细胞生物学原理与技术绪论

主讲：龙良鲲地址：化工学院2323电话-mail:long.liangkun,细胞生物学原理与技术,细胞图片,课程性质、目的与任务,细胞生物学为生命科学的四大基础学科之一。细胞生物学是应用现代物理学与化学的技术成就和分子生物学的概念和方法，以细胞作为生命活动的基本单位探索生命活动规律的学科，其核心问题是将遗传与发育在细胞水平上结合起来。细胞生物学课程为生命科学其它课程提供必要的理论和实践基础，是生物科学、生物技术等专业的专业基础课及必修课。,教学目标,本课程的基本要求分为掌握、熟悉、了解三个层次。“掌握”的内容要求理解透彻，能在本学科和相关学科的学习工作中熟练、灵活运用其基本理论和基本概念；“熟悉”的内容要求能熟知其相关内容的概念及有关理论，并能适当应用；“了解”的内容要求对其中的概念和相关内容有所了解。通过本课程的学习，使学生系统掌握细胞生物学的基本理论和基本实验技能，从细胞生物学的角度认识生命和生物科学，为后续的专业课学习打下良好的基础。,教学安排,第一部分：细胞生物学的发展史、研究内容、现状和展望以及细胞生物学主要研究方法。第二部分：细胞膜、细胞质、内膜系统、细胞核、细胞骨架等组成部分的超微结构和功能。第三部分：细胞的增殖、分化、衰老和死亡等重大生命活动。,教学安排,总学时：48（共16次课）第一章绪论3学时第二章细胞基本知识概要6学时第三章细胞生物学研究方法3学时第四章细胞质膜与细胞表面3学时第五章物质跨膜运输与信号传递6学时第六章细胞质基质与细胞内膜系统3学时,教学安排,第七章细胞能量转换线粒体和叶绿体3学时第八章细胞核与染色体6学时第九章核糖体第十章细胞骨架3学时第十一章细胞增殖及其调控3学时第十二章细胞分化与基因表达调控3学时第十三章细胞衰老与凋亡3学时,指定教材,翟中和，1930年8月生，江苏凓阳人；中国科学院生命科学和医学学部院士；北京大学生命科学学院/清华大学生命科学学院，双聘教授。,成绩评定,平时成绩（30%)出勤、听课、回答问题以及课堂作业情况。期末考试（70%）闭卷；内容以教学重点为主。,细胞生物学的科研成就,诺贝尔奖与细胞生物学,1996年生理学或医学奖：PeterCEherty（美国）和ROlfMZinkernagel（瑞士），发现T细胞对病毒感染细胞的识别受MHC（主要组织相容性复合体）限制。1997年生理学或医学奖：StanleyBPrusiner（美国），发现一种新型的致病因子感染性蛋白质颗粒Prion。化学奖：PaulBoyer（美国）和JohnEWalker（英国），阐明ATP酶促合成机制；JensCSkou（丹麦），发现输送离子的Na+，K+-ATP酶。,1998年生理学或医学奖：RolertFFurchgott（美国），LouisJIgnarro（美国）和FeridMurad（美国），发现NO（一氧化氮）是心血管系统的信号分子。1999年生理学或医学奖：美国纽约洛克菲勒大学的GunterBlobel。他的贡献是发现蛋白质具有控制其运输和定位的内在信号。,诺贝尔奖与细胞生物学,2000年生理学或医学奖：瑞典科学家阿尔维德卡尔松、美国科学家保罗格林加德和埃里克坎德尔。他们在研究脑细胞间信号的相互传递方面获得了重要发现。2001年生理学或医学奖：美国科学家利兰哈特韦尔、英国科学家保罗纳斯和蒂莫西亨特。他们发现了导致细胞分裂的关键性调节机制，这一发现为研究治疗癌症的新方法开辟了途径。,诺贝尔奖与细胞生物学,2002年生理学或医学奖:英国科学家悉尼布雷内、约翰苏尔斯顿和美国科学家罗伯特霍维茨。他们为研究器官发育和程序性细胞死亡过程中的基因调节作用做出了重大贡献。2003年生理学或医学奖:美国科学家保罗劳特布尔和英国科学家彼得曼斯菲尔德。他们在核磁共振成像技术上获得关键性发现，这些发现最终导致核磁共振成像仪的出现。化学奖:美国科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农，分别表彰他们发现细胞膜水通道，以及对离子通道结构和机理研究作出的开创性贡献。,诺贝尔奖与细胞生物学,2004年生理学或医学奖:美国理查德阿克塞尔和琳达巴克。他们在气味受体和嗅觉系统组织方式研究中做出贡献，揭示了人类嗅觉系统的奥秘。化学奖:以色列阿龙切哈诺沃、阿夫拉姆赫什科和美国欧文罗斯发现了泛素调节的蛋白质降解。其实他们的成果就是发现了一种蛋白质“死亡”的重要机理。2005年生理学或医学奖:澳大利亚巴里马歇尔和罗宾沃伦。他们发现了导致人类罹患胃炎、胃溃疡和十二指肠溃疡的罪魁幽门螺杆菌，革命性地改变了世人对这些疾病的认识。,诺贝尔奖与细胞生物学,2006年生理学或医学奖:美国科学家安德鲁法尔和克雷格梅洛。他们发现了核糖核酸(RNA)干扰机制，这一机制已被广泛用作研究基因功能的一种手段。化学奖:美国罗杰科恩伯格因在“真核转录的分子基础”研究领域所作出的贡献而获奖。科恩伯格揭示了真核生物体内的细胞如何利用基因内存储的信息生产蛋白质，而理解这一点具有医学上的“基础性”作用，因为人类的多种疾病如癌症、心脏病等都与这一过程发生紊乱有关。,诺贝尔奖与细胞生物学,2007年生理学或医学奖：美国MarioR.Capecchi、OliverSmithies与英国MartinJ.Evans因干细胞研究获得此奖项。2008年生理学或医学奖：德国科学家哈拉尔德楚尔豪森（HaraldzurHausen）发现人乳突淋瘤病毒引发子宫颈癌；两位法国科学家弗朗索瓦丝巴尔西诺西（FranoiseBarr-Sinoussi）、吕克蒙塔尼（LucMontagnier）发现人类免疫缺陷病毒。化学奖：美国科学家OsamuShimomura和MartinChalfie，以及美国华裔化学家钱永健。发明多色荧光蛋白标记技术，为细胞生物学和神经生物学发展带来一场革命。,诺贝尔奖与细胞生物学,2009年生理学或医学奖：三位美国科学家伊丽莎白布兰克波恩(ElizabethH.Blackburn)、卡罗尔格雷德(CarolW.Greider)以及杰克绍斯塔克(JackW.Szostak)共同获得该奖项。他们发现了由染色体根冠制造的端粒酶(telomerase)，这种染色体的自然脱落物将引发衰老和癌症。2010年生理学或医学奖：英国科学家罗伯特爱德华兹（RobertEdwards）因发展体外授精疗法获奖。,诺贝尔奖与细胞生物学,2011年生理学或医学奖：揭晓科学家布鲁斯-比尤特勒（BruceA.Beutler）、朱尔斯-霍夫曼（JulesA.Hoffmann）和拉尔夫-斯坦曼（RalphM.Steinman）因为其在免疫研究领域的重大贡献而获得今年诺贝尔生理学或医学奖。2012年生理学或医学奖：京都大学物质-细胞统合系统据点iPS细胞研究中心主任长山中伸弥、英国发育生物学家约翰-戈登因在细胞核重新编程研究领域的杰出贡献而获奖。,诺贝尔奖与细胞生物学,2013年生理学或医学奖：这三位科学家的研究成果解答了细胞如何组织其内部最重要的运输系统之一囊泡传输系统的奥秘。,诺贝尔奖与细胞生物学,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，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。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、生命活动。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。,如何学好细胞生物学？,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。第四、细胞生物学涉及分子生物学、生物化学、遗传学、生理学等课程，应该将学过的知识与细胞生物学课程中讲到的内容关联起来。,如何学好细胞生物学？,第五、紧跟学科前沿。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），课本中的一些知识都已是陈旧知识。紧跟学科前沿办法：参考新教材；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。第六、了解一些生物学史，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。,如何学好细胞生物学？,第一章绪论,第一节细胞生物学研究的内容和现状第二节细胞学与细胞生物学发展简史,第一节细胞生物学研究的内容和现状,细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学，它是在不同层次（显微、亚显微与分子水平）上以研究细胞结构与功能、细胞增殖、分化、衰老与凋亡、细胞信号传递、真核细胞基因表达与调控、细胞起源与进化等为主要内容的基础学科。,一、细胞生物学的定义,细胞是什么？,细胞是有机体结构与生命活动的基本单位。有了细胞才有完整的生命活动，细胞的知识是生命科学的共同基础知识。著名的生物学家E.B.Wilson（1925）所说：“一切生命的关键问题最终都要到细胞中去寻找。”因为所有生物体都是或曾经是一个细胞。,EdmundBeecherWilson(US,1856-1939),细胞生物学在现代生物学中的地位,生物学中的许多分支学科，诸如形态学、解剖学、分类学、生理学、遗传学、分子生物学和发育生物学等，都要求从细胞水平上来阐明各自领域中生命现象的机制。在我国的基础学科发展规划中，细胞生物学，分子生物学，神经生物学，生态学并列为生命科学的四大基础学科。,二、细胞生物学的主要研究内容,细胞核、染色体以及基因表达的研究生物膜与细胞器的研究细胞骨架体系的研究细胞增殖及其调控细胞分化及其调控细胞的衰老与凋亡细胞的起源与进化细胞工程,三、当前研究的总趋势与重点领域,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,细胞生物学与分子生物学(包括分子遗传学与生物化学)相互渗透与交融是总的发展趋势。,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（蛋白质、脂质、核酸、多糖及其复合物）是如何相互作用的。3、细胞生命活动的复杂过程是如何调解和控制的。,分子机制,三大基本问题：,若干重大课题：,1、染色体DNA与蛋白质相互作用2、细胞增殖、分化、调亡、衰老及其调控3、细胞信号转导4、细胞结构体系的装配5、蛋白质与蛋白质相互作用6、细胞内的网络调控,TheNIHofUSA:“Whatispopularinresearchtoday？”3kindsofdiseases：cancercardiovascularkrdiovskjl心血管的diseasesinfectiousdiseases：AIDS，hepatitishptats肝炎5researchfields：cellcyclecontrol；cellapoptosis；cellularsenescence；signaltransduction；DNAdamageandrepair.,ISI,USA:SCI（ScienceCitationIndex）Papers:Threetopsofresearchfields:No1:Signaltransduction；No2:Cellapoptosis；No3:Genomeandpost-genomicanalysis。,第二节细胞生物学简史,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：细胞的发现，16世纪末-19世纪30年代。第二阶段：细胞学说提出，19世纪30年代-20世纪中期。第三阶段：超微结构研究，20世纪30年代-70年代。第四阶段：分子细胞生物学，20世纪70年代分子克隆技术出现以来。,一、显微镜的发明与细胞的发现,没有显微镜就不可能有细胞学诞生1.1665年，英国人RobertHook首次描述了植物细胞(木栓)，命名为cellar。2.1680年，荷兰人A.vanLeeuwenhoek成为皇家学会会员，他一生中制作了200多台显微镜和400多个镜头，用设计较好的显微镜观察了许多动植物的活细胞与原生动物。,RobertHooke,MadebyA.vanLeeuwenhoek(1632-1723).Magnificationrangesat50-275x.,Bausch&LombInvestigatormicroscopecirca1893,1752年，发明消色差显微镜(英国人J.Dollond)。1812年，发明油浸物镜(苏格兰人D.Brewster)。1886年，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(德国人ErnstAbbe)。,LargeStudentMicroscope,现代显微镜,1932年，荷兰籍德国人F.Zernike成功设计了相差显微镜（phasecontrastmicroscope)，并因此获1953年诺贝尔物理奖。1932年，德国人M.Knoll和E.A.F.Ruska发明电镜，1940年，美、德制造出分辨力为0.2nm的商品电镜。1981年，瑞士人G.Binnig和H.RoherI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。,电镜,TEM,二、细胞学说的建立及其意义,MatthiasJacobSchleiden（18041881)，德国植物学教授，1838年发表“植物发生论”(BeitrgezurPhytogenesis)，认为无论怎样复杂的植物都有形形色色的细胞构成。TheodorSchwann（18101882)，德国解剖学教授，一开始就研究Schleiden的细胞形成学说，并于1838年提出了“细胞学说”（CellTheory)这个术语；1939年发表了“关于动植物结构和生长一致性的显微研究”。,“细胞学说”,1.Allorganismsarecomposedofoneormorecells.,2.Thecellisbasicunitofstructureandfunctionforallorganisms.,3.Allcellsariseonlyfrompreexistingcellsbydivision.,“细胞学说”的发展,Shawn提出：有机体是由细胞构成的；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”（omniscellulaecellula）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。,细胞学说的提出先于进化论约20年，它与进化论一起，不但奠定了生命科学的基础，同时也孕育细胞学的产生。恩格斯将细胞学说誉为19世纪的三大发现之一。,细胞学说的科学意义,1、1869年，瑞士人F.Miescher从脓细胞中分离出核酸。2、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（matoss有丝分裂）这一术语。德国人E.Strasburger(187680)在植物细胞中发现有丝分裂。3、1883年，比利时人E.vanBeneden发现马蛔虫Ascarismegalocephala的减数分裂现象。,三、细胞学发展史中的重大事件,4、1887年，Strasburger发现动物的受精现象。5、1890德国人RichardAltmann描述了线粒体的染色方法，并认为线粒体与能量代谢有关。他还于1889年提出了核酸的概念。6、1898意大利人C.Golgi用银染法观察高尔基体。7、1910德国人A.Kossel获得诺贝尔生理医学奖，他首先分离出腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸。,8、1928年，英国微生物学家F.Griffith发表了著名的肺炎双球菌转化试验。9、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。,10、1953年，美国人J.D.Watson和英国人F.H.C.Crick提出DNA双螺旋模型。(沃森1928-,美国生物学家,曾获1962年诺贝尔生理学-医学奖),11、1956年，蒋有兴（美籍华人）证实了人的二倍体染色体为46条，而不是48条。（这是近代人类细胞遗传学得以发展的起始点。）12、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。13、196164年，美国人M.W.Nirenberg破译DNA遗传密码。,14、1968年，瑞士人WernerArber从细菌中发现DNA限制性内切酶。15、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生理医学奖。16、1973年，美国人S.Cohen和H.Boyer将外源基因拼接在质粒中，在大肠杆菌中表达，揭开基因工程的序幕。,17、1975年，英国人F.Sanger设计出DNA测序的双脱氧法，1980年获诺贝尔化学奖。此外Sanger还由于1953年测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年诺贝尔化学奖。18、1975年，德国人G.J.F.Kohler、阿根廷人C.Milstein和丹麦科学家N.K.Jerne发展了单克隆抗体技术，荣获1984年度诺贝尔生理医学奖。,19、1981年，美国首次发现艾滋病，1983年，法国巴斯德研究所的LucMontagbier发现AIDS病毒。艾滋病的全称为AcquiredImmunoDeficiencySyndrome，由人类免疫缺陷病毒HIV引起。20年来全球共有约5800万人受到艾滋病病毒感染，2200万人死于艾滋病。我国于1985年发现。HIV有以下特点：嗜T淋巴细胞；整合宿主细胞终身难以消除；多变性，基因变异是艾滋病病毒致病能力增强之原因；广泛存在于感染者的血液、精液、阴道分泌物以及唾液、尿液、脑脊液及有神经症状者的脑组织中；较乙肝病毒对外界的抵抗力低，5630分钟就可以使其灭活；感染者潜伏期长、病死率高；基因组比已知的任何逆转录酶病毒基因都复杂。,HIV侵染淋巴细胞,20、1982年，美国人S.B.Prusiner在患羊瘙痒病的羊体内发现蛋白质感染因子（prion）。更新了医学感染的概念，获1997年诺贝尔生理医学奖。,PrPC,PrPSC,21、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。,22、1990年，美国国会正式批准的“人类基因组计划”（HumanGenomeProject）,计划在15年内投入30亿美元以上的资金进行人类基因组分析。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。23、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。这种疾病因腺苷脱氨酶（ADA）基因变异引起。24、1991年12月，复旦大学遗传所薛京伦主持对一例血友病患者进行了基因治疗试验，并获得成功。,DollysheepborninRoslinInstitute,Scottland.,25、1996年7月5日，世界上第一只克隆羊“多利”在英国苏格兰卢斯林研究所的试验基地诞生。成为世纪末的重大新闻。,LelandH.Hartwell,R.Timothy(Tim)Hunt,SirPaulM.Nurse,26、2001年，美国人LelandHartwell、英国人PaulNurse、TimothyHunt（亨特）因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。,27、2002年，英国人悉尼布雷诺尔、美国人罗伯特霍维茨和英国人约翰苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡