医学细胞生物学

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、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(cellbiology)：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RobertHook发现软木塞中蜂窝状小室1667年LeeuwenHook观察到真正的活细胞1883～1889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，同时也孕育细胞学的产生。2、细胞生物学学经典时期期（1800～1900）特点：应用用固定、染染色技术，，在显微镜镜下观察细细胞的形态结结构和分裂裂活动。3、实验细胞学学阶段（1900～1950）在第二阶段段基础上，，采用了大大量实验手手段进行研研究，并与其其它学科相相互融合形形成了一些些重要的分分支学科。4、细胞生物学学和分子生生物学形成成阶段（1950～至今））主要在分子子水平上探探索细胞的的各种生物物活动。细胞学的经经典时期1，原生生质理论的的提出原生质(protoplasm)(普普金耶1840，冯冯－莫尔1846)，原生质质理论（舒舒尔策1861），，原生质体体(protoplast)(Hanstein1880)2，细胞分分裂的研究究直接分裂；；有丝分裂裂；减数分分裂（1841－－1886）3，重要细细胞器的发发现中心体（1883））；线粒体体，高尔基基体（1894）1880Flemming首次对细细胞的有丝丝分裂进行行了精确的的描述。首首次观察到到了染色体体和染色质质。并提出出了有丝分分裂（mitosis）、染染色质（chromatin）等一系系列科学术术语。后来来又发现了了灯刷染色色体，遗憾憾的是Flemming对染染色体和灯灯刷染色体体都没有命命名。虽然然如此，可可以说从Flemming开开始人们对对细胞才有有了实质性性的研究进进展。细胞胞学从此在在科学史上上有了一席席之地。实验细胞学学O.Hertwig(1892)实验验细胞学1，细胞遗遗传学的发发展遗传的染色色体学说:(Borveri,Sutton)，动动物受精（（1876），卵和和精子染色色体（1883），，双受精（（1888），遗传传法则（孟孟德尔34年前，1900）），性别与与染色体有有关（1905）基因学说:(Morgan)2，细胞生生理学的研研究组织培养技技术（1909），，细胞器分分离（1943）3，细胞化化学福尔根染色色（1924），紫紫外分光法法(1930-1940)细胞生物学学学科的形形成与发展展20世纪50年代以以来，电镜镜下超微结结构的认识识；生物化化学的渗透透，导致对对功能的进进一步了解解。结构构－功能20世纪80年代以以来，分子子生物学的的渗透，细细胞分子生生物学的方方向发展。。细胞内生生命活动的的规律和机机制1953年年DNA双双螺旋结构构的提出，，1958年生物学学中心法则则的建立明明确了细胞胞最本质问问题是自我我复制（self-replication），，这些科学学的发现把把当时从细细胞形态结结构研究而而引申出的的“细胞学学”推向了了一个更高高的阶段，，“细胞生生物学”应应运而生。。几十年来来、特别是是近些年来来，细胞生生物学这门门相对年轻轻的学科得得到了极大大的发展。。例如1998诺贝贝尔奖NO气体信号号分子、99年诺贝贝尔奖蛋白白质信号学学说、20年诺贝尔尔奖多巴胺胺神经系统统信号物质质、01年年诺贝尔奖奖细胞周期期蛋白、02年诺贝贝尔奖细胞胞衰老和凋凋亡机制等等连续多年年的诺贝尔尔奖内容几几乎都在细细胞生物学学范围内。。四、目前该该领域值得得关注的一一些研究进进展（一）、新新技术催生生“基因改改造人”美国新泽西西州圣巴纳纳巴斯医学学中心生殖殖医学科学学研究所的的科学家，，利用一种种叫做“卵卵质转移””的技术，，从捐献的的卵子中抽抽出少量细细胞质，注注入不孕妇妇女的卵子子内，然后后进行受精精。这样，，原本因卵卵子有缺陷陷而无法生生育的妇女女经过这种种移植后就就怀了孕。。采用的技技术只不过过是把健康康妇女捐献献的正常卵卵子中的某某些DNA成分添加加到不孕妇妇女的卵子子中，并没没有对培育育出的婴儿儿基因进行行修改，因因此他们培培育出的这这些婴儿称称不上是““转基因婴婴儿”。（二）、““抗癌婴儿儿”在美国国出世美国芝加哥哥生育遗传传研究所的的科学家宣宣布，他们们利用“胚胚胎植入前前的基因诊诊断”（PDG）帮帮助来自纽纽约的一对对夫妇怀孕孕，并生育育一个没有有“利弗劳劳梅尼综合合症”的健健康男婴。。这名婴儿儿后来被称称之为“抗抗癌婴儿””。利弗劳梅尼尼综合症是是一种家族族性遗传病病，它对多多种癌症，，包括乳腺腺癌和白血血病有遗传传倾向。利利弗劳梅尼尼综合症基基因携带者者通常会把把这种基因因遗传给孩孩子，在孩孩子活到45岁时，，将有50％的可能能患上与利利弗劳梅尼尼综合症有有关的癌症症；而孩子子活到60岁时，这这种可能性性就增加为为90％。。这种“定制制”婴儿技技术，实际际上就是试试管婴儿技技术和胚胎胎植入前的的遗传诊断断技术的联联合应用。。先通过试试管婴儿技技术使精子子、卵子在在体外结合合后形成多多个胚胎，，待每个胚胚胎长到一一定重量时时，从胚胎胎中取出1至2个细细胞，对其其进行细胞胞学检查，，判断胚胎胎中是否存存在遗传疾疾病的基因因，再把经经过筛查确确认为健康康的胚胎放放回母亲子子宫内，孕孕育成健康康的胎儿。。（三）、克克隆羊－多多利（Dolly））克隆羊制备原原理已分化的细胞胞仍具有全能性实验表明：植植入的表皮细细胞核如同受受精卵的核一一样，具有全全套基因，在在发育上是全全能的；体细细胞的分化并并非是由于它它们丢失了基基因或所含的的基因不同，，而是分化的的细胞各自选选择性地“打打开”并表达达了不同的““奢侈”基基因（四）、人类类基因组计划划TheHumanGenomeProject(HGP)CompletedinApril20031986年由由美国生物学学家杜伯克首首次提出1990年10月美国投投资30亿美美元启动计划划预计15年完完成国际化研究项项目美国、日本、、英国、加拿拿大、瑞典1999年7月我国注册册承担人类基基因组1%测测序任务2000年3月我国科学学家完成3号号染色体测序序2000年5月人类基因因组草图完成成（五）中国国水稻基因组组锦绣般的中国国云南红河哈哈尼梯田，成成为2002年4月5日日出版的美国国《科学》杂杂志的封面。。这份世界权权威学术期刊刊，以封面文文章形式和显显著篇幅，登登出中国科学学家绘出水稻稻基因组工作作框架图的历历史性论文。。这这是由由中国科学家家独立完成的的一项世界级级研究成果，，它标志着在在基因组学这这一生命科学学前沿领域，，中国已部分分具备世界领领先的实力。。“毫无疑问问，中国基因因组学研究已已达到世界水水平”，《科科学》杂志总总编、美国国国家科学院院院士唐纳德··肯尼迪对新新华社记者说说。（六）转基因因技术

（Transgenictechnique））五、2009-2001年在生物和和医学学领域域获诺贝尔医学学奖情况瑞典卡罗林斯斯卡医学院2001年10月８日宣宣布，将本年年度诺贝尔生生理学、医学学奖授予美国国科学家利兰兰·哈特韦尔尔与英国科学学家蒂莫西··亨特和保罗罗·纳斯，以以表彰他们发发现了细胞周周期的关键分分子调节机制制。三名科学家所所作出的重大大贡献在于发发现了具有调调节所有真核核有机体中细细胞周期的关关键分子。其其中，利兰··哈特韦尔发发现了大量控控制细胞周期期的基因，其其中一种被称称为“ＳＴＡＡＲＴ”的基基因（R点））对控制各个个细胞周期的的最初阶段具具有决定性的的作用。保罗罗·纳斯的贡贡献是，在哈哈特韦尔的基基础上，通过过分子生物学学方法发现了了调节细胞周周期的一种关关键物质ＣＤＤＫ（细胞周周期蛋白依赖赖激酶），ＣＣＤＫ是通过过对其他蛋白白质的化学作作用来驱动细细胞周期的。。蒂莫西·亨亨特的贡献是是首次发现了了调节ＣＤＫＫ功能的物质质ＣＹＣＬＩＩＮ（细胞周周期蛋白）。。哈特韦尔、、纳斯和亨特特三人的发现现对研究细胞胞的发育有重重大的影响，，特别是对开开辟治疗癌症症新途径将具具有极其深远远的意义。2001年年从左至右分别别为：罗伯特特·霍维茨，，悉尼·布雷雷内，约翰··苏尔斯顿瑞典卡罗林斯斯卡医学院宣宣布，把2002年诺贝贝尔生理学或或医学奖授予予分别来自英英国的悉尼··布雷内、来来自美国的罗罗伯特·霍维维茨和来自英英国的约翰··苏尔斯顿，，以表彰他们们发现了在器器官发育和““程序性细胞胞死亡”过程程中的基因规规则。今年诺贝尔生生理学或医学学奖的3位获获奖者利用线线虫作为研究究对象，先后后发现了“程程序性细胞死死亡”是由基基因控制的，，并发现了与与之相关的一一些基因，证证实了人体内内也存在相应应的基因。对对这些基因的的研究，有助助于研究针对对癌症、艾滋滋病和老年痴痴呆症等疾病病的新疗法。。2002年年２００３年，，美国科学家家保罗·劳特特布尔和英国国科学家彼得得·曼斯菲尔尔德。他们在在核磁共振成成像技术上获获得关键性发发现，这些发发现最终导致致核磁共振成成像仪的出现现。２００００４４年年，，美美国国科科学学家家理理查查德德··阿阿克克塞塞尔尔和和琳琳达达··巴巴克克。。他他们们在在气气味味受受体体和和嗅嗅觉觉系系统统组组织织方方式式研研究究中中作作出出贡贡献献，，揭揭示示了了人人类类嗅嗅觉觉系系统统的的奥奥秘秘。。将２０００５年诺诺贝尔生生理学或或医学奖奖授予澳澳大利亚亚科学家家巴里··马歇尔尔和罗宾宾·沃伦伦，以表表彰他们们发现了了导致胃胃炎和胃胃溃疡的的细菌-幽门螺螺杆菌2005年2006年诺贝贝尔生理理学或医医学奖授授予美国国科学家家安德鲁鲁·法尔尔和克雷雷格·梅梅洛因发发现RNA(核核糖核酸酸)干扰扰机制而而获得诺诺贝尔生生理学或或医学奖奖安德鲁··法尔克雷格··梅洛2006年２００７７年诺贝贝尔生理理学或医医学奖授授予来自自美国的的马里奥奥·卡佩佩奇、奥奥利弗··史密斯斯和来自自英国的的马丁··埃文斯斯是因为为“在涉涉及胚胎胎干细胞胞和哺乳乳动物DNA重重组方面面的一系系列突破破性发现现”而获获得这一一殊荣的的。奥利弗··史密斯斯马丁·埃埃文斯马里奥··卡佩奇奇2007年2008年:德国科学学家哈拉拉尔德··楚尔··豪森因因发现人人乳突淋淋瘤病毒毒引发子子宫颈癌癌，两位位法国科科学家弗弗朗索瓦瓦丝·巴巴尔－西西诺西、、吕克··蒙塔尼尼因发现现人类免免疫缺陷陷病毒，，共同获获得2008年年诺贝尔尔生理学学或医学学奖。2009年诺贝贝尔生理理学或医医学奖授授予美国国加利福福尼亚旧旧金山大大学的伊伊丽莎白白·布莱莱克本(ElizabethBlackburn)、、美国巴巴尔的摩摩约翰··霍普金金斯医学学院的卡卡罗尔-格雷德德(CarolGreider)、美国国哈佛医医学院的的杰克··绍斯塔塔克(JackSzostak)以及霍霍华德休休斯医学学研究所所，以表表彰他们们发现了了端粒和和端粒酶酶保护染染色体的的机理。。新华网斯斯德哥尔尔摩10月4日日电（报报道员孙孙锲））瑞典卡卡罗林斯斯卡医学学院4日日宣布，，将2010年年诺贝尔尔生理学学或医学学奖授予予英国生生理学家家罗伯特特·爱德德华兹，，以表彰彰他在体体外受精精技术领领域做出出的开创创性贡献献。七、参考考书AlbertsBetal.EssentialCellBiology.NewYorkandLondon：Garlandpublishing，Inc.1998AlbertsBetal.MolecuarBiologyoftheCell,3rded.NewYorkandLondon：：GarlandPublishing，Inc.1994BeckerW.M.etal.TheWorldoftheCell.FourthEd.TheBenjamin/CummingsPublishingCompany.2000GeraldKarp.CellandMolecularBiology：conceptsandexperiments，2ndEdition.PublishedbyJohnWiley&Sons,Inc.1999LodishH.etal.MolecularCellBiology.4thEd.ScientificAmericanBooks,Inc.2000.第二章章基基本知知识概概要第一节节基基本概概念一、生生命活活动的的基本本单位位1，有有机体体的组组成和和结构构单位位2，代代谢和和功能能的单单位3，生生长和和发育育的基基础4，具具有遗遗传的的全能能性二、细细胞概概念的的一些些新思思考多层次次非线线性的的复杂杂结构构体系系；物物质（（结构构）、、能量量与信信息过过程精精巧结结合的的综合合体；；高度度有序序的，，具有有自装装配与与自组组织能能力的的体系系。三、细细胞的的基本本共性性1，具具有生生物膜膜结构构2，具具有DNA和RNA两种种核酸酸3，具具有蛋蛋白质质合成成的机机器4，以以一分分为二二的方方式进进行增增殖第二节节非非细细胞形形态的的生命命体一、病病毒的的基本本知识识二、病病毒在在细胞胞内的的增殖殖1，病病毒侵侵入细细胞（（呑饮或或膜融融合）2，病病毒核核酸的的复制制、转转录与与蛋白白质合合成3，病病毒的的装配配、成成熟与与释放放（膜融合合或裂裂解）三、病病毒与与细胞胞在起起源和和进化化中的的关系系核酸－－蛋白白质复复合体体。病病毒（（virus）），类类病毒毒（viroid）），盶盶病毒毒（prion）动物物病病毒毒，，植植物物病病毒毒，，细细菌菌病病毒毒DNA病病毒毒（（单单、、双双链链）），，RNA（（单单、、双双链链））生物物大大分分子子－－病病毒毒－－细细胞胞疱疹疹病病毒毒腺病病毒毒人类类天天花花病病毒毒骨髓髓灰灰质质炎炎病病毒毒病毒毒衣衣壳壳的的排排列列第三三节节原原核核细细胞胞与与古古核核细细胞胞一、、支支原原体体(mycoplast)（最最小小、、最最简简单单的的细细胞胞））二、、细细菌菌和和蓝蓝藻藻（（原原核核细细胞胞的的代代表表））三、、原原核核细细胞胞与与真真核核细细胞胞比比较较膜，，环环状状双双螺螺旋旋DNA，，多多聚聚合合糖糖体体，，700多多种种蛋蛋白白；；细菌菌的的1/10，，在在培培养养基基上上生生长长。。细菌菌：：环状状DNA，，细细胞胞膜膜，，中中膜膜体体，，细细胞胞壁壁，，荚荚膜膜，，鞭鞭毛毛，，核核外外DNA，，内内生生孢孢子子蓝藻藻：：环状状DNA，，中中心心质质，，光光合合片片层层，，内内含含物物，，细细胞胞分分裂裂肺炎炎支支原原体体衣原原体体立克克次次氏氏体体大肠肠杆杆菌菌弧形形霍霍乱乱菌菌淋病病球球菌菌四、、古古核核细细胞胞（（古古细细菌菌））古核核生生物物（archaeon）），，古细细菌菌(archaebacteria)，，或或原细细菌菌产甲甲烷烷细细菌菌、、盐盐细细菌菌、、硫硫氧氧化化菌菌等等100余余种种。。生生于于极极端端环环境境。。古核核生生物物介介于于原原核核生生物物与与真真核核生生物物之之间间，，更更近近于于真真核核生生物物细胞壁壁组成成和结结构DNA与基基因结结构核小体体结构构核糖体体（60种种蛋白白质））5SrRNA和和16SrRNA序序列第四节节真真核核细胞胞基本本知识识概要要一、基基本结结构体体系1，生生物膜膜系统统2，遗遗传信信息表表达结结构体体系3，细细胞骨骨架体体系二、细细胞大大小三、细细胞形形态结结构与与功能能的关关系四、植植物细细胞与与动物物细胞胞比较较病毒、、支原原体、、细菌菌、动动植物物细胞胞、原原生动动物细细胞中心体体、细细胞壁壁、液液泡、、色素素体、、胞间间连系系动物细细胞植物细细胞一、显显微技技术显微镜镜是观观察细细胞的的主要要工具具。根根据光光源不不同，，可分分为光光学显显微镜镜和电电子显显微镜镜两大大类。。普通光光学显显微镜镜荧光显显微镜镜细胞中中有些些物质质，如如叶绿绿素等等，受受紫外外线照照射后后可发发荧光光；另另有一一些物物质本本身虽虽不能能发荧荧光，，但如如果用用荧光光染料料或荧荧光抗抗体染染色后后，经经紫外外线照照射亦亦可发发荧光光荧光显微微镜照片片（微管呈呈绿色、、微丝红红色、核核蓝色））激光共聚聚焦扫描描显微镜镜蓝色为细细胞核绿色为微微管激光共聚聚焦扫描描显微镜镜用激光光作扫描描光源，，由于激激光束的的波长较较短，光光束很细细，所以以共焦激激光扫描描显微镜镜有较高高的分辨辨力，大大约是普普通光学学显微镜镜的3倍倍。调焦深度度不一样样时，就就可以获获得样品品不同深深度层次次的图像像，这些些图像信信息都储储于计算算机内，，通过计计算机分分析和模模拟，就就能显示示细胞样样品的立立体结构构。微分干涉涉差显微微镜优点是能能显示结结构的三三维立体体投影影影像，使使细胞的的结构，，特别是是一些较较大的细细胞器，，如核、、线粒体体等，立立体感特特别强，，适合于于显微操操作。目前像基基因注入入、核移移植、转转基因等等的显微微操作常常在这种种显微镜镜下进行行。倒置显微微镜用于观察察培养的的活细胞胞透射电子子显微镜镜1932年Ruska发明了了以电子子束为光光源，用电磁场场作透镜镜的电子显显微镜。。电子显微微镜的放放大倍数数最高可可达近百百万倍透射电子子显微镜镜扫描电子子显微镜镜RER的的形态显微操操作/注射射仪免疫细细胞化化学根据免免疫学学原理理，利利用抗抗体同同特定定抗原原专一一结合合，对对抗原原进行行定位位测定定的技技术。。如果将将抗体体结合合上标标记物物，再再与组组织中中的抗抗原发发生反反应，，即可可在光光镜或或电镜镜下显显示出出该抗抗原存存在于于组织织中的的部位位。常用的的标记记物有有荧光光素和和酶。。荧光素素标记记的称称为免免疫荧荧光法法酶标记记的称称为酶酶标免免疫法法显微光光谱分分析技技术细胞中中有一一些成成分具具有特特定的的吸收收光谱谱，核核酸、、蛋白白质、、细胞胞色素素、维维生素素等都都有自自己特特征性性的吸吸收曲曲线。。例如如，核核酸的的吸收收波长长为260nm，而而蛋白白质的的则为为280nm。。根据据细胞胞成分分所具具有的的这种种特性性，可可利用用显微微分光光光度度计对对某些些成分分进行行定位位、定定性，，甚至至定量量测定定放射自自显影影术用于研研究标标记化化合物物在机机体、、组织织和细细胞中中的分分布、、定位位、排排出以以及合合成、、更新新、作作用机机理、、作用用部位位等等等。原理是是将放放射性性同位位素（（如14C和3H）标标记的的化合合物导导入生生物体体内，，将标标本制制成切切片或或涂片片，涂涂上卤卤化银银乳胶胶，组组织中中的放放射性性即可可使乳乳胶感感光。。显示示还原原的黑黑色银银颗粒粒，即即可得得知标标本中中标记记物的的准确确位置置和数数量。。分子杂杂交技技术具有互互补核核苷酸酸序列列的两两条单单链核核苷酸酸分子子片段段，在在适当当条件件下，，通过过氢键键结合合，形形成DNA-DNA，DNA-RNA或RNA-RNA杂交交的双双链分分子。。这种技技术可可用来来测定定单链链分子子核苷苷酸序序列间间是否否具有有互补补关系系。人类染色体体端粒DNA的荧光原