细胞生物学绪论部分

2020/5/30,1,细胞生物学,CellBiology,2020/5/30,2,2020/5/30,3,第一章绪论第二章细胞的统一性与多样性第三章细胞生物学研究方法,第四章细胞质膜第五章物质的跨膜运输第六章细胞的能量转换第七章真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输第八章细胞信号转导第九章细胞骨架第十章细胞核与染色体第十一章核糖体,第十二章细胞增殖及其调控第十三章程序性细胞死亡与细胞衰老第十四章细胞分化与基因表达调控第十五章细胞社会的联系：细胞连接、黏着和胞外基质,2020/5/30,4,教学参考书,1.细胞生物学潘大仁主编科学出版社20072.细胞生物学沈振国主编中国农业出版社20033.细胞生物学汪堃仁北京师范大学出版社19984.分子细胞生物学韩贻仁主编科学出版社20075.MolecularBiologyoftheCell4thedBruceAlberts.GarlandPub.Inc.2002,2020/5/30,5,2020/5/30,6,2020/5/30,7,第一章绪论,第一节细胞生物学研究的内容和现状,2020/5/30,8,一、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科,细胞生物学的定义*,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,2020/5/30,9,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,2020/5/30,10,生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系，而细胞是生命体的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。,2020/5/30,11,人的不同组织的细胞形态,2020/5/30,12,二、细胞生物学的主要研究内容,包括细胞结构功能与细胞生命活动两大基本部分：,细胞核是遗传物质DNA贮存的场所，也是遗传信息转录为mRNA、rRNA与tRNA的场所。染色质与染色体是遗传物质的载体。,（一）细胞核、染色体以及基因表达的研究,典型的细胞核结构示意图,细胞核主要由核被膜、染色质、核仁及核骨架组成。,2020/5/30,14,现代细胞生物学的核心课题之一就是研究染色体结构动态变化与基因表达及其调控的关系。,是目前细胞生物学、遗传学与发育生物学在细胞水平与分子水平上相结合的最活跃的热门课题。,2020/5/30,15,生物膜是细胞结构的重要基础，大部分细胞器（包括核膜）都是以生物膜为基础构建的。,（二）生物膜与细胞器的研究,生物膜的主要功能是进行细胞内外物质与信息的交换，也具有对细胞内外因子识别的功能。,细胞器的研究历来是认识细胞结构与功能的重要组成部分。,近年来，研究的细胞器主要有：线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体、溶酶体、核糖体。,2020/5/30,17,在细胞生物学中是一个比较新的、发展中的研究领域。广义的细胞骨架概念包括细胞质骨架与核骨架两部分。,（三）细胞骨架体系的研究,2020/5/30,18,细胞骨架在维持细胞形态与保持细胞内部结构的合理布局起主要作用。,近来发现细胞骨架与一系列重要生命活动：如细胞内大分子的运输与细胞器的运动、细胞信息的传递、基因表达与大分子加工等有密切关系。,2020/5/30,19,一切动植物的生长与发育都是通过细胞的增殖与分化来实现的。,（四）细胞增殖及其调控,研究细胞增殖的基本规律及其调控机理不仅是控制生物生长发育的基础，而且是研究癌变发生及逆转的重要途径，从而控制癌细胞的恶性生长，提供根本性的防治措施。,2020/5/30,20,细胞分化是生物发育的基础，受精卵通过分裂与分化发育成为复杂的有机体。,（五）细胞分化及其调控,细胞全能性的揭示，使人们认识到可以控制细胞的分化，这为控制细胞的生长发育提供了有利条件。,2020/5/30,21,1997年，世界上第一只克隆羊“多莉”在英国罗斯林研究所诞生。,细胞核具有全能性。,2020/5/30,22,细胞分化的本质是细胞内基因选择性表达特异功能蛋白质的过程。,细胞分化及其调控机理的研究，主要集中在编码特异蛋白质基因的选择性表达规律及其调控方面。,2020/5/30,23,（六）细胞的衰老与凋亡,目前多用体外培养方法研究细胞衰老。大量实验已说明动物的二倍体细胞在体外分裂与传代的次数是有限的Hayflick界限。细胞的衰老是必然的规律。,人们力图寻找细胞中的衰老基因及其信号转导等，延长寿命。,2020/5/30,24,1961年，LeonardHayflick利用来自胚胎和成体的成纤维细胞进行体外培养，发现:胚胎的成纤维细胞分裂传代50次后开始衰退和死亡，相反，来自成年组织的成纤维细胞只能培养15-30代就开始死亡。Hayflick等还发现，动物体细胞在体外可传代的次数，与物种的寿命有关;细胞的分裂能力与个体的年龄有关，由于上述规律是Hayflick研究和发现的，故称为Hayflick界线,2020/5/30,25,细胞凋亡是由一系列基因控制并受复杂信号调节的细胞自然死亡现象。,是生物正常生理发育与病理过程中的重要平衡因素。,2020/5/30,26,2002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方面的研究获诺贝尔生理医学奖。,2020/5/30,27,根据古微生物的证据，原始细胞大约在35多亿年前就在地球上出现了。现在在实验室条件下模拟30多亿年前的地球环境研究细胞的起源过程几乎是不大可能的。目前有关细胞起源学说在很大程度上是推理性的，还需补充更多的事实细节。,（七）细胞的起源与进化,近年由于分子生物学方法的引入，使细胞进化与细胞器进化的研究增添了很多新内容。,2020/5/30,28,（八）细胞工程,是细胞生物学与遗传学的交叉领域，是在细胞水平的遗传操作。细胞工程能使不同种细胞的基因或基因组通过人工方法重组到杂交细胞中，或者使基因与基因组由一种细胞转移到另一种细胞中，并使越过种的障碍转移成为可能。,其目的就是按人们预先的设计，用分子生物学、分子遗传学的技术，改变细胞的遗传性，最终有目的的培育出新品种、新物种。,2020/5/30,29,动植物体细胞的杂交试验是当前细胞工程中最活跃的领域。,通过动物体细胞杂交获得单克隆抗体技术的建立是细胞工程中最富成果性的工作之一。,2020/5/30,30,1975年英国科学家Milstein和Kohler所发明，并获得1984年诺贝尔医学奖。,单克隆抗体技术是将产生抗体的单个B淋巴细胞同肿瘤细胞杂交，获得既能产生抗体，又能无限增殖的杂种细胞，并以此生产抗体的技术。,2020/5/30,31,三、当前细胞生物学研究的总趋势*,细胞生物学与分子生物学相互渗透与交融是总的发展趋势。,无论是对细胞结构与功能的深入研究，还是对细胞重大生命活动规律的探索，都需要用分子生物学的新概念与新方法，在分子水平上进行研究，也就是说，细胞分子生物学或分子细胞生物学将是今后相当一段时间的主流。,2020/5/30,32,（一）、三大基本问题（二）、若干重大课题染色体DNA与蛋白质相互作用关系主要是非组蛋白对基因组的作用细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控细胞信号转导的研究细胞结构体系的组装,2020/5/30,33,美国科学情报研究所（ISI）1997年SCI（ScienceCitationIndex）收录及引用论文检索，全世界自然科学研究中论文发表最集中的三个领域分别是：细胞信号转导（signaltransduction）；细胞凋亡（cellapoptosis）；基因组与后基因组学研究（genomeandpost-genomicanalysis）,2020/5/30,34,美国国立卫生研究院（NIH）在1988年底发表的一份题为什麽是当今科研领域的热门话题？（“Whatispopularinresearchtoday？”）的调查报告中指出，目前全球研究最热门的是三种疾病：癌症（cancer）心血管病（cardiovasculardiseases）爱滋病和肝炎等传染病（infectiousdiseases：AIDS，hepatitis）五大研究方向：细胞周期调控（cellcyclecontrol）；细胞凋亡（cellapoptosis）；细胞衰老（cellularsenescence）；信号转导（signaltransduction）；DNA的损伤与修复（DNAdamageandrepair）,2020/5/30,35,诺贝尔医学或生理学奖中涉及细胞生物学领域,2001年，美国科学家利兰哈特韦尔（LelandH.Hartwell）、英国科学家蒂莫西亨特(TimothyHunt)、保罗纳斯(PaulNurse)因发现了细胞周期的关键分子调节机制，而共同获得诺贝尔生理学及医学奖。,2020/5/30,36,2002年，英国科学家悉尼布雷内(SydneyBrenner)、约翰苏尔斯顿(JohnESulston)、美国科学家罗伯特霍维茨(RobertHorvitz)因选择线虫作为新颖的实验生物模型，找到了对细胞每一个分裂和分化过程进行跟踪的细胞图谱，而共同获得诺贝尔医学及生理学奖。,2020/5/30,37,将年诺贝尔生理学或医学奖授予澳大利亚科学家巴里马歇尔和罗宾沃伦，以表彰他们发现了导致胃炎和胃溃疡的细菌-幽门螺杆菌,2005年,2020/5/30,38,2006年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家安德鲁法尔和克雷格梅洛因发现RNA(核糖核酸)干扰机制而获得诺贝尔生理学或医学奖,安德鲁法尔,克雷格梅洛,2006年,2020/5/30,39,年诺贝尔生理学或医学奖授予来自美国的马里奥卡佩奇、奥利弗史密斯和来自英国的马丁埃文斯是因为“在涉及胚胎干细胞和哺乳动物DNA重组方面的一系列突破性发现”而获得这一殊荣的。,奥利弗史密斯,马丁埃文斯,马里奥卡佩奇,2007年,2020/5/30,40,2009年诺贝尔生理学或医学奖由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。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。,2020/5/30,41,1、1839年，捷克人J.E.Pukinye用protoplast这一术语描述细胞物质，“Protoplast”为神学用语，指人类始祖亚当。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。,其他细胞生物学大事记,2020/5/30,42,4、1869年，瑞士人F.Miescher从脓细胞中分离出核酸。5、1928年，英国微生物学家F.Griffith于发表了著名的肺炎双球菌转化试验。6、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。,2020/5/30,43,7、1953年，美国人J.D.Watson和英国人F.H.C.Crick提出DNA双螺旋模型。,2020/5/30,44,8、1956年，蒋有兴（美籍华人）利用徐道觉发明的低渗处理技术证实了人的2n为46条，而不是48条。9、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。10、196164年，美国人M.W.Nirenberg破译DNA遗传密码。11、1968年，瑞士人WernerArber从细菌中发现DNA限制性内切酶。12、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。,2020/5/30,45,13、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。14、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。15、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。,2020/5/30,46,2020/5/30,47,16、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。,2020/5/30,48,HIV侵染淋巴细胞,2020/5/30,49,17、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,2020/5/30,50,18、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。,2020/5/30,51,19、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。20、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。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。,2020/5/30,52,DollysheepborninRoslinInstitute,Scottland.,22、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。,2020/5/30,53,第二节细胞学与细胞生物学发展简史,2020/5/30,54,一、细胞的发现,英国胡克,2020/5/30,55,发展简史,一、细胞的发现与显微镜的发展1、1590年，荷兰眼镜制造商J和Z.Janssen(詹森)父子制作了第一台复式显微镜。2、1665年，英国人RobertHook首次描述了植物细胞(木栓)，命名为cellar。3、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500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。,2020/5/30,56,1680年，荷兰人列文虎克（A.vanLeeuwenhoek）用自制较好的显微镜观察池塘水时意外地发现了水中的微生物（原生动物），所以他是世上最早发现活细胞的人。他酷爱显微镜，一生磨制了550个透镜，装配247架显微镜（至今保存下来的还有9架），被称为“夜夜磨玻璃珠的男人”。列文虎克曾说过：“我的一生是在放大镜下，从事一场又一场神圣的探索，打开一盒又一盒奇妙的礼物！”。他还发现了人类精子、鲑鱼的红细胞和牙垢中的细菌等。意大利的马尔比基（M.Malpighi）用显微镜广泛观察了动植物的微细结构。此后，人们对细胞种类及结构观察的资料虽然不断增多，积累了较丰富的材料，然而在长达150多年的历史中，对细胞的认识以及它与有机体的联系并没有得到有效概括，也没有进一步考虑生物体结构的一致性和统一性。,2020/5/30,57,RobertHooke,2020/5/30,58,MadebyA.vanLeeuwenhoek(1632-1723).Magnificationrangesat50-275x.,2020/5/30,59,LargeStudentMicroscopemadebyCharlesChevalier1840,2020/5/30,60,现代显微镜,2020/5/30,61,5、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。,2020/5/30,62,7、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。,TEM,2020/5/30,63,8、1981年，瑞士人G.Binnig和H.RoherI在IBM苏黎世实验中心（ZurichResearchCenter）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。,Csatoms(red)ontheGaAssurface(blue).,2020/5/30,64,1、建立：18381839年德国植物学家施莱登和动物学家施旺提出：一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位，这就是著名的“细胞学说”,二、细胞学说的建立其意义,2020/5/30,65,“细胞学说”的基本内容,1.认为细胞是有机体，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,又对与其它细胞共同组成的整体的生命有所助益；3.新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。,2020/5/30,66,现代生物学三大基石：,18381839年Schleiden和Schwann提出的“细胞学说”1859年达尔文创立的“进化论”1866年Mendel确立的“遗传学”,十九世纪自然科学三大发现：,细胞学说能量转化与守恒定律进化论,2020/5/30,67,三、细胞学的经典时期(19世纪中叶20世纪初),1.原生质理论的提出：1861年，有机体的组织单位是一小团原生质,2.细胞分裂的研究：1841年，发现鸡胚血细胞的无丝分裂1880年，发现蝾螈细胞的有丝分裂1886年，发现植物细胞的减数分裂,3.重要细胞器的发现：1883年，发现中心体1894年，发现线粒体1898年，发现高尔基体,应用固定、染色技术，在显微镜下观察细胞的形态结构和分裂活动。,2020/5/30,68,四、实验细胞学与细胞学的分支(20世纪初中叶),1.细胞遗传学的发展,从细胞的角度，特别是从染色体的结构、功能和其它细胞器的关系来研究遗传及其变异的规律。,1900年，孟德尔的遗传法则被重新确认。1902年，博费里等提出染色体遗传理论，将染色体行为与孟德尔的遗传因子联系起来。1910年,摩尔根证明遗传因子位于染色体上，提出了基因学说。,在经典细胞学基础上，采用实验手段进行研究，并与其它学科相互融合形成了一些重要分支学科。,2020/5/30,69,2.细胞生理学研究,研究细胞如何摄取营养、获得能量，并研究细胞对环境因素的刺激所作出的反应。,1909年，哈瑞森等创建了组织培养技术，为直接观察和分析细胞的形态结构和生理活动提供有利的条件。,克劳德应用高速离心机从活细胞内分离各种细胞器，并研究它们的生理活性。,2020/5/30,70,3.细胞化学研究,用化学方法研究细胞各组成成分及其分布，并寻找它们的特性。,孚尔根采用孚尔根反应鉴定DNA布勒歇用甲基绿-派洛宁染色方法来测定细胞中的DNA与RNA。卡斯柏尔森用紫外分光光度计测定DNA含量。,2020/5/30,71,五、细胞生物学学科的形成与发展(20世纪50年代开始),电镜与超薄切片技术结合形成细胞超微结构学，发现了新的细胞结构；,主要在分子水平上探索细胞的各种生命活动。,细胞生物化学的发展；,分子生物学的发展；,发展方向为分子细胞生物学。,2020/5/30,72,六、细胞生物学的主要学术组织、学术刊物与教科书,（一）学术组织,国际学术期刊CellScienceNatureJournalofCellBiologyMolecularBiologyoftheCell,国内学术期刊中国科学科学通报实验生物学报细胞生物学杂志遗传学报微生物学报,（二）学术刊物,2020/5/30,73,SCI（ScientificCitationIndex)是美国科学信息研究所（ISI)编辑出版的引文索引类刊物，创刊于1964年。分印刷版、光盘版和联机板等载体。印刷版、光盘版从全球数万种期刊中选出3300种科技期刊，涉及基础科学的100余个领域。每年报道60余万篇最新文献，涉及引文900万条。,2020/5/30,74,进入SCI这一刊物的论文即为SCI论文。SCI论文，顾名思义，即为被SCI索引收录的期刊所刊登的论文，目前我国科技界对SCI论文概念模式，曾经到现在小部分研究者误认为SCI是一本期刊，而由于南京大学率先引用并愈来愈成为各大高校和科研机构学术评价和奖惩的一类刊物。就SCI论文本身来说，我国科研工作者大多面临英语匮乏的缺陷，尤其对于年龄大和专业性强的科技工作者来说，内容不是问题，英语往往成为了制约的瓶颈。SCI论文目前对我国大部分科技工作者来说依然是神秘的，难于发表的，正基于此，大部分科研机构、高校等单位引入作为评价标准，这也是目前来说比较公正，缺少人为干预的评价标准，科研工作者在工作的同时，用心于SCI论文的写作与发表，一方面使得我国科研可与国际接轨，另一方面提高了我国的科技水准，同时我国科技工作者也需要经常善于运用SCI官网进行现有论文和科技成果的查询与搜索。,2020/5/30,75,SCI论文的影响因子SCI选录刊物的依据是文献分析法，即美国情报学家加费尔德提出的科学引文分析法。该分析法以期刊论文被引用的频次作为评价指标，被引频次越高，则该期刊影响越大。在一定时期（通常是前两年）内，某一刊物发表的论文，被已经进入SCI刊物的论文所引用的总次数，除以该刊物这一时期内的论文总数，即为该刊物的影响因子。,2020/5/30,76,SCI论文的重要性1.随着经济全球化，科学研究也日益全球化，SCI论文是进行国际科学交流的重要方式，也是使国际同行了解我们的主要渠道。2.发表SCI论文，可以向世界显示我国基础研究的实力，提高我国在世界科学界的地位。在世界著名刊物如Nature和Science上发表一篇重要文章，对于某一学科而言，其意义不亚于在国际体育比赛中取得一块金牌。3.发表SCI论文的多少和论文被引用率的高低，是国际上通用的评价基础研究成果