导图社区 细胞生物学第十二章
参考：翟中和《细胞生物学》；王金发《细胞生物学》。根据《细胞生物学》教材整理，这是细胞的重大生命活动以及分子调控机制的相关内容总结。
细胞生物学第17章细胞的社会联系，参考翟中和细胞生物学第四版，是重点知识的纲要。数字代表展开会有几点，帮助复习。
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生化第四章蛋白质的共价结构，知识点有蛋白质通论、肽、蛋白质一级结构的测定、氨基酸序列与生物进化、肽和蛋白质的化学合成。
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第十二章
细胞周期与细胞分裂
细胞分裂的意义
新细胞是从老细胞产生的
更新多细胞生物体内衰老的死亡的细胞
红细胞的寿命约120d，每天死亡10的11次方个
细胞周期的发现
1953年，Howard与Pelc提出了细胞周期的概念，用32P同位素标记的方法来观察在间期蚕豆根尖细胞，发现其DNA复制是在间期，因此把有一个DNA复制的时期就叫做S期，DNA复制前的间隙期叫G1期，DNA复制以后细胞分裂之前 间隙期叫G2期
细胞周期关注的焦点
细胞如何忠实地复制其遗传物质DNA
复制后的染色体如何精确地分配给子细胞
细胞生长过程与细胞分裂过程如何协调配合
细胞周期
细胞分裂产生的新细胞的生长开始到下一次细胞分裂形成子细胞结束为止所经历的过程称为细胞周期
细胞周期时相及类型
细胞周期的时相
分裂期(M期）
核分裂
体细胞进行的有丝分裂
生殖细胞进行的减数分裂
胞质分裂
有丝分裂期
间期
G1
细胞周期的长短主要决定于G1期的长短
S
G2
人的细胞周期：24h,分裂期30min，G1期9h，S期10h，G2期4.5h
不同类型的真核细胞周期时间不同
细胞周期和细胞类群
真核生物细胞分为三类
持续分裂细胞
细胞周期连续运转，增殖，以增加细胞数量
造血干细胞
G0细胞
暂时脱离细胞周期，停止分裂而执行特定生物学功能，若受到刺激，重新进入细胞周期，如成纤维细胞。
多发生与G1期
终端分化细胞
分化程度高，终身不再分裂，如很多肌细胞，哺乳动物成熟红细胞
高度特化的细胞
早期蛙胚细胞分裂增殖快
无G1、G2期，S期非常短
除了DNA合成外，几乎没有其他成分的合成
细胞周期各时相的合成活动
合成rRNA
合成蛋白质
有丝分裂完成到DNA复制前的一段时期
合成脂类
合成糖类
G1后期DNA合成酶活性大大增加
DNA合成前期
为DNA合成做准备
DNA
常染色体复制在前，异染色体复制在后
能转录的DNA复制在前，不能转录的DNA复制在后
GC含量高的DNA复制在前，AT含量高的在后
不同序列复制有时间顺序
组蛋白
使合成的DNA得以包装成核小体
起DNA复制延长因子的作用
DNA复制需要的酶
DNA合成期
ATP
RNA
蛋白质
微管蛋白
促成熟因子（MPF）等
DNA合成后期
为有丝分裂做准备
M
过程
从细胞分裂开始到结束所经历的过程，从细胞染色体的凝聚、分离并平均分配到两个子细胞的过程
特点
RNA合成停止
蛋白质合成减少
染色体高度螺旋化
结果
分裂后，S期合成的DNA减半
细胞周期中细胞形态结构的变化
细胞形态的变化
贴壁扁平状，细胞表面微绒毛和小泡很少
细胞微鼓，容易脱落，细胞表面微绒毛增多
球形，脱离培养瓶
细胞内部结构的变化
染色质结构变化
染色体松散，DNA半保留复制和核小体八聚体组蛋白全保留方式偶联
形成两条染色质纤维
染色单体形成
核仁变化
从分裂前期到分裂中期，核仁小时，核膜解体，分裂后期重新形成核膜
间期向分裂期过渡
形成纺锤体，需要大量微管蛋白
细胞表面微绒毛形成，与细胞骨架的肌动蛋白纤维相关
细胞器的分裂和片段化
线粒体和叶绿体与细胞分裂同步，数量加倍
其他膜结合器生长断成片段
例如内质网和高尔基体
细胞周期的研究方法
细胞的同步化
自然同步化
例如果蝇早期胚胎发育，其细胞核可以快速并高度同步的分裂
人工同步化
类型
选择同步化
有丝分裂选择法
同步在M期
贴壁细胞
细胞沉降分离法
悬浮培养的细胞，细胞大小
用物理方法
诱导同步化
DNA合成双阻断法
胸腺嘧啶阻断技术
对S期的短暂阻断（阻断DNA合成所需的核苷酸的合成）
第一次阻断
胸腺嘧啶脱氧核苷TdR
其他期停在G1/S期
S期停在S期
第二次阻断
普通培养后再加入过量TdR
停在G1/S期
贴壁细胞和悬浮细胞都适用
中期阻断法
阻断在有丝分裂中期（抑制微管的聚合，因而抑制有丝分裂器的形成)
秋水仙素、诺考达唑等药物干扰微管动态变化，从而有效地一直分裂期纺锤体的形成，将细胞阻断在有丝分裂的中期
改变温度、添加代谢抑制剂等
两者结合同步化
条件突变体的利用
例如用温度敏感突变来研究酵母细胞
区分细胞在哪个周期时相
显微观察技术
分裂期例如细胞变圆，芽殖细胞出芽
荧光染料标记DNA，标记微管等更加清楚
流式细胞术
特定DNA含量
细胞周期的调控
重点部分
细胞周期调控概述
细胞周期调控的方式
连锁反应
协同反应
蛋白激酶在细胞周期调控中的作用
细胞周期的控制系统由一套相互作用的蛋白质组成
细胞融合实验
1970年Rao、Johnson
对DNA复制起始的控制
G1和S期之间
对染色体凝聚的控制
G2和M期之间
融合G1期细胞和S期细胞
正在进项复制的细胞的细胞质中含有促进G1期细胞进行DNA复制的起始因子
融合G2期细胞和S期细胞
S期的细胞质中的DNA复制起始因子对于已进行了DNA复制的G2期的细胞核没有作用
融合M期细胞和非M期细胞
M期细胞质总能诱导非有丝分裂的细胞中的染色质凝聚，染色体超前凝聚（PPC）
与M期细胞融合的G1期的染色体为单线状
与M期融合的S期染色体为粉末状
正在复制的DNA易受损伤，DNA断裂
与M期融合的G2期染色体为双线状
处于M期的细胞中一定有一种使染色体由松散状态凝聚成染色体的物质，即细胞周期调节因子的存在
促成熟因子的发现
首先发现于蛙卵细胞中
MPF活性测试实验
从蛙卵细胞制备提取物，注射到非洲爪蟾的卵母细胞
发现注射来自M期卵细胞中的提取物，可使卵母细胞进入M期
来自细胞周期其他阶段的提取物注射卵母细胞不能诱导进入M期
在M期的细胞中有促进细胞分裂的因子存在，称促成熟因子，MPF
结构
1988年用柱层析从蛙卵中纯化了MPF
异质二聚体
催化亚基
能够将磷酸基团从ATP转移到特定底物的丝氨酸和苏氨酸残基上，这种蛋白激酶后来被称为细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）
细胞周期的进程依赖于一种酶的激活，而这种酶的唯一活性是使其他蛋白质磷酸化
CDK
特点:
来自于裂殖酵母的cdc2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，故名细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶
功能
cdc2又称CDK1， 可将特定蛋白磷酸化
将核纤肽磷酸化导致核纤层解体、核膜消失
将H1磷酸化导致染色体的凝缩等
种类
12余种，均含一段保守序列，与周期蛋白的结合有关
调节亚基
即细胞周期蛋白
有丝分裂时候高
浓度在细胞周期中是呈周期性变化的，含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导与CDK结合. MPF的活性与细胞周期蛋白一样在细胞周期中呈现周期性变化
酶的活性受一种亚基的控制，它的浓度在细胞周期的不同阶段是不同的
作用
激活和引导CDK作用于不同底物
G1型
G1/S型
S型
M型
已知30余种
细胞周期蛋白的鉴定
遍在蛋白质介导的额细胞周期蛋白的讲解促使细胞退出有丝分裂
APC的活性调节控制细胞周期蛋白B的降解
真核生物细胞周期调控的一般模型
裂殖酵母的细胞周期调控
裂殖酵母是研究细胞周期的极好材料，因为 酵母中与细胞周期相关基因的突变很容易被 识别:如细胞的温度敏感突变.
裂殖酵母周期基因突变
裂殖酵母的MPF
Cdc2蛋白又称为p34cdc2蛋白。 裂殖酵母的Cdc2-Cdc13相当于非洲 爪赡的MPE
裂殖酵母的MPF（cdc12-cdc13）活性调节
①三个位点磷酸化没有活性
②cdc25作用，使其中两个位点（15.14位）去磷酸化，具有活性
③促使进入G1期
④Cyclin降解，cdc2又没有活性
与MPF比较
①激酶让MPF cdk的磷酸化位点被抑制后
②变为有活性的MPF
③有活性的MPF磷酸化下游的一些蛋白，从而调控细胞活性
芽殖酵母的细胞周期调控
◆芽殖酵母(S.cerevisiae)是以出芽的方式 进行增殖的. ◆芽殖酵母在G1期发动细胞周期的点称为 起点(START)。
芽殖酵母的Cdc28
3种G1细胞周期蛋白与Cdc28蛋白形成促S期因子
哺乳动物细胞周期的控制
哺乳动物的细胞周期受一个小型Cdks家族 的调节，分别命名为Cdk1、Cdk2、Cdk3等。
哺乳动物细胞周期具有限制点
哺乳动物细胞周期受多种CDK和周期蛋白的调控
细胞周期的关卡
细胞周期中的3个主要关卡
G1关卡(启动点或限制点)
靠近G1期
新生细胞的生长是否足够大，内部环境是否合适
G2关卡
在G2期结束点
DNA是否正确复制和是否复制完全、细胞是否生长得足够大
中期关卡
在中期末
控制染色体是否与纺锤体相连，排列在赤道板上，从而为姊妹染色单体分离奠定基础
其他影响细胞周期的事件
DNA复制不完全
纺锤体装配不正常
DNA损伤
MPF的作用机制
核纤层的磷酸化与核被膜解体
MPF参与多种有丝分裂早期事件的控制
细胞分裂
细胞分裂的类型
无丝分裂
细胞核伸长，从中部缢缩，然后细胞质分裂
有丝分裂
有纺锤体的出现和染色体的变化
减数分裂
是指染色体复制一次而细胞连续分裂 两次的分裂方式，是高等动植物配子体形 成的分裂方式。
有丝分裂过程
前期
染色质凝缩成具有明显特征的染色体。核仁解体、核膜消失, 与此同时, 细胞质中出现纺锤体
早中期
主要事件是纺锤体的装配，染色体剧烈地活动, 个别染色体剧烈地旋转、振荡、徘徊于两极之间，并被纺锤体“捕获”
核膜破裂到染色体排列到赤道板之前
中期
两极的纺锤体微管分别同染色体的动粒结合，装配成动粒微管之后，即进入中期。
染色体排列到赤道板上，到姊妹染色单体开始分向两极的一段时间
后期
着丝粒分开, 染色单体移向两极。
末期
染色体解螺旋形成细丝, 出现核仁和核膜。
将细胞膜、细胞骨架、细胞器以及可溶性蛋白质等分配给两个子细胞称为胞质分裂
有丝分裂的机制
纺锤体
是由大量微管纵向排列组成的中间宽两极小的细胞器，形状象纺锤，因此称为纺锤体。
纺锤体微管的类型及其形成
动粒微管
极微管
星微管等
染色体分离的两个阶段
后期A
染色体运动的力主要是由动粒微管的去装配产生的，此时的染色体运动称为向极运动。
拉力
后期B
染色体运动的力主要是由极微管的聚合产生的，此时的运动称为染色体极分离运动 。
推力
纺锤体微管运动机制
微管去聚合作用假说
纺锤体微管滑动假说
胞质分裂的机制
胞质分裂是一个信号诱导的过程，由星微管传递的，说明胞质分裂是由星微管决定的
星微管传递的信号决定肌动蛋白在分裂细胞中间装配成收缩环
核解体机制
H1组蛋白和核纤层蛋白的磷酸化导致染色体的凝集和核膜的解体，它们的磷酸化作用主要由激活的MPF催化的
核重建机制
核重建是核解体的相反过程，前期磷酸化的核纤层蛋白经去磷酸化后重新形成核纤层
减数分裂的一般特点
减数分裂是细胞只进行一次DNA复制，随后进行两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂
减数分裂的主要类型
配子或终端减数分裂
合子或始端减数分裂
孢子或中间减数分裂
减数分裂的过程
减数分裂间期
S期持续的时间比较长，并且DNA进行不 完全复制，复制总量的99.7%—99.9%。
减数分裂分裂期
减数分裂期Ⅰ
第一次减数分裂
前期I
细线期
染色质在凝集前已复制，呈单条细线状，看不到成双的结构染色体，染色体是由两条染色单体构成的。
偶线期
染色质进一步凝集，同源染色体发生配对，称为联会(synapsis)，所以此期又称配对期
粗线期
染色体明显变粗变短，结合紧密，此期染色体形态是一个明显的四分体
双线期
染色体长度进一步变短，联会复合体因发生去组装而逐渐消失，紧密配对的同源染色体相互分开，而在非姊妹染色单体之间有交叉
终变期
染色质又被包装压缩成染色体。大多数核仁消失，四分体均匀地分布在核中，姐妹染色单体通过着丝粒连接在一起
中期I
纺锤体侵入核区, 分散于核中的四分体开始向四分体的中部移动；此时四分体上有四个着丝点, 一侧纺锤体只和同侧的两个着丝点相连。最后染色体排列在赤道板上
后期I
同源染色体在两极纺锤体的作用下分开, 并逐渐移向两极。由于每条染色体仍含有两条染色单体, 因而每个极仍含有两套染色体
末期I及分裂间期
在末期Ⅰ，每一个极接受一套随机组合的染色体组。
两次减数分裂之间的时期称为分裂间期， 是一个极短的时期
①一对同源染色体分开，分别进入两个子细胞，同源染色体分开之前通常要发生交换和重组。
②在染色体组中，同源染色体的分离是随机的，也就是说染色体组要发生重组合。
减数分裂期Ⅱ
第二次减数分裂
前期Ⅱ：核被膜解体，重新包装压缩染色体；
中期Ⅱ：染色体排列在赤道板，姐妹染色单体中的动粒被两极的纺锤体结合；
后期Ⅱ：着丝粒对称断裂，姐妹染色单体被拉向两极；
末期Ⅱ：染色体完全移到两极，开始去凝集，并重新形成核膜。
减数分裂与有丝分裂的比较
相同点
都是通过纺锤体同染色体的相互作用进行细胞的分裂
不同点
①有丝分裂是体细胞的分裂方式，减数分裂主要是细胞产生配子的过程(生殖细胞也有有丝分裂)
②有丝分裂是一次细胞周期, DNA复制一次, 分裂一次, 染色体由2n→2n;减数分裂是两次细胞周期, DNA复制一次, 细胞分裂两次, 染色体由2n→1n。
③有丝分裂中, 每个染色体是独立活动;在减数分裂中, 染色体要配对、联会、交换和交叉。
④有丝分裂之前, 经DNA合成, 进入G2期后才进行有丝分裂; 减数分裂之前, DNA合成时间很长(99.7%合成, 0.3%未合成), 一旦合成,即进入减数分裂期, G2期短或没有。
⑤有丝分裂时间短, 1-2小时; 减数分裂时间长, 几十小时至几年。
减数分裂过程中的遗传重组及其机制
同源染色体间的交换重组
联会与联会复合体.
重组节
染色体重组—交换与交叉
染色体组的重组合
染色体断裂重接的分子机制
单链断裂重组模型
双链断裂重组模型
减数分裂的生物学意义
减数分裂保证了有性生殖生物在世代交替中染色体数目的恒定
减数分裂是遗传重组的原动力，增加了生物多样性
