医学细胞生物学

1、细 胞 生 物 学 基础医学院生物教研室 刘颖慧细胞生物学 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 了细胞才有完整的生命活动。 细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学，它 是在不同层次（显微、亚显微与分子水平）上以研究 细胞结构与功能、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 进化等为主要内容。核心问题是将遗传与发育在细胞 水平上结合起来。CellBio 细胞生物学课程是生命科学的四大基础学科之一 从显微、超微和分子三个层次来认识细胞的结构与 功能 将分子生物学、生物化学、

2、遗传学、生理学等课程 知识与细胞生物学课程中讲到的内容关联起来 坚持知识的真知来源于实验室 时刻注意培养自主学习能力、利用各种学习资源的 能力、提高学习效率和利用时间的能力 提高英文水平，紧跟世界学科发展 学 习 方 法主 要 内 容 细胞结构与功能、细胞重要生命活动： 细胞核、染色体以及基因表达的研究 生物膜与细胞器的研究 细胞骨架体系的研究 细胞增殖及其调控 细胞分化及其调控 细胞的衰老与凋亡 细胞的结构和成分 细胞工程CellBio 一、基本概念1. 生物学及细胞生物学 生物学(Biology)：研究生命的科学，又叫生命科学, 是研究生命发生、发展本质规律的科学。细胞生物学(cell b

3、iology)：是研究细胞形态结构和功能和起源的科学。第一章 绪 论细胞水平 光学显微镜术亚细胞水平 电子显微镜术 分子水平 生物化学及分子生物学技术二、 研究内容 （三个水平）三、发展简史1、细胞学说的创立（ 1900）1665年 Robert Hook 发现软木塞中蜂窝状小室1667年 Leeuwen Hook 观察到真正的活细胞18831889 年 Schleiden和Schwann提出细胞学说： 一切生物，从单细胞生物到高等动植物都是由细胞组成的，细胞是生物形态结构功能活动的基本单位。细胞学说的科学意义：细胞学说的提出先于进化论约20年，它与进化论一起，不但奠定了生命科学的基础，同时也

4、孕育细胞学的产生。2、细胞生物学经典时期（18001900） 特点：应用固定、染色技术，在显微镜下观察细 胞的形态结构和分裂活动。3、实验细胞学阶段（19001950） 在第二阶段基础上，采用了大量实验手段进行研 究，并与其它学科相互融合形成了一些重要的分 支学科。4、细胞生物学和分子生物学形成阶段（1950至今） 主要在分子水平上探索细胞的各种生物活动。细胞学的经典时期1， 原生质理论的提出原生质(protoplasm)(普金耶1840，冯莫尔1846)，原生质理论（舒尔策1861），原生质体(protoplast)(Hanstein 1880)2，细胞分裂的研究 直接分裂；有丝分裂；减数分

5、裂 （18411886）3，重要细胞器的发现 中心体（1883）；线粒体，高尔基体（1894）1880 Flemming首次对细胞的有丝分裂进行了精确的描述。首次观察到了染色体和染色质。并提出了有丝分裂（mitosis）、染色质（chromatin）等一系列科学术语。后来又发现了灯刷染色体，遗憾的是Flemming对染色体和灯刷染色体都没有命名。虽然如此，可以说从Flemming开始人们对细胞才有了实质性的研究进展。细胞学从此在科学史上有了一席之地。实验细胞学O.Hertwig(1892)实验细胞学1，细胞遗传学的发展 遗传的染色体学说: (Borveri, Sutton)，动物受精（1876

6、），卵和精子染色体（1883），双受精（1888），遗传法则（孟德尔34年前，1900），性别与染色体有关（1905） 基因学说: (Morgan)2，细胞生理学的研究 组织培养技术（1909），细胞器分离（1943）3，细胞化学 福尔根染色（1924），紫外分光法(1930-1940)细胞生物学学科的形成与发展20世纪50年代以来，电镜下超微结构的认识；生物化学的渗透，导致对功能的进一步了解。 结构功能20世纪80年代以来，分子生物学的渗透，细胞分子生物学的方向发展。细胞内生命活动的规律和机制1953年DNA双螺旋结构的提出，1958年生物学中心法则的建立明确了细胞最本质问题是自我复制（ s

7、elf-replication ），这些科学的发现把当时从细胞形态结构研究而引申出的“细胞学”推向了一个更高的阶段，“细胞生物学”应运而生。几十年来、特别是近些年来，细胞生物学这门相对年轻的学科得到了极大的发展。例如1998 诺贝尔奖NO气体信号分子、99年诺贝尔奖蛋白质信号学说、20年诺贝尔奖多巴胺神经系统信号物质、01年诺贝尔奖细胞周期蛋白、02年诺贝尔奖细胞衰老和凋亡机制等连续多年的诺贝尔奖内容几乎都在细胞生物学范围内。四、目前该领域值得关注的一些研究进展（一）、新技术催生“基因改造人”美国新泽西州圣巴纳巴斯医学中心生殖医学科学研究所的科学家，利用一种叫做“卵质转移”的技术，从捐献的卵子

8、中抽出少量细胞质，注入不孕妇女的卵子内，然后进行受精。这样，原本因卵子有缺陷而无法生育的妇女经过这种移植后就怀了孕。采用的技术只不过是把健康妇女捐献的正常卵子中的某些DNA成分添加到不孕妇女的卵子中，并没有对培育出的婴儿基因进行修改，因此他们培育出的这些婴儿称不上是“转基因婴儿”。（二）、“抗癌婴儿”在美国出世美国芝加哥生育遗传研究所的科学家宣布，他们利用“胚胎植入前的基因诊断”（PDG）帮助来自纽约的一对夫妇怀孕，并生育一个没有“利弗劳梅尼综合症”的健康男婴。这名婴儿后来被称之为“抗癌婴儿”。利弗劳梅尼综合症是一种家族性遗传病，它对多种癌症，包括乳腺癌和白血病有遗传倾向。利弗劳梅尼综合症基因

9、携带者通常会把这种基因遗传给孩子，在孩子活到45岁时，将有50的可能患上与利弗劳梅尼综合症有关的癌症；而孩子活到60岁时，这种可能性就增加为90。这种“定制”婴儿技术，实际上就是试管婴儿技术和胚胎植入前的遗传诊断技术的联合应用。先通过试管婴儿技术使精子、卵子在体外结合后形成多个胚胎，待每个胚胎长到一定重量时，从胚胎中取出1至2个细胞，对其进行细胞学检查，判断胚胎中是否存在遗传疾病的基因，再把经过筛查确认为健康的胚胎放回母亲子宫内，孕育成健康的胎儿。（三）、克隆羊多利（Dolly）克隆羊制备原理已分化的细胞仍具有全能性实验表明：植入的表皮细胞核如同受精卵的核一样，具有全套基因，在发育上是全能的；

10、体细胞的分化并非是由于它们丢失了基因或所含的基因不同，而是分化的细胞各自选择性地“打开”并表达了不同的“奢侈” 基因（四）、人类基因组计划The Human Genome Project (HGP)Completed in April 2003 1986年由美国生物学家杜伯克首次提出 1990年10月美国投资30亿美元启动计划 预计15年完成 国际化研究项目 美国、日本、英国、加拿大、瑞典1999年7月我国注册承担人类基因组1%测序任务2000年3月我国科学家完成3号染色体测序2000年5月人类基因组草图完成（五） 中国水稻基因组锦绣般的中国云南红河哈尼梯田，成为2002年4月5日出版的美国科

11、学杂志的封面。这份世界权威学术期刊，以封面文章形式和显著篇幅，登出中国科学家绘出水稻基因组工作框架图的历史性论文。 这是由中国科学家独立完成的一项世界级研究成果，它标志着在基因组学这一生命科学前沿领域，中国已部分具备世界领先的实力。“毫无疑问，中国基因组学研究已达到世界水平”，科学杂志总编、美国国家科学院院士唐纳德肯尼迪对新华社记者说。 （六）转基因技术（Transgenic technique）五、2009-2001年在生物和医学学领域 获诺贝尔医学奖情况 瑞典卡罗林斯卡医学院2001年10月日宣布，将本年度诺贝尔生理学、医学奖授予美国科学家利兰哈特韦尔与英国科学家蒂莫西亨特和保罗纳斯，以表

12、彰他们发现了细胞周期的关键分子调节机制。三名科学家所作出的重大贡献在于发现了具有调节所有真核有机体中细胞周期的关键分子。其中，利兰哈特韦尔发现了大量控制细胞周期的基因，其中一种被称为“”的基因（R点）对控制各个细胞周期的最初阶段具有决定性的作用。保罗纳斯的贡献是，在哈特韦尔的基础上，通过分子生物学方法发现了调节细胞周期的一种关键物质（细胞周期蛋白依赖激酶），是通过对其他蛋白质的化学作用来驱动细胞周期的。蒂莫西亨特的贡献是首次发现了调节功能的物质（细胞周期蛋白）。哈特韦尔、纳斯和亨特三人的发现对研究细胞的发育有重大的影响，特别是对开辟治疗癌症新途径将具有极其深远的意义。2001 年 从左至右分别

13、为：罗伯特霍维茨，悉尼布雷内，约翰苏尔斯顿 瑞典卡罗林斯卡医学院宣布，把2002年诺贝尔生理学或医学奖授予分别来自英国的悉尼布雷内、来自美国的罗伯特霍维茨和来自英国的约翰苏尔斯顿，以表彰他们发现了在器官发育和“程序性细胞死亡”过程中的基因规则。 今年诺贝尔生理学或医学奖的3位获奖者利用线虫作为研究对象，先后发现了“程序性细胞死亡”是由基因控制的，并发现了与之相关的一些基因，证实了人体内也存在相应的基因。对这些基因的研究，有助于研究针对癌症、艾滋病和老年痴呆症等疾病的新疗法。2002 年年，美国科学家保罗劳特布尔和英国科学家彼得曼斯菲尔德。他们在核磁共振成像技术上获得关键性发现，这些发现最终导致

14、核磁共振成像仪的出现。 年，美国科学家理查德阿克塞尔和琳达巴克。他们在气味受体和嗅觉系统组织方式研究中作出贡献，揭示了人类嗅觉系统的奥秘。 将年诺贝尔生理学或医学奖授予澳大利亚科学家巴里马歇尔和罗宾沃伦，以表彰他们发现了导致胃炎和胃溃疡的细菌-幽门螺杆菌 2005年2006年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家安德鲁法尔和克雷格梅洛因发现RNA(核糖核酸)干扰机制而获得诺贝尔生理学或医学奖 安德鲁法尔 克雷格梅洛 2006年年诺贝尔生理学或医学奖授予来自美国的马里奥卡佩奇、奥利弗史密斯和来自英国的马丁埃文斯是因为“在涉及胚胎干细胞和哺乳动物DNA重组方面的一系列突破性发现”而获得这一殊荣的。 奥

15、利弗史密斯 马丁埃文斯 马里奥卡佩奇 2007年2008年: 德国科学家哈拉尔德楚尔豪森因发现人乳突淋瘤病毒引发子宫颈癌，两位法国科学家弗朗索瓦丝巴尔西诺西、吕克蒙塔尼因发现人类免疫缺陷病毒，共同获得2008年诺贝尔生理学或医学奖。 2009年诺贝尔生理学或医学奖授予美国加利福尼亚旧金山大学的伊丽莎白布莱克本(Elizabeth Blackburn)、美国巴尔的摩约翰霍普金斯医学院的卡罗尔-格雷德(Carol Greider)、美国哈佛医学院的杰克绍斯塔克(Jack Szostak)以及霍华德休斯医学研究所，以表彰他们发现了端粒和端粒酶保护染色体的机理。 新华网斯德哥尔摩10月4日电（报道员

16、孙锲）瑞典卡罗林斯卡医学院4日宣布，将2010年诺贝尔生理学或医学奖授予英国生理学家罗伯特爱德华兹，以表彰他在体外受精技术领域做出的开创性贡献。 七、参考书Alberts B et al. Essential Cell Biology. New York and London：Garland publishing，Inc. 1998Alberts B et al. Molecuar Biology of the Cell, 3rd ed. New York and London：Garland Publishing，Inc. 1994Becker W.M. et al. The World o

17、f the Cell. Fourth Ed. The Benjamin/Cummings Publishing Company. 2000Gerald Karp. Cell and Molecular Biology：concepts and experiments，2nd Edition. Published by John Wiley & Sons,Inc. 1999 Lodish H. et al. Molecular Cell Biology. 4th Ed. Scientific American Books,Inc.2000.第二章 基本知识概要第一节 基本概念一、生命活动的基本单

18、位1，有机体的组成和结构单位2，代谢和功能的单位3，生长和发育的基础4，具有遗传的全能性二、细胞概念的一些新思考多层次非线性的复杂结构体系；物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体；高度有序的，具有自装配与自组织能力的体系。三、细胞的基本共性1，具有生物膜结构2，具有DNA和RNA两种核酸3，具有蛋白质合成的机器4，以一分为二的方式进行增殖第二节 非细胞形态的生命体一、病毒的基本知识二、病毒在细胞内的增殖 1，病毒侵入细胞（呑饮或膜融合） 2，病毒核酸的复制、转录与蛋白质合成 3，病毒的装配、成熟与释放（膜融合或裂解）三、病毒与细胞在起源和进化中的关系核酸蛋白质复合体。病毒（virus），

19、类病毒（viroid），盶病毒（prion）动物病毒，植物病毒，细菌病毒DNA病毒（单、双链），RNA（单、双链）生物大分子病毒细胞疱疹病毒腺病毒人类天花病毒骨髓灰质炎病毒病毒衣壳的排列第三节 原核细胞与古核细胞一、支原体(mycoplast)（最小、最简单的细胞）二、细菌和蓝藻（原核细胞的代表）三、原核细胞与真核细胞比较膜，环状双螺旋DNA，多聚合糖体，700多种蛋白；细菌的1/10，在培养基上生长。细菌：环状DNA，细胞膜，中膜体，细胞壁，荚膜，鞭毛， 核外DNA，内生孢子蓝藻：环状DNA，中心质，光合片层，内含物，细胞分裂肺炎支原体衣原体立克次氏体大肠杆菌弧形霍乱菌淋病球菌四、古核细胞（

20、古细菌）古核生物（archaeon），古细菌(archaebacteria)，或原细菌产甲烷细菌、盐细菌、硫氧化菌等100余种。生于极端环境。古核生物介于原核生物与真核生物之间，更近于真核生物细胞壁组成和结构DNA与基因结构核小体结构核糖体（60种蛋白质）5SrRNA和16SrRNA序列第四节 真核细胞基本知识概要一、基本结构体系 1，生物膜系统 2，遗传信息表达结构体系 3，细胞骨架体系二、细胞大小三、细胞形态结构与功能的关系四、植物细胞与动物细胞比较病毒、支原体、细菌、动植物细胞、原生动物细胞中心体、细胞壁、液泡、色素体、胞间连系动物细胞植物细胞一、显微技术 显微镜是观察细胞的主要工具。根

21、据光源不同，可分为光学显微镜和电子显微镜两大类。 普通光学显微镜 荧光显微镜 细胞中有些物质，如叶绿素等，受紫外线照射后可发荧光；另有一些物质本身虽不能发荧光，但如果用荧光染料或荧光抗体染色后，经紫外线照射亦可发荧光 荧光显微镜照片（微管呈绿色、微丝红色、核蓝色） 激光共聚焦扫描显微镜 蓝色为细胞核绿色为微管 激光共聚焦扫描显微镜用激光作扫描光源，由于激光束的波长较短，光束很细，所以共焦激光扫描显微镜有较高的分辨力，大约是普通光学显微镜的3倍。 调焦深度不一样时，就可以获得样品不同深度层次的图像，这些图像信息都储于计算机内，通过计算机分析和模拟，就能显示细胞样品的立体结构。 微分干涉差显微镜

22、优点是能显示结构的三维立体投影影像，使细胞的结构，特别是一些较大的细胞器，如核、线粒体等，立体感特别强，适合于显微操作。目前像基因注入、核移植、转基因等的显微操作常在这种显微镜下进行。 倒置显微镜 用于观察培养的活细胞 透射电子显微镜 1932年Ruska发明了以电子束为光源，用电磁场作透镜的电子显微镜 。电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍 透射电子显微镜 扫描电子显微镜 RER的形态 显微操作/注射仪 免疫细胞化学根据免疫学原理，利用抗体同特定抗原专一结合，对抗原进行定位测定的技术。如果将抗体结合上标记物，再与组织中的抗原发生反应，即可在光镜或电镜下显示出该抗原存在于组织中的部位。常用的标

23、记物有荧光素和酶。荧光素标记的称为免疫荧光法酶标记的称为酶标免疫法显微光谱分析技术细胞中有一些成分具有特定的吸收光谱，核酸、蛋白质、细胞色素、维生素等都有自己特征性的吸收曲线。例如，核酸的吸收波长为260nm，而蛋白质的则为280nm。根据细胞成分所具有的这种特性，可利用显微分光光度计对某些成分进行定位、定性，甚至定量测定 放射自显影术用于研究标记化合物在机体、组织和细胞中的分布、定位、排出以及合成、更新、作用机理、作用部位等等。原理是将放射性同位素（如14C和3H）标记的化合物导入生物体内，将标本制成切片或涂片，涂上卤化银乳胶，组织中的放射性即可使乳胶感光。显示还原的黑色银颗粒，即可得知标本中标记物的准确位置和数量。 分子杂交技术具有互补核苷酸序列的两条单链核苷酸分子片段，在适当条件下，通过氢键结合，形成DNA-DNA，DNA-RNA或RNA-RNA杂交的双链分子。这种技术可用来测定单链分子核苷酸序列间是否具