細胞與細胞生物學(xué)

1、第一章 細胞與細胞生物學(xué)1第一節(jié)細胞生物學(xué)的發(fā)展簡史第二節(jié) 細胞學(xué)說的創(chuàng)立第三節(jié) 細胞的化學(xué)組成第四節(jié)生物體由細胞組成第五節(jié) 細胞生物學(xué)研究進展2要了解生命的奧秘， 就必須知道細胞。細胞生物學(xué)（Cell Biology）研究細胞的生命活動規(guī)律以及整合功能，闡明生命活動的基本規(guī)律。動態(tài)觀點 系統(tǒng)的觀點結(jié)構(gòu)與功能統(tǒng)一的觀點顯微水平超微水平分子水平3第一節(jié) 細胞生物學(xué)的發(fā)展簡史顯微鏡的發(fā)明細胞的發(fā)現(xiàn)與描述細胞分裂與染色體的研究細胞器的發(fā)現(xiàn)分子細胞生物學(xué)的發(fā)展一個多世記以來，細胞生物學(xué)不斷地從其它的學(xué)科中吸取精華，逐漸形成和發(fā)展。二十世記80年代，由于分子生物學(xué)的巨大進步，催生了分子細胞生物學(xué)（Mol

2、ecular Cell Biology）。4顯微鏡的發(fā)明5公元前一世紀，通過球形透明物體去觀察微小物 體時，可以使其放大成像。十七世紀Hooke和Leeuwenhoek的卓越貢獻。二十世紀80年代，制造出激光掃描共聚焦顯微鏡。二十一世紀初超高分辨率熒光顯微鏡的出現(xiàn) 光敏定位顯微鏡（PALM） 隨機光重建顯微鏡（STORM） 受激發(fā)射損耗顯微鏡(STED)電子顯微鏡成為重要工具 超高壓透射電子顯微鏡（HVEM）6細胞的發(fā)現(xiàn)與描述7細胞分裂與染色體的研究1852 Robert Remak discovered that the origin of cells was by the division

3、 of pre-existing cells1863 Rudolf Virchow widely publicized above findings without crediting Remak1869 Johann Friedrich Miescher (nuclein)1873 Anton Schneider (meiosis)1879 Walther Flemming (chromaton, mitosis)1888 Wilhelm von Waldeyer-Hartz, (term chromosome)1902 Walter Stanborough Sutton. (chromos

4、omes carry the units of inheritance)1904 Theodor Boveri (correlation between Mendels factors and chromosomes )1904 William Bateson (genetics)1909 Wilhelm Johannasen (gene)8Robert RemakRudolf Virchow (1863), omnis cellula e cellula (every cell originates from another existing cell like it.) 91878年，德國

5、細胞學(xué)家Walther Flemming首次發(fā)現(xiàn)動物細胞的有絲分裂，并提出有絲分裂（mitosis）的概念，同時還首先觀察到細胞核里存在著嗜堿性染料的細絲狀物質(zhì)，命名為chromatin （染色質(zhì)）。(1878,1882) Omnis nucleus e nucleo (all cell nuclei came from another predecessor nucleus ) 101888年德國解剖學(xué)家 Heinrich Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Hartz才把細胞分裂時出現(xiàn)的著色物體正式命名為chromosome（染色體）。Waldeyer-Hartz

6、, Wilhelm von (German). 1888. ber Karyokinese und ihre Beziehungen zu den Befruchtungsvorgngen. Archiv fr mikroskopische Anatomie und Entwicklungsmechanik 32: 1-1221836-1921111883年Van Beneden和Boveri發(fā)現(xiàn)中心體1894年Altmann發(fā)現(xiàn)線粒體1898年Golgi發(fā)現(xiàn)高爾基器1945年K. R. Porter和A. D. Claude等發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)1954年Johannes和Rhodin發(fā)現(xiàn)過氧化物體1

7、956年Christian de Duve發(fā)現(xiàn)溶酶體1958年Robertis發(fā)現(xiàn)核蛋白體細胞器的發(fā)現(xiàn)顯微鏡制造和顯微觀察技術(shù)的迅速發(fā)展，為發(fā)現(xiàn)細胞器并研究它們的分子結(jié)構(gòu)提供有效的工具。12分子細胞生物學(xué)的發(fā)展細胞生物學(xué)作為分子生物學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，分子生物學(xué)的發(fā)展給細胞生物學(xué)以新的內(nèi)涵。以細胞為對象，研究細胞器和生物大分子與生命活動之間的變化發(fā)展過程，相互關(guān)系，以及它們與環(huán)境之間的相互作用。還包括了細胞在發(fā)育、遺傳、信息傳遞中的活動和細胞生物工程等13第二節(jié) 細胞學(xué)說的創(chuàng)立與發(fā)展細胞理論原生質(zhì)理論現(xiàn)代細胞理論Atomic hypothesis by Democritus （460 - 370 B

8、.C.) 300 B.C., Democritus suggested that all matter was made of small, indivisible objects known as atomon. 141838年，德國植物學(xué)家Schleden發(fā)表了植物發(fā)生論，指出細胞是構(gòu)成植物的基本單位。1839年德國動物學(xué)家Schwann發(fā)表了關(guān)于動植物的結(jié)構(gòu)和生長一致性的顯微研究論文，指出動植物都是細胞的集合物。Schleden和Schwann 兩人共同提出：一切植物動物都是由細胞組成的，細胞是一切動植物的基本單位，這就是著名的細胞學(xué)說（Cell Theory）。細胞理論SchwannS

9、chleden1516 1855年, 德國病理學(xué)家魏爾嘯（Rudolph Virchow）應(yīng)用光學(xué)顯微鏡觀察到所有活細胞只來源于活細胞。 即認為個體的所有細胞都是由原有細胞分裂產(chǎn)生, 現(xiàn)在除細胞分裂外還沒有證據(jù)說明細胞繁殖有其他途經(jīng)。細胞理論的發(fā)展1一切動植物都是由一個或多個細胞所組成；2細胞是生命的基本單位； 3新細胞是由已存在的細胞分裂而來；4細胞是生物體的結(jié)構(gòu)與生理功能的單位；5細胞既可以作為獨立的個體存在，也可以作 為構(gòu)成生物體的基礎(chǔ)單位。早期的細胞理論提出了一切生物體都由一個或多個細胞組成，認為細胞是生命的基本單位，但是這個學(xué)說還假設(shè)了細胞來自非細胞，即細胞通過自發(fā)結(jié)晶（sponta

10、neous crystallization）的非細胞方法形成（free cell formation）。17原生質(zhì)理論From protoplasmic theory to cellular systems biology: a 150-year reflectionAm. J. Physiol. Cell Physiol. June 2010 vol. 298 no. 6 C1280-C1290 細胞統(tǒng)生物學(xué)正在產(chǎn)生規(guī)?？涨暗臄?shù)據(jù)，對細胞結(jié)構(gòu)功能的系統(tǒng)性認識在不斷更新。但是這種“系統(tǒng)”觀的起源可追溯原生質(zhì)體概念的誕生。回顧原生質(zhì)理論在細胞生物學(xué)中的150 年歷史可以發(fā)現(xiàn)正是19世紀的原生質(zhì)理

11、論，而不是細胞理論，驅(qū)動細胞結(jié)構(gòu)功能的研究，因而原生質(zhì)理論與 21 世紀的系統(tǒng)細胞生物學(xué)理論具有不可忽視的相關(guān)性。18現(xiàn)代細胞理論所有的生物都由細胞組成；細胞是生物的基本結(jié)構(gòu)與功能單位；所有細胞都由已存在細胞分裂形成； 所有細胞具有基本相同的化學(xué)組成；細胞含有遺傳信息（DNA），在分裂時遺傳信息傳遞給子細胞；細胞內(nèi)存在生命活動需要的能量代謝過程；單細胞生物由一個細胞組成，多細胞生物由許多個細胞組成；生物體的活性依賴于所有組成生物體的細胞活性的綜合。19第三節(jié) 細胞的化學(xué)組成一般情況下，細胞中水大約占80，無機鹽大約占11.5，蛋白質(zhì)大約占714，脂類大約占12，糖類和其他有機物大約占11.5，

12、這些物質(zhì)在細胞中以不同的形式和功能存在。20細胞的遺傳物質(zhì)原核細胞還是真核細胞都含有攜帶著遺傳信息的DNA， 基因就是DNA分子的一個區(qū)段 基因是遺傳信息的結(jié)構(gòu)與功能單位 基因組是指一個物種的全部遺傳信息的總和1944年美國科學(xué)家艾弗里（O.T. Avery）的肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗，1952年美國微生物學(xué)家赫爾希（A.D. Hershey）和蔡斯（M. Chase）進一步證明遺傳物質(zhì)是DNA而不是蛋白質(zhì)。2122 1953年，沃森（James D. Watson）和克里克（Francis Crick）提出了DNA分子結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型，深刻揭示出生命與遺傳的奧秘。脫氧核糖核酸（DNA)23脫氧核

13、糖核酸 DNA核糖核酸 RNA原核細胞的基因轉(zhuǎn)錄單位（transcript unit） 操縱子（operon）在DNA、轉(zhuǎn)錄和翻譯三個不同層次進行調(diào)控，但轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是最主要的方式。24DNA和染色體水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平上轉(zhuǎn)錄起始的控制和延伸轉(zhuǎn)錄后RNA加工過程和運送中的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控翻譯后的修飾真核細胞基因2526 蛋白質(zhì)（protein） 生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。27 遺傳密碼(codon) 由3個相鄰的核苷酸組成的信使核糖核酸(mRNA)基本編碼單位。有64種密碼子，其中有61種氨基酸密碼子(包括起始密碼子)及3個終止密碼子，由它們決定多肽鏈的氨基酸種類和排列順序的

14、特異性以及翻譯的起始和終止。28脂肪酸（fatty acid）中性脂肪（neutral fats）類固醇（steroids）磷脂（phospholipid）糖脂（glycolipids）類胡蘿卜素(carotenoid)其它脂質(zhì)分子脂質(zhì)（lipids） 生物體中一大類不溶于水而溶于有機溶劑的有機化合物，是熱量的來源和細胞膜、激素的原料。29單糖(monosaccharide)二糖(disaccharide)寡糖(oligosaccharide)多糖(polysaccharide)。糖類 (saccharide) 是多羥基醛(酮)及水解后能生成多羥基醛(酮)的一類化合物。不僅是細胞代謝的重要能源

15、，也是核酸和糖蛋白等重要的生物大分子的結(jié)構(gòu)成分與細胞的結(jié)構(gòu)成分。第四節(jié) 生物體由細胞組成細胞是生命活動的基本單位細胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)單位細胞具有共同的物質(zhì)基礎(chǔ)細胞是代謝的基本單位細胞是生物體生長與發(fā)育的基礎(chǔ)細胞是遺傳的基本單位細胞是生物體對外界環(huán)境反應(yīng)的基本單位30 細胞的多樣性物種多樣性單細胞與多細胞生物原核細胞與真核細胞31原核細胞真核細胞細胞大小較小較大細胞核無成形的細胞核，核物質(zhì)集中在核區(qū)。無核膜，無核仁。DNA不與組蛋白結(jié)合。有成形的真正的細胞核。有核膜，有核仁。DNA與組蛋白形成染色體。細胞質(zhì)除核糖體、蛋白酶體外，無其它的細胞器，沒有恒定的內(nèi)膜系統(tǒng)。除核糖體、蛋白酶體外還有各種細

16、胞器，具有復(fù)雜恒定的內(nèi)膜系統(tǒng)。 分裂方式二分裂為主的無絲分裂。遺傳物質(zhì)為二倍體，分別來自于兩個親本，形成有性生殖，細胞可有絲分裂和減數(shù)分裂。核糖體70S型核糖體承擔(dān)蛋白質(zhì)的合成功能。80S型核糖體承擔(dān)蛋白質(zhì)的合成功能。能量代謝部位細胞膜負責(zé)能量代謝，沒有能量代謝細胞器。具有特異的進行有氧呼吸的細胞器（線粒體）和光合作用的細胞器（葉綠體）細胞壁有，主要成分是肽聚糖。植物細胞和真菌有，主要成分是纖維素、半纖維素、果膠等，動物細胞無細胞壁。DNA復(fù)制單復(fù)制子，一般只有一個復(fù)制起點，速度快。為多復(fù)制子，多個復(fù)制起點，速度慢。代表生物放線菌、細菌、藍藻、衣原體、支原體真菌、植物細胞、動物細胞32 細胞的

17、統(tǒng)一性相同的遺傳物質(zhì)DNA都具有質(zhì)膜都有細胞質(zhì)都具有新陳代謝都具有共同的能量代謝途徑3334 1953年，沃森（James D. Watson）和克里克（Francis Crick）提出了DNA分子結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型，深刻揭示出生命與遺傳的奧秘。 相同的遺傳物質(zhì)DNA35 都有細胞質(zhì)及質(zhì)膜36 都具有新陳代謝 新陳代謝（metabolism），這是生命活動的基本特征。新陳代謝包括物質(zhì)代謝和與之相伴的能量代謝。 合成代謝（anabolism） 分解代謝（catabolism）Nature Reviews Neuroscience 4, 901-909 (November 2003)37 具有共同的

18、能量代謝途徑38細胞的物質(zhì)代謝過程中都伴隨著能量的釋放、轉(zhuǎn)移和利用，稱為能量代謝（energy metabolism）。原核與真核細胞的進化層次差別很大，但是所有細胞都具有共同的能量代謝途徑糖酵解（glycolysis）及三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，又稱Krebs循環(huán)），并且都通過與生物氧化（biological oxidation）相偶聯(lián)的氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）生成三磷酸腺苷（ATP）保存化學(xué)能。 細胞的一般結(jié)構(gòu)39細胞膜40細胞核41細胞內(nèi)膜系統(tǒng)包括細胞核，內(nèi)體，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，高爾基器，溶酶體及轉(zhuǎn)運膜泡等。內(nèi)膜系統(tǒng)是真核

19、細胞特有的結(jié)構(gòu)。42線粒體與葉綠體43核糖體中心體44細胞骨架45第五節(jié) 細胞生物學(xué)研究進展細胞是生命的基本單位，細胞的特殊性決定了個體的特殊性，因此，對細胞的深入研究是揭開生命奧秘、改造生命和征服疾病的關(guān)鍵。50年代以來諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎大都授予了從事細胞生物學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域研究的科學(xué)家?，F(xiàn)如今，對細胞的研究仍然強力地吸引著許多生物學(xué)家與醫(yī)學(xué)家的興趣，有許多有關(guān)細胞生命活動的奧秘需要深入的探索。46 干細胞研究治療性克隆的研究干細胞與組織再生的研究誘導(dǎo)性多能干細胞干細胞的表觀遺傳調(diào)控腫瘤干細胞研究47胚胎干細胞研究48克隆人：兩個不同的目的1. 生殖性克隆 Reproductive cloni

20、ng以產(chǎn)生人嬰兒為目的。2. 治療性克隆 Therapeutic cloning產(chǎn)生人克隆胚胎，提供胚胎干細胞以生產(chǎn)用于治療的組織和器官?？寺∪说闹饕康牟皇菫榱丝寺∪吮旧淼睦?，而是用來為研究，醫(yī)療或其它用途。 符合倫理嗎？合法嗎？49誘導(dǎo)多能干細胞 (iPS, induced pluripotent stem cell）確定了14種新的候選重組基因。通過系統(tǒng)的排除過程，最終也使用了4個基因 OCT3，SOX2，NANOG和LIN28。 50干細胞的表觀遺傳學(xué)研究The Journal of Experimental Medicine （11 ）：2287-2295， 20105152Current Opinion in Genetics & Development 2004, 14:461469Epigenetic control of neural stem cell fate腫瘤干細胞研究Oncogene 23, 72747282， 200453 人造細胞人造細胞（Artificial cells）是一項近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，將對醫(yī)學(xué)與保健產(chǎn)生重大的影響，然而仍有大量的工作需要做。54 2010年5月20日美國科學(xué)雜志報道了世界首例人造單細胞生命體蕈狀支原體（Mycoplasma mycoides）新種株。J. Craig Venter制造出完全由外源性基因組控制的