医 学 细 胞 生 物 学
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医 学 细 胞 生 物 学. ( Medical Cell Biology). 齐齐哈尔医学院生物遗传教研室. 第一章 绪 论. 第一节 细胞生物学概述. 细胞学( cytology ): 是研究细胞的形态、结构、生理功能及生活史的科学。 细胞生物学( cell biology) : 从细胞的显微、亚显微和分子水平研究细胞结构、功能及各种生命活动 的本质与规律的科 学。. 一、 细胞生物学的概念及研究内容. 细胞( cell ): 是构成生物体的基本结构和功能单位。. 二、细胞生物学在医学中的地位. 1 、细胞生物学是生命科学的重要分支。.

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医 学 细 胞 生 物 学

(Medical Cell Biology)

齐齐哈尔医学院生物遗传教研室


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第一章 绪 论

第一节 细胞生物学概述

  • 细胞学(cytology):是研究细胞的形态、结构、生理功能及生活史的科学。

  • 细胞生物学(cell biology):从细胞的显微、亚显微和分子水平研究细胞结构、功能及各种生命活动 的本质与规律的科学。

一、细胞生物学的概念及研究内容

  • 细胞(cell):是构成生物体的基本结构和功能单位。


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二、细胞生物学在医学中的地位

1、细胞生物学是生命科学的重要分支。

2、细胞生物学和分子生物学是现代生命科学的基础,

它们广泛渗透到发育生物学、遗传学、神经生物学和

免疫生物学等研究领域。

3、细胞生物学既是生命科学的基础学科,也是现代

生命科学中的前沿学科之一。

4、细胞生物学是生命科学中最为活跃的研究领域之一。


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细胞生物学的两种重要的研究方式

  • 从细胞的表型特征入手,探索隐藏在其背后的分子机制。

  • 从基因或蛋白质等生物大分子入手,了解

    其对细胞功能或行为的影响,因此,细胞生物学也被称为细胞分子生物学或分子细胞生物学。


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细胞生物学的分支学科

1.细胞遗传学(cytogenetics)

2.细胞生理学(cytophysiology)

3.细胞社会学(cytosocilogy)

4.膜生物学(membrane biology)

5.染色体生物学(chromosome biology)

6.基因组学(genomics)

7.蛋白质组学(proteomics)

8.细胞组学(cytomics)


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第二节 细胞生物学的发展简史

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:细胞的发现和细胞学说的创立

  • 第二阶段:细胞学的经典时期(19世纪中-20世纪初)

  • 第三阶段:实验细胞学阶段(20世纪初- 20世纪中)

  • 第四阶段:细胞与分子生物学的形成和发展时期


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细胞生物学的发展简史

  • 一、细胞的发现和细胞学说的创立时期(1665—1875)

  • 1665 英国物理学家罗伯特·胡克(Robert Hooke)发现细胞


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Large Student Microscope made by

Charles Chevalier 1840


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  • 1752年,英国人J. Dollond 发明消色差显微镜。

  • 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Ernst Abbe 发明复消差显微镜,并改进了油浸物镜,至此普通光学显微镜技术基本成熟。

Bausch & Lomb Investigator microscope – circa 1893



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细胞生物学的发展简史

  • 一、细胞的发现和细胞学说的创立时期 (1665—1875)

  • 1665 英国物理学家罗伯特·胡克(Robert Hooke)发现细胞

  • 1677 荷兰科学家列文·虎克(Leeuwenhoek)发现活的细胞

列文·虎克

观察到了血细胞、水生原生动物、人类和哺乳类动物的精子,这是人类第一次观察到完整的活细胞。


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细胞生物学的发展简史

  • 一、细胞的发现和细胞学说的创立时期 (1665—1875)

  • 1665 英国物理学家罗伯特·胡克(Robert Hooke)发现细胞

  • 1831 发现细胞核

  • 1835 发现细胞分裂

  • 1836 发现核仁

  • 1838 – 1839 德国植物学家施莱登(Schleiden)和动物学家

    施旺( Schwann )提出细胞学说(cell theory)。

  • 1677 荷兰科学家列文·虎克(Leeuwenhoek)发现活的细胞


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细胞学说”的基本内容

  • 认为一切生物从单细胞到高等动、植物都是

    由细胞组成的;

  • 细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位。


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德国植物学家施莱登(Schleiden)

德国动物学家施旺(Schwann )


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二、细胞学的经典时期 (1875—1898年)光镜下的细胞学研究

  • 提出原生质理论

    • 1861 Schultze-原生质(protoplasm)理论

  • 发现了细胞分裂的主要类型

    • 1841 Remak-鸡胚血细胞直接分裂

    • 1880 Flemming-有丝分裂

    • 1886 Strasburger-减数分裂

  • 发现了重要的细胞器

    • 1883 Boveri-中心体

    • 1898 Benda-线粒体

    • 1898 Golgi-高尔基体


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细胞生物学的发展简史

三、实验细胞学时期 (1900—1943年)

采用实验手段,综合研究细胞的生理功能,生化变化和发生发展过程。

  • 1902 Boveri,Suttan—染色体遗传理论

  • 1910 Morgen—基因学说

  • 1909 Harrison—组织培养

  • 1943 Cloude—高速离心提取细胞器

  • 1924 Feulgen—Feulgen染色测定DNA

  • 1940 Brachet—Unna染色测定RNA

  • 1940 Casperson—紫外分光光度法检测DNA


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四、细胞和分子生物学形成和发展时期 (1944年-)

  • 1932年,德国人M.Knoll和E.A.F.Ruska发明电镜,1940年,美、德制造出分辨力为0.2nm的商品电镜。

TEM


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细胞生物学的发展简史

四、细胞和分子生物学形成和发展时期 (1944年-)

  • 1944 Avery-DNA是遗传物质

  • 1953 Watson,Crick-DNA双螺旋模型


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四、细胞和分子生物学形成和发展时期 (1944年-)

  • 1944 Avery-DNA是遗传物质

  • 1953 Watson,Crick-DNA双螺旋模型

  • 1953 Meselson,Matthaei-半保留复制

  • 1953 Crick-中心法则

  • 1955 Gamov-三联体密码

  • 1956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。


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  • 1961年,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。

  • 1961~64年,美国人M. W. Nirenberg破译DNA遗传密码。

  • 1968年,瑞士人Werner Arber从细菌中发现DNA限制性内切酶。

  • 1970年,美国人D.Baltimore、R.Dulbecco和H.Temin由于发现逆转录酶而共享诺贝尔生理医学奖。


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  • 1973年,美国人S. Cohen和H. Boyer将外源基因拼接在质粒中,在大肠杆菌中表达,揭开基因工程的序幕。

  • 1975年,英国人F.Sanger设计出DNA测序的双脱氧法,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。


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  • 1983年,美国人K.B.Mullis发明PCR仪,于1993年获诺贝尔化学奖。1988年美国Cetus公司获PCR技术专利,1990年其诊断试剂盒和仪器的销售额达2600万美元。


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  • 1975年,德国人G.J.F.Kohler、阿根廷人C.Milstein和丹麦科学家N.K.Jerne发展了单克隆抗体技术,荣获1984年度诺贝尔生理医学奖。

  • 1990年,美国国立卫生研究院,给一名患有先天性重度联合免疫缺陷病的4岁女孩实施了首例基因治疗。这种疾病因腺苷脱氨酶(ADA)基因变异引起。

  • 1991年12月,复旦大学遗传所薛京伦主持对一例血友病患者进行了基因治疗试验,并获得成功。


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  • 1990年,美国国会正式批准的“人类基因组计划” (Human Genome Project, 计划在15年内投入30亿美元以上的资金进行人类基因组分析。

    • 我国于1993年加入该计划,承担其中1%的任务,即人类3号染色体短臂上约30Mb的测序任务。

    • 2000年6月28日人类基因组工作草图完成。


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细胞生物学的发展简史

1996年7月5日,世界上第一只克隆羊“多利”在英国苏格兰卢斯林研究所的试验基地诞生。成为世纪末的重大新闻。

Dolly sheep born in Roslin Institute, Scottland.


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第三节 细胞生物学与医学

一 、细胞生物学与医学关系

  • 医学研究对象:人体

  • 医学细胞生物学

    • 研究对象:人体细胞

    • 研究目的:从细胞水平、细胞超微结构水平和分子水平阐明各种生命活动的本质和规律,并且利用和控制这些规律,为防病、治病和人类健康提供科学的理论依据,造福于人类。


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1.细胞生物学是现代医学的基础和支柱学科。

2.细胞生物学的研究内容与医学科学的结合,产生了医学细胞生物学,期待能对人体各种疾病的发病机制予以深入阐明,并试图在诊断和治疗上提出有效的技术手段。

3.医学细胞生物学是医学院校学生重要的基础医学课程之一。


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基因克隆和重组技术日趋成熟,在商业目的的驱使下,人类将大量的改造物种,开始了偏离自然进化规律的二次“创世纪”

人类基因组计划完成,进入以基因功能为主要研究内容的后人类基因组计划。人类将解读自身大约10万个基因的含义,到时危害人类健康的5000多种遗传病,以及与遗传密切相关的癌症、心血管疾病、关节炎、糖尿病、高血压、精神病等,都可以得到早期诊断和治疗。基因工程药物将得到广泛的应用,目前人工干扰素售价高达440亿美元/Kg。

对未来的展望


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  • 克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

  • 煤(350年)与石油天然气(30-50年)资源的枯竭指日可待,对光合作用机理的研究,使人工光解水成为可能。

  • 基因武器可能成为又一种足以令人类毁灭的武器。

  • 生物芯片技术广泛应用于科研、医疗、农业、食品、环境保护、司法鉴定等领域。计算机和网络系统为生物经济的遗传信息管理和交流提供了方便。


Gene chip
Gene Chip克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。


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第二章 细胞的概念与分子基础克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

第一节 细胞的基本概念

一、细胞是生物结构和功能的基本单位

构成生物有机体的基本单位

新陈代谢的基本单位

细胞是

生长发育的基本单位

遗传的基本单位

没有细胞就没有完整的生命


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根据细胞的进化程度:克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

原核细胞(prokaryotic cell)

细胞

真核细胞(eukaryotic cell)


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从原核细胞到真核细胞的演进克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

二、原核细胞

  • 特征:有细胞壁(主要成分为肽聚糖),结构简单,无细胞核,只含有核糖体,无膜性细胞器。

  • 主要代表:细菌、支原体、放线菌和蓝绿藻。


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细胞质克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

细胞膜

核糖体

DNA

原核生物

1. 支原体 (macoplasma):已知最小的细胞,直径0.1-0.3um


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肺炎支原体克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。


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中间体克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

核糖体

细胞壁

拟核

细胞膜

原核生物

2. 细菌(bacteria)


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TEM image,克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。Escherichia coli


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三、真核细胞克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

(一)真核细胞的大小

人卵与精子

大多数动植物细胞直径在20~30μm间。一般真核细胞的体积大于原核细胞,卵细胞大于体细胞。鸵鸟的卵黄直径可达5cm;支原体只有0.1μm;人的坐骨神经细胞可长达1m。

几种细胞的大小


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细胞的形态克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

  • 单细胞生物细胞的形态通常与细胞外沉积物或细胞骨架有关,如硅藻呈各种奇异的形态、草履虫像鞋底。

  • 高等生物细胞的形状与细胞功能及细胞间的相互作用有关。如肌肉细胞呈梭形;红细胞为圆盘状;植物叶表皮的保卫细胞成半月形,2个细胞围成一个气孔,以利于呼吸和蒸腾。

  • 高等动物的细胞离开有机体分散存在时,形状往往发生变化。如平滑肌细胞在体内成梭形,而在离体培养时则可成多角形。


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从原核细胞到真核细胞的演进克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

(二)真核细胞的基本结构

细胞膜

(cell membrane)

光镜下结构

细胞质

(cytoplasm)

细胞核

(nucleus)


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(二)真核细胞的结构特点克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

1.生物膜系统:是指以生物膜为基础而形成的膜性结构或细胞器,包括细胞膜、内质网、高尔基复合体、线粒体、溶酶体、过氧化物酶体及核膜等。

2、遗传信息表达系统:DNA和蛋白质

3、细胞骨架系统:是由一系列纤维状蛋白组成的网状结构系统,包括细胞质骨架和核骨架。

4、核糖体和细胞质溶胶:

核糖体:蛋白质合成的场所。

细胞质溶胶在细胞质中除内膜系统和细胞骨架等结构外,其余的则为可溶性的细胞质溶胶。


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真核细胞的超微结构克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

细胞膜

溶酶体

高尔基复合体

线粒体

膜相结构

过氧化氢体

电镜下结构

内质网

核膜

核糖体

核仁

染色质

核基质

微丝

非膜相结构

中等纤维

微管

细胞质基质

中心粒


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Animal cell克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。


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原核细胞与真核细胞的比较克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

特征

原核细胞

真核细胞

细胞大小

较小(1~10µm)

较大(10~100 µm)

细胞核

无核仁和核膜

有核仁和核膜

细胞器

无(除核糖体外)

有各种细胞器

核糖体

70S(50S+30S)

80S(60S+40S)

内膜系统

简单

复杂

细胞骨架

有微管,微丝

细胞壁

主要组分为肽聚糖

主要组分为纤维素

DNA量

两条以上,线状,与组蛋白和部分

酸性蛋白结合

一条,环状,裸露

DNA分子结构

无内含子,无大量的DNA

重复序列

有内含子,大量的DNA重复序列

基因结构特点

有丝分裂和减数分裂

细胞分裂

无丝分裂

出现在不同时间和地点(转录在核内,翻译在细胞质中)

出现在同一时间和地点

(细胞质中)

转录和翻译


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有机小分子:克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

氨基酸、核苷

酸、脂肪酸

第二节 细胞的起源和进化

一、原始细胞的形成

(一)地球上原始生命的诞生

1、简单有机小分子的产生


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2克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。、生物大分子的形成

从分子到细胞的进化

氨基酸蛋白质(protien)

有机小分子

核苷酸 核酸(nucleic acid)

3、生物大分子物质组成多分子体系

4、多分子体系演变为原始的生命

长期进化

生长分裂

原始核酸蛋白质

核酸蛋白质微滴

原始生命

原始新

陈代谢


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(二)原始细胞的形成克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

从分子到细胞的进化

1、具有自我复制能力的多聚体的形成

多聚体的形成是原始细胞形成的关键步骤

RNA的自我复制能力

RNA指导蛋白质合成

蛋白质催化RNA复制

2、膜的出现与原始细胞的诞生

保持多核苷酸自我复制

磷脂分子自发装配成膜结构

避免优质蛋白丢失


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二、原核细胞向真核细胞的演化克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

  • 一般认为,真核细胞是由原核细胞进化而来

  • 原始真核细胞大约在15亿年前在地球上出现

    1、分化起源说

    原核细胞真核细胞

内部结构分化

自然选择

2、内共生起源说

真核细胞是由原始厌氧菌的后代吞入了需氧菌

逐步演化而来


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三、单细胞生物到多细胞生物的进化克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

  • 在多细胞集体内出现细胞的分工和协作

  • 多细胞生物进化的早期由单细胞聚集成群体


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从单细胞生物到多细胞生物的发展克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

多细胞生物的两个基本特点:

  • 1.细胞产生了特化

  • 2.细胞之间相互协作,构成一个相互协调的统一体。

    上皮组织(epithelia tissue)

    结缔组织(connective tissue )

  • 动物细胞 血液(blood)

    神经组织(nerve tissue)

    肌肉组织(muscle tissue)


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本章节重点克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

  • 1.细胞生物学发展经历的几个主要阶段

  • 2.细胞学说的基本内容

  • 3.真核细胞的结构

  • 4.原核细胞与真核细胞的区别


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(一)普通光学显微镜克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。


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(二)荧光显微镜克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

  • 用于观察能激发出荧光的结构。

  • 用途:免疫荧光观察、基因定位、疾病诊断。

Fluorescence image of epithelial cell, DNA in blue and Microtubules in green


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(三)激光共聚焦扫描显微镜克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

  • 用激光作光源,逐点、逐行、逐面快速扫描。

  • 分辨力是普通光学显微镜的3倍。

  • 用途类似荧光显微镜,但能扫描不同层次,形成立体图像。

LCSM Image of a Xenopus Melanophore

microtubule cytoskeleton (green) and the nucleus (blue)


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(四)透射电子显微镜克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

以电子束作光源,电磁场作透镜。

用于观察超微结构。

分辨率:0.2nm


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(五)扫描电子显微镜克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

20世纪60年代问世,用来观察标本表面结构。


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人类精子克隆技术和干细胞定向分化技术取得突破,人工创建的组织,器官将用于医学治疗的目的。

(五)扫描电子显微镜

人类红细胞

分辨率:0.2nm


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  • 分子细胞生物学 韩贻仁 科学出版社 2001年03月

  • 医学细胞与分子生物学 陈诗书 上海医科大学出版社 1999年01月

  • 细胞生物学 王德耀 上海科学技术出版社 1998年出版

  • 细胞生物学 翟中和等编 高等教育出版社 2000年8月出版

  • 细胞生物学(第二版) 汪堃仁 北京师范大学出版社1998年11月出版

  • 细胞生物学研究方法与技术(第二版) 刘鼎新 北医、协和医大联合出版社1997年05月出版

  • 细胞生物学实验(第二版) 杨汉民 高等教育出版社1997年07月出版

  • Molecular Biology of the Cell 4th Edition, Bruce Alberts et al., 2002

  • Molecular Cell Biology 4th Edition, Harvey Lodish et al., 1999

  • Cell and Molecular Biology 3rdGerald Karp, 2002


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