1、第一篇第一篇 细胞生物学概论细胞生物学概论第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 细胞的概念与分子基础细胞的概念与分子基础第三章第三章 细胞生物学的研究方法细胞生物学的研究方法第二篇第二篇 细胞的结构与功能细胞的结构与功能第四章第四章 细胞膜与物质的跨膜运输细胞膜与物质的跨膜运输第五章第五章 细胞的内膜系统与囊泡转运细胞的内膜系统与囊泡转运第一章第一章 绪论绪论1.细胞生物学的概念细胞生物学的概念2.细胞学说的内容细胞学说的内容3.细胞生物学在生命科学中的地位细胞生物学在生命科学中的地位4.细胞生物学与医学的关系细胞生物学与医学的关系5.涉及到的一些基本的概念涉及到的一些基本的概念医学细胞生物学医
2、学细胞生物学Location,structureMolecular componentsFunction AB细胞的生命活动及生命现象：细胞的生命活动及生命现象：细胞的结构与功能细胞的结构与功能Location,structureMolecular componentsFunction AB细胞的生命活动及生命现象：细胞的生命活动及生命现象：简单说包括生、老、病、死简单说包括生、老、病、死具体说包括细胞的分化、生长与分裂、细胞的运动、遗传与变异、细胞的具体说包括细胞的分化、生长与分裂、细胞的运动、遗传与变异、细胞的物质与能量代谢、细胞对外界刺激的应答、细胞的衰老与死亡。物质与能量代谢、细胞对外
3、界刺激的应答、细胞的衰老与死亡。细胞的结构与功能细胞的结构与功能第一节第一节 细胞生物学发展的历史细胞生物学发展的历史一一.细胞的发现与细胞学说的创立细胞的发现与细胞学说的创立最早的显微镜最早的显微镜 1590年年1665年年 英国人英国人Hook 1673-1677 荷兰人荷兰人Leeuwenhook，细菌，纤毛虫，人及其它哺乳动物精子，细菌，纤毛虫，人及其它哺乳动物精子，鲑鱼红细胞及核鲑鱼红细胞及核1827年年K.E.V Bear在蛙卵中看到了细胞核，在蛙卵中看到了细胞核，1831年，年，R Brown 在植物叶片在植物叶片中看到了细胞核中看到了细胞核1835-39 人们观察到了细胞内的胶
4、状液，称为原生质（人们观察到了细胞内的胶状液，称为原生质（protoplasm)1838年德国植物学家年德国植物学家M.J.Schleiden和德国动物学家和德国动物学家T.Schwann（1939年）年）提出了细胞学说（提出了细胞学说（Cell theory）。）。1855年德国的科学家年德国的科学家R.Virchow 补充了细胞学说，明确指出：一切细胞只能补充了细胞学说，明确指出：一切细胞只能来自已经存在的细胞。来自已经存在的细胞。细胞学说要点：细胞学说要点：1.2.二二.光学显微镜下的细胞学研究光学显微镜下的细胞学研究cytologyCytoplasm,karyoplasm 1841年，
5、年，R.Remak 观察到鸡胚血细胞的直接分裂观察到鸡胚血细胞的直接分裂1882年，年，W.Flemming 细胞的间接分裂，并提出细胞的间接分裂，并提出mitosis 及及amitosisE.Straburger 依染色体在有丝分裂中的行为，分依染色体在有丝分裂中的行为，分4期。期。1878年，年，K.Schneider 细胞分裂时染色体纵裂为二，并均匀分到子细胞，细胞分裂时染色体纵裂为二，并均匀分到子细胞，称此过程为核分裂（称此过程为核分裂（Karyokinesis）1880，T.Boveri 动物配子形成时，染色体减半，动物配子形成时，染色体减半，Straburger 在植物中也在植物中
6、也有类似发现有类似发现1905年，年，J.B.Farmer 及及J.E.More 提出提出meiosis.1890 Van Deneden 及及Boveri发现了中心体，随后发现了中心体，随后,线粒体及高尔基体也相继线粒体及高尔基体也相继被发现。被发现。三三.实验细胞学阶段实验细胞学阶段20世纪初，对细胞的生化代谢及生理功能进行研究世纪初，对细胞的生化代谢及生理功能进行研究1902年，年，Boveri 把染色体行为与把染色体行为与G.Mendel 的遗传因子联系起来。的遗传因子联系起来。W.Cannon认为遗传因子在染色体上。认为遗传因子在染色体上。1909年，年，W.Johannsen把遗传
7、因子命名为把遗传因子命名为gene.1910年，年，T.Morgan建立了基因学说，证明基因是遗传性状的基本单位建立了基因学说，证明基因是遗传性状的基本单位。由此，遗传与细胞学的结合形成了细胞遗传学。由此，遗传与细胞学的结合形成了细胞遗传学。1909年，年，R.Harrison建立了组织培养技术建立了组织培养技术1943年，年，A.Claude，建立了细胞的分级分离技术，建立了细胞的分级分离技术1921年，年，R.Feulgan 发现了发现了DNA染色的方法，染色的方法，1940年，年，J.Brachet 建立了建立了Unna染色技术，检测细胞中的染色技术，检测细胞中的RNA四四.亚显微水平观
8、察亚显微水平观察德国人德国人E.Ruska 研制出电子显微镜（研制出电子显微镜（electron microscope)，10，000X光学显微镜的极限是光学显微镜的极限是500倍。倍。内质网内质网核糖体核糖体溶酶体溶酶体线粒体线粒体高尔基体高尔基体20世纪世纪70s 超高压电镜的出现，又相继发现了细胞骨架及核骨架超高压电镜的出现，又相继发现了细胞骨架及核骨架20世纪世纪80s初期，扫描隧道显微镜和原子力显微镜的发明，是细胞的亚初期，扫描隧道显微镜和原子力显微镜的发明，是细胞的亚显微结构观察深入到超微（大分子）结构层次。显微结构观察深入到超微（大分子）结构层次。五五.生物化学、分子生物学的研究
9、进展与技术应用促进了细胞生物学生物化学、分子生物学的研究进展与技术应用促进了细胞生物学的形成与发展的形成与发展什么是分子生物学？什么是分子生物学？什么是生物化学什么是生物化学？DNARNAmRNA tRNA rRNAProteinWe can define Molecular Biology based on Central Dogma.DNARNAmRNA tRNA rRNAProteinReplication Transcription Translation Reversed transcription Summary of Molecular BiologyDNARNAmRNA tRN
10、A rRNAProtein.Summary of Molecular BiologyDNARNAmRNA tRNA rRNAProtein.DNA polymeraseReverse transcriptase Antibody2 Enzymes +1 bodyMolecular BiologySummary of Molecular BiologyDNARNAmRNA tRNA rRNAProteinDNA polymeraseReverse transcriptase AntibodyDNA to DNARNA to DNAE1E2DNA to DNARNA to DNAE1E2BodyD
11、NA to DNARNA to DNAE1E2BodyVectorDNA to DNARNA to DNAE1E2BodyVectorsiRNA由于生物化学，由于生物化学，分子生物学分子生物学等学科的交叉，促进了细胞生物学的发展等学科的交叉，促进了细胞生物学的发展1972年，年，Singer and Nicolson 提出了细胞膜的液体镶嵌模型（提出了细胞膜的液体镶嵌模型（fluid mosaic model)1975 年年Blobel提出信号肽假说。提出信号肽假说。1984年Smith鉴定出核蛋白靶向定位的信号肽1961年年Mitchell建立了线粒体化学渗透学说，建立了线粒体化学渗透学说，
12、1989年年Boyer 提出了提出了线粒体基粒的线粒体基粒的ATP酶复合物通过结合变构机制（酶复合物通过结合变构机制（binding-change mechanism）合成）合成ATP的模型的模型1977年，年，PA Sharp 与与R Roberts 发现真核细胞基因中内含子的存在发现真核细胞基因中内含子的存在1976年，年，S.Tonegawa 发现免疫球蛋白基因重排机制发现免疫球蛋白基因重排机制1986年，年，RO Hynes发现了整联蛋白（发现了整联蛋白（integrin），提供了人们对细胞连接的分子），提供了人们对细胞连接的分子认识，也揭示了细胞外基质与细胞骨架的联系认识，也揭示了细
13、胞外基质与细胞骨架的联系1986年，年，RO Hynes发现了整联蛋白（发现了整联蛋白（integrin），提供了人们对细胞连接的分子），提供了人们对细胞连接的分子认识，也揭示了细胞外基质与细胞骨架的联系认识，也揭示了细胞外基质与细胞骨架的联系1980年，年，T Hunter和和B M Sefton 发现发现Src蛋白的络氨酸激酶活性及其与细胞增蛋白的络氨酸激酶活性及其与细胞增殖的关系，使人们认识到酶活性在细胞信号转导中的作用殖的关系，使人们认识到酶活性在细胞信号转导中的作用在细胞周期研究中，人们发现了在细胞周期研究中，人们发现了MPF（1970，RT Johnson，PN Rao)及及细胞周
14、期素（细胞周期素（cyclin）(1983年年T Evans）原癌基因（原癌基因（proto-oncogene）的发现，揭示了人类肿瘤发生的一些规律，）的发现，揭示了人类肿瘤发生的一些规律，同时也丰富了人们对细胞周期的认识。同时也丰富了人们对细胞周期的认识。20世纪世纪60s Gurdon 进行了非洲爪蟾的核移植实验进行了非洲爪蟾的核移植实验1996年英国 I Wilmut 成功克隆出Dolly羊在衰老的研究方面人们提出了细胞衰老的在衰老的研究方面人们提出了细胞衰老的 端粒钟端粒钟学说学说（telomere clock)染色体端粒缩短能引起细胞衰老染色体端粒缩短能引起细胞衰老“有丝分裂钟有丝分
15、裂钟”学说学说有关细胞凋亡的发现及途径的发现有关细胞凋亡的发现及途径的发现线虫生物学的开拓者：线虫生物学的开拓者：Sydney Brenner（1927）线虫生物学的先线虫生物学的先驱：驱：John Sulston（1942）线虫凋亡之父：线虫凋亡之父：Robert Horvitz（1947）PRIZED Horvitz,and Sulston share Physiology or Medicine Nobel（2002）“for their discoveries concerning genetic regulation of organ development and programm
16、ed cell death”Life cycle of C.elegans(秀纤虫）秀纤虫）C elegansCAD(Caspase-activated Dnase,an endonuclease).（2）线粒体途径）线粒体途径线粒体途径发现的背景线粒体途径发现的背景发现此途径最大的贡献者发现此途径最大的贡献者 王晓东王晓东1991-95，博士后，在美国德州大学西南医学中心，从师于 JosephL.Goldstein和Michael S.Brown，Nobel Price获得者，从事胆固醇调节基因的表达调控的研究。1993，王和他的同事利用gel shift assay跟踪纯化，从Hela细胞
17、核中分离出与低密度脂蛋白promoter的调控序列相结合的蛋白SREBP1,2.后来，他研究了后来，他研究了caspase3与细胞核与细胞核DNA被剪切的分子机制。被剪切的分子机制。再后来，他研究了再后来，他研究了cytC释放的机制，发现释放的机制，发现bcl2可抑制可抑制cytC出线粒体出线粒体从而抑制细胞凋亡。从而抑制细胞凋亡。他还发现，活性的他还发现，活性的caspase8促进促进cytC从线粒体释放，其机理是从线粒体释放，其机理是caspase8剪切剪切tbid,tbid的的C端片段从细胞质转位到线粒体，引起端片段从细胞质转位到线粒体，引起cytC的释放。的释放。Bcl2 可以与可以与
18、tbid结合并拮抗它诱导的结合并拮抗它诱导的cytC的释放。的释放。细胞程序化死亡（细胞程序化死亡（programmed cell death）的基因及途径的发现）的基因及途径的发现第二节第二节 细胞生物学的概念与研究内容及其在生命科学中的地位细胞生物学的概念与研究内容及其在生命科学中的地位细胞生物学的概念：细胞生物学的概念：显微显微亚显微亚显微分子分子研究细胞的结构与功能及生命活动的学科研究细胞的结构与功能及生命活动的学科生命现象：生命现象：一一.？第二节第二节 细胞生物学的概念与研究内容及其在生命科学中的地位细胞生物学的概念与研究内容及其在生命科学中的地位细胞生物学的概念：细胞生物学的概念
19、：显微显微亚显微亚显微分子分子研究细胞的结构与功能及生命活动的学科研究细胞的结构与功能及生命活动的学科生命现象：生物体的生长、发育、分化、繁殖、运动、遗传、变异、衰老与死亡生命现象：生物体的生长、发育、分化、繁殖、运动、遗传、变异、衰老与死亡一一.二二.细胞生物学在生命科学中的地位细胞生物学在生命科学中的地位细胞生物学既是生命科学的基础学科，也是现代生命科学中的前沿学科。细胞生物学既是生命科学的基础学科，也是现代生命科学中的前沿学科。生物化学生物化学免疫学免疫学生理学生理学发育生物学发育生物学病理学病理学组织学组织学第三节第三节 细胞生物学与医学细胞生物学与医学一一.细胞生物学与医学的关系细胞
20、生物学与医学的关系细胞生物学是现代医学的基础和支柱科学。细胞生物学是现代医学的基础和支柱科学。二二.细胞生物学的某些主要研究领域与医学意义细胞生物学的某些主要研究领域与医学意义（一）细胞的信号转导（一）细胞的信号转导General roles of signal transduction(1).Human behaviors and neurotransmitters Sensing signal outside the cell and responseIntegrate all the signaling from brain or endocrinesystem,keep a balan
21、ce and keep cells vitality.(2)The molecular basis for sensory systemsSensory system:odor,taste,light,sound,pressureSensory process:Reception transduction transmission perception The generality and diversity of the sensory signaling pathwayThe visual systemVisual pigment is rhodopsin=visual protein+1
22、1-cis-RetinalLys296-NH2Schiff baseRod cellsCone cellsBlue receptorGreen receptorRed receptor426nm530nm500nmMaximum wave lengthGreen receptor:Ala180 Phe 277 Ala285Red receptor:Ser180 Tyr 277 Thr 285Green and red receptors are closely linked in X cs.,intron,non coding regionand conding region has 98%s
23、imilar sequence.Homologous recombination will possibly happen.Green red blindGreen red weaknessThe taste systemSweet,salty,umami,bitter,sour.G-protein coupled receptor Na+H+The olfactory systemOdour receptors are also belong to G-protein-coupled receptorsThe auditory system(2)Immunity response(3)Hor
24、mone regulation and balance maintaining（二）细胞分化与干细胞研究（二）细胞分化与干细胞研究pluripotent stem cellpluripotent stem cell（三）细胞增殖与细胞周期调控（三）细胞增殖与细胞周期调控（四）细胞衰老与细胞死亡（四）细胞衰老与细胞死亡1.细胞的衰老DNA：复制与转录受阻，端粒复制与转录受阻，端粒DNA、mtDNA丢失。丢失。DNA氧化、断裂、缺失和交联，氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。甲基化程度降低。RNA：mRNA含量和与核糖体结合力降低。含量和与核糖体结合力降低。蛋白质：蛋白质：含成速度下降，发生修
25、饰、交联、含成速度下降，发生修饰、交联、稳定性下降、功能降低。稳定性下降、功能降低。酶分子：酶分子：活性中心被氧化，金属离子丢失，活性中心被氧化，金属离子丢失，酶分子的二级结构，溶解度，等电点发生改变，酶分子的二级结构，溶解度，等电点发生改变，酶失活。酶失活。脂类：脂类：不饱和脂肪酸被氧化。不饱和脂肪酸被氧化。2.细胞死亡细胞死亡细胞死亡是指细胞生命结束的现象。包括细胞坏死与细胞凋亡。细胞死亡是指细胞生命结束的现象。包括细胞坏死与细胞凋亡。细胞坏死是指在外来致病因子的作用下，细胞生命活动被强行细胞坏死是指在外来致病因子的作用下，细胞生命活动被强行终止所致的病理性、被动性的死亡过程。终止所致的病
26、理性、被动性的死亡过程。细胞凋亡是指在特定信号诱导下，细胞内的死亡级联反应被触细胞凋亡是指在特定信号诱导下，细胞内的死亡级联反应被触发所致的生理或病理性、主动性的死亡过程。发所致的生理或病理性、主动性的死亡过程。细胞死亡的原因细胞死亡的原因外界原因外界原因内在因素内在因素剧烈，引起细胞坏死剧烈，引起细胞坏死（necrosis)相对不剧烈相对不剧烈细胞凋亡细胞凋亡Contrast of Apoptosis and necrosisApoptosisNecrosisDeath by apoptosis is a neat,orderly process（五）细胞的基因组学、蛋白质组学（五）细胞的基因组学、蛋白质组学基因组：指细胞或生物体的一套完整的单倍体遗传物质，即基因组：指细胞或生物体的一套完整的单倍体遗传物质，即DNA总和。总和。表观遗传：表观遗传：DNA 的修饰及组蛋白的修饰可改变基因的表达程度的修饰及组蛋白的修饰可改变基因的表达程度蛋白组学：指一个细胞，一个组织或生物个体的基因组所表达的全部蛋白。蛋白组学：指一个细胞，一个组织或生物个体的基因组所表达的全部蛋白。DNA 的修饰，如甲基化组蛋白的修饰，如不同的甲基化，乙酰化，泛素化
