第1章细胞的概论

医学细胞生物学

Medical

CellBiology

教师：叶荣办公室：403－3313Chapter1.细胞的概念细胞生物学的概念和研究内容

细胞生物学的发展简史

医学细胞生物学研究细胞的基本特征

第一节细胞生物学的概念和研究内容

几乎所有的生物都是由细胞(cell)构成的。细胞是生命体的结构和功能的基本单位，有了细胞才有完整的生命活动。细胞生物学(cellbiology)是研究细胞的结构、功能及其生活史的的科学，由最初的细胞学(cytology)发展而来。现代细胞生物学将对细胞的研究在细胞整体(显微)、亚细胞(超微)和分子水平三个层次上有机地结合起来。

细胞学与细胞生物学细胞生物学是生命科学最活跃最有发展前景的分支学科。从细胞角度研究生命的发生与分化、发育与生长、遗传与变异、疾病与健康、衰老与死亡等基本生物学规律。细胞学细胞生物学研究对象细胞细胞研究水平光镜水平电镜水平研究结构显微结构整体、亚微和分子结构研究功能各部分的组成和代谢活动各部分的联系及整体动态活动细胞生物学研究内容细胞核、染色体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信号转导细胞工程细胞生物学经历了四个主要发展阶段：1665-1830s，细胞发现，显微生物学。1830s-1930s，细胞学说，Cytology诞生。1930s-1970s，电镜技术应用，Cytology发展为cellbiology。1970s~，分子细胞生物学时代。第二节细胞生物学的发展简史

一、细胞的发现Discoverofcell1590年J.和Z.Janssen父子制作第一台复式显微镜，放大倍数不超过10倍。1665年英国人RobertHooke出版《Microgrophia》。观察了软木，并首次用cell来描述“细胞”。1680年A.vanLeeuwenhoek当选为英国皇家学会会员。他观察过植物、原生动物、水、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌、唾液、血液、精液等等。RobertHookeandhis“cells”RobertHooke’smicroscopeMadebyA.vanLeeuwenhoek(1632-1723).Magnificationrangesat50-275x.1830s消色差显微镜出现，人们才对细胞的结构和功能有了新的认识。1831年R.Brown在兰科植物表皮细胞内发现了细胞核。1836年GG.Valentin在动物神经细胞中发现了细胞核与核仁。这些工作对于细胞学说的诞生具有重要意义。

二、细胞学说的建立

Establishmentofcelltheory

通常认为施莱登（MJ.Schleiden）和施旺（T.Schwann）正式提出了细胞学说，实际上是19世纪许多科学家共同努力的结果。MatthiasJacobSchleidenTheodarSchwann1838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（CellTheory）。细胞理论(celltheory)

1855年,德国病理学家魏尔啸（RudolphVirchow）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。

CellTheory是19世纪的重大发现之一，现代细胞学说包括三方面内容：细胞是多细胞生物的最小结构单位；多细胞生物的每一个细胞为一代谢活动单位，执行特定功能；新细胞来源于已存在细胞的分裂。1830s后发现活细胞并不是空的而是充满粘稠的液体。JE.Purkinje（1839）和vonMohl（1846）则分别将动植物细胞内的物质称作原生质“protoplasm”。MaxSchultze（1861）认为动植物细胞中的原生质具有同样的意义，提出了原生质理论：细胞是由原生质组成的。如今“原生质”一词已从生物学文献中消失了，但在当时具有十分重要的意义。

19世纪下半叶是对细胞研究的繁荣时期，许多重要的细胞器和细胞活动现象被发现，被称为细胞学的经典时期。三、电镜的发展和细胞生物学诞生

Developmentofelectronmicroscope&emergeofcellbiology1931年德国人E.Ruska首次发明透射电镜，人类视野进入超微领域。1939年Siemens公司生产商品电镜。1940-50s用电镜观察了各类细胞超微结构。并结合超速离心、电泳、无细胞体系等分析技术研究这些结构的功能。Cytology发展为CellBiology。也被称为实验细胞学阶段，细胞学分支得到发展。四、分子细胞生物学时代

Theeraofmolecularcellbiology1953年，Watson和Crick揭示DNA分子双螺旋模型1958年Crick提出分子遗传的“中心法则”。1961-1964年Nirenberg等破译遗传密码。1972年DA.Jackson，RH.Symons和P.Berg实现DNA体外重组。一系列理论和技术的发展，使细胞生物学与分子生物学的结合越来越紧密，开始进入分子细胞生物学时代。

1953年，JD.Watson和FHC.Crick提出DNA双螺旋模型。与Wilkins分享1962年诺贝尔生理学或医学奖。1983年，KB.Mullis发明PCR仪，于1993年获诺贝尔化学奖。LelandH.Hartwell

TimHunt

SirPaulM.Nurse

2001年，美国人Leland

Hartwell、英国人PaulNurse、Timothy

Hunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理学或医学奖。2002年，英国人SydneyBrenner、美国人RobertHorvitz和英国人JohnE.Sulston，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔生理学或医学奖。SydneyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston

2003年，美国人PeterAgre和RoderickMacKinnon，因对细胞膜水通道、离子通道结构和机理研究获诺贝尔化学奖。PeterAgreRoderickMacKinnon

2004年，美国人RichardAxel和LindaB.Buck获诺贝尔生理学或医学奖，他们发现气味受体和嗅觉系统的组成。RichardAxelLindaB.Buck

2005年BarryJ.Marshall和J.RobinWarren获诺贝尔生理学或医学奖，他们发现幽门螺杆菌及其在胃炎和胃溃疡发病机理中的作用。BarryJ.MarshallJ.RobinWarren2006年度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，以表彰他们发现了RNA干扰机制，RNAi已被广泛用作研究基因功能，并有望成为治疗疾病的新疗法。AndrewZ.FireCraigC.Mello2007年度诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家马里奥-卡佩奇和奥利弗-史密西斯、英国科学家马丁-埃文斯，以表彰他们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，这些发现使“基因打靶”技术成为可能。MarioR.CapecchiSirMartinJ.EvansOliverSmithies2008年度诺贝尔生理学或医学奖授予德国科学家哈拉尔德-楚尔-豪森和两位法国科学家弗朗索瓦丝-巴尔-西诺西和吕克-蒙塔尼。德国科学家发现人类乳头瘤病毒(HPV)引发子宫颈癌，两名法国科学家发现人类免疫缺陷病毒(HIV)。HaraldzurHausenFrançoiseBarré-SinoussiLucMontagnier2009年度诺贝尔生理学或医学奖授予伊丽莎白-布莱克本、卡罗尔-格雷德和杰克-绍斯塔克。他们发现了端粒和端粒酶对于染色体的保护作用。端粒和端粒酶研究有助于攻克医学领域3方面难题，即“癌症、特定遗传病和衰老”。ElizabethH.BlackburnCarolW.GreiderJackW.Szostak2010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。1978年7月25日，世界上第一个试管婴儿诞生，目前全球已出生400多万试管婴儿，他被誉为“试管婴儿之父”。RalphMarvinSteinmanBruceABeutlerJulesA.Hoffmann2011年诺贝尔生理学或医学奖授予美国布鲁斯·博伊特勒、法国朱尔斯·霍夫曼及加拿大拉尔夫·斯坦曼，其研究成果揭示免疫反应的激活机制，使人们对免疫系统的理解发生“革命性变化”，进而为免疫系统疾病研究提供了新的认识，并为传染病、癌症等疾病的防治开辟了新的道路。2012年诺贝尔生理学或医学奖颁给英国约翰·戈登（JohnB.Gurdon）和日本山中伸弥两位发现“成熟、特化的细胞能够被重编程为可发育成身体所有组织的非成熟细胞”的科学家。他们的发现革新了我们对细胞和有机生命体发育的理解。1962年克隆蛙2006年小鼠iPS2012年美国科学家罗伯特.勒夫科维兹(RobertJ.Lefkowitz)与布莱恩.卡比尔卡(BrianK.Kobilka)因在G蛋白偶联受体方面的研究获得诺贝尔化学奖。

2013年美国詹姆斯·罗斯曼（JamesE.Rothman）、兰迪·谢克曼（RandyW.Schekman）和德国托马斯·苏德霍夫（ThomasC.Sudhof）因在细胞内的囊泡运输调控系统方面的研究成果获得诺贝尔生理学或医学奖。2014年美国及挪威三位科学家约翰·欧基夫（JohnO‘Keefe）、迈-布里特·莫泽（May-BrittMoser）和爱德华·莫索尔（EdvardI.Moser）因发现构成大脑定位系统的细胞获得诺贝尔生理学或医学奖。2015年来自中国屠呦呦（YouyouTu）因发现抵御疟疾的疗法，以及美国威廉·坎贝尔（WilliamC.Campbell）和日本大村智（

SatoshiŌmura）

因发现抵御蛔虫感染的疗法而获得诺贝尔生理学或医学奖。第三节细胞生物学与医学

细胞生物学与医学的关系一、细胞生物学是医学的基础理论学科二、细胞生物学理论可阐明医学上的基本问题三、细胞生物学技术广泛应用于医学为什么说细胞生物学是医学的基础理论学科？人体解剖学---人体的结构病理解剖学---疾病组织或器官的结构人体生理学---人体各器官、系统的活动组织胚胎学---人体的组织结构及其胚胎发育过程

……细胞生物学---细胞的结构及功能生物化学---细胞的物质组成及其代谢活动……为什么说细胞生物学理论可阐明

医学上的基本问题？著名细胞学家E．B．Wilson在1925年提出：“每一个生命科学问题的关键必须在细胞中寻找”目前，医学上的四大难题：癌症（本质是细胞无休止和无序的分裂）心血管疾病（与动脉内皮细胞变化有关）脑血管疾病（与动脉内皮细胞变化有关）遗传病（细胞中基因变化所致）细胞生物学技术在医学中的应用：淋巴细胞杂交瘤技术－用于单克隆抗体的生产转基因技术－用于基因工程药物生产重组DNA技术－用于基因治疗干细胞技术－用于造血系统的重创生殖细胞生物学肿瘤细胞生物学细胞分化和干细胞细胞衰老和死亡细胞工程……细胞生物学对基础医学和临床医学的发展意义重大，随着细胞和分子生物学的发展，现代医学正在进入分子医学时代。第四节细胞的基本知识

细胞的起源与进化细胞的基本共性细胞的分子基础一、细胞的起源与进化

Originandevolutionofcells原核生物prokaryote非细胞生命lifeofnon-cell单细胞真核生物unicellulareukaryote多细胞真核生物multicellulareukaryote非细胞生命体病毒（virus）——核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体

根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：

DNA病毒与RNA病毒

根据感染对象的不同分为：动物病毒、植物病毒、细菌病毒类病毒（viroid）——仅由感染性的RNA构成朊病毒（prion）——仅由感染性的蛋白质亚基构成病毒在细胞内增殖（复制）病毒虽然没

有细胞结构，但它必须在细胞中才能表现出生命活动。所以“细胞是生命活动的基本单位”与病毒的存在并不矛盾。原核细胞Prokaryoticcell基本特点遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜。主要代表支原体（mycoplast）—已发现的最小最简单的细胞细菌（bacteria）蓝藻/蓝细菌（cyanobacteria）真核细胞Eukaryoticcell真核细胞的基本结构功能体系以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统以核酸（DNA或RNA）和蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统不同类型细胞及细胞组分的相对大小原核细胞与真核细胞的比较动物与植物细胞的比较细胞器动物细胞植物细胞细胞壁无有叶绿体无有液泡无有溶酶体有无圆球体无有乙醛酸循环体无有通讯连接方式间隙连接胞间连丝中心体有无胞质分裂方式收缩环细胞板既不同于原核细胞也不同于真核细胞，属于生命的第三种形式。无核膜和内膜系统；RNA聚合酶与真核细胞相似，以甲硫氨酸起始蛋白质合成，DNA有内含子并结合组蛋白。极端嗜热、嗜盐、嗜酸、嗜碱菌。古细菌archaea/archaebacteria1.细胞的形态多种多样：球形、杆状、星形、多角形、梭形、圆柱形等。细胞的形状一方面取决于对功能的适应，另一方面受细胞的表面张力、胞质的粘滞性、细胞膜的坚韧程度，以及微管和微丝骨架等因素的影响。二、细胞的形态与大小神经细胞卵细胞血细胞上皮细胞肌细胞视杆细胞不同功能的细胞形态不同这是您肉眼可见的特殊细胞：鸡蛋(未受精的卵细胞)大变形虫2.细胞的大小及体积植物细胞比动物细胞大。原生动物由一个细胞组成，体积较大，如大变形虫的直径约300m。动物细胞直径一般在10-100m左右，如人口腔粘膜上皮细胞的直径75m。人红细胞的直径7.5m。卵细胞是特殊的大细胞，如驼鸟卵黄的直径约5cm，是现今最大的细胞。原核细胞较小，如细菌的直径<1m。现今最小的细胞为支原体，其直径约0.07—0.25m.想一想１mm的位置可容纳多少细胞？

1滴血中可能有多少细胞？1cm=10mm1mm=1000m1m=1000nm1nm=10A10000m10000m/50=200个细胞细胞体积的守恒定律不同细胞的大小变化很大，但是，同类型细胞的体积一般是相近的，不依生物个体的大小而增大或缩小。因此，器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关，把这种现象称之为"细胞体积的守恒定律"。限制细胞体积大小的因素体积同表面积的关系当细胞增大到一定程度时，质膜的表面积就不适应细胞进行内外物质的交换，细胞为了维持一个最佳的生存条件，必需维持最佳的表面积，从而限制了体积的无限增大。细胞内关键分子的浓度一些重要的分子在细胞内的拷贝数是很少的，当细胞体积增大时，这些分子的浓度就越来越稀释，一些重要的生化反应需要一定的浓度才能进行，所以细胞内分子浓度就成了限制细胞体积无限增大的另一个因素。酶蛋白质种类的限制细胞不仅对体积的增大有限制，而且对体积的减少也有限制。一个生活细胞要维持正常的独立生活功能，最低限度需要500～1000种不同类型的酶和蛋白质，这是目前在支原体(mycoplasma)中所发现的酶和蛋白质的量。而支原体是目前所知最小原核细胞，很显然，细胞体积最小化受制于维持细胞生命活动所需的酶和蛋白质种类的最低限度细胞及细胞器的计量单位微米(μm)纳米(nm)埃(angstrom，Å)不同类型细胞及细胞组分的相对大小三、细胞的基本共性结构上的复杂性和组织性：由磷脂双分子层与镶嵌蛋白构成的生物膜，即细胞膜；含有两种核酸DNA和RNA，作为遗传信息复制与转录的载体；作为蛋白质合成机器的核糖体，存在于一切细胞内；功能上的自主、协调和有序：通过细胞分裂实现细胞的增殖；代谢过程需要和利用能量；合成蛋白质；对内外环境刺激的应答；自我调控……1.细胞的基本功能无论何种来源的细胞，都具有基本相似的功能。细胞能够进行自我增殖和遗传。细胞能够以一分为二的分裂方式进行增殖，动植物细胞、细菌细胞都是如此。细胞都能进行新陈代谢。细胞内有机分子的合成和分解反应都是由酶催化的，即细胞的代谢作用是由酶控制的。细胞代谢包括物质代谢和能量代谢，这也是细胞的基本特性。细胞都具有运动性。所有细胞都具有一定的运动性，包括细胞自身的运动和细胞内的物质运动。2.细胞结构上的相似性细胞都具有选择透性的膜结构

膜有两个基本作用：1）在细胞内外起障碍作用，不允许物质随意进出细胞，2）在细胞内构筑区室，形成各功能特区。原生质(protoplasm)，包括细胞核和细胞质(cellplasma)。原生质体(protoplast)。细胞都具有遗传物质和遗传体系细胞内最重要的遗传物质是DNA。在生命的进化过程中，最早的遗传物质是RNA。细胞都具有核糖体所有类型的细胞，包括最简单的支原体都含有核糖体。3.细胞作为生物体最基本的结构和功能单位，必须具备三个基本条件：具有一层细胞膜，通过细胞膜与周围环境相对隔离并可进行物质、能量交换和信息传递；具有一套遗传信息的储存、复制和转录系统；具有一套完整的代谢机构（包括蛋白质合成和转运系统，细胞增殖系统等），以维持基本生命活动。

四、细胞的分子基础

Molecularbasisofcells构成细胞的基本元素有：O、C、H、N、Na、K、Ca、P、Mg等，其中O、C、H、N四种元素占90%以上。细胞的组分包括无机小分子、有机小分子和生物大分子。细胞的无机物主要有水和无机盐。水是细胞生命活动的物质基础，约占细胞重量的75-80％，其中游离水约95％，其余为结合水。无机盐的含量约为1％，主要以离子形式存在。构成细胞的基本元素：C、H、O、N、P、S、Na、K、Ca、Mg、Fe、Cl等，占99.9%，其中C、H、O、N四种元素占90%以上。微量元素Cu、Zn、Mn、Mo、Co、Cr、Sr、F、Br、I、Li、Ba等，以结合态与有机物、无机物形式存在于细胞中。四、细胞的分子基础

Molecularbasisofcells细胞中各主要成份的相对含量细胞的组分包括无机小分子、有机小分子和生物大分子。2.无机小分子：水、无机盐水是细胞生命活动的物质基础，约占75-80％，其中游离水约95％，其余为结合水。无机盐的含量约为1％，主要以离子形式存在。水的存在方式游离水:是细胞代谢反应的溶剂;结合水:以氢键和蛋白质结合的水分子;占细胞内全部水的4.5%，是原生质结构的一部分。相邻水分子间的关系靠氢键维系水的功能反应物:水分子参与了生命活动的一些重要反应溶剂:是各种极性有机分子和离子的最好溶剂；氢键无机盐的作用分类大分子的结构成分∶主要是C、H、N、O、P、S等；各种酶反应所需的主要离子，包括Ca2+、Cu2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-等；各种酶活性所需的基础微量元素，包括Co2+、Cu2+

、Fe3+

、Mn2+

、Zn2+等；某些生物需要的特殊微量元素，如碘、铯、溴等。无机盐无机离子的功能维持细胞内的pH和渗透压，以保持细胞的正常生理活动;同蛋白质或脂类结合，形成具有特定功能的结合蛋白，参与细胞的生命活动；作为酶反应的辅助因子游离于细胞质，是细胞代谢的中间产物和构成生物大分子的原料。包括：单糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸单糖是构成多糖的基本单位，重要的戊糖——核糖和脱氧核糖是核酸的组成成分，重要的己糖——葡萄糖是能源物质3.细胞的有机小分子核糖和脱氧核糖细胞的有机小分子游离于细胞质，是细胞代谢的中间产物和构成生物大分子的原料。包括：单糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸单糖是构成多糖的基本单位，重要的戊糖——核糖和脱氧核糖是核酸的组成成分，重要的己糖——葡萄糖是能源物质脂肪酸是最简单的一种脂，它是许多更复杂的脂的组成成分

，其重要功能是构成细胞膜氨基酸是构成蛋白质的基本单位，常见20种核苷酸是组成核酸的基本单位脂肪酸脂肪酸是最简单的一种脂，它是许多更复杂的脂的组成成分