细胞生物学绪论

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绪论

• 细胞生物学概述
  • 概念：细胞生物学（cell biology）是从细胞的显微、亚显微和分子三个水平对细胞的各种生命活动开展研究的学科。
  • 研究对象：以细胞为研究对象，把细胞的结构和功能结合起来，关注细胞间的相互关系，了解生物体的生长、发育、分化、繁殖、运动、遗传、变异、衰老和死亡等基本生命现象的机制和规律。
  • 主要研究方式
    • 从细胞的表型特征入手，探索隐藏在其背后的分子机制。
    • 从基因或蛋白质等生物大分子入手，了解其对细胞功能或行为的影响，因此细胞生物学也被称为细胞分子生物学或分子细胞生物学。
  • 细胞生物学的分支学科
    • 细胞遗传学
    • 细胞生理学
    • 细胞社会学
    • 膜生物学
    • 染色体生物学
  • 细胞生物学的新兴领域
    • 基因组学（genomics）
    • 蛋白质组学（proteomics）
    • 细胞组学（cytomics）
    • 干细胞生物学（stem cell biology)
  • 在生命科学中的地位：既是生命科学的基础学科，也是现代生命科学中的前沿学科之一
  • 21世纪初期细生研究成果
    • 干细胞与动物无性克隆研究进展
    • 小RNA和人类基因组中非编码蛋白序列在细胞生命活动中作用的不断发现
• 细胞生物学的形成与发展趋势
  • 细胞的发现
    • 1665年英国人Hooke观察植物软木组织，发现许多蜂窝状排列的小室称为细胞Cell（看到的细胞只是植物死细胞的细胞壁）
    • 1673年和1677年荷兰科学家Leeuwenhoke观察到原生动物纤毛虫、细菌、人和哺乳动物的精子，后来又观察到鲑鱼红细胞及其核（1695）。
    • 子主题
  • 细胞学说的创立
    • “细胞学说”的提出
      • 德国植物学家M. J. Schleiden 和动物学家T. Schwann提出了“细胞学说”： “一切生物，从单细胞生物到高等动物和植物均由细胞组成，细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位。”
      • 德国科学家R. Virchow对“细胞学说”进行了重要补充，明确提出论点： “一切细胞只能来自原来的细胞。”
    • “细胞学说”建立的意义，对生命科学的许多领域的研究和发展起到了积极的推动作用。恩格斯评价“细胞学说”为19世纪自然科学的三大发现之一。
  • 细胞学的经典时期
    • 从19世纪中叶到20世纪初期，细胞研究的主要内容是应用固定和染色技术，在光学显微镜下观察细胞的形态结构和细胞的分裂活动。
    • 这一时期相继观察到了无丝分裂、有丝分裂、减数分裂现象，中心体、线粒体、高尔基体也相继被发现。
  • 实验细胞学时期
    • 从20世纪初期到20世纪中叶为实验细胞学阶段。
    • 主要特点： 采用了多种实验手段对细胞的生化代谢和生理功能进行研究。
    • 主要工作： 提出了“基因学说”，证明基因（gene）是遗传性状的基本单位，并且直线地排列在染色体上成为连锁群。 建立了组织培养技术及检测细胞中核酸的方法，并能从活细胞中分离出细胞核和各种细胞器，进一步研究它们的生理功能、化学组成和各种酶类在细胞器中的定位等。
  • 细胞生物学的形成和发展
    • 1933年，德国E. Ruska等人研制出第一台电子显微镜（electron microscope,EM）。
    • 电子显微镜的应用使细胞的形态学研究深入到亚显微水平。
      • 发现了过去在光镜下看不到的细胞器，如内质网、溶酶体等
      • 明确了过去在光镜下看到的高尔基体等细胞器及其微细结构
      • 超高压电子显微镜，发现了细胞质（cytoplasm）中纵横交错的网状细胞骨架结构和细胞核基质内的网状核骨架结构。
      • 20世纪80年代初期，扫描隧道显微镜和原子力显微镜的发明，使细胞的亚显微结构观测深入到超微（大分子）结构层次，可用于研究DNA和蛋白质等生物大分子的表面立体结构。
    • 分子生物学的研究进展促进了细胞生物学的形成与发展
      • 自20世纪50年代始，分子生物学进入一个快速的发展时期
        • 提出DNA双螺旋结构模型
        • 发现DNA复制为半保留复制
        • 提出了“中心法则”（central dogma）和三联体密码假说
        • DNA重组技术、DNA序列分析技术等不断地渗透到细胞学各领域，使细胞的形态结构和生理功能研究深入到分子水平
      • 在20世纪60年代，形成了从分子水平、亚细胞水平和细胞整体水平探讨细胞各种生命活动的学科，即细胞生物学。
      • 2003年人类基因组计划（ human genome project，HGP）的完成，逐渐发展起来的基因组学和蛋白质组学，以及新近于真核细胞内发现的控制基因信息流通的非编码RNA（noncoding RNA）和不依赖DNA序列的表观遗传（epigenetics)等新兴领域生命信息和新技术体系的引入，预示着细胞生物学又将进入一个新的快速发展时期。
    • 细胞生物学的发展趋势
      • 纵观细胞生物学的发展历史，可以得出结论：理论的提出和研究技术的进步是推动细胞生物学发展的原动力。
      • 21世纪初期完成的包括人类在内的生物体基因组的序列分析及其相关研究技术的建立，将推动细胞生物学在以下三个方面快速发展：
        • 以诠释基因组结构生物学意义的分子细胞生物学研究将进入一个新的快速发展时期。
        • 基于模式动物（model animal ）的个体水平的细胞结构与功能的研究、细胞间相互作用、分工协作的社会关系研究，将成为细胞生物学研究重要内容。
        • 转化细胞生物学（即细胞生物学理论的转化和应用）研究，如干细胞的研究及其在医学中的应用。
• 细胞生物学与医学
  • 细胞生物学与医学的关系
    • 细胞生物学的研究内容与医学科学的结合，产生了医学细胞生物学（medical cell biology）。医学细胞生物学以揭示人体各种细胞在生理和病理过程中的生命活动规律为目的，期望能对人体各种疾病的发病机制予以深入阐明，为疾病的诊断、治疗和预防提供理论依据和策略。
    • 细胞生物学是现代医学的基础和支柱学科。细胞生物学的理论与技术的研究成果不断向医学领域渗透，在很大程度上促进了医学的进步。
  • 某些主要研究领域及其医学意义
    • 现代细胞生物学研究主要从分子水平揭示生物在生理或病理状态下细胞层面上所表现出的特征和行为
    • （一）细胞间信息传递与细胞的信号转导 （二）细胞分化与干细胞研究 （三）细胞增殖与细胞周期调控 （四）细胞衰老与细胞死亡 （五）细胞的基因组学、蛋白质组学