细胞生物学讲义

细胞生物学讲义 细胞生物学讲义 - 1 -

第一章 绪论

1.1 细胞生物学研究的内容与现状

一、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科

细胞生物学：是在显微、亚显微与分子水平等不同层次上研究细胞结构、功能及生命活动规律的科学。

细胞生物学研究的对象是细胞。

细胞分子生物学是当前细胞生物学发展的主要方向。 细胞生物学不同于细胞学主要表现在：

第一，深刻性。它从细胞整体结构，超微结构和分子结构对细胞进行剖析，并把细胞生命活动同分子水平和超分子水平联系起来。

第二，综合性。这所研究的内容广泛涉及到许多学科领域，同生理学、遗传学、生物化学、发育生物学等融合到一起。

二、细胞生物学的主要研究内容

细胞核、染色体以及基因表达的研究；生物膜与细胞器的研究；细胞骨架体系的研究； 细胞增殖及其调控 ；细胞分化及其调控；细胞的衰 老与程序死亡 ；细胞的起源进化； 细胞工程；

(一)细胞核、染色体以及基因表达的研究

细胞核是遗传物质DNA贮存的场所，也是遗传信息转录为mRNA、rRNA与tRNA的场所。染色质与染色体是遗传物质的载体．核仁是转录rRNA与装配核糖体亚单位的具体场所。核膜与核孔复合体是核质之间物质交换与信息交流的结构。而现代细胞生物学的核心课题之一就是研究染色体结构动态变化与基因表达及其调控的关

系．它是目前细胞生物学、遗传学与发育生物学在细胞 水平与分子水平上相结合的最活跃的热门课题。 (二)生物膜与细胞器的研究

生物膜是细胞结构的重要基础，大部分细胞器(包括核膜)都是以生物膜为基础构建的。生物膜的主要功能是进行细胞内外物质与信息的交换，也具有对细胞内外因子识别的功能。生物膜的研究义是研究细胞器结构与功能的基础。细胞器的研究历来是认识细胞结构与功能的重要组成部分。线粒体和叶绿体结构与换能机制的研究已很深入。内质网、高尔基体与溶酶体功能的研究也增添了许多新的知识 (三)细胞骨架体系的研究

广义的细胞骨架概念应该包括细胞质骨架与核骨架两大部分。细胞骨架体系的研究越来越受到重视，因为细胞骨架在维持细胞形态与保持细胞内部结构的合理布局中起主要作用。近来还发现细胞骨架与一系列重要生命活动，诸如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。近年细胞核骨架的研究是进展很快的领域之一。 (四)细胞增殖及其调控

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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的。目前国际上研究细胞增殖的调控主要从两方面：一是从环境中与有机体中寻找控制细胞增殖的因子，以及阐明它们的作用机制。二是寻找控制细胞增值的关键性基因，并通过调节基因产物来控制细胞的增殖。例如：细胞的癌基因与抑癌基因及其表达产物均与细胞增殖有关。

(五)细胞分化及其调控

细胞分化是生物发育的基础。近年，细胞分化的研究已越来越显示出其重要性，也是细胞生物学、发育生物学与遗传学的重要会合点。细胞“全能性”的揭示，使人们认识到可以控制细胞的分化，而且可能将已分化的细胞进行“去分化”，并使其分裂与再分化，这为控制生物的生长发育展示了诱人的前景。多数细胞生物学家认为肿瘤是不分化与去分化的结果，人们在考虑通过启动分化基因的表达来抑制癌基因的表达。

(六)细胞的衰老与程序死亡

细胞衰老的研究是研究人与动植物寿命的基础。目前多数科学家是用细胞体外培养的方法来研究细胞衰老的规律。人们总是希望通过细胞衰老因素与因子的研究延长细胞的寿命。近年人们力图寻找细胞中的“衰老基因”及其信号转导等。细胞凋亡是近年生命科学中发展起来的重要的新兴领域之一。细胞凋亡是一系列基因控制并受复杂信号调节的细胞自然死亡现象。细胞凋亡可能是生物正常生理发育与病理过程中的重要平衡因素。 (七)细胞的起源进化

细胞起源与进化的研究是重要的理论问题，也是难度很大的研究课题。根据古微生物的证据，原始细胞大约在35亿多年前就在地球上出现。生命的物质只有当其以细胞形式出现时才能稳定地在地球上存在下去。目前有关细胞起源学说在很大程度上是推理性的，还需要补充更多的事实细节。 (八)细胞工程

细胞工程是细胞生物学与遗传学的交叉领域，这种改造细胞的技术是生物工程技术的重要组成部分。对工农业生产和医药实践有重要意义。植物组织培养快速繁殖技术。通过动物体细胞杂交而获得单克隆抗体技术的建立，是细胞工程中最富成果性的工作范例。近年在世界范围兴起的用哺乳动物体细胞克隆而获得无性繁殖胚胎与个体，是细胞工程最具创新的进展之一。

三、当前细胞生物学研究的总体趋势与重点领域

（一）当前细胞生物学研究中的三大基本问题

1、细胞内的基因组是如何在时间与空间上有序表达的？

2、基因表达的产物如何逐级装配成基本结构体系及各种细胞器？ 3、基因表达的产物如何调节细胞最重要的生命活动过程的？ 1、细胞内的基因组是如何在时间与空间上有序表达的？

假如我们将一些基因放在试管内，只要条件都能满足，它们都可以完成表达。在细胞内环境中，它们能否表达及其表达程序都将受到严格的调节与控制。这就是细胞作为结构与生命活动的基本单位的奥妙所在。这种调控网络可能是迄今任何一台计算机无法比拟的。

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2、基因表达的产物如何逐级装配成基本结构体系及各种细胞器？

结构蛋白与核酸、脂质、多糖及其复合物，它们如何逐级装配成能行使生命活功的基本结构体系及各种细胞器?这种自组装过程的调控程序与调控机制是什么?又是2l世纪极富挑战性的领域。

3、基因表达的产物如何调节细胞最重要的生命活动过程的？

大量活性因子与信号分子，它们是如何调节细胞最重要的生命活动过程的?诸如细胞的增殖、分化、衰老与凋亡等等。

（二）当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题

1、染色体DNA与蛋白质相互作用关系——主要是非组蛋白对基因组的作用。 2、细胞增殖、分化、凋亡（程序性死亡）的相互关系及调控 3、细胞信号传导的研究 4、细胞结构体系的装配

1、染色体DNA与蛋白质相互作用关系——主要是非组蛋白对基因组的作用。

可以认为染色体是由一条巨大的DNA分子与具结合蛋白形成的动态复合结构．可分为细胞间期染色体与分裂期染色体。两者在细胞周期中的交替与互相转换，主要是由DNA与蛋白动态结合关系所决定的。DNA是遗传密码的分子结构，蛋白质是调节DNA复制与转录活性并参与染色体构建的元件。

2、细胞增殖、分化、凋亡（程序性死亡）的相互关系及调控

细胞增殖、分化、凋亡与衰老是细胞最重要的生命活动现象，它们既相互联系又相互制约并受到一系列基因的调控。一切动植物生长发育都是依靠细胞增殖、分化与凋亡来实现的。细胞凋亡是受外环境多种信号刺激，由基因调控的“主动自然”死亡，在细胞增殖、分化及多种病理过程中具有重要互补作用。 3、细胞信号传导的研究

当前细胞信号传递的基本内容是： ①细胞间信号传递：重点是信号分子的结构与功能、信号分子与受体相互作用机制； ②受体与信号跨膜转导：G蛋白的发现与较深人的研究使受体转换器的概念与结构功能更具体化；

③细胞内信号传递途径：蛋白磷酸化与去磷酸化可能是信号转导的关键，直至使转录因子磷酸化，从而调节基因的转录。 4、细胞结构体系的装配

在亚细胞水平我们可以将细胞结构大致归纳为三大某个结构体系：由蛋白与核酸构建的遗传信息结构体系(包括染色体、核仁、核糖体)；由蛋白与脂质构建的膜的结构体系(包括细胞膜、核膜与各种细胞器膜)；由蛋白与蛋白构成的细胞骨架结构体系。最后必须指出，上述诸领域与课题还不能概括细胞基本生命活动的所有重大问题。还有很多方面，诸如蛋白质合成、分选与跨膜定向运输，真核细胞起源与进化等等，不仅对细胞基本生命活动规律的认识很重要，而量近年也有迅速的 进展。

1.2 细胞学与细胞生物学发展简史

一、细胞的发现

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英国学者胡克于1665年制造了第一台有科研价值的显微镜，第一次描述了植物细胞的构造，细胞的发现是在1665年。

荷兰学者列文虎克(A．v．Leeuwen Hoek)用设计较好的显微镜，观察了许多动植物的活细胞与原生动物，并于1674年在观察色的红细胞时描述了细胞核的结构。

二、细胞学说的建立及其意义

建立：1838—1839年德国植物学家施莱登和动物学家施旺提出：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，这就是著名的“细胞学说”。 细胞学说的提出对生物科学的发展具有重大的意义。人们通常称1838—1839年施旺和施莱登确立的细胞学说．1859年达尔义确立的进化论和1866年盂德尔确立的遗传学为现代生物学的三大基石

1.2.3细胞学的经典时期

1．原生质理论的提出 2．细胞分裂的研究 3．重要纠胞器的发现

1.2.4实验细胞学与细胞学的分支及其发展

（一）细胞遗传学的发展 （二）细胞生理学的研究 （三）细胞化学

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