细胞生物学 第一章 绪论.ppt

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1、热烈欢迎2012级新同学!,医学细胞生物学 Medical cell biology 学时：54 h（讲课 36 h、实验 18h） 教材：王培林主编医学细胞生物学 主讲人：李冰、张峰,第一节 细胞生物学研究内容与方法 第二节 细胞生物学的发展简史 第三节 医学细胞生物学在医学教育中的地位,第一章 绪 论,细胞（cell）：是生命有机体的形态结构和功能的基本单位。 细胞生物学（cell biology）：是从细胞整体、超微和分子水平上研究细胞的结构和生命活动规律的科学。 医学细胞生物学（medical cell biology）：是应用细胞生物学的理论和方法，研究人体细胞的形态结构与功能等生命

2、活动规律和人类疾病发生、发展及其防治的科学。,第一节 细胞生物学研究内容与方法,一、研究对象：细胞生命活动的基本单位,细胞是构成生物有机体的基本结构单位。 细胞是代谢与功能的基本单位。 细胞是生物有机体生长发育的基本单位。 细胞是遗传的基本单位。,细胞是构成生物有机体的基本结构单位。 一切有机体均由细胞构成（病毒除外）。 细胞是代谢与功能的基本单位。 在有机体的一切代谢活动与执行功能过程中，细胞呈现为一个独立的、有序的、自动控制性很强的独立代谢体系。,细胞是生物有机体生长发育的基本单位。 生物有机体的生长与发育是依靠细胞的分裂、细胞体积的增长与细胞的分化来实现的。 细胞是遗传的基本单位。 在生

3、物遗传过程中，上下代之间通过生殖细胞来传递遗传信息。细胞具有遗传的全能性。,二、研究任务,（一）研究理论问题,形态方面 1）显微水平：光镜观察描述细胞的结构。 2）超微水平：电镜及扫描探针观察和了解细胞的亚微结构。 3）分子水平：细胞结构的分子组成，阐明细胞生命活动的结构基础。 功能方面:研究细胞内各部分的化学组成和新陈代谢活动，探索彼此间的关系及相互作用，以揭示生物有机体的基本生命活动的规律和人类疾病发生发展的机制及其防治的技术与方法。,组织工程学（器官或组织克隆）： 是选择与人体细胞相容性较好的生物材料，按缺损组织或器官的要求设计并制成模型或支架放在体外培养系统中，使干细胞或其定向诱导分化

4、细胞沿着模型或支架不断地生长扩增，构建成新的组织或器官。这种将细胞工程学和生物工程材料学相结合的技术即人们所说的器官或组织克隆。,（二）研究实际问题,组织或器官体外生长的细胞来源： 人的干细胞通过定向生长分化有可能成为某特定组织的细胞。 动物实验证明从某一种组织的活体碎片有可能产生完整的供移植器官；,制作过程：从狗膀胱活检一小片组织，分别分离尿上皮组织和肌肉组织体外培养扩增，然后移至生物活性材料制成的模型或支架，外层为肌肉组织，内层为尿上皮组织。5周内则形成可供移植用的新的膀胱。 成功的范例：利用组织工程方法已成功地使膀胱在实验室生长，植入狗后证明可获得正常膀胱的95%的生理功能，排尿正常，在

5、移植11个月后检查，膀胱完全由尿上皮和肌肉组织覆盖，并有神经和血管生成。,干细胞 又称为“万能细胞”。 目前科学家能够在体外以干细胞为种子培养人类几乎各种组织和器官，来代替病变或衰老的组织器官的细胞，彻底根绝病源。,治疗性复制人类胚胎 即治疗性人类克隆胚胎。它是利用成年人的皮肤细胞制造胚胎材料。用这种胚胎材料移植入人体，代替本人的损坏或是有病部分，因拥有相同的基因，可降低排斥的风险。科学家认为，这项技术对于治疗糖尿病、帕金森氏症和老年痴呆症等疾病具有很好的前景。,生物制药与医用生物学产品 人们现在已有可能应用每种类型（微生物、植物及动物）的活细胞去生产从简单分子到复杂蛋白质等一系列的生物药品与

6、医用生物学产品，例如干扰素、白介素和胰岛素等，其经济效益是巨大的。,三、细胞生物学的主要分支学科,1、细胞形态学 cytomorphology 2、细胞化学 cytochemistry 3、细胞生理学 cytophysiology 4、细胞遗传学 cytogenetics 5、分子细胞学 molecular cytology 6、细胞社会学 cytosociology,细胞形态学（cytomorphology） 是研究细胞形态和结构及其在生命活动中动态变化的科学。 细胞化学（cytochemistry） 是研究细胞结构化学成分的定位、分布及其生理功能。 细胞生理学（cytophysiology

7、） 是研究细胞的生命活动规律的科学。,细胞遗传学（cytogenetics） 主要是从细胞学的角度，特别是从染色体结构、功能以及染色体与其他细胞器的关系来研究遗传和变异的规律的学科。 分子细胞学（molecular cytology） 是从细胞遗传信息流(DNARNA蛋白质）的角度，研究细胞内基因组的结构及其表达的调控。 细胞社会学（cytosociology） 是从系统论的观点出发，研究整体和细胞群中细胞间的社会行为。,第二节 细胞生物学的发展简史,细胞的发现和细胞学说的创立（16651875） 经典细胞学发展时期（18751898） 实验细胞学发展时期（l900 1943） 分子生物学发展

8、时期(1944年今),一、细胞的发现和细胞学说的创立(16651875) 1、1590年, 荷兰Janssen兄弟试制成功第一架复式显微镜，为人类发现细胞打开了大门，放大倍数不超过10 倍,2、1665年, 英国人Robert Hooke第一个发现了细胞，他利用自制放大200倍显微镜在软木薄片中看到了蜂窝状的小室，称之为cells（细胞）,Robert Hooke and his “cells”,Robert Hookes microscope,3、1667年A. van Leeuwenhoek当选为英国皇家学会会员。他观察过植物、原生动物、水、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌、唾液、血液、精液等等

9、。,Made by A.van Leeuwenhoek (1632-1723). Magnification ranges at 50-275x.,4、1838年, Schleiden和 Schwann 分别论证植物和动物都是由细胞组成，首次提出细胞学说(cell theory)，证明了生物界的统一性 。,Cell Theory是19世纪的重大发现之一，其基本内容有三条： 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,Theodar Schwann,Rudolf Virchow,Jean-Baptiste

10、 de Lamark,经典细胞学研究的主要是细胞的形态与生理。 1875年，Hertwig发现受精卵中两个亲本核的融合。 1880年，Flemming发现了动物细胞间接分裂。 随后，电镜的发明和应用把细胞学带入到超微结构发展时期。,二、经典细胞学发展时期（18751898）,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。 1940-50s用电镜观察了各类细胞超微结构。染色体(Waldyer, 1888)、中心体(Boveri, 1888)、线粒体(Altmann, 1894)和高尔基体(Golgi, 1898

11、)相继被发现。并结合超速离心、电泳、无细胞体系等分析技术研究这些结构的功能。Cytology发展为Cell Biology。,1887年，Hertwig兄弟用实验方法研究海胆(sea-urchin)卵的受精作用，发展了实验细胞学。 1866年，Gregor Mendel 通过植物的杂交实验，发现了分离律和自由组合律。,三、实验细胞学发展时期（l900 1943）,1902年美国Morgan通过果蝇(Drosophila)杂交试验，确立了染色体遗传理论。,四、分子生物学发展时期(1944年今),1944年，Avery等证明肺炎球菌转化因子是DNA分子。 1952年，Hershey等在噬菌体中证明

12、遗传物质是DNA。 1953年，Watson和Crick提出DNA分子双螺旋结构模型。,并提出: DNA分子的半保留复制，信息流的”中心法则” 。,70年代后，随着DNA限制性内切酶等工具酶的发现，DNA重组技术的问世、基因克隆、DNA核苷酸序列测定等实验使分子生物学成为生命科学的领先学科。,1983年聚合酶链反应（PCR）技术问世，使DNA片段可在体外快速扩增。1995年其发明者Mulis获得,Nobel Prize,1990年，美国遗传学界提出人类基因组计划（Human Genome Project, HGP）。 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30

13、Mb的测序任务。 2000年6月28日人类基因组工作草图完成。 2001年2月12日，人类基因组全序列测序基本完成，从而进入功能基因组学和蛋白质组学的后基因组时期。,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。,细胞进一步分化和发育，最后Dolly羊诞生,芬兰多塞特母绵羊,乳腺细胞,（供体细胞）,苏格兰黑面母绵羊,去核成熟卵细胞,（受体细胞）,电脉冲,融合细胞,细胞分裂、分化，从而形成胚胎细胞,转移至另一只苏格兰黑面母绵羊的子宫内,Dolly with her first born lamb,Gene Chip,第三节 医学细胞生物学在医学教育中的地

14、位 人体的结构基础是细胞。即细胞/组织/器官/系统/机体 人体 系统 器官 组 织 细 胞,1858 Vichow “一切病理现象都在于细胞的损伤”。,（一）医学细胞生物学是医学各学科的基础理论 1、医学细胞生物学作为医学基础课与基础医学学科有着密切的关系。 2、医学细胞生物学与临床各学科联系也很密切。,一、医学细胞生物学与医学,（二）医学细胞生物学的发展推动了现代医学的发展 如癌基因理论、细胞分裂、分化、衰老、死亡等方面的研究进展，不仅揭示了细胞生物学的重大理论问题，同时阐明了多种疾病的发病机制。,（三）医学细胞生物学的研究成果应用于人类疾病的诊断和治疗 1细胞诊断 应用单克隆抗体技术 2细

15、胞治疗 体细胞治疗和干细胞治疗,干细胞治疗疾病的最显著特点：它可以治疗许多疾病，例如制造脑部神经元来治疗帕金森氏症，制造胰岛细胞来根绝糖尿病，制造心肌细胞来修补心脏。,（一）生殖 （二）恶性肿瘤 （三）细胞分化 （四）细胞衰老 （五）细胞死亡 （六）细胞信号转导 （七）细胞工程,二、医学细胞生物学与相关的研究领域,第一节 细胞的化学及分子组成（了解） 第二节 细胞的形成（自学） 第三节 原核细胞与真核细胞（掌握） 第四节 细胞的形态、大小和数目（了解）,第二章 细胞的分子基础及基本概念,第一节 细胞的化学及分子组成 组成细胞的化学元素有50多种。 主要的是：C、H、O、N 四种元素，约占96%

16、； 其次为：S、P、Cl、K、Na、Ca、Mg、Fe。 大量元素: 占细胞总重的99.9%以上。 微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Cr、F、Br、I 这些元素的原子以不同的化学键相互结合，以无 机化合物和有机化合物的形式存在于细胞中。,第三节 原核细胞与真核细胞 20世纪60年代细胞生物学家H. Ris根据细胞的进化地位、结构功能的复杂程度、遗传装置的类型与主要的生命活动方式将细胞分为： 原核细胞（prokaryotic cell） 真核细胞（eukaryotic cell） 真核细胞是由原核细胞进化而来的，但原核细胞今天依然存在。,定义：原核细胞是指体积较小，结构简单，没有典型的核结构的原

17、始细胞形态。 最基本的特点： (1)细胞内没有以膜包裹的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜。 (2)遗传信息量少，遗传信息的载体仅由一个环状DNA分子构成。,一、原核细胞（prokaryotic cell）,（1）一般体积较小，直径只有1m10m。 （2）细胞外被质膜。 （3）质膜外有一层细胞壁，其化学组成为肽聚糖和 磷壁酸。 （4）遗传物质DNA为一条不与组蛋白结合的裸露的 环状双螺旋分子，遗传物质所在的区域由于没有核 膜的包裹，将这个区域称为拟核(nucleoid)。,原核细胞的结构特点,（5）细胞质内没有膜性细胞器，有大量核糖体及 一些由细胞膜内陷形成的特化结构，如中间体 (mesos

18、ome)等。 （6）有的原核细胞还有鞭毛等运动器。 由原核细胞构成的原核生物主要有三大类： 支原体 蓝藻 细菌,（一）支原体(mycoplasma),原生质已分化为细胞膜和细胞质两部分。电镜下观察膜为三层结构，核糖体为细胞质中唯一可见的细胞器。 细胞内有一环状双链DNA分子，散布于细胞质中，无细胞核及核区。,又称霉形体，是目前已知能独立生活的最小生命单位。直径0.1m0.3m。 细胞呈多形性，多为球形或丝状，无细胞壁，已具备细胞的基本结构，可独立生活并繁殖。,（二）细菌（bacterium）,定义：为典型的原核细胞，是指单细胞、个体微小、结构简单，用细菌学方法可以分离培养的原核 生物。 致病菌

19、：许多细菌能使人致病，如：肺炎球菌（pneumococcus）；结核杆菌（tubercle bacillus）；伤寒杆菌（typhoid bacillus）；霍乱弧菌 （cholera vibrio）。,形态：多为无分枝单细胞，呈杆状、球状、螺旋状，其直径约1m （比真核细胞小10倍）。,细菌细胞显微结构,大肠杆菌,沙门氏菌,淋病球菌,肉毒梭菌,弧形霍乱菌,细菌细胞超微结构,结构特点 （1）细胞壁：厚15100nm，主要成分为肽聚糖。有的细菌外壁还有一层荚膜，有的还有鞭毛和菌毛等附属结构。 （2）细胞膜：厚510nm，由脂双分子层和蛋白质构成，其功能多样，包括物质运输及能量代谢等功能。 （3）

20、细胞质：无膜性细胞器，有核糖体，其构成与真核细胞的核糖体不同。 （4）遗传物质：无细胞核结构，无核膜、核仁，其染色体DNA为双链环状结构，不与组蛋白结合，不形成真核细胞的染色体状结构。,细菌细胞模式图,质粒能自我复制，有的也可以整合到拟核DNA分子中去。但质粒并非细菌代谢所必需，失去质粒的细菌仍可照样存活。,由于DNA位于细胞质中，它的复制、转录和蛋白质的翻译在同时同地进行，无时间和空间上的分隔。,有的细菌细胞质中还有一些分散存在的小形双链闭合环状DNA分子，赋予细菌各种抗性等遗传特性，称为质粒（plasmid）。,遗传物质特点,Joining,二、真核细胞 （eukaryotic cell）

21、 真核细胞的体积比原核细胞要大，直径有10m100m，具有典型的细胞结构。,真核细胞模式图,超微结构： 在电子显微镜下观察到的细胞结构称为超微结构。 通常将真核细胞的超微结构划分为三大结构体系： 生物膜系统 细胞骨架系统 遗传信息表达结构系统,（一）生物膜系统 生物膜系统（biomembrane system） 是指以生物膜为基础而形成的各种膜性结构或细胞器，包括细胞膜、细胞核膜、内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体、线粒体、叶绿体等。,细胞内膜与生物膜 在真核细胞中，除了质膜以外，细胞内还有构成各种细胞器的膜，如线粒体膜、内质网膜、高尔基复合体膜、溶酶体膜以及核膜等，组成细胞内膜。相对于内

22、膜，细胞膜也称为外周膜，外周膜和细胞内膜统称为生物膜。,单位膜 （unit membrane） 生物膜的厚度在8nm10nm之间，在电子显微镜下观察，都呈现两层电子致密度大的深色带夹一层电子致密度小的浅色带的“两暗一明”的三层结构，称为单位膜。,生物膜的组成结构 生物膜由脂类双分子层构成基本骨架，蛋白质以各种不同方式与其结合，这些蛋白质赋予膜各种特殊的功能。,生物膜系统的功能 (1)生物膜构成细胞与外界的屏障； (2)是细胞内外物质运输和信号传递的通道； (3)为细胞提供了巨大的表面； (4)各种膜性细胞器的形成，使细胞内的各种生理生化反应能互不干扰地进行。如：,内质网是蛋白质和脂类等大分子物

23、质的合成场所； 高尔基体是蛋白质等细胞内合成的物质加工、分选的场所； 溶酶体是细胞内的消化器官； 过氧化物酶体能分解过氧化物，对机体有保护作用； 线粒体则是细胞内的能源物质氧化分解并产能的器官。,包括细胞质骨架和细胞核骨架，是由一系列纤维状蛋白质所组成的网状结构系统。 细胞质骨架：主要由微管、微丝、中间纤维、微梁网格等组成，对维持细胞的形态结构、细胞内物质运输、细胞分裂等多种生理活动起重要作用。 细胞核骨架：由核纤层蛋白和核基质组成，它们与基因的表达、染色体的组装等有关。,（二）细胞骨架系统,cytoskeleton network,真核细胞具有完整成形的细胞核，细胞核由双层核膜包裹，核内有染

24、色质、核仁和核基质。 真核细胞的遗传物质主要位于细胞核内，遗传物质的量大，DNA与蛋白质结合并逐级装配成染色质结构。,（三）遗传信息表达结构系统,动物细胞模式图,植物细胞模式图,动物细胞模式图,三、原核细胞与真核细胞特征的比较 （一）不同点,中心粒 无 有 细胞核 拟核（无核膜核仁） 有核膜、核仁 染色体 一条环状闭合裸露 DNA分子 多个，DNA与组蛋白结合 位于细胞质 位于细胞核 细胞分裂 无丝分裂 有丝分裂、减数分裂 基因表达 转录和翻译在同时同地进行 转录在核内，翻译在细胞质 胞吞和胞吐作用 无 有 营养方式 吸收或光合作用 吸收、光合作用、胞吞作用 运动 鞭毛和简单原纤维 微管、微丝

25、和鞭毛、纤毛,1细胞表面都有由脂双分子层组成的细胞膜； 2都有遗传物质DNA和RNA两种核酸； 3都有蛋白质的合成器核糖体； 4都以一分为二的分裂方式进行细胞分裂； 5都能独立进行生命活动（区别病毒等非细胞形态生物）； 6两者的遗传密码及代谢过程中的一些酶类都是一致的。,（二）相同点,第四节 细胞的形态、大小和数目(了解） 一、细胞的形态 细胞形态具有多样性：有球状、杆状、梭形、星形、多角形、圆柱形等。 决定细胞形态的因素：一方面取决于功能性的适应；另一方面也受细胞表面张力、细胞质的粘滞性、细胞膜的坚韧程度及细胞骨架（微管、微丝）等影响，但每一种细胞的形状一般是固定的。,如哺乳动物红细胞双凹圆

26、盘形； 肌肉细胞长条形或梭形； 神经细胞星芒形。,二、细胞的大小 生物体的各种细胞的体积差别很大。一般来说：真核细胞比原核细胞体积要大；卵细胞体积要比相应的体细胞大；细胞的直径一般在10100 m之间，最小的细胞支原体的直径为0.1 m，鸵鸟蛋直径达12cm。 同类型细胞的体积一般相近，不依生物体的个体大小而增加或缩小，生物体的总体积与细胞的数目呈正比而与细胞的大小无关，这种关系被称为细胞的体积守恒定律。,三、细胞的数目 单细胞生物仅由一个细胞组成，多细胞生物细胞数量因生物的种类不同而异，生物体个体越大，其细胞数量就越多。 据估计人婴儿期约有21012个细胞，成人后约有61013个细胞。,1、名词解释：细胞、医学细胞生物学、原核细胞、生物膜系统、生物膜、单位膜 2、原核生物和真核生物的种类和结构 2、试述原核细胞与真核细胞的在形态结构和功能上的异同,思考题,