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第1章 细胞引言1

显微镜下的细胞1

光学显微镜的发明导致细胞的发现2

在显微镜下可以看到细胞、细胞器甚至分子3

真核细胞8

细胞核是细胞的信息存贮器9

线粒体利用食物产生能量而赋予细胞动力10

叶绿体从日光捕获能量12

内膜创建功能各异的胞内区室13

胞质溶胶是一种浓缩大分子和小分子的含水凝胶15

细胞骨架负责细胞运动15

细胞的同一性与多样性16

细胞在外形与功能方面变化巨大19

活细胞都有相似的基本化学组成和化学性质20

一切现代细胞看来都从同一祖先进化而来21

细菌是最小、最简单的细胞22

分子生物学家曾集中研究过大肠杆菌24

贾第鞭毛虫可能代表真核细胞进化过程中的一个中间阶段24

酿酒酵母是一种简单的真核细胞25

单细胞生物可以是巨大的、复杂的并且是凶猛的：原生动物26

从30万种植物中选出拟南芥作为模式植物27

动物界以果蝇、蠕虫、鼠和人为代表27

在一个多细胞生物中细胞洋洋大观各显神通29

基本概念32

关键词33

问题33

第2章 细胞的化学成分35

化学键35

细胞由少数几种原子组成35

最外层电子决定原子间如何相互作用37

电子得失形成离子键39

电子共享形成共价键41

共价键有不同的类型42

水是细胞中最丰富的物质43

一些极性分子在水中形成酸或碱48

细胞内的分子49

细胞由碳化合物构成49

细胞含有4种主要的有机小分子49

糖是细胞的能源及多糖的亚基50

脂肪酸是细胞膜的组分52

氨基酸是蛋白质的亚基53

核苷酸是DNA及PNA的亚基58

GTP结合蛋白可发生巨大的构象变化64

大分子具有一种特殊的亚基序列64

非共价键规定一个大分子的精确形状65

非共价键使一个大分子能与另一些特定的分子结合68

基本概念69

关键词69

问题69

第3章 能量、催化作用及生物合成73

催化作用及细胞中能量的利用74

细胞释放热能，从而可能形成生物学有序性75

光合生物利用太阳光合成有机分子77

细胞通过有机分子的氧化作用获得能量78

氧化及还原反应涉及电子转移79

酶降低阻止化学反应的势垒80

酶如何找到它们的底物：快速扩散的重要性82

一个反应的自由能变化决定这个反应能否进行84

反应物的浓度影响ΔG值84

接续反应的ΔG0值是叠加的88

活化的载体分子与生物合成88

一个活化载体的形成与一个能量方面有利的反应相偶合90

ATP是用得最广泛的活化载体分子90

贮存在ATP中的能量常被用于两个分子的连接92

NADH及NADPH是重要的电子载体93

细胞内有许多其他活化载体分子94

生物聚合物的合成要求能量输入96

基本概念99

关键词99

问题99

第4章 细胞怎样从食物获得能量101

糖和脂肪的分解102

食物分子分三个阶段分解以产生ATP102

糖酵解是一条重要的ATP生产途径104

发酵使ATP在无氧条件下产生105

糖酵解说明酶如何将氧化作用偶合至能量贮存108

糖与脂肪都在线粒体中降解为乙酰辅酶A110

柠檬酸循环通过乙酰基氧化为CO2而产生NADH113

在大多数细胞中电子传递驱动大部分ATP合成114

贮存与利用食物115

生物在特殊的存贮器中贮存食物分子115

许多生物合成途径从糖酵解或柠檬酸循环开始119

代谢是有组织并受调控的120

基本概念122

关键词122

问题122

第5章 蛋白质的结构和功能125

蛋白质的形状与结构125

蛋白质的形状是由其氨基酸序列规定的128

蛋白质折叠成能量最低的构象132

蛋白质可形成多种复杂形状133

α螺旋和β折叠是普遍的折叠形式134

蛋白质有多个层次的组织形式136

在大量可能的多肽链中只有少数几个是有功能的138

蛋白质可被归纳分类138

较大的蛋白质分子往往含有一条以上的多肽链139

蛋白质可组合成丝、片或球140

螺旋是生物结构中一种常见的结构模体142

一些类型的蛋白质具有伸长的纤维形状143

胞外蛋白质常因共价交联而得以稳定144

蛋白质怎样发挥作用144

蛋白质结合其他分子145

抗体结合部位极为多样化146

结合强度可由平衡常数来衡量147

酶是强有力且高度专一的催化剂156

溶菌酶显示了酶的工作机制157

Vmax和Km衡量酶效率159

紧密结合的小分子赋予蛋白质额外功能160

酶的催化活性是可以调节的161

别构酶有两个相互影响的结合部位162

蛋白质的磷酸化可引起构象变化163

细胞中摩托蛋白产生大的位移165

蛋白质通常形成大型复合物，起蛋白质机器的作用166

基本概念168

关键词168

问题168

第6章 DNA171

基因是由DNA组合的172

DNA的结构和功能172

一个DNA分子是由两条互补的核苷酸链组成的173

DNA的结构提供了一种遗传机制175

DNA复制177

DNA合成从复制起始位点开始177

新的DNA合成在复制叉上进行178

复制叉是不对称的178

DNA聚合酶能自我校正180

短的RNA充当DNA合成的引物182

在复制叉处的蛋白质相互协调，形成复制机构183

DNA修复184

DNA上的变化引起突变185

DNA错配修复系统清除被复制机构忽略了的复制差错186

DNA在细胞内持续不断地受到损伤187

基因的稳定性取决于DNA修复189

高保真地维持DNA意味着近缘种的蛋白质有很相似的序列190

基本概念191

关键词191

问题192

第7章 从DNA到蛋白质195

从DNA到RNA196

部分DNA序列转录成RNA196

转录产生与一条DNA链互补的RNA197

细胞内产生数种RNA199

DNA上的信号指示RNA聚合酶何处起始和结束200

真核RNA在核内被加工200

真核基因被非编码序列所间隔203

内含子由RNA拼接而被去除203

mRNA分子最终被细胞降解205

最早期的细胞基因内可能已有内含子206

从RNA到蛋白质207

mRNA以三核苷酸组的形式被解译207

tRNA分子使氨基酸与mRNA上的密码子相匹配208

特定的酶使tRNA与正确的氨基酸偶联210

RNA信息在核糖体上被解译210

MRNA上的密码子指示蛋白质合成的起始及终止213

蛋白质在多核糖体上合成214

精细控制的蛋白质降解协助调控细胞内每种蛋白质的量215

从DNA到蛋白质之间有很多步骤216

RNA和生命起源217

简单的生物分子能在前生命条件下形成218

RNA既能贮存信息也能催化化学反应219

RNA在进化上早于DNA221

基本概念222

关键词223

问题223

第8章 染色体和基因调控225

真核生物染色体的结构226

真核生物的DNA包装成染色体226

细胞周期中染色体以不同状态存在228

特殊DNA序列保证染色体高效复制228

核小体是染色质结构的基本单位230

染色体有多级的DNA包装231

间期染色体同时含有浓缩的和比较伸展的染色质形态232

基因表达的位置效应揭示了间期染色体包装的不同234

间期染色体在细胞核内组织235

基因调控236

细胞调控自身基因的表达236

转录控制是通过蛋白质结合到DNA调节序列上实现的237

阻抑物关闭基因，活化物打开基因239

真核生物基因转录的起始是一个复杂的过程241

真核RNA聚合酶要求通用转录因子242

真核基因调控蛋白从远处控制基因表达242

启动子DNA包装成核小体会影响转录起始244

真核基因是由蛋白质组合来调控的245

不同基因的表达可被单个蛋白质协调246

组合控制可产生不同细胞类型247

稳定的基因表达型式可传递给子细胞248

单个基因调控蛋白能触发一个完整器官的生成250

基本概念251

关键词251

问题251

第9章 遗传性变异255

细菌的遗传性变异256

细菌的快速分裂意味着突变会在短时间内产生256

细菌中的突变能被环境条件中的变化所选择258

细菌细胞能从其他细菌中获得基因259

细菌基因能通过细菌接合而转移259

细菌能从周围环境中摄取DNA261

同源重组可在两个具有相似序列的DNA分子之间发生262

用细菌病毒能使基因在细菌和细菌之间转移264

转座因子创造遗传多样性266

真核生物基因组中遗传性变异的来源267

随机DNA重复造成相关基因家族268

编码新蛋白质的基因可通过外显子重组而产生269

多细胞真核生物DNA的大部分是由重复非编码序列组成的270

人基因组约10%由两个转座序列家庭组成271

转座因子加速了基因组的进化272

病毒是能离开细胞的高度可动的遗传因子273

反转录病毒逆转正常的遗传信息流275

携带宿主基因的反转录病毒能使细胞癌变277

有性生殖和基因的重新分配278

有性生殖在一个不可预见的变化环境中给予生物竞争优势278

有性生殖和二倍体及单倍体细胞都有关279

减数分裂由二倍体细胞产生单倍体细胞279

减数分裂产生大量遗传性变异282

基本概念283

关键词283

问题283

第10章 DNA技术287

如何分析DNA分子288

限制酶在特定位点上切割DNA分子289

凝胶电泳分离不同大小的DNA片段290

DNA片段的核苷酸序列是可以测定的292

核酸杂交292

DNA杂交促进遗传性疾病的产前诊断294

原位杂交将核苷酸序列定位在细胞或染色体上296

DNA克隆297

DNA连接酶把DNA片段连在一起以产生一个重组DNA分子297

细菌质粒可用来克隆DNA298

通过DNA克隆分离人基因299

cDNA文库代表一个特定组织产生的mRNA302

杂交也能鉴定关系较远的基因303

聚合酶链反应扩增选定的DNA序列304

DNA工程307

可以构建全新的DNA分子307

利用克隆的DNA大量制备稀有的细胞蛋白质307

体外转录产生RNA309

突变的生物体能最好地提示基因功能310

转基因动物携带工程基因311

基本概念313

关键词314

问题314

第11章 膜的结构317

脂双层318

膜脂质在水中形成双层318

脂双层是一种二维流体321

脂双层的流动性取决于它的组成部分323

脂双层是不对称的324

脂质不对称性产生于细胞内324

溶质和离子不能透过脂双层325

膜蛋白326

膜蛋白以多种方式与脂双层结合327

多肽链通常以α螺旋穿过双层327

膜蛋白能被去垢剂溶解并纯化328

很少几种膜蛋白的完整结构是清楚的330

细胞皮层加固质膜331

细胞表面被糖覆盖333

细胞能限制膜蛋白的运动333

基本概念335

关键词336

问题336

第12章 膜转运339

细胞内外的离子浓度差异很大340

载体蛋白及其功能341

溶质通过被动转运或主动转运穿过膜342

电势和浓度梯度能驱动被动转运343

主动转运使溶质逆它们的电化学梯度迁移344

动物细胞利用ATP水解的能量泵出Na＋345

Na＋－K＋泵由瞬时磷酸化所驱动346

动物细胞利用Na＋梯度主动摄取营养物347

Na＋－K＋泵帮助维持动物细胞的渗透压平衡349

Ca2＋泵使细胞内Ca2＋保持低浓度350

植物、直菌和细菌利用H＋梯度驱动膜转运350

离子通道和膜电位352

离子通道是离子选择性的和门控的352

离子通道在开放和关闭状态之间随机进行快速切换354

电压门控离子通道应答膜电位355

膜电位由膜对特定离子的通透性来调控357

神经细胞的离子通道和信号传导359

动物电位为迅速的长距离通讯提供了条件359

动作电位通常由电压门控Na＋通道介导360

在神经末梢处，电压门控Ca2＋通道把电信号转换为化学信号363

靶细胞内的递质门控通道把化学信号转变回电信号364

神经元既接收兴奋性输入又接收抑制性输入364

突触连接使你能思考、动作和记忆366

基本概念367

关键词368

问题368

第13章 线粒体和叶绿体中的能量生产371

细胞通过一种基于膜的机制获得其大部分能量371

线粒体和氧化磷酸化374

一个线粒体有两个膜被区室374

高能电子通守柠檬酸循环产生375

电子沿线粒体内膜中的蛋白质链传递377

电子传递产生跨膜质子梯度378

质子梯度驱动ATP合成380

电化学质子梯度驱动跨线粒体内膜的偶联转运381

质子梯度产生细胞的大部分ATP382

在线粒体内ADP快速转变成ATP，使细胞内维持ATP/ADP的高比率383

电子传递链与质子泵送384

电子传递容易移动质子384

氧化还原电位是电子亲和性的量度385

电子传递释放大量能量385

金属紧密地与蛋白质结合，形成多种多样的电子载体387

质子由三种呼吸酶复合物泵送过膜389

呼吸作用有惊人的效率390

叶绿体与光合作用391

叶绿体与线粒体相似但有一个额外的区室392

叶绿体从阳光捕获能量用以固定碳393

受激的叶经素分子把能量汇集到一个反应中心394

光能驱动ATP和NADPH的合成396

碳固定作用由核酮糖二磷酸羧化酶催化397

叶绿体内的碳固定作用产生蔗糖和演粉399

线粒体和叶绿体的遗传系统表明它们起源于析核细胞399

我们的单细胞祖先400

RAN序列提示进化史400

古代的细胞可能发生于热环境401

甲烷球菌生活在黑暗中，仅以无机物质为食物402

基本概念403

关键词404

问题404

第14章 胞内区室及转运407

膜被细胞器407

真核细胞含有一套基本的膜被细胞器408

膜被细胞器由不同途径进化而来410

蛋白质分选411

蛋白质通过三种机制输入细胞器内412

信号序列指导蛋白质到正确的区室中去412

蛋白质通过核孔进入核内414

蛋白质伸展进入线粒体和叶绿体416

蛋白质在合成后即进入内质网417

可溶性蛋白质被释入内质网腔418

起始和终止信号决定跨膜蛋白在脂双层中的排列419

小泡转运420

转运小泡携带可溶性蛋白质和膜来往于区室之间421

小泡出芽由一种蛋白质外被的装配所驱动421

DNARE决定小泡停靠的特定地点423

分泌途径425

大多数蛋白质的共价修饰发生在ER内425

蛋白质离开ER时受到控制以保证蛋白质的质量426

蛋白质在高尔基体内被进一步修饰和分选427

分泌蛋白通过胞吐作用自细胞中释出428

胞吞途径429

特化的吞噬细胞摄入大的颗粒430

液体和大分子通过胞饮作用而被摄入430

受体介导的胞吞作用提供一条通向动物细胞内的特殊通路431

胞吞的大分子在内体中分选432

溶酶体是细胞内消化的主要场所433

基本概念434

关键词435

问题435

第15章 细胞通讯437

细胞信号传导的一般原理438

信号能经过长程或短程而起作用438

每个细胞应答有限的一组信号441

受体通过细胞内信号传导途径传递信号442

有些信号分子能穿过质膜443

一氧化氮能进入细胞，直接激活酶445

主要的三类细胞表面受体445

与离子通道偶联的受体把化学信号转变成电信号447

细胞内信号级联放大起一系列分子开关的作用447

G蛋白偶联受体448

G蛋白偶联受体的刺激作用激活G蛋白亚基449

某些G蛋白调节离子通道450

某些G蛋白激活与膜结合的酶451

cAMP通路可激活酶并开启基因452

经过磷脂酶C的通路引起细胞内Ca2＋升高455

Ca2＋信号触发诸多生物学过程455

细胞内信号及联放大能达到惊人的速度、敏感性和适应性：眼的光感受器457

酶联受体459

激活的受体酷氨酸激酶组装一个细胞内信号蛋白复合物459

受体酶氨酸激酶激活GTP结合蛋白Ras460

蛋白激酶网络整合信息以控制复杂的细胞行为462

基本概念464

关键词464

问题465

第16章 细胞骨架467

中间丝468

坚固耐久的中间丝469

中间丝增强细胞，对付机械应力的作用469

微管472

微管是两端结构明显不同的中空管子472

微管被维持在组装和去组装的动态平衡中473

中心体是动物细胞中主要的微管组织中心474

增长中的微管表现动态不稳定性475

微管把细胞的内部组织起来477

摩托蛋白驱动胞内转运478

细胞器沿着微管移动479

纤毛和鞭毛具有由动力蛋白驱动的稳定微管480

肌动蛋白丝482

肌动蛋白丝纤细而富柔韧性483

肌动蛋白和微管蛋白有机同的聚合机制484

许多蛋白质能有肌动蛋白丝结合并修饰其性能484

大部分真核细胞质膜下有一富含肌动蛋白的“皮层”486

细胞的爬行依赖于肌动蛋白486

肌动蛋白与肌球蛋白一起形成可收缩的结构488

肌肉收缩期间肌动蛋白丝相对于肌球蛋白丝滑动490

肌肉收缩由突发性Ca2＋升高所触发492

基本概念494

关键词495

问题495

第17章 细胞分裂499

细胞周期概貌501

真核细胞周期可分为4期501

细胞骨架执行有丝分裂和胞质分裂502

有丝分裂中一些细胞器裂成碎片503

有丝分裂503

有丝分裂纺锤体在前期开始组装504

染色体在前中期附着于有丝分裂纺锤体505

中期染色体排列在纺锤体的赤道板处508

子染色体在后期分开509

核被膜在分裂末期重新形成510

动物细胞的收缩环由肌动蛋白和肌球蛋白构成511

有丝分裂纺锤体决定胞质分裂面511

胞质分裂511

植物细胞中胞质分裂涉及新细胞壁的形成513

减数分裂513

减数分裂期间同源染色体成对分置514

减数分裂包含两次而不是一次细胞分裂515

基本概念517

关键词518

问题518

第18章 细胞周期调控及细胞死亡521

细胞周期控制系统522

一个中央控制系统启动细胞周期的主要进程522

细胞周期控制系统基于周期性激活的蛋白激酶524

MPF是一种细胞周期蛋白-Cdk复合物，它控制着细胞能否进入M期525

依赖细胞周期蛋白的蛋白激酶受控于细胞周期蛋白的积聚及破坏526

各种细胞周期蛋白-Cdk复合物启动细胞周期的不同步骤527

Cdk的活性进一步为其自身磷酸化和去磷酸化所调节527

Cdk抑制物蛋白能使细胞周期阻滞于G1期528

细胞能分解其周期控制系统并脱离细胞周期530

多细胞生物中细胞数目控制531

细胞增殖依赖于来自其他细胞的信号531

动物细胞具有内在的对其分裂次数的限制533

动物细胞需要来自其他细胞的信号以免于编程性细胞死亡533

胞内的蛋白质水解级联反应介导编程性细胞死亡535

癌细胞不服从细胞增殖及生存的社会性控制536

基本概念538

关键词538

问题539

第19章 组织541

胞外基质与结缔组织542

植物细胞具有坚韧的细胞外壁543

纤维素纤维使植物细胞具有抗拉强度544

动物的结缔组织主要由胞外基质组成545

胶原蛋白使动物结缔组织具有抗拉强度549

细胞分泌胶原蛋白并组织其分布550

整联蛋白使细胞外的基质与细胞内的细胞骨架偶合551

多糖和蛋白质凝胶充填间隙并抗压552

上皮层和细胞与细胞间连接553

上皮层是极化的并位于基板上554

紧密连接使上皮不渗漏并且隔离其顶端表面和基部表面555

与细胞骨架相连的细胞连接坚固地把上皮细胞和上皮细胞以及上皮细胞和基板结合起来556

间隙宫接使离子和小分子能在细胞之间穿行560

组织的维持、更新以及癌对它的破坏作用561

不同的组织以不同的速率更新562

干细胞产生连续供应的终末分化细胞563

单个分裂细胞中的突变可造成它及其后代细胞脱离正常控制565

癌是组成身体细胞群体中发生突变和自然选择的结果566

癌需要突变的累积567

发育568

程序性细胞运动造就动物个体图式568

细胞随其经历及所处的位置不同而启动不同的各组基因569

可扩散的信号给细胞提供位置信息571

果蝇研究为脊椎动物发育研究提共了钥匙572

整个动物界采用相似的基因给细胞一种关于其位置的内部记录573

基本概念575

关键词575

问题576

术语汇编579

答案597

索引659