細胞生物學研究方法論

A. 如何理解細胞生物學研究技術和方法的發展是推動細胞生物學發展的重要力量

細胞生物學研究技術和方法的發展是催動細胞生物學發展的重要力量，因為目前生物學的發展主要是有兩個方向。一個是宏觀，一個是微觀，微觀方面主要就是研究。生物體內的細胞，組織器官等等。

B. 細胞生物學主要研究的內容是什麼

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。在我國基礎學科發展規劃中，細胞生物學與分子生物學，神經生物學和生態學並列為生命科學的四大基礎學科。

細胞生物學以細胞為研究對象,從細胞的整體水平、亞顯微水平、分子水平等三個層次，以動態的觀點,研究細胞和細胞器的結構和功能、細胞的生活史和各種生命活動規律的學科。細胞生物學是現代生命科學的前沿分支學科之一，主要是從細胞的不同結構層次來研究細胞的生命活動的基本規律。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。

運用近代物理學和化學的技術成就和分子生物學的方法、概念，在細胞水平上研究生命活動的科學，其核心問題是遺傳與發育的問題。

C. 細胞生物學中常用的實驗技術或者方法

第二節 細胞生物學實驗方法與技術
當前細胞生物學與醫葯保健事業聯系的較為緊密的熱點問題主要有以下幾種：1）真核細胞基因結構及其表達調控；2）細胞膜、膜系、受體與信號傳遞研究；3）細胞生長、分化、衰老、癌變、死亡，尤其是程序性細胞死亡的研究；4) 細胞工程，包括基因工程及體細胞核移植的研究。
一、細胞培養常用方法
1、細胞原代培養（primay culture） 又稱初代培養，即直接從機體取下細胞、組織、或器官、讓他們在體外維持與生長。原代細胞的特點是細胞或組織剛離開機體，他們的生物狀態尚未發生很大的改變，一定程度上可反映他們在體內的狀態，表現出來源組織或細胞的特性，因此用於葯物實驗尤其是葯物對細胞活動、結構、代謝、有無毒性或殺傷作用等研究是極好工具。常用的原代培養方法有組織快培養法及消化培養法。前者方法簡單，細胞也較易生長，尤其是培養心肌有時能觀察到心肌組織塊的搏動。細胞從組織塊外長並鋪滿培養皿或培養瓶後即可進行傳代。2、細胞的傳代培養 當細胞生長至單層匯合時，便需要進行分離培養否則會因無繁殖空間、營養耗竭而影響生長，甚至整片細胞脫離基質懸浮起來直至死亡。為此當細胞達到一定密度時必須傳代或再次培養，目的是藉此繁殖更多的細胞，另一方面是防止細胞的退化死亡。
二、器官培養方法
器官培養（organ culture）是指用特殊的裝置使器官、器官原基或它們的一部分在體外存活，幷保持其原有的結構和功能。器官培養可模擬體內的三維結構，用於觀察組織間的相互反應、組織與細胞的分化以及外界因子包括葯物對組織細胞的作用。
器官培養方法很多，最經典的方法即表玻皿器官培養法；一種最常用的方法是不銹鋼金屬網格法及Wolff培養法和擴散盒培養法，實驗者可根據情況選擇採用。
三、放射自顯影術測定
放射自顯影術（autoradiography）是利用放射性同位素電離輻射對核子乳膠的感光作用，顯示標本或樣品中放射物的分布、定量以及定位的方法。放射性同位素能在緊密接觸的感光乳膠中記錄下它存在的部位和強度，准確顯示出形態與功能的定位關系。現已可將放射自顯影術與電鏡以及生物分子結合起來。不但可以研究放射性物質在組織和細胞內的分布代謝，而且可以揭示核酸合成及其損傷等改變，目前已在生命科學各領域被廣泛應用。
四、染色體分析技術
染色質或染色體是遺傳物質在細胞水平的形態特徵。前者是指當細胞處於合成期時遺傳物質經鹼性染料著色後，呈現出細絲狀彌漫結構；當細胞進入分裂期時，染色質細絲高度螺旋化凝聚為形態有特徵的染色體。特別是在分裂中期，復制後的染色體達到最高程度的凝聚，稱為中期染色，是進行染色體形態觀察分析的最佳時期。染色體分析應用領域越來越廣，主要用於以下幾方面：1）為臨床診斷提供新手段；2）研究不育和習慣性流產發生的遺傳基礎；3) 通過檢查胎兒的染色體，預防有染色體異常患兒出生（先天愚型）；4）根據染色體的多肽性進行親子和異型配子的起源研究；結合DNA重組技術可以將基因定位於染色體的具體區帶上。
五、電鏡技術
早在1940年，英國劍橋大學首先試製成功掃描電子顯微鏡，但因解析度低無實用價值。1965年英國劍橋科學儀器有限公司開始生產出商品掃描電鏡，其以顯著優點廣泛用於生物學、醫學、物理學、化學、電子學及勘探、冶金、國防、公安、機械與輕工業等諸多領域，並已成為非常有用的研究工具。

D. 細胞生物學

細胞的基本共性：1，相似的化學組成，各細胞的基本構成元素都是C, H, O, N, P,S,等幾種，這些元素所形成的氨基酸，核苷酸，脂質和糖類是構成細胞的基本構件。

                                2，脂-蛋白體系的生物膜

                                3，相同的遺傳裝置

                                4，一分為二的分裂方式

整個生物界最基本的類群包括3個域：原核生物界，古核生物界，真核生物界。

與真核細胞相比，原核細胞的基因組很小，僅為10^6~10^7 bp，大部分原核細胞的主要遺傳物質僅為一個環裝DNA。

最小最簡單的細胞--支原體，支原體能寄生於細胞內繁殖，因此是細胞培養中常見又難以去除的污染源。

革蘭氏陽性和陰性菌細胞壁如下圖

青黴素的抑菌作用主要通過抑制肽聚糖的合成，從而抑制細胞壁的形成陽性菌因此對青黴素敏感，反之，陰性菌因肽聚糖含量極少，對青黴素不敏感。

細菌細胞質膜：選擇性交換物質，細胞質膜內側含有電子傳遞與氧化磷酸化的酶系，可以進行有氧呼吸，細胞質膜內側含有一些酶，與核糖體共同執行合成向外分泌蛋白質的功能。細胞質膜還含有細胞色譜酶與合成細胞壁成分的酶。因此，細胞質膜可以完成內質網，高爾基體和線粒體所承擔的大部分工作。此外，細菌細胞膜外側有受體蛋白，參與細菌對周圍環境的應答反應。

中膜體又稱間體或質膜體，由細胞膜內陷形成的囊泡狀，管狀，包層狀膜結構，每個細胞內有一個或數個中膜體，其功能尚不明確。

人們延用了真核細胞的染色體概念，也把細菌的核區DNA稱為染色體，實際上它沒有真正的染色體結構。

細菌細胞核外DNA，細菌細胞中，除核區DNA外，還存在可自主復制的質粒。

細菌細胞的核糖體：核糖體充滿於細胞中，少部分附著在細胞膜內側，合成運輸到胞外的蛋白。

細菌細胞內生孢子：很多革蘭氏陽性菌處於不利環境或耗盡營養時，容易形成內生孢子，又稱芽孢，是對不良環境有抵抗力的休眠體。

細菌細胞的增殖及其調控：DnaA蛋白是復制起點(OriC)的結合蛋白，大約10個DnaA蛋白攜帶ATP結合於OriC, ATP 水解促使此處富含AT鹼基對的區域解鏈，開啟DNA復制。

古細菌又稱古核生物，常發現於極端特殊環境。

一，生物膜系統

二，遺傳信息傳遞與表達調控

核小體盤繞與折疊成緊密程度不同的常染色質與異染色質，細胞分裂階段又進一步包裝成染色體。核仁主要是轉錄rRNA與核糖體亞單位裝配的場所。

三，細胞骨架系統

細胞骨架系統是由一系列特異的結構蛋白裝配而成的網架系統，對細胞形態與內部結構的合理排布起支架作用。細胞骨架可分為胞質骨架與核骨架。胞質骨架主要由微絲，微管與中等纖維等構成。

核骨架包括核纖層( nuclear lamina)與核基質( nuclear matrix)。核纖層的成分是核纖層蛋白，核基質的成分比較復雜。它們與基因表達，染色質構建與排布有關。

細胞的大小及其影響因素：

細胞的尺寸取決於核糖體的活性，因為蛋白質的量由核糖體來決定。

從果蠅到哺乳動物的各種生物，都有一套幾乎完全相同的信號網路來調控細胞的大小。哺乳動物中這一網路的中心叫mTOR              ( mammalian target of rapamycin)的蛋白激酶，因其能被雷帕黴素( rapamycin)抑制而得名，果蠅等生物中也存在同源蛋白質TOR。在小鼠或果蠅中，該蛋白質的失活會導致細胞體積變小。

細胞外部氨基酸，葡萄糖等營養物質，以及胰島素等生長因子—活化—mTOR(或TOR)

活化的mTOR有兩個功能：活化核糖體蛋白S6( rpS6)的激酶( S6K)，導致rpS6磷酸化，從而可能加強核糖體的翻譯效率，因而使細胞增大。活化的mTOR將翻譯抑制因子    4E-BP 磷酸化，解除其對翻譯起始因子4E的抑制。增強蛋白質的翻譯，促使蛋白質積累。

細胞大小的決定是復雜的，還受到其他多種因素的影響。如DNA含量越大，核糖體越多，因而翻譯的蛋白質越多，細胞就越大。

原核細胞與真核細胞的比較：

植物細胞與動物細胞的比較：

植物細胞特有結構：細胞壁，液泡，葉綠體。

非細胞生物——病毒：

病毒很小

遺傳載體多樣性

徹底的寄生性

病毒以復制和裝配的方式進行增殖

病毒在細胞內繁殖：

病毒識別和入侵細胞，病毒表面蛋白質與細胞表面特異受體相互作用，病毒與細胞發生特異性的吸附。動物病毒進入細胞的方式有兩種：一是細胞以主動胞飲的方式使病毒進入，二是某些有囊膜的病毒，通過其囊膜與細胞質膜融合呃呃呃方式進入細胞，如HIV，或通過胞飲進入細胞，然後與胞飲囊泡的膜融合進入細胞質中。噬菌體侵染細菌時僅將其核酸注入細胞。植物病毒難以穿越堅韌的細胞壁，常常借住於昆蟲進食過程侵染植物細胞。

細胞生物學研究方法

研究特異DNA，RNA片段或蛋白質所常用的Southern雜交，Northern雜交和蛋白免疫印跡等。

光學顯微鏡：

普通復式光學顯微鏡，相差顯微鏡和微分干涉顯微鏡，熒光顯微鏡，激光掃描共焦顯微鏡

電子顯微鏡：

電鏡制樣技術：超薄切片技術，負染色技術，冷凍蝕刻技術，電鏡三維重構與低溫電鏡技術。

掃描隧道顯微鏡

細胞及其組分的分析方法：

超離心技術分離細胞組分：密度剃度離心是將要分離的細胞組分小心地鋪放在含有密度逐漸增加的，高溶解性的惰性物質(如蔗糖)形成的密度梯度溶液表面，通過重力或離心力的作用使樣品中不同組分以不同的沉降率沉降。各組分的沉降率與它們的大小形狀有關，通常以沉降系數表示。

速度沉降主要用於分離密度相近而大小不一的細胞組分。

等密度沉降用於分離不同密度的細胞組分。

細胞成分的細胞化學顯示方法：                            為了測定蛋白質，核酸，多糖和脂質等細胞組分通常利用一些顯色劑與所檢測物質中一些特殊集團特異性結合的特徵。

福爾根反應可以特異顯示呈紫紅色的DNA的分布。其原理是：酸水解可以去除RNA，僅保留DNA，並去除DNA上嘌呤脫氧核糖核苷鍵的嘌呤。使脫氧核糖的醛基暴露。所暴露的自由醛基與希夫試劑反應呈紫紅色。

PAS反應則利用過碘酸氧化作用生成醛基，醛基與鹼性品紅反應產生紫紅色化合物，用於確定多糖的存在。

四氧化鋨與不飽和脂肪酸反應呈黑色，用以證明脂滴的存在。蘇丹Ⅲ(深紅色)染色則通過擴散進入脂滴中，使脂滴著色。

蛋白質檢測方法：米倫反應，氮汞試劑與組織中的蛋白質側鏈上的酪氨酸殘基反應，形成紅色沉澱。重氮反應中，氫氧化重氮與酪氨酸，色氨酸和組氨酸起反應形成有色復合物。蛋白質中的-SH基可用形成硫醇鹽共價鍵的試劑進行檢測。

由於大多數固定劑對酶都有失活或鈍化作用，所以，在進行細胞中某種酶的定性研究時，樣品制備常採用冰凍切片，或以冷丙酮，甲醛進行短時間固定，以盡量保持酶的活性。

特異蛋白抗原的定位與定性：

免疫熒光與免疫電鏡是最常見的研究細胞內蛋白質分子定位的重要技術。對蛋白質組分進行體外分析定性通常採用免疫印跡，放射免疫沉澱和蛋白質晶元，質譜分析等技術。

1，免疫熒光技術就是將免疫學方法(抗原-抗體特異結合)與熒游標記技術相結合用於研究特異蛋白抗原在細胞內分布的方法。包括直接和間接免疫熒光技術兩種。

2，免疫電鏡技術：

免疫電鏡技術可分為免疫鐵蛋白技術，免疫酶標技術與免疫膠體金技術，其主要區別是與抗體結合的標志物不同。

細胞內特異核酸的定位與定性：

細胞內特異核酸( DNA或RNA)的定性與定位的研究，通常採用原位雜交技術。用標記的核酸探針通過分子雜交確定特異核苷酸序列在染色體上或在細胞中位置的方法稱為原位雜交。

定量細胞化學分析與細胞分選技術：

流式細胞術可定量地測定某一細胞中的DNA，RNA或某一特異的標記蛋白的含量，以及細胞群體中上述成分含量不同的細胞的數量，它還可將某一特異染色的細胞從數以萬計的細胞群體中分離出來，以及將DNA含量不同的中期染色體分離出來，甚至可用於細胞的分選。

細胞培養與細胞工程：

動物細胞培養，原代培養細胞一般傳至10代左右就傳不下去了，細胞生長出現停滯，大部分細胞衰老死亡。極少數細胞度過危機，又可傳代40~50代次，傳至50代以後又出現危機。

植物細胞培養：單倍體細胞培養，用花葯在人工培養基上進行培養。可以從小孢子(雄性生殖細胞)直接發育成胚狀體，然後長成單倍體植株。或者通過愈傷組織誘導分化。

原生質體培養，一般用植物的體細胞，先用纖維素酶處理去掉細胞壁，去壁的細胞稱為原生質體。原生質體可以在無菌培養基中生長分裂。

細胞融合與單克隆抗體技術：

兩個或多個細胞融合為一個雙核或者多核細胞的現象稱為細胞融合。介導動物細胞融合常用的促融劑有滅活的病毒或化學物質(如聚乙二醇，PEG);植物細胞融合時，要先用纖維素去掉細胞壁，然後才便於原生質體融合。20世紀80年代又擋發明了電融合技術(electronfusion method)。將懸浮細胞在低壓交流電場中聚集成串珠狀細胞群，或對相互接觸的單層培養細胞，再施加高壓電脈沖處理使其融合。

基因型相同的細胞融合稱為同核體，基因型不同的融合後稱為異核體。

B淋巴細胞雜交瘤技術用於制備單克隆抗體(monoclonal antibody)

制備過程：將小鼠骨髓瘤細胞與經綿陽紅細胞免疫過的小鼠脾細胞( B淋巴細胞)在聚乙二醇或滅活的病毒介導下發生融合。由於骨髓瘤細胞缺乏TK或HGPRT,在含氨基蝶呤的培養液內不能成活。只有融合細胞才能在HAT(次黃嘌呤，氨基蝶呤和胸腺嘧啶核苷)的培養液內通過旁路合成核酸而得以生存。通過HAT選擇培養和細胞克隆，可以獲得大量分泌單克隆抗體的雜交瘤細胞株。

為了探明核質相互作用的機制，科學家們創建了細胞拆合技術。所謂細胞拆合技術就是把細胞核與細胞質分離開來，然後把不同來源的胞質體(cytoplast)和核體( karyoplast)相互組合，形成核質雜交細胞。

細胞拆合可以分為物理法和化學法兩種類型。物理法就是用機械方法或短波光把細胞核去掉或使之失活，然後用微吸管吸取其他細胞的核，注入去核的細胞質中，組成新的雜交細胞。這種核移植必須用顯微操縱儀進行操作。化學法是用細胞鬆弛B (cytochalasin B)處理細胞，細胞出現排核現象，再結合離心技術，將細胞拆分為核體和胞質體兩部分。顯微操作技術是在顯微鏡下，用顯微操作裝置對細胞進行解剖和向核內注入基因。

熒光漂白恢復技術(fluorescence photobleaching recovery, FPR)技術是使用親脂性或親水性的熒光分子，如熒光素，綠色熒光蛋白等與蛋白或脂質藕聯，用於檢測所標記分子在活體細胞表面或細胞內部的運動及其遷移速率。FPR技術的原理是：利用高能激光束照射細胞的某一特定區域，使該區域內標記的熒光分子發生不可逆的淬滅，這一區域稱光漂白( photobleaching)區。隨後，由於細胞中脂質分子或蛋白質分子的運動，周圍非漂白區的熒光強度逐漸恢復到原有水平。這一過程稱為熒光恢復。熒光恢復的速度在很大程度上反映熒游標記蛋白或脂質在細胞中運動速率。

單分子技術與細胞生命活動的研究：

與生命科學相關的單分子技術是在細胞內實時觀測單一生物分子運動規律的技術。

酵母雙雜交技術：

酵母雙雜交技術( yeast two-hybrid system)是一種利用單細胞真核生物酵母在體內分析蛋白質-蛋白質相互作用的系統。細胞基因轉錄起始需要轉錄激活因子的參與，轉錄激活因子一般由兩個或兩個以上相互獨立的結構域構成，即DNA結合域( DNA binding domain, DB)和轉錄激活域( activation domain, AD)。前者可以識別DNA上特異轉錄調控序列並與之結合；後者可與其他成分作用形成轉錄復合體，從而啟動它所調節基因的轉錄。如果要證明蛋白A是否與蛋白B在細胞內相互作用，則可分別制備DB與蛋白A的融合蛋白(又稱"誘餌"，t)，以及AD與蛋白B的融合蛋白(又稱獵物，prey)。如果蛋白A與蛋白B在細胞內相互結合，則可形成與轉錄激活因子類似的具有DB和AD結構域的復合物，從而啟動報告基因的表達。反之，則報告基因不表達。

熒光共振能量轉移技術:

熒光共振能量轉移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)技術是用來檢測活細胞內兩種蛋白質分子是否直接相互作用的重要手段。其基本原理是：在一定波長的激發光照射下，只有攜帶發光集團A的供體分子可被激發出波長為A的熒光，而同一激發光不能激發攜帶發光集團B的受體分子發出波長為B的熒光。然而，當供體所發出的熒光光譜A與受體上的發光集團的吸收光譜相互重疊，並且兩個發光集團之間距離小到一定程度時，就會發生不同程度的能量轉移，即受體分子的發光集團吸收了供體所發出的熒光，結果受體分子放出了波長為B的熒光，這種現象稱為FRET現象。如下圖：

如果兩個蛋白質分子的距離在10nm之內，就可能發生FRET現象，由此認為這兩個蛋白質存在著直接的相互作用。

放射自顯影技術：

利用放射性同位素的電離射線對乳膠(含AgBr或AgCl)的感光作用，對細胞內生物大分子進行定性，定位與半定量研究的一種細胞化學技術。對細胞或生物體內生物大分子進行動態研究和追蹤(pulse-chase)是這一技術獨具的特徵。放射自顯影技術包括兩個主要步驟：即同位素標記的生物大分子前體的摻入和細胞內同位素所在位置的顯示。

生物信息學( bioinformatics)

細胞生物學常用模式生物：大腸桿菌，酵母，線蟲，果蠅，斑馬魚，小鼠，擬南芥

突變體制備：DNA和RNA兩個水平制備，從RNA水平主要是RNA干擾技術。RNAi技術是指利用一段特異的雙鏈RNA或單鏈反義RNA通過注射，轉染或轉基因的方法導入到細胞或模式生物體中，這樣的RNA可以啟動一套信號通路來最終降解與這段RNA對應的，通常是包含這段序列的mRNA，使該mRNA無法翻譯成相關的蛋白質。

基因敲除(knock out)是在DNA水平制備突變體的一種方法。通常DNA水平突變體的制備方法有三種(以果蠅為例)：化學誘變法(給果蠅餵食化學誘變劑，造成隨機的點突變或者DNA片段丟失)，P因子介導的突變(利用轉座子的轉座特性及轉座子的移動過程中可以帶走部分基因組DNA序列的特性)和基於同源重組的定點突變。

蛋白質組學技術：

1，雙向凝膠電泳

雙相凝膠電泳的第一相是等電聚焦( IEF)電泳，採用pH梯度，根據蛋白質等電點不同進行分離。第二相是SDS-聚丙烯醯胺凝膠電泳( SDS-PAGE)，根據蛋白質相對分子質量大小進行分離。

2，色譜技術

3，質譜

4，蛋白質晶元

5，生物信息學

細胞質膜(plasma membrane)曾稱細胞膜( cell membrane)。真核細胞，細胞內的膜系統與細胞質膜統稱為生物膜

流動鑲嵌模型主要強調：1，膜的流動性 2，膜蛋白分布的不對稱性，有的分布於膜表面 ，有的嵌入或橫跨脂雙分子層。

近些年提出的脂筏模型 ( lipid raft model)是對膜流動性的新的理解。該模型認為甘油磷脂為主體的生物膜上，膽固醇，鞘磷脂等富集區域形成相對有序的脂相，如同漂浮在脂雙層上的"脂筏"一樣載著執行某些特定生物學功能的各種膜蛋白。脂筏最初可能是在高爾基體上形成，最終轉移到細胞質膜上。有些脂筏可以在不同程度上與膜下細胞骨架蛋白交聯。據推測，一個直徑100nm的脂筏可載有600個蛋白質分子

目前對生物膜結構的認識可歸納如下：

1，具有極性頭部和非極性尾部的磷脂分子在水相中具有自發形成封閉的膜系統的性質，磷脂分子以疏水性尾部相對，極性頭部朝水相形成脂雙分子層，每層磷脂分子稱為一層小葉( leaflet)。

2，蛋白質分子以不同的方式鑲嵌在脂雙層分子中或結合在其表面，蛋白質的類型，蛋白質分布的不對稱性及其與脂分子的協同作用賦予生物膜各自的特性與功能。

3，生物膜可看成是蛋白質在雙層脂分子中的二維溶液。然而膜蛋白與膜脂之間，膜蛋白與膜蛋白之間及其與膜兩側其他生物大分子的復雜的相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流動性。同時也形成了賴以完成多種膜功能的脂筏，纖毛和微絨毛等結構。

4，在細胞生長和分裂等整個生命活動中，生物膜在三維空間上可出現彎曲，折疊，延伸等改變，處於不斷地動態變化中。從而保證了諸如細胞運動，細胞增殖等代謝活動的進行。

膜脂：主要包括甘油磷脂(glycerophosphatide),鞘脂(sphingolipid)和固醇( sterol)三種基本類型。生物膜上還有少量的糖脂( glycolipid),鑒於絕大多數的糖脂都屬於鞘氨醇的衍生物，因此，目前人們多將糖脂歸於鞘脂質。

1，甘油磷脂

甘油磷脂構成了脂膜的基本成分，占整個脂膜的50%以上。甘油磷脂為3-磷酸甘油的衍生物，包括磷脂醯膽鹼(卵磷脂，phosphatidylserine , PS),磷脂醯乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)和磷脂醯肌醇( phosphatidylinositol, PI)等，主要在內質網上合成。組成生物膜的甘油磷脂分子主要特徵是：1，具有一個與磷酸基團相結合的極性頭和兩個非極性的尾(脂肪酸鏈)，但存在於線粒體內膜和某些細菌脂膜上的心磷脂除外，它具有4個非極性的尾部。2，脂肪酸碳鏈為偶數，多數碳鏈由16或18個碳原子組成。3，除飽和脂肪酸外，常常還含有1~2個雙鍵的不飽和脂肪酸。

2，鞘脂

3，固醇

膽固醇及其類似物統稱為固醇，它是一類含有4個閉環的碳氫化合物，其親水的頭部為一個羥基，是一種分子剛性很強的兩性化合物。

膜蛋白：

根據膜蛋白分離的難易程度及其與脂分子的結合方式，膜蛋白可分為3種基本類型：外在膜蛋白(extrinsic membrane protein)或稱外周膜蛋白(peripheral membrane protein)，內在膜蛋白或稱整合膜蛋白(intergral membrane protein)，脂錨定膜蛋白( lipid anchored protein)。

外在膜蛋白為水溶性蛋白質，靠離子鍵或其他較弱的鍵與膜表面的膜蛋白分子或膜脂分子結合，因此只要改變溶液的離子強度甚至提高溫度就可以從膜上分離下來，但膜結構並不被破壞。磷脂酶就是其中一例。它也是蛇毒的活性成分。

脂錨定膜蛋白是通過與之共價相連的脂分子(脂肪酸或糖脂)插入膜的脂雙分子中，而錨定在細胞質膜上，其水溶性的蛋白質部分位於脂雙層外。

內在膜蛋白與膜結合比較緊密，只有用去垢劑處理使膜崩解後才可分離出來。內在膜蛋白占整個膜蛋白的70%~80%，據估計人類基因中，1/4~1/3基因編碼的蛋白質為內在膜蛋白。

內在膜蛋白與膜脂結合的方式：

目前所了解的內在膜蛋白均為跨膜蛋白，跨膜蛋白在結構上可分為：胞質外結構域，跨膜結構域和胞質內結構域等3個組成部分。它與膜結合的主要方式有：

1，膜蛋白的跨膜結構域與脂雙層分子的疏水核心相互作用，這是內在膜蛋白與膜脂結合的最主要和最基本的結合方式。

2，跨膜結構域兩端攜帶正電荷的氨基酸殘基，如精氨酸，賴氨酸等與磷脂分子帶負電的極性頭部形成離子鍵，或帶負電的氨基酸殘基通過Ca2+，Mg2+等陽離子與帶負電的磷脂極性頭部相互作用。

3，某些膜蛋白通過自身在胞質一側的半胱氨酸殘基共價結合到脂肪酸分子上，後者插入脂雙層中進一步加強膜蛋白與脂雙層的結合力。

去垢劑( detergent)是一端親水，一段疏水的兩性小分子，是分離與研究膜蛋白的常用試劑。去垢劑可以插入膜脂，與膜脂或膜蛋白的跨膜結構域等疏水部位結合，形成可溶性的顆粒。去垢劑分為離子型去垢劑和非離子型去垢劑兩種類型。常用的離子型去垢劑如十二烷基硫酸鈉( SDS)具有帶電荷的基團，其分子式如下：

SDS可使細胞膜崩解，與膜蛋白疏水部分結合並使其與膜分離，高濃度的SDS還可以破壞蛋白質中的離子鍵和氫鍵等非共價鍵，甚至改變蛋白質親水部分的構象。這一特性常用於蛋白質成分分析的SDS凝膠電泳。由於SDS對蛋白質的作用較為劇烈，可引起蛋白質變性，因此在純化膜蛋白時，特別是為獲得有生物活性膜蛋白時，常常採用不帶電荷的非離子去垢劑。

常用的非離子去垢劑Triton X-100分子式如下：

非離子去垢劑也可使細胞膜崩解，但對蛋白質的作用比較溫和，它不僅用於膜蛋白的分離純化，也用於除去細胞的膜系統，以便對細胞骨架蛋白和其他蛋白質進行研究。

膜脂的流動性主要指脂分子的側向運動，它在很大程度上是由脂分子本身的性質決定的，一般來說，脂肪酸鏈越短，不飽和程度越高，膜脂的流動性越大(猜想植物油和動物油，手動滑稽)

膜蛋白的流動性

膜脂和膜蛋白運動速率的檢測

熒光漂白恢復技術( FPR)是研究膜蛋白或膜脂流動性的基本實驗技術之一。

膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不對稱分布，糖蛋白和糖脂的糖基部分均位於細胞質膜的外側。

為了便於研究個了解細胞質膜以及其他生物膜的不對稱性，人們將細胞質的各個膜面命名如下：與細胞外環境接觸的膜面稱質膜的細胞外表面(extrocytoplasmic surface, ES)，這一層脂分子和膜蛋白稱細胞膜的外小葉( out leaf),與細胞質基質接觸的膜面稱質膜的原生質表面(protoplasmic surface, PS)。

膜蛋白的不對稱性

細胞質膜相關的膜骨架

細胞質膜特別是膜蛋白常常與膜下結構(主要是細胞骨架系統)相互聯系，協同作用，並形成細胞表面的某些特化結構以完成特定的功能。這些特化結構包括膜骨架( membrane associated cytoskeleton)，鞭毛和纖毛，微絨毛及細胞的變形足等，分別與細胞形態的維持，細胞運動，細胞的物質交換和信息傳遞等功能有關。

膜骨架：膜骨架是指細胞質膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網架結構，它從力學上參與維持細胞質膜的形狀並協助質膜完成多種生理功能。

紅細胞質膜蛋白及膜骨架

SDS-聚丙烯醯胺凝膠電泳分析血影的蛋白質成分顯示：紅細胞膜蛋白主要包括血影蛋白或稱血膜肽(spectrin),錨蛋白( ankyrin),帶3蛋白，帶4.1蛋白，帶4.2蛋白和肌動蛋白( actin)，此外還有一些血型糖蛋白(glycoprotein)。

膜骨架蛋白主要成分包括血影蛋白，肌動蛋白，錨蛋白和帶4.1蛋白等。

細胞質膜的基本功能

1，為細胞的生命活動提供相對穩定的內環境

2，選擇性的物質運輸

3，提供細胞識別位點，並完成細胞內外信息跨膜傳導

4，為多種酶提供結合位點，使酶促反應高效而有序地進行

5，介導細胞與細胞，細胞與胞外基質之間的連接

6，質膜參與形成具有不同功能的細胞表面特化結構

7，膜蛋白的異常與某些遺傳病，惡性腫瘤，自身免疫病甚至神經退行性疾病相關，很多膜蛋白可作為疾病治療的葯物靶標。

E. 細胞生物學的研究方法

細胞生物學廣泛地利用相鄰學科的成就，在技術方法上是博採眾長，凡是能夠解決問題的都會被使用。例如用分子生物學的方法研究基因的結構，用生物化學、分子生物學的方法研究染色體上的各種非組蛋白和它們對基因活動的調節和控制或者利用免疫學的方法研究細胞骨架的各種蛋白（微管蛋白、微絲蛋白、各種中等纖維蛋白）在細胞中的分布以及在生命活動中的變化。起源於分子遺傳學的重組DNA技術和起源於免疫學的產生單克隆抗體的雜交瘤技術，也成了細胞生物學的有力工具。顯然，一種方法所解決的問題不一定屬於原來建立這一方法的學科。例如用分子生物學的方法解決了核小體的結構，嚴格地說這應是形態學的范疇。這樣的例子並不少見，在這里學科的界限也被抹掉了。也許可以說細胞核移植、微量注射和細胞融合是細胞生物學自身發展起來的方法，但是用這些方法進行的實驗往往也需要其他方法配合來做進一步分析。 細胞生物學與其說是一個學科，倒不如說它是一個領域。這可以從兩個方面來理解：一是它的核心問題的性質──把發育與遺傳在細胞水平結合起來，這就不局限於一個學科的范圍。二是它和許多學科都有交叉，甚至界限難分。例如，就研究材料而言，單細胞的原生動物既是最簡單的動物，也是最復雜的細胞，因為它們集許多功能於一身；尤其是其中的纖毛蟲，不僅對於研究某些問題，例如纖毛和鞭毛的運動，特別有利，關於發育和遺傳的研究也積累了大量有價值的資料。但是這類研究也可以列入原生動物學的范疇。其次，就研究的問題而言，免疫性是細胞的重要功能之一，細胞免疫應屬細胞生物學的范疇，但這也是免疫學的基本問題。
由於廣泛的學科交叉，細胞生物學雖然范圍廣闊，卻不能像有些學科那樣再劃分一些分支學科──如象細胞學那樣，根據從哪個角度研究細胞而分為細胞形態學、細胞化學等。如果要把它的內容再適當地劃分，可以首先分為兩個方面：一是研究細胞的各種組分的結構和功能（按具體的研究對象），這應是進一步研究的基礎，把它們羅列出來，例如基因組和基因表達、染色質和染色體、各種細胞器、細胞的表面膜和膜系、細胞骨架、細胞外間質等等。其次是根據研究細胞的哪些生命活動劃分，例如細胞分裂、生長、運動、興奮性、分化、衰老與病變等，研究細胞在這些過程中的變化，產生這些過程的機制等。
當然這僅是人為地劃分，這些方面都不是各自孤立的，而是相互有關連的。從細胞的各個組分講，例如表面膜與細胞外間質有密切關系，表面膜又不是簡單地覆蓋著細胞質的一層膜，而是通過一些細微結構──已經知道其中之一是肌動蛋白分子，這又聯繫到細胞骨架了──與細胞質密切相連。這樣，表面膜才能和細胞內部息息相關。另一方面，從研究的問題出發，研究分裂、分化等生命現象，離不開結構的基礎。例如研究細胞分裂就涉及到染色質怎樣包紮成染色體，染色體的分裂和運動，細胞骨架的變化包括微管蛋白的聚合和解聚，與表面膜有關的分裂溝的形成，還有細胞分裂的調節與控制。再如研究細胞分化除去要了解某種細胞在分化過程中細胞器的變化、它們所特有的結構蛋白質的變化，主要地還要了解導致分化的物質基礎以及這些物質怎樣作用於基因調控的水平，導致有關的基因被激活。可見研究的重點盡管可以人為地劃分，但一定要把細胞作為一個整體看待，一定要把生命過程和細胞組分的結構和功能聯系起來。 既然細胞生物學的主要任務是把發育和遺傳聯系起來，細胞分化這個問題的重要性就不言而喻。因為就整個有機體而言，遺傳特點不僅顯示在長成的個體，而是在整個生命過程不斷地顯示出來。在細胞水平，細胞的分化也就是顯示遺傳特徵的過程，例如鳥類、爬行類的水晶體，其中所含的晶體蛋白是α、β、δ三種，不同於哺乳類，後者含有α、β、γ三種。在鳥類的晶體分化中首先出現大量的δ晶體蛋白，但是在哺乳類晶體分化中卻找不到這種蛋白。可見某種細胞的分化特徵的出現，也就是它們的遺傳特徵的出現。但是這僅是在細胞水平就一種生化性狀（特異的蛋白質）在一種特化細胞中的出現而言，情況當然還比較簡單，如果涉及到一個由多細胞組成的形態學性狀，情況會復雜得多，但是性狀發生的過程仍然是遺傳表現的過程。
像晶體細胞分化這樣的例子，細胞生物學的術語稱之為終末分化，也就是走向成熟的分化，其分化的產物就是這種細胞的終末產物。由於取材方便，產物比較單一易於分析等原因，細胞分化的研究中關於終末分化的研究占很大的比重，研究得比較多的是紅細胞、肌細胞、胰臟細胞、晶體細胞、黑色素細胞、軟骨細胞等。
一個經常被引用的例子是紅細胞中血紅素的轉換。人類胚胎早期的紅細胞中首先出現胚期血紅素，後來逐漸被胎兒期血紅素所代替，胎兒三個月之後，後者又被成體型血紅素所代替。關於這些血紅素已經有很多研究。例如它們各自由那些肽鏈組成，這些肽鏈在個體發育中交互出現的情況，它們各自的氨基酸組成和排列順序，各個肽鏈的基因位點，以至基因的結構都已比較清楚，工作可以說是相當深入了。
但是，追根到底有些問題依然沒有得到明確的解答，甚至沒有解答──這也適用於關於其他細胞的終末分化的研究。例如，為什麼胚期血紅素會在紅細胞而不在其他細胞中出現？為什麼會發生血紅素的轉換？關於前一問題，有人曾分別地從雞的輸卵管細胞（不產生血紅素）和紅細胞（產生血紅素）提取染色質，用酶來切割，觀察到兩種來源的染色質對酶的抵抗力不同。來自紅細胞的易於受到酶的攻擊，推測這可能由於核小體的構型不同。紅細胞中含有珠蛋白基因段落的核小體構型較鬆弛，因而易於受到影響；構型較鬆弛也就為RNA聚合酶在上面轉錄產生信使RNA提供了條件。但是如果追問下去，為什麼單單在紅細胞里核小體的構型比較鬆弛？RNA聚合酶怎樣識別出這樣的段落？這些問題還需進一步研究。其次，關於胚期血紅素向胎兒期血紅素的轉換。用兩種熒光染料標記兩種免疫抗體，觀察到在同一紅細胞中有兩種血紅素的存在，說明轉換不是由於出現不同的細胞，而是由於同一細胞相繼地產生了不同的血紅素。是什麼原因使得血細胞停止生產原有的而產生出新的血紅素？也許可以說是發育的「程序」，但還要回答發育程序得以實現的物質基礎是什麼。所有這些問題的解答，將使我們對基因選擇性表達的認識有極大的邁進。 實現了終末分化的細胞，已經失去了轉變為其他細胞類型的潛能，只能向一個方面分化。例如紅細胞，雖然發生血紅素的轉換，但不能轉變為其他類型的正常細胞，與胚胎細胞相比，它們的情況要簡單些，因為胚胎細胞在尚未獲得決定的時候是具有廣泛潛能的。拿中胚層細胞來說，它們既可以分化為肌細胞，也可以分化為前腎細胞、血細胞、間質細胞等。已經初步知道，外界因素可以影響中胚層細胞向肌細胞或紅細胞的方向分化，但是這因素是什麼，怎樣作用，都一無所知。在這里，首先要使中胚層細胞向某一方向分化，然後那一方向（例如紅細胞）所特有的一套終末分化的步驟才得以進行下去。形象化地說，中胚層細胞中似乎存在著向不同方向分化的開關，打開某一個開關（例如紅細胞的），才能進行那一方向的分化，這當然比終末分化更復雜些，對此還一無所知。