医学细胞生物学

**章 绪论 　　**节 细胞与细胞生物学人类居住的地球是一个绚丽多彩的世界，万千生命在地球上孕育繁衍、竞争共栖，生生不息。这些千姿百态的生物，小至细菌，大到花草树木、鸟兽鱼虫，包括人类，构成了地球上稳定的生命系统。数以万计的物种，用肉眼观察很难找出它们结构上的共同之处，但在显微镜下，它们的基本结构相同，都由细胞构成。即使是自然界中非细胞形态的生命体—病毒，也必须在细胞中才能表现出生命特征。细胞（cell）是生物体结构和功能的基本单位。生命的物质基础是核酸和蛋白质等生物大分子，这些生物大分子必须被有序构建成细胞组分，并进入一定的功能体系中，才能表现出生命现象。 　　细胞出现于大约35亿年前，是地球生命发展史上一个开天辟地的大事件。从那时起，细胞成为地球上生命的主体。1665年，英国科学家Robert Hooke观察到细胞，至今仅有300多年的历史，300多年与35亿年相比，只是短暂的一瞬。 　　视窗1-1 　　细胞进化的历程 　　细胞的进化历经从分子到原始细胞、从原始细胞到真核细胞及从单细胞生物到多细胞生物三个阶段。据化石资料，在距今35亿年前，地球上*早的细胞已经出现。如果把宇宙进化历程浓缩为一年，那么：1月1日宇宙产生，5月1日银河系产生，9月9日太阳系出现，9月14日地球产生，9月24日原始生命出现，11月12日绿色植物出现，12月26日哺乳动物出现，12月31日22时30分原始人出现，12月31日23时46分北京猿人出现。 　　要认识生物生命活动的规律，必须从“细胞”入手。在光学显微镜水平，研究细胞的化学成分、形态结构及功能的学科称为细胞学（cytology）。随着科学的发展，人们对细胞的研究逐渐深入，已远远超出了光学显微镜可见的形态结构，也不再局限于对细胞功能变化的简单描述。传统的细胞学逐渐发展成为现代的细胞生物学（cell biology）。细胞生物学对细胞的研究，已从细胞的整体和显微水平深入到亚显微和分子水平，将多个层次有机结合，以动态观点考察细胞的结构和功能，探索细胞的基本生命活动，包括细胞的代谢、繁殖、生长、发育、遗传和变异、分化、运动、衰老和死亡等生命现象。 　　细胞生物学已不再孤立地研究某个细胞、细胞器、生物大分子或某个生命活动的现象，而是研究细胞的变化发展过程、细胞之间的相互关系及细胞与环境之间的相互关系。简而言之，细胞生物学是应用现代物理技术、化学技术和分子生物学方法，从细胞整体、显微、亚显微和分子等水平上研究细胞结构、功能及生命活动规律的学科。细胞生物学的研究内容包括质膜、细胞质和细胞核的结构、功能及其相互关系，细胞总体和动态的功能活动（细胞生长、分裂、发育分化、遗传变异等）及这些相互关系和功能活动的分子基础。 　　细胞生物学的兴起与分子生物学的发展密不可分，分子生物学（molecular biology）的研究成果对细胞生物学的发展有重大影响。近60多年来，分子生物学研究领域的重大进展，如DNA双螺旋结构模型的提出、基因序列分析、DNA重组技术和酶分子活性基团的定位等都推动细胞生物学向更深层次迅速发展。细胞生物学介于分子生物学和个体生物学之间，与分子生物学和个体生物学相互衔接、相互渗透。因此，细胞生物学是一门承上启下的学科。细胞生物学与分子生物学一样，都是生命科学的重要支柱和核心学科，也是活跃在21世纪生命科学前沿的具有良好发展前景和辐射力的学科，它们广泛渗透到发育生物学、遗传学、神经生物学和免疫学等研究领域。 　　医学细胞生物学（medical cell biology）是应用细胞生物学的理论和方法，研究人体细胞的形态结构与功能等生命活动规律和人类疾病发生、发展及其防治的学科。因此，本书在介绍细胞生物学基础知识的同时，还将讨论细胞病变与人类疾病发生的关系、疾病发生的细胞生物学基础，应用细胞生物学的方法诊断、治疗疾病的前景等。 　　第二节 细胞生物学的发展 　　科学的发展依赖于研究技术的进步，细胞生物学的形成和发展与显微技术和实验技术的进步密不可分，其发展历程包括5个阶段。 　　一、细胞生物学的萌芽 　　细胞的发现与显微镜的发明是分不开的。1590年，荷兰眼镜制造商Z.Janssen兄弟试制出**台复式显微镜；1665年，英国科学家Robert Hooke制造了**台对科学研究有价值的显微镜，用其观察软木及其他植物组织薄片时，发现了许多蜂窝状的小室，当时将这种小室称为“cell”，“cell”由拉丁文“cellulae”演变而来。实际上，Robert Hooke见到的小室仅仅是植物死细胞纤维质的细胞壁。 　　真正观察到活细胞的是荷兰科学家Leeuwenhoek（图1-1），他相继于1673年和1677年，使用能放大300倍的显微镜，观察到了池塘中的原生动物纤毛虫、细菌，人和哺乳动物的精子；1695年观察到了鲑鱼红细胞及其细胞核。同一时期，意大利的Malpighi与英国的Grew注意到了植物细胞的细胞壁与细胞质的区别。 　　图1-1 细胞的发现者 　　视窗1-2 　　自学成才的光辉典范——Leeuwenhoek 　　Leeuwenhoek（1632—1723）只上过中学，当过布店的学徒工，靠卖布和纽扣为生，直到1671年（39岁）才开始科学研究。他当初磨制透镜的目的是为了检测布匹的质量。他一生亲手磨制了550个透镜，组装了247架显微镜。对他所磨制的至今仍收藏在荷兰乌德勒支博物馆的显微镜检测结果显示，其放大倍数为270倍、分辨率为2.7μm；而根据当初的记录分析判断，他曾使用过的显微镜的放大倍数为500倍、分辨率为1.0μm。这样高的精度，在当时是十分惊人的。 　　在40多年的科学生涯中，他观察了大量动、植物的活细胞，看到了鲑鱼红细胞的细胞核，在牙垢中发现了细菌，并且对一些细胞的大小也进行了测量，他测得的红细胞直径7.2μm、细菌直径3μm，与现代测量的数值十分相近。Leeuwenhoek作为细胞的发现者，当之无愧。鉴于其在生物学上的卓越贡献，Leeuwenhoek于1680年当选为英国皇家学会外籍会员，1699年获得巴黎科学院通讯院士荣誉称号。Leeuwenhoek一生刻苦奋斗，孜孜以求，由一个布店学徒工成长为出类拔萃的学者，为后人树立了自学成才的光辉典范。 　　从显微镜发明到19世纪初的200多年中，由于显微技术未得到根本改进，故细胞的研究没有获得突破性进展，这一时期可以认为是细胞生物学的萌芽阶段。 　　二、细胞学说的建立 　　19世纪初到中叶，德国植物学家M.JSchleiden（1838）和动物学家T.Schwann（1839），根据前人的研究成果，结合自己的工作，总结并提出了著名的细胞学说（cell theory），即一切生物，从单细胞生物到高等动物和植物，都是由细胞组成的；细胞是生物体形态结构和功能活动的基本单位（图1-2）。 　　1855年，德国细胞病理学家R.Virchow提出“一切细胞只能来自原来的细胞”的观点，并把细胞理论应用于病理学研究，以说明“机体的一切病理表现都基于细胞的损伤”，他的这些观点是对细胞学说的重要补充。 　　细胞学说的要点是：①所有生物体都是由细胞组成的，细胞是组成多细胞生物体的基本单位；②细胞是生物体结构与功能的单位；③细胞来源于已经存在的细胞，即由细胞分裂而来。 　　细胞学说阐明了生物界的统一性和共同起源，对生命科学的许多领域的研究和发展起到了积极的推动作用，奠定了现代生物学发展的重要基石。恩格斯高度评价细胞学说，将其与进化论、能量守恒定律共同列为19世纪自然科学的三大发现。 　　三、经典细胞学阶段 　　细胞学说的创立，有力推动了细胞的研究，并逐渐形成了一门新的学科——细胞学。19世纪中叶到20世纪初期，可以认为是经典细胞学阶段。这一时期，细胞学研究的主要成果是提出了原生质学说，发现了受精和细胞分裂现象，应用固定和染色技术在光学显微镜下观察到了细胞中的一些细胞器等。 　　根据原生质学说（1861，Max Schultze；1880，Hanstein），细胞是由质膜（plasma membrane）包围的一团原生质（protoplasm），包括细胞核内的核质（karyoplasm）和核外的细胞质（cytoplasm）。在细胞分裂研究中，先后发现了无丝分裂（amitosis）（1841，Remark）、有丝分裂（mitosis）（1880，W.Flemming）和减数分裂（meiosis）（1883，vanBeneden；1886，E.Strasburger）现象。在细胞质研究方面，随着显微镜分辨率的提高，石蜡切片方法、保存细胞结构的固定液和染色技术的应用，细胞内几种重要细胞器即中心体（centrosome）、线粒体（mitochondria）和高尔基体（Golgibody）等相继被发现，人们对细胞结构的认识达到了新的水平。 　　四、实验细胞学阶段 　　从20世纪初期到中叶，细胞的研究逐渐从形态学观察深入到对细胞化学成分、生理功能及细胞与胚胎发育和遗传关系的研究，研究方法也从单纯使用显微镜发展到采用多种实验手段。因此，这一时期被称为实验细胞学时期。不同实验技术和方法的应用，以及与相邻学科的密切结合、相互渗透，促进了实验细胞学的分支学科相继形成。 　　1902年，Boveri和W.Sutton把染色体的行为同孟德尔的遗传因子联系起来，提出了“染色体遗传理论”；同年，W.Cannon认为遗传因子位于染色体上，并提出“遗传的染色体学说”；1909年，W.Johannsen把遗传因子改称为gene（基因）；1910年，T.Morgan在大量实验工作的基础上，建立了“基因学说”。由此，细胞学和遗传学的结合形成了细胞遗传学（cytogenetics）。 　　1909年，R.Harrison建立了组织培养技术，直接观察和分析细胞的形态和生理活动；1943年，A.Claude应用高速离心法从活细胞中分离出细胞核和多种细胞器，如线粒体、叶绿体和微粒体（内质网的碎片），然后再进一步研究它们的生理功能、化学成分和各种酶在细胞器中的定位等。这样，细胞学与生理学融合形成了细胞生理学（cytophysiology）。 　　1921年，R.Feulgen首创测定细胞核内DNA的Feulgen染色法；1940年，J.Brachet建立了应用甲基绿、派洛宁检测细胞中RNA的Unna染色技术；与此同时，Casperson采用紫外显微分光光度法检测细胞中的DNA含量。这些对细胞内大分子定性、定位及定量的实验研究称为细胞化学（cytochemistry）。 　　实验细胞学的进展极大丰富了细胞学内容，也为细胞生物学的形成奠定了基础。 　　图1-2 细胞学说的建立者 　　五、细胞生物学的形成和发展 　　受分辨率和放大倍数的限制，无法应用光学显微镜对细胞进行更深入的研究。20世纪30年代电子显微镜的诞生及50年代分子生物学的兴起，使细胞的研究深入到亚显微水平和分子水平，是细胞生物学开端的标志。 　　自20世纪50年代开始，人们应用电子显微镜观察到了细胞的各种超微结构，包括质膜、内质网、叶绿体、高尔基体、溶酶体、线粒体、核糖体等；70年代超高压电子显微镜的出现，使人们观察到了细胞质、细胞核中网状分布的细胞骨架；80年代扫描隧道显微镜和原子力显微镜的发明，使细胞的结构研究深入到大分子层次——可研究DNA和蛋白质等生物大分子的立体结构。