第1章 細(xì)胞的概論

醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)

Medical

CellBiology

教師：葉榮辦公室：403－3313Chapter1.細(xì)胞的概念細(xì)胞生物學(xué)的概念和研究?jī)?nèi)容

細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史

醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)研究細(xì)胞的基本特征

第一節(jié)細(xì)胞生物學(xué)的概念和研究?jī)?nèi)容

幾乎所有的生物都是由細(xì)胞(cell)構(gòu)成的。細(xì)胞是生命體的結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，有了細(xì)胞才有完整的生命活動(dòng)。細(xì)胞生物學(xué)(cellbiology)是研究細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、功能及其生活史的的科學(xué)，由最初的細(xì)胞學(xué)(cytology)發(fā)展而來。現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)將對(duì)細(xì)胞的研究在細(xì)胞整體(顯微)、亞細(xì)胞(超微)和分子水平三個(gè)層次上有機(jī)地結(jié)合起來。

細(xì)胞學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)是生命科學(xué)最活躍最有發(fā)展前景的分支學(xué)科。從細(xì)胞角度研究生命的發(fā)生與分化、發(fā)育與生長(zhǎng)、遺傳與變異、疾病與健康、衰老與死亡等基本生物學(xué)規(guī)律。細(xì)胞學(xué)細(xì)胞生物學(xué)研究對(duì)象細(xì)胞細(xì)胞研究水平光鏡水平電鏡水平研究結(jié)構(gòu)顯微結(jié)構(gòu)整體、亞微和分子結(jié)構(gòu)研究功能各部分的組成和代謝活動(dòng)各部分的聯(lián)系及整體動(dòng)態(tài)活動(dòng)細(xì)胞生物學(xué)研究?jī)?nèi)容

細(xì)胞核、染色體及基因表達(dá)的研究

生物膜與細(xì)胞器的研究

細(xì)胞骨架體系的研究

細(xì)胞增殖及其調(diào)控

細(xì)胞分化及其調(diào)控

細(xì)胞的衰老與凋亡

細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

細(xì)胞工程細(xì)胞生物學(xué)經(jīng)歷了四個(gè)主要發(fā)展階段：1665-1830s，細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，顯微生物學(xué)。1830s-1930s，細(xì)胞學(xué)說，Cytology誕生。1930s-1970s，電鏡技術(shù)應(yīng)用，Cytology發(fā)展為cellbiology。1970s~，分子細(xì)胞生物學(xué)時(shí)代。第二節(jié)細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史

一、細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)Discoverofcell1590年J.和Z.Janssen父子制作第一臺(tái)復(fù)式顯微鏡，放大倍數(shù)不超過10倍。1665年英國(guó)人RobertHooke出版《Microgrophia》。觀察了軟木，并首次用cell來描述“細(xì)胞”。1680年A.vanLeeuwenhoek當(dāng)選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。他觀察過植物、原生動(dòng)物、水、鮭魚的紅細(xì)胞、牙垢中的細(xì)菌、唾液、血液、精液等等。RobertHookeandhis“cells”RobertHooke’smicroscopeMadebyA.vanLeeuwenhoek(1632-1723).Magnificationrangesat50-275x.1830s消色差顯微鏡出現(xiàn)，人們才對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能有了新的認(rèn)識(shí)。1831年R.Brown在蘭科植物表皮細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞核。1836年GG.Valentin在動(dòng)物神經(jīng)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞核與核仁。這些工作對(duì)于細(xì)胞學(xué)說的誕生具有重要意義。

二、細(xì)胞學(xué)說的建立

Establishmentofcelltheory

通常認(rèn)為施萊登（MJ.Schleiden）和施旺（T.Schwann）正式提出了細(xì)胞學(xué)說，實(shí)際上是19世紀(jì)許多科學(xué)家共同努力的結(jié)果。MatthiasJacobSchleidenTheodarSchwann1838年，德國(guó)植物學(xué)家Schleden發(fā)表了《植物發(fā)生論》，指出細(xì)胞是構(gòu)成植物的基本單位。1839年德國(guó)動(dòng)物學(xué)家Schwann發(fā)表了《關(guān)于動(dòng)植物的結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)一致性的顯微研究》論文，指出動(dòng)植物都是細(xì)胞的集合物。Schleden和Schwann兩人共同提出：一切植物動(dòng)物都是由細(xì)胞組成的，細(xì)胞是一切動(dòng)植物的基本單位，這就是著名的細(xì)胞學(xué)說（CellTheory）。細(xì)胞理論(celltheory)

1855年,德國(guó)病理學(xué)家魏爾嘯（RudolphVirchow）應(yīng)用光學(xué)顯微鏡觀察到所有活細(xì)胞只來源于活細(xì)胞。即認(rèn)為個(gè)體的所有細(xì)胞都是由原有細(xì)胞分裂產(chǎn)生,現(xiàn)在除細(xì)胞分裂外還沒有證據(jù)說明細(xì)胞繁殖有其他途經(jīng)。

CellTheory是19世紀(jì)的重大發(fā)現(xiàn)之一，現(xiàn)代細(xì)胞學(xué)說包括三方面內(nèi)容：細(xì)胞是多細(xì)胞生物的最小結(jié)構(gòu)單位；多細(xì)胞生物的每一個(gè)細(xì)胞為一代謝活動(dòng)單位，執(zhí)行特定功能；新細(xì)胞來源于已存在細(xì)胞的分裂。1830s后發(fā)現(xiàn)活細(xì)胞并不是空的而是充滿粘稠的液體。JE.Purkinje（1839）和vonMohl（1846）則分別將動(dòng)植物細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)稱作原生質(zhì)“protoplasm”。MaxSchultze（1861）認(rèn)為動(dòng)植物細(xì)胞中的原生質(zhì)具有同樣的意義，提出了原生質(zhì)理論：細(xì)胞是由原生質(zhì)組成的。如今“原生質(zhì)”一詞已從生物學(xué)文獻(xiàn)中消失了，但在當(dāng)時(shí)具有十分重要的意義。

19世紀(jì)下半葉是對(duì)細(xì)胞研究的繁榮時(shí)期，許多重要的細(xì)胞器和細(xì)胞活動(dòng)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，被稱為細(xì)胞學(xué)的經(jīng)典時(shí)期。三、電鏡的發(fā)展和細(xì)胞生物學(xué)誕生

Developmentofelectronmicroscope&emergeofcellbiology1931年德國(guó)人E.Ruska首次發(fā)明透射電鏡，人類視野進(jìn)入超微領(lǐng)域。1939年Siemens公司生產(chǎn)商品電鏡。1940-50s用電鏡觀察了各類細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)。并結(jié)合超速離心、電泳、無細(xì)胞體系等分析技術(shù)研究這些結(jié)構(gòu)的功能。Cytology發(fā)展為CellBiology。也被稱為實(shí)驗(yàn)細(xì)胞學(xué)階段，細(xì)胞學(xué)分支得到發(fā)展。四、分子細(xì)胞生物學(xué)時(shí)代

Theeraofmolecularcellbiology1953年，Watson和Crick揭示DNA分子雙螺旋模型1958年Crick提出分子遺傳的“中心法則”。1961-1964年Nirenberg等破譯遺傳密碼。1972年DA.Jackson，RH.Symons和P.Berg實(shí)現(xiàn)DNA體外重組。一系列理論和技術(shù)的發(fā)展，使細(xì)胞生物學(xué)與分子生物學(xué)的結(jié)合越來越緊密，開始進(jìn)入分子細(xì)胞生物學(xué)時(shí)代。

1953年，JD.Watson和FHC.Crick提出DNA雙螺旋模型。與Wilkins分享1962年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1983年，KB.Mullis發(fā)明PCR儀，于1993年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。LelandH.Hartwell

TimHunt

SirPaulM.Nurse

2001年，美國(guó)人Leland

Hartwell、英國(guó)人PaulNurse、Timothy

Hunt因?qū)?xì)胞周期調(diào)控機(jī)理的研究而獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。2002年，英國(guó)人SydneyBrenner、美國(guó)人RobertHorvitz和英國(guó)人JohnE.Sulston，因在器官發(fā)育的遺傳調(diào)控和細(xì)胞程序性死亡方面的研究獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。SydneyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston

2003年，美國(guó)人PeterAgre和RoderickMacKinnon，因?qū)?xì)胞膜水通道、離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。PeterAgreRoderickMacKinnon

2004年，美國(guó)人RichardAxel和LindaB.Buck獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，他們發(fā)現(xiàn)氣味受體和嗅覺系統(tǒng)的組成。RichardAxelLindaB.Buck

2005年BarryJ.Marshall和J.RobinWarren獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，他們發(fā)現(xiàn)幽門螺桿菌及其在胃炎和胃潰瘍發(fā)病機(jī)理中的作用。BarryJ.MarshallJ.RobinWarren2006年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家安德魯·法爾和克雷格·梅洛，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了RNA干擾機(jī)制，RNAi已被廣泛用作研究基因功能，并有望成為治療疾病的新療法。AndrewZ.FireCraigC.Mello2007年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家馬里奧-卡佩奇和奧利弗-史密西斯、英國(guó)科學(xué)家馬丁-埃文斯，以表彰他們?cè)谏婕芭咛ジ杉?xì)胞和哺乳動(dòng)物DNA重組方面的一系列突破性發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)使“基因打靶”技術(shù)成為可能。MarioR.CapecchiSirMartinJ.EvansOliverSmithies2008年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予德國(guó)科學(xué)家哈拉爾德-楚爾-豪森和兩位法國(guó)科學(xué)家弗朗索瓦絲-巴爾-西諾西和呂克-蒙塔尼。德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)人類乳頭瘤病毒(HPV)引發(fā)子宮頸癌，兩名法國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)人類免疫缺陷病毒(HIV)。HaraldzurHausenFran?oiseBarré-SinoussiLucMontagnier2009年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予伊麗莎白-布萊克本、卡羅爾-格雷德和杰克-紹斯塔克。他們發(fā)現(xiàn)了端粒和端粒酶對(duì)于染色體的保護(hù)作用。端粒和端粒酶研究有助于攻克醫(yī)學(xué)領(lǐng)域3方面難題，即“癌癥、特定遺傳病和衰老”。ElizabethH.BlackburnCarolW.GreiderJackW.Szostak2010年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)生理學(xué)家羅伯特·愛德華茲，以表彰他在體外受精技術(shù)領(lǐng)域做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。1978年7月25日，世界上第一個(gè)試管嬰兒誕生，目前全球已出生400多萬試管嬰兒，他被譽(yù)為“試管嬰兒之父”。RalphMarvinSteinmanBruceABeutlerJulesA.Hoffmann2011年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)布魯斯·博伊特勒、法國(guó)朱爾斯·霍夫曼及加拿大拉爾夫·斯坦曼，其研究成果揭示免疫反應(yīng)的激活機(jī)制，使人們對(duì)免疫系統(tǒng)的理解發(fā)生“革命性變化”，進(jìn)而為免疫系統(tǒng)疾病研究提供了新的認(rèn)識(shí)，并為傳染病、癌癥等疾病的防治開辟了新的道路。2012年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給英國(guó)約翰·戈登（JohnB.Gurdon）和日本山中伸彌兩位發(fā)現(xiàn)“成熟、特化的細(xì)胞能夠被重編程為可發(fā)育成身體所有組織的非成熟細(xì)胞”的科學(xué)家。他們的發(fā)現(xiàn)革新了我們對(duì)細(xì)胞和有機(jī)生命體發(fā)育的理解。1962年克隆蛙2006年小鼠iPS2012年美國(guó)科學(xué)家羅伯特.勒夫科維茲(RobertJ.Lefkowitz)與布萊恩.卡比爾卡(BrianK.Kobilka)因在G蛋白偶聯(lián)受體方面的研究獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

2013年美國(guó)詹姆斯·羅斯曼（JamesE.Rothman）、蘭迪·謝克曼（RandyW.Schekman）和德國(guó)托馬斯·蘇德霍夫（ThomasC.Sudhof）因在細(xì)胞內(nèi)的囊泡運(yùn)輸調(diào)控系統(tǒng)方面的研究成果獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。2014年美國(guó)及挪威三位科學(xué)家約翰·歐基夫（JohnO‘Keefe）、邁-布里特·莫澤（May-BrittMoser）和愛德華·莫索爾（EdvardI.Moser）因發(fā)現(xiàn)構(gòu)成大腦定位系統(tǒng)的細(xì)胞獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。2015年來自中國(guó)屠呦呦（YouyouTu）因發(fā)現(xiàn)抵御瘧疾的療法，以及美國(guó)威廉·坎貝爾（WilliamC.Campbell）和日本大村智（

Satoshiōmura）

因發(fā)現(xiàn)抵御蛔蟲感染的療法而獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。第三節(jié)細(xì)胞生物學(xué)與醫(yī)學(xué)

細(xì)胞生物學(xué)與醫(yī)學(xué)的關(guān)系一、細(xì)胞生物學(xué)是醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)理論學(xué)科二、細(xì)胞生物學(xué)理論可闡明醫(yī)學(xué)上的基本問題三、細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)為什么說細(xì)胞生物學(xué)是醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)理論學(xué)科？人體解剖學(xué)---人體的結(jié)構(gòu)病理解剖學(xué)---疾病組織或器官的結(jié)構(gòu)人體生理學(xué)---人體各器官、系統(tǒng)的活動(dòng)組織胚胎學(xué)---人體的組織結(jié)構(gòu)及其胚胎發(fā)育過程

……細(xì)胞生物學(xué)---細(xì)胞的結(jié)構(gòu)及功能生物化學(xué)---細(xì)胞的物質(zhì)組成及其代謝活動(dòng)……為什么說細(xì)胞生物學(xué)理論可闡明

醫(yī)學(xué)上的基本問題？著名細(xì)胞學(xué)家E．B．Wilson在1925年提出：“每一個(gè)生命科學(xué)問題的關(guān)鍵必須在細(xì)胞中尋找”目前，醫(yī)學(xué)上的四大難題：癌癥（本質(zhì)是細(xì)胞無休止和無序的分裂）心血管疾?。ㄅc動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞變化有關(guān)）腦血管疾病（與動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞變化有關(guān)）遺傳?。?xì)胞中基因變化所致）細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：淋巴細(xì)胞雜交瘤技術(shù)－用于單克隆抗體的生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因技術(shù)－用于基因工程藥物生產(chǎn)重組DNA技術(shù)－用于基因治療干細(xì)胞技術(shù)－用于造血系統(tǒng)的重創(chuàng)生殖細(xì)胞生物學(xué)腫瘤細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化和干細(xì)胞細(xì)胞衰老和死亡細(xì)胞工程……細(xì)胞生物學(xué)對(duì)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展意義重大，隨著細(xì)胞和分子生物學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)正在進(jìn)入分子醫(yī)學(xué)時(shí)代。第四節(jié)細(xì)胞的基本知識(shí)

細(xì)胞的起源與進(jìn)化細(xì)胞的基本共性細(xì)胞的分子基礎(chǔ)一、細(xì)胞的起源與進(jìn)化

Originandevolutionofcells原核生物prokaryote非細(xì)胞生命lifeofnon-cell單細(xì)胞真核生物unicellulareukaryote多細(xì)胞真核生物multicellulareukaryote非細(xì)胞生命體病毒（virus）——核酸分子（DNA或RNA）與蛋白質(zhì)構(gòu)成的核酸-蛋白質(zhì)復(fù)合體

根據(jù)病毒的核酸類型可以將其分為兩大類：

DNA病毒與RNA病毒

根據(jù)感染對(duì)象的不同分為：動(dòng)物病毒、植物病毒、細(xì)菌病毒類病毒（viroid）——僅由感染性的RNA構(gòu)成朊病毒（prion）——僅由感染性的蛋白質(zhì)亞基構(gòu)成病毒在細(xì)胞內(nèi)增殖（復(fù)制）病毒雖然沒

有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，但它必須在細(xì)胞中才能表現(xiàn)出生命活動(dòng)。所以“細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本單位”與病毒的存在并不矛盾。原核細(xì)胞Prokaryoticcell基本特點(diǎn)

遺傳的信息量小，遺傳信息載體僅由一個(gè)環(huán)狀DNA構(gòu)成；細(xì)胞內(nèi)沒有分化為以膜為基礎(chǔ)的具有專門結(jié)構(gòu)與功能的細(xì)胞器和細(xì)胞核膜。主要代表

支原體（mycoplast）—已發(fā)現(xiàn)的最小最簡(jiǎn)單的細(xì)胞

細(xì)菌（bacteria）

藍(lán)藻/藍(lán)細(xì)菌（cyanobacteria）真核細(xì)胞Eukaryoticcell真核細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)功能體系以脂質(zhì)及蛋白質(zhì)成分為基礎(chǔ)的生物膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以核酸（DNA或RNA）和蛋白質(zhì)為主要成分的遺傳信息表達(dá)系統(tǒng)由特異蛋白分子裝配構(gòu)成的細(xì)胞骨架系統(tǒng)不同類型細(xì)胞及細(xì)胞組分的相對(duì)大小原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的比較動(dòng)物與植物細(xì)胞的比較細(xì)胞器動(dòng)物細(xì)胞植物細(xì)胞細(xì)胞壁無有葉綠體無有液泡無有溶酶體有無圓球體無有乙醛酸循環(huán)體無有通訊連接方式間隙連接胞間連絲中心體有無胞質(zhì)分裂方式收縮環(huán)細(xì)胞板既不同于原核細(xì)胞也不同于真核細(xì)胞，屬于生命的第三種形式。無核膜和內(nèi)膜系統(tǒng)；RNA聚合酶與真核細(xì)胞相似，以甲硫氨酸起始蛋白質(zhì)合成，DNA有內(nèi)含子并結(jié)合組蛋白。極端嗜熱、嗜鹽、嗜酸、嗜堿菌。古細(xì)菌archaea/archaebacteria1.細(xì)胞的形態(tài)多種多樣：球形、桿狀、星形、多角形、梭形、圓柱形等。細(xì)胞的形狀一方面取決于對(duì)功能的適應(yīng)，另一方面受細(xì)胞的表面張力、胞質(zhì)的粘滯性、細(xì)胞膜的堅(jiān)韌程度，以及微管和微絲骨架等因素的影響。二、細(xì)胞的形態(tài)與大小神經(jīng)細(xì)胞卵細(xì)胞血細(xì)胞上皮細(xì)胞肌細(xì)胞視桿細(xì)胞不同功能的細(xì)胞形態(tài)不同這是您肉眼可見的特殊細(xì)胞：雞蛋(未受精的卵細(xì)胞)大變形蟲2.細(xì)胞的大小及體積植物細(xì)胞比動(dòng)物細(xì)胞大。原生動(dòng)物由一個(gè)細(xì)胞組成，體積較大，如大變形蟲的直徑約300

m。動(dòng)物細(xì)胞直徑一般在10-100

m左右，如人口腔粘膜上皮細(xì)胞的直徑75

m。人紅細(xì)胞的直徑7.5

m。卵細(xì)胞是特殊的大細(xì)胞，如駝鳥卵黃的直徑約5cm，是現(xiàn)今最大的細(xì)胞。原核細(xì)胞較小，如細(xì)菌的直徑<1

m?，F(xiàn)今最小的細(xì)胞為支原體，其直徑約0.07—0.25

m.想一想１mm的位置可容納多少細(xì)胞？

1滴血中可能有多少細(xì)胞？1cm=10mm1mm=1000