细胞生物学是什么?关于细胞生物学的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:46:31

细胞生物学(也称为细胞学,源自希腊语 κύτος,kytos,“血管”)是生物学的一个分支,其对作为生命基本单位的细胞的结构和功能进行研究。细胞生物学涉及细胞的生理特性、代谢过程、信号通路、生命周期、化学组成以及细胞与其周围环境的相互作用。因为它包含原核细胞和真核细胞,所以需要通过在显微和分子水平上进行研究。了解细胞的组成和细胞如何工作是所有生物科学的基础;它对于生物医学领域如癌症和其他疾病的研究也是至关重要。细胞生物学的研究与遗传学、生物化学、分子生物学、免疫学和细胞化学密切相关。

历史

细胞曾经是肉眼不可见的,随着复合显微镜的发明,在17世纪的欧洲,细胞首次被观察到。罗伯特·胡克(Robert Hooke)是第一个在观察了软木后将所有生物体的结构单元称为“细胞”的人。细胞学说指出所有生物都是由细胞组成的。该理论还指出,植物和动物都由细胞组成,这一点在1839年得到了植物科学家马蒂亚斯·施莱登(Matthias Schleiden)和动物科学家西奥多·施旺(Theodor Schwann)的证实。19年后,鲁道夫·魏尔啸( Rudolf Virchow )对细胞学说做出了贡献,其认为所有细胞都来自于原始细胞的分裂。近年来,有许多研究对细胞学说提出了质疑。科学家们难以确定病毒是否属于生物。病毒缺乏活细胞所具有的共同特征,如细胞膜、细胞器和自身繁殖的能力。病毒的大小从0.005微米到0.03微米,而细菌的大小从1微米到5微米。现代细胞生物学研究着眼于在体外以不同的方法培养和处理细胞,以进一步研究人体解剖学和生理学,从而促进疾病的治疗和药物研发等。用于研究细胞的技术在不断发展。显微镜技术的进步,如荧光显微镜、相差显微镜、暗场显微镜、共聚焦显微镜、细胞计量术、透射电子显微镜等,让科学家对细胞结构有了更好的理解。

细胞结构

细胞有两种基本分类:原核细胞和真核细胞。两者的主要区别是有无细胞器。其他因素,如大小、它们增殖的方式和细胞数目,使它们不同于彼此。真核细胞包括动物、植物、真菌,和原生动物细胞,它们都有一个被膜包裹的细胞核,且细胞的形状大小各不相同。原核细胞,包括细菌和古生菌,其缺乏膜包裹的细胞核。原核细胞比真核细胞小得多,这使原核细胞成为最小的生命形式。细胞学家通常关注真核细胞,而微生物学家关注原核细胞,但是也存在例外。

内部细胞结构

细胞的普遍结构和分子组成

化学和分子环境

对细胞的研究是在分子水平上进行的;然而,大部分的细胞生理过程是由有机小分子、无机离子、激素和水的混合物组成的。水分子大约占了细胞体积的75-85%,由于其极性和结构,水成为不可缺少的溶剂。细胞内的这些分子作为底物,为细胞进行代谢反应和信号传递提供了合适的生理环境。因为细胞的形状在不同种类的生物中有所不同,所以可以将其分为两类:真核生物和原核生物。就真核细胞而言,其由动物、植物、真菌和原生动物细胞组成,形状通常为圆形、球形或椭圆形。然而,对于原核细胞,其由细菌和古生菌组成,形状为球形(球菌)、杆状(芽孢杆菌)、弯曲状(弧菌)和螺旋状(螺旋菌)

细胞生物学更多地关注真核细胞及其信号通路的研究,而不是包含在微生物学中的原核细胞。细胞一般分子组成的主要成分包括蛋白质和脂类,它们要么自由流动,要么与膜结合,以及与被称为不同的内部隔间的细胞器结合。细胞的生理环境是由亲水和疏水区域所组成,其促进上述提及的分子和离子的交换。细胞的亲水区域主要位于细胞的内部和外部,而疏水区域位于细胞膜中的磷脂双分子层。细胞膜由脂质和蛋白质组成,由于这些属于非极性物质,所以细胞膜具有疏水性。因此,为了使这些分子参与细胞内的反应,它们需要能够穿过这个膜层进入细胞。它们通过渗透压、扩散、浓度梯度和膜通道实现进入细胞的过程。细胞内部含有大量的内部亚细胞的膜结合的区室,其被称为细胞器。

细胞器

细胞包含特殊的亚细胞区室,包括细胞膜,细胞质,线粒体,和核糖体。

生理过程

生长与发育

细胞的生长过程不涉及细胞的大小,而是指在给定时间内存在于生物体中细胞数目的密度。细胞生长是指生物体生长发育过程中细胞数目的增加;随着生物体变得越来越大,存在的细胞数目也越来越多。 细胞是所有生物体的基础,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生存至关重要。在这个过程中,细胞经历了细胞周期和发育的步骤,包括细胞生长、DNA(脱氧核糖核酸)复制、细胞分裂、再生、特化和细胞死亡。细胞周期分为四个不同的阶段,G1、S、G2和M。G期是细胞生长阶段,约占细胞周期的95%。细胞的增殖起始于祖细胞,然后细胞分化变得特化,相同类型的分化细胞聚集形成组织,然后形成器官,最终形成系统。G期和S期包括DNA复制、损伤和修复,其被视为是细胞周期的间期部分。 而M期(有丝分裂和胞质分裂)是细胞周期的细胞分裂部分。细胞周期受一系列信号传递因子和复合物调节,举几个来说,例如细胞周期素依赖性激酶和p53 。当细胞完成其生长过程时,如果发现它受到损伤或发生变异,其会经历细胞死亡,要么凋亡要么坏死,从而消除它可能对生物体生存造成的危害。

其他细胞过程

  • 主动运输和被动运输-分子进出细胞的运动。
  • 自噬 -细胞“吃掉”自身内部成分或微生物入侵者的过程。
  • 粘附性 -将细胞和组织结合在一起。
  • 细胞迁移-趋化性,收缩,纤毛和鞭毛。
  • 细胞信号传导 -外部信号对细胞行为的调节。
  • 分裂 -细胞通过有丝分裂(产生母细胞的克隆)或减数分裂(产生单倍体配子) 进行增殖。
  • DNA修复-细胞死亡和细胞衰老。
  • 代谢 - 糖酵解、呼吸、光合作用和化学合成。
  • 信号传递 -调节细胞内活动的过程。
  • 转录和 mRNA剪接 - 基因表达。

著名的细胞生物学家

  • 让·巴谱蒂斯特·卡诺(Jean Baptiste Carnoy)
  • 彼得·阿格雷(Peter Agre)
  • 京特·布洛贝尔(Günter Blobel)
  • 罗伯特·布朗( Robert Brown)
  • 杰弗里·M·库珀(Geoffrey M. Cooper)
  • 克里斯汀·德·迪夫(Christian de Duve)
  • 罗伯特·胡克(Robert Hooke)
  • 罗伯特·霍维茨(H. Robert Horvitz)
  • 马克·克什纳(Marc Kirschner)
  • 安东·范·列文虎克(Anton van Leeuwenhoek)
  • 伊拉·梅尔曼(Ira Mellman)
  • 彼得·米切尔(Peter D. Mitchell)
  • 鲁道夫·魏尔啸(Rudolf Virchow)
  • 保罗·纳斯(Paul Nurse)
  • 乔治·埃米尔·帕拉德(George Emil Palade)
  • 基思·R·波特( Keith R. Porterr)
  • 扬·埃万盖利斯塔·普尔涅(Jan Evangelista Purkyně)

    捷克 解剖学家扬·埃万盖利斯塔·普尔涅(Jan Evangelista Purkyně )因1837年浦肯野细胞的发现而闻名。

  • 雷· 拉帕波特(Ray Rappaport)
  • 迈克尔·斯万(Michael Swann)
  • 钱永健(Roger Tsien)
  • 埃德蒙·比彻·威尔逊(Edmund Beecher Wilson)
  • 肯尼斯·r·米勒(Kenneth R. Miller)
  • 马蒂亚斯·雅各布·施莱登(Matthias Jakob Schleiden)
  • 西奥多·施旺(Theodor Schwann)
  • 大隅良典(Yoshinori Ohsumi)