第一章細胞生學緒論

1、細胞生物學cell biologyn細胞生物學概念：細胞生物學概念： n細胞生物學cell/cellular biology：是研究細胞基本生命活動規(guī)律的科學，從不同層次（顯微、亞顯微和分子水平）上研究細胞的結(jié)構(gòu)與功能，細胞增殖、分化、衰老與凋亡，細胞信號傳遞，真核細胞基因表達與調(diào)控，細胞起源與進化等（主要內(nèi)容）。p2n細胞生物學：是應用了現(xiàn)代物理學與化學的技術(shù)成就和分子生物學的概念和方法，以細胞作為生命活動的基本單位的思想為出發(fā)點，來探索生命活動規(guī)律的學科。p2n細胞生物學：是以細胞作為一切有機體進行生命活動基本單位的概念為出發(fā)點，在各層次上（顯微水平、亞顯微水平和分子水平）研究細胞生命活動

2、的基本規(guī)律的學科。p12第一章緒論n一.細胞生物學是現(xiàn)代生命科學的重要基礎(chǔ)學科 n二.細胞生物學的主要研究內(nèi)容n三.細胞學與細胞生物學發(fā)展簡史n四.細胞生物學的主要學術(shù)組織、學術(shù)刊物與教科書n復習題n教學目的 ： 1.掌握本學科的研究對象及內(nèi)容； 2.了解本學科的發(fā)展史及發(fā)展前景； 3.掌握與本學科有關(guān)的重大事件和名詞。n教學重點 ： 本學科的研究對象、內(nèi)容、前景和發(fā)展簡史。n一細胞生物學是現(xiàn)代生命科學的重要基礎(chǔ)學科n1925年，生物學大師wilson就提出：“一切生命的關(guān)鍵問題都要到細胞中去尋找”。n 生命體是多層次、非線性、多側(cè)面的復雜結(jié)構(gòu)體系，而細胞是生命體的結(jié)構(gòu)與生命活動的基本單位，有

3、了細胞才有完整的生命活動。ncells = life，細胞是生命的縮影。n 美國細胞學家威爾遜（e.b.wilson，18561939）： 1905年，他和斯特蒂文特（a.h.sturtevant，18911971）以細胞學的事實，確定了染色體同性別的關(guān)系，并提出xx為雌性，xy為雄性。 molecular biologyorganismalbiologycell biology生物化學遺傳學分子生物學植物學 植物生理學動物學 動物生理學菌物學n細胞生物學在整個生命科學學科體系中的定位n研究細胞結(jié)構(gòu)和生命活動規(guī)律相互滲透、交融n我國基礎(chǔ)科學發(fā)展規(guī)劃：n細胞生物學為生命科學的四大基礎(chǔ)學科之一。本

4、課程重點掌握內(nèi)容（三個基本兩重要）： 基本概念、基本結(jié)構(gòu)、基本功能、重要的實驗方法和重要細胞生命活動過程。 例，神經(jīng)反射等。n二.細胞生物學的主要研究內(nèi)容n（一）主要研究內(nèi)容及授課安排（二）當前細胞生物學研究的重點領(lǐng)域與總趨勢：二）當前細胞生物學研究的重點領(lǐng)域與總趨勢：當前細胞基本生命活動研究的若干重大課題：當前細胞基本生命活動研究的若干重大課題：1.染色體染色體dna與蛋白質(zhì)相互作用關(guān)系與蛋白質(zhì)相互作用關(guān)系主要是非組蛋白主要是非組蛋白（nhp）對基因組的作用（可包括）對基因組的作用（可包括dna damage and repair）2.細胞增殖（細胞增殖（cell cycle control

5、）、分化、凋亡（）、分化、凋亡（cell apoptosis）、衰老（）、衰老（senescence）的相互關(guān)系及其）的相互關(guān)系及其調(diào)控調(diào)控3.細胞信號轉(zhuǎn)導（細胞信號轉(zhuǎn)導（signal transduction）的研究：的研究：4.細胞結(jié)構(gòu)體系的組裝細胞結(jié)構(gòu)體系的組裝（三大基本結(jié)構(gòu)體系）：（三大基本結(jié)構(gòu)體系）：n3.細胞信號轉(zhuǎn)導的研究：n 細胞間信號傳遞：信號分子的結(jié)構(gòu)與功能，與受體間的互作機制；n 受體與信號跨膜轉(zhuǎn)導；n 細胞內(nèi)信號傳遞途徑。n4.細胞結(jié)構(gòu)體系的裝配（三大基本結(jié)構(gòu)體系）：n 由蛋白與核酸構(gòu)建的遺傳信息結(jié)構(gòu)體系（包括染色體、核仁、核糖體）；n 由蛋白與脂質(zhì)構(gòu)建的膜結(jié)構(gòu)體系（包括

6、細胞膜、核膜與細胞器膜）；n 由蛋白與蛋白構(gòu)成的細胞骨架結(jié)構(gòu)體系（微絲、微管、中間纖維和核骨架等）。n細胞生物學研究的趨勢特點：n細胞結(jié)構(gòu)功能研究細胞生命活動研究n細胞中單一基因與蛋白基因組與蛋白組及其在生命活動中的協(xié)同作用n細胞信號轉(zhuǎn)導途徑信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)n體外（in vitro）研究體內(nèi)（in vivo）研究n靜態(tài)研究活細胞動態(tài)研究n實驗室研究為主計算生物學介入n細胞生物學與生物學其他學科的滲透與數(shù)理化及納米科學等多學科的交叉。可歸結(jié)為可歸結(jié)為三大基本問題三大基本問題：1.基因組在細胞內(nèi)是如何在時間與空間上有序表達的？2.基因表達的產(chǎn)物主要是結(jié)構(gòu)蛋白與核酸、脂質(zhì)、多糖及其復合物，如何逐級組裝成

7、能行使生命活動的基本結(jié)構(gòu)體系及各種細胞器？3.基因表達的產(chǎn)物主要是大量活性因子與信號分子，如何調(diào)節(jié)諸如細胞增殖、分化、衰老與凋亡等細胞最重要的生命活動過程的？n細胞生物學研究的總趨勢：n細胞生物學與分子生物學(包括分子遺傳學與生物化學)等學科的相互滲透與交融是總的發(fā)展趨勢，成為細胞分子生物學或分子細胞生物。n研究方法的趨勢是從靜態(tài)的分析到活細胞的動態(tài)綜合n其它熱點：n 細胞外基質(zhì)、n 細胞社會學、n 細胞免疫學。（一）主要研究內(nèi)容及授課安排（54課時）：n緒論（2課時）n細胞的統(tǒng)一性與多樣性（3課時）n細胞生物學研究方法（4課時）n細胞質(zhì)膜（二.生物膜與細胞器的研究）（4課時）n物質(zhì)的跨膜運輸

8、（二.）（2課時）n細胞能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體（二.）（5課時）；n真核細胞內(nèi)膜系統(tǒng)、蛋白質(zhì)分選與膜泡運輸（二.）（6課時）n細胞信號轉(zhuǎn)導（二.）（4課時）n細胞骨架（三.細胞骨架體系的研究）（4課時）n細胞核與染色體（一.細胞核、染色體以及基因表達的研究）（6課時）n核糖體（二.）（2課時）；n細胞增殖及其調(diào)控（四.細胞增殖及其調(diào)控）（3課時）n程序化細胞死亡與細胞衰老（六.細胞衰老與凋亡）（3課時）n細胞分化與基因表達調(diào)控（五.細胞分化及其調(diào)控）（3課時）n細胞社會的聯(lián)系：細胞連接、細胞黏著和細胞外基質(zhì)（二.）（3課時） n還包括： 七.細胞的起源與進化（多章）n 八.細胞工程n 應用于工

9、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)藥實踐。n 如，干細胞工程、單克隆抗體等。n 此外，細胞免疫學等。n三.細胞學與細胞生物學發(fā)展簡史n第一階段：細胞的發(fā)現(xiàn)，1665-1838n第二階段：細胞學說建立，1838-1874n第三階段：細胞學的經(jīng)典時期，1875-1900n第四階段：實驗細胞學時期，1900-1953n第五階段：細胞生物學的誕生。1950至今n1.顯微鏡的發(fā)明是細胞發(fā)現(xiàn)的前提：n 最早的光學顯微鏡是1590年荷蘭眼鏡商z.janssen和他的侄子h.janssen共同研制的。雖然倍數(shù)不高（只能觀察小昆蟲），也并非用它發(fā)現(xiàn)了細胞，但它卻有著重要的科學意義。n 第一個發(fā)現(xiàn)細胞的是英國學者胡克robert ho

10、ok 。1665年，發(fā)表了micrographia一書, 描述了用自制的顯微鏡(30倍)觀察櫟樹軟木塞切片時發(fā)現(xiàn)“cella”。胡克發(fā)現(xiàn)的只是死細胞的細胞壁。n 1674年，荷蘭布商列文虎克(anton vanleeuwenhoek)自制了高倍顯微鏡(300倍左右)觀察到池塘水滴中的原生動物、人類和哺乳類動物的精子。這是人類第一次觀察到完整的活細胞。cells form tissues in plants and animalsplant root tipurine-collecting ducts in the kidneycells come in a variety of shapes

11、and sizesnerve cellparameciumplant stembacteriumneutrophil engulfment of an erythrocytenerve cellparameciumplant stembacteriumn2.細胞學說(cell theory)的建立及意義n matthias jacob schleiden（18041881)，德國植物學教授， 1838 年發(fā)表“ 植物發(fā)生論” (beitrge hytogenesis)，認為無論怎樣復雜的植物都由形形色色的細胞構(gòu)成。n theodor schwann（18101882)，德國解剖學教授，一開始就

12、研究schleiden的細胞形成學，并于1838年提出了“細胞學說”（cell theory)這個術(shù)語；1939年發(fā)表了“關(guān)于動植物結(jié)構(gòu)和生長一致性的顯微研究”論文。n 細胞學說的基本內(nèi)容n“細胞學說”的基本內(nèi)容：n（1）細胞是有機體，一切動植物都由細胞發(fā)育而來,并由細胞和細胞產(chǎn)物所構(gòu)成；n（2）每個細胞為一個相對獨立的生命單位，既有它“自己的”生命,又對與其它細胞共同組成的整體的生命有所助益；n（3）新的細胞只能通過已存在的細胞繁殖產(chǎn)生（1858年，德國醫(yī)生和病理學家魏爾肖rudolf virchow補充）。n 細胞學說，為十九世紀自然科學的三大發(fā)現(xiàn)之一，也是現(xiàn)代生物學的三大基石之一。n細胞

13、學說的意義：論證了生物界在結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一性和生命的共同起源。n3.細胞學的經(jīng)典時期n（1）原生質(zhì)（protoplasm）理論的提出：n 1840年，普金耶（j.e.pukinje）和1846 年馮莫爾（von mohl）將動植物細胞“肉樣質(zhì)”內(nèi)含物稱為原生質(zhì)（protoplasm）。n 1861年，max schultze提出了原生質(zhì)理論：有機體的組織單位是一小團原生質(zhì)，這種物質(zhì)在一般有機體中是相似的。并把細胞明確地定義為: “細胞是具有細胞核和細胞膜的活物質(zhì)”。n 1880年，hanstein提出原生質(zhì)體（protoplast）概念：細胞是由細胞膜包圍著的原生質(zhì)，原生質(zhì)分化為細胞核和細胞膜。較

14、cell（細胞，小室）更確切了。n原生質(zhì)(protoplasm)：指活細胞的全部活物質(zhì)，包括質(zhì)膜、細胞質(zhì)和細胞核（或類核）。n（2）細胞分裂的研究：n 1841年，remak（拉馬克）在雞胚血細胞發(fā)現(xiàn)了細胞的直接分裂（amitosis）；n 其后，flemming、strasburger分別在動（蠑螈幼蟲組織細胞）、植物細胞中發(fā)現(xiàn)有絲分裂（mitosis）；n van beneden（1883）和strasburger（1886）分別在動、植物細胞中發(fā)現(xiàn)減數(shù)分裂（miosis）。n（3）重要細胞器的發(fā)現(xiàn)n 顯微鏡、切片制作方法的發(fā)展。n van beneden和boveri （1883）在動、

15、植物細胞中發(fā)現(xiàn)中心體；n 1888年waldeyer提出染色體概念;n altmann（1894）發(fā)現(xiàn)線粒體；n golgi （1898）發(fā)現(xiàn)高爾基體。n4. 實驗細胞學與細胞學的分支及其發(fā)展n 實驗細胞學：是指采用實驗的手段研究細胞學的問題,即從形態(tài)結(jié)構(gòu)的觀察深入到生理功能、生物化學及遺傳發(fā)育機理的研究。n 一些重要分支學科的建立和發(fā)展。n（1）細胞結(jié)構(gòu)的認識n 1935年，德國西門子公司生產(chǎn)出第一臺電鏡。n亞顯微結(jié)構(gòu)： 細胞膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基器、溶酶體、過氧物酶體、核膜等n（2）學科發(fā)展n奠定細胞遺傳學（cytogenetics）發(fā)展基礎(chǔ)的事件：n 發(fā)現(xiàn)受精現(xiàn)象（1876，o. hertw

16、ig；1888，strasburger等）；n 發(fā)現(xiàn)動植物生殖細胞的染色體僅為體細胞一半（1883，van beneden；1888，strasburger；1893年overton等）；n 孟德爾遺傳法則的重新發(fā)現(xiàn)（1900）；n 染色體學說（德國boveri和美國sutton分別）的提出，把孟德爾的染色體行為與遺傳因子相聯(lián)系；n 基因?qū)W說（1910，morgan摩爾根，實驗證明基因是決定遺傳性狀的基本單位，且直線排列在染色體上）的建立。 n細胞生理學（cytophysiology）的研究：n 19世紀末葉，對活細胞的細胞質(zhì)流動、肌肉收縮、變性運動、纖毛與鞭毛運動，細胞膜通透性、細胞的應激性

17、、神經(jīng)傳導開展了大量研究。 n harrison與carrel創(chuàng)立了組織培養(yǎng)（1909）。carrel研制成carrel培養(yǎng)瓶,采用嚴格的組織培養(yǎng)技術(shù),成功地培養(yǎng)了雞胚胎成纖維細胞持續(xù)了34年(1912-1946)。n claude用高速離心機分離細胞核和各種細胞器的技術(shù)（1943） 。n細胞化學cytochemistry的發(fā)展：n 福爾根（feulgen，1924）等首先用feulgen反應專門作為脫氧核糖核酸（dna）定性方法。n 此后，染色劑染色法、紫外光顯微分光光度法、放射自顯影、超微量分析等方法均得到廣泛運用。n 此外，發(fā)展與演變的實驗細胞學分支還包括：細胞生物化學、細胞病理學、微生

18、物細胞學與原生動物細胞學等。n n5.現(xiàn)代細胞生物學學科的形成和發(fā)展ncytology：1892年德國人o. hertwig出版了細胞與組織一書，使細胞學成為生物科學的一個獨立分支。nmolecular biology：1953年watson和crick提出dna雙螺旋結(jié)模型標志分子生物學的誕生；ncell biology：1965年，dpderobetis將其普通細胞學改為細胞生物學，標志著細胞生物學的誕生；nmolecular cell biology：20世紀80年代開始出現(xiàn)了分子細胞生物學。n 二十世紀五十年代后，電子顯微鏡與超薄切片技術(shù)的發(fā)展。n 近年來，透射電鏡、掃描電鏡、掃描隧道

19、顯微鏡、電子計算機等技術(shù)的發(fā)明和引入；顯微分光和流式分光光度計、分子定位雜交、免疫熒光和免疫膠體金、激光共焦點掃描顯微鏡等技術(shù)發(fā)展。近年細胞分子生物學相關(guān)領(lǐng)域的nobel prize獲獎情況physiology and medicine2003paul c. lauterbur, and sir peter mansfield for their discoveries concerning magnetic resonance imaging.2002sydney brenner, h. robert horvitz and john e. sulston for their discove

20、ries concerning genetic regulation of organ development and programmed cell death.2001leland h. hartwell, r. timothy hunt and paul m. nurse for their discoveries of key regulators of the cell cycle. 2000arvid carlsson, paul greengard and eric kandel for their discoveries concerning signal transducti

21、on in the nervous system. 1999gnter blobel, for the discovery that proteins have intrinsic signals that govern their transport and localization in the cell. 1998robert f. furchgott, louis j. ignarro and ferid murad for their discoveries concerning nitric oxide as a signalling molecule in the cardiov

22、ascular system. 1997stanley b. prusiner for his discovery of prions - a new biological principle of infection 1996peter c. doherty and rolf m. zinkernagel for their discoveries concerning the specificity of the cell mediated immune defence. 1995edward b. lewis, christiane n躍躍slein-volhard and eric f

23、. wieschaus for their discoveries concerning the genetic control of early embryonic development. 1994alfred g. gilman and martin rodbell for their discovery of g-proteins and the role of these proteins in signal transduction in cells. 1993richard j. roberts and phillip a. sharp for their independent

24、 discoveries of split genes. 1992edmond h. fischer and edwin g. krebs for their discoveries concerning reversible protein phosphorylation as a biological regulatory mechanism. 1991erwin neher and bert sakmann for their discoveries concerning the function of single ion channels in cells. 1990joseph e

25、. murray and e. donnall thomas for their discoveries concerning organ and cell transplantation in the treatment of human disease. 1989j. michael bishop and harold e. varmus for their discovery of the cellular origin of retroviral oncogenes.1988sir james w. black , gertrude b. elion and george h. hit

26、chings for their discoveries of important principles for drug treatment. 1987susumu tonegawa for his discovery of the genetic principle for generation of antibody diversity. 1986stanley cohen and rita levi-montalcini for their discoveries of growth factors. 1985michael s. brown and joseph l. goldste

27、in for their discoveries concerning the regulation of cholesterol metabolism. 1984niels k. jerne , georges j.f. kohler and cesar milstein for theories concerning the specificity in development and control of the immune system and the discovery of the principle for production of monoclonal antibodies

28、. chemistry2003peter agre, for the discovery of water channels and the other half of the prize to roderick mackinnon for structural and mechanistic studies of ion channels.2002john b. fenn, and koichi tanaka, for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses

29、 of biological macromolecules and the other half tokurt wthrich for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution. 1997paul d. boyer and john e. walker for their elucidation of the enzymatic mechani

30、sm underlying the synthesis of adenosine triphosphate (atp) and with one half tojens c. skou for the first discovery of an ion-transporting enzyme, na+, k+-atpase. 1993kary b. mullis for his invention of the polymerase chain reaction (pcr) method. and michael smith for his fundamental contributions

31、to the establishment of oligonucleiotide-based, site-directed mutagenesis and its development for protein studies. 1989sidney altman and thomas r. cech for their discovery of catalytic properties of rna.1988johann deisenhofer , robert huber and hartmut michel for the determination of the three-dimen

32、sional structure of a photosynthetic reaction centre. n 當今生命科學的基本問題依然是生物體的遺傳、發(fā)育與進化，這些都是細胞生物學研究的基本問題。n 因此，21世紀，細胞生物學必然成為回答生命科學的最重要、最基本問題的一門重要學科。n細胞生物學與細胞學：n細胞學（cytology）:是研究細胞的結(jié)構(gòu)（顯微和亞顯微形態(tài)結(jié)構(gòu)）、功能及其生活史的科學。n 靜態(tài)觀點： 側(cè)重整體細胞水平和亞細胞水平n細胞生物學（cell biology）:是以研究細胞的生命活動規(guī)律和調(diào)控機制為主要內(nèi)容；n 動態(tài)觀點：側(cè)重整體細胞水平、亞細胞水平和分子水平的結(jié)合。n四.學科相關(guān)的主要學術(shù)組織、教材與學術(shù)刊物n學術(shù)組織：n細胞生物學國際聯(lián)盟（1976年始，4年一次代表大會）；中國細胞生物學學會（1980年成立）。n教材：ngerald karp.: cell and molecular biology: concepts and experiments,2005;nalberts b