第一章-细胞生物学

细胞生物学CellBiology

明庆磊（1#-210室）2013.2第一章绪论本章内容提要：第一节细胞生物学研究的内容与现状一、细胞生物学的概念二、细胞生物学的主要研究内容三、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一、细胞的发现二、细胞学说的建立及其意义三、细胞学形成四、细胞生物学学科的形成与发展五、细胞生物学的研究进展六、与细胞生物学有关的学术刊物及教材第一节细胞生物学研究的内容与现状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）上以主要研究细胞结构与功能、细胞增殖与分化、细胞衰老与凋亡、细胞信号传递、细胞基因表达与调控、细胞起源与进化等。核心问题是将遗传与发育在细胞水平上结合起来。生命体与细胞生命体是多层次、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。Wilson指出“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找”。研究意义生物的生殖发育、遗传和神经活动等重大生命现象的研究都要以细胞为基础。在我国的基础学科发展规划中，细胞生物学、分子生物学、神经生物学和生态学并列为我国的四大基础学科。研究对象、目的和任务研究对象

细胞研究目的探索细胞的基本生命活动规律研究任务以动态的观点、用现代的科学技术从显微、亚显微和分子等三个水平上研究细胞的生命活动规律主要研究内容生物膜与细胞器细胞信号转导细胞骨架体系细胞核、染色体及基因表达细胞增殖及其调控细胞分化及干细胞生物学细胞的衰老与死亡细胞工程细胞的起源与进化细胞生物学研究的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。三大基本问题

细胞内基因组的时空表达

基因表达产物的组装及对生命的调控基因表达产物活性因子和信号分子对细胞生命活动的调节作用若干重大课题（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美国科学情报研究所（ISI）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）。目前全球研究最热门的领域

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）

第二节细胞学与细胞生物学发展简史

一、细胞的发现没有显微镜就不可能有细胞学诞生1.1590荷兰眼镜制造商Janssen父子制作了第一台复式显微镜。2.1665英国人RobertHooke用自己设计与制造的显微镜观察了软木（栎树皮)的薄片。3.荷兰人A.van.Leeuwenhoek是第一个看到活细胞的人。RobertHooke1831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、细胞学说的建立及其意义19世纪30年代建立了细胞学说。

德国植物学家施莱登（M.J.Schleiden,1838）《植物发生论》，《关于动植物的结构和生长一致性的显微研究》（1839），指出所有植物体乃是细胞的组合。动物学家施旺（Schwann,1939）在动物中也证实了这一观点，并首次提出“细胞学说”(celltheory)。

一切动植物都是由细胞组成的，它们依照一定的规律排列在动植物体内。细胞是一切动植物的基本单位。“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。“细胞学说”提出的重大意义

三大发现之一，基石。研究目光转向细胞三、细胞学的经典时期1、原生质理论的提出1840普金耶(Pukinje，1840)在动物细胞中也看到了“肉样质”的东西；1846冯•莫尔(vonMohl，1846)在植物细胞中也看到了“肉样质”的东西，命名为“原生质”(protoplasm)。1861舒尔策(MaxSchultze)认为动物细胞中的“肉样质”和植物细胞中的“原生质”具有同样的意义。他并提出了原生质理论：有机体的组织单位是一小团原生质，这种物质在一般有机体中是相似的。1880Hanstein提出了“原生质体”(protoplast)，这个词比“细胞”（cell）更确切，但由于“细胞”一词沿用已久，故仍采用旧名。原生质体细胞质+细胞核2、细胞分裂的研究1841年雷马克(Remak)在观察鸡胚血细胞时发现了细胞的直接分裂，其后，在动物和植物中都发现了间接分裂或核分裂（Schleicher,1878）；1882年费勒明(Flemming)把直接分裂——无丝分裂，间接分裂或核分裂——有丝分裂；1883年在动物，1886年在植物中分别发现了减数分裂。3、重要细胞器的发现对细胞质研究的重视

细胞研究技术的发展促进了细胞器研究的进展

中心体、线粒体和高尔基体相继被发现。由于这许多发现，所以19世纪的最后25年被称为细胞学的经典时期。四、实验细胞学与细胞学的分支及其发展细胞学的出现：1892年O.Hertwig在《细胞和组织》一书中提出，生物学的基础在于研究细胞的特性、结构和机能，以细胞为基础，对所有生物学现象来作一般性综合，从而使细胞学成为生物科学的一个独立分支。细胞遗传学的发展：细胞遗传学主要从细胞学角度，特别是从染色体的结构和功能，以及染色体和其他细胞器的关系来研究遗传现象，阐明遗传和变异的机制。其核心就是染色体-基因学说。细胞生理学的研究：细胞生理学主要是研究细胞对其周围环境的反应，细胞生长与繁殖的机理，细胞从环境中摄取营养的能力，机体代谢功能与其复制方法，细胞的兴奋性、收缩性、分泌和细胞活动的其它表现机制，生物膜的主动运输和能量传递与生物电等。细胞化学：DNA和RNA的定性与定量研究，细胞组分分离技术、放射自显影技术和超微量分析等方法的广泛运用，对细胞内核酸与蛋白质的代谢作用研究也有很大的促进作用。实验细胞学时期大致是指从20世纪初至50年代的阶段。除上述细胞学的分支外，细胞生物化学、细胞病理学、微生物细胞学与原生动物细胞学等也得到相应的发展。细胞学、遗传学、生理学、化学（1900-1950），超微结构学（1950-1970），生物化学（1950-1970），分子生物学（20世纪70年代以来）三、细胞超微结构研究1932年德国人E.Ruska和M.Knoll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。细胞生物学学科的形成与发展20世纪50年代：电子显微镜与超薄切片技术的结合，产生细胞超微结构学50－60年代：知识的积累和一些细胞结构的了解，生物化学与与细胞学的相互渗透和结合，60年代出现了细胞生物学的概念70年代分子生物学的概念和技术引进细胞学80年代细胞生物学的发展方向为细胞分子生物学四、分子细胞生物学时代1869年瑞士人F.Miescher从脓细胞中分离出核酸，但未引起重视。1944年O.Avery等通过细菌转化试验，1952年M.Chase等通过噬菌体标记感染实验肯定了核酸与遗传的关系。1928年，英国科学家格里菲思（F.Griffith，1877—1941）用肺炎双球菌在小鼠身上进行转化实验。当时，他用了两种不同类型的肺炎双球茵。一种叫R型细菌，它的菌落粗糙，菌体无多糖类的荚膜，是无毒性的球型菌；另一种叫S型细菌，它的菌落光滑，菌体有多糖类的荚膜，是有毒性的球形茵，可以使人患肺炎或使小鼠患败血症。肺炎双球菌转化实验的实验过程如下图艾弗里(OswardAvery)等人(1944)从S型细菌中分别抽提出DNA、蛋白质和荚膜物质，并把每一种成分同活的R型细菌混合，悬浮在合成培养液中。结果发现只有DNA组分能够把R型细菌转变成S型细菌。而且DNA的纯度越高，这种转化的效率也越高。这说明，一种基因型细胞的DNA进入另一种基因型的细胞后，可引起稳定的遗传变异，DNA赋有特定的遗传特性。噬菌体的遗传物质究竟是蛋白质还是DNA呢？科学家首先用放射性同位素35S标记了一部分噬菌体的蛋白质，并用放射性同位素32P标记了另一部分噬菌体的DNA，然后，用被标记的T2噬菌体分别去侵染细菌（左图），当噬菌体在细菌体内大量增殖时，生物学家对被标记物质进行测试。测试的结果表明，噬菌体的蛋白质并没有进入细菌内部，而是留在细菌的外部，噬菌体的DNA却进入了细菌体内，可见，噬菌体在细菌内的增殖是在噬菌体DNA的作用下完成的。1952年Franklin拍摄到清晰的DNA晶体X-衍射照片。1953年她认为DNA是一种对称结构，可能是螺旋。1953年，Watson和Crick提出DNA双螺旋模