第1章 细胞与细胞生物学

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（CellBiology）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

TheBasicQuestionsofBiology?MetabolicBiologyNeuralBiology

BioinformaticsCellBiologyBio-Technology

FunctionalGenomicsHeredity-development-evolution

生命科学的基本问题

基本问题:遗传发育进化主要内容:细胞的生命活动

切入点:功能基因组

细胞生物学研究的重点领域三大基本问题：1、基因组（人类大约有3－4万个基因）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（生物大分子）如何逐级装配成能行使生命活动的基本结构体系及各种细胞器？这种自组装过程的调控程序与调控机理是什么？3、基因表达的产物—特别是大量活性因子与信号分子，是如何调节细胞最重要的生命活动过程（诸如细胞的增殖、分化、衰老与凋亡等等）？机体结构细胞增殖细胞分化细胞凋亡细胞信号转导染色体衰老细胞重大生命活动及其相互关系示意图

TheNIHofUSA(1988):

“Whatispopularinresearchtoday？”

3kindsofdiseases

：

cancer

cardiovasculardiseases

infectiousdiseases：AIDS，hepatitis5researchfields：

cellcyclecontrol；

cellapoptosis；

cellularsenescence；

signaltransduction；

DNAdamageandrepair.Cellsignalingcanaffectvirtuallyeveryaspectofcellstructureandfunction:

Activationofenzymeactivity;

Changeincytoskeletalorganization;

Changeinionpermeability;

InitiationofDNAsynthesis;

Activationorrepressionofgeneexpression.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（MolecularCellBiology）。10显微镜的发明11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）12细胞的发现与描述13细胞分裂与染色体的研究1852RobertRemakdiscoveredthattheoriginofcellswasbythedivisionofpre-existingcells1863RudolfVirchowwidelypublicizedabovefindingswithoutcreditingRemak1869JohannFriedrichMiescher(nuclein)1873AntonSchneider(meiosis)1879WaltherFlemming(chromatin,mitosis)1888WilhelmvonWaldeyer-Hartz,(termchromosome)1902WalterStanboroughSutton.(chromosomescarrytheunitsofinheritance)1904TheodorBoveri(correlationbetweenMendel'sfactorsandchromosomes)1904WilliamBateson(genetics)1909WilhelmJohannasen(gene)14RobertRemakRudolfVirchow(1863),omniscellulaecellula("everycelloriginatesfromanotherexistingcelllikeit.")151878年，德国细胞学家WaltherFlemming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)Omnisnucleusenucleo

(allcellnucleicamefromanotherpredecessornucleus)161888年德国解剖学家HeinrichWilhelmGottfriedvonWaldeyer-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,Wilhelmvon(German).1888.ÜberKaryokineseundihreBeziehungenzudenBefruchtungsvorgängen.ArchivfürmikroskopischeAnatomieundEntwicklungsmechanik32:1-122

1836-1921171883年VanBeneden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1956年ChristiandeDuve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。18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19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Atomichypothesis－byDemocritus（460-370B.C.)300B.C.,Democritussuggestedthatallmatterwasmadeofsmall,indivisibleobjectsknownasatomon.201838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SchwannSchleden21221855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。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（spontaneouscrystallization）的非细胞方法形成（freecellformation）。23原生质理论Fromprotoplasmictheorytocellularsystemsbiology:a150-yearreflectionAm.J.Physiol.CellPhysiol.June2010vol.298no.6C1280-C1290

细胞系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。24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。25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1％～1.5％，蛋白质大约占7％～14％，脂类大约占1％～2％，糖类和其他有机物大约占1％～1.5％，这些物质在细胞中以不同的形式和功能存在。26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。27281953年，沃森（JamesD.Watson）和克里克（FrancisCrick）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)29脱氧核糖核酸

DNA核糖核酸RNA原核细胞的基因转录单位（transcriptunit）

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。30DNA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3132

蛋白质（protein）—

生命的物质基础，没有蛋白质就没有生命。33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特异性以及翻译的起始和终止。34脂肪酸（fattyacid）中性脂肪（neutralfats）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。35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，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36

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37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38

细胞的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39401953年，沃森（JamesD.Watson）和克里克（FrancisCrick）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DNA41

都有细胞质及质膜42

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）NatureReviewsNeuroscience4,901-909(November2003)43

具有共同的能量代谢途径44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（energymetabolism）。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（tricarboxylicacidcycle，又称Krebs循环），并且都通过与生物氧化（biologicaloxidation）相偶联的氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）生成三磷酸腺苷（ATP）保存化学能。

细胞的一般结构45细胞膜46细胞核47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。内膜系统是真核细胞特有的结构。48线粒体与叶绿体49核糖体中心体50细胞骨架51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。522004年NIH制定今后十年发展的RoadMap中，研究重点为：

DiscoveryofnewcellularSignalingpathway细胞科学的世纪1925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”

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962

FrancisH.C.CrickJamesD.Watson"fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"1953.4.25“Natrue”DNA双螺旋结构论文发表为人类认识分子的损伤与修复,遗传物质的复制与沿袭,以及物种的多样性和进化奠定了基础.现代科学的“蒙娜丽莎”从科学、艺术、电影、建筑到广告，她的图象铭刻在社会中的所有方面。人类基因组计划（HGP）

投入30亿美元,2003年完成精细图,约30亿个数据，相当于3000本每本1000页每页1000字的“天书”。一项改变世界的科学计划：一项深深影响我们每个人生活的科学计划。它将改变我们的哲学、伦理、法律等观念；对社会、经济产生重大影响，这种影响现已显示于世。“基因相关论”：所有的疾病都与人类的基因有关，都是人类基因组与病原基因组中的有关基因的直接或间接相互作用的结果。“全基因组”信息记录着一个人有关生、老、病、死的重要信息，它是一个人全部隐私中最重要的隐私。基因专利，基因资源商业化开采，已给发展中国家的科学发展，国计民生带来巨大压力和威胁。TheCompleteofHumanGenomeProjectAnalysisofthisrichsourceinformationManyareasinMedicineandBiologyEspeciallyCellSignalingSuchAsGPCR,RTKandsoonDNA双螺旋模型的发现者，现年79岁的Watson于今年5月30日在美国贝勒大学获得美国“454生命科技公司”为他破译的“个人版”基因图谱（2套染色体60亿碱基对）。人ES细胞系的建立1998年Thomson建立人胚胎干细胞系（hES细胞）开启了干细胞研究新的一页组织工程与修复医学

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59胚胎干细胞研究60克隆人：两个不同的目的1.生殖性克隆

Reproductivecloning以产生人婴儿为目的。2.治疗性克隆

Therapeuticcloning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？61诱导多能干细胞

(iPS,inducedpluripotentstemcell）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。62干细胞的表观遗传学研究TheJournalofExperimentalMedicine（11）：2287-2295，20106364CurrentOpinioninGenetics&Development2004,14:461–469Epigeneticcontrolofneuralstemcellfate肿瘤干细胞研究Oncogene23,7274–7282，200465

人造细胞人造细胞（Artificialcells）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。662010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（Mycoplasmamycoides）新种株。J.CraigVenter制造出完全由外源性基因组控制的蕈状支原体新种株，这个人造基因组控制的细胞不但具有设计的生命特点，而且可以自我复制。6768人造支原体—合成生物学的标志性成果这个人造基因组控制的细胞不但具有设计的生命特点，而且可以自我复制，细胞进行分裂。由Venter博士领导的研究团队在这个项目上奋斗了15年，花费了4000万美元。21MAY，2010，VOL328，SCIENCE

电子细胞电子细胞也称为虚拟细胞，是生命科学技术的重大突破，现在应用虚拟细胞进行复杂体系的研究，不仅可以有效的利用几百年来人类所积累的丰富的生物科学成果，创造人工生命，加速生命科学和信息科学的发展，更好的为社会和经济建设服务，而且还可以改变我们生活和生存环境，其意义是难以估量的。有人预计虚拟细胞在十到十五年左右的时间将会成为医学、生物学、药学、营养学、生态、环境、农业等学科研究产业领域不可替代的工具。69确定单细胞分子表型，从系统地角度研究细胞结构及分子功能的科学。细胞组学在探索细胞的生命活动中，从基因表达与蛋白质生成的时空的动态变化，深入了解生命的本质。

基因组学（genomics）

转录组学（transcriptom）

蛋白质组学（proteomics）

代谢组学（metanomics）

细胞组学7071Asystemsbiologyview...ComponentsBuildingBlocksFunctionalModulesSystemLife‘sComplexityPyramid

(Oltvai-Barabasi,Science10/25/02)72Zoominginandoutincell73细胞代谢网络总结：

主要研究内容：(1)细胞核、染色体及基因表达；(2)