细胞生物学讲义中和。高教版)打印版 Chapter I Introduction 、教学目的和要求: 通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容:细胞生物学的研究内容和现状:细胞生物学研究的总趋势和重点领域:细胞学与细胞生物学发 展简史:细胞生物学的学习方法。 让学生适应从宏观和微观两种思维视角看待生物科学:认识到应以联系地眼光看待生物科学的各学科。 激发学生对本学科的喜爱、对科学的探索及奋发向上的精神 二、教材分析: 概述:绪论部分的教学在整个学期的教学中有着关键的地位,它决定着学生能否科学的态度认识本学科、能否以科学的方法学习本学科 选用教材在绪论部分内容较为丰满但稍显枯燥:偏重于对本学科认识方面的介绍,略于对科学精神的激发 教学重点:细胞生物学的研究内容和现状:细胞生物学研究的总趋势和重点领域:细胞学与细胞生物学发展简史 3.教学难点:细胞生物学研究的总趋势和重点领域 三、教学设想: 1.教材处理:综合其它国内外教材补充相应内容:教学过程中加强科学史的介绍:引入本学科最新的发展动态: 教学方法:主要采用讲授法,辅以讨论、提问 教具:CAI课件 四、教学内容:(2学时) 1 Content Actuality of Cell Biolog 1.1 Cell Biology Biological Science 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 生命的层次 925,生物学大师EB. Wilson说:“许久以来,大家就明确,一切生物学问题的答案最终都要到细胞中去寻找。因为所有生物体都是,或曾经是, 个细胞。” 细胞不同于非生命界的任何结构单位,细胞最独特的属性就是它是一个能独立生存,进行自我调节的开放体系,它在同外界进行物质、能量、信 息交换的条件下,处于动态平衡之中。因此,所谓生命实质上即是细胞属性的体现。摘之《分子细胞生物学》第二版,韩贻仁主编,1。(A) 细胞是生活有机体的一个结构和功能的基本单位,正像原子是化学结构的基本单位一样。细胞以下层次的结构,只能表现出生命现象,而不能单 独构成生命单位。摘自《细胞生物学》第二版,汪堃仁,薛绍白,柳惠图主编(B) 细胞生物学在现代生物学中的地位: 细胞生物学是现代生物学的基础学科,是生物学各学科在细胞水平的统一。它的研究对象是细胞,恰恰由于细胞在生命界中的独特属性,这就不 能不使 Cell Biology在生命科学中占有核心地位 我国基础科学发展规划中,把细胞生物学、分子生物学、神经生物学、生态学并列为生命科学的四大基础学科 tie: Cell Biology Molecular Biology 1.2 Main conten 胞生物学研究和教学内容一般可分为细胞结构功能与细胞重要生命活动两个基本部分,但它们又是不能截然分开的。在现代生物学的教科书中 细胞重要生命活动的知识所占比重越来越大。 当前,细胞生物学的研究内容主要包括以下诸方面 (一)细胞核、染色体以及基因表达的研究 细胞核是遗传物质DN贮存的场所,也是遗传信息转录为mN、rRMA与tRNA的场所。染色质与染色体是遗传物质的载体,核仁是转录rRN与装 配核糖体亚单位的具体场所。细胞核、染色体与核仁的结构与功能的研究是揭示基因表达及其调节的基础。 (二)生物膜与细胞器的研究 几十年来,生物膜研究的主要内容是膜的结构模型与物质的跨膜运输机理。磷脂双分子层与膜蛋白的相互关系是研究生物膜结构与功能的重要内 容。近年来,在膜的识别与受体效应、蛋白质分子跨膜运动等方面取得了巨大进展 )细胞骨架体系的研究 细胞骨架体系的研究在细胞生物学中是一个比较新的、发展中的研究领域。广义的细胞骨架概念应该包括细胞质骨架与核骨架两大部分。 近来发现细胞骨架与一系列重要生命活动,诸如细胞内大分子的运输与细胞器的运动、细胞信息的传递、基因表达与大分子加工等均有密切关系 (四)细胞增殖及其调控 切动植物的生长与发育都是通过细胞的增殖与分化来实现的。研究细胞增殖的基本规律及其调控机理不仅是控制生物生长与发育的基础,而且 是研究癌变发生及逆转的重要途径。目前国际上研究细胞增殖的调控主要从两方面进行:一是从环境中与有机体中寻找控制细胞增殖的因子,以 及阐明它们的作用机制。二是寻找控制细胞增殖的关键性基因,并通过调节基因产物来控制细胞的增殖。 (五)细胞分化及其调控 细胞分化是生物发育的基础。近年,细胞分化的研究已愈来愈显示其重要性,也是细胞生物学、发育生物学与遗传学的重要会合点。近代生物科 学的发展,尤其是分子生物学技术的建立已为细胞分化机理的研究准备了良好的基础,也是近年发育生物学蓬勃发展的重要原因 (六)细胞的衰老与凋亡 细胞衰老的研究是研究人与动植物寿命的基础,但细胞的衰老与有机体的衰老又是不同的概念 (七)细胞的起源与进化 细胞起源与进化的研究是重要的理论问题,也是难度很大的研究课题,我们应该十分尊重先驱科学家在这一领域所取得的成果 (八)细胞工程 细胞工程是细胞生物学与遗传学的交叉领域,这种改造细胞的技术是生物工程技术的重要组成部分。它不仅对工农业生产和医药实践有重要意义 而且对细胞生命活动规律的认识也是一种重要途径与手段 细胞工程能使不同种细胞的基因或基因组用人工方法重组到杂交细胞中,或者使基因与基因组由一种细胞转移到另一种细胞中,并使越过种的障 碍的转移成为可能,由此人们开始探索人工创造新的遗传型细胞的尝试。 还应该说明,当前细胞生物学研究的范畴远不止以上的内容,如细胞外基质、细胞通讯、细胞社会学与细胞免疫学等研究近年也有较快的发展。 1.3 Research direction main domain
1 细胞生物学讲义(瞿中和。高教版)打印版 Chapter Ⅰ Introduction 一、教学目的和要求： 通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细胞生物学的研究内容和现状；细胞生物学研究的总趋势和重点领域；细胞学与细胞生物学发 展简史；细胞生物学的学习方法。 让学生适应从宏观和微观两种思维视角看待生物科学；认识到应以联系地眼光看待生物科学的各学科。 激发学生对本学科的喜爱、对科学的探索及奋发向上的精神。 二、教材分析： 1. 概述：绪论部分的教学在整个学期的教学中有着关键的地位，它决定着学生能否科学的态度认识本学科、能否以科学的方法学习本学科。 选用教材在绪论部分内容较为丰满但稍显枯燥；偏重于对本学科认识方面的介绍，略于对科学精神的激发。 2. 教学重点：细胞生物学的研究内容和现状；细胞生物学研究的总趋势和重点领域；细胞学与细胞生物学发展简史。 3. 教学难点：细胞生物学研究的总趋势和重点领域。 三、教学设想： 1. 教材处理：综合其它国内外教材补充相应内容；教学过程中加强科学史的介绍；引入本学科最新的发展动态： 2. 教学方法：主要采用讲授法，辅以讨论、提问。 3. 教具：CAI 课件 四、教学内容：（2 学时） 1 Content & Actuality of Cell Biology 1.1 Cell Biology & Biological Science 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。 生命的层次: 1925,生物学大师 E.B.Wilson 说：“许久以来，大家就明确，一切生物学问题的答案最终都要到细胞中去寻找。因为所有生物体都是，或曾经是， 一个细胞。” 细胞不同于非生命界的任何结构单位，细胞最独特的属性就是它是一个能独立生存，进行自我调节的开放体系，它在同外界进行物质、能量、信 息交换的条件下，处于动态平衡之中。因此，所谓生命实质上即是细胞属性的体现。摘之《分子细胞生物学》第二版，韩贻仁主编，1。（Ａ） 细胞是生活有机体的一个结构和功能的基本单位，正像原子是化学结构的基本单位一样。细胞以下层次的结构，只能表现出生命现象，而不能单 独构成生命单位。摘自《细胞生物学》第二版，汪堃仁，薛绍白，柳惠图主编（Ｂ） 细胞生物学在现代生物学中的地位： 细胞生物学是现代生物学的基础学科，是生物学各学科在细胞水平的统一。它的研究对象是细胞，恰恰由于细胞在生命界中的独特属性，这就不 能不使 Cell Biology 在生命科学中占有核心地位。 我国基础科学发展规划中，把细胞生物学、分子生物学、神经生物学、生态学并列为生命科学的四大基础学科。 讨论：Cell Biology & Molecular Biology 1.2 Main conten 细胞生物学研究和教学内容一般可分为细胞结构功能与细胞重要生命活动两个基本部分，但它们又是不能截然分开的。在现代生物学的教科书中 细胞重要生命活动的知识所占比重越来越大。 当前，细胞生物学的研究内容主要包括以下诸方面： （－）细胞核、染色体以及基因表达的研究 细胞核是遗传物质 DNA 贮存的场所，也是遗传信息转录为 mRNA、rRNA 与 tRNA 的场所。染色质与染色体是遗传物质的载体，核仁是转录 rRNA 与装 配核糖体亚单位的具体场所。细胞核、染色体与核仁的结构与功能的研究是揭示基因表达及其调节的基础。 （二）生物膜与细胞器的研究 几十年来，生物膜研究的主要内容是膜的结构模型与物质的跨膜运输机理。磷脂双分子层与膜蛋白的相互关系是研究生物膜结构与功能的重要内 容。近年来，在膜的识别与受体效应、蛋白质分子跨膜运动等方面取得了巨大进展。 （三）细胞骨架体系的研究 细胞骨架体系的研究在细胞生物学中是一个比较新的、发展中的研究领域。广义的细胞骨架概念应该包括细胞质骨架与核骨架两大部分。 近来发现细胞骨架与一系列重要生命活动，诸如细胞内大分子的运输与细胞器的运动、细胞信息的传递、基因表达与大分子加工等均有密切关系。 （四）细胞增殖及其调控 一切动植物的生长与发育都是通过细胞的增殖与分化来实现的。研究细胞增殖的基本规律及其调控机理不仅是控制生物生长与发育的基础，而且 是研究癌变发生及逆转的重要途径。目前国际上研究细胞增殖的调控主要从两方面进行：一是从环境中与有机体中寻找控制细胞增殖的因子，以 及阐明它们的作用机制。二是寻找控制细胞增殖的关键性基因，并通过调节基因产物来控制细胞的增殖。 （五）细胞分化及其调控 细胞分化是生物发育的基础。近年，细胞分化的研究已愈来愈显示其重要性，也是细胞生物学、发育生物学与遗传学的重要会合点。近代生物科 学的发展，尤其是分子生物学技术的建立已为细胞分化机理的研究准备了良好的基础，也是近年发育生物学蓬勃发展的重要原因． （六）细胞的衰老与凋亡 细胞衰老的研究是研究人与动植物寿命的基础，但细胞的衰老与有机体的衰老又是不同的概念。 （七）细胞的起源与进化 细胞起源与进化的研究是重要的理论问题，也是难度很大的研究课题，我们应该十分尊重先驱科学家在这一领域所取得的成果。 （八）细胞工程 细胞工程是细胞生物学与遗传学的交叉领域，这种改造细胞的技术是生物工程技术的重要组成部分。它不仅对工农业生产和医药实践有重要意义， 而且对细胞生命活动规律的认识也是一种重要途径与手段。 细胞工程能使不同种细胞的基因或基因组用人工方法重组到杂交细胞中，或者使基因与基因组由一种细胞转移到另一种细胞中，并使越过种的障 碍的转移成为可能，由此人们开始探索人工创造新的遗传型细胞的尝试。 还应该说明，当前细胞生物学研究的范畴远不止以上的内容，如细胞外基质、细胞通讯、细胞社会学与细胞免疫学等研究近年也有较快的发展。 1.3 Research direction & main domain
(一)当前细胞生物学研究中的三大基本问题 细胞内的基因组是如何在时间与空间上有序表达的? 2 基因表达的产物(主要是结构蛋白)是如何逐级装配成能行使生命活动的基本结果体系及各种细胞器的? 3.基因表达的产物(主要是活性蛋白)如何调节细胞最重要的生命活动过程的? (二)当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题 染色体DNA与蛋白质相互作用关系一一主要是非组蛋白对基因组的作用 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 2 History of Cytology& Cell Biology 从研究内容来看细胞生物学的发展可分为三个层次,即:显微水平、超微水平和分子水平。从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为四 个主要的阶段 第一阶段:从16世纪末一19世纪30年代,是细胞发现和细胞知识的积累阶段 第二阶段:从19世纪30年代一20世纪中期,细胞学说形成后,主要进行细胞显微形态的研究 第三阶段:从20世纪30年代一70年代,以细胞超微结构、核型、带型研究为主要内容。 第四阶段:从20世纪70年代分子克隆技术的成熟到当前,细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密,基因调控、信号转导、细胞分化和凋亡 肿瘤生物学等领域成为当前的主流研究内容。 细胞学与细胞生物学发展的历史大致可以划分为以下几个阶段 2. 1 Discovery of cell& Foundation of Cell Theory 2.1.1显微镜的发明与细胞的发现 1.1590荷兰眼镜制造商J. Janssen和Z. Janssen父子制作了第一台复式显微镜,尽管其放大倍数不超过10倍,但具有划时代的意义。 2.1665英国人 Robert hook用自己设计与制造的显微镜(放大倍数为40-140倍,)观察了软木(栎树皮)的薄片,第一次描述了植物细胞的构造 并首次用拉丁文 cella(小室)这个词来称呼他所看到的类似蜂巢的极小的封闭状小室(实际上只是观察到到纤维质的细胞壁)。胡克有关细胞的首 次描述是在他的著作《显微图谱》一书中于1665年发表的。因此人们也就认为细胞的发现是在1665年 3.1672,1682英国人 Nehemaih grew出版了两卷植物显微图谱,注意到了植物细胞中细胞壁与细胞质的区别 4.1680荷兰人A. van Leeuwenhoek成为皇家学会会员,一生中制作了200多台显微镜和500多个镜头。他是第一个看到活细胞的人,观察过 原生动物、人类精子、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌等等 5.1752英国望远镜商人J. Dollond发明消色差显微 6.1812苏格兰人D. Brewster发明油浸物镜,并改进了体视显微镜。 7.1886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, 1932德国人M.Knol1和E.A.F. Ruska描述了一台最初的电子显微镜,1940年美国和德国制造出分辨力为0.2nm的商品电镜 9.1932荷兰籍德国人F. Zernike成功设计了相差显微镜( phasecontrast microscope),并因此获1953年诺贝尔物理奖。 10 1981瑞士人G. Binnig和H. Robert在酬M苏黎世实验中心( Zurich research center)发明了扫描隧道显微镜而与电镜发明者 Ruska 同获1986年度的诺贝尔物理学奖 2.1.2细胞学说的创立及其意义 在十九世纪以前许多学者的工作都着眼于细胞的显微结构方面,从事形态上的描述,而对各种有机体中出现细胞的意义一直没有作出理论的概 括,直到19世纪30年代德国人施莱登 Matthias jacob Schleiden、施旺 Theodar Schwann提出:一切植物、动物都是由细胞组成的,细胞是 切动植物的基本单位。这一学说即“细胞学说( Cell Theory)”,在19世纪己有不少科学家的工作对细胞学说的创立做出了很大的贡献,如 1.Jean- Baptiste de Lamark(17441829),获得性遗传理论的创始人,法国退伍陆军中尉,50岁成为巴黎动物学教授,1909年他认为只有具 有细胞的机体,才有生命。“ It has been recognized for a long time that the membranes which form the envelopes of the brain, of the nerves, of vessels, of all kinds of glands, of viscera, of muscles and their fibers, and even the skin of the body are in general he productions of cellular tissue. But no one, so far as I know, has yet perceived that cellular tissue is the general matrix of all organization and that without this tissue no living body would be able to exist, nor could it have been formed. 2. Charles brisseau milbel(17761854),法国植物学家,1802年认为植物的每一部分都有细胞存在,“ the plant is wholly formed of a continuous cellular membranous tissue. Plants are made up of cells, all parts of which are in continuity and form one and the same membranous tissue 3. Henri dutrochet(17761847),法国生理学家,1824年进一步描述了细胞的原理,他认为“ All organic tissues are actually globular cells of exceeding smallness, which appear to be united only by simple adhesive forces: thus all tissues, all animal(and plant) organs, are actually only a cellular tissue variously modified. This uniformity of finer structure proves that organs actually differ among themselves merely in the nature of the substances contained in the vesicular cells of which they are composed 4. Matthias Jacob Schleiden(1804~1881),德国植物学教授[1],1938年发表“植物发生论”( Beitrage zur Phytogenesis),认为无论怎样复 杂的植物都有形形色色的细胞构成。他认识到了Brow发现细胞核的重要意义,这一点 Brown本人并未做到,他试图重建细胞发育的过程,为此 他聪明地选择了胚胎细胞作为他研究的起点,他还在细胞中发现了核仁 5. Theodor Schwann(l810°1882),德国解剖学教授,一开始就研究 Schleiden的细胞形成学说,他完全接受了这个学说 命现象的起源和基础的一般理论。他把 Schleiden在植物中的发现应用到动物中去,并于1838年提出了“细胞学说”(Cel1 Theory)这个术语 1939年发表了“关于动植物结构和生长一致性的显微研究”。因此细胞学说的创立被认为归功于 Schleiden和 Sehwann两个人,而且年份也被定 Schwann提出: 1)有机体是由细胞构成的 )细胞是构成有机体的基本单位 1855(而非1858)德国人R. Virchow提出“一切细胞来源于细胞”( omnis cellula e cellula)的著名论断,进一步完善了细胞学说。 把细胞作为生命的一般单位,以及作为动植物界生命现象的共同基础的这种概念立即受到了普遍的接受。恩格斯将细胞学说誉为19世纪的三大发 2.2 Period of Classical Cytolog
2 （一）当前细胞生物学研究中的三大基本问题 1. 细胞内的基因组是如何在时间与空间上有序表达的？ 2. 基因表达的产物（主要是结构蛋白）是如何逐级装配成能行使生命活动的基本结果体系及各种细胞器的？ 3. 基因表达的产物（主要是活性蛋白）如何调节细胞最重要的生命活动过程的？ （二）当前细胞基本生命活动研究的若干重大课题 1. 染色体 DNA 与蛋白质相互作用关系——主要是非组蛋白对基因组的作用。 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。 2 History of Cytology & Cell Biology 从研究内容来看细胞生物学的发展可分为三个层次，即：显微水平、超微水平和分子水平。从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为四 个主要的阶段： 第一阶段：从 16 世纪末—19 世纪 30 年代，是细胞发现和细胞知识的积累阶段。 第二阶段：从 19 世纪 30 年代—20 世纪中期，细胞学说形成后，主要进行细胞显微形态的研究。 第三阶段：从 20 世纪 30 年代—70 年代，以细胞超微结构、核型、带型研究为主要内容。 第四阶段：从 20 世纪 70 年代分子克隆技术的成熟到当前，细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密，基因调控、信号转导、细胞分化和凋亡、 肿瘤生物学等领域成为当前的主流研究内容。 细胞学与细胞生物学发展的历史大致可以划分为以下几个阶段： 2.1 Discovery of cell & Foundation of Cell Theory 2.1.1 显微镜的发明与细胞的发现 1. 1590 荷兰眼镜制造商 J.Janssen 和 Z.Janssen 父子制作了第一台复式显微镜，尽管其放大倍数不超过 10 倍，但具有划时代的意义。 2. 1665 英国人 Robert Hook 用自己设计与制造的显微镜（放大倍数为 40-140 倍，)观察了软木（栎树皮)的薄片，第一次描述了植物细胞的构造， 并首次用拉丁文 cella（小室)这个词来称呼他所看到的类似蜂巢的极小的封闭状小室（实际上只是观察到到纤维质的细胞壁)。胡克有关细胞的首 次描述是在他的著作《显微图谱》一书中于 1665 年发表的。因此人们也就认为细胞的发现是在 1665 年。 3. 1672，1682 英国人 Nehemaih Grew 出版了两卷植物显微图谱，注意到了植物细胞中细胞壁与细胞质的区别。 4. 1680 荷兰人 A. van Leeuwenhoek 成为皇家学会会员，一生中制作了 200 多台显微镜和 500 多个镜头。他是第一个看到活细胞的人，观察过 原生动物、人类精子、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌等等。 5. 1752 英国望远镜商人 J. Dollond 发明消色差显微镜。 6. 1812 苏格兰人 D. Brewster 发明油浸物镜，并改进了体视显微镜。 7. 1886 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。 8. 1932 德国人 M. Knoll 和 E. A. F. Ruska 描述了一台最初的电子显微镜，1940 年美国和德国制造出分辨力为 0.2nm 的商品电镜。 9. 1932 荷兰籍德国人 F. Zernike 成功设计了相差显微镜（phasecontrast microscope) ，并因此获 1953 年诺贝尔物理奖。 10. 1981 瑞士人 G. Binnig 和 H. RoherI 在 BM 苏黎世实验中心（Zurich Research Center）发明了扫描隧道显微镜而与电镜发明者 Ruska 同获 1986 年度的诺贝尔物理学奖。 2.1.2 细胞学说的创立及其意义 在十九世纪以前许多学者的工作都着眼于细胞的显微结构方面，从事形态上的描述，而对各种有机体中出现细胞的意义一直没有作出理论的概 括，直到 19 世纪 30 年代德国人施莱登 Matthias Jacob Schleiden 、施旺 Theodar Schwann 提出：一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一 切动植物的基本单位。这一学说即“细胞学说（Cell Theory)”，在 19 世纪已有不少科学家的工作对细胞学说的创立做出了很大的贡献，如： 1. Jean-Baptiste de Lamark （1744~1829)，获得性遗传理论的创始人，法国退伍陆军中尉，50 岁成为巴黎动物学教授，1909 年他认为只有具 有细胞的机体，才有生命。“It has been recognized for a long time that the membranes which form the envelopes of the brain，of the nerves，of vessels，of all kinds of glands，of viscera，of muscles and their fibers，and even the skin of the body are in general the productions of cellular tissue。 But no one，so far as I know， has yet perceived that cellular tissue is the general matrix of all organization and that without this tissue no living body would be able to exist，nor could it have been formed。” 2. Charles Brisseau Milbel（1776~1854)，法国植物学家，1802 年认为植物的每一部分都有细胞存在，“the plant is wholly formed of a continuous cellular membranous tissue。Plants are made up of cells，all parts of which are in continuity and form one and the same membranous tissue。”。 3. Henri Dutrochet （1776~1847），法国生理学家，1824 年进一步描述了细胞的原理，他认为 “All organic tissues are actually globular cells of exceeding smallness，which appear to be united only by simple adhesive forces; thus all tissues， all animal (and plant) organs, are actually only a cellular tissue variously modified。This uniformity of finer structure proves that organs actually differ among themselves merely in the nature of the substances contained in the vesicular cells of which they are composed” 。 4. Matthias Jacob Schleiden（1804~1881)，德国植物学教授[1]，1938 年发表“植物发生论”(Beiträge zur Phytogenesis)，认为无论怎样复 杂的植物都有形形色色的细胞构成。他认识到了 Brown 发现细胞核的重要意义，这一点 Brown 本人并未做到，他试图重建细胞发育的过程，为此 他聪明地选择了胚胎细胞作为他研究的起点，他还在细胞中发现了核仁。 5. Theodor Schwann（1810~1882)，德国解剖学教授，一开始就研究 Schleiden 的细胞形成学说，他完全接受了这个学说，并把它扩展为所有生 命现象的起源和基础的一般理论。他把 Schleiden 在植物中的发现应用到动物中去，并于 1838 年提出了“细胞学说”（Cell Theory)这个术语； 1939 年发表了“关于动植物结构和生长一致性的显微研究”。因此细胞学说的创立被认为归功于 Schleiden 和 Sehwann 两个人，而且年份也被定 到 1839 年。 Schwann 提出： 1) 有机体是由细胞构成的； 2) 细胞是构成有机体的基本单位。 1855 （而非 1858）德国人 R. Virchow 提出“一切细胞来源于细胞”（omnis cellula e cellula）的著名论断，进一步完善了细胞学说。 把细胞作为生命的一般单位，以及作为动植物界生命现象的共同基础的这种概念立即受到了普遍的接受。恩格斯将细胞学说誉为 19 世纪的三大发 现之一。 2.2 Period of Classical Cytology
19世纪的最后25年,即1875~1900年,是细胞学的经典时期。这个时期在细胞学说的推动下,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,取得了极为丰硕的成果,代表性的成就有如下几点 原生质理论的提出1840年, Purkinje在动物、1846年 von mohl在植物中分别看到了“肉样质”的物质,并将其命名为“原生质”( protoplasm)。 861年 Schultze认为动植物细胞中的原生质具有同样的意义,并提出了原生质理论:有机体的组织单位是一小团原生质,这种物质在一般有机体 中是相似的,并把细胞明确地定义为:“细胞是具有细胞核和细胞膜的活物质”。1880年 Hanstain提出“原生质体”( protoplast t)概念,把细 胞概念演变成由细胞膜包围着的原生质,原生质分化为细胞核和细胞质 细胞受精和分裂的研究1875年 Hertwig发现受精卵中两亲本核的合并:1877年 Strasburger发现动物的受精现象:1883年 van beneden在动 物、1886年 Strasburger在植物分别发现了减数分裂现象:1880-1882年 Flemming在媒蟋幼虫的组织细胞中发现了有丝分裂, 些重要细胞器的发现1883年 van Beneden和 Boveri在动物细胞中发现了中心体:1888年 Waldeyer提出染色体概念:1898年Go哈发 了高尔基体:同年,线粒体也被正式命名 在这短短的25年里,取得如此多的成果,除了细胞学说本身的贡献外,技术革新起着重要的作用。细胞染色技术、切片技术、显微技术等的不断 改进和创新保证了科学研究的进步。当然,更重要的是这一时期人才辈出,他们不断追求和探索的精神才是细胞学得以发展的原动力 王 2.3 Period of Experimental cytology 实验细胞学时期从1900年到1953年的半个世纪里,细胞学的发展主要是采用实验的手段研究细胞学的问题,将这一时期称为实验细胞学 ( experimental cytology)时期,其特点是从形态结构的观察深入到生理功能、生物化学、遗传发育机制的研究。由于实验研究不断同相邻学科 结合、渗透,导致了一些重要分支学科的建立和发展 细胞遗传学( cytogenetIcs)。遗传学和细胞学结合建立了细胞遗传学,主要是从细胞学的角度,特别是从染色体的结构和功能以及染色体和其 他细胞器的关系来研究遗传现象,阐明遗传和变异的机制。 细胞生理学( cytophysiology)。细胞学同生理学结合建立了细胞生理学,主要研究内容包括细胞从周围环境中摄取营养的能力、代谢功能、能 量的获取、生长、发育与繁殖机制以及细胞受环境的影响而产生适应性和运动性的活动。细胞的离体培养技术对细胞生理学的硏究具有巨大贡献。 细胞化学( cytochemistry)。细胞学和化学的结合产生了细胞化学,主要是研究细胞结构的化学组成及化学分子的定位、分布及其生理功能。如 943年 Claude用高速离心法从细胞匀浆液中分离线粒体,然后研究它的化学组成和生理功能并得出结论:线粒体是细胞氧化中心。1924年 Feulgen 发明的DNA特殊染色方法一— Feulgen反应开创了DNA的定性和定量分析。此后发展了一系列进行细胞内RMA和蛋白质定量分析的方法,对细胞的 核酸和蛋白质代谢活动研究起了极大的促进作用 2. 4 Naissance of Cell Biology and its development 0年代以来,电子显微镜与超薄切片技术相结合,产生了细胞超微结构学这一新兴领域。从50年代中期至60年代末,细胞超微结构研究所积累 的资料,使细胞结构的知识在很大程度上得到了更新,大大加深与拓宽了对细胞的认识。不仅对已知的细胞结构,诸如线粒体、高尔基体、细胞 膜、核膜、核仁、染色质与染色体结枃的了解岀现了全新的面貌,而且发现了一些新的重要的细胞结构,如内质网、核糖体、溶酶体、核孔复合 体与细胞骨架体系等等,为细胞生物学学科早期的形成奠定了良好的基础。更由于70年代以来,科学家将分子生物学的概念与技术引进细胞学 为细胞生物学这门学科的最后形成与建立创造了全新的局面。“细胞生物学”这个词终于在60年代出现了。 80年代以来,细胞生物学的主要发展方向是细胞的分子生物学(或称分子细胞生物学),也就是说,在分子水平上探索细胞的基本生命规律,把 细胞看成是物质、能量、信息过程的结合,并在分子水平上深入探索其生命活动规律,深刻性与综合性是细胞生物学进一步发展的特点。 1953年 Watson和 Crick提出DNA双螺旋结构模型,标志着分子生物学( molecular biology)的诞生。到底是何时产生了细胞生物学,没有 肯定的答案,一般的看法是1965年, Derobetis将其编著的《普通细胞学》改为《细胞生物学》,标志着细胞生物学的诞生。由于不断将分子生 物学的研究成果和方法引进细胞学,使细胞学的知识得到了极大的更新。此后,细胞生物学和分子生物学之间相互渗透,相得益彰 20世纪80年代开始出现的分子细胞生物学( molecular cell biology),是细胞生物学的主要发展方向 3 The way you can learn better 兴趣 Interest-一兴趣是最好的老师 预习 Preparation--请带着“?”来上课! 怀疑 Skeptical-Don’ t accept everything you read as being true 抽象 Abstract思维与动态 Dynamic思维 同一性 Unity和多样性 Diversity的问题 结构 Structure和功能 Function的关系 Reference Gerald Karp. Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments 3rd. Wiley Sons, 2002 韩贻仁.分子细胞生物学科学出版社.2001年03月 翟中和.细胞生物学.高等教育出版社.1995年1月 翟中和.细胞生物学高等教育出版社.2000年8月 汪堃仁.细胞生物学(第二版).北京师范大学出版社.1998年11月 王金发.细胞生物学.科学出版社.2003年8月 辛华.细胞生物学实验.科学出版社.2001年02月 细胞生物学实验(第二版).高等教育出版社.1997年07月 Chapter I Basic Properties of cells 、教学目的和要求: 通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容:细胞的基本概念:病毒基本知识概要:原核细胞与古核细胞:真核细胞基本知识概要 引导学生从科学和哲学两方面来思索生命和细胞的关系,介绍对细胞概念的一些新思考 逐渐引导学生用本学科的所学来阐明一些生命现象 教材分析: 概述:本章内容涉及真核细胞、原核细胞、病毒的基本知识的介绍,选用教材在总体内容上编排恰当,但在个别内容有知识性错误和印刷错误, 在教学中值得注意。 教学重点:真核细胞基本知识概要:真、原核细胞 区别:细胞结构和功能的辩证关系 教学难点:真、原核细胞的比较。 、教学设想 教材处理:对新、难内容重点讲解(如:真核细胞的三大结构体系、真核和原核细胞的比较),简略讲解基础内容(如病毒和细菌的结构特点)
3 19 世纪的最后 25 年，即 1875～1900 年，是细胞学的经典时期。这个时期在细胞学说的推动下，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，取得了极为丰硕的成果，代表性的成就有如下几点。 原生质理论的提出 1840 年．Pukinje 在动物、1846 年 von Mohl 在植物中分别看到了“肉样质”的物质，并将其命名为“原生质”（protoplasm）。 1861 年 Schultze 认为动植物细胞中的原生质具有同样的意义，并提出了原生质理论：有机体的组织单位是一小团原生质，这种物质在一般有机体 中是相似的，并把细胞明确地定义为：“细胞是具有细胞核和细胞膜的活物质”。1880 年 Hanstain 提出“原生质体”（protoplast）概念，把细 胞概念演变成由细胞膜包围着的原生质，原生质分化为细胞核和细胞质。 细胞受精和分裂的研究 1875 年 Hertwig 发现受精卵中两亲本核的合并；1877 年 Strasburger 发现动物的受精现象；1883 年 van Beneden 在动 物、1886 年 Strasburger 在植物分别发现了减数分裂现象； 1880 一 1882 年 Flemming 在媒蟋幼虫的组织细胞中发现了有丝分裂。 一些重要细胞器的发现 1883 年 van Beneden 和 Boveri 在动物细胞中发现了中心体；1888 年 Waldeyer 提出染色体概念； 1898 年 Go 哈发 现了高尔基体；同年，线粒体也被正式命名。 在这短短的 25 年里，取得如此多的成果，除了细胞学说本身的贡献外，技术革新起着重要的作用。细胞染色技术、切片技术、显微技术等的不断 改进和创新保证了科学研究的进步。当然，更重要的是这一时期人才辈出，他们不断追求和探索的精神才是细胞学得以发展的原动力。 －－王 2.3 Period of Experimental cytology 实验细胞学时期从 1900 年到 1953 年的半个世纪里，细胞学的发展主要是采用实验的手段研究细胞学的问题，将这一时期称为实验细胞学 （experimental cytology）时期，其特点是从形态结构的观察深入到生理功能、生物化学、遗传发育机制的研究。由于实验研究不断同相邻学科 结合、渗透，导致了一些重要分支学科的建立和发展： 细胞遗传学（cytogenetics）。遗传学和细胞学结合建立了细胞遗传学，主要是从细胞学的角度，特别是从染色体的结构和功能以及染色体和其 他细胞器的关系来研究遗传现象，阐明遗传和变异的机制。 细胞生理学（Cytophysiology）。细胞学同生理学结合建立了细胞生理学，主要研究内容包括细胞从周围环境中摄取营养的能力、代谢功能、能 量的获取、生长、发育与繁殖机制以及细胞受环境的影响而产生适应性和运动性的活动。细胞的离体培养技术对细胞生理学的研究具有巨大贡献。 细胞化学（cytochemistry）。细胞学和化学的结合产生了细胞化学，主要是研究细胞结构的化学组成及化学分子的定位、分布及其生理功能。如 1943 年 Claude 用高速离心法从细胞匀浆液中分离线粒体，然后研究它的化学组成和生理功能并得出结论：线粒体是细胞氧化中心。1924 年 Feulgen 发明的 DNA 特殊染色方法——Feulgen 反应开创了 DNA 的定性和定量分析。此后发展了一系列进行细胞内 RNA 和蛋白质定量分析的方法，对细胞的 核酸和蛋白质代谢活动研究起了极大的促进作用。 －－王 2.4 Naissance of Cell Biology and its development 50 年代以来，电子显微镜与超薄切片技术相结合，产生了细胞超微结构学这一新兴领域。从 50 年代中期至 60 年代末，细胞超微结构研究所积累 的资料，使细胞结构的知识在很大程度上得到了更新，大大加深与拓宽了对细胞的认识。不仅对已知的细胞结构，诸如线粒体、高尔基体、细胞 膜、核膜、核仁、染色质与染色体结构的了解出现了全新的面貌，而且发现了一些新的重要的细胞结构，如内质网、核糖体、溶酶体、核孔复合 体与细胞骨架体系等等，为细胞生物学学科早期的形成奠定了良好的基础。更由于 70 年代以来，科学家将分子生物学的概念与技术引进细胞学， 为细胞生物学这门学科的最后形成与建立创造了全新的局面。“细胞生物学”这个词终于在 60 年代出现了。 80 年代以来，细胞生物学的主要发展方向是细胞的分子生物学（或称分子细胞生物学），也就是说，在分子水平上探索细胞的基本生命规律，把 细胞看成是物质、能量、信息过程的结合，并在分子水平上深入探索其生命活动规律，深刻性与综合性是细胞生物学进一步发展的特点。 1953 年 Watson 和 Crick 提出 DNA 双螺旋结构模型，标志着分子生物学（molecular biology）的诞生。到底是何时产生了细胞生物学，没有 肯定的答案，一般的看法是 1965 年，Derobetis 将其编著的《普通细胞学》改为《细胞生物学》，标志着细胞生物学的诞生。由于不断将分子生 物学的研究成果和方法引进细胞学，使细胞学的知识得到了极大的更新。此后，细胞生物学和分子生物学之间相互渗透，相得益彰。 20 世纪 80 年代开始出现的分子细胞生物学（molecular cell biology），是细胞生物学的主要发展方向。 3 The way you can learn better 兴趣 Interest－－兴趣是最好的老师 预习 Preparation－－请带着“ ？”来上课！ 怀疑 Skeptical－Don’t accept everything you read as being true. 抽象 Abstract 思维与动态 Dynamic 思维 同一性 Unity 和多样性 Diversity 的问题 结构 Structure 和功能 Function 的关系 Reference : Gerald Karp. Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments 3rd. Wiley & Sons, 2002 韩贻仁. 分子细胞生物学科学出版社. 2001 年 03 月 翟中和. 细胞生物学. 高等教育出版社.1995 年 1 月 翟中和. 细胞生物学.高等教育出版社.2000 年 8 月 汪堃仁. 细胞生物学（第二版). 北京师范大学出版社.1998 年 11 月 王金发.细胞生物学.科学出版社.2003 年 8 月 辛华. 细胞生物学实验.科学出版社. 2001 年 02 月 杨汉民. 细胞生物学实验（第二版）. 高等教育出版社.1997 年 07 月 Chapter Ⅱ Basic Properties of cells 一、教学目的和要求： 通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细胞的基本概念；病毒基本知识概要；原核细胞与古核细胞；真核细胞基本知识概要。 引导学生从科学和哲学两方面来思索生命和细胞的关系，介绍对细胞概念的一些新思考。 逐渐引导学生用本学科的所学来阐明一些生命现象。 二、教材分析： 概述：本章内容涉及真核细胞、原核细胞、病毒的基本知识的介绍，选用教材在总体内容上编排恰当，但在个别内容有知识性错误和印刷错误， 在教学中值得注意。 教学重点：真核细胞基本知识概要；真、原核细胞的主要区别；细胞结构和功能的辩证关系。 教学难点：真、原核细胞的比较。 三、教学设想： 教材处理：对新、难内容重点讲解(如：真核细胞的三大结构体系、真核和原核细胞的比较)，简略讲解基础内容（如病毒和细菌的结构特点）；
改正教材错误。 教学方法:主要采用讲授法和例证法,辅以讨论、提问 教具:CAI课件 四、教学内容:(4学时) 1 Basic concepts of Cell 1. 1 Cell, the basic unit of life Purkinje(1839)用原生质一词指细胞的全部活性物质,从现代概念来说它包括质膜、细胞质和细胞核(或拟核)。 1880年 Hanstain提出“原生质体”( protoplast)概念,把细胞概念演变成由细胞膜包围着的原生质,原生质分化为细胞核和细胞质 细胞区别于无机界的主要特征:1.在结构上具有自我装配的能力:2.在生理活动中具有自我调节能力:3.在增殖上具有自我复制的能力。这些特 征也可以说是生命的特征,它们的丧失即意味着死亡。一韩p43 我们认为应从以下一些角度去认识细胞作为生命活动基本单位这一概念 (一)一切有机体都由细胞构成,细胞是构成有机体的基本单位 (二)细胞具有独立的、有序的自控代谢体系,细胞是代谢与功能的基本单位 (三)细胞是有机体生长与发育的基础 (四)细胞是遗传的基本单位,细胞具有遗传的全能性 (五)没有细胞就没有完整的生命 除了上述的认识外,我们还必须强调,病毒虽然是非细胞形态均生命体,但它们必须在细胞内才能表现基本的生命特征(繁殖与遗传)。因此, 就病毒而言,细胞是生命活动的基本单位这一概念也是完全合适的。 1.2 Commonness of all cells 细胞结构的共性 (1)所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜,即细胞膜。细胞膜使细胞与周围环境保持相对的独立性,造成相对稳定的 细胞内环境,并通过细胞膜与周围环境进行物质交换和信号传递。在较高等的细胞内,细胞膜内陷演化为细胞的内膜体系,构建成各种以膜为基 础的功能专一的细胞器 (2)所有的细胞都有两种核酸:即DNA与RN作为遗传信息复制与转录的载体。而非细胞形态生命体病毒只有一种核酸,即DNA或RNA作为遗传 信息的载体。 (3)作为蛋白质合成的机器——核糖体,毫无例外地存在于一切细胞内,是任何细胞(除个别非常特化的细胞外)不可缺少的基本结构,它们在 翻译多肽链时,与皿RNA形成多聚核糖体 细胞功能的共性 (1)细胞能够进行自我增殖和遗传细胞能够以一分为二的分裂方式进行增殖,动植物细胞、细菌细胞都是如此。 (2)细胞都能进行新陈代谢细胞内有机分子的合成和分解反应都是由酶催化的,即细胞的代谢作用是由酶控制的。细胞代谢包括物质代谢和能 量代谢,这也是细胞的基本特性 (3)细胞都具有运动性所有细胞都具有一定的运动性,包括细胞自身的运动和细胞内的物质运动 2 Viruses 2. 1 Viruses, lives smaller than cells 病毒( Virus)是一类非细胞形态的介于生命与非生命形式之间的物质。有以下主要特征: ①个体微小,可通除滤菌器,大多数必须用电镜才能看见 ②仅具有一种类型的核酸,或DNA或RNA,没有含两种核酸的病毒: ③专营细胞内寄生生活 ④具有受体连结蛋白( receptor binding protein),与敏感细胞表面的病毒受体连结,进而感染细胞 病毒的形态和结构:病毒的大小一般在1030mm之间。结构简单,由核酸(DNA或RNA)芯和蛋白质衣壳( capsid)所构成,称核衣壳 ( nucleocapsid),衣壳有保护病毒核酸不受酶消化的作用。各种病毒所含的遗传信息量不同,少的只含有3个基因,多的可达300个不同的基 病毒衣壳由一至几种蛋白组成,组成病毒衣壳的亚单位称壳微粒( capsomer)。病毒的形成不需要酶的参加,只要条件具备,核酸和蛋白质便可 自我装配( self assembly)成病毒。其装配形式有二十面体对称、螺旋对称和复合对称三种类型。二十面体对称型的衣壳蛋白形成二十面体,核 酸包在其中:螺旋对称型的衣壳蛋白与核酸呈螺旋形排列,核酸交织在其中;复合对称型为同时具有或不具有两种对称性形式的病毒 2. 2 Viruses can reproduce only in Cells 吸附( adsorption):病毒对细胞的感染起始于病毒蛋白质外壳同宿主细胞表面特殊的受体结合,受体分子是宿主细胞膜或细胞壁的正常成分。 因此,病毒的感染具有特异性 侵入( penetration):病毒吸附到宿主细胞表面之后,将它的核酸注λ到宿主细胞内。病毒感染细菌时,用酶将细菌的细胞壁穿孔后注λ病毒核 酸:对动物细胞的感染,则是通过胞吞作用,病毒完全被吞入 复制( replication):病毒核酸进入细胞后有两种去向,一是病毒的遗传物质整合到宿主的基因组中,形成溶原性病毒:第二种情况是病毒DNA (或RNA)利用宿主的酶系进行复制和表达 成熟( maturation):一旦病毒的基因进行表达就可合成病毒装配所需的蛋白质外壳,并将病毒的遗传物质包裹起来,形成成熟的病毒颗粒 释放( release):病毒颗粒装配之后,它们就可从被感染的细胞中释放出来进入细胞外,并感染新的细胞。有些病毒释放时要将被感染的细胞裂 解,有些则是通过分泌的方式进入到细胞外 2.3Its types 根据寄生的宿主不同,病毒可分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒(即噬菌体)三大类。根据病毒所含的核酸的性质和状态不同,可将病毒分为6 1)双链±DNA→ 蛋白质,如天花病毒、T-偶数噬菌体 2)单链+DNA→士DN→+RNA→蛋白质,如细小DNA病毒 3)双链士RNA→+mRNA→蛋白质,如呼肠孤病毒。 4)单链+RNA→一RMA→+RNA→蛋白质脊髓灰质炎病毒 5)单链-RNA→+RNA→蛋白质,如流感病毒、副流感病毒、狂犬病毒 6)单链+RNA→—DMA→士DNA→+mRNA→蛋白质,即逆转录病毒( retrovirus)又称RNA肿瘤病毒( oncornavirus)
4 改正教材错误。 教学方法：主要采用讲授法和例证法，辅以讨论、提问。 教具：CAI 课件 四、教学内容：（4 学时） 1 Basic concepts of Cell 1.1 Cell, the basic unit of life Purkinje（1839）用原生质一词指细胞的全部活性物质，从现代概念来说它包括质膜、细胞质和细胞核（或拟核）。 1880 年 Hanstain 提出“原生质体”（protoplast）概念，把细胞概念演变成由细胞膜包围着的原生质，原生质分化为细胞核和细胞质。 细胞区别于无机界的主要特征：1.在结构上具有自我装配的能力；2.在生理活动中具有自我调节能力；3.在增殖上具有自我复制的能力。这些特 征也可以说是生命的特征，它们的丧失即意味着死亡。－韩 p43 我们认为应从以下一些角度去认识细胞作为生命活动基本单位这一概念： （一）一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位 （二）细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位 （三）细胞是有机体生长与发育的基础 （四）细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性 （五）没有细胞就没有完整的生命 除了上述的认识外，我们还必须强调，病毒虽然是非细胞形态均生命体，但它们必须在细胞内才能表现基本的生命特征（繁殖与遗传）。因此， 就病毒而言，细胞是生命活动的基本单位这一概念也是完全合适的。 1.2 Commonness of all Cells 细胞结构的共性： （l）所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜，即细胞膜。细胞膜使细胞与周围环境保持相对的独立性，造成相对稳定的 细胞内环境，并通过细胞膜与周围环境进行物质交换和信号传递。在较高等的细胞内，细胞膜内陷演化为细胞的内膜体系，构建成各种以膜为基 础的功能专一的细胞器。 （2）所有的细胞都有两种核酸：即 DNA 与 RNA 作为遗传信息复制与转录的载体。而非细胞形态生命体病毒只有一种核酸，即 DNA 或 RNA 作为遗传 信息的载体。 （3）作为蛋白质合成的机器——核糖体，毫无例外地存在于一切细胞内，是任何细胞（除个别非常特化的细胞外）不可缺少的基本结构，它们在 翻译多肽链时，与 mRNA 形成多聚核糖体。 细胞功能的共性 （1） 细胞能够进行自我增殖和遗传细胞能够以一分为二的分裂方式进行增殖，动植物细胞、细菌细胞都是如此。 （2） 细胞都能进行新陈代谢 细胞内有机分子的合成和分解反应都是由酶催化的，即细胞的代谢作用是由酶控制的。细胞代谢包括物质代谢和能 量代谢，这也是细胞的基本特性。 （3） 细胞都具有运动性所有细胞都具有一定的运动性，包括细胞自身的运动和细胞内的物质运动。 2 Viruses 2.1 Viruses , lives smaller than cells 病毒（Virus）是一类非细胞形态的介于生命与非生命形式之间的物质。有以下主要特征： ① 个体微小，可通除滤菌器，大多数必须用电镜才能看见； ② 仅具有一种类型的核酸，或 DNA 或 RNA，没有含两种核酸的病毒； ③ 专营细胞内寄生生活； ④ 具有受体连结蛋白（receptor binding protein），与敏感细胞表面的病毒受体连结，进而感染细胞。 病毒的形态和结构：病毒的大小一般在 10~30nm 之间。结构简单，由核酸（DNA 或 RNA）芯和蛋白质衣壳（capsid）所构成，称核衣壳 （nucleocapsid），衣壳有保护病毒核酸不受酶消化的作用。各种病毒所含的遗传信息量不同，少的只含有 3 个基因，多的可达 300 个不同的基 因。 病毒衣壳由一至几种蛋白组成，组成病毒衣壳的亚单位称壳微粒（capsomer）。病毒的形成不需要酶的参加，只要条件具备，核酸和蛋白质便可 自我装配（self assembly）成病毒。其装配形式有二十面体对称、螺旋对称和复合对称三种类型。二十面体对称型的衣壳蛋白形成二十面体，核 酸包在其中；螺旋对称型的衣壳蛋白与核酸呈螺旋形排列，核酸交织在其中；复合对称型为同时具有或不具有两种对称性形式的病毒 2.2 Viruses can reproduce only in Cells 吸附（adsorption）：病毒对细胞的感染起始于病毒蛋白质外壳同宿主细胞表面特殊的受体结合，受体分子是宿主细胞膜或细胞壁的正常成分。 因此，病毒的感染具有特异性。 侵入（penetration）：病毒吸附到宿主细胞表面之后，将它的核酸注入到宿主细胞内。病毒感染细菌时，用酶将细菌的细胞壁穿孔后注入病毒核 酸；对动物细胞的感染，则是通过胞吞作用，病毒完全被吞入。 复制（replication）：病毒核酸进入细胞后有两种去向，一是病毒的遗传物质整合到宿主的基因组中，形成溶原性病毒；第二种情况是病毒 DNA （或 RNA）利用宿主的酶系进行复制和表达。 成熟（maturation）：一旦病毒的基因进行表达就可合成病毒装配所需的蛋白质外壳，并将病毒的遗传物质包裹起来，形成成熟的病毒颗粒。 释放（release）：病毒颗粒装配之后，它们就可从被感染的细胞中释放出来进入细胞外，并感染新的细胞。有些病毒释放时要将被感染的细胞裂 解，有些则是通过分泌的方式进入到细胞外。 2.3 Its types 根据寄生的宿主不同，病毒可分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒（即噬菌体）三大类。根据病毒所含的核酸的性质和状态不同，可将病毒分为 6 类： 1)双链±DNA→+mRNA→蛋白质，如天花病毒、T-偶数噬菌体。 2)单链+DNA→±DNA→+RNA→蛋白质,如细小 DNA 病毒。 3)双链±RNA→+mRNA→蛋白质，如呼肠孤病毒。 4)单链+RNA→－RNA→+RNA→蛋白质脊髓灰质炎病毒。 5)单链-RNA→+RNA→蛋白质，如流感病毒、副流感病毒、狂犬病毒。 6)单链+RNA→－DNA→±DNA→+mRNA→蛋白质，即逆转录病毒（retrovirus）又称 RNA 肿瘤病毒（oncornavirus）
2. 3 Relationships between Virus and cell in Evolution 现在,比较容易接受的观点是:生物大分子一一细胞一一病毒。其依据主要有: 所有病毒均为彻底的寄生性 2.有些病毒的核酸与哺乳动物细胞DNA某些片段的碱基序列十分相似 毒可以看作是DNA与蛋白质或RMNA与蛋白质形成的复合大分子,与细胞内核蛋白分子有相似之处 Addition: (1)冠状病毒与SARS 2003年春在我国和世界20多个国家发生了一种传染性病毒病,导致严重急性呼吸道综合症( sever acute respiratory syndrome,SARS),即 我国所说的非典型肺炎。同年4月16日,W0正式确认SARS病毒是SARS的病因,这是一种新型的冠状病毒 冠状病毒科( Coronaviridae)的病毒成员仅感染脊椎动物,可引起人和动物呼吸道卜肖化道、肝脏和神经系统产生疾病。冠状病毒最早于1937 年从鸡中分离,1965年 Tyrrell和 Bynoe首次用有纤毛的胚状气管在体外培养了人的冠状病毒,约有15个种,不仅感染人,也感染牛、猪、猫、 冠状病毒粒子呈球状,形似冠状而得名。其直径为60~20urn,有包膜。包膜上有2~3种糖蛋白 M蛋白( membrane protein),是糖蛋白,横穿包膜,其N端的丝氨酸或苏氨酸残基上可以产生糖基化。M蛋白的作用是出芽和病毒包膜的形成 S蛋白( spike protein),构成长的杆状包膜突起,S蛋白突起具有多方面的功能,它负责结合敏感细胞受体,诱导病毒包膜和细胞膜以及细胞 之间的膜融合,作为主要抗原刺激机体产生中和抗体和介导细胞免疫反应 E蛋白属包膜蛋白,是一种小的与包膜形成相关的蛋白 核衣壳蛋白N是一种碱性磷蛋白,具有3个结构域,其中央区同基因组RNA结合,形成卷曲的核衣壳螺旋。N蛋白有两个方面的功能:一方面与病 毒RNA复制有关,另一方面通过与M糖蛋白C端相互作用,可引起病毒出芽 匝蛋白即血凝素一酯酶( hemagglutinin- estemse,H),H蛋白构成包膜的短突起。现在认为H可能与冠状病毒早期吸附有关。 冠状病毒基因组为(+) SSRNA长约27~31kb其基因组5’端有帽子结构,3’端有poly(A尾,紧接帽子结构之后是60~80个碱基的先导RNA 序列和200~500个碱基的非编码区 SARS病毒是一种新型的冠状病毒,目前已发现有十几个变种。这种病毒潜伏期2~7天。患者通常有高于38t的发热,并会伴有寒战,或者其他如 头痛、倦怠和肌痛。潜伏期后进入下呼吸道期,患者伴有包括发热、干咳无痰、呼吸困难,甚至低氧血症(呼吸困难、紫错。缺氧早期心动过速、 血压升高、严重时出现心动过缓、血压下降,甚至休克)等综合征,严重患者通常都需要气管插管或者呼吸机维持。 95%感染SARS病毒的人能够治愈。人体可以针对病毒产生抗体,表明SARS是可治的,同时也是可控和可防的。只要依靠科学、保持良好的心 态,人类一定能够最终战胜SARS 从细胞生物学的角度,用 SAJIS( smile and remain smile)去战胜SARS( severe acute respiratory syndrome)不失为一种有效的抗击疾病 的好方法。一一-王 类病毒在结构上比病毒还要简单,没有蛋白质外壳,仅为一裸露的RNA分子。由于它们具有感染作用,类似于病毒,故称为类病毒( viroid)。 它们不能像病毒那样感染细胞,只有当植物细胞受到损伤,失去了膜屏障,它们才能在供体植株与受体植株间传染。例如,马铃薯锤管类病毒仅 由一个含359个核苷酸的单链环状RNA分子组成,链内有一些互补序列。分子长约40~50nm,不能制造衣壳蛋白。一一绍兴 3)蛋白质感染因子 Prion 1982年S.B. Prusiner以叙利亚仓鼠为实验材料,发现羊瘙痒病( scrapie)的病原体是一种蛋白质,不含核酸,命名为 prion,意即 PROteinaceous Infection ONly,译为蛋白质感染因子或朊病毒, Prusiner因此项发现更新了医学感染的概念,获1997年的诺贝尔生理与医学奖。 羊瘙痒病发现已有200年的历史,羊得了这种病就会浑身发痒,不断在坚硬物质上搓擦身体,最后死亡。它是一类传染性海绵状脑病( transmissible spongiform encephalopathies,TSE)。疯牛病,即牛海绵状脑病( bovine spongiform encephalopathy,BSE)也属于此类疾病,发现于1986 年,是由于牛被喂以由死羊骨粉制造的饲料而被感染,病牛脑内灰质及神经元都有典型的海绵状退化,出现淀粉样( amy loid)蛋白沉淀,与羊瘙 痒病相似。同类型的 prion也会使鹿、貂及猴子患病,人类也具有类似的疾病 Prion是一种结构变异的蛋白质,对高温和蛋白酶均具有较强的抵抗力。它能转变细胞内的此类正常的蛋白PrPC( cellular prion protein) 使PrPC发生结构变异,变为具有致病作用的 PrPSc( scrapie- associated prion protein) PrPC存在于神经元、神经胶质细胞和其它一些细胞,属于糖磷脂酰肌醇锚定蛋白,集中在膜上的脂筏中,对蛋白酶和髙温敏感,可能和细胞信号 转导有关 PrPSc与PrPc的一级结构相似,均由253-4个氨基酸组成,分子量约33-37KD。纯化的 Prion经傅里叶变换红外光谱分析,发现PrPc的高级结构 中具有43%的α螺旋,极少的β折叠(3%),而 PrPsc具有34%a螺旋,43%的β折叠。动物被感染后,发生错误折叠的 PrPSc蛋白堆积在脑组织 中,形成不溶的淀粉样蛋白沉淀,无法被蛋白酶分解,引起神经细胞凋亡( Apoptosis) 码PrP蛋白的基因称为Prnp,该基因位于人第20号染色体的短臂,小鼠第2号染色体。敲除小鼠的Prnp基因,小鼠仍能正常发育,并对瘙痒 病完全免疫,但出生后很快会出现共济失调、小脑皮层颗粒细胞退化 前对蛋白质感染因子的增殖方式有两种解释,一是重折叠模型( refolding model),认为 PrPSc分子起分子伴侣( molecular chaperone)的 作用,能与PrPc分子相结合,诱使PrPe转变成 PrPSc,从而形成了 PrPSc二聚体,于是一个 PrPSc分子就变成了2个 PrPSc分子,如此倍增不已 另一种解释是晶种模型( Seeding model),认为PrPc分子本身有向 PrPSc转变的倾向(一种平衡反应), PrPSc能像晶种一样,稳定PrPc的构 象,形成淀粉样蛋白沉淀,然后碎裂后又变成新的晶科 质感染因子的增殖既不是由于基因过分表达,也不是因翻译量增加,而是由于正常分子的构象发生转变造成的,所以亦称朊病毒。目前已知 的人类 PRION疾病主要有 1.克-雅二氏病( Creutzfeldt- Jakob disease,CJD): Cruetzfeldt和 Jakob1920年发现于六例患者,大多发生于60岁以上的人,是自身PrP 蛋白发生变异引起的。 2.变异型克-雅氏病( VCJD):患者都处于以往CJD未曾出现的年龄段,为十几岁至三十岁的年轻人,是由于取食病牛产品而感染。患者首先出 现忧郁症的病状,继而不能行走,并呈现精神障碍等痴呆症状,最后死亡 3.GSS综合征( Gerstmann- Straussler scheinker disease)):是一种遗传的的慢性脑病,由Prnp基因缺陷引起,Pr蛋白的102位亮氨酸被 脯氨酸取代或117位的缬氨酸被丙氨酸取代 4.克鲁病(Kuru):发现于新几内亚一个叫Fore的部落,当地人称作kuru,意即颤抖。病人大多数是妇女及小孩,病症有言语含糊及无意识地 狂笑,最后不省人事并死亡。一名美国医生D.C. Gajdusek到了当地,发现那里的妇女及小孩具有吃死者尸体的习惯,结果受到感染 5.致死性家族性失眠症( Fatal familial insomnia,FFI):也是一种遗传性疾病,Prnp基因变异,PrP蛋白178位的天冬酰胺被天冬氨酸取代
5 2.3 Relationships between Virus and cell in Evolution 现在，比较容易接受的观点是：生物大分子——细胞——病毒。其依据主要有： 1. 所有病毒均为彻底的寄生性。 2. 有些病毒的核酸与哺乳动物细胞 DNA 某些片段的碱基序列十分相似。 3. 病毒可以看作是 DNA 与蛋白质或 RNA 与蛋白质形成的复合大分子，与细胞内核蛋白分子有相似之处。 Addition： (1)冠状病毒与 SARS： 2003 年春在我国和世界 20 多个国家发生了一种传染性病毒病，导致严重急性呼吸道综合症 （sever acute respiratory syndrome， SARS），即 我国所说的非典型肺炎。同年 4 月 16 日，WHO 正式确认 SARS 病毒是 SARS 的病因，这是一种新型的冠状病毒。 冠状病毒科（Coronaviridae）的病毒成员仅感染脊椎动物，可引起人和动物呼吸道卜肖化道、肝脏和神经系统产生疾病。冠状病毒最早于 1937 年从鸡中分离，1965 年 Tyrrell 和 Bynoe 首次用有纤毛的胚状气管在体外培养了人的冠状病毒，约有 15 个种，不仅感染人，也感染牛、猪、猫、 狗等。 冠状病毒粒子呈球状，形似冠状而得名。其直径为 60～220urn，有包膜。包膜上有 2～3 种糖蛋白。 M 蛋白（membrane protein），是糖蛋白，横穿包膜，其 N 端的丝氨酸或苏氨酸残基上可以产生糖基化。M 蛋白的作用是出芽和病毒包膜的形成。 S 蛋白（spike protein），构成长的杆状包膜突起， S 蛋白突起具有多方面的功能，它负责结合敏感细胞受体，诱导病毒包膜和细胞膜以及细胞 之间的膜融合，作为主要抗原刺激机体产生中和抗体和介导细胞免疫反应。 E 蛋白属包膜蛋白，是一种小的与包膜形成相关的蛋白。 核衣壳蛋白 N 是一种碱性磷蛋白，具有 3 个结构域，其中央区同基因组 RNA 结合，形成卷曲的核衣壳螺旋。N 蛋白有两个方面的功能：一方面与病 毒 RNA 复制有关，另一方面通过与 M 糖蛋白 C 端相互作用，可引起病毒出芽。 HE 蛋白即血凝素一酯酶（hemagglutinin－estemse，H），HE 蛋白构成包膜的短突起。现在认为 HE 可能与冠状病毒早期吸附有关。 冠状病毒基因组为（＋）SSRNA 长约 27～31kb 其基因组 5’端有帽子结构，3’端有 poly(A)尾，紧接帽子结构之后是 60～80 个碱基的先导 RNA 序列和 200～500 个碱基的非编码区。 SARS 病毒是一种新型的冠状病毒，目前已发现有十几个变种。这种病毒潜伏期 2～7 天。患者通常有高于 38t 的发热，并会伴有寒战，或者其他如 头痛、倦怠和肌痛。潜伏期后进入下呼吸道期，患者伴有包括发热、干咳无痰、呼吸困难，甚至低氧血症（呼吸困难、紫错。缺氧早期心动过速、 血压升高、严重时出现心动过缓、血压下降，甚至休克）等综合征，严重患者通常都需要气管插管或者呼吸机维持。 95％感染 SARS 病毒的人能够治愈。人体可以针对病毒产生抗体，表明 SARS 是可治的，同时也是可控和可防的。只要依靠科学、保持良好的心 态，人类一定能够最终战胜 SARS 从细胞生物学的角度，用 SAJIS（smile and remain smile）去战胜 SARS（severe acute respiratory syndrome）不失为一种有效的抗击疾病 的好方法。―――王 (2) viroid 类病毒在结构上比病毒还要简单，没有蛋白质外壳，仅为一裸露的 RNA 分子。由于它们具有感染作用，类似于病毒，故称为类病毒（viroid）。 它们不能像病毒那样感染细胞，只有当植物细胞受到损伤，失去了膜屏障，它们才能在供体植株与受体植株间传染。例如，马铃薯锤管类病毒仅 由一个含 359 个核苷酸的单链环状 RNA 分子组成，链内有一些互补序列。分子长约 40~50nm，不能制造衣壳蛋白。－－绍兴 （3）蛋白质感染因子 Prion 1982 年 S．B．Prusiner 以叙利亚仓鼠为实验材料，发现羊瘙痒病（scrapie）的病原体是一种蛋白质，不含核酸，命名为 prion，意即 PROteinnaceous Infection ONly，译为蛋白质感染因子或朊病毒，Prusiner 因此项发现更新了医学感染的概念，获 1997 年的诺贝尔生理与医学奖。 羊瘙痒病发现已有 200 年的历史，羊得了这种病就会浑身发痒，不断在坚硬物质上搓擦身体，最后死亡。它是一类传染性海绵状脑病（transmissible spongiform encephalopathies，TSE）。疯牛病，即牛海绵状脑病（bovine spongiform encephalopathy，BSE）也属于此类疾病，发现于 1986 年，是由于牛被喂以由死羊骨粉制造的饲料而被感染，病牛脑内灰质及神经元都有典型的海绵状退化，出现淀粉样（amyloid）蛋白沉淀，与羊瘙 痒病相似。同类型的 prion 也会使鹿、貂及猴子患病，人类也具有类似的疾病。 Prion 是一种结构变异的蛋白质，对高温和蛋白酶均具有较强的抵抗力。它能转变细胞内的此类正常的蛋白 PrPC（cellular prion protein）， 使 PrPC 发生结构变异，变为具有致病作用的 PrPSc（scrapie-associated prion protein）。 PrPC 存在于神经元、神经胶质细胞和其它一些细胞，属于糖磷脂酰肌醇锚定蛋白，集中在膜上的脂筏中，对蛋白酶和高温敏感，可能和细胞信号 转导有关。 PrPSc 与 PrPc 的一级结构相似，均由 253-4 个氨基酸组成，分子量约 33-37KD。纯化的 Prion 经傅里叶变换红外光谱分析，发现 PrPc 的高级结构 中具有 43%的α螺旋，极少的β折叠（3%），而 PrPsc 具有 34%α螺旋，43%的β折叠。动物被感染后，发生错误折叠的 PrPSc 蛋白堆积在脑组织 中，形成不溶的淀粉样蛋白沉淀，无法被蛋白酶分解，引起神经细胞凋亡（Apoptosis）。 编码 PrP 蛋白的基因称为 Prnp，该基因位于人第 20 号染色体的短臂，小鼠第 2 号染色体。敲除小鼠的 Prnp 基因，小鼠仍能正常发育，并对瘙痒 病完全免疫，但出生后很快会出现共济失调、小脑皮层颗粒细胞退化。 目前对蛋白质感染因子的增殖方式有两种解释，一是重折叠模型（refolding model），认为 PrPSc 分子起分子伴侣（molecular chaperone）的 作用，能与 PrPc 分子相结合，诱使 PrPc 转变成 PrPSc，从而形成了 PrPSc 二聚体，于是一个 PrPSc 分子就变成了 2 个 PrPSc 分子，如此倍增不已。 另一种解释是晶种模型（Seeding model），认为 PrPc 分子本身有向 PrPSc 转变的倾向（一种平衡反应），PrPSc 能像晶种一样，稳定 PrPc 的构 象，形成淀粉样蛋白沉淀，然后碎裂后又变成新的晶种。 蛋白质感染因子的增殖既不是由于基因过分表达，也不是因翻译量增加，而是由于正常分子的构象发生转变造成的，所以亦称朊病毒。目前已知 的人类 PRION 疾病主要有： 1. 克-雅二氏病（Creutzfeldt–Jakob disease，CJD）：Cruetzfeldt 和 Jakob 1920 年发现于六例患者，大多发生于 60 岁以上的人，是自身 PrP 蛋白发生变异引起的。 2. 变异型克-雅氏病（vCJD）：患者都处于以往 CJD 未曾出现的年龄段，为十几岁至三十岁的年轻人，是由于取食病牛产品而感染。患者首先出 现忧郁症的病状，继而不能行走，并呈现精神障碍等痴呆症状，最后死亡。 3.GSS 综合征（Gerstmann-Straussler Scheinker disease））：是一种遗传的的慢性脑病，由 Prnp 基因缺陷引起，PrP 蛋白的 102 位亮氨酸被 脯氨酸取代或 117 位的缬氨酸被丙氨酸取代。 4. 克鲁病（Kuru）：发现于新几内亚一个叫 Fore 的部落，当地人称作 kuru，意即颤抖。病人大多数是妇女及小孩，病症有言语含糊及无意识地 狂笑，最后不省人事并死亡。一名美国医生 D. C. Gajdusek 到了当地，发现那里的妇女及小孩具有吃死者尸体的习惯，结果受到感染。 5.致死性家族性失眠症（Fatal familial insomnia，FFI）：也是一种遗传性疾病，Prnp 基因变异，PrP 蛋白 178 位的天冬酰胺被天冬氨酸取代
患者的主要症状是失眠,并有CJD的症状 对于蛋白质感染因子引起的疾病,目前尚没有有效的治疗措施。这类蛋白具有很强的抵抗力,对抗生素和消毒剂不敏感,134-138℃持续1h的病 牛脑组织匀浆,以及10%福尔马林固定过的病羊脑组织,仍有感染性 据报道,自1996年以来,共有106人得了疯牛病,其中仅有七人还活着。 3 Prokaryotic cells& Archaebacteria 3. 1 Classe of Cells mycoplasma 20世纪60年代,HRis提出将细胞分为两大类 原核细胞( prokaryotic cell)和真核细胞( eukaryotic cell) Prokaryotic cell,最基本的特点是 1)遗传的信息量小,遗传信息载体仅由一个环状DNA构成 2)细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜。 包括支原体、衣原体、立克次体、细菌、放线菌与蓝藻等多种庞大的家族 3.2 Mycoplasma, the simplest smallest cell 支原体是目前发现的最简单、体积最小的原核细胞,也是唯一一种没有细胞壁的原核细胞。 支原体的大小介于细菌与病毒之间,一般直径为0.1~0.3P恤,能够通过滤菌器,并能独立生活。原体形态多变,有圆形、丝状或梨形,光镜下 难以看清其结枃。电镜下观察支原体的细胞膜为三层结枃。它有一环状双螺旋ⅨNA并且均匀地分布在细胞内,没有类似细菌的核区(拟核),能 指导合成750多种蛋白质。电镜下支原体细胞中惟一可见的细胞器是核糖体,每个细胞中约有800-1500个。支原体感细胞时,多吸附在细胞表 面,或分散在细胞之间。 支原体没有鞭毛,无活动能力,可以通过分裂法繁殖,也有进行出芽增殖的 支原体是动物细胞培养的大敌,由于支原体寄生在细胞中,所以培养细胞很容易被支原体污染,污染源主要是血清。 支原体( mycoplasma)的大小通常为0.20.3μm,可通过滤菌器。无细胞壁,不能维持固定的形态而呈现多形性。细胞膜中胆固醇含量较多,约 占36%,这对保持细胞膜的完整性是必需的,凡能作用于胆固醇的物质(如二性霉素B、皂素等)均可引起支原体膜的破坏而使支原体死亡。 3.3 Bacteria Cyanobacteria 细菌细胞只具有原始形态的核,没有核膜,更没有核仁,结构简单,为了与真核细胞典型的核有所区别,称为核区或类核。细菌细胞DNA主要盘 绕在核区,细菌的核区实际主要由一个环状的DNA分子组成。由于细菌基因的排列与DMA有对应的结构关系,延用了真核细胞的染色体概念,又 习惯地称之谓细菌染色体,然而它比真正的染色体结构简单得多,没有或只有极少的组蛋白与DNA结合。正常情况下,一个细菌细胞内只有一个 区,在细菌处在生长增殖状态时,由于DNA的复制次数与细胞分裂次数并不同步,一个细胞内可以同时存在几个DMA分子,往往出现几个核区 由于细菌细胞没有核膜把核与细胞质绝对的分开,DNA复制、RMA转录与蛋白质合成的结构装置没有在位置上截然分开,因此基因复制、转录与表 达过程没有严格的时间上的阶段性与位置上的区域性 (一)细胞壁 细胞壁厚度因细菌不同而异,一般为15-30nm。主要成分是肽聚糖,由N乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸构成双糖单元,以β(1-4)糖苷键连接成大 分子。N-乙酰胞壁酸分子上有四肽侧链,相邻聚糖纤维之间的短肽通过肽桥(革兰氏阳性菌)或肽键(革兰氏阴性菌)桥接起来,形成了肽聚糖 片层,像胶合板一样,粘合成多层 肽聚糖中的多糖链在各物种中都一样,而横向短肽链却有种间差异。革兰氏阳性菌细胞壁厚约20~80nm,有15-50层肽聚糖片层,每层厚Inm, 含20-40%的磷壁酸( teichoic acid),有的还具有少量蛋白质。革兰氏阴性菌细胞壁厚约10nm,仅2-3层肽聚糖,其他成分较为复杂,由外向 内依次为脂多糖、细菌外膜和脂蛋白。此外,外膜与细胞之间还有间隙 肽聚糖是革兰阳性菌细胞壁的主要成分,凡能破坏肽聚糖结构或抑制其合成的物质,都有抑菌或杀菌作用。如溶菌酶是N乙酰胞壁酸酶,青霉素 抑制转肽酶的活性,抑制肽桥形成。 细菌细胞壁的功能包括:保持细胞外形:抑制机械和渗透损伤(革兰氏阳性菌的细胞壁能耐受20kg/cm2的压力):介导细胞间相互作用(侵入宿 ):防止大分子入侵:协助细胞运动和分裂 脱壁的细胞称为细菌原生质体( bacterial protoplast)或球状体( spheroplast,因脱壁不完全),脱壁后的细菌原生质体,生存和活动能力大 (二)细胞膜 是典型的单位膜结构,厚约8^10m,外侧紧贴细胞壁,某些革兰氏阴性菌还具有细胞外膜。通常不形成内膜系统,除核糖体外,没有其它类似真 核细胞的细胞器,呼吸和光合作用的电子传递链位于细胞膜上。某些行光合作用的原核生物(蓝细菌和紫细菌),质膜内褶形成结合有色素的内 膜,与捕光反应有关。某些革兰氏阳性细菌质膜内褶形成小管状结构,称为中膜体( mesosome)或间体,中膜体扩大了细胞膜的表面积,提高了 代谢效率,有拟线粒体( Chondroid)之称,此外还可能与DNA的复制有关 三)细胞质与核质体 细菌和其它原核生物一样,没有核膜,DNA集中在细胞质中的低电子密度区,称核区或核质体( nuclear body)。细菌一般具有1-4个核质体,多 的可达20余个。核质体是环状的双链DN分子,所含的遗传信息量可编码2000~3000种蛋白质,空间构建十分精简,没有内含子。由于没有核 膜,因此DNA的复制、RNA的转录与蛋白的质合成可同时进行,而不像真核细胞那样这些生化反应在时间和空间上是严格分隔开来的。 每个细菌细胞约含5000~50000个核糖体,部分附着在细胞膜内侧,大部分游离于细胞质中。细菌核糖体的沉降系数为70s,由大亚单位(50s) 与小亚单位(30s)组成,大亚单位含有23 Srrna,5 SrRNA与30多种蛋白质,小亚单位含有16 SrRNA与20多种蛋白质。30S的小亚单位对四环素 与链霉素很敏感,50S的大亚单位对红霉素与氯霉素很敏感 细菌核区DNA以外的,可进行自主复制的遗传因子,称为质粒( plasmid)。质粒是裸露的环状双链DNA分子,所含遗传信息量为2^200个基因, 能进行自我复制,有时能整合到核DNA中去。质粒DNMA在遗传工程研究中很重要,常用作基因重组与基因转移的载体 胞质颗粒是细胞质中的颗粒,起暂时贮存营养物质的作用,包括多糖、脂类、多磷酸盐等 (四)其他结构 许多细菌的最外表还覆盖着一层多糖类物质,边界明显的称为荚膜( capsule),如肺炎球菌,边界不明显的称为粘液层( slime layer),如葡 萄球菌。荚膜对细菌的生存具有重要意义,细菌不仅可利用荚膜抵御不良环境:保护自身不受白细胞吞噬:而且能有选择地粘附到特定细胞的表 面上,表现出对靶细胞的专一攻击能力。例如,伤寒沙门杄菌能专一性地侵犯肠道淋巴组织。细菌荚膜的纤丝还能把细菌分泌的消化酶贮存起来, 以备攻击靶细胞之用 鞭毛是某些细菌的运动器官,由一种称为鞭毛蛋白( flagellin)的弹性蛋白构成,结构上不同于真核生物的鞭毛。细菌可以通过调整鞭毛旋转的
6 患者的主要症状是失眠，并有 CJD 的症状。 对于蛋白质感染因子引起的疾病，目前尚没有有效的治疗措施。这类蛋白具有很强的抵抗力，对抗生素和消毒剂不敏感，134-138℃持续 1h 的病 牛脑组织匀浆，以及 10%福尔马林固定过的病羊脑组织，仍有感染性。 据报道，自 1996 年以来，共有 106 人得了疯牛病，其中仅有七人还活着。 3 Prokaryotic cells & Archaebacteria 3.1 Classse of Cells mycoplasma 20 世纪 60 年代，H.Ris 提出将细胞分为两大类： 原核细胞（prokaryotic cell）和真核细胞（eukaryotic cell）。 Prokaryotic cell，最基本的特点是： 1)遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状 DNA 构成； 2)细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜。 包括支原体、衣原体、立克次体、细菌、放线菌与蓝藻等多种庞大的家族。 3.2 Mycoplasma, the simplest & smallest cell 支原体是目前发现的最简单、体积最小的原核细胞，也是唯一一种没有细胞壁的原核细胞。 支原体的大小介于细菌与病毒之间，一般直径为 0．1～0．3Pm，能够通过滤菌器，并能独立生活。原体形态多变，有圆形、丝状或梨形，光镜下 难以看清其结构。电镜下观察支原体的细胞膜为三层结构。它有一环状双螺旋 DNA 并且均匀地分布在细胞内，没有类似细菌的核区（拟核），能 指导合成 750 多种蛋白质。电镜下支原体细胞中惟一可见的细胞器是核糖体，每个细胞中约有 800 一 1500 个。支原体感细胞时，多吸附在细胞表 面，或分散在细胞之间。 支原体没有鞭毛，无活动能力，可以通过分裂法繁殖，也有进行出芽增殖的。 支原体是动物细胞培养的大敌，由于支原体寄生在细胞中，所以培养细胞很容易被支原体污染，污染源主要是血清。 －－－－王 支原体（mycoplasma）的大小通常为 0.2~0.3μm，可通过滤菌器。无细胞壁，不能维持固定的形态而呈现多形性。细胞膜中胆固醇含量较多，约 占 36%，这对保持细胞膜的完整性是必需的，凡能作用于胆固醇的物质（如二性霉素 B、皂素等）均可引起支原体膜的破坏而使支原体死亡。 -----------绍兴 3.3 Bacteria & Cyanobacteria 细菌细胞只具有原始形态的核，没有核膜，更没有核仁，结构简单，为了与真核细胞典型的核有所区别，称为核区或类核。细菌细胞 DNA 主要盘 绕在核区，细菌的核区实际主要由一个环状的 DNA 分子组成。由于细菌基因的排列与 DNA 有对应的结构关系，延用了真核细胞的染色体概念，又 习惯地称之谓细菌染色体，然而它比真正的染色体结构简单得多，没有或只有极少的组蛋白与 DNA 结合。正常情况下，一个细菌细胞内只有一个 核区，在细菌处在生长增殖状态时，由于 DNA 的复制次数与细胞分裂次数并不同步，一个细胞内可以同时存在几个 DNA 分子，往往出现几个核区。 由于细菌细胞没有核膜把核与细胞质绝对的分开，DNA 复制、RNA 转录与蛋白质合成的结构装置没有在位置上截然分开，因此基因复制、转录与表 达过程没有严格的时间上的阶段性与位置上的区域性。 ------翟 （一）细胞壁 细胞壁厚度因细菌不同而异，一般为 15-30nm。主要成分是肽聚糖，由 N-乙酰葡糖胺和 N-乙酰胞壁酸构成双糖单元，以β（1-4）糖苷键连接成大 分子。N-乙酰胞壁酸分子上有四肽侧链，相邻聚糖纤维之间的短肽通过肽桥（革兰氏阳性菌）或肽键（革兰氏阴性菌）桥接起来，形成了肽聚糖 片层，像胶合板一样，粘合成多层。 肽聚糖中的多糖链在各物种中都一样，而横向短肽链却有种间差异。革兰氏阳性菌细胞壁厚约 20～80nm，有 15-50 层肽聚糖片层，每层厚 1nm， 含 20-40％的磷壁酸（teichoic acid），有的还具有少量蛋白质。革兰氏阴性菌细胞壁厚约 10nm，仅 2-3 层肽聚糖，其他成分较为复杂，由外向 内依次为脂多糖、细菌外膜和脂蛋白。此外，外膜与细胞之间还有间隙。 肽聚糖是革兰阳性菌细胞壁的主要成分，凡能破坏肽聚糖结构或抑制其合成的物质，都有抑菌或杀菌作用。如溶菌酶是 N-乙酰胞壁酸酶，青霉素 抑制转肽酶的活性，抑制肽桥形成。 细菌细胞壁的功能包括：保持细胞外形；抑制机械和渗透损伤（革兰氏阳性菌的细胞壁能耐受 20kg/cm2 的压力）；介导细胞间相互作用（侵入宿 主）；防止大分子入侵；协助细胞运动和分裂。 脱壁的细胞称为细菌原生质体（bacterial protoplast）或球状体（spheroplast，因脱壁不完全），脱壁后的细菌原生质体，生存和活动能力大 大降低。 （二）细胞膜 是典型的单位膜结构，厚约 8~10nm，外侧紧贴细胞壁，某些革兰氏阴性菌还具有细胞外膜。通常不形成内膜系统，除核糖体外，没有其它类似真 核细胞的细胞器，呼吸和光合作用的电子传递链位于细胞膜上。某些行光合作用的原核生物（蓝细菌和紫细菌），质膜内褶形成结合有色素的内 膜，与捕光反应有关。某些革兰氏阳性细菌质膜内褶形成小管状结构，称为中膜体（mesosome）或间体，中膜体扩大了细胞膜的表面积，提高了 代谢效率，有拟线粒体（Chondroid）之称，此外还可能与 DNA 的复制有关。 （三）细胞质与核质体 细菌和其它原核生物一样，没有核膜，DNA 集中在细胞质中的低电子密度区，称核区或核质体（nuclear body）。细菌一般具有 1-4 个核质体，多 的可达 20 余个。核质体是环状的双链 DNA 分子，所含的遗传信息量可编码 2000～3000 种蛋白质，空间构建十分精简，没有内含子。由于没有核 膜，因此 DNA 的复制、RNA 的转录与蛋白的质合成可同时进行，而不像真核细胞那样这些生化反应在时间和空间上是严格分隔开来的。 每个细菌细胞约含 5000～50000 个核糖体，部分附着在细胞膜内侧，大部分游离于细胞质中。细菌核糖体的沉降系数为 70S，由大亚单位（50S） 与小亚单位（30S）组成，大亚单位含有 23SrRNA，5SrRNA 与 30 多种蛋白质，小亚单位含有 16SrRNA 与 20 多种蛋白质。30S 的小亚单位对四环素 与链霉素很敏感，50S 的大亚单位对红霉素与氯霉素很敏感。 细菌核区 DNA 以外的，可进行自主复制的遗传因子，称为质粒（plasmid）。质粒是裸露的环状双链 DNA 分子，所含遗传信息量为 2~200 个基因， 能进行自我复制，有时能整合到核 DNA 中去。质粒 DNA 在遗传工程研究中很重要，常用作基因重组与基因转移的载体。 胞质颗粒是细胞质中的颗粒，起暂时贮存营养物质的作用，包括多糖、脂类、多磷酸盐等。 （四）其他结构 许多细菌的最外表还覆盖着一层多糖类物质，边界明显的称为荚膜（capsule），如肺炎球菌，边界不明显的称为粘液层（slime layer），如葡 萄球菌。荚膜对细菌的生存具有重要意义，细菌不仅可利用荚膜抵御不良环境；保护自身不受白细胞吞噬；而且能有选择地粘附到特定细胞的表 面上，表现出对靶细胞的专一攻击能力。例如，伤寒沙门杆菌能专一性地侵犯肠道淋巴组织。细菌荚膜的纤丝还能把细菌分泌的消化酶贮存起来， 以备攻击靶细胞之用。 鞭毛是某些细菌的运动器官，由一种称为鞭毛蛋白（flagellin）的弹性蛋白构成，结构上不同于真核生物的鞭毛。细菌可以通过调整鞭毛旋转的
方向(顺和逆时针)来改变运动状态 菌毛是菌体表面极其的蛋白纤细,须用电镜观察。特点是:细、短、直、硬、多,菌毛与细菌运动无关,根据形态、结构和功能,可分为普通菌 毛和性菌毛两类。前者与细菌吸附和侵染宿主有关,后者为中空管子,与传递遗传物质有关 绍兴 蓝藻,又称蓝细菌( cyanobacterium),能进行与高等植物类似的光合作用(以水为电子供体,放出θ2),与光合细菌的光合作用的机制不一样, 因此被认为是最简单的植物。蓝藻没有叶绿体,仅有十分简单的光合作用结构装置。蓝藻细胞遗传信息载体与其它原核细胞一样,是一个环状 分子,但遗传信息量很大,可与高等植物相比。蓝藻细胞的体积比其它原核细胞大得多,直径一般在士10Ⅷm,甚至可达70μ■(颤藻)。蓝藻属 单细胞生物,有些蓝藻经常以丝状的细胞群体存在,如:属蓝藻门念珠藻类的发菜( nostoc commune var. flagelliforme)就是蓝藻的丝状体 绿肥的红萍实际上是一种固氮蓝藻与水生蕨类满江红的共生体 绍兴 3.4 Archaebacteria& The there kingdoms of organisms 是一类很持殊的细菌,多生活在极端的生态环境中。具有原核生物的某些特征,如无核膜及内膜系统:也有真核生物的特征,如以甲硫氨酸起始 蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白:此外还具有既不同于原核细胞也不同于真 核细胞的特征,如:细胞膜中的脂类是不可皂化的:细胞壁不含肽聚糖,有的以蛋白质为主,有的含杂多糖,有的类似于肽聚糖,但都不含胞壁 酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。 极端嗜热菌( thermophiles):能生长在驲o℃以上的高温环境。如斯坦福大学科学家发现的古细菌,最适生长温度为100℃,80℃以下即失活,德 国的斯梯特(K. Stetter)研究组在意大利海底发现的一族古细菌,能生活在110℃以上高温中,最适生长温度为98℃,降至84℃即停止生长 美国的J.A. Baross发现一些从火山口中分离岀的细菌可以生活在250℃的环境中。嗜热菌的营养范围很广,多为异养菌,其中许多能将硫氧化 以取得能量 极端嗜盐菌( extremehalophiles):生活在高盐度环境中,盐度可达25%,如死海和盐湖中 极端嗜酸菌( acidophiles):能生活在p值Ⅰ以下的环境中,往往也是嗜高温菌,生活在火山地区的酸性热水中,能氧化硫,硫酸作为代谢产 物排出体外。 极端嗜碱菌( alkaliphiles):多数生活在盐碱湖或碱湖、碱池中,生活环境p值可达1.5以上,最适p值8~10。 产甲烷菌( methanogens):是严格厌氧的生物,能利用C2使氧化,生成甲烷,同时释放能量。 C02+4H2→CH4+2H20+能量 由于古细菌所栖息的环境和地球发生的早期有相似之处,如:高温、缺氧,而且由于古细菌在结构和代谢上的特殊性,它们可能代表最古老的细 菌。它们保持了古老的形态,很早就和其它细菌分手了。所以人们提出将古细菌从原核生物中分出,成为与原核生物(即真细菌 eubacteria) 真核生物并列的一类 The there kingdoms of organisms 1970年C. Woese根据对16srRN核苷酸顺序的同源性比较,提出将生命划分为三界,即:真细菌( Eubacteria)、真核生物 Eucaryotes、古细 菌( Archaes)。1996年Bult领导的研究小组在 Science上发表了詹氏甲烷球菌( Methanococcus jannaschii)的全基因组序列,进一步证明它 既不是典型的细菌也不是典型的真核生物,而是介于两者之间的生命体,即生命的第三形式 4 Eukaryotic Cells 4. 1 Basic structure system 真核细胞内的结构体系归纳起来可分为三大系统:生物膜体系、遗传信息表达体系、细胞骨架体系 I Biomembrane system 真核生物在进化过程中,细胞体积木断增大,因而出现了细胞内部结构的分化,最主要的特征是以质膜为基础的既独立又相互联系的膜结构系统 这些结构及细胞器包括细胞质膜。核膜、内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体和叶绿体等。 生物膜体系( biomembrane system)的基本作用是为细胞提供保护。质膜将整个细胞的生命活动保护起来,并进行选择性的物质交换:核膜将遗 传物质保护起来,使细胞核的活动更加有效:线粒体和叶绿体的膜将细胞的能量发生同其他的生化反应隔离开来,更好地进行能量转换。 生物膜体系为细胞提供较多的质膜表面,使细胞内部结构区室化。由于大多数酶定位在膜上,大多数生化反应也是在膜表面进行的,膜表面积的 扩大和区室化使这些反应有了相应的隔离,效率更高。 另外,生物膜体系为细胞内的物质运输提供了特殊的运输通道,保证了各种功能蛋白及时准确地到位而又互不干扰。例如溶酶体的酶合成之后不 仅立即被保护起来,而且一直处于监护之下被运送到溶酶体小泡。 2 genetic expression system 遗传信息表达体系( genetic expression system)又称为颗粒纤维结构体系,包括细胞核和核糖体。细胞核中的染色质是纤维结构,由DNA和组 蛋白构成。染色体的一级结构是由核小体组成的串珠结构,其直径为10urn,又称为10纳米纤维。核糖体是由RNA和蛋白质构成的颗粒结构,直 径为15一25urn,由大小两个亚基组成,它是细胞内合成蛋白质的场所 keleto sys 细胞的体积虽小,细胞内却是热闹非凡,各种生化反应瞬息万变,为了保证细胞生命活动的有序进行,细胞必需维持立体结构,这就需要依靠细 胞骨架体系( cytoskeleton system)。细胞骨架是由蛋白质与蛋白质搭建起的骨架网络结构,包括细胞质骨架和细胞核骨架。细胞骨架体系的主 要作用是维持细胞的一定形态,使细胞得以安居乐业。细胞骨架对于细胞内物质运输和细胞器的移动来说又起交通动脉的作用:细胞骨架还将细 胞内基质区域化:此外,细胞骨架还具有帮助细胞移动行走的功能。细胞骨架的主要成分是微管、微丝和中间纤维 王pl9。 4. 2 Eukaryotic cells vs Prokaryotic Cells 4. 2. 1 Their commonness 都具有类似的细胞质膜结构 2.都以DMA作为遗传物质,并使用相同的遗传密码 3.都以一分为二的方式进行细胞分裂 4.具有相同的遗传信息转录和翻译机制,有类似的核糖体结构 5.代谢机制相同(如糖酵解和TCA循环) 6.具有相同的化学能贮能机制,如ATP合成酶(原核位于细胞质膜上,真核位于线粒体膜L) 7.光合作用机制相同(蓝细菌与植物相比较) 8.膜蛋白的合成和插入机制相同 9.都是通过蛋白酶体(蛋白质降解结构)降解蛋白质(古细菌与真核细胞相比较)
7 方向（顺和逆时针）来改变运动状态。 菌毛是菌体表面极其的蛋白纤细，须用电镜观察。特点是：细、短、直、硬、多，菌毛与细菌运动无关，根据形态、结构和功能，可分为普通菌 毛和性菌毛两类。前者与细菌吸附和侵染宿主有关，后者为中空管子，与传递遗传物质有关。－－－－绍兴 蓝藻,又称蓝细菌（cyanobacterium），能进行与高等植物类似的光合作用（以水为电子供体，放出 O２），与光合细菌的光合作用的机制不一样， 因此被认为是最简单的植物。蓝藻没有叶绿体，仅有十分简单的光合作用结构装置。蓝藻细胞遗传信息载体与其它原核细胞一样，是一个环状 DNA 分子，但遗传信息量很大，可与高等植物相比。蓝藻细胞的体积比其它原核细胞大得多，直径一般在士 10um，甚至可达 70μm（颤藻）。蓝藻属 单细胞生物，有些蓝藻经常以丝状的细胞群体存在，如：属蓝藻门念珠藻类的发菜（nostoc commune var.flagtlliforme）就是蓝藻的丝状体； 做绿肥的红萍实际上是一种固氮蓝藻与水生蕨类满江红的共生体。--------绍兴 3.4 Archaebacteria & The there kingdoms of organisms 是一类很持殊的细菌，多生活在极端的生态环境中。具有原核生物的某些特征，如无核膜及内膜系统；也有真核生物的特征，如以甲硫氨酸起始 蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA 聚合酶和真核细胞的相似、DNA 具有内含子并结合组蛋白；此外还具有既不同于原核细胞也不同于真 核细胞的特征，如：细胞膜中的脂类是不可皂化的；细胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白质为主，有的含杂多糖，有的类似于肽聚糖，但都不含胞壁 酸、D 型氨基酸和二氨基庚二酸。 极端嗜热菌（themophiles）：能生长在 90℃以上的高温环境。如斯坦福大学科学家发现的古细菌，最适生长温度为 100℃，80℃以下即失活，德 国的斯梯特（K. Stetter）研究组在意大利海底发现的一族古细菌，能生活在 110℃以上高温中，最适生长温度为 98℃，降至 84℃即停止生长； 美国的 J. A. Baross 发现一些从火山口中分离出的细菌可以生活在 250℃的环境中。嗜热菌的营养范围很广，多为异养菌，其中许多能将硫氧化 以取得能量。 极端嗜盐菌（extremehalophiles）：生活在高盐度环境中，盐度可达 25%，如死海和盐湖中。 极端嗜酸菌（acidophiles）：能生活在 pH 值 1 以下的环境中，往往也是嗜高温菌，生活在火山地区的酸性热水中，能氧化硫，硫酸作为代谢产 物排出体外。 极端嗜碱菌（alkaliphiles）：多数生活在盐碱湖或碱湖、碱池中，生活环境 pH 值可达 11.5 以上，最适 pH 值 8～10。 产甲烷菌（metnanogens）：是严格厌氧的生物，能利用 CO2 使 H2 氧化，生成甲烷，同时释放能量。 CO2＋4H2→CH4＋2H2O＋能量 由于古细菌所栖息的环境和地球发生的早期有相似之处，如：高温、缺氧，而且由于古细菌在结构和代谢上的特殊性，它们可能代表最古老的细 菌。它们保持了古老的形态，很早就和其它细菌分手了。所以人们提出将古细菌从原核生物中分出，成为与原核生物（即真细菌 eubacteria）、 真核生物并列的一类。------绍兴 The there kingdoms of organisms 1970 年 C. Woese 根据对 16SrRNA 核苷酸顺序的同源性比较，提出将生命划分为三界，即：真细菌（Eubacteria）、真核生物 Eucaryotes、古细 菌（Archaes）。1996 年 Bult 领导的研究小组在 Science 上发表了詹氏甲烷球菌（Methanococcus jannaschii）的全基因组序列，进一步证明它 既不是典型的细菌也不是典型的真核生物，而是介于两者之间的生命体，即生命的第三形式。 4 Eukaryotic Cells 4.1 Basic structure system 真核细胞内的结构体系归纳起来可分为三大系统：生物膜体系、遗传信息表达体系、细胞骨架体系。 1 Biomembrane system 真核生物在进化过程中，细胞体积木断增大，因而出现了细胞内部结构的分化，最主要的特征是以质膜为基础的既独立又相互联系的膜结构系统。 这些结构及细胞器包括细胞质膜。核膜、内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体和叶绿体等。 生物膜体系（biomembrane system）的基本作用是为细胞提供保护。质膜将整个细胞的生命活动保护起来，并进行选择性的物质交换；核膜将遗 传物质保护起来，使细胞核的活动更加有效；线粒体和叶绿体的膜将细胞的能量发生同其他的生化反应隔离开来，更好地进行能量转换。 生物膜体系为细胞提供较多的质膜表面，使细胞内部结构区室化。由于大多数酶定位在膜上，大多数生化反应也是在膜表面进行的，膜表面积的 扩大和区室化使这些反应有了相应的隔离，效率更高。 另外，生物膜体系为细胞内的物质运输提供了特殊的运输通道，保证了各种功能蛋白及时准确地到位而又互不干扰。例如溶酶体的酶合成之后不 仅立即被保护起来，而且一直处于监护之下被运送到溶酶体小泡。 2 genetic expression system 遗传信息表达体系（genetic expression system）又称为颗粒纤维结构体系，包括细胞核和核糖体。细胞核中的染色质是纤维结构，由 DNA 和组 蛋白构成。染色体的一级结构是由核小体组成的串珠结构，其直径为 10urn，又称为 10 纳米纤维。核糖体是由 RNA 和蛋白质构成的颗粒结构，直 径为 15 一 25urn，由大小两个亚基组成，它是细胞内合成蛋白质的场所。 3 cytoskeleto system 细胞的体积虽小，细胞内却是热闹非凡，各种生化反应瞬息万变，为了保证细胞生命活动的有序进行，细胞必需维持立体结构，这就需要依靠细 胞骨架体系 （cytoskeleto system）。细胞骨架是由蛋白质与蛋白质搭建起的骨架网络结构，包括细胞质骨架和细胞核骨架。细胞骨架体系的主 要作用是维持细胞的一定形态，使细胞得以安居乐业。细胞骨架对于细胞内物质运输和细胞器的移动来说又起交通动脉的作用；细胞骨架还将细 胞内基质区域化；此外，细胞骨架还具有帮助细胞移动行走的功能。细胞骨架的主要成分是微管、微丝和中间纤维。 ----王 p19。 4.2 Eukaryotic cells VS Prokaryotic Cells 4.2.1 Their commonness 1.都具有类似的细胞质膜结构； 2.都以 DNA 作为遗传物质，并使用相同的遗传密码； 3.都以一分为二的方式进行细胞分裂； 4.具有相同的遗传信息转录和翻译机制，有类似的核糖体结构； 5.代谢机制相同（如糖酵解和 TCA 循环）； 6.具有相同的化学能贮能机制，如 ATP 合成酶（原核位于细胞质膜上，真核位于线粒体膜 L）； 7.光合作用机制相同（蓝细菌与植物相比较）； 8.膜蛋白的合成和插入机制相同； 9.都是通过蛋白酶体（蛋白质降解结构）降解蛋白质（古细菌与真核细胞相比较）
4. 2.2 Their difference 原核细胞 核细胞 小 10~100um 细胞核 无核膜 有双层的核膜 形状环状DNA分子 我性DNA分子 染色体数目一个基因连锁群 2个以上基因连锁群 组成DNA裸露或结合少量蛋白质 DNA同组蛋白和非组蛋白结合 NA序列 无或很少有重复序列 有重复序列 基因表达 RNA和蛋白质在同一区间合成 RNA在核中合成和加工:蛋白质在细胞质中合成 胞分裂 分或出芽 有丝分裂和减数分裂,少数出芽生殖 内膜 无独立的内膜 有,分化成各种细胞器 鞭毛蛋白 微管蛋白 合与呼吸酶分质膜 线粒体和叶绿体 70s(50s+30S) 80s(60s+40S) 营养方式 吸收,有的行光合作用 吸收,光合作用,内吞 细胞壁 肽聚糖、蛋白质、脂多糖、脂蛋白纤维素(植物细胞) 真核细胞与原核细胞最根本的区别可以归纳为两条:第一是细胞膜系统的分化与演变。真核细胞以膜系统的分化为基础,首先分化为两个独立的 部分—一核与质,细胞质内又以膜系统为基础分隔为结构更精细,功能更专一的单位一一各种重要的细胞器。细胞内部结构与职能的分工是真核 细胞区别于原核细胞的重要标志。第二是遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化。这与第一点相互密切联系,由于真核细胞结构与功能的复杂化, 遗传信息量相应随之扩增,即编码结枃蛋白质与功能蛋白质的基因数首先大大増多。遗传信息重复序列与染色体多信性的岀现是真核细胞区别于 原核细胞的另一重大标志。遗传信息的复制、转录与翻译的装置和程序也相应复杂化,真核细胞内遗传信息的转录与翻译有严格的阶段性与区域 性,而在原核细胞内转录与翻译可同时进行,这也是两者区别的重要特征 4.3 Plant cells ys animal cells 1动物细胞 植物细胞 细胞壁 圆球体 乙醛酸循环体 通讯连接方式。[间隙连接 胞间连丝 中心体 胞质分裂方式收缩环
8 4.2.2 Their difference 区别 原核细胞 真核细胞 大小 1~10μm 10~100μm 细胞核 无核膜 有双层的核膜 染色体 形状 环状 DNA 分子 线性 DNA 分子 数目 一个基因连锁群 2 个以上基因连锁群 组成 DNA 裸露或结合少量蛋白质 DNA 同组蛋白和非组蛋白结合 DNA 序列 无或很少有重复序列 有重复序列 基因表达 RNA 和蛋白质在同一区间合成 RNA 在核中合成和加工；蛋白质在细胞质中合成 细胞分裂 二分或出芽 有丝分裂和减数分裂，少数出芽生殖。 内膜 无独立的内膜 有，分化成各种细胞器 鞭毛构成 鞭毛蛋白 微管蛋白 光合与呼吸酶分布 质膜 线粒体和叶绿体 核糖体 70S（50S+30S） 80S（60S+40S） 营养方式 吸收，有的行光合作用 吸收，光合作用，内吞 细胞壁 肽聚糖、蛋白质、脂多糖、脂蛋白 纤维素（植物细胞） 真核细胞与原核细胞最根本的区别可以归纳为两条：第一是细胞膜系统的分化与演变。真核细胞以膜系统的分化为基础，首先分化为两个独立的 部分——核与质，细胞质内又以膜系统为基础分隔为结构更精细，功能更专一的单位——各种重要的细胞器。细胞内部结构与职能的分工是真核 细胞区别于原核细胞的重要标志。第二是遗传信息量与遗传装置的扩增与复杂化。这与第一点相互密切联系，由于真核细胞结构与功能的复杂化， 遗传信息量相应随之扩增，即编码结构蛋白质与功能蛋白质的基因数首先大大增多。遗传信息重复序列与染色体多信性的出现是真核细胞区别于 原核细胞的另一重大标志。遗传信息的复制、转录与翻译的装置和程序也相应复杂化，真核细胞内遗传信息的转录与翻译有严格的阶段性与区域 性，而在原核细胞内转录与翻译可同时进行，这也是两者区别的重要特征。 4.3 Plant Cells VS Animal Cells 细胞器 动物细胞 植物细胞 细胞壁 无 有 叶绿体 无 有 液泡 无 有 溶酶体 有 无 圆球体 无 有 乙醛酸循环体 无 有 通讯连接方式 间隙连接 胞间连丝 中心体 有 无 胞质分裂方式 收缩环 细胞板
构成动物与植物机体的细胞均有基本相同的结构体系与功能体系。很多重要的细胞器与细胞结构,如细胞膜、核膜、染色质、核仁、线粒体、高 尔基体、内质网与核糖体、微管与微丝等等,在不同细胞中不仅其形态结构与成分相同,功能也一样。近年在植物细胞内也发现了类似动物细胞 的中等纤维与溶酶体的结构,植物细胞的圆球体与糊粉粒具有类似溶酶体的功能 植物细胞却有一些特有的细胞结构与细胞器是动物细胞所没有的,如细胞壁、液泡与叶绿体吸其它质体。植物细胞在有丝分裂以后,普遍有一个 体积增大与成熟的过程,这一点比动物细胞表现明显。在这一过程中,细胞的结构要经历一个发育的阶段,如细胞壁的初生壁与次生壁的形成 液泡的形成与增大,有色体的发育等。下面我们简单介绍一下植物细胞所特有的细胞器 (1)细胞壁细胞壁是在细胞分裂过程中形成的,先在分裂细胞之间形成胞间层,主要成分是果胶质,再在胞间层之间形成有弹性的初生壁(1~ 3μm),有些细胞还形成坚硬的次生壁(5~10μm),细胞壁的主要成分是纤维素,还有果胶质、半纤维素与木质素等。植物细胞壁产生了地球 上最多的天然聚合物:木材、纸与布的纤维。细胞壁的某些部位有间隙,原生质可以由此沟通,形成胞间连丝 (2)液泡液泡是植物细胞的代谢库,起调节细胞内环境的作用。它是由脂蛋白膜包围的封闭系统,内部是水溶液,溶有盐、糖与色素等物质, 溶液的浓度可以达到很高的程度。液泡是随着细胞的生长,由小液泡合并与增大而成为大液泡。液泡的另一功能可能具有压力渗透计( osmometer) 的作用,使细胞保持膨胀的状态。 (3)叶绿体叶绿体是植物细胞内最重要与最普遍的质体,它是进行光合作用的细胞器.叶绿体利用其叶绿素将光能转变为化学能,把02与水 转变为糖。叶绿体是世界上成本最低,创造物质财富最多的“生物工厂”。 4. 4 The sizes of cells 胞的体积很小,通常需要借助显微镜才能看见。因此必须用微观的度量单位来测量细胞的大小。常用的细胞和生物大分子的度量单位有微米(μ m)、纳米(nm)。人们用微米作为光学显微镜下观察细胞结构的测量单位:用纳米作为电子显微镜下观察细胞结构的测量单位:肉眼的分辨率 为0.1毫米,观察对象为器官、系统。光学显微镜的分辨率在100-0.2微米,称微观,观察对象为组织、细胞。电子显微镜的分辨率在2100-1塑 米,称亚微观,观察对象为细胞内部结构。高级电子显微镜和X射线衍射,分辨率小于1纳米,称超微观,观察对象为分子结构。1990年11月 28日中国科学院化学研究所在世界上首次借助其扫描隧道显微镜,直接观察到辫子般的三链状脱氧核糖核酸新结构。这种原子级分辨率的精密 仪器,是化学所等单位于1987年靠自力更生在我国首次硏制成功的。由此获得国家科技进步二等奖。这一发现,不仅说明扫描隧道显微镜在研 生物物质方面具有极大的前途,而且在了解脱氧核糖核酸螺旋结构上找到了一个重大突破口,从而为生物信息、生命起源等问题的研究开辟了 条新途径。 细胞大小悬殊。大多数细胞的直径在10-100微米之间。一般而言,真核细胞大于原核细胞(原核细胞结构简单,没有由膜包围的细胞核,只有 核区、细胞质、细胞膜和细胞壁),高等动物的卵细胞大于体细胞,最小的细胞是支原体,直径只有100纳米。最大的细胞是鸟类的卵细胞,鸡 蛋的整个蛋黄就是一个卵细胞,直径约2-3厘米。驼鸟蛋是最大的鸟蛋,卵黄直径可达5-7厘米,可谓是最大的细胞了。人的卵细胞直径为120 微米,肉眼勉强可见。 细胞的大小和细胞的机能是相适应的。神经细胞体直径一般不过100微米,但伸出的神经纤维却可达1米,这显然和神经的传导功能是一致的。 鸟卵之所以大,是因为细胞中储藏大量营养物质之故。精子很小巧,适于游泳寻找卵子 细胞的大小和多细胞生物个体的大小没有相关性,参天大树和幼小树苗,在细胞大小上并无差别。器官的大小与细胞数量成正比,多细胞生物个 体的体积长大,是由于细胞数目的增多 如果是受精的鸡蛋,产出的时候已经不是 而是一个早期的胚胎(原肠期),具有很多细胞,处于休眠期,条件适宜时,又开始胚胎发 育。如果没有受精的话,卵黄部分就相当 母细胞。 4.4.1 lower limit 个细胞生存与增殖必须具备的结构装置与机能是:细胞膜、遗传信息载体DNA与RMA、进行蛋白质合成的一定数量的核糖体以及催化主要酶促 这些分子进行酶促反应所必须占有的空间直径约为50um,加上核糖体(每个核糖体直径约10~20um),细胞膜与核酸等,我们可以推算出来, 个细胞体积的最小极限直径不可能小于100um,而现在发现的最小支原体细胞的直径已接近这个极限。因此,作为比支原体更小更简单的细胞 要维持细胞生命活动的基本要求,似乎是不可能存在的,所以说支原体是最小最简单的细胞 4.4.2 upper limit 细胞最为典型的特点是在一个极小的体积中形成极为复杂而又高度组织化的结构。典型的原核细胞的直径平均大小在1-10pm之间,而真核细胞 的直径平均为3-30pm,一般为10-20pm。 某些不同来源的同类细胞的大小变化很大,如人的卵细胞的直径只有0.1mm,而鸵鸟的卵细胞的直径则有0.scm。但是,来自不同物种的多数 同类型细胞的体积一般是相近的,不依生物个体的大小而增大或缩小。如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同。因此,器官的 大小主要决定于细胞的数量,与细胞的数量成正比,而与细胞的大小无关。 细胞本身的大小并非是随意改变的,细胞体积要维持相对恒定。哺乳动物细胞的体积大小受几个因素的限制,其中一个主要限制因素是体积与表 面积的关系。以球形细胞为例(身体内的细胞并非都是球形)计算体积与表面积的关系,结果表明,球形细胞增大,其体积的增加要比表面积的 增加大得多。这样,当细胞增大到一定程度时,质膜的表面积就的表声积,从而限制了体积的无限增大 另一个限制细胞体积的因素是细胞内关键分子的浓度。一些重要的分子在细胞球形细胞内的拷贝数是很少的,当细胞体积增大时,这些分子的浓 度就越来越稀,一些重要的生化反应需要一定的分子浓度才能进行,所以细胞内分子浓度就成了限制细胞体积无限增大的另一个因素。真核细胞 的体积一般是原核细胞的1000倍,真核细胞为了解决细胞内重要分子的浓度问题,出现了特化的内膜系统,使一些反应局限于特定的膜结合的 细胞器内,这样,一些重要反应的分子浓度并没有被稀释。 细胞不仅对其体积的增大有限制,而细胞体积与表面积间的关系且对体积减小也有限制。据研究,一个生活细胞要维持正常的独立生活功能,最 限度需要500~1000种不同类型的酶和蛋白质,这是目前在支原体( mycoplasma)中所发现的酶和蛋白质的量。而支原体是目前所知最小的原 核细胞,它的体积只有,仍能完全独立地生存。很显然,细胞体积的最小化受制于维持细胞生命活动所需的酶和蛋白质种类的最低量 王p6 官的大小主要决定于细胞的数量,与细胞的数量成正比,而与细胞的大小无关,这种关系有人称之为“细胞体积的守恒定律” 细胞最大体积的极限与什么因素有关?细胞的体积受什么因素控制?我们认为有3个方面应该指出来 1.细胞的相对表面积与体积的关系 2.细胞的核与质之间有一定的比例关系 3.细胞内物质的交流与细胞体积的关系 由于上述种种因素的影响,细胞作为生命活动的基本单位,其体积必然要适应其代谢活动的要求,应有一定的限度,因此数百微米直径的细胞应 被认为是上限了。 4. 5 The relationship between cells' form and its function
9 构成动物与植物机体的细胞均有基本相同的结构体系与功能体系。很多重要的细胞器与细胞结构，如细胞膜、核膜、染色质、核仁、线粒体、高 尔基体、内质网与核糖体、微管与微丝等等，在不同细胞中不仅其形态结构与成分相同，功能也一样。近年在植物细胞内也发现了类似动物细胞 的中等纤维与溶酶体的结构，植物细胞的圆球体与糊粉粒具有类似溶酶体的功能。 植物细胞却有一些特有的细胞结构与细胞器是动物细胞所没有的，如细胞壁、液泡与叶绿体吸其它质体。植物细胞在有丝分裂以后，普遍有一个 体积增大与成熟的过程，这一点比动物细胞表现明显。在这一过程中，细胞的结构要经历一个发育的阶段，如细胞壁的初生壁与次生壁的形成， 液泡的形成与增大，有色体的发育等。下面我们简单介绍一下植物细胞所特有的细胞器。 （1）细胞壁 细胞壁是在细胞分裂过程中形成的，先在分裂细胞之间形成胞间层，主要成分是果胶质，再在胞间层之间形成有弹性的初生壁（l～ 3μm），有些细胞还形成坚硬的次生壁（5～10μm），细胞壁的主要成分是纤维素，还有果胶质、半纤维素与木质素等。植物细胞壁产生了地球 上最多的天然聚合物：木材、纸与布的纤维。细胞壁的某些部位有间隙，原生质可以由此沟通，形成胞间连丝。 （2）液泡 液泡是植物细胞的代谢库，起调节细胞内环境的作用。它是由脂蛋白膜包围的封闭系统，内部是水溶液，溶有盐、糖与色素等物质， 溶液的浓度可以达到很高的程度。液泡是随着细胞的生长，由小液泡合并与增大而成为大液泡。液泡的另一功能可能具有压力渗透计（osmometer） 的作用，使细胞保持膨胀的状态。 （3）叶绿体 叶绿体是植物细胞内最重要与最普遍的质体，它是进行光合作用的细胞器。叶绿体利用其叶绿素将光能转变为化学能，把 CO2 与水 转变为糖。叶绿体是世界上成本最低，创造物质财富最多的“生物工厂”。 4.4 The sizes of Cells 胞的体积很小，通常需要借助显微镜才能看见。因此必须用微观的度量单位来测量细胞的大小。常用的细胞和生物大分子的度量单位有微米（μ m）、纳米（nm）。人们用微米作为光学显微镜下观察细胞结构的测量单位；用纳米作为电子显微镜下观察细胞结构的测量单位；肉眼的分辨率 为 0.1 毫米,观察对象为器官、系统。光学显微镜的分辨率在 100―0.2 微米,称微观,观察对象为组织、细胞。电子显微镜的分辨率在 2100―1 纳 米，称亚微观，观察对象为细胞内部结构。高级电子显微镜和 X 射线衍射，分辨率小于 1 纳米，称超微观，观察对象为分子结构。1990 年 11 月 28 日中国科学院化学研究所在世界上首次借助其扫描隧道显微镜，直接观察到辫子般的三链状脱氧核糖核酸新结构。这种原子级分辨率的精密 仪器，是化学所等单位于 1987 年靠自力更生在我国首次研制成功的。由此获得国家科技进步二等奖。这一发现，不仅说明扫描隧道显微镜在研 究生物物质方面具有极大的前途，而且在了解脱氧核糖核酸螺旋结构上找到了一个重大突破口，从而为生物信息、生命起源等问题的研究开辟了 一条新途径。 细胞大小悬殊。大多数细胞的直径在 10-100 微米之间。一般而言，真核细胞大于原核细胞（原核细胞结构简单，没有由膜包围的细胞核，只有 核区、细胞质、细胞膜和细胞壁），高等动物的卵细胞大于体细胞，最小的细胞是支原体，直径只有 100 纳米。最大的细胞是鸟类的卵细胞，鸡 蛋的整个蛋黄就是一个卵细胞，直径约 2-3 厘米。驼鸟蛋是最大的鸟蛋，卵黄直径可达 5-7 厘米，可谓是最大的细胞了。人的卵细胞直径为 120 微米，肉眼勉强可见。 细胞的大小和细胞的机能是相适应的。神经细胞体直径一般不过 100 微米，但伸出的神经纤维却可达 1 米，这显然和神经的传导功能是一致的。 鸟卵之所以大，是因为细胞中储藏大量营养物质之故。精子很小巧，适于游泳寻找卵子。 细胞的大小和多细胞生物个体的大小没有相关性，参天大树和幼小树苗，在细胞大小上并无差别。器官的大小与细胞数量成正比，多细胞生物个 体的体积长大，是由于细胞数目的增多。 如果是受精的鸡蛋，产出的时候已经不是一个细胞，而是一个早期的胚胎（原肠期），具有很多细胞，处于休眠期，条件适宜时，又开始胚胎发 育。如果没有受精的话，卵黄部分就相当于一个卵母细胞。 4.4.1 lower limit 一个细胞生存与增殖必须具备的结构装置与机能是：细胞膜、遗传信息载体 DNA 与 RNA、进行蛋白质合成的一定数量的核糖体以及催化主要酶促 反应所需要的酶，这些在支原体细胞内已基本具备。从保证一个细胞生命活动运转所必须的条件看，有人估计完成细胞功能至少需要 100 种酶， 这些分子进行酶促反应所必须占有的空间直径约为 50um，加上核糖体（每个核糖体直径约 10～20um），细胞膜与核酸等，我们可以推算出来， 一个细胞体积的最小极限直径不可能小于 100um，而现在发现的最小支原体细胞的直径已接近这个极限。因此，作为比支原体更小更简单的细胞， 又要维持细胞生命活动的基本要求，似乎是不可能存在的，所以说支原体是最小最简单的细胞。 4.4.2 upper limit 细胞最为典型的特点是在一个极小的体积中形成极为复杂而又高度组织化的结构。典型的原核细胞的直径平均大小在 1－10pm 之间，而真核细胞 的直径平均为 3 一 30pm，一般为 10 一 20pm。 某些不同来源的同类细胞的大小变化很大，如人的卵细胞的直径只有 0．lmm，而鸵鸟的卵细胞的直径则有 0．scm。但是，来自不同物种的多数 同类型细胞的体积一般是相近的，不依生物个体的大小而增大或缩小。如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同。因此，器官的 大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关。 细胞本身的大小并非是随意改变的，细胞体积要维持相对恒定。哺乳动物细胞的体积大小受几个因素的限制，其中一个主要限制因素是体积与表 面积的关系。以球形细胞为例（身体内的细胞并非都是球形）计算体积与表面积的关系，结果表明，球形细胞增大，其体积的增加要比表面积的 增加大得多。这样，当细胞增大到一定程度时，质膜的表面积就的表声积，从而限制了体积的无限增大。 另一个限制细胞体积的因素是细胞内关键分子的浓度。一些重要的分子在细胞球形细胞内的拷贝数是很少的，当细胞体积增大时，这些分子的浓 度就越来越稀，一些重要的生化反应需要一定的分子浓度才能进行，所以细胞内分子浓度就成了限制细胞体积无限增大的另一个因素。真核细胞 的体积一般是原核细胞的 1000 倍，真核细胞为了解决细胞内重要分子的浓度问题，出现了特化的内膜系统，使一些反应局限于特定的膜结合的 细胞器内，这样，一些重要反应的分子浓度并没有被稀释。 细胞不仅对其体积的增大有限制，而细胞体积与表面积间的关系且对体积减小也有限制。据研究，一个生活细胞要维持正常的独立生活功能，最 低限度需要 500～1000 种不同类型的酶和蛋白质，这是目前在支原体（mycoplasma）中所发现的酶和蛋白质的量。而支原体是目前所知最小的原 核细胞，它的体积只有，仍能完全独立地生存。很显然，细胞体积的最小化受制于维持细胞生命活动所需的酶和蛋白质种类的最低量。 －－－ －王 p6 器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关，这种关系有人称之为“细胞体积的守恒定律”。 细胞最大体积的极限与什么因素有关？细胞的体积受什么因素控制？我们认为有 3 个方面应该指出来： 1．细胞的相对表面积与体积的关系： 2．细胞的核与质之间有一定的比例关系 3．细胞内物质的交流与细胞体积的关系： 由于上述种种因素的影响，细胞作为生命活动的基本单位，其体积必然要适应其代谢活动的要求，应有一定的限度，因此数百微米直径的细胞应 被认为是上限了。 4.5 The relationship between cells’ form and its function
由于结构、功能和所处的环境不同,各类细胞形态千差万别,有圆形、椭圆形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形,甚至不定形。 原核细胞的形状常与细胞外沉积物(如细胞壁〕有关,如细菌细胞呈棒形,球形,弧形、螺旋形等不同形状。单细胞的动物或植物形状更复杂 些,如草履虫像鞋底状,眼虫呈梭形且带有长鞭毛,钟形虫呈袋状。 生物的细胞形状与细胞功能和细胞间的相互关系有关。如动物体内具有收缩功能的肌肉细胞呈长条形或长梭形:红细胞为圆盘状,有利于0和 002的气体交换。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。细胞离开了有机体分散存在时,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。 Chapter Il Techniques in Cell Biolog 、教学目的和要求 通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容:细细胞形态结构的观察方法:细胞组分的分析方法:细胞培养与细胞工程技术:分子生物学方 句学生介绍细胞生物学的技术史和思想史,使之认识工具和方法与学科发展的相关性 使学生了解本学科基本的研究方法。 、教材分析: 概述:本章细胞生物学研究方法和技术在传统教学中属“次要”内容,所以教材深度不大,内容单薄,图表有待丰富。随着细胞生物学的发展, 其研究方法和基本技术原理越来越为人们重视,在考研试题中也频繁出现 教学重点:仪器方法的基本原理和基本应用 教学难点:电镜制样及分子生物学方法 三、教学设想 教材处理:针对其薄弱的环节增加相应内容,如对各仪器、实验方法的原理:在CA课件中加入大量的照片、示意图以助学生学习。 教学方法:主要采用讲授法和讨论法 教具:CAI课件 四、教学内容:(4学时) 1 Light Microscope& Electron Microscope 1.1 Light Microscope 普通光学显微镜 1.构成:普通生物显微镜由3部分构成,即:①照明系统,包括光源和聚光器:②光学放大系统,由物镜和目镜组成,是显微镜的主体,为了 消除球差和色差,目镜和物镜都由复杂的透镜组构成:③机械装置,用于固定材料和观察方便 比较高级的显微镜上都设有傾斜式的双目镜筒。在物镜转换器上方装有四个棱镜,使经过物镜的光线平分为两路到达目镜,故双筒显微镜 binocular microscope)的亮度要比单筒者为暗。双筒显微镜的优点为同时用两眼观察,有较强的立体感 2.原理:经物镜形成倒立实像,经目镜进一步放大成像 3.分辨率 Resolution:区分两质点间最小距离的能力。显微镜物象是否清楚不仅决定于放大倍数,还与显微镜的分辨力( resolution)有关, 分辨力是指显微镜(或人的眼睛距目标25cm处)能分辨物体最小间隔的能力,分辨力的大小决定于光的波长和镜口率以及介质的折射率,用公 式表示为 =0.61A/N.A.N =n sin a/2 式中:n=介质折射率:a=镜口角(标本对物镜镜口的张角),N.A.=镜口率( numeric aperture)。镜口角总是要小于180°,所以sina/2的最 大值必然小于1 讨论: Magnification versus Resolution分辨极限与放大率 般地说,一定波长的射线不能用以探查比它本身波长短得多的结构细节,这是一切显微镜的一个基本限度。因此,光学显微镜的最高分辨极限 ( limit resolution)受可见光的波长(0.4-0.7μm)的限制。细菌和线粒体约0.5μm大小,是光学显微镜能够清晰可见的最小物体:比这更 小的细节,由于光的衍射效应而不能分辨。通常将光镜下所见物体的结构称为显微结构( microscopic structure),如线粒体、中心体、核仁 等可以在光镜下观察,均属于显微结构 光并非是完全直线前进的,光波以各种稍微不同的路程通过一个光学系统,以致互相干涉产生光衍射效应。例如,用同一波长的光照射一条直边, 其放大影像是一组平行线,如照射一个小圆孔,其放大影像是一组同心圆的线。同样原理,通过显微镜观察一个点,就像一个模糊的圆盘,相邻 两点的像则重叠而分辨木开。对可见光来说,能清楚地分辨出相邻两点之间的最小间隔是0.2μm,称之为分辨极限。无论怎样改善透镜,也不 可能克服光波本身所造成的这种限制,尽管可以将图像放大,例如投影到屏幕上,但也不可能在光镜下看清楚比0.2μm更细微的物体 最终成像的大小与原物体大小的比值称为放大率( magnification)。总放大率二物镜放大率X目镜放大率,放大率同样受分辨极限的限制 般来说,光学显微镜的最大放大率只能是透镜的数值孔径的1000倍。由于透镜的数值孔径的范围是1.0~1.4,所以光学显微镜在用空气作介质 时最大放大倍数为1000倍,用油镜则为1400倍 讨论:显微镜的分辨率能否无限提高?如何提高光学显微镜的分辨能力 辨率表示的是能够区别两个点间最近距离的能力,所以广值越小,分辨率越高。从分辨率的表达式来看,NA越大,分辨率越高,或者波长越 短,分辨率越高。 当以可见光作光源,玻璃透镜的最大分辨率是多少呢?应从以下几个方面来考虑这一问题。首先应如何尽可能地缩短波长。可见光的波长范围是 400~700urn,而可见光中的蓝色光的波长最短,为450urn,所以光镜使用时应滤去其他杂色光。第二是使NA的数值尽可能大,因为最好的玻 璃透镜的镜口角是700,所以sina的最大值为0.94,空气的折光率(n)为1,因此玻璃透镜的最大数值孔径为0.94。这样,我们可以计算光 的最大分辨率了:假定用最好的玻璃透镜,角孔径为70”,用最短的可见光一—蓝色光的波长为450urn,用空气作为光的折射介质,则最大 辨率为r=0.61×λ/NA=0.61×450/0.94=292urn。0.3μm。 光镜中的油镜可用油作为光折射的介质,由于油的折光率为1.5,所以用油镜时,分辨率r=0.61λ/NA=0.61×450/1=5×0.94=196 在光学显微镜中,用紫外光作光源可使分辨率提高到0.1pm。紫外光的波长较短,约为200~300urn。但是,紫外光是肉眼不可见的,必须通过 照相。另外,用紫外光源时需用石英透镜,价格较高 荧光显微镜 Fluorescence microscope 特点 男茶外光长技知,分力品上
10 由于结构、功能和所处的环境不同，各类细胞形态千差万别，有圆形、椭圆形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形，甚至不定形。 原核细胞的形状常与细胞外沉积物（如细胞壁）有关，如细菌细胞呈棒形，球形，弧形、螺旋形等不同形状。单细胞的动物或植物形状更复杂一 些，如草履虫像鞋底状，眼虫呈梭形且带有长鞭毛，钟形虫呈袋状。 生物的细胞形状与细胞功能和细胞间的相互关系有关。如动物体内具有收缩功能的肌肉细胞呈长条形或长梭形；红细胞为圆盘状，有利于 O2 和 CO2 的气体交换。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。细胞离开了有机体分散存在时，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。 Chapter Ⅲ Techniques in Cell Biology 一、教学目的和要求： 通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细细胞形态结构的观察方法；细胞组分的分析方法；细胞培养与细胞工程技术；分子生物学方 法。 向学生介绍细胞生物学的技术史和思想史，使之认识工具和方法与学科发展的相关性。 使学生了解本学科基本的研究方法。 二、教材分析： 概述：本章细胞生物学研究方法和技术在传统教学中属“次要”内容，所以教材深度不大，内容单薄，图表有待丰富。随着细胞生物学的发展， 其研究方法和基本技术原理越来越为人们重视，在考研试题中也频繁出现。 教学重点：仪器方法的基本原理和基本应用。 教学难点：电镜制样及分子生物学方法。 三、教学设想： 教材处理：针对其薄弱的环节增加相应内容，如对各仪器、实验方法的原理；在 CAI 课件中加入大量的照片、示意图以助学生学习。 教学方法：主要采用讲授法和讨论法。 教具：CAI 课件 四、教学内容：（4 学时） 1 Light Microscope & Electron Microscope 1.1 Light Microscope （一） 普通光学显微镜 1. 构成：普通生物显微镜由 3 部分构成，即：①照明系统，包括光源和聚光器；②光学放大系统，由物镜和目镜组成，是显微镜的主体，为了 消除球差和色差，目镜和物镜都由复杂的透镜组构成；③机械装置，用于固定材料和观察方便。 比较高级的显微镜上都设有倾斜式的双目镜筒。在物镜转换器上方装有四个棱镜，使经过物镜的光线平分为两路到达目镜，故双筒显微镜 （ binocular microscope）的亮度要比单筒者为暗。双筒显微镜的优点为同时用两眼观察，有较强的立体感。 2. 原理：经物镜形成倒立实像，经目镜进一步放大成像 3. 分辨率 Resolution：区分两质点间最小距离的能力。显微镜物象是否清楚不仅决定于放大倍数，还与显微镜的分辨力（resolution）有关， 分辨力是指显微镜（或人的眼睛距目标 25cm 处）能分辨物体最小间隔的能力，分辨力的大小决定于光的波长和镜口率以及介质的折射率，用公 式表示为： R=0.61λ /N．A． N．A．＝ｎsinα/2 式中：n=介质折射率；α=镜口角（标本对物镜镜口的张角），N.A.=镜口率（numeric aperture）。镜口角总是要小于 180˚，所以 sina/2 的最 大值必然小于 1。 讨论：Magnification versus Resolution 分辨极限与放大率 一般地说，一定波长的射线不能用以探查比它本身波长短得多的结构细节，这是一切显微镜的一个基本限度。因此，光学显微镜的最高分辨极限 （limit resolution）受可见光的波长（0.4－0.7μm）的限制。细菌和线粒体约 0.5μm 大小，是光学显微镜能够清晰可见的最小物体；比这更 小的细节，由于光的衍射效应而不能分辨。通常将光镜下所见物体的结构称为显微结构（microscopic structure），如线粒体、中心体、核仁 等可以在光镜下观察，均属于显微结构。 光并非是完全直线前进的，光波以各种稍微不同的路程通过一个光学系统，以致互相干涉产生光衍射效应。例如，用同一波长的光照射一条直边， 其放大影像是一组平行线，如照射一个小圆孔，其放大影像是一组同心圆的线。同样原理，通过显微镜观察一个点，就像一个模糊的圆盘，相邻 两点的像则重叠而分辨木开。对可见光来说，能清楚地分辨出相邻两点之间的最小间隔是 0.2μm，称之为分辨极限。无论怎样改善透镜，也不 可能克服光波本身所造成的这种限制，尽管可以将图像放大，例如投影到屏幕上，但也不可能在光镜下看清楚比 0.2μm 更细微的物体。 最终成像的大小与原物体大小的比值称为放大率（magnification）。总放大率二物镜放大率 X 目镜放大率，放大率同样受分辨极限的限制。一 般来说，光学显微镜的最大放大率只能是透镜的数值孔径的 1000 倍。由于透镜的数值孔径的范围是 1.0～1.4，所以光学显微镜在用空气作介质 时最大放大倍数为 1000 倍，用油镜则为 1400 倍。 讨论：显微镜的分辨率能否无限提高？如何提高光学显微镜的分辨能力？ 分辨率表示的是能够区别两个点间最近距离的能力，所以广值越小，分辨率越高。从分辨率的表达式来看，NA 越大，分辨率越高，或者波长越 短，分辨率越高。 当以可见光作光源，玻璃透镜的最大分辨率是多少呢？应从以下几个方面来考虑这一问题。首先应如何尽可能地缩短波长。可见光的波长范围是 400～700urn，而可见光中的蓝色光的波长最短，为 450urn，所以光镜使用时应滤去其他杂色光。第二是使 NA 的数值尽可能大，因为最好的玻 璃透镜的镜口角是 70o，所以 sina 的最大值为 0．94，空气的折光率（n）为 1，因此玻璃透镜的最大数值孔径为 0．94。这样，我们可以计算光 镜的最大分辨率了：假定用最好的玻璃透镜，角孔径为 70”，用最短的可见光——蓝色光的波长为 450urn，用空气作为光的折射介质，则最大 分辨率为 r＝ 0．61×λ／NA＝ 0．61× 450／0．94＝ 292urn。0．3μm 。 光镜中的油镜可用油作为光折射的介质，由于油的折光率为 1．5，所以用油镜时，分辨率 r＝ 0．61λ／NA＝0．61× 450／1＝5 × 0．94＝ 196 μrn＝0.2μm。 在光学显微镜中，用紫外光作光源可使分辨率提高到 0．lpm。紫外光的波长较短，约为 200～300urn。但是，紫外光是肉眼不可见的，必须通过 照相。另外，用紫外光源时需用石英透镜，价格较高。 －－－－王 p33 （二）、荧光显微镜 Fluorescence microscope 特点： • 照明方式通常为落射式，即光源通过物镜投射于样品上 ； •光源为紫外光，波长较短，分辨力高于普通显微镜；