细胞生物学思路整理

绪论细胞生物学(cell biology)是研究和揭示细胞基本生命活动规律的学科，它从显微、亚显微及分子水平上研究细胞结构与功能，细胞增殖、分化、代谢、运动、衰老、死亡，以及细胞信号转导，细胞基因表达与调控，细胞起源与进化等重大生命过程它是现代生命科学中的重要基础前沿学科之一1. 三个层次显微水平（Microscopic Structure）：即整体水平。

指肉眼看不到而在普通光学显微镜下的可见范围。

如：染色体、线粒体、细胞核、核仁等。

亚显微水平(Submicroscopic Structure) ：亦称超微结构(Ultrastructure)，指普通光镜看不到而在电镜或其它工具看到的分子以上的结构。

如：内质网膜、核膜、微管、微丝等。

分子水平：细胞结构的分子组成，及其在生命活动中的作用。

2.生命活动包括：生长、发育、繁殖、遗传、变异、衰老、死亡、代谢、调控、分化等。

细胞生物学的主要研究内容①生物膜与细胞器；②细胞信号转导；③细胞骨架体系；④细胞核、染色体及基因表达；⑤细胞增殖及其调控；⑥细胞分化及干细胞；⑦细胞死亡；⑧细胞衰老；⑨细胞工程；⑩细胞的起源与进化1665年，英国的物理学家胡克用自己设计并制造的显微镜观察栎树软木塞切片时发现其中有许多小室，状如蜂窝，称为"cellar "，这是人类第一次发现细胞，不过，胡克发现的只是死的细胞壁(图1-1)。

胡克的发现对细胞学的建立和发展具有开创性的意义，其后，生物学家就用"cell"一词来描述生物体的基本结构。

1674年，荷兰布商列文虎克(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，这是人类第一次观察到完整的活细胞。

列文虎克把他的观察结果写信报告给了英国皇家学会，得到英国皇家学会的充分肯定，并很快成为世界知名人士。

1838年，德国植物学家施来登(Mathias Schleiden)提出: 尽管植物的不同组织在结构上有着很大的差异，但是植物是由细胞构成的，植物的胚是由单个细胞产生的。

■1839年，德国动物学家施旺(Theodor Schwann)提出了细胞学说的两条最重要的基本原理∶①地球上的生物都是由细胞构成的; ②所有的生活细胞在结构上都是类似的。

■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，即细胞来自于细胞。

细胞学说的创立大大推进了人类对生命自然界的认识，有力地促进了生命科学的进步。

恩格斯对细胞学说给予极高的评价，把它与进化论和能量守恒定律并列为19世纪的三大发明。

因为细胞学说的提出解决了生命的共同起源，即生命的同一性问题。

现代完整的细胞学说的内容包括3点：1.细胞是生物体的基本结构单位（单细胞生物，一个细胞就是一个个体）；2.细胞是生物体最基本的代谢功能单位（动、植物的各种细胞具有共同的基本构造、基本特性，按共同规律发育，有共同的生命过程）；3.细胞只能通过细胞分裂而来。

1. 原生质理论的提出–原生质(protoplasm)(普金耶1840，冯·莫尔1846)；原生质理论(舒尔策1861)；原生质体(protoplast) (Hanstein 1880)2. 细胞分裂的研究–直接分裂；有丝分裂；减数分裂(1841－1886)3. 细胞器的发现–中心体(1883)；线粒体(1894)；高尔基体(1898)细胞学与细胞生物学发展简史–①细胞的发现；②细胞学说的建立；③细胞学的经典时期；④实验细胞学时期；⑤细胞生物学学科的形成与发展细胞的统一性与多样性第一节细胞的基本特征一、细胞是生命活动的基本单位（一）细胞是构成有机体的基本单位•人体内的细胞大约分为200 多种不同的类型，成年人大约含有1014 个细胞，刚出生的婴儿约由2×1012 个细胞组成；人的大脑是由1012 个细胞构成的复杂体系（二）细胞是代谢与功能的基本单位有机体一切代谢活动最终要靠各种细胞来完成（三）细胞是有机体生长与发育的基础有机体的生长与发育是依靠细胞的分裂、分化与凋亡来实现的（四）细胞是繁殖的基本单位，是遗传的桥梁●单细胞生物的繁殖表现为细胞一分为二●多细胞生物依靠细胞分裂形成特殊形式的生殖细胞——孢子或配子●孢子萌发或配子结合为合子，是下一代生命的开始●细胞核中的遗传信息指导下一代生命的构建（五）细胞是生命起源的归宿，是生物进化的起点•生命是经过漫长的化学进化，由非生命的物质形成的•含有遗传物质的原始细胞的形成，标志着生命的出现细胞是多层次、非线性与多层面的复杂结构体系•细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体•细胞是高度有序的，具有自组装能力的自组织体系二、细胞的基本共性•相似的化学组成•脂－蛋白体系的生物膜•相同的遗传装置•一分为二的分裂方式第二节原核细胞与古核细胞整个生物界最基本的类群包括3个域：原核生物、古核生物和真核生物一、原核细胞•没有典型核结构•包括支原体、衣原体、立克次氏体、细菌、放线菌与蓝藻等•大部分原核细胞主要遗传物质仅为一个环状DNA•细胞内没有以膜为基础的各种细胞器，也没有细胞核膜•细胞体积一般很小，直径由0.2 至10 μm 不等（衣原体（Chlamydia）是一类能通过细菌滤器，在细胞内寄生，有独特发育周期的原核细胞性微生物。

过去认为是病毒，现归属细菌范畴。

衣原体广泛寄生于人类、鸟类及哺乳动物。

能引起人类疾病的有沙眼衣原体、肺炎衣原体、鹦鹉热肺炎衣原体。

立克次氏体（Rickettsia）为革兰氏阴性菌，是一类专性寄生于真核细胞内的G-原核生物。

是介于细菌与病毒之间，而接近于细菌的一类原核生物。

一般呈球状或杆状,是专性细胞内寄生物，主要寄生于节肢动物，有的会通过蚤、虱、蜱、螨传入人体、如斑疹伤寒、战壕热。

放线菌是一群革兰氏阳性、高( G + C) mol% 含量( >55% ) 的细菌。

放线菌因菌落呈放线状而的得名。

它是一个原核生物类群，在自然界中分布很广，主要以孢子繁殖，其次是断裂生殖。

形态上与真菌相似的原核生物。

抗生素的主要来源。

）二、最小最简单的细胞——支原体•最简单的原核细胞，直径为0.1～0.3 μm•具有细胞质膜，但没有细胞壁•DNA均匀分布，没有核区，编码约482个基因•唯一的细胞器是核糖体•具感染性，可在培养基上培养•培养细胞很容易被支原体污染，污染源主要是血清三、原核细胞的两个代表类群（一）细菌细胞•绝大多数细菌的直径大小在0.5～5.0 μm 之间•绝大多数细菌有明显的核区或称类核（nucleoid），主要由一个环状DNA 分子盘绕而成•除了核糖体外，没有类似真核细胞的细胞器。

•进化过程中最成功的生命形式是什么？细菌，数量最多，分布最广。

甚至有人认为地球上的生物可能是有细菌的陨石带来的。

•细菌的复制、转录和翻译同时进行G﹢菌：细胞壁厚，肽聚糖网状分子形成一种透性障，当乙醇脱色时，肽聚糖脱水而孔障缩小，故保留结晶紫-碘复合物在细胞膜上。

呈紫色。

Gˉ菌：肽聚糖层薄，交联松散，乙醇脱色不能使其结构收缩，其脂含量高,乙醇将脂溶解，缝隙加大，结晶紫-碘复合物溶出细胞壁，沙黄复染后呈红色。

青霉素杀死细菌主要是抑制细菌胞壁内转肽酶等蛋白酶的活性，阳性菌含量高，敏感，阴性菌含量少，不敏感。

（二）蓝藻蓝藻在生物进化早期，大量存在于海洋中，通过光合作用，改变了原始地球的大气，为生物进一步进化提供了条件。

图2-7 蓝藻A. 蓝细菌的细胞结构，类囊体组成同心环绕的囊膜，是光合作用光反应的场所。

核区常常含有多个拷贝的环状DNA，所以蓝藻中的许多株系是多倍体（polyploid）。

细胞中有许多内含物，如脂滴、聚磷酸盐颗粒、羧酶体（光合作用固定CO2 的酶）、蓝藻素（天冬氨酸和精氨酸的多聚体，储存N 元素）和气泡（由多列排成柱状的小气泡组成，外被蛋白质鞘，调节细胞在水中的位置）等。

B. 荧光显微镜下的丝状蓝藻鱼腥藻（Anabaena ）红色显示细胞中叶绿素的自发荧光，蓝色显示被标记的细胞中的Ca2+。

个体较大，具有固氮作用的异形胞呈蓝色，钙离子在异形胞分化中起重要的调控作用。

鱼腥藻属项圈藻的一类。

四、古核细胞（古细菌）•古细菌又称为古核生物（archaeon），在各种环境中都有发现，极端环境中较多•古细菌形态多样，具有细胞壁，染色为G＋或G－；细胞大小在0.1～15 μm 不等，分裂方式有二分分裂、出芽等多种•古核生物细胞的形态结构与遗传结构装置和原核细胞相似，但有些分子进化特征更接近真核细胞第三节真核细胞一、真核细胞的基本结构体系1. 以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统细胞器主要功能线粒体能量代谢内质网蛋白质和脂质合成，蛋白质修饰和折叠高尔基体蛋白质修饰和转运溶酶体清除垃圾和防御中心粒有丝分裂过氧化酶酶体清除有毒物质细胞核遗传信息储存和转录核糖体蛋白质合成叶绿体光合作用2. 以核酸与蛋白质为主要成分的遗传信息传递与表达系统3. 由特异蛋白质装配构成的细胞骨架系统植物细胞与动物细胞的比较•动物细胞–中心体•植物细胞–细胞壁–液泡–叶绿体第四节非细胞形态的生命体——病毒•病毒很小，结构极其简单。

绝大部分病毒的大小只有20～200 nm，可以通过细菌滤器。

因此必须在电子显微镜下才能清楚地看到•不同种类的病毒遗传载体多样性：不仅有DNA 病毒，还有RNA 病毒。

这两种病毒均有双链和单链之分。

但每一种病毒粒子中只含有DNA 或RNA，而非二者兼有•彻底的寄生性。

必须要在细胞内才能进行繁殖并表现出它们的基本生命活动•病毒是以复制和装配的方式进行增殖病毒的核酸类型•病毒的7 种核酸类型：双链DNA、单链DNA、双链RNA、单链RNA。

单链RNA 病毒又分为侵染性RNA 病毒，即正链RNA 病毒；非侵染性RNA 病毒，即负链RNA 病毒。

此外，还有病毒粒子中携带反转录酶的单链RNA 病毒和复制过程中涉及反转录的，部分双链DNA 病毒病毒结构示意图A.腺病毒呈20 面体立体对称，由DNA 核心和衣壳组成B.疱疹病毒的衣壳呈20 面体对称，衣壳外包被一层脂双层囊膜C.烟草花叶病毒的衣壳蛋白与内部的基因组RNA 相结合，病毒呈螺旋对称病毒在细胞内增殖•病毒识别和侵入细胞•病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成•病毒的装配、成熟与释放第三种得到最多的证实细胞生物学研究办法一、光学显微镜(light microscope)•从细胞的发现、细胞学说的建立，直至今天光学显微镜仍然是细胞生物学研究的重要工具•由3 部分组成：•光学放大系统（目镜与物镜）•照明系统（光源和聚光镜）•镜架及调节系统•放大的倒立虚像•经物镜形成倒立实像•经目镜进一步放大成虚像分辨率（resolution）：显微镜最重要的性能参数分辨率是指能区分开两个质点间的最小距离普通光学显微镜最大分辨率0.2 µm像素（Pixel）像素是组成数字图像或照片的最基本单元。