(細胞生物學(xué))第一章 緒論

第一章緒論教學(xué)目的與要求：使學(xué)生了解細胞生物學(xué)的研究對象，任務(wù)及總趨勢與主要領(lǐng)域。了解細胞生物學(xué)發(fā)展簡史。教學(xué)重點與難點：細胞生物學(xué)的研究對象、任務(wù)和發(fā)展趨勢。教學(xué)時數(shù)：2學(xué)時。組織教學(xué)：考勤，強調(diào)課堂紀律及學(xué)習(xí)本課程中的有關(guān)注意事項。新課內(nèi)容：§1.1細胞生物學(xué)研究的對象、任務(wù)與現(xiàn)狀一、細胞生物學(xué)研究的性質(zhì)與任務(wù)細胞：是生物形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。細胞生物學(xué)：是研究細胞生命活動基本規(guī)律的學(xué)科。細胞生物學(xué)研究的任務(wù)：是1961年在第一次國際細胞生物學(xué)大會上確定的，它的任務(wù)是：以動態(tài)觀點，采用現(xiàn)代科技手段，從三個層次或水平上（細胞水平、亞細胞水平、分子水平）研究細胞的生命活動規(guī)律或細胞的整合功能。細胞生物學(xué)研究的主要內(nèi)容：是在不同層次上研究細胞結(jié)構(gòu)與功能、細胞的增殖分化、衰老與凋亡、細胞信號傳遞、真核細胞基因的表達與調(diào)控、細胞的起源與進化。

細胞生物學(xué)是目前生物科學(xué)中發(fā)展最快的學(xué)科之一。細胞分子生物學(xué)是目前細胞生物學(xué)的重點。細胞工程是21世紀生物工程發(fā)展的重要組成部分?？梢灶A(yù)見細胞的結(jié)構(gòu)與基本生命活動的研究將越來越深入，并將成為21生命科學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一。

由于分子生物學(xué)概念、方法與技術(shù)的引入，使細胞生物學(xué)取得了突破性的進展，產(chǎn)生許多新的研究點。如細胞核、染色體及基因表達的研究，生物膜與細胞器的研究，細胞骨架體系的研究，細胞增殖、分化及其調(diào)控，細胞的衰老與凋亡、細胞起源與進化等等，這些研究正成為新的概念與新的領(lǐng)域。很多學(xué)者認為，在21世紀，細胞生物學(xué)將繼續(xù)迅猛發(fā)展，并成為生命科學(xué)研究的主流。二、細胞生物學(xué)研究的總趨勢與重點領(lǐng)域從發(fā)展趨勢看，細胞生物學(xué)與分子生物學(xué)聯(lián)系將更加密切，它們相互滲透、相互交融已成為一種新的趨勢。（一）當前細胞生物學(xué)研究中有三大基本問題1、細胞內(nèi)的基因組是如何在時間上與空間上有序表達的？2001年，世界人類基因組計劃已經(jīng)完成，估計人類約有3-4萬個基因。研究表明，如果將一些基因放在試管內(nèi)，只要條件滿足，便可以表達。但在細胞內(nèi)環(huán)境中，它能否表達及其表達程序都將受到嚴格的調(diào)節(jié)與控制。2、基因表達產(chǎn)物——這些產(chǎn)物主要指蛋白質(zhì)與核酸、脂質(zhì)、多糖及其復(fù)合物，它們是如何級裝配成能行使生命活動的基本結(jié)構(gòu)體系的？3、基因調(diào)控產(chǎn)物——這些產(chǎn)物是一些活性因子與信號分子，這些因子是如何調(diào)節(jié)細胞最重要的生命過程的？諸如細胞的增殖、分化、衰老與凋亡等過程。（二）當前細胞基本生命活動研究的若干重大課題。1、染色體DNA與蛋白質(zhì)相互作用關(guān)系。目前認為染色體是由一條巨大的DNA分子與其結(jié)合蛋白形成的一種動復(fù)合結(jié)構(gòu)，可分為細胞間期染色體與分裂期染色體。兩者在細胞周期中的交替與相互轉(zhuǎn)換，主要主要是由DNA與蛋白動態(tài)結(jié)合關(guān)系所決定的。與染色體DNA結(jié)合的蛋白可分為組蛋白與非組蛋白。目前大量與種類繁多的非組蛋白與DNA的相互關(guān)系是研究的主要問題，特別是它們對DNA的復(fù)制表達以及與染色體高層次構(gòu)建等，及動態(tài)結(jié)構(gòu)變化的作用是核心問題。2、細胞增殖、分化、凋亡的相互關(guān)系及調(diào)控細胞的增殖、分化、凋亡與衰老是細胞最重要的生命活動現(xiàn)象，它們既相互聯(lián)系又相互制約。一切動植物生長發(fā)育都是依靠細胞增殖、分化與凋亡來實現(xiàn)的。3、細胞信號傳導(dǎo)的研究

當前的細胞信號傳遞的基本內(nèi)容主要有三方面：（1）是細胞間信號傳遞：重點是信號分子的結(jié)構(gòu)與功能，信號分子與受體相互作用機制。（2）是受體與信號跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)：G蛋白的發(fā)現(xiàn)與較深入的研究使受體轉(zhuǎn)換器的概念與結(jié)構(gòu)功能更具體化。（3）是細胞內(nèi)信號傳遞途徑：蛋白質(zhì)的磷酸化與去磷酸化可能是信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵。4、細胞結(jié)構(gòu)體系的裝配

生物大分子是如何逐級裝配并最終形成生物賴以進行生命活動的細胞結(jié)構(gòu)體的？這是當前生命科學(xué)面臨的最基本的問題之一。

此外，當前細胞生命活動研究還包括很多方面，諸如蛋白質(zhì)合成、分選與跨膜定向運輸。真核細胞起源與進化等等，近年均有迅速的進展。根據(jù)美國科學(xué)情報研究所（ISI）1997年SCI（ScienceCitationIndex）收錄及引用論文檢索說明，目前全世界自然科學(xué)研究中論文發(fā)表最集中的三個領(lǐng)域分別是：細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細胞凋亡和基因組與后基因組學(xué)研究。而當前全球研究最熱門的是三種疾病是：癌癥、心血管病、艾滋病和肝炎等傳染病，5大研究方向是（1）細胞周期調(diào)控；（2）細胞凋亡；（3）細胞衰老；（4）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)；（5）DNA的損傷與修復(fù)。§1.2細胞生物學(xué)的發(fā)展簡史一、細胞的發(fā)現(xiàn)細胞的發(fā)現(xiàn)來自于顯微鏡的發(fā)明。1665年英國學(xué)者諾波特.胡克用自制的顯微鏡觀察了軟木的薄片，第一次描述了植物細胞的結(jié)構(gòu)，并首次借用拉丁文cellar這個詞來稱呼他所看到的類似蜂巢的極小的封閉小室。荷蘭的列文.虎克第一次觀察到活細胞，虎克一生制作了400多架顯微鏡，放大倍數(shù)一般在50－200倍之間，1676年他發(fā)現(xiàn)了池塘中的原生動物，1683年又發(fā)現(xiàn)了牙垢中的細菌，并把它們描繪下來，寄給當時歐洲的科學(xué)中心――倫敦皇家學(xué)會，刊登在會報上。1665年，英國人虎克（RobertHooke）曾用原始的顯微鏡對生長在皮革表面及薔薇枯葉上的霉菌進行觀察。1676年，微生物學(xué)的先驅(qū)荷蘭人列文虎克（Antonyvanleeuwenhoek）首次觀察到了細菌。他沒有上過大學(xué)，是一個只會荷蘭語的小商人，但卻在1680年被選為英國皇家學(xué)會的會員。列文虎克利用業(yè)余時間制造過400多架單式顯微鏡和放大鏡，放大率一般為50~200倍，二、細胞學(xué)說的建立

1838年，德國植物學(xué)家施萊登（M·J·Schleiden）發(fā)表了《植物發(fā)生論》指出細胞是構(gòu)成植物的基本單位。一年之后，德國動物學(xué)家施旺（M·J·Schwarn）也發(fā)表論文指出，動植物都是細胞的集合物。施萊登、施旺共同指出：一切植物、動物都是由細胞組成的，細胞是一切動植物的基本單位，這就是著名的“細胞學(xué)說”?！凹毎麑W(xué)說”提出不久，就迅速被推廣到許多領(lǐng)域的研究，對當時生物學(xué)的發(fā)展起了巨大的促進和指導(dǎo)作用。如施羅德（Sichold）等通過對原生物的研究證明，不僅動植物，而且原生動物也是由細胞組成的，它是只含一個細胞的動物，它能獨立地進行全部生命活動。艾伯特可里克（Albertkolliker）通過胚胎研究，證明了生物個體發(fā)育的過程就是細胞不斷繁殖和分化的連續(xù)過程。1958年德國病理學(xué)家魏爾肖（Virchow），有一段最著名的話，正如“動物只能來自動物，植物只能來自植物一樣”，“細胞只能來自細胞”。魏爾肖有關(guān)細胞來自細胞的觀點，進一步指明了細胞作為一個相對獨立的生命活動基本單位的性質(zhì)，通常被認為是對細胞學(xué)說的一個重要補充。三、細胞學(xué)的經(jīng)典時期1、原生質(zhì)理論的提出自從迪雅爾丹在原生動物細胞內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了十分均勻、有彈性、能收縮的膠狀物質(zhì)后，就稱它為“肉樣質(zhì)”。其后1840年普金耶（Pukinje）在動物，1846年馮·莫爾在植物細胞中也看到了“肉樣質(zhì)”的東西，并命名為“原生質(zhì)”。1861年舒爾策（MaxSchultze）認為動物細胞內(nèi)的“肉樣質(zhì)”和植物細胞內(nèi)的“原生質(zhì)”具有同樣的意義。由此提出了原生質(zhì)理論：有機體的組織單位是一小團原生質(zhì)，這種物質(zhì)在一般有機體中是相似的。至此，細胞的含義就和最初發(fā)現(xiàn)時大不相同了。于是漢森（Hanstein,1880）就提出“原生質(zhì)體（protoplast），但由于cell一詞沿用已久，因此人們?nèi)圆捎门f名。2、細胞分裂的研究

1841年雷馬克（Remak）在觀察雞胚血細胞時發(fā)現(xiàn)了細胞的直接分裂，其后費萊明（Flemming）在動物細胞，施特拉斯伯格（strasburger）在植物細胞中發(fā)現(xiàn)了有絲分裂，并證實有絲分裂的實質(zhì)是核內(nèi)絲狀物（染色體）的形成及其向兩個子細胞的平均分配。1883年范·貝內(nèi)登（VanBeneden）在動物細胞，1886年施特拉斯伯格在植物細胞中又發(fā)現(xiàn)了減數(shù)分裂，至此細胞分裂的主要類型都被人類發(fā)現(xiàn)了。3、重要細胞器的發(fā)現(xiàn)1883年范·貝內(nèi)登（VanBeneden）和博費里（Bovri）發(fā)現(xiàn)了中心體，1894年阿爾特曼（Altmann），1897年本達（Benda）發(fā)現(xiàn)了線粒體，1898年高爾基（Golgi）發(fā)現(xiàn)了高爾基體。四、實驗細胞學(xué)與細胞學(xué)分支及其發(fā)展隨著研究的深入，細胞學(xué)在發(fā)展過程中自然而然地與遺傳學(xué)、生理學(xué)、生物化學(xué)聯(lián)系起來，由此出現(xiàn)了三個重要的分支科學(xué)，即：細胞遺傳學(xué)、細胞生理學(xué)和細胞化學(xué)。（一）、細胞遺傳學(xué)1876年赫特維希兄弟（Q和R·Hertuing）在研究海膽卵受精作用時，發(fā)現(xiàn)受精后兩個親本細胞核具有合并的現(xiàn)象。1888年施特斯伯格在植物體也發(fā)現(xiàn)兩個親本細胞核的合并現(xiàn)象，并證明植物生殖細胞的染色體，也象動物一樣比體細胞少一半。

遺傳的基本規(guī)律是1865年由孟德爾（GregeorMendel）發(fā)現(xiàn)的。但當時對生殖的細胞變化沒有足夠的了解，不足以用來解釋遺傳性狀的自由分配定律。由于這些原因，Mendel的工作當時未引起人們的重視。直到1901年孟德爾遺傳定律才被重新發(fā)現(xiàn)。這時細胞學(xué)的進展已經(jīng)能夠?qū)γ系聽栒J定的遺傳單位分配機制有所理解和說明。已知體細胞的遺傳組是雙倍體，而生殖細胞或配子是單倍體。1905年威爾遜（Wilson）證實性別與染色體的關(guān)系，1902~1903年德國的博韋里（Boveri）同美國的薩頓（Sutton）不謀而合地提出了“染色體遺傳理論”。1910年摩爾根（Morgan）以果蠅為材料，研究它的遺傳與變異，證明基因是決定遺傳性狀的基本單位，而且直線排列在染色體上，由此建立了基因?qū)W說，并為細胞遺傳學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。孟德爾遺傳定律的再發(fā)現(xiàn)摩爾根的基因論20世紀中生命科學(xué)取得的革命性進展：

美國的生物學(xué)家沃森和英國的物理學(xué)家克里克建立的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型。美國的生物學(xué)家沃森（右）和英國的物理學(xué)家克里克（左）

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型的建立是20世紀生命科學(xué)發(fā)展的里程碑，標志著現(xiàn)代分子遺傳學(xué)的誕生