细胞生物学

细胞生物学（cell biology）旧称细胞学（cytology），是研究细胞的形态结构、生理机能、细胞周期、细胞分裂、细胞自噬、细胞凋亡，以及各种胞器及讯息传递路径的学科。研究范围专注在生物学的微观下与分子层次。细胞生物学研究包括极大的多样性的单细胞生物，如细菌和原生动物，以及在多细胞生物如人类、植物和海绵的许多专门的细胞。

细胞生物学在显微、亚显微和分子水平三个层次上进行研究，并不断向探究细胞与细胞间、细胞与细胞外界相互作用等领域拓展，向探究细胞增殖、分裂、死亡等生命活动内在规律纵深。从生命结构层次看，细胞生物学位于分子生物学与发育生物学之间，同它们相互衔接，互相渗透。

细胞是生命的基本单位，细胞的特殊性决定了个体的特殊性，因此，对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、改造生命和征服疾病的关键。细胞生物学已经成为当代生物科学中发展最快的一门尖端学科，是生物学、农学、医学、畜牧、水产和许多生物相关专业的一门必修课程。50年代以来诺贝尔生理与医学奖大都授予了从事细胞生物学研究的科学家。

细胞生物学是研究细胞结构、功能及生活史的一门科学。细胞生物学由细胞学（cytology）发展而来，细胞学是关于细胞结构与功能（特别是染色体）的研究。现代细胞生物学从显微水平、超微水平和分子水平等不同层次研究细胞的结构、功能及生命活动。

对于所有的生物科学，了解细胞的成分和细胞是如何工作是至关重要的。赏析细胞类型之间的异同，对于细胞和分子生物学领域以及生物医学领域，如癌症研究和发育生物学尤为重要。这些基本的相似性和差异提供了一个统一的主题，有时允许从研究一种细胞类型学到的原则进行外推并推广到其他类型的细胞。因此，细胞生物学的研究和以下学科密切相关：遗传学，生物化学，分子生物学，免疫学和发育生物学。

## 内部细胞结构

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### 化学和分子环境

细胞的研究在分子水平上进行; 然而，细胞内的大多数过程由小有机分子，无机离子，激素和水的混合物组成。约75-85％的细胞体积是由于水使其由于水的极性和结构而成为不可缺少的溶剂。细胞内作为底物的这些分子为细胞进行代谢反应和信号传导提供了合适的环境。细胞形状在不同类型的生物体之间变化不同，因此被分为两类：真核生物和原核生物。在由动物，植物，真菌和原生动物细胞组成的真核细胞的情况下，形状通常是圆形和球形的，而对于由细菌和古菌构成的原核细胞，形状是：球形（球菌），杆状（杆菌），弯曲状（弧菌）和螺旋状（Spirochaete）.。

细胞生物学更侧重于真核细胞及其信号传导途径的研究，而不是微生物学所涵盖的原核生物。细胞的一般分子组成的主要成分包括：自由流动或膜结合的蛋白质和脂质，以及称为细胞器的不同内部区室。该细胞的环境由允许上述分子和离子交换的亲水性和疏水性区域构成。

### 细胞结构

- 中心体 - 一组相关的圆柱形蛋白质结构（中心粒），其组织微管并帮助在真核生物细胞分裂期间形成有丝分裂纺锤体
- 细胞膜（细胞膜） - 细胞的一部分，其将细胞与外部环境隔开并保护细胞，以及调节进入和离开细胞的部分
- 细胞壁 - 为细胞提供结构支持和保护，同时也是一种过滤机制（存在于植物、真菌和细菌等生物的细胞外）
- 叶绿体 - 光合作用的关键细胞器（仅存在植物细胞中）
- 纤毛 - 具有细胞骨架的真核生物的运动结构，轴突。
- 细胞质 - 细胞内主要流体填充空间的内容，化学反应也发生在这种果冻样物质中。
- 细胞骨架 - 细胞内的蛋白质细丝（微丝，微管和中间细丝）
- 内质网（粗糙） - 膜蛋白合成的主要位点
- 内质网（平滑） - 脂质合成的主要部位
- 核内体 - 囊泡，其运输膜和内和外细胞内容物用于通过溶酶体再循环或降解
- 鞭毛 - 细菌，古菌和真核生物的活动结构
- 高尔基体 - 内膜系统中蛋白质糖基化的位点
- 磷脂双分子层 - 细胞膜的基本组织结构
- 溶酶体 - 酸性细胞器，其将细胞废物和碎片分解成简单的化合物（仅存在于动物细胞中）
- 微绒毛 - 增加从周围介质吸收营养物的表面积
- 线粒体 - 通过释放三磷酸腺苷(ATP)形式的能量产生主要能量的细胞器
- 细胞核 - 含有由DNA组成的染色体，生命的基石。细胞核组织对于规定细胞核功能很重要。
- 细胞器 - 用于主要亚显微细胞结构的术语
- 过氧化物酶体 - 一种非常小的细胞器，使用氧气来分解和解毒长脂肪酸和其他分子
- 性菌毛 - 也称为fimbria用于共轭和有时运动
- 核糖体 - 细胞中蛋白质合成所需的核糖核酸(rRNA)和蛋白质复合物
- 淀粉颗粒 - 存在于典型植物细胞的细胞质中，它储存植物的化学能。
- 液胞 - 含有细胞液或其他储存材料。
- 囊泡 - 运输物质的细胞内的小膜球体。

## 过程

### 生长和发育

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细胞的生长过程不是指细胞的大小，而是指在给定时间存在于生物体中的细胞数目的密度。细胞生长涉及生物体中存在的细胞数量随着其生长和发育而增加; 随着生物体变大，存在的细胞数量也增加。细胞是所有生物的基础，它们是生命的基本单位。细胞的生长和发育对于宿主的维持和生物体的存活是必需的。对于该过程，细胞经历细胞周期和发育的步骤，其涉及细胞生长，DNA复制，细胞分裂，再生，专门化和细胞死亡。细胞周期分为四个不同的阶段，G1，S，G2和M。G阶段 - 是细胞生长阶段 - 构成约95％的周期。细胞的增殖是由祖细胞发起的，细胞随后分化成为专化的，其中相同类型的特化细胞聚集形成组织，然后器官并最终形成系统。G期与S期 - DNA复制，损伤和修复 - 被认为是周期的相间阶段。而M期（有丝分裂和细胞质分裂）是该周期的细胞分裂部分。细胞周期受一系列信号因子和复合物如CDK's，激酶，和p53的调控，仅举几例。当细胞完成其生长过程，并且如果发现其被损坏或改变，则其通过细胞凋亡或坏死发生细胞死亡，以消除其对生物体存活造成的威胁。

### 蛋白质的运动

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每种类型的蛋白质通常是传送到细胞某一特定部分。细胞生物学的一个重要组成部分是研究由蛋白质移动到细胞内不同的地方，或从细胞不同的地方分泌的分子机制。

大多数蛋白质是由粗面内质网（RER）上的核糖体合成的。核糖体含有的核酸核糖核酸(RNA)，它装配和连接的氨基酸制造蛋白质。在细胞质内以及在内质网(RER)内，它们可以被单独的或群组的找到。这个过程被称为蛋白质的生物合成。

### 其他的细胞过程

- 主动运输和被动运输 - 移进和移出细胞的分子运动。
- 自噬 - 使细胞“吃”自己的内部元件或入侵微生物的过程。
- 细胞黏附 - 保持细胞和组织在一起。
- 细胞运动 - 趋化性，收缩，纤毛和鞭毛。
- 细胞信号传送 - 来自外部的信号调控细胞行为。
- DNA修复 - 细胞程序性死亡，和细胞衰老。
- 代谢 - 糖酵解, 呼吸作用, 光合作用, 和化能合成。
- 转录和RNA剪接 - 基因表达

## 用于研究细胞的技术

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细胞可能是在显微镜下观察，使用多个不同的技术，这些技术包括: 光学显微镜，透射电子显微镜，扫描电子显微镜，荧光显微镜，相关光电子显微镜，和共聚焦显微镜检查。

- 细胞培养是在实验室中独立于生物体的生长细胞的基本技术。
- 免疫染色，也称为免疫组织化学染色法，是用于定位细胞或组织切片中的蛋白质的专门的组织学方法。
- 计算基因组学用于查找基因组信息中的模式。
- DNA微阵列鉴定在不同的实验条件之间的转录水平的变化。
- 基因敲落突变一个选择的基因。
- 聚合酶链式反应(PCR)可以被用来确定细胞中一个基因存在多少拷贝。
- 转染将新基因引入细胞，通常是表达构建体。

细胞及其部分的纯化。可以使用以下方法进行纯化：

- 细胞分离
- 通过细胞破坏释放细胞器。
- 通过离心分离不同的细胞器。
- 流式细胞术(flow cytometry)
- 免疫沉淀法(Immunoprecipitation, IP)
- 抗体与靶蛋白的结合。
- 通过洗脱收集靶蛋白。
- 通过洗涤剂和盐或其他类型的化学物质从细胞膜提取的蛋白质。

## 著名的细胞生物学家

- 彼得·阿格雷
- 古特·布洛伯尔
- 克里斯汀·德·迪夫
- 罗伯特·胡克
- H·罗伯特·霍维茨
- 安东尼·范·列文虎克
- 彼得·米切尔
- 保罗·纳斯
- 乔治·埃米尔·帕拉德
- 钱永健