细胞生物学讲稿.doc

细胞生物学讲稿第一章（Chapter One） 绪 论（Introduction to cell biology）该章节学习的目的1、对细胞生物学这门学科有较全面的理解，对学习内容有比较明确的把握细胞生物学是以细胞为研究对象, 从细胞的整体水平（显微）、亚显微水平（包括各类细胞器、细胞内膜系统、细胞遗传信息结构体系、细胞骨架系统等）、分子水平等三个层次，以动态的观点, 研究细胞和细胞器的结构和功能、细胞的起源与进化和各种生命活动规律的学科。2、了解一点细胞生物学发展简史比如细胞是如何发现的，相关学说的演进，细胞生物学的建立及其内容的延伸和拓展，现在的研究状况等等。本章学习的内容第一节 细胞生物学的研究内容与现状第二节 细胞学与细胞生物学发展简史第一节 细胞生物学的研究内容与现状一、细胞生物学是什么样一门学科？ 细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科。 在我国科学发展规划中，把细胞生物学、分子生物学、神经生物学和生态学列为生命科学的四大基础学科。大家可以看到“基础”这个词，为什么细胞生物学能重要到成为其他诸多学科的基础呢？理由：1925年生物学大师Wilsion提出 “一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找” 生命科学发展至今，众多科学成果显示，生物的生殖发育、遗传、神经（脑）活动等重大生命现象的研究都必须以细胞为基础，这一认知已是毫无疑问，细胞就是研究生命科学均需接触到的实体，为什么？因为所有的生命体都是由细胞组成的，细胞是生命的基本单位，就好比原子是物理性质的最小单位，分子是化学性质的最小单位，原子是物理学研究对象，分子是化学的，而细胞就是生命科学的。细胞生物学与其他学科的结合衍生了许多交叉学科，例如细胞遗传学(cytogenetics)（遗传学和细胞学结合建立了细胞遗传学，主要是从细胞学的角度, 特别是从染色体的结构和功能, 以及染色体和其他细胞器的关系来研究遗传现象, 阐明遗传和变异的机制。）、 细胞生理学(cytophysiology)（细胞学同生理学结合建立了细胞生理学，主要研究内容包括细胞从周围环境中摄取营养的能力、代谢功能、能量的获取、生长、发育与繁殖机理, 以及细胞受环境的影响而产生适应性和运动性的活动。细胞的离体培养技术对细胞生理学的研究具有巨大贡献。）、细胞化学(cytochemistry)（细胞学和化学的结合产生了细胞化学,主要是研究细胞结构的化学组成及化学分子的定位、分布及其生理功能, 包括定性和定量分析。如1943年克劳德(Claude)用高速离心法从细胞匀浆液中分离线粒体，然后研究它的化学组成和生理功能并得出结论: 线粒体是细胞氧化中心。1924年Feulgen发明的DNA的特殊染色方法-Feulgen反应开创了DNA的定性和定量分析。），甚至有细胞社会学(cell sociology)（细胞社会学是从系统论的观点出发，研究细胞整体和细胞群体中细胞间的社会行为(包括细胞间识别、通讯、集合和相互作用等)，以及整体和细胞群对细胞的生长、分化和死亡等活动的调节控制。细胞社会学主要是在体外研究细胞的社会行为，用人工的细胞组合研究不同发育时期的相同细胞或不同细胞的行为; 研究细胞之间的识别、粘连、通讯以及由此产生的相互作用、作用本质、以及对形态发生的影响等。）特别是分子生物学的发展，使得细胞生物学取得了突破性的进展，产生了许多新的生长点，并逐渐形成新的概念与新的领域，例如分子细胞生物学（molecular biology of the cell）（以细胞为对象, 主要在分子水平上研究细胞生命活动的分子机制, 即研究细胞器、生物大分子与生命活动之间的变化发展过程, 研究它们之间的相互关系, 以及它们与环境之间的相互关系。）可以说现代细胞生物学就是经典细胞学与分子生物学相结合形成的一门交叉学科，它是应用现代物理化学技术成就和分子生物学的概念与方法，以细胞作为生命活动的基本单位的思想为出发点，探索生命活动规律的学科。经典细胞学的知识范畴集中在细胞结构与功能这一块，20世纪70年代中期开始，分子生物学的引入，使得细胞重要生命活动规律及其调控机制的研究迅猛发展，使得细胞的知识结构丰富起来，同时也极大地促进了生命科学的发展。好，下面就来说说细胞生物学的主要研究内容。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可以分为细胞结构功能与细胞重要生命活动两大基本部分，但它们又不能截然分开。当前细胞生物学的研究内容主要有下面这么几项1.细胞核、染色体及基因表达的研究2、生物膜与细胞器研究3、细胞骨架体系研究4、细胞增殖及其调控5、细胞分化及其调控6、细胞的衰老及其调控7、细胞的起源与进化8、细胞工程可以看出这些研究领域基本上都同时包含了细胞结构功能与细胞重要生命活动两大基本部分，它们是揉合在一起的。下面，我简单地就每项内容进行系统介绍三、当前细胞生物学主要研究热点The NIH of USA(1988): National Institutes of Health (美国)(卫生、教育与福利部)国家卫生研究所 “What is popular in research today？” 3 kinds of diseases ： cancer癌症 cardiovascular diseases心血管疾病KK: infectious diseases：AIDS，hepatitis传染病：爱滋病，肝炎 5 research fields ： cell cycle control ；细胞周期调控 cell apoptosis；细胞凋亡 cellular senescence；细胞衰老 signal transduction；信号转导 DNA damage and repair：DNA损伤与修复ISI, USA(1997) : Institute for Scientific Information美国科技情报所 SCI（Science Citation Index）Papers: 科学引文索引 Three tops of research fields: No1: Signal transduction；信号转导信号分子(signaling molecules)信号分子是指生物体内的某些化学分子, 既非营养物, 又非能源物质和结构物质,而且也不是酶,它们主要是用来在细胞间和细胞内传递信息, 如激素、神经递质、生长因子等统称为信号分子,它们的惟一功能是同细胞受体结合, 传递细胞信息。信号转导(signal transduction)即信号的识别、转移与转换。No2: Cell apoptosis；细胞凋亡又称程序性细胞死亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序性的死亡，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用，因而是具有生理性和选择性的。Apoptosis的概念来自于希腊语，原意是指树叶或花的自然凋落，而细胞发生程序性死亡时，就像树叶或花的自然凋落一样，凋亡的细胞散在于正常组织细胞中，无炎症反应，不遗留瘢痕。死亡的细胞碎片很快被巨噬细胞或邻近细胞清除，不影响其他细胞的正常功能。这一研究的成果将对于医学界医治癌症具有重大的影响。大家可以想象，如果能探索出一种方法，使得体内的癌变细胞可以呈现细胞凋亡，那么癌症也就可以治愈了，当然这只是一种猜测。No3: Genome and post-genomic analysis基因组与后基因组分析不仅涉及到细胞，更是从分子角度去探索下面我将对本门课程即将需要学习的内容进行简单介绍四、细胞生物学的教学内容细胞生物学的教学内容一般可分为细胞结构功能与细胞重要生命活动两大基本部分：第一部分 细胞的结构及各部分的主要功能1、细胞结构概观；2、细胞表面与细胞连接；3、细胞质基质及内膜系统；4、线粒体与氧化磷酸化；5、叶绿体与光合作用；6、核糖体与蛋白质合成；7、细胞骨架；8、细胞核与染色体；第二部分 细胞的重要生命活动，包括：1、细胞的繁殖及其调控；2、细胞分化及其调控；4、细胞通讯3、细胞的衰老与凋亡；4、细胞进化等。五、课程的重点和难点内容一）、膜的分子结构和特点及物质跨膜运输；（第四、五章）二）、细胞质基质的组分及其功能；（第六章）三）、细胞连接的方式；（第四章）四）、细胞的信号传导；（第五章）五）、蛋白质合成：信号假说（第六章第五节）六）、蛋白质分选与膜泡运输（第六章第五节）七）、染色质结构、染色体基本知识及3种功能元件；（第八章）八）、细胞骨架体系；（第十章）九）、细胞周期及其调控（第十一章）十）、细胞凋亡的形态学特征及其鉴别方法（第十三章）六、怎么样才能学好细胞生物学？第一、认识细胞生物学课程的重要性，正如原子是物理性质的最小单位，分子是化学性质的最小单位，细胞是生命的基本单位。50年代以来诺贝尔生理与医学奖大都授予了从事细胞生物学研究的科学家，可见细胞生物学的重要性。如果你将来打算从事生物学相关的工作，学好细胞生物学能加深你对生命的理解。第二、明确细胞生物学的研究内容，即：结构、功能、生活史。生物的结构与功能是相适应的，每一种结构都有特定的功能，每一种功能的实现都需要特定的物质基础。如肌肉可以收缩、那么动力是谁提供的、能量从何而来的？第三、从显微、超微和分子三个层次来认识细胞的结构与功能。一方面每一个层次的结构都有特定的功能，另一方面各层次之间是有机地联系在一起的。结构是基础，功能的分子机制是学习的重点。第四、细胞生物学涉及分子生物学、生物化学、遗传学、生理学等几乎所有生物系学过的课程，将学过的知识与细胞生物学课程中的内容关联起来。多问自己几个为什么。将学过的知识与细胞生物学课程中讲到的内容关联起来，比较一下有什么不同，有什么相同，为什么？另一方面细胞生物学各章节之间的内容是相互关联的，如我们在学习线粒体与叶绿体的时候，要联想起细胞物质运输章节中学过的DNP、FCCP等质子载体对线粒体会有什么影响，学习微管结构时要问问为什么微管蛋白是一种G蛋白，而微管蛋白不是，学习细胞分裂时要想想细胞骨架在细胞分裂中起什么作用，诸如此类的例子很多。第五、紧跟学科前沿，当前的热点主要有“信号转导”、“细胞周期调控”、 “细胞凋亡”等。细胞生物学是当今发展最快的学科之一，知识的半衰期很短（可能不足5年），国内教科书由于编撰周期较长，一般滞后于学科实际水平5-10年左右，课本中的很多知识都已是陈旧知识。有很多办法可以使你紧跟学科前沿：一是选择国外的最新教材，中国图书进出口公司读者服务部/link/index.php那里可以买到很多价廉物美的正宗原版教材（一般200-400元，只相当于国外价格的1/5）；二是经常读一些最新的期刊资料，如果条件所限查不到国外资料，可以到中国期刊网、万方数据等数据库中查一些综述文章，这些文章很多是国家自然科学基金支助的，如在中国期刊网的检索栏输入关键词“细胞凋亡”，二次检索输入关键词“进展”，你会发现一大堆这样的文章，都是汉字写的比读英文省事。第六、学一点科技史，尤其是生物学史，看看科学家如何开展创造发明，学习他们惊人的毅力、锐敏的眼光和独特的思维。牛顿说过：“我之所以比别人看得更远，是因为站在巨人的肩膀上。”第八、上课要听讲，重点内容做笔记，课后对所学知识作归纳总结。第二节 细胞学与细胞生物学发展简史从研究内容来看细胞生物学的发展可分为三个层次，即：显微水平、超微水平和分子水平。从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段：第一阶段：从16世纪后期到19世纪30年代，是细胞发现和细胞知识的积累阶段。通过对大量动植物的观察，人们逐渐意识到不同的生物都是由形形色色的细胞构成的。第二阶段：从19世纪30年代到20世纪初期，细胞学说形成后，开辟了一个新的研究领域，在显微水平研究细胞的结构与功能是这一时期的主要特点。形态学、胚胎学和染色体知识的积累，使人们认识了细胞在生命活动中的重要作用。1893年Hertwig的专著细胞与组织（Die Zelle und die Gewebe）出版，标志着细胞学的诞生。其后1896年哥伦比亚大学Wilson编著的The Cell in Development and Heredity、1920年墨尔本大学Agar编著的Cytology 都是这一领域最早的教科书。第三阶段：从20世纪30年代到70年代，电子显微镜技术出现后，把细胞学带入了第三大发展时期，这短短40年间不仅发现了细胞的各类超微结构，而且也认识了细胞膜、线粒体、叶绿体等不同结构的功能，使细胞学发展为细胞生物学。De Robertis等人1924出版的普通细胞学（General Cytology）在1965年第四版的时候定名为细胞生物学（Cell Biology），这是最早的细胞生物学教材之一 。第四阶段：从20世纪70年代基因重组技术的出现到当前，细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密，研究细胞的分子结构及其在生命活动中的作用成为主要任务，基因调控、信号转导、肿瘤生物学、细胞分化和凋亡是当代的研究热点。一、细胞的发现细胞的发现与显微镜的发明紧密相连。没有显微镜就不可能有细胞学诞生。第一台显微镜并不是我们所熟知的Robert Hooke所发明的，而是在1604年，荷兰眼镜商詹森(Jansen)父子研制出了世界上第一台显微镜，尽管其放大倍数不超过10倍，但第一次使人们看到了原先肉眼看不到的东西，具有划时代的意义。 而Robert Hooke是第一次描述了细胞，并第一次提出“cellulae”这个词，1665年英国人Robert Hooke用自己设计与制造的显微镜（放大倍数为40-140倍）观察了软木（栎树皮）的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，并首次用cells（小室）这个词来称呼他所看到的类似蜂巢的极小的封闭状小室（实际上只是观察到到纤维质的细胞壁）。In 1665, Robert Hooke，an England scientist， saw a network of tiny boxlike compartments that reminded him of a honeycomb. He called these little compartments “cellulae”, a Latin term meaning little room. It is from this word we get our present-day term, cell. 1665年，英国科学家Robert Hooke发现了一些网状类似蜂巢的极小的封闭状小室，他称它们为“cellulae”,这个词是拉丁语，意思就是小室。由这个词发展成为今天我们所知道的cell。Hooke第一次观察的是植物材料，到1677年荷兰生物学家列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek)在动物方面进行了观察和研究，证明了动物也具有细胞的结构。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。一生中制作了200多台显微镜和500多个镜头。1752 英国望远镜商人J. Dollond 发明消色差显微镜。1812 苏格兰人D. Brewster 发明油浸物镜，并改进了体视显微镜。 1886 德国人Ernst Abbe 发明复消差显微镜，并改进了油浸物镜，至此普通光学显微镜技术基本成熟。1932 德国人M. Knoll和E. A. F. Ruska描述了一台最初的电子显微镜，1940年美国和德国制造出分辨力为0.2nm的商品电镜。1932 荷兰籍德国人F. Zernike成功设计了相差显微镜（phasecontrast microscope) ，并因此获1953年诺贝尔物理奖。1981瑞士人G. Binnig和H. RoherI在BM苏黎世实验中心（Zurich Research Center）发明了扫描隧道显微镜而与电镜发明者Ruska同获1986年度的诺贝尔物理学奖。实际上经典细胞学的发展就是显微镜的发展二、细胞学说的建立1839年德国植物学教授Schleiden和德国解剖学教授Schwann共同提出细胞学说Two tenets of cell theory:细胞学说的两大宗旨（原则，理念）1.All organisms are composed of one or more cells.一切有机体都是由一个或多个细胞组成2.The cell is basic unit of structure and function for all organisms.细胞是构成有机体的基本单位。1855 德国人R. Virchow 提出“一切细胞来源于细胞”（omnis cellula e cellula）的著名论断，进一步完善了细胞学说。他提出第三个理念The third tenets3.All cells arise only from preexisting cells by division.新细胞仅通过老细胞分裂产生。三、细胞学经典时期及细胞学的分支19世纪后期显微技术的改进，生物固定技术（如：Fleming 1882，1884；Canoy 1886）和染色技术的出现极大的方便了人们对细胞显微结构的认识，各种细胞器相继被发现，20世纪30年代电子显微镜技术的问世，是细胞形态的研究达到了空前的高潮。20世纪50年代分子生物学的兴起，推动细胞生物学的研究进入了分子水平。十九世纪下半叶是对细胞研究与收获的黄金时代，1866年Mendel提出了基因学说；1898年高尔基体被发现；1899年发现了植物的双受精作用；还有细胞的无丝分裂(amitosis)，有丝分裂(mitosis)与染色体，减数分裂(meiosis)，中心粒，线粒体等都是在该时期看到的。德国胚胎和解剖学家O.Hertwig“细胞和组织”一书的出版(1892)标志着细胞学作为一门独立学科的建立。在细胞学获得一系列成就的基础上，一些有关的学科也应运而生，胚胎学、细胞遗传学、细胞生理学、细胞化学、组织学等相继建立起来。 细胞遗传学(cytogenetics)（遗传学和细胞学结合建立了细胞遗传学，主要是从细胞学的角度, 特别是从染色体的结构和功能, 以及染色体和其他细胞器的关系来研究遗传现象, 阐明遗传和变异的机制。）、 细胞生理学(cytophysiology)（细胞学同生理学结合建立了细胞生理学，主要研究内容包括细胞从周围环境中摄取营养的能力、代谢功能、能量的获取、生长、发育与繁殖机理, 以及细胞受环境的影响而产生适应性和运动性的活动。细胞的离体培养技术对细胞生理学的研究具有巨大贡献。）、细胞化学(cytochemistry)（细胞学和化学的结合产生了细胞化学,主要是研究细胞结构的化学组成及化学分子的定位、分布及其生理功能, 包括定性和定量分析。如1943年克劳德(Claude)用高速离心法从细胞匀浆液中分离线粒体，然后研究它的化学组成和生理功能并得出结论: 线粒体是细胞氧化中心。1924年Feulgen发明的DNA的特殊染色方法-Feulgen反应开创了DNA的定性和定量分析。），甚至有细胞社会学(cell sociology)（细胞社会学是从系统论的观点出发，研究细胞整体和细胞群体中细胞间的社会行为(包括细胞间识别、通讯、集合和相互作用等)，以及整体和细胞群对细胞的生长、分化和死亡等活动的调节控制。细胞社会学主要是在体外研究细胞的社会行为，用人工的细胞组合研究不同发育时期的相同细胞或不同细胞的行为; 研究细胞之间的识别、粘连、通讯以及由此产生的相互作用、作用本质、以及对形态发生的影响等。）四、细胞生物学的形成与发展电子显微镜的问世为细胞生物学的建立奠定了基础。20世纪30年代，德国科学家Ruska在Siemens公司设计制造了世界上第一架电子显微镜，使人们的视野一下子提高到了纳米水平(毫微米)。人们发现了许多在光镜下无法看到的东西,如内质网，高尔基体膜层，叶绿体膜层，线粒体膜层，核糖体，溶酶体等。使人们对细胞的认识进入了一个更深的层次。 同时，遗传学，生物化学，生理学，胚胎学的许多新发现。也使人们几乎看到了一个活生生的细胞，看到了生命的活动不再是一个个细胞零件，而是一部完整的生命机器，于是以描述细胞整体结构与功能的动态变化为主体的科学细胞生物学便取代了原来的细胞学。 80年代以来，细胞生物学的主要发展方向是分子细胞生物学，在分子水平上探索细胞的基本生命规律。下面讲一些信息，让大家对于细胞生物学有一些直观的认识，看看它以前具体做过些生命，以后又能在哪里取得成就。五、细胞生物学取得的部分成就1910美国人T. H. Morgan提出遗传的染色体理论，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） 1944 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 美国人J. D. Watson 和英国人F. H. C. Crick提出DNA双螺旋模型。1957 J. D. Robertson用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构。 1961 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。 1975 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 1983 美国人K. B. Mullis发明PCR仪，于1993年获诺贝尔化学奖。 1984 德国人G. J. F. Kohler、阿根廷人C. Milstein和丹麦科学家N. K. Jerne由于发展了单克隆抗体技术，完善了极微量蛋白质的检测技术分享了诺贝尔生理医学奖。 1989 美国人S. Altman和T. R. Cech由于发现某些RNA具有酶的功能（核酶)而共享诺贝尔化学奖。Bishop和Varmus由于发现正常细胞同样带有原癌基因而分享当年的诺贝尔生理医学奖。2001 美国人LelandHartwell、英国人Paul Nurse、TimothyHunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。2002 英国人Sydney Brenner、美国人H. Robert Horvitz和英国人John E. Sulston，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理学或医学奖。2003 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。六、细胞生物学研究成果的应用前景20世纪50年代人们还搞不清楚自己的染色体是多少条，但到了2000年“人类基因组计划”(人类基因组计划（Human genome project）由美国于1987年启动，我国于1993年加入该计划，承担其中1%的任务，即人类3号染色体短臂上约30Mb的测序任务。2000年6月28日人类基因组工作草图完成。由于人类基因测序和基因专利可能会带来巨大的商业价值，各国政府和一些企业都在积极地投入该项研究，如1997年AMGE公司转让了一个与中枢神经疾病有关的基因而获利3.92亿美元)工作草图完成，标志着以研究基因功能为主的后基因组时代到来。随后蛋白质组学（proteomics），RNA组学（RNomics），糖组学（glycomics）、代谢组学（metabolomics）等各种“组学”研究相继登场。可以预见在不远的将来，生物科学会将人类社会带入一个新的发展阶段。细胞生物学的发展也将迈入一个新的发展阶段，并将成为21世纪生物工程发展的重要组成部分。1. 基因克隆和重组技术日趋成熟，人类将根据经济需要去开发和操纵遗传资源，如通过转基因的方法生产人类生长素、干扰素等昂贵药物；培育具有特殊功能的转基因动植物，如具有苏云金毒素的抗虫棉。在商业目的的驱使下，大量的改造物种，开始了偏离自然进化规律的二次“创世纪”，由此所产生的基因污染和伦理问题将越来越突出。2. 人类基因组约10万个基因的作图和测序完成，进入以揭示基因功能为主的后基因组计划，人类遗传病的基因治疗成为常规技术。3. 动物克隆技术和人类干细胞定向分化技术取得突破，人工创建的组织，器官将用于医学治疗的目的。4. 神经生物学、信息生物学、细胞生物学等学科的发展，为实现人工智能奠定了理论基础。5. 基因武器可能成为继核武器以后又一种足以令人类毁灭的武器。6. 生物芯片技术广泛应用于科研、医疗、农业、食品、环境保护、司法鉴定等领域。成为与晶体管芯片一样重要的产业。7. 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成为及化石燃料之后主要的能源。七、细胞生物学的主要参考书籍Alberts B et al. Essential Cell Biology. New York and London：Garland publishing，Inc. 1998 细胞生物学精读本Alberts B et al. Molecuar Biology of the Cell, 3rd ed. New York and London：Garland Publishing，Inc. 1994; 3rd 2002.Becker W.M. et al. The World of the Cell. Fourth Ed. The Benjamin/Cummings Publishing Company. 2000. Gerald Karp. Cell and Molecular Biology：concepts and experiments，2nd Edition. Published by John Wiley & Sons,Inc. 1999Gerald Karp. Cell and Molecular Biology：concepts and experiments，3rd Edition. Published by John Wiley & Sons,Inc. 2003Lodish H. et al. Molecular Cell Biology. 4th Ed. Scientific American Books,Inc. 2000.翟中和等：细胞生物学。高教出版社，2000王金发：细胞生物学。科学出版社，2003郑国锠：细胞生物学。高教出版社，2002第二章 细胞基本知识概要本章的学习目的：1.Consider the basic properties of cells;理解和掌握细胞的基本特性2.Compare some characteristics of two different classes of cells: prokaryotes and eukaryotes;比较两种不同细胞的特点：真核细胞与原核细胞3.learn the chemical basis of cell；学习细胞的一些化学机制的基础知识4.Comprehend a special life: viruses;理解病毒这种特殊生命的基本知识5.learn the origin of eukaryotic cells.学习真核细胞的起源等知识。1. Why are cells the basic units of life?为什么说细胞是生命的最基本单位？A. The cell is the structural unit of life, All organisms is make up of cells.一切有机体都是由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位。（图片，松散组织的纤维细胞，肠壁细胞）B.The cell is the functional unit of organisms. All metabolic activity is based on cells.细胞是有机体的功能单位，所有代谢活动都是基于细胞。（图片，机体细胞内糖酵解的过程，这个过程会释放能量，提供机体进行各项生命活动） C. The cell is the foundation of reproduce, and the bridge of inheritance.细胞具有繁殖功能，是遗传信息的载体（图片，这是一个家庭的14个孩子，他们或多或少遗传到父母机体的一些特征，彼此之间也就有了相似的一些特征，这些孩子都是由父亲提供的一个精子和母亲提供的卵子结合为一枚受精卵发育而来）D. The cell is the growing and developing basis of life细胞是生命生长与发育的基础（图片，胚胎发育的过程，由受精卵逐渐增殖分化形成机体中各种类型的细胞组织）E. Cell (nucleus) is totipotent, which can create a new organism of the same type细胞具有全能性，它可以创造出与其完全一样的新个体。Generally, the cells of a multicellular organism all contain the same set of genes. 一般来说，多细胞机体的每个细胞都含有相同的一套基因。For animals, the first evidence that even highly specialized cell carry a full complement of genes was verified by the experiment of tadpole （蝌蚪，青蛙）nuclei（细胞核） transplanting（移植，移种） into unfertilized（未受精） egg that had been deprived（被剥夺，丧失） of its own nucleus. Some can develop swimming tadpoles. This is animal cloning.在动物界，有实验证明即使是高度特化的细胞也含有一套完整的基因，将青蛙的细胞核移植于未受精的卵细胞（去除其自身的细胞核），仍然可以发育成为会游泳的青蛙，这就是动物克隆。An especially dramatic example of animal cloning was reported in 1997. Dolly the first animal ever cloned from a cell derived from an adult. 动物克隆的一个非常引人注目的事例就是1997年的Dolly羊，它是第一个由成体细胞发育而成的新个体。【在多利之前，几十年失败的试验曾使人们几乎绝望地认为，高级动物的体细胞克隆或许是不可能实现的。从发育中的胚胎提取细胞，移植其细胞核，培育一个与该胚胎相同的个体，这种“克隆”相对来说并非难事。因为胚胎细胞具有很强的分化潜力，能在发育过程中分化成皮肤、血液、肌肉、神经等功能和基因特征各不相同的细胞，其中生殖功能由性细胞精子或卵子来专门承担。一个性细胞只携带一半的遗传信息，需要精子和卵子结合才能发育成新生命。一个体细胞则拥有一套完整的染色体，不需要性细胞的参与，但是，要让已经“定型”的体细胞重新开始胚胎式的发育过程，等于将细胞的生命时钟逆转到起点处，这样的体细胞克隆对哺乳动物而言究竟是否可能？多利是苏格兰罗斯林研究所和PPL医疗公司的共同作品。它的基因母亲是一种芬多塞特品种的白绵羊，在多利出生之前3年就已死去。苏格兰的汉纳研究所在这头母羊怀孕时提取了它的一些乳腺细胞进行冷冻保存，后来又把这些细胞提供给PPL公司进行克隆研究这后来曾给多利身份的真实性带来一些麻烦。（1998年2月，曾有科学家对多利作为体细胞克隆动物的真实性提出质疑。在怀孕的动物体内，可能会有少量胚胎细胞沿血液循环系统到达乳腺部位，因此这些科学家提出，威尔穆特等人是否恰好碰到了一个这样的胚胎细胞、多利是否仍然是胚胎细胞克隆的结果。汉纳研究所还保存着一些多利的基因母亲的乳腺细胞，NDA分析很快证明，多利的确是体细胞克隆的产物，并不存在胚胎细胞混杂的可能性。）以伊恩威尔穆特为首的科学家在实验室中培养这些乳腺细胞，使它们在低营养状态下“挨饿”5天左右。然后提取其细胞核，移植到去除了细胞核的苏格兰黑脸羊的卵子里。之所以使用苏格兰黑脸羊的卵子，是因为这种羊身体大部分是白的，脸却是全黑的，很容易与白绵羊区别开来。在微电流刺激下，白绵羊的细胞核与黑脸羊的无核卵子融合到一起，开始分裂、发育，成为胚胎，植入母羊的子宫里继续发育。在277个成功与细胞核融合的卵子中，只有29个存活下来，被移植到13头母羊体内。移植手术后148天，1996年7月5日，一只羊羔诞生了1/277的成功率，其他的都失败了。直到它去世的时候，克隆技术这种低得惊人的成功率，仍然没有实质性的改善。这也是科学界普遍不相信雷尔教派的克隆女婴“夏娃”身份真实性的一个原因。威尔穆特以他喜爱的美国乡村音乐女歌手多利帕顿（Dolly Parton）的名字为自己的得意之作命名。1997年2月23日这头羊的身份向全世界披露后，世上知道它的人恐怕比知道这位歌手的多得多。一头全白的小羊羔，依偎在生下它但与它毫无血缘关系的代育母亲一头苏格兰黑脸羊旁边，这张著名的照片向世人显示，生物技术的新时代来临了。它是那头芬多塞特白绵羊的翻版（准确地说，在细胞核遗传信息上是它的翻版。还有少量遗传信息存储在细胞质的线粒体内，多利的线粒体特征与那头提供卵子的苏格兰黑脸羊相同）。此后，克隆鼠、克隆牛等多种克隆动物纷纷问世。第一个克隆人在好几年的“只听楼梯响、不见下来人”之后，也终于在2002年底“据说”诞生了，但没有证据，科学界未予承认。至今，科学家对克隆过程仍有点知其然而不知其所以然的味道。为什么体细胞核与卵子融合后能够发育？有人猜测，可能是低营养环境中的挨饿状态使体细胞休眠，大多数基因关闭，从而失去了体细胞的专门特征，变得与胚胎细胞相似。不过这仅仅是猜测，并未得到证明.克隆过程的成功率一直非常低，流产、畸形等问题较多。这是由于克隆本身的问题，还是仅仅因为技术不够成熟对DNA造成了伤害？人们对此还无法问答。作为第一头体细胞克隆动物，多利的健康状况受到密切关注，因为它可能代表着其他克隆动物的命运。多利一生的大部分时候过着优裕的明星生活，它善于应付公众场合，毫不怕人，在镜头前有着良好的风度。与公羊“戴维”交配后，多利于1998年4月生下第一个孩子邦尼，后来又生育了两胎，一共有6个孩子，其中一个夭折。从生育方面来看，它与普通母羊并没有不同。在2002年初被发现患有关节炎之前，多利几乎是完全健康而正常的，除了由于访客喂食太多而一度需要减肥。1999年5月，罗斯林研究所和PPL公司宣布，多利的染色体端粒比同年龄的绵羊要短，引起了人们对克隆动物是否会早衰的担忧。端粒是染色体两端的一种结构，对染色体起保护作用，有点像鞋带两头起固定作用的塑料或金属扣。细胞每分裂一次，端粒就变短一点，短到一定程度，细胞就不再分裂，而启动自杀程序。端粒以及修补它的端粒酶，是近年来衰老和癌症研究中的一个热点。许多科学家认为，端粒在动物的衰老过程中可能起着重要作用。一些人担心，克隆动物的端粒注定较短，是一个不可避免的根本问题。另一些人认为，多利的端粒较短可能是克隆过程的技术问题所致，这不一定是体细胞克隆中的普遍现象，有望随着技术的进步而消除。譬如美国科学家用克隆鼠培育克隆鼠，一共培育了6代（最后一代惟一的一只克隆鼠被别的实验鼠吃掉，实验被迫中止），并没有发现端粒一代一代缩短的现象。由于克隆动物数量不多，而且普遍比较年轻，因此还难以判断哪一种说法正确。端粒与衰老之间的关系究竟是什么、端粒较短是否一定导致早衰，也是尚未确定的事情，这使得问题更加复杂。克隆技术可能带来健康问题，是多利的创造者们强烈反对克隆人的直接理由：在目前的技术水平下克隆人，对克隆出来的人太不负责任了。2002年1月，罗斯林研究所透露，多利被发现患有关节炎。这引起了有关克隆动物健康问题的新一轮骚动。绵羊患关节炎是常见的事，但多利患病的部位是左后腿关节，并不多见。威尔穆特说，这可能意味着现行的克隆技术效率低，但多利患病的原因究竟是克隆过程造成的遗传缺陷，还是纯属偶然，可能永远也弄不清楚。2003年2月14日，研究所宣布，多利由于患进行性肺部感染（进行性疾病为症状不断恶化的疾病），被实施了安乐死。如同关节炎一样，肺部感染也是老年绵羊常见的疾病，像多利这样长期在室内生活的羊尤其如此。但绵羊通常能活12年左右，6岁半的多利可以说正当盛年，并不算老，它的肺病究竟与克隆有没有关系，又是一个难以搞清楚的问题。目前研究人员正对多利的遗体进行详细检查，科学界对此十分关注，尽管检查结果未必能对上述问题得出确切答案。威尔穆特对媒体表示，多利之死使他“极度失望”。他提醒其他科学家要对克隆动物的健康状态作持续观察。在几年前，罗斯林研究所已经对多利的后事作好了安排。遗体检查完毕之后，它将被做成标本，在苏格兰国家博物馆向公众展出。理论上，伦敦自然历史博物馆或科学博物馆更适合安置这只科学史上最尊贵、最著名的绵羊，但苏格兰科学家们自有他们的理由：“因为她是一只苏格兰羊。” 】2. Basic properties of cells细胞的基本概念A. Cells are highly complex and organized细胞是高度复杂的、有自装配与自组织能力的综合体书本中分作三点提出了，细胞是多层次非线性的复杂结构体系；细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体；细胞是高度有序的，具有自装配与自组织能力的体系。我们看到这个图片中是两个细胞的模型，植物细胞和动物细胞，其中包含了许许多多的结构，细胞核、各种细胞器，每个结构都有着自己的功能，其他不能替代，彼此之间又互相影响互相需要，少了任何一个结构，细胞都不能继续工作。B. Cells possess a genetic program and the means to use it细胞拥有一套遗传程序以及使用它的方法右图显示的是一个染色体，它是DNA双螺旋结合一些组蛋白和非组蛋白经过几个级别的螺旋化形成的，当细胞分裂周期开始后，原来松散的染色质高度螺旋化，逐渐缩短变粗，成为染色体；左图是DNA与一些组蛋白和非组蛋白构成染色丝C. Cells are capable of producing more of themselves细胞都具有自我繁殖（复制，生产）的能力HeLa cells are cultured tumor cells isolated from a cancer patient named Henrietta Lacks in 1951. It is the first human cell to be kept in culture for long periods of time and is still used today. Johns Hopkins univesity,in 1951HeLa细胞是在1951年用一个名字叫做Henrietta Lacks癌症患者身体里的肿瘤细胞不断培养继代得到的，它是第一个人类细胞持续使用体外培养方式保存了数十年，并且至今仍在被用于研究。这些细胞都是在体外进行增殖继代培养的，并不是在体内，也就表示细胞自身具有增殖的能力。D. Cells acquire and utilize energy细胞拥有获取能量的能力Developing and maintaining complexity requires the constant input of energy。复杂的生命体要不断发育和维持要求不断输入能量。All of the energy required by life on the earths surface arrives in the form of electromagnetic radiation from the sun. light energy is converted by photosynthesis into chemical energy that is restored in energy-rich carbohydrates. 地球表面所有生命体所需要的能量都是来自于太阳辐射的电磁能。光能通过光合作用转化为化学能以能量丰富的碳水化合物储存起来。首先植物通过光合作用将光能转化为化学能储藏，这个过程就是通过细胞那的叶绿体完成，在被动物食用，通过细胞吸收转化的能量。F. Cells are able to response to stimuli细胞能对刺激产生反应Cells within plant or animal respond to stimuli less obviously than single-celled protist. But they respond. They posses receptors that interact with substances in the environment in highly specific ways. For example, the receptor on the cell surface can respond to hormones and growth factors.植物或动物体内的细胞对于刺激的反应激烈程度要显著低于单细胞动物。但是他们是有反应的，他们拥有感应器官（体）能在特定情况下与外界环境产生互动反应。例如，细胞表面的某种受体能够识别荷尔