细胞生物学(翟中和)笔记.doc

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细胞生物学

¿生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系，

而细胞是生命体的结构与生命活动的基本单位，有

了细胞才有完整的生命活动。

¿细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学，它

是在不同层次（显微、亚显微与分子水平）上以研究

细胞结构与功能、细胞增殖、分化、衰老与凋亡、细

胞信号传递、真核细胞基因表达与调控、细胞起源与

进化等为主要内容。

核心问题是将遗传与发育在细胞

水平上结合起来。

总趋势

˜细胞生物学与分子生物学（包括分子遗传学与生物化学）相互渗透与交融是总的发展趋势。

重点领域

²染色体DNA与蛋白质相互作用关系—主要是非组蛋白对基因组的作用

²细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控

²细胞信号转导的研究

²细胞结构体系的组装

美国科学情报研究所（ISI）1997年SCI（ScienceCitationIndex）收录及引用论文检索，全世界自然科学研究中论文发表最集中的三个领域分别是：

¿细胞信号转导（signaltransduction）；

¿细胞凋亡（cellapoptosis）；

¿基因组与后基因组学研究（genomeandpost-genomicanalysis）。

美国国立卫生研究院（NIH）在1988年底发表的一份题为《什麽是当今科研领域的热门话题？

》（“Whatispopularinresearchtoday？

”）的调查报告中指出，目前全球研究最热门的是

¿三种疾病：

²癌症（cancer）

²心血管病（cardiovasculardiseases）

²爱滋病和肝炎等传染病

¿五大研究方向：

²细胞周期调控（cellcyclecontrol）；

²细胞凋亡（cellapoptosis）；

²细胞衰老（cellularsenescence）；

²信号转导（signaltransduction）；

²DNA的损伤与修复（DNAdamageandrepair）

“细胞学说”的基本内容

¿认为细胞是有机体，一切动植物都是由细胞

发育而来,并由细胞和细胞产物所构成；

¿每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它“自己的”

生命,又对与其它细胞共同组成的整体的生命有所助益；

¿新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。

第二章细胞基本知识概要

细胞是生命活动的基本单位

˜一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位

˜细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位

˜细胞是有机体生长与发育的基础

˜细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性

˜没有细胞就没有完整的生命

细胞概念的一些新思考

˜细胞是多层次非线性的复杂结构体系

¿细胞具有高度复杂性和组织性

˜细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体

¿细胞完成各种化学反应；

¿细胞需要和利用能量；

¿细胞参与大量机械活动；

¿细胞对刺激作出反应；

˜细胞是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。

¿细胞能进行自我调控；

¿繁殖和传留后代；

细胞的基本共性

¿所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌

蛋白质构成的生物膜，即细胞膜。

¿所有的细胞都含有两种核酸：

即DNA与RNA

作为遗传信息复制与转录的载体。

¿作为蛋白质合成的机器─核糖体，毫无例外地

存在于一切细胞内。

¿所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。

病毒的基本知识

˜病毒（virus）——核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体；

根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：

¿DNA病毒与RNA病毒

¿病毒的多样性）

˜类病毒（viroid）——仅由感染性的RNA构成；

˜朊病毒（prion）——仅由感染性的蛋白质亚基构成；

病毒在细胞内增殖（复制）

˜病毒侵入细胞，病毒核酸的侵染

˜病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成

˜病毒的装配、成熟与释放

病毒与细胞在起源与进化中的关系

病毒是非细胞形态的生命体，它的主要生命活动必须要在细胞内实现。

病毒与细胞在起源上的关系，目前存在3种主要观点：

¿生物大分子→病毒→细胞

病毒¿生物大分子细胞

¿生物大分子→细胞→病毒

原核细胞

基本特点：

¿遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜。

主要代表：

¿支原体（mycoplast）——目前发现的最小最简单的细胞；

¿细菌

¿蓝藻又称蓝细菌（Cyanobacteria）

真核细胞

˜真核细胞的基本结构体系

˜细胞的大小及其分析

˜原核细胞与真核细胞的比较

真核细胞的基本结构体系

¿以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统；

¿以核酸（DNA或RNA）与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统

¿由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。

细胞的大小及其分析

各类细胞直径的比较

原核细胞与真核细胞的比较

¿原核细胞与真核细胞基本特征的比较

¿原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较

¿植物细胞与动物细胞的比较

植物细胞与动物细胞的比较

˜细胞壁˜液泡˜叶绿体

古细菌

古细菌（archaebacteria）与真核细胞曾在进化上有过共同历程

主要证据

（1）细胞壁的成分与真核细胞一样，而非由含壁酸的肽聚糖构成，因此抑制壁酸合成的链霉素，抑制肽聚糖前体合成的环丝氨酸，抑制肽聚糖合成的青霉素与万古霉素等对真细菌类有强的抑制生长作用，而对古细菌与真核细胞却无作用。

（2）DNA与基因结构：

古细菌DNA中有重复序列的存在。

此外，多数古核细胞的基因组中存在内含子。

（3）有类核小体结构：

古细菌具有组蛋白，而且能与DNA构建成类似核小体结构。

（4）有类似真核细胞的核糖体：

多数古细菌类的核糖体较真细菌有增大趋势，含有60种以上蛋白，介于真核细胞（70～84）与真细菌（55）之间。

抗生素同样不能抑制古核细胞类的核糖体的蛋白质合成。

（5）5SrRNA：

根据对5SrRNA的分子进化分析，认为古细菌与真核生物同属一类，而真细菌却与之差距甚远。

5SrRNA二级结构的研究也说明很多古细菌与真核生物相似。

除上述各点外，根据DNA聚合酶分析，氨基酰tRNA合成酶的作用，起始氨基酰tRNA与肽链延长因子等分析，也提供了以上类似依据，说明古细菌与真核生物在进化上的关系较真细菌类更为密切。

因此近年来，真核细胞起源于古细菌的观点得到了加强。

第三章细胞生物学研究方法

如何学习细胞生物学？

•抽象思维与动态观点

•结构与功能统一的观点

•同一性（unity）和多样性（diversity）的问题

•细胞生物学的主要内容：

结构与功能（动态特征）；细胞的生命活动；

•实验科学与实验技术——细胞真知源于实验室

一、光学显微镜技术（lightmicroscopy）

˜普通复式光学显微镜技术

˜荧光显微镜技术（FluorescenceMicroscopy）

˜激光共焦扫描显微镜技术（LaserConfocalMicroscopy）

˜相差显微镜（phase-contrastmicroscope）

˜微分干涉显微镜

（differentialinterferencecontrastmicroscope,DIC）

˜录像增差显微镜技术（video-enhancemicroscopy）

二、电子显微镜技术

˜电子显微镜的基本知识

¿电镜与光镜的比较

¿电镜与光镜光路图比较

¿电子显微镜的基本构造

˜主要电镜制样技术

¿负染色技术

¿冰冻蚀刻技术

¿超薄切片技术

¿电镜三维重构技术

˜扫描电镜（Scanningelectronmicroscope，SEM）

SPM（Scanningprobemicroscope）

三、扫描遂道显微镜

¿ScanningProbeMicroscope,SPM

（80年代发展起来的检测样品微观结构的仪器）

包括：

STM、AFM、磁力显微镜、摩擦力显微镜等

原理：

扫描探针与样品接触或达到很近距离时，即产生彼此间相互作用力，如

量子力学中的隧道效应（隧道电流）、原子间作用力、磁力、摩擦力等，

并在计算机显示出来，从而反映出样品表面形貌信息、电特性或磁特性等。

¿装置：

扫描的压电陶瓷，逼近装置，电子学反馈控制系统和数据采集、处理、显示系统。

¿特点：

（1）可对晶体或非晶体成像，无需复杂计算，且分辨本领高。

（侧分辨率为0.1～0.2nm，纵分辨率可达0.01nm）；

（2）可实时得到样品表面三维图象，可测量厚度信息；

（3）可在真空、大气、液体等多种条件下工作；非破坏性测量。

（4）可连续成像，进行动态观察

¿用途：

纳米生物学研究领域中的重要工具,在原子水平上揭示样本表面的结构。

普通复式光学显微镜技术

光镜样本制作

分辨率是指区分开两个质点间的最小距离

荧光显微镜技术（FluorescenceMicroscopy）

˜原理与应用

¿直接荧光标记技术

¿间接免疫荧光标记技术

¿在光镜水平用于特异蛋白质

等生物大分子的定性定位：

如绿色荧光蛋白（GFP）的应用

激光共焦扫描显微镜技术

（LaserScanningConfocalMicroscopy）

¿原理

¿应用：

排除焦平面以外光的干扰，增强图像反差和提高分辨率（1.4—1.7），可重构样品的三维结构。

¿相差显微镜（phase-contrastmicroscope）将光程差或相位差转换成振幅差，可用于观察活细胞

¿微分干涉显微镜（differential-interferencemicroscope）

偏振光经合成后，使样品中厚度上的微小区别转化成明暗区别，增加了样品反差且具有立体感。

适于研究活细胞中较大的细胞器

¿录像增差显微镜技术（video-enhancemicroscopy）

计算机辅助的DIC显微镜可在高分辨率下研究活 细胞中的颗粒及细胞器的运动

电镜与光镜的比较

主要电镜制样技术

˜超薄切片技术用于电镜观察的样本制备示意图

˜负染色技术（Negativestaining）与金属投影

染色背景，衬托出样品的精细结构

˜冰冻蚀刻技术（Freezeetching）（技术示意图）

冰冻断裂与蚀刻复型：

主要用来观察膜断裂面的蛋白质颗粒

和膜表面结构。

快速冷冻深度蚀刻技术（quickfreezedeepetching）

˜电镜三维重构技术

电子显微术、电子衍射与计算机图象处理相结合而形成的

具有重要应用前景的一门新技术。

电镜三维重构技术与X-射线晶体衍射技术及核磁共振

分析技术相结合，是当前结构生物学（StructuralBiology）

——主要研究生物大分子空间结构及其相互关系的主要实验手段。

扫描电镜

˜原理与应用：

˜电子“探针”扫描，激发样品表面放出二次电子，探测器收