第一章细胞生物学绪论

1、细胞生物学cell biologyn细胞生物学概念：细胞生物学概念： n细胞生物学cell/cellular biology：是研究细胞基本生命活动规律的科学，从不同层次（显微、亚显微和分子水平）上研究细胞的结构与功能，细胞增殖、分化、衰老与凋亡，细胞信号传递，真核细胞基因表达与调控，细胞起源与进化等（主要内容）。p2n细胞生物学：是应用了现代物理学与化学的技术成就和分子生物学的概念和方法，以细胞作为生命活动的基本单位的思想为出发点，来探索生命活动规律的学科。p2n细胞生物学：是以细胞作为一切有机体进行生命活动基本单位的概念为出发点，在各层次上（显微水平、亚显微水平和分子水平）研究细胞生命活动

2、的基本规律的学科。p12第一章绪论n一.细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科 n二.细胞生物学的主要研究内容n三.细胞学与细胞生物学发展简史n四.细胞生物学的主要学术组织、学术刊物与教科书n复习题n教学目的 ： 1.掌握本学科的研究对象及内容； 2.了解本学科的发展史及发展前景； 3.掌握与本学科有关的重大事件和名词。n教学重点 ： 本学科的研究对象、内容、前景和发展简史。n一细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科n1925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”。n 生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系，而细胞是生命体的结构与生命活动的基本单位，有

3、了细胞才有完整的生命活动。ncells = life，细胞是生命的缩影。n 美国细胞学家威尔逊（e.b.wilson，18561939）： 1905年，他和斯特蒂文特（a.h.sturtevant，18911971）以细胞学的事实，确定了染色体同性别的关系，并提出xx为雌性，xy为雄性。 molecular biologyorganismalbiologycell biology生物化学遗传学分子生物学植物学 植物生理学动物学 动物生理学菌物学n细胞生物学在整个生命科学学科体系中的定位n研究细胞结构和生命活动规律相互渗透、交融n我国基础科学发展规划：n细胞生物学为生命科学的四大基础学科之一。本

4、课程重点掌握内容（三个基本两重要）： 基本概念、基本结构、基本功能、重要的实验方法和重要细胞生命活动过程。 例，神经反射等。n二.细胞生物学的主要研究内容n（一）主要研究内容及授课安排（二）当前细胞生物学研究的重点领域与总趋势：二）当前细胞生物学研究的重点领域与总趋势：当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题：当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题：1.染色体染色体dna与蛋白质相互作用关系与蛋白质相互作用关系主要是非组蛋白主要是非组蛋白（nhp）对基因组的作用（可包括）对基因组的作用（可包括dna damage and repair）2.细胞增殖（细胞增殖（cell cycle control

5、）、分化、凋亡（）、分化、凋亡（cell apoptosis）、衰老（）、衰老（senescence）的相互关系及其）的相互关系及其调控调控3.细胞信号转导（细胞信号转导（signal transduction）的研究：的研究：4.细胞结构体系的组装细胞结构体系的组装（三大基本结构体系）：（三大基本结构体系）：n3.细胞信号转导的研究：n 细胞间信号传递：信号分子的结构与功能，与受体间的互作机制；n 受体与信号跨膜转导；n 细胞内信号传递途径。n4.细胞结构体系的装配（三大基本结构体系）：n 由蛋白与核酸构建的遗传信息结构体系（包括染色体、核仁、核糖体）；n 由蛋白与脂质构建的膜结构体系（包括

6、细胞膜、核膜与细胞器膜）；n 由蛋白与蛋白构成的细胞骨架结构体系（微丝、微管、中间纤维和核骨架等）。n细胞生物学研究的趋势特点：n细胞结构功能研究细胞生命活动研究n细胞中单一基因与蛋白基因组与蛋白组及其在生命活动中的协同作用n细胞信号转导途径信号调控网络n体外（in vitro）研究体内（in vivo）研究n静态研究活细胞动态研究n实验室研究为主计算生物学介入n细胞生物学与生物学其他学科的渗透与数理化及纳米科学等多学科的交叉。可归结为可归结为三大基本问题三大基本问题：1.基因组在细胞内是如何在时间与空间上有序表达的？2.基因表达的产物主要是结构蛋白与核酸、脂质、多糖及其复合物，如何逐级组装成

7、能行使生命活动的基本结构体系及各种细胞器？3.基因表达的产物主要是大量活性因子与信号分子，如何调节诸如细胞增殖、分化、衰老与凋亡等细胞最重要的生命活动过程的？n细胞生物学研究的总趋势：n细胞生物学与分子生物学(包括分子遗传学与生物化学)等学科的相互渗透与交融是总的发展趋势，成为细胞分子生物学或分子细胞生物。n研究方法的趋势是从静态的分析到活细胞的动态综合n其它热点：n 细胞外基质、n 细胞社会学、n 细胞免疫学。（一）主要研究内容及授课安排（54课时）：n绪论（2课时）n细胞的统一性与多样性（3课时）n细胞生物学研究方法（4课时）n细胞质膜（二.生物膜与细胞器的研究）（4课时）n物质的跨膜运输

8、（二.）（2课时）n细胞能量转换线粒体和叶绿体（二.）（5课时）；n真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输（二.）（6课时）n细胞信号转导（二.）（4课时）n细胞骨架（三.细胞骨架体系的研究）（4课时）n细胞核与染色体（一.细胞核、染色体以及基因表达的研究）（6课时）n核糖体（二.）（2课时）；n细胞增殖及其调控（四.细胞增殖及其调控）（3课时）n程序化细胞死亡与细胞衰老（六.细胞衰老与凋亡）（3课时）n细胞分化与基因表达调控（五.细胞分化及其调控）（3课时）n细胞社会的联系：细胞连接、细胞黏着和细胞外基质（二.）（3课时） n还包括： 七.细胞的起源与进化（多章）n 八.细胞工程n 应用于工

9、农业生产和医药实践。n 如，干细胞工程、单克隆抗体等。n 此外，细胞免疫学等。n三.细胞学与细胞生物学发展简史n第一阶段：细胞的发现，1665-1838n第二阶段：细胞学说建立，1838-1874n第三阶段：细胞学的经典时期，1875-1900n第四阶段：实验细胞学时期，1900-1953n第五阶段：细胞生物学的诞生。1950至今n1.显微镜的发明是细胞发现的前提：n 最早的光学显微镜是1590年荷兰眼镜商z.janssen和他的侄子h.janssen共同研制的。虽然倍数不高（只能观察小昆虫），也并非用它发现了细胞，但它却有着重要的科学意义。n 第一个发现细胞的是英国学者胡克robert ho

10、ok 。1665年，发表了micrographia一书, 描述了用自制的显微镜(30倍)观察栎树软木塞切片时发现“cella”。胡克发现的只是死细胞的细胞壁。n 1674年，荷兰布商列文虎克(anton vanleeuwenhoek)自制了高倍显微镜(300倍左右)观察到池塘水滴中的原生动物、人类和哺乳类动物的精子。这是人类第一次观察到完整的活细胞。cells form tissues in plants and animalsplant root tipurine-collecting ducts in the kidneycells come in a variety of shapes

11、and sizesnerve cellparameciumplant stembacteriumneutrophil engulfment of an erythrocytenerve cellparameciumplant stembacteriumn2.细胞学说(cell theory)的建立及意义n matthias jacob schleiden（18041881)，德国植物学教授， 1838 年发表“ 植物发生论” (beitrge hytogenesis)，认为无论怎样复杂的植物都由形形色色的细胞构成。n theodor schwann（18101882)，德国解剖学教授，一开始就

12、研究schleiden的细胞形成学，并于1838年提出了“细胞学说”（cell theory)这个术语；1939年发表了“关于动植物结构和生长一致性的显微研究”论文。n 细胞学说的基本内容n“细胞学说”的基本内容：n（1）细胞是有机体，一切动植物都由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成；n（2）每个细胞为一个相对独立的生命单位，既有它“自己的”生命,又对与其它细胞共同组成的整体的生命有所助益；n（3）新的细胞只能通过已存在的细胞繁殖产生（1858年，德国医生和病理学家魏尔肖rudolf virchow补充）。n 细胞学说，为十九世纪自然科学的三大发现之一，也是现代生物学的三大基石之一。n细胞

13、学说的意义：论证了生物界在结构上的统一性和生命的共同起源。n3.细胞学的经典时期n（1）原生质（protoplasm）理论的提出：n 1840年，普金耶（j.e.pukinje）和1846 年冯莫尔（von mohl）将动植物细胞“肉样质”内含物称为原生质（protoplasm）。n 1861年，max schultze提出了原生质理论：有机体的组织单位是一小团原生质，这种物质在一般有机体中是相似的。并把细胞明确地定义为: “细胞是具有细胞核和细胞膜的活物质”。n 1880年，hanstein提出原生质体（protoplast）概念：细胞是由细胞膜包围着的原生质，原生质分化为细胞核和细胞膜。较

14、cell（细胞，小室）更确切了。n原生质(protoplasm)：指活细胞的全部活物质，包括质膜、细胞质和细胞核（或类核）。n（2）细胞分裂的研究：n 1841年，remak（拉马克）在鸡胚血细胞发现了细胞的直接分裂（amitosis）；n 其后，flemming、strasburger分别在动（蝾螈幼虫组织细胞）、植物细胞中发现有丝分裂（mitosis）；n van beneden（1883）和strasburger（1886）分别在动、植物细胞中发现减数分裂（miosis）。n（3）重要细胞器的发现n 显微镜、切片制作方法的发展。n van beneden和boveri （1883）在动、

15、植物细胞中发现中心体；n 1888年waldeyer提出染色体概念;n altmann（1894）发现线粒体；n golgi （1898）发现高尔基体。n4. 实验细胞学与细胞学的分支及其发展n 实验细胞学：是指采用实验的手段研究细胞学的问题,即从形态结构的观察深入到生理功能、生物化学及遗传发育机理的研究。n 一些重要分支学科的建立和发展。n（1）细胞结构的认识n 1935年，德国西门子公司生产出第一台电镜。n亚显微结构： 细胞膜、内质网、高尔基器、溶酶体、过氧物酶体、核膜等n（2）学科发展n奠定细胞遗传学（cytogenetics）发展基础的事件：n 发现受精现象（1876，o. hertw

16、ig；1888，strasburger等）；n 发现动植物生殖细胞的染色体仅为体细胞一半（1883，van beneden；1888，strasburger；1893年overton等）；n 孟德尔遗传法则的重新发现（1900）；n 染色体学说（德国boveri和美国sutton分别）的提出，把孟德尔的染色体行为与遗传因子相联系；n 基因学说（1910，morgan摩尔根，实验证明基因是决定遗传性状的基本单位，且直线排列在染色体上）的建立。 n细胞生理学（cytophysiology）的研究：n 19世纪末叶，对活细胞的细胞质流动、肌肉收缩、变性运动、纤毛与鞭毛运动，细胞膜通透性、细胞的应激性

17、、神经传导开展了大量研究。 n harrison与carrel创立了组织培养（1909）。carrel研制成carrel培养瓶,采用严格的组织培养技术,成功地培养了鸡胚胎成纤维细胞持续了34年(1912-1946)。n claude用高速离心机分离细胞核和各种细胞器的技术（1943） 。n细胞化学cytochemistry的发展：n 福尔根（feulgen，1924）等首先用feulgen反应专门作为脱氧核糖核酸（dna）定性方法。n 此后，染色剂染色法、紫外光显微分光光度法、放射自显影、超微量分析等方法均得到广泛运用。n 此外，发展与演变的实验细胞学分支还包括：细胞生物化学、细胞病理学、微生

18、物细胞学与原生动物细胞学等。n n5.现代细胞生物学学科的形成和发展ncytology：1892年德国人o. hertwig出版了细胞与组织一书，使细胞学成为生物科学的一个独立分支。nmolecular biology：1953年watson和crick提出dna双螺旋结模型标志分子生物学的诞生；ncell biology：1965年，dpderobetis将其普通细胞学改为细胞生物学，标志着细胞生物学的诞生；nmolecular cell biology：20世纪80年代开始出现了分子细胞生物学。n 二十世纪五十年代后，电子显微镜与超薄切片技术的发展。n 近年来，透射电镜、扫描电镜、扫描隧道

19、显微镜、电子计算机等技术的发明和引入；显微分光和流式分光光度计、分子定位杂交、免疫荧光和免疫胶体金、激光共焦点扫描显微镜等技术发展。近年细胞分子生物学相关领域的nobel prize获奖情况physiology and medicine2003paul c. lauterbur, and sir peter mansfield for their discoveries concerning magnetic resonance imaging.2002sydney brenner, h. robert horvitz and john e. sulston for their discove

20、ries concerning genetic regulation of organ development and programmed cell death.2001leland h. hartwell, r. timothy hunt and paul m. nurse for their discoveries of key regulators of the cell cycle. 2000arvid carlsson, paul greengard and eric kandel for their discoveries concerning signal transducti

21、on in the nervous system. 1999gnter blobel, for the discovery that proteins have intrinsic signals that govern their transport and localization in the cell. 1998robert f. furchgott, louis j. ignarro and ferid murad for their discoveries concerning nitric oxide as a signalling molecule in the cardiov

22、ascular system. 1997stanley b. prusiner for his discovery of prions - a new biological principle of infection 1996peter c. doherty and rolf m. zinkernagel for their discoveries concerning the specificity of the cell mediated immune defence. 1995edward b. lewis, christiane n躍躍slein-volhard and eric f

23、. wieschaus for their discoveries concerning the genetic control of early embryonic development. 1994alfred g. gilman and martin rodbell for their discovery of g-proteins and the role of these proteins in signal transduction in cells. 1993richard j. roberts and phillip a. sharp for their independent

24、 discoveries of split genes. 1992edmond h. fischer and edwin g. krebs for their discoveries concerning reversible protein phosphorylation as a biological regulatory mechanism. 1991erwin neher and bert sakmann for their discoveries concerning the function of single ion channels in cells. 1990joseph e

25、. murray and e. donnall thomas for their discoveries concerning organ and cell transplantation in the treatment of human disease. 1989j. michael bishop and harold e. varmus for their discovery of the cellular origin of retroviral oncogenes.1988sir james w. black , gertrude b. elion and george h. hit

26、chings for their discoveries of important principles for drug treatment. 1987susumu tonegawa for his discovery of the genetic principle for generation of antibody diversity. 1986stanley cohen and rita levi-montalcini for their discoveries of growth factors. 1985michael s. brown and joseph l. goldste

27、in for their discoveries concerning the regulation of cholesterol metabolism. 1984niels k. jerne , georges j.f. kohler and cesar milstein for theories concerning the specificity in development and control of the immune system and the discovery of the principle for production of monoclonal antibodies

28、. chemistry2003peter agre, for the discovery of water channels and the other half of the prize to roderick mackinnon for structural and mechanistic studies of ion channels.2002john b. fenn, and koichi tanaka, for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses

29、 of biological macromolecules and the other half tokurt wthrich for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution. 1997paul d. boyer and john e. walker for their elucidation of the enzymatic mechani

30、sm underlying the synthesis of adenosine triphosphate (atp) and with one half tojens c. skou for the first discovery of an ion-transporting enzyme, na+, k+-atpase. 1993kary b. mullis for his invention of the polymerase chain reaction (pcr) method. and michael smith for his fundamental contributions

31、to the establishment of oligonucleiotide-based, site-directed mutagenesis and its development for protein studies. 1989sidney altman and thomas r. cech for their discovery of catalytic properties of rna.1988johann deisenhofer , robert huber and hartmut michel for the determination of the three-dimen

32、sional structure of a photosynthetic reaction centre. n 当今生命科学的基本问题依然是生物体的遗传、发育与进化，这些都是细胞生物学研究的基本问题。n 因此，21世纪，细胞生物学必然成为回答生命科学的最重要、最基本问题的一门重要学科。n细胞生物学与细胞学：n细胞学（cytology）:是研究细胞的结构（显微和亚显微形态结构）、功能及其生活史的科学。n 静态观点： 侧重整体细胞水平和亚细胞水平n细胞生物学（cell biology）:是以研究细胞的生命活动规律和调控机制为主要内容；n 动态观点：侧重整体细胞水平、亚细胞水平和分子水平的结合。n四.学科相关的主要学术组织、教材与学术刊物n学术组织：n细胞生物学国际联盟（1976年始，4年一次代表大会）；中国细胞生物学学会（1980年成立）。n教材：ngerald karp.: cell and molecular biology: concepts and experiments,2005;nalberts b