核糖体沉降系数

沉降系数 sedimentation coefficient 用离心法时 大分子沉降速度的量度 等于每 单位离心场的速度 或 s v 2r s 是沉降系数 是离心转子的角速度 弧度 秒 r 是 到旋转中心的距离 v 是沉降速度 沉降系数以每单位重力的沉降时间表示 并且通常为 1 200 10 13秒范围 10 13这个因子叫做沉降单位 s 即1s 10 13秒 如血红蛋白的沉 降系数约为4 10 13秒或4s 大多数蛋白质和核酸的沉降系数在4s 和40s 之间 核糖体及 其亚基在30s 和80s 之间 多核糖体在100s 以上 核糖体 Ribosome 是核糖核酸蛋白体的简称 是细胞器的一种 为椭球形的粒状 小体 原核与真核细胞蛋白质合成的部位 70S 核糖体是核糖体的一种 沉降系数沉降系数 根据在超速离心机的离心时的沉降系数 原核生物的核糖体为70S 数字代表沉降系 数值 数值越大核糖体也就越大 亚基分述亚基分述 70S 核糖体由30S 和50S 两个亚基组成 30S 亚基含有一个16S rRNA 分子和21种不同蛋白质 50S 亚基含有一个5S rRNA 以及32种不同蛋白质 70S 核糖体并不只存在于原核生物细胞内 真核生物的线粒体 叶绿体和细胞核也有 各自的核糖体 它们的沉降系数均为70S 因此 可以依据70S 核糖体的存在来判别原核 生物 质粒质粒 质粒是染色体外能够进行自主复制的遗传单位 包括真核生物的细胞器和细菌细胞中 染色体以外的脱氧核糖核酸 DNA 分子 现在习惯上用来专指细菌 酵母菌和放线菌等生 物中染色体以外的 DNA 分子 在基因工程中质粒常被用做基因的载体 目前 已发现有质粒的细菌有几百种 已知的绝大多数的细菌质粒都是闭合环状 DNA 分子 简称 cccDNA 细菌质粒的相对分子质量一般较小 约为细菌染色体的0 5 3 根据相对分子质量的大小 大致上可以把质粒分成大小两类 较大一类的相对分子质量是 40 106以上 较小一类的相对分子质量是10 106以下 少数质粒的相对分子质量介于两者 之间 每个细胞中的质粒数主要决定于质粒本身的复制特性 按照复制性质 可以把质粒 分为两类 一类是严紧型质粒 当细胞染色体复制一次时 质粒也复制一次 每个细胞内 只有1 2个质粒 另一类是松弛型质粒 当染色体复制停止后仍然能继续复制 每一个细 胞内一般有20个左右质粒 一般分子量较大的质粒属严紧型 分子量较小的质粒属松弛型 质粒的复制有时和它们的宿主细胞有关 某些质粒在大肠杆菌内的复制属严紧型 而在变 形杆菌内则属松弛型 在基因工程中 常用人工构建的质粒作为载体 人工构建的质粒可以集多种有用的特 征于一体 如含多种单一酶切位点 抗生素耐药性等 常用的人工质粒运载体有 pBR322 pSC101 pBR322含有抗四环素基因 Tcr 和抗氨苄青霉素基因 Apr 并含有5 种内切酶的单一切点 如果将 DNA 片段插入 EcoRI 切点 不会影响两个抗生素基因的表 达 但是如果将 DNA 片段插入到 Hind III Bam H I 或 Sal I 切点 就会使抗四环素基因 失活 这时 含有 DNA 插入片段的 pBR322将使宿主细菌抗氨苄青霉素 但对四环素敏感 没有 DNA 插入片段的 pBR322会使宿主细菌既抗氨苄青霉素又抗四环素 而没有 pBR322 质粒的细菌将对氨苄青霉素和四环素都敏感 pSC101与 pBR322相似 只是没有抗氨苄青 霉素基因和 PstI 切点 质粒运载体的最大插入片段约为10 kb kb 表示为千碱基对 以高中生物角度来看 质粒是游离在细胞质基质中的环状 DNA 主 要存在于细菌等原核生物中 负责某些蛋白质与激素 抗生素等的 分泌 而叶绿体从结构上看比质粒要复杂得多 虽然叶绿体的 DNA 也是环状结构 但毕竟叶绿体不只有 DNA 还有双层膜 其中还有 70S 核糖体 多种与光合作用 DNA 复制等基础生命活动有关的酶 远远比质粒复杂 因此叶绿体不能算做质粒 线粒体与叶绿体是一样的道理 自然也不能算做的质粒 首先 质粒是游离在细胞质基质中的环状 DNA 主要存在于细菌等原核生物中 是携带某 些抗生素 抗药性以及一些蛋白的基因 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 半自主性细胞器的概念 自身含有遗传表达系统 自主性 但编码的遗传信息十分有限 其 RNA 转录 蛋白质翻译 自身构建和功能发挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息 自 主性有限 很多学者把线粒体和叶绿体的遗传信息系统称为真核细胞的第二遗传信息系统 或核外基 因及其表达体系 这是因为研究发现 线粒体和叶绿体中除有 DNA 外 还有 RNA mRNA tRNA rRNA 核糖体 氨基酸活化酶等 说明这两种细胞器都具有独立 进行转录和转译的功能 也就是说 线粒体和叶绿体都具有自身转录 RNA 和翻译蛋白质 的体系 但迄今为止 人们发现叶绿体仅能合成13种蛋白质 线粒体能够合成的蛋白质也 只有60多种 而参与组成线粒体和叶绿体的蛋白质却分别有上千种 这说明 线粒体和叶 绿体中自身编码合成的蛋白质并不多 它们中的绝大多数蛋白质是由核基因编码 在细胞 质核糖体上合成的 也就是说 线粒体和叶绿体的自主程度是有限的 它们对核遗传系统 有很大的依赖性 因此 线粒体和叶绿体的生长和增殖是受核基因组及自身的基因组两套 遗传信息系统控制的 所以它们都被称为半自主性细胞器 线粒体 DNA 呈双链环状 与细菌 DNA 相似 一个线粒体中可有一个或几个 DNA 分子 各种生物的线粒体 DNA 大小不一样 大多数动物细胞线粒体 DNA 的周长约为5 m 约含 有16 000个碱基对 相对分子质量比核 DNA 分子小100 1 000倍 叶绿体 DNA 也呈双链 环状 其大小差异较大 有200 000 2 500 000个碱基对 叶绿体 DNA 的周长一般在 40 60 m 每个线粒体中平均约含有6个线粒体 DNA 分子 每个叶绿体中平均约含12个 叶绿体 DNA 分子 线粒体 DNA 和叶绿体 DNA 都可以自我复制 复制也是以半保留方式进行的 用3H 嘧啶 核苷标记证明 线粒体 DNA 复制的时间主要在细胞周期的 S 期及 G2期 而且 DNA 先复 制 随后线粒体分裂 叶绿体 DNA 复制的时间在 G1期 它们的复制都受核的控制 复制 所需的 DNA 聚合酶都是由核 DNA 编码 在细胞质核糖体上合成的 出芽生殖 ch y sh ng zh 出芽生殖 budding reproduction 出芽生殖又叫芽殖 是无性繁殖方式之一 出芽生 殖 中的 芽 是指在母体上长出的芽体 而不是高等植物上真正的芽的结构 由细胞分裂产生子代 在一定部位长出与母体相似的芽体 即芽基 芽基并不立即脱离 母体 而与母体相连 继续接受母体提供养分 直到个体可独立生活才脱离母体 是一种 特殊的无性生殖方式 如酵母菌 水螅等腔肠动物 海绵动物等 有些生物在适当环境下 会由体侧凸出向外形成一个球形芽体 这个芽体的养份全由 母体供应 待成熟后由母体相接处形成新的体壁 再与母体分离成为独立的新个体 此现 象称为出芽生殖 一些低等动物或植物无性生殖的一种方式 由母体长出新个体 形状和母体相似 仅 大小不同 脱落后成为独立的个体 又为 同样形态 营养生殖是利用植物的营养器官来进行繁殖 只有高等植物具有根茎叶的分化 因此 它是高等植物的一种无性生殖方式 低等的植物细胞不可能进行营养生殖 而出芽生殖是低 等植物的一种无性生殖方式 例如 马铃薯利用芽进行繁殖是利用块茎进行繁殖 它是营养生殖而不是出芽生殖 地 瓜是用根进行无性生殖 营养生殖包括 扦插 嫁接 压枝 分根 第六章 细胞质基质及细胞内膜系统 第六章 细胞质基质及细胞内膜系统 一 细胞质基质 cytoplasmic matrix 或 cytomatrix 一 概念 1 经典细胞学 电镜下 除去可见的细胞器及其亚微结构以外的细胞质部分称为细胞质基 质 2 细胞生物学 分级离心后 除去所有细胞器和颗粒剩下的清液部分称为胞质溶胶 学术争议 有人认为细胞骨架不属于细胞质基质的范畴 是细胞器 也有人认为细胞骨架是 细胞质基质的主要结构体系 是其他成分锚定的骨架 同时它们经常处于装配和解聚的动 态平衡中 其解聚的亚单位仍保持在液相中 二 化学组成 成分复杂 不易分析 所以 反映了大部分细胞生化成分 即是许多细胞器生化反应的底 物和产物的运输通道 本身又涉及了几种细胞代谢途径 离心分离中 易发生混杂和丢失 破碎的细胞器及液泡内含物可能混入可溶相 而另外一些本属基质的物质 如可溶性酶又 可依附在细胞器碎片上被分离掉 三 细胞质基质功能 1 是进行某些细胞生化活动的场所 糖酵解 脂肪酸合成 有些供细胞自身结构和代谢 所需蛋白 如组蛋白 非组蛋白 肌球蛋白 核糖体蛋白都在游离核糖体中合成 2 维持细胞器稳定 提供适宜离子环境 3 供应细胞器内发生反应的底物 4 对蛋白质修饰选择性降解和构象修正 磷酸化与去磷酸化 糖基化 甲基化 酰基化 依赖泛素标记的蛋白酶体中的蛋白质降解途径 热休克蛋白 HSP 帮助变性或畸形蛋白质重新折叠 5 物质贮存和运输 如 膜系统和细胞骨架系统解聚后的物质均贮存于细胞质基质中 被 称为 分子库 当需重新组装时由此提供元件 二 内膜系统 一 概念 1 内膜和内膜系统 内膜 电镜下可见的在细胞质内的膜相结构 内膜系统 由内膜 围成泡状 管状 扁囊状的亚微结构和细胞器 构成复杂且精密的胞内系统 主要包括内 质网 高尔基体 溶酶体 胞内体 过氧化物酶体以及衍生的小泡和液泡 内膜系统在细 胞质中的区域分布是依靠细胞骨架的立体网络支撑 注意 一般不把核糖体和叶绿体作为内膜系统成员 2 内膜的共同结构特点 1 单位膜的层次区别不如质膜明显 2 厚度稍薄 6 7nm 3 膜上抗原不同 三 内质网 endoplasmic reticulum ER 1 内质网的结构和分布 由单层单层内膜围成的管状 扁囊状结构 连通成网 周边区域常见由其出芽分离形成小 泡 按形态差别可分为两类 膜外表附有核糖体的称为粗面内质网 rough ER 而膜外无 核糖体的称为光面内质网 smooth ER 一般呈平行囊状分布 多数是围绕在细胞核附近 其内的腔与双层核膜之间的腔 核周池 相通 而光面内质网呈分支的管状网络往往分布 在粗面内质网的外侧 这两种内质网是连通的还可与质膜相连 在不同类型细胞中其数量 和类型有不同 如 卵细胞 胚胎细胞 癌细胞中内质网不发达而分泌细胞和肝脏细胞中却 很多 又如 脂肪细胞 肾上腺皮质细胞 肝细胞 平滑肌细胞光面内质很多 而胰腺细胞 和分泌抗体的浆细胞中则是粗面内质网多 这种分布与细胞合成功能有关 另外 内质网 数量还与动物生理状态有关 极度饥饿是内质网数量减少 喂食后数量增多 当长期服用 药物时细胞中光面内质网增多 2 内质网的化学组成 依据对微粒体的组成分析 微粒体是经分级离心得到的内质网碎片形成的人工产物 以蔗 糖密度梯度离心 可将两种内质网分开 再以脱氧胆脂酸盐 处理 可将核糖体分 离出来 3 内质网的功能 1 蛋白质合成 附着在粗面内质网外表的核糖体合成多肽链 从 易位子 孔道进入内质 网腔内 粗面内质网合成的蛋白质包括 分泌蛋白 外分泌的酶 抗体 多肽类 激素 胞 外基质等 膜蛋白 将转运到质膜和其它内膜 和细胞器中可溶性驻留蛋白 转运到高尔 基体 溶酶体 胞内体 endosome 和植物液泡等细胞器 2 蛋白质折叠装配和修饰加工 新合成的多肽由结合蛋白 Bip 和蛋白二硫键异构酶帮 助折叠装配 前者起识别促进作用 是 HSP70家族成员 后者起切断和重新形成二硫键 作用 凡错误折叠装配的肽链都由易位子返回细胞质基质中 由依赖泛素的蛋白酶解聚 内质网中合成蛋白质的糖基化是最常见的修饰加工 分为 N 连接糖基化和 O 连接糖基 化两种方式 前者是在膜上的糖基转移酶作用下 将膜内侧的磷酸多萜醇上的寡糖链转移 到多肽链的天冬酰氨残基上 而后者则是转移到丝氨酸 苏氨酸 羟赖氨酸 或羟脯氨酸 残基上 3 脂类合成 磷脂 胆固醇和甾类激素都是在内质网上合成的 合成磷脂所需的三种酶 酰基转移酶 磷酸酶 胆碱磷酸转移酶 都位于膜上 其活性部位朝向膜外 合成磷脂 的底物来自细胞质基质 合成后在磷脂转位因子 phospholipid translocator 帮助下翻转 转位 迅速进入内质网腔中 其合成的脂类除部分用于自身的膜装配 其他的转运到别 的细胞 转运方式 类似于膜蛋白的膜流动和膜泡出芽转运 还可以磷脂转换蛋白 phospholipid exchange proteins PEP 为载体运送到线粒体和过氧化物酶体等缺磷脂 的细胞器膜上 4 内膜的生成和分化 粗面内质网可不断自身装配生成 再通过一系列化学结构上的膜 改造 如核糖体脱落 添加或减少膜的酶 脂类及糖基等 实现各类型内膜的转化 其膜 物质的生成中心是粗面内质网 转运方式 凡连通的内膜由膜流动性转运 凡不连通的则有 由小泡 包括衣被小泡 转运 5 解毒作用 粗面内质网中有些酶 如 细胞色素 P450酶系 能催化脂溶性物质 如苯 巴比妥 氧化失效 6 糖原分解 动物的糖原颗粒 肝糖原 肌糖原 贮存在细胞质基质中 当生理活动需 消耗能量时 在激素控制由 CAMP 介导 糖原被 葡聚糖磷酸化酶降解成葡萄糖 6 磷酸 再由光面内质网上的磷酸脂酶催化去掉磷酸根 葡萄糖穿过膜进入光面内质网腔 运出细胞进入血液供生理需要 7 Ca2 的贮存 内质网膜上的 Ca2 泵将细胞质基质中的 Ca2 大量泵入腔内贮存 一 旦受胞外信号刺激时 内质网膜的 Ca2 通道打开 Ca2 迅速涌出作为胞内信号传递 基 质网是肌细胞中特化的光面内质网 平时其内贮存的 Ca2 浓度比细胞质基质中高数千倍 当兴奋冲动刺激时 肌质网大量释放 Ca2 激活 ATP 酶 促进肌肉收缩 8 合成物质的运输和交换 内质网是胞内物质合成运输的通道 以3H 亮氨酸脉冲标记 追踪观察 粗面内质网合成的分泌性多肽经光面内质网腔转运到高尔基体 包装成分泌颗 粒 再输出胞外或其他细胞器 此外 内质网膜与细胞质基质之间形成了巨大的物质交换 面积 小分子物质和离子在内质网膜上能发生穿膜扩散和主动运输 四 高尔基复合体 高尔基体 Golgi body 或称高尔基器或称高尔基复合体 Golgi complex 一 形态结构的分布 由一层膜包围组成的囊状 管状和泡状复合结构的堆叠 可大致分为三部分区域 1 G 顺面膜囊 CGN 高尔基体在位置朝向和物质运输上都表现有极性 一般弯曲成弓 形 其凸面称形成面 或顺面 朝向细胞核 其凹面朝向质膜 称为成熟面 或反面 G 顺面的纤膜囊是中间多孔而且具有连续分枝的管网结构 其膜厚6nm 与内质网相近 CGN 区域将内质网运来的物质分类后大部分转运至中间膜囊 小部分返回内质网 返回内 质网的蛋白质有 KDEL 信号序列 它是驻留在内质网内蛋白的特有序列 2 G 中间膜囊是进行糖基化修饰 糖脂形成和多糖合成的主要区域 3 G 反面膜囊 TGN 是蛋白质成分分类 包装和转运的主要区域 在高尔基体周围的囊泡是由膜囊周缘膨大部分出芽形成 负责物质转运 二 高尔基体的功能 1 细胞内大分子运输枢纽 内质网合成的蛋白质和脂质在此加工 分类和包装后 分别 运送到细胞特定部位或分泌到细胞外 还是细胞内糖类合成的工厂 2 蛋白质糖基化修饰 质膜上许多膜蛋白和分泌蛋白以及胞外基质中的蛋白聚糖等 都 是在高尔基体完成糖基化修饰 加工 包装和分选的 糖基化有两种类型 N 连接和 O 连接 差别见表6 2 N 连接糖基化始于粗面内质网 直至高尔基体反面膜囊要经过9 个步骤 11种以上酶的催化 部分切除添加等加工修饰 图6 9 才能最终形成成熟的糖 蛋白 那些参与加工的酶都是固定整合在内质网和高尔基体的腔内侧 组成修饰加工流水 线 蛋白质糖基化功能有 1 作为分选标志 如 2 保证多肽正确折叠 3 增强构象稳定性 3 蛋白酶原加工 1 无生物活性的蛋白质切除 N 端或两端序列 如 激素原修剪成胰岛 素 2 前体切割成多段同种有活性的多肽如神经肽 3 对含有不同信号序列的蛋白质前 体以不同方式加工成不同产物 4 在细胞分泌中的主要作用 消化道分泌物 唾液 胃液 膜液 胆汁等 呼吸道分泌 物 痰液等 都是高浓度的糖蛋白或糖胺聚糖或蛋白聚糖 在如 皮脂腺 汗腺中分泌的糖 脂类 5 是酶原和初级溶酶体的发源地 酶原是无活性的蛋白酶前体 如胃蛋白酶原 胰蛋白 酶原等 6 在植物细胞分裂末期参与细胞多糖合成 7 是细胞内的膜泡进行 膜流 的调控枢纽 细胞内的膜泡除转运内含物质外 还转运了膜 物质 故称为膜流 其方向有 外 内 内 内 和内 外 这是维持质膜及内膜系 统动态平衡的膜物质循环途径 五 溶酶体 lysosome 和过氧化物酶体 peroxisome 溶酶体内含多种水解酶 能降解融化各种大分子物质 是广泛存在于动物细胞中的主要细 胞器 植物细胞中有与其功能类似的圆球体及植物中央液泡 一 溶酶体的结构 由单层膜包围形成的泡状细胞器 膜厚度7 5nm 其内部无结构 但大小相差极大 其直 径为0 2 0 5nm 不等 所含的水解酶有60余种 包括蛋白酶 核酸酶 糖苷酶 酯酶 磷 脂酶 都是酸性水解酶 最适 PH 值为5 0左右 其中酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶 溶酶体的特点 1 嵌有质子泵 能维持中酸性内环境 2 具有多种载体蛋白 能将水解 产物向外转运 3 膜蛋白高度糖基化 可能对防止自身膜物质降解有利 二 溶酶体的功能 1 细胞内消化 降解胞吞作用进入的大分子异物 为细胞代谢提供营养 饥饿时 溶酶体 也分解细胞内的生物大分子以保证机体所需能量 2 防御功能 白细胞和巨噬细胞可吞噬细菌或病毒 在溶酶体中将其杀死 消化降解后的 产物供给细胞营养 3 自噬清除细胞内衰老损伤的生物大分子和细胞器 胞内生物大分子和细胞器有一定寿命 衰老损伤的由溶酶体和蛋白酶体消化清除的 有用物质被转化更新 4 对机体中的衰老病变细胞的清除 主要由巨噬细胞吞噬到溶酶体中降解 5 对发育过程中的凋亡细胞的清除 如 蝌蚪尾的退化 断乳期乳腺的退化 6 受精时精子顶体效应 三 溶酶体的发生 如前所述 合成过程中的容酶体在 GCGN 区域发生磷酸化 形成 M6P 标志 到 TGN 区 域由 M6P 受体穿梭于高尔基体和溶酶体之间 反复使用 此外 还有部分含 M6P 受体的 溶酶体酶先分泌在胞外 再由质膜上的 M6P 受体介导的有被小泡运送到溶酶体 其 M6P 受体在质膜与前溶酶体之间往返 四 过氧化物酶体的特征 功能及发生 过氧化物酶体又称为微体 microbody 也是单层膜围绕而成的泡状细胞器 其主要特征 是 内含氧化酶类 PH7左右 常见晶体结构 其识别标志酶是过氧化氢酶 1 微体中常含两种酶 依赖黄素 FAD 的氧化酶和过氧化氢酶 前者能将底物氧化成 H2O2 后者能将其分解成水 氧气 所以两种酶偶联反应 能保护细胞免受过氧化氢的 毒害 2 有人认为 微体能分解脂肪酸等高能分子对细胞直接提供热能 而不是通过水解 ATP 途径提供热能 3 植物叶肉细胞中的微体 是植物光呼吸反应中的乙醛酸代谢场所 乙醛酸氧化的结果 是耗氧并释放二氧化碳 是在光照下叶绿体和线粒体联合完成的 注意光呼吸与细胞呼吸 以及光合作用是完全不相同的 4 植物种子萌发对其 微体催化了乙醛酸循环反应 将种子中的脂肪酸 转化变成葡萄糖 动物细胞中不能进行这种直接转化 5 微体能分裂 但子代的微体的成熟则需要添加外源物质来装配其蛋白 是由细胞质基 质中合成转运而来 其膜脂是在内质网合成后由磷脂转换蛋白或膜泡转运的 现在已知 知道分泌蛋白在内质网中合成的关键因素为 1 信号肽 signal peptide 2 信号识别颗粒 signal recognition particle SRP 3 SRP 的受体 又称为停泊蛋 白 DP 信号肽是位于新合成蛋白质 N 端 由16 26个氨基酸组成 是先在细胞质基质中的核糖体 上其始合成一小段 随即结合上 SRP 是合成肽链暂停 然后 SRP 与内质网膜上的 DP 结合 使得核糖体与停泊在内质网膜上的易位子 translocom 结合 SRP 则脱离返回细 胞质基质去重复使用 信号肽由易位子孔道过膜引导肽链以绊环进入内质网腔 当腔面信 号肽酶切除信号肽后 其后多肽链合成延伸直至合成完毕 上述过程是靠 GTP 的耗能过 程 关于这样的多肽链边合成边转移到内质网腔中的方式称为共转移 cotranslocation 然而 那些无信号肽的多肽链合成 由于不可能共转移进入内质网 当然只能在细胞质基 质中完成 由此而证 某种蛋白质究竟会在何处合成 是取决于 N 端是否有信号肽 而这 又是依据其 mRNA 上的编码 归根结底是由其 DNA 编码序列决定的 N 端的信号肽是起始转移序列 start transfer sequence 有的肽链中部还有停