1、细胞生物学教案（完整版）第 1 页 共 56 页细胞生物学教案 （来自 http:/）目 录前 言第一章 绪论 第二章 细胞结构概观 第三章 研究方法 第四章 细胞膜 第五章 物质运输与信号传递 第六章 基质与内膜 第七章 线粒体与叶绿体 第八章 核与染色体 第九章 核糖体 第十章 细胞骨架 第十一章 细胞增殖及调控 第十二章 细胞分化 第十三章 细胞衰老与凋亡 细胞生物学教案（完整版）第 2 页 共 56 页前 言依照高等师范院校生物学教学计划，我们开设细胞生物学。一、学科本身的重要性要最终阐明生命现象，必须在细胞水平上。细胞是生命有机体最基本的结构和功能单位，生命寓于细胞之中，只有把各种生
2、命活动同细胞结构相联系，才能在细胞水平上阐明各种生命现象。世界著名生物学家 Wilson（德国人）曾说过：“一切生物学问题的答案最终要到细胞中去寻找”。二、学科发展特点细胞生物学涉及知识面广、内容浩繁且更新迅速。它同生物化学、遗传学形成生命科学的鼎立三足，既是当代生命科学发展的前沿，又是生命科学赖以发展的基础。三、欲达到的目的通过系统地学习细胞生物学，丰富细胞学知识，以适应当代人类社会知识结构发展的需求，也是为考研做准备。本课程讲授 51 学时，实验 21 学时，共 72 学时。参考资料1 De.Robertis，细胞生物学，1965 年（第四版）；1980 年（第七版）细胞和分子生物学2 A
3、vers， “Molecular Cell Biology”， 1986 年3 Alberts，细胞的分子生物学，“Molecular biology of the cell”，1989 年4 Darnell，分子细胞生物学，1986 年（第一版）；1990 年（第二版）“Molecular Cell Biology”5 郑国錩，细胞生物学，1980 年，高教出版社；1992 年，再版6 郝水，细胞生物学教程，1983 年，高教出版社7 翟中和，细胞生物学基础，1987 年，北京大学出版社8 韩贻仁，分子细胞生物学，1988 年，高等教育出版社；2000 年由科学出版社再版 9 汪堃仁等，细胞
4、生物学，1990 年，北京师范大学出版社10 翟中和，细胞生物学，1995 年，高等教育出版社，2000 年再版11 郑国錩、翟中和主编细胞生物学进展， 12 翟中和主编细胞生物学动态，从 1997 年起（13 卷），北师大出版社13 徐承水等，分子细胞生物学手册1992，中国农业大学出版社14 徐承水等，现代细胞生物学技术1995，中国海洋大学出版社15 徐承水，细胞超微结构研究2000，中国国际教育出版社学术期刊、杂志国外：Cell、Science、Nature、J.Cell Biol.、J.Mol. Biol.国内：中国科学、科学通报、实验生物学报、细胞生物学杂志等细胞生物学教案（完整版
5、）第 3 页 共 56 页第一章 绪 论教学目的 1 掌握本学科的研究对象及内容；2 了解本学科的来龙去脉（发展史及发展前景）；3 掌握与本学科有关的重大事件和名词。教学重点 本学科的研究对象及内容教学方法 讲授法教学过程第一节 细胞生物学研究内容与现状一、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科（一）细胞学（Cytology）：是研究细胞的结构、功能和生活史的科学（二）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
6、及基因表达 基因表达与调控是目前细胞生物学、遗传学和发育生物学在细胞和分子水平相结合的最活跃领域。2 生物膜与细胞器的研究 膜及细胞器的结构与功能问题（“膜学”）。3 细胞骨架体系的研究 胞质骨架、核骨架的装配调节问题和对细胞行使多种功能的重要性。4 细胞增殖及调控 控制生物生长和发育的机理是研究癌变发生和逆转的重要途径（“再教育细胞”）。5 细胞分化及调控 一个受精卵如何发育为完整个体的问题。（细胞全能性）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 改造利用细胞的技术。生物技术是信息社会的四大技术之一，而细胞工程又是生物技术的一大领域。目前已利用该技术取得了重大成就（
7、培育新品种，单克隆抗体等），所谓 21世纪是生物学时代，将主要体现在细胞工程方面。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。第二节 细胞生物学发展简史1 细胞学创立时期 19 世纪以及更前的时期（16651875），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（18751900），主要是实验细胞学时期；细胞生物学教案（完整版）第 4 页 共 56 页3 实验细胞学时期（19001953）；4 分子细胞学时期（1953 至今）。总过程概括为
8、：细胞发现细胞学说建立细胞学形成细胞生物学的发展（1665） （18381839） （1892） （1965）R.Hooke Schleiden、Schwann Hertiwig DeRobertis一、细胞的发现（discovery of cell） 二、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
9、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。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。三、细胞学的诞生（细胞学的经典时期和实验细胞学时期）1 原生质理论的提出2 关于细胞分裂的研究3 重要细胞器的发现4 遗传学方面的成就四、细胞生物学的兴起1965 年，D.Robetis 将他原著的普通细胞学更名为细胞生物学（第四版），率先提出这一概念。五、分子细胞生物学参考资料1 庄孝惠 从胡克到细胞生物学，细胞生
10、物学杂志，1987，22 王亚辉 细胞生物学的发展历史和现状，细胞生物学杂志 1986，13 王亚辉 细胞生物学的趋向和发展战略，大自然探索，1987，6（27）1217细胞生物学教案（完整版）第 5 页 共 56 页第二章 细胞基本知识概要教学目的 1 掌握有关细胞的几个概念（细胞、原生质、细胞器等）和几个问题；2 了解细胞的共同特征；各种化学成分在细胞中的造形等；3 真、原核细胞的一般结构特点。教学重点和难点 真、原核细胞的主要区别讲授与讨论第一节 细胞的基本概念一、细胞和原生质的概念（一）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
11、构和功能活动单位。（二）原生质（Protoplasm）：指细胞内所含有的生活物质（构成细胞的生活物质），真核细胞包括细胞膜、细胞质和细胞核。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）。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。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。细胞核（nucleus）：遗传
12、物质的集中区域，在原核生物细胞称拟核（nucleoid）或类核区。第二节 非细胞形态的生命体病毒（略）第三节 原核细胞与真核细胞原核细胞（Prokaryotic cell）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）为何说支原体是最小的细胞？2、原核细胞的两个代表细菌和蓝藻细菌（bacteria， bacterium）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，
13、是绿色植物中最原始的自养类型，含有兰色素、红色素、黄色素、叶绿素等，故不一定都是兰色。第四节 真核细胞基本知识概要细胞生物学教案（完整版）第 6 页 共 56 页大约在 1216 亿年前在地球上出现，是具有典型细胞核和核膜、核仁，体积较大，结构较复杂，进化程度较高的一类细胞。一、真核细胞的基本结构体系生物膜系统 以脂质及蛋白质成分为基础构建而成。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。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下面两条：第一，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
14、细胞器，使细胞内部结构与职能分工。而原核细胞无此情况。第二，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。二、细胞的大小及其分析原核细胞多在 110 或 15m，细菌多在 34m，支原体只有 0.1m。动物细胞多在（10100m，2030m， 1570m）。最大的细胞要属鸵鸟卵，可达 10 cm，卵黄只有 5cm。隆鸟卵直径可达 20 cm。那么，细胞的大小是怎样决定的呢？ 首先，细胞的核质比与细胞大小有关，决定细胞上限。其次，细胞的相对表面积与细胞大小有关。最后，细胞
15、内物质的交流与细胞大小有关。三、细胞形态结构与功能的关系细胞的形态结构与功能的相关性和一致性是多数细胞的共性。四、细胞的化学成分及在原生质中的造形膜系统：主要以脂蛋白构成，包括细胞膜、核膜，以及一系列细胞器膜。颗粒系统：由蛋白质或核蛋白组成，如存在于线粒体内膜上的基本颗粒（F 因子），亦称内膜亚单位（inner membrane subunits ）和核糖核蛋白体，分别是氧化磷酸化和合成蛋白质的场所。纤维系统：由蛋白质和核酸组成。细胞生物学教案（完整版）第 7 页 共 56 页第三章 细胞生物学研究方法（研究方法和工具）教学目的 1 了解主要工具和常用方法，侧重掌握基本原理和基本应用；2 认识
16、工具和方法与学科发展的相关性。教学重点 仪器方法的基本原理和基本应用教学难点 电镜制样及分子杂交技术教学方法 讲授、参观第一节 细胞形态结构的观察方法一、 光学显微镜技术（一） 普通复式光学显微镜技术（二）荧光显微镜（fluorescence microscope）（三）暗视野显微镜（darkfield microscope）（四）相差显微镜（phase contrast microscope）（五）激光共焦点扫描显微镜（略）（六）微分干涉显微镜（略）二、电子显微镜技术（一）电镜设计原理及分类（二）电镜的种类（三）透射式电子显微镜（四）光镜与电镜的主要区别综上可见，电镜与光镜区别主要在于：（1
17、） 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（五）扫描式电子显微镜扫描电镜的特点扫描电镜的基本结构（六）电镜样品制备技术1 超薄切片技术（详见光盘）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、细胞生物学教案（完整版）第 8 页 共
18、56 页碳水化合物等的定位。酶的化学定位技术免疫细胞化学电镜技术（见本编第十一章）。6 冰冻蚀刻技术（freeze etching）7 扫描式电镜制样技术 第二节 细胞组分的分析方法（生化分析法）一、超速离心技术分离细胞（组分）及生物大分子（一） 各种离心技术分离细胞器、生物大分子离心方法：根据分离对象和目的不同，采用不同的离心方法，制备离心和分析离心。（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。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。密度梯度离心（区带离心法）a、速
19、率区带离心法（蔗糖密度梯度离心）b、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）细胞的选择性抽提（分离蛋白质、核酸大分子）（三）柱层析的技术（分析蛋白质和核酸）（四）电泳技术（五）色谱分析技术（色谱学分离纯化样品）（六）氨基酸分析技术二、细胞化学技术（一）组织化学和细胞化学法基本原理：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。（二）免疫细胞化学法（特
20、异蛋白抗原的定位与定性）基本原理：此项技术是将免疫学中抗原、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。抗体的标记抗体标记的方法很多，有铁蛋白标记法、免疫酶标记法、免疫金标记法、杂交抗体标记法、搭桥标记法、同位素标记法、荧光标记法等。三、细胞内特异核酸序列的定位与定性（一）DNA 序列测定技术（二） 核酸分子杂交技术（molecular gbridization technique）（特异核酸的定性定位）概念 两条具有互补核酸顺序的单链核酸分子片断，在适当的实验条件下，通过氢键结合，形成DNA-DNA、DNA-RNA 或 RNA-RN
21、A 双链分子的过程。印迹杂交 (blot hybridization)用已知的带有标记的特定核酸分子（或抗体、蛋白质分子）作为探针，与通过印迹被转移的核细胞生物学教案（完整版）第 9 页 共 56 页酸分子（或抗原、蛋白质分子）片段杂交的过程。（1） Southern blotting （DNA 印迹法） 将分离的 DNA 片段通过毛细管作用转移到硝基纤维素膜上，用 DNA 探针与之杂交的过程。是以发明此项技术的人名命名的（E?M?Southern）。是体外分析特异 DNA 序列的方法。（2） RNA 印迹术（Northern blotting）（3） 蛋白质印迹术（Western blott
22、ing）（4） Eastern blotting（Western blotting 的变形） 当用凝胶进行抗原抗体反应，再进行印迹的方法）。（5） DNA 与蛋白质的体外吸附技术（Southwestern blotting） 结合了 Western 印迹与southern 印迹两种实验方法的特点而设计的一种检测序列特异性 DNA 结合蛋白的实验方法（翟P51）。（6） 原位杂交（Insitu hybridization） 用已知的带有标记的特定核酸分子作为探针，来测定与之成互补关系的染色体 DNA 区段的位置。四、电镜放射自显影技术原理 这是一种利用放射性同位素作为标记物对细胞化学物质进行超显
23、微结构的定位、定性或定量的实验技术。五、定量细胞化学分析技术（一） 显微分光光度测定技术第三节 细胞培养、细胞工程与显微操作技术一、细胞培养（一）动物细胞培养（二）植物细胞的培养 包括单倍体细胞的培养和原生质体培养“全能性”指生物体的每一生活细胞，处于适当条件下，都具有进行独立生长发育，并形成一个完整生物个体的能力。1 单倍体细胞的培养2 原生质体培养3 植物细胞杂交（融合） （三）突变株和非细胞体系在细胞生物学研究中的应用二、细胞工程概念 应用细胞生物学和分子生物学的理论、方法和技术，按人们的预定设计蓝图有计划的保存、改变和创造细胞遗传物质，以产生新的物种和品系，或大规模培养组织细胞以获得生
24、物产品。该技术在细胞和亚细胞水平上开辟了基因重组的新途径，不需分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，只需将遗传物质直接转入受体细胞，就可形成杂交细胞。主要技术领域细胞（组织、器官）培养：in vivo 在体、活体、生物体内in vitro 离体、生物体外细胞融合（体细胞杂交、细胞并合）细胞拆合（细胞质工程、细胞器移植）染色体（组）工程繁殖生物学技术（胚胎冷冻技术、试管婴儿、生物复制、胚胎移植、发育工程、胚胎工程、胚胎分割技术、胚胎融合技术、嵌合体）组分移植技术 将细胞的组分（核、质、染色体、甚至基因）直接移植到另一个细胞中去的技术细胞生物学教案（完整版）第 10 页 共 56 页第四章 细胞膜与细
25、胞表面教学目的 1 掌握质膜的分子模型2 了解流动镶嵌模型的主要特点3 掌握细胞连接的方式和特点教学重点 流动镶嵌模型结构要点教学难点 细胞连接的超微结构教学方法 讲授、讨论第一节 细胞膜与细胞表面的特化结构一、细胞膜的结构模型细胞膜（Cell membrane） 指围绕在细胞最外层，由脂类和蛋白质组成的薄膜。是所有细胞共有的包被（原生质，细胞质）的一层膜。又有原生质膜（Plasmalemma）之称，通常简称质膜（Plasma membrane）。1、 双分子片层模型（bimolecular leaflet model） 这一模型是 Danielli & Davson 于 1935 年提出的，
26、因此又称 Danielli & davson 模型。2、 单位膜模型（The unit membrane model） 这个模型是 19571959 年，英国伦敦大学的罗伯逊（Robertson），通过电镜观察后提出的。3、流动镶嵌模型（fluid mosaic model）这个模型的主要内容可归纳为：1 脂类物质以双分子层排列，构成膜的骨架；2 镶嵌性 蛋白质分子镶嵌在脂双层的网架中。存在方式有内在蛋白（整体蛋白）和外在蛋白（边周蛋白）。3 不对称性 蛋白质分子和脂质分子在膜上的分布具不对称性，膜两侧的分子性质和结构不同。4 流动性 脂质双分子层和蛋白质是可以流动或运动的脂质分子的运动性：有实验表明，类脂分子的脂肪酸链部分在正常生理状态下，可作多种形式的运动：旋转、振荡、摆动、翻转，同时整个分子可作侧向扩散运动。蛋白质分子的运动性：有侧向扩散和旋转两种方式，受周围膜质性质和相态的制约。荧光抗体免疫标记可观察。综合流动镶嵌模型之内容，不难看出，其突出特点在于，流动性、镶嵌性、不对称性和蛋白质极性。由此造成各种膜的功能差异。4、晶格镶嵌模型（蛋白液晶膜模型）5、板块镶嵌模型最近有人提出脂筏模型（Lipid rafts model）。目前认为，这些模型并无本质区别，只是对流动镶嵌模型的进一步补充说明，不能作为膜的通用模型。
