分子細(xì)胞生物學(xué)緒論

1、第一章 緒論第一節(jié) 細(xì)胞生物學(xué)研究 的內(nèi)容與現(xiàn)狀一、細(xì)胞生物學(xué)是現(xiàn)代生命科學(xué)的重要基礎(chǔ)學(xué)科 細(xì)胞生物學(xué):是研究細(xì)胞基本生命活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，它從不同層次，包括顯微（電子顯微鏡技術(shù)）、亞顯微（光學(xué)顯微鏡技術(shù)）、分子水平（生物化學(xué)與分子生物技術(shù)）上主要研究細(xì)胞的形態(tài)與結(jié)構(gòu)、代謝與調(diào)控、增殖分化、遺傳變異、衰老與死亡、起源與進(jìn)化、興奮與運(yùn)動(dòng)以及細(xì)胞的傳遞等。 所以，細(xì)胞生物學(xué)是運(yùn)用近代物理學(xué)和化學(xué)的技術(shù)成就以及分子生物學(xué)的概念與方法，以細(xì)胞作為生命活動(dòng)的基本單位為出發(fā)點(diǎn)，從顯微水平、亞顯微水平和分子水平三個(gè)層次上，研究細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、功能及各種生命活動(dòng)規(guī)律。細(xì)胞生物學(xué)研究的對(duì)象是細(xì)胞。細(xì)胞是生命體的結(jié)構(gòu)與

2、生命活動(dòng)的基本單位。有了細(xì)胞才有完整的生命活動(dòng)。細(xì)胞的研究是生命科學(xué)的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代生ing科學(xué)發(fā)展的支柱。生命活動(dòng)的基本規(guī)律生命活動(dòng)規(guī)律包括生長、發(fā)育、遺傳、變異、運(yùn)動(dòng)、傳導(dǎo)、衰老、死亡等等，這些生命活動(dòng)都與細(xì)胞息息相關(guān)，這些重大生命現(xiàn)象的研究都要從細(xì)胞入手，以細(xì)胞研究為基礎(chǔ)。 細(xì)胞生物學(xué)不同于細(xì)胞學(xué)主要表現(xiàn)在：第一，深刻性。它從細(xì)胞整體結(jié)構(gòu)，超微結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行剖析，并把細(xì)胞生命活動(dòng)同分子水平和超分子水平聯(lián)系起來。第二，綜合性。這所研究的內(nèi)容廣泛涉及到許多學(xué)科領(lǐng)域，同生理學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)、發(fā)育生物學(xué)等融合到一起。 所以細(xì)胞的研究是生命科學(xué)的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代生命科學(xué)發(fā)展的重要支柱。

3、在我國基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展規(guī)劃中，把細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和生態(tài)學(xué)并列為生命科學(xué)的四大基礎(chǔ)學(xué)科。它的基礎(chǔ)性也反映了現(xiàn)代生命科學(xué)的發(fā)展趨勢。 細(xì)胞生物學(xué)是目前生物科學(xué)中發(fā)展最快的學(xué)科之一。分子細(xì)胞生物學(xué)是目前細(xì)胞生物學(xué)的重點(diǎn)。細(xì)胞工程是21世紀(jì)生物工程發(fā)展的重要組成部分。可以預(yù)見細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與基本生命活動(dòng)的研究將越來越深入，并將成為21世紀(jì)初生命科學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一。細(xì)胞生物學(xué)的研究內(nèi)容一般可分為兩部分：細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能；細(xì)胞重大生命活動(dòng)。二者是基礎(chǔ)與整體的關(guān)系，難以割裂。二、細(xì)胞生物學(xué)的二、細(xì)胞生物學(xué)的主要研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容 大致可分為以下幾個(gè)方面：(一)細(xì)胞核、染色體以及基因表達(dá)的研究

4、基因表達(dá)與調(diào)控是目前細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)和發(fā)育生物學(xué)在細(xì)胞和分子水平相結(jié)合的最活躍領(lǐng)域.二)生物膜與細(xì)胞器的研究 膜及細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)與功能問題（“膜學(xué)”）。(三)細(xì)胞骨架體系的研究 胞質(zhì)骨架、核骨架的裝配調(diào)節(jié)問題和對(duì)細(xì)胞行使多種功能的重要性。(四)細(xì)胞增殖及其調(diào)控 控制生物生長和發(fā)育的機(jī)理是研究癌變發(fā)生和逆轉(zhuǎn)的重要途徑（“再教育細(xì)胞”）。（五)細(xì)胞分化及其調(diào)控 一個(gè)受精卵如何發(fā)育為完整個(gè)體的問題。（細(xì)胞全能性）(六)細(xì)胞的衰老與程序死亡(七)細(xì)胞的起源進(jìn)化(八)細(xì)胞工程 改造利用細(xì)胞的技術(shù)。生物技術(shù)是信息社會(huì)的四大技術(shù)之一，而細(xì)胞工程又是生物技術(shù)的一大領(lǐng)域。目前已利用該技術(shù)取得了重大成就（培育新品

5、種，單克隆抗體等），所謂21世紀(jì)是生物學(xué)時(shí)代，將主要體現(xiàn)在細(xì)胞工程方面。以上研究內(nèi)容1-3是細(xì)胞器結(jié)構(gòu)與功能的研究，4-6是細(xì)胞生命活動(dòng)與調(diào)控的研究，7-8為細(xì)胞生物學(xué)的應(yīng)用。三、當(dāng)前細(xì)胞生物學(xué)研究的總體趨勢與重點(diǎn)領(lǐng)域三、當(dāng)前細(xì)胞生物學(xué)研究的總體趨勢與重點(diǎn)領(lǐng)域 細(xì)胞生物學(xué)與分子生物學(xué)(包括分子遺傳學(xué)與生物化學(xué)) 相互滲透與交融是總的發(fā)展趨勢；（一）當(dāng)前細(xì)胞生物學(xué)研究中的三大基本問題1、細(xì)胞內(nèi)的基因組是如何在時(shí)間與空間上有序表達(dá)的？2、基因表達(dá)產(chǎn)物-主要是結(jié)構(gòu)蛋白、核酸、脂質(zhì)、多糖及其復(fù)合物，他們?nèi)绾沃鸺?jí)裝備成能行使生命活動(dòng)的基本結(jié)構(gòu)體系及各種細(xì)胞器？3、基因表達(dá)產(chǎn)物-主要是大量活性因子與信號(hào)分

6、子，他們是如何調(diào)節(jié)細(xì)胞最重要的生命活動(dòng)過程的？（二）當(dāng)前細(xì)胞基本生命活動(dòng)研究的若干重大課題1、染色體DNA與蛋白質(zhì)相互作用關(guān)系主要是非組蛋白對(duì)基因組的作用。2、細(xì)胞增殖、分化、凋亡（程序性死亡）的相互關(guān)系及調(diào)控3、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)的研究 4、細(xì)胞結(jié)構(gòu)體系的裝配 （三）最新進(jìn)展美國國立衛(wèi)生研究院在1988年底發(fā)表的一份題為什么是當(dāng)今科研領(lǐng)域的熱門話題？的調(diào)查報(bào)告中指出，目前全球研究最熱門的是： 三種疾?。喊┌Y 心血管病 艾滋病和肝炎傳染病 五大研究方向：細(xì)胞周期調(diào)控 細(xì)胞凋亡 細(xì)胞衰老 信號(hào)傳導(dǎo) DNA的損傷與修復(fù)第二節(jié) 細(xì)胞學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展簡史從研究內(nèi)容來看細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展可以分為三個(gè)層次：顯微

7、水平、超微水平、分子水平一、顯微鏡的發(fā)明與細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)沒有顯微鏡就不可能有細(xì)胞學(xué)誕生。1、1590年，荷蘭眼鏡制造商J和Z.Janssen父子制作了第一臺(tái)復(fù)式顯微鏡，放大倍數(shù)為10倍。2、1665年，英國人Robert Hook首次描述了植物細(xì)胞(木栓)，命名為cella3、1680年，荷蘭人A.van Leeuwenhoek一生中制作了200多臺(tái)顯微鏡和400多個(gè)鏡頭（50-275X） ，用設(shè)計(jì)較好的顯微鏡觀察了許多動(dòng)植物的活細(xì)胞與原生動(dòng)物。4、1752年，英國人J. Dollond 發(fā)明消色差顯微鏡。5、1812年，蘇格蘭人D. Brewster 發(fā)明油浸物鏡，改進(jìn)了體視顯微鏡。6、1834

8、40年，法國父子V Chevalier (1771-1841)和 C Chevalier (1804-1859) 發(fā)明了第一臺(tái)商用消色差顯微鏡。7、1886年，德國人Ernst Abbe 發(fā)明復(fù)消差顯微鏡，并改進(jìn)了油浸物鏡，至此普通光學(xué)顯微鏡技術(shù)基本成熟。8、1932年，荷蘭籍德國人F. Zernike成功設(shè)計(jì)了相差顯微鏡（phase contrast microscope)，并因此獲1953年諾貝爾物理獎(jiǎng)。9、1932年，德國人M.Knoll和E.A.F.Ruska發(fā)明電鏡，1940年，美、德制造出分辨力為0.2nm的商品電鏡。10、1981年，瑞士人G.Binnig和H.RoherI在IB

9、M蘇黎世實(shí)驗(yàn)中心（Zurich Research Center）發(fā)明了掃描隧道顯微鏡而與電鏡發(fā)明者Ruska同獲1986年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。二、細(xì)胞學(xué)說 （16世紀(jì)-19世紀(jì)30年代）1、Jean-Baptiste de Lamark （1744-1829)，獲得性遺傳理論的創(chuàng)始人，法國退伍陸軍中尉，50歲成為巴黎動(dòng)物學(xué)教授，1809年他認(rèn)為只有具有細(xì)胞的機(jī)體，才有生命。2、Charles Brisseau Milbel（1776-1854)，法國植物學(xué)家，1802年認(rèn)為植物的每一部分都有細(xì)胞存在3、Henri Dutrochet （1776-1847），法國生理學(xué)家，1824年進(jìn)一步描述了

10、細(xì)胞的原理4、Matthias Jacob Schleiden（施萊登施萊登）（1804-1881)，德國植物學(xué)教授，1838年發(fā)表“植物發(fā)生論”，認(rèn)為無論怎樣復(fù)雜的植物都有形形色色的細(xì)胞構(gòu)成。5、Theodor Schwann（施旺施旺）（1810-1882)，德國解剖學(xué)教授，一開始就研究Schleiden的細(xì)胞形成學(xué)說，并于1838年提出了“細(xì)胞學(xué)說”（Cell Theory)這個(gè)術(shù)語；1939年發(fā)表了“關(guān)于動(dòng)植物結(jié)構(gòu)和生長一致性的顯微研究” 。Schwann提出：a.有機(jī)體是由細(xì)胞構(gòu)成的；b.細(xì)胞是構(gòu)成有機(jī)體的基本單位。6. 1855 德國人R. Virchow 提出“一切細(xì)胞來源于細(xì)胞

11、”（omnis cellula e cellula）的著名論斷；進(jìn)一步完善了細(xì)胞學(xué)說。把細(xì)胞作為生命的一般單位，以及作為動(dòng)植物界生命現(xiàn)象的共同基礎(chǔ)的這種概念立即受到了普遍的接受。恩格斯將細(xì)胞學(xué)說譽(yù)為19世紀(jì)的三大發(fā)現(xiàn)之一。 當(dāng)時(shí)細(xì)胞學(xué)說的基本內(nèi)容：（1）細(xì)胞是有機(jī)體，一切動(dòng)植物都是由細(xì)胞發(fā)育而來，并由細(xì)胞和細(xì)胞的產(chǎn)物構(gòu)成；（2）每個(gè)細(xì)胞作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單位，既有它自己的生命，又對(duì)與其他細(xì)胞共同組成的整體的生命有所助益；（3）新的細(xì)胞可以通過來的細(xì)胞繁殖產(chǎn)生。三、細(xì)胞學(xué)的經(jīng)典時(shí)期（19世紀(jì)中期20世紀(jì)初） 這一時(shí)期的研究方法，主要是顯微鏡下形態(tài)的描述。 1、原生質(zhì)理論的提出 自從迪雅爾丹在原生

12、動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了十分均勻、有彈性、能收縮的膠狀物質(zhì)后，就稱它為“肉樣質(zhì)”。其后1840年普金耶（Pukinje）在動(dòng)物，1846年馮莫爾在植物細(xì)胞中也看到了“肉樣質(zhì)”的東西，并命名為“原生質(zhì)”。1861年舒爾策（Max Schultze）認(rèn)為動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)的“肉樣質(zhì)”和植物細(xì)胞內(nèi)的“原生質(zhì)”具有同樣的意義。由此提出了原生質(zhì)理論：有機(jī)體的組織單位是一小團(tuán)原生質(zhì)，這種物質(zhì)在一般有機(jī)體中是相似的。至此，細(xì)胞的含義就和最初發(fā)現(xiàn)時(shí)大不相同了。于是漢森（Hanstein,1880）就提出 “原生質(zhì)體（protoplast），但由于cell一詞沿用已久，因此人們?nèi)圆捎门f名。2、細(xì)胞分裂的研究 1841年雷馬克

13、（Remak）在觀察雞胚血細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞的直接分裂，其后費(fèi)萊明（Flemming）在動(dòng)物細(xì)胞，施特拉斯伯格（strasburger）在植物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了有絲分裂，并證實(shí)有絲分裂的實(shí)質(zhì)是核內(nèi)絲狀物（染色體）的形成及其向兩個(gè)子細(xì)胞的平均分配。1883年范貝內(nèi)登（Van Beneden）在動(dòng)物細(xì)胞，1886年施特拉斯伯格在植物細(xì)胞中又發(fā)現(xiàn)了減數(shù)分裂，至此細(xì)胞分裂的主要類型都被人類發(fā)現(xiàn)了。3、重要細(xì)胞器的發(fā)現(xiàn)。1883年范貝內(nèi)登（Van Beneden）和博費(fèi)里（Bovri）發(fā)現(xiàn)了中心體，1894年阿爾特曼（Altmann），1897年本達(dá)（Benda）發(fā)現(xiàn)了線粒體，1898年高爾基（Golgi）發(fā)現(xiàn)

14、了高爾基體。四、實(shí)驗(yàn)細(xì)胞學(xué)與細(xì)胞學(xué)的分支及其發(fā)展 （20世紀(jì)初20世紀(jì)中葉）隨著研究的深入，細(xì)胞學(xué)在發(fā)展過程中自然而然地與遺傳學(xué)、生理學(xué)、生物化學(xué)聯(lián)系起來，由此出現(xiàn)了三個(gè)重要的分支科學(xué)，即：細(xì)胞遺傳學(xué)、細(xì)胞生理學(xué)和細(xì)胞化學(xué)。一、細(xì)胞遺傳學(xué) 1876年赫特維希兄弟（Q和RHertuing）在研究海膽卵受精作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)受精后兩個(gè)親本細(xì)胞核具有合并的現(xiàn)象。1888年施特斯伯格在植物體也發(fā)現(xiàn)兩個(gè)親本細(xì)胞核的合并現(xiàn)象，并證明植物生殖細(xì)胞的染色體，也象動(dòng)物一樣比體細(xì)胞少一半。 遺傳的基本規(guī)律是1865年由孟德爾（Gregeor Mendel）發(fā)現(xiàn)的。但當(dāng)時(shí)對(duì)生殖的細(xì)胞變化沒有足夠的了解，不足以用來解釋遺傳

15、性狀的自由分配定律。由于這些原因，Mendel的工作當(dāng)時(shí)未引起人們的重視。直到1901年孟德爾遺傳定律才被重新發(fā)現(xiàn)。這時(shí)細(xì)胞學(xué)的進(jìn)展已經(jīng)能夠?qū)γ系聽栒J(rèn)定的遺傳單位分配機(jī)制有所理解和說明。已知體細(xì)胞的遺傳組是雙倍體，而生殖細(xì)胞或配子是單倍體。1905年威爾遜（Wilson）證實(shí)性別與染色體的關(guān)系， 19021903年德國的博韋里（Boveri）同美國的薩頓（Sutton）不謀而合地提出了“染色體遺傳理論”。1910年摩爾根（Morgan）以果蠅為材料，研究它的遺傳與變異，證明基因是決定遺傳性狀的基本單位，而且直線排列在染色體上，由此建立了基因?qū)W說，并為細(xì)胞遺傳學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。二、細(xì)胞生理學(xué)最

16、早的細(xì)胞學(xué)知識(shí)大都是根據(jù)對(duì)固定和染色后的細(xì)胞和組織的觀察而得來的，到1899年后，人們研究的興趣轉(zhuǎn)移到活細(xì)胞上。1909年，哈瑞森（Harrison）開辟了研究活動(dòng)細(xì)胞的一個(gè)重要途徑，他發(fā)現(xiàn)胚胎的神經(jīng)細(xì)胞能在體外生長和分化，由此產(chǎn)生了組織培養(yǎng)技術(shù)，純系細(xì)胞株的分離，特別是腫瘤細(xì)胞株的建立及組織培養(yǎng)就成為研究正常細(xì)胞和癌細(xì)胞的活細(xì)胞結(jié)構(gòu)和行為的一種理想的技術(shù)。三、細(xì)胞化學(xué)細(xì)胞化學(xué)是細(xì)胞學(xué)和物理學(xué)及化學(xué)相結(jié)合的一門“邊緣”科學(xué)。1924年孚爾根（Feulgen）等介紹了他們首創(chuàng)的孚爾根核染色反應(yīng)，1940年布勒歇（Brachet）用昂納染色液（甲基綠的派洛寧染色法）來測定細(xì)胞中的DNA與RNA?？?/p>

17、斯柏森（Caspersson）用紫外光顯微分光光度法測定DNA在細(xì)胞中的含量。目前細(xì)胞化學(xué)這一分支學(xué)科仍然保持著強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢，尤其是在近20年，由顯微分光光度計(jì)到流式分光光度檢測技術(shù)，由免疫熒光與免疫膠體到技術(shù)微光基焦點(diǎn)掃描顯微鏡技術(shù)等，使細(xì)胞成分，特別是核酸與蛋白質(zhì)的定性、定位、定量以及動(dòng)態(tài)變化的研究達(dá)到了空前的精確性與專一性。五、細(xì)胞生物學(xué)學(xué)科的形成與發(fā)展（20世紀(jì)50年代至今） 細(xì)胞生物學(xué)的形成的基礎(chǔ)是：細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的研究；細(xì)胞生物化學(xué)的發(fā)展；70年代以來分子生物學(xué)的概念與技術(shù)引入細(xì)胞學(xué)。概括地說，細(xì)胞生物學(xué)是以細(xì)胞作為一切有機(jī)體進(jìn)行生命活動(dòng)的基本單位，在各個(gè)層次上（顯微、亞顯微、分子

18、水平）研究細(xì)胞生命活動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。 其主要發(fā)展方向是細(xì)胞分子生物學(xué)。第三節(jié) 細(xì)胞生物學(xué)的現(xiàn)狀和發(fā)展前景1.細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)與功能方面 最突出的成就是關(guān)于染色體夫人基本結(jié)構(gòu)單位-核小體，其次DNA有大量重復(fù)序列，出現(xiàn)了分割基因、跳躍基因等新概念。2.生物膜 目前主要兩個(gè)研究方向：一個(gè)是由整體向細(xì)的方向發(fā)展；二是分子之間的相互關(guān)系。三是生物膜在工農(nóng)醫(yī)等方面的應(yīng)用前景。 從當(dāng)前的研究動(dòng)態(tài)來看，在膜的結(jié)構(gòu)上比較集中在脂-蛋白的相互作用上膜的流動(dòng)性與植物的抗冷性以及心肌細(xì)胞的正常功能、生物膜與能量轉(zhuǎn)換。3.細(xì)胞骨架 近年來在細(xì)胞和中發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，細(xì)胞骨架除了制成細(xì)胞形態(tài)還與細(xì)胞的一切生命活動(dòng)密切相關(guān)。 近年來在細(xì)胞和中發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，細(xì)胞骨架除了制成細(xì)胞形態(tài)還與細(xì)胞的一切生命活動(dòng)密切相關(guān)。4.細(xì)胞周期及調(diào)控 例如癌細(xì)胞的增殖及衰老問題。5.細(xì)胞分化 細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)在于一部分的基因開放，一部分基因關(guān)閉。6.基因的表達(dá)和調(diào)控目前主要研究基因表達(dá)的問題，其次是轉(zhuǎn)