细胞生物学研究方法论

A. 如何理解细胞生物学研究技术和方法的发展是推动细胞生物学发展的重要力量

细胞生物学研究技术和方法的发展是催动细胞生物学发展的重要力量，因为目前生物学的发展主要是有两个方向。一个是宏观，一个是微观，微观方面主要就是研究。生物体内的细胞，组织器官等等。

B. 细胞生物学主要研究的内容是什么

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。在我国基础学科发展规划中，细胞生物学与分子生物学，神经生物学和生态学并列为生命科学的四大基础学科。

细胞生物学以细胞为研究对象,从细胞的整体水平、亚显微水平、分子水平等三个层次，以动态的观点,研究细胞和细胞器的结构和功能、细胞的生活史和各种生命活动规律的学科。细胞生物学是现代生命科学的前沿分支学科之一，主要是从细胞的不同结构层次来研究细胞的生命活动的基本规律。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。

运用近代物理学和化学的技术成就和分子生物学的方法、概念，在细胞水平上研究生命活动的科学，其核心问题是遗传与发育的问题。

C. 细胞生物学中常用的实验技术或者方法

第二节 细胞生物学实验方法与技术
当前细胞生物学与医药保健事业联系的较为紧密的热点问题主要有以下几种：1）真核细胞基因结构及其表达调控；2）细胞膜、膜系、受体与信号传递研究；3）细胞生长、分化、衰老、癌变、死亡，尤其是程序性细胞死亡的研究；4) 细胞工程，包括基因工程及体细胞核移植的研究。
一、细胞培养常用方法
1、细胞原代培养（primay culture） 又称初代培养，即直接从机体取下细胞、组织、或器官、让他们在体外维持与生长。原代细胞的特点是细胞或组织刚离开机体，他们的生物状态尚未发生很大的改变，一定程度上可反映他们在体内的状态，表现出来源组织或细胞的特性，因此用于药物实验尤其是药物对细胞活动、结构、代谢、有无毒性或杀伤作用等研究是极好工具。常用的原代培养方法有组织快培养法及消化培养法。前者方法简单，细胞也较易生长，尤其是培养心肌有时能观察到心肌组织块的搏动。细胞从组织块外长并铺满培养皿或培养瓶后即可进行传代。2、细胞的传代培养 当细胞生长至单层汇合时，便需要进行分离培养否则会因无繁殖空间、营养耗竭而影响生长，甚至整片细胞脱离基质悬浮起来直至死亡。为此当细胞达到一定密度时必须传代或再次培养，目的是借此繁殖更多的细胞，另一方面是防止细胞的退化死亡。
二、器官培养方法
器官培养（organ culture）是指用特殊的装置使器官、器官原基或它们的一部分在体外存活，幷保持其原有的结构和功能。器官培养可模拟体内的三维结构，用于观察组织间的相互反应、组织与细胞的分化以及外界因子包括药物对组织细胞的作用。
器官培养方法很多，最经典的方法即表玻皿器官培养法；一种最常用的方法是不锈钢金属网格法及Wolff培养法和扩散盒培养法，实验者可根据情况选择采用。
三、放射自显影术测定
放射自显影术（autoradiography）是利用放射性同位素电离辐射对核子乳胶的感光作用，显示标本或样品中放射物的分布、定量以及定位的方法。放射性同位素能在紧密接触的感光乳胶中记录下它存在的部位和强度，准确显示出形态与功能的定位关系。现已可将放射自显影术与电镜以及生物分子结合起来。不但可以研究放射性物质在组织和细胞内的分布代谢，而且可以揭示核酸合成及其损伤等改变，目前已在生命科学各领域被广泛应用。
四、染色体分析技术
染色质或染色体是遗传物质在细胞水平的形态特征。前者是指当细胞处于合成期时遗传物质经碱性染料着色后，呈现出细丝状弥漫结构；当细胞进入分裂期时，染色质细丝高度螺旋化凝聚为形态有特征的染色体。特别是在分裂中期，复制后的染色体达到最高程度的凝聚，称为中期染色，是进行染色体形态观察分析的最佳时期。染色体分析应用领域越来越广，主要用于以下几方面：1）为临床诊断提供新手段；2）研究不育和习惯性流产发生的遗传基础；3) 通过检查胎儿的染色体，预防有染色体异常患儿出生（先天愚型）；4）根据染色体的多肽性进行亲子和异型配子的起源研究；结合DNA重组技术可以将基因定位于染色体的具体区带上。
五、电镜技术
早在1940年，英国剑桥大学首先试制成功扫描电子显微镜，但因分辨率低无实用价值。1965年英国剑桥科学仪器有限公司开始生产出商品扫描电镜，其以显着优点广泛用于生物学、医学、物理学、化学、电子学及勘探、冶金、国防、公安、机械与轻工业等诸多领域，并已成为非常有用的研究工具。

D. 细胞生物学

细胞的基本共性：1，相似的化学组成，各细胞的基本构成元素都是C, H, O, N, P,S,等几种，这些元素所形成的氨基酸，核苷酸，脂质和糖类是构成细胞的基本构件。

                                2，脂-蛋白体系的生物膜

                                3，相同的遗传装置

                                4，一分为二的分裂方式

整个生物界最基本的类群包括3个域：原核生物界，古核生物界，真核生物界。

与真核细胞相比，原核细胞的基因组很小，仅为10^6~10^7 bp，大部分原核细胞的主要遗传物质仅为一个环装DNA。

最小最简单的细胞--支原体，支原体能寄生于细胞内繁殖，因此是细胞培养中常见又难以去除的污染源。

革兰氏阳性和阴性菌细胞壁如下图

青霉素的抑菌作用主要通过抑制肽聚糖的合成，从而抑制细胞壁的形成阳性菌因此对青霉素敏感，反之，阴性菌因肽聚糖含量极少，对青霉素不敏感。

细菌细胞质膜：选择性交换物质，细胞质膜内侧含有电子传递与氧化磷酸化的酶系，可以进行有氧呼吸，细胞质膜内侧含有一些酶，与核糖体共同执行合成向外分泌蛋白质的功能。细胞质膜还含有细胞色谱酶与合成细胞壁成分的酶。因此，细胞质膜可以完成内质网，高尔基体和线粒体所承担的大部分工作。此外，细菌细胞膜外侧有受体蛋白，参与细菌对周围环境的应答反应。

中膜体又称间体或质膜体，由细胞膜内陷形成的囊泡状，管状，包层状膜结构，每个细胞内有一个或数个中膜体，其功能尚不明确。

人们延用了真核细胞的染色体概念，也把细菌的核区DNA称为染色体，实际上它没有真正的染色体结构。

细菌细胞核外DNA，细菌细胞中，除核区DNA外，还存在可自主复制的质粒。

细菌细胞的核糖体：核糖体充满于细胞中，少部分附着在细胞膜内侧，合成运输到胞外的蛋白。

细菌细胞内生孢子：很多革兰氏阳性菌处于不利环境或耗尽营养时，容易形成内生孢子，又称芽孢，是对不良环境有抵抗力的休眠体。

细菌细胞的增殖及其调控：DnaA蛋白是复制起点(OriC)的结合蛋白，大约10个DnaA蛋白携带ATP结合于OriC, ATP 水解促使此处富含AT碱基对的区域解链，开启DNA复制。

古细菌又称古核生物，常发现于极端特殊环境。

一，生物膜系统

二，遗传信息传递与表达调控

核小体盘绕与折叠成紧密程度不同的常染色质与异染色质，细胞分裂阶段又进一步包装成染色体。核仁主要是转录rRNA与核糖体亚单位装配的场所。

三，细胞骨架系统

细胞骨架系统是由一系列特异的结构蛋白装配而成的网架系统，对细胞形态与内部结构的合理排布起支架作用。细胞骨架可分为胞质骨架与核骨架。胞质骨架主要由微丝，微管与中等纤维等构成。

核骨架包括核纤层( nuclear lamina)与核基质( nuclear matrix)。核纤层的成分是核纤层蛋白，核基质的成分比较复杂。它们与基因表达，染色质构建与排布有关。

细胞的大小及其影响因素：

细胞的尺寸取决于核糖体的活性，因为蛋白质的量由核糖体来决定。

从果蝇到哺乳动物的各种生物，都有一套几乎完全相同的信号网络来调控细胞的大小。哺乳动物中这一网络的中心叫mTOR              ( mammalian target of rapamycin)的蛋白激酶，因其能被雷帕霉素( rapamycin)抑制而得名，果蝇等生物中也存在同源蛋白质TOR。在小鼠或果蝇中，该蛋白质的失活会导致细胞体积变小。

细胞外部氨基酸，葡萄糖等营养物质，以及胰岛素等生长因子—活化—mTOR(或TOR)

活化的mTOR有两个功能：活化核糖体蛋白S6( rpS6)的激酶( S6K)，导致rpS6磷酸化，从而可能加强核糖体的翻译效率，因而使细胞增大。活化的mTOR将翻译抑制因子    4E-BP 磷酸化，解除其对翻译起始因子4E的抑制。增强蛋白质的翻译，促使蛋白质积累。

细胞大小的决定是复杂的，还受到其他多种因素的影响。如DNA含量越大，核糖体越多，因而翻译的蛋白质越多，细胞就越大。

原核细胞与真核细胞的比较：

植物细胞与动物细胞的比较：

植物细胞特有结构：细胞壁，液泡，叶绿体。

非细胞生物——病毒：

病毒很小

遗传载体多样性

彻底的寄生性

病毒以复制和装配的方式进行增殖

病毒在细胞内繁殖：

病毒识别和入侵细胞，病毒表面蛋白质与细胞表面特异受体相互作用，病毒与细胞发生特异性的吸附。动物病毒进入细胞的方式有两种：一是细胞以主动胞饮的方式使病毒进入，二是某些有囊膜的病毒，通过其囊膜与细胞质膜融合呃呃呃方式进入细胞，如HIV，或通过胞饮进入细胞，然后与胞饮囊泡的膜融合进入细胞质中。噬菌体侵染细菌时仅将其核酸注入细胞。植物病毒难以穿越坚韧的细胞壁，常常借住于昆虫进食过程侵染植物细胞。

细胞生物学研究方法

研究特异DNA，RNA片段或蛋白质所常用的Southern杂交，Northern杂交和蛋白免疫印迹等。

光学显微镜：

普通复式光学显微镜，相差显微镜和微分干涉显微镜，荧光显微镜，激光扫描共焦显微镜

电子显微镜：

电镜制样技术：超薄切片技术，负染色技术，冷冻蚀刻技术，电镜三维重构与低温电镜技术。

扫描隧道显微镜

细胞及其组分的分析方法：

超离心技术分离细胞组分：密度剃度离心是将要分离的细胞组分小心地铺放在含有密度逐渐增加的，高溶解性的惰性物质(如蔗糖)形成的密度梯度溶液表面，通过重力或离心力的作用使样品中不同组分以不同的沉降率沉降。各组分的沉降率与它们的大小形状有关，通常以沉降系数表示。

速度沉降主要用于分离密度相近而大小不一的细胞组分。

等密度沉降用于分离不同密度的细胞组分。

细胞成分的细胞化学显示方法：                            为了测定蛋白质，核酸，多糖和脂质等细胞组分通常利用一些显色剂与所检测物质中一些特殊集团特异性结合的特征。

福尔根反应可以特异显示呈紫红色的DNA的分布。其原理是：酸水解可以去除RNA，仅保留DNA，并去除DNA上嘌呤脱氧核糖核苷键的嘌呤。使脱氧核糖的醛基暴露。所暴露的自由醛基与希夫试剂反应呈紫红色。

PAS反应则利用过碘酸氧化作用生成醛基，醛基与碱性品红反应产生紫红色化合物，用于确定多糖的存在。

四氧化锇与不饱和脂肪酸反应呈黑色，用以证明脂滴的存在。苏丹Ⅲ(深红色)染色则通过扩散进入脂滴中，使脂滴着色。

蛋白质检测方法：米伦反应，氮汞试剂与组织中的蛋白质侧链上的酪氨酸残基反应，形成红色沉淀。重氮反应中，氢氧化重氮与酪氨酸，色氨酸和组氨酸起反应形成有色复合物。蛋白质中的-SH基可用形成硫醇盐共价键的试剂进行检测。

由于大多数固定剂对酶都有失活或钝化作用，所以，在进行细胞中某种酶的定性研究时，样品制备常采用冰冻切片，或以冷丙酮，甲醛进行短时间固定，以尽量保持酶的活性。

特异蛋白抗原的定位与定性：

免疫荧光与免疫电镜是最常见的研究细胞内蛋白质分子定位的重要技术。对蛋白质组分进行体外分析定性通常采用免疫印迹，放射免疫沉淀和蛋白质芯片，质谱分析等技术。

1，免疫荧光技术就是将免疫学方法(抗原-抗体特异结合)与荧光标记技术相结合用于研究特异蛋白抗原在细胞内分布的方法。包括直接和间接免疫荧光技术两种。

2，免疫电镜技术：

免疫电镜技术可分为免疫铁蛋白技术，免疫酶标技术与免疫胶体金技术，其主要区别是与抗体结合的标志物不同。

细胞内特异核酸的定位与定性：

细胞内特异核酸( DNA或RNA)的定性与定位的研究，通常采用原位杂交技术。用标记的核酸探针通过分子杂交确定特异核苷酸序列在染色体上或在细胞中位置的方法称为原位杂交。

定量细胞化学分析与细胞分选技术：

流式细胞术可定量地测定某一细胞中的DNA，RNA或某一特异的标记蛋白的含量，以及细胞群体中上述成分含量不同的细胞的数量，它还可将某一特异染色的细胞从数以万计的细胞群体中分离出来，以及将DNA含量不同的中期染色体分离出来，甚至可用于细胞的分选。

细胞培养与细胞工程：

动物细胞培养，原代培养细胞一般传至10代左右就传不下去了，细胞生长出现停滞，大部分细胞衰老死亡。极少数细胞度过危机，又可传代40~50代次，传至50代以后又出现危机。

植物细胞培养：单倍体细胞培养，用花药在人工培养基上进行培养。可以从小孢子(雄性生殖细胞)直接发育成胚状体，然后长成单倍体植株。或者通过愈伤组织诱导分化。

原生质体培养，一般用植物的体细胞，先用纤维素酶处理去掉细胞壁，去壁的细胞称为原生质体。原生质体可以在无菌培养基中生长分裂。

细胞融合与单克隆抗体技术：

两个或多个细胞融合为一个双核或者多核细胞的现象称为细胞融合。介导动物细胞融合常用的促融剂有灭活的病毒或化学物质(如聚乙二醇，PEG);植物细胞融合时，要先用纤维素去掉细胞壁，然后才便于原生质体融合。20世纪80年代又挡发明了电融合技术(electronfusion method)。将悬浮细胞在低压交流电场中聚集成串珠状细胞群，或对相互接触的单层培养细胞，再施加高压电脉冲处理使其融合。

基因型相同的细胞融合称为同核体，基因型不同的融合后称为异核体。

B淋巴细胞杂交瘤技术用于制备单克隆抗体(monoclonal antibody)

制备过程：将小鼠骨髓瘤细胞与经绵阳红细胞免疫过的小鼠脾细胞( B淋巴细胞)在聚乙二醇或灭活的病毒介导下发生融合。由于骨髓瘤细胞缺乏TK或HGPRT,在含氨基蝶呤的培养液内不能成活。只有融合细胞才能在HAT(次黄嘌呤，氨基蝶呤和胸腺嘧啶核苷)的培养液内通过旁路合成核酸而得以生存。通过HAT选择培养和细胞克隆，可以获得大量分泌单克隆抗体的杂交瘤细胞株。

为了探明核质相互作用的机制，科学家们创建了细胞拆合技术。所谓细胞拆合技术就是把细胞核与细胞质分离开来，然后把不同来源的胞质体(cytoplast)和核体( karyoplast)相互组合，形成核质杂交细胞。

细胞拆合可以分为物理法和化学法两种类型。物理法就是用机械方法或短波光把细胞核去掉或使之失活，然后用微吸管吸取其他细胞的核，注入去核的细胞质中，组成新的杂交细胞。这种核移植必须用显微操纵仪进行操作。化学法是用细胞松弛B (cytochalasin B)处理细胞，细胞出现排核现象，再结合离心技术，将细胞拆分为核体和胞质体两部分。显微操作技术是在显微镜下，用显微操作装置对细胞进行解剖和向核内注入基因。

荧光漂白恢复技术(fluorescence photobleaching recovery, FPR)技术是使用亲脂性或亲水性的荧光分子，如荧光素，绿色荧光蛋白等与蛋白或脂质藕联，用于检测所标记分子在活体细胞表面或细胞内部的运动及其迁移速率。FPR技术的原理是：利用高能激光束照射细胞的某一特定区域，使该区域内标记的荧光分子发生不可逆的淬灭，这一区域称光漂白( photobleaching)区。随后，由于细胞中脂质分子或蛋白质分子的运动，周围非漂白区的荧光强度逐渐恢复到原有水平。这一过程称为荧光恢复。荧光恢复的速度在很大程度上反映荧光标记蛋白或脂质在细胞中运动速率。

单分子技术与细胞生命活动的研究：

与生命科学相关的单分子技术是在细胞内实时观测单一生物分子运动规律的技术。

酵母双杂交技术：

酵母双杂交技术( yeast two-hybrid system)是一种利用单细胞真核生物酵母在体内分析蛋白质-蛋白质相互作用的系统。细胞基因转录起始需要转录激活因子的参与，转录激活因子一般由两个或两个以上相互独立的结构域构成，即DNA结合域( DNA binding domain, DB)和转录激活域( activation domain, AD)。前者可以识别DNA上特异转录调控序列并与之结合；后者可与其他成分作用形成转录复合体，从而启动它所调节基因的转录。如果要证明蛋白A是否与蛋白B在细胞内相互作用，则可分别制备DB与蛋白A的融合蛋白(又称"诱饵"，t)，以及AD与蛋白B的融合蛋白(又称猎物，prey)。如果蛋白A与蛋白B在细胞内相互结合，则可形成与转录激活因子类似的具有DB和AD结构域的复合物，从而启动报告基因的表达。反之，则报告基因不表达。

荧光共振能量转移技术:

荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)技术是用来检测活细胞内两种蛋白质分子是否直接相互作用的重要手段。其基本原理是：在一定波长的激发光照射下，只有携带发光集团A的供体分子可被激发出波长为A的荧光，而同一激发光不能激发携带发光集团B的受体分子发出波长为B的荧光。然而，当供体所发出的荧光光谱A与受体上的发光集团的吸收光谱相互重叠，并且两个发光集团之间距离小到一定程度时，就会发生不同程度的能量转移，即受体分子的发光集团吸收了供体所发出的荧光，结果受体分子放出了波长为B的荧光，这种现象称为FRET现象。如下图：

如果两个蛋白质分子的距离在10nm之内，就可能发生FRET现象，由此认为这两个蛋白质存在着直接的相互作用。

放射自显影技术：

利用放射性同位素的电离射线对乳胶(含AgBr或AgCl)的感光作用，对细胞内生物大分子进行定性，定位与半定量研究的一种细胞化学技术。对细胞或生物体内生物大分子进行动态研究和追踪(pulse-chase)是这一技术独具的特征。放射自显影技术包括两个主要步骤：即同位素标记的生物大分子前体的掺入和细胞内同位素所在位置的显示。

生物信息学( bioinformatics)

细胞生物学常用模式生物：大肠杆菌，酵母，线虫，果蝇，斑马鱼，小鼠，拟南芥

突变体制备：DNA和RNA两个水平制备，从RNA水平主要是RNA干扰技术。RNAi技术是指利用一段特异的双链RNA或单链反义RNA通过注射，转染或转基因的方法导入到细胞或模式生物体中，这样的RNA可以启动一套信号通路来最终降解与这段RNA对应的，通常是包含这段序列的mRNA，使该mRNA无法翻译成相关的蛋白质。

基因敲除(knock out)是在DNA水平制备突变体的一种方法。通常DNA水平突变体的制备方法有三种(以果蝇为例)：化学诱变法(给果蝇喂食化学诱变剂，造成随机的点突变或者DNA片段丢失)，P因子介导的突变(利用转座子的转座特性及转座子的移动过程中可以带走部分基因组DNA序列的特性)和基于同源重组的定点突变。

蛋白质组学技术：

1，双向凝胶电泳

双相凝胶电泳的第一相是等电聚焦( IEF)电泳，采用pH梯度，根据蛋白质等电点不同进行分离。第二相是SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳( SDS-PAGE)，根据蛋白质相对分子质量大小进行分离。

2，色谱技术

3，质谱

4，蛋白质芯片

5，生物信息学

细胞质膜(plasma membrane)曾称细胞膜( cell membrane)。真核细胞，细胞内的膜系统与细胞质膜统称为生物膜

流动镶嵌模型主要强调：1，膜的流动性 2，膜蛋白分布的不对称性，有的分布于膜表面 ，有的嵌入或横跨脂双分子层。

近些年提出的脂筏模型 ( lipid raft model)是对膜流动性的新的理解。该模型认为甘油磷脂为主体的生物膜上，胆固醇，鞘磷脂等富集区域形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的"脂筏"一样载着执行某些特定生物学功能的各种膜蛋白。脂筏最初可能是在高尔基体上形成，最终转移到细胞质膜上。有些脂筏可以在不同程度上与膜下细胞骨架蛋白交联。据推测，一个直径100nm的脂筏可载有600个蛋白质分子

目前对生物膜结构的认识可归纳如下：

1，具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质，磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝水相形成脂双分子层，每层磷脂分子称为一层小叶( leaflet)。

2，蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白质的类型，蛋白质分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜各自的特性与功能。

3，生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。然而膜蛋白与膜脂之间，膜蛋白与膜蛋白之间及其与膜两侧其他生物大分子的复杂的相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性。同时也形成了赖以完成多种膜功能的脂筏，纤毛和微绒毛等结构。

4，在细胞生长和分裂等整个生命活动中，生物膜在三维空间上可出现弯曲，折叠，延伸等改变，处于不断地动态变化中。从而保证了诸如细胞运动，细胞增殖等代谢活动的进行。

膜脂：主要包括甘油磷脂(glycerophosphatide),鞘脂(sphingolipid)和固醇( sterol)三种基本类型。生物膜上还有少量的糖脂( glycolipid),鉴于绝大多数的糖脂都属于鞘氨醇的衍生物，因此，目前人们多将糖脂归于鞘脂质。

1，甘油磷脂

甘油磷脂构成了脂膜的基本成分，占整个脂膜的50%以上。甘油磷脂为3-磷酸甘油的衍生物，包括磷脂酰胆碱(卵磷脂，phosphatidylserine , PS),磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)和磷脂酰肌醇( phosphatidylinositol, PI)等，主要在内质网上合成。组成生物膜的甘油磷脂分子主要特征是：1，具有一个与磷酸基团相结合的极性头和两个非极性的尾(脂肪酸链)，但存在于线粒体内膜和某些细菌脂膜上的心磷脂除外，它具有4个非极性的尾部。2，脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16或18个碳原子组成。3，除饱和脂肪酸外，常常还含有1~2个双键的不饱和脂肪酸。

2，鞘脂

3，固醇

胆固醇及其类似物统称为固醇，它是一类含有4个闭环的碳氢化合物，其亲水的头部为一个羟基，是一种分子刚性很强的两性化合物。

膜蛋白：

根据膜蛋白分离的难易程度及其与脂分子的结合方式，膜蛋白可分为3种基本类型：外在膜蛋白(extrinsic membrane protein)或称外周膜蛋白(peripheral membrane protein)，内在膜蛋白或称整合膜蛋白(intergral membrane protein)，脂锚定膜蛋白( lipid anchored protein)。

外在膜蛋白为水溶性蛋白质，靠离子键或其他较弱的键与膜表面的膜蛋白分子或膜脂分子结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，但膜结构并不被破坏。磷脂酶就是其中一例。它也是蛇毒的活性成分。

脂锚定膜蛋白是通过与之共价相连的脂分子(脂肪酸或糖脂)插入膜的脂双分子中，而锚定在细胞质膜上，其水溶性的蛋白质部分位于脂双层外。

内在膜蛋白与膜结合比较紧密，只有用去垢剂处理使膜崩解后才可分离出来。内在膜蛋白占整个膜蛋白的70%~80%，据估计人类基因中，1/4~1/3基因编码的蛋白质为内在膜蛋白。

内在膜蛋白与膜脂结合的方式：

目前所了解的内在膜蛋白均为跨膜蛋白，跨膜蛋白在结构上可分为：胞质外结构域，跨膜结构域和胞质内结构域等3个组成部分。它与膜结合的主要方式有：

1，膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心相互作用，这是内在膜蛋白与膜脂结合的最主要和最基本的结合方式。

2，跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基，如精氨酸，赖氨酸等与磷脂分子带负电的极性头部形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过Ca2+，Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头部相互作用。

3，某些膜蛋白通过自身在胞质一侧的半胱氨酸残基共价结合到脂肪酸分子上，后者插入脂双层中进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力。

去垢剂( detergent)是一端亲水，一段疏水的两性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂。去垢剂可以插入膜脂，与膜脂或膜蛋白的跨膜结构域等疏水部位结合，形成可溶性的颗粒。去垢剂分为离子型去垢剂和非离子型去垢剂两种类型。常用的离子型去垢剂如十二烷基硫酸钠( SDS)具有带电荷的基团，其分子式如下：

SDS可使细胞膜崩解，与膜蛋白疏水部分结合并使其与膜分离，高浓度的SDS还可以破坏蛋白质中的离子键和氢键等非共价键，甚至改变蛋白质亲水部分的构象。这一特性常用于蛋白质成分分析的SDS凝胶电泳。由于SDS对蛋白质的作用较为剧烈，可引起蛋白质变性，因此在纯化膜蛋白时，特别是为获得有生物活性膜蛋白时，常常采用不带电荷的非离子去垢剂。

常用的非离子去垢剂Triton X-100分子式如下：

非离子去垢剂也可使细胞膜崩解，但对蛋白质的作用比较温和，它不仅用于膜蛋白的分离纯化，也用于除去细胞的膜系统，以便对细胞骨架蛋白和其他蛋白质进行研究。

膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动，它在很大程度上是由脂分子本身的性质决定的，一般来说，脂肪酸链越短，不饱和程度越高，膜脂的流动性越大(猜想植物油和动物油，手动滑稽)

膜蛋白的流动性

膜脂和膜蛋白运动速率的检测

荧光漂白恢复技术( FPR)是研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。

膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不对称分布，糖蛋白和糖脂的糖基部分均位于细胞质膜的外侧。

为了便于研究个了解细胞质膜以及其他生物膜的不对称性，人们将细胞质的各个膜面命名如下：与细胞外环境接触的膜面称质膜的细胞外表面(extrocytoplasmic surface, ES)，这一层脂分子和膜蛋白称细胞膜的外小叶( out leaf),与细胞质基质接触的膜面称质膜的原生质表面(protoplasmic surface, PS)。

膜蛋白的不对称性

细胞质膜相关的膜骨架

细胞质膜特别是膜蛋白常常与膜下结构(主要是细胞骨架系统)相互联系，协同作用，并形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。这些特化结构包括膜骨架( membrane associated cytoskeleton)，鞭毛和纤毛，微绒毛及细胞的变形足等，分别与细胞形态的维持，细胞运动，细胞的物质交换和信息传递等功能有关。

膜骨架：膜骨架是指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它从力学上参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。

红细胞质膜蛋白及膜骨架

SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析血影的蛋白质成分显示：红细胞膜蛋白主要包括血影蛋白或称血膜肽(spectrin),锚蛋白( ankyrin),带3蛋白，带4.1蛋白，带4.2蛋白和肌动蛋白( actin)，此外还有一些血型糖蛋白(glycoprotein)。

膜骨架蛋白主要成分包括血影蛋白，肌动蛋白，锚蛋白和带4.1蛋白等。

细胞质膜的基本功能

1，为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境

2，选择性的物质运输

3，提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息跨膜传导

4，为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行

5，介导细胞与细胞，细胞与胞外基质之间的连接

6，质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构

7，膜蛋白的异常与某些遗传病，恶性肿瘤，自身免疫病甚至神经退行性疾病相关，很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。

E. 细胞生物学的研究方法

细胞生物学广泛地利用相邻学科的成就，在技术方法上是博采众长，凡是能够解决问题的都会被使用。例如用分子生物学的方法研究基因的结构，用生物化学、分子生物学的方法研究染色体上的各种非组蛋白和它们对基因活动的调节和控制或者利用免疫学的方法研究细胞骨架的各种蛋白（微管蛋白、微丝蛋白、各种中等纤维蛋白）在细胞中的分布以及在生命活动中的变化。起源于分子遗传学的重组DNA技术和起源于免疫学的产生单克隆抗体的杂交瘤技术，也成了细胞生物学的有力工具。显然，一种方法所解决的问题不一定属于原来建立这一方法的学科。例如用分子生物学的方法解决了核小体的结构，严格地说这应是形态学的范畴。这样的例子并不少见，在这里学科的界限也被抹掉了。也许可以说细胞核移植、微量注射和细胞融合是细胞生物学自身发展起来的方法，但是用这些方法进行的实验往往也需要其他方法配合来做进一步分析。 细胞生物学与其说是一个学科，倒不如说它是一个领域。这可以从两个方面来理解：一是它的核心问题的性质──把发育与遗传在细胞水平结合起来，这就不局限于一个学科的范围。二是它和许多学科都有交叉，甚至界限难分。例如，就研究材料而言，单细胞的原生动物既是最简单的动物，也是最复杂的细胞，因为它们集许多功能于一身；尤其是其中的纤毛虫，不仅对于研究某些问题，例如纤毛和鞭毛的运动，特别有利，关于发育和遗传的研究也积累了大量有价值的资料。但是这类研究也可以列入原生动物学的范畴。其次，就研究的问题而言，免疫性是细胞的重要功能之一，细胞免疫应属细胞生物学的范畴，但这也是免疫学的基本问题。
由于广泛的学科交叉，细胞生物学虽然范围广阔，却不能像有些学科那样再划分一些分支学科──如象细胞学那样，根据从哪个角度研究细胞而分为细胞形态学、细胞化学等。如果要把它的内容再适当地划分，可以首先分为两个方面：一是研究细胞的各种组分的结构和功能（按具体的研究对象），这应是进一步研究的基础，把它们罗列出来，例如基因组和基因表达、染色质和染色体、各种细胞器、细胞的表面膜和膜系、细胞骨架、细胞外间质等等。其次是根据研究细胞的哪些生命活动划分，例如细胞分裂、生长、运动、兴奋性、分化、衰老与病变等，研究细胞在这些过程中的变化，产生这些过程的机制等。
当然这仅是人为地划分，这些方面都不是各自孤立的，而是相互有关连的。从细胞的各个组分讲，例如表面膜与细胞外间质有密切关系，表面膜又不是简单地覆盖着细胞质的一层膜，而是通过一些细微结构──已经知道其中之一是肌动蛋白分子，这又联系到细胞骨架了──与细胞质密切相连。这样，表面膜才能和细胞内部息息相关。另一方面，从研究的问题出发，研究分裂、分化等生命现象，离不开结构的基础。例如研究细胞分裂就涉及到染色质怎样包扎成染色体，染色体的分裂和运动，细胞骨架的变化包括微管蛋白的聚合和解聚，与表面膜有关的分裂沟的形成，还有细胞分裂的调节与控制。再如研究细胞分化除去要了解某种细胞在分化过程中细胞器的变化、它们所特有的结构蛋白质的变化，主要地还要了解导致分化的物质基础以及这些物质怎样作用于基因调控的水平，导致有关的基因被激活。可见研究的重点尽管可以人为地划分，但一定要把细胞作为一个整体看待，一定要把生命过程和细胞组分的结构和功能联系起来。 既然细胞生物学的主要任务是把发育和遗传联系起来，细胞分化这个问题的重要性就不言而喻。因为就整个有机体而言，遗传特点不仅显示在长成的个体，而是在整个生命过程不断地显示出来。在细胞水平，细胞的分化也就是显示遗传特征的过程，例如鸟类、爬行类的水晶体，其中所含的晶体蛋白是α、β、δ三种，不同于哺乳类，后者含有α、β、γ三种。在鸟类的晶体分化中首先出现大量的δ晶体蛋白，但是在哺乳类晶体分化中却找不到这种蛋白。可见某种细胞的分化特征的出现，也就是它们的遗传特征的出现。但是这仅是在细胞水平就一种生化性状（特异的蛋白质）在一种特化细胞中的出现而言，情况当然还比较简单，如果涉及到一个由多细胞组成的形态学性状，情况会复杂得多，但是性状发生的过程仍然是遗传表现的过程。
像晶体细胞分化这样的例子，细胞生物学的术语称之为终末分化，也就是走向成熟的分化，其分化的产物就是这种细胞的终末产物。由于取材方便，产物比较单一易于分析等原因，细胞分化的研究中关于终末分化的研究占很大的比重，研究得比较多的是红细胞、肌细胞、胰脏细胞、晶体细胞、黑色素细胞、软骨细胞等。
一个经常被引用的例子是红细胞中血红素的转换。人类胚胎早期的红细胞中首先出现胚期血红素，后来逐渐被胎儿期血红素所代替，胎儿三个月之后，后者又被成体型血红素所代替。关于这些血红素已经有很多研究。例如它们各自由那些肽链组成，这些肽链在个体发育中交互出现的情况，它们各自的氨基酸组成和排列顺序，各个肽链的基因位点，以至基因的结构都已比较清楚，工作可以说是相当深入了。
但是，追根到底有些问题依然没有得到明确的解答，甚至没有解答──这也适用于关于其他细胞的终末分化的研究。例如，为什么胚期血红素会在红细胞而不在其他细胞中出现？为什么会发生血红素的转换？关于前一问题，有人曾分别地从鸡的输卵管细胞（不产生血红素）和红细胞（产生血红素）提取染色质，用酶来切割，观察到两种来源的染色质对酶的抵抗力不同。来自红细胞的易于受到酶的攻击，推测这可能由于核小体的构型不同。红细胞中含有珠蛋白基因段落的核小体构型较松弛，因而易于受到影响；构型较松弛也就为RNA聚合酶在上面转录产生信使RNA提供了条件。但是如果追问下去，为什么单单在红细胞里核小体的构型比较松弛？RNA聚合酶怎样识别出这样的段落？这些问题还需进一步研究。其次，关于胚期血红素向胎儿期血红素的转换。用两种荧光染料标记两种免疫抗体，观察到在同一红细胞中有两种血红素的存在，说明转换不是由于出现不同的细胞，而是由于同一细胞相继地产生了不同的血红素。是什么原因使得血细胞停止生产原有的而产生出新的血红素？也许可以说是发育的“程序”，但还要回答发育程序得以实现的物质基础是什么。所有这些问题的解答，将使我们对基因选择性表达的认识有极大的迈进。 实现了终末分化的细胞，已经失去了转变为其他细胞类型的潜能，只能向一个方面分化。例如红细胞，虽然发生血红素的转换，但不能转变为其他类型的正常细胞，与胚胎细胞相比，它们的情况要简单些，因为胚胎细胞在尚未获得决定的时候是具有广泛潜能的。拿中胚层细胞来说，它们既可以分化为肌细胞，也可以分化为前肾细胞、血细胞、间质细胞等。已经初步知道，外界因素可以影响中胚层细胞向肌细胞或红细胞的方向分化，但是这因素是什么，怎样作用，都一无所知。在这里，首先要使中胚层细胞向某一方向分化，然后那一方向（例如红细胞）所特有的一套终末分化的步骤才得以进行下去。形象化地说，中胚层细胞中似乎存在着向不同方向分化的开关，打开某一个开关（例如红细胞的），才能进行那一方向的分化，这当然比终末分化更复杂些，对此还一无所知。