細胞生物學

細胞生物學（cell biology）舊稱細胞學（cytology），是研究細胞的形態結構、生理機能、細胞週期、細胞分裂、細胞自噬、細胞凋亡，以及各種胞器及訊息傳遞路徑的學科。研究範圍專注在生物學的微觀下與分子層次。細胞生物學研究包括極大的多樣性的單細胞生物，如細菌和原生動物，以及在多細胞生物如人類、植物和海綿的許多專門的細胞。

細胞生物學在顯微、亞顯微和分子水平三個層次上進行研究，並不斷向探究細胞與細胞間、細胞與細胞外界相互作用等領域拓展，向探究細胞增殖、分裂、死亡等生命活動內在規律縱深。從生命結構層次看，細胞生物學位於分子生物學與發育生物學之間，同它們相互銜接，互相滲透。

細胞是生命的基本單位，細胞的特殊性決定了個體的特殊性，因此，對細胞的深入研究是揭開生命奧秘、改造生命和征服疾病的關鍵。細胞生物學已經成為當代生物科學中發展最快的一門尖端學科，是生物學、農學、醫學、畜牧、水產和許多生物相關專業的一門必修課程。50年代以來諾貝爾生理與醫學獎大都授予了從事細胞生物學研究的科學家。

細胞生物學是研究細胞結構、功能及生活史的一門科學。細胞生物學由細胞學（cytology）發展而來，細胞學是關於細胞結構與功能（特別是染色體）的研究。現代細胞生物學從顯微水平、超微水平和分子水平等不同層次研究細胞的結構、功能及生命活動。

對於所有的生物科學，了解細胞的成分和細胞是如何工作是至關重要的。賞析細胞類型之間的異同，對於細胞和分子生物學領域以及生物醫學領域，如癌症研究和發育生物學尤為重要。這些基本的相似性和差異提供了一個統一的主題，有時允許從研究一種細胞類型學到的原則進行外推並推廣到其他類型的細胞。因此，細胞生物學的研究和以下學科密切相關：遺傳學，生物化學，分子生物學，免疫學和發育生物學。

## 內部細胞結構

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### 化學和分子環境

細胞的研究在分子水平上進行; 然而，細胞內的大多數過程由小有機分子，無機離子，激素和水的混合物組成。約75-85％的細胞體積是由於水使其由於水的極性和結構而成為不可缺少的溶劑。細胞內作為底物的這些分子為細胞進行代謝反應和信號傳導提供了合適的環境。細胞形狀在不同類型的生物體之間變化不同，因此被分為兩類：真核生物和原核生物。在由動物，植物，真菌和原生動物細胞組成的真核細胞的情況下，形狀通常是圓形和球形的，而對於由細菌和古菌構成的原核細胞，形狀是：球形（球菌），杆狀（桿菌），彎曲狀（弧菌）和螺旋狀（Spirochaete）.。

細胞生物學更側重於真核細胞及其信號傳導途徑的研究，而不是微生物學所涵蓋的原核生物。細胞的一般分子組成的主要成分包括：自由流動或膜結合的蛋白質和脂質，以及稱為細胞器的不同內部區室。該細胞的環境由允許上述分子和離子交換的親水性和疏水性區域構成。

### 細胞結構

- 中心體 - 一組相關的圓柱形蛋白質結構（中心粒），其組織微管並幫助在真核生物細胞分裂期間形成有絲分裂紡錘體
- 細胞膜（細胞膜） - 細胞的一部分，其將細胞與外部環境隔開並保護細胞，以及調節進入和離開細胞的部分
- 細胞壁 - 為細胞提供結構支持和保護，同時也是一種過濾機制（存在於植物、真菌和細菌等生物的細胞外）
- 葉綠體 - 光合作用的關鍵細胞器（僅存在植物細胞中）
- 纖毛 - 具有細胞骨架的真核生物的運動結構，軸突。
- 細胞質 - 細胞內主要流體填充空間的內容，化學反應也發生在這種果凍樣物質中。
- 細胞骨架 - 細胞內的蛋白質細絲（微絲，微管和中間細絲）
- 內質網（粗糙） - 膜蛋白合成的主要位點
- 內質網（平滑） - 脂質合成的主要部位
- 核內體 - 囊泡，其運輸膜和內和外細胞內容物用於通過溶酶體再循環或降解
- 鞭毛 - 細菌，古菌和真核生物的活動結構
- 高爾基體 - 內膜系統中蛋白質糖基化的位點
- 磷脂雙分子層 - 細胞膜的基本組織結構
- 溶酶體 - 酸性細胞器，其將細胞廢物和碎片分解成簡單的化合物（僅存在於動物細胞中）
- 微絨毛 - 增加從周圍介質吸收營養物的表面積
- 線粒體 - 通過釋放三磷酸腺苷(ATP)形式的能量產生主要能量的細胞器
- 細胞核 - 含有由DNA組成的染色體，生命的基石。細胞核組織對於規定細胞核功能很重要。
- 細胞器 - 用於主要亞顯微細胞結構的術語
- 過氧化物酶體 - 一種非常小的細胞器，使用氧氣來分解和解毒長脂肪酸和其他分子
- 性菌毛 - 也稱為fimbria用於共軛和有時運動
- 核糖體 - 細胞中蛋白質合成所需的核糖核酸(rRNA)和蛋白質複合物
- 澱粉顆粒 - 存在於典型植物細胞的細胞質中，它儲存植物的化學能。
- 液胞 - 含有細胞液或其他儲存材料。
- 囊泡 - 運輸物質的細胞內的小膜球體。

## 過程

### 生長和發育

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細胞的生長過程不是指細胞的大小，而是指在給定時間存在於生物體中的細胞數目的密度。細胞生長涉及生物體中存在的細胞數量隨著其生長和發育而增加; 隨著生物體變大，存在的細胞數量也增加。細胞是所有生物的基礎，它們是生命的基本單位。細胞的生長和發育對於宿主的維持和生物體的存活是必需的。對於該過程，細胞經歷細胞周期和發育的步驟，其涉及細胞生長，DNA複製，細胞分裂，再生，專門化和細胞死亡。細胞周期分為四個不同的階段，G1，S，G2和M。G階段 - 是細胞生長階段 - 構成約95％的周期。細胞的增殖是由祖細胞發起的，細胞隨後分化成為專化的，其中相同類型的特化細胞聚集形成組織，然後器官並最終形成系統。G期與S期 - DNA複製，損傷和修復 - 被認為是周期的相間階段。而M期（有絲分裂和細胞質分裂）是該周期的細胞分裂部分。細胞周期受一系列信號因子和複合物如CDK's，激酶，和p53的調控，僅舉幾例。當細胞完成其生長過程，並且如果發現其被損壞或改變，則其通過細胞凋亡或壞死發生細胞死亡，以消除其對生物體存活造成的威脅。

### 蛋白質的運動

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每種類型的蛋白質通常是傳送到細胞某一特定部分。細胞生物學的一個重要組成部分是研究由蛋白質移動到細胞內不同的地方，或從細胞不同的地方分泌的分子機制。

大多數蛋白質是由粗面內質網（RER）上的核糖體合成的。核糖體含有的核酸核糖核酸(RNA)，它裝配和連接的胺基酸製造蛋白質。在細胞質內以及在內質網(RER)內，它們可以被單獨的或群組的找到。這個過程被稱為蛋白質的生物合成。

### 其他的細胞過程

- 主動運輸和被動運輸 - 移進和移出細胞的分子運動。
- 自噬 - 使細胞「吃」自己的內部元件或入侵微生物的過程。
- 細胞黏附 - 保持細胞和組織在一起。
- 細胞運動 - 趨化性，收縮，纖毛和鞭毛。
- 細胞信號傳送 - 來自外部的信號調控細胞行為。
- DNA修復 - 細胞程序性死亡，和細胞衰老。
- 代謝 - 糖酵解, 呼吸作用, 光合作用, 和化能合成。
- 轉錄和RNA剪接 - 基因表達

## 用於研究細胞的技術

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細胞可能是在顯微鏡下觀察，使用多個不同的技術，這些技術包括: 光學顯微鏡，透射電子顯微鏡，掃描電子顯微鏡，熒光顯微鏡，相關光電子顯微鏡，和共聚焦顯微鏡檢查。

- 細胞培養是在實驗室中獨立於生物體的生長細胞的基本技術。
- 免疫染色，也稱為免疫組織化學染色法，是用於定位細胞或組織切片中的蛋白質的專門的組織學方法。
- 計算基因組學用於查找基因組資訊中的模式。
- DNA微陣列鑑定在不同的實驗條件之間的轉錄水平的變化。
- 基因敲落突變一個選擇的基因。
- 聚合酶鏈式反應(PCR)可以被用來確定細胞中一個基因存在多少拷貝。
- 轉染將新基因引入細胞，通常是表達構建體。

細胞及其部分的純化。可以使用以下方法進行純化：

- 細胞分離
- 通過細胞破壞釋放細胞器。
- 通過離心分離不同的細胞器。
- 流式細胞術(flow cytometry)
- 免疫沉澱法(Immunoprecipitation, IP)
- 抗體與靶蛋白的結合。
- 通過洗脫收集靶蛋白。
- 通過洗滌劑和鹽或其他類型的化學物質從細胞膜提取的蛋白質。

## 著名的細胞生物學家

- 彼得·阿格雷
- 古特·布洛伯爾
- 克里斯汀·德·迪夫
- 羅伯特·胡克
- H·羅伯特·霍維茨
- 安東尼·范·列文虎克
- 彼得·米切爾
- 保羅·納斯
- 喬治·埃米爾·帕拉德
- 錢永健