分子細胞生物學緒論

1、第一章 緒論第一節(jié) 細胞生物學研究 的內容與現(xiàn)狀一、細胞生物學是現(xiàn)代生命科學的重要基礎學科 細胞生物學:是研究細胞基本生命活動規(guī)律的科學，它從不同層次，包括顯微（電子顯微鏡技術）、亞顯微（光學顯微鏡技術）、分子水平（生物化學與分子生物技術）上主要研究細胞的形態(tài)與結構、代謝與調控、增殖分化、遺傳變異、衰老與死亡、起源與進化、興奮與運動以及細胞的傳遞等。 所以，細胞生物學是運用近代物理學和化學的技術成就以及分子生物學的概念與方法，以細胞作為生命活動的基本單位為出發(fā)點，從顯微水平、亞顯微水平和分子水平三個層次上，研究細胞的結構、功能及各種生命活動規(guī)律。細胞生物學研究的對象是細胞。細胞是生命體的結構與

2、生命活動的基本單位。有了細胞才有完整的生命活動。細胞的研究是生命科學的基礎，也是現(xiàn)代生ing科學發(fā)展的支柱。生命活動的基本規(guī)律生命活動規(guī)律包括生長、發(fā)育、遺傳、變異、運動、傳導、衰老、死亡等等，這些生命活動都與細胞息息相關，這些重大生命現(xiàn)象的研究都要從細胞入手，以細胞研究為基礎。 細胞生物學不同于細胞學主要表現(xiàn)在：第一，深刻性。它從細胞整體結構，超微結構和分子結構對細胞進行剖析，并把細胞生命活動同分子水平和超分子水平聯(lián)系起來。第二，綜合性。這所研究的內容廣泛涉及到許多學科領域，同生理學、遺傳學、生物化學、發(fā)育生物學等融合到一起。 所以細胞的研究是生命科學的基礎，也是現(xiàn)代生命科學發(fā)展的重要支柱。

3、在我國基礎科學發(fā)展規(guī)劃中，把細胞生物學、分子生物學、神經(jīng)生物學和生態(tài)學并列為生命科學的四大基礎學科。它的基礎性也反映了現(xiàn)代生命科學的發(fā)展趨勢。 細胞生物學是目前生物科學中發(fā)展最快的學科之一。分子細胞生物學是目前細胞生物學的重點。細胞工程是21世紀生物工程發(fā)展的重要組成部分?？梢灶A見細胞的結構與基本生命活動的研究將越來越深入，并將成為21世紀初生命科學研究的重要領域之一。細胞生物學的研究內容一般可分為兩部分：細胞結構與功能；細胞重大生命活動。二者是基礎與整體的關系，難以割裂。二、細胞生物學的二、細胞生物學的主要研究內容主要研究內容 大致可分為以下幾個方面：(一)細胞核、染色體以及基因表達的研究

4、基因表達與調控是目前細胞生物學、遺傳學和發(fā)育生物學在細胞和分子水平相結合的最活躍領域.二)生物膜與細胞器的研究 膜及細胞器的結構與功能問題（“膜學”）。(三)細胞骨架體系的研究 胞質骨架、核骨架的裝配調節(jié)問題和對細胞行使多種功能的重要性。(四)細胞增殖及其調控 控制生物生長和發(fā)育的機理是研究癌變發(fā)生和逆轉的重要途徑（“再教育細胞”）。（五)細胞分化及其調控 一個受精卵如何發(fā)育為完整個體的問題。（細胞全能性）(六)細胞的衰老與程序死亡(七)細胞的起源進化(八)細胞工程 改造利用細胞的技術。生物技術是信息社會的四大技術之一，而細胞工程又是生物技術的一大領域。目前已利用該技術取得了重大成就（培育新品

5、種，單克隆抗體等），所謂21世紀是生物學時代，將主要體現(xiàn)在細胞工程方面。以上研究內容1-3是細胞器結構與功能的研究，4-6是細胞生命活動與調控的研究，7-8為細胞生物學的應用。三、當前細胞生物學研究的總體趨勢與重點領域三、當前細胞生物學研究的總體趨勢與重點領域 細胞生物學與分子生物學(包括分子遺傳學與生物化學) 相互滲透與交融是總的發(fā)展趨勢；（一）當前細胞生物學研究中的三大基本問題1、細胞內的基因組是如何在時間與空間上有序表達的？2、基因表達產物-主要是結構蛋白、核酸、脂質、多糖及其復合物，他們如何逐級裝備成能行使生命活動的基本結構體系及各種細胞器？3、基因表達產物-主要是大量活性因子與信號分

6、子，他們是如何調節(jié)細胞最重要的生命活動過程的？（二）當前細胞基本生命活動研究的若干重大課題1、染色體DNA與蛋白質相互作用關系主要是非組蛋白對基因組的作用。2、細胞增殖、分化、凋亡（程序性死亡）的相互關系及調控3、細胞信號傳導的研究 4、細胞結構體系的裝配 （三）最新進展美國國立衛(wèi)生研究院在1988年底發(fā)表的一份題為什么是當今科研領域的熱門話題？的調查報告中指出，目前全球研究最熱門的是： 三種疾病：癌癥 心血管病 艾滋病和肝炎傳染病 五大研究方向：細胞周期調控 細胞凋亡 細胞衰老 信號傳導 DNA的損傷與修復第二節(jié) 細胞學與細胞生物學發(fā)展簡史從研究內容來看細胞生物學的發(fā)展可以分為三個層次：顯微

7、水平、超微水平、分子水平一、顯微鏡的發(fā)明與細胞的發(fā)現(xiàn)沒有顯微鏡就不可能有細胞學誕生。1、1590年，荷蘭眼鏡制造商J和Z.Janssen父子制作了第一臺復式顯微鏡，放大倍數(shù)為10倍。2、1665年，英國人Robert Hook首次描述了植物細胞(木栓)，命名為cella3、1680年，荷蘭人A.van Leeuwenhoek一生中制作了200多臺顯微鏡和400多個鏡頭（50-275X） ，用設計較好的顯微鏡觀察了許多動植物的活細胞與原生動物。4、1752年，英國人J. Dollond 發(fā)明消色差顯微鏡。5、1812年，蘇格蘭人D. Brewster 發(fā)明油浸物鏡，改進了體視顯微鏡。6、1834

8、40年，法國父子V Chevalier (1771-1841)和 C Chevalier (1804-1859) 發(fā)明了第一臺商用消色差顯微鏡。7、1886年，德國人Ernst Abbe 發(fā)明復消差顯微鏡，并改進了油浸物鏡，至此普通光學顯微鏡技術基本成熟。8、1932年，荷蘭籍德國人F. Zernike成功設計了相差顯微鏡（phase contrast microscope)，并因此獲1953年諾貝爾物理獎。9、1932年，德國人M.Knoll和E.A.F.Ruska發(fā)明電鏡，1940年，美、德制造出分辨力為0.2nm的商品電鏡。10、1981年，瑞士人G.Binnig和H.RoherI在IB

9、M蘇黎世實驗中心（Zurich Research Center）發(fā)明了掃描隧道顯微鏡而與電鏡發(fā)明者Ruska同獲1986年度的諾貝爾物理學獎。二、細胞學說 （16世紀-19世紀30年代）1、Jean-Baptiste de Lamark （1744-1829)，獲得性遺傳理論的創(chuàng)始人，法國退伍陸軍中尉，50歲成為巴黎動物學教授，1809年他認為只有具有細胞的機體，才有生命。2、Charles Brisseau Milbel（1776-1854)，法國植物學家，1802年認為植物的每一部分都有細胞存在3、Henri Dutrochet （1776-1847），法國生理學家，1824年進一步描述了

10、細胞的原理4、Matthias Jacob Schleiden（施萊登施萊登）（1804-1881)，德國植物學教授，1838年發(fā)表“植物發(fā)生論”，認為無論怎樣復雜的植物都有形形色色的細胞構成。5、Theodor Schwann（施旺施旺）（1810-1882)，德國解剖學教授，一開始就研究Schleiden的細胞形成學說，并于1838年提出了“細胞學說”（Cell Theory)這個術語；1939年發(fā)表了“關于動植物結構和生長一致性的顯微研究” 。Schwann提出：a.有機體是由細胞構成的；b.細胞是構成有機體的基本單位。6. 1855 德國人R. Virchow 提出“一切細胞來源于細胞

11、”（omnis cellula e cellula）的著名論斷；進一步完善了細胞學說。把細胞作為生命的一般單位，以及作為動植物界生命現(xiàn)象的共同基礎的這種概念立即受到了普遍的接受。恩格斯將細胞學說譽為19世紀的三大發(fā)現(xiàn)之一。 當時細胞學說的基本內容：（1）細胞是有機體，一切動植物都是由細胞發(fā)育而來，并由細胞和細胞的產物構成；（2）每個細胞作為一個相對獨立的單位，既有它自己的生命，又對與其他細胞共同組成的整體的生命有所助益；（3）新的細胞可以通過來的細胞繁殖產生。三、細胞學的經(jīng)典時期（19世紀中期20世紀初） 這一時期的研究方法，主要是顯微鏡下形態(tài)的描述。 1、原生質理論的提出 自從迪雅爾丹在原生

12、動物細胞內，發(fā)現(xiàn)了十分均勻、有彈性、能收縮的膠狀物質后，就稱它為“肉樣質”。其后1840年普金耶（Pukinje）在動物，1846年馮莫爾在植物細胞中也看到了“肉樣質”的東西，并命名為“原生質”。1861年舒爾策（Max Schultze）認為動物細胞內的“肉樣質”和植物細胞內的“原生質”具有同樣的意義。由此提出了原生質理論：有機體的組織單位是一小團原生質，這種物質在一般有機體中是相似的。至此，細胞的含義就和最初發(fā)現(xiàn)時大不相同了。于是漢森（Hanstein,1880）就提出 “原生質體（protoplast），但由于cell一詞沿用已久，因此人們仍采用舊名。2、細胞分裂的研究 1841年雷馬克

13、（Remak）在觀察雞胚血細胞時發(fā)現(xiàn)了細胞的直接分裂，其后費萊明（Flemming）在動物細胞，施特拉斯伯格（strasburger）在植物細胞中發(fā)現(xiàn)了有絲分裂，并證實有絲分裂的實質是核內絲狀物（染色體）的形成及其向兩個子細胞的平均分配。1883年范貝內登（Van Beneden）在動物細胞，1886年施特拉斯伯格在植物細胞中又發(fā)現(xiàn)了減數(shù)分裂，至此細胞分裂的主要類型都被人類發(fā)現(xiàn)了。3、重要細胞器的發(fā)現(xiàn)。1883年范貝內登（Van Beneden）和博費里（Bovri）發(fā)現(xiàn)了中心體，1894年阿爾特曼（Altmann），1897年本達（Benda）發(fā)現(xiàn)了線粒體，1898年高爾基（Golgi）發(fā)現(xiàn)

14、了高爾基體。四、實驗細胞學與細胞學的分支及其發(fā)展 （20世紀初20世紀中葉）隨著研究的深入，細胞學在發(fā)展過程中自然而然地與遺傳學、生理學、生物化學聯(lián)系起來，由此出現(xiàn)了三個重要的分支科學，即：細胞遺傳學、細胞生理學和細胞化學。一、細胞遺傳學 1876年赫特維希兄弟（Q和RHertuing）在研究海膽卵受精作用時，發(fā)現(xiàn)受精后兩個親本細胞核具有合并的現(xiàn)象。1888年施特斯伯格在植物體也發(fā)現(xiàn)兩個親本細胞核的合并現(xiàn)象，并證明植物生殖細胞的染色體，也象動物一樣比體細胞少一半。 遺傳的基本規(guī)律是1865年由孟德爾（Gregeor Mendel）發(fā)現(xiàn)的。但當時對生殖的細胞變化沒有足夠的了解，不足以用來解釋遺傳

15、性狀的自由分配定律。由于這些原因，Mendel的工作當時未引起人們的重視。直到1901年孟德爾遺傳定律才被重新發(fā)現(xiàn)。這時細胞學的進展已經(jīng)能夠對孟德爾認定的遺傳單位分配機制有所理解和說明。已知體細胞的遺傳組是雙倍體，而生殖細胞或配子是單倍體。1905年威爾遜（Wilson）證實性別與染色體的關系， 19021903年德國的博韋里（Boveri）同美國的薩頓（Sutton）不謀而合地提出了“染色體遺傳理論”。1910年摩爾根（Morgan）以果蠅為材料，研究它的遺傳與變異，證明基因是決定遺傳性狀的基本單位，而且直線排列在染色體上，由此建立了基因學說，并為細胞遺傳學的發(fā)展奠定了基礎。二、細胞生理學最

16、早的細胞學知識大都是根據(jù)對固定和染色后的細胞和組織的觀察而得來的，到1899年后，人們研究的興趣轉移到活細胞上。1909年，哈瑞森（Harrison）開辟了研究活動細胞的一個重要途徑，他發(fā)現(xiàn)胚胎的神經(jīng)細胞能在體外生長和分化，由此產生了組織培養(yǎng)技術，純系細胞株的分離，特別是腫瘤細胞株的建立及組織培養(yǎng)就成為研究正常細胞和癌細胞的活細胞結構和行為的一種理想的技術。三、細胞化學細胞化學是細胞學和物理學及化學相結合的一門“邊緣”科學。1924年孚爾根（Feulgen）等介紹了他們首創(chuàng)的孚爾根核染色反應，1940年布勒歇（Brachet）用昂納染色液（甲基綠的派洛寧染色法）來測定細胞中的DNA與RNA。卡

17、斯柏森（Caspersson）用紫外光顯微分光光度法測定DNA在細胞中的含量。目前細胞化學這一分支學科仍然保持著強勁的發(fā)展趨勢，尤其是在近20年，由顯微分光光度計到流式分光光度檢測技術，由免疫熒光與免疫膠體到技術微光基焦點掃描顯微鏡技術等，使細胞成分，特別是核酸與蛋白質的定性、定位、定量以及動態(tài)變化的研究達到了空前的精確性與專一性。五、細胞生物學學科的形成與發(fā)展（20世紀50年代至今） 細胞生物學的形成的基礎是：細胞超微結構的研究；細胞生物化學的發(fā)展；70年代以來分子生物學的概念與技術引入細胞學。概括地說，細胞生物學是以細胞作為一切有機體進行生命活動的基本單位，在各個層次上（顯微、亞顯微、分子

18、水平）研究細胞生命活動規(guī)律的學科。 其主要發(fā)展方向是細胞分子生物學。第三節(jié) 細胞生物學的現(xiàn)狀和發(fā)展前景1.細胞核的結構與功能方面 最突出的成就是關于染色體夫人基本結構單位-核小體，其次DNA有大量重復序列，出現(xiàn)了分割基因、跳躍基因等新概念。2.生物膜 目前主要兩個研究方向：一個是由整體向細的方向發(fā)展；二是分子之間的相互關系。三是生物膜在工農醫(yī)等方面的應用前景。 從當前的研究動態(tài)來看，在膜的結構上比較集中在脂-蛋白的相互作用上膜的流動性與植物的抗冷性以及心肌細胞的正常功能、生物膜與能量轉換。3.細胞骨架 近年來在細胞和中發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)絡系統(tǒng)，細胞骨架除了制成細胞形態(tài)還與細胞的一切生命活動密切相關。 近年來在細胞和中發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)絡系統(tǒng)，細胞骨架除了制成細胞形態(tài)還與細胞的一切生命活動密切相關。4.細胞周期及調控 例如癌細胞的增殖及衰老問題。5.細胞分化 細胞分化的實質在于一部分的基因開放，一部分基因關閉。6.基因的表達和調控目前主要研究基因表達的問題，其次是轉