细胞生物学绪论

细胞生物学绪论

细胞生物学CellBiology\n细胞生物学概念：细胞生物学Cell/cellularBiology：是研究细胞基本生命活动规律的科学，从不同层次（显微、亚显微和分子水平）上研究细胞的结构与功能，细胞增殖、分化、衰老与凋亡，细胞信号传递，真核细胞基因表达与调控，细胞起源与进化等（主要内容）。P2细胞生物学：是应用了现代物理学与化学的技术成就和分子生物学的概念和方法，以细胞作为生命活动的基本单位的思想为出发点，来探索生命活动规律的学科。P2细胞生物学：是以细胞作为一切有机体进行生命活动基本单位的概念为出发点，在各层次上（显微水平、亚显微水平和分子水平）研究细胞生命活动的基本规律的学科。P12\n第一章绪论一.细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科二.细胞生物学的主要研究内容三.细胞学与细胞生物学发展简史四.细胞生物学的主要学术组织、学术刊物与教科书复习题\n教学目的：1.掌握本学科的研究对象及内容；2.了解本学科的发展史及发展前景；3.掌握与本学科有关的重大事件和名词。教学重点：本学科的研究对象、内容、前景和发展简史。\n一细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科1925年，生物学大师Wilson就提出：“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找”。生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系，而细胞是生命体的结构与生命活动的基本单位，有了细胞才有完整的生命活动。Cells=Life，细胞是生命的缩影。\n美国细胞学家威尔逊（E.B.Wilson，1856～1939）：1905年，他和斯特蒂文特（A.H.Sturtevant，1891～1971）以细胞学的事实，确定了染色体同性别的关系，并提出XX为雌性，XY为雄性。\nMolecularBiologyOrganismalBiologyCellBiology生物化学遗传学分子生物学植物学植物生理学动物学动物生理学菌物学细胞生物学在整个生命科学学科体系中的定位研究细胞结构和生命活动规律相互渗透、交融\n我国基础科学发展规划：细胞生物学为生命科学的四大基础学科之一。本课程重点掌握内容（三个基本两重要）：基本概念、基本结构、基本功能、重要的实验方法和重要细胞生命活动过程。例，神经反射等。\n二.细胞生物学的主要研究内容（一）主要研究内容及授课安排（二）当前细胞生物学研究的重点领域与总趋势：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（NHP）对基因组的作用（可包括DNAdamageandrepair）2.细胞增殖（cellcyclecontrol）、分化、凋亡（cellapoptosis）、衰老（senescence）的相互关系及其调控3.细胞信号转导（signaltransduction）的研究：4.细胞结构体系的组装（三大基本结构体系）：\n3.细胞信号转导的研究：细胞间信号传递：信号分子的结构与功能，与受体间的互作机制；受体与信号跨膜转导；细胞内信号传递途径。4.细胞结构体系的装配（三大基本结构体系）：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结构体系（包括细胞膜、核膜与细胞器膜）；由蛋白与蛋白构成的细胞骨架结构体系（微丝、微管、中间纤维和核骨架等）。\n细胞生物学研究的趋势特点：细胞结构功能研究→细胞生命活动研究细胞中单一基因与蛋白→基因组与蛋白组及其在生命活动中的协同作用细胞信号转导途径→信号调控网络体外（invitro）研究→体内（invivo）研究静态研究→活细胞动态研究实验室研究为主→计算生物学介入细胞生物学与生物学其他学科的渗透→与数理化及纳米科学等多学科的交叉。\n可归结为三大基本问题：1.基因组在细胞内是如何在时间与空间上有序表达的？2.基因表达的产物—主要是结构蛋白与核酸、脂质、多糖及其复合物，如何逐级组装成能行使生命活动的基本结构体系及各种细胞器？3.基因表达的产物—主要是大量活性因子与信号分子，如何调节诸如细胞增殖、分化、衰老与凋亡等细胞最重要的生命活动过程的？细胞生物学研究的总趋势：细胞生物学与分子生物学(包括分子遗传学与生物化学)等学科的相互渗透与交融是总的发展趋势，成为细胞分子生物学或分子细胞生物。研究方法的趋势是从静态的分析到活细胞的动态综合\n其它热点：细胞外基质、细胞社会学、细胞免疫学。\n（一）主要研究内容及授课安排（54课时）：绪论（2课时）细胞的统一性与多样性（3课时）细胞生物学研究方法（4课时）细胞质膜（二.生物膜与细胞器的研究）（4课时）物质的跨膜运输（二.）（2课时）细胞能量转换—线粒体和叶绿体（二.）（5课时）；真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输（二.）（6课时）细胞信号转导（二.）（4课时）细胞骨架（三.细胞骨架体系的研究）（4课时）细胞核与染色体（一.细胞核、染色体以及基因表达的研究）（6课时）核糖体（二.）（2课时）；细胞增殖及其调控（四.细胞增殖及其调控）（3课时）程序化细胞死亡与细胞衰老（六.细胞衰老与凋亡）（3课时）细胞分化与基因表达调控（五.细胞分化及其调控）（3课时）细胞社会的联系：细胞连接、细胞黏着和细胞外基质（二.）（3课时）\n还包括：七.细胞的起源与进化（多章）八.细胞工程应用于工农业生产和医药实践。如，干细胞工程、单克隆抗体等。此外，细胞免疫学等。\n三.细胞学与细胞生物学发展简史第一阶段：细胞的发现，1665-1838第二阶段：细胞学说建立，1838-1874第三阶段：细胞学的经典时期，1875-1900第四阶段：实验细胞学时期，1900-1953第五阶段：细胞生物学的诞生。1950至今\n1.显微镜的发明是细胞发现的前提：最早的光学显微镜是1590年荷兰眼镜商Z.Janssen和他的侄子H.Janssen共同研制的。虽然倍数不高（只能观察小昆虫），也并非用它发现了细胞，但它却有着重要的科学意义。第一个发现细胞的是英国学者胡克RobertHook。1665年，发表了《Micrographia》一书,描述了用自制的显微镜(30倍)观察栎树软木塞切片时发现“cella”。胡克发现的只是死细胞的细胞壁。1674年，荷兰布商列文虎克(AntonvanLeeuwenhoek)自制了高倍显微镜(300倍左右)观察到池塘水滴中的原生动物、人类和哺乳类动物的精子。这是人类第一次观察到完整的活细胞。\nCellsformtissuesinplantsandanimalsPlantroottipUrine-collectingductsinthekidney\nCellscomeinavarietyofshapesandsizesNervecellParameciumPlantStemBacteriumNeutrophilengulfmentofanerythrocyteNervecellParameciumPlantStemBacterium\n2.细胞学说(celltheory)的建立及意义MatthiasJacobSchleiden（1804~1881)，德国植物学教授，1838年发表“植物发生论”(Beiträgehytogenesis)，认为无论怎样复杂的植物都由形形色色的细胞构成。TheodorSchwann（1810~1882)，德国解剖学教授，一开始就研究Schleiden的细胞形成学，并于1838年提出了“细胞学说”（CellTheory)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”论文。细胞学说的基本内容\n“细胞学说”的基本内容：（1）细胞是有机体，一切动植物都由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成；（2）每个细胞为一个相对独立的生命单位，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；（3）新的细胞只能通过已存在的细胞繁殖产生（1858年，德国医生和病理学家魏尔肖RudolfVirchow补充）。细胞学说，为十九世纪自然科学的三大发现之一，也是现代生物学的三大基石之一。细胞学说的意义：论证了生物界在结构上的统一性和生命的共同起源。\n3.细胞学的经典时期（1）原生质（protoplasm）理论的提出：1840年，普金耶（J.E.Pukinje）和1846年冯•莫尔（VonMohl）将动植物细胞“肉样质”内含物称为原生质（protoplasm）。1861年，MaxSchultze提出了原生质理论：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”。1880年，Hanstein提出原生质体（‘protoplast）概念：细胞是由细胞膜包围着的原生质，原生质分化为细胞核和细胞膜。较cell（细胞，小室）更确切了。\n原生质(protoplasm)：指活细胞的全部活物质，包括质膜、细胞质和细胞核（或类核）。\n（2）细胞分裂的研究：1841年，Remak（拉马克）在鸡胚血细胞发现了细胞的直接分裂（ami’tosis）；其后，Flemming、Strasburger分别在动（蝾螈幼虫组织细胞）、植物细胞中发现有丝分裂（mi’tosis）；VanBeneden（1883）和Strasburger（1886）分别在动、植物细胞中发现减数分裂（mi’osis）。\n（3）重要细胞器的发现显微镜、切片制作方法的发展。VanBeneden和Boveri（1883）在动、植物细胞中发现中心体；1888年Waldeyer提出染色体概念;Altmann（1894）发现线粒体；Golgi（1898）发现高尔基体。\n4.实验细胞学与细胞学的分支及其发展实验细胞学：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。一些重要分支学科的建立和发展。（1）细胞结构的认识1935年，德国西门子公司生产出第一台电镜。亚显微结构：细胞膜、内质网、高尔基器、溶酶体、过氧物酶体、核膜等\n（2）学科发展奠定细胞遗传学（cytogenetics）发展基础的事件：发现受精现象（1876，O.Hertwig；1888，Strasburger等）；发现动植物生殖细胞的染色体仅为体细胞一半（1883，VanBeneden；1888，Strasburger；1893年Overton等）；孟德尔遗传法则的重新发现（1900）；染色体学说（德国Boveri和美国Sutton分别）的提出，把孟德尔的染色体行为与遗传因子相联系；基因学说（1910，Morgan摩尔根，实验证明基因是决定遗传性状的基本单位，且直线排列在染色体上）的建立。\n细胞生理学（cytophysiology）的研究：19世纪末叶，对活细胞的细胞质流动、肌肉收缩、变性运动、纤毛与鞭毛运动，细胞膜通透性、细胞的应激性、神经传导开展了大量研究。Harrison与Carrel创立了组织培养（1909）。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(1912-1946)。Claude用高速离心机分离细胞核和各种细胞器的技术（1943）。\n细胞化学cytochemistry的发展：福尔根（Feulgen，1924）等首先用Feulgen反应专门作为脱氧核糖核酸（DNA）定性方法。此后，染色剂染色法、紫外光显微分光光度法、放射自显影、超微量分析等方法均得到广泛运用。此外，发展与演变的实验细胞学分支还包括：细胞生物化学、细胞病理学、微生物细胞学与原生动物细胞学等。\n5.现代细胞生物学学科的形成和发展Cytology：1892年德国人O.Hertwig出版了《细胞与组织》一书，使细胞学成为生物科学的一个独立分支。MolecularBiology：1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结模型标志分子生物学的诞生；CellBiology：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；MolecularCellBiology：20世纪80年代开始出现了分子细胞生物学。\n二十世纪五十年代后，电子显微镜与超薄切片技术的发展。近年来，透射电镜、扫描电镜、扫描隧道显微镜、电子计算机等技术的发明和引入；显微分光和流式分光光度计、分子定位杂交、免疫荧光和免疫胶体金、激光共焦点扫描显微镜等技术发展。\n近年细胞分子生物学相关领域的NobelPrize获奖情况Physiologyandmedicine2003PAULC.LAUTERBUR,andSIRPETERMANSFIELDfortheirdiscoveriesconcerningmagneticresonanceimaging.2002SYDNEYBRENNER,H.ROBERTHORVITZandJOHNE.SULSTONfortheirdiscoveriesconcerninggeneticregulationoforgandevelopmentandprogrammedcelldeath.2001LELANDH.HARTWELL,R.TIMOTHYHUNTandPAULM.NURSEfortheirdiscoveriesof"keyregulatorsofthecellcycle."2000ARVIDCARLSSON,PAULGREENGARDandERICKANDELfortheirdiscoveriesconcerningsignaltransductioninthenervoussystem.1999GÜNTERBLOBEL,forthediscoverythatproteinshaveintrinsicsignalsthatgoverntheirtransportandlocalizationinthecell.1998ROBERTF.FURCHGOTT,LOUISJ.IGNARROandFERIDMURADfortheirdiscoveriesconcerningnitricoxideasasignallingmoleculeinthecardiovascularsystem.\n1997STANLEYB.PRUSINERforhisdiscoveryofPrions-anewbiologicalprincipleofinfection1996PETERC.DOHERTYandROLFM.ZINKERNAGELfortheirdiscoveriesconcerningthespecificityofthecellmediatedimmunedefence.1995EDWARDB.LEWIS,CHRISTIANEN躍SLEIN-VOLHARDandERICF.WIESCHAUSfortheirdiscoveriesconcerningthegeneticcontrolofearlyembryonicdevelopment.1994ALFREDG.GILMANandMARTINRODBELLfortheirdiscoveryofG-proteinsandtheroleoftheseproteinsinsignaltransductionincells.1993RICHARDJ.ROBERTSandPHILLIPA.SHARPfortheirindependentdiscoveriesofsplitgenes.1992EDMONDH.FISCHERandEDWING.KREBSfortheirdiscoveriesconcerningreversibleproteinphosphorylationasabiologicalregulatorymechanism.1991ERWINNEHERandBERTSAKMANNfortheirdiscoveriesconcerningthefunctionofsingleionchannelsincells.\n1990JOSEPHE.MURRAYandE.DONNALLTHOMASfortheirdiscoveriesconcerningorganandcelltransplantationinthetreatmentofhumandisease.1989J.MICHAELBISHOPandHAROLDE.VARMUSfortheirdiscoveryofthecellularoriginofretroviraloncogenes.1988SIRJAMESW.BLACK,GERTRUDEB.ELIONandGEORGEH.HITCHINGSfortheirdiscoveriesofimportantprinciplesfordrugtreatment.1987SUSUMUTONEGAWAforhisdiscoveryofthegeneticprincipleforgenerationofantibodydiversity.1986STANLEYCOHENandRITALEVI-MONTALCINIfortheirdiscoveriesofgrowthfactors.1985MICHAELS.BROWNandJOSEPHL.GOLDSTEINfortheirdiscoveriesconcerningtheregulationofcholesterolmetabolism.1984NIELSK.JERNE,GEORGESJ.F.KOHLERandCESARMILSTEINfortheoriesconcerningthespecificityindevelopmentandcontroloftheimmunesystemandthediscoveryoftheprincipleforproductionofmonoclonalantibodies.\nChemistry2003PETERAGRE,forthediscoveryofwaterchannelsandtheotherhalfoftheprizetoRODERICKMACKINNONforstructuralandmechanisticstudiesofionchannels.2002JOHNB.FENN,andKOICHITANAKA,fortheirdevelopmentofsoftdesorptionionisationmethodsformassspectrometricanalysesofbiologicalmacromoleculesandtheotherhalftoKURTWÜTHRICHforhisdevelopmentofnuclearmagneticresonancespectroscopyfordeterminingthethree-dimensionalstructureofbiologicalmacromoleculesinsolution.1997PAULD.BOYERandJOHNE.WALKERfortheirelucidationoftheenzymaticmechanismunderlyingthesynthesisofadenosinetriphosphate(ATP)andwithonehalftoJENSC.SKOUforthefirstdiscoveryofanion-transportingenzyme,Na+,K+-ATPase.\n1993KARYB.MULLISforhisinventionofthepolymerasechainreaction(PCR)method.andMICHAELSMITHforhisfundamentalcontributionstotheestablishmentofoligonucleiotide-based,site-directedmutagenesisanditsdevelopmentforproteinstudies.1989SIDNEYALTMANandTHOMASR.CECHfortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNA.1988JOHANNDEISENHOFER,ROBERTHUBERandHARTMUTMICHELforthedeterminationofthethree-dimensionalstructureofaphotosyntheticreactioncentre.\n当今生命科学的基本问题依然是生物体的遗传、发育与进化，这些都是细胞生物学研究的基本问题。因此，21世纪，细胞生物学必然成为回答生命科学的最重要、最基本问题的一门重要学科。\n细胞生物学与细胞学：细胞学（cytology）:是研究细胞的结构（显微和亚显微形态结构）、功能及其生活史的科学。静态观点：侧重整体细胞水平和亚细胞水平细胞生物学（Cellbiology）:是以研究细胞的生命活动规律和调控机制为主要内容；动态观点：侧重整体细胞水平、亚细胞水平和分子水平的结合。\n四.学科相关的主要学术组织、教材与学术刊物学术组织：细胞生物学国际联盟（1976年始，4年一次代表大会）；中国细胞生物学学会（1980年成立）。教材：GeraldKarp.:CellandMolecularBiology:conceptsandexperiments,2005;AlbertsBetal.EssentialCellBiology,2002;细胞生物学.郑国錩、王金发等；细胞生物学教程.郝水；分子细胞生物学.韩怡仁；细胞学.庄孝惠。\n\n\n学术刊物：国际：Cell;JournalofCellBiology;Neuron;TrendsinCellBiology;PlantCell;MolecularandCellularBiology;MolecularBiologyoftheCell;JournalofCellScience;CellDeathandDifferentiation;CellGrowthandDifferentiation;JournalofHistochemistryandCytochemistry;ExperimentalCellBiochemistry;DNAandCellBiology;CellMotilityandtheCytoskeleton;CellularPhysiologyandBiochemistry;JournalofCellularBiochemistry;JournalofCellularPhysiology;Protoplasma;CellbiologyInternationalReports.国内：细胞生物学杂志、分子细胞生物学报、CellResearch等。\n名词：细胞学（cytology）、细胞生物学（cCellbiology）、细胞学说（celltheory）思考题：1.简述细胞学说的主要内容及提出的重大意义。2.细胞生物学的研究内容有哪几个方面，包含哪几个层次？3.简明扼要分析细胞生物学形成的客观条件，及其今后发展的主要趋势。4.细胞学与细胞生物学学科的发展经历哪些重要阶段？\n四次作业：1.根据以前所学，简述你对细胞研究领域中最感疑惑或最感兴趣的是什么？（下周课前交）2.选择你感兴趣较新的细胞生物学研究方法，查阅相关参考资料，简述其原理、操作步骤、注意事项和应用领域。500字以下。（国庆后一周交）3.就你最感疑惑或兴趣的细胞生物学某一领域，查阅3篇以上近期相关文献资料，简要综述其当前的研究现状。1000字以下。（第16周前交）4.请你推测哪（几）个细胞生物学领域将最有可能成为今后生命科学研究的热点，并说明原因。500字以下。（第18周前交）注意：2、3、4次作业均需列出涉及参考文献出处（含网址）。\n