1、医学生物学,细胞生物学教研室,绪 论,第一节 生物学的形成与发展 一、生物学的概念：生物学(biology)是研究生命现象的本质，并探讨生命发生、发展规律的一门生命科学。,二、生物学的发展概况及趋势：,（一）发展概况1古老的生物学： （1）我国栽培白菜已有7000年历史。 （2）公元前5000年，人类已掌握了水稻种植技术；3000年开始驯养家猪2700年流传种桑养蚕、织布技术。,（3）公元前520年(春秋战国时期), 诗经一书中记载药用动植物200多种。 （4）公元10世纪我国已发明预防天花的疫苗。 （5）1593年（明朝末年）李时珍的本草纲目一书出版。全书载药1892种，为人们留下了用药治病
2、的宝贵经验。,（6）在西方，医学之祖Hippocrates在古希腊时代就已经阐述了疾病的发病原因，古罗马的Galen对动物内部器官的大量解剖学研究，奠定了西方医学发展的解剖学基础。古希腊的Aristotle对动植物也有广泛研究，但他却坚持神创论，认为是上帝创造了万物，严重阻碍了自然科学的发展。,2细胞的发现及细胞学说的提出：,（1） 1665年-英国-物理学家-胡克（Robert Hooke）首次发现了软木细胞（栎树皮植物细胞死的细胞壁）。,（2）1674年，荷兰的布商列文虎克(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(300倍左右)，并观察
3、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，人类第一次观察到了完整的活细胞。 （3）1735年，瑞典植物学家Linnaeus对植物进行了系统的分类，创立了生物分类的等级和“双名法”。,（4）1838年，德国植物学家施来登(Mathias Schleiden)提出植物是由细胞构成的，1839年，德国动物学家施旺(Theodor Schwann)提出：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，自此创立了细胞学说。 （5）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
4、细胞。,（6）1859年达尔文的物种起源出版，提出了生物进化论。物种进化的动因是环境的变化、生物本身变异和自然选择的作用。,（7）1865年孟德尔总结了生物遗传的基本规律，分离律、自由组合律，奠定了现代遗传学基础。,（8） 1910年美国遗传学家摩尔根发现了连锁与互换律，并创立了“基因学说”。孟德尔的分离律、自由组合律和摩尔根的连锁与互换律，这就是遗传学的三大规律。,3分子水平的发展：,（1）1944年细菌学家艾弗里以细菌为材料，首次证实了DNA是遗传物质。,（ 2）1953年沃森（美国）和克里克（英国）阐明了DNA双螺旋结构模型。,（3）1954年提出了生物信息传递的中心法则，揭示了生物体的
5、分子结构及其运动规律。 （4）1961年提出“乳糖操纵子模型”用于探讨基因的调控。 （5）1965年我国首次人工合成胰岛素，打破了生命活性物质只能在生物体内合成的说法。 （6）1966年遗传密码被成功破译，为基因工程发展提供了理论基础。,4基因工程的发展：,（1）1973年，美国人Cohen开创了体外重组DNA技术，并成功的转化于大肠杆菌 。 （2）1977年将人生长激素抑制因子基因导入大肠杆菌中并成功表达。（9公斤细菌培养液获得的激素含量相当于从50万头羊脑中提取的量）。,（3）1997年英国科学家威尔莫特用羊的乳腺细胞，成功克隆出了“多莉”羊。,动物细胞的细胞核具有全能性,威尔莫特与多莉,
6、多莉羊（19972003）,Wilmut,克隆牛 维娃的宝宝,我国第一头体细胞克隆猪,世界上首只克隆狗,克隆的人类早期胚胎（6个细胞）,（4）美国参议院于2002年4月18日通过一项决议，指定4月2128日为“国家生物技术周”，以示国家对生物技术的重视。 （5）2002年6月欧共体部长会议批准了160亿美元的事物技术研究计划，我国“十五”高技术产业化规划中“生物技术产业化工程已列为十二项重大项目之一。,5人类基因组计划：,人类基因组计划(human genome project, HGP)是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参
7、与了这一价值达30亿美元的人类基因组计划。这是一部“生命的天书”，蕴藏着生命的秘密，决定人的生、老、病、死。,这一计划旨在为30多亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称为三大科学计划。中国负责测定3号染色体上的3000万个碱基对，占全部序列的1%。,2000年6月26日克林顿宣布 人类基因组草图绘制完成,6. 三个阶段(四个转折点)：,（1）细胞学说的建立DNA双螺旋结构的提出18381953，经历了近一个世纪 （2）DNA双螺旋结构的提出基因工程的发展及应用195370年代，80年代 （3）基因工
8、程的发展及应用克隆动物、人类基因组计划70年代，80年代95年、97年,（二）生物学发展的趋势：,微观方向：分子生物学的进一步发展。 宏观方向：未来生态学的研究在深度和广度上都将有很大发展。 形成新的边缘学科，面临一个大综合和大发展时期。,第二节 生物科学与医学的关系,1. 医学生物学是医学基础课程的基础。 2. 现代医学重要课题的研究将依赖于生物学的发展。 3. 生物学技术广泛应用于医学实践推动着医学的发展。,主要体现如下：,一、生长和发育与医学关系 二、分化与医学关系 三、干细胞与医学关系 四、克隆技术与医学关系 五、基因组医学与医学关系 六、生殖与医学,第三节 学习医学生物学目的和要求,
9、使医学生了解、掌握与医学相关的生物学基本理论、基本知识和基本技能，为进一步学好基础医学课程和临床各学科课程奠定基础。 本教材分三篇共十六章，本课程重点讲述14章，16章（概略介绍）。,第一章 生命的特征与起源,What is life?,抽象的概念现实的存在具体的特征研究的主题,第一节 生命的基本特征,一生命以核酸、蛋白质为主导的自然物质体系,生命：以自然元素为基本组分的物质运动体系。,核 酸生命信息的编码、储藏 蛋白质生命信息的表达、体现,二生命以细胞为基本单位的功能结 构体系,生命有机体决非化学物质的简单堆砌。它们只有按照一定的形式和比例，在不同的层次上相互化合，依次组装，形成特定的结构体
10、系细胞，才能执行各种生理功能，进行和完成各种生命活动过程。细胞是一切生命有机体结构和功能活动的基本单位 。,三生命以新陈代谢为基本运动形式的自我更新体系,任何生命有机体，无不时时刻刻地进行着与其周围环境间的物质和能量交换，并因此而得以不断的自我更新。这就是所谓的新陈代谢(metabolism)。,同化作用(assimilation),异化作用(disassimilation),同化作用：生命有机体从外界环境摄取营养物质以构建自身的能量储存过程。,异化作用：伴之以能量释放的自身物质分解过程。,新陈代谢不仅是生物有机界高度一致的生命基本运动形式，而且也是区别于非生命自然界的根本标志。,四生命自主性
11、的信息传递、转换与调节体系,信息的传递、转换，不仅是生命物质自主性运动的表现形式，而且也是维持、调节机体正常生命活动稳定性、协调性和秩序性的统一机制。,五生命以生长发育为表现形式的“质”、“量”转换体系,生长(growth)：生命有机体在其新陈代谢过程中的一定阶段，当同化作用大于异化作用时，表现出体积的增大和重量的增加的现象。,个体发育(ontogenesis)：生命有机体自始至终地伴随的结构和功能上的一系列变化。,六生命通过生殖繁衍实现的物质能量运动的守恒体系,任何生物个体的寿命总是有限的当其生长发育到一定时期都会死亡；生命现象的世代延续却是无限的所有的生物又都具有繁衍与其自身相似后代个体的
12、能力。,生殖：可视之为生命物质运动无限性的持续 死亡：可看作是生命物质运动有限性的终结,生物有机体通过特定方式产生子代个体，从而使生命得以延续的这一过程，称之为生殖(reproduction)。生殖是一切生命有机体最重要的属性之一。,无性生殖(asexual reproduction) 有性生殖(sexual reproduction),七生命以遗传变异规律为枢纽的综合决定体系,遗传(heredity)：是指生命有机体在生殖过程中所表现出来的亲子代之间的相似现象,变异(variation)：是指同种个体之间的差异,遗传：运动方向及运动形式的稳定与延续 变异：运动方向及运动形式的变化和更迭,八生
13、命具有时空顺序性的物质运动演化体系,生命现象是地球物质运动的特殊形式，表现生命现象的所有生物是生命历史长期演化的结果。,无机物有机物生物大分子 生物大分子有机物质体系原始生命 生命形态的分化和内部功能结构的完善与提高,进化(evolution)：生命从无到有；从少到多；从简单到复杂；从低级到高级的发展过程。,九生命与自然环境的协同共存体系,生命的存在不是孤立的。一切生物都占有一定的空间，其生命活动都离不开特定的生存环境，并且必然地与构成其生存环境的各种外界条件相联系。生物与生存环境的相互作用和协调统一，是生命自然界的基本法则。,第二节 生命的起源,一原始生命的化学演化,从无机小分子物质到有机小
14、分子物质,从有机小分子物质到生命大分子物质,从生命大分子物质组成多分子体系,从多分子体系演变为原始生命,二原始细胞的产生,最原始细胞的雏形,具有可变形的半通透性脂质-蛋白质界膜 含有由核酸-蛋白质整合体系组成的信息系统和蛋白质合成系统 能够通过厌氧呼吸获取能量的异养型原始生命单位,三自养生物的出现,原核生物(prokaryote),二极生态系统自养与异养合成与分解,四从原核生物到真核生物,分化起源说,真核生物的出现，是在自然历史演化过程中，原核生物与自然环境之间相互作用，其内部结构逐渐分化、功能不断完善提高的结果。,真核细胞内的细胞器不是细胞自身结构分化演变的结果，而是来源于外部。,内共生起源
15、说,第二章 生命的基本单位 细胞,细胞(cell)：是一切生物的形态结构和生命活动的基本单位,生物体的一切生理活动、生命的基本特征及各种生命现象都是以细胞为单位体现的。细胞是生命的载体。,第一节 细胞发现与细胞 学说的建立,一细胞的发现,1665年，英国物理学家Hooke在用自制的显傲镜观察软木组织时，首次发现了植物的组织细胞，实际上他观察到的是一些死亡的栎树皮韧皮部细胞的细胞壁。,二细胞学说的建立,“一切生物，包括单细胞生物、高等动物和植物都是由细胞组 成的，细胞是生物形 态结构和功能活动的 基本单位”。这就是 著名的细胞学说(ce11 theory)。,Schleiden MJ. （180
16、4-1881）,Schwann T. （1810-1882）,细胞学说的基本内容,一切生物都是由细胞组成的 所有细胞都具有共同的基本结构 生物体通过细胞活动反映其生命特征 细胞来自原有细胞的分裂,第二节 细胞的基本特征,一细胞的基本定义,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，具有遗传的全能性,二细胞的大小、形态和数量,人和动物的细胞直径一般在10100m之间。人体内最大的细胞是卵细胞，直径约100m，最小的细胞直径只有45m。,细胞的形态多种多样，大小也不一致，这是与细胞功能相适应的。凡是游离的细胞大多数呈球形
17、或椭圆形。,生物包括单细胞生物和多细胞生物。单细胞生物一个细胞就是一个完整的个体，多细胞生物的机体根据其复杂程度由数百乃至万亿计细胞构成。（成人约有 个细胞）,1014,细胞体积守恒定律：生物体器官的大小与细胞数量成正比，而与细胞的大小无关。,三细胞的主要共性,所有细胞都具有选择透性的膜结构 细胞都具有遗传物质 细胞都具有核糖体,四原核细胞与真核细胞,（一）原核细胞,原核细胞因没有典型的核结构而得名 原核细胞最主要的特征是没有膜包被的细胞核，也没有核仁。DNA位于细胞中央的核区，称为拟核(nucleoid)，该区称为拟核区。,原核细胞的基本结构：,细胞膜,细胞质,DNA,核糖体,支原体,细菌细
18、胞模式图,质粒,质粒是细菌染色体外的遗传物质，为环形闭合的双股DNA，存在于细胞质中，质粒编码非细菌生命所必须的某些生物学性状，如性菌毛、细菌素、毒素和耐药性等。质粒能进行自我复制，与细菌的遗传变异有关。,质粒上常有抗生素的抗性基因，例如，四环素抗性基因或卡那霉素抗性基因等。有些质粒称为附加体(episome)，这类质粒能够整合进细菌的染色体，也能从整合位置上切离下来成为游离于染色体外的DNA分子。在基因工程中，常用人工构建的质粒作为载体。,以脂质、蛋白质为基础的细胞膜相结构，以核酸和蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统，以特异蛋白质分子为基础的细胞骨架系统。,（二）真核细胞,真核细胞的基本结构
19、：,此外还可观察到一些比较大的结构：线粒体、中心体、高尔基体。,光镜下结构,细胞膜,细胞核,细胞质,电 镜 下 结 构,膜相结构,非膜相结构,细胞膜,溶酶体,高尔基复合体,线粒体,过氧化氢体,内质网,核膜,核糖体,核仁,染色质,核基质,微丝,中等纤维,微管,中心粒,细胞质基质,原核细胞与真核细胞的主要区别,1. 真核细胞与原核细胞最本质的区别： （1）原核细胞无核膜 （2）原核细胞DNA暴露，无组蛋白 2. 真核细胞与原核细胞的共同点： （1）都有细胞膜、细胞质和核体 （2）都有遗传物质 （3）都能独立的完成生命活动,原核细胞与真核细胞的比较,特征,原核细胞,真核细胞,细胞大小,细胞核,细胞器
20、,核糖体,染色体,较小（110m）,较大（10100 m）,无核仁和核膜,有核仁和核膜,仅有核糖体,有各种细胞器,70S（50S+30S）,80S（60S+40S）,单条，由非组蛋白与单个DNA分子组成。,多条，由组蛋白及非组蛋白与多个DNA分子组成。,内膜系统,无,有 （复杂）,细胞骨架,无,有 （微管、微丝、中间纤维）,细胞壁,主要组分为肽聚糖,主要组分为纤维素,细胞分裂,无丝分裂,有丝分裂和减数分裂,在结构上比原核细胞和真核细胞都要简单得多，是由核酸(DNA或RNA)芯和蛋白质外壳组成。,（三）病毒与蛋白质感染因子1病毒,动物病毒，植物病毒，细菌病毒（噬菌体） 类病毒（只含核酸不含蛋白质
21、）,脊髓灰质炎病毒,烟草花叶病毒,疱疹性口炎病毒,人类天花病毒（图中深染的颗粒）,丝状有被膜的病毒（流感病毒）,T4噬菌体,2蛋白质感染因子,1982年，Prusiner在患瘙痒病的羊体内发现了一种蛋白质因子，并证明是羊瘙痒病的致病因子。这种感染因子不含核酸，在复制方式和传染途径上完全不同于传统概念上的病毒，与神经系统致病有关。,羊瘙痒病发现已有200年的历史，羊得了这种病就会浑身发痒，不断在坚硬物质上搓擦身体，最后死亡。它是一类传染性海绵状脑病（transmissible spongiform encephalopathies， TSE）。,疯牛病，即牛海绵状脑病（bovine spongi
22、form encephalopathy， BSE）也属于此类疾病，发现于1986年，是由于牛被喂以由死羊骨粉制造的饲料而被感染，病牛脑内灰质及神经元都有典型的海绵状退化，出现淀粉样（amyloid）蛋白沉淀，与羊瘙痒病相似。同类型的prion也会使鹿、貂及猴子患病。,Prion是一种结构变异的蛋白质，对高温和蛋白酶均具有较强的抵抗力。它能转变细胞内的此类正常的蛋白PrPC，使PrPC发生结构变异，变为具有致病作用的PrPSc。 PrPC存在于神经元、神经胶质细胞和其它一些细胞，属于糖磷脂酰肌醇锚定蛋白，集中在膜上的脂筏中，对蛋白酶和高温敏感，可能和细胞信号转导有关。,vCJD病人大脑组织切片，
23、海绵状病变及周围的沉淀斑,淀粉样蛋白沉淀,PrPc,PrPSc,蛋白质感染因子的增殖既不是由于基因过分表达，也不是因翻译量增加，而是由于正常分子的构象发生转变造成的，所以亦称朊病毒。目前已知的人类PRION疾病主要有：,1.克-雅二氏病（CJD）：Cruetzfeldt和Jakob 1920年发现6例患者，大多发生于60岁以上的人，是自身PrP蛋白发生变异引起的。,2.变异型克-雅氏病（vCJD）：患者都处于以往CJD未曾出现的年龄段，为十几岁至三十岁的年轻人，是由于取食病牛产品而感染。患者首先出现忧郁症的病状，继而不能行走，并呈现精神障碍等痴呆症状，最后死亡。,3.GSS综合征（Gerstm
24、ann-Straussler Scheinker disease）：是一种遗传性的慢性脑病，由Prnp基因缺陷引起，PrP蛋白的102位亮氨酸被脯氨酸取代或117位的缬氨酸被丙氨酸取代。,4. 克鲁病（Kuru）：发现于新几内亚一个叫Fore的部落，当地人称作kuru，意即颤抖。病人大多数是妇女及小孩，病症有言语含糊及无意识地狂笑，最后不省人事并死亡。一名美国医生D. C. Gajdusek到了当地，发现那里的妇女及小孩具有吃死者尸体的习惯，结果受到感染。,5. 致死性家族性失眠症（Fatal familial insomnia，FFI）：也是一种遗传性疾病，Prnp基因变异，PrP蛋白178位的天冬酰胺被天冬氨酸取代。患者的主要症状是失眠，并有CJD的症状。,对于蛋白质感染因子引起的疾病，目前尚没有有效的治疗措施。这类蛋白具有很强的抵抗力，对抗生素和消毒剂不敏感，134-138持续1h的病牛脑组织匀浆，以及10%福尔马林固定过的病羊脑组织，仍有感染性。 据报道，自1996年以来，共有106人得了疯牛病，其中仅有7人还活着。,
