細(xì)胞生物學(xué)：第1章 細(xì)胞與細(xì)胞生物學(xué)

1、第一章第一章 細(xì)胞與細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞與細(xì)胞生物學(xué) 1 l第一篇（3-8章）：5月6日提交 l第二篇（9-14章）：6月30日提交 電子版和紙質(zhì)版 文獻(xiàn)解讀要點（供參考，可以發(fā)揮）： 文章提出的科學(xué)問題、背景介紹、思路和所采用的技術(shù) 路線（最好畫圖表示）、結(jié)果、結(jié)論、討論、評價（文 章的研究意義、解決了該領(lǐng)域哪方面的空白（創(chuàng)新點） 、實驗是否還有需要完善的地方、對結(jié)果的討論以及自 己的看法等） 平時成績：20分 期末考試：80分 出勤率：參考 細(xì)胞生物學(xué)文獻(xiàn)解讀 第一節(jié)細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展簡史 第二節(jié) 細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立 第三節(jié) 細(xì)胞的化學(xué)組成 第四節(jié)生物體由細(xì)胞組成 第五節(jié) 細(xì)胞生物學(xué)研究進(jìn)展 3 要了

2、解生命的奧秘， 就必須知道細(xì)胞。 細(xì)胞生物學(xué)（Cell Biology） 研究細(xì)胞的生命活動規(guī)律以 及整合功能，闡明生命活動 的基本規(guī)律。 動態(tài)觀點 系統(tǒng)的觀點 結(jié)構(gòu)與功能統(tǒng)一的觀點 顯微水平 超微水平 分子水平 4 The Basic Questions of Biology? Metabolic Biology Neural Biology Bioinformatics Cell Biology Bio-Technology Functional Genomics Heredity-development-evolution 生命科學(xué)的基本問題生命科學(xué)的基本問題 基本問題基本問題 : :

3、遺傳遺傳 發(fā)育發(fā)育 進(jìn)化進(jìn)化 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 : :細(xì)胞的生命活動細(xì)胞的生命活動 切入點切入點 : : 功能基因組功能基因組 細(xì)胞生物學(xué)研究的重點領(lǐng)域細(xì)胞生物學(xué)研究的重點領(lǐng)域 三大基本問題三大基本問題： 1、基因組（人類大約有34萬個基因）在細(xì)胞內(nèi)是如何在時間與空間上有序 表達(dá)的？ 2、基因表達(dá)的產(chǎn)物（生物大分子）如何逐級裝配成能行使生命活動的基本結(jié) 構(gòu)體系及各種細(xì)胞器？這種自組裝過程的調(diào)控程序與調(diào)控機(jī)理是什么？ 3、基因表達(dá)的產(chǎn)物特別是大量活性因子與信號分子，是如何調(diào)節(jié)細(xì)胞最重 要的生命活動過程（諸如細(xì)胞的增殖、分化、衰老與凋亡等等）？ 機(jī)體結(jié)構(gòu)機(jī)體結(jié)構(gòu) 細(xì)胞增殖細(xì)胞增殖細(xì)胞分化細(xì)胞分化細(xì)

4、胞凋亡細(xì)胞凋亡 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo) 染色體染色體 衰老衰老 細(xì)胞重大生命活動及其相互關(guān)系示意圖 The NIH of USA(1988): “What is popular in research today？” 3 kinds of diseases ： cancer cardiovascular diseases infectious diseases：AIDS，hepatitis 5 research fields ： cell cycle control ； cell apoptosis； cellular senescence； signal transduction； DNA

5、 damage and repair. Cell signaling can affect virtually every aspect of cell structure and function: Activation of enzyme activity; Change in cytoskeletal organization; Change in ion permeability; Initiation of DNA synthesis; Activation or repression of gene expression. 第一節(jié)第一節(jié) 細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展簡史細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展簡史 p

6、顯微鏡的發(fā)明顯微鏡的發(fā)明 p細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)與描述細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)與描述 p細(xì)胞分裂與染色體的研究細(xì)胞分裂與染色體的研究 p細(xì)胞器的發(fā)現(xiàn)細(xì)胞器的發(fā)現(xiàn) p分子細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展分子細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展 一個多世記以來，細(xì)胞生物學(xué)不斷地從其它的學(xué) 科中吸取精華，逐漸形成和發(fā)展。二十世記80年 代，由于分子生物學(xué)的巨大進(jìn)步，催生了分子細(xì) 胞生物學(xué)（Molecular Cell Biology）。 11 p顯微鏡的發(fā)明顯微鏡的發(fā)明 12 l公元前一世紀(jì)，通過球形透明物體去觀察微小物 體時，可以使其放大成像。 l十七世紀(jì)Hooke和Leeuwenhoek的卓越貢獻(xiàn)。 l二十世紀(jì)80年代，制造出激光掃描共聚焦顯微鏡。 l二

7、十一世紀(jì)初超高分辨率熒光顯微鏡的出現(xiàn) 光敏定位顯微鏡（PALM） 隨機(jī)光重建顯微鏡（STORM） 受激發(fā)射損耗顯微鏡(STED) l電子顯微鏡成為重要工具 超高壓透射電子顯微鏡（HVEM） 13 p細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)與描述細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)與描述 14 p細(xì)胞分裂與染色體的研究細(xì)胞分裂與染色體的研究 n1852 Robert Remak discovered that the origin of cells was by the division of pre-existing cells n1863 Rudolf Virchow widely publicized above findings withou

8、t crediting Remak n1869 Johann Friedrich Miescher (nuclein) n1873 Anton Schneider (meiosis) n1879 Walther Flemming (chromatin, mitosis) n1888 Wilhelm von Waldeyer-Hartz, (term chromosome) n1902 Walter Stanborough Sutton. (chromosomes carry the units of inheritance) n1904 Theodor Boveri (correlation

9、between Mendels factors and chromosomes ) n1904 William Bateson (genetics) n1909 Wilhelm Johannasen (gene) 15 Robert RemakRudolf Virchow (1863), omnis cellula e cellula (every cell originates from another existing cell like it.) 16 1878年，德國細(xì)胞學(xué)家Walther Flemming首次發(fā)現(xiàn)動物細(xì)胞的 有絲分裂，并提出有絲分裂 （mitosis）的概念，同時還首

10、 先觀察到細(xì)胞核里存在著嗜堿性 染料的細(xì)絲狀物質(zhì)，命名為 chromatin （染色質(zhì)）。 (1878,1882) Omnis nucleus e nucleo (all cell nuclei came from another predecessor nucleus ) 17 1888年德國解剖學(xué)家 Heinrich Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Hartz才把細(xì)胞分裂時出現(xiàn)的著色物 體正式命名為chromosome（染色體）。 Waldeyer-Hartz, Wilhelm von (German). 1888. ber Karyokinese und i

11、hre Beziehungen zu den Befruchtungsvorgngen. Archiv fr mikroskopische Anatomie und Entwicklungsmechanik 32: 1-122 1836-1921 18 1883年Van Beneden和Boveri發(fā)現(xiàn)中心體 1894年Altmann發(fā)現(xiàn)線粒體 1898年Golgi發(fā)現(xiàn)高爾基器 1945年K. R. Porter和A. D. Claude等發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 1954年Johannes和Rhodin發(fā)現(xiàn)過氧化物體 1956年Christian de Duve發(fā)現(xiàn)溶酶體 1958年Robertis發(fā)現(xiàn)核

12、蛋白體 p細(xì)胞器的發(fā)現(xiàn)細(xì)胞器的發(fā)現(xiàn) 顯微鏡制造和顯微觀察技術(shù)的迅速發(fā)展，為發(fā) 現(xiàn)細(xì)胞器并研究它們的分子結(jié)構(gòu)提供有效的工具。 19 p分子細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展分子細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展 細(xì)胞生物學(xué)作為分子生物學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，分子生 物學(xué)的發(fā)展給細(xì)胞生物學(xué)以新的內(nèi)涵。 以細(xì)胞為對象，研究細(xì)胞器和生物大分子與生命 活動之間的變化發(fā)展過程，相互關(guān)系，以及它們 與環(huán)境之間的相互作用。 還包括了細(xì)胞在發(fā)育、遺傳、信息傳遞 中的活動和細(xì)胞生物工程等 20 第二節(jié) 細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立與發(fā)展 p細(xì)胞理論 p原生質(zhì)理論 p現(xiàn)代細(xì)胞理論 Atomic hypothesis by Democritus （460 - 370 B.C.

13、) 300 B.C., Democritus suggested that all matter was made of small, indivisible objects known as atomon. 21 1838年，德國植物學(xué)家Schleden 發(fā)表了植物發(fā)生論，指出細(xì)胞 是構(gòu)成植物的基本單位。1839年德 國動物學(xué)家Schwann發(fā)表了關(guān)于 動植物的結(jié)構(gòu)和生長一致性的顯微 研究論文，指出動植物都是細(xì)胞 的集合物。 Schleden和Schwann 兩人共同提 出：一切植物動物都是由細(xì)胞組成 的，細(xì)胞是一切動植物的基本單位， 這就是著名的細(xì)胞學(xué)說（Cell Theory）。 p細(xì)胞

14、理論 Schwann Schleden 22 23 1855年, 德國病理學(xué)家魏爾嘯（Rudolph Virchow） 應(yīng)用光學(xué)顯微鏡觀察到所有活細(xì)胞只來源于活細(xì)胞 。 即認(rèn)為個體的所有細(xì)胞都是由原有細(xì)胞分裂產(chǎn)生, 現(xiàn)在除細(xì)胞分裂外還沒有證據(jù)說明細(xì)胞繁殖有其他 途經(jīng)。 細(xì)胞理論的發(fā)展細(xì)胞理論的發(fā)展 1一切動植物都是由一個或多個細(xì)胞所組成； 2細(xì)胞是生命的基本單位； 3新細(xì)胞是由已存在的細(xì)胞分裂而來； 4細(xì)胞是生物體的結(jié)構(gòu)與生理功能的單位； 5細(xì)胞既可以作為獨立的個體存在，也可以作 為構(gòu)成生物體的基礎(chǔ)單位。 早期的細(xì)胞理論提出了一切生物體都由一個或多個 細(xì)胞組成，認(rèn)為細(xì)胞是生命的基本單位，但是這

15、個 學(xué)說還假設(shè)了細(xì)胞來自非細(xì)胞，即細(xì)胞通過自發(fā)結(jié) 晶（spontaneous crystallization）的非細(xì)胞方法形 成（free cell formation）。 24 p原生質(zhì)理論 From protoplasmic theory to cellular systems biology: a 150-year reflection Am. J. Physiol. Cell Physiol. June 2010 vol. 298 no. 6 C1280-C1290 細(xì)胞系統(tǒng)生物學(xué)正在產(chǎn)生規(guī)模空前的數(shù)據(jù)，對細(xì) 胞結(jié)構(gòu)功能的系統(tǒng)性認(rèn)識在不斷更新。但是這種“系 統(tǒng)”觀的起源可追溯原生質(zhì)體概

16、念的誕生?；仡櫾?質(zhì)理論在細(xì)胞生物學(xué)中的150 年歷史可以發(fā)現(xiàn)正是 19世紀(jì)的原生質(zhì)理論，而不是細(xì)胞理論，驅(qū)動細(xì)胞 結(jié)構(gòu)功能的研究，因而原生質(zhì)理論與 21 世紀(jì)的系 統(tǒng)細(xì)胞生物學(xué)理論具有不可忽視的相關(guān)性。 25 p現(xiàn)代細(xì)胞理論 1. 所有的生物都由細(xì)胞組成； 2. 細(xì)胞是生物的基本結(jié)構(gòu)與功能單位； 3. 所有細(xì)胞都由已存在細(xì)胞分裂形成； 4. 所有細(xì)胞具有基本相同的化學(xué)組成； 5. 細(xì)胞含有遺傳信息（DNA），在分裂時遺傳信 息傳遞給子細(xì)胞； 6. 細(xì)胞內(nèi)存在生命活動需要的能量代謝過程； 7. 單細(xì)胞生物由一個細(xì)胞組成，多細(xì)胞生物由許 多個細(xì)胞組成； 8. 生物體的活性依賴于所有組成生物體的

17、細(xì)胞活 性的綜合。 26 第三節(jié) 細(xì)胞的化學(xué)組成 一般情況下，細(xì)胞中水大約占80，無機(jī)鹽大約占1 1.5，蛋白質(zhì)大約占714，脂類大約占12， 糖類和其他有機(jī)物大約占11.5，這些物質(zhì)在細(xì)胞 中以不同的形式和功能存在。 27 細(xì)胞的遺傳物質(zhì) 原核細(xì)胞還是真核細(xì)胞都含有攜帶著遺傳信息的DNA， 基因就是DNA分子的一個區(qū)段 基因是遺傳信息的結(jié)構(gòu)與功能單位 基因組是指一個物種的全部遺傳信息的總和 1944年美國科學(xué)家艾弗里（O.T. Avery）的肺炎 雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗， 1952年美國微生物學(xué)家赫爾希（A.D. Hershey） 和蔡斯（M. Chase）進(jìn)一步證明遺傳物質(zhì)是DNA 而不是蛋白質(zhì)

18、。 28 29 1953年，沃森（James D. Watson）和克里克 （Francis Crick）提出了DNA分子結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型，深 刻揭示出生命與遺傳的奧秘。 脫氧核糖核酸（DNA) 30 脫氧核糖核酸 DNA 核糖核酸 RNA 原核細(xì)胞的基因 轉(zhuǎn)錄單位（transcript unit） 操縱子（operon） 在DNA、轉(zhuǎn)錄和翻譯三個不同層次進(jìn)行調(diào)控， 但轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是最主要的方式。 31 DNA和染色體水平上的調(diào)控 轉(zhuǎn)錄水平上轉(zhuǎn)錄起始的控制和延伸 轉(zhuǎn)錄后RNA加工過程和運送中的調(diào)控 翻譯水平上的調(diào)控 翻譯后的修飾 真核細(xì)胞基因 32 33 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)（protein） 生命

19、的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。 34 遺傳密碼遺傳密碼(codon) 由3個相鄰的核苷酸組成的信使核糖核酸(mRNA) 基本編碼單位。有64種 密碼子，其中有61種氨 基酸密碼子(包括起始密 碼子)及3個終止密碼子， 由它們決定多肽鏈的氨 基酸種類和排列順序的 特異性以及翻譯的起始 和終止。 35 脂肪酸（fatty acid） 中性脂肪（neutral fats） 類固醇（steroids） 磷脂（phospholipid） 糖脂（glycolipids） 類胡蘿卜素(carotenoid) 其它脂質(zhì)分子 脂質(zhì)（脂質(zhì)（lipids） 生物體中一大類不溶于水而溶于有機(jī)溶劑的 有機(jī)化合物，是

20、熱量的來源和細(xì)胞膜、激素的 原料。 36 單糖(monosaccharide) 二糖(disaccharide) 寡糖(oligosaccharide) 多糖(polysaccharide)。 糖糖類類 (saccharide) 是多羥基醛(酮)及水解后能生成多羥基醛(酮)的 一類化合物。不僅是細(xì)胞代謝的重要能源，也是 核酸和糖蛋白等重要的生物大分子的結(jié)構(gòu)成分與 細(xì)胞的結(jié)構(gòu)成分。 第四節(jié) 生物體由細(xì)胞組成 p 細(xì)胞是生命活動的基本單位 細(xì)胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)單位 細(xì)胞具有共同的物質(zhì)基礎(chǔ) 細(xì)胞是代謝的基本單位 細(xì)胞是生物體生長與發(fā)育的基礎(chǔ) 細(xì)胞是遺傳的基本單位 細(xì)胞是生物體對外界環(huán)境反應(yīng)的基本單

21、位 37 p 細(xì)胞的多樣性 物種多樣性 單細(xì)胞與多細(xì)胞生物 原核細(xì)胞與真核細(xì)胞 38 原核細(xì)胞真核細(xì)胞 細(xì)胞大小 較小較大 細(xì)胞核無成形的細(xì)胞核，核物質(zhì)集中在核區(qū)。 無核膜，無核仁。DNA不與組蛋白結(jié)合。 有成形的真正的細(xì)胞核。有核膜， 有核仁。DNA與組蛋白形成染色體。 細(xì)胞質(zhì)除核糖體、蛋白酶體外，無其它的細(xì) 胞器，沒有恒定的內(nèi)膜系統(tǒng)。 除核糖體、蛋白酶體外還有各種細(xì) 胞器，具有復(fù)雜恒定的內(nèi)膜系統(tǒng)。 分裂方式 二分裂為主的無絲分裂。遺傳物質(zhì)為二倍體，分別來自于兩 個親本，形成有性生殖，細(xì)胞可有 絲分裂和減數(shù)分裂。 核糖體70S型核糖體承擔(dān)蛋白質(zhì)的合成功能。80S型核糖體承擔(dān)蛋白質(zhì)的合成功 能

22、。 能量代謝 部位 細(xì)胞膜負(fù)責(zé)能量代謝，沒有能量代謝 細(xì)胞器。 具有特異的進(jìn)行有氧呼吸的細(xì)胞器 （線粒體）和光合作用的細(xì)胞器 （葉綠體） 細(xì)胞壁有，主要成分是肽聚糖。植物細(xì)胞和真菌有，主要成分是纖 維素、半纖維素、果膠等，動物細(xì) 胞無細(xì)胞壁。 DNA復(fù)制單復(fù)制子，一般只有一個復(fù)制起點， 速度快。 為多復(fù)制子，多個復(fù)制起點，速度 慢。 代表生物 放線菌、細(xì)菌、藍(lán)藻、衣原體、支原 體 真菌、植物細(xì)胞、動物細(xì)胞 39 p 細(xì)胞的統(tǒng)一性 相同的遺傳物質(zhì)DNA 都具有質(zhì)膜 都有細(xì)胞質(zhì) 都具有新陳代謝 都具有共同的能量代謝途徑 40 41 1953年，沃森（James D. Watson）和克里克 （Fr

23、ancis Crick）提出了DNA分子結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型，深 刻揭示出生命與遺傳的奧秘。 相同的遺傳物質(zhì)相同的遺傳物質(zhì)DNA 42 都有細(xì)胞質(zhì)都有細(xì)胞質(zhì)及質(zhì)膜及質(zhì)膜 43 都具有新陳代謝都具有新陳代謝 新陳代謝（metabolism），這是生命活動的基本 特征。新陳代謝包括物質(zhì)代謝和與之相伴的能量代 謝。 合成代謝（anabolism） 分解代謝（catabolism） Nature Reviews Neuroscience 4, 901-909 (November 2003) 44 具有共同的能量代謝途徑具有共同的能量代謝途徑 45 細(xì)胞的物質(zhì)代謝過程中都伴隨著能量的釋放、轉(zhuǎn)移和利用， 稱為

24、能量代謝（energy metabolism）。原核與真核細(xì)胞的 進(jìn)化層次差別很大，但是所有細(xì)胞都具有共同的能量代謝途 徑糖酵解（glycolysis）及三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，又稱Krebs循環(huán)），并且都通過與生物氧化 （biological oxidation）相偶聯(lián)的氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）生成三磷酸腺苷（ATP）保存化學(xué)能。 p 細(xì)胞的一般結(jié)構(gòu) 46 細(xì)胞膜細(xì)胞膜 47 細(xì)胞核細(xì)胞核 48 細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng) 包括細(xì)胞核， 內(nèi)體，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)， 高爾基器，溶 酶體及轉(zhuǎn)運膜 泡等。 內(nèi)膜系統(tǒng)是真 核細(xì)胞特有的

25、結(jié)構(gòu)。 49 線粒體與葉綠體線粒體與葉綠體 50 核糖體核糖體 中心體中心體 51 細(xì)胞骨架細(xì)胞骨架 52 第五節(jié) 細(xì)胞生物學(xué)研究進(jìn)展 細(xì)胞是生命的基本單位，細(xì)胞的特殊性決定了個體 的特殊性，因此，對細(xì)胞的深入研究是揭開生命奧 秘、改造生命和征服疾病的關(guān)鍵。50年代以來諾貝 爾生理與醫(yī)學(xué)獎大都授予了從事細(xì)胞生物學(xué)及其相 關(guān)領(lǐng)域研究的科學(xué)家。現(xiàn)如今，對細(xì)胞的研究仍然 強(qiáng)力地吸引著許多生物學(xué)家與醫(yī)學(xué)家的興趣，有許 多有關(guān)細(xì)胞生命活動的奧秘需要深入的探索。 53 2004年 NIH 制定今后十年發(fā)展的 Road Map 中，研究重點為： Discovery of new cellular Signa

26、ling pathway 細(xì)胞科學(xué)的世紀(jì) 1925年生物學(xué)大師Wilson就提出： “一切生命的關(guān)鍵問題都要到細(xì)胞中去尋找一切生命的關(guān)鍵問題都要到細(xì)胞中去尋找” The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962 Francis H. C. Crick James D. Watson for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living materi

27、al 1953.4.25“Natrue”DNA雙螺旋結(jié) 構(gòu)論文發(fā)表 為人類認(rèn)識分子的損傷與 修復(fù),遺傳物質(zhì)的復(fù)制與沿 襲,以及物種的多樣性和進(jìn) 化奠定了基礎(chǔ). 現(xiàn)代科學(xué)的“蒙娜麗莎” 從科學(xué)、 藝術(shù)、電 影、建筑 到廣告， 她的圖象 銘刻在社 會中的所 有方面。 投入投入3030億美元億美元, 2003, 2003年完成精細(xì)圖年完成精細(xì)圖, ,約約3030億個數(shù)據(jù)，億個數(shù)據(jù)， 。 一項改變世界的科學(xué)計劃：一項深深影響我們每個人生活的科學(xué)計劃。它將一項改變世界的科學(xué)計劃：一項深深影響我們每個人生活的科學(xué)計劃。它將 改變我們的哲學(xué)、倫理、法律等觀念；對社會、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響，這種影響現(xiàn)改變我們的哲

28、學(xué)、倫理、法律等觀念；對社會、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響，這種影響現(xiàn) 已顯示于世。已顯示于世。 “基因相關(guān)論基因相關(guān)論”：所有的疾病都與人類的基因有關(guān)，都是人類基因組與病原基：所有的疾病都與人類的基因有關(guān)，都是人類基因組與病原基 因組中的有關(guān)基因的直接或間接相互作用的結(jié)果。因組中的有關(guān)基因的直接或間接相互作用的結(jié)果。 “全基因組全基因組”信息記錄著一個信息記錄著一個 人有關(guān)生、老、病、死的重要信息，它是一個人全部隱私中最重要的隱私。人有關(guān)生、老、病、死的重要信息，它是一個人全部隱私中最重要的隱私。 基因?qū)＠?，基因資源商業(yè)化開采，已給發(fā)展中國家的科學(xué)發(fā)展，國計民生帶基因?qū)＠?，基因資源商業(yè)化開采，已給發(fā)展中國家的科學(xué)發(fā)展，國計民生帶 來巨大壓力和威脅。來巨大壓力和威脅。 The Complete of Human Genome Project Analysis of this rich source information Many areas in Medicine and Biology Especially Cell Signaling Such As GPCR, RTK and so o