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细胞生物学 CellBiology 1 课程 细胞生物学 任课教师 沈野课时 56学时考试方式 闭卷 2 第一节细胞生物学研究的内容与现状 第一章绪论 PREFACE 地位内容趋势 3 一 细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科 细胞生物学是利用现代物理学和化学的技术成就和分子生物学的概念与方法 研究细胞基本生命活动规律的科学 它从不同层次 显微 亚显微与分子水平 上研究细胞结构与功能 细胞增殖 分化 衰老与凋亡 细胞信号转导 细胞基因表达与调控 细胞起源与进化等 是现代生命科学的重要基础学科 4 细胞是生命体的结构和功能单位 有了细胞才有完整的生命活动 一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找 1925 Wilson 生物的生殖发育 遗传 神经活动等重大生命现象的研究都要以细胞为基础 生命科学的四大基础学科 细胞生物学 分子生物学 神经生物学 生态学 5 二 细胞生物学主要研究的内容 1 生物膜和细胞器结构与功能2 细胞骨架体系3 细胞核 染色体以及基因表达4 细胞增殖与调控5 细胞分化与调控6 细胞的衰老与凋亡7 细胞的起源与分化8 细胞工程 细胞的结构 功能 细胞重大生命活动规律及其调控机制 6 生物膜是细胞结构的重要基础 细胞质膜出现后 才有了真正意义上的生命体 主要内容是膜的结构模型和与物质的跨膜运输以及信号跨膜传递的机制细胞器认识细胞结构与功能的重要组成部分线粒体 叶绿体内质网 高尔基体 溶酶体核糖体RNA 1 生物膜和细胞器的研究 7 2 细胞骨架体系的研究 广义 细胞质骨架 核骨架 维持细胞形态 保持细胞内部结构的合理布局参与一系列的重要生命活动 细胞内大分子的运输与细胞器的运动 细胞信息的传递 基因表达与大分子的加工等 核骨架包括核基质 核纤层和核孔复合体参与核染色体的构建 与基因表达相关 8 3 细胞核 染色体以及基因表达的研究 细胞核 DNA储存和遗传信息进行转录的场所染色质 染色体 遗传物质的载体核仁 转录rRNA 组装核糖体亚单位的场所核孔复合体 核质之间物质交换与信息交流的结构 现代细胞生物学的核心课题之一 研究染色体结构动态变化与基因表达及其调控的关系 9 4 细胞增殖及其调控 控制生物生长与发育的基础 研究癌变发生及逆转的重要途径 研究方法 寻找控制细胞增殖的因子寻找控制细胞增殖的关键基因 5 细胞分化及其调控 细胞分化是生物发育的基础细胞分化的本质是细胞内基因选择性表达特异功能蛋白的过程 10 6 细胞衰老与凋亡 细胞衰老 人与动植物寿命相关 动物二倍体体细胞体外分裂与传代次数有限 体内细胞的寿命受分裂次数限制 寻找 衰老基因 和相关的信号转导途径 细胞凋亡 由一系列基因控制并受复杂的信号调节的细胞自然死亡现象 11 7 细胞的起源与进化 8 细胞工程 是生物学与遗传学的交叉领域 是生物工程的重要组成部分 其他 细胞信号转导 免疫 遗传信息表达的网络调控 12 三 细胞生物学研究的趋势和重点领域 1 细胞内的基因组是如何在时间上和空间上有序表达的 2 基因的表达产物 结构蛋白质 脂质 核酸 多糖及其复合物是如何组装成行使生命活动的基本结构体系及各种细胞器 3 基因表达产物 活性因子与信号分子如何调节细胞生命活动 分子机制 13 细胞生物学发展的轨迹 形态 结构 功能 调控 过去20余年细胞生物学发展的两次大飞跃 1 在分子水平上研究细胞学的问题 MolecularCellBiologyMolecularBiologyoftheCell 2 从分子水平研究向细胞水平回归 GenomicsProteomics 14 重点领域 1 染色体DNA与蛋白质相互作用2 细胞增殖 分化 调亡的相互关系及其调控3 细胞信号转导4 细胞结构体系的组装5 蛋白质与蛋白质相互作用6 细胞内的网络调控 15 细胞生物学研究的一些热点问题 功能基因组学蛋白质组学干细胞研究细胞的信号转导网络细胞周期调控 细胞衰老与凋亡真核基因转录调控细胞生长与分化细胞免疫和分子免疫细胞粘附与细胞通讯 16 第二节细胞学与细胞生物学的发展简史 一 细胞的发现1665年英国胡克 RobertHooke 死细胞壁提出cell1674年荷兰列文虎克 Leeuwenhoek 鱼红细胞细胞核同时 意大利的Malpighi和英国的Grew细胞壁和细胞质的区别二 细胞学说的建立1838年德国植物学家施莱登 植物发生论 细胞是构成植物的基本单位1839年德国动物学家施旺 关于动植物的结构和生长的一致性的显微研究 动植物都是细胞的集合物 17 细胞学说 的内容 1 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 既有它自己的生命 又对其他细胞共同组成的整体的生命有所助益 3 新的细胞可以通过已存在的细胞繁殖产生 德国医生 病理学家魏尔肖 Wirchow 1858 1 细胞只能来自细胞2 一切疾病的基本原理都要到细胞中去寻找 18 现代生物学的三大基石 细胞学说进化论 达尔文 1859 遗传学 孟德尔 1866 19 细胞学说的意义提出了生物同一性的细胞学基础推进了人类对整个自然界的认识有力地促进了自然科学和哲学的进步恩格斯把细胞学说 能量转化与守恒定律 达尔文进化论并列为19世纪自然科学三大发现人们称细胞学说 进化论和遗传学为现代生物学的三大基石 20 三 细胞学的经典时期1 原生质理论的提出原生质 protoplasm 普金耶1840 冯 莫尔1846 动植物细胞的内含物原生质理论 舒尔策1861 有机体的组织单位相似原生质体 protoplast Hanstein1880 细胞是由细胞质膜包围的一团原生质 分化为细胞核和细胞质 21 2 细胞分裂的研究直接分裂Remak鸡胚血细胞有丝分裂Flemming动物细胞Strasburger植物细胞减数分裂vanBeneden动物细胞Strasburger植物细胞3 重要细胞器的发现中心体1883vanBeneden Boveri线粒体1894Altmann高尔基体1894Golgi 22 1880年Flemming首次对细胞的有丝分裂进行了精确的描述 首次观察到了染色体和染色质 认为染色体和染色质是同一物质 并提出了有丝分裂 mitosis 染色质 chromatin 等一系列科学术语 后来又发现了灯刷染色体 遗憾的是Flemming对染色体和灯刷染色体都没有命名 虽然如此 可以说从Flemming开始人们对细胞才有了实质性的研究进展 细胞学从此在科学史上有了一席之地 23 四 实验细胞学时期与分子细胞生物学时期 O Hertwig 1892 实验细胞学1 细胞遗传学的发展1900孟德尔定律重新发现1905Wilson发现性别与染色体的关系Wissman推测遗传单位有序地排列在染色体上否定拉马克的获得性遗传Borveri Sutton提出遗传的染色体学说 把染色体的行为同孟德尔的遗传因子联系起来1910Morgan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体上 建立了基因学说 24 2 细胞生理学的研究组织培养技术1909Harrison Carrel细胞器分离1943Claude3 细胞化学福尔根染色1924DNA定性研究方法紫外分光法1936 1940测定DNA在细胞中的含量 25 五 细胞生物学学科的形成与发展 20世纪50年代以来 电镜下超微结构的认识 生物化学的渗透 导致对功能的进一步了解 结构 功能 20世纪80年代以来 分子生物学的渗透 细胞分子生物学的方向发展 细胞内生命活动的规律和机制 26 1953年DNA双螺旋结构的提出 1958年生物学中心法则的建立明确了细胞最本质问题是自我复制 self replication 这些科学的发现把当时从细胞形态结构研究而引申出的 细胞学 推向了一个更高的阶段 细胞生物学 应运而生 几十年来 特别是近些年来 细胞生物学这门相对年轻的学科得到了极大的发展 例如2019诺贝尔奖NO气体信号分子 99年诺贝尔奖蛋白质信号学说 20年诺贝尔奖多巴胺神经系统信号物质 01年诺贝尔奖细胞周期蛋白 02年诺贝尔奖细胞衰老和凋亡机制等连续多年的诺贝尔奖内容几乎都在细胞生物学范围内 27 进入21世纪 生命科学以更快的速度发展 生命科学成为自然科学研究中的带头学科 目前细胞生物学研究的基本特点和趋势 1 细胞结构和功能 细胞生命活动2 细胞中单一基因与蛋白 基因组与蛋白组3 细胞信号转导途径 信号调控网络4 体外 invitr