細胞概述基本結(jié)構(gòu)和模式生物

第1章細胞生物學1.1細胞生物學導(dǎo)讀1.2細胞生物學開展階段特征1.3細胞生物學開展大紀事1.1細胞生物學導(dǎo)讀什么是細胞生物學?:書中第一頁說：“細胞生物學〞(CellBiology)是指，以細胞的結(jié)構(gòu)和功能為主線，在各個層次上研究細胞生命活動根本規(guī)律的科學。我想可能修改為“細胞生物學〞是指“以亞細胞的結(jié)構(gòu)和功能為主線，以各個層次上研究細胞器的生命活動規(guī)律和細胞整體水平調(diào)控規(guī)律為主要內(nèi)容的學科〞更確切些。美國第一位“細胞生物學家〞的威爾遜教授1925年提出：“一切生命的關(guān)鍵問題都要到細胞中去尋找答案〞。

威爾遜的名言

(EdmundBeecherWilson)EBWilsonwasborninGeneva,Illinoisin1856.HeattendedAntiochCollege,theUniversityofChicago,Yale,andJohnsHopkins(Ph.D.1881).MostofhisprofessionallifewasspentintheZoologyDepartmentofColumbiaUniversitytogetherwithhisclosefriend,ThomasHuntMorgan.TheyweredominantfiguresindevelopingtheChromosomeTheoryofHeredity.embryology,cytology,andheredity.HeisrememberedtodaylargelyforhissuperbsynthesisofthesethreefieldsinTheCellinDevelopmentandHeredity.Hediedin1939.1.2細胞生物學開展階段和大紀事細胞的發(fā)現(xiàn)1665年胡克(RobertHooke)細胞學說的建立1838-1858細胞生物學的經(jīng)典時期原生質(zhì)理論，細胞分裂現(xiàn)象，細胞器的發(fā)現(xiàn)，實驗細胞學階段細胞遺傳學，細胞生理，細胞化學細胞超微結(jié)構(gòu)學的開展分子細胞生物學分子、細胞、細胞超微結(jié)構(gòu)水平1.2.1TheDiscoveryofCell

細胞的發(fā)現(xiàn)“cellulae〞,aLatintermmeaninglittleroom.Itisfromthiswordwegetourpresent-dayterm,cell.1665年，胡克觀察櫟樹軟木塞切片(植物細胞壁)：發(fā)現(xiàn)類似蜂巢的網(wǎng)狀小室，借用拉丁文“cellulae〞稱之為“小室〞即“細胞〞。－人類第一次發(fā)現(xiàn)細胞1855年，德國醫(yī)生和病理學家魏爾肖〔RudolfVirchow〕補充了細胞學說的第三條原理：所有的細胞都是來自于已有細胞的分裂，即細胞來自于細胞。1839年，德國動物學家施旺〔TheodorSchwann〕發(fā)表了?關(guān)于動植物的結(jié)構(gòu)和生長的一致性的顯微研究?，提出∶①地球上的生物都是由細胞構(gòu)成的；②所有的生活細胞在結(jié)構(gòu)上都是類似的。意義：細胞學說(celltheory)對細胞學開展的推動細胞科學是實驗科學，而實驗科學的開展既依賴于實驗觀察，又有待于理論的升華。細胞是在1665年發(fā)現(xiàn)的，但在其后的170年時間里細胞學沒有大開展，究其原因主要是沒有將這一發(fā)現(xiàn)上升為理論。細胞學說創(chuàng)立之后，在這一理論的指導(dǎo)下，細胞學得到了突飛猛進的開展。19世紀的最后25年，1875-1900年，是細胞學的經(jīng)典時期。1.2.3細胞學的經(jīng)典時期(1875-1900)

原生質(zhì)(protoplasm)理論的提出在動物、植物中發(fā)現(xiàn)“肉樣質(zhì)〞的物質(zhì),并命名為“原生質(zhì)〞;

1861年Schultze提出: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)〞。原生質(zhì)(protoplasm)：

被質(zhì)膜包裹在細胞內(nèi)的所有生活物質(zhì)成為原生質(zhì)，包括細胞核和細胞質(zhì)。細胞質(zhì)(cytoplasm)：

細胞內(nèi)除細胞核以外的原生質(zhì)，包括透明的粘液狀胞質(zhì)溶膠(cytosol)和浮于其中的細胞器。原生質(zhì)體(protoplast)：

具有細胞壁的植物細胞和細菌等，離體條件下通過酶解使細胞壁去掉，脫去細胞壁的細胞稱為protoplast，細胞工程(體外實驗)學概念細胞受精和細胞分裂〔減數(shù)分裂、有絲分裂〕現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)細胞器的發(fā)現(xiàn)，如中心體、染色體、線粒體、高爾基體1.2.4實驗細胞學時期(1900-1953)

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。

細胞遺傳：染色體結(jié)構(gòu)、功能及與其他細胞器關(guān)系來研究遺傳變異機制。

細胞生理：細胞攝取營養(yǎng)、能量，代謝，細胞生長、發(fā)育、繁殖，細胞的運動性和適應(yīng)性等

細胞化學：研究細胞結(jié)構(gòu)的化學組成及化學分子的定位、分布及生理功能1.2.5分子水平的細胞生物學組裝細胞人教版p13C.Venter3.1細胞的根本形態(tài)結(jié)構(gòu)和組成3.2細胞的分類與進化第3章細胞的根本結(jié)構(gòu)P30細胞的形態(tài)3.1細胞的根本形態(tài)結(jié)構(gòu)和組成TheSizeofCellsandtheircomponents

細胞與細胞器的大小以微米、納米為單位測量micrometers:1

m=10-6meternanometers:1nm=10-9meter

Nuclei:5-10

mindiameterMitochondria:2

minlengthAsingle200

mcell,thehumanegg,withsperm,whicharealsosinglecells.Largesinglecells:fossilizeddinosaureggs.已形成化石的恐龍卵細胞Thetypesofbiologicalmoleculesatmakeupvariouscellularstructure組成生物結(jié)構(gòu)的各類生物分子細胞的根本結(jié)構(gòu)和功能學習表3－3、3－4你掌握了多少?在這個根底上學習新的知識。自己與自己比,提高了多少。質(zhì)膜(plasmamembrane)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmicreticulum,ER)糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(roughER)光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(smoothER)核糖體(ribosome)高爾基體(Golgi)溶酶體〔lysosome〕葉綠體(chloroplast)線粒體(mitochondrion)細胞核(nucleus)細胞壁(cellwall)細胞骨架(cytoskeleton)中心?！瞔entriol〕3.2細胞的分類與進化兩類根本的細胞：

原核細胞和真核細胞細菌屬于原核細胞，它們起源于35億年前；原生生物，真菌，植物及動物均屬于真核細胞。最早的真核細胞起源于15億年前。Treeoflifehasthreeprimarybranches.生命樹分成三個主要的分支1)SubkingdomArchaean古細菌亞門2)SubkingdomBacteria細菌亞門3〕Eukarya真核生物亞門Eubacteria(真細菌),Lactococcuslactis,whichareusedtoproducecheese.

amassofarchaebacteria(古細菌),(Methanosarcina產(chǎn)甲烷菌)，極端厭氧，利用CO2和H2合成甲烷產(chǎn)生能量。一些種群生長在牛胃中。Thedifferencebetweenprokaryoticandeukaryoticflagela原核及真核細胞鞭毛之間的區(qū)別asingleproteincalledflagellin鞭毛蛋白Humansperm人類精子鞭毛：“9＋2〞微管蛋白tubulin馬達蛋白dynein等ThebacteriumSalmonella

第15章模式生物簡介

p311Choosingtherightexperimentalorganismforthejob:Modelorganisms易培養(yǎng)，繁殖快，營養(yǎng)充足時20-30min即繁殖一代，大規(guī)模培養(yǎng)本錢低。DNA分子簡單，約3500個基因，基因組遺傳背景研究非常清楚。(人類細胞含DNA量是其600倍，編碼5-10萬種蛋白。)表達水平通常較真核細胞高，某些外源基因在其中的表達量可達總蛋白的5％-30%，常用作蛋白質(zhì)的表達系統(tǒng)。15.1大腸桿菌(Escherichiacoli)15.2啤酒酵母(Saccharomycescerevisiae)/芽殖酵母

最小的真核模式生物，核中DNA量僅為大腸桿菌的2.5倍。Thespecieshasasmallgenomeencodingabout6200proteins;1996年完整基因組公布。2種生活形態(tài)，單倍體、二倍體均能生長，對基因功能的研究有力。研究減數(shù)分裂、細胞分裂周期調(diào)控、細胞凋亡(進展迅速，帕金森等凋亡相關(guān)疾病的細胞模型)等

15.3擬南芥(Arobidopsisthaliana)

十字花科，每個細胞的DNA量只有酵母細胞的3－4倍，8-10周能產(chǎn)生大量后代，生長無明顯季節(jié)性，快速繁殖。

Unusualsmallgenome(120millionbasepairs)forafloweringplant,單倍體染色體數(shù)目5條，且線粒體和葉綠體基因組也完成全序列測定，被子植物中第一個完成全部基因組測定的植物。arapidgenerationtime,largeseedproduction,andgrowstoaheightofonlyafewinches.(高度30cm左右)

hasbeenusedforgeneticscreenstoidentifygenesinvolvedinnearlyeveryaspectofplantlife.(Anadultworm)細胞譜系細胞凋亡

———02年NobelPrize，RNAi ———06年NobelPrize，WhatdidC.eleganstellus?線蟲細胞分化譜系示意圖黑腹果蠅(Drosophilamelanogaster)fruitfly(Loverofdew,blackbelly)斑馬魚：理想的模式脊椎動物

15.6斑馬魚Zebrafish(Daniorerio)斑馬魚隸屬脊椎動物，消化系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)等器官與人類類似。斑馬魚的神經(jīng)中樞系統(tǒng)、內(nèi)臟器官及視覺系統(tǒng)等與人類在分子水平85％的相似性，尤其心血管系統(tǒng)，早期發(fā)育與人類極為相似，是進行心血管發(fā)育機制研究的理想模式脊椎動物*心血管系統(tǒng)發(fā)育缺陷的斑馬魚依然能夠通過氣體交換存活數(shù)天*其血管發(fā)生與形成過程與哺乳動物相比，有很高的保守性2.5dpf15.7小鼠(mice-Musmusculus)哺乳動物以小鼠作為模式生物，用于研究哺乳動物的遺傳、免疫、發(fā)育等。通過遺傳工程突變體(engineeringmousegenes)來檢驗?zāi)膫€基因是必需的以及其功能。Miceareevolutionarilytheclosesttohumansandhaveprovidedmodelsforstudyingnumeroushumangeneticandinfectiousdiseases.Severalthousanddifferentgeneticstainshavebeendeveloped,manyofwhicharestoredsimplyasfrozeembryo.裸鼠NudemouseFOXN1敲除小鼠

無胸腺發(fā)育，T細胞很少

無免疫排斥反應(yīng)

用于腫瘤在體研究胖小鼠ObesemouseTrkB–BDNFreceptorTrkBKImouseOb/ObmouseLeptin–fullnesshormone(Zhang,etal,1994,Nature)(Xu,etal,2003,NatNeurosci)胖小鼠Obesemouse(Liao,etal,2021,NatMed)聰明小鼠SmartmouseDoogiemouseNMDAreceptor表達上升小鼠長時程記憶〔LTP〕增強(Tsien,etal,1999,Nature)Brainbowmouse(Jean,etal,2007,Nature)

15.8大型哺乳動物—大猩猩RiseofthePlanetApes

15.8大型哺乳動物—大猩猩來自猩猩的你……細胞生物學在“組學〞時代Genome基因組Proteome蛋白組Transcriptome轉(zhuǎn)錄組Kinome激酶組Metabolomics代謝組Lipidomics脂組學Glycomics糖組學Thelowestlevelsofabiologicalsystem:genome,transcriptome,proteomeandmetabolome.Genomics:studyofawholegenome.Transcriptomics:studyoftheexpressionofgenesatanygiventime.Proteomics:studyofproteins.Metabolomics:studyofmetabolicinteractionswithinacell.對于人類基因組測序而言，大趨勢是personalizedgenomesequencingNewsequencingtechnologyforscreeningforundiagnosedgeneticdisorders-2021Sequencingallproteincodingregionsofgenome(exomecapture)tounderstandinheriteddisorders(recessivemendeliandisorder)NicVolkera6-year-oldboywhodevelopedinflammatorybowelWoundsintheintestine–leaky100visittohospitalstartingatage4CauseofdiseaseunknownGenome(exome)sequencingreveledmutationinaspecificgene,XIAP

BonemarrowtransfusionusedfortreatmentNewsequencingtechnologyforscreeningforundiagnosedgeneticdisordersStudyingallregionsofgenome(SNParray)tounderstandinheriteddisorders(recessivemendeliandisorder)PaulaandLouisehavebeensufferingfromjointpainandshowedcalciumbuildupintheirarteriesinx-rays(startedat18now56yrs)Genome(SNParrayfollowedbytargetedsequencing)sequencingreveledmutationinaspecificgene,NT5E,whichisinvolvedinbreakingdowncalcification鈣化inthearteriesPaulaAllenandLouiseBenge對于健康人的personalizedGenomicsMichaelSnyder,StanfordUniv.MichaelSnyderobservedtheonsetofhistype2diabeteswhilefollowingarangeofphysiologicalvariables.2021Snyder’s‘integrativepersonalomicsprofile’—dubbediPOP—wascreatedbymerginghisgenomicsequencewithRNA,protein,metabolicandauto-antibodyprofilestaken20timesovera14-monthperiod.TheresultsrevealedSnydertobegeneticallypredisposedtotype2diabetes,despitehishavingnofamilyhistoryorotherriskfactors.Duringthestudy,hisbloodglucoselevelsescalatedfollowingthesecondoftwoviralinfections,andhewassubsequentlydiagnosedwiththedisease.Snyderhassincemadedrasticdietaryandlifestylechangestomanagehisbloodsugarlevel