醫學細胞生物學(第三版)（簡體書）

本教材為全國高等醫藥院校本科各專業通用教材。本教材系統介紹了醫學細胞生物學的基本理論，全書共15章，內容包括細胞生物學緒論、基本研究技術和方法、細胞起源與分子基礎、細胞膜的化學組成與特性、細胞表面與細胞外基質、細胞膜的功能、細胞的內膜系統、線粒體、核糖體、細胞骨架、細胞核與遺傳物質儲存、細胞中遺傳信息的傳遞及調控、細胞增殖與細胞週期、細胞分化、細胞衰老與死亡。每章包括中英文內容提要，還附有醫學細胞生物學英漢詞匯對照。精心編排的209幅插圖，有助於讀者加深對細胞生物學的理解。《醫學細胞生物學（第3版）》邀請國內多所院校本學科資深教學一線教師參編，為作者們結合多年教學科研實踐，參考國內外細胞生物學教科書，總結第二版經驗所編寫。文字描述深入淺出，注重知識的實用性和先進性。內容含量基本與教學時數一致，宜教宜學，適於醫學高等院校及綜合性院校作為教材或教學參考用書，同時也是自學者的良師益友。

《中國科學院教材建設專家委員會規劃教材?全國高等醫藥院校規劃教材:醫學細胞生物學(第3版)》邀請國內多所院校本學科資深教學一線教師參編，為作者們結合多年教學科研實踐，參考國內外細胞生物學教科書，總結第二版經驗所編寫。文字描述深入淺出，注重知識的實用性和先進性。內容含量基本與教學時數一致，宜教宜學，適于醫學高等院校及綜合性院校作為教材或教學參考用書，同時也是自學者的良師益友。

第3版序言第3版前言第2版前言第1章 細胞生物學緒論第1節 細胞生物學的概念第2節 細胞生物學的發展第3節 細胞生物學研究目的與任務第4節 細胞生物學在醫學中的位置第2章 細胞生物學的基本研究技術和方法第1節 細胞形態結構觀察第2節 細胞組分分析第3節 細胞培養與細胞融合第4節 細胞分子生物學技術第3章 細胞的起源和分子基礎第1節 細胞是基本單位第2節 細胞的起源與形成第3節 原核細胞和真核細胞第4節 細胞的形態與大小第5節 細胞內的化學與分子組成第6節 細胞內生物大分子的結構與功能第4章 細胞膜的化學組成及特性第1節 細胞膜的化學組成第2節 幾種有代表性的質膜模型第3節 細胞膜的生物學特性第5章 細胞表面與細胞外基質第1節 細胞外被與細胞皮質第2節 細胞表面的特化結構第3節 細胞間的連接第4節 細胞外基質第6章 細胞膜的功能第1節 細胞膜對小分子物質和離子的穿膜運輸第2節 細胞膜對大分子和顆粒物質的膜泡運輸第3節 細胞膜受體的結構和特性第4節 膜抗原與免疫反應第5節 細胞膜與細胞信號轉導第6節 細胞膜異常與疾病第7章 細胞的內膜系統第1節 內質網第2節 高爾基複合體第3節 溶酶體第4節 過氧化物酶體第5節 內膜系統與細胞的整體性第8章 線粒體第1節 光學顯微鏡下線粒體的形態大小和分佈第2節 電子顯微鏡下線粒體的亞顯微結構第3節 線粒體的化學組成和酶蛋白分佈第4節 線粒體的主要功能第5節 線粒體的半自主性第6節 線粒體的起源與生物發生第7節 線粒體與醫學第9章 核糖體第1節 核糖體的形態結構與存在形式第2節 核糖體的理化特性第3節 核糖體的分離與自組裝第4節 核糖體與蛋白質合成第5節 核糖體與疾病第10章 細胞骨架第1節 微管系統第2節 微絲第3節 中間纖維第4節 細胞骨架與醫學第11章 細胞核與遺傳信息儲存第1節 核被膜與核孔複合體第2節 染色質與染色體第3節 核仁第4節 核基質第12章 細胞中遺傳信息的傳遞及其調控第1節 中心法則第2節 遺傳物質的儲存和DNA的複製第3節 基因轉錄和轉錄後的加工第4節 基因轉錄的調控第5節 mRNA遺傳密碼和tRNA第6節 多肽鏈的合成過程第7節 基因表達調控及其意義第8節 細胞核與疾病第13章 細胞增殖與細胞週期第1節 細胞增殖的意義第2節 細胞分裂的方式第3節 細胞增殖週期第4節 有絲分裂及其調控第5節 生殖細胞的發生與減數分裂第14章 細胞分化第1節 細胞分化的基本概念第2節 細胞分化與基因表達第3節 影響細胞分化的因素第4節 細胞分化與細胞癌變第15章 細胞的衰老與死亡第1節 細胞的衰老第2節 細胞的死亡第3節 細胞凋亡主要參考書目英漢詞匯對照索引

第1章 細胞生物學緒論
第1節 細胞生物學的概念
人體是由細胞組成的，細胞（cell）是人體和生物體形態結構和功能活動的基本單位。要了解生物體生命活動的規律，必須從其基礎――細胞入手。
細胞學（cytology）源于希臘名詞，意即“容器”（container），形成于19世紀下半葉。細胞學是生物科學的基礎學科，用于研究細胞的生命現象，研究的方法主要是光學顯微鏡下的形態描述，研究的范圍主要包括：細胞的形態結構和功能、分裂和分化、遺傳和變異以及衰老和病變等。
現代細胞學的研究，已遠遠超出光學顯微鏡下可見的形態結構，也不再限于對細胞生理功能變化的簡單描述。20世紀50年代以來，隨著分子生物學的發展，生物學科中新理論、新方法和新技術的涌現，DNA雙螺旋結構的發現，細胞的超微結構、遺傳密碼和基因表達的分子基礎等的揭示，使細胞學躍居到現代生物學中的重疊核心學科地位，因此誕生了細胞生物學（cytobiology）。細胞生物學是由細胞學發展而來的。
細胞生物學把細胞看成是生物體最基本的生命單位，以形態與功能相結合、整體與動態相結合的觀點，把細胞的顯微水平、亞顯微水平和分子水平三個層次有機地結合起來，探討細胞的基本生命活動規律。細胞的形態與結構、細胞的興奮與運動、細胞的增殖與分化、細胞的遺傳與變異、細胞的衰老與死亡、細胞的起源與進化、細胞的信息傳遞等是細胞生物學研究的主要內容。細胞識別、細胞免疫、細胞社會學與細胞工程是細胞生物學的新領域。細胞生物學已經不再是孤立地研究單個細胞、細胞器或生物大分子，而是研究它們的變化發展過程、細胞與細胞之間的相互關系、細胞與環境之間的相互關系。由于細胞生物學在分子水平上的研究工作取得了深入的發展，所以分子細胞生物學是當前細胞生物學發展的主要方向。
概括地講，細胞生物學是應用現代物理、化學技術和分子生物學技術新成就，研究細胞生命活動的學科。它研究細胞各種組分的結構、功能及其相互關系，研究細胞總體的和動態的功能活動以及研究這些相互關系和功能活動的分子基礎。
隨著學科研究的深入發展，細胞生物學已經形成了許多的分支學科，主要包括：
1.細胞形態學（cytomorphology） 研究細胞的形態結構及其在生命過程中的變化。
2.細胞化學（cytochemistry） 研究細胞結構成分的定位、分布及其生理功能。采用切片或分離細胞組分，對單個細胞或細胞各個部分進行定性和定量的化學分析。
3.細胞生理學（cytophysiology） 研究細胞的生命活動過程，包括細胞攝取營養、生長、發育、分裂等功能活動，細胞對周圍環境的反應，細胞的興奮性、收縮性、分泌細胞的活動，以及能量傳遞、生物電等。
4.細胞遺傳學（cytogenetics） 研究染色體的結構與異常、染色體行為、染色體與細胞器的關系。探討遺傳現象，闡明遺傳與變異的機理等，其核心是染色體和基因。
5.細胞社會學（cytosociology） 研究細胞整體和細胞群中細胞間的社會行為，包括細胞識別，細胞通訊，細胞間的相互作用，對細胞生長、分化等活動的調控。細胞外環境中可溶性和不可溶性分子對細胞的影響。
6.分子細胞生物學（molecularcellbiology） 從分子層次分析細胞與細胞中各種結構如核酸和蛋白質等大分子的結構組成、功能及相互作用。尤其是從遺傳信息流向的角度探討細胞內遺傳物質的表達調控。
7.其他　還有細胞生態學（cytoecology）、細胞工程學（cytoengineering）、細胞動力學（cytodynamics）、細胞病理學（cytopathology）、細胞生物化學（chromosomebiology）、神經細胞生物學（neuralcellbiology）、癌細胞生物學（cancercellbiology）、膜生物學（membranebiology）、染色體生物學、微生物細胞學和原生動物細胞學等分支，眾多的分支學科極大程度上豐富了細胞生物學的內容，促進了細胞生物學的發展。
第2節　細胞生物學的發展
從人們最早發現細胞到現在，已有近350年的歷史。隨著科學的發展，技術和實驗手段的進步，推動了細胞生物學從興起到當今的發展。根據其發展過程，大體上可分為以下幾個階段。
一、細胞的發現和細胞學說的創立
細胞的發現與光學鏡片的研制、復式顯微鏡的出現是分不開的，因為細胞的大小超出了肉眼直接可見的范圍。1665年，英國物理學家RobertHook（1635～1703年）用自己制作的有科學研究價值的顯微鏡觀察櫟樹皮，發現其中有許多蜂窩狀的小孔隙，由此將這些小孔隙命名為“cell”，這一詞是由中世紀拉丁語“cellulae”演變而來，實際上當時觀察到的是植物組織死亡細胞的細胞壁，非真正意義上的細胞。此后，生物學家用“cell”一詞描述生物體的基本結構單位。RobertHook在1665年發表的軟木顯微圖像是細胞學史上的第一個細胞模式圖（圖1-1）。真正觀察大量活細胞的是荷蘭科學家AntonyVonLeeuwenhoek（1632～1723年），他在1667年用自制的高倍放大鏡觀察池塘水中的原生動物、鮭魚血液的紅細胞核等。
所以，細胞生物學的基礎建立于17世紀，并且RobertHook和Leeuwenhoek兩位科學家為此做出了重要的貢獻。
直到19世紀30年代，隨著分辨率提高到1μm以內的顯微鏡的誕生，人們對細胞有了更深入的認識。經過許多科學家的不斷探索，細胞核、核仁、細胞原生質等相繼被揭示，積累了大量的細胞學數據。德國植物學家M.J.Schleiden（1838年）和動物學家J.Schwann（1839年）在總結前人工作的基礎上，綜合了植物和動物組織中細胞的結構，提出“細胞學說”（celltheory），宣稱“一切生物從單細胞到高等動、植物都是由細胞組成的；細胞是生物形態結構和功能活動的基本單位”，這一學說闡明了生物界的統一性和共同起源。恩格斯曾對細胞學說給予高度評價，把細胞學說、進化論和能量守恒定律并列為19世紀自然科學的三大發現，他指出：“首先是三大發現，使我們對自然過程的相互聯系的認識大踏步地前進了”。由于發現了細胞，我們知道了有機體生長發育的共同規律，同時由于細胞的變異而知道了有機體能改變自己。所以，細胞學說的建立在生物學發展史上確實占有非常重要的地位。
1855年，德國細胞病理學家R.Virchow提出：“細胞來源于細胞”，并把細胞理論應用到了病理學，證明了病理過程發生在細胞和組織中，支持并豐富了細胞學說。
“細胞學說”的三個基本要點是：第一，細胞是多細胞生物的最小結構單位；第二，多細胞生物的每一個細胞即是一個活動單位，執行特定的功能；第三，細胞都是來源于已存在的細胞。由于細胞學說的建立，就有了每個細胞都是由其他細胞分裂而形成的概念，開辟了生物科學的新時期，促使細胞學發展成為一門學科。
二、細胞學的形成
細胞學說的創立把生物學家的注意力引導到了細胞內部結構觀察上，推動了對細胞的研究。19世紀下半葉是細胞研究的繁榮時期，許多重要的細胞器及細胞活動現象被逐一發現。這一時期主要是顯微鏡下的細胞形態描述。
19世紀中葉以后，VonMohl用原生質概括細胞中的所有內含物。MaxSchultze（1861年）認為動物細胞內的“肉樣質”和植物細胞內的原生質為同一種物質。從此，細胞被看成是由細胞膜包圍的一團原生質。細胞核周圍的原生質稱為細胞質（cytoplasm），細胞核內的原生質稱為核質（karyoplasm）。
1883年T.Boveri和V.Beneden在細胞質中發現中心體，Altmann（1894年）和C.Benda（1897年）發現了線粒體，1898年Golgi發現了高爾基器。
1841年Remak發現雞胚血細胞的直接分裂。W.Flemming改進了固定和染色技術，于1882年在動物細胞首先精確地描述了細胞的有絲分裂過程，把細胞分裂命名為有絲分裂（mitosis）；E.A.Strasburger根據植物細胞染色體的變化行為把有絲分裂分為前期、中期、晚期、末期，并證實有絲分裂的實質是核內絲狀物（染色體）的形成及其向兩個子細胞的平均分配。VanBeneden（1883年），E.Strasburger（1886年）分別在動物與植物細胞中發現減數分裂現象，通過減數分裂可以保持各種物種染色體數目的穩定。至此，已發現了細胞分裂的主要方式。
1875年德國解剖學家和胚胎學家O.Hertwig發現卵的受精和受精后兩個親本細胞核融合現象。1888年Waldeyer把分裂細胞核內的染色小體命名為染色體（chromosome）。
19世紀的最后25年至20世紀30年代以前，被認為是細胞學發展的經典時期。至此，人們對細胞結構的復雜性有了較為深入的了解。
三、細胞生物學的興起與發展
20世紀中葉，電子顯微鏡與超薄切片技術相結合及其他物理、化學、數學等技術方法應用到生物學、醫學等各學科領域，產生了細胞超微結構學，開創了細胞學發展的新時期。1933年，德國科學家ErnstRuska在Siemens公司設計制造出第一臺電子顯微鏡。電子顯微鏡的放大倍數比光學顯微鏡要高得多，可達幾十萬倍。
20世紀50年代，人們利用電子顯微鏡觀察了各種超微結構，內質網（Portor，claude和Fullan，1945年）、葉綠體（Porter和Granick，1947年）、高爾基體（DaltondFelixsjastrand，1950年）、核膜（callon和Tombin，1950年）、溶酶體（DeDave，1952年）、線粒體（Palade，Porter，Sjostrand，20世紀50年代初）、核糖體（Palade，1953年）和單位膜（Robertson，1958年）等相繼被進行了觀察研究。可以想到，在電子顯微鏡下觀察到的各種細胞器結構比在光學顯微鏡下看到的復雜得多。
人們了解到了細胞具有不同水平的結構：細胞整體結構、超微結構、以至于分子結構，細胞中的一切功能和物理變化均是在分子結構和超分子結構水平的變化。1944年Avery等在微生物的轉化實驗中證明了DNA是遺傳物質，1948年Boivin等測定生殖細胞與各種體細胞中DNA含量，提出了DNA含量恒定理論。1953年，J.D.Watson和F.H.C.Crick用X射線衍射法發現了DNA的雙螺旋結構（圖1-2），從分子水平上揭示了DNA結構與功能的關系，這是一個劃時代的偉大成就，奠定了分子生物學的基礎。
1956年，Kornberg從大腸桿菌提取液中獲得了DNA聚合酶，并以該菌的DNA單鏈片段為引物（primer），在離體條件下成功地合成了DNA片段的互補鏈（complementarystrand）。1953年Meselson和Stahl等用放射性同位素與梯度離心法分析了DNA的復制過程，證明DNA的復制是半保留復制。1958年，F.H.C.Crick創立了遺傳信息流向的“中心法則”（centraldogma），這個法則是近代生物科學中最重要的基本理論。進入20世紀60年代，Nirenberg和Matthaei通過對核糖核酸的研究，確定了氨基酸的“密碼”。同時，F.Jacob和J.Monod提出了操縱子學說（operontheory）。
細胞學的研究滲入了生物學的新成就、新概念和新技術。1965年，E.D.P.DeRobetis將其編著的《普通細胞學》第四版更名為《細胞生物學》，這是第一本以細胞生物學為標題的書籍，人們將此作為細胞生物學興起的標志。細胞生物學由細胞學發展而來，但不同于細胞學，細胞生物學從細胞整體、超微和分子結構層次對細胞進行分析，把細胞的生命活動現象同分子水平和超分子聯系起來，并且涉及許多科學領域，如遺傳學、生物化學、生理學和發育生物學等。
生命具有自我復制、自我裝配和自我調控的基本特征，這些現象反映在細胞的各級水平上，特別是分子水平上。50多年來，從分子水平揭示細胞生命活動的機理，取得了許多成就，從而形成一門獨立學科――分子生物學。20世紀70年代DNA 限制性內切酶等工具酶的發現、DNA 重組技術的問世、基因克隆和DNA 核苷酸序列的測定，80年代中期聚合酶鏈反應（polymerase chain reaction ，PCR）技術發展，使DNA 片段可以在實驗室條件下擴增。1990年，人類基因組計劃（human genome project ，HGP）開始實施。1997年，“Dolly 羊”的出生為細胞核基因組調節、分化、衰老等生物學難題的研究開拓了視野。2001年，人類基因組全序列測序基本完成，現已進入功能基因組學和蛋白質組學的后基因組時代。本世紀初，RNA 研究也成為熱點，RNA 干涉技術（RNA interference ，RNAi）的應用在研究基因的功能、基因敲除、藥物篩選、制定基因治療策略等方面顯示出了前景。
分子生物學以核酸和蛋白質為研究對象，細胞生物學以細胞為研究對象，細胞生物學與分子生物學有著內在的，不可分割的關系，兩者之間相互滲透、相得益彰。細胞生物學進一步發展為分子細胞生物學，分子細胞生物學的興起是細胞生物學研究重點轉移的反映，是現代細胞生物學的基本特征，已成為生物學科中最有生氣與活力的分支，是本世紀生物學的又一次革命。
21世紀無疑是生命科學的世紀，在我國基礎科學發展規劃中，把細胞生物學、分子生物學，神經生物學與生態學并列為生命科學的四大基礎學科，反映了現代生命科學的發展趨勢。“每一個生物科學問題的關鍵必須在細胞中尋找”（引自著名細胞學家E.B.Wilson），細胞生物學作為一門綜合的新興基礎理論學科，在醫學科學中占有重要地位。表1-1列出的是細胞生物學發展大事記。
表1-1　細胞生物學發展大事記
年份 學者 事件發現
1665 R.Hooke 用自制的顯微鏡發現軟木片中蜂窩狀的小室，命名為“cell”
1667 A.V.Leeuw enhoek 發現細菌、紅細胞、精子等活細胞，以及某些細胞中的細胞核
1838 M.J.Schleiden 植物體由細胞組成
1839 T Schwann 動物體由細胞組成，總結出“細胞學說”
1839 J.E.Purkinje 提出動物細胞的原生質概念
1841 R.Remak 觀察到雞胚血細胞的直接分裂
1855 R.Virchow 細胞由細胞分裂而來
1865 G.J.M endel 分離定律和自由組合定律
1878 A.Schneider 首先提到核分裂
1882 W.Flemming 將動物細胞間接分裂稱為有絲分裂
1883 E.V.Beneden 動物細胞減數分裂
1875 O.Hertwig & R .Hertwig 海膽卵的受精作用
1883 T.Boveri 發現中心體
年份 學者 事件發現
1894 R.Altmann 發現線粒體（1897，C.Banda 命名）
1898 C.Golgi 發現高爾基器
1903 T.Boveri & W .S.Sutton 染色體遺傳理論
1924 R.Feulgen Feulgen 反應測定細胞核內DNA
1926 T.H.Morgen 《基因論》問世
1933 M.Knoll & E .Ruska 發明電子顯微鏡，1986年獲諾貝爾獎
1935 F.F.Zerwike 相差顯微鏡出現，1953年獲諾貝爾獎
1944 O.Avery 從微生物的轉化實驗證實DNA 為遺傳物質
1953 J.D Watson & F .H.C Crick 提出DN A 分子雙螺旋模型，1962年獲諾貝爾獎
1958 F.H.C Crick 創立“中心法則”
1959 J.D.Robertson 單位膜模型
1960 F.Jacob & J .M onod 操縱子學說，1965年獲諾貝爾獎
1961 M.W.Nirenberg et al 揭示遺傳密碼，1968年獲諾貝爾獎
1970 D.Nathans & H .O.Smith 發現限制性內切酶
1970 H.M.Temin & D .Baltimore 發現反轉錄酶，1975年獲諾貝爾獎
1972 S.J.singer & G .L Nicolson 生物膜的液態鑲嵌模型
1973 H.Boyer & P .Berg 發展了DN A 重組技術
1973 R.M.Steinman 樹突細胞及其在適應性免疫系統方面的作用，2011年獲諾貝爾獎
1974 R.D.Kornberg & J .O.T homas 核小體命名
1975 F.Sanger et al DN A 序列分析技術
1975 G.Blobel 胞內蛋白質運輸信號學說，1999年獲諾貝爾獎
1976 E.Neher & B .Sakmann 細胞質膜上的離子通道，1991年獲諾貝爾獎
1978 R.Edwards 世界首例試管女嬰兒誕生，2010年獲諾貝爾獎
19821985 S.B.Prusiner K.M ulis et al 發現prion ，1997年獲諾貝爾獎PCR 擴增DNA 技術問世，1993年獲諾貝爾獎
1990 R.Dullbecco & J .D.Watson 人類基因組計劃項目啟動
1997 I.Wilmut 用乳腺細胞與去除染色質的卵細胞融合，制成克隆羊
2000 美、英、日、法、德、中 人類基因組工作框架圖完成
2002 H.R.Horvitz 、S.Brenner & J .E.Sulston 器官發育和細胞凋亡過程中的關鍵基因和調節規律，獲諾貝爾獎
2003 IHGSC 人類基因組計劃完成
2004 A.Ciechanover 、A.Hershko & I .Rose 細胞內泛素調節的蛋白質降解機制，獲諾貝爾獎
2005 B.J.Marshall & J .R.Warren 胃炎和胃潰瘍的細菌-幽門螺桿菌，獲諾貝爾獎
2006 R.D.Kornberg 真核細胞轉錄的分子機制，獲諾貝爾獎
2007 M.R.Capecchi 、O.Smithies & M .Evans 胚胎干細胞和哺乳動物DNA 重組的系列研究，獲諾貝爾獎
2008 O.Shimomura 、M.Chalfie & 錢永健 發現綠色熒光蛋白，獲諾貝爾獎
2009 V.Ramakrishnan 、T.A.steitz & A .Yonath 在原子水平對核糖體的結構和功能研究，獲諾貝爾獎
2009 E.Blackburn 、C.Greider & J .Szostak 發現的染色體端粒和端粒酶，獲諾貝爾獎