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细胞生物学课件内容
细胞生物学
第一章绪论
一、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
生命体是多层次、非线形、多侧面的复杂结构体系，而细胞是其结构与活动的基本单位。
单细胞生物、多细胞生物。
E.B.Wilson在1925年就指出：
“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找。
”
CellBiology：
广泛采用现代生物学的实验技术和手段，应用分析和综合的方法，将细胞的整体活动水平，亚细胞水平和分子水平三方面的研究有机地结合起来，以动态的观点观察细胞和细胞器的结构和功能，以期最终阐明生命的基本规律。
（二）细胞生物学的主要研究内容
细胞生命活动的结构基础是细胞内高度有序且为动态的结构体系。
这一体系可归纳为遗传信息结构体系、膜结构体系和细胞骨架结构体系。
1970年代以前细胞结构和功能的知识内容所占比例很高；70年代以后，由于分子生物学概念、内容与方法的引用，有关细胞重要生命活动的知识比例越来越大。
1、细胞核、染色体以及基因表达的研究
2、生物膜与细胞器的研究
3、细胞骨架体系的研究
4、细胞增殖及其调控
5、细胞分化及其调控
6、细胞的衰老与凋亡
7、细胞的起源与进化
8、细胞工程
（三）当前细胞生物学研究的总趋势与重点
1、三大基本问题
•基因表达的调控（时空顺序）
•大分子的自组装及调控
•活性因子与信号分子如何调控生命活动过程
2、基本生命活动的若干重大问题
•染色体DNA与蛋白质相互作用关系
•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：
网络化、非线性
•细胞结构体系的装配：
蛋白质与核酸，蛋白质与脂质，蛋白质与蛋白质。
•从形态看，除了要描述在光学显微镜下的一些简单结构外，还要用新的工具和方法观察和分析细胞内各部分的亚显微结构和分子结构，以及结构之间的变化过程。
•从功能方面看，不仅要叙述细胞内各个部分的化学组成和新陈代谢的动态过程而且还要阐明它们之间的关系和相互作用，从而说明生物体的新陈代谢、生长繁殖、遗传变异、刺激反应以及运动等基本生命活动规律。
二、细胞学与细胞生物学发展简史
从研究内容来看细胞生物学的发展可分为三个层次，即：
显微水平、超微水平和分子水平。
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，是细胞发现和细胞知识的积累阶段。
第二阶段：
从19世纪30年代—20世纪初期，细胞学说形成后，主要进行细胞显微形态的研究。
19世纪最后25年是经典时期。
第三阶段：
从20世纪30年代—70年代，以细胞超微结构、核型、带型研究为主要内容。
第四阶段：
从20世纪80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流研究内容。
（一）细胞的发现
1590年荷兰眼镜制造商J.Janssen和Z.Janssen父子制作了第一台复式显微镜，尽管其放大倍数不超过10倍，但具有划时代的意义。
英国人胡克（RobertHooke），1635-1702
1665年发表《显微图谱》
“能非常清楚地看到软木片充满了气孔，是一个多孔的结构，型如蜂房…”
提出细胞“cell”一词因而沿用至今。
荷兰列文虎克（A.V.Leeuwenhoek）1632-1763
池塘水中的原生动物，鱼和蛙的红血球，人的牙垢、唾液、猫、狗和人的精液等
对细胞发现做出过贡献的其他人：
马尔比基（M.Malpighi），1628-1694
医生、大学教师，动植物材料显微技术的创始人。
血液循环和毛细血管、肺和肾的细微结构、无脊椎动物生物学，特别是蚕从卵到蛹演化的结构和生活史。
施旺丹麦（J.Swammerdam），1637-1680
尸体解剖，蜗牛受精，昆虫的形态分类。
格鲁（N.Grew），1628-1712
主要是植物解剖，也做些动物的比较解剖。
（二）细胞学说（celltheory）的建立及其意义
1838年德国植物学家施莱登（M.J.Schleiden）
1839年德国动物学家施旺（M.J.Schwann）
一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位。
Allorganismsarecomposedofoneormorecells.
Thecellisthestructureunitoflife.
Cellcanariseonlybydivisionfromapreexistingcell.
1855年德国病理学家魏尔肖（Virchow）指出：
细胞只能来自细胞。
早期的其他科学家还包括：
米尔贝尔（C.B.Mirbel），法国植物学家，认为植物每个部分都存在细胞。
奥肯（L.Oken），认为生命起源于“原始海洋胶状物”，纤毛虫是最简单的生命体，动物和植物都是纤毛虫的群体。
普金野（J.E.Purkinje），神经细胞的分类研究；发明了原始的切片刀，可以切骨骼和牙齿；还制成了第一张显微照片。
弥勒（J.P.Muller），胚胎学、生理学、病理学、比较解剖学家。
•细胞学说（1838-1839）、进化论（1859）和孟德尔（1866）的遗传学是现代生物学的三大基石。
细胞学说也是后两者的基石。
（三）细胞学的经典时期
1、原生质概念的提出
1840年普金耶（Pukinje）和1846年冯·莫尔（VanMolh）首次将动植物细胞的内含物称为“原生质”（protoplasm）。
1861年舒尔策（MaxSchultze）认为有机体的组织单位是一小团原生质。
1880年Hanstein提出“原生质体”（protoplast）的概念，认为细胞是由细胞膜包围的一团原生质，分化为细胞核与细胞质。
2、细胞受精和细胞分裂的研究
1841年Remark发现鸡胚血细胞的直接分裂。
1875年Hertwig发现受精卵中两亲本核的合并；1877年Strasburger发现动物的受精现象。
其后，Flemming（1883）和Strasburger（1886）分别在动植物细胞中发现有丝分裂（mitosis）；VanBenneden（1883）和Strasburger（1886）分别在动植物细胞中发现减数分裂（meiosis）。
3、重要细胞器的发现
1883年VanBenneden和Boveri发现中心体;Benda发现线粒体，1898年Altmann命名。
1898年Golgi发现高尔基体。
在这短短的25年里，取得如此多的成果，除了细胞学说本身的贡献外，技术革新起着重要的作用。
细胞染色技术、切片技术、显微技术等的不断改进和创新保证了科学研究的进步。
更重要的是这一时期人才辈出，他们不断追求和探索的精神才是细胞学得以发展的原动力。
（四）细胞学的分支及发展
•细胞遗传学：
染色体结构功能与基因表达
•细胞生理学：
细胞的各种生理活动
•细胞化学：
用生化手段研究细胞各组分的功能
（五）细胞生物学的形成及发展
1933年，德国科学家鲁斯卡（ErnstRuska）在西门子公司设计了世界上第一架电子显策镜，最初的分辩力为50nm，此后改进达几个nm，放大倍数达几十万倍。
在50年代，学者们利用电镜观察了细胞的各种超微结构，如内质网、核糖体、溶酶体、核孔复合体、细胞骨架和膜单位
1961年布拉舍（J.Brachet）根据电镜下观察到的结构，集40-50年代之大成绘制了一幅细胞模式图。
该图比魏尔逊的模式图已大为改观，不仅描出了细胞的超微结构，而且反映出细胞活动的动态观点。
上世纪60年代，由于电镜标本固定技术的改进，显示出基质中还有微管、微丝和中等纤维的存在。
70年代，由于使用了高压电镜，能显示出细胞的立体结构。
这些技术和方法的进步为细胞生物学的发展起到极大的推动作用。
细胞中的染色体，线粒体、中心体、核仁等大于0.2m，在光学显微镜中能观察到，这种结构称显微结构（microscopicstructure）。
内质网膜、核膜，微管、微丝等因小于0.2m，在普通光学显微镜下看不到，称亚显微结构（submicroscopicstructure）。
有不少学者称此水平为“微细结构”（finestructure），指显微镜观察能力以上，分子结构以下这一水平的结构。
20世纪70年代以来由于超高分辩本领电镜的问世（接近0.1nm），加上免疫电镜，电镜放射自显影术的不断提高；扫描电镜的深入开展以及冰冻刻蚀技术的应用，特别是电镜技术与生化研究及近代生物物理研究手段（如X射线衍射、中子衍射、波谱子研究等）相结合，使电镜观察进行入到超微结构境界（严格地说ultrastructure指分子结构而言，不过现在书刊中往往将亚微结构也称之为超微结构，二者无严格的界线）。
重要概念
原生质（Protoplasm）：
泛指细胞的全部生命物质，包括细胞膜、质、核三部分。
主要参考书：
1.《基础细胞生物学》艾伯茨等著，赵寿元等译。
上海科学技术出版社，2002年。
2.《细胞生物学》（第二版）汪堃仁、薛绍白、柳惠图主编。
北京师范大学出版社，1990年。
3.《分子细胞生物学》韩贻仁（第二版），科学出版社，2001年。
4.《细胞生物学》沈振国、催德才。
中国农业出版社，2003年。
5.CellandMolecularBiology（ThirdEdition）.GeraldKarp.2002.
6.MolecularCellBiology（SecondEdition）.HarveyLodishetal.1995.
第二章细胞的统一性与多样性
一、细胞的基本概念
（一）细胞是生命活动的基本单位
1、细胞是构成有机体的基本形态单位
（1）一切有机体均由细胞构成（病毒例外）
（2）变形虫、眼虫是单细胞机体盘藻是多细胞聚合体，细胞未分化高等动植物细胞分化组织器官系统机体
2、细胞是有机体的基本功能单位
（1）机体的一切代谢活动都以细胞为基本单位，表现出高度的有序性、独立性和自控性。
（2）机体发生退行性变化（衰老、疾病）也是始于细胞。
3、细胞是有机体生长与发育的基础
机体的发育依靠细胞的分裂、生长、分化和凋亡来实现。
4、细胞是遗传的基本单位，具有遗传的全能性
（1）细胞含全套的遗传信息，具遗传的全能性
（2）单个植物细胞可经人工诱发成完整的植株
（3）人工将体细胞核植入动物受精卵细胞质亦能发育成正常的个体。
5、没有细胞就没有完整的生命
（1）任何细胞组分都不能在体外培养持续生存
（2）病毒须在细胞内才能表现基本生命特征。
细胞具有高度的复杂性与组织性
细胞具有遗传程序并能付诸实施
细胞能产生更多的“自己”
细胞获取和利用能量
细胞开展许多的化学反应
细胞可实施一系列机械运动
细胞能感应刺激
细胞能自我调节
（二）细胞的基本共性
1、细胞具有相似的化学组成
构成细胞最主要的化学元素为C、H、O、N，占细胞全重90％；其次的八种元素是S、P、Na、Ca、K、Cl、Mg、Fe，这十二种元素占细胞全重的99％以上，此外还有极微量的其它化学元素，如B（硼）、Si（硅）、V（钒）、Mn（锰）、Co（钴）、Cu（铜）、Zn（锌）、Mo（钼）等。
最基础的生物小分子：
核苷酸、氨基酸、脂肪酸与单糖。
重要生物大分子：
核酸、蛋白质、脂质和多糖。
复合分子：
核蛋白、脂蛋白、糖蛋白和糖脂。
平均来说，细胞的组成中水占85%、蛋白质10%、DNA0.4%、RNA0.7%、脂类2%、糖和其它有机物2%、无机物1.5%。
2、脂-蛋白体系的生物膜
所有的细胞表面均有磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜─质膜。
真核细胞的质膜内陷演化为细胞的内膜体系，构建成以膜为基础的功能专一的细胞器。
3、DNA-RNA的遗传装置
所有细胞都有两种核酸：
即DNA和RNA，作为遗传信息复制与转录的载体。
4、蛋白质合成的机器-核糖体
所有细胞都含有蛋白质的合成机器─核糖体。
5、一分为二的分裂方式
所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。
二、原核细胞与古核细胞
20世纪60年代，H.Ris提出将细胞分为两大类：
（1）原核细胞（prokaryocyte）；
（2）真核细胞（eukaryocyte）
原核细胞大约在35亿年前就出现在地球上，它结构简单，种类较少，体积较小，直径0.2-10m不等；没有典型的细胞核。
细菌、兰藻等属这一类。
原核细胞基本特点可概括为
（1）遗传信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；
（2）细胞内没有分化成以膜为基础的细胞器和核膜。
（一）细菌
细菌是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体，是大自然物质循环的主要参与者。
细菌主要由细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体等部分构成，有的细菌还有夹膜、鞭毛、菌毛等特殊结构。
绝大多数细菌的直径大小在0.5-5μm之间。
可根据形状分为三类，即：
球菌、杆菌和螺旋菌（包括弧形菌）。
1、细胞壁
细胞壁厚度因细菌不同而异，一般为15-30nm。
主要成分是肽聚糖，由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸构成双糖单元，以β（1-4）糖苷键连接成大分子。
2、细胞膜
是典型的单位膜结构，厚约8-10nm，外侧紧贴细胞壁。
通常不形成内膜系统，除核糖体外，没有其它类似真核细胞的细胞器，呼吸和光合作用的电子传递链位于细胞膜上。
3、细胞质与核质体
细菌和其它原核生物一样，没有核膜，DNA集中在细胞质中的低电子密度区，称核区或核质体（nuclearbody）。
细菌一般具有1-4个核质体，多的可达20余个。
核质体是环状的双链DNA分子，所含的遗传信息量可编码2000～3000种蛋白质，空间构建十分精简，没有内含子。
4、其他结构
许多细菌的最外表还覆盖着一层多糖类物质，边界明显的称为荚膜（capsule），如肺炎球菌，边界不明显的称为粘液层（slimelayer），如葡萄球菌。
鞭毛是某些细菌的运动器官，由一种称为鞭毛蛋白（flagellin）的弹性蛋白构成，结构上不同于真核生物的鞭毛。
菌毛是菌体表面极细的蛋白纤维，须用电镜观察。
特点是：
细、短、直、硬、多，菌毛与细菌吸附和侵染宿主有关。
5、繁殖
细菌以二分裂的方式繁殖，某些细菌处于不利的环境，或耗尽营养时，形成内生孢子，又称芽孢，是对不良环境有强抵抗力的休眠体，由于芽胞在细菌细胞内形成，故常称为内生孢子。
（二）支原体
支原体（mycoplasma）的大小通常为0.2-0.3m，可通过滤菌器。
无细胞壁，不能维持固定的形态而呈现多形性。
支原体基因组为一环状双链DNA，分子量小（仅有大肠杆菌的五分之一），合成与代谢很有限。
（三）衣原体和立克次氏体
衣原体（Chlamydia），直径200-500nm，能通过细菌滤膜。
立克次氏体（Rickettsia）略大，大多不能通过滤菌膜。
它们都有DNA和RNA，有革兰氏阴性细菌特征的含肽聚糖的细胞壁，但酶系统不完全，必须在寄主细胞内生活，有摄能寄生物（energyparasite）之称。
（四）蓝藻
蓝藻又称蓝细菌（cyanobacterium），能进行与高等植物类似的光合作用（以水为电子供体，放出O２），与光合细菌的作用机制不一样，因此被认为是最简单的植物。
蓝藻没有叶绿体，仅有十分简单的光合作用结构装置。
蓝藻细胞遗传信息载体与其它原核细胞一样，是一个环状DNA分子，但遗传信息量很大，有约3000个编码蛋白的潜在基因。
（五）古细菌（archaebacteria）
是一类很持殊的细菌，多生活在极端的生态环境中。
具有原核生物的某些特征，如无核膜及内膜系统；也有真核生物的特征，如以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白。
此外还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征，如：
细胞膜中的脂类是不可皂化的；细胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白质为主，有的含杂多糖，有的类似于肽聚糖，但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。
极端嗜热菌（themophiles）：
能生长在90℃以上的高温环境。
如德国的斯梯特（K.Stetter）研究组在意大利海底发现的一族古细菌，能生活在110℃以上高温中，最适生长温度为98℃，降至84℃即停止生长。
美国的J.A.Baross发现一些从火山口中分离出的细菌可以生活在250℃的环境中。
嗜热菌的营养范围很广，多为异养菌，其中许多能将硫氧化以取得能量。
极端嗜盐菌（extremehalophiles）：
生活在高盐度环境中，盐度可达25%，如死海和盐湖中。
极端嗜酸菌（acidophiles）：
能生活在pH值1以下的环境中，往往也是嗜高温菌，生活在火山地区的酸性热水中，能氧化硫，硫酸作为代谢产物排出体外。
极端嗜碱菌（alkaliphiles）：
多数生活在盐碱湖或碱湖、碱池中，生活环境pH值可达11.5以上，最适pH值8～10。
产甲烷菌（metnanogens）：
是严格厌氧的生物，能利用CO2使H2氧化，生成甲烷，同时释放能量。
CO2＋4H2→CH4＋2H2O＋能量
由于古细菌所栖息的环境和地球发生的早期有相似之处，如：
高温、缺氧，而且由于古细菌在结构和代谢上的特殊性，它们可能代表最古老的细菌。
它们保持了古老的形态，很早就和其它细菌分手了。
所以人们提出将古细菌从原核生物中分出，成为与原核生物（即真细菌eubacteria）、真核生物并列的一类。
（1）细胞壁的成分不同于细菌。
（2）DNA含重复序列和内含子。
（3）有组蛋白，构成类似核小体的结构。
（4）核糖体大小介于真细菌与真核细胞之间，对抗生素的反应类似于真核。
（5）5SrRNA的分子结构在进化上更相似于真核细胞。
（6）DNA聚合酶、氨酰基tRNA合成酶、肽链延长因子等相似于真核细胞。
三、真核细胞
真核细胞包括大量的单细胞生物和全部的多细胞生物，出现于12-16亿年前，在起源上和古核细胞的关系更密切。
真核细胞结构复杂，种类繁多，出现了以膜为边界的真正细胞核及多种细胞器。
（一）真核细胞的基本结构体系
1、生物膜系统：
磷脂与蛋白质，厚度8-10nm。
2、遗传信息表达结构系统：
DNA-蛋白质、RNA-蛋白质，颗粒与纤维直径10-20nm。
3、细胞骨架系统：
纤维网状结构，直径5-24nm。
（二）细胞的大小及其分析
支原体（最小的cell）0.1～0.3m
细菌1～2m
动、植物20～30m
原生动物几百到几千微米，大变形虫200－600m，眼虫长60m。
一根棉花纤维由一个cell构成，长4cm。
Ncell直径100m，突起可达1m以上
人卵200m；鸵鸟蛋黄直径5cm
鼠鲨卵径达22cm（最大的cell）
理论上：
①细胞体积越大，相对表面积越少，与环境交换物质的能力越小。
②核、质有一定比例,核内所含遗传信息所控制的C体积须有一定限度。
③细胞体积与C内物质交流的速度成反比。
理论上最小的细胞:
一个细胞生存与增殖必须具备细胞膜、遗传信息载体DNA与RNA、进行蛋白质合成的核糖体以及催化主要酶促反应所需要的酶。
估计完成细胞功能至少需要100种酶，这些分子进行酶促反应所必须占有的空间直径约为50nm，加上核糖体（每个核糖体直径约10-20nm），细胞膜与核酸等，我们可以推算出来，一个细胞体积的最小极限直径不可能小于100nm。
对同类组织来说，细胞的体积是恒定的，器官的大小与细胞的数量成正比。
（三）细胞的形态结构与功能的关系
游离细胞呈球形或近于球状，例如动物的卵细胞、植物的花粉母细胞。
但也有例外（由于表面张力或原生质粘度不均一），如人的红血球、精子，变形虫和白血球等为不定形细胞。
组织细胞既受相邻细胞的制约也与细胞的生理功能有关。
例如肌肉细胞适应于收缩，Ncell适应于传导刺激。
（四）原核细胞与真核细胞的比较
1、结构与功能
膜演化的核、质分离，结构复杂化，骨架系统
2、遗传装置与基因表达方式
双层核膜，体积增大，基因数量增加，DNA由裸露变为与蛋白质结合，表达调控多层次
（五）植物细胞与动物细胞的比较
植物细胞：
细胞壁cellwall，中层或胞间层（middlelamella），胞间连丝。
质体（plastids）
较大液泡（Vacuole）。
动物细胞：
溶酶体
中心体
四、非细胞形态的生命体─病毒与蛋白质感染因子
（一）病毒Virus
是一类非细胞形态的介于生命与非生命形式之间的物质。
有以下主要特征：
①个体微小，可通除滤菌器，大多数必须用电镜才能看见；②仅具有一种类型的核酸，或DNA或RNA；③专营细胞内寄生生活；④具有受体连结蛋白（receptorbindingprotein），与敏感细胞表面的病毒受体连结，进而感染细胞。
1、病毒的形态结构
病毒的大小一般在10-30nm之间。
结构简单，由核酸（DNA或RNA）芯和蛋白质衣壳（capsid）所构成，称核壳体或核衣壳（nucleocapsid），核壳体有保护病毒核酸不受酶消化的作用。
有些病毒还含有一定量的脂质、糖复合物与聚氨类化合物。
各种病毒所含的遗传信息量不同，少的只含有3个基因，多的可达300个不同的基因。
电镜观察有五种形态；①球形（Sphericity）：
大多数人类和动物病毒为球形，如脊髓灰质炎病毒、疱疹病毒及腺病毒等；②丝形（Filament）：
多见于植物病毒，如烟草花叶病病毒，人类流感病毒有时也是丝形；③弹形（Bullet-shape）：
形似子弹头，如狂犬病毒、疱疹性口炎病毒等，其他多为植物病毒。
④砖形（Brick-shape）：
如天花病毒、牛痘苗病毒等；⑤蝌蚪形（Tadpoleshape）：
由一卵圆形的头及一条细长的尾组成，如噬菌体。
2、病毒的增殖
病毒只有在侵入细胞以后才表现出生命现象。
病毒的生活周期可分为两个阶段：
一个是细胞外阶段，以成熟的病毒粒子形式存在；另一个是细胞内阶段，即感染阶段。
感染阶段开始时，病毒的遗传物质由衣壳中释放出来，注入宿主细胞中，然后在病毒核酸信息的指导控制下，形成新的病毒粒子。
根据寄生的宿主不同，病毒可分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒（即噬菌体）三大类。
（二）类病毒Viroid
类病毒在结构上比病毒还要简单，没有蛋白质外壳，仅为一裸露的RNA或DNA分子，多数只有300-400个核苷酸。
由于它们具有感染作用，类似于病毒，故称为类病毒。
不过，它们的复制需要真病毒的协助。
例如，马铃薯锤管类病毒仅由一个含359个核苷酸的单链环状RNA分子组成，分子长约40-50nm，不能制造衣壳蛋白。
（三）蛋白质感染因子
1982年S．B．Prusiner以叙利亚仓鼠为实验材料，发现羊瘙痒病（scrapie）的病原体是一种蛋白质，不含核酸，命名为prion，意即ProteinaceousInfectionOnly，译为蛋白质感染因子或朊病毒，Prusiner因此项发现更新了医学感染的概念，获1997年的诺贝尔生理与医学奖。
Prion是一种结构变异的蛋白质，对高温和蛋白酶均具有较强的抵抗力。
它能转变细胞内的此类正常的蛋白PrPC（cellularprionprotein），使PrPC发生结构变异，变为具有致病作用的PrPSc（scrapie-associatedprionprotein）。
PrPC存在于神经元、神经胶质细胞和其它一些细胞，属于糖磷脂酰肌醇锚定蛋白，集中在膜上的脂筏中，对蛋白酶和高温敏感，可能和细胞信号转导有关。
目前对蛋白质感染因子的增殖方式有两种解释，一是重折叠模型（refoldingmo
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