细胞与细胞生物学

1、第一章 细胞与细胞生物学1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2要了解生命的奥秘， 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3第一节 细胞生物学的发展简史显微镜的发明细胞的发现与描述细胞分裂与染色体的研究细胞器的发现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（Mol

2、ecular Cell Biology）。4显微镜的发明5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。十七世纪Hooke和Leeuwenhoek的卓越贡献。二十世纪80年代，制造出激光扫描共聚焦显微镜。二十一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)电子显微镜成为重要工具 超高压透射电子显微镜（HVEM）6细胞的发现与描述7细胞分裂与染色体的研究1852 Robert Remak discovered that the origin of cells was by the division

3、 of pre-existing cells1863 Rudolf Virchow widely publicized above findings without crediting Remak1869 Johann Friedrich Miescher (nuclein)1873 Anton Schneider (meiosis)1879 Walther Flemming (chromaton, mitosis)1888 Wilhelm von Waldeyer-Hartz, (term chromosome)1902 Walter Stanborough Sutton. (chromos

4、omes carry the units of inheritance)1904 Theodor Boveri (correlation between Mendels factors and chromosomes )1904 William Bateson (genetics)1909 Wilhelm Johannasen (gene)8Robert RemakRudolf Virchow (1863), omnis cellula e cellula (every cell originates from another existing cell like it.) 91878年，德国

5、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 ) 101888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

6、, Wilhelm von (German). 1888. ber Karyokinese und ihre Beziehungen zu den Befruchtungsvorgngen. Archiv fr mikroskopische Anatomie und Entwicklungsmechanik 32: 1-1221836-1921111883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1

7、956年Christian de Duve发现溶酶体1958年Robertis发现核蛋白体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。12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13第二节 细胞学说的创立与发展细胞理论原生质理论现代细胞理论Atomic hypothesis by Democritus （460 - 370 B

8、.C.) 300 B.C., Democritus suggested that all matter was made of small, indivisible objects known as atomon. 141838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）。细胞理论SchwannS

9、chleden1516 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，但是这个学说还假设了细胞来自非细胞，即细胞通过自发结晶（sponta

10、neous crystallization）的非细胞方法形成（free cell formation）。17原生质理论From protoplasmic theory to cellular systems biology: a 150-year reflectionAm. J. Physiol. Cell Physiol. June 2010 vol. 298 no. 6 C1280-C1290 细胞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

11、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。18现代细胞理论所有的生物都由细胞组成；细胞是生物的基本结构与功能单位；所有细胞都由已存在细胞分裂形成； 所有细胞具有基本相同的化学组成；细胞含有遗传信息（DNA），在分裂时遗传信息传递给子细胞；细胞内存在生命活动需要的能量代谢过程；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；生物体的活性依赖于所有组成生物体的细胞活性的综合。19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11.5，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，

12、这些物质在细胞中以不同的形式和功能存在。20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。2122 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)23脱氧核

13、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。24DNA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2526 蛋白质（protein） 生命的物质基础，没有蛋白质就没有生命。27 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

14、特异性以及翻译的起始和终止。28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（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，是热量的来源和细胞膜、激素的原料。29单糖(monosaccharide)二糖(disaccharide)寡糖(oligosaccharide)多糖(polysaccharide)。糖类 (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

15、，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位30 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31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

16、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。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32 细胞的

17、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3334 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。 相同的遗传物质DNA35 都有细胞质及质膜36 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)37 具有共同的

18、能量代谢途径38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。 细胞的一般结构39细胞膜40细胞核41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

19、细胞特有的结构。42线粒体与叶绿体43核糖体中心体44细胞骨架45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。46 干细胞研究治疗性克隆的研究干细胞与组织再生的研究诱导性多能干细胞干细胞的表观遗传调控肿瘤干细胞研究47胚胎干细胞研究48克隆人：两个不同的目的1. 生殖性克隆 Reproductive cloni

20、ng以产生人婴儿为目的。2. 治疗性克隆 Therapeutic cloning产生人克隆胚胎，提供胚胎干细胞以生产用于治疗的组织和器官。克隆人的主要目的不是为了克隆人本身的利益，而是用来为研究，医疗或其它用途。 符合伦理吗？合法吗？49诱导多能干细胞 (iPS, induced pluripotent stem cell）确定了14种新的候选重组基因。通过系统的排除过程，最终也使用了4个基因 OCT3，SOX2，NANOG和LIN28。 50干细胞的表观遗传学研究The Journal of Experimental Medicine （11 ）：2287-2295， 20105152Current Opinion in Genetics & Development 2004, 14:461469Epigenetic control of neural stem cell fate肿瘤干细胞研究Oncogene 23, 72747282， 200453 人造细胞人造细胞（Artificial cells）是一项近年来出现的新技术，将对医学与保健产生重大的影响，然而仍有大量的工作需要做。54 2010年5月20日美国科学杂志报道了世界首例人造单细胞生命体蕈状支原体（Mycoplasma mycoides）新种株。J. Craig Venter制造出完全由外源性基因组控制的