《细胞生物学》word版

《细胞生物学》教案
保定师X专科学校生物系
X 筱梅
目录
第1章绪论
第2章细胞基本知识
第3章细胞生物学研究方法
第4章生物膜
第5章细胞表面与细胞外基质
第6章细胞内膜系统
第7章线粒体
第8章叶绿体
第9章核糖体
第10章细胞核与染色体
第11章细胞骨架
第12章细胞增殖及其调控
第13章细胞分化
第14章细胞衰老与凋亡
第一章绪论
教学目的：使学生了解细胞生物学研究的对象，任务及总趋势与主要领域。

了解细胞生物学发展简史。

教学重点：细胞生物学及其研究对象、任务和发展趋势
教学方式：讲述、多媒体课件
教学过程：
§1.1 细胞生物学研究的对象、任务与现状
一、细胞生物学研究的对象与任务
细胞——是生物形态结构和生命活动的基本单位。

细胞生物学，就是研究细胞生命活动基本规律的科学。

细胞生物学研究的任务是1961年在第一次国际细胞生物学大会上确定的，它的任就是：以动态观点，采用现代科技手段，从三个层次或水平上（细胞水平、亚细胞水平、分子水平——即显微水平、亚显微水平、分子水平）研究细胞的生命活动规律或细胞的整合功能。

细胞生物学研究的主要内容是在不同层次上研究细胞结构与功能、细胞的增殖分化、衰老与凋亡、细胞信号传递、真核细胞基因表达与调控，细胞起源与进化。

细胞生物学是目前生物科学中发展最快的学科之一。

细胞分子生物学是目前细胞生物学的重点。

细胞工程是21世纪生物工程发展的重要组成部分。

可以预见细胞的结构与基本生命活动的研究将越来越深入，并将成为21世纪初生命科学研究的重要领域之一。

由于分子生物学概念、方法与技术的引入，使细胞生物学取得了突破性的进展，产生了许多新的生长点。

如细胞核、染色体及基因表达的研究，生物膜与细胞器的研究，细胞骨架体系的研究，细胞增殖、分化及其调控细胞的衰老与凋亡、细胞起源与进化等等，这些研究正逐渐形成新的概念与新的领域。

很多学者认为，在21世纪，细胞生物学将继续迅猛发展，并成为生命科学研究的主流。

二、当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域
从发展趋势看，细胞生物学与分子生物学联系将更加密切，它们相互渗透、相互交融已形成一种新的趋势。

（一）当前细胞生物学研究中有三大基本问题。

1、细胞内的基因组是如何在时间与空间上有序表达的？
2001年世界人类基因组计划已经完成，估计人类约有3～4万个基因。

研究表明，如果将一些基因放在试管内，只要条件满足，便可以表达。

但是在细胞内环境中，它能否表达及其表达程序都将受到严格的调节与控制。

2、基因表达产物——产物主要指蛋白与核酸、脂质、多糖及其复合物，它们是逐级装配成能行体生命活动的基本结构体系的？
3、基因表达产物——这些产物是一些活性因子与信号分子，这些因子是如何调节细胞最重要的生命过程的？诸如细胞的增殖、分化、衰老与调亡等过程的。

（二）当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题。

1、染色体DNA与蛋白质相互作用关系——目前认为染色体是由一条巨大的DNA分子与其结合蛋白形成的一种动态复合结构，可分为细胞间期染色体与分裂期染色体。

两者在细胞周期中的交替与互相转换，主要是由DNA与蛋白动态结合关系所决定的。

与染色体DNA结合的蛋白可分为组蛋白与非组蛋白。

目前大量与种类繁多的非组蛋白与DNA的相互关系是研究的主要问题，特别是它们对DNA的复制表达以及与染色体高层次构建等，及动态结构变化的作用是核心问题。

2、细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控
细胞的增殖、分化、凋亡与衰老是细胞最重要的生命活动现象，它们既相互联系又相互制约。

一切动植物生长发育都是依靠细胞增殖、分化与凋亡来实现的。

3、细胞信号传导的研究
当前的细胞信号传递的基本内容主要有三方面：（1）是细胞间信号传递：重点是信号分子的结构与功能，信号分子与受体相互作用机制。

（2）是受体与信号跨膜转导：G蛋白的发现与较深入的研究使受体转换器的概念与结构功能更具体化。

（3）是细胞内信号传递途径：蛋白质的磷酸化与去磷酸化可能是信号转导的关键。

4、细胞结构体系的装配
生物大分子是如何逐级装配并最终形成生物赖以进行生命活动的细胞结构体的？这是当前生命科学面临的最基本的问题之一。

此外，当前细胞生命活动研究还包括很多方面，诸如蛋白质合成、分选与跨膜定向运输。

真核细胞起源与进化等等，近年均有迅速的进展。

根据美国科学情报研究所（ISI）1997年SCI（Science Citation Index）收录及引用论文检索说明，目前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：细胞信号转导、细胞凋亡和基因组与后基因组学研究。

而当前全球研究最热门的是三种疾病是：癌症、心血管病、艾滋病和肝炎等传染病，5大研究方向是（1）细胞周期调控；（2）细胞凋亡；（3）细胞衰老；（4）信号转导；（5）DNA 的损伤与修复。

§1.2 细胞生物学的发展简史
一、细胞的发现
细胞的发现来自于显微镜的发明。

1665年英国学者诺波特.胡克用自制的显微镜观察了软木的薄片，第一次描述了植物细胞的结构，并首次借用拉丁文cellar这个词来称呼他所看到的类似蜂巢的极小的封闭小室。

荷兰的列文.虎克第一次观察到活细胞，虎克一生制作了400多架显微镜，放大倍数一般在50－200倍之间，1676年他发现了池塘中的原生动物，1683年又发现了牙垢中的细菌，并把它们描绘下来，寄给当时欧洲的科学中心――伦敦皇家学会，刊登在会报上。

二、细胞学说的建立
1838年，德国植物学家施莱登（M·J·Schleiden）发表了《植物发生论》指出细胞是构成植物的基本单位。

一年之后，德国动物学家施旺（M·J·Schwarn）也发表论文指出，动植物都是细胞的集合物。

施莱登、施旺共同指出：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”。

“细胞学说”提出不久，就迅速被推广到许多领域的研究，对当时生物学的发展起了巨大的促进和指导作用。

如施罗德（Sichold）等通过对原生物的研究证明，不仅动植物，而且原生动物也是由细胞组成的，它是只含一个细胞的动物，它能独立地进行全部生命活动。

艾伯特可里克（Albert kolliker）通过胚胎研究，证明了生物个体发育的过程就是细胞不断繁殖和分化的连续过程。

1958年德国病理学家魏尔肖（Virchow），有一段最著名的话，正如“动物只能来自动物，植物只能来自植物一样”，“细胞只能来自细胞”。

魏尔肖有关细胞来自细胞的观点，进一步指明了细胞作为一个相对独立的生命活动基本单位的性质，通常被认为是对细胞学说的一个重要补充。

三、细胞学的经典时期
1、原生质理论的提出
自从迪雅尔丹在原生动物细胞内，发现了十分均匀、有弹性、能收缩的胶状物质后，就称它为“肉样质”。

其后1840年普金耶（Pukinje）在动物，1846年冯·莫尔在植物细胞中也看到了“肉样质”的东西，并命名为“原生质”。

1861年舒尔策（Max Schultze）认为动物细胞内的“肉样质”和植物细胞内的“原生质”具有同样的意义。

由此提出了原生质理论：有机体的组织单位是一小团原生质，这种物质在一般有机体中是相似的。

至此，细胞的含义就和最初发现时大不相同了。

于是汉森（Hanstein,1880）就提出“原生质体（protoplast），但由于cell一词沿用已久，因此人们仍采用旧名。

2、细胞分裂的研究
1841年雷马克（Remak）在观察鸡胚血细胞时发现了细胞的直接分裂，其后费莱明（Flemming）在动物细胞，施特拉斯伯格（strasburger）在植物细胞中发现了有丝分裂，并证实有丝分裂的实质是核内丝状物（染色体）的形成及其向两个子细胞的平均分配。

1883年X·贝内登（Van Beneden）在动物细胞，1886年施特拉斯伯格在植物细胞中又发现了减数分裂，至此细胞分裂的主要类型都被人类发现了。

3、重要细胞器的发现
1883年X·贝内登（Van Beneden）和博费里（Bovri）发现了中心体，1894年阿尔特曼（Altmann），1897年本达（Benda）发现了线粒体，1898年高尔基（Golgi）发现了高尔基体。

四、实验细胞学与细胞学分支及其发展
随着研究的深入，细胞学在发展过程中自然而然地与遗传学、生理学、生物化学联系起来，由此出现了三个重要的分支科学，即：细胞遗传学、细胞生理学和细胞化学。

（一）细胞遗传学
1876年赫特维希兄弟（Q和R·Hertuing）在研究海胆卵受精作用时，发现受精后两个亲本细
胞核具有合并的现象。

1888年施特斯伯格在植物体也发现两个亲本细胞核的合并现象，并证明植物生殖细胞的染色体，也象动物一样比体细胞少一半。

遗传的基本规律是1865年由孟德尔（Gregeor Mendel）发现的。

但当时对生殖的细胞变化没有足够的了解，不足以用来解释遗传性状的自由分配定律。

由于这些原因，Mendel的工作当时未引起人们的重视。

直到1901年孟德尔遗传定律才被重新发现。

这时细胞学的进展已经能够对孟德尔认定的遗传单位分配机制有所理解和说明。

已知体细胞的遗传组是双倍体，而生殖细胞或配子是单倍体。

1905年威尔逊（Wilson）证实性别与染色体的关系，1902~1903年德国的博韦里（Boveri）同美国的萨顿（Sutton）不谋而合地提出了“染色体遗传理论”。

1910年摩尔根（Morgan）以果蝇为材料，研究它的遗传与变异，证明基因是决定遗传性状的基本单位，而且直线排列在染色体上，由此建立了基因学说，并为细胞遗传学的发展奠定了基础。

（二）细胞生理学
最早的细胞学知识大都是根据对固定和染色后的细胞和组织的观察而得来的，到1899年后，人们研究的兴趣转移到活细胞上。

1909年，哈瑞森（Harrison）开辟了研究活动细胞的一个重要途径，他发现胚胎的神经细胞能在体外生长和分化，由此产生了组织培养技术，纯系细胞株的分离，特别是肿瘤细胞株的建立及组织培养就成为研究正常细胞和癌细胞的活细胞结构和行为的一种理想的技术。

（三）细胞化学
细胞化学是细胞学和物理学及化学相结合的一门“边缘”科学。

1924年孚尔根（Feulgen）等介绍了他们首创的孚尔根核染色反应，1940年布勒歇（Brachet）用昂纳染色液（甲基绿的派XX染色法）来测定细胞中的DNA与RNA。

卡斯柏森（Caspersson）用紫外光显微分光光度法测定DNA在细胞中的含量。

目前细胞化学这一分支学科仍然保持着强劲的发展趋势，尤其是在近20年，由显微分光光度计到流式分光光度检测技术，由免疫荧光与免疫胶体到技术微光基焦点扫描显微镜技术等，使细胞成分，特别是核酸与蛋白质的定性、定位、定量以及动态变化的研究达到了空前的精确性与专一性。

五、现代细胞生物学的兴起
1839年施莱登绘制出一个植物细胞模式图，图中有核，并显示了液泡系统和原生质流动。

1925年以后细胞学家魏尔逊（Wilson）又绘制了一幅细胞模型图，图中描绘了细胞中含有核、核仁、染色体、中心粒、质体、高尔基器、液泡等。

这个模式图反映了光镜时代对细胞结构的认识水平，是细胞史上第二个具有代表意义的细胞模式。

1937年电镜的发明和应用又把细胞学带入到第三个发展时期。

特别是50年代，学者们利用电镜观察了各种超微结构，如内质网、叶绿体、高尔基器、核被膜、溶酶体、线粒体、核糖体等，在电镜下观察到的各种细胞器结构要比在光镜下看到的形态复杂得多。

1961年布拉舍（J·Brachet）根据电镜下观察到的结构，集40~50年代之大成一幅细胞模式图，这幅图比魏尔逊的模式图已大为改观，其主要特点是不仅描绘出了细胞的超微结构，而且反映出细胞活动的动态观点。

比如，吞饮泡和分泌泡就是细胞进行内吞和外排活动的一种结构形态。

由此可见，细胞学是在光学显微镜时代表成和发展的，那时侧重于细胞整体水平的形态和生理
变化的研究；电镜技术的发展，使学者们侧重于细胞起微结构和分子结构水平的研究，同时，由于超速离心法及X衍射新技术的应用，使学者们有可能将亚细胞成分和大分子分离出来进行分析研究。

至此，细胞学随之发展到一新阶段——细胞生物学。

细胞生物学由细胞学发展而来，但又不同于细胞学，主要表现为两点：（1）深刻性，它从细胞整体结构，超微结构和分子结构对细胞进行剖析，并把细胞的生命活动现象同分子水平和超分子水平联系起来。

（2）综合性，它所研究的内容更为广泛，涉及到许多学科领域，并同遗传学、生理学、生物化学等融合到一起。

70年代，采用高压电镜，能显示出细胞的立体结构，因而又发现细胞基质中除微管、微丝外，还有网状物微梁网架或称微梁系统的存在。

至此，人们认识到所谓细胞基质，是含有一定秩序的立体结构，这些结构形成了纵横交错的“骨架”，总称为“细胞骨架”。

细胞骨架同细胞器的空间分布，功能活动和细胞运动有着密切的关系。

细胞骨架的发现是在超微结构研究方面的更大进步。

1976年，波特（Porter）绘制了细胞微梁的模式图。

虽然这个模式图还称不上是细胞生物学史上的第四个细胞模型，但它却在细胞的结构方向刷新了过去的一些概念，如游离核糖体的空间位置（定位），以及各细胞器之间的相互关系等。

从细胞生物学发展简史中可以看出，科学的发展和技术工具的进步是分不开的。

四个细胞模式图反映了四个发展阶段的水平，是细胞生物学发展史中的里程碑，它们都是以重大技术进步为基础的。

80年代以来，细胞生物学主要发展方向是细胞的分子生物学（分子细胞生物学），在分子水平上探索细胞的基本生命规律，把细胞看成是物质、能量、信息过程的结合。

六、细胞生物学的主要学术组织、学术刊物与教科书
1976年国际上成立了世界性的细胞生物学学术联盟，每4年举行一次代表大会，会议反映了细胞生物学研究的世界水平。

1978年我国在兰州召开了第一次全国细胞生物学大会，1980年成立了中国细胞生物学学会。

由此推动了我国细胞生物学的不断发展。

目前国际上有关细胞生物学或相关学术刊物中，发表的细胞生物学论文被引用最多的三种最重要的学术刊物是：《cell 》、《Science 》、《Nature 》。

国内有关细胞生物学的主要刊物有：《中国科学》、《科学通报》、《实验生物学报》、《细胞生物学杂志》、《Cell Research》、《遗传学报》、《解剖学报》、《微生物学报》、《植物学报》、《动物学报》。

国内已出版的细胞生物学主要教学用书有：
细胞生物学X国昌高教第二版1992年
细胞生物学汪方仁、薛绍白、柳慧图主编北师大第二版1998年
细胞生物学翟中和高教第二版2000年
第二章细胞基本知识
教学目的：使学生了解细胞的基本概念，了解细胞与病毒的关系，掌握原核细胞与真核细胞的特点
教学重点：原核细胞与真核细胞的区别
教学方式：讲述、幻灯、多媒体课件
教学过程：
§2.1 细胞的基本概念
一、细胞在生命活动中的重要性
1、细胞是构成生物体最基本的结构单位
目前地球上已知生物约有200万种，其中植物150万种，动物30万种，微生物20万种。

有人估计地球上曾经生活过10亿种生物，包括单细胞的细菌、原生动物，多细胞的低等生物和高等动植物，这充分体现了生物的多样性，但是所有生物（不包括病毒）都是由细胞组成的。

据计算1g小白鼠肝脏可含有3 X 108细胞，成年人机体大约含有1014个细胞。

因此，细胞是构成生物机体最基本的结构单位。

2、细胞是生物体进行生命活动的最基本的功能单位
细胞是生命活动的单元，它要不断地生长代谢、分裂分化，运动适应。

细胞的这种生理机能，体现了生命活动的过程。

研究表明，细胞是地球上能够独立生活的最小的生命系统。

比如单细胞的细菌，单细胞薄类，原生动物，它们都能与环境合协生活。

作为生命活动的功能单位，细胞还具有全能性。

比如，一个植物细胞可培养长成一棵植株，一个授精卵可以发育为一个新个体，动物的干细胞培养也能全部表现出生命属性。

3、细胞是生物体生长发育的基本单位
魏尔啸（Virchow）有一句最著名的话：“一切细胞来自细胞。

”单细胞生物生长表现在细胞分裂，细胞一分为二。

多细胞生物的生长发育也是从细胞分裂开始的，一粒种子可以长成大树，一只蝌蚪可以成为一只青蛙。

当然环境条件对生物的生长发育无疑是有影响的。

生物个体发育通常从受精卵开始，卵细胞一般较大，因卵细胞含有个体发育所需要的物质，卵细胞经授精分化可发育为生物新个体，这一点充分体现了细胞来自于细胞的论点。

4、细胞是生命起源、生物进化的基本单位
据推算宇宙起源于150±30亿年前的一次突发性大爆炸，银河系起源至少在130亿年前。

通过放射性同位系方法测定表明，太阳系和地球的形成发生在46亿年前，根据肖伯夫测定细菌微化石得到的证据，生命起源的时间为35亿年前，这一证据包括来自澳大利来和南非两地的两组化石（一组是叠层石的块状绿褐岩石，一组是蓝绿藻细胞印迹化石），通过放射性衰变确定的年龄。

近年来，莫雪斯、莫巴斯又分别通过测定西南格陵兰的亚开里亚岩石及西格陵兰的伊苏亚岩石得出生命起源时
间为38亿年前，因此生命早在38亿年前就已经存在，哪时地球上已有蓝绿藻类单细胞生物云集，生物进化就是从那时起，一直延续到人类的出现。

近代研究认为，人类出现约在400万年前。

细胞出现是生命出现的标志。

在生物进化中，生物由简单到复杂，从原核到真核，由单细胞到多细胞，从而不断发展完善，由此构成了现在欣欣向荣，千姿百态的大千世界。

5、没有细胞就没有完整的生命
无数实验证明，任何细胞结构的完整性被破坏后，都不能实现完整的生命活动。

二、细胞的基本共性
（一）细胞作为生命属性的共同特征
生命属性就是生命区别于非生命的基本特征，主要有以下4方面：
1、新陈代谢
新陈代谢是生命的最基本的特征。

细胞进行生命活动，要不断地与周围环境进行物质交换和能的流动。

一些物质被吸收后，在细胞内发生一系列变化，最后成为代谢产物或废物被排出体外，这就是新陈代谢，吐故纳新。

正如细胞在空间结构上严整有序一样，细胞的新陈代谢也是严格有序的过程，是由一系列酶促反应组成的反应网络，如果某一代谢环节被阻断，全部过程就可能被打乱，生命就会受到威胁，甚至终结。

目前生物体的新陈代谢常用耗散结构来说明。

在代谢过程中，生物体内的能总是不断地转化。

热力学第二定律告诉我们，能的每一次转化，总要失去一些可用的自由能，总会导致熵的增加，而熵的增加那么意味着有序性的降低。

所以生物必须从外界摄取自由能来保持甚至加强它的有序状态。

或者说，生物从外界摄取以食物形式存在的低熵状态的物质和能，通过新陈代谢，把它的转化为高熵状态后排出体外。

这种不对等的交换消除了生物代谢作用产生的熵，从而使生物系统的总熵不致增加。

由此可见，生物体是通过增加环境中的熵值，使环境的无序性增加来创造并维持自身的有序性的。

生物的这种维持有序的特征，称为耗散结构。

2、遗传与变异
生命能繁殖，能复制出新的一代。

但任何一种生命都是不能长存的，它们通过繁殖后代而使生命维持下来，使种族得以延续。

在繁殖中它们把特性体给后代。

广义地说：“种瓜得瓜、种豆得豆”，就是遗传。

遗传虽然是生命的共同特性，种瓜虽然得瓜，但同一个蔓上的瓜彼此总有点不同，种豆虽然得豆，但所得的豆也不会完全一样。

它们不但彼此不同，而且和新代也不会完全一样。

这种不同就是“变异”。

正是由于遗传与变异，才使得生物不断延续，又不断进化。

3、生命是自我组织的系统
生命具有自我设计、自我组织、自我调节的特点。

这是非生命系统不具备的。

比如科学家们发现了一个十分有趣的问题，就是构成生物体的蛋白质和核酸都具有分子手性的均一性。

即地球上组成蛋白质的氨基酸和组成核酸的核糖都具有同一手性。

这一点被称为当今生物学界研究生命起源的谜中之谜。

人们发现自然界中氨基酸有L型和D型两种异构体，但组成蛋白质的几乎都是L型的；天然糖有D糖，也有L糖，但构成RNA和DNA中的核糖全都是D糖。

这一特性称为分子手性的均一性。

在我们生活的周围，留心观察，也会发现一些与手性有关的现象，比如牵牛花的藤总是向右转着往上长，又如，我们人类四肢具有左右对称结构，但是绝大多数人心脏在中央左侧，肝脏在右侧。

在功能上，右手相对于左手的优势是一种普遍现象，与种族和文化无关。

这种左旋、右旋分子特性是生命自我设计、自我组织、自我调节的。

所以生命即分散又收敛，既复杂又简单，人们确信，生物界中哪怕是一个最简单的细胞，也比任何迄今设计出的计算机控制的智能机更为精巧。

（二）细胞必定具备的物质结构
1、细胞膜
细胞膜的出现是生物最科学，最明智的选择。

20世纪50年代，英国的贝尔纳在莫斯科大学作学术报告，结束时向奥巴林（前苏联研究生命起源的著名学者）提出了一个难以回答的问题：先有蛋白，还是先有核酸，50年来，学者们已研究、争论了半个世纪，至今仍没有一个明确的答案。

事实上，先有核酸，还是先有蛋白并非十分重要，生命存在是因为有这样一层膜，使它与周围环境保持相对的独立性，构成了一种相对稳定的胞内环境，并通过膜与周围环境进行物质与信息的交换。

2、遗传系统
所有的细胞都含有两种核酸：DNA和RNA。

DNA是生物的遗传物质。

RNA也可以作为遗传物质，比如流感病毒，蛋白质外壳包裹有RNA，RNA是流感病毒的遗传物质。

20世纪80年代，有不少学者通过试验证明RNA起源最早，比DNA 蛋白质起源均早，推测认为，原始上遗传信息大分子就是RNA，它既能作为转译蛋白质的信使，又能作为传种接代的遗传物质。

但是朊病毒的发现，特别是1996年英国的疯牛病暴发，又使这一问题变得的叵塑迷离。

疯牛病的病原体为朊病毒，它是一种能浸染动物，并在宿各细胞内复制的小分子蛋白质。

3、核糖体
核糖体存在于一切细胞之内，研究表明无论是单细胞，还是多细胞都具有核糖体，每个细胞的核糖体数量在105~108。

支原体是目前人类发现的最小的细胞，直径只有μm ，支原体具有核糖体结构，因为核糖体是蛋白质生产的场所，没有它蛋白质将无法合成。

4、酶系统
无论原核细胞，还是真核细胞都具有酶系统。

酶是细胞中促进生化反应速度的催化剂。

现已发现的酶约有2000种之多。

它们分别存在于各种细胞中，催化细胞生化代谢过程中各种不同的化学反应。

没有酶的存在，生命代谢就不能进行。

§2.2 病毒与细胞的关系
一、病毒的基本知识
1、病毒的概念及主要特征。