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。‖

Cell Biology：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（Robert Hooke），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(cell theory)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。 All organisms are composed of one or more cells. The cell is the structure unit of life.

Cell can arise only by division from a preexisting cell.

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（Van Molh）首次将动植物细胞的内含物称为―原生质‖（protoplasm）。

1861年舒尔策（Max Schultze）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）；Van Benneden(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Van Benneden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(Ernst Ruska)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0.2?m，在光学显微镜中能观察到，这种结构称显微结构(microscopic structure)。

内质网膜、核膜，微管、微丝等因小于0.2?m，在普通光学显微镜下看不到，称亚显微结构(submicroscopic structure)。有不少学者称此水平为―微细结构‖(fine structure)，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. Cell and Molecular Biology (Third Edition). Gerald Karp. 2002. 6. Molecular Cell Biology (Second Edition). Harvey Lodish et al.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%、DNA 0.4%、RNA 0.7%、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