(細(xì)胞生物學(xué))第一章 緒論

第一章緒論教學(xué)目的與要求：使學(xué)生了解細(xì)胞生物學(xué)的研究對(duì)象，任務(wù)及總趨勢(shì)與主要領(lǐng)域。了解細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：細(xì)胞生物學(xué)的研究對(duì)象、任務(wù)和發(fā)展趨勢(shì)。教學(xué)時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)。組織教學(xué)：考勤，強(qiáng)調(diào)課堂紀(jì)律及學(xué)習(xí)本課程中的有關(guān)注意事項(xiàng)。新課內(nèi)容：§1.1細(xì)胞生物學(xué)研究的對(duì)象、任務(wù)與現(xiàn)狀一、細(xì)胞生物學(xué)研究的性質(zhì)與任務(wù)細(xì)胞：是生物形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。細(xì)胞生物學(xué)：是研究細(xì)胞生命活動(dòng)基本規(guī)律的學(xué)科。細(xì)胞生物學(xué)研究的任務(wù)：是1961年在第一次國(guó)際細(xì)胞生物學(xué)大會(huì)上確定的，它的任務(wù)是：以動(dòng)態(tài)觀點(diǎn)，采用現(xiàn)代科技手段，從三個(gè)層次或水平上（細(xì)胞水平、亞細(xì)胞水平、分子水平）研究細(xì)胞的生命活動(dòng)規(guī)律或細(xì)胞的整合功能。細(xì)胞生物學(xué)研究的主要內(nèi)容：是在不同層次上研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能、細(xì)胞的增殖分化、衰老與凋亡、細(xì)胞信號(hào)傳遞、真核細(xì)胞基因的表達(dá)與調(diào)控、細(xì)胞的起源與進(jìn)化。

細(xì)胞生物學(xué)是目前生物科學(xué)中發(fā)展最快的學(xué)科之一。細(xì)胞分子生物學(xué)是目前細(xì)胞生物學(xué)的重點(diǎn)。細(xì)胞工程是21世紀(jì)生物工程發(fā)展的重要組成部分?？梢灶A(yù)見(jiàn)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與基本生命活動(dòng)的研究將越來(lái)越深入，并將成為21生命科學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一。

由于分子生物學(xué)概念、方法與技術(shù)的引入，使細(xì)胞生物學(xué)取得了突破性的進(jìn)展，產(chǎn)生許多新的研究點(diǎn)。如細(xì)胞核、染色體及基因表達(dá)的研究，生物膜與細(xì)胞器的研究，細(xì)胞骨架體系的研究，細(xì)胞增殖、分化及其調(diào)控，細(xì)胞的衰老與凋亡、細(xì)胞起源與進(jìn)化等等，這些研究正成為新的概念與新的領(lǐng)域。很多學(xué)者認(rèn)為，在21世紀(jì)，細(xì)胞生物學(xué)將繼續(xù)迅猛發(fā)展，并成為生命科學(xué)研究的主流。二、細(xì)胞生物學(xué)研究的總趨勢(shì)與重點(diǎn)領(lǐng)域從發(fā)展趨勢(shì)看，細(xì)胞生物學(xué)與分子生物學(xué)聯(lián)系將更加密切，它們相互滲透、相互交融已成為一種新的趨勢(shì)。（一）當(dāng)前細(xì)胞生物學(xué)研究中有三大基本問(wèn)題1、細(xì)胞內(nèi)的基因組是如何在時(shí)間上與空間上有序表達(dá)的？2001年，世界人類基因組計(jì)劃已經(jīng)完成，估計(jì)人類約有3-4萬(wàn)個(gè)基因。研究表明，如果將一些基因放在試管內(nèi)，只要條件滿足，便可以表達(dá)。但在細(xì)胞內(nèi)環(huán)境中，它能否表達(dá)及其表達(dá)程序都將受到嚴(yán)格的調(diào)節(jié)與控制。2、基因表達(dá)產(chǎn)物——這些產(chǎn)物主要指蛋白質(zhì)與核酸、脂質(zhì)、多糖及其復(fù)合物，它們是如何級(jí)裝配成能行使生命活動(dòng)的基本結(jié)構(gòu)體系的？3、基因調(diào)控產(chǎn)物——這些產(chǎn)物是一些活性因子與信號(hào)分子，這些因子是如何調(diào)節(jié)細(xì)胞最重要的生命過(guò)程的？諸如細(xì)胞的增殖、分化、衰老與凋亡等過(guò)程。（二）當(dāng)前細(xì)胞基本生命活動(dòng)研究的若干重大課題。1、染色體DNA與蛋白質(zhì)相互作用關(guān)系。目前認(rèn)為染色體是由一條巨大的DNA分子與其結(jié)合蛋白形成的一種動(dòng)復(fù)合結(jié)構(gòu)，可分為細(xì)胞間期染色體與分裂期染色體。兩者在細(xì)胞周期中的交替與相互轉(zhuǎn)換，主要主要是由DNA與蛋白動(dòng)態(tài)結(jié)合關(guān)系所決定的。與染色體DNA結(jié)合的蛋白可分為組蛋白與非組蛋白。目前大量與種類繁多的非組蛋白與DNA的相互關(guān)系是研究的主要問(wèn)題，特別是它們對(duì)DNA的復(fù)制表達(dá)以及與染色體高層次構(gòu)建等，及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化的作用是核心問(wèn)題。2、細(xì)胞增殖、分化、凋亡的相互關(guān)系及調(diào)控細(xì)胞的增殖、分化、凋亡與衰老是細(xì)胞最重要的生命活動(dòng)現(xiàn)象，它們既相互聯(lián)系又相互制約。一切動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育都是依靠細(xì)胞增殖、分化與凋亡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。3、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)的研究

當(dāng)前的細(xì)胞信號(hào)傳遞的基本內(nèi)容主要有三方面：（1）是細(xì)胞間信號(hào)傳遞：重點(diǎn)是信號(hào)分子的結(jié)構(gòu)與功能，信號(hào)分子與受體相互作用機(jī)制。（2）是受體與信號(hào)跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)：G蛋白的發(fā)現(xiàn)與較深入的研究使受體轉(zhuǎn)換器的概念與結(jié)構(gòu)功能更具體化。（3）是細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳遞途徑：蛋白質(zhì)的磷酸化與去磷酸化可能是信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵。4、細(xì)胞結(jié)構(gòu)體系的裝配

生物大分子是如何逐級(jí)裝配并最終形成生物賴以進(jìn)行生命活動(dòng)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的？這是當(dāng)前生命科學(xué)面臨的最基本的問(wèn)題之一。

此外，當(dāng)前細(xì)胞生命活動(dòng)研究還包括很多方面，諸如蛋白質(zhì)合成、分選與跨膜定向運(yùn)輸。真核細(xì)胞起源與進(jìn)化等等，近年均有迅速的進(jìn)展。根據(jù)美國(guó)科學(xué)情報(bào)研究所（ISI）1997年SCI（ScienceCitationIndex）收錄及引用論文檢索說(shuō)明，目前全世界自然科學(xué)研究中論文發(fā)表最集中的三個(gè)領(lǐng)域分別是：細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞凋亡和基因組與后基因組學(xué)研究。而當(dāng)前全球研究最熱門的是三種疾病是：癌癥、心血管病、艾滋病和肝炎等傳染病，5大研究方向是（1）細(xì)胞周期調(diào)控；（2）細(xì)胞凋亡；（3）細(xì)胞衰老；（4）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)；（5）DNA的損傷與修復(fù)?！?.2細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史一、細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)來(lái)自于顯微鏡的發(fā)明。1665年英國(guó)學(xué)者諾波特.胡克用自制的顯微鏡觀察了軟木的薄片，第一次描述了植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，并首次借用拉丁文cellar這個(gè)詞來(lái)稱呼他所看到的類似蜂巢的極小的封閉小室。荷蘭的列文.虎克第一次觀察到活細(xì)胞，虎克一生制作了400多架顯微鏡，放大倍數(shù)一般在50－200倍之間，1676年他發(fā)現(xiàn)了池塘中的原生動(dòng)物，1683年又發(fā)現(xiàn)了牙垢中的細(xì)菌，并把它們描繪下來(lái)，寄給當(dāng)時(shí)歐洲的科學(xué)中心――倫敦皇家學(xué)會(huì)，刊登在會(huì)報(bào)上。1665年，英國(guó)人虎克（RobertHooke）曾用原始的顯微鏡對(duì)生長(zhǎng)在皮革表面及薔薇枯葉上的霉菌進(jìn)行觀察。1676年，微生物學(xué)的先驅(qū)荷蘭人列文虎克（Antonyvanleeuwenhoek）首次觀察到了細(xì)菌。他沒(méi)有上過(guò)大學(xué)，是一個(gè)只會(huì)荷蘭語(yǔ)的小商人，但卻在1680年被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的會(huì)員。列文虎克利用業(yè)余時(shí)間制造過(guò)400多架單式顯微鏡和放大鏡，放大率一般為50~200倍，二、細(xì)胞學(xué)說(shuō)的建立

1838年，德國(guó)植物學(xué)家施萊登（M·J·Schleiden）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。一年之后，德國(guó)動(dòng)物學(xué)家施旺（M·J·Schwarn）也發(fā)表論文指出，動(dòng)植物都是細(xì)胞的集合物。施萊登、施旺共同指出：一切植物、動(dòng)物都是由細(xì)胞組成的，細(xì)胞是一切動(dòng)植物的基本單位，這就是著名的“細(xì)胞學(xué)說(shuō)”。“細(xì)胞學(xué)說(shuō)”提出不久，就迅速被推廣到許多領(lǐng)域的研究，對(duì)當(dāng)時(shí)生物學(xué)的發(fā)展起了巨大的促進(jìn)和指導(dǎo)作用。如施羅德（Sichold）等通過(guò)對(duì)原生物的研究證明，不僅動(dòng)植物，而且原生動(dòng)物也是由細(xì)胞組成的，它是只含一個(gè)細(xì)胞的動(dòng)物，它能獨(dú)立地進(jìn)行全部生命活動(dòng)。艾伯特可里克（Albertkolliker）通過(guò)胚胎研究，證明了生物個(gè)體發(fā)育的過(guò)程就是細(xì)胞不斷繁殖和分化的連續(xù)過(guò)程。1958年德國(guó)病理學(xué)家魏爾肖（Virchow），有一段最著名的話，正如“動(dòng)物只能來(lái)自動(dòng)物，植物只能來(lái)自植物一樣”，“細(xì)胞只能來(lái)自細(xì)胞”。魏爾肖有關(guān)細(xì)胞來(lái)自細(xì)胞的觀點(diǎn)，進(jìn)一步指明了細(xì)胞作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的生命活動(dòng)基本單位的性質(zhì)，通常被認(rèn)為是對(duì)細(xì)胞學(xué)說(shuō)的一個(gè)重要補(bǔ)充。三、細(xì)胞學(xué)的經(jīng)典時(shí)期1、原生質(zhì)理論的提出自從迪雅爾丹在原生動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了十分均勻、有彈性、能收縮的膠狀物質(zhì)后，就稱它為“肉樣質(zhì)”。其后1840年普金耶（Pukinje）在動(dòng)物，1846年馮·莫爾在植物細(xì)胞中也看到了“肉樣質(zhì)”的東西，并命名為“原生質(zhì)”。1861年舒爾策（MaxSchultze）認(rèn)為動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)的“肉樣質(zhì)”和植物細(xì)胞內(nèi)的“原生質(zhì)”具有同樣的意義。由此提出了原生質(zhì)理論：有機(jī)體的組織單位是一小團(tuán)原生質(zhì)，這種物質(zhì)在一般有機(jī)體中是相似的。至此，細(xì)胞的含義就和最初發(fā)現(xiàn)時(shí)大不相同了。于是漢森（Hanstein,1880）就提出“原生質(zhì)體（protoplast），但由于cell一詞沿用已久，因此人們?nèi)圆捎门f名。2、細(xì)胞分裂的研究

1841年雷馬克（Remak）在觀察雞胚血細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞的直接分裂，其后費(fèi)萊明（Flemming）在動(dòng)物細(xì)胞，施特拉斯伯格（strasburger）在植物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了有絲分裂，并證實(shí)有絲分裂的實(shí)質(zhì)是核內(nèi)絲狀物（染色體）的形成及其向兩個(gè)子細(xì)胞的平均分配。1883年范·貝內(nèi)登（VanBeneden）在動(dòng)物細(xì)胞，1886年施特拉斯伯格在植物細(xì)胞中又發(fā)現(xiàn)了減數(shù)分裂，至此細(xì)胞分裂的主要類型都被人類發(fā)現(xiàn)了。3、重要細(xì)胞器的發(fā)現(xiàn)1883年范·貝內(nèi)登（VanBeneden）和博費(fèi)里（Bovri）發(fā)現(xiàn)了中心體，1894年阿爾特曼（Altmann），1897年本達(dá)（Benda）發(fā)現(xiàn)了線粒體，1898年高爾基（Golgi）發(fā)現(xiàn)了高爾基體。四、實(shí)驗(yàn)細(xì)胞學(xué)與細(xì)胞學(xué)分支及其發(fā)展隨著研究的深入，細(xì)胞學(xué)在發(fā)展過(guò)程中自然而然地與遺傳學(xué)、生理學(xué)、生物化學(xué)聯(lián)系起來(lái)，由此出現(xiàn)了三個(gè)重要的分支科學(xué)，即：細(xì)胞遺傳學(xué)、細(xì)胞生理學(xué)和細(xì)胞化學(xué)。（一）、細(xì)胞遺傳學(xué)1876年赫特維希兄弟（Q和R·Hertuing）在研究海膽卵受精作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)受精后兩個(gè)親本細(xì)胞核具有合并的現(xiàn)象。1888年施特斯伯格在植物體也發(fā)現(xiàn)兩個(gè)親本細(xì)胞核的合并現(xiàn)象，并證明植物生殖細(xì)胞的染色體，也象動(dòng)物一樣比體細(xì)胞少一半。

遺傳的基本規(guī)律是1865年由孟德?tīng)枺℅regeorMendel）發(fā)現(xiàn)的。但當(dāng)時(shí)對(duì)生殖的細(xì)胞變化沒(méi)有足夠的了解，不足以用來(lái)解釋遺傳性狀的自由分配定律。由于這些原因，Mendel的工作當(dāng)時(shí)未引起人們的重視。直到1901年孟德?tīng)栠z傳定律才被重新發(fā)現(xiàn)。這時(shí)細(xì)胞學(xué)的進(jìn)展已經(jīng)能夠?qū)γ系聽(tīng)栒J(rèn)定的遺傳單位分配機(jī)制有所理解和說(shuō)明。已知體細(xì)胞的遺傳組是雙倍體，而生殖細(xì)胞或配子是單倍體。1905年威爾遜（Wilson）證實(shí)性別與染色體的關(guān)系，1902~1903年德國(guó)的博韋里（Boveri）同美國(guó)的薩頓（Sutton）不謀而合地提出了“染色體遺傳理論”。1910年摩爾根（Morgan）以果蠅為材料，研究它的遺傳與變異，證明基因是決定遺傳性狀的基本單位，而且直線排列在染色體上，由此建立了基因?qū)W說(shuō)，并為細(xì)胞遺傳學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。孟德?tīng)栠z傳定律的再發(fā)現(xiàn)摩爾根的基因論20世紀(jì)中生命科學(xué)取得的革命性進(jìn)展：

美國(guó)的生物學(xué)家沃森和英國(guó)的物理學(xué)家克里克建立的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型。美國(guó)的生物學(xué)家沃森（右）和英國(guó)的物理學(xué)家克里克（左）

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型的建立是20世紀(jì)生命科學(xué)發(fā)展的里程碑，標(biāo)志著現(xiàn)代分子遺傳學(xué)的誕生