什么是细胞生物学

第一章：绪论一、教学大纲（目的）要求：l掌握细胞生物学与细胞的现代概念，2了解细胞生物学的主要研究内容3了解细胞生物学究研目的、任务与医学的关系4了解细胞生物学发展简史二、词汇与概念1、基本专业词汇cell、cellbiology、medicalcellbiology、molecularbiologyofthecell、cytology、cytogenetics、cytophysilogy、cytochemistry、cytosocilogy、cytomorphology、molecularcytology、celltheory2、基本概念细胞、细胞生物学、医学细胞生物学细胞分子生物学细胞的现代概念细胞学说三、重点和难点：l细胞生物学（cellbiology）利用现代技术和方法从细胞的整体、超微结构和分子水平研究细胞的结构、功能及其生命活动规律的科学。2医学细胞生物学（medicalcellbiology）以人体细胞为主要研究对象，探讨其生长、发育、增殖、分化、遗传变异、衰老、死亡以及细胞结构与功能异常和人类疾病发生、发展和防治规律的科学。3细胞分子生物学（molecularbiologyofthecell）从分子水平上来研究细胞的结构与功能以及各种生命活动规律的科学。4细胞的现代概念细胞是生命活动的基本单位。（1）细胞是构成生物有机体的基本结构单位：一切有机体均由细胞构成（病毒为非细胞形态的生命体除外）。单细胞生物一个细胞就是一个完整的个体，多细胞生物的机体根据其复杂程度由数百乃至万亿计细胞构成。（2）细胞是代谢与功能的基本单位：在有机体的一切代谢活动与执行功能过程中，细胞呈现为一个独立的、有序的、自我调节的代谢体系，生物体的一切生命活动都是以细胞为单位实现的。（3）细胞是生物有机体生长发育的基本单位：生物有机体的生长和发育是依靠细胞的分裂、体积的增长和细胞的分化来实现的，是发育的基本单位。（4）细胞是遗传的基本单位，具有遗传的全能性：生物在遗传过程中，通过生殖细胞来传递遗传信息，生物体内各种不同类型的细胞，都是由一个受精卵发育而来，每一个细胞都含有全套的遗传基因，具有遗传的全能性。5细胞学说1838-1839年德国动物学家施旺（Schwann）和植物学家施莱登（Schleiden）在自己研究工作的基础上，总结了前人的工作，提出了细胞学说，宣称一切生物，从单细胞到高等动植物都是由细胞组成的；细胞是生物的形态结构和功能活动的基本单位；细胞都是从细胞分裂而来，论证了生物界的统一性和共同起源。6研究内容（1）细胞膜与细胞器生物膜包括细胞膜和细胞内膜，细胞内大部分细胞器都是以生物膜为基础构建的，如：内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体和核膜等，与细胞内许多重要生命活动有关，如细胞分裂与分化、细胞识别、免疫、物质运输、信息传递、代谢调节、能量转换、神经传导以及肿瘤发生等。生物膜和细胞器的结构与功能的研究是细胞生物学研究的重要内容。（2）细胞骨架系统细胞骨架是细胞内由蛋白纤维组成的网状结构，它包括微丝、微管和中等纤维。细胞骨架的结构和功能与细胞的形态、运动、物质运输、生长调控以及跨膜信息传递等功能密切相关。（3）细胞核、染色体以及基因表达细胞核由核被膜、染色质、核仁和核基质组成，是细胞生命活动控制中心。核被膜是细胞核的界膜，它上面存在的核孔复合体是控制核质之间物质双向运输的通道；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场所；核基质是由蛋白质组成的细胞核内骨架结构，为完成DNA的各种功能，包括DNA的复制、转录、加工、接收细胞外部信号以及维持染色体的结构等提供作用位点。细胞核的研究是揭示基因表达及其调控的基础。（4）细胞增殖及其调控细胞的增殖是生命的基本特征之一，真核细胞的分裂方式主要有三种，即无丝分裂、有丝分裂和减数分裂。从分子水平研究细胞的基本规律及其调控机理，对于揭示生物体生长、发育、遗传和变异的机理以及研究细胞癌变发生和防治具有重要的意义。（5）细胞分化、衰老与死亡个体发育从受精卵开始，通过细胞的分化产生不同类形型的细胞，新个体出生后，还要通过各类干细胞的分裂和分化产生新的细胞不断代替死亡细胞。细胞分化是生物体生长发育的基础。研究细胞分化及其调节机理，对于揭示生命的奥秘和控制细胞癌变具有重要意义。细胞的衰老与死亡细胞的衰老是由诸多因素控制的，其原因至今没有搞清，从分子水平探讨细胞衰老的机理，对于延缓个体的衰老具有重要的意义。编程性细胞死亡是一种由基因控制的细胞死亡方式，它关系到个体的生长、发育、畸形、衰老、疾病，和癌症的发生。揭示控制细胞死亡的分子机制具有重大的生物学意义。（6）细胞信号传导细胞作为一个生命活动的基本单位，如何识别周围环境中存在的各种信号，并将其转变成细胞内部各种分子功能上的变化，从而影响细胞的代谢、发育、增殖、衰老、死亡等。搞清细胞信号转导的机制，对生命活动将有着重要意义。（7）细胞工程细胞工程是生物工程的一个组成部分，它是指用细胞生物学和分子生物学方法，有计划地改变细胞的结构或遗传物质，以产生特定的生物产品、性状或新的物种。如利用细胞工程技术生产胰岛素、单克隆抗体、转基因动物、克隆生物等。由于它在基础理论研究和生产实际应用中具有重要意义，已经成为当今生命科学新技术革命的前沿。7细胞生物学的发展简史：（1）细胞的发现和细胞学说的创立（1665-1873）人类第一次发现细胞至今已有300余年的历史。1665年，英国学者R.Hocke用自制的显微镜观察软木的薄片时，发现是由许多蜂窝状的结构组成，把这些小室称为细胞（cell）。1677年，荷兰学者A.V.Leeuwenhoek用显微镜首次观察了许多动植物的活细胞与原生动物，并在观察鲑鱼的红细胞时描述了细胞核的结构。1838-1839年德国动物学家施旺（Schwann）和植物学家施莱登（Schleiden）在自己研究工作的基础上，总结了前人的工作，提出了细胞学说，宣称一切生物，从单细胞到高等动植物都是由细胞组成的；细胞是生物的形态结构和功能活动的基本单位；细胞都是从细胞分裂而来，论证了生物界的统一性和共同起源。对细胞生物学的发展起了巨大的推动作用。（2）经典细胞学发展时期（1875-1900）细胞学说建立以后很快掀起了对细胞研究的高潮，光镜下的主要细胞器（中心体、线粒体、高尔基体）和细胞分裂活动（无丝分裂、有丝分裂和减数分裂）相继被发现，构成了细胞学的经典时期。使人们对细胞结构和功能的复杂性有了进一步的了解。（3）实验细胞学发展时期（1900-1953）这一时期，人们广泛应用实验的手段与分析的方法来研究细胞学中的一些根本问题，为细胞学的研究开辟了一些新的方向与领域：1900年孟德尔（G.J.Mendel）的遗传法则和1910年摩尔根（G.J.Morgan）建立的基因学说，奠定了细胞遗传学的基础。1909年Harrison和Carrel创立的组织培养技术、大量的细胞生理学的研究，如细胞的生长与繁殖、细胞质的流动、变形运动、纤毛、鞭毛运动、肌肉收缩等以及40年代中期，细胞化学技术、细胞器的分离，放射性同位素技术、特别是电子显微镜的应用，为细胞结构和功能的研究开创了一个新的局面。（4）细胞生物学的兴起与分子细胞生物学的发展（1953-）20世纪50年，利用电镜技术对细胞超微结构的深入研究，尤其是1953年沃森（J.D.Watson）和克瑞克（H.C.Crick）对DNA双螺旋分子结构模型的提出，开创了从分子水平、超微结构水平阐明细胞生命活动本质的新纪元。分子生物学的重大进展：如DNA分子的半保留复制、克瑞克（Crick，1958）的遗传信息流向的中心法则（centraldogma）、尼伦堡和马泰（Nirenberg和Matthaei,1961）等确定的氨基酸的密码、雅格布和莫诺（Jacob和Monod,1961）提出的蛋白质合成操纵子学说、1970年Baltimore发现的逆转录酶、以及1977年第一次把高等动物的生长激素释放抑制素基因引入大肠杆菌，得到表达等成果促进了从分子水平对细胞结构及其功能活动的探索，发展形成了分子细胞生物学（molecularcellbiology）。第二章细胞膜的分子生物学一、教学大纲（目的）要求l掌握以下基本概念：质膜、单位膜、细胞表面、简单扩散、易化扩散、被动运输、主动运输、协同运输、受体介导的内吞作用、紧密连接、粘着带、粘着斑、桥粒2掌握质膜的化学组成、膜的结构特点。3熟悉膜的两大特性及及其生物学意义，了解影响膜流动性的因素。4掌握小分子物质穿膜运输和膜泡运输的方式、主要特点。5了解细胞连接的三种基本类型，掌握紧密连接、抛锚连接和通讯连接的主要结构特点及生物学意义。二、基本概念：1．基本专业词汇cellmembrane,plasmamembrane,phasetransition,integralprotein,peripheralprotein,unitmembrane,fluidmosaicmodel,membranetransportprotein,coupledtransport,activetransport,exocytosis,endocytosis,pinocytosis,phagocytosis,coatedvesicle,receptormediatedendocytosis,cellsurface,cellcoat,cellrecognition,celljunction,gapjunction,2．基本概念质膜、单位膜、细胞表面、简单扩散、易化扩散、被动运输、主动运输、协同运输、受体介导的内吞作用、紧密连接，粘着带，粘着斑，桥粒三、重点和难点：一、注意区分质膜、单位膜、生物膜三者之间的关系与异同。生物膜(biomembrane)是细胞膜和细胞内膜的统称。细胞膜(cellmembrane)是包围在细胞质外周的一层界膜，又称质膜（plasmamembrane）。它将细胞质与外环境分隔开，构成一道特殊屏障，使细胞有一个相对独立而稳定的内环境，并通过它使细胞与外环境保持着密切的联系，在细胞与外环境间进行物质、能量的交换及信息传导等过程中起着十分重要的作用。细胞内膜是在真核细胞内，除了质膜以外的其他膜结构。它们构成了许多细胞器的界膜，将各细胞器与胞质溶胶分隔开，以执行各自不同的功能。这些细胞内膜可将不同功能的细胞器相互联系起来，在细胞合成、代谢、分泌等过程中起着重要作用。透射电镜下生物膜呈现为两暗夹一明的三层结构，即内外两个电子致密的暗层中间夹着电子密度低的亮层，其总厚度约为7nm，称为单位膜(unitmembrane)。二、生物膜的化学组成生物膜的化学成分主要有脂类、蛋白质和糖类，此外还含水、无机盐和少量的金属离子。膜中脂类和蛋白质构成了膜的主体，糖类多以复合糖的形式存在，与膜脂或膜蛋白结合分别形成膜糖脂或膜糖蛋白。1．膜脂构成膜的脂类有磷脂、胆固醇和糖脂，其中以磷脂为最多。这三种脂类都是双亲媒性分子，即它们都是由一个亲水的极性头部和一个疏水的非极性尾部组成。由于膜脂的这一结构特点，它们在水溶液中能自动聚拢形成脂双分子层，其游离端往往有自动闭合的趋势，形成一种自我封闭而稳定的中空结构，称脂质体。磷脂真核细胞膜中的磷脂主要有卵磷脂（磷脂酰胆碱）、脑磷脂（磷脂酰乙醇胺）、磷脂酰丝氨酸、鞘磷脂合磷脂酰肌醇。胆固醇是细胞膜内的中性脂类。真核细胞膜中胆固醇含量较高，有的膜内胆固醇与磷脂之比可达1︰1。胆固醇也是双亲媒性分子，包括三部分：极性的羟基团头部、非极性的固醇环和非极性的脂肪酸链尾部。在膜中，胆固醇分子散布在磷脂分子之间，其极性的羟基头部紧靠磷脂的极性头部，将固醇环固定在近磷脂头部的碳氢链上，其余部分分离。这种排列方式对膜的稳定性十分重要。糖脂是含一个或几个糖基的脂类，也是双亲媒性分子，存在于所有的动物细胞膜中，约占膜外层脂类分子的50﹪。动物细胞膜中的糖脂主要是鞘氨醇的衍生物，结构与鞘磷脂相似，只是其头部以糖基替代了磷脂酰碱基。脑苷脂是最简单的糖脂，只含一个糖基（半乳糖或葡萄糖）