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细胞生物学

细胞生物学

主编：吴

波

（东北师范大学生命科学学院遗传研究室） 第一节 绪论

一、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科

1.细胞学（Cytology）：是研究细胞的结构、功能和生活史的科学。 2.细胞生物学（Cell Biology）：运用近代物理学和化学的技术成就以及分子生物学的概念与方法，从显微水平、亚显微水平和分子水平三个层次上，研究细胞的结构、功能及各种生命活动规律。

二、细胞生物学的主要研究内容 1.细胞核、染色体及基因表达； 2.生物膜与细胞器的研究； 3.细胞骨架体系的研究； 4.细胞增殖及调控； 5.细胞分化及调控；

6.细胞衰老、凋亡及寿命问题； 7.细胞的起源与进化； 8.细胞工程。

三、当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域 1.染色体DNA与蛋白质相互作用关系； 2.细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控； 3.细胞信号转导的研究； 4.细胞结构体系的装配。 四、细胞生物学发展简史

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1.细胞学创立时期：19世纪以及更前的时期（1665-1875），是以形态描述为主的生物科学时期；

2.细胞学经典时期：20世纪前半世纪（1875-1900），主要是实验细胞学时期； 3.实验细胞学时期（1900-1953）； 4.分子细胞学时期（1953至今）。 五、细胞的发现（discovery of cell）

六、细胞学说的建立及其意义（the cell theory）

1838年，德国植物学家施莱登（J. Schleiden）关于植物细胞的工作，发表了《植物发生论》一文（Beitrage zur Phytogenesis）。1839年，德国动物学家施旺（T.Shwann）关于动物细胞的工作，发表了《关于动植物的结构和生长一致性的显微研究》一文，论证了所有动物体也是由细胞组成的，并作为一种系统地科学理论提出了细胞学说。

细胞学说的内容是：

1.细胞是生物体的基本结构单位（单细胞生物，一个细胞就是一个个体）； 2.细胞是生物体最基本的代谢功能单位（动、植物的各种细胞具有共同的基本构造、基本特性，按共同规律发育，有共同的生命过程）；

3.细胞只能通过细胞分裂而来。

第二节：细胞基本知识概要

一、细胞和原生质的概念

1.细胞：细胞是由膜包围的，能进行独立繁殖的最小原生质团，是生命活动的基本单位，是生物体最基本的形态结构和功能活动单位。

2.原生质（protoplasm）：细胞内所含有的生活物质，真核细胞包括细胞质和细胞核。

3.细胞质（cytoplasm）：指质膜以内核以外的原生质。它不是匀质的，其结构大体划分为两部分，一部分是有形结构，称为细胞器（Organelle），另一部分是可溶相，称细胞质基质（cytoplasmic miatrix）。

（1）细胞器（organelle）：指存在于细胞中，用光镜或电镜能够分辩出的，具有一定形态特点，并执行特定功能的结构。

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（2）细胞质基质（gytoplasmic matrix）：是细胞质的可溶相，是作为细胞器的环境而存在的。

（3）细胞核（nucleus）：遗传物质的集中区域，在原核生物细胞称拟核（nucleoid）或类核区。

二、原核细胞（Prokaryotic cell） 原核生物的细胞具有两大特点：

（1）遗传信息量少（仅有一个环状DNA）； （2）无膜围细胞器及核膜。

1.最小、最简单的细胞——支原体（mycoplasma） 2.原核细胞的两个代表——细菌和蓝藻

细菌（bacteria）：主要来自对大肠杆菌（E. coli）的研究。细菌是原核细胞的典型代表，特点是：无典型的细胞核，有细胞壁，细胞质中除核糖体外无其它细胞器。

蓝藻（blue-green algae）：又称蓝绿藻或蓝细菌，是绿色植物中最原始的自养类型，含有蓝色素、红色素、黄色素、叶绿素等，故不一定都是蓝色。

三、真核细胞的基本结构体系

1.生物膜系统：以脂质及蛋白质成分为基础构建而成；

2.遗传信息表达结构系统：以核酸与蛋白质为主要成分构建而成； 3.细胞骨架系统：由特异蛋白质分子装配而成。

综合原核细胞和真核细胞的特点，二者的根本区别可归纳为：

1.细胞膜系统的分化与演变：真核细胞以膜分化为基础，分化为结构更精细，功能更专一的单位——各种膜围细胞器，使细胞内部结构与职能分工。而原核细胞无此情况。

2.遗传信息量大与遗传装置的复杂化：真核细胞的遗传信息可达上万个基因，并具重复序列，染色体功能具二倍性或多倍性。原核细胞为单倍性。仅为一条环状DNA分子，细菌只有几千个基因。

四、细胞的大小及其分析

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原核细胞多在1-10μm或1-5μm，细菌多在3-4μm，支原体只有0.1μm。动物细胞多在（10-100μm，20-30μm，15-70μm）。最大的细胞要属鸵鸟卵，可达10cm，卵黄只有5cm。隆鸟卵直径可达20cm。

影响细胞大小的因素：

1.细胞的核质比与细胞大小有关，决定细胞上限； 2.细胞的相对表面积与细胞大小有关； 3.细胞内物质的交流与细胞大小有关。

第三节：细胞生物学研究方法

一、细胞形态结构的观察方法 （一）光学显微镜技术 1.普通复式光学显微镜技术

2.荧光显微镜（fluorescence microscope） 3.暗视野显微镜（darkfield microscope） 4.相差显微镜（phase contrast microscope） 5.激光共焦点扫描显微镜 6.微分干涉显微镜 （二）电子显微镜技术 1.电镜设计原理及分类 2.电镜的种类 3.透射式电子显微镜 光镜与电镜的主要区别：

1.光源不同：光镜为可见光或紫外线，电镜为电子束； 2.透镜不同：光镜为玻璃，电镜为电磁透镜； 3.真空；

4.显示记录系统。 （三）扫描式电子显微镜 1.扫描电镜的特点 2.扫描电镜的基本结构 （四）电镜样品制备技术

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1.超薄切片技术

2.负染色（negative staining）技术

3.核酸大分子的制样技术（大分子铺展技术，Kleinschmidt法） 4.整装细胞电镜技术

5.电子显微镜细胞化学技术：是能过特殊的细胞化学反应，使待测物转变成某种不溶性的电子致密沉淀物，并利用电镜在超微结构水平上对产物进行定位和半定量。主要有各种酶的定位，其次是核酸、蛋白质、脂肪、碳水化合物等的定位。

6.冰冻蚀刻技术（freeze etching） 7.扫描式电镜制样技术 二、细胞组分的分析方法

（一）超速离心技术分离细胞（组分）及生物大分子

1.制备离心（preparative centrifuge）：分离和纯化亚细胞成分和大分子，目的是制备样品。

（1）差速离心法：是最常用的方法，根据不同离心速度所产生的不同离心力，将各种亚细胞组分和各种颗粒分离开来。

（2）密度梯度离心（区带离心法） ①速率区带离心法（蔗糖密度梯度离心）； ②等密度梯度离心法（氯化铯密度梯度离心）。

2.分析离心（analytical centrifuge）：分析和测定制剂中纯的大分子的种类和性质，如浮力密度和分子量、生物大分子的构象变化、分析样品的纯度等。此工作必须是在制备离心的基础上进行。

（二）细胞化学技术

1.组织化学和细胞化学法：利用某些化学物质和某些细胞成分发生化学结合，从而显示出一定的颜色，进行定性和定位研究的方法。

2.免疫细胞化学法（特异蛋白抗原的定位与定性）：将免疫学中抗原、抗体以及补体间专一性反应结合显微或亚显微组织学的一些研究方法的统称。是免疫学原理与光镜或电镜技术的结合。

（三）细胞内特异核酸序列的定位与定性 1.DNA序列测定技术

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