武汉大学细胞生物学课件

第一章绪论第一节细胞生物学的研究内容和概况一、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科1、什么是细胞生物学（cellbiology）？细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学，是现代生命科学的重要基础学科之一；它从显微、亚显微和分子三个层次以动态的观点来研究细胞和细胞器结构与功能，探讨细胞的各种生命活动规律。2、细胞是所有生物体（不包括病毒）结构和生命活动的基本单位特点：自我复制、自我装配和自我调控；通过与外界物质和信息交流，保持自身动态平衡；多层次、非线性、多侧面性。病毒、生物大分子和细胞的关系“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找”“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找”补充2008OsamuShimomura，MartinChalfie，RogerY.Tsien。Chemistry，绿色荧光蛋白2007MarioR.Capecchi,MartinJ.Evans,OliverSmithies。M&P，基因靶向技术二、细胞生物学的主要研究内容(P3)1）细胞核、染色体以及基因表达细胞生物学、分子遗传学、发育生物学共同关注的焦点之一，研究染色体结构动态变化与基因表达及其调控的关系。2）生物膜与细胞器生物膜——细胞质膜和细胞内膜的总称，细胞物质交换、能量转换、信息交流的关键功能部位。细胞器学——探讨细胞器的结构和功能。3）细胞骨架体系4）细胞的增殖与调控5）细胞的分化与调控6）细胞的衰老与凋亡7）细胞的起源与进化8）细胞工程三、细胞生物学研究的总趋势p5生命科学的基本问题基本问题:遗传发育进化主要内容:细胞的生命活动切入点:功能基因组动物学植物学（微生物学）----整体水平细胞生物学---细胞水平分子生物学----分子水平总的趋势：从分子水平-------细胞水平20世纪21世纪结构与功能-------细胞生命活动生物大分子-------复合物单一基因与蛋白------基因组与蛋白质组调控途径------调控网络静态------动态invitro------invivo(模式生物，人）生物学------多学科交叉（理论和技术）理论------应用分析------综合一）细胞生物学总趋势：细胞生物学与分子生物学相互渗透和交融——分子细胞生物学二）细胞学研究重点领域：3大基本问题（p5）；若干重大课题（p6）。本节小结一、什么是细胞生物学二、细胞生物学的研究内容三、细胞生物学研究的总趋势、重点领域功能基因组学基因组学genomics：1986年ThomasRoderick（美）提出。指对所有基因进行基因组作图（包括遗传图谱、物理图谱、转录本图谱）、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一门科学。功能基因组学：又往往被称为后基因组学（postgenomics），它利用结构基因组所提供的信息和产物，发展和应用新的实验手段，通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能，使得生物学研究从对单一基因（蛋白质）的研究转向多个基因（蛋白质）同时进行系统的研究。结构基因组学（structuralgenomics）基因组研究以全基因组测序为目标功能基因组学（functionalgenomics)以基因功能鉴定为目标近十年的回顾与展望p7美国科学情报研究所（ISI）1997年以来SCI（ScienceCitationIndex）收录及引用论文检索，全世界自然科学研究中论文发表最集中的三个领域分别是：细胞信号转导（signaltransduction）；细胞凋亡（cellapoptosis）；基因组与后基因组学研究（genomeandpost-genomicanalysis）-----------genomics和proteomics：Whatispopularinresearchtoday美国国立卫生研究院（NIH）在1988年底发表的一份题为《什麽是当今科研领域的热门课题？》的调查报告中指出：三种主要疾病：癌症（cancer）心血管病（cardiovasculardiseases）爱滋病和肝炎等传染病（infectiousdiseases：AIDS，hepatitis）五个主要研究方向细胞周期调控（cellcyclecontrol）；细胞凋亡（cellapoptosis）；细胞衰老（cellularsenescence）；信号转导（signaltransduction）；DNA的损伤与修复（DNAdamageandrepair）---染色质水平的研究第二节细胞生物学发展简史五个阶段一、细胞的发现p81665年RobertHooke（英）(30×)“cellar”——cell1677年LeeuwenHoek（荷兰）（300×）活细胞观察，第一次观察到人和动物的精子。二、细胞学说的建立p91838－1839Schleiden和Schwann（德）分别提出了细胞学说（celltheory）；基本内容:所有生物都是由一个或者多个细胞构成的；细胞是生命的基本单位。1858年RodulfVirchow（德）对细胞学说进行了重要补充：细胞只能来自细胞。意义：19世纪自然科学三大发现之一；现代生物学三大基石之一。三、细胞学经典时期——19世纪的后25年(P10)原生质理论的提出：protoplasm1861年，MaxSchultze：有机体的单位是一小团原生质，这种物质在一般有机体是相似的。细胞分裂的研究：有丝、减数分裂；重要细胞器的发现。四、实验细胞学、细胞学分支及发展（1900－1953）(P10)experimentalcytology——用实验的手段研究细胞学的问题,即从形态结构的观察深入到生理功能、生物化学及遗传发育机理的研究。细胞遗传学；细胞生理学；细胞化学五、细胞生物学学科形成、发展（20世纪50年代——）(P12)1953年DNA结构的发现——分子生物学诞生；1965年，DP．Derobetis将《普通细胞学》改为《细胞生物学》，标志着细胞生物学的诞生。新研究技术手段的促进：电子显微镜、超薄切片、扫描隧道显微镜、细胞化学、分子生物学……80年代：分子细胞生物学（MolecularCellBiology）细胞生物学发展历史(本节小结)1、细胞的发现、细胞学说的创立（1665～1874）；2、细胞学的经典时期（1875～1900）；3、实验细胞学时期（1900～1953）；4、细胞生物学的诞生和发展（1953～）附：细胞生物学学习方法1、细胞是生命结构和功能的基本单位，细胞生物学在生命科学研究领域具有重要地位——重视《细胞生物学》2、明确细胞的结构和功能的一致性；3、从显微、亚微和分子三个层次来认识细胞的结构与功能；4、和多学科知识相结合，同分子生物学、生物化学、遗传学、生理学等课程紧密联系；5、注意细胞生物学各章节之间内容的相互关联；6、关注学科前沿；关注新技术方法进展；学习一点科技史。第二章细胞的统一性和多样性本章内容一、几个重要名词；二、细胞的基本概念(非细胞形态的生命体—病毒)；三、原核细胞和古核细胞；四、真核细胞；一、几个重要的名词概念细胞膜cellmembrane（或称质膜plasmamembrane）＋细胞质cytoplasm＋细胞核nucleus（或拟核nuleoid）=细胞cell原生质protoplasm被质膜包裹在细胞内的所有的生活物质，包括细胞核和细胞质。细胞质cellplasma是指细胞内除核以外的原生质,即细胞中细胞核以外和细胞膜以内的原生质部分。原生质体protoplast“细胞”的同义词，多专指除去细胞壁的植物细胞和细菌。(工程性概念)内膜系统endomembranesystem细胞内部的膜相结构，包括细胞器膜和核膜。细胞器cellorganelle细胞质中具有一定形态、固定化学组成和特定生理功能的结构物。外质ectoplasm细胞内靠近质膜的细胞质部分。内质endoplasm细胞内靠近核膜的细胞质部分。细胞质基质cytoplasmmatrix/cytomatrix又称为胞质溶胶(cytosol),指细胞质中除去细胞器以外的胶体液态部分。二、细胞的基本概念(P19)1、细胞是生命活动的基本单位。2、细胞的基本共性：p21相似的化学组成、生物膜（脂－蛋白体系）、DNA—RNA遗传装置、核糖体、一分为二的分裂方式。上述4个特征也是判断是否细胞的特征。病毒不是细胞，因为：①病毒没有质膜；②病毒仅有一种核酸；③病毒没有核糖体蛋白合成体系；④病毒不分裂，靠宿主细胞复制增殖。病毒与细胞的起源关系P44生物大分子——细胞——病毒由于：病毒的寄生性；某些病毒的核酸同细胞DNA的序列相似性；病毒同核蛋白分子的相似性；第二类反转录转座子两端LTR与反转录病毒的相似性。三、原核细胞和古核细胞1、最小最简单的细胞——支原体最小的细胞：拟胸膜肺炎支原体PPLO（Φ0.1μm）；鸡蛋结构2、细菌和蓝藻细菌：拟核（nucleoid）、细胞质膜的多功能性、中膜体、细胞壁、核糖体、质粒。蓝藻：中心质、光合片层。3、古核生物（古核细胞、古细菌）(P29)如产甲烷球菌、盐细菌、热原质体、硫氧化菌等；现认为归并为原核生物和真核生物外的第三界，有可能是真核细胞的祖先；与真核细胞相似处：①细胞壁成分；②DNA中的重复序列、基因中的内含子；③组蛋白和DNA组成核小体类似结构；④核糖体对抗生素的反应；⑤5srRNA序列及二级结构四、真核细胞p311、真核细胞的基本结构体系1）蛋白质和脂质构建的膜相结构体系（细胞膜、核膜、各种细胞器膜）；2）蛋白质和核酸构建的遗传信息结构体系（染色体、核仁、核糖体）；3）蛋白质和蛋白质构建的细胞骨架结构体系（微管、微丝、中间纤维）。2、细胞的大小细胞表面积与体积的关系，为何细胞体积微小？①相对较大的表面积，有利于物质的交换和保持新陈代谢；②保证遗传指令的对细胞的控制；③保证细胞中物质的传递。同类型细胞的体积一般是相近的,不依生物个体的大小而增大或缩小。如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同；“细胞体积的守恒定律”——器官的大小主要决定于细胞的数量,与细胞的数量成正比,而与细胞的大小无关。4、原核细胞和真核细胞的比较原核细胞prokaryoticcell（原核生物prokaryote）如细菌、蓝藻、衣原体、立克次氏体、螺旋体等；真核细胞eukaryoticcell（真核生物eukaryote）如真菌、藻类、原生生物、高等植物、高等动物等。原核细胞和真核细胞基本特征的比较p35①生物膜系统的分化和演变，使细胞内部结构和功能更复杂和高级，形成核和质两大区域，并形成多种细胞器，保证各种物质代谢过程互不干扰，有序进行，各区域分工明确精细、专一；②遗传物质和遗传结构装置的扩增和复杂化，使遗传信息更加稳定，基因转录和翻译有严格的阶段性和区域性，基因表达调控有多层次性；核膜、染色体、内含子、重复序列、间隔序列、假基因……转录前、转录、转录后、翻译、翻译后水平的调控。总之，真核细胞是更高级的细胞类型表2－2补充原核细胞和真核细胞的比较P365、植物细胞和动物细胞的比较(P44)植物细胞特有的细胞结构：细胞壁、液泡、叶绿体膜相结构双膜：核膜、线粒体、叶绿体单膜：内质网、高尔基体、溶酶体、液泡、圆球体、微体等非膜相结构颗粒结构：核糖体、中心体、基体线状结构：染色质纤维、核仁纤丝、微管、微丝、中间纤维、微梁网架。关于纳米细菌（nanobacteria）过去认为纳米细菌可能参与人类肾结石形成、心血管疾病以及癌症，它们不仅是活的，而且和疾病相关联；台湾长庚大学杨定一实验发现：体外CaCO3沉淀在大小、膜泡形状、类细胞分裂行为、群体集合等方面同纳米细菌非常相似；培养的人类血清中纳米细菌状的颗粒正如CaCO3一样，其外观如大小、形状都会受到CO2和NaHCO3水平的影响；Westernblotting显示，对纳米细菌特异的单克隆抗体，实际上是同血清白蛋白相反应；人血中获得的纳米细菌样颗粒，可以耐受高达30kGy的同位素照射；各种广泛的PCR扩增未发现DNA。因此，纳米细菌可能是一种非生命体。现存动物中最大的卵，是海洋中的鲸鲨的卵。据记载19