 明 在 Ca? 存在 下 ， 这 些 蛋白 质 同 肌 动 蛋白 的 结合 是 如 此 强 烈 , 以 致 可 以 插 人 到 肌 动 蛋白 丝 的 亚 基 之 间 , 使 其 解 聚 (图 10-70), 从 而 破坏 了 肌 动 蛋白 丝 借助 丝 蛋 白 形 成 的 交 联 网 络 。 每 400 个 肌 动 蛋白 分 子 , 只 要 加 入 不 到 一 分 子 的 这 种 裂解 有 册 动 蛋白 的 蛋白 质 , 即 可 导致 凝 胶 化 肌 动 蛋白 丝 湾 液 的 粘度 急剧 下 降 。 值 得 注意 的 是 ,这 种 结合 仅 发 生 在 Ca?+ 水 平 超过 10 mol/L 时 , 而 此 浓度 通常 只 有 在 细胞 对 其 环境 改变 极 性 肌 动 蛋白 丝 ee 取向 不 对 的 肌 球 蛋白 分 子 不 能 结合 或 产生 运动 >= Ee Ee ar Ee 2s he pS $i WL oh BE AR HE HE AY 肌 球 蛋白 分 子 能 同 肌 动 蛋白 丝 结合 和 运动 —— ee ee ee Say Na SS IESE SSE a De ET ba ears 图 10-70 AER REMHERL KE ,也许 10-71 图 解 示 非 肌肉 肌 球 蛋白 分 子 的 是 通过 与 肌 动 蛋白 分 子 的 有 力 结合 ， 以 致 它们 双 极 聚集 体 ， 怎 能 像 在 肌肉 中 一 样 ,产生 可 以 切断 肌 动 蛋白 丝 。 这 种 蛋白 质 在 其 作用 时 极 性 相反 的 两 肌 动 蛋白 丝 的 滑动 。 一 般 都 是 依赖 Ca+ 的 。 被 认为 这 样 起 作用 的 蛋白 质 * 有 绒毛 蛋白 和 凝 胶 溶胶 素 。 作出 反应 时 , 才 会 在 胞 波 中 暂时 出 现 。 经 鉴定 发 现 , 几 乎 在 每 一 种 峭 椎 动物 细胞 中 , 均 存 有 依赖 Co 的 裂解 肌 动 蛋白 的 蛋 白质 。 最 熟悉 的 一 种 是 最 初 从 巨 噬 细 胞 分 离 的 凝 胶 溶胶 素 (gelsolin)， 另 一 种 为 肠 刷 状 缘 微 绕 毛 主要 蛋白 质 之 一 的 绒毛 蛋白 。 但 自 相 矛盾 的 是 , 当 这 些 蛋白 质 加 和 游离 肌 动 蛋 白 分 子 时 , 它们 也 能 作为 肌 动 蛋白 聚合 的 有 效 集结 因子 来 结合 少量 肌 动 蛋白 分 子 。 KH 蛋白 质 在 活 细胞 中 的 基本 功能 ， 究 竟 是 缩短 肌 动 蛋白 丝 ， 还 是 起 始 其 装配 ， 目 前 尚 不 清 FE 0 胞 质 凝 胶 收 缩 是 由 肌 球 蛋白 介 导 的 ” 由 肌 动 蛋白 丝 、 丝 蛋白 和 凝 胶 溶 胶 素 组 成 的 混合 物 ， 能 够 进行 Ca” 依赖 的 凝 胶 - 溶 胶 转变 。 但 是 不 像 由 细胞 获得 的 粗 制 富 肌 动 蛋白 凝 胶 , 这 种 人 工 混合 物 不 会 收缩 或 显示 流动 。 所 缺少 的 因子 看 来 像 是 非 肌肉 肌 球 蛋白 , 因为 只 要 选择 性 地 除去 粗 制 富 肌 动 蛋白 凝 胶 中 的 肌 球 蛋白 就 不 再 出 现 收缩 和 流动 , 虽然 抽 提 物 仍 能 进行 依赖 Ca” 的 液化 作用 。 这 说 明 构 成 胞 质 流动 基础 的 动力 , 同 肌肉 收缩 中 的 情形 一 样 ,也 是 Ca” 激活 的 肌 动 蛋白 P15X3 。 产生 收缩 的 蛋白 质 cofilamentous orotein CFRALER & 8) ( 肌 球 蛋白 ) 下 FE SS . Se | " RREREA ” - RAMHEA 了 : (nina) BA) (M2ZE ABM sh Bay Le) et Sas He dag! er ‘ety 5 ish = ae ee 9 = pee SI oe 肌 动 蛋白 丝 = jalan ior — é as 成 束 蛋 白 (02 = Es MAE RE) (MS RH A 210-72 总 结 由 结合 肌 动 蛋白 的 蛋白 质 引起 的 各 种 肌 动 蛋白 聚合 状态 变化 的 详细 图解 〈 表 10- eo 为 简便 起 见 * 仅 显示 出 结合 肌 动 蛋 白 的 蛋白 质 的 主要 类 型 ,并 将 各 种 蛋白 质 均 图 解 为 对 肌 动 蛋 和 白 只 有 一 种 作用 模式 。 把 肌 动 蛋白 丝 系 于 其 他 细胞 组 分 的 错 着 蛋白 (如 纽带 蛋白 ) 和 尚未 充分 鉴定 的 各 种 加 帽 蛋白 ， 则 未 示 于 此 图 。 与 肌 球 蛋白 间 的 相互 作用 。 当 纤 丝 呈 毫 无 规则 的 三 维 网 络 分 布 时 ， 肌 动 蛋 白 和 肌 球 蛋白 如 何 能 产生 连贯 性 的 运 动 ? 至 少 在 一 个 水 平 上 看 来 答案 似乎 是 , 肌 动 蛋白 纤维 具有 很 明确 的 极 性 ,只 有 当 肌 球 蛋 白头 部 取向 与 肌 动 蛋白 丝 极 性 相符 时 ， 才 能 同 它 结合 并 沿 着 它 运 动 。 因此 ，, 非 肌 肉 肌 球 蛋白 分 子 的 小 双 极 聚集 体 ( 见 图 10-63) 很 可 能 是 通过 相对 拉动 两 组 肌 动 蛋白 丝 而 构成 微 型 肌 节 ,即使 肌 动 蛋白 丝 和 肌 球 蛋白 育 集 体 还 不 是 一 种 高 度 有 序 的 排列 的 一 部 分 (图 10- 7 下 和 表 10-5， 非 肌肉 细胞 中 结合 肌 动 蛋白 的 蛋白 质 的 主要 类 型 蛋 A 非 肌 肉 肌 球 蛋 白 非 肌 肉 原 肌 球 蛋白 丝 蛋 白 ,<- 辅 肌 动 蛋白 毛 缘 蛋白 抑制 蛋白 绕 毛 蛋白 、 凝 胶 溶 胶 素 mesa 2 5748 ia 在 体外 对 肌 动 蛋白 的 作用 同 肌 动 蛋白 丝 相 互 作用 而 产生 肌肉 样 运动 的 一 种 ATP Be 沿 肌 动 蛋白 丝 长 轴 结 合 的 一 种 棒状 蛋白 在 肌 动 蛋白 丝 间 形 成 挠 性 交 联 而 产生 三 维 网 络 的 蛋白 质 把 相 邻 肌 动 蛋白 丝 连接 在 一 起 成 为 平行 束 的 一 种 蛋白 质 同 肌 动 蛋白 单 体 结合 ， 从 而 限制 其 聚合 的 一 种 蛋白 质 Ca+ 依赖 的 裂解 肌 动 蛋白 的 蛋白 质 ; 也 集结 肌 动 蛋白 丝 的 装配 同 肌 动 蛋白 丝 一 端 或 另 一 端 结合 而 阻止 肌 动 蛋 白 单 体 沃 加 或 丢失 的 蛋白 质 虽然 我 们 还 远 未 详细 了 解 胞 质 流动 的 分 子 基础 ,但 肌 球 蛋白 、 丝 蛋白 及 凝 胶 溶 胶 素 与 肌 动 蛋白 丝 的 相互 作用 ，, 却 为 这 一 现象 的 基本 要 素 提 供 了 模型 。 肌 动 蛋白 丝 可 以 通过 同 交 联 蛋白 如 丝 蛋 白 的 相互 作用 而 产生 一 种 凝 胶 样 的 网 络 。 Ca” 的 升 高 则 会 通过 裂解 肌 动 蛋白 的 蛋白 质 如 凝 胶 溶 胶 素 的 作用 ,引起 肌 动 蛋白 - 丝 蛋 白 网 络 粘度 的 急剧 下 降 。 而 局 样 的 Ca+ 升 高 ,还 会 激活 肌 球 蛋白 分 子 , 以 相对 拉动 肌 动 蛋白 丝 ， 从 而 产生 强 有 力 的 流 Bo 脊椎 动物 非 肌肉 细胞 的 一 些 结合 肌 动 蛋白 的 蛋白 质 的 性 质 , 总 结 在 图 10-72 和 表 10-5 rh, 小 结 肌 动 蛋 白 见 于 细胞 中 的 许多 不 同 结构 ， 并 与 大 量 不 同 的 结合 肌 动 蛋白 的 蛋白 质 相关 联 。 借 助 毛 缘 蛋 白 之 类 的 蛋白 质 交 联 的 刚性 平行 肌 动 蛋白 丝 束 ， 存 于 微 绒毛 和 实体 纤毛 的 核心 ， 在 那里 起 着 主要 的 结构 作用 。 同 非 肌 肉 肌 球 蛋 白 的 短 双 极 聚 集体 结合 的 肌 动 蛋 白 丝 束 , 则 见于 需要 肌肉 样 收缩 的 细胞 特定 区 域 ,如 分 裂 细胞 多 收缩 环 ， 上 色 细 胞 顶部 区 域 的 带 状 桥 粒 和 扁平 的 组 织 培 养 细胞 的 应 力 纤维 。 此 外 ,在 整个 细胞 质 中 ,特别 是 正好 位 在 质 膜 下 方 的 皮质 层 中 ,还 见 有 组 织 得 不 太 好 的 * 具 有 凝 胶 性 质 的 肌 动 蛋白 丝 网 络 。 这 些 网 络 , 看 来 像 是 通过 像 丝 蛋 白 这 样 一 类 能 够 弯曲 和 交 联 肌 动 蛋白 的 蛋白 质 形成 的 ,而 在 裂 解 肌 动 蛋白 的 蛋白 质 如 凝 胶 深 胶 素 介 导 下 , 则 会 出 现 Ca+* 诱导 的 粘度 下 降 。 根据 这 些 网 络 与 非 肌肉 肌 球 蛋白 及 使 之 停泊 在 质 膜 上 的 那些 蛋白 的 相互 作用 ， 它 们 被 认为 是 负责 各 种 细胞 表面 运动 的 ,并 在 复杂 的 细胞 移动 过 程 中 起 着 决定 性 的 作用 。 Ho of ae hse eR MAWES. 在 多 数 真 核 细胞 的 电镜 照片 中 , 均 呈 直线 或 柔和 的 曲线 排列 (图 10-61)。 其 特定 直径 为 8 一 10 nm, 因 此 正好 介 于 肌 动 蛋白 丝 与 微 管 之 间 (图 10-73)。 它 们 在 细胞 承受 机 械 压力 的 那些 部 位 特别 显著 ， 例 如 沿 神经 细胞 突 起 的 长 轴 、 相 邻 上 皮 细 胞 之 间 的 桥 粒 附近 及 平滑 肌 细 胞 的 细胞 质 各 处 。 它们 在 保持 骨骼 肌 中 相 邻 肌 节 的 忆 盘 相互 对 齐 方面 的 作用 , 已 在 前 面 作 过 讨论 。 中 等 纤维 是 最 稳定 的 细 胞 骨架 成 分 ， 也 是 最 难 溶 解 的 细胞 组 分 :” 若 以 高 或 低 离子 强度 溶液 或 去 拍 剂 抽 提 细胞 ， 大 部 分 胞 波及 其 他 蛋白 质 纤 丝 都 丧失 ,而 中 等 纤维 却 留 了 下 来 。 事 实 上 ,细胞 骨架 ”这 个 术语 ,最 初 就 是 杜撰 来 描述 这 些 异 常 的 不 溶 纤维 的 。 中 等 纤维 是 由 大 小 差异 很 大 的 纤维 状 多 肽 构成 的 * 若 先 用 金属 投影 ,再 作 电镜 观察 , 中 等 纤维 即 表 现 为 不 规则 的 丝 状 分 子 ， 而 与 呈 微 球 状 结构 的 肌 动 蛋白 或 微 管 蛋白 相反 。 在 装配 的 中 等 纤维 中 , 这 些 纤维 状 多 肽 被 认为 是 并 排 结 合 , 而 成 为 一 种 类 似 胶 原 分 子 的 绳索 状 结构 。 这 样 一 种 排列 可 以 说 明 中 等 纤维 的 许 多 特殊 性 质 。 例 如 , 它 能 产生 抗 张强 度 很 高 的 纤 丝 ,其 强度 在 必要 时 还 可 通过 增加 亚 基 闻 的 共 价 键 来 进一步 加 强 。 况且 ,只 要 每 个 纤维 蛋白 有 一 部 分 参与 形成 中 等 纤维 的 相互 作用 ,余下 部 分 可 有 相当 。 575。 810-73 ”存在 于 海产 电 虫 巨型 轴 突 的 轴 质 样品 中 的 负 染 神经 纤 丝 的 电子 显微镜 照片 。 环 状 小 体 则 为 制品 中 的 非 纤 丝 蛋 白 聚 集体 。(David Gilbert 赠 ) 大 的 改变 也 不 致 影响 整个 纤维 结构 。 如 下 所 述 , 中 等 纤维 实际 上 是 由 大 小 范围 异常 广泛 《从 大 约 40 000 到 200 000 道 尔 顿 以 上 ) 的 多 肽 构成 的 ,它们 在 不 同类 型 细胞 之 间 和 不 同 种 的 动物 的 同一 类 型 细胞 之 间 都 不 相同 。 例 如 哺乳 动物 轴 突 的 中 等 纤维 (神经 丝 )， 含 有 三 种 不 同 的 多 肽 ， 其 分 子 量 分 别 为 70 000、140 000 和 210 000。 而 乌贼 的 神经 丝 ， 仅 由 60 000 和 200 000 道 尔 顿 的 两 种 多 肽 构成 + 中 等 纤维 中 等 纤维 亚 基 非 螺旋 区 域 3 条 不 同 的 呈 重 螺旋 排列 的 & 螺旋 多 肽 链 图 10-74 中 等 纤维 的 结构 模型 。 基本 亚 基 由 三 条 纤 丝 多 肽 组 成 。 〈 据 P. Steinert, J. Mol. Biol. 123:49 一 70，1978， 修 改 ) 与 此 成 为 鲜明 对 比 的 是 ， 肌 动 蛋白 和 微 管 蛋 白 的 大 小 ,在 数 十 亿 年 中 竟 无 明显 改变 。 对 此 稳定 性 最 合乎 情理 的 解释 ， 就 是 由 球状 亚 基 装 配 多 又 体 ， 要 求 严格 限制 亚 基 三 维 结构 的 变异 性 一 BO 使 在 大 小 或 形状 上 的 微细 变化 也 会 干扰 装配 过 程 。 而 中 等 纤维 蛋白 ， 则 无 类 似 限 制 。 多 肽 链 在 中 等 纤维 中 如 何 排列 ， 尚 不 清楚 。 据 认 为 ,它们 可 能 是 每 三 条 聚集 成 为 一 组 ,因此 纤 丝 亚 基 就 是 一 个 三 聚 体 。 生 物化 学 研究 表明 ， 每 条 多 肽 都 有 两 个 不 同 的 螺旋 区 域 。 由 此 推 想 , 一 个 三 聚 体 中 的 三 条 多 肽 的 这 些 区 域 会 相互 绰 绕 而 BR EAE (A 10-74)。 多 肽 链 的 其 他 区 域 a 螺旋 较 少 , 既 可 用 来 稳定 纤 丝 ,又 可 从 纤 丝 表面 突 出 ,以 同 其 他 细胞 质 组 分 相互 作用 。 正 是 这 些 并 不 直接 参与 纤 丝 形成 的 区 域 ,， 可 能 会 在 中 等 纤维 蛋白 徐 内 的 不 同 多 肽 之 间 显 示 出 相当 大 的 差异 。 * 576° 中 等 纤维 解 聚 可 能 需要 破坏 纤维 ” 在 存在 于 细胞 质 的 条 件 下 , 中 等 纤维 的 分 子 装配 很 可 能 是 不 可 道 的。 既 无 细胞 内 存 在 着 一 个 未 聚合 的 中 等 纤维 蛋白 库 的 证 据 , 也 无 像 肌 动 蛋白 和 微 管 蛋白 那样 ,在 其 可 溶 形 式 与 聚合 形式 之 间 存 在 一 种 动态 平衡 的 证 据 。 这 种 稳定 性 便 提 出 了 如 何 进 行 控 制 的 重要 问题 。 细胞 是 否 能 够 调节 所 含 中 等 纤维 的 数量 或 长 度 ? “如 果 能 够 的 话 ， 又 是 怎样 实现 的 。 能 够 专 一 地 降解 一 种 或 另 一 种 中 等 纤维 的 蛋白 水 解 酶 的 发 现 ， 已 给 这 些 问 题 提供 了 部 分 解答 。 这 些 酶 的 大 多 数 在 体外 均 可 为 Ca’ 所 激活 ， 但 它 在 活 细胞 内 起 作用 的 条 件 尚 不 清楚 。 然 而 ,细胞 能 够 使 其 中 等 纤维 解 聚 的 唯一 办 法 ,可 能 就 是 通过 酶 切 使 其 多 肽 成 为 较 小 片段 。 不 同类 型 的 细胞 含有 不 同 组 成 的 中 等 纤维 ” 有 多 种 不 同 的 中 等 纤维 ,各 由 一 组 不 同 蛋白 亚 基 构 成 ( 表 10-6)。 通 常 一 种 细胞 类 型 只 含有 一 种 中 等 纤维 (图 10-75): 〈1) 神 经 原 含 有 神经 丝 , 峭 椎 动物 的 神经 丝 由 三 条 不 同 的 中 等 纤维 多 肽 组 成 通常 称 为 神经 丝 三 联 体 。(2) 上 皮 细 胞 含有 角 蛋 白 丝 [也 叫 张 力 丝 (tonofilaments)] ,这 种 纤 丝 是 由 数量 不 定 的 、 密 切 相关 的 角 蛋 白 构 成 的 。(3) 多 数 的 其 他 细胞 则 具有 由 55 000 道 尔 顿 的 波形 蛋白 (vimentin) 组 成 的 中 等 纤维 ,这 种 蛋白 质 可 与 其 他 细胞 类 型 专 一 的 亚 基 共聚 合 。 例 如 ， 肌 肉 细胞 的 中 等 纤维 含有 波形 蛋白 和 一 密切 相关 的 蛋白 质 , 结 蛋 白 ,而 星 形 细 胞 (中 枢 神 经 系统 中 一 类 特殊 的 支持 或 胶 质 细胞 ) 具 有 大 型 中 等 纤维 束 由 波形 蛋白 及 50 000 道 尔 顿 的 胶 质 原 纤维 酸性 蛋白 (glial fibrillary acidic pro- tein) 组 成 , 称 之 为 神经 胶 质 丝 O 。 成 纤维 细胞 和 许多 其 他 类 型 细胞 的 中 等 纤维 似乎 主要 HRBEA WR. 10-6 «AHEAD AAA PS 维 中 等 纤维 多 肽 组 分 (分 子 量 ) 细 fa 类 型 AERA 各 种 角 和 蛋白 ERA Ha (40 000—650 00) 神经 丝 神经 丝 三 联 神经 原 体 蛋 白 (70 000; 140 000;210 000) 含有 波形 蛋白 的 纤 丝 波形 蛋白 成 纤维 细胞 和 许多 其 他 类 型 (55 000) 的 细胞 波形 蛋白 某 些 胶 质 细胞 十 胶 质 原 纤维 酸 性 蛋白 (50 000) 波形 蛋白 肌肉 细胞 十 结 蛋白 (51 000) 为 什么 会 有 这 么 多 不 同 的 中 等 纤维 蛋白 9 这 种 异 质 性 暗示 ， 这 些 纤 维 在 不 同类 型 细 胞 内 介 导 的 相互 作用 多 少 有 点 不 同 。 在 不 同类 型 细胞 中 ,通过 蒸 加 不 同 辅助 蛋白 赋 于 肌 动 蛋 日 和 微 管 蛋白 的 大 量 差异 ,可 能 就 是 通过 多 肽 组 分 上 的 差异 而 传 给 了 中 等 纤维 。 ° 577 。 角 蛋 白 丝 加 固 了 上 皮 细 胞 层 * 在 上 皮 细 胞 层 内 , 相 邻 细胞 是 通过 叫做 点 桥 粒 的 、 多 钉 似 的 牢固 联结 而 机 械 地 结合 在 : 一 起 的 〈 见 660 页 )。 在 其 内 (细胞 质 ) 表 面 ,这 些 联 结 作为 角 蛋 白 丝 的 锚 着 部 位 ， 使 其 形 成 遍及 各 上 皮 细 胞 的 不 规则 网 架 ( 图 10-61D)。 因 为 另 一 种 纤维 能 越过 细胞 外 空隙 ,从 一 个 细胞 伸 到 另 一 个 细胞 ， 把 点 桥 粒 的 两 半 连 接 起 来 ， 角 蛋白 丝 即 成 为 连续 蛋白 丝 网 架 的 一 部 分 ,在 整个 上 皮 细 胞 层 内 伸展 而 使 其 具有 抗 张强 度 。 角 蛋 白 丝 也 见于 高 等 动物 的 坚韧 外 者。 这 些 纤 维 累积 在 成 部 上 皮 细 胞 的 细胞 质 中 ， 逐渐 相互 交 联 和 部 分 地 通过 二 硫 键 同 相关 蛋白 交 联 。 细 胞 最 终 死亡 ， 但 其 角 蛋 白 却 继续 存留 ， 构 成 动物 体 表 坚韧 的 保护 性 外 层 〈 第 十 六 章 )。 毛 发 .指甲 ， 以 及 皮肤 表层 就 是 这 样 形成 的 。 角 蛋 白 丝 可 通过 破坏 其 二 硫 键 和 以 尿素 之 类 的 变性 溶剂 抽 提 和 蛋白质 而 进行 溶解 。 这 样 得 到 的 多 肽 极为 多 样 , 甚 至 来 自 像 牛 鼻 上 皮 这 样 一 种 单一 组 织 的 角 蛋 白 , 也 由 6 种 或 更 多 种 相关 蛋白 质 组 成 而 且 同 一 动物 的 不 同 部 位 如 蹄 和 鼻 的 角 蛋 白 组 成 也 稍 有 不 同 ; 它 们 是 由 不 同族 的 相关 角 蛋 白 基因 编码 的 。 角 蛋白 的 这 种 多 样 性 ,或 许 并 不 奇怪 ,因为 这 些 蛋 白质 起 着 重要 而 又 多 样 的 作用 : 它们 不 仅 给 动物 设置 了 防止 热量 和 水 分 散失 的 头 道 屏 障 , 而 且 还 给 动物 提供 了 伪装 ,防护 器 官 和 装饰 。 中 等 纤维 是 否 具有 非 结 构 功能 ?” 一 些 其 他 类 型 的 中 等 纤维 好 像 也 具有 结构 作用 。 例 如 骨骼 肌 的 中 等 纤维 ， 看 来 像 是 通过 将 乙 盘 边缘 系 在 二 起 而 使 相 邻 肌 原 纤维 保持 对 齐 ( 见 图 10-17)， 而 神经 丝 则 被 认为 是 用 来 加 强 神经 细胞 轴 突 的 ;其 长 度 可 在 一 米 以 上 ,通常 作为 较 固定 的 结构 存留 于 动物 一 Hey 然而 ,在 其 他 细胞 中 ,中 等 纤维 的 布 分 对 其 功能 提供 的 线索 却 很 少 。 例 如 在 培养 的 成 二 ER ce ee 10-75 “用 各 种 中 等 纤维 蛋白 抗体 染色 的 大 鼠 舌 冰冻 切片 的 免疫 荧光 显微镜 照 请 。(A ) 抗 角 蛋 白 抗 体 使 工 层 的 上 皮 细 胞 染色 ;(B) 抗 波形 蛋白 抗体 使 主要 位 在 U 层 的 成 纤维 细胞 及 血管 染色 ; 《C) 抗 结 蛋白 抗体 使 II 层 中 的 肌肉 细胞 染色 ;(D) 抗 神 经 纤 丝 抗体 使 I、II 层 中 的 神经 突起 染 色 。( 引 自 M. Osborn, N. Geisler, G. Shaw, G. Sharp,and K. Weber, Cold Spring Har- bor Symp. Quant. Biol. 46:413—429, 1982) © 578° eo: ou Wan HT, EAS ARE (A 10-61)。 如 果 中 等 纤维 仅仅 是 维持 张力 的 要 素 。 为 什么 会 有 这 么 多 不 同 种 类 的 多 肽 ?而 多 肽 的 于 纤维 形成 本 身 似 无 必要 的 那些 区 域 的 功能 又 是 什么 ? 由 于 缺乏 像 秋水 仙 碱 及 细胞 松弛 素 那样 能 分 别 专 一 地 破坏 微 管 和 肌 动 蛋白 丝 的 试 剂 ,能 专 二 地 破坏 活 细胞 内 的 中 等 纤维 ， 直 到 最 近 探索 中 等 纤维 的 功能 仍 很 困难 。 然 而 。 现在 已 有 可 能 将 同 中 等 纤维 反应 的 单 克隆 抗体 注 人 培养 细胞 。 注 和 成 纤维 细胞 的 这 种 抗 体 导致 含 波形 蛋白 丝 瓦 解 , 在 近 核 处 形成 一 个 致密 的 帽子 。 令 人 惊奇 的 是 ,抗体 对 于 细胞 生长 分 裂 . 运 动 或 形状 都 没有 影响 。 因 此 ， liao iar Mall 以 致 无 法 通过 显微镜 检查 培养 细胞 来 辨别 。 小 结 中 等 纤维 是 由 纤维 性 多 肽 组 成 的 绳 索 状 多 聚 体 ， 在 细胞 内 起 着 结构 或 维持 张力 的 作 用 。 已 知 种 种 组 织 所 含 的 专 一 多 肽 类 型 的 不 同形 式 包 括 : 上 皮 细胞 的 角 蛋 白 丝 \ 神 经 细胞 的 神经 丝 , 以 及 成 纤维 细胞 和 多 数 其 他 细胞 的 波形 蛋白 丝 o 不 同类 型 中 等 纤维 的 多 肽 的 氨基 RMF 不同， 其 分 子 量 也 常 显示 出 巨大 变异 。 然 而 ,它们 都 含有 被 认为 参与 纤维 形成 的 同 源 区 域 。 非 为 纤维 形成 本 身 所 必需 的 那些 区 域 很 可 能 在 其 他 尚未 确定 的 细胞 功能 中 起 作用 。 到 此 为 止 ， 都 是 把 微 管 、 肌 动 蛋白 丝 和 中 等 纤维 作为 它们 是 独立 的 细胞 组 分 来 处 理 的 但 是 很 明显 ,细胞 骨架 的 不 同 部 分 必须 连接 在 一 起 ,其 功能 也 必须 相互 协调 ,才能 调节 细胞 的 形状 变化 ,产生 不 同类 型 的 细胞 运动 。 例 如 ,当成 纤维 细胞 在 培养 中 变 圆 直 到 分 发 时 ,整个 细胞 骨架 即 被 重新 组 织 : 应 力 纤维 和 胞 质 微 管 解 聚 ,同时 有 丝 分 裂 纺锤 体 及 随后 收缩 环形 成 ,一 切 均 按 有 控制 的 活动 顺序 进行 。 遗 憾 的 是 ,关于 细胞 骨架 三 种 主要 纤 丝 系 统 之 间 的 相互 作用 却 知道 得 很 少 ， 而 对 于 协调 这 些 系统 中 出 现 的 许多 变化 的 分 子 机 制 则 了 解 更 少 。 在 电镜 下 可 见 到 细胞 骨架 呈 三 维 结构 细胞 生物 学 中 最 老 的 争论 之 一 是 有 关 细 胞 质 的 组 织 结构 。 使 用 显微镜 对 活 细胞 所 作 的 最 早 观 察 揭示 ,细胞 质 是 一 种 粘性 共 体 ,可 从 较 流 动 状态 变 为 类 似 于 一 种 变形 的 固体 状 态 。1870 一 1885 年 间 , 由 于 细胞 在 固定 和 染色 后 所 呈现 的 形象 ， 细 胞 质 才 被 广泛 认为 含 有 由 蛋白 纤维 构成 的 三 维 网 状 结构 。 这 种 观点 曾 遭 到 一 些 组 织 学 家 的 激烈 反对 ， 他 们 认 为 在 固定 之 后 所 见 到 的 网 络 是 一 种 假象 , 它 是 由 粗暴 处 理 细胞 产生 的 凝固 蛋白 构成 的 。 在 100 年 后 的 今天 , 仍 能 听 到 类 似 争论 ， 尽管 他 们 现在 涉及 的 是 直径 颇 小 而 只 能 在 电镜 下 见 到 的 纤维 。 常规 的 薄 切 片 电 镜 术 ， 不 是 一 个 观察 细胞 质 内 蛋白 丝 三 维 排列 的 好 办 法 。 由 于 切片 太 薄 ,以 致 不 能 给 纤维 整个 几何 结构 提供 任何 指示 ， 且 难以 辨别 纤维 之 间 是 否 存在 连接 ， 或 长 至 在 许多 情况 下 ,难以 区 分 不 同 纤维 类 型 。 现 已 有 几 种 使 用 电镜 观察 较 厚 胞 质 层 的 方 *。579。 图 10-76 ” 按 不 同 制备 程序 获得 的 细胞 质 照片 。 ( 均 按 同一 放大 倍数 ) (A) 经 非 离子 去 垢 剂 抽 提 的 成 纤维 细胞 胞 质 的 深度 蚀刻 电子 显微镜 照片 。 成 左右 走向 的 松散 菲 列 的 大 部 分 较 直 的 细 丝 都 是 肌 动 蛋白 丝 ? 而 交叉 的 那些 细 丝 (位 于 显 微 照 片 中 央 ) 则 主要 是 中 等 纤维 。(John Heuser 和 Marc Kirschner 赠 ) (B) 位 于 培养 人 胶 岳 细胞 较 薄 部 位 的 负 桨 蛋白 质 丝 的 电子 显微镜 巾 片 。 由 于 细胞 是 在 非 离子 去 扰 剂 存在 下 固定 的 故 其 可 次 性 蛋白 质 已 经 丢失 不 少 。(Uno Lindberg，Anna-Stina Hasglund 和 Roger Karlsson 赠 ) (〈《C) 经 去 拍 剂 抽 提 的 部 分 培养 成 纤维 细胞 的 高 压 电 子 显微镜 照片 。 肌 动 蛋白 纤维 是 以 肌 球 蛋白 的 S 1 片 女 装饰 的 。 (Manfred Schliwa 赠 ) (D) 除 未 用 去 二 剂 抽 提 外 均 按 图 10-76 C 制备 的 部 分 细胞 的 高 压 电 子 显 微 镜 照片 。 胸 质 充满 广泛 的 由 蛋白 质 细 丝 构成 的 三 维 网 络 一 一 所谓 微 梁 网 络 。(CManfred Schliwa 赠 ) (〈E) 未 经 去 拍 剂 抽 提 的 大 鼠 轴 突 的 深度 蚀刻 电子 显微镜 照片 。 蛋 白质 细 丝 彼此 通过 交 联 广泛 连 接 , 交 联 在 适当 位 置 表现 出 周期 性 地 排列 。(S. Tsukita 和 H. Ishikawa 赠 ) es。 580° 法 ,由 此 获得 的 代表 性 照片 ( 均 为 按 同 一 放大 倍数 ), 已 示 于 图 10-76。 用 非 离子 去 拍 剂 抽 提 细胞 时 所 得 的 图 像 最 为 请 晰 ， 因 为 这 样 可 以 除去 细胞 的 磷脂 和 可 溶性 蛋白 。 经 此 处 理 后 的 细胞 ,再 作 快 速 冰冻 ` 深 度 蚀 刻 ， 即 可 揭示 出 一 种 特别 引 人 注 目的 细胞 骨架 图 像 (图 10-76 A)。 各 个 肌 动 蛋白 丝 和 中 等 纤维 仍 留 在 原 位 , 微 管 在 特定 条 件 下 也 可 保存 下 来 。 不 同类 型 的 蛋白 丝 可 按 其 直径 鉴定 ,而 在 某 些 情况 下 则 可 按 其 蛋白 亚 基 的 排列 来 鉴定 。 细 胞 在 用 去 垢 剂 抽 提 后 ,再 以 重金 属 显 色 ,也 可 得 到 类 似 的 细胞 骨 恕 图 像 : 由 于 细胞 边缘 很 薄 ,以 致 往往 毋 需 切片 , 即 可 在 电镜 下 进行 观察 (图 10-76 B)。 也 可 在 高 压 电 镜 下 观察 细胞 质 的 厚 切 片 (图 10-76C)。 在 这 些 图 像 中 ,看 来 三 种 类 型 的 蛋 白 丝 大 多 是 分 开 的 ,如 果 有 连接 在 一 起 的 也 只 是 通过 偶然 的 交 联 。 然而 ,在 未 经 去 拍 剂 处 理 的 细胞 内 ,细胞 骨架 的 网 状 结构 却 看 来 完全 不 同 。 这 种 细胞 可 在 高 压 电 镜 下 观察 (图 10-76 D)， 也 可 在 快速 冰冻 和 深度 蚀刻 后 再 行 观 察 (图 10-76 E)。 现 在 看 来 ,细胞 骨 架 的 主要 纤维 像 是 由 细 丝 组 成 的 三 维 网 络 来 广泛 连接 的 ,而 构成 细 丝 的 则 可 能 就 是 在 用 去 拍 剂 处 理 细 苞 时 被 除去 的 蛋白 质 。 这 种 网 状 结构 已 被 称 之 为 微 染 网 络 (microtrabecular network)。 目 前 还 不 能 确定 ,这 种 纤细 的 网 络 是 否 是 活 细胞 内 的 细 胞 骨架 的 组 成 部 分 ,或 是 由 于 可 溶性 大 分 子 在 固定 和 脱水 过 程 中 育 集 所 致 。 然 而 ,已 有 足 够 证 据 表 明 , 细 胞 骨架 的 各 种 纤维 系统 都 是 互相 连接 的 ,甚至 许多 通常 被 认为 是 可 溶性 的 和 自由 扩散 的 组 分 ,实际 上 在 活体 中 也 是 同 细胞 骨架 相关 联 的 。 和 细胞 器 和 可 溶性 蛋白 会 同 细 胞 骨架 结合 ” 细胞 中 的 肌 动 蛋白 浓度 极 高 一 一 某 些 部 位 达 50 mg/ml 以 上 。 正 是 这 个 缘故 ,可 以 发 现 凡 具有 结合 肌 动 蛋白 倾向 的 任何 蛋白 质 ， 即 便 很 弱 ， 都 至 少 会 同 肌 动 蛋白 或 肌 动 蛋 白 丝 或 两 者 暂时 结合 。 确 有 不 少 迹 象 表明 ， 活 细胞 的 其 他 组 分 也 会 同 细胞 骨架 各 个 部 分 结合 。 膜 包围 的 细 胞 器 ,如 线粒体 和 溶 酶 体 , 往往 会 以 一 种 称 为 跳跃 运动 (saltatory movement) 的 特有 方式 各 自 运动 , 即 爆发 式 地 迅速 沿 直线 向 前 移动 ,但 常 无 踪迹 可 寻 , 有 时 稍 事 停顿 ,在 再 移动 : 前 常 按 原 路 返回 ， 惟 有 时 改变 方向 。 往 往 在 电镜 下 可 以 见 到 从 这 些 细胞 器 伸展 到 邻近 蛋 白 丝 的 细微 连接 。 常 可 见 成 簇 的 胞 质 核糖 体 与 蛋白 丝 相 结合 ; 若 用 非 离子 型 去 拍 剂 对 细 驳 进行 抽 提 ,大 量 蛋 白质 合成 装置 便 会 与 细胞 骨架 一 起 存留 下 来 。 更 令 人 惊异 的 是 ,可 溶 性 酶 ,例如 一 些 参 与 酵 解 的 酶 ,看 来 是 同 肌 原 纤维 中 的 肌 动 蛋白 丝 及 成 纤维 细胞 的 应 力 纤 维 结合 在 一 起 的 ,这 用 免疫 获 光 即 可 将 其 检测 出 来 。 关于 神经 细胞 轴 罕 中 和 蛋白质 组 分 运输 的 研究 也 有 力 地 表明 了 可 溶性 蛋白 同 肌 动 蛋白 的 结合 。 若 将 神经 细胞 与 放射 性 氨基 酸 一 起 短暂 温 育 ， 细 胞 体内 合成 的 细胞 骨架 蛋白 便 成 为 标记 蛋 自 ,随后 即 以 每 天 1mm 和 5mm 的 缓慢 而 稳定 的 速度 , 沿 轴 突 输送 到 神经 末 端 一 一 一 个 叫做 慢 轴 突 运 输 的 过 程 。 在 此 范围 内 ， 经 鉴定 出 的 两 种 主要 慢 运输 速度 是 在 这 样 的 范围 内 : 一 个 很 慢 的 组 分 几乎 全 由 微 管 蛋 白 和 神经 丝 蛋 白 组 成 ; 稍 快 的 组 分 包括 肌 动 蛋白 及 大 量 其 他 蛋白 质 的 集合 物 ( 图 10-77)。 有 趣 的 是 ， 一 些 通常 被 认为 是 可 溶性 的 酶 ,如 肌 酸 激酶 和 烯 醇 酶 ,也 在 随 肌 动 蛋 折 移 动 的 蛋白 质 之 列 。 因 为 这 些 蛋白 质 作 为 一 条 独立 的 放射 性 带 移动 ,可 达 数 周 帮 至 数 月 之 入, 足见 它们 不 能 在 细胞 质 中 自由 扩散 。 加 之 ,其 移动 速度 又 与 肌 动 蛋白 相同 , 因此 似乎 有 理由 推断 , 它们 是 以 某 种 物理 方式 同 肌 动 ° 381° HAZE HY EZ, EMER MARSA TTR EKKE. AMREA AE 一 类 不 溶性 组 分 通过 专 一 结合 的 相互 作用 连接 在 一 起 ， 而 且 胞 液 中 的 许多 以 前 认为 是 可 溶性 的 和 自由 扩散 的 组 分 也 是 如 此 。 细胞 骨架 内 的 广泛 变化 是 由 转化 病毒 的 单个 基因 产生 的 组 织 培养 中 的 癌 细 胞 和 正常 细胞 在 生长 潜能 上 的 差异 往往 与 细胞 骨架 的 显著 改变 有 关 。 癌 细胞 很 容易 在 低 血 清 浓度 条 件 下 上 生 长 ,就 是 悬浮 在 琼脂 凝 胶 中 也 能 生长 。 而 且 当 其 铺 满 组 织 培养 下 底 时 ， 不 会 像 正 常 细胞 那 样 停止 生长 ， 而 是 继续 相互 堆积 直至 达到 很 高 密度 ( 见 600 页 )。 伴 随 这 些 行为 改变 而 出 现 的 细胞 骨架 重组 反映 出 两 个 变化 : 癌 细 胞 通常 较 圆 ;应 力 纤维 数目 减少 或 甚至 没有 (图 10-78), ; SHAE LA eR a. Ze ees 如 何 测量 神经 轴 突 中 蛋白 质 慢 运输 的 图 解 。 正常 细胞 中 通过 诸如 Rous 肉瘤 病毒 之 类 的 AERO TRE. aan FER TEME, RAMS MITE M SX1S5 tm HRERGWARR. COLAR, ee RMR, St —M pesrcii se a He. sHmeN—Tanname nus BUESSA LAME, te ME HL A> She RAITT ve 性 组 分 “时 ,细胞 即 被 转化 而 形成 肿瘤 ; 当 此 基因 钝 化 时 ,细胞 则 表现 正常 。 最 近 已 经 证 明 ，srec 基因 的 产物 是 一 种 专 一 性 独特 的 蛋白 激酶 。 这 种 激酶 负责 催化 细胞 蛋白 一 特定 亚 组 中 的 酷 氨 酸 残 基 的 磷酸 化 作用 ,从 细胞 骨架 的 观点 看 来 ,细胞 蛋白 中 最 有 意义 的 是 纽带 蛋白 。 如 上 所 述 ,这 种 蛋白 质 与 粘着 斑 结 合 ,而 被 认为 对 在 质 膜 上 固着 肌 动 蛋白 丝 束 起 作用 。 src 基因 产物 对 它 的 修饰 可 能 引起 在 细胞 被 劳 氏 肉瘤 病毒 转化 后 所 见 到 的 细胞 骨架 变化 。 最 为 重要 的 是 ;这些 观 察 提示 ,细胞 的 生长 和 分 裂 可 能 通常 就 是 通过 一 种 有 组 织 的 细胞 骨架 所 接受 的 信号 来 调节 的 。 微 管 可 能 是 细胞 骨架 的 总 组 织 者 ” 所 有 真 核 细胞 都 有 它 独 特 的 空间 几何 结构 ， 按 其 细胞 器 位 置 及 外 表面 特征 即 可 加 以 识别 。 细 胞 骨架 的 所 有 组 分 都 反映 了 这 种 几何 结构 ,但 起 决定 性 作用 的 似乎 往往 还 是 微 管 。 众 所 周知 , 微 管 与 细胞 长 轴 成 一 直线 ,而 在 许多 情况 下 , 它们 的 存在 对 于 维持 细胞 的 不 对 称 形 状 是 必 不 可 少 的 。 例 如 。 同 秋水 仙 碱 接触 会 抑制 正在 生长 的 神经 细胞 内 长 突起 的 发 育 ， 以 及 某 些 胚胎 上 皮 细 胞 的 预定 伸 长 一 一 显然 都 是 通过 阻止 其 微 管 的 聚合 。 秋 水 仙 碱 对 于 一 些 诸如 肌纤维 或 晶状体 细胞 之 类 的 伸 长 了 的 成 熟 细胞 则 无 影响 。 由 此 看 来 ， 后 来 由 其 他 成 分 维持 的 形状 由 早期 哲 时 存在 的 徽 管 产生 。 ° 582。 微 管 明 显 地 影响 中 等 纤维 在 多 数 培养 细胞 内 的 分 布 。 例 如 在 培养 的 成 纤维 细胞 中 ， 中 等 纤维 以 与 了 苞 质 微 管 十 分 相似 的 辐射 型 式 伸展 ， 从 一 近 核 区 域 向 周围 延伸 。 若 以 秋水 仙 碱 处 理 细 胞 , 微 管 网 络 即 迅速 解 聚 (典型 的 不 到 10 分 钟 ), 而 中 等 纤维 也 在 随后 的 数 小 “时 之 内 逐渐 瓦解 成 为 一 个 邻近 核 的 致密 纤 丝 帽 。 若 将 药物 除去 , 微 管 即 迅速 重新 聚合 ,中 等 纤维 也 慢 慢 回复 到 它们 的 正 汕 分 布 。 图 10-78 用 结合 肌 动 蛋白 药物 和 鬼 笔 考 环 肽 的 荧光 衍生 物 染色 的 。 正 常 成 纤维 细胞 (A) 和 肿瘤 病 奏 转 化 的 细胞 (B) 的 免疫 荧光 显微镜 照片 。 正 常 细 胞 具有 许多 显著 的 应 力 纤 维 ; 而 癌变 细胞 即使 有 也 很 少 。 〈 引 自 M. Verderame, D. Alcorta, M. Egnor, K. Smith, and R. Pollack, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 77:6624—6628, 1980) ; 有 些 证 据 表明 , 微 管 也 会 影响 细胞 内 肌 动 蛋白 丝 的 分 布 。 最 明显 的 例子 ,也 许 就 是 借 以 完成 细胞 分 裂 过 程 的 收缩 环 。 它 总 是 在 与 有 丝 分 裂 纺锤 体 赤 道 垂 直 的 平面 上 形成 。 因 此 ， 当 两 个 一 半 纺 锤 体 将 两 组 染色 体 牵 开 时 ,一 组 染色 体 便 被 包 人 了 一 个 子 细胞 ( 见 第 十 一 章 )。 在 此 情况 下 ,基于 肌 动 蛋白 的 收缩 活性 和 基于 微 管 的 纺锤 体 活 性 的 协调 ， 显 然 是 不 可 缺少 的 。 事 实 上 , 若 将 有 丝 分 裂 纺锤 体 的 形成 部 位 机 械 转 移 , 随 后 形成 收缩 环 的 位 置 就 会 相应 改变 (图 10-79)。 大 量 证 据 表 明 ， 微 管 还 常常 起 着 组 构 其 他 细胞 质 组 分 的 临时 支架 作用 。 如 在 第 十 九 BOA ,这 种 作用 在 植物 细胞 中 尤其 显著 。 例 如 ,细胞 的 分 裂 平面 就 是 由 皮质 微 管 暂时 构成 的 早 前 期 带 (preprophase band) 决 定 的 ,而 其 他 微 管 则 规定 了 纤维 性 细胞 壁 沉积 的 部 位 及 取向 ( 见 第 十 九 章 )。 在 哺乳 动物 中 ， 由 微 管 构成 的 螺旋 环 正好 缠绕 在 发 育 中 的 精子 尾部 轴 丝 周围 ， 而 后 消失 一 一 仅 留 下 一 个 为 轴 丝 提供 ATP 的 线粒体 螺旋 环 ( 见 图 9-4)。 最 后 ， 关 于 微 管 的 这 种 临时 支架 作用 还 有 一 个 特别 引 人 注 目的 例子 。 在 昆虫 飞翔 肌 早 期 发 育 过 程 中 ， 微 管 在 昆虫 飞翔 肌 中 同 正 在 发 生 的 粗 、 细 肌 丝 一 起 形成 有 规律 的 排列 (A 10-80), 不 久 这 些微 管 消失 ， 便 留 下 了 这 种 特 化 肌肉 所 特有 的 高 度 有 组 织 的 纤 丝 排 列 。 在 培养 的 细胞 中 ,基于 肌 动 蛋白 的 各 种 局 部 表面 活动 ， 例 如 膜 变 皱 、 微 刺 形 成 和 吞 史 作用 ,往往 看 来 像 是 发 生 在 细胞 的 近 微 管 未 端 区 域 , 并 且 这 些 运动 在 细胞 内 的 部 位 可 为 秋 水 仙 碱 处 理 而 显著 改变 。 例 如 ,在 秋水 仙 碱 存在 下 ,培养 细胞 的 正常 连贯 运动 就 变 得 混乱 了 ;此 刻 , 膜 皱 福 出 现在 整个 细胞 外 缘 ,致使 细胞 的 运动 “犹如 无 舵 之 舟 ” 而 不 能 直线 运动 。 因此 , 像 是 胞 质 微 管 决定 细胞 极 性 ， 并 协调 负责 复杂 细胞 运动 的 各 种 细胞 骨架 组 分 。 但 是 如 前 所 述 (第 559 页 ), 许 多 微 管 本 身 又 是 由 细胞 中 心 组 织 的 , 故 细胞 中 心 可 被 认为 是 细胞 的 “指挥 部 "。 为 了 支持 这 一 看 法 , 曾 对 正在 迁移 的 组 织 培养 细胞 作 了 观察 ,表明 细胞 中 心 通常 位 在 核 的 近 变 煞 膜 一 例 , 两 个 中 心 粒 中 的 一 个 常 与 迁移 方向 排 成 一 线 , 而 另 一 个 则 与 培养 基质 成 直角 。 ° 583 » 染色 体 正在 分 裂 的 卵细胞 第 二 次 孵 裂 出 现在 有 丝 分 裂 切 锤 体 的 中 心 粒 之 间 ' 和 由 上 次 分 裂 而 来 的 一 对 中 心 粒 之 间 | ee EJ) 形成 4 个 子 细胞 10-79 示 中 心 粒 对 细胞 分 裂 平 面 影响 的 实验 图 解 。 若 将 有 丝 分 裂 细 胞 的 纺锤 体 推 至 一 侧 在 细胞 的 另 一 侧 就 不 会 发 生 卵 裂 。 随后 的 卵 裂 不 仅 出 现在 二 有 丝 分 裂 纺锤 体 之 间 ?* 而 且 还 出 现在 此 异常 细胞 中 的 ,共有 同一 胞 质 但 未 经 有 丝 分 裂 纺锤 体 连接 的 二 相 邻 中 心 粒 之 间 。 似 乎 引起 卵 裂 沟 的 肌 动 蛋白 丝 收缩 束 :总 是 形成 于 二 中 心 粒 之 闻 的 居中 区 域 。 图 10-80 ”处 于 早期 发 育 阶段 的 昆虫 肌肉 的 电子 显微镜 照片 。 粗 、 细 肌 丝 聚集 体 (人 形成 与 胞 质 微 管 (t) 并 行 。 4RRKAG KAMRAN ThA, vines 着 使 粗细 肌 丝 整 齐 成 列 的 临时 骨架 作用 。 ( 引 自 ] Auber,J. de Microse. 8:197 —232,1969) 细胞 骨架 使 细胞 能 对 固体 表面 的 物理 性 质 作 出 反应 “ 许多 种 类 的 细胞 ,只 有 当 其 附着 于 固体 表面 时 , 才 会 合成 蛋白 质 和 增殖 。 尚 不 知 如 何 行使 这 种 控制 ， 但 有 理由 假定 细胞 骨架 会 以 某 种 方式 来 参与 。 当 细 胞 接触 固体 表面 时 ， 细胞 骨架 及 随 之 细胞 形状 就 会 发 生根 本 改变 。 看 来 在 这 些 反 应 中 ， 重 要 的 是 表面 粘性 或 附着 力 及 其 三 维 轮廓 这 两 个 表面 物理 特性 。 。584 。 可 以 很 方便 地 在 玻璃 或 塑料 表面 喷 上 很 薄 一 层 金属 ， 制 成 人 工 粘 性 梯度 。 当 细胞 在 此 表面 培养 时 ， 它 们 会 显示 出 对 粘性 较 高 的 金属 覆盖 部 分 的 优先 选择 s 成 纤维 细胞 已 被 证 明 是 沿 着 这 样 产 生 的 粘性 梯度 迁移 的 ,而 且 ,在 一 类 似 实验 中 ， 正 在 生长 的 神经 细胞 轴 突 的 尖端 叫做 生长 核心 ,在 培养 四 上 从 粘性 较 低 的 区 域 伸展 到 粘性 较 高 的 区 域 . 对 于 局 部 粘性 差异 的 这 种 反应 ， 可 用 细胞 骨架 的 收缩 性 质 来 加 以 解释 。 从 迁移 细胞 伸 出 的 细 长 微 刺 含有 一 束 排列 松散 的 肌 动 蛋白 丝 , 而 显得 有 些 收缩 能 力 。 例 如 , 它们 能 拾 起 获 开 的 碎片 颗粒 ， 并 将 其 送 回 细胞 。 看 来 ， 像 是 这 些 结构 能 够 通过 它们 的 收缩 来 测试 周围 环境 的 粘 性 ,从 而 起 到 细胞 的 触角 作用 (图 10-81)。 粘性 区 域 收缩 微 刺 牢固 的 国 着 能 使 这 些 微利 将 生长 核心 拉 向 右 方 ， 铀 突 尖 “ 屋 项” 图 10-81 图 解 表明 位 于 生长 轴 突 顶端 的 生长 核 图 10-82 如果 角 度 太 陡 ， 成 纤维 细胞 就 心 已 伸 出 许多 含有 肌 动 蛋白 的 微 刺 ( 丝 状 伪 足 )。 无 法 越过 玻璃 “屋顶 >。 这 可 能 是 由 于 它 这 些微 刺 无 规则 地 伸 出 在 周围 表面 ,然后 缩 进 生 那 寺 不 能 在 其 前 缘 形成 一 束 线性 肌 动 BE 长 核心 。 接 触 较 粘 区 域 的 微 刺 , 如 同 所 示 的 那样 ， 白 丝 (应 力 纤维 )。 要 缩 进 细胞 不 那么 容易 ,因此 便 把 生长 轴 突 拉 向 那个 方向 。 可 在 置 于 倒 V 形 玻璃 “屋顶 ”上 的 成 纤维 细胞 中 见 到 表面 轮廓 对 于 细胞 运动 的 影响 。 只 有 当 屋 顶 角 度 够 大 时 ,它们 才能 移 过 顶部 ,到 达 另 外 一 侧 (图 10-82)。 同 样 当 成 纤维 细 胞 被 置 于 玻璃 圆柱 体 表 面 时 ， 也 只 有 在 圆柱 体 直径 约 小 于 200 wm 时 ， 它 们 同 其 长 轴 才 成 一 线 * 而 主要 按 此 方向 移动 。 在 这 两 种 情况 下 ， 细 胞 都 沿 曲率 最 小 的 路 线 进 行 迁 移 ; 细 胞 借以 移动 的 一 个 可 能 的 机 制 是 依靠 应 力 纤维 的 组 织 结构 ,如 图 10-82 所 示 。 细胞 骨架 的 组 织 结构 可 由 亲 代 细胞 传 给 也 细胞 * 简单 地 说 ,细胞 骨架 的 组 织 结构 与 功能 并 不 依赖 于 细胞 核 。 失 去 核 的 细胞 仍 能 附着 于 基质 ,改变 其 形状 ,迁移 、 摄 取 颗 粒 , 等 等 。 如 果 从 成 纤维 细胞 上 脱落 下 小 的 碎片 ， 细 胞 质 膜 就 会 分 别 将 其 封闭 起 来 ， 而 这 种 碎片 (可 能 不 到 1 多 细胞 体积 ) 还 会 继续 显示 各 种 运动 达 数 小 时 之 入。 一 些 仅 会 扩展 膜 皱 福 , 另 一 些 只 会 伸 出 和 缩 进 微 刺 ,还 有 一 些 则 会 不 断 地 。585。 在 其 表面 起 泡 。 然 而 它们 都 不 会 移 位 ， 说 明 虽 然 在 局 部 的 细胞 骨架 亚 装 配 物 中 会 出 现 基 于 肌 动 蛋白 的 运动 性 ,但 整体 运动 要 有 局 部 运动 的 全 面 配合 ,这 也 许 就 是 由 从 细胞 中 心 发 出 的 微 管 提供 的 。 其 他 证 据 表 明 ， 在 细胞 骨架 中 存 有 一 种 "记忆 ”形式 。 例 如 ， 当 细胞 在 培养 期 间 分 裂 时 ,往往 在 两 子 细胞 中 出 现 排 列 相 似 的 应 力 纤维 及 细胞 延伸 物 ， 而 且 当 两 子 细胞 分 开 时 ， 其 迁移 路 线 也 显示 出 相似 性 。 但 关于 细胞 骨架 遗传 的 最 可 靠 的 例子 是 来 自 草 履 虫 的 研 究 。 它 是 一 种 大 型 单 细胞 生物 ,表面 覆盖 着 成 排 的 可 动 纤毛 。 通 常 ,纤毛 均 呈 平行 排列 纲 使 挥动 得 高 度 协调 。 也 可 以 通过 实验 处 理 打 乱 这 种 格局 ， 产 生 一 些 其 挥动 方向 与 邻近 纤 毛 相 反 的 倒 排 纤毛 (图 10-83)。 这 种 改变 了 的 型 式 一 旦 建立 ， 就 会 永 无 止境 地 传 给 一 代 又 一 代 的 细胞 。 这 种 遗传 形式 同 DNA 无 关 : 经 过 修饰 的 细胞 通过 它们 的 皮质 细胞 骨 架 遗传 一 种 特殊 纤毛 排列 型 式 。 成 排 的 纤毛 均 按司 一 方向 挥动 于 二 二 ER oH, COS GLEE x nl ‘ \y SN \ ‘\ 4 突变 型 ” 草 履 虫 图 10-83 图 解 示 正 常 草 履 虫 表面 的 成 排 图 10-84 ”蜗牛 受精 卵 螺旋 卵 裂 示意 图 。 各 箭头 纤毛 和 “突变 型 ” 草 履 虫 表 面 因 排 列 颠 倒 连 缕 的 均 为 上 次 分 裂 形成 的 一 对 对 细胞 (应 将 此 而 挥动 方向 相反 的 纤毛 。 这 种 改变 了 图 想像 为 箭头 指向 观察 者 的 立体 图 像 )。 4 细胞 的 型 式 会 随 草 履 虫 分 裂 无 限 传递 ， 即 使 期 的 带 点 细胞 的 所 有 后 代 在 8 细胞 及 16 细胞 期 DNA 中 的 信息 并 未 改变 。 也 带 点 。 直接 遗传 一 种 特定 细胞 骨架 组 织 结构 的 能 力 ， 可 能 对 于 负责 实现 生物 成 体 设 计 图 的 形态 发 生 过 程 具有 深远 意义 。 发 育 的 一 个 明显 的 例子 见于 蜗牛 (二 mx1aca teregra)， 其 螺 旋 形 外 壳 右 旋 或 左旋 ， 由 遗传 决定 。 成 体 的 右 旋 或 左旋 早 在 发 育 的 8 个 细胞 时 期 便 可 在 螺旋 卵 裂 的 不 对 称 分 裂 方 式 ( 图 10-84) 中 看 到 了 。 胚 胎 的 右 旋 或 左旋 ， 则 由 早期 卵 裂 期 间 稍 微 偏 斜 的 有 丝 分 裂 纺锤 体位 置 所 决定 ， 而 这 种 偏 斜 又 是 由 母体 遗传 决定 的 : 母 蜗牛 的 基因 型 (不 论 是 右 旋 还 是 左旋 ) 决 定 了 卵子 的 形态 结构 ， 而 与 其 外 壳 形 式 无 关 。 在 卵子 * 586。 发 生 过 程 中 , 母 蜗 牛 大 概 产生 了 一 个 规定 成 熟 卵子 中 有 丝 分 裂 纺锤 体位 置 的 因子 ,从 而 决 定 了 胚胎 的 与 其 自身 基因 无 关 的 曙 旋 方向 。 10-85 ”用 抗 中 等 纤维 抗体 染色 的 一 层 培养 上 皮 细 胞 的 免疫 荧光 显微镜 照片 。 许多 纤 丝 均 像 是 连续 地 从 一 个 细胞 伸展 到 另 一 个 细胞 ， 即 使 细胞 为 其 质 膜 及 介入 的 胞 外 基质 所 隔 开 。 (Michael Klymkowski J) 上 述 这些 例 子 表明 ,一 个 细胞 的 细胞 骨架 会 影响 其 子 细胞 的 细胞 骨架 ,乃至 整个 机 体 形态 。 但 这 种 组 织 结构 信息 如 何在 细胞 间 进 行 传播 ,还 是 一 个 谜 。 细胞 骨架 的 组 织 结构 可 以 穿 过 细胞 腊 一 个 细胞 的 细胞 骨架 不 仅 会 影响 其 子 细胞 的 细胞 骨架 ， 而 且 还 会 影响 同一 组 织 中 相 邻 细胞 的 细胞 骨架 。 这 种 影响 借以 起 作用 的 一 个 机 制 可 能 是 通过 形成 细胞 间 的 连接 。 这 种 连接 能 把 细胞 结合 在 一 起 ， 并 可 作为 相 邻 细胞 的 细胞 质 中 蛋白 丝 的 固着 位 点 。 如 图 10-85 所 示 在 整个 上 皮 细 胞 层 中 ,中 等 纤维 以 连续 型 式 穿 过 细胞 层 , 即 使 细胞 层 是 由 许多 不 同 细胞 所 构成 。 中 等 纤维 图 像 中 的 这 种 连续 性 可 能 揭示 出 它们 是 固着 在 相 邻 细胞 膜 中 的 相应 点 上 的 。 一 个 细胞 的 细胞 骨架 借以 影响 相 邻 细胞 骨架 的 另 一 机 制 ,- 依 赖 于 一 个 细胞 的 细胞 骨 架 与 细胞 分 刻 的 胞 外 基质 间 的 相互 作用 。 如 第 十 二 章 中 所 述 ， 一 个 具有 极 化 细胞 骨架 的 细胞 , 趋 于 分 这 一 种 定向 胞 外 基质 ,而 这 又 会 影响 与 此 基质 接触 的 其 他 细胞 的 取向 ( 见 图 12-71)。 由 于 通过 细胞 连接 和 胞 外 基质 两 者 介 导 的 细胞 之 间 的 相互 作用 ， 许 多 组 织 中 的 细胞 的 细胞 骨架 ,可 能 是 按照 整个 组 织 的 型 式 ， 而 不 是 作为 一 个 个 独立 的 单元 进行 组 构 。 细胞 如 何 运动 ? ” 尽管 近年 对 于 细胞 骨架 的 了 解 已 取得 很 大 进展 , 但 对 吞 哦 有丝分裂、 跳跃 运动 和 细 胞 移动 这 样 一 类 重要 运动 的 分 子 机 制 , 尚 不 清楚 。 造 成 这 种 无 知 的 一 个 重要 原因 是 ,负责 这 些 运动 的 生化 装置 并 不 限于 诸如 一 根 纤 毛 或 肌 原 纤维 之 类 的 单一 结构 ， 而 是 遍布 在 细 胞 各 处 。 而 且 由 于 这 些 装 置 不 太 稳 定 ,在 破碎 细胞 时 易于 破坏 ,所 以 难以 在 功能 状态 分 离 ° 587 得 到 。 例如 ， 可 以 研究 一 下 沿 组 织 培养 四 表面 爬行 的 成 纤维 细胞 (图 10-86), ERA 程 中 不 断 地 从 其 前 缘 伸 出 板 状 伪 足 和 微 刺 ,其 中 一 些 附着 于 严 面 , 另 一 些 则 沿 细胞 上 表面 缩 回 。 粘 附 于 细胞 表面 的 任何 颗粒 ， 以 与 袜 皱 一样 的 速度 被 带 回 。 当 细胞 前 端 发 生 禄 贸 时 ， 细 胞 后 部 仍然 粘 附 在 培养 四面， 而 随 着 细胞 向 前 运动 ， 便 被 拉 成 了 很 长 的 缩 回 纤 维 (retraction fibers)。 这 些 纤维 突然 断裂 ,并 缩 进 胞 体 ,往往 留 下 的 只 是 一 块 粘 附 的 质 膜 和 胞 质 碎 片 。 这 种 运动 周期 被 一 再 重复 ， 细胞 即 以 每 小 时 约 40wm AY LEE fa ZF TA BRAT 细胞 入 背面 上 的 向 后 “ 变 久 ”运动 10-86 洛 组 织 培养 四 表面 移动 的 成 纤维 细胞 图 解 。( 也 见 图 10-67) 为 了 越过 一 个 表面 ,成 纤维 细胞 至 少 必须 完成 下 列 三 个 过 程 : (1) 它 的 前 缘 必 须 在 此 表面 上 伸展 ;(2) 该 前 缘 必 须 附 着 在 此 表面 ;(3) 附 着 的 前 缘 必 须 将 细胞 其 余部 分 牵引 向 前 Wt 2 HE 图 10-87 ”成 纤维 细胞 在 一 表面 移动 的 主要 过 程 的 高 度 简 略图 解 。 伸 展 、 附 着 和 收缩 周而复始 地 相继 进行 。( 见 正文 7 论 。 (图 10-87)。 其 中 以 牵引 作用 最 易 被 了 解 , 因 为 细 胞 含有 排列 整齐 的 肌 动 蛋白 丝 ， 它 能 通过 肌 球 蛋 白 的 作用 进行 收缩 。 然 而 这 些 排列 中 的 分 子 排列 细节 ， 以 及 纤维 同 组 织 培养 中 和 其 他 细胞 骨架 连 接 的 可 能 方式 ,都 还 不 清楚 。 细胞 前 缘 如 何 向 前 伸展 就 更 难 解释 。 可 以 设 想 各 种 机 制 ， 例如， 通过 皮质 中 肌 动 蛋白 丝 和 肌 球 蛋 白 的 用 力 拼 压 ， 会 产生 一 种 向 前 的 胞 质 流动 (变形 虫 内 的 情形 可 能 就 是 如 此 )， 或 肌 动 蛋白 丝 有 控制 地 聚合 ， 会 以 类 似 于 海洋 无 脊 椎 动物 精子 形成 顶 体 丝 的 方式 伸展 前 缘 。 围 绕 新 突起 所 需 的 质 膜 ， 则 可 由 伸 出 的 细胞 骨架 推进 ， 它 或 者 可 能 通过 胞 吐 作用 优先 在 前 缘 加 膜 提供 。 质 膜 不 断 再 循环 的 可 能 性 ， 在 于 细胞 前 缘 的 胞 吐 作用 和 其 他 部 位 通过 内 大 作用 进行 的 摄食 活动 一 膜 流 动 候 说 -一 已 在 第 六 章 有 关 “ 加 帽 " 机 制 部 分 讨 然而 ,成 纤维 细胞 移动 最 神秘 的 方面 ， 还 是 关于 它 的 控制 。 如 何 协调 像 福 皱 . 板 状 伪 足 及 微 刺 的 伸 出 和 缩 回 等 各 种 局 部 运动 ,才能 使 整个 细胞 连贯 地 向 前 运动 ?细胞 又 皇 能 随 。 588° 其 环境 变化 而 改变 这 些 运 动 ? 这 些 仍 是 当今 细胞 生物 学 中 最 富 挑战 性 的 问题 。 小 结 肌 动 蛋白 丝 、 微 管 、 中 等 纤维 及 其 相关 蛋白 , 受 一 些 尚 不 清楚 的 机 制 调节 ,而 产生 细胞 形状 变化 和 各 种 细胞 运动 。 此 外 ， 细胞 骨 架 似乎 还 能 通过 结合 各 种 膜 包围 的 细胞 器 及 可 深 性 蛋白 来 组 构 细 胞 质 。 由 细胞 中 心 发 出 的 微 管 决定 了 中 等 纤维 的 分 布 ， 并 像 是 负责 建 立 和 维持 细胞 极 性 。 一 个 细胞 的 细胞 骨架 的 组 织 结构 。 会 通过 细胞 间 的 连接 或 细胞 外 基 质 而 受到 相 邻 细胞 的 细胞 骨架 的 影响 ， 并 能 在 细胞 分 裂 时 不 断 地 传递 给 其 子 细胞 。 尽 管 最 近 在 分 析 各 种 细胞 骨架 组 分 的 分 子 组 成 方面 已 取得 巨大 进展 。 但 构成 多 数 细胞 运动 的 分 子 机 制 , 还 是 一 个 迷 。 [ 黄 嘉 陵 译 BEEK ¢ 589。 赠 ) ish (John Mcle HATH B. ?处 在 细胞 分 裂 尖 的 细胞 植物 根 * 590° POR AWERMAR 同 字 宙 中 高 度 组 织 单元 趋向 于 无 序 状 态 一 样 ,细胞 也 经 常 发 生 耗损 和 偶然 的 变故 。 所 以 ,任何 单个 的 细胞 必定 要 死亡 。 如 果 一 个 有 机 体 要 继续 生存 下 去 的 话 , 它 必须 以 与 它 的 细胞 死亡 一 样 快 的 速率 来 产生 新 的 细胞 。 由 于 这 个 原因 ， 细 胞 分 裂 是 一 切 有 机 体 生 命 的 中 心 。 例 如 ， 在 一 个 成 年 人 ， 每 秒 钟 必须 有 成 百 万 细胞 分 裂 ， 这 仅 足 以 维持 其 原 有 的 形 the 细胞 分 裂 过 程 在 显微镜 下 清晰 可 见 。 它 包含 着 两 个 连续 的 过 程 ; 核 分 裂 (叫做 有 丝 分 %2, mitosis) 和 细胞 质 分 裂 (叫做 胞 质 分 裂 ，cytokinesis)。 但 是 一 个 典型 细胞 在 分 裂 之 前 ,体积 必 先 加 倍 , 它 的 所 有 组 成 成 分 也 要 倍增 。 只 有 这 样 两 个 新 的 子 细胞 才 将 含有 随 着 分 裂 之 后 开始 它们 各 自生 长 周期 所 需要 的 所 有 成 分 。 关 于 细胞 分 裂 前 大 部 分 的 准备 工作 是 在 细胞 周期 的 生长 时 期 无 形 地 进行 着 ,这 过 程 十 分 易 为 人 误解 地 被 叫做 分 裂 间 期 (in- terphase), 虽然 一 个 细胞 的 大 部 分 生命 时 间 是 处 于 分 裂 间 期 ,只 是 间或 出 现 细胞 分 裂 时 相 , 但 是 细胞 周期 的 早期 研究 大 多 集中 在 短 短 的 分 裂 活动 (有丝分裂 和 胞 质 分 裂 )， 其 主要 原因 是 这 些 活动 可 直接 用 显微镜 观察 到 。 最 近 , 通 过 较 闻 接 和 精细 技术 的 应 用 ,我 们 也 知道 了 细 胞 周期 间 期 阶段 的 许多 情况 。 这 一 章 , 我 们 将 描述 新 近 用 于 研究 细胞 周期 的 某 些 方法 , 孝 察 细 胞 周期 的 调节 ， 并 讨论 它 的 各 个 不 同时 期 所 发 生 的 几 个 主要 事件 。 虽 然 我 们 关于 细 胞 周期 分 子 基 础 的 知识 还 是 残缺 不 全 的 ， 我 们 仍 将 尽 可 能 尝试 来 探讨 其 可 能 涉及 的 机 tillo 21H He ay 722 BD Fe ill!” 大 部 分 细胞 组 分 是 在 两 次 细胞 分 裂 之 间 的 间 期 继续 不 断 地 生成 的 。 所 以 ， 很 难 把 分 盈 间 期 中 细胞 主 长 进程 划分 为 不 同 的 阶段 。 DNA 合成 是 一 个 显著 的 例外 , 因为 细胞 核 中 DNA 只 在 分 裂 间 期 的 一 定 阶段 复制 。 这 时 期 称 为 细胞 周期 的 S 期 ($ = synthesis, 合成 )。 细 胞 周期 中 另 一 个 明显 阶段 当然 是 细胞 分 裂 期 , 它 包 括 核 的 分 裂 (有 丝 分 裂 ) 和 随 ZR AD A SR). 整个 细胞 分 裂 期 称 为 M 期 (M = mitotic， 有 丝 分 裂 的 )。 这样 , 留 下 了 M 期 与 开始 DNA 合成 之 间 的 一 个 阶段 , 称 为 G, 期 CG = gap, 间 阶 ) 和 完成 DNA 合成 与 下 一 个 M 期 之 间 的 阶段 , 称 为 G, 期 。 因 此 ， 分 裂 间 期 是 由 连续 的 Gi. S 和 G, 三 个 时 期 所 组 成 ,正常 时 占据 细胞 周期 全 部 时 间 的 90% BK, USSR 生物 快速 分 裂 的 细胞 为 例 , 中 断 分 裂 间 期 的 连续 的 细胞 分 裂 (M 期 ) 通 常 每 隔 16 一 24 小 、 时 发 生 一 次 ,而 M 期 本 身 只 持续 1 一 2 小 时 。 图 11-1 说 明 典 型 的 ,包括 这 四 个 连续 时 期 的 细胞 周期 ,插图 说 明 中 概要 解说 了 某 些 主要 的 序列 活动 。 591° 多 细胞 有 机 体 中 各 种 细胞 的 分 裂 速率 非常 不 同 在 单 细胞 生物 中 ,如 细菌 和 原生 动物 ,每 单个 细胞 都 受到 强烈 的 选择 压力 ， 使 之 尽 可 能 快速 地 生长 和 分 裂 。 由 此 细胞 分 裂 的 速率 一 般 说 来 仅 受 其 从 生活 环境 中 吸取 营养 并 转 化 为 细胞 物质 的 速率 所 制约 。 多 细胞 动物 的 情况 则 迎 异 。 不 同类 型 细胞 在 不 同 程度 上 限 制 其 迅速 分 裂 的 能 力 ,以 便 将 它们 的 数目 保持 在 对 整体 说 来 是 最 适 的 水 平 上 ,因为 首要 的 是 有 机 体 的 生存 ， 而 不 是 组 成 它 的 任何 个 别 细胞 的 生存 。 其 结果 ， 人 体 的 10° 个 细胞 按 非常 不 同 的 速率 进行 分 裂 。 某 些 细胞 , 例如 神经 元 ` 骨 散 肌 细胞 和 红细胞 ， 它 们 一 且 成 熟 就 不 再 分 裂 。 其 它 细 胞 ,例如 包 被 身体 内 表面 和 外 表面 的 表皮 细胞 (如 在 肠 、 肺 和 皮肤 中 )， 在 机 体 整 个 生命 期 间 均 持 续 而 迅速 地 分 裂 。 有 些 细胞 的 生长 和 分 裂 周 期 的 全 过 程 却 只 要 8 小 时 。 然 而 ,多 数 动物 细胞 的 行为 是 处 于 这 两 种 极端 之 闻 的 某 一 点 : 它们 可 能 分 裂 ,但 却 很 少 分 裂 。 已 观察 的 细胞 周期 时 间 〈 也 叫 世 代 时 间 ，generation times) 是 在 8 小 时 到 100 天 或 更 长 的 范围 。 不 同 组 织 中 细胞 分 裂 速率 的 这 些 显著 差异 及 其 细胞 周期 时 程 可 采用 放射 自 显影 来 观 24 小 时 图 11-1 细胞 周期 的 四 个 连续 时 期 。M 期 由 核 分 裂 ( 有 丝 分 裂 ) 和 细胞 质 分 裂 ( 胞 质 分 型) 组 成 ,其 后 , 子 细胞 开始 新 周期 的 分 裂 间 期 。 分 裂 间 期 开始 于 G; 期 。 当 有 丝 分 裂 时 生物 合成 的 活动 大 大 地 降低 ?而 分 裂 间 期 细胞 重新 恢复 了 高 效率 的 生物 合成 。S 期 从 DNA 合成 开始 ,结束 于 核 DNA 含量 的 倍增 和 染色 体 的 复制 (每 条 染色 体 这 时 含有 两 条 相同 的 “姊妹 染色 单 体 ?)。 之 后 , 细胞 进入 G, 期 ， 这 时 期 结束 于 有 丝 分 裂 的 开始 。M 期 开始 于 有 丝 分 裂 (所 以 以 M 表 示 )， 结 束 于 胞 质 分 裂 。 当 M 期 的 早期 复制 的 染色 体 由 分 裂 间 期 的 伸 长 状态 浓缩 起 来 ,在 光学 显微镜 下 很 容易 见 到 。 核 被 膜 破裂 每 条 染色 体 经 历 着 准确 的 有 节奏 的 运动 ， 其 结果 一 对 姊妹 染色 单 体 分 开 。 核 物质 分 发 ， 两 个 新 的 核 被 膜 随 着 形成 。 细 胞 质 分 裂 产 生 了 两 个 子 细胞 ,每 个 细胞 含有 一 个 细胞 核 。 胞 质 分 裂 过 程 结 束 了 M 期 ,并 标志 着 下 一 次 细胞 周期 间 期 的 开始 。 虽 然 * 这 里 说 明 的 是 典型 的 24 小 时 周 期 ,而 高 等 真 核 细胞 中 细胞 周期 的 时 间 长 短 差 异 很 大 ,其 主要 在 于 G, 期 的 长 度 ( 见 正文 )。 es1592ie 察 和 测量 。 放 射 自 显影 术 提供 了 一 个 途径 , 专 一 地 标记 那些 为 分 裂 作 准备 而 合成 着 DNA 的 细胞 。 对 一 个 动物 反复 注射 氛 标 记 的 胸腺 喀 啶 , 这 是 一 种 每 个 细胞 DNA 合成 必 不 可 少 的 化 合 物 的 放射 性 前 体 。 在 注射 后 一 定时 间 , 从 动物 身上 取出 组 织 , 洗 去 未 结合 的 胸腺 喀 啶 , 按 显微镜 术 固 定 , 再 切 成 约 一 个 细胞 厚 的 薄片 。 然 后 在 这 组 织 切片 上 涂 上 一 层 薄 薄 的 照相 乳胶 ,并 曝光 数 日 或 几 个 星期 ， 之 后 按照 通 管 茹 钼 席 科 的 语法 来 亚 影 。 BB Ee ba 处 理 时 间 中 正在 合成 DNA 的 细胞 , 即 处 于 S 期 的 细胞 ,可 以 因 整 个 核 区 出 现 银 粒 而 被 认 出 (图 11 -2)。 依次 延长 动物 经 放射 性 胸腺 喀 啶 的 处 理 时 间 , 从 用 这 方法 标记 的 细胞 比例 ,就 可 能 测定 出 相 邻 的 S 期 之 间 的 时 程 。 这 类 试验 证 明了 细胞 周期 的 时 间 是 十 分 不 同 的， 甚至 在 同一 组 织 的 细胞 间 也 是 这 样 。 例 如 ,图 11-3 说 明了 肠 道 表层 上 皮 细 胞 的 周期 时 间 随 细胞 在 表皮 细胞 层 上 的 位 置 不 同 而 有 多 大 的 差异 。 细胞 周期 时 间 的 差异 主要 由 于 G, 期 长 短 的 不 同 "" 分 裂 快 速 与 缓慢 的 细胞 间 的 基本 差别 是 它们 的 细胞 周期 中 G 期 所 经 历 的 时 间 长 短 不 同 。 某 些 细胞 分 裂 很 慢 , 它们 停留 在 G 期 好 几 天 ,甚或 数 年 。 相 反 ， 一 个 细胞 从 S 期 开始 至 有 丝 分 裂 所 经 历 的 时 间 非 常 恒定 ,与 其 分 裂 速 率 没有 关系 。 细胞 生长 在 离 体 培养 条 件 下 ， 环 境 条 件 可 容 易 地 控制 和 调节 ,这 样 能 更 精确 地 测定 细胞 周期 。 采用 以 下 方法 可 以 使 培养 中 细胞 的 分 裂 减 慢 或 停 止 : 限制 主要 营养 物 供应 ,去 除 细胞 必要 的 蛋白 质 生 长 因子 ， 基 加 小 量 蛋 白质 合成 抑制 剂 ， 或 使 细胞 过 于 密集 。 不 论 哪 种 情况 ， 细 胞 周期 均 停 顿 浊 在 G, 期 。 这 发 现 表 明细 胞 一 旦 通过 G 期 ,就 注 “图 11-2 生长 在 有 饼 标 记 胸 音 的 培养 液 中 的 细胞 ， 定 能 完成 8.G， 和 M 期 。 事实 上 ， 试 验证 明 这 不 Sromannrecmnian, ewan 可 逆转 的 点 一 一 称 为 限制 点 (restriction point,R BA DNA 的 细胞 ,因而 是 在 S 期 ， 有 时 是 在 ARRI—ELF G; 的 晚期 。 细 钨 通过 该 点 之 1， OMe Gomes Clever 购 后 ,它们 就 以 正常 的 速率 完成 周期 的 其 他 阶段 ,不 管 外 界 环 境 如 何 (图 11-4)。 细胞 周期 时 间 的 测定 ” 细胞 周期 每 个 时 相 的 长 短 是 怎样 来 测定 的 ?首先 ,需要 确定 整个 细胞 周期 的 时 间 。 在 均一 的 细胞 群 中 这 可 以 容易 地 做 到 , 即 通过 在 显微镜 下 定期 地 计算 细胞 的 数目 ,并 记录 全 部 细胞 数目 增加 一 倍 所 需 的 小 时 数 (或 者 可 以 检测 总 的 细胞 量 )。 一 旦 知道 了 这 间隔 的 时 闻 , 可 以 用 藉 加 和 包 标 记 胸 背 到 组 织 培养 让 中 ,经 一 短暂 的 时 间 , 这 时 间 远 比 S 期 短 (常用 的 为 30 分 钟 或 更 短 些 ), 这 样 就 能 够 测 出 S 期 的 时 间 。 这 些 细胞 随后 按 放射 自 显影 术 来 制 ¢ 593 © 备 ， 可 从 细胞 核 土 显现 银 粒 的 细胞 比值 来 算出 有 放射 性 同位 素 参 人 DNA 的 细胞 比值 〈 见 图 11-2)。 如 图 11-5 中 所 解释 的 ,这 分 数 乘 以 细胞 周期 的 总 时 间 大 约 相当 于 这 群 细胞 S 期 的 平均 时 间 。 M 期 的 时 间 可 以 相同 的 方式 测定 , 即 用 光学 显微镜 检查 细胞 群 ,确定 含有 浓缩 染色 体 各 时 相 的 细胞 比值 〈 这 比值 可 叫做 分 裂 指数 ,mitotic index), 由 于 在 连续 生长 的 细胞 群 中 ,通常 是 年轻 "的 细胞 比 “ 年 老 " 细 胞 多 (所 谓 " 年 轻 ” 和 ”年 者 *， 是 指 自 最 后 一 次 细胞 分 肠 腔 表皮 细胞 从 隐 窗 底部 的 绒毛 〈 没 有 细胞 分 型 》 《出 生地 ?” 迁 向 绒毛 顶部 而 消失 (经 过 时 间 是 3 一 5 天 ) Rts AR 隐 窝 的 横 切 面 不 分 裂 的 细胞 细胞 运动 方向 迅速 分 裂 的 细胞 (周期 时 间 = 了 JI 小 时 ) 慢 分 裂 的 干细胞 CF HA By fa] > 24 7) BT ) 非常 慢 的 分 裂 图 11-3 简 图 表示 小 鼠 的 小 肠 上 皮 的 细胞 分 裂 和 迁移 。 所 有 的 细胞 分 裂 均 在 瓶 状 的 上 皮 折 县 处 ， 叫做 “ 隐 窝 ”的 底部 。 新 生 的 细胞 向 上 移动 形成 上 皮 *, 履 盖 着 绒毛。 线 毛 的 功能 是 消化 和 骸 收 来 自 肠 腔 的 食物 。 大 多 数 上 皮 细 胞 的 生命 是 很 短 的 ， 从 隐 窝 处 出 现 ;五 天 内 就 从 绕 毛 末端 脱落 。 然 而 ， 一 圈 约 20 个 缓慢 分 有 裂 的 “永存 的 ?细胞 ( 示 以 暗色 ) 一 直 固 定 在 近 每 个 隐 窝 基部 的 独特 位 置 上 。 这 些 “干细胞 ?通常 分 裂 而 生成 两 个 子 细胞 : 一 个 留 在 原 位 ， 是 未 分 化 的 干细胞 ; 另 一 个 向 上 移动 ， 分 化 ,与 绕 毛 上 皮 相 连接 。 有 了 时， 由 单个 干细胞 可 分 裂 产生 两 个 分 化 的 小 细胞 。 结 果 所 造成 的 干细胞 的 缺失 ,相信 可 由 圈 上 某 一 个 或 少数 的 干细胞 分 裂 来 填补 ;这 样 的 细胞 设想 是 比邻 近 的 细胞 分 裂 慢 ， 当 其 分 裂 就 产生 了 两 个 于 细胞 。 关 于 干扰 肠 道 上 皮 正 常 结构 的 试验 ， 发 现 了 细胞 周期 时 间 的 巨大 差别 ;部 分 由 上 皮 细 了 胞 在 组 织 中 所 处 的 相对 位 置 所 决定 ?部 分 由 细胞 发 育 的 历史 定 。( 引 自 “CS. Potten, R. Schofield, and L. G. Lajtha, Biochim. Biophys. Acta 560, 281—299, 1979) 限制 点 CR) 限制 点 CR) 11-4 简 图 说 明 当 细 胞 进 到 G, 晚期 的 某 时 刻 * 细 胞 就 正常 地 停止 了 分 裂 ， 这 时 刻 叫做 限制 点 (CR7， 只 有 来 了 信和 号 才能 进入 周期 其 他 阶段 。 。 594。 裂 起 经 历 过 的 时 间 ) ,这 事实 要 求 对 S 期 和 M 期 的 计算 必须 采用 不 同 的 微小 校正 系数 。 例 如 ,因为 一 个 老 细 胞 在 它 分 裂 之 后 立即 变 为 两 个 年 轻 细 胞 ,于 是 早 CG. 期 的 细胞 就 将 比 晚 M 期 细胞 多 两 倍 。 测定 周期 中 G, AG, 期 的 长 度 比较 复杂 ， 因 为 没有 特殊 地 标记 G a OG, 时 相 细 胞 的 -一 一 一 一 一 一 一 - 以 有 丝 分 裂 指数 他 12% 24= 2 小 来 测定 M 期 的 时 间 | & | © |G» Me ant oe aa 系数 ielielioieloelelioilolelolo 了 下 | 一 一 - 24 小 时 一 一 一 一 一 八 4 Nf > xX 24= 8 小 时 CRARORICIC To 籍 助 以 [3H] 胸 童 | COOOSCSGSGOOS®D an 标记 细胞 的 放射 [oh 全 S 期 的 时 间 BN Ax ages 8 pat ewe aera.) ee ene lew is) OOWDGOBOQO OOO COOOOSSSSOOD Ait 11-5 (H-MRS TN NAYS Th a eR le AS 间 。 这 种 计算 是 基于 假设 细胞 群 中 的 所 有 细胞 都 以 相同 的 速度 生长 。 所 示 的 “校正 系数 "的 范围 是 从 G, 早期 细胞 的 0.7 到 分 裂 细 胞 的 1.4。 S 期 细胞 的 数值 介 于 其 间 。 校 正 系 数 是 必要 的 ， 因为 在 连 续 分 裂 的 细胞 群 中 通常 年 轻 的 细胞 比 年 老 的 多 。 精 确 的 “年 龄 ?分布 可 从 公式 y 一 2 得 出 > 这 里 7 (变动 于 2 到 1 之 闻 ) 是 细胞 周期 “年 龄 ” x 细胞 的 相对 数 (这 里 x 是 变化 在 从 G: 最 早期 细胞 。 的 0 到 M 晚 期 细胞 的 1)。 方法 。 这 问题 用 培养 条 件 下 细胞 生长 的 同步 化 和 测定 有 特殊 标记 的 两 个 时 相间 所 经 历 的 时 间 而 得 到 了 解决 。 最 简单 获得 哺乳 动物 细胞 群生 长 的 同步 化 的 方法 是 利用 细胞 的 这 个 特性 ;它们 在 M 期 进行 着 细胞 骨架 的 变化 致使 细胞 * 变 圆 "。 因 而 ， 当 细胞 在 组 织 培养 亚 .表面 贴 壁 生长 时 ,由 于 M 期 细胞 对 培养 四 的 粘着 力 减弱 ,只 要 轻 轻 地 摇动 就 能 将 这 些 细胞 分 离 出 来 (图 11-6)。 用 这 方法 从 培养 下 分 离 和 收集 到 的 有 丝 分 裂 细胞 ,构成 一 个 同步 化 的 细胞 群 , 它 们 几 乎 立刻 就 将 进入 其 G, Ho MARNE Mics A DNA 的 开始 ,这 一 段 时 间 相 等 于 'G 期。 虽然 原则 上 继续 跟踪 这 同步 化 的 细胞 群 ，G: 期 就 可 能 测定 出 来 ,实际 上 这 些 细 胞 随 着 时 间 的 进展 趋向 非 同步 化 。 更 精确 的 G: 期 时 间 的 测定 可 以 用 图 11-7 所 描述 的 方 法 ,由 研究 非 同步 化 生长 的 细胞 间接 地 得 到 。 另 一 种 方法 ,只 要 了 解 了 G、S 和 M 期 的 时 程 , 从 细胞 周期 总 时 间 中 减 去 这 些 时 程 ，G: 期 的 长 度 就 可 以 计算 出 来 了 。 近 几 年 来 ,通过 叫做 荧光 激活 细胞 分 析 仪 的 现代 电子 产品 的 应 用 ,细胞 周期 的 分 析 已 经 成 为 非常 容易 的 了 。 在 这 复杂 的 仪器 中 ,细胞 悬 液 被 加 压 , 以 每 秒 数 千 个 细胞 的 速率 通 过 一 微小 的 材 器 , 当 它 们 短暂 地 通过 一 小 窗口 时 ， 可 对 每 个 细胞 进行 光学 测定 和 记录 (网 165 页 )。 一 非 同步 化 生长 的 细胞 群 ,经 固定 (停止 细胞 分 裂 , 并 使 膜 具 有 可 通 透 性 ), 再 用 只 有 与 DNA 结合 时 才 发 出 荧光 的 染料 染色 ,然后 进行 分 析 。 细胞 经 过 这 方法 处 理 ， 其 荧光 的 强度 同 细胞 所 含 的 DNA 量 成 正比 。 细 胞 通过 荧光 分 析 仪 时 , 就 能 迅速 测 得 大 量 © 593 。 分 裂 间 期 细胞 AR SS FFM BY 塑料 表面 “EF? & eo 有 丝 分 裂 细 胞 11-6 在 培养 条 件 下 ,一 种 获得 同步 生长 的 动物 细胞 群 的 普遍 使 用 的 方法 。 细 胞 生长 在 培养 四 中 温和 地 摇动 培养 四 ,收集 到 有 丝 分 裂 细 胞 ,这些 细 胞 转移 到 新 的 培养 四 后 继续 同步 地 进入 它们 的 周期 。 细胞 的 相对 荧光 强度 ， 亦 即 其 DNA 的 相对 量 。 DNA 最 小 含量 的 细胞 是 处 于 G, 期 。 双 倍 含量 的 细胞 不 是 G, 期 ,就 是 M 期 , S 期 细胞 介 于 中 间 量 (图 11-8 中 的 暗 区 域 )。 细 胞 周期 中 G. G DELMAS 期 的 时 程 可 以 按 这 三 类 中 《〈 见 图 11-5) 中 每 一 种 细胞 的 比值 容易 地 计算 出 来 。 一 种 特别 的 “触发 蛋白 "可 能 控制 细胞 分 裂 " 现在 还 不 明白 是 什么 决定 哺乳 类 动物 细胞 使 它 越过 限制 点 〈R)， 并 开始 新 的 细胞 周 期 的 。 一 种 似乎 合理 的 假说 是 基于 这 种 观察 , 即 为 了 通过 R 点 ， 从 而 触发 DNA 的 合成 和 细胞 分 裂 ,细胞 似乎 需要 积累 某 种 触发 蛋白 (也 叫做 QU 蛋白, 因为 是 不 稳定 的 蛋白 质 ) 达 到 一 定 的 阔 量 。 由 于 其 不 稳定 性 ,这 假设 的 蛋白 质 只 有 当 合成 相当 迅速 时 ,才能 达到 一 定 的 浓度 ,足够 以 发 动 细胞 分 裂 的 周期 o 其 次 , 当 M 期 蛋 日 质 合 成 大 大 地 减低 时 ， 已 的 浓度 也 立即 降下 来 ,并 将 再 朝向 G, 期 的 阀 值 水 平 回复 。 这 控制 细胞 生长 的 触发 蛋白 模型 ,对 其 真实 机 制 来 说 ， 可 能 是 一 个 过 分 简单 的 观点 。 但 是 它 对 观察 到 的 细胞 行为 的 解释 是 有 用 的 。 例 如 ,按照 这 个 模型 ,任何 减弱 蛋白 质 合成 速度 的 条 件 ,都 将 延 滞 U 蛋 白 阔 量 水 平 的 积累 ， 因 而 延 长 了 G 期 ， 并 减低 细胞 分 裂 的 速 率 。 事 实 上 , 当 细胞 培养 在 含有 不 同 浓度 的 蛋白 质 合成 抑制 剂 的 培养 基 中 ,它们 的 周期 时 闻 大 大 地 延长 ,而 通过 S.. G, 或 M 期 所 需 的 时 间 并 没有 实质 性 的 改变 。 这 延长 G 期 的 观察 是 符合 于 由 这 模型 所 推测 的 结果 ， 只 要 每 个 口 蛋白 分 子 在 细胞 中 保留 几 个 小 时 的 活 性 时 间 。 这 模型 也 说 明了 细胞 密集 或 饥饿 时 的 生长 抑制 效应 ,降低 了 蛋白质 合成 的 速率 ， 使 细胞 停留 在 G, 期 中 的 最 敏感 点 上 , 即 R ES 我 们 会 怎样 解释 只 引起 组 织 中 相应 的 细胞 进行 分 裂 的 专 一 生长 因子 的 作用 呢 ? 首 先 ， 必须 注意 ,细胞 停留 在 R 点 ,不 仅 不 能 合成 DNA MOR, 而 且 也 停止 了 生长 ， 这 是 很 重 © 596 。 OM MOMIC)), 处 于 细胞 周期 所 有 OOOOOOOOOOGOGO “阶段 的 生长 细胞 的 杂乱 细胞 群 CHINA 标记 的 细胞 群 人 期 细胞 Oooooe@eee@eoOOO 入 让， 洗涤 细胞 并 温 育 在 无 标记 物 的 培养 基 中 G 2AM Hh 4a ta | . JN OW OOOOO@@@@OO 0 小 时 Oi Stic @o|O|O 2 小 时 摇 下 的 M 期 OOOOO@@S@ ab ae OCOOOCC@@S@OOO 4 小 时 ， 个 人 十 今 oooooeeelelooo shat 下 ) 任 意 单位 》 标记 细胞 出 现 M 期 之 前 4 小 时 的 ‘ 4 滞后 ”时 间 = G :期 的 时 间 图 11-7 一 个 普通 用 于 测定 G, 期 时 间 的 方法 。 。 图 11-8 由 一 生长 细胞 和 玫 获 得 的 典型 结 非 同 步 生长 的 细胞 群 给 以 所 标记 胸 昔 短 时 间 处 。 。 ， 果 ， 其 单个 细胞 DNA 含量 是 用 区 半 王 。 当 洗 去 剩余 的 所 - 胸 划 之 后 /有丝分裂 细 哆 分 析 仪 测 得 的 *DNA 含量 是 以 任意 的 可 用 在 不 同 间隔 时 间 振 摇 的 方法 来 收集 :这样 。 单位 ， 由 所 结合 的 奖 光 染料 的 量 来 确定 有 丝 分 裂 细胞 第 一 次 出 现 放射 性 标记 DNA 的 ， “的 。 G, 期 的 细胞 数 大 大 超过 G; 期 和 时 间 就 可 以 确定 了 。* 汪 后 ”的 时 间 等 于 GM 期 的 细胞 数 的 事实 ,表示 在 这 群 细胞 的 时 间 。 此 外 ,也 可 用 放射 彼 影 ， 在 相同 的 时 中 G, BiG G, 期 为 长 。 见 图 11-5) 间 间 隔 之 后 确定 放射 性 胸 昔 标记 的 细胞 部 分 ， 它们 也 含有 浓缩 的 有 丝 分 裂 染色 体 。 放 射 自 显 影 方法 只 适用 于 组 织 中 的 细胞 。 要 的 。 然 而 ,并 不 能 认为 它们 停止 了 全 部 生物 合成 。 尤 其 是 在 哺乳 动物 细胞 中 ,正常 的 蛋 白质 分 解 或 转换 是 非常 广泛 的 。 一 个 生长 停滞 的 细胞 必须 有 生长 细胞 五 分 之 一 的 蛋白 质 合成 速率 ,才能 恰好 保持 它 的 原 有 状态 。 有 人 设想 ,组 织 中 生长 控制 的 机 制 是 直接 作用 于 细胞 的 蛋白 质 合 成 的 总 速率 上 的 。 按 这 个 观点 ,在 不 存在 专 一 的 刺激 因子 情况 下 [和 (或 ) 存 在 抑制 因子 的 情况 下 ] ,细胞 合成 蛋 白质 只 处 在 较 低 的 “维持 速率 "“。 虽 然 像 在 生长 的 细胞 中 一 样 ， 具 有 平均 转换 速率 的 蛋白 质 可 能 保持 在 与 生长 细 炮 同等 的 浓度 ,但 是 ,任何 不 稳定 蛋白 质 (包括 假设 的 U 蛋 白 ) 的 浓 度 将 降低 ,与 其 合成 速率 的 降低 成 正比 。 另 一 方面 ,在 可 刺激 蛋白 质 合 成 总 速率 增高 的 环 境 条 件 下 , U 蛋白 量 也 将 增加 ,超过 阀 限 ,允许 细胞 通过 它们 周期 中 的 限制 点 (R)， 并 进行 分 裂 〈 图 11-9)。 离 体 培养 的 细胞 ,其 分 裂 停留 在 R 点 时 ， 能 够 长 时 期 地 维持 着 它 的 生活 力 和 健康 , 即 使 在 严重 的 饥饿 条 件 下 ; 然而 在 周期 中 其 他 任何 点 挨 饿 ,细胞 通常 就 要 死亡 。 这 提示 , 关 于 这 特殊 的 限制 点 的 生长 控制 机 制 可 能 是 进化 形成 的 ， 部 分 地 由 于 细胞 需要 这 安全 的 静 止 状态 (在 及 扣 ), 它 们 的 生长 状态 或 与 其 他 细胞 的 相互 作用 要 求 它们 停止 分 裂 。 停止 在 © 597。 这 稳定 的 静止 状态 的 细胞 ,有 时 被 认为 是 进入 了 细胞 周期 的 Ge 期 。 与 生长 控制 的 触发 蛋白 模型 不 同 的 另 一 种 主要 模型 ， 是 所 谓 ”“ 转换 概 率 ”(transition probability) 模型 。 这 模型 的 提出 是 根据 对 均一 培养 条 件 下 生长 的 克隆 细胞 株 的 缩 时 电 影 摄影 观察 ,虽然 这 些 细胞 在 遗传 性 上 是 相同 的 ,但 它们 的 细胞 周期 时 程 表 现 很 大 的 变动 范围 。 这 些 时 程 的 典型 分 布 (图 11-10) 的 图 形 , 可 以 看 出 这 周期 时 程 似 受 或 然 的 或 随机 事 ms 不 稳定 蛋白 质 A ( 2 Ay Bt Ee HAD a = #3 8 = i 6 EM A TR Ea = (50 小 时 半 寿 期 》 1 am 4 at 43 则 2 | rma ot 0 | 2 QO 于 20c 一 40 一 | 一 60- 一 -80- 100 - & 时 间 《〈 小 时 ) 速率 十 倍 1 个 细胞 周期 的 时 间 〈 小 时 ) 图 11-9 说 明 当 细胞 受到 刺激 更 迅速 地 合成 它 的 全 部 蛋 图 11-10 绘图 说 明 , 组 织 培 养 条 白质 时 ， 细 胞 中 高 度 不 稳定 蛋白 质 相 对 量 的 增加 与 平均 件 下 生长 的 均 质 细胞 群 ， 其 细胞 蛋白 质量 的 比较 。 因 为 细胞 生长 和 分 型 同 细胞 蛋白 质量 周期 时 间 的 差异 。 数 据 是 从 单个 的 平均 增加 保持 着 一 致 的 步调 (下 面 曲 线 ) 生 长 的 细胞 中 细胞 的 显微镜 观察 获得 的 ， 并 直 较 之 不 生长 的 细胞 ， 其 不 稳定 蛋白 质 将 组 成 其 细胞 蛋白 接 测 定 它们 连续 分 裂 间 隔 的 时 间 。 质 总 量 的 更 大 部 分 (所 以 表现 为 更 高 的 浓度 )。 件 的 调节 。 换 句 话 说 ,就 好 像 每 个 细胞 都 具有 单位 时 间 内 通过 其 周期 R 点 的 恒定 的 概率 ， 而 与 其 离 最 后 一 次 分 裂 后 经 历 多 长 时 间 无 关 。 8 期 的 开始 因而 是 一 个 随机 的 过 程 ， 如 同 一 不 稳定 原子 的 放射 性 衰变 。 然 而 值得 指出 的 是 ,图 11-10 中 所 表示 的 细胞 周期 时 程 的 很 大 差异 也 可 以 纳入 更 具有 生物 学 意义 的 触发 蛋白 模型 ,因为 有 证 据 表 明 , 即 使 遗传 性 相同 的 G, 细胞 ,它们 合成 蛋白 质 的 速率 也 有 惊人 程度 的 不 同 。 细胞 分 裂 受 多 种 反馈 控制 机 制 的 调节 组 织 中 细胞 分 裂 的 速率 受 未 知 的 机 制 控制 ,假若 ,仅仅 假若 需要 新 的 细胞 时 ， 这 机 制 就 允许 细胞 进行 分 裂 。 例 如 ,切除 肝脏 一 部 分 ,正常 静止 状态 的 肝 细 胞 受到 刺激 ， 就 开始 迅速 分 裂 ; 当 恢复 到 正常 肝脏 的 体积 ,分 裂 就 停止 。 同 类 限制 细胞 分 裂 的 现象 也 在 损伤 后 的 皮肤 中 观察 到 。 没 有 这 种 细胞 分 裂 的 “反馈 控制 "， 多 细胞 动物 的 形态 和 功能 将 立刻 受 到 破坏 一 一 或 是 无 限制 地 细胞 分 裂 ( 像 肿瘤 中 发 生 的 ) ,或 组 织 中 死亡 的 细胞 得 不 到 恢复 ， 这 些 组 织 正常 地 有 不 断 的 细胞 损失 (如 表皮 细胞 层 )。 同 样 的 调节 机 制 对 胚胎 发 生 时 细胞 和 组 织 的 有 序 的 发 育 也 是 重要 的 ( 见 第 十 五 和 十 六 章 )e © 598。 Ba PE SS FE AY TE OF FL Dy SE SS AS ak 5 ee LA OH I UL, RRR ANIL, HEA TE AE 况 下 ,这 过 程 将 继续 地 进行 ,一 直到 汇合 形成 单 细胞 层 , 相 邻 细胞 彼此 接触 为 止 。 此 刻 ,在 没有 剩余 的 空间 让 细胞 铺展 的 时 候 ， 正 常 细胞 就 停止 分 裂 一 一 这 现象 叫做 细胞 分 裂 的 接 触 抑制 。 假 若 用 小 针 把 这 单 细胞 层 划 破 ,在 培养 四 上 造成 一 条 无 细胞 的 空隙 ,这 样 在 空隙 边缘 上 的 细胞 就 向 空 出 的 地 方 铺展 ,并 分 裂 图 11-11)。 然而 “接触 抑制 "概念 可 能 被 误解 。 虽 进行 过 另 一 些 试验 ,在 这 些 试验 中 ,细胞 铺展 的 范围 是 Lea yg ee 受 细胞 在 其 上 生长 的 表面 附着 性 质 改 变 的 控 制 ， 而 不 是 受 细胞 密集 所 控制 。 试验 获得 的 结果 说 明 ， 培 养 中 细胞 之 分 裂 的 重要 决定 因素 不 是 细胞 的 接触 ， 而 是 细胞 铺展 的 程度 一 即使 没有 细胞 接触 ,一 个 细胞 铺展 愈 少 , 它 的 生长 周期 就 全 长 。 一 个 细胞 的 圆 缩 是 同 它 蛋 白质 合成 总 速率 的 减低 相关 联 的 。 所 以 ,以 简 图 11-11 表 示 的 试验 可 边缘 上 的 细胞 平 铺展 开 用 生长 控制 的 触发 蛋白 机 制 概念 作 如 下 解释 : 当 蛋白 质 合成 的 速率 同时 升 高 一 个 细胞 同 其 他 细胞 相 接触 时 ， 由 之 所 产生 的 限 制 它 的 铺展 能 力 的 作用 也 降低 了 其 蛋白 质 合成 的 速率 ， 包 括 癌 蛋白 。U 和 蛋白 的 浓度 从 而 降低 ， 使 细胞 停止 在 G, 期 的 R 点 。 然 而 ,在 损伤 边界 上 的 细胞 从 生长 抑制 下 释放 出 来 同 它们 铺展 开 来 一 样 , 蛋 白质 合成 速率 也 增加 ,从 而 引起 口 蛋白 浓度 FSW ARB. 由 于 细胞 分 裂 重 新 为 什么 细胞 形状 的 改变 就 改变 蛋白 质 合成 束 形成 了 相连 的 细胞 层 率 ?” 有 可 能 伴随 着 细胞 的 平 铺 开 细胞 表面 积 与 体 KS 积 比 增加 。 从 而 影响 了 蛋白 质 的 合成 。 另 一 种 可 SOS | 能 性 ， 蛋 白质 合成 速率 增加 能 因 细胞 发 生平 铺 开 Se St SSS 时 细胞 骨架 结构 的 主要 改变 所 引起 的 。 a 多 假若 在 离 体 培养 细胞 上 的 观察 也 可 用 以 解释 组 织 中 的 细胞 ， 同 样 地 帮助 控制 机 体 中 细胞 分 裂 0 HERE MOMEZ NOS, a TLC Teanemnerony 制 了 细胞 铺展 的 能 力 。 相 反 ， 由 于 损伤 或 天 然 的 ” 止 ,如 果 用 刊 淹 造成 了 损伤 就 刺激 细胞 重新 生长 。 细胞 丧失 空 出 来 的 空间 将 刺激 细胞 分 裂 , 直 接 允 许 邻近 细胞 伸展 到 这 空余 的 位 置 。 然 而 ， 我 们 将 会 知道 ， 这 并 不 能 完全 解释 组 织 中 细胞 生长 的 控制 。 位 置信 号 也 控制 细胞 分 裂 ， 一 般 组 织 中 细胞 只 有 当 它 们 在 特定 环境 下 才 分 裂 , 不 论 有 没有 空间 可 供 利用 。 例 如 ， 在 多 层 的 皮肤 表皮 ,细胞 分 裂 通常 是 受到 基底 表皮 单 层 细胞 所 限制 ,这 些 细胞 是 位 于 真皮 。 599。 层 的 基板 上 。 这 些 分 裂 的 细胞 生出 子 细胞 ， 它 们 在 表皮 中 被 推 向 外 移动 ， 达 到 皮肤 的 表 面 。 子 细胞 移动 时 它们 停止 分 裂 ， 开 始 制 造 大 量 的 角 蛋 白 丝 堆积 在 细胞 质 中 ， 从 而 形成 了 一 坚韧 的 表面 保护 层 。 假 如 基底 细胞 或 被 移 注 到 真皮 层 下 面 或 提 到 上 面 来 ， 使 其 失去 与 基板 接触 ， 它 们 就 停止 分 裂 。 似 乎 这 些 表 皮 细 胞 只 有 当 受 到 某 些 未 知 因素 的 刺激 时 才 能 分 裂 ， 这 些 因 素 存在 在 于 真皮 和 表皮 的 边界 上 ， 或 是 可 弥散 的 分 子 ,， 或 是 基板 的 部 分 。 细胞 分 裂 的 位 置 条件 似 乎 是 十 分 普遍 的 ,虽然 我 们 目前 对 它们 的 了 解 还 很 不 清楚 。 例 如 在 哺乳 动物 ， 已 证 明 胚 胎 胰 腺 上 皮 细 胞 的 正常 分 裂 和 发 育 需要 下 衬 胰 间 叶 细胞 分 这 的 一 种 特殊 的 蛋白 质 因 子 。 更 令 人 惊奇 的 是 ， 精 致 的 以 发 育 中 昆虫 附 肢 的 表皮 为 材料 组 织 移植 试验 发 现 了 细胞 = 细胞 相互 作用 的 复杂 型 式 ， 这 控制 细胞 分 裂 的 方式 可 能 是 许多 动 物 组 织 发 育 所 共有 的 。 例 如 ， 当 一 片 表皮 移植 到 同 源 的 位 置 上 ， 它 即 “愈合 ”进去 而 无 明显 的 细胞 分 裂 。 然 而 如 果 移 植 到 非 同 源 的 位 置 上 ， 移 植物 及 邻近 的 宿主 细胞 都 表现 增 生 ， 而 后 分 化 ,产生 正 常 时 原 应 位 于 移植 物 所 取 自 的 区 域 和 被 移植 所 在 的 区 域 之 间 的 细 胞 。 许多 离 体 培养 的 动物 细胞 需要 微量 的 ( 少 于 10-° 摩尔 每 升 ) 特 殊 的 生长 因子 ,从 而 使 细胞 分 裂 和 (或 ) 生 存 ， 不 同类 的 细胞 需要 不 同 因子 的 混合 物 。 这 类 生长 因子 可 能 是 蛋白 质 或 小 分 子 , 如 多 肽 或 类 固 醇 。 某 些 生长 因子 是 激素 类 , 它 经 血液 循环 。 其 他 可 能 像 近 上 臣 离 “ 局 部 化 学 介 导 因子 ”(local chemical mediators) 的 作用 ， 对 细胞 分 裂 产生 某 些 位 置 的 效应 ,如 在 组 织 中 所 观察 到 的 。 癌 细 胞 失去 了 它们 正常 的 生长 控制 " 最 近 几 年 ， 细 胞 生物 学 领域 的 大 量 研究 致力 于 探索 肿瘤 的 病因 和 治疗 。 肿 瘤 细 胞 表 现 许 多 危及 宿主 的 性 质 ,通常 包括 温润 其 他 组 织 的 能 力 和 诱导 微血管 向 肿瘤 内 生长 (保证 肿瘤 细胞 增殖 以 充分 的 血液 供应 )。 然 而 ,作为 肿瘤 细胞 定义 的 一 个 性 质 是 它们 对 正 筑 细 胞 分 裂 调节 的 控制 机 制 的 不 正常 反应 ,它们 以 相对 地 无 控制 的 方式 连续 不 断 分裂 , 直至 杀 死 宿主 。 细 胞 分 裂 遇 制 作用 的 致命 的 丧失 大 大 地 激励 了 细胞 分 裂 控制 的 研究 。 许 多 广泛 宣传 的 所 谓 “ 突 破 ”, 曾 一 度 宣扬 提出 了 对 细胞 分 裂 和 肿瘤 控制 的 答案 。 在 新 近 , 关 于 正常 细胞 和 肿瘤 细胞 闻 的 基本 差别 有 各 种 的 说 法 ,认为 是 在 于 细胞 环 核 背 酸 水 平 的 变化 、 质 膜 的 流动 性 分泌 的 蛋白 质 、 细 胞 骨架 和 离子 通 量 的 变化 ,这 里 提 到 的 只 是 其 中 的 几 种 设想 。 尽管 还 不 了 解 真实 的 分 子 机 制 , 但 这 点 是 清楚 的 ,不 论 在 组 织 中 或 离 体 培 养 的 条 件 下 ， 肿 瘤 细 胞 主要 是 缺乏 正常 细胞 分 裂 控 制 的 反馈 机 制 。 例 如 ， 肿 瘤 细 胞 在 离 体 培 养 中 通常 是 ， 连续 不 断 地 分 裂 , 不 存在 正常 细胞 所 表现 的 因 接触 抑 制 而 停止 分 裂 的 限制 点 ， 它 们 增殖 ， 甚至 到 了 它们 在 培养 四 中 不 再 可 能 平 铺 开 的 时 候 就 彼此 堆 登 起 来 (图 11-12) 此 外 ， 肿 瘤 细 胞 较 之 正常 细胞 , 只 需要 小 量 的 蛋白 质 生 长 因子 就 能 在 培养 条 件 下 生存 和 分 裂 。( 在 某 些 例子 中 ,可 能 由 于 它们 自己 产生 自己 的 生长 因子 )。 正常 细胞 和 肿瘤 细胞 间 的 第 二 个 基本 差别 是 ， 肿 瘤 细 胞 作为 群体 能 无 限制 地 进行 分 裂 。 相 反 , 差 不 多 所 有 哺乳 动物 的 正常 细胞 经 一 定 次 数 的 分 裂 之 后 似乎 都 要 死亡 。 例 如 ， 哺乳 动物 的 正常 成 纤维 细胞 在 离 体 培养 中 生长 ， 按 它们 取材 的 动物 的 不 同 ， 平 均 将 分 列 20 一 50 次 。 随 着 培养 物 的 老化 ,每 个 细胞 通过 细胞 周期 的 时 间 逐 渐 延 长 ,最 终 整 个 细胞 停 * 600 « kIT SRM. RRA SF MER D RBG BF BH a 胞 为 少 , 这 提示 年 老 细胞 已 经 在 动物 体内 花 掉 了 许多 次 它们 所 限定 的 分 裂 次 数 。 这 观察 使 我 们 相信 ; 当 细胞 分 化 时 虱 而 后 死亡 。 这 种 按 程序 的 细胞 死亡 KR BER (programmed cell death) 可 认为 是 有 利于 机 体 ， 作 为 对 抗 某 一 特定 细胞 生长 培养 基 N 无 限制 生长 的 一 种 附加 的 防御 措施 。 eS o> Uys phd SREB, KSB MISE | ~Cence aces 可 党 控制 的 细胞 ,在 整个 细胞 群 死亡 前 ， RR 塑料 组 织 培养 下 人 图 11-12 图 解说 明 在 组 织 培养 中 许多 肿瘤 细胞 表现 的 生长 型 在 第 十 六 章 里 ,我 们 将 看 到 ,肿瘤 不 只 式 -不 像 正 常 的 细胞 , 取 自 肿瘤 组 织 的 细胞 通常 连续 不 断 地 生长 ， 涉及 不 正常 的 增殖 ， 除 分 裂 控 制 和 按 在 形成 相连 的 单 细胞 层 之 后 细胞 彼此 堆 又 起 来 。 oe oo 共同 促使 肿瘤 成 为 一 种 相当 稀少 的 事件 。 小 结 多 细胞 机 体 中 ， 组 织 的 完整 性 只 有 当 单 个 细胞 的 分 裂 和 生长 都 同 其 邻近 细胞 相 协 调 并 按 程 序 进行 时 ， 才 得 以 维持 。 其 结果 是 不 同 细 胞 按 其 所 处 的 精确 位 置 而 以 极 不 相同 的 速率 进行 分 裂 。 不 活路 增殖 的 细胞 ,其 蛋白 质 合成 速率 降低 ,并 停留 在 G 期 。 细 胞 一 旦 RAWAM Go 后 期 的 一 特定 “限制 点 ”(R) 而 注定 进行 分 裂 时 , 它 将 合成 DNA (在 SH), HAS] G 期 和 M 期 ,并 达到 下 一 周期 的 -G 期 。 一 个 哺乳 动物 细胞 是 否 会 生长 和 分 裂 ; 是 由 各 种 反馈 控制 机 制 决 定 的 。 这 些 机 制 包 括 细胞 所 可 能 用 以 铺展 的 空间 ,以 及 在 紧邻 环境 中 细胞 分 谈 的 刺激 和 抑制 因子 。 肿瘤 细胞 被 证 明 能 逃逸 许多 这 种 控制 ,以 至 RAT HE. We rsa: EA EA Ne Jd SO ld EY TB Ste (AlU-DESHAKRAMh, MRTRAIRS ADB. RU. 乎 可 同样 地 认为 某 些 特 定 的 病毒 也 可 能 被 发 现 是 某 些 人 类 肿瘤 的 病因 。 因 而 ， 大 量 的 经 费 已 经 花费 来 尝试 从 人 类 肿瘤 中 分 离 病毒 ,这 是 并 不 奇怪 和 不 无 道理 的 。 然 而 ,到 目前 为 下 ,这 方面 的 探索 被 证 明 是 困难 的 ,多 数 科学 家 现在 怀疑 病毒 是 人 类 肿瘤 的 主要 原因 。 不 过 ,这 些 肿瘤 病毒 的 研究 也 得 到 巨大 的 补偿 ,因为 发 现 了 细胞 的 生长 和 分 裂 是 怎样 被 控制 的 线索 。 这 研究 中 的 关键 因素 是 发 展 了 离 体 细胞 培养 系统 ， 在 这 系统 中 可 以 观察 由 病毒 诱发 的 癌 性 ( 冯 性 ) 转 化 ,而 这 在 动物 试验 中 似乎 是 不 可 克服 的 困难 。 现 在 已 经 有 了 各 种 离 体 培 养 的 细胞 系 , 用 已 知 的 肿瘤 病毒 侵 染 这 些 细胞 ,将 导致 它们 转化 成 为 肿瘤 的 同等 物 。 这 些 “ 转 化 细胞 通常 能 很 快 地 由 于 它们 改变 了 的 形态 或 生长 要 求 而 被 识别 。 表 11-1 列 举 了 转化 细 允 与 正常 细胞 之 间 的 某 些 主要 的 差别 。 第 一 个 被 确认 的 肿瘤 病毒 是 Rous 肉瘤 病毒 (RSV)， 一 种 鸡 的 病毒 , 它 的 遗传 组 分 是 一 9 000 核 昔 酸 长 的 RNA 分 子 。 通过 对 这 病毒 怎样 转化 鸡 细胞 的 研究 ,发 现 它 的 * 601 « (ASeme DNAzEA 20 面 体 的 蛋白 质 壳 '( 衣 壳 体 ) 双 链 的 环 状 DNA CD) 5000 碱 基 对 BARNA 2 个 拷贝 5000 一 10 000K HR DNA 基 因 组 核酸 核心 20 面 体 蛋 白质 党 双 链 线 状 D N A 150,000 碱 基 对 “《〈 家 壳 体 ) 30 ,000 一 37 ,000 碱 基 对 图 11-13 诱发 动物 肿瘤 的 四 种 主要 病毒 的 模式 图 。 如 图 所 示 ， 逆 转录 病毒 和 疱疹 病毒 为 一 脂 双 BERGE. % 11-1 组 织 培养 的 正常 细胞 经 肿瘤 病毒 转化 时 通常 观察 到 的 某 些 变化 二 质 膜 有 关 的 异常 变化 人 代谢 物 转运 加 强 。 B 血 纤维 蛋白 溶 酶 原 激活 因子 的 产生 增高 * 增 加 了 胞 外 蛋白 水 解 量 。 C 质 膜 过 度 起 泡 。 2. 粘 附 性 的 异常 变化 A 表 面 粘 附 性 减弱 ?所 以 细胞 保持 球形 。 B 肌 动 蛋白 丝 不 能 构成 粗 束 。 C 胞 外 的 纤维 连 丝 蛋白 (fibronectin) 沉积 降低 。 3. 生 长 与 分 裂 的 异常 A 生 长 达到 异常 高 的 细胞 密度 。 B 对 血清 中 生长 因子 的 需求 降低 。 C 对 “固定 物 依赖 ?的 减弱 ( 即 无 需 在 固体 表面 上 铺展 开 就 能 生长 )。 了 将 细胞 注入 敏感 动物 体内 可 形成 肿瘤 。 RNA 基因 组 被 转录 成 DNA， 然 后 插 人 宿主 的 染色 体 DNA 〈 见 232 页 )。 现在 已 知 有 许多 不 同 的 RNA 肿瘤 病毒 (逆转 录 病 毒 ，retroviruses) 为 肿瘤 研究 提供 转化 各 种 不 同 类 型 的 正常 细胞 成 为 其 肿瘤 等 价 物 的 手段 。 几 种 DNA 肿瘤 病毒 也 已 很 好 地 研究 过 。 其 中 包括 几 种 小 的 乳 多 空 病毒 《papovaviruses)。 尤其 是 猴 肾 病毒 SV40 病毒 和 小 鼠 的 多 。602 。 宿主 细胞 宿主 细胞 基因 组 -—® 病毒 基因 组 随机 地 整合 进 宿主 的 染色 体 ， 等 等 所 有 后 代 细 胞 都 生成 病毒 蛋白 图 11-14 ”图 解说 明 病毒 基因 组 的 核酸 序列 怎样 随机 地 整合 进 宿主 细胞 染色 体 ， 致 使 其 子 细胞 中 病毒 蛋白 长 期 存在 。 例 如 逆转 录 病毒 ， 病 毒 RNA 基因 组 的 DNA 复制 物 在 细胞 中 是 由 一 种 病 毒 酶 ,叫做 逆转 录 酶 的 作用 而 产生 , 这 DNA 复制 物 整合 进 宿主 的 染色 体 ( 见 图 5-52)。 鹤 病 毒 , 这 两 者 的 基因 组 含有 仅 约 5 000 碱 基 对 。 对 于 较 大 的 腺 病毒 和 Epstein-Barr 病毒 (EBV) 也 有 了 许多 的 了 解 。 Epstein-Barr 病毒 是 一 种 疱疹 样 病毒 , 它 与 人 类 肿瘤 Bur- kitt’s 淋巴 腺 瘤 有 关 。 与 致癌 的 反 转 录 病 毒 一 样 , 所 有 这 些 DNA 肿瘤 病毒 ,通过 把 病毒 遗传 物质 插 和 人 宿主 染色 体 DNA 而 转化 正常 细胞 。 结 果 ，, 病毒 基因 变 成 感染 细胞 自身 的 遗传 物质 的 一 部 分 , 同 细胞 染色 体 一 起 复制 ,并 不 仅 在 原来 的 细胞 中 表达 ， 而 且 在 所 有 它 的 子 细胞 中 也 能 表达 (细胞 群 叫 做 克隆 )《 图 11-14)。 这 种 不 能 消除 的 继承 下 来 的 额外 遗 * 6036 等 等 . 传 物质 ,能 使 受 感染 的 细胞 克隆 具有 肿瘤 的 命运 。 病毒 怎样 干扰 细胞 生长 和 分 裂 的 控制 ? 已 知 有 两 种 不 同 的 机 制 : (1) 病毒 DNA 整 合 到 宿主 基因 组 这 件 事 本 身 就 能 引起 宿主 细胞 附近 重要 基因 在 结构 或 表达 水 平 上 起 变 化 。 这 过 程 叫做 插入 诱 变 (insertional mutagenesis)。 因 为 这 些 变化 象 用 常规 方法 诱发 的 突变 一 样 可 以 遗传 。 插 人 诱 变 的 几 个 例子 最 近 已 有 文献 报道 。 有 些 是 一 高 度 活化 的 病毒 RNA II pra awiensabe Ye. 此 基因 过 量 表达 引起 了 肿瘤 的 表 型 。 由 于 病毒 启动 子 开动 的 mRNA #2 和信 相 邻 基因 的 编码 序列 ， 细 胞 内 会 合 成 比 正常 量 大 得 多 的 细胞 控制 蛋白 。 (2) 许多 肿瘤 病毒 携带 一 个 或 几 个 遗 传 座位 (叫做 致 瘤 基因 )， 它 们 与 宿主 细胞 的 瘤 性 转化 直接 和 唯一 相关 ， 可 能 不 需要 改变 宿主 细胞 的 基因 。 已 知 许多 病毒 致癌 基因 ， 它 们 在 很 多 种 不 同 动物 中 是 活跃 的 ; 这 些 独 特 基 因 的 普遍 存在 和 特性 使 肿瘤 病毒 作为 实验 工具 具有 很 大 的 用 途 。 应 用 分 子 遗传 学 方法 证 实 了 致癌 基因 的 存在 各 种 技术 方法 都 被 用 来 鉴定 病毒 的 致癌 基因 。 一 种 通用 的 遗传 学 方法 发 现 了 致癌 基因 的 突变 ， 当 温度 升 高 时 基因 变 得 不 活跃 。 这 些 温度 敏感 突 变 基 因 在 随意 升 高 或 降低 温度 时 ， 它 可 能 抑制 和 随后 重新 表现 基因 的 效 应 。 在 低温 (34%c) 下 ， 含 有 病毒 致癌 基因 的 敏感 细胞 表现 出 肿瘤 的 表 型 ， 留 11-15 ”一 个 为 携带 有 温度 敏感 突变 致癌 基因 的 逆转 录 病 毒 所 并 且 在 缺少 细胞 正常 所 需 的 某 些 生长 转化 的 离休 培养 细胞 的 扫描 电镜 照片 。(A) 低温 (34:C) 下 亚 性 转化 的 细胞 ， 球 形 。(B) 同 样 的 细胞 ， 由 于 转移 到 高 温 (39*) ”因子 的 条 件 下 依然 能 生长 〈 表 11-1)。 条 件 下 使 致 冶 基 因 产 物 失 去 活性 从 而 恢复 了 正常 的 形态 。 On a EF BI39°C, 致癌 基因 表达 生计 本 Ave. 被 阻 抑 , 细 胞 迅速 地 (通常 在 几 个 小 时 内 ) 恢 复 到 正常 的 表 型 (图 11-15)。 这 种 细胞 表 型 变化 的 循环 可 以 用 升 高 和 降低 温度 任意 地 重复 ,这 种 变化 证 明 ,温度 敏感 病毒 基因 是 对 细胞 的 癌 性 转化 起 作用 的 基因 ， 因 而 证 明 是 一 种 致癌 基因 。 一 种 叫做 DNA 7p 5464 (DNA-mediated transfection) 的 方法 也 可 以 用 来 鉴定 病毒 致癌 基因 。 在 这 操作 过 程 中 , 仅 带 有 一 个 病毒 基因 的 _DNA 片段 导 人 组 织 培养 细胞 中 ， 偶 尔 可 整合 进 基因 组 并 表达 。 某 些 DNA 片段 将 引起 受 体 细胞 的 子 代 变 成 瘤 性 的 ， 结果 如 移植 到 一 个 适当 的 宿主 动物 就 会 形成 肿瘤 。 由 此 ， 可 鉴定 出 病毒 基因 组 中 的 致癌 。604 。 KA, EM 22 PER KAS OE, see ma ea Hea ene .对 RNA 肿瘤 病毒 的 致癌 基因 了 解 得 最 清楚 各 种 不 同 的 DNA im RAO RAL Pee ee IRR 功能 活动 的 位 置 。 这 类 基因 被 研究 得 最 清楚 的 是 SV 40 和 多 瘤 病 毒 。 然 而 :由 于 这 些 至 癌 基 因 同 一 组 基因 重 倒 ,其 中 一 个 基因 《编码 大 工 -抗原 蛋白 )， 是 病毒 DNA 复制 所 必 需 ， 对 致癌 基因 的 功能 分 析 因而 复杂 化 了 。 这 些 重 登基 因 所 规定 的 基因 产物 有 多 少 与 恶性 转化 有 关 ， 还 不 很 清楚 。 然 而 ， 其 中 的 一 个 ， 即 多 瘤 病毒 的 中 工 -抗原 ”(middle T-antigen) 却 是 必需 的 ， 某 些 这 半 蛋 白质 分 子 被 发 现 位 于 质 蝶 的 内 表面 ， 它们 似乎 同 能 使 酷 氨 酸 磷酸 化 的 蛋白 质 激酶 相 结合 ( 见 下 文 )。 较 大 的 DNA 肿瘤 病毒 ， 如 腺 病毒 ， 有 一 个 十 分 复杂 的 基因 组 ;这 里 似乎 产生 几 个 不 同 的 致癌 蛋白 ,它们 的 全 部 组 合 是 使 细胞 完 全 恶性 转化 所 必需 的 。 对 研究 来 说 ,最 简单 的 致癌 基因 是 反 转 录 病 毒 的 致癌 基因 ,它们 包含 的 单个 基因 编码 的 序列 与 该 病毒 的 其 他 基因 没有 重 登 。 所 以 , 这 种 致癌 基因 常会 缺失 而 对 病毒 增殖 没有 不 利 的 影响 。 这 种 致癌 基因 区 段 的 内 在 的 可 省 略 性 Goherent dispensability) 首先 是 由 于 发 现 能 正常 增殖 ， 但 不 能 把 宿主 细胞 转化 为 肿瘤 细胞 的 突变 Rous 肉瘤 病毒 颗粒 而 被 揭示 的 。 许多 这 类 突变 体 被 发 现 有 一 编码 分 子 量 为 6000 SANA HI ER Ko 这 就 是 使 正常 鸡 细胞 转化 为 肿瘤 细胞 的 所 谓 src 基因 的 产物 。 随 着 发 现 src 基因 对 病毒 增殖 没有 作用 ,已 经 乔 清楚 反 转 录 病 毒 增殖 只 需要 三 类 病 毒 特有 的 多 肽 : 一 是 其 外 被 膜 (env) 蛋白 ， 二 是 内 衣 壳 (gag) 蛋白 ,三 是 逆转 录 酶 (pol) 蛋白 。 在 许多 逆转 录 病 毒 中 ， 一 个 大 的 具有 功能 的 致癌 基因 片段 取代 了 病毒 的 gag. pol 或 eny 序列 的 部 位 。 这 类 病毒 是 有 缺陷 的 ,它们 本 身 不 能 增殖 ,而 需要 一 个 非 致癌 的 畏 助 病毒 "同时 存在 ， 以 提供 所 缺失 基因 的 产物 。 像 Rou 肉瘤 病毒 这 样 没 有 缺陷 的 致 瘤 病毒 , 较 之 许多 缺乏 完整 的 gag env 片段 的 缺陷 型 逆转 录 病 毒 〈 例 如 ， 再 arvey 肉瘤 病毒 和 Abelson 病毒 ) ,实际 上 是 非常 少 的 。 由 这 些 缺 陷 型 病毒 产生 的 致癌 蛋白 通常 是 融 SSA, gag 序列 位 于 其 氮 基 端 ;致癌 基因 序列 则 在 其 羧基 端 。 当 逆 转录 病毒 上 存在 着 已 知 的 致癌 蛋白 的 任 一 种 时 ， 对 细胞 的 结构 和 功能 都 会 产生 多 方面 的 影响 。 这 些 不 同 影响 是 怎样 由 单个 病毒 基因 的 作用 所 引起 的 呢 ?” 有 两 种 不 同 的 可 供 选择 的 解释 。 由 致 瘤 基 因 编 码 的 蛋白 质 可 能 改变 单一 的 细胞 成 分 , 这 成 分 进而 广泛 影响 细胞 各 种 功能 而 产生 瘤 性 表 型 。 或 者 是 致 瘤 基因 产物 本 身 可 能 直接 改变 细胞 的 许多 不 同 成 分 。 许多 研究 工作 者 祖 信 这 后 一 种 解释 有 更 大 可 能 性 ， 部 分 原因 是 可 能 使 Rous 肉瘤 病毒 sro 致癌 基因 突变 到 仅仅 抑制 其 对 细胞 的 某 些 影 响 。 即使 许多 致癌 基因 的 蛋白 质 产 物 似乎 对 细胞 的 许多 不 同 功能 产生 作用 ， 但 仍然 可 能 只 有 某 些 影响 才 是 肿瘤 发 生 所 需要 的 。 如 果 无 控制 的 细胞 分 裂 是 肿瘤 表 型 的 核心 , 那么 肿瘤 细胞 的 根本 变化 可 能 是 在 正常 细胞 分 裂 周期 停止 进展 的 情况 下 ， 它 们 不 能 在 限制 点 (R) 停止 下 来 。 当 生长 在 组 织 培 养 条 件 下 ,即使 有 也 只 是 极 少 的 肿瘤 细胞 能 优先 选择 在 R 点 停止 下 来 ; 反之 当 处 于 饥饿 或 有 毒 条 件 下 , 它们 将 在 细胞 周期 的 各 点 上 均 停 止 生长 。 致 瘤 基因 (或 者 任何 其 他 致 瘤 因 子 ) 的 作用 是 怎样 造成 这 么 深刻 的 变化 ,还 不 知道 。 *，605。 病毒 基因 组 形成 少数 含有 宿主 基因 X 的 病毒 重组 体 殖 ， 释 出 的 新 病毒 a 病毒 增 | 颗粒 均 含 有 一 份 宿 主 基 天 1 SAA = | I XW 图 11-16 电镜 照片 ,表示 由 Rous 肉瘤 病毒 致癌 基因 图 11-17 简 图 说 明 逆 转录 病毒 把 作用 而 合成 蛋白 质 激酶 ， 激 酶 在 恶性 转化 细胞 中 侵 及 相当 于 特定 寄主 基因 的 核 苷 酸 序 质 膜 的 内 表面 。 用 电子 致密 铁 蛋 白 颗 粒 标记 的 特定 抗 列 参 人 到 其 基因 组 内 的 罕见 的 过 体 与 激酶 起 反应 ， 定 出 激酶 的 位 置 。(Ira Pasten 赠 ; 程 。 逆转 录 病 毒 所 以 含有 致癌 基 引 自 M. C. Willingham, G. Jay and [CC Pasten, 因 ,似乎 始 源 于 这 个 途径 ( 见 正文 )。 Cell 18:125—134, © M.I、T.Press) 致癌 基因 可 能 破坏 生长 调节 正常 机 制 的 一 种 途径 是 抑制 细胞 正常 分 化 为 有 限 的 生长 潜能 的 细胞 。 事 实 上 ，, 许多 肿瘤 细胞 比 它们 祖 应 的 正常 细胞 分 化 得 差 。 这 一 点 在 人 白 血 病 ( 血 细胞 癌 ) 尤 其 显著 ， 并 导致 一 种 看 法 认为 这 些 肿瘤 的 发 生 是 由 于 某 特定 谱系 的 细胞 没 能 完成 它们 的 成 熟 。 因为 血细胞 前 身 看 来 具有 连续 不 断 的 分 裂 能 力 , 结果 形成 了 不 断 扩大 的 细胞 群 一 一 肿瘤 。 这 个 观点 进一步 得 到 某 些 病毒 致癌 基因 引起 的 效应 的 支持 。 例 如 ， 一 种 类 型 逆转 录 病 毒 可 引起 红细胞 前 身 的 肿瘤 。 Hv es EE A Se Ae 去 活性 , 则 原先 未 成 熟 的 细胞 开始 分 化 ,并 失去 其 肿瘤 特性 如 上 所 述 ， 肿 瘤 细 胞 能 够 永久 存活 ， 与 离休 培养 下 生命 有 限 的 正常 细胞 不 同 。 许多 肿瘤 病毒 由 于 其 病毒 致 瘤 基因 的 效应 而 可 能 把 这 种 永久 生存 的 能 力 转 给 宿主 细胞 。 在 腺 病毒 的 例子 中 已 能 在 病 带 基因 组 中 鉴定 出 能 使 细胞 转化 为 永久 生长 而 不 诱发 任何 其 他 方 a606。 面 的 癌 性 表 型 的 部 分 。 这 一 类 结果 表明 病毒 基因 具有 作为 研究 细胞 衰老 的 分 子 机 制 以 及 瘤 性 转化 机 制 的 一 种 工具 的 价值 。 致癌 基因 常常 编码 蛋白 质 激酶 ” 一 个 关键 性 的 突破 发 生 在 1978 年 ,这 是 发 现 了 src 基因 产物 是 一 种 蛋白 质 激酶 一 一 催化 磷酸 残 基 从 三 磷酸 核 苷 转移 到 选 定 的 靶 蛋 白 氮 基 酸 侧 链 上 的 一 种 酶 ( 见 718 页 )。 以 后 不 久 ， 其 他 几 种 致癌 蛋白 也 被 发 现 是 蛋白 质 激酶 。 到 目前 为 止 ， 所 检查 过 的 每 个 病毒 专 有 的 激酶 可 磷酸 化 许多 靶 蛋 白 ; 这 就 可 解释 它们 各 自 的 致癌 基因 的 多 重 效应 。 许多 逆 转录 病毒 激酶 专 一 地 作用 于 栈 氨 酸 侧 链 的 磷酸 化 ， 而 不 是 像 大 多 数 蛋 白质 激酶 那样 磅 上 化 丝氨酸 和 苏 氮 酸 残 基 。 由 于 栈 氨 酸 磷酸 化 作用 是 罕见 的 , 所 以 细胞 一 为 肿瘤 病毒 侵 染 其 蛋白 质 的 磷酸 栈 氨 酸 含量 就 要 比 正 常 细胞 高 5 一 16 倍 。 这 些 磷酸 化 蛋白 的 鉴别 和 功 旬 的 确定 对 了 解 病 毒性 肿瘤 发 生 是 具有 关键 意义 的 。 已 经 找 出 了 一 些 候选 的 蛋白 质 一 一 如 肌 动 蛋白 结合 蛋白 纽带 蛋白 ， 但 是 这 还 不 能 证 明 其 中 任 一 种 人 参与 诱导 和 (或 ) 维 持 其 转 化 的 表 型 。 由 于 病毒 致癌 基因 的 作用 如 此 多 种 多 样 ， 我 们 或 许可 期 望 在 细胞 内 许多 地 方 找到 它 们 的 产物 ,尤其 是 在 细胞 核 中 ,许多 细胞 分 裂 事件 设想 是 从 这 里 开始 的 。 令 人 惊奇 的 是 , 迄 今 经 过 很 好 研究 的 致 冶 基 因 产 物 却 并 非 如 此 。 反 之 ,这 些 蛋白 质 的 大 多 数 ( 代 表 几 种 非常 不 同类 型 肿瘤 病毒 的 产物 ) 已 经 发 现 是 同 质 障 祖 结 合 的 (图 11-16)。 某 些 例 子 中 ,蛋白 质 插入 脂 双 层 ;在 其 他 例子 中 ,其 精确 的 膜 结合 性 质 还 不 清楚 。 这 些 发 现 支 持 了 一 个 长 期 存 在 的 假说 ,认为 细胞 分 裂 的 外 控制 因子 主要 是 作用 于 细胞 表面 ， 并 提出 了 一 种 可 能 性 , BD 肿瘤 病毒 蛋白 质 激酶 的 大 多 数 底 物 将 被 发 现 是 同 质 膜 紧 密 结合 的 。 酷 氨 酸 磷酸 化 作用 也 参与 正常 细胞 的 控制 机 制 。 例如 , 一 种 蛋白 质 激 素 一 一 表皮 生 长 因子 (EGF) 一 一 在 细胞 表面 与 其 受 体 结合 时 ,导致 受 体 本 身 和 其 他 几 种 细胞 蛋白 的 栈 氨 酸 磷酸 化 。 这 些 磷酸 化 作用 可 设想 是 启动 EGF 的 胞 内 效应 的 信号 ， 引 起 原先 静止 的 细胞 进行 分 裂 。 十 分 有 兴趣 的 是 ， 其 酷 氨 酸 在 EGEF 作用 下 被 磷酸 化 的 几 种 蛋白 质 和 对 某 些 病毒 致 瘤 基因 起 反应 而 酷 氨 酸 磷酸 化 升 高 的 蛋白 质 是 稻 同 的 。 这 些 发 现 提 示 细 胞 分 FLAY IE Fs RUB CEGF) 和 不 正常 刺激 都 可 能 是 通过 同样 的 栈 氨 酸 磷 酸化 介 导 的 。 正常 细胞 蛋白 水 平 的 升 高 能 破坏 正常 细胞 生长 的 调节 " 乍 一 看 来 ,自然 界 在 病毒 中 如 此 广 布 致癌 基 因 ,似乎 是 反常 的 。 然而 , 目前 我 们 认识 到 逆转 录 病 毒 的 致癌 基因 不 过 是 正常 细胞 基因 的 另 一 种 形式 。 由 于 未 知 的 机 制 , SHED 物 基因 组 中 的 基因 可 以 或 多 或 少 随机 地 、 低 频率 地 插 人 到 逆转 录 病 毒 基因 组 内 。 由 于 这 些 带 有 致癌 基因 的 病毒 能 保持 宿主 细胞 处 于 增殖 状态 ， 从 而 维持 了 最 适 于 病毒 增殖 的 条 件 , 因 而 推 想 在 进化 过 程 中 它们 得 以 从 其 它 病 毒 中 被 选择 出 来 (图 11-17)。 虽然 , 按 这 种 方式 结合 进 病毒 的 细胞 基因 是 致癌 的 ,但 它们 的 结构 或 功能 似乎 均 未 因 重组 而 发 生 明显 的 改变 。 例如 ，Rous 肉瘤 病毒 致癌 基因 及 其 在 正常 细胞 中 的 原始 基因 两 者 都 编码 同样 与 质 膜 结 合 的 酷 氨 酸 蛋白 质 激酶 。 某 些 致癌 基因 的 原始 正常 基因 可 用 DNA 克隆 技术 分 离 出 来 ， 并 在 促进 这 些 克 隆基 因 高 效 表达 的 条 件 下 将 其 放 回 到 正常 细 胞 内 , 令 人 惊奇 的 是 ,这 样 的 细胞 竟 变 成 了 瘤 细 胞 ! "607。 因此 ，, 一 个 病毒 性 肿瘤 发 生 的 新 观点 提出 来 了 s .肿瘤 病毒 的 作用 不 过 是 使 寄主 细胞 过 量 增 加 一 种 与 控制 细胞 分 裂 有 关 的 正常 细胞 基因 产物 。 这 些 产 物 所 以 驱使 转化 的 细胞 无 限制 地 增殖 , 仅仅 因为 它 过 量 存在 。 化 学 致癌 物 或 天 然 突变 也 可 能 仅仅 需要 诱发 这 关 键 的 控制 基因 不 适当 地 过 量 表达 ,而 使 细胞 进 和 人 恶性 病变 的 歧途 《图 11*18)e 含 联接 有 细胞 调节 基因 X 拷 贝 的 病毒 细胞 调节 基因 XN\_ -一 耻 最 的 调节 蛋 直 细胞 调节 基因 X 《无 效 转录 ) (无 效 转 录 ) “调节 基因 又 突变 《迅速 转录 ) 整合 和 恶性 转化 ty 让 0 a : wy Wee r eentics Soe 细胞 调节 基因 X RET RS 大 量 的 调节 和 悍 白 ， CTE Hh HE HR) 11-18 图 解说 明 病毒 诱发 的 和 自发 的 肿瘤 的 一 个 可 能 普遍 的 机 制 。 在 这 两 个 例子 中 说 明 无 控 制 的 细胞 生长 是 由 于 一 正常 细胞 调节 蛋白 的 过 量 生产 所 致 ,然而 另外 的 例子 中 细胞 调节 和 蛋白 己 知 可 由 一 个 氨基 酸 的 变化 而 改变 ， 而 没有 过 量 的 生产 。(A) 逆转 录 病 毒 可 能 由 于 把 一 正常 细胞 基因 的 找 贝 参 人 到 其 基因 组 中 而 引起 过 量 的 生产 ,由 于 整合 到 病毒 基因 组 的 DNA 拷贝 而 大 量 地 转录 该 细胞 基因 的 RNA ， 因 为 其 表达 水 平 是 受 病毒 启动 子 控制 的 。(B) 自发 的 或 致癌 物 诱发 的 突变 可 引起 同样 的 细胞 调节 蛋白 的 超 量 生产 ， 这 是 由 于 直接 提高 其 基因 转录 的 效率 。 在 酵母 细胞 上 开 展 的 研究 提示 。 真 核 细 胞 基因 表达 水 平 的 这 样 明显 增 高 ,更 像 是 由 于 DNA 小 片 女 的 缺失 或 插入 引起 的 ， 而 不 是 由 于 单个 碱 基 对 的 突变 。 已 有 不 少 于 15 种 不 同 的 逆转 录 病 毒 致 痪 基因 被 发 现 ， 而 且 每 个 都 是 从 贿 椎 动物 基 因 组 中 不 同 的 正常 基因 衍生 来 的 。 到 目前 为 止 这 些 致 痪 基因 有 一 半 表 明 具 有 蛋白 质 激 酶 的 活性 。 总 的 看 来 ,这 些 基因 可 能 组 成 一 异 源 家 族 ,其 每 个 成 员 都 由 于 它们 参与 脊椎 动 物 正常 细胞 分 裂 和 发 育 的 调节 而 相互 关联 起 来 。 如 果 这 是 正确 的 ,这 个 观点 代表 了 实验 生物 学 家 的 一 个 巨大 的 意外 收获 。 逆 转录 病毒 借助 从 关 椎 动物 基因 组 中 提取 活跃 的 调节 * 608 « 基因 ,而 使 这 些 基 因 易 于 供 研 究 之 用 。 活化 的 致癌 基因 已 可 直接 由 人 体 肿 瘤 俱 离 出 来 现在 已 有 可 能 从 某 些 人 体 和 其 他 动物 肿瘤 分 离 出 具有 活力 的 致癌 基因 ， 而 无 须 病毒 的 参与 。 对 于 一 些 肿 瘤 ( 肺 膀胱 、 结 肠 、 神 经 母 细 胞 瘤 , 淋巴 瘤 和 白血病 ), 从 瘤 细胞 抽 提 出 的 DNA， 当 导 人 离 体 培养 的 正常 细胞 ,发 现 能 传递 肿瘤 生长 的 特性 。 应 用 重组 DNA 技术 ( 见 182 页 ) 已 经 鉴定 出 几 种 活性 致癌 基因 的 DNA 序列 , 然后 已 将 其 通过 细菌 质粒 克隆 高 纯度 地 分 离 出 来 。 由 不 同 的 人 体 肿瘤 分 离 出 的 致 瘤 基因 常常 是 胡同 的 〈 肺 和 结 肠 )， 其 中 两 个 ( 取 自 膀胱 高 和 肺癌 ) 已 被 证 明 是 两 个 先前 鉴定 过 的 逆转 录 病 毒 致癌 基因 (分 别 发 现在 Harvey 肉瘤 病毒 和 Kirsten 肉瘤 病毒 ) 的 细胞 同系 物 。 这 些 ras 基因 编 码 结合 GTP 和 GDP 的 21 000 道 尔 顿 蛋白 质 ， 在 正常 细胞 中 存在 极 小 量 , 其 功能 至 今 仍然 完全 是 一 个 迷 。 i 起 致癌 基因 作用 的 细胞 基因 总 是 遭受 了 某 种 遗传 缺损 ,致使 或 者 其 活力 水 平 增高 ,或 者 其 基因 产物 的 功能 发 生 改 变 , 但 是 其 中 的 细节 还 不 清楚 。 这 些 最 近 的 发 现 有 力 地 提示 了 ,相当 小 的 一 群 基因 能 导致 许多 种 类 的 总 。 小 结 诱发 动物 肿瘤 的 DNA 和 RNA 病毒 经 常 也 可 诱发 离 体 培 养 的 细胞 恶性 转化 。 通 过 我 们 现 有 的 对 肿瘤 病毒 基因 组 进行 实验 操作 的 能 力 , 已 经 得 到 了 一 些 关 于 癌 的 特性 的 基本 事实 。 RNA 肿瘤 病毒 (逆转 录 病 毒 ) 的 致癌 基因 《引起 肿瘤 的 基因 ) 是 正常 的 细胞 基因 ,它们 以 其 原 有 的 形式 或 略 有 改变 的 形式 偶然 插入 到 逆转 录 病 毒 基因 组 内 。 几 种 逆 转录 病毒 致癌 基因 编码 细胞 膜 结合 的 蛋白 质 激酶 ， 它 对 特定 的 细胞 蛋白 中 的 酷 气 酸 残 基 起 磷酸 化 作用 。 经 逆转 录 病 毒 侵 染 后 这 种 蛋白 质 超 量 生产 ,必定 以 某 种 途径 放松 了 调节 细胞 生长 和 分 裂 的 正常 控制 机 制 。 不 久 以 前 在 某 些 人 体 肿 瘤 的 细胞 中 发 现 含有 一 些 先 前 分 析 致 癌 逆 转录 病毒 时 发 现 过 的 同样 的 改变 过 的 细胞 基因 。 S 期 中 的 事 件 27:18:19 用 突变 的 酵母 细胞 作 材料 的 研究 证 明 , 核 膜 上 有 一 叫做 纺锤 极 体 (spindle pole body) 的 结构 , 它 的 复制 是 DNA 合成 开始 之 前 所 需要 的 。 在 动物 中 这 一 结构 的 同类 物 是 中 心 粒 〈centriole); 中 心 粒 有 两 种 作用 , 一 是 作为 微 管 的 组 织 中 心 的 一 部 分 ， 后 者 与 间 期 核 有 紧密 联系 (细胞 中 心 ,一 是 在 有 丝 分 裂 时 作为 每 个 纺锤 体 极 的 组 分 。 中 心 粒 似乎 以 模板 过 程 进行 复制 , 每 一 细胞 周期 进行 一 次 ( 见 图 11-19 )。 如 同 酵母 的 纺锤 极 体 那 样 ， 达 到 中 心 粒 复制 的 特定 阶段 很 可 能 是 DNA 复制 起 始 的 关键 事件 。 遗 憾 的 是 目前 还 没有 方法 来 阻 断 中 心 粒 的 复制 ,因而 尚 不 能 检验 这 个 设想 。 事实 上 ,我 们 还 不 了 解 DNA 合成 开始 的 真正 的 触发 开关 ; 也 不 知道 S 期 DNA 的 复制 是 突然 间 在 基因 组 的 许多 位 置 上 同时 开始 , 还 是 仅 从 少数 位 置 上 逐渐 展开 。 甚至 可 能 合成 是 从 染色 体 的 一 特定 区 域 的 复制 起 始 ， 然 后 再 触发 一 连 串 继 发 的 在 别 地 方 的 起 始 事件 。 无 论 其 细节 如 何 , 这 触发 机 制 明显 地 是 属于 全 或 无 * 的 类 型 ,因为 一 旦 S 期 开始 ， * 609 » 图 11-19 中 心 粒 复制 的 过 程 ， 它 同 每 次 细胞 周期 协调 一 致 。 电 镜 观 察 发现 每 个 子 中 心 粒 当 其 成 长 时 进行 着 一 系列 的 形态 变化 ， 这 提示 中 心 粒 复制 是 一 个 十 分 复杂 的 过 程 ， 不 像 这 里 画 的 这 人 么 简 单 。 中 心 粒 分 离 和 子 中 心 粒 形成 的 某 早 期 阶 女 的 来 临 ,可 能 是 进入 细胞 局 期 S 期 必需 的 事件 。( 参 py P. Sherline and R. N. Mascardo, J. Cel! Brot. 93:507 一 511,1982) DNA 复制 将 继续 下 去 ,直到 细胞 DNA 全 部 复制 完成 。 S 期 中 每 个 染色 体 上 复制 又 答 同时 活化 如 第 五 章 讨论 过 的 ， 在 复制 起 点 产生 DNA 复制 叉 (replication fork) 的 特定 的 事 件 开始 后 ，DNA 便 合 成 了 。 此 YY 形 构造 是 不 对 称 的 ， 因 为 在 前 导 和 后 随 两 条 链 上 合成 DNA 的 方式 彼此 不 同 〈 图 11-20)。 细菌 基因 组 是 如 此 小 ， 以 致 只 需要 两 个 复制 又 就 能 *。010。 在 每 个 细胞 世代 完全 复制 所 有 的 DNA。 但 是 一 个 哺乳 动物 染色 体 的 DNA 要 长 50 倍 ， 所 以 必需 有 许多 复制 叉 同时 地 移动 ,从 而 在 一 适当 的 时 期 内 完成 复制 。 整 个 S 期 中 ,在 每 个 染色 体 上 ,平均 大 约 有 100 个 复制 又 同时 操作 。 这 些 复制 又 是 怎样 沿 着 染色 体 分 布 的 ? 在 一 个 细胞 中 又 是 怎样 保证 在 每 次 周期 内 所 有 DNA 的 完全 复制 ? 最 先 用 来 测定 真 核 染 色 体 怎样 复制 的 方法 在 60 年 代 初 期 就 已 经 建立 起 来 了 。 离 体 培养 的 细胞 用 和气 化 胸 昔 短 时 期 地 标记 , 从 而 使 这 个 时 期 合成 的 DNA 带 有 强 放射 性 。 随 后 细胞 被 温和 地 解体 ,把 DNA 铺展 在 玻 片上 ,得 到 长 的 伸展 的 DNA 分 子 。 最 后 ;将 玻 片 涂 上 一 层 照 像 乳 胶 膜 ,于 是 标记 DNA 的 图 像 就 可 以 用 放射 自 显影 来 测定 了 。 由 于 放 射 性 标记 的 时 间 是 选 定 使 每 个 复制 叉 沿 着 DNA 上 移动 几 个 微米 ， 复 制 的 DNA 在 光 TT wi 二 “他 于 图 11-20 DNA 复制 又 的 不 对 称 结构 。 如 前 面 详细 讨论 过 的 ，DNA RARER AMS” 端 向 3 端的 方向 合成 DNA 链 。 因为 DNA 双 螺 旋 的 两 条 链 是 以 相反 的 方向 走向 ， 亲 代 DNA 模板 的 一 条 链 必定 按 一 非 连续 的 “ 反 向 包扎 ”(“bacxstiching”) 机 制 来 拷贝 。 所 以 ， 在 这 条 链 (叫做 后 随 链 ) 上 的 合成 和 另 一 条 链 (叫做 前 导 链 ) 上 的 合成 很 不 相同 因而 这 复制 又 是 不 对 称 的 。 学 显微镜 下 呈现 为 银 颗 粒 的 线条 ,虽然 DNA 本 身 是 看 不 见 的 (DNA 螺旋 的 直径 仅 有 2 am， 而 光学 显微镜 的 分 辩 率 是 200nm), 图 11-21(A) 表明 所 得 的 这 种 结果 ， 了 暗黑 色 轨 迹 为 复制 的 DNA， 其 长 度 随 标记 时 间 的 增加 而 延长 ， 发 现 真 核 细胞 中 复制 又 是 以 KY 50 个 核 昔 酸 / 秒 的 速度 移动 的 。 这 一 速度 仅 是 细菌 复制 又 移 动 速度 的 十 分 之 一 , 这 可 能 反映 了 包装 在 染色 质 中 的 DNA 增加 了 其 复制 的 困难 。 由 于 平均 一 条 人 染色 体 被 设想 是 由 一 条 包含 天 约 -150 X 10% HERM RABY DNA 分 子 组 成 ， 如 果 只 由 一 个 复制 又 从 头 到 尾 以 50 核 昔 酸 / 秒 速度 移动 来 复制 这 样 一 条 DNA 分子,， 将 需要 0.02 X 150 X 10° = 3.0 X104 秒 ( 约 800 it)! 事实 上 ;典型 的 S 期 只 经 历 8 一 10 小 时 。 所 以 ,上 述 放射 自 显影 方法 表明 ,在 每 条 真 核 染色 体 上 有 许多 复制 又 同时 移动 是 没有 什么 可 奇怪 的 。 令 人 惊奇 的 倒是 ,许多 复制 又 常常 是 在 同一 DNA 区 域 紧 密 地 挤 在 一 起 , 而 同 条 染色 体 上 的 其 他 区 域 则 没有 。 应 用 探测 复制 又 的 速度 和 位 置 的 各 种 方法 ， 还 可 能 分 析 复 制 又 的 方向 [图 11-21 (B)]。 这 类 实验 证 明了 如 下 的 事 。011。 k ea SP Sh i DNA 复制 起 点 以 [3H ] 胸 苷 脉冲 标记 10 分 钟 . 换 置 于 无 标记 物 的 培养 基 中 10 分 钟 , 追踪 观察 ， 参 入 前 体 降 低 了 放射 性 水 平 11-21 证 明 s 期 复制 又 移动 型 式 的 实验 的 示意 图 。 人 体 组 织 培养 细胞 经 短 时 间 强 放射 性 胸 苷 脉冲 量 标 记 。(A) 所 示 实 验 中 细胞 被 溶解 ，DNA 铺展 在 玻 片 上 ， 然后 除 上 一 层 照 相 乳 胶 。 几 个 月 以 后 ,乳胶 曝光 ,在 放射 性 DNA 上 呈现 银 颗粒 线条 。(B) 同样 的 实验 ， 只 不 过 细胞 继续 培养 在 无 放射 性 同位 素 的 培 基 中 ,允许 其 余 的 DNA 继续 复制 ， 但 放射 性 很 低 。 在 〈B) 中 发 现 暗色 痕 赤 成 对 ,记录 出 相反 方向 的 银 粒 , 这 一 事实 首先 提示 ， 复制 又 是 从 一 个 中 心 复制 起 点 开始 双向 地 分 开 移动 ( 见 图 11-22)。 注 意图 中 黑色 的 DNA 只 是 帮助 解说 放射 自 显影 照片 ;在 这 样 的 实验 中 无 标 记 的 DNA 是 看 不 见 的 。 复制 起 点 :可 二 nies —— a RR. DNASE - Sar : | 复制 又 = _ eg a 少 广 fe hh 2b 复制 泡 原 有 链 和 RE DNA 螺 旋 图 11-22 真 核 细胞 染色 体 上 DNA 复制 的 型 式 ,由 图 11-20 示 明 的 实验 最 先 证 明 。 在 类 多 数 细 胞 中 ， 复 制 起 点 是 以 30 000 一 300 000 破 基 对 间隔 排列 着 。 设想 一 复制 又 只 是 在 与 相反 方向 来 的 复制 又 相遇 时 才 停止 移动 ; 按 这 方式 ，DNA 最 终 全 部 得 以 复制 。 Ko 1. Lil Ri RIF LA (叫做 复制 单位 ，replication units) 地 被 激活 ， 每 短 或 许 有 20 一 80 个 起 点 ; 在 这 样 的 单位 内 每 个 起 点 同 下 一 个 之 间 以 相距 30 000—300 000 碱 基 *612。 对 的 间隔 排列 。 2. S 期 自始至终 都 有 新 的 复制 单位 簇 被 激活 ,直到 全 部 DNA 都 复制 完 。 3. 发 现 大 多 数 的 复制 又 是 成 对 的 : 成 对 的 两 个 又 是 从 一 个 共同 的 起 点 开始 ， 向 相反 的 方向 移动 开 , 形 成 了 一 种 被 称 为 复制 泡 (replication bubble) 的 结构 。 4. 一 个 复制 单位 内 的 复制 又， 当 它 们 遇 到 从 家 反方 向 移动 来 的 邻近 的 复制 又 时 就 终 止 了 。 按 这 种 方式 ， 区 域内 的 全 部 DNA 被 复制 ,形成 两 个 完整 的 子 代 DNA 螺旋 (图 11=22), 5. 在 整个 S 期 复制 叉 以 同等 的 速度 移动 。 当 DNA 复制 时 新 的 组 蛋白 被 装配 在 染色 质 上 ” 真 核 细胞 染色 质 的 结构 层次 在 图 11-23 简明 地 作 了 描述 。 如 第 八 章 所 评述 的 ,四 种 核 小 体 组 蛋白 (HA、HB、H， 和 H,) 中 ,每 种 的 两 个 拷贝 结合 成 一 圆 盘 形 的 八 聚 体 蛋 DNA 双 螺旋 ONONRCNONOAS aznm | 介 色 质 的 串珠 形状 _@: SEN p- [1m ee ee 包装 车 核 小 体 的 ORK 300 nm ae Aya Og A | | WB B NZ. RH 3k SY Be Se IIDO 8 全 2 汉江 11-23 染色 质 结 构 概 观 。 从 上 往 下 : DNA 双 螺 旋 结 构 ; 一 串 3 个 核 小 体 ; 直 径 30nm: 染 色 质 纤维 的 一 段 ; 一 串 10 个 相连 接 的 由 30nm 纤维 折 有 登 形 成 的 环 状 区 域 ;》 部 分 中 期 染色 体 的 模型 ， 以 及 整 条 中 期 染色 体 。 对 研讨 DNA 复制 最 重要 的 实体 是 核 小 体 本 身 ， 它 看 来 从 不 与 其 结合 的 DNA 分 开 ; 侧 环 区 域 设想 是 起 着 基因 表达 功能 单位 的 作用 ， 并 可 能 包含 一 单个 复制 起 点 。 ~ “6l3e | 白质 核心 ,染色 体 的 双 链 DNA 以 200 RSE MAUI Bik Bob, 形成 核 小 体 (nucie- osome), 祖 部 的 核 小 体 捆扎 在 一 起 形成 直径 大 约 30 nm 的 染色 质 纤 维 ， 它 的 精确 结构 尚 不 知道 。 设 想 这 纤维 再 次 折 倒 成 大 的 侧 环 区 域 , 每 个 侧 环 区 域 伟 有 祖 当 数 万 个 DNA 碱 基 对 长 度 的 染色 质 。 从 特 化 的 多 线 和 灯 刷 染色 体 来 类 推 ， 侧 环 区 域 被 设想 是 RNA 转 录 的 功能 单位 一 - 随 着 基因 的 开 和 关 整 个 区 域 相应 地 松 解 和 浓缩 。 这 些 侧 环 区 域 在 分 裂 闻 期 以 未 知 的 方式 浓缩 ， 而 在 有 丝 分 裂 时 它们 进一步 浓缩 形成 分 裂 中 期 染色 体 〈 图 11= 23) 4 新 染色 体 的 形成 需要 大 量 的 新 的 组 蛋白 , 其 质量 大 约 宜 当 于 新 合成 的 DNAe 假使 每 种 组 蛋白 只 由 单个 基因 编码 ,那么 组 蛋白 的 合成 就 将 会 落后 于 DNA Hak ATS 种 组 蛋白 基因 有 多 个 拷贝 ,所 以 组 蛋白 的 合成 能 保持 同步 。 眷 椎 动物 细胞 大 约 具 有 40 套 重复 的 包含 所 有 五 种 组 蛋白 的 基因 。 这 40 套 基因 被 设想 是 簇 集 在 染色 体 的 一 个 位 置 -加 大 多 数 蛋 白质 是 在 整个 分 裂 间 期 连续 不 断 地 合成 ( 见 620 页 ) ,与 此 不 同 , 组 蛋白 主要 是 在 S 期 合成 。 组 蛋白 的 合成 似乎 是 受 转录 水 平和 mRNA 降解 水 平 两 者 的 调节 。 这 是 能 证 明 的 ， 即 当 DNA 合成 停止 〈 如 在 $ ARAM DNA 合成 抑制 剂 时 ) 组 蛋白 mRNA 即 变 得 异常 不 稳定 : 没有 DNA 合成 时 ， 任 何 现存 的 组 蛋白 mRNA MELD BN jpxal “ee ee aw 核 小 体 的 组 蛋白 核心 暂时 - 松 解 它 和 D N A 的 联结 , 使 DN 和 得 以 合成 图 11-24， 图 解说 明 预 先 存在 的 核 小 体 中 的 组 蛋白 八 素 体 转移 到 子 代 DNA 螺旋 上 的 设想 。 子 代 螺 旋 是 在 复制 又 前 导 链 上 形成 。 虽然 关于 被 捆 线 在 核 小 体 组 蛋白 上 的 DNA 是 如 何 复制 的 机 制 尚未 知道 ,但 有 证 据 证 明 ; 原 先 的 组 蛋白 八 聚 体 在 复制 终了 只 能 移 到 复制 又 上 的 两 个 子 代 螺旋 中 的 一 个 。 se614。 内 噬 解 。 相 反 , 组 蛋白 本 身 是 异常 稳定 的 蛋白 质 , 它 在 细胞 整个 生命 期 间 都 存在 。 DNA 合成 与 组 蛋白 合成 之 间 的 联系 似乎 反映 出 反馈 机 制 , 它 监控 着 游离 组 蛋白 的 水 平 , 并 保证 新 生成 的 组 蛋白 祖 当 于 新 DNA 合成 的 量 。 一 旦 组 各 白 装配 进 核 小 体 ,就 不 再 同 与 之 结合 的 _DNA 分 开 。 所 以 , 复制 又 的 进行 必须 以 某 种 方式 通过 亲 代 的 核 小 体 。 这 是 怎样 进行 的 ,还 不 知道 。 但 是 有 一 个 实验 提示 ， 老 的 组 蛋白 八 聚 体 可 直接 递交 给 在 复制 又 的 前 导 侧 合 成 的 子 代 DNA 螺旋 ,如 图 11-24 所 示 。 如 果真 是 这 样 , 那么 形成 新 核 小 体 核心 (由 新 的 组 蛋白 H2A、H2B、H3 和 H4 组 成 ) 的 全 部 新 的 组 蛋白 八 聚 体 将 装配 到 沿 复制 又 后 随 侧 生成 的 无 组 蛋白 的 子 代 DNA 螺 旋 上 。 这 些 新 的 组 蛋白 在 复制 又 通过 后 最 初 的 几 分 钟 ,就 装配 到 子 代 DNA 螺旋 上 。 因而 当 复制 的 当 色 质 被 铺展 开 , 并 在 电镜 下 检查 时 ,可 观察 到 Y 形 的 复制 又 ,其 两 个 子 代 DNA 螺旋 同样 包装 成 核 小 体 。 然 而 ,假使 蛋白 质 合成 (包括 组 蛋白 合成 ) 为 放 线 菌 酮 所 阻 断 ,而 DNA 合成 继续 进行 30 分 钟 左 右 , 这 染色 质 的 电镜 照片 表明 ， 从 复制 又 的 一 侧 延 伸 出 很 长 的 一 段 缺 乏 组 蛋白 的 DNA( 图 11-25)。 当 去 除 -romeaceei 放 线 菌 酮 ,组 蛋白 合成 重新 开始 ,所 有 已 积聚 的 裸 NA ee 露 DNA 迅 速 被 包装 成 核 小 体 。 S 期 细胞 能 经 受 放 线 菌 酮 短 时 间 处 理 而 存活 的 事实 证 明 , 合成 的 DNA 并 不 一 定 需要 马上 包装 成 核 小 体 而 细胞 仍 能 存活 。 与 基因 相关 的 复制 起 点 的 方位 可 能 具有 重大 的 生 物 学 意义 "” 由 几 种 动物 病毒 上 测定 的 独特 的 复制 起 点 类 推 ,看 来 复制 起 点 可 能 是 特殊 的 DNA 序列 ， 因 而 如 图 11-22 所 示 的 复制 泡 在 正常 时 仅 在 DNA 的 一 定 部 位 上 开始 。 其 次 ,复制 起 点 间 的 平均 距离 与 染色 质 钼 邻 的 侧 环 区 域 之 间 的 距离 大 约 相当 。 ot os 屋 站 EARL se wi 因此 ,一般 来 说 ,每 个 侧 环 染 色 质 区 域 可 能 只 有 一 于 新 的 组 蛋白 合成 被 放 线 菌 酮 抑制 无 核 小 体 的 个 复制 起 点 。 DNA 不 正常 地 伸 长 。 在 铺展 的 适当 区 段 ， 可 看 y i 2Y 到 无 组 蛋白 的 DNA RASH RNR EH 按照 我 们 以 前 的 讨论 ， 当 两 个 复制 叉 从 一 个 “出 来 ,这 同 图 11-24 所 示 一 致 。( 照 片 由 Harold 复制 起 点 分 开 移动 时 ， 不 同 的 子 代 DNA 螺旋 应 请 世人 从 起 点 的 各 侧 接 受 来 自 亲 代 核 小 体 的 组 蛋白 八 聚 体 ( 见 图 11-26)。 在 这 种 情况 下 , SH 录 单 位 或 基因 相关 的 复制 起 点 的 精确 位 置 将 决定 先 存 的 亲 代 组 蛋白 是 怎样 传递 给 两 个 子 代 基 因 的 。 并 不 是 所 有 的 核 小 体 都 是 完全 相同 的 ,不 同 的 基因 区 具有 不 同 的 染色 质 结构 。 与 基因 相关 的 复制 起 点 的 精确 位 置 因 而 将 具有 重要 的 生物 学 意义 ， 决 定 下 一 细胞 世代 中 该 基因 的 染色 质 结构 ,如 图 11-27 说 明 中 所 概述 的 。 S 期 中 同一 染色 体 上 的 不 同 基因 区 在 不 同 的 时 间 复 制 ” 一 个 复制 起 点 同 下 一 个 复制 起 点 之 间 区 域 中 的 _DNA 复制 ， 正 常 要 求 于 30 分 钟 内 完成 ,这 是 由 测定 一 个 复制 单位 中 复制 始点 之 间 的 距离 和 复制 又 点 移动 的 速率 而 得 出 的 。 ° 615.9 11-26 说 明 先 存 的 组 蛋白 可 预期 地 分 配 到 DNA 复制 起 点 两 边 相 反方 向 的 子 代 DNA 螺旋 去 ?假若 先 存 组 蛋白 八 聚 体 的 行为 像 图 11-24 中 所 设想 的 。(A), 假若 比较 从 单个 复制 起 点 移动 开 的 两 个 复制 又 可 以 看 到 复制 又 的 前 导 链 可 合成 一 不 同 的 子 代 DNA 螺旋 (由 于 DNA 双 螺 旋 中 两 条 链 的 逆 平行 联结 ， 在 这 两 个 复制 叉 的 每 一 个 上 上， 不同 的 DNA 模板 链 必 须 按 5 端 向 3 端 方 向 来 拷贝 )。(B)， 表 了 明 在 这 些 复制 又 上 亲 代 组 蛋白 预期 的 分 配 型 式 ， 为 了 请 晰 起 见 省 略 了 新 的 组 蛋白 在 后 随 链 上 的 重新 装配 。 可 是 ,哺乳 动物 细胞 的 S 期 通常 大 约 为 8 个 小 时 。 这 意味 着 每 个 复制 单位 (包含 有 一 答 大 概 20 一 80 个 复制 起 点 ) 中 DNA 只 在 整个 S 期 期 间 的 一 小 阶段 进行 复制 。 复制 单位 是 随机 地 被 激活 ， 还 是 基因 组 的 不 同 区 域 在 复制 时 有 着 一 定 的 次 序 ? 由 于 应 用 胸 背 的 类 似 物 5- 省 脱氧 尿 苦 (BrdU), E> S 期 间 不 同 的 一 小 时 阶段 标记 同步 的 细胞 群 ,这 个 问题 已 得 到 了 十 分 明确 的 回答 。 这 些 有 BrdU SAH DNA 的 有 丝 分 裂 染 色 体 区 域 ， 由 于 降低 了 对 一 定 染料 的 上 色 而 可 能 被 识别 出 来 。 所 以 , 检查 下 一 次 有 丝 分 裂 时 形成 的 浓缩 染色 体 就 可 发 现 前 面 的 S 期 的 每 一 阶段 复制 的 区 域 。 图 11-28 阐述 了 任 意 选择 的 单个 染色 体 的 典型 结果 。 对 经 过 这 方法 处 理 的 染色 体 的 详细 分 析 表 明 染 色 体 区 是 以 大 单位 来 复制 的 (如 人 们 可 从 在 DNA 放射 自 显影 照片 上 见 到 的 成 往复 制 叉 所 预期 的 )。 每 个 染色 体 的 不 同 区 域 在 S 期 中 都 是 按 着 可 重复 的 次 序 进行 复制 的 ， 应 用 这 些 技 术 :; 在 大 多 数 染色 体 上 至 少 可 分 辨 出 复制 单位 的 三 个 时 间 群 。 S 期 中 复制 时 间 与 分 裂 间 期 染色 质 结构 相关 ” .在 大 多 数 高 等 真 核 细胞 中 , 某 些 DNA 区 域 明 显 地 比 其 他 区 域 更 浓缩 。 这 种 异 染 色 质 (heterochromatin) 甚至 在 分 裂 间 期 仍 保持 相对 浓缩 的 状态 ， 这 个 时 期 染色 体 被 认为 呈 较 松散 的 状态 ,它们 活 姥 地 合成 RNA, HERE LW DNA 不 转录 成 RNA， 所 以 说 是 失 活 的 。 间 接 的 证 据 提 示 , 这 种 染色 质 异 常 的 浓缩 抑制 其 基因 的 表达 。 对 确定 复制 时 间 意义 的 一 个 重要 线索 是 基于 这 一 观察 , 即 浓缩 的 异 染色 质 区 ,包括 在 整个 分 裂 间 期 均 保 持 浓 缩 状 态 的 着 丝 粒 的 附近 区 域 , 在 S 期 的 很 晚期 才 复制 。 看 来 这 迟 晚 的 复制 与 染色 质 中 DNA 的 包装 有 关 。 与 此 有 关 的 一 个 重要 例子 是 发 生 在 哺乳 动物 雌 体 的 失 活 的 和 染色体 。 这 整 条 染色 体 仅 仅 在 S 期 晚期 复制 ,而 其 活化 的 同 源 染色 体 在 。 606016。 1 Shih xk 遗传 的 亲 代 核 小 体 3° 5° 图 11-27 “假若 亲 代 的 组 蛋白 八 聚 体 仅 转移 到 一 复制 又 上 两 个 子 代 螺旋 中 的 一 个 ， 那 么 在 遗传 区 域 亲 代 组 蛋白 遗传 的 型 式 将 视 其 最 接近 的 复制 起 点 的 位 置 而 定 。 (A) 假若 一 复制 起 点 是 近 处 于 一 个 染色 体 侧 环 区域 的 一 端 , 那 末 在 这 环 上 的 全 部 DNA 复制 只 由 单个 复制 又 沿 着 环 进行 ， 所 有 环 上 原先 的 组 蛋白 八 聚 体 将 仅 转移 到 两 个 于 代 侧 环 区 域 中 的 一 个 。(B) 假若 复制 起 点 正好 处 在 一 侧 环 区 域 的 中 心 , 区 域 的 原先 组 蛋白 八 聚 体 将 平分 地 转移 到 每 个 子 代 染 色 体 。(A) M(B) 所 示 核 小 体 遗 传 的 两 种 极端 的 型 式 间 的 差异 具有 重要 的 生物 学 意义 。 整个 S 期 过 程 均 复 制 。 尽 管 这 两 条 和 染色 体 含有 完全 相同 的 DNA 序列 ， 但 只 有 失 活 的 X 染色 体 才 浓缩 成 异 染 色 质 。 因而 复制 起 点 被 激活 的 次 序 必 须 基 于 《至 少 部 分 地 基于 ) 起 点 所 在 处 的 精确 的 染色 质 结 构 。 现 有 证 据 提 示 ， 基 因 组 的 在 分 裂 间 期 最 松散 的 染色 质 区 域 , 因 而 最 多 与 复制 机 构 接近 的 区 域 ,是 最 先 复制 的 。 这 观点 同 如 下 的 发 现 是 一 致 的 ， 即 图 11-28 所 示 在 有 丝 分 裂 中 期 染色 体 上 见 到 的 许 多 复制 单位 同 染 色 体 组 型 分 析 时 用 各 种 固定 和 染色 方法 显示 的 清晰 的 染色 体 带 纹 相 当 。 多 达 2000 个 分 明 的 染色 体 带 可 以 在 哺乳 动物 有 丝 分 裂 的 染色 体 单 倍 体 组 中 检测 出 来 ,每 64。 条 带 可 能 代表 具有 同样 染色 质 结 构 的 DNA 邻近 区 域 在 有 丝 分 裂 时 的 浓缩 。 这 些 相 邻 区 域 在 S 期 似乎 是 作为 一 个 单元 被 激活 而 进行 复制 。 这 事实 暗示 即使 在 分 裂 间 期 一 条 带 上 的 染色 质 也 是 一 结构 单位 。 在 有 丝 分 裂 时 所 见 到 的 形成 染色 体 带 的 染色 质 相 邻 区 域 是 不 是 也 起 着 基因 表达 的 功 能 单位 的 作用 呢 ? 如 果 是 这 样 的 话 ， 可 以 预料 ， 在 该 基因 进行 表达 的 细胞 中 这 样 的 带 上 DNA 包装 成 的 染色 质 结 构 要 比 静 止 细 胞 中 的 为 松 。 事 实 上 ， 有 关于 比较 来 自 不 同 组 织 的 细胞 的 特定 染色 体 带 在 复制 时 间 上 存在 差异 的 报道 。 假 者 这 些 报道 是 确实 的 ， 它 们 暗示 多 细胞 动物 中 的 细胞 分 化 过 程 伴随 着 特定 染色 体 带 的 染色 质 结构 的 精细 变化 。 这 些 变化 反 过 来 又 可 能 在 胚胎 发 育 中 起 中 心 作 用 ， 帮 助 决定 在 细胞 分 化 时 每 类 细胞 中 哪 套 基 因 表达 。 DNA 复制 的 时 间 是 怎样 控制 的 22 虽然 我 们 知道 了 在 分 子 水 平复 制 又 上 DNA 复制 的 机 制 ,然而 复制 泡 是 怎么 形成 的 ,复制 的 时 FAII-28 经 染色 的 一 条 有 丝 分 裂 染 色 体 的 光学 显 人 微 镜 照片 ,其 复制 的 DNA 在 前 面 的 S 期 的 不 同时 间 间 隔 作 了 差别 标记 。 在 这 些 特 殊 的 实验 中 ， 培养 生长 在 含 合 成 的 核 苷 5- 省 脱氧 尿 昔 培 养 基 的 细胞 ， 在 其 $ 期 的 早 、 中 、 晚 三 个 阶段 用 胸 萌 作 短 时 间 脉 冲 处 理 。 因 为 经 胸 背 处 理 时 合成 的 DNA 间 安 排 是 怎样 调节 的 ,仍然 还 不 清楚 。 例 如 ,在 S 期 每 个 复制 单位 (或 染色 体 带 ) 上 的 许多 复制 起 点 是 怎样 一 下 子 全 部 都 被 激活 的 ? 一 个 复制 单位 可 能 含有 平均 大 约 50 个 相 邻 的 侧 环 区 域 (每 个 区 域 是 一 条 含 工 的 链 和 另 一 条 含 BrdU 的 链 的 双 螺 旋 ? 这 双 螺 旋 比 其 余 的 DNA ( 双 链 均 含 有 BrdU) 染色 更 深 ， 在 负片 上 呈 光 亮 的 带 (箭头 所 指 )。 虚 可 能 有 一 单独 的 复制 起 点 ), 甚 至 在 分 裂 间 期 的 染 RE RE EAR ERROR. © ft HEU DARE Aik, Sil bbletield i) 至 少 受 两 种 不 同 的 方式 控制 : (1) 某 种 总 体系 统 可 能 专 一 地 识别 每 个 染色 体 带 , 并 使 它 松 解 ， 从 而 使 它 的 50 个 复制 起 点 同时 能 和 复制 蛋 白 起 作用 ,形成 复制 泡 ; 或 是 (2), 一 旦 这 些 复制 蛋白 找到 一 组 中 的 几 个 起 点 ; 随 之 而 来 的 局 部 复制 可 能 干扰 了 复制 单位 中 其 余部 位 的 染色 质 结构 ， 从 而 启动 了 所 有 其 余 起 点 上 的 复制 。 这 些 模 型 的 任何 一 个 似乎 都 能 够 解释 $ 期 不 同 的 染色 体 带 上 DNA 的 “全 或 无 的 复制 。 我 们 还 必须 说 明 染 色 体 带 复制 的 有 规律 的 次 序 安 排 。 曾 提出 过 两 种 不 同 的 设想 来 解 释 这 种 次 序 安 排 。 按 一 个 想法 , 对 特定 的 染色 体 带 专 一 的 不 同 的 复制 蛋白 是 在 8 期 内 的 不 同时 间 合成 的 。 另 一 种 设想 ， 目 前 看 来 更 为 可 能 ， 是 假设 复制 蛋白 仅 作用 于 它们 最 易 于 接近 的 区 域 ;例如 ,分 裂 间 期 染色 体 可 能 发 生 连 续 的 松 解 , 随 着 染色 体 带 的 解 旋 ,复制 蛋 白 便 能 一 个 接 一 个 地 和 这 些 带 接近 。 染色 质 结 合 因子 保证 了 DNA 每 一 个 区 域 在 每 次 S 期 仅 复制 一 次 ? 整个 SHIA DNA 复制 的 许多 新 起 点 被 激活 了 ,因为 每 个 复制 单位 中 相连 的 起 点 是 以 间隔 30 000 一 300 000 碱 基 对 排列 着 , 从 任何 一 个 起 点 起 完成 合成 所 需 的 时 间 将 在 5 一 50 分 钟 范围 。 因为 典型 的 $ 期 经 历 只 8 小 时 , 这 就 提出 了 S 期 的 中 、 晚 阶 段 中 的 大 量 的 *。，618。 “jk” (bookkeeping) 问题 。 那些 已 经 用 过 的 复制 起 点 是 已 完全 复制 的 ， 而 它们 至 少 在 DNA 序列 方面 同 其 他 未 使 用 过 的 复制 起 点 假定 是 相同 的 , 每 个 复制 起 点 在 每 次 S 期 必须 使 用 一 次 ,也 只 能 有 一 次 。 这 是 怎么 实现 的 呢 ? 虽然 其 分 子 机 制 尚 不 明白 ,但 通过 细胞 融合 实验 已 揭示 了 记 账 "问题 的 一 般 答 案 。 当 一 个 S 期 细胞 同 G. 期 细胞 融合 ，G: 期 细胞 核 就 被 族 导 出 现 DNA 合成 ， 这 提示 了 从 G, 期 到 S 期 的 转移 有 一 可 扩散 的 DNA 合成 启动 因子 起 着 介 导 作用 。 相反 ，S 期 细胞 同 G, 期 的 细胞 融合 则 不 能 诱 使 G; 期 细胞 核 的 DNA 合成 , 即使 s 期 细胞 核 仍 继续 合 成 着 DNA, 这 说 明 G, 期 染色 质 是 不 可 能 复制 的 , 因为 有 某 些 不 扩散 因子 与 它 紧密 结 合 着 。 这 类 不 可 扩散 的 抑制 因子 的 存在 完满 地 解释 了 上 述 的 ` 记 账 " 问 题 ; 或 者 由 于 改变 了 新 复制 DNA 的 染色 质 ， 保 证 经 过 复制 的 DNA 在 同一 次 $ 期 中 不 再 复制 了 。 由 于 G, 期 细胞 核 中 所 有 的 染色 质 均 按 这 种 方式 被 阻 断 ,即使 同 S 期 的 细胞 质 相 结合 , 它 的 DNA 也 不 可 能 再 复制 。 另 一 方面 ,这 抑制 因子 必须 在 有 丝 分 裂 时 或 临近 有 丝 分 裂 时 被 除去 , 因 为 子 细胞 中 出 现 的 G, 期 细胞 核 的 DNA 只 要 受到 s 期 细胞 质 的 作用 就 能 复制 (图 11 一 2 | 重新 裸露 的 染色 质 中 的 sabes x on ak a DN 人 可 能 再 行 复制 有 丝 分 裂 DNASH ;被 保护 的 染色 质 中 的 ~ FR DN Ashe 11-29 图 解 表 明 在 同一 细胞 周期 中 已 经 复制 了 的 DNA 被 保护 起 来 ;以 避免 再 被 复制 。 这 种 保护 对 “信息 贮存 “的 复制 是 严格 的 ,可 是 它 的 分 子 性 质 尚 不 清楚 。 小 结 在 DNA 复制 起 点 上 ,两 个 复制 又 向 相反 方向 移动 ,形成 复制 泡 。 复 制 又 通过 之 后 ， 染色 质 的 结构 随即 迅速 恢复 ， 旧 组 蛋白 似乎 仍 以 核 小 体 状态 结 含 到 一 个 子 代 DNA 螺旋 上 :而 新 组 蛋白 则 在 另 一 个 子 代 DNA 螺旋 上 装配 成 核 小 体 。 因而 设想 素 代 组 蛋白 是 直 ”019。 接 遗 传 下 来 了 。 相距 约 一 个 染色 质 区 域 的 许多 相 邻 的 复制 起 点 簇 ,在 S 期 内 差不多 同时 被 激活 o 由 于 复制 又 约 按 50 个 核 昔 酸 / 秒 的 速率 移动 ,每 个 复制 起 点 伐 ( 电 做 复制 单位 ) 中 DNA 合成 的 完成 应 不 到 一 小 时 。' 整 个 典型 的 8 小 时 S 期 内 ， 不 同 的 复制 单位 按 部 分 地 为 它们 的 染 色 质 结构 所 决定 的 次 序 被 激活 ， 染 色 质 的 最 紧密 区 域 最 后 复制 。 复 制 单 位 和 有 丝 分 裂 时 所 见 到 的 染色 体 带 之 间 的 一 致 性 ,提示 它们 是 染色 质 的 结构 单位 ,也 是 功能 单位 e 27H Hee Jes] FY 3 大 部 分 蛋白 质 在 整个 分 裂 间 期 不 断 地 合成 不 仅仅 DNA 及 与 它 关 联 的 蛋白 质 必 须 在 细胞 周期 中 复制 ， 而 且 细 胞 的 每 个 组 分 ， 并 因而 它 的 体积 ， 在 胡 连 的 两 次 有 丝 分 裂 之 间 都 必须 倍增 。 按 照 这 一 要 求 细胞 中 大 量 的 各 种 各 样 蛋 白质 和 RNA 分 子 , 不 同 于 DNA， 在 整个 分 裂 间 期 不 断 地 合成 ,这 或 许 不 是 什么 令 人 惊奇 的 事 。 图 11-30 表明 一 典型 的 曲线 ,描述 了 细胞 局 期 中 细胞 质量 的 增加 , 细 胞 蛋白 质 总 量 或 细胞 总 RNA 量 的 增加 。 由 于 细胞 变 大 , 它 的 合成 能 力也 随 之 增加 , 当 细 胞 从 G, 期 到 G, 期 时 这 三 个 参数 的 每 一 个 都 按 不 断 上 升 的 速率 升 高 了 。 在 哺乳 动物 同步 化 的 细胞 群 中 ， 用 双向 凝 胶 电泳 分 析 细 胞 周期 各 个 阶段 产生 的 蛋白 质 指出 ， 在 所 检测 到 的 1000 种 主要 蛋白 质 中 , 仅 有 少数 几 种 主要 在 细胞 周期 的 特定 时 间 合 成 〈 图 11-31)。 细胞 周期 是 按 顺序 反应 的 专 性 系列 进行 着 由 于 对 只 在 低温 (哺乳 动物 细胞 的 24°C, 酵母 细 胞 为 23°C) 下 生长 和 分 裂 ， 而 高 温 (哺乳 动物 为 39"C， 酵母 细胞 为 36*C ) 下 不 生长 和 分 裂 的 细胞 突变 株 的 研 究 , 细 胞 周期 的 性 质 已 得 到 阐明 。 这 种 “温度 敏感 ” 突 变 细胞 一 般 含 有 一 种 改变 了 的 蛋白 质 ， 它 只 能 在 低温 [GT ER 下 表现 功能 。 大 多 数 的 这 类 突变 细胞 在 温度 升 高 后 立 mit 和 二 可 的 引 且 质 旺 省 加 四 组 朋 ， 即 表现 出 生长 缺陷 。 但 也 有 少数 突变 细胞 ， 它 们 细胞 周期 时 间作 图 。 整 个 分 裂 间 期 过 程 细 腹 的 “分 裂 只 在 进入 一 特定 的 阶段 特异 性 事件 时 才 停 止 ， 例 大 人 和 人 和 全 《和 ”如 DNA 合成 的 开始 、 核 分裂 或 质 分 娄 时 《图 1 意 , 如 果 维 持 着 生长 的 稳定 状态 ， 则 细胞 周 “32)o ert eee re ee ee 这 类 细胞 周期 突变 体 在 面包 酵母 上 曾 作 过 最 广泛 的 分 析 , 从 其 中 已 分 离 出 代表 35 个 以 上 不 同 的 细胞 分 裂 周 期 基因 [cell-division-cycle (cdc) genes] 的 突变 体 。 这 些 突变 体 已 被 用 来 研究 特定 蛋白 质 功能 与 细胞 周期 间 的 普 遍 关 系 。 从 这 类 研究 得 出 的 主要 结论 之 一 是 酵母 中 许多 不 同 的 蛋白 质 对 细胞 周期 特定 事件 有 必 不 可 少 的 作用 。 其 次 ,这 些 蛋 白质 并 非 必须 在 周期 中 起 作用 的 时 刻 合成 不 可 ,因为 已 发 。620。 细胞 物质 的 相对 于 重 “ 0 一 -一 一 = 图 11-31 用 双向 到 丙 烯 酰胺 凝 胶 电 泳 方法 分 析 细 胞 周期 中 G, 期 和 S 期 所 合成 的 蛋白 质 。 AR 射 性 氨基 酸 的 混合 剂 短 时 间 标 记 同 步 化 的 老鼠 淋巴 肿瘤 的 GC. 早期 或 S 晚期 的 细胞 。 在 放射 自 显 影 照 片上 面 可 以 测 出 约 1000 种 不 同 的 新 合成 的 和 蛋白 质 , 但 只 有 用 圆圈 和 方 框 围 着 的 两 种 蛋白 质 表 现 出 可 测 出 的 不 同 速率 。 因 为 它们 带 正 电 荷 ; 组 蛋白 移出 了 这 凝 胶 , 没 被 测 出 。( 引 自 P. Coffino and V. E. Groppi, Adv. Cyclic Nucleotide Res. 14:399—410,1981) 现 注射 正常 (野生 型 ) 的 细胞 质 能 够 使 大 多 数 突变 细胞 在 高 温 下 进行 数 次 正常 细胞 分 裂 ， 这 暗示 这 些 蛋 白 的 量 在 整个 酵母 细胞 周期 中 大 大 超过 一 次 周期 所 需要 的 量 。 同 样 在 哺 昼 动物 整个 细胞 周期 中 以 均一 的 速率 产生 的 许多 蛋白 质 〈 图 11-31), 仍然 可 能 在 细胞 周期 的 特定 时 刻 起 作用 。 酵母 突变 体 也 提供 了 关于 细胞 周期 中 所 涉及 的 生化 途径 的 重要 资料 。 例 如 ， 可 以 提 lA], 以 cde 突变 体 确 定 的 各 种 蛋白 质 在 细胞 周期 上 有 多 少 个 不 同 的 作用 点 。 例 如 DNA 复制 需要 许多 不 同 的 蛋白 质 ; 为 了 完成 S 期 应 同时 需要 多 种 不 同 的 cde 基因 产物 ， 而 这 一 点 也 确 被 观察 到 了 。 同 样 到 目前 为 赴 的 实验 已 证 明 酵 母 的 cdc 蛋白 质 至 少 可 归 为 七 “组 ”， 代 表 着 周期 中 所 必需 的 七 个 不 同 的 生物 合成 事件 。 已 有 可 能 确定 这 几 组 蛋白 质 作 用 的 时 间 顺 序 ， 并 追问 在 这 系列 中 一 个 事件 的 完成 是 不 是 下 一 组 蛋白 质 能 够 起 作用 的 必 要 条 件 。 如 果 我 们 的 注意 力 只 限制 在 细胞 核 内 发 生 的 事件 ， 那 末 出 现 的 是 一 种 细胞 周期 特异 性 反应 的 严格 的 连续 的 次 序 安排 的 情景 ， 如 图 11-33 所 示 。 上 酵母 细胞 周期 的 这 几 组 反应 组 织 成 象 旦 线性 排列 的 七 巧 板 ,其 中 必须 先 把 独特 的 一 块 放 在 一 定位 置 上 后 ,才能 加 上 下 一 块 。 其 结果 这 些 事件 总 是 按 一 严格 的 次 序 循环 往复 。 例 如 ， 纺 锤 极 体 必须 在 DNA 复 制 之 前 复制 ，DNA 必须 在 核 分 裂 之 前 复制 ; 在 纺锤 极 体 再 度 复制 之 前 细胞 核 必 须 分 裂 。 原则 上 ,这 样 构成 的 细胞 周期 时 间 安 排 将 只 受 预制 " 块 ” 的 永 加 速率 控制 了 而 细胞 周期 某 部 分 专 有 的 蛋白 质 合成 并 非 必需 。 从 应 用 哺乳 动物 cde 突变 体 以 及 专 一 的 代谢 抑制 剂 进行 研究 得 到 的 有 限 资 料 看 来 ， 酵母 方面 的 结果 似乎 一 般 也 适用 于 哺乳 动物 细胞 。 例 如 ,在 哺乳 动物 和 在 酵母 一 样 , 胞 质 分 裂 通常 都 依赖 于 细胞 核 分 裂 ， 而 后 者 依次 又 依赖 于 DNA 复制 的 完成 。 另 一 方面 , 在 酵母 和 哺乳 动物 细胞 ,第 二 次 核 周期 (由 DNA 复制 和 核 分 裂 构成 》 的 启动 不 依赖 上 一 次 周期 中 发 生 的 胞 质 分 裂 : 假若 胞 质 分 裂 被 阻 断 ， 结 果 一 个 细胞 含有 两 个 细胞 核 。 这 是 对 上 述 线性 次 序 一 般 规 律 的 一 个 重要 例外 。 e 621 ° 温度 敏感 细胞 分 裂 周 期 (cdc) 突变 体 温度 升 高 后 阶段 特异 性 生 长 休止 点 一 一 人 ©--© 温度 升 高 前 as 杂乱 的 细胞 群 © © © © "Sais “ © © @ 48 小 时 .其 他 温度 敏感 突变 体 温度 升 高 后 细胞 生长 随机 地 停止 das ©. hCG = 二 ww © é @) @ © : @ ze 温度 升 高 前 @ 杂乱 的 细胞 群 o———-® a espe erm eee @ © @—-® 图 11-32 图 解 一 个 温度 敏感 细胞 分 型 周 期 (cdc) 突变 体 是 怎样 区 别 于 其 它 温度 敏感 突变 休 。 大 多 数 在 高 温 下 不 能 生长 的 突变 细胞 将 缺失 在 细胞 周期 各 阶段 一 般 生活 所 需要 的 某 些 过 程 《例如 ， ATP 的 生产 )。 如 图 所 示 * 这 些 突变 细胞 在 高 温 下 一 定时 间 后 即 停止 其 周期 的 行进 ,而且 停止 其 周 期 于 任何 一 点 。 相 反 ，cdc 突变 细胞 仅 在 细胞 周期 一 特定 阶段 停止 其 周期 的 行进 ,这 是 每 个 特殊 突 变 体 的 特征 (如 图 所 示 的 停止 于 S 期 的 开始 )。 细胞 周期 早期 的 控制 大 体 上 决定 有 丝 分 裂 时 细胞 的 质量 ) 销 测 量 过 各 种 离 体 培养 细胞 在 有 丝 分 裂 时 的 细胞 体积 ， 以 确定 细胞 体积 调节 的 精确 程度 如 何 。 曾 观察 到 有 丝 分 裂 时 的 体积 有 祖 当 大 的 变动 甚至 在 遗传 性 人 同 的 细胞 市 是 这 梓 。 然 而 ,比较 祖 关 的 四 倍 体 、 二 倍 体 和 单 倍 体 细胞 系 ， 其 有 丝 分 裂 时 细胞 的 平均 体积 分 别 为 4 2 和 ! 之 比 。 这 提示 有 一 种 与 核 DNA 含量 有 关 的 调节 细胞 体积 的 机 制 存在 ， 但 是 这 种 调节 在 各 个 细胞 水 平 上 还 是 胡 当 不 精确 的 。 ”622。 mE RT Ait z ENBRHABZSDRNERRLARAWES. FRAG 大 的 体积 差异 在 $ 期 开始 时 即 销 失 了 ,因为 较 小 的 子 细胞 将 停留 在 `G, 期 ,一 直到 它们 长 大 到 大 约 同 较 大 的 细胞 一 样 大 小 的 时 候 (图 11-34)。。 从 这 时 刻 开 始 ， 分 裂 的 各 时 相 就 以 同样 的 速率 进行 了 。 同 样 的 ， 用 低 剂 量 的 蛋白 质 合成 抑制 剂 使 细胞 蛋白 合成 的 速率 降低 一 半 , 则 其 G 期 平均 将 延长 三 倍 , 而 其 后 的 S 和 G, 期 的 时 间 则 仍 保持 不 变 。 因此 ， 一 个 哺乳 动 area 从 物 细胞 从 开始 合成 DNA 的 时 候 起 ,其 有 丝 分 裂 BAR \ 时 的 细胞 最 终 体积 似乎 就 已 经 决定 了 。 这 些 观 察 指明 存在 一 种 特殊 的 监控 系统 ， 它 : 在 G, 期 的 限制 点 上 控制 着 细胞 的 周期 。 这 一 监 ASME RR KIS Hl HEIR HEA DNA WA 成 ,直到 达到 有 足够 的 成 分 来 完成 未 来 的 S\G, 和 M 期 所 需 的 一 系列 的 生物 合成 中 的 每 一 个 。 从 前 面 的 细胞 周期 示意 图 (图 11-33) 来 看 ， 假 如 第 3 步 的 生物 合成 比 细 了 胞 周期 特异 性 反应 系列 中 任何 其 他 反应 对 总 蛋白 合成 速率 的 降低 远 为 敏感 的 话 , 细 胞 将 把 周期 停留 至 G， 期 的 限制 点 上 。 细胞 分 裂 中 细胞 体积 是 怎样 在 分 子 水平 上 控 制 的 ? 曾经 假设 ， 某 些 触发 蛋白 的 量 必须 积聚 到 一 阔 限 水 平 ， 以 允许 通过 每 个 周期 中 的 限制 点 《596 页 )o 如 何 测定 这 一 阔 限 水 平 呢 ? 在 后 面 关 于 细胞 信号 发 放 部 分 ( 见 725 页 ) 将 讨论 某 些 细胞 作 出 全 或 无 判断 的 一 般 方 法 。 然 而 ,所 观察 到 的 染色 体 的 套数 和 细胞 大 小 成 正比 提示 另 一 种 可 能 性 : ”图 11-33 图 解 细胞 通过 其 生长 周期 各 阶 眉 转变 假设 的 触发 蛋白 或 许 是 与 染色 体 上 的 部 位 结合 PE aw SS 仙人 生生 全 的 合 记事 的 ， 它 的 量 超过 与 染色 体 结合 所 需 的 量 时 才 可 能 必须 完成 .这些 事 件 是 阶 委 特 异 的 生物 合成 反应 ， 进入 S 期 (从 而 进入 新 的 细胞 周期 )。 在 这 种 情形 四 下 ,染色 体 想 来 也 作为 触发 蛋白 作用 的 抑制 物 , 从 联系 并且 绝 大 部 分 这 类 蛋白 质 是 出 现在 所 有 的 而 提供 一 个 衡量 细胞 中 触发 蛋白 总 量 的 标尺 (图 时 候 * 即 使 它们 仅仅 是 细胞 局 期 某 一 时 刻 所 需要 。 11-35)o 此 外 ,因为 一 四 倍 体 细胞 确定 进行 分 裂 将 需要 比 单 倍 体 细胞 积聚 多 四 倍 的 触发 蛋白 ， 记 以 四 倍 体 细 胞 在 进入 S 期 之 前 将 需要 四 倍 高 的 蛋白 质 合成 速率 〈 才 能 生长 到 相 应 大 的 体积 )。 令 人 感 兴趣 的 是 ,用 来 解释 哺乳 动物 细胞 周期 控制 特点 的 同一 个 模型 ,也 正好 用 来 解 释 较 原 始 生 物 细胞 的 细胞 周期 控制 。 然 而 ， 这 类 细胞 中 研究 得 最 透彻 的 [包括 裂 殖 酵母 Schizosacoharomyces pombe amoeba 和 Physarum( 一 种 粘 菌 )]， 缺乏 G， 期 ,因而 直接 从 有 丝 分 裂 进 和 人 S He 对 于 这 些 细胞 ,控制 细胞 分 裂 的 限制 点 看 来 在 M 期 的 开始 时 刻 ,而 不 在 G 期 晚期 。 * 623 。 (f) (fs ) fe) 月 一 人 seoa 人 (é iD (a) iy a ae [o_o _k» ie fie) pe st 53 wW) (e) aa 小 的 子 细胞 ne @) Cy) | Canoe d— oO —€ 图 11-34 AA AR A TN FN A G, 期 的 延长 。 因为 小 细 胞 将 以 比 大 细胞 降低 了 的 速率 合成 蛋白 质 。 这 类 细胞 行为 符合 生长 控制 的 触发 蛋白 模式 。 分 裂 间 期 细胞 | 有 丝 分 裂 细胞 所 有 新 合成 的 | 诱发 核 被 膜 破裂 和 染色 体 浓缩 we Viger) 随 着 进入 S 期 而 开始 的 新 细胞 周期 图 11-35 假设 图 说 明 每 个 新 细胞 周期 开始 之 前 ， 11-36 M 期 细胞 与 分 裂 间 期 细胞 相 触发 蛋白 必须 积累 到 一 定 阔 量 的 模型 。 这 假设 图 融合 的 实验 示意 图 .如 图 所 示 ? 结 果 出 现 中 ,只 有 自由 触发 蛋白 是 有 活力 的 * 由 于 这 触发 蛋 间 期 染色 体 的 早熟 浓缩 4( 见 图 11-372o 和 白 被 其 紧 地 结合 着 ， 染 色 体 〈 或 某 些 有 关 的 核 结 构 ) 是 作为 抑制 阀 限 水 平 下 的 触发 蛋白 的 作用 的 抑制 物 。 G, 期 是 细胞 进入 有 丝 分 裂 的 准备 阶段 ” 甚至 晚 到 细胞 的 G, 期 ,抑制 蛋白 质 合成 也 将 阻止 它们 进入 有 丝 分 裂 , 表 明 这 一 时 期 合成 的 某 些 蛋白 质 对 细胞 分 裂 是 必 不 可 少 的 。M 期 细胞 与 分 裂 间 期 细胞 融合 的 实验 提供 了 关于 某 些 这 类 和 蛋 晶 质 存 在 的 线索 。 在 这 些 细 胞 中 ， 分 裂 间 期 细胞 核 的 染色 体 很 块 地 浓 * 024。 缩 , 周 围 的 核 膜 解 体 〈 图 11-36 和 图 11-37)。 RARARKAED RAAACEDAS 性 因子 出 现在 GC, 晚期 。 曾经 提出 过 靠近 G 末期 有 一 种 可 溶性 的 蛋白 激酶 (催化 蛋白 质 磷酸 化 ) 被 激活 ， 它 推动 细胞 从 G， 期 转变 到 M 期 。 例 如 ,该 激酶 可 作用 于 核 片 层 蛋白 质 的 磷酸 化 ,进而 引起 M 期 所 观察 到 的 核 被 膜 的 破裂 〈《 见 639 页 )o 此 外 ,该 激酶 还 钙 认 为 负责 有 毕 分 裂 染色 体 中 eit 下 图 11-37 BF (PTK) 的 分 裂 间 期 细胞 同 有 丝 分 裂 的 HeLa (A), 细胞 融合 ,出 现 分 裂 间 期 染色 体 早熟 浓缩 。(A)，PTK 细胞 处 于 G; 期 ,其 早熟 浓缩 的 染色 体 仍 是 单条 的 染色 单 体 。(B) ,PT 玉 细胞 处 于 S 期 ;其 染色 质 现在 成 “碎片 ? 状 。(C)， 了 PTK 细胞 进入 G;, 期 ,与 正常 的 分 裂 中 期 染色 体 相 比 较 ， 虽 然 它 的 染色 单 体现 在 还 很 长 ,但 是 成 双 的 。( 引 自 及 . Sperlign and P. Rao, Huma- ngenetik 23:235—258, 1974) 的 组 蛋白 H 分子 〈 每 个 分 子 6 个 磷酸 基因 ) 的 广泛 磷酸 化 。 因为 一 个 核 小 体 有 一 个 组 蛋白 于 ,分子 , 并 认为 它 与 核 小 体 的 包装 有 关 , 因 而 它 正 在 M 期 之 前 的 广泛 磷酸 化 可 能 是 染色 体 浓 缩 的 主要 原因 。 虽 然 仍 是 一 种 暂时 的 假设 ,但 这 一 类 分 子 解释 阐明 了 一 种 水 平 ， 人 们 必 将 最 终 在 此 水 平 上 解释 整个 细胞 周期 。 与 以 上 的 结果 不 同 , 当 分 裂 间 期 细胞 与 M 期 细胞 融合 时 ,尽管 染色 体 被 浓缩 了 ， 但 没 有 形成 新 的 纺锤 体 。 所 以 ;有丝分裂 纺锤 体 精巧 机 构 的 关键 部 件 〈 将 在 下 文 描述 ) 是 晚 在 。625。 G, 期 制备 的 ,一 旦 纺锤 体形 成 就 用 光 。 G, 期 结束 即 M 前 期 的 开始 。 前 期 (prophase) 的 定义 是 细胞 周期 中 最 早 能 看 到 浓 1 sae | 图 11-38 = iS FR CDrosophila melanogaster) 早期 胚胎 染色 In 展 的 电镜 照片 , 观察 到 紧密 排列 的 身 制 泡 簇 。 胚胎 中 相继 的 核 分 裂 之 间 经 过 的 时 间 只 约 10 分 钟 。 缩 的 染色 体 的 时 刻 。 由 于 染色 体 浓缩 的 程度 是 自 晚 G; 期 不 断 增 加 的 ， 所 以 确定 M 期 的 开始 是 人 为 的 。 当 不 受 生物 合成 速率 限制 时 ， 细 胞 周期 的 时 间 可 急剧 地 缩短 ” 对 某 些 生物 ， 其 胚胎 初期 10 一 104 细胞 所 需要 的 大 部 分 大 分 子 ( 除 DNA 外 )， 在 未 受精 卵 中 就 预先 存在 ,所 以 卵 在 受精 的 时 候 具 有 相当 大 的 体积 ( 见 第 十 四 章 )。 例 如 青 圣 卵 ,第 一 次 分 裂 之 后 的 12 次 细胞 分 裂 (叫做 卵 裂 ) 每 隔 30 分 钟 进 行 一 次 ,产生 出 囊 胚 中 期 的 8 000(25) 个 细胞 。 每 经 一 次 分 裂 ,细胞 就 逐渐 变 小 ,最 后 达到 正常 成 年 细胞 大 小 时 为 止 。 这 30 分 钟 内 细胞 周期 全 都 是 S 期 紧 接 着 M 期 。 如 图 11-38 的 电镜 照片 所 示 ， 在 几 种 类 型 早期 胚胎 中 所 见 到 的 快速 的 s 期 ， 可 能 是 由 于 许 许多 多 只 以 几 千 碱 基 对 相间 隔 排列 着 的 复制 起 点 所 造成 的 (不 象 发 育 后 期 阶段 ， 其 复制 起 点 之 间 是 间隔 着 几 万 碱 基 对 )。 任 何 DNA 注射 进 硅 卵 ,都 有 一 定 程度 的 复制 ,包括 细菌 DNA DAE EM 不 大 可 能 含有 正常 用 于 启动 DNA 复制 的 部 位 。 这 似乎 局 设想 存在 于 成 年 细胞 上 的 状态 往 反 ， 在 早期 胚胎 中 许多 不 同 的 DNA 顺序 都 能 够 作为 复制 起 点 。 但 是 ,人 允许 其 迅速 分 裂 的 主要 因素 是 卵 中 存在 着 形成 新 细胞 所 需要 的 全 部 组 分 (除了 DNA 外 ), 包 括 纺锤 体 的 成 分 .组 蛋白 、 核 糖 体 . 线 粒 体 和 许多 酶 。 从 胚胎 中 存在 快速 细胞 周期 而 推导 出 一 个 重要 的 普遍 性 结论 ， 细 胞 分 裂 本 身 是 不 需要 什么 长 时 期 来 完成 的 。 例 如 ,染色 体 可 能 在 有 丝 分 裂 预备 过 程 的 几 分 钟 内 浓缩 完成 ， 而 不 需要 如 正常 的 G， 期 用 几 个 小 时 。 连 续 的 细胞 分 裂 之 间 所 需要 的 大 部 分 时 间 是 用 来 完成 许多 不 同 细胞 成 分 的 生 物 合 成 ,除了 DNA, 这 些 成 分 是 从 一 个 细胞 生成 两 个 细胞 所 需要 的 。 小 结 大 的 卵细胞 受精 之 后 发 生 了 十 分 快速 的 细胞 分 裂 ， 这 表明 细胞 周期 有 序 的 事件 能 够 在 30 分 钟 或 更 短 的 时 间 内 完成 ， 如 果 已 存在 着 远 远 超过 产生 一 个 新 细胞 所 需 的 全 部 成 分 。 然 而 ,正常 的 情况 ,细胞 在 其 分 裂 之 前 首先 需要 倍增 它 的 体积 ,这 过 程 在 哺乳 动物 细胞 似乎 需 10 一 20 小 时 或 更 长 些 , 在 这 段 时 间 内 大 部 分 的 细胞 蛋白 在 不 断 合 成 。 * 626° 酵母 突变 体 的 遗传 学 研究 提示 ， 虽 然 生 长 细胞 是 以 基本 上 不 依赖 于 细胞 周期 的 方式 :倍增 其 内 含 物 , 但 它们 的 生长 也 触发 一 次 级 系列 的 反应 ,这 些 反 应 在 细胞 周期 内 必须 依次 邮 进 行 。 许 多 这 种 反应 是 与 预先 存在 的 分 子 装配 成 结构 有 关 。 这 一 结构 装配 的 完成 又 急 发 了 下 一 次 奢 配 的 事件 。 完 成 每 个 这 类 反应 所 需 的 时 间 的 总 和 决定 了 相继 的 细胞 分 裂 之 闻 的 总 时 间 。 一 般 说 来 ， 其 中 的 一 种 反应 被 用 作 决 定 细胞 体积 的 特定 的 监控 系统 。 在 哺 乳 动物 细胞 ,这 监控 系统 阻止 细胞 通过 G 期 的 限制 点 (和 开始 - DNA Gm), BAR 够 的 细胞 成 分 可 用 于 完成 未 来 的 S、G， 和 M 期 所 需要 的 一 系列 装配 反应 a es Bae a 从 机 制 上 来 看 , 真 核 细 胞 周期 的 M 期 是 非常 复杂 的 。 一 个 细胞 要 成 功 地 进行 分 裂 , 必 须 经 过 两 个 明显 的 过 程 。 第 一 ,经 S 期 复制 后 的 染色 体 必 须 排列 ， 分 离 , 并 移 向 细胞 祖 对 的 两 端 。 第 二 ,细胞 质 必须 按 这 样 一 种 方式 分 裂 , 即 能 保证 每 个 子 细胞 不 仅 接 受 一 套 染 色 体 , 而 且 还 接受 包含 必需 的 细胞 质 成 分 和 细胞 器 。 虽 然 这 两 个 过 程 , 核 分 裂 ( 有 丝 分 裂 ) 和 细胞 质 分 裂 ( 胞 质 分 裂 ) 可 用 实验 方法 分 开 , 但 它们 通常 是 紧 接 着 发 生 , 所 以 胞 质 分裂 的 开 始 是 紧 跟 在 有 丝 分 裂 的 末尾 (图 11-39 )o 分 裂 间 期 细胞 复制 的 中 心 粒 对 al A aa ek LSS Wie 核 被 腊 ZL WIT IX, eens 细胞 质 rR 两 个 相反 位 置 的 星体 微 管 相互 作用 胞 质 分 裂 2 个 分 裂 间 期 细胞 图 11-39 细胞 周期 的 M 期 ( 即 细胞 分 裂 期 ) 图 11-40 分裂 前 期 在 细胞 质 中 ,来自 两 个 分 为 有 丝 分 裂 的 5 个 阶段 和 随后 的 胞 质 分 裂 有 丝 分 裂 中 心 的 双 极 纺锤 体 的 起 源 。 对 复杂 的 有 丝 分 裂 机 构 的 需要 是 在 有 了 大 量 增加 的 DNA 并 包装 成 许多 个 染色 体 的 细胞 的 进化 过 程 中 产生 的 。 这 机 构 的 功能 是 保证 复制 的 染色 体 在 分 裂 中 精确 地 分 配 到 两 SF AHP A. PLAN A 225) Ras (mitotic apparatus), 它 工 作 的 精确 性 曾 以 酵母 细胞 作 过 测定 ,其 染色 体 分 离 的 误差 约 为 10 次 分 裂 仅 有 一 次 。 7 具有 两 条 染色 单 体 的 浓缩 染色 体 在 着 丝 粒 连 接 松 解 染色 体 〈 染 色 单 体 ) 没有 动 粒 微 管 极 微 管 围绕 着 染色 体 重新 形成 的 核 BUR 动 粒 处 于 活跃 运动 状态 的 染色 体 的 随机 位 置 外 期 围绕 着 松 解 染色 HR BRT HERE TARR B 收缩 环 生 中 间 的 中 期 板 位 BLAIR Cth BA 中 心 粒 对 11-41 细胞 分 裂 的 六 个 阶段 前 期 (prophase) 细胞 周期 从 G: 期 向 M 期 的 转移 不 是 很 明确 的 事件 。 染 色 质 在 分 裂 间 期 是 弥散 的 , 慢 慢 浓缩 成 轮廓 分 明 的 染色 体 其 确切 的 数目 代表 特定 物种 的 特征 ;在 前 面 的 S 期 每 个 染色 体 复 制 ， 含 有 两 个 姊妹 染色 单 体 ,它们 沿 着 体 长 的 一 定点 由 一 叫做 着 丝 粒 的 区 域 联接 起 来 。 当 染色 体 浓 缩 时 ， 核 仁 开 始 分 解 , 并 逐渐 消失 。 在 前 期 的 开始 ,细胞 质 微 管 (细胞 骨架 的 一 部 分 ) 的 物质 分 解 形成 大 的 微 管 蛋白 库 。 这 些 分 子 以 后 可 能 重新 用 于 建造 有 丝 分 裂 器 的 主要 组 分 有丝分裂 纺锤 体 。 这 是 双 极 的 纤维 状 结构 主要 由 微 管 组 成 ?在 细胞 核 外 面 开 始 装配 。 纺 锤 体 形成 的 中 心 在 大 部 分 动物 细胞 中 以 中 心 粒 为 标志 。 通 过 正在 S 期 之 前 开始 的 一 个 过 程 ， 细 胞 原先 的 一 对 中 心 粒 复制 产生 出 两 对 中 心 粒 。 每 对 中 心 粒 至 此 成 为 有 丝 分 裂 中 心 的 一 部 分 > 这 中 心 造成 微 管 放 射线 排列 的 焦点 ” 即 星体 (星体 王 星 )。 这 两 个 是 体 开始 并 排 地 位 于 近 核 被 膜 处 。 到 前 期 末 ， 极 微 管束 在 两 个 星体 (光学 显微镜 下 象 极 纤维 ) 之 问 起 相反 作用 :优先 地 伸 长 ， 推 蕊 两 个 中 心 沿 着 细胞 核 外 边 离 开 。 按 这 方式 ; 双 极 的 有 丝 分 裂 纺锤 体形 成 节 〈 见 图 11-407。 前 中 期 (prometaphase) * 628。 RE Oa ae Ra 虽然 在 各 种 各 样 类 型 细胞 中 有 丝 分 裂 器 和 它 的 作用 已 有 详细 的 描述 ， 但 目前 对 其 分 子 水 平 情 况 的 了 解 仍 是 零碎 的 。 即 使 如 此 ， 我 们 将 企图 从 其 有 关 的 分 子 构成 方面 对 细胞 分 裂 进行 分 析 , 因 为 只 有 这 样 , 细 胞 功能 才能 真正 地 被 了 解 。 假 若 我 们 能 够 了 解 微 管 怎样 使 染色 体 排列 和 移动 , 肌 动 蛋白 丝 怎样 使 细胞 质 分 裂 成 为 两 半 , 我 们 也 将 较 好 地 了 解 同样 的 结构 在 其 他 细胞 过 程 中 的 功能 。 在 讨论 关于 细胞 分 裂 的 机 制 之 前 ， 有 必要 概述 一 下 在 高 等 动物 的 一 个 典型 细胞 中 所 发 生 的 有 丝 分 裂 和 胞 质 分 裂 的 各 个 阶段 。 细胞 分 裂 传统 地 分 为 六 个 时 期 ” 细胞 分 裂 的 前 五 个 时 期 为 有 丝 分 裂 ,而 第 六 个 为 胞 质 分 裂 。 在 体内 ,这 六 个 时 期 形成 连续 的 动态 序列 ， 它 的 复杂 性 和 完善 程度 是 很 难 从 文字 描述 或 一 组 静态 的 图 画 中 体会 到 的 。 细 胞 分 裂 的 描述 是 基于 两 个 来 源 的 观察 : 活 细胞 的 光学 显微镜 检 术 (通常 与 显 微 缩 时 摄影 结合 ) 和 以 光学 显微镜 检 术 和 电子 显微镜 检 术 固定 和 染色 的 细胞 。 图 11-40 和 图 11- 41 表示 细胞 分 裂 各 个 时 期 的 图 形 和 简明 的 概括 。 图 11-42 和 图 11-43 分 别 为 典型 动物 的 和 典型 植物 的 细胞 分 裂 的 光学 显微镜 照 睫 。 图 11-41 对 细胞 分 裂 的 描述 是 高 度 图 解 式 的 。 动 物 界 和 植物 界 都 存在 着 细胞 分 裂 各 个 时 期 的 千差万别 。 当 我 们 细致 地 考查 细胞 分 裂 机 制 时 ,我 们 将 陈述 某 些 这 样 的 差异 , 因 为 这 能 帮助 我 们 了 解 哺乳 动物 有 丝 分 裂 器 的 不 同 部 分 。 有 丝 分 裂 中 某 些 事件 依赖 有 丝 分 裂 纺 锤 体 ,而 另 一 些 则 不 依赖 在 核 分 裂 中 ,可 以 看 到 其 事件 的 复杂 顺序 主要 是 受 有 丝 分 裂 纺锤 体 (mitotic spindle) 的 形成 和 活动 支配 的 , 纺锤 体 在 分 裂 前 期 来 源 于 细胞 质 〈 图 11-40)。 然而 并 不 是 所 有 的 事件 均 依 赖 于 纺锤 体 。 如 可 以 预期 的 那样 ,秋水 仙 素 由 于 能 破坏 细胞 中 的 全 部 微 管 , 故 可 前 中 期 从 核 被 膜 突然 破碎 开始 ,其 碎片 同 内 质 圆 小 片 不 能 区 分 出 来 。 这 些 碎片 当 有 丝 分 裂 时 在 纺锤 体 周 围 一 直 看 得 到 。 原先 位 于 细胞 核 外 面 的 纺锤 体现 在 可 能 进入 核 区 域 , 称 为 动 粒 (kinetc- chores) 的 特 化 结构 在 着 丝 粒 〈centromeres) 的 两 面 出 现 ， 与 特定 的 一 组 叫做 动 粒 纤 丝 〈kine- tochore fibers) 或 动 粒 微 管 Ckinetochore microtubules) 的 微 管 接 触 。 这 些 纤维 从 每 个 染色 体 的 两 边 向 相反 向 放射 出 来 ， 与 双 极 的 纺锤 丝 相互 人 作用。 染色体 由 于 它们 的 动 粒 纤 维 与 纺锤 体 其 他 组 分 相互 作用 而 摇摆 运动 。 中 期 (metaphase) 经 前 中 期 摆动 的 结果 。， 染 色 体 排列 成 使 它们 的 着 丝 粒 处 于 同一 平面 。 动 粒 纤 维 似 乎 负责 将 染 色 体 排列 在 纺锤 体 两 极 的 中 间 ， 并 调整 染色 体 的 方位 使 它们 的 长 轴 垂 直 于 纺锤 体 轴 。 每 个 染色 体 为 一 对 动 粒 和 它们 的 相连 的 纤维 紧 拉 着 ,处 于 中 期 板 上 ,这 些 纤 维 拉 向 纺锤 体 相 反 的 两 极 。 后 期 (anaphase) 中 期 通常 要 经 历 一 长 时 间 才 完结 .好 象 为 一 特殊 的 信号 所 启动 ,后 期 开始 于 每 个 染色 体 上 的 成 对 动 粒 突然 分 离 使 每 个 染色 单 体 慢 慢 地 拉 向 纺锤 体 极 。 所 有 染色 单 体 以 同样 的 速度 : 约 1pm/ 分 ， 移 向 它们 面 对 着 的 一 极 。 在 这 些 后 期 运动 期 间 * 动 粒 纤 维 缩短 ,染色体 移 近 极 区 。 差 不 多 在 相间 的 时 间 ， 纺 锤 体 纤 维 伸 长 * 它 的 两 极 移 离 更 远 。 后 期 一 般 仅 几 分钟 结 束 。 末期 (telophase) 当 分 开 的 子 染 色 单 体 达 到 极 区 时 , 动 粒 纤维 消失 。 极 纤维 继续 伸 长 新 的 核 被 膜 重 新 形成 ， 包 围 着 每 套子 染色 单 体 。 浓 缩 的 染色 质 再 一 次 松 开 核 仁 开始 再 现 y 有 丝 分 裂 终 止 了 。 胞 质 分 裂 〈cytokinesis) 细胞 质 为 称 做 卵 裂 〈cleavage) 的 过 程 所 分 裂 ， 这 过 程 通常 在 后 期 末 或 未 期 开始 。 围 绕 着 细 胞 中 部 、 垂 直 于 纺锤 体 轴 和 在 子 细胞 核 之 间 的 细胞 膜 向 内 收缩 ， 形 成 分 裂 沟 。 分 裂 沟 逐渐 深 陷 下 去 ,直到 同 两 个 核 之 间 有 丝 分 裂 纺 锤 体 的 细小 遗留 物 相 遇 。 这 细小 的 桥 丝 或 中 间 体 (midbody) 在 它 变 细 并 最 终于 两 头 处 断裂 之 前 ?可 能 经 过 一 些 时 间 :; 而 后 形成 两 个 完全 分 开 的 子 细胞 。 * 629 « BELT (ee hi Fs i (AK HS ef A HE AS FR A AT RB. Mi. TERE 胞 , 0 Pes A Hed FR A RAT AHA SMR: 在 没有 有 丝 分 裂 纺 锤 体 存 在 的 情况 下 ,染色 质 的 浓缩 与 随后 的 松 解 , 两 个 染色 单 体 在 着 丝 点 处 突然 分 离 ， 以 及 核 膜 的 分 解 与 重新 形成 , 均 正 常 地 发 生 。( 租 反 , 哺 乳 动物 细胞 中 ,在 秋水 仙 素 处 理 期 间 ， 只 有 有 丝 分 裂 早期 的 事件 发 生 , 每 条 染色 体 仍 然 保持 为 一 对 浓缩 的 姊妹 染色 单 体 。) 如 前 述 ， 细 胞 融合 实验 也 提示 作为 中 期 前 导 的 染色 质 和 核 膜 的 变化 是 受 与 有 丝 分 裂 纺锤 体 无 关 的 可 溶性 因子 控制 的 ; 因为 一 中 期 细胞 同 分 裂 间 期 细胞 融合 将 引起 染色 体 的 浓缩 和 间 期 核 的 核 膜 分 解 ,而 没有 新 纺锤 体形 成 。 纺锤 体 包含 处 于 装配 和 分 解 的 动态 平衡 中 的 有 组 织 排列 的 微 管 ” 有 丝 分 裂 纺锤 体 是 由 包含 微 管 及 微 管 相 关 蛋 白 的 纤维 构成 的 。 纺 锤 体 纤 维 按 其 接触 部 位 可 分 两 类 : 极 纤维 (polarfibers)， 在 大 多 数 纺锤 体 中 它 的 数量 是 最 多 的 ， 丛 纺锤 体 两 极 延 伸 到 赤道 ; 动 粒 纤维 〈kinetochore fibers)， 连 着 每 个 染色 单 体 的 着 丝 粒 〈centro- mere)， 并 伸 向 纺锤 体 极 区 〈 图 11-44)。 一 个 纺锤 体 平 均 含 有 约 10 装配 成 微 管 的 微 管 蛋白 分 子 。 然 而 ,这 结构 并 不 包括 细胞 中 全 部 的 微 管 蛋白 ;有 丝 分 裂 时 纺锤 体 的 功能 表明 它 是 依赖 于 纺锤 体 微 管 与 可 溶性 微 管 蛋白 分 子 库 之 间 的 动态 平衡 。 这 种 动态 平衡 可 以 通过 对 处 于 可 逆 移 动 的 微 管 的 聚合 和 解 聚 平 衡 状态 下 的 有 丝 分 裂 细胞 进行 的 观察 得 到 证 明 ;纺锤 丝 的 行为 在 偏振 光照 明 下 可 以 在 活 细胞 内 直接 观察 到 , 因 这 些 纤维 呈 双 折射 (图 11-45 和 图 11-46)。 如 果 把 有 丝 分 裂 细 胞 放置 于 重水 (DO ) 中 ，, 或 为 用 taxol 处 理 , 微 管 的 解 聚 都 受到 抑制 ,纺锤 丝 伸 长 (图 11-46)e 这 种 稳定 的 纺锤 体 不 能 移动 染色 体 , 有 丝 分 裂 也 陷于 停顿 。 另 一 个 极端 , 当 用 干扰 微 管 蛋白 分 子 装配 成 微 管 的 三 种 方法 (药物 秋水 仙 素 、 低 温 或 高 静水 压 ) 中 的 一 种 可 逆 地 裂解 纺锤 丝 , 有 丝 分 裂 就 被 阻 抑 了 。 稳 定 的 或 解 聚 的 纺锤 体 微 管 都 不 能 移动 染色 体 的 事实 提示 ， 纺 锤 体 必 须 灵 人 敏 地 处 于 聚合 和 解 聚 之 间 的 平衡 ,以 完成 有 丝 分 裂 运动 。 在 详细 讨论 这 些 运 动 的 基础 之 前 ,我们 必 须 描 述 纺锤 体 是 如 何 组 构 的 ,染色 体 是 如 何 被 移 到 一 定 的 位 置 上 的 。 前 期 纺锤 体 的 形成 主要 是 受 有 丝 分 裂 中 心 的 控制 ,这 中 心 就 是 极 区 ” 在 第 十 章 我 们 已 经 知道 ， 微 管 排列 的 聚合 是 由 叫做 微 管 组 织 中 心 的 特定 区 域 来 组 织 的 。 分 裂 细胞 中 这 一 功能 是 由 两 个 有 丝 分 裂 中 心 (mitotic centers) 来 完成 ,它们 最 终 形 成 纺锤 体 的 极 区 。 动物 细胞 的 有 丝 分 裂 中 心 一 般 是 同 中 心 粒 (centriole) 租 关 的 ,长 时 期 以 来 ,这 些 结 构 被 设想 是 纺锤 体 装配 的 组 织 中 心 。 然 而 ,许多 物种 ,包括 所 有 的 高 等 植物 ， 在 完全 没有 中 心 粒 的 情况 下 仍然 能 形成 具有 完整 功能 的 纺锤 体 。 这 种 纺锤 体 没 有 星体 《所 以 被 称 为 无 星 纺锤 体 ), 比 有 星 纺锤 体 较 少 地 聚焦 于 极 区 (图 11-47)。 其 次 ， 当 动物 细胞 有 丝 分 裂 的 中 心 粒 被 激光 微 束 破 坏 时 ,其 纺锤 体 仍 继续 执行 正常 的 功能 。 所 以 ,似乎 中 心 粒 并 不 是 纺锤 体 微 管 装配 所 必需 的 ,然而 当 它 存在 时 可 能 起 着 聚焦 一 样 的 作用 。 如 果 中 心 粒 本 身 不 是 纺锤 体 的 微 管 组 织 中 心 ,那么 ， 什 么 是 呢 ? 现在 有 明确 的 证 据 ， 真正 的 组 织 中 心 是 电镜 下 可 见 的 染色 浅 的 没有 确定 界限 的 一 团 云雾 状 物质 ,在 有 星 (包括 中 心 粒 ) 和 无 星 (不 含 中 心 粒 ) 的 纺锤 体 极 区 均 存 在 。 当 从 动物 细胞 分 离 出 有 毕 分 裂 中 心 9 630。 图 11-42 典型 的 动物 细胞 [ 白 鱼 〈whitefish)] 有 丝 分 裂 的 过 程 。(A) SRAM: 含有 中 心 粒 的 细 胸 中心 往 往 很 小 , 并 有 些 东 西 从 细胞 核 内 跑 出 来 。(B) 早 前 期 : 细胞 中 心 增 加 一 倍 ， 从 它 放射 出 的 丝 数 目 增多 ， 而 移 近 细 胞 核 。(C) 中 前 期 : 二 个 是 体 绕 着 核 分 开 。(D) 前 中 期 ; 核 被 膜 破 RE ;使 纺锤 丝 与 染色 体 相 互 作 用 。(E) 中 期 : 双 极 纺锤 体 结构 明显 可 见 , 全 部 染色 体 排列 至 纺锤 体 AEB. CF) 后 期 : 在 纺锤 丝 影响 下 染色 单 体 全 部 同时 地 分 开 ， 移 向 两 极 。(G) PR: FAM 体 集 合 在 每 极 ,分裂 沟 (箭头 所 指 ) 紧 缩 遗 留 在 染色 单 体 之 间 的 纺锤 丝 。(CH) AM: 子 代 细胞 核 重 新 形成 ， 虽 和 然 仍 然 致密 ; 胞 质 分裂 似 乎 完成 ; 中 间 体 存在 于 子 细胞 核 之 间 。(Jeremy D. Pickett- Heaps 赠 ) 11-43 ”由 型 的 植物 细胞 有 丝 分 型 过 程 。 这 些 是 用 差 示 -干涉 -反差 显微镜 检 术 拍摄 的 活 的 囊 ae- manthus 细胞 的 照片 。(A) 和 (G) 中 ， 区 表示 细胞 核 的 中 心 。 (B) 中 的 了 表示 每 个 纺锤 体 极 。 (CA) 中 的 箭头 表示 新 的 细胞 板 生长 方向 ,细胞 板 亦 见于 (G) 图 。 时 间 顺 序 以 分 计算 如 下 : A, 05 B,15; C,17; D,54; E,83; F, 124, G, 169; H, 199 (Andrew Bajer 赠 ) : * 631° + i = = — Pa 四 mi = m™ | 图 11-44 早 后 期 的 纺锤 体 表 示 图 11-45 用 三 种 不 同 的 光学 显微镜 检 术 观察 的 一 个 单 它 是 由 两 个 半 纺 锤 体 〈 黑 线 和 庶 BORER: 〈A) 差 示 - 干 水- 反差 显微镜 检 术 >(B 7) 相差 | 线 ) 构 成 ,每 个 半 纺 锤 体 由 动 粒 微 显微镜 检 术 ,和 (C) 偏 振 光 显微镜 检 术 。(E，D. Salmon 管 和 极 微 管 组 成 。 为 了 清楚 ,只 和 R. R. Segall 赠 ; 引 自 J. Cell Biol.86:355—365, | 画 出 两 条 染色 体 的 姊妹 染色 单 1980, 洛克 非 勒 大 学 出 版 社 同 意 复制 ) 体 ; 大 量 的 极 微 管 也 省 略 了 。 (A) 在 海水 中 的 细胞 : ERDEK (B)ABLTSA 459 重 水 的 海水 中 ， (C ) 细 胞 放 回 海水 ， 经 3 分 经 2 分 钟 : 纺锤 丝 数 增加 钟 : 正常 纺锤 体 11-46 Pectinaria 卵 母 细胞 纺锤 体 经 重水 〈(D:O) 处 理 的 效应 ， 用 偏振 光 显 微 镜 检 术 在 活 细 胞 上 观察 。 所 见 到 的 双 折射 是 正 反差 或 是 负 反 差 ， 决 定 于 和 偏振 光 人 射 面 有 关 的 结构 的 方位 。 由 于 一 个 纺锤 体 同 另 一 个 的 方位 成 直角 ， 两 个 纺锤 体 就 表现 相反 的 对 比 。 用 这 些 镜片 看 不 见 染色 体 。 (《 引 自 S. Inoué and H. Sato, J. Gen. Physiol. 50:259—29251967. RH IEMAS HREM 复制 ) 并 在 离 体 条 件 下 作为 成 核 因 素 (nucleating agents) 时 ， 星 体 的 极 微 管 是 从 中 心 粒 周转 的 无 定形 物质 ,而 不 是 从 中 心 粒 本 身长 出 的 。 成 对 的 中 心 粒 即 使 不 是 组 织 纺锤 体 所 需要 ， 但 它们 处 在 纺锤 体 的 两 个 相对 极 区 的 位 置 ， 可 以 推断 是 起 着 保证 那些 对 动物 细胞 极 性 和 运动 有 重大 关系 的 结构 在 细胞 分 裂 时 能 632。 适当 地 分 离 ( 一 个 子 细胞 各 一 份 ) 的 作用 。 每 个 有 丝 分 裂 染 色 体 由 两 个 染色 单 体 和 一 对 与 微 管 末 端 相连 接 的 动 粒 所 组 成 ” 复制 的 染色 体 通过 叫做 动 粒 〈kinetochores) 的 特 化 结构 与 有 丝 分 裂 纺锤 体 相 连接 。 每 个 染色 体 含 有 二 个 姊妹 染色 单 体 , 由 叫做 着 丝 粒 的 较 坚固 的 区 域 祖 连接 (图 11-48)。 晚 前 期 内 ， 在 着 丝 粒 相对 的 两 面 各 生出 一 个 成 熟 的 动 粒 ， 所 以 两 个 动 粒 《〈 每 个 姊妹 染色 单 体 上 各 一 个 ) 是 位 于 相反 的 方向 。 动 粒 在 电镜 下 可 见 到 呈 多 层 结构 (图 11-49), 但 关于 它 们 的 组 成 还 了 解 甚 少 。 含 纺锤 体 极 的 在 极 区 组 成 中 心 粒 对 的 星体 _ 中心 的 无 定形 微 管 We NN AAS 1 了 BBN 无 星 的 染色 单 体 大 多 数 动物 细胞 高 等 植物 细胞 ” 图 1-47 含 星 体 的 纺锤 体 和 无 星体 纺锤 图 11-48 早期 染色 体 及 其 动 粒 微 管 的 示意 图 体 的 细胞 的 中 期 纺锤 体 结构 前 中 期 (prometaphase) 开 始 ， 核 膜 破裂 时 ,一 组 组 的 纺锤 丝 同 每 个 染色 单 体 相 连 。 这 些 纤维 由 微 管 组 成 ,从 每 个 染色 体 的 两 个 动 粒 区 域 以 硼 反 的 方向 向 外 放射 (图 11-48)。 它 们 在 中 期 起 着 固定 染色 体 与 纺锤 体 相对 方位 的 作用 ;最 终 ,在 后 期 起 着 传递 朝向 极 区 的 力 的 作用 ， 把 染色 单 体 移 动 到 每 个 极 区 。 与 每 个 动 粒 相连 结 的 微 管 数目 在 不 同 种 间 有 很 大 的 差异 ; 某 些 真菌 只 有 一 根 , 人 的 动 粒 可 以 有 20 一 40 根 微 管 。 由 于 动 粒 和 极 纺 锤 丝 间 的 相互 作用 使 染色 体 在 中 期 成 行 排列 “” 标志 着 前 中 期 开始 的 核 膜 破裂 使 染色 体 可 能 参与 到 纺锤 体 机 构 中 去 。 所 以 这 样 做 ， 在 村 保证 它们 最 终 的 分 离 , 使 每 个 染色 体 的 一 个 染色 单 体 可 靠 地 分 配 到 每 个 子 细胞 核 。 有 人 说 ， 有 丝 分 裂 中 的 染色 体 像 荆 礼 中 的 尸体 ; 它们 为 进行 活动 提供 了 理由 ， 但 并 不 起 积 极 的 作用 。 只 有 动 粒 连接 染色 体 到 有 丝 分 裂 机 构 ， 而 染色 体 的 全 部 运动 是 动 粒 纤维 和 纺 锤 丝 间 祖 互 作用 的 结果 。 这 相互 作用 有 两 个 结果 : (1) 调整 着 每 条 染色 体 租 对 于 纺锤 体 轴 的 方位 ， 使 每 个 动 粒 都 面向 着 其 极 区 ; (2) 把 每 个 染色 体 移 动 到 中 期 板 (metaphase plate) 上 ,中 期 板 位 于 双 极 纺锤 体 的 中 央 , 并 与 纺锤 体 轴 成 直角 。 在 哺乳 动物 ,这 过 程 经 Dh 10 一 20 分 钟 , 叫 做 前 中 期 。 、 前 中 期 是 以 一 个 明显 地 极 活 跃 的 时 期 为 特征 ,纺锤 体 开始 包容 染色 体 , 并 使 染色 体 排 。633。 列 在 中 期 板 上 。 实 际 上 ,各 个 染色 体 是 在 剧烈 地 旋转 着 ,并 在 两 极 之 间 来 回 摆动 着 ， 因 为 它们 的 动 粒 纤维 同 极 纺锤 丝 是 在 紊乱 地 相互 作用 着 ,最 终 , 这 一 组 或 那 一 组 的 极 丝 成 功 地 oe ee en a 极 区 的 纤维 联结 。 ae 一 = 一 一 图 11-49 AA SMe 起 括 在 一 绿营 精 革 属 (Oclogoniamn) 的 后 期 染色 单 体 中 。 动 粒 大 多 数 具 有 三 层 结构 。 这 动 粒 具 有 不 一 般 的 复杂 结构 ， 含 有 附加 的 层次 。( 引 自 J. D. Pickett- Heaps and L. C. Forrke, Aust. J. Biol Sct. 23:71—92, 1970, CSIRO 同意 复制 ) 精细 的 显 微 手 术 实 验 提供 了 关于 有 丝 分 裂 活动 的 重要 的 证 据 ， 交 实验 是 应 用 非常 细 的 玻璃 针 在 活 的 有 丝 分 裂 细 胞 内 拨 动 和 推移 染色 体 。 用 这 方法 证 明了 动 粒 并 不 是 象 磁铁 的 极 性 那样 预定 地 朝 向 一 特定 的 纺锤 体 极 ， 因 为 染色 体 的 动 粒 经 拨 动 转 过 身 来 ， 它 将 重新 安排 朝向 任何 一 极 。 而 且 ， 在 前 中 期 进行 显 微 手 术 ， 可 能 迫使 单个 染色 体 上 的 两 组 动 粒 纤维 朝向 同一 纺锤 体 极 。 如 有 果 染 色 体 一 直 保持 这 个 样子 ,整个 染色 体 ( 带 着 祖 联 的 两 个 姊妹 染色 单 体 ) 将 被 拉 向 经 这 样 处 理 的 一 个 极 区 。( 一 般 地 说 ,这 样 处 理 是 不 稳定 的 ,因为 这 动 粒 纤 丝 可 弹 回 ,向 着 它 的 所 选择 的 相对 的 方向 。) 所 以 十 分 清楚 ,一 旦 每 个 动 粒 纤维 与 纺锤 体 连 接 就 产生 出 一 种 固定 的 极 向 拉力 。 正 常 的 情 况 下 ， 每 个 染色 体 和 每 个 极 区 都 有 一 动 粒 纤维 连 接着 ,由 此 产生 的 祖 反 的 张力 终于 使 每 个 染色 体 成 行 排列 在 中 期 板 上 ( 见 下 面 )。 但 是 , 正 是 由 于 前 中 期 的 随机 运动 ,以 及 染色 体 最 后 的 偶然 定向 ， 保 证 了 染色 单 体 随机 地 分 离 到 子 细胞 ,这 在 减 数 分 裂 时 的 类 似 的 核 分 裂 中 是 十 分 重要 的 (图 11-50)。 极 1 极 1 极 2 后 期 染色 单 体 分 开 正常 的 中 期 具有 随意 方位 的 染色 体 极 2 纤维 体 中 一 条 染色 体 被 后 期 染色 单 体 相反 显 微 操作 方法 旋转 180” ”地 分 开 图 11-50 在 正常 情况 下 染色 单 体 分 配 到 子 细胞 中 是 随机 的 ， 仅 依据 中 期 染色 体 的 方位 。 这 方位 和 随后 的 分 配 可 用 显 微 手术 来 改变 。 中 期 染色 体 受 平衡 的 两 极 拉力 的 作用 而 保持 着 虚假 的 静态 ” 在 中 期 ,纺锤 体 和 成 直线 排列 在 中 期 板 上 的 染色 体 似乎 处 于 静止 的 状态 。 然 而 ,这 表 面 的 安静 状态 是 虚假 的 ， 因 为 在 中 期 纺锤 体 两 个 半边 的 任何 细胞 质 颗 粒 都 被 带 向 其 丰 联 。634 。 的 极 区 。 这 些 颗 粒 以 每 分 钟 约 lum 的 速度 缓慢 而 有 规则 地 移动 ,这 同 后 期 染色 体 运 动 的 速度 差不多 。 这 表明 中 期 时 持续 的 极 向 拉力 是 由 纺锤 体 中 产生 的 ,染色 体 所 以 保持 静态 是 因为 这 两 个 力 租 等 而 方向 相反 。 所 以 ,没有 什么 可 惊奇 的 ,每 个 染色 体 上 的 两 个 动 粒 一 且 在 后 期 分 开 , 两 个 染色 单 体 就 被 带 到 相反 的 两 极 。 VA ee 不 平衡 的 AN ， 极 向 拉力 赤道 板 平衡 的 NV 4] pL NZ WW “ies ee 前 中 期 中 期 图 11-51 在 前 中 期 染色 体 随机 地 进入 纺锤 体 , 并 移 到 中 央 * 因 为 在 每 个 动 粒 上 力 的 降低 ， 达 到 与 拉 向 极 区 的 力 相 接近 。 结 果 使 染色 体 排列 在 赤道 板 上 ， 它 们 是 受 平衡 的 极 向 力 的 牵 拉 而 保持 在 这 位 置 上 的 。 -为 什么 在 中 期 所 有 的 染色 体 要 成 直线 排列 在 与 两 个 纺锤 体 极 等 距离 的 叫做 中 期 板 的 地 方 ? 这 直线 排列 可 能 是 由 于 一 种 力 生成 系统 的 简单 的 结果 ， 在 这 系统 中 每 个 动 粒 纤维 上 的 拉力 随 着 该 动 点 愈 靠 近 极 区 就 愈 降低 (图 11-51)。 在 后 期 姊妹 染色 单 体 突 然 分 开 后 期 是 开始 于 每 个 染色 体 突 然 地 裂 开 ， 这 是 由 于 姊妹 染色 单 体 在 其 着 丝 粒 连接 点 上 裂 开 而 引起 的 。 着 丝 粒 裂 开 而 使 两 个 动 粒 分 离 ， 这 是 一 个 即使 不 与 纺锤 体 租 连 的 染色 体 上 也 会 发 生 的 独立 的 事件 。 这 就 允许 作用 于 中 期 板 上 的 双 极 纺锤 体 的 力 拉动 每 个 染色 单 体 缓慢 而 平稳 地 朝向 这 个 或 那个 极 区 移动 。 在 后 期 以 前 ， 是 什么 方式 的 联结 使 姊妹 染色 单 体 联 在 一 起 ? 虽然 关于 这 问题 的 回答 尚 不 清楚 ,有 一 个 设想 是 ,着 丝 粒 特 有 的 DNA 序列 可 能 编码 一 特殊 的 信号 , 信号 阻 断 了 其 本 身 DNA 在 S 期 的 复制 。 按 照 这 个 观点 ,未 复制 的 着 丝 粒 DNA 维持 染色 单 体 联结 在 一 起 , 而 着 丝 粒 上 这 最 后 的 痕 量 DNA 合成 的 触发 则 提供 后 期 染色 单 体 分 开 的 动力 (图 11-52). 后 期 染色 体 被 拉 向 极 区 ,两 极 被 推 离开 ? 在 后 期 ， 非 常 重要 的 染色 单 体 运 动 是 由 纺锤 体 中 两 组 独立 的 事件 所 产生 的 : (1) 动 粒 纤维 的 极 向 运动 , 它 拉 着 所 联接 的 染色 单 体 使 接近 极 区 ,以 及 (通常 开始 得 迟 一 点 );(2) 在 每 半 个 纺锤 体 中 极 纤维 的 伸 长 和 消 动 , 推 着 两 极 离 得 更 远 (图 11-53)。 利用 它们 对 某 些 药物 的 不 同 敏感 性 ,有 可 能 分 辨 出 这 两 组 事件 。 例 如 , 低 浓 度 的 水 合 氧 醛 (chloral bydra- ted) 可 抑制 极 纤维 的 运动 和 伸 长 ， 但 对 动 粒 纤维 或 染色 单 体 的 极 向 运动 没有 影响 。 此 ° 635。 外 ， 使 两 组 染色 体 最 后 分 开 的 这 两 组 事件 在 不 同 生 物 中 它们 各 自 所 起 的 有 关 作 用 也 十 分 不 同 。 在 某 些 细胞 ,后 期 中 两 极 的 分 离 几乎 没有 改变 ,相反 ,在 其 他 细胞 ,纺锤 体 可 伟 长 到 这 样 程度 ,其 极 分 开 的 距离 比 中 期 纺锤 体 中 起 先 分开 的 距离 大 15 倍 。 着 毕 粒 的 D NA 复制 完成 后 期 开始 | He 拉 图 11-53 在 后 期 ， 有 眠 拉 和 推动 两 种 力作 用 而 将 姊妹 染色 单 体 分 开 。 极 微 管 的 伸 长 和 滑 移 推动 两 极 远离 ,而 染色 单 体 却 被 作用 于 它们 的 动 粒 纤维 上 的 力 拉 向 相反 的 两 极 。 把 电子 显微镜 下 观察 的 几 百 片 连续 的 超 薄 切 片 辛勤 地 重组 成 整个 纺锤 体 的 三 维 结构 ,显示 出 每 个 半 纺 锤 体 的 极 微 管 在 赤道 板 附 近 中 央 区 域 彼此 重 仅 (图 11-54)。. 到 了 后 期 ,这 两 组 逆向 平行 的 极 微 管 在 重合 区 域 彼 此 相对 地 请 动 开 , 并 假定 在 它们 的 游离 端 落 加 微 管 蛋 白 亚 基 而 增长 (图 11-55 和 11- vig 56)。 两 极 显 然 受 到 微 管 的 谓 动 和 生长 联合 产生 的 图 11-52 ”解释 姐妹 染色 单 体 在 MX 期 彼此 紧 密 贴 会 并 在 分裂 末 期 又 突然 分 开 的 假想 的 示意 图 之 的 推动 而 分 离开 。 二 .无论 其 真实 的 机 制 如 何 ,着 丝 粒 DNA 序 列 必须 在 第 十 章 我 们 兽 阐明 了 微 管 具有 了 明显 的 极 性 ， Le ON RNC) A ee nome ELL (+) oa TS Hl (— 3d SBR dn 与 其 同伴 染色 单 体 的 成 对 排列 。 最 近 ,应 用 DNA 所 期 望 的 , 极 纺 锤 体 丝 与 分 裂 间 期 时 由 细胞 中 心 所 ， DNA Beas Rea UTED nee 构成 的 微 管 具有 相同 的 极 性 ;所 有 的 极 微 管 具有 在 1000 碱 基 对 的 DNA 序列 决定 的 。 极 区 一 边 的 慢 生 长 端 (一 ), 这 一 端 显然 是 "加 帽 ”而 不 能 解 聚 的 ( 见 557 页 )。 这 意味 着 极 微 管 在 纺锤 体 赤道 板 重 倒 区 域 附 近 有 一 自由 (十 ) 端 ， 也 是 快速 生长 端 (十 ) , 它 在 后 期 的 售 长 可 以 设想 是 由 于 沙 加 上 微 管 蛋 白 亚 基 现 在 发 现 ， 动 粒 微 管 也 具有 它 的 (十 ) 端 ,连接 着 动 粒 ,以 及 它 的 (一 ) 端 ,靠近 极 。 这 也 意味 着 ,着 丝 点 微 管 也 具有 同样 的 结构 上 的 极 性 , 象 每 个 半 纺 锤 体 中 的 极 微 管 一 样 。 并 曾 认 为 ,每 条 着 丝 点 微 管 的 两 端 都 被 < 加 帽 ” 以 防止 解 聚 。 这 可 以 说 明 为 什么 在 各 种 不 同 的 实验 条 件 下 着 丝 点 微 管 比 极 微 管 较为 稳定 。 使 动 粒 纤维 朝向 极 区 的 拉力 以 及 使 每 半 纺 锤 体 的 极 纤维 在 中 央 重 倒 区 域 彼 此 推 开 的 * 636° DSH TC SE AS Wy RA KK \ ate = Sas wa Sater eae ea a oem Rg oe ee eer me ee 3 和 和 Pe Pr, 11-54 FEES Melosira) eV AT MND EARNS NA : CIE CAAA, ROMA 一 NSS 二 WZ et RE TR AR I BAT ST ad 7] \ 相对 两 极 的 极 微 管 非常 有 序 而 精巧 的 装配 。 在 “后 He 其 高 等 真 核 细 胞 的 纺锤 体 中 , 微 管 的 相互 作用 虽 然 具 有 共同 的 一 般 原 理 , 但 没有 规律 。( 引 自 D. 图 11-55 ”表明 有 丝 分 裂 前 期 可 能 有 助 于 增 强 纺 H.Tippit,K.L. McDonald, and J. D. Pic- 锤 体 极 分 开 的 组 分 。 为 了 图 像 清楚 , 染色 体 和 动 kett-Heaps,Cytobiologie,12:52—73 ,1975) 粒 微 管 省 略 。 推力 是 什么 产生 的 ? 如 我 们 已 知 的 , 微 管 的 装配 和 解 聚 对 纺锤 体 的 功能 是 重要 的 。 然 而 ， 主要 由 微 管 的 装配 和 解 聚 过 程 产 生 的 力 似乎 并 不 构成 推动 染色 体 的 全 部 动力 ， 因 为 有 证 据说 明 纺 锤 体 还 含有 其 它 蛋白 质 ,它们 也 可 能 产生 一 种 力 。 设想 一 种 动力 蛋白 样 ATP 酶 在 后 期 能 生成 推动 极 区 分 离 的 力 ， 但 是 使 染 色 体 向 极 区 移动 似乎 是 另 一 种 机 理 ” 为 了 研究 后 期 中 染色 体 移动 的 分 子 机 理 ， 理 想 的 是 有 高 度 纯化 的 在 离 体 条 件 下 仍 保 留 着 完全 功能 的 有 丝 分 裂 纺锤 体 。 虽 然 迄今 这 个 目的 还 远 不 可 能 达到 ， 一 种 技术 上 要 求 较 低 的 模型 系统 已 被 发 现 , 它 比 正 常 活着 的 有 丝 分 裂 细胞 便于 研究 。 为 产生 这 个 系统 ,有 丝 分 裂 细 胞 的 质 膜 需 经 一 稀 的 去 拍 剂 深 流 处 理 ， 使 大 分 子 易 于 透 过 。 只 要 使 用 保持 微 管 稳定 的 缓冲 液 ， 仍 然 能 在 这 样 解体 的 细胞 中 诱导 后 期 运动 的 启动 和 停止 。 因 而 这 时 的 纺 锤 体 可 自由 地 与 大 分 子 接近 ,每 个 大 分 子 探 针 (包括 特定 的 抗体 ) 对 有 丝 分 裂 纺锤 体 运 动 的 效应 都 有 可 能 被 检测 出 来 。 “用 这 方法 证 明了 与 肌 动 蛋白 或 肌 球 蛋白 结合 的 抑制 剂 (例如 抗 肌 球 蛋白 的 抗体 ) 可 抑 ， 制 胞 质 分 裂 ,但 对 后 期 染色 体 运 动 是 没有 作用 的 。 这 结果 表明 ,使 染色 体 运 动 的 并 不 是 使 肌肉 运动 的 那 种 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 的 力 生成 系统 。 另 一 种 显然 可 以 考虑 的 力 生成 系统 是 动力 蛋白 ,一 种 与 纤毛 和 鞭毛 中 的 微 管 硼 结合 的 蛋白 质 , 它 可 由 ATP 水 解 产 生出 一 种 AAC 545 页 )。 有 几 种 纤毛 蛋白 ATP 本 的 抑制 剂 ,它们 可 抑制 纤毛 的 拍打 ;在 以 游 ， 离 的 天 然 纺锤 体 为 材料 ,这 些 抑制 剂 同样 阻 断 后 期 的 极 与 极 〈pole-to-pole) 的 分 离 。 而 且 , 在 某 些 纺锤 体 中 可 见 到 筒 邻 的 微 管 闻 有 “ 交 联 桥 ” (cross bridges)， 它 们 类 似 纤毛 外 ; 周 的 二 联 体 微 管 间 的 动力 蛋白 桥 ( 见 图 10-32)。 因 而 ,似乎 可 以 认为 , 一 种 应 用 ATP 水 ° 637 « PHBA BARD FAS |e AAR MS EAD ERM BARRE, WM 而 推动 了 后 期 的 极 与 极 的 分 离 。 图 11-56 电镜 照片 表示 硅 莹 有 丝 分 型 时 ， 随 航 微 管 重 仅 的 程度 纺锤 体 的 伸 长 和 缩短 。 (A) 中 期 ;(B) MK. (Jeremy D. Pickett-Heaps je) . 纺锤 体 的 动力 蛋白 不 可 能 是 与 传递 纤毛 拍打 的 动力 蛋白 相同 的 分 子 。 首 先 ， 相 互 作 用 的 纤毛 微 管 是 按 祖 同 的 极 性 平行 排列 的 ， 而 在 纺锤 体 中 互 往 请 动 的 极 微 管 是 以 相反 的 极 性 排列 着 〈 图 11-55)。 其 次 ,与 纤毛 的 动力 蛋白 结合 的 抗体 不 能 使 有 丝 分 裂 的 纺锤 体 染色 。 驱动 染色 体 极 向 移动 的 力 的 产生 机 制 还 没有 和 弄 清楚 。 显 微 手术 实验 证 明 ， 每 个 染色 单 体 是 单独 地 固定 于 纺锤 体 , 以 它 的 动 粒 纤维 与 近 极 区 纺锤 体 固 定 地 连接 着 (A 11-57). 当 染 色 体 移 向 极 区 ,其 动 粒 纤维 变 得 越 来 越 短 , 而 到 了 末期 就 消失 了 。 因 此 ， 在 祖 同 的 时 闻 内 , 极 微 管 在 其 近 纺 锤 体 赤 道 板 的 自由 (十 ) 端 加 长 ， 而 在 近 纺 锤 体 极 区 的 动 粒 微 管 的 (一 ) 端 则 解 聚 。 解 聚 似乎 至 少 起 着 某 种 导致 染色 体 极 向 运动 的 作用 。 不 仅 这 样 ， 假 若 微 管 的 解 聚 作用 经 taxol 和 D;O 处 理 而 阻止 ;运动 也 就 被 抑制 , 但 是 如 果 以 极 微量 的 秋水 仙 素 处 理 而 升 高 了 微 管 解 聚 作用 的 速率 ， 则 其 运动 加 速 。 当 把 动力 蛋白 抑制 剂 儿 加 到 制 。638。 备 的 裂解 细胞 中 ,不 象 后 期 的 极 与 极 离开 那样 ,染色 体 的 极 向 运动 并 不 被 强烈 地 抑制 。 所 以 ,这 里 似乎 有 不 同 的 力 生成 装置 引起 两 种 不 同 的 后 期 运动 。 按 照 一 种 普遍 承认 的 观点 ， 驱动 染色 体 极 向 运动 的 发 动机 是 一 复杂 的 结构 ， 当 它们 走向 极 区 时 ， 它 的 速率 受 动 粒 微 管 的 解 聚 速率 所 制约 。 对 5 起 后 期 运动 的 机 构 的 分 析 , 由 于 其 所 需 的 力 极其 微小 这 一 事实 ,无 疑 是 十 分 困难 的 ， 有 人 计算 在 后 期 每 条 染色 单 体 运 动 只 需要 由 20 个 ATP 分 子 水 解 所 产 KK | 1 生 的 能 量 ， 故 可 认为 染色 单 体 是 村 一 ， cad ag 高 效 利 用 能 量 的 过 程 来 运输 的 。 LD ny a 相互 作用 的 区 域 在 末期 ， 核 被 膜 开始 围绕 着 各 染色 体 重新 形成 ” NS 染色 单 体 仍然 固 后 期 未 了 ， 染 色 体 完全 分 离 成 相 oo Regen 等 的 两 组 ,每 组 位 于 纺锤 体 的 一 极 。 在 SS 未 期 ,有丝分裂 的 最 后 阶段 , 核 被 膜 妃 移动 桨 色 单 体 绕 着 每 组 染色 体重 新 形成 以 建成 两 个 处 于 分 裂 间 期 的 子 细胞 核 。 有 丝 分 裂 固着 于 纺锤 休 中 核 被 膜 破裂 和 重新 装配 期 间 ， 至 少 。 图 11-57 ” 显 微 手术 实验 说 明 由 于 动 粒 微 管 同 近 极 区 的 纺锤 体 的 三 部 分 核 被 膜 复合 物 必 须 考 虑 。 相互 作用 染色 单 体 本 来 是 与 纺锤 体 相 连 的 。 后 期 时 细胞 的 半 纺 half-spindle 示 出 。 1. 外 核 腊 和 内 核 膜 本 身 同 内 质 网 Page meal RE TBESE. 2. 膜 下 的 核 片 层 是 由 三 种 主要 蛋白 质 组 成 的 一 种 薄 的 结构 组 件 , 它 们 同 内 核 膜 、 染 色 RAR FLEE IE Ao 3. 核 膜 孔 ， 它 们 由 几 种 蛋白 质 的 大 复合 物 组 成 ， 这 些 蛋白 质 的 性 质 到 目前 还 很 少 描 述 。 在 前 期 , 所 观察 到 的 这 三 种 片 层 蛋白 (lamina proteins) 变 得 高 度 磷酸 化 。 这 磷酸 化 作用 被 认为 可 促使 它们 解体 ,从 而 破坏 核 片 层 ,或 许 其 结果 使 核 被 膜 本 身 破裂 成 封闭 的 膜 片 眉 ( 形 态 上 与 内 质 网 小 刻 没 有 区 别 )， 在 整个 有 丝 分 裂 过 程 中 可 见 到 它们 一 直 是 围绕 着 纺锤 体 。 虽 然 还 不 肯定 ， 曾 认为 释放 出 来 的 某 些 核 膜 孔 复合 物 在 有 丝 分 裂 期 中 间 染 色 体 居 留 在 一 起 。 到 了 末期 , 核 膜 的 片 假 结合 到 单个 染色 体 表 面 , 在 重新 融合 形成 完整 的 核 膜 之 前 每 个 染色 体 部 分 地 被 包 被 (图 11-58)。 在 这 过 程 中 , 核 膜 孔 恢 复 , 去 磷酸 化 的 片 层 蛋白 重新 结 合 而 形成 核 片 层 。 核 被 膜 重 新 装配 的 过 程 可 能 由 片 层 蛋白 的 重新 聚合 而 起 协调 作用 ， 尤 其 因为 其 中 的 一 种 在 前 期 之 后 一 直 和 核 膜 片段 留 在 一 起 ， 从 而 可 能 标记 这 些 膜 片段 重新 向 细胞 核 聚 拢 。 核 片 层 不 仅 同 内 核 膜 起 作用 ,也 同 染色 质 和 核 膜 孔 起 作用 ， 所 以 当 M 期 ， 片 层 蛋白 的 磷酸 化 和 去 磷酸 化 周期 很 可 能 各 自发 动 核 被 膜 的 破裂 和 重新 形成 。 在 核 膜 重新 装配 之 后 , RNA 合成 恢复 ,导致 核 仁 重新 出 现 , 同 时 浓缩 的 染色 质 松 解 ， 呈现 出 分 裂 间 期 的 分 散 构 象 。 令 人 感 兴趣 的 是 ， 在 某 些 较 原 始 的 真 核 细胞 中 ， 它 们 的 核 被 膜 在 有 丝 分 裂 时 并 不 解 * 6396 HE RS BMLHER RNRRRKE AL / SVG be a 二 .版 屋 履 白 的 去 磷酸 化 :使 版 层 得 以 装配 11-58 .有丝分裂 时 发 生 的 核 被 膜 周 期 的 图 解 。 核 被 膜 在 前 中 期 破裂 ， 到 末期 再 重新 装配 。 在 前 中 期 和 末期 之 间 * 核 被 膜 破裂 ;发 生 了 全 部 的 有 丝 分 裂 运动 。 使 两 套 染 色 体 移 向 相对 的 两 极 。 如 图 所 示 * 因 为 新 的 核 被 膜 是 以 膜 侦 片 与 簇 状 单个 汪 色 体 并 列 的 方式 形成 * 所 以 大 部 分 细胞 质 成 分 将 排除 在 新 细胞 核 的 外 面 。 tk EMT HELA “HOEK RET. Ati, RBM 成 功 的 M 期 所 绝对 必要 的 。 有 丝 分 裂 纺锤 体 决定 胞 质 分 裂 时 细胞 质 分 裂 的 方位 ” 虽然 核 和 细胞 质 的 分 裂 一 般 是 祖 联 的 ,但 是 它们 是 完全 可 分 开 的 事件 。 事 实 上 , 核 分 裂 并 非常 常 跟着 开始 胞 质 分 裂 。 例 如 , 某 些 菌 类 和 娑 类 可 能 连续 地 进行 多 次 核 分 裂 ,而 没 有 细胞 质 分 裂 ,形成 了 巨大 的 多 核 细 胞 ， 这 多 核 细 胞 可 能 达到 数 英 尺 长 ! 以 后 ,由 于 围绕 着 核 进 行 细 胞 质 分 裂 , 产 生 了 许多 单 核 的 细胞 。 虽然 胞 质 分 裂 不 一 定 必然 伴随 着 有 丝 分 裂 ， 而 有 丝 分 裂 纺 锤 体 却 起 着 决定 胞 质 分 有 裂 的 方位 和 时 间 的 重要 作用 。 细 胞 质 分 裂 通常 开始 于 后 期 ,一 直 贯 穿 末 期 ,并 进入 到 随后 的 分 裂 间 期 。 在 动物 细胞 ,其 第 一 个 可 见 的 胞 质 分 裂 信号 是 后 期 质 膜 的 轻 度 皱 缩 , 这 称 为 分 R274 (图 11-59)。 分 裂 沟 总 是 发 生 在 中 期 板 的 平面 上 ,垂直 于 有 丝 分 裂 纺 锤 体 的 长 轴 。 如 果 应 用 显 微 手 术 在 足够 早 的 时 期 移动 纺锤 体 , 那 么 这 原先 的 分 裂 沟 不 见 了 ,而 一 个 新 的 分 盈 沟 出 现在 新 的 纺锤 体 部 位 。 其 次 ， 一 旦 分 裂 沟 形成 过 程 已 经 真正 地 进行 ， 则 分 裂 将 继 续 进行 下 去 ,即使 这 时 把 纺锤 体 用 抽 吸 法 除 掉 或 用 秋水 仙 素 破坏 掉 。 有 丝 分 裂 期 间 细 胞 骨架 的 微 管 和 肌 动 蛋白 丝 束 被 解 聚 成 亚 基 ， 它 们 似乎 重新 被 分 别 地 用 来 构成 有 丝 分 裂 和 胞 质 分 裂 的 机 构 。 其 余 的 细胞 纤 丝 ,中 等 纤维 ,在 细胞 分 裂 时 不 被 利用 ;也 不 解 聚 。 在 大 多 数 细胞 中 , 围 终 着 分 裂 间 期 的 细胞 核 周围 的 中 等 纤维 网 架 在 有 丝 。640。 分 裂 时 变 长 ,包围 着 两 个 子 细胞 核 , 最 后 由 于 分 裂 沟 的 作用 面 被 分 开 〈 图 11-60)e B 11-59 蛙 卵 早期 卵 裂 的 扫描 电镜 照片 。 细 胞 膜 的 沟 陷 是 由 于 其 底下 收缩 环 的 活动 所 引起 。 (A) 卵 表 面 的 低 倍 的 图 象 ; (B) 分 裂 沟 表面 的 高 倍 放 大 。 ( 引 自 H. W. Beams and R. G. Kessel, Am. Sct. 64:279—290, 1976) 卵 裂 的 力 由 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 产生 ” 卵 裂 主要 靠 由 肌 动 蛋白 丝 组 成 的 环 的 收缩 来 完成 的 ， 象 钱包 上 的 细 线 一 样 围绕 着 细 胞 的 中 央 拉 其 。 这 纤 丝 束 叫做 收缩 环 (contractile ring)。， 必 定 以 某 种 方式 贴 在 质 膜 的 内 表面 上 (图 11-61)。 收缩 环 在 后 期 的 早期 以 一 种 未 知 的 机 制 自发 地 装配 形成 ;一 旦 装配 完成 , 它 就 能 受 电 刺 激 而 提前 活化 ,这 说 明 收 缩 环 在 真正 使 用 之 前 ， 已 为 它们 的 作用 作 好 了 准备 。 卵 裂 时 ， 收 缩 环 的 力 足 以 折 弯 播 进 细胞 中 的 细 玻 璃 针 ， 此 方法 可 用 来 测量 这 力 的 大 小 。 毫 无 疑问 ， 这 种 力 是 由 收缩 环 中 的 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 丝 的 肌肉 样 滑动 产生 的 。 例 如 ,在 有 裂解 的 有 丝 分 裂 细胞 中 ， 加 进 失 活 的 肌 球 蛋白 亚 基 , 就 能 阻 断 肌 动 蛋白 与 正常 肌 球 。641。 (6261 ‘9z¢¢—zLEE:92 VSN .2289 ‘poopy “ON *204g “asofg “H'S HIS) CY HNMSAIC! (a) © ( Fit EY) EAE NC) 34 Leal ch 8 CEE) BE TY Gis Bg Me BE NG BE OU ) | . LS Scan dello] :aa 特 化 的 细胞 连接 图 12-2 细胞 装配 形成 组 织 的 最 简单 的 机 制 。 起 始 细胞 的 后 裔 靠 基 膜 和 靠 形 成 细胞 间 连 接 而 保持 在 上 皮层 中 。 图 12-3 细胞 装配 形成 组 织 的 较 复杂 机 制 的 一 个 例子 。 神经 晴 细胞 从 神经 管 的 上 表面 迁移 ， 形 成 遍及 胚胎 的 种 种 不 同 细胞 类 型 和 组 织 。 这 里 示 它 们 在 外 周 神 经 系统 装 配 和 分 化 形成 两 个 神经 元 集合 体 ， 这 种 神经 细胞 的 集合 体 叫 做 神经 节 。 另 一 些 神经 旺 细胞 成 为 围绕 神经 元 的 支 持 细 胞 (卫星 细胞 )。 细胞 聚集 体 即 “ 潮 群 内 繁殖 ， 这 样 能 使 细胞 集中 它们 分 这 的 消化 酶 〈( 群 狼 效应 , “wolf- Pack” effect), 粘 细菌 在 群居 方式 的 运动 和 摄食 方面 很 像 多 细胞 生物 。 粘 细菌 简 单 的 遗传 和 结构 使 其 成 为 研究 原始 的 细胞 与 细胞 间 相 互 作用 的 分 子 基础 的 有 吸引 力 的 生物 。 在 潮 群 内, 个体 的 粘 细菌 细胞 能 够 独立 地 以 不 常见 的 滑动 方式 运动 ,这 种 滑动 不 依 © o5l ° MEM aaa, THe kt LAT aa aR AG 着 单位 。 只 能 慢 慢 迁移 。 使 每 一 细菌 维持 在 潮 群 中 的 通讯 机 制 是 什么 ? 一 种 是 原始 形式 的 接触 导 向 。 当 细菌 运动 时 ,它们 留 下 一 条 粘液 痕 (一 种 原始 的 细胞 外 基质 ), 其 它 粘 细 菌 便 沿 着 这 条 痕迹 运动 。 虽 然 运动 的 细胞 偶尔 也 可 越过 粘液 痕 ， 但 通常 是 与 它 相合 的 。 第 二 个 机 制 已 在 突变 体 的 实验 中 证 实 , 研 究 表明 粘 细菌 中 的 迁移 是 由 两 个 不 同 的 运动 系统 所 控制 的 : 一 个 控制 单 细胞 :一 个 控制 细胞 群 。 在 至 少 需要 九 个 不 同 的 基因 产物 的 细胞 群 系统 中 ,个 体 细 胞 只 有 在 与 其 他 细胞 接触 受 刺 激 时 才 运 动 。 某 些 基 因 产 物 看 来 在 细胞 接触 时 对 邻近 细胞 发 出 运动 的 信号 ， 而 其 它 基 因 产 物 看 来 是 充当 这 些 信号 的 受 体 (图 12-4). 这 种 触 走 ” 系 统 维持 了 细胞 在 潮 群 中 一 起 运动 Cuned i i eae ee 2225 25s x i. i anne he 3928222838 Cl S55 、 一 -一 - 宅 世 ES 一 二 一 于 BEES SERS 2 个 正常 细胞 彼此 诱导 ， 一 旦 接触 ogee SSSao 就 运动 CH ih “ fae” 的 信和 号) 正在 繁殖 的 细菌 群体 ees LR BM 胞 外 基质 ‘OO { 于 :站 YIP 与 正常 细胞 接触 时 也 能 运动 se 了 实体 的 形成 图 12-4 如 何 证 明 突变 的 粘 细菌 存在 着 一 组 图 12-5 ime A. WR “ 触 走 ” 的 运动 系统 ， 即 细胞 只 有 受到 其 他 细 细胞 聚集 和 分 化 * 形 成 子 实体 。 子 实体 胞 接触 的 刺激 时 才 运 动 的 示意 图 。 本 例 说 明 的 孢子 在 条 件 重 新 变 得 有 利 时 萌发 。 突变 体 不 能 发 出 信号 ， 但 能 对 来 自 正 常 细胞 的 信号 作出 反应 。 别 的 突变 体 ( 图 中 未 示 ) 能 发 出 信号 * 但 不 能 对 信号 作出 反应 ,因为 它们 或 者 缺乏 受 体 ; 或 者 运动 本 身 缺 乏 “ 动 力 ” 这 样 的 突变 细胞 与 正常 细胞 接触 时 不 能 运动 。 当 粘 细菌 饥饿 的 时 候 , 它们 显示 出 最 令 人 难忘 的 多 细胞 行为 ,在 这 种 情况 下 潮 群 的 细 胞 基 紧 成 团 地 聚集 在 一 起 ,彼此 往 上 堆 形 成 一 个 多 细胞 的 子 实 体 ( 图 12-5 MIA 12-6), 在 子 实体 内 细菌 于 胞 分 化 成 钨 子 , 这 些 孢 子 由 于 细胞 外 基质 的 覆盖 而 被 聚集 在 一 起 。 即使 在 极 恶劣 的 环境 中 孢子 也 能 长 期 存活 。 只 有 当 条 件 比 较 有 利 的 时 候 孢 子 才 萌发 成 通常 的 细菌 。 具 有 高 浓度 孢子 的 大 子 实体 能 保证 产生 一 个 稠密 的 潮 群 (图 12-5)， 而 不 是 产生 少 数 自己 不 能 有 效 进 食 的 分 散 细胞 。 细胞 如 何 调整 它们 的 行为 以 形成 子 实 体 呢 ? 分 析 子 实体 有 缺陷 的 突变 体 表 明 , 细胞 聚 集 在 一 起 至 少 是 对 4 种 不 同 的 由 细胞 本 身 所 分 泌 的 信号 的 反应 。 这 些 信号 如 何 导 致 形成 子 实 体 , 在 另 一 种 与 粘 细 菌 生活 周期 非常 相似 的 生物 一 一 盘 基 网 柄 菌 〈Dicztyostelizza dise- oideum) 中 目前 了 解 得 最 多 。 这 种 细胞 组 成 的 粘性 霉 兰 是 真 核 生物 , 它 的 基因 组 仅 比 原核 mA ANAK + 倍 ( 相 当 人 的 百 分 之 一 )o 。052。 ERR H12-6 粘 细 菌 的 潮 群 在 对 饥饿 反应 中 聚集 并 形成 子 实体 的 扫描 电镜 照片 。 每 张 照 请 上 标 出 了 开始 饥饿 后 的 小 时 数 。(Jerry Kuner 赠 ) 粘 菌 变 形 虫 体 装 配 成 多 细胞 的 蜂 蛤 体 涉及 趋 化 性 和 特异 的 细胞 粘连 盘 基 网 柄 菌 的 变形 虫 体 是 生活 在 森林 地 上 的 单个 细胞 ,以 细菌 和 酵母 为 食 , 每 隔 几 小 时 分 有 一 次 (在 实验 室 里 它们 能 培养 在 无 其 它 微 生物 的 配方 固定 的 培养 液 中 )。 当 它们 的 食物 耗 尽 的 时 候 , 变 形 虫 体 停 止 分 裂 , 由 自己 分 泌 的 趋 化 性 信号 的 吸引 而 向 一 些 叫 做 缀 集 中 心 的 集中 点 聚集 。 在 每 一 聚集 中 心 , 细 胞 以 特异 的 细胞 表面 分 子 彼 此 粘连 ,形成 一 个 非 和 常 细 的 〈1 一 2mm) 垂直 的 蠕虫 样 结构 ,然后 倒 向 一 侧 , 像 一 条 光滑 潮 旬 的 昨 蛤 似 地 疏 行 ， 在 它 后 面 留 下 一 条 粘液 的 痕迹 (图 12-7)。 多 细胞 的 蜂 蛤 体 (slug) 表现 出 种 种 自由 生活 的 变形 体 虫 所 没有 的 行为 。 例 如 , 它 对 光 和 热 极 其 敏感 ,并 能 向 着 像 夜 光 表 那样 弱 的 光源 迁移 。 随 着 迁移 , 蜂 蛤 体 的 细胞 开始 分 化 ,最 终 形成 子 实体 。 这 一 过 程 从 开始 聚集 时 算 起 ,历时 约 30 小 时 (图 12-8)。 在 柄 和 子 实体 形成 中 发 生 的 复杂 的 细胞 迁移 如 图 12-9 所 示 。 昨 蛤 体 前 部 的 细胞 成 为 柄 区 , 它 后 面 的 细胞 分 化 成 孢子 , 而 最 后 部 分 的 细胞 形成 足 板 。 柄 细胞 和 孢子 细胞 两 者 均 有 细胞 外 基质 (以 纤维 素 壁 的 形成 ) 履 盖 , 最 终 除 了 孢子 外 所 有 的 细胞 都 死亡 。 只 有 在 条 件 有 利 的 时 候 , 孢 子 萌发 产生 单 细胞 的 变形 虫 体 ,重新 开始 其 生活 周期 (图 12-10)。 在 真 核 细 胞 中 了 解 最 多 的 趋 化 性 例子 是 网 柄 菌 的 趋 化 性 信号 发 放 。 在 对 饥饿 的 反应 中 变形 虫 体 开 始 制造 和 脉冲 式 地 分 泌 环 AMP (cAMP), 由 于 某 种 未 知 的 原因 某 些 细胞 成 为 聚集 中 心 ,它们 制造 的 cAMP 结合 到 其 他 饥饿 变形 虫 体 表面 的 特异 受 体 上 ， 为 它们 。 653 = 的 正常 的 迁移 定向 ,使 其 朝 着 cAMP 源 前 进 。 用 微量 滴 管 将 少量 cAMP 滴 加 在 饥饿 变 形 虫 体 表面 的 任何 一 点 , 可 以 直接 证 明 这 种 趋 化 性 的 反应 。 结果 在 朝向 微量 滴 管 的 地 方 立即 长 出 伪 足 (图 12-11), 通常 伪 足 粘 在 细胞 着 落 的 表面 上 ， 并 拉 着 细胞 向 同一 方向 移 动 。 每 一 聚集 中 心 的 影响 区 域 不 断 增 ， 大 ,这 是 因为 最 初 的 cAMP 信号 以 脉 “ 冲 形 式 从 中 心 释 放 ， 并 从 一 个 细胞 到 另 一 细胞 接续 下 去 。 cAMP 的 每 一 脉冲 引起 周围 的 细胞 一 方面 朝 着 脉冲 的 源 迁 移 ， 另 一 方面 又 分 泌 它们 自己 ， 的 4 基 腊 图 12-22 高 度 模 式 化 的 点 状 桥 粒 图 解 。 每 一 相互 ”图 12-23 ”点 状 桥 粒 和 半 桥 粒 在 小 肠 上 反应 细胞 质 膜 的 细胞 质 表 面 上 是 一 个 致密 的 斑 块 ， 皮 细 胞 中 分 布 图 解 。 注意 相 邻 细胞 的 角 蛋 白 丝 的 粗 网 与 它 相 联 结 , 角 蛋白 丝 或 终止 在 斑 角 蛋 白 丝 网 如 何 间 接地 通过 点 状 桥 粒 块 上 ;或 沿 着 斑 块 表面 通过 。 无 特征 的 纤 丝 越过 细 彼此 连接 ,以 及 通过 半 桥 粒 与 基 膜 连接 。 胞 闻 空 阶 , 将 相 邻 的 斑 块 连接 起 来 。 紧密 连接 在 细胞 层 中 形成 渗透 屏障 “> 上 皮 细 胞 层 覆 盖 着 体 表 , 并 对 体内 所 有 的 囊 腔 加 衬 。 这 些 细胞 层 尽 管 存在 广泛 的 生 化 差异 ， 但 至 少 它们 有 一 个 重要 的 功能 是 相同 的 ， 那 就 是 它们 作为 高 度 选择 性 的 渗透 屏 障 , 从 而 将 化 学 成 分 十 分 悬殊 的 内 侧 和 外 侧 液 体 分开 。 紧密 连接 在 维持 细胞 层 的 选择 性 屏障 的 功能 中 起 决定 性 的 作用 。 例 如 , 衬 在 小 肠 里 的 上 皮 细 胞 必须 保持 最 大 的 肠 腔 容量 ， 同时 细胞 必须 吸入 选中 的 营养 物 使 其 透 过 细胞 层 进 入 另 一 侧 的 细胞 外 液体 中 ， 从 那里 它 们 被 吸收 入 血 流 。 这 种 转运 依赖 于 两 套 不 同 的 特异 膜 转运 蛋白 : 一 套 只 分 布 在 上 皮 细 胞 的 顶 表 面 (面向 腔 的 表面 ) 吸 进 选中 的 分 子 ; 另 - 套 只 在 基部 和 侧 部 即 所 谓 的 基 侧 表面 ,将 吸收 的 分 子 又 排出 到 另 一 侧 (图 12-24)。 显 然 , 为 了 维持 方向 性 的 吸收 和 排出 ,顶端 泵 (在 质 膜 中 ) 一 定 不 能 扩散 到 细胞 的 基 侧 表面 , 基 侧 泵 也 不 能 扩散 到 顶端 。 而 且 还 必须 防止 被 转运 的 分 子 漏 回 肠 腔 。 紧密 连接 使 这 两 种 不 同 路 线 的 转运 成 为 可 能 , 首先 它们 在 质 膜 的 脂 双 层 中 作为 扩 获 的 屏障 ,这 样 它们 就 阻止 了 在 顶端 膜 上 的 转运 蛋白 扩散 到 基 侧 膜 ,或 基 侧 膜 上 的 扩散 到 顶端 膜 ; 其 次 ,紧密 连接 把 相 邻 细胞 封 接 在 一 起 ,产生 一 个 连续 的 细胞 层 ， 即使 小 分 子 也 不 能 在 细胞 之 间 通 过 。 紧密 连接 处 相互 作用 的 质 膜 是 贴 得 相当 紧 的 ， 以 致 不 存在 细胞 空隙 : 假如 将 电子 至 密 的 标记 物 加 在 细胞 层 的 一 侧 ， 它 将 不 能 越过 紧密 连接 (图 12-25)。 因为 蛋白 水 解 酶 处 FER Ca+、Mg?+ 的 束 合 物 都 能 破坏 这 种 连接 ， 所 以 特异 蛋白 或 者 两 价 阳离子 对 于 维持 紧密 连接 的 完整 是 必需 的 。 “662。 7H RRA ETL BE A ES eS a 2 PB 接 接触 时 形成 的 (图 12-26)。 用 冰冻 断裂 电镜 术 可 观察 到 这 些 蛋 白质 是 线 状 排列 的 膜 内 颗粒 (图 12-27)。 由 这 种 颗粒 作 网 状 排列 组 成 的 带 状 结构 完全 包围 着 细胞 层 中 的 每 一 细 Ido 在 无 脊椎 动物 中 ， 通 常 起 封闭 细 胞 层 作用 的 是 中 隔 连接 而 不 是 紧密 连 接 ， 这 些 连 接 在 电子 显微镜 和 冰冻 蚀 刻 照 片 中 的 形态 有 着 高 度 的 特征 。 它 们 有 两 点 不 同 于 紧密 连接 : 首先 ， 连 接 蛋 白 排列 成 更 有 规律 的 、 越 过 细胞 空隙 相互 作用 的 平行 排 ; 其 次 ,连接 蛋 白 本 身 形 成 封闭 ， 而 并 未 真正 使 两 个 图 12-24 说 明 小 肠 上 皮 细 胞 的 紧密 连接 ,如 何 将 不 同 的 图 12-25 图 解 上 皮 细 胞 层 一 侧 转运 蛋白 限制 在 质 膜 的 不 同 区 域 图 解 。 这 就 使 得 营养 物 的 可 溶性 分 子 不 能 通过 将 相 邻 质 从 肠 腔 越过 上 皮层 转运 到 血液 。 在 本 例 中 ， 和 葡萄 糖 通 细胞 密封 在 一 起 的 紧密 连接 过 位 于 顶端 表面 的 葡萄 糖 泵 蛋白 的 主动 运输 进入 细胞 ， 通过 基 侧 膜 上 的 葡萄 糖 转运 蛋白 介 导 的 易 化 扩散 从 细胞 中 扩散 出 去 。 相 并 列 的 质 虹 直 接 接触 (图 12-28)。 像 紧 密 连 接 一 样 ， 这 种 "隔膜 条 "形成 一 完全 的 带 转 绕 着 每 一 相互 作用 的 细胞 。 间隙 连接 允许 小 分 子 在 细胞 间 直 接 通过 4 间 阶 连接 是 最 常见 的 一 类 细胞 连接 , 广泛 分 布 在 所 有 动物 的 组 织 中 。 这 种 连接 被 称 为 是 通讯 连接 ， 因 为 它们 人 允许 小 的 水 溶性 的 分 子 从 一 个 细胞 的 细胞 质 直接 通 到 另外 的 细 胞 质 中 去 ,因而 既是 电 的 又 是 代谢 的 将 细胞 偶 联 起 来 。 这 种 类 型 的 细胞 偶 联 是 在 1958 年 首次 被 证 实 的 。 将 微 电 极 播 人 龙虾 的 神经 索 的 两 个 相互 作用 的 神经 细胞 中 , 当 两 电极 之 间 存 在 电压 梯度 时 电流 迅速 通过 , 说 明 无 机 离子 ( 它 们 在 活 组 织 中 携带 电流 ) 可 以 自由 地 从 一 个 细胞 内 部 通 到 另 一 细胞 内 部 。 这 实验 做 了 几 年 以 后 ,有 人 用 获 光 小 分 子 注 人 组 织 中 的 一 个 细胞 内 ,发 现 它 们 很 容易 地 透 到 邻近 的 细胞 。063。 387 HE FA A A 12-26 ”小肠 上 皮 细 胞 间 紧 密 连 接 图 解 。 连续 的 连接 蛋白 链 将 相 邻 的 质 膜 结合 在 一 起 ,这 些 蛋 白 链 进行 跨 细胞 间 空 隙 的 接触 形成 完全 的 封 固 。 网 结 样 封 闭 链 形成 的 带 围绕 着 细胞 层 中 每 一 细 胞 。 质 膜 的 靠 胞 质 的 那 一 半 被 图 解 式 地 剥 开 ， 以 暴露 蛋 白 链 。 在 冰冻 断裂 电镜 照片 中 紧密 连接 蛋 自 保留 在 脂 双 层 的 细胞 质 的 那 一 六 上 (图 12-27B7? 而 不 是 像 这 里 所 示 的 保留 在 外 侧 一 半 上 。 * 12-27 大 鼠 小 肠 上 皮 细 胞 之 间 紧 密 连 接 的 薄 切 片 (A) 和 冰冻 断裂 CB) 的 电镜 照片 。CA) 横 切面 上 所 看 到 的 连接 好 像 是 相互 作用 质 膜 之 间 的 一 系列 的 点 状 融合 。 〈(B) 与 所 有 的 冰冻 断裂 显 微 照片 一 样 ,照片 的 平面 平行 于 膜 的 平面 ,可 以 看 到 封闭 链 在 膜 的 细胞 质 断裂 面 (P 面 ) 上 像 是 膜 AAAI RAT CEM) KRESS AMA HER (BR) 中 的 细胞 是 以 它们 的 顶端 向 下 。( 引 自 N. B. Gilula, in Cell Communication [R. P. Cox, ed.]pp. 1—29, 1974) ° 664° ——_—— —_- 2” ee ee eS ae ee eee ee — we ee a BH 12-28 歌 体 动物 两 个 上 皮 细 胞 之 间 的 一 种 无 脊椎 的 中 分 隔 连接 的 薄 切 片 (A) Mik iB (《B) 的 电镜 照片 。 相 互 作 用 的 质 膜 是 由 有 规则 的 周期 性 平行 排列 成 行 的 蛋白 质 连接 起 来 的 ,这些 蛋 白质 越过 细胞 间 空 阶 相 互 作用 。 在 横 切 面 〈《A) 上 所 看 到 每 一 行 相互 作用 的 蛋白 质 像 密集 的 棒 或 隔膜 而 在 〈B) 所 看 到 这 些 蛋白 质 像 与 胞 质 断裂 面 《P 面 ) 相连 接 的 平行 成 行 的 膜 内 颗粒 。(《 引 AON. B. Gilula, in Cell Communication [R. P. Cox ed.], pp. 1—29,1974) 中 ,而 不 渗 涡 到 细胞 外 去 。 当 注射 大 小 不 同 的 荧光 分 子 时 发 现 : 小 于 1 000 一 1 500 道 尔 顿 的 分 子 可 在 细胞 之 间 通 过 , 而 大 分 子 则 不 能 ,提示 连接 通道 有 一 个 直径 约 1.5 nm 的 功能 孔径 (图 12-29)。 孔 的 大 小 说 明 偶 联 的 细胞 共享 各 种 各 样 的 小 分 子 (如 无 机 离子 、 糖 、 氨 EB ERMA) ,但 不 能 共享 它们 的 大 分 子 (蛋白 质 、 核 酸 和 多 糖 )。 原则 上 这 种 类 型 的 偶 联 应 该 允许 细胞 之 间 的 代谢 合作 ， 因 为 组 织 内 仅 由 某 细胞 亚 群 产生 的 细胞 内 小 分 子 可 以 和 该 组 织 内 的 其 他 细胞 共享 。 虽 然 仍 不 能 在 生物 体 中 直接 证 明 这 种 代谢 合作 ,但 在 组 织 培 养 中 已 经 证 实 。 例 如 ,缺乏 胸 萌 激酶 的 突变 细胞 系 不 能 将 放射 性 标记 的 胸 昔 参 人 DNA, 但 是 ,假如 这 样 的 细胞 与 正常 (野生 型 ) 细 胞 (含有 胸 昔 激酶 的 ) 在 一 起 培养 ,然后 给 予 放 射 活性 的 胸 背 ,放射 自 显影 表明 与 野生 型 细胞 直接 接触 的 突变 细 胞 的 DNA 上 有 放射 标记 (图 12-30)。 这 种 观察 意味 着 含有 放射 活性 的 胸 苷 的 DNA 前 tk, 从 野生 型 细胞 直接 透 人 与 它们 相 接触 的 突变 细胞 。 如 果 用 不 能 形成 间隙 连 接 的 突变 细胞 来 进行 这 类 实验 时 ,这 种 代谢 合作 就 不 发 生 。 尽管 通常 假定 在 接触 的 细胞 之 间 所 测 到 的 电 的 、 染 料 的 和 代谢 的 偶 联 是 由 间隙 连接 介 导 的 ， 但 仍 有 详尽 的 证 据 表 明 。 不 管 细胞 在 什么 地 方 偶 联 ， 在 那里 几乎 能 发 现 间隙 连 接 。 反之 , 在 兰 椎 动物 细胞 之 间 缺 乏 间隙 连接 的 地 方 就 不 能 证 明 有 细胞 偶 联 。 然 而 在 入 工 膜 中 重组 有 功能 的 间隙 连接 还 是 不 可 能 的 ， 因 而 取得 分 子 通过 它们 的 确 籼 的 证 据 仍 将 是 必要 的 。 由 于 间隙 连接 联结 着 大 多 数 动物 细胞 ， 要 排除 其 他 类 型 的 连接 也 介 导 着 细胞 偶 联 的 可 能 性 是 困难 的 。 例 如 不 可 能 找到 一 种 只 具有 紧密 连接 ,而 没有 间隙 连接 的 细胞 ,因而 紧 密 连 接 偶 联 细胞 的 可 能 性 依然 存在 。 * 665° 突变 细胞 通过 突变 细胞 间隙 连接 与 正常 细胞 偶 联 图 12-29 BAHAR WB 图 12-30 用 放射 自 显影 术 证 明 通 过 间 阶 连接 联结 的 培养 细胞 间 光 分 子 注入 由 间隙 连接 偶 联 代谢 协作 的 图 解 。 缺 乏 胸 背 激 酶 的 突变 细胞 ,在 培养 芒 中 加 入 放射 的 两 个 细胞 之 一 中 去 时 ， 小 性 胸 苷 时 ,不 能 参 入 到 DNA 中 。 正 常 细胞 可 以 将 胸 背 参 入 到 它们 于 1500 道 尔 顿 的 分 子 可 到 的 DNA ,所 以 把 它们 的 核 打 上 黑 点 ， 代 表 在 放射 自 显 影 术 中 显影 另 一 细胞 中 去 ， 但 较 大 分 子 的 银 粒 。 如 果 正 常 细胞 和 突变 细胞 混合 培养 ;突变 细胞 与 正常 细胞 则 不 能 。 提 示 连 接 两 个 细胞 接触 ,形成 间隙 连接 , 则 在 放射 自 显 影 术 中 突变 细胞 的 核 也 能 被 标 的 假定 通道 的 功能 直径 约 i MAMA. 这 种 标记 的 发 生 是 由 于 在 正常 细胞 中 放射 性 胸 苷 1.5 nm, 参 人 到 小 分 子 的 放射 活性 的 DNA 前 体 〈 胸 苷 的 三 磷酸 核 苷 的 形 式 ) ,然后 这 些 前 体 经 过 间隙 连接 进入 突变 细胞 ,在 那里 它们 参 入 DNA, 为 什么 这 人 么 多 细胞 要 通过 间隙 连接 来 实现 电 偶 联 和 代谢 偶 联 ? 在 一 些 组 织 中 通过 间隙 连接 偶 联 的 细胞 具有 了 明显 的 功能 。 例如 , 电 的 偶 联 使 心肌 细 胞 和 使 负责 小 肠 蠕动 的 平 请 肌 细胞 同步 。 同样 地 , 神经 细胞 之 间 的 电 突 触 使 动作 电位 从 一 个 细胞 迅速 地 传 到 另 一 细胞 , 而 没有 化 学 突 触 过 程 中 的 那 种 延迟 。 像 在 鱼 和 昆虫 的 某 些 规避 反应 中 那样 的 对 速度 和 可 靠 性 要 求 很 高 的 情况 下 , 电 突 触 是 很 有 用 的 。 真正 的 困难 在 于 了 解 为 什么 在 没有 电 活 动 的 组 织 中 存在 间隙 连接 。 原则 上 ， 小 分 子 代谢 物 和 离子 共享 的 结果 提供 了 这 些 组 织 中 个 体 细胞 活动 和 反应 的 协同 机 制 。 例如 ， 上 皮 细 胞 层 中 某 些 细胞 活动 ， 像 纤毛 的 摆动 或 者 胚胎 发 生 过 程 中 与 卷 成 管状 相关 的 形状 改 变 , 都 可 能 以 这 种 方式 来 很 好 的 协作 。 但 迄今 为 止 还 不 能 直接 证 明 间 隙 连接 有 这 样 的 功 能 。 在 早期 年 胎 中 大 多 数 细胞 是 离子 偶 联 的 * 细胞 通过 间隙 连接 偶 联 在 胚胎 发 生 中 可 能 是 很 重要 的 。 在 早期 有 征 胎 中 (小 鼠 且 从 8 细 胞 阶 蛋 的 后 期 开始 ) 大 多 数 细胞 彼此 是 电 偶 联 的 。 在 血液 循环 系统 尚未 发 育 的 胚胎 中 ,一 般 认 为 代谢 偶 联 可 能 是 分 配 营 养 物 的 重要 方法 。 例 如 在 血液 开始 循环 之 前 枪 乌贼 胚胎 的 卵黄 细胞 与 胚胎 中 其 他 所 有 的 细胞 偶 联 ,而 在 循环 系统 行使 功能 之 后 ,卵黄 细胞 仅仅 彼此 偶 联 。 在 分 化 过 程 中 ,每 一 个 正在 发 育 的 组 织 或 器 官 的 细胞 通常 并 不 与 其 周围 的 旨 织 偶 联 ， 这 反映 了 各 个 组 织 身 份 的 确立 。 例如 当 两 栖 类 神经 管 封 闭 时 , 它们 的 细胞 与 其 上 的 外 有 玛 层 不 偶 联 。 已 知 在 某 些 情 况 下 , 在 发 育 过 程 中 的 细胞 发 生 暂 时 偶 联 : 如 未 成 熟 的 肌肉 细 ¢ 666 ¢ , 胞 (肌纤维 母 细胞 ) 在 其 融合 形成 多 核 的 肌纤维 之 前 是 偶 联 的 。 可 能 这 种 暂时 偶 联 是 发 育 过 程 中 细胞 福 互 作用 中 的 一 种 细胞 相互 识别 的 机 制 。 根据 这 种 纯 属 假设 的 观点 ,随意 偶 联 的 细胞 可 以 尝试 彼此 的 细胞 内 环境 ,如 “味道 不 正 , 细 胞 之 间 的 相互 作用 便 结束 了 。 胚胎 中 的 细胞 偶 联 很 可 能 提供 了 一 个 细胞 发 出 长 距离 信号 的 通道 ,通过 间隙 连接 ,小 分 子 物质 可 以 从 组 织 中 细胞 内 浓度 高 的 区 域 跑 到 浓度 低 的 区 域 ， 因 而 建立 起 一 连续 的 浓 度 梯 度 。 局 部 浓度 可 向 细胞 提供 一 个 “位 置信 息 * 来 控制 细胞 按 其 在 胚胎 中 的 位 置 分 化 。 例如 ,在 两 栖 类 神经 板 的 发 育 中 细胞 是 电 偶 联 的 ,已 经 发 现 沿 神经 板 不 同位 置 的 细胞 有 不 同 的 膜 电位 。 这 意味 着 电 (离子 ) 流 一 定 在 神经 板 中 不 同 膜 电位 区 之 间 流 动 , 产生 沿 板 的 离子 浓度 的 梯度 。 任何 这 种 梯度 都 可 以 作为 确定 细胞 相对 位 置 的 参考 系 , 指导 每 一 细胞 按 适 合 于 它 在 神经 板 中 的 位 置 的 方式 来 发 育 ( 图 12-31)。 电压 梯度 沿 着 由 间隙 连接 联结 成 行 的 细胞 的 : Seto dalle Ge ++ shy sie +4))t+ + - 号 re i | Stele ‘®) 生生 | is Og V@| © 细胞 按 其 在 离子 梯度 中 的 位 置 分 化 - 型 细胞 立 型 细胞 Z 型 细胞 图 12-31 电压 梯度 会 引起 电流 通过 间隙 连接 ,从 而 在 偶 联 细胞 中 产生 了 离子 梯度 。 在 这 种 纯 属 假 设 的 图 解 中 ， 离 子 梯度 作为 决定 细 细 层 中 偶 联 细胞 的 相对 位 置 的 参照 系 。 细胞 可 以 控制 它们 的 间隙 连接 的 通 透 性 ” 用 降低 细胞 内 pH 或 增加 细胞 内 游离 Cat+ 浓度 的 实验 操作 ， 可 以 迅速 地 ( 几 秒 之 内 ) 和 可 逆 地 降低 间隙 连接 的 通 透 性 。 但 是 还 不 能 肯定 在 正常 情况 下 这 种 离子 的 改变 是 否 也 调节 着 细胞 偶 联 。 这 些 观 察 指出 一 种 可 能 , 即 间隙 连接 是 动态 结构 ,其 通 透 性 可 由 形成 它 们 的 细胞 来 控制 。 至 少 有 一 例 能 说 明细 胞 偶 联 的 离子 控制 可 能 是 极 重要 的 。 假如 一 个 细胞 死亡 或 受 伤 , 那么 它 迅 速 地 与 邻近 细胞 去 偶 联 是 很 重要 的 。 一 般 认 为 这 是 由 于 细胞 内 的 游离 Ca 大 量 增加 而 引起 ,而 Ca’? 的 增加 或 者 是 经 损伤 的 质 膜 流入 ,或 者 细胞 不 再 能 有 效 地 将 Ca FR th HK AY ARK 间隙 连接 是 由 直接 联结 相互 作用 细胞 内 部 的 通道 所 组 成 oo 如 图 12-32 所 示 ， 间 隙 连接 是 由 从 质 膜 伸 出 的 蛋白 质 形成 一 个 叫 连接 子 (conne- xons) 的 结构 组 成 的 。 连 接 子 被 认为 是 将 两 个 细胞 内 部 连接 起 来 的 连续 的 水 溶液 通道 。 推 测 两 个 相互 作用 的 每 一 个 细胞 提供 足够 的 蛋白 质 形成 一 个 连接 子 ， 组 成 了 通道 全 长 的 一 半 。 连 接 子 的 连接 方法 与 紧密 连接 不 同 , 相 互 作用 的 质 膜 是 由 2 一 4 om 的 间隙 所 分 开 ( 所 。067。 以 称 间隙 连接 )。 这 种 连接 方法 可 使 相当 大 的 分 子 也 容易 地 在 它们 之 间 透 过 (图 12-33)。， 每 一 连接 子 可 看 作 是 冰冻 断 肥 电 镜 照 片上 的 一 个 膜 内 颗粒 ， 每 一 间隙 连接 能 含有 几 百 个 pi HEHE F(A 12-34)。 HARE NE AKRAM BAS HIRD, Bae dsm 分 离 出 间隙 连接 (图 12-35)。 这 些 制 品 的 生化 分 析 指出 , 间隙 连接 是 主要 由 一 种 约 27 000 相互 作用 的 质 膜 5 用 ie 2—-40miR FAR Fae ape CRA SAMS gy | CRE 的 一 个 开放 的 通道 ， 12-32 目前 流行 的 基于 电子 显微镜 和 和 X 光 衍 射 的 12-33 ”两 个 小 鼠 肝 细胞 之 间 间 观察 的 间隙 连接 模型 图 解 。 图 示 两 个 相 邻 细胞 的 相互 隙 连接 薄 切 片 的 电镜 照片 。 相 互 作 作用 的 质 膜 , 并 列 的 脂 双 层 由 于 称 为 “连接 子 ” 的 蛋白 用 的 膜 闻 的 间隙 由 于 充满 着 电子 密 质 装配 物 而 能 通 透 , 每 一 “连接 子 ? 由 6 个 亚 单位 组 成 。 集 的 染料 Cprocion browa) 而 成 为 * 两 个 “连接 子 ” 相 联 越 过 细胞 间 空 阶 ; 形 成 联结 两 个 细 电子 密集 区 ， 染 料 是 先 加 到 细胞 外 胞 的 通道 液体 中 去 的 。(N. 5. Gilula 赠 ) OL ES 图 12-34 ERAS RAPE AA KARE 图 12-35 ”从 大 鼠 肝 分 离 出 的 间 险 连接 的 WED A CA) 和 冰冻 断裂 (B) 的 电镜 照片 。 在 电镜 照片 。 标 本 经 负 娄 后 显示 出 六 角形 B 中 可 看 到 每 一 间 阶 连接 像 是 一 签 同型 的 均 与 网 格 组 成 的 连接 子 , 在 每 一 连接 子 中 深 染 质 膜 的 细胞 质 断裂 面 (P 面 ) 相 联 的 细胞 内 颗 粒 ， 的 中 心 孔 直径 约 2nm( 引 自 N. B.Gilula， 每 一 膜 内 颗粒 相当 于 图 12-32 中 所 示 的 一 个 连 in Intercellular Junction and Synapses. #+F.(5|HN. B. Gilula, in Cell Communi- [Receptors and Recognition Series B, cation [R. P. Cox, ed.], pp. 1—29,1974) Vol. 2;]. Feldman, N. B. Gilula and J. D. Pitts ed], pp. 3—22,1978) ° 668° oe BF HL mR 12-36 Zi) LR Ai ZS Hh EE 75 A 道 尔 顿 的 蛋白 组 成 。 当 把 分 散 的 细胞 放 在 培养 条 件 下 时 , 几 分 钟 之 内 (甚至 在 没有 新 蛋白 质 合 成 时 ) 就 可 以 形成 间隙 连接 。 在 这 种 情况 下 ,这 些 连接 必须 是 从 预先 形成 的 间隙 连接 亚 单位 , 也 可 能 由 从 质 膜 面 上 扩散 来 的 亚 单位 自我 装配 起 来 的 。 当 它们 结合 到 靠近 对 面 膜 上 相似 亚 单位 时 即 触发 了 装配 。 糊 椎 动物 的 细胞 常常 会 与 培养 中 任何 其 他 兰 椎 动物 的 细胞 偶 联 , 证 明 间 阶 连 接 的 组 分 在 进化 过 程 中 是 高 度 保守 的 。 图 12 一 36 中 综合 表示 了 上 皮 细 胞 层 中 细胞 之 间 形 成 的 所 有 各 种 类 型 的 连接 。 小 结 组 织 中 相 邻 细胞 的 质 膜 为 称 做 细胞 连接 的 特 化 接触 部 位 彼此 过 在 一 起 。 大 多 数 养 准 动物 中 存在 三 种 主要 类 型 的 细胞 连接 : 桥 粒 、 紧 密 连 接 和 间隙 连接 。 桥 粒 是 机 械 地 将 细 胞 聚集 在 一 起 一 一 或 者 通过 钮 扣 样 的 接触 点 (点 桥 粒 )。 或 者 通过 在 上 皮 细 胞 层 中 国 绕 着 相互 作用 细胞 的 连续 接触 带 ( 带 桥 粒 )。 两 种 类 型 的 桥 粒 都 以 不 同 的 方式 起 着 细胞 骨架 成 分 的 固着 点 的 作用 。 紧 密 连 接 对 转运 小 的 亲 水 分 子 越过 上 皮 细 胞 层 时 起 着 间接 而 关键 的 作用 。 它 们 以 两 种 方式 来 进行 : 将 相 邻 的 细胞 封 接 在 一 起 以 使 小 分 子 不 能 在 细胞 之 间 漏 过 ;同时 在 每 一 脂 双 层 中 又 作为 扩散 屏障 ,使 特殊 转运 蛋白 能 够 限制 在 上 皮 细 胞 质 膜 的 顶 端 或 基 侧 部 分 。 间 阶 连 接 被 认为 是 由 成 伐 的 蛋白 通道 组 成 ,这 些 通道 允许 离子 和 小 于 约 1 500 道 尔 顿 的 分 子 直接 从 一 个 细胞 内 通 到 另 一 个 细胞 内 。 由 间隙 连接 联结 的 细胞 共享 它们 的 许多 小 分 子 。 并 被 称 为 代谢 偶 联 和 离子 电 偶 联 。 尽 管 闻 阶 连 接 在 有 电 活动 的 细胞 协同 活动 中 极为 重要 ， 但 仍 不 清 功 为 什么 很 多 其 他 类 型 的 细胞 也 通过 间 萤 连接 互相 偶 联 。 e669 « 细胞 外 基质 多 细胞 生物 体 中 大 多 数 细胞 同 相 互 作用 的 ,细胞 外 大 分 子 的 纵横 交错 的 网 络 相 接触 ， 细胞 外 基质 即 由 这 些 网 络 所 组 成 (图 12-37)。 这 些 多 种 多 样 的 蛋白 质 和 多 糖分 子 由 当地 的 细胞 所 分 记 , 并 在 大 多 数组 织 的 细胞 外 空隙 中 组 装 成 有 组 织 的 网 络 。 除了 作为 普通 的 生物 胶 外 ,它们 也 形成 高 度 特 化 的 结构 ,诸如 软骨 、 风 、 基 膜 以 及 (具有 磷酸 钙 结 晶 形 式 的 次 生 沉 淀 物 的 ) 骨 头 和 牙齿 。 虽 然 我 们 将 限于 讨论 贿 椎 动物 的 细胞 外 基质 ,但 在 很 多 其 他 生物 体 中 能 看 到 独一无二 的 和 有 趣 的 相关 结构 。 如 细菌 和 植物 的 细胞 壁 、 蠕 虫 和 昆虫 的 角质 层 , 以 及 软体 动物 的 贝壳 。 直到 最 近 还 认为 并 椎 动物 的 细胞 外 基质 主要 起 着 相当 不 活跃 的 稳定 组 织物 理 结 构 的 支架 作用 。 但 目前 已 很 清楚 ,基质 在 调节 与 它 接 触 的 细胞 行为 ,在 影响 它们 的 发 育 、 迁 移 、 增 殖 、 形 状 和 代谢 功能 中 起 着 远 为 积极 和 复杂 的 作用 。 细 胞 外 基质 有 着 相当 复杂 的 分 子 组 成 ， 可 惜 我 们 对 它 的 组 构 了 解 得 还 很 少 。 细胞 外 基质 主要 由 埋 人 含水 多 糖 凝 胶 中 的 纤维 状 蛋白 质 组 成 组 成 细胞 外 基质 的 大 分 子 是 由 就 近 的 细胞 、 特别 是 广泛 分 布 在 基质 中 的 成 纤维 细胞 分 沙 出 来 。 在 特殊 的 基质 结构 ,诸如 软骨 和 人 骨 中 ，, 它们 的 大 分 子 是 由 较 特 化 的 细胞 就 近 分 刻 的 ， 如 软骨 母 细胞 形成 软骨 , 骨 母 细胞 形成 骨 。 组 成 基质 的 细 et. ee ees: 胞 外 大 分 子 物 质 主 要 有 两 类 : (1) 胶 原 ; 〈2) 氮 基 基质 的 空隙 所 包围 。 所 示 的 特定 细胞 是 早期 鸡 ， 葡 聚 糖 , 它 通常 与 蛋白 质 共 价 连接 形成 蛋白 育 糖 。 肢体 的 细胞 ， 当 时 这 些 细胞 的 不 同 特点 正在 被 决 ” 氮 基 葡 聚 糖 和 蛋白 聚 糖分 子 形成 高 度 水 合 的 凝 胶 tates in ba See 人 PEO SE I” BRATS Arh, 虽然 长 的 胶原 纤维 加 固 并 帮助 组 成 了 基质 ,但 水 相 的 多 糖 凝 胶 允 许 营养 物 、 代 谢 物 和 激素 在 血 臣 和 组 织 细胞 之 间 扩 散 。 在 很 多 情况 下 也 存在 着 橡胶 样 的 弹性 蛋白 的 纤维 使 基质 富 于 弹性 。 此 外 ， 两 个 大 分 子 量 的 糖 蛋 白 也 是 细胞 外 基质 的 主要 成 分 : 一 个 是 广泛 分 布 在 结缔 组 织 中 以 及 血 中 的 粘连 蛋白 (fibronectin); 另 一 个 是 迄今 仅 在 基 膜 中 发 现 的 基 膜 蛋白 (laminin)oe 无 疑 许 多 这 种 类 型 的 其 他 蛋白 质 成 分 会 继续 被 发 现 。 结缔 组 织 一 词 常常 用 来 描述 细胞 外 基质 加 上 在 其 中 发 现 的 细胞 ,如 成 纤维 细胞 \ 巨 鸣 细胞 和 肥大 细胞 (图 12-38 和 12-39)。 器 官 中 结缔 组 织 量 的 变化 很 大 : 皮肤 和 骨头 主要 由 结缔 组 织 组 成 ,而 在 脑 和 疹 骨 中 则 含量 很 少 。 而 且 不 同类 型 基质 大 分 子 的 相对 含量 和 它们 在 基质 中 组 构 的 方式 变化 也 是 多 种 多 样 的 ; 这 就 产生 了 使 人 惊讶 的 形状 上 的 多 样 性 ， 每 一 种 都 高 度 适 应 特异 组 织 的 功能 需要 。 于 是 , 基质 可 以 钙化 成 为 岩石 般 坚 硬 的 骨 或 齿 的 结构 ,或 者 可 以 采取 几乎 结晶 的 形式 来 形成 透明 的 角膜 基质 履 盖 在 眼前 部 ,或 者 可 能 组 “670。 BRL D SOR OBE ET AR SELAR , (LEK OR HB = x SSS en RS x XY \ (22 < 一 一 < 一 NS XK) ( \ —- fy \ | -一 一 一 结缔 组 织 一 一 一 SR Gee 12-338 上 皮 细 胞 层 下 结缔 图 12-39 在 鸡 胚 角 膜 的 细胞 外 基质 中 成 纤维 细 组 织 的 示意 图 。 Ka at APN) 的 扫描 电镜 照片 。 基 质 主要 是 由 胶 原 纤 丝 组 成 (角膜 内 没有 弹性 纤维 )。 氮 基 葡 多 糖 通常 形成 含水 凝 胶 充 满 纤 维 网 空隙， 在 样品 制备 的 脱水 过 程 中 夫 缩 在 胶原 纤维 的 表面 上 。 (Robert Trelstad 赠 ) 胶原 是 细胞 外 基质 的 主要 和 蛋白质” 胶原 是 所 有 多 细胞 动物 中 发 现 的 一 族 高 度 特 征 性 的 纤维 状 蛋 白质 。 它 们 是 哺乳 动物 含量 最 丰富 的 蛋白 质 , 占 总 蛋白 质 的 5%, 所 有 胶原 分 子 的 主要 特征 是 它们 具有 不 易 弯 曲 的 三 股 螺旋 结构 。 三 条 称 为 gc 链 的 胶原 多 肽 链 以 有 规律 的 螺旋 状 的 相互 绰 绕 产生 长 约 300 nm、 直 径 1.5 nm 的 素 状 胶原 分 子 ( Al2-40), 到 目前 为 止 已 确定 了 七 种 遗传 上 不 同 的 胶原 GEC 12-2) ,每 一 种 长 约 1000 个 所 基 酸 残 基 。 虽 然 在 原则 上 从 这 七 种 ¢ 链 可 以 通过 不 同 的 结合 组 装 成 100 多 种 不 同类 型 的 三 股 胶原 分 子 , 但 实际 上 已 经 描述 过 的 胶原 分 子 不 足 一 打 。 主 要 类 型 称 作 III\IIIIV 和 V 型 ( 表 12-2)。IVII\III 型 是 结缔 组 织 中 发 现 的 主要 胶原 类 型 ,其 中 I 型 是 最 普通 的 , 占 体内 中 胶原 的 90 多 。I、II 和 III 型 胶原 分 子 在 分 泌 到 细胞 外 空隙 以 后 装配 成 有 序 的 多 聚 体 , 称 为 胶原 纤 丝 。 在 电镜 照片 中 (图 12-39 和 12-41) 可 以 清楚 地 看 到 胶原 纤 丝 是 长 (可 达 几 微米 ) 而 细 ( 直 径 10 一 300 nm ) 的 缆 状 结构 。 这 种 纤 丝 常常 又 组 成 较 大 的 束 ， 成 为 在 光学 显微镜 下 可 看 到 的 直径 有 帮 微 米 的 胶原 纤维 。 IV 型 分 子 ( 基 膜 的 主要 胶原 ) 和 V 型 分 子 (少量 存在 于 基 膜 和 任何 别 的 地 方 ) 并 不 形成 纤 丝 ， 它 们 在 组 织 中 的 排列 尚未 确 iE 0 胶原 多 肽 链 在 与 膜 结 合 的 核糖 体 中 合成 ,以 大 的 前 体 分 子 叫做 前 o 链 的 形式 分 泌 到 内 质 网 (ER) 的 腔 中 。 这 些 前 体 分 子 不 仅 具 有 能 使 分 刻 出 的 蛋白 穿 过 ER BB SiR” (HL 328 页 )， 而 且 在 它们 的 氨基 端 和 羧基 端 还 有 叫做 伸展 肽 的 附加 的 氨基 酸 。 在 ER 的 腔 中 每 一 前 c 链 与 另外 两 个 结合 在 一 起 ， 形 成 具有 和 氧 键 的 三 股 螺旋 分 子 (图 12- 42)。 伸 展 肽 可 能 在 引导 三 股 螺旋 形成 中 是 重要 的 ,因为 有 报道 说 前 o 链 在 试管 条 件 下 自 发 地 装配 成 三 股 螺 旋 , 而 w 链 在 同样 条 件 下 则 不 能 。 伸展 肽 也 可 能 对 前 胶原 分 子 在 从 细 。671。 一 股 胶原 He 图 12-40 ”绳索 样 的 胶原 分 子 示意 图 。 三 条 分 开 的 螺旋 形 的 _c 链 相互 环绕 在 一 起 形成 一 个 三 股 螺旋 棒 , 在 每 一 “ 链 中 的 每 一 第 三 残 基 是 甘 提 酸 ( 深 色 的 )， 甘氨酸 是 三 螺旋 拥挤 内 部 仅 能 容纳 的 小 的 氨基 可 ,这 种 300nmX1.5nm 胶原 分 子 通常 叫做 原 胶原 。 Ree | 图 12-41 电镜 照片 示 结 绕组 织 中 由 胶原 纤 丝 包围 的 部 分 成 纤维 细胞 。 成 纤维 细胞 的 细胞 质 中 大 片 的 粗糙 内 质 网 ， 反 映 着 细胞 主动 合成 胶原 和 其 他 细胞 外 基质 大 分 子 。〈Russell Ross sy). 胞 分 让 出 去 之 前 与 其 它 基 质 大 分 子 一 起 的 包装 是 很 重要 的 。 胶原 链 有 不 寻常 的 氨基 酸 组 成 和 顺序: 胶原 链 所 含 的 甘氨酸 和 且 氨 酸 特别 多 ,两 者 对 于 形成 稳定 的 三 股 螺旋 有 重要 作用 。 甘氨酸 是 唯一 能 挤 进 胶原 三 股 螺旋 内 部 狭小 位 置 的 氨基 酸 ， 在 “ 链 的 大 部 分 区 域 中 它们 每 隔 两 个 残 基 出 现 一 次 ， 这 是 最 突出 的 实际 例子 说 明胶 原 的 氨基 酸 顺 序 比 典 型 的 球 蛋 白 更 有 规律 。 。672 。 在 前 © FEKETE R= BAIA BOK 5 FB, FEE Hi et De SR) ZEA J FEU IX PEAS HEHE TR AR Be ESE AR) HE EE Ae RD LA ARRAY 证 据 指 出 : FASE REE KT HA A. DEH he. PA. BA EAS PR FECHA FF Le OR A BRS PA 抗坏血酸 (维生素 C)] 也 抑制 溶胶 原 螺旋 的 形成 。 在 败 血 病 一 一 由 食物 中 缺乏 维生素 C 所 引起 的 人 类 疾 病 中 ， 未 羟 化 的 前 © 链 在 细胞 中 降解 ， 血 管 和 皮肤 变 得 极 脆 。 赖 毛 酸 残 基 的 羟基 化 对 于 溶胶 原 的 次 级 翻译 后 修饰 是 关键 的 。 像 大 多 数 分 认 蛋 白 一 样 ， 溶 胶原 分 子 在 分 泌 到 细胞 外 空隙 中 去 之 前 在 细胞 内 糖 基 化 。 然 而 溶胶 原 分 子 的 糖 基 化 是 不 寻 稼 的 ， 不 含 唾液 酸 的 短 短 的 多 糖 侧 链 〈《 仅 两 个 残 基 ) 被 共 价 连接 到 羟基 赖 氨 酸 的 羟基 上 (图 12-43)。 加 到 溶胶 原 中 去 的 碳水 化 合 物 的 量 在 不 同 的 胶原 类 型 中 变化 很 大 〈 表 12-2)，, 其 功能 还 不 清楚 。 就 像 我 们 在 后 面 将 看 到 的 BB . 样 ， 羟 基 赖 气 酸 残 基 不 仅 对 糖 基 化 是 重要 的 ， 而 且 对 在 分 让 之 后 于 细胞 外 空隙 内 发 生 的 胶原 分 子 的 广泛 交 联 也 很 重要 。 氨基 端 伸展 的 ue is 三 个 前 a 链 ~-— 溶胶 原 羧基 端 伸展 的 肽 图 12-42 最初 以 前 链 的 形式 合成 胶原 链 ， 前 < 链 所 含有 的 额外 的 (伸展 的 ?多 肽 后 来 被 去 除 , 这 些 伸 展 多 肽 的 功能 之 一 是 在 装配 溶胶 原 时 帮助 引导 了 形成 三 螺旋 。 注 意 溶胶 原 分 子 中 羟基 端 伸展 多 肽 由 二 硫 键 共 价 连 接 在 一 起 。 表 12-2 胶原 类 型 及 其 性 质 wo ogg 类 型 Ha 聚合 形式 I [xl1(D |,@2(1) 纤 丝 rt {a@l(ID],; 纤 丝 II {@1Citl)]; 纤 丝 IV [al(IV)], 基 膜 (《 有 争论 ) Vv [a@1(V)],@2(V) 未 知 *7 种 不 同 的 < 链 称 为 c1(D 一 xl(V)、xz(D 和 a2(Vo 区 别 性 特征 AR FEE Bil oh 低 碳 水 化 合 物 宽 的 纤 丝 高 羟基 赖 氮 酸 高 碳水 化 合 物 通常 比 纤 丝 细 的 工 型 Tea eH 2a 低 羟 赖 氨 酸 低 碳 水 化 合 物 非常 高 的 羟基 赖 氨 酸 高 碳水 化 合 物 可 能 保留 高 羟基 赖 氨 酸 高 碳水 化 合 物 组 织 分 布 Rik Ra at A AES BE. CS 身体 胶原 的 9092) 软骨 、 椎 间 盘 、 AAR. WRAY 玻璃 体 皮肤 、 血 管 内 脏 器 官 aR 广泛 分 布 ( 量 很 少 ) ©6736 ”反复 出 现 的 甘氨酸 残 基 | Po TE wh AN HE HCH, Reh BEE AS ¥ Gly : H—C—OH O 半 屯 术 NHa@ aR HH Sec SERB (A) (8) 国 12-43) ARR @ 链 的 12 个 氨基 酸 片 断 ( 从 残 基 673 一 684)* 在 它们 旋 绕 在 一 起 形成 溶胶 原 分 子 之 前 所 经 受 的 三 种 类 型 的 共 价 修饰 。 图 中 (A) 选中 的 赖 氨 酸 和 且 氨 酸 残 基 羟 基 化 ,然后 某 些 羟 基 化 了 的 氨基 酸 残 基 又 糖 基 化 。(B) REMARBNREMABREWA WK 在 分 泌 过 程 中 溶胶 原 分 子 裂解 形成 胶原 分 子 ,并 自我 装配 成 纤 丝 2 在 分 这 过 程 中 溶胶 原 分 子 III 和 Ul 型 的 伸展 肽 被 特异 的 称 作 溶胶 原 多 肽 酶 的 蛋 白质 水 解 酶 水 解 掉 , 把 溶胶 原 分 子 转变 成 胶原 (也 称 原 胶原 ) 分 子 后 ,在 细胞 外 空隙 它们 又 合 在 一 起 形成 更 大 的 胶原 纤 丝 。 推 动 纤 丝 的 形成 过 程 部 分 由 于 胶原 分 子 有 自我 装配 的 侨 向 。 然 后 , 纤 丝 紧 靠 细胞 表面 形成 ,看 来 很 像 是 细胞 调节 了 纤 丝 装配 的 位 置 和 速度 ， 有 点 像 一 只 织 网 上 的 蚁 蛛 。 伸展 肽 至 少 有 两 个 功能 :; 它们 引导 细胞 内 三 股 胶原 分 子 的 形成 并 阻止 了 细胞 内 形成 大 胶原 纤 丝 , 否则 对 细胞 将 是 灾难 性 的 。 然而 同样 重要 的 是 在 其 一 旦 完成 其 功能 后 就 立即 被 除 掉 。 在 某 些 疾病 中 溶胶 原 的 水 解 不 完全 ， 结 果 胶 原 纤 丝 的 形成 不 配对 ， 受 影响 的 个 体 有 极其 脆弱 的 皮肤 和 极为 易 变 的 联结 。IV 型 (可 能 也 有 V 型 ) 溶胶 原 分 子 是 不 寻 常 的 , 它们 在 分 这 之 后 似乎 保持 不 裂解 。 这 可 能 便 是 这 种 胶原 不 能 形成 典型 胶原 纤 丝 的 原因 。 当 分 离 出 的 胶原 纤 丝 经 固定 、 染 色 后 在 电镜 下 观察 时 ， 它 们 每 隔 67 nm 呈现 交叉 条 纹 , 这 种 图 形 反 映 出 纤 丝 中 个 体 胶原 分 子 的 包装 排列 。 推测 大 概 是 为 了 使 胶原 分 子 聚 集 物 对 张力 ( 伸 长 ) 压 力 有 最 大 的 抗 性 , 个 体 胶原 分 子 像 图 12 一 44 所 示 那 样 错 开 排列 这 样 相 邻 分 子 以 它们 长 度 的 几乎 11/4(67 nm 的 距离 ) 纵 向 错开 。 图 12 一 45 说 明 在 负 桨 纤 丝 中 这 种 排列 如 何 形成 条 纹 。 虽然 一 般 都 同意 胶原 分 子 在 两 维 空间 上 取 图 12 一 44 所 示 的 “67 nm 错开 ”的 方式 排 。674。 各 个 胶原 分 子 67 nm 图 12-44 胶原 纤 丝 中 胶原 分 子 错开 排列 的 示意 图 。 相 邻 分 子 〈 如 箭头 所 示 ) 错 开 67nmy 在 一 列 中 每 两 个 连续 分 子 之 间 有 35nm 的 间隙 。 间 阶 的 大 小 使 得 每 5 行 分 子 错开 排列 之 后 图 形 又 重复 。 因此 第 一 和 第 六 行 的 分 子 是 对 齐 的 。 没有 间 院 的 ”两 胶原 分 子 胶原 分 子 BR 之 间 的 间 院 bey - ; ————_——— > 三 三 三 一 :一 电镜 照片 上 部 分 经 负 染 的 胶原 纤 丝 图 12-45 图 解 觅 原 分 子 的 错开 排列 如 何在 负 素 的 纤 丝 上 产生 条 纹 。 由 于 负 浊 仅 充满 分 子 间 的 空 BR, 深 当 区 可 以 用 每 一 行 每 两 分 子 间 的 间 阶 被 染色 来 解释 。 在 图 的 下 部 示 负 巢 纤 丝 的 电镜 限 片 。 (照片 由 Robert Horne 赠 ) 列 , 但 有 关 柱 状 纤 丝 的 三 维 空间 中 胶原 分 子 是 如 何 排列 的 意见 却 较 不 一 致 。 一 个 有 吸引 力 的 模型 指出 ， 一 组 胶原 分 子 首 先 (以 67 om 错开 方式 ) 装 配 成 长 条 的 薄 的 螺旋 形 亚 单位 《 微 纤 丝 )， 每 5 个 胶原 分 子 组 成 螺旋 的 一 圈 。 这 圆柱 形 的 微 纤 丝 呈 略 扁平 ， 当 它们 依次 对 齐 包 装 在 一 起 时 形成 粗 得 多 的 胶原 纤 丝 (图 12-46)。 与 此 模型 相 一 致 的 是 观察 到 当 胶 原 分 子 在 体外 组 装 时 ， 很 细 的 细 丝 出 现在 胶原 纤 丝 形成 的 过 渡 阶 段 。 * 675° 由 于 胶原 分 子 能 在 缺乏 其 他 蛋白 质 的 试管 中 装配 成 胶原 纤 丝 ， 装 配 纤 丝 的 信息 一 定 存在 于 胶原 " 链 的 氨基 酸 顺 序 中 。 虽然 膊 氨 酸 、 羟 基 且 氨 酸 和 甘氨酸 残 基 对 胶原 三 螺旋 由 5 个 错开 的 胶原 在 胶原 纤 丝 横 切面 上 微 纤 丝 可 能 有 的 包装 排列 12-46 纤 丝 中 胶原 分 子 三 维 包 装 排列 的 可 能 的 模型 。 成 组 分 子 以 67 nm 错开 格式 装配 成 长 的 微 纤 丝 它 是 EAA 5 条 错开 的 胶原 分 子 的 螺 旋 。 这 种 微 纤 丝 是 扁平 的 ， 以 便 对 齐 包装 成 胶原 纤 丝 。 离 观察 者 最 近 的 两 行 分 子 在 上 图 以 细 点 表示 。 的 形成 起 主要 作用 ， 但 一 般 认为 保留 的 氨基 酸 的 侧 链 很 大 程度 上 负责 纤 丝 的 形成 。 事实 上 对 c 链 氮 基 酸 顺序 的 计算 机 分 析 已 经 证 明 : (1) 带 电荷 和 不 具 电 荷 的 残 基 沿 着 链 以 约 67 nm 的 周期 (相当 于 约 234 个 氮 基 酸 残 基 ) 周 期 性 地 沿 链 笠 集 ; 〈2) 当 这 些 链 由 67nm 的 倍数 彼此 错开 时 ， 两 个 o 链 之 间 能 形成 的 链 间 电 子 稳 定 的 亲 水 键 数 目 最 多 (图 12-47)。 什么 决定 着 胶原 纤 丝 在 组 织 中 的 排列 和 直径 ? 在 试 2h, LU mM III 型 胶原 分 子 各 形成 直径 约 50 nm HA 丝 ， 然 而 在 活 的 生物 体内 单一 类 型 的 胶原 分 子 形成 直径 一 致 的 纤 丝 ， 其 直径 取决 于 组 织 类 型 ， 从 10 一 300 nm 不 等 ， 这 提示 在 细胞 外 基质 中 的 其 他 分 子 调节 着 纤维 的 直径 。 已 经 证 明 随 胶原 一 起 分 这 的 各 种 基质 大 分 子 如 氨基 葡 聚 糖 和 纤维 蛋白 能 结合 到 胶原 上 ， 但 不 请 楚 它们 如 何 影响 纤 丝 的 形成 。 对 各 种 组 织 中 胶原 纤 丝 的 大 范围 内 的 次 序 是 如 何 决 定 的 也 不 清楚 。 在 哺乳 动物 皮肤 中 胶原 纤 丝 看 来 是 随机 地 分 散在 细胞 外 基质 中 的 。 然 而 在 肌 肿 中 胶原 纤 丝 则 构 成 平行 束 ， 它 们 沿 着 妥 上 承 压 的 主轴 排列 成 行 以 达到 最 大 的 强度 。 在 晴 昨 皮肤 和 鸡 角膜 胶原 纤 丝 排列 成 有 序 的 多 重 层次 ， 每 一 层 的 纤 丝 彼此 平行 ， 但 相 邻 层 的 纤 丝 则 互 成 直角 〈 图 12-48 )。 为 了 既 提 供 强度 又 提供 透 明度 需 要 纤 丝 像 晶 体 样 排列 , 但 仍 不 知道 它 是 如 何 完 成 的 。 像 我 们 在 下 面 将 讨论 的 那样 ， 细 胞 外 基质 的 定向 至 少 部 分 地 可 能 是 由 分 泌 基 质 大 分 子 的 细胞 中 细胞 骨 殿 的 方 加 所 决 定 。 胶原 纤 丝 一 旦 形成 , 共 价 交 联 使 它 大 大 坚固 ? 当 胶 原 纤 丝 在 细胞 外 空隙 中 形成 之 后 ， 在 其 胶原 分 子 之 内 和 胶原 分 子 之 间 因 共 价 键 的 建立 而 使 其 大 大 坚固 (图 12-49)。 假 如 交 联 受 抑 制 ， 那 么 胶原 样 组 织 就 变 成 得 很 脆 ， 而 如 皮肤 ` 肌 且 和 血管 组 织 等 结构 则 易于 撕 裂 。 胶 原 ( 和 弹性 蛋白 ) 所 涉及 的 共 价 键 的 类 型 是 独特 的 ,它们 经 过 好 几 步 才 建 成 。 首先 , 某 些 赖 氨 酸 和 羟基 赖 氨 酸 残 基 脱 去 氨基 ,由 细胞 外 赖 氮 酰 气 化 酶 的 作用 产生 高 反应 性 的 醛 基 , 然 后 醛 基 彼 此 之 间或 者 与 另外 的 赖 氨 酸 或 羟基 赖 氨 酸 残 基 之 间 形 成 共 价 键 。 其 中 某 些 键 是 相当 不 稳定 的 , 最 终 被 修饰 成 各 种 较 稳 定 的 交 联 。 交 联 的 程度 和 类 型 随 组 织 不 同 而 不 同 ,例如 在 抗 张力 强度 是 关键 性 的 跟 台中 ,胶原 的 交 联 程度 特别 高 。 现在 我 们 可 以 看 到 分 谈 胶 原 的 细胞 以 某 些 方式 使 细胞 外 基质 的 胶原 成 分 适合 于 组 织 * 676° 优先 结合 部 位 胶原 分 子 ie a ee Span ing === = = See = ee en 图 12-47 高 度 模 式 图 解 示 带 电荷 的 亲 水 氨基 酸 图 12-48 是 时 皮肤 横 切面 的 电镜 照片 显 如 何 没 着 各 个 胶原 分 子 重复 分 布 ， 以 帮助 决定 示 了 胶原 纤 丝 像 胶合 板 样 的 排列 。 其 中 纤 丝 中 的 包装 排列 。 因 为 这 些 残 基 ( 这 里 称 为 优 相 接 的 纤 丝 层次 彼此 呈 直 角 。 胶原 纤 丝 先 结合 部 位 ) 以 约 67nm 的 周期 排 成 徐 。67nmm 错 的 这 种 排列 也 见于 角膜 > 产生 了 角膜 的 强 开 排 列 使 万 能 形成 的 链 间 电 子 稳定 的 亲 水 键 数 度 和 透明 性 。(Jerome Gross 赠 ) 达到 最 大 限度 。 的 需要 。 它们 可 以 合成 一 种 或 多 种 遗传 上 不 同 的 胶原 分 子 , 每 一 种 都 可 以 在 内 质 网 和 高 尔 基 器 上 被 转译 后 的 羟基 化 和 糖 基 化 修饰 成 被 调节 的 形式 。 分 泌 到 细胞 外 空隙 后 胶原 分 子 装配 成 纤 丝 ， 纤 丝 交 联 程度 的 大 小 取决 于 所 需 的 张力 强度 。 由 于 各 种 不 同 的 种 类 和 数 量 的 非 胶原 基质 大 分 子 和 胶原 一 道 分 记 ， 可 推测 细胞 决定 了 它们 环境 中 纤 丝 的 空间 排列 和 性 质 。 最 后 我 们 将 看 到 ,由 于 最 初 的 胶原 纤 丝 在 细胞 表面 上 装配 ,定向 的 细胞 可 产生 定 向 的 基质 。 图 12-50 简要 地 归纳 了 胶原 合成 和 装配 中 所 包含 的 各 个 步骤 。 弹性 蛋白 是 一 种 交 联 的 不 规则 卷曲 的 蛋白 质 ,使 组 织 富 有 弹性 " 像 皮肤 ` 血 管 和 肺 这 样 的 组 织 要 执行 它们 的 功能 ,除了 张力 强度 以 外 还 需要 弹性 。 在 这 些 组 织 的 细胞 外 基质 中 弹性 纤维 的 广泛 网 状 结构 使 它们 在 暂时 的 伸展 之 后 需要 有 重新 卷曲 的 能 力 (图 12-51)。 弹 性 纤维 的 主要 成 分 是 弹性 蛋白 一 一 一 种 70 000 道 尔 顿 的 糖 蛋 白 , 在 富有 且 氢 酸 和 甘氨酸 方面 与 胶原 相似 ,不 同 之 点 在 于 它 含 有 少量 羟基 肺 气 酸 和 不 含 羟基 赖 氨 酸 。 对 于 弹性 蛋白 合成 和 加 工 的 详细 了 解 还 很 少 。 弹 性 蛋白 分 子 被 分 认 到 细胞 - 外 空隙 中 ， 在 那里 形成 细 丝 和 薄片 ， 其 中 弹性 蛋白 分 子 彼此 高 度 交 联 产生 广泛 的 网 状 结 构 。 与 大 多 数 其 他 蛋白 质 不 同 ， 弹 性 蛋白 分 子 的 功能 需要 它们 的 多 肽 主干 保持 展开 像 所 “ 谓 * 随 机 卷曲 ”那样 (图 12-52)。 弹 性 纤维 网 交 联 和 随机 卷曲 的 结构 使 网 能 像 橡皮 筋 一 样 的 伸展 和 重新 卷曲 (图 12-53)。 在 这 同时 , 长 而 没有 弹性 的 胶原 纤 丝 与 弹性 纤维 交织 在 一 起 限制 了 伸展 的 程度 ,因此 阻止 了 组 织 撕 裂 。 。06077。 然而 ,弹性 纤维 并 不 是 仅 由 弹性 蛋白 构成 , 它们 也 含有 糖 蛋白 , ROE BED 微 纤 丝 分 布 在 弹性 纤维 表面 。 在 弹性 组 织 发 育 过 程 中 , 这 些 糖 蛋白 微 纤 丝 常 常 在 弹性 蛋 ; AHH, FRA DEE ATS 8 来 形成 的 纤维 上 和 薄 层 中 去 的 作用 。 Aaa 蛋白 聚 糖 和 透明 质 酸 是 细胞 外 基质 的 主要 成 分 内 交 联 人 2% 以 前 称 为 粘 多 糖 (mucopolysaccharides) KVM BH a 4 i (GAGS, glycosaminoglycans) 是 一 个 由 重复 的 双 糖 人 单位 组 成 的 长 的 不 分 枝 的 多 糖 。 现 在 它们 所 以 被 称 作 氨 基 \ FACE 2: 9 ES RE RE 人 糖 (N- 乙 酰 葡 糖 胺 或 N- 乙 酰 半 乳糖 胺 )。 氮 基 葡 聚 糖 带 有 强 负电 荷 是 由 于 在 很 多 糖 残 基 上 存在 着 硫酸 根 或 羧基 ， 或 x 者 两 者 都 存在 (图 12-54)。 根 据 其 糖 残 基 这 些 残 基 之 间 连 接 的 类 型 、 硫 酸根 的 数量 和 部 位 可 将 氨基 葡 聚 糖分 为 七 类 ， < 即 透明 质 酸 (唯一 没有 硫酸 化 糖 的 一 类 ); 全- 硫酸 软骨 素 ; 分 子 间 交 联 6- 硫 酸软 骨 素 ;硫酸 皮肤 素 ; 硫 酸 乙 酰 肝素 ; 肝素 和 硫酸 角 V JRA C® 12-3), (Y 透明 质 酸 是 由 几 千 个 糖 残 基 以 有 规则 的 双 糖 单位 的 重 4 复 序列 所 组 成 的 非常 长 的 单条 长 链 (图 12-55)。 然 而 透明 mito peimerseestesnioig mq PCR SESE EMRE, BI, HE MR A MR 酸 侧 链 之 间 形 成 的 分 子 内 和 分 子 间 “向 于 含有 大 量 排 列 成 复杂 序列 的 不 同 的 双 糖 单位 ;其 次 ,其 共 价 交 联 的 图 解 他 的 氨基 葡 聚 糖 有 很 多 由 少 于 300 个 糖 残 基 组 成 的 短 BE 第 三 ， 所 有 其 他 的 氨基 葡 聚 糖 共 价 连 接 到 蛋白 质 上 形成 蛋白 多 糖分 子 ( 以 前 叫 粘 和 蛋白) 像 胶原 分 子 一 样 ， 氨 基 葡 聚 糖 在 分 泌 出 去 之 前 要 经 修饰 ， 最 初 由 逐步 加 单 糖 或 双 糖 单位 形成 的 多 糖 链 ， 在 高 尔 基 器 中 由 一 系列 连续 而 协调 的 硫酸 化 和 表 异 构 反 应 进行 共 价 修饰 ( 表 异 构 反 应 改变 了 糖分 子 中 一 个 碳 原子 周围 取代 基 的 构 型 )。 最 后 ,适当 的 蛋白 聚 糖 在 它 们 离开 细胞 以 前 共 价 地 连接 到 核心 蛋白 〈core protein) 的 丝氨酸 残 基 上 形成 蛋白 聚 糖 (图 12 一 56)。 蛋白 聚 糖 与 典型 的 糖 蛋白 是 非常 不 同 的 。 糖 蛋白 通常 含有 占 总 重复 1 一 60 狗 WOR 水 化 合 物 。 这 些 碳 水 化 合 物 以 许 许多 多 相当 短 的 (一 般 少 于 15 个 糖 残 基 ) 成 分 有 变化 的 支 链 形式 存在 。 它 们 常常 以 唾液 酸 作为 未 端 。 反 之 ， 蛋 白 聚 糖 要 大 得 多 (多 至 几 百 万 道 Ki), 通常 含有 90 一 95%% 按 重量 计 的 碳水 化 合 物 ， 以 许多 长 的 、 不 分 枝 的 氨基 葡 聚 粮 链 的 形式 存在 ， 一 般 不 含 唾液 酸 。 例 如 ， 软 骨 中 典型 的 蛋白 聚 糖分 子 可 由 约 100 个 氨基 酸 组 成 的 富 含 丝氨酸 的 蛋白 质 核 心 上 ( 约 每 12 个 氨基 酸 残 基 有 一 个 氨基 葡 聚 糖 链 ， 图 12-57), : ABW} ,蛋白 质 聚 糖 潜在 的 异 质 性 几乎 是 无 限 的 。 它 们 在 蛋白 质 成 分 .分 子 大 小 和 每 分 子 中 氨基 葡 聚 糖 链 的 数量 和 类 型 上 可 以 明显 不 同 。 而 且 , BASRA WES 式 , 但 氨基 葡 聚 糖 链 的 长 度 和 组 成 , 以 及 沿 链 的 羟基 、 硫 酸根 和 羧 侧 基 团 的 空间 排列 可 以 有 很 大 的 变化 。 当 我 们 了 解 更 多 的 蛋白 聚 糖 的 合成 和 装配 原理 时 , 这 种 棘手 的 复杂 情况 * 678° Q Ait AB 粗糙 内 质 网 和 赖 氨 酸 的 羟基 化 上 的 核糖 体 OH enn He ft AB 《内 质 网 、 高 尔 基 器 、 Roaea ata 分 泌 小 泡 ) 中 的 过 程 cred aM on” DOGS 胶原 分 子 5 BUR A & 胶原 纤 丝 的 聚集 形成 胶原 纤维 胶原 纤 丝 形成 过 程 中 所 包括 的 各 种 细胞 内 和 细胞 外 事件 的 图 解 。 尽 管 这 里 表示 伸 长 肽 的 断 缆 和 纤 丝 的 形成 发 生 在 分 泌 之 后 ， 也 有 一 些 证 据说 明 氨基 端 肤 的 断裂 和 胶原 分 子 的 某 些 聚集 发 生 在 正 要 从 细胞 分 刻 之 前 ` 虽 然 这 在 图 内 未 画 出 ,而 胶原 分 子 较 大 的 细胞 外 聚集 由 共 价 交 联 而 稳 因 。 作 为 胶原 纤 丝 在 细胞 外 空隙 如 何 形成 有 序 排列 的 一 个 例子 ， 显 示 了 它们 进一步 被 装配 成 在 光 学 显 尾 镜 下 可 见 的 大 胶原 纤维 。 2679 。 a a® sf ag Ls pac 图 12-51 人 的 皮肤 (真皮 7 切片 的 扫描 电镜 照片 示 大 片 网 状 的 弹性 纤维 。 组 织 经 加 压 热 处 理 , 去 除了 胶原 和 氨基 葡 多 糖 。( 引 摘自 T. Tsuji, R. M. Lavker，and A. M. Kligman, J. Micros: co 和 .115: 165—173,1978) BP, wth Rrvprceesinirge ， e ne aie My ae ta, ot feces gi AR ; 和 5 图 12-52 弹性 蛋白 分 子 各 种 “随机 卷曲 ? 构象 的 模式 图 解 。 与 大 多 数 蛋白 质 不 同 ， 弹性 蛋白 不 采用 唯一 的 结构 ?而 是 如 图 所 示 在 种 种 部 分 伸展 的 随机 构象 之 间 变 动 。 单个 弹性 蛋白 分 子 交 联 | bad a Kay. “GAD ee ig ney esi f 天 RN 图 12 53 弹性 蛋白 分 子 以 共 价 键 连接 在 一 起 产生 一 个 广 乏 交 联 的 网 状 结构 。 由 于 网 状 结构 中 每 一 弹性 蛋白 分 子 能 伸展 和 因 随 机 卷曲 而 收缩 ?整个 圆 状 结构 就 能 像 橡皮 筋 那样 伸展 和 重新 卷曲 。 e680。 12-3 ALARM [ 单位 的 硫 分 布 ama | some | ako =e ae 各 种 结缔 组 织 i 皮肤 D- 葡 糖 醛 酸 | p_ 二 0 一 0 D- 葡 糖 胺 玻璃 体 软骨 ik 软骨 N- 乙 酰 - Y epeaseyae of) 7 D- 葡 糖 醛 酸 D-¥ spa | 0.2 一 1.0 es D-ARi 骨 皮肤 动脉 角膜 D- 葡 糖 N-ZBt- L279 <3 + D- 半 驰 糖 骨 醛 酸 D-* Fa Iz D- 木 糖 皮肤 动脉 D- 葡 糖 醛 酸 皮肤 或 N- 乙 酰 - 10E <0 十 D- 半 乳糖 血管 #L- 艾 杜 糖 |D- 半 已 糖 胺 D- 木 糖 心脏 醛 酸 ty HG D- 葡 糖 醛 酸 Wi 或 IN 过 酰 = 0.2—3.0 + D-*F Fis 动脉 *L- XE D- 葡 糖 胺 D- 木 糖 细胞 表面 醛 酸 D- 葡 糖 醋酸 iti 或 N= 忆 本 = 2.0—3.0 a D- 半 乳糖 | 肝 *L-Ret eh | D- 葡 糖 胺 D- 木 糖 皮肤 醛 酸 肥大 细胞 D- 4, 软骨 N_z 栈 糖 胺 角膜 -7 村 ce D-¥FL6E | pape | 0.9 一 1.8 下 椎 间 L-@ 唾液 酸 虹 - 艾 杜 糖 梧 酸 由 D- 葡 糖 本 酸 在 奖 基 所 在 部 位 的 表 蜡 构 化 产生 才 有 可 能 简化 。 氨基 葡 和 聚 糖 链 占 据 相当 大 的 空间 并 形成 水 合 凝 胶 < 多 糖 链 太 僵硬 , 不 能 像 许多 多 肽 链 那样 自己 折 倒 成 致密 的 球状 结构 形式 。 因此 氨基 荷 聚 糖 链 倾向 于 采取 高 度 伸展 \ 随 机 盘 卷 的 构象 ,占据 了 巨大 的 体积 (图 12-58)。 它 们 由 于 杀 水 而 吸收 了 大 量 的 水 , 因而 即使 浓度 很 低 也 能 形成 订 水 凝 胶 。 又 因为 它们 有 高 密度 es。 681。 Sa Q Cie : ae NH c= OH ， ‘ | 4-B-N-ZR LHEERMRIE pec ia 图 12-54 ”硫酸 皮肤 素 分 子 氨基 葡 多 糖 链 的 重复 双 糖 序列 。 注 意 沿 链 存 在 着 高 密度 负电 荷 是 由 于 存在 着 羧基 和 硫酸 根 。 重复 的 双 糖 RE N -乙酰 氨基 葡 检 图 12-55 由 几 千 个 糖 残 基 组 成 非常 长 的 透明 质 酸 长 链 上 的 重复 双 糖 序列 。 注 意 缺乏 硫酸 根 。 ea oo-o-( A) Oe) H 一 N n 本 一 BRE Hw Rae S th 图 12-56 蛋白 多 糖分 子 中 在 氨基 葡 多 糖 链 与 核心 蛋白 的 丝氨酸 残 基 之 间 的 键 合 的 示意 图 。 在 氨 基 葡 多 糖 末 端 特 蜡 的 “连接 三 糖 ?结合 到 丝氨酸 上 ,氨基 葡 多 糖 的 其 余部 分 主要 是 由 重复 双 糖 (包括 表 12-3 HAA AB 两 个 单 糖 ) 组 成 。 ° 682。 的 负电 荷 , 吸引 了 有 次 透 活性 的 阳离子 而 显著 增强 了 这 种 形成 亲 水 胶 的 倾向 。 ARWR 糖 的 这 种 吸水 特性 在 细胞 外 基质 中 产生 抗 压 缩 力 的 肛 胀 压 或 脱 压 《与 抗 这 张 力 的 胶原 纤 丝 相反 )。 因为 氨基 葡 育 糖 链 的 多 孔 性 和 水 合 结 典型 的 蛋白 育 糖 构 , 它 们 人 多 许 水 溶性 分 子 迅速 扩散 、 允 许 细 Ss 胞 迁移 和 人 允许 各 种 细胞 过 程 的 进行 。 在 结 缔 组 织 中 。 即 使 氨基 葡 多 糖 所 占 重复 还 不 es 到 纤维 蛋白 (胶原 和 弹性 蛋白 ) 的 10%» nm 们 还 是 有 效 地 充满 了 细胞 外 空隙 。 Sap AIIM INMOUEFEDAB, Beem orice ae, BRB Ce BE aR As MA HOSE BC 有 着 特殊 的 功能 。 在 这 些 组 织 中 不 仅 产生 大 量 透 明 质 酸 ， 而 且 透 明 质 酸 被 透明 质 栈 酶 的 降解 也 与 细胞 迁移 的 停止 有 联系 。 在 各 种 不 同 组 织 中 已 经 被 证 实 的 这 种 相互 关 SM rs 系 提示 透明 质 酸 产生 的 局 部 增加 ， 会 因 其 gs ) 球 蛋白 〈 分 子 量 50 ,000) ae 8 i ( 全 二 oka 典型 的 糖 蛋白 4 核糖 核酸 酶 B > 全 一 一 一 多 肽 链 短 的 分 枝 的 A EO i WY 图 12-57 ”由 许多 氨基 区 多 糖 链 共 价 连结 到 核心 蛋白 而 组 成 inne erga 的 典型 蛋白 多 糖分 子 的 示意 图 。 在 同一 蛋白 多 糖分 子 中 常常 发 现 不 止 一 种 类 型 的 氨基 葡 多 糖 链 。 图 下 方 为 以 同样 比例 画 ”图 12-58 各 种 蛋白 质 、 糖 原 颗 粒 和 约 8X 104 道 出 的 典型 的 糖 蛋 白 分 子 ( 胰 胜 的 核糖 核酸 酶 B ) 以 作 比较 。 尔 顿 透明 质 酸 的 亲 水 分 子 所 占 的 相对 体积 。 吸水 了 使 基质 膨胀 ， 这 可 能 是 形态 发 生 和 愈 伤 过 程 中 有 利于 细胞 迁移 的 一 种 普遍 的 办 法 。 氨基 葡 聚 音 铸 在 细胞 外 基质 中 可 能 是 高 度 有 组 织 的 假如 蛋白 聚 糖分 子 有 结构 异 源 性 ， 则 其 功能 看 来 绝 不 可 能 仅 局 限于 为 细胞 周围 和 细 胞 之 间 提 供水 合 空间 。 可 能 的 情况 是 ,例如 ,它们 能 形成 大 小 不 同 孔径 和 不 同 电荷 密度 的 凝 胶 , 因 此 执行 着 筛子 的 功能 ,根据 分 子 和 细胞 的 大 小 和 (或 ) 电 荷 来 调节 它们 的 通行 。 有 ”683。 些 证 据 指出 ， 在 肾 小 球 基 板 中 就 有 这 种 功能 。 FDR MMP BAR POL 面 )。 这 种 功能 要 求 氨基 葡 聚 糖 链 在 基质 中 有 高 度 的 组 织 。 Lae ee <1tum—»> HASH REHEE ZAM “ay \\ [ Y NA % 4 12-59 软骨 中 巨大 蛋白 多 糖 聚 集体 的 示意 图 。 约 100 个 蛋白 多 糖 的 单 体 (每 一 单 体 如 图 12-57 所 示 ) 通 过 两 个 专 一 的 连接 蛋白 以 非 共 价 链 结合 到 单一 的 透明 质 酸 链 上 。 这 样 一 个 复合 物 的 分 子 量 可 能 有 10 ”或 更 大 ?其 体积 相当 于 一 个 细菌 所 占 的 体积 。 事实 上 ，, 氨基 葡 聚 糖 和 蛋白 聚 糖 在 细胞 外 的 组 构 状 况 大 部 分 是 未 知 的 。 其 中 一 些 分 子 能 以 特殊 方式 彼此 结合 ,也 可 以 结合 到 基质 的 其 它 大 分 子 成 分 如 胶原 、 弹 性 蛋白 和 纤维 蛋白 上 。 如 果 这 些 相互 作用 在 有 序 基 质 中 不 重要 , 那 倒 是 令 人 惊奇 的 。 举 例 来 说 ,已 发 现 某 些 蛋白 聚 糖 存在 于 大 的 聚集 物 中 ， 它 们 是 通过 核心 蛋白 以 非 共 价 键 结合 到 透明 质 酸 分 子 上 。 在 一 些 例 子 中 ,多 至 100 个 蛋白 聚 糖 单 体 结合 到 一 条 透明 质 酸 链 上 ,形成 一 种 分 子 量 为 10 或 更 大 的 巨型 复合 物 ,所 占据 的 体积 相当 于 一 个 细菌 (图 12-59 和 12-60), 在 一 些 情 况 下 ,组 织 中 蛋白 聚 糖 的 有 序 过 程 可 以 用 电子 显微镜 看 到 ,因为 氨基 葡 到 糖 链 选择 性 地 与 某 些 电子 密度 高 的 重金 属 结合 。 用 这 种 方法 观察 大 鼠 尾 部 肌 妥 中 的 蛋白 多 糖 时 ,它们 看 来 像 排 列 在 胶原 纤 丝 之 间 和 穿 过 胶原 纤 丝 的 线 状 结构 。 显 然 它们 以 67 am 的 间隔 与 胶原 纤 丝 交 叉 , 与 胶原 纤 丝 固有 的 带 纹 的 周期 性 相同 (图 12-61), ARMAS 的 这 种 规则 的 带 纹 看 来 广 布 于 细胞 外 基质 中 。 假 如 知道 胶原 分 子 和 蛋白 聚 糖 两 者 的 多 样 性 , 那 末 它 们 一 定 会 形成 种 种 不 同 的 三 维 结构 。 ” 虽然 蛋 日 聚 糖 链 不 能 像 许 多 多 肽 链 那样 折 曲 成 球状 结构 ， 但 某 些 却 能 自发 地 组 装 成 高 度 有 序 的 螺旋 状 或 带 状 结构 。 例 如 在 高 等 植物 中 ， 纤 维 素 〈 多 聚 葡萄 糖 ) 链 被 紧密 地 包装 成 带 状 晶 格 阵列 形成 细胞 壁 的 微 纤 丝 组 分 (图 12-62)。 此 外 , 已 发 现 两 种 不 辣 的 多 糖 链 彼此 能 特异 地 联接 起 来 ， 形 成 具有 规则 螺旋 结构 的 特定 聚集 体 〈 图 12-63)e 。684。 图 12-60 BERANERSHMREANERRRH. 聚集 体 的 类 型 与 图 12-59 示意 图 所 示 的 一 样 。 标 本 经 白金 投影 。(Lawrence Rosenberg Ji) 氨基 葡 聚 糖 本 身 在 固态 时 可 以 采取 各 种 各 样 的 螺旋 构象 ; 但 也 可 以 在 基质 中 存在 如 图 12-63 所 示 的 那 种 直接 的 多 糖 -多 糖 相 互 作 用 的 形式 。 若 细胞 外 基质 有 多 种 多 样 的 结构 和 功能 ， 看 来 可 以 假定 蛋白 聚 糖分 子 像 它们 的 化 学 性 质 一 样 能 有 各 式 各 样 的 结构 构象 。 如 果真 是 这 样 的 话 , 我 们 要 着 手 了 解 它们 是 非常 困 难 的 。 粘连 蛋白 是 促进 细胞 粘连 的 细胞 外 基质 糖 蛋白 “ 细胞 外 基质 的 非 胶 原 糖 蛋白 在 最 近 才 受到 重视 。 但 关于 粘连 蛋白 现 已 知道 得 很 多 了 ， 它 是 一 种 形成 纤维 的 糖 蛋白 (碳水 化 合 物 约 占 重量 的 5% ) 由 两 个 二 硫 键 连接 的 亚 基 组 成 ,每 条 亚 基 的 分 子 量 是 220 000 道 尔 顿 ( 图 12-64)。 粘 连 蛋白 在 细胞 外 空 阶 中 以 大 的 聚集 体形 式 存 在 。 大 多 数 蛋白 质 并 不 直接 与 细胞 相 结合 , 然而 其 中 一 些 结合 到 培养 情况 下 生长 的 成 纤维 细胞 和 其 它 细胞 的 表面 。 在 血液 和 其 它 体 流 中 相当 大 量 地 发 现 了 一 种 密 切 相 关 的 蛋白 质 , 称 作 冷 不 溶 球 蛋白 (cold insoluble globulin), 在 发 现 了 来 自 肿瘤 细胞 的 成 纤维 细胞 (肿瘤 “转化 的 ”成 纤维 细胞 ) 表 面 所 存在 的 粘连 蛋白 比 正 第 成 纤维 细胞 表面 的 在 量 上 要 少 得 多 时 ,粘连 蛋白 首次 引起 人 们 的 注意 。 通 党 ， 所 观察 到 的 细胞 表面 粘连 蛋白 的 减少 与 转化 细胞 重新 注射 到 动物 以 后 的 致癌 、 侵 调 组织 和 扩散 (广泛 扩展 ) 能 力 之 间 有 很 好 的 相互 关系 。 培养 的 转化 细胞 与 正常 细胞 的 行为 不 同 : 它们 很 少 粘连 在 基质 上 ， 不 能 展 平 并 发 育 出 有 组 织 的 细胞 内 称 作 压 力 纤 维 的 肌 动 蛋白 丝 束 ( 见 565 页 )， 并 且 它 们 能 达到 的 密度 比 正常 细胞 高 得 多 ( 见 600 页 )。 假 如 把 大 量 的 粘连 蛋白 加 到 本 身 只 能 产生 相当 少量 粘连 蛋 白 的 培养 转化 细胞 中 ， 细 胞 即 迅 速 粘 连 、 展 平 并 产生 非常 有 组 织 的 细胞 内 肌 动 蛋白 丝 东 *。683。 . . SRRAER = B -1,4 葡 萄 糖 多 聚 体 一 二 Fe fe 2 : 微 纤 丝 与 其 他 多 精 RICZ 图 12-61 大 鼠 尾 巴 肌 胖 纵 切 的 电镜 照片 。 用 含 铜 和 蛋白 质 分 子 交 联 形 S28ZZ7 的 染料 染色 以 便 观 察 蛋 白 多 糖分 子 。 蛋 白 多 糖分 子 成 高 等 植物 的 细胞 壁 大 以 细 丝 网 络 围绕 着 胶原 纤 丝 ?未 见 蛋白 多 糖 丝 越过 胶原 纤 丝 ( 纤 丝 的 宽度 是 以 双 箭头 a 标 出 ); 推 测 切 ， 面 是 通过 纤 丝 的 内 部 。 蛋 白 多 糖 丝 以 约 67nm 的 间 : 隔 越 过 胶原 纤 丝 (如 箭头 b 所 示 ),* 这 正 是 胶原 带 固 图 12-62 “高 等 植物 细胞 壁 中 纤维 素 分 子 | 有 的 重复 距离 。 这 一 事实 提示 蛋白 多 糖 和 胶原 分 子 组 构 的 示意 图 。 尽管 图 中 没有 表示 ， 但 : 之 间 有 特殊 的 相互 关系 。 (Jj. E- Scott Biochem. 实际 上 纤维 素 微 纤 丝 在 细胞 壁 中 与 其 他 J. 187:887—891,1980) 一 些 多 糖 和 和 蛋白 质 分 子 交 联 。 人 人 大 机关 的 多 术 cd 一 AGE ‘ 过 ZEB ELA 中 双 螺 旋 的 多 祷 \ Rm fA BIB a aie a aries 多 可 有 12-63 ” 示 某 些 有 序 的 构象 ;: 可 以 假设 有 两 种 不 同 的 多 肽 链 A 和 了 B 可 以 形成 凝 胶 。 由 于 这 上 毕 分 子 之 间 的 相互 作用 被 限制 在 链 的 某 些 区 域 (所 谓 联结 区 )* 而 不 能 沿 着 整个 分 子 扩展 ,每 一 链 可 与 一 个 以 上 的 分 子 结合 ?因而 形成 凝 胶 网 。 形 成 多 糖 凝 胶 的 例子 是 ( 深 类 的 ) 琼 脂 和 (高 等 植物 的 ) 果 胶 。 * 686。 (A 12-65), 虽然 看 上 去 它们 像 正常 成 纤维 细胞 ,但 它们 仍 能 生长 到 不 正常 的 高 密度 。 这 提示 粘连 蛋白 促进 细胞 粘连 , 但 并 不 直接 影响 对 细胞 增殖 的 控制 。 现在 已 经 证 明 纯 化 的 粘连 蛋白 能 促进 各 类 细胞 粘连 到 其 他 细胞 以 及 胶原 和 别 的 基质 上 。 自 从 发 现 了 发 育 过 程 中 在 细胞 迁移 区 域 有 高 浓度 的 粘连 蛋白 以 来 ， 这 种 糖 蛋 白 被 认为 在 体内 通过 影响 细胞 粘 连 来 影响 细胞 的 迁移 。 基 膜 是 含有 单一 类 型 胶原 的 特 化 细胞 外 基质 ” 基 膜 是 一 薄 层 特 化 的 细胞 外 基质 ;它们 可 见 在 所 有 上 皮 细 胞 层 或 管 的 下 面 , 它 们 也 围 在 单个 肌肉 细胞 、 脂 肪 细胞 和 施 旺 氏 细胞 ( 包 在 外 周 神 经 纤维 外 形成 爸 鞘 ) 的 外 面 。 因此 基 膜 把 这 些 细胞 和 细胞 层 与 其 下 或 其 外 的 evexszan 结缔 组 织 分 离开 来 。 在 其 他 部 位 ,如 肾 小 成 纤维 细胞 球 和 肺泡 , 基 膜 隔 在 两 层 细 胞 之 间 ,它们 起 着 高 选择 性 滤 膜 的 功能 (图 12-66)。 然 而 越 来 越 多 的 证 据 表 明基 膜 所 起 的 作用 远 不 止 简单 的 结构 和 过 滤 。 它 们 看 来 能 诱导 细 胞 分 化 ,影响 细胞 代谢 ,组 织 相 邻 质 膜 的 蛋 白质 ， 并 且 为 细胞 的 证 移 提 供 特 殊 的 ， 公 不 能 制造 粘连 蛋白 的 转化 成 纤维 细胞 2 肌 动 蛋白 丝 束 ， 图 12-64 ”经 铀 投影 的 粘连 蛋白 分 子 的 图 12-65 图解 说明 将 粘连 蛋白 (fibroneetin) 加 到 电镜 照片 。 每 一 分 子 由 两 个 完全 相同 的 已 转化 的 成 纤维 细胞 (不 能 产生 粘连 蛋白 ) 中 去 时 ， 纤维 单 体 以 其 一 端 连接 而 成 。( 引 上 自 如 何 诱导 它们 展 平 、 装 配 成 组 构 良 好 的 细胞 内 肌 动 J. Engel et al., J. Mol. Biol. 150: 蛋白 丝 束 。 现在 这 些 细胞 的 形态 与 能 制造 它们 本 97—120, 1981) 身 的 粘连 蛋白 的 正常 成 纤维 细胞 相似 。 路 。 基 膜 是 由 其 上 的 细胞 合成 的 (图 12-67 和 12-68)。 显 然 不 同 组 织 甚至 同一 基 膜 的 不 同 区 域 的 精确 成 分 于 变 万 化 ， 但 所 有 基 膜 的 主要 成 分 都 是 IV 型 胶原 。 IV 型 胶原 的 前 * 687 « a 链 具 有 超 长 的 伸展 多 肽 而 与 一 般 的 不 同 , 可 能 是 在 分 刻 后 没有 断裂 ;因而 这 些 溶胶 原 分 子 不 能 形成 典型 的 胶原 原 纤维 , 尽管 它们 确实 也 共 价 地 相互 交 联 着 。 除 基 膜 的 重要 成 分 蛋白 聚 糖 和 粘连 蛋白 外 ， 大 的 糖 蛋白 基 膜 蛋白 已 经 被 认为 是 迄今 所 研究 过 的 所 有 基 膜 的 主要 成 分 。 它 至 少 是 由 两 条 以 二 硫 键 相 互 结 合 的 亚 基 〈《220 000 和 440 000 道 尔 顿 ) 组 成 (图 12-69)。 基 膜 无 疑 含有 许多 其 他 有 待 鉴 定 的 蛋白 质 。 虽然 有 证 据 表明 基 膜 蛋白 和 有 蛋 白 聚 糖分 子 集中 于 基 膜 的 内 外 表面 ， 胶 原 分 子 夹 在 其 中 ， 但 基 膜 的 详细 分 子 组 构 仍 不 清 FE0 ir ade ysis ns. i= reagan tvs = H12-66 基 膜 ( 黑 线 ) 的 三 种 不 同 分 布 解 : 1267 WRRRIMM EAA. HE 包 国 细胞 (如 肌 府 细胞 ): 衬 在 上 皮 细 胞 层 皮 细 胞 〈E) 已 被 去 除 以 暴露 地 毯 样 的 基 膜 的 上 表面 下 和 插 在 两 层 细胞 之 间 〈 如 肾 小 球 ) 的 。 (BL)。 注 意 胶原 纤 丝 的 网 络 (C) SERN FARM 注意 肾 小 球 的 两 层 细胞 中 有 间隙 ?因此 基 互 作用 。 组 成 基 膜 的 大 分 子 由 位 于 其 上 的 上 皮 细 胞 合 膜 作为 决定 哪些 分 子 将 从 血液 排 人 尿 中 的 Mo (Robert Trelstad 赠 ) 通 透 屏障 。 营 膜 执行 着 多 种 多 样 的 复杂 功能 已 经 发 现 基 膜 所 执行 的 功能 的 多 样 性 是 惊人 的 。 在 肾 小 球 中 基 膜 起 半 透 性 的 滤 膜 的 作用 ,调节 血 波 中 的 大 分 子 进入 正在 形成 的 尿 中 。 蛋 白 聚 糖 对 于 这 一 功能 看 来 是 重要 的 ， 因为 如 用 专 一 的 酶 除去 蛋白 聚 糖 , 那么 基 膜 的 过 滤 特 人 性 就 被 破坏 。 基 膜 也 可 起 选择 性 的 细胞 屏障 的 作用 : 例如 ， 上 皮 细 胞 下 的 基 膜 阻止 其 下 结缔 组 织 中 的 成 纤维 细胞 与 上 皮 细 胞 接触 ,但 并 不 阻止 巨 吻 细 胞 淋巴 细胞 或 神经 突起 通过 这 一 层 基 膜 。 很 可 能 基 膜 在 受 损伤 的 组 织 再 生 中 起 重要 作用 。 当 组 织 如 肌肉 神经 和 表皮 受 损伤 ， 时 , 基 膜 存活 并 提供 了 一 种 可 以 让 再 生 细 胞 沿 着 它 迁 移 的 脚 手 困 。 以 这 种 方式 原先 的 组 ， 织 结构 迅速 地 重建 。 基 膜 在 再 生 中 起 作用 的 最 突出 例子 来 自 对 神经 - 肌 接 点 方面 的 研究 ， 在 接点 处 神经 细胞 与 骨骼 肌 细 胞 表面 产生 突 触 联系 。 基 膜 围 着 整个 肌肉 细胞 ,但 在 神经 - 肌 接 点 处 基 膜 有 特殊 的 性 质 。 例如 ，, 在 这 一 区 域 可 能 产生 能 与 其 专 一 结合 的 抗体 。 电 镜 显示 , 那 种 不 整齐 的 和 不 显著 的 神经 - 肌 接 点 处 的 ， * 688 « Pek. 这 Spas : ee ee ¥. aren aS Pg Br oy tar 8 党 wal 4 HE 3 nd er 机 M1263 ORAM LEMIRE MER 图 12 69 AMAEMERROD Ee Be 面 的 电镜 照片 。 (Robert Trelstad 赠 ) 片 。 每 一 个 分 子 至 少 由 两 种 不 同 的 多 肽 链 组 成 ， 有 一 个 长 车 和 三 个 短 蔷 的 不 对 称 的 十 字 交 叉 形 RK, (IB Jj. Engel et al., J. Mol. Biol. 150:97—120,1981) \ BO pm 图 12-709 在 三 个 培养 的 大 鼠 成 纤维 细胞 中 细胞 外 粘连 蛋白 丝 (A) 和 细胞 内 肌 动 蛋白 丝 束 (B) 的 免疫 荧光 照 户 。 用 荧光 素 偶 联 的 抗 粘连 蛋白 抗体 显示 粘连 蛋白 ， 用 若 丹 明 偶 联 的 抗 肌 动 蛋白 抗 体 显 示 肌 动 蛋白 。( 引 自 R. O. Hynes and A. T. Destree, Cell 15:875—886, 1978) 特 化 基 膜 都 是 协调 突 触 两 侧 各 成 分 空间 结构 的 关键 部 分 ， 在 突 触 处 神经 把 它 的 冲动 传递 给 肌肉 。 有 关 罕 触 构 造 中 基 膜 的 这 种 中 心 作用 的 证 据 将 在 第 十 八 章 详 细 讨论 。 这 一 经 过 充分 研究 的 有 关 基 膜 特 性 的 例子 告诉 我 们 ,对 于 这 些 结构 还 有 许多 东西 有 待 我 们 去 了 解 。 也 提示 细胞 外 基质 中 的 特殊 成 分 (至 今 未 确定 ) 可 能 在 细胞 识别 过 程 ， 包 括 胚 胎 发 育 中 的 * 689 细胞 识别 过 程 中 起 关键 的 作用 。 细胞 内 肌 动 蛋白 丝 束 指导 细胞 表面 基质 大 分 子 的 组 构 从 而 组 构 细胞 外 基质 ” 粘连 蛋白 、 胶 原 、 和 蛋白 聚 糖 和 透明 质 酸 分 子 以 及 存在 于 细胞 外 基质 中 的 物质 全 都 能 与 细胞 表面 相连 。 不 清楚 的 是 这 些 分 子 是 如 何 附 着 于 质 膜 外 部 的 ,而且 与 质 膜 相 连 的 组 分 到 什么 地 方 为 止 ， 细 胞 外 基质 从 哪里 开始 的 问题 在 很 大 程度 上 是 一 个 语义 学 问 ”细胞 中 中 的 细胞 骨架 的 方向 使 邻近 分 泌 出 的 细胞 外 基质 分 子 定 向 装配 已 定向 的 鳃 胞 外 基质 抵达 细胞 QnOHK K+ AMA RE 现在 细胞 @ 和 图 在 它们 附近 又 分 当 定向 的 基质 ， 以 这 种 方式 有 序 的 细胞 骨 架 传播 到 细胞 四 和 加 图 12-71 细胞 外 基质 在 组 织 内 如 何 将 条 理 性 在 细胞 之 间 传 播 假设 图 解 。 为 了 简化 > 本 图 只 表示 了 一 个 细胞 影响 其 邻近 细胞 的 定向 ， 以 这 种 方式 细 胞 可 以 相互 影响 彼此 的 方向 。 题 。 例 如 ， 细 胞 的 糖 荔 就 包含 着 这 两 部 分 的 成 分 。 ‘ 当 用 荧光 抗体 来 观察 培养 的 成 纤维 细胞 表面 的 粘连 蛋白 时 ， 可 以 发 现 粘连 蛋白 以 明显 的 纤 丝 阵列 集中 分 布 于 邻近 细胞 之 间 和 细胞 与 基底 之 间 (图 12-70 A)。 假设 细胞 经 能 分 解 内 部 的 肌 动 蛋 白 丝 束 的 细胞 松弛 素 处 理 ， 则 粘连 蛋白 的 纤 丝 与 细胞 表面 分 离 〈 正 像 它 们 在 有 丝 分 裂 过 程 中 细胞 变 圆 时 所 表现 的 那样 )。 看 来 在 细胞 外 粘连 蛋白 和 细胞 内 肌 动 蛋白 丝 之 间 存在 某 些 间接 的 联系 。 因此 细胞 分 沁 的 粘连 蛋白 束 的 走向 与 内 部 的 肌 动 蛋白 丝 束 的 走向 一 致 ， 两 组 纤维 都 是 沿 着 细 胞 的 长 轴 定 向 (图 12-70 B)， 这 --- 点 是 不 足 为 奇 的 。 对 新 合成 的 胶原 分 子 在 培养 的 成 纤维 细胞 表 面 上 的 分 布 也 作 了 类 似 的 观察 ， 它 们 可 能 通过 相 互 作用 与 粘连 蛋白 相连 接 。 所 以 很 清楚 , 细胞 内 高 度 有 序 可 以 通过 细胞 分 泌 的 大 分 子 的 定向 而 伟 递 到 细胞 外 基质 中 去 。 以 相辅相成 的 方式 ， 有 序 的 细胞 外 基质 影响 着 基 质 中 细胞 的 结构 和 行为 ” 细胞 外 基质 的 大 分 子 对 培养 细胞 的 行为 有 极 明显 的 作用 ， 影 响 其 形状 运动 \ 代 谢 和 分 化 。 例 如 ， 角 膜 上 皮 细 胞 培养 在 人 为 的 表面 上 时 产生 非 常 少 的 胶原 或 蛋白 聚 糖 ; 当 单 养 在 基 膜 胶原 或 蛋 白 聚 糖 上 时 ， 它 们 却 积累 和 分 刻 大 量 的 这 种 基质 大 分 子 。 此 外 , 培养 在 人 为 表面 上 时 上 皮 细 胞 基 MAHAN, AA AER EASA ee 是 无 组 织 的 。 当 同样 的 细胞 培养 在 基 膜 或 基质 大 分 子 上 时 ， 其 基部 表面 是 光 消 的 ， 其 上 履 的 骨 哥 像 它 们 在 完整 组 织 中 一 样 是 高 度 有 序 的 。 同样 ,如 果 把 转化 细胞 培养 在 有 组 构 的 粘连 蛋白 的 纤 丝 上 ,粘连 蛋白 诱导 它们 展 平 并 在 细胞 内 装配 肌 动 蛋白 纤 丝 束 ， 后 者 是 与 细胞 外 粘连 蛋白 排 齐 的 。 联 系 细胞 内 肌 动 蛋白 s。 690。 22 FR FY LB Oe IT Sy BA EE FARA ED CULE), Ara eS a Ab 粘连 蛋白 与 细胞 内 肌 动 蛋 百 丝 的 通讯 是 穿 过 成 纤维 细胞 质 膜 双向 进行 的 。 由 于 细胞 的 细胞 骨架 可 以 整理 其 所 分 泌 的 基质 大 分 子 ， 基 质 大 分 子 又 反 过 来 组 织 与 它们 接触 的 细 跑 的 细胞 骨架 ， 因 而 在 原则 上 细胞 外 基质 能 够 把 一 个 细胞 的 条 理性 传播 到 另 一 细胞 〈 图 12-71)。 用 这 种 方法 ,在 发 育 过 程 中 基质 能 对 组 织 和 天 官 中 细胞 的 格局 的 产生 和 维持 起 主要 作用 。 与 细胞 表面 相 联结 的 基质 大 分 子 在 这 种 整顿 过 程 中 既 作为 环节 又 作为 接头 , 介 导 着 细胞 和 细胞 外 围 的 基质 之 闻 的 相互 作用 。 小 结 组 织 中 所 有 的 细胞 都 与 错综复杂 的 细胞 外 基质 接触 。 基质 不 仅 将 细胞 结合 成 组 织 ， 将 组 织 结 合成 器 官 ,而且 也 影响 与 它 相 接触 的 细胞 发 育 \ 极 性 和 行为 。 已 知 基 质 含 有 三 种 主要 的 形成 纤维 的 和 蛋白质 一 一 胶原 、 人 弹性 蛋白 和 粘连 蛋白 一 一 交错 编织 在 由 氛 基 葡 聚 糖 链 的 网 格 形成 的 水 合 凝 胶 中 。 所 有 这 些 大 分 子 是 由 与 基质 接触 的 细胞 局 部 分 汶 的 。 胶原 是 三 股 索 状 的 螺旋 分 子 , 它 们 在 细胞 外 空隙 聚集 成 长 的 电费 状 原 纤维 或 薄片 ;并 进一步 装配 成 各 种 各 样 高 度 有 序 的 阵列 。 弹性 蛋白 形成 广泛 交 联 的 纤维 和 薄片 网 ,使 它 们 能 伸展 和 卷 缩 , 将 弹性 传递 给 基质 。 粘连 蛋白 分 子 形成 促进 细胞 粘连 的 纤维 。 氛 基 葡 聚 糖 是 不 均一 的 长 的 带 负电 荷 的 多 糖 链 ， 它 们 〔〈 除 透明 质 酸 外 ) 共 价 地 连接 到 蛋白 质 上 形成 巨大 的 蛋白 聚 糖分 子 。 所 有 这 些 基质 蛋白 和 多 糖 被 认为 是 相互 作用 的 并 装配 成 种 种 不 同 的 三 维 结构 , 这 种 结构 的 条 理性 部 分 取决 于 分 湾 基 质 的 细胞 。 由 于 基质 的 定向 反 过 来 也 影响 基质 内 细胞 的 定向 ， 所 以 条 理性 好 像 是 通过 基质 从 一 个 细胞 传递 到 另 一 个 细 胞 。 [ 刘 RE A AKI © 691» 抑 生长 素 的 原子 模型 ,一 种 具有 14 个 氨基 酸 的 多 肽 激素。 图 示 该 多 肽 被 其 专 一 细胞 表面 受 体 设 ANAK. (Ralph F. Hirschmann 赠 ) ©6926 uy eT Terre oe ae Gee ait 第 十 三 章 细胞 之 问 的 化 学 信号 发 放 多 细胞 有 机 体 的 进化 是 依赖 于 它们 细胞 之 间 的 通讯 能 力 。 这 种 通讯 对 调节 其 发 育 和 形成 组 织 , 控 制 生长 和 分 裂 ,以 及 协调 其 不 同 活动 都 是 必要 的 。 高 等 动物 细胞 间 通 讯 的 重 要 意义 和 复杂 性 表明 ,这 些 有 机 体 的 大 部 分 基因 可 能 都 涉及 到 此 类 活动 过 程 。 人 们 认为 ,细胞 通讯 通过 三 种 途径 : 〈1) 分 泌 化 学 物质 , 向 有 一 定 距 离 的 细胞 发 送信 号 ; (2) 将 质 膜 结 合 的 信号 发 放 分 子 外 露 ， 作 用 于 同 它 的 直接 接触 细胞 ; 3) 形成 间隙 连 接 , 使 相互 作用 的 细胞 的 细胞 质 直 接 沟通 (图 13-1), 第 十 二 章 中 已 讨论 了 依赖 于 间隙 连接 的 细胞 间 通 讯 。 但 是 对 借助 细胞 外 表面 所 结合 的 分 子 之 间 的 直接 胡 互 作用 ,进行 细胞 间 通 讯 ， 还 了 解 甚 少 。 理 论 上 讲 , 这 种 通讯 方式 与 人 靠 分 刻 化 学 信号 发 放 的 差别 ， 仅 在 于 前 者 的 信号 发 放 分 子 是 结合 在 细胞 膜 上 。 由 于 结合 在 细胞 膜 上 的 分 子 很 难 溶解 和 纯化 ,所 以 研究 它们 的 作用 机 制 就 成 为 棘手 的 问题 。 因 此 ， 至 今 还 未 能 获得 有 关 这 种 通讯 方式 的 确切 证 据 ， 也 就 不 足 为 怪 了 。 倘 若 我 们 观察 到 某 一 细胞 对 其 邻近 的 细胞 有 作用 ,又 怎样 来 肯定 信号 是 由 细胞 表面 分 子 传递 ,而 不 是 通过 间 阶 通过 分 泌 化 学 物质 间接 发 放 信和 号 通过 质 膜 结合 分 子 直接 发 放 信号 f | 通过 间隙 连接 直接 发 放 信和 号 13-1 细胞 闻 互 相通 讯 的 三 种 不 同方 式 的 示意 图 连接 或 所 分 沁 的 小 范围 的 化 学 介 导 因子 ? 本 章 将 主要 讨论 间接 通讯 一 一 那些 通过 分 这 化 学 信号 来 介 导 的 一 一 的 机 制 。 幸 运 的 是 研究 这 些 分 记分 子 远 较 研 究 那 些 膜 结合 分 子 为 方便 ， 而 且 我 们 已 经 了 解 不 少 有 关 它 们 的 作用 情况 。 * 693 » 三 种 不 同 的 化 学 信号 发 放 策略 : 局 部 的 化 学 介 导 因子 .激素 和 神经 递 质 化 学 信号 发 放 有 三 种 不 同方 式 :”(1) 体内 大 部 分 细胞 分 刻 一 种 或 多 种 具有 局 部 化 学 介 导 因子 功能 的 化 学 信号 ， 因 为 它们 很 快 被 吸收 或 破坏 ,= 故 只 能 对 邻近 的 细胞 起 作用 ; (2) 特异 的 内 分 刻 细 胞 分 泌 激 素 , 随 着 血 流 影响 到 遍及 身体 各 部 的 靶 细 胞 ; (3) 神经 细 胞 与 其 靶 细 胞 之 间 形 成 特殊 的 连接 (化 学 突 触 )， 分 这 一 些 仅 能 在 非常 近 的 范围 内 起 作用 的 化 学 介 导 因子 ( 称 作 神 经 递 质 ) 只 作用 于 毗邻 的 靶 细 胞 (图 13-2)。 局 部 的 化 学 介 导 因子 这 CR ep 多 4 Pete ft Fea ~ 一 | Ea (one! 激素 垂体 柄 中 的 血管 Sd Ws (内 分 小 ) 细 胞 er yes] RR 神经 细胞 靶 细 胞 图 13-2 三 种 不 同类 型 的 细 图 13-3 ”通过 神经 系统 调控 甲状 腺 激素 分 刻 的 间接 发 放 方 式 的 胞 外 信号 发 放 分 子 示意 图 。 当 大 脑 较 高 中 枢 刺 激 下 丘脑 的 专 一 神经 分 刻 细 胞 时 ， 使 它们 分 刻 TSH 释放 激素 于 垂体 柄 的 血管 中 ,TSH 释 放 激素 通过 脑 垂 体 中 的 专 一 细胞 刺激 TSH 〈 促 甲状 腺 激素 ) 的 释放 。 接 着 ， TSH 又 刺激 甲状 腺 细胞 合成 和 分 记 甲 状 腺 激素 。 甲 状 腺 激素 促 进 身体 中 大 部 分 细胞 代谢 过 程 的 变化 。 本 图 未 说 明 血 液 中 甲状 腺 激素 浓度 增加 将 抑制 TSH 释放 激素 和 TSH 的 分 泌 。 这 种 反馈 抑制 作用 防止 了 血 甲 状 腺 激素 的 过 分 增多 。 ”694。 表 13-1 一 些 信号 发 放 分 子 局 部 化 学 介 导 因子 起 源 部 位 结 构 主要 作用 受 交 感 神经 支配 的 | 由 118 个 氨基 酸 组 成 两 感觉 和 交感 神经 元 的 蛋白 质 神经 生长 因子 所 有 组 织 条 相同 的 链 生存 和 生长 Na Fk 肥大 细胞 er 特殊 类 型 的 嗜 酸性 白 细 嗜 伊 红 趋 化 性 因 于 ; 胞 的 趋 化 性 信号 —CH,—CH,—NH?} 氨基 酸 衍 生物 组 胺 | 肥大 细胞 N NH \/ si FT KMS 脂肪 酸 衍生 物 多 种 不 同类 型 NE A FURIE, 的 细胞 ba 平滑 肌 的 收缩 betes 7 , 起 源 部 位 结构 主要 作用 氨基 酸 及 有 关 化 | 。 神经 终端 sn SdH cop- 中 枢 神经 系统 的 抑制 合 物 “甘氨酸 性 递 质 中 枢 和 周围 神经 系统 SPH LI 的 兴奋 和 抑制 性 递 质 7- 氨 基 丁 酸 +H,N-—-CH,—CH,—CH,—COO- 中 枢 神 经 系统 的 抑制 (GABA) 性 递 质 神经 肌肉 接头 处 的 兴奋 狂 BA; 中 枢 和 周围 神经 系 adi ot-cn,—cu— eee | 统 的 兴奋 性 和 抑制 性 递 质 乙酰 胆 碱 CH, AGERE EAD Mill AR ee Andt Fk 神经 终端 5 个 氨基 酸 Hos HEB 经 系统 中 的 痛觉 传导) 激素 起 源 部 位 结 “” 构 主要 作用 Bak 胰腺 的 6 细胞 a 链 王 21 个 氨基 酸 葡 糖 ;刺激 蛋白 质 合 成 ; 刺 8 链 一 30 个 氨基 酸 激 脂肪 细胞 中 合成 脂 质 EAR 刺激 肝脏 生成 生长 调节 生长 激素 脑 垂 体 前 叶 191 个 氨基 酸 素 ， 由 它 促进 肌肉 和 骨骼 的 生长 肌肉 和 骨骼 生长 ; 影响 生长 调节 素 肝脏 蛋白 质 ( 多 种 ) Ca?+、 磷 酸 盐 \ 糖 和 脂 质 的 代谢 * 在 这 类 分 子 中 ,有些 并 不 完全 起 到 神经 递 质 的 作用 ， 而 在 神经 系统 中 起 局 部 化 学 介 导 因子 的 作用 。 兴 奋 性 神经 递 质 刺激 突 触 后 细胞 ,而 抑制 性 神经 递 质 可 抑制 突 触 后 细胞 。 © 695。 Re ERRE HX (ACTH) 一 一 FRR SFR SRR ECF SH) es RAE AA (LH) LREKAF 促 甲 状 腺 激素 (TSH) 小 分 子 肽 TSH 释放 因子 激素 LH- 释 放 因子 if MEE 抑 生 长 素 BET ED 肾上腺 素 FR ARR A 脑 垂 体 前 叶 蛋白 质 32 个 氨基 酸 蛋白 质 We 84 个 氨基 本 糖 蛋 白 脑 垂 体 前 叶 a 链 一 92 个 氨基 酸 B 链 一 118 个 氨基 酸 糖 蛋白 脑 垂体 前 叶 & 链 一 92 个 氨基 酸 6 链 一 115 个 氨基 酸 不 清楚 534 AER 糖 蛋 白 脑 垂 体 前 叶 a 链 一 92 个 氨基 酸 8 链 王 112 个 氨基 酸 FE 3 个 氨基 酸 起 源 部 位 结 构 FER 10 个 氨基 酸 脑 垂 体 前 叶 9 个 氨基 酸 FER 14 个 氨基 酸 ‘> irs. B ERR Ho—¢ Y—CH—CH,—N*—H a | CH, I I . Se HO—¢ yS-0o-€ _S-cH,> 7 4 甲状 腺 I I RR 促 肾 上 腺 皮质 产生 皮质 醇 ; 脂肪 细胞 释放 脂肪 酸 增加 骨 的 再 吸收 ?致使 血 Ca+ 和 磷酸 盐 增 加 ; 增加 肾 小 管 对 Cas+ 和 Mg 的 BRK, PRAM AB 的 重 吸收 RU BK OB SS es HS AE TR ASD as 二 醇 ; 刺激 学 丸 中 的 精子 发 生 刺激 卵 母 细胞 成 熟 和 排卵 以 及 卵巢 分 刻 孕 酮 ; 刺激 = TLE mk Sd 刺激 上 皮 细 胞 和 其 它 细 胞 分 裂 刺激 甲状 腺 分 泌 甲 状 腺 素 ; 脂肪 细胞 释放 脂肪 酸 刺激 脑 垂 体 前 叶 分 涂 促 甲状 腺 激素 (TSH) 主要 作用 刺激 垂体 前 叶 分 刻 LH 通过 小 血管 收缩 增加 血 压 ;增加 肾 小 管 对 水 分 的 再 吸收 抑制 脑 垂 体 前 叶 释 放生 长 激素 增加 笛 压 和 忌 率 ; 增 加 肝 往 和 肌肉 的 糖 原 分 解 ; 刺激 脂肪 细胞 释放 脂 肪 酸 增加 大 部 分 细胞 的 代谢 活动 s。 696。 ER CH,OH 影响 蛋白 质 , 糖 和 脂 质 的 mss 代谢 ;抑制 炎症 反应 Cc HO | —OH ve 肾上腺 皮质 ONAN Rime | | | fare 7 VY OH 促进 和 维持 上 唑 性 的 第 二 | 性 征 ;促进 性 腺 附属 器 PY | | | 官 的 成 熟 和 周期 功能 eat Crit Pecan 变化 ;促进 乳腺 管道 系 Cf) ORM aa HO OH (eat A ER PEN 性 征 ; 促 进 附属 性 腺 器 | oa 官 的 成 熟 和 正常 功能 下 SSF 内 分 泌 细 胞 和 神经 细胞 是 一 些 高 度 专 一 化 的 化 学 信号 发 放 细胞 ， 共 同 协调 着 高 等 动 物 亿 万 细胞 的 各 类 活动 。 神 经 细胞 传递 信息 的 速度 远 比 内 分 泌 细胞 快 ， 因 为 它们 不 依赖 于 扩散 或 血 流传 递 信息 ,而 是 借 电 脉冲 携带 信号 ,快速 地 沿 着 神经 突起 传递 。 只 是 在 神经 终端 释放 神经 递 质 时 , 电 脉 冲 才 转 化 为 化 学 信号 ;神经 递 质 只 须 经 过 一 段 极 短 距 离 的 扩散 就 能 抵达 靶 细 胞 ,整个 传递 过 程 历时 不 到 一 毫秒 (图 13-2)。 由 子 激 素 在 血 流 中 被 大 幅度 稀 酸 ,因此 它 必 须 具 备 在 极 低 浓度 情况 下 (通常 <10 “mol/ 工 ) 仍 能 起 作用 的 性 能 ,而 神经 递 质 则 很 少 受到 稀释 , 从 而 在 其 作用 的 靶 细 胞 区 域内 仍 能 保持 着 高 浓度 水 平 。 例 如 ,在 一 企 活路 的 神经 - 肌 连 接点 的 突 触 间隙 中 , 神经 递 质 乙 酰 胆 碱 的 浓度 约 为 X 107 mol/L fe 其 他 方面 ， 激 素 和 神经 递 质 的 化 学 信号 发 放 机 制 基本 胡同 ， 内 分 这 细胞 所 利用 的 一 些 信 号 发 放 分 子 中 ,有 许多 也 是 神经 细胞 (神经 元 ) 所 利用 的 。 下 五 脑 是 内 分 泌 系 统 的 主要 调控 者 ' 不 论 是 在 器 质 方面 或 是 在 功能 方面 ， 内 分 泌 系统 和 神经 系统 都 是 通过 大 脑 的 一 个 特 寞 区 ( 称 作 下 丘脑 ) 联 系 在 一 起 。 下 丘脑 位 在 脑 垂体 的 正 上 方 ， 两 者 凭借 一 根 被 称 作 须 垂 体 柄 的 下 丘脑 延伸 部 连结 在 一 起 。 下 匡 脑 的 这 种 桥梁 作用 又 是 由 一 些 具 有 神经 细胞 特性 和 内 分 泌 细 胞 特性 的 细胞 所 介 导 的 ; 这 些 细胞 具有 传递 电 脉冲 而 将 信号 发 放 分 子 释放 到 血 流 中 的 神经 突起 ， 因 此 称 为 神经 分 泌 细胞 。 下 丘脑 的 每 个 神经 分 这 细胞 受到 较 高 位 的 其 他 脑 神 经 细胞 的 刺激 ， 能 向 脑 垂 体 柄 血管 中 分 泌 一 种 特异 的 肽 激素 ; 随 之 由 此 种 肽 激 素 再 专 一 地 刺激 或 抑制 脑 垂体 分 弯 二 级 激素 。 由 下 丘脑 通过 上 述 方式 调控 的 多 种 脑 垂 体 * 697 « BA, VUMRCAD BR. AMRPSBHRBAR. MU, PEBWEADWAAWER 调控 者 。 图 13-3 以 甲状 腺 激素 的 分 认 调 控 机 制 为 例 , 阐 明了 上 述 的 分 级 活动 表 13-1 有 选择 地 例 举 了 一 些 局 部 化 学 介 导 因子 ,神经 递 质 和 激素 ， 以 及 它们 的 产生 部 位 、 结 构 和 主要 功能 。 其 中 大 部 分 物质 在 本 书 的 其 它 有 关 章 节 中 都 作 了 讨论 。 可 以 看 出 ， 这 些 分 子 的 结构 也 类 似 于 它们 的 功能 ， 具 有 多 样 性 。 所 述 及 的 分 子 包括 一 些小 肽 分 子 . 较 大 的 蛋白 质 和 糖 蛋 白 分 子 、 氮 基 酸 及 其 有 关 的 化 合 物 、 胆 固 醇 衍 生 的 当 体 分 子 和 结 构 极 祖 似 的 分 子 , 以 及 脂肪 酸 衍 生物 。 不 同 的 细胞 对 于 相同 的 化 学 信号 具有 不 同 的 反应 : 细胞 对 细胞 外 特定 信号 发 放 分 子 的 反应 能 力 ， 取 决 于 该 细胞 所 具有 的 能 与 信号 发 放 分 子 结合 的 称 作 受 体 的 专 一 蛋白 质 。 有 不 少 信号 发 放 分 子 在 极 低 的 浓度 条 件 下 (通常 三 10-*mol/ 工 ) 就 起 作用 ,而 其 互补 的 受 体 通 常 以 高 亲和力 (亲和力 常数 K > 10'mol/L) 和 它们 结合 。 成 熟 动 物 的 大 部 分 细胞 已 特 化 为 执 行 一 种 主要 功能 ; 它们 配置 着 特有 的 受 体 ， 使 其 能 对 各 种 不 同 的 化 学 信号 作出 反应 ， 激 发 或 改变 细胞 的 功能 。 大 部 分 的 化 学 信号 是 以 改 受 细胞 已 有 蛋白 质 的 特性 或 合成 速率 ， 或 者 启动 新 蛋白 质 的 合成 而 最 终 影响 靶 细 胞 的 。 在 不 同 的 靶 细 胞 中 同一 种 信 号 分 子 影 响 的 蛋白 质 有 所 不 同 ， 从 而 产生 祖 异 的 效应 。 例 如 ,乙酰 胆 碱 具有 刺激 骨骼 肌 细 胞 收缩 的 作用 ,但 却 降低 心肌 细胞 的 收缩 速 幸 和 力量 。 就 所 肌肉 细胞 例 举 的 这 一 特殊 情况 ， 骨 骼 肌 细胞 的 乙酰 胆 碱 受 体 蛋 白 不 同 于 心肌 细胞 的 乙酰 胆 碱 受 体 蛋 白 。 可 是 , 仅 受 体 的 差别 还 不 能 完全 说 明 这 不 问 题 。 在 许 pier 多 情况 中 ,即使 是 相同 的 信号 发 放 分 子 , 结 合 在 不 oe J ， 同 四 细胞 上 相同 的 受 体 蛋白 之 后 ， 却 产生 了 完全 4p ‘a 人 不 同 的 反应 。 这 表明 靶 细 胞 是 按 两 种 方式 被 编排 ， 分 沙 程序 的 : (1) 它 们 配备 有 一 套 独特 的 受 体 ,以 便 对 图 13-4， 示 意图 表明 一 种 相同 的 信号 发 放 分子 “ 互 补 的 一 套 化 学 信号 反应 ;(2) 它 们 按 自己 独 有 的 如 何在 结合 于 两 种 不 同 臣 细胞 (肌肉 和 分 泌 ) 的 相 Be A 同 受 体 上 之 后 , 引起 不 同 的 反应 。 每 一 种 类 型 的 ”方式 对 各 种 言 号 作出 反应 (图 do PES RHEE st SS 号 作出 反应 。 有 些 细胞 对 化 学 信号 的 反应 是 迅速 而 又 短暂 的 ,有 些 则 是 缓慢 而 持久 的 在 动物 体内 , 当 某 些 化 学 信号 起 着 协调 细胞 的 反应 变化 时 ,它们 通常 所 诱导 的 反应 很 快 而 且 短暂 。 例 如 ， 血 葡萄 糖水 平 的 增加 要 刺激 胰腺 内 分 泌 细 胞 向 血 流 中 分 泌 蛋 白质 激 素 胰 岛 素 。 但 是 由 于 胰岛 素 浓度 的 增加 很 快 又 刺激 了 肝 胜 和 肌肉 吸收 更 多 的 葡萄 糖 ,致使 血 中 葡萄 糖 的 水 平 下 降 。 结 果 ,胰岛 素 的 分 泌 速率 和 肝脏 肌肉 吸收 葡萄 糖 的 速率 ,都 恢复 到 原 有 的 水 平 。 通 过 上 述 方式 ， 血 中 葡萄 糖 的 浓度 保持 着 祖 对 的 恒定 。 由 神经 递 质 诱发 es 698 « IT o— ST STM EU 的 反应 甚至 更 快 : 在 神经 - 肌 连 接点 处 ， 自 神经 终端 释放 的 乙酰 胆 碱 于 几 毫 秒 之 内 就 引 起 骨骼 肌 细胞 收缩 和 随后 的 再 松弛 。 化 学 信号 在 动物 发 育 过程 中 也 起 着 重要 作用 。 它 们 往往 影响 到 某 些 细胞 的 分 化 时 间 和 方式 。 这 些 作用 常常 起 步 慢 并 且 持 久 。 例 如 ， 青 春 期 有 大 量 的 肉 性 当 体 激素 肉 二 醇 自 卵 梨 中 的 细胞 分 沁 。 肉 二 醇 引 起 了 身体 各 部 不 同 细胞 的 变化 ， 最 终 导致 肉 性 第 二 性 征 的 发 育 ， 如 乳房 增 大 。 虽 然 肉 二 醇 停 止 分 泌 ， 这 种 效应 又 会 慢 慢 地 逆转 ， 然 而 在 哺乳 动物 发 育 的 极 早 期 阶 假 ， 有 些 性 仇 体 激素 所 引起 的 反应 则 是 不 可 逆 的 。 同 样 的 情况 ， 由 于 星 时 血液 中 甲状 腺 激素 浓度 增加 到 10 倍 ， 引 起 惹 人 注目 的 不 可 逆 的 变化 , 即 晴 时 变态 为 蛙 《图 13-5). 信号 发 放 分 子 可 以 是 水 溶性 的 或 脂 溶 性 的 所 有 已 知 的 神经 递 质 , 近 乎 所 有 的 激素 ,以 及 局 部 的 化 学 介质 ， 都 是 水 溶性 的 。 重 体 和 甲状 腺 激素 却 是 例外 ,它们 祖 对 地 不 溶 于 水 ， 经 与 专 一 的 载体 蛋白 结合 之 后 , 才 成 为 水 盗 状 态 , 随 血 流 转运 。 由 于 溶解 特性 方面 的 差别 ,致使 两 类 分 子 对 疫 细 胞 的 作用 机 制 存 在 根本 上 的 区 别 。 水 溶性 分 子 是 过 分 亲 水 的 ,以 致 无 法 直接 透 过 靶 细 胞 的 脂 双 层 膜 ,而 是 结 合 于 细胞 表面 的 专 一 受 体 蛋白 上 。 祖 反 , 当 体 和 甲状 腺 激素 为 臣 水 性 分 子 , 一 旦 从 载体 蛋 素 水 性 信号 细胞 表面 受 体 亲 水 性 信号 发 放 分 子 Biz thas giao oe RED F OL ae HY EA 细胞 内 受 体 13-5 妍 时 变态 为 蛙 的 不 同 阶段 。 在 变态 发 生 期 间 ， 所 有 这 些 显著 的 变化 都 是 在 甲状 图 13-6 亲 水 性 和 芷 水 性 信号 发 放 分 子 发 放 信号 机 制 的 区 别 。 不 能 直 连 穿越 质 膜 的 亲 水 性 腺 激素 的 信号 作用 下 产生 的 。 如 果 切 除 发 育 中 胚胎 的 预定 甲状 腺 * 则 胚胎 不 能 变态 ,继续 以 师 昱 形式 生长 。 如 果 将 甲状 腺 激素 注射 到 ABA Bat » ah Bt ES AE 信号 发 放 分 子 与 彼 细 胞 表面 的 受 体 结 合 。 够 通过 扩散 而 穿 透 质 膜 的 芯 水 性 信号 发 放 分 子 与 彼 细 胞 内 的 受 体 结合 。 由 于 蕊 水 性 信号 发 放 分 子 不 溶 于 水 溢 液 ,它们 在 血 流 中 是 靠 载 体 蛋 白 转运 ,在 进入 靶 细 胞 之 前 自 载 体 解 离 。 白 上 释放 ,就 很 容易 穿 透 靶 细 胞 的 质 膜 ,与 细胞 内 的 专 一 受 体 蛋 白 结合 (图 13-6)。 这 两 类 信号 发 放 分 子 的 另 一 重要 差别 表现 在 滞留 于 血 流 或 组 织 流 中 时 间 的 长 短 。 进 。 699。 A Fi PAK ER . REIL BAZAR TR CE A, Ti EL Sh SA SS 8 REA AMARA ALP RILEP HMB. TR, BARRED BAN 是 数 小 时 ,甲状 腺 激素 则 达 几 天 。 因 此 ,水 溶性 的 信号 帮 放 分 子 往 往 激 起 短暂 的 反应 ， 而 非 水 溶性 的 分 子 , 则 倾向 于 引起 较 持 和 久 的 反应 。 局 部 化 学 介 导 因子 分 泌 之 后 很 快 被 破坏 : 不 少 信号 发 放 分 子 被 分 变 到 细胞 外 和 被 中， 只 作用 于 邻近 的 细胞 。 这 些 局 部 化 学 介 导 soidhiicikinubapeanen ie Auk tuee as ene iar wi wedil ce 致使 进入 血 流 中 的 量 一 般 是 微不足道 的 。 有 些 局 部 化 学 介 导 因 子 是 由 特 化 为 专 司 这 种 功能 的 细胞 所 分 泌 。 例 如 ,组 胺 (组 氨 酸 wo A Tem, We 13-1) 主要 是 由 肥大 细 ALPINE EN eae 胞 分 刻 。 这 些 在 全 身 结 缔 组 织 中 普遍 SMA REAVSRAS &- 存在 的 肥大 细胞 ， 将 组 胺 贮存 在 它 的 eh saa AY 大 分 这 小 泡 内 ,在 受到 损伤 \ 局 部 感染 ?| cn-o-?-o-[ 和 某 些 免疫 反应 等 刺激 时 ， 很 快 经 由 | i 细胞 外 排 作 用 而 释放 出 来 。 组 胺 引起 AMG Kk PLB. See | Lf: aD a) 清 蛋 白 ( 诸 如 抗体 和 补体 系统 的 组 分 ， 亚麻 本 〈18 磋 ) 见 第 十 七 章 ) 和 具有 吞噬 能 力 的 白 细 2 胞 能 方便 地 抵达 损伤 部 位 。 肥 大 细胞 | chain § PERO STG A WN A AK, a a ae) cnt 能 诱 引 血 液 中 一 类 叫 嗜 伊 红细胞 的 自 EA: UH RR 〈20 碳 ) 细胞 到 四 肽 释放 处 ; 嗜 伊 红 和 白细胞 具 | seine 有 多 种 酶 ， 这 些 酶 有 助 于 使 肥大 细胞 释放 的 组 织 胺 以 及 其 它 化 学 介 导 因 子 -一 COOH 一 失 活 。 机 FAOER, TALS } 有 些 局 部 化 学 介 导 因子 ， 如 组 织 氧化 | 胺 ,是 由 专 一 化 的 细胞 分 这 ,而 另 有 一 些 化 学 介 导 因子 则 来 源 较 广 。 前 列 腺 ， RS 素 就 是 广 源 局 部 化 学 介 导 因子 的 重要 Let habe 代表 ,它们 是 一 族 由 20 个 碳 组 成 的 脂 肪 酸 衍 生物 。 如 同 其 他 一 些 局 部 化 学 mis-7 “aie tia Meena eancts DAHER abate 环 外 的 两 个 矶 - 左 双 链 。 KBP Ome emem, SDS — BS RE TA ALA a we me 不 断 地 合成 前 列 腺 素 。 坏 。 在 分 属于 9 类 ( 称 作 PGA、PGB、 PGC.…--PGD 的 16 种 以 上 前 列 腺 素 中 , 已 知 有 不 少 是 与 不 同 的 细胞 表面 受 体 相 结合 而 具有 不 同 的 生物 效应 。 前 列 腺 素 与 其 它 大 部 分 信号 发 放 分 子 的 差别 在 于 ， 它 们 不 是 贮存 于 细胞 内 部 ,而 是 连续 不 断 地 释放 到 细胞 外 面 。 由 磷脂 酶 降解 的 膜 磷 脂 产物 是 前 列 腺 夷 的 前 体 , 细 胞 膜 不 断 地 由 之 合成 前 列 腺 素 (A 13-7); 合成 的 前 列 腺 素 又 被 不 断 地 降解 。 。700 。 前 列 腺 素 CPGE2) 可 是 ,在 细胞 由 于 周围 环境 变化 而 活化 时 ， 其 中 有 不 少 使 合成 前 列 腺 素 的 速率 增加 。 局 部 前 列 腺 素 浓度 增加 的 结果 既 影响 合成 前 列 腺 素 的 细胞 本 身 ， 也 影响 邻近 细胞 。 多 种 多 样 的 生物 活动 都 已 归 因 于 前 列 腺 素 的 作用 。 前 列 腺 素 能 引起 平滑 肌 收 缩 、 血 小 板 聚 集 和 炎症 反应 。 例 如 分 娩 时 大 量 产生 的 某 些 前 列 腺 素 ， 看 来 就 是 刺激 子宫 的 平滑 肌 细 胞 收缩 的 重要 因素 。 目 前 这 些 前 列 腺 素 已 广泛 地 用 为 引产 药物 。 阿 司 匹 林 和 有 些 抗 炎症 药物 具有 抑制 前 列 腺 素 合成 的 作用 , 则 是 最 近 重 要 的 发 现 。 并 非 所 有 的 局 部 化 学 介 导 因子 于 分 变 之 后 就 很 快 遭 受 破坏 。 例 如 细胞 外 基质 中 的 胶 原 蛋白 以 及 其 他 大 分 子 , 可 视 为 局 部 化 学 介 导 因子 的 特殊 类 型 ， 由 局 部 的 一 些 细胞 分 这 ， 并 向 其 他 局 部 细胞 发 放 信号 ， 以 改变 其 行为 。 这 些 分 子 不 同 于 其 他 的 局 部 化 学 介 导 因子 之 处 是 难以 溶解 并 因而 不 会 向 该 分 子 合成 区 以 外 扩散 。 因 此 不 象 那 些 可 以 扩散 的 局 部 化 学 介质 ,没有 必要 为 防止 其 作用 的 扩散 而 迅速 了 予以 破坏 。 有 些 自 神 经 终端 释放 的 信号 发 放 分 子 可 能 象 局 部 化 学 介 导 因子 那样 起 作用 而 不 象 神经 递 质 - 释放 到 突 触 间隙 中 的 神经 递 质 , 或 被 专 一 的 酶 很 快 破坏 (如 在 神经 肌肉 接头 处 释放 的 乙酰 胆 碱 ) ,或 被 释放 它 的 神经 终端 很 快 回收 。 迅 速 清除 神经 递 质 具 有 两 种 作用 : 一 方面 由 激素 发 放 信和 号 由 神经 递 质 发 放 信号 不 同 的 神经 元 ”不同 的 靶 细 胞 图 13-8 通过 激素 (A) 和 通过 神经 递 质 (B) 的 细胞 间 信 号 发 放 方式 的 对 比 图 。 一 些 内 分 刻 细 胞 分 这 各 种 激素 至 血 流 中 ， 向 专 一 的 彼 细 胞 发 放 信号 。 通 过 与 靶 细 胞 专 一 受 体 相 结合 ， 细 胞 外 六 中 相应 的 激素 被 “ 拣 除 >。 相反 ， 不 少 神经 细胞 是 通过 神经 突起 与 专 一 舰 细胞 接触 而 专 一 地 发 放 信 号 : 只 有 与 神经 细胞 发 生 突 触 联系 的 靶 细 胞 ， 才 暴露 在 神经 终端 释放 的 神经 递 质 的 作用 之 下 。 虽 然 不 同 的 内 分 刻 细胞 必须 以 不 同 的 激素 与 不 同 的 彼 细 胞 通讯 ， 而 不 同 的 神经 细胞 却 可 以 用 相同 的 神经 递 质 仍 以 专 一 的 方式 通讯 。 es 7T01 。 OR rel $228 8 AT SS fs A VE Fs 5 Fo TE ROE. 从 而 使 每 个 信号 时 间 短促 ,能 几乎 立即 重复 发 放 。 这 种 作用 使 得 发 放 信号 的 过 程 非常 精确 。 神经 细胞 和 内 分 泌 细胞 发 放 信号 到 靶 细 胞 的 方式 截然 不 同 。 各 种 内 分 泌 细 胞 分 泌 特 有 的 激素 到 血 流 中 ， 它 们 所 导致 的 各 种 专 一 反应 完全 取决 于 哪 类 靶 细 胞 上 存在 着 某 种 激 素 的 受 体 。 因 此 ,内 分 泌 系统 是 以 大 量 不 同 的 激素 (和 互补 的 受 体 ) , 按 特 定 的 方式 调控 着 许多 不 同 靶 细胞 的 活动 。 另 一 方面 ,神经 系 绕 发 放 信号 的 速度 、 精 确 度 和 复杂 性 , 则 很 大 程 度 上 是 取决 于 解剖 学 上 的 一 些 因素 。 虽 然 神 经 系统 的 靶 细 胞 也 有 专 一 的 受 体 ,但 大 部 分 的 信号 专 一 性 是 决定 于 神经 细胞 和 疫 之 间 的 突 触 连结 ;神经 递 质 是 在 突 触 处 释放 ,只 影响 邻 近 的 突 触 后 细胞 (图 13-8)。 这 些 神 经 递 质 有 些 是 兴奋 性 的 , 刺激 突 触 后 细胞 ; 而 另外 一 是 抑制 性 的 ,压抑 突 触 后 细胞 。 如 果 中 枢 神经 系统 中 所 有 的 兴奋 性 和 抑制 性 信号 发 放 都 是 按 乓 述 方式 作用 在 单个 细 胞 上 ， 则 所 需 的 信号 发 放 分 子 只 不 过 是 少数 几 种 。 但 是 事实 上 从 状 椎 动物 的 脑 中 鉴别 出 来 的 就 已 有 30 多 种 信号 发 放 分 子 , 包 括 乙 酰 胆 碱 ,多 种 氮 基 酸 ( 甘 氨 酸 、 天 冬 氢 酸 、 谷 氨 酸 和 7 -氨基 丁 酸 ,或 GABA)， 氮 基 酸 衍生 物 ( 去 甲 肾 上 腺 素 、 多巴胺 、5- 羟 色 胺 和 组 胺 )， 以 及 各 种 多 肽 。 这 可 能 意味 着 有 许多 自 神 经 终端 释放 的 信号 发 放 分 子 并 不 是 按 稼 规 的 神 经 递 质 在 起 作用 ,而 是 像 局 部 化 学 介 导 因子 (神经 调节 素 ) 那 样 在 邻近 扩散 ,影响 到 数量 众 通过 局 部 化 学 介 通过 神经 递 质 诱导 睡眠 : 导 因子 诱导 睡眠 i ; ) As Oo) ©) ©O 抑制 性 神经 元 roa © AS 四 专 一 的 靶 神 经 元 从 人 图 13-9 如果 某 些 神经 元 (以 方形 细胞 表示 ) 的 抑制 是 星 眠 的 先决 条 件 , 则 本 图 中 显示 了 两 种 可 以 诱发 睡眠 的 假设 方案 。 理 论 上 ， 它 可 通过 以 突 触 与 方形 细胞 连 系 的 神经 元 释放 抑制 性 神经 递 质 达 到 诱发 睡眠 的 目的 或 通过 更 简单 的 方式 * 即 由 抑制 性 神经 终端 释放 局 部 化 学 介质 于 方形 细胞 分 布 区 。 在 后 一 种 情况 下 ,只 有 那些 具有 该 介质 的 受 体 的 细胞 才 被 抑制 。 多 的 细胞 。 因 此 严格 地 按 字义 讲 , 这 种 神经 系统 的 信号 发 放 不 是 突 触 性 的 (从 一 个 神经 终 端 到 一 个 靶 细 胞 ) ,而 是 类 似 于 内 分 这 系统 ,需要 有 大 量 的 信号 发 放 分 子 ( 和 互补 的 受 体 )， 以 保证 专 一 性 。 为 何 会 出 现 这 种 具有 局 部 化 学 介 导 因子 性 质 的 神经 信号 发 放 机 制 呢 ? 假如 睡眠 的 实 现 是 取决 于 大 脑 某 特定 区 域 中 大 量 特定 神经 细胞 的 抑制 ， 则 只 有 在 具 抑 制 性 神经 递 质 的 专 一 神经 终端 与 所 有 的 有 关 大 脑 神经 细胞 有 突 触 联系 ,抑制 才 实现 。 或 者 ,一 些 数 量 较 少 的 神经 终端 释放 抑制 性 局 部 化 学 介 导 因子 到 大 脑 的 特定 区 域 ， 只 要 具有 这 种 睡眠 物质 - e 702 。 受 体 的 神经 细胞 就 会 受到 抑制 《图 13-9), 实际 上 把 持续 多 天 醒 着 的 困倦 动物 脑室 中 的 脑 装 液 ,注射 到 另 一 处 于 警觉 状态 的 动物 脑室 内 , 即 可 使 之 人 眼 。 有 些 激 素 和 局 部 化 学 介质 具有 与 专 一 生长 因子 相同 的 作用 有 些 类 型 细胞 的 分 裂 速率 是 受 化 学 信号 的 调控 ， 有 的 信号 就 是 常见 的 激素 。 在 哺乳 动物 的 青春 期 , 雌 二 醇 能 引起 乳腺 上 皮 细 胞 的 分 裂 ; 甲 状 腺 素 能 在 晴 暑 变态 时 诱发 特定 肌 肉 和 软骨 细胞 增殖 ,而 同时 又 促使 毁 时 尾部 细胞 自 毁 。 脑 垂体 的 生长 激素 诱导 肝脏 (或 其 它 细 胞 ) 分 刻 一 些 能 导致 某 些 细胞 分 裂 的 蛋白 质 激 素 , 间 接地 刺激 细胞 分 裂 。 这 些 由 肝脏 分 这 的 激素 统称 为 生长 调节 素 , 因 为 它们 介 导 生长 激素 的 反应 ,刺激 肌肉 和 软骨 细胞 生长 和 代谢 的 作用 ;凡生 长 激素 合成 量 过 少 的 儿童 均 成 为 侏儒 ,而 合成 过 旺 者 则 成 巨人 。 有 些 生长 因子 不 具有 激素 的 作用 ， 而 显示 局 部 化 学 介 导 因子 的 功能 。 发 育 期 间 的 有 些 神经 细胞 的 存活 和 生长 , 是 依赖 于 神经 生长 因子 (NGF， 为 两 条 各 由 118 个 氨基 酸 的 胡同 多 肽 链 组 成 的 蛋白 质 二 聚 体 )。 一 般 认 为 ,这 种 神经 生长 因子 是 由 这 些 神 经 细胞 的 靶 细胞 所 分 泌 。 目 前 已 有 三 个 方面 的 观察 结果 表明 ，NGEF 对 交感 神经 系统 发 育 中 的 神经 元 的 存活 具有 重要 意义 : (1) Wit NGF 的 抗体 注 和 新生 的 小 鼠 体 内 ， 会 有 选择 地 使 交 感 神经 元 死亡 (图 13-10); (2) 在 没有 其 他 细胞 混杂 在 一 起 的 组 织 培养 情况 下 ,如 果 在 培 FRPMA NGF， 会 使 未 发 育 的 交感 神经 元 持久 生存 下 去 ， 而 没有 NGF 则 几 天 内 就 要 死亡 ;《〈3) 正常 情况 下 ,那些 没有 与 靶 细 胞 发 生 罕 触 联系 的 发 育 中 的 交感 神经 元 是 要 死 LCA AMA NGF 之 后 则 可 得 到 挽救 。 将 上 述 结 采 归纳 起 来 可 得 到 以 下 看 法 , 即 发 育 中 的 许多 交感 神经 元 的 存活 ,完全 依赖 于 为 它们 支配 的 靶 细 胞 所 分 认 的 少量 NGF 的 信号 发 放 (图 13-10)。 在 正常 的 发 育 期 闻 ,不 少 中 枢 神 经 细胞 和 外 周 神经 细胞 (包括 交感 神经 元 ) 已 知 在 形成 后 数 天 之 内 死亡 ,只 有 那些 与 适当 的 靶 细胞 发 生 突 触 联系 的 才 似 乎 能 幸存 下 来 。NGE 似乎 只 是 许多 神经 元 在 有 抗 神经 生长 因子 的 交感 神经 元 正常 发 育 抗体 存在 时 交感 神经 不 从 能 发 育 交感 神经 元 (NGF) - 3 (9) 人 as : | Rag | 抗 NGF 抗 休 所 有 交感 神经 元 死亡 RRBLEN ETE 图 13-10 发 育 中 的 交感 神经 元 依赖 于 神经 生长 因子 而 生存 的 示意 图 。 以 抗 神经 生长 因子 的 抗体 处 理发 育 中 的 动物 会 导致 交感 神经 元 的 死亡 。 一 般 认 为 神经 生长 因子 是 由 臣 细 胞 释放 的 并 与 交 感 神经 元 的 神经 终端 上 受 体 结 合 , 使 之 与 划 细 胞 发 生 突 触 联系 。 e。 IT03 。 存活 因子 的 一 种 ， 不 同类 型 的 神经 元 为 了 生存 需要 为 其 所 支配 的 靶 细 胞 产生 不 同 的 专 立 因子 。 在 神经 发 生 期 间 出 现 神 经 元 过 量 现象 可 能 对 所 有 靶 细 胞 能 有 神经 支配 起 到 保证 作 用 。 在 引导 交感 神经 纤维 至 其 靶 细 胞 的 过 程 中 ，NGF 也 可 能 起 了 一 定 作用 的 o 将 NGF 注入 新 生 小 鼠 脑 中 ， 它 引导 交感 神经 纤维 异常 地 延伸 到 从 不 介 人 的 中 枢 神 经 系统 内 。 在 体外 培养 中 也 可 以 看 到 类 似 的 现象 。 如 有 果 以 NGF 不 能 透 过 的 硅 脂 分 隔 为 三 个 小 室 的 培养 下 ,并 在 中 间 小 室 培养 未 成 熟 的 交感 神经 元 ,结果 发 现 神经 纤维 只 是 越过 硅 屏 障 向 含 有 NGF 的 邻接 培养 小 室 延 伸 ( 图 13-11)。 小 结 根据 传递 机 制 ， 信 号 发 放 分子 可 以 分 为 三 类 : (1) 局 部 化 学 介 导 因子 是 很 快 地 为 细 胞 吸收 或 遭受 破坏 ， 故 只 能 作用 于 局 部 区 域内 的 细胞 ;〈《2) 激素 随 血 流 抵达 全 身 的 蔓 细 His (3) 神经 递 质 只 作用 于 突 触 后 细胞 。 体 内 的 各 类 细胞 都 具有 它们 各 自 独 特 的 一 组 受 体 蛋 白 ,使 其 按 预 先 编排 的 特有 方式 与 互补 的 一 组 信号 发 放 分 子 结合 并 绚 起 反应 。 TRE aT REA TERE ABER, TURRET RED Fo HAM 信和 号 发 放 分 子 , 如 作 体 激素 ,穿越 质 膜 ,激活 细胞 质 中 的 受 体 ; 亲 水 性 信和 号 发 放 分子 。 包 括 神经 递 质 \ 大 部 分 激素 和 局 部 化 学 介 导 因子 则 激活 靶 细 胞 表面 的 受 体 蛋白 。 细胞 内 受 体 所 介 导 的 信号 发 放 : 省 体 激素 的 作用 机 制 所 有 的 当 体 激素 是 从 胆固醇 合成 的 。 由 于 是 分 子 量 较 小 (分 子 量 六 300) 的 朴 水 性 分 子 ， 它 们 的 越 膜 方式 是 简单 的 扩散 。 一 有 旦 进入 了 笑 细 胞 ， 当 体 激 素 均 与 细胞 质 中 各 种 受 硅 脂 屏障 神经 生长 因子 图 13-11 显示 神经 生长 因子 影响 神经 突起 外 长 方向 的 实验 。 当 交感 神经 元 培养 在 以 硅 脂 屏障 分 隔 为 三 个 小 室 的 培养 四 中 间 小 室 中 ， 可 以 发 现 神经 突起 向 含有 神经 生长 因子 的 邻接 培养 小 室 中 延 (iy 而 不 向 不 含有 神经 生长 因子 的 另 一 侧 小 室 中 延伸 。 体 蛋 白 紧 密 地 而 可 逆 地 下 结 合 。 同 激素 结合 后 的 受 体 构象 发 生变 构 变化 ， 从 而 增加 了 它 与 DNA 的 结合 能 力 。 由 于 受 体 蛋 白 能 通过 核 孔 迁 入 细胞 核 内 ,又 由 于 它 与 DNA WR 和 力 增 加 ,致使 大 量 的 激素 受 体 复合 体 聚 集 在 细胞 核 内 〈 图 13-12)。 甲状 腺 素 也 是 一 种 与 细胞 内 受 体 结合 的 蕊 水 性 小 分 子 。 一 般 认 为 除 在 激素 结合 之 前 “704。 甲状 腺 受 体 已 大 量 聚 集 在 细胞 核 内 以 外 ， 它 与 当 体 激素 的 作用 方式 是 一 样 的 。 省 体 激素 - 受 体 复合 体 与 染色 质 结 合并 调控 专 一 基因 的 转录 ， 一 个 典型 的 靶 细胞 约 有 10 000 个 省 体 受 体 ， 每 个 受 体 均 能 可 逆 地 以 高 亲和力 GEM 力 常数 K = 10°—-10"mol/L) 与 专 一 当 体 激素 结合 。 在 IME 激素 浓度 水 平 高 的 情况 下 ， 大 部 分 的 受 体 与 激素 形成 复 合体 ， 并 以 这 种 活化 形式 与 细胞 核 内 的 染色 质 入 结合。 当 激 素 水平 下 降 时 ,平衡 发 生 漂移 ,从 而 使 激素 与 结合 的 受 体 解 离 ,游离 的 受 体 又 返回 到 细胞 质 库 中 (图 13-13)。 有 些 被 活化 的 与 染色 质 结合 的 激素 受 体 调控 某 些 专 一 基因 的 转录 。 然 而 ， 在 任何 疲 细 胞 内 只 有 少数 基因 是 直接 受到 省 体 激 素 的 影响 。 例 如 ,与 皮质 醇 一 起 培养 30 分 钟 后 的 肝 细 胞 ,经 双向 凝 胶 电 泳 的 分 析 , 只 能 识别 出 干 ， 分 之 六 的 蛋白 质 显示 量 的 增加 ， 千 分 之 一 的 蛋白 质 有 量 的 下 降 。 一 旦 除去 培养 液 中 的 激素 ， 这 些 蛋 白质 的 合成 速率 又 恢复 正常 。 假 设 利用 双向 凝 胶 电 泳 分 析 能 检测 的 细胞 蛋白 质 约 为 10 狗 , 皮质 醇 可 能 直接 影响 到 仅仅 50 个 左右 基因 的 转录 。 有 趣 的 是 ， 人 们 发 现 同一 种 激素 受 体 在 不 同 靶 细胞 中 影响 不 同 组 的 基因 。 体外 的 实验 业已 揭示 ， 专 一 省 体 激 素 的 结合 诱导 受 体 发 生变 构 变 化 ( 受 体 活 化 )， 大 大 增加 了 这 些 受 体 蛋 白 “图 13-12 _ 当 体 激素 发 放 信号 机 制 的 示 与 分 离 自 不 同 来 源 的 DNA 丰 结 合 的 亲和力 。 由 于 设想 。 意 图 。 当 体 分 子 扩 获 穿 过 想 细 胞 的 质 膜 ， 当 体 的 激素 受 体 是 不 断 地 向 核 内 和 核 外 扩散 ， 据 认为 这 Gee BAER. Gm eee 种 与 DNA 非 专 一 性 结合 的 增加 就 是 导致 大 量 的 活化 受 。 合 而 调控 一 些 专 一 基因 的 转录 。 体 聚 集 在 细胞 核 内 的 原因 。 一 般 认为 受 体 一 旦 为 激素 所 激活 ， 也 与 靶 细 胞 内 染色 质 上 调 控 基 因 转录 的 少数 有 关 的 专 一 部 位 以 高 亲和力 和 结合， 但 是 迄今 尚未 能 直接 观察 到 这 一 现象 有 关 支持 上 述 省 体 受 体 作用 方式 的 最 有 决定 性 的 实验 之 一 ， 是 利用 自 淋 巴 细胞 肿瘤 中 ( 称 作 淋巴 瘤 ) 饰 选 出 对 皮质 醇 反 应 产生 改变 的 突变 细胞 株 。 如 同一 些 正常 的 淋巴 细胞 一 样 ,在 淋巴 瘤 细胞 培养 液 中 添加 低 浓 度 的 皮质 醇 也 可 以 使 细胞 死亡 。 然 而 突变 细胞 对 皮质 醇 的 致死 效用 有 抵御 力 ,甚至 还 发 现 有 些 细 胞 的 皮质 醇 受 体 蛋 白 与 皮质 醇 结 合 之 后 ， 不 能 从 细胞 质 迁 入 细胞 核 (图 13-14)。 虽然 这 些 突变 受 体 结合 皮质 醇 的 能 力 仍 属 正常 ， 但 结合 DNA 的 能 力 却 已 经 大 部 分 瑚 失 了 。 以 大 量 不 同 突变 种 的 受 体 蛋 白 作 为 材料 进行 Sh, 发 现在 试管 中 它们 与 DNA 的 结合 力 ， 与 细胞 内 结合 的 皮质 醇 迁 人 细胞 内 的 程度 之 间 具 有 很 强 的 相关 性 。 因 此 这 些 实验 提示 ，DNA 至 少 也 是 细胞 核 内 受 体 识别 部 位 的 组 成 部 分 之 一 。 一 般 都 认为 结合 在 染色 质 专 一 部 位 上 的 省 体 激素 - 受 体 复 合 物 调控 着 专 一 基因 的 转 录 , 但 很 难 将 这 些 结合 部 位 直接 鉴别 出 来 。 造 成 困难 的 主要 原因 ,是 受 体能 非 专 一 地 结合 DNA; 此 外 ,在 靶 细 胞 的 10 000 个 激素 - 受 体 复 合 物 之 中 ， 只 需 有 少数 与 DNA 结合 就 ©7056 足以 调控 50 个 基因 。 况 且 , 即 使 每 个 细胞 有 10 000 个 受 体 , 也 只 占 细胞 总 蛋白 量 的 五 万 分 之 一 左右 ,所 以 已 经 获得 的 高 度 纯化 的 受 体 是 很 少量 的 。 由 于 上 述 的 这 些 原 因 , 很 难 明 确 地 断定 究竟 当 体 激素 - 受 体 的 专 一 性 是 对 专 一 DNA 顺序 识别 的 结果 ， 还 是 对 专 一 染 SKE ARRAN, MHRA. Ail, RIL DNA 的 重组 技术 已 经 克隆 到 由 正常 细胞 简体 受 体 突 变 细胞 高 浓度 的 省 体 激素 (RRR QAR aerr ea: ws OR a Vvy Tre 细胞 质 受 体 结合 在 细胞 核 内 的 “激素 - 受 体 复 合体 图 13-13 图 中 显示 两 种 情况 ， 在 当 体 激素 水 乎 高 时 ， 图 13-14 ”一 种 省 体 受 体 突变 细胞 秀 细 胞 中 的 受 体 蛋 白 与 激素 形成 复合 体 ， 并 结合 于 核 其 中 异常 的 受 体能 结合 激素 ， 但 不 内 染色 质 上 ;在 当 体 激素 水 平 低 时 * 大 部 分 的 受 体 自 细 能 进入 细胞 核 内 。 胞 质 游 离 出 来 。 皮质 醇 调 控 的 基因 ,可 用 于 制备 大 量 的 专 一 DNA。 在 对 这 种 DNA 检测 时 发 现 ,纯化 的 皮质 醇 受 体 是 专 一 地 结合 在 基因 的 某 些 DNA 顺序 上 ,以 及 它 的 周围 。 这 一 重要 的 实验 结 朱 表 明 , 在 诱导 基因 转录 时 ,省 体 受 体 是 能 够 识别 专 一 DNA 顺序 的 。 当 体 激素 往往 诱导 初级 和 次 级 两 个 反应 ” 当 体 激素 引起 的 反应 常 芝 是 分 两 步 进 行 的 。 对 少数 基因 转录 的 直接 诱导 作用 ， 称 作 初级 反应 ;由 这 些 基因 产物 依次 激活 其 它 基 因 , 产 生 延 缓 性 次 级 反应 。 后 者 对 初始 的 激素 效应 起 到 了 较 强 的 扩 增 作用 。 在 采 蝇 中 就 看 到 一 个 明显 的 例子 。 注 射 昆 虫 晓 皮 激素 〈 一 种 省 体 激素 ) 后 5 一 10 分 钟 ， 采 蝇 唾 液 腺 的 巨大 多 腺 染色 体 上 出 现 六 个 主要 的 RNA HA we fit CK) 一 段 延 搁 时 间 之 后 ， 由 此 初级 反应 产生 的 一 些 蛋 白质 又 进一步 诱导 出 100 个 左右 RNA 合成 部 位 ， 致 使 大 量 合成 次 级 反应 特有 的 蛋白 质 产 物 。 次 级 反应 受 控 于 一 个 或 多 个 初级 蛋白 质 产 物 的 反馈 作用 ,这 种 反馈 调控 阻 遇 了 所 有 初级 反应 基因 的 进一步 转录 (图 13-15)。 在 激素 诱发 的 许多 哺乳 动物 细胞 反应 中 ， 似 乎 都 存在 着 类 似 的 扩 增 和 调控 机 制 。 不 同 靶 细胞 中 当 体 激素 调控 的 基因 也 不 相同 ， 如 同一 般 激素 引起 的 细胞 反应 一 样 , 当 体 激素 所 引起 的 反应 不 仅 决定 于 激素 的 特性 ， 也 决定 于 靶 细 胞 的 特性 。 理 论 上 ， 这 一 现象 有 两 种 可 能 的 解释 : 不 同类 型 细胞 对 同一 种 激素 有 不 同 的 受 体 ,或 者 受 体 祖 同 但 为 其 所 活化 的 基因 不 同 。 然 而 ,目前 已 有 证 据 充 分 表 明 后 一 种 解释 是 正确 的 。 这 方面 的 证 据 主 要 来 自 对 特定 当 体 激素 受 体 异 常 的 哺乳 动物 突变 种 的 研究 特别 是 ， «7066 ZEEE AR BY 5c A RII , OR ER I Re BS AR AF Se Ah EB , PTA HE EP 传 上 属 雄性 的 个 体 都 发 育 为 肉体 。 这 些 突变 雄 体 都 有 能 正常 分 这 军 酮 的 皖 丸 ， 但 雄 体 组 织 中 的 罕 酮 受 体 有 缺陷 ， 致 使 有 关 的 靶 细胞 对 激素 不 能 作出 反应 。 结 果 雌 性 第 二 性 征 发 ro lal ig - 后- pe : ea x Q9 一 一 Mi x wS Ix a Kz —— Kw 全 12} - oe Ba OR ne we aS = a aes = xe Re Hk Se SE 省 Bac Em” +X sa RR we go pt ak a 3 RE S ws BES = sx: Bee RB Roa K RK we Bl 岂 = | a mS eae nm i kK 22 = 以 eR BS HR % 亚 ea i - = ix 下 # 2 党 a = ae & a BS = =? i ae ee Xx e: aye BH IR iF 类 六 | § ae ~ He z Re é 2 == 一 -人 9 证 4 BSL REBBATA FAR, KSA .AR. FRA 都 有 发 生 。 虽 然 只 是 编码 塞 酮 受 体 的 基因 出 现 异 常 ,但 其 影响 遍及 所 有 在 正常 情况 下 接 受 罕 酮 作用 的 不 同类 型 细胞 (A 13-16), 这 说 明 ， 所 有 的 靶 细 胞 普遍 存在 着 祖 同 的 军 酮 受 体 蛋白 ， 虽 然 激活 之 后 在 每 一 类 型 靶 细胞 中 调控 着 完全 不 同 组 的 基因 。 ea 7T07 。 AAS SE 化 综合 [= 证 的 雄 体 虽然 不 同 疲 细胞 都 具备 相同 的 变 体 蛋 由 于 所 有 丢 细 胞 都 具备 相同 的 突变 受 白 睾酮 却 能 诱发 它们 产生 不 同 的 蛋白 质 KBAR CME SM Ry 图 13-16 ”有 相同 受 体 蛋 白 的 不 同色 细胞 对 尝 酮 作出 不 同 的 反应 。 由 于 在 这 丸 峻 性 化 综合 症 患 者 某 个 单 基因 缺陷 ,导致 产生 异常 的 府 酮 受 体 ;而 使 革 细 胞 不 能 对 府 酮 作出 反应 。 有 关 人 省 体 激素 发 放 信号 的 一 般 原 理 已 经 是 很 清楚 了 。 每 种 当 体 激素 均 能 诱导 出 相应 的 有 特征 性 的 一 系列 反应 ,因为 (1) 只 有 对 特定 激素 预期 作出 反应 的 细胞 才 产 生 该 激素 的 相应 受 体 ;〈2) 靶 细 胞 的 染色 质 很 可 能 是 按 一 定 方式 组 织 的 ,致使 当 体 受 体 只 能 激活 其 相应 的 基因 ( 见 第 十 八 章 )。 由 于 每 种 类 型 靶 细 胞 可 供 活化 的 基因 不 同 ， 因 此 结合 在 祖 同 当 体 受 体 蛋 白 上 的 同一 种 激素 能 在 不 同 细胞 产生 互 不 相同 的 效应 。 小 结 当 体 激素 是 由 胆固醇 衍生 的 极 水 性 小 分 子 , 在 血液 中 与 专 一 载体 蛋白 可 逆 地 结合 ;成 为 可 溶 状态 。 一 旦 与 载体 蛋白 解 离 , 便 通过 扩散 穿 过 细胞 膜 , 与 胞 液 中 专 一 的 当 体 激素 受 KEY THLE 合 。 受 体 与 激素 形成 复合 体 之 后 ， 便 获得 与 DNA 结合 的 杂 和 力 ， 致 使 该 复合 物 密 集 于 细胞 核 内 。 激 素 - 受 体 复合 体 结 合 在 染色 质 上 ， 调 控 着 少数 基因 的 转录 。 其 中 一 些 基 办 的 产物 有 可 能 进一步 激活 其 他 基因 。 引 起 延缓 的 次 级 反应 , 扩 增 了 激素 的 初 始 效 应 。 每 种 激素 均 由 不 同 的 受 体 蛋 白 识 别 , 但 是 在 不 同 的 靶 细 胞 中 ,同样 的 受 体 蛋白 却 调控 着 不 同 的 基因 。 这 表明 ,各 种 类 型 细胞 的 染色 质 都 经 过 一 Ag LR 7 a 受 其 相应 的 激素 - 受 体 复 合体 调控 。 细胞 表面 受 体 介 导 的 信号 发 放 : 作为 第 二 信使 的 “AMP 和 钙 离 子 水 溶性 信号 发 放 分 子 , 包 括 所 有 已 知 的 神经 递 质 、 蛋 白质 激素 和 生长 因子 ， 都 与 有 关 靶 细 胞 表面 的 专 一 受 体 蛋 白 结 合 。 这 些 细胞 表面 受 体 与 信号 发 放 分 子 ( 配 体 ) 结 合 的 亲 积 力 很 强 , 并 将 细胞 外 变化 转变 为 细胞 内 信号 ,改变 了 靶 细 胞 的 行为 。 由 于 这 类 受 体 是 一 些 不 溶性 的 固有 的 膜 蛋 白 , 其 含量 往往 不 到 细胞 膜 总 蛋白 量 的 1 多 , 所 以 很 难 分 离 和 对 之 进 行 研究 。 。708。 利用 标记 配 体 改 革 了 细胞 表面 受 体 的 研究 ” 试用 放射 性 标记 的 配 体 揭 示 靶 细胞 表面 受 体 的 工作 开始 于 50 年代， 但 遇 到 了 两 方 面 问题 的 阻碍 :、(1) 放射 性 同位 素 ( 常 用 的 是 具有 放射 活性 的 碘 或 氢 ) 结 合 信号 发 放 分 子 的 过 程 显著 地 降低 了 它 的 功能 活性 ;(2) 与 靶 细 胞 表面 的 结合 大 部 分 是 非 专 一 的 , 因此 在 配 体 所 结合 的 总 体 中 ,只 有 一 小 部 分 为 专 一 的 受 体 。 直 至 1970 年 左右 在 克服 了 上 述 问题 之 后 , 才 有 可 能 直接 揭示 完整 细胞 和 分 离 膜 的 表面 上 专 一 受 体 的 存在 。 目前 ， 由 于 使 用 放射 性 原子 \ 荧 光 染 料 ， ae ee | 或 电子 密度 高 的 分 子 ( 如 铁 蛋 白 ) 标记 配 体 ， 〈 配 体 ) 与 细胞 表面 受 体 结合 致使 有 可 能 对 细胞 表面 专 一 受 体 的 数量 、 分 布 和 性 质 进行 研究 ， 并 追踪 与 受 体 结合 后 的 配 体 - 受 体 复合 体 的 来 龙 去 脉 。 业 已 表明 在 每 个 细胞 表面 某 特异 配 体 的 受 体 数目 可 从 500 配 体 - 受 体 复合 体 在 一 100 000 以 上 不 等 ,而 原初 的 分 布 可 以 是 分 ， 有 有 胡 人 四 处 村 优育 散 的 ， 也 可 能 局 限 在 细胞 膜 上 某 些 专 一 区 域 。 Blk - 3 EL 由 受 体 介 导 的 细胞 内 知 作 用 摄取 蛋白 质 激素 体 的 内 春 过 各 和 生长 因 > aa fee 使 用 标记 配 体 进行 的 实验 表明 ， 许 多 和 蛋 白质 信号 发 放 分 子 进入 靶 细 胞 是 借助 由 受 体 AN WS BI 级 溶 酶 体 融合 1 介 导 的 细胞 内 乔 作 用 。 例 如， 胰岛 素 与 成 纤 维 细胞 表面 呈 弥 散 分 布 的 受 体 蛋 白 相 结合 ， 几 分 钟 内 胰岛 素 - 受 体 复合 体 就 成 簇 地 聚集 在 所 被 覆 的 细胞 膜 思 陷 处 ， 并 被 摄 入 到 内 知 的 小 泡 中 。 由 此 可 以 想像 ， 这 些 蛋 白质 的 信 Pe etd ae OR png tala tat 号 发 放 分 子 (或 者 它们 的 降解 产物 ) 可 直接 在 而 发 放 信号 而 发 放 信号 细胞 内 起 作用 ， 十 分 类 似 和 省 体 和 甲状 腺 素 的 作用 。 然 而 有 一 点 是 我 们 必须 了 解 的 ， 即 由 受 体 介 导 的 内 吞 作 用 往往 是 把 细胞 外 的 分 子 转送 到 溶 酶 体 。 因 此 ， 这 些 朴 水 性 分 子 为 了 能 进入 胞 液 ， 就 需要 有 某 种 特殊 的 机 制 ， 以 “图 13.17 假设 图 解 显示 为 使 蛋白 质 配 体 或 它们 的 细胞 便 自 内 吞 小 泡 或 溶 酶 体 逃 脱 (图 13-17)。 表面 受 体 作为 细胞 内 介质 起 作用 需要 什么 。 必 须 有 一 直接 的 实验 分 析 可 能 显示 。 Bete ee eee eam omen MAEM 号 发 放 分 子 为 达到 其 施加 影响 的 作用 是 无 须 进入 细胞 的 。 譬如 能 与 靶 细 胞 表面 胰岛 素 专 一 受 体 祖 结合 的 抗体 ， 可 以 确切 地 模拟 胰岛 素 的 作用 。 所 以 尽管 胰岛 素 在 正常 情况 是 为 靶 细 胞 所 内 吞 ， 但 被 和 大 人 的 激素 本 身 并 不 能 成 为 细胞 内 的 信号 。 局 样 ， 促 甲状 腺 激素 (TSH) 18 Fs BG PAAR A I > BAS RRS, TS FRR TSH 受 体 结 合 的 抗体 也 有 此 效应 (图 13-18)。 实际 上 ， 这 种 抗体 往往 是 患 有 甲状 腺 功能 亢进 的 人 体 * 709 « 中 的 病因 , 它 促使 患者 生成 过 量 的 甲状 腺 激素 。 这 些 观察 证 明 ,胰岛 素 和 TSH 无 须 进 入 细胞 就 能 起 作用 ,但 这 并 不 排除 它们 的 细胞 表面 受 体 具有 细胞 内 的 信号 作用 ,因为 受 体 通 常 是 随 着 与 其 结合 的 激素 或 抗体 一 起 为 细胞 所 内 香 的 (图 13-17)e 与 T SH 受 体 促 甲 状 腺 激素 起 反应 的 抗体 人 增加 甲状 腺 激素 的 合成 和 分 泌 增加 甲状 腺 激素 的 合成 与 分 这 图 13-18” 抗 细胞 表面 TSH 受 体 的 抗体 ,具有 模 似 TSH 结合 这 些 受 体 的 效应 。 表 明 在 信号 发 放 过 程 中 无 顷 有 TSH ，* 因 此 TSH 似乎 不 作为 其 自身 的 细胞 内 介 导 因子 。 许多 亲 水 性 信号 发 放 分 子 诱发 反应 的 速度 非常 快 ， 致 使 其 反应 机 制 不 可 能 永 及 受 体 介 导 的 细胞 内 吞 作 用 。 肥 大 细胞 在 配 体 与 其 表面 受 体 结合 的 数秒 钟 内 就 分 刻 组 织 胺 ， 而 神经 递 质 引 起 反应 所 需 的 时 间 仅 需 数 毫 秒 。 在 这 些 情 况 中 ， 受 体 必 然 起 了 跨 膜 转 换 恬 的 作用 ,以 产生 新 的 细胞 内 信号 。 细胞 表面 受 体 通过 调控 酶 或 质 膜 中 的 离子 通道 而 起 转换 器 的 作用 ” 一 般 认 为 大 量 的 与 亲 水 性 信号 分 子 结合 的 受 体 ， 在 结合 到 细胞 表面 配 体 时 都 经 历 了 构象 变化 。 这 种 构象 变化 导致 产生 细胞 内 信号 ， 以 改变 靶 细 胞 的 行为 。 细 胞 内 信号 分 子 又 常常 称 为 第 二 信使 ,第 一 信使 是 细胞 外 配 体 本 身 。 细胞 表面 的 受 体 已 知 是 经 由 两 条 一 般 途 径 产 生 细胞 内 信号 的 。 其 一 是 借助 于 结合 在 细胞 膜 上 的 一 种 酶 的 活化 或 失 活 。 这 种 酶 有 时 催化 产生 一 种 可 溶性 的 细胞 内 介 导 因子 ， 于 是 细胞 内 此 种 介 导 因子 浓度 的 变化 就 起 到 信号 的 作用 。 腺 背 酸 环 化 酶 就 是 一 种 按 此 方 式 起 作用 的 重要 的 酶 , 它 位 于 细胞 膜 的 内 侧面 ， 催 化 ATP 为 cAMP (图 13-19)。 另外 在 细胞 外 为 配 体 所 活化 了 的 这 种 酶 ,有 时 也 能 直接 地 引起 一 些 细胞 蛋白 的 磷酸 化 反应 o 例 MEREKAT (EGF) 借助 与 细胞 表面 受 体 蛋 白 的 结合 , 促使 上 皮 细 胞 和 其 它 类 型 细 胞 分 裂 。 这 种 受 体 是 经 过 与 EGF 结合 而 活化 了 的 蛋白 质 激 酶 (或 与 这 种 酶 密切 相关 )， 将 ATP 的 磷酸 基 团 转 移 到 专 一 的 细胞 蛋白 的 酷 氨 酸 残 基 上 。 这 些 细胞 蛋白 包括 受 体 蛋 白 本 身 , 其 它 的 细胞 膜 蛋白 以 及 胞 流 蛋 白 。 另 一 途径 是 ,细胞 表面 受 体 可 以 开放 或 关闭 细胞 膜 的 离子 通道 口 ,并 按 下 列 两 种 的 任 一 方式 发 放 信号 : (1) 引起 一 个 瞬时 性 的 小 离子 流 , 使 越 膜 电位 发 生 短暂 变 化 ;(2) 引起 一 个 较 大 的 离子 内 流 , 进 入 胞 液 中 ,再 激 起 细胞 内 的 反应 。 前 一 种 机 制 主要 发 生 在 具有 电 活动 的 细胞 ,如 神经 元 和 肌肉 细胞 。 例 如 ,大 部 分 的 神经 递 质 是 通过 开放 或 关闭 靶 细胞 膜 的 离子 通道 调控 突 触 后 靶 细 胞 的 膜 电位 : 在 膜 电位 下 降 到 一 定 的 阔 值 水 平 以 下 时 就 触发 膜 的 去 极 化 作用 (动作 电位 )， 并 迅速 向 靶 细 胞 膜 的 其 余部 分 扩展 。 膜 电位 的 变化 并 不 伴 *。 710。 A He BB Se BS BS FR EY CS, IT a PS RA ie fe S . 直至 这 种 动作 电位 抵达 神经 终端 ， 均 未 转化 成 真正 的 细胞 内 信号 。 然 而 神经 终端 的 细胞 膜 具 有 由 电压 控制 的 Ca 通道 ,在 去 极 化 时 ，Ca” 通道 暂时 开放 ，Ca” 进入 ,降低 神经 终端 的 高 水 平 电化 学 梯度 ,并 作为 第 二 信使 引起 神经 终端 分 泌 神 经 递 质 ( 见 第 十 八 章 )o 许多 无 电 活动 的 动物 细胞 表面 都 存在 着 与 细胞 膜 中 Ca” 通道 有 着 功能 联系 的 受 体 ; 配 体 的 结合 使 受 体 活化 ,从 而 通道 开放 使 Ca* 进入 胞 波 中 ,并 在 这 里 起 着 第 二 信 使 的 作 用 (图 13-19)o cAMP 是 一 种 普遍 存在 的 细胞 内 介 导 因子 在 迄今 已 研究 过 的 所 有 原核 和 真 核 细胞 中 ,，cAMP (图 13-20) 都 有 调控 细胞 内 反应 活动 的 作用 。 虽 然 cAMP 是 重要 的 细胞 内 信号 分 子 , 但 对 细胞 的 生存 或 分 裂 似乎 并 不 是 必要 的 ,因为 有 些 检测 不 到 cAMP 的 突变 真 核 细 胞 株 在 培养 中 仍 能 正常 生长 。 信号 发 放 分 子 〈 配 体 ) >> 全 。 RR ) ‘te 受挫 Ca "通道 细胞 表面 受 体 RAT SAF Bs #F Ra Up He BAY HE Fi 232 Ca?’ 通道 图 13-19 细胞 表面 受 体 产生 细胞 内 信号 的 两 种 一 般 机 制 : (1) NTR RET A UC TE 化 使 细胞 内 cAMP 的 浓度 增加 ; 《27 结 会 在 细胞 腊 上 的 “Car+ 通道 装置 的 开放 使 _ Cart 能 进入 细胞 。 为 了 简单 化 图 中 将 结合 配 体 的 受 体 画 成 直接 与 环 化 酶 分 子 或 离子 通道 起 作用 。 事 夹 上 ,其 他 的 膜 蛋白 介 导 受 体 和 环 化 酶 分 子 * 也 可 能 和 Cat 通道 连接 。 过 去 在 研究 cAMP 方面 的 一 个 主要 进展 是 , 证 实 cAMP 为 许多 种 激素 共同 的 细胞 内 介 导 因子 。 首 先是 在 研究 肾上腺 素 对 肝 细 胞 糖 原 代 谢 的 影响 时 ， 发 现 了 这 种 可 溶性 的 细胞 内 介 导 因子 。 人 们 发 现 肾 上 腺 素 引 起 糖 原 磷 酸化 酶 活化 ,并 降解 糖 原 。 随 后 又 能 : 明 , 以 骨 上 腺 素 处 理 游离 的 肝 细 胞 膜 ( 同 时 加 有 ATP)， 会 产生 一 种 小 分 子 量 的 和 对 热 不 稳定 的 介 导 因 于 , 这 种 因子 能 在 没有 肝 细 胞 膜 的 条 件 下 取代 激素 活化 磷酸 化 酶 ， 至 1959 年 该 介 导 因子 为 cAMP 才 得 到 证 实 。 由 于 N7 受 体 的 水 平 正常 ， 但 是 肾上腺 素 的 结合 并 不 能 激 o- 活 环 化 酶 将 这 种 "未 偶 联 ”细胞 的 细胞 膜 与 以 去 拔 剂 自 其 他 细胞 提取 的 其 它 膜 组 分 混合 ， 能 重组 需要 GTP 而 对 激素 敏感 的 腺 苷 酸 环 化 酶 系统 。 有 充分 的 证 据说 明 ， 在 上 述 实 验 的 用 去 拍 剂 提取 的 提取 液 中 含有 一 种 专 一 的 膜 蛋 白 , 即 GTIP- 结 合 蛋白 〈G 蛋白 ), 它 不 存在 于 “未 结合 ” 的 突变 细胞 中 ， 并 为 偶 联 活化 受 体 及 激 活 腺 背 酸 环 化 酶 所 必需 。 如 果 细 胞 能 对 激素 浓度 的 变化 作出 迅速 反应 ， 则 激素 受 体 引起 的 腺 背 酸 环 化 酶 必须 持续 到 配 体 存 在 的 时 候 。 HFG 蛋白 本 身 就 是 GTP 酶 ， 它 能 将 结合 的 GTP 水 解 为 GDP 和 无 机 磷酸 盐 ,从 而 自我 灭 活 , 致 使 上 述 类 型 的 反应 得 到 保证 。 如 果 在 用 物理 方法 破碎 的 正常 细胞 中 ,以 > 位 磷酸 根 不 会 被 水 解 的 GTP 类 似 物 取代 GTP， 可 以 增加 由 激 素 引 起 的 腺 昔 酸 环 化 酶 的 活化 ,其 持续 时 间 也 大 为 延长 。 与 引起 霍乱 症状 有 关 的 细菌 毒素 能 抑制 这 种 正常 “关闭 "机制 。 霍 乱 毒 素 本 身 是 一 种 酶 ,能 使 细胞 内 NAD-* 的 ADP- 核 糖 转移 到 G 和 蛋白 上 ， 这 样 的 改变 使 G 蛋 昌 不 再 能 水 解 GTIP。 这 意味 着 腺 背 酸 环 化 酶 一 旦 被 激素 - 受 体 复 合体 和 G 蛋白 分 子 所 激活 ,将 维持 在 一 种 不 可 逆 的 活化 状态 。 由 于 在 小 肠 上 皮 细 胞 中 (A) 或 细胞 融合 〈B) 实验 ,表明 来 源 于 不 同 细胞 的 受 体 蛋 白 和 腺 背 酸 环 化 酶 分 子 在 完整 细胞 的 质 腊 中 有 功能 上 的 相互 作用 。 列 程序 中 相互 作用 : 1) 当 激 素 与 受 体 蛋白 分 子 在 脂 双 层 中 相 磁 撞 时 ,两 者 相 结合 ,改变 了 受 体 的 构 型 使 能 与 G 蛋 白 质 结合 ,并 使 其 活化 ;(2) GERAS GTP (Ut GDP) 在 胞 质 面 结合 ,从 而 改变 了 G 和 蛋白 的 构象 ,使 能 激活 腺 背 酸 环 化 酶 分 子 以 合成 cAMP; (3) 为 完成 腺 昔 酸 环 化 酶 的 活化 周期 ，G 蛋 白 将 GTP 水 解 为 GDP， 使 环 化 酶 恢复 到 原 有 的 无 活性 状态 。 图 13-23 示 出 偶 联 过 程 如 何 进行 的 一 种 模式 。 为 何 细胞 形成 如 此 复杂 的 步骤 繁多 的 信号 转 导 机 制 ? 为 何 将 G 和 蛋白 安 插 在 受 体 和 其 所 激活 的 酶 之 间 ? Ze, SVAN ASA Pi SHS Ith GRAD Fam 撞 , 从 而 大 大 扩 增 了 初始 的 细胞 外 信号 。 另 一 种 可 能 是 ,这 样 的 组 织 方式 在 原则 上 能 使 一 个 单一 类 型 的 激素 ， 同 时 在 功能 上 连接 于 除 环 化 酶 以 外 的 大 量 的 不 同 细胞 膜 酶 和 离子 通 道 。 例 如 , G 蛋 白 的 功能 像 是 一 个 接头 ,不 同类 型 的 细胞 可 能 具有 不 同 的 接头 ， 使 同一 类 的 激素 受 体 蛋白 能 与 不 同 细 胞 膜 中 的 不 同 妓 蛋 折 相 偶 联 。 。714。 281 HL She Bak GEA memHLe 细胞 质 发 放 信号 的 配 体 AH 暴露 了 与 由 于 在 脂 双 层 中 的 扩散 作用 配 体 " 爱 体 复合 体 与 G 蛋白 结合 ， 致 使 后 者 暴 坑 GTPAAHH GDPKGTPHERARITGRAMHS, 使 其 从 活化 受 体 上 解 离 ， 冰 暴露 了 腺 苷 酸 环 化 酶 的 结合 部 位 miurm (EP) G 蛋白 与 腺 苷 酸 环 化 酶 结合 ,由 此 激活 环 化 酶 生成 cAMP G 蛋白 通过 水 解 GT P 后 恢复 原 有 构象 ， 致使 腺 苷 酸 环 化 酶 与 之 解 离 和 和 失 活 待 到 配 体 再 与 受 体 结合 并 改变 它 的 构象 时 环 化 酶 再 被 活化 图 13-23 腺 苷 酸 环 化 酶 活化 过 程 的 “碰撞 结合 ?模式 图 。 假设 受 体 蛋白、 腺 苷 酸 环 化 酶 和 结合 GTP 的 ( G) 蛋白 质 均 能 独立 地 在 靶 细 胞 质 膜 中 扩散 ， 并 只 有 在 受 体 与 配 体 结合 之 后 才 相 互 作 用 。G 蛋白 和 环 化 酶 的 结合 也 可 能 是 永久 性 的 。 每 个 活化 受 体 蛋 和 白 激 活 多 个 G 蛋 白 分 子 , 由 此 大 大 扩 增 了 反应 ?然而 这 种 扩 增 范 应 在 图 中 并 未 表示 出 来 。 Ca 也 作为 一 种 普遍 存在 的 细胞 内 介 导 因子 而 起 作用 * 日 益 增 多 的 证 据 表 明 Ca’* CAMP 一 样 也 是 一 种 重要 的 细胞 内 调节 因子 ,并 且 对 一 些 细胞 外 信号 发 放 分 子 起 到 第 二 信使 作用 。1947 年 ,在 骨骼 肌 细胞 内 注射 少量 Cax+ 能 引起 收缩 的 实验 结果 首次 证 明了 它们 的 作用 。 如 同 CAMP 一 样 ,正常 时 胞 液 中 游离 Cat 的 浓度 很 侈 。 虽 和 然 细 胞 内 外 Ca” 的 总 含量 相仿 〈 盖 10-*mol/L)， 但 胞 液 中 的 游离 Ca+ RIE (<107’mol/L) 要 比 总 含量 低 100 多 倍 , 因 为 大 部 分 的 cat+ 在 细胞 内 是 与 其 它 分子 相 结合 ,或 隐 散 在 线粒体 和 别 的 细胞 器 中 。 这 一 现象 意味 着 ， 动 物 细 胞 膜 两 侧 游 离 CaP 浓度 的 樟 度 差 很 大 ,使 Ca” 具有 进入 细胞 的 倾向 。 。715。 {Ca2*} 4777 10~*mol/L CA) A ie PAB ay canes 活化 Cac2t+ Ca2*-A TP i Ca2* canes 输入 线粒体 ee reentry as oe (B) 图 13-24 细胞 在 外 周 体液 内 高 浓度 的 Ca*+ 情况 下 ， 维 持 低 浓度 水 平 胞 液 游离 Cat HER 途径 。 胞 液 中 的 Ca?+ 经 泵 积极 地 向 细胞 外 输出 〈《A ), 同时 也 被 转运 到 细胞 内 的 膜 包 被 的 细胞 恬 中 ,如 内 质 网 和 线粒体 〈B)。 此 外 ;细胞 内 有 各 种 分 子 能 与 游离 Ca*t 紧 紧 结合 。 为 了 使 这 种 显著 的 不 平衡 状态 得 以 维持 ， 越 膜 的 Ca+ eA HO LH Go 实现 这 一 功能 在 很 大 程度 上 要 依靠 细胞 膜 结合 的 Ca+-ATP 酶 ,就 是 利用 水 解 ATP 后 所 获得 的 能 量 向 细胞 外 和 泵 出 Cat。 在 有 些 细 胞 也 依靠 其 他 膜 结 含 泵 活跃 地 排出 Cai+ ,这 种 泵 如 同一 个 Nat- 驱动 反 向 转运 器 ,一 方面 向 外 转运 Ca+， 同 时 也 向 内 转运 Nat (图 13-24 A), 可 是 细胞 膜 转 运 并 不 是 清除 胞 液 中 Ca+ 的 唯一 机 制 。 Sk. BARRO REA 要 比 细胞 内 隐藏 Ca 的 所 有 细胞 器 膜 总 面积 小 10 一 100 倍 。 结 合 在 细胞 器 膜 上 的 Ca? ATP 酶 能 使 内 质 网 (特别 是 肌肉 细胞 的 肌 质 网 ) 对 抗 逆向 梯度 , 自 胞 液 中 吸收 大 量 Cax+; e716 © 而 在 线粒体 进行 氧化 磷酸 化 反应 的 电子 传递 阶段 ;利用 跨 膜 的 电化 学 梯度 , 自 胞 液 中 吸收 322 2 除了 各 种 膜 转 运 蛋 白 能 积极 地 从 胞 液 泵 出 Ca 以 外 ,还 有 多 种 多 样 的 钙 结 合 分 子 也 有 助 于 清除 游离 的 Ca*。 这 些 包 括 小 分 子 的 例如 磷酸 盐 ， 以 及 一 些 能 结合 Co 的 大 分 FEAR LT) A 13-24 总 结 了 将 细胞 溶质 游离 Ca” 维持 在 低 水 平 的 各 种 机 制 。 一 些 细胞 表面 受 体 的 活化 打开 了 膜 结合 Ca” 的 通道 细胞 是 利用 极 大 的 Ca”? 跨 膜 梯度 转 导 细胞 外 信号 。 正如 有 些 细胞 表面 受 体 在 功能 上 与 腺 背 酸 环 化 酶 相 偶 联 一 样 ,另外 一 些 受 体 则 与 质 膜 上 的 Ca’? 通道 偶 联 。 受 体 活化 后 这 些 通道 的 瞬时 性 开放 使 Ca’? MEAT, 在 这 里 起 着 第 二 信使 的 作用 (图 13-25)。 由 细胞 外 配 体 激 活 的 大 部 分 分 刻 细 胞 都 是 按 这 一 机 制 活动 的 。 有 时 活化 的 受 体 首 先 使 细胞 膜 去 极 化 , 膜 电位 的 改变 使 依赖 电压 的 Ca 通道 开放 ,离子 流入 细胞 。Ca"* 通道 的 开放 有 时 同 膜 电 位 的 变化 并 无 关系 , 它 如 何 与 受 体 活 化 偶 联 还 不 清楚 。 从 细胞 器 释放 Ca (图 13-26) 是 Ca 所 介 导 的 信号 发 放 的 另 一 重要 机 制 。 例如 在 骨骼 肌 细 胞 中 细胞 表面 乙酰 胆 碱 受 体 的 活化 使 细胞 膜 去 极 化 ,并 导致 Ca* 以 还 不 清楚 的 方式 从 肌 质 网 中 释放 出 来 ,从 而 引起 肌 原 纤维 的 收缩 。 同样 引起 有 些 分 谱 细 胞 外 排 反 应 的 Ca"，i 也 是 来 自 细 胞 内 原 已 贮存 的 * 有 关 配 体 结合 于 细胞 表面 受 体 如 何 引 起 内 膜 Ca?+ 通道 的 开放 , 仍 是 令 人 费解 的 问题 。 发 放 信号 的 配 体 Cos 发 放 信号 的 配 体 BeCa ia 自 内 贮存 库 释放 的 a C a2” ii 图 13-25 HRM RASRR Cate 图 13-26 ARAB, BARARFER 之 间 具 有 功能 性 的 结合 。 配 体 与 该 受 体 结合 放 Ca'+ 至 胞 液 中 ， 作 用 于 细胞 表面 受 体 。 之 后 开放 通道 使 Ca+ 能 进入 细胞 ,降低 其 FEAL AIA, Cat 的 内 贮存 库 是 肌 质 网 。 电化 学 梯度 差 。 为 了 简单 化 ?图 中 将 配 体 - 受 在 其 他 细胞 中 ,内 贮存 库 的 位 置 尚 不 清楚 。 体 复 合体 画 成 与 Ca + 通道 直接 结合 而 实际 有 关 细 胞 表面 受 体 活化 至 细胞 内 贮存 库 释 上 两 者 之 间 的 结合 机 制 还 不 清楚 。 放 Ca+ 的 机 制 也 不 了 解 。 ©7117 ¢ 在 细胞 发 放 信 号 期 间 RAS ca” 增加 现象 总 是 暂时 的 。 就 CAMP 来 说 ,瞬间 反应 的 发 生 是 由 于 由 G 蛋 白水 解 的 GTP 引起 可 逆 性 的 腺 苷 酸 环 化 酶 的 活化 , 同 时 也 因为 所 产生 的 cAMP 很 快 为 磷酸 二 酯 酶 所 破坏 。 而 Ca” 方面 ，Ca* 通道 门 径 只 是 暂时 打开 ,进入 胞 液 中 的 Ca 很 快 地 被 泵 出 ,或 通过 与 细胞 内 的 分 子 结合 而 缓冲 。 小 结 为 细胞 外 发 放 信和 号 配 体 所 激活 的 大 部 分 细胞 表面 受 体 和 蛋白， 是 按 下 述 两 种 中 的 在 一 方式 产生 细胞 内 信和 号 的 o 它 们 改变 了 一 种 质 膜 结合 酶 的 活性 ,依次 又 使 细胞 内 介 导 因子 的 浓度 发 生变 化 。 或 者 它们 改变 质 膜 上 离子 通道 的 通 透 性 ， 从 而 改变 了 膜 的 电位 或 细胞 内 转运 的 离子 浓度 ,或 两 种 变化 都 存在 。 许多 细胞 表面 受 体 与 腺 昔 酸 环 化 酶 有 功能 性 的 联结 。 当 这 些 受 体 与 细胞 外 发 放 信和 号 配 体 结合 而 活化 时 , 配 体 - 受 体 复合 体 在 质 膜 中 引起 了 一 系列 的 蛋白 质 相互 作用 ， 使 由 腺 蔡 酸 环 化 酶 合成 的 渐 趋 向 引诱 剂 (图 13-47)。 同 样 在 遇 到 高 浓度 的 拒 斥 剂 时 ,细菌 翻滚 的 次 数 增加 , 结果 逐 渐 远 离 拒 斥 剂 。 在 其 自然 环境 中 ,细菌 在 由 一 处 游 向 另 一 处 的 整个 时 间 中 ,不断 地 监视 着 引诱 剂 或 拒 斥 剂 的 浓度 变化 ， 并 对 这 些 化 学 物质 的 空间 梯度 作出 反应 。 监 视 空间 的 梯度 要 涉及 到 细 胞 能 对 它 两 端的 浓度 作出 比较 ， 这 对 体形 微小 的 细菌 是 非常 困难 的 。 在 实验 室 中 ， 通 过 突然 加 入 或 去 除 培养 液 中 的 化 学 物质 ， 可 以 得 到 引起 细菌 游 动 不 断 变化 的 时 间 。 如 以 这 种 方式 加 入 引诱 剂 , 则 如 预期 的 那样 , 翻 滩 很 快 地 受到 抑制 。 但 是 经 过 一 段 时 间 之 后 ， 即 使 仍 存在 引诱 剂 ， 翻 滚 的 蜂 率 仍 恢复 到 正常 的 水 平 。 这 一 脱 敏 作用 或 适应 过 程 只 是 针对 上 述 特定 的 引诱 剂 ， 而 对 其 它 无 关 的 引诱 剂 ， 细 菌 仍 能 作出 反应 。 只 要 没有 引诱 剂 梯度 ， 细 菌 就 一 直 处 于 适应 状态 ;去 除 引 诱 剂 后 ， … “” 能 短 时 间 地 加 强 翻 沪 ， 直 至 再 对 新 水 平 的 引诱 剂 产生 适应 。 适应 是 趋 化 性 反应 必 不 可 少 的 部 分 ， 因为 它 使 得 细菌 对 引诱 剂 浓度 的 变化 而 不 是 对 稳 定 的 水 平 作 出 反应 ， 所 以 使 它们 游 动 时 间 延 长 直 到 泳 向 适宜 的 方向 。 一 些 趋 化 性 缺陷 突变 种 揭示 细菌 的 趋 化 性 涉及 四 种 蛋白 质 ” gg 通过 对 具有 不 同 趋 化 性 缺陷 突变 种 细菌 的 分 an) ES 人 oo rom 析 : 滞 清 了 有 关 细 茵 趋 北 性 的 分 子 机制 3 到 目前 汶 含有 酚 的 毛细 玻 管 〈B) 的 照片 。 摄影 时 间 是 在 “” 止 , 所 分 离 得 到 的 突变 种 可 区 分 为 四 大 类 ,反映 了 三 DD. E Keshiaed™ Proc 第 一 类 为 特异 的 非 趋 化 性 突变 种 ， 它 能 正常 Natl. Acad. Sct. USA, 75:2820—2824, 1978) 游 动 并 对 大 部 分 趋 化 性 刺激 作出 反应 ， 但 对 某 种 特异 的 化 学 物质 或 某 一 类 密切 有 关 的 特异 化 学 物质 无 反应 能 力 。 这 是 由 于 ， 为 该 突变 种 与 特异 化 学 物质 有 高 亲和力 的 专 一 周 质 受 体 蛋 白 编码 的 20 个 或 更 多 基因 中 的 一 个 发 生 Tikit, 这 些 细 胞 周 质 受 体 蛋白 旦 可溶性， 分 布 在 细胞 周 质 空 阶 ， 即 外 膜 与 质 膜 之 间 ， 它们 与 具有 协助 运转 特异 化 学 物质 穿越 质 膜 的 蛋白 质 相 同 。 虽然 转运 《化 学 物质 ) 和 趋 化 系统 使 用 的 是 相同 的 起 始 受 体 蛋 白 ,， 但 其 它 的 组 成 不 同 ， 如 有 的 突变 所 表明 的 转运 功 能 失灵 ,但 并 不 影响 到 趋 化 性 ;或 者 转运 功能 正常 ,而 趋 化 性 反应 消失 。 第 二 类 为 多 元 非 趋 化 性 突变 种 ,其 细胞 表面 的 多 种 受 体 不 能 对 化 学 物质 作出 反应 ;而 其 余 的 受 体 仍 能 证 常 反应 。 这 是 由 于 与 传递 趋 化 性 信号 有 关 的 三 种 越 膜 蛋 白质 中 的 一 种 发 生 了 缺损 。 因 为 这 些 蛋白 质 在 趋 化 性 反应 期 间 发 生 甲 基 化 ( 见 下 述 )， 所 以 称 为 接受 甲 基 的 趋 化 性 蛋白 (MCP)。 每 一 种 MCP 都 是 由 其 本 身 所 有 的 一 套 周 质 受 体 蛋 白 结 合 之 后 而 被 活化 的 : MCPI 与 工 型 受 体 结 合 ，MCPII 与 I 型 受 体 结合 ; MCP Ill 与 Il 型 。 732。 “ep 《4 定 于 ? 图 13-45 ”大 肠 杆菌 首 毛 旋转 发 动机 的 示意 图 。“ 旋 转 器 "是 插入 质 膜 中 的 蛋白 盘 。 由 跨 膜 的 H+ 梯度 驱动 ,使 “转子 ?对 着 另 一 蛋白 盘 (“ 定 子 ”) 在 脂 双 层 中 快速 旋转 (每 秒 钟 一 100 转 )。 定子 是 附 着 在 粘 肽 层 。 借 助 一 根 棒 ， 使 “转子 ?与 钧 和 凌 毛 连接 起 来 ;因而 导致 它们 旋转 。 蛋 白质 “轴承 ea 定 旋转 棒 于 外 层 膜 中 的 作用 。 图 中 凡 静 止 不 转 的 部 分 着 阴暗 色 * 而 旋转 部 分 呈 白 色 。 (A) (B) 图 13-46 AAW AH ARE 图 13-47 游 动 细菌 踪迹 的 示意 图 。 在 没有 趋 化 性 信 的 方位 的 示意 图 。 当 鞭毛 逆 时 针 旋 转 号 情况 下 (A)， 其 平稳 的 游 动 期 被 短暂 的 翻转 中 断 ， ht (A), 它们 集成 一 束 ? 起 推动 器 向 并 随机 地 改变 了 游 动 的 方向 。 在 有 趋 化 性 引诱 剂 的 前 平稳 游 动 的 作用 。 在 鞭毛 顺 时 针 fave F CB), 翻转 受到 抑制 ， 细 菌 游 向 较 高 浓度 的 eR NCB), CHAS aT > Bee a 引诱 剂 ， 从 而 逐渐 向 引 户 剂 方向 移动 。 菌 翻 转 。 受 体 结合 (图 13-48)。 当 细 菌 暴 露 在 趋 化 性 引诱 剂 中 ,引诱 剂 与 细菌 周 质 受 体 蛋白 的 结合 改变 了 它 的 构象 ,致使 受 体 与 其 相应 的 MCP 结合 ， 并 使 其 活化 。 导 致 活化 的 MCP 具 有 两 种 独立 的 效应 ,分 别 相当 于 兴奋 相 和 适应 相 : (1) 由 活化 MCP 产生 的 细胞 内 信号 使 几 毛 发 动机 继续 按 逆 时 针 方向 旋转 ， 导 致 对 细菌 翻 庐 的 抑制 , 使 细菌 继续 平稳 游 动 , 形 成 兴奋 相 ; (2) 活化 的 MCP 为 细胞 质 中 的 酶 甲 基 化 ,逆转 MCP 的 活性 ， 形 成 适应 相 se。 7336 CTL FB )o 第 三 类 为 一 般 非 趋 化 性 突变 种 。 它们 失去 了 对 任何 趋 化 性 刺激 作出 反应 的 性 能 。 这 是 由 于 该 突变 种 的 8 个 不 同 蛋白 质 基因 中 , 有 一 个 发 生 了 缺损 , 包括 一 些 甲 基 化 (和 去 甲 基 ) MCP 的 酶 和 在 受 体 与 鞭毛 发 动机 之 间 的 转换 信息 所 需要 的 蛋白 质 发 生 了 缺陷 。 最 后 一 类 也 是 对 任何 趋 化 性 刺激 都 不 能 作出 反应 的 突变 种 , 称 作 无 运动 力 的 突变 种 。 在 这 一 类 突变 种 中 , 2 个 控制 鞭毛 旋转 的 基因 发 生 了 缺损 ， 以 及 涉及 合成 和 组 装 鞠 毛 的 16 种 基因 也 有 缺损 。 蛋白 质 甲 基 化 作用 与 适应 有 关 ” 有 令 人 信服 的 证 据 表明 ;细菌 对 趋 化 性 刺激 的 适应 是 MCP 共 价 甲 基 化 的 结果 。 枯 突变 而 使 甲 基 化 受到 阻 抑 , 就 丧失 了 适应 效应 ; 暴露 在 引诱 剂 中 需要 数 天 而 不 是 几 分 钟 ， 才 达 到 抑制 细菌 的 翻滚 运动 。 MCP 的 甲 基 化 反应 是 由 一 种 可 溶性 酶 ( 甲 基 转 移 酶 ) 催化 的 ,这 种 酶 将 甲 基 基 团 从 称 为 S- 腺 苷 甲 硫 氨 酸 的 公用 甲 基 基 团 供 体 中 , 转移 到 MCP 的 谷 氨 酸 残 基 的 游离 羧基 上 (图 13-49)。 如 果 加 入 能 结合 I 型 受 体 的 引诱 剂 ， 则 MCPI 的 甲 基 化 水 平 剧 增 ; 加 入 能 结合 II 型 或 III 型 受 体 的 引诱 剂 , 则 分 别 诱导 MCP I 或 MCP Ul 的 甲 基 化 。 只 要 引诱 剂 存 在 ， 甲 基 化 就 始终 维持 在 这 一 新 的 水 平 。 在 一 个 MCP 分 子 上 可 引信 多 至 4 个 甲 基 基 团 ， 所 以 甲 基 化 的 程度 是 随 引诱 剂 浓度 的 增加 而 增加 。 去 除 引诱 剂 后 ，MCP 就 被 一 种 可 溶性 的 脱 甲 基 化 酶 脱 甲 基 ( 图 13-49)。 在 趋 化 性 反应 期 间 甲 基 化 的 水 平 有 变化 ， 而 在 细菌 处 于 适应 状态 时 甲 基 化 水 平 不 变 , 因 为 甲 基 化 与 脱 甲 基 的 速率 相等 。 18 1% ug 周 质 周 质 Jal 受 体 受 体 受 体 蛋白 蛋白 A 13-48 细菌 趋 化 期 间 信号 转 导 的 步骤 。 化 学 引诱 剂 〈 未 显示 ) 与 周 质 空间 的 专 一 受 体 蛋白 结 合 。 然 后 受 体 与 内 层 ( 质 ) 膜 上 的 三 个 接受 甲 基 的 趋 化 性 蛋白 质 (MCPs) 相互 作用 。 后 者 的 相互 作用 使 MCP 活化 以 产生 细胞 内 介 导 因子 致使 秆 毛 “ 发 动机 ”继续 按 逆 时 针 方向 旋转 ， 从 而 抑制 了 翻 滩 使 继续 向 前 平稳 地 游 动 。 有 三 组 周 质 受 体 蛋白 (12,0 型 和 II 型 ) 各 自 与 专 一 的 小 分 子 和 其 自身 的 MCP 相互 作用 。 有 些 化 学 引诱 剂 能 直接 与 MCP 结合 ,并 使 其 活化 ， 然 而 在 本 图 中 未 显示 出 来 。 在 这 种 情况 下 , MCP 本 身 起 着 受 体 和 转 导 者 的 作用 。 27346 0, Lom S - 腺 背 甲 硫 氨 酸 S - 腺 苷 高 半 胱 氨 琶 O © —cH, ) #6 FF AL Ag FR aL Wa i MCP CHaOH H20 受 体 结合 激活 MC P. 并 将 甲 基 化 部 位 暴露 ose HA AE ig 活化 的 MC P 暴露 部 位 的 缓慢 甲 基 化 使 MCP 的 活性 恢复 到 初始 水 平 CO 适应 的 MCP o- f 13-50 MCP 通过 甲 基 化 作用 连续 活化 和 适应 的 高 度 示意 图 。 注 意 MCP 的 活性 以 及 细菌 翻 疹 频 率 在 休止 和 适应 状态 下 都 是 相同 的 。 为 了 简化 ， 每 个 MCP 分 子 只 显示 了 两 个 甲 基 化 部 位 《及 受 体 结合 部 位 ); 而 一 般 认 为 是 有 四 个 甲 基 化 部 位 的 《 受 体 结合 部 位 可 能 也 是 四 个 )。 即使 在 没 有 趋 化 性 刺激 时 ，MCPs 分 子 仍 有 一 定 程度 的 甲 基 化 ;图 中 也 未 显示 。 es。 7356 在 分 子 水 平 上 看 ,这 个 机 制 意味 着 一 个 结合 了 受 休 的 MCP 是 处 于 活化 状态 ， 直 到 它 接 受 了 另 一 个 甲 基 基 轩 之 后 〈 图 .13-50); 这 时 只 要 有 第 二 个 受 体 与 MCP BAA, MCP 能 再 次 活化 。 但 是 这 又 触发 了 另 一 个 甲 基 基 团 迟 滞 的 结合 ， 致 使 MCP 又 恢复 到 原 有 的 低 活 性 水 平 。 这 一 过 程 将 继续 下 去 ,直至 MCP 分 子 上 结合 了 4 个 活化 受 体 和 共 价 结合 了 4 THEA, 去 除 引诱 剂 时 ， 受 体 与 MCP 解 离 ，MCP 分 子 又 迅速 地 去 甲 基 , 由 此 又 恢复 了 这 一 过 程 。 最 近 有 证 据 表 明 ,蛋白 质 羧基 基 团 类 似 的 可 逆 性 甲 基 化 作用 ,也 参与 哺乳 动物 白细胞 的 趋 化 性 反应 ， 使 白细胞 能 为 炎症 部 位 所 释放 的 某 些 特异 信号 发 放 分 子 所 引诱 。 当 这 些 细胞 骏 露 在 引诱 剂 中 时 有 些 结合 在 细胞 膜 上 的 分 子 甲 基 化 ， 而 当 甲 基 化 反应 受到 某 些 特 腊 药物 阻 抑 时 细胞 的 趋 化 性 也 受到 抑制 , 正 像 细 菌 中 所 发 生 的 情况 一 样 。 细菌 趋 化 性 的 模型 ” MCP 经 活化 的 受 体 激活 必然 导致 产生 影响 鞭毛 发 动机 旋转 方向 的 细胞 内 信号 , 有 关 这 种 信号 的 性 质 尚未 卉 清 。 然 而 通过 应 用 细菌 趋 化 性 的 假设 模型 可 能 予以 说 明 。 这 一 a iB TK AS AY 人 和 N tis = | ON 2 适应 状态 的 酶 | 再 结合 一 个 受 体 使 酶 再 活化 ， CH3-07 So- [E84 alten AS ka @ | 去 除 引 诱 剂 引起 受 休 解 离 于 是 使 酶 失 活 ,并 将 甲 基 [ V “| 基 团 暴露 给 甲 基 栈 本 Ose ee TE ACAR AS HY ie CH =O" bs as SHELA X AY 7k : . 上 升 ， 使 翻滚 减少 ,0 失 活 状态 的 酶 ， C= 细胞 内 X 的 水 RS | 下 降 ， 使 翻滚 增加 暴露 的 甲 基 基 团 的 迅速 去 甲 基 化 使 酶 恢复 到 静止 状态 HLA ata NO (B) 图 13-51 根据 MCP 是 一 种 合成 细胞 内 介 导 因子 X 的 膜 结合 酶 的 设想 所 提出 的 细菌 趋 化 性 的 假设 模型 。 在 细菌 的 适应 过 程 中 ， 酶 由 于 受 体 活化 而 很 快 被 激活 ,并 由 于 随后 的 甲 基 化 而 缓慢 失 活 。 当 细胞 内 六 分 子 浓 度 高 时 ， 娘 毛发 动机 按 逆 时 针 方 向 旋转 ,致使 细菌 平稳 游 动 ;而 在 X 分子 浓 度 低 下 时 ， 则 按 顺 时 针 方向 旋转 ,致使 细菌 翻滚 。 本 图 中 ,在 加 入 更 多 的 引诱 剂 时 , 因 另 外 的 受 体 结 合 使 适应 状态 的 MCP 暂时 地 被 再 激活 ( 故 翻滚 减少 ) (A ); 由 于 去 除 引诱 剂 , 受 体 自 MCP 分 子 上 解 离 致 使 暂时 失 活 ( 故 翻滚 增加 )(B)。 注 意 , 不 论 是 在 适 谱 状 态 (或 是 有 一 个 受 体 结合 和 加 上 一 个 甲 基 基 困 ， 或 是 有 两 个 受 体 结合 和 添加 两 个 甲 基 基 团 ) 还 是 在 休止 状态 ，MCE Ag A@iS YE CLL 及 由 此 产生 的 细菌 细胞 内 科 分 子 浓度 和 翻滚 频率 ) 都 是 一 样 的 。 ©7366 工作 模型 是 以 这 样 的 假设 为 基础 的 , 即 细胞 内 某 些小 分 子 X 的 浓度 水 平 高 时 ,鞭毛 发 动机 按 逆 时 针 方向 旋转 ,细胞 平稳 地 游 动 ; 当 细胞 内 和 分 子 浓 度 低 时 , 则 按 顺 时 针 方向 旋转 , 细 胞 翻滚 。 进 一 步 的 假设 是 ，MCP 是 一 种 膜 结合 酶 ， 它 催化 细胞 质 中 和 的 合成 ;同时 也 设 想 趋 化 性 反应 有 激活 这 种 酶 的 趋势 ,从 而 增加 了 细胞 内 和 分 子 的 浓度 ， 而 适应 ( 即 MCP 的 甲 基 化 ) 具 有 使 该 酶 失 活 的 倾向 ,致使 细胞 内 和 分 子 浓 度 降 至 其 原 有 的 “休止 水 平 "。 在 这 种 静止 水 平 ,X 分 子 是 处 于 这 样 的 浓度 , 即 保证 了 细胞 在 无 趋 化 性 的 环境 中 所 表现 的 平 稳 游 动 和 偶尔 的 翻 滚 。 根据 这 一 模型 ,在 加 入 引诱 剂 后 , 一 种 细胞 周 质 受 体 蛋白 激活 了 MCP, REX OT 浓度 增加 ,抑制 细胞 的 翻滚 。 但 是 ，MCP 甲 基 化 的 增加 延缓 ,又 使 其 活性 恢复 到 原 有 的 低 水 平 ，X 分 子 浓度 也 就 恢复 到 静止 水 平 。 这 时 细胞 是 处 于 适应 状态 ， 翻 滚 的 状况 也 是 正常 的 。 然 而 , 假如 引诱 剂 浓度 有 变化 ， 翻 滚 率 又 再 度 发 生变 化 一 一 自 MCP 分 子 上 解 离 一 个 结合 受 体 而 降低 引诱 剂 浓度 〈 因 此 瞬时 地 使 酶 失 活 ， 增 加 翻滚 )( 图 13-51B); 给 MCP 分 子 沙 增 第 二 个 受 体 而 增加 引诱 剂 浓度 (因此 瞬时 地 使 酶 活化 ,抑制 了 翻 六 儿 图 13- 51A)。 只 有 在 引诱 剂 浓度 增高 到 使 MCP 分 子 上 受 体 结合 部 位 和 甲 基 化 部 位 饱和 时 ，, 细 菌 才 不 能 对 进一步 增加 引诱 剂 作出 反应 。 在 讨论 细菌 趋 化 性 反应 的 机 制 时 ,我 们 集中 讨论 了 对 引诱 剂 的 正 趋 化 性 反应 ,而 忽略 了 对 拒 斥 剂 的 负 趋 化 性 反应 。 遗 传 学 的 研究 表明 ,除了 所 有 的 反应 都 是 可 逆 的 之 外 ,细菌 游离 拒 斥 剂 的 机 制 与 游 向 引诱 剂 的 机 制 是 完全 相同 的 。 例 如 在 上 述 的 工作 模型 中 , 拒 斥 剂 ”的 受 体 同 样 会 与 MCP 结合 , 不 过 是 使 失 活 而 不 是 活化 , 由 此 降低 细胞 内 分 子 的 浓度 。 增加 拒 斥 剂 的 浓度 也 会 使 鞭毛 发 动机 按 顺 时 针 方向 旋转 ,致使 细菌 翻 站 。 小 结 借助 于 依赖 时 间 的 可 逆 状 态 下 对 高 浓度 的 信号 发 放 配 体 的 适应 ， 有 些 细胞 能 对 配 体 的 浓度 变化 而 不 是 对 配 体 的 绝对 浓度 水 平 作 出 反应 。 适 应 可 以 用 种 种 不 同 的 方法 产生 : 借助 配 体 结 售后 的 内 化 和 降解 作用 ， 或 受 体 构 象 变化 都 能 使 细胞 表面 受 体 失 活 。 此 外 它 还 能 通过 改变 某 种 非 蛋白 受 体 的 方式 ， 影 响 受 体 活 化 后 的 信号 传递 。 在 分 子 水 平 上 了 解 得 最 深 适 应 性 的 例子 是 发 生 在 细菌 的 趋 化 性 中 ， 这 一 过 程 中 膜 上 的 关键 信号 转 导 蛋白 的 可 逆 性 甲 基 化 ,使 细胞 能 游 向 最 适 环境 。 LAeeE KEP RI e737 。 一 般 的 Attenborough, D. 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