細胞生物學(xué)01細胞生物學(xué)概述(楊恬).ppt

1、第一章 細胞生物學(xué)概述,(The summary of Cell Biology),內(nèi)容,第一節(jié) 細胞生物學(xué)的概念和研究內(nèi)容 第二節(jié) 細胞生物學(xué)的形成與發(fā)展 第三節(jié) 細胞生物學(xué)與醫(yī)學(xué)科學(xué),第一節(jié) 細胞生物學(xué)的概念和研究內(nèi)容,一、生命由細胞開始,宇宙由不同結(jié)構(gòu)層次的物體組成，細胞是宇宙有機界中一個非常重要的層次。生命從細胞開始。除了病毒、類病毒以外，所有生命體都是由細胞構(gòu)成的。,生命的起源和細胞的生成,45 億年前 地球形成 億年前 海洋出現(xiàn) 38 億年前 生命出現(xiàn)（原始生命體、原始細胞形成） 35 億年前 原核細胞形成（藍細菌，需氧） 15 億年前 多細胞生物形 成（藻類） 12 億年前 真核

2、細胞形成,所有的細胞有共同的進化起源前體。 宇宙由不同結(jié)構(gòu)層次的物體組成，細胞是有機界的一個非常重要的層次。,二、細胞具有若干共性,地球上所有的細胞具有共同的進化起源前體，不同種類的細胞具有若干共性，主要包括： 以相同的線性化學(xué)密碼（DNA）形式儲存遺傳信息； 通過模板聚合作用復(fù)制遺傳信息； 將遺傳信息轉(zhuǎn)錄為共同的中間體（RNA）； 以相同的方式在核糖體上將RNA翻譯為蛋白質(zhì)； 使用蛋白質(zhì)作催化劑促成機體各種化學(xué)反應(yīng)； 從環(huán)境中獲得自由能并以ATP作為能量流通形式； 利用含有泵、載運系統(tǒng)和通道的質(zhì)膜來分隔胞漿和胞外環(huán)境； 具有自我增殖和遺傳的能力等。,這些共同的基本性質(zhì)形成于長期物種生存 的自

3、然選擇過程。,EB Wilson說：“所有生物學(xué)的答案最終都要到細胞中去尋找。因為所有生物體都是，或曾經(jīng)是，一個細胞”。,三、 細胞是生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生命活動的基本單位,。,另一方面，細胞又是不斷與外界進行物質(zhì)、能量和信息交換的開放體系。一切生命現(xiàn)象，諸如生長、發(fā)育、增殖、分化、遺傳、代謝、應(yīng)激、運動、衰老和死亡等都在細胞的基本屬性中得到體現(xiàn)。,一方面，細胞是由質(zhì)膜（plasma membrane）包圍的，相對獨立的功能單位，能夠自我調(diào)節(jié)和獨立生存。,四、 細胞生物學(xué)關(guān)注細胞的屬性,五、 細胞生物學(xué)的系統(tǒng)論觀念,生命是生命系統(tǒng)整體的屬性，生物體是有高度分工和整合的細胞社會。生命活動是通過系統(tǒng)內(nèi)

4、子系統(tǒng)之間的通訊和相互作用來實現(xiàn)的，各子系統(tǒng)的活動固然有其相對獨立性，但在相當程度上受到整體的調(diào)控，而整體的特性遠大于部分之和。,目前，在細胞間相互作用和相互關(guān)系、細胞社會性及其活動的整體性這一領(lǐng)域中，目前所知甚少。,細胞生物學(xué)發(fā)生了自我改造和變化，從傳統(tǒng)的細胞學(xué)迅速發(fā)展成現(xiàn)代化的細胞生物學(xué)，和相鄰的生物學(xué)科聯(lián)系緊密但學(xué)科分野日漸清晰，更集中專注于固有領(lǐng)域的工作。,六、 細胞生物學(xué)與科學(xué)進步和學(xué)科關(guān)系,近30年來對生命活動的研究已經(jīng)取得了令人矚目和飛速的進展，但尚遠遠不能圓滿地解釋生命現(xiàn)象的許多細節(jié)；而且，希圖應(yīng)用現(xiàn)有知識推進生命過程的體外重現(xiàn)工作也遇到了相當?shù)淖枇Α?從細胞生物學(xué)的“完整細胞

5、的生命活動”的角度進行更深層次進行研究的需求非常突出。,（一） 科學(xué)進步的需求,目前，人類基因組計劃已經(jīng)提前完成，分子水平的整套基因的測序結(jié)果已經(jīng)公布，接下來的大量繁復(fù)和艱難的基因功能分析、調(diào)控機理等研究也將主要在細胞水平上展開。,細胞生物學(xué)在分子和整體之間、在形態(tài)和功能之間架起了橋梁，而且強力地滲透進其他生物學(xué)科并促進這些學(xué)科的發(fā)展，細胞生物學(xué)將在后基因組時代的生命科學(xué)中取得更大的發(fā)展空間并擁有其他學(xué)科不可替代的重要地位。,（二） 細胞生物學(xué)目前的位置,細胞生物學(xué)是生命科學(xué)的重要支柱和核心學(xué)科之一。 二十一世紀的細胞生物學(xué)是生命科學(xué)前沿的一個活躍的、具有良好發(fā)展前景和輻射力的學(xué)科。,七、 細

6、胞生物學(xué)的常用模式生物,常用模式生物,常用模式生物,常用模式生物,人與小鼠基因簇比較,人和小鼠：最接近的基因組成和發(fā)育模式,Kit基因突變導(dǎo)致人與小鼠相同部位的細胞色素丟失,人和小鼠：最接近的基因組成和發(fā)育模式,八、 細胞結(jié)構(gòu)和功能的有序性和失序的后果,不同水平顯示細胞和細胞構(gòu)建物的有序性：蛋白分子；精子尾的微管；花粉單細胞；蝴蝶翅，每個scale是一個細胞的產(chǎn)物；向日葵。,細胞生物學(xué)以細胞為研究對象，以“完整細胞的生命活動”為著眼點，從分子、亞細胞、細胞和細胞社會的不同水平，以動態(tài)的觀點來探索和闡述生命的這一基本單位的特性。,九、 細胞生物學(xué)的獨特視角,細胞生物學(xué)在分子和整體之間、在形態(tài)和功

7、能之間架起了橋梁，而且強力地滲透入其他生命學(xué)科并促進這些學(xué)科的發(fā)展，細胞生物學(xué)將在后基因組時代的生命科學(xué)中取得更大的發(fā)展空間并擁有其他學(xué)科不可替代的極其重要的地位。,一、細胞的發(fā)現(xiàn) 1665年，英國科學(xué)家Robert Hooke使用自制的顯微鏡第一次觀察到了植物細胞壁的結(jié)構(gòu)，并提出了“細胞(cell)”這一術(shù)語。工業(yè)革命和染料工業(yè)。,第二節(jié)細胞生物學(xué)的形成與發(fā)展,二、細胞學(xué)說 （cell theory） 19世紀中葉，德國科學(xué)家Shleiden和Schwannn總結(jié)并提出了“一切植物和動物都是由細胞組成的”的著名的“細胞學(xué)說”。完整的細胞學(xué)說的三個要點是：所有生物都是由細胞構(gòu)成的；所有的生活細

8、胞的結(jié)構(gòu)都是類似的；所有的細胞都是來源于已有的細胞的分裂。,接下來的100余年中，由于技術(shù)手段的限制，對細胞的研究主要局限在細胞和部分細胞器的形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察和細胞化學(xué)成分分析方面，被稱為“細胞學(xué)（cytology）”階段。 在這一時期中，利用實驗細胞學(xué)技術(shù)獲得了一些有意義的成果，如提出了原生質(zhì)理論，研究了細胞受精和分裂，發(fā)現(xiàn)了中心體、高爾基體和線粒體等細胞器。1925年美國細胞學(xué)家EB Wilson繪制的細胞的模式圖總結(jié)了這一階段的研究成果。,三、細胞學(xué)階段,二十世紀30年代，以電子顯微鏡的發(fā)明和細胞的超微結(jié)構(gòu)（ultrastructure）研究為契機，大量的現(xiàn)代理化新技術(shù)被應(yīng)用到細胞的研究中。

9、 使用高分辨率的電鏡先后觀察了各種細胞及其細胞器，收集了細胞的微細結(jié)構(gòu)許多新資料，發(fā)現(xiàn)了細胞質(zhì)中存在重要的細胞骨架（cytoskeleton），又通過超離心和X-衍射等新方法將亞細胞組分和大分子分離出來進行分析，這樣，將結(jié)構(gòu)的形態(tài)和相應(yīng)功能更緊密地聯(lián)系起來并從更微觀的水平開展了對細胞的探索。名詞第1次劇增。,四、細胞生物學(xué)階段,DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型和遺傳信息傳遞的“中心法則（central dogma,1953）”是細胞生物學(xué)向分子細胞生物學(xué)方向發(fā)展的一個標志。 人們逐漸認識到，細胞的各種生命活動與細胞內(nèi)的大分子結(jié)構(gòu)及分子間的相互作用關(guān)系非常密切，細胞的研究必然要從細胞的微細結(jié)構(gòu)深入到生物大分

10、子的結(jié)構(gòu)與功能水平，這樣形成了細胞生物學(xué)的一個重要分支分子細胞生物學(xué)。 分子細胞生物學(xué)集中于細胞的生命活動與亞細胞成分的生物分子的變化的關(guān)系，代表了細胞生物學(xué)新的發(fā)展重點和方向。,五、 分子生物學(xué)階段,隨著科學(xué)的發(fā)展，對細胞的研究重點也不斷發(fā)生著變化，從傳統(tǒng)的細胞學(xué)逐漸發(fā)展成了現(xiàn)代的細胞生物學(xué)。 細胞生物學(xué)主要從細胞的不同結(jié)構(gòu)層次及細胞間相互關(guān)系的角度來觀察研究細胞的生命活動的基本規(guī)律，并相繼衍生出細胞遺傳學(xué)、細胞生理學(xué)、細胞社會學(xué)，以及膜生物學(xué)和染色體生物學(xué)等分支學(xué)科。 隨著細胞生物學(xué)的進展和其他學(xué)科的新理論和新技術(shù)的引入，新的分支學(xué)科還將不斷的涌現(xiàn)。,六、細胞生物學(xué)的構(gòu)筑和毗鄰關(guān)系,（一）

11、細胞生物學(xué)的分支結(jié)構(gòu),在生命科學(xué)內(nèi)的相鄰學(xué)科中，細胞生物學(xué)和分子生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、蛋白組學(xué)及遺傳學(xué)的結(jié)構(gòu)關(guān)系較近，內(nèi)在聯(lián)系密切，相互銜接和滲透最多。 細胞生物學(xué)目前被稱為“重疊核心學(xué)科”。,（二）與細胞生物學(xué)關(guān)系最密切的學(xué)科,遺傳學(xué)（genetics）闡述生命遺傳的原理和規(guī)律。方法原理的借用和表觀遺傳學(xué)（epigenetics） 。 蛋白組學(xué)（proteomics ）揭示完整蛋白組的結(jié)構(gòu)和表達的差異。 發(fā)育生物學(xué)（developmental biology）研究細胞特化過程中的性質(zhì)的變化。 分子生物學(xué)（molecular biology）聚焦于從細胞組分純化的大分子的結(jié)構(gòu)和功能。 這些學(xué)科分

12、別從自己特有的研究路徑對細胞進行研究，從不同的角度探索細胞的奧秘。,最近50多年來，分子領(lǐng)域研究中發(fā)生的所有重大事件，例如DNA雙螺旋模型的提出、基因序列分析的開展、DNA重組技術(shù)和酶分子活性定位的建立等都啟發(fā)并推動細胞生物學(xué)向更深層次迅速地發(fā)展。,從DNA到蛋白質(zhì),但是，并非所有的生命現(xiàn)象都可以從分子的結(jié)構(gòu)屬性水平給以科學(xué)的解釋，分子，包括重要的生物大分子的屬性只有置于細胞體系中才能得到證實及表現(xiàn)出生命意義。,分子和細胞的關(guān)系是從屬關(guān)系，分子必須被有序地構(gòu)建及裝配成某些細胞內(nèi)組分并進入細胞內(nèi)一定的功能體系中才能表現(xiàn)出生命現(xiàn)象，脫離了細胞這一生命的微環(huán)境，許多重要的大分子的就可能發(fā)生變化，這就

13、是單用總DNA難以恢復(fù)物種的原因。,七、細胞生物學(xué)的重點研究領(lǐng)域,和分子生物學(xué)專注于基因和重要生物分子（尤其是核酸和蛋白質(zhì)）的結(jié)構(gòu)與功能不同，細胞生物學(xué)的研究集中在基因表達后生物大分子的修飾、改造、細胞成分的組裝和細胞內(nèi)外信息的整合、分析和傳遞等領(lǐng)域，主要包括：,細胞周期調(diào)控 細胞增殖與細胞分化的規(guī)律 染色體的結(jié)構(gòu)和功能 細胞骨架和核基質(zhì)對核酸代謝的調(diào)控 胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選和運輸 細胞因子和細胞功能的的關(guān)系 細胞外基質(zhì)和細胞間信號聯(lián)系 細胞結(jié)構(gòu)體系的組裝,細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo) 細胞遷移 干細胞特性 細胞社會學(xué) 細胞工程 細胞的衰老和死亡 受精與生殖研究,1960年Jacob和Monod提出蛋白質(zhì)合成的操

14、縱子（operon theory）學(xué)說。 1961年，Mitchell建立了線粒體氧化磷酸化偶聯(lián)機制的化學(xué)滲透學(xué)說。 1968年Nierenberg闡明了遺傳密碼在蛋白質(zhì)合成中的作用。 上述兩項工作分別獲得1978年和1968年諾貝爾獎。 1969年Huebner和Todaro創(chuàng)立了癌基因?qū)W說。,八、細胞生物學(xué)相關(guān)理論的發(fā)展,七十年代是細胞生物學(xué)研究成果豐碩的時期。 1970年Baltimore發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄酶。 1972年Singer和Nicolson提出生物膜的液態(tài)鑲嵌模型。 1976年Neher和Sakmann發(fā)現(xiàn)了細胞質(zhì)膜上的離子通道，獲1991年諾貝爾獎。 1977年Itakuru首次將

15、高等動物的生長激素釋放抑制素（SRIF）基因引入大腸桿菌中表達，稍后Nusslein-Volhard等闡明了同源異型基因在控制生物個體發(fā)育中的作用，并獲1996年諾貝爾獎。,1990年代，細胞生物學(xué)研究獲得了更多的出色的成果。 1997年Wilmut等用乳腺細胞同去除染色質(zhì)的卵細胞融合，成功制成克隆羊。,克隆羊的誕生,1997年Luger等用高分辨率的X射線顯示了染色質(zhì)和核小體核心組蛋白8聚體的原子水平的結(jié)構(gòu)。 1998年Thomson和Gearhart獲得了具有無限增殖和多分化潛能的人類胚胎干細胞（human embryonic stem cell, hESC）。,胚胎干細胞,1999年，B

16、lobel創(chuàng)立細胞內(nèi)蛋白質(zhì)運輸信號學(xué)說，闡明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)合成機制。 2002年諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎：Horvitz、Brenner和Sulston發(fā)現(xiàn)并描述了在器官發(fā)育和細胞凋亡過程中的關(guān)鍵基因和調(diào)節(jié)規(guī)律。 Agre和Mackinnon發(fā)現(xiàn)了細胞膜水通道并在離子通道結(jié)構(gòu)和機制的研究中做出了卓越的貢獻， Ciechanover、Hershko和Rose因?qū)毎麅?nèi)泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解機制的研究獲得2004年諾貝爾獎。,2000年美、英、日、法、德、中6國學(xué)者共同完成了基因組“工作框架圖”的繪制，至此，人類基因組計劃（Human Genome Project，HGP）的測序任務(wù)提前完成，這是各國科學(xué)家

17、通力合作的輝煌的研究成果，是人類自然科學(xué)史上一個劃時代的偉大的成就。,基因組計劃,2007年美日分別將表皮細胞成功地轉(zhuǎn)為類胚胎干細胞。,1980年成立了中國細胞生物學(xué)學(xué)會，這標志著我國細胞生物學(xué)研究進入了新的發(fā)展時期，1995年國家自然科學(xué)基金委員會組織制定了我國細胞生物學(xué)研究的戰(zhàn)略規(guī)劃，提出了13個重點研究方向，其中若干問題正是當前細胞生物學(xué)研究熱點課題。,九、中國的細胞生物學(xué)的發(fā)展,第三節(jié) 細胞生物學(xué)與醫(yī)學(xué)科學(xué),醫(yī)學(xué)科學(xué)是以人體為研究對象，探索人類疾病的發(fā)生、發(fā)展機制，并對疾病進行診斷、治療和預(yù)防的一門綜合學(xué)科。,醫(yī)學(xué)科學(xué)必需不斷地吸收和運用其他學(xué)科尤其是生命科學(xué)的新知識和新技術(shù)，以提高本

18、學(xué)科的整體水平，并推動醫(yī)學(xué)科學(xué)研究向前發(fā)展。,醫(yī)學(xué)院校開設(shè)細胞生物學(xué)課程和開展細胞生物學(xué)的科學(xué)研究構(gòu)成了基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的重要的基礎(chǔ)。 細胞生物學(xué)與醫(yī)學(xué)實踐緊密地結(jié)合，不斷地開辟新的研究領(lǐng)域，提出新的研究課題，努力地探索人類生老病死的機制，研究疾病的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)歸的規(guī)律，力圖為疾病的預(yù)防、診斷、治療提供新的理論、思路和方案，為最終戰(zhàn)勝疾病、保障人類健康做出貢獻。,細胞生物學(xué)是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的一門重要的課程，它和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的其他學(xué)科的關(guān)系非常密切。對醫(yī)學(xué)生來說，掌握細胞生物學(xué)的基本理論、基礎(chǔ)知識和技能，了解細胞生物學(xué)的研究的新進展、新成果，不僅能為學(xué)好其他基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)課程建立扎實的知識平臺，而且能夠拓展

19、視野，為今后的科學(xué)研究奠定良好的基礎(chǔ)。 細胞生物學(xué)也是臨床醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科。因為細胞生物學(xué)是研究細胞的生命活動規(guī)律的學(xué)科，細胞是人體的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，因此，醫(yī)學(xué)中的許多重要的病理現(xiàn)象與細胞生物學(xué)的研究課題密切相關(guān)。,醫(yī)學(xué)細胞生物學(xué)研究的主要熱點及意義,細胞凋亡是指機體細胞在特定的條件下自己啟動的自然的生理死亡過程，也被稱為程序性細胞死亡（programmed cell death）。,細胞凋亡（apoptosis）,細胞凋亡,細胞分化是指從受精開始的個體發(fā)育過程中細胞之間逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定性差異的過程。,細胞分化（differentiation）,角質(zhì)形成細胞,骨骼肌細胞,紅細胞,神經(jīng)細胞,受精卵,生物體的細胞無時無刻不在接受和處理來自胞內(nèi)和胞外的各種信號，這些信號不僅影響細胞本身的活動，而且使單個細胞在代謝、運動、增殖和分化等行為