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1 蛋白质分子结构 1

1.1 引言 1

1.2 蛋白质结构层次 1

1.2.1 一级结构 1

1.2.2 蛋白质的立体结构 2

1.2.3 蛋白质体系 2

1.3 氨基酸 2

1.4 蛋白质的一级结构 3

1.4.1 一级结构的形成 3

1.4.2 来自一级结构的信息 3

1.5 多肽链立体结构原理 4

1.5.1 肽链 4

1.5.2 肽单位 4

1.5.3 两面角 5

1.5.4 多肽链的构象 6

1.5.5 Ramachandran构象图 6

1.6 维持和稳定蛋白质高级结构的因素 8

1.6.1 离子键（静电作用） 8

1.6.2 氢键 8

1.6.3 范德瓦力 9

1.6.4 疏水性相互作用 9

1.6.5 二硫键 9

1.7 蛋白质的二级结构 10

1.7.1 二级结构的一般概念 10

1.7.2 α螺旋 10

1.7.3 β折叠 12

1.7.4 转角 13

1.7.5 Ω环 14

1.7.6 无规卷曲 14

1.7.7 二级结构的可变性 14

1.8 超二级结构和折叠子 15

1.8.1 连接肽段 15

1.8.2 超二级结构的概念 15

1.8.3 经常出现的超二级结构式样 15

1.8.4 复杂超二级结构 16

1.8.5 折叠子 16

1.9 结构域和三级结构 17

1.9.1 结构域 17

1.9.2 三级结构的概况 18

1.9.3 三级结构的形成 18

1.9.4 三级结构的主要特点 19

1.9.5 结构域的组合 20

1.9.6 球状蛋白质的形态解剖 20

1.9.7 球状蛋白质三级结构的一般特点 26

1.9.8 蛋白质结构的转换 26

1.9.9 蛋白质与多肽结构的差别 27

1.10 蛋白质的四级结构 27

1.10.1 四级结构和亚基 27

1.10.2 蛋白质聚合成四级结构的优越性 28

1.10.3 亚基的种类和排布 28

1.10.4 生物超分子体系 29

2 核酸的结构 30

2.1 DNA的一级结构 30

2.1.1 什么是DNA的一级结构 30

2.1.2 DNA的大小 31

2.1.3 两类不同的遗传信息及一级结构的多样性 31

2.2 DNA的二级结构 32

2.2.1 DNA二级结构的物理和化学特性 32

2.2.2 维持双螺旋分子稳定性的力 34

2.2.3 DNA二级结构的不均一性、多样性 34

2.3 DNA的变性和复性 38

2.3.1 双螺旋结构的变性 38

2.3.2 DNA双螺旋结构变性的定量分析 38

2.3.3 破坏DNA双螺旋的条件 40

2.3.4 复性 40

2.3.5 DNA的碱基配对 41

2.3.6 复性动力学曲线 41

2.4 DNA的超螺旋结构 43

2.4.1 DNA超螺旋 44

2.4.2 超螺旋的拓扑学描述 44

2.4.3 共价闭合环状DNA的性质 45

2.4.4 DNA的负超螺旋 46

2.5 真核生物的染色质 47

2.5.1 染色质的基本概念 47

2.5.2 两类染色质 47

2.5.3 组蛋白 47

2.5.4 核小体 48

2.5.5 染色质的高级结构 50

2.6 RNA 50

2.6.1 RNA特点以及与DNA的差异 50

2.6.2 RNA的种类 51

2.6.3 细胞中的主要RNA 52

3 基因与基因组 56

3.1 基因和基因组的概念 56

3.1.1 遗传物质 56

3.1.2 基因和基因组 57

3.2 病毒和原核生物基因组 57

3.2.1 病毒基因组的一般特点 57

3.2.2 病毒的结构 58

3.2.3 噬菌体基因组的例子 59

3.2.4 几种病毒的基因组 60

3.2.5 细菌基因组 63

3.3 真核生物基因组 65

3.3.1 真核生物基因组的特点 65

3.3.2 真核生物基因组的复性动力学研究 65

3.3.3 真核生物基因组的几种组分 68

3.4 真核细胞的基因家族及其结构 72

3.4.1 rRNA基因家族 72

3.4.2 5S rRNA基因 73

3.4.3 组蛋白基因家族 74

3.4.4 珠蛋白基因家族 74

3.4.5 生长激素基因家族 75

3.4.6 超基因 75

3.5 真核生物基因的结构 76

3.5.1 基因不连续性发现的背景 76

3.5.2 基因不连续性的证实 76

3.5.3 真核生物基因的外显子与内含子 78

3.5.4 外显子与内含子的关系 79

3.5.5 内含子的功能 81

3.5.6 外显子与蛋白质结构域 82

3.6 线粒体基因的结构与功能 84

3.6.1 线粒体DNA 84

3.6.2 线粒体DNA的复制、转录和蛋白质合成 84

3.6.3 线粒体DNA的变异 85

3.7 解读基因组 85

3.7.1 人类基因组研究的目标和内容 85

3.7.2 结构基因组学及其研究策略 85

3.7.3 功能基因组学 88

3.7.4 蛋白质组研究 89

3.7.5 生物信息学 91

4 生物大分子的相互作用 93

4.1 概述 93

4.1.1 生物大分子的概念 93

4.1.2 生物大分子之间相互作用的要素 94

4.1.3 生物大分子相互作用的过程 95

4.1.4 大分子特异性作用的物理和化学基础 95

4.2 蛋白质－蛋白质的相互作用 96

4.2.1 蛋白质相互作用的结构基础 96

4.2.2 参与蛋白质相互作用的结构域例子 97

4.2.3 酶－底物的相互作用 101

4.2.4 抗体－抗原的相互作用 109

4.3 蛋白质与RNA的相互作用 116

4.3.1 蛋白质识别的RNA二级结构单元 116

4.3.2 蛋白质中RNA结合结构域 118

4.4 蛋白质与DNA的相互作用 119

4.4.1 蛋白质与DNA结合的一般规律 119

4.4.2 蛋白质的DNA结合结构域 125

5 基因工程原理 140

5.1 基因工程中的工具酶 140

5.1.1 限制性内切酶 141

5.1.2 DNA连接酶 141

5.1.3 DNA聚合酶 142

5.1.4 逆转录酶 142

5.1.5 RNA聚合酶 142

5.2 基因工程的载体 142

5.2.1 载体的基本要求和特点 142

5.2.2 质粒载体 143

5.2.3 λ噬菌体载体 144

5.2.4 M13噬菌体载体 147

5.2.5 柯斯质粒载体 147

5.2.6 细菌人工染色体 148

5.2.7 酵母人工染色体 149

5.2.8 动物病毒载体 149

5.3 DNA克隆的一般技术 150

5.3.1 目的基因的来源 150

5.3.2 DNA的连接反应 151

5.3.3 重组DNA导入受体细胞 153

5.3.4 重组DNA导入哺乳动物细胞 154

5.3.5 重组子的筛选 154

5.3.6 亚克隆技术 156

5.4 DNA文库 157

5.4.1 基因组DNA文库 157

5.4.2 cDNA基因文库 160

5.4.3 cDNA的扣除文库 163

5.5 基因的分离 164

5.5.1 已知目的基因的分离 164

5.5.2 寻找未知的基因 165

5.6 探针标记和分子杂交 171

5.6.1 探针的放射性标记 172

5.6.2 非放射性标记法 174

5.6.3 膜上印迹杂交 175

5.6.4 原位杂交 178

5.7 多聚酶链式反应技术 178

5.7.1 PCR技术的原理 179

5.7.2 引物的特性 179

5.7.3 几种特殊的PCR 180

5.8 DNA序列测定 181

5.8.1 物理图谱 181

5.8.2 DNA序列测定的基本原理 181

5.8.3 加减法 182

5.8.4 双脱氧末端终止法 183

5.8.5 Maxam-Gilbert化学法 183

5.8.6 M13双脱氧终止法 184

5.8.7 DNA测序所用的载体系统 185

5.8.8 DNA自动测序 188

5.9 外源基因的表达 188

5.9.1 外源基因在原核细胞中的表达 188

5.9.2 外源基因在真核细胞中的表达 192

6 DNA的复制 195

6.1 DNA复制的特征 195

6.1.1 核酸生物合成的一般规则 195

6.1.2 半保留复制 196

6.1.3 复制子 198

6.1.4 复制起始点和终止点 198

6.1.5 复制叉和复制方向 201

6.1.6 复制的模型 203

6.2 复制有关的酶和蛋白质 207

6.2.1 超螺旋构象变化及解链有关的酶和蛋白质 207

6.2.2 复制延伸和终止有关的酶和蛋白质 211

6.3 原核生物的复制机理 216

6.3.1 噬菌体DNA复制的引发 216

6.3.2 E.coli DNA的复制起始 219

6.3.3 RNA引物 221

6.3.4 复制链的延伸和终止 222

6.3.5 病毒基因组复制的多样性 226

6.4 真核生物的DNA复制 230

6.4.1 真核生物DNA复制的特点 231

6.4.2 真核生物DNA复制酶和蛋白因子 231

6.4.3 SV40 DNA的复制 235

6.4.4 真核生物的引发酶 236

6.4.5 当前认识的SV40 DNA复制 237

6.4.6 DNA聚合酶α/δ的转换 238

6.4.7 冈崎片段的成熟 239

6.5 末端复制与端粒酶 240

6.5.1 端粒 240

6.5.2 端粒酶 241

6.5.3 端粒酶的作用机制 241

6.5.4 端粒酶与衰老、肿瘤的关系 242

6.6 DNA复制与细胞周期 243

6.6.1 细胞周期中的细胞周期蛋白和蛋白激酶 243

6.6.2 细胞周期中DNA复制的启动 243

6.6.3 S期DNA复制的不同步 244

6.7 复制的忠实性 244

6.7.1 DNA聚合酶的碱基选择作用 245

6.7.2 RNA引物 245

6.7.3 DNA聚合酶对底物的识别作用 245

6.7.4 3′→5′外切活性的校正阅读 245

6.7.5 影响DNA合成真实性的因素 246

6.8 DNA损伤的修复 246

6.8.1 DNA复制产生的损伤 246

6.8.2 DNA损伤的修复 247

7 基因的转录 251

7.1 基因转录的概述 251

7.1.1 转录的一般原则和特性 251

7.1.2 原核生物和真核生物基因转录的差异 252

7.1.3 基因的编码链和有意义链 252

7.1.4 转录的4个阶段 253

7.1.5 RNA合成的测定 253

7.2 原核生物RNA聚合酶 253

7.2.1 RNA聚合酶的概念 253

7.2.2 E.coli的RNA聚合酶 254

7.2.3 T 7 RNA聚合酶 255

7.2.4 σ因子的结构 255

7.3 RNA聚合酶对启动子的识别 257

7.3.1 启动子 257

7.3.2 σ因子对RNA聚合酶与DNA结合的影响 260

7.3.3 RNA聚合酶与启动子的相互作用 260

7.3.4 原核生物启动子的转录起始 261

7.4 转录的延伸和终止 264

7.4.1 RNA聚合酶核心酶的功能 264

7.4.2 转录的延伸阶段 267

7.4.3 转录的终止阶段 269

7.5 真核生物基因转录的概述 271

7.5.1 真核生物基因转录的一般规律 271

7.5.2 真核生物基因转录起始的几种研究方法 271

7.5.3 研究顺式作用元件结构的方法 274

7.5.4 真核生物基因的转录实验系统 275

7.6 真核生物RNA聚合酶 275

7.6.1 真核细胞3类RNA聚合酶 275

7.6.2 RNA聚合酶的亚基组分 277

7.6.3 RNA聚合酶Ⅱ 278

7.7 真核生物基因的启动子 281

7.7.1 蛋白质编码基因转录调控区的一般概念 281

7.7.2 类型Ⅱ启动子 281

7.7.3 类型Ⅰ启动子 283

7.7.4 类型Ⅲ启动子 284

7.8 类型Ⅱ基因的转录因子和转录起始复合物 286

7.8.1 TFⅡD 287

7.8.2 其他TFⅡ因子 288

7.8.3 类型Ⅱ的转录起始复合物的组装 288

7.8.4 RNA聚合酶Ⅱ最大亚基的CTD磷酸化 290

7.9 类型Ⅰ和类型Ⅲ的转录因子及其转录起始复合物 291

7.9.1 类型Ⅰ基因的转录因子 291

7.9.2 RNA聚合酶Ⅰ的转录起始复合物 292

7.9.3 类型Ⅲ基因的转录因子 292

7.9.4 RNA聚合酶Ⅲ转录起始复合物的装配 293

7.9.5 TATA框结合蛋白的普遍性 294

8 转录后加工 296

8.1 内含子RNA剪接的3种方式 296

8.2 原核生物基因转录产物加工 297

8.2.1 tRNA前体的加工 297

8.2.2 rRNA前体的加工 298

8.2.3 原核生物mRNA前体的加工 300

8.3 真核生物RNA前体的加工 301

8.3.1 tRNA前体的加工 301

8.3.2 真核生物rRNA前体的加工 303

8.3.3 真核生物mRNA前体的剪接 305

8.4 真核生物mRNA前体剪接的机制 308

8.4.1 snRNP 308

8.4.2 snRNA与pre-mRNA的相互作用 310

8.4.3 剪接体的组装 311

8.4.4 mRNA前体剪接中的转酯反应 313

8.4.5 剪接反应的起动 314

8.4.6 mRNA前体剪接的调控因子 315

8.4.7 mRNA前体剪接体的组装 316

8.4.8 真核生物mRNA前体的选择性剪接 317

8.5 RNA的自我剪接 318

8.5.1 Ⅰ型内含子的自我剪接 320

8.5.2 Ⅱ型内含子的剪接 322

8.5.3 RNA的催化活性 324

8.6 RNA编辑 327

8.6.1 核苷酸的替换 327

8.6.2 阅读框架的改变和指导RNA 328

8.7 mRNA 5′端帽子结构 329

8.7.1 5′帽结构 329

8.7.2 5′帽子的合成 329

8.7.3 5′端帽子的功能 330

8.8 mRNA 3′端的多聚A化 331

8.8.1 polyA 331

8.8.2 polyA的功能 331

8.8.3 多腺苷酸化的基本机理 332

9 蛋白质生物合成和翻译后加工 335

9.1 遗传密码 335

9.1.1 三联密码的概念 335

9.1.2 遗传密码的破译 335

9.1.3 遗传密码表 337

9.1.4 遗传密码的特点 337

9.2 原核细胞翻译系统的组分 338

9.2.1 tRNA 338

9.2.2 核糖体 342

9.3 原核生物翻译的起始 347

9.3.1 翻译起始的前提 347

9.3.2 原核生物mRNA 348

9.3.3 原核生物的翻译起始因子 348

9.3.4 起始密码子和起始氨基酰－tRNA 349

9.3.5 原核生物蛋白质合成的起始 350

9.4 真核生物翻译起始 354

9.4.1 起始的滑动搜索模型 355

9.4.2 真核生物翻译起始因子 357

9.4.3 真核生物mRNA翻译的起始 361

9.4.4 原核生物和真核生物起始反应的比较 363

9.5 翻译延伸和终止 364

9.5.1 延伸的概要 364

9.5.2 核糖体三位点模型 366

9.5.3 氨基酰－tRNA进入A位点 367

9.5.4 肽键的形成 369

9.5.5 移位反应 370

9.5.6 翻译的终止 372

9.6 蛋白质的转运 375

9.6.1 蛋白质翻译后转运的概况 375

9.6.2 蛋白质通过3种机制转运 376

9.6.3 蛋白质通过核孔进入细胞核内 377

9.6.4 蛋白质合成后进入内质网 378

9.6.5 线粒体蛋白的转运 384

9.7 蛋白质前体的共价修饰 387

9.7.1 肽链N端残基fMet或Met的切除 387

9.7.2 二硫键的形成 387

9.7.3 氨基酸侧链的共价修饰 387

9.7.4 蛋白质的剪切 388

9.8 蛋白质的折叠 391

9.8.1 折叠过程是动力学驱动过程 391

9.8.2 折叠是个动态过程 391

9.8.3 蛋白质折叠从局部核心开始 391

9.8.4 蛋白质的自装配原则 392

9.8.5 分子伴侣和新生肽的折叠 392

10 细胞信息传导 395

10.1 细胞信息传导的概述 395

10.1.1 细胞间的联系方式 395

10.1.2 细胞间的信号分子 395

10.1.3 受体 396

10.1.4 细胞信息系统 397

10.1.5 细胞信息传导的共同特点 397

10.1.6 蛋白激酶与磷酸酶 397

10.2 胞内的信息分子 400

10.2.1 3大类信号分子 400

10.2.2 cAMP 401

10.2.3 IP3和DAG 402

10.2.4 Ca2＋信号 406

10.2.5 NO-cGMP 407

10.3 G蛋白偶联受体介导的传导系统 409

10.3.1 G蛋白偶联受体 410

10.3.2 G蛋白 410

10.3.3 G蛋白的信号传导 413

10.3.4 G蛋白βγ复合物的结构与功能 415

10.3.5 依赖cAMP的蛋白激酶和磷酸酶 417

10.3.6 细胞内cAMP的信息效应 418

10.3.7 广义的G蛋白 420

10.4 磷脂酰肌醇信息系统 420

10.4.1 肌醇磷脂降解引发双信号通路 421

10.4.2 IP3-Ca2＋传导途径 422

10.4.3 DAG-PKC信息传导途径 425

10.5 NO-cGMP信息传导系统 429

10.5.1 NO的作用 429

10.5.2 cGMP的功能 430

10.5.3 cGMP依赖性的蛋白激酶 430

10.5.4 PKG的底物 431

10.6 受体酪氨酸蛋白激酶信息传导 431

10.6.1 酪氨酸蛋白激酶偶联的受体 432

10.6.2 活化的受体酪氨酸残基识别含有SH2结构域的靶蛋白 434

10.6.3 RTK的信息传导 437

10.6.4 Ras介导的信息传导 440

10.6.5 胰岛素受体的信息传导 442

10.7 非受体型酪氨酸蛋白激酶 445

10.7.1 细胞因子受体的结构 445

10.7.2 非受体型的酪氨酸蛋白激酶 446

10.7.3 JAK家族 447

10.7.4 STAT家族 447

10.7.5 JAK-STAT信息传导 448

10.8 其他类型的酶偶联受体 449

10.8.1 受体鸟苷酸环化酶 450

10.8.2 受体酪氨酸蛋白磷酸酶 451

10.8.3 受体Ser/Thr蛋白激酶 451

10.9 甾体激素受体的信息传导 451

10.9.1 甾体类激素受体的结构 451

10.9.2 甾体激素受体的定位和激活 454

10.9.3 甾体激素受体与DNA的相互作用 455

10.9.4 糖皮质激素受体的作用机理 457

10.10 信息传导系统的相互调节作用 457

10.10.1 “对话”的作用方式 458

10.10.2 蛋白质磷酸化／去磷酸化是细胞信息传导的重要环节 458

10.10.3 信息传导途径之间的“对话” 459

10.11 癌基因与细胞信息传导 461

10.11.1 原癌基因的分类 461

10.11.2 原癌基因的本质 462

10.11.3 原癌基因的激活与肿瘤发生 464

10.12 信息传导系统与细胞增殖 465

10.12.1 cAMP-PKA系统与细胞增殖 466

10.12.2 磷脂酰肌醇信号途径与细胞增殖 466

10.12.3 有丝分裂原激活蛋白激酶途径与细胞增殖 467

11 原核生物基因表达的调控 469

11.1 原核生物基因操纵子的概念 469

11.1.1 操纵子 469

11.1.2 基因的可调控性 469

11.1.3 结构基因和调控基因 470

11.1.4 诱导和阻遏 470

11.1.5 调控蛋白 470

11.1.6 调控的效应物 471

11.1.7 正调控和负调控 471

11.1.8 原核生物基因对调控作用作出反应的类型 472

11.2 乳糖操纵子 473

11.2.1 乳糖操纵子的结构 473

11.2.2 乳糖操纵子的功能 473

11.2.3 乳糖操纵子的负调控 474

11.2.4 结构基因和调控基因的突变分析 474

11.2.5 阻遏蛋白 476

11.2.6 阻遏蛋白的活性受诱导物的控制 477

11.2.7 操纵基因lacO的结构 477

11.2.8 操纵基因的顺式作用 478

11.2.9 阻遏蛋白是反式作用因子 479

11.2.10 阻遏蛋白与操纵基因的结合 479

11.2.11 诱导物与阻遏蛋白的相互作用 480

11.2.12 lac P-O区的结构 482

11.2.13 lac操纵子的正调控 483

11.2.14 CAP的作用特点 485

11.3 其他原核操纵子的调控 487

11.3.1 阿拉伯糖操纵子 487

11.3.2 半乳糖操纵子 490

11.3.3 色氨酸操纵子 492

11.4 原核生物基因表达的时序 499

11.4.1 σ因子控制的转录时序 499

11.4.2 T7通过RNA聚合酶控制时序表达 501

11.4.3 λ基因组转录的通读和抗终止作用 503

11.5 λ噬菌体基因组的调控 504

11.5.1 λ噬菌体具有裂解和溶源化两种生活周期 504

11.5.2 λ噬菌体的裂解周期及调控 506

11.5.3 抗终止作用 508

11.5.4 λ噬菌体的溶源化途径 511

11.5.5 cⅠ基因在溶源化过程中自我调控 514

11.5.6 溶源化和裂解的命运选择 520

11.6 原核生物基因在翻译水平上的调控 522

11.6.1 翻译的自我调控 522

11.6.2 多顺反子各个基因表达相对数量的调控 526

11.6.3 稀有密码子的调控作用 526

11.6.4 反义RNA对翻译的调控 527

12 真核生物基因表达的调控 529

12.1 真核生物基因表达受多层次调控 529

12.2 染色体水平上的调控 530

12.2.1 基因的丢失 530

12.2.2 基因扩增 531

12.2.3 染色体重排 531

12.3 真核生物基因在染色质水平上的调控 536

12.3.1 染色质的3种状态 536

12.3.2 异染色质化 536

12.3.3 组蛋白对基因活性的影响 537

12.3.4 组蛋白的乙酰化与去乙酰化 538

12.3.5 核小体与基因转录活性 540

12.3.6 活性染色质的DNase高敏感性 540

12.3.7 染色质结构域与活性基因 542

12.3.8 非组蛋白 543

12.3.9 高迁移蛋白（HMG） 544

12.3.10 染色质的动态调整 544

12.3.11 染色质结构重塑 545

12.3.12 DNA的核基质结合区 547

12.4 DNA水平上的调控 548

12.4.1 DNA的甲基化 548

12.4.2 组蛋白乙酰化／去乙酰化与DNA甲基化的关系 550

12.4.3 CpG岛 551

12.5 真核细胞Ⅱ类基因的调控区 551

12.5.1 启动子 552

12.5.2 调控元件 552

12.6 真核Ⅱ类基因的转录调控因子 553

12.6.1 调控因子的结构特性 553

12.6.2 Ⅱ类基因转录调控子的类型 555

12.6.3 蛋白质调控因子功能的鉴别方法 557

12.7 转录激活因子的作用方式 559

12.7.1 激活因子的二聚化 559

12.7.2 激活因子的远距离作用 560

12.7.3 建构性转录因子 561

12.7.4 中介因子 562

12.8 甾体激素诱导的转录 563

12.8.1 甾体激素受体的结构 563

12.8.2 激素应答元件 564

12.8.3 甾体激素受体二聚化 564

12.8.4 与其他转录因子作用激活转录 564

12.8.5 决定甾体激素受体特异性的因素 565

12.8.6 甾体激素受体对基因转录的调控 566

12.9 真核生物基因上游调控区的作用机理 566

12.9.1 增强子的作用方式模型 567

12.9.2 增强子对成簇基因的作用 567

12.9.3 多个增强子的作用 568

12.10 Ⅱ类基因的转录起始复合物 569

12.10.1 转录复合物的形成是基因有效转录的基础 569

12.10.2 基础转录的调控 569

12.10.3 基础转录中TAF的功能 570

12.10.4 转录因子对基因表达的调控 573

12.10.5 真核生物基因活化的一些特点 576

12.11 转录调控因子自身活性的调控 577

12.11.1 转录调控活性的调控 577

12.11.2 调控因子的可逆磷酸化调节 578

12.11.3 转录调控因子自身合成的调控 579

12.12 真核mRNA翻译水平上的调控 580

12.12.1 真核mRNA的稳定性 580

12.12.2 5′端非翻译区对翻译的调控 581

12.12.3 3′端非翻译区对翻译的调控 582

12.13 细胞周期及其调控 583

12.13.1 细胞周期 583

12.13.2 从酵母到人在分子水平上的保守性 583

12.13.3 周期蛋白激酶和对周期蛋白的依赖性 584

12.13.4 细胞周期的调控 586

参考书目 590