细胞生物学：第一章 绪论

1、第一章 绪论 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。狭义：细胞生物学(cell biology)是研究细胞基本生命活动规律的科学，它在不同层次(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。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。广义：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与方法，以细胞作为生命活动的基本单位的思想为出发点，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。二、

2、细胞生物学的主要研究内容细胞生物学研究与教学内容一般可分为细胞结构功能与细胞重要生命活动两大基本部分 。 当前细胞生物学研究内容大致归纳为以下诸多领域： (一)细胞核、染色体以及基因表达的研究 (二)生物膜与细胞器的研究 (三)细胞骨架体系的研究 (四)细胞增殖及其调控 (五)细胞分化及其调控细胞分化是生物发育的基础。肿瘤是不分化与去分化的结果 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。近年，细胞分化及其调控机制的研究，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。 (六)细胞的衰老与凋亡细胞衰老的研究是研究人与动植物寿命的基础。大量实验说明，动物二倍体细胞在体外分

3、裂与传代的次数是有限的，从而可推测体内细胞的寿命受分裂次数的限制，细胞的衰老是必然规律。细胞总体的衰老导致个体的衰老细胞凋亡是近年生命科学中发展起来的重要的新兴领域之一。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。细胞凋亡可能是生物正常生理发育与病理过程中的重要平衡因素。 (七)细胞的起源与进化 (八)细胞工程细胞工程是细胞生物学与遗传学的交叉领域， 细胞工程能用人工方法使不同种细胞的基因或基因组重组到杂交细胞中，或者使基因与基因组由一种细胞转移到另一种细胞中，并使越过种的障碍的基因转移成为可能。动植物体细胞的杂交试验一直是细胞工程中最活跃的领域。通过动物体细胞杂交而获得单克

4、隆抗体技术的建立，是细胞工程中最富成果性的工作范例。近年用哺乳动物体细胞克隆而获得无性繁殖胚胎与个体，是细胞工程最具创新的进展之一。 目前人们对细胞工程范畴的理解可能较上述范围更宽更广。 (九)细胞信号转导已成为细胞生物学中最热门的领域之一。近年来一切重大生命活动的研究都离不开细胞信号转导的内容与手段。当前细胞生物学研究的范畴远不止上述的内容，此外，如细胞外基质、细胞社会学与细胞免疫学等研究，近年也有较快的发展。三、当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域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。换句话说，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。 (一)当前细胞生物学研

5、究中的三大基本问题 当前细胞生物学研究的课题归纳起来是研究三个根本性的问题： 1 细胞内的基因组(人类大约有10万个基因)是如何在时间与空间上有序表达的? 2 基因表达的产物主要是结构蛋白与核酸、脂质、多糖及其复合物，它们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制是什么? 3 基因表达的产物-主要是大量活性因子与信号分子，它们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(编程性死亡)的相互

6、关系及其调控3细胞信号转导的研究细胞信号转导的研究已成生命科学多领域、多层次的纽带。4细胞结构体系的装配最后必须指出，上述领域与课题还不能概括细胞基本生命活动的所有重大问题。还有很多方面，诸如蛋白质合成、分选与跨膜定向运输，真核细胞起源与进化等等，不仅对细胞基本生命活动规律的认识很重要，而且近年也有迅速的进展。 目前全球研究最热门的5大研究方向：细胞周期调控(cellcyclecon-tr01)；细胞凋亡(cell apoptosis)；细胞衰老(cell senescence)；信号转导(signaltransduction)；DNA的损伤与修复(DNAdamageandrepair)。 全

7、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(signal transduction)、细胞凋亡(cellapoptosis)和基因组与后基因组学研究(genome and post-genomic analysis)。 第二章细胞基本知识概要第一节 细胞的基本概念一、细胞是生命活动的基本单位在前人的著述中曾对细胞cell概念过各种各样的定义，大凡有以下一些提法:细胞是有机体形态结构的基本单位; 细胞是形态与生理的基本单位;细胞是组成有机体的结构与功能的单位等等。近年比较普遍的提法是:细胞是生命活动的基本单位。 (一)一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位只有病毒

8、是非细胞形态的生命体。数量：有人统计，成人的有机体大约含有1014个细胞，刚出生的婴儿机体约含有2x1012个细胞。人的大脑是由1012个细胞构成的复杂体系。哺乳动物的肝或肾组织大约有2.53亿个细胞。种类：人体内大约有200多种不同类型的细胞，但根据其分化程度又可分为600多种。它们的形态结构与功能差异很大，但都是由一个受精卵通过分裂与分化而来。构成高等生物体的细胞都是高度社会化的细胞，具有分工与协同的相互关系，但它们又保持着形态与结构的独立性。 (二)细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位在细胞内一切生化过程与试管内的生化过程的根本不同点是，细胞表现为有严格程序的、

9、自动控制的代谢体系，我们对细胞的知识领域还存在大片的空白，但哪怕是一个最简单的细胞，也比任何迄今设计出的计算机控制的智能机更为精巧。 (三)细胞是有机体生长与发育的基础 一切有机体的生长与发育是以细胞的增殖与分化为基础的，近年认为细胞凋亡是生物生长发育不可缺少的平衡因素，与细胞增殖、分化具有互补作用。 (四) 细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性每一个细胞，都包含着全套的遗传信息，即全套的基因，也就是说它们具有遗传的全能性。由植物单个的生殖细胞或单个体细胞，由末受精的两栖类动物卵细胞，经人工培养与诱导可发育为完整的个体，曾经是细胞全能性最有力的证据之一。从动物的大部分组织游离分散出来的单

10、个细胞，大多数可以在体外培养、生长、增殖与传代。但不能像植物细胞那样被诱导分化与发育为个体，近年通过哺乳动物已分化的体细胞克隆而被诱导发育为动物个体的事实说明，每一种细胞都有发育为个体的潜在能力。 (五)没有细胞就没有完整的生命破坏细胞结构的完整性，细胞完整的生命活动都不能实现。从细胞分离出的任何结构，甚至是保存完好的细胞核与含有遗传信息的线粒体和叶绿体，都不能在体外培养持续生存，并作为生命活动的单位而存在。病毒虽然是非细胞形态的生命体，但它们必须在细胞内才能表现基本的生命特征(繁殖与遗传)。因此，就病毒而言，细胞是生命活动的基本单位这一概念也是完全合适的。二、细胞概念的一些新思考 细胞是多层

11、次非线性的复杂结构体系。 细胞是物质(结构)、能量与信息过程精巧结合的综合体。 细胞是高度有序的，具有自装配与自组织能力的体系。三、细胞的基本共性组成细胞的基本元素是碳(C)、氢(H)、氧(0)、氮(N)、磷(P)、硫(5)、钙 (Ca)、钾(K)、铁(Fe)、钠(Na)、氯(Cl)与镁(Mg)等，这些化学元素构成细胞结构与功能所需要的许多无机化合物和有机化合物。最基础的生物小分子是核苷酸、氨基酸、脂肪酸与单糖，它们又构成重要的生物大分子核酸、蛋白质、脂质与多糖类等。生物大分子一般以复合分子的形式，如核蛋白、脂蛋白、糖蛋白与糖脂等组成细胞的基本结构体系。由脂蛋白构成的磷脂双分子层并镶嵌蛋白质的

12、生物膜体系，由核酸和蛋白质分子构成的遗传信息的复制与表达体系，是构建任何类型细胞所必需的两大基本结构体系。细胞共同的基本点: 1 所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜，即细胞膜。细胞膜使细胞与周围环境保持相对的独立性，造成相对稳定的细胞内环境，并通过细胞膜与周围环境进行物质交换和信号转导。 2 所有的细胞都有两种核酸:即DNA与RNA，作为遗传信息复制与转录的载体。而非细胞形态生命体病毒只有一种核酸，即DNA或RNA作为遗传信息的载体。 3 作为蛋白质合成的机器-核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内，是任何细胞(除个别非常特化的细胞)不可缺少的基本结构，它们在翻译多肽链时，与

13、mRNA形成多聚核糖体。4 所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂，遗传物质在分裂前复制加倍，在分裂时均匀地分配到两个子细胞内，这是生命繁衍的基础与保证。第二节非细胞形态的生命体及其与细胞的关系病毒是非细胞形态的生命体，是迄今发现的最小、最简单的有机体。但所有的病毒必须要在细胞内才能表现出它们的基本生命活动。病毒与细胞在迸化上的关系目前也是一个末解决的重要课题，病毒的知识有助于加深我们对生命与细胞概念的理解与认识。一、病毒的基本知识病毒(virus)主要是由一个核酸分子(DNA或RNA)与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体。有类似病毒的更简单的生命体，仅由一个有感染性的RNA构成，称为类病毒(v

14、iroid)。1980年，还发现有一种称为朊病毒(prion)的更简单的生命体，仅由有感染性的蛋白质构成，目前对它的生命活动还知之甚少，至少它不能算是独立生命体。病毒虽然具备了生命活动的最基本特征(复制与遗传)，但不具备细胞的形态结构，是不完全的生命体。因为它们的主要生命活动必须在细胞内才能表现，在宿主细胞内复制增殖。病毒自身没有独立的代谢与能量转化系统，必须利用宿主细胞进行增殖，病毒是彻底的寄生物。有些病毒在核壳之外，还有包膜(envelope)，其主要成分为脂质与蛋白质，凡是有包膜的病毒对有机溶剂都很敏感，在有机溶剂作用下易灭活。在包膜表面具有包膜小体，主要成分为糖蛋白类，有“识别”的功能

15、，并具有一定的抗原性。应该指出，病毒的包膜与细胞膜在结构与功能上都有很大差异。二、病毒在细胞内的增殖(复制) 病毒的增殖又称病毒的复制，与细胞一分为二的增殖方式是完全不一样的。病毒的增殖(复制)必须在细胞内进行。 病毒的增殖过程简要叙述如下： 1.病毒侵入细胞，病毒核酸的侵染2.病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成 3.病毒的装配、成熟与释放从病毒侵人细胞到子代病毒的成熟释放称为一个增殖周期(或复制周期)并不是每个病毒都具有感染性。三、病毒与细胞在起源和进化中的关系 病毒与细胞在起源上的关系是人们很感兴趣的问题，目前存在3种主要观点生物大分子 病毒 细胞生物大分子 细胞 病毒生物大分子 细胞 病

16、毒现在第二种与第三种观点比较容易接受，而且第三种观点越来越具有说服力。认为病毒是细胞的演化产物的观点，其主要依据与论点如下: 1 由于病毒的彻底寄生性，没有细胞的存在也就没有病毒繁殖。因此病毒决不可能起源在细胞之先，只能是先有细胞后有病毒。 2 有些病毒(如腺病毒)的核酸与哺乳动物细胞DNA某些片段的碱基序列十分相似。 3 病毒可以看做是DNA与蛋白质或RNA与蛋白质形成的复合大分子，与细胞内核蛋白分子有相似之处。由此推论:病毒可能是细胞在特定条件下拥出的一个基因组，或者是具有复制与转录能力的mRNA。这些游离的基因组，只有回到它们原来的细胞内环境中才能逆行复制与转录。第三节 原核细胞与古核细

17、抱原核生物在极早的时候就演化成了两大类:称为古细菌(原细菌mchambacteha)与真细菌eubacteha)。现在将古细菌称为古核生物(archaeon)，古核生物(古细菌)是一些生长在地球上特殊环境中的细菌，它们可能代表了原始地球环境中生命存在与繁衍的特定形式。古核生物细胞的形态结构与遗传结构装置和原核细胞相似，但有些分子进化特征更接近真核细胞。有些生物学家建议将生物划分为原核生物、古核生物与真核生物三大界，将细胞相应分为三大类型:原核细胞、古核细胞与真核细胞。一、最小、最简单的细胞-支原体支原体(mycoplast，近年又译为霉形体)是目前发现的最小、最简单的细胞。已具备了细胞的基本形

18、态结构，并具有作为生命活动基本单位的主要特征。支原体的体积很小，直径一般是0.10.3mm，仅为细菌的十分之一。支原体中不少是致病的病原体，尤其是一些慢性病(呼吸道病、胸膜肺炎、关节炎与尿道炎等)的病原体可能是支原体。 目前没有发现比支原体更小更简单的细胞了，支原体的基本结构与机能已简单到极限，为什么说支原体是最小、最简单的细胞?一个细胞生存与增殖必须具备的结构装置：细胞膜、遗传信息载体 DNA与RNA、进行蛋白质合成的一定数量的核糖体以及催化主要酶促反应所需要的酶，这些在支原体细胞内已基本具备。占用空间：有人估计一个细胞生命活动运转至少需要100种酶，这些分子进行酶促反应所必须占有的空间直径

19、约为50 nm，加上核糖体(每个核糖体直径约1020 nm)，细胞膜与核酸等，可以推算出来，一个细胞体积的最小极限直径不可能小于100nm，而现在发现的最小支原体细胞的直径已接近这个极限。二、原核细胞的两个代表细菌和蓝藻（一）细菌细胞细菌是自然界分布最广、个体数量最多的有机体，在大自然物质循环过程中处于极重要的地位。绝大多数细菌的直径在0.5一5.Omm之间，当然还有极少的巨型细菌。 分类：按形态有3种:球状或椭圆形称为球菌，杆状或圆柱形称为杆菌，螺旋形或弧形称为螺旋菌。在进化上，细菌又可分为原细菌(古细菌)与真细菌两大类。结构特点：细菌细胞没有典型的核结构，但绝大多数细菌有明显的核区或称类核

20、(nucleoid)，主要由一个环状DNA分子盘绕而成，核区四周是较浓密的胞质物质。除了核糖体外，没有类似真核细胞的细胞器。细胞膜是典型的生物膜结构，但它具有多功能性。1 细菌细胞的核区与基因组细菌细胞只具有原始形态的核，没有核膜，更没有核仁，结构简单，称为核区或类核,细菌的核区主要由一个环状的DNA分子组成。证常情况下，一个细菌细胞内只有一个核区，在细菌处于生长增殖状态时，由于DNA的复制次数与细胞分裂次数并不同步，一个细胞内可以同时存在几个DNA分子，往往出现几个核区现在把细菌的环状DNA可以理解为细菌基因组(genome)（基因组的定义已被赋予新的内容：基因组-“自主复制”的单位应具有的

21、一套基因）: 2 细菌细胞的表面结构 主要是指细胞膜、细胞壁及其特殊结构:中膜体、荚膜与鞭毛等。 细胞膜是细胞表面的最重要结构。 (2)中膜体中膜体(mesosome)又称间体或质膜体，由细胞膜内陷形成，每个细胞内有一个或数个中膜体，其形状差异较大中膜体可能起DNA复制的支点作用。细胞分裂时，先形成两个中膜体，然后核物质再一分为二。 3 细菌细胞的核糖体每个细菌细胞约含500050000个核糖体，部分附着在细胞膜内侧，大部分游离于细胞质中。核糖体与mRNA形成多聚核糖体。细菌核糖体的沉降系数为70s，由大亚单位(50s)与小亚单位(30s)组成，大亚单位含有23SrRNA、5SrRNA与30多

22、种蛋白质，小亚单位含有16SrRNA与20多种蛋白质。30s的小亚单位对四环素与链霉素很敏感，50s的大亚单位对红霉素与氯霉素很敏感，这些抗生素大概是通过多肽链翻译这一环节起抑菌作用的。 4 细菌细胞核外DNA除核区DNA外，在细菌细胞内还存在可进行自主复制的遗传因子称为质粒(Plasmid)。质粒是裸露的环状DNA分子，含2200个基因，能进行自我复制，但它们的复制能力或多或少依赖于宿主细胞的机能，有时质粒能整合到核DNA中去。质粒DNA在遗传工程研究中很重要，常用作基因重组与基因转移的载体。 5 细菌细胞内生孢子又称芽孢，细菌细胞内的重要物质，特别是DNA，积聚在细胞的一端，形成一种含水量

23、较丰富的致密体，外被很厚的壁，具有度过恶劣环境的能力，可以在杀死普通细菌或营养型细菌的条件下依然存活。 三、古核细胞(古细菌)古核生物(archaeon)或称古细菌(archaebacteria)是20世纪80年代出现的名称。古核细胞没有核膜，其基因组结构为一环状DNA，常常含有操纵子结构，因此人们长期认为古核细胞的遗传结构装置更近似原核细胞，把它们归属于原核细胞的一类，然而近年的研究说明并非如此。下面这些古核细胞与真核细胞相似性的资料，说明古细菌比真细菌更可能是真核细胞的祖先，或者可以说明古核细胞与真核细胞曾在迸化上有过共同历程。(1)细胞壁的成分 真细菌的壁主要由含壁酸的肽聚糖构成，古细菌也有细胞壁，但其成分却与真核细胞一样完全不含上述成分。(2)DNA与基因结构 真细菌类的细胞DNA不含重复序列，而真核细胞的DNA中含有大量的重复序列，古核细胞DNA中也有重复序列的存在。真细菌中是不存在内含子的，而真核细胞存在内含子，多数古核细胞的基因组中也存在内含子，(3)核小体结构 古核细胞具有组蛋白，而且能与DNA构建成类似核小体的结构。(4)核糖体 抗生素不能抑制古核细胞类的核糖体的蛋白质合成。从对抗生素的反应看，应更类似真核细胞的核糖体。(5)5SrRNA对5SrRNA序列的分析，可鉴定物种进化亲缘关系方面，Husysman与Wachter(1