第1章-细胞与细胞生物学

第一章细胞与细胞生物学,1,第一节细胞生物学的发展简史第二节细胞学说的创立第三节细胞的化学组成第四节生物体由细胞组成第五节细胞生物学研究进展,2,要了解生命的奥秘，就必须知道细胞。,细胞生物学（CellBiology）研究细胞的生命活动规律以及整合功能，阐明生命活动的基本规律。,动态观点系统的观点结构与功能统一的观点,显微水平超微水平分子水平,3,TheBasicQuestionsofBiology?MetabolicBiologyNeuralBiologyBioinformaticsCellBiologyBio-TechnologyFunctionalGenomics,Heredity-development-evolution,生命科学的基本问题,基本问题:遗传发育进化主要内容:细胞的生命活动切入点:功能基因组,细胞生物学研究的重点领域,三大基本问题：1、基因组（人类大约有34万个基因）在细胞内是如何在时间与空间上有序表达的？2、基因表达的产物（生物大分子）如何逐级装配成能行使生命活动的基本结构体系及各种细胞器？这种自组装过程的调控程序与调控机理是什么？3、基因表达的产物特别是大量活性因子与信号分子，是如何调节细胞最重要的生命活动过程（诸如细胞的增殖、分化、衰老与凋亡等等）？,机体结构,细胞增殖,细胞分化,细胞凋亡,细胞信号转导,染色体,衰老,细胞重大生命活动及其相互关系示意图,TheNIHofUSA(1988):“Whatispopularinresearchtoday？”3kindsofdiseases：cancercardiovasculardiseasesinfectiousdiseases：AIDS，hepatitis5researchfields：cellcyclecontrol；cellapoptosis；cellularsenescence；signaltransduction；DNAdamageandrepair.,Cellsignalingcanaffectvirtuallyeveryaspectofcellstructureandfunction:Activationofenzymeactivity;Changeincytoskeletalorganization;Changeinionpermeability;InitiationofDNAsynthesis;Activationorrepressionofgeneexpression.,第一节细胞生物学的发展简史,显微镜的发明细胞的发现与描述细胞分裂与染色体的研究细胞器的发现分子细胞生物学的发展,一个多世记以来，细胞生物学不断地从其它的学科中吸取精华，逐渐形成和发展。二十世记80年代，由于分子生物学的巨大进步，催生了分子细胞生物学（MolecularCellBiology）。,10,显微镜的发明,11,公元前一世纪，通过球形透明物体去观察微小物体时，可以使其放大成像。十七世纪Hooke和Leeuwenhoek的卓越贡献。二十世纪80年代，制造出激光扫描共聚焦显微镜。二十一世纪初超高分辨率荧光显微镜的出现光敏定位显微镜（PALM）随机光重建显微镜（STORM）受激发射损耗显微镜(STED)电子显微镜成为重要工具超高压透射电子显微镜（HVEM）,12,细胞的发现与描述,13,细胞分裂与染色体的研究,1852RobertRemakdiscoveredthattheoriginofcellswasbythedivisionofpre-existingcells1863RudolfVirchowwidelypublicizedabovefindingswithoutcreditingRemak1869JohannFriedrichMiescher(nuclein)1873AntonSchneider(meiosis)1879WaltherFlemming(chromatin,mitosis)1888WilhelmvonWaldeyer-Hartz,(termchromosome)1902WalterStanboroughSutton.(chromosomescarrytheunitsofinheritance)1904TheodorBoveri(correlationbetweenMendelsfactorsandchromosomes)1904WilliamBateson(genetics)1909WilhelmJohannasen(gene),14,RobertRemak,RudolfVirchow,(1863),omniscellulaecellula(everycelloriginatesfromanotherexistingcelllikeit.),15,1878年，德国细胞学家WaltherFlemming首次发现动物细胞的有丝分裂，并提出有丝分裂（mitosis）的概念，同时还首先观察到细胞核里存在着嗜碱性染料的细丝状物质，命名为chromatin（染色质）。,(1878,1882)Omnisnucleusenucleo(allcellnucleicamefromanotherpredecessornucleus),16,1888年德国解剖学家HeinrichWilhelmGottfriedvonWaldeyer-Hartz才把细胞分裂时出现的着色物体正式命名为chromosome（染色体）。,Waldeyer-Hartz,Wilhelmvon(German).1888.berKaryokineseundihreBeziehungenzudenBefruchtungsvorgngen.ArchivfrmikroskopischeAnatomieundEntwicklungsmechanik32:1-122,1836-1921,17,1883年VanBeneden和Boveri发现中心体1894年Altmann发现线粒体1898年Golgi发现高尔基器1945年K.R.Porter和A.D.Claude等发现内质网1954年Johannes和Rhodin发现过氧化物体1956年ChristiandeDuve发现溶酶体1958年Robertis发现核蛋白体,细胞器的发现,显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，为发现细胞器并研究它们的分子结构提供有效的工具。,18,分子细胞生物学的发展,细胞生物学作为分子生物学发展的基础，分子生物学的发展给细胞生物学以新的内涵。以细胞为对象，研究细胞器和生物大分子与生命活动之间的变化发展过程，相互关系，以及它们与环境之间的相互作用。还包括了细胞在发育、遗传、信息传递中的活动和细胞生物工程等,19,第二节细胞学说的创立与发展,细胞理论原生质理论现代细胞理论,AtomichypothesisbyDemocritus（460-370B.C.),300B.C.,Democritussuggestedthatallmatterwasmadeofsmall,indivisibleobjectsknownasatomon.,20,1838年，德国植物学家Schleden发表了植物发生论，指出细胞是构成植物的基本单位。1839年德国动物学家Schwann发表了关于动植物的结构和生长一致性的显微研究论文，指出动植物都是细胞的集合物。Schleden和Schwann两人共同提出：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（CellTheory）。,细胞理论,Schwann,Schleden,21,22,1855年,德国病理学家魏尔啸（RudolphVirchow）应用光学显微镜观察到所有活细胞只来源于活细胞。即认为个体的所有细胞都是由原有细胞分裂产生,现在除细胞分裂外还没有证据说明细胞繁殖有其他途经。,细胞理论的发展1一切动植物都是由一个或多个细胞所组成；2细胞是生命的基本单位；3新细胞是由已存在的细胞分裂而来；4细胞是生物体的结构与生理功能的单位；5细胞既可以作为独立的个体存在，也可以作为构成生物体的基础单位。,早期的细胞理论提出了一切生物体都由一个或多个细胞组成，认为细胞是生命的基本单位，但是这个学说还假设了细胞来自非细胞，即细胞通过自发结晶（spontaneouscrystallization）的非细胞方法形成（freecellformation）。,23,原生质理论,Fromprotoplasmictheorytocellularsystemsbiology:a150-yearreflectionAm.J.Physiol.CellPhysiol.June2010vol.298no.6C1280-C1290,细胞系统生物学正在产生规模空前的数据，对细胞结构功能的系统性认识在不断更新。但是这种“系统”观的起源可追溯原生质体概念的诞生。回顾原生质理论在细胞生物学中的150年历史可以发现正是19世纪的原生质理论，而不是细胞理论，驱动细胞结构功能的研究，因而原生质理论与21世纪的系统细胞生物学理论具有不可忽视的相关性。,24,现代细胞理论,所有的生物都由细胞组成；细胞是生物的基本结构与功能单位；所有细胞都由已存在细胞分裂形成；所有细胞具有基本相同的化学组成；细胞含有遗传信息（DNA），在分裂时遗传信息传递给子细胞；细胞内存在生命活动需要的能量代谢过程；单细胞生物由一个细胞组成，多细胞生物由许多个细胞组成；生物体的活性依赖于所有组成生物体的细胞活性的综合。,25,第三节细胞的化学组成,一般情况下，细胞中水大约占80，无机盐大约占11.5，蛋白质大约占714，脂类大约占12，糖类和其他有机物大约占11.5，这些物质在细胞中以不同的形式和功能存在。,26,细胞的遗传物质,原核细胞还是真核细胞都含有携带着遗传信息的DNA，基因就是DNA分子的一个区段基因是遗传信息的结构与功能单位基因组是指一个物种的全部遗传信息的总和,1944年美国科学家艾弗里（O.T.Avery）的肺炎双球菌的转化实验，1952年美国微生物学家赫尔希（A.D.Hershey）和蔡斯（M.Chase）进一步证明遗传物质是DNA而不是蛋白质。,27,28,1953年，沃森（JamesD.Watson）和克里克（FrancisCrick）提出了DNA分子结构的双螺旋模型，深刻揭示出生命与遗传的奥秘。,脱氧核糖核酸（DNA),29,脱氧核糖核酸DNA,核糖核酸RNA,原核细胞的基因,转录单位（transcriptunit）操纵子（operon）,在DNA、转录和翻译三个不同层次进行调控，但转录水平的调控是最主要的方式。,30,DNA和染色体水平上的调控转录水平上转录起始的控制和延伸转录后RNA加工过程和运送中的调控翻译水平上的调控翻译后的修饰,真核细胞基因,31,32,蛋白质（protein）生命的物质基础，没有蛋白质就没有生命。,33,遗传密码(codon)由3个相邻的核苷酸组成的信使核糖核酸(mRNA)基本编码单位。有64种密码子，其中有61种氨基酸密码子(包括起始密码子)及3个终止密码子，由它们决定多肽链的氨基酸种类和排列顺序的特异性以及翻译的起始和终止。,34,脂肪酸（fattyacid）中性脂肪（neutralfats）类固醇（steroids）磷脂（phospholipid）糖脂（glycolipids）类胡萝卜素(carotenoid)其它脂质分子,脂质（lipids）生物体中一大类不溶于水而溶于有机溶剂的有机化合物，是热量的来源和细胞膜、激素的原料。,35,单糖(monosaccharide)二糖(disaccharide)寡糖(oligosaccharide)多糖(polysaccharide)。,糖类(saccharide)是多羟基醛(酮)及水解后能生成多羟基醛(酮)的一类化合物。不仅是细胞代谢的重要能源，也是核酸和糖蛋白等重要的生物大分子的结构成分与细胞的结构成分。,第四节生物体由细胞组成,细胞是生命活动的基本单位,细胞是生物体的基本结构单位细胞具有共同的物质基础细胞是代谢的基本单位细胞是生物体生长与发育的基础细胞是遗传的基本单位细胞是生物体对外界环境反应的基本单位,36,细胞的多样性,物种多样性单细胞与多细胞生物原核细胞与真核细胞,37,38,细胞的统一性,相同的遗传物质DNA都具有质膜都有细胞质都具有新陈代谢都具有共同的能量代谢途径,39,40,1953年，沃森（JamesD.Watson）和克里克（FrancisCrick）提出了DNA分子结构的双螺旋模型，深刻揭示出生命与遗传的奥秘。,相同的遗传物质DNA,41,都有细胞质及质膜,42,都具有新陈代谢,新陈代谢（metabolism），这是生命活动的基本特征。新陈代谢包括物质代谢和与之相伴的能量代谢。合成代谢（anabolism）分解代谢（catabolism）,NatureReviewsNeuroscience4,901-909(November2003),43,具有共同的能量代谢途径,44,细胞的物质代谢过程中都伴随着能量的释放、转移和利用，称为能量代谢（energymetabolism）。原核与真核细胞的进化层次差别很大，但是所有细胞都具有共同的能量代谢途径糖酵解（glycolysis）及三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle，又称Krebs循环），并且都通过与生物氧化（biologicaloxidation）相偶联的氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）生成三磷酸腺苷（ATP）保存化学能。,细胞的一般结构,45,细胞膜,46,细胞核,47,细胞内膜系统包括细胞核，内体，内质网，高尔基器，溶酶体及转运膜泡等。内膜系统是真核细胞特有的结构。,48,线粒体与叶绿体,49,核糖体,中心体,50,细胞骨架,51,第五节细胞生物学研究进展,细胞是生命的基本单位，细胞的特殊性决定了个体的特殊性，因此，对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、改造生命和征服疾病的关键。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及其相关领域研究的科学家。现如今，对细胞的研究仍然强力地吸引着许多生物学家与医学家的兴趣，有许多有关细胞生命活动的奥秘需要深入的探索。,52,2004年NIH制定今后十年发展的RoadMap中，研究重点为：DiscoveryofnewcellularSignalingpathway,细胞科学的世纪,1925年生物学大师Wilson就提出：“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找”,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962,FrancisH.C.CrickJamesD.Watson,fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial,1953.4.25“Natrue”DNA双螺旋结构论文发表,为人类认识分子的损伤与修复,遗传物质的复制与沿袭,以及物种的多样性和进化奠定了基础.现代科学的“蒙娜丽莎”,从科学、艺术、电影、建筑到广告，她的图象铭刻在社会中的所有方面。,人类基因组计划（HGP）投入30亿美元,2003年完成精细图,约30亿个数据，相当于3000本每本1000页每页1000字的“天书”。一项改变世界的科学计划：一项深深影响我们每个人生活的科学计划。它将改变我们的哲学、伦理、法律等观念；对社会、经济产生重大影响，这种影响现已显示于世。“基因相关论”：所有的疾病都与人类的基因有关，都是人类基因组与病原基因组中的有关基因的直接或间接相互作用的结果。“全基因组”信息记录着一个人有关生、老、病、死的重要信息，它是一个人全部隐私中最重要的隐私。基因专利，基因资源商业化开采，已给发展中国家的科学发展，国计民生带来巨大压力和威胁。,TheCompleteofHumanGenomeProjectAnalysisofthisrichsourceinformation,ManyareasinMedicineandBiologyEspeciallyCellSignalingSuchAsGPCR,RTKandsoon,DNA双螺旋模型的发现者，现年79岁的Watson于今年5月30日在美国贝勒大学获得美国“454生命科技公司”为他破译的“个人版”基因图谱（2套染色体60亿碱基对）。,人ES细胞系的建立,