用分子生物学的方法 在细胞水平理解生命
细胞结构、功能和相 互作用的分子基础
认识由细胞组成的 整个生物体
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细胞生物学是现代生物学的基础 研究组成细胞的分子
大分子及其作用▬ 由生物化学家研究
分子的功能与作用过程▬ 由细胞生物学家描述
基因调控方式▬ 由分子生物学家和遗传
运动 Movement
动物细胞具有运动能力，即使植物细胞也会运动。
呼吸 Respiration
对环境的反应
动物细胞吸进氧气，呼出CO2。 植物细胞吸进氧气，呼出CO2。植物的光合作用是 消耗CO2，产生氧气 动物细胞对各种外界因素有反应，
Sensitivity to 植物细胞对阳光核重力的反应。 environment
Glycolysis in cytoplasm, krebs cycle and ETC in mitochondria
present
Usually aerobic
Used as hormones and in plasma membrane
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Prokaryotes
原核生物的的两大主要分界– Eubacteria 真细菌 (细菌) Archaebacteria 原始细菌(古细菌)
DNA RNA
RNA分子能携带遗传信息，又具有核酸 酶的功能。 因此RNA分子可能是细胞 起源的主要分子
Protein
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区别细胞与非细胞的三个特点
1. 细胞有酶和其它复杂分子 2. 细胞核内的核酸
(DNA ，RNA) 3. 细胞有生物膜 （Biological membrane）
Usually absent
Usually, involves fusion of haploid gametes
80s(60s + 40s) in cytoplasm (mitochondria & chloroplasts have prokaryotic ribosomes)
Microtubules and microfilamemts
细菌的三大分类 Bacilli 杆菌 Cocci 球菌 Spiral 螺旋菌
Philip Hugenholtz : Exploring prokaryotic diversity in the genomic era, Genome Biol. 2002; 3(2): reviews
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细胞的遗传调控
细胞的遗传调控是分子细胞生物学的基础
每个细胞具有整套遗传信息 不同的细胞具有不同的基因
表达方式
基因是互相作用的 表型是基因与环境共同作用
的结果.
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细胞的三个流动
1) 信息流 2) 能量流 3) 物质流
三个流动密切相关， 互相不能割裂。
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信息流
遗传信息 中心法则 Central dogma
表观遗传信息 染色质为基础的基因 表达调控
染色质重塑 Chromatin remodeling 组蛋白乙酰化 Histone acetylation 组蛋白的甲基化 Histone methylation 组蛋白的磷酸化 Histon phosphorylation DNA甲基化 (CpG methylation)
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细胞理论(1938年)
Schleiden and Schwann 在1838年提出了细 胞理论，主要包括：
细胞是生物体的结构、生理功能和组成的 基本单位。
细胞既是独特的实体又是组成生物体的结 构块料。
细胞来自非细胞物质，其形成方式类似于 结晶体的生成（即自发产生）。
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细菌的形态学多样性
From /plp/courses/plp329/micdivintro.ppt
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原核细胞的结构
Scale Bacteria vs. Eucaryotes
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真核生物
Algae 藻类 Protista 原生生物 Fungi 真菌类 Plantae 植物 Animalia 动物
Single and circular
occasionally
no
haploid
真核细胞
10-100 microns
Sometimes unicellular more often multicellular nuclei, mitochondria, chloroplasts, lysosomes,endoplasmic reticulum, golgi, vacuoles yes
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细胞的体积
借助显微镜才能观测细胞
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1.4. 细胞的多样性
原核生物细胞 ▬ 缺乏细胞核结构 ▬ 缺乏生物膜包围的细胞器
真核生物细胞 ▬ 具有生物膜包围的细胞核 ▬ 具有生物膜包围的细胞器
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原核生物细胞与真核生物细胞的比较
大小 复杂性
膜包的细胞器
叶绿体 Chloroplast
类囊体
类囊体堆叠
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动物细胞的结构
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细胞多态性的基因调控
选择性基因表达 基因表达的不同调控模式
细胞的多样性
细胞的多样性来自生物进化和发育两个方面
进化 发育
基因组差异 同样的基因组， 不同的基因表达谱
不同的 细胞
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？
一个细胞 一种细胞类型
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能量流
—合成代谢 anabolic和 分解代谢 catabolic。 — ATP ADP — 线粒体和叶绿体的能量代谢
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物质流
物质转化
简单分子进入细胞 合成或转化大分子 转化其它大分子
现代细胞理论也提供了认识生命本质的可操作性定义
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1.3.细胞是生命结构与功能的基本单位
各种细胞具有形态学 上可识别的相似性
• 质膜 • 细胞核 • 细胞器
核糖体 线粒体 溶酶体 高尔基器 内质网
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所有生物体都由1个或多个细胞组成 细胞具有生物体的特征
absent
Usually present
Simple, prokaryotic flagella, gliding motion Usually absent
Many divers pathways in various bacteria absent
Aerobic and / or anaerobic
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细胞起源的假设和实验
最早的细胞出现在大约38亿年前 细胞起源于何种环境？ 细胞如何起源？
无机分子
有机分子
氨基酸 前细胞结构
单细胞 多细胞生物
著名的米勒实验
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分子的相互作用随着它们局部浓度的增高而加强， 互作反应产生更大和更复杂的分子。
更大和更复 杂的分子
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数万亿 个细胞, 200余种细胞类型
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选择性基因表达决定了多细胞动物表型的复杂性
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1.7. 现代细胞生物学
是分子细 胞生物学
● 细胞的遗传调控 ● 细胞的三个流动
1) 信息流 2) 物质流 3) 能量流
● 细胞的系统生物学
1) 细胞组学 2) 细胞的基因组学 3) 细胞的蛋白质组学 4) 细胞的表观遗传学 5) 数字细胞（E-cell)
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现代细胞理论
所有的已知生物都由细胞组成 细胞是生命的基本结构与功能单位。 细胞来源于已有细胞的分裂（不是自发产生）。 细胞含有整套遗传信息，并通过分裂传递给子代
细胞。 各种细胞含有基本相同的化学组成。 细胞具有与生命活动有关的能量转化过程（新陈
代谢和生物化学反应）。
Antony van Leeuwenhoek (1632-1723)
“伟大的看门人”
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列文虎克首先完整地描述了细菌的形态， 以及原生动物，精子和横纹肌。还报告了 对微循环中红细胞的观察结果。
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Matthias Jakob, Schleiden (1804-1881)
Theodor Schwann (1810-1882), German physiologist and histologist
生 长 Growth 需要解释吗?
繁殖
细胞产生具有同样遗传特性的子代细胞
Reproduction
代谢
所有细胞都需要摄入食物，排除代谢废物。
Metabolism
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植物细胞
动物细胞与植物细胞的差别
细胞壁 — 细胞核
动物细胞
叶绿体 — 线粒体
液泡 vacuoles
—
囊泡 Vesicles
第一章. 前 言
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内容
1.1. 什么是细胞生物学? 1.2. 细胞理论 1.3. 细胞是生命的基本单位 1.4. 细胞的多样性 1.5. 原核细胞 1.6. 真核细胞 1.7. 现代细胞生物学 1.8. 细胞生物学有关技术 1.9. 培养未来的科学家
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1.1. 什么是细胞生物学?