第一章-细胞生物学绪论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,黄冈师范学院 生物工程教研室 杨谷良,2015,年,2,月,Please be quiet,上课了！,本门课程基本要求,认真听讲，积极思考。遵守课堂纪律，不迟到不早退。,按班级分班坐成两排。,按时完成作业：在布置完作业后三天内由学习委员交到弧形楼310。,利用课外时间，自学课外内容。,第一章绪 论,Chapter Introduction,Miller,证明地球上的有机分子自动合成的装置,模拟早期的地球生态环境条件，,在实验条件下，得到的产物中有,大量的有机物,包括尿素、生物和非生物的氨基酸。也就是说在进化的某一过程中地球上有了构成细胞生命物质的基本元件,:,氨基酸,、,碱基,、,单糖,等,为细胞的起源作好了,物质准备,。,3,Miller,证明地球上的有机分子自动合成的装置,4,1.,细胞生物学研究的内容与现状,所有的生物都是由细胞,(cell),构成的。,研究细胞及其生物学功能的科学称为,细胞生物学,(cell biology),。,5,细胞生物学：,研究和揭示细胞基本生命活动规律的科学，它从,显微、亚显微与分子水平,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、细胞起源与进化等重大生命过程。,6,生命的层次,细胞,cell,是生命体的结构与生命活动的,基本单位,。所谓生命实质上即是细胞属性的体现。,7,生命能够对外界刺激作出反应。细胞能够独立生存并与外界有物质和信息交换。是生物体结构与功能的基本单位。,细胞生物学在现代生物学中的地位,细胞生物学,是现代生物学的基础学科，是生物学各学科在细胞水平的统一。,我国基础科学发展规划中，把,细胞生物学、分子生物学、神经生物学、生态学,并列为生命科学的四大基础学科。,8,Cell Biology&Molecular Biology,分子生物学的进步推动着细胞生物学向着更深层次发展，,Cell and Melecular Biology,，人们不断从,分子水平,上去揭示生命活动现象的本质。,需要指出的是，虽然许多生命现象可以用分子的结构属性来解释，但是生物体最基本的结构单位是细胞，细胞是作为一个,整体,而存在，,分子对于细胞来说总归是从属关系,。大分子所表现出的一些属性只有在细胞这个体系里才具有生命的意义。,相关思考,：有人试图用某物种（如恐龙）的总,DNA,来恢复物种的存在，你认为可行吗？,Why?,9,基本问题,1.,细胞内的基因组如何在,时间,与,空间,上有序表达。,2.,基因表达的产物（主要是结构蛋白）是如何逐级,装配,成能行使生命活动的基本结果体系及各种细胞器的？,3.,基因表达的产物（主要是活性因子与信号分子）是如何,调节,细胞最重要的生命活动过程的？,14,美国科学情报研究所（ISI）1997年SCI（Science Citation Index）收录及引用论文检索，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：,细胞信号转导（,signal transduction,）；,细胞凋亡（,cell apoptosis,）；,基因组与后基因组学研究,（,genome and post-genomic analysis,）。,16,目前研究最热门的三大疾病：癌症、艾滋病、心脑血管和肝炎等传染性疾病。,2,细胞生物学研究的主要研究内容,细胞结构功能,与,细胞重要生命活动,当前，细胞生物学的研究内容主要包括以下诸方面：,10,1.2.1,生物膜与细胞器的研究,生物膜的结构及物质基础的跨膜转动,1.2.3,细胞骨架体系的研究,细胞质骨架、细胞核骨架的结构与功能,1.2.4,细胞增殖及其调控,细胞增殖与分化的调控机制,11,1.2.2,细胞信号转导,细胞对信号的识别与跨膜转导,1.2.5,细胞增殖及其调控,与多细胞生物体的生长与发育相关。,1.2.6,细胞分化及干细胞生物学,基因如何受复杂信号调控,1.2.10,细胞的起源与进化,35-38,亿年前形成原始生物后，如何在以后的时间内形成了如此复杂的生物。,1.2.9,细胞工程,跨越种的基因转移成为可能,。,12,1.2.7,细胞死亡,细胞凋亡与坏死,1.2.8,细胞衰老,端粒学说与氧化损伤学说,2细胞学与细胞生物学发展简史,从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段：,（,1,）细胞的发现及细胞学说的创立，从,1665,年,1874,年；,（,2,）细胞学的经典时期，从,1875,1900,年；,（,3,）实验细胞学时期，从,1900,年到,1953,年的半个世纪；,（,4,）细胞生物学的诞生。,17,2.1.1,显微镜的发明与细胞的发现,1590年 荷兰眼镜制造商J.Janssen和Z.Janssen父子制作了第一台复式显微镜。,2.1,细胞的发现及细胞学说的创立,1665,年，英国的物理学家,胡克,用自己设计并制造的显微镜观察栎树软木塞切片时发现其中有许多小室，状如蜂窝，称为,cella,，这是人类第一次发现细胞，不过，胡克发现的只是,死的细胞壁,。胡克的发现对细胞学的建立和发展具有开创性的意义，其后，生物学家就用,cell,一词来描述生物体的基本结构。,18,图,1.2,Robert Hook,和他的显微镜,Robert Hook,和他的显微镜,19,2.1.1,显微镜的发明与细胞的发现,2.1,细胞的发现及细胞学说的创立,1674,年，荷兰布商,列文虎克,(Anton van Leeuwenhoek),为了检查布的质量，亲自磨制透镜，装配了高倍显微镜,(300X,左右,),，并观察到了血细胞、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,。列文虎克把他的观察结果写信报告给了英国皇家学会，得到英国皇家学会的充分肯定，并很快成为世界知名人士。成为皇家学会会员，一生中制作了,200,多台显微镜和,500,多个镜头。,20,A.van Leeuwenhoek,的显微镜,图,1.3 A.van Leeuwenhoek,的显微镜,21,列文虎克设计的显微镜，是当时最小，但是放大倍数量大的。,1838,年，,德国植物学家,施来登,(Mathias,Schleiden,),提出,:,尽管植物的不同组织在结构上有着很大的差异，但是植物是由细胞构成的，植物的胚是由单个细胞产生的,。,1839,年，,德国动物学家,施旺,(Theodor Schwann),提出了细胞学说的两条最重要的基本原理,地球上的生物都是由细胞构成的,;,所有的生活细胞在结构上都是类似的,。,2.1.1,显微镜的发明与细胞的发现,2.1,细胞的发现及细胞学说的创立,2.1.2,细胞学说的创立及其意义,22,此细胞学说的创立被认为归功于,Schleiden,和,Sehwann,两个人，而且年份也被定到,1839,年。,Schwann,提出：,1),有机体是由细胞构成的；,2),细胞是构成有机体的基本单位,。,1855,年，德国医生和病理学家,魏尔肖,(Rudolf Virchow),补充了细胞学说的第三条原理,:,所有的细胞都是来自于已有细胞的分裂,，即细胞来自于细胞，进一步完善了细胞学说。,23,2.2,细胞学的经典时期,2.2.1,原生质理论的提出,1840,年,Pukinje,在动物、,1846,年,Von Mohl,在植物中分别看到了,“,肉样质,”,的物质，并将其命名为,“,原生质,”,protoplasm,。,1861,年,S,chultze,认为动植物细胞中的原生质具有同样的意义，并提出了,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,Hanstain,提出,“,原生质体,”,（,protoplast,）概念，把细胞概念演变成由细胞膜包围着的原生质，原生质分化为细胞核和细胞质。,24,2.2.2,细胞受精和分裂的研究,1876,德国人,O.Hertwig,发现海胆的受精现象。,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(,有丝分裂,),这一术语。后来德国人,E.Strasburger(187680),在植物细胞中发现有丝分裂，认为,有丝分裂的实质,是核内丝状物（染色体,),的形成及其向两个子细胞的平均分配，动植物的受精实质上是父本和母本配子核的融合，并于,1984,提出了,Prophase(,分裂前期,),和,Metaphase(,分裂中期,),的概念。,1883,年,Van Beneden,在动物、,1886,年,Strasburger,在植物分别发现了,减数分裂,现象。,25,2.2.3,重要细胞器的发现,1883,年,Van Beneden,和,Boveri,在动物细胞中发现了,中心体,；,1888,年,Waldeyer,提出,染色体,概念；,1898,年,Golgi,发现了,高尔基体,；同年，线,粒体,也被正式命名。,26,2.3,实验细胞学时期,从,1900,年到,1953,年的半个世纪里，细胞学的发展主要是采用实验的手段研究细胞学的问题，将这一时期称为,实验细胞学,（,experimental cytology,）时期，其特点是从形态结构的观察深入到生理功能、生物化学、遗传发育机制的研究。,27,2.3,实验细胞学时期,2.3.1,细胞遗传学,cytogenetics,遗传学和细胞学结合建立了,细胞遗传学,，主要是从细胞学的角度，特别是从染色体的结构和功能以及染色体和其他细胞器的关系来研究遗传现象，阐明遗传和变异的机制。,28,2.3,实验细胞学时期,2.3.1,细胞遗传学,Cytogenetics,2.3.2,细胞生理学,Cytophysiology,细胞学同生理学结合建立了,细胞生理学,，主要研究内容包括细胞从周围环境中摄取营养的能力、代谢功能、能量的获取、生长、发育与繁殖机制以及细胞受环境的影响而产生适应性和运动性的活动。细胞的离体培养技术对细胞生理学的研究具有巨大贡献。,29,2.3,实验细胞学时期,2.3.1,细胞遗传学,Cytogenetics,2.3.2,细胞生理学,Cytophysiology,2.3.3,细胞化学,Cytochemistry,细胞学和化学的结合产生了,细胞化学,，主要是研究细胞结构的化学组成及化学分子的定位、分布及其生理功能。,30,2.4,细胞生物学的诞生与发展,1953,年,Watson,和,Crick,提出,DNA,双螺旋结构模型,，标志着分子生物学（,Molecular Biology,）的诞生。到底是何时产生了细胞生物学，没有肯定的答案，一般的看法是,1965,年，,Derobetis,将其编著的,普通细胞学,改为,细胞生物学,，标志着细胞生物学的诞生。,20,世纪,80,年代开始出现的,分子细胞生物学（,Molecular Cell Biology,）,，是细胞生物学的主要发展方向。,31,3 细胞的基本功能和特性,3.1.1,细胞的基本功能,无论何种来源的细胞，都具有基本相似的功能。,细胞能够进行自我增殖和遗传,细胞都能进行新陈代谢,细胞都具有运动性,32,3.1.2,细胞结构上的相似性,不同类型的细胞不仅具有功能上的相似性，而且还具有结构上的相似性。,细胞都具有选择透性的膜结构,细胞都具有遗传物质和遗传体系,细胞都具有核糖体,33,3.1.3,细胞的形态,细胞具有,多种多样的形态,，,有球形、杆状、星形、多角形、梭形、圆柱形等。,34,3.1.4,细胞及细胞器的计量单位,微米,(,m),纳米,(nm),埃,(angstrom,，,),42,四 我国细胞生物学的发展战略,细胞生物学研究的范畴,43,1）细胞的结构与机能,研究内容包括细胞膜、内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体、线粒体等细胞结构和功能的研究,侧重于信号的跨膜转导、蛋白质通道和穿膜机制、大分子的修饰、分选、定向运输、内吞、外吐的机理、核孔复合物如何调节核-质之间的运输等。,44,2）染色体的结构及其基因表达调控,研究内容包括人类及水稻基因组计划,这对优良品种的选育、基因工程、人类遗传病的基因诊断及治疗有重要意义。染色体蛋白质与染色体骨架、染色体结构与基因表达调控之间的关系。染色体的构建及其高级结构。染色体步移复制、染色体的特化区域（如动粒、端粒、着丝粒、核仁组织者区等）的结构与功能。,45,3)细胞骨架及核骨架系统,细胞骨架的研究内容包括:微管、微管结合蛋白及马达分子的机能；微丝、微丝结合蛋白及其与信号传递、物质传送、蛋白质合成的关系；中间纤维的结构、功能及其与细胞分化及进化的关系；细胞核骨架侧重研究核基质与核纤层、MAR与核骨架结合蛋白的机能；染色体骨架与染色体包装和功能的关系等。,46,4)胞外基质,研究作为细胞外基质支架的胶原与弹性蛋白及其与某些胶原性疾病和衰老间的关系。非胶原糖蛋白在细胞增殖、分化、癌转移等方面的作用。氨基聚糖和蛋白聚糖是膜的整合成份与辅助受体,它们与心血管病及老年病的关系。细胞外基质受体的活化与信号识别、信号转导的关系等.,47,5)细胞周期调控,这是近年来发展迅速的领域之一,包括对已克隆的周期蛋白依赖性蛋白激酶及周期蛋白的功能研究、克隆这两个基因家族新成员并确定其功能、研究其调节网络,包括对癌基因、抑癌基因及CKI的研究与细胞衰老、凋亡和癌变的关系，以及泛素、PKC、PKA、Ca,2+,、MAPK与细胞周期调控的关系等。,48,6)细胞分化、衰老、死亡及相关基因的研究,研究的重点是分离细胞分化的关键基因；研究分化与癌变的关系；p53与细胞增殖、分化、癌变、逆转的关系；同源异型基因的研究；分化中基因群的相互作用；细胞衰老与原癌基因、抑癌基因及衰老相关基因；端粒与衰老的关系等。,49,7)细胞信号转导,细胞与细胞之间的信息传递机制是相当复杂的,细胞因子、激素与受体以及细胞内第二信使共同组成传递信息的网络,并依此对细胞周围环境发生应答。这实际上是一种细胞调节,如果这种调节失常,就会造成疾病。研究重点是信号分子的结构与机能、信号分子与受体相互作用机理、受体与原初反应。,50,8)细胞社会学(cell sociology),细胞社会学是从系统论的观点出发，研究细胞整体和细胞群体中细胞间的社会行为(包括细胞间识别、通讯、集合和相互作用等)，以及整体和细胞群对细胞的生长、分化和死亡等活动的调节控制。胚胎发育中的许多问题（如图式形成、胚层分化、形态发生运动、组织分化、器官形成和再生等）都需要从细胞群的特性和社会行为方面进行研究。细胞社会学就是在体外研究细胞的社会行为，用人工的细胞组合研究不同发育时期的相同细胞或不同细胞的行为;研究细胞之间的识别、粘连、通讯以及由此产生的相互作用、作用本质、以及对形态发生的影响等。,51,9)细胞结构体系的组装及细胞工程,主要研究生物大分子如何逐级组装并最终形成赖以进行生命活动的细胞结构体系。细胞是一个高度有组织有秩序而又瞬息万变的体系,应用分析与综合的思维方法,人为拆卸、组装不同层次的细胞结构,研究其机能，将为细胞生物学的发展起到巨大的推动作用。,52,10)生殖有关的细胞生物学问题,生殖是生物世代交替的中心环节。生殖生物学对促进生物的繁殖、野生濒危动、植物的挽救和控制人口膨胀及优生优育方面均有重要意义。优先发展领域侧重于精子发生过程中与增殖、分化、变态有关的基因表达、基因克隆及其功能的研究。精子顶体反应的分子机理、精卵一级识别和二级识别的体外受精机理。胚胎植入启动分子机理及其信号转导。细胞粘附、迁移和侵入与着床进程中粘附因子、细胞外基质(ECM)和金属蛋白酶之间的相互作用等。,53,11)肿瘤的细胞生物学,癌是一种分子病,是通过体外物理、化学、生物因素的影响及机体本身遗传基础,原癌基因的激活、过表达,抑癌基因的缺失、突变及调控异常等多种因素所诱发的。肿瘤细胞生物学的研究应集中于以下领域:肿瘤细胞结构、显微及亚显微结构水平及分子水平的癌的早期诊断。细胞周期因子的调节失控、细胞凋亡的失控、信号转导系统的障碍、肿瘤细胞的侵袭和转移的机理、肿瘤细胞标志的确定、基因治疗、肿瘤病因及癌变机理的研究。,54,12)进化细胞生物学,进化细胞生物学是介于进化生物学、细胞生物学、分子生物学、原生生物学与物种生物学之间的一门新兴交叉学科。在弄清真核细胞的起源与进化的基础上从进化的角度考察细胞生物学中一切重要的问题,侧重于从进化细胞生物学的角度进一步探讨结构与生命活动的进化关系,还包括新的有代表性生物的发现与研究,有关基因序列测定和比较研究等。,55,13)植物细胞工程(cell engineering),植物细胞工程是植物生物技术的重要组成部分。在资源缺乏的新世纪中将发挥极为重要的作用,如对作物遗传性的改良、植物细胞体外培养生产贵重的代谢产物等。同时应对一些重要的基础问题应进行深入的研究,如分化过程中特异基因时空协同表达调控。克隆有关的重要基因并研究其表达及植物细胞工程关键高新技术问题。,56,Reference:,Gerald Karp.Cell and Molecular Biology:Concepts and Experiments 3rd.Wiley&Sons,2002,韩贻仁.分子细胞生物学.科学出版社.2001年03月,翟中和.细胞生物学.高等教育出版社.1995年1月,翟中和.细胞生物学.高等教育出版社.2000年8月,汪堃仁.细胞生物学（第二版).北京师范大学出版社.1998年11月,王金发.细胞生物学.科学出版社.2003年8月,辛华.细胞生物学实验.科学出版社.2001年02月,杨汉民.细胞生物学实验（第二版).高等教育出版社.1997年07月,Thats all for this chapter,thanks!,