第一章 細(xì)胞生物學(xué)概述(楊恬)

1、第一章 細(xì)胞生物學(xué)概述,The summary of Cell Biology,內(nèi)容,第一節(jié) 細(xì)胞生物學(xué)的概念和研究?jī)?nèi)容 第二節(jié) 細(xì)胞生物學(xué)的形成與發(fā)展 第三節(jié) 細(xì)胞生物學(xué)與醫(yī)學(xué)科學(xué),第一節(jié) 細(xì)胞生物學(xué)的概念和研究?jī)?nèi)容,一、生命由細(xì)胞開始,宇宙由不同結(jié)構(gòu)層次的物體組成，細(xì)胞是宇宙有機(jī)界中一個(gè)非常重要的層次。生命從細(xì)胞開始。除了病毒、類病毒以外，所有生命體都是由細(xì)胞構(gòu)成的,生命的起源和細(xì)胞的生成,45 億年前 地球形成 億年前 海洋出現(xiàn) 38 億年前 生命出現(xiàn)（原始生命體、原始細(xì)胞形成） 35 億年前 原核細(xì)胞形成（藍(lán)細(xì)菌，需氧） 15 億年前 多細(xì)胞生物形 成（藻類） 12 億年前 真核細(xì)胞形

2、成,所有的細(xì)胞有共同的進(jìn)化起源前體。 宇宙由不同結(jié)構(gòu)層次的物體組成，細(xì)胞是有機(jī)界的一個(gè)非常重要的層次,二、細(xì)胞具有若干共性,地球上所有的細(xì)胞具有共同的進(jìn)化起源前體，不同種類的細(xì)胞具有若干共性，主要包括： 以相同的線性化學(xué)密碼（DNA）形式儲(chǔ)存遺傳信息； 通過模板聚合作用復(fù)制遺傳信息； 將遺傳信息轉(zhuǎn)錄為共同的中間體（RNA）； 以相同的方式在核糖體上將RNA翻譯為蛋白質(zhì)； 使用蛋白質(zhì)作催化劑促成機(jī)體各種化學(xué)反應(yīng)； 從環(huán)境中獲得自由能并以ATP作為能量流通形式； 利用含有泵、載運(yùn)系統(tǒng)和通道的質(zhì)膜來分隔胞漿和胞外環(huán)境； 具有自我增殖和遺傳的能力等,這些共同的基本性質(zhì)形成于長(zhǎng)期物種生存 的自然選擇過程

3、,EB Wilson說：“所有生物學(xué)的答案最終都要到細(xì)胞中去尋找。因?yàn)樗猩矬w都是，或曾經(jīng)是，一個(gè)細(xì)胞,三、 細(xì)胞是生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)的基本單位,另一方面，細(xì)胞又是不斷與外界進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交換的開放體系。一切生命現(xiàn)象，諸如生長(zhǎng)、發(fā)育、增殖、分化、遺傳、代謝、應(yīng)激、運(yùn)動(dòng)、衰老和死亡等都在細(xì)胞的基本屬性中得到體現(xiàn),一方面，細(xì)胞是由質(zhì)膜（plasma membrane）包圍的，相對(duì)獨(dú)立的功能單位，能夠自我調(diào)節(jié)和獨(dú)立生存,四、 細(xì)胞生物學(xué)關(guān)注細(xì)胞的屬性,五、 細(xì)胞生物學(xué)的系統(tǒng)論觀念,生命是生命系統(tǒng)整體的屬性，生物體是有高度分工和整合的細(xì)胞社會(huì)。生命活動(dòng)是通過系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)之間的通訊和相互作

4、用來實(shí)現(xiàn)的，各子系統(tǒng)的活動(dòng)固然有其相對(duì)獨(dú)立性，但在相當(dāng)程度上受到整體的調(diào)控，而整體的特性遠(yuǎn)大于部分之和,目前，在細(xì)胞間相互作用和相互關(guān)系、細(xì)胞社會(huì)性及其活動(dòng)的整體性這一領(lǐng)域中，目前所知甚少,細(xì)胞生物學(xué)發(fā)生了自我改造和變化，從傳統(tǒng)的細(xì)胞學(xué)迅速發(fā)展成現(xiàn)代化的細(xì)胞生物學(xué)，和相鄰的生物學(xué)科聯(lián)系緊密但學(xué)科分野日漸清晰，更集中專注于固有領(lǐng)域的工作,六、 細(xì)胞生物學(xué)與科學(xué)進(jìn)步和學(xué)科關(guān)系,近30年來對(duì)生命活動(dòng)的研究已經(jīng)取得了令人矚目和飛速的進(jìn)展，但尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能圓滿地解釋生命現(xiàn)象的許多細(xì)節(jié)；而且，希圖應(yīng)用現(xiàn)有知識(shí)推進(jìn)生命過程的體外重現(xiàn)工作也遇到了相當(dāng)?shù)淖枇Α?從細(xì)胞生物學(xué)的“完整細(xì)胞的生命活動(dòng)”的角度進(jìn)行更深層次

5、進(jìn)行研究的需求非常突出,一） 科學(xué)進(jìn)步的需求,目前，人類基因組計(jì)劃已經(jīng)提前完成，分子水平的整套基因的測(cè)序結(jié)果已經(jīng)公布，接下來的大量繁復(fù)和艱難的基因功能分析、調(diào)控機(jī)理等研究也將主要在細(xì)胞水平上展開,細(xì)胞生物學(xué)在分子和整體之間、在形態(tài)和功能之間架起了橋梁，而且強(qiáng)力地滲透進(jìn)其他生物學(xué)科并促進(jìn)這些學(xué)科的發(fā)展，細(xì)胞生物學(xué)將在后基因組時(shí)代的生命科學(xué)中取得更大的發(fā)展空間并擁有其他學(xué)科不可替代的重要地位,二） 細(xì)胞生物學(xué)目前的位置,細(xì)胞生物學(xué)是生命科學(xué)的重要支柱和核心學(xué)科之一。 二十一世紀(jì)的細(xì)胞生物學(xué)是生命科學(xué)前沿的一個(gè)活躍的、具有良好發(fā)展前景和輻射力的學(xué)科,七、 細(xì)胞生物學(xué)的常用模式生物,常用模式生物,常用

6、模式生物,常用模式生物,人與小鼠基因簇比較,人和小鼠：最接近的基因組成和發(fā)育模式,Kit基因突變導(dǎo)致人與小鼠相同部位的細(xì)胞色素丟失,人和小鼠：最接近的基因組成和發(fā)育模式,八、 細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的有序性和失序的后果,不同水平顯示細(xì)胞和細(xì)胞構(gòu)建物的有序性：蛋白分子；精子尾的微管；花粉單細(xì)胞；蝴蝶翅，每個(gè)scale是一個(gè)細(xì)胞的產(chǎn)物；向日葵,細(xì)胞生物學(xué)以細(xì)胞為研究對(duì)象，以“完整細(xì)胞的生命活動(dòng)”為著眼點(diǎn)，從分子、亞細(xì)胞、細(xì)胞和細(xì)胞社會(huì)的不同水平，以動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)來探索和闡述生命的這一基本單位的特性,九、 細(xì)胞生物學(xué)的獨(dú)特視角,細(xì)胞生物學(xué)在分子和整體之間、在形態(tài)和功能之間架起了橋梁，而且強(qiáng)力地滲透入其他生命學(xué)科

7、并促進(jìn)這些學(xué)科的發(fā)展，細(xì)胞生物學(xué)將在后基因組時(shí)代的生命科學(xué)中取得更大的發(fā)展空間并擁有其他學(xué)科不可替代的極其重要的地位,一、細(xì)胞的發(fā)現(xiàn) 1665年，英國科學(xué)家Robert Hooke使用自制的顯微鏡第一次觀察到了植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)，并提出了“細(xì)胞(cell)”這一術(shù)語。工業(yè)革命和染料工業(yè),第二節(jié)細(xì)胞生物學(xué)的形成與發(fā)展,二、細(xì)胞學(xué)說 （cell theory） 19世紀(jì)中葉，德國科學(xué)家Shleiden和Schwannn總結(jié)并提出了“一切植物和動(dòng)物都是由細(xì)胞組成的”的著名的“細(xì)胞學(xué)說”。完整的細(xì)胞學(xué)說的三個(gè)要點(diǎn)是：所有生物都是由細(xì)胞構(gòu)成的；所有的生活細(xì)胞的結(jié)構(gòu)都是類似的；所有的細(xì)胞都是來源于已有的細(xì)胞

8、的分裂,接下來的100余年中，由于技術(shù)手段的限制，對(duì)細(xì)胞的研究主要局限在細(xì)胞和部分細(xì)胞器的形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察和細(xì)胞化學(xué)成分分析方面，被稱為“細(xì)胞學(xué)（cytology）”階段。 在這一時(shí)期中，利用實(shí)驗(yàn)細(xì)胞學(xué)技術(shù)獲得了一些有意義的成果，如提出了原生質(zhì)理論，研究了細(xì)胞受精和分裂，發(fā)現(xiàn)了中心體、高爾基體和線粒體等細(xì)胞器。1925年美國細(xì)胞學(xué)家EB Wilson繪制的細(xì)胞的模式圖總結(jié)了這一階段的研究成果,三、細(xì)胞學(xué)階段,二十世紀(jì)30年代，以電子顯微鏡的發(fā)明和細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)（ultrastructure）研究為契機(jī)，大量的現(xiàn)代理化新技術(shù)被應(yīng)用到細(xì)胞的研究中。 使用高分辨率的電鏡先后觀察了各種細(xì)胞及其細(xì)胞器，收集

9、了細(xì)胞的微細(xì)結(jié)構(gòu)許多新資料，發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞質(zhì)中存在重要的細(xì)胞骨架（cytoskeleton），又通過超離心和X-衍射等新方法將亞細(xì)胞組分和大分子分離出來進(jìn)行分析，這樣，將結(jié)構(gòu)的形態(tài)和相應(yīng)功能更緊密地聯(lián)系起來并從更微觀的水平開展了對(duì)細(xì)胞的探索。名詞第1次劇增,四、細(xì)胞生物學(xué)階段,DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型和遺傳信息傳遞的“中心法則（central dogma,1953）”是細(xì)胞生物學(xué)向分子細(xì)胞生物學(xué)方向發(fā)展的一個(gè)標(biāo)志。 人們逐漸認(rèn)識(shí)到，細(xì)胞的各種生命活動(dòng)與細(xì)胞內(nèi)的大分子結(jié)構(gòu)及分子間的相互作用關(guān)系非常密切，細(xì)胞的研究必然要從細(xì)胞的微細(xì)結(jié)構(gòu)深入到生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能水平，這樣形成了細(xì)胞生物學(xué)的一個(gè)重要分支分

10、子細(xì)胞生物學(xué)。 分子細(xì)胞生物學(xué)集中于細(xì)胞的生命活動(dòng)與亞細(xì)胞成分的生物分子的變化的關(guān)系，代表了細(xì)胞生物學(xué)新的發(fā)展重點(diǎn)和方向,五、 分子生物學(xué)階段,隨著科學(xué)的發(fā)展，對(duì)細(xì)胞的研究重點(diǎn)也不斷發(fā)生著變化，從傳統(tǒng)的細(xì)胞學(xué)逐漸發(fā)展成了現(xiàn)代的細(xì)胞生物學(xué)。 細(xì)胞生物學(xué)主要從細(xì)胞的不同結(jié)構(gòu)層次及細(xì)胞間相互關(guān)系的角度來觀察研究細(xì)胞的生命活動(dòng)的基本規(guī)律，并相繼衍生出細(xì)胞遺傳學(xué)、細(xì)胞生理學(xué)、細(xì)胞社會(huì)學(xué)，以及膜生物學(xué)和染色體生物學(xué)等分支學(xué)科。 隨著細(xì)胞生物學(xué)的進(jìn)展和其他學(xué)科的新理論和新技術(shù)的引入，新的分支學(xué)科還將不斷的涌現(xiàn),六、細(xì)胞生物學(xué)的構(gòu)筑和毗鄰關(guān)系,一）細(xì)胞生物學(xué)的分支結(jié)構(gòu),在生命科學(xué)內(nèi)的相鄰學(xué)科中，細(xì)胞生物學(xué)和分

11、子生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、蛋白組學(xué)及遺傳學(xué)的結(jié)構(gòu)關(guān)系較近，內(nèi)在聯(lián)系密切，相互銜接和滲透最多。 細(xì)胞生物學(xué)目前被稱為“重疊核心學(xué)科,二）與細(xì)胞生物學(xué)關(guān)系最密切的學(xué)科,遺傳學(xué)（genetics）闡述生命遺傳的原理和規(guī)律。方法原理的借用和表觀遺傳學(xué)（epigenetics） 。 蛋白組學(xué)（proteomics ）揭示完整蛋白組的結(jié)構(gòu)和表達(dá)的差異。 發(fā)育生物學(xué)（developmental biology）研究細(xì)胞特化過程中的性質(zhì)的變化。 分子生物學(xué)（molecular biology）聚焦于從細(xì)胞組分純化的大分子的結(jié)構(gòu)和功能。 這些學(xué)科分別從自己特有的研究路徑對(duì)細(xì)胞進(jìn)行研究，從不同的角度探索細(xì)胞的奧秘,最

12、近50多年來，分子領(lǐng)域研究中發(fā)生的所有重大事件，例如DNA雙螺旋模型的提出、基因序列分析的開展、DNA重組技術(shù)和酶分子活性定位的建立等都啟發(fā)并推動(dòng)細(xì)胞生物學(xué)向更深層次迅速地發(fā)展,從DNA到蛋白質(zhì),但是，并非所有的生命現(xiàn)象都可以從分子的結(jié)構(gòu)屬性水平給以科學(xué)的解釋，分子，包括重要的生物大分子的屬性只有置于細(xì)胞體系中才能得到證實(shí)及表現(xiàn)出生命意義,分子和細(xì)胞的關(guān)系是從屬關(guān)系，分子必須被有序地構(gòu)建及裝配成某些細(xì)胞內(nèi)組分并進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)一定的功能體系中才能表現(xiàn)出生命現(xiàn)象，脫離了細(xì)胞這一生命的微環(huán)境，許多重要的大分子的就可能發(fā)生變化，這就是單用總DNA難以恢復(fù)物種的原因,七、細(xì)胞生物學(xué)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域,和分子生物

13、學(xué)專注于基因和重要生物分子（尤其是核酸和蛋白質(zhì)）的結(jié)構(gòu)與功能不同，細(xì)胞生物學(xué)的研究集中在基因表達(dá)后生物大分子的修飾、改造、細(xì)胞成分的組裝和細(xì)胞內(nèi)外信息的整合、分析和傳遞等領(lǐng)域，主要包括,細(xì)胞周期調(diào)控 細(xì)胞增殖與細(xì)胞分化的規(guī)律 染色體的結(jié)構(gòu)和功能 細(xì)胞骨架和核基質(zhì)對(duì)核酸代謝的調(diào)控 胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選和運(yùn)輸 細(xì)胞因子和細(xì)胞功能的的關(guān)系 細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞間信號(hào)聯(lián)系 細(xì)胞結(jié)構(gòu)體系的組裝,細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) 細(xì)胞遷移 干細(xì)胞特性 細(xì)胞社會(huì)學(xué) 細(xì)胞工程 細(xì)胞的衰老和死亡 受精與生殖研究,1960年Jacob和Monod提出蛋白質(zhì)合成的操縱子（operon theory）學(xué)說。 1961年，Mitchell建立了線

14、粒體氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制的化學(xué)滲透學(xué)說。 1968年Nierenberg闡明了遺傳密碼在蛋白質(zhì)合成中的作用。 上述兩項(xiàng)工作分別獲得1978年和1968年諾貝爾獎(jiǎng)。 1969年Huebner和Todaro創(chuàng)立了癌基因?qū)W說,八、細(xì)胞生物學(xué)相關(guān)理論的發(fā)展,七十年代是細(xì)胞生物學(xué)研究成果豐碩的時(shí)期。 1970年Baltimore發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄酶。 1972年Singer和Nicolson提出生物膜的液態(tài)鑲嵌模型。 1976年Neher和Sakmann發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞質(zhì)膜上的離子通道，獲1991年諾貝爾獎(jiǎng)。 1977年Itakuru首次將高等動(dòng)物的生長(zhǎng)激素釋放抑制素（SRIF）基因引入大腸桿菌中表達(dá)，稍后Nussle

15、in-Volhard等闡明了同源異型基因在控制生物個(gè)體發(fā)育中的作用，并獲1996年諾貝爾獎(jiǎng),1990年代，細(xì)胞生物學(xué)研究獲得了更多的出色的成果。 1997年Wilmut等用乳腺細(xì)胞同去除染色質(zhì)的卵細(xì)胞融合，成功制成克隆羊,克隆羊的誕生,1997年Luger等用高分辨率的X射線顯示了染色質(zhì)和核小體核心組蛋白8聚體的原子水平的結(jié)構(gòu)。 1998年Thomson和Gearhart獲得了具有無限增殖和多分化潛能的人類胚胎干細(xì)胞（human embryonic stem cell, hESC,胚胎干細(xì)胞,1999年，Blobel創(chuàng)立細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)運(yùn)輸信號(hào)學(xué)說，闡明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)合成機(jī)制。 2002年諾貝爾生理

16、學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)：Horvitz、Brenner和Sulston發(fā)現(xiàn)并描述了在器官發(fā)育和細(xì)胞凋亡過程中的關(guān)鍵基因和調(diào)節(jié)規(guī)律。 Agre和Mackinnon發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞膜水通道并在離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)制的研究中做出了卓越的貢獻(xiàn)， Ciechanover、Hershko和Rose因?qū)?xì)胞內(nèi)泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解機(jī)制的研究獲得2004年諾貝爾獎(jiǎng),2000年美、英、日、法、德、中6國學(xué)者共同完成了基因組“工作框架圖”的繪制，至此，人類基因組計(jì)劃（Human Genome Project，HGP）的測(cè)序任務(wù)提前完成，這是各國科學(xué)家通力合作的輝煌的研究成果，是人類自然科學(xué)史上一個(gè)劃時(shí)代的偉大的成就,基因組計(jì)劃,2007年

17、美日分別將表皮細(xì)胞成功地轉(zhuǎn)為類胚胎干細(xì)胞,1980年成立了中國細(xì)胞生物學(xué)學(xué)會(huì)，這標(biāo)志著我國細(xì)胞生物學(xué)研究進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期，1995年國家自然科學(xué)基金委員會(huì)組織制定了我國細(xì)胞生物學(xué)研究的戰(zhàn)略規(guī)劃，提出了13個(gè)重點(diǎn)研究方向，其中若干問題正是當(dāng)前細(xì)胞生物學(xué)研究熱點(diǎn)課題,九、中國的細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展,第三節(jié) 細(xì)胞生物學(xué)與醫(yī)學(xué)科學(xué),醫(yī)學(xué)科學(xué)是以人體為研究對(duì)象，探索人類疾病的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制，并對(duì)疾病進(jìn)行診斷、治療和預(yù)防的一門綜合學(xué)科,醫(yī)學(xué)科學(xué)必需不斷地吸收和運(yùn)用其他學(xué)科尤其是生命科學(xué)的新知識(shí)和新技術(shù)，以提高本學(xué)科的整體水平，并推動(dòng)醫(yī)學(xué)科學(xué)研究向前發(fā)展,醫(yī)學(xué)院校開設(shè)細(xì)胞生物學(xué)課程和開展細(xì)胞生物學(xué)的科學(xué)研究構(gòu)

18、成了基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的重要的基礎(chǔ)。 細(xì)胞生物學(xué)與醫(yī)學(xué)實(shí)踐緊密地結(jié)合，不斷地開辟新的研究領(lǐng)域，提出新的研究課題，努力地探索人類生老病死的機(jī)制，研究疾病的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)歸的規(guī)律，力圖為疾病的預(yù)防、診斷、治療提供新的理論、思路和方案，為最終戰(zhàn)勝疾病、保障人類健康做出貢獻(xiàn),細(xì)胞生物學(xué)是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的一門重要的課程，它和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的其他學(xué)科的關(guān)系非常密切。對(duì)醫(yī)學(xué)生來說，掌握細(xì)胞生物學(xué)的基本理論、基礎(chǔ)知識(shí)和技能，了解細(xì)胞生物學(xué)的研究的新進(jìn)展、新成果，不僅能為學(xué)好其他基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)課程建立扎實(shí)的知識(shí)平臺(tái)，而且能夠拓展視野，為今后的科學(xué)研究奠定良好的基礎(chǔ)。 細(xì)胞生物學(xué)也是臨床醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科。因?yàn)榧?xì)胞生物學(xué)是研究細(xì)胞的生

19、命活動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，細(xì)胞是人體的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，因此，醫(yī)學(xué)中的許多重要的病理現(xiàn)象與細(xì)胞生物學(xué)的研究課題密切相關(guān),醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)研究的主要熱點(diǎn)及意義,細(xì)胞凋亡是指機(jī)體細(xì)胞在特定的條件下自己?jiǎn)?dòng)的自然的生理死亡過程，也被稱為程序性細(xì)胞死亡（programmed cell death,細(xì)胞凋亡（apoptosis,細(xì)胞凋亡,細(xì)胞分化是指從受精開始的個(gè)體發(fā)育過程中細(xì)胞之間逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定性差異的過程,細(xì)胞分化（differentiation,角質(zhì)形成細(xì)胞,骨骼肌細(xì)胞,紅細(xì)胞,神經(jīng)細(xì)胞,受精卵,生物體的細(xì)胞無時(shí)無刻不在接受和處理來自胞內(nèi)和胞外的各種信號(hào)，這些信號(hào)不僅影響細(xì)胞本身的活動(dòng)，而且使單個(gè)細(xì)胞在代謝、運(yùn)動(dòng)、增殖和分化等行為