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1、细胞生物学,CELL BIOLOGY COURSE,主讲：谢浩 Instructor: Dr XIE Hao E-mail： Cell Phone：18971099976,Learning Objectives,About Cell Biology Look briefly at the history of cell theory; Consider the basic properties of cells; Compare some characteristics of two different classes of cells: prokaryotes and eukaryotes;
2、 Comprehend a special life: viruses,About “Cell Biology”,What? Forwhy? How to study?,The NIH of USA(1988): “What is popular in research today？” 3 kinds of diseases ： cancer cardiovascular diseases infectious diseases：AIDS，hepatitis 5 research fields ： cell cycle control ； cell apoptosis； cellular se
3、nescence； signal transduction； DNA damage and repair.,What we know/How we know.,ISI, USA(1997) : SCI（Science Citation Index）Papers: Three tops of research fields: No1: Signal transduction； No2: Cell apoptosis； No3: Genome and post-genomic analysis。,细胞生物学(Cell Biology)从显微水平、超微水平和分子水平等不同层次研究细胞结构、功能及生活
4、史。 细胞生物学由细胞学(Cytology)发展而来，Cytology是指对细胞形态（特别是染色体形态）的观察。 在我国的基础学科发展规划中，细胞生物学与分子生物学(Molecular Biology)，神经生物学(Neurobiology)和生态学(Ecology)并列为生命科学的四大基础学科。,第一章 历史与展望,HISTORY AND PERSPECTIVE,In 1665, Robert Hooke saw a network of tiny boxlike compartments that reminded him of a honeycomb. He called these l
5、ittle compartments “cellulae”, a Latin term meaning little room. It is from this word we get our present-day term, cell.,The microscope used by Robert Hooke and the honeycomb-like network of “cell” he drawed in 1665,The discovery of cells followed from the invention of the microscope,本章内容提要 Outline,
6、第一节 细胞生物学简史 History of Cell Biology 一、显微镜的发明与细胞的发现 Invention of Microscope and Discovery of Cell 二、细胞学说 Cell Theory 三、细胞学的发展 Development of Cytology 第二节 细胞生物学学习方法 Studying Cell Biology 第三节 对未来的展望 The Future,第一节 细胞生物学简史 History,细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段(Four Main Stages)： 第一阶段：Discovery of Cell 细胞的发现，16
7、世纪末-19世纪30年代。 第二阶段：Cell Theory 细胞学说提出，19世纪30年代-20世纪中期。 第三阶段：Ultrastructure 超微结构研究，20世纪30年代-70年代。 第四阶段：Molecular Cell Biology 分子细胞生物学，20世纪70年代分子克隆技术出现以来。,一、显微镜的发明与细胞的发现 Invention of Microscopy and Discovery of Cell,没有显微镜就不可能有细胞学诞生。 1、1590年，荷兰眼镜制造商J和Z.Janssen父子制作了第一台复式显微镜。 2、1665年，英国人Robert Hook首次描述了植
8、物细胞(木栓)，命名为cella。 3、1680年，荷兰人A.van Leeuwenhoek成为皇家学会会员，他一生中制作了200多台显微镜和400多个镜头，用设计较好的显微镜观察了许多动植物的活细胞与原生动物。,Robert Hooke,Made by A.van Leeuwenhoek (1632-1723). Magnification ranges at 50-275x.,Large Student Microscope made by Charles Chevalier 1840,4、1752年，英国人J. Dollond 发明消色差显微镜。 5、1812年，苏格兰人D. Brews
9、ter 发明油浸物镜，改进了体视显微镜。 6、1886年，德国人Ernst Abbe 发明复消差显微镜，并改进了油浸物镜，至此普通光学显微镜技术基本成熟。,Bausch & Lomb Investigator microscope circa 1893,现代显微镜,5、1932年，荷兰籍德国人F. Zernike成功设计了相差显微镜（phase contrast microscope)，并因此获1953年诺贝尔物理奖。,7、1932年，德国人M.Knoll和E.A.F.Ruska发明电镜，1940年，美、德制造出分辨力为0.2nm的商品电镜。,TEM,8、1981年，瑞士人G.Binnig和H
10、.RoherI在IBM苏黎世实验中心（Zurich Research Center）发明了扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope）而与电镜发明者Ruska同获1986年度的诺贝尔物理学奖。,Cs atoms (red) on the GaAs surface (blue).,显微镜 Microscope 光学显微镜 Light Microscope；相差显微镜 Phase Contrast Microscope; 电子显微镜 Electron Microscope, EM；扫描电子显微镜 Scanning Electron Microscope, SEM；透
11、射电子显微镜 Transmission Electron Microscope, TEM 原子力显微镜 Atomic Force Microscope, AFM；扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscope,STM,二、细胞学说 Cell Theory,Jean-Baptiste de Lamark （17441829)，获得性遗传理论的创始人，法国退伍陆军中尉，50岁成为巴黎动物学教授，1809年他认为只有具有细胞的机体，才有生命。“It has been recognized for a long time that the membranes which f
12、orm the envelopes of the brain，of the nerves，of vessels，of all kinds of glands，of viscera，of muscles and their fibers，and even the skin of the body are in general the productions of cellular tissue。 But no one，so far as I know， has yet perceived that cellular tissue is the general matrix of all orga
13、nization and that without this tissue no living body would be able to exist，nor could it have been formed。”,Charles Brisseau Milbel（17761854)，法国植物学家，1802年认为植物的每一部分都有细胞存在，“the plant is wholly formed of a continuous cellular membranous tissue。Plants are made up of cells，all parts of which are in conti
14、nuity and form one and the same membranous tissue”。 Henri Dutrochet （17761847），法国生理学家，1824年进一步描述了细胞的原理，他认为 “All organic tissues are actually globular cells of exceeding smallness，which appear to be united only by simple adhesive forces; thus all tissues， all animal (and plant) organs, are actually o
15、nly a cellular tissue variously modified。This uniformity of finer structure proves that organs actually differ among themselves merely in the nature of the substances contained in the vesicular cells of which they are composed” 。,Matthias Jacob Schleiden（18041881)，德国植物学教授，1838年发表“植物发生论”(Beitrge zur
16、Phytogenesis)，认为无论怎样复杂的植物都有形形色色的细胞构成。 Theodor Schwann（18101882)，德国解剖学教授，一开始就研究Schleiden的细胞形成学说，并于1838年提出了“细胞学说”（Cell Theory)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”,Schwann提出： 有机体是由细胞构成的； 细胞是构成有机体的基本单位。 1855 德国人R. Virchow 提出“一切细胞来源于细胞”（omnis cellula e cellula）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
17、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。,Cell theory has three basic tenets:,1. All organisms are composed of one or more cells.,2.The cell is basic unit of structure and function for all organisms.,3.All cells arise only from preexisting cells by division.,Why are cells the basic units of life?,A.
18、The cell is the structural unit of life, All organisms is make up of cells.,B.The cell is the functional unit of organisms. All metabolic activity is based on cells.,C. The cell is the foundation of reproduce, and the bridge of inheritance.,D. The cell is the growing and developing basis of life,Hum
19、an fetal development. (a)At 5 weeks, limb buds, eyes, the heart, the liver and rudiments of all other organs have started to develop in the embryo, which is only about 1cm long. (b)Growth and development of the offspring, now called a fetus, continue during the second trimester. This fetus is 14 wee
20、ks old and about 6cm long. (c)The fetus in this photograph is 20 weeks old. Now the fetus grows to about 30cm in length.,E. Cell (nucleus) is totipotent, which can create a new organism of the same type,As a general rule, the cells of a multicellular organism all contain the same set of genes. For a
21、nimals, the first evidence that even highly specialized cell carry a full complement of genes was verified by the experiment of tadpole nuclei transplanting into unfertilized egg that had been deprived of its own nucleus. Some can develop swimming tadpoles. This is animal cloning. An especially dram
22、atic example of animal cloning was reported in 1997. Dolly the first animal ever cloned from a cell derived from an adult.,Dolly and her daughter,The process of cloning Dolly,Is there any practical value to such technology?,1、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。 2、
23、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。德国人E. Strasburger (187680)在植物细胞中发现有丝分裂。 3、1883年，比利时人E. van Beneden 发现马蛔虫Ascaris megalocephala的减数分裂(Meiosis)现象。,三、细胞学的发展 Development of Cytology,4、1869年，瑞士人F. Miescher 从脓细胞中分离出核酸 Nucleic Acid 。 5、1928年，英国微生物学家F. Griffith于发表了著名的肺炎双球菌转化试验。 6、1944年，
24、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 。,7、1953年，美国人J. D. Watson 和英国人F. H. C. Crick提出DNA双螺旋模型 DEOXYRIBONUCLEIC ACID。,8、1956年，蒋有兴（美籍华人）利用徐道觉发明的低渗处理技术证实了人的2n为46条，而不是48条Chromosome 。 9、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(Chemiosmotic Theory)，获1978年诺贝尔化学奖。 10、196164年，美国人M. W. Niren
25、berg破译DNA遗传密码(Genetic Code)。 11、1968年，瑞士人Werner Arber从细菌中发现DNA限制性内切酶 (Restriction Enzyme)。 12、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生理医学奖。,13、1973年，美国人S. Cohen和H. Boyer将外源基因拼接在质粒中，在大肠杆菌中表达，揭开基因工程的序幕。 14、1975年，英国人F.Sanger设计出DNA测序的双脱氧法，1980年获诺贝尔化学奖。此外Sanger还由于1953年测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年诺贝
26、尔化学奖。 15、1975年，德国人G.J.F.Kohler、阿根廷人C.Milstein和丹麦科学家N.K.Jerne发展了单克隆抗体技术，荣获1984年度诺贝尔生理医学奖。,16、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。艾滋病的全称为Acquired ImmunoDeficiency Syndrome ，由人类免疫缺陷病毒HIV引起。20年来全球共有约5800万人受到艾滋病病毒感染，2200万人死于艾滋病。我国于1985年发现。 HIV有以下特点： 嗜T淋巴细胞；整合宿主细胞终身难以消除；多变性，基因变异是艾滋病病毒致病
27、能力增强之原因；广泛存在于感染者的血液、精液、阴道分泌物以及唾液、尿液、脑脊液及有神经症状者的脑组织中；较乙肝病毒对外界的抵抗力低，5630分钟就可以使其灭活；感染者潜伏期长、病死率高；基因组比已知的任何逆转录酶病毒基因都复杂。,HIV侵染淋巴细胞,17、1982年，美国人S.B.Prusiner 在患羊瘙痒病的羊体内发现蛋白质感染因子（prion）。更新了医学感染的概念，获1997年诺贝尔生理医学奖。,PrPC,PrPSC,18、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
28、2600万美元。,19、1990年，美国国会正式批准的“人类基因组计划” （Human Genome Project）,计划在15年内投入30亿美元以上的资金进行人类基因组分析。 我国于1993年加入该计划，承担其中1%的任务，即人类3号染色体短臂上约30Mb的测序任务。 2000年6月28日人类基因组工作草图完成。 20、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。这种疾病因腺苷脱氨酶（ADA）基因变异引起。 1991年12月，复旦大学遗传所薛京伦主持对一例血友病患者进行了基因治疗试验，并获得成功。,Dolly sheep born in
29、Roslin Institute, Scottland.,22、1996年7月5日，世界上第一只克隆羊“多利”在英国苏格兰卢斯林研究所的 试验基地诞生。成为世纪末的重大新闻。,EMBRYO COLONING,Leland H. Hartwell,R. Timothy (Tim) Hunt,Sir Paul M. Nurse,23、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。,2002年，英国人悉尼布雷诺尔、美国人罗伯特霍维茨和英国人约翰苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的
30、研究获诺贝尔诺贝尔生理学或医学奖。,Sydney Brenner,H. Robert Horvitz,John E. Sulston,2003年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农，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。,Peter Agre,Roderick MacKinnon,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2012 was awarded jointly to Sir John B. Gurdon and Shinya Yamanaka “for the discovery that mature cells
31、can be reprogrammed to become pluripotent“,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2011 was divided, one half jointly to Bruce A. Beutler and Jules A. Hoffmann “for their discoveries concerning the activation of innate immunity“ and the other half to Ralph M. Steinman “for his discovery of the den
32、dritic cell and its role in adaptive immunity“.,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2010 was awarded to Robert G. Edwards “for the development of in vitro fertilization“.,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2009 was awarded jointly to Elizabeth H. Blackburn, Carol W. Greider and Jack W.
33、Szostak “for the discovery of how chromosomes are protected by telomeres and the enzyme telomerase“.,第二节 细胞生物学学习方法,第一、认识细胞生物学课程的重要性 Importance。 第二、明确细胞生物学的研究内容 Content。 第三、从显微、超微和分子三个层次来认识细胞的结构与功能 Three Levels。 第四、将所学过的知识关联起来，多问几个为什么 Link Knowledge and Ask Why。 第五、Concern Hot Area 紧跟学科前沿，当前的热点主要有“信号
34、转导”、“细胞周期调控”、 “细胞凋亡”、“肿瘤细胞”等。 第六、学一点科技史，尤其是生物学史 History。,细胞生物学的学习方法 第一、认识细胞生物学课程的重要性，正如原子是物理性质的最小单位，分子是化学性质的最小单位，细胞是生命的基本单位。50年代以来诺贝尔生理与医学奖大都授予了从事细胞生物学研究的科学家，可见细胞生物学的重要性。如果你将来打算从事生物学相关的工作，学好细胞生物学能加深你对生命的理解。 第二、明确细胞生物学的研究内容，即：结构、功能、生活史。生物的结构与功能是相适应的，每一种结构都有特定的功能，每一种功能的实现都需要特定的物质基础。如肌肉可以收缩、那么动力是谁提供的、能
35、量从何而来的？ 第三、从显微、超微和分子三个层次来认识细胞的结构与功能。一方面每一个层次的结构都有特定的功能，另一方面各层次之间是有机地联系在一起的。 第四、将所学过的知识关联起来，多问自己几个为什么。细胞生物学涉及分子生物学、生物化学、遗传学、生理学等几乎所有生物系学生学过的课程，将学过的知识与细胞生物学课程中讲到的内容关联起来，比较一下有什么不同，有什么相同，为什么？尽可能对细胞和生命形成完整的印象，不要只见树木不见森林。另一方面细胞生物学各章节之间的内容也是相互关联的，如我们在学习线粒体与叶绿体的时候，要联想起细胞物质运输章节中学过的DNP、FCCP等质子载体对线粒体会有什么影响，学习微
36、管结构时要问问为什么微管蛋白是一种G蛋白，而微管蛋白不是，学习细胞分裂时要想想细胞骨架在细胞分裂中起什么作用，诸如此类的例子很多。,细胞生物学的学习方法 第五、紧跟学科前沿，当前的热点主要有“信号转导”、“细胞周期调控”、 “细胞凋亡”、“肿瘤生物学”、“蛋白质定向转运”等。细胞生物学是当今发展最快的学科之一，知识的半衰期很短（可能不足5年），国内教科书由于编撰周期较长，一般滞后于学科实际水平5-10年左右，课本中的很多知识都已是陈旧知识。有很多办法可以使你紧跟学科前沿：一是选择国外的最新教材，中国图书进出口公司读者服务部那里可以买到很多价廉物美的正宗原版教材（一般200-400元，只相当于国
37、外价格的1/5）；二是经常读一些最新的期刊资料，如果条件所限查不到国外资料，可以到中国期刊网、万方数据等数据库中查一些综述文章。如在中国期刊网的检索栏输入关键词“细胞凋亡”，二次检索输入关键词“进展”，你会发现一大堆这样的文章，都是汉字写的，比读英文省事。 第六、学一点科技史，尤其是生物学史，看看科学家如何开展创造发明，学习他们惊人的毅力、锐敏的眼光和独特的思维。牛顿说过：“我之所以比别人看得更远，是因为站在巨人的肩膀上。” 第七、书是可以从任何一页翻开的东西。现在的教科书越编越厚，不要从头读到尾，一字不漏，必须想想办法，提高效率。,第三节 对未来的展望 The Future,人类经历了漫长的
38、采猎文明后，约在一万年前进入农业经济时代，18世纪60年代，英国率先进入工业经济，20世纪50年代美国最早走完工业经济的历程，进入信息时代。据专家估计这一经济形态的“寿命”为7580年，到本世纪20年代将渐渐失去活力，届时人类迎接下一个经济时代，即生物经济时代的到来。,Gene clone and recombinant technology 基因克隆和重组技术日趋成熟，在商业目的的驱使下，人类将大量的改造物种，开始了偏离自然进化规律的二次“创世纪” 。 Human genome project 人类基因组计划完成，进入以基因功能为主要研究内容的后人类基因组计划。人类将解读自身大约10万个基因
39、的含义，到时危害人类健康的5000多种遗传病，以及与遗传密切相关的癌症、心血管疾病、关节炎、糖尿病、高血压、精神病等，都可以得到早期诊断和治疗。基因工程药物将得到广泛的应用，目前人工干扰素售价高达440亿美元/Kg。,克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破，人工创建的组织，器官将用于医学治疗的目的。 Energy 煤（350年）与石油天然气（30-50年）资源的枯竭指日可待，对光合作用机理的研究，使人工光解水成为可能。 Gene weapon 基因武器可能成为又一种足以令人类毁灭的武器。 生物芯片技术广泛应用于科研、医疗、农业、食品、环境保护、司法鉴定等领域。计算机和网络系统为生物经济的遗传信息
40、管理和交流提供了方便。,Gene Chip,分子细胞生物学 韩贻仁 科学出版社 2001年03月 医学细胞与分子生物学 陈诗书 上海医科大学出版社 1999年01月 细胞生物学 王德耀 上海科学技术出版社 1998年出版 细胞生物学 翟中和等编 高等教育出版社 2000年8月出版 细胞生物学(第二版) 汪堃仁 北京师范大学出版社1998年11月出版 细胞生物学研究方法与技术(第二版) 刘鼎新 北医、协和医大联合出版社1997年05月出版 细胞生物学实验(第二版) 杨汉民 高等教育出版社1997年07月出版 Molecular Biology of the Cell 4th Edition, B
41、ruce Alberts et al., 2002 Molecular Cell Biology 4th Edition, Harvey Lodish et al., 1999 Cell and Molecular Biology 3rd Gerald Karp, 2002,附录：细胞生物学参考书：,Reference book Alberts B et al. Essential Cell Biology. New York and London：Garland publishing，Inc. 1998 Alberts B et al. Molecuar Biology of the Cel
42、l, 3rd ed. New York and London：Garland Publishing，Inc. 1994; 3rd 2002. Becker W.M. et al. The World of the Cell. Fourth Ed. The Benjamin/Cummings Publishing Company. 2000. Gerald Karp. Cell and Molecular Biology：concepts and experiments，2nd Edition. Published by John Wiley & Sons,Inc. 1999 Gerald Ka
43、rp. Cell and Molecular Biology：concepts and experiments，3rd Edition. Published by John Wiley & Sons,Inc. 2002 Lodish H. et al. Molecular Cell Biology. 4th Ed. Scientific American Books,Inc. 2000.,1 细胞生物学简史 History 2学时 2 细胞生物学实验技术 Technology 4学时 3 细胞生物学基础知识 Basic Knowledge 2学时 4 质膜及其表面结构 Membrane Sur
44、face 2学时 5 跨膜运输 Membrane Transport 2学时 6 细胞内膜系统与蛋白质分选 Protein Sorting 6学时 7 线粒体与叶绿体 Mitochonhdrion and Chloropast 4学时 8 细胞通信Cell Comunication 4学时 9 细胞骨架 Cytoskeleton 2学时 10 细胞外基质 Extracellular Matrix 2学时 11 细胞连接 Cell junction 2学时 12 细胞核与染色体 The Cell Nucleus 4学时 13 细胞周期 Cell Cycle 6学时 14 细胞分化 Cell Differentiation 4学时 15 细胞衰老与凋亡 Cell Death 2学时 课程复习 2学时,