王金發(fā)《細(xì)胞生物學(xué)》網(wǎng)絡(luò)課件講義全集

支金發(fā)《佃胞或物學(xué)》網(wǎng)絡(luò)錦件許又全集

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>目錄

1.細(xì)胞概述

1.1細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)及細(xì)胞學(xué)說(shuō)的創(chuàng)立

1.1.1細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)

1.1.2細(xì)胞學(xué)說(shuō)(celltheory)的創(chuàng)立

1.1.3細(xì)胞學(xué)理論對(duì)細(xì)胞學(xué)發(fā)展的推動(dòng)作用

1.1.4細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

1.2細(xì)胞的基本功能和特性

1.2.1細(xì)胞的基本功能

1.2.2細(xì)胞結(jié)構(gòu)上的相似性

1.2.3細(xì)胞的形態(tài)

1.2.4細(xì)胞的大小及體積的恒定

1.2.5細(xì)胞及細(xì)胞器的計(jì)量單位

1.3細(xì)胞的分子基礎(chǔ)

1.3.1水是細(xì)胞中最主要的物質(zhì)

1.3.2無(wú)機(jī)鹽

1.3.3小分子有機(jī)小分子

1.3.4生物分子的功能分類(lèi)

1.3.5細(xì)胞結(jié)構(gòu)體系的組裝

1.4細(xì)胞的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)體系

1.4.1原核細(xì)胞

1.4.2真核細(xì)胞的兩種主要類(lèi)型:動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞

1.4.3真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)體系

1.4.4真核細(xì)胞與原核細(xì)胞的比較

1.5病毒-非細(xì)胞的生命體

1.5.1病毒是比細(xì)胞更小的生命體

1.5.2病毒的生活史

1.6細(xì)胞生命的進(jìn)化

1.6.1細(xì)胞生命的起源與進(jìn)化

1.6.2真核細(xì)胞的起源

1.6.3從單細(xì)胞向多細(xì)胞進(jìn)化

1.7我國(guó)細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展戰(zhàn)略

1.7.1細(xì)胞生物學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容和發(fā)展方向

1.7.2我國(guó)細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略

學(xué)習(xí)指導(dǎo)

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>1.1.1細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)

1.細(xì)胞概述

所有的生物都是由細(xì)胞(cell)構(gòu)成的。除了病毒、類(lèi)病毒等是非細(xì)胞的生命體以外，其它生命有機(jī)體的結(jié)構(gòu)和功能

單位都是細(xì)胞。細(xì)菌、酵母等微生物是以單細(xì)胞的形式存在，而高等動(dòng)、植物則是由多細(xì)胞構(gòu)成的，如人大約有3

X1013個(gè)細(xì)胞，這些細(xì)胞組成不同的組織和器官。

研究細(xì)胞及其生物學(xué)功能的科學(xué)稱為細(xì)胞生物學(xué)(cellbiology)o

1.1細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)及細(xì)胞學(xué)說(shuō)的創(chuàng)立

第一個(gè)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的是英國(guó)學(xué)者胡克(RorbertHooke),相隔170多年后，德國(guó)植物學(xué)家施來(lái)登(MathiasSchleiden)和動(dòng)

物學(xué)家施旺(TheodorSchwann)創(chuàng)立了細(xì)胞學(xué)說(shuō)。

1.1.1細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)

細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)得益于光學(xué)顯微鏡的研制和發(fā)展。第一臺(tái)顯微鏡是荷蘭眼鏡商詹森(HansJanssen)在1604年發(fā)明的。

■1665年，英國(guó)的物理學(xué)家胡克用自己設(shè)計(jì)并制造的顯微鏡觀察株樹(shù)軟木塞切片時(shí)發(fā)現(xiàn)其中有許多小室，狀如

蜂窩，稱為"cella”，這是人類(lèi)第一次發(fā)現(xiàn)細(xì)胞，不過(guò)，胡克發(fā)現(xiàn)的只是死的細(xì)胞壁(圖1-1)。胡克的發(fā)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞學(xué)

的建立和發(fā)展具有開(kāi)創(chuàng)性的意義，其后，生物學(xué)家就用"cell”一詞來(lái)描述生物體的基本結(jié)構(gòu)。

■1674年，荷蘭布商列文虎克(AntonvanLeeuwenhoek)為了檢查布的質(zhì)量，親自磨制透鏡，裝配了高倍顯微鏡(300

倍左右)，并觀察到了血細(xì)胞、池塘水滴中的原生動(dòng)物、人類(lèi)和哺乳類(lèi)動(dòng)物的精子，這是人類(lèi)第一次觀察到完整的

活細(xì)胞。列文虎克把他的觀察結(jié)果寫(xiě)信報(bào)告給了英國(guó)皇家學(xué)會(huì)，得到英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的充分肯定，并很快成為世界

知名人士。

胡克和列文虎克發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的動(dòng)機(jī)是不同的，你對(duì)此有何感想？

圖1-1胡克所用的顯微鏡及觀察的株樹(shù)細(xì)胞壁

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>1.1.2細(xì)胞學(xué)說(shuō)(celltheory)的創(chuàng)立

1.1.2細(xì)胞學(xué)說(shuō)(celltheory)的創(chuàng)立

■1838年，德國(guó)植物學(xué)家施來(lái)登(MathiasSchleiden)提出：盡管植物的不同組織在結(jié)構(gòu)上有著很大的差異，但是

植物是由細(xì)胞構(gòu)成的，植物的胚是由單個(gè)細(xì)胞產(chǎn)生的。

■1839年，德國(guó)動(dòng)物學(xué)家施旺(TheodorSchwann)提出了細(xì)胞學(xué)說(shuō)的兩條最重要的基本原理：①地球上的生物都

是由細(xì)胞構(gòu)成的；②所有的生活細(xì)胞在結(jié)構(gòu)上都是類(lèi)似的。

■1855年，德國(guó)醫(yī)生和病理學(xué)家魏爾肖(RudolfVirchow)補(bǔ)充了細(xì)胞學(xué)說(shuō)的第三條原理：所有的細(xì)胞都是來(lái)自于已

有細(xì)胞的分裂，即細(xì)胞來(lái)自于細(xì)胞。

細(xì)胞學(xué)說(shuō)的創(chuàng)立大大推進(jìn)了人類(lèi)對(duì)生命自然界的認(rèn)識(shí)，有力地促進(jìn)了生命科學(xué)的進(jìn)步。恩格斯對(duì)細(xì)胞學(xué)說(shuō)給予極

高的評(píng)價(jià)，把它與進(jìn)化論和能量守恒定律并列為19世紀(jì)的三大發(fā)明。

為什么恩格斯對(duì)細(xì)胞學(xué)說(shuō)給予與此高的評(píng)價(jià)？

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>1.1.3細(xì)胞學(xué)理論對(duì)細(xì)胞學(xué)發(fā)展的推動(dòng)作用

1.1.3細(xì)胞學(xué)理論對(duì)細(xì)胞學(xué)發(fā)展的推動(dòng)作用

細(xì)胞科學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，而實(shí)驗(yàn)科學(xué)的發(fā)展既依賴于實(shí)驗(yàn)觀察，又有待于理論的升華。盡管細(xì)胞是1665年發(fā)現(xiàn)的，

但在其后的170年的時(shí)間里細(xì)胞學(xué)的研究沒(méi)有什么大的發(fā)展，究其原因主要是沒(méi)有將這一發(fā)現(xiàn)上升為理論，因而

也就沒(méi)有指導(dǎo)意義。但是，細(xì)胞學(xué)理論創(chuàng)立之后，在這一理論的指導(dǎo)下，細(xì)胞學(xué)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

■原生質(zhì)理論的提出

1840年普金耶(Pukinje)在動(dòng)物、1846年馮?莫耳(von.Mohl)在植物中分別看到了“肉樣質(zhì)"的物質(zhì)，并將其命名為"原

生質(zhì)"(protoplasm)。1861年舒爾策(MaxSchultze)認(rèn)為動(dòng)植物細(xì)胞中的原生質(zhì)具有同樣的意義，提出了原生質(zhì)理論。

■細(xì)胞受精和分裂的研究

?1875年赫特維希(O.Hertwig)發(fā)現(xiàn)受精卵中兩親本核的合并;1877年施特拉斯布格(Strasburger)發(fā)現(xiàn)動(dòng)物的受精現(xiàn)

象；

?1883年范?貝內(nèi)登(vanBeneden)在動(dòng)物中、1886年施特拉斯布格(Stras-burger)在植物中發(fā)現(xiàn)了減數(shù)分裂現(xiàn)象；

1880-1882年Flemming在蝶蜿幼蟲(chóng)的組織細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了有絲分裂。

■一些重要細(xì)胞器的發(fā)現(xiàn)

?1883年范?貝內(nèi)登(VanBeneden)和博費(fèi)里(Boveri)在動(dòng)、植物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了中心體；

?1888年沃爾德耶(Waldeyer)提出染色體概念；

?1898年高爾基(Golgi)發(fā)現(xiàn)了高爾基復(fù)合體;同年，線粒體也被正式命名。

在這短短的25年里，取得如此多的成果，除了細(xì)胞學(xué)說(shuō)本身的貢獻(xiàn)外，技術(shù)革新起著重要的作用。細(xì)胞染色技

術(shù)、切片技術(shù)、顯微技術(shù)等的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新保證了科學(xué)研究的進(jìn)步。當(dāng)然，更重要的是這一時(shí)期人才輩出，他

們的不斷追求和探索的精神才是細(xì)胞學(xué)得以發(fā)展的原動(dòng)力。

如何理解人才、理論和技術(shù)在科技發(fā)展中的作用？

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>1.1.4細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

1.1.4細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

對(duì)細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展階段劃分不一，本書(shū)分為四個(gè)時(shí)期：

■細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)及細(xì)胞學(xué)說(shuō)的創(chuàng)立這一時(shí)期跨度較大，從1665到1874年。

■細(xì)胞學(xué)的經(jīng)典時(shí)期即我們上面討論的從1875年到1900年的25年。

■實(shí)驗(yàn)細(xì)胞學(xué)時(shí)期(experimentalcytology)從1900年到1953年的半個(gè)世紀(jì)里，細(xì)胞學(xué)的發(fā)展主要是采用實(shí)驗(yàn)的手

段研究細(xì)胞學(xué)的問(wèn)題，其特點(diǎn)是從形態(tài)結(jié)構(gòu)的觀察深入到生理功能、生物化學(xué)、遺傳發(fā)育機(jī)理的研究。由于實(shí)驗(yàn)

研究不斷同相鄰學(xué)科結(jié)合、相互滲透，導(dǎo)致了一些重要分支學(xué)科的建立和發(fā)展：

?細(xì)胞遺傳學(xué)(cytogenetics)

2

■細(xì)胞生理學(xué)(cytophysiology)

?細(xì)胞化學(xué)(cytochemistry)

■細(xì)胞生物學(xué)的誕生1953年Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，標(biāo)志著分子生物學(xué)的誕生。1965年，

D.P.Derobetis將其《普通細(xì)胞學(xué)》改為《細(xì)胞生物學(xué)》，標(biāo)志著細(xì)胞生物學(xué)的誕生。目前，關(guān)于細(xì)胞的研究已進(jìn)入

分子細(xì)胞生物學(xué)階段。

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>121細(xì)胞的基本功能

1.2細(xì)胞的基本功能和特性

雖然細(xì)胞學(xué)說(shuō)是根據(jù)光學(xué)顯微鏡對(duì)不同類(lèi)型的細(xì)胞進(jìn)行形態(tài)觀察得出的結(jié)論，但是它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)和功能上的相似性

甚至超過(guò)形態(tài)上的相似性。

1.2.1細(xì)胞的基本功能

無(wú)論何種來(lái)源的細(xì)胞，都具有基本相似的功能。

?細(xì)胞能夠進(jìn)行自我增殖和遺傳細(xì)胞能夠以一分為二的分裂方式進(jìn)行增殖，動(dòng)植物細(xì)胞、細(xì)菌細(xì)胞都是如此。

?細(xì)胞都能進(jìn)行新陳代謝細(xì)胞內(nèi)有機(jī)分子的合成和分解反應(yīng)都是由酶催化的，即細(xì)胞的代謝作用是由酶控制的。

細(xì)胞代謝包括物質(zhì)代謝和能量代謝，這也是細(xì)胞的基本特性。

?細(xì)胞都具有運(yùn)動(dòng)性所有細(xì)胞都具有一定的運(yùn)動(dòng)性，包括細(xì)胞自身的運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)。

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>122細(xì)胞結(jié)構(gòu)上的相似性

1.2.2細(xì)胞結(jié)構(gòu)上的相似性

不同類(lèi)型的細(xì)胞不僅具有功能上的相似性，而且還具有結(jié)構(gòu)上的相似性。

■細(xì)胞都具有選擇透性的膜結(jié)構(gòu)

細(xì)胞都具有一層界膜，將細(xì)胞內(nèi)的環(huán)境與外環(huán)境隔開(kāi)。膜有兩個(gè)基本的作用，一是在細(xì)胞內(nèi)外起障礙作用，即不

允許物質(zhì)隨意進(jìn)出細(xì)胞，二是要在細(xì)胞內(nèi)構(gòu)筑區(qū)室，形成各功能特區(qū)。

被質(zhì)膜包裹在細(xì)胞內(nèi)的所有生活物質(zhì)稱為原生質(zhì)(protoplasm),包括細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)(cellplasma)。

植物細(xì)胞與動(dòng)物細(xì)胞的一個(gè)重要差別是在植物細(xì)胞質(zhì)膜的外面還有一層細(xì)胞結(jié)構(gòu)，即細(xì)胞壁。在離體條件下細(xì)胞

壁很容易被酶水解掉，脫去細(xì)胞壁的細(xì)胞就稱為原生質(zhì)體(protoplast)。

■細(xì)胞都具有遺傳物質(zhì)和遺傳體系

細(xì)胞內(nèi)最重要的物質(zhì)就是遺傳物質(zhì)DNA。

現(xiàn)有的研究表明，在生命的進(jìn)化過(guò)程中，最早的遺傳物質(zhì)是RNA而不是DNA,也就是說(shuō)先出現(xiàn)RNA,后逐漸進(jìn)

化形成DNA。

證明最早的遺傳物質(zhì)是RNA而不是DNA的證據(jù)是什么？

由于DNA儲(chǔ)存遺傳信息較之RNA更穩(wěn)定，復(fù)制更精確，并且易于修復(fù)，所以它取代RNA成為遺傳信息的主要載

體。為了保證遺傳信息的準(zhǔn)確傳遞，RNA被保留下來(lái)，專(zhuān)司遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。所以，無(wú)論是

原核生物還是真核生物都具有DNA和RNAo不過(guò)，少數(shù)原始生命形式的病毒，仍然保留RNA作為遺傳信息的

載體。

■細(xì)胞都具有核糖體

所有類(lèi)型的細(xì)胞，包括最簡(jiǎn)單的支原體都含有核糖體。真核細(xì)胞和原核細(xì)胞的核糖體不僅功能相同，在結(jié)構(gòu)上也

十分相似，都是由大小兩個(gè)亞基組成的，只不過(guò)原核細(xì)胞的核糖體比真核細(xì)胞的核糖體稍小一些。

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>1.2.3細(xì)胞的形態(tài)

1.2.3細(xì)胞的形態(tài)

細(xì)胞具有多種多樣的形態(tài)(圖1-2),有球形、桿狀、星形、多角形、梭形、圓柱形等。多細(xì)胞生物體，依照細(xì)胞

在各種組織和器官中所承擔(dān)的不同功能，分化形成了各種不同的形狀。這些不同的形狀一方面取決于對(duì)功能的適

應(yīng)，另一方面亦受細(xì)胞的表面張力、胞質(zhì)的粘滯性、細(xì)胞膜的堅(jiān)韌程度，以及微管和微絲骨架等因素的影響。

圖1-2不同的細(xì)胞形態(tài)

舉例說(shuō)明細(xì)胞的形態(tài)與功能是相關(guān)的。

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>124細(xì)胞的大小及體積的恒定

1.2.4細(xì)胞的大小及體積的恒定

細(xì)胞最為典型的特點(diǎn)是在一個(gè)極小的體積中形成極為復(fù)雜而又高度組織化的結(jié)構(gòu)。典型的原核細(xì)胞的平均大小在

1?10um之間，而真核細(xì)胞的直徑平均為3?30um,一般為10?20um(圖1-3)。

圖1-3典型的原核、真核、病毒和分子的大小

■細(xì)胞體積的守恒定律

3

不同細(xì)胞的大小變化很大，如人的卵細(xì)胞的直徑只有0.1mm,而鴕鳥(niǎo)的卵細(xì)胞的直徑則有5cm。但是，同類(lèi)型

細(xì)胞的體積一般是相近的，不依生物個(gè)體的大小而增大或縮小。如人、牛、馬、鼠、象的腎細(xì)胞、肝細(xì)胞的大小

基本相同。因此，器官的大小主要決定于細(xì)胞的數(shù)量，與細(xì)胞的數(shù)量成正比，而與細(xì)胞的大小無(wú)關(guān)，把這種現(xiàn)象

稱之為”細(xì)胞體積的守恒定律"。

■限制細(xì)胞體積大小的因素

?體積同表面積的關(guān)系

以球形細(xì)胞為例（體內(nèi)的細(xì)胞并非都是球形），計(jì)算體積同表面積的關(guān)系（圖14）。結(jié)果表明，球形細(xì)胞增大，其體

積增加的比例要比表面積增加得多。這樣，當(dāng)細(xì)胞增大到一定程度時(shí)，質(zhì)膜的表面積就不適應(yīng)細(xì)胞進(jìn)行內(nèi)外物質(zhì)

的交換，細(xì)胞為了維持一個(gè)最佳的生存條件，必需維持最佳的表面積，從而限制了體積的無(wú)限增大。

圖14細(xì)胞體積與表面積間的關(guān)系

?細(xì)胞內(nèi)關(guān)鍵分子的濃度

一些重要的分子在細(xì)胞內(nèi)的拷貝數(shù)是很少的，當(dāng)細(xì)胞體積增大時(shí)，這些分子的濃度就越來(lái)越稀釋?zhuān)恍┲匾纳?/p>

化反應(yīng)需要一定的濃度才能進(jìn)行，所以細(xì)胞內(nèi)分子濃度就成了限制細(xì)胞體積無(wú)限增大的另一個(gè)因素。

真核細(xì)胞的體積一般是原核細(xì)胞的1000倍，真核細(xì)胞如何解決細(xì)胞內(nèi)重要分子的濃度問(wèn)題？

?酶蛋白質(zhì)種類(lèi)的限制

細(xì)胞不僅對(duì)體積的增大有限制，而且對(duì)體積的減少也有限制。一個(gè)生活細(xì)胞要維持正常的獨(dú)立生活功能，最低限

度需要500?1000種不同類(lèi)型的酶和蛋白質(zhì)，這是目前在支原體（mycoplasma）中所發(fā)現(xiàn)的酶和蛋白質(zhì)的量。而支原

體是目前所知最小原核細(xì)胞，很顯然，細(xì)胞體積最小化受制于維持細(xì)胞生命活動(dòng)所需的酶和蛋白質(zhì)種類(lèi)的最低限

度。

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>125細(xì)胞及細(xì)胞器的計(jì)量單位

1.2.5細(xì)胞及細(xì)胞器的計(jì)量單位

有兩種計(jì)量細(xì)胞大小的單位，微米（口m）和納米（nm）。1um等于10-6m,Inm等于10-9m。使用電子顯微鏡后又

提出埃（angstrom,&）為超顯微結(jié)構(gòu)的計(jì)量單位，1埃（1）=（）.1納米，但并不常用。較大的細(xì)胞器通常用um表示，

如細(xì)胞核的直徑大約是5-10um,而線粒體的長(zhǎng)度大約是2um。DNA的寬度為2nm（圖1-5）。

圖1-5幾種細(xì)胞結(jié)構(gòu)的大小

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>1.3.1水是細(xì)胞中最主要的物質(zhì)

1.3細(xì)胞的分子基礎(chǔ)

生命是物質(zhì)的，所有的細(xì)胞都是由水、蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、脂類(lèi)、核酸、鹽類(lèi)和各種微量的有機(jī)化合物所組成（表1-1）。

蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、核酸和脂類(lèi)等化合物也被稱為生物分子（biomolecules）。

表1-1細(xì)菌細(xì)胞的化學(xué)組成

化學(xué)成份占細(xì)胞的重量（％）每種分子的類(lèi)型數(shù)

水701

無(wú)機(jī)離子120

糖及其前體1250

氨基酸和前體0.4100

核昔和前體4100

脂肪酸和前體I50

其他的小分子0.2?300

大分子（蛋白質(zhì)、核酸和多糖）26?3000

1.3.1水是細(xì)胞中最主要的成份

生命來(lái)自于水，細(xì)胞中水的含量最高，通常占細(xì)胞總量70%?80%（圖1-6）。細(xì)胞中的所有反應(yīng)都是在水中進(jìn)行的,

所以水是細(xì)胞生命的活動(dòng)介質(zhì)。

圖1-6細(xì)胞中各主要成份的相對(duì)含量

相鄰水分子間的關(guān)系是靠氫鍵維系的（圖1-7）。

相鄰水分子間的關(guān)系是靠氫鍵維系的（圖1-7）,這種氫鍵賦予水分子哪些獨(dú)特的性質(zhì)，對(duì)于生活細(xì)胞有什么重要

性？

?水的功能

水在細(xì)胞中既是反應(yīng)物也是溶劑。水分子參與了生命活動(dòng)的一些重要反應(yīng)，在大分子的合成過(guò)程中水是產(chǎn)物，而

在分解反應(yīng)中水是反應(yīng)劑。

圖1-7水分子中的氫鍵

除了作為反應(yīng)劑外，由于水是極性分子，所以是各種極性有機(jī)分子和離子的最好溶劑，主要是靠氫鍵的形成使這

些分子和離子得以溶解（圖1-8）。

圖1-8水的溶劑作用

?水的存在方式

細(xì)胞中的水以兩種形式存在：游離水和結(jié)合水。游離水是細(xì)胞代謝反應(yīng)的溶劑；結(jié)合水則是以氫鍵和蛋白質(zhì)結(jié)合的

水分子，占細(xì)胞內(nèi)全部水的4.5%,是原生質(zhì)結(jié)構(gòu)的一部分。

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>132無(wú)機(jī)鹽

1.3.2無(wú)機(jī)鹽

■無(wú)機(jī)鹽的作用分類(lèi)

主要分為四大類(lèi)

?大分子的結(jié)構(gòu)成分：主要是C、H、N、0、P、S等；

?各種酶反應(yīng)所需的主要離子，包括Ca2+、Cu2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-等；

?各種酶活性所需的基礎(chǔ)微量元素，包括Co2+、Cu2+、Fe3+、Mn2+、Zn2+等；

?某些生物需要的特殊微量元素，如碘、鈉、浪等。

■無(wú)機(jī)離子的功能有：維持細(xì)胞內(nèi)的pH和滲透壓，以保持細(xì)胞的正常生理活動(dòng)；同蛋白質(zhì)或脂類(lèi)結(jié)合組成具有特

定功能的結(jié)合蛋白，參與細(xì)胞的生命活動(dòng)；作為酶反應(yīng)的輔助因子。

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>1.3.3小分子有機(jī)小分子

1.3.3小分子有機(jī)小分子

細(xì)胞內(nèi)有四類(lèi)有機(jī)小分子：?jiǎn)翁?、脂肪酸、氨基酸和核甘酸。?xì)胞內(nèi)的有機(jī)小分子約占細(xì)胞總有機(jī)物的十分之一，

但卻有許多不同的種類(lèi)。

■糖類(lèi)

糖是細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物，包括單糖、二糖、低聚糖（2?6個(gè)糖）和多糖（由幾百到幾千個(gè)單糖分子組成），其中多糖屬于生

物大分子。

單純的多糖由許多葡萄糖殘基組成，在動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)主要是糖原，在植物細(xì)胞內(nèi)主要是淀粉。它們是細(xì)胞內(nèi)貯存的

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提供細(xì)胞代謝所需的能源（圖1-9）。

圖1-9相同的單糖構(gòu)成不同的多糖

■脂

脂肪酸是脂的主要成分。細(xì)胞內(nèi)幾乎所有的脂肪酸分子都是通過(guò)它們的竣酸基團(tuán)與其它分子共價(jià)連接。各種脂肪

酸的碳?xì)滏滈L(zhǎng)度及所含碳一碳雙鍵的數(shù)目和位置的不同，決定了它們不同的化學(xué)特性。

脂肪酸是營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高的營(yíng)養(yǎng)物，按重量比計(jì)算，脂肪酸分解產(chǎn)生的能量，相當(dāng)于葡萄糖所產(chǎn)生能量的兩倍。脂

肪酸在細(xì)胞內(nèi)最重要的功能是構(gòu)成細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

除了脂肪酸外，細(xì)胞內(nèi)還有其他一些脂類(lèi)（圖1-10）。

圖1-10細(xì)胞內(nèi)六類(lèi)不同的脂

■核甘酸

核甘酸是組成核酸的基本單位，每個(gè)核甘酸分子由一個(gè)戊糖（核糖或脫氧核糖）、一個(gè)含氮堿基（啼咤或喋吟）和一個(gè)

磷酸脫水縮合而成（圖1-10）。

圖1-11核甘酸的組成單位

■氨基酸

細(xì)胞內(nèi)主要有20種氨基酸，它們的差別主要是R側(cè)鏈不同，決定了氨基酸不同的化學(xué)性質(zhì)。氨基酸是組成蛋白質(zhì)

的基本單位，蛋白質(zhì)是長(zhǎng)的線性的氨基酸多聚體，這些氨基酸通過(guò)一個(gè)氨基酸的竣基與另一個(gè)氨基酸的氨基之間

形成的肽鍵而首尾相連，構(gòu)成多肽鏈（圖1-12）。

圖1-12兩個(gè)氨基酸之間通過(guò)脫水形成肽鍵

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>1.3.4.生物分子的功能分類(lèi)

1.3.4.生物分子的功能分類(lèi)

細(xì)胞中的有機(jī)分子，根據(jù)它們?cè)诩?xì)胞代謝活動(dòng)中的作用可分為四種不同類(lèi)型。

■生物大分子

構(gòu)成細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)，并且執(zhí)行細(xì)胞基本功能的巨大的、高度組織起來(lái)的生物分子稱為生物大分子。細(xì)胞內(nèi)有四

種類(lèi)型的生物大分子：核酸、蛋白質(zhì)、多糖，以及某些類(lèi)型的脂類(lèi)，前三種是由單體構(gòu)成的多聚體。細(xì)胞內(nèi)大約有

5

3000種大分子。生物大分子的功能取決于構(gòu)成它們亞單位的種類(lèi)和排列順序。

?大分子的構(gòu)件

細(xì)胞內(nèi)大多數(shù)生物大分子的半壽期都很短，它們不斷地被降解，并被新的生物大分子所取代。所以細(xì)胞內(nèi)有許多

構(gòu)成大分子的構(gòu)件，如單糖、氨基酸、核昔、脂肪酸等。

?代謝物細(xì)胞內(nèi)的分子具有十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，通常要一步一步地合成。細(xì)胞中有許多不同的代謝途徑，發(fā)生不

同的化學(xué)反應(yīng)。在不同的代謝途徑中，通常先合成的物質(zhì)是后合成物質(zhì)的前體。

?非細(xì)胞功能的分子這是非常廣泛的一類(lèi)分子，但是量并非很大。這類(lèi)分子包括各種維生素、蛋白類(lèi)激素、能

量?jī)?chǔ)存分子（如ATP）、某些磷酸化的物質(zhì)，以及代謝廢物等。

■多糖（polysaccharides）

多糖是細(xì)胞的重要支持材料，是細(xì)胞壁的主要結(jié)構(gòu)成分。

糖同蛋白質(zhì)結(jié)合形成糖蛋白。

蛋白質(zhì)的糖基化不僅對(duì)蛋白分子的理化性質(zhì)有很大影晌，而且對(duì)蛋白質(zhì)的生物功能也有很大影響。在迄今已知的

上千種蛋白質(zhì)中，50%以上是糖基化的。許多糖蛋白具有酶、激素、抑制劑等各不相同的生物活性，相當(dāng)一部分

糖蛋白，其分子中糖鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)生物功能所必需的，去除或破壞糖鏈會(huì)使它們失去生物功能。

蛋白質(zhì)的糖基化對(duì)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)有哪些影晌？

■核糖核酸與脫氧核糖核酸

脫氧核糖核酸即是DNA分子，是遺傳物質(zhì)，只有一種類(lèi)型，其結(jié)構(gòu)是雙螺旋的（圖1-13）。

圖1-13DNA的結(jié)構(gòu)

RNA即是核糖核酸，種類(lèi)較多，有tRNA、rRNA、mRNA,還有一些存在于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中的小分子RNA,

它們具有在不同的功能，在某些病毒中也是遺傳物質(zhì)。

■蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)行使各種生物功能的生物大分子，估計(jì)在一個(gè)典型哺乳動(dòng)物細(xì)胞中有10,000種不同的蛋白質(zhì)執(zhí)行

著不同的功能（表1-2）。

表1-2細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的某些功能

功能舉例功能舉例

結(jié)構(gòu)材料膠原、角蛋白激素胰島素、生長(zhǎng)激素

運(yùn)動(dòng)肌動(dòng)蛋白、肌球蛋白物質(zhì)運(yùn)輸Na+-K+泵

營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)存酪蛋白、鐵蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)乙酰膽堿受體

基因調(diào)控Lac操縱子滲透壓調(diào)節(jié)血清白蛋白

免疫作用抗體毒素白喉和霍亂毒素

電子轉(zhuǎn)移細(xì)胞色素酶（催化作用）氧化還原酶、連接酶等

組成蛋白質(zhì)的基本構(gòu)件只是20種氨基酸。為什么蛋白質(zhì)卻具有如此廣泛的功能？

近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，很多大的蛋白質(zhì)分子都是由兩個(gè)或兩個(gè)以上結(jié)合緊密的功能區(qū)域構(gòu)成的，這種區(qū)域稱為結(jié)構(gòu)

域（domain）,結(jié)構(gòu)域在功能上具有半獨(dú)立性，它可與不同的因子結(jié)合。圖1-14顯示了從馬肌細(xì)胞中分離的磷酸廿

油酸激酶（phosphoglyceratekinase）結(jié)晶的結(jié)構(gòu)域，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域通過(guò)一個(gè)錢(qián)鏈連接起來(lái)。

圖1-14蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>1.3.5細(xì)胞結(jié)構(gòu)體系的組裝

1.3.5細(xì)胞結(jié)構(gòu)體系的組裝

細(xì)胞是由化學(xué)物質(zhì)物質(zhì)組成的。由于細(xì)胞的生命活動(dòng)是高度有序的，所以細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)不可能雜亂無(wú)章地堆

集在一起，而是有規(guī)則地分級(jí)組裝成復(fù)雜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，如核糖體、細(xì)胞核、高爾基體和細(xì)胞骨架等。不僅如此，

在多細(xì)胞有機(jī)體中，細(xì)胞要組成不同的組織，再由組織形成器官（圖1-15）。

圖1-15構(gòu)成細(xì)胞的原子及其組織

■分級(jí)組裝

由生物分子組裝成細(xì)胞，可以粗略地分成四級(jí)：

?第一級(jí)是構(gòu)成細(xì)胞的小分子有機(jī)物的形成，包括堿基、氨基酸、葡萄糖、軟脂酸，這些構(gòu)成了細(xì)胞的基石；

?第二級(jí)由基石組裝成生物大分子，包括DNA、RNA、蛋白質(zhì)、多糖；

?第三級(jí)由生物大分子進(jìn)一步組裝成細(xì)胞的高級(jí)結(jié)構(gòu)，如細(xì)胞膜、核糖體、染色體、微管、微絲等；

?第四級(jí)由生物大分子組裝成具有空間結(jié)構(gòu)和生物功能的細(xì)胞器，如細(xì)胞核、線粒體、葉綠體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基

復(fù)合體、溶酶體、微體等。

最后再由細(xì)胞器組成細(xì)胞。

■組裝的機(jī)制

各種生物大分子到底如何組裝成有功能的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和組織是當(dāng)前細(xì)胞生物學(xué)所要研究的基本問(wèn)題。曾經(jīng)對(duì)組裝的

機(jī)制提出過(guò)一些假說(shuō)：

?模板組裝(templateassembly)

?酶效應(yīng)組裝(enzymaticassembly)

?自體組裝(selfassembly)

■反應(yīng)復(fù)合物的組裝

隨著分子生物學(xué)研究的深入，人們更多地注意反應(yīng)復(fù)合物的組裝及其在生命活動(dòng)中的作用。如DNA復(fù)制的引發(fā)體

(primosome)、RNA加工時(shí)形成的剪接體(splicesome)等都是蛋白質(zhì)組裝成的反應(yīng)復(fù)合物。

為什么解決生命科學(xué)的問(wèn)題不能僅靠分子生物學(xué)而要靠細(xì)胞生物學(xué)？

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>1.4.1原核細(xì)胞

1.4細(xì)胞的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)體系

細(xì)胞分為兩大類(lèi)：原核細(xì)胞和真核細(xì)胞。

1.4.1原核細(xì)胞

原核細(xì)胞(prokaryoticcell)是組成原核生物的細(xì)胞。原核生物分為兩大系：古細(xì)菌(archaebacteria)和真細(xì)菌(bacteria,

或eubacteria)。

■細(xì)菌(bacteria)

細(xì)菌是原核細(xì)胞的主要類(lèi)群。細(xì)菌細(xì)胞的基本特點(diǎn)是：遺傳信息量少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別是沒(méi)有分化成以膜為

基礎(chǔ)的專(zhuān)門(mén)結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)胞器與核膜(圖1-16),

圖1-16典型的細(xì)菌細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)

?細(xì)菌的細(xì)胞通常很小，只有幾個(gè)微米。細(xì)菌細(xì)胞的界膜，即細(xì)胞質(zhì)膜的外側(cè)都是被?層堅(jiān)硬的細(xì)胞壁包裹起

來(lái)。細(xì)胞壁的厚度有15?100nm,或更厚，有些細(xì)菌的表面還有一層莢膜。

?原核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)膜是多功能的，其最重要的功能就是運(yùn)輸作用，包括營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收、廢物的排除、能量

代謝等。細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)膜往往會(huì)內(nèi)陷折皺形成中膜體(mesosome),具有類(lèi)似線粒體的作用，故稱為擬線粒體。

細(xì)菌質(zhì)膜還參與遺傳物質(zhì)的復(fù)制和分配，因?yàn)榧?xì)菌沒(méi)有細(xì)胞核，所以細(xì)菌的DNA在復(fù)制時(shí)只能結(jié)合在質(zhì)膜上，然

后進(jìn)行細(xì)胞的分裂(圖l-17)o

圖1-17細(xì)菌質(zhì)膜參與DNA的復(fù)制與分配

?細(xì)菌沒(méi)有細(xì)胞核結(jié)構(gòu)，僅為DNA與少量RNA或蛋白質(zhì)結(jié)合物，也沒(méi)有核仁和有絲分裂器。E.coli的DNA

是環(huán)狀的，長(zhǎng)為4.2XI06kb,約4000個(gè)基因。由于細(xì)菌沒(méi)有核膜，DNA的轉(zhuǎn)錄與蛋白質(zhì)合成沒(méi)有空間的隔離，

所以細(xì)菌的RNA轉(zhuǎn)錄與蛋白質(zhì)翻譯幾乎是同步進(jìn)行的，這是原核與真核生物的最主要的差別。細(xì)菌除了具有染色

體DNA外，還有核外DNA,即質(zhì)粒DNA。質(zhì)粒是比染色體小的遺傳物質(zhì)，為環(huán)狀的雙鏈DNA,常常賦予細(xì)胞

對(duì)抗生素的抗性。

?細(xì)菌體表還有菌毛和鞭毛。菌毛有兩種，一種短而細(xì)，具有呼吸作用；另一種是數(shù)量少但細(xì)長(zhǎng)的性纖毛，為雄

性菌所特有。鞭毛是細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)器官，鞭毛蛋白的氨基酸組成與橫紋肌中的肌動(dòng)蛋白相似。

■支原體(mycoplasma)支原體是目前發(fā)現(xiàn)的最簡(jiǎn)單.、體積最小的原核細(xì)胞，也是惟一一種沒(méi)有細(xì)胞壁的原核細(xì)胞

(圖1-18)

圖1-18.支原體的形態(tài)結(jié)構(gòu)

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>142真核細(xì)胞的兩種主要類(lèi)型:動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞

1.4.2真核細(xì)胞的兩種主要類(lèi)型:動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞

真核細(xì)胞的主要特點(diǎn)是以生物膜為基礎(chǔ)進(jìn)一步分化，使細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生許多功能區(qū)室，它們各自分工負(fù)責(zé)又相互

協(xié)調(diào)和協(xié)作。動(dòng)物細(xì)胞是真核細(xì)胞的主要類(lèi)型之一(圖1-19)。

圖1-19動(dòng)物細(xì)胞模式圖

真核細(xì)胞中另一主要類(lèi)型是植物細(xì)胞(圖l-20)o

圖1-20植物細(xì)胞模式圖

動(dòng)物細(xì)胞具有的結(jié)構(gòu)，植物細(xì)胞基本都有，但是植物細(xì)胞還有一些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，包括細(xì)胞壁、質(zhì)體、中央液泡

等(表1-3)。

表1-3動(dòng)物細(xì)胞與植物細(xì)胞的比較

細(xì)胞器動(dòng)物細(xì)胞植物細(xì)胞

7

細(xì)胞壁無(wú)有

葉綠體無(wú)有

液泡無(wú)有

溶酶體有無(wú)

圓球體無(wú)有

乙醛酸循環(huán)體無(wú)有

通訊連接方式間隙連接胞間連絲

中心體有無(wú)

胞質(zhì)分裂方式收縮環(huán)細(xì)胞板

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>1.4.3真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)體系

1.4.3真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)體系

將真核細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)體系歸納起來(lái)可分為三大系統(tǒng):生物膜結(jié)構(gòu)體系、遺傳信息表達(dá)結(jié)構(gòu)體系、細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)體系。

■生物膜結(jié)構(gòu)體系（圖1-21）

圖1-21生物膜結(jié)構(gòu)體系

■遺傳信息表達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（圖1-22）

圖1-22遺傳信息表達(dá)體系

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>144真核細(xì)胞與原核細(xì)胞的比較

1.4.4真核細(xì)胞與?原核細(xì)胞的比較

原核細(xì)胞和真核細(xì)胞無(wú)論在結(jié)構(gòu)上還是在功能上都有許多相同之處（表1-4）,但真核細(xì)胞具有許多原核細(xì)胞所沒(méi)

有的特點(diǎn)（表1-5）,

表14原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的相同點(diǎn)

序號(hào)內(nèi)容

I.都具有類(lèi)似的細(xì)胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)

2.都以DNA作為遺傳物質(zhì)，并使用相同的遺傳密碼

3.都是以一分為二的方式進(jìn)行細(xì)胞分裂

4.具有相同的遺傳信息轉(zhuǎn)錄和翻譯機(jī)制，有類(lèi)似的核糖體結(jié)構(gòu)

5.代謝機(jī)制相同（如糖酵解和TCA循環(huán)）

6.具有相同的化學(xué)能貯能機(jī)制，如ATP合成酶（原核位于細(xì)胞質(zhì)膜，真核位于線粒體膜上）

7.光合作用機(jī)制相同（藍(lán)細(xì)菌與植物相比較）

8.膜蛋白的合成和插入機(jī)制相同

9.都是通過(guò)蛋白酶體（蛋白質(zhì)降解結(jié)構(gòu)）降解蛋白質(zhì)（古細(xì)菌與真核細(xì)胞相比較）

表1-5真核細(xì)胞特有的特點(diǎn)

序號(hào)內(nèi)容

1.細(xì)胞分裂分為核分裂和細(xì)胞質(zhì)分裂，并且分開(kāi)進(jìn)行

2.DNA和蛋白質(zhì)結(jié)合壓縮成染色體結(jié)構(gòu)，形成有絲分裂的結(jié)構(gòu)

3.具有復(fù)雜的內(nèi)膜系統(tǒng)和細(xì)胞內(nèi)的膜結(jié)構(gòu)（如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、過(guò)氧化物酶體、乙醛酸循環(huán)體、胞內(nèi)

體等）

4.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）

5.具有復(fù)雜的骨架系統(tǒng)（包括微絲、中間纖維和微管）

6.有復(fù)雜的鞭毛和纖毛

7.具有小泡運(yùn)輸系統(tǒng)（胞吞作用和胞吐作用）

8.含有纖維素的細(xì)胞壁（如植物細(xì)胞）

9.利用微管形成的紡錘體進(jìn)行細(xì)胞分裂和染色體分離

10.每個(gè)細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)成雙存在，二倍體分別來(lái)自于兩個(gè)親本

11.通過(guò)減數(shù)分裂和受精作用進(jìn)行有性生殖

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>151病毒是比細(xì)胞更小的生命體

1.5病毒——非細(xì)胞的生命體

細(xì)胞雖然是地球上主要的生命形式，但并非是惟一的生命形式，病毒也是生命體，但它卻不具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

1.5.1病毒是比細(xì)胞更小的生命體

8

病毒是19世紀(jì)末通過(guò)對(duì)疾病的研究發(fā)現(xiàn)的，無(wú)法用光學(xué)顯微鏡觀察。病毒沒(méi)有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，不能在體外獨(dú)立生活。

在電子顯微鏡下可觀察到病毒顆粒的體積大約在10?100nm之間，比細(xì)胞小得多。病毒的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由兩部

分組成：蛋白質(zhì)外殼和遺傳物質(zhì)的核。病毒的遺傳物質(zhì)可以是DNA,也可是RNA,前者稱為DNA病毒，后者稱

為RNA病毒。病毒的形態(tài)各異，有正二十面體的、有柱形的、也有絲狀的（圖1-23）。

圖1-23常見(jiàn)病毒的形態(tài)和結(jié)構(gòu)

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>1.5.2病毒的生活史

1.5.2病毒的生活史

病毒不僅沒(méi)有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，而且也不能獨(dú)立生存，只能在活細(xì)胞中進(jìn)行增殖。病毒的生活史包括五個(gè)基本過(guò)程（圖

1-24）：

圖1-24病毒的生活史

請(qǐng)簡(jiǎn)述病毒的生活史。

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>161細(xì)胞生命的起源與進(jìn)化

1.6細(xì)胞生命的進(jìn)化

人們對(duì)細(xì)胞的認(rèn)識(shí)是在實(shí)驗(yàn)室里將細(xì)胞打開(kāi)，然后分離各種細(xì)胞器和生物分子，分別研究它們的功能，但是我們

能夠打開(kāi)的細(xì)胞只是當(dāng)今生活的細(xì)胞，是進(jìn)化到十分高級(jí)的細(xì)胞而無(wú)法獲得遠(yuǎn)古時(shí)期的活細(xì)胞。在進(jìn)化的過(guò)程中

細(xì)胞生命活動(dòng)的分子是如何形成的？最早的細(xì)胞是如何產(chǎn)生的？真核細(xì)胞又是如何起源的？

1.6.1細(xì)胞生命的起源與進(jìn)化

導(dǎo)致細(xì)胞生命形成的關(guān)鍵因素是地球的形成及地球大氣層條件的變化。一般將細(xì)胞生命的起源分為五個(gè)階段：①

地球和原始大氣層的形成；②有機(jī)分子的自發(fā)形成；③分子聚合體的形成；④生命初級(jí)聚合體的形成；⑤原始細(xì)

胞的形成。

圖1-25細(xì)胞生命的起源與進(jìn)化

根據(jù)化石資料分析，地球上最早的細(xì)胞出現(xiàn)在35億年前。

關(guān)于地球上細(xì)胞生命起源有兩種假說(shuō)，一種假說(shuō)認(rèn)為細(xì)胞是由已存在于地球上的分子產(chǎn)生的，另一種假說(shuō)則認(rèn)為

細(xì)胞是從別的宇宙空間來(lái)到地球的。

俄羅斯的生化學(xué)家AleksanderOparin提出地球上的有機(jī)分子是在合適的化學(xué)和物理?xiàng)l件下自然形成的。1953年，

這一假說(shuō)得到了實(shí)驗(yàn)的支持。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者是StanleyMiller,當(dāng)時(shí)是一位研究生，他設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，證

明在合適的物理化學(xué)條件下可以自動(dòng)合成有機(jī)分子。

Miller如何證明在合適的物理化學(xué)條件中可以自動(dòng)合成有機(jī)分子？

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>162真核細(xì)胞的起源

1.6.2真核細(xì)胞的起源

真核細(xì)胞是由原核細(xì)胞進(jìn)化而來(lái)，這是生物學(xué)家的基本共識(shí)。原核細(xì)胞向真核細(xì)胞進(jìn)化的主要事件是呼吸代謝的

發(fā)展和內(nèi)膜系統(tǒng)的形成。細(xì)胞內(nèi)兩個(gè)與能量轉(zhuǎn)換有關(guān)的細(xì)胞器線粒體和葉綠體的起源主要是通過(guò)內(nèi)共生機(jī)制，而

內(nèi)膜系統(tǒng)則是通過(guò)質(zhì)膜的內(nèi)陷形成的（圖1-26）。

圖1-26質(zhì)膜內(nèi)陷形成核膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的假定方式

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>163從單細(xì)胞向多細(xì)胞進(jìn)化

1.6.3從單細(xì)胞向多細(xì)胞進(jìn)化

細(xì)胞在向多細(xì)胞機(jī)體進(jìn)化過(guò)程中，最重要的特點(diǎn)是出現(xiàn)細(xì)胞的分化，即在多細(xì)胞的機(jī)體內(nèi)，各種細(xì)胞向不同方向

發(fā)展，形成結(jié)構(gòu)和功能各異的不同組織，但又互相協(xié)調(diào)成為一個(gè)有機(jī)的整體。

在多細(xì)胞的機(jī)體內(nèi)，有一部分細(xì)胞高度特化，成為下一代機(jī)體的起源，這些細(xì)胞稱為生殖細(xì)胞（germcell）,以

別于機(jī)體內(nèi)的其它細(xì)胞，即體細(xì)胞（somaticcell）。

細(xì)胞進(jìn)化的主要事件示于圖1-27。

圖1-27真核細(xì)胞進(jìn)化的主要過(guò)程

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>1.7.1細(xì)胞生物學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容和發(fā)展方向

1.7我國(guó)細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展戰(zhàn)略

1.7.1細(xì)胞生物學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容和發(fā)展方向

從生命結(jié)構(gòu)層次來(lái)看，細(xì)胞生物學(xué)位于分子生物學(xué)和個(gè)體生物學(xué)之間，同它們互相銜接、互相滲透。因此，從這

一意義上來(lái)說(shuō)，細(xì)胞生物學(xué)是一門(mén)承上啟下的學(xué)科，和分子生物學(xué)一起同是現(xiàn)代生命科學(xué)的基礎(chǔ)，并廣泛滲透到

遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、生殖生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和免疫生物學(xué)等的研究中，和農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物高新技術(shù)的發(fā)展

有密切的關(guān)系，是生命科學(xué)的重要支柱之一。

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細(xì)胞生物學(xué)研究的內(nèi)容十分廣泛，圖1-28顯示了當(dāng)今細(xì)胞生物學(xué)研究的主要內(nèi)容。

圖1-28細(xì)胞生物學(xué)研究的范疇

課程學(xué)習(xí)：1.細(xì)胞概述>>1.7.2我國(guó)細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略

1.7.2我國(guó)細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略

90年代中期，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)組織一批細(xì)胞生物學(xué)方面的專(zhuān)家就我國(guó)的細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展的13個(gè)方面的研

究制定了戰(zhàn)略規(guī)劃。

21世紀(jì)人類(lèi)將面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，細(xì)胞生物學(xué)作為生命科學(xué)中的重要基礎(chǔ)學(xué)科，是連接整體與分子的重要一環(huán)，將

會(huì)在新的生命科學(xué)世紀(jì)中發(fā)揮其重要的作用。

展望未來(lái)，細(xì)胞生物學(xué)的前景無(wú)限廣闊。

我國(guó)細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展戰(zhàn)略的主要內(nèi)容是什么？

課程學(xué)習(xí)：2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法>>目錄

2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法

2.1顯微成像技術(shù)

2.1.1光學(xué)和電子顯微鏡成像原理

2.1.2常用的光學(xué)顯微鏡

2.1.3光學(xué)顯微鏡的樣品制備與觀察

2.1.4電子顯微鏡

2.1.5間接成像技術(shù)

2.2細(xì)胞化學(xué)技術(shù)

2.2.1酶細(xì)胞化學(xué)技術(shù)

2.2.2免疫細(xì)胞化學(xué)技術(shù)

2.2.3細(xì)胞分選技術(shù)

2.2.4其他細(xì)胞化學(xué)技術(shù)

2.3細(xì)胞工程技術(shù)

2.3.1細(xì)胞培養(yǎng)

2.3.2細(xì)胞融合與單克隆抗體技術(shù)

2.3.3動(dòng)物細(xì)胞核移植克隆技術(shù)

2.4分離技術(shù)

2.4.1離心分離技術(shù)

2.4.2層析分離技術(shù)

2.5分子生物學(xué)方法

2.5.1基因工程技術(shù)

2.5.2PCR技術(shù)

2.5.3選擇性基因敲除與轉(zhuǎn)基因鼠

2.5.4乳腺生物反應(yīng)器技術(shù)

學(xué)習(xí)指導(dǎo)

課程學(xué)習(xí)：2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法>>2.1顯微成像技術(shù)

2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法

生命科學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，它的很多成果都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得以發(fā)現(xiàn)和發(fā)展的。方法上的突破，對(duì)于理論和應(yīng)用上的發(fā)展

具有巨大的推動(dòng)作用。

2.1顯微成像技術(shù)

最早的光學(xué)顯微鏡是1590年Z.Janssen和他的侄子H.Janssen共同研制的。其后，RobertHooke和Antonievan

Leeuwenhoek對(duì)光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)進(jìn)行了極大的改進(jìn)，由此發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞。

20世紀(jì)30年代發(fā)展起來(lái)的電子顯微鏡導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能研究發(fā)生了一次革命，使生物學(xué)家得以從亞顯微水平上

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重新認(rèn)識(shí)細(xì)胞(圖2-1)。

圖2-1光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡下的細(xì)胞結(jié)構(gòu)

2.1.1光學(xué)和電子顯微鏡成像原理

不管是何種顯微鏡，鏡像的形成都需要三個(gè)基本要素:①照明系統(tǒng)，②被觀察的樣品，③聚焦和成像的透鏡系統(tǒng)(圖

2-2)o

圖2-2光學(xué)和電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)

在光學(xué)顯微鏡中，照明系統(tǒng)是可見(jiàn)光，使用的是玻璃透鏡系統(tǒng)，可直接通過(guò)目鏡觀察鏡像。在電子顯微鏡中，照

明系統(tǒng)為電子束，使用電磁透鏡，通過(guò)熒光屏觀察樣品的鏡像。

照明系統(tǒng)的波長(zhǎng)是顯微鏡成像的一個(gè)重要因素，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)決定能被檢測(cè)樣品的最小極限。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，波幅的跨度

就越大，所能觀察到的物體極限就越大(圖2-3)。

圖2-3波的移動(dòng)、波長(zhǎng)和干擾

請(qǐng)對(duì)圖2-3作出說(shuō)明

?光學(xué)和電子顯微鏡成像的光學(xué)原理是相同的，其中最重要的是光子和電子都具有波的行為。當(dāng)光子和電子穿過(guò)

透鏡到達(dá)聚焦點(diǎn)時(shí)，由于波的干涉(interference)性質(zhì)而成像。實(shí)際上通過(guò)透鏡觀察到的樣品的鏡像是通過(guò)透鏡波的

干涉累加或消除，即衍射(diffraction)的結(jié)果。

?焦距與角孔徑

焦距(focallength)是透鏡的中心平面到焦點(diǎn)的距離(圖2-4),而角孔徑(angularaperture)是光從樣品進(jìn)入顯微鏡的物鏡

半角a(圖2-5),因此角孔徑實(shí)際表示有多少光離開(kāi)樣品通過(guò)透鏡，最好的光學(xué)顯微鏡的角孔徑大約是700。

圖24透鏡的焦距

圖2-5透鏡的角孔徑

角孔徑是光從樣品進(jìn)入透鏡的半角a。(a)小孔徑透鏡;(b)大角孔徑透鏡。角孔徑越大，透過(guò)透鏡的信息越多，最好

的玻璃透鏡的角孔徑大約是700

■分辨率(resolution)

透鏡最重要的性質(zhì)就是它的分辨率，分辨率(R)可用以下公式計(jì)算：

R=0.61X/nSina

其中:n=聚光鏡和物鏡之間介質(zhì)的折射率.空氣為1.油為1.5;

a=樣品對(duì)物鏡角孔徑的半角，sina的最大值為1;

'=照明光源的波長(zhǎng)。

0.61是一個(gè)恒定的參數(shù)，表示成像的點(diǎn)雖被重疊但仍能被區(qū)別的程度。

上式中nSina的量稱為物鏡的數(shù)值孔徑(numericaperture),縮寫(xiě)為NA,因此顯微鏡的分辨率的表示公式可改

為:R=0.61X/NA

從上式可知，角孔徑越大，進(jìn)入物鏡的光越多；介質(zhì)的折射率越大，則數(shù)值孔徑越大，這些都可以使分辨率提高。

由于分辨率表示的是能夠區(qū)別兩個(gè)點(diǎn)間最近距離的能力，所以R值越小，分辨率越高。從分辨率的表達(dá)式來(lái)看，

NA越大，分辨率越高，或者波長(zhǎng)越短，分辨率越高。

■分辨極限(limitresolution)與放大率(magnification)

?一般地說(shuō)，一定波長(zhǎng)的射線不能用以探查比它本身波長(zhǎng)短得多的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，這是一切顯微鏡的一個(gè)基本限度。

對(duì)可見(jiàn)光來(lái)說(shuō)，能清楚地分辨出相鄰兩點(diǎn)之間的最小間隔是().2um,稱之為分辨極限(limitresolution)。

?最終成像的大小與原物體大小的比值稱為放大率?？偡糯舐?物鏡放大率X目鏡放大率，放大率同樣受分辨

極限的限制。一般來(lái)說(shuō)，光學(xué)顯微鏡的最大放大率只能是透鏡的數(shù)值孔徑的1000倍。由于透鏡的數(shù)值孔徑的范

圍是1.0~1.4,所以光學(xué)顯微鏡在用空氣作介質(zhì)時(shí)最大放大倍數(shù)為1000倍，用油鏡則為1400倍。

?增大角孔徑或縮短波長(zhǎng)可提高光學(xué)顯微鏡的分辨率。如果用波長(zhǎng)比普通波長(zhǎng)短得多的電子波代替光波，分辨率

可大大提高，電子顯微鏡就是在這種需求下被發(fā)明的。表2-1是光學(xué)顯微鏡與電子顯微鏡某些特性的比較。

表2-2電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡的基本區(qū)別

分辨本領(lǐng)光源透鏡真空

光學(xué)顯微鏡300nm可見(jiàn)光玻璃透鏡不需真空

200nm(油鏡)可見(jiàn)光玻璃透鏡不需真空

100nm紫外光玻璃透鏡不需真空

電子顯微鏡0.1nm電子束電磁透鏡真空

課程學(xué)習(xí)：2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法>>2.1.2常用的光學(xué)顯微鏡

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2.1.2常用的光學(xué)顯微鏡

光學(xué)顯微鏡(lightmicroscope)是光學(xué)顯微技術(shù)的主要工具，自問(wèn)世以來(lái)已有400多年歷史。光學(xué)顯微鏡是利用光線

照明，使微小物體形成放大影像的儀器。現(xiàn)今使用的光學(xué)顯微鏡都是由兒個(gè)透鏡組合而成，所以又稱為復(fù)合顯微

鏡(compoundmicroscope)(圖2-6)。

圖2-6普通光學(xué)顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)

■普通雙筒顯微鏡(binocularmicroscope)

比較高級(jí)的顯微鏡上都設(shè)有傾斜式的雙目鏡筒(圖2-7)。在物鏡轉(zhuǎn)換器上方裝有四個(gè)棱鏡，使經(jīng)過(guò)物鏡的光線平分

為兩路到達(dá)目鏡，故雙筒顯微鏡的亮度要比單筒者為暗。雙筒顯微鏡的優(yōu)點(diǎn)為同時(shí)用兩眼觀察，有較強(qiáng)的立體感。

圖2-7雙筒顯微鏡

■熒光顯微鏡(fluorescencemicroscope)

熒光顯微鏡的工作原理是利用紫外線發(fā)生裝置(如弧光燈、水銀燈等)發(fā)出強(qiáng)烈的紫外線光源，通過(guò)照明設(shè)備把顯

微固定的切片或活染的細(xì)胞透視出來(lái)，基本成像原理示于圖2-8。

圖2-8熒光顯微鏡的光通路

■相差顯微鏡(phasecontrastmicroscope)

相差顯微鏡在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了特別設(shè)計(jì)，尤其是光學(xué)系統(tǒng)有很大的不同(圖2-9),可用于觀察未染色的活細(xì)胞(圖

2-10)o

圖2-9相差顯微鏡的光學(xué)部件及光線通路

圖2-10相差顯微鏡觀察的活細(xì)胞

■暗視野顯微鏡(darkfieldmicroscope)

暗視野顯微鏡是利用特殊的聚光器使照明光線不能進(jìn)入物鏡被放大，在黑暗的背景下呈現(xiàn)明亮的像。這種特殊的

照明方式，使反差增大，分辨率提高，用以觀察未經(jīng)染色的活體或膠體粒子(圖2-11)。

圖2-11暗視野顯微鏡的光學(xué)

喑視野顯微鏡主要觀察的是物體的輪廓，分辨不清內(nèi)部的微細(xì)構(gòu)造，適合于觀察活細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞核、線粒體、液

體介質(zhì)中的細(xì)菌和霉菌等。

■倒置顯微鏡

倒置顯微鏡的結(jié)構(gòu)組成與普通顯微鏡一樣，所不同的只是它的物鏡與照明系統(tǒng)的位置顛倒過(guò)來(lái)。前者置于載物臺(tái)

之下，而后者在載物臺(tái)的上方。集光器與載物臺(tái)之間的工作距離提高，可以放置培養(yǎng)皿、培養(yǎng)瓶等容器，直接

對(duì)培養(yǎng)的細(xì)胞進(jìn)行照明和觀察(圖2-12)

圖2-12倒置顯微鏡

課程學(xué)習(xí)：2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法>>2.1.3光學(xué)顯微鏡的樣品制備與觀察

2.1.3光學(xué)顯微鏡的樣品制備與觀察

由于大多數(shù)細(xì)胞的成分不影響光線的穿透，無(wú)法形成反差，所以在一般光學(xué)顯微鏡下，幾乎看不清未經(jīng)處理的細(xì)

胞。為了看清細(xì)胞內(nèi)含物，就必須對(duì)細(xì)胞樣品進(jìn)行一些特殊的處理，為此建立和發(fā)展了樣品的各種制備技術(shù)。

■樣品的固定(fixation)

?目的：生物組織在染色前先進(jìn)行固定的目的是殺死細(xì)胞，穩(wěn)定細(xì)胞的化學(xué)成份，并且使樣品硬化以便在進(jìn)一步

的處理和切片時(shí)不會(huì)受到破壞。

?做法：樣品固定的最簡(jiǎn)單做法是將樣品直接浸泡在固定液中。固定使得大分子交聯(lián)而保持在一定的位置上，不

致于在以后的染色等處理過(guò)程中移位或丟失而產(chǎn)生人工假象。一般用具有緩沖作用的醛類(lèi)固定液，用甲醛或戊二

醛作固定劑，能夠與蛋白質(zhì)的游離氨基形成共價(jià)鍵，從而將鄰近的蛋白質(zhì)分子牢固地交聯(lián)在一起。

■包埋和切片(embeddingandsectioning)

樣品制備的第二步是將固定的組織制備成切片。為此，樣品首先要被包埋在介質(zhì)中，通常用液態(tài)的石蠟或樹(shù)脂做

包埋劑，使之滲入整塊組織，然后將之硬化成固體的包埋塊，隨后用專(zhuān)門(mén)的切片機(jī)切割包埋塊，制備成薄切片(圖

2-13)o適用于光學(xué)顯微鏡觀察的切片厚度為1?10um。

圖2-13用切片機(jī)進(jìn)行樣品切片

■染色(staining)

大多數(shù)細(xì)胞總重量的70%是水，對(duì)可見(jiàn)光幾乎是透明的，只有很少的內(nèi)含物不透光。染色的目的就是給細(xì)胞的不

同組分帶上可區(qū)別的顏色特征。19世紀(jì)初，發(fā)現(xiàn)某些有機(jī)染料可染生物組織，并對(duì)細(xì)胞特殊部位的著色具有選擇

性。如蘇木精(hematoxylin)對(duì)負(fù)電荷分子有親和性，能顯示出細(xì)胞內(nèi)核酸的分布；酸性染料如伊紅(eosin)可使細(xì)胞

質(zhì)染色；蘇丹染料(Sudandyes)在脂肪中的溶解度比在乙醇中大，所以蘇丹染料的乙醇飽和溶液能使脂肪著色。但

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對(duì)許多染料的特異性染色機(jī)理尚不清楚。

■細(xì)胞化學(xué)技術(shù)(cytochemistry)

?采用比有機(jī)染料更為特異的染色劑及酶細(xì)胞化學(xué)方法，可以了解細(xì)胞和組織中大致的化學(xué)組成，及某些活性基

團(tuán)或酶的存在。

?為了測(cè)定蛋白質(zhì)、核酸、多糖和脂類(lèi)，常利用一些顯色劑與所檢測(cè)物質(zhì)中特殊基團(tuán)的特異性結(jié)合，通過(guò)顯色劑

在細(xì)胞中出現(xiàn)的部位和顏色顯示的程度，從而判斷被檢物質(zhì)在細(xì)胞中的分布和含量。例如，利用Feulgen反應(yīng)(圖

2-14)可特異性檢測(cè)細(xì)胞中的DNA,PAS反應(yīng)可用于檢測(cè)植物中的淀粉、纖維素及動(dòng)物細(xì)胞中的糖原、粘蛋白等。

?將細(xì)胞或組織切片與適宜的底物共同溫育，切片中的酶會(huì)水解底物，再將所釋放物質(zhì)轉(zhuǎn)變成不溶性有色化合物,

后者所在部位即是組織細(xì)胞中酶的活性部位。

圖2-14Feulgen反應(yīng)

■放射自顯影(autoradiography)

放射自顯影技術(shù)是用感光膠片測(cè)定細(xì)胞內(nèi)某種被放射性標(biāo)記的物質(zhì)在細(xì)胞固定時(shí)所在的位置，基本過(guò)程如圖2-15

所示。

圖2-15放射自顯影術(shù)

課程學(xué)習(xí)：2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法>>2,1.4電子顯微鏡(electronmicroscope)

2.1.4電子顯微鏡(electronmicroscope)

光源與分辨率的關(guān)系同樣適于電子束，由于電子束的波長(zhǎng)比光的波長(zhǎng)短100,000倍，因而用電子束代替光波，可

大大提高顯微鏡的分辨率。

1932年德國(guó)學(xué)者M(jìn)axKnolls和ErnstRuska發(fā)明了第一臺(tái)電子顯微鏡，開(kāi)拓了超微世界，發(fā)現(xiàn)了許多光鏡下看不到

的結(jié)構(gòu)，如細(xì)胞膜、線粒體、細(xì)胞核、高爾基體、中心粒等細(xì)胞器的細(xì)微結(jié)構(gòu)。將在光學(xué)顯微鏡中觀察不到而只

能在電子顯微鏡下觀察的結(jié)構(gòu)稱為亞顯微結(jié)構(gòu)(submicroscopestructure),或超微結(jié)構(gòu)(ultrastructure)。

電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡在總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上有很大的差別(圖2-16)?在種類(lèi)上，電鏡可分為兩大類(lèi):透射電子顯

微鏡和掃描電子顯微鏡。

圖2-16光鏡叮電子顯微鏡(透射電鏡)的結(jié)構(gòu)

■透射電子顯微鏡(transmissionelectronmicroscope,TEM)

透射電子顯微鏡主要是讓電子束穿透樣片而成像。電子顯微鏡基本結(jié)構(gòu)由三大部分組成：電子光學(xué)系統(tǒng)(鏡筒)、真

空系統(tǒng)、電子學(xué)系統(tǒng)(供電系統(tǒng))。電子光學(xué)系統(tǒng)由照明系統(tǒng)、樣品室、成像系統(tǒng)、觀察窗和記錄用的照相機(jī)等組成。

由于電子顯微鏡必需在高度真空條件下進(jìn)行工作，陰極與陽(yáng)極之間會(huì)放電，燈絲也會(huì)因受到氧化或被陽(yáng)離子轟擊

而縮短壽命，所以設(shè)計(jì)了真空系統(tǒng)。電子學(xué)系統(tǒng)即供電系統(tǒng)，需要高壓穩(wěn)壓。

為什么電子顯微鏡需要真空系統(tǒng)？

■掃描電子顯微鏡(scanningelectronmicroscopy,SEM)

掃描電子顯微鏡(圖2-17)使用與透射電子顯微鏡完全不同的方式成像，即用電視的方式成像。掃描電子顯微鏡主

要由電子光學(xué)系統(tǒng)和顯示單元組成，它的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示于圖2-18。

圖2-17掃描電子顯微鏡

圖2-18掃描電子顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)

■掃描透射電鏡與高壓電鏡(圖2-19,2-20)

圖2-19掃描透射電子顯微鏡

圖2-20高壓電鏡

■電子顯微鏡的樣品制備

如同光學(xué)顯微鏡，電子顯微鏡的樣品也需固定、包埋、切片、染色等(圖2-21)?

與光鏡相比，用于電子顯微鏡的組織固定有什么特殊的要求？

圖2-21電子顯微鏡樣品的制備過(guò)程

?負(fù)染色(negativestainning)

一些生物大分子組成的結(jié)構(gòu)，如病毒、線粒體基粒、核糖體和蛋白質(zhì)組成的纖維等可以通過(guò)負(fù)染色電鏡技術(shù)觀察

其精細(xì)結(jié)構(gòu)，還可以從不同角度觀察三維結(jié)構(gòu)(圖2-22),

圖2-22煙草rattle病毒的負(fù)染色

?鑄型技術(shù)(shadowcasting)

鑄型技術(shù)是電子顯微鏡中一種重要的增強(qiáng)背景和待觀察樣品反差的方法(圖2-23)。

圖2-23鑄型技術(shù)

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?冰凍斷裂復(fù)型和冰凍蝕刻

是專(zhuān)門(mén)觀察樣品外表面的投影復(fù)型術(shù)(圖2-24)o

圖2-24冰凍斷裂與冰凍蝕刻技術(shù)

課程學(xué)習(xí)：2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法>>2.1.5間接成像技術(shù)

2.1.5間接成像技術(shù)

光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡是利用質(zhì)子和電子使樣品直接成像的技術(shù)，還有一些顯微方法是間接成像。所謂間接成

像，舉一個(gè)例子，假定你拿起一個(gè)物體，非?？拷愕难劬M(jìn)行觀察，你或許覺(jué)得該物體有六個(gè)平面、十二條邊

和八個(gè)角，然后將你感覺(jué)到的畫(huà)出來(lái)，可能是一個(gè)盒子，這就是間接成像。下面討論的是幾種間接成像的方法，

這些方法都具有原子級(jí)分辨力，它們的分辨率比最好的電子顯微鏡還高10倍。雖然這些方法目前都還有一定的缺

陷限制著在生物學(xué)中的應(yīng)用，但具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

■掃描隧道顯微鏡(scanningtunnelingmicroscope,STM)

掃描隧道顯微鏡由IBM公司瑞士蘇黎世研究所的兩位學(xué)者BinningG和RohrerH.等在1981年發(fā)明的具有原子顯像

力的顯微鏡，是根據(jù)量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)原理而制成的。這種顯微鏡對(duì)生物、物理、化學(xué)等學(xué)科均有推動(dòng)作用，

可用于研究表面的原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)(圖2-25),故于1986年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

圖2-25掃描隧道顯微鏡

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的建立是根據(jù)X射線衍射結(jié)果推導(dǎo)出來(lái)的，至今還沒(méi)有直接觀察DNA結(jié)構(gòu)的方法，所以對(duì)其

中的微細(xì)結(jié)構(gòu)還不夠了解。用STM觀察了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，見(jiàn)到DNA分子上的大溝(m可orgroove)和小溝

(minorgroove),并且了解DNA的結(jié)構(gòu)隨染色體長(zhǎng)度而異(圖2-26)。

圖2-26掃描隧道顯微鏡觀察的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

■X-射線衍射(X-raydiffraction)

X-衍射技術(shù)并不涉及顯微鏡，但是能夠根據(jù)X-射線通過(guò)結(jié)晶樣品形成的衍射樣式成像。這一技術(shù)可用于在原子分

辨的水平上推測(cè)分子的結(jié)構(gòu)。實(shí)際上X-射線衍射技術(shù)是目前在原子水平上分析蛋白質(zhì)、核酸和其他生物分子的惟

一方法。Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的主要依據(jù)之一就是根據(jù)Franklin對(duì)DNA晶體衍射的結(jié)果(圖

2-27)o

圖2-27DNA分子結(jié)構(gòu)X-衍射分析

課程學(xué)習(xí)：2.細(xì)胞生物學(xué)研究方法>>2.2細(xì)胞化學(xué)技術(shù)(cytochemistry)

2.2細(xì)胞化學(xué)技術(shù)(cytochemistry)

細(xì)胞生物學(xué)的一個(gè)主要特點(diǎn)是將細(xì)胞形態(tài)觀察與細(xì)胞成分分析結(jié)合起來(lái)，其中?個(gè)重要的研究手段就是細(xì)胞化學(xué)

技術(shù)。細(xì)胞