2014细胞生物学讲授提纲.

1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。2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。3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4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0.2m，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0.2m，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.1995.5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