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自然界生物千姿百態,有動物?植物?微生物? 既是生物體的結構單位,又是功能單位?有機體是由 無論是小的細菌?支原體,還是大的參大大樹?海里 一個細胞(如高等牛物的受精卵)通過高度有序的細 的鯨魚?陸地的大象,它們都是由細胞( cell)構成的? 胞增殖?分化?生艮和發育而形成的?生物體的代L, 恩格斯曾經說過:"在整個有機界里,所看到的最簡單 是以細胞為單位進行的,所以,細胞又是發育和代謝 的類型,是細胞,它確實是高級有機體的基礎?"細胞 的單位?有機體有了細胞才有完整的生命活動? 及時節 細胞生物學的概念及研究內容 一?細胞生物學是現代生命科學的重要基礎學科 微生物?遺傳學?發育生物學?生理學?生物化學? 細胞是1665年英同科學家R.Hooke用自制的顯 萎磊牛物學?神經牛物I等,均離不開細胞牛物I的 微鏡發現的?白從細胞發現以來,隨著科學技術的發展, ;基因上程?細胞工程?蛋白質上程等生物工程 研究手段的進步,特別是分子生物學方法?技術的建立? 學新技術的產牛和發展,也以細胞為對象進行研究和 滲透,對細胞的研究不斷發生變化,從傳統的細胞學 實踐? 逐漸發展成為細胞生物學( cell biology)? 細胞生物學?發育生物學?神縊生物學和分子生 細胞/物學是研究細胞的學科,是從顯微?亞顯 物學是現代生命科學的新生長點,因此,細胞生物學 微及分子水平這三個層次研究細胞的結構?功能,細 彳i僅是當今生命科學中的基礎學科,而且還是前沿學 胞的增殖?分化?衰老與凋亡,細胞的白噬?應激? 科/2.- ? 信號轉導,細胞的基因表達與調控,細胞的起源與進 一 細胞生物學的研究內容 化,是從細胞?分子水平揭示生命本質的學科?而醫 一? 學細胞/i物學是研究細胞各種結構及細胞牛命現象與 細胞生物學的研究內容包括細胞的結構和功能及 疾病發牛?發展的關系,應用這些知識為疾病的預防? 細胞的各種生命現象? 診斷?治療及藥物的開發提供理論基礎和服務的學科? (一)細胞膜和細胞器的研究 所以,醫學細胞生物學是醫學與細胞生物學交義?融 生物膜是細胞結構的重要基礎,閂然界出現細胞 合的學科,是醫學的理論基礎?對細胞的深入研究是 膜以后A-有了真正意義卜^的生命體,大部分細胞器是以 揭丌生命奧秘?征服疾病的關鍵?早(11925年,生 牛物膜為基礎建立的?牛物膜的研究內容包括膜的分子 物學大師Wilson就提出:一切牛命的關鍵問題都要 結構模型?物質的跨膜運輸及信號轉導機制?細胞器的 到細胞中去尋拽?疾病的關鍵問題也要在小小的細胞 研究是認識細胞結構和功能的重要組成部分?近年米, 中去尋找? 胞的識別?信號轉導?蛋白質合成后的運輸及定 從生命結構層次來看,細胞生物學介丁-分子生物 篙券選等方面取得了巨人進展,有關膜泡運輸方面的 學和個體生物學之問,同它們互相銜接?相互滲透? 兇此,細胞生物學是一門承上啟卜-的學科,與分子生 研究獲得了2013年的諾貝爾生理學或醫學獎? 物學一樣是現代牛命科學的基礎,廣泛滲透到遺傳學? (二)細胞核?染色質及基因表達的研究 發育生物學?生殖生物學?神經生物學和免疫生物學 細胞核是真核細胞遺傳物質儲藏的重要場所,也 等的研究中,并與醫學和生物高技術發展有著極其密 是遺傳信息復制?轉錄的場所,核糖體業基的形成及 切的關系? 組裝是在細胞核內的核仁中進行的,核膜?核孔復合 生命科學的各個分支學科,如動物學?植物學? 體是核質之間物質交換及信息傳遞的重要門戶,染色質與基兇的表達調控是細胞核研究的核心內容? 細胞化學( cytochemistry):研究細胞結構ill化 (三)多細胞生物細胞社會的研究 學成分(主要是生物大分子成分)的定位?分布及其 對丁-多細胞生物,細胞與細胞外環境之問密t)J結 牛理功能?用切片或分離細胞成分的方法,對甲`個細 合,形成?個細胞社會,構成組織?器官才能發揮整 胞或細胞各個部分進行定性和定量的化學分析? 體功能?細胞與細胞之間?細胞與微環境之間的相互 細胞生理學( cytophysiology):研究細胞的生命 活動現象及機制,包括細胞如何從環境中攝取營養, 關系也是細胞生物學研究的重要內容? (四)細胞生命現象及其調控研究 經代謝而獲得能量,進行生長?分裂或其他功能活動, 以及細胞如何對各種環境因素產生反應,而表現感應 細胞的增殖?分化?衰老?死亡和細胞的麻激等 性和運動性活動(如神經細胞傳導?肌肉細胞收縮? 細胞的生命現象及其調控機制是細胞生物學研究的核 腺細胞分泌)等?近年來特別著重于從分子水平和膠 心內容,只有將這些細胞生命現象及其本質研究清楚 體水平闡明細胞生理活動過程的物理化學基礎? 了,才能最終揭示生命的本質? 細胞遺傳學( cytogenetics):根據染色體遺傳學 (五)干細胞與細胞工程 說發展起米的一門屬于細胞學與遺傳學之f剛的邊緣學 干細胞是一種具有自我更新能力及多向分化潛能 科?主要是從細胞學的角度,特別是從染色體的結構 的細胞,是發育中的一種細胞,對T細胞的研究有利 和行為以及染色體與其他細胞器的關系來研究遺傳現 于揭示各種生命現象及其調控機制,同時在細胞的庶 象,這對遺傳和變異機制的闡明?動物和植物育種理 用?細胞工程方而也具有重要意義? 論的建立?人類疾病遺傳有關的問題及生物進化學說 的發展十分重要,特別對人類染色體病的診斷?治療 三?細胞生物學的分科 和預防具有現實的意義? 細胞生物學的主要分支學科包括以下幾種? 其他分支學科還有細胞生態學(cytoecoIogy)?細胞 細胞形態學( cytomorphology):研究細胞形態 能力學(cytoenergetics)?細胞動力學(cytodynamics)等? 和結構及其在生命過程中變化的學科? 第二節 細胞生物學的發展歷史及趨勢 細胞生物學是彳i斷發展的學科,在其發展過程中 貢獻而當選為英同皇家學會會員,并被授予"巴 的一些新成就,對整個生命科學起著巨大的推動作用? 黎科學院通訊院P的榮譽稱號?由~名布店學徒成 細胞生物學的發展大致可劃分為如下階段? 為一位著名的科學家,他刻苦勤奮的一生,為后人樹 立了自學成才的光輝榜樣? 一?細胞學研究的萌芽階段 從顯微鏡( microscope)的發明到19世紀初葉 一?細胞學說的創立階段 為細胞學研究的萌芽階段,開始了細胞學的研究?科 這一階段大致從19世紀初葉到中葉?這一時期 學的發展總是與實驗設備水平相適應的,細胞學的興 的突出成就是創立了細胞學說? 起也不例外,細胞的發現是與顯微鏡的發明密切相關 在R.Hooke發現細胞后的近200年ill,由于顯 的?1590年,荷j,-^眼鏡制造商Z.Janssen兄弟試制成 微技術未得到成功的改進,對細胞的研究沒有任何突 第`臺復式顯微鏡?半個多世紀以后,英同科學家R. 破性進展?1827年,K.E.V Bear在蛙卵和幾種無脊 Hooke用白制的顯微鏡觀察了軟木及其他植物組織? 椎動物的卵il r觀察到了細胞核?1831年,R.Brown 1665年,他發表了《顯微圖譜》(Micrographia),其 也在j皇科和其他兒種植物表皮細胞中觀察到了細胞 中關于軟術的描述是最值得稱道的,他將在軟水中看 核?1835年,E.Dujerdin將根足生和多孔蟲細胞內的 到的許多小室稱為"細胞"(cell,原意為小室),實 黏稠物質稱為肉樣質(sarcode)?1839年,捷克學者 際卜他所見到的僅僅是植物死細胞的細胞壁,因為他 Purkinje首先提…了原生質(protoplasm)的概念?后 首先描述了這`結構,所以,細胞`詞也就沿用至 米被H Von Mohl應用到植物細胞?雖然當時細胞的 今?值得一提的是荷蘭科學家A. Van Leeuwenhoek 一些主要結構都被觀察到了,但是,一直沒有從理論 (1632~1723年),他丁1677年用自制的顯微鏡觀 卜加以概括? 察了池塘中的纖毛蟲類?人和哺乳動物的精子及細菌 德同植物學家M.J.Schleiden (1938)?動物學家 等,后來他又觀察到了鮭魚紅細胞及其核?由于他的 T.Schwann (1839)根據前人的研究成果結合白己的T作}j`次提出了細胞學說( cell theory)?其主要內容 實驗研究,使細胞學增加了一個重要的研究于段?J. 是:①系統地論證了細胞是動物?植物有機體的基本 Brachet用組織化學方法研究核酸在發育中的變化,最 結構甲,位,也是有機體功能的基本譯位;②滄證了動物? 甲提出核酸與細胞牛命活動的關系?此外,Caspersson 植物各種組織的細胞具有共]一J的基本結構?基本特性, 設計了十分精密的顯微分光光度計,根據極小范圍內 并按共同規律發育,有共同的生命過程;③論證了細 的吸收光譜可以超微量地測定細胞中的核酸含量?這 胞也有自己的生長發展過程?細胞學說的建立,明確 兩個方面的成就,對細胞學產生了重人影響? 了動物?植物界的統一?恩格斯對此給弘了極高的評價, 將由A.Claude發展起來的組織勻漿差速離心方 認為這是19世紀自然科學的j大發現之一? 法及以后…現的放射性核素技術應用到細胞的研究中, 使人們對細胞的代謝及某些細胞器的功能產牛了新的 三?經典細胞學階段 認識? 這一階段從19世紀中葉到20世紀初葉?這一時 從20世紀40年代開始,電子顯微鏡的應用使 期細胞學有了蓬勃的發展? 細胞形態學的研究深入到亞顯微層次,不僅清楚了人 首先是實驗技術的進步?1865年,Bohm首先使 部分細胞器的結構(如線粒體?葉綠體?高爾基復合體? 用蘇木精對細胞進行染色,而Corti (1851)和Hartig 中心體等),而且結合細胞生化的成果,逐漸把結構 (1854)則使用洋紅對細胞進行了染色?Oschatz設計 和功能統+起米,同時對細胞質也有更為深入的了解? 出第`臺切片機?1878年,Ernest Abbe設計出近代的 五?細胞生物學階段 復式顯微鏡,這種顯微鏡具有消色差物鏡,并具有載 物臺下照明的聚光器?這些儀器和技術對細胞學的發 這一階段始自20世紀60年代?這一時期對細胞 展都起到了極人的推動作用? 的研究從各個方面都有深入和擴展?形態方面,從顯 19世紀70年代,有三位細胞學家(Strasburger? 微層次深入到亞顯微層次,甚至分子層次,進而擴展 Butschil及0.Hertwig)兒乎同時描述了細胞核分裂時 到對活細胞的觀察和實驗研究;從單純的形態描述, 的變化?其中0.Hertwig用硼酸洋紅染色觀察到在赤 進入到形態與功能和牛化研究的結合?牛命科學各分 道板上有著色的線狀或棒狀物體?后來這種著色的線 支學科——遺傳學?胚胎學?生理學歿進化的研究, 狀物體被Waldyer命名為染色體?Flemming將細胞分 都力求深入到細胞層次和亞細胞層次來解釋各種生命 裂命名為有絲分裂(mitosis)?Strasburger根據染色體 現象?細胞學的發展已經超出原有的范圍,并向細胞 的行為將有絲分裂分為前期?中期?后期和術期? 生物學轉變?可以說,細胞生物學是在分子遺傳學和 1882年,Strasburger首先發現一種百