细胞生物学基本知识课件

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,*,细胞生物学,Cell Biology,韩晓云,Contact methods:,E-mail:,Mobile.:,Office: S409 open policy,第一章 绪 论,细胞生物学研究任务与内容,细胞生物学的发展历史,发展与展望,细胞在生物中的位置？什么是细胞生物学？细胞生物学的相关课程体系？,细胞生物学的相关课程体系,一切生物学问题的答案最终都要到细胞中去寻找 如生理学、解剖学、遗传学、免疫学、胚胎学、组织学、发育生物学、生物化学、分子生物学,什么是细胞生物学？,细胞,：是生物体结构、功能和生命活动的基本单位。,细胞学,（cytology）基于细胞学说建立起来的。,细胞生物学,（cell biology, cytobiology）是研究细胞基本生命活动规律的科学，它在不同层次（显微、亚显微与分子水平）上研究细胞的结构与功能、发育与调控，以及细胞间关系和在整个生命体中的作用。,分子细胞生物学,（molecular cell biology)：研究细胞的生命活动同亚细胞成分的分子机构变化（蛋白质）联系起来，如：细胞中的遗传信息的表达、代谢的调控、信号传递等问题。,经历了四个主要发展阶段：,1）1665-1830s，细胞发现，显微生物学。,2）1830s-1930s，细胞学说，Cytology诞生。,3）1930s-1970s，电镜技术应用， Cytology发展为细胞生物学。,4）1970s以来，分子细胞生物学时代。,信息细胞生物学（ informational cell biology),细胞生物学的发展过程,细胞生物学的研究内容分三个层次：,1）显微水平，光学显微镜下可见的结构。,2）超微水平，电子显微镜下可见的结构。,3）分子水平，细胞结构的分子组成，及其在生命活动中的作用。,4）信息（信号转导）,1.细胞的发现,1665年，英国人,Robert Hook,用自己设计与制造的显微镜（放大倍数为40-140倍）第一次描述了植物细胞的构造，并用拉丁文,cella,来称呼他所看到的类似蜂巢的极小的封闭状小室,Robert Hooke and his “cells”,Robert Hookes microscope,Micrographia,1665年英国人Robert Hooke出版显微图谱,细胞的发现,1680年，荷兰人,van Leeuwenhoek,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。,他是第一个看到活细胞的人,，观察过原生动物、人类精子、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌等等,之后的160多年里，对细胞的研究没有实质进展。,2.细胞学说 Cytology,有机体是由细胞构成的；,细胞是构成有机体的基本单位；,新细胞来源于已存在细胞的分裂。,Matthias Jacob Schleiden,*（18041881)，德国植物学教授，1838 年发表“植物发生论” ，认为无论怎样复杂的植物都由形形色色的细胞构成,Matthias Schleiden,Theodor Schwann,（18101882)，德国解剖学教授，一开始就研究Schleiden的细胞形成学说并完全接受，又应用到动物中去，于1838年提出了“,细胞学说,”（Cell Theory)这个术语；1939年发表“,关于动植物结构和生长一致性的显微研究,”,Theodor Schwann,1855年， 德国人,R. Virchow,提出“一切细胞来源于细胞” 的著名论断；进一步完善了细胞学说,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,R. Virchow,Pasteur vs. the Spontaneous Generation of Life,1839年， 捷克人,J. E. Pukinye,用,protoplasm,这一术语描述细胞物质，“Protoplast”为神学用语，指人类始祖亚当,1841年，波兰人,R. Remak,发现鸡胚血细胞的直接分裂（无丝分裂）,1848年，德国人,W. Hofmeister,描绘了鸭跖草的花粉母细胞，明确的体现出染色体，但他没有认识到重要性。40年后德国人,H. von Waldeyer,因这一结构可被碱性染料着色而定名为,Chromosome,1864年，德国人,Max Schultze,观察了植物的胞间连丝,1865年，德国人,J. von Suchs,发现叶绿体,1866年，奥地利人,G. Mendel,发表对豌豆的杂交试验结果，提出遗传的分离规律和自由组合规律,1868年，英国人,T. H. Huxley,在爱丁堡作题为“生命的物质基础” 的演讲报告时，首次把原生质的概念介绍给了英国公众,1871年，德国人,F. Miescher,从脓细胞分离出核酸,1876年，德国人,O. Hertwig,发现海胆的受精现象,1879年，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,1882年，德国人,E. Strasburger,提出细胞质（cytoplasm）和核质（nucleoplasm）的概念,1883年，比利时人,E. van Beneden,证明马蛔虫配子的染色体数目是体细胞的一半，并且在受精过程中卵子和精子贡献给合子的染色体数目相等,1883年，比利时人,E. van Beneden,和德国人,T. Boveri,发现中心体,1884 德国人,O. Hertwig,和,E. Strasburger,提出细胞核控制遗传的论断,1886年，德国人,A. Weismann,提出种质论,1890年，德国人,Richard Altmann,描述了线粒体的染色方法，并推测线粒体与能量代谢有关,1892年，德国人,T. Boveri,和,O. Hertwig,研究了减数分裂的本质，并描述了染色体联会现象,1898年，意大利人,C. Golgi,发现高尔基体(银染法),1900年，孟德尔的遗传法则被重新发现(34年后),1908年，美国人,T. H. Morgan,以果蝇为材料开始著名的遗传学实验，1910年提出染色体理论，1919年发表“遗传的本质”(Physical Basis of Heredity)，1926年发表“基因学说”(The Theory of the Gene),3.细胞超微结构研究,1932年德国人E. Ruska和M. Knoll发明透射电镜，人类视野进入,超微领域,。,1939年Siemens公司生产商品电镜（分辨力为,0.2nm,）,。,1940-50s用电镜观察了各类细胞超微结构。,Cytology发展为Cell Biology。,1940年德国人Gustav Adolf Kausche和 Helmut Ruska 发表了世界第一张,叶绿体,的电镜照片。,1941年美国人George W. Beadle 和 Edward L. Tatum提出一个基因一个酶的概念。,1942年Salvador Edward Luria和Thomas Foxen Anderson利用电镜观察了,噬菌体,的形态和特征。,1945年Keith Porter，Ernest Fullam and Albert Claude发现小鼠成纤维细胞中的,内质网,。,1947年Sam Granick 和Keith Roberts Porter得到清晰的,叶绿体,电镜照片。,1949年加拿大人M. Bar发现巴氏小体。,1950年Callan HG和Tomlin SG观察了,核膜,的超微结构。,1954年Dalton AJ和Felix MD观察了,高尔基体,的超微结构。,1955年比利时人Christian de Duve发现,溶酶体,和,过氧化物酶体,。,1944年，美国人,O. Avery,，C. Macleod 和 M. McCarthy 等人通过微生物转化试验证明DNA是遗传物质,1953年，美国人 J. D. Watson 和英国人 F. H. C. Crick 提出,DNA 双螺旋模型,1955年，美国人Vincent Du Vigneaud因,人工合成多肽,而获诺贝尔奖,4.分子细胞生物学时代,1961年，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,19611964年，美国人,Nirenberg,和,Khorana,破译DNA遗传密码，1968年共获诺贝尔奖,1968年，瑞士人,Werner Arber,从细菌中发现DNA限制性内切酶,Khorana(左) 和 Nirenberg(右),1970 年，美国人,D. Baltimore,、R. Dulbecco 和 H. Temin 由于发现逆转录酶而共享诺贝尔奖,1973年，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，从而揭开基因工程的序幕,1975年，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,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HIV，我国于1985年发现,1983年，美国人,K. B. Mullis,发明PCR仪，于1993年获诺贝尔化学奖。1988年美国Cetus 公司获PCR技术专利，1990年其诊断试剂盒和仪器的销售额达2600 万美元,1990年，美国国会正式批准“,人类基因组计划,”，我国于1993年加入该计划，承担1%的任务。2000年6月28日人类基因组工作草图完成,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,1997年，绵羊“,多利,”在英国的卢斯林研究所诞生，成为世纪末的重大新闻,1998年，美国人,T. Wakayama,和 R. Yanagimachi成功地用冻干精子繁殖出小鼠,2000年， 世界首例,克隆猪,在苏格兰诞生,细胞生物学的发展,2001年，美国人 Leland Hartwell、英国人Paul Nurse、Timothy Hunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖,细胞生物学的发展,2002年，英国人 Sydney Brenner、美国人H. Robert Horvitz 和英国人John E. Sulston，因器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的成就获诺贝尔奖,细胞生物学的发展,2003年，美国科学家Peter Agre和Roderick MacKinnon，分别因对细胞膜水通道、离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖,细胞生物学研究特点和趋势,细胞结构功能 细胞生命活动,细胞信号转到途径 信号调控网络,体外研究 （in vitro) 体内研究（in vivo),静态研究 活细胞的动态研究,实验室研究为主 计算生物学结合,与其他学科的渗透交叉,当前的热点主要有“膜生物学”、“信号转导”、“细胞周期调控”、“细胞凋亡”、“细胞分化”、“肿瘤生物学”、“干细胞”等。,细胞生物学的研究热点,本课程学习内容,绪论,细胞基本知识概要,细胞生物学的研究方法,细胞膜与细胞表面,物质的跨膜运输与信号传递,细胞质机制与细胞内膜系统,细胞的能量转换叶绿体和线粒体,细胞骨架,细胞增殖,细胞衰老与调亡,免费的数据库，提供918种期刊的全文。包括著名的JCB、PNAS、JBC等,细胞生物学专业优秀期刊，提供1955年以来的全文。,生物化学方面的优秀期刊，提供1905年以来的全文。,美国科学院学报，提供1915年以来的全文，一些经典细胞生物学论文发表于该刊。,Pubmed，大名鼎鼎的免费数据库，属于美国国立医学图书馆，可查阅生物医学领域的文摘。,细胞生物学（第三版）,翟中和等编 高等教育出版社,2007,年,8,月出版。,细胞生物学 王金发 科学出版社,2003,年,08,月,分子细胞生物学（第三版） 韩贻仁 高等教育出版社,2007,年,1,月出版,Molecular Biology of the Cell 4,th,Edition, Bruce,Alberts,et al., 2002,Cell and Molecular Biology 3,rd,Gerald Karp, 2002,附录：细胞生物学参考书：,我校具有以下数据库，初步能够满足学习需要。,中国期刊网,万方数据资源系统,国家科技图书文献中心（NSTL）,EBSCOhost外文全文数据库,Elsevier外文电子期刊,Springer外文电子期刊,第三节 对未来的展望,目前药品中有15%基于生物技术，这一数字据估计到2010年会增加到40 %。,生物芯片已广泛应用于科研、医疗、农业、食品、环境保护、司法鉴定等领域。,转基因动植物的市场前景广阔，2004 年全球转基因作物的种植面积已经达到8100万公顷。,开发生物乙醇、生物柴油、生物发电、生物氢等，已经成为许多国家的能源战略。,植物光合作用机理研究取得重大突破，人工光解水产生的氢气将成为继化石燃料之后主要的能源。,21世纪生物技术将推动新一轮医学革命，从疾病预防、疾病诊断、药物研制、基因治疗、组织工程、器官移植、抗衰老等方面，延长人类寿命,第二章 细胞基本知识,细胞的基本概念,细胞的基本共性,原核细胞与真核细胞,病毒,1. 结构上自我装配。,2. 生理活动上自我调节,3. 增殖上自我复制。,4. 遗传上的自身完备。,5. 生命上的完整性。,一、 细胞是构成生物基本结构和功能单位,1. 一切有机体都由细胞构成,病毒除外,单细胞生物,(single-celled organisms),细胞少的有机体,盘藻仅有,4,个、,8,个或几十个未分化的相同的细胞组成,过渡类型,多细胞生物,(,multicellular,organisms),由数百、万、亿计的细胞构成。,婴儿,210,12,个细胞,人类的情况,1,个受精卵细胞，分裂与分化,婴儿,210,12,个细胞（结构、功能相异）,成人,10,14,个细胞（约有,200,种不同类型的细胞，根据其分化程度又可分为,600,多种）,构成高等生物体的细胞,“,社会化”与“独立性”,构成有机体的基本结构单位,2. 细胞具有独立的、有序的自控代谢体系,细胞呈现为一个独立的、有序的、自动控制性很强的代谢体系。,分泌细胞,合成分泌蛋白质或激素,神经细胞,神经递质,3. 细胞是有机体生长与发育的基础,细胞的分裂、细胞体积的增长、细胞的分化与凋亡 。,研究生物的生长与发育必须要以研究细胞的增殖、生长、分化与凋亡为基础,4. 细胞具有遗传的全能性。,任何一个细胞都有全套的遗传信息，即全套的基因，具有遗传的全能性,植物单个的生殖细胞或体细胞,完整个体,两栖类动物卵细胞,完整个体,从动物组织分离出来的单个细胞，多数可以在体外培养、生长、增殖与传代,哺乳动物的“体细胞克隆”,每一种细胞都有发育为个体的潜在能力,5. 没有细胞就没有完整的生命,实验证明， 破坏细胞结构的完整性， 不能实现细胞完整的生命活动。,从细胞分离出的任何结构，细胞核或,DNA,、线粒体和叶绿体都不能在体外作为生命活动的单位而存在,病毒离开寄主，不能复制。,细胞是有膜包围的能独立繁殖的原生质团,1.细胞膜,2.遗传物质 DNA，RNA,3.核糖体,4.细胞二分裂,5.化学成分,二、细胞的基本共性,细胞的,化学成分,主要元素：,C,、,H,、,O,、,N,、,P,、,S,、,Ca,，,占,99.35%,次要元素：,K,、,Na,、,Cl,、,Mg,微量元素：,Mn,、,Fe,、,Zn,等等,无机化合物：,H,2,O,、,无机盐等,有机化合物：蛋白质、核酸、脂类、糖类,营养贮备多糖,淀粉、糖元,结构多糖纤维素,脂类包括,：脂肪酸、中性脂肪、类固醇、蜡、磷酸甘油酯、鞘磷脂、糖脂、类胡萝卜素等。脂类参与组成细胞膜和细胞通信，也是重要的能量储备物质。,2 所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜,细胞膜,使细胞与周围环境保持相对的独立性 。,与环境进行物质、能量的交换和信号转导。,真核细胞的内膜体系，,各种以膜为基础的功能专一的细胞器,3,所有的细胞都有两种,核酸DNA与RNA,，作为遗传信息复制与转录的载体,非细胞形态的生命体,病毒，只有一种核酸。,DNA,是遗传信息的载体 。,RNA,遗传信息的转录及指导翻译蛋白质分子,4,核糖体,存在于一切细胞内,是细胞不可缺少的基本结构；是蛋白质合成的场所,5 所有细胞的增殖都以,一分为二,的方式进行分裂,遗传物质在分裂前复制加倍，在分裂时均匀地分配到两个子细胞内。,三、3类不同的细胞,细胞的形态及与功能的关系,单细胞生物的形态通常与细胞外沉积物有关。,眼 虫,钟形虫,植物气孔细胞,植物薄壁细胞,导管细胞,高等生物细胞的形状与细胞功能及细胞间的相互作用有关。,神经元细胞 卵细胞与精子,红细胞 巨噬细胞,20世纪60年代,真核细胞eukaryotic cell,原核细胞prokaryotic cell,20世纪80年代,古细菌archaebacteria,属于生命的第三种形式。极端嗜盐菌，甲烷微生物等,四、原核细胞（Prokaryotic cell）,没有真正的细胞核，遗传信息量小，结构简单,环形,DNA,链存在的地方称为,拟核区,；,细胞质,内唯一的细胞器是核糖体；,与呼吸有关的酶系存在于,细胞膜,上；,细胞壁,由肽聚糖与多肽组成。,1.,支原体,mycoplasma,最小、最简单的细胞，直径一般0.1,0.3m，可在培养基上生长，,无细胞壁。,基因组为环状双链 DNA，分子量小 ，合成与代谢很有限。,致病性：呼吸道病、胸膜肺炎、关节炎等,肺炎支原体,肺炎支原体侵染组织的TEM照片,2 蓝藻,Cyanobacteria,又称蓝细菌,光合作用类似于高等植物，而没有叶绿体,。,DNA分子环状，遗传信息量很大。,体积大，直径约10m,左右，甚至可达70m。,单细胞生物，有些蓝藻,常以细胞群体存在，如：,发菜。,蓝藻,3 细菌 bacteria,可分为：球菌、杆菌和螺旋菌,大肠杆菌 弧形霍乱菌,淋病球菌 肉毒梭菌,1、细胞壁：厚度一般1530nm，主要成分是肽聚糖.,2、细胞膜：厚约810nm，外侧紧贴细胞壁，通常不形成内膜系统。,3、拟核：没有核膜， DNA 分子裸露，所含的遗传信息量可编码 20003000种蛋白质，空间构建十分精简。,五、真核细胞（Eucaryotic cell）,在亚显微结构水平上划分为三大基本结构体系：,生物膜系统（内膜系统）,遗传信息表达结构系统,细胞骨架系统,1. 生物膜系统的分化与演变,细胞内部由双层核膜将细胞分成两大结构与功能区域,在细胞质内以膜的分化,为基础形成很多重要的细胞器,线粒体与叶绿体,内质网,高尔基体,溶酶体,细胞核,细胞质,2. 遗传信息表达结构系统,DNA,与蛋白质结合， 存在于细胞核内,细胞核内进行复制与转录,细胞质内进行翻译,3. 细胞骨架系统,维持细胞形态，起支架作用；,参与大分子的运输、细胞的运动、信息的传递、基因表达、细胞分裂等；,六、原核细胞与真核细胞的差异,1. 细胞复杂程度,原核细胞,真核细胞,细胞大小,110,m,3100,m,细胞核,没有真正的细胞核,有完整细胞核,核膜,无,有,核仁,无,有,细胞壁,主要成分是氨基糖和壁酸,植物细胞和真菌有细胞壁，动物细胞无。植物细胞主要成分为纤维素和果胶，真菌为几丁质。,2. 细胞质内物质,原核细胞,真核细胞,线粒体,无,有,叶绿体,无,有,内质网,无,有,高尔基体,无,有,溶酶体,无,有,核糖体,有(70s),有(80s),细胞骨架,无,有,3. 遗传物质，组成，数量,原核细胞,真核细胞,染色体,仅有一条裸露双链DNA,有两条以上DNA，DNA与蛋白质结合,DNA,环状，存在于细胞质中,线状，存在于细胞核中,核外DNA,有的细胞有质粒,有线粒体DNA和叶绿体DNA,DNA与蛋白质合成,没有内含子，转录和翻译都在细胞质中进行,有内含子和外显子，转录在细胞核中，翻译在细胞质中,4. 细胞增殖方式和运动性,原核生物和真核生物的细胞分裂都为二分裂，但是原核生物为无丝分裂，真核生物有丝分裂。,细菌和原生动物都具有鞭毛，但是细菌中鞭毛成分为鞭毛蛋白，真核生物为微管组织。,七、植物细胞与动物细胞的比较,细胞壁,质体,液泡,胞间连丝,中心体,八、古细菌（,archaebacterium,）与细菌,无核膜及内膜系统；,核糖体大小介于真细菌和真核生物之间。,细胞壁不含肽聚糖。,DNA含有重复序列和内含子。,16srRNA 和5srRNA序列分析表明更接近于真核生物,生活在极端环境中，如：产甲烷菌、极端嗜盐菌、极端嗜热菌。,细胞起源和进化的研究热点。,三大域系统（Domain),海底烟筒附近也具有古细菌,九、病毒,1,种类,DNA,或,RNA +,蛋白质,=,病毒,类病毒（,Viroid,）朊病毒（,Prion,）,2 病毒的进化,1.生物大分子 病毒 细胞,细胞,2.生物大分子,病毒,3. 生物大分子 细胞 病毒,3、病毒的基本特征,是一类非细胞形态的微生物，特征：,个体微小，可通过滤菌器。一般在20-30nm之间；,核酸为DNA或RNA，没有含两种核酸的病毒；,专营细胞内寄生生活；,具有受体连结蛋白（receptor binding protein），与敏感细胞表面的病毒受体连结，进而感染细胞。,4、病毒的结构,由核酸(DNA或RNA)芯和蛋白质衣壳（capsid）所构成，称核衣壳 （nucleocapsid）。,各种病毒所含的遗传信息量不同，少的只含有3个基因，多的可达300个基因。,Lambda Bacteriophage,DNA（TEM x153,000）,病毒有五种形态：,球形,(,Sphericity,),：如脊髓灰质炎病毒,疱疹病毒及腺病毒等；,丝形,(Filament),：,多见于植物病毒，如烟草花叶病病毒。,弹形,(Bullet shape),：如狂犬病病毒等。,砖形,(Brick-shape),：,如痘病毒,天花病毒等；,蝌蚪形,(Tadpole-shape),：如噬菌体。,脊髓灰质炎病毒(球形) 烟草花叶病毒(线形),痘病毒(砖形) T4噬菌体(蝌蚪形),小结,如何理解细胞,细胞的共性,支原体，细菌，蓝藻,原核细胞和真核细胞,动物细胞和植物细胞,古细菌,病毒,