细胞生物学 熊 涛 联系方式：xiongtao2005@yahoo.com.cn.

Presentation on theme: "细胞生物学 熊 涛 联系方式：xiongtao2005@yahoo.com.cn."— Presentation transcript:

1 细胞生物学 熊 涛

2 绪论 细胞生物学研究的内容和现状  细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科  细胞生物学的主要研究内容
 细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科  细胞生物学的主要研究内容  当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域  细胞重大生命活动的相互关系 细胞学与细胞生物学发展简史  细胞的发现  细胞学说的建立其意义 　细胞生物学的发展简史 　细胞生物学未来的展望  细胞生物学的主要学术组织、学术刊物与教科书

3 细胞生物学 研究细胞及其生物学功能的科学称为细胞生物学(cell biology)。它是以细胞为研究对象，从细胞的整体水平、亚显微水平、分子水平三个层次，以动态的观点研究细胞和细胞器结构和功能、细胞生活史和各种生命活动规律(如细胞增殖与分化、衰老与凋亡、细胞信号传递、真核细胞基因表达与调控等)的学科。 细胞生物学是现代生命科学前沿分支学科之一，主要是从细胞不同结构层次来研究细胞生命活动的基本规律。从生命结构层次看，细胞生物学介于分子生物学与发育生物学之间，与它们相互衔接，互相渗透。

4 主要内容 细胞结构与功能、细胞重要生命活动 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 细胞信号传递
细胞增殖及其调控 细胞分化及其调控 细胞的衰老与凋亡 细胞的起源与进化 细胞工程

5 总趋势  细胞生物学与分子生物学(包括分子遗传学与生物化学) 相互渗透与交融是总的发展趋势。
 纳米、数学、信息与生命科学的交叉，将极大地促进生命科学的研究与发展。

6 重点领域和发展战略　 细胞生物学学科 　细胞生物学是生命科学领域中的基础性学科，它主要研究细胞生命活动的规律，已从过去形态结构的描述上升为现在对其结构和功能相统一的研究。当今细胞生物学的研究应该以功能或机理性问题为主导，充分利用各种有效手段，从经典的描述性方法到后基因组时代的分子生物学技术和高通量技术，在分子、细胞甚至于在个体水平上，揭示与细胞的功能息息相关的奥秘。 　细胞生物学研究领域的主要资助范围是：细胞与亚细胞的结构，细胞的增殖与生长，细胞分化，细胞衰老，细胞死亡（包括凋亡），细胞迁移，细胞外基质与胞间通讯，细胞信号转导，细胞与组织工程，细胞间相互作用，物质运输（穿膜运输与膜泡运输），细胞学方面的新技术和新方法等。 　细胞生物学研究一方面依然注重通过单个基因或蛋白质去了解其在某一生理现象或过程中的作用和功能，另一方面也强调从系统生物学的角度去构建细胞的分子网络。提倡细胞生物学领域与其他领域的交叉研究。

7

8 遗传学 生物化学 细胞生物学

9 细胞的发现 1665年英国人胡克用自制的显微镜观察切片的软木，看到组成软木的蜂窝状小室紧密地排列在一起，称之为“Cell”。

10 “细胞学说”的提出 年，德国的植物学家施莱登和动物学家施旺指出“动物和植物结构的基本单位都是细胞”，这便是细胞学说的提出。

11 “细胞学说”的基本内容  认为细胞是有机体，一切动植物都是由细胞 发育而来,并由细胞和细胞产物所构成；
 认为细胞是有机体，一切动植物都是由细胞 发育而来,并由细胞和细胞产物所构成；  每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它“自己的”生命,又对与其它细胞共同组成的整体的生命有所助益；  新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。 由于受到实验技术的限制，只能对细胞的性质与功能进行阐述，而对细胞本质特性的认识还远远不够。但在当时，已是很了不起的进展， 与达尔文的进化论、孟德尔的遗传学，并称为现代生物学的三大基石。

12 细胞生物学简史 细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段： 第一阶段：细胞的发现及细胞学说的创立 第二阶段：细胞学的经典时期
第三阶段：实验细胞学时期 第四阶段：细胞生物学的诞生

13 细胞的发现及细胞学说的创立( ) 细胞的发现 细胞学说的提出

14 细胞学的经典时期 (1875-1900) ◆重要细胞器的发现 ◆原生质(protoplasm)理论的提出
在动物、植物中发现“肉样质”的物质,并命名为“原生质”; 1861年舒尔策提出原生质理论:有机体的组织单位是一小团原生质, 这种物质在一般有机体中是相似的。并把细胞明确地定义为:“细胞是具有细胞核和细胞膜的活物质”。 　◆重要细胞器的发现 1883年范.贝内登和博费里在动、植物细胞中发现了中心体; 1888年沃尔德耶提出染色体概念; 1894年范.阿尔特曼发现了线粒体; 1898年高尔基(Golgi)发现了高尔基体

15 实验细胞学时期 (1900-1953) ◆experimental cytology
　　 是指采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。 　 ◆cytogenetics的研究 　 ◆cytophysiology的研究 1912年, Carrel研制成Carrel培养瓶,采用严格的组织培养技术,成功地培养了鸡胚胎成纤维细胞持续了34年之久( ); ◆cytochemistry的研究

16 细胞生物学的诞生 ◆Molecular Biology 1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结模型标志分子生物学的诞生；
Cell Biology 1965年，D．P．Derobetis将其《普通细胞学》改为《细胞生物学》，标志着细胞生物学的诞生； Molecular Cell Biology 80年代开始出现了分子细胞生物学。

17 一、显微镜的发明与细胞的发现 没有显微镜就不可能有细胞学诞生。 1、1590荷兰眼睛制造商J和Z.Janssen父子制作了第一台复式显微镜。
2、1665英国人Robert Hook第一次描述了植物细胞的构造，并首次用拉丁文cellar来称呼他所看到蜂巢状的封闭状小室。 3、1680荷兰人A.van Leeuwenhook成为皇家学会会员，他一生中制作了200多台显微镜和400多个镜头。用设计好的显微镜观察了许多动植物的活细胞与原生动物。

18

19

20

21

22

23

24

25

26 二、细胞学说 1. Jean-Baptiste de Lamark (1744~1829).获得性遗传理论的创始人，法国退伍陆军中尉，50岁成为巴黎动物学教授，1809年他认为具有细胞的机体，才有生命。 “It has been recognized for a long time that the membranes which form the enveiopes of the brain .of the nerves .of vessels .of all kinds of glands .of viscera .of muscles and their fibers .and even the skin of the body are in general the production of cellular tissue .But no one .so far as I know .has yet perceived that cellar tissue is the general matrix of all organization and that without this tissue no living body would be able to exist .nor could it have been formed .”

27 2、Charles Brisseau Milbel(1776～1854）,法国植物学家，1802年认为植物的每一部分都有细胞存在，“the plant is wholly formed of a continuous cellular membranous tissue. Plants are made up of cells. all parts of which are in continuity and form one and the same membranous tissue”. 3、Henri Dutrochet (1776~1847),法国生理学家，1824年进一步描述了细胞的原理，他认为“All organic tissues are actually globular cells of exceeding smallness, which appear to be united only by simple adhesive forces; thus all tissues, all animal (and plant) organs, are actually only a cellular tissue variously modified. This uniformity of finer structure proves that organs actually differ among themselves merely in the nature of the substances contained in the vesicular cells of which they are composed”.

28 4、Matthias Jacob Schleiden(1804~1881),德国植物学家教授，1838年发表“植物发生论”（Beitrage zur Phytogenesis）。认为无论怎样复杂的植物都有形形色色的细胞构成。 5、Theodor Schwann（1810～1882），德国解剖学教授，一开始就研究Schleiden的细胞形成学说，并于1838年提出了“细胞学说”（Cell Theory）这个术语；1939年发表了“关于动植物结构和生长一致性的显微研究”。

29 Schwann提出： a. 有机体丝有细胞构成的； b. 细胞丝构成有机体的基本单位。 1855德国人R.Virchow提出“一切细胞来源于细胞”（omnis cellula e cellula)的著名论断；细胞学说才得以完善。 把细胞作为生命的一般单位，以及作为动植物界生命现象的共同基础的这种概念立即受到了普遍的接受。 恩格斯将细胞学说誉为19世纪的三大发现之一。

30 三、细胞学的发展 1、1839捷克人J,E,Pukinye用prtoplasm这一术语描述细胞物质，“Protoplast”为神学用语，指人类始祖亚当。 2、1879德国人W.Flemming观察了蝾螈细胞的有丝分裂，于1882年提出了mitosis这一术语。德国人E.Strasburger（1876～80）在植物细胞中发现有丝分裂。 3、1883比利时人E.van Beneden发现马蛔虫Ascaris megalocephala的减数分裂现象。

31 肺炎双球菌的转化实验-----证明DNA是遗传物质
　讲述：首先了解肺炎双球菌的转化实验。 　　1928年，英国科学家格里菲思用肺炎双球菌在小鼠身上进行转化实验。他用了两种不同类型的肺炎双球菌，一种是S型细菌，它的菌落光滑，菌体有多糖类的荚膜，使之不受被感染动物的正常抵制机制所杀死，是有毒性的球形菌，可以引起人患肺炎和使小鼠患败血症而死亡；另一种是R型细菌，它实际上是肺炎双球菌的突变型，它已丧失了合成具有保护作用的荚膜，因此它无毒性，菌落粗糙。 　　演示肺炎双球菌转化实验过程的录像。 　　观看时请同学们仔细观察每组实验的做法及现象。 　　请一学生叙述各组实验的做法及现象。 　　（回答：①无毒性的R型活细菌注射到鼠体内，鼠不死亡；②有毒性的S型活细菌注射到鼠体内，鼠死亡；③加热杀死的S型细菌注射到鼠体内，鼠不死亡；④无毒性的R型活细菌与加热杀死的S细菌混合后注射到鼠体内，鼠死亡，并且从鼠体内分离出有毒性的S型活细菌，其后代也有毒性。） 　　提问：从第④组实验鼠体内可分离出有毒性的S型活细菌说明了什么？这种S型活细菌的后代也是有毒性的S型细菌又说明了什么？ 　　（回答：无毒性的R型活细菌与加热杀死的S型细菌混合后，可转化成有毒性的S型活细菌，并且这种转化的性状可以遗传。） 　　讲述：格里菲思的结论是，已加热杀死的S型细菌中必然含有某种促成这一转化的活性物质。这种转化因子是什么？格里菲思没有找到。 　　提问：同学们，如果你是当时的科学家，你认为在确定转化因子的实验中，关键的设计思路是什么？（提示：参考前面证明实验的关键思路。） 　　（回答：从活的S型细菌中分离，提取出各种成分，分别与R型细菌混合培养，观察其后代是否有S型细菌出现） 　　讲述：同学们的设计思路很好，但这个设计思路的实施需要依赖于DNA。蛋白质、多糖等的分离提取技术和其它有关技术的掌握。因此，直至1944年，美国的科学家艾弗里和他的同事才进行了确定转化因子的实验，并获得了成功。 　　他们的做法是从S型活细菌中提取出了DNA，蛋白质和多糖等物质，分别将它们加入培养R型细菌的培养基中，结果发现只有加入DNA，才能在培养R型细菌的培养基中找到S型细 菌。 　　板书①一⑤可表明以上做法。但有人怀疑是DNA不纯，夹杂有蛋白质，为此他们又设计了③，用DNA酶处理DNA，使其水解，结果在培养R型活细菌的培养基中没有发现S型细菌。 　　提问：艾弗里实验的结论是什么？ 　　（回答：DNA是转化因子，是使R型细菌产生稳定的遗传变化的物质，即DNA是遗传物质） 　　请同学们回顾整个双球菌的转化实验，你们有什么疑问吗？ 　　（学生甲问：加热杀死S型肺炎双球菌后，其细胞中的DNA是否变性？） 　　解答：实验证明，把DNA溶液加热到沸点，可使其氢键断裂，双螺旋解体，但如将其缓慢冷却，分离的单链就可部分地得以重聚，恢复其双螺旋结构。 　　（学生乙问：S型细菌的DNA是怎样将它的核苷酸序列加在R型细菌上的呢？） 　　解答：这是因为外源DNA分子一旦找到它的内源同源体，这两个分子就可进行遗传交换了。交换的结果是使外源DNA被整合，而使同源的内源DNA分子从R型细菌的DNA中排斥出去，从而产生由R型细菌变为S型细菌的遗传转化。

32 DNA有三种主要构像： 　　B-DNA：为Watson&Click提出的右手螺旋模型，每圈螺旋10个碱基，螺旋扭角为36度，螺距34A，每个碱基对的螺旋上升值为3.4A，碱基倾角为-2度。 　　A-DNA：为右手螺旋，每圈螺旋10.9个碱基，螺旋扭角为33度，螺距32A，每个碱基对的螺旋上升值为2.9A，碱基倾角为13度。 　　Z-DNA：为左手螺旋，每圈螺旋12个碱基，螺旋扭角为-51度（G—C）和-9度（C—G），螺距46A，每个碱基对的螺旋上升值为3.5A（G—C）和4.1A（C—G），碱基倾角为9度。

33 8、1959年，蒋有兴（美籍华人）利用徐觉道发明的低渗处理技术证实了人的2n为46条，而不是48条。
9、1961英国人P. Mitchell提出线粒体氧化磷酸化偶联的化学渗透学说，获1978年诺贝尔化学奖。 10、1961～64美国人M.W.Nirenberg破译DNA遗传密码。 11 、1968瑞士人Werner Arber从细菌中发现DNA限制性内切酶。 12、1970美国人D.Baltimore、R.Dulbecco和H.Temin由于发现逆转录酶而共享诺贝尔生理医学奖。

34 13、1973美国人S.cohen 和H.Boyer将外源基因拼接在质粒中，并在大肠杆菌中表达，揭开基因工程的序幕。
14、1975英国人F.Sanger设计出DNA测序的双脱氧法。于1980年获诺贝尔化学奖。此外Sanger还由于1953年测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年诺贝尔化学奖。 15、1975德国人G.J.F.Kohler、阿根廷人C.Milsteinh和丹麦科学家N.K.Jerne发展了单克隆抗体技术，荣获1984年度诺贝尔生理医学奖。

35 16、1981年美国首次发现艾滋病，1983年，法国巴斯德研究所的Luc Montagbier发现AIDS病毒。艾滋病的全称为Acquired Immunity Deficiency Syndrome,由人类免疫缺陷病毒HIV引起。20年来全球共有约5800万人受到艾滋病病毒感染，2200万人死于艾滋病。我国于1985年发现。 HIV有一下特点： ①嗜T淋巴细胞；②整合宿主细胞终身难以消除；③多变性，基因变异是艾滋病病毒致病能力增强之原因；④广泛存在于感染者的血液、精液、阴道分泌物以及唾液、尿液、脑脊液及有神经症状者的脑组织中；⑤较乙肝病毒对外界的抵抗力低，560C30分钟就可以使其灭活；⑥感染者潜伏期长、病死率高；⑦基因组比已知的任何逆转录酶避过年度基因都复杂。

36 克-雅二氏病（Creutzfeldt–Jakob disease，CJD）：即疯牛病，也叫牛海绵状脑病（BSE），大多发生于60岁以上的人。羊瘙痒病早在1970年发现，而疯牛症的根本源头，就是牛被喂以由死羊骨粉制造的饲料而来的，同类型prion也会令鹿、麋鹿、貂及猴子患病。

37

38 19、1990年美国国会正式批准的“人类基因组计划”（Human genome project），计划在15年内投入30亿美元以上的资金进行人类基因组分析。
－我国于1993年加入该计划，承担其中1％的任务，即人类3号染色体短臂上约30Mb的测序任务。 －2000年6月28日人类基因组工作草图完成。 20、1990年美国国立卫生研究院，给一名患有先天性重度联合免疫缺陷病的4岁女孩实施了首例基因治疗。这种疾病因腺苷脱氨酶(ADA)基因变异引起。

39

40 全能细胞 体细胞核转染 胚泡 培养的多能干细胞 Pluripotent stem cell 多能 Blastocyst 胚泡
Totipotent cell 全能细胞 体细胞核转染 胚泡 培养的多能干细胞

41

42

43

44 对未来的展望 人类度过长达数十万年的狩猎采集经济后，约在一万年前进入农业经济时代，18世纪60年代，英国率先进入工业经济，20世纪50年代美国最早走完工业经济的历程，进入信息时代。据专家估计这一经济形态的“寿命”为75～80年，到本世纪20年代将渐渐失去活力，届时人类迎接下一个经济时代，即生物经济时代的到来。

45 1. 基因组克隆和重组技术日趋成熟，在商业目的的驱使下，人类将大量的改造物种，开始了偏离自然进化规律的二次“创世纪”。
2. 人类基因组计划完成，进入以基因功能为主要研究方向内容的后人类基因组计划。人类将解读自身10万到30万个基因的含义，到时危害人类健康的5000多种遗传病，以及与遗传密切相关的癌症、心血管疾病、关节炎、糖尿病、高血压、精神病等，都可以得到早期诊断和治疗。基因工程药物将得到广泛的应用，目前人工干扰素售价高达440亿美元／公斤。

46 3. 克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破，人工创建地组织，器官将用于医学治疗的目的。
4. 煤（350年）与石油天然气（30～50年）资源的枯竭指日可待，对光合作用机理的研究，使人工光解水成为可能。 5. 基因武器可能成为又一种足以令人类毁灭的武器。 6. 生物芯片技术广泛应用于科研、医疗、农业、食品、环境保护、司法鉴定等领域。计算机和网络系统为生物经济的遗传信息管理和交流提供了方便。

47 细胞生物学参考书 1. 分子细胞生物学 韩贻仁 科学出版社2001年03月
1. 分子细胞生物学 韩贻仁 科学出版社2001年03月 2. 医学细胞与分子生物学 陈诗书 上海医科大学出版社 1999年01月 3. 细胞生物学 王地耀 上海科学技术出版社 1998年出版 4. 细胞生物学 （第二版）汪堃仁 北京师范大学出版社1998年11月出版 5. 细胞生物学研究方法与技术 （第二版）刘鼎新 北医、协和医大联合 出版社1997年05月出版 6. 细胞生物学 实验（第二版）杨汉民 高等教育出版社1997年07月出版

48 Alberts B et al. Essential Cell Biology
Alberts B et al. Essential Cell Biology. New York and London：Garland publishing，Inc. 1998 Alberts B et al. Molecuar Biology of the Cell, 3rd ed. New York and London：Garland Publishing，Inc. 1994 Becker W.M. et al. The World of the Cell. Fourth Ed. The Benjamin/Cummings Publishing Company. 2000 Gerald Karp. Cell and Molecular Biology：concepts and experiments，2nd Edition. Published by John Wiley & Sons,Inc. 1999 Lodish H. et al. Molecular Cell Biology. 4th Ed. Scientific American Books,Inc.2000.

49

50 教 材 北京大学 翟中和 教授 主编 2000年出版

51 参 考 书

52 教学大纲 理论授课 (40学时) n 细胞概述 (3学时) n 细胞生物学研究方法 (3学时) n 细胞质膜与跨膜运输 (2学时)
     理论授课 (40学时) n         细胞概述 　(3学时) n         细胞生物学研究方法　 (3学时) n         细胞质膜与跨膜运输　 (2学时) n         细胞环境与互作　 (2学时) n         细胞通讯　 (4学时) n         核糖体与核酶　 (4学时) n         线粒体与过氧化物酶体　 (3学时) n         内膜系统与蛋白质分选和膜运输 (2学时) n         细胞骨架与细胞运动 　(4学时) n         细胞核与染色体　 (3学时) n         细胞周期与细胞分裂　 (4学时) n         胚胎发育与细胞分化　 (2学时) n         细胞衰老、死亡与癌变　 (4学时)

53 课程总成绩的组成    课堂作业： 10% (英文资料翻译)    出 勤 率： 10% (三次随机点名) 实 验 课： 30 %    考试成绩： 50%

54 两澳大利亚科学家共享2005年诺贝尔医学奖 巴里·马歇尔（右）与罗宾·沃伦得知自己获得2005年
诺贝尔生理学或医学奖后，举杯互相庆贺(幽门螺杆菌 )