分子细胞生物学绪论

,细胞分子生物学,第一章绪论,第一节细胞生物学研究的内容与现状一、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科细胞生物学:是研究细胞基本生命活动规律的科学，它从不同层次，包括显微（电子显微镜技术）、亚显微（光学显微镜技术）、分子水平（生物化学与分子生物技术）上主要研究细胞的形态与结构、代谢与调控、增殖分化、遗传变异、衰老与死亡、起源与进化、兴奋与运动以及细胞的传递等。所以，细胞生物学是运用近代物理学和化学的技术成就以及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为出发点，从显微水平、亚显微水平和分子水平三个层次上，研究细胞的结构、功能及各种生命活动规律。,细胞生物学研究的对象是细胞。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。细胞的研究是生命科学的基础，也是现代生ing科学发展的支柱。生命活动的基本规律生命活动规律包括生长、发育、遗传、变异、运动、传导、衰老、死亡等等，这些生命活动都与细胞息息相关，这些重大生命现象的研究都要从细胞入手，以细胞研究为基础。,细胞生物学不同于细胞学主要表现在：第一，深刻性。它从细胞整体结构，超微结构和分子结构对细胞进行剖析，并把细胞生命活动同分子水平和超分子水平联系起来。第二，综合性。这所研究的内容广泛涉及到许多学科领域，同生理学、遗传学、生物化学、发育生物学等融合到一起。所以细胞的研究是生命科学的基础，也是现代生命科学发展的重要支柱。在我国基础科学发展规划中，把细胞生物学、分子生物学、神经生物学和生态学并列为生命科学的四大基础学科。它的基础性也反映了现代生命科学的发展趋势。细胞生物学是目前生物科学中发展最快的学科之一。分子细胞生物学是目前细胞生物学的重点。细胞工程是21世纪生物工程发展的重要组成部分。可以预见细胞的结构与基本生命活动的研究将越来越深入，并将成为21世纪初生命科学研究的重要领域之一。,细胞生物学的研究内容一般可分为两部分：细胞结构与功能；细胞重大生命活动。二者是基础与整体的关系，难以割裂。二、细胞生物学的主要研究内容大致可分为以下几个方面：(一)细胞核、染色体以及基因表达的研究基因表达与调控是目前细胞生物学、遗传学和发育生物学在细胞和分子水平相结合的最活跃领域.二)生物膜与细胞器的研究膜及细胞器的结构与功能问题（“膜学”）。(三)细胞骨架体系的研究胞质骨架、核骨架的装配调节问题和对细胞行使多种功能的重要性。,(四)细胞增殖及其调控控制生物生长和发育的机理是研究癌变发生和逆转的重要途径（“再教育细胞”）。（五)细胞分化及其调控一个受精卵如何发育为完整个体的问题。（细胞全能性）(六)细胞的衰老与程序死亡(七)细胞的起源进化(八)细胞工程改造利用细胞的技术。生物技术是信息社会的四大技术之一，而细胞工程又是生物技术的一大领域。目前已利用该技术取得了重大成就（培育新品种，单克隆抗体等），所谓21世纪是生物学时代，将主要体现在细胞工程方面。,以上研究内容1-3是细胞器结构与功能的研究，4-6是细胞生命活动与调控的研究，7-8为细胞生物学的应用。三、当前细胞生物学研究的总体趋势与重点领域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；（一）当前细胞生物学研究中的三大基本问题1、细胞内的基因组是如何在时间与空间上有序表达的？2、基因表达产物-主要是结构蛋白、核酸、脂质、多糖及其复合物，他们如何逐级装备成能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-主要是大量活性因子与信号分子，他们是如何调节细胞最重要的生命活动过程的？,（二）当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题1、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。2、细胞增殖、分化、凋亡（程序性死亡）的相互关系及调控3、细胞信号传导的研究4、细胞结构体系的装配（三）最新进展美国国立卫生研究院在1988年底发表的一份题为什么是当今科研领域的热门话题？的调查报告中指出，目前全球研究最热门的是：三种疾病：癌症心血管病艾滋病和肝炎传染病五大研究方向：细胞周期调控细胞凋亡细胞衰老信号传导DNA的损伤与修复,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以分为三个层次：显微水平、超微水平、分子水平一、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、1590年，荷兰眼镜制造商J和Z.Janssen父子制作了第一台复式显微镜，放大倍数为10倍。2、1665年，英国人RobertHook首次描述了植物细胞(木栓)，命名为cella3、1680年，荷兰人A.vanLeeuwenhoek一生中制作了200多台显微镜和400多个镜头（50-275X），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。4、1752年，英国人J.Dollond发明消色差显微镜。,5、1812年，苏格兰人D.Brewster发明油浸物镜，改进了体视显微镜。6、183440年，法国父子VChevalier(1771-1841)和CChevalier(1804-1859)发明了第一台商用消色差显微镜。7、1886年，德国人ErnstAbbe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。8、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。9、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。10、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。,二、细胞学说（16世纪-19世纪30年代）1、Jean-BaptistedeLamark（1744-1829)，获得性遗传理论的创始人，法国退伍陆军中尉，50岁成为巴黎动物学教授，1809年他认为只有具有细胞的机体，才有生命。2、CharlesBrisseauMilbel（1776-1854)，法国植物学家，1802年认为植物的每一部分都有细胞存在3、HenriDutrochet（1776-1847），法国生理学家，1824年进一步描述了细胞的原理4、MatthiasJacobSchleiden（施莱登）（1804-1881)，德国植物学教授，1838年发表“植物发生论”，认为无论怎样复杂的植物都有形形色色的细胞构成。5、TheodorSchwann（施旺）（1810-1882)，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”。Schwann提出：a.有机体是由细胞构成的；b.细胞是构成有机体的基本单位。,6.1855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。恩格斯将细胞学说誉为19世纪的三大发现之一。当时细胞学说的基本内容：（1）细胞是有机体，一切动植物都是由细胞发育而来，并由细胞和细胞的产物构成；（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）新的细胞可以通过来的细胞繁殖产生。,三、细胞学的经典时期（19世纪中期20世纪初）这一时期的研究方法，主要是显微镜下形态的描述。1、原生质理论的提出自从迪雅尔丹在原生动物细胞内，发现了十分均匀、有弹性、能收缩的胶状物质后，就称它为“肉样质”。其后1840年普金耶（Pukinje）在动物，1846年冯莫尔在植物细胞中也看到了“肉样质”的东西，并命名为“原生质”。1861年舒尔策（MaxSchultze）认为动物细胞内的“肉样质”和植物细胞内的“原生质”具有同样的意义。由此提出了原生质理论：有机体的组织单位是一小团原生质，这种物质在一般有机体中是相似的。至此，细胞的含义就和最初发现时大不相同了。于是汉森（Hanstein,1880）就提出“原生质体（protoplast），但由于cell一词沿用已久，因此人们仍采用旧名。2、细胞分裂的研究1841年雷马克（Remak）在观察鸡胚血细胞时发现了细胞的直接分裂，其后费莱明（Flemming）在动物细胞，,施特拉斯伯格（strasburger）在植物细胞中发现了有丝分裂，并证实有丝分裂的实质是核内丝状物（染色体）的形成及其向两个子细胞的平均分配。1883年范贝内登（VanBeneden）在动物细胞，1886年施特拉斯伯格在植物细胞中又发现了减数分裂，至此细胞分裂的主要类型都被人类发现了。3、重要细胞器的发现。1883年范贝内登（VanBeneden）和博费里（Bovri）发现了中心体，1894年阿尔特曼（Altmann），1897年本达（Benda）发现了线粒体，1898年高尔基（Golgi）发现了高尔基体。,四、实验细胞学与细胞学的分支及其发展（20世纪初20世纪中叶）随着研究的深入，细胞学在发展过程中自然而然地与遗传学、生理学、生物化学联系起来，由此出现了三个重要的分支科学，即：细胞遗传学、细胞生理学和细胞化学。一、细胞遗传学1876年赫特维希兄弟（Q和RHertuing）在研究海胆卵受精作用时，发现受精后两个亲本细胞核具有合并的现象。1888年施特斯伯格在植物体也发现两个亲本细胞核的合并现象，并证明植物生殖细胞的染色体，也象动物一样比体细胞少一半。遗传的基本规律是1865年由孟德尔（GregeorMendel）发现的。但当时对生殖的细胞变化没有足够的了解，不足以用来解释遗传性状的自由分配定律。由于这些原因，Mendel的工作当时未引起人们的重视。直到1901年孟德尔遗传定律才被重新发现。这时细胞学的进展已经能够对孟德尔认定的遗传单位分配机制有所理解和说明。,已知体细胞的遗传组是双倍体，而生殖细胞或配子是单倍体。1905年威尔逊（Wilson）证实性别与染色体的关系，19021903年德国的博韦里（Boveri）同美国的萨顿（Sutton）不谋而合地提出了“染色体遗传理论”。1910年摩尔根（Morgan）以果蝇为材料，研究它的遗传与变异，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，由此建立了基因学说，并为细胞遗传学的发展奠定了基础。二、细胞生理学最早的细胞学知识大都是根据对固定和染色后的细胞和组织的观察而得来的，到1899年后，人们研究的兴趣转移到活细胞上。1909年，哈瑞森（Harrison）开辟了研究活动细胞的一个重要途径，他发现胚胎的神经细胞能在体外生长和分化，由此产生了组织培养技术，纯系细胞株的分离，特别是肿瘤细胞株的建立及组织培养就成为研究正常细胞和癌细胞的活细胞结构和行为的一种理想的技术。,三、细胞化学细胞化学是细胞学和物理学及化学相结合的一门“边缘”科学。1924年孚尔根（Feulgen）等介绍了他们首创的孚尔根核染色反应，1940年布勒歇（Brachet）用昂纳染色液（甲基绿的派洛宁染色法）来测定细胞中的DNA与RNA。卡斯柏森（Caspersson）用紫外光显微分光光度法测定DNA在细胞中的含量。目前细胞化学这一分支学科仍然保持着强劲的发展趋势，尤其是在近20年，由显微分光光度计到流式分光光度检测技术，由免疫荧光与免疫胶体到技术微光基焦点扫描显微镜技术等，使细胞成分，特别是核酸与蛋白质的定性、定位、定量以及动态变化的研究达到了空前的精确性与专一性。,五、细胞生物学学科的形成与发展（20世纪50年代至今）细胞生物学的形成的基础是：细胞超微结构的研究；细胞生物化学的发展；70年代以来分子生物学的概念与技术引入细胞学。概括地说，细胞生物学是以细胞作为一切有机体进行生命活动的基本单位，在各个层次上（显微、亚显微、分子水平）研究细胞生命活动规律的学科。其主要发展方向是细胞分子生物学。,第三节细胞生物学的现状和发展前景,1.细胞核的结构与功能方面最突出的成就是关于染色体夫人基本结构单位-核小体，其次DNA有大量重复序列，出现了分割基因、跳跃基因等新概念。2.生物膜目前主要两个研究方向：一个是由整体向细的方向发展；二是分子之间的相互关系。三是生物膜在工农医等方面的应用前景。从当前的研究动态来看，在膜的结构上比较集中在脂-蛋白的相互作用上膜的流动性与植物的抗冷性以及心肌细胞的正常功能、生物膜与能量转换。3.细胞骨架近年来在细胞和中发现了网络系统，细胞骨架除了制成细胞形态还与细胞的一切生命活动密切相关。,近年来在细胞和中发现了网络系统，细胞骨架除了制成细胞形态还与细胞的一切生命活动密切相关。4.细胞周期及调控例如癌细胞的增殖及衰老问题。5.细胞分化细胞分化的实质在于一部分的基因开放，一部分基因关闭。6.基因的表达和调控目前主要研究基因表达的问题，其次是转录过程中和