细胞生物学：第1章 细胞与细胞生物学

1、第一章第一章 细胞与细胞生物学细胞与细胞生物学 1 l第一篇（3-8章）：5月6日提交 l第二篇（9-14章）：6月30日提交 电子版和纸质版 文献解读要点（供参考，可以发挥）： 文章提出的科学问题、背景介绍、思路和所采用的技术 路线（最好画图表示）、结果、结论、讨论、评价（文 章的研究意义、解决了该领域哪方面的空白（创新点） 、实验是否还有需要完善的地方、对结果的讨论以及自 己的看法等） 平时成绩：20分 期末考试：80分 出勤率：参考 细胞生物学文献解读 第一节细胞生物学的发展简史 第二节 细胞学说的创立 第三节 细胞的化学组成 第四节生物体由细胞组成 第五节 细胞生物学研究进展 3 要了

2、解生命的奥秘， 就必须知道细胞。 细胞生物学（Cell Biology） 研究细胞的生命活动规律以 及整合功能，阐明生命活动 的基本规律。 动态观点 系统的观点 结构与功能统一的观点 显微水平 超微水平 分子水平 4 The Basic Questions of Biology? Metabolic Biology Neural Biology Bioinformatics Cell Biology Bio-Technology Functional Genomics Heredity-development-evolution 生命科学的基本问题生命科学的基本问题 基本问题基本问题 : :

3、遗传遗传 发育发育 进化进化 主要内容主要内容 : :细胞的生命活动细胞的生命活动 切入点切入点 : : 功能基因组功能基因组 细胞生物学研究的重点领域细胞生物学研究的重点领域 三大基本问题三大基本问题： 1、基因组（人类大约有34万个基因）在细胞内是如何在时间与空间上有序 表达的？ 2、基因表达的产物（生物大分子）如何逐级装配成能行使生命活动的基本结 构体系及各种细胞器？这种自组装过程的调控程序与调控机理是什么？ 3、基因表达的产物特别是大量活性因子与信号分子，是如何调节细胞最重 要的生命活动过程（诸如细胞的增殖、分化、衰老与凋亡等等）？ 机体结构机体结构 细胞增殖细胞增殖细胞分化细胞分化细

4、胞凋亡细胞凋亡 细胞信号转导细胞信号转导 染色体染色体 衰老衰老 细胞重大生命活动及其相互关系示意图 The NIH of USA(1988): “What is popular in research today？” 3 kinds of diseases ： cancer cardiovascular diseases infectious diseases：AIDS，hepatitis 5 research fields ： cell cycle control ； cell apoptosis； cellular senescence； signal transduction； DNA

5、 damage and repair. Cell signaling can affect virtually every aspect of cell structure and function: Activation of enzyme activity; Change in cytoskeletal organization; Change in ion permeability; Initiation of DNA synthesis; Activation or repression of gene expression. 第一节第一节 细胞生物学的发展简史细胞生物学的发展简史 p

6、显微镜的发明显微镜的发明 p细胞的发现与描述细胞的发现与描述 p细胞分裂与染色体的研究细胞分裂与染色体的研究 p细胞器的发现细胞器的发现 p分子细胞生物学的发展分子细胞生物学的发展 一个多世记以来，细胞生物学不断地从其它的学 科中吸取精华，逐渐形成和发展。二十世记80年 代，由于分子生物学的巨大进步，催生了分子细 胞生物学（Molecular Cell Biology）。 11 p显微镜的发明显微镜的发明 12 l公元前一世纪，通过球形透明物体去观察微小物 体时，可以使其放大成像。 l十七世纪Hooke和Leeuwenhoek的卓越贡献。 l二十世纪80年代，制造出激光扫描共聚焦显微镜。 l二

7、十一世纪初超高分辨率荧光显微镜的出现 光敏定位显微镜（PALM） 随机光重建显微镜（STORM） 受激发射损耗显微镜(STED) l电子显微镜成为重要工具 超高压透射电子显微镜（HVEM） 13 p细胞的发现与描述细胞的发现与描述 14 p细胞分裂与染色体的研究细胞分裂与染色体的研究 n1852 Robert Remak discovered that the origin of cells was by the division of pre-existing cells n1863 Rudolf Virchow widely publicized above findings withou

8、t crediting Remak n1869 Johann Friedrich Miescher (nuclein) n1873 Anton Schneider (meiosis) n1879 Walther Flemming (chromatin, mitosis) n1888 Wilhelm von Waldeyer-Hartz, (term chromosome) n1902 Walter Stanborough Sutton. (chromosomes carry the units of inheritance) n1904 Theodor Boveri (correlation

9、between Mendels factors and chromosomes ) n1904 William Bateson (genetics) n1909 Wilhelm Johannasen (gene) 15 Robert RemakRudolf Virchow (1863), omnis cellula e cellula (every cell originates from another existing cell like it.) 16 1878年，德国细胞学家Walther Flemming首次发现动物细胞的 有丝分裂，并提出有丝分裂 （mitosis）的概念，同时还首

10、 先观察到细胞核里存在着嗜碱性 染料的细丝状物质，命名为 chromatin （染色质）。 (1878,1882) Omnis nucleus e nucleo (all cell nuclei came from another predecessor nucleus ) 17 1888年德国解剖学家 Heinrich Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Hartz才把细胞分裂时出现的着色物 体正式命名为chromosome（染色体）。 Waldeyer-Hartz, Wilhelm von (German). 1888. ber Karyokinese und i

11、hre Beziehungen zu den Befruchtungsvorgngen. Archiv fr mikroskopische Anatomie und Entwicklungsmechanik 32: 1-122 1836-1921 18 1883年Van Beneden和Boveri发现中心体 1894年Altmann发现线粒体 1898年Golgi发现高尔基器 1945年K. R. Porter和A. D. Claude等发现内质网 1954年Johannes和Rhodin发现过氧化物体 1956年Christian de Duve发现溶酶体 1958年Robertis发现核

12、蛋白体 p细胞器的发现细胞器的发现 显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，为发 现细胞器并研究它们的分子结构提供有效的工具。 19 p分子细胞生物学的发展分子细胞生物学的发展 细胞生物学作为分子生物学发展的基础，分子生 物学的发展给细胞生物学以新的内涵。 以细胞为对象，研究细胞器和生物大分子与生命 活动之间的变化发展过程，相互关系，以及它们 与环境之间的相互作用。 还包括了细胞在发育、遗传、信息传递 中的活动和细胞生物工程等 20 第二节 细胞学说的创立与发展 p细胞理论 p原生质理论 p现代细胞理论 Atomic hypothesis by Democritus （460 - 370 B.C.

13、) 300 B.C., Democritus suggested that all matter was made of small, indivisible objects known as atomon. 21 1838年，德国植物学家Schleden 发表了植物发生论，指出细胞 是构成植物的基本单位。1839年德 国动物学家Schwann发表了关于 动植物的结构和生长一致性的显微 研究论文，指出动植物都是细胞 的集合物。 Schleden和Schwann 两人共同提 出：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， 这就是著名的细胞学说（Cell Theory）。 p细胞

14、理论 Schwann Schleden 22 23 1855年, 德国病理学家魏尔啸（Rudolph Virchow） 应用光学显微镜观察到所有活细胞只来源于活细胞 。 即认为个体的所有细胞都是由原有细胞分裂产生, 现在除细胞分裂外还没有证据说明细胞繁殖有其他 途经。 细胞理论的发展细胞理论的发展 1一切动植物都是由一个或多个细胞所组成； 2细胞是生命的基本单位； 3新细胞是由已存在的细胞分裂而来； 4细胞是生物体的结构与生理功能的单位； 5细胞既可以作为独立的个体存在，也可以作 为构成生物体的基础单位。 早期的细胞理论提出了一切生物体都由一个或多个 细胞组成，认为细胞是生命的基本单位，但是这

15、个 学说还假设了细胞来自非细胞，即细胞通过自发结 晶（spontaneous crystallization）的非细胞方法形 成（free cell formation）。 24 p原生质理论 From protoplasmic theory to cellular systems biology: a 150-year reflection Am. J. Physiol. Cell Physiol. June 2010 vol. 298 no. 6 C1280-C1290 细胞系统生物学正在产生规模空前的数据，对细 胞结构功能的系统性认识在不断更新。但是这种“系 统”观的起源可追溯原生质体概

16、念的诞生。回顾原生 质理论在细胞生物学中的150 年历史可以发现正是 19世纪的原生质理论，而不是细胞理论，驱动细胞 结构功能的研究，因而原生质理论与 21 世纪的系 统细胞生物学理论具有不可忽视的相关性。 25 p现代细胞理论 1. 所有的生物都由细胞组成； 2. 细胞是生物的基本结构与功能单位； 3. 所有细胞都由已存在细胞分裂形成； 4. 所有细胞具有基本相同的化学组成； 5. 细胞含有遗传信息（DNA），在分裂时遗传信 息传递给子细胞； 6. 细胞内存在生命活动需要的能量代谢过程； 7. 单细胞生物由一个细胞组成，多细胞生物由许 多个细胞组成； 8. 生物体的活性依赖于所有组成生物体的

17、细胞活 性的综合。 26 第三节 细胞的化学组成 一般情况下，细胞中水大约占80，无机盐大约占1 1.5，蛋白质大约占714，脂类大约占12， 糖类和其他有机物大约占11.5，这些物质在细胞 中以不同的形式和功能存在。 27 细胞的遗传物质 原核细胞还是真核细胞都含有携带着遗传信息的DNA， 基因就是DNA分子的一个区段 基因是遗传信息的结构与功能单位 基因组是指一个物种的全部遗传信息的总和 1944年美国科学家艾弗里（O.T. Avery）的肺炎 双球菌的转化实验， 1952年美国微生物学家赫尔希（A.D. Hershey） 和蔡斯（M. Chase）进一步证明遗传物质是DNA 而不是蛋白质

18、。 28 29 1953年，沃森（James D. Watson）和克里克 （Francis Crick）提出了DNA分子结构的双螺旋模型，深 刻揭示出生命与遗传的奥秘。 脱氧核糖核酸（DNA) 30 脱氧核糖核酸 DNA 核糖核酸 RNA 原核细胞的基因 转录单位（transcript unit） 操纵子（operon） 在DNA、转录和翻译三个不同层次进行调控， 但转录水平的调控是最主要的方式。 31 DNA和染色体水平上的调控 转录水平上转录起始的控制和延伸 转录后RNA加工过程和运送中的调控 翻译水平上的调控 翻译后的修饰 真核细胞基因 32 33 蛋白质蛋白质（protein） 生命

19、的物质基础，没有蛋白质就没有生命。 34 遗传密码遗传密码(codon) 由3个相邻的核苷酸组成的信使核糖核酸(mRNA) 基本编码单位。有64种 密码子，其中有61种氨 基酸密码子(包括起始密 码子)及3个终止密码子， 由它们决定多肽链的氨 基酸种类和排列顺序的 特异性以及翻译的起始 和终止。 35 脂肪酸（fatty acid） 中性脂肪（neutral fats） 类固醇（steroids） 磷脂（phospholipid） 糖脂（glycolipids） 类胡萝卜素(carotenoid) 其它脂质分子 脂质（脂质（lipids） 生物体中一大类不溶于水而溶于有机溶剂的 有机化合物，是

20、热量的来源和细胞膜、激素的 原料。 36 单糖(monosaccharide) 二糖(disaccharide) 寡糖(oligosaccharide) 多糖(polysaccharide)。 糖糖类类 (saccharide) 是多羟基醛(酮)及水解后能生成多羟基醛(酮)的 一类化合物。不仅是细胞代谢的重要能源，也是 核酸和糖蛋白等重要的生物大分子的结构成分与 细胞的结构成分。 第四节 生物体由细胞组成 p 细胞是生命活动的基本单位 细胞是生物体的基本结构单位 细胞具有共同的物质基础 细胞是代谢的基本单位 细胞是生物体生长与发育的基础 细胞是遗传的基本单位 细胞是生物体对外界环境反应的基本单

21、位 37 p 细胞的多样性 物种多样性 单细胞与多细胞生物 原核细胞与真核细胞 38 原核细胞真核细胞 细胞大小 较小较大 细胞核无成形的细胞核，核物质集中在核区。 无核膜，无核仁。DNA不与组蛋白结合。 有成形的真正的细胞核。有核膜， 有核仁。DNA与组蛋白形成染色体。 细胞质除核糖体、蛋白酶体外，无其它的细 胞器，没有恒定的内膜系统。 除核糖体、蛋白酶体外还有各种细 胞器，具有复杂恒定的内膜系统。 分裂方式 二分裂为主的无丝分裂。遗传物质为二倍体，分别来自于两 个亲本，形成有性生殖，细胞可有 丝分裂和减数分裂。 核糖体70S型核糖体承担蛋白质的合成功能。80S型核糖体承担蛋白质的合成功 能

22、。 能量代谢 部位 细胞膜负责能量代谢，没有能量代谢 细胞器。 具有特异的进行有氧呼吸的细胞器 （线粒体）和光合作用的细胞器 （叶绿体） 细胞壁有，主要成分是肽聚糖。植物细胞和真菌有，主要成分是纤 维素、半纤维素、果胶等，动物细 胞无细胞壁。 DNA复制单复制子，一般只有一个复制起点， 速度快。 为多复制子，多个复制起点，速度 慢。 代表生物 放线菌、细菌、蓝藻、衣原体、支原 体 真菌、植物细胞、动物细胞 39 p 细胞的统一性 相同的遗传物质DNA 都具有质膜 都有细胞质 都具有新陈代谢 都具有共同的能量代谢途径 40 41 1953年，沃森（James D. Watson）和克里克 （Fr

23、ancis Crick）提出了DNA分子结构的双螺旋模型，深 刻揭示出生命与遗传的奥秘。 相同的遗传物质相同的遗传物质DNA 42 都有细胞质都有细胞质及质膜及质膜 43 都具有新陈代谢都具有新陈代谢 新陈代谢（metabolism），这是生命活动的基本 特征。新陈代谢包括物质代谢和与之相伴的能量代 谢。 合成代谢（anabolism） 分解代谢（catabolism） Nature Reviews Neuroscience 4, 901-909 (November 2003) 44 具有共同的能量代谢途径具有共同的能量代谢途径 45 细胞的物质代谢过程中都伴随着能量的释放、转移和利用， 称为

24、能量代谢（energy metabolism）。原核与真核细胞的 进化层次差别很大，但是所有细胞都具有共同的能量代谢途 径糖酵解（glycolysis）及三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，又称Krebs循环），并且都通过与生物氧化 （biological oxidation）相偶联的氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）生成三磷酸腺苷（ATP）保存化学能。 p 细胞的一般结构 46 细胞膜细胞膜 47 细胞核细胞核 48 细胞内膜系统细胞内膜系统 包括细胞核， 内体，内质网， 高尔基器，溶 酶体及转运膜 泡等。 内膜系统是真 核细胞特有的

25、结构。 49 线粒体与叶绿体线粒体与叶绿体 50 核糖体核糖体 中心体中心体 51 细胞骨架细胞骨架 52 第五节 细胞生物学研究进展 细胞是生命的基本单位，细胞的特殊性决定了个体 的特殊性，因此，对细胞的深入研究是揭开生命奥 秘、改造生命和征服疾病的关键。50年代以来诺贝 尔生理与医学奖大都授予了从事细胞生物学及其相 关领域研究的科学家。现如今，对细胞的研究仍然 强力地吸引着许多生物学家与医学家的兴趣，有许 多有关细胞生命活动的奥秘需要深入的探索。 53 2004年 NIH 制定今后十年发展的 Road Map 中，研究重点为： Discovery of new cellular Signa

26、ling pathway 细胞科学的世纪 1925年生物学大师Wilson就提出： “一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找” The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962 Francis H. C. Crick James D. Watson for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living materi

27、al 1953.4.25“Natrue”DNA双螺旋结 构论文发表 为人类认识分子的损伤与 修复,遗传物质的复制与沿 袭,以及物种的多样性和进 化奠定了基础. 现代科学的“蒙娜丽莎” 从科学、 艺术、电 影、建筑 到广告， 她的图象 铭刻在社 会中的所 有方面。 投入投入3030亿美元亿美元, 2003, 2003年完成精细图年完成精细图, ,约约3030亿个数据，亿个数据， 。 一项改变世界的科学计划：一项深深影响我们每个人生活的科学计划。它将一项改变世界的科学计划：一项深深影响我们每个人生活的科学计划。它将 改变我们的哲学、伦理、法律等观念；对社会、经济产生重大影响，这种影响现改变我们的哲

28、学、伦理、法律等观念；对社会、经济产生重大影响，这种影响现 已显示于世。已显示于世。 “基因相关论基因相关论”：所有的疾病都与人类的基因有关，都是人类基因组与病原基：所有的疾病都与人类的基因有关，都是人类基因组与病原基 因组中的有关基因的直接或间接相互作用的结果。因组中的有关基因的直接或间接相互作用的结果。 “全基因组全基因组”信息记录着一个信息记录着一个 人有关生、老、病、死的重要信息，它是一个人全部隐私中最重要的隐私。人有关生、老、病、死的重要信息，它是一个人全部隐私中最重要的隐私。 基因专利，基因资源商业化开采，已给发展中国家的科学发展，国计民生带基因专利，基因资源商业化开采，已给发展中国家的科学发展，国计民生带 来巨大压力和威胁。来巨大压力和威胁。 The Complete of Human Genome Project Analysis of this rich source information Many areas in Medicine and Biology Especially Cell Signaling Such As GPCR, RTK and so o