生物竞赛细胞生物学1~第一章绪论

一、本课程的重要性二、本课程的发展特点三、本课程的目的、任务和要求前言第一页，共57页。一、本课程的重要性

要最终阐明生命现象，必须在细胞水平上。细胞是生命有机体最基本的结构和功能单位，生命寓于细胞之中，只有把各种生命活动同细胞结构相联系，才能在细胞水平上阐明各种生命现象。世界著名生物学家Wilson（德国人）曾说过：“一切生物学问题的答案最终要到细胞中去寻找”。当今的细胞生物学恰如其分地体现了这一名言的正确性。因此，细胞生物学毫无疑问地成为现代生物学教育的中心内容。第二页，共57页。二、本课程的发展特点细胞生物学涉及知识面广、内容浩繁且更新迅速。它同生物化学、遗传学形成生命科学的鼎立三足，既是当代生命科学发展的前沿，又是生命科学赖以发展的基础。从这一意义上讲，细胞生物学是一门还在发展中的新兴学科，从细胞水平进入亚细胞水平，现在又向分子水平全面挺进，进展十分迅速，这可从国际上几本著名的细胞生物学教科书的变迁中反映出来。第三页，共57页。1946年，De.Robertis《普通细胞学》1965年，第四版，更名为《细胞生物学》1980年，第七版，更名为《细胞和分子生物学》1986年，Avers“MolecularCellBiology”1989年，（83年第一版）Alberts《细胞的分子生物学》“Molecularbiologyofthecell”长达1181页，对一个活细胞在分子水平和细胞水平上作了令人信服的分析。1986年（第一版）Darnell《分子细胞生物学》1990年（第二版）“MolecularCellBiology”长达1187页，他认为，有必要将过去分别开设而又相互重叠的三门课程（生化、遗传、细胞）联系起来，重建一门完整而系统的新兴生物学——分子细胞生物学。第四页，共57页。国内教科书的情况也反映出这门学科的发展变化1980年，郑国錩细胞生物学高教出版社1992年，再版1983年，郝水细胞生物学教程，高教出版社1987年，翟中和细胞生物学基础，北京大学出版社1988年，韩贻仁分子细胞生物学，高等教育出版社，2000年由科学出版社再版，1990年，汪堃仁等细胞生物学，北京师范大学出版社1995年，翟中和细胞生物学，高等教育出版社，2000年再版1991年后，每隔几年高教出版社编辑出版《细胞生物学进展》，以弥补教材与学科发展的不适应性，现以出版第三卷（郑国錩、翟中和主编）。从1997年起，翟中和主编出版《细胞生物学动态》，北师大出版社《分子细胞生物学手册》、《现代细胞生物学技术》、《细胞超微结构研究(↓）第五页，共57页。

通过系统地学习细胞生物学，丰富细胞学知识，以适应当代人类社会知识结构发展的需求，也是为升本、考研做准备。三、本课程的目的、任务和要求第六页，共57页。(一)目的和任务：1.了解及掌握细胞的结构、功能、生活史以及各种生命活动的本质和规律；2.学会从细胞的整体水平、亚细胞水平和分子水平三个方面来分析有关生命现象，能够以动态的观点考察细胞和细胞器的结构与功能；3.以此进一步了解细胞的基本生命活动规律，以实现对其进行控制和利用；(二)要求：使学生能够运用分析与综合的方法将细胞结构与功能的关系进行阐述，为后序相关专业基础课的学习奠定基础。第七页，共57页。1946年，De.Robertis《普通细胞学》1965年，第四版，更名为《细胞生物学》1980年，第七版，更名为《细胞和分子生物学》1986年，Avers“MolecularCellBiology”1989年，（83年第一版）Alberts《细胞的分子生物学》“Molecularbiologyofthecell”长达1181页，对一个活细胞在分子水平和细胞水平上作了令人信服的分析。1986年（第一版）Darnell《分子细胞生物学》1990年（第二版）“MolecularCellBiology”长达1187页，他认为，有必要将过去分别开设而又相互重叠的三门课程（生化、遗传、细胞）联系起来，重建一门完整而系统的新兴生物学——分子细胞生物学。国外流行的教科书第八页，共57页。国内教科书的情况也反映出这门学科的发展变化1980年，郑国錩细胞生物学高教出版社1992年，再版1983年，郝水细胞生物学教程，高教出版社1987年，翟中和细胞生物学基础，北京大学出版社1988年，韩贻仁分子细胞生物学，高等教育出版社，2000年由科学出版社再版，1990年，汪堃仁等细胞生物学，北京师范大学出版社1995年，翟中和细胞生物学，高等教育出版社，2000年再版1991年后，每隔几年高教出版社编辑出版《细胞生物学进展》，以弥补教材与学科发展的不适应性，现以出版第三卷（郑国錩、翟中和主编）。从1997年起，翟中和主编出版《细胞生物学动态》，北师大出版社《分子细胞生物学手册》、《现代细胞生物学技术》、《细胞超微结构研究(↓）第九页，共57页。学术期刊、杂志国外：Cell、Science、Nature、J.CellBiol.、J.Mol.Biol.国内：中国科学、科学通报、实验生物学报、细胞生物学杂志等第十页，共57页。第一章绪论第一节细胞生物学研究的内容和现状细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科细胞生物学的主要研究内容当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域第二节细胞学与细胞生物学发展简史细胞的发现及细胞学说的建立其意义细胞学的经典时期实验细胞学与细胞学的分支及其发展细胞生物学学科的形成与发展

细胞生物学的主要学术组织第十一页，共57页。一、细胞生物学是现代生命科学的

重要基础学科

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。第十二页，共57页。二、细胞生物学的主要研究内容

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

细胞的起源与进化

细胞工程第十三页，共57页。三、当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域1.总趋势细胞生物学与分子生物学(包括分子遗传学与生物化学)相互渗透与交融是总的发展趋势。第十四页，共57页。2.重点领域

染色体DNA与蛋白质相互作用关系

—主要是非组蛋白对基因组的作用

细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控

细胞信号转导的研究

细胞结构体系的组装

第十五页，共57页。 美国科学情报研究所（ISI）1997年SCI（ScienceCitationIndex）收录及引用论文检索，全世界自然科学研究中论文发表最集中的三个领域分别是：细胞信号转导（signaltransduction）；细胞凋亡（cellapoptosis）；基因组与后基因组学研究（genomeandpost-genomicanalysis）。第十六页，共57页。 美国国立卫生研究院（NIH）在1988年底发表的一份题为《什麽是当今科研领域的热门话题？》（“Whatispopularinresearchtoday？”）的调查报告中指出，目前全球研究最热门的是 三种疾病：

癌症（cancer）

心血管病（cardiovasculardiseases）

爱滋病和肝炎等传染病

（infectiousdiseases：AIDS，hepatitis）五大研究方向：

细胞周期调控（cellcyclecontrol）；

细胞凋亡（cellapoptosis）；

细胞衰老（cellularsenescence）；

信号转导（signaltransduction）；

DNA的损伤与修复（DNAdamageandrepair）第十七页，共57页。第十八页，共57页。“细胞学说”的基本内容

认为细胞是有机体，一切动植物都是由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成；

每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它“自己的”生命,又对与其它细胞共同组成的整体的生命有所助益；

新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。第十九页，共57页。AlbertsBetal.EssentialCellBiology.NewYorkandLondon：Garlandpublishing，Inc.1998AlbertsBetal.

MolecularBiologyoftheCell,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.第二十页，共57页。第二十一页，共57页。第二十二页，共57页。第二十三页，共57页。第二十四页，共57页。第二十五页，共57页。学习细胞生物学的注意点抽象思维与动态观点结构与功能统一的观点同一性(unity)和多样性(diversity)的问题第二十六页，共57页。一、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科细胞生物学是当前生物科学中一个重要而活跃的领域，是一门发展前景极其诱人的新兴学科。它是在最初的细胞学水平上，又进一步发展的学科，它的前身是细胞学。即细胞学→细胞生物学。（一）细胞学（Cytology）：是研究细胞的结构、功能和生活史的科学。（二）细胞生物学（CellBiology）：运用近代物理学和化学的技术成就以及分子生物学的概念与方法，从显微水平、亚显微水平和分子水平三个层次上，研究细胞的结构、功能及各种生命活动规律。第二十七页，共57页。显而易见，细胞生物学的突出特点在于：研究内容之深刻（涉及生命机理的一切水平都要探讨）和研究范围之广泛（一切生命现象都要涉及到）。由此，它与生物学许多分支学科有着密切关系。联系着生命科学的各个分支学科，形成了交叉重叠的关系。（1）细胞生物学与分子生物学；（2）细胞生物学与遗传学——细胞遗传学（Cytogenetic）此外，还有细胞生理学（分析细胞生理活动的本质和机制）；细胞化学（研究细胞内的化学布局）；细胞病理学；细胞分类学等细胞学与各门学科的汇合学科。故不难理解，有人形容细胞生物学是一代水平的学科，它汇集了生命科学中各个分支学科的精髓从细胞这个单位里揭示出多种生命现象的奥秘，发展成为生命科学的“中心学科”。第二十八页，共57页。显微结构（MicroscopicStructure）

即整体水平。指肉眼看不到而在普通显微镜下的可见范围。如：染色体、线粒体、细胞核、核仁等。

亚显微结构(SubmicroscopicStructure)

亦称超微结构(Ultrastructure)，指普通光镜看不到而在电镜或其它工具看到的分子以上的结构。如：内质网膜、核膜、微管、微丝等。

生命活动包括：生长、发育、繁殖、遗传、变异、衰老、凋亡、代谢、调控、分化等。核心是遗传和发育问题。

例如：在整体水平上研究单个细胞的运动，在亚显微水平上研究与细胞运动有关的结构——微管、微丝，在分子水平上则对这些结构做分子解剖，研究组成它们的微管蛋白、肌动蛋白，肌球蛋白结构、功能及运动机理问题。第二十九页，共57页。鉴于学科的初起和研究手段的原始，故多是以描述和实验形态为主。随着科学的发展，特别是50、60年代以后，由于分子生物学的兴起，又加上电镜、放射性同位素、分级离心技术的应用及其它研究手段和技术的提高，使细胞学的内容焕然一新，大大超出了原有细胞学范围。在形态方面：除了描述在光镜下所看到的结构外，还要用新工具和方法来观察和分析细胞内各部分的显微结构和分子结构，以及这些结构间的变化关系。在功能方面：不单是描述细胞内各个部分的化学组成和新陈代谢动态，而且还要用分析、比较、综合的方法，深入到分子、原子甚至量子水平，阐明它们之间的关系和相互作用机理。在研究对象上：不再是单个细胞，而要考虑到细胞组成的整个生物体，以及组成细胞的各种生物大分子。除上述外，还有一个很重要的特点是，如果将细胞学原理运用于实践活动，人们可以有目的地改造细胞，使之为人类造福。正是如此，使细胞学向前迈进了一步，成为今天的细胞生物学。第三十页，共57页。二、细胞生物学的主要研究内容

1细胞核、染色体及基因表达

基因表达与调控是目前细胞生物学、遗传学和发育生物学在细胞和分子水平相结合的最活跃领域。

2生物膜与细胞器的研究

膜及细胞器的结构与功能问题（“膜学”）。

3细胞骨架体系的研究

胞质骨架、核骨架的装配调节问题和对细胞行使多种功能的重要性。

4细胞增殖及调控

控制生物生长和发育的机理是研究癌变发生和逆转的重要途径（“再教育细胞”）。

5细胞分化及调控

一个受精卵如何发育为完整个体的问题（细胞全能性）。

6细胞衰老、凋亡及寿命问题

7细胞的起源与进化

8细胞工程改造利用细胞的技术。第三十一页，共57页。三、当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域细胞生物学与分子生物学相互渗透与交融是总的发展趋势，也将是生命科学今后相当一段时间的主流。

（一）当前细胞生物学研究中的三大基本问题1细胞内的基因组是如何在时间与空间上有序表达的？2基因表达的产物—结构蛋白与核酸、脂质、多糖及其复合物是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？3基因表达的产物—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的？

（二）当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题1染色体DNA与蛋白质相互作用关系；2细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控；3细胞信号转导的研究；4细胞结构体系的装配。第三十二页，共57页。全世界自然科学研究中论文发表最集中的三个领域分别是：细胞信号转导、细胞凋亡和基因组与后基因组学研究。全球研究最热门的三种疾病：癌症、心血管病、爱滋病和肝炎等传染病。

五大研究方向：细胞周期调控、细胞凋亡、细胞衰老、信号转导和DNA的损伤与修复。第三十三页，共57页。

第二节细胞生物学发展简史细胞生物学这门学科的形成也经历了一个逐渐发展变化过程。从人类第一次发现细胞至今有三百多年的历史了，在这期间，随着技术和实验手段的进步，细胞的研究显现出时代的特征，形成了不同的发展时期。

1细胞学创立时期19世纪以及更前的时期（1665—1875），是以形态描述为主的生物科学时期；

2细胞学经典时期20世纪最后25年（1875—1900），主要是在显微镜下的形态描述，是对细胞认识的鼎盛或黄金时期；

3实验细胞学时期（1900—1953）细胞学与各门学科的交融与汇合（细胞遗传学、细胞生理学、细胞化学等），诞生了细胞生物学；

4分子细胞学时期（1953至今）。总过程概括为：细胞发现→细胞学说建立→细胞学形成→细胞生物学的发展（1665）（1838—1839）（1892）（1965）

R.HookeSchleiden、SchwannHertiwigDeRobertis第三十四页，共57页。一、细胞的发现（discoveryofcell）

细胞的发现与显微镜的发明是分不开的。1604年，詹森(Janssen1588—1628荷兰眼镜商）创造了世界上第一架显微镜，放大倍数只有10—30倍,它是把光学放大装置提高到显微镜水平的标志。

1665年，胡克（RobertHook，英国物理学家，英国皇家学会会员）创造了第一架有科学研究价值的显微镜。放大倍数可达40—140倍（示图）并用其做了大量观察，将结果整理成书《显微图谱》（Micrographia）发表于1665年。在书中描绘了他所见到的木栓是由许多蜂巢状小室排成，并称之为细胞（Cell源于拉丁文Cella，原意为空隙、小室、小房子),是细胞学史上第一个细胞模式图。把综合了细胞结构特点的图解称细胞模式图。

Hooke作为世界上细胞的第一个发现和命名者。↓第三十五页，共57页。

历史上第一个观察到活细胞有机体的是谁呢？

1677年，列文虎克（AntonyVanLeeuwenhoek，1632—1723，荷兰布商，科学家）用自制显微镜看到了活细胞。列文虎克奋斗一生，从一个布店学徒成为一名著名的学者。他一生磨制透镜550块，组装了247架显微镜，至今世界上还保留9架，据保存在荷兰尤特莱克特大学博物馆（UniversityMuseumofUtrechet）的一架考查，放大倍数270倍，分辨力1.4μm。他先是观察了池塘中的原生动物，又观察了人和哺乳动物的精子以及细菌等。1677年，他将结果寄给RobertHooke，给予肯定和各方面支持。鉴于他的卓越贡献，1680年，当选为英国皇家学会会员，1699年，授予巴黎科学院通讯院士的荣誉称号。第三十六页，共57页。二、细胞学说的建立及其意义（Thecelltheory）

自列文虎克后，显微镜制作技术没有多大进展，加上宗教信念“先成论”的影响，因而整个18世纪对细胞的认识还是很粗浅的。直到19世纪30年代，显微镜制作技术有了明显的改进，分辨力提高到1μm以内，同时切片机制作成功（1870年），使细胞的观察手段大大提高，相继有许多学者发现了细胞内的一些重要结构，特别是一些内含物，主要的工作有：（↓）第三十七页，共57页。

1809年，拉马克（Lamarck博物学家）曾认为生物体是由细胞构成的。

1824年，杜特罗切特（Dutrochet）提出细胞组成生物体的说法，“一切组织，一切动植物器官，实质上都是由形态不同的细胞所构成”，但缺乏实验证据。

1831年，布郎（RobertBrown）在兰科植物叶片表皮细胞中观察到一个的圆形区域，命名为细胞核（Nucleus）。

1835年，杜雅丁（E.Dujardin）在低等动物根足虫和多孔虫细胞中发现粘稠状物质，称为肉样质（Sarcode）。

1839年，Purkinje把植物细胞中的物质称原生质(Protoplasm)。

随后，Mohl和Nageli发现，动物细胞中的肉样质和植物细胞中的原生质是一样的，从而确立了动植物细胞具有最基本的共性成分—原生质。至此，细胞的基本结构都被发现了，这些工作虽然对有机体的细胞构造没有作出完整的理论概括，但为细胞学说的建立提供了必要而丰富的实验资料和思想基础。（↓）第三十八页，共57页。1838年，德国植物学家施莱登（J.Schleiden）关于植物细胞的工作，发表了《植物发生论》一文（BeitragezurPhytogenesis）。

1839年，德国动物学家施旺（T.Shwann）关于动物细胞的工作，发表了《关于动植物的结构和生长一致性的显微研究》一文。中心思想是：细胞是一切生物体的基本构成单位和功能单位。这一学说的创立，对当时生物学的发展起了巨大的促进和指导作用，明确了整个自然界在结构上的统一性，推进了人类对整个自然界的认识，有力促进了自然科学和哲学的进步。恩格斯给予高度评价，把它与进化论和能量守恒定律并列为十九世纪自然科学的三大发现。还有人将其与达尔文的进化论（1859）和孟德尔的遗传学（1865）称作现代生物学的三大基石。实际上，可以说细胞学说又是后两者的基石。（↓）第三十九页，共57页。1855年~1858年德国病理学家魏尔和(Virchow)在研究结缔组织的基础上，进步论证了细胞是生命的功能单位，同时也是疾病的原发单位，明确提出了“一切细胞来自细胞”的名言(Omniscellulaecellula)。充实和完善了细胞学说，因此，有人建议细胞学说应当算是在1858年后才最后完成。所以现代完整的细胞学说的内容应该包括：

1、细胞是生物体的基本结构单位（单细胞生物，一个细胞就是一个个体）；

2、细胞是生物体最基本的代谢功能单位（动、植物的各种细胞具有共同的基本构造、基本特性，按共同规律发育，有共同的生命过程）；

3、细胞只能通过细胞分裂而来。其中点是Virchow的贡献。第四十页，共57页。三、细胞学的诞生（细胞学的经典时期和实验细胞学时期）

细胞学说创立以后，很自然地掀起了对各种细胞进行广泛观察和描述的高潮，大大推动了对细胞的研究。19世纪未（最后25年）是细胞研究的繁盛时期，相继发现了许多重要的细胞结构和细胞活动现象。被认为是细胞学经典时期。主要工作有：（↓）第四十一页，共57页。1原生质理论的提出1835年，杜雅丁提出的“肉样质”（Sarcode）就是后来的原生质。1839年，浦肯野（Purkinje）在植物细胞中也发现“Sarcode”，并命名为原生质（Portoplasm）。

随后，Mohl（莫尔）和Nageli（纳哲里）给予统一。认为动物细胞的“肉样质”与植物细胞的原生质具有同样意义，提出了原生质理论，认为有机体的组织单位是一小团原生质。后来，学者们又更明确地把围在核周围的原生质称为细胞质（cytoplasm），把核内的原生质称为核质（karyoplasm）。由于对细胞的全面认识，细胞的含义就和最初的发现定名不同了，1880年，Hanstein提出了原生质体（Protoplast）一词来代替Cell，但由于Cell一词沿用已久，故仍用旧名，而后来Protoplast专指去壁的细胞。（↓）第四十二页，共57页。2关于细胞分裂的研究在这期间相继发现了细胞分裂的各种方式。1838—1839年，冯莫尔曾观察过细胞的间接分裂；1841年Remak发现鸡胚血细胞直接分裂。后由Flemming改称无丝分裂。1878年，Schleicher称间接分裂为核分裂（Karyokinesis）。1880年弗来明（W.Flemming）提出了有丝分裂的概念（mitosis）。1883年VanBeneden在动物，1886年Straburger在植物发现减数分裂（meiosis）。1905年.和明确了核在两代个体间的连续性。（↓）第四十三页，共57页。3重要细胞器的发现

19世纪中叶以前，对细胞的研究主要是通过活细胞进行。由于活细胞各个部分结构的折光率差别不大，故在显微镜下观察细胞的细微结构受到限制。后来，随着显微镜技术的提高，发明了固定法，开始利用石蜡切片技术。经固定的材料，进行一系列处理，染色后在显微镜下观察，相继发现了细胞内的一系列结构。

1866年，Haekel发现质体（Plastid）；1883年，V.Beneden、1888年R.Brown和Boveri相继发现中心体（Centrosome）；1894年Altmann、1898年C.Benda发现线粒体（mitochondrium）；同年，高尔基发现Golgibody。（↓）第四十四页，共57页。4遗传学方面的成就在这期间，实验细胞学和细胞遗传学迅速发展。1866年，Mendel的工作—遗传因子；1871年F.Miescher提取“核素”(Nuclein)；1889年R.Altmann改名为核酸(nucleicacid)；1902年提出遗传染色体学说，认为基因就在染色体上。综上不难看出，19世纪下半叶是细胞学史上的黄金时代，对细胞的研究已全面展开，在这方面形成独立学科的条件已经成熟。1892首先由德国胚胎学家Hertiwig发表专著“Thecell&theTissue”，被认为是细胞学作为一门独立学科的开始，随后，德国另一胚胎学家魏尔逊(Wilson1896)发表“TheCellinDevelopment&Heredity”，《细胞—在发育和遗传中》被认为是第一部系统的细胞学。1925年该书第三版问世，书中Wilson绘制了一幅细胞模式图，反映了光镜时代对细胞结构的认识水平，作为细胞学史上第二个具有代表意义的模型，一直沿用到本世纪50年代。第四十五页，共57页。四、细胞生物学的兴起由于光镜限制，本世纪上半叶40余年，对细胞的认识没有什么突破性进展。直到1933年德国科学家Ruska，在西门子电子公司设计制造了世界上第一架电子显微镜，才把细胞学引向新的发展时期。对细胞的认识更加精细，主要工作有：

1944年Avery等在微生物转化实验中肯定了DNA是遗传物质。

1953年美国分子遗传学家沃森(J.D.Watson)和英国分子生物学家、物理学家克利克(F.H.C.Crick)这两位生物分子舞台上的名角，提出了DNA分子结构的双螺旋模型，标志着分子生物学的诞生。（↓）第四十六页，共57页。1956年，Kornberg从E.Coli

中获得DNA聚合酶，并体外合成DNA成功；1958年，Crick提出了遗传的“中心法则”；这期间细胞化学方面成绩卓著：1924年，孚尔根（Feulgen）创立了定性DNA的特异方法。1940年，希拉舍（Brachet）创立了定性RNA的方法。（Unna法）。除此外，40