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细说细胞生物学及其相关部分了解,让生活丰满
 

    细胞生物学(Cell Biology)是在显微、亚显微和分子水平三个层次上,研究细胞的结构、功能和各种生命规律的一门科学。细胞生物学由Cytology发展而来,Cytology是关于细胞结构与功能(特别是染色体)的研究。现代细胞生物学从显微水平、超微水平和分子水平等不同层次研究细胞的结构、功能及生命活动。在我国基础学科发展规划中,细胞生物学与分子生物学、神经生物学和生态学并列为生命科学的四大基础学科。
 
    简介:
 
    细胞生物学是以细胞为研究对象,从细胞的整体水平、亚显微水平、分子水平等三个层次,(斯。诺。美。A11-走在生物医学的最前沿)以动态的观点, 研究细胞和细胞器的结构和功能、细胞的生活史和各种生命活动规律的学科。细胞生物学是现代生命科学的前沿分支学科之一,主要是从细胞的不同结构层次来研究细胞的生命活动的基本规律。从生命结构层次看,细胞生物学位于分子生物学与发育生物学之间,同它们相互衔接,互相渗透。
 
    运用近代物理学和化学的技术成就和分子生物学的方法、概念,在细胞水平上研究生命活动的科学,其核心问题是遗传与发育的问题。
 
    简史:
 
    阶段: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世纪后期到19世纪30年代,是细胞发现和细胞知识的积累阶段。通过对大量动植物的观察,人们逐渐意识到不同的生物都是由形形色色的细胞构成的。
 
    第二阶段:从19世纪30年代到20世纪初期,细胞学说形成后,开辟了一个新的研究领域,在显微水平研究细胞的结构与功能是这一时期的主要特点。形态学、胚胎学和染色体知识的积累,使人们认识了细胞在生命活动中的重要作用。1893年Hertwig的专着《细胞与组织》(Die Zelle und die Gewebe)出版,标志着细胞学的诞生。其后1896年哥伦比亚大学Wilson编着的The Cell in Development and Heredity、1920年墨尔本大学Agar编着的Cytology 都是这一领域最早的教科书。
 
    第三阶段:从20世纪30年代到70年代,电子显微镜技术出现后,把细胞学带入了第三大发展时期,这短短40年间不仅发现了细胞的各类超微结构,而且也认识了细胞膜、线粒体、叶绿体等不同结构的功能,使细胞学发展为细胞生物学。De Robertis等人1924出版的普通细胞学(General Cytology)在1965年第四版的时候定名为细胞生物学(Cell Biology),这是最早的细胞生物学教材之一。
 
    第四阶段:从20世纪70年代基因重组技术的出现到当前,细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密,研究细胞的分子结构及其在生命活动中的作用成为主要任务,基因调控、信号转导、肿瘤生物学、细胞分化和凋亡是当代的研究热点。
 
    显微镜的发明
 
    没有显微镜就不可能有细胞学诞生。
 
    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 Hooke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cells(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)。
 
    3.1672,1682英国人Nehemiah 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 德国人恩斯特·卡尔·阿贝(Ernst Karl 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。
 
    学习方法:
 
    第一、认识细胞生物学课程的重要性,正如原子是物理性质的最小单位,分子是化学性质的最小单位,细胞是生命的基本单位。50年代以来诺贝尔生理与医学奖大都授予了从事细胞生物学研究的科学家,可见细胞生物学的重要性。如果你将来打算从事生物学相关的工作,学好细胞生物学能加深你对生命的理解。
 
    第二、明确细胞生物学的研究内容,即:结构、功能、生活史。生物的结构与功能是相适应的,每一种结构都有特定的功能,每一种功能的实现都需要特定的物质基础。如肌肉可以收缩、那么动力是谁提供的、能量从何而来的?
 
    第三、从显微、超微和分子三个层次来认识细胞的结构与功能。一方面每一个层次的结构都有特定的功能,另一方面各层次之间是有机地联系在一起的。
 
    第四、将所学过的知识关联起来,多问自己几个为什么。细胞生物学涉及分子生物学、生物化学、遗传学、生理学等几乎所有生物系学过的课程,将学过的知识与细胞生物学课程中讲到的内容关联起来,比较一下有什么不同,有什么相同,为什么?尽可能形成对细胞和生命的完整印象,不要只见树木不见森林。另一方面细胞生物学各章节之间的内容是相互关联的,如我们在学习线粒体与叶绿体的时候,要联想起细胞物质运输章节中学过的DNP、FCCP等质子载体对线粒体会有什么影响,学习微管结构时要问问为什么β微管蛋白是一种G蛋白,而α微管蛋白不是,学习细胞分裂时要想想细胞骨架在细胞分裂中起什么作用,诸如此类的例子很多。
 
    第五、紧跟学科前沿,当前的热点主要有“信号转导”、“细胞周期调控”、“细胞凋亡”等。细胞生物学是当今发展最快的学科之一,知识的半衰期很短(可能不足5年),国内教科书由于编撰周期较长,一般滞后于学科实际水平5-10年左右,课本中的很多知识都已是陈旧知识。有很多办法可以使你紧跟学科前沿:一是选择国外的最新教材,中国图书进出口公司读者服务部那里可以买到很多价廉物美的正宗原版教材(一般200-400元,只相当于国外价格的1/5);二是经常读一些最新的期刊资料,如果条件所限查不到国外资料,可以到中国期刊网、万方数据等数据库中查一些综述文章,这些文章很多是国家自然科学基金支助的,如在中国期刊网的检索栏输入关键词“细胞凋亡”,二次检索输入关键词“进展”,你会发现一大堆这样的文章,都是汉字写的比读英文省事。
 
    第六、学一点科技史,尤其是生物学史,看看科学家如何开展创造发明,学习他们惊人的毅力、锐敏的眼光和独特的思维。牛顿说过:“我之所以比别人看得更远,是因为站在巨人的肩膀上。”
 
    研究:
 
    从1839年M.J.施莱登和T.A.H.施旺的细胞学说问世以来,确立了细胞(真核细胞)是多细胞生物结构和生命活动的基本单位。但是长期以来,细胞学的研究偏重在结构方面。
 
    20世纪50年代以来,关于细胞的超显微结构的研究,使人们对于光学显微镜下看不到的精细结构有了明确的认识。分子生物学、分子遗传学以原核生物为材料取得的成就,使人们了解到遗传密码、中心法则以及原核生物中基因表达的调节与控制等基本问题,这些都直接促进了细胞生物学的发展。但由于原核细胞不同于真核细胞,后者具有核膜,染色质除DNA外还含有组蛋白及非组蛋白,而且细胞质中的结构也比前者复杂得多。因此,还需要了解在原核生物得到的成就在多大程度上适用于真核细胞,研究遗传和发育在真核细胞中是如何操纵的。
 
    细胞生物学虽说是一个比较年轻的学科,从学术思想上却可以追溯到较早的年代。1883年德国胚胎学家W.鲁就阐述过关于遗传和发育的设想。他假定受精卵中包含着所有的遗传物质,后者在卵裂时不是平均地分配到子细胞中,这种不同质的分裂决定子细胞及其后代的命运。德国动物学家魏斯曼发展了这种想法,提出了种质学说,认为裂球的不均等分裂导致了细胞的分化。虽然这些见解都已证明是错误的,但是可以看出细胞生物学所要解决的问题在那时已被提出来了。以后E.B.威尔逊1927年在他的《细胞──在发育和遗传中》的巨着中明确指出:细胞是生命活动的基本单位,发育和遗传这些生命现象应当在细胞上研究。1934年,美国遗传学家和胚胎学家T.H.摩尔根在遗传学取得巨大成就之后,在企图融合发育与遗传的《胚胎学与遗传学》一书中写道:“可以设想,各原生质区域在开始时的差异会影响基因的活动,然后基因又反转过来影响原生质,后者就开始一系列新的、相应的反应。这样,我们可以勾画出胚胎各部分的逐步建立和分化。”但在摩尔根的年代,由于细胞学和其他相邻学科还未发生密切的联系,或者说其他学科尚未能在细胞水平上开展关于发育和遗传的研究,所以细胞生物学只能在50年代之后,各方面的条件逐渐成熟了,才得以蓬勃发展。
 
    研究方法:
 
    细胞生物学广泛地利用相邻学科的成就,在技术方法上是博采众长,凡是能够解决问题的都会被使用。例如用分子生物学的方法研究基因的结构,用生物化学、分子生物学的方法研究染色体上的各种非组蛋白和它们对基因活动的调节和控制或者利用免疫学的方法研究细胞骨架的各种蛋白(微管蛋白、微丝蛋白、各种中等纤维蛋白)在细胞中的分布以及在生命活动中的变化。起源于分子遗传学的重组DNA技术和起源于免疫学的产生单克隆抗体的杂交瘤技术,也成了细胞生物学的有力工具。显然,一种方法所解决的问题不一定属于原来建立这一方法的学科。例如用分子生物学的方法解决了核小体的结构,严格地说这应是形态学的范畴。这样的例子并不少见,在这里学科的界限也被抹掉了。也许可以说细胞核移植、微量注射和细胞融合是细胞生物学自身发展起来的方法,但是用这些方法进行的实验往往也需要其他方法配合来做进一步分析。
 
    生物学理解
 
    细胞生物学与其说是一个学科,倒不如说它是一个领域。这可以从两个方面来理解:一是它的核心问题的性质──把发育与遗传在细胞水平结合起来,这就不局限于一个学科的范围。二是它和许多学科都有交叉,甚至界限难分。例如,就研究材料而言,单细胞的原生动物既是最简单的动物,也是最复杂的细胞,因为它们集许多功能于一身;尤其是其中的纤毛虫,不仅对于研究某些问题,例如纤毛和鞭毛的运动,特别有利,关于发育和遗传的研究也积累了大量有价值的资料。但是这类研究也可以列入原生动物学的范畴。其次,就研究的问题而言,免疫性是细胞的重要功能之一,细胞免疫应属细胞生物学的范畴,但这也是免疫学的基本问题。
 
    由于广泛的学科交叉,细胞生物学虽然范围广阔,却不能像有些学科那样再划分一些分支学科──如象细胞学那样,根据从哪个角度研究细胞而分为细胞形态学、细胞化学等。如果要把它的内容再适当地划分,可以首先分为两个方面:一是研究细胞的各种组分的结构和功能(按具体的研究对象),这应是进一步研究的基础,把它们罗列出来,例如基因组和基因表达、染色质和染色体、各种细胞器、细胞的表面膜和膜系、细胞骨架、细胞外间质等等。其次是根据研究细胞的哪些生命活动划分,例如细胞分裂、生长、运动、兴奋性、分化、衰老与病变等,研究细胞在这些过程中的变化,产生这些过程的机制等。
 
    当然这仅是人为地划分,这些方面都不是各自孤立的,而是相互有关连的。从细胞的各个组分讲,例如表面膜与细胞外间质有密切关系,表面膜又不是简单地覆盖着细胞质的一层膜,而是通过一些细微结构──已经知道其中之一是肌动蛋白分子,这又联系到细胞骨架了──与细胞质密切相连。这样,表面膜才能和细胞内部息息相关。另一方面,从研究的问题出发,研究分裂、分化等生命现象,离不开结构的基础。例如研究细胞分裂就涉及到染色质怎样包扎成染色体,染色体的分裂和运动,细胞骨架的变化包括微管蛋白的聚合和解聚,与表面膜有关的分裂沟的形成,还有细胞分裂的调节与控制。再如研究细胞分化除去要了解某种细胞在分化过程中细胞器的变化、它们所特有的结构蛋白质的变化,主要地还要了解导致分化的物质基础以及这些物质怎样作用于基因调控的水平,导致有关的基因被激活。可见研究的重点尽管可以人为地划分,但一定要把细胞作为一个整体看待,一定要把生命过程和细胞组分的结构和功能联系起来。
 
    细胞分化
 
    既然细胞生物学的主要任务是把发育和遗传联系起来,细胞分化这个问题的重要性就不言而喻。因为就整个有机体而言,遗传特点不仅显示在长成的个体,而是在整个生命过程不断地显示出来。在细胞水平,细胞的分化也就是显示遗传特征的过程,例如鸟类、爬行类的水晶体,其中所含的晶体蛋白是α、β、δ三种,不同于哺乳类,后者含有α、β、γ三种。在鸟类的晶体分化中首先出现大量的δ晶体蛋白,但是在哺乳类晶体分化中却找不到这种蛋白。可见某种细胞的分化特征的出现,也就是它们的遗传特征的出现。但是这仅是在细胞水平就一种生化性状(特异的蛋白质)在一种特化细胞中的出现而言,情况当然还比较简单,如果涉及到一个由多细胞组成的形态学性状,情况会复杂得多,但是性状发生的过程仍然是遗传表现的过程。
 
    像晶体细胞分化这样的例子,细胞生物学的术语称之为终末分化,也就是走向成熟的分化,其分化的产物就是这种细胞的终末产物。由于取材方便,产物比较单一易于分析等原因,细胞分化的研究中关于终末分化的研究占很大的比重,研究得比较多的是红细胞、肌细胞、胰脏细胞、晶体细胞、黑色素细胞、软骨细胞等。
 
    一个经常被引用的例子是红细胞中血红素的转换。人类胚胎早期的红细胞中首先出现胚期血红素,后来逐渐被胎儿期血红素所代替,胎儿三个月之后,后者又被成体型血红素所代替。关于这些血红素已经有很多研究。例如它们各自由那些肽链组成,这些肽链在个体发育中交互出现的情况,它们各自的氨基酸组成和排列顺序,各个肽链的基因位点,以至基因的结构都已比较清楚,工作可以说是相当深入了。
 
    但是,追根到底有些问题依然没有得到明确的解答,甚至没有解答──这也适用于关于其他细胞的终末分化的研究。例如,为什么胚期血红素会在红细胞而不在其他细胞中出现?为什么会发生血红素的转换?关于前一问题,有人曾分别地从鸡的输卵管细胞(不产生血红素)和红细胞(产生血红素)提取染色质,用酶来切割,观察到两种来源的染色质对酶的抵抗力不同。来自红细胞的易于受到酶的攻击,推测这可能由于核小体的构型不同。红细胞中含有珠蛋白基因段落的核小体构型较松弛,因而易于受到影响;构型较松弛也就为RNA聚合酶在上面转录产生信使RNA提供了条件。但是如果追问下去,为什么单单在红细胞里核小体的构型比较松弛?RNA聚合酶怎样识别出这样的段落?这些问题还需进一步研究。其次,关于胚期血红素向胎儿期血红素的转换。用两种荧光染料标记两种免疫抗体,观察到在同一红细胞中有两种血红素的存在,说明转换不是由于出现不同的细胞,而是由于同一细胞相继地产生了不同的血红素。是什么原因使得血细胞停止生产原有的而产生出新的血红素?也许可以说是发育的“程序”,但还要回答发育程序得以实现的物质基础是什么。所有这些问题的解答,将使我们对基因选择性表达的认识有极大的迈进。
 
    一无所知
 
    实现了终末分化的细胞,已经失去了转变为其他细胞类型的潜能,只能向一个方面分化。例如红细胞,虽然发生血红素的转换,但不能转变为其他类型的正常细胞,与胚胎细胞相比,它们的情况要简单些,因为胚胎细胞在尚未获得决定的时候是具有广泛潜能的。拿中胚层细胞来说,它们既可以分化为肌细胞,也可以分化为前肾细胞、血细胞、间质细胞等。已经初步知道,外界因素可以影响中胚层细胞向肌细胞或红细胞的方向分化,但是这因素是什么,怎样作用,都一无所知。在这里,首先要使中胚层细胞向某一方向分化,然后那一方向(例如红细胞)所特有的一套终末分化的步骤才得以进行下去。形象化地说,中胚层细胞中似乎存在着向不同方向分化的开关,打开某一个开关(例如红细胞的),才能进行那一方向的分化,这当然比终末分化更复杂些,对此还一无所知。

 

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