第一章 细胞与细胞生物学,1,第一节 细胞生物学的发展简史 第二节 细胞学说的创立 第三节 细胞的化学组成 第四节 生物体由细胞组成 第五节 细胞生物学研究进展,2,要了解生命的奥秘， 就必须知道细胞。,细胞生物学（Cell Biology）研究细胞的生命活动规律以及整合功能，阐明生命活动的基本规律。,动态观点 系统的观点 结构与功能统一的观点,显微水平 超微水平 分子水平,3,The Basic Questions of Biology? Metabolic Biology Neural Biology Bioinformatics Cell Biology Bio-Technology Functional Genomics,Heredity-development-evolution,生命科学的基本问题,基本问题 : 遗传 发育 进化 主要内容 : 细胞的生命活动 切入点 : 功能基因组,细胞生物学研究的重点领域,三大基本问题： 1、基因组（人类大约有34万个基因）在细胞内是如何在时间与空间上有序表达的？ 2、基因表达的产物（生物大分子）如何逐级装配成能行使生命活动的基本结构体系及各种细胞器？这种自组装过程的调控程序与调控机理是什么？ 3、基因表达的产物特别是大量活性因子与信号分子，是如何调节细胞最重要的生命活动过程（诸如细胞的增殖、分化、衰老与凋亡等等）？,机体结构,细胞增殖,细胞分化,细胞凋亡,细胞信号转导,染色体,衰老,细胞重大生命活动及其相互关系示意图,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 senescence； signal transduction； DNA damage and repair.,Cell signaling can affect virtually every aspect of cell structure and function: Activation of enzyme activity; Change in cytoskeletal organization; Change in ion permeability; Initiation of DNA synthesis; Activation or repression of gene expression.,第一节 细胞生物学的发展简史,显微镜的发明 细胞的发现与描述 细胞分裂与染色体的研究 细胞器的发现 分子细胞生物学的发展,一个多世记以来，细胞生物学不断地从其它的学 科中吸取精华，逐渐形成和发展。二十世记80年代，由于分子生物学的巨大进步，催生了分子细胞生物学（Molecular Cell Biology）。,10,显微镜的发明,11,公元前一世纪，通过球形透明物体去观察微小物 体时，可以使其放大成像。 十七世纪Hooke和Leeuwenhoek的卓越贡献。 二十世纪80年代，制造出激光扫描共聚焦显微镜。 二十一世纪初超高分辨率荧光显微镜的出现 光敏定位显微镜（PALM） 随机光重建显微镜（STORM） 受激发射损耗显微镜(STED) 电子显微镜成为重要工具 超高压透射电子显微镜（HVEM）,12,细胞的发现与描述,13,细胞分裂与染色体的研究,1852 Robert Remak discovered that the origin of cells was by the division of pre-existing cells 1863 Rudolf Virchow widely publicized above findings without crediting Remak 1869 Johann Friedrich Miescher (nuclein) 1873 Anton Schneider (meiosis) 1879 Walther Flemming (chromatin, mitosis) 1888 Wilhelm von Waldeyer-Hartz, (term chromosome) 1902 Walter Stanborough Sutton. (chromosomes carry the units of inheritance) 1904 Theodor Boveri (correlation between Mendels factors and chromosomes ) 1904 William Bateson (genetics) 1909 Wilhelm Johannasen (gene),14,Robert Remak,Rudolf Virchow,(1863), omnis cellula e cellula (“every cell originates from another existing cell like it.“),15,1878年，德国细胞学家Walther Flemming首次发现动物细胞的 有丝分裂，并提出有丝分裂 （mitosis）的概念，同时还首 先观察到细胞核里存在着嗜碱性 染料的细丝状物质，命名为 chromatin （染色质）。,(1878,1882) Omnis nucleus e nucleo (all cell nuclei came from another predecessor nucleus ),16,1888年德国解剖学家 Heinrich Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Hartz才把细胞分裂时出现的着色物体正式命名为chromosome（染色体）。,Waldeyer-Hartz, Wilhelm von (German). 1888. ber Karyokinese und ihre Beziehungen zu den Befruchtungsvorgngen. Archiv fr mikroskopische Anatomie und Entwicklungsmechanik 32: 1-122,1836-1921,17,1883年Van Beneden和Boveri发现中心体 1894年Altmann发现线粒体 1898年Golgi发现高尔基器 1945年K. R. Porter和A. D. Claude等发现内质网 1954年Johannes和Rhodin发现过氧化物体 1956年Christian de Duve发现溶酶体 1958年Robertis发现核蛋白体,细胞器的发现,显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，为发 现细胞器并研究它们的分子结构提供有效的工具。,18,分子细胞生物学的发展,细胞生物学作为分子生物学发展的基础，分子生物学的发展给细胞生物学以新的内涵。 以细胞为对象，研究细胞器和生物大分子与生命活动之间的变化发展过程，相互关系，以及它们与环境之间的相互作用。 还包括了细胞在发育、遗传、信息传递 中的活动和细胞生物工程等,19,第二节 细胞学说的创立与发展,细胞理论 原生质理论 现代细胞理论,Atomic hypothesis by Democritus （460 - 370 B.C.),300 B.C., Democritus suggested that all matter was made of small, indivisible objects known as atomon.,20,1838年，德国植物学家Schleden发表了植物发生论，指出细胞是构成植物的基本单位。1839年德国动物学家Schwann发表了关于动植物的结构和生长一致性的显微研究论文，指出动植物都是细胞的集合物。 Schleden和Schwann 两人共同提出：一切植物动物都是由细胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位，这就是著名的细胞学说（Cell Theory）。,细胞理论,Schwann,Schleden,21,22,1855年, 德国病理学家魏尔啸（Rudolph Virchow） 应用光学显微镜观察到所有活细胞只来源于活细胞 。 即认为个体的所有细胞都是由原有细胞分裂产生, 现在除细胞分裂外还没有证据说明细胞繁殖有其他 途经。,细胞理论的发展 1一切动植物都是由一个或多个细胞所组成； 2细胞是生命的基本单位； 3新细胞是由已存在的细胞分裂而来； 4细胞是生物体的结构与生理功能的单位； 5细胞既可以作为独立的个体存在，也可以作 为构成生物体的基础单位。,早期的细胞理论提出了一切生物体都由一个或多个细胞组成，认为细胞是生命的基本单位，但是这个学说还假设了细胞来自非细胞，即细胞通过自发结晶（spontaneous crystallization）的非细胞方法形成（free cell formation）。,23,原生质理论,From protoplasmic theory to cellular systems biology: a 150-year reflection Am. J. Physiol. Cell Physiol. June 2010 vol. 298 no. 6 C1280-C1290,细胞系统生物学正在产生规模空前的数据，对细胞结构功能的系统性认识在不断更新。但是这种“系统”观的起源可追溯原生质体概念的诞生。回顾原生质理论在细胞生物学中的150 年历史可以发现正是19世纪的原生质理论，而不是细胞理论，驱动细胞结构功能的研究，因而原生质理论与 21 世纪的系统细胞生物学理论具有不可忽视的相关性。,24,现代细胞理论,所有的生物都由细胞组成； 细胞是生物的基本结构与功能单位； 所有细胞都由已存在细胞分裂形成； 所有细胞具有基本相同的化学组成； 细胞含有遗传信息（DNA），在分裂时遗传信息传递给子细胞； 细胞内存在生命活动需要的能量代谢过程； 单细胞生物由一个细胞组成，多细胞生物由许多个细胞组成； 生物体的活性依赖于所有组成生物体的细胞活性的综合。,25,第三节 细胞的化学组成,一般情况下，细胞中水大约占80，无机盐大约占11.5，蛋白质大约占714，脂类大约占12，糖类和其他有机物大约占11.5，这些物质在细胞中以不同的形式和功能存在。,26,细胞的遗传物质,原核细胞还是真核细胞都含有携带着遗传信息的DNA， 基因就是DNA分子的一个区段 基因是遗传信息的结构与功能单位 基因组是指一个物种的全部遗传信息的总和,1944年美国科学家艾弗里（O.T. Avery）的肺炎双球菌的转化实验， 1952年美国微生物学家赫尔希（A.D. Hershey）和蔡斯（M. Chase）进一步证明遗传物质是DNA而不是蛋白质。,27,28,1953年，沃森（James D. Watson）和克里克（Francis Crick）提出了DNA分子结构的双螺旋模型，深刻揭示出生命与遗传的奥秘。,脱氧核糖核酸（DNA),29,脱氧核糖核酸 DNA,核糖核酸 RNA,原核细胞的基因,转录单位（transcript unit） 操纵子（operon）,在DNA、转录和翻译三个不同层次进行调控，但转录水平的调控是最主要的方式。,30,DNA和染色体水平上的调控 转录水平上转录起始的控制和延伸 转录后RNA加工过程和运送中的调控 翻译水平上的调控 翻译后的修饰,真核