细胞生物学概述

细胞生物学山西医科大学2008年校级精品课程,教学6号楼337室细胞生物与遗传学教研室TelO)E-mail:jianyiyang,本课程的教学用书,理论课时：16学时实验课时:14学时总学分：1.5分内容：细胞生物学概述、研究方法、细胞外基质、细胞信号转导、线粒体、细胞周期、细胞分化等方式：课堂讲授，操作，报告，讨论,1.细胞生物学杨恬人民卫生出版社20102.医学细胞生物学胡以平高等教育出版社20093.医学细胞生物学安威北京大学出版社20094.分子细胞生物学韩贻仁科学出版社20025.细胞生物学翟中和高等教育出版社20006.细胞生物学汪堃仁北京师范大学出版社1998,斯坦福大学免费的数据库，提供918中期刊的全文。包括著名的JCB、PNAS、JBC等,美国科学院学报，提供1915年以来的全文，一些经典细胞生物学论文发表于该刊。,Pubmed，大名鼎鼎的免费数据库，属于美国国立医学图书馆，可查阅生物医学领域的文摘。,考试：理论%（闭卷）实验%学习成绩能力培养交互式教学（强调双边活动）,Thewayyoucanlearnbetter！兴趣Interest是最好的老师预习Preparation请带着“？”来上课！怀疑SkepticalDontaccepteverythingyoureadasbeingtrue.抽象Abstract与动态Dynamic的思维同一性Unity和多样性Diversity的问题结构Structure和功能Function的关系,第一章细胞生物学概述,(ThesummaryofCellBiology),内容,第一节细胞生物学的概念和研究内容第二节细胞生物学的形成与发展第三节细胞生物学与医学科学,第一节细胞生物学的概念和研究内容,一、生命由细胞开始,宇宙由不同结构层次的物体组成，细胞是宇宙有机界中一个非常重要的层次。生命从细胞开始。除了病毒、类病毒以外，所有生命体都是由细胞构成的。,所有的生物都是由细胞组成的，细胞是生命活动的基本单位。,细胞是构成有机体的基本单位；细胞具有独立完整的代谢体系，是代谢与功能的基本单位；细胞是有机体生长与发育的基础；细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性；没有细胞就没有完整的生命。,(一)细胞的概念,(二)细胞的分类,细胞分为三大类型,原核细胞古核细胞真核细胞,早期细胞分为两大类,原核细胞（prokaryoticcell）真核细胞（eukaryoticcell）,生物界划分为三个域（1990年）,细菌域（bacteria）古菌域（archaea）真核域（eukarya）,（20世纪60年代）,特点：1.结构简单：DNA为裸露的环状分子，无膜包裹，形成拟核（nucleoid）；细胞质中无膜性细胞器，含有核糖体。2.体积小：直径约为1到数个微米,(三)原核细胞,主要代表：支原体、衣原体、细菌、蓝绿藻（蓝细菌）。,1.真核细胞的形态大小,（四）真核细胞,形态：多种多样，常与细胞所处的部位及功能相关大小：差异很大，与细胞类型有关,2.真核细胞的基本结构光镜下结构：细胞膜（cellmembrane）细胞质（cytoplasm）细胞核（nucleus）电子显微镜下，在细胞质中可看到由单位膜组成的膜性细胞器及微丝、微管、中间纤维等骨架系统。,3.真核细胞的基本结构特点（1）以脂质及蛋白质成分为基础的膜相结构体系生物膜系统包括细胞膜、内质网、高尔基复合体、线粒体、溶酶体、过氧化物酶体及核膜等。（2）以核酸-蛋白质为主要成分的遗传信息表达体系遗传信息储存与表达系统真核细胞储存遗传信息的DNA是以与蛋白质结合形式而存在，DNA与蛋白质的结合与包装程度决定了DNA复制和遗传信息的表达。,（3）由特异蛋白质分子构成的细胞骨架体系细胞骨架系统由一系列纤维状蛋白组成的网状结构系统，包括细胞质骨架与核骨架。,原核细胞与真核细胞的比较,（五）病毒,病毒（virus）是生物界中惟一的非细胞形态生命体。特点：在活细胞内才能表现出其基本生命活动在电子显微镜下才能看到结构：核酸分子与蛋白质组成的核酸-蛋白质复合体分类：根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：DNA病毒和RNA病毒类病毒（viroid）：仅由感染性的RNA构成。朊病毒（prion）：仅由感染性的蛋白质亚基构成。,生命的起源和细胞的形成,45亿年前地球形成亿年前海洋出现38亿年前生命出现（原始生命体、原始细胞形成）35亿年前原核细胞形成（蓝细菌，需氧）15亿年前真核细胞形成12亿年前多细胞生物形成（藻类）,所有的细胞有共同的进化起源前体。宇宙由不同结构层次的物体组成，细胞是有机界的一个非常重要的层次。,细菌域,古菌域,真菌域,二、细胞具有若干共性,地球上所有的细胞具有共同的进化起源前体，不同种类的细胞具有若干共性，主要包括：1.以相同的线性化学密码（DNA）形式储存遗传信息；2.通过模板聚合作用复制遗传信息；3.将遗传信息转录为共同的中间体（RNA）；4.以相同的方式在核糖体上将RNA翻译为蛋白质；5.使用蛋白质作催化剂促成机体各种化学反应；6.从环境中获得自由能并以ATP作为能量流通形式；7.含有泵、载运系统和通道的质膜分隔胞浆和胞外环境；8.具有自我增殖和遗传的能力。,EBWilson说：“所有生物学的答案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”。,三、细胞是生物的形态结构和生命活动的基本单位,。,另一方面，细胞又是不断与外界进行物质、能量和信息交换的开放体系。一切生命现象，诸如生长、发育、增殖、分化、遗传、代谢、应激、运动、衰老和死亡等都在细胞的基本属性中得到体现。,一方面，细胞是由质膜（plasmamembrane）包围的，相对独立的功能单位，能够自我调节和独立生存。,四、细胞生物学关注细胞的独特属性,五、细胞生物学的系统论观念,生命是生命系统整体的属性，生物体是有高度分工和整合的细胞社会。生命活动是通过系统内子系统之间的通讯和相互作用来实现的，各子系统的活动固然有其相对独立性，但在相当程度上受到整体的调控，而整体的特性远大于部分之和。,目前，在细胞间相互作用和相互关系、细胞社会性及其活动的整体性这一领域中，目前所知甚少。,细胞生物学发生了自我改造和变化，从传统的细胞学迅速发展成现代化的细胞生物学，和相邻的生物学科联系紧密但学科分野日渐清晰，更集中专注于固有领域的工作。,六、细胞生物学与科学进步和学科关系,近30年来对生命活动的研究已经取得了令人瞩目和飞速的进展，但尚远远不能圆满地解释生命现象的许多细节。而且，希图应用现有知识推进生命过程的体外重现工作也遇到了相当的阻力。从细胞生物学的“完整细胞的生命活动”的角度进行更深层次进行研究的需求非常突出。,（一）科学进步的需求,目前，人类基因组计划已经提前完成，分子水平的整套基因的测序结果已经公布，接下来的大量繁复和艰难的基因功能分析、调控机理等研究也将主要在细胞水平上展开。,细胞生物学在分子和整体之间、在形态和功能之间架起了桥梁，而且强力地渗透进其他生物学科并促进这些学科的发展，细胞生物学将在后基因组时代的生命科学中取得更大的发展空间并拥有其他学科不可替代的重要地位。,（二）细胞生物学目前的位置,细胞生物学是生命科学的重要支柱和核心学科之一。二十一世纪的细胞生物学是生命科学前沿的一个活跃的、具有良好发展前景和辐射力的学科。,七、细胞生物学的常用模式生物,细胞生物学研究对象及大小范围,与DNA,RNA,蛋白合成有关的蛋白质基因调控肿瘤和细胞增殖的调控蛋白质运输和细胞内细胞器感染和免疫,病毒virus,酵母yeast,细胞周期和分裂的调控蛋白质分泌和细胞的起源细胞骨架的功能细胞分化衰老基因调控和染色体结构,与DNA,RNA,蛋白合成有关的蛋白质新陈代谢基因调控寻找新的抗生素细胞周期信号传递,大肠杆菌E.coli,Caenorhabditiselegans,线虫,体节的形成细胞系神经系统形成和功能细胞凋亡调控细胞增殖和癌基因衰老基因调控和染色体结构,drosophilamelanogaster,果蝇,体节的形成分化细胞系的产生神经系统心脏和肌肉组织的形成细胞凋亡与行为有关的基因调控细胞极化的调控药物,酒精,杀虫剂的作用,Arabidopsisthaliana,拟南芥,器官的发育和模式细胞遗传学农业应用生理学基因调控免疫力传染性疾病,（荧光）斑马鱼zebrafish,脊椎动物身体器官的发育脑和神经系统的形成和功能先天性缺陷肿瘤,身体器官的发育哺乳动物免疫系统的功能脑和神经系统的形成和功能肿瘤和其他人类疾病模型基因调控和遗传性,传染性疾病,八、细胞结构和功能的有序性和失序的后果,不同水平显示细胞和细胞构建物的有序性：蛋白分子，精子尾的微管，花粉单细胞，蝴蝶翅，向日葵。,细胞生物学以细胞为研究对象，以“完整细胞的生命活动”为着眼点，从分子、亚细胞、细胞和细胞社会的不同水平，以动态的观点来探索和阐述生命的这一基本单位的特性。,九、细胞生物学的独特视角,一、细胞的发现1665年，英国科学家RobertHooke使用自制的显微镜第一次观察到了植物细胞壁的结构，并提出了“细胞(cell)”这一术语。,第二节细胞生物学的形成与发展,RobertHookeandhis“cells”,二、细胞学说（celltheory）19世纪中叶，德国科学家Shleiden和Schwannn总结并提出了“一切植物和动物都是由细胞组成的”的著名的“细胞学说”。完整的细胞学说的三个要点是：所有生物都是由细胞构成的；所有的生活细胞的结构都是类似的；所有的细胞都是来源于已有的细胞的分裂。,接下来的100余年中，由于技术手段的限制，对细胞的研究主要局限在细胞和部分细胞器的形态结构观察和细胞化学成分分析方面，被称为“细胞学（cytology）”阶段。在这一时期中，利用实验细胞学技术获得了一些有意义的成果，如提出了原生质理论，研究了细胞受精和分裂，发现了中心体、高尔基体和线粒体等细胞器。1925年美国生物学家EBWilson绘制的细胞的模式图总结了这一阶段的研究成果。,三、细胞学阶段,二十世纪30年代，以电子显微镜的发明和细胞的超微结构（ultrastructure）研究为契机，大量的现代理化新技术被应用到细胞的研究中。使用高分辨率的电镜先后观察了各种细胞及其细胞器，收集了细胞的微细结构许多新资料，发现了细胞质中存在重要的细胞骨架（cytoskeleton），又通过超离心和X-衍射等新方法将亚细胞组分和大分子分离出来进行分析，这样，将结构的形态和相应功能更紧密地联系起来并从更微观的水平开展了对细胞的探索。,四、细胞生物学阶段,DNA双螺旋结构模型和遗传信息传递的“中心法则（centraldogma,1953）”是细胞生物学向分子细胞生物学方向发展的一个标志。人们逐渐认识到，细胞的各种生命活动与细胞内的大分子结构及分子间的相互作用关系非常密切，细胞的研究必然要从细胞的微细结构深入到生物大分子的结构与功能水平，这样形成了细胞生物学的一个重要分支分子细胞生物学。分子细胞生物学集中于细胞的生命活动与亚细胞成分的生物分子的变化的关系，代表了细胞生物学新的发展重点和方向。,五、分子生物学阶段,分子细胞生物学（molecularcellbiology）？细胞分子生物学（cellmolecularbiology）？,随着科学的发展，对细胞的研究重点也不断发生着变化，从传统的细胞学逐渐发展成了现代的细胞生物学。细胞生物学主要从细胞的不同结构层次及细胞间相互关系的角度来观察研究细胞的生命活动的基本规律，并相继衍生出细胞遗传学、细胞生理学、细胞社会学，以及膜生物学和染色体生物学等分支学科。随着细胞生物学的进展和其他学科的新理论和新技术的引入，新的分支学科还将不断的涌现。,六、细胞生物学的构筑和毗邻关系,（一）细胞生物学的分支结构,在生命科学内的相邻学科中，细胞生物学和分子生物学、发育生物学、蛋白组学及遗传学的结构关系较近，内在联系密切，相互衔接和渗透最多。细胞生物学目前被称为“重叠核心学科”（superposecoresubject）。,（二）与细胞生物学关系最密切的学科,遗传学（genetics）阐述生命遗传的原理和规律。蛋白组学（proteomics）揭示完整蛋白组的结构和表达的差异。发育生物学（developmentalbiology）研究细胞特化过程中的性质的变化。分子生物学（molecularbiology）聚焦于从细胞组分纯化的大分子的结构和功能。这些学科分别从自己特有的研究路径对细胞进行研究，从不同的角度探索细胞的奥秘。,最近50多年来，分子领域研究中发生的所有重大事件，例如DNA双螺旋模型的提出、基因序列分析的开展、DNA重组技术和酶分子活性定位的建立等都启发并推动细胞生物学向更深层次迅速地发展。,从DNA到蛋白质,但是，并非所有的生命现象都可以从分子的结构属性水平给以科学的解释，分子，包括重要的生物大分子的属性只有置于细胞体系中才能得到证实及表现出生命意义。,分子和细胞的关系是从属关系，分子必须被有序地构建及装配成某些细胞内组分并进入细胞内一定的功能体系中才能表现出生命现象，脱离了细胞这一生命的微环境，许多重要的大分子的就可能发生变化，这就是单用总DNA难以恢复物种的原因。,七、细胞生物学的重点研究领域,与分子生物学专注于基因和重要生物分子（尤其是核酸和蛋白质）的结构与功能不同，细胞生物学的研究集中在基因表达后生物大分子的修饰、改造、细胞成分的组装和细胞内外信息的整合、分析和传递等领域，主要包括：,细胞周期调控细胞增殖与细胞分化的规律染色体的结构和功能细胞骨架和核基质对核酸代谢的调控胞内蛋白质的分选和运输细胞因子和细胞功能的的关系细胞外基质和细胞间信号联系细胞结构体系的组装与去组装,细胞信号转导细胞迁移干细胞特性细胞社会学细胞工程细胞的衰老和死亡受精与生殖研究,1960年Jacob和Monod提出蛋白质合成的操纵子（operontheory）学说。1961年，Mitchell建立了线粒体氧化磷酸化偶联机制的化学渗透学说。获1978年诺贝尔奖。1968年Nierenberg阐明了遗传密码在蛋白质合成中的作用。获1968年诺贝尔奖。1969年Huebner和Todaro创立了癌基因学说。,八、细胞生物学相关理论的发展,七十年代是细胞生物学研究成果丰硕的时期1970年Baltimore发现反转录酶。1972年Singer和Nicolson提出生物膜的液态镶嵌模型。1976年Neher和Sakmann发现了细胞质膜上的离子通道，获1991年诺贝尔奖。1977年Itakuru首次将高等动物的生长激素释放抑制素（SRIF）基因引入大肠杆菌中表达，稍后Nusslein-Volhard等阐明了同源异型基因在控制生物个体发育中的作用，并获1996年诺贝尔奖。,90年代，细胞生物学研究获得了更多的出色的成果。1997年Wilmut等用乳腺细胞同去除染色质的卵细胞融合，成功制成克隆羊。,克隆羊的诞生,1997年Luger等用高分辨率的X射线显示了染色质和核小体核心组蛋白八聚体的原子水平的结构。1998年Thomson和Gearhart获得了具有无限增殖和多分化潜能的人类胚胎干细胞（humanembryonicstemcell,hESC）。,胚胎干细胞,1999年，Blobel创立细胞内蛋白质运输信号学说，阐明内质网蛋白质合成机制。Horvitz、Brenner和Sulston发现并描述了在器官发育和细胞凋亡过程中的关键基因和调节规律。获2002年诺贝尔生理学医学奖。Agre和Mackinnon发现了细胞膜水通道并在离子通道结构和机制的研究中做出了卓越的贡献，Ciechanover、Hershko和Rose因对细胞内泛素调节的蛋白质降解机制的研究获得2004年诺贝尔奖。,2000年美、英、日、法、德、中6国学者共同完成了基因组“工作框架图”的绘制，至此，人类基因组计划（HumanGenomeProject，HGP）的测序任务提前完成，这是各国科学家通力合作的辉煌的研究成果，是人类自然科学史上一个划时代的伟大的成就。,基因组计划,2007年美、日分别将表皮细胞成功地转为类胚胎干细胞。,2008年发现和研究绿色荧光蛋白（GFP）获诺贝尔化学奖。2009年在原子水平对核糖体的结构及功能研究获诺贝尔化学奖。细胞端粒和端粒酶保护染色体机制研究获诺贝尔生理学医学奖。2010年试管受精领域研究获诺贝尔生理学医学奖。,1980年成立了中国细胞生物学学会，这标志着我国细胞生物学研究进入了新的发展时期，1995年国家自然科学基金委员会组织制定了我国细胞生物学研究的战略规划，提出了13个重点研究方向，其中若干问题正是当前细胞生物学研究热点课题。,九、中国的细胞生物学的发展,细胞生物学的主要学术组织,国际细胞生物学联盟（1982年参加）（InternationalFederationForCellBiology，IFCB），亚太地区细胞生物学组织（1990年成立）（Asian-PacificOrganizationForCellBiology，APOCB），海峡两岸细胞生物学会（1996年发起）中国细胞生物学会医学细胞生物学专业委员会（ChineseSocietyforCellBiology，CSCB）（1980年成立）中华医学学会医学细胞生物学专业委员会（1978年成立）,第三节细胞生物学与医学科学,医学科学是以人体为研究对象，探索人类疾病的发生、发展机制，并对疾病进行诊断、治疗和预防的一门综合学科。,医学科学必需不断地吸收和运用其他学科尤其是生命科学的新知识和新技术，以提高本学科的整体水平，并推动医学科学研究向前发展。,医学院校开设细胞生物学课程和开展细胞生物学的科学研究构成了基础医学和临床医学的重要的基础。细胞生物学与医学实践紧密地结合，不断地开辟新的研究领域，提出新的研究课题，努力地探索人类生老病死的机制，研究疾病的发生、发展和转归的规律，力图为疾病的预防、诊断、治疗提供新的理论、思路和方案，为最终战胜疾病、保障人类健康做出贡献。,细胞生物学是基础医学的一门重要的课程，它和基础医学的其他学科的关系非常密切。对医学生来说，掌握细胞生物学的基本理论、基础知识和技能，了解细胞生物学的研究的新进展、新成果，不仅能为学好其他基础医学课程建立扎实的知识平台，而且能够拓展视野，为今后的科学研究奠定良好的基础。细胞生物学也是临床医学的基础学科。因为细胞生物学是研究细胞的生命活动规律的学科，细胞是人体的基本结构和功能单位，因此，医学中的许多重要的病理现象与细胞生物学的研究课题密切相关。,主题：医学细胞生物学-转化医学的基石（medicalCellBiology-ACornerstoneofTranslationalMedicine)转化医学是医学研究的一个分支，试图在基础研究与临床医疗之间建立更直接的联系。转化医学在健康产业中的重要性不断提升。转化医学的典型含义是将基础研究的成果转化成为实际患者提供的真正治疗手段，强调的是从实验室到病床旁的联接，通常被称为“从实验台到病床旁”的定义。,医学细胞生物学研究的主要热点及意义,细胞凋亡是指机体细胞在特定的条件下自己启动的自然生理死亡过程，即程序性细胞死亡（programmedcelldeath）。,细胞凋亡（apoptosis）,细胞凋亡,细胞分化是指从受精开始的个体发育过程