细胞生物学讲授提纲.docx

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细胞生物学讲授提纲

细胞生物学讲授提纲

第一章绪论

一、细胞生物学研究的内容与现状

（一）定义

细胞是高度动态的耗散结构体系，是生命结构与功能的基本单位。

细胞生物学是现代生命科学的重要前沿基础学科，是今后相当一段时间的主流学科方向。

当前细胞生物学研究的三大基本问题：

●细胞内的基因组如何在时间与空间上有序表达？

●基因表达的产物如何逐级装配成能行使生命活动的基本结构体系及各种细胞器？

●基因表达的产物（主要是大量活性因子与信号分子）如何调节细胞最重要的生命活动过程？

CellBiology：

广泛采用现代物理学与化学的技术成就和分子生物学的概念与方法，将细胞的整体活动水平，亚细胞水平和分子水平三方面的研究有机地结合起来，以动态的观点观察细胞和细胞器的结构和功能，以期最终阐明生命的基本规律。

（二）细胞生物学的主要研究内容

两大基本部分：

●细胞结构与功能，如各种亚细胞结构及其作用。

●细胞重要生命活动，如细胞增殖、分化、衰老与凋亡等。

1.生物膜与细胞器

●生物膜是细胞和大部分细胞器的结构基础

●磷脂双分子层与膜蛋白的相互关系；膜蛋白与物质的跨膜运输、信息跨膜传递、能量转换和细胞识别等。

●线粒体与叶绿体的换能机制和半自主性；内质网、高尔基体与溶酶体在结构和功能上的相互关联等。

2.细胞信号转导

●细胞间信号传递：

信号分子与受体相互作用机制

●受体与信号跨膜转导

●细胞内信号传递途径与网络调控

3.细胞骨架体系

●广义的细胞骨架概念包括细胞质骨架与核骨架两大部分。

●细胞骨架与维持细胞形态、保持细胞运动和细胞内部的合理布局、细胞内大分子的运输与细胞器的运动、细胞信息的传递、基因表达与大分子加工等均有密切关系。

4.细胞核、染色体及基因表达

●细胞核是遗传物质DNA贮存的场所，也是mRNA、rRNA与tRNA转录的场所。

●染色体结构动态变化与基因表达及其调节的关系。

●DNA分子甲基化与组蛋白的修饰在基因表达调控中的作用。

5.细胞增殖及其调控

●一切动植物的生长与发育都是通过细胞的增殖与分化来实现。

●从环境与有机体中寻找控制细胞增殖的因子，并阐明其作用机制。

●深入研究控制细胞增殖周期进程的主要检验点相关的周期蛋白与周期蛋白激酶的调控机理。

6.细胞分化及干细胞生物学

●细胞分化是生物发育的基础，是细胞生物学、发育生物学与遗传学的重要会合点。

●细胞定向分化的调控机制。

●干细胞的基本生物学属性。

●微环境对干细胞及其分化的影响。

●组织工程与再生医学。

7.细胞死亡

●包括凋亡、坏死和自噬性死亡

●涉及生物体的正常生长发育、自稳态的维持、免疫耐受的形成、肿瘤监控等。

●研究重点在于死亡过程的分子机制及调控机理。

8.细胞衰老

●是研究人与动植物寿命的基础。

但细胞的衰老与有机体的衰老又是不同的概念。

●动物二倍体细胞在体外分裂与传代次数有限。

●体内细胞衰老的机制：

衰老基因及相关信号传导途径。

9.细胞工程

●细胞生物学与遗传学的交叉领域。

●人工使不同细胞的基因或基因组重组形成杂交细胞，或者使基因与基因组由一种细胞转移到另一种细胞中，并越过种的障碍，产生新的遗传性状。

●哺乳动物细胞克隆与干细胞工程是热点。

10.细胞的起源与进化

●细胞起源与进化的学说在很大程度上还是推理性的。

●近年来，分子生物学方法已引入研究。

二、细胞学与细胞生物学发展简史

从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为4个主要的阶段：

①从16世纪末—19世纪30年代，是细胞发现和细胞知识的积累阶段。

②从19世纪30年代—20世纪初期，细胞学说形成后，主要进行细胞显微形态的研究。

③从20世纪30年代—70年代，以细胞超微结构、核型、带型研究为主要内容。

④从20世纪80年代分子克隆技术的成熟到当前，细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密，基因调控、信号转导、细胞分化和凋亡、肿瘤生物学等领域成为当前的主流研究内容。

（一）细胞的发现

1590年荷兰眼镜制造商J.Janssen和Z.Janssen父子制作了第一台复式显微镜，放大倍数不超过10倍。

英国人胡克（RobertHooke，1635-1702）

1665年发表《显微图谱》

“能非常清楚地看到软木片充满了气孔，是一个多孔的结构，型如蜂房…”

提出细胞“cell”一词因而沿用至今。

荷兰列文虎克（A.V.Leeuwenhoek）1632-1763

●1680 成为皇家学会会员，一生中制作了200多台显微镜和500多个镜头。

●他是第一个看到活细胞的人，观察过池塘水中的原生动物，鱼和蛙的红血球，人的牙垢、唾液、猫、狗和人的精液等

●对细胞发现做出过贡献的其他人：

●马尔比基（M.Malpighi），1628-1694

●医生、大学教师，动植物材料显微技术的创始人。

血液循环和毛细血管、肺和肾的细微结构、无脊椎动物生物学，特别是蚕从卵到蛹演化的结构和生活史。

●施旺丹麦（J.Swammerdam），1637-1680

●尸体解剖，蜗牛受精，昆虫的形态分类。

●格鲁（N.Grew），1628-1712

●主要是植物解剖，也做些动物的比较解剖。

（二）细胞学说（celltheory）的建立及其意义

●1838年德国植物学家施莱登（M.J.Schleiden）

●1839年德国动物学家施旺（M.J.Schwann）

●一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位。

●Allorganismsarecomposedofoneormorecells.

●Thecellisthestructureunitoflife.

●Cellcanariseonlybydivisionfromapreexistingcell.

●1855年德国病理学家魏尔肖（Virchow）指出：

细胞只能来自细胞。

●早期的其他科学家还包括：

●米尔贝尔（C.B.Mirbel），法国植物学家，认为植物每个部分都存在细胞。

●奥肯（L.Oken），认为生命起源于“原始海洋胶状物”，纤毛虫是最简单的生命体，动物和植物都是纤毛虫的群体。

●普金野（J.E.Purkinje），神经细胞的分类研究；发明了原始的切片刀，可以切骨骼和牙齿。

●弥勒（J.P.Muller），胚胎学、生理学、病理学、比较解剖学家。

●细胞学说（1838-1839）、进化论（1859）和孟德尔（1866）的遗传学是现代生物学的三大基石。

●细胞学说也是后两者的基石。

（三）细胞学的经典时期

1.原生质理论的提出

●1840年普金耶（Pukinje）和1846年冯·莫尔（VanMolh）首次将动植物细胞的内含物称为“原生质”（protoplasm）。

●1861年舒尔策（MaxSchultze）认为有机体的组织单位是一小团原生质。

●1880年Hanstein提出“原生质体”（protoplast）的概念，认为细胞是由细胞膜包围的一团原生质，分化为细胞核与细胞质。

2.细胞分裂的研究

●1841年Remark发现鸡胚血细胞的直接分裂。

●1883-1886年分别在动植物细胞中发现有丝分裂（mitosis）和减数分裂（meiosis）。

3.细胞器的发现

●1883年VanBenneden和Boveri发现中心体；Benda发现线粒体。

●1898年Golgi发现高尔基体。

●在这短短的25年里，取得如此多的成果，技术革新起着重要的作用。

细胞染色技术、切片技术、显微技术等的不断改进和创新。

（四）实验细胞学与细胞学的分支及发展

●1876年，O.Hertwig发现受精细胞核合并的现象。

采用实验的方法研究海胆和蛔虫卵发育中的核质关系，建立了实验细胞学。

●组织与细胞体外培养技术的建立和运用，使实验细胞学得到迅速发展。

1.细胞遗传学：

德国的T.Boveri和美国的W.Suton提出的遗传的染色体学说；T.H.Morgan证明了基因是决定遗传性状的基本单位，而且直线排列在染色体上。

●主要从染色体的结构和功能，以及染色体和其它细胞器的关系来研究遗传现象。

●染色体结构功能与基因表达关系的研究是今后长期的主题。

2.细胞生理学：

得益于组织培养技术的建立，可研究细胞的各种生理活动。

●主要研究内容：

细胞的刺激反应、增殖与生长、兴奋性、收缩性、分泌性等。

物质的跨膜运输、信号的跨膜转导是当前的重点。

3.细胞化学：

用生化手段分析细胞各组分的性质与含量。

●得益于最早对细胞内DNA和RNA的定性定量检测方法的建立。

目前，已发展到细胞组分分离技术、流式细胞技术、原位杂交技术、免疫荧光技术和扫描共聚焦显微技术等。

（五）细胞生物学学科的形成与发展

●在20世纪50年代，学者们利用电镜观察了细胞的各种超微结构，如内质网、核糖体、溶酶体、核孔复合体、细胞骨架和膜单位

●1961年布拉舍（J.Brachet）根据电镜下观察到的结构，绘制了一幅细胞超微结构模式图。

●20世纪50年代，随着DNA双螺旋结构的解析和遗传中心法则的问世，分子生物学兴起，其概念与技术的引入，使其与生物化学、遗传学和细胞学相互渗透结合，对细胞结构与功能的研究达到新的高度，促进了“细胞生物学”的产生。

●二十世纪70年代以后，转基因技术和单克隆抗体技术的建立；80年代各种模式生物的构建及大量突变株的分析；90年代基因打靶技术、DNA测序技术以及生物芯片技术的快速发展；“蛋白组”等组学的兴起，极大地拓展了对生物分子的研究视野，使得细胞生物学与分子生物学更加密不可分，开始赋予细胞生物学以“分子细胞生物学”或“细胞分子生物学”等名称。

重要概念：

●细胞中的染色体，线粒体、中心体、核仁等大于0.2m，在光学显微镜中能观察到，这种结构称显微结构（microscopicstructure）。

●内质网膜、核膜，微管、微丝等因小于0.2m，在普通光学显微镜下看不到，称亚显微结构（submicroscopicstructure）。

有不少学者称此水平为“微细结构”（finestructure），指显微镜观察能力以上，分子结构以下这一水平的结构。

●20世纪70年代以来由于超高分辩本领电镜的问世（接近0.1nm），加上免疫电镜，电镜放射自显影术的不断提高；扫描电镜的深入开展以及冰冻刻蚀技术的应用，特别是电镜技术与生化研究及近代生物物理研究手段（如X射线衍射、中子衍射、波谱子研究等）相结合，使电镜观察进行入到超微结构境界（严格地说ultrastructure指分子结构而言，不过现在书刊中往往将亚微结构也称之为超微结构，二者无严格的界线）。

●原生质（Protoplasm）：

泛指细胞的全部生命物质，包括细胞膜、质、核三部分。

主要参考书：

1.《基础细胞生物学》艾伯茨等著，赵寿元等译。

上海科学技术出版社，2002年。

2.《细胞生物学》（第二版）汪堃仁、薛绍白、柳惠图主编。

北京师范大学出版社，1990年。

3.《分子细胞生物学》韩贻仁（第二版），科学出版社，2001年。

4.《细胞生物学》沈振国、催德才（第二版），中国农业出版社，2011年。

5.CellandMolecularBiology（ThirdEdition）.GeraldKarp.2002.

6.MolecularCellBiology（SecondEdition）.HarveyLodishetal.1995.

第二章细胞的统一性与多样性

一、细胞的基本特征

（一）细胞是生命活动的基本单位

1.细胞是构成有机体的基本单位

①一切有机体均由细胞构成（病毒例外）

②变形虫、眼虫是单细胞机体盘藻是多细胞聚合体，细胞未分化高等动植物细胞分化组织器官系统机体

2.细胞是代谢与功能的基本单位

①机体的一切代谢活动都以细胞为基本单位，单细胞生物独立完成一系列生理活动；多细胞生物依靠细胞之间的相互合作。

②细胞的形态结构与功能是一致相关的。

3.细胞是有机体生长与发育的基础

●机体的发育依靠细胞的分裂、生长、分化和凋亡来实现。

4.细胞是繁殖的基本单位，是遗传的桥梁

①细胞含全套的遗传信息，具遗传的全能性

②单细胞生物的繁殖表现为细胞一分为二；多细胞生物依靠细胞分裂形成特殊的生殖细胞。

5.细胞是生命起源的归属，生物进化的起点

●经过漫长的化学进化，由非生命物质形成原始细胞标志着生命的出现；生物进化形成了纷繁多样的生命世界。

●细胞具有高度的复杂性与组织性

●细胞具有遗传程序并能付诸实施

●细胞能产生更多的“自己”

●细胞获取和利用能量

●细胞开展许多的化学反应

●细胞可实施一系列机械运动

●细胞能感应刺激

●细胞能自我调节

（二）细胞的基本共性

1.相似的化学组成

●常量元素：

C、H、O、N、S、P、Na、Ca、K、Cl、Mg、Fe；

●微量元素：

B（硼）、Si（硅）、V（钒）、Mn（锰）、Co（钴）、Cu（铜）、Zn（锌）、Mo（钼）等。

●小分子：

核苷酸、氨基酸、脂肪酸与单糖。

●大分子：

核酸、蛋白质、脂质和多糖。

●复合分子：

核蛋白、脂蛋白、糖蛋白和糖脂。

●平均来说，细胞的组成中水占85%、蛋白质10%、DNA0.4%、RNA0.7%、脂类2%、糖和其它有机物2%、无机物1.5%。

2.脂-蛋白体系的生物膜

●磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜─质膜；质膜内陷演化为细胞的内膜体系─细胞器。

3.相同的遗传装置

●两种核酸作为遗传信息复制与转录的载体；蛋白质的合成场所是核糖体；一套通用遗传密码。

4.一分为二的分裂方式

●都以一分为二的方式进行分裂增殖。

二、原核细胞与古核细胞

●肉眼可见的物种：

动物150万种；植物50万种；真菌8万种。

具有大致相同的细胞结构

●肉眼不可见的细菌、放线菌支原体等微生物的细胞没有细胞核和内膜系统。

●生物界最显著的差别表现在细胞层次。

●细胞分为原核细胞（prokaryocyte）和真核细胞（eukaryocyte），相应地把生物界划分为原核生物和真核生物。

●原核细胞和真核细胞的差异不止是形态结构，在代谢方式、遗传信息表达及调控、信号转导等各方面都有显著差异。

●随着基因和基因组的深入研究，原来的原核细胞中有一类群的遗传信息表达系统与其它的原核细胞有很大差异，更接近于真核细胞，于是另分一群称古核细胞，又叫古细菌（archaebacteria）

（一）原核细胞

●支原体、衣原体、立克次氏体、细菌、放线菌和蓝藻。

●基本特点可概括为：

①遗传信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；②细胞内没有分化成以膜为基础的细胞器和核膜。

1.支原体（mycoplasma）

大小通常为0.2-0.3m，可通过滤菌器。

无细胞壁，不能维持固定的形态而呈现多形性。

支原体基因组为一环状双链DNA，分子量小（仅有大肠杆菌的五分之一），合成与代谢很有限。

2.衣原体和立克次氏体

●衣原体（Chlamydia），直径0.2-0.5m，能通过细菌滤膜。

●立克次氏体（Rickettsia）略大，大多不能通过滤菌膜。

●都有DNA和RNA，有含肽聚糖的细胞壁。

因酶系统不完全，必须在寄主细胞内生活。

3.细菌

●细菌由细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体等部分构成，有的还有夹膜、鞭毛、菌毛等特殊结构。

●绝大多数细菌的直径大小在0.5-5.0m。

可根据形状分为球菌、杆菌和螺旋菌（包括弧形菌）。

（1）细胞壁

●一般厚度为15-30nm。

主要成分是肽聚糖。

（2）细胞膜

●单位膜结构，厚约8-10nm。

除核糖体外，没有其它类似真核细胞的细胞器，呼吸和光合作用的电子传递链位于细胞膜上。

（3）细胞质与核质体

●无核膜，DNA集中在细胞质中的低电子密度区，称核区或核质体（nuclearbody）。

●细菌一般具有1-4个核质体，多的可达20余个。

核质体是环状的双链DNA分子，所含的遗传信息量可编码2000～3000种蛋白质，没有内含子。

（3）细胞质与核质体

●无核膜，DNA集中在细胞质中的低电子密度区，称核区或核质体（nuclearbody）。

●细菌一般具有1-4个核质体，多的可达20余个。

核质体是环状的双链DNA分子，所含的遗传信息量可编码2000～3000种蛋白质，没有内含子。

（4）细菌细胞核外DNA

●质粒（plasmid），裸露的环状DNA分子，可编码2-200个基因。

可以传给后代，也可整合到核DNA。

●质粒基因可以赋予细菌新的性状：

如大肠杆菌的f因子，col因子以及抗药因子等。

（5）其它结构

●许多细菌的最外表还覆盖着一层多糖类物质，称为荚膜（capsule），或粘液层（slimelayer）。

●鞭毛由鞭毛蛋白（flagellin）构成，结构上不同于真核生物的鞭毛。

●菌毛是菌体表面极细的蛋白纤维，须用电镜观察。

功能与细菌吸附和侵染宿主有关。

（6）繁殖

●细菌以二分裂的方式繁殖。

某些细菌处于不利的环境，或耗尽营养时，形成内生孢子，又称芽孢，是对不良环境有强抵抗力的休眠体。

4.蓝藻

●又称蓝细菌（cyanobacterium），能进行与高等植物类似的光合作用（以水为电子供体，放出O２），因此被认为是最简单的植物。

但没有叶绿体，仅有十分简单的光合作用结构装置。

●蓝藻细胞遗传信息载体是一个环状DNA分子，有约3000个编码蛋白的潜在基因。

（二）古细菌（archaebacteria）

●又称古核生物（archaeon）,多生活在极端的生态环境中。

包括产甲烷细菌、盐细菌、热原质体、硫氧化菌等。

●古细菌形态多样，具细胞壁，染色为G+或G-；细胞大小0.1-0.5m，繁殖以二分分裂或出芽。

（1）细胞壁

●无胞壁酸和D-氨基酸，溶菌酶、青霉素等对古细菌无作用。

（2）质膜

●由脂质和蛋白质构成，但C-H链以醚键而不是酯键与甘油结合；膜脂的7-30%为非极性脂质鲨烯衍生物；极端耐热菌是由C40四乙醚组成的单层膜。

（3）DNA与基因结构

●介于原核与真核细胞之间

●与细菌相似：

环状DNA，操纵子结构，大部分基因无内含子，多基因mRNA。

●与真核细胞类似：

DNA与组蛋白结合成类似核小体；编码RNA和部分蛋白质的基因有内含子；RNA聚合酶为复杂多聚体；翻译起始氨基酸为Met。

（4）核糖体

●70S，含60种以上的蛋白质，其性质接近于真核生物。

●对氯霉素等抗生素不敏感。

●极端嗜热菌（themophiles）：

能生长在90℃以上的高温环境。

如德国的斯梯特（K.Stetter）研究组在意大利海底发现的一族古细菌，能生活在110℃以上高温中，最适生长温度为98℃，降至84℃即停止生长。

美国的J.A.Baross发现一些从火山口中分离出的细菌可以生活在250℃的环境中。

●嗜热菌的营养范围很广，多为异养菌，其中许多能将硫氧化以取得能量。

●极端嗜盐菌（extremehalophiles）：

生活在高盐度环境中，盐度可达25%，如死海和盐湖中。

●极端嗜酸菌（acidophiles）：

能生活在pH值1以下的环境中，往往也是嗜高温菌，生活在火山地区的酸性热水中，能氧化硫，硫酸作为代谢产物排出体外。

●极端嗜碱菌（alkaliphiles）：

多数生活在盐碱湖或碱湖、碱池中，生活环境pH值可达11.5以上，最适pH值8～10。

●产甲烷菌（metnanogens）：

是严格厌氧的生物，能利用CO2使H2氧化，生成甲烷，同时释放能量。

CO2＋4H2→CH4＋2H2O＋能量

●由于古细菌所栖息的环境和地球发生的早期有相似之处，如：

高温、缺氧，而且由于古细菌在结构和代谢上的特殊性，它们可能代表最古老的细菌。

●它们保持了古老的形态，很早就和其它细菌分手了。

三、真核细胞

真核细胞包括大量的单细胞生物和全部的多细胞生物，出现于12-16亿年前，在起源上和古核细胞的关系更密切。

真核细胞结构复杂，种类繁多，出现了以膜为边界的真正细胞核及多种细胞器。

（一）真核细胞的基本结构体系

1.生物膜系统：

磷脂与蛋白质，厚8-10nm。

●表面：

质膜及其相关结构进行选择性的物质跨膜运输和信号转导。

●内部：

双层核膜分隔核质区；线粒体和叶绿体供能；内质网是物质合成和分选运输基地；高尔基体是加工、包装和运输枢纽；溶酶体是胞内消化系统；重要的酶定位于膜表面。

2.遗传信息传递与表达系统：

DNA-组蛋白质组成染色质的基本结构─核小体，直径10nm；

●染色质结构、DNA修饰酶和转录因子共同调控基因转录；

●核仁转录rRNA并组装核糖体亚单位。

3.细胞骨架系统：

由一系列特异的结构蛋白装配成纤维网状结构，直径5-24nm。

对细胞形态与内部结构的合理分布起支架作用。

●细胞质骨架：

微丝、微管与中间丝，主要对细胞起支撑作用。

●细胞核骨架：

核纤层与核基质，与基因表达、染色质构建与排布有关。

（二）细胞的大小及其影响因素

●支原体是最小的cell（0.1-0.3m）比最小的病毒大10倍；

●细菌（1-2m）比支原体大10倍；

●多数动、植物（20-30m）比细菌大10倍；

●原生动物数百-数千微米：

大变形虫200－600m，眼虫长60m。

●一根棉花纤维由一个cell构成，长4cm。

●Ncell直径100m，突起可达1m以上

●人卵200m；鸵鸟蛋黄直径5cm

●鼠鲨卵径达22cm（最大的cell）

①细胞体积越大，相对表面积越少，与环境交换物质的能力越小。

②核、质有一定比例,核内所含遗传信息所控制的细胞体积须有一定限度。

③细胞体积与细胞内物质交流的速度成反比。

●对于高等动植物，无论物种差异多大，对同类组织来说，细胞的体积是恒定的，器官的大小与细胞的数量成正比。

●简单地说细胞的大小由所含蛋白质与核糖体RNA的量来决定。

●多细胞生物都应用一套相同的信号网络来调控细胞大小（PI3K-mTOR-S6K和4E-BP）

●细胞大小的决定也受其他因素的影响，例如植物细胞在旺盛分裂期的大小取决于蛋白质等的积累，完成分裂后体积伸展增加数倍甚至成千上万倍，这个过程取决于中央液泡的膨胀。

●DNA含量影响细胞的大小，如多倍体。

理论上最小的细胞:

●必须具备细胞膜、DNA与RNA、核糖体以及至少需要100种酶。

●酶促反应所必须占有的空间直径约为50nm；核糖体（直径10-20nm），细胞膜与核酸等所需空间。

●推算出一个细胞体积的最小极限直径不可能小于100nm。

（三）原核细胞与真核细胞的比较

1.细胞膜系统的分化与演变：

膜的分隔作用使细胞结构更精细，功能更专一。

细胞骨架起支撑作用。

2.遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化：

基因组由环状单倍型变为线状多倍型；基因数量由几千个发展到2-3万个；表达调控多层次，更精细。

（四）植物细胞与动物细胞的比较

植物细胞：

●细胞壁cellwall，纤维素与果胶质；胞间连丝。

●液泡Vacuole，调节细胞内环境。

●叶绿体Chloroplast，光合作用。

动物细胞：

●溶酶体和中心体

四、非细胞形态的生命体─病毒Virus

（一）病毒的基