细胞化学
细胞化学是研究细胞的化学成分，在不破坏细胞形态结构的状况下，用生化的和物理的技术对各种组分做定性的分析，研究其动态变化，了解细胞代谢过程中各种细胞组分的作用，是在细胞活动中的变化和定位的学科。
中文名细胞化学
内 容研究细胞的化学成分等所属领域生物化学
应 用农业、医药、医疗等
目录
简介
细胞化学是研究细胞的化学成分，及其在细胞活动中的变化和定位的学科。即在不破坏细胞形态结构的状况下，用生化的和物理的技术对各种组分做定量的分析，研究其动态变化，了解细胞代谢过程中各种细胞组分的作用。
细胞化学和组织化学的发展是分不开的，都是建立在细胞学、组织学以及生物化学的基础上。对细胞中的不同组分进行区别着色是细胞化学中最基础的工作。19世纪初叶，法国植物学家拉斯帕伊在研究禾本科植物的受精作用时，首次发现了淀粉的碘反应。此后他还建立了蛋白质的黄色反应，硫酸对于糖醛及蛋白质醛基反应等鉴定方法，因此他被认为是组织化学的创始人。
动物方面的组织化学和细胞化学的研究开展较晚。珀尔斯1867年用普鲁士兰显示细胞中的铁质，克文克1868年用黄色硫化胺溶液与细胞中的铁质化合成为黑色的硫化亚铁进行显示等方法，至今仍在应用。
发展
细胞核
从19世纪中期到20世纪初，关于细胞核的研究，有了长足的进展。
1、1875年，德国植物学家E.A.施特拉斯布格首先叙述了植物细胞中的着色物体而且断定同种植物各自有一定数目的着色物体。
2、1880年，巴拉涅茨基描述了着色物体的螺旋状结构，翌年普菲茨纳发现了染色粒。
3、1885年，德国学者C.拉布尔提出着色物体数目恒定的规律。
4、1888年，W.瓦尔代尔把核中的着色物体正式命名为染色体。
5、 1891年，德国学者H.亨金在昆虫的精细胞中观察到X染色体。
6、1902年，W.L.史蒂文斯、E.B.威尔逊等发现了Y染色体。
细胞分裂现象，在此期间已经受到重视，并进行了仔细分析。
1、1867年，德国植物学家W.霍夫迈斯特在植物，A.施奈德1873年在动物，分别比较详细地叙述了间接分裂。
2、1882年，德国细胞学家W.弗勒明在发现了染色体的纵分裂之后提出了有丝分裂这一名词以代替间接分裂，E.霍伊泽尔描述了在间接分裂时的染色体分布；在他之后，E.A.施特拉斯布格把有丝分裂划分为：前期、中期、后期、末期；他和其他学者还在植物中观察到减数分裂，经过进一步研究终于区别出单倍体和双倍体染色体数目。
3、1933年，H.鲍尔在蚊子的马尔皮基氏管细胞中发现了多线染色体。
4、1934年，T.S.佩因特在果蝇，R.L.金和H.W.比姆斯在摇蚊中，也发现这种构造。
多线染色体是一种存在于双翅目幼虫的某些腺体细胞中的巨大染色体，在果蝇中其长度大约是正常染色体的100倍，每条染色体由许多条（可多到400条）染色纤维组成，在整条染色体上显示染色深的带区和染色浅的间带区。它的形成是由于核内有丝分裂（只有染色体分裂而核不分裂），因而每条多线染色体实际上是由许多染色体形成的。这种染色体体积庞大，有利于对染色体的精细构造进行分析。此外，还可根据多线染色体上的胀泡判断其功能活动的情况。
直到70年代，在电子显微镜下观察到核小体；此后不久，结合生化提取，观察到分裂中期的染色体是以所谓的支架蛋白为核心，DNA纤维由此环状地向四周伸展出去形成螺旋化。
细胞质
对细胞质的认识落后于对细胞核或染色体的认识，而且经历很长时期才得到改善。
1、1865年，C.弗罗曼认为细胞中含有纤维状物质交织成框架或网状。
2、1875年，德国生物学家O.赫特维希发现了中心体。
3、1882年，W.弗勒明错误地把所看到的线粒体、纺锤丝以及固定样品中的其他纤维状构造推而广之，认为细胞质是由埋藏在基质中的这些丝状成分构成的。
4、1886年，德国组织学家R.阿尔特曼甚至认为一定的小颗粒是最简单的、活的、“细胞的基本有机体”，由于它们的特殊方式的集聚而构成细胞；这可能也是由于误认了线粒体以及分泌和贮藏颗粒[1]
推动
细胞学的研究，在相当程度上受到其他学科的推动，根据各学科的影响大致地可以划分几个阶段，当然这些阶段不可能截然分开。
胚胎学
胚胎学的影响。对细胞功能，不能像研究结构那样，在一团组织里找一个细胞作为研究对象。卵子是一个细胞，在无法得到单个的细胞进行研究的年代，利用它是极为方便的材料。既然用卵子，研究它各部分的作用当然要根据对发育中的影响来判断。这涉及胚胎学问题。但是如果用杂交研究异种精核的功能，则需要根据异种性状的出现来判断，这就涉及到遗传的问题。早期在这方面的工作基本上是由胚胎学家进行的，其特点是综合性的研究，不是单纯地从细胞的角度研究卵子，而是拿卵子作为细胞来研究与发育、遗传等有关的问题。一些重大的问题都已勾划出来，因而在学术思想上对以后有深刻的影响。 O.赫特维希和R.von赫特维希弟兄1887年用海胆作材料，首先看到活的卵子的受精，并且对受精进行了实验分析。如果分别地考虑细胞质和细胞核在发育中的作用，则T.H.博韦里对在马蛔虫中发现的染色质消减的现象的分析，证明影响消减的因素存在于细胞质中。此外，对卵裂球予以编号，以追踪每一裂球的来龙去脉的细胞谱系工作，关于卵黄含量不同的各种卵子其卵裂类型的研究，都指出卵子中细胞质的分布，影响纺锤体的方向，决定卵裂面的形成，决定卵裂类型。不仅如此，在一些特别适宜的卵子还可看到形成各种器官的物质在卵子中已经有了布局，卵裂之后各个裂球与将要形成的器官
有一定的对应性。所有这些都提示，细胞核在遗传潜能上是等同的，只是在以后的发育中，通过细胞质或细胞间的相互作用才受到不同的调节。
对于细胞核的作用也有了充分的估价。1887年德国实验胚胎学家T.H.博韦里使海胆卵子被两个精子受精，根据染色体在各个卵裂球中的分配以及各个卵裂球的发育情况，认为各个染色体有质的不同，染色体是有个性的。利用海胆卵子，T.H.摩尔根1896年完成了人工孤雌生殖──卵子不经受精也可发育。使不具细胞核的卵块受精或用异种精子受精，研究细胞质及细胞核各自在发育中的作用，观察到所产生的幼虫都显示父方的特征。这些都说明细胞核的重要性。总括当时的成就，1883年德国胚胎学家W.鲁曾经表达这样的设想：“不仅染色体，而且每一染色体的各个部分，对于决定个体的发育、生理和形态可能都是重要的。”1887年德国动物学家A.魏斯曼提出种质的假说。虽然这个假说被后来的实验研究推翻了，但是在假说中提出的决定子与后来的基因之间是有某些思想上的联系可寻的。
为解决胚胎学的问题，还为细胞学提供了重要的实验方法，这就是组织培养。美国胚胎学家R.G.哈里森在1907年为了研究神经纤维的生长创立了体外培养的方法，后来被美国生理学家A.卡雷尔接过去，发展成专门的技术。30年代之后越来越显示出它的重要性，到今天，不仅是研究活细胞的各方面，甚至对许多其他学科来讲也是必不可缺的技术。
遗传学
遗传学的影响。1900年重新发现G.J.孟德尔的研究成就后，遗传学研究有力地推动了细胞学的进展。美国遗传学家和胚胎学家T.H.摩尔根研究果蝇的遗传，发现偶尔出现的白眼个体总是雄性；结合已有的、关于性染色体的知识，解释了白眼雄性的出现，开始从细胞解释遗传现象，遗传因子可能位于染色体上。细胞学和遗传学联系起来，从遗传学得到定量的和生理的概念，从细胞学得到定性的、物质的和叙述的概念，逐步产生出细胞遗传学。
1920年美国细胞学家W.S.萨顿进一步指出遗传因子和染色体行为间的平行现象，必然意味着遗传因子位于染色体上，并且提到，如果两对因子位于同一染色体上，它们可能按照，也可能不按照孟德尔规律遗传，预示了连锁的概念，加深了关于成熟分裂尤其是关于染色体配对、染色体交换的研究。
此外，发现了辐射现象（X射线、镭辐射、紫外线）、温度能够引起果蝇突变之后，因突变的频率很高更有利于染色体的实验研究。辐射之后引起的各种突变，包括基因的移位、倒位及缺失等都可在染色体中找到依据。利用突变型与野生型杂交，并且对其后代进行统计处理，可以推算出染色体的基因排列图。
多线染色体的发现则打开了染色体研究的新途径。在断定了多线染色体就是加粗的，已配对的染色体之后，一方面对它的结构进行细致的研究，发现了染色线上的染色粒，许多相邻的染色粒聚集成带区，染色线虽然不易看清楚，但是如果染色适宜或是在紫外光下可以看到它们不是笔直平行排列，而是很疏松的螺旋状。另一方面可以把根据连锁群推算出来的染色体上的基因排列图利用所谓的唾腺方法和形态学的染色体图吻合起来；杂交实验和细胞的形态学观察可以完善地互相印证，可以在多线染色体上更具体地确切地看到基因排列的情况，每个带区实际上不只含有一个基因。不仅如此，有些突变是由于基因的位置效应例如棒眼突变型(bar-eye) 就是先在多线染色体上取得证据的。
在寻找遗传的物质基础的推动下，染色体的研究在面上铺展开了，不仅用于遗传研究的材料，许多其他动、植物物种（有人统计大约有12000种维管植物和500多种哺乳动物）的细胞分裂（减数分裂）、染色体行为、染色体图谱都被研究过。同一属中的物种，染色体的数目往往是一致的；但是同一科中的物种或者数目不等，或者这一属的是另一属的倍数（多倍性）。同一个体的各个染色体，粗看似乎无大差别，但是仔细检查是有不同的，因此可以精确说出一个物种的染色体的数目、形状以及各个染色体的大小，并且能够把它们编号排队。可以比较亲缘关系较近的不同物种的染色体，由此寻找物种的进化关系；核型的研究指出相近的物种，其染色体数目可能完全一致，但是也可能出现十分明显的差别，在后一种情况经过仔细研究总可找出原始形式，和由此派生出的各种形式。在植物已经知道有三种突变：多倍性、一个染色体断裂成几个小的或者相反的几个小染色体集装成一个大的以及某对染色体的倍增。这三种突变有时会和亚种及种的形成有关。此外，植物的多倍性的研究导致使用各种方法，例如化学物质、温度、辐射等诱导多倍性的产生，在某些植物已经获得应用的价值。
广泛开展的性染色体形态的研究，也为雌雄性别的决定找到细胞学的基础。有的动物是XX、XY型，有的是ZZ、ZW型。 生理学
细胞生理学的影响。在这个阶段用实验方法研究细胞其他部分的功能，没有得到使人满意的结果。用显微镜观察不到细胞膜，只能根据细胞质与外界的物质交换判断它的存在，以及某些物质的通透，借以判断它的某些功能。由于一般地说来脂溶性的物质易于进入细胞，曾经推测细胞膜可能由脂类或者脂类的小孔组成。也曾由于分子量不同的物质进入细胞的难易不同──分子量越大越难进入；推测细胞膜像是一个过滤层，它的小孔阻止大分子进入细胞。此外，曾根据电解质，例如阳性离子和阴性离子对细胞的通透，以及细胞环境的酸度可以影响、以致改变阳性和阴性离子的通透，提出电荷假说以解释细胞的通透性这一极其复杂的过程。至于对于固体颗粒的吞噬作用，通过模拟实验，例如变形虫对氯仿滴的吞噬，认为这是由于细胞对异物的表面比对周围环境有更大的粘着性，通过粘着引起细胞膜表面张力的局部变化以致异物被吞入。 上述这些设想，即使在那时看来，在通透性方面细胞膜都是被动的；但是细胞还能够逆着扩散梯度或浓度梯度主动地摄入或排出某些物质。因此也曾设想，细胞膜中可能存在着需要能量的过程，它们对于这些过程有重大意义，但当时还没有资料。
那时对细胞呼吸的理解主要局限于食物经过各种酶的作用产生出热量。由于知道了在这过程中的几种酶，例如某些脱氢酶、氧化酶、细胞色素a、c、b等，因而了解到食物在细胞中的燃烧不是通过一次突然的氧化把全部能量以热的形式释放出去，而是逐渐地通过一个个小的阶段，一步步地获得并且利用少量的能量。这种过程由于许多种酶作为转移氧、接受氢、氧化还原体系等加入到总的呼吸过程中才能够进行下去，并且得到微细的调节。
其他学科
其他学科的影响。在20世纪40年代初期，其他学科的技术方法相继被用于细胞学的研究，开辟了新的局面，形成了一些新的领域。首先是电子显微镜的应用产生了超显微形态学。
比利时动物学家J.布拉谢从胚胎学的问题出发，利用专一的染色方法(Unna，Feulgen)研究核酸在发育中的意义。差不多与此同时，瑞典生化学家T.O.卡斯珀松根据各种物质对一定波长的吸收，创建了紫外线细胞分光光度计，来检测蛋白质、DNA和RNA这些物质在细胞中的存在。如果说，前者根据染色可以做到定性，后者则根据吸收可以做到定量。实质上是他们的工作引起人们对核酸在细胞生长和分化中的作用的重视。在他们工作的基础上发展起了细胞化学，研究细胞的化学组成，可以和形态学的研究相互补充，对细胞结构增加一些了解。
用多线染色体进行分析，在紫外光下拍照表明染色粒以及核仁含有DNA，相反地染色线只含很少，或者甚至没有。用蛋白酶（可能不纯）消化可以使它们溶解，因此曾误认为染色线是蛋白质构成的。除此而外，还可根据紫外吸收光谱精确测定染色体段落（常染色质和异染色质）某些氨基酸的百分比。常染色质的段落似乎含有较多高分子量的球蛋白类型的蛋白质，而异染色质段落则含有较多低分子量的组蛋白类型的蛋白质。
20世纪40年代开始逐渐开展了从生化方面研究细胞各部分的功能的工作，产生了生化细胞学。首先使用了匀浆──在适合的溶液中把细胞机械地磨碎──和差速离心的办法，除细胞核而外还可以得到线粒体、微粒体和透明质等几部分。对它们分别地进行研究了解到一些物质和酶的存在和分布以及某些代谢过程在什么部位进行。分离得比较成功的是线粒体，因为用电子显微镜已经测量出它们的大小并且粗略地了解到在这种细胞器里进行的生化过程，认识到它们对能量代谢的重要性。微粒体曾经被误认为是一种细胞器。后来知道，这是在当时的分离条件下的产物，是由核糖体和少量内质网组成的复合体。虽然如此，关于线粒体和微粒体这样一些研究指出，许多基本的生化过程是在细胞质而不是在细胞核里进行的。这样的方法结合着深入的形态学研究导致对细胞中的过程有越来越深刻的了解。
放射性同位素的应用为研究细胞中的代谢过程开辟了新的途径。从它们的参入可以精确追踪细胞内物质的合成、运输、以及储藏物的利用。例如用这方法显示出磷的化合物不是在有丝分裂时，而是在间期、在分裂开始前不久参入，然后被分配到子细胞核。从这样一些以及用其他同位素得到的结果，可以推断细胞中的一些重要物质的运转。 虽然在20世纪30年代组织培养就有了较大的发展，但是只能培养组织块，还不能培养正常组织的单个细胞，而且还没有充分显示出它的重要性。利用培养的细胞可以研究许多在整体中（在原位）无法研究的问题，例如细胞的营养、运动、行为、细胞间的相互关系等。几乎各种组织，包括某些无脊椎动物(墨鱼、海鞘、果蝇等)，都被培养过。在良好的培养条件下从组织块长出的各种细胞，其生长情况不同。从形态上基本上可以分为三种类型，上皮、结缔组织和游走细胞（如淋巴细胞、单核细胞和巨噬细胞）。有时候培养细胞会显示正常组织在有机体中表现不出的特征，例如如果培养基中含有增强表面活性的物质，多种组织的细胞可以获得吞噬的能力。但是它们仍保持特有的性质和潜能，因为如果改变培养环境或者移回到动物体内原来的部位便仍可照原样生长。
值得一提的是在培养中的成纤维细胞的生长也受底质的影响。在一般情况下它们呈辐射状、漫无目的地从组织块长出。但是如果人工地使培养基处于一定方向的张力之下，或人工的在底质上制出痕迹，细胞就会沿张力的方向或沿着痕迹生长出去。这个现象也许可以用来解释在整体中结缔组织和肌腱的功能适应──它们总是在张力的方向生长、分化。
可以看出，对于细胞的研究，在使用电子显微镜后在亚显微结构方面的深入，以及在应用生化技术后在功能方面的深入，已经在为细胞生物学──在分子水平上研究细胞的生命现象──的形成创造了条件。所以在后来，在分子遗传学和分子生物学优异的成就的影响之下，细胞生物学这一新的学科很快地形成了。
5、1888年，德国动物学家O.比奇利提出了蜂窝或泡沫学说，即：细胞质是由较粘的物质（透明质hyalopla-sm）形成的精细的蜂窝状构造构成的，其中充满另一种称之为细胞液(enchylema)的物质。这个学说在一定程度上符合实际情况，也比较容易被人接受，因为比奇利不是根据对固定的标本观查，而是根据对原生动物的活体观察提出的。（注：原生动物太阳虫的细胞质确实是泡沫状的──关于原生动物是否单细胞的问题争论了差不多半个世纪，直到1875年经比奇利研究纤毛虫后才予以肯定──因此泡沫状学说维持的时间最长。）
6、1895年，高尔基发现了被他称之为Apparato reticulare interno的网状结构物质（后称：高尔基器)。
7、1897年，C.本达发现了线粒体并命名，对于它的存在意见比较一致。在一些细胞中经一定的固定剂固定后，可被一定的染料染色，也可在活体中观察到。但是在光学显微镜下其形状各式各样，或是线状或是颗粒状或是一串颗粒；至于是否存在于动物的各种细胞内或一切生物体的细胞内，当时还没有定论。
8、1899年，加尼耶在研究各类腺体细胞时发现细胞质中含有嗜碱性的呈现动态变化的丝状或棒状的结构，认为这不是细胞质的内含物，而是细胞质的组成部分，因而命名为动质（后称内质网），并且对此做了详细的叙述。
进入20世纪之后，尤其是电子显微镜得到广泛使用，标本的包埋、切片一套技术逐渐完善，才有了很大改变。通过大量的工作，不仅弄清楚了从前在光学显微镜下可以看到而又看不清，或者尚有争议的细胞器，如线粒体、高尔基器、中心体、内质网、纤毛、鞭毛等构造，而且还发现了许多从前未曾看到过的构造如溶酶体、过氧化酶体、核糖体以及构成细胞骨架的各种纤维物质。
细胞膜
20世纪40年代后，利用高压电镜观察到了由 1～10埃粗细的纤维组成的支撑着各种细胞器的微梁系统，而且看到了细胞的各种膜。在电镜下断定了所有的膜都是 75～100埃厚的三层结构（称之为单位膜）。不仅如此，一个细胞的各部分膜都是相连的，质膜与内质网，内质网与高尔基器或核膜相连。核膜是双层的，由内外两层膜构成，并且具有有一定结构的核膜孔，通过它，细胞质的物质和细胞核的物质得以交流。在质膜上还发现了细胞间连结：桥粒、紧密连接和间隙连接等。这些结构与细胞间的结合或细胞间的物质交流有关；利用冰冻蚀刻技术，可以更好地观察它们。[2]
试验
在实验室中，细胞有丝分裂试验应注意以下技术环节：
一、纺锤体阻断剂（Spindle inhibitor）
在有丝分裂过程中，随着纺锤丝的形成，染色体被牵引到一起难以观察其形态。纺锤体的形成在于细胞质和纺锤体成分的粘度之间的平衡，因此，改变细胞质的粘度，即可破坏纺锤体形成，从而使得染色体均匀散开，且染色体缢痕区更为清楚。
在培养中使用的纺锤体阻断剂为秋水仙素，在终止培养前加入适量秋水仙素，使正在分裂的细胞停留在中期，以获得大量分裂相供分析之用。秋水仙素的浓度范围比较宽，一般使用浓度0.05—0.8微克/毫升，在终止培养前处理2—4小时。但在实际工作中需要借助浓度和处理时间来控制染色体的收缩程度。秋水仙素作用时间越长，被阻断的中期分裂相越多，但是染色体也越凝聚和收缩，所以还视各实验室经验而定。
二、低渗液（hypotonic solution）
低渗液是指渗透压和离子强度均低于正常细胞生理条件的溶液，例如水、低渗的柠檬酸钠或氯化钠、甘油磷酸钾（0.65M）、氯化钾（0.075M）等。低渗效果取决于低渗液的化学组成、低渗的温度和处理时间。低渗处理是凭借反渗透作用使细胞膨胀染色体铺展，同时可使粘附于染色体的核仁物质散开，以便能在一个平面上观察所有染色体形态。 实验室中一般选用0.075M KCl为低渗液（具体情况取决于实际操作，鉴于实验的连续性和稳定性，本实验室采用0.35%KCl），其优点有：①染色体轮廓清楚，可染色性强，染色时间短，②用于显带染色时能充分显示带型特点。 低渗处理为37℃，15－25分钟，以预设实验条件为准。
三、固定液
固定液的重要特性是能迅速穿透细胞，将其固定并维持染色体结构的完整性，还要能够增强染色体的嗜碱性，达到优良染色效果。
单纯的固定液一般难以达到这些要求，因此在实验中使用两种混和的固定液。由于Carnoy首先使用的甲醇和冰乙酸混合液而称的卡诺氏固定液是效果良好的固定液。Carnoy固定液（甲醇:冰乙酸=3:l）每次使用前需临时配制，长时间放置影响固定效果，固定时间15分钟至24小时，冰箱、室温均可。必要时可改变甲醇和冰乙酸的比例，冰乙酸比例增加，利于细胞膨胀、染色体铺展，但易导致细胞破裂、染色体散失。
四、滴片
滴片使细胞悬液从一定高处落在载玻片上，淋巴母细胞膜破裂，染色体分散开。载玻片可用冰片和干片，效果均好。滴片后需空气干燥。
五、Giemsa染色
Giemsa染料不是一种单一染料，而是天青、伊红、甘油和甲醇的混合物，配制后原液储存。在常规染色中，并不比其他染料优越，但在显带技术中，却是无可比拟的。 Giemsa工作液在使用前临时配制，浓度可在2.5-10%之间（原液2份加pH7.4磷酸缓冲液10－40份）。染色后，染色质呈红色，细胞核是蓝色。