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细胞生物学讲稿
推荐使用教材
沈振国崔德才主编
主要参考教材
细胞生物学
中国农业出版社2003年
郑国倡主编
翟中和主编
韩贻仁主编
细胞生物学
高等教育出版社
第二版
细胞生物学高等教育出版社2000年版
分子细胞生物学科学出版社2000年版
第一章
绪论——关于细胞生物学
一、细胞生物学研究的对象、目的和主要内容
细胞生物学是现代生物学中的一个重要分支学科，它所研究的主要对象就是生活的细胞。
主要目的是用动态的观点从研究细胞的结构和功能入手，通过对细胞结构和功能的研究来探索细胞各
种生命活动的过程、本质及相互之间的联系，揭示生命的奥秘，进而达到调节、控制和利用这些生命活动
为人们的生产实践服务，为人类造福的目的。
细胞生物学是当代生物学教育的主体课程之一
进入20世纪70年代以来，特别是90年代以来，人
们在生物各个研究领域中获得成果的速度不断加快（5年一个周期），积累的知识迅速增加，已经不再满足
于只是孤立的去认识和了解个别生命活动的现象，而是希望通过这些现象去认识整个生命过程，揭开生命
活动的奥秘。
比如，人们不再满足于只是看到细胞的一种结构，找到或分离到一个基因，而是希望知道这
种结构是怎么来的，怎样变化的？
这个基因在生物体内是怎样存在的？
又是怎样工作的？
在寻求这些问题
的答案中，细胞是一个主攻目标，所以细胞生物学便显得空前的重要，被公认为是当代生物学教育的主体
课程之一。
因为，它是从细胞水平、亚细胞水平和分子水平三个层次上对细胞生长、分裂与分化、个体发
育、遗传与变异、运动和兴奋传导、衰老与死亡等过程进行全方位的研究，这正是揭示生命奥秘的关键所
在。
分子生物学离不开细胞生物学
EMBO，等）上所发表的文章看动向
二、细胞生物学的主要内容
从几个权威性的杂志（PNAS，Cell，Nature，Science，PlantCell，
第一部分
细胞的结构及各部分的主要功能
1、细胞结构概观
2、细胞表面与细胞连接
3、细胞质及内膜系统
4、线粒体
5、质体（主要是叶绿体）
6、核糖体与蛋白质合成
7、细胞骨架（微梁系统）
8、细胞核
第二部分
细胞的繁殖、分化、衰老与凋亡；细胞通讯；生物进化
三、细胞生物学发展简史及与其它学科的关系
讲授这一部分的目的有二：
1、生物科学研究成果的取得和进步与研究所用仪器和手段的发展有直接联系。
2、生物科学的发展使学科愈分愈细，但又互相联系、互相渗透，不可分割。
细胞生物学发展简史可归纳为如下几个阶段
------细胞的发现（1665年）
------细胞学说的建立（1838-1840年）
------细胞学的兴起（1870-1930年）
------细胞生物学（1940年）
------细胞与分子生物学（1953）
由上可以看出，细胞生物学是在细胞学的基础上建立和发展起来的。
现代细胞生物学与分子生物学可
算做孪生兄弟。
1细胞的发现
与显微镜的发明紧密相连
1604年，荷兰眼镜商詹森（Jansen）研制出了世界上第一台显微镜，第一次使人们看到了原先肉眼看
不到的东西。
1665年英国物理学家罗伯特.胡克（RobertHook）用自制的显微镜观察软木时，发现它是由一个个蜂
窝状的小室组成的，小室的英文名叫“cell”，我们译为“细胞”。
胡克在观察芜菁和萝卜等植物的不同部
分时也发现了类似的结构。
1677年荷兰生物学家列文虎克（AntonievanLeeuwenhoek）在动物方面进行了观察和研究，证明了动
物也具有细胞的结构。
但是，由于显微镜性能在很长一段时间内没有多大改进，致使在此后的近200年内，对细胞的认识基
本上没有突破性的进展。
直到十九世纪30年代，显微镜的制作技术有了明显改进，使其分辨力提高到1um
以内，同时也由于切片机的制作成功，使得对于细胞的研究有了突飞猛进的发展。
1831年，英国植物学家RobertBrown在兰科植物细胞中发现了细胞核；法国学者Valentin在动物结蒂
组织细胞中发现了核仁；
1835年，法国的E。
Dujardin对低等动物根足虫和有孔虫进行活体观察，发现了细胞内的胶状物质（肉
样汁）即原生质的存在。
从此，人们对细胞的概念有了新的认识，为细胞学说的创立打下了基础。
由此可以看出实验仪器的改进对细胞研究的进展起了决定性的作用。
2、细胞学说的创立和细胞学的兴起
在总结前人研究工作的基础上，德国植物学家施莱登（M.Schleiden）于1838年证明了所有植物体都
是由细胞构成的，提出了“细胞是任何一个植物体的基本单位，最简单的植物是由一个细胞构成的，而大
多数植物是由细胞和细胞变态构成的”。
动物学家施旺（T.Schwan）从动物材料上不仅证实了Schleiden的论点，而且有所发展，首次提出“细
胞学说”这一名词，指出“细胞结构是几乎一切生物体共有的特征，所有动植物的组织都是由细胞组成的，
细胞是动、植物有机体结构和发育的基础。
一切多细胞有机体都遵循细胞分裂和分化的规律。
”从而创立
了细胞学说。
现代细胞学说包括三个方面的内容：
（1）细胞是多细胞生物的最小结构单位，对单细胞生物来说，一
个细胞就是一个个体。
（2）多细胞生物的每一个细胞为一代谢活动单位，执行特定的功能。
（3）细胞来自
于细胞（其中第三点为R。
Virchow（微尔和）的贡献）。
细胞学说的创立使人们由原来神创论的认识中解放出来，开始向进化论转变，于是对细胞的研究空前
高涨，很多生物学家的注意力被吸引到细胞上来。
“细胞学”在1892年由德国胚胎学和解剖学家赫特维格
发表的“细胞与组织”论文而宣告确立，并逐渐进入了兴旺时期。
十九世纪下半叶是对细胞研究与收获的黄金时代，1866年Mendel提出了基因学说；1898年高尔基体
被发现；1899年发现了植物的双受精作用；还有细胞的无丝分裂（amitosis）、有丝分裂（mitosis）与染色
体、减数分裂（meiosis）、中心粒、线粒体等都是在这一时期看到的。
德国胚胎和解剖学家O。
Hertwig“细
胞和组织”一书的出版（1892）标志着细胞学作为一门独立学科的建立。
在细胞学获得一系列成就的基础
上，一些有关的学科也应运而生，胚胎学、细胞遗传学、细胞生理学、细胞化学、组织学等相继建立起来。
直至20世纪30-40年代，由于电子显微镜的问世和其它一些实验技术的发展（如x-ray…），使人们对细
胞的认识大大突破了原有细胞学的范围，从单纯描述性向动态性研究发展，于是便诞生了以动态研究为主
的细胞生物学。
实验仪器和实验技术的发展为细胞学说的建立与完善奠定了基础，也为相关学科的建立与联系创造了
条件。
3、细胞生物学的建立与兴起
电子显微镜的问世为细胞生物学的建立奠定了基础。
20世纪30年代，德国科学家Ruska在Siemens
公司设计制造了世界上第一架电子显微镜，使人们的视野一下子提高到了纳米水平（毫微米）。
人们发现
了许多在光镜下无法看到的东西，如内质网、高尔基体膜层、叶绿体膜层、线粒体膜层、核糖体、溶酶体
等。
使人们对细胞的认识进入了一个更深的层次，纠正或重新确立了一些概念。
与此同时，遗传学、生物
化学、生理学、胚胎学也相继有了许多新的发现。
把各个方面的知识拼接在一起，使人们几乎看到了一个
活生生的细胞，看到了生命的活动不再是一个个细胞零件，而是一部完整的生命机器,于是以描述细胞整体
结构与功能的动态变化为主体的科学——细胞生物学便取代了原来的细胞学。
从30年代至今，细胞生物
学蓬勃发展，内容更加丰富和完善，作用也越来越大，与分子生物学一起被视为当今生物学中的主干。
4、DNA双螺旋结构与分子生物学
1953年，Watson和Crick总结了前人在细胞生物学、生物化学、遗传学等领域的成就，根据X-ray衍
射的结果，提出了DNA双螺旋模型（1962年获得诺贝尔医学和生理奖），为人类认识生命的遗传物质的
结构与组成带来了新的观念，把生物学研究推向了一个新的高度，于是诞生了分子生物学（也可叫做细胞
分子生物学）。
三、与细胞生物学有关的生物学研究的重要成就
1、生物大分子方面
①DNAa、结构类型：
至少有3种类型（族）DNA的被发现：
B型、A型和Z型。
b、核苷
酸的顺序分析：
应用限制性内切酶、凝胶电泳和快速测序的方法，已经确定了SV40病毒、许多种质粒、
细菌乃至高等动（线虫）植物（拟南芥）基因组的全部核苷酸顺序，建立了基因图谱、基因文库，人类基
因组物理图谱的完成更是为二十世纪的结束画上了一个完美的句号。
通过核苷酸序列分析发现，真核细胞
生物的DNA至少有2个区域组成，一是为蛋白质编码的外显子区；另一个是不为蛋白质编码但影响和调
控基因表达的内含子区；由此表明DNA上的基因是不连续的。
c、分子杂交与基因转化：
利用限制性内
切酶和DNA连接酶可以把DNA长链切割成不同长短、大小的片段，然后把两种不同来源的DNA（一为
目的DNA，一为载体DNA）连接在一起，通过转化细胞（细菌）把目的基因转移到受体（动植物）细胞
当中去，这就是所谓的基因转化技术。
用目的基因的互补DNA片段进行放射性标记，然后再用这种已标
记的DNA做探针对转化后的细胞进行检测，以确定目的基因是否已经进入受体DNA中去，这就是分子杂
交。
这种技术现在已经达到相当完善的程度，且为社会做出了巨大贡献，如抗菌素的工厂化生产、抗病虫
害或特异优质的转基因植物（烟草、棉花等）的培育成功、特异生态类型（巨型小鼠）出现、特种功能的
生物问世。
d、新的DNA分析技术不断出现，如FLP、RFLP、RAPD、PCR、Rt-PCR等为揭示生命活动
的奥秘提供了有效手段。
②RNA
生物的RNA不经加工即可直接工作。
b、某些RNA还具有酶（核酶）的功能。
a、对蛋白质氨基酸序列分析方法的改变：
20世纪50~60年代采用直接分析的方法，即将
a、真核生物之中RNA经转录后需先进行加工（剪切）才能成为功能RNA（见图）。
原核
③蛋白质
蛋白质的氨基酸一次一个的切下来进行分析鉴定，慢而且有限，并且很容易出错。
70-80年代，由于解决
了DNA核苷酸序列分析的方法，从对DNA序列的分析结果来推断蛋白质的氨基酸序快而且准确，所以进
展很快，已搞清的多肽链达数万个。
b、结构域----蛋白质的核心
#、70年代后期，丹麦奥胡斯大学的StaffanMagmisson和他的同事们测定了抗凝血酶III（Antithrombin
III）（脊椎动物血浆中的一种蛋白质）的顺序。
#、大约与此同时，另一研究小组发表了血浆中另一种蛋白酶抑制剂α-1抗胰蛋白酶的顺序。
#、70-80年代初，乔治敦大学全国生物化学研究基金会的工作者们分析了鸡蛋中富含的卵清蛋白的顺
序。
这三种蛋白有30%的顺序相同性。
#、1983年，日本一个研究小组发表了血管紧张素原的顺序（虽然这个激素本身只有10几个氨基酸，
但它的前体大约有4000个氨基酸长）。
#、1985年，丹麦另一个研究小组在这个出乎意料的亲缘蛋白谱系上加上了第五个分支，它就是存在
于大麦种子中功能不明的Z蛋白。
虽然其大小只有其它蛋白质的一半（-2000个氨基酸），但它却与其它蛋
白质有明显的亲缘关系（在Z蛋白家族中的蛋白都有两个主要的结构域。
）后两者与前三者有20%的相似
临界值。
从以上的分析中发现了结构域（domain），即这五种蛋白中都有一些相同的区段。
这五种既不相同而
又互相联系的蛋白质中结构域的发现给了我们两点启示：
第一，不管目前所知的4000多种氨基酸顺序是
否代表所有蛋白质的绝大部分，但是已足以使任何新测出的顺序都有相当大的机会在这些顺序中找出与其
相似的顺序。
第二，某些大规模的氨基酸的排列在生物化学中非常有用，它已被频繁地应用在许多方面，
这些功能单位往往可从结构研究中看到的结构域来鉴定。
结论：
古老的蛋白质只有几个类型，他们都是由几个起功能作用的结构域组成，以后的蛋白质是在几
种古老蛋白质类型的基础上形成的。
在新的组合中这些结构域不断地重新组装，导致各种新的碰巧有用的
蛋白质的产生。
2、胞间通讯与胞内通讯
胞间通讯的化学信使是长距离激素通讯和神经细胞间短
距离通讯的中间体。
绝大多数高等生物有两
种主要的胞间通讯方式：
激素系统和神经元系统。
最近知道这两种通讯方式间有着密切的联系：
在一个系
统中起作用的信息分子，有很多也在另一个系统中起作用，如去甲肾上腺素，既是一种激素又是一种神经
递质。
起激素作用的分子一般可分为两大类：
肽类，水溶性，如胰岛素等和甾类，脂溶性，如人体内的皮质
醇和皮质酮等。
充当神经递质的胺或氨基酸总共不超过10种：
如乙酰胆碱、邻苯二酚多巴胺、去甲肾上
腺素、肾上腺素、Y-氨基丁酸、谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸等。
胞内通讯
已知的作为细胞内信使的物质为数极少，每一种这样的“次级信使”都对细胞反应起着
决定性的指导作用，帮助细胞决定如何根据机体的需要做出反应。
由次级信使的种类极少这一点可以断定
细胞内的信号通路是普遍通用的，在不同的生物和不同的细胞中可用同样的信使或同一条通路，但同一种
信使可调节多种生物生化过程或引起多种细胞反应。
现在已知有两条主要的信号通路：
一条是用环腺—磷
（cAMP）作为次级信使；另一条则用一组次级信使，其中包括钙离子（Ca）、三磷酸肌醇（IP3）和二脂
酰甘油（DG）几种物质，后两种物质（IP3，DG）由质膜本身的磷脂分解而来。
新的研究发现，钙调蛋白
可以作为胞间通讯的信使，由此推断胞间—胞内通讯可能有一条完整连续的途径。
3、细胞周期及其人工调控
延缓生命进程
4、细胞分化与个体发育在种类繁多的生物中已发现了一小段称为同源框（homebox）的DNA，这
个小片段可能就是揭示细胞分化与个体发育机理的关键所在。
5、克隆技术与生物复制
克隆人
第二章
细胞生物学的研究方法
细胞生物学的研究方法很多，在此先介绍一些大体轮廓，每种方法的具体过程将结合实验进行详细叙
述。
i.
一、形态结构的观察：
（一）光学显微镜（以普通可见光或紫外光做光源的）
1、亮视野显微镜
即经常广泛应用的一种显微镜，视野是明亮的，被检物体由于染色等原因而呈现
各种颜色，用于观察细胞与组织的基本结构（内部结构为主）。
（图）
2、暗视野显微镜
照明光线被阻断，视野是黑暗的，而被检物体是明亮的，可以看到其形态和运动
状态，但看不到内部结构。
（图）
3、相差显微镜与微分干涉差显微镜
形态观察，主要是活细胞的形态。
（图）
4、紫外光显微镜与荧光显微镜提高分辨率，做某些化学成分的定位、定性与定量分析。
（二）电子显微镜
细胞亚微结构及形态观察。
（图）
1、透射电子显微镜
主要用于细胞亚微结构及成分的分析
2、扫描电子显微镜
主要用于观察表面形态结构
电镜分辨率大大超过光镜，因此可看到更细微的结构，细胞内部的许多结构都是在使用电镜之后才发
现的。
二、X-射线衍射技术其原理是当一束单波长的X-射线通过某一物质的晶体时，该物质的空间结构
就会衍射投放到其后面的照相底片上，形成衍射图，从图上可测定分子的方位，测量分子之间的距离，以
及它们的原子结构。
（图）
三、放射自显影技术
当细胞中的某种化学成分被放射性物质，如P32、H3、S35等标记后，把样品
与乳胶片放在一起，就会使胶片感光，用显微镜或电子显微镜观察感光后的胶片，便可看到该化学成分在
细胞中分布的位置及含量。
四、细胞流式测定技术
主要用于测定细胞中的染色体数目，DNA含量，培养细胞的密度等。
五、生化与生理测定技术（略）
六、分子生物学方法
包括细胞组分的分离与纯化，生物大分子的分离与纯化，分子杂交，基因转
移等。
七、细胞与组织培养技术
八、克隆与复制技术
第二篇
细胞结构与功能
第三章
细胞基本知识概述
一、细胞的基本概念
细胞是由膜包围的、能进行独立繁殖的最小原生质团，是单细胞和多细胞有机体结构的基本单位，是
生命活动的基本单位，是一切有机体生长发育的基础。
这里特别强调能进行独立繁殖，不能进行独立繁殖
的则不能算是细胞。
如病毒虽然比支原体大，但它不能进行独立繁殖，所以不能算作细胞，可称之为“半
生命”。
支原体虽然其直径只有0.1um，但它能进行独立繁殖，因此可看作生物界中最小的细胞。
由于细胞
是生物体最基本的结构与功能单位，所以它要有进行生命活动所必须的基本条件，这些条件是：
a）具有一套遗传信息的储存、复制与转录系统；
b）具有一层细胞膜，通过细胞膜与周围环境相对隔离并可进行物质、能量交换和信息传递；
c）具有一套完整的代谢机构（包括蛋白质合成和运转系统、细胞增殖与繁衍系统等），以维持基本的
生命活动
有了这些要素，细胞便能独立生活，表现出各种生命现象。
细胞大小
下限可能决定于能安置最低数目和大小的必要细胞组分，使细胞独立存活的最小体积，
上限决定于细胞核能控制细胞质的程度。
二、细胞的基本结构
根据经典分类法把生物划分为动物界和植物界两大类，这种方法对大部分生物来说是合适的，但有一
些生物则很难归类，比如：
动物和植物的最大区别是有或无细胞壁，可是眼虫（Euglena）是一种单细胞生
物，含有叶绿体，却没有细胞壁；细菌和真菌则有壁而无叶绿体；支原体既无壁也无叶绿体。
对细胞的认
识也就随着这些问题的提出和研究的深入而使一些观念发生了改变。
在60年代，HansRis提出了原核细胞和真核细胞的概念，指出：
一类只有核的物质而无核膜包围的细
胞称为原核细胞，比如细菌和兰绿藻等；有核膜包围同时又具有核物质的称为真核细胞。
这一概念已被大
家所普遍接受，于是对生物界的分类也由经典的分类法提出了新的分类法。
Dodson1971年提出将生物界
分为原生生物（原核生物）界、植物界和动物界三大类，这一分类系统已被广泛接受。
究竟原核生物和真核生物有哪些主要差别呢？
一、原核细胞（原核生物）主要由7部分组成（下面兰字所示）（图）
原核细胞主要的特征之一是没有由膜包围的细胞核，其遗传物质分散于细胞质中（如支原体）或相对
集中于中央的区域，称为①核区，在其中可见有一些盘绕的细丝，这就是DNA双螺旋分子，多呈环状，
直径约为25Å，长约几百Å，DNA分子不结合或结合少量蛋白质。
细胞外包有②质膜，也是单位膜，厚约
100Å。
在质膜外还可有③细胞壁，壁的成分主要是肽聚糖、蛋白质，多糖垣酸或脂多糖等组分。
壁外还可
有一层纤丝状物质，称为④荚膜，是一种多糖构成的结构。
荚膜的作用一是防御不良环境的危害，二是攻
击宿主细胞，与细菌毒性有关。
细胞内无恒定的膜系统把细胞质分隔开，但质膜在一定的部位可以⑤内折
（中体），内折的质膜上也常结合有色素和酶。
细胞质内含有高浓度的⑥核糖体颗粒，一般为150~200Å，
略小于真核细胞内的核糖体（200~250A），核糖体内有三种RNA和几十种蛋白质。
原核生物常以单细胞形
式存在，也可连接成链状或丝状。
⑦其他结构。
细胞一般通过二分裂方式繁殖，少数可产生孢子，亦可通过出芽生殖。
二、真核细胞
有人提出真核细胞大约是十亿年前由两种或两种以上的细菌细胞融合而成的，分子
树分析的结果支持这一学说。
真核细胞内含有DNA的部位是细胞核、线粒体和叶绿体。
各部位基因组都
有一套编码RNA分子结构的极保守的基因，这些RNA分子分别存在于该部位的核糖体中。
顺序比较研究
证明，细胞核中的核糖体RNA基因起源于细菌树四条大分支中的一支，而叶绿体和线粒体中的RNA基因
则起源于其中之另一支。
有关这一问题的详情，将在进化一部分中叙述。
真核细胞最主要的特点是细胞内有膜，把细胞区分成了许多功能区——核和各种细胞器等，这是细胞
进化的表现。
把细胞质分隔成区的内膜具有一定的连续性，形成了细胞内膜系统（endomembranesystem）。
内膜系统主要包括内质网、溶酶体、圆球体、液泡和高尔基复合体等。
真核细胞的主要结构是（图）：
1.细胞（质）膜（Plasmamemberane）在电镜下呈暗——明——暗式的三层结构，1959年Robertson
把这种形式称为单位膜（unitemembrane）。
2.细胞核（nucleus）又由四部分组成，核被膜（nuclearenvelope），为双层单位膜（膜上有核孔复合
体，nuclearporecomplex）；染色（质）体（chromosomes），为由DNA和蛋白质组成的复杂结构；核仁（nucleoli），
1个细胞中有1至数个，折光率很强，与染色体的某些特定区域相连，与核糖体的组装有关；核内的无定
形成分称为核基质（nucleoplasm）。
3.细胞质（Cytoplasm）早期的研究认为细胞质为细胞内无定型结构的胶体部分，现代的研究表明它
又分化产生膜系统、细胞器和胞基质等组分。
膜系统有
内质网endoplasmicreticulum由单位膜围成的细胞内纵横交错的管道或分支系统，可分为粗糙型
（rough）和光滑型（smoth）两种。
高尔基体（Golgicomplex）被认为是平滑内质网的特化区域，其作用之一是对外排放的蛋白质进行处
理和包装。
有一些包装好的膜泡仍留在细胞质内，这些膜泡称为溶酶体（Lysosome），内含有消化酶。
线粒体（mitochondrion）除了一些厌氧原生物外，真核细胞都含有双层膜的线粒体，能制造ATP，
是细胞的动力站，含有自己的DNA（环状）、RNA、核糖体等。
微梁（骨架）系统（microtubuleandmicrofilament）
5、在细胞运动、胞内运输、细胞形状的维持及细胞分裂中起作用，主要有三种形式（微管、微丝和
中间纤维），总称为细胞骨架或微梁系统。
中心体（粒）（centriole）位于动物细胞近核处两相对的极点，由两个互相垂直的微管组成，称为中
心粒，与细胞分裂活动和纤毛形成有关。
叶绿体（Chloroplast）为绿色植物细胞所特有，光合作用的主要场所。
液泡（Vaculus）为成熟的生活植物细胞所具有，往往把它归为细胞质的组分；早时认为动物细胞无
液泡，现在确定动物细胞也存在液泡，但形式与植物不同。
4.细胞壁（CellWall）植物细胞和菌类有。
植物细胞的壁和细菌细胞的壁在化学组成上是不一样的，
植物的主要由纤维素、半纤维素、果胶等组成，细菌的是由单糖和三、四种氨基酸组成。
三、病毒与类病毒（Viruse&Viroids）（图）
病毒在性质上不算是细胞，可是病毒的某些特性和细胞有一定的共同性，如有共同的遗传基础，从病
毒研究中所获得的资料对于理解细胞的活动规律很有帮助，同时病毒的活动与细胞有着密切的关系。
病毒专营细胞内寄生生活，单独存在时不能进行繁殖，根据寄生的对象不同可分为动物病毒、植物病
毒和细菌病毒（噬菌体Phage）。
病毒的大小一般在0.1~30nm之间，形状多种多样，单个成熟的病毒称为病毒粒子（Virion）。
每一病
毒粒子由一分子核酸（芯子）和蛋白质外壳所组成，蛋白质外壳称为衣壳（capsid）。
有的只有核酸芯子而
无蛋白质外壳，如马铃薯和番茄纺锤管形病毒，仅由裸露的RNA所构成，RNA分子长40
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