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分子細(xì)胞生物學(xué)
楊愛芳e-mail:aifangyang@植物細(xì)胞的全能性
受精卵的全能性胚泡胎兒thinking第一~三章緒論,技術(shù),細(xì)胞的基本概念和細(xì)胞的化學(xué)組成第四章質(zhì)膜和細(xì)胞表面第五章質(zhì)膜與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)诹录?xì)胞外基質(zhì)第七~九章細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng),包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核糖體、高爾基復(fù)合體、溶酶體、微體等第十~第十一章線粒體、葉綠體第十二章細(xì)胞骨架與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)第十三章間期細(xì)胞核和染色體第十四章細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與信號(hào)傳遞系統(tǒng)第十五章細(xì)胞的遺傳活動(dòng)與蛋白質(zhì)生物合成第十六章細(xì)胞增殖與細(xì)胞周期第十七章細(xì)胞分化第十八章程序化死亡第十九章細(xì)胞的癌變第二十章細(xì)胞工程亞細(xì)胞水平細(xì)胞結(jié)構(gòu)三大體系生物膜體系細(xì)胞骨架體系遺傳信息體系第一章緒論本章內(nèi)容一、細(xì)胞生物學(xué)研究任務(wù)
二、細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史三、現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)的進(jìn)展歷程
細(xì)胞生物學(xué):以細(xì)胞為研究對(duì)象,從細(xì)胞的整體水平、亞顯微水平(超微)、分子水平三個(gè)層次,以動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)研究細(xì)胞及細(xì)胞器結(jié)構(gòu)和功能、細(xì)胞生活史和各種生命活動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。細(xì)胞:由膜圍成的獨(dú)立進(jìn)行繁殖的最小的原生質(zhì)團(tuán),是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位,也是生命活動(dòng)的基本單位。要研究生命的活動(dòng)最終要研究細(xì)胞的活動(dòng)。細(xì)胞的基本要素:基因組;質(zhì)膜;完整的代謝機(jī)構(gòu)細(xì)胞的屬性:自我復(fù)制;自我調(diào)控;自我裝配
一切生物學(xué)問題的答案最終都要到細(xì)胞中去尋找--------------E.B.WilsonThestructureofCell一、細(xì)胞生物學(xué)研究任務(wù)首先研究細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu),然后是細(xì)胞的功能。
顯微結(jié)構(gòu):在光學(xué)顯微鏡下細(xì)胞的結(jié)構(gòu) 細(xì)胞的結(jié)構(gòu)亞顯微結(jié)構(gòu):超微結(jié)構(gòu)(電子顯微鏡下細(xì)胞的結(jié)構(gòu))細(xì)胞的功能:物質(zhì)的吸收與分泌、合成與分解、增殖與分化、衰老與死亡、信息的傳遞與轉(zhuǎn)導(dǎo)、遺傳與變異等等二、細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史生物學(xué)發(fā)展的三個(gè)階段:300多年
1)19世紀(jì)以前是以形態(tài)描述為主的生物科學(xué)時(shí)期;
2)20世紀(jì)上半葉,主要為實(shí)驗(yàn)生物學(xué)時(shí)期;
3)從上世紀(jì)五、六十年代以來,為精細(xì)定性與定量生物學(xué)時(shí)期,這是與DNA雙螺旋的發(fā)現(xiàn)及中心法則的建立分不開的。細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展的幾個(gè)重要時(shí)期細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立和細(xì)胞學(xué)的形成細(xì)胞生物學(xué)的興起分子細(xì)胞生物學(xué)的出現(xiàn)信息細(xì)胞生物學(xué)的來臨(一)細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)工具:荷蘭眼鏡商Jansen于1604年創(chuàng)造,放大倍數(shù)10~30倍,又稱為“跳蚤鏡”(只能觀察小昆蟲);在技術(shù)學(xué)史上把光學(xué)放大裝置提高到顯微鏡水平。英國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家Hooke(胡克)創(chuàng)造了第一架有科研價(jià)值的顯微鏡,放大倍數(shù)40~140倍,并從木栓中發(fā)現(xiàn)蜂巢狀小室──cell,Hooke于1665年發(fā)表《顯微圖譜》一書。他在這本書中描繪的“微小孔洞”被認(rèn)為是細(xì)胞學(xué)史上第一個(gè)細(xì)胞模式圖。第一次使用cell一詞。
第一次觀察到活細(xì)胞的是:荷蘭布商列文虎克(A.V.Leeuwenhoek)。放大倍數(shù)為270倍左右,分辨率2.7μm,
1674年他用自制的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了活細(xì)胞。發(fā)現(xiàn)了池塘水中的原生動(dòng)物;觀察到了人和哺乳動(dòng)物的精子;鮭魚紅細(xì)胞的核。(二)細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立和細(xì)胞學(xué)的形成
1、細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立:十九世紀(jì)上半期
1831年,布朗(R.Brown)在蘭科植物的葉肉表皮細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞核;1835年,杜雅?。‥.Dujardin)發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物細(xì)胞中的粘液質(zhì),并稱其為“肉樣質(zhì)”(sarcode);
細(xì)胞并不像胡克所說的那樣的小室,而是有內(nèi)容物的結(jié)構(gòu)。
1838年,德國植物學(xué)家施萊登(M.Schleidon)提出:所有的植物體都是由細(xì)胞組合而成的;1839年,德國動(dòng)物學(xué)家施旺(Schwann)認(rèn)為:動(dòng)物體也是由細(xì)胞所組成的,并肯定了一切生物體都是由細(xì)胞組成的。二人的觀點(diǎn)就是著名的“細(xì)胞學(xué)說”(celltheory)。但,未提及細(xì)胞來自哪里施萊登和施旺同時(shí)成為細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)始人1855年,德國病理學(xué)家魏爾肖(R.Virchow)提出:“細(xì)胞來自細(xì)胞”。
“細(xì)胞學(xué)說”包括三個(gè)內(nèi)容:(1)細(xì)胞是多細(xì)胞生物的最小結(jié)構(gòu)單位,對(duì)單細(xì)胞生物來說,一個(gè)細(xì)胞就是一個(gè)個(gè)體,即一切生物體都是由細(xì)胞構(gòu)成的。(2)多細(xì)胞生物的每一個(gè)細(xì)胞為一個(gè)代謝活動(dòng)單位,執(zhí)行特定的功能;(3)細(xì)胞只能通過細(xì)胞分裂而來。
意義:明確了動(dòng)植物之間的統(tǒng)一性,對(duì)生物界有了一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。2.細(xì)胞學(xué)的經(jīng)典時(shí)期
原生質(zhì)理論的提出1835年,杜雅丁(E.Dujardin)發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物細(xì)胞中的粘液質(zhì),將其稱為“肉樣質(zhì)”(sarcode);1840年,蒲肯野(Purkinje)等發(fā)現(xiàn)了植物細(xì)胞中的物質(zhì),將其稱為“原生質(zhì)”(protoplasm);1861年,MaxSchultze發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物細(xì)胞中的“肉樣質(zhì)”和植物細(xì)胞中的“原生質(zhì)”在性質(zhì)上是一樣的。原生質(zhì)是具有生命現(xiàn)象的細(xì)胞活物質(zhì),指構(gòu)成細(xì)胞的全部生活物質(zhì)。1892年,赫特維希(O.Hertwig)把這一理論稱為“原生質(zhì)學(xué)說”
原生質(zhì)學(xué)說——細(xì)胞是有膜包圍的原生質(zhì)團(tuán)重要細(xì)胞器的發(fā)現(xiàn)1888年,T.Boveri發(fā)現(xiàn)中心體1898年,C.Benda發(fā)現(xiàn)線粒體1898年,C.Golgi發(fā)現(xiàn)高爾基體,并用他自己的名字來命名。細(xì)胞分裂的研究1880年,W.Flemming提出有絲分裂(分裂過程中核內(nèi)出現(xiàn)染色質(zhì)絲)1905年,J.R.Farmer和J.E.Moore等發(fā)現(xiàn)并提出減數(shù)分裂(行有性生殖生物的生殖細(xì)胞,通過分裂使染色體數(shù)減半的分裂方式)明確了核在兩代個(gè)體間保持了連續(xù)性。3、細(xì)胞學(xué)的形成和細(xì)胞學(xué)的分支赫特維希(O.Hertwig)于1892年發(fā)表了《細(xì)胞與組織》的著名著作,這一著作標(biāo)志著細(xì)胞學(xué)(Cytology)作為一門獨(dú)立的生物學(xué)科的建立。WilsonE.B.于1896年發(fā)表了名為《細(xì)胞與發(fā)育和遺傳》一書(TheCellinDevelopmentandHeredity),成為細(xì)胞學(xué)史上第一部有系統(tǒng)的細(xì)胞學(xué)著作。1925年,這本書的第三版問世,書中發(fā)表了Wilson繪制的一幅細(xì)胞模式圖,這幅圖是細(xì)胞學(xué)史上一個(gè)具有代表意義的細(xì)胞模式圖,反映了光學(xué)時(shí)代對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)水平。P5(三)細(xì)胞生物學(xué)的興起顯微鏡的分辨力(resolution)是限制顯微鏡分辨率的關(guān)鍵因素,是指顯微鏡將物體放大成像后,能將物體相近兩點(diǎn)分辨清楚的能力,通常用相鄰兩點(diǎn)間的距離來表示。D代表分辨力:D=0.61
/N.A.
代表光波波長(zhǎng);N.A.為鏡口率N.A.=n
Sin
/2n:物鏡與標(biāo)本間介質(zhì)的折射率,(1或1.515)
:鏡口角(聚光焦點(diǎn)對(duì)物鏡鏡口的張角,<180o)分辨力主要取決于入射光的波長(zhǎng),入射光波長(zhǎng)越短,顯微鏡分辨本領(lǐng)越高。1939年,德國科學(xué)家Ruska(魯斯卡)在西門子公司(Siemens)設(shè)計(jì)制造出世界上第一臺(tái)商品性電子顯微鏡。
分辨率(resolution):是指顯微鏡將物體放大成像后,能將物體相近兩點(diǎn)分辨清楚的能力,通常用相鄰兩點(diǎn)間的距離來表示。
D代表分辨力:D=0.61
/N.A.
代表光波波長(zhǎng);N.A.為鏡口率,也稱數(shù)值孔徑(Numericalaperture)。
N.A.=n
Sin
/2
n:物鏡與標(biāo)本間介質(zhì)的折射率;(1或1.515)
:鏡口角(聚光焦點(diǎn)對(duì)物鏡鏡口的張角,<180o)物鏡鏡口
標(biāo)本結(jié)論:通過公式可知光學(xué)顯微鏡最大分辨率0.2um提高分辨率需減小
(限制顯微鏡分辨率的關(guān)鍵因素)電鏡的發(fā)明將細(xì)胞學(xué)帶入了快速發(fā)展時(shí)期,20世紀(jì)40-50年代,學(xué)者們利用電鏡觀察了各種細(xì)胞器的結(jié)構(gòu),如高爾基體、核膜、溶酶體、線粒體等。1961年,比利時(shí)人Brachet,J(布拉舍)發(fā)表了《livingcell》繪制了一幅細(xì)胞模式圖,P6,成為細(xì)胞學(xué)史上第三幅細(xì)胞模式圖。[Hooke(1665年)第一幅、Wilson(1925年)第二幅、Brachet(1961年)第三幅]Cell細(xì)胞學(xué)(cytology)細(xì)胞生物學(xué)(cellbiology)1665Hooke1925年Wilson1961年Brachet200-300年幾十年總結(jié)說明工具和技術(shù)對(duì)科學(xué)發(fā)展的重大作用,隨著顯微技術(shù)的飛躍發(fā)展,細(xì)胞學(xué)的發(fā)展速度也大大加快。細(xì)胞生物學(xué)(Cellbiology)提出者DeRobertis,于1965年將其原著的《普通細(xì)胞學(xué)》更名為《細(xì)胞生物學(xué)》出版,這標(biāo)志著細(xì)胞生物學(xué)新學(xué)科的誕生。細(xì)胞生物學(xué)與細(xì)胞學(xué)不同之處:A:深刻性,從整體、超微和分子各個(gè)結(jié)構(gòu)層次對(duì)細(xì)胞進(jìn)行剖析,并把細(xì)胞的生命活動(dòng)同分子水平和超分子水平的變化聯(lián)系起來。B:綜合性,研究?jī)?nèi)容廣泛,涉及到許多領(lǐng)域,同生理學(xué)、遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和生物化學(xué)相互融會(huì)在一起。
(四)分子細(xì)胞生物學(xué)的出現(xiàn)20世紀(jì)50年代,受電鏡分辨率和標(biāo)本制作技術(shù)的限制,人們對(duì)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的結(jié)構(gòu)尚不了解,認(rèn)為各種細(xì)胞器是懸浮在溶液狀基質(zhì)中;60年代,電鏡標(biāo)本固定技術(shù)改進(jìn),人們發(fā)現(xiàn)基質(zhì)中有微管、微絲的存在;70年代,由于使用了高壓電鏡,人們看到了細(xì)胞的立體結(jié)構(gòu),又發(fā)現(xiàn)基質(zhì)中除了有微管、微絲外,還有網(wǎng)架狀的微梁網(wǎng)架,或稱微梁系統(tǒng)。至此,人們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中具有一定秩序的立體空間結(jié)構(gòu)──“細(xì)胞骨架”(cytoskeleton)細(xì)胞骨架的發(fā)現(xiàn)是細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)研究方面的重大進(jìn)展。同時(shí)由于分子生物學(xué)的發(fā)展,將細(xì)胞生物學(xué)帶入分子時(shí)代。
Darnell等人于1986年提出了“分子細(xì)胞生物學(xué)”的概念(molecularcellbiology)。分子細(xì)胞生物學(xué)的興起無疑是細(xì)胞生物學(xué)研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移的反映,把細(xì)胞的生命活動(dòng)同亞細(xì)胞成分的分子結(jié)構(gòu)變化聯(lián)系起來(尤其是蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化),成為現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)的基本特征。(五)信息細(xì)胞生物學(xué)的來臨細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(細(xì)胞重大生命活動(dòng))染色體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化與基因表達(dá)細(xì)胞增殖---細(xì)胞分化---細(xì)胞衰老---細(xì)胞凋亡生殖、發(fā)育、疾病與衰老細(xì)胞的信號(hào)傳遞是非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò),當(dāng)代細(xì)胞生物學(xué)圍繞著“信號(hào)傳遞”這條主軸展開,目前姑且稱其為“信息細(xì)胞生物學(xué)”
20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)代表了當(dāng)代細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展動(dòng)向。回顧:細(xì)胞生物學(xué)主要經(jīng)歷的發(fā)展階段:1、細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)(1665年R.Hooke;1674年Leeuwenhoke)2、細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立和細(xì)胞學(xué)的形成(1838年Schleidon;1839年Schwann)3、細(xì)胞生物學(xué)的出現(xiàn)(1965年DeRobertis)4、分子細(xì)胞生物學(xué)的興起(1986年Darnell)5.信息細(xì)胞生物學(xué)的來臨cell──cytology──cellbiology──molecularcellbiology-----informationalcellbiology三、細(xì)胞生物學(xué)的研究進(jìn)展
細(xì)胞生物學(xué)研究?jī)?nèi)容一般可分為細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能和細(xì)胞生命活動(dòng)兩大部分,當(dāng)前細(xì)胞生物學(xué)研究?jī)?nèi)容大致可以分為以下部分:(1)細(xì)胞核、染色體以及基因表達(dá)的研究
(2)生物膜與細(xì)胞器的研究(3)細(xì)胞骨架體系的研究
(4)細(xì)胞增殖及其調(diào)控(5)細(xì)胞的分化及其調(diào)控
(6)細(xì)胞的衰老與凋亡(7)細(xì)胞的起源與進(jìn)化(8)細(xì)胞工程
細(xì)胞工程方面碩果累累生物工程一般包括四類:遺傳工程(基因工程),細(xì)胞工程,酶工程和發(fā)酵工程。細(xì)胞工程(cellengineering)是在細(xì)胞水平上的生物工程,是應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)理論、方法和技術(shù),按人們的預(yù)定設(shè)計(jì)藍(lán)圖有計(jì)劃的保存、改變和創(chuàng)造遺傳物質(zhì),以產(chǎn)生新的物種和品系,或大規(guī)模培養(yǎng)組織細(xì)胞以獲得生物產(chǎn)品。如單克隆抗體制備;克隆技術(shù)的研究等。細(xì)胞工程最早最成功的一個(gè)例子就是單克隆抗體技術(shù)(Monoclonalantibody,McAb),簡(jiǎn)稱單抗。單抗是針對(duì)單一抗原決定簇的具有高度特異性的均質(zhì)抗體,可克服常規(guī)抗血清即多抗的非特異性交叉反應(yīng)
單抗成果:脾臟具有分泌抗體的能力不能在體外長(zhǎng)期培養(yǎng)可在體外長(zhǎng)期培養(yǎng),不分泌抗體雜種細(xì)胞B淋巴細(xì)胞抗原脾單抗技術(shù)的發(fā)明人為英國免疫學(xué)家Milstein和當(dāng)時(shí)還是博士后的青年科學(xué)家Kohler,他們于1975年完成這項(xiàng)技術(shù),1984年獲諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。細(xì)胞生物學(xué)的另一個(gè)重要應(yīng)用就是現(xiàn)在非常時(shí)髦的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物或轉(zhuǎn)基因植物研究,這項(xiàng)技術(shù)的根本目的在于改良生物品種性狀或利用轉(zhuǎn)基因生物體生產(chǎn)對(duì)人類有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的蛋白質(zhì)產(chǎn)品等??寺〖夹g(shù)的成果:多利于1996年7月5日出生,2003年2月14日死亡。維爾穆特領(lǐng)導(dǎo)培育的世界上第一只體細(xì)胞克隆動(dòng)物-克隆羊“多利”于2003年2月因肺部感染而死亡?;缄P(guān)節(jié)炎時(shí)的多利
世界首例冷凍克隆牛胚胎移植犢牛在萊陽農(nóng)學(xué)院降生
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