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细胞生物学 （ 27学时）
主讲教师：翁朝红
联系电话,6181957
E- mail,yjxie@jmu.edu.cn
yjxie@163.com
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学时安排
第一章 绪论 2学时
第二章 细胞膜与细胞表面 3学时
第三章 物质的跨膜运输与信号传递 4学时
第四章 细胞质基质和内膜系统 4学时
第五章 细胞的能量转换 —— 线粒体和叶绿体 3学时
第六章 细胞骨架与细胞运动 2学时
第七章 核糖体和蛋白质合成 1学时
第八章 细胞核 2学时
第九章 细胞的增殖及其调控 2学时
第十章 细胞分化与肿瘤 2学时
第十一章 细胞衰老与凋亡 1学时
总结 1学时
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第一章 绪论（ 2学时）
? 细胞生物学研究的内容和现状 ?
? 细胞生物学发展简史 ?
? 细胞基本知识概要 ?
? 细胞生物学的研究方法 ?
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细胞生物学研究的内容和现状
细胞生物学 是现代生命科学的重要基础学科
细胞生物学的主要研究 内容
当前细胞生物学研究的 总趋势 与 重点领域
总趋势,细胞生物学与分子生物学 (包括分子遗传学与生
物化学 ) 相互渗透与交融 是总的发展趋势 。
重点领域,? ?
?染色体 DNA与蛋白质相互作用关系 —主要是非组蛋白对基
因组的作用
?细胞增殖, 分化, 凋亡的相互关系及其调控
?细胞信号转导的研究
?细胞结构体系的组装
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细胞生物学
? 生命体是多层次, 非线性, 多侧面的复杂结构体
系, 而细胞是生命体的结构与生命活动的基本单位,
有了细胞才有完整的生命活动 。
?细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学,
它是在不同层次 （ 显微, 亚显微与分子水平 ） 上以
研究细胞结构与功能, 细胞增殖, 分化, 衰老与凋
亡, 细胞信号传递, 真核细胞基因表达与调控, 细
胞起源与进化等为主要内容 。
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细胞生物学发展简史
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世纪末 -19世纪 30年代，是 细胞发现 及细胞知
识的积累阶段。
第二阶段：从 19世纪 30-20世纪中期,细胞学说 形成后，主要
进行 显微形态的研究 。
第三阶段：从 20世纪 30年代 -50年代，以 细胞超微结构,核型
等研究为主要内容。
第四阶段：从 20世纪 50年代,J,Watson和 H,Crick的 DNA双螺
旋模型的提出到 70年代分子克隆技术的成熟到当前,细胞生
物学与分子生物学的结合愈来愈紧密,基因调控、信号转导、
细胞分化和凋亡、肿瘤生物学等领域成为当前的主要研究内
容。
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主要内容
细胞结构与功能, 细胞重要生命活动,
?细胞核, 染色体以及基因表达的研究
?生物膜与细胞器的研究
?细胞骨架体系的研究
?细胞增殖及其调控
?细胞分化及其调控
?细胞的衰老与凋亡
?细胞的起源与进化
?细胞工程
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美国科学情报研究所（ ISI） 1997年 SCI（ Science Citation
Index） 收录及引用论文检索，全世界自然科学研究中论文
发表最集中的三个领域分别是：
细胞信号转导 （ signal transduction）；
细胞凋亡 （ cell apoptosis）；
基因组与后基因组学研究 （ genome and post-genomic
analysis）。
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美国国立卫生研究院 （ NIH） 在 1988年底发表的一份题
为, 什麽是当今科研领域的热门话题？, （, What is
popular in research today？,） 的调查报告中指出, 目前全球
研究最热门的是
?三种疾病,
?癌症 （ cancer）
?心血管病 （ cardiovascular diseases）
?爱滋病和肝炎等传染病
（ infectious diseases,AIDS,hepatitis）
?五大研究方向,
?细胞周期调控 （ cell cycle control） ；
?细胞凋亡 （ cell apoptosis） ；
?细胞衰老 （ cellular senescence） ；
?信号转导 （ signal transduction） ；
?DNA的损伤与修复 （ DNA damage and repair）
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细胞的发现是和显微镜的发明分不开的。 1665 英国人
Robert Hook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，并首次用拉丁文 cellar（ 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 )。
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。
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在 1838－ 1839年,德国植物学家 M,Schleidon和动
物学家 T,Schwann在总结前人工作的基础上提出了
细胞学说。
,细胞学说, 的基本内容
认为细胞是有机体，一切动植物都是由细胞发
育而来,并由细胞和细胞产物所构成；
每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它
,自己的, 生命,又对与其它细胞共同组成的整
体的生命有所助益；
新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。
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1,1831 英国人 Robert Brown 发现植物细胞核。
2,1832 德国人？ C,J,Dumortier 观察了藻类的细胞分裂，并认
为细胞来源于原来存在的细胞。
3,1835 德国人 H,von Molh 仔细观察了植物的细胞分裂，认为
是植物的根和芽尖极易观察到的现象。
4,1835 法国人 F,Dujardin 观察动物活细胞时发现“肉样质”
（ Sarcode)。
5,1839 捷克人 J,E,Pukinye 用 prtoplasm这一术语描述细胞物质，
,Protoplast”为神学用语，指人类始祖亚当。
6,1841 波兰人 R,Remak发现鸡胚血细胞的直接分裂（无丝分
裂）。
7,1846 德国人 H,von Mohl研究了植物原生质，发表了
,identifies protoplasm as the substance of cells”。
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8,1848 德国人 W,Hofmeister 描绘了鸭跖草 Tradescantia的花
粉母细胞，明确的体现出染色体，但他没有认识到之一重
要性,40年后德国人 H,von Waldeyer因这一结构可被碱性
染料着色而定名为 Chromosome。
9,1861 德国人 M,Shultze 认为动物细胞内的肉样质和植物
体内的原生质具有同样的意义。他给细胞的定义是,"the
cell is an accumulation of living substance or protoplasm
definitely delimited in space and possessing a cell membrane
and nucleus。,
10,1864 德国人 Max Schultze 观察了植物的胞间连丝。
11,1865 德国人 J,von Suchs 发现叶绿体。
12,1866 奥地利人 G,Mendel 发表了对豌豆的杂交试验结果，
提出遗传的分离规律和自由组合规律。
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13,1868 英国人 T,H,Huxley 在爱丁堡作题为“生命的物质基础”
（ the physical basis of life） 的演讲报告时首次把原生质的概念介
绍给了英国公众。
14,1871 德国人 F,Miescher 从脓细胞中分离出核酸。
15,1876 德国人 O.Hertwig发现海胆的受精现象，其论文题目为
"observe the fertilization of a sea urchin egg"。
16,1879 德国人 W,Flemming观察了蝾螈细胞的有丝分裂，于
1882年提出了 mitosis 这一术语。后来德国人 E,
Strasburger(1876~80)在植物细胞中发现有丝分裂，认为有丝分裂
的实质是核内丝状物（染色体 )的形成及其向两个子细胞的平均
分配，动植物的受精实质上是父本和母本配子核的融合，并于
1984提出了 Prophase和 Metaphase的概念。
17,1882 德国人 E,Strasburger 提出细胞质（ cytoplasm） 和核质
（ nucleoplasm） 的概念。
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18,1883 比利时人 E,van Beneden 证明马蛔虫 Ascaris
megalocephala配子的染色体数目是体细胞的一半，并且在
受精过程中卵子和精子贡献给合子的染色体数目相等。
19,1883 比利时人 E,van Beneden和德国人 T,Boveri发现中
心体。
20,1884 德国人 O.Hertwig和 E,Strasburger提出细胞
核控制遗传的论断。
21,1886 德国人 A,Weismann 提出种质论。
22,1890 德国人 Richard Altmann 描述了线粒体的染色方法，
他推测线粒体就像细胞的内共生物，并认为线粒体与能量
代谢有关。他还于 1889年提出了核酸的概念。
23,1892 德国人 T,Boveri和 O,Hertwig研究了减数分裂的本
质，并描述了染色体联会现象。
24,1898 意大利人 C,Golgi 用银染法观察高尔基体。
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25,1900 孟德尔在 34年前发表的遗传法则被重新发现。
26,1905 美国人 Clarence McClung shows that female
mammals have 2 X chromosomes and that males have an X and
a Y
27,1908 美国人 T,H,Morgan以 Drosophila melanogaster为材
料开始著名的遗传学实验,1910年提出遗传的染色体理论，
1919年发表 "遗传的本质 "（ Physical Basis of Heredity）。
1926年发表 "基因学说 "（ The Theory of the Gene）
28,1910 德国人 A,Kossel获得诺贝尔生理医学奖，他首先分
离出腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸。
29,1935 美国人 W,M,Stanley 首次得到烟草花叶病毒的结
晶体。
30,1940 德国人 G,A,Kausche和 H,Ruska 发表了世
界第一张叶绿体的电镜照片。
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31,1941 美国人 G,W,Beadle和 E,L,Tatum提出一个
基因一个酶的概念。
32,1944 美国人 O,Avery等人通过微生物转化试验
证明 DNA是遗传物质。
33,1945 美国的 K,R,Porter,A,Claude 和 E,F,
Fullam发现小鼠成纤维细胞中的内质网。
34,1949 加拿大人 M,Bar发现巴氏小体。
35,1951 美国人 James Bonner发现线粒体与细胞呼
吸有关。
36,1953 美国人 J,D,Watson 和英国人 F,H,C,Crick提出
DNA双螺旋模型。
37,1955 比利时人 C,de Duve发现溶酶体和过氧化物酶体。
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38,1955 美国人 Vincent Du Vigneaud因人工合成多肽而获诺贝
尔奖。
39,1957 J,D,Robertson 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照
片，显示暗 -明 -暗三层结构。
40,1959年，蒋有兴（美籍华人）利用徐道觉发明的低渗处理
技术证实了人的 2n为 46条，而不是 48条。
41,1961 英国人 P,Mitchell 提出线粒体氧化磷酸化偶联的化学
渗透学说，获 1978年诺贝尔化学奖。
42,1961~64 美国人 M,W,Nirenberg破译 DNA遗传密码。
43,1968 瑞士人 Werner Arber从细菌中发现 DNA限制性内切酶。
44,1970 美国人 D,Baltimore,R,Dulbecco 和 H,Temin由于发现
在 RNA肿瘤病毒中存在以 RNA为模板，逆转录生成 DNA的逆
转录酶而获 1975共享诺贝尔生理医学奖。
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45,1971 美国人 Daniel Nathans 和 Hamilton Smith发展了核酸
酶切技术。
46,1973 美国人 S,Cohen和 H,Boyer将外源基因拼接在质粒
中，并在大肠杆菌中表达，从而揭开基因工程的序幕。
47,1975 英国人 F,Sanger设计出 DNA测序的双脱氧法。于
1980年获诺贝尔化学奖。此外 Sanger还由于 1953年测定了
牛胰岛素的一级结构而获得 1958年诺贝尔化学奖。
48,1982 美国人 S,B,Prusiner发现蛋白质因子 Prion,更新了
医学感染的概念，于 1997年获诺贝尔生理医学奖。
49,1983 美国人 K,B,Mullis发明 PCR仪,1987年发表了
,Specific synthesis of DNA in vitro via a polymerase-
catalyzed chain reaction”,于 1993年获诺贝尔化学奖。
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50,1984 德国人 G,J,F,Kohler,阿根廷人 C,Milstein 和丹麦
科学家 N,K,Jerne由于发展了单克隆抗体技术，完善了极微
量蛋白质的检测技术而分享了诺贝尔生理医学奖。
51,1989 美国人 S,Altman和 T,R,Cech由于发现某些 RNA具
有酶的功能（称为核酶 )而共享诺贝尔化学奖。 Bishop和
Varmus由于发现正常细胞同样带有原癌基因而分享当年的
诺贝尔生理医学奖。
52,1997多利羊在卢斯林研究所诞生，成为世纪末的重大新
闻。多利是 Ian Wilmut领导的研究小组克隆的。
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图 1-9 多利和邦妮
图片来自 http://www.ri.bbsrc.ac.uk/
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细胞基本知识概要
细胞的基本概念 细胞大小
非细胞形态的生命体 —— 病毒 及其 与细胞的关系
原核细胞与真核细胞 图
植物细胞与动物细胞
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各类细胞直径的比较
细胞类型 直径大小 （ μ m ）
最小的病毒
支原体细胞
细菌细胞
动植物细胞
原生动物细胞
0.02
0.1 ～ 0, 3
1 ～ 2
20 ～ 30 （ 10 ～ 50 ）
数百至数千
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细胞是生命活动的基本单位
一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本
单位。
细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢
与功能的基本单位。
细胞是有机体生长与发育的基础。
细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性。
没有细胞就没有完整的生命。
细胞的基本概念
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细胞的基本共性
所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋
白质构成的生物膜，即细胞膜。
所有的细胞都含有两种核酸：即 DNA与 RNA作为
遗传信息复制与转录的载体。
作为蛋白质合成的机器 ─ 核糖体，毫无例外地
存在于一切细胞内。
所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂 。
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病毒的基本知识
?病毒（ virus） ——核酸分子（ DNA或 RNA） 与蛋白质构成
的核酸 -蛋白质复合体；
根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：
? DNA病毒与 RNA病毒
?病毒的多样性 ）
?类病毒（ viroid） ——仅由感染性的 RNA构成；例如，马
铃薯锤管类病毒
?朊病毒（ prion） ——仅由感染性的蛋白质亚基构成；
1982年 S,B,Prusiner在患羊瘙痒病的羊体内发现了一
种蛋白质因子，证明是羊瘙痒病的致病因子，他将其命
名为 PRION。 Prusiner因此项重大发现而于 1997年获得
诺贝尔奖。
对于蛋白质感染因子引起的疾病，目前尚没有有效的治
疗措施，据报道，自 1996年以来，共有 106人得了疯牛
病，其中仅有七人还活着。
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特征 原核细胞 真核细胞
DNA 量 （信息量）
DNA 分子数
DNA 分子结构
基因组数
基因数
大量,多余”的,重复”的
DNA 序列
基因中插入内含子
DNA 与组蛋白结合
DNA 与组蛋白以核小体及各
级高级结构构成染色质与染色体
DNA 复制的明显周期性
基因表达的调控
转录与翻译的时空关系
转录后与翻译后大分子的加
工与修饰
细胞复制与分裂 （ DNA 传递
与分配）
少
1
环状
1 n
几千
—
—
不与或与少量类组蛋白结合
—
—
主要以操纵子方式
转录与翻译同时同地进行
—
无丝分裂
多
2 个以上
线状
2 n, 多 n
大于几万，十万
十
十
与 5 种组蛋白结合
十
十
复杂性，多层次性
核内转录，细胞质内翻译
严格的阶段性与区域性
十
有丝分裂，减数分裂
原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较
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33
34
植物细胞与动物细胞的比较
?细胞壁
?液泡
?叶绿体
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病毒与细胞在起源与进化中的关系
病毒是非细胞形态的生命体, 它的主要生命活动必须要
在细胞内实现 。 病毒与细胞在起源上的关系, 目前存在 3
种主要观点：
?生物大分子 → 病毒 → 细胞
病毒
?生物大分子
细胞
?生物大分子 → 细胞 → 病毒
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细胞生物学研究方法
?细胞形态结构的观察方法
?细胞组分的分析方法
?细胞培养、细胞工程与显微操作技术
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细胞形态结构的观察方法
?光学显微镜技术 （ light microscopy）
?电子显微镜技术 (Electro microscopy)
?扫描探针显微镜（ Scanning Probe Microscope）
扫描遂道显微镜 (scanning tunneling microscope )
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细胞组分的分析方法
?离心分离技术
?细胞内核酸、蛋白质、酶、糖与脂类等的显示方法
?特异蛋白抗原的定位与定性
?细胞内特异核酸的定位与定性
?放射自显影技术
?定量细胞化学分析技术
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细胞培养、细胞工程与显微操作技术
?细胞的培养
?细胞工程
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一、光学显微镜技术（ light microscopy)
?普通复式光学显微镜技术
?荧光显微镜技术 （ Fluorescence Microscopy）
?激光共焦扫描显微镜技术 （ Laser Confocal Microscopy）
?相差显微镜 （ phase-contrast microscope）
?微分干涉显微镜
（ differential interference contrast microscope,DIC）
?录像增差显微镜技术 （ video-enhance microscopy）
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二,电子显微镜技术
?电子显微镜的基本知识
?电镜与光镜的比较
?电镜与光镜光路图比较
?电子显微镜的基本构造
?主要电镜制样技术
?负染色技术
?冰冻蚀刻技术
?超薄切片技术
?电镜三维重构技术
?扫描电镜 （ Scanning electron microscope,SEM）
SPM(Scanning probe microscope)
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三,扫描遂道显微镜
?Scanning Probe Microscope,SPM
(80年代发展起来的检测样品微观结构的仪器 )
包括,STM,AFM,磁力显微镜, 摩擦力显微镜等
原理,扫描探针与样品接触或达到很近距离时, 即产生彼此间相互作用力, 如
量子力学中的隧道效应 （ 隧道电流 ）, 原子间作用力, 磁力, 摩擦力等,
并在计算机显示出来, 从而反映出样品表面形貌信息, 电特性或磁特性等 。
?装置：扫描的压电陶瓷, 逼近装置, 电子学反馈控制系统和数据采集, 处理, 显示
系统 。
?特点,（ 1） 可对晶体或非晶体成像, 无需复杂计算, 且分辨本领高 。
（ 侧分辨率为 0.1～ 0.2nm,纵分辨率可达 0.01nm） ；
（ 2） 可实时得到样品表面三维图象, 可测量厚度信息；
（ 3） 可在真空, 大气, 液体等多种条件下工作；非破坏性测量 。
（ 4） 可连续成像, 进行动态观察
?用途：纳米生物学研究领域中的重要工具,在原子水平上揭示样本表面的结构 。
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普通复式光学显微镜技术
光镜样本制作
显微镜物象是否清楚不仅决定于放大倍数，还
与显微镜的分辨力（ resolution） 有关。
分辨率 是指区分开两个质点间的最小距离
n=介质折射率； α=镜口角（聚焦点对物镜镜
口的张角）,N.A.=镜口率（ numeric
aperture）。
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荧光显微镜技术 （ Fluorescence Microscopy）
?原理：
细胞中有些物质，如叶绿素等，受紫外线照射后可发荧光；
另有一些物质本身虽不能发荧光，但如果用荧光染料或荧光
抗体染色后，经紫外线照射亦可发荧光，荧光显微镜可对这
类物质进行定性和定量研究。光源为紫外光，波长较短，分
辨力高于普通显微镜。是目前在光镜水平用于特异蛋白质等
生物大分子的定性定位最有力的工具。
?应用
?直接荧光标记技术
?间接免疫荧光标记技术
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激光共焦扫描显微镜技术
（ Laser Scanning Confocal Microscopy）
?原理和应用,激光共聚焦扫描显微镜（ laser confocal scanning
microscope） 用激光作扫描光源，逐点、逐行、逐面快速扫描成像，
扫描的激光与荧光收集共用一个物镜，物镜的焦点即扫描激光的聚焦
点，也是瞬时成像的物点。由于激光束的波长较短，光束很细，所以
共焦激光扫描显微镜有较高的分辨力，大约是普通光学显微镜的 3倍。
系统经一次调焦，扫描限制在样品的一个平面内，调焦深度不一样时，
就可以获得样品不同深度层次的图像，这些图像信息都储于计算机内，
通过计算机重新组合，就能显示细胞样品的立体结构，给出细胞内各
部分之间的定量关系及各种结构线度。
激光共聚焦扫描显微镜既可以用于观察细胞形态，也可以用于细
胞内生化成分的定量分析、光密度统计以及细胞形态的定量。
?优点：
排除焦平面以外光的干扰, 增强图像反差和提高分辨率 (1.4—
1.7),可重构样品的三维结构 。
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?相差显微镜 （ phase-contrast microscope）
将光程差或相位差转换成振幅差，可用于观察活细胞
?微分干涉显微镜 （ differential-interference microscope）
偏振光经合成后, 使样品中厚度上的微小区别转化成
明暗区别, 增加了样品反差且具有立体感 。 适于研究
活细胞中较大的细胞器 图
?录像增差显微镜技术 （ video-enhance microscopy）
计算机辅助的 DIC显微镜可在高分辨率下研究活
细胞中的颗粒及细胞器的运动
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电镜与光镜的比较
显微镜 分辨本领 光源 透镜 真空 成像原理
LM
TEM
200nm
100nm
0.1nm
可见光
（ 400-700）
紫外光
（约 200nm)
电子束
（ 0.01-0.9）
玻璃透镜
玻璃透镜
电磁透镜
不要求真空
不要求真空
要求真空
1.33x10-5～
1.33x10-3Pa
利用样品对光的吸收形
成明暗反差和颜色变化
利用样品对电子的散射
和透射形成明暗反差
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主要电镜制样技术
? 超薄切片技术 用于电镜观察的样本制备 。 通常以锇酸和戊二醛固定样品,
以环氧树脂包埋, 以热膨胀或螺旋推进的方式推进样品切片, 切片厚度
20-50。 示意图
?负染色技术 （ Negative staining） 与 金属投影
染色背景, 衬托出样品的精细结构
?冰冻蚀刻技术 （ Freeze etching） （ 技术示意图 ）
冰冻断裂与蚀刻复型：主要用来观察膜断裂面的蛋白质颗粒
和膜表面结构 。
?电镜三维重构技术
电子显微术, 电子衍射与计算机图象处理相结合而形成的具有重要
应用前景的一门新技术 。
电镜三维重构技术与 X-射线晶体衍射技术及核磁共振分析技术相结
合, 是当前结构生物学 （ Structural Biology）
——主要研究生物大分子空间结构及其相互关系的主要实验手段 。
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扫描电镜
（ scanning electron microscope,SEM）
?原理与应用：
扫描电子显微镜于 20世纪 60年代问世，用来观察标本的表
面结构。工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品
表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，
也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，
并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器
转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子
束同步的扫描图像。图像为立体形象，反映了标本的表面结
构。为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，
要喷涂上一层重金属微粒，重金属在电子束的轰击下发出次
级电子信号。 CO 2临界点干燥法防止引起样品变形的表面
张力问题。 图
50
人类血细胞 SEM照片
图片来自
http://www.denniskunkel.com/
51
一,离心分离技术
?用途：
离心是研究如细胞核, 线粒体, 高尔基体, 溶酶体和微体等 细胞器,
以及各种大分子基本手段 。 一般认为, 转速为 10000-25000r/min的离心机
称为高速离心机；转速超过 25000r/min,离心力大于 89Kｇ者称为超速离心
机 。 目前超速离心机的最高转速可达 80000r/min,离心力超过 500Kg。
?差速离心 （ Differencial centrifugation）,
在密度均一的介质中由低速到高速逐级离心, 用于分离不同大小的细
胞和细胞器 。
?密度梯度离心,
用一定的介质在离心管内形成一连续或不连续的密度梯度, 将细胞混
悬液或匀浆置于介质的顶部, 通过重力或离心力场的作用使细胞分层, 分
离 。 这类分离又可分为速度沉降和等密度沉降平衡两种 。 密度梯度离心常
用的介质为氯化铯, 蔗糖和多聚蔗糖 。
用于精细组分或生物大分子的分离 。
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二,细胞内核酸、蛋白质、酶、糖与脂类
等的显示方法
?原理, 利用一些显色剂与所检测物质中一些特殊基团特异性
结合的特征, 通过显色剂在细胞中的定位及颜色的深浅来判
断某种物质在细胞中的分布和含量 。
1,金属沉淀法：利用金属化合物在反应过程中生成有色沉淀，
借以辨认所检查的物质或酶活性。如磷酸酶分解磷酸酯底物
后，反应产物最终生成 CoS或 PbS有色沉淀，而显示出酶活性。
2,偶氮偶联法：酚类化合物与偶氮染料结合后可以形成耐晒染
料。
3,Schiff反应：细胞中的醛基可使 Schiff试剂中的无色品红变
为红色。这种反应通常用于显示糖和脱氧核糖核酸（ Feulgen
反应）。
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4,联苯胺反应：过氧化酶分解 H202。 产生新生氧，后者再将
无色的联苯胺氧化成联苯胺蓝，进而变成棕色化合物。
5,普鲁士蓝反应：三价铁与酸性亚铁氰化钾作用，形成普鲁
士蓝。
6,Formazane反应：显示脱氢酶。
7., Nadi”反应：显示细胞色素氧化酶。
8,脂溶染色法：借苏丹染料溶于脂类而使脂类显色。
9,茚三酮反应：显示蛋白质 。
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三、特异蛋白抗原的定位与定性
免疫荧光技术,
根据免疫学原理，利用抗体同特定抗原专一结合，并标
上标记荧光素，对抗原进行定位测定的技术。
快速、灵敏、有特异性，但其分辨率有限 。
蛋白电泳 (SDS-PAGE与免疫印迹反应 (Western-Blot)
免疫电镜技术, 能有效提高样品的分辨率，在超微结构水
平上研究特异蛋白抗原的定位。
免疫铁蛋白技术
免疫酶标技术
免疫胶体金技术
应用：通过对分泌蛋白的定位，可以确定某种蛋白的
分泌动态；胞内酶的研究；膜蛋白的定位与骨架蛋白
的定位等
55
四、细胞内特异核酸的定位与定性
光镜水平的原位杂交技术 （同位素标记或荧光素标
记的探针）
电镜水平的原位杂交技术 （生物素标记的探针与抗
生物素抗体相连的胶体金标记结合）
PCR技术
聚合酶链式反应（ polymerase chain reaction，
PCR）
56
五、放射自显影技术
（ radioautography； autoradiography)）
原理及应用：
其原理是将放射性同位素（如 14C和 3H） 标记的化合物
导入生物体内，经过一段时间后，将标本制成切片或涂
片，涂上卤化银乳胶，经一定时间的放射性曝光，组织
中的放射性即可使乳胶感光。然后经过显影、定影处理
显示还原的黑色银颗粒，即可得知标本中标记物的准确
位置和数量，放射自显影的切片还可再用染料染色，这
样便可在显微镜下对标记上放射性的化合物进行定位或
相对定量测定。
还可实现对细胞内生物大分子进行动态和追踪研究。
?图
57
六．定量细胞化学分析技术
? 细胞显微分光光度术 （ Microspectrophotometry）
?利用细胞内某些物质对特异光谱的吸收, 测定这
些物质
（ 如核酸与蛋白质等 ） 在细胞内的含量 。
包括：
紫外光显微分光光度测定法
可见光显微分光光度测定法
? 流式细胞仪 （ Flow Cytometry）
?主要应用：
用于定量测定细胞中的 DNA,RNA或某一特异蛋白的
含量；
测定细胞群体中不同时相细胞的数量；
从细胞群体中分离某些特异染色的细胞；
分离 DNA含量不同的中期染色体 。
58
一、细胞的培养
动物细胞培养
类型：
原代培养细胞（ primary culture cell）
继代培养细胞（ sub-culture cell）
细胞株（ cell strain） 正常二倍体，接触抑制
细胞系 （ cell line） 亚二倍体，接触抑制丧失
植物细胞
类型,
原生质体培养 （体细胞培养）
单倍体细胞培养（花药培养）
59
二、细胞工程
细胞融合（ cell fusion） 与细胞杂交（ cell hybridization） 技
术
单克隆抗体（ monoclone antibody） 技术 图
细胞显微操作技术 （ micromanipulation technique）
显微操作技术 是指在高倍复式显微镜下，利用 显微操作器
（ micrcmanipulator） 进行细胞或早期胚胎操作的一种方法。
显微操作技术 包括细胞核移植、显微注射、嵌合体技术、
胚胎移植以及显微切割等。
细胞核移植技术已有几十年的历史,Gordon等人（ 1962）
对非洲爪蟾进行核移植获得成功。我国著名学者童第周等
在鱼类细胞核移植方面进行了许多工作，并取得了丰硕成
果。
60
电镜与光镜光路图比较
61
电子显微镜的基本构造
62JEM-1011透射电子显微镜
63
JEOL扫描电子显微镜
64
65
图 2-3 荧光显微镜照片（微管呈绿色、微丝红色、核蓝色）
图片来自 http://www.itg.uiuc.edu/
66
尼康 E800荧光 DIC显微镜
67
激光共聚焦扫描显微镜
68
69
A comparison of yeast cells that
were growing on the vaginal
epithelium seen with different
types of LM.
a)under bright-field;
b)phase-contrast;
c)DIC
70
71
72
Examples of negtively stained and
metal-shadowed specimens.
Electron micrographs of a tobacco
rattle virus after negtive staining
with potassium phosphotungstate(a)
or shadow casting with chromium(b).
73
74
75
76
77
78
79
80
81
Hela细胞（左）,CHO细胞（右）的培养
82
83图 2-18 尼康 NT-88NE显微操作 /注射仪
84
85
参考文献
教材：
《细胞生物学》，翟中和编，北京大学出版社,1995。
参考书：
《细胞生物学教程》，郝水编著，高等教育出版社，
1983。
《细胞生物学》，汪德耀著，上海科技出版社,1988。
《细胞生物学》（第二版），汪堃仁，薛绍白等主编，
北京师范大学出版社,1998。
Charlotte J,Avers,Molecular Cell Biology,
Benjamin/Cummings Publishing Company,Inc.,1986
,细胞和分子生物学,.W D 斯坦菲尔德,J S 科洛麦,R J
卡诺 编著, 姜招峰，邱蓉，吴茜译,1990
86
细胞生物学参考网站
绍兴文理学院细胞生物学 http://www.cella.cn/book
中山大学细胞生物学网站 http://www.zsu.edu.cn
在线生物细胞学词典（英文）
http://www.mblab.gla.ac.uk/dictionary/
细胞生物学网址精选 (英文 )
http://medweb.533.net/bioweb.htm/
Current Opinion in Cell Biology 细胞生物学近论（英
文）细胞生物学方面的所有进展综述
http://www.bmn.com/
细胞 /分子生物学在线 [英文 ]
http://www.cellbio.com/recommend.html
Graphics Gallery
http://www.accessexcellence.org/AB/GG/
细胞生物学 （ 27学时）
主讲教师：翁朝红
联系电话,6181957
E- mail,yjxie@jmu.edu.cn
yjxie@163.com
2
3
学时安排
第一章 绪论 2学时
第二章 细胞膜与细胞表面 3学时
第三章 物质的跨膜运输与信号传递 4学时
第四章 细胞质基质和内膜系统 4学时
第五章 细胞的能量转换 —— 线粒体和叶绿体 3学时
第六章 细胞骨架与细胞运动 2学时
第七章 核糖体和蛋白质合成 1学时
第八章 细胞核 2学时
第九章 细胞的增殖及其调控 2学时
第十章 细胞分化与肿瘤 2学时
第十一章 细胞衰老与凋亡 1学时
总结 1学时
4
第一章 绪论（ 2学时）
? 细胞生物学研究的内容和现状 ?
? 细胞生物学发展简史 ?
? 细胞基本知识概要 ?
? 细胞生物学的研究方法 ?
5
细胞生物学研究的内容和现状
细胞生物学 是现代生命科学的重要基础学科
细胞生物学的主要研究 内容
当前细胞生物学研究的 总趋势 与 重点领域
总趋势,细胞生物学与分子生物学 (包括分子遗传学与生
物化学 ) 相互渗透与交融 是总的发展趋势 。
重点领域,? ?
?染色体 DNA与蛋白质相互作用关系 —主要是非组蛋白对基
因组的作用
?细胞增殖, 分化, 凋亡的相互关系及其调控
?细胞信号转导的研究
?细胞结构体系的组装
6
细胞生物学
? 生命体是多层次, 非线性, 多侧面的复杂结构体
系, 而细胞是生命体的结构与生命活动的基本单位,
有了细胞才有完整的生命活动 。
?细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学,
它是在不同层次 （ 显微, 亚显微与分子水平 ） 上以
研究细胞结构与功能, 细胞增殖, 分化, 衰老与凋
亡, 细胞信号传递, 真核细胞基因表达与调控, 细
胞起源与进化等为主要内容 。
7
细胞生物学发展简史
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世纪末 -19世纪 30年代，是 细胞发现 及细胞知
识的积累阶段。
第二阶段：从 19世纪 30-20世纪中期,细胞学说 形成后，主要
进行 显微形态的研究 。
第三阶段：从 20世纪 30年代 -50年代，以 细胞超微结构,核型
等研究为主要内容。
第四阶段：从 20世纪 50年代,J,Watson和 H,Crick的 DNA双螺
旋模型的提出到 70年代分子克隆技术的成熟到当前,细胞生
物学与分子生物学的结合愈来愈紧密,基因调控、信号转导、
细胞分化和凋亡、肿瘤生物学等领域成为当前的主要研究内
容。
8
主要内容
细胞结构与功能, 细胞重要生命活动,
?细胞核, 染色体以及基因表达的研究
?生物膜与细胞器的研究
?细胞骨架体系的研究
?细胞增殖及其调控
?细胞分化及其调控
?细胞的衰老与凋亡
?细胞的起源与进化
?细胞工程
9
美国科学情报研究所（ ISI） 1997年 SCI（ Science Citation
Index） 收录及引用论文检索，全世界自然科学研究中论文
发表最集中的三个领域分别是：
细胞信号转导 （ signal transduction）；
细胞凋亡 （ cell apoptosis）；
基因组与后基因组学研究 （ genome and post-genomic
analysis）。
10
美国国立卫生研究院 （ NIH） 在 1988年底发表的一份题
为, 什麽是当今科研领域的热门话题？, （, What is
popular in research today？,） 的调查报告中指出, 目前全球
研究最热门的是
?三种疾病,
?癌症 （ cancer）
?心血管病 （ cardiovascular diseases）
?爱滋病和肝炎等传染病
（ infectious diseases,AIDS,hepatitis）
?五大研究方向,
?细胞周期调控 （ cell cycle control） ；
?细胞凋亡 （ cell apoptosis） ；
?细胞衰老 （ cellular senescence） ；
?信号转导 （ signal transduction） ；
?DNA的损伤与修复 （ DNA damage and repair）
11
细胞的发现是和显微镜的发明分不开的。 1665 英国人
Robert Hook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，并首次用拉丁文 cellar（ 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 )。
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。
12
在 1838－ 1839年,德国植物学家 M,Schleidon和动
物学家 T,Schwann在总结前人工作的基础上提出了
细胞学说。
,细胞学说, 的基本内容
认为细胞是有机体，一切动植物都是由细胞发
育而来,并由细胞和细胞产物所构成；
每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它
,自己的, 生命,又对与其它细胞共同组成的整
体的生命有所助益；
新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。
13
14
15
1,1831 英国人 Robert Brown 发现植物细胞核。
2,1832 德国人？ C,J,Dumortier 观察了藻类的细胞分裂，并认
为细胞来源于原来存在的细胞。
3,1835 德国人 H,von Molh 仔细观察了植物的细胞分裂，认为
是植物的根和芽尖极易观察到的现象。
4,1835 法国人 F,Dujardin 观察动物活细胞时发现“肉样质”
（ Sarcode)。
5,1839 捷克人 J,E,Pukinye 用 prtoplasm这一术语描述细胞物质，
,Protoplast”为神学用语，指人类始祖亚当。
6,1841 波兰人 R,Remak发现鸡胚血细胞的直接分裂（无丝分
裂）。
7,1846 德国人 H,von Mohl研究了植物原生质，发表了
,identifies protoplasm as the substance of cells”。
16
8,1848 德国人 W,Hofmeister 描绘了鸭跖草 Tradescantia的花
粉母细胞，明确的体现出染色体，但他没有认识到之一重
要性,40年后德国人 H,von Waldeyer因这一结构可被碱性
染料着色而定名为 Chromosome。
9,1861 德国人 M,Shultze 认为动物细胞内的肉样质和植物
体内的原生质具有同样的意义。他给细胞的定义是,"the
cell is an accumulation of living substance or protoplasm
definitely delimited in space and possessing a cell membrane
and nucleus。,
10,1864 德国人 Max Schultze 观察了植物的胞间连丝。
11,1865 德国人 J,von Suchs 发现叶绿体。
12,1866 奥地利人 G,Mendel 发表了对豌豆的杂交试验结果，
提出遗传的分离规律和自由组合规律。
17
13,1868 英国人 T,H,Huxley 在爱丁堡作题为“生命的物质基础”
（ the physical basis of life） 的演讲报告时首次把原生质的概念介
绍给了英国公众。
14,1871 德国人 F,Miescher 从脓细胞中分离出核酸。
15,1876 德国人 O.Hertwig发现海胆的受精现象，其论文题目为
"observe the fertilization of a sea urchin egg"。
16,1879 德国人 W,Flemming观察了蝾螈细胞的有丝分裂，于
1882年提出了 mitosis 这一术语。后来德国人 E,
Strasburger(1876~80)在植物细胞中发现有丝分裂，认为有丝分裂
的实质是核内丝状物（染色体 )的形成及其向两个子细胞的平均
分配，动植物的受精实质上是父本和母本配子核的融合，并于
1984提出了 Prophase和 Metaphase的概念。
17,1882 德国人 E,Strasburger 提出细胞质（ cytoplasm） 和核质
（ nucleoplasm） 的概念。
18
18,1883 比利时人 E,van Beneden 证明马蛔虫 Ascaris
megalocephala配子的染色体数目是体细胞的一半，并且在
受精过程中卵子和精子贡献给合子的染色体数目相等。
19,1883 比利时人 E,van Beneden和德国人 T,Boveri发现中
心体。
20,1884 德国人 O.Hertwig和 E,Strasburger提出细胞
核控制遗传的论断。
21,1886 德国人 A,Weismann 提出种质论。
22,1890 德国人 Richard Altmann 描述了线粒体的染色方法，
他推测线粒体就像细胞的内共生物，并认为线粒体与能量
代谢有关。他还于 1889年提出了核酸的概念。
23,1892 德国人 T,Boveri和 O,Hertwig研究了减数分裂的本
质，并描述了染色体联会现象。
24,1898 意大利人 C,Golgi 用银染法观察高尔基体。
19
25,1900 孟德尔在 34年前发表的遗传法则被重新发现。
26,1905 美国人 Clarence McClung shows that female
mammals have 2 X chromosomes and that males have an X and
a Y
27,1908 美国人 T,H,Morgan以 Drosophila melanogaster为材
料开始著名的遗传学实验,1910年提出遗传的染色体理论，
1919年发表 "遗传的本质 "（ Physical Basis of Heredity）。
1926年发表 "基因学说 "（ The Theory of the Gene）
28,1910 德国人 A,Kossel获得诺贝尔生理医学奖，他首先分
离出腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸。
29,1935 美国人 W,M,Stanley 首次得到烟草花叶病毒的结
晶体。
30,1940 德国人 G,A,Kausche和 H,Ruska 发表了世
界第一张叶绿体的电镜照片。
20
31,1941 美国人 G,W,Beadle和 E,L,Tatum提出一个
基因一个酶的概念。
32,1944 美国人 O,Avery等人通过微生物转化试验
证明 DNA是遗传物质。
33,1945 美国的 K,R,Porter,A,Claude 和 E,F,
Fullam发现小鼠成纤维细胞中的内质网。
34,1949 加拿大人 M,Bar发现巴氏小体。
35,1951 美国人 James Bonner发现线粒体与细胞呼
吸有关。
36,1953 美国人 J,D,Watson 和英国人 F,H,C,Crick提出
DNA双螺旋模型。
37,1955 比利时人 C,de Duve发现溶酶体和过氧化物酶体。
21
38,1955 美国人 Vincent Du Vigneaud因人工合成多肽而获诺贝
尔奖。
39,1957 J,D,Robertson 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照
片，显示暗 -明 -暗三层结构。
40,1959年，蒋有兴（美籍华人）利用徐道觉发明的低渗处理
技术证实了人的 2n为 46条，而不是 48条。
41,1961 英国人 P,Mitchell 提出线粒体氧化磷酸化偶联的化学
渗透学说，获 1978年诺贝尔化学奖。
42,1961~64 美国人 M,W,Nirenberg破译 DNA遗传密码。
43,1968 瑞士人 Werner Arber从细菌中发现 DNA限制性内切酶。
44,1970 美国人 D,Baltimore,R,Dulbecco 和 H,Temin由于发现
在 RNA肿瘤病毒中存在以 RNA为模板，逆转录生成 DNA的逆
转录酶而获 1975共享诺贝尔生理医学奖。
22
45,1971 美国人 Daniel Nathans 和 Hamilton Smith发展了核酸
酶切技术。
46,1973 美国人 S,Cohen和 H,Boyer将外源基因拼接在质粒
中，并在大肠杆菌中表达，从而揭开基因工程的序幕。
47,1975 英国人 F,Sanger设计出 DNA测序的双脱氧法。于
1980年获诺贝尔化学奖。此外 Sanger还由于 1953年测定了
牛胰岛素的一级结构而获得 1958年诺贝尔化学奖。
48,1982 美国人 S,B,Prusiner发现蛋白质因子 Prion,更新了
医学感染的概念，于 1997年获诺贝尔生理医学奖。
49,1983 美国人 K,B,Mullis发明 PCR仪,1987年发表了
,Specific synthesis of DNA in vitro via a polymerase-
catalyzed chain reaction”,于 1993年获诺贝尔化学奖。
23
50,1984 德国人 G,J,F,Kohler,阿根廷人 C,Milstein 和丹麦
科学家 N,K,Jerne由于发展了单克隆抗体技术，完善了极微
量蛋白质的检测技术而分享了诺贝尔生理医学奖。
51,1989 美国人 S,Altman和 T,R,Cech由于发现某些 RNA具
有酶的功能（称为核酶 )而共享诺贝尔化学奖。 Bishop和
Varmus由于发现正常细胞同样带有原癌基因而分享当年的
诺贝尔生理医学奖。
52,1997多利羊在卢斯林研究所诞生，成为世纪末的重大新
闻。多利是 Ian Wilmut领导的研究小组克隆的。
24
图 1-9 多利和邦妮
图片来自 http://www.ri.bbsrc.ac.uk/
25
细胞基本知识概要
细胞的基本概念 细胞大小
非细胞形态的生命体 —— 病毒 及其 与细胞的关系
原核细胞与真核细胞 图
植物细胞与动物细胞
26
各类细胞直径的比较
细胞类型 直径大小 （ μ m ）
最小的病毒
支原体细胞
细菌细胞
动植物细胞
原生动物细胞
0.02
0.1 ～ 0, 3
1 ～ 2
20 ～ 30 （ 10 ～ 50 ）
数百至数千
27
细胞是生命活动的基本单位
一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本
单位。
细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢
与功能的基本单位。
细胞是有机体生长与发育的基础。
细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性。
没有细胞就没有完整的生命。
细胞的基本概念
28
细胞的基本共性
所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋
白质构成的生物膜，即细胞膜。
所有的细胞都含有两种核酸：即 DNA与 RNA作为
遗传信息复制与转录的载体。
作为蛋白质合成的机器 ─ 核糖体，毫无例外地
存在于一切细胞内。
所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂 。
29
病毒的基本知识
?病毒（ virus） ——核酸分子（ DNA或 RNA） 与蛋白质构成
的核酸 -蛋白质复合体；
根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：
? DNA病毒与 RNA病毒
?病毒的多样性 ）
?类病毒（ viroid） ——仅由感染性的 RNA构成；例如，马
铃薯锤管类病毒
?朊病毒（ prion） ——仅由感染性的蛋白质亚基构成；
1982年 S,B,Prusiner在患羊瘙痒病的羊体内发现了一
种蛋白质因子，证明是羊瘙痒病的致病因子，他将其命
名为 PRION。 Prusiner因此项重大发现而于 1997年获得
诺贝尔奖。
对于蛋白质感染因子引起的疾病，目前尚没有有效的治
疗措施，据报道，自 1996年以来，共有 106人得了疯牛
病，其中仅有七人还活着。
30
31
特征 原核细胞 真核细胞
DNA 量 （信息量）
DNA 分子数
DNA 分子结构
基因组数
基因数
大量,多余”的,重复”的
DNA 序列
基因中插入内含子
DNA 与组蛋白结合
DNA 与组蛋白以核小体及各
级高级结构构成染色质与染色体
DNA 复制的明显周期性
基因表达的调控
转录与翻译的时空关系
转录后与翻译后大分子的加
工与修饰
细胞复制与分裂 （ DNA 传递
与分配）
少
1
环状
1 n
几千
—
—
不与或与少量类组蛋白结合
—
—
主要以操纵子方式
转录与翻译同时同地进行
—
无丝分裂
多
2 个以上
线状
2 n, 多 n
大于几万，十万
十
十
与 5 种组蛋白结合
十
十
复杂性，多层次性
核内转录，细胞质内翻译
严格的阶段性与区域性
十
有丝分裂，减数分裂
原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较
32
33
34
植物细胞与动物细胞的比较
?细胞壁
?液泡
?叶绿体
35
病毒与细胞在起源与进化中的关系
病毒是非细胞形态的生命体, 它的主要生命活动必须要
在细胞内实现 。 病毒与细胞在起源上的关系, 目前存在 3
种主要观点：
?生物大分子 → 病毒 → 细胞
病毒
?生物大分子
细胞
?生物大分子 → 细胞 → 病毒
36
细胞生物学研究方法
?细胞形态结构的观察方法
?细胞组分的分析方法
?细胞培养、细胞工程与显微操作技术
37
细胞形态结构的观察方法
?光学显微镜技术 （ light microscopy）
?电子显微镜技术 (Electro microscopy)
?扫描探针显微镜（ Scanning Probe Microscope）
扫描遂道显微镜 (scanning tunneling microscope )
38
细胞组分的分析方法
?离心分离技术
?细胞内核酸、蛋白质、酶、糖与脂类等的显示方法
?特异蛋白抗原的定位与定性
?细胞内特异核酸的定位与定性
?放射自显影技术
?定量细胞化学分析技术
39
细胞培养、细胞工程与显微操作技术
?细胞的培养
?细胞工程
40
一、光学显微镜技术（ light microscopy)
?普通复式光学显微镜技术
?荧光显微镜技术 （ Fluorescence Microscopy）
?激光共焦扫描显微镜技术 （ Laser Confocal Microscopy）
?相差显微镜 （ phase-contrast microscope）
?微分干涉显微镜
（ differential interference contrast microscope,DIC）
?录像增差显微镜技术 （ video-enhance microscopy）
41
二,电子显微镜技术
?电子显微镜的基本知识
?电镜与光镜的比较
?电镜与光镜光路图比较
?电子显微镜的基本构造
?主要电镜制样技术
?负染色技术
?冰冻蚀刻技术
?超薄切片技术
?电镜三维重构技术
?扫描电镜 （ Scanning electron microscope,SEM）
SPM(Scanning probe microscope)
42
三,扫描遂道显微镜
?Scanning Probe Microscope,SPM
(80年代发展起来的检测样品微观结构的仪器 )
包括,STM,AFM,磁力显微镜, 摩擦力显微镜等
原理,扫描探针与样品接触或达到很近距离时, 即产生彼此间相互作用力, 如
量子力学中的隧道效应 （ 隧道电流 ）, 原子间作用力, 磁力, 摩擦力等,
并在计算机显示出来, 从而反映出样品表面形貌信息, 电特性或磁特性等 。
?装置：扫描的压电陶瓷, 逼近装置, 电子学反馈控制系统和数据采集, 处理, 显示
系统 。
?特点,（ 1） 可对晶体或非晶体成像, 无需复杂计算, 且分辨本领高 。
（ 侧分辨率为 0.1～ 0.2nm,纵分辨率可达 0.01nm） ；
（ 2） 可实时得到样品表面三维图象, 可测量厚度信息；
（ 3） 可在真空, 大气, 液体等多种条件下工作；非破坏性测量 。
（ 4） 可连续成像, 进行动态观察
?用途：纳米生物学研究领域中的重要工具,在原子水平上揭示样本表面的结构 。
43
普通复式光学显微镜技术
光镜样本制作
显微镜物象是否清楚不仅决定于放大倍数，还
与显微镜的分辨力（ resolution） 有关。
分辨率 是指区分开两个质点间的最小距离
n=介质折射率； α=镜口角（聚焦点对物镜镜
口的张角）,N.A.=镜口率（ numeric
aperture）。
44
荧光显微镜技术 （ Fluorescence Microscopy）
?原理：
细胞中有些物质，如叶绿素等，受紫外线照射后可发荧光；
另有一些物质本身虽不能发荧光，但如果用荧光染料或荧光
抗体染色后，经紫外线照射亦可发荧光，荧光显微镜可对这
类物质进行定性和定量研究。光源为紫外光，波长较短，分
辨力高于普通显微镜。是目前在光镜水平用于特异蛋白质等
生物大分子的定性定位最有力的工具。
?应用
?直接荧光标记技术
?间接免疫荧光标记技术
45
激光共焦扫描显微镜技术
（ Laser Scanning Confocal Microscopy）
?原理和应用,激光共聚焦扫描显微镜（ laser confocal scanning
microscope） 用激光作扫描光源，逐点、逐行、逐面快速扫描成像，
扫描的激光与荧光收集共用一个物镜，物镜的焦点即扫描激光的聚焦
点，也是瞬时成像的物点。由于激光束的波长较短，光束很细，所以
共焦激光扫描显微镜有较高的分辨力，大约是普通光学显微镜的 3倍。
系统经一次调焦，扫描限制在样品的一个平面内，调焦深度不一样时，
就可以获得样品不同深度层次的图像，这些图像信息都储于计算机内，
通过计算机重新组合，就能显示细胞样品的立体结构，给出细胞内各
部分之间的定量关系及各种结构线度。
激光共聚焦扫描显微镜既可以用于观察细胞形态，也可以用于细
胞内生化成分的定量分析、光密度统计以及细胞形态的定量。
?优点：
排除焦平面以外光的干扰, 增强图像反差和提高分辨率 (1.4—
1.7),可重构样品的三维结构 。
46
?相差显微镜 （ phase-contrast microscope）
将光程差或相位差转换成振幅差，可用于观察活细胞
?微分干涉显微镜 （ differential-interference microscope）
偏振光经合成后, 使样品中厚度上的微小区别转化成
明暗区别, 增加了样品反差且具有立体感 。 适于研究
活细胞中较大的细胞器 图
?录像增差显微镜技术 （ video-enhance microscopy）
计算机辅助的 DIC显微镜可在高分辨率下研究活
细胞中的颗粒及细胞器的运动
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电镜与光镜的比较
显微镜 分辨本领 光源 透镜 真空 成像原理
LM
TEM
200nm
100nm
0.1nm
可见光
（ 400-700）
紫外光
（约 200nm)
电子束
（ 0.01-0.9）
玻璃透镜
玻璃透镜
电磁透镜
不要求真空
不要求真空
要求真空
1.33x10-5～
1.33x10-3Pa
利用样品对光的吸收形
成明暗反差和颜色变化
利用样品对电子的散射
和透射形成明暗反差
48
主要电镜制样技术
? 超薄切片技术 用于电镜观察的样本制备 。 通常以锇酸和戊二醛固定样品,
以环氧树脂包埋, 以热膨胀或螺旋推进的方式推进样品切片, 切片厚度
20-50。 示意图
?负染色技术 （ Negative staining） 与 金属投影
染色背景, 衬托出样品的精细结构
?冰冻蚀刻技术 （ Freeze etching） （ 技术示意图 ）
冰冻断裂与蚀刻复型：主要用来观察膜断裂面的蛋白质颗粒
和膜表面结构 。
?电镜三维重构技术
电子显微术, 电子衍射与计算机图象处理相结合而形成的具有重要
应用前景的一门新技术 。
电镜三维重构技术与 X-射线晶体衍射技术及核磁共振分析技术相结
合, 是当前结构生物学 （ Structural Biology）
——主要研究生物大分子空间结构及其相互关系的主要实验手段 。
49
扫描电镜
（ scanning electron microscope,SEM）
?原理与应用：
扫描电子显微镜于 20世纪 60年代问世，用来观察标本的表
面结构。工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品
表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，
也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，
并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器
转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子
束同步的扫描图像。图像为立体形象，反映了标本的表面结
构。为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，
要喷涂上一层重金属微粒，重金属在电子束的轰击下发出次
级电子信号。 CO 2临界点干燥法防止引起样品变形的表面
张力问题。 图
50
人类血细胞 SEM照片
图片来自
http://www.denniskunkel.com/
51
一,离心分离技术
?用途：
离心是研究如细胞核, 线粒体, 高尔基体, 溶酶体和微体等 细胞器,
以及各种大分子基本手段 。 一般认为, 转速为 10000-25000r/min的离心机
称为高速离心机；转速超过 25000r/min,离心力大于 89Kｇ者称为超速离心
机 。 目前超速离心机的最高转速可达 80000r/min,离心力超过 500Kg。
?差速离心 （ Differencial centrifugation）,
在密度均一的介质中由低速到高速逐级离心, 用于分离不同大小的细
胞和细胞器 。
?密度梯度离心,
用一定的介质在离心管内形成一连续或不连续的密度梯度, 将细胞混
悬液或匀浆置于介质的顶部, 通过重力或离心力场的作用使细胞分层, 分
离 。 这类分离又可分为速度沉降和等密度沉降平衡两种 。 密度梯度离心常
用的介质为氯化铯, 蔗糖和多聚蔗糖 。
用于精细组分或生物大分子的分离 。
52
二,细胞内核酸、蛋白质、酶、糖与脂类
等的显示方法
?原理, 利用一些显色剂与所检测物质中一些特殊基团特异性
结合的特征, 通过显色剂在细胞中的定位及颜色的深浅来判
断某种物质在细胞中的分布和含量 。
1,金属沉淀法：利用金属化合物在反应过程中生成有色沉淀，
借以辨认所检查的物质或酶活性。如磷酸酶分解磷酸酯底物
后，反应产物最终生成 CoS或 PbS有色沉淀，而显示出酶活性。
2,偶氮偶联法：酚类化合物与偶氮染料结合后可以形成耐晒染
料。
3,Schiff反应：细胞中的醛基可使 Schiff试剂中的无色品红变
为红色。这种反应通常用于显示糖和脱氧核糖核酸（ Feulgen
反应）。
53
4,联苯胺反应：过氧化酶分解 H202。 产生新生氧，后者再将
无色的联苯胺氧化成联苯胺蓝，进而变成棕色化合物。
5,普鲁士蓝反应：三价铁与酸性亚铁氰化钾作用，形成普鲁
士蓝。
6,Formazane反应：显示脱氢酶。
7., Nadi”反应：显示细胞色素氧化酶。
8,脂溶染色法：借苏丹染料溶于脂类而使脂类显色。
9,茚三酮反应：显示蛋白质 。
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三、特异蛋白抗原的定位与定性
免疫荧光技术,
根据免疫学原理，利用抗体同特定抗原专一结合，并标
上标记荧光素，对抗原进行定位测定的技术。
快速、灵敏、有特异性，但其分辨率有限 。
蛋白电泳 (SDS-PAGE与免疫印迹反应 (Western-Blot)
免疫电镜技术, 能有效提高样品的分辨率，在超微结构水
平上研究特异蛋白抗原的定位。
免疫铁蛋白技术
免疫酶标技术
免疫胶体金技术
应用：通过对分泌蛋白的定位，可以确定某种蛋白的
分泌动态；胞内酶的研究；膜蛋白的定位与骨架蛋白
的定位等
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四、细胞内特异核酸的定位与定性
光镜水平的原位杂交技术 （同位素标记或荧光素标
记的探针）
电镜水平的原位杂交技术 （生物素标记的探针与抗
生物素抗体相连的胶体金标记结合）
PCR技术
聚合酶链式反应（ polymerase chain reaction，
PCR）
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五、放射自显影技术
（ radioautography； autoradiography)）
原理及应用：
其原理是将放射性同位素（如 14C和 3H） 标记的化合物
导入生物体内，经过一段时间后，将标本制成切片或涂
片，涂上卤化银乳胶，经一定时间的放射性曝光，组织
中的放射性即可使乳胶感光。然后经过显影、定影处理
显示还原的黑色银颗粒，即可得知标本中标记物的准确
位置和数量，放射自显影的切片还可再用染料染色，这
样便可在显微镜下对标记上放射性的化合物进行定位或
相对定量测定。
还可实现对细胞内生物大分子进行动态和追踪研究。
?图
57
六．定量细胞化学分析技术
? 细胞显微分光光度术 （ Microspectrophotometry）
?利用细胞内某些物质对特异光谱的吸收, 测定这
些物质
（ 如核酸与蛋白质等 ） 在细胞内的含量 。
包括：
紫外光显微分光光度测定法
可见光显微分光光度测定法
? 流式细胞仪 （ Flow Cytometry）
?主要应用：
用于定量测定细胞中的 DNA,RNA或某一特异蛋白的
含量；
测定细胞群体中不同时相细胞的数量；
从细胞群体中分离某些特异染色的细胞；
分离 DNA含量不同的中期染色体 。
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一、细胞的培养
动物细胞培养
类型：
原代培养细胞（ primary culture cell）
继代培养细胞（ sub-culture cell）
细胞株（ cell strain） 正常二倍体，接触抑制
细胞系 （ cell line） 亚二倍体，接触抑制丧失
植物细胞
类型,
原生质体培养 （体细胞培养）
单倍体细胞培养（花药培养）
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二、细胞工程
细胞融合（ cell fusion） 与细胞杂交（ cell hybridization） 技
术
单克隆抗体（ monoclone antibody） 技术 图
细胞显微操作技术 （ micromanipulation technique）
显微操作技术 是指在高倍复式显微镜下，利用 显微操作器
（ micrcmanipulator） 进行细胞或早期胚胎操作的一种方法。
显微操作技术 包括细胞核移植、显微注射、嵌合体技术、
胚胎移植以及显微切割等。
细胞核移植技术已有几十年的历史,Gordon等人（ 1962）
对非洲爪蟾进行核移植获得成功。我国著名学者童第周等
在鱼类细胞核移植方面进行了许多工作，并取得了丰硕成
果。
60
电镜与光镜光路图比较
61
电子显微镜的基本构造
62JEM-1011透射电子显微镜
63
JEOL扫描电子显微镜
64
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图 2-3 荧光显微镜照片（微管呈绿色、微丝红色、核蓝色）
图片来自 http://www.itg.uiuc.edu/
66
尼康 E800荧光 DIC显微镜
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激光共聚焦扫描显微镜
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A comparison of yeast cells that
were growing on the vaginal
epithelium seen with different
types of LM.
a)under bright-field;
b)phase-contrast;
c)DIC
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Examples of negtively stained and
metal-shadowed specimens.
Electron micrographs of a tobacco
rattle virus after negtive staining
with potassium phosphotungstate(a)
or shadow casting with chromium(b).
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Hela细胞（左）,CHO细胞（右）的培养
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83图 2-18 尼康 NT-88NE显微操作 /注射仪
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参考文献
教材：
《细胞生物学》，翟中和编，北京大学出版社,1995。
参考书：
《细胞生物学教程》，郝水编著，高等教育出版社，
1983。
《细胞生物学》，汪德耀著，上海科技出版社,1988。
《细胞生物学》（第二版），汪堃仁，薛绍白等主编，
北京师范大学出版社,1998。
Charlotte J,Avers,Molecular Cell Biology,
Benjamin/Cummings Publishing Company,Inc.,1986
,细胞和分子生物学,.W D 斯坦菲尔德,J S 科洛麦,R J
卡诺 编著, 姜招峰，邱蓉，吴茜译,1990
86
细胞生物学参考网站
绍兴文理学院细胞生物学 http://www.cella.cn/book
中山大学细胞生物学网站 http://www.zsu.edu.cn
在线生物细胞学词典（英文）
http://www.mblab.gla.ac.uk/dictionary/
细胞生物学网址精选 (英文 )
http://medweb.533.net/bioweb.htm/
Current Opinion in Cell Biology 细胞生物学近论（英
文）细胞生物学方面的所有进展综述
http://www.bmn.com/
细胞 /分子生物学在线 [英文 ]
http://www.cellbio.com/recommend.html
Graphics Gallery
http://www.accessexcellence.org/AB/GG/
