细胞生物学讲义

CELLBIOLOGY第一章绪论大纲要求理解：细胞生物学的概念了解：研究对象和任务,细胞学说建立和经典时期,细胞生物学与医学的联系和研究热点。知道：细胞生物学的分支学科，实验细胞学的发展，分子生物学的兴起,细胞生物学研究热点。讨论德国媒体2001年沸沸扬扬地传播着一条惊人消息：加拿大一个名叫UFO（飞碟）的邪教组织，正在酝酿一个秘密计划———克隆纳粹头子阿道夫·希特勒。克隆人能成功吗？他俩的好恶将是相同的？克隆人，真的如潘多拉盒子里的魔鬼一样可怕吗？技术浪潮天文学（天问）推动农业、航海业物理化学（物问）推动能源、材料、信息技术生物学（命问）推动基因农业和基因药物脑科学（脑问）推动下一轮智能技术浪潮生物经济①预防、控制疾病:糖尿病、心血管疾病、肿瘤等②转基因技术与可持续农业发展：抗旱、抗病抗虫品种③生物质能源：生物乙醇等，可再生④治理、保护生态环境：微生物技术、环境生物技术、生物材料主要内容第一节细胞生物学一、细胞、细胞学及细胞生物学cytology在光学显微镜水平上研究细胞的化学组成、形态、结构及功能的学科。Cellbiology是在不同层次（显微、亚显微与分子水平）研究细胞基本生命活动规律的科学。ThreedifferentlevelsAtmicroscopiclevelAtsubmicroscopiclevelAtmolecularlevel二、细胞生物学研究的主要任务细胞核、染色体以及基因表达生物膜、细胞器、细胞骨架细胞增殖及其调控细胞分化及其调控细胞的衰老与凋亡细胞的起源与进化细胞工程三、细胞生物学的分支学科基因组学（genomics）蛋白质组学（proteomics）细胞组学（cytomics）定义：以基因组数据库为基础，结合基因组学和蛋白质组学的技术，在单细胞水平上获取细胞分子表型的信息，进而研究细胞系统的结构以及内部分子功能的学科。两大系列技术：细胞组分离技术；分离后再分析技术。细胞遗传学（cytogenetics）从细胞的角度，特别是从染色体的结构与功能和其他细胞器的关系来研究遗传与变异的规律。细胞生理学（cytophysiology）研究细胞如何从环境中摄取营养，经代谢而获得能量，进行生长、分裂和其他功能活动，以及对环境因子产生反应的学科。细胞化学（cytochemistry）以化学方法来研究细胞各化学组成及其分布，并寻找它们的特性的科学。定位、定性研究定量研究细胞社会学（cytosociology）从系统论的观点出发，研究整体和细胞群中细胞间的社会行为，包括：细胞识别：如精卵识别细胞通讯：整体和细胞群对细胞行为的调节等细胞形态学（cytomorphology）研究细胞形态及亚微结构的科学。细胞器的起源、形成机制及发展过程等分子细胞学（molecularcytology）从细胞遗传信息流的角度研究细胞内遗传物质的结构和表达的调控。第三节细胞生物学与医学一、细胞生物学与医学关系二、细胞生物学的重要研究领域一、细胞生物学与医学关系细胞生物学是基础医学的基础。细胞生物学是临床医学的基础。如：膜受体异常：家族性高胆固醇血症干细胞移植治疗帕金森病医学新课题需从细胞生物学角度进行研究抗衰老肿瘤（tumororcancer）基础医学支柱课程老五大支柱：解剖、生理、生化、病理、药理新五大支柱：细胞生物学、分子生物学、医学遗传学、神经生物学、免疫学、第二节细胞生物学的发展史一、细胞的发现与细胞学说建立二、光镜下的细胞学研究（19世纪末）三、实验细胞学阶段（20世纪初～中叶）多学科渗透与细胞生物学四、亚显微与分子水平的相比生物学（一）细胞亚微结构（二）分子生物学Cell1665年，Hooke发现Celltheory一切生物都是由细胞组成；细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位。细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位Cytology研究细胞形态、结构、功能及生活史•Mitosis•Miosis实验细胞学阶段细胞学与遗传学、生理学生物化学融合实验技术：染色技术、组织培养技术、离心技术Submicroscopicstructure电镜下发现内质网、溶酶体、核糖体、线粒体高压电镜下发现细胞骨架扫描探针显微镜研究超微结构（一）SubmicroscopicstructureMolecularbiology1953，DNAdoublehelixstructure1958，thecentrallawMolecularcellbiology细胞行为的分子机制20世纪后期的一些重要发现细胞膜：液态镶嵌模型蛋白质分选：信号肽能量转换：化学渗透假说细胞内运动：驱动蛋白基因表达与调控：内含子细胞社会性：细胞信号转导20世纪后期的一些重要发现细胞周期：MPF、cyclin细胞分化：克隆技术细胞衰老与死亡：PCD干细胞人类基因组计划：HGP二、细胞生物学研究动态与医学（一）细胞通讯和细胞信号转导（二）细胞的生长和分化（三）细胞增殖及其调控（四）细胞的衰老与凋亡（五）基因组学、蛋白质组学（六）细胞工程（七）未来展望（一）细胞通讯和细胞信号转导细胞间相互反映和作用的机制。是疾病机制、药物研发的研究基础。受体信号分子信号转导通路（二）细胞分化与干细胞研究细胞分化与潜能胚胎干细胞用于医学干细胞及其应用干细胞移植（stemcelltransplant）造血干细胞移植胚胎干细胞移植神经干细胞移植（三）细胞增殖及其调控Cellcycle的研究是机体生长发育、细胞癌变的研究基础。调控机制：三类调控因子checkpoint（四）细胞的衰老与凋亡失巢凋亡失巢凋亡”是由于细胞与细胞外基质或相邻细胞脱离接触而诱发的。（五）基因组学、蛋白质组学基因组学研究热点：表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因表达了可遗传的变化的一门遗传学分支学科。表观遗传的现象如DNA甲基化、基因组印记、母体效应、基因沉默、核仁显性，休眠转座子激活和RNA编辑等。蛋白质组研究：亚细胞蛋白质组学比较蛋白质组学（六）细胞工程（cellproject）在细胞水平上的遗传操作，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法改造细胞的某些生物学特性，从而创造新物种，以获得有价值的生物产品。具高效率的特点。包括：上游工程：基础操作下游工程：应用（七）未来展望18世纪60年代，英国进入工业经济，20世纪50美国进入信息时代。生物经济时代特点：生产干扰素（440亿$/kg）；改造物种，开始二次“创世纪”。人类遗传病的基因治疗成为常规技术。人工组织、器官用于医学治疗的目的。生物芯片应用于医疗、农业、司法等。网络系统管理生物经济的遗传信息。第四节《细胞生物学》的学习方法细胞的结构与功能的统一掌握理论的同时注重实验课理论：80分平时成绩20分了解相关研究进展参考书杂志References细胞生物学。翟中和，高教出版社，2000细胞生物学。汪堃仁，北师大出版社，1998Alberts.MolecuarBiologyoftheCell,3rded.1994Lodish.MolecularCellBiology.4thed.2000.GeraldKarp.CellandMolecularBiology：conceptsandexperiments，3rded.1999Bast.CancerMedicine.5thed.2000.Becker.TheWorldoftheCell.4thed.2000ReferencesJournalsTheend第二章细胞的概念与分子基础第一节细胞的基本概念第二节细胞的起源与进化第三节细胞的分子基础大纲要求基本要求：理解：核酸，比较原核细胞与真核细胞了解：蛋白质知道：细胞的形成与进化重点和难点：蛋白质和核酸等生物大分子的结构和功能第一节细胞的基本概念一、细胞是生命活动的基本单位二、原核细胞三、真核细胞四、非细胞生命形态——病毒原核细胞和真核细胞的比较一、细胞是生命活动的基本单位1、构成有机体的基本单位2、具有独立完整的代谢系统3、是有机体生长发育的基础4、是遗传的基本单位5、没有细胞就没有完整的生命生物的分界（kingdom）生物的分界（kingdom）二界系统：三界系统：植物、动物、原生生物五界系统：原核生物总界真核生物总界：植物、动物、真菌、原生生物六界系统：无细胞生物总界、原核生物总界、真核生物总界生物的分界（kingdom）二、原核细胞（prokaryoticcell）1、支原体是最小最简单的细胞2、细菌（bacteria）3、古细菌：1、支原体是最小最简单的细胞直径约0.1~0.3um是脑炎、肺炎和尿道炎的病原体2、细菌（bacteria）细胞壁（cellwall,含肽聚糖）荚膜（capsula）中间体拟核有环状DNA质粒（plasmid）核糖体：50S+30S三、真核细胞（eukaryoticcell）（一）形态大小（二）基本结构（一）细胞形态大小一般直径10～20um（二）基本结构生物膜结构：细胞核：细胞骨架：细胞质溶胶:生物膜结构细胞骨架系统细胞核原核细胞和真核细胞比较结构差异：真核细胞具内膜系统、细胞骨架、80S核糖体原核细胞无内膜系统、细胞骨架、70S核糖体遗传系统差异：DNA含量：DNA分子结构：染色质或染色体：基因结构：基因表达：细胞增殖差异：四、病毒（virus）DNA病毒RNA病毒类病毒（viroid）拟病毒朊病毒（prion）天花病毒狂犬病病毒烟草花叶病毒受病毒侵染的郁金香第三节细胞的分子基础一、生物小分子二、生物大分子一、生物小分子（一）无机化合物水无机盐（二）有机小分子：单糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸二、生物大分子（一）核酸（二）蛋白质（三）多糖（四）脂类（一）核酸（nucleicacid）化学组成（一）DNA（deoxyribonucleicacid）（二）RNA（ribonucleicacid）（三）核酶和脱氧核酶（一）核酸的化学组成核苷酸碱基（A、T/U、G、C）戊糖磷酸3′5′磷酸二脂键核苷酸核苷酸3′5′磷酸二脂键2、DNADNA的结构：一级结构、二级结构DNA双螺旋结构A、B、Z型DNA的功能：储存、复制和传递遗传信息DNA双螺旋结构A、B、Z型遗传信息的储存通过碱基对数和排列顺序的不同储存遗传信息。问题：10个碱基的DNA分子有多少种？（三）RNAmRNArRNAtRNAsnRNAmiRNA核酶mRNA密码子tRNA反密码子rRNAsnRNA形成剪接体加工基因转录产物miRNARNA干扰：miRNA、siRNA以序列同源互补的mRNA为靶点，通过促使特定基因的mRNA降解来高效、特异地阻断体内特定基因表达的现象。核酶和脱氧核酶核酶（ribozyme）：具有酶活性的RNA脱氧核酶（deoxyribozyme）：具有催化功能的DNA分子核酶（ribozyme）（二）蛋白质1、化学组成2、分子结构3、折叠机制4、结构与功能的关系5、酶1、化学组成2、分子结构一级结构：氨基酸顺序二级结构：主链内相互作用而折叠三级结构：侧链间相互作用进一步折叠四级结构：多个亚单位组装复杂空间结构一级结构二级结构三级结构四级结构3、折叠机制分子伴侣（molecularchaperone）参与折叠4、结构与功能的关系一级结构是基础空间结构决定功能结构域（三级结构）5、酶（enzyme）（三）糖类糖蛋白糖脂携带细胞信息等功能细胞的形成和进化从分子到细胞多核苷酸的形成多肽的形成原始细胞的形成从原核细胞到真核细胞从单细胞到多细胞第三章细胞生物学技术大纲要求主要内容大纲要求基本要求：理解：显微镜技术，细胞培养细胞分级技术了解：分子生物学技术知道：细胞内分子示踪重点和难点：重点：显微镜技术和细胞培养技术难点：分子细胞生物学技术。主要内容第一节显微镜技术第二节细胞分离和培养技术第三节细胞组分的分离纯化和分析第四节细胞化学技术（分子示踪）第五节细胞功能基因组学研究技术第一节显微镜技术一、光学显微镜技术二、电子显微镜技术三、X射线衍射技术四、核磁共振技术五、活细胞内分子检测技术六、扫描探针显微术一、光学显微镜技术（一）普通光学显微镜（二）荧光