细胞生物学综述

细胞分子生物学综述

杜庆宝，农产品加工与贮藏，学号:1102000425

摘要：本文简要了回顾细胞生物学的发展历程，并综述了近二十年来细胞生物学的重点、热点等问题，以及就发展前景作了相关展望。

关键词：细胞、分子、DNA、RNA、蛋白质

近二三十年来，学者们越来越重视从分子结构来揭示细胞生命活动的机理，并在这方面形成成一门独立学科—即分子生物学．它主要研究生物大分子物质，特别是核酸和蛋白质的生物学作用．而细胞生物学以生命的基础结构和功能单位—细胞为研究对象．这两门学科有潜在的内在的不可分割的联系．把细胞的生命活动同亚细胞成分的分子结构变化联系起来研究就形成了一门崭新的学科—细胞分子生物学。细胞分子生物学是以真核细胞结构、功能和生活史为主要内容，强调细胞是生命活动的基本单位，突出生物膜，细胞信号转导，细胞增殖调控，细胞分化、衰老与凋亡，肿瘤生物学等热点问题，从显微水平、超微水平和分子水平等三个层次认识细胞生命活动的本质和基本规律[1] 。

今天的地球是个瑰丽多彩的生物世界。生物多样性是指地球上所有生命形式的总和，包括数以百万计的动物、植物和微生物品种，它们所拥有的基因，以及它们与生存环境所组成的复杂的生态系统。但是大约在30多亿年以前，我们这个星球上却是一片死寂荒凉。生命，只是原始地球发展到一定时期的产物。直到大约35亿年前，我们这个星球上才有了最原始的细胞。细胞的出现，标志着生物发展史上的一次大飞跃。思格斯说：“随着第一个细胞的产生，整个有机界的形态形成的基础也就随之而产生了。”细胞是所有生物体的基本单位。物质、能量和信息则是生命活动的三个要素。在细胞内，实现着物质代谢、能量转换和信息

传递等一系列相互交织而又精确有序的生命过程，从而展示出、绚丽多姿的生命世界。无论人类、动植物或单细胞的生物(如细菌)都由细胞组成。细胞不仅仅是单细胞生物的基本单位，也是多细胞生物的基本单位。事实上，多细胞生物的生命也是以单细胞形式开始的。以人类为例，当卵子与精子融合为受精卵时便是人的生命的起始。受精卵细胞一分为二，然后不断分裂与分化成为由多达一百万亿个细胞组成的成人。人体的每个细胞在某些功能上既是独立的又是相互依赖的。正由于一切生物都无不由细胞所组成，这就使人们从无限多样的生物世界中看到了它的统一性。

细胞的形成与发展是进化的主文，但也有一条其他形式发展的进化旁文，即类病责及病毒系统，它们均不能代谢，其繁殖必须依靠宿主。不管是细胞还是病毒，生命现象的物质基础是生物大分子，所有的生物功能都依赖于分子水平发生的事件，这些事件是由生物大分子控制的，这些大分子可以被视作为用来完成各种具体工作的机器。生物大分子中主要包括蛋白质、核酸、糖类、脂类以及它们的复合体。蛋白质和核酸是所有生命活动的主要物质基础，生物体的遗传是由核酸承担的，而生命活动则主要是蛋白质(包括酶)功能的体现。一个细胞可以被视作为精确装成的生物大分子复合体。DNA与组蛋白构成了染色质，细胞核中的非组蛋白又与染色质之间形成复杂的功能联系；细胞质内，mRNA、rRNA及tRNA 相互配合进行着蛋白质合成，进而再给以加工、修饰、运输；由类脂及蛋白质共同组成的流动镶嵌的膜系，将细胞空间分割成许多功能区域；位于细胞边界的质膜，更承担着物质通透、内吞外吐及信息传递等重要任务。研究细胞的形态结构、功能和起源的科学称为细胞生物学，而分子生物学则是一门从分子水平研究生命现象的科学。细胞生物学并不是一门全新的科学，早在1665年，英国人Hoke

及1674年荷兰人Leeuwenhoek分别用简陋的显微接发现了细胞。随后，19世纪二十年代提出了细胞学说。细胞学说的建立可以认为是细胞生物学的起点，它打开了进入生物微观世界的大门。恩格斯高度评价细胞学说在科学史上的作用，细胞学说与能员守恒定律以及生物进化论一起被誉为19世纪三个伟大发现。随后的100余年，细胞生物学的研究集中于对细胞形态结构的观察。由于技术的局限，不少研究仅停留于单纯的形态描述和孤立静止的观察。20世纪30年代以后，由于大量采用了近代的物理化学技术，同时物理学家、生化学家、遗传学家及微生物学家等一起闯入生命学领域，一方面建立了分子生物学这一新兴学科，另一方面又使细胞生物学的研究不断深化。细胞生物学与分子生物学之间相互渗透、相得益彰，己成为生物学科中最有生气与活力的分文。有人把本世纪细胞与分子生物学的发展响为生物学的第二次革命。细跑分子生物学研究的对象是细胞，生命寓于细胞之中。细胞分子生物学最关心的时细胞的时间、空间变化，其任务是在细胞这个生物体最基本的结构单位里探索生命活动的规律性，并通过细胞来认识生命的共同本质。细胞分子生物学涉及到生物学中许多分支学科的内容，例如遗传、发育、生理、代谢等，但它具有自己的独立体系，并不是各个学科内容的简单累加生物学各个分支学科都有各自观察问题、分析问题的范畴和角度[2]。可是要把各种生命活动同细胞结构例如，细胞内蛋白质生物合成这样复杂的过程，如果脱离细胞结构只从生物化学角度来讨论．就无法阐明清楚．细胞是有秩序的立体结构，为各种分子参加生命活动提供特定的微环境．脱离了这—微环境，大分子的某些属性也要发生质的变化．例如，线粒体内膜上的F因子，作为线粒体的正常结构时，催化ADP和磷酸根合成A TP．但将其分离到体外时却催化ATP 水解成ADP和磷酸。因此，各种分子必须在细胞内构成一定的有秩序的关系，

互相协调配合才能表现出有生命意义的理象．单纯无秩序的大分子变化，只能是生物化学反应，还不能称其为生命活动。因此，从分子水平阐明生命现象时，决不可以忽视细胞这一基本结构单位的整体性。细胞分子生物学得发展，必然为生物学各分支学科的发展提供更深刻的依据。

细胞分子生物学的飞速发展，已使“生物学不再在谎野里徘徊，而已达到了它所向往的境地”(加拿大哲学家，迈克尔·鲁斯)，生物学将成为整个自然科学的带头学科。综观细胞分子生物学的科学思维与研究路线，大致可以区分为下列3种类型[3]：

(1)结构学派认为阐明细胞、亚细胞、分子的结构，才能阐明生命现象的本质。结构生物学的主要任务是从细胞与分子的结构出发，顶见它们的功能和行为。结构生物学的基础是严谨的物理学理论和强有力的实验技术。目前，结构生物学中心问题是确定组成生物大分子的每个原子的三维空间排列。一旦明确了核酸、抗体等大分子的三维结构，必然导致对其功能认识的极大深化。

(2)信息学派认为生命现象的一个重要活动是信息流，因此生命现象的本质是信息的形成、传递与演化。如果说结构学派更多的是静态的描述与科学的推理的话，那么信息学派则着重于动态的分析与过程的演绎。细胞内存在两个主要的信息流，一是基因表达的信息流，另一是外界信息对细胞的影响(也即从质膜经胞浆以至细胞核的过程)。

(3)层次学派生命活动是有层次的，即大分子、细胞、细胞间直至人体这样几个不同的结构层次。诚然，各个层次的生命活动都建立在生物大分子的结构、运动及其相互作用的基础上。对于蛋白质、核酸结构功能研究的已有成果，正在将生命世界各个层次的活动以及生命的全过程(如细胞分化和发育、细胞间的信

息传递、高级神经活动等)有机地联系起来，从而在新的高度上揭示生命的奥秘。但是必须指出的是，生命现象的各个层次有着不同的规律，把复杂的生命现象简单地、不分层次地分解成细胞与分子机制，是一种还原论。毫无疑问，纯粹的还原论分析有其固有的局限性，任何生命现象都不可能单纯地归结为物理、化学的变化，也不可能简单地从一个复杂系统的基本组分的性质来外推这个系统是如何工作的。因此，细胞分于生物学的研究一方面要深入地进行结构与信息交流的分析，另一方面要十分注意不同结构层次的特有的生命现象的规律。

随着细胞分子生物学的兴起和向各方面的渗透，生物科学的各分支学科也经历着兴衰更替的变化。从目前的发展状况来看，细胞分子生物学将保持带头分支学科的地位，重点研究的领域是：生物大分子的结构和功能的研究；真核生物基因及基因表达调控的研究；分子神经生物学的研究；医学分子生物学的研究；植物分子生物学的研究；分子进化的研究，等等。由此可见，分子细胞分子生物学带动了整个生物科学的全面发展，这是当代生物科学的一个显著特点和发展趋势。现代生物科学的发展，是生物科学与数学、物理学、化学等科学之间相互交叉、渗透和相互促进的结果。其他相关科学推动了生物科学对生命现象和本质的研究不断深入和扩大，生物科学的发展也为其他相关科学提出了许多新的研究课题，开辟了许多新的研究领域。可见，生物科学与有关科学的高度的双向渗透和综合，也已经成为当代生物科学的一个显著特点和发展趋势。

现代生物科学的新进展，许多是在采用先进的技术和手段的条件下取得的，这些新技术有：DNA重组技术，DNA合成技术，快速DNA序列测定技术，蛋白质人工合成技术，蛋白质序列测定技术，核酸分子杂交技术，限制性内切酶片段长度多样性技术，反义RNA技术，聚合酶链反应扩增技术，单克隆抗体技术，脉

冲电泳技术，磁力共振技术，扫描隧道和原子力显微技术，同步辐射技术，电子计算机技术，等等。可见，研究技术和手段的革新是当代生物科学的另一个显著特点和发展趋势。当代细胞分子生物学的重大研究课题主要有以下几点：(一)生物大分子结构与功能的关系及分子问的相互作用

细胞的增殖、分化、生长、识别、遗传、突变…—诸多的生命现象，都是由其组成的生物分子，特别是生物大分子蛋白质、核酸和糖复合物的功能及相互间的作用而表现的[4]。因此，要揭露生命的秘密，要了解这些生物大分子的功能及它们之间的相互作用关系，首先要从其结构着手。

(1)蛋白质一级结构的研究已有40多年的历史，当前正朝自动化及微量化发展，如蛋白质三维结构的确定，是揭示蛋白质多种多样生物功能的前提，是研究的一个重大问题[5] 。核酸一级结构的分析虽然已普遍成为一般分子生物学实验室的常规万法，已有多种核酸的序列被阐明，但核酸序列列分析方法还在不断改进，如提南分辨率和检测的灵敏度，延长测序片断的续进性，采用新型的自动化测序仪(如带不同荧光染料的脱氧核糖核酸苷及激光扫描检测等)。人类基因组计划从1990 年开始。计划用15 年时间把构成人类全部基因的序列(约30 亿个碱基对)一个不漏地测定清楚, 耗资约30 亿美元。经过10 年努力, 至2000年6月26 日, 科学家们终于绘出了一张人类基因组序列的“工作草图”。弄清人类的全部基因, 对生物学和医学来说将会发生革命性变化[6] 。由于对人类基因组计划的实施, 人们对疾病的认识已经不是传统的所谓“头疼医头, 脚疼医脚”的简单诊断, 而是采用最新科技成果、最新的仪器设备对疾病进行检测和诊断, CT、核磁共振仪、PCR……核酸构型的研究也是近年的重要课题。DNA的精细结构是蛋白质和其他生物活性分子识别DNA的结构基础。80年代以来，RNA的研

究有很大的发展，如具催化活性的RNA——ribozymes的发现、RNA的编织、mRNA前体的剪接等。

(2)生物大分子之间的相互作用，包括蛋白质与蛋白质、核酸与核酸、核酸与蛋白质，以及核酸与其他生物大分子之间等，可以说各种生物功能都是在这种相互作用中产生的。例如病毒感染肝细胞后，病毒的核酸蛋白与肝细胞的核酸蛋白等生物大分子之间的相互作用是病毒致病的主要分子机制之一研究蛋白的功能，常常通过改变蛋白的表达水平，观察细胞的生物学特性的变化，来研究蛋白相应的生物学功能[7] 。近年来，基因和蛋白质结构的分子生物学技术与计算机分析技术结合起来，形成了目前极具潜力的新兴交叉学科-生物信息学技术。酸与核酸之间的相互作用。蛋白质与核酸的相互作用则存在于基因表达的各个水平上，办即基因的复制；转录和翻译，其分子机制的核心是蛋白质对核酸的专一识别和相互作用。对于一种新基因，同时把其编码的新蛋白的结构与生物学功能，生物学和临床医学之间的相互关系以及新基因表达调节的机制阐明，是目前基因的分子生物学研究领域中最具挑战性的工作。

(3)以基因结构与功能、基因的复制与表达、基因分离、基因的克隆、基因的转移、基因产物的后加工等为基础研究的基因工程，在细胞分子生物学研究中得到广泛的应用，成为研究揭示生命现象本质和规律的一种重要工具。基因工程是利用重组DNA技术，在体外通过人工剪切和拼接等方法，对生物的基因进行改造和重组，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，是重组的细胞在受体中表达，产生出人类所需要的基因产物[8] 。基因工程产品己逐渐发展成为生物技术重要的新兴产业，并衍生初发展了蛋白质工程、转基因动植物、基因治疗等新研究领域（二)细胞质与细胞膜的结构与功能

(1)蛋白质合成是细胞的主要生理活动之一，为细胞提供各种酶、细胞骨架的配件、细胞膜蛋白、核糖体b染色体及其他重要结构的配件。多细胞生物还要合成将分泌到细胞外的蛋白质、酶、激素、生长因子、抗体等成分。蛋白质在胞质内的合成过程已基本阐明，目前的研究变点是在蛋白质合成、输送及分泌外吐过程中，信号与受体之间的分子识别机制。

(2)线粒体是真核生物细胞核外特殊的细胞器，它有以下特点：(1) 在脊椎动物中，基因组是环状双链DNA ；(2)mtDNA 编码了线粒体所必需的一部分蛋白。由于其编码有限，线粒体还需要依赖核基因编码的一些蛋白共同保障线粒体功能。除了核编码的复合体Ⅰ的39 个亚基、复合体Ⅱ的所有亚基、复合体Ⅲ的10 个亚基、复合体Ⅳ的10个亚基和复合体Ⅴ的14 个亚基外[9]，线粒体本身的复制和转录过程还需要核编码的一些转录因子进行调控[10] 。线粒体的主要功能是产生ATP，A TP又是绍胞完成各种功能的直接能源。研究细胞核和线粒体基因组之间的相互作用，研究氧化磷酸化复合体的三维结构，对于了解细胞作为一个生活单位是如何实现其机能是十分重要的。

(3)细胞运动对于所有生物的存活是必需的。细胞沿物体表面的运动对很多生物学过程是非常重要的,比如,胚胎细胞学、伤口的愈合和细胞免疫系统的功能等,而受损细胞的运动也是许多病理学研究的核心,像大家都知道的癌细胞的转移。精子不运动不能受精，没有细胞运动也就没有细胞分裂，没有细胞的变形运动及吞噬活动也就失去了防御能力。一般认为,细胞沿表面的运动是一种像蠕虫爬行一样的周期性过程,其中包括运动方向前端细胞部分的“突出”和后端细胞部分的“收缩”。肌动蛋白纤维的多聚化驱动细胞向前“突出”,其中一些聚合的蛋白纤维会伸出伪足“抓住”运动表面,而在细胞后端聚合的蛋白纤维则解聚合,这

些弹性纤维会收缩从而“推动”细胞向前运动。在一些结构简单的小细胞中,这些运动过程是连续地进行的,而在那些结构复杂的大细胞中,这些运动过程会在细胞的不同部分同时进行[11] 。尽管已经知道肌动蛋白丝、微丝和微管是细胞骨架及细胞运动的结构基础，但对于其分子机制及如何精确地调控还不很清楚。

(4)膜结构是生物体的基本结构之一。除细胞的质膜之外，细胞内还有功能各不相同的膜结构。细胞内的各种生物膜不仅在结构上有一定的联系，在功能上也既有分工，又有紧密的联系。细胞膜、核膜以及由膜围绕而成的细胞器，在结构和功能上是紧密联系的统一整体，它们所形成的结构体系，叫做生物膜系统[12] 。生物膜不仅是极性物质的通透屏障，维持细胞内环境的相对恒定，而且参与各种生命活动。细胞通过其质膜有选择地从外界吸取营养，接受信息，并排斥有害物质。激素、神经递质以及某些药物等，部分首先与细胞表面的受体蛋白结合，才能把信息传到内部，从而调声细胞的新陈化谢以适应外深的环境。现己认识到，许多种内脏器官和组织细胞的疾病主要涉及膜的界常，称为膜疾病。(三)细胞之间的信息传递机制

细胞与细胞之间信息传递的机制，是细胞分子生物学研究中与医学密切相关的一个领域。许多化学、物理信号若不经过细茵膜受体而启动一系列反应便不能直接进入细胞内，其中有相当部分的细胞外信号要通过G蛋白转导为细胞内效应。目前已知与G蛋白偶联的受体数百种，这类受体的共同特点是具有七个跨膜区，是很大—类受体蛋白，虽然它们都跨膜七次，但各自氨基酸顺序却千差万别[13] 。生长因子、激素及其受体连同信号传说机制以及细胞内第二信使活动形成了传递信息的网络，细胞因此对用因环境发生反应。一般认为，许多疾病，包括癌和某些精神病是细胞调节失常造成的。因此了解细胞之间的信息传递机制

将能更深刻地了解人类的疾病，并可能改进治疗方法，甚或治愈疾病。

(四)细胞的识别

机体的所有生理活动从某种意义上来说都可以归纳为识别与瀑布效应两个步骤。激素与受体识别引起一连串生理变化，精于与卵子识别发生受精作用……由此可见，识别起着一切生理活动的扳机作用。细胞间识别（cell recognition）是细胞通过它表面的分子选择性地和其他分子结合的现象[14] 。表面的分子主要是蛋白质和糖蛋白，其他分子可以是有关细胞的分泌产物，也可以是这些细胞表面的分子。细胞间识别在植物和动物细胞间普遍地存在，它对生物的生长、发育、代谢、神经传递等都具有重要的作用。细胞间识别主要分为植物细胞间识别和动物细胞间识别两种类型。在植物中，细胞间识别可以涉及两个不同物种的细胞，如根瘤菌和豆科根细胞；也可以发生在同一物种的细胞之间，如花粉粒和柱头。细胞识别依赖细胞表面的多糖、糖蛋白和糖脂等分子中的特有顺序。一般认为负责识别表面糖顺序的是植物凝集素。花粉粒和柱头之间相互识别就是植物凝集素作用的一个实例，甘蓝科识别系统的分子组成是由S基因复合体编码的，分子组成包括柱头表面的一个大分子糖蛋白和花粉粒表面一个能识别它的植物凝集素。识别促使柱头释放水分，花粉粒吸水、伸出花粉管、生长并和卵受精。但是，花粉粒只在表达S基因复合体的不同等位基因的植物中才能引起上述一系列反应。如果花粉粒先经过从表达相同等位基因的柱头提纯的糖蛋白处理，它就不能在一个正常可配伍的柱头上发芽。这就说明了识别的专一性。在动物中，情况就更为复杂。每一类细胞都具有独特的受体蛋白，它们使细胞能够识别相应的信号分子并起反应。这些信号分子的结构，和其功能一样，变化很大，包括小肽、较大的蛋白质分子、糖蛋白、甾体、脂肪酸的衍生物等。对某信号分子来说，具有能识

别它的、独特受体的细胞称为靶细胞。激素识别就属这一类。激素通过血流影响分布全身各部分的靶细胞，以协调各种生理活动。许多激素是蛋白质，也有一些是甾体。甾体激素不溶于水，但可与专一的载体蛋白结合而成为可溶性的；一旦从载体释放，它们就通过靶细胞的细胞膜，和细胞质中专一的甾体激素受体蛋白结合，然后到细胞核中进一步起作用。每一甾体激素只识别一个受体蛋白，但是，同一受体蛋白在不同的靶细胞中可调控不同的基因，也就是说，受体是相同的，被激活的基因却不相同。因此，同一激素和相同的受体蛋白结合，在不同细胞中所引起的效应也就不同。另一种信号分子和激素不同，它们非常迅速地被附近靶细胞摄取，或者，就在合成部位附近被专一的酶破坏，以致进入血循环的量一般是微不足道的。如分属9类的16个不同的前列腺素中，有许多都能和不同的细胞表面受体结合并具有不同的生物效应。无论单纲胞生物或多细胞生物都需要通过对自身识别相对外界环境因子识别的系统，才能使其生命活动按一定的程序进行。从某种意义上讲，许多疾病的本质是识别障碍，可称为“识别病”。

(五)细胞的增殖与分化

从受精卵发展为一个成年机体，是一个从单细胞向多细胞发展的过程。这个发育过程中不但有细胞分裂，也有细胞分化一般认为，分裂和分化两者是相互拮抗的，分化常常发生于细胞间期，或在细胞完全停止分裂后开始分化从细胞生物学的分子机制来看，细胞只能有一个“开关”，如果进行DNA复制而分裂，就不再同时进行基因转录而分化反之亦然。研究细胞增殖与分化调控的分子机制，无疑有重要的理论意义与实用价值。肿瘤的发病关键不在于分裂过快而在子无休止的分裂。根治肿瘤的目标之一是消灭具有几乎是无限增殖潜能的干细胞。很长一段时间，人们把肿瘤的发病机制归结为去分化，也即认为肿瘤细胞回复到未分化

的胚胎细胞。然而，队胎发育与肿瘤形成毕竟是两个不同的过程，胚胎发育导致正常分化，而肿瘤形成是恶性分化。逆转肿瘤的恶性分化是当前的一个研究热点。微小RNA(micmRNA，miRNA)是一类新发现的单链小子RNAs，长度约22核昔酸(nt)，广泛存在于真核生物中。miRNA主要通过与靶mRNA的3’端非翻译区(3P UTR)完全或部分互补结合，导致靶mRNA降解或转录后翻译抑制，从而调控靶基因的表达。miRNA参与早期胚胎发育、细胞增殖与凋亡、细胞分化、脂肪代谢等一系列重要的生命活动。而细胞增殖及凋亡等常在肿瘤中发生异常，因此推测miRNA的异常缺夫、突变或过表达与肿瘤的形成有关，miRNA起着癌基因或抑癌基因的作用[15] 。

未来生物学研究的热点领域从现在到21世纪中，细胞分子生物学的研究将带动生物科学全面迅速地发展，生物科学的众多分支学科，将在更高层次上实现理论的大综合。

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