21第二十一讲 细胞生物学的兴起

《第二十一讲细胞生物学的兴起》从1893年O.赫特维希出版专著《细胞与组织》起到20世纪50年代，细胞学逐步从形态的描述和实验转向结构和功能的探讨。1931年E.鲁斯卡和M.克诺尔创建了第一台透射式电子显微镜，到1945年分辨率已达到20埃。50、60年代随着电子显微镜的改进与相应技术的建立，以及受分子生物学的影响，对细胞的观察研究进入了新的层次，人们力求从亚细胞结构水平甚至分子水平结构上阐明细胞的整体功能。这就使细胞学发展到一个新的阶段，成为一门新兴的独立分支学科──细胞生物学。

一.细胞概念的发展

1925年美国细胞学家E.B.威尔逊出版的《发育和遗传中的细胞》(第3版)是19世纪中后期以来，有关细胞学研究的总结。他所提出的光学显微镜下的细胞模式图，包括细胞膜、细胞核、细胞质以及主要的细胞器和内含物等，一直沿用到1950年。50年代起,随着电镜的广泛应用,发现膜是细胞的基本结构。60年代还发现细胞质内的微管和微丝，以及由微管按一定规律集聚成的鞭毛、纤毛、基体和中心体等。因此，到70年代开始提出细胞主要是由膜系统结构组成的复杂的动态体系，它既有膜相结构（如细胞膜、内质网、高尔基器、核膜、线粒体、溶酶体、过氧化酶体等），又有非膜相结构（如核糖体、中心体、微管、微丝、细胞质基质、核仁、染色质、核基质等）。对于细胞的生物学特性则概括为：细胞是遗传信息和代谢信息的储存和传递的系统；细胞是从小分子合成复杂大分子，特别是核酸和蛋白质的系统；细胞又是一个内部有能量流动，并保持整体动态平衡的开放系统。

二. 细胞膜的结构和功能

1917年美国化学家、物理学家I.朗缪尔发表单分子薄膜的开创性实验结果，为现代的细胞膜结构概念奠定了基础。1935年英国生物学家J.F.丹尼利和H.戴维森提出“丹尼利-戴维森模型”。他们认为细胞表面膜有一个类脂构成的核心，脂分子的极性端朝外，每边覆盖一层单分子的蛋白。50年代以来通过瑞典生物学家F.S.舍斯特兰德、美国物理学家J.D.罗伯逊等各自用电子显微镜所作的研究，于1959年指出多数膜是由暗-明-暗，即蛋白-磷脂-蛋白三层组成的“三合板”式结构。这种膜的模型有相当普遍性，故称单位膜。单位膜膜型未能反映膜的动态结构和膜功能的多样性与专一性。到70年代，又有人先后提出“流体镶嵌膜”模型，“晶格镶嵌膜”模型，反映了膜的流动性，但仍无定论。后来知道，把细胞与外界环境分隔开来的细胞外周膜的功能十分复杂。60年代以来的大量研究工作表明外周膜具有物质转运、能量转换、信息传递、细胞和分子识别等重要功能。

三. 染色体的结构

1924年确认植物细胞核同动物细胞核相同,也含有DNA。到30～40年代已分析出染色质内含有DNA、RNA，酸性蛋白和碱性组蛋白。50年代对各主要成分进行了定量测定,并明确了DNA和组蛋白结合成的核蛋白是染色体的主要成分。60年代又根据所含赖氨酸、精氨酸的多少，将组蛋白划分为H1、H2a、H2b、H3、H4五种。1953年DNA双螺旋结构的阐明,推动了染色体结构的研究。1957年美国的泰勒提出的边链

模型，属于“蛋白质骨架”模型。同年英国的威尔金斯则提出以DNA为核心的模型。这两类模型在60～70年代均各有发展。1974年由A.L.奥林斯、D.E.奥林斯、科恩伯格和奥特脱等提出并经过多方证明的核小体模型,又完全替代了以DNA为核心的超盘绕模型。反映了对染色体结构的新认识。

四. 线粒体的结构和功能

1934年美国解剖学家R.R.本斯利和N.L.霍尔成功地分离了豚鼠肝脏的线粒体，开创了用生化方法直接研究细胞器的广阔前景。1948年已确定线粒体是细胞呼吸的场所，又是细胞能量转换的中心。50年代，罗马尼亚裔的美国细胞生物学家G.E.帕拉德(1952)和F.S.舍斯特兰德(1954)分别发表线粒体结构的报告,虽略有差异,但主要方面比较一致。1956年G.E.帕拉德提出线粒体由外膜、内膜、脊、外室、内室和基质等组成，不久就得到了普遍的承认。1962年用负染色法发现线粒体的内膜粒子。以后通过拆离重组实验，证明内膜粒子即A TP酶复合体。1973年查明A TP酶复合体头部、柄部和基部的各亚单位和分子量，其分子量总和与整体测定的分子量接近。

线粒体最重要的功能是进行与A TP合成有关的氧化磷酸化作用。关于氧化磷酸化的机理研究，1953年德国生化学家E.C.斯莱特提出化学偶联假说；1961年英国生化学家P.米切尔提出化学渗透偶联假说；1964年先由P.D.博耶后又由D.E.格林提出构型偶联假说。3种假说都认为偶联涉及一种最初的受能状态，如高能的中间产物，H□离子梯度及构型的变化等，并由它们推动ATP的合成。三者都各有依据，但也有未能证实的方面。