细胞生物学教案 第一章绪论 (Introduction) 细胞生物学研究的内容和现状 (Cell biology research substance and present situation) 1.细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科 ◆生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系，而细胞是生命体的结 构与牛命活动的基本单位，有了细胞木有宗整的生命活动 ◆细胞生物学是研究细胞基本生命 动规律的科学，它是在不同层次（显微 亚显微与分子水平)上以研究细胞结构与功能、细胞增殖、分化、衰老与 调亡、细胞信号传递、真核细胞基因表达与调控、细胞起源与进化等为主 要内容。 ◆核心问颗是将遗传与发音在细胞水平上结合起来 细胞生物学的主要研究内容 (1)细胞结构与功能、细胞重要生命活动：〔2)细胞核 染色体以及基因表 达的研究，(3)生物膜与细胞器的研究，〔4)细胞骨架体系的研究，细胞增殖及 其调控(5)细胞分化及其调控，〔6)细胞的衰老与调亡，〔7)细胞的起源与进 化，〔8)细胞工程 当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域 (1)总趋势：细胞生物学与分子生物学（包括分子遗传学与生物化学）相互渗 透与交融是总的发展趋势。(2)重点领域：染色体DNA与蛋白 质相互作用关系主要是非组蛋白对基因组的作用，细胞增殖、分化 调亡的相互关系及其调控，细胞信号转导的研究，细胞结构体系的 组装。细胞重大生命活动的相互关系 生殖、发育、疾病与衰老 细胞增雅.细胞分化细胞衰老细胞调士 染色休结构动态变化与基因表这 细胞信号转导 细胞重大生命活过 二、细胞学与细胞生物学发展简史 (History of cytology together and biology 1
细胞生物学教案 第一章 绪论 （Introduction） 一、细胞生物学研究的内容和现状 （Cell biology research substance and present situation） 1．细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科 ◆生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系，而细胞是生命体的结 构与生命活动的基本单位，有了细胞才有完整的生命活动。 ◆细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学，它是在不同层次（显微、 亚显微与分子水平）上以研究细胞结构与功能、细胞增殖、分化、衰老与 凋亡、细胞信号传递、真核细胞基因表达与调控、细胞起源与进化等为主 要内容。 ◆核心问题是将遗传与发育在细胞水平上结合起来。 细胞生物学的主要研究内容： 〔1〕细胞结构与功能、细胞重要生命活动：〔2〕细胞核、染色体以及基因表 达的研究，〔3〕生物膜与细胞器的研究，〔4〕细胞骨架体系的研究，细胞增殖及 其调控〔5〕细胞分化及其调控，〔6〕细胞的衰老与凋亡，〔7〕细胞的起源与进 化，〔8〕细胞工程。 当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域 〔1〕总趋势：细胞生物学与分子生物学(包括分子遗传学与生物化学)相互渗 透与交融是总的发展趋势。〔2〕重点领域：染色体 DNA 与蛋白 质相互作用关系主要是非组蛋白对基因组的作用，细胞增殖、分化、 凋亡的相互关系及其调控，细胞信号转导的研究，细胞结构体系的 组装。细胞重大生命活动的相互关系 二、细胞学与细胞生物学发展简史 （History of cytology together and biology ） 1
1.细胞的发现 2。细朐学说的建立其音义 ◆细胞学说的基本内容 ()认为细胞是有机体， 一切动植物 都是由细胞发育而来，并由细胞和细胞产物所构成：（②）每个细胞作为一个相 对独立的单位，既有它“自己的”生命，又对与其它细胞共同组成的整体 的牛命有所助益： (3)新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。3.细胞学的经典时期 4.实验细胞学与细胞学的分支及其发展 5.细胞生物学学科的形成与发展 6.细胞生物学的主要学术组织、学术刊物与教科书(I)A1 berts B et al, Essential Cell Biology.New York and London:Garland publishing, 1998 (2)Alberts B et al.Molecuar Biology of the Cell,3rd ed.New York and London:Garland Publishing,Inc.1994 (3)Becker W.M.et al.The World of the Cell.Fourth Ed.The Ben jamin/Cummings Publishing Company.2000 (4Gerald Karp.Cell and Molecular Biolo concepts and experiments. 2nd Edition.Published by John Wiley Sons,Inc. 1999 (5)Lodish H.et al.Molecular Cell Biology.4th Ed.Scientific American Books,Inc.2000. 1抽象思维与动态观点 2结构与功能统一的观与 3.同一性( ity)和多样性(diversity)的问题 4细胞生名 学的主要内容： 基本概念与实验证据：细胞器的动态特征：化学能的产生与利用：细胞的活 动及其调控等。 5.实验科学与实验技术一一细胞真知源于实验室 What we know//How we know 复习与思考题 1.通过学习细胞生物学发展简史，你如何认识细胞学说的重要意义 第二章细胞的基本知识概要 第一节 细胞的基本概念 (essential knowledge of the cell) 一、 细胞是生命活动的基本单位 (the cell is the basic unit of the life activity) 切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位 1细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位 2细胞是有机体生长与发育的基础 3.细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性4没有细胞就没有完整的生 2
1．细胞的发现 2．细胞学说的建立其意义 ◆细胞学说的基本内容： ⑴认为细胞是有机体，一切动植物 都是由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成；⑵每个细胞作为一个相 对独立的单位，既有它“自己的”生命,又对与其它细胞共同组成的整体 的生命有所助益； ⑶新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。3．细胞学的经典时期 4．实验细胞学与细胞学的分支及其发展 5．细胞生物学学科的形成与发展 6．细胞生物学的主要学术组织、学术刊物与教科书⑴Alberts B et al. Essential Cell Biology. New York and London：Garland publishing， Inc. 1998 ⑵Alberts B et al. Molecuar Biology of the Cell, 3rd ed. New York and London：Garland Publishing，Inc. 1994 ⑶ Becker W.M. et al. The World of the Cell. Fourth Ed. The Benjamin/Cummings Publishing Company. 2000 ⑷Gerald Karp. Cell and Molecular Biology：concepts and experiments， 2nd Edition. Published by John Wiley & Sons,Inc. 1999 ⑸ Lodish H. et al. Molecular Cell Biology. 4th Ed. Scientific American Books,Inc.2000. ⒈抽象思维与动态观点 ⒉结构与功能统一的观点 ⒊同一性(unity)和多样性(diversity)的问题 ⒋细胞生物学的主要内容： 基本概念与实验证据；细胞器的动态特征；化学能的产生与利用；细胞的活 动及其调控等。 ⒌实验科学与实验技术——细胞真知源于实验室 What we know//How we know. 复习与思考题 1．通过学习细胞生物学发展简史，你如何认识细胞学说的重要意义 第二章 细胞的基本知识概要 第一节 细胞的基本概念 （essential knowledge of the cell） 一、 细胞是生命活动的基本单位 (the cell is the basic unit of the life activity) 一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位 ⒈细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位 ⒉细胞是有机体生长与发育的基础 ⒊细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性⒋没有细胞就没有完整的生 命 2
二、细胞概念的一些新思考(the new thinking of cell) 1.细胞是多层次非线性的复杂结构体系细胞具有高度复杂性和组织性2.细胞 是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体()细胞完成各种化学反应： (2)细胞 需要和利用能量： (3)细胞参与大量机械活动： (④)细胞对刺激作出反应： 3细胞是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。 ()细胞能进行自我调控： (②)繁殖和传留后 代 三、细胞的基本共性(the fundamental feature of cell) 1所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌，蛋白质构成的生物膜，即细胞 2所有的细胞都含有两种核酸：即DNM与RNA作为遗传信息复制与转录的载体。 3.作为蛋白质合成的机器 -核糖体 毫无例外地存在于一切细胞内 4所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。 第二节、非细胞形态的生命体一病毒及其与细胞的关系 he) 一-relation 病毒的基本知识(basic knowledge of virus) 病毒(virus)一 一核酸分子(DNA或NA)与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合 体：根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：D水A病毒 RNA病毒类病毒(viroid) 仅由感染性的NA构成： 朊病毒(prion） 仅由感染性的蛋白质亚基构成： 病毒在细胞内增殖（复制）(virus reproduction in the cell) 1病毒侵入细胞，病毒核酸的侵染 2病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成 病声的转成与羟放 三、病毒与细胞在起源与进化中的关系 (the relationship between virus and cells in the origin and evolution) 病毒是非细胞形态的生命体，它的主要生命活动必须要在细胞内实现。病毒 与细胞在起源上的关系，目前存在3种主要观点： 1.生物大分子一病毒→细胞→病毒 2.生物大 子→细胞 3.生物大分子一细胞一病毒 第三节原核细胞与真核细胞 (Prokaryotic cell and Eukaryotic cell) 一、 原核细胞(Prokaryotic cell) 3
二、细胞概念的一些新思考（the new thinking of cell） ⒈细胞是多层次非线性的复杂结构体系细胞具有高度复杂性和组织性⒉细胞 是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体⑴细胞完成各种化学反应； ⑵细胞需要和利用能量； ⑶细胞参与大量机械活动； ⑷细胞对刺激作出反应； ⒊细胞是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。 ⑴细胞能进行自我调控； ⑵繁殖和传留后代； 三、细胞的基本共性(the fundamental feature of cell) ⒈所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌，蛋白质构成的生物膜，即细胞 膜。 ⒉所有的细胞都含有两种核酸：即 DNA与 RNA作为遗传信息复制与转录的载体。 ⒊作为蛋白质合成的机器─核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内。 ⒋所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。 第二节、非细胞形态的生命体——病毒及其与细胞的关系 (the life with non-cell appearance — — relation between virus and the cell) 一、 病毒的基本知识(basic knowledge of virus) 病毒（virus）——核酸分子（DNA 或 RNA）与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合 体；根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：DNA 病毒 与 RNA 病毒类病毒（viroid）——仅由感染性的 RNA 构成； 朊病毒（prion）——仅由感染性的蛋白质亚基构成； 二、 病毒在细胞内增殖（复制）(virus reproduction in the cell) ⒈病毒侵入细胞，病毒核酸的侵染 ⒉病毒核酸的复制、转录与蛋白质的合成 ⒊病毒的装配、成熟与释放 三、病毒与细胞在起源与进化中的关系 (the relationship between virus and cells in the origin and evolution) 病毒是非细胞形态的生命体，它的主要生命活动必须要在细胞内实现。病毒 与细胞在起源上的关系，目前存在 3 种主要观点： ⒈生物大分子→病毒→细胞→病毒 ⒉生物大分子→细胞 ⒊生物大分子→细胞→病毒 第三节 原核细胞与真核细胞 (Prokaryotic cell and Eukaryotic cell) 一、 原核细胞（Prokaryotic cell） 3
◆基本特点：遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DN构成：细胞内 没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核 ◆主要代表： 1.支原体(mycoplast) 一目前发现的最小最简单的细胞 2.细菌(bacteria)3.蓝藻又称蓝细菌(Cyanobacteria) (①)以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统 (②)以核酸(DM或RNA)与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统(3)由特异 蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。 细胞的大小及其分析 各类细胞直径的比较 最小的病毒 0.02 支原体细胞 0.1-0.3 细黄细物 1-2 动植物细胞 20-30(10-50) 原生动物细胞 数百至数千 原核细胞与真核细胞的比较原核细胞与真核细胞基本特征的比较原核细胞与 真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较植物细胞与动物细胞的比较古细菌 T(archaebacteria)与真核细胞曾在进化上有过共同历程 三、主要正据 (1)细胞壁的成分与真核细胞一样，而非由含壁酸的肽聚糖构成，因此抑制壁 鞍合成的链素， 抑制肽聚糖前体合成的环丝氨酸，抑制肽聚糖合成 的青霉素与万古霉素等对真细菌类有强的抑制生长作用，而对古细菌与真 (2)DNA与基因结构：古细菌DNA中有重复序列的存在。此外，多数古核细胞 的基因组中存在内含子。 (3)有类核小体结构：古细菌具有组蛋白，而且能与DA构建成类似核小体结 (4)有类似真核细胞的核糖体：多数古细菌类的核糖体较真细菌有增大趋势 含有60种以上蛋白，介于真核细胞(70~84)与真细菌(55)之间。抗4 素同样不能抑制古核细胞类的核糖体的蛋白质合成。 (5)5 SrRNA:根据对5 SrRNA的分子进化分析，认为古细菌与真核生物同属 类，而真细菌却与之差距甚远。5 S rRNA二级结构的研究也说明很多古细 菌与真核生物相似。 除上述各点外， 根据DNA聚合酶分析，氨基酰tRNA合成酶的作用， 起始金 基酰tNA与肽链延长因子等分析，也提供了以上类似依据，说明古细菌与真核 生物在进化上的关系较真细菌类更为密切。因此近年来，真核细胞起源于古细菌 的观点得到了加强 4
◆基本特点：遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状 DNA 构成；细胞内 没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核 膜。 ◆主要代表： ⒈支原体（mycoplast）——目前发现的最小最简单的细胞； ⒉细菌(bacteria)⒊蓝藻又称蓝细菌（Cyanobacteria） 二、 真核细胞（Eukaryotic cell） 1 真核细胞的基本结构体系： ⑴以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统； ⑵以核酸（DNA 或 RNA）与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统⑶由特异 蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。 细胞的大小及其分析 各类细胞直径的比较 最小的病毒 支原体细胞 细菌细胞 动植物细胞 原生动物细胞 0.02 0.1-0.3 1-2 20-30（10-50） 数百至数千 原核细胞与真核细胞的比较原核细胞与真核细胞基本特征的比较原核细胞与 真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较植物细胞与动物细胞的比较古细菌 （Archaebacteria） 古细菌（archaebacteria）与真核细胞曾在进化上有过共同历程 三、主要证据 （1）细胞壁的成分与真核细胞一样，而非由含壁酸的肽聚糖构成，因此抑制壁 酸合成的链霉素， 抑制肽聚糖前体合成的环丝氨酸，抑制肽聚糖合成 的青霉素与万古霉素等对真细菌类有强的抑制生长作用，而对古细菌与真 核细胞却无作用。 （2）DNA 与基因结构：古细菌 DNA 中有重复序列的存在。此外，多数古核细胞 的基因组中存在内含子。 （3）有类核小体结构：古细菌具有组蛋白，而且能与 DNA 构建成类似核小体结 构。 （4）有类似真核细胞的核糖体：多数古细菌类的核糖体较真细菌有增大趋势， 含有 60 种以上蛋白，介于真核细胞（70～84）与真细菌（55）之间。抗生 素同样不能抑制古核细胞类的核糖体的蛋白质合成。 （5）5S rRNA：根据对 5S rRNA 的分子进化分析，认为古细菌与真核生物同属一 类，而真细菌却与之差距甚远。5S rRNA 二级结构的研究也说明很多古细 菌与真 核生物相似。 除上述各点外，根据 DNA 聚合酶分析，氨基酰 tRNA 合成酶的作用，起始氨 基酰 tRNA 与肽链延长因子等分析，也提供了以上类似依据，说明古细菌与真核 生物在进化上的关系较真细菌类更为密切。因此近年来，真核细胞起源于古细菌 的观点得到了加强。 4
复习与思考题 1.根据你所掌握的知识，如何理解“细胞是生命活动的基本单位”这一概念？ 2.病毒是非细胞形态的生命体，又是最简单的生命体，请论证一下它与细胞不 可分割的关系。 3.为什么说支原体可能是最小最简单的细胞存在形式？ 第三章细胞生物学研究方法 (the research method in the cell biology) 第一节细胞形态结构的观察方法 (study method for cell morphology and structure) 一、光学显微镜技术(light microscopy) 1.普通复式光学显微镜技术 (①)光镜样本制作2)分辨率是指区分开两个质点间的最小距离 2.荧光5D= 0.617 cence Microscopy) ◆原卫 N.Sina/2 ①)直接荧光标记技术(2间接免疫荧光标记技术 (③)在光镜水平用于特异蛋白质等生物大分子的定性定位：如绿色荧光蛋白 (GFP)的应用 3.激光共焦扫描显微镜技术(Laser Confocal Microscopy) ◆原理◆应用： 排除焦平面以外光的干扰，增强图像反差和提高分辨率(1.4一1.7)，可重 构样品的三维结构。 4.相差显微镜(phase-contrast microscope) 将光程差或相位差转换成振幅差，可用于观察活细胞5.微分干涉显微镜 (differential interference contrast microscope,DIC) 明暗区别，增加了样品反差且具有立体感。适于研究活细胞中较大的细胞 器6.录像增第品微锫技术(video 计算机辅助的DIC显微镜可在高分辨率下研究活细胞中的颗粒及细胞器的 运动 二、电子显微镜技术(Electro microscopy) 1.电子显微镜的基本知识 由镜与光镜的出较 显微 分辨本领 光源 透镜 真空 成像原 培 LM 200nm 可见光 玻璃透镜 要求真空 利用样品对光的吸收形成 (400-700 明暗反差和颜色变化 FM 紫外光 玻璃透镜 不要求真空 (约200nm) EM 100nn 电子束 电磁透镜 要求真空 利用样品对电子的散射和 (0.01-0.9) 1.33x10 透射形成明暗反差
复习与思考题 1．根据你所掌握的知识，如何理解“细胞是生命活动的基本单位”这一概念？ 2．病毒是非细胞形态的生命体，又是最简单的生命体，请论证一下它与细胞不 可分割的关系。 3．为什么说支原体可能是最小最简单的细胞存在形式？ 第三章 细胞生物学研究方法 (the research method in the cell biology) 第一节 细胞形态结构的观察方法 （study method for cell morphology and structure） 一、光学显微镜技术（light microscopy） 1.普通复式光学显微镜技术 ⑴光镜样本制作⑵分辨率是指区分开两个质点间的最小距离 2.荧光显微镜技术（Fluorescence Microscopy） ◆原理◆应用： ⑴直接荧光标记技术⑵间接免疫荧光标记技术 ⑶在光镜水平用于特异蛋白质等生物大分子的定性定位：如绿色荧光蛋白 (GFP)的应用 3.激光共焦扫描显微镜技术（Laser Confocal Microscopy） ◆原理◆应用： 排除焦平面以外光的干扰，增强图像反差和提高分辨率(1.4—1.7)，可重 构样品的三维结构。 4.相差显微镜（phase-contrast microscope） 将光程差或相位差转换成振幅差，可用于观察活细胞 5.微分干涉显微镜 （differential interference contrast microscope, DIC） 明暗区别，增加了样品反差且具有立体感。适于研究活细胞中较大的细胞 器 6.录像增差显微镜技术（video-enhance microscopy） 计算机辅助的 DIC 显微镜可在高分辨率下研究活细胞中的颗粒及细胞器的 运动 二、电子显微镜技术(Electro microscopy) 1.电子显微镜的基本知识 电镜与光镜的比较 5 利用样品对光的吸收形成 明暗反差和颜色变化 利用样品对电子的散射和 透射形成明暗反差 要求真空 不要求真空 要求真空 1.33x10P -5P～ 玻璃透镜 玻璃透镜 电磁透镜 可见光 （400-700） 紫外光 （约200nm) 电子束 （0.01-0.9） 200nm 100nm LM FM EM 显微 分辨本领 光源 透镜 真空 成像原理 镜