细胞生物学的研究内容与现状

细胞⽣物学讲稿第⼀章（Chapter One）

绪论（Introduction to cell biology）该章节学习的⽬的

1、对细胞⽣物学这门学科有较全⾯的理解，对学习内容有⽐较明确的把握

细胞⽣物学是以细胞为研究对象, 从细胞的整体⽔平（显微）、亚显微⽔平（包括各类细胞器、细胞内膜系统、细胞遗传信息结构体系、细胞⾻架系统等）、分⼦⽔平等三个层次，以动态的观点, 研究细胞和细胞器的结构和功能、细胞的起源与进化和各种⽣命活动规律的学科。2、了解⼀点细胞⽣物学发展简史

⽐如细胞是如何发现的，相关学说的演进，细胞⽣物学的建⽴及其内容的延伸和拓展，现在的研究状况等等。本章学习的内容

第⼀节细胞⽣物学的研究内容与现状第⼆节细胞学与细胞⽣物学发展简史第⼀节细胞⽣物学的研究内容与现状⼀、细胞⽣物学是什么样⼀门学科？细胞⽣物学是现代⽣命科学的重要基础学科。

在我国科学发展规划中，把细胞⽣物学、分⼦⽣物学、神经⽣物学和⽣态学列为⽣命科学的四⼤基础学科。⼤家可以看到“基础”这个词，为什么细胞⽣物学能重要到成为其他诸多学科的基础呢？理由：1925年⽣物学⼤师Wilsion提出“⼀切⽣命的关键问题都要到细胞中去寻找”

⽣命科学发展⾄今，众多科学成果显⽰，⽣物的⽣殖发育、遗传、神经（脑）活动等重⼤⽣命现象的研究都必须以细胞为基础，这⼀认知已是毫⽆疑问，细胞就是研究⽣命科学均需接触到的实体，为什么？因为所有的⽣命体都是由细胞组成的，细胞是⽣命的基本单位，就好⽐原⼦是物理性质的最⼩单位，分⼦是化学性质的最⼩单位，

原⼦是物理学研究对象，分⼦是化学的，⽽细胞就是⽣命科学的。细胞⽣物学与其他学科的结合衍⽣了许多交叉学科，例如细胞遗传学(cytogenetics)（遗传学和细胞学结合建⽴了细胞遗传学，主要是从细胞学的⾓度, 特别是从染⾊体的结构和功能, 以及染⾊体和其他细胞器的关系来研究遗传现象, 阐明遗传和变异的机制。）、细胞⽣理学(cytophysiology)（细胞学同⽣理学结合建⽴了细胞⽣理学，主要研究内容包括细胞从周围环境中摄取营养的能⼒、代谢功能、能量的获取、⽣长、发育与繁殖机理, 以及细胞受环境的影响⽽产⽣适应性和运动性的活动。细胞的离体培养技术对细胞⽣理学的研究具有巨⼤贡献。）、细胞化学(cytochemistry)（细胞学和化学的结合产⽣了细胞化学,主要是研究细胞结构的化学组成及化学分⼦的定位、分布及其⽣理功能, 包括定性和定量分析。如1943年克劳德(Claude)⽤⾼速离⼼法从细胞匀浆液中分离线粒体，然后研究它的化学组成和⽣理功能并得出结论: 线粒体是细胞氧化中⼼。1924年Feulgen发明的DNA的特殊染⾊⽅法---Feulgen反应开创了DNA的定性和定量分析。），甚⾄有细胞社会学(cell sociology)（细胞社会学是从系统论的观点出发，研究细胞整体和细胞群体中细胞间的社会⾏为(包括细胞间识别、通讯、集合和相互作⽤等)，以及整体和细胞群对细胞的⽣长、分化和死亡等活动的调节控制。细胞社会学主要是在体外研究细胞的社会⾏为，⽤⼈⼯的细胞组合研究不同发育时期的相同细胞或不同细胞的⾏为; 研究细胞之间的识别、粘连、通讯以及由此产⽣的相互作⽤、作⽤本质、以及对形态发⽣的影响等。）

特别是分⼦⽣物学的发展，使得细胞⽣物学取得了突破性的进展，产⽣了许多新的⽣长点，并逐渐形成新的概念与新的领域，例如分⼦细胞⽣物学（molecular biology of the cell）（以细胞为对象, 主要在分⼦⽔平上研究细胞⽣命活动的分⼦机制, 即研究细胞器、⽣物⼤分⼦与⽣命活动之间的变化发展过程, 研究它们之间的相互关系, 以及它们与环境之间的相互关系。）可以说现代细胞⽣物学就是经典细胞学与分⼦⽣物学相结合形成的⼀门交叉学科，它是应⽤现代物理化学技术成就和分⼦⽣物学的概念与⽅法，以细胞作为⽣命活动的基本单位的思想为出发点，探索⽣命活动规律的学科。

经典细胞学的知识范畴集中在细胞结构与功能这⼀块，20世纪70年代中期开始，分⼦⽣物学的引⼊，使得细胞重要⽣命活动规律及其机制的研究迅猛发展，使得细胞的知识结构丰富起来，同时也极⼤地促进了⽣命科学的发展。

好，下⾯就来说说细胞⽣物学的主要研究内容。⼆、细胞⽣物学的主要研究内容

细胞⽣物学研究与教学内容⼀般可以分为细胞结构功能与细胞重要⽣命活动两⼤基本部分，但它们⼜不能截然分开。当前细胞⽣物学的研究内容主要有下⾯这么⼏项1.细胞核、染⾊体及基因表达的研究2、⽣物膜与细胞器研究3、细胞⾻架体系研究4、细胞增殖及其5、细胞分化及其6、细胞的衰⽼及其7、细胞的起源与进化8、细胞⼯程

可以看出这些研究领域基本上都同时包含了细胞结构功能与细胞重要⽣命活动两⼤基本部分，它们是揉合在⼀起的。下⾯，我简单地就每项内容进⾏系统介绍三、当前细胞⽣物学主要研究热点The NIH of USA(1988):

National Institutes of Health (美国)(卫⽣、教育与福利部)国家卫⽣研究所“What is popular in research today？”3 kinds of diseases：2 cancer癌症

2 cardiovascular diseases⼼⾎管疾病

KK: []

2 infectious diseases：AIDS，hepatitis[]传染病：爱滋病，肝炎5 research fields ：

2 cell cycle control ；细胞周期2 cell apoptosis；细胞凋亡2 cellular senescence；[]细胞衰⽼

2 signal transduction；信号转导

2 DNA damage and repair：DNA损伤与修复

ISI, USA(1997) : Institute for Scientific Information美国科技情报所SCI（Science Citation Index）Papers: 科学引⽂索引Three tops of research fields:No1: Signal transduction；信号转导

信号分⼦(signaling molecules)信号分⼦是指⽣物体内的某些化学分⼦, 既⾮营养物, ⼜⾮能源物质和结构物质,⽽且也不是酶,它们主要是⽤来在细胞间和细胞内传递信息, 如激素、神经递质、⽣长因⼦等统称为信号分⼦,它们的惟⼀功能是同细胞受体结合,传递细胞信息。信号转导(signal transduction)即信号的识别、转移与转换。No2: Cell apoptosis；细胞凋亡

⼜称程序性细胞死亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞⾃主的有序性的死亡，它涉及⼀系列基因的激活、表达以及等的作⽤，因⽽是具有⽣理性和选择性的。Apoptosis的概念来⾃于希腊语，原意是指树叶或花的⾃然凋落，⽽细胞发⽣程序性死亡时，就像树叶或花的⾃然凋落⼀样，凋亡的细胞散在于正常组织细胞中，⽆炎症反应，不遗留瘢痕。死亡的细胞碎⽚

很快被巨噬细胞或邻近细胞清除，不影响其他细胞的正常功能。这⼀研究的成果将对于医学界医治癌症具有重⼤的影响。⼤家可以想象，如果能探索出⼀种⽅法，使得体内的癌变细胞可以呈现细胞凋亡，那么癌症也就可以治愈了，当然这只是⼀种猜测。

No3: Genome and post-genomic analysis基因组与后基因组分析不仅涉及到细胞，更是从分⼦⾓度去探索下⾯我将对本门课程即将需要学习的内容进⾏简单介绍四、细胞⽣物学的教学内容

细胞⽣物学的教学内容⼀般可分为细胞结构功能与细胞重要⽣命活动两⼤基本部分：第⼀部分细胞的结构及各部分的主要功能1、细胞结构概观；2、细胞表⾯与细胞连接；3、细胞质基质及内膜系统；4、线粒体与氧化磷酸化；5、叶绿体与光合作⽤；6、核糖体与蛋⽩质合成；7、细胞⾻架；8、细胞核与染⾊体；

第⼆部分细胞的重要⽣命活动，包括：1、细胞的繁殖及其；2、细胞分化及其；4、细胞通讯

3、细胞的衰⽼与凋亡；4、细胞进化等。

五、课程的重点和难点内容

⼀）、膜的分⼦结构和特点及物质跨膜运输；（第四、五章）⼆）、细胞质基质的组分及其功能；（第六章）三）、细胞连接的⽅式；（第四章）四）、细胞的信号传导；（第五章）

五）、蛋⽩质合成：信号假说（第六章第五节）六）、蛋⽩质分选与膜泡运输（第六章第五节）

七）、染⾊质结构、染⾊体基本知识及3种功能元件；（第⼋章）⼋）、细胞⾻架体系；（第⼗章）九）、细胞周期及其（第⼗⼀章）

⼗）、细胞凋亡的形态学特征及其鉴别⽅法（第⼗三章）六、怎么样才能学好细胞⽣物学？

第⼀、认识细胞⽣物学课程的重要性，正如原⼦是物理性质的最⼩单位，分⼦是化学性质的最⼩单位，细胞是⽣命的基本单位。50年代以来诺贝尔⽣理与医学奖⼤都授予了从事细胞⽣物学研究的科学家，可见细胞⽣物学的重要性。如果你将来打算从事⽣物学相关的⼯作，学好细胞⽣物学能加深你对⽣命的理解。

第⼆、明确细胞⽣物学的研究内容，即：结构、功能、⽣活史。⽣物的结构与功能是相适应的，每⼀种结构都有特定的功能，每⼀种功能的实现都需要特定的物质基础。如肌⾁可以收缩、那么动⼒是谁提供的、能量从何⽽来的？

第三、从显微、超微和分⼦三个层次来认识细胞的结构与功能。⼀⽅⾯每⼀个层次的结构都有特定的功能，另⼀⽅⾯各层次之间是有机地联系在⼀起的。结构是基础，功能的分⼦机制是学习的重点。

第四、细胞⽣物学涉及分⼦⽣物学、⽣物化学、遗传学、⽣理学等⼏乎所有⽣物系学过的课程，将学过的知识与细胞⽣物学课程中的内容关联起来。多问⾃⼰⼏个为什么。将学过的知识与细胞⽣物学课程中讲到的内容关联起来，⽐较⼀下有什么不同，有什么相同，为什么？另⼀⽅⾯细胞⽣物学各章节之间的内容是相互关联的，如我们在学习线粒体与叶绿体的时候，要联想起细胞物质运输章节中学过的DNP、FCCP等质⼦载体对线粒体会有什么影响，学习微管结构时要问问为什么β微管蛋⽩是⼀种G蛋⽩，⽽α微管蛋⽩不是，学习细胞时要想想细胞⾻架在细胞中起什么作⽤，诸如此类的例⼦很多。

第五、紧跟学科前沿，当前的热点主要有“信号转导”、“细胞周期”、“细胞凋亡”等。细胞⽣物学是当今发展最快的学科之⼀，知识的半衰期很短（可能不⾜5年），国内教科书由于编撰周期较长，⼀般滞后于学科实际⽔平5-10年左右，课本中的很多知识都已是陈旧知识。有很多办法可以使你紧跟学科前沿：⼀是选择国外的最新教材，中国图书进出⼝公司读者服务部http://www.doczj.com/doc/ba1cff5232d4b14e852458fb770bf78a293a45.html /link/index.php那⾥可以买到很多价廉物美的正宗原版教材（⼀般200-400元，只相当于国外价格的1/5）；⼆是经常读⼀些最新的期刊资料，如果条件所限查不到国外资料，可以到中

国期刊⽹、万⽅数据等数据库中查⼀些综述⽂章，这些⽂章很多是国家⾃然科学基⾦⽀助的，如在中国期刊⽹的检索栏输⼊关键词“细胞凋亡”，⼆次检索输⼊关键词“进展”，你会发现⼀⼤堆这样的⽂章，都是汉字写的⽐读英⽂省事。

第六、学⼀点科技史，尤其是⽣物学史，看看科学家如何开展创造发明，学习他们惊⼈的毅⼒、锐敏的眼光和独特的思维。⽜顿说过：“我之所以⽐别⼈看得更远，是因为站在巨⼈的肩膀上。”第⼋、上课要听讲，重点内容做笔记，课后对所学知识作归纳总结。第⼆节细胞学与细胞⽣物学发展简史

从研究内容来看细胞⽣物学的发展可分为三个层次，即：显微⽔平、超微⽔平和分⼦⽔平。从时间纵轴来看细胞⽣物学的历史⼤致可以划分为四个主要的阶段：

第⼀阶段：从16世纪后期到19世纪30年代，是细胞发现和细胞知识的积累阶段。通过对⼤量动植物的观察，⼈们逐渐意识到不同的⽣物都是由形形⾊⾊的细胞构成的。

第⼆阶段：从19世纪30年代到20世纪初期，细胞学说形成后，开辟了⼀个新的研究领域，在显微⽔平研究细胞的结构与功能是这⼀时期的主要特点。形态学、胚胎学和染⾊体知识的积累，使⼈们认识了细胞在⽣命活动中的重要作⽤。13年Hertwig的专著《细胞与组织》（Die Zelle und die Gewebe）出版，标志着细胞学的诞⽣。其后16年哥伦⽐亚⼤学Wilson编著的The Cell in Development and Heredity、1920年墨尔本⼤学Agar编著的Cytology 都是这⼀领域最早的教科书。

第三阶段：从20世纪30年代到70年代，电⼦显微镜技术出现后，把细胞学带⼊了第三⼤发展时期，这短短40年间不仅发现了细胞的各类超微结构，⽽且也认识了细胞膜、线粒体、叶绿体等不同结构的功能，使细胞学发展为细胞⽣物学。De Robertis等⼈1924出版的普通细胞学（General Cytology）在1965年第四版的时候定名为细胞⽣物学（Cell Biology），这是最早的细胞⽣物学教材之⼀。

第四阶段：从20世纪70年代基因重组技术的出现到当前，细胞⽣物学与分⼦⽣物学的结合愈来愈紧密，研究细胞的分⼦结构及其在⽣命活动中的作⽤成为主要任务，基因、信号转导、肿瘤⽣物学、细胞分化和凋亡是当代的研究热点。⼀、细胞的发现

细胞的发现与显微镜的发明紧密相连。没有显微镜就不可能有细胞学诞⽣。第⼀台显微镜并不是我们所熟知的Robert Hooke所发明的，⽽是在1604年，荷兰眼镜商詹森(Jansen)⽗⼦研制出了世界上第⼀台显微镜，尽管其放⼤倍数不超过10倍，但第⼀次使⼈们看到了原先⾁眼看不到的东西，具有划时代的意义。

⽽Robert Hooke是第⼀次描述了细胞，并第⼀次提出“cellulae”这个词，1665年英国⼈Robert Hooke⽤⾃⼰设计与制造的显微镜（放⼤倍数为40-140倍）观察了软⽊（栎树⽪）的薄⽚，第⼀次描述了植物细胞的构造，并⾸次⽤cells（⼩室）这个词来称呼他所看到的类似蜂巢的极⼩的封闭状⼩室（实际上只是观察到到纤维质的细胞壁）。

In 1665, Robert Hooke，an England scientist，saw a network of tiny boxlike compartments that reminded him of a

honeycomb. He called these little compartments “cellulae”, a Latin term meaning little room. It is from this word we get ourpresent-day term, cell. 1665年，英国科学家Robert Hooke发现了⼀些⽹状类似蜂巢的极⼩的封闭状⼩室，他称它们为“cellulae”,这个词是拉丁语，意思就是⼩室。由这个词发展成为今天我们所知道的cell。

Hooke第⼀次观察的是植物材料，到1677年荷兰⽣物学家列⽂虎克(Antonie van Leeuwenhoek)在动物⽅⾯进⾏了观察和研究，证明了动物也具有细胞的结构。他是第⼀个看到活细胞的⼈，观察过原⽣动物、⼈类精⼦、鲑鱼的红细胞、⽛垢中的细菌等等。⼀⽣中制作了200多台显微镜和500多个镜头。1752 英国望远镜商⼈J. Dollond 发明消⾊差显微镜。1812 苏格兰⼈D.Brewster 发明油浸物镜，并改进了体视显微镜。

1886 德国⼈Ernst Abbe 发明复消差显微镜，并改进了油浸物镜，⾄此普通光学显微镜技术基本成熟。

1932 德国⼈M. Knoll和E. A. F. Ruska描述了⼀台最初的电⼦显微镜，1940年美国和德国制造出分辨⼒为0.2nm的商品电镜。1932 荷兰籍德国⼈ F. Zernike成功设计了相差显微镜（phasecontrast microscope) ，并因此获1953年诺贝尔物理奖。1981瑞⼠⼈G. Binnig和H. RoherI在BM苏黎世实验中⼼（Zurich Research Center）发明了扫描隧道显微镜⽽与电镜发明者Ruska同获1986年度的诺贝尔物理学奖。实际上经典细胞学的发展就是显微镜的发展⼆、细胞学说的建⽴

1839年德国植物学教授Schleiden和德国解剖学教授Schwann 共同提出细胞学说Two tenets of cell theory:细胞学说的两⼤宗旨（原则，理念）

1.All organisms are composed of one or more cells.⼀切有机体都是由⼀个或多个细胞组成2.The cell is basic unit of structure and function for all organisms.细胞是构成有机体的基本单位。

1855 德国⼈R. Virchow 提出“⼀切细胞来源于细胞”（omnis cellula e cellula）的著名论断，进⼀步完善了细胞学说。他提出第三个理念The third tenets

3.All cells arise only from preexisting cells by division.新细胞仅通过⽼细胞产⽣。三、细胞学经典时期及细胞学的分⽀

19世纪后期显微技术的改进，⽣物固定技术（如：Fleming 1882，1884；Canoy 1886）和染⾊技术的出现极⼤的⽅便了⼈们对细胞显微结构的认识，各种细胞器相继被发现，20世纪30年代电⼦显微镜技术的问世，是细胞形态的研究达到了空前的⾼潮。20世纪50年代分⼦⽣物学的兴起，推动细胞⽣物学的研究进⼊了分⼦⽔平。

⼗九世纪下半叶是对细胞研究与收获的黄⾦时代，1866年Mendel提出了基因学说；18年⾼尔基体被发现；19年发现了植物的双受精作⽤；还有细胞的⽆丝(amitosis)，有丝(mitosis)与染⾊体，减数(meiosis)，中⼼粒，线粒体等都是在该时期看到的。

德国胚胎和解剖学家O.Hertwig“细胞和组织”⼀书的出版(12)标志着细胞学作为⼀门独⽴学科的建⽴。在细胞学获得⼀系列成就的基础上，⼀些有关的学科也应运⽽⽣，胚胎学、细胞遗传学、细胞⽣理学、细胞化学、组织学等相继建⽴起来。

细胞遗传学(cytogenetics)（遗传学和细胞学结合建⽴了细胞遗传学，主要是从细胞学的⾓度, 特别是从染⾊体的结构和功能,以及染⾊体和其他细胞器的关系来研究遗传现象, 阐明遗传和变异的机制。）、细胞⽣理学(cytophysiology)（细胞学同⽣理学结合建⽴了细胞⽣理学，主要研究内容包括细胞从周围环境中摄取营养的能⼒、代谢功能、能量的获取、⽣长、发育与繁殖机理, 以及细胞受环境的影响⽽产⽣适应性和运动性的活动。细胞的离体培养技术对细胞⽣理学的研究具有巨⼤贡献。）、细胞化学(cytochemistry)（细胞学和化学的结合产⽣了细胞化学,主要是研究细胞结构的化学组成及化学分⼦的定位、分布及其⽣理功能, 包括定性和定量分析。如1943年克劳德(Claude)⽤⾼速离⼼法从细胞匀浆液中分离线粒体，然后研究它的化学组成和⽣理功能并得出结论: 线粒体是细胞氧化中⼼。1924年Feulgen发明的DNA的特殊染⾊⽅法---Feulgen反应开创了DNA的定性和定量分析。），甚⾄有细胞社会学(cell sociology)（细胞社会学是从系统论的观点出发，研究细胞整体和细胞群体中细胞间的社会⾏为(包括细胞间识别、通讯、集合和相互作⽤等)，以及整体和细胞群对细胞的⽣长、分化和死亡等活动的调节控制。细胞社会学主要是在体外研究细胞的社会⾏为，⽤⼈⼯的细胞组合研究不同发育时期的相同细胞或不同细胞的⾏为; 研究细胞之间的识别、粘连、通讯以及由此产⽣的相互作⽤、作⽤本质、以及对形态发⽣的影响等。）四、细胞⽣物学的形成与发展

电⼦显微镜的问世为细胞⽣物学的建⽴奠定了基础。

20世纪30年代，德国科学家Ruska在Siemens公司设计制造了世界上第⼀架电⼦显微镜，使⼈们的视野⼀下⼦提⾼到了纳⽶⽔平

(毫微⽶)。⼈们发现了许多在光镜下⽆法看到的东西,如内质⽹，⾼尔基体膜层，叶绿体膜层，线粒体膜层，核糖体，溶酶体等。使⼈们对细胞的认识进⼊了⼀个更深的层次。

同时，遗传学，⽣物化学，⽣理学，胚胎学的许多新发现。也使⼈们⼏乎看到了⼀个活⽣⽣的细胞，看到了⽣命的活动不再是⼀个个细胞零件，⽽是⼀部完整的⽣命机器，于是以描述细胞整体结构与功能的动态变化为主体的科学——细胞⽣物学便取代了原来的细胞学。

80年代以来，细胞⽣物学的主要发展⽅向是分⼦细胞⽣物学，在分⼦⽔平上探索细胞的基本⽣命规律。

下⾯讲⼀些信息，让⼤家对于细胞⽣物学有⼀些直观的认识，看看它以前具体做过些⽣命，以后⼜能在哪⾥取得成就。五、细胞⽣物学取得的部分成就

1910美国⼈T. H. Morgan提出遗传的染⾊体理论，1919年发表“遗传的本质”（Physical Basis of Heredity）。1926年发表“基因学说”（The Theory of the Gene）

1944 美国⼈O. Avery，C. Macleod 和M. McCarthy等⼈通过微⽣物转化试验证明DNA是遗传物质1953 美国⼈J. D. Watson 和英国⼈F. H. C. Crick提出DNA双螺旋模型。

1957 J. D. Robertson⽤超薄切⽚技术获得了清晰的细胞膜照⽚，显⽰暗-明-暗三层结构。1961 英国⼈P. Mitchell 提出线粒体氧化磷酸化偶联的化学渗透学说，获1978年诺贝尔化学奖。1975 英国⼈F. Sanger设计出DNA测序的双脱氧法。于1980年获诺贝尔化学奖1983 美国⼈K. B. Mullis发明PCR仪，于1993年获诺贝尔化学奖。

1984 德国⼈G. J. F. Kohler、阿根廷⼈C. Milstein和丹麦科学家N. K. Jerne由于发展了单克隆抗体技术，完善了极微量蛋⽩质的检测技术分享了诺贝尔⽣理医学奖。

19 美国⼈S. Altman和T. R. Cech由于发现某些RNA具有酶

的功能（核酶)⽽共享诺贝尔化学奖。Bishop和Varmus由于发现正常细胞同样带有原癌基因⽽分享当年的诺贝尔⽣理医学奖。2001 美国⼈Leland Hartwell、英国⼈Paul Nurse、Timothy Hunt 因对细胞周期机理的研究⽽获诺贝尔⽣理医学奖。2002 英国⼈Sydney Brenner、美国⼈H. Robert Horvitz和英国⼈John E. Sulston，因在器官发育的遗传和细胞程序性死亡⽅⾯的研究获诺贝尔诺贝尔⽣理学或医学奖。

2003 美国科学家Peter Agre和Roderick MacKinnon，分别因对细胞膜⽔通道，离⼦通道结构和机理研究⽽获诺贝尔化学奖。六、细胞⽣物学研究成果的应⽤前景

20世纪50年代⼈们还搞不清楚⾃⼰的染⾊体是多少条，但到了2000年“⼈类基因组计划”(⼈类基因组计划（Human genomeproject）由美国于1987年启动，我国于1993年加⼊该计划，承担其中1%的任务，即⼈类3号染⾊体短臂上约30Mb的测序任务。2000年6⽉28⽇⼈类基因组⼯作草图完成。由于⼈类基因测序和基因专利可能会带来巨⼤的商业价值，各国和⼀些企业都在积极地投⼊该项研究，如1997年AMGE公司转让了⼀个与中枢神经疾病有关的基因⽽获利3.92亿美元)⼯作草图完成，标志着以研究基因功能为主的后基因组时代到来。随后蛋⽩质组学（proteomics），RNA组学（RNomics），糖组学

（glycomics）、代谢组学（metabolomics）等各种“组学”研究相继登场。可以预见在不远的将来，⽣物科学会将⼈类社会带⼊⼀个新的发展阶段。细胞⽣物学的发展也将迈⼊⼀个新的发展阶段，并将成为21世纪⽣物⼯程发展的重要组成部分。1. 基因克隆和重组技术⽇趋成熟，⼈类将根据经济需要去开发和操纵遗传资源，如通过转基因的⽅法⽣产⼈类⽣长素、⼲扰素等昂贵药物；培育具有特殊功能的转基因动植物，如具有苏云⾦毒素的抗⾍棉。在商业⽬的的驱使下，⼤量的改造物种，开始了偏离⾃然进化规律的⼆次“创世纪”，由此所产⽣的基因污染和伦理问题将越来越突出。

2. ⼈类基因组约10万个基因的作图和测序完成，进⼊以揭⽰基因功能为主的后基因组计划，⼈类遗传病的基因治疗成为常规技术。

3. 动物克隆技术和⼈类⼲细胞定向分化技术取得突破，⼈⼯创建的组织，器官将⽤于医学治疗的⽬的。4. 神经⽣物学、信息⽣物学、细胞⽣物学等学科的发展，为实现⼈⼯智能奠定了理论基础。5. 基因武器可能成为继核武器以后⼜⼀种⾜以令⼈类毁灭的武器。

6. ⽣物芯⽚技术⼴泛应⽤于科研、医疗、农业、⾷品、环境保护、司法鉴定等领域。成为与晶体管芯⽚⼀样重要的产业。7. 植物光合作⽤机理研究取得重⼤突破，⼈⼯光解⽔产⽣的氢⽓成为及化⽯燃料之后主要的能源。七、细胞⽣物学的主要参考书籍

Alberts B et al. Essential Cell Biology. New York and London：Garland publishing，Inc. 1998 细胞⽣物学精读本Alberts B et al. Molecuar Biology of the Cell, 3rd ed. New York and London：Garland Publishing，Inc. 1994; 3rd 2002.Becker W.M. et al. The World of the Cell.Fourth Ed. The Benjamin/Cummings Publishing Company. 2000.

Gerald Karp. Cell and Molecular Biology：concepts and experiments，2nd Edition. Published by John Wiley & Sons,Inc.1999

Gerald Karp. Cell and Molecular Biology：concepts and experiments，3rd Edition. Published by John Wiley & Sons,Inc.2003

Lodish H. et al. Molecular Cell Biology. 4th Ed. Scientific American Books,Inc. 2000.翟中和等：细胞⽣物学。⾼教出版社，2000王⾦发：细胞⽣物学。科学出版社，2003郑国锠：细胞⽣物学。⾼教出版社，2002第⼆章细胞基本知识概要本章的学习⽬的：

1.Consider the basic properties of cells;理解和掌握细胞的基本特性

http://www.doczj.com/doc/ba1cff5232d4b14e852458fb770bf78a293a45.html pare some characteristics of two differentclasses of cells: prokaryotes[and eukaryotes;⽐较两种不同细胞的特

点：真核细胞与原核细胞

3.learn the chemical basis of cell；学习细胞的⼀些化学机制的基础知识

http://www.doczj.com/doc/ba1cff5232d4b14e852458fb770bf78a293a45.html prehend a special life: viruses;理解病毒这种特殊⽣命的基本知识

5.learn the origin of eukaryotic cells.学习真核细胞的起源等知识。1.Why are cells the basic units of life?为什么说细胞是⽣命的最基本单位？

A. The cell is the structural unit of life, All organisms is make up of cells.⼀切有机体都是由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位。（图⽚，松散组织的纤维细胞，肠壁细胞）

B.The cell is the functional unit of organisms. All metabolic activity is based on cells.细胞是有机体的功能单位，所有代谢活动都是基于细胞。（图⽚，机体细胞内糖酵解的过程，这个过程会释放能量，提供机体进⾏各项⽣命活动）

C. The cell is the foundation of reproduce, and the bridge of inheritance.细胞具有繁殖功能，是遗传信息的载体（图⽚，这是⼀个家庭的14个孩⼦，他们或多或少遗传到⽗母机体的⼀些特征，彼此之间也就有了相似的⼀些特征，这些孩⼦都是由⽗亲提供的⼀个精⼦和母亲提供的卵⼦结合为⼀枚受精卵发育⽽来）

D. The cell is the growing and developing basis of life细胞是⽣命⽣长与发育的基础（图⽚，胚胎发育的过程，由受精卵逐渐增殖分化形成机体中各种类型的细胞组织）

E. Cell (nucleus) is totipotent, which can create a new organism of the same type细胞具有全能性，它可以创造出与其完全⼀样的新个体。

Generally, the cells of a multicellular organism all contain the same set of genes. ⼀般来说，多细胞机体的每个细胞都含有相同的⼀套基因。

For animals, the first evidence that even highly specialized cell carry a full complement of genes was verified by the

experiment of tadpole （蝌蚪，青蛙）nuclei（细胞核）transplanting（移植，移种）into unfertilized（未受精）egg that hadbeen deprived（被剥夺，丧失）of its own nucleus. Some can develop swimming tadpoles. This is animal cloning.

在动物界，有实验证明即使是⾼度特化的细胞也含有⼀套完整的基因，将青蛙的细胞核移植于未受精的卵细胞（去除其⾃⾝的细胞核），仍然可以发育成为会游泳的青蛙，这就是动物克隆。

An especially dramatic example of animal cloning was reported in 1997. Dolly the first animal ever cloned from a cell derivedfrom an adult. 动物克隆的⼀个⾮常引⼈注⽬的事例就是1997年的Dolly⽺，它是第⼀个由成体细胞发育⽽成的新个体。【在多利之前，⼏⼗年失败的试验曾使⼈们⼏乎绝望地认为，⾼级动物的体细胞克隆或许是不可能实现的。从发育中的胚胎提取细胞，移植其细胞核，培育⼀个与该胚胎相同的个体，这种“克隆”相对来说并⾮难事。因为胚胎细胞具有很强的分化潜⼒，能在发育过程中分化成⽪肤、⾎液、肌⾁、神经等功能和基因特征各不相同的细胞，其中⽣殖功能由性细胞——精⼦或卵⼦来专门承担。⼀个性细胞只携带⼀半的遗传信息，需要精⼦和卵⼦结合才能发育成新⽣命。⼀个体细胞则拥有⼀套完整的染⾊体，不需要性细胞的参与，但是，要让已经“定型”的体细胞重新开始胚胎式的发育过程，等于将细胞的⽣命时钟逆转到起点处，这样的体细胞克隆对哺乳动物⽽⾔究竟是否可能？

多利是苏格兰罗斯林研究所和PPL医疗公司的共同作品。它的基因母亲是⼀种芬·多塞特品种的⽩绵⽺，在多利出⽣之前3年就已死去。苏格兰的汉纳研究所在这头母⽺怀孕时提取了它的⼀些乳腺细胞进⾏冷冻保存，后来⼜把这些细胞提供给PPL公司进⾏克隆研究

——这后来曾给多利⾝份的真实性带来⼀些⿇烦。（1998年2⽉，曾有科学家对多利作为体细胞克隆动物的真实性提出质疑。在怀孕的动物体内，可能会有少量胚胎细胞沿⾎液循环系统到达乳腺部位，因此这些科学家提出，威尔穆特等⼈是否恰好碰到了⼀个这样的胚胎细胞、多利是否仍然是胚胎细胞克隆的结果。汉纳研究所还保存着⼀些多利的基因母亲的乳腺细胞，NDA分析很快证明，多利的确是体细胞克隆的产物，并不存在胚胎细胞混杂的可能性。）以伊恩·威尔穆特为⾸的科学家在实验室中培养这些乳腺细胞，使它们在低营养状态下“挨饿”5天左右。然后提取其细胞核，移植到去除了细胞核的苏格兰⿊脸⽺的卵⼦⾥。之所以使⽤苏格兰⿊脸⽺的卵⼦，是因为这种⽺⾝体⼤部分是⽩的，脸却是全⿊的，很容易与⽩绵⽺区别开来。在微电流刺激下，⽩绵⽺的细胞核与⿊脸⽺的⽆核卵⼦融合到⼀起，开始、发育，成为胚胎，植⼊母⽺的⼦宫⾥继续发育。在277个成功与细胞核融合的卵⼦中，只有29个存活下来，被移植到13头母⽺体内。移植⼿术后148天，1996年7⽉5⽇，⼀只⽺羔诞⽣了——1/277的成功率，其他的都失败了。直到它去世的时候，克隆技术这种低得惊⼈的成功率，仍然没有实质性的改善。这也是科学界普遍不相信雷尔教派的克隆⼥婴“夏娃”⾝份真实性的⼀个原因。威尔穆特以他喜爱的美国乡村⾳乐⼥歌⼿多利·帕顿（Dolly Parton）的名字为⾃⼰的得意之作命名。1997年2⽉23⽇这头⽺的⾝份向全世界披露后，世上知道它的⼈恐怕⽐知道这位歌⼿的多得多。⼀头全⽩的⼩⽺羔，依偎在⽣下它但与它毫⽆⾎缘关系的代育母亲——⼀头苏格兰⿊脸⽺旁边，这张著名的照⽚向世⼈显⽰，⽣物技术的新时代来临了。它是那头芬·多塞特⽩绵⽺的翻版（准确地说，在细胞核遗传信息上是它的翻版。还有少量遗传信息存储在细胞质的线粒体内，多利的线粒体特征与那头提供卵⼦的苏格兰⿊脸⽺相同）。此后，克隆⿏、克隆⽜等多种克隆动物纷纷问世。第⼀个克隆⼈在好⼏年的“只听楼梯响、不见下来⼈”之后，也终于在2002年底“据说”诞⽣了，但没有证据，科学界未予承认。⾄今，科学家对克隆过程仍有点知其然⽽不知其所以然的味道。为什么体细胞核与卵⼦融合后能够发育？有⼈猜测，可能是低营养环境中的挨饿状态使体细胞休

眠，⼤多数基因关闭，从⽽失去了体细胞的专门特征，变得与胚胎细胞相似。不过这仅仅是猜测，并未得到证明.

克隆过程的成功率⼀直⾮常低，流产、畸形等问题较多。这是由于克隆本⾝的问题，还是仅仅因为技术不够成熟对DNA造成了伤害？⼈们对此还⽆法问答。作为第⼀头体细胞克隆动物，多利的健康状况受到密切关注，因为它可能代表着其他克隆动物的命运。多利⼀⽣的⼤部分时候过着优裕的明星⽣活，它善于应付公众场合，毫不怕⼈，在镜头前有着良好的风度。与公⽺“戴维”交配后，多利于1998年4⽉⽣下第⼀个孩⼦邦尼，后来⼜⽣育了两胎，⼀共有6个孩⼦，其中⼀个夭折。从⽣育⽅⾯来看，它与普通母⽺并没有不同。在2002年初被发现患有关节炎之前，多利⼏乎是完全健康⽽正常的，除了由于访客喂⾷太多⽽⼀度需要减肥。

1999年5⽉，罗斯林研究所和PPL公司宣布，多利的染⾊体端粒⽐同年龄的绵⽺要短，引起了⼈们对克隆动物是否会早衰的担忧。端粒是染⾊体两端的⼀种结构，对染⾊体起保护作⽤，有点像鞋带两头起固定作⽤的塑料或⾦属扣。细胞每⼀次，端

粒就变短⼀点，短到⼀定程度，细胞就不再，⽽启动⾃杀程序。端粒以及修补它的端粒酶，是近年来衰⽼和癌症研究中的⼀个热点。许多科学家认为，端粒在动物的衰⽼过程中可能起着重要作⽤。⼀些⼈担⼼，克隆动物的端粒注定较短，是⼀个不可避免的根本问题。另⼀些⼈认为，多利的端粒较短可能是克隆过程的技术问题所致，这不⼀定是体细胞克隆中的普遍现象，有望随着技术的进步⽽消除。譬如美国科学家⽤克隆⿏培育克隆⿏，⼀共培育了6代（最后⼀代惟⼀的⼀只克隆⿏被别的实验⿏吃掉，实验被迫中⽌），并没有发现端粒⼀代⼀代缩短的现象。由于克隆动物数量不多，⽽且普遍⽐较年轻，因此还难以判断哪⼀种说法正确。端粒与衰⽼之间的关系究竟是什么、端粒较短是否⼀定导致早衰，也是尚未确定的事情，这使得问题更加复杂。克隆技术可能带来健康问题，是多利的创造者们强烈反对克隆⼈的直接理由：在⽬前的技术⽔平下克隆⼈，对克隆出来的⼈太不负责任了。

2002年1⽉，罗斯林研究所透露，多利被发现患有关节炎。这引起了有关克隆动物健康问题的新⼀轮骚动。绵⽺患关节炎是常见的

事，但多利患病的部位是左后腿关节，并不多见。威尔穆特说，这可能意味着现⾏的克隆技术效率低，但多利患病的原因究竟是克隆过程造成的遗传缺陷，还是纯属偶然，可能永远也弄不清楚。

2003年2⽉14⽇，研究所宣布，多利由于患进⾏性肺部感染（进⾏性疾病为症状不断恶化的疾病），被实施了安乐死。如同关节炎⼀样，肺部感染也是⽼年绵⽺常见的疾病，像多利这样长期在室内⽣活的⽺尤其如此。但绵⽺通常能活12年左右，6岁半的多利可以说正当盛年，并不算⽼，它的肺病究竟与克隆有没有关系，⼜是⼀个难以搞清楚的问题。⽬前研究⼈员正对多利的遗体进⾏详细检查，科学界对此⼗分关注，尽管检查结果未必能对上述问题得出确切答案。威尔穆特对媒体表⽰，多利之死使他“极度失望”。他提醒其他科学家要对克隆动物的健康状态作持续观察。

在⼏年前，罗斯林研究所已经对多利的后事作好了安排。遗体检查完毕之后，它将被做成标本，在苏格兰国家博物馆向公众展出。理论上，伦敦⾃然历史博物馆或科学博物馆更适合安置这只科学史上最尊贵、最著名的绵⽺，但苏格兰科学家们⾃有他们的理由：“因为她是⼀只苏格兰⽺。”】2. Basic properties of cells细胞的基本概念

A. Cells are highly complex and organized细胞是⾼度复杂的、有⾃装配与⾃组织能⼒的综合体

书本中分作三点提出了，细胞是多层次⾮线性的复杂结构体系；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，具有⾃装配与⾃组织能⼒的体系。

我们看到这个图⽚中是两个细胞的模型，植物细胞和动物细胞，其中包含了许许多多的结构，细胞核、各种细胞器，每个结构都有着⾃⼰的功能，其他不能替代，彼此之间⼜互相影响互相需要，少了任何⼀个结构，细胞都不能继续⼯作。B. Cells possess a genetic program and the means to use it细胞拥有⼀套遗传程序以及使⽤它的⽅法

右图显⽰的是⼀个染⾊体，它是DNA双螺旋结合⼀些组蛋⽩和⾮组蛋⽩经过⼏个级别的螺旋化形成的，当细胞周期开始后，原来松

散的染⾊质⾼度螺旋化，逐渐缩短变粗，成为染⾊体；左图是DNA 与⼀些组蛋⽩和⾮组蛋⽩构成染⾊丝C. Cells are capable of producing more of themselves细胞都具有⾃我繁殖（复制，⽣产）的能⼒

HeLa cells are cultured tumor cells isolated from a cancer patient named Henrietta Lacks in 1951. It is the first human cell tobe kept in culture for long periods of time and is still used today.Johns Hopkins univesity,in 1951

HeLa细胞是在1951年⽤⼀个名字叫做Henrietta Lacks癌症患者⾝体⾥的肿瘤细胞不断培养继代得到的，它是第⼀个⼈类细胞持续使⽤体外培养⽅式保存了数⼗年，并且⾄今仍在被⽤于研究。这些细胞都是在体外进⾏增殖继代培养的，并不是在体内，也就表⽰细胞⾃⾝具有增殖的能⼒。

D. Cells acquire and utilize energy细胞拥有获取能量的能⼒

Developing and maintaining complexity requires the constant input of energy。复杂的⽣命体要不断发育和维持要求不断输⼊能量。

All of the energy required by life on the earth’s surface arrives in the form of electromagnetic radiation from the sun. light

energy is converted by photosynthesis into chemical energy that is restored in energy-rich carbohydrates. 地球表⾯所有⽣命体所需要的能量都是来⾃于太阳辐射的电磁能。光能通过光合作⽤转化为化学能以能量丰富的碳⽔化合物储存起来。⾸先植物通过光合作⽤将光能转化为化学能储藏，这个过程就是通过细胞那的叶绿体完成，在被动物⾷⽤，通过细胞吸收转化的能量。F. Cells are able to response to stimuli细胞能对刺激产⽣反应

Cells within plant or animal respond to stimuli less obviously than single-celled protist. But they respond. They possesreceptors that interact with substances in the environment in highly specific ways. For example, the receptor on the cell

surface can respond to hormones and growth factors.植物或动物体内的细胞对于刺激的反应激烈程度要显著低于单细胞动物。但是他们是有反应的，他们拥有