细胞生物学精要（原书第五版）

第1章　细胞：生命的基本单位　1

细胞的统一性和多样性　1

细胞的形态和功能大不相同　2

活细胞都有相似的化学组成和化学性质　2

活细胞可利用自身蛋白催化完成自我复制　3

所有活细胞都由同一祖先演化而来　4

基因是细胞和有机体形态发生、功能和行为的总指挥　4

显微镜下的细胞　5

光学显微镜的发明导致了细胞的发现　5

光学显微镜揭示了细胞的一些组件　5

电子显微镜揭示了细胞的精细结构　6

原核细胞　12

原核生物是地球上种类和数量多的细胞　13

原核生物世界可分为两个域：细菌和古细菌　14

真核细胞　15

细胞核是细胞的信息存储器　15

线粒体利用食物分子产生能量　16

叶绿体从阳光中捕获能量　16

内膜创建功能各异的细胞内区室　18

胞质溶胶是一种含有大小分子的浓缩水凝胶　20

细胞骨架负责细胞的定向运动　21

细胞质远非静止　22

真核细胞可能作为捕食者而起源　22

模式生物　24

分子生物学家专注于大肠杆菌　25

酿酒酵母是一种简单的真核生物　25

拟南芥作为模式植物　26

模式动物果蝇、线虫、鱼和小鼠　26

生物学家也直接研究人类和人体细胞　30

基因组序列比对揭示出生命共同的遗传特征　31

基因组不仅仅只包含基因　32

基本概念　32

关键词　33

问题　33

第2章　细胞的化学成分　37

化学键　37

细胞由相对少数的几种原子组成　37

外层的电子决定原子间如何相互作用　39

共价键由共用的电子所形成　41

一些共价键涉及多个电子对　42

共价键中的电子通常是不均等共用　42

共价键的强度可使其在细胞内稳定存在　42

离子键通过得失电子而形成　45

氢键是许多生物分子中重要的非共价键　45

四种弱相互作用将细胞内的分子聚集在一起　46

一些极性分子在水中形成酸和碱　49

细胞中的小分子　52

细胞由碳化合物构成　52

细胞主要含有四种有机小分子　52

糖既是细胞的能量来源，也是组成多糖的亚基　53

脂肪酸链是细胞膜的组成部分　56

氨基酸是形成蛋白质的亚基　59

核苷酸是形成DNA和RNA的亚基　63

细胞中的大分子　67

每个大分子都含有特定的亚基序列　67

非共价键决定大分子的精确形状　70

非共价键允许大分子结合其他特定分子　70

基本概念　71

关键词　72

问题　72

第3章　能量、催化和生物合成　75

细胞利用能量　76

细胞释放的热能使生物有序性成为可能　76

细胞能够将能量从一种形式转换为另一种形式　77

光合生物利用阳光合成有机分子　78

细胞通过有机分子的氧化获得能量　79

氧化和还原涉及电子的转移　79

自由能和催化作用　81

化学反应朝向自由能损失的方向上进行　81

酶降低了自发反应起始所需的能量　82

自由能的变化决定了一个反应能否发生　83

ΔG在反应趋向平衡的进程中不断变化　84

标准自由能变化ΔG°可以比较不同反应的能量　84

平衡常数与ΔG°成正比　85

在复合反应中，平衡常数取决于所有反应物和产物的浓度　88

平衡常数也可指示非共价结合反应的强度　88

对于连续反应，自由能的变化是叠加的　89

酶催化反应依赖于快速的分子碰撞　90

非共价相互作用允许酶结合特定分子　90

活化载体和生物合成　91

活化载体的形成与能量上有利的反应相偶联　91

ATP是广泛使用的活化载体　94

存储在ATP中的能量常用于连接两个分子　95

NADH和NADPH二者都是电子活化载体　96

NADPH和NADH在细胞中发挥不同的作用　97

细胞也利用许多其他活化载体　98

生物多聚物的合成需要能量输入　99

基本概念　102

关键词　102

问题　103

第4章　蛋白质的结构和功能　107

蛋白质的形状和结构　107

蛋白质的形状由氨基酸序列确定　107

蛋白质折叠成能量*低的构象　111

各种蛋白质都有自己的复杂形状　113

α螺旋和β折叠是常见的折叠模式　115

生物结构易于形成螺旋形式　115

β折叠在许多蛋白质的核心处形成刚性结构　118

蛋白质的错误折叠造成引发疾病的淀粉样蛋白结构　118

蛋白质具有多层次的组织形式　118

蛋白质也包含无固定结构的区域　119

在许多潜在可能的多肽链中，只有少数是有功能的　120

蛋白质可以归类为不同家族　120

大蛋白分子所含的多肽链通常多于一个　120

蛋白质可以组装成丝状、片状或球状　122

某些类型的蛋白质呈现为细长的纤维状　123

细胞外蛋白通常进行共价交联而得以稳定　124

蛋白质如何工作　124

所有蛋白质都与其他分子结合　124

人体能产生数十亿种抗体，每种抗体都有各自的结合位点　126

酶是强大且高度特异的催化剂　129

酶极大地加快了化学反应的速度　129

以溶菌酶为例揭示酶的工作原理　130

很多药物抑制酶的活性　134

紧密结合的小分子赋予蛋白质额外的功能　134

蛋白质是如何被调控的　135

酶的催化活性通常受到其他分子的调节　135

变构酶具有相互影响的两个或多个结合位点　136

磷酸化可通过引起构象变化来调控蛋白质的活性　137

共价修饰也可以调控蛋白质的定位和相互作用　138

磷酸基团的添加和去除控制GTP结合蛋白活性的开关　139

ATP水解使马达蛋白在细胞中产生定向运动　139

蛋白质经常形成大型复合物，以蛋白质机器的形式发挥作用　139

许多相互作用的蛋白质通过支架聚集在一起　140

大分子之间的弱相互作用可以在细胞中形成大的生化区室　141

我们是如何研究蛋白质的　142

蛋白质可以从细胞或组织中纯化出来　143

确定蛋白质的结构从确定其氨基酸序列开始　148

基因工程技术能够大规模生产、设计和分析几乎任何一种蛋白质　149

蛋白质的相关性有助于预测蛋白质的结构和功能　152

基本概念　152

关键词　153

问题　154

第5章　DNA和染色体　157

DNA的结构　158　

DNA分子由两条核苷酸互补链组成　158　

DNA的结构提供了一种遗传机制　160

真核染色体的结构　161

真核生物的DNA被包装成多条染色体　162

染色体组织和携带遗传信息　162　

DNA复制和染色体分离需要特定的　

DNA序列163

间期染色体在核内并非随机分布166

染色体中的DNA总是高度凝集166

核小体是真核染色体结构的基本单位　167

染色体的包装有多个层次　168

染色体结构的调节　170

核小体结构的变化使DNA暴露出来　170

间期染色体同时包含高度凝集和相对伸展的两种状态　171

基本概念177

关键词177

问题　177

第6章　DNA复制和修复　181　

DNA复制　182

碱基配对使DNA得以复制　182　

DNA合成开始于复制起点　182

每个复制起点都有两个复制叉　186　

DNA聚合酶利用一条亲本链为模板合成DNA　187

复制叉是不对称的　188　

DNA聚合酶能自我校正　188

短的RNA作为DNA合成的引物　189

复制叉上的蛋白质相互协调，形成一个复制机器　192

端粒酶复制真核生物染色体的末端　193

端粒长度因细胞类型和年龄而异　194

DNA修复　195

DNA损伤在细胞中不断发生　195

细胞具有多种修复DNA的机制　196

DNA错配修复系统清除校读过程中未被发现的复制错误　197

双链DNA断裂需要不同的修复策略　198

同源重组可以完美无缺地修复DNA双链断裂　199

DNA损伤修复失败可能对细胞或生物体造成严重后果　200

DNA复制和修复的保真度记录被保存在基因组序列中　201

基本概念　202

关键词　202

问题　203

第7章　从DNA到蛋白质：细胞如何读取基因组　205

从DNA到RNA　206

部分DNA序列被转录成RNA　206

转录产生一条与DNA链互补的RNA　206

细胞产生各种类型的RNA　209

DNA　中的信号指示RNA聚合酶从何处开始和停止　210

真核生物基因转录的起始是一个复杂的过程　211

真核RNA聚合酶需要通用的转录因子　212

真核mRNA在细胞核中加工　213

在真核生物中，蛋白质编码基因被称为内含子的非编码序列所间隔　215

RNA剪接从mRNA前体中除去内含子　215

RNA合成和加工发生在细胞核内的“工厂”中　217

成熟的真核mRNA从细胞核内输出　218

mRNA分子终在胞质溶胶中降解　218

从RNA到蛋白质　219

mRNA序列以三联核苷酸组的形式被破译　219

tRNA分子将氨基酸与mRNA中的密码子进行匹配　220

特定的酶将tRNA分子与正确的氨基酸偶联　223

mRNA上的信息在核糖体上被解码　224

核糖体是一种核酶　227

mRNA中的特定密码子指示核糖体从哪里开始和终止蛋白质合成　227

蛋白质由多核糖体合成　229

原核生物蛋白合成的抑制剂可被用作抗生素　229

受控的蛋白质降解有助于调节细胞中每种蛋白质的含量　230

从DNA到蛋白质需要经过许多步骤　231

RNA与生命起源　232

生命需要自催化　233　

RNA可以存储信息和催化化学反应　233　

RNA在演化上先于DNA出现　234

基本概念　235

关键词　236

问题　237

第8章　基因表达调控　239

基因表达总览　239

一个多细胞生物的不同细胞类型含有相同的DNA　240

不同细胞类型产生不同的蛋白质组　240

细胞可以响应外部信号从而改变其基因的表达　241

基因表达可以在DNA到RNA再到蛋白质的多个步骤上进行调控　242

基因转录是如何调控的　242

转录调控因子与调节性DNA序列相结合　242

转录开关使细胞可以响应环境的变化　244

阻遏因子关闭基因，激活因子打开基因　245　

Lac操纵子由一个激活因子和一个阻遏因子所控制　245

真核转录调控因子可以远程控制基因表达　245

真核转录调控因子通过招募染色质修饰蛋白来帮助起始转录　246

染色体襻环结构域排列可以保持增强子受控　247

产生特化的细胞类型　248

真核基因受到转录调控因子的组合调控　248

单个蛋白质可以协调不同基因的表达　248

综合调控也可以产生不同的细胞类型　249

一个完整器官的形成能够被一个转录调控因子触发　253

转录调控因子可被用于体外指导特定细胞类型的形成　253

分化的细胞会维持其特征　254

转录后调控　257　

mRNA含有控制自身翻译的序列　257