細胞生物學精要（原書第五版）

第1章　細胞：生命的基本單位　1

細胞的統(tǒng)一性和多樣性　1

細胞的形態(tài)和功能大不相同　2

活細胞都有相似的化學組成和化學性質　2

活細胞可利用自身蛋白催化完成自我復制　3

所有活細胞都由同一祖先演化而來　4

基因是細胞和有機體形態(tài)發(fā)生、功能和行為的總指揮　4

顯微鏡下的細胞　5

光學顯微鏡的發(fā)明導致了細胞的發(fā)現(xiàn)　5

光學顯微鏡揭示了細胞的一些組件　5

電子顯微鏡揭示了細胞的精細結構　6

原核細胞　12

原核生物是地球上種類和數(shù)量多的細胞　13

原核生物世界可分為兩個域：細菌和古細菌　14

真核細胞　15

細胞核是細胞的信息存儲器　15

線粒體利用食物分子產(chǎn)生能量　16

葉綠體從陽光中捕獲能量　16

內膜創(chuàng)建功能各異的細胞內區(qū)室　18

胞質溶膠是一種含有大小分子的濃縮水凝膠　20

細胞骨架負責細胞的定向運動　21

細胞質遠非靜止　22

真核細胞可能作為捕食者而起源　22

模式生物　24

分子生物學家專注于大腸桿菌　25

釀酒酵母是一種簡單的真核生物　25

擬南芥作為模式植物　26

模式動物果蠅、線蟲、魚和小鼠　26

生物學家也直接研究人類和人體細胞　30

基因組序列比對揭示出生命共同的遺傳特征　31

基因組不僅僅只包含基因　32

基本概念　32

關鍵詞　33

問題　33

第2章　細胞的化學成分　37

化學鍵　37

細胞由相對少數(shù)的幾種原子組成　37

外層的電子決定原子間如何相互作用　39

共價鍵由共用的電子所形成　41

一些共價鍵涉及多個電子對　42

共價鍵中的電子通常是不均等共用　42

共價鍵的強度可使其在細胞內穩(wěn)定存在　42

離子鍵通過得失電子而形成　45

氫鍵是許多生物分子中重要的非共價鍵　45

四種弱相互作用將細胞內的分子聚集在一起　46

一些極性分子在水中形成酸和堿　49

細胞中的小分子　52

細胞由碳化合物構成　52

細胞主要含有四種有機小分子　52

糖既是細胞的能量來源，也是組成多糖的亞基　53

脂肪酸鏈是細胞膜的組成部分　56

氨基酸是形成蛋白質的亞基　59

核苷酸是形成DNA和RNA的亞基　63

細胞中的大分子　67

每個大分子都含有特定的亞基序列　67

非共價鍵決定大分子的精確形狀　70

非共價鍵允許大分子結合其他特定分子　70

基本概念　71

關鍵詞　72

問題　72

第3章　能量、催化和生物合成　75

細胞利用能量　76

細胞釋放的熱能使生物有序性成為可能　76

細胞能夠將能量從一種形式轉換為另一種形式　77

光合生物利用陽光合成有機分子　78

細胞通過有機分子的氧化獲得能量　79

氧化和還原涉及電子的轉移　79

自由能和催化作用　81

化學反應朝向自由能損失的方向上進行　81

酶降低了自發(fā)反應起始所需的能量　82

自由能的變化決定了一個反應能否發(fā)生　83

ΔG在反應趨向平衡的進程中不斷變化　84

標準自由能變化ΔG°可以比較不同反應的能量　84

平衡常數(shù)與ΔG°成正比　85

在復合反應中，平衡常數(shù)取決于所有反應物和產(chǎn)物的濃度　88

平衡常數(shù)也可指示非共價結合反應的強度　88

對于連續(xù)反應，自由能的變化是疊加的　89

酶催化反應依賴于快速的分子碰撞　90

非共價相互作用允許酶結合特定分子　90

活化載體和生物合成　91

活化載體的形成與能量上有利的反應相偶聯(lián)　91

ATP是廣泛使用的活化載體　94

存儲在ATP中的能量常用于連接兩個分子　95

NADH和NADPH二者都是電子活化載體　96

NADPH和NADH在細胞中發(fā)揮不同的作用　97

細胞也利用許多其他活化載體　98

生物多聚物的合成需要能量輸入　99

基本概念　102

關鍵詞　102

問題　103

第4章　蛋白質的結構和功能　107

蛋白質的形狀和結構　107

蛋白質的形狀由氨基酸序列確定　107

蛋白質折疊成能量*低的構象　111

各種蛋白質都有自己的復雜形狀　113

α螺旋和β折疊是常見的折疊模式　115

生物結構易于形成螺旋形式　115

β折疊在許多蛋白質的核心處形成剛性結構　118

蛋白質的錯誤折疊造成引發(fā)疾病的淀粉樣蛋白結構　118

蛋白質具有多層次的組織形式　118

蛋白質也包含無固定結構的區(qū)域　119

在許多潛在可能的多肽鏈中，只有少數(shù)是有功能的　120

蛋白質可以歸類為不同家族　120

大蛋白分子所含的多肽鏈通常多于一個　120

蛋白質可以組裝成絲狀、片狀或球狀　122

某些類型的蛋白質呈現(xiàn)為細長的纖維狀　123

細胞外蛋白通常進行共價交聯(lián)而得以穩(wěn)定　124

蛋白質如何工作　124

所有蛋白質都與其他分子結合　124

人體能產(chǎn)生數(shù)十億種抗體，每種抗體都有各自的結合位點　126

酶是強大且高度特異的催化劑　129

酶極大地加快了化學反應的速度　129

以溶菌酶為例揭示酶的工作原理　130

很多藥物抑制酶的活性　134

緊密結合的小分子賦予蛋白質額外的功能　134

蛋白質是如何被調控的　135

酶的催化活性通常受到其他分子的調節(jié)　135

變構酶具有相互影響的兩個或多個結合位點　136

磷酸化可通過引起構象變化來調控蛋白質的活性　137

共價修飾也可以調控蛋白質的定位和相互作用　138

磷酸基團的添加和去除控制GTP結合蛋白活性的開關　139

ATP水解使馬達蛋白在細胞中產(chǎn)生定向運動　139

蛋白質經(jīng)常形成大型復合物，以蛋白質機器的形式發(fā)揮作用　139

許多相互作用的蛋白質通過支架聚集在一起　140

大分子之間的弱相互作用可以在細胞中形成大的生化區(qū)室　141

我們是如何研究蛋白質的　142

蛋白質可以從細胞或組織中純化出來　143

確定蛋白質的結構從確定其氨基酸序列開始　148

基因工程技術能夠大規(guī)模生產(chǎn)、設計和分析幾乎任何一種蛋白質　149

蛋白質的相關性有助于預測蛋白質的結構和功能　152

基本概念　152

關鍵詞　153

問題　154

第5章　DNA和染色體　157

DNA的結構　158　

DNA分子由兩條核苷酸互補鏈組成　158　

DNA的結構提供了一種遺傳機制　160

真核染色體的結構　161

真核生物的DNA被包裝成多條染色體　162

染色體組織和攜帶遺傳信息　162　

DNA復制和染色體分離需要特定的　

DNA序列163

間期染色體在核內并非隨機分布166

染色體中的DNA總是高度凝集166

核小體是真核染色體結構的基本單位　167

染色體的包裝有多個層次　168

染色體結構的調節(jié)　170

核小體結構的變化使DNA暴露出來　170

間期染色體同時包含高度凝集和相對伸展的兩種狀態(tài)　171

基本概念177

關鍵詞177

問題　177

第6章　DNA復制和修復　181　

DNA復制　182

堿基配對使DNA得以復制　182　

DNA合成開始于復制起點　182

每個復制起點都有兩個復制叉　186　

DNA聚合酶利用一條親本鏈為模板合成DNA　187

復制叉是不對稱的　188　

DNA聚合酶能自我校正　188

短的RNA作為DNA合成的引物　189

復制叉上的蛋白質相互協(xié)調，形成一個復制機器　192

端粒酶復制真核生物染色體的末端　193

端粒長度因細胞類型和年齡而異　194

DNA修復　195

DNA損傷在細胞中不斷發(fā)生　195

細胞具有多種修復DNA的機制　196

DNA錯配修復系統(tǒng)清除校讀過程中未被發(fā)現(xiàn)的復制錯誤　197

雙鏈DNA斷裂需要不同的修復策略　198

同源重組可以完美無缺地修復DNA雙鏈斷裂　199

DNA損傷修復失敗可能對細胞或生物體造成嚴重后果　200

DNA復制和修復的保真度記錄被保存在基因組序列中　201

基本概念　202

關鍵詞　202

問題　203

第7章　從DNA到蛋白質：細胞如何讀取基因組　205

從DNA到RNA　206

部分DNA序列被轉錄成RNA　206

轉錄產(chǎn)生一條與DNA鏈互補的RNA　206

細胞產(chǎn)生各種類型的RNA　209

DNA　中的信號指示RNA聚合酶從何處開始和停止　210

真核生物基因轉錄的起始是一個復雜的過程　211

真核RNA聚合酶需要通用的轉錄因子　212

真核mRNA在細胞核中加工　213

在真核生物中，蛋白質編碼基因被稱為內含子的非編碼序列所間隔　215

RNA剪接從mRNA前體中除去內含子　215

RNA合成和加工發(fā)生在細胞核內的“工廠”中　217

成熟的真核mRNA從細胞核內輸出　218

mRNA分子終在胞質溶膠中降解　218

從RNA到蛋白質　219

mRNA序列以三聯(lián)核苷酸組的形式被破譯　219

tRNA分子將氨基酸與mRNA中的密碼子進行匹配　220

特定的酶將tRNA分子與正確的氨基酸偶聯(lián)　223

mRNA上的信息在核糖體上被解碼　224

核糖體是一種核酶　227

mRNA中的特定密碼子指示核糖體從哪里開始和終止蛋白質合成　227

蛋白質由多核糖體合成　229

原核生物蛋白合成的抑制劑可被用作抗生素　229

受控的蛋白質降解有助于調節(jié)細胞中每種蛋白質的含量　230

從DNA到蛋白質需要經(jīng)過許多步驟　231

RNA與生命起源　232

生命需要自催化　233　

RNA可以存儲信息和催化化學反應　233　

RNA在演化上先于DNA出現(xiàn)　234

基本概念　235

關鍵詞　236

問題　237

第8章　基因表達調控　239

基因表達總覽　239

一個多細胞生物的不同細胞類型含有相同的DNA　240

不同細胞類型產(chǎn)生不同的蛋白質組　240

細胞可以響應外部信號從而改變其基因的表達　241

基因表達可以在DNA到RNA再到蛋白質的多個步驟上進行調控　242

基因轉錄是如何調控的　242

轉錄調控因子與調節(jié)性DNA序列相結合　242

轉錄開關使細胞可以響應環(huán)境的變化　244

阻遏因子關閉基因，激活因子打開基因　245　

Lac操縱子由一個激活因子和一個阻遏因子所控制　245

真核轉錄調控因子可以遠程控制基因表達　245

真核轉錄調控因子通過招募染色質修飾蛋白來幫助起始轉錄　246

染色體襻環(huán)結構域排列可以保持增強子受控　247

產(chǎn)生特化的細胞類型　248

真核基因受到轉錄調控因子的組合調控　248

單個蛋白質可以協(xié)調不同基因的表達　248

綜合調控也可以產(chǎn)生不同的細胞類型　249

一個完整器官的形成能夠被一個轉錄調控因子觸發(fā)　253

轉錄調控因子可被用于體外指導特定細胞類型的形成　253

分化的細胞會維持其特征　254

轉錄后調控　257　

mRNA含有控制自身翻譯的序列　257