1、细胞生物学第一章_绪论细胞生物学研究的内容与现状细胞生物学研究的内容与现状该学科是现代生命科学的重要基础学科该学科是现代生命科学的重要基础学科细胞生物学主要研究内容细胞生物学主要研究内容当前细胞生物学研究的总趋势与重要领域当前细胞生物学研究的总趋势与重要领域细胞学与细胞生物学发展简史细胞学与细胞生物学发展简史细胞的发现细胞的发现细胞学说的建立及其意义细胞学说的建立及其意义细胞学的经典时期细胞学的经典时期实验细胞学与细胞学的分支及其发展实验细胞学与细胞学的分支及其发展细胞生物学学科的形成与发展细胞生物学学科的形成与发展该学科主要学术组织、刊物与教科书该学科主要学术组织、刊物与教科书细胞生物学是现
2、代生命科学的重要基础学科细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科 Cell biology Cell biology是研究细胞基本生命活动规律的科学，是研究细胞基本生命活动规律的科学，它在不同层次上研究细胞结构与功能，细胞增殖、分化、它在不同层次上研究细胞结构与功能，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，衰老与凋亡，细胞信号传递，真核细胞基因表达与调控，细胞的起源与进化等为主要内容细胞的起源与进化等为主要内容 1925 1925，生物学大师，生物学大师WilsonWilson提出提出“一切生命的关键问一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找题都要到细胞中去寻找”细胞生物学
3、，分子生物学，神经生物学和生态学为生细胞生物学，分子生物学，神经生物学和生态学为生命科学的四大基础学科命科学的四大基础学科细胞生物学的主要研究内容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当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域当前细胞生物学研究中的三大基本问题当前细胞生物学研究中的三大基本问题当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题总趋势总趋势 细胞生物学与分子生物学细胞生物学与分子生物学(包括分包括分子遗传学与生物化学子遗传学与生物化学)相互渗透与交相互渗透与交融是总的发展趋势。融是总的发展趋势。当前细胞生物学研究中的三大基本问题当前细胞生
4、物学研究中的三大基本问题细胞内的基因组如何在时间与空间上有序表达？细胞内的基因组如何在时间与空间上有序表达？基因表达的产物如何装配行使功能及各种细胞基因表达的产物如何装配行使功能及各种细胞器？组装过程的调控程序与调控机制是什么？器？组装过程的调控程序与调控机制是什么？基因表达产物基因表达产物主要活性分子与信号分子如主要活性分子与信号分子如何调节细胞最重要生命活动的？何调节细胞最重要生命活动的？重点领域重点领域染色体染色体DNADNA与蛋白质相互作用关系与蛋白质相互作用关系主要主要 是非组蛋白对基因组的作用是非组蛋白对基因组的作用细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调细胞增殖、分化、凋亡的相互关系
5、及其调 控控细胞信号转导的研究细胞信号转导的研究细胞结构体系的装配细胞结构体系的装配19881988年底，美国国立卫生研究院的调查结果是年底，美国国立卫生研究院的调查结果是三种疾病：三种疾病：癌症癌症;心血管病心血管病;爱滋病和肝炎等传染病爱滋病和肝炎等传染病五大研究方向：五大研究方向：细胞周期调控细胞周期调控细胞凋亡细胞凋亡细胞衰老细胞衰老信号转导信号转导DNADNA的损伤与修复的损伤与修复 细胞信号转导细胞信号转导细胞凋亡细胞凋亡基因组与后基因组学研究基因组与后基因组学研究美国科学情报研究所美国科学情报研究所19971997年收录及引用论文年收录及引用论文检索，全世界自然科学研究中论文发表
6、最集检索，全世界自然科学研究中论文发表最集中的三个领域分别是：中的三个领域分别是：第一阶段：细胞的发现和细胞学说的创立第一阶段：细胞的发现和细胞学说的创立第二阶段：细胞学的经典时期第二阶段：细胞学的经典时期(19(19世纪中世纪中-20-20世纪世纪 初初)第三阶段：实验细胞学阶段第三阶段：实验细胞学阶段(20(20世纪初世纪初-20-20世纪中世纪中)第四阶段：细胞与分子生物学的形成和发展时期第四阶段：细胞与分子生物学的形成和发展时期 1831 1831年，英国人年，英国人Robert Brown-Robert Brown-（植物（植物叶片表皮细胞的胞核）叶片表皮细胞的胞核）18411841
7、年，年，Remak Remak 在观察鸡胚血球细胞时在观察鸡胚血球细胞时发现了细胞分裂。发现了细胞分裂。1883 1883年年BenedenBeneden中心体，中心体，18941894年年AltmannAltmann线粒体，线粒体，GolgiGolgi高尔基体高尔基体。细胞的发现开创了生物学研究细胞的发现开创了生物学研究的新领域，使人类对自然界的新领域，使人类对自然界包括对人类自身的认识包括对人类自身的认识进展到细胞水平进展到细胞水平 一切生物从单细胞到高等动、植物都是由细胞组一切生物从单细胞到高等动、植物都是由细胞组成；细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位。成；细胞是生物形态结构和功能活
8、动的基本单位。细胞学说、能量转化与守恒定律、达尔细胞学说、能量转化与守恒定律、达尔文进化论是文进化论是1919世纪自然科学的三大发现世纪自然科学的三大发现 恩格斯恩格斯细胞学说、达尔文进化论、孟德尔遗传细胞学说、达尔文进化论、孟德尔遗传学说是现代生物学的三大基石。学说是现代生物学的三大基石。在细胞生物学的早期，对细胞的研究主要在细胞生物学的早期，对细胞的研究主要是采用各种固定和染色技术在显微镜下观察是采用各种固定和染色技术在显微镜下观察细胞的形态、内部结构及其分裂活动。细胞的形态、内部结构及其分裂活动。实验细胞学与细胞学的分支及其发展实验细胞学与细胞学的分支及其发展细胞遗传学的发展细胞遗传学的
9、发展细胞生理学的研究细胞生理学的研究细胞化学细胞化学细胞遗传学的发展细胞遗传学的发展 1876 O.Hertwig 1876 O.Hertwig发现动物受精；发现动物受精；1883 Van Beneden 1883 Van Beneden性细胞染色体；性细胞染色体；1888 Strasburger 1888 Strasburger，1893 Oveerton 1893 Oveerton 植物受精；植物受精；1900 1900 孟德尔遗传法则被重新发现孟德尔遗传法则被重新发现;1905 Wilson 1905 Wilson性别与染色体关系性别与染色体关系;Weissman Weissman 遗传
10、单位有序排列在染色体上遗传单位有序排列在染色体上;Borveri Borveri和和SuttonSutton染色体学说染色体学说;1910Morgan 1910Morgan基因及基因学说基因及基因学说细胞生理学的研究细胞生理学的研究1909 Harrison 1909 Harrison 和和CarrelCarrel创立组织培养技术创立组织培养技术1943 Claude1943 Claude高速离心机从活细胞分离细胞高速离心机从活细胞分离细胞器器细胞化学细胞化学19241924 Feulgen Feulgen定性定位定性定位DNA;DNA;1940 Brachet1940 Brachet甲基绿甲
11、基绿派洛宁测定细胞中派洛宁测定细胞中DNADNA和和RNA;RNA;19361936和和1940 Casperson 1940 Casperson 紫外分光光度法测定紫外分光光度法测定DNADNA含量，含量，并认为蛋白质合成与并认为蛋白质合成与RNARNA有关有关;近近2020年，显微分光光度、流式分光光度、放射自显影、年，显微分光光度、流式分光光度、放射自显影、分子原位杂交、免疫荧光光度计、免疫胶体金技术、激分子原位杂交、免疫荧光光度计、免疫胶体金技术、激光共焦点扫描显微镜光共焦点扫描显微镜;细胞组分分离技术，放射自显影技术和超微量分析方法，细胞组分分离技术，放射自显影技术和超微量分析方法，
12、核酸与蛋白质核酸与蛋白质;细胞生物学学科的形成与发展细胞生物学学科的形成与发展 20 20世纪世纪5050年代以来，电子显微镜与超薄切片技术结合，年代以来，电子显微镜与超薄切片技术结合，产生了细胞超微结构学产生了细胞超微结构学 50 50年代中期到年代中期到6060年代末，生化技术与细胞学相互渗透年代末，生化技术与细胞学相互渗透 20 20世纪世纪7070年代，分子生物学概念与技术的引入年代，分子生物学概念与技术的引入 8080年代以来，细胞生物学主流为细胞的分子生物学年代以来，细胞生物学主流为细胞的分子生物学 90 90年代后期，纳米生物学兴起年代后期，纳米生物学兴起 1990 1990年，
13、美国国会正式批准的年，美国国会正式批准的“人类基因人类基因组计划组计划”（Human Genome Project,Human Genome Project,计划计划在在1515年内投入年内投入3030亿美元以上的资金进行人类亿美元以上的资金进行人类基因组分析。我国于基因组分析。我国于19931993年加入该计划，承年加入该计划，承担其中担其中1%1%的任务，即人类的任务，即人类3 3号染色体短臂上号染色体短臂上约约30Mb30Mb的测序任务。的测序任务。2000 2000年年6 6月月2828日人类基因组工作草图完成。日人类基因组工作草图完成。细胞生物学的研究方法细胞生物学的研究方法u显微技
14、术显微技术 u生物化学与分子生物学技术生物化学与分子生物学技术 u细胞分离技术细胞分离技术 u细胞培养与细胞杂交细胞培养与细胞杂交一、显微技术一、显微技术 显微镜是观察细胞的主要工具。根据显微镜是观察细胞的主要工具。根据光源不同，可分为光学显微镜和电子显光源不同，可分为光学显微镜和电子显微镜两大类。微镜两大类。普通光学显微镜普通光学显微镜 荧光显微镜荧光显微镜 细胞中有些物质，如叶绿细胞中有些物质，如叶绿素等，受紫外线照射后可素等，受紫外线照射后可发荧光；另有一些物质本发荧光；另有一些物质本身虽不能发荧光，但如果身虽不能发荧光，但如果用荧光染料或荧光抗体染用荧光染料或荧光抗体染色后，经紫外线照
15、射亦可色后，经紫外线照射亦可发荧光发荧光 用于观察能激发出荧光用于观察能激发出荧光的结构。的结构。用途：免疫荧光观察、用途：免疫荧光观察、基因定位、疾病诊断。基因定位、疾病诊断。荧光显微镜照片荧光显微镜照片（微管呈绿色、微丝红色、核蓝色）（微管呈绿色、微丝红色、核蓝色）激光共聚焦扫描显微镜激光共聚焦扫描显微镜 蓝色为细胞核蓝色为细胞核绿色为微管绿色为微管 激光共聚焦扫描显微镜用激光作扫描光源，由于激光束的波长激光共聚焦扫描显微镜用激光作扫描光源，由于激光束的波长较短，光束很细，所以共焦激光扫描显微镜有较高的分辨力，大约较短，光束很细，所以共焦激光扫描显微镜有较高的分辨力，大约是普通光学显微镜的
16、是普通光学显微镜的3倍。调焦深度不一样时，就可以获得样品不倍。调焦深度不一样时，就可以获得样品不同深度层次的图像，这些图像信息都储于计算机内，通过计算机分同深度层次的图像，这些图像信息都储于计算机内，通过计算机分析和模拟，就能显示细胞样品的立体结构。析和模拟，就能显示细胞样品的立体结构。暗视野显微镜暗视野显微镜照明光线不直接进入物镜，只允许被标本反射照明光线不直接进入物镜，只允许被标本反射和衍射的光线进入物镜，因而视野的背景是和衍射的光线进入物镜，因而视野的背景是黑的，物体的边缘是亮的。黑的，物体的边缘是亮的。利用这种显微镜能见到小至利用这种显微镜能见到小至 4200nm的微粒的微粒子，分辨率
17、可比普通显微镜高子，分辨率可比普通显微镜高50倍。倍。相差显微镜相差显微镜把透过标本的可见光的光程差变成振幅差，把透过标本的可见光的光程差变成振幅差，从而提高了各种结构间的对比度，使各从而提高了各种结构间的对比度，使各种结构变得清晰可见。种结构变得清晰可见。这种显微镜最大的特点是可以观察未经染这种显微镜最大的特点是可以观察未经染色的标本和活细胞。色的标本和活细胞。一种介壳虫的一种介壳虫的染色体染色体 微分干涉差显微镜微分干涉差显微镜 优点是能显示结构的三维立优点是能显示结构的三维立体投影影像，使细胞的结构体投影影像，使细胞的结构，特别是一些较大的细胞器，特别是一些较大的细胞器，如核、线粒体等，
18、立体感，如核、线粒体等，立体感特别强，适合于显微操作。特别强，适合于显微操作。目前像基因注入、核移植、目前像基因注入、核移植、转基因等的显微操作常在这转基因等的显微操作常在这种显微镜下进行。种显微镜下进行。倒置显微镜倒置显微镜 用于观察培养的用于观察培养的活细胞活细胞 透射电子显微镜透射电子显微镜 电子显微镜的放大倍数电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍最高可达近百万倍 p透射电子显微镜透射电子显微镜 p扫描电子显微镜扫描电子显微镜 RER的形态的形态 19321932年，德国人年，德国人M.KnollM.Knoll和和E.A.F.RuskaE.A.F.Ruska发明电镜，发明电镜，19401
19、940年，美、德制造出分辨力为年，美、德制造出分辨力为0.2nm0.2nm的商品电镜。的商品电镜。扫描电子显微镜扫描电子显微镜20世纪世纪60年代问世，用来观察标本表面结构。年代问世，用来观察标本表面结构。人类红细胞人类红细胞人类精子人类精子分辨率：分辨率：0.2nm0.2nm扫描电子显微镜扫描电子显微镜显微操作显微操作/注射仪注射仪 二、生物化学与分子生物学技术二、生物化学与分子生物学技术 u细胞化学技术细胞化学技术组织化学或细胞化学染色：是利用染色剂可同细组织化学或细胞化学染色：是利用染色剂可同细胞的某种成分发生反应而着色的原理，对某种成胞的某种成分发生反应而着色的原理，对某种成分进行定性
20、或定位研究的技术。分进行定性或定位研究的技术。利用这种方法对细胞的各种成分几乎都能显示，利用这种方法对细胞的各种成分几乎都能显示，包括有无机物、醛、蛋白质、糖类、脂类、核酸、包括有无机物、醛、蛋白质、糖类、脂类、核酸、酶等。酶等。免疫细胞化学免疫细胞化学根据免疫学原理，利用抗体同特定抗原专一根据免疫学原理，利用抗体同特定抗原专一结合，对抗原进行定位测定的技术。结合，对抗原进行定位测定的技术。如果将抗体结合上标记物，再与组织中的抗如果将抗体结合上标记物，再与组织中的抗原发生反应，即可在光镜或电镜下显示出该原发生反应，即可在光镜或电镜下显示出该抗原存在于组织中的部位。抗原存在于组织中的部位。常用的
21、标记物有荧光素和酶。常用的标记物有荧光素和酶。荧光素标记的称为免疫荧光法荧光素标记的称为免疫荧光法酶标记的称为酶标免疫法酶标记的称为酶标免疫法u显微光谱分析技术显微光谱分析技术细胞中有一些成分具有特定的吸收光谱，核酸、细胞中有一些成分具有特定的吸收光谱，核酸、蛋白质、细胞色素、维生素等都有自己特征性的蛋白质、细胞色素、维生素等都有自己特征性的吸收曲线。例如，核酸的吸收波长为吸收曲线。例如，核酸的吸收波长为260nm260nm，而，而蛋白质的则为蛋白质的则为280nm280nm。根据细胞成分所具有的这。根据细胞成分所具有的这种特性，可利用显微分光光度计对某些成分进行种特性，可利用显微分光光度计对
22、某些成分进行定位、定性，甚至定量测定定位、定性，甚至定量测定 u放射自显影术放射自显影术 用于研究标记化合物在机体、组织和细胞用于研究标记化合物在机体、组织和细胞中的分布、定位、排出以及合成、更新、作中的分布、定位、排出以及合成、更新、作用机理、作用部位等等。用机理、作用部位等等。原理是将放射性同位素（如原理是将放射性同位素（如1414C C和和3 3H H）标记）标记的化合物导入生物体内，将标本制成切片或的化合物导入生物体内，将标本制成切片或涂片，涂上卤化银乳胶，组织中的放射性即涂片，涂上卤化银乳胶，组织中的放射性即可使乳胶感光。显示还原的黑色银颗粒，即可使乳胶感光。显示还原的黑色银颗粒，即
23、可得知标本中标记物的准确位置和数量。可得知标本中标记物的准确位置和数量。u分子杂交技术分子杂交技术具有互补核苷酸序列的两条单链核苷酸分子片段具有互补核苷酸序列的两条单链核苷酸分子片段，在适当条件下，通过氢键结合，形成，在适当条件下，通过氢键结合，形成DNA-DNADNA-DNA，DNA-RNADNA-RNA或或RNA-RNARNA-RNA杂交的双链分子。杂交的双链分子。这种技术可用来测定单链分子核苷酸序列间是否这种技术可用来测定单链分子核苷酸序列间是否具有互补关系。具有互补关系。人类染色体人类染色体端粒端粒DNA的的荧光原位杂交荧光原位杂交 最初是使用带放射性的最初是使用带放射性的DNA探针，
24、通过放射自显影探针，通过放射自显影来显示位置。后来又发明了免疫探针法，将探针核来显示位置。后来又发明了免疫探针法，将探针核苷酸的侧链加以改造，探针杂交后，其侧链可被带苷酸的侧链加以改造，探针杂交后，其侧链可被带有荧光标记的抗体所识别，从而显示出位置。有荧光标记的抗体所识别，从而显示出位置。uPCRPCR技术技术聚合酶链式反应（聚合酶链式反应（polymerase chain polymerase chain reactionreaction，PCRPCR）用于在体外将微量的目标）用于在体外将微量的目标DNADNA大量扩增，以便进行分析。大量扩增，以便进行分析。三、细胞分离技术三、细胞分离技术
25、u离心技术离心技术u流式细胞术流式细胞术 u细胞电泳细胞电泳 离心技术差速离心离心技术差速离心 速度逐渐提高，样品按大小先后沉淀速度逐渐提高，样品按大小先后沉淀 用差速离心法分离已破碎的细胞各组份用差速离心法分离已破碎的细胞各组份 u流式细胞术流式细胞术:是对单个细胞进行快速定量分析与是对单个细胞进行快速定量分析与分选的一门技术。在分析或分选过程中，包在鞘分选的一门技术。在分析或分选过程中，包在鞘液中的细胞通过高频振荡控制的喷嘴，形成包含液中的细胞通过高频振荡控制的喷嘴，形成包含单个细胞的液滴，在激光束的照射下，这些细胞单个细胞的液滴，在激光束的照射下，这些细胞发出散射光和荧光，经探测器检测，
26、转换为电信发出散射光和荧光，经探测器检测，转换为电信号，送入计算机处理，输出统计结果，并可根据号，送入计算机处理，输出统计结果，并可根据这些性质分选出高纯度的细胞亚群，分离纯度可这些性质分选出高纯度的细胞亚群，分离纯度可达达99%99%。包被细胞的液流称为鞘液，所用仪器称为。包被细胞的液流称为鞘液，所用仪器称为流式细胞计。流式细胞计。u细胞电泳细胞电泳:在一定在一定PHPH值下细胞表面带有净的正或值下细胞表面带有净的正或负电荷，能在外加电场的作用下发生泳动的现象负电荷，能在外加电场的作用下发生泳动的现象称为细胞电泳。引起细胞电泳的电位值称为称为细胞电泳。引起细胞电泳的电位值称为电电位。各种细胞
27、或处于不同生理状态的同种细胞电位。各种细胞或处于不同生理状态的同种细胞电荷量有所不同，故在一定的电场中的泳动速度不荷量有所不同，故在一定的电场中的泳动速度不同，因此可用来分离不同种类的细胞。在恒定的同，因此可用来分离不同种类的细胞。在恒定的电场条件下，同种细胞的电泳速度相当稳定，因电场条件下，同种细胞的电泳速度相当稳定，因而可通过测定电泳速度来推算出细胞的而可通过测定电泳速度来推算出细胞的电位。电位。电位常因细胞生理状态和病理状态而异，因此电位常因细胞生理状态和病理状态而异，因此在诊断疾病上有一定价值。在诊断疾病上有一定价值。四、细胞培养与细胞杂交四、细胞培养与细胞杂交 u细胞培养细胞培养 选
28、用最佳生存条件对活细胞进行培养和研究的技选用最佳生存条件对活细胞进行培养和研究的技术术。u细胞融合细胞融合通过培养和诱导，两个或多个细胞合并成一个双通过培养和诱导，两个或多个细胞合并成一个双核或多核细胞的过程称为细胞融合或细胞杂交核或多核细胞的过程称为细胞融合或细胞杂交。动物细胞培养动物细胞培养 群体培养（左）和克隆培养（右）群体培养（左）和克隆培养（右）植物细胞培养植物细胞培养 1 1、组织培养：诱发产生愈伤组织，如果条件适宜，可培养出再、组织培养：诱发产生愈伤组织，如果条件适宜，可培养出再生植株。生植株。2 2、悬浮细胞培养：适合于进行产业化大规模细胞培养，制取植、悬浮细胞培养：适合于进行
29、产业化大规模细胞培养，制取植物代谢产物。物代谢产物。3 3、原生质体培养：脱壁后的植物细胞称为原生质体。、原生质体培养：脱壁后的植物细胞称为原生质体。4 4、单倍体培养：通过花药或花粉培养可获得单倍体植株，经人、单倍体培养：通过花药或花粉培养可获得单倍体植株，经人为加倍后可得到完全纯合的个体。为加倍后可得到完全纯合的个体。正常淋巴细胞具有分泌抗体的能力，但不能在体外长期培养正常淋巴细胞具有分泌抗体的能力，但不能在体外长期培养，瘤细胞可以在体外长期培养，但不分泌抗体。于是英国人，瘤细胞可以在体外长期培养，但不分泌抗体。于是英国人KohlerKohler和和Milstein 1975Milstein 1975将两种细胞杂交而创立了单克隆抗体将两种细胞杂交而创立了单克隆抗体技术，获技术，获19841984年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。
