医细胞生物学绪论

1、医学细胞生物学医学细胞生物学medical cell biology college of life science, soochow universitycollege of life science, soochow university朱子玉朱子玉 40333131 绪论绪论2 真核细胞的基本结构真核细胞的基本结构3 细胞的物质运输细胞的物质运输4 细胞的信号转导细胞的信号转导5 细胞增殖细胞增殖6 细胞分化细胞分化7 细胞衰老和凋亡细胞衰老和凋亡医学细胞生物学医学细胞生物学chapter 1. 绪论绪论 细胞生物学的概念和研究内容细胞生物学的概念和研究内容 细胞生物学的发展简史细胞生物

2、学的发展简史 医学细胞生物学研究医学细胞生物学研究 细胞的基本特征细胞的基本特征 第一节：细胞生物学的概念和研究内容第一节：细胞生物学的概念和研究内容 几乎所有的生物都是由细胞几乎所有的生物都是由细胞( (cell) )构成的。细胞是生命体的构成的。细胞是生命体的结构和功能的基本单位，有了细胞才有完整的生命活动。结构和功能的基本单位，有了细胞才有完整的生命活动。 细胞生物学细胞生物学( (cell biology)是是研究细胞的结构、功能及其生活研究细胞的结构、功能及其生活史的的科学史的的科学，由最初的细胞学由最初的细胞学( (cytology)发展而来。发展而来。 现代细胞生物学将对细胞的研

3、究在细胞整体现代细胞生物学将对细胞的研究在细胞整体( (显微显微) )、亚细胞、亚细胞( (超微超微) )和分子水平三个层次上有机地结合起来。和分子水平三个层次上有机地结合起来。 细胞生物学是生命科学最活跃最有发展前景的分支学科。从细胞生物学是生命科学最活跃最有发展前景的分支学科。从细胞角度研究生命的发生与分化、发育与生长、遗传与变异、细胞角度研究生命的发生与分化、发育与生长、遗传与变异、疾病与健康、衰老与死亡等基本生物学规律。疾病与健康、衰老与死亡等基本生物学规律。 细胞生物学主要研究内容：细胞生物学主要研究内容：细胞结构与功能、细胞重要生命活动细胞结构与功能、细胞重要生命活动：细胞核、染色

4、体及基因表达的研究细胞核、染色体及基因表达的研究生物膜与细胞器的研究生物膜与细胞器的研究细胞骨架体系的研究细胞骨架体系的研究细胞增殖及其调控细胞增殖及其调控细胞分化及其调控细胞分化及其调控细胞的衰老与凋亡细胞的衰老与凋亡细胞信号转导细胞信号转导细胞工程细胞工程细胞生物学研究的根本问题细胞生物学研究的根本问题基因组在细胞内如何实现时间基因组在细胞内如何实现时间和空间上的有序表达？和空间上的有序表达？基因表达产物如何与其它细胞基因表达产物如何与其它细胞组分组装成有功能的结构体系或组分组装成有功能的结构体系或细胞器？细胞器？基因表达产物及信号分子如何基因表达产物及信号分子如何调节细胞的重要生命活动过

5、程？调节细胞的重要生命活动过程？五大研究方向：五大研究方向：细胞周期调控细胞周期调控细胞凋亡细胞凋亡细胞衰老细胞衰老细胞信号转导细胞信号转导1. dna损伤与修复损伤与修复robert hooke and his “cells”robert hookes microscopemade by a.van leeuwenhoek (1632-1723).magnification ranges at 50-275x.1830s消色差显微镜出现，人们才对细胞的结构消色差显微镜出现，人们才对细胞的结构和功能有了新的认识。和功能有了新的认识。1831年年r. brown在兰科植物表皮细胞内发现了在兰科植

6、物表皮细胞内发现了细胞核。细胞核。1836年年gg. valentin在动物神经细胞中发现了在动物神经细胞中发现了细胞核与核仁。这些工作对于细胞学说的诞生细胞核与核仁。这些工作对于细胞学说的诞生具有重要意义。具有重要意义。 二、细胞学说的建立二、细胞学说的建立establishment of cell theory cell theory是是19世纪的重大发现之一，现代细世纪的重大发现之一，现代细胞学说包括三方面内容：胞学说包括三方面内容： 细胞是多细胞生物的最小结构单位；细胞是多细胞生物的最小结构单位； 多细胞生物的每一个细胞为一代谢活动单位，多细胞生物的每一个细胞为一代谢活动单位，执行特定

7、功能；执行特定功能； 新细胞来源于已存在细胞的分裂。新细胞来源于已存在细胞的分裂。 通常认为施莱登（通常认为施莱登（mj. schleiden）和施旺（）和施旺（t. schwann）正）正式提出了细胞学说，实际上是式提出了细胞学说，实际上是19世纪许多科学家共同努力的世纪许多科学家共同努力的结果。结果。matthias jacob schleidentheodar schwann1838-39年年schwann和和schleiden在前人工作基础上提出：在前人工作基础上提出：有机体是由细胞构成的；有机体是由细胞构成的；a.细胞是构成有机体的基本单位。细胞是构成有机体的基本单位。1855年德国

8、人年德国人virchow 提出提出“一一切细胞来源于细胞切细胞来源于细胞”（omnis cellula e cellula）的著名论断，）的著名论断，进一步完善了细胞学说。进一步完善了细胞学说。rudolf virchow 1830s后发现活细胞并不是空的而是充满粘稠的液体。后发现活细胞并不是空的而是充满粘稠的液体。je. purkinje（1839）和）和von mohl（1846）则分别将动植）则分别将动植物细胞内的物质称作原生质物细胞内的物质称作原生质“protoplasm” 。max schultze （1861）认为动植物细胞中的原生质具有同）认为动植物细胞中的原生质具有同样的意义，

9、提出了原生质理论：细胞是由原生质组成的。样的意义，提出了原生质理论：细胞是由原生质组成的。如今如今“原生质原生质”一词已从生物学文献中消失了，但在当时一词已从生物学文献中消失了，但在当时具有十分重要的意义。具有十分重要的意义。 19世纪下半叶是对细胞研究的繁荣时期，许多重要的细胞世纪下半叶是对细胞研究的繁荣时期，许多重要的细胞器和细胞活动现象被发现，被称为细胞学的经典时期。器和细胞活动现象被发现，被称为细胞学的经典时期。三、电镜的发展和细胞生物学诞生三、电镜的发展和细胞生物学诞生development of electron microscope & emerge of cell bi

10、ology 1931年德国人年德国人e. ruska 首次发明透射电镜，人类视野进首次发明透射电镜，人类视野进入超微领域入超微领域 。1939年年siemens公司生产商品电镜。公司生产商品电镜。 1940-50s用电镜观察了各类细胞超微结构。并结合超速用电镜观察了各类细胞超微结构。并结合超速离心、电泳、无细胞体系等分析技术研究这些结构的功离心、电泳、无细胞体系等分析技术研究这些结构的功能。能。cytology发展为发展为cell biology。 也被称为实验细胞学阶段，细胞学分支得到发展。也被称为实验细胞学阶段，细胞学分支得到发展。四、分子细胞生物学时代四、分子细胞生物学时代the era

11、 of molecular cell biology 1953年，年，watson 和和crick揭示揭示dna分子双螺旋模型分子双螺旋模型 1958 年年crick 提出分子遗传的提出分子遗传的“中心法则中心法则”。 1961-1964年年nirenberg 等破译遗传密码。等破译遗传密码。 1972年年da. jackson，rh. symons和和p. berg实现实现dna体体外重组。外重组。 一系列理论和技术的发展，使细胞生物学与分子生物学一系列理论和技术的发展，使细胞生物学与分子生物学的结合越来越紧密，开始进入分子细胞生物学时代。的结合越来越紧密，开始进入分子细胞生物学时代。 19

12、53年，年，jd. watson 和和fhc. crick提出提出dna双螺旋模型。双螺旋模型。与与wilkins分享分享1962 年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖 。1983年，年，kb. mullis发明发明pcr仪，于仪，于1993年获诺年获诺贝尔化学奖。贝尔化学奖。1996年，世界上第一只年，世界上第一只体细胞克隆羊体细胞克隆羊“dolly”在英国罗斯林研究所诞在英国罗斯林研究所诞生，引起举世瞩目。生，引起举世瞩目。leland h. hartwell tim hunt sir paul m. nurse 2001年，美国人年，美国人leland hartwell、英国人、

13、英国人paul nurse、timothy hunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理学或医学奖。生理学或医学奖。2002年，英国人年，英国人sydney brenner、美国人、美国人robert horvitz和和英国人英国人john e. sulston，因在器官发育的遗传调控和细胞程，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学或医学奖。序性死亡方面的研究获诺贝尔生理学或医学奖。sydney brennerh. robert horvitzjohn e. sulston 2003年，美国人年，美国人peter agre和和ro

14、derick mackinnon，因对细，因对细胞膜水通道、离子通道结构和机理研究获诺贝尔化学奖。胞膜水通道、离子通道结构和机理研究获诺贝尔化学奖。 peter agreroderick mackinnon 2004年，美国人年，美国人richard axel和和linda b. buck获诺贝尔生获诺贝尔生理学或医学奖，他们发现气味受体和嗅觉系统的组成。理学或医学奖，他们发现气味受体和嗅觉系统的组成。richard axellinda b. buck 2005年年barry j. marshall 和和j. robin warren 获诺贝尔获诺贝尔生理学或医学奖，他们发现幽门螺杆菌及其在胃

15、炎和生理学或医学奖，他们发现幽门螺杆菌及其在胃炎和胃溃疡发病机理中的作用。胃溃疡发病机理中的作用。barry j. marshallj. robin warren2006年度诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家安德鲁年度诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家安德鲁法尔法尔和克雷格和克雷格梅洛，以表彰他们发现了梅洛，以表彰他们发现了rna干扰机制，干扰机制，rnai已被已被广泛用作研究基因功能，并有望成为治疗疾病的新疗法。广泛用作研究基因功能，并有望成为治疗疾病的新疗法。andrew z. fire craig c. mello2007年度诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家马里奥年度诺贝尔生理学或医学

16、奖授予美国科学家马里奥-卡卡佩奇和奥利弗佩奇和奥利弗-史密西斯、英国科学家马丁史密西斯、英国科学家马丁-埃文斯，以表彰埃文斯，以表彰他们在涉及胚胎干细胞和哺乳动物他们在涉及胚胎干细胞和哺乳动物dna重组方面的一系列重组方面的一系列突破性发现，这些发现使突破性发现，这些发现使“基因打靶基因打靶”技术成为可能。技术成为可能。 mario r. capecchi sir martin j. evans oliver smithies2007年，年，ips细胞在小鼠和人首先细胞在小鼠和人首先成功获得，这一技术使人们对细成功获得，这一技术使人们对细胞治疗的前景更加乐观，也使得胞治疗的前景更加乐观，也使得

17、细胞重编程的研究更加重视。细胞重编程的研究更加重视。2008年度诺贝尔生理学或医学奖授予德国科学家哈拉尔德年度诺贝尔生理学或医学奖授予德国科学家哈拉尔德-楚尔楚尔-豪森和两位法国科学家弗朗索瓦丝豪森和两位法国科学家弗朗索瓦丝-巴尔巴尔-西诺西和吕西诺西和吕克克-蒙塔尼。德国科学家发现人类乳头瘤病毒蒙塔尼。德国科学家发现人类乳头瘤病毒(hpv)引发子引发子宫颈癌，两名法国科学家发现人类免疫缺陷病毒宫颈癌，两名法国科学家发现人类免疫缺陷病毒(hiv) 。harald zur hausen franoise barr-sinoussi luc montagnier2009年度诺贝尔生理学或医学奖授予

18、伊丽莎白年度诺贝尔生理学或医学奖授予伊丽莎白-布莱克本、布莱克本、卡罗尔卡罗尔-格雷德和杰克格雷德和杰克-绍斯塔克。他们发现了端粒和端粒绍斯塔克。他们发现了端粒和端粒酶对于染色体的保护作用。端粒和端粒酶研究有助于攻克酶对于染色体的保护作用。端粒和端粒酶研究有助于攻克医学领域医学领域3方面难题，即方面难题，即“癌症、特定遗传病和衰老癌症、特定遗传病和衰老”。elizabeth h. blackburn carol w. greider jack w. szostak2010年诺贝尔生理学或医学奖授予英国生理学家罗伯年诺贝尔生理学或医学奖授予英国生理学家罗伯特特爱德华兹，以表彰他在体外受精技术领域

19、做出的开爱德华兹，以表彰他在体外受精技术领域做出的开创性贡献。创性贡献。1978年年7月月25日，世界上第一个试管婴儿诞日，世界上第一个试管婴儿诞生，目前全球已出生生，目前全球已出生400多万试管婴儿，他被誉为多万试管婴儿，他被誉为“试试管婴儿之父管婴儿之父” 。ralph marvin steinmanbruce a beutlerjules a. hoffmann2011年诺贝尔生理学或医学奖授予美国布鲁斯年诺贝尔生理学或医学奖授予美国布鲁斯博伊特勒、博伊特勒、法国朱尔斯法国朱尔斯霍夫曼及加拿大拉尔夫霍夫曼及加拿大拉尔夫斯坦曼，其研究成果揭斯坦曼，其研究成果揭示免疫反应的激活机制，使人们对

20、免疫系统的理解发生示免疫反应的激活机制，使人们对免疫系统的理解发生“革命性变化革命性变化”，进而为免疫系统疾病研究提供了新的认，进而为免疫系统疾病研究提供了新的认识，并为传染病、癌症等疾病的防治开辟了新的道路。识，并为传染病、癌症等疾病的防治开辟了新的道路。2012 nobel prize？肝移植的成就？肝移植的成就？细胞骨架马达细胞骨架马达蛋白的研究？蛋白的研究？第三节：医学细胞生物学研究第三节：医学细胞生物学研究生殖细胞生物学生殖细胞生物学肿瘤细胞生物学肿瘤细胞生物学细胞分化和干细胞细胞分化和干细胞细胞衰老和死亡细胞衰老和死亡细胞工程细胞工程细胞生物学对基础医学和临床医学的发展意义重大，细

21、胞生物学对基础医学和临床医学的发展意义重大，随着细胞和分子生物学的发展，现代医学正在进入随着细胞和分子生物学的发展，现代医学正在进入分子医学时代。分子医学时代。第四节：第四节：细胞的基本特征细胞的基本特征 细胞的起源与进化细胞的起源与进化 细胞的基本共性细胞的基本共性 细胞的分子基础细胞的分子基础一、细胞的起源与进化一、细胞的起源与进化origin and evolution of cells原核生物原核生物prokaryote非细胞生命非细胞生命life of non-cell单细胞单细胞真核生物真核生物unicellular eukaryote多细胞多细胞真核生物真核生物multicell

22、ular eukaryote非细胞生命体非细胞生命体 病毒（病毒（virus）核酸分子（核酸分子（dna或或rna）与蛋白质）与蛋白质构成的核酸构成的核酸- -蛋白质复合体蛋白质复合体 根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类： dna病毒与病毒与rna病毒病毒 病毒在细胞内增殖（复制）病毒在细胞内增殖（复制） 类病毒（类病毒（viroid）仅由感染性的仅由感染性的rna构成构成 朊病毒（朊病毒（prion） 仅由感染性的蛋白质亚基构成仅由感染性的蛋白质亚基构成原核细胞原核细胞 prokaryotic cell基本特点基本特点遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一

23、个环状遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状dna构成；细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构成；细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜。构与功能的细胞器和细胞核膜。主要代表主要代表支原体（支原体（mycoplast）已发现的最小最简单的细胞已发现的最小最简单的细胞细菌细菌（bacteria）蓝藻蓝藻/ /蓝细菌（蓝细菌（cyanobacteria）真核细胞真核细胞 eukaryotic cell真核细胞的基本结构功能体系真核细胞的基本结构功能体系以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统以核酸（以核酸（dna或或rna）和蛋

24、白质为主要成分）和蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统的遗传信息表达系统由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统不同类型细胞及细胞不同类型细胞及细胞组分的相对大小组分的相对大小 特特 征征 原原 核核 细细 胞胞 真真 核核 细细 胞胞 细细 胞胞 膜膜 核核 膜膜 染染 色色 体体 核核 仁仁 线线 粒粒 体体 内内 质质 网网 高高 尔尔 基基 体体 溶溶 酶酶 体体 核核 糖糖 体体 光光 合合 作作 用用 结结 构构 核核 外外d d n n a a 细细 胞胞 壁壁 细细 胞胞 骨骨 架架 细细 胞胞 增增 殖殖 （ 分分 裂裂 ） 方方 式式 有有 （

25、 多多 功功 能能 性性 ） 无无 由由 一一 个个 环环 状状d d n n a a分分 子子 构构 成成 的的 单单 个个 染染 色色体体 ， d d n n a a不不 与与 或或 很很 少少 与与 蛋蛋 白白 质质 结结 合合 无无 无无 无无 无无 无无 7 7 0 0 s s （ 包包 括括5 5 0 0 s s与与3 3 0 0 s s的的 大大 小小 亚亚 单单 位位 ） 蓝蓝 藻藻 含含 有有 叶叶 绿绿 素素a a的的 膜膜 层层 结结 构构 ， 细细 菌菌 具具有有 菌菌 色色 素素 细细 菌菌 具具 有有 裸裸 露露 的的 质质 粒粒d d n n a a 主主 要要

26、成成 分分 是是 氨氨 基基 糖糖 与与 壁壁 酸酸 无无 无无 丝丝 分分 裂裂 （ 直直 接接 分分 裂裂 ） 有有 有有 2 2个个 染染 色色 体体 以以 上上 ， 染染 色色 体体 由由 线线 状状d d n n a a与与 蛋蛋 白白 质质 组组 成成 有有 有有 有有 有有 有有 8 8 0 0 s s （ 包包 括括6 6 0 0 s s与与4 4 0 0 s s的的 大大 小小 亚亚 单单 位位 ） 植植 物物 叶叶 绿绿 体体 具具 有有 叶叶 绿绿 素素a a与与b b 线线 粒粒 体体d d n n a a ， 叶叶 绿绿 体体d d n n a a 动动 物物 细细

27、胞胞 无无 细细 胞胞 壁壁 ， 植植 物物 细细 胞胞 壁壁 的的 主主 要要 成成 分分 为为 纤纤 维维 素素 与与果果 胶胶 有有 以以 有有 丝丝 分分 裂裂 （ 间间 接接 分分 裂裂 ） 为为 主主 comparison of features of prokaroytic and eukaryotic cells comparison of structures between animal and plant cells 既不同于原核细胞既不同于原核细胞也不同于真核细胞，也不同于真核细胞，属于生命的第三种属于生命的第三种形式。形式。在进化上与真核细在进化上与真核细胞有共同历程

28、。胞有共同历程。古细菌古细菌archaea /archaebacteria二、细胞的基本共性二、细胞的基本共性fundamental properties of cells 结构上的复杂性和组织性：结构上的复杂性和组织性： 由磷脂双分子层与镶嵌蛋白构成的生物膜，即细胞膜；由磷脂双分子层与镶嵌蛋白构成的生物膜，即细胞膜； 含有两种核酸含有两种核酸dna和和rna，作为遗传信息复制与转录的载体；，作为遗传信息复制与转录的载体； 作为蛋白质合成机器的核糖体，存在于一切细胞内；作为蛋白质合成机器的核糖体，存在于一切细胞内； 功能上的自主、协调和有序：功能上的自主、协调和有序： 通过细胞分裂实现细胞的增

29、殖；通过细胞分裂实现细胞的增殖； 代谢过程需要和利用能量；代谢过程需要和利用能量； 合成蛋白质；合成蛋白质； 对内外环境刺激的应答；对内外环境刺激的应答； 自我调控自我调控具有一套遗传信息的储存、复制和转录系统；具有一套遗传信息的储存、复制和转录系统；具有一层细胞膜，通过细胞膜与周围环境相对具有一层细胞膜，通过细胞膜与周围环境相对隔离并可进行物质、能量交换和信息传递；隔离并可进行物质、能量交换和信息传递；1) 具有一套完整的代谢机构（包括蛋白质合成和具有一套完整的代谢机构（包括蛋白质合成和转运系统，细胞增殖系统等），以维持基本生转运系统，细胞增殖系统等），以维持基本生命活动。命活动。细胞作为生

30、物体最基本的结构和功能单位，细胞作为生物体最基本的结构和功能单位，必须具备三个基本条件：必须具备三个基本条件：三、细胞的分子基础三、细胞的分子基础molecular basis of cells 构成细胞的基本元素有：构成细胞的基本元素有：o、c、h、n、na、k、ca、p、mg等，其中等，其中o、c、h、n四种元素占四种元素占90%以上。以上。 细胞的组分包括无机小分子、有机小分子和生物大分子。细胞的组分包括无机小分子、有机小分子和生物大分子。v 细胞的无机物主要有水和无机盐。细胞的无机物主要有水和无机盐。 水是细胞生命活动的物质基础，约占细胞重量的水是细胞生命活动的物质基础，约占细胞重量的

31、75-80，其中游离水约其中游离水约95，其余为结合水。，其余为结合水。 无机盐的含量约为无机盐的含量约为1，主要以离子形式存在，主要以离子形式存在 。v细胞的有机小分子游离于细胞质，是细胞代谢的中间细胞的有机小分子游离于细胞质，是细胞代谢的中间产物和构成生物大分子的原料。包括：单糖、脂肪酸、产物和构成生物大分子的原料。包括：单糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸氨基酸和核苷酸单糖是构成多糖的基本单位，重要的戊糖单糖是构成多糖的基本单位，重要的戊糖核糖和核糖和脱氧核糖是核酸的组成成分，重要的己糖脱氧核糖是核酸的组成成分，重要的己糖葡萄糖是葡萄糖是能源物质能源物质脂肪酸是合成脂肪的原料，其重要功能是构成细

32、胞膜脂肪酸是合成脂肪的原料，其重要功能是构成细胞膜氨基酸是构成蛋白质的基本单位，常见氨基酸是构成蛋白质的基本单位，常见20种种核苷酸是组成核酸的基本单位核苷酸是组成核酸的基本单位ribose & deoxy ribose glucose amino acidfatty acid nucleotidev细胞的大分子有机物主要有蛋白质、核酸、脂类细胞的大分子有机物主要有蛋白质、核酸、脂类和糖，约占细胞干重的和糖，约占细胞干重的90%以上。以上。一个细胞中约有一个细胞中约有104种蛋白质，分子总数达种蛋白质，分子总数达1011。蛋白质不仅是细胞的结构成分，也是细胞功能的蛋白质不仅是细胞的结构成分，也是