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细胞生物学

细胞生物学

陈梅

cmibcas@

主要参考书目

GeraldKarp，CellandMolecularBiology—ConceptsandExperiments，高等教育出版社（影印版）2002.11.

翟中和，细胞生物学，北京：

高等教育出版社第三版

汪堃仁等主编，细胞生物学，北京师范大学出版社

细胞生物学资料参考网站

中山大学细胞生物学网站

在线生物细胞学词典（英文）http:

//www.mblab.gla.ac.uk/dictionary/

细胞生物学网址精选（英文）

CurrentOpinioninCellBiology细胞生物学方面的所有进展综述

细胞/分子生物学在线[英文]

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//www.accessexcellence.org/AB/GG/

第一章绪论

第一章绪论

第一节细胞生物学研究的内容与现状

第二节细胞的发现和细胞学说

第三节细胞类型（原核细胞、古核细胞和真核细胞）

第四节病毒及其与细胞的关系

第一节细胞生物学研究的内容与现状

一、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科

二、细胞生物学的主要研究内容

三、当前细胞生物学研究的总体趋势与热点领域

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。

细胞的研究是生命科学的基础，也是现代生命科学发展的重要支柱。

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。

显微水平：

光学显微镜下可见的结构。

亚显微水平（超微水平）：

电子显微镜下可见的结构。

分子水平：

细胞结构的分子组成，及其在生命活动中的作用。

二、细胞生物学的主要研究内容

细胞的结构与功能、细胞重要生命活动：

细胞核、染色体以及基因表达的研究

生物膜与细胞器的研究

细胞骨架体系的研究

细胞增殖及其调控

细胞分化及其调控

细胞的衰老与凋亡

细胞的起源与进化

细胞工程

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：

癌症（cancer）

心血管病（cardiovasculardiseases）

爱滋病和肝炎等传染病

（infectiousdiseases：

AIDS，hepatitis）

五大研究方向：

细胞周期调控（cellcyclecontrol）；

细胞凋亡（cellapoptosis）；

细胞衰老（cellularsenescence）；

信号转导（signaltransduction）；

DNA的损伤与修复（DNAdamageandrepair）

第一节细胞生物学发展简史

细胞生物学研究细胞的结构、功能和生活史。

分三个层次：

1）显微水平，光学显微镜下可见的结构。

2）超微水平，电子显微镜下可见的结构。

3）分子水平，细胞结构的分子组成，及其在生命活动中的作用。

细胞生物学的发展简史

从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段：

第一阶段：

从16世纪末-19世纪30年代，是细胞发现及细胞知识的积累阶段。

第二阶段：

从19世纪30-20世纪中期，细胞学说形成后，主要进行显微形态的研究。

第三阶段：

从20世纪30年代-50年代，以细胞超微结构、核型等研究为主要内容。

第四阶段：

从20世纪50年代，J.Watson和H.Crick的DNA双螺旋模型的提出到70年代分子克隆技术的成熟到当前，细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密，基因调控、信号转导、细胞分化和凋亡、肿瘤生物学等领域成为当前的主要研究内容。

一、细胞的发现

细胞生物学的变革和显微技术的改进息息相关。

1590年J.和Z.Janssen制作第一台复式显微镜。

1610年GalileoGalilei用显微镜观察昆虫。

1665年英国人RobertHooke出版《显微图谱》。

观察了软木，并首次用cells来描述“细胞”。

RobertHookeandhis“cells”

RobertHooke’smicroscope

Micrographia

Micrographia

1680年AntonievanLeeuwenhoek列文虎克）当选为英国皇家学会会员。

他是第一个描述活细胞的科学家。

观察过植物、原生动物、水、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌、唾液、血液、精液等等。

Hooke之后的160多年里，对细胞的研究没有实质进展。

直到1830s消色差显微镜出现，人们才对细胞的结构和功能有了新的认识。

列文虎克—伟大的看门人

安东·列文虎克（1632～1723）荷兰显微镜学家和博物学家。

生于德尔夫特。

靠自学成才。

当过学徒，开过杂货店，做过市政厅的看门人。

他的最大贡献是利用自制的显微镜发现了微生物世界（当时被称之为微小动物）。

1673年的一天，英国皇家学会受到了寄自荷兰的观察记录，作者是列文虎克，文章的名字是《列文虎克用自制的显微镜，观察皮肤、肉类以及蜜蜂和其他虫类的若干记录》。

1683年，牙垢成了列文虎克关注的对象，他发现人口腔中竟然躲藏着许多“小动物”，它们像蛇一样用优美的弯曲姿势运动。

他惊叹地记录道：

“在人的口腔的牙垢中生活的动物，比整个荷兰王国的居民还要多。

”这就是人类第一次观察到细菌时发出的感叹。

MadebyA.vanLeeuwenhoek（1632-1723）.

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1831年R.Brown在兰科植物表皮细胞内发现了细胞核。

1836年GG.Valentin在动物神经细胞中发现了细胞核与核仁。

这些工作对于细胞学说的诞生具有重要意义。

二、细胞学说

CellTheory是19世纪的重大发现之一，其基本内容有三条：

①有机体是由细胞构成的；

②细胞是构成有机体的基本单位；

③新细胞来源于已存在细胞的分裂。

通常认为施莱登（MJ.Schleiden）和施旺（T.Schwann）正式提出了细胞学说。

实际上它是19世纪许多科学家共同努力的结果。

包括:

BC.Dumortier、JB.deLamark、CB.Milbel、H.Dutrochet、R.Brown、JE.Purkyne、R.Remak、R.Virchow等许多著名科学家。

Jean-BaptistedeLamark

1838年Schleiden发表“植物发生论”，认为无论怎样复杂的植物都由细胞构成。

但他以free-cellformation理论来解释细胞形成。

Schwann提出了“细胞学说”（CellTheory）；1839年发表了“关于动植物结构和生长一致性的显微研究”。

MatthiasJacobSchleiden

TheodarSchwann

Schwann提出：

有机体是由细胞构成的；

细胞是构成有机体的基本单位。

但他也采用了的Schleiden细胞形成理论。

1855德国人RudolfLudwigKarlVirchow提出”一切细胞来源于细胞（omniscellulaecellula）的著名论断；进一步完善了细胞学说。

RudolfVirchow

19世纪30年代后发现活细胞并不是空的而是充满粘稠的液体。

F.Dujardin（1835）将之称为“sarcode”；

1839年捷克生理学家JanEvangelistaPurkyne和德国植物学家vonMohl（1846）则将之称作原生质“protoplast”（“Protoplast”为神学用语，指人类始祖亚当。

三、细胞超微结构研究

1932年德国人E.Ruska和M.Knoll发明透射电镜，人类视野进入超微领域。

1939年Siemens公司生产商品电镜。

1940-50s用电镜观察了各类细胞超微结构。

并结合超速离心、电泳、无细胞体系等分析技术研究这些结构的功能。

Cytology发展为CellBiology。

四、分子细胞生物学时代

1869年瑞士人F.Miescher从脓细胞中分离出核酸，但未引起重视。

1944年O.Avery等通过细菌转化试验，1952年M.Chase等通过噬菌体标记感染实验肯定了核酸与遗传的关系。

微生物转化试验

1952年Franklin拍摄到清晰的DNA晶体X-衍射照片。

1953年她认为DNA是一种对称结构，可能是螺旋。

1953年，Watson和Crick提出DNA双螺旋模型。

与Wilkins分享1962年诺贝尔生理学与医学奖。

1958年Crick提出分子遗传的“中心法则”。

1961-1964年Nirenberg等破译遗传密码。

1972年DA.Jackson，RH.Symons和P.Berg创建DNA体外重组。

1973年SN.Cohen和HW.Boyer将外源基因拼接在质粒中，并在大肠杆菌中表达。

一系列技术和理论的提出，使细胞生物学与分子生物学的结合越来越紧密。

1983年，Mullis发明PCR仪，于1993年获诺贝尔化学奖。

1990年，美国国会正式批准的“人类基因组计划”（HumanGenomeProject）。

我国于1993年加入该计划，承担其中1%的任务，即人类3号染色体短臂上约30Mb的测序任务。

2000年6月28日人类基因组工作草图完成。

同年，美国国立卫生研究院给一名患有先天性重度联合免疫缺陷病的4岁女孩实施了首例基因治疗。

这种疾病因腺苷脱氨酶（ADA）基因变异引起。

　　1997年2月27日的英国《自然》杂志报道了一项震惊世界的研究成果：

1996年7月5日，英国爱丁堡罗斯林研究所（Roslin）的伊恩·维尔穆特（Wilmut）领导的一个科研小组，利用克隆技术培育出一只小母羊。

这是世界上第一只用已经分化的成熟的体细胞（乳腺细胞）克隆出的羊。

多莉的诞生震惊了世界

名字：

Dolly

　　名字来源：

美国乡村音乐女歌手多利·帕顿（DollyParton）

　　性别：

雌

　　编号：

6LL3

　　出生日期：

1996年7月5日

　　出生地点：

英国爱丁堡市罗斯林研究所

　　死亡日期：

2003年2月14日

　　死亡原因：

被确诊患进行性肺病后处以安乐死

　　创造者：

威尔马特及其领导的小组

　　基因母亲：

一只芬兰多塞特白面绵羊

　　线粒体母亲：

一只苏格兰黑脸羊

　　生育母亲：

另一只苏格兰黑脸羊

　　子女：

生育6名，存活5名

步骤一：

从一只６岁芬兰多塞特白面母绵羊（姑且称为Ａ）的乳腺中取出乳腺细胞，将其放入低浓度的营养培养液中，细胞逐渐停止分裂，此细胞称之为“供体细胞”；

步骤二：

从一头苏格兰黑面母绵羊（Ｂ）的卵巢中取出未受精的卵细胞，并立即将细胞核除去，留下一个无核的卵细胞，此细胞称之为“受体细胞”；

步骤三：

利用电脉冲方法，使供体细胞和受体细胞融合，最后形成“融合细胞”。

从而形成“胚胎细胞”；

步骤四：

将胚胎细胞转移到另一只苏格兰黑面母绵羊（Ｃ）的子宫内，胚胎细胞进一步分化和发育，最后形成小绵羊--多莉。

“多莉”诞生的意义

克隆技术已展示出广阔的应用前景，概括起来大致有以下四个方面：

（1）培育优良畜种和生产实验动物；

（2）生产转基因动物；（3）生产人胚胎干细胞用于细胞和组织替代疗法；（4）复制濒危的动物物种，保存和传播动物物种资源。

2001年，美国人Leland Hartwell、英国人PaulNurse、Timothy Hunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。

LelandH.Hartwell

R.Timothy（Tim）Hunt

SirPaulM.Nurse

2002年，英国人布雷诺尔、美国人霍维茨和英国人苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理学或医学奖。

SydneyBrenner

H.RobertHorvitz

JohnE.Sulston

2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。

PeterAgre

RoderickMacKinnon

2004年，美国人RichardAxel和LindaB.Buck获诺贝尔生理与医学奖，他们发现气味受体和嗅觉系统的组成。

RichardAxel

LindaB.Buck

2005年BarryJ.Marshall和J.RobinWarren获诺贝尔生理与医学奖，他们发现幽门螺杆菌及其在胃炎和胃溃疡方面的作用。

BarryJ.Marshall

J.RobinWarren

2006年美国人AndrewZ.Fire和CraigC.Mello因对RNA干扰的研究而获诺贝尔生理与医学奖。

AndrewZ.Fire

CraigC.Mello

2007年美国的马里奥·卡佩奇、奥利弗·史密斯和英国的马丁·伊文思因对基因打靶技术的研究而获诺贝尔生理学医学奖。

MarioR.Capecchi

SirMartinJ.Evans

OliverSmithies

细胞生物学研究的现状和展望

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：

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

细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控

细胞信号转导的研究

细胞结构体系的组装

当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域

对未来的展望—细胞生物学研究与人类发展

人类在一万年前进入农业经济，18世纪60进入工业经济，20世纪50年代迎来信息时代。

据估计这一经济形态的“寿命”为75~80年，到本世纪20年代人类将迎接下一个经济时代，即生物经济时代的到来。

它有以下特点：

推动产业革命，创造新的经济生长点

生物产业的比重将逐步提高。

目前药品中有15%基于生物技术，这一数字据估计到2010年会增加到40%。

生物芯片已广泛应用于科研、医疗、农业、食品、环境保护、司法鉴定等领域。

转基因动植物的市场前景广阔，2004年全球转基因作物的种植面积已经达到8100万公顷。

GeneChip

推动医学革命，延长人类寿命

20世纪抗生素和疫苗的应用、医疗技术的提高使人类平均寿命从20世纪初的40几岁在世纪末达到70多岁。

但是心血管病、癌症和各类遗传病或遗传相关的疾病仍然是威胁人类健康的主凶。

21世纪生物技术将推动新一轮医学革命，从疾病预防、疾病诊断、药物研制、基因治疗、组织工程、器官移植、抗衰老等方面，延长人类寿命。

三、推动绿色革命，解决食品危机。

20世纪60年代以来，杂交高产作物的广泛应用，引起第一次绿色革命。

二十一世纪转基因动植物、组织培养、胚胎移植、动物克隆等一系列新技术将再一次改变农业的面貌，创造新品种、生产人类所急需的粮食、药物和工业用品，推动第二次绿色革命。

创造新品种，改善生态环境

植物抗旱、抗寒、抗盐基因的发现与应用，将有可能彻底改变10亿亩干旱地区的生态环境，使5亿亩不毛之地、盐碱地变为良田。

用于废气、废水、废渣处理的基因工程极端微生物的应用，可降解生物塑料产品的产业化推广，解决工业排放、白色垃圾等环保难题，有效改善生态环境。

发展绿色能源，解决能源危机

煤、石油等化石能源的枯竭指日可待，替代能源的开发涉及国家安全。

全球生物质能的储量为18000亿吨，相当于640亿吨石油。

开发生物乙醇、生物柴油、生物发电、生物氢等，已经纳入许多国家的能源战略规划。

植物光合作用机理研究取得重大突破，人工光解水产生的氢气将成为继化石燃料之后主要的能源。

生物安全关系到国家安全

生物技术是一柄双刃剑。

转基因动植物可能对野生资源造成破坏。

生物工程武器将改变战争的方式与后果。

生物恐怖的防范必须重视。

外来入侵物种的危害日趋严重。

冲击传统伦理观念

安乐死

器官移植

人工授精

脑死亡采用呼吸器和人工喂饲

转基因动植物

动物克隆

胚胎干细胞、组织工程

第三节细胞类型（原核细胞、古核细胞和真核细胞）

各类细胞直径的比较

第二节细胞知识概要

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。

细胞的基本概念

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。

细胞的基本概念

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；例如，马铃薯锤管类病毒

朊病毒（prion）——仅由感染性的蛋白质亚基构成；1982年S．B．Prusiner在患羊瘙痒病的羊体内发现了一种蛋白质因子，证明是羊瘙痒病的致病因子，他将其命名为PRION。

Prusiner因此项重大发现而于1997年获得诺贝尔奖。

对于蛋白质感染因子引起的疾病，目前尚没有有效的治疗措施，据报道，自1996年以来，共有106人得了疯牛病，其中仅有七人还活着。

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

细胞壁

液泡

叶绿体

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

学习细胞生物学的注意点

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：

基本概念与实验证据；细胞器的动态特征；

化学能的产生与利用；细胞的活动及其调控等

实验科学与实验技术——细胞真知源于实验室

谢谢