医 学 细 胞 生 物 学医 学 细 胞 生 物 学

齐齐哈尔医学院生物遗传教研室齐齐哈尔医学院生物遗传教研室

（（ Medical Cell Biology)Medical Cell Biology)

• 细胞学（细胞学（ cytologycytology ）：）：是研究细胞的形态、结构、是研究细胞的形态、结构、生理功能及生活史的科学。生理功能及生活史的科学。

• 细胞生物学（细胞生物学（ cell biology)cell biology) ：：从细胞的显微、亚从细胞的显微、亚显微和分子水平研究细胞结构、功能及各种生命活显微和分子水平研究细胞结构、功能及各种生命活动 的本质与规律的科动 的本质与规律的科学。

第一节 细胞生物学概述第一节 细胞生物学概述

细胞（细胞（ cellcell ）：）：是构成生物体的基本结构和功能单位。是构成生物体的基本结构和功能单位。

一、细胞生物学的概念及研究内容细胞生物学的概念及研究内容

第一章 绪 论

1 、细胞生物学是生命科学的重要分支。

二、细胞生物学在医学中的地位

2 、细胞生物学和分子生物学是现代生命科学的基础，它们广泛渗透到发育生物学、遗传学、神经生物学和免疫生物学等研究领域。

3 、细胞生物学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。

4 、细胞生物学是生命科学中最为活跃的研究领域之一。

细胞生物学的两种重要的研究方式

• 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生物学的分支学科

1.1. 细胞遗传学细胞遗传学 (cytogenetics)(cytogenetics)

2.2. 细胞生理学细胞生理学 (cytophysiology)(cytophysiology)

3.3. 细胞社会学细胞社会学 (cytosocilogy)(cytosocilogy)

5.5. 染色体生物学染色体生物学 (chromosome biology)(chromosome biology)4.4. 膜生物学（膜生物学（ membrane biology)membrane biology)

6. 基因组学（ genomics ）7. 蛋白质组学（ proteomics ）

8.8. 细胞组学细胞组学 (cytomics)(cytomics)

细胞生物学的历史大致可以划分为细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段：四个主要的阶段：

• 第一阶段：细胞的发现和细胞学说的创立第一阶段：细胞的发现和细胞学说的创立

• 第二阶段：细胞学的经典时期第二阶段：细胞学的经典时期 (19(19 世纪中世纪中 -20-20 世纪初世纪初 ))

• 第三阶段：实验细胞学阶段第三阶段：实验细胞学阶段 ((2020 世纪初世纪初 - 20- 20 世纪中世纪中 ))

• 第四阶段：细胞与分子生物学的形成和发展时期第四阶段：细胞与分子生物学的形成和发展时期

第二节 细胞生物学的发展简史第二节 细胞生物学的发展简史

细胞生物学的发展简史细胞生物学的发展简史

一、细胞的发现和细胞学说的创立时期（一、细胞的发现和细胞学说的创立时期（ 1665—18751665—1875 ）） 1665 1665 英国物理学家英国物理学家罗伯特罗伯特 ·· 胡克胡克 (Robert Hooke)(Robert Hooke) 发现细发现细胞胞

Large Student Microscope made byCharles Chevalier 1840

• 1752 年，英国人 J. Dollond 发明消色差显微镜。

• 1812 年，苏格兰人 D. Brewster 发明油浸物镜，改进了体视显微镜。

• 1886 年，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。

Bausch & Lomb Investigator microscope – circa 1893

现代显微镜

1677 1677 荷兰科学家荷兰科学家列文列文 ·· 虎克虎克 (Leeuwenhoek)(Leeuwenhoek) 发现活的细发现活的细胞胞

一、细胞的发现和细胞学说的创立时期 （一、细胞的发现和细胞学说的创立时期 （ 1665—18751665—1875 ）） 1665 1665 英国物理学家英国物理学家罗伯特罗伯特 ·· 胡克胡克 (Robert Hooke)(Robert Hooke) 发现细胞发现细胞

列文列文 ·· 虎克虎克观察到了血细胞、水生原观察到了血细胞、水生原生动物、人类和哺乳类动生动物、人类和哺乳类动物的精子，这是人类第一物的精子，这是人类第一次观察到完整的活细胞。次观察到完整的活细胞。

细胞生物学的发展简史细胞生物学的发展简史

1831 1831 发现细胞核发现细胞核 1835 1835 发现细胞分裂 发现细胞分裂 1836 1836 发现核仁发现核仁 1838 – 1839 1838 – 1839 德国植物学家德国植物学家施莱登施莱登 (Schleiden)(Schleiden) 和动物学家和动物学家 施旺施旺 ( Schwann )( Schwann ) 提出提出细胞学说（（ cell theorycell theory ）。）。

一、细胞的发现和细胞学说的创立时期 （一、细胞的发现和细胞学说的创立时期 （ 1665—18751665—1875 ）） 1665 1665 英国物理学家罗伯特英国物理学家罗伯特 ·· 胡克胡克 (Robert Hooke)(Robert Hooke) 发现细胞发现细胞 1677 1677 荷兰科学家列文荷兰科学家列文 ·· 虎克虎克 (Leeuwenhoek)(Leeuwenhoek) 发现活的细发现活的细胞胞

细胞生物学的发展简史细胞生物学的发展简史

认为一切生物从单细胞到高等动、植物都是认为一切生物从单细胞到高等动、植物都是 由细胞组成的；由细胞组成的；细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位。细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位。

““细胞学说”的基本内容细胞学说”的基本内容

德国植物学家施莱德国植物学家施莱登登 (Schleiden)(Schleiden) 德国动物学家施旺德国动物学家施旺 (Schwann(Schwann ) )

二、细胞学的经典时期 （二、细胞学的经典时期 （ 1875—18981875—1898 年）光镜下的年）光镜下的细胞学研究细胞学研究

提出原生质理论提出原生质理论– 1861 Schultze-1861 Schultze- 原生质（原生质（ protoplasmprotoplasm ）理论）理论

发现了细胞分裂的主要类型发现了细胞分裂的主要类型– 1841 Remak-1841 Remak- 鸡胚血细胞直接分裂鸡胚血细胞直接分裂– 1880 Flemming-1880 Flemming- 有丝分裂有丝分裂– 1886 Strasburger-1886 Strasburger- 减数分裂减数分裂

发现了重要的细胞器发现了重要的细胞器– 1883 Boveri-1883 Boveri- 中心体中心体– 1898 Benda-1898 Benda-线粒体线粒体– 1898 Golgi-1898 Golgi- 高尔基体高尔基体

采用实验手段，综合研究细胞的生理功能，生化采用实验手段，综合研究细胞的生理功能，生化变化和发生发展过程。变化和发生发展过程。

细胞生物学的发展简史细胞生物学的发展简史

三、实验细胞学时期 （三、实验细胞学时期 （ 1900—19431900—1943 年）年）

• 1902 Boveri1902 Boveri ，， Suttan—Suttan— 染色体遗传理论染色体遗传理论• 1910 Morgen—1910 Morgen— 基因学说基因学说• 1909 Harrison—1909 Harrison— 组织培养组织培养• 1943 Cloude—1943 Cloude— 高速离心提取细胞器高速离心提取细胞器• 1924 Feulgen—Feulgen1924 Feulgen—Feulgen 染色测定染色测定 DNADNA

• 1940 Brachet—Unna1940 Brachet—Unna 染色测定染色测定 RNA RNA

• 1940 Casperson—1940 Casperson—紫外分光光度法检测紫外分光光度法检测 DNADNA

• 1932 年，德国人 M.Knoll 和 E.A.F.Ruska 发明电镜， 1

940 年，美、德制造出分辨力为 0.2nm 的商品电镜。TEM

四、细胞和分子生物学形成和发展时期 （四、细胞和分子生物学形成和发展时期 （ 19441944

年年 -- ））

　

细胞生物学的发展简史细胞生物学的发展简史

四、细胞和分子生物学形成和发展时期 （四、细胞和分子生物学形成和发展时期 （ 19441944

年年 -- ））• 1944 Avery-DNA1944 Avery-DNA 是遗传物质是遗传物质• 1953 Watson1953 Watson ，， Crick-DNACrick-DNA 双螺旋模型双螺旋模型

• 1944 Avery-DNA1944 Avery-DNA 是遗传物质是遗传物质• 1953 Watson1953 Watson ，， Crick-DNACrick-DNA 双螺旋模型双螺旋模型• 1953 Meselson1953 Meselson ，， Matthaei-Matthaei-半保留复制半保留复制• 1953 Crick-1953 Crick- 中心法则中心法则• 1955 Gamov-1955 Gamov- 三联体密码三联体密码• 1956 年，蒋有兴（美籍华人）利用徐道觉发明的低渗处理技术证实了人的 2n 为 46条，而不是 48

条。

四、细胞和分子生物学形成和发展时期 （四、细胞和分子生物学形成和发展时期 （ 19441944

年年 -- ））

• 1961 年，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。

• 1961~64 年，美国人 M. W. Nirenberg破译 DNA

遗传密码。• 1968 年，瑞士人 Werner Arber 从细菌中发现 DN

A限制性内切酶。• 1970 年，美国人 D.Baltimore 、 R.Dulbecco 和

H.Temin 由于发现逆转录酶而共享诺贝尔生理医学奖。

• 1973 年，美国人 S. Cohen 和 H. Boyer将外源基因拼

接在质粒中，在大肠杆菌中表达，揭开基因工程的序幕。

• 1975 年，英国人 F.Sanger设计出 DNA测序的双脱氧

法， 1980 年获诺贝尔化学奖。此外 Sanger还由于 19

53 年测定了牛胰岛素的一级结构而获得 1958 年诺贝尔

化学奖。

• 1983 年，美国人 K.B.

Mullis 发明 PCR 仪，

于 1993 年获诺贝尔化

学奖。 1988 年美国 C

etus 公 司 获 PCR 技

术专利， 1990 年其诊

断试剂盒和仪器的销

售额达 2600 万美元。

• 1975 年，德国人 G.J.F.Kohler 、阿根廷人 C.Milstein 和

丹麦科学家 N.K.Jerne 发展了单克隆抗体技术，荣获 198

4 年度诺贝尔生理医学奖。• 1990 年，美国国立卫生研究院，给一名患有先天性重度联合免疫缺陷病的 4岁女孩实施了首例基因治疗。这种疾病因腺苷脱氨酶（ ADA ）基因变异引起。

• 1991 年 12月，复旦大学遗传所薛京伦主持对一例血友病患者进行了基因治疗试验，并获得成功。

• 1990 年，美国国会正式批准的“人类基因组计划” （ Human Genome Project, 计划在 15 年内投入 30亿美元以上的资金进行人类基因组分析。 –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。

Dolly sheep born in RoDolly sheep born in Roslin Institute, Scottland.slin Institute, Scottland.

19961996 年年 77 月月 55 日，日，世界上第一只克隆世界上第一只克隆羊“多利”在英国羊“多利”在英国苏格兰卢斯林研究苏格兰卢斯林研究所 的所 的试验基地诞生。成试验基地诞生。成为世纪末的重大新为世纪末的重大新闻。闻。

细胞生物学的发展简史细胞生物学的发展简史

第三节 细胞生物学与医学第三节 细胞生物学与医学

医学研究对象：人体医学研究对象：人体 医学细胞生物学医学细胞生物学

研究对象：研究对象：人体细胞人体细胞 研究目的：研究目的：从细胞水平、细胞超微结构水平和从细胞水平、细胞超微结构水平和

分子水平阐明各种生命活动的本质和规律，并分子水平阐明各种生命活动的本质和规律，并且利用和控制这些规律，为防病、治病和人类且利用和控制这些规律，为防病、治病和人类健康提供科学的理论依据，造福于人类。健康提供科学的理论依据，造福于人类。

一 、细胞生物学与医学关系一 、细胞生物学与医学关系

1. 细胞生物学是现代医学的基础和支柱学科。 2. 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，期待能对人体各种疾病的发病机制予以深入阐明，并试图在诊断和治疗上提出有效的技术手段。

3. 医学细胞生物学是医学院校学生重要的基础医学课程之一。

1. 基因克隆和重组技术日趋成熟，在商业目的的驱使下，人类将大量的改造物种，开始了偏离自然进化规律的二次“创世纪” 。

2. 人类基因组计划完成，进入以基因功能为主要研究内容的后人类基因组计划。人类将解读自身大约 10万个基因的含义，到时危害人类健康的 5000多种遗传病，以及与遗传密切相关的癌症、心血管疾病、关节炎、糖尿病、高血压、精神病等，都可以得到早期诊断和治疗。基因工程药物将得到广泛的应用，目前人工干扰素售价高达 440亿美元 /Kg 。

对未来的展望

3. 克隆技术和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. 煤（ 350 年）与石油天然气（ 30-50 年）资源的枯竭指

日可待，对光合作用机理的研究，使人工光解水成为可

能。

5. 基因武器可能成为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。计算机和网络系统为生物经

济的遗传信息管理和交流提供了方便。

Gene Chip

一、细胞是生物结构和功能的基本单位一、细胞是生物结构和功能的基本单位

细胞是细胞是

构成生物有机体构成生物有机体的的基本单位基本单位

新陈代谢新陈代谢的的基本单位基本单位

生长发育生长发育的的基本单位基本单位

遗传遗传的的基本单位基本单位

第一节 细胞的基本概念第一节 细胞的基本概念第二章 细胞的概念与分子基础第二章 细胞的概念与分子基础

没有细胞就没有完整的生命

根据细胞的进化程度：根据细胞的进化程度：

细胞原核细胞（ prokaryotic cell ）

真核细胞（ eukaryotic cell ）

从原核细胞到真核细胞的演进

• 特征：特征：有细胞壁（主要成分为肽聚糖），结构简单，有细胞壁（主要成分为肽聚糖），结构简单，无细胞核，只含有核糖体，无膜性细胞器。无细胞核，只含有核糖体，无膜性细胞器。

• 主要代表：主要代表：细菌、支原体、放线菌和蓝绿藻。细菌、支原体、放线菌和蓝绿藻。

二、原核细胞二、原核细胞

1. 1. 支原体 支原体 (macoplasma):(macoplasma): 已知最小的细胞，直径已知最小的细胞，直径 0.1-0.3u0.1-0.3umm

细胞膜细胞膜

DNADNA

核糖体核糖体

细胞质细胞质

原核生物原核生物

肺炎支原体

2. 2. 细菌（细菌（ bacteria)bacteria)

中间体中间体

拟核拟核

细胞膜细胞膜

细胞壁细胞壁

核糖体 核糖体

原核生物原核生物

TEM image,Escherichia coli

名称 人卵 口腔上皮细胞 肝细胞 红细胞 变形虫 海胆卵 伤寒菌 肺炎球菌

μm 120 75 20 7 100 70 2.4x0.5 0.2x0.1

大多数动植物细胞直径在 20~30μm

间。一般真核细胞的体积大于原核细

胞，卵细胞大于体细胞。鸵鸟的卵黄

直径可达 5cm；支原体只有 0.1μm；

人的坐骨神经细胞可长达 1m 。

几种细胞的大小

人卵与精

子（一）真核细胞的大小

三、真核细胞

• 单细胞生物细胞的形态通常与细胞外沉积物或细胞骨架有关，如硅藻呈各种奇异的形态、草履虫像鞋底。

• 高等生物细胞的形状与细胞功能及细胞间的相互作用有关。如肌肉细胞呈梭形；红细胞为圆盘状；植物叶表皮的保卫细胞成半月形， 2 个细胞围成一个气孔，以利于呼吸和蒸腾。

• 高等动物的细胞离开有机体分散存在时，形状往往发生变化。如平滑肌细胞在体内成梭形，而在离体培养时则可成多角形。

细胞的形态

细胞膜

细胞质细胞质

细胞核细胞核

光镜下结构

光镜下结构

（二）真核细胞的基本结构

（（ cell membrane)cell membrane)

(cytoplasm)(cytoplasm)

(nucleus)(nucleus)

从原核细胞到真核细胞的演进

33 、细胞骨架系统：、细胞骨架系统：是由一系列纤维状蛋白组成的网是由一系列纤维状蛋白组成的网状结构系统，包括细胞质骨架和核骨架。状结构系统，包括细胞质骨架和核骨架。

44 、核糖体和细胞质溶胶：、核糖体和细胞质溶胶：核糖体：核糖体：蛋白质合成的场所。蛋白质合成的场所。细胞质溶胶细胞质溶胶在细胞质中除内膜系统和细胞骨架等结构在细胞质中除内膜系统和细胞骨架等结构外，其余的则为可溶性的细胞质溶胶。外，其余的则为可溶性的细胞质溶胶。

（二）真核细胞的结构特点（二）真核细胞的结构特点

1.1. 生物膜系统：生物膜系统：是指以生物膜为基础而形成的膜性结构或是指以生物膜为基础而形成的膜性结构或细胞器，包括细胞膜、内质网、高尔基复合体、线粒体、细胞器，包括细胞膜、内质网、高尔基复合体、线粒体、溶酶体、过氧化物酶体及核膜等。溶酶体、过氧化物酶体及核膜等。

2 、遗传信息表达系统： DNA和蛋白质

膜相结构

非膜相结构

细胞膜

内质网

高尔基复合体线粒体

溶酶体

过氧化氢体

核膜核糖体

中心粒

微管

微丝中等纤维

细胞质基质

核仁染色质

核基质

电镜下结构

真核细胞的超微结构真核细胞的超微结构

Animal cell

原核细胞与真核细胞的比较原核细胞与真核细胞的比较原核细胞 真核细胞

细胞大小 较小（ 1~10µm ） 较大（ 10~100 µm ）细胞核 无核仁和核膜 有核仁和核膜细胞器 有各种细胞器核糖体 70S （ 50S+30S ） 80S （ 60S+40S ）内膜系统 简单 复杂细胞骨架 无 有微管，微丝细胞壁 主要组分为肽聚糖 主要组分为纤维素

转录和翻译出现在同一时间和地点（细胞质中）

出现在不同时间和地点（转录在核内，翻译在细胞质中）

细胞分裂 无丝分裂 有丝分裂和减数分裂

无（除核糖体外）

特征

DNA 量 少 多

DNA 分子结构 一条，环状，裸露 两条以上，线状，与组蛋白和部分酸性蛋白结合

基因结构特点 无内含子，无大量的 DNA重复序列

有内含子，大量的 DNA 重复序列

11 、简单有机小分子的产生、简单有机小分子的产生

有机小分子：氨基酸、核苷酸、脂肪酸

＄

第二节 细胞的起源和进化一、原始细胞的形成

（一）地球上原始生命的诞生

22 、生物大分子的形成、生物大分子的形成

氨基酸氨基酸 蛋白质（蛋白质（ protienprotien ）） 有机小分子有机小分子 核苷酸 核酸（核苷酸 核酸（ nucleic acidnucleic acid ））

从分子到细胞的进化从分子到细胞的进化

44 、多分子体系演变为原始的生命、多分子体系演变为原始的生命

33 、生物大分子物质组成多分子体系、生物大分子物质组成多分子体系

原始核酸蛋白质 核酸蛋白质微滴 原始生命长期进化 生长分裂

原始新陈代谢

（二）原始细胞的形成（二）原始细胞的形成 从分子到细胞的进化从分子到细胞的进化

1 、具有自我复制能力的多聚体的形成多聚体的形成是原始细胞形成的关键步骤RNA的自我复制能力RNA指导蛋白质合成蛋白质催化 RNA复制

2 、膜的出现与原始细胞的诞生

保持多核苷酸自我复制磷脂分子自发装配成膜结构 避免优质蛋白丢失

二、原核细胞向真核细胞的演化

• 一般认为，真核细胞是由原核细胞进化而来• 原始真核细胞大约在 15亿年前在地球上出现 1 、分化起源说

原核细胞 真核细胞内部结构分化自然选择

2 、内共生起源说

真核细胞是由原始厌氧菌的后代吞入了需氧菌逐步演化而来

三、单细胞生物到多细胞生物的进化三、单细胞生物到多细胞生物的进化

• 在多细胞集体内出现细胞的分工和协作 在多细胞集体内出现细胞的分工和协作 • 多细胞生物进化的早期由单细胞聚集成群体多细胞生物进化的早期由单细胞聚集成群体

多细胞生物的两个基本特点：• 1.1. 细胞产生了特化细胞产生了特化• 2.2. 细胞之间相互协作，构成一个相互协调的统一体。细胞之间相互协作，构成一个相互协调的统一体。

上皮组织（上皮组织（ epithelia tissueepithelia tissue ）） 结缔组织（结缔组织（ connective tissue )connective tissue )

• 动物细胞 血液（动物细胞 血液（ bloodblood ）） 神经组织（神经组织（ nerve tissuenerve tissue ）） 肌肉组织（肌肉组织（ muscle tissuemuscle tissue ））

从单细胞生物到多细胞生物的发展从单细胞生物到多细胞生物的发展

本章节重点本章节重点

1. 细胞生物学发展经历的几个主要阶段细胞生物学发展经历的几个主要阶段 2.2. 细胞学说的基本内容细胞学说的基本内容 3.3.真核细胞的结构真核细胞的结构 4.4. 原核细胞与真核细胞的区别原核细胞与真核细胞的区别

（一）普通光学显微镜

Fluorescence image of epithelial cell, DNA in blue and Microtubules in green

• 用于观察能激发出荧光的结构。• 用途：免疫荧光观察、基因定位、疾病诊断。

（二）荧光显微镜

• 用激光作光源，逐点、逐行、逐面快速扫描。• 分辨力是普通光学显微镜的 3倍。• 用途类似荧光显微镜，但能扫描不同层次，形成立体图像。

（三）激光共聚焦扫描显微镜

LCSM Image of a Xenopus Melanophore

microtubule cytoskeleton (green) and the nucleus (blue)

（四）透射电子显微镜以电子束作光源，电磁场 作透镜。以电子束作光源，电磁场 作透镜。用于观察超微结构。用于观察超微结构。分辨率：分辨率： 0.2nm0.2nm

（五）扫描电子显微镜20 世纪 60 年代问世，用来观察标本表面结构。

人类红细胞人类精子

分辨率： 0.2nm

（五）扫描电子显微镜

1. 分子细胞生物学 韩贻仁 科学出版社 2001 年 03月2. 医学细胞与分子生物学 陈诗书 上海医科大学出版社 1999 年 01月3. 细胞生物学 王德耀 上海科学技术出版社 1998 年出版4. 细胞生物学 翟中和等编 高等教育出版社 2000 年 8月出版5. 细胞生物学 ( 第二版 ) 汪堃仁 北京师范大学出版社 1998 年 11月出

版6. 细胞生物学研究方法与技术 ( 第二版 ) 刘鼎新 北医、协和医大联合出

版社 1997 年 05月出版7. 细胞生物学实验 ( 第二版 ) 杨汉民 高等教育出版社 1997 年 07月出版8. Molecular Biology of the Cell 4th Edition, Bruce Alberts et al., 20

02

9. Molecular Cell Biology 4th Edition, Harvey Lodish et al., 1999

10. Cell and Molecular Biology 3rd Gerald Karp, 2002

•附录：细胞生物学参考书：