医学细胞生物学(第8版)

**篇 概论 细胞生物学是从细胞的整体、显微、亚显微、分子和量子等各级水平上研究细胞的结构、功能及生命活动规律的学科，而医学细胞生物学则是研究与医学理论及实践紧密联系的细胞生命活动。细胞生物学是生命科学中的前沿学科之一，在其发展过程中，对整个生命科学起了巨大的推动作用。 一切生物体都是以细胞作为基本组成单位，细胞是生命活动的基本单位。 细胞有其共性，所有细胞都有相似的化学组成，有由磷脂-蛋白质构成的生物膜体系，有由DNA-RNA构成的遗传信息表达体系，有特有的细胞分裂方式。 细胞生物学的发展在很大程度上依赖于研究技术的进步与仪器设备水平的提高。当前细胞生物学的新成就，与物理学、化学和数学的新理论、新方法及新技术在细胞生物学领域中的应用密不可分。细胞生物学的研究方法很多。 本篇将对细胞生物学、医学细胞生物学的概念、研究内容，细胞的基本概念、细胞结构功能及分子组成、研究方法做详细介绍。 **章 医学细胞生物学概述 自然界生物千姿百态，有动物、植物、微生物。无论是体积微小的细菌、支原体，还是参天大树；无论是海里的鲸鱼，还是陆地的大象，它们都是由细胞（cell ）构成的。恩格斯曾经说过：“在整个有机界里，代谢、生长发育、繁殖、遗传、变异、应激性和对环所看到的*简单的类型，是细胞，它确实是高级有机境的适应性等各种生命现象，都是依靠细胞来表现和体的基础。”细胞既是生物体的结构单位，又是功能完成。有机体有了细胞才有完整的生命活动。 **节 细胞生物学的概念及研究内容 一、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科 细胞是1665年英国科学家R.Hooke用自制的显微镜发现的。自从细胞被发现以来，随着科学技术的发展，研究手段的进步，特别是分子生物学方法、技术的建立、渗透，对细胞的研究不断发生变化，从传统的细胞学逐渐发展成为细胞生物学（cell biology）。随着各学科交叉融合，细胞生物学在细胞学与分子细胞生物学基础上发展成为当今生命科学中的核心学科、前沿学科。 细胞生物学是以细胞为研究对象，应用近代物理学、化学、实验生物学及分子生物学的技术和方法，从细胞整体水平、亚细胞水平和分子水平3个层次来研究细胞的结构、功能及其生命活动的本质和规律的科学。 医学是以人体为研究对象，主要研究疾病的发生、发展、转归的规律，从而对疾病进行预防、诊断、治疗，以促进人体健康的学科。而医学细胞生物学（medical cell biology）是研究细胞各种结构、功能、细胞生命现象及其与疾病的发生、发展的关系，应用这些知识为疾病的预防、诊断、治疗及药物的开发提供理论基础和服务的学科。因此，医学细胞生物学是医学与细胞生物学交叉、融合的学科，是医学的理论基础。对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、征服疾病的关键。早在1925年，生物学大师Wilson就提出：一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找。疾病的关键问题也要在小小的细胞中去寻找。 从生命结构层次来看，细胞生物学是介于分子生物学和个体生物学之间的学科，与它们互相衔接、相互渗透，承上启下。细胞生物学广泛地渗透到遗传学、发育生物学、生殖生物学、神经生物学和免疫生物学等学科的研究中，并与医学和生物技术发展有着极其密切的关系。 生命科学的各个分支学科，如动物学、植物学、微生物、遗传学、发育生物学、生理学、生物化学、分子生物学、神经生物学等，均离不开细胞生物学的基础；基因工程、细胞工程、蛋白质工程等生物工程学新技术的产生和发展，也以细胞为对象进行研究和实践；细胞生物学、发育生物学、神经生物学和分子生物学是现代生命科学的新生长点。因此，细胞生物学不仅是当今生命科学中的基础学科，而且还是前沿学科之一。 二、细胞生物学的研究内容 细胞生物学的研究内容包括细胞的结构、功能和细胞的各种生命现象。 （一）细胞结构和功能 1.细胞膜和细胞器的研究 生物膜是细胞结构的重要基础，细胞膜是生物膜的一种。自然界出现细胞膜以后才有了真正意义上的生命体，大部分细胞器是以生物膜为基础建立的。生物膜的研究内容包括膜的分子结构模型、物质的跨膜运输及信号转导机制。细胞器的研究是认识细胞结构和功能的重要组成部分。 2.细胞核、染色质及基因表达的研究 细胞核是真核细胞遗传物质储藏的重要场所，也是遗传信息复制、转录的场所。核糖体亚基的形成及组装是在细胞核内的核仁中进行的，核孔复合体是核质之间物质交换及信息传递的重要门户。染色质与基因的表达调控是细胞核研究的核心内容。 3.细胞骨架体系的研究 细胞骨架是由蛋白质纤维组成的网状结构，包括微管、微丝、中间纤维，其功能是维持细胞形态、运动、物质运输和信息传递。细胞骨架体系的研究重点是相关调节蛋白。 （二）细胞生命现象及其调控研究 细胞的增殖、分化、衰老和死亡、细胞应激等细胞的生命现象及其调控机制是细胞生物学研究的核心内容，只有将这些细胞生命现象及其本质研究清楚了，才能*终揭示生命的本质。 （三）多细胞生物细胞社会的研究 对于多细胞生物，细胞与细胞外环境之间通过密切联系形成一个细胞社会，构成组织、器官才能发挥整体功能。细胞与细胞之间、细胞与微环境之间的相互关系也是细胞生物学研究的重要内容。 （四）干细胞与再生医学及组织工程研究 干细胞与再生医学是近年来兴起的生物医学新领域，是细胞生物学转化医学研究的重要方面。干细胞（stem cell）是一类具有自我复制能力（self-renewing）及多分化潜能、未成熟、未充分分化的细胞，在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞。 干细胞具有再生各种组织器官和人体的潜能，是个体生长发育，维持组织器官的结构和功能动态平衡，机体损伤修复及再生的基础。近年来，干细胞生物学成为生命科学研究*为迅速的领域之一，在细胞治疗、组织器官损伤修复和重建、发育生物学、新药筛选等方面具有重大的理论意义和广阔的应用前景，是再生医学的基础。 再生医学（regenerative medicine）是利用生物学及工程学的理论方法研究组织器官损伤后的修复和再生的学科。再生医学标志着医学将步入重建、再生、“制造”、替代组织器官的新时代，也为人类面临的大多数医学难题带来了新的希望，如心血管疾病、自身免疫性疾病、糖尿病、恶性肿瘤、阿尔茨海默病、帕金森病、先天性遗传缺陷等疾病和各种组织器官损伤等。再生医学的内涵已不断扩大，包括组织工程、细胞和细胞因子治疗、基因治疗和微生态治疗等。 组织工程（tissue engineering）是将细胞生物学和材料工程学相结合，进行体外或体内构建组织或器官的一门新型学科，其为再生医学的一部分。从研究内容看，再生医学覆盖了组织工程，而组织工程是再生医学的具体实施方法之一，是再生医学的外延，拓展了再生医学的广度和深度。干细胞是再生医学的基础和研究热点。干细胞与再生医学领域国际竞争日趋激烈，已成为衡量一个国家生命科学与医学发展水平的重要指标。 三、细胞生物学的分科 细胞生物学的主要分支学科包括以下几种。 细胞形态学（cytomorphology）：研究细胞形态和结构及其在生命过程中变化的学科。 细胞化学（cytochemistry）：研究细胞结构中化学成分（主要是生物大分子成分）的定位、分布及其生理功能的学科。细胞化学用切片或分离细胞成分的方法，对单个细胞或细胞各个部分进行定性和定量的化学分析。 细胞生理学（cytophysiology）：研究细胞的生命活动现象及机制，包括细胞如何从环境中摄取营养，如何经代谢而获得能量；细胞进行生长、分裂或其他功能活动；细胞如何对各种环境因素产生反应，而表现感应性和运动性活动（如神经细胞传导、肌肉细胞收缩、腺细胞分泌）等的学科。近年来着重从分子水平和胶体水平研究细胞生理活动过程的物理化学基础。 细胞遗传学（cytogenetics）：从染色体遗传学说发展起来的一门属于细胞学与遗传学之间的边缘学科。它主要是从细胞学的角度，特别是从染色体的结构和行为及染色体与其他细胞器的关系来研究遗传现象，这对遗传和变异机制的阐明、动物和植物育种理论的建立、人类疾病遗传有关的问题及生物进化学说的发展十分重要，特别对人类染色体病的诊断、治疗和预防具有现实的意义。 细胞生物学的其他分支学科还有细胞生态学（cytoecology）、细胞能力学（cytoenergetics）、细胞动力学（cytodynamics）等。 第二节 细胞生物学的发展历史及趋势 人类**次发现细胞到现在已有三百多年的历史。随着科学技术和实验手段的进步，人们对细胞的认识由浅入深、由表及里，才有了当今细胞生物学的兴起与发展。在细胞生物学发展过程中的一些新成就，对整个生命科学起着巨大的推动作用，其发展大致可划分为如下阶段。 一、细胞学研究的萌芽阶段. 细胞生物学的萌芽和发展离不开显微镜的发明，因为发明了显微镜才发现了细胞，所以，从显微镜（microscope）的发明到19世纪初叶，是细胞的发现、细胞学研究的萌芽阶段。 1590年，荷兰眼镜制造商Z.Janssen兄弟试制成功**台显微镜。半个多世纪以后，英国科学家R.Hooke用自制的显微镜观察了软木及其他植物组织。1665年，他发表了《显微图谱》，其中关于软木的描述是*值得称道的，他将在软木中看到的许多小室称为“细胞”（cell ，原意为小室），实际上他所见到的仅仅是植物死细胞的细胞壁，因为他首先描述了这一结构，所以，细胞一词也就沿用至今。值得一提的是荷兰科学家A.Van Leeuwenhoek（1632～1723年），他于1677年用自制的显微镜观察了池塘中的纤毛虫类、人和哺乳动物的精子及细菌等，后来他又观察到了鲑鱼红细胞及其细胞核。他由于在这一领域的卓越贡献而当选为英国皇家学会会员，并被授予“巴黎科学院通讯院士”的荣誉称号。由一名布店学徒成为一位著名的科学家，他刻苦勤奋的一生，为后人树立了自学成才的光辉榜样。 二、细胞学说的创立阶段 在R.Hooke发现细胞后的近200年中，由于显微技术未得到成功的改进，对细胞的研究没有任何突破性进展。1827年，K.E.V.Bear在蛙卵和几种无脊椎动物的卵中观察到了细胞核。1831年，R.Brown也在兰科和其他几种植物表皮细胞中观察到了细胞核。1835年，E.Dujerdin将根足虫和多孔虫细胞内的黏稠物质称为肉样质（sarcode）。1839年，捷克学者Purkinje首先提出了原生质（protoplasm）的概念。后来被H.Von Mohl应用到植物细胞。虽然当时细胞的一些主要结构都被观察到了，但是，一直没有从理论上加以概括。 德国植物学家M.J.Schleiden（1938）、动物学家T.Schwann（1839）根据前人的研究成果结合自己的工作首次提出了细胞学说（cell theory）。其主要内容是：①系统地论证了细胞是动物、植物有机体的基本结构单位，也是有机体功能的基本单位；②论证了动物、植物各种组织的细胞具有共同的基本结构、基本特性，并按共同规律发育，有共同的生命过程；③论证了细胞也有自己的生长发展过程。细胞学说的建立，明确了动物、植物界的统一。恩格斯对此给予了极高的评价，认为这是19世纪自然科学的三大发现之一。 三、经典细胞学阶段 这一阶段从19世纪中叶到20世纪初叶。这一时期细胞学有了蓬勃的发展。 首先是实验技术的进步。1865年，B.hm首先使用苏木精对细胞进行染色，而Corti（1851）和Hartig（1854）则使用洋红对细胞进行了染色。Oschatz设计出**台切片机。1878年，Ernest Abbe设