1、第一章 绪 论,细 胞 生 物 学,细胞生物学研究的内容与现状 该学科是现代生命科学的重要基础学科 细胞生物学主要研究内容 当前细胞生物学研究的总趋势与重要领域 细胞学与细胞生物学发展简史 细胞的发现 细胞学说的建立及其意义 细胞学的经典时期 实验细胞学与细胞学的分支及其发展 细胞生物学学科的形成与发展 该学科主要学术组织、刊物与教科书,细胞学（cytology）：是研究细胞的形态、结构、生理功能及生活史的科学。细胞生物学（cell biology)：从细胞的显微、亚显微和分子水平研究细胞结构、功能及各种生命活动 的本质与规律的科学。,第一节 细胞生物学研究内容与进展,细胞（cell）：是构成
2、生物体的基本结构和功能单位。,一、细胞生物学的概念及研究内容,细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科, Cell biology是研究细胞基本生命活动规律的科学，它在不同层次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，细胞的起源与进化等为主要内容 1925，生物学大师Wilson提出“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找” 细胞生物学，分子生物学，神经生物学和生态学为生命科学的四大基础学科,细胞生物学的主要研究内容,当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域,当前细胞生物学研究中的三大基本问题当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题,总趋势,细胞生物学与分子
3、生物学(包括分子遗传学与生物化学) 相互渗透与交融是总的发展趋势。,当前细胞生物学研究中的三大基本问题,细胞内的基因组如何在时间与空间上有序表达？ 基因表达的产物如何装配行使功能及各种细胞器？组装过程的调控程序与调控机制是什么？ 基因表达产物主要活性分子与信号分子如何调节细胞最重要生命活动的？,重点领域,染色体DNA与蛋白质相互作用关系主要是非组蛋白对基因组的作用 细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控 细胞信号转导的研究 细胞结构体系的装配,1988年底，美国国立卫生研究院的调查结果是 三种疾病：癌症;心血管病;爱滋病和肝炎等传染病 五大研究方向：细胞周期调控细胞凋亡细胞衰老信号转导DNA的
4、损伤与修复,细胞信号转导细胞凋亡基因组与后基因组学研究,美国科学情报研究所1997年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：,第二节 细胞生物学的发展简史,第一阶段：细胞的发现和细胞学说的创立 第二阶段：细胞学的经典时期(19世纪中-20世纪初) 第三阶段：实验细胞学阶段(20世纪初- 20世纪中) 第四阶段：细胞与分子生物学的形成和发展时期,一、细胞的发现和细胞学说的创立时期 （1665-1875）,1677 荷兰科学家列文虎克(Leeuwenhoek)发现活的细胞,列文虎克 观察到了血细胞、水生原生动物、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
5、胞。,1831年，英国人Robert Brown -（植物叶片表皮细胞的胞核）,1841年，Remak 在观察鸡胚血球细胞时发现了细胞分裂。,1883年Beneden中心体，1894年Altmann线粒体，Golgi高尔基体。,细胞的发现开创了生物学研究 的新领域，使人类对自然界 包括对人类自身的认识 进展到细胞水平,All organisms are composed of one or more cells, The cell is structural unit of life.,Schleiden and Schwann，1838，1839，,一切生物从单细胞到高等动、植物都是由细胞组
6、成；细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位。,德国植物学家施莱登(Schleiden),德国动物学家施旺(Schwann ),细胞学说、能量转化与守恒定律、达尔 文进化论是19世纪自然科学的三大发现恩格斯,细胞学说、达尔文进化论、孟德尔遗传学说是现代生物学的三大基石。,在细胞生物学的早期，对细胞的研究主要是采用各种固定和染色技术在显微镜下观察细胞的形态、内部结构及其分裂活动。,二、细胞学的经典时期（1875-1898年）,提出原生质理论 1861 Schultze-原生质（protoplasm）理论 发现了细胞分裂的主要类型 1841 Remak-鸡胚血细胞直接分裂 1880 Flemming
7、-有丝分裂 1886 Strasburger-减数分裂 发现了重要的细胞器 1883 Boveri-中心体 1898 Benda-线粒体 1898 Golgi-高尔基体,三、实验细胞学时期（19001943年）,细胞生物学的发展已不在限于细胞的形态和结构的观察，开始研究细胞内的物质及其功能，不同研究方向系统发展，最终形成了细胞生物学的分支学科。这一时期被称为实验细胞生物学时期。,实验细胞学与细胞学的分支及其发展,细胞遗传学的发展 细胞生理学的研究 细胞化学,1902 Boveri，Suttan染色体遗传理论 1910 Morgen基因学说 1909 Harrison组织培养 1943 Clou
8、de高速离心提取细胞器 1924 FeulgenFeulgen染色测定DNA 1940 BrachetUnna染色测定RNA 1940 Casperson紫外分光光度法检测DNA,采用实验手段，综合研究细胞的生理功能，生化变化和发生发展过程。,细胞遗传学的发展, 1876 O.Hertwig发现动物受精； 1883 Van Beneden性细胞染色体； 1888 Strasburger，1893 Oveerton 植物受精； 1900 孟德尔遗传法则被重新发现; 1905 Wilson性别与染色体关系; Weissman 遗传单位有序排列在染色体上; Borveri和Sutton染色体学说;
9、1910Morgan基因及基因学说,细胞生理学的研究,1909 Harrison 和Carrel创立组织培养技术 1943 Claude高速离心机从活细胞分离细胞器,细胞化学,1924 Feulgen定性定位DNA; 1940 Brachet甲基绿派洛宁测定细胞中DNA和RNA; 1936和1940 Casperson 紫外分光光度法测定DNA含量，并认为蛋白质合成与RNA有关; 近20年，显微分光光度、流式分光光度、放射自显影、分子原位杂交、免疫荧光光度计、免疫胶体金技术、激光共焦点扫描显微镜; 细胞组分分离技术，放射自显影技术和超微量分析方法，核酸与蛋白质;,细胞生物学学科的形成与发展,
10、20世纪50年代以来，电子显微镜与超薄切片技术结合，产生了细胞超微结构学 50年代中期到60年代末，生化技术与细胞学相互渗透 20世纪70年代，分子生物学概念与技术的引入 80年代以来，细胞生物学主流为细胞的分子生物学 90年代后期，纳米生物学兴起,四、分子细胞生物学时期（1944年-）,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。,细胞生物学的研究方
11、法,显微技术 生物化学与分子生物学技术 细胞分离技术 细胞培养与细胞杂交,一、显微技术,显微镜是观察细胞的主要工具。根据光源不同，可分为光学显微镜和电子显微镜两大类。,普通光学显微镜,荧光显微镜,细胞中有些物质，如叶绿素等，受紫外线照射后可发荧光；另有一些物质本身虽不能发荧光，但如果用荧光染料或荧光抗体染色后，经紫外线照射亦可发荧光,用于观察能激发出荧光的结构。 用途：免疫荧光观察、基因定位、疾病诊断。,荧光显微镜照片 （微管呈绿色、微丝红色、核蓝色）,激光共聚焦扫描显微镜,蓝色为细胞核 绿色为微管,激光共聚焦扫描显微镜用激光作扫描光源，由于激光束的波长较短，光束很细，所以共焦激光扫描显微镜有
12、较高的分辨力，大约是普通光学显微镜的3倍。调焦深度不一样时，就可以获得样品不同深度层次的图像，这些图像信息都储于计算机内，通过计算机分析和模拟，就能显示细胞样品的立体结构。,暗视野显微镜,照明光线不直接进入物镜，只允许被标本反射和衍射的光线进入物镜，因而视野的背景是黑的，物体的边缘是亮的。 利用这种显微镜能见到小至 4200nm的微粒子，分辨率可比普通显微镜高50倍。,相差显微镜,把透过标本的可见光的光程差变成振幅差，从而提高了各种结构间的对比度，使各种结构变得清晰可见。 这种显微镜最大的特点是可以观察未经染色的标本和活细胞。,一种介壳虫的染色体,微分干涉差显微镜,优点是能显示结构的三维立体投
13、影影像，使细胞的结构，特别是一些较大的细胞器，如核、线粒体等，立体感特别强，适合于显微操作。 目前像基因注入、核移植、转基因等的显微操作常在这种显微镜下进行。,倒置显微镜,用于观察培养的活细胞,透射电子显微镜,电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍 透射电子显微镜 扫描电子显微镜,RER的形态,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。,扫描电子显微镜,20世纪60年代问世，用来观察标本表面结构。,人类红细胞,人类精子,分辨率：0.2nm,扫描电子显微镜,显微操作/注射仪,二、生物化学与分子生物学技术,细胞化学技术 组
14、织化学或细胞化学染色：是利用染色剂可同细胞的某种成分发生反应而着色的原理，对某种成分进行定性或定位研究的技术。 利用这种方法对细胞的各种成分几乎都能显示，包括有无机物、醛、蛋白质、糖类、脂类、核酸、酶等。,免疫细胞化学 根据免疫学原理，利用抗体同特定抗原专一结合，对抗原进行定位测定的技术。 如果将抗体结合上标记物，再与组织中的抗原发生反应，即可在光镜或电镜下显示出该抗原存在于组织中的部位。 常用的标记物有荧光素和酶。 荧光素标记的称为免疫荧光法 酶标记的称为酶标免疫法,显微光谱分析技术 细胞中有一些成分具有特定的吸收光谱，核酸、蛋白质、细胞色素、维生素等都有自己特征性的吸收曲线。例如，核酸的吸
15、收波长为260nm，而蛋白质的则为280nm。根据细胞成分所具有的这种特性，可利用显微分光光度计对某些成分进行定位、定性，甚至定量测定,放射自显影术用于研究标记化合物在机体、组织和细胞中的分布、定位、排出以及合成、更新、作用机理、作用部位等等。原理是将放射性同位素（如14C和3H）标记的化合物导入生物体内，将标本制成切片或涂片，涂上卤化银乳胶，组织中的放射性即可使乳胶感光。显示还原的黑色银颗粒，即可得知标本中标记物的准确位置和数量。,分子杂交技术 具有互补核苷酸序列的两条单链核苷酸分子片段，在适当条件下，通过氢键结合，形成DNA-DNA，DNA-RNA或RNA-RNA杂交的双链分子。 这种技术
16、可用来测定单链分子核苷酸序列间是否具有互补关系。,人类染色体 端粒DNA的 荧光原位杂交,最初是使用带放射性的DNA探针，通过放射自显影来显示位置。后来又发明了免疫探针法，将探针核苷酸的侧链加以改造，探针杂交后，其侧链可被带有荧光标记的抗体所识别，从而显示出位置。,PCR技术 聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）用于在体外将微量的目标DNA大量扩增，以便进行分析。,三、细胞分离技术,离心技术 流式细胞术 细胞电泳,离心技术差速离心,速度逐渐提高，样品按大小先后沉淀,用差速离心法分离已破碎的细胞各组份,流式细胞术:是对单个细胞进行快速定量分析与分选的一门技
17、术。在分析或分选过程中，包在鞘液中的细胞通过高频振荡控制的喷嘴，形成包含单个细胞的液滴，在激光束的照射下，这些细胞发出散射光和荧光，经探测器检测，转换为电信号，送入计算机处理，输出统计结果，并可根据这些性质分选出高纯度的细胞亚群，分离纯度可达99%。包被细胞的液流称为鞘液，所用仪器称为流式细胞计。,细胞电泳:在一定PH值下细胞表面带有净的正或负电荷，能在外加电场的作用下发生泳动的现象称为细胞电泳。引起细胞电泳的电位值称为电位。各种细胞或处于不同生理状态的同种细胞电荷量有所不同，故在一定的电场中的泳动速度不同，因此可用来分离不同种类的细胞。在恒定的电场条件下，同种细胞的电泳速度相当稳定，因而可通
18、过测定电泳速度来推算出细胞的电位。电位常因细胞生理状态和病理状态而异，因此在诊断疾病上有一定价值。,四、细胞培养与细胞杂交,细胞培养 选用最佳生存条件对活细胞进行培养和研究的技术 。 细胞融合 通过培养和诱导，两个或多个细胞合并成一个双核或多核细胞的过程称为细胞融合或细胞杂交 。,动物细胞培养,群体培养（左）和克隆培养（右）,植物细胞培养,1、组织培养：诱发产生愈伤组织，如果条件适宜，可培养出再生植株。 2、悬浮细胞培养：适合于进行产业化大规模细胞培养，制取植物代谢产物。 3、原生质体培养：脱壁后的植物细胞称为原生质体。 4、单倍体培养：通过花药或花粉培养可获得单倍体植株，经人为加倍后可得到完全纯合的个体。,正常淋巴细胞具有分泌抗体的能力，但不能在体外长期培养，瘤细胞可以在体外长期培养，但不分泌抗体。于是英国人Kohler和Milstein 1975将两种细胞杂交而创立了单克隆抗体技术，获1984年诺贝尔奖。,
