细胞生物学基本知识 ppt课件

细胞生物学 Cell Biology 韩晓云 Contact methods: E-mail: Mobile.:Office: S409 open policy 第一章 绪 论 细胞生物学研究任务与内容 细胞生物学的发展历史 发展与展望 细胞在生物中的位置？ 什么是细胞生物学？ 细胞生物学的相关课程体系？ 细胞生物学的相关课程体系 一切生物学问题的答案最终都要 到细胞中去寻找 如生理学、解剖学、遗传 学、免疫学、胚胎学、组织学、发育生物 学、生物化学、分子生物学 什么是细胞生物学？ 细胞：是生物体结构、功能和生命活动的基本单位 。 细胞学（cytology） 基于细胞学说建立起来的。 细胞生物学（cell biology, cytobiology） 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）上研究细胞的结构 与功能、发育与调控，以及细胞间关系和在整个生 命体中的作用。 分子细胞生物学（molecular cell biology)：研究细 胞的生命活动同亚细胞成分的分子机构变化（蛋白 质）联系起来，如：细胞中的遗传信息的表达、代 谢的调控、信号传递等问题。 经历了四个主要发展阶段： 1）1665-1830s，细胞发现，显微生物学。 2）1830s-1930s，细胞学说，Cytology诞生。 3）1930s-1970s，电镜技术应用， Cytology发展为 细胞生物学。 4）1970s以来，分子细胞生物学时代。 信息细胞生物学（ informational cell biology) 细胞生物学的发展过程 细胞生物学的研究内容分三个层次： 1）显微水平，光学显微镜下可见的结构。 2）超微水平，电子显微镜下可见的结构。 3）分子水平，细胞结构的分子组成，及其 在生命活动中的作用。 4 4）信息（信号转导）信息（信号转导） 1.细胞的发现 1665年，英国人 Robert Hook 用自己设计与制造的显 微镜（放大倍数为40-140倍）第一次描述了植物细胞的 构造，并用拉丁文cella 来称呼他所看到的类似蜂巢的 极小的封闭状小室 Robert Hooke and his “cells”Robert Hookes microscope Micrographia 1665年英国人Robert Hooke出版显微图谱 细胞的发现 1680年，荷兰人van Leeuwenhoek 成为皇家学会会员 ，一生中制作了200多台显微镜和500多个镜头。他是第 一个看到活细胞的人，观察过原生动物、人类精子、鲑 鱼的红细胞、牙垢中的细菌等等 之后的160多年里，对细胞的研究没有实质进展。 2.细胞学说 Cytology 有机体是由细胞构成的； 细胞是构成有机体的基本单位 ； 新细胞来源于已存在细胞的分 裂。 Matthias Jacob Schleiden*（18041881) ，德国植物学教授，1838 年发表“植物发生论” ，认 为无论怎样复杂的植物都 由形形色色的细胞构成 Matthias Schleiden Theodor Schwann（ 18101882)，德国解剖学教授 ，一开始就研究Schleiden的细 胞形成学说并完全接受，又应 用到动物中去，于1838年提出 了“细胞学说”（Cell Theory)这 个术语；1939年发表“关于动 植物结构和生长一致性的显微 研究” Theodor Schwann 1855年， 德国人 R. Virchow 提出“一切细胞来源于细胞” 的 著名论断；进一步完善了细胞 学说 把细胞作为生命的一般单位 ，以及作为动植物界生命现象 的共同基础的这种概念立即受 到了普遍的接受。恩格斯将细 胞学说誉为19世纪的三大发现 之一 R. Virchow Pasteur vs. the Spontaneous Generation of Life 1839年， 捷克人 J. E. Pukinye 用protoplasm这一 术语描述细胞物质，“Protoplast”为神学用语，指人 类始祖亚当 1841年，波兰人 R. Remak 发现鸡胚血细胞的直 接分裂（无丝分裂） 1848年，德国人 W. Hofmeister 描绘了鸭跖草的 花粉母细胞，明确的体现出染色体，但他没有认 识到重要性。40年后德国人 H. von Waldeyer 因这 一结构可被碱性染料着色而定名为Chromosome 1864年，德国人 Max Schultze 观察了植物的胞间 连丝 1865年，德国人 J. von Suchs 发现叶绿体 1866年，奥地利人 G. Mendel 发表对豌豆的杂交 试验结果，提出遗传的分离规律和自由组合规律 1868年，英国人 T. H. Huxley 在爱丁堡作题为“生 命的物质基础” 的演讲报告时，首次把原生质的概 念介绍给了英国公众 1871年，德国人 F. Miescher 从脓细胞分离出核酸 1876年，德国人 O. Hertwig 发现海胆的受精现象 1879年，德国人 W. Flemming 观察了蝾螈细胞的 有丝分裂，于1882年提出了mitosis 这一术语 1882年，德国人 E. Strasburger 提出细胞质（ cytoplasm）和核质（nucleoplasm）的概念 1883年，比利时人 E. van Beneden 证明马蛔虫配 子的染色体数目是体细胞的一半，并且在受精过程 中卵子和精子贡献给合子的染色体数目相等 1883年，比利时人 E. van Beneden 和德国人 T. Boveri 发现中心体 1884 德国人 O. Hertwig 和 E. Strasburger 提出细胞 核控制遗传的论断 1886年，德国人 A. Weismann 提出种质论 1890年，德国人 Richard Altmann 描述了线粒体的 染色方法，并推测线粒体与能量代谢有关 1892年，德国人 T. Boveri 和 O. Hertwig 研究了减 数分裂的本质，并描述了染色体联会现象 1898年，意大利人 C. Golgi 发现高尔基体(银染法) 1900年，孟德尔的遗传法则被重新发现(34年后) 1908年，美国人 T. H. Morgan 以果蝇为材料开始 著名的遗传学实验，1910年提出染色体理论，1919 年发表“遗传的本质”(Physical Basis of Heredity)， 1926年发表“基因学说”(The Theory of the Gene) 3.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（分辨力为 0.2nm） 。 1940-50s用电镜观察了各类细胞超微结构。 Cytology发展为Cell Biology。 1940年德国人Gustav Adolf Kausche和 Helmut Ruska 发表了世界第一张叶绿体的电镜照片。 1941年美国人George W. Beadle 和 Edward L. Tatum提出一个基因一个酶的概念。 1942年Salvador Edward Luria和Thomas Foxen Anderson利用电镜观察了噬菌体的形态和特征。 1945年Keith Porter，Ernest Fullam and Albert Claude发现小鼠成纤维细胞中的内质网 。 1947年Sam Granick 和Keith Roberts Porter 得到清晰的叶绿体电镜照片。 1949年加拿大人M. Bar发现巴氏小体。 1950年Callan HG和Tomlin SG观察了核 膜的超微结构。 1954年Dalton AJ和Felix MD观察了高尔 基体的超微结构。 1955年比利时人Christian de Duve发现 溶酶体和过氧化物酶体。 1944年，美国人 O. Avery，C. Macleod 和 M. McCarthy 等人通过微生物转化试验证明DNA是 遗传物质 1953年，美国人 J. D. Watson 和英国人 F. H. C. Crick 提出 DNA 双螺旋 模型 1955年，美国人 Vincent Du Vigneaud因人 工合成多肽而获诺贝尔 奖 4.分子细胞生物学时代 1961年，英国人 P. Mitchell 提出线粒体氧化磷酸化偶联的 化学渗透学说，获1978年诺贝 尔化学奖 19611964年，美国人 Nirenberg 和 Khorana 破译 DNA遗传密码，1968年共获诺 贝尔奖 1968年，瑞士人 Werner Arber 从细菌中发现DNA限制 性内切酶 Khorana(左) 和 Nirenberg(右) 1970 年，美国人 D. Baltimore、R. Dulbecco 和 H. Temin 由于发现逆转录酶而共享诺贝尔奖 1973年，美国人 S. Cohen 和 H. Boyer 将外源基因 拼接在质粒中，并在大肠杆菌中表达，从而揭开基 因工程的序幕 1975年，英国人 F. Sanger 设计出DNA测序的双脱 氧法，于1980年获诺贝尔化学奖 1981年，美国首次发现艾滋病，1983年，法国巴 斯德研究所的Luc Montagbier 发现AIDS病毒HIV， 我国于1985年发现 1983年，美国人 K. B. Mullis 发明PCR仪 ，于1993年获诺贝尔 化学奖。1988年美国 Cetus 公司获PCR技 术专利，1990年其诊 断试剂盒和仪器的销 售额达2600 万美元 1990年，美国国会正式批准“人类基因组计 划”，我国于1993年加入该计划，承担1%的任 务。2000年6月28日人类基因组工作草图完成 1990年，美国国立卫生研究院给一名患有先 天性重度联合免疫缺陷病的4岁女孩实施了首 例基因治疗 1997年，绵羊“多利” 在英国的卢斯林研究所 诞生，成为世纪末的重 大新闻 1998年，美国人 T. Wakayama 和 R. Yanagimachi成功地用冻 干精子繁殖出小鼠 2000年， 世界首例克 隆猪在苏格兰诞生 细胞生物学的发展 2001年，美国人 Leland Hartwell、英国人Paul Nurse、Timothy Hunt因对细胞周期调控机理的研究 而获诺贝尔生理医学奖 细胞生物学的发展 2002年，英国人 Sydney Brenner、美国人H. Robert Horvitz 和英国人John E. Sulston，因器官发育的遗传 调控和细胞程序性死亡方面的成就获诺贝尔奖 细胞生物学的发展 2003年，美国科学家Peter Agre和Roderick MacKinnon，分别因对细胞膜水通道、离子通道结构 和机理研究而获诺贝尔化学奖 细胞生物学研究特点和趋势 细胞结构功能 细胞生命活动 细胞信号转到途径 信号调控网络 体外研究 （in vitro) 体内研究（ in vivo) 静态研究 活细胞的动态研究 实验室研究为主 计算生物学结合 与其他学科的渗透交叉 当前的热点主要有“膜生物学”、“信号 转导”、“细胞周期调控”、“细胞凋亡”、“细 胞分化”、“肿瘤生物学”、“干细胞”等。 细胞生物学的研究热点 本课程学习内容 绪论 细胞基本知识概要 细胞生物学的研究方法 细胞膜与细胞表面 物质的跨膜运输与信号传递 细胞质机制与细胞内膜系统 细胞的能量转换叶绿体和线粒体 细胞骨架 细胞增殖 细胞衰老与调亡 免费的数据库，提供 918种期刊的全文。包 括著名的JCB、PNAS 、JBC等 细胞生物学专业 优秀期刊，提供 1955年以来的全 文。 生物化学方面的 优秀期刊，提供 1905年以来的全 文。 美国科学院学报， 提供1915年以来的 全文，一些经典细 胞生物学论文发表 于该刊。 Pubmed，大名鼎鼎的 免费数据库，属于美国 国立医学图书馆，可查 阅生物医学领域的文摘 。 细胞生物学（第三版） 翟中和等编 高等教育出版 社 2007年8月出版。 细胞生物学 王金发 科学出版社 2003年08月 分子细胞生物学（第三版） 韩贻仁 高等教育出版 社 2007年1月出版 Molecular Biology of the Cell 4th Edition, Bruce Alberts et al., 2002 Cell and Molecular Biology 3rd Gerald Karp, 2002 附录：细胞生物学参考书： 我校具有以下数据库，初步能够满足学习需要。 中国期刊网 万方数据资源系统 国家科技图书文献中心（NSTL） EBSCOhost外文全文数据库 Elsevier外文电子期刊 Springer外文电子期刊 第三节 对未来的展望 目前药品中有15%基于生物技术，这一数字据估 计到2010年会增加到40 %。 生物芯片已广泛应用于科研、医疗、农业、食 品、环境保护、司法鉴定等领域。 转基因动植物的市场前景广阔，2004 年全球转 基因作物的种植面积已经达到8100万公顷。 开发生物乙醇、生物柴油、生物发电、生物氢 等，已经成为许多国家的能源战略。 植物光合作用机理研究取得重大突破，人工光 解水产生的氢气将成为继化石燃料之后主要的能 源。 21世纪生物技术将推动新一轮医学革命 ，从疾病预防、疾病诊断、药物研制、基 因治疗、组织工程、器官移植、抗衰老等 方面，延长人类寿命 第二章 细胞基本知识 细胞的基本概念 细胞的基本共性 原核细胞与真核细胞 病毒 1. 结构上自我装配。 2. 生理活动上自我调节 3. 增殖上自我复制。 4. 遗传上的自身完备。 5. 生命上的完整性。 一、 细胞是构成生物基本结构和功能单位 1. 一切有机体都由细胞构成 病毒除外 单细胞生物(single-celled organisms) 细胞少的有机体盘藻仅有4个、8个或几十 个未分化的相同的细胞组成过渡类型 多细胞生物(multicellular organisms) 由数百、万、亿计的细胞构成。 婴儿21012个细胞 人类的情况 1个受精卵细胞，分裂与分化 婴儿21012个细胞（结构、功能相异） 成人1014个细胞（约有200种不同类型的细胞 ，根据其分化程度又可分为600多种） 构成高等生物体的细胞“社会化”与“独立性” 构成有机体的基本结构单位 2. 细胞具有独立的、有序的自控代谢体系 细胞呈现为一个独立的、有序的、自动控 制性很强的代谢体系。 分泌细胞合成分泌蛋白质或激素 神经细胞神经递质 3. 细胞是有机体生长与发育的基础 细胞的分裂、细胞体积的增长、细胞的分 化与凋亡 。 研究生物的生长与发育必须要以研究细胞 的增殖、生长、分化与凋亡为基础 4. 细胞具有遗传的全能性。 任何一个细胞都有全套的遗传信息，即全套的基 因，具有遗传的全能性 植物单个的生殖细胞或体细胞完整个体 两栖类动物卵细胞完整个体 从动物组织分离出来的单个细胞，多数可以在体 外培养、生长、增殖与传代 哺乳动物的“体细胞克隆” 每一种细胞都有发育为个体的潜在能力 5. 没有细胞就没有完整的生命 实验证明， 破坏细胞结构的完整性， 不能实现 细胞完整的生命活动。 从细胞分离出的任何结构，细胞核或DNA、线粒 体和叶绿体都不能在体外作为生命活动的单位而 存在 病毒离开寄主，不能复制。 细胞是有膜包围的能独立繁殖的原生质 团 1.细胞膜 2.遗传物质 DNA，RNA 3.核糖体 4.细胞二分裂 5.化学成分 二、细胞的基本共性 细胞的化学成分 主要元素：C、H、O、N、P、S、Ca，占99.35% 次要元素：K、Na、Cl、Mg 微量元素：Mn、Fe、Zn等等 无机化合物：H2O、无机盐等 有机化合物：蛋白质、核酸、脂类、糖类 营养贮备多糖 淀粉、糖元 结构多糖纤维素 脂类包括：脂肪酸、中性脂肪、类固醇 、蜡、磷酸甘油酯、鞘磷脂、糖脂、类胡 萝卜素等。脂类参与组成细胞膜和细胞通 信，也是重要的能量储备物质。 2 所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶 嵌蛋白质构成的生物膜细胞膜 使细胞与周围环境保持相对的独立性 。 与环境进行物质、能量的交换和信号转导。 真核细胞的内膜体系，各种以膜为基础的功 能专一的细胞器 3 所有的细胞都有两种核酸DNA与 RNA，作为遗传信息复制与转录的载体 非细胞形态的生命体病毒，只有一种 核酸。 DNA是遗传信息的载体 。 RNA遗传信息的转录及指导翻译蛋白质 分子 4 核糖体存在于一切细胞内 是细胞不可缺少的基本结构；是蛋白质合成 的场所 5 所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行 分裂 遗传物质在分裂前复制加倍，在分裂时均匀 地分配到两个子细胞内。 三、3类不同的细胞 细胞的形态及与功能的关系 单细胞生物的形态通常与细胞外沉积物有关。 眼 虫钟形虫 植物气孔细胞 植物薄壁细胞 导管细胞 高等生物细胞的形状与细胞 功能及细胞间的相互作用有 关。 神经元细胞 卵细胞与精子 红细胞 巨噬细胞 20世纪60年代 真核细胞eukaryotic cell 原核细胞prokaryotic cell 20世纪80年代 古细菌archaebacteria 属于生命的第三种形式。极端嗜盐菌，甲烷微生物等 四、原核细胞（Prokaryotic cell） 没有真正的细胞核，遗传信息量小，结构简 单 环形DNA链存在的地方称为拟核区 ； 细胞质内唯一的细胞器是核糖体； 与呼吸有关的酶系存在于细胞膜上； 细胞壁由肽聚糖与多肽组成。 1. 支原体mycoplasma最小、最简单的细胞， 直径一般0.10.3m，可在培养基上生长， 无细胞壁。基因组为环状双链 DNA，分子量小 ，合成与代谢很有限。 致病性：呼吸道病、胸膜肺炎、关节炎等 肺炎支原体肺炎支原体侵染组织的TEM照片 2 蓝藻Cyanobacteria 又称蓝细菌,光合作用类似于高等植物，而 没有叶绿体 。 DNA分子环状，遗传信息量很大。 体积大，直径约10m 左右，甚至可达70m。 单细胞生物，有些蓝藻 常以细胞群体存在，如： 发菜。 蓝藻 3 细菌 bacteria 可分为：球菌、杆菌和螺旋菌 大肠杆菌 弧形霍乱菌 淋病球菌 肉毒梭菌 1、细胞壁：厚度一般1530nm，主要成分是肽聚 糖. 2、细胞膜：厚约810nm，外侧紧贴细胞壁，通 常不形成内膜系统。 3、拟核：没有核膜， DNA 分子裸露，所含的遗 传信息量可编码 20003000种蛋白质，空间构建 十分精简。 五、真核细胞（Eucaryotic cell） 在亚显微结构水平上划分为三大基本结构体 系： 生物膜系统（内膜系统） 遗传信息表达结构系统 细胞骨架系统 1. 生物膜系统的分化与演变 细胞内部由双层核膜将细胞分成两大结构与功能区域 在细胞质内以膜的分化 为基础形成很多重要的细胞器 线粒体与叶绿体 内质网 高尔基体 溶酶体 细胞核 细胞质 2. 遗传信息表达结构系统 DNA 与蛋白质结合， 存在于细胞核内 细胞核内进行复制与 转录 细胞质内进行翻译 3. 细胞骨架系统 维持细胞形态，起支架作用； 参与大分子的运输、细胞的运动、信息的 传递、基因表达、细胞分裂等； 六、原核细胞与真核细胞的差异 1. 细胞复杂程度 原核细胞真核细胞 细胞大小110m3100m 细胞核没有真正的细胞核有完整细胞核 核膜无有 核仁无有 细胞壁 主要成分是氨基糖 和壁酸 植物细胞和真菌有细胞壁， 动物细胞无。植物细胞主 要成分为纤维素和果胶， 真菌为几丁质。 2. 细胞质内物质 原核细胞真核细胞 线粒体无有 叶绿体无有 内质网无有 高尔基体无有 溶酶体无有 核糖体有(70s)有(80s) 细胞骨架无有 3. 遗传物质，组成，数量 原核细胞真核细胞 染色体仅有一条裸露双链DNA有两条以上DNA，DNA与 蛋白质结合 DNA环状，存在于细胞质中线状，存在于细胞核中 核外DNA有的细胞有质粒有线粒体DNA和叶绿体 DNA DNA与蛋 白质 合成 没有内含子，转录和翻译都 在细胞质中进行 有内含子和外显子，转 录在细胞核中，翻译 在细胞质中 4. 细胞增殖方式和运动性 原核生物和真核生物的细胞分