细胞生物学讲义(瞿中和高教版)

细胞生物学讲义(瞿中和高教版)ChapterⅠIntroduction一、教学目的和要求：通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细胞生物学的研究内容和现状；细胞生物学研究的总趋势和重点领域；细胞学与细胞生物学发展简史；细胞生物学的学习方法。让学生适应从宏观和微观两种思维视角看待生物科学；认识到应以联系地眼光看待生物科学的各学科。激发学生对本学科的喜爱、对科学的探索及奋发向上的精神。二、教材分析：1.概述：绪论部分的教学在整个学期的教学中有着关键的地位，它决定着学生能否科学的态度认识本学科、能否以科学的方法学习本学科。选用教材在绪论部分内容较为丰满但稍显枯燥；偏重于对本学科认识方面的介绍，略于对科学精神的激发。2.教学重点：细胞生物学的研究内容和现状；细胞生物学研究的总趋势和重点领域；细胞学与细胞生物学发展简史。3.教学难点：细胞生物学研究的总趋势和重点领域。三、教学设想：1.教材处理：综合其它国内外教材补充相应内容；教学过程中加强科学史的介绍；引入本学科最新的发展动态：2.教学方法：主要采用讲授法，辅以讨论、提问。3.教具：CAI课件四、教学内容：（2学时）1Content&ActualityofCellBiology1.1CellBiology&BiologicalScience细胞生物学（CellBiology）：运用近代物理学和化学的技术成就以及分子生物学的概念与方法，从显微水平、亚显微水平和分子水平三个层次上，研究细胞的结构、功能及各种生命活动规律。生命的层次:1925,生物学大师E.B.Wilson说：“许久以来，大家就明确，一切生物学问题的答案最终都要到细胞中去寻找。因为所有生物体都是，或曾经是，一个细胞。”细胞不同于非生命界的任何结构单位，细胞最独特的属性就是它是一个能独立生存，进行自我调节的开放体系，它在同外界进行物质、能量、信息交换的条件下，处于动态平衡之中。因此，所谓生命实质上即是细胞属性的体现。摘之《分子细胞生物学》第二版，韩贻仁主编，1。（Ａ）细胞是生活有机体的一个结构和功能的基本单位，正像原子是化学结构的基本单位一样。细胞以下层次的结构，只能表现出生命现象，而不能单独构成生命单位。摘自《细胞生物学》第二版，汪堃仁，薛绍白，柳惠图主编（Ｂ）细胞生物学在现代生物学中的地位：细胞生物学是现代生物学的基础学科，是生物学各学科在细胞水平的统一。它的研究对象是细胞，恰恰由于细胞在生命界中的独特属性，这就不能不使CellBiology在生命科学中占有核心地位。我国基础科学发展规划中，把细胞生物学、分子生物学、神经生物学、生态学并列为生命科学的四大基础学科。讨论：CellBiology&MolecularBiology1.2Mainconten细胞生物学研究和教学内容一般可分为细胞结构功能与细胞重要生命活动两个基本部分，但它们又是不能截然分开的。在现代生物学的教科书中细胞重要生命活动的知识所占比重越来越大。当前，细胞生物学的研究内容主要包括以下诸方面：（－）细胞核、染色体以及基因表达的研究细胞核是遗传物质DNA贮存的场所，也是遗传信息转录为mRNA、rRNA与tRNA的场所。染色质与染色体是遗传物质的载体，核仁是转录rRNA与装配核糖体亚单位的具体场所。细胞核、染色体与核仁的结构与功能的研究是揭示基因表达及其调节的基础。（二）生物膜与细胞器的研究几十年来，生物膜研究的主要内容是膜的结构模型与物质的跨膜运输机理。磷脂双分子层与膜蛋白的相互关系是研究生物膜结构与功能的重要内容。近年来，在膜的识别与受体效应、蛋白质分子跨膜运动等方面取得了巨大进展。（三）细胞骨架体系的研究细胞骨架体系的研究在细胞生物学中是一个比较新的、发展中的研究领域。广义的细胞骨架概念应该包括细胞质骨架与核骨架两大部分。近来发现细胞骨架与一系列重要生命活动，诸如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。（四）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的。研究细胞增殖的基本规律及其调控机理不仅是控制生物生长与发育的基础，而且是研究癌变发生及逆转的重要途径。目前国际上研究细胞增殖的调控主要从两方面进行：一是从环境中与有机体中寻找控制细胞增殖的因子，以及阐明它们的作用机制。二是寻找控制细胞增殖的关键性基因，并通过调节基因产物来控制细胞的增殖。（五）细胞分化及其调控细胞分化是生物发育的基础。近年，细胞分化的研究已愈来愈显示其重要性，也是细胞生物学、发育生物学与遗传学的重要会合点。近代生物科学的发展，尤其是分子生物学技术的建立已为细胞分化机理的研究准备了良好的基础，也是近年发育生物学蓬勃发展的重要原因．（六）细胞的衰老与凋亡细胞衰老的研究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。（七）细胞的起源与进化细胞起源与进化的研究是重要的理论问题，也是难度很大的研究课题，我们应该十分尊重先驱科学家在这一领域所取得的成果。（八）细胞工程细胞工程是细胞生物学与遗传学的交叉领域，这种改造细胞的技术是生物工程技术的重要组成部分。它不仅对工农业生产和医药实践有重要意义，而且对细胞生命活动规律的认识也是一种重要途径与手段。细胞工程能使不同种细胞的基因或基因组用人工方法重组到杂交细胞中，或者使基因与基因组由一种细胞转移到另一种细胞中，并使越过种的障碍的转移成为可能，由此人们开始探索人工创造新的遗传型细胞的尝试。还应该说明，当前细胞生物学研究的范畴远不止以上的内容，如细胞外基质、细胞通讯、细胞社会学与细胞免疫学等研究近年也有较快的发展。1.3Researchdirection&maindomain（一）当前细胞生物学研究中的三大基本问题1.细胞内的基因组是如何在时间与空间上有序表达的？2.基因表达的产物（主要是结构蛋白）是如何逐级装配成能行使生命活动的基本结果体系及各种细胞器的？3.基因表达的产物（主要是活性蛋白）如何调节细胞最重要的生命活动过程的？（二）当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题1.染色体DNA与蛋白质相互作用关系——主要是非组蛋白对基因组的作用。2.细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控。3.细胞信号转导的研究。4.细胞结构体系的装配。2HistoryofCytology&CellBiology从研究内容来看细胞生物学的发展可分为三个层次，即：显微水平、超微水平和分子水平。从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段：第一阶段：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。第二阶段：从19世纪30年代—20世纪中期，细胞学说形成后，主要进行细胞显微形态的研究。第三阶段：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。第四阶段：从20世纪70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。细胞学与细胞生物学发展的历史大致可以划分为以下几个阶段：2.1Discoveryofcell&FoundationofCellTheory2.1.1显微镜的发明与细胞的发现1.1590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，尽管其放大倍数不超过10倍，但具有划时代的意义。2.1665英国人RobertHook用自己设计与制造的显微镜（放大倍数为40-140倍，)观察了软木（栎树皮)的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，并首次用拉丁文cella（小室)这个词来称呼他所看到的类似蜂巢的极小的封闭状小室（实际上只是观察到到纤维质的细胞壁)。胡克有关细胞的首次描述是在他的著作《显微图谱》一书中于1665年发表的。因此人们也就认为细胞的发现是在1665年。3.1672，1682英国人NehemaihGrew出版了两卷植物显微图谱，注意到了植物细胞中细胞壁与细胞质的区别。4.1680荷兰人A.vanLeeuwenhoek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，观察过原生动物、人类精子、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌等等。5.1752英国望远镜商人J.Dollond发明消色差显微镜。6.1812苏格兰人D.Brewster发明油浸物镜，并改进了体视显微镜。7.1886德国人ErnstAbbe发明复消差显微镜，并改进了油浸物镜，至此普通光学显微镜技术基本成熟。8.1932德国人M.Knoll和E.A.F.Ruska描述了一台最初的电子显微镜，1940年美国和德国制造出分辨力为0.2nm的商品电镜。9.1932荷兰籍德国人F.Zernike成功设计了相差显微镜（phasecontrastmicroscope)，并因此获1953年诺贝尔物理奖。10.1981瑞士人G.Binnig和H.RoherI在BM苏黎世实验中心（ZurichResearchCenter）发明了扫描隧道显微镜而与电镜发明者Ruska同获1986年度的诺贝尔物理学奖。2.1.2细胞学说的创立及其意义在十九世纪以前许多学者的工作都着眼于细胞的显微结构方面，从事形态上的描述，而对各种有机体中出现细胞的意义一直没有作出理论的概括，直到19世纪30年代德国人施莱登MatthiasJacobSchleiden、施旺TheodarSchwann提出：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。这一学说即“细胞学说（CellTheory)”，在19世纪已有不少科学家的工作对细胞学说的创立做出了很大的贡献，如：1.Jean-BaptistedeLamark（1744~1829)，获得性遗传理论的创始人，法国退伍陆军中尉，50岁成为巴黎动物学教授，1909年他认为只有具有细胞的机体，才有生命。“Ithasbeenrecognizedforalongtimethatthemembraneswhichformtheenvelopesofthebrain，ofthenerves，ofvessels，ofallkindsofglands，ofviscera，ofmusclesandtheirfibers，andeventheskinofthebodyareingeneraltheproductionsofcellulartissue。Butnoone，sofarasIknow，hasyetperceivedthatcellulartissueisthegeneralmatrixofallorganizationandthatwithoutthistissuenolivingbodywouldbeabletoexist，norcouldithavebeenformed。”2.CharlesBrisseauMilbel（1776~1854)，法国植物学家，1802年认为植物的每一部分都有细胞存在，“theplantiswhollyformedofacontinuouscellularmembranoustissue。Plantsaremadeupofcells，allpartsofwhichareincontinuityandformoneandthesamemembranoustissue。”。3.HenriDutrochet（1776~1847），法国生理学家，1824年进一步描述了细胞的原理，他认为“Allorganictissuesareactuallyglobularcellsofexceedingsmallness，whichappeartobeunitedonlybysimpleadhesiveforces;thusalltissues，allanimal(andplant)organs,areactuallyonlyacellulartissuevariouslymodified。Thisuniformityoffinerstructureprovesthatorgansactually