细胞生物学_第2章_细胞基本知识概要

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1、 1第一章 绪论 第一章 绪论 第一节 细胞生物学的研究内容与现状 第一节 细胞生物学的研究内容与现状 一、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科 细胞生物学细胞生物学(Cell biology)是研究细胞基本生命活动规律的科学，它在不同层次（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。 细胞分子生物学是当今细胞生物学的重点，细胞工程可能是 21 世纪生物工程发展的重要组成部分。 细胞的研究是生命科学的基地，也是现代生命科学发展的重要支柱。早在 1925 年，生物学大师 Wilson 就提出： “

2、一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找” 。 细胞生物学与农业、医学、生物高技术发展有着密不可分的关系，它将在解决人类面临的重大问题，促进经济和社会发展中发挥重要的基础作用。 在高等院校，细胞生物学、分子生物学、神经生物学和生态学并列为生命科学的四大基础学科，反映了现代生命科学的发展趋势。 在未来， 随着分子生物学的迅猛发展， 细胞生物学在揭示生命奥秘中将扮演十分重要的角色。 细胞本身是多层次的复杂结构的体系，它是物质（结构） 、信息与能量的综合体。利用多学科的新理论、新方法与新技术，必将对揭示细胞的生命奥秘产生深远的影响。 二、细胞生物学的主要研究内容 细胞生物学研究与教学内容一般分为细胞结构

3、功能与细胞重要生命活动两大部分。 1、 细胞核、染色体以及基因表达的研究细胞核、染色体以及基因表达的研究 细胞核是遗传物质 DNA 贮存的场所，也是遗传信息转录为 mRNA、rRNA 他 tRNA 的场所。染色质与染色体是遗传物质的载体，核仁是转录 rRNA 与装配核糖体亚单位的具体场所。 核膜与核孔复合体是核质之间物质交换与信息交流的结构。 细胞核与染色体的研究历来是经典细胞学的重点， 也是细胞遗传学的核心部分。 而现代细胞生物学的核心课题之一就是研究染色体结构动态变化与基因表达及其调控的关系， 它是目前细胞生物学、 遗传学与发育2生物学在细胞水平与分子水平上相结合的最活跃的热门课题。 2、

4、 生物膜与细胞器的研究生物膜与细胞器的研究 生物膜是细胞结构的重要基础， 大部分细胞器 （包括核膜） 都是以生物膜为基础构建的。生物膜的主要功能是进行细胞内外物质与信息的交换，也具有对细胞内外因子识别的功能。生物膜的研究又是研究细胞器结构与功能的基础。 细胞器是认识细胞结构与功能的重要组成部分。 产能细胞器如线粒体和叶绿体， 线粒体DNA 与叶绿体 DNA，内质网、高尔基体与溶酶体，核糖体等都是生命活动中极为重要的细胞器。 3、 细胞骨架体系的研究细胞骨架体系的研究 细胞骨架在维持细胞形态与保持细胞内部结构的合理布局中起主要作用。 如细胞内大分子的运输与细胞器的运动、细胞信息的传递、基因表达与

5、大分子加工等均有密切关系。 细胞骨架包括细胞质骨架和细胞核骨架。 4、 细胞增殖及其调控细胞增殖及其调控 一切动植物的生长与发育都是细胞的增殖与分化来实现的。 研究细胞的壮烈的基本规律及其调控机制不仅是控制生物生长与发育的基础，而且是研究癌变发生及逆转的重要途径。目前的研究内容主要是一是从环境中与有机体中寻找控制细胞增殖的因子及其作用机理。 二是寻找控制细胞增殖的关键基因。 5、 细胞分化及其调控细胞分化及其调控 细胞分化是生物发育的基础。它是细胞生物学、发育生物学与遗传学的重要结合点。 一个受精卵是如何通过分裂与分化发育为一个复杂的有机体， 是生命科学中引人入胜的主要课题之一。 目前认为细胞

6、分化的本质是细胞内基因选择性表达特异功能蛋白质的过程。 细胞分化及其调控机制研究， 主要集中于编码特异蛋白质基因的选择性表达规律及其调控方面。 6、 细胞的衰老与凋亡细胞的衰老与凋亡 细胞衰老的研究是研究人与动植物寿命的基础。 细胞的衰老最终会导致机体的衰老。 动物二倍体细胞在体外分裂与传代的次数是有限的， 从而可推测体内细胞的寿命受分裂次数的限制，细胞的衰老是必然规律。 细胞凋亡是近年来生命科学中发展起来的新兴领域之一。 细胞凋亡是由一系列基因控制并受复杂信号调节的细胞自然死亡现象。在机体的生理与病理过程中发挥重要作用。 7、 细胞的起源与进化细胞的起源与进化 3根据古微生物的证据，原始细胞

7、大约在 35 亿年前就在地球上出现，生命的物质只有当其以细胞形式出现时才能稳定地在地球上生存下去。目前有关细胞的起源与进化大多是推测，有待于进一步的研究。 8、 细胞工程细胞工程 细胞工程是细胞生物学与遗传学的交叉领域。 细胞工程技术对农业生产、 医药实践有重要意义，而且也是我们认识细胞生命活动规律的一种重要途径与手段。 细胞工程是用人工方法使不同种细胞的基因或基因组重组到杂交细胞中， 或者使基因与基因组由一种细胞转移到另一种细胞中， 并使越过种的障碍的基因转移成为可能。 如通过动物体细胞杂交而获得单克隆抗体。 9、 其它其它 细胞信号转导也是细胞生物学研究中热门领域之一。此外，细胞外基质、细

8、胞社会学与细胞免疫学等研究。 三、当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域三、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的相互渗透相互交叉是未来发展的总趋势。 因此细胞分子生物学和分子细胞生物学将是今后研究的重要领域。 四、当前细胞生物学研究中的三大基本问题四、当前细胞生物学研究中的三大基本问题 ? 细胞内的基因组（人类大约有 10 万个基因）是如何在时间与空间上有序表达的？ ? 基因表达的产物主要是结构蛋白与核酸、脂质、多糖及其复合物，它们是如何逐级装配成能行使生物活动的基本结构体系及各种细胞器？ ? 基因表达的产物主要是大量活性因子与信号分子， 它们是如何调节细胞最重要的生命

9、活动过程的？如细胞的增殖、分化、衰老等。 五、当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题五、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主要是非组蛋白对基因组的作用 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 在亚细胞水平上将细胞结构分为三大基本结构体系：由蛋白与核酸构建的遗传信息结构体系（包括染色体、核仁、核糖体） ；由蛋白与脂质构建的膜的结构体系（包括细胞膜、核膜与各种细胞器膜） ；由蛋白与蛋白构成的细胞骨架结构体系。 六、目前国际自然科学研究论文主要集中在三个领域：六、目前国际自然科学研究论文主要集中

10、在三个领域： 4细胞信号转导(signal transduction)、 细胞凋亡(sell apoptosis)、 基因组与后基因组学(genome and post-genomic analysis)研究。 七、五大研究方向：七、五大研究方向： 细胞周期调控(cell cycle control ) 细胞凋亡(sell apoptosis) 细胞衰老(cell senescence) 信号转导(signal transduction) DNA 的损伤与修复(DNA damage and repair) 生殖、发育、疾病与衰老生殖、发育、疾病与衰老 细胞增殖。 。 。细胞分化。 。 。细胞衰

11、老。 。 。细胞凋亡 染色体结构动态变化与基因表达 细胞信号转导 细胞重大生命活动细胞重大生命活动 第二节 细胞学与细胞生物学发展简史 第二节 细胞学与细胞生物学发展简史 目前生物科学的发展划分为三个阶段目前生物科学的发展划分为三个阶段 19 世纪以及更前的时期，是以形态描述为主的生物科学时期 20 世纪的前半个世纪，主要是实验生物学时期 20 世纪 5060 年代以来，由于 DNA 双螺旋的发现与中心法则的建立，进入了精细定性与定量的生物学时期。 细胞生物学的建立与发展大致符合这一历史进程。 细胞学与细胞生物学的发展历史大致上可划分为以下几个阶段：细胞学与细胞生物学的发展历史大致上可划分为以

12、下几个阶段： 51、 细胞的发现细胞的发现 1665年 英国学者胡克（Robert Hooke）用自制的显微镜（40140）观察了栎树皮的细胞构造。并第一次用拉丁文 cellar（小室）命名。并箸有显微图谱一书。 1674年 荷兰学者列文虎克（A.V. Leeeuwen）观察鱼的红细胞核结构。 与此同时， 意大利学者 Malpighi 与英国学者 Grew 也注意到了植物细胞中的细胞壁与细胞质的区别。 2、 细胞学说的建立及其意义细胞学说的建立及其意义 ? 1838 年，德国植物学家施莱登（M.J.Schleiden）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

13、物学家施旺（M.J.Schwann）发表了关于动物植物的结构和生长的一致性的显微研究 ，指出动植物都是细胞的集合物。 ? 施旺和施莱登两人共同提出： “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（cell theory） ”. ? 恩格斯把细胞学说、能量转化与守恒定律和达尔文进化论并列为 19 世纪自然科学的“三大发现” 。 细胞学说的基本内容：细胞学说的基本内容： 1. 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。 2. 每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它“自己”生命，又对与其他细胞共同组成的整体的生命有所助益

14、； 3. 新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。 细胞学说的提出对生物科学的发展具有重大意义。人们通常称：细胞学说（施旺和施莱登 18391839） ，进化论（达尔文 1859） ，遗传学（孟德尔 1866）为现代生物学的三大基石。 3、 细胞学的经典时期细胞学的经典时期 (1)、原生质理论的提出、原生质理论的提出 1840年 普金耶(Pukinje)和冯.莫尔(Von Mohl)首次将动物、植物细胞的内含物称为“原生质” 。 1861年 舒尔策（Max Schultze）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，这种物质在一般有机体中是相似的。 1880 年 Hanstein 提出“

15、原生质体”的概念，因此细胞的最后概念就变成 由细6胞膜包围的一团原生质， 分化为细胞核与细胞质。 此时这一名词显然比 cell （细胞、小室）更确切。 (2)、细胞分裂的研究、细胞分裂的研究 1841年 Remak 发现鸡胚血细胞的直接分裂，其后 Flemming 在动物细胞中，Strasburger 在植物细胞中发现有丝分裂 （mitosis） ,并证实有丝分裂的实质是核内丝状物（染色体）的形成及其向两个子细胞的平均分配。 1883 年 Van Beneden 与 1886 年 Strasburger 分别在动物与植物细胞中发现减数分裂，至此发现了细胞分裂的主要类型。 (3)、重要细胞器的发

16、现、重要细胞器的发现 1883年 Van Beneden 和 Boveri 发现中心体 1894 年 Altmann 发现了线粒体，Golgi 发现了高尔基体。 4、 实验细胞学与细胞学的分支及其发展实验细胞学与细胞学的分支及其发展 1、 细胞遗传学的发展细胞遗传学的发展 1876 年 O.Hertwig 发现了动物的受精现象。 1883 年 Van Beneden 发现了蛔虫的卵和精子的染色体只有体细胞的一半。 1888 年 Strasburger 1893 年 Overton 等在植物体也发现了受精现象，并证明生殖细胞的染色体也比体细胞少一半。 1900年 孟德尔在 34 年前发表的遗传法则被重新发现。 1905年 Wilson 发现性别与染色体的关系。魏斯曼（Weissman）推测遗传单位有序地排列在染色体上。 随后， 德国的 Borveri 与美国的 Sutton 不谋而合地提出遗传的染色体学说。 1910年 摩尔根（Morgan）做了大量的实验遗传学工作，证明基因是决定遗传性状的基本单位，而且直线排列在染色