分子細胞生物學

楊愛芳e-mail:aifangyang@植物細胞的全能性

受精卵的全能性胚泡胎兒thinking第一~三章緒論，技術，細胞的基本概念和細胞的化學組成第四章質膜和細胞表面第五章質膜與物質運輸第六章細胞外基質第七~九章細胞內膜系統，包括內質網、核糖體、高爾基復合體、溶酶體、微體等第十~第十一章線粒體、葉綠體第十二章細胞骨架與細胞運動第十三章間期細胞核和染色體第十四章細胞信號轉導與信號傳遞系統第十五章細胞的遺傳活動與蛋白質生物合成第十六章細胞增殖與細胞周期第十七章細胞分化第十八章程序化死亡第十九章細胞的癌變第二十章細胞工程亞細胞水平細胞結構三大體系生物膜體系細胞骨架體系遺傳信息體系第一章緒論本章內容一、細胞生物學研究任務

二、細胞生物學發展簡史三、現代細胞生物學的進展歷程

細胞生物學：以細胞為研究對象，從細胞的整體水平、亞顯微水平(超微)、分子水平三個層次，以動態的觀點研究細胞及細胞器結構和功能、細胞生活史和各種生命活動規律的學科。細胞:由膜圍成的獨立進行繁殖的最小的原生質團，是生物體結構和功能的基本單位，也是生命活動的基本單位。要研究生命的活動最終要研究細胞的活動。細胞的基本要素：基因組；質膜；完整的代謝機構細胞的屬性：自我復制；自我調控；自我裝配

一切生物學問題的答案最終都要到細胞中去尋找--------------E.B.WilsonThestructureofCell一、細胞生物學研究任務首先研究細胞的形態結構，然后是細胞的功能。

顯微結構：在光學顯微鏡下細胞的結構 細胞的結構亞顯微結構：超微結構(電子顯微鏡下細胞的結構)細胞的功能：物質的吸收與分泌、合成與分解、增殖與分化、衰老與死亡、信息的傳遞與轉導、遺傳與變異等等二、細胞生物學發展簡史生物學發展的三個階段：300多年

1）19世紀以前是以形態描述為主的生物科學時期；

2）20世紀上半葉，主要為實驗生物學時期；

3）從上世紀五、六十年代以來，為精細定性與定量生物學時期，這是與DNA雙螺旋的發現及中心法則的建立分不開的。細胞生物學發展的幾個重要時期細胞的發現細胞學說的創立和細胞學的形成細胞生物學的興起分子細胞生物學的出現信息細胞生物學的來臨（一）細胞的發現工具：荷蘭眼鏡商Jansen于1604年創造，放大倍數10~30倍，又稱為“跳蚤鏡”（只能觀察小昆蟲）；在技術學史上把光學放大裝置提高到顯微鏡水平。英國物理學家和數學家Hooke（胡克）創造了第一架有科研價值的顯微鏡，放大倍數40~140倍，并從木栓中發現蜂巢狀小室──cell，Hooke于1665年發表《顯微圖譜》一書。他在這本書中描繪的“微小孔洞”被認為是細胞學史上第一個細胞模式圖。第一次使用cell一詞。

第一次觀察到活細胞的是：荷蘭布商列文虎克（A.V.Leeuwenhoek）。放大倍數為270倍左右,分辨率2.7μm,

1674年他用自制的顯微鏡發現了活細胞。發現了池塘水中的原生動物；觀察到了人和哺乳動物的精子;鮭魚紅細胞的核。（二）細胞學說的創立和細胞學的形成

1、細胞學說的創立：十九世紀上半期

1831年，布朗（R.Brown）在蘭科植物的葉肉表皮細胞中發現了細胞核；1835年，杜雅丁（E.Dujardin）發現了動物細胞中的粘液質，并稱其為“肉樣質”（sarcode）;

細胞并不像胡克所說的那樣的小室，而是有內容物的結構。

1838年，德國植物學家施萊登（M.Schleidon）提出：所有的植物體都是由細胞組合而成的；1839年，德國動物學家施旺（Schwann）認為：動物體也是由細胞所組成的，并肯定了一切生物體都是由細胞組成的。二人的觀點就是著名的“細胞學說”（celltheory）。但，未提及細胞來自哪里施萊登和施旺同時成為細胞學說的創始人1855年，德國病理學家魏爾肖（R.Virchow）提出：“細胞來自細胞”。

“細胞學說”包括三個內容：（1）細胞是多細胞生物的最小結構單位，對單細胞生物來說，一個細胞就是一個個體,即一切生物體都是由細胞構成的。（2）多細胞生物的每一個細胞為一個代謝活動單位，執行特定的功能；（3）細胞只能通過細胞分裂而來。

意義：明確了動植物之間的統一性，對生物界有了一個統一的認識。2.細胞學的經典時期

原生質理論的提出1835年，杜雅丁(E.Dujardin)發現了動物細胞中的粘液質，將其稱為“肉樣質”(sarcode)；1840年，蒲肯野（Purkinje）等發現了植物細胞中的物質，將其稱為“原生質”（protoplasm）；1861年，MaxSchultze發現了動物細胞中的“肉樣質”和植物細胞中的“原生質”在性質上是一樣的。原生質是具有生命現象的細胞活物質，指構成細胞的全部生活物質。1892年，赫特維希(O.Hertwig)把這一理論稱為“原生質學說”

原生質學說——細胞是有膜包圍的原生質團重要細胞器的發現1888年，T.Boveri發現中心體1898年，C.Benda發現線粒體1898年，C.Golgi發現高爾基體，并用他自己的名字來命名。細胞分裂的研究1880年，W.Flemming提出有絲分裂（分裂過程中核內出現染色質絲）1905年，J.R.Farmer和J.E.Moore等發現并提出減數分裂（行有性生殖生物的生殖細胞，通過分裂使染色體數減半的分裂方式）明確了核在兩代個體間保持了連續性。3、細胞學的形成和細胞學的分支赫特維希(O.Hertwig)于1892年發表了《細胞與組織》的著名著作，這一著作標志著細胞學（Cytology）作為一門獨立的生物學科的建立。WilsonE.B.于1896年發表了名為《細胞與發育和遺傳》一書(TheCellinDevelopmentandHeredity)，成為細胞學史上第一部有系統的細胞學著作。1925年，這本書的第三版問世，書中發表了Wilson繪制的一幅細胞模式圖，這幅圖是細胞學史上一個具有代表意義的細胞模式圖，反映了光學時代對細胞結構的認識水平。P5（三）細胞生物學的興起顯微鏡的分辨力（resolution）是限制顯微鏡分辨率的關鍵因素，是指顯微鏡將物體放大成像后，能將物體相近兩點分辨清楚的能力，通常用相鄰兩點間的距離來表示。D代表分辨力：D=0.61

/N.A.

代表光波波長；N.A.為鏡口率N.A.=n

Sin

/2n：物鏡與標本間介質的折射率，（1或1.515）

：鏡口角（聚光焦點對物鏡鏡口的張角，<180o）分辨力主要取決于入射光的波長，入射光波長越短，顯微鏡分辨本領越高。1939年，德國科學家Ruska（魯斯卡）在西門子公司（Siemens）設計制造出世界上第一臺商品性電子顯微鏡。

分辨率（resolution）：是指顯微鏡將物體放大成像后，能將物體相近兩點分辨清楚的能力，通常用相鄰兩點間的距離來表示。

D代表分辨力：D=0.61

/N.A.

代表光波波長；N.A.為鏡口率，也稱數值孔徑（Numericalaperture)。

N.A.=n

Sin

/2

n：物鏡與標本間介質的折射率；（1或1.515）

：鏡口角（聚光焦點對物鏡鏡口的張角，<180o）物鏡鏡口

標本結論：通過公式可知光學顯微鏡最大分辨率0.2um提高分辨率需減小

（限制顯微鏡分辨率的關鍵因素）電鏡的發明將細胞學帶入了快速發展時期，20世紀40-50年代，學者們利用電鏡觀察了各種細胞器的結構，如高爾基體、核膜、溶酶體、線粒體等。1961年，比利時人Brachet,J（布拉舍）發表了《livingcell》繪制了一幅細胞模式圖，P6,成為細胞學史上第三幅細胞模式圖。[Hooke（1665年）第一幅、Wilson（1925年）第二幅、Brachet（1961年）第三幅]Cell細胞學（cytology)細胞生物學（cellbiology)1665Hooke1925年Wilson1961年Brachet200－300年幾十年總結說明工具和技術對科學發展的重大作用，隨著顯微技術的飛躍發展，細胞學的發展速度也大大加快。細胞生物學（Cellbiology）提出者DeRobertis，于1965年將其原著的《普通細胞學》更名為《細胞生物學》出版，這標志著細胞生物學新學科的誕生。細胞生物學與細胞學不同之處：A：深刻性，從整體、超微和分子各個結構層次對細胞進行剖析，并把細胞的生命活動同分子水平和超分子水平的變化聯系起來。B：綜合性，研究內容廣泛，涉及到許多領域，同生理學、遺傳學、發育生物學和生物化學相互融會在一起。

（四）分子細胞生物學的出現20世紀50年代，受電鏡分辨率和標本制作技術的限制，人們對細胞質基質的結構尚不了解，認為各種細胞器是懸浮在溶液狀基質中；60年代，電鏡標本固定技術改進，人們發現基質中有微管、微絲的存在；70年代，由于使用了高壓電鏡，人們看到了細胞的立體結構，又發現基質中除了有微管、微絲外，還有網架狀的微梁網架，或稱微梁系統。至此，人們發現細胞質基質中具有一定秩序的立體空間結構──“細胞骨架”（cytoskeleton）細胞骨架的發現是細胞超微結構研究方面的重大進展。同時由于分子生物學的發展，將細胞生物學帶入分子時代。

Darnell等人于1986年提出了“分子細胞生物學”的概念（molecularcellbiology）。分子細胞生物學的興起無疑是細胞生物學研究重點轉移的反映，把細胞的生命活動同亞細胞成分的分子結構變化聯系起來（尤其是蛋白質的結構變化），成為現代細胞生物學的基本特征。（五）信息細胞生物學的來臨細胞信號轉導（細胞重大生命活動）染色體結構動態變化與基因表達細胞增殖---細胞分化---細胞衰老---細胞凋亡生殖、發育、疾病與衰老細胞的信號傳遞是非常復雜的網絡，當代細胞生物學圍繞著“信號傳遞”這條主軸展開，目前姑且稱其為“信息細胞生物學”

20世紀90年代出現的基因組學和蛋白質組學代表了當代細胞生物學的發展動向。回顧：細胞生物學主要經歷的發展階段：1、細胞的發現(1665年R.Hooke;1674年Leeuwenhoke)2、細胞學說的創立和細胞學的形成(1838年Schleidon;1839年Schwann)3、細胞生物學的出現(1965年DeRobertis)4、分子細胞生物學的興起(1986年Darnell)5.信息細胞生物學的來臨cell──cytology──cellbiology──molecularcellbiology-----informationalcellbiology三、細胞生物學的研究進展

細胞生物學研究內容一般可分為細胞結構功能和細胞生命活動兩大部分，當前細胞生物學研究內容大致可以分為以下部分：（1）細胞核、染色體以及基因表達的研究

（2）生物膜與細胞器的研究（3）細胞骨架體系的研究

（4）細胞增殖及其調控（5）細胞的分化及其調控

（6）細胞的衰老與凋亡（7）細胞的起源與進化（8）細胞工程

細胞工程方面碩果累累生物工程一般包括四類：遺傳工程（基因工程），細胞工程，酶工程和發酵工程。細胞工程（cellengineering）是在細胞水平上的生物工程，是應用細胞生物學和分子生物學理論、方法和技術，按人們的預定設計藍圖有計劃的保存、改變和創造遺傳物質，以產生新的物種和品系，或大規模培養組織細胞以獲得生物產品。如單克隆抗體制備；克隆技術的研究等。細胞工程最早最成功的一個例子就是單克隆抗體技術（Monoclonalantibody，McAb），簡稱單抗。單抗是針對單一抗原決定簇的具有高度特異性的均質抗體，可克服常規抗血清即多抗的非特異性交叉反應

單抗成果：脾臟具有分泌抗體的能力不能在體外長期培養可在體外長期培養，不分泌抗體雜種細胞B淋巴細胞抗原脾單抗技術的發明人為英國免疫學家Milstein和當時還是博士后的青年科學家Kohler,他們于1975年完成這項技術,1984年獲諾貝爾醫學獎。細胞生物學的另一個重要應用就是現在非常時髦的轉基因動物或轉基因植物研究，這項技術的根本目的在于改良生物品種性狀或利用轉基因生物體生產對人類有經濟價值的蛋白質產品等。克隆技術的成果：多利于1996年7月5日出生，2003年2月14日死亡。維爾穆特領導培育的世界上第一只體細胞克隆動物-克隆羊“多利”于2003年2月因肺部感染而死亡。患關節炎時的多利

世界首例冷凍克隆牛胚胎移植犢牛在萊陽農學院降生