细胞生物学概述杨恬学习教案

1、会计学1第一页，共55页。内容内容(nirng)第一节第一节 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第二节第二节 细胞生物学的形成细胞生物学的形成(xngchng)(xngchng)与发展与发展第三节第三节 细胞生物学与医学科学细胞生物学与医学科学第1页/共54页第二页，共55页。第一节第一节 细胞细胞(xbo)(xbo)生物学的概念和生物学的概念和研究内容研究内容 一、生命一、生命(shngmng)由细胞开由细胞开始始 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(ch le)病毒、类病毒以外，所有生命体都是由细胞构成的。 第2页/共

2、54页第三页，共55页。 生命生命(shngmng)的起源和细胞的生成的起源和细胞的生成45 亿年前 地球(dqi)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 多细胞生物形 成（藻类）12 亿年前 真核细胞形成第3页/共54页第四页，共55页。 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(y )非常重要的层次。 第4页/共54页第五页，共55页。二、细胞具有二、细胞具有(jyu)若干若干共性共性 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：

3、 以相同的线性化学密码(m m)（DNA）形式储存遗传信息； 通过模板聚合作用复制遗传信息； 将遗传信息转录为共同的中间体（RNA）； 以相同的方式在核糖体上将RNA翻译为蛋白质； 使用蛋白质作催化剂促成机体各种化学反应； 从环境中获得自由能并以ATP作为能量流通形式； 利用含有泵、载运系统和通道的质膜来分隔胞浆和胞外环境； 具有自我增殖和遗传的能力等。 第5页/共54页第六页，共55页。 这些共同的基本性质(xngzh)形成于长期物种生存的自然选择过程。 第6页/共54页第七页，共55页。 EB Wilson说：“所有生物学的答案最终都要到细胞中去寻找(xnzho)。因为所有生物体都是，或曾

4、经是，一个细胞”。三、 细胞是生物的形态结构和生命(shngmng)活动的基本单位第7页/共54页第八页，共55页。第8页/共54页第九页，共55页。 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(shxng)中得到体现。 一方面，细胞是由质膜（plasma membrane）包围的，相对(xingdu)独立的功能单位，能够自我调节和独立生存。 四、四、 细胞细胞(xbo)生物学关注细胞生物学关注细胞(xbo)的属性的属性第9页/共54页第十页，共55页。 五、五、 细胞细胞(x

5、bo)生物学的系统论生物学的系统论观念观念 生命是生命系统整体(zhngt)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(zhngt)的调控，而整体(zhngt)的特性远大于部分之和。 目前，在细胞(xbo)间相互作用和相互关系、细胞(xbo)社会性及其活动的整体性这一领域中，目前所知甚少。 第10页/共54页第十一页，共55页。 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(ln y)的

6、工作。六、六、 细胞生物学与科学进步和学科细胞生物学与科学进步和学科(xuk)关系关系第11页/共54页第十二页，共55页。 近30年来对生命活动的研究(ynji)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(ynji)的需求非常突出。 （一）（一） 科学进步科学进步(jnb)的需求的需求第12页/共54页第十三页，共55页。 目前，人类基因(jyn)组计划已经提前完成，分子水平的整套基因(jyn)的测序结果已经公布，接下来的大量繁复

7、和艰难的基因(jyn)功能分析、调控机理等研究也将主要在细胞水平上展开。 第13页/共54页第十四页，共55页。 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(shdi)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）（二） 细胞细胞(xbo)(xbo)生物学目前的位生物学目前的位置置 第14页/共54页第十五页，共55页。 细胞生物学是生命科学的重要支柱和核心(hxn)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。 第15页/共54页第

8、十六页，共55页。七、 细胞生物学的常用(chn yn)模式生物常用模式常用模式(msh)生生物物第16页/共54页第十七页，共55页。常用模式常用模式(msh)生生物物第17页/共54页第十八页，共55页。常用常用(chn yn)模模式生物式生物第18页/共54页第十九页，共55页。人与小鼠人与小鼠基因簇比较基因簇比较(bjio) 人和小鼠：最接近人和小鼠：最接近(jijn)的基因组成和发育模式的基因组成和发育模式第19页/共54页第二十页，共55页。 Kit基因突变导致人与小鼠相同基因突变导致人与小鼠相同(xin tn)部位的细胞色素丢失部位的细胞色素丢失 人和小鼠：最接近的基因组成和发育

9、人和小鼠：最接近的基因组成和发育(fy)模式模式第20页/共54页第二十一页，共55页。八、八、 细胞结构细胞结构(jigu)和功能的有序性和失序和功能的有序性和失序的后果的后果 不同水平显示细胞和细胞构建不同水平显示细胞和细胞构建(u jin)物的有序性：蛋白分子；精子物的有序性：蛋白分子；精子尾的微管；花粉单细胞；蝴蝶翅，每个尾的微管；花粉单细胞；蝴蝶翅，每个scale是一个细胞的产物；向日葵是一个细胞的产物；向日葵。第21页/共54页第二十二页，共55页。 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

10、的这一基本单位(dnwi)的特性。九、九、 细胞生物学的独特细胞生物学的独特(dt)视角视角 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(qin l)地渗透入其他生命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极其重要的地位。 第22页/共54页第二十三页，共55页。一、细胞的发现一、细胞的发现 1665年，英国科学家年，英国科学家Robert Hooke使使用自制的显微镜第一次观察到了植物细胞壁用自制的显微镜第一次观察到了植物细胞壁的结构，并提出了的结构，并提出了“细胞细胞(cell)”这一术语这一术语(sh

11、y)。工业革命和染料工业。工业革命和染料工业。 第二节细胞第二节细胞(xbo)生物学的形成生物学的形成与发展与发展二、细胞学说二、细胞学说 （cell theory）19世纪中叶，德国科学家世纪中叶，德国科学家Shleiden和和Schwannn总结并提出了总结并提出了“一切植物和动一切植物和动物都是由细胞组成的物都是由细胞组成的”的著名的的著名的“细胞学细胞学说说”。完整。完整(wnzhng)的细胞学说的三个的细胞学说的三个要点是：所有生物都是由细胞构成的；所要点是：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

12、分裂。细胞都是来源于已有的细胞的分裂。 第23页/共54页第二十四页，共55页。 接下来的100余年中，由于技术手段的限制(xinzh)，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年美国细胞学家EB Wilson绘制的细胞的模式图总结了这一阶段的研究成果。三、细胞学阶段三、细胞学阶段(jidun)第24页/共54页第二十五页，共55页。 二十世纪30年代，以电子显微镜的发明

13、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(xdu)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。名词第1次剧增。四、细胞四、细胞(xbo)生物学阶段生物学阶段第25页/共54页第二十六页，共55页。 DNA双螺旋结构模型和遗传信息传递的“中心法则（central dogma,1953）”是细

14、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(ynji)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、五、 分子生物学阶段分子生物学阶段(jidun)第26页/共54页第二十七页，共55页。 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

15、的细胞学逐渐发展成了现代(xindi)(xindi)的细胞生物学。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。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。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

16、现。六、细胞生物学的构筑和毗邻六、细胞生物学的构筑和毗邻(pln)关系关系（一）细胞生物学的分支（一）细胞生物学的分支(fnzh)结构结构第27页/共54页第二十八页，共55页。 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(xinji)和渗透最多。 细胞生物学目前被称为“重叠核心学科”。 （二）与细胞生物学关系最密切（二）与细胞生物学关系最密切(mqi)的学科的学科第28页/共54页第二十九页，共55页。 遗传学（genetics）阐述生命遗传的原理和规律。方法原理的借用和表观遗传学（epigenetics） 。 蛋白组

17、学（proteomics ）揭示完整蛋白组的结构和表达的差异。 发育生物学（developmental biology）研究细胞特化过程中的性质的变化。 分子生物学（molecular biology）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(fnbi)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。 第29页/共54页第三十页，共55页。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(zhn z)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。 从从DNADNA到蛋白质到蛋白

18、质第30页/共54页第三十一页，共55页。 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(zhngsh)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(jish)单用总DNA难以恢复物种的原因。 第31页/共54页第三十二页，共55页。七、细胞生物学的重点七、细胞生物学的重点(zhngdin)研究领域研究领域 和分子生物学专注于基因和重要生物分子（尤其是

19、核酸和蛋白质）的结构(jigu)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：第32页/共54页第三十三页，共55页。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(linx)细胞结构体系的组装第33页/共54页第三十四页，共55页。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(swng)受精与生殖研究第34页/共54页第三十五页，共55页。 1960年Jacob和Monod提

20、出蛋白质合成(hchng)的操纵子（operon theory）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。 1968年Nierenberg阐明了遗传密码在蛋白质合成(hchng)中的作用。 上述两项工作分别获得1978年和1968年诺贝尔奖。 1969年Huebner和Todaro创立了癌基因学说。 八、细胞生物学相关八、细胞生物学相关(xinggun)理论理论的发展的发展第35页/共54页第三十六页，共55页。 七十年代是细胞生物学研究成果丰硕的时期。七十年代是细胞生物学研究成果丰硕的时期。 1970 1970年年BaltimoreBaltimore发

21、现发现(fxin)(fxin)反转录酶。反转录酶。 1972 1972年年SingerSinger和和NicolsonNicolson提出生物膜的液态镶嵌模型。提出生物膜的液态镶嵌模型。 1976 1976年年NeherNeher和和SakmannSakmann发现发现(fxin)(fxin)了细胞质膜上的离子通道，获了细胞质膜上的离子通道，获19911991年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。 1977 1977年年ItakuruItakuru首次将高等动物的生长激素释放抑制素（首次将高等动物的生长激素释放抑制素（SRIFSRIF）基因引入大肠杆菌中表达，稍后）基因引入大肠杆菌中表达，稍后Nusslei

22、n-VolhardNusslein-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19961996年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。 第36页/共54页第三十七页，共55页。 1990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(rngh)，成功制成克隆羊。 克隆羊的诞生克隆羊的诞生(dnshng)第37页/共54页第三十八页，共55页。 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8聚体的原子(yunz)水平的结构。 1998年Thomson和G

23、earhart获得了具有无限增殖和多分化潜能的人类胚胎干细胞（human embryonic stem cell, hESC）。 胚胎胚胎(piti)干细干细胞胞第38页/共54页第三十九页，共55页。 1999年，Blobel创立(chungl)细胞内蛋白质运输信号学说，阐明内质网蛋白质合成机制。 2002年诺贝尔生理学医学奖：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。 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

24、节的蛋白质降解机制的研究获得2004年诺贝尔奖。 第39页/共54页第四十页，共55页。 2000年美、英、日、法、德、中6国学者共同完成了基因组“工作(gngzu)框架图”的绘制，至此，人类基因组计划（Human Genome Project，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(jhu)第40页/共54页第四十一页，共55页。2007年美日分别(fnbi)将表皮细胞成功地转为类胚胎干细胞。 第41页/共54页第四十二页，共55页。 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

25、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(zhn sh)当前细胞生物学研究热点课题。 九、中国九、中国(zhn u)的细胞生的细胞生物学的发展物学的发展 第42页/共54页第四十三页，共55页。第三节第三节 细胞生物学与医学细胞生物学与医学(yxu)科学科学 医学科学是以人体为研究对象，探索人类疾病的发生(fshng)、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(jsh)，以提高本学科的整体水平，并推动医学科学研究向前发展。第43页/

26、共54页第四十四页，共55页。 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(lln)、思路和方案，为最终战胜疾病、保障人类健康做出贡献。第44页/共54页第四十五页，共55页。 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(jbn)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

27、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(jbn)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。 第45页/共54页第四十六页，共55页。医学细胞生物学研究医学细胞生物学研究(ynji)的主要热点及意义的主要热点及意义 细胞凋亡是指机体细胞在特定的条件下自己启动的自然的生理(shngl)死亡过程，也被称为程序性细胞死亡（programmed cell death）。细胞(xbo)凋亡（apoptosis）细胞凋亡细胞凋亡

28、第46页/共54页第四十七页，共55页。 细胞分化是指从受精(shu jng)开始的个体发育过程中细胞之间逐渐产生稳定性差异的过程。 细胞(xbo)分化（differentiation） 角质角质(jiozh)形成细胞形成细胞骨骼肌细胞骨骼肌细胞红细胞红细胞神经细胞神经细胞 受精卵受精卵第47页/共54页第四十八页，共55页。 生物体的细胞无时无刻不在接受和处理来自胞内和胞外的各种信号，这些信号不仅影响细胞本身的活动，而且使单个细胞在代谢、运动、增殖和分化等行为上与细胞群体及机体的整体活动保持(boch)协调一致。 目前信号转导研究的重点是信号分子的种类及其受体、跨膜信号转导和胞内信号转导的途径和调节。 细胞(xbo)信号转导（signal transduction）第48页/共54页第四十九页，共55页。 肿