分子细胞生物学 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

鉴于越来越多的理工科学生以及相关科技工作者需要了解分子与细胞层次的生命科学相关内容，西安交通大学相关教师组织编写了《分子细胞生物学》。《分子细胞生物学》简明、系统地介绍了细胞及相关的分子生物学知识，内容包括：细胞的物质基础、物质与能量代谢、细胞结构及功能、细胞遗传物质、遗传信息的表达及调控、信号转导、细胞增殖与分化、神经细胞等。

目录

前言

绪论 1

第1章 细胞的物质基础 5

1.1 组成细胞的基本元素及化学键 5

1.2 糖类 9

1.3 脂肪类（脂类或者脂质） 18

1.4 蛋白质 28

1.5 核酸 49

本章小结 56

思考题 57

拓展读物 58

第2章 细胞中能量及物质的代谢与转化 59

2.1 生物体中的能量来源及其存在形式 59

2.2 糖类的代谢 70

2.3 脂类的代谢 84

2.4 蛋白质的代谢 93

本章小结 99

思考题 100

拓展读物 100

第3章 细胞结构及其功能 101

3.1 细胞质膜与细胞质基质 101

3.2 细胞器的结构与功能 106

3.3 细胞的大小与形态 110

3.4 细胞的生命过程 110

3.5 植物细胞 114

3.6 原核细胞 115

3.7 病毒 119

本章小结 119

思考题 120

拓展读物 120

第4章 细胞的遗传物质及其维持 121

4.1 DNA和染色体 121

4.2 DNA的复制 132

4.3 DNA的损伤与修复 148

本章小结 160

思考题 161

拓展读物 162

第5章 细胞遗传信息的表达及调控 163

5.1 从DNA到RNA：基因转录 163

5.2 真核细胞RNA转录后加工及转运 186

5.3 从RNA到蛋白质：翻译 195

本章小结 205

思考题 206

拓展读物 206

第6章 细胞的通讯与信号转导 207

6.1 信号分子 207

6.2 信号分子受体（信号的接收） 208

6.3 细胞内的信号处理与传递 212

6.4 细胞对信号的生物应答 223

6.5 信号的终结 225

本章小结 227

思考题 227

拓展读物 228

第7章 细胞的增殖、分化与凋亡 229

7.1 细胞周期 229

7.2 细胞分裂 233

7.3 细胞分化 241

7.4 细胞凋亡 245

本章小结 251

思考题 251

拓展读物 251

第8章 神经细胞及其功能252

8.1 神经细胞 252

8.2 神经细胞的生物电现象 254

8.3 神经细胞间的信息传递 261

8.4 神经细胞的联系方式及整合机制 268

本章小结 272

思考题 273

拓展读物 273

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绪论

　　生命科学在当今社会中是*典型的爆发式发展的科学领域，人们在了解生命奥秘的同时，已经开始利用生命科学的理论和方法去解决当今人类社会面临的健康、资源、生态、环境、能源、信息和材料等领域的一系列重大问题，正在对人类社会的方方面面产生着巨大的影响。

　　细胞是生命*基本的组成单元和功能单位。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3个层次以动态的观点，研究细胞、细胞器的结构和功能，细胞的生命过程以及细胞各种生命活动规律的学科。细胞生物学是现代生命科学前沿的分支学科之一，随着现代生命科学的发展，人们越来越多地从分子层面上去探索细胞各种生命活动规律的分子机制，这就是分子细胞生物学主要探索的领域。

　　生命科学的研究历程一直以来都与物理、化学等基础学科理论的发展和技术的进步密不可分，在了解细胞的基本知识之前，我们首先希望读者从分子细胞生物学发展的历史及其发展趋势中，体会各学科交叉对生命科学发展的促进作用以及生命科学发展对人类社会产生的重大影响。

　　1．分子细胞生物学发展阶段

　　从研究内容来看，细胞生物学的发展可分为3个层次，即显微水平、超微水平和分子水平。从时间轴来看，细胞生物学的历史大致可以划分为4个主要的阶段。

　　**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。在这个阶段中，早期显微镜的发明使人们发现了之前无法观察到的微观世界。可以说，没有显微镜就不可能有细胞学的诞生。1665年，英国人R. 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，**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（实际上只是观察到纤维质的细胞壁）。荷兰皇家学会会员 A. van leeuwenhoek是**个看到活细胞的人，他一生中制作了200多台显微镜和500多个镜头，观察过原生动物、人类精子、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌等。1812年，苏格兰人D. Brewster发明油浸物镜，改进了体视显微镜。1886年，德国人E. K. Abbe发明了复消差显微镜，并改进了油浸物镜。至此，普通光学显微镜技术基本成熟。通过对大量动物、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。

　　在19世纪以前，许多学者的工作都着眼于细胞的显微结构方面，从事形态上的描述，而对各种有机体中出现细胞的意义一直没有做出理论的概括。直到19世纪30年代，德国人施莱登（M. J. Schleiden）和施旺（T. Schwann）提出：一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位。这就是著名的“细胞学说（Cell Theory）”。后人根据施莱登和施旺发表的研究结果，综合为以下要点：①细胞是一个有机体，一切动植物都由细胞发育而来，并由细胞和细胞产物所构成；②细胞是一个相对独立的单位，既有自己的生命，又对其他共同组成整体的生命起作用；③新细胞可以从老细胞中产生。1855年，德国人魏尔肖（R. Virchow）提出“一切细胞来源于细胞”的著名论断，进一步完善了细胞学说。把细胞作为生命的基本单位，以及作为动植物界生命现象的共同基础的这种概念立即被普遍接受。恩格斯将细胞学说誉为19世纪的三大发现之一。

　　第二阶段

　　1839年施莱登和施旺的细胞学说的问世，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。但长期以来，细胞学的研究偏重在结构方面。从19世纪30年代到20世纪初，在细胞学说的基础上，从显微水平研究细胞的结构与功能是这一时期*活跃的研究领域。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的专著《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编著的The Cell in Development and Heredity、1920年墨尔本大学Agar编著的Cytology都是这一领域*早的教科书。

　　第三阶段

　　19世纪后期显微技术的改进以及生物固定技术和染色技术的出现，极大地方便了人们对细胞显微结构的认识，各种细胞器相继被发现，特别是20世纪30年代电子显微镜的问世。1932年，德国人M. Knoll和 E. A. F. Ruska发明了*初的电子显微镜，1940年美国和德国制造出分辨力为0.2nm的商业化电子显微镜。1981年瑞士人 G. Binnig和 H. Roherl发明了扫描隧道显微镜，并与电镜发明者 Ruska同获1986年度的诺贝尔物理学奖。这些工程领域的新技术也极大地推动了细胞生物学的发展，使细胞形态研究达到了空前的高潮，把细胞学带入了第三大发展时期。到20世纪70年代，人们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1924年出版的《普通细胞学》（General Cytology）在1965年第四版时定名为《细胞生物学》（Cell Biology），这是*早的细胞生物学教材之一。1953年，X线衍射技术揭示出遗传物质DNA完美的双螺旋结构，标志着分子生物学的建立，人们对细胞遗传规律的了解进一步深入到了分子层面，并逐渐了解了遗传密码、中心法则以及细胞基因表达的调控等基本问题，这些也都直接促进了细胞生物学的发展，使人们不仅对细胞的结构有了更清楚的认识，也对细胞的各种生命活动规律有了更深入、更全面的了解。

　　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越来越紧密，分子细胞生物学的发展成为生命科学爆发式发展的重要力量。研究细胞中不同分子的结构及其在生命活动中的作用成为主要任务。基因表达调控、信号转导、肿瘤细胞生物学、细胞分化和凋亡、干细胞及诱导多功能干细胞、基因编辑相继登场，成为当代分子细胞生物学领域一个又一个的研究热点。工程技术领域的进步和仪器设备的快速发展使得生物芯片、基因测序、分子示踪、冷冻电镜、高通量质谱鉴定等一系列先进技术手段成为分子细胞生物学发展的强力推手。

　　2000年“人类基因组计划”工作草图完成，带领人们进入了以研究基因功能为主的后基因组时代。蛋白质组学、 RNA组学、糖组学、代谢组学等各种“组学”研究相继登场。同时，生物信息学、纳米生物学等新兴学科也快速发展，细胞生命活动的规律将被进一步完整解析，新技术揭示的分子机制也将有望进一步指导多个交叉学科理论和更新技术的发展。现在，人们也已经开始通过人工设计并合成染色体的方法构建具有特定功能的“合成生命”。生命科学已进入了迅速发展期，也将引领人类社会进入一个新的发展阶段。

　　2．分子细胞生物学发展展望

　　众所周知，人类经历了漫长的采猎文明后，约在一万年前进入农业经济时代，18世纪60年代，英国率先进入工业经济时代，20世纪50年代美国*早走完工业经济的历程，进入信息时代。据专家估计，这一经济形态的“寿命”为75～80年，到21世纪20年代将渐渐失去活力，届时人类将迎接下一个经济时代，即生物经济时代的到来。生物经济的基础为细胞及其蕴含的基因，其核心技术为建立在分子细胞生物学理论基础上的各类生物技术。这些理论和技术已经为世界经济及产业带来了巨大变革。

　　（1）推动产业革命，创造新的经济生长点。生物产业的比重已逐步提高，药品中基于生物技术的产品已经占优势地位，转基因动植物市场前景广阔。此外，生物芯片已广泛应用于科研、医疗、农业、食品、环境保护、司法鉴定等领域，将会成为与微电子芯片一样重要的产业。

　　（2）推动医学革命，延长人类寿命。20世纪初人类平均寿命为40多岁，抗生素和疫苗的应用、医疗技术的提高和公共卫生观念的提出使人类摆脱了传染病威胁，寿命逐渐提高。20世纪末人类平均寿命达到70多岁，但心血管病、癌症和各类遗传病或遗传相关的疾病仍然是威胁人类健康的主凶。21世纪生物技术将推动新一轮医学革命，能够从疾病预防与疾病诊断、药物研制、组织工程、基因治疗、器官移植、抗衰老等多方面延长人类寿命。事实上，早在1990年美国国立卫生研究院（NIH）就进行了世界首例基因治疗，对象是一名患有先天性重度联合免疫缺陷病的4岁女孩。这种疾病是因为缺乏正常的腺苷脱氨酶（ADA）基因而引起的，专家们以病毒作为载体，将ADA基因导入从患者血液中分离出来的淋巴细胞，在体外培养后再输回患者体内，使这位女孩体内ADA的含量升高，免疫功能有所恢复，可以正常活动而无不良反应。这是世界首例基因治疗成功的患者，在此之后，全世界掀起了基因治疗的热潮。

　　（3）推动绿色革命，解决食品危机。20世纪60年代的杂交玉米、杂交小麦和杂交水稻等农作物优质品种的栽培，标志着传统植物育种理论和各种农业措施在作物改良中的应用达到了高峰，并对农业产生了深远的影响，被誉为**次绿色革命。而2世纪转基因动植物、组织培养、胚胎移植、动物克隆等一系列新技术将再一次改变农业的面貌，新技术群将更有利于人们创造新品种、生产人类所急需的粮食、药物和工业用品，推动第二次绿色革命。

　　（4）创造生物新品种，改善生态环境。植物抗旱、抗盐基因的发现与应用，将有可能彻底改变10亿亩（1亩≈666.67m2）干旱地区的生态环境，使5亿亩不毛之地、盐碱地变为良田。用于废气、废水、废渣处理的基因工程**微生物的应用，可降解生物塑料产品的产业化推广，将会解决工业排放、白色垃圾等环保难题，有效改善生态环境。

　　（5）发展绿色能源，解决能源危机。煤、石油等化石能源的枯竭已经是众所周知的危机，替代能源的开发具有十分重要的战略意义。全球生物质能的储量为18000亿吨，相当于640亿吨石油。生物能源将会使作物秸秆等废弃的有机物成为能源，缓解化石能源不足的危机，为石油短缺国家解决能源危机找到一个较为经济的途径。利用“绿金”代替“黑金”，开发生物乙醇、生物柴油、生物发电、生物氢等替代部分化石能源，已经成为许多国家的能源战略。除此之外，植物光合作用机制研究取得重大突破，人工光解水产生的氢气将成为继化石燃料之后主要的能源。

　　（6）生物安全关系到国家安全。必须认识到生物技术是一柄双刃剑，生物工程武器将彻底改变传统战争的方式与后果，没有对生物战剂、生物恐怖和外来入侵物种的防御与应对能力，就不能从根本上保障国家安全。

　　（7）冲击传统伦理观念。转基因动植物、克隆动物、胚胎干细胞、组织工程、器官移植技术的应用及“合成生命”的出现，将对传统伦理观念产生强烈冲击。

　　可以预见，分子细胞生物学仍然是未来生命科学的领头学科，是支撑生物技术发展的基础科学。尽管发现细胞已经30多年，但人类对细胞在整体层次上的工作机制并未获得一个完整清晰的认识。分子细胞生物学未来的一些重要发现将为生物技术带来新的发展动力。例如，对干细胞生长和分化的控制机制的认识或许会带来治疗应用方面的重大突破；对遗传基因和生化途径调控机制的认识将催生更先进的遗传修饰方法；理解细胞感知环境的机制会有助于研发具有广泛应用前景的生物传感器；了解细胞骨架和分子马达的协同工作机制将可能在下半个世纪中引领纳米技术的生物应用。

　　分子细胞生物学的新突破将成为未来以生物经济为主体的社会发展的主要推动力。不妨通过一段科幻式想象来描绘一下我们将面临的未来世界。我们可以基于组织干细胞技术，通过获取患者身体中任意活细胞的DNA，培养出身体任意部分组织结构的器官，从而达到医学上真正的器官再生。再如，电脑与互联网已经成为与人们日常的工作、学习、生产、生活以及科学研究、航空航天等各行各业都息息相关的品，当今的电脑基本模式都是冯？诺依曼模式，制造材料是金属材料居多，从本质上来说从电脑诞生的**天到今天，它的运行模式没有发生任何实质变化。而生物

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