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细胞通讯与细胞周期

AP 生物 · 知识点 4

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7:34

细胞通讯与细胞周期

仔细看。这些是真实的细胞,拍摄于分裂过程中。在你的体内,每秒都有数百万个新细胞生成——皮肤、血液、肠道……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

4.1

细胞通讯

教学大纲

核心概念3 — 信息的存储与传递: 生命系统能够存储、获取、传递并对维持生命过程所需的信息做出反应。

学习目标 4.1.A: 描述细胞之间进行通讯的方式。

  • 4.1.A.1 细胞通过与其他细胞的直接接触或借助化学信号从远处进行通讯。
    • 4.1.A.1 的示例:
      • 免疫细胞通过细胞间的接触进行相互作用,包括抗原呈递细胞(APCs)、辅助性T细胞和杀伤性T细胞。

学习目标 4.1.B: 解释细胞如何在短距离和长距离上进行通讯。

  • 4.1.B.1 细胞通过使用局部调节因子在信号发出细胞附近的靶细胞之间进行短距离通讯。
    • 4.1.B.1 的示例:
      • 神经递质
      • 植物的免疫反应
      • 细菌的群体感应
      • 胚胎发育中的形态发生素
  • 4.1.B.2 一种细胞类型释放的信号可以长距离运输至另一种细胞类型的靶细胞。
    • 4.1.B.2 的示例:
      • 胰岛素
      • 人生长激素
      • 甲状腺激素
      • 睾酮
      • 雌激素

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A single molecule of adrenaline 肾上腺素 arriving at a liver cell can release millions of glucose 葡萄糖 molecules within seconds. A single faulty switch in the same kind of pathway can make a cell divide without stopping. This unit follows a signal from the outside of a cell to its response, and shows where the control can fail.

Cells coordinate by sending and receiving chemical signals 信号. In chemical signaling, a ligand 配体 binds a receptor 受体 on a target cell 靶细胞. The ligand may be released or held on a cell surface. Signals travel over different ranges: direct contact (cell junctions 细胞连接), local signaling (nearby cells, like neurotransmitters 神经递质), and long-distance signaling (hormones 激素 carried through the blood in animals; plants use other transport routes).

A signal molecule (ligand) binds a matching receptor on the target cell
A signal molecule (ligand) binds a matching receptor on the target cell
探索

信号传得多远?

按照信息需要传多远,给每种细胞信号传递分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
adrenaline/əˈdrenəlɪn/ 肾上腺素 shèn shàng xiàn sù
glucose/ˈɡluːkəʊs/ 葡萄糖 pú táo táng
signals/ˈsɪɡnlz/ 信号 xìn hào
ligand/ˈlɪɡænd/ 配体 pèi tǐ
receptor/rɪˈseptə/ 受体 shòu tǐ
target cell/ˈtɑːɡɪt sel/ 靶细胞 bǎ xì bāo
cell junctions 细胞连接 xì bāo lián jiē
neurotransmitters/ˈnjuːrətrænsmɪtəz/ 神经递质 shén jīng dì zhì
hormones/ˈhɔːməʊnz/ 激素 jī sù
4.2

信号转导导论

教学大纲

核心概念3 — 信息的存储与传递: 生命系统能够存储、检索、传递并对维持生命过程至关重要的信息作出反应。

学习目标 4.2.A: 描述信号转导通路的组成成分。

  • 4.2.A.1 信号转导通路将信号接收与细胞反应联系起来。
  • 4.2.A.2 许多信号转导通路包含蛋白质修饰,并涉及磷酸化级联反应。

学习目标 4.2.B: 描述信号转导通路各组分在产生细胞反应中的作用。

  • 4.2.B.1 信号传递始于靶细胞中的受体蛋白识别化学信使——配体。
    • i. 受体的配体结合域识别特定的化学信使,该信使可以是肽(蛋白质)或小分子。
    • ii. G蛋白偶联受体是真核生物中受体蛋白的一个例子。
    • iii. 受体可能位于靶细胞表面,也可能位于靶细胞的细胞质或细胞核内。
  • 4.2.B.2 信号级联将信号从受体传递至细胞靶标,通常会对输入信号进行放大,从而导致细胞产生适当的反应。这些反应可能包括细胞生长、分子分泌或基因表达。
    • i. 配体结合后,受体蛋白的胞内结构域发生构象改变,从而启动信号的转导。
    • ii. 酶和第二信使(如环腺苷酸 cAMP)负责传递和放大胞内信号。
    • iii. 激素是可以在血液中长距离运输的信号信使的一个例子。
    • iv. 配体与配体门控通道的结合可导致通道开放或关闭。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Signal transduction 信号转导 converts an outside signal into a cellular response in three stages: reception 接收 (ligand binds receptor), transduction 转导 (a relay of molecules inside the cell), and response 响应 (a change in the cell's activity, such as switching on a gene). Receptors are specific, so a cell only responds to signals it can receive.

A chemical synapse: signal transduction passes a message across a gap with a ligand and receptor
A chemical synapse: signal transduction passes a message across a gap with a ligand and receptor
A ligand binds a receptor protein in the cell membrane (reception); inside the cell one activated relay molecule activates three, each of which activates three more (transduction, amplifying the signal); the many activated molecules switch on enzymes and a gene (response)
The three stages of cell signalling: reception at the membrane, transduction by a relay cascade that amplifies the signal at each step, and the response
词汇 训练
English 中文 拼音
Signal transduction/ˈsɪɡnl trænsˈdʌkʃn/ 信号转导 xìn hào zhuǎn dǎo
reception/rɪˈsepʃn/ 接收 jiē shōu
transduction/trænsˈdʌkʃn/ 转导 zhuǎn dǎo
response/rɪˈspɒns/ 响应 xiǎng yìng
4.3

信号转导通路

教学大纲

核心概念 3 — 信息的存储与传递: 生命系统能够存储、检索、传递并对维持生命过程所需的信息做出反应。

学习目标 4.3.A: 描述由信号转导途径引发的不同类型的细胞反应。

  • 4.3.A.1 信号转导可能导致基因表达和细胞功能的变化,进而可能改变表型或导致程序性细胞死亡(凋亡)。
    • 4.3.A.1 的示例:
      • 微生物利用化学信使与其他邻近细胞进行交流,并根据种群密度调节特定途径(群体感应)
      • 哺乳动物中肾上腺素刺激糖原分解

学习目标 4.3.B: 解释信号分子结构的变化如何影响信号转导途径的活性。

  • 4.3.B.1 信号转导途径的改变可以改变细胞反应。受体蛋白的任何结构域或信号转导途径中的任何组分的突变都可能通过改变后续的信号转导来影响下游组分。
    • 4.3.B.1 的示例:
      • 细胞因子调节基因表达以允许细胞复制和分裂。
      • 酵母中的交配费洛蒙触发交配基因的表达。
      • 乙烯水平引起不同酶产生的变化,从而使果实成熟。
      • HOX 基因在胚胎发育期间调节动物体构。
  • 4.3.B.2 与信号转导途径中任何组分相互作用的化学物质可能会激活或抑制该途径。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

In the transduction stage, the signal passes through a pathway 通路 – often a cascade 级联 of proteins that activate one another, frequently amplifying 放大 the signal so a few ligands trigger a large response. Second messengers 第二信使 (like cyclic AMP 环磷酸腺苷 or calcium ions) spread the signal quickly through the cell. A change in one step can alter the whole outcome.

A signalling cascade amplifies the message inside the cell
A signalling cascade amplifies the message inside the cell
词汇 训练
English 中文 拼音
pathway 通路 tōng lù
cascade 级联 jí lián
amplifying 放大 fàng dà
Second messengers 第二信使 dì èr xìn shǐ
cyclic AMP/ˈsaɪklɪk ˌeɪ em ˈpiː/ 环磷酸腺苷 huán lín suān xiàn gān
4.4

反馈

教学大纲

核心概念2 — 能量学: 生物系统利用能量和分子构建单元来生长、繁殖并维持动态的稳态。

学习目标 4.4.A: 解释正反馈和负反馈如何帮助维持稳态。

  • 4.4.A.1 生物体利用反馈机制来维持其内部环境,以应对内部和外部的变化。
    • i. 负反馈机制通过减弱初始刺激来调节生理过程,从而维持稳态。如果系统受到扰动或破坏,负反馈机制会将系统拉回其目标设定点。这些过程在分子、细胞和个体水平上运行。
      • 4.4.A.1.i 的说明性示例:
        • 胰岛素/胰高血糖素对血糖的调节
    • ii. 正反馈机制会放大生物体中的反应和过程。引发该反应的变量会被进一步推离初始设定点。当刺激被进一步加强时,就会发生放大作用,进而启动额外的反应,产生系统的改变。
      • 4.4.A.1.ii 的说明性示例:
        • 哺乳动物的泌乳
        • 分娩时的产程发动
        • 水果的成熟

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Feedback 反馈 keeps systems balanced:

Negative feedback detects and corrects a change
Negative feedback detects and corrects a change
  • Negative feedback 负反馈 counteracts a change to restore a set point 设定点 (like a thermostat 恒温器) – it maintains homeostasis 稳态.
  • Positive feedback 正反馈 amplifies a change to push a process to completion (like childbirth contractions 宫缩 or blood clotting 血液凝固).
探索

负反馈保持稳定

负反馈感知变化并逆转它,将变量(如血糖)保持在设定点附近。将其推离并观察系统的纠正过程。

词汇 训练
English 中文 拼音
Feedback/ˈfiːdbæk/ 反馈 fǎn kuì
Negative feedback/ˈneɡətɪv ˈfiːdbæk/ 负反馈 fù fǎn kuì
set point/set pɔɪnt/ 设定点 shè dìng diǎn
thermostat 恒温器 héng wēn qì
homeostasis/ˌhəʊmiːəˈstɑːsiz/ 稳态 wěn tài
Positive feedback/ˈpɒzɪtɪv ˈfiːdbæk/ 正反馈 zhèng fǎn kuì
contractions/kənˈtrækʃnz/ 宫缩 gōng suō
blood clotting 血液凝固 xuè yè níng gù
4.5

细胞周期

教学大纲

核心概念 3 — 信息的存储与传递: 生命系统能够存储、检索、传递并对维持生命过程至关重要的信息做出反应。

学习目标 4.5.A: 描述细胞周期中发生的事件。

  • 4.5.A.1 细胞周期是一系列高度调控的事件,控制着真核细胞的生长和繁殖。
    • i. 细胞周期由间期(G1、S、G2)、有丝分裂和胞质分裂的连续阶段组成。
    • ii. G1 期:细胞代谢活跃,复制细胞器和胞质成分。
    • iii. S 期:DNA 以染色质的形式存在,并复制形成两条在着丝粒处相连的姐妹染色单体。
    • iv. G2 期:发生蛋白质合成,大量产生 ATP,中心体进行复制。
    • v. 细胞可进入一个不再分裂的阶段(G0),但在接收到适当信号时仍可重新进入细胞周期。
    • vi. 不分裂的细胞可能会退出细胞周期,或被阻滞在细胞周期的特定阶段。

学习目标 4.5.B: 解释有丝分裂如何实现染色体从一代细胞向下一代细胞的传递。

  • 4.5.B.1 有丝分裂是一个确保完整基因组从亲代细胞传递给两个遗传上相同的子代细胞的过程(适用于真核生物)。
    • i. 有丝分裂在生长、组织修复和无性生殖中发挥作用。
    • ii. 有丝分裂按顺序的步骤(前期、中期、后期、末期)进行,并在细胞周期中与间期交替出现。
    • iii. 前期:姐妹染色单体凝缩,有丝分裂纺锤体开始形成,中心体移向细胞的两极。
    • iv. 中期:纺锤丝将染色体排列在细胞的赤道板上。
    • v. 后期:成对的姐妹染色单体分离,纺锤丝将染色单体拉向两极。
    • vi. 末期:有丝分裂纺锤体解体,新的核膜形成,随后细胞质分裂。
    • vii. 胞质分裂:动物细胞形成收缩环,植物细胞形成细胞板,最终产生两个新的子细胞。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Onion root-tip cells at different stages of mitosis (light micrograph)
Onion root-tip cells at different stages of mitosis (light micrograph)

The cell cycle 细胞周期 is the life of a cell from one division to the next: interphase 间期 (G1 growth, S DNA replication DNA复制, G2 preparation) followed by M phase, including mitosis 有丝分裂 and cytokinesis 胞质分裂, which normally produce daughter cells 子细胞 with the same chromosome 染色体 number and very similar genetic information. Interphase takes most of the time; DNA is copied only in S phase.

The cell cycle: interphase, then mitosis and cytokinesis
The cell cycle: interphase, then mitosis and cytokinesis
A fibroblast dividing: cytokinesis splits one cell into two after mitosis finishes
A fibroblast dividing: cytokinesis splits one cell into two after mitosis finishes
Onion root tip at metaphase: chromosomes line up before sister chromatids separate
Onion root tip at metaphase: chromosomes line up before sister chromatids separate
探索

逐步了解细胞周期

细胞周期复制 DNA(S 期),然后在有丝分裂中将其均匀分割,产生两个相同的细胞。逐步了解各个阶段。

词汇 训练
English 中文 拼音
cell cycle/sel ˈsaɪkl/ 细胞周期 xì bāo zhōu qī
interphase/ˌɪntəˈfeɪz/ 间期 jiān qī
DNA replication DNA复制 DNA fù zhì
mitosis/maɪˈtəʊsɪs/ 有丝分裂 yǒu sī fēn liè
cytokinesis/ˌsaɪtəkəˈniːsɪs/ 胞质分裂 bāo zhì fēn liè
daughter cells/ˈdɔːtə selz/ 子细胞 zǐ xì bāo
chromosome/ˈkrəʊməsəʊm/ 染色体 rǎn sè tǐ
4.6

细胞周期的调控

教学大纲

核心概念 3 — 信息的存储与传递: 生命系统能够存储、检索、传递并对维持生命过程至关重要的信息做出反应。

学习目标 4.6.A: 描述检查点在调控细胞周期中的作用。

  • 4.6.A.1 一系列内部控制系统或检查点调控着细胞周期的进程。
  • 4.6.A.2 细胞周期蛋白与细胞周期蛋白依赖性激酶之间的相互作用控制着细胞周期。
    • 排除声明: 关于特定细胞周期蛋白-CdK对或生长因子的知识超出了 AP 考试的考查范围。

学习目标 4.6.B: 描述细胞周期紊乱对细胞或生物体的影响。

  • 4.6.B.1 细胞周期的紊乱可能导致癌症或细胞凋亡(程序性细胞死亡)。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The cycle is controlled at checkpoints 检查点 that verify conditions before proceeding (Is the DNA intact? Are chromosomes attached?). Internal signals (cyclins 周期蛋白 and their kinases 激酶) and external signals drive the cycle forward. When this control fails – for example, a mutation 突变 that ignores a checkpoint – cells divide uncontrollably, which underlies cancer 癌症.

Uncontrolled division from failed checkpoints forms a tumour
Uncontrolled division from failed checkpoints forms a tumour

Worked example. Signal amplification in a cascade: one hormone activates one receptor, which switches on about 100 relay proteins, and each of those makes about 1,000 second-messenger molecules — so a single signal produces roughly $100 \times 1000 = 10^{5}$ product molecules. This is why a hormone concentration as low as $10^{-9}\,\text{M}$ can trigger a large cellular response.

Worked example (predict the effect of a mutation). In a pathway, a ligand activates a G protein, which switches on an enzyme that makes a second messenger. A mutation leaves the G protein permanently active, even with no ligand. Predict the result: the enzyme keeps making second messenger and the response continues without the signal. The cell can no longer switch the response off. In growth-signal pathways, this kind of always-on mutation is a step toward cancer.

Worked example (timing the cell cycle). In an onion root tip, 200 cells are counted: 160 in interphase, 20 in prophase, 8 in metaphase, 6 in anaphase and 6 in telophase. The cycle takes about 24 hours.

  • The mitotic index 有丝分裂指数 is the fraction of cells in mitosis: $\dfrac{20+8+6+6}{200}=20\%$.
  • For this rough phase-duration estimate, assume an asynchronously dividing sample and use phase fractions as approximate time fractions; growth and sampling biases can affect the estimate. Interphase: $\dfrac{160}{200}\times24=19.2$ hours. Metaphase 中期: $\dfrac{8}{200}\times24\approx1.0$ hour.

DNA content through the cycle. A cell starts G1 with an amount $x$ of DNA. It doubles to $2x$ during S phase and stays at $2x$ through G2 and mitosis. At cytokinesis each daughter cell returns to $x$. A graph of DNA per cell against time is a step up in S, then a step down at division.

词汇 训练
English 中文 拼音
checkpoints/ˈtʃekpɔɪnts/ 检查点 jiǎn chá diǎn
cyclins/ˈsaɪklɪnz/ 周期蛋白 zhōu qī dàn bái
kinases 激酶 jī méi
mutation/mjuːˈteɪʃn/ 突变 tū biàn
cancer/ˈkænsə/ 癌症 ái zhèng
mitotic index/maɪˈtɒtɪk ˈɪndeks/ 有丝分裂指数 yǒu sī fēn liè zhǐ shù
Metaphase/ˌmetəˈfeɪz/ 中期 zhōng qī
4.6

Practice

English

Answer each before reading the answers below.

  1. Name the three stages of cell signalling, in order.
  2. A drug blocks the receptor for a hormone. Predict the effect on the target cell's response, and explain.
  3. In a root-tip count, 25 of 250 cells are in mitosis and the cycle lasts 20 hours. Find the mitotic index and the time spent in mitosis.
  4. Classify each as positive or negative feedback: (a) body temperature falls and shivering begins; (b) contractions during childbirth release oxytocin, which strengthens the contractions.
  5. A student says: "A cell in G2 has the same amount of DNA as a cell in G1." Correct the student.
4.6

答案

English
  1. Reception, transduction, response.
  2. The response is reduced or absent. The hormone cannot bind, so the signal never starts the transduction pathway, even though the hormone is present.
  3. Mitotic index $=\dfrac{25}{250}=10\%$; time in mitosis $\approx0.10\times20=2$ hours.
  4. (a) Negative feedback: shivering raises the temperature back toward the set point. (b) Positive feedback: the change is amplified until the baby is born.
  5. DNA is copied in S phase, between G1 and G2, so a G2 cell has twice the DNA of a G1 cell. The amount halves again only when the cell divides.
4.6

考试技巧

English
  • In signal transduction name the three stages: reception → transduction → response.
  • Negative feedback reverses a change to keep conditions steady (homeostasis); positive feedback amplifies a change to completion (childbirth, clotting).
  • Order the cell cycle: interphase (grow, copy DNA in S phase) then mitosis → two identical daughter cells.
  • The DNA is copied once, in S phase, so each daughter gets a full copy.
  • Failed checkpoints allow uncontrolled division → cancer.

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逐步完成,配合即时检查练习。

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