细 胞 学 说
1．细胞学说建立的背景
2．细胞学说的主要内容
3．细胞学说的科学意义
4．有没有非细胞生命？
1．细胞学说建立的背景
17世纪中显微镜应用于生物学研究，人们可以观察到单细胞的微生物，也可以观察到多细胞动、植物的细胞构造。
先是看到木栓（来自树皮）的一个个“小室”结构，称之为“细胞”；后来又进一步观察了各种植物和动物的活细胞结构。
2．细胞学说的主要内容
许莱登（Schleiden，德）和许旺（Schwann，德）先后发表两篇论文：
《论植物发生》（1838）
《动植物结构和生长相似性的显微研究》（1839）
明确提出细胞是植物体和动物体结构的基本单位。此后，经过多位研究者的丰富和发展，细胞学说渐趋成熟，包括以下要点:
· 细胞是所有动植物的基本结构单位
· 每个细胞相对独立，一个生物体内各细胞之间协同配合
· 新细胞由老细胞繁殖产生
3．细胞学说的科学意义
“一切有机体实际上是按同样的规律形成和生长的，因而这些规律处处应该被同一些力量所制约”
---许旺
细胞学说的建立，使生物世界（动、植物）有机结构多样性的统一，从哲学推断走向自然科学论证。
细胞学说和进化论奠定了生物科学基础。
细胞学说被公认为是19世纪自然科学的重大发现之一。
注意：细胞学说不但是关于有机体构造的学说，也是关于有机体生长发育的学说。
4．有没有非细胞生命？
有。
病毒是一类专性寄生的非细胞形态生命。最简单的病毒，仅由核酸大分子和蛋白质大分子构成。病毒颗粒必须进入寄主活细胞才表现出生命的各方面特征。（后面第十讲中将会对病毒做更详细介绍）
1．动物细胞的典型结构
2．植物细胞的典型结构
3．真核细胞和原核细胞
1．动物细胞的典型结构：
- 细胞膜:由一层生物膜组成，是细胞与周围环境的分隔，是物质进出细胞的通道，是胞外信号传递的通道。
- 细胞核:由两层生物膜围成，遗传信息（染色质，DNA+蛋白质）贮存其中，是DNA复制和RNA合成的场所。
- 线粒体:由两层生物膜围成，是生物氧化产生能量的场所。
- 核糖体:由多条 RNA 链与肽链形成的大颗粒，参与蛋白质合成。
- 内质网:由一层生物膜围成，参与蛋白质合成、修饰与分泌。有核糖体的称为粗糙内质网，没有核糖体的称为光滑内质网。
- 高尔基体:由一层生物膜围成，参与蛋白质合成、修饰与分泌。
- 溶酶体:由一层生物膜围成，是胞内大分子分解的场所。
- 细胞质:以上各部分统称为细胞器，细胞器以外部分称为细胞质，细胞质中含有多种蛋白质与酶，在代谢和信号传递中起作用。
- 细胞骨架:由蛋白质纤维组装成的网架体系，分为细胞质骨架和细胞核骨架。
2．植物细胞的典型结构
与动物细胞基本相似，但有几点不同：
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植物细胞 |
动物细胞 |
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有细胞壁 |
没有 |
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有叶绿体 |
没有 |
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有液泡 |
没有 |
3．真核细胞和原核细胞
真核生物（细胞）包括：植物，动物，真菌（霉菌、酵母），原生动物，藻类；
原核生物（细胞）包括：细菌，放线菌，蓝藻等。
原核细胞(以细菌细胞为代表)与真核细胞的主要区别：
没有细胞核结构，但有一个类核区（拟核），也没有其他由生物膜分隔而成的细胞器。
1．为什么会有细胞分裂？
2．原核生物的细胞分裂
3．真核细胞的有丝分裂
4．减数分裂
1．为什么会有细胞分裂？
随着细胞生长，细胞体积不断增大，但是细胞体积和表面积之比却在减少。
在半径增长 4 倍的情况下，球体积增长 64 倍，而球表面积仅增长 16 倍，结果 表面积与体积的比值从3:1下降到0.7:1。
细胞代谢的正常进行必须依靠细胞表面输入养分，排出废物。表面积/体积比值的下降，意味着代谢速率的下降。
小鼠重25克，大象重 4 x 106 克。显然，大象的表面积/体积比要比小鼠小得多，结果影响到代谢速率（氧消耗量/每克体重），小鼠是大象的
24 倍。
由此，不难看出细胞分裂的必要性。
思考题：试用你自己的理解表述细胞分裂的必要性。
2．原核生物的细胞分裂
原核生物(以细菌为例)的细胞分裂比较简单。细胞生长到一定程度后，DNA复制，形成两个DNA分子，分别移到长大拉长了的细胞两端。然后中间形成新的细胞间隔，进而形成细胞壁，成为两个细胞。这个过程称为二分分裂。
3．真核细胞的有丝分裂
真核细胞的细胞分裂过程较为复杂。多细胞真核生物的全身细胞可以区分为体细胞和生殖细胞。体细胞的细胞分裂一般称为有丝分裂。
1.细胞周期
细胞从第一次分裂开始，到第二次分裂开始，这段时间称为一个细胞周期。一个细胞周期通常可以分为四个阶段：
M 期
(分裂期)，在这个阶段，可以在显微镜下看到细胞分裂的过程。
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G1 期 |
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} |
细胞分裂间期 |
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S 期 |
(ＤＮＡ合成期) |
||
|
G2 期 |
|
下面我们着重看一下在 M 期（分裂期）发生的事件。
2.有丝分裂过程
有丝分裂过程是在 M 期发生的。
前期：染色质浓缩，折叠，包装，形成光镜下可见的染色体
每条染色体由两条染色单体组成
中期：核膜消失，染色体排列在赤道板上
后期：姐妹染色单体分开，被分别拉向细胞两极
末期：核膜重新形成，染色体消失
胞质分裂：胞质形成间隔，最终分开成为两个细胞
3.染色质和染色体
位于细胞核内的遗传物质是DNA。处于分裂间期的细胞，其 DNA 分子结合着一定的蛋白质，并有一定程度的盘绕，形成核小体，多个核小体串在一起形成染色质。染色质是细胞分裂间期遗传物质存在的形式。
核小体直径约 10 nm ,光镜下看不到,细胞进入 M 期，染色质折叠包装，大约压缩
8400 倍后，形成光学显微镜下可以看到的染色体。
应记住，在染色体出现时，细胞已完成 S 期的 DNA 复制，已由原来的每个 DNA 分子复制出另一个 DNA 分子。所以，每条染色体含两条姐妹染色单体，代表着复制后的两个
DNA 分子。
不同物种的细胞，染色体数量不同。人的体细胞有 46 条染色体，苍蝇有 8 条染色体，酵母有 32 条染色体。一般把体细胞称为双倍体细胞，遗传物质的总含量为
2n 。在细胞分裂阶段，染色体在显微镜下出现时，已经过 DNA 复制，遗传物质总量为 4n 。细胞分裂完成，形成两个子细胞，又都恢复为 2n 细胞。
生殖细胞----精子细胞和卵细胞，它们的遗传物质总量仅为体细胞的一半，称为 n 细胞(单倍体细胞)。由 2n 细胞产生 n 细胞，不是通常的有丝分裂所能完成的，需要经过减数分裂。
4．减数分裂
减数分裂只发生在由 2n 的体细胞产生单倍体的生殖细胞的过程中。减数分裂的过程比较复杂，简单说来由一个 2n 细胞开始， DNA 复制一次，成为
4n 细胞，然后，进行两次细胞分裂，产生四个精子细胞或四个卵细胞，它们应该是单倍体 (n) 细胞。所以减数分裂可以分为两个阶段：第一次减数分裂（DNA复制一次细胞分裂一次）和第二次减数分裂（DNA不复制，细胞又分裂一次）。
同源染色体配对:
减数分裂的一个重要特征，是在第一次减数分裂中发生同源染色体配对，以及随之而来的基因重组，其结果使产生的子细胞的基因组合呈现出极大的多样性。
1．细胞的分化
2．细胞的衰老
3．细胞凋亡
1．细胞的分化
一个成年人全身细胞总数约 1012 个，可以区分为 200
多种不同类型的细胞：形态结构，代谢，行为，功能等各不相同。追根溯源，这么多种细胞均来自一个受精卵细胞。所以，通常把发育过程中，细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化。细胞分化发生在胚胎阶段，也发生在胎儿出生以后，乃至成人阶段。例如，人体血细胞的产生和分化，这个过程在人的一生中一直持续着。
由旺盛生长不断分裂的细胞，转入分化，通常从细胞周期中 G1 期开始时一个确定的点 G0 点“逃逸”出细胞周期。旺盛生长分裂的细胞和各种分化了的细胞，它们的基因表达和代谢活动各不相同。
2．细胞的衰老
生命活动以细胞为基本单位，个体衰老与细胞衰老有什么关系呢？哪些因素影响细胞衰老？
体外细胞培养实验可以提供一些线索。
成纤维细胞：
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来自胎儿
传代50次后衰老死亡 |
} |
与具体年龄有关 |
|
来自成人
传代20次后衰老死亡 |
|
来自小鼠
传代14--28次后衰老死亡 |
} |
与具体物种特异性有关 |
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来自乌龟
传代90--125次后衰老死亡 |
细胞衰老过程中会发生一系列的变化，包括：蛋白质合成速度降低，已有蛋白质结构变化，特异蛋白质成份出现；同时，细胞核，线粒体，膜系统、骨架系统等都有结构、功能的改变。
细胞衰老的原因，尚无定论，出现过好几种理论与假说，其中得到较广泛认可的是“自由基损伤假说”。
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无论在氢分子、氧分子、还是在水分子中，围绕原子核的外层电子都是成对的。一旦原子核外层电子不成对，就形成自由基。自由基因存在单个不配对电子，所以反应活性特别高。 |
在阳光紫外线作用下，水分子可裂解为羟基自由基 HO* 和氢原子自由基 H* （* 代表自由基）。
大多数细胞生命活动依赖生物氧化取得能量。在生物氧化过程中，会产生一些自由基副产品，如：超氧化物自由基。自由基因为有不配对的自由电子，反应活性特别强，能攻击和破坏细胞中各种生物分子，如：脂类、蛋白质、核酸。“自由基损伤假说”认为，自由基引起的损伤和破坏，长期积累起来，就是细胞衰老的原因。
细胞内存在着多种清除自由基的机制，以对抗和消除自由基带来的危害。清除自由基的机制的强弱，是受遗传控制的，所以遗传因素在决定细胞衰老中起决定性影响。
3．细胞凋亡
多细胞生物的生命活动中，因为环境因素的突然变化或病原物的入侵，导致一部分细胞死去，称为细胞的病理死亡，或细胞坏死。还有一种情况，一部分细胞的死亡是生物个体正常生命活动（代谢、生长、发育、分化）的一个必要部分；似乎带有“牺牲局部，保全整体”的意味。这种情况下的细胞死亡，明显地受遗传控制，称为细胞凋亡。
细胞凋亡现象普遍存在于生物界。
两栖类：
变态过程，蝌蚪---》蛙
尾部细胞凋亡消失
哺乳类：
皮肤上皮细胞的新老更替
老的上皮细胞凋亡，新的上皮细胞生长分裂
哺乳期过后，乳房由活跃分泌乳汁变为静止组织
乳腺分泌上皮细胞，凋亡消失，脂肪细胞被激活，贮脂
（分泌型上皮细胞凋亡失常有时会引起乳腺癌）
细胞凋亡和细胞坏死有明显的区别：
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细胞凋亡 |
细胞坏死 |
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细胞变圆，与周围的细胞脱开 |
细胞外型不规则变化 |
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核染色质凝聚 |
溶酶体破坏 |
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细胞膜内陷 |
细胞膜破裂 |
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细胞分为一个个小体 |
胞浆外溢 |
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被周围细胞吞噬 |
引起周围炎症反应 |
有一种低等动物叫线虫（Caenorhabditis
elegens）是研究细胞凋亡的理想材料，每条线虫有 1031 个细胞，其中 131 个细胞在生长发育为成虫的过程中，注定要凋亡死去。通过对线虫及其他生物材料的研究，找到一系列与细胞凋亡相关的基因，其中主要的有三个基因：
ced-3 基因，ced-4
基因
诱发，启动凋亡
ced-9 基因
抑制凋亡
实验证明：
（1）ced-3，ced-4基因突变或缺失，使凋亡受阻
（2）移入ced-9，使凋亡受阻
（3）失去ced-9，促使凋亡
细胞培养是细胞生物学研究必不可少的实验手段，近年来细胞培养又成为生物技术领域中常用的生产手段。细胞培养和其他技术方法，如细胞的显微操作（在显微镜下移去或移入细胞核等）、细胞融合、染色体操作等结合在一起，组成了细胞水平的生物技术操作群，是生物技术领域的研究和开发应用中必不可少的部分。把细胞水平生物技术用于生产称为细胞工程。
细胞培养实验的基本条件是：细胞来源，培养基（各种营养成份，小牛/胎牛血清），培养器械（培养瓶或罐，恒温箱／室等）。
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细胞来源： |
直接从活体组织中分离出细胞，在培养条件下传 １ 至 １０ 代，称为原代培养。 |
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原代培养一般不能传代太多，否则培养细胞会走向衰老死亡。经过一定处理，细胞适应在体外条件下连续传代培养，称为传代培养。一般可传 ４０ 至 ５０ 代的细胞，称细胞株。 |
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有的细胞株转化后可传 ５０ 代以上，甚至一直传下去，称为细胞系。 |
细胞培养技术：
除了常规的细胞培养技术外，还发展了多种特殊培养技术，以适应研究和生产的特殊需要。
无血清培养----通常哺乳动物细胞的培养，除了需有各种必要的营养成份外，还需加入
10% 小牛／胎牛血清。血清提供多种蛋白质生长因子。在初步弄清血清中生长因子成份后，发展出多种无血清培养技术，即培养基中不加血清，而代之以各种生长因子，以适应特殊研究的需要。
同步培养----一般来说，在培养的细胞群体内，各个细胞处于生长周期的不同阶段。运用特殊的技术方法，可使各个细胞处于生长周期中相同位置，同步向前发展。一些特殊的研究课题需要同步培养。
悬浮培养----通常培养的细胞会贴着培养瓶的底部内壁生长，长到把底面积覆盖满就停止生长。这是正常细胞生长中的一种特性，即接触抑制。在生产中，常常需要培养液中细胞密度增加，则需要采用悬浮培养的方法。
单克隆抗体技术：
若要大批量生产蛋白质抗体供医学上诊断和治疗，会遇到两个方面的困难：
1.
大量免疫动物，再从免疫过的动物中抽取血清，是一个很费时的操作。
2. 从动物血清得到的抗体中，除了希望得到的抗某种抗原的抗体外，往往杂有其他抗体。把需要的抗体纯化出来，也是
一个费时的过程。
针对上述两个方面的问题，采用单克隆抗体技术从细胞培养中获取特异的单克隆抗体，使抗体的大规模实际应用成为可能。
单抗技术的要点是从经某种抗原（如：甲抗原）免疫过的小鼠脾脏分离得到脾细胞（大部份为 B-淋巴细胞），用以和小鼠骨髓瘤细胞融合杂交。所产生的杂交瘤细胞再经单细胞培养挑选，即可获得能产生专门针对甲抗原，甚至仅仅针对甲抗原大分子中某个抗原决定簇的单克隆抗体的杂交瘤细胞。
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单克隆抗体技术的关键是：利用免疫过的小鼠脾脏中B-细胞的产生抗体的能力，以及骨髓瘤细胞的无限繁殖的能力，两者杂交以后产生的杂交瘤细胞兼有产生特异抗体和无限繁殖两种特征。 |
1．癌细胞的主要特征
1. 癌细胞的主要特征
(1)脱分化或不走向分化，返回和持续细胞分裂周期。
上皮细胞的分化与衰老，可以作为细胞正常分化和衰老的例子：
直肠癌的发展过程，经历几年或十几年。在这个过程中，由于基因的突变，部分细胞脱分化，转入不正常的增殖（分裂）。
若干阶段中分别有基因突变，逐渐从不正常地快速生长走向肿块，走向转移。
(2)快速（无限）增殖
左图为正常肝细胞
右图为无限增殖的肝癌细胞
(3)失去接触抑制
(4)对生长因子需求降低
一般细胞培养时需加 10% 小牛／胎牛血清，而癌细胞在加
1-5% 血清时也能生长良好。
(5)转移
乳癌长成肿块 －》向周围侵润
－》通过淋巴管转移。
(6)其他：细胞膜、细胞骨架、细胞代谢均发生与正常细胞不同的变化。
2．致癌因素
(1)物理因素：
导致皮肤癌的一个主要因素是太阳光中紫外线的照射，
形成的过程是:
快速生长
－》 边缘不清 －》 变硬变黑出血
电离辐射、Ｘ－射线、紫外线都会使DNA突变。
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晒太阳是一件好事，但也有引起皮肤癌的危险。 |
(2)化学因素：已查出有数千种化合物可致癌
启动因子----本身就有致癌作用，如：亚硝胺，多环芳烃（ＰＣＢ）
促癌因子----本身无致癌作用，但能配合和促进致癌因子的作用。
吸烟是导致肺癌的主要原因，因为烟雾中含有几十种致癌化合物。
吸烟者的肺部：
肺癌死亡率随吸烟数的上升而上升
(3)致癌病毒与癌基因
首先从致癌病毒中发现的癌基因是指病毒基因组中与诱发细胞癌变直接相关的基因。如从劳氏肉瘤病毒中研究发现的 Ras 基因，后来发现许多病毒癌基因（V－onc）亦存在于寄主细胞中（C-onc）。实际上，有些癌基因亦存在于正常细胞中，称为原癌基因。原癌基因发生某种变化后，表达失控，变成了癌基因。
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Ａ。原癌基因三种可能的变化：
1. 基因突变，表达产物活性特高。
2. 基因拷贝增多，表达产物增多。
3. 基因移到强启动子之后，表达产物增多。
1. 与癌症作斗争的几条思路
（1）杀死癌细胞----放射、化疗
关键问题是
1. 如何区别癌细胞和正常细胞，杀死癌细胞而不伤及正常细胞。
2. 降低癌细胞抗药性。
（2）激活病人免疫系统
切除肿瘤----癌细胞通常释放免疫抑制物质。用外科手术切除肿瘤，就是去掉了释放免疫抑制物质的根源。
同时配合应用增强免疫能力的药物（如：多糖等）。
（3）其他新思路
例：免疫治疗
Ｔ－淋巴细胞能够攻击癌细胞，但是能够针对癌细胞的Ｔ－淋巴细胞太少。从病人身上的肿瘤块中分离出Ｔ－淋巴细胞，经过体外培养大量增殖后，再注射回病人体内，可收到良好效果。
上图为癌细胞周围的 T-淋巴细胞的电镜图
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肺部黑色素瘤播散开来，阴影明显。 |
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经免疫治疗后，阴影大为缩小和减轻。 |
